(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復揺動運動する運動体に接続されて、前記運動体の運動によってエネルギーを弾性体に蓄積するエネルギー蓄積モードと、前記弾性体に蓄積した前記エネルギーを放出して前記運動体の運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す揺動関節装置であって、
往復揺動運動の中心となる揺動中心まわりに揺動する揺動運動部と、
前記揺動運動部の揺動角度に応じて前記エネルギーを蓄積するまたは前記エネルギーを放出する前記弾性体と、
駆動モータを有するとともに前記揺動運動部から見た前記弾性体の見かけ上の剛性を可変とする剛性可変手段と、
前記揺動角度を検出する角度検出手段と、
前記角度検出手段にて検出した前記揺動角度に応じて前記剛性可変手段を制御して、前記揺動運動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、
前記揺動運動部と前記弾性体との間に介在されて、前記揺動運動部と前記弾性体との一方から入力された入力回転量を所定の変換比に基づいて出力回転量に変換して他方に出力する減速機と、を有し、
前記減速機と前記弾性体と前記駆動モータとの３つは、すべてが同軸となるように配置されることなく少なくとも２つが並列に配置されており、
前記減速機は、同軸にて回転する２つの入出力軸を有するとともに、一方の前記入出力軸に入力された前記入力回転量を前記変換比に基づいて前記出力回転量に変換して他方の前記入出力軸から出力し、
前記剛性可変手段は、前記弾性体の一端と、前記駆動モータと、を接続する第１動力伝達手段を有し、
前記弾性体の他端と、前記減速機の一方の前記入出力軸と、が直接あるいは第２動力伝達手段を介して接続されており、
前記減速機の他方の前記入出力軸と、前記揺動運動部と、が直接あるいは第３動力伝達手段を介して接続されており、
前記減速機の前記変換比は、前記弾性体の他端の側となる一方の前記入出力軸の回転量に対して、前記揺動運動部の側となる他方の前記入出力軸の回転量のほうが減少するように設定されており、
前記制御手段は、前記角度検出手段にて検出した前記揺動角度に応じて前記駆動モータを回転して、前記第１動力伝達手段を介して前記弾性体の一端を基準位置から回転させて前記揺動運動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、
揺動関節装置。
【請求項２】
請求項１に記載の揺動関節装置であって、
前記剛性可変手段は、前記弾性体の一端を前記弾性体の中心軸線であるバネ中心軸線まわりに回転させる剛性調整部材を有し、
前記駆動モータは、前記第１動力伝達手段を介して前記剛性調整部材を前記バネ中心軸線まわりに回転駆動させ、
前記第１動力伝達手段は、
前記駆動モータの出力軸と接続されているとともに前記出力軸と同軸で回転する第１剛性可変プーリと、
前記第１剛性可変プーリよりも径が大きく、かつ、前記第１剛性可変プーリとベルト接続されているとともに、前記剛性調整部材と接続されており、かつ、前記剛性調整部材を前記バネ中心軸線まわりに回転させる第２剛性可変プーリと、を有する、
揺動関節装置。
【請求項３】
請求項２に記載の揺動関節装置であって、
前記剛性調整部材は、前記バネ中心軸線と同軸で回転する調整部本体と、前記調整部本体と一体となって回転する外端接続部及び複数の拡径規制部と、を有し、
前記外端接続部は、前記バネ中心軸線と平行に延びているとともに前記弾性体の一端である前記弾性体の外周側の端部と接続されており、
それぞれの前記拡径規制部は、前記弾性体の外周まわりにて前記バネ中心軸線と平行に延びている、
揺動関節装置。
【請求項４】
請求項３に記載の揺動関節装置であって、
それぞれの前記拡径規制部は、前記バネ中心軸線を挟んで前記外端接続部とは反対側に配置されている、
揺動関節装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の揺動関節装置であって、
それぞれの前記拡径規制部は、軸状に構成されており、
それぞれの前記拡径規制部には、それぞれの前記拡径規制部の軸線まわりに回転自在とされたローラが装着されている、
揺動関節装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の揺動関節装置であって、
前記弾性体は、ゼンマイバネであり、
前記揺動運動部から見た前記弾性体の前記見かけ上の剛性は、前記揺動運動部から見た前記ゼンマイバネの見かけ上のバネ定数である、
揺動関節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周期的な揺動運動をする揺動関節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、人の歩行をアシストする片脚式歩行支援機が開示されている。この片脚式歩行支援機は、ユーザの腰の側部に装着される腰装着部と、ユーザの大腿部の側部に配置される大腿リンク部と、ユーザの下腿部に装着される下腿リンク部と、を有する。大腿リンク部の上部は、腰装着部に対してユーザの前後方向に揺動可能に連結されており、腰装着部と大腿リンク部との間には、大腿リンク部に対してアシストトルクを付与するためのトルク発生装置が設けられている。このトルク発生装置のアシストトルクが大腿リンク部に加わることで、歩行アシストが行なわれる。トルク発生装置は、圧縮バネと、カム及びカムフォロアとの働きにより、大腿リンク部に対してアシストトルクを付与できるように構成されており、アシストトルクの大小は、予め設定された圧縮バネの圧縮量（圧縮バネのバネ力）に基づいて決定される。圧縮バネの圧縮量は、工具を使用して手動にて設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３６７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の片脚式歩行支援機では、圧縮バネの圧縮量が工具を使用して手動にて設定されるため、歩行途中に大腿リンク部の揺動角度に応じて当該圧縮量を変更することは困難である。このため、大腿リンク部の揺動角度に応じてリアルタイムでアシストトルクを変更し、高効率で歩行アシストを行うのは難しい。
【０００５】
そこで、図１１に示す構成の揺動関節装置３００が考えられる。この揺動関節装置３００は、揺動運動部３１０と、減速機３２０と、ゼンマイバネ３３０と、駆動モータ３４０と、を有する。揺動運動部３１０は、例えばユーザ４００の大腿部３５０の側部に装着されて、ユーザ４００の歩行に応じて往復揺動運動する。揺動運動部３１０の揺動運動のエネルギーは、減速機３２０を介してゼンマイバネ３３０に一旦入力されるるとともに、当該エネルギーはゼンマイバネ３３０から揺動運動部３１０に再放出されて、ユーザ４００の歩行をアシストする。減速機３２０は、ゼンマイバネ３３０が出力するトルクを増幅させて揺動運動部３１０に入力する。駆動モータ３４０は、揺動運動部３１０の揺動角度に応じて、ゼンマイバネ３３０の一端を他端に対して回転変位させて、揺動運動部３１０から見たゼンマイバネ３３０の見かけ上の剛性（ゼンマイバネのバネ力）を変更する。したがって、ゼンマイバネ３３０から揺動運動部３１０に出力されるトルクが、揺動運動部３１０の揺動角度に応じてリアルタイムで調整される。
【０００６】
揺動関節装置３００では、減速機３２０と、ゼンマイバネ３３０と、駆動モータ３４０とが、ユーザ４００の腰３６０の側方へ向けて同軸で配置されている。この同軸配置により、各部材間の接続構成が簡易になる。しかし、減速機３２０と、ゼンマイバネ３３０と、駆動モータ３４０と、が同軸で配置されると、ユーザ４００の腰の側方に向けて揺動関節装置３００が厚くなる。このため、揺動関節装置３００にユーザ４００の上肢（図示省略）がぶつかる恐れがあり、好ましくない。
【０００７】
本発明の課題は、往復揺動運動する揺動運動部の揺動角度に応じたエネルギーを弾性体に蓄積し、蓄積したエネルギーを揺動運動部に放出する揺動関節装置であって、かつ、揺動運動部の揺動角度に応じて揺動運動部から見た弾性体の見かけ上の剛性を調整できる揺動関節装置において、当該揺動関節装置を薄型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明はつぎの手段をとる。
【０００９】
本発明の第１の発明は、往復揺動運動する運動体に接続されて、運動体の運動によってエネルギーを弾性体に蓄積するエネルギー蓄積モードと、弾性体に蓄積したエネルギーを放出して運動体の運動を支援するエネルギー放出モードと、を交互に繰り返す揺動関節装置であって、往復揺動運動の中心となる揺動中心まわりに揺動する揺動運動部と、揺動運動部の揺動角度に応じてエネルギーを蓄積するまたはエネルギーを放出する弾性体と、駆動モータを有するとともに揺動運動部から見た弾性体の見かけ上の剛性を可変とする剛性可変手段と、揺動運動部の揺動角度を検出する角度検出手段と、角度検出手段にて検出した揺動角度に応じて剛性可変手段を制御して、揺動運動部から見た弾性体の見かけ上の剛性を調整する制御手段と、揺動運動部と弾性体との間に介在されて、揺動運動部と弾性体との一方から入力された入力回転量を所定の変換比に基づいて出力回転量に変換して他方に出力する減速機と、を有する。減速機と弾性体と駆動モータとの３つは、すべてが同軸となるように配置されることなく少なくとも２つが並列に配置されている。
【００１０】
本発明の第２の発明は、第１の発明に記載の揺動関節装置であって、弾性体は、ゼンマイバネである。そして、揺動運動部から見た弾性体の見かけ上の剛性は、揺動運動部から見たゼンマイバネの見かけ上のバネ定数である。
【００１１】
本発明の第３の発明は、第２の発明に記載の揺動関節装置であって、減速機は、同軸にて回転する２つの入出力軸を有するとともに、一方の入出力軸に入力された入力回転量を変換比に基づいて出力回転量に変換して他方の入出力軸から出力する。剛性可変手段は、ゼンマイバネの一端と接続されているとともに、駆動モータがゼンマイバネと並列に配置されている場合は、第１動力伝達手段を有する。ゼンマイバネの他端と、減速機の一方の入出力軸と、は直接あるいは第２動力伝達手段を介して接続されている。減速機の他方の入出力軸と、揺動運動部と、は直接あるいは第３動力伝達手段を介して接続されている。減速機の変換比は、ゼンマイバネの他端の側となる一方の入出力軸の回転量に対して、揺動運動部の側となる他方の入出力軸の回転量のほうが減少するように設定されている。
【００１２】
本発明の第４の発明は、第３の発明に記載の揺動関節装置であって、剛性可変手段は、ゼンマイバネの一端をゼンマイバネの中心軸線であるバネ中心軸線まわりに回転させる剛性調整部材と、第１動力伝達手段を介して剛性調整部材をゼンマイバネと同軸で回転駆動させる駆動モータと、を有する。第１動力伝達手段は、駆動モータの出力軸と接続されているとともに当該出力軸と同軸で回転する第１剛性可変プーリと、第１剛性可変プーリよりも径が大きく、かつ、第１剛性可変プーリとベルト接続されているとともに、剛性調整部材と接続されており、かつ、剛性調整部材をゼンマイバネと同軸で回転させる第２剛性可変プーリと、を有する。
【００１３】
本発明の第５の発明は、第４の発明に記載の揺動関節装置であって、剛性調整部材は、ゼンマイバネと同軸で回転する調整部本体と、調整部本体と一体となって回転する外端接続部及び複数の拡径規制部と、を有する。外端接続部は、バネ中心軸線と平行に延びているとともにゼンマイバネの一端であるゼンマイバネの外周側の端部と接続されている。それぞれの前記拡径規制部は、ゼンマイバネの外周まわりにてバネ中心軸線と平行に延びている。
【００１４】
本発明の第６の発明は、第５の発明に記載の揺動関節装置であって、それぞれの拡径規制部は、バネ中心軸線を挟んで外端接続部とは反対側に配置されている。
【００１５】
本発明の第７の発明は、第５または第６の発明に記載の揺動関節装置であって、それぞれの前記拡径規制部は、軸状に構成されており、それぞれの前記拡径規制部には、それぞれの拡径規制部の軸線まわりに回転自在とされたローラが装着されている。
【発明の効果】
【００１６】
第１の発明の構成においては、制御手段が、揺動運動部の揺動角度に応じて揺動運動部から見た弾性体の見かけ上の剛性を変更することで、弾性体から揺動運動部に出力されるエネルギーがリアルタイムで調整され、運動体の往復揺動運動が高効率でアシストされる。また、第１の発明の構成においては、減速機と弾性体と駆動モータのうちの少なくとも２つが並列配置されていることから、一方向への部材のかさばりが抑えられ、揺動関節装置が薄型化される。
【００１７】
第２の発明の構成においては、弾性体がゼンマイバネである。ゼンマイバネは、周知のとおり、一端の他端に対する正逆両方向への回転変位に応じて縮径あるいは拡径して弾性エネルギーを蓄積する。したがって、揺動関節装置では、コイルバネのように伸長方向の一方向への変位動作によってしか弾性エネルギーを蓄積できないバネを用いた場合とは異なり、揺動運動部の往復揺動運動に伴って減速機から入力される正逆両方向への回転動作に対応して弾性エネルギーを蓄積できる。また、ゼンマイバネは、上述のように、回転変位に応じて弾性エネルギーを蓄積する。したがって、揺動関節装置では、例えばコイルバネのように直動変位に応じて弾性エネルギーを蓄積するバネを用いた場合とは異なり、ゼンマイバネと減速機との接続機構において直線動作を回転動作に変更する機構が不要で当該接続機構が簡易に構成できる。したがって、揺動関節装置は小型化される。
【００１８】
第３の発明の構成においては、揺動運動部とゼンマイバネとの間に減速機が介在されていることから、ゼンマイバネが出力するトルクが増幅されて揺動運動部に入力される。したがって、バネ定数が小さい比較的小型のゼンマイバネを採用でき、ゼンマイバネが回転変位する際にゼンマイバネを支える部材にかかる負荷が小さくなる。したがって、ゼンマイバネを小型化できるとともに、ゼンマイバネを支える部材点数を削減でき、揺動関節装置が小型化される。
【００１９】
第４の発明の構成においては、第２剛性プーリの径が第１剛性可変プーリの径よりも大きいため、駆動モータから出力されたトルクは、増幅されて剛性調整部材に伝達されてゼンマイバネに入力される。したがって、駆動モータのトルクを低減でき、駆動モータを小型化できるとともに、駆動モータの消費電流が低減される。
【００２０】
第５の発明の構成においては、剛性調整部が、ゼンマイバネの外周まわりにてバネ中心軸線と平行に延びた複数の拡径規制部を有する。各拡径規制部は、ゼンマイバネが拡径状態となったときに、ゼンマイバネの外周に接触してゼンマイバネの広がりを規制する。したがって、ゼンマイバネは、その変形が所定の範囲内に留められる。したがって、揺動関節装置においては、ゼンマイバネの変形のために確保すべきスペースを小さく設定でき、揺動関節装置が小型化される。
【００２１】
第６の発明の構成においては、各拡径規制部が、バネ中心軸線を挟んで外端接続部とは反対側に配置されている。ゼンマイバネは拡径状態となったとき、バネ中心軸線を挟んで外周側の端部とは反対側の部位が径方向外方に広がる。したがって、各拡径規制部が、バネ中心軸線を挟んで外端接続部とは反対側に配置されていることで、ゼンマイバネの径方向外方への広がりが規制される。
【００２２】
第７の発明の構成においては、各拡径規制部まわりにローラが装着されている。したがって、各拡径規制部は、ローラにてゼンマイバネの外周に接触して当該外周を円滑に周方向に案内しながら、ゼンマイバネの広がりを規制する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】アシスト装置がユーザに装着されている状態を表した斜視図である。
【図２】剛性可変ユニットをベース部材の外向き面の側から視た斜視図である。
【図３】剛性可変ユニットをベース部材の内向き面の側から視た斜視図である。
【図４】剛性可変ユニットを分解状態で表した斜視図である。
【図５】剛性調整部材の斜視図である。
【図６】剛性調整部材の正面図である。
【図７】出力リンクの正面図である。
【図８】自由状態にあるゼンマイバネの正面図である。
【図９】自由状態から内端を回転させた状態を表したゼンマイバネの正面図である。
【図１０】自由状態から内端と外端とを相対回転させた状態を表したゼンマイバネの正面図である。
【図１１】従来の揺動関節装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。図１に示すアシスト装置１は、揺動関節装置の一例である。アシスト装置１は、人の歩行または歩行等の動作をアシストする。なお、各図に示すＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向は、アシスト装置１を装着したユーザＵの前方向、左方向、及び上方向に対応している。
【００２５】
アシスト装置１は、図１に示すように、制御ボックス３と、剛性可変ユニット１０と、を有する。制御ボックス３は、ユーザＵの腰Ｕ１まわりに装着された第１装着具５に取付けられている。制御ボックス３は、ユーザＵの腰Ｕ１の中央に配置されている。制御ボックス３には、後述の駆動モータ５２を制御する制御手段９と、制御手段９及び駆動モータ５２に電力を供給するバッテリ（図示省略）等が収容されている。
【００２６】
剛性可変ユニット１０は、図１に示すように、ユーザＵの腰Ｕ１まわりに装着された第２装着具６に取付けられている。剛性可変ユニット１０は、ユーザＵの左脚側において、ユーザＵの腰Ｕ１の側部に配置されている。剛性可変ユニット１０は、板状のベース部材１１を有する。ベース部材１１は、一方の面がユーザＵに対向し、他方の面がユーザＵに対して外側を向いている。以下、ベース部材１１において、ユーザＵに対向する面を内向き面１１ａ（図３参照）、ユーザＵに対して外側を向いた面を外向き面１１ｂ（図１,２参照）と記す。ベース部材１１は、その上部に取付用凸部１９を有する。取付用凸部１９は、前後方向に貫通された貫通孔１９ａ（図４参照）を有する。この貫通孔１９ａに第２装着具６が挿通されている。なお、ベース部材１１の両面１１ａ,１１ｂは、図示しないカバーで覆われている。
【００２７】
剛性可変ユニット１０、図１に示すように、出力リンク２０（揺動運動部）を有する。出力リンク２０は、ベース部材１１から下方へ延びており、ユーザＵの大腿部Ｕ２（運動体）の側部に沿って配置されている。出力リンク２０の先端部は、上方に折り返されたユーザ装着部２０ａとなっている。ユーザ装着部２０ａは、ユーザＵの大腿部Ｕ２まわりに装着された第３装着具７を挟み込んでいる。これによって、出力リンク２０がユーザＵの大腿部Ｕ２に装着されている。出力リンク２０は、大腿部Ｕ２の往復揺動運動に応じて、後述の揺動中心軸線Ｐ１（図４参照）まわりにユーザＵの前後方向に往復揺動運動する。
【００２８】
ベース部材１１は、図２,４に示すように、上述の出力リンク２０、減速機３０、入出力側動力伝達手段４０（第２動力伝達手段）、ゼンマイバネ１００（弾性体）、剛性可変手段５０等、を保持している。剛性可変手段５０は、駆動モータ５２と、剛性調整動力伝達手段５３（第１動力伝達手段）と、剛性調整部材８０と、を有する。減速機３０と、ゼンマイバネ１００と、駆動モータ５２とは、同軸に配置されることなく並列に配置されている。すなわち、減速機３０の両入出力軸３２,３４と、ゼンマイバネ１００の巻回の中心軸線であるバネ中心軸線Ｐ２と、駆動モータ５２の出力軸であるモータ出力軸５２ａとは、互いに平行な位置関係にある。両入出力軸３２,３４、バネ中心軸線Ｐ２、及びモータ出力軸５２ａは、ベース部材１１の厚み方向（ユーザに対して腰の側方）に延びている。なお、減速機３０は、駆動モータ５２の下方に位置している。ゼンマイバネ１００は、減速機３０及び駆動モータ５２の後方に位置している。
【００２９】
出力リンク２０は、図３,４に示すように、取付部２０ａとは反対側の端部が接続部２０ｂとなっている。接続部２０ｂは、ベース部材１１の内向き面１１ａの側に配置されている。詳細には、接続部２０ｂは、内向き面１１ａが厚み方向に凹んで形成されたリンク収容凹部１３に配置されている。接続部２０ｂは、減速機３０の第１入出力軸３２（後述参照）に例えばボルトＢにて直接接続されており、第１入出力軸３２に対して相対回転不能である。出力リンク２０は、第１入出力軸３２の軸心を中心として、第１入出力軸３２とともに往復揺動（回転）運動する。図４では、第１入出力軸３２の軸心及び出力リンク２０の揺動中心軸線に統一の符号Ｐ１を付している。揺動中心軸線Ｐ１は、ユーザの股関節に対応する位置にてユーザの腰の側方へ延びている。なお、ボルトＢ１は、揺動中心軸線Ｐ１上にて出力リンク２０を第１入出力軸３２に接続している。ボルトＢ１には、エンコーダ１３０（角度検出手段）の回転部が取付けられており、エンコーダ１３０の固定部はベース部材１１に取付けられている（図示省略）。エンコーダ１３０は、出力リンクの揺動角度を検出する。
【００３０】
減速機３０は、図４に示すように、同軸上に保持された第１入出力軸３２及び第２入出力軸３４と、第１入出力軸３２まわりに形成された例えば矩形状の固定部３６と、を有する。固定部３６は、ベース部材１１に設けられた減速機収容部１４に固定されている。減速機収容部１４は、固定部３６に対応する形状にベース部材１１が厚み方向に貫通された貫通孔であり、リンク収容凹部１３と対向した位置に設けられている。第１入出力軸３２はベース部材１１の両面１１ａ,１１ｂに亘って配置され、第２入出力軸３４はベース部材１１の外向き面１１ｂの側に配置されている。
【００３１】
減速機３０は、両入出力軸３２,３４のうちの一方に入力された入力回転量を所定の変換比ｎに基づいて出力回転量に変換して他方から出力する。第１入出力軸３２は、第２入出力軸３４に対して、変換比ｎに基づいて減速されて回転する。第１入出力軸３２の１回転に対して第２入出力軸はｎ（ｎ＞１）回転する。第１入出力軸３２は、既に説明したとおり、出力リンク２０と接続されている。第２入出力軸３４は、この後説明するとおり、入出力側動力伝達手段４０を介してゼンマイバネ１００の内端１０２（後述参照）と接続されている。したがって、減速機３０は、出力リンク２０とゼンマイバネ１００との間に介在されて、出力リンク２０とゼンマイバネ１００の内端１０２との一方から入力された入力回転量を変換比ｎに基づいて出力回転量に変換して他方に出力する。
【００３２】
入出力側動力伝達手段４０は、図２,４に示すように、減速機側プーリ４２と、バネ側プーリ４４と、両プーリを接続するベルト４６と、を有する。両プーリ４２,４４の径は同一である。両プーリ４２,４４は、ベース部材１１の外向き面１１ｂの側に配置されている。減速機側プーリ４２は、第２入出力軸３４に相対回転不能な状態で取付けられており、第２入出力軸３４とともに同軸で回転する。
【００３３】
バネ側プーリ４４は、図２,４に示すように、ゼンマイバネ１００と対向して設けられており、かつ、ゼンマイバネ１００に対してベース部材１１とは反対側に設けられている。バネ側プーリ４４の軸心には、支持軸１１０が貫通されている。支持軸１１０は、後述の剛性調整部材８０によってバネ中心軸線Ｐ２と同軸に保持されている。バネ側プーリ４４は、支持軸１１０によって、バネ中心軸線Ｐ２と同軸にて回転可能に支持されている。バネ側プーリ４４は、ゼンマイバネ１００と対向する側に面に、軸状の内端支持部４４ａを有する。内端支持部４４ａは、バネ側プーリ４４の軸心から径方向に離れた位置にて、ゼンマイバネ１００に向けて延びている。内端支持部４４ａは、ゼンマイバネ１００の内端１０２に嵌め込まれており、内端１０２をバネ中心軸線Ｐ２まわりに回転させる（図８,９参照）。
【００３４】
ゼンマイバネ１００は、図２,４に示すように、ベース部材１１の外向き面１１ｂの側に配置されている。ゼンマイバネ１００は、板バネを渦巻き状に成形したバネである。ゼンマイバネ１００の内端１０２（内周側の端部）と外端１０４（外周側の端部）とはそれぞれ、バネ中心軸線Ｐ２方向に貫通された孔形状に巻回されている。内端１０２には、既に説明したとり、バネ側プーリ４４の内端支持部４４ａが嵌め込まれている。外端１０４には、剛性調整部材８０の外端接続部９２ｂ（後述参照）が嵌め込まれている。内端１０２と外端１０４とが支持されることで、ゼンマイバネ１００はバネ中心軸線Ｐ２が一定の位置に保持されている。なお、上述の支持軸１１０は、ゼンマイバネ１００とは接触していない。
【００３５】
ゼンマイバネ１００は、バネ中心軸線Ｐ２まわりに内端１０２と外端１０４とが相対的に反対方向へ回転されることで、図８に示す自由状態から径方向内方へ縮まった縮径状態、あるいは、自由状態から径方向外方へ拡がった拡径状態（図９,１０参照）へと変形して、弾性エネルギーを蓄える。なお、自由状態にあるゼンマイバネ１００には弾性エネルギーが蓄えられていない。内端１０２は、出力リンク２０の揺動運動に応じて回転する。外端１０４は、後述のモータ出力軸５２ａの回転に応じて回転する。なお、モータ出力軸５２ａは、後述の剛性調整動力伝達手段５３及び剛性調整部材８０を介して、外端１０４と接続されている。外端１０４が内端１０２に対して回転されると、出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性（ゼンマイバネのバネ力）が変更される。出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性は、出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上のバネ定数である。ゼンマイバネ１００の回転の様子については、後で図８〜１０を用いて詳しく説明する。
【００３６】
剛性調整部材８０は、図２,４に示すように、ゼンマイバネ１００に対してベース部材１１の側に配置されている。剛性調整部材８０は、調整部本体８２と、調整部本体８２と一体に設けられた接続用張出部９２及び規制用張出部９４と、を有する。調整部本体８２は、段付き状に設けられた大円柱部８４及び小円柱部８６と、両円柱部８４,８６と同軸に設けられているとともに小円柱部８６に連続する調整円盤部９０と、を有する。大円柱部８４は、ベース部材１１に設けられた調整部材収容部１６に配置されている。調整部材収容部１６は、ベース部材１１が厚み方向に貫通された円形の貫通孔である。調整部材収容部１６には、例えばすべり軸受７０が固定されている。すべり軸受７０は、大円柱部８４を回転可能に支持している。大円柱部８４は、すべり軸受７０から軸方向に退出不能である。小円柱部８６は、ベース部材１１から外向き面１１ｂの側にはみ出して配置されている。調整円盤部９０は、ゼンマイバネ１００と対向している。なお、調整部本体８２の軸心には、支持軸１１０が貫通されている。調整部本体８２は、支持軸１１０をバネ中心軸線Ｐ２と同軸で保持している。調整部本体８２は、支持軸１１０まわりにバネ中心軸線Ｐ２と同軸で回転する。なお、この後説明する接続用張出部９２及び規制用張出部９４は、調整部本体８２と一体となって回転する。
【００３７】
調整円盤部９０は、図５に示すように、その外周面から張り出した接続用張出部９２及び規制用張出部９４を有する。規制用張出部９４は、３箇所に設けられている。各規制用張出部９４は、それらの個々を第１規制用張出部９４Ａ、第２規制用張出部９４Ｂ、第３規制用張出部９４Ｃとして区別して説明する。各規制用張出部９４Ａ,９４Ｂ,９４Ｃの構成は同一である。各規制用張出部９４Ａ,９４Ｂ,９４Ｃは、図６に示すように、剛性調整部材８０の軸心Ｐ３を挟んで接続用張出部９２とは反対側に設けられている。詳細には、各規制用張出部９４Ａ,９４Ｂ,９４Ｃは、剛性調整部材８０の軸心Ｐ３に対して直交するとともに接続用張出部９２の張り出し方向に対して直交する仮想直線Ｗを挟んで接続用張出部９２とは反対側に設けられている。第２規制用張出部９４Ｂは、接続用張出部９２と対称な位置関係にある。第１規制用張出部９４Ａ及び第３規制用張出部９４Ｃは、第２規制用張出部９４Ｂから周方向に例えば６０度離れた位置に設けられている。なお、剛性調整部材８０の軸心Ｐ３は、バネ中心軸線Ｐ２と一致している。
【００３８】
接続用張出部９２は、図５に示すように、接続用延長部９２ａと、外端接続部９２ｂと、を有する。接続用延長部９２ａは、調整円盤部９０の外周面から径方向に突出している。外端接続部９２ｂは、接続用延長部９２ａからゼンマイバネ１００の側へ突出した軸状部であり、バネ中心軸線Ｐ２と平行に延びている。外端接続部９２ｂは、ゼンマイバネ１００の外端１０４に嵌め込まれており、外端１０４をバネ中心軸線Ｐ２まわりに回転させる（図９,１０参照）。
【００３９】
規制用張出部９４は、図５に示すように、規制用延長部９６と、拡径規制部９８と、を有する。規制用延長部９６は、調整円盤部９０の外周面から径方向に突出している。規制用延長部９６の先端は、ゼンマイバネ１００の外周面よりも径方向外方に位置している。拡径規制部９８は、規制用延長部９６の先端からゼンマイバネ１００の側へ突出した軸状部であり、バネ中心軸線Ｐ２と平行に延びている。拡径規制部９８は、ゼンマイバネ１００の外周まわりに配置されている。拡径規制部９８は、図１０に示すように、拡径状態となったゼンマイバネ１００の外周面に接触して、ゼンマイバネ１００の径方向外方への広がりを規制するように機能する。なお、拡径規制部９８には、当該拡径規制部９８の軸線まわりに回転自在とされたローラＲが装着されている。ローラＲは、拡径状態となったゼンマイバネ１００の外周面を円滑に周方向に案内する。
【００４０】
駆動モータ５２は、図４に示すように、ベース部材１１に設けられたモータ収容部１８に固定されている。モータ収容部１８は、駆動モータ５２に対応する形状にベース部材１１が厚み方向に貫通された貫通孔である。モータ出力軸５２ａは、ベース部材１１の内向き面１１ａの側に突出している。モータ出力軸５２ａは、正逆両方向に回転する。モータ出力軸５２ａの回転は、制御手段９にて制御されている。モータ出力軸５２ａの回転は、この後説明する剛性調整動力伝達手段５３を介して剛性調整部材８０を回転駆動し、ゼンマイバネ１００の外端１０４を回転させる。また、駆動モータ５２には、図示しないエンコーダが取付けられている。
【００４１】
剛性調整動力伝達手段５３は、図３,４に示すように、第１剛性可変プーリ５４と、第２剛性可変プーリ５６と、両剛性可変プーリ５４,５６を接続するベルト５８と、を有する。第１剛性可変プーリ５４は、ベース部材１１の内向き面１１ａの側に配置されており、駆動モータ５２と対向している。第１剛性可変プーリ５４は、モータ出力軸５２ａに相対回転不能な状態で取付けられており、モータ出力軸５２ａとともに同軸で回転する。
【００４２】
第２剛性可変プーリ５６は、ベース部材１１の内向き面１１ａの側に配置されており、剛性調整部材８０と対向している。第２剛性可変プーリ５６は、その軸心に、支持軸１１０が貫通されている。第２剛性可変プーリ５６は、支持軸１１０によって剛性調整部材８０と同軸かつ回転可能に支持されている。第２剛性可変プーリ５６は、剛性調整部材８０と対向する側の面に、軸状の接続部５６ａを有する。接続部５６ａは、第２剛性可変プーリ５６の軸心から径方向に離れた位置にて、剛性調整部材８０に向けて延びている。接続部５６ａは、剛性調整部材８０の大円柱部８４に設けられた接続孔８４ａに嵌め込まれている。接続部５６ａは、支持軸１１０まわりに剛性調整部材８０を回転させる。
【００４３】
第２剛性可変プーリ５６は、第１剛性可変プーリ５４よりも径が大きい。したがって、駆動モータ５２のトルクは、増幅されて剛性調整部材８０に伝達されてゼンマイバネ１００に入力される。したがって、駆動モータ５２のトルクは少なくてよく、駆動モータ５２を小型化できるとともに、駆動モータ５２の消費電流が抑えられる。
【００４４】
アシスト装置１の動作について説明する。ユーザＵの歩行に伴う出力リンク２０の往復揺動運動は、減速機３０及び入出力側動力伝達手段４０を介してゼンマイバネ１００に入力され、ゼンマイバネ１００の内端１０２を回転させる。この回転の様子については、後で図８〜１０を用いて説明する。内端１０２が回転すると、ゼンマイバネ１００には、出力リンク２０の揺動角度に応じた弾性エネルギーが蓄積される。この後、ゼンマイバネ１００は、内端１０２の回転変位を解消するように復帰方向へ回転することで、自身に蓄積された弾性エネルギーを出力リンク２０に向けて放出する。ゼンマイバネ１００の復帰方向への回転は、減速機３０及び入出力側動力伝達手段４０を介して出力リンク２０に出力され、出力リンク２０を揺動させる。この揺動は、ユーザＵの歩行（ユーザＵの大腿部Ｕ２の揺動運動）をアシストする。このように、アシスト装置１では、ユーザＵの大腿部Ｕ２の往復揺動運動に応じて弾性エネルギーをゼンマイバネ１００に蓄積するエネルギー蓄積モードと、ゼンマイバネ１００に蓄積した弾性エネルギーを放出してユーザＵの大腿部Ｕ２の往復揺動運動を支援するエネルギー放出モードと、が交互に繰り返される。なお、制御手段９は、出力リンク２０の揺動角度に応じて、出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性をリアルタイムで変更させる。すなわち、制御手段９は、エンコーダ１３０にて検出された出力リンク２０の揺動角度に応じてモータ出力軸５２ａを回転させる。モータ出力軸５２ａを回転は、剛性調整動力伝達手段５３を介して剛性調整部材８０を回転駆動し、ゼンマイバネ１００の外端１０４を回転させる。この結果、出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性が変更される。外端１０４の回転の様子については、この後で図８〜１０を用いて説明する。制御手段９は、ユーザＵの大腿部Ｕ２の往復揺動運動に要するユーザ自身の駆動エネルギーが常に最小となるようにゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性を変更させる。
【００４５】
出力リンク２０の往復揺動運動に伴うゼンマイバネ１００の回転変位の様子について説明する。図７は、出力リンク２０が往復揺動運動する様子を示している。出力リンク２０が、図７の実線にて示す揺動基準位置にあるとき、ゼンマイバネ１００は、図８に示す自由状態にある。図８に示す基準線ＦＦは、バネ中心軸線Ｐ２と内端１０２とを通る仮想直線であり、内端１０２の基準位置を示している。また、基準線ＦＦは、バネ中心軸線Ｐ２と外端１０４とを通る仮想直線であり、外端１０４の基準位置を示している。なお、図８〜１０では、剛性調整部材８０に関して、拡径規制部９８及び外端接続部９２ｂのみを概略的に示している。
【００４６】
図７の点線は、出力リンク２０が揺動基準位置から時計回り方向（前方）に揺動角度θだけ揺動した状態を示している。この出力リンク２０の揺動に応じて、ゼンマイバネ１００の内端１０２は、図９に示すように、基準位置から時計回り方向に回転角度ｎ・θだけ回転する。既に説明したとおり、ｎは、減速機３０の変換比である。なお、図９では、駆動モータ５２が駆動されておらず、外端１０４が基準位置にある。図９に示す状態においては、内端１０２に、回転角度ｎ・θに応じたトルクが反時計回り方向へ働く。このトルクは、出力リンク２０を反時計回り方向（後方）に揺動させて、ユーザの歩行をアシストする。なお、出力リンク２０の揺動に応じてゼンマイバネ１００の内端１０２が反時計回り方向に回転した場合には、内端１０２に時計回り方向のトルクが働き、出力リンク２０が時計回り方向（前方）に揺動される。
【００４７】
図１０は、図９に示す状態に対して、駆動モータ５２が駆動されて、外端１０４が基準位置から反時計回りに方向に回転角度θ１だけ回転した状態を表している。図１０に示す状態においては、内端１０２に、回転角度ｎ・θと回転角度θ１とを足し合わせた分のトルクが、反時計回り方向に働く。このトルクが出力リンク２０に出力されて、ユーザの歩行をアシストする。図１０に示す状態においては、外端１０４が内端１０２に対して回転変位されることで、図９に示す状態に対して、出力リンク２０から見た見かけ上の剛性が変更されている。したがって、図１０に示す状態にいては、ゼンマイバネ１００に蓄積される弾性エネルギーが図９に示す状態とは異なる。なお、図９に示す状態に対して、外端１０４が基準位置から時計回り方向に回転角度θ１だけ回転した場合には、内端１０２に、回転角度ｎ・θから回転角度θ１を減じた分のトルクが働く。
【００４８】
図１０に示すように、各拡径規制部９８は、拡径状態となったゼンマイバネ１００の外周面に接触して、ゼンマイバネ１００の径方向外方への広がりを規制する。したがって、ゼンマイバネ１００は、その変形が所定の範囲内に留められる。そのため、剛性可変ユニット１０においては、ゼンマイバネ１００の変形のために確保するスペースを小さく設定できる。したがって、剛性可変ユニット１０は、小型化される。
【００４９】
各拡径規制部９８は、図１０に示すように、バネ中心軸線Ｐ２を挟んで外端接続部９２ｂとは反対側に配置されている。図１０に示すように、ゼンマイバネ１００は拡径状態となったとき、バネ中心軸線Ｐ２を挟んで外端１０４とは反対側の部位が径方向外方に広がる。したがって、各拡径規制部９８が、バネ中心軸線Ｐ２を挟んで外端接続部９２ｂとは反対側に配置されていることで、ゼンマイバネ１００の径方向外方への広がりは確実に規制される。
【００５０】
各拡径規制部９８には、ローラＲが装着されている。したがって、各拡径規制部９８は、ローラＲにてゼンマイバネ１００の外周面に接触して当該外周面を円滑に周方向に案内しながら、ゼンマイバネ１００の広がりを規制する。
【００５１】
アシスト装置１は以上のように構成されている。上述の構成においては、制御手段９が、出力リンク２０の揺動角度に応じて出力リンク２０から見たゼンマイバネ１００の見かけ上の剛性をリアルタイムに変更することで、ゼンマイバネ１００から出力リンク２０に出力されるエネルギーがリアルタイムで調整され、ユーザＵの大腿部Ｕ２の往復揺動運動が高効率でアシストされる。
【００５２】
上述の構成においては、ユーザＵの腰Ｕ１の側部に面して配置されたベース部材１１に対して、減速機３０とゼンマイバネ１００と駆動モータ５２とが並列配置されている（図１参照）ことから、ユーザＵの腰Ｕ１の側方へ向けた部材のかさばりが抑えられ、剛性可変ユニット１０がユーザＵの腰Ｕ１から側方に薄型化される。
【００５３】
上述の構成においては、弾性体としてゼンマイバネ１００が採用されている。ゼンマイバネ１００は、内端１０２の外端１０４に対する正逆両方向への回転変位に応じて縮径あるいは拡径して弾性エネルギーを蓄積する。したがって、剛性可変ユニット１０では、コイルバネのように伸長方向の一方向への変位動作によってしか弾性エネルギーを蓄積できないバネを用いた場合とは異なり、出力リンク２０の往復揺動運動に伴って減速機３０から入力される正逆両方向への回転動作に対応して弾性エネルギーを蓄積できる。また、ゼンマイバネ１００は、上述のように、回転変位に応じて弾性エネルギーを蓄積する。したがって、剛性可変ユニット１０では、例えばコイルバネのように直動変位に応じて弾性エネルギーを蓄積するバネを用いた場合とは異なり、ゼンマイバネ１００と減速機３０との接続機構において直線動作を回転動作に変更する機構が不要で当該接続機構が減速機側プーリ４２とバネ側プーリ４４とベルト４６で簡易に構成できる。したがって、剛性可変ユニット１０は小型化される。
【００５４】
上述の構成においては、出力リンク２０とゼンマイバネ１００との間に減速機３０が介在されていることから、ゼンマイバネ１００が出力するトルクが増幅されて出力リンク２０に入力される。したがって、バネ定数が小さい比較的小型のゼンマイバネ１００を採用でき、ゼンマイバネ１００が回転変位する際にゼンマイバネ１００を支える部材にかかる負荷が小さくなる。したがって、ゼンマイバネ１００を小型化できるとともに、ゼンマイバネ１００を支える部材点数を削減でき、剛性可変ユニット１０が小型化される。
【００５５】
以上は、本発明を実施するための形態を図面に関連して説明したが、本発明は上述の実施形態にて説明した構造、構成、外観、形状等に限定されるものではなく、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。
【００５６】
減速機３０とゼンマイバネ１００と駆動モータ５２とは、これらの３つのうち２つのみを並列に配置するように構成してもよい。例えば、減速機３０とゼンマイバネ１００とを同軸で配置し、減速機３０とゼンマイバネ１００とに対して駆動モータ５２を並列で配置してもよい。この場合、入出力側動力伝達手段４０が廃止されるとともに、減速機３０とゼンマイバネ１００とを直接接続できる。
【００５７】
駆動モータ５２とゼンマイバネ１００とを同軸で配置し、駆動モータ５２とゼンマイバネ１００とに対して減速機３０を並列で配置してもよい。この場合、剛性調整動力伝達手段５３が廃止される。そして、駆動モータ５２とゼンマイバネ１００とは剛性調整部材８０を介して接続される。
【００５８】
駆動モータ５２と減速機３０とを同軸で配置し、ゼンマイバネ１００のみを駆動モータ５２と減速機３０とに対して並列で配置してもよい。なお、減速機３０と出力リンク２０とを並列に配置し、減速機３０と出力リンク２０とを、直接ではなく、適宜の動力伝達手段（第３動力伝達手段）を介して接続してもよい。この場合、減速機３０の両入出力軸３２,３４と、出力リンク２０の揺動中心軸線と、は平行な位置関係になる。
【００５９】
アシスト装置１を構成する各部材は、上述の実施形態と同様に機能すれば、構造、構成、外観、形状等を自由に変更可能である。
【００６０】
アシスト装置は、ユーザＵの右脚側に配置して使用してもよい。この場合のアシスト装置の構成は、上述の実施形態に示した構成に対して左右対称とされる。アシスト装置は、左右の両脚のそれぞれに対して装着してもよい。
【００６１】
弾性体は、ゼンマイバネ１００に限定されるものではなく、上述のエネルギー蓄積モードとエネルギー放出モードとを交互に繰り返すことができるものであれば、どのようなものでもよい。
【００６２】
拡径規制部９８の数は、３つに限定されるものではなく、いくつであってもよい。拡径規制部９８の配置は、図６に示す仮想直線Ｗ（バネ中心軸線Ｐ２）を挟んで外端接続部９２ｂとは反対側であればよく、上述の実施形態で示した配置に限定されるものではない。
【００６３】
本発明の揺動関節装置は、上述のアシスト装置１に限定されるものではなく、周期的な揺動運動をする関節を制御する装置であれば、如何なる装置であってもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１     アシスト装置（揺動関節装置）
９     制御手段
２０   出力リンク（揺動運動部）
３０   減速機
３２   第１入出力軸
３４   第２入出力軸
４０   入出力側動力伝達手段（第２動力伝達手段）
５０   剛性可変手段
５２   駆動モータ
５２ａ モータ出力軸
５３   剛性調整動力伝達手段（第１動力伝達手段）
５４   第１剛性可変プーリ
５６   第２剛性可変プーリ
８０   剛性調整部材
８２   調整部本体
９２ｂ 外端接続部
９８   拡径規制部
１００ ゼンマイバネ（弾性体）
１０２ 内端
１０４ 外端
１３０ エンコーダ（角度検出手段）
ｎ     変換比
Ｐ２   バネ中心軸線
Ｒ     ローラ
【図１】
0006638411.tif 000002
【図２】
0006638411.tif 000003
【図３】
0006638411.tif 000004
【図４】
0006638411.tif 000005
【図５】
0006638411.tif 000006
【図６】
0006638411.tif 000007
【図７】
0006638411.tif 000008
【図８】
0006638411.tif 000009
【図９】
0006638411.tif 000010
【図１０】
0006638411.tif 000011
【図１１】
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