下肢支援工具的制作方法
【專利摘要】下肢支援工具(10)具有：左右的腳部(11)，它們的與地面對置的背面?zhèn)葹榍?，在正面?zhèn)确謩e單獨載置使用者的雙腳；左右的腿部(13)，它們與雙腳各自的腳部連接，沿著使用者的雙腿各自的附近延伸；腰部(14)，其設置于使用者的腰的附近，將左右腿部支承為能夠分別單獨旋轉，并且具有使左右的腿部分別進行正轉或反轉的左右的馬達(15)；以及控制部(16)，其對腰部(14)的馬達(15)的正轉或反轉進行控制，使得沿著一個腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個腿部在邁步時正轉，在伸出時反轉，可實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，沿著左右的腳部(11)的背面(12)的曲面在地面上利用左右腳部(11)的背面交替抓緊地面。
【專利說明】
下肢支援工具
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及應用了被動的動力步行機構(被動機構)的下肢支援工具。
【背景技術】
[0002]以往，存在較多以步行輔助為目的的裝置。例如，具有利用致動器對步行動作進行輔助的裝置(例如，參照專利文獻I至3)以及對膝部和腳踝進行輔助的步行輔助裝置(例如，參照專利文獻4)。
[0003]進而，具有為了對下肢麻痹等的步行障礙者提供自力步行手段，使得支承體重的左右支柱的長度以交替地一方長于另一方的方式伸縮的步行輔助裝置(例如，參照專利文獻5)。
[0004]現(xiàn)有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻I:日本特開2004-344304號公報
[0007]專利文獻2:日本特開2004-344305號公報
[0008]專利文獻3:日本特開2004-344306號公報
[0009]專利文獻4:日本特開2011-142958號公報
[0010]專利文獻5:日本特開平4-352961號公報
[0011]非專利文獻
[0012]非專利文獻1:中谷和弘、杉本靖博、大須賀公一，“四腳受動的動歩行(7)存在証明七歩容角軍析(Demonstrat1n and Analysis of Quadrupedal Passive Dynamic Walking:四足被動動力行走的實證分析)”，日本機器人學會(The Rototics Society of Japan)，先進機器人學(Advanced Robotics)，2009年，23卷(Volume23)，第5號(Issue 5)，ρ_483_501

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明欲解決的問題
[0014]然而，根據(jù)上述各專利文獻所述的步行輔助裝置，用于積極輔助步行動作，在膝、腰等設置致動器，因此重量變重，需要較大電力。
[0015]于是，本發(fā)明的目的在于，提供一種既能夠實現(xiàn)輕量化，又能夠實現(xiàn)電力節(jié)省的步行輔助用的下肢支援工具。
[0016]用于解決課題的手段
[0017]本發(fā)明的下肢支援工具具有:
[0018]左右的腳部，它們的與地面對置的背面?zhèn)葹榍?，在正面?zhèn)确謩e單獨載置使用者的雙腳；
[0019]左右的腿部，它們與所述雙腳各自的腳部連接，沿著使用者的雙腿各自的附近延伸；
[0020]腰部，其設置于使用者的腰的附近，將所述左右的腿部支承為能夠分別單獨旋轉，并且具有使所述左右的腿部分別進行正轉或反轉的左右的馬達；以及
[0021]控制部，其對所述腰部的所述馬達的正轉或反轉進行控制，使得沿著一個所述腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與所述一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個所述腿部在邁步時正轉，在伸出時反轉，
[0022]該下肢支援工具實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，沿著所述左右的腳部的背面的曲面在地面上利用所述左右的腳部的背面交替抓緊地面。
[0023]發(fā)明效果
[0024]根據(jù)本發(fā)明的下肢支援工具，對腰部的馬達的正轉和反轉進行控制，使得沿著一個腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與其中一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個腿部在邁步時正轉，或者在伸出時反轉。由此，可實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，既能夠減輕使用者的負擔，又能夠沿著左右的腳部的背面的曲面在地面上利用左右腳部的背面交替抓緊地面。
[0025]此外，根據(jù)該下肢支援工具，由于未在膝部設置致動器，因此相比在膝部、腰部分別設置致動器的情況而言能夠整體實現(xiàn)輕量化，還能夠抑制使用電力，延長電池的可使用時間。
【附圖說明】
[0026]圖1是表示第I實施方式的下肢支援工具的概略的概略圖。
[0027]圖2是表示第I實施方式的下肢支援工具的結構的框圖。
[0028]圖3是表示第I實施方式的下肢支援工具的控制部的結構的一例的框圖。
[0029]圖4是表示圖1的腳部的背面的曲面的曲率半徑R的各種示例的概略圖。
[0030]圖5的(a)是表示佩戴了第I實施方式的下肢支援工具的使用者的步行姿態(tài)的概略圖，(b)是表示與(a)的步行姿態(tài)對應的右腿的馬達15a的正轉和反轉的狀態(tài)的概略圖。
【具體實施方式】
[0031]本發(fā)明第I方面的應用了被動機構的下肢支援工具具有:
[0032]左右的腳部，它們的與地面對置的背面?zhèn)葹榍?，在正面?zhèn)确謩e單獨載置使用者的雙腳；
[0033]左右的腿部，它們與所述雙腳各自的腳部連接，沿著使用者的雙腿各自的附近延伸；
[0034]腰部，其設置于使用者的腰的附近，將所述左右的腿部支承為能夠分別單獨旋轉，并且具有使所述左右的腿部分別進行正轉或反轉的左右的馬達；以及
[0035]控制部，其對所述腰部的所述馬達的正轉或反轉進行控制，使得沿著一個所述腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與所述一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個所述腿部在邁步時正轉，在伸出時反轉，
[0036]該下肢支援工具通過實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，沿著所述左右的腳部的背面的曲面在地面上利用所述左右的腳部的背面交替抓緊地面的步行。
[0037]第2方面的應用了被動機構的下肢支援工具在上述第I方面中，所述腳部的背面的所述曲面的曲率半徑可以在從使用者的腳踝到所述腳部的所述背面的距離以上，并且在從使用時的重心到所述腳部的所述背面的距離以下。
[0038]第3方面的應用了被動機構的下肢支援工具在上述第I或第2方面中，所述控制部可以根據(jù)使用者的步行姿態(tài)對所述左右的馬達的正轉或反轉進行控制。
[0039]第4方面的應用了被動機構的下肢支援工具在上述第I至第3方面中的任意一個方面中，所述腿部可以具有所述腳部側的下部腿部、所述腰部側的上部腿部、以及將所述下部腿部與所述上部腿部連接為能夠屈曲的膝部。
[0040]第5方面的應用了被動機構的下肢支援工具在上述第4方面中，所述腿部的所述膝部可以具有反轉防止機構，該反轉防止機構抑制所述下部腿部以所述膝部為中心向前方的旋轉。
[0041]<獲得本發(fā)明的一個方式的過程>
[0042]本發(fā)明人為了實現(xiàn)下肢支援工具的輕量化，研究了省略分別設置于膝部和腰部的致動器中的一方。這種情況下，考慮到膝部和腰部的致動器的功能，認為腰部的致動器是必需的。然而，發(fā)現(xiàn)在僅采用腰部的致動器的情況下，雖然能夠進行腿部的邁步和伸出，而由于省略了膝部的致動器，無法進行膝部下方的活動控制，僅此則難以順暢地使全身前進或后退。
[0043]另一方面，已知在不使用馬達的情況下在坡道下行的雙腳步行的玩具。將這種雙腳步行的玩具或機器人的步行機構相對于使用致動器的能動步行而稱作被動步行(Passive Dynamic Walking:也稱作“被動的動力步行”)(例如，參照非專利文獻I)。該被動步行不使用致動器，僅憑借坡道等的勢能進行動作，因而能量效率優(yōu)良。而且，通常被認為步容(步態(tài))看上去較為自然。
[0044]然而，雖然該被動步行的玩具或機器人等能夠走下坡道，但是無法在不能夠利用勢能的平地上步行。此外，被動步行僅應用于玩具或機器人，并未考慮到在人類的步行輔助中應用被動步行。進而，在使用致動器的情況下，以往完全沒有考慮到對用于人類的步行輔助的輔助服等將被動步行與使用致動器的步行輔助組合起來的情況。
[0045]于是，本發(fā)明人反復進行關于對下肢支援工具組合上述的被動步行的機構的各種研究，得到了本發(fā)明。
[0046]以下，參照附圖對本發(fā)明實施方式的應用了被動機構的下肢支援工具進行說明。另外，對于附圖中實質(zhì)相同的部件賦予同一符號。
[0047](第丨實施方式)
[0048]圖1是表示第I實施方式的下肢支援工具10的概略的概略圖。圖2是表示第I實施方式的下肢支援工具10的結構的框圖。圖3是表示第I實施方式的下肢支援工具的控制部16的結構的一例的框圖。
[0049]該應用了被動機構的下肢支援工具10具有左右的腳部11a、11b、左右的腿部13a、13b、腰部14和控制部16。左右的腳部lla、llb的與地面對置的背面?zhèn)葹榍?，并且在正面?zhèn)确謩e單獨載置使用者的雙腳。左右的腿部13a、13b與雙腳的各自的腳部連接，沿著使用者的雙腿各自的附近延伸。腰部14設置于使用者的腰的附近，將左右的腿部13a、13b支承為能夠分別單獨旋轉，并且具有使左右的腿部13a、13b分別正轉和反轉的左右的馬達15a、15b?？刂撇?6對腰部14的馬達15a、15b的正轉和反轉進行控制，使得沿著一個腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與該一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個腿部在邁步時正轉，或者在伸出時反轉。由此，可實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，既能夠減輕使用者的負擔，又能夠沿著左右的腳部lla、llb的背面12a、12b的曲面在地面上利用左右的腳部lla、llb的背面交替抓緊地面。
[0050]另外，這里的基于被動步行機構的步行指的是僅通過對腰部14的馬達15a、15b的正轉和反轉的控制，控制腿部13a、13b的邁步和伸出，基于自然的步容進行的步行。這種情況下，能夠沿著左右的腳部11a、Ilb的背面12a、12b的曲面在地面上利用左右的腳部11a、Ilb的背面交替抓緊地面。
[0051]此外，根據(jù)該下肢支援工具10，由于在膝部未設置致動器，因此相比在膝部、腰部分別設置致動器的情況而言，能夠使得整體實現(xiàn)輕量化。進而，由于未在膝部設置致動器，因此能夠抑制使用電力，延長電池的可使用時間。
[0052]以下，對構成該下肢支援工具10的結構部件進行說明。
[0053]<腳部>
[0054]在左右的腳部lla、llb各自的背面設置有抓緊地面的曲面12a、12b。能夠沿著該背面12a、12b的曲面抓緊地面，因此能夠使得步行姿態(tài)變得自然。圖4是表示圖1的腳部的背面的曲面的曲率半徑R的各種示例的概略圖。該曲面12a、12b的曲率半徑R例如可以在從使用時的重心30到腳部Il(IlaUlb)的背面12的距離R1以下。進而，曲率半徑R可以在從使用者的腳踝32到腳部ll(lla、llb)的背面12的距離R2以上。此外，曲率半徑R除了上述情況之外，例如還可以是從膝部18到腳部ll(lla、llb)的背面12(12a、12b)的距離R3、從腿部13(13a、13b)與腰部14的連接部位到腳部11(11&、1113)的背面12(12&、1213)的距離1?4。另外，如圖4所示，對應于曲率半徑R的大小，腳部11的背面12的厚度發(fā)生變化。
[0055]如上所述，通過將使設置于背面的曲面的曲率半徑在從使用時的重心到背面的距離辦以下的長度作為曲率半徑R，從而能夠提高能量效率。此外，在腳部lla、llb的正面?zhèn)容d置使用者的腳。這種情況下，正面?zhèn)瓤梢孕纬蔀檫m于舒適地載置腳的形狀等。
[0056]< 腿部 >
[0057]左右的腿部13a、13b的兩端分別連接于雙腳的各自的腳部11a、Ilb和腰部14。此夕卜，腿部13a、13b沿著使用者的雙腿各自的附近延伸。進而，腿部13a、13b可以具有腳部側的下部腿部17&、1713、腰部側的上部腿部19&、1%、以及將下部腿部17&、1713與上部腿部19&、19b連接為能夠屈曲的膝部18a、18b。此外，膝部18a、18b可以具有反轉防止機構(未圖示)，該反轉防止機構抑制下部腿部17a、17b以膝部18為中心向前方的旋轉。由此，該下肢支援工具10不會陷入無法通過使用者的膝部實現(xiàn)的膝部的反轉狀態(tài)，能夠安全使用。
[0058]< 腰部 >
[0059]腰部14設置于使用者的腰的附近，將左右的腿部13a、13b支承為能夠分別單獨旋轉。此外，腰部14具有使左右的腿部13a、13b分別正轉和反轉的左右的馬達15a、15b。馬達15a、15b只要是能夠進行正轉和反轉的馬達即可?？刂撇?6對腰部14的馬達15b(15a)的正轉和反轉進行控制，使得沿著一個腳部Ila(Ilb)的背面12a(12b)的曲面抓緊地面，并且使與該一個腳部Ila(Ilb)連接的一個腿部13a(13b)的相反側的另一個腿部13b(13a)在邁步時正轉，或者在伸出時反轉。
[0060]圖5(a)是佩戴了第I實施方式的下肢支援工具10的使用者的步行姿態(tài)。此外，圖5
(b)是表示與(a)的步行姿態(tài)對應的右腿的馬達15a的正轉和反轉的控制狀態(tài)的概略圖。該步行姿態(tài)是表現(xiàn)使用者的通常的步容或使用者所需求的步容的姿態(tài)。即，圖5(a)的步行姿態(tài)是成為用于利用第I實施方式的下肢支援工具10進行步行輔助以減輕使用者的負擔并得到所需求的步容的指標的步行姿態(tài)。另外，圖5(a)是平地的步行姿態(tài)，然而不限于此，也可以是在坡道上下的情況下的步行姿態(tài)。此外，該下肢支援工具10中，在腰部14僅具備使腿部13a、13b正轉或反轉的馬達15a、15b，未在膝部18設置致動器。因此，無法對膝部下方進行能動的控制。這種情況下，可認為在圖5(a)的步行姿態(tài)下，膝部下方不會位于比膝部靠前方的位置處，然而與通常的步行時同樣地，利用沿著一系列的步行的變化的慣性力而能夠使膝部下方位于比膝部靠前方或后方的位置。由此能夠接近自然的步行。
[0061]以下，對圖5(a)的步行姿態(tài)進行說明。步行姿態(tài)A下，左腳側成為軸腳而進行邁步，使作為自由腳的右腳側的腳部I Ia的腳踵接觸地面，軸腳成為右腳側。步行姿態(tài)B下，作為軸腳的右腳側的腳部Ila的腳掌接觸地面。這種情況下，從腳踵到腳掌接觸地面。此外，成為自由腳的左腳側的腿部13b向前方伸出。步行姿態(tài)C下，作為軸腳的右腳側的腿部向后方邁步。步行姿態(tài)D下，右腳側的腳部Ila的腳尖離地，右腳側成為自由腳。在即將進行該動作之前，左腳側的腳部I Ib的腳踵接觸地面，軸腳成為左腳側。步行姿態(tài)E下，成為自由腳的右腳側的腿部13a向前方伸出。步行姿態(tài)F(與步行姿態(tài)A相同)下，作為自由腳的右腳側的腳部Ila的腳踵接觸地面。
[0062]著眼于右腳側的腿部13a，如圖5(a)所示，從步行姿態(tài)A到D，利用控制部16將馬達15a控制為正轉，使得右腳側的腿部13a順時針正轉，以在地面上向后方邁步。另一方面，從步行姿態(tài)D到F，利用控制部16將馬達15a控制為反轉，使得右腳側的腿部13a繞逆時針反轉，以將腿部13a向前方伸出。使用者能夠沿著馬達15a的正轉和反轉而輕松地移動右腳，能夠減輕負擔。如上所述，根據(jù)圖5(a)的步行姿態(tài)進行馬達15a的正轉和反轉的控制即可?；蛘撸梢栽谝欢ǖ亩〞r切換馬達15a的正轉和反轉。
[0063]這樣，通過將腰部14的馬達15a、15b依次控制為進行正轉和反轉，從而可實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，沿著左右的腳部11a、Ilb的背面12a、12b的曲面在地面上利用左右的腳部lla、llb的背面交替抓緊地面。只要能夠沿著左右的腳部IlaUlb的背面12a、12b的曲面抓緊地面，就能夠順暢地步行。
[0064]此外，利用上述的左右的腳部lla、llb的背面12a、12b接觸地面時，只要能夠沿著背面12a、12b的曲面連續(xù)地抓緊地面，就能夠更為順暢地步行，更易于獲得被動步行的效果O
[0065]另外，在左右的腳部lla、llb的背面12a、12b的曲面上，通過僅使相當于腳心的部分接觸地面，還能夠間歇接觸地面。這種情況下，雖然步行的順暢性稍差，但能夠獲得與上述說明同樣的被動步行的效果。
[0066]或者，可以在背面12a、12b設置多個曲面而非一個曲面，利用由各曲面的凸部構成的假想曲面接觸地面。這種情況下，通過按順序進行各曲面的凸部的間歇接觸地面，從而能夠順暢地步行，也能夠得到被動步行的效果。此外，由于在各曲面的凸部利用點接觸接觸地面，因而能夠不易受到來自地面的影響。
[0067]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0068]根據(jù)本發(fā)明的應用了被動機構的下肢支援工具，由于未在膝部設置致動器，因此作為能夠實現(xiàn)輕量化并能夠實現(xiàn)電力節(jié)省的步行輔助用的下肢支援工具的用途而言是有用的。
[0069]標號說明
[0070]10:下肢支援工具，11、11a、Ilb:腳部，12、12a、12b:背面(曲面)，13、13a、13b:腿部，14:腰部，15、15a、15b:馬達，16:控制部，17、17a、17b:下部腿部，18、18a、18b:膝部，19、19a、19b:上部腿部，20:鞍部，21: CHJ，22:存儲器，23:存儲裝置，24:輸入輸出裝置，30:重心，32:腳踝。
【主權項】
1.一種下肢支援工具，該下肢支援工具具有: 左右的腳部，它們的與地面對置的背面?zhèn)葹榍?，在正面?zhèn)确謩e單獨載置使用者的雙腳； 左右的腿部，它們與所述雙腳各自的腳部連接，沿著使用者的雙腿各自的附近延伸；腰部，其設置于使用者的腰的附近，將所述左右的腿部支承為能夠分別單獨旋轉，并且具有使所述左右的腿部分別進行正轉或反轉的左右的馬達；以及 控制部，其對所述腰部的所述左右的馬達的正轉或反轉進行控制，使得沿著一個所述腳部的背面的曲面抓緊地面，并且使與所述一個腳部連接的一個腿部的相反側的另一個所述腿部在邁步時正轉，在伸出時反轉， 該下肢支援工具實現(xiàn)基于被動步行機構的步行，沿著所述左右的腳部的背面的曲面在地面上利用所述左右的腳部的背面交替抓緊地面。2.根據(jù)權利要求1所述的下肢支援工具，其中， 所述腳部的背面的所述曲面的曲率半徑在從使用者的腳踝到所述腳部的所述背面的距離以上，并且在從使用時的重心到所述腳部的所述背面的距離以下。3.根據(jù)權利要求1或2所述的下肢支援工具，其中， 所述控制部根據(jù)使用者的步行姿態(tài)對所述左右的馬達的正轉或反轉進行控制。4.根據(jù)權利要求1至3中的任意一項所述的下肢支援工具，其中， 所述腿部具有所述腳部側的下部腿部、所述腰部側的上部腿部、以及將所述下部腿部與所述上部腿部連接為能夠屈曲的膝部。5.根據(jù)權利要求4所述的下肢支援工具，其中， 所述腿部的所述膝部具有反轉防止機構，該反轉防止機構抑制所述下部腿部以所述膝部為中心向前方的旋轉。
【文檔編號】A61H3/00GK105899178SQ201480072524
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年10月22日
【發(fā)明人】中谷和弘, 小西真, 藤本弘道
【申請人】松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社