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JP4132997B2 - Arcuate tube actuator and joint motion support device using the same - Google Patents
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JP4132997B2 - Arcuate tube actuator and joint motion support device using the same - Google Patents

Arcuate tube actuator and joint motion support device using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弓状チューブアクチュエータ及びそれを用いた関節運動支援装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
治療のための過度な安静・臥床は、逆に関節拘縮、筋力低下、骨粗鬆症などの廃用症候群(disuse syndrome)という二次的障害をもたらす。この予防策として、例えば、脳卒中患者のリハビリにおいて、車椅子を使用せず術後早期の日常生活から看護師とマンツーマンの歩行訓練が取り入れられ始めており、その結果、車椅子使用の患者に比べて歩行回復率が著しく高まる効果が確認されている。
【0003】
しかしながら、上記したような歩行支援が必要な患者の支持脚・遊脚動作を直接アシスト(支援)する看護師の負担は極めて重く、ニーズに対応しきれないのが現状である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記したような患者の身体動作を支援するためのアクチュエータとして様々なアクチュエータが開発されてきたが、その多くが、重い、突出度が大きい、身体可動範囲を狭める、装着が困難などの問題点を有していた。
【0005】
一方、本発明者らは、患者の自立的歩行促進と看護師の負担軽減を図るために、患者個々の能力に適応した歩行支援を行えるウェアラブル・フルイドパワーの開発を目標として研究を重ねてきた。その一例として、流体、特に空気の軽量・柔軟性を生かした装着型流体制御システムがあり、すでに、本発明者らはWound Tube Actuatorを用いた装着感重視の腕や指の駆動系設計法を提案してきている〔参考文献1:塚越,北川,鎌田,“Wound TubeActuatorを用いたウェアラブル・フルイドパワーの実現”,計測自動制御学会SI部門講演会,305−306(2001),参考文献2:北川,塚越,鎌田,“Wound Tubeアクチュエータによるウェアラブル・フルイドパワーの開発(第1報アクチュエータの動作特性)”,平成13年春季フルイドパワーシステム講演会,103−105(2001)〕。
【0006】
着心地のよいアクチュエータの設計指標として、本発明者らは以下の式(1)に示す「装着感指数Iw 」(0<Iw <1)を導入してきた(参考文献1)。
【0007】
w =〔(ψ1 /ψ0 )+(d0 /d1 )+(m0 /m1 )〕/3 …(1)
これは、装着前後における可動範囲(ψ)、突出度(d)、重量(m)の比率の総和をとり、その平均値が1に近づくほど、装着前の自然体に近い優れた装着感を実現できることを意味する。
【0008】
そこで、この装着感指数IW を高める身体駆動用アクチュエータとして、身体周部に巻きつくように装着できる偏平チューブ(Wound Tube)の有効性に着目してきた(参考文献2)。これは、図9(b)に示すように断面が予め潰れたウレタンチューブ101で構成されており、図9(a)に示すように、内部を空気で加圧すると、図9(c)に示すように、ウレタンチューブ101′はその断面周長がほとんど変化せずに膨らむため、耐圧も高く、効率的な力の伝達が可能である。
【0009】
この装置は、人体の腕や下肢の周部に巻きつける流体圧アクチュエータであるため、挫屈し難く大きい力も生成できるが、下肢に装着する際にかかとでつかえてしまうため、装着が困難であるといった問題があった。
【0010】
本発明は、上記状況に鑑みて、歩行支援へ発展させるために、下肢で最も大きな可動範囲を必要とする膝の駆動系に着目し、装着性とエネルギー効率性に優れた弓状チューブアクチュエータ及びそれを用いた関節運動支援装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕弓状チューブアクチュエータにおいて、断面が中空で、かつ内部への流体の加圧がない状態で予め偏平な形状をなすチューブを、この偏平部の平面が重なるように折り戻しながら束ねることによって弓状の形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を高めることによって弓状の形状を保存しながらその厚みが増す方向に変形可能にしたことを特徴とする。
【0012】
〔2〕上記〔1〕記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記弓状チューブの折り戻し部において、流体経路を封じないように前記弓状チューブ内部に前記流体経路を確保するためのスペーサを挿入することを特徴とする。
【0013】
〔3〕上記〔2〕記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記スペーサが線状体又は小型チューブであることを特徴とする。
【0014】
〔4〕上記〔1〕記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブは熱可塑性チューブであり、断面が予め偏平な形状をなし、内部を流体で加圧するとその断面長は変化せずに膨らみ、耐圧性が高く、かつ効率的な力の伝達を行うことを特徴とする。
【0015】
〔5〕上記〔1〕記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブの外形を保持するために前記チューブを編み上げる、弾性を有する捕縛体を具備することを特徴とする。
【0016】
〔6〕上記〔1〕記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブが積み重ねられる長尺方向によって接着される固定部を具備することを特徴とする。
【0017】
〔7〕弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、断面が中空で、かつ内部への流体の加圧がない状態で予め偏平な形状をなすチューブを、この偏平部の平面が重なるように折り戻しながら束ねて弓状の形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を変化させることによって弓状の形状を保存しながらその厚みが増す方向に変形可能にした弓状チューブアクチュエータを人体の関節部の上下に配置して、前記関節部にはこの関節部の屈伸を支援する屈伸支援手段を具備することを特徴とする。
【0018】
〔8〕上記〔7〕記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、前記関節部は膝関節部であり、前記関節運動支援装置は、前記膝関節部の上下に配置される弓状チューブアクチュエータに供給される流体系と、屈伸制御機構と、前記流体系を制御して前記屈伸制御機構を作動させる電子制御装置とを具備することを特徴とする。
【0019】
〔9〕上記〔8〕記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、足裏に設けられる油圧マットを備え、前記屈伸制御機構は、前記油圧マットの動作により支持脚相となることが検知されるとロックして膝関節を固定し、前記油圧マットの動作により遊脚相となることが検知されるとロックを解除して膝関節を駆動する、歩行時の膝関節部の運動の支援を行うことを特徴とする。
【0020】
〔10〕上記〔8〕記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、足裏に設けられる圧力センサを備え、前記屈伸制御機構は、前記圧力センサにより支持脚相となることが検知されるとロックして膝関節を固定し、前記圧力センサにより遊脚相となることが検知されるとロックを解除して膝関節を駆動する歩行時の膝関節部の運動の支援を行うことを特徴とする。
【0021】
上記した本発明の弓状チューブアクチュエータ及びその関節運動支援装置によれば、チューブ内部を流体で加圧するという簡素な構造であるため重量が軽く、弓状チューブの曲率を装着部の身体形状と一致するように成形することによって、突出度を最低限に抑えた身体動作の支援を可能とする。この弓状チューブの外周にわたってベルトなどを巻きつけることによって、変位も拡大できるため、身体の可動範囲を狭めることもなく、また、装着も極めて容易である。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0023】
図1は本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータの構成図であり、図1(a)はその弓状チューブアクチュエータの人体への装着状態を示す上面図、図1(b)はその弓状チューブアクチュエータの人体への装着状態を示す側面図、図2はその弓状チューブアクチュエータを示す図であり、図2(a)はその弓状チューブアクチュエータの加圧前(収縮した状態)を示す図、図2(b)はその弓状チューブアクチュエータの加圧後(膨らんだ状態)を示す図、図2(c)は図2(b)のA−A線断面図である。
【0024】
これらの図において、1は弓状チューブアクチュエータ〔Arch TubeActuator(ATA)〕、1Aは弓状チューブアクチュエータ1を上下方向に編み上げる弾性を有する糸状捕縛体であり、弓状チューブアクチュエータ1の外形を保持することができる。その糸状捕縛体1Aの編み上げ方は種々の方法を採用することができる。また、後述(図4参照)するが、糸状捕縛体を用いずに保持するようにしてもよい。2は弓状チューブアクチュエータ1が装着される人体の一部、3は弓状チューブアクチュエータ1が収縮した状態1′及び膨らんだ状態1″に応答するワイヤ、4は弓状チューブアクチュエータ1を保持する下部板、5は弓状チューブアクチュエータ1を把持する上部板である。
【0025】
この実施例では、図1及び図2に示すように、周部巻きつけ型の螺旋状のWound Tube Actuator(WTA)が半円ごとに折り曲げられた、弓状チューブアクチュエータ(ATA)1が構成される。周部巻きつけ型のWTAと比較すると、ATA1は体の一部を通す必要がないため装着が容易になるという利点を有する。
【0026】
また、前記チューブは熱可塑性チューブ(例えば、ウレタン)であり、断面が予め偏平な形状をなし、内部を空気で加圧するとその断面長は変化せずに膨らむために、耐圧性が高く、かつ効率的な力の伝達を行うことができる。
【0027】
図3は本発明の第2実施例を示す弓状チューブアクチュエータの構成図(代用写真)であり、図3(a)はその弓状チューブの加圧前の斜視図、図3(b)はその弓状チューブの加圧後の斜視図、図3(c)はその弓状チューブの人体装着面を示す斜視図である。
【0028】
弓状チューブアクチュエータ1の製作時に注意すべき点は、単にチューブを折り曲げただけでは空気経路が遮断されてしまう恐れがあるため、完全には折れにくい材料を用いるのが望ましい。
【0029】
また、空気経路遮断の防止策として、内部に線状体(小型チューブでもよい)6をスペーサとして挿入し、常に弓状チューブの空気経路を確保するように構成するのが望ましい。
【0030】
例えば、外径150mm、内径110mmのATA1は、6気圧で約230kgfの出力を生成できるが、膝のように大きな可動範囲を必要とする部位においては、力を削減しても変位量の増幅が求められる。
【0031】
このような場合、上記したワイヤ3による変位拡大法(Wire−Expander)が有効である。すなわち、図1に示すように、通過するワイヤ本数に比例した増速効果を有するとともに、ATA1の挫屈防止、ATA1の均一的な変位補助としても役立つ。
【0032】
図4は本発明の他の実施例を示す弓状チューブアクチュエータの保持機構の断面図であり、図4(a)は流体により加圧されない状態での弓状チューブアクチュエータの保持機構を、図4(b)は流体により加圧された状態での弓状チューブアクチュエータの保持機構をそれぞれ示している。
【0033】
これらの図に示すように、折り返して積層される弓状チューブ7相互間にその弓状チューブ7の長尺方向に沿って接着剤(両面接着テープでもよい)を施した固定部8が設けられている。
【0034】
このように隣り合う弓状チューブ7間を接着剤などで固定することにより、弓状チューブ7を糸状捕縛体で編み上げることなく保持することができる。
【0035】
次に、歩行時の脚の各関節角の変化について説明する。
【0036】
歩行支援に求められるアクチュエータの可動範囲や特性を明らかにするため、歩行時1周期における足関節の角度変化を各関節にポテンシオメータを装着して計測した。健常者による水平面歩行時の結果を図5に示す。
【0037】
この図からわかるように、最も可動範囲の大きい膝関節において、支持脚相ではほとんど角度変化がみられないため、効率的な歩行支援として支持脚相では膝関節を固定し、極端に大きなトルクを要さない遊脚相のみ駆動することが有効と考えられる。
【0038】
このような歩行支援の省エネルギー化と低トルク駆動は、屋外での稼働時間の延長に役立つだけでなく、エネルギー源が多大に存在する屋内においてもチューブサイズの縮小化につながり、装着感指数IW を増加させるアクチュエータの構成を実現できることになる。
【0039】
しかし、支持脚相開始時と終了時には膝関節の微小な角度変位を要することも図5より明らかである。そのため、膝関節を完全に固定するのではなく、若干の角度変位を許容するばねによる固定が有効と考えられる。
【0040】
図6は本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置の全体構成図、図7はその膝関節の関節運動支援装置の屈伸制御機構の構成図であり、図7(a)は遊脚の関節運動支援装置の動作を示す図、図7(b)は支持脚の関節運動支援装置の動作を示す図である。
【0041】
これらの図において、10は関節運動支援装置の装着装置、11は膝関節部、12は上部の弓状チューブアクチュエータ(ATA)、13は下部の弓状チューブアクチュエータ(ATA)、14は膝関節の屈伸制御機構、15は膝関節回転軸、16は第1の連結棒18を有する第1の回転板、17は第2の連結棒19,20を有する第2の回転板、21は膝関節回転軸15に固定されるブレーキアーム、22は上部の弓状チューブアクチュエータ12と第2の連結棒19の先端部に掛けられる第1のワイヤ、23は下部の弓状チューブアクチュエータ13とブレーキアーム21に掛けられる第2のワイヤである。また、第2の連結棒20が下部の弓状チューブアクチュエータ13と第2の回転板17を繋いでいる。
【0042】
また、腰回りには電子制御装置30が配置され、その電子制御装置30にはCPU(中央演算処理装置)31、メモリ32、入力インタフェース33、出力インタフェース34などが設けられる。
【0043】
さらに、足裏には油圧マット35が設けられ、膝関節部11の屈伸制御機構14のロックを可能にする。また、腰回りには流体タンク36も配置され、電磁弁スイッチ37の動作に応じてATA12,13の加圧、減圧を行わせることができる。なお、電磁弁スイッチ37の動作データを入力インタフェース33から電子制御装置30へ取り込み、その動作データにより、屈伸制御機構14を電磁ロックするようにしてもよい。
【0044】
このように、膝関節部11を中心として、上部のATA12と下部のATA13が配置され、膝関節部11には膝関節の屈伸制御機構14が配置される。
【0045】
以下、自重ロック式膝関節制御の原理について説明する。
【0046】
これらの原理によって、上記した弓状チューブアクチュエータを用いた、歩行時の膝関節駆動を省エネルギーで支援することができる。
【0047】
足裏に装備された油圧マット35は、遊脚相から支持脚相の開始と同時に内圧が高まり、膝関節の屈伸制御機構14のロック機構の圧力源となり、図7(b)に示すように、膝関節の屈伸制御機構14をロックし、膝関節を固定する。なお、油圧マット35に代えて圧力センサ38を設けて、その圧力センサ38からのデータを電子制御装置30に取り込み、膝関節の屈伸制御機構14の電磁制御を行うようにしてもよい。
【0048】
次に、油圧マット35内部の圧力減少が、遊脚相の開始信号として働き、膝関節の屈伸制御機構14のロックを解除するとともに、電磁弁スイッチ37がONされて流体タンク36からの空圧によって膝関節が曲げられる。その膝関節の屈伸制御機構14を以下に詳細に説明する。
【0049】
図7の上下のATA12,13は、関節運動支援装置の装着装置10により、膝関節部11を両脇から挟むように装着されており、関節運動支援装置はそれぞれ膝関節回転軸15を中心に合わせて回転可能な2枚の第1及び第2の回転板16,17と1つのブレーキアーム21、および2つのATA12,13から構成されている。図7(a)に示すように、遊脚相では、上部のATA12を加圧する(膨らませる)ことにより、腿節に固定された第1の回転板16に対して腿節に固定された第2の回転板17が膝関節部11を曲げるように回転駆動され、逆に、図7(b)に示すように、支持脚相では上部のATA12を減圧する(収縮させる)と脚の自重で膝関節部11が伸びるように反対に回転する。また、支持脚相では、油圧マット35への加圧によってロック機能が働き、ブレーキアーム21と第1の回転板16が一体となる。そのため、膝関節部11を曲げようとすると、ブレーキアーム21に取り付けられた第2のワイヤ23が下部のATA13を縮めようとする。下部のATA13は遊脚・支持脚を通して空圧エネルギーの出入りのない比較的高い圧力での加圧状態が保たれているため、弾性係数の高いばねとして作用し、微小変位はあるものの、十分体重を支えられるだけの回転反力を生成し得る。さらに、階段昇降時の支持脚相では下部のATA13の内圧の調整が有効と考えられる。
【0050】
図8は本発明の他の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置の構成図であり、図8(a)は遊脚の関節運動支援装置の動作を示す図、図8(b)は支持脚の関節運動支援装置の動作を示す図である。
【0051】
この実施例では、膝関節の屈伸制御機構14として引っ張り補助バネ41,42を有する4本リンク機構43を用いるとともに、上部の弓状チューブアクチュエータ48の支持板を2枚の縦板44A,44Bで組み立てるとともに、その下部に連結板45を設け、同様に、下部の弓状チューブアクチュエータ49の支持板を2枚の縦板46A,46Bで組み立てるとともに、その上部に連結板47を設けるようにしている。
【0052】
そこで、遊脚相の場合には、上部ATA48は加圧せず、下部ATA49は加圧して膝関節を強く駆動し、一方、支持脚相の場合には、上部ATA48は加圧し、下部ATA49は加圧せず膝関節を確実に固定する。その他の部分は、上記した図6及び図7の膝関節の屈伸制御機構の構造と同様である。
【0053】
また、上記実施例では、チューブアクチュエータは弓状(窪み形状も含む)であればよく、その積層の仕方や巻き方については、種々の変更を行うことができる。
【0054】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0055】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0056】
(A)身体装着部の形状に合わせた形に成形することにより、突出度を最小限に抑えることができ、無理な姿勢をとることなく容易に着脱可能な、装着性のよい弓状チューブアクチュエータを実現することができる。
【0057】
(B)弓状チューブは熱可塑性チューブであり、断面が予め偏平な形状をなし、内部を空気が加圧するとその断面長は変化せずに膨らむので、耐圧性が高く、かつ効率的な力の伝達を行うことができる。
【0058】
(C)弓状チューブの外形を保持するためにチューブを編み上げる弾性を有する捕縛体を具備するようにしたので、弓状チューブアクチュエータはばらけることなく形状を保持することができる。
【0059】
(D)隣り合う弓状チューブ間を接着手段により固定することにより、弓状チューブを糸状捕縛体で編み上げることなく保持することができる。
【0060】
(E)弓状チューブアクチュエータを用いた屈伸支援手段を人体の関節部に装着することにより、その関節部の屈伸運動の支援を行うことができる。
【0061】
(F)弓状チューブアクチュエータを用いた屈伸支援手段を人体の膝関節部に装着することにより、歩行時の膝関節部の屈伸運動の支援を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータの構成図である。
【図2】本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを示す図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す弓状チューブアクチュエータの構成図(代用写真)である。
【図4】本発明の他の実施例を示す弓状チューブアクチュエータの保持機構の説明図である。
【図5】歩行支援に求められるアクチュエータの可動範囲や特性を明らかにするため、歩行時1周期における足関節の角度変化を各関節にポテンシオメータを装着して計測した結果を示す図である。
【図6】本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置の全体構成図である。
【図7】本発明の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置の屈伸制御機構の構成図である。
【図8】本発明の他の実施例を示す弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置の構成図である。
【図9】従来のチューブアクチュエータの構成図である。
【符号の説明】
1 弓状チューブアクチュエータ(ATA)
1A 弾性を有する捕縛体
1′ 弓状チューブアクチュエータが収縮した状態(無加圧状態)
1″ 弓状チューブアクチュエータが膨らんだ状態(加圧状態)
2 人体の一部
3 ワイヤ
4 下部板
5 上部板
6 線状体(小型チューブでもよい)
7 弓状チューブ
8 固定部
10 関節運動支援装置の装着装置
11 膝関節部
12,48 上部の弓状チューブアクチュエータ
13,49 下部の弓状チューブアクチュエータ
14 屈伸制御機構
15 膝関節回転軸
16 第1の回転板
17 第2の回転板
18 第1の連結棒
19,20 第2の連結棒
21 ブレーキアーム
22 第1のワイヤ
23 第2のワイヤ
30 電子制御装置
31 CPU(中央演算処理装置)
32 メモリ
33 入力インタフェース
34 出力インタフェース
35 油圧マット
36 流体タンク
37 電磁弁スイッチ
38 圧力センサ
41,42 引っ張り補助バネ
43 4本リンク機構
44A,44B;46A,46B 2枚の縦板
45,47 連結板
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arcuate tube actuator and a joint motion support device using the same.
[0002]
[Prior art]
Excessive rest / bed for treatment, conversely, causes secondary disorders such as joint contracture, muscle weakness, and disuse syndrome such as osteoporosis. As a preventive measure, for example, in the rehabilitation of stroke patients, walking training of nurses and one-on-one has started to be adopted from daily life early after surgery without using a wheelchair. The effect of significantly increasing the rate has been confirmed.
[0003]
However, the burden on the nurse who directly assists (supports) the support leg / free leg movement of a patient who requires walking support as described above is extremely heavy and cannot meet the needs.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, various actuators have been developed as actuators for supporting the patient's body movement as described above, but many of them are heavy, have a large degree of protrusion, narrow the body movable range, and are difficult to wear. Had a point.
[0005]
On the other hand, the present inventors have conducted research with the goal of developing wearable fluid power that can provide walking support adapted to the individual ability of patients in order to promote independent walking of patients and reduce the burden on nurses. . As an example, there is a wearable fluid control system that takes advantage of the lightness and flexibility of fluid, particularly air, and the present inventors have already developed a drive system design method for an arm and finger that emphasizes a feeling of wearing using a Wound Tube Actuator. [Reference 1: Tsukakoshi, Kitagawa, Kamada, “Realization of wearable fluid power using Wound TubeActuator”, SI Society of Instrument and Control Society, 305-306 (2001), Reference 2: Kitagawa , Tsukakoshi, Kamada, “Development of Wearable Fluid Power Using a Wound Tube Actuator (1st Report, Operating Characteristics of Actuator)”, Spring 2001 Fluid Fluid System Lecture, 103-105 (2001)].
[0006]
As a design index of a comfortable actuator, the present inventors have introduced “wear feeling index I w ” (0 <I w <1) shown in the following formula (1) (Reference Document 1).
[0007]
I w = [(ψ 1 / ψ 0 ) + (d 0 / d 1 ) + (m 0 / m 1 )] / 3 (1)
This is the sum of the ratios of the movable range (ψ), protrusion degree (d), and weight (m) before and after wearing, and the closer the average value is to 1, the better the feeling of wearing close to the natural body before wearing. Means you can.
[0008]
Therefore, attention has been paid to the effectiveness of a flat tube that can be worn around the body as a body driving actuator that increases the wearing feeling index I W (Reference Document 2). This is composed of a urethane tube 101 whose cross section is previously crushed as shown in FIG. 9 (b), and when the inside is pressurized with air as shown in FIG. 9 (a), FIG. 9 (c) shows. As shown in the figure, the urethane tube 101 'swells with almost no change in the cross-sectional circumference, so that the pressure resistance is high and efficient force transmission is possible.
[0009]
This device is a fluid pressure actuator that wraps around the circumference of the human arm and lower limbs, so it is difficult to buckle and can generate a large force, but it is difficult to wear because it can be used on the heel when worn on the lower limbs. There was a problem.
[0010]
In view of the above situation, the present invention focuses on a knee drive system that requires the largest movable range in the lower limbs in order to develop into walking support, and an arcuate tube actuator excellent in wearability and energy efficiency, and An object of the present invention is to provide a joint motion support device using the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In an arcuate tube actuator, by bundling a tube that has a hollow cross section and has a flat shape in a state where no fluid is pressurized to the inside while folding back so that the flat surfaces of the flat portions overlap. An arcuate shape is formed, and the fluid pressure in the tube is increased so that the arcuate shape can be preserved and deformed in the direction of increasing its thickness.
[0012]
[2] In the arcuate tube actuator according to [1], a spacer for securing the fluid path is inserted into the arcuate tube so as not to seal the fluid path at a folded portion of the arcuate tube. It is characterized by that.
[0013]
[3] The arcuate tube actuator according to [2], wherein the spacer is a linear body or a small tube.
[0014]
[4] In the arcuate tube actuator according to the above [1], the tube is a thermoplastic tube, and the cross-section has a flat shape in advance, and when the inside is pressurized with a fluid, the cross-sectional length does not change and swells, It is characterized by high pressure resistance and efficient transmission of force.
[0015]
[5] The arcuate tube actuator according to the above [1], further comprising an elastic restraining body for knitting the tube to maintain the outer shape of the tube.
[0016]
[6] The arcuate tube actuator according to [1], further comprising a fixing portion that is bonded in a longitudinal direction in which the tubes are stacked.
[0017]
[7] In an articulation support device using an arcuate tube actuator, a tube having a flat cross-section and a flat shape in a state where no fluid is pressurized therein is overlapped with a flat surface of the flat portion. An arcuate tube actuator that is formed into an arcuate shape by being bundled while being folded back, and that can be deformed in the direction of increasing its thickness while preserving the arcuate shape by changing the fluid pressure in the tube, It is arranged above and below the joint part, and the joint part is provided with a bending / extension support means for supporting the bending / extension of the joint part.
[0018]
[8] In the joint motion support device using the arcuate tube actuator according to [7], the joint portion is a knee joint portion, and the joint motion support device is a bow disposed above and below the knee joint portion. A fluid system supplied to the tube actuator, a bending / extension control mechanism, and an electronic control device for controlling the fluid system to operate the bending / extension control mechanism.
[0019]
[9] In the joint motion support device using the arcuate tube actuator according to [8], a hydraulic mat provided on a sole is provided, and the bending and stretching control mechanism becomes a supporting leg phase by the operation of the hydraulic mat. If the movement is detected, the knee joint is locked and the knee joint is fixed. If the movement of the hydraulic mat is detected to be a swinging leg phase, the lock is released and the knee joint is driven to move. It is characterized by providing support.
[0020]
[10] The joint motion assisting apparatus using the arcuate tube actuator according to [8], further including a pressure sensor provided on a sole, wherein the bending / extension control mechanism is detected to be a supporting leg phase by the pressure sensor. When it is locked, the knee joint is fixed, and when it is detected by the pressure sensor that it becomes a swing leg phase, the lock is released and the knee joint is driven to support the movement of the knee joint during walking. It is characterized by.
[0021]
According to the above-described arcuate tube actuator and the joint motion support device of the present invention described above, the weight of the arcuate tube is light and the curvature of the arcuate tube matches the body shape of the mounting portion because of the simple structure in which the inside of the tube is pressurized with fluid. By molding so as to make it possible, it is possible to support physical movements with minimal protrusion. By wrapping a belt or the like around the outer circumference of the arcuate tube, the displacement can be increased, so that the movable range of the body is not narrowed and the wearing is extremely easy.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0023]
FIG. 1 is a configuration diagram of an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a top view showing a state in which the arcuate tube actuator is mounted on a human body, and FIG. FIG. 2 is a diagram showing the arcuate tube actuator, and FIG. 2 (a) shows the arcuate tube actuator before pressurization (a contracted state). FIG. 2 (b) is a view showing the arcuate tube actuator after being pressed (swelled state), and FIG. 2 (c) is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 2 (b).
[0024]
In these drawings, reference numeral 1 denotes an arcuate tube actuator (Arch Tube Actuator (ATA)), and 1A denotes an elastic thread-like catching body that braids the arcuate tube actuator 1 in the vertical direction, and holds the outer shape of the arcuate tube actuator 1. be able to. Various methods can be employed for knitting the thread-like binding body 1A. Moreover, although it mentions later (refer FIG. 4), you may make it hold | maintain without using a thread-like trapping body. 2 is a part of the human body to which the arcuate tube actuator 1 is attached, 3 is a wire that responds to the contracted state 1 ′ and the inflated state 1 ″ of the arcuate tube actuator 1, and 4 is the arcuate tube actuator 1. The lower plate 5 is an upper plate that holds the arcuate tube actuator 1.
[0025]
In this embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, an arcuate tube actuator (ATA) 1 is configured in which a spirally wound Wound Tube Actuator (WTA) is bent for each semicircle. The Compared with a peripheral winding type WTA, ATA1 does not have to pass through a part of the body, and thus has an advantage of being easy to mount.
[0026]
In addition, the tube is a thermoplastic tube (for example, urethane), the cross-section has a flat shape in advance, and when the inside is pressurized with air, the cross-sectional length does not change, so the pressure resistance is high, and Efficient force transmission can be performed.
[0027]
FIG. 3 is a configuration diagram (substitute photograph) of an arcuate tube actuator showing a second embodiment of the present invention, FIG. 3 (a) is a perspective view before pressurizing the arcuate tube, and FIG. 3 (b) is an illustration. FIG. 3C is a perspective view of the arcuate tube after pressurization, and FIG. 3C is a perspective view showing a human body mounting surface of the arcuate tube.
[0028]
A point to be noted when manufacturing the arcuate tube actuator 1 is that it is desirable to use a material that is not easily broken because the air path may be blocked by simply bending the tube.
[0029]
Further, as a measure for preventing the air path from being interrupted, it is desirable that a linear body (or a small tube) 6 is inserted therein as a spacer so that the air path of the arcuate tube is always secured.
[0030]
For example, an ATA1 having an outer diameter of 150 mm and an inner diameter of 110 mm can generate an output of about 230 kgf at 6 atmospheres. However, in a part that requires a large movable range such as a knee, the displacement amount can be amplified even if the force is reduced. Desired.
[0031]
In such a case, the displacement enlargement method (Wire-Expander) using the wire 3 is effective. That is, as shown in FIG. 1, it has a speed-increasing effect proportional to the number of wires passing through, and is also useful for preventing buckling of ATA1 and assisting uniform displacement of ATA1.
[0032]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a holding mechanism for an arcuate tube actuator according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 (a) shows the holding mechanism for the arcuate tube actuator when not pressurized by a fluid. (B) shows the holding mechanism of the arcuate tube actuator in a state pressurized by the fluid.
[0033]
As shown in these figures, a fixing portion 8 is provided between the arcuate tubes 7 that are folded back and laminated with an adhesive (or double-sided adhesive tape) along the longitudinal direction of the arcuate tubes 7. ing.
[0034]
By fixing the space between the adjacent arcuate tubes 7 with an adhesive or the like in this way, the arcuate tube 7 can be held without being knitted by the thread-like binding body.
[0035]
Next, changes in the joint angles of the legs during walking will be described.
[0036]
In order to clarify the movable range and characteristics of the actuator required for walking support, the angle change of the ankle joint during one cycle during walking was measured with a potentiometer attached to each joint. The result at the time of a horizontal surface walk by a healthy person is shown in FIG.
[0037]
As can be seen from this figure, in the knee joint with the largest range of movement, there is almost no change in angle in the supporting leg phase, so as an efficient walking aid, the knee joint is fixed in the supporting leg phase and extremely large torque is applied. It is considered effective to drive only the swing phase that is not required.
[0038]
Such energy saving and low-torque driving for walking support not only help to extend the operation time outdoors, but also lead to a reduction in tube size in the indoor where there are a lot of energy sources, and the wearing feeling index I W It is possible to realize an actuator configuration that increases
[0039]
However, it is clear from FIG. 5 that a minute angular displacement of the knee joint is required at the start and end of the supporting leg phase. For this reason, it is considered effective not to fix the knee joint completely, but to use a spring that allows a slight angular displacement.
[0040]
6 is an overall configuration diagram of a joint motion support device using an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a configuration diagram of a bending and stretching control mechanism of the joint motion support device for the knee joint. FIG. 7A is a diagram showing the operation of the free leg joint motion support device, and FIG. 7B is a diagram showing the operation of the support leg joint motion support device.
[0041]
In these drawings, 10 is a mounting device for an articulation support device, 11 is a knee joint, 12 is an upper arcuate tube actuator (ATA), 13 is a lower arcuate tube actuator (ATA), and 14 is a knee joint. A bending / extension control mechanism, 15 is a rotation axis of the knee joint, 16 is a first rotation plate having a first connecting rod 18, 17 is a second rotation plate having second connecting rods 19 and 20, and 21 is a rotation of the knee joint. A brake arm fixed to the shaft 15, 22 is a first wire hung on the tip of the upper arcuate tube actuator 12 and the second connecting rod 19, and 23 is a lower arcuate tube actuator 13 and the brake arm 21. A second wire to be hung. The second connecting rod 20 connects the lower arcuate tube actuator 13 and the second rotating plate 17.
[0042]
Further, an electronic control device 30 is disposed around the waist, and the electronic control device 30 is provided with a CPU (Central Processing Unit) 31, a memory 32, an input interface 33, an output interface 34, and the like.
[0043]
Further, a hydraulic mat 35 is provided on the sole of the foot, and the bending / extension control mechanism 14 of the knee joint portion 11 can be locked. A fluid tank 36 is also arranged around the waist, and the ATA 12 and 13 can be pressurized and depressurized in accordance with the operation of the electromagnetic valve switch 37. The operation data of the electromagnetic valve switch 37 may be taken into the electronic control device 30 from the input interface 33, and the bending / extension control mechanism 14 may be electromagnetically locked based on the operation data.
[0044]
Thus, the upper ATA 12 and the lower ATA 13 are arranged around the knee joint 11, and the knee joint bending / extension control mechanism 14 is arranged in the knee joint 11.
[0045]
Hereinafter, the principle of self-weight lock type knee joint control will be described.
[0046]
Based on these principles, it is possible to support the knee joint driving during walking using the above-described arcuate tube actuator with energy saving.
[0047]
As shown in FIG. 7B, the hydraulic mat 35 mounted on the sole increases the internal pressure simultaneously with the start of the supporting leg phase from the free leg phase and becomes a pressure source of the locking mechanism of the knee joint flexion / extension control mechanism 14. The knee joint flexion / extension control mechanism 14 is locked, and the knee joint is fixed. A pressure sensor 38 may be provided in place of the hydraulic mat 35, and data from the pressure sensor 38 may be taken into the electronic control unit 30 to perform electromagnetic control of the knee joint bending / extension control mechanism 14.
[0048]
Next, the pressure reduction in the hydraulic mat 35 acts as a start signal for the swing leg phase to release the lock of the knee joint bending / extension control mechanism 14 and the solenoid valve switch 37 is turned on to turn the air pressure from the fluid tank 36 on. To bend the knee joint. The knee joint flexion / extension control mechanism 14 will be described in detail below.
[0049]
The upper and lower ATAs 12 and 13 in FIG. 7 are mounted by the mounting device 10 of the joint motion support device so that the knee joint portion 11 is sandwiched from both sides, and each of the joint motion support devices is centered on the knee joint rotation axis 15. The first and second rotary plates 16 and 17 that can rotate together, one brake arm 21, and two ATAs 12 and 13 are configured. As shown in FIG. 7A, in the swing leg phase, the upper ATA 12 is pressurized (inflated), whereby the first rotating plate 16 fixed to the thigh joint is fixed to the first thigh joint. 2 is rotated to bend the knee joint portion 11, and conversely, as shown in FIG. 7B, when the upper ATA 12 is decompressed (contracted) in the supporting leg phase, The knee joint 11 rotates in the opposite direction so as to extend. Further, in the support leg phase, a lock function works by pressurizing the hydraulic mat 35, and the brake arm 21 and the first rotating plate 16 are integrated. Therefore, when the knee joint part 11 is bent, the second wire 23 attached to the brake arm 21 tends to contract the lower ATA 13. The lower ATA13 is kept under a relatively high pressure without any pneumatic energy entering and exiting through the free leg / support leg, so it acts as a spring with a high elastic modulus and there is a slight displacement, but there is sufficient weight It is possible to generate a rotational reaction force sufficient to support Furthermore, it is considered effective to adjust the internal pressure of the lower ATA 13 in the supporting leg phase when ascending and descending the stairs.
[0050]
FIG. 8 is a block diagram of an articulation support device using an arcuate tube actuator according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8 (a) is a diagram showing the operation of the articulation support device for free legs. (B) is a figure which shows operation | movement of the joint-movement assistance apparatus of a support leg.
[0051]
In this embodiment, a four-link mechanism 43 having auxiliary tension springs 41 and 42 is used as the knee joint bending / extension control mechanism 14, and the upper arcuate tube actuator 48 is supported by two vertical plates 44A and 44B. In addition to assembling, a connecting plate 45 is provided at the lower part, and similarly, a supporting plate for the lower arcuate tube actuator 49 is assembled by two vertical plates 46A and 46B, and a connecting plate 47 is provided at the upper part thereof. .
[0052]
Therefore, in the case of the swing phase, the upper ATA 48 is not pressurized, and the lower ATA 49 is pressurized to drive the knee joint strongly. On the other hand, in the support phase, the upper ATA 48 is pressurized and the lower ATA 49 is Secure the knee joint without applying pressure. The other parts are the same as the structure of the knee joint flexion / extension control mechanism shown in FIGS.
[0053]
Moreover, in the said Example, a tube actuator should just be an arcuate shape (a hollow shape is also included), and various changes can be performed about the lamination | stacking method and winding method.
[0054]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0055]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0056]
(A) An arcuate tube actuator with good wearability that can be easily attached / detached without taking an unreasonable posture by forming it into a shape that matches the shape of the body wearing part. Can be realized.
[0057]
(B) The arcuate tube is a thermoplastic tube, and the cross section has a flat shape in advance, and when the inside is pressurized with air, the length of the cross section swells without changing. Can be communicated.
[0058]
(C) Since the captive body having elasticity that braids the tube in order to maintain the outer shape of the arcuate tube is provided, the arcuate tube actuator can maintain the shape without breaking.
[0059]
(D) By fixing between adjacent arcuate tubes by an adhesive means, the arcuate tubes can be held without being knitted with a thread-like catching body.
[0060]
(E) By attaching a bending / extension support means using an arcuate tube actuator to a joint part of a human body, it is possible to support the bending / extending movement of the joint part.
[0061]
(F) By attaching a bending / extension support means using an arcuate tube actuator to the knee joint part of the human body, it is possible to support the flexion / extension movement of the knee joint part during walking.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram (substitute photograph) of an arcuate tube actuator showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view of a holding mechanism of an arcuate tube actuator showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a result of measuring an angle change of an ankle joint in one cycle during walking with a potentiometer attached to each joint in order to clarify the movable range and characteristics of an actuator required for walking support.
FIG. 6 is an overall configuration diagram of a joint motion support device using an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a bending / stretching control mechanism of a joint motion support device using an arcuate tube actuator showing an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of an articulation support device using an arcuate tube actuator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a conventional tube actuator.
[Explanation of symbols]
1 Arcuate tube actuator (ATA)
1A Trapping body having elasticity 1 'Arcuate tube actuator contracted (no pressure applied)
1 ″ Arcuate tube actuator inflated (pressurized)
2 Part of human body 3 Wire 4 Lower plate 5 Upper plate 6 Linear body (may be a small tube)
7 Arcuate tube 8 Fixing part 10 Mounting device 11 for joint motion support device Knee joint parts 12, 48 Upper arcuate tube actuators 13, 49 Lower arcuate tube actuator 14 Bending / extension control mechanism 15 Knee joint rotation axis 16 First Rotating plate 17 Second rotating plate 18 First connecting rod 19, 20 Second connecting rod 21 Brake arm 22 First wire 23 Second wire 30 Electronic control unit 31 CPU (Central Processing Unit)
32 Memory 33 Input interface 34 Output interface 35 Hydraulic mat 36 Fluid tank 37 Solenoid valve switch 38 Pressure sensor 41, 42 Auxiliary spring 43 Four link mechanisms 44A, 44B; 46A, 46B Two vertical plates 45, 47 Connecting plate

Claims (10)

断面が中空で、かつ内部への流体の加圧がない状態で予め偏平な形状をなすチューブを、該偏平部の平面が重なるように折り戻しながら束ねることによって弓状の形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を高めることによって弓状の形状を保存しながらその厚みが増す方向に変形可能にしたことを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。A tube having a hollow cross section and having a flat shape in a state where no fluid is pressurized to the inside is formed into an arcuate shape by bundling it while folding back so that the flat surfaces of the flat portions overlap, An arcuate tube actuator characterized in that by increasing the fluid pressure in the tube, the arcuate shape can be deformed while preserving the arcuate shape and increasing its thickness. 請求項1記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記弓状チューブの折り戻し部において、流体経路を封じないように前記弓状チューブ内部に前記流体経路を確保するためのスペーサを挿入することを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。2. The arcuate tube actuator according to claim 1, wherein a spacer for securing the fluid path is inserted into the arcuate tube so as not to seal the fluid path at a folded portion of the arcuate tube. Arcuate tube actuator to do. 請求項2記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記スペーサが線状体又は小型チューブであることを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。The arcuate tube actuator according to claim 2, wherein the spacer is a linear body or a small tube. 請求項1記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブは熱可塑性チューブであり、断面が予め偏平な形状をなし、内部を流体で加圧するとその断面長は変化せずに膨らみ、耐圧性が高く、かつ効率的な力の伝達を行うことを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。2. The arcuate tube actuator according to claim 1, wherein the tube is a thermoplastic tube, the cross section has a flat shape in advance, and when the inside is pressurized with a fluid, the cross section length does not change and the pressure resistance is high. An arcuate tube actuator characterized by performing efficient force transmission. 請求項1記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブの外形を保持するために前記チューブを編み上げる、弾性を有する捕縛体を具備することを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。2. The arcuate tube actuator according to claim 1, further comprising an elastic catcher that braids the tube to maintain the outer shape of the tube. 請求項1記載の弓状チューブアクチュエータにおいて、前記チューブが積み重ねられる長尺方向によって接着される固定部を具備することを特徴とする弓状チューブアクチュエータ。2. The arcuate tube actuator according to claim 1, further comprising a fixing portion bonded in a longitudinal direction in which the tubes are stacked. 断面が中空で、かつ内部への流体の加圧がない状態で予め偏平な形状をなすチューブを、該偏平部の平面が重なるように折り戻しながら束ねて弓状の形状に形成し、前記チューブ内の流体圧力を変化させることによって弓状の形状を保存しながらその厚みが増す方向に変形可能にした弓状チューブアクチュエータを人体の関節部の上下に配置して、前記関節部には該関節部の屈伸を支援する屈伸支援手段を具備することを特徴とする弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置。A tube that has a hollow cross section and is flattened in a state where no fluid is pressurized therein is bundled while being folded back so that the flat surfaces of the flat portions overlap, and is formed into an arcuate shape. An arcuate tube actuator that can be deformed in the direction of increasing the thickness while preserving the arcuate shape by changing the fluid pressure inside is arranged above and below the joint part of the human body. An articulation support device using an arcuate tube actuator, characterized by comprising a flexion / extension support means for supporting flexion / extension of a part. 請求項7記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、前記関節部は膝関節部であり、前記関節運動支援装置は、前記膝関節部の上下に配置される弓状チューブアクチュエータに供給される流体系と、屈伸制御機構と、前記流体系を制御して前記屈伸制御機構を作動させる電子制御装置とを具備することを特徴とする弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置。8. The joint motion support device using an arcuate tube actuator according to claim 7, wherein the joint portion is a knee joint portion, and the joint motion support device is an arcuate tube actuator disposed above and below the knee joint portion. A joint motion support device using an arcuate tube actuator, comprising: a fluid system to be supplied; a bending / extension control mechanism; and an electronic control device for controlling the fluid system to operate the bending / extension control mechanism. 請求項8記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、足裏に設けられる油圧マットを備え、前記屈伸制御機構は、前記油圧マットの動作により支持脚相となることが検知されるとロックして膝関節を固定し、前記油圧マットの動作により遊脚相となることが検知されるとロックを解除して膝関節を駆動する、歩行時の膝関節部の運動の支援を行うことを特徴とする弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置。9. The joint motion support apparatus using an arcuate tube actuator according to claim 8, further comprising a hydraulic mat provided on a sole, wherein the bending / extension control mechanism is detected to become a supporting leg phase by the operation of the hydraulic mat. To lock the knee joint, and when the movement of the hydraulic mat detects that the swing leg phase is detected, the lock is released and the knee joint is driven to assist the movement of the knee joint during walking. A joint motion support device using an arcuate tube actuator. 請求項8記載の弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置において、足裏に設けられる圧力センサを備え、前記屈伸制御機構は、前記圧力センサにより支持脚相となることが検知されるとロックして膝関節を固定し、前記圧力センサにより遊脚相となることが検知されるとロックを解除して膝関節を駆動する歩行時の膝関節部の運動の支援を行うことを特徴とする弓状チューブアクチュエータを用いた関節運動支援装置。9. The joint motion support device using the arcuate tube actuator according to claim 8, further comprising a pressure sensor provided on a sole, wherein the bending / extension control mechanism is locked when it is detected that the pressure sensor is a supporting leg phase. Then, the knee joint is fixed, and when it is detected that the swinging phase is detected by the pressure sensor, the movement of the knee joint during walking is performed by releasing the lock and driving the knee joint. Joint motion support device using an arcuate tube actuator.
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