JP2016182666A - Oscillation joint device, walk assist device, transport device and manipulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周期的な揺動運動をする揺動関節装置、歩行アシスト装置、搬送装置及びマニピュレータであって、関節の剛性が可変である揺動関節装置、歩行アシスト装置、搬送装置及びマニピュレータに関する。 The present invention relates to an oscillating joint device, a walking assist device, a transport device, and a manipulator that perform periodic oscillating motion, and relates to an oscillating joint device, a walking assist device, a transport device, and a manipulator in which joint stiffness is variable. .
周期的な揺動運動をする関節を制御する装置の例として、例えば特許文献１には、ユーザ（利用者）の下肢（股関節から足先まで）に補助力を与える歩行補助装置が開示されている。当該歩行補助装置は、ユーザの腰部を巻回するように装着される腰部装具と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる連結バーと、ひざ関節の側方からふくらはぎへと延びる下腿部装具と、連結バーにおける股関節の側方の位置に取り付けられた股関節アクチュエータと、連結バーにおけるひざ関節の側方の位置に取り付けられたひざ関節アクチュエータと、を有している。そして股関節アクチュエータは、腰部装具の連結部に取り付けられ、股関節の側方にて、腰部装具に対して股関節回りに連結バーを前後に揺動する。また、ひざ関節アクチュエータは、ひざ関節の側方にて、連結バーに対してひざ関節回りに下腿部装具を前後に揺動する。また股関節アクチュエータとひざ関節アクチュエータは電動モータであり、当該電動モータへの電力は、腰部装具に取り付けられたバッテリから供給されている。
As an example of a device that controls a joint that performs periodic rocking motion, for example,
また特許文献２には、ユーザの下腿（ひざから足首まで）の揺動運動を支援する歩行リハビリ装置が開示されている。当該歩行リハビリ装置は、ユーザの腰周りに配置されるコントローラと、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンクと、ひざ関節の両側方のそれぞれから足首関節へと延びる下腿リンクと、ひざ関節の側方に配置されたモータと、足首関節から足裏へと延びる足リンクと、を有している。そしてモータは、大腿リンクと下腿リンクとの連結部であってひざ関節の側方に取り付けられ、ひざ関節の側方にて、大腿リンクに対してひざ関節回りに下腿リンクを前後に揺動する。またモータへの電力は、コントローラに内蔵されたバッテリから供給されている。
また特許文献３には、一方の脚が健脚で他方の脚が患脚であるユーザの患脚に装着されて、患脚の揺動運動を支援する片脚式歩行支援機が開示されている。当該片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側方に配置される腰装着部と、股関節の側方からひざ関節の側方へと延びる大腿リンク部と、ひざ関節の側方から下方へと延びる下腿リンク部と、股関節の側方に配置されたトルク発生装置と、ひざ関節の側方に配置されたダンパーと、を有している。そしてトルク発生装置は、カムと圧縮バネによって構成され、健脚の振り出しによって患脚が後方に揺動した際にトルクを発生させ、発生したトルクを用いて患脚の振り出しを支援しており、電動モータ等のアクチュエータを必要としていない。また、圧縮バネの初期圧縮量を調整可能に構成されており、発生トルクの大きさを可変としている。
特許文献１に記載された歩行補助装置、及び特許文献２に記載された歩行リハビリ装置は、どちらも電動モータを用いて下肢または下肢の一部、の歩行動作を支援しているが、バッテリからの電力の供給が続かなければ支援することができない。また、歩行の支援が必要なユーザに、大きくて重いバッテリを持たせるわけにはいかないので、比較的小さく軽量のバッテリが用いられると推定される。また、特許文献１及び特許文献２には、電動モータの消費電力を軽減させるような特別な構成は示されていない。従って、特許文献１及び特許文献２に記載の支援装置は、連続動作時間が比較的短いと推定される。
The walking assist device described in
また、特許文献３に記載の片脚式歩行支援機は、電動モータを用いることなく、カムと圧縮バネにて脚を振り出すためのトルクを発生させており、連続動作時間は特許文献１及び特許文献２よりも長い。しかし、ユーザ毎の体格の違い（下肢の慣性モーメントの違い）や、ユーザ毎の下肢の揺動角度の違いや、ユーザの体調や、歩行場所の傾斜の違い等に対して、トルク発生装置の圧縮バネの上部に設けられた決定部の位置をマイナスドライバ等の工具で調整し、圧縮バネの初期圧縮量をユーザが手動で調整しなければならないので手間がかかる。
In addition, the single leg type walking support machine described in
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、揺動運動する関節の剛性を自動的に調整することで揺動運動によって発生するトルクを自動的に調整し、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる、揺動関節装置、歩行アシスト装置、搬送装置及びマニピュレータを提供することを課題とする。 The present invention has been devised in view of such points, and automatically adjusts the torque generated by the swing motion by automatically adjusting the rigidity of the swinging joint, thereby reducing power consumption or power consumption. It is an object of the present invention to provide a swing joint device, a walking assist device, a transport device, and a manipulator that can further reduce a user's load.
上記課題を解決するため、本発明に係る揺動関節装置、歩行アシスト装置、搬送装置及びマニピュレータは、次の手段をとる。まず、本発明の第１の発明は、駆動軸部材と、前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する第１出力部と、前記第１出力部の揺動角度である第１揺動角度に応じた付勢トルクを発生させる弾性体と、前記第１出力部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段と、前記第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて前記見かけ上剛性可変手段を制御して、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する制御手段と、を有する、揺動関節装置である。 In order to solve the above problems, the swing joint device, the walking assist device, the transport device, and the manipulator according to the present invention take the following means. The first aspect of the present invention is a drive shaft member, a first output portion that swings around a drive shaft that is an axis of the drive shaft member, and a swing angle of the first output portion. An elastic body that generates an urging torque according to a swing angle; an apparent stiffness variable means that varies the apparent stiffness of the elastic body as viewed from the first output unit; and the first swing angle The elastic body viewed from the first output unit by controlling the apparent stiffness varying means according to the first angle detecting means to detect and the first swing angle detected by the first angle detecting means. And a control means for adjusting the apparent rigidity of the swing joint device.
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る揺動関節装置であって、前記弾性体は、ゼンマイバネを含み、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性は、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を含み、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を可変とする前記見かけ上剛性可変手段は、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を可変とする見かけ上バネ定数可変手段を含んでいる、揺動関節装置である。 Next, a second invention of the present invention is the swing joint device according to the first invention, wherein the elastic body includes a spring, and the appearance of the elastic body as viewed from the first output portion. The upper rigidity includes an apparent spring constant of the mainspring as viewed from the first output section, and the apparent rigidity is variable so that the apparent rigidity of the elastic body as viewed from the first output section is variable. The means is an oscillating joint device including apparent spring constant varying means for varying the apparent spring constant of the mainspring as viewed from the first output unit.
次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係る揺動関節装置であって、前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持するバネ固定部材が配置されており、前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されている。そして、前記見かけ上バネ定数可変手段は、前記駆動軸回りに旋回自在に支持されて前記駆動軸回りに所定旋回角度で旋回されることで前記駆動軸に対する前記バネ支持体の位置を前記駆動軸回りに前記所定旋回角度分だけ移動させる前記バネ固定部材と、前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を可変とする剛性調整手段と、にて構成されている。 Next, a third invention of the present invention is the swing joint device according to the second invention, wherein a spring fixing member for supporting a fixed end of the mainspring spring is disposed at a position adjacent to the mainspring. A free end that is one end of the spring spring is connected to a spring input shaft member that swings at an angle corresponding to the first swing angle of the first output portion, and the other end of the spring spring The certain fixed end is connected to a spring support provided at a position away from the drive shaft in the spring fixing member. The apparent spring constant varying means is supported so as to be pivotable about the drive shaft, and is pivoted around the drive shaft at a predetermined pivot angle, thereby changing the position of the spring support relative to the drive shaft to the drive shaft. The spring fixing member that moves around the predetermined turning angle, and a stiffness adjusting means that turns the spring fixing member around the drive shaft to make the position of the fixed end of the spring spring variable. ing.
次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る揺動関節装置であって、前記第１出力部と前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、前記変速機は、前記第１出力部が前記第１揺動角度で揺動すると所定の変速比で変速した変速後揺動角度で揺動する前記バネ入力軸部材を有している。 Next, a fourth aspect of the present invention is the swing joint apparatus according to the third aspect of the present invention, wherein a transmission is provided between the first output portion and the mainspring spring. The machine has the spring input shaft member that swings at a post-shift swing angle that is shifted at a predetermined speed ratio when the first output portion swings at the first swing angle.
次に、本発明の第５の発明は、上記第３の発明または第４の発明に係る揺動関節装置であって、前記制御手段は、前記第１揺動角度がゼロの場合において前記ゼンマイバネが付勢トルクを発生していない前記バネ支持体の位置を基準位置とした場合、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じて、前記剛性調整手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して前記基準位置に対する前記バネ支持体の位置を調整することで、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を調整する。 Next, a fifth aspect of the present invention is the swing joint apparatus according to the third aspect or the fourth aspect of the present invention, wherein the control means has the spring spring when the first swing angle is zero. The spring fixing member is controlled by controlling the rigidity adjusting means according to the first swing angle of the first output portion when the position of the spring support that does not generate urging torque is used as a reference position. And adjusting the position of the spring support relative to the reference position to adjust the apparent spring constant of the spring as viewed from the first output unit.
次に、本発明の第６の発明は、上記第２の発明〜第５の発明のいずれか１つに係る揺動関節装置であって、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第１出力部を前記駆動軸回りに揺動させる第１駆動手段を有している。 Next, a sixth invention of the present invention is the swing joint device according to any one of the second to fifth inventions, wherein the first invention is based on a control signal from the control means. First output means for swinging the output portion around the drive shaft is provided.
次に、本発明の第７の発明は、上記第２の発明〜第６の発明のいずれか１つに係る揺動関節装置であって、前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第２出力部と、前記第２出力部の揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第２出力部を前記駆動軸回りに揺動させる第２駆動手段と、前記第１出力部と前記第２出力部とに接続されて前記第１出力部の前記第１揺動角度と前記第２出力部の前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、を有している。 Next, a seventh invention of the present invention is the swing joint device according to any one of the second to sixth inventions, wherein the swing joint device is supported swingably around the drive shaft. Two output units, second angle detection means for detecting a second swing angle that is a swing angle of the second output unit, and the second output unit on the drive shaft based on a control signal from the control means. Second driving means for swinging around, the first output portion connected to the first output portion and the second output portion, the first swing angle of the first output portion, and the second swing of the second output portion. And a swing link member that operates based on the moving angle.
次に、本発明の第８の発明は、上記第１の発明〜第７の発明のいずれか１つに係る揺動関節装置を有する、歩行アシスト装置である。 Next, an eighth invention of the present invention is a walking assist device having the swing joint device according to any one of the first to seventh inventions.
次に、本発明の第９の発明は、上記第３の発明に係る揺動関節装置を有する搬送装置であって、前記駆動軸部材と、前記駆動軸部材の前記駆動軸回りに揺動するように往復旋回動作する前記第１出力部であるピニオンと、前記ピニオンに噛み合うラック部を有して前記ピニオンの往復旋回角度である揺動角度に応じて往復直線運動するアームであって、ワークの把持と解放が可能な前記アームと、前記ピニオンを回転駆動するピニオン駆動手段と、前記ピニオンの前記揺動角度である前記第１揺動角度を検出する前記第１角度検出手段と、前記ピニオン駆動手段が前記ピニオンを回転駆動する際にエネルギーを蓄え、蓄えたエネルギーを放出する際に前記ピニオンを回転駆動する前記ゼンマイバネと、前記バネ固定部材と、前記剛性調整手段と、を有する前記見かけ上バネ定数可変手段と、前記ピニオン駆動手段と前記剛性調整手段を制御する前記制御手段と、を有し、前記アームを往復直線運動させながらワークの把持と解放を行うことで、ワークを移動させる、搬送装置である。 Next, a ninth aspect of the present invention is a transport apparatus having the swing joint apparatus according to the third aspect, wherein the drive shaft member and the drive shaft member swing around the drive shaft. An arm that has a pinion that is the first output portion that reciprocally turns and a rack portion that meshes with the pinion and that reciprocates linearly according to a swing angle that is a reciprocating turning angle of the pinion. The arm capable of gripping and releasing, the pinion driving means for rotationally driving the pinion, the first angle detecting means for detecting the first swing angle that is the swing angle of the pinion, and the pinion The spring that stores energy when the driving means rotationally drives the pinion, and that rotationally drives the pinion when the stored energy is released, the spring fixing member, and the rigidity adjusting means The apparent spring constant varying means, and the control means for controlling the pinion driving means and the rigidity adjusting means, and gripping and releasing the work while reciprocating linearly moving the arm. It is a transfer device that moves the workpiece.
次に、本発明の第１０の発明は、上記第３の発明に係る揺動関節装置を有するマニピュレータであって、前記駆動軸部材と、前記駆動軸部材の前記駆動軸回りに揺動する前記第１出力部である揺動部と、前記揺動部を揺動する揺動部駆動手段と、前記揺動部の揺動角度である前記第１揺動角度を検出する前記第１角度検出手段と、前記揺動部駆動手段が前記揺動部を揺動する際にエネルギーを蓄え、蓄えたエネルギーを放出する際に前記揺動部を揺動する前記ゼンマイバネと、前記バネ固定部材と、前記剛性調整手段と、を有する前記見かけ上バネ定数可変手段と、前記揺動部駆動手段と前記剛性調整手段を制御する前記制御手段と、を有する、マニピュレータである。 Next, a tenth invention of the present invention is a manipulator having the swing joint device according to the third invention, wherein the drive shaft member and the drive shaft member swing around the drive shaft. A swinging unit that is a first output unit, a swinging unit driving unit that swings the swinging unit, and the first angle detection that detects the first swinging angle that is the swinging angle of the swinging unit. A spring for oscillating the oscillating portion when the oscillating portion driving means oscillates the oscillating portion, and oscillating the oscillating portion when releasing the stored energy, and a spring fixing member, An apparent manipulator having the apparent spring constant varying means having the rigidity adjusting means, the swinging portion driving means, and the control means for controlling the rigidity adjusting means.
第１の発明によれば、制御手段を用いて、第１揺動角度に応じて見かけ上剛性可変手段を制御することで、第１出力部を含む揺動対象物による揺動運動に対して、揺動運動を支援するために必要なトルクの大きさを自動的に調整するので、手間なくトルクを調整することができる。また、弾性体を用いて、揺動運動を支援するために必要なトルクを発生させているので、消費電力あるいはユーザの負荷をより低減することができる。 According to the first aspect of the present invention, the control means is used to control the apparent rigidity varying means according to the first rocking angle, so that the rocking motion by the rocking object including the first output unit is controlled. Since the magnitude of the torque required to support the swing motion is automatically adjusted, the torque can be adjusted without any trouble. Further, since the elastic body is used to generate the torque necessary to support the swinging motion, the power consumption or the user's load can be further reduced.
第２の発明によれば、弾性体にゼンマイバネを用い、例えばユーザの脚を揺動対象物とした場合ではユーザの歩行や走行等の動作に応じて、第１出力部から見た見かけ上のバネ定数（剛性）を適切に調整する。揺動対象物の動作に応じて、第１出力部から見た見かけ上のバネ定数（剛性）を調整することで、ゼンマイバネへのエネルギーの保存と、ゼンマイバネからのエネルギーの放出と、をスムーズかつ適切に行うことができる。 According to the second invention, when the spring is used as the elastic body, for example, when the user's leg is set as the swing object, the apparent appearance seen from the first output unit according to the user's walking, running, etc. Adjust the spring constant (rigidity) appropriately. By adjusting the apparent spring constant (rigidity) as seen from the first output unit according to the motion of the swinging object, energy can be stored in the spring and energy can be released smoothly from the spring. Can be done appropriately.
第３の発明によれば、ゼンマイバネの見かけ上バネ定数を調整する見かけ上バネ定数可変手段を、具体的に実現することができる。 According to the third aspect of the invention, the apparent spring constant varying means for adjusting the apparent spring constant of the mainspring can be specifically realized.
第４の発明によれば、変速機を用いることで、第１出力部の第１揺動角度を増幅した変速後揺動角度をゼンマイバネに入力することができるので、バネ定数がより小さなゼンマイバネを用いることが可能となる。従って、揺動関節装置の小型化を促進することができる。 According to the fourth invention, by using the transmission, the post-shift swing angle obtained by amplifying the first swing angle of the first output portion can be input to the spring spring. It can be used. Therefore, the size reduction of the swing joint device can be promoted.
第５の発明によれば、制御手段から剛性調整手段を制御してバネ固定部材を旋回させるだけで見かけ上バネ定数を調整できるので、容易に見かけ上バネ定数を調整することができる。 According to the fifth aspect of the invention, the apparent spring constant can be adjusted simply by controlling the stiffness adjusting means from the control means and turning the spring fixing member, so that the apparent spring constant can be easily adjusted.
第６の発明によれば、第１出力部を第１駆動手段にて揺動させるので、例えば揺動関節装置を、ユーザの歩行や走行を支援する脚力支援装置として利用した場合、ユーザの歩行または走行の際の負荷をより低減することができる。 According to the sixth invention, since the first output unit is swung by the first driving means, for example, when the rocking joint device is used as a leg force support device that supports the user's walking and running, the user's walking Or the load at the time of driving | running | working can be reduced more.
第７の発明によれば、例えば揺動関節装置を、ユーザの歩行や走行を支援する脚力支援装置として利用した場合、第１出力部でユーザの大腿部の運動を支援し、第２出力部でユーザの下腿部を支援することができるので、ユーザの歩行または走行の際の負荷を、さらに低減することができる。 According to the seventh aspect of the invention, for example, when the swing joint device is used as a leg force support device that supports the user's walking and running, the first output unit supports the movement of the user's thigh, and the second output Since the user can support the user's lower leg, the load on the user when walking or running can be further reduced.
第８の発明によれば、ユーザの歩行の際の負荷をより低減することができる歩行アシスト装置を実現することができる。 According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to realize a walking assist device that can further reduce the load during walking of the user.
第９の発明によれば、ピニオン駆動手段の消費電力をより低減することができる搬送装置を実現することができる。 According to the ninth aspect of the present invention, it is possible to realize a transport device that can further reduce the power consumption of the pinion driving means.
第１０の発明によれば、揺動部駆動手段の消費電力をより低減することができるマニピュレータを実現することができる。 According to the tenth invention, it is possible to realize a manipulator that can further reduce the power consumption of the swinging portion driving means.
以下に本発明を実施するための形態である第１の実施の形態を、図面を用いて順に説明する。なお、各図においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、特に記載がない場合、Ｚ軸方向は鉛直上向き方向を示し、Ｘ軸方向はユーザ（揺動関節装置を装着したユーザ）に対する前方向を示し、Ｙ軸方向はユーザに対する左方向を示している。なお本明細書では、図１に示す「大腿揺動アーム１３」が「第１出力部」に相当し、「下腿揺動アーム３３」が「第２出力部」に相当している。また「回転角度検出手段１１Ｓ」が「第１角度検出手段」に相当しており、「回転角度検出手段３１Ｓ」が「第２角度検出手段」に相当している。また「電動モータ１１」が「第１駆動手段」に相当しており、「電動モータ３１」が「第２駆動手段」に相当し、「電動モータ２１」が「剛性調整手段」に相当している。また、以下の説明において、駆動軸部材６が凸状の部材である例を示しているが、駆動軸部材６は、凸形状の軸であってもよいし、軸を支持する凹形状（孔形状）であってもよい。従って、「駆動軸部材６回り」という記載は、「駆動軸部材６の中心軸である駆動軸線６Ｊ回り」と同じことを示す。なお「駆動軸線６Ｊ」は「駆動軸」に相当している。また、変速機２５の「シャフト２５Ａ」は「バネ入力軸部材」に相当している。また、「バネ固定部材２３」と「電動モータ２１」は「見かけ上バネ定数可変手段」に相当している。また、「剛性」とは、大腿揺動アーム１３を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指す。また、「下腿中継アーム３４」と「下腿アーム３５」は「揺動リンク部材」に相当している。また、「第１〜第４の実施の形態にて説明する揺動関節装置」は、「歩行アシスト装置」に相当している。
A first embodiment, which is a mode for carrying out the present invention, will be described in order with reference to the drawings. In each figure, when the X-axis, Y-axis, and Z-axis are described, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are orthogonal to each other. Unless otherwise specified, the Z-axis direction indicates a vertically upward direction. The X-axis direction indicates the front direction with respect to the user (the user wearing the rocking joint device), and the Y-axis direction indicates the left direction with respect to the user. In this specification, the “
●●［第１の実施の形態の揺動関節装置１の全体構成（図１〜図４）］
第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの片脚（第１の実施の形態では左脚）に取り付けられて、ユーザの歩行または走行等の動作を支援する。図１に示すように、揺動関節装置１は、符号２、３、４、５、６等にて示したユーザ装着部と、符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した大腿揺動部と、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部と、符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した下腿揺動部と、にて構成されている。なお、図１は揺動関節装置１の各構成要素の形状と組み付け位置等を示す分解斜視図であり、各構成要素を組み付けた状態の揺動関節装置１を図２に示す。また図３は揺動関節装置１をユーザに装着した状態を説明しており、図４は大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３の揺動の例を示している。
●● [Overall Configuration of the
The swing
●［ベース部２、腰装着部３、肩ベルト４、制御ユニット５、駆動軸部材６等にて構成されたユーザ装着部（図１〜図４）］
ベース部２は、腰装着部３に固定され、前記大腿揺動部、前記剛性調整部、前記下腿揺動部を保持するためのベース（基板）となる部材である。またベース部２には、揺動関節装置１を装着したユーザの股関節の側方に相当する位置に、Ｙ軸にほぼ平行に延びる駆動軸部材６が取り付けられている。なお、駆動軸部材６は、後述する下腿揺動アーム３３の貫通孔３３Ｈに挿通された後、大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈに挿通される。なお駆動軸線６Ｊは、駆動軸部材６の中心軸を示している。
[User wearing part (FIGS. 1 to 4) composed of
The
腰装着部３は、ユーザの腰に巻回されてユーザの腰に固定される部材であり、ユーザの腰周りの寸法に応じて調整可能に構成されている。また腰装着部３には、ベース部２が固定され、肩ベルト４の一方端と他方端が接続されている。
The
肩ベルト４は、一方端が腰装着部３の前面側に接続され、他方端が腰装着部３の背面側に接続され、長さを調節可能に構成されており、制御ユニット５が取り付けられている。ユーザは、肩ベルト４の長さを調節して自身の肩に肩ベルト４を装着することで、背中に制御ユニット５をバックパックやランドセルのように背負うことができる。
The
制御ユニット５は、電動モータ１１、２１、３１を制御する制御手段と、当該制御手段及び電動モータ１１、２１、３１への電力を供給するバッテリ等を収容している。なお制御手段については、図１２を用いて後述する。
The
●［電動モータ１１、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂ、プーリ１５、大腿揺動アーム１３、大腿装着部１９等にて構成された大腿揺動部（図１〜図４）］
大腿揺動アーム１３は、円板部１３Ｇと、円板部１３Ｇから下方に延びるアーム部にて構成されている。そして円板部１３Ｇの中心には貫通孔１３Ｈが形成されており、貫通孔１３Ｈには駆動軸部材６が挿通される。従って、大腿揺動アーム１３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。また大腿揺動アーム１３の貫通孔１３Ｈは、ユーザの股関節の側方に相当する位置に配置され、大腿揺動アーム１３の下端に設けられたリンク孔１３Ｌは、ユーザのひざ関節の側方に相当する位置に配置される。なお、大腿揺動アーム１３の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、ユーザは、自身のひざ関節の位置に応じて、リンク孔１３Ｌの上下方向の位置を調整可能である。また大腿揺動アーム１３には、大腿装着部１９が取り付けられ、大腿装着部１９は、ユーザの大腿部（ふとももの周囲）にあてがわれ、ユーザの大腿部へ大腿揺動アーム１３を装着することを容易にする。また円板部１３Ｇには、プーリ１５が固定され、プーリ１５は大腿揺動アーム１３と一体となって揺動する。従って、プーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊは、大腿揺動アーム１３の揺動角度と同じ角度で、駆動軸線６Ｊ回りに揺動する。そしてプーリ１５と、後述するプーリ１４と、の間にはベルト１４Ｂがかけられており、電動モータ１１による揺動動力が、プーリ１４及びベルト１４Ｂを介してプーリ１５に伝達され、大腿揺動アーム１３を揺動させる。
● [Thigh swinging part composed of the
The
ブラケット１２は、ベース部２に対して、電動モータ１１を固定するための部材であり、電動モータ１１の回転軸を挿通するための貫通孔１２Ｈが設けられて、ベース部２に固定される。なお、ブラケット１２の貫通孔１２Ｈに電動モータ１１の回転軸が挿通され、挿通された回転軸にプーリ１４が取り付けられた後、ブラケット１２がベース部２に固定される。
The
電動モータ１１は、先端に減速機１１Ｄが取り付けられ、減速機１１Ｄはブラケット１２の貫通孔１２Ｈに挿通されてプーリ１４に取り付けられている。また電動モータ１１は、ブラケット１２に固定されている。また電動モータ１１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ１１は、ブラケット１２（すなわちベース部２）に対して、駆動軸部材６回りに大腿揺動アーム１３を前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ１１には、エンコーダ等の回転角度検出手段１１Ｓが設けられている。回転角度検出手段１１Ｓは電動モータ１１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号と、減速機１１Ｄの減速比と、プーリ１４とプーリ１５とのプーリ比と、に基づいて、減速機１１Ｄの回転角度を検出可能であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２（図１参照）やベース部２に、ベース部２に対する大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよいし、ブラケット２２やベース部２に、ベース部２に対する下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。なお、電動モータ１１は空回り可能なモータであり、通電していない場合に大腿揺動アーム１３から揺動の力が入力されると、減速機１１Ｄが旋回され、減速機１１Ｄの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段１１Ｓから出力される。
The
●［電動モータ３１、ブラケット３２、動力伝達部（３２Ｐ、３２Ｂ）、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９等にて構成された下腿揺動部（図１〜図４）］
下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６が挿通される貫通孔３３Ｈが形成されている。駆動軸部材６が貫通孔３３Ｈに挿通されると、下腿揺動アーム３３は、駆動軸部材６回りに揺動自在に支持される。そして下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられ、電動モータ３１と、プーリ３２Ｐ及びベルト３２Ｂにて構成された動力伝達部から動力が伝達されて駆動軸部材６回りに揺動する。
● [Lower leg composed of
The lower
下腿中継アーム３４は、上方端が下腿揺動アーム３３の先端に揺動自在に接続され、下方端が下腿アーム３５の上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの端部に揺動自在に接続されている。なお、下腿中継アーム３４の下方に延びる長さは調整可能に構成されており、大腿揺動アーム１３の調整された長さに応じて、下腿中継アーム３４の長さは調節される。
The upper end of the lower
下腿アーム３５は、略逆Ｌ字状であり、Ｌ字の屈曲部に相当する位置に、大腿揺動アーム１３の下端のリンク孔１３Ｌと接続するためのリンク孔３５Ｌが形成されている。従って下腿アーム３５は、上方端の側の平行リンク形成部３５Ｍの一方端が下腿中継アーム３４の下方端に揺動自在に接続され、平行リンク形成部３５Ｍの他方端が大腿揺動アーム１３の下方端に揺動自在に接続されている。また下腿アーム３５の下方端には、足先保持部３６の上方端が揺動自在に接続されている。なお、下腿アーム３５の下方に延びる長さはユーザの下腿に合うように調整可能に構成されている。また、足先保持部３６は、略Ｌ字状であり、下端部がユーザの足の裏に配置される。また下腿アーム３５には、下腿装着部３９が取り付けられ、下腿装着部３９は、ユーザの下腿（ふくらはぎの周囲）にあてがわれ、ユーザの下腿部へ下腿アーム３５を装着することを容易にする。
The
ブラケット３２は、ベース部２に対して、電動モータ３１を固定するための部材であり、ベース部２に固定される。またブラケット３２には、貫通孔３２Ｈが形成されている。
The
電動モータ３１は、先端に減速機３１Ｄが取り付けられ、減速機３１Ｄはブラケット３２の貫通孔３２Ｈに挿通される。また減速機３１Ｄにはプーリ３２Ｐが取り付けられ、プーリ３２Ｐと下腿揺動アーム３３にはベルト３２Ｂがかけられる。また電動モータ３１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ３１は、プーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を、駆動軸部材６回りに前後方向に揺動させることができる（図４参照）。また電動モータ３１には、エンコーダ等の回転角度検出手段３１Ｓが設けられている。回転角度検出手段３１Ｓは電動モータ３１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号と減速機３１Ｄの減速比とプーリ比とに基づいて、下腿揺動アーム３３の回転角度を検出可能であり、下腿揺動アーム３３の揺動角度を検出することが可能である。なお、電動モータ３１は空回り可能なモータであり、通電していない場合に下腿揺動アーム３３から揺動の力が入力されると、減速機３１Ｄが旋回され、減速機３１Ｄの旋回角度に応じた信号が回転角度検出手段３１Ｓから出力される。
The
次に図４を用いて、大腿揺動アーム１３を装着したユーザの大腿部ＵＬ１の揺動支援と、下腿アーム３５を装着したユーザの下腿部ＵＬ２の揺動支援の動作を説明する。大腿揺動アーム１３は、電動モータ１１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。同様に下腿揺動アーム３３は、電動モータ３１の動力によって駆動軸部材６回りに揺動運動する。また、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３と下腿中継アーム３４と（下腿アーム３５の）平行リンク形成部３５Ｍは、平行四辺形からなる平行リンクを構成している。従って、下腿中継アーム３４と下腿アーム３５は、大腿揺動アーム１３と下腿揺動アーム３３とに接続されて、大腿揺動アーム１３の揺動角度（図４中の角度θ１）と下腿揺動アーム３３の揺動角度（図４中の角度θ１−θ２）とに基づいて動作する揺動リンク部材に相当している。なお、図４において実線にて示す大腿揺動アーム１３、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、の位置を、各アームの初期位置（ユーザが直立状態で静止した位置）とする。
Next, with reference to FIG. 4, the swing support operation of the user's thigh UL1 wearing the
大腿揺動アーム１３を、大腿揺動アーム１３の初期位置から角度θ１にて前方に揺動させると、図４に示すように、ユーザの大腿部ＵＬ１を角度θ１にて前方に振り出すことができる。同時に、下腿揺動アーム３３を、下腿揺動アーム３３の初期位置から角度（θ１―θ２）にて前方に揺動させると、図４に示すように、大腿揺動アーム１３に対して角度θ２の傾斜を有するように、ユーザの下腿部ＵＬ２を前方に振り出すことができる。電動モータ１１による大腿揺動アーム１３の揺動運動と、電動モータ３１による下腿揺動アーム３３の揺動運動を、それぞれ独立して制御することができるので、角度θ１、角度θ２を、ユーザの所望する角度に合わせて自由に調整することができる。また、この構成によれば、大きなトルクが必要である大腿部の振り出しを、電動モータ１１と電動モータ３１の双方のトルクで行うことができるので、大型のモータを必要としない。
When the
また、大腿揺動アーム１３を揺動運動させると、揺動運動のエネルギーを、ゼンマイバネ２４に蓄え、反対方向への揺動運動に利用する。つまり、大腿揺動アーム１３を前方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄えて大腿揺動アーム１３を後方に振り出す際に利用し、大腿揺動アーム１３を後方に振り出した際のエネルギーをゼンマイバネ２４に蓄えて大腿揺動アーム１３を前方に振り出す際に利用する。次に、ゼンマイバネ２４を含む剛性調整部について説明する。
When the
●［電動モータ２１、ブラケット２２、バネ固定部材２３、ゼンマイバネ２４、変速機２５等にて構成された剛性調整部（図１〜図３、図５〜図７）］
ブラケット２２は、ベース部２に対して、電動モータ２１を固定する部材であり、電動モータ２１の回転軸を挿通するための貫通孔２２Ｈが設けられて、ベース部２に固定される。また、図１、図６に示すように、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇの貫通孔１３Ｈ、プーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊ、変速機２５のシャフト２５Ａ、ゼンマイバネ２４の中心軸、バネ固定部材２３の貫通孔２３Ｈ、ブラケット２２の貫通孔２２Ｈ、電動モータ２１の減速機２１Ｄ、は駆動軸線６Ｊと同軸に配置されている。
● [Rigidity adjustment unit composed of
The
変速機２５は、図５に示すように、大腿揺動アーム１３の円板部１３Ｇに固定されたプーリ１５のプーリ軸部材１５Ｊが入力部２５Ｃに接続されており、予め設定された変速比［ｎ］に基づいて、入力部２５Ｃへの入力旋回角度θをｎ倍した出力旋回角度ｎθをシャフト２５Ａの旋回角度として出力する。従って、変速機２５は、図７に示すように、大腿揺動アーム１３が第１揺動角度（θｆ）で揺動すると、所定の変速比（ｎ）で変速した変速後揺動角度（ｎθｆ）で揺動するシャフト２５Ａを有している。またシャフト２５Ａには、図５に示すように、ゼンマイバネ２４の自由端２４Ｂの側を固定するための駆動軸線６Ｊ方向に延びる溝であるバネ自由端挿通溝２５Ｂが形成されている。なお変速機２５は、ゼンマイバネ２４からの付勢トルクによってシャフト２５Ａが旋回角度θｂだけ旋回されると、プーリ軸部材１５Ｊを旋回角度θｂ・（１／ｎ）だけ旋回させる。
As shown in FIG. 5, in the
ゼンマイバネ２４は、所定の軸回りに螺旋状にバネ材等の弾性体が巻回されており、図５に示すように、巻回の中心部近傍に位置している端部である一方端を自由端２４Ｂ、巻回の中心部から離れた位置に位置している端部である他方端を固定端２４Ａとしている。なお、図５において、自由端２４Ｂはシャフト２５Ａのバネ自由端挿通溝２５Ｂに固定され、固定端２４Ａはバネ固定部材２３のバネ支持体２３Ｊに固定される。
The
バネ固定部材２３には、電動モータ２１の先端部の減速機２１Ｄが挿通される貫通孔２３Ｈが形成されて減速機２１Ｄにて支持され、ブラケット２２及び電動モータ２１にてベース部２に対して固定されている。またバネ固定部材２３のゼンマイバネ２４に対向する面には、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａを支持するバネ支持体２３Ｊが、駆動軸線６Ｊから離れた位置に設けられている。例えばバネ支持体２３Ｊは駆動軸線６Ｊ方向に沿って延びる軸状部材であり、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置に形成された筒状部に挿通される。そしてバネ固定部材２３は、電動モータ２１にて駆動軸線６Ｊ回りに旋回され、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に可変とする。このようにバネ固定部材２３は、駆動軸線６Ｊ回りに旋回自在に支持されて、駆動軸線６Ｊ回りに所定旋回角度で旋回されることで、駆動軸線６Ｊに対するバネ支持体２３Ｊの位置を、駆動軸線６Ｊ回りに所定旋回角度分だけ周方向に移動させる。
The
電動モータ２１は、先端に減速機２１Ｄが取り付けられている。そして、減速機２１Ｄはブラケット２２の貫通孔２２Ｈに挿通され、電動モータ２１はブラケット２２に固定され、ブラケット２２はベース部２に固定されている。また電動モータ２１には、制御ユニット５に収容されているバッテリ及び制御手段から駆動信号とともに電力が供給されている。そして電動モータ２１は、ブラケット２２（すなわちベース部２）に対して駆動軸線６Ｊ回りにバネ固定部材２３を旋回させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を周方向に移動させることができる。また電動モータ２１には、エンコーダ等の回転角度検出手段２１Ｓが設けられている。回転角度検出手段２１Ｓは電動モータ２１のシャフトの回転角度に応じた信号を制御手段に出力する。そして制御手段は、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号と減速機２１Ｄの減速比に基づいて、減速機２１Ｄの回転角度を検出可能であり、バネ固定部材２３の旋回角度を検出することが可能である。なお、ブラケット２２に、ブラケット２２に対するバネ固定部材２３の旋回角度を検出する角度検出手段（角度センサ）を設けるようにしてもよい。また、電動モータ２１は空回りしないモータであり、減速機２１Ｄの旋回角度位置は、通電していない場合であっても維持され、ゼンマイバネ２４に付勢トルクが発生した場合であっても固定端２４Ａの位置は維持される。
The
●［ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置と、オフセット角度θｓ（図８〜図１１）］
図８は、図３に示すユーザＴ（利用者）が直立状態であり、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの場合の例であって、ゼンマイバネ２４の付勢トルクがゼロの場合の例を示している。そして図８の例におけるゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置では、自由端２４Ｂには、駆動軸線６Ｊ回りの時計回り方向の付勢トルクも、駆動軸線６Ｊ回りの『反』時計回り方向の付勢トルクも、発生していない状態の例を示している。そして図８に示す基準線Ｊ１は、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの際に、自由端２４Ｂに付勢トルクが発生しないように固定端２４Ａの位置を調整した場合（バネ固定部材２３の旋回角度を調整した場合）において、駆動軸線６Ｊとバネ自由端挿通溝２５Ｂとを通る仮想直線であり、シャフト２５Ａの基準旋回角度位置を示している。また、この図８の例に示す固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の位置を、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａ（バネ支持体２３Ｊ）の基準位置とする。
[The position of the
FIG. 8 shows an example in which the user T (user) shown in FIG. 3 is in an upright state and the swing angle of the
また図９は、図８に示した状態から、電動モータ２１を駆動させ、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置を、上記の基準位置から時計回り方向に旋回角度（θｓ）だけ周方向に移動した位置へと変更した状態を示している。この状態を、「ゼンマイバネ２４に、時計回り方向のオフセット角度θｓを付与した状態」とする。この状態では、ユーザＴが直立状態で大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロであっても、時計回り方向のオフセット角度θｓによってシャフト２５Ａにゼンマイバネ２４の付勢トルクが働き、シャフト２５Ａから変速機２５とプーリ１５を介して大腿揺動アーム１３に付勢トルクが働いている。
In FIG. 9, the
また図１０は、図９に示した「時計回り方向のオフセット角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を時計回り方向に揺動角度θｆで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が時計回り方向に揺動角度θｆで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは時計回り方向に揺動角度ｎθｆで揺動する。すなわち、図１０に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｆからオフセット角度θｓだけ減算した角度（ｎθｆ−θｓ）に応じた、『反』時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。
FIG. 10 shows an example in which the
また図１１は、図９に示した「時計回り方向のオフセット角度θｓ」を付与している状態において、大腿揺動アーム１３を『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動させた場合の例を示している。変速機２５の変速比を［ｎ］とした場合、大腿揺動アーム１３が『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動すると、変速機２５のシャフト２５Ａは『反』時計回り方向に揺動角度ｎθｒで揺動する。すなわち、図１１に示す例では、ゼンマイバネ２４には、揺動角度ｎθｒとオフセット角度θｓを加算した角度（ｎθｒ＋θｓ）に応じた、時計回り方向の付勢トルクが発生していることになる。以上に説明した変速機２５（変速機２５は省略してもよい）、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１（剛性調整手段）にて、大腿揺動アーム１３から見た見かけ上バネ定数可変手段が構成されている。そして、この見かけ上バネ定数可変手段は、駆動軸線６J回りの剛性を可変としている。このように、「剛性」とは、大腿揺動アーム１３を揺動させるために必要とする単位角度変位あたりのトルクを指し、大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数は当該トルクに関連している。従って、「大腿揺動アーム１３から見た弾性体（ゼンマイバネ）の見かけ上の剛性」は、「大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数」を含んでいる。バネ定数は、剛性の一種とされている。そして、弾性体の剛性を可変させて、エネルギーを最適に保存し、保存したエネルギーを最適に放出することが可能である。また、「大腿揺動アーム１３から見た弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段」は、「大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数を可変とする見かけ上バネ定数可変手段」を含んでいる。
FIG. 11 shows the case where the
●［制御手段の入出力（図１２）］
次に図１２を用いて、制御手段５０の入出力について説明する。制御ユニット５には、制御手段５０及びバッテリ６０が収容されている。また制御ユニット５は、起動スイッチ５４、入出力手段であるタッチパネル５５、バッテリ６０への充電用コネクタ６１等が設けられている。また制御手段５０（制御装置）は、ＣＰＵ５０Ａ、モータドライバ５１、５２、５３等を有している。なお、制御手段５０の処理を実行させるためのプログラムや各種の計測結果等を記憶する記憶装置も備えているが、図示省略する。
● [Input / output of control means (Fig. 12)]
Next, the input / output of the control means 50 will be described with reference to FIG. The
制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５１を介して駆動信号を電動モータ１１に出力する。電動モータ１１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機１１Ｄを揺動させ、プーリ１４とベルト１４Ｂとプーリ１５を介して、大腿揺動アーム１３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ１１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段１１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５１に入力されるとともにモータドライバ５１を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた大腿揺動アーム１３の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。
As will be described later, the control means 50 obtains a target swing period and a target swing angle for swinging the
また制御手段５０は、後述するように、大腿揺動アーム１３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数が最適な値となるバネ固定部材２３の旋回角度である目標剛性調整角度を求め、モータドライバ５２を介して駆動信号を電動モータ２１に出力する。電動モータ２１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機２１Ｄを介してバネ固定部材２３を旋回させる。また電動モータ２１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段２１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５２に入力されるとともにモータドライバ５２を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号に基づいた実際のバネ固定部材２３の旋回角度が、目標剛性調整角度に近づくようにフィードバック制御する。
Further, as will be described later, the control means 50 obtains a target stiffness adjustment angle that is a turning angle of the
制御手段５０は、後述するように、下腿揺動アーム３３を揺動運動させるための目標揺動周期や目標揺動角度を求め、モータドライバ５３を介して駆動信号を電動モータ３１に出力する。電動モータ３１は制御手段５０からの駆動信号に基づいて減速機３１Ｄ及びプーリ３２Ｐとベルト３２Ｂを介して下腿揺動アーム３３を所定周期で所定角度にて揺動運動させる。また電動モータ３１のシャフトの回転速度や回転量は、回転角度検出手段３１Ｓにて検出され、検出信号はモータドライバ５３に入力されるとともにモータドライバ５３を介してＣＰＵ５０Ａに入力される。ＣＰＵ５０Ａは、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた下腿揺動アーム３３の実際の揺動周期と実際の揺動角度が、目標揺動周期及び目標揺動角度に近づくようにフィードバック制御する。
As will be described later, the control means 50 obtains a target swing period and a target swing angle for swinging the lower
起動スイッチ５４は、制御手段５０を起動するためのスイッチである。またタッチパネル５５は、ユーザの身長や体重等の入力や、設定状態の表示等を行うための装置である。また充電用コネクタ６１は、バッテリ６０を充電する際に、充電用ケーブルが接続されるコネクタである。
The
●［制御手段の処理手順（図１３）］
次に図１３に示すフローチャートを用いて、制御手段５０の処理手順について説明する。ユーザが制御ユニットの起動ボタンを操作すると（ステップＳ１０）、制御手段はステップＳ１５に進む。
● [Processing procedure of control means (FIG. 13)]
Next, the processing procedure of the control means 50 is demonstrated using the flowchart shown in FIG. When the user operates the start button of the control unit (step S10), the control means proceeds to step S15.
ステップＳ１５にて制御手段は、タッチパネルからのユーザの初期設定入力を待つ。ユーザからの身長と体重の入力を確認すると、制御手段はステップＳ２０に進む。なお制御手段は、所定時間が経過してもユーザからの入力が確認されない場合、例えば、予め設定された標準身長と標準体重を設定してステップＳ２０に進む。 In step S15, the control unit waits for a user's initial setting input from the touch panel. When the input of height and weight from the user is confirmed, the control means proceeds to step S20. If the input from the user is not confirmed even after the predetermined time has elapsed, the control means sets, for example, a preset standard height and standard weight, and proceeds to step S20.
ステップＳ２０にて制御手段は、所定期間の間、電動モータ１１、２１、３１に通電せず、ユーザの歩行状態（または走行状態）を計測し、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶する。電動モータ１１、３１のシャフトは、非通電時には空回りする構成とされている。なお電動モータ２１のシャフトは、非通電時には空回りせずロックされる構成とされており、電動モータ２１によるバネ固定部材２３の旋回角度は、大腿揺動アーム１３の揺動角度がゼロの際、ゼンマイバネ２４に付勢トルクが発生しない旋回角度となるように調整されている。そして制御手段は、例えば所定歩数あるいは所定時間の間、計測データを収集すると、ステップＳ２５に進む。
In step S20, the control means does not energize the
ステップＳ２５にて制御手段は、回転角度検出手段１１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、大腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、大腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。また同様に制御手段は、回転角度検出手段３１Ｓからの検出信号に基づいた計測データから、下腿揺動アームの揺動角度（揺動振幅）や、下腿揺動アームの角速度及び角加速度から歩行周期（揺動周期）を算出する。そして制御手段はステップＳ３０に進む。 In step S25, the control means walks from the measurement data based on the detection signal from the rotation angle detection means 11S based on the swing angle (swing amplitude) of the thigh swing arm, the angular velocity and the angular acceleration of the thigh swing arm. The period (oscillation period) is calculated. Similarly, the control means calculates the walking cycle from the measurement data based on the detection signal from the rotation angle detection means 31S, from the swing angle (swing amplitude) of the lower leg swing arm, the angular velocity and the angular acceleration of the lower leg swing arm. (Oscillation cycle) is calculated. Then, the control means proceeds to step S30.
ステップＳ３０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、ステップＳ１５にて入力されたユーザの身長及び体重等に基づいて、最適関節剛性である目標剛性調整角度を算出し、ステップＳ３５に進む。なお、目標剛性調整角度の具体的な算出方法については後述する。 In step S30, the control means, based on the swing angle of the thigh swing arm, the swing period of the thigh swing arm, the height and weight of the user input in step S15, etc., calculated in step S25, A target stiffness adjustment angle that is the optimum joint stiffness is calculated, and the process proceeds to step S35. A specific method for calculating the target stiffness adjustment angle will be described later.
ステップＳ３５にて制御手段は、電動モータ２１を制御してバネ固定部材２３のオフセット角度を、ステップＳ３０にて求めた目標剛性調整角度に設定し、ステップＳ４０に進む。
In step S35, the control means controls the
ステップＳ４０にて制御手段は、ステップＳ２５にて算出した、大腿揺動アームの揺動角度、大腿揺動アームの揺動周期、下腿揺動アームの揺動角度、下腿揺動アームの揺動周期、バッテリの出力電圧等に基づいて、ユーザの大腿部のアシストパターン（電動モータ１１への駆動信号の出力パターン等）と、ユーザの下腿部のアシストパターン（電動モータ３１への駆動信号の出力パターン）とを算出し、ステップＳ４５に進む。 In step S40, the control means calculates the swing angle of the thigh swing arm, the swing cycle of the thigh swing arm, the swing angle of the lower leg swing arm, the swing cycle of the lower leg swing arm calculated in step S25. Based on the output voltage of the battery, etc., the assist pattern of the user's thigh (output pattern of the drive signal to the electric motor 11) and the assist pattern of the user's lower leg (the drive signal to the electric motor 31) Output pattern), and the process proceeds to step S45.
ステップＳ４５にて制御手段は、ステップＳ４０にて算出したアシストパターンに基づいて、電動モータ１１及び電動モータ３１に駆動信号の出力を開始して、大腿揺動アーム１３及び下腿揺動アーム３３を揺動運動させ、ユーザの歩行動作（または走行動作）を継続するように、ユーザの歩行動作（または走行動作）を支援し、ステップＳ５０に進む。なお、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力は、他のステップに移行した場合も継続される。
In step S45, the control means starts outputting drive signals to the
ステップＳ５０にて制御手段は、電動モータ１１及び電動モータ３１を動作させてユーザの歩行（または走行）の動作を支援しながら、ステップＳ２０にて計測したように、計測時間に対応させて回転角度検出手段１１Ｓ、３１Ｓからの検出信号を計測データとして記憶装置に記憶し、ステップＳ５５に進む。なお、計測データの収集は、他のステップに移行した場合も継続される。
In step S50, the control means operates the
ステップＳ５５にて制御手段は、ステップＳ５０にて収集した計測データに基づいて、ユーザが歩行動作（または走行動作）の支援の停止を所望しているか否かを判定し、支援の停止を所望していると判定した場合（Ｙｅｓ）は、電動モータ１１及び電動モータ３１への駆動信号の出力を停止して処理を終了し、支援の停止を所望していないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ２５に戻る。
In step S55, the control means determines whether or not the user desires to stop the support of the walking motion (or running motion) based on the measurement data collected in step S50, and desires the stop of the support. If it is determined (Yes), the output of the drive signal to the
●［目標剛性調整角度の算出方法（図１０）：大腿揺動アーム１３の時計回り方向の揺動角度θｆに対する目標剛性調整角度］
まず、図１０を用いて、図１３に示すフローチャートのステップＳ３０にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図１０では、時計回り方向のオフセット角度がθｓ（『反』時計回り方向のオフセット角度は−θｓ）、大腿揺動アーム１３が時計回り方向に揺動角度θｆで揺動した場合の例を示しており、変速機２５のシャフト２５Ａの時計回り方向の揺動角度がｎθｆである場合の例を示している（すなわち、変速機２５の変速比を［ｎ］としている）。また、変速機２５の効率をηとし、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ１とし、バネ固定部材２３の側から見たゼンマイバネ２４のバネ定数をｋ（ゼンマイバネ２４の、本来のバネ定数）とし、大腿揺動アーム１３の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式（１）が成立する。
τ＝ｋ１・θｆ＝η・ｎ・ｋ（ｎθｆ−θｓ） 式（１）
[Calculation method of target stiffness adjustment angle (FIG. 10): Target stiffness adjustment angle with respect to the clockwise swing angle θf of the thigh swing arm 13]
First, the calculation procedure of the target stiffness adjustment angle performed in step S30 of the flowchart shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows an example in which the offset angle in the clockwise direction is θs (the “counterclockwise offset angle is −θs) and the
τ = k1 · θf = η · n · k (nθf−θs) Equation (1)
上記の式（１）を整理すると、以下の式（２）にて、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１を求めることができる。また式（２）を整理して式（３）を得ることができる。
ｋ１＝η・ｎ２・ｋ［１−θｓ／（ｎ・θｆ）］ 式（２）
θｓ＝ｎ・θｆ［１−ｋ１／（η・ｎ２・ｋ）］ 式（３）
By arranging the above equation (1), the apparent spring constant k1 of the
k1 = η · n 2 · k [1-θs / (n · θf)] Equation (2)
θs = n · θf [1-k1 / (η · n 2 · k)] Equation (3)
以上の式（２）より、例えば、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１をゼロにしたい場合は、オフセット角度θｓ＝ｎ・θｆとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θｓをゼロとした場合は、式（２）より、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１は、ｋ１＝η・ｎ２・ｋとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ１＝２・η・ｎ２・ｋとしたい場合は、θｓ＝−ｎ・θｆとすればよいことがわかる（図１０の例に対して、バネ固定部材２３を、基準線Ｊ１に対して『反』時計回り方向にｎ・θｆだけ旋回させた状態とすればよい）。
From the above equation (2), for example, when it is desired to make the apparent spring constant k1 of the mainspring 24 seen from the
ここで、ユーザの歩行周波数（大腿揺動アームの揺動周波数）をｆ、その場合の角周波数（角速度）をωとすると、以下の式（４）が成立する。歩行周波数ｆは、計測したユーザの歩行（または走行）の周期から求めることができる。従って、下記の式（４）のωの値を求めることができる。
ω＝２・π・ｆ 式（４）
Here, when the user's walking frequency (swing frequency of the thigh swing arm) is f and the angular frequency (angular velocity) in that case is ω, the following expression (4) is established. The walking frequency f can be obtained from the measured period of walking (or running) of the user. Therefore, the value of ω in the following equation (4) can be obtained.
ω = 2 · π · f Equation (4)
また、上記のように、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ１とする。また、ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３等とを含む駆動軸線６Ｊ回りの慣性モーメントをＩとする。例えば、慣性モーメントＩは、駆動軸線６Ｊ回りに揺動する各部材の合計質量（既知）と、当該合計質量の重心の位置（駆動軸線６Ｊからの距離であって、既知）と、ユーザの体重及び身長から推定した下肢の質量と重心の位置（駆動軸線６Ｊからの距離であって、既知）とから、求めることが可能であり、以下の式（５）、式（６）が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントＩもわかっているので、下記の式（６）から、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数ｋ１を求めることができる。
ω＝√（ｋ１／Ｉ） 式（５）
ｋ１＝Ｉ・ω２ 式（６）
Further, as described above, the apparent spring constant of the mainspring 24 viewed from the
ω = √ (k1 / I) Equation (5)
k1 = I · ω 2 formula (6)
また、大腿揺動アーム１３の運動方程式（重力の影響が十分小さいとみなせる場合）は、一般的に、関節軸（駆動軸線６Ｊ）まわりの粘性係数をρとすると、以下の式（７）のように表される。なお、式（７）では、上記のτ、Ｉ、ｋ１を用い、揺動角度をθとしている。
大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ＝Ａ・ｓｉｎωｔとして上記の式（７）に代入すると、以下の式（７Ａ）を得ることができる。
τ＝−Ａ・Ｉ・ω２・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ＋Ａ・ｋ１・ｓｉｎωｔ
＝Ａ（ｋ１−Ｉ・ω２）・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ 式（７Ａ）
Since the swing of the thigh can be regarded almost as a sine wave, the following formula (7A) can be obtained by substituting θ = A · sin ωt into the above formula (7).
τ = −A · I · ω 2 · sinωt + A · ρ · ω · cosωt + A · k1 · sinωt
= A (k1−I · ω 2 ) · sin ωt + A · ρ · ω · cos ωt Equation (7A)
上記の式（７Ａ）において、ｋ１＝Ｉ・ω２、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。 In the above equation (7A), when k1 = I · ω 2 , that is, when a resonance state is established, τ can be minimized. Therefore, the energy that is the product of torque and angular displacement can also be minimized.
図１０の例において、大腿揺動アーム１３を時計回り方向に揺動角度θｆで揺動させる際、電動モータ１１の消費電力を最小にするオフセット角度θｓが、目標剛性調整角度であり、上記の式（７）と式（２）から求められたオフセット角度θｓが目標剛性調整角度である。また、上記の式（６）と式（２）から、角周波数ωと慣性モーメントＩに応じたオフセット角度θｓ（ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θｓ）を求めることができる。
In the example of FIG. 10, when the
●［目標剛性調整角度の算出方法（図１１）：大腿揺動アーム１３の『反』時計回り方向の揺動角度θｒに対する目標剛性調整角度］
次に、図１１を用いて、図１３に示すフローチャートのステップＳ３０にて行う目標剛性調整角度の算出手順について説明する。図１１では、時計回り方向のオフセット角度がθｓ（『反』時計回り方向のオフセット角度は−θｓ）、大腿揺動アーム１３が『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動した場合の例を示しており、変速機２５のシャフト２５Ａの『反』時計回り方向の揺動角度がｎθｒである場合の例を示している（すなわち、変速機２５の変速比を［ｎ］としている）。また、変速機２５の効率をηとし、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ２とし、バネ固定部材２３の側から見たゼンマイバネ２４のバネ定数をｋとし、大腿揺動アーム１３の揺動によって発生したトルクをτとすると、以下の式（８）が成立する。
τ＝ｋ２・θｒ＝η・ｎ・ｋ（ｎθｆ＋θｓ） 式（８）
[Calculation method of target stiffness adjustment angle (FIG. 11): Target stiffness adjustment angle with respect to “counterclockwise” pivot angle θr of thigh swing arm 13]
Next, the procedure for calculating the target stiffness adjustment angle performed in step S30 of the flowchart shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the offset angle in the clockwise direction is θs (the offset angle in the “counterclockwise” clockwise direction is −θs), and the
τ =
上記の式（８）を整理すると、以下の式（９）にて、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２を求めることができる。また式（９）を整理して式（１０）を得ることができる。
ｋ２＝η・ｎ２・ｋ［１＋θｓ／（ｎ・θｒ）］ 式（９）
θｓ＝−ｎ・θｒ［１−ｋ２／（η・ｎ２・ｋ）］ 式（１０）
By arranging the above equation (8), the apparent spring constant k2 of the
k2 = η · n 2 · k [1 + θs / (n · θr)] Equation (9)
θs = −n · θr [1-k2 / (η · n 2 · k)] Equation (10)
以上の式（９）より、例えば、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２をゼロにしたい場合は、オフセット角度θｓ＝−ｎ・θｒとすればよいことがわかる。また例えば、オフセット角度θｓをゼロとした場合は、式（９）より、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２は、ｋ２＝η・ｎ２・ｋとなることがわかる。また例えば大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数ｋ２＝２・η・ｎ２・ｋとしたい場合は、θｓ＝ｎ・θｒとすればよいことがわかる（図１１の例に対して、バネ固定部材２３を、基準線Ｊ１に対して時計回り方向にｎ・θｒだけ旋回させた状態とすればよい）。
From the above equation (9), for example, when it is desired to make the apparent spring constant k2 of the mainspring 24 seen from the
ここで、ユーザの歩行周波数（大腿揺動アームの揺動周波数）をｆ、その場合の角周波数（角速度）をωとすると、上記の式（４）が成立する。また、上記のように、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数をｋ２として、ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３等とを含む駆動軸線６Ｊ回りの慣性モーメントを、上記と同様にＩとした場合、以下の式（１１）、式（１２）が成立する。上記よりωの値がわかっており、慣性モーメントＩもわかっているので、下記の式（１２）から、大腿揺動アーム１３の側から見たゼンマイバネ２４の見かけ上バネ定数ｋ２を求めることができる。
ω＝√（ｋ２／Ｉ） 式（１１）
ｋ２＝Ｉ・ω２ 式（１２）
Here, when the user's walking frequency (swing frequency of the thigh swing arm) is f and the angular frequency (angular velocity) in that case is ω, the above equation (4) is established. Further, as described above, the apparent spring constant of the mainspring 24 viewed from the side of the
ω = √ (k2 / I) Equation (11)
k2 = I · ω 2 formula (12)
また、大腿揺動アーム１３の運動方程式は、一般的に、関節軸（駆動軸線６Ｊ）まわりの粘性係数をρとすると、以下の式（１３）のように表される。なお、式（１３）では、上記のτ、Ｉ、ｋ２を用い、揺動角度をθとしている。
大腿部の揺動は、ほぼ正弦波とみなせるので、θ＝Ａ・ｓｉｎωｔとして上記の式（１３）に代入すると、以下の式（１３Ａ）を得ることができる。
τ＝−Ａ・Ｉ・ω２・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ＋Ａ・ｋ２・ｓｉｎωｔ
＝Ａ（ｋ２−Ｉ・ω２）・ｓｉｎωｔ＋Ａ・ρ・ω・ｃｏｓωｔ 式（１３Ａ）
Since the swing of the thigh can be regarded almost as a sine wave, substituting into the above equation (13) as θ = A · sin ωt, the following equation (13A) can be obtained.
τ = −A · I · ω 2 · sinωt + A · ρ · ω · cosωt + A · k2 · sinωt
= A (k2-I · ω 2 ) · sin ωt + A · ρ · ω · cos ωt Equation (13A)
上記の式（１３Ａ）において、ｋ２＝Ｉ・ω２、すなわち共振状態が成り立つとき、τを最小にできる。従って、トルクと角度変位の積となるエネルギーも最小化できる。 In the above equation (13A), k2 = I · ω 2 , that is, when the resonance state is established, τ can be minimized. Therefore, the energy that is the product of torque and angular displacement can also be minimized.
図１１の例において、大腿揺動アーム１３を『反』時計回り方向に揺動角度θｒで揺動させる際、電動モータ１１の消費電力を最小にするオフセット角度θｓが、目標剛性調整角度であり、上記の式（１３）と式（９）から求められたオフセット角度θｓが目標剛性調整角度である。また、上記の式（１２）と式（９）から、角周波数ωと慣性モーメントＩに応じたオフセット角度θｓ（ゼンマイバネの共振周波数と、揺動対象物の揺動周波数と、を一致させるオフセット角度θｓ）を求めることができる。
In the example of FIG. 11, when the
以上、図１０及び図１１を用いて説明したように、制御手段５０を用いて、駆動軸部材６回りの大腿揺動アーム１３の揺動周波数（ｆ）と、大腿揺動アーム１３を含む揺動対象物（ユーザの下肢と大腿揺動アーム１３とを含み、駆動軸線６Ｊ回りに揺動する全ての物体）における駆動軸部材６回りの慣性モーメント（Ｉ）と、ゼンマイバネ２４のバネ定数（ｋ）と、ゼンマイバネ２４のオフセット角度（θｓ）と、大腿揺動アーム１３の時計回り方向の揺動角度（θｆ）または大腿揺動アーム１３の『反』時計回り方向の揺動角度（θｒ）と、に基づいて、ゼンマイバネ２４の共振角周波数（ω）が、揺動対象物の揺動の周波数と一致するように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を調整する。
As described above with reference to FIGS. 10 and 11, the swinging frequency (f) of the
このように、ゼンマイバネ２４と慣性モーメントＩの共振角周波数（ω）が、大腿揺動アーム１３を含む揺動対象物（駆動軸部材６回りに揺動する物体全体）の揺動の周波数と一致するように、剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を設定することで、電動モータ１１にて消費する電力を最小とすることができる。なお、剛性調整角度を上記の式から求めることなく、微小角度だけ剛性調整角度を変更して当該剛性調整角度における所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測した後、再度微小角度だけ剛性調整角度を変更して所定周期分の電動モータ１１の消費電力を計測することを繰り返し、最も消費電力が少ない剛性調整角度を求めるようにしてもよい。また、変速機２５を設けて大腿揺動アーム１３の揺動角度を増幅してゼンマイバネ２４に増幅した揺動角度を入力することで、バネ定数が比較的小さな小型のゼンマイバネを用いることが可能である。また、電動モータ２１も、より小さなトルクの小型の電動モータを用いることが可能である。
As described above, the resonance angular frequency (ω) of the
以上に説明した第１の実施の形態の揺動関節装置１は、ユーザの左脚用であるが、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。
The swing
●●［第２の実施の形態の揺動関節装置］
第２の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂを省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第２の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータで支援することはできないが、下腿部の運動を電動モータ３１にて支援することができる。また、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。
●● [Oscillating joint device of the second embodiment]
The swing joint apparatus according to the second embodiment is different from the swing
また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の下腿揺動部（符号３１、３２、３２Ｐ、３２Ｂ、３３、３４、３５、３６、３９等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, the right leg base portion (a symmetrical version of the base portion 2), the right leg thigh swinging portion (the left and right sides of the members indicated by
●●［第３の実施の形態の揺動関節装置］
第３の実施の形態の揺動関節装置は、図１〜図４に示す第１の実施の形態の揺動関節装置１から、電動モータ３１、ブラケット３２、プーリ３２Ｐ、ベルト３２Ｂ、下腿揺動アーム３３、下腿中継アーム３４、下腿アーム３５、足先保持部３６、下腿装着部３９を省略したものである。この第３の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における大腿部の運動を電動モータ１１にて支援し、下腿部の運動は支援しない。なお、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、電動モータ１１の消費電力を、より低減することができる。
●● [Oscillating joint device of the third embodiment]
The swing joint apparatus of the third embodiment is different from the swing
また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１１、１２、１４、１４Ｂ、１５、１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, a base portion for the right leg (a symmetric version of the base portion 2), a thigh swinging portion for the right leg (
●●［第４の実施の形態の揺動関節装置］
第４の実施の形態の揺動関節装置は、第３の実施の形態の揺動関節装置から電動モータ１１（及び回転角度検出手段１１Ｓ）、ブラケット１２、プーリ１４、ベルト１４Ｂを省略し、大腿揺動アーム１３の揺動角度を検出可能な回転角度検出手段を追加したものである。この第４の実施の形態では、ユーザの歩行（または走行）における下腿部の運動の支援をすることはできない。またユーザの大腿部の運動を電動モータで支援することもできない。しかし、符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した剛性調整部を有しているので、常に共振状態になるように剛性調整角度（時計回り方向のオフセット角度θｓ）を適切な角度とすることで、ユーザの大腿部の運動量を適切に軽減させることができる。
●● [Oscillating joint device of the fourth embodiment]
The swing joint apparatus according to the fourth embodiment omits the electric motor 11 (and the rotation angle detection means 11S), the
また、第１の実施の形態と同様に、右脚用のベース部（ベース部２の左右対称版）、右脚用の大腿揺動部（符号１３、１９等にて示した各部材の左右対称版）、右脚用の剛性調整部（符号２１、２２、２３、２４、２５等にて示した各部材の左右対称版）を追加して、制御ユニット５からユーザの両脚の歩行動作（または走行動作）を支援するようにしてもよい。
Further, as in the first embodiment, the right leg base portion (a symmetrical version of the base portion 2), the right leg thigh swinging portion (the left and right sides of the members indicated by
●●［第５の実施の形態：往復直線運動体を有する搬送装置７０に見かけ上剛性可変手段を適用した例（図１４）］
次に説明する第５の実施の形態では、上記に説明した揺動関節装置の一部（少なくとも見かけ上剛性可変手段を含む）を有する搬送装置７０の例を説明する。なお図１４ではＹ軸方向が鉛直上向き方向を示している。
[Fifth embodiment: an example in which apparently variable stiffness means is applied to a
In the fifth embodiment to be described next, an example of a
●［搬送装置７０の全体構成（図１４）］
図１４に示す搬送装置７０は、アーム７１、ピニオン７１Ｂ、減速機７２（変速機）、従動プーリ７３Ｃ、ベルト７３Ｂ、駆動プーリ７３Ａ、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍ、回転角度検出手段７４Ｅ、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１、回転角度検出手段２１Ｓ、支持体７８、スライド駆動体７９Ａ、制御手段５０Ｂ等を有している。なお、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍは、ピニオン駆動手段に相当している。また、電動モータ２１は、可変剛性用アクチュエータであり、剛性調整手段に相当している。図１４の例に示す搬送装置７０は、案内部材７９Ｂ上を（左右に）往復運動しながらアーム７１を上下に往復直線運動させて、コンベアＣ１上のワークＷを把持し、把持したワークＷをコンベアＣ２上に移動させる。なお、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１、回転角度検出手段２１Ｓは、図５に示すものと同様である。
● [Overall configuration of transfer device 70 (FIG. 14)]
14 includes an
支持体７８は、ピニオン７１Ｂ、ピニオン側軸７２Ａ、減速機７２、プーリ側軸７２Ｂ、従動プーリ７３Ｃ、バネ側軸７３Ｃ１、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１、のそれぞれが同軸となるように支持している。また支持体７８は、アーム７１が上下に往復直線運動可能となるようにアーム７１を案内している。また支持体７８には、案内部材７９Ｂに沿って（左右に）往復運動可能なスライド駆動体７９Ａが設けられている。制御手段５０Ｂは、スライド駆動体７９Ａからの位置検出信号を検出しながらスライド駆動体７９Ａに制御信号を出力し、搬送装置７０を、案内部材７９Ｂに沿って往復運動させることが可能である。
The
アーム７１は、ピニオン７１Ｂに噛み合うラック部７１Ａを有し、上下に延びる部材であり、下端部にはワークＷの把持と解放を行う把持部７１Ｃを有している。アーム７１は、ピニオン７１Ｂの回転に応じて、支持体７８に案内されて上方または下方に往復直線運動する。なお、アーム７１の把持部７１Ｃは制御手段５０Ｂからの制御信号に応じてワークＷを把持または解放する。
The
減速機７２は、プーリ側軸７２Ｂから入力された回転を、１／ｎ倍に減速してピニオン側軸７２Ａに出力する（ピニオン側軸７２Ａから入力された回転をｎ倍に増幅してプーリ側軸７２Ｂに出力する）。
The
従動プーリ７３Ｃには、ピニオン側軸７２Ｂとバネ側軸７３Ｃ１が接続されており、駆動プーリ７３Ａ及びベルト７３Ｂを介して上下駆動用アクチュエータ７４Ｍの回転動力が伝達されている。制御手段５０Ｂは、回転角度検出手段７４Ｅからの検出信号を検出しながら上下駆動用アクチュエータ７４Ｍに制御信号を出力する。なおバネ側軸７３Ｃ１は、ゼンマイバネ２４の一方端である自由端（図５における自由端２４Ｂに相当）に接続されている。
A
以上の構成により、ゼンマイバネ２４は、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍがピニオン７１Ｂを回転駆動する際には、径が小さくなる側（あるいは径が大きくなる側）に巻回されてエネルギーを蓄える。このとき、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍによって従動プーリ７３Ｃが回転駆動され、従動プーリ７３Ｃは、減速機７２とピニオン７１Ｂを介してアーム７１を上方（または下方）に運動させる。またゼンマイバネ２４は、蓄えたエネルギーを放出する際には、縮径（あるいは拡径）された状態から復元しながらピニオン７１Ｂを回転駆動する。このとき、ゼンマイバネ２４によって従動プーリ７３Ｃが回転駆動され、従動プーリ７３Ｃは、減速機７２とピニオン７１Ｂを介してアーム７１を下方（または上方）に運動させる。
With the above configuration, when the
ゼンマイバネ２４の一方端である自由端は、上記のとおり、図５における自由端２４Ｂに相当しており、バネ側軸７３Ｃ１に接続されている。またゼンマイバネ２４の他方端である固定端は、図５における固定端２４Ａに相当しており、バネ固定部材２３のバネ支持体２３Ｊにて支持されている。
As described above, the free end that is one end of the
バネ固定部材２３は、図５に示すバネ固定部材２３と同様であり、バネ支持体２３Ｊを有しており、電動モータ２１によって旋回される。そして制御手段５０Ｂは、回転角度検出手段２１Ｓからの検出信号を検出しながら電動モータ２１に制御信号を出力する。
The
以上に説明したとおり、搬送装置７０は、揺動関節装置における以下の各部を有している。揺動関節装置の駆動軸部材には、ピニオン側軸７２Ａが相当している。また揺動関節装置の第１出力部には、往復旋回動作するピニオン７１Ｂが相当しており、揺動関節装置の第１揺動角度には、ピニオン７１Ｂの往復旋回角度が相当している。また揺動関節装置における第１角度検出手段には、回転角度検出手段７４Ｅが相当している。また揺動関節装置の弾性体には、ゼンマイバネ２４が相当している。また揺動関節装置の（第１出力部から見た）見かけ上の剛性には、（ピニオン７１Ｂから見た）ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数が相当している。また揺動関節装置の見かけ上剛性可変手段には、バネ固定部材２３と電動モータ２１にて構成された（ピニオン７１Ｂから見た）見かけ上バネ定数可変手段が相当している。
As described above, the
●［ピニオン７１Ｂの旋回角度θに応じた目標剛性調整角度（バネ固定部材２３の旋回角度）の算出方法］
ここで、アーム７１の上下方向の推力をＦ、アーム７１の質量をｍ（ワークＷの質量は無視できるものとする）、アーム７１の上下運動の粘性係数をｄ、Ｙ軸方向の剛性をｋＬ、アーム７１の下端位置のＹ軸座標をｙ、アーム７１の上端位置のＹ座標をｙ０、重力加速度をｇ、とすると、下記の（式１４）に示す運動方程式が成立する。
Here, the thrust in the vertical direction of the
この場合、系のエネルギーの総和Ｅは、以下の（式１５）にて表すことができる。
ここで、（式１５）のエネルギーの総和Ｅを最小化する条件は、以下の（式１６）に示すとおりであり、（式１６）から以下の（式１７）、（式１８）、（式１９）を得ることができる。
上記の（式１９）のように剛性ｋＬを制御すればエネルギーの総和Ｅを最小化できる。ただし、ｙ−ｙ０（ピニオン７１Ｂの旋回角度θに相当）が０（ゼロ）に近いときには剛性ｋＬが正（または負）の無限大となるので、その付近では、ｋＬを上限（ゼンマイバネ２４のバネ定数の物理的上限（一般的に設定されている））に固定する。
Minimize the energy of the sum E by controlling the stiffness k L as described above (Equation 19). However, when y−y 0 (corresponding to the turning angle θ of the
ここで、アーム７１の上下運動がｙ０を中心にほぼ正弦波状に振動して下記の（式２０）のようにみなせる場合には、下記の（式２１）のように制御する。
ｙ≒ｙ０＋Ａsinωt （式２０）
ｋL＝ｍ[(Ａω２sinωt−ｇ)／(Ａsinωt)]＝ｍ[ω２−ｇ／(Ａsinωt)] （式２１）
Here, when the vertical movement of the
y≈y 0 + Asinωt (Formula 20)
k L = m [(Aω 2 sinωt−g) / (Asinωt)] = m [ω 2 −g / (Asinωt)] (Formula 21)
また垂直方向変位ｙと回転変位θ（ピニオン７１Ｂの旋回角度）の関係は、ピニオンのピッチ円半径をｒとすると、以下の（式２２）にて表すことができる。なお、θ０は変位前の角度であり、ｙ０は変位前の位置である。
ｒ（θ−θ０）＝ｙ−ｙ０ （式２２）
The relationship between the vertical displacement y and the rotational displacement θ (the turning angle of the
r (θ−θ 0 ) = y−y 0 (Formula 22)
また減速機７２の出力がラック＆ピニオンで直動方向の推力ｆに変換されることを考えると、以下の（式２３）が成立し、（式２３）と（式２２）より、（式２４）を得ることができる。
ｆ＝ｋＬ（ｙ−ｙ０） （式２３）
ｆ＝ｋＬｒ（θ−θ０） （式２４）
Further, considering that the output of the
f = k L (y−y 0 ) (Formula 23)
f = k L r (θ−θ 0 ) (Formula 24)
ここで、ゼンマイバネ２４によりピニオン７１Ｂに生じるトルクをτ、回転方向の見かけ上の剛性をｋＲ、ゼンマイバネ２４によるトルクをτ１、減速機７２の減速比をｎ、減速機７２の効率をηＲとすると、以下の（式２５）が成立する。また減速機７２のプーリ側軸７２Ｂに生じるトルクτ１は、ゼンマイバネのもともとのバネ定数をｋとした場合、以下の（式２６）となる。
τ＝ｋＲ（θ−θ０）＝ηＲｎτ１ （式２５）
τ１＝ｋｎ（θ−θ０） （式２６）
Here, the torque generated in the
τ = k R (θ−θ 0 ) = η R nτ 1 (Equation 25)
τ 1 = kn (θ−θ 0 ) (Formula 26)
上記の（式２５）と（式２６）から以下の（式２７）を得ることができる。
τ＝ηＲｎ２ｋ（θ−θ０） （式２７）
The following (Expression 27) can be obtained from the above (Expression 25) and (Expression 26).
τ = η R n 2 k (θ−θ 0 ) (Formula 27)
ここで、上記の（式２６）に対して、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａをθ１だけ旋回させる（図９中におけるオフセット角度θｓ（θ１に相当）を与える）ことを考えると、以下の（式２８）を得ることができる。
τ１＝ｋ［ｎ（θ−θ０）−θ１］ （式２８）
Here, the relative (Equation 26), pivoting the
τ 1 = k [n (θ−θ 0 ) −θ 1 ] (Formula 28)
上記の（式２５）と（式２８）から以下の（式２９）を得ることができる。
τ＝ηＲｎｋ［ｎ（θ−θ０）−θ１］
＝ηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ（θ−θ０）］｝（θ−θ０） （式２９）
From the above (Expression 25) and (Expression 28), the following (Expression 29) can be obtained.
τ = η R nk [n (θ−θ 0 ) −θ 1 ]
= Η R n 2 k {1-θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} (θ−θ 0 ) (Formula 29)
上記の（式２９）と（式２５）から以下の（式３０）を得られ、この（式３０）をｋＲについて整理すると（式３１）を得ることができる。
ηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ(θ−θ０)］｝(θ−θ０)＝ｋＲ(θ−θ０) （式３０）
ｋＲ＝ηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ（θ−θ０）］｝ （式３１）
Obtained above (Expression 29) the following from equation (25) (Equation 30), it is possible to obtain this and rearranging the (formula 30) k R (Equation 31).
η R n 2 k {1-θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} (θ−θ 0 ) = k R (θ−θ 0 ) (Formula 30)
k R = η R n 2 k {1-θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} (Formula 31)
ここでラック＆ピニオン機構の効率をηＬとし、直動部の仕事が、回動部の仕事に等しい、と考えれば、以下の（式３２）が得られ、（式３２）と（式２２）から以下の（式３３）を得ることができる。
ｆ（ｙ−ｙ０）＝ηＬτ（θ−θ０） （式３２）
ｆｒ（θ−θ０）＝ηＬτ（θ−θ０） （式３３）
Here, assuming that the efficiency of the rack and pinion mechanism is η L and the work of the linear motion part is equal to the work of the rotating part, the following (Expression 32) is obtained, and (Expression 32) and (Expression 22) are obtained. ) From (Formula 33) can be obtained.
f (y−y 0 ) = η L τ (θ−θ 0 ) (Formula 32)
fr (θ−θ 0 ) = η L τ (θ−θ 0 ) (Formula 33)
上記の（式２４）と（式３３）から以下の（式３４）を得ることができる。
ｋＬｒ２（θ−θ０）２＝ηＬτ（θ−θ０） （式３４）
The following (Expression 34) can be obtained from the above (Expression 24) and (Expression 33).
k L r 2 (θ−θ 0 ) 2 = η L τ (θ−θ 0 ) (Formula 34)
上記の（式３４）と（式２９）から以下の（式３５）を得られ、（式３５）をｋＬについて整理すると（式３６）を得ることができる。また（式３５）をθ１について整理すると（式３７）を得ることができる。従って、必要なｋＬに対し、θ１を（式３７）のように制御すればよい。
ｋＬｒ２(θ−θ０)２＝ηＬηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ(θ−θ０)］｝(θ−θ０)２ （式３５）
ｋＬ＝ηＬηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ（θ−θ０）］｝１／ｒ２ （式３６）
θ１＝［１−ｋＬｒ２／（ηＬηＲｎ２ｋ）］ｎ（θ−θ０） （式３７）
The following (Expression 35) can be obtained from the above (Expression 34) and (Expression 29), and (Expression 36) can be obtained by arranging (Expression 35) with respect to k L. Further, (Expression 37) can be obtained by arranging (Expression 35) with respect to θ 1 . Therefore, θ 1 may be controlled as shown in (Expression 37) for the necessary k L.
k L r 2 (θ-θ 0) 2 = η L η R n 2 k {1-
k L = η L η R n 2 k {1−θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} 1 / r 2 (formula 36)
θ 1 = [1-k L r 2 / (η L η R n 2 k)] n (θ−θ 0 ) (Formula 37)
以上、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置の角度θ１（図９に示すオフセット角度θｓに相当）を、ピニオン７１Ｂの回転変位θに対してリアルタイムに（式３７）を満足するように調整することで、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍの消費エネルギーを最小化することができる。
As described above, the angle θ 1 (corresponding to the offset angle θs shown in FIG. 9) of the position of the
●●［第６の実施の形態：揺動運動体を有するマニピュレータ９０に見かけ上剛性可変手段を適用した例（図１５、図１６）］
●［マニピュレータ９０の全体構成（図１５、図１６）］
次に図１５及び図１６を用いて、揺動運動体（第２揺動部９５及び第２旋回部９４と一体化している第１揺動部９３）に、上記の見かけ上剛性可変手段を適用した例を説明する。図１５及び図１６に示すマニピュレータ９０は、ベース９１、第１旋回部９２、第１揺動部９３、第２旋回部９４、第２揺動部９５、制御手段５０Ｃ等を有している。
[Sixth Embodiment: Example in which apparently variable stiffness means is applied to a
● [Overall configuration of manipulator 90 (FIGS. 15 and 16)]
Next, with reference to FIG. 15 and FIG. 16, the apparent rigidity varying means is applied to the swinging motion body (the first swinging
ベース９１には、回転角度検出手段９１Ｅを有する電動モータ９１Ｍが設けられており、電動モータ９１Ｍは、ベース９１に対して第１旋回部９２を旋回させる。また第１旋回部９２には、回転角度検出手段８４Ｅを有する電動モータ８４Ｍ（揺動部駆動手段に相当）を備えた剛性可変式揺動装置８０Ｇが設けられており、剛性可変式揺動装置８０Ｇは、第１旋回部９２に対して第１揺動部９３を揺動させる。なお剛性可変式揺動装置８０Ｇの詳細については後述する。また第１揺動部９３には、回転角度検出手段９３Ｅを有する電動モータ９３Ｍが設けられており、電動モータ９３Ｍは、第１揺動部９３に対して第２旋回部９４を旋回させる。また第２旋回部９４には、回転角度検出手段９４Ｅを有する電動モータ９４Ｍが設けられており、電動モータ９４Ｍは、第２旋回部９４に対して第２揺動部９５を揺動させる。制御手段５０Ｃは、回転角度検出手段９１Ｅからの検出信号を検出しながら電動モータ９１Ｍに制御信号を出力し、回転角度検出手段８４Ｅからの検出信号を検出しながら電動モータ８４Ｍに制御信号を出力する。また制御手段５０Ｃは、回転角度検出手段９３Ｅからの検出信号を検出しながら電動モータ９３Ｍに制御信号を出力し、回転角度検出手段９４Ｅからの検出信号を検出しながら電動モータ９４Ｍに制御信号を出力する。
The
剛性可変式揺動装置８０Ｇは、揺動体側軸８２Ａ、減速機８２、プーリ側軸８２Ｂ、従動プーリ８３Ｃ、ベルト８３Ｂ、駆動プーリ８３Ａ、電動モータ８４Ｍ、回転角度検出手段８４Ｅ、バネ側軸８３Ｃ１、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１（可変剛性用アクチュエータであり剛性調整手段に相当）、回転角度検出手段２１Ｓを有し、第１旋回部９２に設けられている。図１５及び図１６に示すマニピュレータ９０は、第１揺動部９３から上（第１揺動部９３と第２旋回部９４と第２揺動部９５）を揺動運動させる。なお、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１、回転角度検出手段２１Ｓは、図５に示すものと同様である。なお第１揺動部９３から上は、所定の振幅を有して周期的に揺動しているものとする。
The variable
剛性可変式揺動装置８０Ｇの支持体である第１旋回部９２は、揺動体側軸８２Ａ、減速機８２、プーリ側軸８２Ｂ、従動プーリ８３Ｃ、バネ側軸８３Ｃ１、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１、のそれぞれが同軸となるように支持している。なお、減速機８２、プーリ側軸８２Ｂ、従動プーリ８３Ｃ、ベルト８３Ｂ、駆動プーリ８３Ａ、電動モータ８４Ｍ、バネ側軸８３Ｃ１、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１は、図１４に示す減速機７２、プーリ側軸７２Ｂ、従動プーリ７３Ｃ、ベルト７３Ｂ、駆動プーリ７３Ａ、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍ、バネ側軸７３Ｃ１、ゼンマイバネ２４、バネ固定部材２３、電動モータ２１と同様であるので説明を省略する。減速機８２は、プーリ側軸８３Ｂから入力された回転を、１／ｎ倍に減速して揺動体側軸８２Ａに出力する（揺動体側軸８２Ａから入力された回転をｎ倍に増幅してプーリ側軸８２Ｂに出力する）。
The
以上の構成により、ゼンマイバネ２４は、電動モータ８４Ｍが従動プーリ８３Ｃを回転駆動する際には、径が小さくなる側（あるいは径が大きくなる側）に巻回されてエネルギーを蓄える。このとき、電動モータ８４Ｍによって回転駆動された従動プーリ８３Ｃは、減速機８２と揺動体側軸８２Ａを介して第１揺動部９３を揺動運動させる。またゼンマイバネ２４は、蓄えたエネルギーを放出する際には、縮径（あるいは拡径）された状態から復元しながら従動プーリ８３Ｃを回転駆動する。このとき、ゼンマイバネ２４によって回転駆動された従動プーリ８３Ｃは、減速機８２と揺動体側軸８２Ａを介して第１揺動部９３を揺動運動させる。
With the above configuration, when the
以上に説明したとおり、マニピュレータ９０は、揺動関節装置における以下の各部を有している。揺動関節装置の駆動軸部材には、揺動体側軸８２Ａが相当している。また揺動関節装置の第１出力部には、揺動する第１揺動部９３が相当しており、揺動関節装置の第１揺動角度には、第１揺動部９３の揺動角度θが相当している。また揺動関節装置における第１角度検出手段には、回転角度検出手段８４Ｅが相当している。また揺動関節装置の弾性体には、ゼンマイバネ２４が相当している。また揺動関節装置の（第１出力部から見た）見かけ上の剛性は、（第１揺動部９３から見た）ゼンマイバネ２４の見かけ上のバネ定数が相当している。また揺動関節装置の見かけ上剛性可変手段には、バネ固定部材２３と電動モータ２１にて構成された（第１揺動部９３から見た）見かけ上バネ定数可変手段が相当している。
As described above, the
●［第１揺動部９３の揺動角度θに応じた目標剛性調整角度（バネ固定部材２３の旋回角度）の算出方法］
ここで、ゼンマイバネ２４により生じるトルクτは、第１揺動部９３から見たゼンマイバネ２４の見かけ上の剛性（バネ定数）をｋＲ、第１揺動部９３の揺動角度をθ、揺動の中心に相当する位置の角度をθ０、減速機８２の減速比をｎ、減速機８２の効率をηＲ、ゼンマイバネ２４により減速機８２のプーリ側軸８２Ｂに生じるトルクをτ１、とすると、以下の（式３８）、（式３９）が成立する。
τ＝ｋＲ（θ−θ０） （式３８）
τ＝ηＲｎτ１ （式３９）
[Calculation method of target stiffness adjustment angle (turning angle of spring fixing member 23) according to the swing angle θ of the first swing portion 93]
Here, the torque τ generated by the
τ = k R (θ−θ 0 ) (Formula 38)
τ = η R nτ 1 (Equation 39)
また減速機８２のプーリ側軸８２Ｂに生じるトルクτ１は、ゼンマイバネ２４のもともとのバネ定数をｋ、ゼンマイバネ２４の固定端に対する自由端の回転角度をθ´とした場合、以下の（式４０）、（式４１）が成立する。
τ１＝ｋθ´ （式４０）
ｎ（θ−θ０）＝θ´ （式４１）
The torque τ 1 generated in the pulley-
τ 1 = kθ ′ (Formula 40)
n (θ−θ 0 ) = θ ′ (Formula 41)
上記の（式４０）と（式４１）から以下の（式４２）が得られ、当該（式４２）と上記の（式３９）から以下の（式４３）を得ることができる。
τ１＝ｋｎ（θ−θ０） （式４２）
τ＝ηＲｎ・ｋｎ（θ−θ０）＝ηＲｎ２ｋ（θ−θ０） （式４３）
The following (Formula 42) is obtained from the above (Formula 40) and (Formula 41), and the following (Formula 43) can be obtained from the (Formula 42) and the above (Formula 39).
τ 1 = kn (θ−θ 0 ) (Formula 42)
τ = η R n · kn (θ−θ 0 ) = η R n 2 k (θ−θ 0 ) (Formula 43)
上記の（式４３）と（式３８）から以下の（式４４）を得ることができる。
ｋＲ＝ηＲｎ２ｋ （式４４）
The following (Formula 44) can be obtained from the above (Formula 43) and (Formula 38).
k R = η R n 2 k (Formula 44)
ここでゼンマイバネ２４の固定端をθ１移動（旋回）させることを考えると、以下の（式４５）が成立し、当該（式４５）と上記の（式４０）から以下の（式４６）を得ることができる。
θ´＝ｎ（θ−θ０）−θ１ （式４５）
τ１＝ｋ［ｎ（θ−θ０）−θ１］ （式４６）
Here, considering that the fixed end of the
θ ′ = n (θ−θ 0 ) −θ 1 (Formula 45)
τ 1 = k [n (θ−θ 0 ) −θ 1 ] (Formula 46)
また上記の（式３９）と（式４６）から以下の（式４７）を得ることができる。また（式４７）と（式３８）から下記の（式４８）を得ることができる。
τ＝ηＲｎ・ｋ［ｎ（θ−θ０）−θ１］
＝ηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ（θ−θ０）］｝（θ−θ０） （式４７）
ｋＲ＝ηＲｎ２ｋ｛１−θ１／［ｎ（θ−θ０）］｝ （式４８）
The following (Expression 47) can be obtained from the above (Expression 39) and (Expression 46). Further, the following (Expression 48) can be obtained from (Expression 47) and (Expression 38).
τ = η R n · k [n (θ−θ 0 ) −θ 1 ]
= Η R n 2 k {1−θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} (θ−θ 0 ) (Formula 47)
k R = η R n 2 k {1-θ 1 / [n (θ−θ 0 )]} (Formula 48)
ここで、負荷（第２揺動部９５及び第２旋回部９４と一体化した第１揺動部９３）の質量をｍ、負荷の慣性モーメントをＪ、負荷の粘性係数をｄ、第１揺動部９３の揺動中心から、負荷の重心までの距離をｌ（図１５参照）、sinθ≒θとすると、以下の（式４９）が成立する。なお、慣性モーメントＪと、重心までの距離ｌは、負荷（第２揺動部９５及び第２旋回部９４と一体化した第１揺動部９３）の姿勢によって変化するので、予めその値を計算して用いる。
また揺動の動作方向に重力が作用する場合のエネルギーの総和Ｅは、以下の（式５０）にて与えられる。
ここで、（式５０）のエネルギーの総和Ｅを最小化する条件は、以下の（式５１）に示すとおりであり、（式５１）から（式５２）、（式５３）を得ることができる。
揺動の動作が、θ０を中心とする正弦波とみなせる場合には、（式５４）とみなすことができる。そして（式５４）と（式５３）から以下の（式５５）を得ることができる。
θ＝θ０＋Ａsinωｔ （式５４）
ｋR＝［（ＪＡω２sinωｔ−ｍｇｌ）／（Ａsinωｔ）］
＝Jω２−ｍｇｌ／（Ａsinωｔ） （式５５）
When the swinging operation can be regarded as a sine wave with θ 0 as the center, it can be regarded as (Equation 54). The following (Expression 55) can be obtained from (Expression 54) and (Expression 53).
θ = θ 0 + Asinωt (Formula 54)
k R = [(JAω 2 sinωt−mgl) / (Asinωt)]
= Jω 2 −mgl / (Asinωt) (Formula 55)
以上、ゼンマイバネ２４の固定端２４Ａの位置の角度θ１（図９に示すオフセット角度θｓに相当）を、第１揺動部９３の揺動角度θに対してリアルタイムに（式４８）を満足するように調整することで、電動モータ８４Ｍの消費エネルギーを最小化することができる。
As described above, the angle θ 1 (corresponding to the offset angle θs shown in FIG. 9) of the position of the
本発明の揺動関節装置、歩行アシスト装置、搬送装置、マニピュレータの構造、構成、形状、外観等は、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。 Various changes, additions, and deletions can be made to the structure, configuration, shape, appearance, and the like of the swing joint device, walking assist device, transport device, and manipulator of the present invention without departing from the spirit of the present invention.
本実施の形態にて説明した揺動関節装置の用途は、ユーザの下肢の揺動運動（歩行や走行）を支援する用途である歩行アシスト装置に限定されず、周期的な揺動運動をする搬送装置やマニピュレータ等、種々の対象物に適用可能である。 The use of the swing joint device described in the present embodiment is not limited to the walking assist device that is used to support the swing motion (walking and running) of the user's lower limbs, and performs a periodic swing motion. The present invention can be applied to various objects such as a transport device and a manipulator.
本実施の形態では、電動モータ１１、電動モータ３１、上下駆動用アクチュエータ７４Ｍ、電動モータ８４Ｍの揺動回転運動を、プーリとベルトで大腿揺動アーム１３、下腿揺動アーム３３、ピニオン７１Ｂ、第１揺動部９３に伝達したが、プーリとベルトに限定されず、ギアやリンク機構等を用いて伝達してもよい。
In this embodiment, the
また本実施の形態の説明では、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）とゼンマイバネ２４との間に変速機２５を設けて、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）にゼンマイバネ２４を間接的に接続した例を説明したが、変速機２５を省略して、大腿揺動アーム１３（プーリ１５）とゼンマイバネ２４とを直接的に接続してもよい。同様に、減速機７２や減速機８２を省略してもよい。
In the description of the present embodiment, the
また、本実施の形態では、弾性体としてゼンマイバネ２４を用いた例にて説明したが、ゼンマイバネ２４の代わりに種々の弾性体を用いることができる。例えば、螺旋状に巻いた伸縮バネ、板状バネ、ウェーブスプリングなど別の弾性体でもよい。また、ゴム、樹脂などのエラストマや、オイルのような液体、気体を利用した弾性体でもよい。エネルギーを保存する対象物（動作）の運動量や保存するエネルギー量に合わせて弾性体を変更可能である。保存するエネルギー量が比較的少ない場合では、エラストマを使用することが効果的である。また、ユーザの歩行や走行等の動作に対しては、比較的大きなエネルギーの保存量、バネ定数（剛性）等の大きさ、調整の容易性等から、ゼンマイバネを使用することが効果的である。また、ゼンマイバネは、コストの面からも優位である。
In the present embodiment, an example in which the
１ 揺動関節装置
２ ベース部
３ 腰装着部
４ 肩ベルト
５ 制御ユニット
６ 駆動軸部材
６Ｊ 駆動軸線
１１ 電動モータ（第１駆動手段）
１１Ｄ、２１Ｄ、３１Ｄ 減速機
１１Ｓ 回転角度検出手段（第１角度検出手段）
１２ ブラケット
１３ 大腿揺動アーム（第１出力部）
１３Ｇ 円板部
１４、１５ プーリ
１４Ｂ ベルト
１５Ｊ プーリ軸部材
１９ 大腿装着部
２１ 電動モータ（剛性調整手段）
２１Ｓ 回転角度検出手段
２２ ブラケット
２３ バネ固定部材
２３Ｊ バネ支持体
２４ ゼンマイバネ（弾性体）
２４Ａ 固定端
２４Ｂ 自由端
２５ 変速機
２５Ａ シャフト（バネ入力軸部材）
２５Ｂ バネ自由端挿通溝
３１ 電動モータ（第２駆動手段）
３１Ｓ 回転角度検出手段（第２角度検出手段）
３２ ブラケット
３２Ｂ ベルト
３２Ｐ プーリ
３３ 下腿揺動アーム（第２出力部）
３４ 下腿中継アーム（揺動リンク部材）
３５ 下腿アーム（揺動リンク部材）
３５Ｍ 平行リンク形成部
３９ 下腿装着部
５０、５０Ｂ、５０Ｃ 制御手段
７０ 搬送装置
７１ アーム
７１Ｂ ピニオン（第１出力部）
７２ 減速機
７２Ａ ピニオン側軸（駆動軸部材）
７３Ｃ 従動プーリ
７４Ｍ 上下駆動用アクチュエータ（ピニオン駆動手段）
７４Ｅ 回転角度検出手段（第１角度検出手段）
８０Ｇ 剛性可変式揺動装置
８２ 減速機
８２Ａ 揺動体側軸（駆動軸部材）
８３Ｃ 従動プーリ
８４Ｍ 電動モータ（揺動部駆動手段）
８４Ｅ 回転角度検出手段（第１角度検出手段）
９１ ベース
９２ 第１旋回部
９３ 第１揺動部（第１出力部）
９４ 第２旋回部
９５ 第２揺動部
Ｊ１ 基準線
θｆ 揺動角度（大腿揺動アームの時計回り方向の揺動角度）
θｒ 揺動角度（大腿揺動アームの『反』時計回り方向の揺動角度）
θｓ オフセット角度（剛性調整角度）
DESCRIPTION OF
11D, 21D,
12
21S Rotation angle detection means 22
24A
25B Spring free
31S Rotation angle detection means (second angle detection means)
32
34 Lower leg relay arm (swing link member)
35 Lower leg arm (swinging link member)
35M Parallel
72
73C Driven
74E Rotation angle detection means (first angle detection means)
80G Variable
83C driven
84E Rotation angle detection means (first angle detection means)
91
94
θr Oscillation angle (Anti-clockwise oscillation angle of thigh swing arm)
θs Offset angle (Rigidity adjustment angle)
Claims (10)
前記駆動軸部材の軸である駆動軸回りに揺動する第１出力部と、
前記第１出力部の揺動角度である第１揺動角度に応じた付勢トルクを発生させる弾性体と、
前記第１出力部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする見かけ上剛性可変手段と、
前記第１揺動角度を検出する第１角度検出手段と、
前記第１角度検出手段にて検出した前記第１揺動角度に応じて前記見かけ上剛性可変手段を制御して、前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を調整する制御手段と、を有する、
揺動関節装置。 A drive shaft member;
A first output portion that swings about a drive shaft that is an axis of the drive shaft member;
An elastic body that generates a biasing torque according to a first swing angle that is a swing angle of the first output unit;
An apparent stiffness variable means for varying the apparent stiffness of the elastic body viewed from the first output section;
First angle detecting means for detecting the first swing angle;
The apparent rigidity variable means is controlled in accordance with the first swing angle detected by the first angle detection means to adjust the apparent rigidity of the elastic body viewed from the first output unit. Control means,
Swing joint device.
前記弾性体は、ゼンマイバネを含み、
前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性は、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数を含み、
前記第１出力部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性を可変とする前記見かけ上剛性可変手段は、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を可変とする見かけ上バネ定数可変手段を含んでいる、
揺動関節装置。 The oscillating joint device according to claim 1,
The elastic body includes a spring,
The apparent rigidity of the elastic body viewed from the first output unit includes an apparent spring constant of the spring spring viewed from the first output unit,
The apparent stiffness variable means for varying the apparent stiffness of the elastic body as viewed from the first output section varies the apparent spring constant of the spring as viewed from the first output section. Apparently includes spring constant variable means,
Swing joint device.
前記ゼンマイバネに隣接する位置には、前記ゼンマイバネの固定端を支持するバネ固定部材が配置されており、
前記ゼンマイバネの一方端である自由端は、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じた角度で揺動するバネ入力軸部材に接続されており、
前記ゼンマイバネの他方端である前記固定端は、前記バネ固定部材における前記駆動軸から離れた位置に設けられたバネ支持体に接続されており、
前記見かけ上バネ定数可変手段は、
前記駆動軸回りに旋回自在に支持されて前記駆動軸回りに所定旋回角度で旋回されることで前記駆動軸に対する前記バネ支持体の位置を前記駆動軸回りに前記所定旋回角度分だけ移動させる前記バネ固定部材と、
前記バネ固定部材を前記駆動軸回りに旋回させて前記ゼンマイバネの前記固定端の位置を可変とする剛性調整手段と、にて構成されている、
揺動関節装置。 The swing joint device according to claim 2,
A spring fixing member that supports a fixed end of the mainspring spring is disposed at a position adjacent to the mainspring.
A free end that is one end of the spring spring is connected to a spring input shaft member that swings at an angle corresponding to the first swing angle of the first output portion,
The fixed end, which is the other end of the spring spring, is connected to a spring support provided at a position away from the drive shaft in the spring fixing member,
The apparent spring constant variable means is:
The position of the spring support relative to the drive shaft is moved by the predetermined turning angle around the drive shaft by being supported so as to be turnable around the drive shaft and turning around the drive shaft at a predetermined turning angle. A spring fixing member;
Rigidity adjusting means for rotating the spring fixing member around the drive shaft and making the position of the fixed end of the mainspring spring variable;
Swing joint device.
前記第１出力部と前記ゼンマイバネとの間には変速機が設けられており、
前記変速機は、前記第１出力部が前記第１揺動角度で揺動すると所定の変速比で変速した変速後揺動角度で揺動する前記バネ入力軸部材を有している、
揺動関節装置。 The swing joint device according to claim 3,
A transmission is provided between the first output portion and the spring spring,
The transmission includes the spring input shaft member that swings at a post-shift swing angle that is shifted at a predetermined speed ratio when the first output portion swings at the first swing angle.
Swing joint device.
前記制御手段は、
前記第１揺動角度がゼロの場合において前記ゼンマイバネが付勢トルクを発生していない前記バネ支持体の位置を基準位置とした場合、前記第１出力部の前記第１揺動角度に応じて、前記剛性調整手段を制御して前記バネ固定部材の旋回角度を調整して前記基準位置に対する前記バネ支持体の位置を調整することで、前記第１出力部から見た前記ゼンマイバネの前記見かけ上のバネ定数を調整する、
揺動関節装置。 The oscillating joint device according to claim 3 or 4,
The control means includes
When the position of the spring support body in which the mainspring spring does not generate urging torque when the first swing angle is zero is set as a reference position, the first output portion corresponds to the first swing angle of the first output portion. And adjusting the position of the spring support relative to the reference position by controlling the stiffness adjusting means to adjust the turning angle of the spring fixing member, and thus the apparent spring spring as viewed from the first output portion. Adjust the spring constant of
Swing joint device.
前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第１出力部を前記駆動軸回りに揺動させる第１駆動手段を有している、
揺動関節装置。 The swing joint device according to any one of claims 2 to 5,
First driving means for swinging the first output portion around the drive shaft based on a control signal from the control means;
Swing joint device.
前記駆動軸回りに揺動自在に支持された第２出力部と、
前記第２出力部の揺動角度である第２揺動角度を検出する第２角度検出手段と、
前記制御手段からの制御信号に基づいて前記第２出力部を前記駆動軸回りに揺動させる第２駆動手段と、
前記第１出力部と前記第２出力部とに接続されて前記第１出力部の前記第１揺動角度と前記第２出力部の前記第２揺動角度とに基づいて動作する揺動リンク部材と、を有している、
揺動関節装置。 The oscillating joint device according to any one of claims 2 to 6,
A second output unit supported to be swingable about the drive shaft;
Second angle detecting means for detecting a second swing angle that is a swing angle of the second output unit;
Second drive means for swinging the second output portion around the drive shaft based on a control signal from the control means;
An oscillating link connected to the first output unit and the second output unit and operating based on the first oscillating angle of the first output unit and the second oscillating angle of the second output unit. A member,
Swing joint device.
歩行アシスト装置。 The rocking joint device according to any one of claims 1 to 7,
Walking assist device.
前記駆動軸部材と、
前記駆動軸部材の前記駆動軸回りに揺動するように往復旋回動作する前記第１出力部であるピニオンと、
前記ピニオンに噛み合うラック部を有して前記ピニオンの往復旋回角度である揺動角度に応じて往復直線運動するアームであって、ワークの把持と解放が可能な前記アームと、
前記ピニオンを回転駆動するピニオン駆動手段と、
前記ピニオンの前記揺動角度である前記第１揺動角度を検出する前記第１角度検出手段と、
前記ピニオン駆動手段が前記ピニオンを回転駆動する際にエネルギーを蓄え、蓄えたエネルギーを放出する際に前記ピニオンを回転駆動する前記ゼンマイバネと、
前記バネ固定部材と、前記剛性調整手段と、を有する前記見かけ上バネ定数可変手段と、
前記ピニオン駆動手段と前記剛性調整手段を制御する前記制御手段と、を有し、
前記アームを往復直線運動させながらワークの把持と解放を行うことで、ワークを移動させる、
搬送装置。 A transport device comprising the swing joint device according to claim 3,
The drive shaft member;
A pinion that is the first output portion that reciprocally swings so as to swing around the drive shaft of the drive shaft member;
An arm that has a rack portion that meshes with the pinion and reciprocates linearly according to a swinging angle that is a reciprocating turning angle of the pinion, the arm capable of gripping and releasing a workpiece;
Pinion driving means for rotationally driving the pinion;
The first angle detection means for detecting the first swing angle which is the swing angle of the pinion;
The spring spring that stores energy when the pinion driving means rotationally drives the pinion, and that rotationally drives the pinion when discharging the stored energy;
The apparent spring constant varying means having the spring fixing member and the rigidity adjusting means,
The pinion driving means and the control means for controlling the rigidity adjusting means,
The workpiece is moved by gripping and releasing the workpiece while reciprocating linearly moving the arm.
Conveying device.
前記駆動軸部材と、
前記駆動軸部材の前記駆動軸回りに揺動する前記第１出力部である揺動部と、
前記揺動部を揺動する揺動部駆動手段と、
前記揺動部の揺動角度である前記第１揺動角度を検出する前記第１角度検出手段と、
前記揺動部駆動手段が前記揺動部を揺動する際にエネルギーを蓄え、蓄えたエネルギーを放出する際に前記揺動部を揺動する前記ゼンマイバネと、
前記バネ固定部材と、前記剛性調整手段と、を有する前記見かけ上バネ定数可変手段と、
前記揺動部駆動手段と前記剛性調整手段を制御する前記制御手段と、を有する、
マニピュレータ。 A manipulator having the oscillating joint device according to claim 3,
The drive shaft member;
A swinging portion which is the first output portion swinging around the drive shaft of the drive shaft member;
Oscillating part driving means for oscillating the oscillating part;
The first angle detecting means for detecting the first swing angle which is a swing angle of the swing portion;
The spring spring that stores energy when the swinging unit driving unit swings the swinging unit, and swings the swinging unit when releasing the stored energy;
The apparent spring constant varying means having the spring fixing member and the rigidity adjusting means,
The swinging unit driving means and the control means for controlling the rigidity adjusting means,
manipulator.
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