擺動關(guān)節(jié)裝置、步行能力輔助裝置、及控制擺動關(guān)節(jié)剛性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種執(zhí)行周期性擺動運動并且改變關(guān)節(jié)的剛性的擺動關(guān)節(jié)裝置、一種執(zhí)行周期性擺動運動以輔助使用者的步行或跑步的步行能力輔助裝置、以及用于控制擺動關(guān)節(jié)的剛性的方法，通過該方法，執(zhí)行周期性擺動運動的關(guān)節(jié)的剛性被改變。
【背景技術(shù)】
[0002]作為用于對執(zhí)行周期性擺動運動的關(guān)節(jié)進行控制的裝置的示例，日本專利申請公報N0.2004-344304(JP 2004-344304 A)公開了一種向使用者的下肢(范圍為從股關(guān)節(jié)至腳)施加輔助力的步行輔助裝置。步行輔助裝置具有附接成以纏繞使用者的腰部的腰部用具、從使用者的股關(guān)節(jié)的側(cè)面延伸至膝關(guān)節(jié)的側(cè)面的連接桿、從使用者的膝關(guān)節(jié)的側(cè)面延伸至小腿腓部的小腿部用具、附接在連接桿的處于股關(guān)節(jié)的側(cè)面的位置處的股關(guān)節(jié)致動器、以及附接在連接桿的處于膝關(guān)節(jié)的側(cè)面的位置處的膝關(guān)節(jié)致動器。然后，股關(guān)節(jié)致動器附接至腰部用具的連接部分并且使連接桿在股關(guān)節(jié)的側(cè)面處相對于腰部用具繞股關(guān)節(jié)前后擺動。另外，膝關(guān)節(jié)致動器使小腿部用具在膝關(guān)節(jié)的側(cè)面處相對于連接桿繞膝關(guān)節(jié)前后擺動。此外，股關(guān)節(jié)致動器與膝關(guān)節(jié)致動器均為電動機，并且電力是從附接至腰部用具的電池供給至電動機的。
[0003]另外，日本專利申請公報N0.2012-125388 (JP 2012-125388 A)公開了一種對使用者的小腿(范圍為從膝蓋至腳踝)的擺動運動進行輔助的步行康復裝置。該步行康復裝置具有繞使用者的腰部設(shè)置的控制器、從使用者的股關(guān)節(jié)的側(cè)面延伸至膝關(guān)節(jié)的側(cè)面的大腿連桿、從使用者的膝關(guān)節(jié)的兩個側(cè)面延伸至踝關(guān)節(jié)的小腿連桿、設(shè)置在膝關(guān)節(jié)的側(cè)面處的馬達、以及從使用者的踝關(guān)節(jié)延伸至使用者的腳底的腳部連桿。馬達附接在位于大腿連桿與小腿連桿之間的連接部分處并且位于膝關(guān)節(jié)的側(cè)面，并且馬達使小腿連桿在膝關(guān)節(jié)的側(cè)面處相對于大腿連桿繞膝關(guān)節(jié)前后擺動。電力是從包括在控制器中的電池供給至馬達的。
[0004]此外，日本專利申請公報N0.2013-236741 (JP2013-236741 A)公開了一種附接至一條腿完好而另一條腿有疾患的使用者的有疾患的那條腿上的單腿步行輔助機械，從而對有疾患的腿的擺動運動進行輔助。該單腿步行輔助機械具有設(shè)置在使用者的腰的側(cè)面的腰附接部、從使用者的股關(guān)節(jié)的側(cè)面延伸至膝關(guān)節(jié)的側(cè)面的大腿連桿部、從膝關(guān)節(jié)的側(cè)面向下延伸的小腿連桿部、設(shè)置在股關(guān)節(jié)的側(cè)面的扭矩產(chǎn)生單元、以及設(shè)置在膝關(guān)節(jié)的側(cè)面的緩沖器。扭矩產(chǎn)生單元由凸輪和壓縮彈簧組成、在有疾患的腿隨著完好的腿的邁出而向后擺動時產(chǎn)生扭矩、利用所產(chǎn)生的扭矩輔助有疾患的腿的邁出、并且無需諸如電動機之類的致動器。另外，扭矩產(chǎn)生單元構(gòu)造成能夠調(diào)節(jié)壓縮彈簧的初始壓縮量并且改變所產(chǎn)生的扭矩的程度。
[0005]在JP 2004-344304 A中描述的步行輔助裝置以及在JP 2012-125388 A中描述的步行康復裝置均用電動機對下肢或下肢的一部分的步行動作進行輔助，但當無來自電池的持續(xù)的電力供應時則不能對步行動作進行輔助。另外，由于需要步行輔助的使用者不堪攜帶大而重的電池，因而假定用在以上裝置中的電池是相對較小的并且重量輕的。另外，JP2004-344304 A和JP 2012-125388 A并未描述使電動機的消耗電力減少的任何具體構(gòu)型。因此，假定在JP 2004-344304 A和JP 2012-125388 A中描述的輔助裝置的持續(xù)操作時間相對較短。
[0006]此外，在JP 2013-236741 A中描述的單腿步行輔助機械在不使用電動機的情況下通過凸輪和壓縮彈簧產(chǎn)生用于使腿部邁出的扭矩，并且輔助機械的持續(xù)操作時間也比在JP2004-344304 A和JP 2012-125388 A中描述的輔助裝置的持續(xù)操作時間長。然而，為了對應于每個使用者的體型的差異(下肢的慣性矩的差異)、每個使用者的下肢的擺動角度的差異、使用者的身體狀況、步行地點的傾斜度的差異等，需要使用者通過諸如一字槽螺絲刀之類的工具來調(diào)節(jié)設(shè)置在扭矩產(chǎn)生單元的壓縮彈簧上的確定部分的位置，并且手動地調(diào)節(jié)壓縮彈簧的初始壓縮量。因此，這種操作對使用者而言變得麻煩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種擺動關(guān)節(jié)裝置、一種步行能力輔助裝置、以及一種用于控制擺動關(guān)節(jié)的剛性的方法，其中，執(zhí)行擺動運動的關(guān)節(jié)的剛性被自動地調(diào)節(jié)成能夠自動地調(diào)節(jié)通過擺動運動產(chǎn)生的扭矩并且能夠進一步減小電力消耗或減小使用者的負擔。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種擺動關(guān)節(jié)裝置，其包括:驅(qū)動軸構(gòu)件；第一擺動臂，該第一擺動臂以能夠繞驅(qū)動軸構(gòu)件擺動的方式被支撐；從動軸構(gòu)件，該從動軸構(gòu)件設(shè)置成平行于驅(qū)動軸構(gòu)件；聯(lián)鎖擺動構(gòu)件，該聯(lián)鎖擺動構(gòu)件經(jīng)由動力傳遞部連接至第一擺動臂，以便隨著第一擺動臂的擺動以聯(lián)鎖的方式繞從動軸構(gòu)件擺動，同時以比作為第一擺動臂的擺動角度的第一擺動角度小的聯(lián)鎖擺動角度擺動；彈性體，該彈性體連接至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件以產(chǎn)生與聯(lián)鎖擺動角度相對應的迫壓力，該迫壓力是沿與聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的聯(lián)鎖擺動方向相反的方向產(chǎn)生的；剛性可變部，該剛性可變部使從聯(lián)鎖擺動構(gòu)件來看的彈性體的剛性改變；第一角度檢測部，該第一角度檢測部對第一擺動角度和聯(lián)鎖擺動角度中的一者進行檢測；以及控制部，該控制部根據(jù)通過第一角度檢測部檢測到的第一擺動角度和聯(lián)鎖擺動角度中的一者來控制剛性可變部，以調(diào)節(jié)從聯(lián)鎖擺動構(gòu)件來看的彈性體的剛性。
[0009]根據(jù)以上第一方面，表觀彈簧常數(shù)可變部是使用控制部根據(jù)第一擺動角度或聯(lián)鎖擺動角度來控制的。因此，由于用于輔助擺動運動所需的扭矩的程度是被自動地調(diào)節(jié)以用于包括擺動臂的擺動對象的擺動運動，因而可以無任何麻煩地調(diào)節(jié)扭矩。另外，由于用于輔助擺動運動所需的扭矩是使用伸縮彈簧來產(chǎn)生的，因而電力消耗或使用者的負荷可以被進一步降低。
[0010]另外，在以上方面中，彈性體可以是伸縮彈簧，以及剛性可變部可以是使從聯(lián)鎖擺動構(gòu)件來看的伸縮彈簧的表觀彈簧常數(shù)改變的表觀彈簧常數(shù)可變部。
[0011]根據(jù)以上構(gòu)型，由于伸縮彈簧被用作彈性體，使得可以確保最優(yōu)的能量儲存量并且可以容易地調(diào)節(jié)彈簧常數(shù)(剛性)以用于使用者的諸如步行和跑步之類的動作，因而可以平順地儲存和輸出能量。
[0012]在以上構(gòu)型中，表觀彈簧常數(shù)可變部可以由剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件、剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部、樞轉(zhuǎn)構(gòu)件、以及伸縮彈簧構(gòu)成，剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件設(shè)置在靠近聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的外周部的位置并且設(shè)置成平行于從動軸構(gòu)件，剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部使剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件樞轉(zhuǎn)，樞轉(zhuǎn)構(gòu)件連接至剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件以與剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件一起樞轉(zhuǎn)，相當于伸縮彈簧的第一端的部分可以連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的位于遠離剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件的位置處的彈簧固定端，相當于伸縮彈簧的第二端的部分可以連接至位于靠近聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的外周部的位置處的彈簧擺動端，彈簧擺動端在聯(lián)鎖擺動角度為零時的位置處與剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件同軸，連接至彈簧固定端和彈簧擺動端的伸縮彈簧在聯(lián)鎖擺動角度為零時可以具有自由長度，以及控制部可以根據(jù)聯(lián)鎖擺動角度來調(diào)節(jié)剛性調(diào)節(jié)角度，以調(diào)節(jié)從聯(lián)鎖擺動構(gòu)件來看的伸縮彈簧的表觀彈簧常數(shù)，所述剛性調(diào)節(jié)角度是形成于如下虛擬切線與虛擬線之間的角度:虛擬切線代表設(shè)在虛擬聯(lián)鎖擺動圓的圓周上并且設(shè)在剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件的位置處的切線，所述虛擬聯(lián)鎖擺動圓是繞從動軸構(gòu)件以從動軸構(gòu)件與剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件之間的距離作為半徑的圓，該虛擬線在聯(lián)鎖擺動角度為零時將彈簧擺動端與彈簧固定端彼此連接。
[0013]根據(jù)以上構(gòu)型，可以具體地實現(xiàn)包括有伸縮彈簧的表觀彈簧常數(shù)可變部。另外，由于表觀彈簧常數(shù)可以僅通過使用控制部來控制剛性調(diào)節(jié)軸部并使樞轉(zhuǎn)構(gòu)件樞轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)，因而可以容易地調(diào)節(jié)表觀彈簧常數(shù)。
[0014]在以上構(gòu)型中，兩個表觀彈簧常數(shù)可變部可以附接至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件作為表觀彈簧常數(shù)可變部。
[0015]根據(jù)以上構(gòu)型，即使在伸縮彈簧是例如僅沿其伸長方向產(chǎn)生迫壓力的彈簧時，也可以將一個表觀彈簧常數(shù)可變部的伸縮彈簧構(gòu)造成相對于沿一個方向的擺動運動而沿其伸長方向伸長，并將另一表觀彈簧常數(shù)可變部的伸縮彈簧構(gòu)造成相對于沿另一方向的擺動運動而沿其伸長方向伸長。因此，可以進一步簡化表觀彈簧常數(shù)可變部的結(jié)構(gòu)。
[0016]在以上構(gòu)型中，附接至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的兩個表觀彈簧常數(shù)可變部中的第一表觀彈簧常數(shù)可變部可以具有剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部，以及，附接至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的兩個表觀彈簧常數(shù)可變部中的第二表觀彈簧常數(shù)可變部可以不具有剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部，但可以具有樞轉(zhuǎn)構(gòu)件動力傳遞部，該樞轉(zhuǎn)構(gòu)件動力傳遞部將通過第一表觀彈簧常數(shù)可變部的剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部產(chǎn)生的第一表觀彈簧常數(shù)可變部的樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的樞轉(zhuǎn)驅(qū)動力傳遞至第二表觀彈簧常數(shù)可變部的樞轉(zhuǎn)構(gòu)件。
[0017]根據(jù)以上構(gòu)型，由于所述兩個樞轉(zhuǎn)構(gòu)件可以通過一個剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部而同時樞轉(zhuǎn)，因而該結(jié)構(gòu)可以被進一步簡化。
[0018]在以上方面中，擺動關(guān)節(jié)裝置還可包括:第一驅(qū)動部，該第一驅(qū)動部基于來自控制部的控制信號而使第一擺動臂繞驅(qū)動軸構(gòu)件擺動。
[0019]根據(jù)以上構(gòu)型，第一驅(qū)動部使第一擺動臂擺動。因此，當擺動關(guān)節(jié)裝置被用作例如支持使用者的步行或跑步的步行能力輔助裝置時，可以在使用者跑步或步行時進一步減小負荷。
[0020]在以上方面中，擺動關(guān)節(jié)裝置可還包括:第二擺動臂，該第二擺動臂以能夠繞驅(qū)動軸構(gòu)件擺動的方式被支撐；第二角度檢測部，該第二角度檢測部對作為第二擺動臂的擺動角度的第二擺動角度進行檢測；第二驅(qū)動部，該第二驅(qū)動部基于來自控制部的控制信號使第二擺動臂繞驅(qū)動軸構(gòu)件擺動；以及擺動連桿構(gòu)件，該擺動連桿構(gòu)件連接至第一擺動臂和第二擺動臂以基于第一擺動臂的第一擺動角度和第二擺動臂的第二擺動角度來操作。
[0021]根據(jù)以上構(gòu)型，當擺動關(guān)節(jié)裝置被用作例如支持使用者的步行或跑步的步行能力輔助裝置時，第一擺動臂可以支持使用者的大腿部的運動，而第二擺動臂可以輔助使用者的小腿部。因此可以在使用者步行或跑步時進一步降低負荷。
[0022]在以上方面中，將第一擺動臂的擺動傳遞至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的動力傳遞部可以是由齒輪、帶、以及連桿機構(gòu)中的一者構(gòu)成的。
[0023]根據(jù)以上構(gòu)型，聯(lián)鎖擺動構(gòu)件可以在第一擺動臂的擺動運動被適當?shù)貍鬟f至聯(lián)鎖擺動構(gòu)件時以聯(lián)鎖的方式適當?shù)財[動。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種步行能力輔助裝置，用于對下肢的運動施加輔助力，該裝置包括:腰側(cè)附接部，該腰側(cè)附接部附接至腰側(cè)部分；第一縱向擺動臂，該第一縱向擺動臂設(shè)置在大腿的側(cè)面，并且具有靠近其上端部的軸孔；大腿附接部，該大腿附接部附接至第一擺動臂并且置于大腿上；驅(qū)動軸構(gòu)件，該驅(qū)動軸構(gòu)件插入到第一擺動臂的軸孔中，以便以能夠相對于腰側(cè)附接部前后擺動的方式支撐第一擺動臂；剛性可變部，該剛性可變部使繞驅(qū)動軸構(gòu)件的剛性改變；以及控制部，該控制部對通過剛性可變部改變的繞驅(qū)動軸構(gòu)件的剛性進行控制。
[0025]根據(jù)以上方面，剛性可變部是使用控制部來控制的，以控制繞驅(qū)動軸構(gòu)件的剛性。因此，由于對于包括第一擺動臂的擺動對象的擺動運動而言，用于輔助擺動運動所需的扭矩的程度是被自動地調(diào)節(jié)的，因而可以無任何麻煩地調(diào)節(jié)扭矩。另外，由于產(chǎn)生了用于輔助擺動運動所需的扭矩，可以進一步減少電力消耗或使用者的負荷。
[0026]在以上方面中，剛性可變部可以具有伸縮彈簧，該伸縮彈簧可以在第一擺動臂的擺動角度為零時具有自由長度，并且該伸縮彈簧的伸縮量可以相對于第一擺動臂的擺動角度而改變，以改變繞驅(qū)動軸構(gòu)件的剛性。
[0027]根據(jù)以上構(gòu)型，伸縮彈簧的伸縮量相對于第一擺動臂的擺動角度是可變的。以此方式，可以實現(xiàn)使繞驅(qū)動軸構(gòu)件的剛性改變的結(jié)構(gòu)。
[0028]在以上構(gòu)型中，剛性可變部可以由從動軸構(gòu)件、聯(lián)鎖擺動構(gòu)件、剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件、剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部、樞轉(zhuǎn)構(gòu)件、以及伸縮彈簧構(gòu)成，從動軸構(gòu)件設(shè)置為與驅(qū)動軸構(gòu)件相平行，聯(lián)鎖擺動構(gòu)件以能夠繞從動軸構(gòu)件擺動的方式被支撐并且經(jīng)由動力傳遞部連接至第一擺動臂以隨著第一擺動臂的擺動而以聯(lián)鎖的方式擺動，同時以比第一擺動臂的擺動角度小的聯(lián)鎖擺動角度擺動，剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件設(shè)置在靠近聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的外周部的位置處并且設(shè)置成與從動軸構(gòu)件相平行，剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部使剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件樞轉(zhuǎn)，樞轉(zhuǎn)構(gòu)件連接至剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件以與剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件一起樞轉(zhuǎn)，相當于伸縮彈簧的第一端的部分可以連接至樞轉(zhuǎn)構(gòu)件的位于遠離剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件的位置處的彈簧固定端，相當于伸縮彈簧的第二端的部分可以連接至位于靠近聯(lián)鎖擺動構(gòu)件的外周部的位置處的彈簧擺動端，彈簧擺動端在聯(lián)鎖擺動角度為零時的位置處與剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件同軸，連接至彈簧固定端和彈簧擺動端的伸縮彈簧在聯(lián)鎖擺動角度為零時可以具有自由長度，以及，控制部可以對剛性調(diào)節(jié)軸樞轉(zhuǎn)部進行控制以根據(jù)聯(lián)鎖擺動角度來調(diào)節(jié)剛性調(diào)節(jié)角度，以調(diào)節(jié)從聯(lián)鎖擺動構(gòu)件來看的伸縮彈簧的表觀彈簧常數(shù)，剛性調(diào)節(jié)角度是形成于如下虛擬切線與虛擬線之間的角度:所述虛擬切線代表設(shè)在虛擬聯(lián)鎖擺動圓的圓周上并且設(shè)在剛性調(diào)節(jié)軸構(gòu)件的位置處的切線，所述虛擬聯(lián)鎖擺動圓是繞從動軸