JP7277421B2 - Exoskeleton device - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 令和2年3月23日~令和2年5月11日 Readyfor社のクラウドファンディングApplication of Patent Law Article 30, Paragraph 2 March 23, 2020 to May 11, 2020 Crowdfunding by Readyfor

本発明は、内骨格を有する部位を内包するための外骨格装置に関する。 The present invention relates to an exoskeleton device for encapsulating a site having an endoskeleton.

従来の外骨格装置は、内骨格を有する部位を内包するための外骨格構造をもち、身体に装着して使用する外骨格装置が公知であるが(例えば、特許文献1)、外骨格による内骨格の内包に関して、着脱方法と連結方法に問題があった。特に、外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた統一的な構成の着脱機構と連結機構による、関節角の時系列データの保存と操作ができる制御システムを設けた外骨格装置に改善の余地があった。 A conventional exoskeleton device has an exoskeleton structure for enclosing a part having an endoskeleton, and an exoskeleton device that is worn on the body for use is known (for example, Patent Document 1). Regarding the inclusion of the skeleton, there were problems with the attachment and detachment method and the connection method. In particular, it is improved to an exoskeleton device equipped with a control system that can store and operate time-series data of joint angles by a unified attachment/detachment mechanism and connection mechanism based on the geometrical relationship between the exoskeleton and the endoskeleton. There was room for

また、身体の一部に対する、内骨格を有する部位を内包するための外骨格装置(例えば、特許文献2)においても、着脱方法と連結方法において、同様の改善の余地があった。 Also, an exoskeleton device for encasing a part of the body having an endoskeleton (for example, Patent Literature 2) also has room for improvement in terms of attachment and detachment methods and connection methods.

特開2002-346960号公報JP-A-2002-346960 特開2016-2123号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-2123

READYFOR株式会社のクラウドファンディング、大西輝尚のプロジェクト、人工筋を内蔵する樹脂製の作業介助服をつくろう、実施期間は2020.3.23~2020.5.11。Crowdfunding by READYFOR Co., Ltd., Teruhisa Onishi's project, let's make a work clothes made of resin with built-in artificial muscles, implementation period 2020.3.23-2020.5.11.

本発明は、以上のような従来の欠点に鑑み、内骨格を有する各部位を内包するための外骨格装置であって、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した外骨格構造と、外骨格構造を身体に装着するための着脱装置と、着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造を、ソフトウエア・ダンパー駆動プログラムを内蔵させたマイコン装置を内装した人工筋装置で連結して、外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた、関節角の時系列データの保存と操作ができる制御システムを設けた外骨格装置を提供する。 In view of the above-described drawbacks of the conventional art, the present invention provides an exoskeleton device for enclosing each part having an endoskeleton, wherein the shell-shaped structure enclosing the part having the endoskeleton is divided into halves. An artificial muscle device with a built-in microcomputer that incorporates a software damper driving program for the structure, the attachment / detachment device for attaching the exoskeleton structure to the body, and the adjacent exoskeleton structure attached to the body by the attachment / detachment device. An exoskeleton device is provided that couples with a control system capable of storing and manipulating time-series data of joint angles based on the geometrical relationship of the exoskeleton and endoskeleton.

本発明は、図9の内骨格74、75を有する各部位を内包するための図1の外骨格構造150であって、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した図4の外骨格装置100と、外骨格構造を身体に装着するための図5の着脱装置と、着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造を図6、図7の人工筋装置で連結してなる外骨格装置であることを主な特徴とする。 The present invention is the exoskeleton structure 150 of FIG. 1 for enclosing each part having the endoskeleton 74, 75 of FIG. The exoskeleton device 100 , the attachment/detachment device of FIG. The main feature is that it is an exoskeleton device.

そして、人工筋装置は、着脱装置の機構に加えて、図6の板バネ51、直動DCモーター駆動軸52,直動DCモーターハウジング53,力センサー押さえ59、直動DCモーターと制御装置の格納箱54、人工筋装置用バネ56,57、直動DCモーターの両側のバネの先端に設置する力センサー60,61、及びソフトウエア・ダンパー駆動プログラムを内蔵したマイコン装置63、ドライバー64、蓄電池65を配置した複数個の人工筋装置300による、統一的な構成の、着脱機能と人工筋機能を設けた外骨格装置であることを特徴とする。 In addition to the mechanism of the attachment/detachment device, the artificial muscle device includes the plate spring 51, the direct-acting DC motor drive shaft 52, the direct-acting DC motor housing 53, the force sensor holder 59, the direct-acting DC motor, and the controller shown in FIG. Storage box 54, artificial muscle device springs 56, 57, force sensors 60, 61 installed at the tips of the springs on both sides of the direct-acting DC motor, microcomputer device 63 with built-in software damper drive program, driver 64, storage battery It is characterized by being an exoskeleton device having a detachable function and an artificial muscle function with a unified configuration by a plurality of artificial muscle devices 300 with 65 arranged.

また、内骨格を有する各部位を内包する外骨格構造150に、外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた、関節角の時系列データの保存と操作ができる制御システムを設けた外骨格装置であることを特徴とする。 In addition, the exoskeleton structure 150 containing each part having an endoskeleton is provided with a control system capable of storing and manipulating time-series data of joint angles based on the geometrical relationship between the exoskeleton and the endoskeleton. It is characterized by being a skeletal device.

本発明の外骨格装置は、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した外骨格構造と、外骨格構造を身体に装着するための着脱装置と、着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造を人工筋装置で連結してなる装着と、連結が簡単な外骨格装置であることを特徴とする。 The exoskeleton device of the present invention comprises an exoskeleton structure obtained by halving a shell-shaped structure containing a part having an endoskeleton, an attachment/detachment device for attaching the exoskeleton structure to the body, and an attachment/detachment device attached to the body. It is characterized by being an exoskeleton device that is easy to attach and connect by connecting adjacent exoskeleton structures with an artificial muscle device.

そして、着脱機構に人工筋機構を加えて、統一的な構成の着脱装置と人工筋装置を設けてなる作業介助服の機能をもつ外骨格装置であることを特徴とする。 Further, the exoskeleton device is characterized by having the function of work assistance clothes, which is formed by adding an artificial muscle mechanism to the attachment/detachment mechanism, and providing an attachment/detachment device and an artificial muscle device with a unified structure.

また、外骨格構造に、外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた、関節角の時系列データの保存と操作ができる制御システムを設けてなる遠隔操作用の作業介助服の機能をもつ外骨格装置であることを特徴とする。 In addition, the exoskeleton structure is equipped with a control system that can store and operate time-series data of joint angles based on the geometric relationship between the exoskeleton and the endoskeleton. It is characterized by being an exoskeleton device with.

図1は、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を、半割した外骨格構造と、外骨格構造を身体に装着するための着脱装置取り付け部と、着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造に、人工筋装置を取り付けるための取り付け部を配置した外骨格構造150の斜視図である。(実施例1)FIG. 1 shows an exoskeleton structure in which a shell-shaped structure enclosing a part having an endoskeleton is divided into halves, an attachment/detachment device attaching portion for attaching the exoskeleton structure to the body, and an attachment portion attached to the body by the attachment/detachment device. 1 is a perspective view of an exoskeleton structure 150 with attachments for attaching an artificial muscle device to a mating exoskeleton structure. FIG. (Example 1) 図2は、図1の外骨格構造150を着脱装置で内骨格に装着して、人工筋装置で外骨格構造を連結する方法を示した外骨格装置100の斜視図である。(実施例2)FIG. 2 is a perspective view of the exoskeleton device 100 showing a method of attaching the exoskeleton structure 150 of FIG. (Example 2) 図3は、図2の外骨格装置の正面図である。(実施例2)3 is a front view of the exoskeleton device of FIG. 2; FIG. (Example 2) 図4は、図2の外骨格装置の側面図である。(実施例2)4 is a side view of the exoskeleton device of FIG. 2; FIG. (Example 2) 図5は、着脱装置200を示す斜視図(a)と、着脱装置取り付け部を取り外した着脱装置の平面図(b)と外骨格構造に取り付けた着脱装置の一部の側面図(c)である。(実施例3)FIG. 5 is a perspective view (a) showing the attachment/detachment device 200, a plan view (b) of the attachment/detachment device with the attachment/detachment attachment part removed, and a side view (c) of part of the attachment/detachment device attached to the exoskeleton structure. be. (Example 3) 図6は、人工筋装置300を示す斜視図(a)と、人工筋装置の取り付け装置を取り除いた斜視図(b)と、図6(a)のDCモーターと制御装置の格納箱54の蓋55を取り除いた斜視図(c)である。(実施例4)FIG. 6 is a perspective view (a) showing the artificial muscle device 300, a perspective view (b ) with the attachment device of the artificial muscle device removed, and a lid of the storage box 54 for the DC motor and control device in FIG. 6(a). Fig. 10 is a perspective view (c ) with 55 removed; (Example 4) 図7は、図6(c)の正面図(a)と、制御部の格納箱54の正面図(b)と、人工筋装置300の直動アクチュエーター部600の斜視図(c)である。(実施例4)FIG. 7 is a front view (a ) of FIG. 6(c), a front view (b ) of the storage box 54 of the control section, and a perspective view (c) of the direct acting actuator section 600 of the artificial muscle device 300. FIG. (Example 4) 図8は、内骨格を有する部位69において隣り合う内骨格74,75と、それを内包する外骨格構造70,71との関係を示したものである。(実施例5)FIG. 8 shows the relationship between the adjacent endoskeleton 74, 75 and the exoskeleton structures 70, 71 enclosing them in the site 69 having the endoskeleton. (Example 5) 図9は、隣り合う内骨格74,75の関節角が人工筋装置で操作された場合の、外骨格構造70,71の関節角との関係を、関節角αで近似するための幾何学的関係の説明図である。(実施例5)FIG. 9 shows a geometric model for approximating the relationship between the joint angles of the exoskeleton structures 70 and 71 with the joint angles α when the joint angles of the adjacent endoskeleton structures 74 and 75 are manipulated by the artificial muscle device. FIG. 4 is an explanatory diagram of the relationship; (Example 5) 図10は、人工筋装置300の制御システム80をブロック線図で示した説明図である。(実施例6)FIG. 10 is an explanatory diagram showing the control system 80 of the artificial muscle device 300 in block diagram form. (Example 6)

以下、本発明の実施形態を図1~図10に基づいて説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.

図1は本発明の実施形態に係る、外骨格構造150を示す斜視図であり、各々の半割した外骨格構造1a,1b,2に複数個の着脱装置取り付け部3a,3b~8a,8bを配置し、外骨格構造1a,1b,2の周囲に、複数個の人工筋装置取り付け部9a,9b~11a,11bを配置する。内骨格全体は、体幹から頸椎を経て頭部に分岐しており、そして、肩関節、肘関節、手根関節、及び指関節をもつ上肢に分岐して、さらに、股関節、膝関節、距腿関節、及び足指関節をもつ下肢に分岐しているので、統一的な構成の、着脱機能と人工筋機能を設けた外骨格装置を提供する。2点鎖線は切り取るか、湾曲させる。指先では閉じて使用する。 FIG. 1 is a perspective view showing an exoskeleton structure 150 according to an embodiment of the present invention, in which each half of the exoskeleton structure 1a, 1b, 2 has a plurality of detachable device mounting portions 3a, 3b to 8a, 8b. are placed, and a plurality of artificial muscle device attachment parts 9a, 9b to 11a, 11b are placed around the exoskeleton structures 1a, 1b, 2. The entire endoskeleton branches from the trunk through the cervical spine into the head, and into the upper extremities with shoulder, elbow, wrist, and finger joints, and further into the hip, knee, and ankle joints. To provide an exoskeleton device having an attachable/detachable function and an artificial muscle function with a unified configuration because it branches into a lower limb having a thigh joint and a toe joint. Cut or curve the dash-dotted line. Use your fingertips closed.

図2は、内骨格を有する部位を内包する殻型の外骨格装置100を示す斜視図であり、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した外骨格構造と、外骨格構造の1a,1b,2を身体に装着するための着脱装置取り付けカバー20a,20b~25a,25bと、着脱装置により、身体に装着した隣り合う外骨格構造を複数の人工筋装置取り付けカバー26a,26b~28a,28bで連結してなる外骨格装置である。 FIG. 2 is a perspective view showing a shell-type exoskeleton device 100 that encloses a portion having an endoskeleton. Detachable device mounting covers 20a, 20b to 25a, 25b for attaching 1a, 1b, 2 of 1 to the body, and a plurality of artificial muscle device mounting covers 26a, 26b for attaching adjacent exoskeleton structures attached to the body by the detachable device. It is an exoskeleton device connected by ~28a and 28b.

図3は、外骨格装置100の正面図であり、外骨格構造の1a,1b,2の各々の取り付け部3a,3b~8a,8bに、着脱装置取り付けカバー20a,20b~25a,25bと人工筋装置取り付けカバー26a,26b~28a,28bを取り付けた図である。 FIG. 3 is a front view of the exoskeleton device 100, and detachable device mounting covers 20a, 20b to 25a, 25b and artificial FIG. 10 is a diagram of attaching muscle device attachment covers 26a, 26b to 28a, 28b.

図4は外骨格装置100の側面図であり、外骨格構造の各々の取り付け部に、着脱装置と人工筋装置を取り付けた図である。 FIG. 4 is a side view of the exoskeleton device 100, showing attachment and detachment devices and artificial muscle devices attached to respective attachment portions of the exoskeleton structure.

図5(a)は、着脱装置200の斜視図である。着脱装置取り付けカバー20aと着脱装置取り付けカバー20bを外骨格構造1a,1b,2の取り付け部の溝に沿って、両サイドからスライドさせて挿入後、レバー40a,40bを操作して、外骨格装置100を身体に着装する。図5(b)は着脱装置200の取り付けカバー20a,20bを取り除いた状態の着脱装置201の上面図である。レバー40a,40bとレバー閉じ用バネ41とレバー支点台42は着脱装置取り付けカバー20aに内装しておく。フック43と2つの着脱力調整用バネ44aとフック台45は着脱装置取り付けカバー20bに内装しておく。レバー40a,40bを操作してレバー先端を開き、フック43を挿入した時点で、レバー閉じバネ41によりフック43を固定する。レバーを操作して開かない限りフック43は外れない。また、着脱装置200は着脱力調整バネ44aのバネ定数を選択することにより装着時の柔らかい密着性を提供できる。図5(c)は着脱装置200を外骨格構造1aの取り付け部3aに装着した場合の側面図の一部を示す。着脱装置取り付けカバー20a、20bにより、外骨格構造1a,1b,2の着脱装置取り付け部3a,3bの停止位置3c,3dまでスライドさせた後にレバー40a,40bを用いて外骨格構造1a,1b,2を連結する。他の取り付け部も同様に着脱する。 FIG. 5(a) is a perspective view of the attachment/detachment device 200. FIG. After inserting the removable device mounting cover 20a and the removable device mounting cover 20b by sliding them from both sides along the grooves of the mounting portions of the exoskeleton structures 1a, 1b, and 2, the levers 40a and 40b are operated to attach the exoskeleton device. Wear 100 on your body. FIG. 5B is a top view of the attachment/detachment device 201 with the attachment covers 20a and 20b of the attachment/detachment device 200 removed. The levers 40a, 40b, the lever closing spring 41, and the lever fulcrum 42 are housed inside the attachment/detachment device attachment cover 20a. The hook 43, the two attaching/detaching force adjustment springs 44a, and the hook base 45 are housed in the attaching /detaching device attachment cover 20b. When the lever ends are opened by operating the levers 40a and 40b and the hook 43 is inserted, the hook 43 is fixed by the lever closing spring 41.例文帳に追加The hook 43 does not come off unless the lever is operated to open. Further, the attachment/detachment device 200 can provide soft adhesion at the time of attachment by selecting the spring constant of the attachment/detachment force adjustment spring 44a. FIG. 5(c) shows a part of a side view when the attachment/detachment device 200 is attached to the attachment portion 3a of the exoskeleton structure 1a. After sliding the attachment/detachment device attachment sections 3a, 3b of the exoskeleton structures 1a, 1b , 2 to the stop positions 3c, 3d using the attachment/detachment device attachment covers 20a, 20b, the exoskeleton structure 1a is mounted using the levers 40a, 40b. ,1b,2 are concatenated. Other mounting parts are also attached and detached in the same manner.

図1~図5により、内骨格を有する各部位を内包するための外骨格装置であって、内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した外骨格構造1a,1b,2と、外骨格構造を身体に装着するための着脱装置200により、外骨格による内骨格の内包に関して統一的な構成が提供できるようにしたことで、従来の技術に比し有利な外骨格装置100を提供する。 1 to 5, an exoskeleton device for enclosing each part having an endoskeleton, which is an exoskeleton structure 1a, 1b, 2 obtained by dividing a shell-type structure enclosing a part having an endoskeleton in half. The attachment/detachment device 200 for attaching the exoskeleton structure to the body can provide a unified configuration for encapsulation of the endoskeleton by the exoskeleton. offer.

図6(a)は人工筋装置300の斜視図であり、人工筋装置取り付けカバー26a、26bにより、外骨格構造1a,1b,2の人工筋装置取り付け部9a,9b~11a,11bの人工筋装置取り付け部のストッパー部9c,9d~11c,11dまでスライドさせた後に、レバー40a,40bを用いて外骨格構造を連結する。 FIG. 6(a) is a perspective view of the artificial muscle device 300 , and the artificial muscle device mounting portions 9a, 9b to 11a, 11b of the exoskeleton structures 1a, 1b, 2 are connected by the artificial muscle device mounting covers 26a, 26b. After sliding to the stopper portions 9c, 9d to 11c, 11d of the artificial muscle device attachment portion , the exoskeleton structure is connected using the levers 40a, 40b.

図6(b)は人工筋装置取り付けカバー26a、26bを取り除いた人工筋装置の内部構造400の斜視図であり、フック50、板バネなどで構成する板バネ51、直動DCモーター駆動軸52、ストッパー62は直動DCモーターにより一体で動く。直動DCモーターハウジング53と制御装置は直動DCモーターと制御装置の格納箱54に入れて、蓋55をする。従って、人工筋装置取り付けカバー26a、26bと直動アクチュエーター部は人工筋装置用バネ56,57により人工筋肉として連動して動く。直動DCモーター駆動軸52にはストッパー62がついており、電力の供給が停止した場合には、直動DCモーター駆動軸とハウジングはフリーとなり、板バネ51とストッパー62の間の任意の位置で停止する。 FIG. 6(b) is a perspective view of the internal structure 400 of the artificial muscle device with the artificial muscle device mounting covers 26a and 26b removed. , the stopper 62 is moved integrally by a direct-acting DC motor. The linear DC motor housing 53 and controller are placed in the linear DC motor and controller storage box 54 and covered with a lid 55 . Therefore, the artificial muscle device attachment covers 26a and 26b and the direct acting actuator section move together as artificial muscles by the springs 56 and 57 for the artificial muscle device. The direct-acting DC motor drive shaft 52 is provided with a stopper 62. When the power supply is stopped, the direct-acting DC motor drive shaft and the housing become free, and any position between the plate spring 51 and the stopper 62 is free. Stop.

図6(c)は図(b)の人工筋装置の内部構造400の蓋55を取り外した人工筋装置の制御機構450の斜視図である。人工筋装置用フック50、板バネ51、直動DCモーター駆動軸52、ストッパー62は一体で動作し、人工筋装置の制御部となるマイコン装置63、ドライバー64、蓄電池65、直動DCモーターの両側のバネの先端に設置する力センサー60,61は直動アクチュエーターとして一体で動作するので、人工筋装置用バネ56,57を介して直動アクチュエーターが動き、さらにその直動アクチュエーターの長さを直動DCモーターで変えることができるので、人工筋の効果を提供できる。 FIG. 6(c) is a perspective view of the control mechanism 450 of the artificial muscle device with the lid 55 of the internal structure 400 of the artificial muscle device of FIG. 6 (b) removed. The artificial muscle device hook 50, leaf spring 51, linear motion DC motor drive shaft 52, and stopper 62 operate as a single unit. Since the force sensors 60 and 61 installed at the tips of the springs on both sides operate integrally as a linear actuator, the linear actuator moves via the artificial muscle device springs 56 and 57, and the length of the linear actuator is determined. It can be changed with a direct-acting DC motor, so it can provide the effect of an artificial muscle.

図7(a)は人工筋装置300の伸縮部を構成する人工筋装置の伸縮機構500の正面図で、DCモーターのハウジング53と制御装置を格納箱54に格納しておき、人工筋装置用バネ56,57で人工筋装置取り付け部を伸縮させる。人工筋装置用フック50、板バネ51、直動DCモーター駆動軸52と人工筋装置用バネ56、57と力センサー60,61は移動量L66と移動量X67とを示す。電源が入力されると、直動DCモーターと人工筋装置用バネが対になって動くので、パソコンに内蔵したソフトウエア・ダンパープログラムにより、人工筋装置を構成する。 FIG. 7(a) is a front view of the extension mechanism 500 of the artificial muscle device that constitutes the extension part of the artificial muscle device 300. The housing 53 of the DC motor and the control device are stored in the storage box 54, and the artificial muscle device can be used. Springs 56 and 57 expand and contract the artificial muscle device mounting portion. The artificial muscle device hook 50, the leaf spring 51, the direct-acting DC motor drive shaft 52, the artificial muscle device springs 56 and 57, and the force sensors 60 and 61 indicate a movement amount L66 and a movement amount X67. When the power is input, the direct-acting DC motor and the spring for the artificial muscle device move in pairs.

図7(b)は人工筋装置の制御装置格納箱550の正面図である。両サイドに2つの人工筋装置用バネ56,57を配置して、力センサー押さえ58,59で、板バネの長さLとコイルばねの変位Xに応じて、力センサー60,61を押さえる。 FIG. 7(b) is a front view of the control device storage box 550 of the artificial muscle device . Two artificial muscle device springs 56 and 57 are arranged on both sides, and force sensor holders 58 and 59 press force sensors 60 and 61 according to the length L of the leaf spring and the displacement X of the coil spring.

図7(c)は人工筋装置300の直動アクチュエーター部600を示す斜視図であり、フック50、板バネ51、直動DCモーター駆動軸52がDCモーターのハウジング53に対して移動する。 FIG. 7(c) is a perspective view showing the direct acting actuator section 600 of the artificial muscle device 300, in which the hook 50, leaf spring 51, and direct acting DC motor drive shaft 52 move with respect to the housing 53 of the DC motor.

図7により、身体に装着した隣り合う外骨格構造1a,1b,2を連結するための人工筋装置300に、板バネ51、直動DCモーター駆動軸52,直動DCモーターハウジング53,力センサー押さえ59、直動DCモーターと制御装置の格納箱54、人工筋装置用バネ56,57、力センサー60,61、及びソフトウエア・ダンパー駆動プログラムを内蔵したマイコン装置63、ドライバー64、蓄電池65を配置した複数個の人工筋装置を設けて、これを身体の内骨格を有する各部位に適用できるようにしたことで、従来の技術に比し有利な外骨格装置を提供する。 According to FIG. 7, an artificial muscle device 300 for connecting adjacent exoskeleton structures 1a, 1b, 2 attached to the body includes a plate spring 51, a direct-acting DC motor drive shaft 52, a direct-acting DC motor housing 53, and a force sensor. Presser 59, linear DC motor and control device storage box 54, artificial muscle device springs 56, 57, force sensors 60, 61, microcomputer device 63 with built-in software damper drive program, driver 64, storage battery 65 To provide an exoskeleton device that is more advantageous than conventional techniques by providing a plurality of arranged artificial muscle devices and applying them to each part of the body having an endoskeleton.

図8、図9は内骨格74,75と着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造70,71を複数個の人工筋装置300で連結してなる外骨格装置の関節角の幾何学的な関係の初期状態を0としてαで表したものである。図8は人工筋相当部76,77,78と長さL1,L2,L3と内骨格74,75の初期状態を示し、図9は人工筋相当部がL1、L2、L3からL1+X1、L2+X2、L3+X3に変化することを示す。 8 and 9 show the geometrical joint angles of an exoskeleton device in which endoskeleton 74, 75 and adjacent exoskeleton structures 70, 71 attached to the body by attachment/detachment devices are connected by a plurality of artificial muscle devices 300. The initial state of the relationship is 0, and is represented by α. Fig. 8 shows the initial state of artificial muscle equivalents 76, 77, 78, lengths L1, L2, L3, and endoskeleton 74, 75. It shows that it changes to L2+X2 and L3+X3.

その場合には、図8、図9の外骨格構造70,71の仮想楕円72,73上の各3点に人工筋機構が取り付けられた状態になるので、内骨格は、その楕円上の各三角形を貫通する状態となる。従って、関節点をA、貫通点をB,Cとすれば、三角形ABCは関節角αに従い、人工筋相当部76,77,78に従属する。ここでBC=a、CA=b、AB=cとすれば、人工筋の伸縮により三角形ABCが決まり、余弦定理により関節角αが決まる。従って、人工筋相当部をLn+Xnとして伸縮量をXn(n=1,2,3)とすると、近似的に[数1]が成立する。 In that case, the artificial muscle mechanism is attached to each of three points on the virtual ellipses 72 and 73 of the exoskeleton structures 70 and 71 in FIGS. It will pass through the triangle. Therefore, if the joint point is A and the through points are B and C, the triangle ABC follows the joint angle α and is subordinate to the artificial muscle equivalents 76, 77, and 78. If BC = a, CA = b, and AB = c, the extension and contraction of the artificial muscle determines the triangle ABC, and the cosine law determines the joint angle α. Therefore, if the artificial muscle equivalent portion is Ln+Xn and the expansion/contraction amount is Xn (n=1, 2, 3), [Equation 1] is approximately established.

[数1]
a2=b2+c2-2・b・c・cosα
∴α=cos-1(b2+c2-a2)/(2bc))
=cos-1(f(a、b、c))
[Number 1]
a2=b2+c2-2・b・c・cos α
∴α=cos-1 ( (b2+c2-a2)/(2bc))
=cos-1(f(a,b,c))

人工筋装置用バネの変位X1、X2、X3に対する伸縮力はバネ定数をkとして、Nn=k・Xn(n=1,2,3)となる。直動DCモーターの出力En時の速度Vn、人工筋装置用バネの伸縮量をXn、力センサーの出力Fnとすれば、[数2]が成立する。The elastic force with respect to the displacements X1, X2, and X3 of the artificial muscle device spring is Nn=k·Xn (n=1, 2, 3) where k is the spring constant. If the velocity Vn at the time of the output En of the direct-acting DC motor, the amount of expansion and contraction of the artificial muscle device spring is Xn, and the output Fn of the force sensor, [Equation 2] is established.

[数2]
Vn=dX/dt Vn:人工筋装置の速度
Fn = k・∫(Vn)dt = kX
[Number 2]
Vn=dX/dt Vn: Velocity of artificial muscle device
Fn = k・∫(Vn)dt = kX

図10は、人工筋装置における制御システム80のブロック線図である。ソフトウエア・ダンパーと力センサー入力の差(Rn-Fn)の入力に対して、ソフトウエア・ダンパーの出力はEnであるが、直動DCモーター駆動軸52の速度(Vn=dx/dt)から積分値として人工筋長(Ln)が決まり、人工筋装置用バネ力(Fn)が変化して、力センサー60,61の値(Fn)がフィードバックされて人工筋の作用をするので、ソフトウエア・ダンパー(Rn-Fn)は0に近づき、人工筋の作用が得られる。Rnは直動DCモーターの電源が入力された時点で決まる値である。 FIG. 10 is a block diagram of control system 80 in an artificial muscle device. For the input of the difference between the software damper and the force sensor input (Rn-Fn), the output of the software damper is En, but from the velocity of the linear DC motor drive shaft 52 (Vn=dx/dt) The artificial muscle length (Ln) is determined as an integral value, the spring force (Fn) for the artificial muscle device changes, and the values (Fn) of the force sensors 60 and 61 are fed back to act on the artificial muscle.・The damper (Rn-Fn) approaches 0, and the action of the artificial muscle can be obtained. Rn is a value determined when power is input to the direct-acting DC motor .

図6~図10により、内骨格を有する各部位に対して外骨格による統一的な内包が提供できるようにしたことに加えて、着脱装置200により身体に装着した隣り合う外骨格構造1a,1b,2を外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた人工筋装置300を用いて連結して、関節角の時系列データの操作と保存を行う制御システム80を構成できるようにしたことで、従来の技術に比し有利な外骨格装置100を提供する。 6 to 10, in addition to providing a unified encapsulation by the exoskeleton for each part having an endoskeleton, the adjacent exoskeleton structures 1a and 1b attached to the body by the attachment/detachment device 200 , 2 by using an artificial muscle device 300 based on the geometrical relationship between the exoskeleton and the endoskeleton to configure a control system 80 for manipulating and storing time-series data of joint angles. Thus, an exoskeleton device 100 is provided which is advantageous over the prior art.

外骨格装置は、必要な姿勢保持に利用できる。 An exoskeleton device can be used for necessary postural maintenance.

外骨格装置の人工筋装置は、関節角の動作に対して、筋肉と同様な作業介助に利用できる。 The artificial muscle device of the exoskeleton device can be used for the same work assistance as the muscle for the movement of the joint angle.

関節角の時系列データの保存と操作は、自身の存在地点での関節角のデータを保存して、遠隔地点での分身の関節角の操作に利用できる。 The storage and manipulation of joint angle time-series data can be used to store the joint angle data at the point of existence of oneself and to manipulate the joint angles of the alter ego at a remote point.

1a、1b、2 殻型の構造を半割した外骨格構造
20a,20b~25a,25b 着脱装置取り付けカバー
26a,26b~28a,28b 人工筋装置取り付けカバー
3a,3b~8a,8b 着脱装置取り付け部
3c,3d~8c,8d 着脱装置取り付け部のストッパー部
9a,9b~11a,11b 人工筋装置取り付け部
9c,9d~11c,11d 人工筋装置取り付け部のストッパー部
40a、40b レバー
41 レバー閉じ用バネ
42 レバー取り付け台
43 着脱用フック
44a、44b 着脱力調整用バネ
50 人工筋装置用フック
51 板バネ
52 直動DCモーター駆動軸
53 直動DCモーターハウジング
54 直動DCモーターと制御装置の格納箱
55 蓋
56、57 人工筋装置用バネ
58、59 力センサー押さえ
60、61 力センサー
62 ストッパー
63 マイコン装置
64 ドライバー
65 蓄電池
66 直動DCモーターの移動量
67 人工筋装置用バネの伸び
69 内骨格を有する部位
70、71 外骨格構造
72、73 人工筋装置取り付け位置表示楕円
74、75 内骨格
76、77、78 人工筋装置
80 制御システム
100 外骨格装置
150 外骨格構造
200 着脱装
201 取り付けカバーを外した着脱装置
300 人工筋装置
450 人工筋装置の制御機構
500 人工筋装置の伸縮機構
550 人工筋装置の制御装置格納箱
600 人工筋装置の直動アクチュエーター部
1a, 1b, 2 Exoskeleton structure with half shell structure
20a, 20b to 25a, 25b Removable device installation cover
26a, 26b to 28a, 28b Artificial muscle device attachment cover
3a, 3b to 8a, 8b Removable device mounting part
3c, 3d to 8c, 8d Stopper part of attaching/detaching device
9a,9b~11a,11b Artificial muscle device attachment part
9c,9d~11c,11d Stopper part of artificial muscle device attachment part
40a, 40b lever
41 Lever closing spring
42 Lever mount
43 Attachment/detachment hook
44a, 44b Springs for adjusting attachment/detachment force
50 hook for artificial muscle device
51 leaf spring
52 Direct-acting DC motor drive shaft
53 Linear DC motor housing
54 Enclosure for linear DC motors and controllers
55 Lid
56, 57 Springs for artificial muscle devices
58, 59 Force sensor presser
60, 61 force sensor
62 stopper
63 Microcomputer equipment
64 drivers
65 Battery
66 Travel of direct-acting DC motor
67 Elongation of springs for artificial muscle devices
69 Parts with endoskeleton
70, 71 Exoskeleton
72, 73 Artificial muscle device installation position display ellipse
74, 75 Endoskeleton
76, 77, 78 Artificial muscle devices
80 control system
100 Exoskeleton
150 Exoskeleton
200 Attachment/detachment device
201 Attachment/Removal Device with Mounting Cover Removed
300 artificial muscle device
450 Control Mechanism of Artificial Muscle Device
500 Stretching Mechanism of Artificial Muscle Device
550 Control box for artificial muscle device
600 Linear Actuator of Artificial Muscle Device

Claims (3)

内骨格を有する各部位を内包するための外骨格装置であって、
内骨格を有する部位を内包する殻型の構造を半割した外骨格構造と、
外骨格構造を身体に装着するための着脱装置と、
着脱装置により身体に装着した隣り合う外骨格構造を連結する3個の人工筋装置とを備えており、
3個の人工筋装置は、直動DCモーターで長さを変えられる直動アクチュエーターを構成しており、
3個の人工筋装置は、外骨格構造を身体に装着したときに、一方の端部の3点及び他方の端部の3点で、それぞれ仮想楕円上に三角形を形成し、内骨格が各三角形を貫通する状態にでき、隣り合う2つの内骨格が接触する点である関節点をA、各三角形の貫通点をB、Cとすると、関節点Aにおける関節角αを頂角とする三角形ABCが形成されるようにし、
3個の人工筋装置の長さを変えることで、前記角αの操作を可能にした外骨格装置。
An exoskeleton device for containing each part having an endoskeleton,
an exoskeleton structure obtained by halving a shell-shaped structure encapsulating a part having an endoskeleton;
an attachment/detachment device for attaching the exoskeleton structure to the body;
and three artificial muscle devices that connect adjacent exoskeleton structures attached to the body by a detachable device,
The three artificial muscle devices constitute a linear actuator that can change the length with a linear DC motor.
When the exoskeleton structure is attached to the body, the three artificial muscle devices form a triangle on a virtual ellipse at three points on one end and three points on the other end, respectively. A triangle can be made to pass through, and the joint point at which two adjacent endoskeleton come into contact is A, and the piercing points of each triangle are B and C. Allow the ABC to form,
An exoskeleton device that enables manipulation of the joint angle α by changing the lengths of three artificial muscle devices.
板バネ、直動DCモーターと制御装置の格納箱、人工筋装置用バネ、力センサー、及びソフトウエア・ダンパー駆動プログラムを内蔵したマイコン装置、ドライバー、蓄電池を配置した3個の人工筋装置を設けた、請求項1記載の外骨格装置。 Three artificial muscle devices are installed: leaf springs, direct-acting DC motors, storage boxes for control devices, springs for artificial muscle devices, force sensors, microcomputers with built-in software and damper drive programs, drivers, and storage batteries. The exoskeleton device of claim 1. 外骨格と内骨格の幾何学的な関係に基づいた、前記関節角αの時系列データの保存と操作ができる制御システムを設けた請求項2記載の外骨格装置。 3. The exoskeleton device according to claim 2, further comprising a control system capable of storing and manipulating the time-series data of the joint angle α based on the geometrical relationship between the exoskeleton and the endoskeleton.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013233406A (en) 2012-04-09 2013-11-21 Eiji Kawanishi Walking assist device
JP2019126668A (en) 2018-01-26 2019-08-01 学校法人 中央大学 Control method of assist device, and assist device
JP2019531136A (en) 2016-10-05 2019-10-31 フォンダツィオーネ・イスティトゥート・イタリアーノ・ディ・テクノロジャFondazione Istituto Italiano Di Tecnologia Exoskeleton for the lower limb
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Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3167044B2 (en) * 1992-02-13 2001-05-14 日本トムソン株式会社 DC linear motor and linear motion unit having the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013233406A (en) 2012-04-09 2013-11-21 Eiji Kawanishi Walking assist device
JP2019531136A (en) 2016-10-05 2019-10-31 フォンダツィオーネ・イスティトゥート・イタリアーノ・ディ・テクノロジャFondazione Istituto Italiano Di Tecnologia Exoskeleton for the lower limb
JP2020500732A (en) 2016-10-13 2020-01-16 デフィ,インコーポレーテッド Unidirectional exoskeleton device
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