JP5783455B2 - Walking support device - Google Patents
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Description
本発明は、歩行支援装置に関し、例えば、歩行をアシストするものに関する。 The present invention relates to a walking support device, for example, a device that assists walking.
近年、介護ビジネスなどを中心に、人の動作(歩行や持ち上げなど)に使われる筋力を補助する装着型ロボット(パワーアシストスーツ)などが開発されている。
装着型ロボットには、アシスト箇所として、上半身の筋力を補助するもの、下半身の筋力を補助するもの、あるいは、全身の筋力を補助するものなど各種のものがある。
また、装着型ロボットの用途も、健常者用から高齢者・障害者の補助用などがある。
In recent years, wearable robots (power assist suits) that assist muscle strength used for human movement (walking, lifting, etc.) have been developed mainly in the nursing care business.
There are various types of wearable robots such as those that assist the muscle strength of the upper body, those that assist the muscle strength of the lower body, and those that assist the muscle strength of the whole body.
In addition, the use of the wearable robot ranges from a healthy person to an elderly person / person with a disability.
装着型ロボットは、例えば、装着者の筋電から筋肉の動きを解析したり、関節各部に配置した姿勢センサで検出される装着者の動きを解析することで、当該動きに必要な関節モーメントを算出し、これに応じた必要なアシスト力を発生させている。これによって、装着者は、重量物の持ち上げや歩行を楽に行うことができる。 The wearable robot, for example, analyzes the movement of the muscle from the electromyogram of the wearer or analyzes the movement of the wearer detected by the posture sensor arranged in each part of the joint, thereby obtaining the joint moment necessary for the movement. The necessary assist force corresponding to this is generated. Thus, the wearer can easily lift and walk heavy objects.
このような技術に、特許文献1の「装着式動作補助装置、装着式動作補助装置の制御方法および制御用プログラム」がある。
この技術は、装着者に設置したセンサによって生体信号を検出し、これを用いて装着者の意思に従った動力をアクチュエータに発生させるものである。
As such a technique, there is “a wearable movement assist device, a control method of a wearable movement assist device, and a control program” in Patent Document 1.
In this technique, a biological signal is detected by a sensor installed on the wearer, and the actuator is used to generate power according to the wearer's intention.
ところで、人間の肘関節や膝関節は複雑な構成になっており、装着型ロボットのこれら関節部分を二重関節にすると装着者の関節運動に対する追従性を向上させることができる。
図9の各図は、従来の二重関節駆動機構を説明するための図である。
図9(a)に示したように、装着者の上腿部に装着する上腿連結部材26と下腿部に装着する下腿連結部材27は、連動する歯車54、歯車56を有する二重関節部50を介して接合している。
膝関節アシストアクチュエータ18は、ロッド駆動部64とロッド63を有しており、ロッド駆動部64は、上腿連結部材26の股関節側の股側(上腿の前側)に軸支されている。一方、ロッド63の先端は、下腿連結部材27の脛側(下腿の前側)において上腿連結部材26側に延設された部材100に軸支されている。
By the way, human elbow joints and knee joints have complicated structures, and if these joint portions of the wearable robot are double joints, the followability of the wearer to the joint motion can be improved.
Each figure of FIG. 9 is a figure for demonstrating the conventional double joint drive mechanism.
As shown in FIG. 9A, the upper
The knee
このように構成された二重関節部50において、膝関節アシストアクチュエータ18を駆動し、ロッド駆動部64がロッド63を押し出すと、二重関節部50によって、上腿連結部材26と下腿連結部材27は、図9(b)に示したように屈曲する。
更に、ロッド駆動部64がロッド63を押し出すと、図9(c)に示したように上腿連結部材26と下腿連結部材27は、膝を折った状態となる。
逆に、ロッド駆動部64がロッド63を引き込むと、図9(a)に示したように上腿連結部材26と下腿連結部材27は、膝を伸ばした状態となり、屈曲が解除される。
When the knee
Further, when the
On the contrary, when the
図10の各図は、従来の二重関節駆動機構の他の例を説明するための図である。
この例では、図10(a)に示したように、ロッド駆動部64は、上腿連結部材26の股関節側の股の裏側に軸支されており、ロッド63の先端は、下腿連結部材27の脹ら脛側に固定された部材101に軸支されている。
このように構成された二重関節部50において、膝関節アシストアクチュエータ18を駆動し、ロッド駆動部64がロッド63を引き込むと、図10(b)に示したように、上腿連結部材26と下腿連結部材27が屈曲し、更に、膝関節アシストアクチュエータ18を駆動すると、図10(c)に示したように、上腿連結部材26と下腿連結部材27が更に屈曲し、膝を折った状態となる。
逆に、ロッド駆動部64がロッド63を押し出すと、図10(a)に示したように上腿連結部材26と下腿連結部材27は、膝を伸ばした状態となる。
Each figure of FIG. 10 is a figure for demonstrating the other example of the conventional double joint drive mechanism.
In this example, as shown in FIG. 10A, the
When the knee
Conversely, when the
従来は、以上のようにして二重関節部50を駆動していたが、この駆動機構では、例えば、膝を伸ばした状態と屈曲させた状態では、膝関節アシストアクチュエータ18を同じ量だけ動作させたとしても関節動作量や関節動作トルクが異なる。
即ち、膝の屈曲角度に応じて単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度が異なる。
このように二重関節部50は、変動過度特性を有するが、この特性が必ずしも歩行アシストに適したものではないという問題があった。
Conventionally, the
That is, the joint operation torque and the joint operation speed per unit actuator operation amount differ depending on the knee flexion angle.
Thus, although the double
本発明は、二重関節において歩行アシストに適した変動過度特性を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize an excessive fluctuation characteristic suitable for walking assist in a double joint.
(1)請求項1に記載の発明では、歩行支援対象者の上腿部を支持する第1の支持部材に軸支され、前記上腿部の膝関節に対応して形成された第1の歯部と、前記膝関節に接合する下腿部を支持する第2の支持部材に固定され、前記第1の歯部とかみ合って連動する第2の歯部と、前記第1の歯部の回転軸と前記第2の歯部の回転軸を偏心させて軸支する歯部保持部材と、前記第1の歯部を駆動して回転させる駆動手段と、を具備したことを特徴とする歩行支援装置を提供する。
(2)請求項2に記載の発明では、前記駆動手段が、一端が前記第1の支持部材に軸支され、他端が前記第1の歯部に対して軸支され、前記第1の歯部の回転方向に伸縮することを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記駆動手段の前記他端が、前記第1の歯部に固定されたアーム部材に軸支されていることを特徴とする請求項2に記載の歩行支援装置を提供する。
(1) In the first aspect of the invention, the first support member that is pivotally supported by the first support member that supports the upper leg of the walking support target person and that corresponds to the knee joint of the upper leg is formed. A second tooth part fixed to a second support member that supports a tooth part and a lower leg part joined to the knee joint, and meshes with and interlocks with the first tooth part; and A walking comprising: a rotating shaft and a tooth holding member that pivotally supports the rotating shaft of the second tooth portion, and driving means that drives and rotates the first tooth portion. A support device is provided.
(2) In the invention according to
(3) In the invention described in claim 3, the other end of the driving means is pivotally supported by an arm member fixed to the first tooth portion. A walking support device is provided.
本発明によれば、二重関節の歯車を偏心させ、これを駆動することにより歩行アシストに適した変動過度特性を実現する。 According to the present invention, an excessively variable characteristic suitable for walking assist is realized by decentering and driving a double-joint gear.
(1)実施形態の概要
二重関節部50(図4)において、歯車54は、上腿連結部材26の下腿連結部材27に回転自在に軸支されており、歯車56は、下腿連結部材27に回転しないように固定されている。
関節フレーム52は、歯車54と歯車56を回転自在に軸支しており、歯車54と歯車56の歯部がかみ合う位置に歯車54と歯車56を保持している。
歯車54の表面には、連結アーム61が半径方向に固定されており、更に、連結アーム61は、連結軸62によってロッド63に軸支されている。図示しないが、ロッド63は膝関節アシストアクチュエータ18を構成しており、軸方向に移動する。
そのため、膝関節アシストアクチュエータ18を駆動すると、ロッド63によって歯車54が回転し、これに連動して歯車56が回転し、上腿連結部材26に対して下腿連結部材27が屈曲する。
(1) Outline of Embodiment In the double joint portion 50 (FIG. 4), the
The
A connecting
Therefore, when the knee
図7(a)に示したように、歯車54と歯車56の回転軸は、同じオフセット量だけ偏心して軸支されている。
このため、歯車54を駆動すると歯車54と歯車56のギア比が無段階で連続的に変化する。これにより単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクや関節動作速度、及び関節動作量も連続的に変化する。
これを用いると、歯車54、歯車56の偏心オフセット量、連結アーム61の初期角度、連結軸62の位置(回転中心から連結軸62までの距離)を各種設定することにより、二重関節部50の特性を調整することができる。そのため、装着者の脚部の運動特性に合わせて二重関節部50の特性を廉価に最適化することができる。
As shown in FIG. 7A, the rotation shafts of the
For this reason, when the
By using this, the double
(2)実施形態の詳細
図1は装着型ロボット1の装着状態を示した図である。
装着型ロボット1は、装着者の腰部及び下肢に装着し、装着者の歩行を支援(アシスト)するものである。
装着型ロボット1は、腰部装着部21、上腿装着部22、下腿装着部23、足装着部24、上腿連結部材26、下腿連結部材27、制御装置2、つま先反力センサ10、踵反力センサ11、つま先姿勢センサ12、踵姿勢センサ13、腰姿勢センサ14、上腿姿勢センサ15、下腿姿勢センサ16、股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19などを備えている。なお、腰部装着部21、制御装置2、腰姿勢センサ14以外は、左右の両足に設けられており、それぞれの検出値が出力されるようになっている。
但し、つま先反力センサ10、踵反力センサ11については、反力の検出が不要である実施例の場合には、両センサに変えてつま先接地センサ、踵接地センサを備えるようにしてもよい。
(2) Details of Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a mounting state of the mounting robot 1.
The wearable robot 1 is worn on the waist and lower limbs of the wearer to assist (assist) the wearer's walking.
The wearable robot 1 includes a
However, the toe
腰部装着部21は、装着者の腰部の周囲に取り付けられ装着型ロボット1を固定する。
腰姿勢センサ14は、腰部装着部21に取り付けられ、ジャイロなどによって腰部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、腰部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The
The
制御装置2は、腰部装着部21に取り付けられ、装着型ロボット1の動作を制御する。
股関節アシストアクチュエータ17は、装着者の股関節と同じ高さに設けられており、腰部装着部21に対して上腿連結部材26を前後方向に駆動する。なお、股関節アシストアクチュエータ17を3軸アクチュエータとして横方向にも駆動するように構成することもできる。
The
The hip
上腿連結部材26は、装着者の上腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、上腿装着部22によって装着者の上腿部に固定される。そして、上腿連結部材26は、股関節アシストアクチュエータ17によって駆動し、上腿部の運動を支援する。
上腿装着部22は、外側が上腿連結部材26の内側に固定されており、内側が装着者の上腿に固定される。
上腿姿勢センサ15は、上腿部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、上腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The upper
The outer side of the upper
The upper
膝関節アシストアクチュエータ18は、膝関節部に形成された後述の二重関節部50を駆動し、これによって下腿連結部材27を前後方向に運動させて装着者の下腿部の運動を支援する。
下腿連結部材27は、装着者の下腿部の外側に設けられた剛性を有する柱状部材であり、下腿装着部23によって装着者の下腿部に固定される。そして、下腿連結部材27は、膝関節アシストアクチュエータ18によって駆動し、下腿部の運動を支援する。
The knee
The
下腿装着部23は、外側が下腿連結部材27の内側に固定されており、内側が装着者の下腿に固定される。
下腿姿勢センサ16は、下腿部の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、下腿部の角速度や角加速度を求めることもできる。
The outer side of the lower
The lower
足首関節アシストアクチュエータ19は、装着者の足首関節と同じ高さに設けられており、下腿連結部材27に対して足装着部24のつま先を上下する方向に駆動する。
足装着部24は、装着者の足部(足の甲、及び足裏)に固定される。一般に、足指の付け根の関節は歩行の際に屈曲するが、足装着部24も足指の付け根の部分が足指に従って屈曲するようになっている。
The ankle
The
つま先姿勢センサ12と踵姿勢センサ13は、それぞれ、足装着部24の先端と後端に設置され、それぞれ、つま先と踵の姿勢(ロール角、ヨー角、ピッチ角)を検出する。また、これらの角度を微分することにより、つま先や踵の角速度や角加速度を求めることもできる。
The
つま先反力センサ10は、足装着部24の足裏部前方に設置され、つま先の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
踵反力センサ11は、足装着部24の足裏部後方に設置され、踵の接地を検出すると共に、歩行面からの反力を検出する。
以上のように構成された装着型ロボット1は、股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19を駆動することにより、装着者の歩行を支援する。
The toe
The heel
The wearable robot 1 configured as described above supports the walking of the wearer by driving the hip
図2は、装着型ロボット1のシステム構成を示した図である。
制御装置2は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、時間を計測する手段としての時計、記憶部7、各種インターフェースなどを備えた電子制御ユニットであり、装着型ロボット1の各部を電子制御する。
FIG. 2 is a diagram showing a system configuration of the wearable robot 1.
The
制御装置2は、また、CPUで記憶部7に記憶された歩行支援プログラム等の各種プログラムを実行することにより構成される、センサ情報取得部3、各種パラメータ算出部4、歩行動作判定部5、歩行シーン判定部6、歩行アシスト力決定部8を備えている。
センサ情報取得部3は、つま先反力センサ10〜下腿姿勢センサ16の各センサから検出値を取得する。センサ情報取得部3で取得した各センサの検出値は、歩行動作の判定や、歩行シーンの判定や、歩行パラメータの算出等に使用される。
The
The sensor information acquisition unit 3 acquires a detection value from each of the toe
各種パラメータ算出部4は、センサ情報取得部3で取得した検出値から、各関節の角度や位置を求めることで歩行パラメータ値(重複歩調と重複歩距離)を算出する。
ここで、1側の踵が接地してから次に同側の踵が接地するまでの動作を重複歩といい、この重複歩における一連の動作を歩行周期という。そして、重複歩における踵の両接地点間の距離を重複歩距離といい、1分間当たりの重複歩数(重複歩数/分)を重複歩調という。
The various parameter calculation unit 4 calculates walking parameter values (overlapping pace and overlapping walking distance) by obtaining the angles and positions of the joints from the detection values acquired by the sensor information acquisition unit 3.
Here, an operation from the contact of one side of the heel to the contact of the next side of the heel is referred to as an overlapping step, and a series of operations in the overlapping step is referred to as a walking cycle. The distance between the two ground contact points in the overlapping step is referred to as the overlapping step distance, and the number of overlapping steps per minute (the number of overlapping steps / minute) is referred to as the overlapping step.
歩行動作判定部5は、装着者の動作が屈伸運動や足踏み動作などの歩行以外の動作なのか、それとも実際に歩行している動作なのかを判定する。
歩行シーン判定部6は、センサ情報取得部3で取得した検出値から、装着者の歩行している歩行シーンを判定する。判定対象となる歩行シーンとしては、歩行面種類(平地、上り階段、下り階段、上り坂道、下り坂道)の5種類のそれぞれに対して、前進歩行と後進歩行の歩行方向2種類があり、合計10の歩行シーンがある。
The walking motion determination unit 5 determines whether the wearer's motion is a motion other than walking such as a bending / stretching motion or a stepping motion, or an actual walking motion.
The walking scene determination unit 6 determines a walking scene in which the wearer is walking from the detection value acquired by the sensor information acquisition unit 3. There are two types of walking scenes that can be judged: walking direction (flat, upstairs, downstairs, uphill, downhill) for each of the five walking directions of forward walking and backward progress. There are 10 walking scenes.
歩行アシスト力決定部8は、左右両足のそれぞれに配置されている股関節アシストアクチュエータ17、膝関節アシストアクチュエータ18、足首関節アシストアクチュエータ19に出力させるアシスト力を決定し、これに従ってこれらアシストアクチュエータを駆動する。なお、アシスト力とは、装着型ロボット1がアシストアクチュエータを駆動して脚部に作用させるモーメント(トルク)である。
The walking assist
図3は、二重関節部50の装着位置を説明するための図である。図3(a)は、正面図を示しており、図3(b)は、側面図を示している。
なお、図3(a)では、図を簡略化するため右足のみ装着しているが、両足に装着するものである。また、膝関節アシストアクチュエータ18は、省略してある。
二重関節部50は、装着者の膝関節の位置に対応して形成されており、上腿連結部材26の下端と下腿連結部材27の上端を接合している。
二重関節部50は、上腿連結部材26の下端側に軸支された円形の歯車54、下腿連結部材27の上端側に固定された円形の歯車56、及び、歯車54、歯車56を軸支する関節フレーム52を有している。
歯車54と歯車56は、歯部(ギア)がかみ合って連動するようになっている。
FIG. 3 is a view for explaining the mounting position of the double
In FIG. 3 (a), only the right foot is attached to simplify the drawing, but it is attached to both feet. Further, the knee
The double
The double
The
装着者が膝を曲げると、これにともなって二重関節部50も屈曲する。すると、上腿連結部材26に対する下腿連結部材27の回転中心は、上腿連結部材26と下腿連結部材27の軸線の交点となり、膝の屈曲にともなって前方に移動する。この動きが人体の膝の動きによく適合しており、二重関節部50は、膝の前後運動に良好に追従することができる。
When the wearer bends the knee, the double
図4は、二重関節部50の構造を説明するための図である。
なお、本実施の形態の二重関節部50は、歯車54と歯車56の回転軸が偏心しているが、ここではまず歯車54と歯車56が偏心していない場合について説明し、後に、歯車54と歯車56が偏心している場合について説明する。
上腿連結部材26の下端側(下腿連結部材27側)には、歯車54が固定軸55によって回転自在に軸支されている。
図示しないが、歯車54の全周には歯部が形成されている。なお、歯部は歯車54の全周に形成されている必要はなく、少なくとも歯車56とかみ合う部分に形成されていればよい。
FIG. 4 is a view for explaining the structure of the double
In the double
A
Although not shown, teeth are formed on the entire circumference of the
一方、下腿連結部材27の上端側(上腿連結部材26側)には、固定軸57、及び固定軸57の周囲で120度おきに設けられた固定具60、60、60によって歯車56が固定されている。なお、図の煩雑化を避けるため、固定具60は、1つのみに符号を付している。
下腿連結部材27に対する歯車56の回転は、固定具60によって規制されるため、歯車56は、下腿連結部材27に対して回転せず、下腿連結部材27と一体となって運動する。
図示しないが、歯車56の全周には歯部が形成されている。なお、歯部は歯車56の全周に形成されている必要はなく、少なくとも歯車54とかみ合う部分に形成されていればよい。
On the other hand, the
Since the rotation of the
Although not shown, teeth are formed on the entire circumference of the
関節フレーム52は、板状の部材であり、歯車54の歯部と歯車56の歯部がかみ合って、お互いが連動する位置に歯車54と固定軸55を軸支している。
このため、歯車54が関節フレーム52に対して回転すると、これにともなって歯車56も関節フレーム52に対して回転する。そして、歯車56は、下腿連結部材27に固定されているため、下腿連結部材27は、上腿連結部材26に対して回転することとなる。
The
For this reason, when the
なお、図4では、歯車54、歯車56の片面側にだけ関節フレーム52を配設したが、対向する片面側にも関節フレーム52を設け、2枚の関節フレーム52で歯車54、歯車56を挟み込んでもよい。更に、2枚の関節フレーム52を連結して互いに固定すると、二重関節部50の強度を向上させることができる。
In FIG. 4, the
連結アーム61は、歯車54の表面に固定されており、歯車54の半径方向に歯車54の外部まで延設されている。
連結アーム61先端部分には、ロッド63の先端部分が連結軸62によって軸支されている。
そして、ロッド63が伸縮すると連結アーム61を介して歯車54に力が伝達され、歯車54を回転させるトルクが発生する。
The connecting
The distal end portion of the
When the
ロッド63によるトルクによって歯車54が回転すると、歯車56が連動して回転し、これによって、下腿連結部材27が上腿連結部材26に対して回転する。このようにして、ロッド63を駆動することにより、二重関節部50を駆動し、下腿連結部材27を回転させ、屈曲運動させることができる。
When the
図5の各図は、膝関節アシストアクチュエータ18の構成、及び二重関節部50の動作を説明するための図である。
図5(a)は、膝が伸びた状態での二重関節部50を示している。
膝関節アシストアクチュエータ18は、ロッド駆動部64からロッド63を軸線方向に出し入れすることにより伸縮する。
ロッド駆動部64は、例えば、ボールねじ、油圧、空気圧、人工筋肉(例えばマッキベン型)などを用いることができる。
ロッド駆動部64の端部は、連結軸65によって、上腿連結部材26の股側に軸支されている。このため、膝関節アシストアクチュエータ18は、伸縮に従って上腿連結部材26に対する取り付け角度を自由に変化させることができる。
Each drawing in FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the knee
Fig.5 (a) has shown the double
The knee
For example, a ball screw, hydraulic pressure, pneumatic pressure, artificial muscle (for example, McKibben type) or the like can be used for the
An end portion of the
膝関節アシストアクチュエータ18を動作させてロッド駆動部64がロッド63を引き込むと図5(b)に示したように膝関節アシストアクチュエータ18の長さが縮まる。
すると、ロッド駆動部64は、上腿連結部材26に軸支されているため連結アーム61がロッド駆動部64側に引き寄せられて歯車54が回転し、これに連動して歯車56が歯車54と逆方向に回転する。
そして、歯車54は、下腿連結部材27に固定されているため、下腿連結部材27が上腿連結部材26に対して膝を屈する方向に回転する。このようにして二重関節部50は、膝関節アシストアクチュエータ18によって駆動される。
When the knee
Then, since the
Since the
更に、ロッド駆動部64がロッド63を引き込むと、図5(c)に示したように下腿連結部材27が上腿連結部材26に対して膝を折り曲げる角度まで回転する。
逆に、ロッド駆動部64がロッド63を送出すると、図5(a)に示したように上腿連結部材26と下腿連結部材27は、膝を伸ばした状態となる。
Further, when the
Conversely, when the
図6の各図は、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作トルクと関節動作速度を説明するための図である。
図6(a)に示したように、固定軸55の中心を原点とし、原点から歯車56の中心方向にx軸、ロッド63の方向(より詳細には、連結軸62がx軸から最も離れる方向)にy軸を設定する。
膝関節アシストアクチュエータ18を駆動してロッド63をx軸方向に移動させると歯車54が原点を中心に回転する。
Each diagram in FIG. 6 is a diagram for explaining the joint operation torque and the joint operation speed per unit actuator operation amount.
As shown in FIG. 6A, the center of the fixed
When the knee
今、図に示したようにy軸と連結アーム61の成す角度をθとする。そして、θの入力可能角度、即ち、人体の膝構造を考えずに二重関節部50を機械的に動かせる角度をβ(−β/2からβ/2まで)とし、必要関節駆動角度、即ち、膝の運動をアシストするのに要する角度をα(−α/2からα/2まで)とする。θ=α/2が膝を伸ばした状態となる。
なお、この入力可能角度と必要関節駆動角度は一例であって、入力可能角度はβ1からβ2まで、必要関節駆動角度はα1からα2まで、というように二重関節部50の構成や連結アーム61の基準取り付け角度によって各種値をとり得る。θが大きいほど関節角度は小さくなり(膝を伸ばした状態になり)θが小さいほど関節角度は大きくなる(膝を屈曲した状態になる)。
Now, as shown in the figure, the angle formed by the y-axis and the connecting
The input possible angle and the required joint drive angle are examples. The input possible angle is from β1 to β2, the required joint drive angle is from α1 to α2, and the configuration of the double
図6(b)は、各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりのトルク、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54に作用させるトルクの値を各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該トルクは、θが0に近いほど(x軸から離れるほど)大きくなり、θの絶対値が大きくなるほど(x軸に近づくほど)小さくなる。
FIG. 6B plots the torque per unit actuator operation amount at each θ, that is, the value of the torque that the connecting
As shown in the figure, the torque increases as θ approaches 0 (away from the x-axis), and decreases as the absolute value of θ increases (closer to the x-axis).
図6(c)は、各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54を回転させる速さを各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該トルクは、θが0に近いほど(x軸から離れるほど)小さくなり、θの絶対値が大きくなるほど(x軸に近づくほど)大きくなる)。
なお、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作量も同様な特性となる。
FIG. 6 (c) plots the joint operation speed per unit actuator operation amount at each θ, that is, the speed at which the connecting
As shown in the figure, the torque decreases as θ approaches 0 (away from the x-axis), and increases as the absolute value of θ increases (closer to the x-axis).
The joint movement amount per unit actuator movement amount has the same characteristics.
このようにθに応じてトルクと関節動作速度(及び関節動作量)が変化するため、例えば、ロッド63をより伸ばした位置(θが大きい位置)に連結アーム61及び連結軸62を設置すると、関節屈曲角度が小さい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が小さくなるとともに関節動作トルクが大きくなる。また、各節屈曲角度が大きい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が大きくなるとともに関節動作トルクが小さくなる。
Thus, since the torque and the joint operation speed (and the joint operation amount) change according to θ, for example, when the connecting
逆に、膝関節アシストアクチュエータ18をより縮めた位置(θが小さい位置)に連結アーム61及び連結軸62を設置すると、関節屈曲角度が少ない部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が大きくなるとともに関節動作トルクが小さくなる。また、各節屈曲角度が大きい部分では、単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度が小さくなるとともに関節動作トルクが大きくなる。
On the contrary, when the connecting
このように、二重関節部50は、連結アーム61の取り付け位置によって変動過度特性を持つため、例えば、二重関節部50の変動過度特性に合わせて膝関節アシストアクチュエータ18に歩行支援に適した出力特性を持たせる必要が生じたり、連結アーム61に過負荷が作用する可能性が考えられるなど、変動過度特性が必ずしも歩行支援に適したものとはならない。
そこで、本実施の形態では、歯車54と歯車56の回転軸を偏心させることにより変動過度特性をより歩行アシストに適したものとする。
Thus, since the double
Therefore, in the present embodiment, the excessive fluctuation characteristics are made more suitable for walking assistance by decentering the rotation axes of the
図7の各図は、歯車54と歯車56の偏心の一例を説明するための図である。
図7(a)に示したように、歯車54では、固定軸55(回転中心)が歯車54の中心から−x方向にtの位置にオフセットして設けられ、歯車56も、固定軸57(回転中心)が歯車56の中心から−x方向にtの位置にオフセットして設けられている。
このように歯車54と歯車56は、同じ方向に同じ量だけ偏心して関節フレーム52(図示せず)に軸支されている。そして、歯車54と歯車56は、同じ直径を有するため、このように偏心してもかみ合って回転することができる。
Each drawing in FIG. 7 is a diagram for explaining an example of eccentricity of the
As shown in FIG. 7A, in the
Thus, the
角度βは、θの入力可能角度を示している。必要関節駆動角度αは、図6(a)と同様であり、図の煩雑化を避けるため省略してある。
歯車54、歯車56は、偏心しているため歯車54の回転に伴って歯車54と歯車56のギア比が連続的に変化する。
連結アーム61の回転にともなって歯車54の半径が大きくなる場合、歯車56の半径が小さくなるためギア比は大きくなる。
The angle β indicates an inputtable angle of θ. The necessary joint driving angle α is the same as that in FIG. 6A and is omitted to avoid complication of the drawing.
Since the
When the radius of the
逆に、連結アーム61の回転にともなって歯車54の半径が小さくなる場合、歯車56の半径が大きくなるためギア比は小さくなる。
例えば、連結アーム61が、図7(a)で示した位置にある場合、歯車54の半径が最大であるためギア比が最大となっており、連結アーム61を何れの側に回転させてもギア比が小さくなる。
On the contrary, when the radius of the
For example, when the connecting
図7(b)は、図7(a)のように歯車54、歯車56の回転軸を偏心させた場合の各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりのトルク、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54に作用させるトルクの値を各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該トルクは、x軸と連結軸62の距離が変化するとともにギア比も変化するため、これらの効果を合成したものとなり例えばθが小さい側で小さくなる。
7B, the torque per unit actuator operation amount at each θ when the rotating shafts of the
As shown in the figure, the torque changes as the distance between the x-axis and the connecting
図7(c)は、図7(a)のように歯車54、歯車56の回転軸を偏心させた場合の各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54を回転させる速さを各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該関節動作速度は、x軸と連結軸62の距離が変化するとともにギア比も変化するため、これらの効果を合成したものとなり例えばθが小さい側で大きくなる。
FIG. 7C shows a joint operation speed per unit actuator operation amount at each θ when the rotation axes of the
As shown in the figure, the joint operation speed is a combination of these effects because the distance between the x-axis and the connecting
図8の各図は、歯車54と歯車56の偏心の他の例を説明するための図である。
図8(a)に示したように、歯車54では、固定軸55が歯車54の中心から+x方向にtの位置にオフセットして設けられ、歯車56では、固定軸57が歯車56の中心から+x方向にtの位置にオフセットして設けられている。
このように歯車54と歯車56は、同じ方向に同じ量だけ偏心して関節フレーム52(図示せず)に軸支されている。そして、歯車54と歯車56は、同じ直径を有するため、このように偏心してもかみ合って回転することができる。
Each drawing of FIG. 8 is a diagram for explaining another example of the eccentricity of the
As shown in FIG. 8A, in the
Thus, the
角度βは、θの入力可能角度を示している。必要関節駆動角度αは、図6(a)と同様であり、図の煩雑化を避けるため省略してある。
歯車54、歯車56は、偏心しているため歯車54の回転に伴って歯車54と歯車56のギア比が連続的に変化する。
連結アーム61の回転にともなって歯車54の半径が大きくなる場合、歯車56の半径が小さくなるためギア比は大きくなる。
The angle β indicates an inputtable angle of θ. The necessary joint driving angle α is the same as that in FIG. 6A and is omitted to avoid complication of the drawing.
Since the
When the radius of the
逆に、連結アーム61の回転にともなって歯車54の半径が小さくなる場合、歯車56の半径が大きくなるためギア比は小さくなる。
例えば、連結アーム61が、図8(a)で示した位置にある場合、歯車54の半径が最小であるためギア比が最小となっており、連結アーム61を何れの側に回転させてもギア比が大きくなる。
On the contrary, when the radius of the
For example, when the connecting
図8(b)は、図8(a)のように歯車54、歯車56の回転軸を偏心させた場合の各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりのトルク、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54に作用させるトルクの値を各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該トルクは、x軸と連結軸62の距離が変化するとともにギア比も変化するため、これらの効果を合成したものとなり例えばθが大きい側で大きくなる。
In FIG. 8B, the torque per unit actuator operation amount at each θ when the rotating shafts of the
As shown in the figure, the torque changes as the distance between the x-axis and the connecting
図8(c)は、図8(a)のように歯車54、歯車56の回転軸を偏心させた場合の各θにおける単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作速度、即ち、ロッド63を単位量だけ駆動した場合に連結アーム61が歯車54を回転させる速さを各θに渡ってプロットしたものである。
図に示したように、当該関節動作速度は、x軸と連結軸62の距離が変化するとともにギア比も変化するため、これらの効果を合成したものとなり例えばθが大きい側で小さくなる。
FIG. 8C shows a joint operation speed per unit actuator operation amount at each θ when the rotation axes of the
As shown in the figure, the joint operation speed is a combination of these effects as the distance between the x-axis and the connecting
以上、歯車54と歯車56の偏心の例について説明したが、このように二重関節部50内のギアを偏心させることにより、例えば、関節角度が大きい(関節を大きく曲げる)時にギア比を大きくして必要なトルクを出力させたり、関節角度が小さい(関節を伸ばしている)時にギア比を小さくして動作速度を大きくする、といったようにギア比を無段階に可変させ、実際の四肢の運動の特性に合わせることが可能になる。
また、偏心の大きさや、初期状態(膝を伸ばした状態)での連結アーム61の取り付け角度や回転中心から連結軸62までの距離によって、二重関節部50の変動過度特性(単位アクチュエータ動作量当たりのトルクや関節動作速度)をより詳細に調整することができる。
このように、二重関節部50では、機械的な仕様で特性を調整できるため膝関節アシストアクチュエータ18の最大発生トルクと動作速度の両立を廉価に得ることが可能となる。
The example of the eccentricity of the
Further, depending on the magnitude of the eccentricity, the mounting angle of the connecting
Thus, in the double
以上、本実施の形態の二重関節部50について説明したが、これによって次のような効果を得ることができる。
(1)二重関節部50内の歯車54、歯車56を偏心させることにより歯車54と歯車56のギア比を歯車54の回転に伴って連続的に変化させることができる。
(2)二重関節部50において、歯車54、歯車56の偏心量、及び連結アーム61の取り付け角度によって様々な変動過度特性を実現することができる。このため、低コストで実際の脚部の運動特性に合わせた特性を有するように二重関節部50を構成することができる。
(3)二重関節部50の内部に設置する歯車54を駆動することで、関節動作に必要な膝関節アシストアクチュエータ18のストロークを短小化することができる。そのため、膝関節アシストアクチュエータ18として短いストロークの直動アクチュエータを用いることができる。また、膝関節アシストアクチュエータ18の取り付け位置を大きくオフセットすることがなくなるとともに関節周りの張り出しがなくなる。以上により二重関節部50の駆動機構が小型化できる。
(4)図9に示した従来例では、(a)膝関節アシストアクチュエータ18の必要ストロークが長大、(b)単位アクチュエータ動作量当たりの関節動作角度の変動が大きく、屈曲角度が大きくなるにつれて動作角度当たりのアクチュエータ動作量が少なくなり、屈曲角度が大きい部分で関節トルクが出にくい、(c)膝頂点部にアクチュエータピボットが張り出して突起するため、作用点であるピボットが障害物に接触する可能性が高くなる、などの問題があるが、本実施の形態では、これらの問題を著しく軽減することができる。
(5)図10に示した従来例では、(a)膝関節アシストアクチュエータ18の必要ストロークが長大、(b)屈曲時に関節内側に膝関節アシストアクチュエータ18が張り出し、椅子に座ることが困難になる、などの問題があるが、本実施の形態では、これらの問題を著しく軽減することができる。
The double
(1) By decentering the
(2) In the double
(3) By driving the
(4) In the conventional example shown in FIG. 9, (a) the required stroke of the knee
(5) In the conventional example shown in FIG. 10, (a) the required stroke of the knee
以上に説明した実施の形態により次のような構成を得ることができる。
(1)上腿連結部材26は、歩行支援対象者の上腿部を支持する第1の支持部材として機能しており、歯車54の歯部は、第1の支持部材に軸支され、前記上腿部の膝関節に対応して形成された第1の歯部として機能している。
下腿連結部材27は、前記膝関節に接合する下腿部を支持する第2の支持部材として機能しており、歯車56の歯部は、第2の支持部材に固定され、前記第1の歯部とかみ合って連動する第2の歯部として機能している。
関節フレーム52は、歯車54と歯車56の回転軸は偏心しており関節フレーム52は、これらの回転軸を軸支しているため、前記第1の歯部の回転軸と前記第2の歯部の回転軸を偏心させて軸支する歯部保持部材として機能している。
膝関節アシストアクチュエータ18は、前記第1の歯部を駆動して回転させる駆動手段として機能している。なお、膝関節アシストアクチュエータ18の代わりにモータで歯車54を駆動することも可能である。
(2)膝関節アシストアクチュエータ18は、ロッド駆動部64側が上腿連結部材26に軸支され、ロッド63側が連結アーム61を介して、あるいは直接歯車54に軸支されているため、前記駆動手段は、一端が前記第1の支持部材に軸支され、他端が前記第1の歯部に対して軸支され、前記第1の歯部の回転方向に伸縮する。
(3)ロッド63が連結アーム61を介して歯車54に軸支される場合、連結アーム61は、アーム部材として機能しており、前記駆動手段の前記他端は、前記第1の歯部に固定されたアーム部材に軸支されている。
According to the embodiment described above, the following configuration can be obtained.
(1) The upper
The
In the
The knee
(2) The knee
(3) When the
1 装着型ロボット
2 制御装置
3 センサ情報取得部
4 各種パラメータ算出部
5 歩行動作判定部
6 歩行シーン判定部
7 記憶部
8 歩行アシスト力決定部
10 つま先反力センサ
11 踵反力センサ
12 つま先姿勢センサ
13 踵姿勢センサ
14 腰姿勢センサ
15 上腿姿勢センサ
16 下腿姿勢センサ
17 股関節アシストアクチュエータ
18 膝関節アシストアクチュエータ
19 足首関節アシストアクチュエータ
21 腰部装着部
22 上腿装着部
23 下腿装着部
24 足装着部
26 上腿連結部材
27 下腿連結部材
50 二重関節部
52 関節フレーム
54 歯車
55 固定軸
56 歯車
57 固定軸
60 固定具
61 連結アーム
62 連結軸
63 ロッド
64 ロッド駆動部
65 連結軸
100 部材
101 部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
前記膝関節に接合する下腿部を支持する第2の支持部材に固定され、前記第1の歯部とかみ合って連動する第2の歯部と、
前記第1の歯部の回転軸と前記第2の歯部の回転軸を偏心させて軸支する歯部保持部材と、
前記第1の歯部を駆動して回転させる駆動手段と、
を具備したことを特徴とする歩行支援装置。 A first tooth portion pivotally supported by a first support member that supports the upper leg of the walking support target person and formed corresponding to the knee joint of the upper leg;
A second tooth part fixed to a second support member that supports a lower leg part joined to the knee joint, and meshes with and interlocks with the first tooth part;
A tooth holding member that pivotally supports the rotating shaft of the first tooth portion and the rotating shaft of the second tooth portion by eccentrically,
Driving means for driving and rotating the first tooth portion;
A walking support device characterized by comprising:
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