脚補助装置
【課題】 簡単な構造で実用的に使用できる脚補助装置を提供する。
【解決手段】 脚補助装置１は、装着者Ｐに装着する装着部２と、装着者Ｐの左右の足をそれぞれ支持する左右の足部３と、装着部２と左右の足部３とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダ５と、左右のエアシリンダ５内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部７と、左右の圧力調節部７を作動させる左右のスイッチ８と、を有することを特徴とする。
【解決手段】 脚補助装置１は、装着者Ｐに装着する装着部２と、装着者Ｐの左右の足をそれぞれ支持する左右の足部３と、装着部２と左右の足部３とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダ５と、左右のエアシリンダ５内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部７と、左右の圧力調節部７を作動させる左右のスイッチ８と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚歩行時や重量物運搬時に、脚関節まわりにかかる筋負担を軽減する脚補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、介護福祉支援、家庭での筋力弱体者の自立運動の支援、並びに工場ラインでの重量物運搬支援及び長時間の立ち仕事の支援等に用いられるアシスト装置がある。例えば、特許文献１には、利用者の両足平の荷重割合によって算出したアシスト力に応じて駆動源を駆動し、歩行をアシストする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００６／１２６７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のアシスト装置は、人が行うことが困難なので機械が担う作業又は輸送機器を利用して行うような重労働を、人が単独で楽に行う場合又は筋力が弱体化して自立運動できないような患者向けに設計されることが一般的であった。そのため、効果が高ければ費用や機構の構成方法については度外視されており、電動(空気圧)などのアクチュエータやセンサを多用しているため、連続運転時間が短かったり、維持費が高くなる傾向があり、現場での実用性は低いと考えられる。さらに、アクチュエータを使用者の運動に連動させるためのセンシングの誤作動などにより使用者を危険にさらす可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、簡単な構造で実用的に使用できる脚補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために、脚補助装置は、装着者に装着する装着部と、前記装着者の左右の足をそれぞれ支持する左右の足部と、前記装着部と前記左右の足部とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダと、前記左右のエアシリンダ内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部と、前記左右の圧力調節部を作動させる左右のスイッチと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、前記圧力調節部は、空気を貯蔵するサージタンクと、前記サージタンク内の圧力を調整する圧力調整弁と、前記サージタンクと前記エアシリンダ内とを接続する第１の状態と前記エアシリンダ内を大気と接続する第２の状態を切り替える三叉弁と、前記エアシリンダ内が大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記スイッチは、地面に当接した場合に前記三叉弁を第１の状態とし、地面と離間した場合に前記三叉弁を第２の状態とすることを特徴とする。
【０００９】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記第２脚部材と所定の角度を保持して前記関節部材に接続されるオフセット部材と、前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記装着部に接続されるオフセット部材と、前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の脚補助装置では、センサ等の電子部品の使用を低減することで低コストを実現でき、簡単な構造であり、歩く動作で補償力を得ることができる実用的な脚補助装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の脚補助装置の装着部付近を拡大した図である。
【図３】第１実施形態の脚補助装置のスイッチ付近を拡大した図である。
【図４】装着者が第１実施形態の脚補助装置を装着した状態を示す図である。
【図５】第１の状態の脚補助装置を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図である。
【図６】図５の状態での圧力調節部を示す図である。
【図７】第２の状態の脚補助装置を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図である。
【図８】図７の状態での圧力調節部７を示す図である。
【図９】歩行時の装着者の両足及び脚補助装置の状態を示す図である。
【図１０】シリンダ部のパラメータを示す図である。
【図１１】他の実施形態の脚補助装置の概念を示す図である。
【図１２】他の実施形態の脚補助装置の概念を示す図である。
【図１３】第２実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１４】第３実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１５】腰部高さに対するレバー比を示すグラフである。
【図１６】腰部高さに対する補償力を示すグラフである。
【図１７】第４実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１８】第５実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１９】第５実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【図２０】第６実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は第１実施形態の脚補助装置を示す図、図２は第１実施形態の脚補助装置の装着部付近を拡大した図、図３は第１実施形態の脚補助装置のスイッチ付近を拡大した図である。
【００１６】
図１に示すように、第１実施形態の脚補助装置１は、装着部２と、装着部２を支持する支持部３と、装着者の足を支持する足部４と、装着部２と足部４とを連結するエアシリンダ５と、足部４とエアシリンダ５とを連結する連結部６と、エアシリンダ５の圧力を調節する圧力調節部７と、圧力調節部７を作動させるスイッチ８とを有する。
【００１７】
装着部２は、図２に示すように、装着者が腰かけるサドル２ａと、支持部３に回動可能に支持されている第１軸部２ｂとを有する。
【００１８】
支持部３は、図２に示すように、サドル２ａの第１軸部２ｂを矢印Ａの方向に回動可能に支持する第１支持部材３ａと、エアシリンダ５に接続されると共に、圧力調節部７を支持する第２支持部材３ｂと、第１支持部材３ａと第２支持部材３ｂとを第１軸部２ｂと直交する矢印Ｂの方向に回動可能とする第２軸部３ｃとを有する。
【００１９】
なお、装着部２の第１軸部２ｂを別部材としてもよい。また、支持部３は、ボールジョイント等で構成してもよい。
【００２０】
足部４は、図３に示すように、右足部４Ｒ及び左足部４Ｌからなる。右足部４ａ及び左足部４ｂは、それぞれ装着者の足を載置する足載せ部４ａＲ，４ａＬと、装着者の踵を保持する踵部４ｂＲ，４ｂＬと、連結部６に連結されると共に、スイッチ８を支持する連結支持部４ｃＲ，４ｃＬと、を有する。なお、足載せ部４ａＲ，４ａＬには、図３の４ａＲ1，４ａＬ1に示す位置に図示しないヒンジ機構が設けられている。このヒンジ機構は、歩行時の足の変形によって折り曲げられる。したがって、歩行時に足載せ部４ａＲ，４ａＬと足とが自然にフィットすることとなる。
【００２１】
エアシリンダ５は、図３に示すように、右エアシリンダ５Ｒ及び左エアシリンダ５Ｌからなる。右エアシリンダ５Ｒ及び左エアシリンダ５Ｌは、それぞれ第２支持部材３ｂに接続されるシリンダチューブ５ａＲ，５ａＬと、シリンダチューブ５ａＲ，５ａＬ内を摺動可能なピストン５ｂＲ，５ｂＬと、ピストン５ｂＲ，５ｂＬに接続されるロッド５ｃＲ，５ｃＬと、を有する。なお、本明細書内の実施形態では、長さ約３５０ｍｍ、受圧部の直径約２３ｍｍのエアシリンダ５を用いた。
【００２２】
連結部６は、図３に示すように、右連結部６Ｒ及び左連結部６Ｌからなる。右連結部６Ｒ及び左連結部６Ｌは、それぞれロッド５ｃＲ，５ｃＬを支持する連結本体部６ａＬ，６ａＲと、連結支持部４ｃＲ，４ｃＬに連結されると共に、連結本体部６ａＬ，６ａＲに自由な角度に連結される連結軸部６ｂＬ，６ｂＲとを有する。連結部６は、ボールジョイント等で構成してもよい。
【００２３】
圧力調節部７は、図２に示すように、サージタンク７ａと、サージタンク７ａ内の圧力を調整する圧力調整弁７ｂと、サージタンク７ａとシリンダチューブ５ａとの接続、又はシリンダチューブ５ａと大気圧との接続を切り替える三叉弁７ｃと、シリンダチューブ５ａが大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁７ｄと、を有する。
【００２４】
スイッチ８は、図３に示すように、連結支持部４ｃＲ，４ｃＬに回動可能に支持されている。また、スイッチ８は、図示しないケーブルやワイヤで圧力調節部７の三叉弁７ｃに連結されて、三叉弁７ｃの切り替えを行う。なお、三叉弁７ｃの開度とスイッチ８の角度との関係は線形であれば構造が簡単にできる。しかしながら、必ずしも線形である必要はなく、非線形としたり、ケーブル等を引く場合と戻る場合でスイッチ８の角度と三叉弁７ｃの開度の関係が変化するヒステリシスな特性をもたせることも可能である。
【００２５】
さらに、スイッチ８と三叉弁７ｃとは、電気的な信号によって切り替えてもよい。例えば、スイッチ８の角度を検知する角度センサを設け、角度センサから出力された角度に基づき三叉弁７ｃの開度を制御してもよい。
【００２６】
次に、第１実施形態の脚補助装置１の作動について説明する。
【００２７】
図４は装着者Ｐが第１実施形態の脚補助装置１を装着した状態を示す図、図５は、第１の状態の脚補助装置１を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図、図６は、図５の状態での圧力調節部７を示す図、図７は、第２の状態の脚補助装置１を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図、図８は、図７の状態での圧力調節部７を示す図である。
【００２８】
装着者Ｐは、足部４に足を載置して装着部２を跨ぎ、腹部と腰部とを密着させるようにして脚補助装置１を装着する。支持部３、エアシリンダ５、連結部６、圧力調節部７及びスイッチ８は、両脚の内側に配置される。なお、支持部３、エアシリンダ５、連結部６、圧力調節部７及びスイッチ８は、両脚の外側、前方、もしくは後方に配置してもよい。
【００２９】
図５に示す第１の状態では、装着者Ｐは足を脚補助装置１の足部４に載せてスイッチ８を地面に押し付け当接させている。スイッチ８が地面に当接していると、三叉弁７ｃは、図６に示すようにシリンダチューブ５ａとサージタンク７ａが連結される第１の状態となる。最初に第１の状態にした時には、エアシリンダ５は圧縮されていないので、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧である。第１の状態で膝を曲げて腰の高さを降ろすと、エアシリンダ５は圧縮されて、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内の圧力は上昇する。
【００３０】
図７に示す第２の状態では、装着者Ｐは足を脚補助装置１の足部４に載せてスイッチ８を地面から離間させている。スイッチ８が地面から離間すると、三叉弁７ｃは、図８に示すようにシリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。
【００３１】
第２の状態では、シリンダチューブ５ａが大気開放されているので、容易に膝を曲げることが可能となる。
【００３２】
次に、脚補助装置１の装着方法について説明する。
【００３３】
まず、最初に、装着者Ｐは、図３に示した足部４の踵部４ｂを持ち上げて、スイッチ８を地面から離間させる。すると、脚補助装置１は、図８に示したシリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。
【００３４】
続いて、装着者Ｐが、図３に示した足部４の足載せ部４ａに足を載せる。この時、スイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を図６に示した第１の状態としてもよい。続いて、図２に示したサドル２ａを持ち上げて、装着する。
【００３５】
この後、歩行を始めると、エアシリンダ５に自動的に空気が充填されて、徐々に補償力が生じることとなる。なお、この装着方法では、最初に第１の状態にした時に、エアシリンダ５が圧縮されていないため、エアシリンダ５及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧となっている。
【００３６】
また、１歩目から脚補助装置１による補償力を生じさせるには、次のような動作を行う。
【００３７】
装着者Ｐは、装着後、片足ずつ足を伸ばし、伸ばした状態でスイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を図６に示した第１の状態とする。そして、第１の状態を維持したまま、すなわちスイッチ８を地面に当接させたまま、直立姿勢に戻る。この動作を両足で最低１回ずつ行う。
【００３８】
または、第１の状態を維持したまま、すなわちスイッチ８を地面に当接させたまま、装着者Ｐは膝を可動限界まで屈折する。この動作により、エアシリンダ５は圧縮されて、エアシリンダ５及びサージタンク７ａ内の圧力が上昇し、空気が充填される。この時、エアシリンダ５は可動限界まで圧縮されているため、エアシリンダ５内にあった空気は、殆どがサージタンク７ａに流れており、サージタンク７ａ内の空気は高圧な状態となる。
【００３９】
その後、装着者Ｐは膝を伸張して、脚補助装置１を図８に示したエアシリンダ５が大気開放される第２の状態とする。最後に、脚補助装置１の第２の状態を維持したまま、つま先立ちで直立姿勢に戻り、スイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を第１の状態とする。この一連の動作により、エアシリンダ５に空気が充填されて、１歩目から脚補助装置１による補償力を発生させることが可能となる。なお、装着者Ｐが膝をまげても、体重と補助力が釣り合ってしまい、それ以上エアシリンダを圧縮できなくなってしまう内圧をＰMAXとして、圧力調整弁７ｂの作動圧力とする。
【００４０】
次に、脚補助装置１の歩行時の状態について説明する。
【００４１】
図９は歩行時の装着者の両足及び脚補助装置の状態を示す図、図１０はシリンダ部のパラメータを示す図である。
【００４２】
図９（ａ）は脚補助装置１による補償力を示すグラフ、図９（ｂ）はエアシリンダ５の圧縮長を示すグラフ、図９（ｃ）は両足の状態、図９（ｄ）はエアシリンダ５の状態を示す図である。
【００４３】
装着者が図９（ｃ）に示すように歩行すると、右足、両足、左足、両足の順に接地する。この接地にあわせて、図９（ｄ）に示すように、脚補助装置１は、右足と左足において、それぞれ第１の状態と第２の状態を交互に繰り返す。
【００４４】
まず、図９（ｃ）に示すように、両足が接地している状態から、装着者の右足のみが接地し、左足が離地した場合、右足の脚補助装置１は第１の状態となり、左足の脚補助装置１は第２の状態となる。
【００４５】
接地直前、右足を前方に振り出した時に、右足は、直立状態よりも股関節とつま先の間の距離が伸びる。したがって、エアシリンダ５の長さも、接地直前、直立状態よりも伸びる。そのため、右足が接地して、脚補助装置１が第１の状態となった場合、接地直前と直立状態でのエアシリンダ５の長さの差分だけ、エアシリンダ５内の空気は圧縮される。そして、エアシリンダ５の補償力は、図９（ａ）に示すように、直立状態の時よりも大きくなる。
【００４６】
左足の脚補助装置１は、スイッチ８が地面から離間すると、第２の状態となり、エアシリンダ５が大気開放される。そのため、左足は自由に動くこととなり、膝の屈折を容易に行い、前に踏み出す動作も容易に行うことができる。
【００４７】
その後、両足が接地している状態から、装着者の左足のみが接地し、右足が離地した場合、左足の脚補助装置１は第１の状態となり、右足の脚補助装置１は第２の状態となる。
【００４８】
このように、一般的な歩行動作を繰り返すだけで、電子的なセンシング等を必要とせずに、補償力を付与することが可能となる。
【００４９】
なお、一定の歩行を続けると、サージタンク７ａ内の圧力は、大気圧よりも十分に高い圧力に収束して、離地、接地、又は腰部が最下点にある最大発揮時に以下の式（１）〜（３）のような補償力を発生する。なお、エアシリンダ５の補償力とは、エアシリンダ５の両端間が伸展する軸方向力をいう。
【数１】
ただし、
Ａ（ｍ2）はシリンダチューブ５ａの断面積、
ｎ（ｍ）は離地時の残りシリンダストローク、
Ｃ（ｍ）は接地時と離地時のシリンダ長さの差、
Ｐ0（Ｐａ）は大気圧、
Ｖａ（ｍ3）はサージタンク体積、
である。
【００５０】
このように、センサ等の電子部品の使用を低減することで低コストを実現でき、簡単な構造であり、歩く動作で補償力を得ることができる実用的な脚補助装置を提供することが可能となる。
【００５１】
次に、他の実施形態について説明する。
【００５２】
図１１及び図１２は、他の実施形態の概念を示す図である。
【００５３】
第１実施形態では、エアシリンダ５を直接動作させて補助力を得ていたが、図１１に示すように、エアシリンダ５をリンク機構に用いて揺動角度の変化量を利用して動作させて補助力を得てもよい。
【００５４】
回動機構１０は、固定部としての基台１１と、基台１１から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材１２と、鉛直支持部材１２に設けた軸部材１３と、軸部材１３に回動可能に支持される作動リンク１４と、鉛直支持部材１２と作動リンク１４とを連結する連結部１５と、を有する。
【００５５】
連結部１５は、鉛直支持部材１２に支持される基点を含む基部５１と、作動リンク１４に支持される作用点を含む取付部５２と、基部５１に回動可能に支持される連結部材としてのエアシリンダ５と、を有し、エアシリンダ５は、基部５１に回動可能に支持されるシリンダチューブ５ａ、シリンダチューブ５ａ内にスライド自在に嵌挿されるピストン５ｂ、及び一方にピストン５ｂを有し、他方で取付部５２に支持される連結部材としてのロッド５ｃと、を含む。なお、Ｇは重心位置である。
【００５６】
図１１に示すように、エアシリンダ５のシリンダチューブ５ａには、作動ロッド５ｃの一端に設けられたピストン５ｂがスライド自在に嵌挿されている。また、シリンダチューブ５ａ周壁のロッド５ｃ側の端部付近には、シリンダ室５ａ内を外部と流通するためのポートＰが設けられている。ポートＰは、管路１６によって圧力調節部７に連結されている。
【００５７】
図５に示したような第１の状態では、三叉弁７ｃは、図１１に示すように、シリンダチューブ５ａとサージタンク７ａが連結される第１の状態となる。最初に第１の状態にした時には、エアシリンダ５は圧縮されていないので、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧である。第１の状態では、エアシリンダ５は圧縮されて、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内の圧力は上昇する。
【００５８】
図７に示したような第２の状態では、三叉弁７ｃは、図１２に示すように、シリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。第２の状態では、シリンダチューブ５ａが大気開放されているので、容易に膝を曲げることが可能となる。
【００５９】
次に、エアシリンダ５をリンク機構に用いた実施形態について説明する。
【００６０】
次に、第２実施形態について説明する。
【００６１】
図１３は、第２実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００６２】
第２実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する。脚部９は、支持部３に自由な角度で回動自在に接続された第１脚部材９ａと、連結部６に自由な角度で回動自在に接続された第２脚部材９ｂと、第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとを回動可能に接続する関節部材９ｃと、第１脚部材９ａとエアシリンダ５とを接続する第１シリンダ接続部９ｄと、第２脚部材９ｂとエアシリンダ５とを接続する第２シリンダ接続部９ｅと、を有する。なお、図示していないが、第１実施形態と同様に、圧力調節部７及びスイッチ８も有する。
【００６３】
第２実施形態の脚補助装置１では、第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとの間にエアシリンダ５を介在させることで、エアシリンダ５の長さを短くすることが可能となる。
【００６４】
例えば、第１シリンダ接続部９ｄの位置を第１脚部材９ａの長さＬの１／２の位置に設定し、第２シリンダ接続部９ｅの位置を第２脚部材９ｂの長さＬの１／２の位置に設定した場合、腰部高さの変化：エアシリンダ５の圧縮長さの変化＝２：１となる。
【００６５】
このように、エアシリンダ５の長さを短くすることができ、設計の自由度が増加すると共に、装着者も容易に使用することが可能となる。
【００６６】
次に、第３実施形態について説明する。
【００６７】
図１４は、第３実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００６８】
第３実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する点では第２実施形態と同様であるが、オフセット部材９ｆを設けて、エアシリンダ５を支持する位置をオフセットさせる点で異なる。図１４に示すように、第３実施形態では、第１シリンダ接続部９ｄを第１脚部材９ａの関節部材９ｃから距離ａの位置に設定し、第２シリンダ接続部９ｅを、第２脚部材９ｂから角度φだけ内側にオフセットさせたオフセット部材９ｆ上の関節部材９ｃから距離ｂの位置に設定する。そして、オフセット部材９ｆは、第２脚部材９ｂとオフセット角度φを保持したままで移動する。
【００６９】
第２実施形態の脚補助装置１では、式（１）からわかるように、離地時の残りシリンダストロークｎを短くすると、離地時と接地時との補償力が大きくなる。そのため、補償力を大きくするためには、ｎを小さくすればよい。しかしながら、単純にｎを小さく設定すると、シリンダチューブ５ａの可動範囲が小さくなってしまい、装着者の直立状態から腰を落とせる範囲も小さくなってしまう。
【００７０】
そこで、第３実施形態のように、エアシリンダ５を接続する第２シリンダ接続部９ｅを第２脚部材９ｂから角度φだけ内側にオフセットさせると、
【００７１】
装着者の腰部高さの変化とシリンダ圧縮長さの変化の比が、腰部高さＨの関数となり、腰部高さの変化に対するシリンダ圧縮長さの比を変化させることが可能となる。
【００７２】
このオフセット各φを利用して、装着者の腰部が高い位置にあるとき、すなわち歩行時は腰部高さに対してより多くシリンダを変化させ、装着者の腰部が低い位置にあるとき、すなわち膝の屈折時はシリンダの変化を小さくすることで、歩行時の補償力と可動範囲の確保を両立できる。
【００７３】
図１５は腰部高さに対するレバー比を示すグラフ、図１６は腰部高さに対する補償力を示すグラフである。図１５及び図１６の計算には、以下のパラメータを用いた。なお、単位はａ，ｂ，Ｌは（ｍｍ）、φは（ｒａｄ）である。
第２実施形態（図１３） 第３実施形態（図１４）
ａ ３４０ ４２０
ｂ ３４０ ２５０
Ｌ ６００ ６００
φ ０ ０．３３１６１３
【００７４】
図１５及び図１６では、横軸のＨ＝７００ｍｍの位置が、装着者が膝を完全に伸ばした時の腰部の高さを示している。図１３に示した第２実施形態では、可動範囲が２６０ｍｍであり、Ｈ＝４４０ｍｍまで腰部を下方に移動させることができる。また、図１４に示した第３実施形態では、可動範囲が４２０ｍｍであり、Ｈ＝２８０ｍｍまで腰部を下方に移動させることができる。図１５及び図１６に示すように、第２実施形態と第３実施形態がｃ＋ｎ＝２５０ｍｍの同じエアシリンダ５を用いても、第３実施形態の方が可動範囲は大きい。
【００７５】
さらに、オフセット角度φ、シリンダ取付位置ａ，ｂ及びシリンダ断面積Ａ等の各種パラメータを調整することで、最大補償力と可動範囲が両方とも高い最適化例を実現することが可能となる。
【００７６】
次に、第４実施形態について説明する。
【００７７】
図１７は、第４実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００７８】
第４実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する点では第２実施形態と同様であるが、オフセット部材９ｆをサドル２ａに連結して、エアシリンダ５を支持する位置をオフセットさせる点で異なる。図１７に示すように、第４実施形態では、第１シリンダ接続部９ｄをサドル２ａに回動可能に接続したオフセット部材９ｆに接続し、第２シリンダ接続部９ｅを、第２脚部材９ｂ上に設定する。
【００７９】
このように、オフセット部材９ｆをサドル２ａに接続して、オフセット部材９ｆとエアシリンダ５を接続するので、股関節とオフセットすることができ、股関節まわりにモーメントを発生させることが可能となる。そして、股関節まわりにモーメントを発生させることができるので、離地時と接地時にかかる股関節まわりのトルクも補償可能となる。
【００８０】
なお、図示しないが、オフセット部材を足部４に接続すると、足首の関節に対するモーメントを発生させることも可能である。
【００８１】
次に、第５実施形態について説明する。
【００８２】
図１８は第５実施形態の脚補助装置１を示す図、図１９は第５実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【００８３】
第５実施形態の脚補助装置１は、図１４に示した第３実施形態におけるエアシリンダ５、第１シリンダ接続部９ｄ、第２シリンダ接続部９ｅ及びオフセット部材９ｆを、図１８に示すように、第１脚部材９ａに対して装着者の前方側に配置したものである。
【００８４】
したがって、第５実施形態では、エアシリンダ５が伸びる動作で第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとが屈折し、エアシリンダ５が縮む動作で第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとが伸びる。
【００８５】
そのため、図１９に示すように、エアシリンダ５との接続部７ｅがピストン５ｂに対して逆に配置されている。そして、スイッチ８が地面に接地すると、脚補助装置１の三叉弁７ｃは第１の状態となり、スイッチ８が地面から離間すると、三叉弁７ｃは第２の状態となる。
【００８６】
次に、第６実施形態について説明する。
【００８７】
図２０は第６実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【００８８】
第６実施形態の脚補助装置１は、図１９に示した第５実施形態の圧力調節部７の回路を変更したものである。第６実施形態の圧力調節部７は、第１三叉弁７ｃと第２三叉弁７ｆを有する。そして、第１三叉弁７ｃと第２三叉弁７ｆを図２０に示す状態とすることで、第１シリンダ室５ａ1内に充填されていた大気圧よりも気圧の高い空気を、第２シリンダ室５ａ2内に開放する。
【００８９】
したがって、第１シリンダ室５ａ1と第２シリンダ室５ａ2との面積の差を利用して、エアシリンダ５が伸びる方向に動く力で、装着者の足が離地している状態で膝が屈折する方向の補償力を発生させることが可能となる。
【００９０】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００９１】
１…脚補助装置
２…装着部
３…支持部
４…足部
５…エアシリンダ
５ａ…シリンダチューブ
５ｂ…ピストン
５ｃ…ロッド
６…連結部
７…圧力調節部
７ａ…サージタンク
７ｂ…圧力調整弁
７ｃ…三叉弁（第１三叉弁）
７ｄ…逆止弁
７ｅ…接続部
７ｆ…第２三叉弁
８…スイッチ
９…脚部
９ａ…第１脚部材
９ｂ…第２脚部材
９ｃ…関節部材
９ｄ…第１シリンダ接続部
９ｅ…第２シリンダ接続部
９ｆ…オフセット部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脚歩行時や重量物運搬時に、脚関節まわりにかかる筋負担を軽減する脚補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、介護福祉支援、家庭での筋力弱体者の自立運動の支援、並びに工場ラインでの重量物運搬支援及び長時間の立ち仕事の支援等に用いられるアシスト装置がある。例えば、特許文献１には、利用者の両足平の荷重割合によって算出したアシスト力に応じて駆動源を駆動し、歩行をアシストする技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００６／１２６７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のアシスト装置は、人が行うことが困難なので機械が担う作業又は輸送機器を利用して行うような重労働を、人が単独で楽に行う場合又は筋力が弱体化して自立運動できないような患者向けに設計されることが一般的であった。そのため、効果が高ければ費用や機構の構成方法については度外視されており、電動(空気圧)などのアクチュエータやセンサを多用しているため、連続運転時間が短かったり、維持費が高くなる傾向があり、現場での実用性は低いと考えられる。さらに、アクチュエータを使用者の運動に連動させるためのセンシングの誤作動などにより使用者を危険にさらす可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、簡単な構造で実用的に使用できる脚補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのために、脚補助装置は、装着者に装着する装着部と、前記装着者の左右の足をそれぞれ支持する左右の足部と、前記装着部と前記左右の足部とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダと、前記左右のエアシリンダ内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部と、前記左右の圧力調節部を作動させる左右のスイッチと、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、前記圧力調節部は、空気を貯蔵するサージタンクと、前記サージタンク内の圧力を調整する圧力調整弁と、前記サージタンクと前記エアシリンダ内とを接続する第１の状態と前記エアシリンダ内を大気と接続する第２の状態を切り替える三叉弁と、前記エアシリンダ内が大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、前記スイッチは、地面に当接した場合に前記三叉弁を第１の状態とし、地面と離間した場合に前記三叉弁を第２の状態とすることを特徴とする。
【０００９】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記第２脚部材と所定の角度を保持して前記関節部材に接続されるオフセット部材と、前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、前記脚部は、前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、前記装着部に接続されるオフセット部材と、前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の脚補助装置では、センサ等の電子部品の使用を低減することで低コストを実現でき、簡単な構造であり、歩く動作で補償力を得ることができる実用的な脚補助装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の脚補助装置の装着部付近を拡大した図である。
【図３】第１実施形態の脚補助装置のスイッチ付近を拡大した図である。
【図４】装着者が第１実施形態の脚補助装置を装着した状態を示す図である。
【図５】第１の状態の脚補助装置を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図である。
【図６】図５の状態での圧力調節部を示す図である。
【図７】第２の状態の脚補助装置を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図である。
【図８】図７の状態での圧力調節部７を示す図である。
【図９】歩行時の装着者の両足及び脚補助装置の状態を示す図である。
【図１０】シリンダ部のパラメータを示す図である。
【図１１】他の実施形態の脚補助装置の概念を示す図である。
【図１２】他の実施形態の脚補助装置の概念を示す図である。
【図１３】第２実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１４】第３実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１５】腰部高さに対するレバー比を示すグラフである。
【図１６】腰部高さに対する補償力を示すグラフである。
【図１７】第４実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１８】第５実施形態の脚補助装置を示す図である。
【図１９】第５実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【図２０】第６実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は第１実施形態の脚補助装置を示す図、図２は第１実施形態の脚補助装置の装着部付近を拡大した図、図３は第１実施形態の脚補助装置のスイッチ付近を拡大した図である。
【００１６】
図１に示すように、第１実施形態の脚補助装置１は、装着部２と、装着部２を支持する支持部３と、装着者の足を支持する足部４と、装着部２と足部４とを連結するエアシリンダ５と、足部４とエアシリンダ５とを連結する連結部６と、エアシリンダ５の圧力を調節する圧力調節部７と、圧力調節部７を作動させるスイッチ８とを有する。
【００１７】
装着部２は、図２に示すように、装着者が腰かけるサドル２ａと、支持部３に回動可能に支持されている第１軸部２ｂとを有する。
【００１８】
支持部３は、図２に示すように、サドル２ａの第１軸部２ｂを矢印Ａの方向に回動可能に支持する第１支持部材３ａと、エアシリンダ５に接続されると共に、圧力調節部７を支持する第２支持部材３ｂと、第１支持部材３ａと第２支持部材３ｂとを第１軸部２ｂと直交する矢印Ｂの方向に回動可能とする第２軸部３ｃとを有する。
【００１９】
なお、装着部２の第１軸部２ｂを別部材としてもよい。また、支持部３は、ボールジョイント等で構成してもよい。
【００２０】
足部４は、図３に示すように、右足部４Ｒ及び左足部４Ｌからなる。右足部４ａ及び左足部４ｂは、それぞれ装着者の足を載置する足載せ部４ａＲ，４ａＬと、装着者の踵を保持する踵部４ｂＲ，４ｂＬと、連結部６に連結されると共に、スイッチ８を支持する連結支持部４ｃＲ，４ｃＬと、を有する。なお、足載せ部４ａＲ，４ａＬには、図３の４ａＲ1，４ａＬ1に示す位置に図示しないヒンジ機構が設けられている。このヒンジ機構は、歩行時の足の変形によって折り曲げられる。したがって、歩行時に足載せ部４ａＲ，４ａＬと足とが自然にフィットすることとなる。
【００２１】
エアシリンダ５は、図３に示すように、右エアシリンダ５Ｒ及び左エアシリンダ５Ｌからなる。右エアシリンダ５Ｒ及び左エアシリンダ５Ｌは、それぞれ第２支持部材３ｂに接続されるシリンダチューブ５ａＲ，５ａＬと、シリンダチューブ５ａＲ，５ａＬ内を摺動可能なピストン５ｂＲ，５ｂＬと、ピストン５ｂＲ，５ｂＬに接続されるロッド５ｃＲ，５ｃＬと、を有する。なお、本明細書内の実施形態では、長さ約３５０ｍｍ、受圧部の直径約２３ｍｍのエアシリンダ５を用いた。
【００２２】
連結部６は、図３に示すように、右連結部６Ｒ及び左連結部６Ｌからなる。右連結部６Ｒ及び左連結部６Ｌは、それぞれロッド５ｃＲ，５ｃＬを支持する連結本体部６ａＬ，６ａＲと、連結支持部４ｃＲ，４ｃＬに連結されると共に、連結本体部６ａＬ，６ａＲに自由な角度に連結される連結軸部６ｂＬ，６ｂＲとを有する。連結部６は、ボールジョイント等で構成してもよい。
【００２３】
圧力調節部７は、図２に示すように、サージタンク７ａと、サージタンク７ａ内の圧力を調整する圧力調整弁７ｂと、サージタンク７ａとシリンダチューブ５ａとの接続、又はシリンダチューブ５ａと大気圧との接続を切り替える三叉弁７ｃと、シリンダチューブ５ａが大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁７ｄと、を有する。
【００２４】
スイッチ８は、図３に示すように、連結支持部４ｃＲ，４ｃＬに回動可能に支持されている。また、スイッチ８は、図示しないケーブルやワイヤで圧力調節部７の三叉弁７ｃに連結されて、三叉弁７ｃの切り替えを行う。なお、三叉弁７ｃの開度とスイッチ８の角度との関係は線形であれば構造が簡単にできる。しかしながら、必ずしも線形である必要はなく、非線形としたり、ケーブル等を引く場合と戻る場合でスイッチ８の角度と三叉弁７ｃの開度の関係が変化するヒステリシスな特性をもたせることも可能である。
【００２５】
さらに、スイッチ８と三叉弁７ｃとは、電気的な信号によって切り替えてもよい。例えば、スイッチ８の角度を検知する角度センサを設け、角度センサから出力された角度に基づき三叉弁７ｃの開度を制御してもよい。
【００２６】
次に、第１実施形態の脚補助装置１の作動について説明する。
【００２７】
図４は装着者Ｐが第１実施形態の脚補助装置１を装着した状態を示す図、図５は、第１の状態の脚補助装置１を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図、図６は、図５の状態での圧力調節部７を示す図、図７は、第２の状態の脚補助装置１を図４の破線の位置及び矢印Ｃ方向から見た図、図８は、図７の状態での圧力調節部７を示す図である。
【００２８】
装着者Ｐは、足部４に足を載置して装着部２を跨ぎ、腹部と腰部とを密着させるようにして脚補助装置１を装着する。支持部３、エアシリンダ５、連結部６、圧力調節部７及びスイッチ８は、両脚の内側に配置される。なお、支持部３、エアシリンダ５、連結部６、圧力調節部７及びスイッチ８は、両脚の外側、前方、もしくは後方に配置してもよい。
【００２９】
図５に示す第１の状態では、装着者Ｐは足を脚補助装置１の足部４に載せてスイッチ８を地面に押し付け当接させている。スイッチ８が地面に当接していると、三叉弁７ｃは、図６に示すようにシリンダチューブ５ａとサージタンク７ａが連結される第１の状態となる。最初に第１の状態にした時には、エアシリンダ５は圧縮されていないので、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧である。第１の状態で膝を曲げて腰の高さを降ろすと、エアシリンダ５は圧縮されて、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内の圧力は上昇する。
【００３０】
図７に示す第２の状態では、装着者Ｐは足を脚補助装置１の足部４に載せてスイッチ８を地面から離間させている。スイッチ８が地面から離間すると、三叉弁７ｃは、図８に示すようにシリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。
【００３１】
第２の状態では、シリンダチューブ５ａが大気開放されているので、容易に膝を曲げることが可能となる。
【００３２】
次に、脚補助装置１の装着方法について説明する。
【００３３】
まず、最初に、装着者Ｐは、図３に示した足部４の踵部４ｂを持ち上げて、スイッチ８を地面から離間させる。すると、脚補助装置１は、図８に示したシリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。
【００３４】
続いて、装着者Ｐが、図３に示した足部４の足載せ部４ａに足を載せる。この時、スイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を図６に示した第１の状態としてもよい。続いて、図２に示したサドル２ａを持ち上げて、装着する。
【００３５】
この後、歩行を始めると、エアシリンダ５に自動的に空気が充填されて、徐々に補償力が生じることとなる。なお、この装着方法では、最初に第１の状態にした時に、エアシリンダ５が圧縮されていないため、エアシリンダ５及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧となっている。
【００３６】
また、１歩目から脚補助装置１による補償力を生じさせるには、次のような動作を行う。
【００３７】
装着者Ｐは、装着後、片足ずつ足を伸ばし、伸ばした状態でスイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を図６に示した第１の状態とする。そして、第１の状態を維持したまま、すなわちスイッチ８を地面に当接させたまま、直立姿勢に戻る。この動作を両足で最低１回ずつ行う。
【００３８】
または、第１の状態を維持したまま、すなわちスイッチ８を地面に当接させたまま、装着者Ｐは膝を可動限界まで屈折する。この動作により、エアシリンダ５は圧縮されて、エアシリンダ５及びサージタンク７ａ内の圧力が上昇し、空気が充填される。この時、エアシリンダ５は可動限界まで圧縮されているため、エアシリンダ５内にあった空気は、殆どがサージタンク７ａに流れており、サージタンク７ａ内の空気は高圧な状態となる。
【００３９】
その後、装着者Ｐは膝を伸張して、脚補助装置１を図８に示したエアシリンダ５が大気開放される第２の状態とする。最後に、脚補助装置１の第２の状態を維持したまま、つま先立ちで直立姿勢に戻り、スイッチ８を地面に当接させて、脚補助装置１を第１の状態とする。この一連の動作により、エアシリンダ５に空気が充填されて、１歩目から脚補助装置１による補償力を発生させることが可能となる。なお、装着者Ｐが膝をまげても、体重と補助力が釣り合ってしまい、それ以上エアシリンダを圧縮できなくなってしまう内圧をＰMAXとして、圧力調整弁７ｂの作動圧力とする。
【００４０】
次に、脚補助装置１の歩行時の状態について説明する。
【００４１】
図９は歩行時の装着者の両足及び脚補助装置の状態を示す図、図１０はシリンダ部のパラメータを示す図である。
【００４２】
図９（ａ）は脚補助装置１による補償力を示すグラフ、図９（ｂ）はエアシリンダ５の圧縮長を示すグラフ、図９（ｃ）は両足の状態、図９（ｄ）はエアシリンダ５の状態を示す図である。
【００４３】
装着者が図９（ｃ）に示すように歩行すると、右足、両足、左足、両足の順に接地する。この接地にあわせて、図９（ｄ）に示すように、脚補助装置１は、右足と左足において、それぞれ第１の状態と第２の状態を交互に繰り返す。
【００４４】
まず、図９（ｃ）に示すように、両足が接地している状態から、装着者の右足のみが接地し、左足が離地した場合、右足の脚補助装置１は第１の状態となり、左足の脚補助装置１は第２の状態となる。
【００４５】
接地直前、右足を前方に振り出した時に、右足は、直立状態よりも股関節とつま先の間の距離が伸びる。したがって、エアシリンダ５の長さも、接地直前、直立状態よりも伸びる。そのため、右足が接地して、脚補助装置１が第１の状態となった場合、接地直前と直立状態でのエアシリンダ５の長さの差分だけ、エアシリンダ５内の空気は圧縮される。そして、エアシリンダ５の補償力は、図９（ａ）に示すように、直立状態の時よりも大きくなる。
【００４６】
左足の脚補助装置１は、スイッチ８が地面から離間すると、第２の状態となり、エアシリンダ５が大気開放される。そのため、左足は自由に動くこととなり、膝の屈折を容易に行い、前に踏み出す動作も容易に行うことができる。
【００４７】
その後、両足が接地している状態から、装着者の左足のみが接地し、右足が離地した場合、左足の脚補助装置１は第１の状態となり、右足の脚補助装置１は第２の状態となる。
【００４８】
このように、一般的な歩行動作を繰り返すだけで、電子的なセンシング等を必要とせずに、補償力を付与することが可能となる。
【００４９】
なお、一定の歩行を続けると、サージタンク７ａ内の圧力は、大気圧よりも十分に高い圧力に収束して、離地、接地、又は腰部が最下点にある最大発揮時に以下の式（１）〜（３）のような補償力を発生する。なお、エアシリンダ５の補償力とは、エアシリンダ５の両端間が伸展する軸方向力をいう。
【数１】
ただし、
Ａ（ｍ2）はシリンダチューブ５ａの断面積、
ｎ（ｍ）は離地時の残りシリンダストローク、
Ｃ（ｍ）は接地時と離地時のシリンダ長さの差、
Ｐ0（Ｐａ）は大気圧、
Ｖａ（ｍ3）はサージタンク体積、
である。
【００５０】
このように、センサ等の電子部品の使用を低減することで低コストを実現でき、簡単な構造であり、歩く動作で補償力を得ることができる実用的な脚補助装置を提供することが可能となる。
【００５１】
次に、他の実施形態について説明する。
【００５２】
図１１及び図１２は、他の実施形態の概念を示す図である。
【００５３】
第１実施形態では、エアシリンダ５を直接動作させて補助力を得ていたが、図１１に示すように、エアシリンダ５をリンク機構に用いて揺動角度の変化量を利用して動作させて補助力を得てもよい。
【００５４】
回動機構１０は、固定部としての基台１１と、基台１１から鉛直方向上方に延びる鉛直支持部材１２と、鉛直支持部材１２に設けた軸部材１３と、軸部材１３に回動可能に支持される作動リンク１４と、鉛直支持部材１２と作動リンク１４とを連結する連結部１５と、を有する。
【００５５】
連結部１５は、鉛直支持部材１２に支持される基点を含む基部５１と、作動リンク１４に支持される作用点を含む取付部５２と、基部５１に回動可能に支持される連結部材としてのエアシリンダ５と、を有し、エアシリンダ５は、基部５１に回動可能に支持されるシリンダチューブ５ａ、シリンダチューブ５ａ内にスライド自在に嵌挿されるピストン５ｂ、及び一方にピストン５ｂを有し、他方で取付部５２に支持される連結部材としてのロッド５ｃと、を含む。なお、Ｇは重心位置である。
【００５６】
図１１に示すように、エアシリンダ５のシリンダチューブ５ａには、作動ロッド５ｃの一端に設けられたピストン５ｂがスライド自在に嵌挿されている。また、シリンダチューブ５ａ周壁のロッド５ｃ側の端部付近には、シリンダ室５ａ内を外部と流通するためのポートＰが設けられている。ポートＰは、管路１６によって圧力調節部７に連結されている。
【００５７】
図５に示したような第１の状態では、三叉弁７ｃは、図１１に示すように、シリンダチューブ５ａとサージタンク７ａが連結される第１の状態となる。最初に第１の状態にした時には、エアシリンダ５は圧縮されていないので、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内はほぼ大気圧である。第１の状態では、エアシリンダ５は圧縮されて、シリンダチューブ５ａ及びサージタンク７ａ内の圧力は上昇する。
【００５８】
図７に示したような第２の状態では、三叉弁７ｃは、図１２に示すように、シリンダチューブ５ａが大気開放される第２の状態となる。第２の状態では、シリンダチューブ５ａが大気開放されているので、容易に膝を曲げることが可能となる。
【００５９】
次に、エアシリンダ５をリンク機構に用いた実施形態について説明する。
【００６０】
次に、第２実施形態について説明する。
【００６１】
図１３は、第２実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００６２】
第２実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する。脚部９は、支持部３に自由な角度で回動自在に接続された第１脚部材９ａと、連結部６に自由な角度で回動自在に接続された第２脚部材９ｂと、第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとを回動可能に接続する関節部材９ｃと、第１脚部材９ａとエアシリンダ５とを接続する第１シリンダ接続部９ｄと、第２脚部材９ｂとエアシリンダ５とを接続する第２シリンダ接続部９ｅと、を有する。なお、図示していないが、第１実施形態と同様に、圧力調節部７及びスイッチ８も有する。
【００６３】
第２実施形態の脚補助装置１では、第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとの間にエアシリンダ５を介在させることで、エアシリンダ５の長さを短くすることが可能となる。
【００６４】
例えば、第１シリンダ接続部９ｄの位置を第１脚部材９ａの長さＬの１／２の位置に設定し、第２シリンダ接続部９ｅの位置を第２脚部材９ｂの長さＬの１／２の位置に設定した場合、腰部高さの変化：エアシリンダ５の圧縮長さの変化＝２：１となる。
【００６５】
このように、エアシリンダ５の長さを短くすることができ、設計の自由度が増加すると共に、装着者も容易に使用することが可能となる。
【００６６】
次に、第３実施形態について説明する。
【００６７】
図１４は、第３実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００６８】
第３実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する点では第２実施形態と同様であるが、オフセット部材９ｆを設けて、エアシリンダ５を支持する位置をオフセットさせる点で異なる。図１４に示すように、第３実施形態では、第１シリンダ接続部９ｄを第１脚部材９ａの関節部材９ｃから距離ａの位置に設定し、第２シリンダ接続部９ｅを、第２脚部材９ｂから角度φだけ内側にオフセットさせたオフセット部材９ｆ上の関節部材９ｃから距離ｂの位置に設定する。そして、オフセット部材９ｆは、第２脚部材９ｂとオフセット角度φを保持したままで移動する。
【００６９】
第２実施形態の脚補助装置１では、式（１）からわかるように、離地時の残りシリンダストロークｎを短くすると、離地時と接地時との補償力が大きくなる。そのため、補償力を大きくするためには、ｎを小さくすればよい。しかしながら、単純にｎを小さく設定すると、シリンダチューブ５ａの可動範囲が小さくなってしまい、装着者の直立状態から腰を落とせる範囲も小さくなってしまう。
【００７０】
そこで、第３実施形態のように、エアシリンダ５を接続する第２シリンダ接続部９ｅを第２脚部材９ｂから角度φだけ内側にオフセットさせると、
【００７１】
装着者の腰部高さの変化とシリンダ圧縮長さの変化の比が、腰部高さＨの関数となり、腰部高さの変化に対するシリンダ圧縮長さの比を変化させることが可能となる。
【００７２】
このオフセット各φを利用して、装着者の腰部が高い位置にあるとき、すなわち歩行時は腰部高さに対してより多くシリンダを変化させ、装着者の腰部が低い位置にあるとき、すなわち膝の屈折時はシリンダの変化を小さくすることで、歩行時の補償力と可動範囲の確保を両立できる。
【００７３】
図１５は腰部高さに対するレバー比を示すグラフ、図１６は腰部高さに対する補償力を示すグラフである。図１５及び図１６の計算には、以下のパラメータを用いた。なお、単位はａ，ｂ，Ｌは（ｍｍ）、φは（ｒａｄ）である。
第２実施形態（図１３） 第３実施形態（図１４）
ａ ３４０ ４２０
ｂ ３４０ ２５０
Ｌ ６００ ６００
φ ０ ０．３３１６１３
【００７４】
図１５及び図１６では、横軸のＨ＝７００ｍｍの位置が、装着者が膝を完全に伸ばした時の腰部の高さを示している。図１３に示した第２実施形態では、可動範囲が２６０ｍｍであり、Ｈ＝４４０ｍｍまで腰部を下方に移動させることができる。また、図１４に示した第３実施形態では、可動範囲が４２０ｍｍであり、Ｈ＝２８０ｍｍまで腰部を下方に移動させることができる。図１５及び図１６に示すように、第２実施形態と第３実施形態がｃ＋ｎ＝２５０ｍｍの同じエアシリンダ５を用いても、第３実施形態の方が可動範囲は大きい。
【００７５】
さらに、オフセット角度φ、シリンダ取付位置ａ，ｂ及びシリンダ断面積Ａ等の各種パラメータを調整することで、最大補償力と可動範囲が両方とも高い最適化例を実現することが可能となる。
【００７６】
次に、第４実施形態について説明する。
【００７７】
図１７は、第４実施形態の脚補助装置１を示す図である。
【００７８】
第４実施形態の脚補助装置１は、支持部３と連結部６とを脚部９で接続する点では第２実施形態と同様であるが、オフセット部材９ｆをサドル２ａに連結して、エアシリンダ５を支持する位置をオフセットさせる点で異なる。図１７に示すように、第４実施形態では、第１シリンダ接続部９ｄをサドル２ａに回動可能に接続したオフセット部材９ｆに接続し、第２シリンダ接続部９ｅを、第２脚部材９ｂ上に設定する。
【００７９】
このように、オフセット部材９ｆをサドル２ａに接続して、オフセット部材９ｆとエアシリンダ５を接続するので、股関節とオフセットすることができ、股関節まわりにモーメントを発生させることが可能となる。そして、股関節まわりにモーメントを発生させることができるので、離地時と接地時にかかる股関節まわりのトルクも補償可能となる。
【００８０】
なお、図示しないが、オフセット部材を足部４に接続すると、足首の関節に対するモーメントを発生させることも可能である。
【００８１】
次に、第５実施形態について説明する。
【００８２】
図１８は第５実施形態の脚補助装置１を示す図、図１９は第５実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【００８３】
第５実施形態の脚補助装置１は、図１４に示した第３実施形態におけるエアシリンダ５、第１シリンダ接続部９ｄ、第２シリンダ接続部９ｅ及びオフセット部材９ｆを、図１８に示すように、第１脚部材９ａに対して装着者の前方側に配置したものである。
【００８４】
したがって、第５実施形態では、エアシリンダ５が伸びる動作で第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとが屈折し、エアシリンダ５が縮む動作で第１脚部材９ａと第２脚部材９ｂとが伸びる。
【００８５】
そのため、図１９に示すように、エアシリンダ５との接続部７ｅがピストン５ｂに対して逆に配置されている。そして、スイッチ８が地面に接地すると、脚補助装置１の三叉弁７ｃは第１の状態となり、スイッチ８が地面から離間すると、三叉弁７ｃは第２の状態となる。
【００８６】
次に、第６実施形態について説明する。
【００８７】
図２０は第６実施形態の圧力調節部の回路図を示す図である。
【００８８】
第６実施形態の脚補助装置１は、図１９に示した第５実施形態の圧力調節部７の回路を変更したものである。第６実施形態の圧力調節部７は、第１三叉弁７ｃと第２三叉弁７ｆを有する。そして、第１三叉弁７ｃと第２三叉弁７ｆを図２０に示す状態とすることで、第１シリンダ室５ａ1内に充填されていた大気圧よりも気圧の高い空気を、第２シリンダ室５ａ2内に開放する。
【００８９】
したがって、第１シリンダ室５ａ1と第２シリンダ室５ａ2との面積の差を利用して、エアシリンダ５が伸びる方向に動く力で、装着者の足が離地している状態で膝が屈折する方向の補償力を発生させることが可能となる。
【００９０】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【００９１】
１…脚補助装置
２…装着部
３…支持部
４…足部
５…エアシリンダ
５ａ…シリンダチューブ
５ｂ…ピストン
５ｃ…ロッド
６…連結部
７…圧力調節部
７ａ…サージタンク
７ｂ…圧力調整弁
７ｃ…三叉弁（第１三叉弁）
７ｄ…逆止弁
７ｅ…接続部
７ｆ…第２三叉弁
８…スイッチ
９…脚部
９ａ…第１脚部材
９ｂ…第２脚部材
９ｃ…関節部材
９ｄ…第１シリンダ接続部
９ｅ…第２シリンダ接続部
９ｆ…オフセット部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装着者に装着する装着部と、
前記装着者の左右の足をそれぞれ支持する左右の足部と、
前記装着部と前記左右の足部とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダと、
前記左右のエアシリンダ内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部と、
前記左右の圧力調節部を作動させる左右のスイッチと、
を有することを特徴とする脚補助装置。
【請求項２】
前記圧力調節部は、
空気を貯蔵するサージタンクと、
前記サージタンク内の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記サージタンクと前記エアシリンダ内とを接続する第１の状態と前記エアシリンダ内を大気と接続する第２の状態を切り替える三叉弁と、
前記エアシリンダ内が大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の脚補助装置。
【請求項３】
前記スイッチは、地面に当接した場合に前記三叉弁を第１の状態とし、地面と離間した場合に前記三叉弁を第２の状態とする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脚補助装置。
【請求項４】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【請求項５】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記第２脚部材と所定の角度を保持して前記関節部材に接続されるオフセット部材と、
前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【請求項６】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記装着部に接続されるオフセット部材と、
前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【請求項１】
装着者に装着する装着部と、
前記装着者の左右の足をそれぞれ支持する左右の足部と、
前記装着部と前記左右の足部とをそれぞれ連結する左右のエアシリンダと、
前記左右のエアシリンダ内の圧力をそれぞれ調節する左右の圧力調節部と、
前記左右の圧力調節部を作動させる左右のスイッチと、
を有することを特徴とする脚補助装置。
【請求項２】
前記圧力調節部は、
空気を貯蔵するサージタンクと、
前記サージタンク内の圧力を調整する圧力調整弁と、
前記サージタンクと前記エアシリンダ内とを接続する第１の状態と前記エアシリンダ内を大気と接続する第２の状態を切り替える三叉弁と、
前記エアシリンダ内が大気圧よりも低くなった場合に大気を吸引するための逆止弁と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の脚補助装置。
【請求項３】
前記スイッチは、地面に当接した場合に前記三叉弁を第１の状態とし、地面と離間した場合に前記三叉弁を第２の状態とする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の脚補助装置。
【請求項４】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【請求項５】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記第２脚部材と所定の角度を保持して前記関節部材に接続されるオフセット部材と、
前記第１脚部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【請求項６】
前記装着部と前記足部とを接続する脚部を有し、
前記脚部は、
前記装着部に回動可能に接続される第１脚部材と、
前記足部に回動可能に接続される第２脚部材と、
前記第１脚部材と前記第２脚部材とを回動可能に接続する関節部材と、
前記装着部に接続されるオフセット部材と、
前記オフセット部材と前記エアシリンダとを接続する第１シリンダ接続部と、
前記第２脚部材と前記エアシリンダとを接続する第２シリンダ接続部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の脚補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１９６４３１（Ｐ２０１２−１９６４３１Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３２８６５（Ｐ２０１２−３２８６５）
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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