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JP5783455B2 - Walking support device - Google Patents

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JP5783455B2
JP5783455B2 JP2011211171A JP2011211171A JP5783455B2 JP 5783455 B2 JP5783455 B2 JP 5783455B2 JP 2011211171 A JP2011211171 A JP 2011211171A JP 2011211171 A JP2011211171 A JP 2011211171A JP 5783455 B2 JP5783455 B2 JP 5783455B2
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gear
joint
walking
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knee
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藤井 一彰
一彰 藤井
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Equos Research Co Ltd
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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 thigh connecting member 26 to be worn on the wearer's upper thigh and the lower thigh connecting member 27 to be worn on the lower thigh are a double joint having an interlocking gear 54 and gear 56. It joins via the part 50. FIG.
The knee joint assist actuator 18 includes a rod drive unit 64 and a rod 63, and the rod drive unit 64 is pivotally supported on the crotch side of the upper thigh coupling member 26 (the front side of the upper thigh). On the other hand, the tip of the rod 63 is pivotally supported by a member 100 that extends toward the upper thigh connection member 26 on the shin side (front side of the lower thigh) of the lower thigh connection member 27.

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 joint assist actuator 18 is driven in the double joint portion 50 configured as described above and the rod driving portion 64 pushes out the rod 63, the double joint portion 50 causes the upper leg connecting member 26 and the lower leg connecting member 27 to be driven. Bends as shown in FIG.
Further, when the rod driving unit 64 pushes out the rod 63, the upper thigh connecting member 26 and the lower thigh connecting member 27 are in a state in which the knees are folded as shown in FIG. 9C.
On the contrary, when the rod driving unit 64 retracts the rod 63, the upper thigh connecting member 26 and the lower thigh connecting member 27 are in a state where the knees are extended as shown in FIG. 9A, and the bending is released.

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 rod drive unit 64 is pivotally supported on the back side of the crotch side of the upper thigh connection member 26, and the tip of the rod 63 is connected to the lower thigh connection member 27. Is supported by a member 101 fixed to the shin side.
When the knee joint assist actuator 18 is driven in the double joint portion 50 configured as described above and the rod drive portion 64 retracts the rod 63, as shown in FIG. When the lower leg connecting member 27 is bent and the knee joint assist actuator 18 is further driven, the upper leg connecting member 26 and the lower leg connecting member 27 are further bent and the knee is broken as shown in FIG. It becomes.
Conversely, when the rod drive unit 64 pushes out the rod 63, the upper thigh connecting member 26 and the lower thigh connecting member 27 are in a state where the knees are extended as shown in FIG.

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 double joint portion 50 is driven as described above. With this drive mechanism, for example, the knee joint assist actuator 18 is operated by the same amount in a state where the knee is extended and bent. Even so, the joint motion amount and joint motion torque are different.
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 joint part 50 has an excessive fluctuation characteristic, there was a problem that this characteristic is not necessarily suitable for walking assist.

特開2005−95561号公報JP 2005-95561 A

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 claim 2, one end of the driving means is pivotally supported by the first support member, and the other end is pivotally supported by the first tooth portion. The walking support device according to claim 1, wherein the walking support device extends and contracts in a rotation direction of the tooth portion.
(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.

装着型ロボットの装着状態を示した図である。It is the figure which showed the mounting state of the mounting type robot. 装着型ロボットのシステム構成を示した図である。It is the figure which showed the system configuration | structure of the mounting | wearing type robot. 二重関節部の装着位置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mounting position of a double joint part. 二重関節部の構造を詳細に説明するための図である。It is a figure for demonstrating in detail the structure of a double joint part. 膝関節アシストアクチュエータの構成、及び二重関節部の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of a knee joint assist actuator, and operation | movement of a double joint part. 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。It is a figure for demonstrating the joint operation torque and the joint operation speed per unit actuator operation amount. 歯車の偏心の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of eccentricity of a gearwheel. 歯車の偏心の他の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other example of eccentricity of a gearwheel. 従来例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a prior art example. 従来例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a prior art example.

(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 gear 54 is rotatably supported by the lower leg connecting member 27 of the upper leg connecting member 26, and the gear 56 is supported by the lower leg connecting member 27. It is fixed so that it does not rotate.
The joint frame 52 rotatably supports the gear 54 and the gear 56, and holds the gear 54 and the gear 56 at a position where the tooth portions of the gear 54 and the gear 56 are engaged with each other.
A connecting arm 61 is fixed in a radial direction on the surface of the gear 54, and the connecting arm 61 is pivotally supported on a rod 63 by a connecting shaft 62. Although not shown, the rod 63 constitutes the knee joint assist actuator 18 and moves in the axial direction.
Therefore, when the knee joint assist actuator 18 is driven, the gear 54 is rotated by the rod 63, the gear 56 is rotated in conjunction with this, and the lower leg connecting member 27 is bent with respect to the upper leg connecting member 26.

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 gear 54 and the gear 56 are eccentrically supported by the same offset amount.
For this reason, when the gear 54 is driven, the gear ratio between the gear 54 and the gear 56 continuously changes in a stepless manner. As a result, the joint operation torque, the joint operation speed, and the joint operation amount per unit actuator operation amount also change continuously.
By using this, the double joint portion 50 is set by variously setting the eccentric offset amount of the gear 54 and the gear 56, the initial angle of the connecting arm 61, and the position of the connecting shaft 62 (distance from the rotation center to the connecting shaft 62). Can be adjusted. Therefore, the characteristics of the double joint portion 50 can be optimized at a low cost in accordance with the motion characteristics of the wearer's legs.

(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 waist attachment part 21, an upper leg attachment part 22, a lower leg attachment part 23, a foot attachment part 24, an upper leg connection member 26, a lower leg connection member 27, a control device 2, a toe reaction force sensor 10, Force sensor 11, toe posture sensor 12, heel posture sensor 13, waist posture sensor 14, upper leg posture sensor 15, lower leg posture sensor 16, hip joint assist actuator 17, knee joint assist actuator 18, ankle joint assist actuator 19 and the like are provided. Yes. In addition, except for the waist mounting part 21, the control device 2, and the waist posture sensor 14, they are provided on both the left and right feet, and the respective detected values are output.
However, the toe reaction force sensor 10 and the heel reaction force sensor 11 may be provided with a toe grounding sensor and a heel grounding sensor instead of both sensors in the embodiment in which the detection of the reaction force is unnecessary. .

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 waist mounting portion 21 is attached around the waist of the wearer and fixes the wearable robot 1.
The waist posture sensor 14 is attached to the waist attachment portion 21 and detects the posture of the waist (roll angle, yaw angle, pitch angle) with a gyroscope or the like. Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the waist can be obtained.

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 control device 2 is attached to the waist mounting portion 21 and controls the operation of the wearable robot 1.
The hip joint assist actuator 17 is provided at the same height as the hip joint of the wearer, and drives the upper thigh coupling member 26 in the front-rear direction with respect to the waist mounting portion 21. Note that the hip joint assist actuator 17 may be configured to be driven in the lateral direction as a three-axis actuator.

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 thigh coupling member 26 is a rigid columnar member provided outside the upper thigh of the wearer, and is fixed to the upper thigh of the wearer by the upper thigh mounting portion 22. The upper thigh connecting member 26 is driven by the hip joint assist actuator 17 to support the movement of the upper thigh.
The outer side of the upper thigh mounting part 22 is fixed to the inner side of the upper thigh coupling member 26, and the inner side is fixed to the upper leg of the wearer.
The upper leg posture sensor 15 detects the upper leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). In addition, by differentiating these angles, the angular velocity and acceleration of the upper thigh can be obtained.

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 joint assist actuator 18 drives a double joint portion 50, which will be described later, formed at the knee joint portion, thereby moving the lower leg connecting member 27 in the front-rear direction to support the movement of the lower leg portion of the wearer.
The crus connecting member 27 is a columnar member having rigidity provided outside the crus of the wearer, and is fixed to the crus of the wearer by the crus attachment 23. The lower leg connecting member 27 is driven by the knee joint assist actuator 18 to support the movement of the lower leg.

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 leg mounting portion 23 is fixed to the inner side of the lower leg connecting member 27, and the inner side is fixed to the lower leg of the wearer.
The lower leg posture sensor 16 detects the lower leg posture (roll angle, yaw angle, pitch angle). Also, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the lower leg can be obtained.

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 joint assist actuator 19 is provided at the same height as the wearer's ankle joint, and drives the toe of the foot mounting portion 24 in the direction of moving up and down with respect to the crus coupling member 27.
The foot mounting portion 24 is fixed to the foot portion (instep and sole) of the wearer. Generally, the joint at the base of the toe is bent during walking, but the foot mounting portion 24 is also configured so that the base of the toe is bent according to the toes.

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 toe posture sensor 12 and the heel posture sensor 13 are respectively installed at the front end and the rear end of the foot mounting portion 24 and detect the toe and heel postures (roll angle, yaw angle, pitch angle), respectively. Further, by differentiating these angles, the angular velocity and angular acceleration of the toes and the heel can be obtained.

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 reaction force sensor 10 is installed in front of the sole portion of the foot mounting portion 24 and detects the ground contact of the toe and the reaction force from the walking surface.
The heel reaction force sensor 11 is installed on the rear side of the sole of the foot mounting portion 24 and detects the ground contact of the heel and also detects the reaction force from the walking surface.
The wearable robot 1 configured as described above supports the walking of the wearer by driving the hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19.

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 control device 2 includes an electronic control unit including a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a clock as means for measuring time, a storage unit 7, various interfaces, and the like. And each part of the wearable robot 1 is electronically controlled.

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 control device 2 is also configured by executing various programs such as a walking support program stored in the storage unit 7 by the CPU, and includes a sensor information acquisition unit 3, various parameter calculation units 4, a walking motion determination unit 5, A walking scene determination unit 6 and a walking assist force determination unit 8 are provided.
The sensor information acquisition unit 3 acquires a detection value from each of the toe reaction force sensor 10 to the crus posture sensor 16. The detection value of each sensor acquired by the sensor information acquisition unit 3 is used for determination of walking motion, determination of a walking scene, calculation of walking parameters, and the like.

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 force determining unit 8 determines the assist force to be output to the hip joint assist actuator 17, the knee joint assist actuator 18, and the ankle joint assist actuator 19 disposed on the left and right feet, and drives these assist actuators accordingly. . The assist force is a moment (torque) that the wearable robot 1 drives the assist actuator to act on the legs.

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 joint portion 50. FIG. 3A shows a front view, and FIG. 3B shows a side view.
In FIG. 3 (a), only the right foot is attached to simplify the drawing, but it is attached to both feet. Further, the knee joint assist actuator 18 is omitted.
The double joint portion 50 is formed corresponding to the position of the knee joint of the wearer, and joins the lower end of the upper thigh connection member 26 and the upper end of the lower thigh connection member 27.
The double joint portion 50 has a circular gear 54 pivotally supported on the lower end side of the upper thigh connection member 26, a circular gear 56 fixed on the upper end side of the lower thigh connection member 27, and the gear 54 and the gear 56. A supporting joint frame 52 is provided.
The gear 54 and the gear 56 are interlocked with each other by meshing tooth portions (gears).

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 joint portion 50 is bent accordingly. Then, the rotation center of the lower leg connecting member 27 with respect to the upper leg connecting member 26 is the intersection of the axes of the upper leg connecting member 26 and the lower leg connecting member 27, and moves forward as the knee bends. This movement is well adapted to the movement of the knee of the human body, and the double joint portion 50 can follow the knee back and forth motion well.

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 joint portion 50.
In the double joint portion 50 of the present embodiment, the rotation shafts of the gear 54 and the gear 56 are eccentric. First, the case where the gear 54 and the gear 56 are not eccentric will be described. A case where the gear 56 is eccentric will be described.
A gear 54 is rotatably supported by a fixed shaft 55 on the lower end side of the upper thigh connection member 26 (lower thigh connection member 27 side).
Although not shown, teeth are formed on the entire circumference of the gear 54. The tooth portion does not need to be formed on the entire circumference of the gear 54, and may be formed at least at a portion that meshes with the gear 56.

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 gear 56 is fixed to the upper end side (upper thigh connection member 26 side) of the crus coupling member 27 by the fixing shaft 57 and the fixtures 60, 60, 60 provided around the fixing shaft 57 every 120 degrees. Has been. In addition, in order to avoid complication of a figure, the fixing tool 60 attaches | subjects the code | symbol to only one.
Since the rotation of the gear 56 with respect to the crus connection member 27 is restricted by the fixture 60, the gear 56 does not rotate with respect to the crus connection member 27 and moves together with the crus connection member 27.
Although not shown, teeth are formed on the entire circumference of the gear 56. The tooth portion does not need to be formed on the entire circumference of the gear 56, and may be formed at least at a portion that meshes with the gear 54.

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 joint frame 52 is a plate-like member, and the gear portion 54 and the tooth portion of the gear 56 are engaged with each other, and the gear 54 and the fixed shaft 55 are pivotally supported at positions where they are interlocked with each other.
For this reason, when the gear 54 rotates with respect to the joint frame 52, the gear 56 also rotates with respect to the joint frame 52. Since the gear 56 is fixed to the crus connecting member 27, the crus connecting member 27 rotates with respect to the crus connecting member 26.

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 joint frame 52 is disposed only on one side of the gear 54 and the gear 56, but the joint frame 52 is also provided on the opposite one side, and the gear 54 and the gear 56 are connected by the two joint frames 52. It may be sandwiched. Furthermore, when the two joint frames 52 are connected and fixed to each other, the strength of the double joint portion 50 can be improved.

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 arm 61 is fixed to the surface of the gear 54 and extends to the outside of the gear 54 in the radial direction of the gear 54.
The distal end portion of the rod 63 is pivotally supported by the coupling shaft 62 at the distal end portion of the coupling arm 61.
When the rod 63 expands and contracts, a force is transmitted to the gear 54 via the connecting arm 61, and a torque for rotating the gear 54 is generated.

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 gear 54 is rotated by the torque generated by the rod 63, the gear 56 is rotated in conjunction with it, whereby the lower leg connecting member 27 is rotated with respect to the upper leg connecting member 26. In this way, by driving the rod 63, the double joint portion 50 can be driven, and the crus coupling member 27 can be rotated and bent.

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 joint assist actuator 18 and the operation of the double joint portion 50.
Fig.5 (a) has shown the double joint part 50 in the state which the knee extended.
The knee joint assist actuator 18 expands and contracts by inserting and removing the rod 63 from the rod driving unit 64 in the axial direction.
For example, a ball screw, hydraulic pressure, pneumatic pressure, artificial muscle (for example, McKibben type) or the like can be used for the rod driving unit 64.
An end portion of the rod driving portion 64 is pivotally supported on the crotch side of the upper thigh coupling member 26 by a coupling shaft 65. For this reason, the knee joint assist actuator 18 can freely change the attachment angle with respect to the upper thigh coupling member 26 according to expansion and contraction.

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 joint assist actuator 18 is operated and the rod driving unit 64 pulls the rod 63, the length of the knee joint assist actuator 18 is shortened as shown in FIG.
Then, since the rod drive unit 64 is pivotally supported by the upper thigh connection member 26, the connection arm 61 is drawn toward the rod drive unit 64 side and the gear 54 rotates, and the gear 56 and the gear 54 are interlocked with this. Rotate in the opposite direction.
Since the gear 54 is fixed to the crus connecting member 27, the crus connecting member 27 rotates in a direction in which the knee is bent with respect to the crus connecting member 26. In this way, the double joint portion 50 is driven by the knee joint assist actuator 18.

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 rod drive unit 64 retracts the rod 63, the lower leg connecting member 27 rotates to an angle at which the knee is bent with respect to the upper leg connecting member 26 as shown in FIG.
Conversely, when the rod drive unit 64 sends out the rod 63, the upper thigh connecting member 26 and the lower thigh connecting member 27 are in a state where the knees are extended as shown in FIG.

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 shaft 55 is the origin, the x-axis is from the origin toward the center of the gear 56, and the direction of the rod 63 (more specifically, the connecting shaft 62 is farthest from the x-axis). Direction) is set to the y-axis.
When the knee joint assist actuator 18 is driven to move the rod 63 in the x-axis direction, the gear 54 rotates around the origin.

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 arm 61 is θ. An input possible angle θ, that is, an angle at which the double joint portion 50 can be mechanically moved without considering the knee structure of the human body is β (from −β / 2 to β / 2), and a necessary joint driving angle, The angle required to assist the knee motion is α (from −α / 2 to α / 2). When θ = α / 2, the knee is stretched.
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 joint portion 50 and the connecting arm 61. Various values can be taken depending on the reference mounting angle. The larger the θ is, the smaller the joint angle is (when the knee is extended), and the smaller θ is, the larger the joint angle is (when the knee is bent).

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 arm 61 acts on the gear 54 when the rod 63 is driven by the unit amount over each θ. Is.
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 arm 61 rotates the gear 54 when the rod 63 is driven by the unit amount over each θ. It is a thing.
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 arm 61 and the connecting shaft 62 are installed at a position where the rod 63 is further extended (position where θ is large), In a portion where the joint flexion angle is small, the joint operation speed per unit actuator operation amount decreases and the joint operation torque increases. Further, in a portion where each joint bending angle is large, the joint operation speed per unit actuator operation amount increases and the joint operation torque decreases.

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 arm 61 and the connecting shaft 62 are installed at a position where the knee joint assist actuator 18 is further contracted (position where θ is small), the joint operation speed per unit actuator operation amount increases at a portion where the joint bending angle is small. And the joint operating torque becomes smaller. Further, in a portion where each node bending angle is large, the joint operation speed per unit actuator operation amount decreases and the joint operation torque increases.

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 joint part 50 has a variation excessive characteristic depending on the attachment position of the connecting arm 61, for example, the knee joint assist actuator 18 is suitable for walking support according to the variable fluctuation characteristic of the double joint part 50. The excessive fluctuation characteristics are not necessarily suitable for walking support, such as the necessity of having output characteristics or the possibility of an overload acting on the connecting arm 61.
Therefore, in the present embodiment, the excessive fluctuation characteristics are made more suitable for walking assistance by decentering the rotation axes of the gear 54 and the gear 56.

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 gear 54 and the gear 56.
As shown in FIG. 7A, in the gear 54, the fixed shaft 55 (center of rotation) is offset from the center of the gear 54 in the -x direction at the position t, and the gear 56 is also connected to the fixed shaft 57 ( The center of rotation) is offset from the center of the gear 56 to the position t in the -x direction.
Thus, the gear 54 and the gear 56 are eccentrically supported by the same amount in the same direction and are pivotally supported by the joint frame 52 (not shown). And since the gear 54 and the gear 56 have the same diameter, even if it decenters in this way, they can mesh and rotate.

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 gear 54 and the gear 56 are eccentric, the gear ratio between the gear 54 and the gear 56 continuously changes as the gear 54 rotates.
When the radius of the gear 54 increases as the connecting arm 61 rotates, the gear ratio increases because the radius of the gear 56 decreases.

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 gear 54 becomes smaller as the connecting arm 61 rotates, the gear ratio becomes smaller because the radius of the gear 56 becomes larger.
For example, when the connecting arm 61 is in the position shown in FIG. 7A, the gear ratio is the maximum because the radius of the gear 54 is the maximum, and the connecting arm 61 can be rotated to any side. Gear ratio decreases.

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 gear 54 and the gear 56 are eccentric as shown in FIG. 7A, that is, the rod 63 is driven by the unit amount. In this case, the torque value that the connecting arm 61 acts on the gear 54 is plotted over each θ.
As shown in the figure, the torque changes as the distance between the x-axis and the connecting shaft 62 changes, and the gear ratio also changes.

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 gears 54 and 56 are eccentric as shown in FIG. The speed at which the connecting arm 61 rotates the gear 54 when driven is plotted over each θ.
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 shaft 62 is changed and the gear ratio is changed.

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 gear 54 and the gear 56.
As shown in FIG. 8A, in the gear 54, the fixed shaft 55 is offset from the center of the gear 54 to the position t in the + x direction. In the gear 56, the fixed shaft 57 is moved from the center of the gear 56. It is offset from the position of t in the + x direction.
Thus, the gear 54 and the gear 56 are eccentrically supported by the same amount in the same direction and are pivotally supported by the joint frame 52 (not shown). And since the gear 54 and the gear 56 have the same diameter, even if it decenters in this way, they can mesh and rotate.

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 gear 54 and the gear 56 are eccentric, the gear ratio between the gear 54 and the gear 56 continuously changes as the gear 54 rotates.
When the radius of the gear 54 increases as the connecting arm 61 rotates, the gear ratio increases because the radius of the gear 56 decreases.

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 gear 54 becomes smaller as the connecting arm 61 rotates, the gear ratio becomes smaller because the radius of the gear 56 becomes larger.
For example, when the connecting arm 61 is in the position shown in FIG. 8A, the gear ratio is minimum because the radius of the gear 54 is minimum, and the connecting arm 61 can be rotated to any side. Gear ratio increases.

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 gear 54 and the gear 56 are eccentric as shown in FIG. 8A, that is, the rod 63 is driven by a unit amount. In this case, the torque value that the connecting arm 61 acts on the gear 54 is plotted over each θ.
As shown in the figure, the torque changes as the distance between the x-axis and the connecting shaft 62 changes and the gear ratio also changes.

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 gears 54 and 56 are eccentric as shown in FIG. The speed at which the connecting arm 61 rotates the gear 54 when driven is plotted over each θ.
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 shaft 62 changes and the gear ratio also changes.

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 gear 54 and the gear 56 has been described above. By decentering the gear in the double joint portion 50 in this manner, for example, when the joint angle is large (the joint is greatly bent), the gear ratio is increased. The gear ratio can be varied steplessly, such as when the required torque is output, or when the joint angle is small (the joint is extended), and the gear ratio is reduced to increase the operating speed. It becomes possible to match the characteristics of movement.
Further, depending on the magnitude of the eccentricity, the mounting angle of the connecting arm 61 in the initial state (the state where the knees are extended), and the distance from the rotation center to the connecting shaft 62, the fluctuation excessive characteristics (unit actuator operation amount). (Torque and joint operation speed) can be adjusted in more detail.
Thus, in the double joint portion 50, the characteristics can be adjusted by mechanical specifications, so that it is possible to obtain both the maximum generated torque and the operation speed of the knee joint assist actuator 18 at low cost.

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 joint portion 50 of the present embodiment has been described above, but the following effects can be obtained thereby.
(1) By decentering the gear 54 and the gear 56 in the double joint portion 50, the gear ratio between the gear 54 and the gear 56 can be continuously changed as the gear 54 rotates.
(2) In the double joint portion 50, various excessive fluctuation characteristics can be realized depending on the amount of eccentricity of the gear 54 and the gear 56 and the attachment angle of the connecting arm 61. For this reason, the double joint part 50 can be comprised so that it may have the characteristic match | combined with the exercise | movement characteristic of the actual leg part at low cost.
(3) By driving the gear 54 installed in the double joint portion 50, the stroke of the knee joint assist actuator 18 necessary for the joint operation can be shortened. Therefore, a linear actuator with a short stroke can be used as the knee joint assist actuator 18. Further, the attachment position of the knee joint assist actuator 18 is not greatly offset, and the protrusion around the joint is eliminated. Thus, the drive mechanism of the double joint portion 50 can be reduced in size.
(4) In the conventional example shown in FIG. 9, (a) the required stroke of the knee joint assist actuator 18 is long, (b) the variation of the joint operation angle per unit actuator operation amount is large, and the operation is performed as the bending angle increases. The amount of actuator movement per angle is reduced, and it is difficult to generate joint torque at a portion where the bending angle is large. (C) The actuator pivot protrudes and projects at the apex of the knee, so the pivot that is the point of action can contact the obstacle. However, in this embodiment, these problems can be significantly reduced.
(5) In the conventional example shown in FIG. 10, (a) the required stroke of the knee joint assist actuator 18 is long, and (b) the knee joint assist actuator 18 overhangs inside the joint when bent, making it difficult to sit on a chair. However, in this embodiment, these problems can be significantly reduced.

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 thigh connecting member 26 functions as a first support member that supports the upper thigh of the walking support target, and the tooth portion of the gear 54 is pivotally supported by the first support member. It functions as a first tooth formed corresponding to the knee joint of the upper leg.
The crus coupling member 27 functions as a second support member that supports the crus joined to the knee joint, and the tooth portion of the gear 56 is fixed to the second support member, and the first teeth It functions as a second tooth portion that engages and interlocks with the portion.
In the joint frame 52, the rotation shafts of the gear 54 and the gear 56 are eccentric, and the joint frame 52 supports these rotation shafts. Therefore, the rotation shaft of the first tooth portion and the second tooth portion of the joint frame 52 are supported. It functions as a tooth | gear part holding member which eccentrically supports the rotating shaft of and supports.
The knee joint assist actuator 18 functions as a driving unit that drives and rotates the first tooth portion. The gear 54 may be driven by a motor instead of the knee joint assist actuator 18.
(2) The knee joint assist actuator 18 has the rod drive unit 64 side pivotally supported by the upper thigh coupling member 26 and the rod 63 side pivotally supported by the coupling arm 61 or directly by the gear 54. One end is pivotally supported by the first support member, the other end is pivotally supported by the first tooth portion, and expands and contracts in the rotation direction of the first tooth portion.
(3) When the rod 63 is pivotally supported by the gear 54 via the connecting arm 61, the connecting arm 61 functions as an arm member, and the other end of the driving means is connected to the first tooth portion. It is pivotally supported by a fixed arm member.

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 Wearable robot 2 Control apparatus 3 Sensor information acquisition part 4 Various parameter calculation part 5 Walking motion determination part 6 Walking scene determination part 7 Memory | storage part 8 Walking assist force determination part 10 Toe reaction force sensor 11 踵 Reaction force sensor 12 Toe posture sensor 13 Waist Posture Sensor 14 Waist Posture Sensor 15 Upper Leg Posture Sensor 16 Lower Leg Posture Sensor 17 Hip Joint Assist Actuator 18 Knee Joint Assist Actuator 19 Ankle Joint Assist Actuator 21 Lumbar Mount Part 22 Upper Thigh Mount Part 23 Lower Thigh Mount Part 24 Leg Mount Part 26 Upper Thigh connecting member 27 Lower thigh connecting member 50 Double joint portion 52 Joint frame 54 Gear 55 Fixed shaft 56 Gear 57 Fixed shaft 60 Fixing tool 61 Connecting arm 62 Connecting shaft 63 Rod 64 Rod driving portion 65 Connecting shaft 100 Member 101 Member

Claims (3)

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。
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:
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ことを特徴とする請求項1に記載の歩行支援装置。   One end of the driving means is pivotally supported by the first support member, the other end is pivotally supported by the first tooth portion, and extends and contracts in the rotation direction of the first tooth portion. The walking support device according to claim 1. 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ことを特徴とする請求項2に記載の歩行支援装置。   The walking support device according to claim 2, wherein the other end of the driving unit is pivotally supported by an arm member fixed to the first tooth portion.
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