運動支持設備的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種運動支持設備，包括：下肢耦合部分，被配置成耦合至下肢；彈性構件；地接觸單元，被配置成包括與表面接觸的地接觸板以及傳遞由彈性構件產生的力的傳遞部分；以及腳踝部分，被配置成安裝在下肢耦合部分與地接觸單元之間。地接觸單元被安裝成能夠在傳遞部分與腳踝部分接觸的位置和傳遞部分與腳踝部分分離的位置之間位移。
【專利說明】運動支持設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年7月10日提交的日本優先權專利申請JP的權益,其全部內容通過引用合并到本申請中。

【技術領域】
[0003]本發明涉及一種運動支持設備。

【背景技術】
[0004]近年來，一直在積極研究力學地分析生物的結構和運動功能的生物力學。另外，已經發展了對降低人體負擔的產品或應用使用這種生物力學的生物結構和運動的產品的開發。
[0005]具體地，已經對作為人類的基本動作的直立雙腳行走進行了許多研究，并且已經研究了用于基于使用生物力學分析的直立雙腳行走機制來更有效地支持人類行走和跑的技術。
[0006]例如，JPT公開了使用彈性構件和電動機向腳踝關節施加扭矩來支持人類行走的人工腳和下肢裝備等。


【發明內容】

[0007]在此，在JPT中所公開的技術中，當下肢或腳踝關節中的腳部之間的角度在特定范圍內時，從彈性構件向腳踝關節施加扭矩。因此，在JPT中所公開的技術中，當下肢與腳部之間的角度在上述范圍內時，可能在除了行走以外的情況下施加扭矩。
[0008]因此，本公開內容提出能夠與關節部分或耦合至下肢的下肢耦合部分的角度無關地切換從彈性構件到關節部位的力傳遞的一種新的且改進的運動支持設備。
[0009]根據本公開內容的實施方式，提供了一種運動支持設備，包括:下肢耦合部分，被配置成耦合至下肢；彈性構件；地接觸單元，被配置成包括與表面接觸的地接觸板以及傳遞由彈性構件產生的力的傳遞部分；以及腳踝部分，被配置成安裝在下肢耦合部分與地接觸單元之間。地接觸單元被安裝成能夠在傳遞部分與腳踝部分接觸的位置和傳遞部分與腳踝部分分離的位置之間位移。
[0010]如上所述，根據本公開內容的實施方式，可以與關節部分或耦合至下肢的下肢耦合部分的角度無關地切換從彈性構件到關節部分的力傳遞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備的應用示例的說明圖；
[0012]圖2是示出當人行走時下肢的操作的說明圖；
[0013]圖3是示出在以1.25m/s的移動速度行走時由腳踝關節輸出的功率(左圖)和腳踝關節的角度(右圖)的曲線圖；
[0014]圖4是示出根據本公開內容的實施方式的行走時的運動支持設備的整體操作的說明圖；
[0015]圖5是示出根據實施方式的運動支持設備的截面配置的說明圖；
[0016]圖6是示出根據實施方式的運動支持設備的功能配置的框圖；
[0017]圖7A是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“A”中的操作的示例的說明圖；
[0018]圖7B是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“B”中的操作的示例的說明圖；
[0019]圖7C是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“C”中的操作的示例的說明圖；
[0020]圖7D是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“D”中的操作的示例的說明圖；
[0021]圖7E是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“E”中的操作的示例的說明圖；
[0022]圖7F是示出根據實施方式的運動支持設備在階段“F”中的操作的示例的說明圖；
[0023]圖8A是示出根據實施方式的由1.25m/s的移動速度下的運動支持設備的腳踝部分輸出的功率(左圖)以及由彈性構件和電動機施加的扭矩(右圖)的曲線圖；
[0024]圖SB是示出根據實施方式的由1.50m/s的移動速度下的運動支持設備的腳踝部分輸出的功率(左圖)以及由彈性構件和電動機施加的扭矩(右圖)的曲線圖；以及
[0025]圖SC是示出根據實施方式的由1.75m/s的移動速度下的運動支持設備的腳踝部分輸出的功率(左圖)以及由彈性構件和電動機施加的扭矩(右圖)的曲線圖。

【具體實施方式】
[0026]在下文中，將參照附圖詳細描述本公開內容的優選實施方式。注意，在本說明書和附圖中，使用相同的附圖標記來表示具有基本上相同的功能和結構的結構要素，并且省略對這些結構要素的重復說明。
[0027]將按照以下順序進行描述:
[0028]1.運動支持設備的概述
[0029]1.1運動支持設備的應用示例
[0030]1.2運動支持設備的操作概述
[0031]2.運動支持設備的具體配置
[0032]2.1運動支持設備的具體配置
[0033]2.2運動支持設備的功能配置
[0034]3.運動支持設備的操作示例
[0035]4.運動支持設備的優點示例
[0036]5.結論
[0037]〈1.運動支持設備的概述>
[0038][1.1運動支持設備的應用示例]
[0039]首先，將參照圖1來描述本公開內容的實施方式的概述。圖1是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的應用示例的說明圖。
[0040]如圖1所示，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I是例如下肢已經被截肢的用戶3佩戴的人工腳。
[0041]運動支持設備I支持用戶3的運動。具體地，運動支持設備I被安裝在用戶3的下肢上以替代用戶3的被截肢的下肢并且再生行走和跑的功能。由于能夠通過彈性構件等向腳踝關節施加扭矩，所以根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠尤其合適地用于其部分(包括腳踝關節)已經被截肢的用戶3。
[0042]在本說明書中，將描述其中根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I是人工腳的示例，但是本公開內容的實施方式不限于該示例。例如，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I還能夠用作由于衰老、肌肉無力等而行走能力降低的用戶佩戴的運動支持設備。例如，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I還可以用作包括在進行雙腳行走的機器人等的下肢中的運動設備。
[0043][1.2運動支持設備的操作概述]
[0044]接下來，將參照圖2至圖4描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的操作的概述。圖2是示出人類在行走時下肢的操作的說明圖。圖3是示出在1.25m/s的移動速度下由腳踝關節輸出的功率(左圖)和腳踝關節的角度(右圖)的曲線圖。圖4是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備在行走時的操作的概述的說明圖。
[0045]首先，人類的行走可以分為腳部未與地面接觸的階段以及腳部與地面接觸的階段。如圖2所示，將腳部與地面接觸的階段進一步分為六個階段:階段“A”至階段“E”。
[0046]具體地，可以將腳部與地面接觸的階段分為:腳跟與地面接觸的階段“A”、腳部的整個底面(包括腳尖)與地面接觸的階段“B”、實現與當下肢和腳部與腳踝關節垂直時的位置關系相同的位置關系的階段“C”、腳跟與地面分開的階段“D”、腳部踢地面的階段“E”以及緊接在腳尖與地面分開之前的階段“F”。當與地面分開的腳部再次從腳跟起與地面接觸時，階段返回階段“A”。
[0047]在此，將參照圖3與上述行走的階段相對應地描述在行走時由腳踝關節輸出的功率(左圖)和行走時腳踝關節的角度(右圖)。在圖3中，使用符號表示圖3的曲線圖中的圖2的階段“A”至階段“F”的相應位置。
[0048]圖3的左圖示出行走時由腳踝關節輸出的功率并且指定下肢朝向腳尖相反側彎曲的方向(在下文中稱為跖屈方向)為正，并且下肢相對于腳部朝向腳尖側彎曲的方向(在下文中稱為背屈方向)為負。圖3的右圖示出行走時腳踝關節的角度的變化，并且指定下肢與腳部之間的位置關系在直立時為0°，下肢相對于腳部朝向腳尖側彎曲的方向(在下文中稱為背屈方向)為正，并且下肢朝向腳尖相反側彎曲的方向(在下文中稱為跖屈方向)為負。
[0049]如圖3的左圖所示，在從階段“A”至階段“C”的行走時由腳踝關節輸出的功率的最大絕對值為50W。另一方面，在進行腳部踢地面的操作的階段“D”和階段“E”中，腳踝關節需要輸出絕對值為250W或更大的功率。
[0050]因此，例如，當使用電動機代替上述由腳踝關節輸出的功率時，需要使用能夠輸出在階段“D”和階段“E”處所需的功率的電動機。然而，因為具有大輸出功率的電動機具有大尺寸，所以電動機較重。因此，安裝包括具有大輸出的電動機的運動支持設備會給用戶3造成相當大的負擔。
[0051]如圖3的右圖所示，在階段“A”處腳踝關節的角度是0°，并且從階段“B”至階段“C”腳踝關節的角度為負(在跖屈側)。因為從階段“C”至階段“D”腳踝關節沿背屈方向隨重量轉移而旋轉，所以腳踝關節的角度為正(在背屈側)。其后，因為從階段“D”至階段“E”腳踝關節沿跖屈方向隨著踢地面而旋轉，所以腳踝關節的角度從正值(背屈側)變為負值(跖屈側)。因此，在腳踝關節需要輸出最大功率的階段“D”和階段“Ε”中，對于一部分階段來說腳踝關節的角度變為負(跖屈側)。
[0052]在此，在JPT中公開的技術中，當腳踝關節的角度為正(在背屈側)時從彈性構件向腳踝關節施加扭矩。因此，在JPT中公開的技術中，當由腳踝關節輸出最大功率時，難以從彈性構件向腳踝關節施加扭矩，因此在一些情況下可能不能適當地進行對于用戶3的運動支持。另外，在JPT中公開的技術中，因為需要使用能夠輸出腳踝關節在階段“D”和階段“Ε”中所需的最大功率的電動機，需要使用大尺寸和大重量的電動機。
[0053]因此，作為對運動支持設備的徹底的反復檢查的結果，本公開內容的發明人設計了根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I以解決上述問題。根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠與腳踝關節的角度無關地在腳踝關節輸出最大功率時從彈性構件向腳踝關節傳遞力。
[0054]在下文中，將參照圖4示意性地描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的總體操作。圖4是示意性示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的總體操作的說明圖。另外，圖4中的階段“Α”至階段“F”分別對應于圖2中的階段“Α”至階段“F”。
[0055]如圖4所示，例如，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I包括下肢耦合部分100、腳踝部分110、地接觸單元120、彈性構件130以及電動機150。隨著行走階段的前進，對彈性構件130與腳踝部分110之間的耦合進行切換。
[0056]在圖4中，通過彈性構件130的圖示的存在和不存在來表示彈性構件130與腳踝部分I1之間的耦合和非耦合。具體地，在未示出彈性構件130的階段“Α”和階段“F”中，沒有進行彈性構件130與腳踝部分110之間的耦合。另外，在示出了彈性構件130的階段“B”至階段“Ε”中，進行彈性構件與腳踝部分之間的耦合，因此力傳遞是可能的。
[0057]在此，下肢耦合部分100是耦合至用戶3的下肢的部分，腳踝部分110是對應于人類的腳踝部的部分。地接觸單元120是對應于人類的腳部的部分。彈性構件130和電動機150向腳踝部分110施加扭矩。
[0058]如圖4所示，在腳跟與地接觸的階段A中，彈性構件130未耦合至腳踝部分110。接下來，在階段“B”中，當包括腳尖側的整個地接觸單元120與地面接觸時，彈性構件130耦合至腳踝部分110。
[0059]隨后，貫穿階段“B”至階段“D”，當腳踝部分110的角度沿背屈方向旋轉時，彈性構件130累積彈性能量。貫穿階段“D”至階段“Ε”，彈性構件130將所累積的彈性能量作為扭矩施加給腳踝部分110以降低電動機150的負荷。另外，在階段“F”中，當腳尖與地面分開時，彈性構件130解除與腳踝部分110的耦合。
[0060]如上所述，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，基于整個地接觸單元120的地接觸來切換彈性構件130與腳踝部分110之間的耦合。因此，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，在腳踝部分110中需要最大功率的階段“D”和階段“Ε”中，能夠從彈性構件130向腳踝部分110施加扭矩。
[0061]在上述配置中，即使在使用電動機150時，也能夠減小電動機150的最大輸出，從而減小電動機150的尺寸和重量。因此，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠降低用戶3的負荷。另外，由于減小了運動支持設備I的尺寸和重量，所以運動支持設備I的應用范圍也得到擴大，甚至適用于小部分被截肢的用戶。
[0062]<2.運動支持設備的具體配置>
[0063][2.1運動支持設備的具體配置]
[0064]接下來，將參照圖5描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的具體配置。圖5是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的截面配置的說明圖。
[0065]如圖5所示，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I包括下肢耦合部分101、腳踝部分111、地接觸單元121、彈性構件131、耦合板141和腳跟側地接觸板143。地接觸單元121包括地接觸板122、滑動板123、包括腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125的傳遞部分126、鄰接部分127以及地接觸單元耦合板129。
[0066]下肢耦合部分101的一側耦合至用戶3的下肢，而其另一側耦合至腳踝部分111。因此，下肢耦合部分101能夠將經由另一人工腳部、轉接器等耦合的用戶3的下肢耦合至腳踝部分111和地接觸單元121。
[0067]腳踝部分111安裝在下肢耦合部分101與地接觸單元121之間。腳踝部分111在垂直于地面并且包括用戶3的移動方向的平面上具有圓形形狀并且具有能夠圍繞垂直于該平面的軸旋轉的旋轉機制。腳踝部分111能夠通過旋轉機制使所耦合的下肢耦合部分101旋轉。
[0068]腳踝部分111包括向上述下肢耦合部分101所耦合的旋轉機制施加扭矩的電動機(未示出)。當通過所包括的電動機使下肢耦合部分101旋轉時，腳踝部分111能夠施加扭矩。腳踝部分111可以包括作為對要施加的扭矩進行放大的應變波傳動裝置的HarmonicDrive (諧波驅動)(注冊商標)。將在下文描述控制電動機輸出的方法。
[0069]在此，以與腳踝側傳遞部分124嚙合的形狀形成腳踝部分111的外緣的一部分。具體地，腳踝部分111的外緣的一部分形成有與包括在腳踝側傳遞部分124中的齒條傳動裝置嚙合的小齒輪傳動裝置形狀。因此，當腳踝部分111與傳遞部分126接觸時，腳踝部分111與傳遞部分126的齒條傳動裝置形狀嚙合，使得能夠從傳遞部分126傳遞力。腳踝部分111和腳踝側傳遞部分124能夠將來自彈性構件131的線性方向的力轉換成旋轉方向的力，并且使用用于力傳遞的齒條和小齒輪機制將力施加給腳踝部分111。
[0070]地接觸板122形成有當用戶3的移動方向是縱向方向時延伸的板形狀并且形成有腳尖側上的一端沿厚度方向輕微彎曲的形狀。地接觸板122在沿厚度方向彎曲的腳尖側與地接觸，并且通過地接觸單元耦合板129來耦合至耦合板141，地接觸單元耦合板129具有地接觸側的相反側上的耦合點P和安裝滑動板123的位置。因為地接觸板122是支承用戶3的重量并且與地面接觸的構件，所以地接觸板122優選地由例如不容易被腐蝕的具有高強度的材料如碳纖維增強塑料形成。
[0071]滑動板123是具有滑動槽的線性滑塊，并且形成在地接觸板122上。腳踝側傳遞部分124安裝在滑動板123上方，并且腳踝側傳遞部分124沿滑動板123上的滑動槽滑動。
[0072]滑動板123形成為比腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125的組合長度長，因此在與彈性構件側傳遞部分125相反的一端形成剩余部分。在這樣的配置中，當運動支持設備I踢地面時，滑動板123能夠將腳踝側傳遞部分124滑動至彈性構件側傳遞部分125的相反側,從而更平滑地踢地面。
[0073]傳遞部分126包括形成在滑動板123上的腳踝側傳遞部分124以及與彈性構件131接觸的彈性構件側傳遞部分125。腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125彼此分離并且通過具有彈性的耦合部分耦合。在這樣的配置中，當施加外力時，腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125能夠彼此隔離，并且當沒有施加外力時能夠返回接觸狀態。
[0074]以與在腳踝部分111的外緣的部分中形成的小齒輪傳動裝置嚙合的齒條傳動裝置形狀來形成腳踝側傳遞部分124。在這樣的配置中，當腳踝側傳遞部分124與腳踝部分111接觸時，腳踝側傳遞部分124的形狀能夠與腳踝部分111的形狀嚙合。因此，能夠將來自彈性構件131的力傳遞至腳踝部分111。
[0075]彈性構件側傳遞部分125安裝在腳踝側傳遞部分124與彈性構件131之間并且與腳踝側傳遞部分124和彈性構件131 二者接觸。在這樣的配置中，彈性構件側傳遞部分125能夠將來自彈性構件131的力傳遞至腳踝側傳遞部分124。彈性構件側傳遞部分125能夠在滑動板123上滑動至彈性構件131的一側以使彈性構件131發生彈性形變。
[0076]鄰接部分127被安裝成相對于彈性構件131在彈性構件側傳遞部分125的相反側固定至耦合板141。因此，當彈性構件側傳遞部分125滑動至鄰接部分127的一側時，鄰接部分127能夠壓縮鄰接部分127與彈性構件側傳遞部分125之間的彈性構件131，以使彈性構件131發生彈性形變。
[0077]地接觸單元耦合板129被安裝成在地接觸板122的兩側具有耦合點P。地接觸單元耦合板129將包括地接觸板122、滑動板123、傳遞部分126和鄰接部分127的地接觸單元121在耦合點P處耦合至耦合板141。在這樣的配置中，地接觸單元耦合板129能夠使地接觸單元121圍繞耦合點P在傳遞部分126與腳踝部分111接觸的位置與傳遞部分126和腳踝部分111彼此隔離的位置之間移動。
[0078]在此，安裝耦合點P使得傳遞部分126和地接觸板122的地接觸側存在于相對于耦合點P的同側上。在這樣的配置中，當地接觸單元121圍繞耦合點P位移時，地接觸板122的地接觸側的位移方向和傳遞部分126的位移方向相同。因此，當地接觸板122與地面接觸時，地接觸板122由于來自地面的反作用力而向上移動，并且傳遞部分126也向上移動。此時，因為向上移動的傳遞部分126與腳踝部分111接觸，能夠將力從彈性構件131傳遞至腳踝部分111。因此，運動支持設備I能夠與下肢耦合部分101和腳踝部分111的角度無關地切換彈性構件131和腳踝部分111的耦合。
[0079]彈性構件131安裝在彈性構件側傳遞部分125和鄰接部分127之間。當傳遞部分126和腳踝部分111彼此接觸時，通過固定的鄰接部分127和隨著腳踝部分111的旋轉而滑動的彈性構件側傳遞部分125來壓縮彈性構件131以使其彈性形變。在這樣的配置中，彈性構件131在彈性形變時通過傳遞部分126將反彈力施加給腳踝部分111。在此，例如，彈性構件131可以是螺旋彈簧或者可以是板彈簧、拉伸彈簧、空氣彈簧等。
[0080]耦合板141以基本上“L”板形狀來形成，并且安裝在腳踝部分111、地接觸單元耦合板129和腳跟側地接觸板143的兩側之間。腳踝部分111、地接觸單元121的地接觸單元耦合板129和腳跟側地接觸板143介于具有相同形狀的兩個耦合板141之間，使得耦合板141將他們彼此耦合。在圖4中，為了使該配置清晰，沒有示出存在于較靠近側的耦合板141。
[0081]腳跟側地接觸板143形成在作為用戶3的移動方向的后側的腳跟側。腳跟側地接觸板143與地面接觸以支承用戶3的重量。腳跟側地接觸板143與由于其重量圍繞耦合點P向下位移的地接觸單元121接觸以支承地接觸單元121。在此，因為腳跟側地接觸板143是支承用戶3的重量并且與地面接觸的構件，所以如同在地接觸板122中，腳跟側地接觸板143優選地由例如不容易被腐蝕的具有高強度的材料如碳纖維增強塑料形成。
[0082]在上述實施方式中，已經描述了其中彈性構件131安裝在位于腳踝部分111下方的腳跟側的示例。然而，本公開內容的實施方式不限于圖5中示出的彈性構件131的位置。例如，彈性構件131可以是相對于腳踝部分111安裝在腳跟側的拉伸彈簧。另外，彈性構件131可以安裝在腳跟側使得延伸方向是豎直的。本公開內容的實施方式不受彈性構件的類型、安裝位置和安裝方向的限制。
[0083]在上述實施方式中，已經描述了其中單獨地配置彈性構件131和地接觸單元121的示例，但是本公開內容的實施方式不限于該示例。彈性構件131可以包括地接觸單元121。
[0084][2.2運動支持設備的功能配置]
[0085]接下來，將參照圖6描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的功能配置。圖6是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的功能配置的框圖。
[0086]如圖6所示，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I包括角度傳感器161、扭矩傳感器163、姿勢傳感器165、電動機控制單元153、電動機151、應變波傳動裝置155、腳踝部分111和地接觸單元121。在此，因為地接觸單元121和腳踝部分111與參照圖5描述的地接觸單元121和腳踝部分111相同，所以在此將省略詳細的描述。
[0087]角度傳感器161測量腳踝關節的角度。具體地，例如，角度傳感器161通過測量地接觸單元121相對于下肢耦合部分101的角度或測量腳踝部分111的旋轉角等來測量腳踝關節的角度。例如，角度傳感器161可以是包括解算器、旋轉編碼器或電位計的傳感器。
[0088]扭矩傳感器163測量施加給腳踝部分111的扭矩。具體地，扭矩傳感器163測量從電動機151和彈性構件131施加給腳踝部分111的扭矩的總值。例如，扭矩傳感器163可以是包括變形計或壓電元件的傳感器。
[0089]姿勢傳感器165測量腳踝部分111在空間中的傾斜。具體地，姿勢傳感器165測量腳踝部分111在空間中沿豎直方向和水平方向的傾斜。例如，姿勢傳感器165可以是包括陀螺儀的傳感器。
[0090]電動機控制單兀153基于來自各種傳感器的信息來控制電動機151的輸出。具體地，電動機控制單元153基于由角度傳感器161、扭矩傳感器163和姿勢傳感器165測量的信息來控制電動機151的輸出，并且控制施加給腳踝部分111的扭矩。電動機控制單元153可以基于由角度傳感器161和扭矩傳感器163測量的信息來計算移動速度，并且基于移動速度來控制電動機151的輸出。
[0091]電動機控制單元153可以被配置成包括:作為運算處理裝置的中央處理器(CPU)；存儲由CPU使用的運算參數、程序等的只讀存儲器(ROM)；以及臨時存儲在CPU的執行中使用的程序、在執行中適當改變的參數的隨機存取存儲器(RAM)。
[0092]電動機151產生扭矩并且將扭矩施加給腳踝部分111。應變波傳動裝置155是例如被稱為Harmonic Drive (注冊商標)的減速器并且放大由電動機151輸出的扭矩。具體地，由電動機151輸出的扭矩被應變波傳動裝置155放大并且被施加給腳踝部分111。
[0093]例如，電動機151的旋轉可以通過滾珠絲杠等以線性方向轉換，可以被轉換成螺旋彈簧的彈力等，并且可以被施加給腳踝部分111。然而，當使用應變波傳動裝置155時，可以減小將來自電動機151等的扭矩施加給腳踝部分111的機制的尺寸和重量。因此，為了降低用戶3的負擔，更優選的是使用應變波傳動裝置155。在這樣的配置中，因為可以減小運動支持設備1，所以能夠擴大根據本發明的實施方式的運動支持設備I的應用范圍，甚至適用于小部分被截肢的用戶。
[0094]通過電動機151和地接觸單元121將扭矩施加給腳踝部分111。在此，地接觸單元121可以包括彈性構件131，是否切換從彈性構件131施加給腳踝部分111的扭矩取決于傳遞部分126是否與腳踝部分111接觸。
[0095]〈3.運動支持設備的操作示例>
[0096]接下來，將參照圖7A至圖7F描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的操作示例。圖7A至圖7F是示出根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I在行走階段(階段“A”至階段“F”)中的操作示例的說明圖。在此，因為在圖7A至圖7F中的運動支持設備I和構成元件中給出的附圖標記與參照圖5描述的構成元件的附圖標記相同，并且其描述相同，所以在此將省略描述。
[0097]另外，在圖2或圖4中描述的行走的階段“A”對應于圖7A，同樣，階段“B”對應于圖7B，階段“C”對應于圖7C，階段“D”對應于圖7D，階段“E”對應于圖7E，以及階段“F”對應于圖7F。
[0098]如圖7A所示，首先，在階段A中腳跟側地接觸板143與地面接觸。此時，腳踝側傳遞部分124和腳踝部分111彼此未接觸，因此間隙為空。然后，地接觸板122由于其重量圍繞耦合點P向下移動以與腳跟側地接觸板143接觸。在該初始狀態下，彈性構件131具有自然長度。
[0099]接下來，如圖7B所示，在階段“B”中地接觸板122與地面接觸。當地接觸板122與地面接觸時，地接觸板122由于來自地面的反作用力而圍繞耦合點P向上移動。因此，安裝在地接觸板122上的滑動板123和腳踝側傳遞部分124同樣向上移動，使得腳踝側傳遞部分124與腳踝部分111接觸。
[0100]在此，因為腳踝部分111的外緣和腳踝側傳遞部分124是具有嚙合形狀的齒條小齒輪機制，所以當其形狀彼此嚙合時能夠傳遞力。另外，因為地接觸板122圍繞耦合點P向上移動，所以地接觸板122與腳跟側地接觸板143之間的間隙為空。
[0101]隨后，如圖7C所示，與在階段“B”的位置處相比，在階段“C”中下肢耦合部分101和腳踝部分111沿背屈方向旋轉更多。因為腳踝側傳遞部分124具有與腳踝部分111嚙合的形狀，所以腳踝側傳遞部分124隨著腳踝部分111的旋轉在滑動板123上滑動以將彈性構件側傳遞部分125移動至鄰接部分127側。因此，彈性構件131在彈性構件側傳遞部分125與鄰接部分127之間被壓縮以將反彈力施加給腳踝部分111并且通過彈性形變來累積彈性能量。
[0102]接下來，如圖7D所示，在階段“D”中腳跟側地接觸板143變得與地面分開。此時，因為下肢耦合部分101和腳踝部分111沿背屈方向進一步旋轉，所以彈性構件131通過腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125來進一步彈性形變以將反彈力施加給腳踝部分111。在這個階段中，腳跟側地接觸板143與地面分開。然而，因為地接觸板122的腳尖側與地面接觸，并且從地面接收反作用力，所以不解除腳踝部分111和腳踝側傳遞部分124之間的接觸。
[0103]隨后，如圖7E所示，在階段“E”中通過地接觸板122來執行踢地面。此時，在階段“D”之后腳踝部分111的旋轉方向變為跖屈方向。因此，在階段“D”之后，從階段“B”至階段“D”在彈性構件131中累積的彈性能量作為彈性構件131的反彈力被施加給腳踝部分111。在這樣的配置中，如參照圖3的右圖所描述的，彈性構件131能夠在腳踝部分111中最需要功率的階段“D”和階段“E”中將反彈力施加給腳踝部分111。當使用電動機151時，能夠減小電動機輸出的最大值。
[0104]另外，如圖7F所示，在階段“F”中完成由地接觸板122進行的踢地面。此時，與階段“E”相比，腳踝部分111沿跖屈方向旋轉更多，并且腳踝側傳遞部分124隨著腳踝部分111的旋轉變得與彈性構件側傳遞部分125分開。
[0105]在此，當整體地形成彈性構件側傳遞部分125和腳踝側傳遞部分124并且彈性構件的長度回到圖7E等中的自然長度時，腳踝側傳遞部分124不能夠進一步移動至腳尖側。在這種情況下，因為腳踝部分111與腳踝側傳遞部分124嚙合，所以腳踝部分111不能夠沿跖屈方向進一步旋轉，從而阻礙用戶3的自然踢腿。
[0106]在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125被配置成彼此分離。因此，即使當彈性構件131的長度回到圖7E等中的自然長度時，腳踝側傳遞部分124能夠與待被移動的彈性構件側傳遞部分125分離。因此，腳踝側傳遞部分124不阻礙腳踝部分111的旋轉，并且用戶3能夠執行自然踢腿。
[0107]盡管沒有示出，當在階段“F”中地接觸板122變得遠離地面時，由地接觸板122從地面接收的反作用力消失，因此地接觸單元121圍繞耦合點P向下移動。因此，解除腳踝部分111與腳踝側傳遞部分124之間的接觸。在此，因為腳踝側傳遞部分124和彈性構件側傳遞部分125通過具有彈性的耦合部分彼此耦合，所以腳踝側傳遞部分124通過耦合部分的彈力隨著接觸的釋放而返回至與彈性構件側傳遞部分125的接觸位置。在這樣的配置中，當運動支持設備I再次與地接觸時，操作返回至階段“A”，并且重復同樣的操作。
[0108]由于上述操作，當地接觸板122與地面接觸時，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I使傳遞部分126與腳踝部分111接觸以將來自彈性構件131的力傳遞至腳踝部分111。當地接觸板122移動離開地面時，運動支持設備I通過解除傳遞部分126與腳踝部分111之間的接觸來解除從彈性構件131到腳踝部分111的力傳遞。因此，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠在腳踝部分111中最需要功率的階段“D”和階段“E”中將來自彈性構件131的力施加給腳踝部分111。
[0109]<4.運動支持設備的優點示例>
[0110]將參照圖8A至圖SC描述根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I的優點示例。圖8A是示出在1.25m/s的移動速度下由運動支持設備I的腳踝部分111輸出的功率(左圖)以及由彈性構件131和電動機151施加的扭矩(右圖)的曲線圖。圖8B是示出在1.50m/s的移動速度下與圖8A相同的參數的曲線圖；以及圖8C是示出在1.75m/s的移動速度下與圖8A相同的參數的曲線圖。
[0111]在此，在圖8A至圖8C中每個的左圖中，通過實線來表示由電動機151輸出的功率，并且通過斷續線來表示由整個腳踝部分111輸出的功率。在圖8A至圖SC中每個的右圖中，通過實線來表示由電動機151施加的扭矩，通過點線來表示由彈性構件131施加的扭矩，并且通過斷續線來表示施加給整個腳踝部分111的作為由電動機151施加的扭矩與由彈性構件131施加的扭矩的和的扭矩。在圖8A至圖8C中每個的左圖中，如同圖3的左圖，假設跖屈方向為正并且假設背屈方向為負。在圖8A至圖SC中每個的右圖中，假設背屈方向為正并且假設跖屈方向為負。
[0112]如圖8A至圖8C中每個的左圖所示，當移動速度加快時由整個腳踝部分111輸出的功率的絕對值的最大值增大。具體地，如圖8A所示，在階段“D”和階段“E”中，在移動速度為1.25m/s時，由整個腳踝部分111輸出的功率的絕對值是250W ;如圖8B所示，在移動速度為1.5m/s時，由整個腳踝部分111輸出的功率的絕對值是350W ;以及如圖8C所示，在移動速度為1.75m/s時，由整個腳踝部分111輸出的功率的絕對值是500W。然而，由電動機151輸出的功率與由整個腳踝部分111輸出的功率不同，其絕對值收斂于大致150W處，而與移動速度無關。這是因為在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，通過彈性構件131將扭矩施加給腳踝部分111使得由電動機151輸出至腳踝部分111的功率即使在階段“D”和階段“E”中也不增大。
[0113]在此，在圖8A至圖8C中示出的優點示例中，如圖8A至圖8C中每個的右圖所示，確定彈性構件131的彈力(例如，彈簧常數)使得由彈性構件131施加的扭矩大于施加給整個腳踝部分111的扭矩。因此，由電動機151施加給腳踝部分111的扭矩的力方向(即，曲線的符號)與由彈性構件131施加的扭矩的方向相反。具體地，在圖8A和圖8B的左圖中在移動速度慢的階段“D”和階段“E”中，由彈性構件131施加給腳踝部分111的扭矩大于由電動機151施加的扭矩。因此，由電動機151輸出的功率的符號與由整個腳踝部分111輸出的功率的符號相反。
[0114]彈性構件131的彈力(例如，彈簧常數)不限于上文所例示的彈力。能夠適當地選擇彈性構件131的彈力使得電動機151中所需的功率在運動支持設備I中所使用的移動速度的范圍內最小化。
[0115]在此，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，從地接觸板122與地面接觸并且腳踝部分111和傳遞部分126彼此嚙合的時間點通過腳踝部分111的旋轉角來改變彈性構件131的彈性形變量。另一方面，當移動速度較快時，人的步長自然增加。因此，在與地面接觸時腳踝關節的角度自然增大，因此在行走時腳踝部分111的旋轉角也增大。
[0116]因此，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，當移動速度變得較快并且腳踝部分111的旋轉角增大時，彈性構件131的彈性形變量會增加并且施加給腳踝部分111的扭矩也會增加。如圖8A至圖8C所示，當移動速度較快時，腳踝部分111中所需的功率增大。因此，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，能夠根據移動速度自動增加從彈性構件131施加給腳踝部分111的扭矩。
[0117]當人類上樓梯或下樓梯時，與參照圖2所描述的情況不同，在下肢的操作中，人類的腳從腳尖側與階梯接觸。在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，當腳尖側的地接觸板122與地面接觸時，腳踝部分111和傳遞部分126彼此接觸。因此，即使當腳從腳尖與地面接觸時，仍然能夠同樣地將力傳遞至腳踝部分111。因此，即使當人類上樓梯或下樓梯時，仍然能適當地使用根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I。<5.結論〉
[0118]如上所述，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，當地接觸單元121與地面接觸時，彈性構件131和腳踝部分111彼此接觸，并且來自彈性構件131的力被傳遞至腳踝部分111。另外，當地接觸板122與地面分開時，運動支持設備I通過解除傳遞部分126與腳踝部分111之間的接觸來解除從彈性構件131到腳踝部分111的力傳遞。因此，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠在腳踝部分111中最需要功率時把來自彈性構件131的力施加給腳踝部分111。
[0119]根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I能夠在腳踝部分111中最需要功率時把來自彈性構件131的力施加給腳踝部分111，從而減小電動機151的最大輸出。因此，在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，可以減小電動機151的尺寸和重量。另夕卜，可以降低用戶3的負荷。
[0120]在根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I中，還能夠通過減小電動機151的尺寸來減小運動支持設備I的整體尺寸。因此，根據本公開內容的實施方式的運動支持設備I也能夠應用于較小部分被截肢的用戶3。
[0121]已經參照附圖詳細地描述了本公開內容的優選實施方式，但是本公開內容的技術范圍不限于該示例。本領域普通技術人員應當理解，根據設計要求和其他因素可以發生各種修改、組合、子組合和替換，只要它們在所附權利要求或其等同的范圍內。
[0122]在上述實施方式中，將運動支持設備I描述為人工腿，但是本公開內容的技術范圍不限于該示例。例如，運動支持設備I可以是用于由于衰老、肌肉無力等使得行走能力降低的用戶的運動支持設備，或者可以是包括在執行雙腳行走的機器人等的下肢中的運動設備。
[0123]另外，本技術還可以被如下配置:
[0124](I) 一種運動支持設備，包括:
[0125]下肢耦合部分，被配置成耦合至下肢；
[0126]彈性構件；
[0127]地接觸單元，被配置成包括與表面接觸的地接觸板以及傳遞由所述彈性構件產生的力的傳遞部分；以及
[0128]腳踝部分，被配置成安裝在所述下肢耦合部分與所述地接觸單元之間，
[0129]其中，所述地接觸單元被安裝成能夠在所述傳遞部分與所述腳踝部分接觸的位置和所述傳遞部分與所述腳踝部分分離的位置之間位移。
[0130](2)根據⑴所述的運動支持設備，
[0131]其中，所述地接觸單元在耦合點周圍進行所述位移，并且
[0132]其中，所述地接觸板和所述傳遞部分被安裝在關于所述耦合點的同一側。
[0133](3)根據⑴或⑵所述的運動支持設備，
[0134]其中，所述地接觸板是在運動方向的前側與所述表面接觸的腳尖地接觸板，并且
[0135]其中，所述運動支持設備還包括:
[0136]腳跟側地接觸板，被配置成在所述運動方向的后側與所述表面接觸。(4)根據(I)至(3)中任一項所述的運動支持設備，其中，所述傳遞部分包括齒條傳動裝置，并且所述腳踝部分包括與所述齒條傳動裝置嚙合的小齒輪傳動裝置。
[0137](5)根據(I)至(4)中任一項所述的運動支持設備，其中，所述傳遞部分包括位于所述腳踝部分側的腳踝側傳遞部分，以及位于所述彈性構件側并且被配置成與所述腳踝側傳遞部分分離的彈性構件側傳遞部分。
[0138](6)根據(5)所述的運動支持設備，其中，所述腳踝側傳遞部分和所述彈性構件側傳遞部分通過具有彈性的耦合構件耦合。
[0139](7)根據(I)至￠)中任一項所述的運動支持設備，還包括:
[0140]被配置成向所述腳踝部分施加力的致動器。
[0141](8)根據(7)所述的運動支持設備，其中，所述致動器是電動機。
[0142](9)根據(7)所述的運動支持設備，還包括:
[0143]轉換部分，被配置成對所述致動器的要施加給所述腳踝部分的力進行轉換。
[0144](10)根據(9)所述的運動支持設備，其中，所述轉換部分是應變波傳動裝置。
[0145](11)根據(7)至(10)中任一項所述的運動支持設備，還包括以下至少之一:
[0146]角度傳感器，被配置成檢測所述腳踝部分的角度；
[0147]扭矩傳感器，被配置成檢測施加給所述腳踝部分的扭矩；或
[0148]姿勢傳感器，被配置成檢測所述腳踝部分的傾斜度，
[0149]其中，所述致動器基于所述傳感器的輸出來控制所述致動器的輸出。(12)根據
(I)至(11)中任一項所述的運動支持設備，其中，所述彈性構件是螺旋彈簧、板彈簧、拉伸彈簧、或空氣彈簧之一。
【權利要求】
1.一種運動支持設備，包括: 下肢耦合部分，被配置成耦合至下肢； 彈性構件； 地接觸單元，被配置成包括與表面接觸的地接觸板以及傳遞由所述彈性構件產生的力的傳遞部分；以及 腳踝部分，被配置成安裝在所述下肢耦合部分與所述地接觸單元之間， 其中，所述地接觸單元被安裝成能夠在所述傳遞部分與所述腳踝部分接觸的位置和所述傳遞部分與所述腳踝部分分離的位置之間位移。
2.根據權利要求1所述的運動支持設備， 其中，所述地接觸單元在耦合點周圍進行所述位移，并且 其中，所述地接觸板和所述傳遞部分被安裝在關于所述耦合點的同一側。
3.根據權利要求2所述的運動支持設備， 其中，所述地接觸板是在運動方向的前側與所述表面接觸的腳尖地接觸板，并且 其中，所述運動支持設備還包括: 腳跟側地接觸板，被配置成在所述運動方向的后側與所述表面接觸。
4.根據權利要求1所述的運動支持設備，其中，所述傳遞部分包括齒條傳動裝置，并且所述腳踝部分包括與所述齒條傳動裝置嚙合的小齒輪傳動裝置。
5.根據權利要求1所述的運動支持設備，其中，所述傳遞部分包括位于所述腳踝部分側的腳踝側傳遞部分，以及位于所述彈性構件側并且被配置成與所述腳踝側傳遞部分分離的彈性構件側傳遞部分。
6.根據權利要求5所述的運動支持設備，其中，所述腳踝側傳遞部分和所述彈性構件側傳遞部分通過具有彈性的耦合構件耦合。
7.根據權利要求1所述的運動支持設備，還包括: 被配置成向所述腳踝部分施加力的致動器。
8.根據權利要求7所述的運動支持設備，其中，所述致動器是電動機。
9.根據權利要求7所述的運動支持設備，還包括: 轉換部分，被配置成對所述致動器的要施加給所述腳踝部分的力進行轉換。
10.根據權利要求9所述的運動支持設備，其中，所述轉換部分是應變波傳動裝置。
11.根據權利要求7所述的運動支持設備，還包括以下至少之一: 角度傳感器，被配置成檢測所述腳踝部分的角度； 扭矩傳感器，被配置成檢測施加給所述腳踝部分的扭矩；或 姿勢傳感器，被配置成檢測所述腳踝部分的傾斜度， 其中，所述致動器基于所述傳感器的輸出來控制所述致動器的輸出。
12.根據權利要求1所述的運動支持設備，其中，所述彈性構件是螺旋彈簧、板彈簧、拉伸彈簧、或空氣彈簧之一。
【文檔編號】A61F2/66GK104274261SQ201410314736
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2013年7月10日
【發明者】遠藤謙 申請人:索尼公司