JP4989278B2 - 下肢パワー増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、高齢者等の歩行補助、重労働作業現場の移動補助などに用いられる下肢パワー増幅装置に関する。

高齢者等の歩行補助、重労働作業現場の移動補助などに用いられる下肢パワー増幅装置が提案されている。この下肢パワー増幅装置は、常時搭乗している人間の体重を支える必要がある。定常的に重量を支える必要がある場合、機器の軽量化や消費エネルギーの低減のため、バネによる自重補償機能を用いるのが一般的である。

このような自重補償機能としては、例えば、特許文献１（特開２００３−１８１７８９号公報）などに開示されている。

この自重補償機能は、基台に一端が枢着されたリンクと、一端が固定端となっているとともに前記リンクの基台との枢着部の垂直上方の作用点を経て他端が前記リンクに連結したばね部材とを有し、前記リンクには該リンクの回動により一定姿勢を保って変移する作動体が取り付けられる機械的自重補償装置であって、前記リンク及び作動体の自重トルクを前記リンクの角度に依存することなく前記ばね部材の弾性力により補償するものであるので、角度のファクターに拘束されることがなく、空間内の直交３軸、すなわちピッチ軸、ヨー軸及びロール軸に対する多自由度を確保することができる。
特開２００３−１８１７８９号公報

しかし、下肢パワー増幅装置は、人間の下肢の動作をアシストするものであり、人間の下肢の動作、例えば、歩行動作に対してスムーズに動作するように構成されている必要がある。歩行動作は、直立した状態から片足を立脚とするとともに、他方の脚を遊脚として持ち上げ、その状態で遊脚の膝を曲げた状態で前方向に投げ出す。そして、遊脚の膝を伸ばしながら、遊脚を前方に着地させるという動作を繰り返し行うこととなる。

ところで、このような自重補償機能を下肢パワー増幅装置の膝部関節に適用した場合、常時搭乗している人間の体重及び機器の重量を支えるため、膝部関節を伸ばした状態に補償することとなる。したがって、地面に接地している立脚については、このような自重補償機能が有効に機能し、膝部が重力で折れ曲がることを抑制することができる一方で、遊脚については、自重補償機能が膝を曲げるという動作の障害となる。

すなわち、自重補償機能で膝関節を伸ばした状態に補償されているため、遊脚の膝を曲げる動作においては、自重補償機能が障害となり、膝を曲げるための力が増大し大きなエネルギーを必要とする。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、下肢パワー増幅装置において、立脚には膝の曲がりを防止するのにアクチュエータの負荷を軽減することができるとともに遊脚には少ないエネルギーで膝を曲げることができ、立脚及び遊脚にそれぞれ有効に機能する自重補償機能を有する下肢パワー増幅装置を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、バネによる自重補償機能ではなく、リンク構造を工夫することによって上記目的を達成するものである。本発明は、以下の構成の下肢パワー増幅装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、搭乗者の下肢膝部の伸長動作に合わせて当該動作をアシストする下肢パワー増幅装置であって、
前記搭乗者が左右両足を載置させるペダルと、前記搭乗者が搭乗するサドルと、前記サドルと連結するベース部材と、前記ベース部材の左右側に前後左右方向に揺動可能に連結された脚部ユニットと、
を備え、
前記脚部ユニットは、大腿部支持部材と、上脚部材と、下脚部材と、上脚クランクと、伸縮可能に駆動する膝屈伸アクチュエータとを備え、
前記大腿部支持部材と、前記上脚部材と、前記下脚部材と、前記上脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する２辺を連結する連結点を関節とする４つの関節を有する四節機構を構成し、
前記下脚部材は、下端に設けられた下部連結点と、上端に設けられた上部連結点と、前記下部連結点と上部連結点を結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有し、前記ペダルが前記下部連結点に揺動可能に連結され、
前記大腿部支持部材は、前記ベース部材に前後左右に揺動可能に連結され、前記サドルの後方に位置する原点に対し後方に位置する第１連結点と、前記原点に対し下後方に位置する第２連結点と、前記原点に対し下方に位置し前記第１連結点と第２連結点とを接続する直線上の延長線近傍に位置する第３連結点とを有し、
前記上脚部材は、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第１連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、
前記上脚クランクは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第２連結点と、前記下脚部材の前記中間連結点と、に連結され、
前記膝屈伸アクチュエータは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第３連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、前記四節機構を構成する四辺形の対角線方向に伸縮駆動することによって前記四節機構を構成する前記四辺形を変形させて、前記脚部ユニットを駆動して屈伸動作させる、
ことを特徴とする下肢パワー増幅装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、さらに前記大腿部支持部材の前記第３連結点と前記下脚部材の前記上部連結点に連結され、前記大腿部支持部材と前記下脚部材とを近づけるように付勢するスプリングを備えることを特徴とする、第１態様の下肢パワー増幅装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記ペダル部の前記下脚部材との連結点の上方側に設けられたクランク連結点と前記上脚クランクの中間位置に設けられた中間連結点とを接続する下脚クランクをさらに備え、前記下脚部材と、前記ペダル部と、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する２辺を連結する連結点を関節とする４つの関節を有する第２の四節機構を構成することを特徴とする、第１又は第２態様の下肢パワー増幅装置を提供する。

本発明によれば、大腿部支持部材と上脚部材と膝屈伸アクチュエータとで略三角形の形で下脚部材が支持される。そして、上脚部材の長さは一定であるため、膝屈伸アクチュエータの伸張に伴い、上脚部材の上部連結点は後方に押し出され、大腿部支持部材の第１連結点を中心とし上脚部材の長さを半径とする円運動を行う。また、下脚部材は中間連結点に上脚クランクが設けられているため、中間連結点は、前記膝屈伸アクチュエータの伸長に伴い第３連結点を中心とし上脚クランクの長さを半径とする円運動を行う。大腿部支持部材と上脚部材と上脚クランクと下脚部材とで（第１の）四節機構を構成し、大腿部支持部材と、上脚部材と、上脚クランクと、のそれぞれの連結点を固定した状態で、下脚部材の上端が後方に移動することによって、上脚クランクに連結する下脚部材の配置方向を異ならせることができる。第１態様では、第３連結点は第１連結点の前方下側に位置しているため、上脚部材の上部連結点と中間連結点との配列方向は、上部連結点が後方へ移動するにしたがって上下方向から水平方向へ近づくような配置となる。

上記膝屈伸アクチュエータの伸長に伴い、下脚部材の上端が後方へ移動しつつ下脚部材が立った状態から水平方向へ近づくように倒れるように移動するため、上部連結点と中間連結点とを結ぶ延長線上に存在する下部連結点に固定されているペダルは略鉛直方向に持ち上げられ、膝の曲げ運動を行うことができる。

また、本発明の第２態様によれば、スプリングにより膝屈伸アクチュエータを縮める方向に力が付勢されているため、膝が伸長した状態を維持しやすくなる。

さらに、本発明の第３態様によれば、前記下脚部材、前記ペダル部、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する２辺を連結する連結点を関節とする４つの関節を有する第２の四節機構を形成することを特徴とする。このように下脚クランクを含む第２の四節機構を設けることで、下脚部材の水平方向への移動に伴い、ペダル部と下脚部材とがなす角度を自動的に調整することができ、ペダル部を常に一定の角度に維持することができる。

以下、本発明の下肢パワー増幅装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の下肢パワー増幅装置の外観構成を示す斜視図である。図２Ａは、図１の下肢パワー増幅装置の平面図、図２Ｂは、図１の下肢パワー増幅装置の正面図、図２Ｃは、図１の下肢パワー増幅装置に人間が搭乗した場合の側面図をそれぞれ示している。本明細書において本装置の位置関係を示すために、図１に示すようにＸＹＺ座標軸をそれぞれ、Ｘ軸が人間の前後方向、Ｙ軸が人間の左右方向、Ｚ軸が人間の上下方向と定義する。また、それぞれの軸において、Ｘ軸は前方向、Ｙ軸は左方向、Ｚ軸は上方向が正方向とする。

下肢パワー増幅装置１は、人間がペダル２に左右両足を載置させるとともにサドル３にまたがって起立状態で搭乗し、人間の下肢の動きをアシストする装置である。すなわち、人間の下肢の動き、例えば、歩行、股関節の動作、膝関節の屈伸等の動作に応じて構成部材が駆動し、人間の下肢の動きに用いられる力をアシストする。

下肢パワー増幅装置１は、サドル３と連結され搭乗者の臀部背後に沿うように設けられたベース部材４と、ベース部材４のＹ軸方向両側に前後左右方向に揺動可能に連結され、搭乗者の脚部に沿って延在する部材である２つの脚部ユニット５と、ベース部材４の上側に設けられ、搭乗者の背後から側方を通って前方に延在するハンドルユニット６とを備える。

ベース部材４は、Ｘ軸方向に間隔をおいて対向するように平行配置された一対のパネル部１０ａ，１０ｂを備えている。パネル部１０ａ，１０ｂは、略Ｔ字型の板状部材であり、一対のパネル部１０ａ，１０ｂの間に設けられたスペースは、下肢パワー増幅装置１を駆動させるための各種部材を搭載するための搭載空間１０ｃとして用いられる。

前方パネル部１０ａには、サドル３を固定するためのサドル固定部１１がＸ軸方向に突出して設けられている。サドル３は、搭乗者が着座するシート７とシート７の下側からＺ軸方向下向きに延在する連結部材８とを備える。連結部材８は、サドル固定部１１に対してＺ軸方向に固定位置を変更可能に固定され、固定位置を変更することで搭乗者の体格に合わせてペダル２からシート７までの距離を調整することができる。

脚部ユニット５は、人間の下肢に沿う方向に延在する部材であり、搭乗者の膝関節の屈伸運動に応じて屈伸動作を行う。

ベース部材４と２つの脚部ユニット５は、連結具１２によって前後左右方向に揺動可能に連結される。２つの脚部ユニット５のＹ軸方向の間隔は、搭乗者の骨盤の幅程度に構成されていることが好ましい。連結具１２はＸ軸方向沿いの連結軸１３Ｘの軸受け、Ｙ方向沿いの連結軸１３Ｙの軸受け、内側方向延在部１２２を有する部材であり、２つの脚部ユニット５に応じて左右対称に構成される。本実施形態では、連結軸１３Ｙの位置は、図２Ｃに示すように、ベース部材４に取り付けた状態で搭乗者の股関節の後方に位置する。

連結具１２は、搭載空間１０ｃのパネル部１０ａ，１０ｂの左右両端位置に、Ｘ軸方向沿いの連結軸１３Ｘによってベース部材４に対してＸ軸を中心として揺動可能に連結される。また、脚部ユニット５は、連結軸１３Ｙを中心として揺動可能に連結具１２に連結されている。したがって、ベース部材４に対して脚部ユニット５は、Ｘ軸及びＹ軸を中心として揺動することができる。

下肢パワー増幅装置１には、脚部ユニット５をベース部材４に対して左右方向に駆動させるための左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌ及び脚部ユニット５をベース部材４に対して前後方向に駆動させるための前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌが設けられている。これらのアクチュエータを用いた脚部ユニット５の揺動動作についての詳細は後述する。

ハンドルユニット６は、ベース部材４の上端に連結されている。ハンドルユニット６は略Ｕ字形のハンドル本体２０とハンドル本体２０の両先端に設けられたグリップ２１とを備える。ハンドル本体２０は、搭乗者の背後から腰部側方を通って前方に延在するように構成されている。搭乗者は、ハンドル本体２０の先端に設けられているグリップ２１を腰の高さあたりで把持し、搭乗時のバランスを保つことができる。なお、本実施形態においては、ハンドルユニット６は、下肢パワー増幅装置１の駆動操作を行うためのものではなく、単に搭乗時の安定性を目的とした手すりとしての機能を有するものである。ただし、例えば、ハンドルユニット６に操作ボタンなどを設けて操作機能を持たせるようにしてもよい。

ベース部材４の左右両側に設けられている２つの脚部ユニット５は、左右対称に構成されていることを除き、大部分の構成を共通とする。脚部ユニット５は、大腿部支持部材３１、上脚部材３２、下脚部材３３、膝屈伸アクチュエータ３４、上脚クランク３５、下脚クランク３６、スプリング３７、ペダル２をそれぞれ有する。

上脚部材３２、下脚部材３３、膝屈伸アクチュエータ３４、上脚クランク３５、下脚クランク３６、スプリング３７は、大腿部支持部材３１の下方に設けられ、人間の脚の膝関節の屈伸運動動作に合わせて屈伸動作するように構成される。屈伸動作のための具体的なリンク機構の詳細については後述する。

大腿部支持部材３１は、図２Ａに示すように、略直角三角形の形状の２枚の板状の部材３１１，３１２から構成され、これらの板状部材３１１，３１２が互いにＹ軸方向に沿って対向するように配置される。板状部材は、搭乗者に対して外側に設けられる外側板状部材３１１と、内側に設けられる内側板状部材３１２が設けられるが、双方とも構成を共通にする。

次に脚部ユニット５の屈伸動作のリンク機構について、大腿部支持部材３１と上脚部材３２、下脚部材３３、膝屈伸アクチュエータ３４、上脚クランク３５、下脚クランク３６などの各部材間の連結位置について説明する。

図２Ｄは大腿部支持部材３１を構成する板状部材３１１の構成を示す図である。図２Ｄでは、板状部材を代表して外側板状部材３１１の構成について説明するが、内側板状部材３１２も同様の構成を有する。

外側板状部材３１１は、上記のように略直角三角形の形状で構成されており、図２Ｄに示すように、直角三角形の直角部分にベース部材４との連結軸が配置される原点３１３が設けられている。この原点３１３は、サドル３の斜め後方で、搭乗者の股関節背部に相当する箇所に位置づけられる。また、外側板状部材３１１には原点３１３に対しＸ軸負方向すなわち搭乗者の後方に設けられた第１連結点３１４が設けられている。また、原点３１３に対し、下後方に第２連結点３１６ａ，及び第２補助連結点３１６ｂが設けられている。また、原点３１３に対し下方に第３連結点３１５が設けられる。第２連結点３１６ａ，第２補助連結点３１６ｂは、第１連結点３１４と第３連結点３１５を結ぶ直線の近傍に設けられる。なお、本実施形態においては、原点３１３から第１連結点３１４までの距離は２７９ｍｍ、原点３１３から第３連結点３１５までの距離は２１０ｍｍ、第１連結点３１４から第２連結点３１６ａまでの距離は２４９ｍｍ、第３連結点３１５から第２連結点３１６ａまでの距離は１００ｍｍに構成されている。また、原点３１３と第１連結点３１４の間には、前後駆動用支持軸３１７が設けられている。

大腿部支持部材３１を構成する板状部材３１１，３１２は、上記連結具１２の連結軸１３Ｙを原点３１３に合わせ、２枚の板状部材３１１，３１２の間に連結具１２を挟むように配置される。

上脚部材３２は２本を１組とする棒状の部材であり、上下端に他の部材と連結するための連結点が設けられている。上脚部材３２は、その上部連結点を大腿部支持部材３１の第１連結点３１４に一致させて、大腿部支持部材３１と揺動可能に連結される。ここで、上脚部材３２と大腿部支持部材３１との連結点を関節Ａとする。なお、本実施形態においては、上脚部材３２の上下端に設けられている連結点（関節Ａ−Ｄ）間の距離は３５０ｍｍに構成されている。

下脚部材３３は、上端に設けられた上部連結点と、下部連結点と、下部連結点と上部連結点とを結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有する１本の棒状の部材である。下脚部材３３は、その上部連結点を上脚部材３２の下部連結点と一致させるようにして上脚部材３２と揺動可能に連結する。上脚部材３２と下脚部材３３との連結点を関節Ｄとする。また、下脚部材３３の中間連結点には、上脚クランク３５が揺動可能に連結され、当該連結点を関節Ｅとする。また、下脚部材３３の下部連結点には、ペダル２が揺動可能に連結され、当該連結点を関節Ｆとする。なお、本実施形態においては、下脚部材３３の上下端に設けられている連結点（関節Ｄ−Ｆ）間の距離は５１６ｍｍ、上部連結点（関節Ｄ）と中間連結点（関節Ｅ）との距離は１２６ｍｍに構成されている。

膝屈伸アクチュエータ３４は、シリンダタイプのリニアアクチュエータで構成される。膝屈伸アクチュエータ３４は、図示しない制御部からの制御信号により伸縮可能に構成されており、脚部ユニット５の屈伸動作の動力源として機能する。膝屈伸アクチュエータ３４は、２枚の板状部材３１１，３１２の間に挟まれるように配置され、大腿部支持部材３１の第３連結点３１５と下脚部材３３の上部連結点に連結される。膝屈伸アクチュエータ３４と大腿部支持部材３１の第３連結点３１５との連結点を関節Ｃとし、また、膝屈伸アクチュエータ３４と下脚部材３３の上部連結点の連結点は関節Ｄと一致する。なお、本実施形態において、膝屈伸アクチュエータ３４は、その全長が３５０ｍｍ〜５５０ｍｍの間で伸縮するように構成されている。

上脚クランク３５は、２本を１組とする棒状の部材であり、上端に設けられた上部連結点と、下部連結点と、下部連結点と上部連結点とを結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有する部材である。上脚クランク３５は、その上部連結点を大腿部支持部材３１の第２連結点３１６ａと一致させるようにして大腿部支持部材３１と揺動可能に連結する。上脚クランク３５と大腿部支持部材３１の第２連結点３１６ａとの連結点を関節Ｂとする。また、上脚クランク３５は、その下部連結点を下脚部材３３の中間連結点に一致させて揺動可能に連結する（関節Ｅ）。なお、本実施形態においては、上脚クランク３５の上下端に設けられている連結点（関節Ｂ−Ｅ）間の距離は３８２ｍｍに構成され、上部連結点（関節Ｂ）と中間連結点（関節Ｇ）との距離は３３５ｍｍに構成されている。

下脚クランク３６は、上端に設けられた上部連結点と、下端に設けられた下部連結点とを有する１本の棒状の部材である。下脚クランク３６は、上部連結点を上脚クランク３５の中間連結点に一致させて上脚クランク３５に揺動可能に連結される。当該連結点を関節Ｇとする。また、下脚クランク３６の下部連結点をペダル２に連結させ、当該連結点を関節Ｈとする。下脚クランク３６とペダル２との連結点である関節Ｈは、関節Ｆよりも上方に位置する。なお、本実施形態においては、下脚クランク３６の上下端に設けられている連結点（関節Ｇ−Ｈ）間の距離は３６１ｍｍに構成されている。また、ペダル２における関節Ｈと関節Ｆとの距離は、１０８ｍｍに構成されている。

スプリング３７は、大腿部支持部材３１の第２補助連結点３１６ｂと下脚部材３３の上部連結点との近傍に連結し、大腿部支持部材３１と下脚部材３３とを引きつけ合う方向に付勢する。

ペダル２は、上記の通り、搭乗者が足を載置する部材である。ペダル２のつま先側には、圧力センサユニット２０１が設けられており、搭乗者の足の動きを検出して、図示しない制御部に検出信号を送信する。制御部は、当該圧力センサユニット２０１からの検出信号により、搭乗者がどのような動作を使用としているのかを予測し、下肢パワー増幅装置１の動作制御を行う。また、ペダル２には、地面Ｇｒと接地するヒール２ａが設けられている。

なお、下脚部材３３，上脚クランク３５，下脚クランク３６、ペダル２は、関節Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈを節とする第２の四節機構を形成する。よって、脚部ユニット５の屈伸運動において、上記第２の四節機構によって、地面Ｇｒに対するペダル２の傾きを常に一定にすることができる。

次に脚部ユニット５の前後左右方向への揺動動作の駆動機構について説明する。

まず、脚部ユニット５の前後方向の揺動動作について説明する。図３Ａは、脚部ユニット５が標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置１の側面図である。図３Ｂは、脚部ユニット５が後方位置にある状態の下肢パワー増幅装置１の側面図である。図３Ｃは、脚部ユニット５が前方位置にある状態の下肢パワー増幅装置１の側面図である。

脚部ユニット５を前後方向に揺動させるための動力源は、前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌである。前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌは、前後揺動アクチュエータ支持部材１２１にＹ軸沿いの連結軸１６１を介して揺動可能に連結される。前後揺動アクチュエータ支持部材１２１は、後方パネル部１０ｂの背後に連結具の連結軸１３Ｙに設けられ、連結具１２のＸ軸方向の揺動に合わせて揺動する部材である。

前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌは、シリンダタイプのリニアアクチュエータであり、シリンダ１６２が筐体１６０内を進退可能に駆動する。シリンダ１６２の先端は、大腿部支持部材３１の前後駆動用支持軸３１７と連結する。したがって、シリンダ１６２の進退に応じて、連結軸１６１と大腿部支持部材３１の前後駆動用支持軸３１７との距離が変動する。図３Ａに示すように、脚部ユニット５が標準位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌのシリンダ１６２は、筐体１６０の中央部近傍に位置している。

図３Ｂに示すように脚部ユニット５が後方位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌのシリンダ１６２が縮み、連結軸１６１と大腿部支持部材３１の前後駆動用支持軸３１７との距離が標準位置にある場合と比較して短くなる。上記のように大腿部支持部材３１は、連結軸１３Ｙを中心としてＹ軸方向に揺動可能に構成されているため、シリンダ１６２が縮むことによって、前後駆動用支持軸３１７が上方向に移動する結果、脚部ユニット５が全体として後方に揺動する。

一方、図３Ｃに示すように、脚部ユニット５が前方位置にあるときは、前後揺動アクチュエータ１６Ｒ，１６Ｌのシリンダ１６２が伸び、連結軸１６１と大腿部支持部材３１の前後駆動用支持軸３１７との距離が標準位置にある場合と比較して長くなる。シリンダ１６２が伸びることによって、前後駆動用支持軸３１７が下方向に移動する結果、脚部ユニット５が全体として前方に揺動する。

次に脚部ユニット５の左右方向の揺動動作について説明する。図４Ａは、脚部ユニット５が標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置１の背面図である。図４Ｂは、左足の脚部ユニット５が外側位置にあり、右足の脚部ユニット５が内側位置にある状態の下肢パワー増幅装置１の背面図である。なお、図４Ａ，図４Ｂでは、脚部ユニット５の左右方向の揺動動作のための機構を視認しやすくするために、一部の部材の記載を省略している。

脚部ユニット５を左右方向に揺動させるための動力源は、左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌである。左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌは、ほぼＺ軸に沿って配置され、ベース部材４の搭載空間１０ｃ内に連結部材１８を介して揺動可能に連結される。また、左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌの他端は、連結具１２の内側方向延在部１２２に連結する。内側方向延在部１２２は、連結具１２の連結軸１３ｘに対して内側方向に延在して構成されている。したがって、内側方向延在部１２２が上下方向に移動することによって、脚部ユニット５は、連結軸１３ｘを中心として揺動する。

左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌは、シリンダタイプのリニアアクチュエータである。シリンダ１５１の先端１５２は連結具１２の内側方向延在部１２２と連結し、シリンダ１５１の伸縮に応じて内側方向延在部１２２が上下方向に移動する。

図４Ａに示すように、脚部ユニット５が標準位置にあるときは、左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌのシリンダ１５１は中間位置に存在している。脚部ユニット５を内側へ揺動させる場合は、図４Ｂに示すように、左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌ（図４Ｂでは左右揺動アクチュエータ１５Ｒのみである。）のシリンダ１５１を伸ばし、内側方向延在部１２２を上方向へ移動させる。その結果、脚部ユニット５全体が連結軸１３ｘを中心として内側へ揺動する。一方、脚部ユニット５を外側へ揺動させる場合は、図４Ｂの左右揺動アクチュエータ１５Ｒ，１５Ｌ（図４Ｂでは左右揺動アクチュエータ１５Ｌのみである。）のシリンダを短くし、内側方向延在部１２２を下方向へ移動させる。その結果、脚部ユニット５全体が連結軸１３ｘを中心として外側へ揺動する。

次に、脚部ユニット５の屈伸動作について説明する。図５は、脚部ユニット５の屈伸状態を示す図である。図６は、脚部ユニット５の連結点の動作を示すための模式図である。図５の実線は脚部ユニット５が伸びた状態を示しており、二点鎖線は脚部ユニット５が屈曲した状態を示している。

脚部ユニット５は、図２Ｃに示したとおり各部材が連結されており、膝屈伸アクチュエータ３４の伸縮動作によって、屈伸動作を行う。すなわち、上脚部材３２，上脚クランク３５の長さ及び大腿部支持部材３１の各関節Ａ，Ｂ，Ｃ間の距離は一定であり、膝屈伸アクチュエータ３４の全長、すなわち、関節Ｃ−Ｄ間の距離のみが変動する。脚部ユニット５が伸びた状態では、膝屈伸アクチュエータ３４は縮んだ状態になっており、関節Ａ−Ｂ−Ｄをそれぞれ頂点とし、それぞれの連結点を相互に結ぶ三辺の距離が一定であるので、当該三角形の形状が維持され、脚部ユニット５は一定形状を維持している。

また、大腿部支持部材３１の関節Ａ、Ｂ、上脚部材３２，下脚部材３３，上脚クランク３５は、関節Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｅを節とする第１の四節機構を形成し、上脚部材３２の動きに応じて上脚クランク３５及び下脚部材３３が連動する。

膝屈伸アクチュエータ３４が伸長、すなわち関節Ｃ−Ｄ間の距離が伸びると、関節Ａ−Ｃ，関節Ａ−Ｄ間の距離は一定であるので、膝屈伸アクチュエータ３４の伸びに応じて一義的に三角形ＡＣＤの形状が変化する。この形状変化によって、関節Ｄは膝屈伸アクチュエータ３４の伸びに応じて、辺ＡＤは関節Ａを中心としＡＤ間の距離を半径とする円弧形状を描く。なお、このとき、スプリング３７も関節Ｄの移動に伴って伸長する。

関節Ｄの後方への移動に応じて、関節Ｅは、関節Ｂを中心としてＢＥ間の距離を半径とする円弧形状を描く。関節Ｄが後方に移動することにより、辺ＢＥも後方へ移動する。関節Ａから見て関節Ｄは略下方に、関節Ｂは前方下方に設けられているため、辺ＤＥは、起立状態から水平状態へ近づくように移動する。したがって、関節Ｄの後方への移動により下脚部材３３が起立状態から水平状態へ近づくように向きが変化する。

関節Ｄが後方へ移動しつつ下脚部材３３が起立状態から水平状態へ向きが変化するため、図６（Ｂ）に示すように、ペダル２と下脚部材３３との連結点（関節Ｆ）は、略上方へ移動する。

図７Ａは、関節Ｆの鉛直方向の位置とＣＤ間の距離との関係を示すグラフである。図７Ｂは、関節Ｆの水平方向の位置とＣＤ間の距離との関係を示すグラフである。

図７Ａに示すように、膝屈伸アクチュエータ３４の使用範囲においては、膝屈伸アクチュエータ３４の長さ、すなわちＣＤ間の距離と関節Ｆの鉛直方向の位置には概ね直線的な比例関係を有する。したがって、当該範囲で膝屈伸アクチュエータ３４の全長を変化させることにより、ペダル２の高さを一律に変化させることができる。

一方で、グラフの傾きは概ね直線的に変化するが、ＣＤ間の距離が短くなるにつれて緩やかになるという関係がある。したがって、ＣＤ間の距離が短いほど、すなわち、脚部ユニット５が伸びた状態にあるほど、膝屈伸アクチュエータ３４にかかる負荷を少なくすることができる。したがって、立ち状態において小さい力で、装置自体の重力や搭乗している人間の体重を支えやすい構造となっている。また、ＣＤ間の距離が長い状態では、グラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ３４の変位が連結点（関節Ｆ）に対して鉛直方向に増幅される。したがって、膝を浅く曲げた後はさらに膝を曲げる動作を行いやすく、遊脚において歩行動作などで膝を曲げる際、素早く動作させることができる。このとき、スプリング３７は大きく引き伸ばされ、運動エネルギーが蓄積された状態にある。

さらに、接地状態で膝を屈曲させた状態から伸ばす動作においては、図７Ａからもわかるようにグラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ３４にかかる重力の影響は大きいが、膝が伸びるにしたがって、スプリング３７に蓄積された運動エネルギーが解放されるので、膝屈伸アクチュエータ３４に与える影響が小さくなる。よって、スプリング３７によって脚部ユニット５が屈曲した状態から伸びた状態へ戻りやすくすることができる。すなわち、膝関節が屈曲し、座った状態から装置の重力に反して立った状態へ移行する場合にスプリング３７の弾性力により膝屈伸アクチュエータ３４の負荷を小さくすることができる。

また、図７Ｂに示すように、膝屈伸アクチュエータ３４の使用範囲においては、連結点（関節Ｆ）の水平方向の位置は、膝屈伸アクチュエータ３４の長さすなわちＣＤ間の距離にかかわらず、あまり変化がない。したがって、アクチュエータ３４の変位は効率よく連結点Ｆの上下方向の変異に変換される。また、膝屈伸アクチュエータ３４の全長の変化においてペダル２は、搭乗者が立った状態で足踏みしているような動作を行う。特に、ＣＤの距離が短くなると水平方向に変化が現れる。一般に、人間が足部を鉛直方向にのみ上下させるということは稀であり、水平方向の変位を伴うことが多い。膝が曲がり始める際、連結点（関節Ｆ）が前方向に移動する動作は、人間の下肢が立ち位置から、踏み出す動作と共通しており、また、膝が伸びきる際、連結点（関節Ｆ）が後方向に移動する動作は、歩行時の蹴り出し動作と共通している。上記構成のリンク機構を採用することにより、膝屈伸アクチュエータ３４の単純な動作で、連結点（関節Ｆ）をより自然な人間の動作にあわせて動作させることができる。また、ＣＤの距離が短い、すなわち、脚部ユニット５が伸びた状態にあるほどグラフの傾きが大きく、膝屈伸アクチュエータ３４の伸縮が連結点（関節Ｆ）の水平方向の動作に与える影響が大きくなる。これは、前後揺動アクチュエータ１６Ｒ、１６Ｌの動作と冗長性を持つ。この冗長性により、脚部ユニット５が伸びた状態で、前後方向のバランスを取ろうとする際に、より柔軟なコントロールが可能になる。例えば、前方向に倒れそうになった場合、前後揺動アクチュエータ１６Ｌ、１６Ｒを収縮させ、状態を後方に反らせるような動作をすると同時に、膝屈伸アクチュエータ３４を十分縮んだ状態から少し伸展させることにより、連結点（関節Ｆ）を水平方向前向きに動かす力を与えてやると、前後揺動アクチュエータ１６Ｌ、１６Ｒの効果を増大させることができる。後方向に倒れそうになった場合は、各アクチュエータを逆方向に動作させることで、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる下肢パワー増幅装置１によれば、膝屈伸アクチュエータ３４の伸縮動作のみで人間の膝関節の動きに共通した動作を行うことができる。また、直立時において下向きに係る重力による膝屈伸アクチュエータ３４に与える付加を小さくすることができ、直立状態時に膝屈伸アクチュエータ３４の消費電力を小さくすることができる。

また、装置自体の重力に反して行う座った状態から立ち上がった状態へ移行する際にスプリング３７により膝屈伸アクチュエータ３４の負荷を軽減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、脚部ユニット５を構成する各部材の大きさはあくまで一例である。これらの各部材の長さの比を著しく異ならせない限り、各部材のサイズアップ及びサイズダウンは任意に行うことができる。

本発明に係る下肢パワー増幅装置は、人間が搭乗して人間の動作をアシストする装置であり、介護、工事現場、身体障害者の動作補助などにおいて広く用いることができる。

本発明の下肢パワー増幅装置の外観構成を示す斜視図 図１の下肢パワー増幅装置の平面図 図１の下肢パワー増幅装置の正面図 図１の下肢パワー増幅装置に人間が搭乗した場合の側面図 大腿部支持部材を構成する板状部材の構成を示す図 脚部ユニットが標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置の側面図 脚部ユニットが後方位置にある状態の下肢パワー増幅装置の側面図 脚部ユニットが前方位置にある状態の下肢パワー増幅装置の側面図 脚部ユニットが標準位置にある状態の下肢パワー増幅装置の背面図 左足の脚部ユニットが外側位置にあり、右足の脚部ユニットが内側位置にある状態の下肢パワー増幅装置の背面図 脚部ユニットの屈伸状態を示す図 脚部ユニットの連結点の動作を示すための模式図 連結点（関節Ｆ）の鉛直方向の位置とＣＤ間の距離との関係を示すグラフ 連結点（関節Ｆ）の水平方向の位置とＣＤ間の距離との関係を示すグラフ

１ 下肢パワー増幅装置
２ ペダル
３ サドル
４ ベース部材
５ 脚部ユニット
６ ハンドルユニット
７ シート
８ 連結部材
１０ａ 前方パネル部
１０ｂ 後方パネル部
１０ｃ 搭載空間
１１ サドル固定部
１２ 連結具
１３Ｘ 連結軸
１３Ｙ 連結軸
１５Ｒ、１５Ｌ 左右揺動アクチュエータ
１６Ｒ、１６Ｌ 前後揺動アクチュエータ
２０ ハンドル本体
２１ グリップ
３１ 大腿部支持部材
３２ 上脚部材
３３ 下脚部材
３４ 膝屈伸アクチュエータ
３５ 上脚クランク
３６ 下脚クランク
３７ スプリング
１２２ 内側方向延在部
３１３ 原点
３１４ 第１連結点
３１５ 第３連結点
３１６ａ 第２連結点
３１６ｂ 第２補助連結点
３１７ 前後駆動用支持軸

Claims (3)

1. 搭乗者の下肢膝部の伸長動作に合わせて当該動作をアシストする下肢パワー増幅装置であって、
   前記搭乗者が左右両足を載置させるペダルと、前記搭乗者が搭乗するサドルと、前記サドルと連結するベース部材と、前記ベース部材の左右側に前後左右方向に揺動可能に連結された脚部ユニットと、
   を備え、
   前記脚部ユニットは、大腿部支持部材と、上脚部材と、下脚部材と、上脚クランクと、伸縮可能に駆動する膝屈伸アクチュエータとを備え、
   前記大腿部支持部材と、前記上脚部材と、前記下脚部材と、前記上脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する２辺を連結する連結点を関節とする４つの関節を有する四節機構を構成し、
   前記下脚部材は、下端に設けられた下部連結点と、上端に設けられた上部連結点と、前記下部連結点と上部連結点を結ぶ直線近傍に設けられた中間連結点と、を有し、前記ペダルが前記下部連結点に揺動可能に連結され、
   前記大腿部支持部材は、前記ベース部材に前後左右に揺動可能に連結され、前記サドルの後方に位置する原点に対し後方に位置する第１連結点と、前記原点に対し下後方に位置する第２連結点と、前記原点に対し下方に位置し前記第１連結点と第２連結点とを接続する直線上の延長線近傍に位置する第３連結点とを有し、
   前記上脚部材は、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第１連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、
   前記上脚クランクは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第２連結点と、前記下脚部材の前記中間連結点と、に連結され、
   前記膝屈伸アクチュエータは、その両端を、前記大腿部支持部材の前記第３連結点と、前記下脚部材の前記上部連結点と、に連結され、前記四節機構を構成する四辺形の対角線方向に伸縮駆動することによって前記四節機構を構成する前記四辺形を変形させて、前記脚部ユニットを駆動して屈伸動作させる、
   ことを特徴とする下肢パワー増幅装置。
2. さらに前記大腿部支持部材の前記第２連結点と前記下脚部材の前記上部連結点に連結され、前記大腿部支持部材と前記下脚部材とを近づけるように付勢するスプリングを備えることを特徴とする、請求項１に記載の下肢パワー増幅装置。
3. 前記ペダル部の前記下脚部材との連結点の上方側に設けられたクランク連結点と前記上脚クランクの中間位置に設けられた中間連結点とを接続する下脚クランクをさらに備え、
   前記下脚部材と、前記ペダル部と、前記上脚クランクと、前記下脚クランクと、は、それぞれの少なくとも一部を辺とする四辺形を有すると共に、隣接する２辺を連結する連結点を関節とする４つの関節を有する第２の四節機構を構成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の下肢パワー増幅装置。

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