摆动关节装置、步行能力辅助装置、及控制摆动关节刚性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种执行周期性摆动运动并且改变关节的刚性的摆动关节装置、一种执行周期性摆动运动以辅助使用者的步行或跑步的步行能力辅助装置、以及用于控制摆动关节的刚性的方法，通过该方法，执行周期性摆动运动的关节的刚性被改变。
【背景技术】
[0002]作为用于对执行周期性摆动运动的关节进行控制的装置的示例，日本专利申请公报N0.2004-344304(JP 2004-344304 A)公开了一种向使用者的下肢(范围为从股关节至脚)施加辅助力的步行辅助装置。步行辅助装置具有附接成以缠绕使用者的腰部的腰部用具、从使用者的股关节的侧面延伸至膝关节的侧面的连接杆、从使用者的膝关节的侧面延伸至小腿腓部的小腿部用具、附接在连接杆的处于股关节的侧面的位置处的股关节致动器、以及附接在连接杆的处于膝关节的侧面的位置处的膝关节致动器。然后，股关节致动器附接至腰部用具的连接部分并且使连接杆在股关节的侧面处相对于腰部用具绕股关节前后摆动。另外，膝关节致动器使小腿部用具在膝关节的侧面处相对于连接杆绕膝关节前后摆动。此外，股关节致动器与膝关节致动器均为电动机，并且电力是从附接至腰部用具的电池供给至电动机的。
[0003]另外，日本专利申请公报N0.2012-125388 (JP 2012-125388 A)公开了一种对使用者的小腿(范围为从膝盖至脚踝)的摆动运动进行辅助的步行康复装置。该步行康复装置具有绕使用者的腰部设置的控制器、从使用者的股关节的侧面延伸至膝关节的侧面的大腿连杆、从使用者的膝关节的两个侧面延伸至踝关节的小腿连杆、设置在膝关节的侧面处的马达、以及从使用者的踝关节延伸至使用者的脚底的脚部连杆。马达附接在位于大腿连杆与小腿连杆之间的连接部分处并且位于膝关节的侧面，并且马达使小腿连杆在膝关节的侧面处相对于大腿连杆绕膝关节前后摆动。电力是从包括在控制器中的电池供给至马达的。
[0004]此外，日本专利申请公报N0.2013-236741 (JP2013-236741 A)公开了一种附接至一条腿完好而另一条腿有疾患的使用者的有疾患的那条腿上的单腿步行辅助机械，从而对有疾患的腿的摆动运动进行辅助。该单腿步行辅助机械具有设置在使用者的腰的侧面的腰附接部、从使用者的股关节的侧面延伸至膝关节的侧面的大腿连杆部、从膝关节的侧面向下延伸的小腿连杆部、设置在股关节的侧面的扭矩产生单元、以及设置在膝关节的侧面的缓冲器。扭矩产生单元由凸轮和压缩弹簧组成、在有疾患的腿随着完好的腿的迈出而向后摆动时产生扭矩、利用所产生的扭矩辅助有疾患的腿的迈出、并且无需诸如电动机之类的致动器。另外，扭矩产生单元构造成能够调节压缩弹簧的初始压缩量并且改变所产生的扭矩的程度。
[0005]在JP 2004-344304 A中描述的步行辅助装置以及在JP 2012-125388 A中描述的步行康复装置均用电动机对下肢或下肢的一部分的步行动作进行辅助，但当无来自电池的持续的电力供应时则不能对步行动作进行辅助。另外，由于需要步行辅助的使用者不堪携带大而重的电池，因而假定用在以上装置中的电池是相对较小的并且重量轻的。另外，JP2004-344304 A和JP 2012-125388 A并未描述使电动机的消耗电力减少的任何具体构型。因此，假定在JP 2004-344304 A和JP 2012-125388 A中描述的辅助装置的持续操作时间相对较短。
[0006]此外，在JP 2013-236741 A中描述的单腿步行辅助机械在不使用电动机的情况下通过凸轮和压缩弹簧产生用于使腿部迈出的扭矩，并且辅助机械的持续操作时间也比在JP2004-344304 A和JP 2012-125388 A中描述的辅助装置的持续操作时间长。然而，为了对应于每个使用者的体型的差异(下肢的惯性矩的差异)、每个使用者的下肢的摆动角度的差异、使用者的身体状况、步行地点的倾斜度的差异等，需要使用者通过诸如一字槽螺丝刀之类的工具来调节设置在扭矩产生单元的压缩弹簧上的确定部分的位置，并且手动地调节压缩弹簧的初始压缩量。因此，这种操作对使用者而言变得麻烦。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种摆动关节装置、一种步行能力辅助装置、以及一种用于控制摆动关节的刚性的方法，其中，执行摆动运动的关节的刚性被自动地调节成能够自动地调节通过摆动运动产生的扭矩并且能够进一步减小电力消耗或减小使用者的负担。
[0008]根据本发明的第一方面，提供了一种摆动关节装置，其包括:驱动轴构件；第一摆动臂，该第一摆动臂以能够绕驱动轴构件摆动的方式被支撑；从动轴构件，该从动轴构件设置成平行于驱动轴构件；联锁摆动构件，该联锁摆动构件经由动力传递部连接至第一摆动臂，以便随着第一摆动臂的摆动以联锁的方式绕从动轴构件摆动，同时以比作为第一摆动臂的摆动角度的第一摆动角度小的联锁摆动角度摆动；弹性体，该弹性体连接至联锁摆动构件以产生与联锁摆动角度相对应的迫压力，该迫压力是沿与联锁摆动构件的联锁摆动方向相反的方向产生的；刚性可变部，该刚性可变部使从联锁摆动构件来看的弹性体的刚性改变；第一角度检测部，该第一角度检测部对第一摆动角度和联锁摆动角度中的一者进行检测；以及控制部，该控制部根据通过第一角度检测部检测到的第一摆动角度和联锁摆动角度中的一者来控制刚性可变部，以调节从联锁摆动构件来看的弹性体的刚性。
[0009]根据以上第一方面，表观弹簧常数可变部是使用控制部根据第一摆动角度或联锁摆动角度来控制的。因此，由于用于辅助摆动运动所需的扭矩的程度是被自动地调节以用于包括摆动臂的摆动对象的摆动运动，因而可以无任何麻烦地调节扭矩。另外，由于用于辅助摆动运动所需的扭矩是使用伸缩弹簧来产生的，因而电力消耗或使用者的负荷可以被进一步降低。
[0010]另外，在以上方面中，弹性体可以是伸缩弹簧，以及刚性可变部可以是使从联锁摆动构件来看的伸缩弹簧的表观弹簧常数改变的表观弹簧常数可变部。
[0011]根据以上构型，由于伸缩弹簧被用作弹性体，使得可以确保最优的能量储存量并且可以容易地调节弹簧常数(刚性)以用于使用者的诸如步行和跑步之类的动作，因而可以平顺地储存和输出能量。
[0012]在以上构型中，表观弹簧常数可变部可以由刚性调节轴构件、刚性调节轴枢转部、枢转构件、以及伸缩弹簧构成，刚性调节轴构件设置在靠近联锁摆动构件的外周部的位置并且设置成平行于从动轴构件，刚性调节轴枢转部使刚性调节轴构件枢转，枢转构件连接至刚性调节轴构件以与刚性调节轴构件一起枢转，相当于伸缩弹簧的第一端的部分可以连接至枢转构件的位于远离刚性调节轴构件的位置处的弹簧固定端，相当于伸缩弹簧的第二端的部分可以连接至位于靠近联锁摆动构件的外周部的位置处的弹簧摆动端，弹簧摆动端在联锁摆动角度为零时的位置处与刚性调节轴构件同轴，连接至弹簧固定端和弹簧摆动端的伸缩弹簧在联锁摆动角度为零时可以具有自由长度，以及控制部可以根据联锁摆动角度来调节刚性调节角度，以调节从联锁摆动构件来看的伸缩弹簧的表观弹簧常数，所述刚性调节角度是形成于如下虚拟切线与虚拟线之间的角度:虚拟切线代表设在虚拟联锁摆动圆的圆周上并且设在刚性调节轴构件的位置处的切线，所述虚拟联锁摆动圆是绕从动轴构件以从动轴构件与刚性调节轴构件之间的距离作为半径的圆，该虚拟线在联锁摆动角度为零时将弹簧摆动端与弹簧固定端彼此连接。
[0013]根据以上构型，可以具体地实现包括有伸缩弹簧的表观弹簧常数可变部。另外，由于表观弹簧常数可以仅通过使用控制部来控制刚性调节轴部并使枢转构件枢转来调节，因而可以容易地调节表观弹簧常数。
[0014]在以上构型中，两个表观弹簧常数可变部可以附接至联锁摆动构件作为表观弹簧常数可变部。
[0015]根据以上构型，即使在伸缩弹簧是例如仅沿其伸长方向产生迫压力的弹簧时，也可以将一个表观弹簧常数可变部的伸缩弹簧构造成相对于沿一个方向的摆动运动而沿其伸长方向伸长，并将另一表观弹簧常数可变部的伸缩弹簧构造成相对于沿另一方向的摆动运动而沿其伸长方向伸长。因此，可以进一步简化表观弹簧常数可变部的结构。
[0016]在以上构型中，附接至联锁摆动构件的两个表观弹簧常数可变部中的第一表观弹簧常数可变部可以具有刚性调节轴枢转部，以及，附接至联锁摆动构件的两个表观弹簧常数可变部中的第二表观弹簧常数可变部可以不具有刚性调节轴枢转部，但可以具有枢转构件动力传递部，该枢转构件动力传递部将通过第一表观弹簧常数可变部的刚性调节轴枢转部产生的第一表观弹簧常数可变部的枢转构件的枢转驱动力传递至第二表观弹簧常数可变部的枢转构件。
[0017]根据以上构型，由于所述两个枢转构件可以通过一个刚性调节轴枢转部而同时枢转，因而该结构可以被进一步简化。
[0018]在以上方面中，摆动关节装置还可包括:第一驱动部，该第一驱动部基于来自控制部的控制信号而使第一摆动臂绕驱动轴构件摆动。
[0019]根据以上构型，第一驱动部使第一摆动臂摆动。因此，当摆动关节装置被用作例如支持使用者的步行或跑步的步行能力辅助装置时，可以在使用者跑步或步行时进一步减小负荷。
[0020]在以上方面中，摆动关节装置可还包括:第二摆动臂，该第二摆动臂以能够绕驱动轴构件摆动的方式被支撑；第二角度检测部，该第二角度检测部对作为第二摆动臂的摆动角度的第二摆动角度进行检测；第二驱动部，该第二驱动部基于来自控制部的控制信号使第二摆动臂绕驱动轴构件摆动；以及摆动连杆构件，该摆动连杆构件连接至第一摆动臂和第二摆动臂以基于第一摆动臂的第一摆动角度和第二摆动臂的第二摆动角度来操作。
[0021]根据以上构型，当摆动关节装置被用作例如支持使用者的步行或跑步的步行能力辅助装置时，第一摆动臂可以支持使用者的大腿部的运动，而第二摆动臂可以辅助使用者的小腿部。因此可以在使用者步行或跑步时进一步降低负荷。
[0022]在以上方面中，将第一摆动臂的摆动传递至联锁摆动构件的动力传递部可以是由齿轮、带、以及连杆机构中的一者构成的。
[0023]根据以上构型，联锁摆动构件可以在第一摆动臂的摆动运动被适当地传递至联锁摆动构件时以联锁的方式适当地摆动。
[0024]根据本发明的第二方面，提供了一种步行能力辅助装置，用于对下肢的运动施加辅助力，该装置包括:腰侧附接部，该腰侧附接部附接至腰侧部分；第一纵向摆动臂，该第一纵向摆动臂设置在大腿的侧面，并且具有靠近其上端部的轴孔；大腿附接部，该大腿附接部附接至第一摆动臂并且置于大腿上；驱动轴构件，该驱动轴构件插入到第一摆动臂的轴孔中，以便以能够相对于腰侧附接部前后摆动的方式支撑第一摆动臂；刚性可变部，该刚性可变部使绕驱动轴构件的刚性改变；以及控制部，该控制部对通过刚性可变部改变的绕驱动轴构件的刚性进行控制。
[0025]根据以上方面，刚性可变部是使用控制部来控制的，以控制绕驱动轴构件的刚性。因此，由于对于包括第一摆动臂的摆动对象的摆动运动而言，用于辅助摆动运动所需的扭矩的程度是被自动地调节的，因而可以无任何麻烦地调节扭矩。另外，由于产生了用于辅助摆动运动所需的扭矩，可以进一步减少电力消耗或使用者的负荷。
[0026]在以上方面中，刚性可变部可以具有伸缩弹簧，该伸缩弹簧可以在第一摆动臂的摆动角度为零时具有自由长度，并且该伸缩弹簧的伸缩量可以相对于第一摆动臂的摆动角度而改变，以改变绕驱动轴构件的刚性。
[0027]根据以上构型，伸缩弹簧的伸缩量相对于第一摆动臂的摆动角度是可变的。以此方式，可以实现使绕驱动轴构件的刚性改变的结构。
[0028]在以上构型中，刚性可变部可以由从动轴构件、联锁摆动构件、刚性调节轴构件、刚性调节轴枢转部、枢转构件、以及伸缩弹簧构成，从动轴构件设置为与驱动轴构件相平行，联锁摆动构件以能够绕从动轴构件摆动的方式被支撑并且经由动力传递部连接至第一摆动臂以随着第一摆动臂的摆动而以联锁的方式摆动，同时以比第一摆动臂的摆动角度小的联锁摆动角度摆动，刚性调节轴构件设置在靠近联锁摆动构件的外周部的位置处并且设置成与从动轴构件相平行，刚性调节轴枢转部使刚性调节轴构件枢转，枢转构件连接至刚性调节轴构件以与刚性调节轴构件一起枢转，相当于伸缩弹簧的第一端的部分可以连接至枢转构件的位于远离刚性调节轴构件的位置处的弹簧固定端，相当于伸缩弹簧的第二端的部分可以连接至位于靠近联锁摆动构件的外周部的位置处的弹簧摆动端，弹簧摆动端在联锁摆动角度为零时的位置处与刚性调节轴构件同轴，连接至弹簧固定端和弹簧摆动端的伸缩弹簧在联锁摆动角度为零时可以具有自由长度，以及，控制部可以对刚性调节轴枢转部进行控制以根据联锁摆动角度来调节刚性调节角度，以调节从联锁摆动构件来看的伸缩弹簧的表观弹簧常数，刚性调节角度是形成于如下虚拟切线与虚拟线之间的角度:所述虚拟切线代表设在虚拟联锁摆动圆的圆周上并且设在刚性调节轴构件的位置处的切线，所述虚拟联锁摆动圆是绕从动轴