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JP7631034B2 - Coupling Device - Google Patents
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JP7631034B2 - Coupling Device - Google Patents

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Description

本発明は、継手装置に関する。 The present invention relates to a coupling device.

従来、2つの部材を連接する連接部に用いられる継手装置として、2つの部材の成す角を変更可能な伸縮装置を備えるものが知られている。このような継手装置として、例えば、膝関節に用いられる義足がある。特許文献1には、切断脚の断端部に装着される義足の大腿ソケット内に切断脚の断端部の筋肉の収縮運動を検知するセンサを設け、膝継手部の屈曲及び伸展の抵抗を調整する液圧シリンダーの可変バルブの絞り具合を、センサからの検知情報により制御することが記載されている。 Conventionally, a joint device used in a joint that connects two members is known to have an extension device that can change the angle between the two members. One such joint device is a prosthetic leg used in a knee joint. Patent Document 1 describes a method in which a sensor that detects the contraction movement of the muscles in the stump of the amputated leg is provided in the thigh socket of the prosthetic leg that is attached to the stump of the amputated leg, and the throttle of a variable valve of a hydraulic cylinder that adjusts the resistance of flexion and extension of the knee joint is controlled by the detection information from the sensor.

特開平11-19105号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-19105

しかしながら、特許文献1に記載の義足では、屈曲及び伸展の抵抗を発生させることはできても、屈曲及び伸展の動力を発生させることはできなかった。 However, the prosthetic limb described in Patent Document 1 could generate resistance to flexion and extension, but was unable to generate power for flexion and extension.

本発明は、動力源の動力により連接部を伸展及び屈曲させることが可能な継手装置を提供する。 The present invention provides a joint device that can extend and bend a joint using the power of a power source.

第1発明は、
第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置と、を備える継手装置であって、
前記伸縮装置は、
動力源と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部と、を備え、
前記動力伝達部は、
前記動力を第1変速比で伝達する第1動力伝達路と、
前記動力を前記第1変速比とは異なる第2変速比で伝達する第2動力伝達路と、を備え
前記伸縮装置は、
前記第1動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第1断続機構と、
前記第2動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第2断続機構と、を備え、
前記継手装置は、前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構の何れか一方を接続する接続状態と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を遮断する遮断状態と、を切り替えるよう制御する
The first invention is
A first member;
A second member; and
a connecting portion that connects the first member and the second member in a manner that allows an angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device including an extension device capable of changing the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The telescopic device is
A power source;
a power transmission unit that transmits the power of the power source,
The power transmission unit includes:
a first power transmission path that transmits the power at a first gear ratio;
a second power transmission path that transmits the power at a second speed ratio different from the first speed ratio ,
The telescopic device is
a first interrupting mechanism that switches between interruption and connection of power in the first power transmission path;
a second interrupting mechanism that switches between interruption and connection of power in the second power transmission path,
The coupling device further includes a control unit that controls the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism,
The control unit is
a connection state in which either one of the first interrupting mechanism or the second interrupting mechanism is connected;
The first and second interrupting mechanisms are controlled to be switched between an interrupted state and an interrupted state in which the first and second interrupting mechanisms are interrupted .

第2発明は、
第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置と、を備える継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態と、加重を受けない非加重状態と、を遷移するように設けられ、
前記伸縮装置は、
動力源と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部と、
前記動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える断続機構と、
前記断続機構を制御する断続機構制御部と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに前記接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに前記遮断状態に制御する。
The second invention is
A first member;
A second member; and
a connecting portion that connects the first member and the second member in a manner that allows an angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device including an extension device capable of changing the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The coupling device is provided to transition between a loaded state in which an external load is applied and a non-loaded state in which no load is applied,
The telescopic device is
A power source;
a power transmission unit that transmits the power of the power source;
an interrupting mechanism for switching between interruption and connection of power in the power transmission path;
An interruption mechanism control unit for controlling the interruption mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
When in the loaded state, the power supply is controlled to the connected state, and when in the non-loaded state, the power supply is controlled to the disconnected state.

本発明によれば、動力源の動力を伝達する動力伝達部を介して連接部を伸展及び屈曲させることができる。 According to the present invention, the connecting part can be extended and bent via the power transmission part that transmits the power of the power source.

本発明の第1実施形態の電動義足を斜め前方から見た斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an electric prosthetic leg according to a first embodiment of the present invention, as viewed obliquely from the front. 図1の電動義足を斜め後方から見た斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the electric prosthetic leg of FIG. 1 as viewed obliquely from behind. 図1の電動義足の内部構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the internal structure of the electric prosthetic leg of FIG. 1 . 図1の電動義足の動力伝達部の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a power transmission section of the electric prosthetic leg of FIG. 1 . 図4の動力伝達部が第1変速状態にあるときの動力伝達部の動力伝達を示す図である。5 is a diagram illustrating power transmission in the power transmission unit of FIG. 4 when the power transmission unit is in a first speed change state. FIG. 図4の動力伝達部が第2変速状態にあるときの動力伝達部の動力伝達を示す図である。5 is a diagram showing power transmission in the power transmission section of FIG. 4 when the power transmission section is in a second speed change state; FIG. 図4の動力伝達部がフリー状態にあるときの動力伝達部の動力伝達を示す図である。5 is a diagram showing power transmission through the power transmission section of FIG. 4 when the power transmission section is in a free state. FIG. 階段を昇る際に、膝関節機構を屈曲した状態からの伸展を説明する図である。13A and 13B are diagrams illustrating the extension of the knee joint mechanism from a flexed state when climbing stairs. 階段を昇る際に、膝関節機構を伸展した状態からの屈曲を説明する図である。13A and 13B are diagrams illustrating bending of a knee joint mechanism from an extended state when climbing stairs. 本発明の第2実施形態の電動義足の動力伝達部の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of a power transmission section of an electric prosthetic leg according to a second embodiment of the present invention. 図8の動力伝達部の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the power transmission portion of FIG. 8 . 平地を歩行する際における、断続機構の状態を説明する図である。11A and 11B are diagrams illustrating the state of the interrupting mechanism when walking on flat ground. 電動義足の制御システムの機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram of a control system for an electric prosthetic limb. 電動義足のセンサなどを説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining sensors of an electric prosthetic leg. 図6の平地歩行時のトルク伝達経路の切替フローを説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a switching flow of the torque transmission path in FIG. 6 when walking on flat ground. 図6の平地歩行時に電動義足に作用する加重等を示すグラフである。7 is a graph showing the load and the like acting on the electric prosthetic leg when walking on flat ground in FIG. 6 . 図14のA部分の拡大図である。FIG. 15 is an enlarged view of part A in FIG. 14 . 図14のB部分の拡大図である。FIG. 15 is an enlarged view of part B in FIG. 14 .

以下、本発明の継手装置の一例としての電動義足の各実施形態とこの電動義足の平地歩行時の制御について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、電動義足の使用者を基準に前後方向、左右方向、上下方向を定義する。図面には、電動義足の前方をFr、後方をRr、左側をL、右側をR、上方をU、下方をDとして示す。 Below, various embodiments of an electric prosthesis as an example of a joint device of the present invention and the control of this electric prosthesis when walking on flat ground will be explained with reference to the drawings. In the following explanation, the front-back direction, left-right direction, and up-down direction are defined based on the user of the electric prosthesis. In the drawings, the front of the electric prosthesis is indicated as Fr, the rear as Rr, the left side as L, the right side as R, the top as U, and the bottom as D.

<第1実施形態>
[電動義足]
本実施形態の電動義足1は、ひざのない人のための義足であり、図6に示すように上半身3と相対回動する一方の大腿部4に装着され、下腿部5として機能する。電動義足1は、図1~図3に示すように、ひざの下側に位置する膝下側部材10と、ひざの上側に位置する膝上側部材20と、膝下側部材10と膝上側部材20との成す角を変更可能に連接する膝関節機構30と、伸縮することにより膝下側部材10と膝上側部材20との成す角を変更可能な伸縮装置40と、を備える。
First Embodiment
[Electric prosthetic limb]
The electric prosthetic leg 1 of this embodiment is a prosthetic leg for a person without a knee, and is attached to one thigh 4 that rotates relative to the upper body 3 as shown in Fig. 6, and functions as a lower leg 5. As shown in Figs. 1 to 3, the electric prosthetic leg 1 includes a below-knee member 10 located below the knee, an above-knee member 20 located above the knee, a knee joint mechanism 30 that connects the below-knee member 10 and the above-knee member 20 in a manner that allows the angle between them to be changed, and an extension device 40 that can change the angle between the below-knee member 10 and the above-knee member 20 by extending and retracting.

膝上側部材20は、不図示のソケットに連結されるアダプター21が設けられた上壁部22と、上壁部22の左右両端から下方に延びる一対の上側側壁部23と、を備え、前後方向から見て下方が開口する略U字形状を有する。 The upper-knee component 20 has an upper wall 22 on which an adapter 21 is attached to a socket (not shown), and a pair of upper side walls 23 extending downward from both the left and right ends of the upper wall 22, and has a generally U-shaped shape that opens downward when viewed from the front-to-rear direction.

膝下側部材10は、脚部11が設けられた下壁部12と、下壁部12の左右両端から上方に延びる一対の下側側壁部13と、を備え、前後方向から見て上方が開口する略U字形状を有する。 The knee-lower member 10 has a lower wall portion 12 on which the leg portion 11 is provided, and a pair of lower side walls 13 extending upward from both the left and right ends of the lower wall portion 12, and has a roughly U-shape that opens upward when viewed from the front-to-rear direction.

膝上側部材20の一対の上側側壁部23間には、膝下側部材10の一対の下側側壁部13が回動部35を中心に回転可能に連結される。この機構により、膝下側部材10と膝上側部材20との成す角が変更可能に連接され、膝関節機構30が構成される。 A pair of lower side walls 13 of the knee-below member 10 are connected between a pair of upper side walls 23 of the knee-below member 20 so as to be rotatable about the pivot 35. This mechanism allows the angle between the knee-below member 10 and the knee-below member 20 to be changed, forming the knee joint mechanism 30.

膝上側部材20と膝下側部材10との間に形成された空間には、膝下側部材10と膝上側部材20との成す角を変更可能な伸縮装置40が設けられる。 In the space formed between the upper-knee member 20 and the lower-knee member 10, an extension device 40 is provided that can change the angle between the lower-knee member 10 and the upper-knee member 20.

伸縮装置40は、図4も参照して、回転動力を出力するモータMと、モータMの動力を伝達する変速機Tと、変速機Tに動力伝達可能に接続され、変速機Tから出力される回転動力を並進運動に変換する第1スピンドルユニットSP1と、モータMと後述する変速機Tの第1変速機構T1及び第2変速機構T2との間に介装される断続機構50と、モータMから出力される回転動力を、断続機構50の作動子55の並進運動に変換する第2スピンドルユニットSP2と、を備える。 Referring also to FIG. 4, the telescopic device 40 includes a motor M that outputs rotational power, a transmission T that transmits the power of the motor M, a first spindle unit SP1 that is connected to the transmission T so as to be capable of transmitting power and that converts the rotational power output from the transmission T into translational motion, an interrupting mechanism 50 that is interposed between the motor M and the first and second speed change mechanisms T1 and T2 of the transmission T, which will be described later, and a second spindle unit SP2 that converts the rotational power output from the motor M into translational motion of an actuator 55 of the interrupting mechanism 50.

変速機Tは、天板部61と、底板部62と、これら天板部61及び底板部62の左右両端を連結する一対の側板部63と、を備え、前後方向から見て矩形形状を有する変速機ケース60を備える。変速機ケース60は、底板部62から下方に延びる一対の回動翼64が膝下側部材10の下壁部12から上方に延びる回動支持壁14に下揺動部70を中心に揺動可能且つ移動不能に支持される。 The transmission T is provided with a transmission case 60 having a rectangular shape when viewed from the front-rear direction, the transmission case 60 including a top plate portion 61, a bottom plate portion 62, and a pair of side plate portions 63 connecting the left and right ends of the top plate portion 61 and the bottom plate portion 62. The transmission case 60 includes a pair of rotating wings 64 extending downward from the bottom plate portion 62, which are supported by a rotating support wall 14 extending upward from the lower wall portion 12 of the knee-below member 10 so as to be able to swing about a lower swing portion 70 but not to move.

モータMは、出力軸71が天板部61を貫通して変速機ケース60の内部に突出するように変速機ケース60の天板部61の前方且つ上方に配置される。第1スピンドルユニットSP1は、前後方向において断続機構50を挟んでモータMとは反対側に配置される。言い換えると、モータMは、断続機構50よりも前後方向において前方に配置され、第1スピンドルユニットSP1は、断続機構50よりも前後方向において後方に配置されている。これにより、電動義足1にモータMを搭載しても、前後方向のバランスを保持しながら、電動義足1が幅方向に大きくなるのを抑制できる。 The motor M is disposed in front of and above the top plate 61 of the transmission case 60 so that the output shaft 71 passes through the top plate 61 and protrudes into the inside of the transmission case 60. The first spindle unit SP1 is disposed on the opposite side of the motor M in the front-to-rear direction, sandwiching the interrupting mechanism 50 therebetween. In other words, the motor M is disposed forward of the interrupting mechanism 50 in the front-to-rear direction, and the first spindle unit SP1 is disposed rearward of the interrupting mechanism 50 in the front-to-rear direction. This makes it possible to prevent the electric prosthetic leg 1 from becoming larger in the width direction while maintaining balance in the front-to-rear direction, even when the motor M is mounted on the electric prosthetic leg 1.

モータMから出力される回転動力を、断続機構50の作動子55の並進運動に変換する第2スピンドルユニットSP2は、前後方向においてモータMと第1スピンドルユニットSP1との間に配置される。モータMの出力軸71、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75は、互いに平行に配置され、膝関節機構30が完全に伸展した状態において、上下方向を向くように配置されている。 The second spindle unit SP2, which converts the rotational power output from the motor M into translational motion of the actuator 55 of the interrupting mechanism 50, is disposed between the motor M and the first spindle unit SP1 in the front-to-rear direction. The output shaft 71 of the motor M, the first spindle 73 of the first spindle unit SP1, and the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 are disposed parallel to one another and are disposed so as to face in the up-down direction when the knee joint mechanism 30 is fully extended.

第1スピンドルユニットSP1は、雄ねじ73aが形成された第1スピンドル73と、雌ねじ74aが形成されたスリーブ74と、を有し、第1スピンドル73の回転によりスリーブ74が第1スピンドル73の軸心に沿って並進運動する。本実施形態では、第1スピンドル73は、変速機Tによって伝達されたモータMの回転動力を受けて回転運動を行う。一方、スリーブ74は、膝上側部材20の上壁部22から下方に延びる一対の内側側壁部24に上揺動部25を中心に揺動可能且つ移動不能に取り付けられる。したがって、変速機Tによって伝達されたモータMの回転動力を受けて第1スピンドル73が一方側(図5Aの矢印D1方向)に回転すると、スリーブ74が変速機Tから離れるように並進移動し、第1スピンドル73が他方側(図5Bの矢印D2方向)に回転すると、スリーブ74が変速機Tに近づくように並進移動する。 The first spindle unit SP1 has a first spindle 73 with a male thread 73a and a sleeve 74 with a female thread 74a. The sleeve 74 translates along the axis of the first spindle 73 as the first spindle 73 rotates. In this embodiment, the first spindle 73 rotates by receiving the rotational power of the motor M transmitted by the transmission T. Meanwhile, the sleeve 74 is attached to a pair of inner side walls 24 extending downward from the upper wall 22 of the knee-upper member 20 so as to be swingable around the upper swinging part 25 but not movable. Therefore, when the first spindle 73 rotates to one side (in the direction of the arrow D1 in FIG. 5A) by receiving the rotational power of the motor M transmitted by the transmission T, the sleeve 74 translates away from the transmission T, and when the first spindle 73 rotates to the other side (in the direction of the arrow D2 in FIG. 5B), the sleeve 74 translates toward the transmission T.

即ち、第1スピンドル73の回転方向に応じてスリーブ74と変速機Tとの距離が伸縮する。スリーブ74は、前述したように膝上側部材20に移動不能に取り付けられているため、第1スピンドル73の回転方向に応じてスリーブ74と変速機Tとの距離が伸縮することで、変速機Tが取り付けられた膝下側部材10とスリーブ74が取り付けられた膝上側部材20とが、回動部35を中心に回転する。これにより、膝上側部材20と膝下側部材10との成す角が変わる。 That is, the distance between the sleeve 74 and the transmission T expands or contracts depending on the rotation direction of the first spindle 73. Because the sleeve 74 is immovably attached to the above-knee member 20 as described above, the distance between the sleeve 74 and the transmission T expands or contracts depending on the rotation direction of the first spindle 73, causing the below-knee member 10 to which the transmission T is attached and the above-knee member 20 to which the sleeve 74 is attached to rotate around the rotating part 35. This changes the angle between the above-knee member 20 and the below-knee member 10.

変速機Tは、図4に示すように、モータMの出力軸71に設けられる出力ギヤ72と、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75の略中央部に設けられ、出力ギヤ72と噛み合う入力ギヤ77と、第1変速機構T1と、第2変速機構T2と、を備える。 As shown in FIG. 4, the transmission T includes an output gear 72 provided on the output shaft 71 of the motor M, an input gear 77 provided at approximately the center of the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 and meshing with the output gear 72, a first transmission mechanism T1, and a second transmission mechanism T2.

第1変速機構T1は、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75の上側に移動不能に設けられた第1駆動ギヤ78と、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73に第1スピンドル73と一体回転するように設けられ、第1駆動ギヤ78と噛み合う第1従動ギヤ79とから構成される。 The first speed change mechanism T1 is composed of a first drive gear 78 that is immovably mounted above the second spindle 75 of the second spindle unit SP2, and a first driven gear 79 that is mounted on the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 so as to rotate integrally with the first spindle 73 and that meshes with the first drive gear 78.

第2変速機構T2は、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75の下側に移動不能に設けられた第2駆動ギヤ80と、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73に第1スピンドル73と一体回転するように設けられ、第2駆動ギヤ80と噛み合う第2従動ギヤ81とから構成される。 The second speed change mechanism T2 is composed of a second drive gear 80 that is immovably mounted below the second spindle 75 of the second spindle unit SP2, and a second driven gear 81 that is mounted on the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 so as to rotate integrally with the first spindle 73 and that meshes with the second drive gear 80.

第1変速機構T1は、モータMの動力を第1変速比で伝達する。第2変速機構T2は、モータMの動力を第1変速比とは異なる第2変速比で伝達する。変速比の異なる2つの動力伝達路を備えることで、膝関節機構30における伸展と屈曲の動作スピード及び発生動力を切り替えることができる。第1変速比及び第2変速比は異なっていればよく、第1変速機構T1と第2変速機構T2とは、いずれか一方が減速機構で他方が増速機構であってもよく、いずれか一方が等速機構で他方が減速機構又は増速機構であってもよく、両方が減速機構であってもよく、両方が増速機構であってもよい。 The first speed change mechanism T1 transmits the power of the motor M at a first speed change ratio. The second speed change mechanism T2 transmits the power of the motor M at a second speed change ratio different from the first speed change ratio. By providing two power transmission paths with different speed change ratios, it is possible to switch the movement speed and generated power of extension and flexion in the knee joint mechanism 30. As long as the first speed change ratio and the second speed change ratio are different, one of the first speed change mechanism T1 and the second speed change mechanism T2 may be a reduction mechanism and the other an accelerating mechanism, one may be a constant speed mechanism and the other a reduction mechanism or an accelerating mechanism, both may be reduction mechanisms, or both may be accelerating mechanisms.

第1変速比を、第1変速機構T1におけるモータM側の回転数である変速前回転数に対する、第1変速機構T1における反モータM側(第1スピンドルユニットSP1側)の回転数である変速後回転数の比率とし、第2変速比を、第2変速機構T2におけるモータM側の回転数である変速前回転数に対する、第2変速機構T2における反モータM側(第1スピンドルユニットSP1側)の回転数である変速後回転数の比率としたとき、第1変速比は、第2変速比よりも小さくなるよう構成されることが好ましい。 When the first gear ratio is the ratio of the post-shift rotation speed, which is the rotation speed of the anti-motor M side (first spindle unit SP1 side) of the first gear mechanism T1, to the pre-shift rotation speed, which is the rotation speed of the motor M side of the first gear mechanism T1, and the second gear ratio is the ratio of the post-shift rotation speed, which is the rotation speed of the anti-motor M side (first spindle unit SP1 side) of the second gear mechanism T2, to the pre-shift rotation speed, which is the rotation speed of the motor M side of the second gear mechanism T2, it is preferable that the first gear ratio is configured to be smaller than the second gear ratio.

例えば、第1変速機構T1の第1変速比が1より小さい場合、反モータM側(第1スピンドルユニットSP1側)の回転数はモータM側の回転数よりも減少し、トルクが増加する。第2変速機構T2の第2変速比が1より大きい場合、反モータM側(第1スピンドルユニットSP1側)の回転数はモータM側の回転数よりも増加し、トルクが減少する。この場合、第1駆動ギヤ78は、第2駆動ギヤ80よりも小径となり、第1駆動ギヤ78とモータMとを近接配置することができる。本実施形態では、第1変速機構T1が第2変速機構T2よりもモータMの近くに配置されている。より具体的には、モータMが、第1駆動ギヤ78の前方に第1駆動ギヤ78と上下方向でオーバーラップするように配置されている。 For example, when the first speed change ratio of the first speed change mechanism T1 is smaller than 1, the rotation speed on the side opposite the motor M (the first spindle unit SP1 side) decreases compared to the rotation speed on the motor M side, and the torque increases. When the second speed change ratio of the second speed change mechanism T2 is larger than 1, the rotation speed on the side opposite the motor M (the first spindle unit SP1 side) increases compared to the rotation speed on the motor M side, and the torque decreases. In this case, the first drive gear 78 has a smaller diameter than the second drive gear 80, and the first drive gear 78 and the motor M can be arranged in close proximity. In this embodiment, the first speed change mechanism T1 is arranged closer to the motor M than the second speed change mechanism T2. More specifically, the motor M is arranged in front of the first drive gear 78 so as to overlap the first drive gear 78 in the vertical direction.

第1変速機構T1と第2変速機構T2とは、断続機構50により切り替えられる。断続機構50は、第1変速機構T1における動力の遮断及び接続を切り替える上側クラッチ50Uと、第2変速機構T2における動力の遮断及び接続を切り替える下側クラッチ50Dと、入力ギヤ77と一体に回転する作動子55と、を備える。 The first speed change mechanism T1 and the second speed change mechanism T2 are switched by the on-off mechanism 50. The on-off mechanism 50 includes an upper clutch 50U that switches between disconnecting and connecting the power in the first speed change mechanism T1, a lower clutch 50D that switches between disconnecting and connecting the power in the second speed change mechanism T2, and an actuator 55 that rotates integrally with the input gear 77.

上側クラッチ50Uは、モータM側の係合子である第1係合子51と、第1変速機構T1側の係合子である第2係合子52と、を備える噛み合いクラッチである。より詳しく説明すると、第1係合子51は、入力ギヤ77と一体に回転するように作動子55及び入力ギヤ77の上方に設けられる。第2係合子52は、第1係合子51と係合可能に第1駆動ギヤ78の下方に第1駆動ギヤ78と一体に回転するように設けられる。第2係合子52及び第1駆動ギヤ78は、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75の上方に、第2スピンドル75に対し相対回転自在に且つ移動不能に取り付けられている。 The upper clutch 50U is a meshing clutch that includes a first engaging element 51 on the motor M side and a second engaging element 52 on the first speed change mechanism T1 side. To explain in more detail, the first engaging element 51 is provided above the actuator 55 and the input gear 77 so as to rotate integrally with the input gear 77. The second engaging element 52 is provided below the first drive gear 78 so as to be engageable with the first engaging element 51 and to rotate integrally with the first drive gear 78. The second engaging element 52 and the first drive gear 78 are attached above the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 so as to be rotatable relative to the second spindle 75 but immovable.

下側クラッチ50Dは、モータM側の係合子である第3係合子53と、第2変速機構T2側の係合子である第4係合子54と、を備える噛み合いクラッチである。より詳しく説明すると、第3係合子53は、入力ギヤ77と一体に回転するように作動子55及び入力ギヤ77の下方に設けられる。第4係合子54は、第3係合子53と係合可能に第2駆動ギヤ80の上方に第2駆動ギヤ80と一体に回転するように設けられる。第4係合子54及び第2駆動ギヤ80は、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75の下方に、第2スピンドル75に対し相対回転自在に且つ移動不能に取り付けられている。 The lower clutch 50D is a meshing clutch that includes a third engaging element 53 that is an engaging element on the motor M side, and a fourth engaging element 54 that is an engaging element on the second speed change mechanism T2 side. To explain in more detail, the third engaging element 53 is provided below the actuator 55 and the input gear 77 so as to rotate integrally with the input gear 77. The fourth engaging element 54 is provided above the second driving gear 80 so as to be engageable with the third engaging element 53 and to rotate integrally with the second driving gear 80. The fourth engaging element 54 and the second driving gear 80 are attached below the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 so as to be rotatable relative to the second spindle 75 but immovable.

作動子55は、上記したように入力ギヤ77と一体回転するように入力ギヤ77に取り付けられるとともに、その上部と下部に第1係合子51及び第3係合子53が一体回転するように取り付けられている。作動子55は、第2スピンドル75の略中央、即ち、上下方向で第1駆動ギヤ78と第2駆動ギヤ80との間に介装されている。ここで、作動子55は、第2スピンドルユニットSP2のスクリューナット76である。第2スピンドルユニットSP2は、雄ねじが形成された第2スピンドル75と、雌ねじが形成されたスクリューナット76(作動子55)と、を有し、入力ギヤ77の回転に伴って、スクリューナット76(作動子55)が第2スピンドル75の軸心に沿って回転しながら並進運動する。 The actuator 55 is attached to the input gear 77 so as to rotate integrally with the input gear 77 as described above, and the first engaging element 51 and the third engaging element 53 are attached to the upper and lower parts of the actuator 55 so as to rotate integrally with the input gear 77. The actuator 55 is disposed approximately at the center of the second spindle 75, that is, between the first driving gear 78 and the second driving gear 80 in the vertical direction. Here, the actuator 55 is the screw nut 76 of the second spindle unit SP2. The second spindle unit SP2 has a second spindle 75 with a male thread and a screw nut 76 (actuator 55) with a female thread, and as the input gear 77 rotates, the screw nut 76 (actuator 55) moves in a translational manner while rotating along the axis of the second spindle 75.

スクリューナット76(作動子55)は、モータMが第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転するときに、並進運動の移動方向である上下方向において上方に移動し、モータMが第1方向とは反対側の第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転するときに、上下方向において下方に移動する。このように、モータMの回転方向を変えることで、作動子55の移動方向を変えることができる。 When the motor M rotates in a first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A), the screw nut 76 (actuator 55) moves upward in the vertical direction, which is the direction of translational motion, and when the motor M rotates in a second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B), which is opposite to the first direction, the screw nut 76 moves downward in the vertical direction. In this way, by changing the direction of rotation of the motor M, the direction of movement of the actuator 55 can be changed.

断続機構50は、作動子55が第2スピンドル75の軸心に沿って並進運動することで第1変速状態、第2変速状態、フリー状態の3つの状態を取りうる。 The interrupter mechanism 50 can be in three states: a first speed change state, a second speed change state, and a free state, as the actuator 55 translates along the axis of the second spindle 75.

第1変速状態では、図5Aに示すように、モータMが第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転し、スクリューナット76(作動子55)が上方に移動することで、第1係合子51と第2係合子52とが接続状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが遮断状態となる。言い換えると、上側クラッチ50Uが接続状態となり、下側クラッチ50Dが遮断状態となる。第1変速状態では、モータMの動力が、出力ギヤ72、入力ギヤ77、作動子55、第1係合子51、第2係合子52、第1駆動ギヤ78、第1従動ギヤ79、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。 In the first speed change state, as shown in FIG. 5A, the motor M rotates in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A) and the screw nut 76 (operator 55) moves upward, so that the first engaging element 51 and the second engaging element 52 are connected and the third engaging element 53 and the fourth engaging element 54 are disconnected. In other words, the upper clutch 50U is connected and the lower clutch 50D is disconnected. In the first speed change state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the input gear 77, the actuator 55, the first engaging element 51, the second engaging element 52, the first driving gear 78, the first driven gear 79, and the first spindle unit SP1.

第2変速状態では、図5Bに示すように、モータMが第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転し、スクリューナット76(作動子55)が下方に移動することで、第1係合子51と第2係合子52とが遮断状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが接続状態となる。言い換えると、上側クラッチ50Uが遮断状態となり、下側クラッチ50Dが接続状態となる。第2変速状態では、モータMの動力が、出力ギヤ72、入力ギヤ77、作動子55、第3係合子53、第4係合子54、第2駆動ギヤ80、第2従動ギヤ81、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。 In the second speed change state, as shown in FIG. 5B, the motor M rotates in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B) and the screw nut 76 (operator 55) moves downward, causing the first engaging element 51 and the second engaging element 52 to be in a disengaged state and the third engaging element 53 and the fourth engaging element 54 to be in a connected state. In other words, the upper clutch 50U is in a disengaged state and the lower clutch 50D is in a connected state. In the second speed change state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the input gear 77, the actuator 55, the third engaging element 53, the fourth engaging element 54, the second driving gear 80, the second driven gear 81, and the first spindle unit SP1.

フリー状態では、図5Cに示すように、第1係合子51と第2係合子52とが遮断状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが遮断状態となる。言い換えると、上側クラッチ50U及び下側クラッチ50Dがともに遮断状態となる。フリー状態では、モータMが停止し、第1スピンドルユニットSP1の回転によって第1従動ギヤ79及び第2従動ギヤ81が回転するが、第1スピンドルユニットSP1の回転が、第1従動ギヤ79、第1駆動ギヤ78、第2係合子52に伝達されるものの第1係合子51へは伝達されない。同様に、第1スピンドルユニットSP1の回転が、第2従動ギヤ81、第2駆動ギヤ80、第4係合子54に伝達されるものの第3係合子53へは伝達されない。 In the free state, as shown in FIG. 5C, the first engaging element 51 and the second engaging element 52 are in a disconnected state, and the third engaging element 53 and the fourth engaging element 54 are in a disconnected state. In other words, the upper clutch 50U and the lower clutch 50D are both in a disconnected state. In the free state, the motor M is stopped, and the first driven gear 79 and the second driven gear 81 rotate due to the rotation of the first spindle unit SP1. However, the rotation of the first spindle unit SP1 is transmitted to the first driven gear 79, the first driving gear 78, and the second engaging element 52, but is not transmitted to the first engaging element 51. Similarly, the rotation of the first spindle unit SP1 is transmitted to the second driven gear 81, the second driving gear 80, and the fourth engaging element 54, but is not transmitted to the third engaging element 53.

即ち、断続機構50は、第1変速状態及び第2変速状態では、上側クラッチ50U及び下側クラッチ50Dのいずれか一方が接続状態となり、フリー状態では、上側クラッチ50U及び下側クラッチ50Dが遮断状態となる。以下では、第1変速状態及び第2変速状態を断続機構50の接続状態と称し、フリー状態を断続機構50の遮断状態と称することがある。 That is, in the first and second shifting states, either the upper clutch 50U or the lower clutch 50D of the on-off mechanism 50 is in a connected state, and in the free state, the upper clutch 50U and the lower clutch 50D are in a disconnected state. Hereinafter, the first and second shifting states may be referred to as the connected state of the on-off mechanism 50, and the free state may be referred to as the disconnected state of the on-off mechanism 50.

なお、図4~図5C中、符号Dは、ロータリーダンパであり、モータMの回転時に、スクリューナット76(作動子55)が確実に並進移動できるように第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75に適度な抵抗を与える。ロータリーダンパDは、ロータリーダンパDの回転軸に設けられる第1ダンパーギヤ86と、第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75に第2スピンドル75と一体回転するように設けられ、第1ダンパーギヤ86と噛み合う第2ダンパーギヤ87とから構成される。ロータリーダンパDは、変速機ケース60の底板部62の前方且つ上方であって、モータMの下方に配置されている。 In addition, in Figures 4 to 5C, the symbol D is a rotary damper that provides an appropriate resistance to the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 so that the screw nut 76 (operating element 55) can reliably move in a translational direction when the motor M rotates. The rotary damper D is composed of a first damper gear 86 provided on the rotating shaft of the rotary damper D, and a second damper gear 87 that is provided on the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 so as to rotate integrally with the second spindle 75 and meshes with the first damper gear 86. The rotary damper D is disposed in front of and above the bottom plate portion 62 of the transmission case 60, and below the motor M.

このように構成された電動義足1では、これまでの受動ダンパーを備える受動義足では、非義足側の足(健常脚)で一段ずつ上がらざるをえなかった階段の昇段動作をスムーズに行うことが可能となる。 With the electric prosthetic leg 1 configured in this way, it is possible to smoothly ascend stairs, whereas with a passive prosthetic leg equipped with a passive damper in the past, the non-prosthetic leg (healthy leg) had to ascend one step at a time.

具体的に説明すると、図6に示すように、電動義足1を前に出して階段を昇る際に電動義足1に外部から加重された状態で、膝関節機構30を屈曲した状態から伸展するとき大きな動力が必要となる。 Specifically, as shown in FIG. 6, when the electric prosthetic leg 1 is moved forward to climb stairs and weight is applied from the outside to the electric prosthetic leg 1, a large force is required to extend the knee joint mechanism 30 from a bent position.

このとき、図5Aに示すように、モータMを第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転させることで、モータMの動力が出力ギヤ72から入力ギヤ77に伝達される。入力ギヤ77が第2方向(図5Aの矢印D2方向)に回転することで、作動子55は第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75周りを回転しつつ第2スピンドル75に案内されて上方に移動する。そして、作動子55及び入力ギヤ77の上方に設けられた第1係合子51が第1駆動ギヤ78の下方に設けられた第2係合子52と係合し、断続機構50が第1変速状態となる。 At this time, as shown in FIG. 5A, by rotating the motor M in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A), the power of the motor M is transmitted from the output gear 72 to the input gear 77. By rotating the input gear 77 in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5A), the actuator 55 moves upward while being guided by the second spindle 75 while rotating around the second spindle 75 of the second spindle unit SP2. Then, the first engaging element 51 provided above the actuator 55 and the input gear 77 engages with the second engaging element 52 provided below the first drive gear 78, and the interrupting mechanism 50 enters the first speed change state.

断続機構50が第1変速状態のとき、モータMの動力が、出力ギヤ72、入力ギヤ77、作動子55、第1係合子51、第2係合子52、第1駆動ギヤ78、第1従動ギヤ79、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。第1駆動ギヤ78が入力ギヤ77とともに第2方向(図5Aの矢印D2方向)に回転することで、第1従動ギヤ79が第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転し、第1従動ギヤ79が第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転することで、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73が第1方向(図5Aの矢印D1方向)に回転する。これにより、スリーブ74が変速機Tから離れるように並進移動し、変速機Tが取り付けられた膝下側部材10に対し、スリーブ74が取り付けられた膝上側部材20が回動部35を中心に回転して、膝関節機構30が伸展する。 When the interrupter mechanism 50 is in the first speed change state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the input gear 77, the actuator 55, the first engaging element 51, the second engaging element 52, the first driving gear 78, the first driven gear 79, and the first spindle unit SP1. The first driving gear 78 rotates together with the input gear 77 in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5A), causing the first driven gear 79 to rotate in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A), and the first driven gear 79 rotates in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A), causing the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 to rotate in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5A). As a result, the sleeve 74 moves in a translational manner away from the transmission T, and the upper-knee member 20 to which the sleeve 74 is attached rotates around the rotating part 35 relative to the lower-knee member 10 to which the transmission T is attached, and the knee joint mechanism 30 extends.

一方、階段の昇段動作をスムーズに行うためには、図7に示すように、健常脚に加重がされた状態、言い換えると電動義足1に外部から加重がされていない状態で、膝関節機構30が伸展した状態から屈曲させる(持ち上げる)必要がある。膝関節機構30が伸展した状態から屈曲させる際には、大きな動力は必要ないが素早い動作が必要となる。 On the other hand, in order to smoothly ascend stairs, as shown in Figure 7, the knee joint mechanism 30 needs to be bent (lifted) from an extended state with weight being applied to the healthy leg, in other words, with no weight being applied to the electric prosthetic leg 1 from the outside. When bending the knee joint mechanism 30 from an extended state, a large power is not required, but quick movement is required.

このとき、図5Bに示すように、モータMを第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転させることで、モータMの動力が出力ギヤ72から入力ギヤ77に伝達される。入力ギヤ77が第1方向(図5Bの矢印D1方向)に回転することで、作動子55は第2スピンドルユニットSP2の第2スピンドル75周りを回転しつつ第2スピンドル75に案内されて下方に移動する。そして、作動子55及び入力ギヤ77の下方に設けられた第3係合子53が第2駆動ギヤ80の上方に設けられた第4係合子54と係合し、断続機構50が第2変速状態となる。 At this time, as shown in FIG. 5B, by rotating the motor M in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B), the power of the motor M is transmitted from the output gear 72 to the input gear 77. By rotating the input gear 77 in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5B), the actuator 55 rotates around the second spindle 75 of the second spindle unit SP2 and moves downward, guided by the second spindle 75. Then, the third engaging element 53 provided below the actuator 55 and the input gear 77 engages with the fourth engaging element 54 provided above the second drive gear 80, and the interrupting mechanism 50 enters the second speed change state.

断続機構50が第2変速状態のとき、モータMの動力が、出力ギヤ72、入力ギヤ77、作動子55、第3係合子53、第4係合子54、第2駆動ギヤ80、第2従動ギヤ81、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。第2駆動ギヤ80が入力ギヤ77とともに第1方向(図5Bの矢印D1方向)に回転することで、第2従動ギヤ81が第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転し、第2従動ギヤ81が第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転することで、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73が第2方向(図5Bの矢印D2方向)に回転する。これにより、スリーブ74が変速機Tに近づくように並進移動し、スリーブ74が取り付けられた膝上側部材20に対し、変速機Tが取り付けられた膝下側部材10が回動部35を中心に回転して、膝関節機構30が屈曲する。 When the interrupter mechanism 50 is in the second speed change state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the input gear 77, the actuator 55, the third engager 53, the fourth engager 54, the second drive gear 80, the second driven gear 81, and the first spindle unit SP1. The second drive gear 80 rotates together with the input gear 77 in the first direction (the direction of the arrow D1 in FIG. 5B), causing the second driven gear 81 to rotate in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B), and the second driven gear 81 rotates in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B), causing the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 to rotate in the second direction (the direction of the arrow D2 in FIG. 5B). As a result, the sleeve 74 moves in translation so as to approach the transmission T, and the lower-knee member 10 to which the transmission T is attached rotates around the rotating part 35 relative to the upper-knee member 20 to which the sleeve 74 is attached, bending the knee joint mechanism 30.

このように構成された電動義足1では、モータMの動力を伝達する変速機Tを介して膝関節機構30を伸展及び屈曲させることができる。膝関節機構30の回動範囲は180°以下に制限されており、膝関節機構30が伸展した状態では膝下側部材10と膝上側部材20との成す角は約180°であり、膝関節機構30が屈曲した状態ではこの成す角が180°未満となる。 In the electric prosthetic leg 1 configured in this manner, the knee joint mechanism 30 can be extended and flexed via the transmission T, which transmits the power of the motor M. The rotation range of the knee joint mechanism 30 is limited to 180° or less, and when the knee joint mechanism 30 is extended, the angle between the lower-knee member 10 and the upper-knee member 20 is approximately 180°, and when the knee joint mechanism 30 is flexed, this angle is less than 180°.

変速機Tは、変速比の異なる2つの動力伝達路を備えるので、膝関節機構30における伸展と屈曲の動作スピード及び発生動力を切り替えることができる。特に、階段の昇る際に膝関節機構30の屈曲時と伸展時とでは求められる動作スピード及び発生動力が異なるところ、膝関節機構30の屈曲時と伸展時とで動力伝達路を変えることができる。 The transmission T has two power transmission paths with different gear ratios, so it is possible to switch between the extension and flexion movement speed and the generated power of the knee joint mechanism 30. In particular, when climbing stairs, the required movement speed and generated power differ when the knee joint mechanism 30 is flexed and extended, so it is possible to change the power transmission path when the knee joint mechanism 30 is flexed and extended.

また、モータMと変速機Tとの間に介装される断続機構50が、モータMと第1変速機構T1との間に介装される上側クラッチ50Uと、モータMと第2変速機構T2との間に介装される下側クラッチ50Dと、を有するので、2つの動力伝達路を適切に切り替えることができる。 In addition, the on-off mechanism 50 interposed between the motor M and the transmission T has an upper clutch 50U interposed between the motor M and the first transmission mechanism T1, and a lower clutch 50D interposed between the motor M and the second transmission mechanism T2, so that the two power transmission paths can be appropriately switched.

特に、伸縮装置40は、モータMから出力される回転動力を、作動子55の並進運動に変換する第2スピンドルユニットSP2を備えるので、1つのモータMで作動子55の制御と膝関節機構30における伸展と屈曲の制御とを実現できる。さらに、1つの作動子55によって、変速機Tを第1変速状態と、第2変速状態と、フリー状態とに切り替え可能に構成されるので、2つの動力伝達路が同時に接続されることを回避できる。 In particular, the telescopic device 40 is equipped with a second spindle unit SP2 that converts the rotational power output from the motor M into translational motion of the actuator 55, so that a single motor M can control the actuator 55 and control the extension and flexion of the knee joint mechanism 30. Furthermore, the single actuator 55 is configured to be able to switch the transmission T between the first speed change state, the second speed change state, and a free state, so that it is possible to avoid two power transmission paths being connected at the same time.

階段を降りる際及び平地を歩行する際には、モータMの動力が必要ないのでモータMが停止される。以下の説明では、外部から加重がされていない脚、言い換えると体重を支えていない状態の脚を遊脚と称し、外部から加重がされている脚、言い換えると体重を支えている状態の脚を立脚と称する。なお、電動義足1には、常に電動義足1の重力による重さ(自重)が作用しているが、自重は外部からの加重に含まれない点に留意されたい。 When descending stairs or walking on flat ground, the power of motor M is not required, so motor M is stopped. In the following explanation, a leg that is not weighted from the outside, in other words, a leg that is not supporting the body weight, is referred to as a swing leg, and a leg that is weighted from the outside, in other words, a leg that is supporting the body weight, is referred to as a standing leg. Note that the weight of gravity of the electric prosthetic leg 1 is always acting on the electric prosthetic leg 1 (its own weight), but please note that its own weight is not included in the weight from the outside.

モータMが停止した状態で電動義足1に外部から加重されると、進展した状態の膝関節機構30が加重に耐えかねて屈曲してしまう、いわゆる膝折れが発生する虞がある。そこで、階段の降段時及び平地歩行時には、使用者の意図しない膝折れを防止するため、電動義足1に外部から加重がされた状態(立脚)では、断続機構50が接続状態に維持される。一方、電動義足1に外部から加重がされていない状態(遊脚)では断続機構50が遮断状態に維持され、膝関節機構30を屈曲した状態からスムーズに伸展させることが可能となっている。 When an external load is applied to the electric prosthetic leg 1 with the motor M stopped, the knee joint mechanism 30 in the extended state may bend due to being unable to withstand the load, resulting in so-called knee bending. Therefore, when descending stairs or walking on flat ground, in order to prevent the user from unintentionally bending the knee, the disconnecting mechanism 50 is maintained in a connected state when an external load is applied to the electric prosthetic leg 1 (standing leg). On the other hand, when no external load is applied to the electric prosthetic leg 1 (free leg), the disconnecting mechanism 50 is maintained in a disconnected state, making it possible to smoothly extend the knee joint mechanism 30 from a bent state.

図10は、平地を歩行する際における、断続機構50の状態を説明する図である。
即ち、平地歩行の際、電動義足1に外部から加重がされた加重状態(図10のI立脚)では、モータMが停止され且つ断続機構50が接続状態に維持される。なお、断続機構50は、上側クラッチ50Uが接続状態であり且つ下側クラッチ50Dが遮断状態である第1変速状態であってもよく、上側クラッチ50Uが遮断状態であり且つ下側クラッチ50Dが接続状態である第2変速状態であってもよい。好ましくは、第2変速状態である。
FIG. 10 is a diagram for explaining the state of the interrupting mechanism 50 when walking on flat ground.
That is, when walking on flat ground, in a load state where the electric prosthetic leg 1 is loaded from the outside (I-legged stance in FIG. 10), the motor M is stopped and the on-off mechanism 50 is maintained in a connected state. The on-off mechanism 50 may be in a first speed change state in which the upper clutch 50U is in a connected state and the lower clutch 50D is in a disconnected state, or in a second speed change state in which the upper clutch 50U is in a disconnected state and the lower clutch 50D is in a connected state. The second speed change state is preferable.

一方、平地歩行の際、電動義足1に外部から加重がされていない非加重状態(図10のIII遊脚)では、モータMが停止され且つ断続機構50が上側クラッチ50U及び下側クラッチ50Dがともに遮断状態となるフリー状態に維持される。平地歩行の際の断続機構50の接続状態から遮断状態への切替(図10のII離地)、及び断続機構50の遮断状態から接続状態への切替(図10のIV着地直前)の制御(以下、平地歩行制御)については、後述する。 On the other hand, when walking on flat ground, in a non-loaded state where no weight is applied from the outside to the electric prosthetic leg 1 (free leg III in FIG. 10), the motor M is stopped and the on-off mechanism 50 is maintained in a free state where both the upper clutch 50U and the lower clutch 50D are in a disconnected state. The control of switching the on-off mechanism 50 from the connected state to the disconnected state when walking on flat ground (II taking off from the ground in FIG. 10) and switching the on-off mechanism 50 from the disconnected state to the connected state (IV immediately before landing in FIG. 10) (hereinafter referred to as flat ground walking control) will be described later.

<第2実施形態>
第2実施形態の電動義足1は、伸縮装置40の構成が第1実施形態の電動義足1と異なるものである。より具体的に説明すると、第1実施形態の伸縮装置40では、作動子55の並進運動は、モータMから出力される回転動力が第2スピンドルユニットSP2によって変換されることで実現された。これに対し、第2実施形態の伸縮装置40では、作動子55の並進運動は、モータMとは異なる駆動源であるクラッチアクチュエータACTと、クラッチアクチュエータACTの動力を作動子55に伝達するクラッチフォーク90と、により実現される。以下の説明では、第2実施形態の電動義足1の伸縮装置40について図8及び図9を参照しながら説明するが、第1実施形態の電動義足1の伸縮装置40と同一又は同等の構成について図中に同一の符号を付して説明を省略し、相違点についてのみ説明する。
Second Embodiment
The electric prosthesis 1 of the second embodiment has a different configuration of the telescopic device 40 from that of the electric prosthesis 1 of the first embodiment. More specifically, in the telescopic device 40 of the first embodiment, the translational motion of the actuator 55 is realized by converting the rotational power output from the motor M by the second spindle unit SP2. In contrast, in the telescopic device 40 of the second embodiment, the translational motion of the actuator 55 is realized by a clutch actuator ACT, which is a drive source different from the motor M, and a clutch fork 90 that transmits the power of the clutch actuator ACT to the actuator 55. In the following description, the telescopic device 40 of the electric prosthesis 1 of the second embodiment will be described with reference to Figures 8 and 9, but the same or equivalent configurations as those of the electric prosthesis 1 of the first embodiment will be denoted by the same reference numerals in the figures and description will be omitted, and only the differences will be described.

第2実施形態の伸縮装置40は、図8及び図9に示すように、回転動力を出力するモータMと、モータMの動力を伝達する変速機Tと、変速機Tに動力伝達可能に接続され、変速機Tから出力される回転動力を並進運動に変換する第1スピンドルユニットSP1と、モータMと変速機Tの第1変速機構T1及び第2変速機構T2との間に介装される断続機構50と、モータMの出力軸71及び第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73と平行に配置され断続機構50を支持するサポートシャフト95と、並進運動を行うクラッチアクチュエータACTと、クラッチアクチュエータACTの動力を断続機構50の作動子55に伝達するクラッチフォーク90と、を備える。 As shown in Figures 8 and 9, the telescopic device 40 of the second embodiment includes a motor M that outputs rotational power, a transmission T that transmits the power of the motor M, a first spindle unit SP1 that is connected to the transmission T so that the power can be transmitted and that converts the rotational power output from the transmission T into translational motion, an interrupting mechanism 50 that is interposed between the motor M and the first and second speed change mechanisms T1 and T2 of the transmission T, a support shaft 95 that is arranged in parallel with the output shaft 71 of the motor M and the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 and supports the interrupting mechanism 50, a clutch actuator ACT that performs translational motion, and a clutch fork 90 that transmits the power of the clutch actuator ACT to the actuator 55 of the interrupting mechanism 50.

クラッチアクチュエータACTは、モータMとは異なる動力源であり、図8中の矢印Y1で示すように、サポートシャフト95の軸心方向(上下方向)に沿って並進運動を行う。 The clutch actuator ACT is a power source different from the motor M, and performs translational motion along the axial direction (up-down direction) of the support shaft 95, as shown by the arrow Y1 in FIG. 8.

クラッチフォーク90は、クラッチフォーク90の一端部がクラッチアクチュエータACTに連結され、且つ中間部が揺動軸65に支持されることで、図8中の矢印Y2で示すように、揺動軸65を中心に揺動自在に構成される。クラッチフォーク90の他端部には、揺動軸65に対しクラッチアクチュエータACTとは反対側に位置する分岐部91から二又に分岐し、円弧状に互いに反対方向に延びるアーム92が設けられる。各アーム92の先端部には、後述するスライドクラッチ56に嵌合する連結ピン93が設けられる。従って、クラッチアクチュエータACTが並進運動を行うことで、クラッチフォーク90は揺動軸65を中心に揺動し、クラッチフォーク90の連結ピン93が上下に揺動する。 The clutch fork 90 is configured to be able to swing freely around the swing shaft 65 as shown by the arrow Y2 in FIG. 8, with one end of the clutch fork 90 connected to the clutch actuator ACT and the middle part supported by the swing shaft 65. At the other end of the clutch fork 90, arms 92 are provided that branch into two from a branch part 91 located on the opposite side of the swing shaft 65 from the clutch actuator ACT, and extend in opposite directions in an arc shape. At the tip of each arm 92, a connecting pin 93 that fits into the slide clutch 56 described below is provided. Therefore, as the clutch actuator ACT performs translational motion, the clutch fork 90 swings around the swing shaft 65, and the connecting pin 93 of the clutch fork 90 swings up and down.

変速機Tは、モータMの出力軸71に設けられる出力ギヤ72と、サポートシャフト95の略中央部に設けられ、出力ギヤ72と噛み合う第1入力ギヤ77A及び第2入力ギヤ77Bと、第1変速機構T1と、第2変速機構T2と、を備える。第1入力ギヤ77A及び第2入力ギヤ77Bは、入力ギヤ77を構成する。 The transmission T includes an output gear 72 provided on the output shaft 71 of the motor M, a first input gear 77A and a second input gear 77B provided in the approximate center of the support shaft 95 and meshing with the output gear 72, a first transmission mechanism T1, and a second transmission mechanism T2. The first input gear 77A and the second input gear 77B constitute the input gear 77.

第1変速機構T1は、サポートシャフト95の上側に移動不能に設けられた第1駆動ギヤ78と、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73に第1スピンドル73と一体回転するように設けられ、第1駆動ギヤ78と噛み合う第1従動ギヤ79とから構成される。 The first speed change mechanism T1 is composed of a first drive gear 78 that is immovably mounted on the upper side of the support shaft 95, and a first driven gear 79 that is mounted on the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 so as to rotate integrally with the first spindle 73 and meshes with the first drive gear 78.

第2変速機構T2は、サポートシャフト95の下側に移動不能に設けられた第2駆動ギヤ80と、第1スピンドルユニットSP1の第1スピンドル73に第1スピンドル73と一体回転するように設けられ、第2駆動ギヤ80と噛み合う第2従動ギヤ81とから構成される。 The second speed change mechanism T2 is composed of a second drive gear 80 that is immovably mounted on the lower side of the support shaft 95, and a second driven gear 81 that is mounted on the first spindle 73 of the first spindle unit SP1 so as to rotate integrally with the first spindle 73 and meshes with the second drive gear 80.

なお、第1変速機構T1及び第2変速機構T2の変速比については第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。第1変速機構T1と第2変速機構T2とは、断続機構50により切り替えられる。断続機構50は、モータMと第1変速機構T1との間に介装される上側クラッチ50Uと、モータMと第2変速機構T2との間に介装される下側クラッチ50Dと、作動子55と、を備える。 The gear ratios of the first and second speed change mechanisms T1 and T2 are the same as those in the first embodiment, so a description thereof will be omitted here. The first and second speed change mechanisms T1 and T2 are switched by an on-off mechanism 50. The on-off mechanism 50 includes an upper clutch 50U interposed between the motor M and the first speed change mechanism T1, a lower clutch 50D interposed between the motor M and the second speed change mechanism T2, and an actuator 55.

上側クラッチ50Uは、モータM側の係合子である第1係合子51と、第1変速機構T1側の係合子である第2係合子52と、を備える噛み合いクラッチである。より詳しく説明すると、第1係合子51は、第1入力ギヤ77Aと一体に回転するように第1入力ギヤ77Aの上方に設けられる。第2係合子52は、第1係合子51と係合可能に第1駆動ギヤ78の下方に第1駆動ギヤ78と一体に回転するように設けられる。第2係合子52及び第1駆動ギヤ78は、サポートシャフト95の上方に、サポートシャフト95に対し相対回転自在に且つ移動不能に取り付けられている。 The upper clutch 50U is a meshing clutch that includes a first engaging element 51 that is an engaging element on the motor M side, and a second engaging element 52 that is an engaging element on the first speed change mechanism T1 side. To explain in more detail, the first engaging element 51 is provided above the first input gear 77A so as to rotate integrally with the first input gear 77A. The second engaging element 52 is provided below the first drive gear 78 so as to be engageable with the first engaging element 51 so as to rotate integrally with the first drive gear 78. The second engaging element 52 and the first drive gear 78 are attached above the support shaft 95 so as to be rotatable relative to the support shaft 95 but immovable.

下側クラッチ50Dは、モータM側の係合子である第3係合子53と、第2変速機構T2側の係合子である第4係合子54と、を備える噛み合いクラッチである。より詳しく説明すると、第3係合子53は、第2入力ギヤ77Bと一体に回転するように第2入力ギヤ77Bの下方に設けられる。第4係合子54は、第3係合子53と係合可能に第2駆動ギヤ80の上方に第2駆動ギヤ80と一体に回転するように設けられる。第4係合子54及び第2駆動ギヤ80は、サポートシャフト95の下方に、サポートシャフト95に対し相対回転自在に且つ移動不能に取り付けられている。 The lower clutch 50D is a meshing clutch that includes a third engaging element 53 that is an engaging element on the motor M side, and a fourth engaging element 54 that is an engaging element on the second speed change mechanism T2 side. To explain in more detail, the third engaging element 53 is provided below the second input gear 77B so as to rotate integrally with the second input gear 77B. The fourth engaging element 54 is provided above the second drive gear 80 so as to be engageable with the third engaging element 53 and to rotate integrally with the second drive gear 80. The fourth engaging element 54 and the second drive gear 80 are attached below the support shaft 95 so as to be rotatable relative to the support shaft 95 but immovable.

作動子55は、クラッチフォーク90の連結ピン93と常時係合する円環状のスライドクラッチ56と、スライドクラッチ56とともに並進運動を行う軸受57と、を備え、上下方向において第1入力ギヤ77Aと第2入力ギヤ77Bとの間に配置されている。 The actuator 55 includes an annular slide clutch 56 that is constantly engaged with the connecting pin 93 of the clutch fork 90, and a bearing 57 that performs translational motion together with the slide clutch 56, and is disposed between the first input gear 77A and the second input gear 77B in the vertical direction.

スライドクラッチ56には、クラッチフォーク90の連結ピン93が係合する連結孔が設けられ、連結孔は、クラッチフォーク90の揺動を吸収しスライドクラッチ56の上下方向の並進運動に変換する。 The slide clutch 56 has a connecting hole with which the connecting pin 93 of the clutch fork 90 engages, and the connecting hole absorbs the rocking motion of the clutch fork 90 and converts it into vertical translational motion of the slide clutch 56.

軸受57は、スライドクラッチ56に回転不能に支持された外輪57aと、第1係合子51が設けられた第1入力ギヤ77Aと第3係合子53が設けられた第2入力ギヤ77Bと一体回転するように構成された内輪57bと、外輪57aと内輪57bとの間に配置され、外輪57aと内輪57bとの相対回転を許容する転動体57cと、を備える。 The bearing 57 includes an outer ring 57a supported non-rotatably by the slide clutch 56, an inner ring 57b configured to rotate integrally with a first input gear 77A provided with a first engaging element 51 and a second input gear 77B provided with a third engaging element 53, and a rolling element 57c disposed between the outer ring 57a and the inner ring 57b, allowing relative rotation between the outer ring 57a and the inner ring 57b.

内輪57bは、第1入力ギヤ77A及び第2入力ギヤ77Bとともにサポートシャフト95にキー連結されたサポートフランジ96の外周部に上下方向に並進移動可能に支持されている。 The inner ring 57b is supported on the outer periphery of a support flange 96 that is key-connected to the support shaft 95 together with the first input gear 77A and the second input gear 77B so as to be movable in a vertical translational direction.

スライドクラッチ56及び軸受57(作動子55)は、クラッチアクチュエータACTによってクラッチフォーク90の一端部が下方に移動するときに、サポートシャフト95に沿って上方に移動し、クラッチアクチュエータACTによってクラッチフォーク90の一端部が上方に移動するときに、サポートシャフト95に沿って下方に移動する。なお、スライドクラッチ56及び外輪57aと、第1入力ギヤ77Aとの間には上下方向に所定の隙間が設けられ、非回転部材であるスライドクラッチ56及び外輪57aに対し、第1入力ギヤ77Aが干渉しないように構成される。同様に、スライドクラッチ56及び外輪57aと、第2入力ギヤ77Bとの間には上下方向に所定の隙間が設けられ、非回転部材であるスライドクラッチ56及び外輪57aに対し、第2入力ギヤ77Bが干渉しないように構成される。 The slide clutch 56 and the bearing 57 (actuator 55) move upward along the support shaft 95 when one end of the clutch fork 90 moves downward by the clutch actuator ACT, and move downward along the support shaft 95 when one end of the clutch fork 90 moves upward by the clutch actuator ACT. A predetermined gap is provided between the slide clutch 56 and the outer ring 57a and the first input gear 77A in the vertical direction, so that the first input gear 77A does not interfere with the slide clutch 56 and the outer ring 57a, which are non-rotating members. Similarly, a predetermined gap is provided between the slide clutch 56 and the outer ring 57a and the second input gear 77B in the vertical direction, so that the second input gear 77B does not interfere with the slide clutch 56 and the outer ring 57a, which are non-rotating members.

断続機構50は、スライドクラッチ56及び軸受57(作動子55)がサポートシャフト95の軸心に沿って上下方向に並進運動することで第1変速状態、第2変速状態、フリー状態の3つの状態を取りうる。 The interrupter mechanism 50 can be in three states: a first speed change state, a second speed change state, and a free state, as the slide clutch 56 and the bearing 57 (operator 55) move in a vertical translational motion along the axis of the support shaft 95.

第1変速状態では、スライドクラッチ56及び軸受57(作動子55)が上方に移動することで、図5Aと同様に、第1係合子51と第2係合子52とが接続状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが遮断状態となる。言い換えると、上側クラッチ50Uが接続され、下側クラッチ50Dが遮断される。第1変速状態では、モータMの動力が、出力ギヤ72、第1入力ギヤ77A(内輪57b及び第2入力ギヤ77B)、第1係合子51、第2係合子52、第1駆動ギヤ78、第1従動ギヤ79、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。 In the first shift state, the slide clutch 56 and bearing 57 (operator 55) move upward, so that the first engager 51 and the second engager 52 are connected and the third engager 53 and the fourth engager 54 are disconnected, as in FIG. 5A. In other words, the upper clutch 50U is connected and the lower clutch 50D is disconnected. In the first shift state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the first input gear 77A (inner wheel 57b and second input gear 77B), the first engager 51, the second engager 52, the first drive gear 78, the first driven gear 79, and the first spindle unit SP1.

第2変速状態では、スライドクラッチ56及び軸受57(作動子55)が下方に移動することで、図5Bと同様に、第1係合子51と第2係合子52とが遮断状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが接続状態となる。言い換えると、上側クラッチ50Uが遮断され、下側クラッチ50Dが接続される。第2変速状態では、モータMの動力が、出力ギヤ72、第2入力ギヤ77B(内輪57b及び第1入力ギヤ77A)、第3係合子53、第4係合子54、第2駆動ギヤ80、第2従動ギヤ81、第1スピンドルユニットSP1へと伝達される。 In the second shift state, the slide clutch 56 and bearing 57 (operator 55) move downward, so that the first engager 51 and the second engager 52 are disengaged and the third engager 53 and the fourth engager 54 are engaged, as in FIG. 5B. In other words, the upper clutch 50U is disengaged and the lower clutch 50D is engaged. In the second shift state, the power of the motor M is transmitted to the output gear 72, the second input gear 77B (inner wheel 57b and first input gear 77A), the third engager 53, the fourth engager 54, the second drive gear 80, the second driven gear 81, and the first spindle unit SP1.

フリー状態では、図5Cと同様に、第1係合子51と第2係合子52とが遮断状態となり且つ第3係合子53と第4係合子54とが遮断状態となる。言い換えると、上側クラッチ50Uが遮断され、下側クラッチ50Dが遮断される。フリー状態では、モータMが停止し、第1スピンドルユニットSP1の回転によって第1従動ギヤ79及び第2従動ギヤ81が回転するが、第1スピンドルユニットSP1の回転が、第1従動ギヤ79、第1駆動ギヤ78、第2係合子52に伝達されるものの第1係合子51へは伝達されない。同様に、第1スピンドルユニットSP1の回転が、第2従動ギヤ81、第2駆動ギヤ80、第4係合子54に伝達されるものの第3係合子53へは伝達されない。 In the free state, as in FIG. 5C, the first engaging element 51 and the second engaging element 52 are in a disconnected state, and the third engaging element 53 and the fourth engaging element 54 are in a disconnected state. In other words, the upper clutch 50U is disconnected, and the lower clutch 50D is disconnected. In the free state, the motor M is stopped, and the first driven gear 79 and the second driven gear 81 rotate due to the rotation of the first spindle unit SP1, but the rotation of the first spindle unit SP1 is transmitted to the first driven gear 79, the first driving gear 78, and the second engaging element 52, but is not transmitted to the first engaging element 51. Similarly, the rotation of the first spindle unit SP1 is transmitted to the second driven gear 81, the second driving gear 80, and the fourth engaging element 54, but is not transmitted to the third engaging element 53.

このように構成された電動義足1では、第1実施形態と同様に、モータMの動力を伝達する変速機Tを介して膝関節機構30を伸展及び屈曲させることができるとともに、第1実施形態の電動義足1で説明した作用効果が得られる。また、第2実施形態の電動義足1では、膝関節機構30を伸展及び屈曲させるためのモータMとは異なる動力源であるクラッチアクチュエータACTを利用して作動子55を切り替えるので、より安定的に作動子55を切り替えることができる。 In the electric prosthetic leg 1 configured in this manner, as in the first embodiment, the knee joint mechanism 30 can be extended and flexed via the transmission T that transmits the power of the motor M, and the effects described for the electric prosthetic leg 1 of the first embodiment can be obtained. In addition, in the electric prosthetic leg 1 of the second embodiment, the actuator 55 is switched using a clutch actuator ACT, which is a power source different from the motor M for extending and flexing the knee joint mechanism 30, so that the actuator 55 can be switched more stably.

<平地歩行制御>
続いて、上記した第1実施形態及び第2実施形態の電動義足1を用いた平地歩行制御について、第2実施形態の電動義足1を例に説明する。
<Level walking control>
Next, flat ground walking control using the electric prosthetic leg 1 of the first embodiment and the second embodiment described above will be described by taking the electric prosthetic leg 1 of the second embodiment as an example.

図11及び図12に示すように、電動義足1には、膝下側部材10の下部(例えば、脚部11)に設けられた荷重センサである加重/抜重センサ201と、膝下側部材10に設けられ膝下側部材10の地面に対する角度(対地角)を検出可能な姿勢センサである脛IMU(Inertial Measurement Unit)203と、膝下側部材10と膝上側部材20との成す角を検出する回転角センサである膝角度センサ205と、が設けられる。 As shown in Figures 11 and 12, the electric prosthetic leg 1 is provided with a load sensor, a load/unload sensor 201, provided on the lower part of the knee-lower member 10 (e.g., leg 11), a shin IMU (Inertial Measurement Unit) 203, a posture sensor provided on the knee-lower member 10 that can detect the angle of the knee-lower member 10 with respect to the ground (ground angle), and a knee angle sensor 205, a rotation angle sensor that detects the angle between the knee-lower member 10 and the knee-higher member 20.

電動義足1の制御システム100は、膝下側部材10に加わる加重FZを取得する加重/抜重取得部102と、電動義足1が非加重状態から加重状態に遷移することを取得する加重遷移取得部113と、電動義足1が加重状態から非加重状態に遷移することを取得する非加重遷移取得部114と、下腿部5の中心線CL5と大腿部4の中心線CL4との角度である膝角度θを取得する膝角度取得部103と、膝関節機構30の回動部35を通って鉛直方向に延びる鉛直線LN1に対する下腿部5の角度である下腿角度αを算出する下腿角度算出部107と、下腿角度αの角速度である下腿角速度を算出する下腿角速度算出部111と、下腿角度αの角加速度である下腿角加速度を算出する下腿角加速度算出部112と、股関節6を通って鉛直方向に延びる鉛直線LN2に対する大腿部4の角度である大腿角度βを算出する大腿角度算出部106と、モータMを制御するモータ制御部108と、断続機構50の状態を制御する断続機構制御部110と、を備える。なお、第1実施形態では、モータ制御部108が断続機構制御部110も兼ねることに留意されたい。 The control system 100 of the electric prosthesis 1 includes a load/unload acquisition unit 102 that acquires the load FZ applied to the knee lower member 10, a load transition acquisition unit 113 that acquires the transition of the electric prosthesis 1 from an unloaded state to a loaded state, an unloaded transition acquisition unit 114 that acquires the transition of the electric prosthesis 1 from a loaded state to an unloaded state, a knee angle acquisition unit 103 that acquires the knee angle θ, which is the angle between the center line CL5 of the lower leg 5 and the center line CL4 of the thigh 4, and a vertical line LN1 that extends vertically through the rotating part 35 of the knee joint mechanism 30. The system includes a lower leg angle calculation unit 107 that calculates a lower leg angle α, which is the angle of the lower leg 5 relative to the hip joint 6, a lower leg angular velocity calculation unit 111 that calculates a lower leg angular velocity, which is the angular velocity of the lower leg angle α, a lower leg angular acceleration calculation unit 112 that calculates a lower leg angular acceleration, which is the angular acceleration of the lower leg angle α, a thigh angle calculation unit 106 that calculates a thigh angle β, which is the angle of the thigh 4 with respect to a vertical line LN2 that extends vertically through the hip joint 6, a motor control unit 108 that controls the motor M, and an interruption mechanism control unit 110 that controls the state of the interruption mechanism 50. Note that in the first embodiment, the motor control unit 108 also serves as the interruption mechanism control unit 110.

加重/抜重取得部102は、加重/抜重センサ201から膝下側部材10に加わる軸力である加重FZを取得する。膝下側部材10に加わる加重FZは、加重/抜重センサ201の検出値であってもよく、予測値であってもよい。本実施形態では、膝下側部材10に加わる加重FZが引張方向のときを正方向とする。 The load/unload acquisition unit 102 acquires the load FZ, which is the axial force applied to the knee-below member 10, from the load/unload sensor 201. The load FZ applied to the knee-below member 10 may be a detected value of the load/unload sensor 201 or a predicted value. In this embodiment, the load FZ applied to the knee-below member 10 in the tensile direction is considered to be the positive direction.

膝角度取得部103は、180°から膝角度センサ205で検出される成す角を引くことで膝角度θを取得する。膝角度θは、下腿部5の中心線CL5と大腿部4の中心線CL4とが一致するときを0°として、膝関節機構30が屈曲するにつれて正方向に大きな値となる。 The knee angle acquisition unit 103 acquires the knee angle θ by subtracting the angle detected by the knee angle sensor 205 from 180°. The knee angle θ is set to 0° when the center line CL5 of the lower leg 5 and the center line CL4 of the thigh 4 coincide with each other, and increases in the positive direction as the knee joint mechanism 30 bends.

下腿角度算出部107は、脛IMU203で得られる下腿部5の対地角に基づいて下腿角度αを取得する。下腿角度αは、膝関節機構30の回動部35を通って鉛直方向に延びる鉛直線LN1に対し下腿部5が後方にあるとき正の値となり、鉛直線LN1に対し下腿部5が前方にあるとき負の値となる。また、以下の説明では、下腿部5の上端部が下腿部5の下端部よりも前方に位置する傾き方を下腿部5の前傾状態と称し、下腿部5の上端部が下腿部5の下端部よりも後ろに位置する傾き方を下腿部5の後傾状態と称する。したがって、下腿部5が前傾状態のとき下腿角度αは正の値をとり、下腿部5が後傾状態のとき下腿角度αは負の値をとる。 The crus angle calculation unit 107 acquires the crus angle α based on the ground angle of the crus 5 obtained by the shin IMU 203. The crus angle α is a positive value when the crus 5 is behind the vertical line LN1 that passes through the rotation unit 35 of the knee joint mechanism 30 and extends vertically, and is a negative value when the crus 5 is ahead of the vertical line LN1. In the following description, the inclination in which the upper end of the crus 5 is located ahead of the lower end of the crus 5 is referred to as the forward inclination state of the crus 5, and the inclination in which the upper end of the crus 5 is located behind the lower end of the crus 5 is referred to as the backward inclination state of the crus 5. Therefore, when the crus 5 is in a forward inclination state, the crus angle α is a positive value, and when the crus 5 is in a backward inclination state, the crus angle α is a negative value.

下腿角速度算出部111は、下腿角度算出部107で取得した下腿角度αの単位時間当たりの変化量である下腿角速度を算出する。 The lower leg angular velocity calculation unit 111 calculates the lower leg angular velocity, which is the amount of change per unit time of the lower leg angle α acquired by the lower leg angle calculation unit 107.

下腿角加速度算出部112は、下腿角速度算出部111で算出した下腿角速度の単位時間当たりの変化量である下腿角加速度を算出する。 The lower leg angular acceleration calculation unit 112 calculates the lower leg angular acceleration, which is the amount of change per unit time in the lower leg angular velocity calculated by the lower leg angular velocity calculation unit 111.

大腿角度算出部106は、脛IMU203で得られる下腿部5の対地角及び膝角度センサ205で膝角度θに基づいて大腿角度βを算出する。大腿角度βは、鉛直線LN2に対し大腿部4が後方にあるとき正の値となり、仮想線LNに対し大腿部4が前方にあるとき負の値となる。また、以下の説明では、大腿部4の上端部が大腿部4の下端部よりも前方に位置する傾き方を大腿部4の前傾状態と称し、大腿部4の上端部が大腿部4の下端部よりも後ろに位置する傾き方を大腿部4の後傾状態と称する。したがって、大腿部4が前傾状態の大腿角度βは正の値をとり、大腿部4が後傾状態のとき大腿角度βは負の値をとる。 The thigh angle calculation unit 106 calculates the thigh angle β based on the ground angle of the lower leg 5 obtained by the shin IMU 203 and the knee angle θ by the knee angle sensor 205. The thigh angle β is a positive value when the thigh 4 is behind the vertical line LN2, and is a negative value when the thigh 4 is ahead of the virtual line LN. In the following description, the inclination in which the upper end of the thigh 4 is located ahead of the lower end of the thigh 4 is referred to as the forward inclination state of the thigh 4, and the inclination in which the upper end of the thigh 4 is located behind the lower end of the thigh 4 is referred to as the backward inclination state of the thigh 4. Therefore, the thigh angle β when the thigh 4 is in the forward inclination state is a positive value, and the thigh angle β when the thigh 4 is in the backward inclination state is a negative value.

モータ制御部108は、モータMの駆動/停止、モータMの駆動時の出力を制御する。モータ制御部108は、平地歩行の際、上述したようにモータMを停止する。 The motor control unit 108 controls the drive/stop of the motor M and the output when the motor M is driven. When walking on flat ground, the motor control unit 108 stops the motor M as described above.

断続機構制御部110は、平地歩行の際、上述したように電動義足1が加重状態(立脚)のとき、断続機構50を接続状態に制御し、電動義足1が非加重状態(遊脚)のとき、断続機構50を遮断状態に制御する。また、断続機構制御部110は、加重遷移取得部113が非加重状態から加重状態に遷移することを取得したときに断続機構50を遮断状態から接続状態に切り替え、非加重遷移取得部114が加重状態から非加重状態に遷移することを取得したときに断続機構50を接続状態から遮断状態に切り替える。 When walking on flat ground, as described above, when the electric prosthetic leg 1 is in a weight-bearing state (standing leg), the interrupting mechanism control unit 110 controls the interrupting mechanism 50 to a connected state, and when the electric prosthetic leg 1 is in an unweighted state (free leg), the interrupting mechanism control unit 110 controls the interrupting mechanism 50 to a disconnected state. In addition, when the weight-bearing transition acquisition unit 113 acquires a transition from an unweighted state to a weighted state, the interrupting mechanism control unit 110 switches the interrupting mechanism 50 from a disconnected state to a connected state, and when the unweighted transition acquisition unit 114 acquires a transition from a weighted state to an unweighted state, the interrupting mechanism control unit 110 switches the interrupting mechanism 50 from a connected state to a disconnected state.

加重遷移取得部113が非加重状態から加重状態への遷移を適切に判定しなければ、電動義足1の遊脚終了時に伸縮装置40の内部で機械要素同士が接触してしまい異音が発生してしまう。一方、非加重遷移取得部114が加重状態から非加重状態への遷移を適切に判定しなければ、健常脚のように足首を自在に屈曲できない電動義足1では立脚終了時につま先が地面につっかかってしまう。以下、この遷移判定について図13~図16を参照しながら具体的に説明する。 If the weighted transition acquisition unit 113 does not properly determine the transition from the unweighted state to the weighted state, mechanical elements will come into contact with each other inside the extension device 40 when the swing leg of the electric prosthetic leg 1 ends, causing abnormal noise. On the other hand, if the unweighted transition acquisition unit 114 does not properly determine the transition from the weighted state to the unweighted state, the toes of the electric prosthetic leg 1, which cannot bend its ankle as freely as a healthy leg, will get stuck on the ground when the stance ends. This transition determination will be explained in detail below with reference to Figures 13 to 16.

図14は、平地歩行時に電動義足1に作用する加重FZ、膝角度θ、下腿角度α、下腿角速度、大腿角度β、を示すグラフであり、図14中の太実線は、断続機構50の接続状態と遮断状態との間の切替を示している。図15は図14のA部分の拡大図であり、図16は図14のB部分の拡大図である。 Figure 14 is a graph showing the load FZ, knee angle θ, lower leg angle α, lower leg angular velocity, and thigh angle β acting on the electric prosthetic leg 1 when walking on flat ground, and the thick solid lines in Figure 14 indicate the switching between the connected and disconnected states of the disconnecting mechanism 50. Figure 15 is an enlarged view of part A in Figure 14, and Figure 16 is an enlarged view of part B in Figure 14.

[遊脚中_接続状態への遷移条件]
先ずは、電動義足1が遊脚であるときの接続状態への遷移条件について図13、図14、及び図16を参照しながら説明する。
[Swing leg_transition condition to connected state]
First, the conditions for transitioning to the connected state when the electric prosthetic leg 1 is in the swing leg state will be described with reference to Figs. 13, 14, and 16.

(第1接続条件_P1)
膝角度θ<θth
(First connection condition_P1)
Knee angle θ<θth

θth(°)は、膝が伸展直前の状態であって機械要素同士が接触しないための閾値であり、例えば0°~10°である。加重遷移取得部113が膝角度θに基づいて非加重状態から加重状態への遷移を判定することで、膝角度θが閾値θthを超えて膝関節機構30が伸展することが回避される。これにより、機械要素同士の接触を回避することができ、遷移時に異音が発生することが抑制される。 θth (°) is a threshold value for preventing contact between mechanical elements when the knee is about to be extended, and is, for example, 0° to 10°. The weighted transition acquisition unit 113 determines the transition from the unweighted state to the weighted state based on the knee angle θ, thereby preventing the knee angle θ from exceeding the threshold θth and causing the knee joint mechanism 30 to extend. This makes it possible to prevent contact between mechanical elements, and suppresses the generation of abnormal noise during the transition.

(第2接続条件_P2)
FZ>Fth
ただし、Fth<0(N)
(Second Connection Condition_P2)
FZ>Fth
However, Fth<0(N)

Fth(N)は、下腿部5(電動義足1)が遊脚であることを判定する閾値である。加重遷移取得部113が、膝下側部材10に加わる加重FZに基づいて非加重状態から加重状態への遷移を判定することで、第1接続条件の下では電動義足1が遊脚であるという推定が正しいことを検証でき、非加重状態から加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 Fth(N) is a threshold value for determining that the lower leg 5 (electric prosthetic leg 1) is a free leg. The weight transition acquisition unit 113 determines the transition from an unweighted state to a weighted state based on the weight FZ applied to the knee-lower member 10, thereby verifying that the estimation that the electric prosthetic leg 1 is a free leg under the first connection condition is correct, and improving the estimation accuracy of the transition from an unweighted state to a weighted state.

(第3接続条件_P3)
下腿角速度<ωth1
ただし、ωth1(deg/s)<0
(Third Connection Condition_P3)
Lower leg angular velocity <ωth1
However, ωth1 (deg/s) < 0

ωth1(deg/s)は、下腿部5(電動義足1)が後傾方向に回転していることを判定する閾値である。加重遷移取得部113は、下腿角度αの角速度(下腿角速度)に基づいて非加重状態から加重状態への遷移を判定することで、電動義足1の遊脚終了直前を検出することができ、非加重状態から加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 ωth1 (deg/s) is a threshold value for determining that the lower leg 5 (electric prosthetic leg 1) is rotating in a backward tilt direction. The weighted transition acquisition unit 113 determines the transition from an unweighted state to a weighted state based on the angular velocity of the lower leg angle α (lower leg angular velocity), making it possible to detect the moment immediately before the swing leg of the electric prosthetic leg 1 ends, and to improve the estimation accuracy of the transition from an unweighted state to a weighted state.

加重遷移取得部113は、第1接続条件を満たしたとき、好ましくは第1接続条件に加えて第2接続条件及び第3接続条件の少なくとも一つを満たしたとき、より好ましくは第1接続条件~第3接続条件の全てを満たしたとき、非加重状態から加重状態への遷移と判定し、断続機構制御部110は、断続機構50を遮断状態から接続状態に切り替える。 When the first connection condition is met, preferably when at least one of the second and third connection conditions in addition to the first connection condition is met, and more preferably when all of the first to third connection conditions are met, the weighted transition acquisition unit 113 determines that a transition has occurred from the non-weighted state to the weighted state, and the on-off mechanism control unit 110 switches the on-off mechanism 50 from the disconnected state to the connected state.

このような条件に基づき加重遷移取得部113が非加重状態から加重状態への遷移と判定し、断続機構制御部110が断続機構50を遮断状態から接続状態に切り替えることで、遊脚終了直前(立脚開始直前)に電動義足1をスムーズに遊脚から立脚に遷移させることができ、遷移時の機械要素同士の接触による異音の発生を防止できる。 Based on these conditions, the load transition acquisition unit 113 determines that there is a transition from a non-loaded state to a loaded state, and the interrupter mechanism control unit 110 switches the interrupter mechanism 50 from a disconnected state to a connected state, thereby allowing the electric prosthetic leg 1 to smoothly transition from the swing leg to the stance leg just before the swing leg ends (just before the stance leg starts), preventing the generation of abnormal noise due to contact between mechanical elements during the transition.

[立脚中_遮断状態への遷移条件]
続いて、電動義足1が立脚であるときの遮断状態への遷移条件について図13、図14、及び図15を参照しながら説明する。
[Conditions for transition to the stance-blocked state]
Next, the conditions for transitioning to the disconnected state when the electric prosthetic leg 1 is in a standing leg will be described with reference to Figs. 13, 14, and 15.

(第1遮断条件_Q1)
下腿角速度>ωth2
ただし、ωth2(deg/s)>0
(First cutoff condition_Q1)
Lower leg angular velocity>ωth2
However, ωth2 (deg/s)>0

ωth2(deg/s)は、下腿部5が前傾していることを判定する閾値である。即ち、非加重遷移取得部114は、下腿部5の下腿角速度に基づいて加重状態から非加重状態への遷移を判定する。 ωth2 (deg/s) is a threshold value for determining whether the lower leg 5 is tilted forward. That is, the non-weighted transition acquisition unit 114 determines the transition from a weighted state to a non-weighted state based on the lower leg angular velocity of the lower leg 5.

(第2遮断条件_Q2)
下腿角加速度>αth
ただし、αth(deg/s)>0
(Second shutoff condition_Q2)
Lower leg angular acceleration>αth
However, αth (deg/s 2 )>0

αth(deg/s)は、下腿部5の前傾が加速していること示している。即ち、非加重遷移取得部114は、下腿部5の下腿角加速度に基づいて加重状態から非加重状態への遷移を判定する。第1遮断条件及び第2遮断条件により、立脚終了直前(遊脚開始直前)を検出することができ、遊脚に遷移する際につま先が地面に引っかかることを抑制できる。 αth (deg/ s2 ) indicates that the forward tilt of the lower leg 5 is accelerating. That is, the unweighted transition acquisition unit 114 determines the transition from a weighted state to an unweighted state based on the lower leg angular acceleration of the lower leg 5. The first cut-off condition and the second cut-off condition make it possible to detect the state immediately before the end of the stance leg (immediately before the start of the swing leg) and to prevent the toe from catching on the ground when transitioning to the swing leg.

(第3遮断条件_Q3)
FZ≦Fth
ただし、Fth<0(N)
(Third shutoff condition_Q3)
Fz≦Fth
However, Fth<0(N)

Fthは、上記した第2接続条件の閾値と同じ値であり、ここでは下腿部5(電動義足1)が立脚であることを判定する閾値である。なお、この第3遮断条件の閾値は第2接続条件の閾値とは異なる値であってもよい。非加重遷移取得部114は、膝下側部材10に加わる加重FZに基づいて加重状態から非加重状態への遷移を判定することで、第1遮断条件及び第2遮断条件の下では電動義足1が立脚であるという推定が正しいことを検証でき、非加重状態から加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 Fth is the same value as the threshold value of the second connection condition described above, and in this case is the threshold value for determining that the lower leg 5 (electric prosthetic leg 1) is a standing leg. Note that the threshold value of this third disconnection condition may be a value different from the threshold value of the second connection condition. The non-weighted transition acquisition unit 114 determines the transition from a weighted state to an unweighted state based on the weight FZ applied to the knee below member 10, and can verify that the estimation that the electric prosthetic leg 1 is a standing leg under the first and second disconnection conditions is correct, thereby improving the estimation accuracy of the transition from an unweighted state to a weighted state.

(第4遮断条件_Q4)
大腿角度β>0°
(Fourth cutoff condition_Q4)
Thigh angle β>0°

第4遮断条件は、下腿部5(電動義足1)が前傾していることを判定する条件である。非加重遷移取得部114は、大腿角度βに基づいて加重状態から非加重状態への遷移を判定する。これにより立脚終了直前(遊脚開始直前)の判定をより適切に行うことができ、加重状態から非加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 The fourth cutoff condition is a condition for determining that the lower leg 5 (electric prosthetic leg 1) is tilted forward. The non-weighted transition acquisition unit 114 determines the transition from a weighted state to an unweighted state based on the thigh angle β. This allows for more appropriate determination of the time immediately before the end of stance (immediately before the start of swing), improving the estimation accuracy of the transition from a weighted state to an unweighted state.

非加重遷移取得部114は、第1遮断条件及び第2遮断条件を満たしたとき、好ましくはさらに第3遮断条件及び第4遮断条件の少なくとも一つを満たしたとき、より好ましくはさらに第3遮断条件及び第4遮断条件の両方を満たしたとき、加重状態から非加重状態への遷移と判定し、断続機構制御部110は、断続機構50を接続状態から遮断状態に切り替える。 When the first and second cutoff conditions are satisfied, preferably when at least one of the third and fourth cutoff conditions is satisfied, and more preferably when both the third and fourth cutoff conditions are satisfied, the non-weighted transition acquisition unit 114 determines that a transition has occurred from the weighted state to the non-weighted state, and the interrupter mechanism control unit 110 switches the interrupter mechanism 50 from the connected state to the cutoff state.

このような条件に基づき非加重遷移取得部114が加重状態から非加重状態への遷移と判定し、断続機構制御部110が断続機構50を接続状態から遮断状態に切り替えることで、立脚終了直前(遊脚開始直前)に電動義足1をスムーズに立脚から遊脚に遷移させることができ、遷移時につま先が地面に引っかかることが抑制される。 Based on these conditions, the non-weighted transition acquisition unit 114 determines that there is a transition from a weighted state to an unweighted state, and the interrupter mechanism control unit 110 switches the interrupter mechanism 50 from a connected state to a disconnected state, thereby allowing the electric prosthetic leg 1 to smoothly transition from the standing leg to the swing leg just before the stance leg ends (just before the swing leg starts), and preventing the toes from getting caught on the ground during the transition.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明の継手装置の一実施形態としての電動義足を例示したが、これに限らず、上肢(腕関節)に適用してもよく、装着主体としては人間以外の他の動物であってもよく、ロボットであってもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications and improvements are possible as appropriate.
For example, in the above embodiment, an electric prosthetic leg was given as an example of one embodiment of the joint device of the present invention, but the present invention is not limited to this and may be applied to the upper limb (arm joint), and the subject to be worn may be an animal other than a human, or may be a robot.

また、上記実施形態では、1つのモータMの動力が断続機構50を介して第1変速機構T1及び第2変速機構T2に伝達されるように構成されたが、これに限らず、2つの動力源と第1変速機構T1及び第2変速機構T2との間にそれぞれ断続機構を設けてもよい。 In addition, in the above embodiment, the power of one motor M is configured to be transmitted to the first and second speed change mechanisms T1 and T2 via the interrupting mechanism 50, but this is not limited to the above, and an interrupting mechanism may be provided between each of the two power sources and the first and second speed change mechanisms T1 and T2.

さらに、第1変速機構T1及び第2変速機構T2は、必ずしも両方が設けられる必要はなく、いずれか一方のみが設けられていればよい。 Furthermore, it is not necessary that both the first speed change mechanism T1 and the second speed change mechanism T2 are provided; it is sufficient that only one of them is provided.

また、断続機構50は、噛み合いクラッチに限らず、摩擦クラッチ、遠心クラッチ等の他のクラッチ機構でもよく、連続変速比切替機構等のクラッチレス機構でもよい。 The on-off mechanism 50 is not limited to a mesh clutch, but may be another clutch mechanism such as a friction clutch or a centrifugal clutch, or may be a clutchless mechanism such as a continuous gear ratio change mechanism.

また、本明細書には少なくとも以下の事項が記載されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。 This specification also describes at least the following items. Note that the items in parentheses are the corresponding components in the above-mentioned embodiment, but are not limited to these.

(1) 第1部材(膝下側部材10)と、
第2部材(膝上側部材20)と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部(膝関節機構30)と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置(伸縮装置40)と、を備える継手装置(電動義足1)であって、
前記伸縮装置は、
動力源(モータM)と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部(変速機T)と、を備え、
前記動力伝達部は、
前記動力を第1変速比で伝達する第1動力伝達路(第1変速機構T1)と、
前記動力を前記第1変速比とは異なる第2変速比で伝達する第2動力伝達路(第2変速機構T2)と、を備える、継手装置。
(1) a first member (knee-below member 10);
A second member (above-knee member 20);
a joint portion (knee joint mechanism 30) that connects the first member and the second member in a manner that allows the angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device (electric prosthetic leg 1) including an extension device (extension device 40) that can change the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The telescopic device is
A power source (motor M);
a power transmission unit (transmission T) that transmits the power of the power source,
The power transmission unit includes:
a first power transmission path (first speed change mechanism T1) that transmits the power at a first speed change ratio;
a second power transmission path (second speed change mechanism T2) that transmits the power at a second speed change ratio different from the first speed change ratio.

(1)によれば、動力源の動力を伝達する動力伝達部を介して連接部を伸展及び屈曲させることができる。また、動力伝達部は、変速比の異なる2つの動力伝達路を備えるので、連接部における伸展と屈曲の動作スピード及び発生動力を切り替えることができる。 According to (1), the connecting part can be extended and bent via the power transmission part that transmits the power of the power source. In addition, since the power transmission part has two power transmission paths with different gear ratios, the operating speed of extension and bending at the connecting part and the generated power can be switched.

(2) (1)に記載の継手装置であって、
前記伸縮装置は、
前記第1動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第1断続機構(上側クラッチ50U)と、
前記第2動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第2断続機構(下側クラッチ50D)と、を備える、継手装置。
(2) The coupling device according to (1),
The telescopic device is
a first interrupting mechanism (upper clutch 50U) that switches between interruption and connection of power in the first power transmission path;
a second disconnecting mechanism (lower clutch 50D) that switches between disconnection and connection of power in the second power transmission path.

(2)によれば、第1断続機構及び第2断続機構により、2つの動力伝達路を適切に切り替えることができる。 According to (2), the first and second interrupting mechanisms can appropriately switch between the two power transmission paths.

(3) (2)に記載の継手装置であって、
前記継手装置は、前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する制御部(モータ制御部108、断続機構制御部110)をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構の何れか一方を接続する接続状態(接続状態)と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を遮断する遮断状態(フリー状態)と、を切り替えるよう制御する、継手装置。
(3) The coupling device according to (2),
The coupling device further includes a control unit (a motor control unit 108, an interrupting mechanism control unit 110) for controlling the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism,
The control unit is
a connection state in which either one of the first interruption mechanism and the second interruption mechanism is connected;
a disconnected state (free state) in which the first and second interrupting mechanisms are disconnected, and a disconnected state (free state) in which the first and second interrupting mechanisms are disconnected.

(3)によれば、接続状態により連接部を伸展及び屈曲させる際に抵抗を発生させることができ、遮断状態により連接部を伸展及び屈曲させる際に抵抗を発生させないことができる。 According to (3), resistance can be generated when the connecting portion is extended and bent depending on the connected state, and no resistance can be generated when the connecting portion is extended and bent depending on the disconnected state.

(4) (3)に記載の継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態(立脚)と、加重を受けない非加重状態(遊脚)と、を遷移するように設けられ、
前記制御部は、
前記非加重状態から前記加重状態に遷移することを取得する加重遷移取得部(加重遷移取得部113)と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する断続機構制御部(モータ制御部108、断続機構制御部110)と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに前記接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに前記遮断状態に制御し、
前記加重遷移取得部が前記非加重状態から前記加重状態に遷移することを取得したときに、
前記遮断状態から前記接続状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
(4) The coupling device according to (3),
The joint device is provided to transition between a load-bearing state (standing leg) in which an external load is applied and a non-load-bearing state (free leg) in which no load is applied,
The control unit is
a weighted transition acquisition unit (weighted transition acquisition unit 113) that acquires a transition from the non-weighted state to the weighted state;
an interruption mechanism control unit (motor control unit 108, interruption mechanism control unit 110) that controls the first interruption mechanism and the second interruption mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
Controlling to the connected state when in the loaded state, and controlling to the disconnected state when in the non-loaded state;
When the weighted transition acquisition unit acquires a transition from the non-weighted state to the weighted state,
A coupling device that controls switching from the disconnected state to the connected state.

(4)によれば、加重状態のときに連接部に抵抗を発生させることで動力源が停止していても連接部が加重に負けて急激に屈曲することが回避される。一方、非加重状態のときに連接部に抵抗を発生させないことで連接部をスムーズに伸展させることができる。 According to (4), by generating resistance in the connecting part when a load is applied, it is possible to prevent the connecting part from suddenly bending under the load even when the power source is stopped. On the other hand, by not generating resistance in the connecting part when a load is not applied, it is possible to smoothly extend the connecting part.

(5) (4)に記載の継手装置であって、
前記継手装置は義足であって、
180°から前記成す角を差し引いた角度を膝角度(膝角度θ)とした場合、
前記加重遷移取得部は、前記膝角度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(5) The coupling device according to (4),
The joint device is a prosthetic leg,
If the knee angle (knee angle θ) is the angle obtained by subtracting the above angle from 180°,
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the knee angle.

(5)によれば、遊脚から立脚への遷移時に膝角度に基づいて遷移を判定することで、機械要素同士の接触を回避することができ、異音の発生を抑制できる。 According to (5), by determining the transition from the swing leg to the stance leg based on the knee angle, contact between mechanical elements can be avoided and the generation of abnormal noise can be suppressed.

(6) (5)に記載の継手装置であって、
前記加重遷移取得部は、前記加重に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(6) The coupling device according to (5),
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the weighting.

(6)によれば、非加重状態から加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 (6) improves the estimation accuracy of the transition from a non-weighted state to a weighted state.

(7) (5)又は(6)に記載の継手装置であって、
前記第1部材を膝下側部材、且つ、前記第2部材を膝上側部材とし、
前記連接部を通る鉛直線に対する前記第1部材の角度を下腿角度とした場合、
前記加重遷移取得部は、前記下腿角度の角速度(下腿角速度)に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(7) A coupling device according to (5) or (6),
The first member is a lower-knee member and the second member is an upper-knee member,
When the angle of the first member with respect to a vertical line passing through the connection portion is defined as a lower leg angle,
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the angular velocity of the lower leg angle (lower leg angular velocity).

(7)によれば、非加重状態から加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 (7) improves the estimation accuracy of the transition from a non-weighted state to a weighted state.

(8) (3)に記載の継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態(立脚)と、加重を受けない非加重状態(遊脚)と、を遷移するように設けられ、
前記制御部は、
前記加重状態から前記非加重状態に遷移することを取得する非加重遷移取得部(非加重遷移取得部114)と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する断続機構制御部(モータ制御部108、断続機構制御部110)と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに前記接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに前記遮断状態に制御し、
前記非加重遷移取得部が前記加重状態から前記非加重状態に遷移することを取得したときに、
前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
(8) The coupling device according to (3),
The joint device is provided to transition between a load-bearing state (standing leg) in which an external load is applied and a non-load-bearing state (free leg) in which no load is applied,
The control unit is
a non-weighted transition acquisition unit (non-weighted transition acquisition unit 114) that acquires a transition from the weighted state to the non-weighted state;
an interruption mechanism control unit (a motor control unit 108, an interruption mechanism control unit 110) that controls the first interruption mechanism and the second interruption mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
Controlling to the connected state when in the loaded state, and controlling to the disconnected state when in the non-loaded state;
When the non-weighted transition acquisition unit acquires a transition from the weighted state to the non-weighted state,
A coupling device that controls switching from the connected state to the disconnected state.

(8)によれば、立脚から遊脚への遷移時に適切に断続機構を切り替えることで、スムーズな遷移を行うことができる。 According to (8), by appropriately switching the interruption mechanism when transitioning from the stance leg to the swing leg, a smooth transition can be achieved.

(9) (8)に記載の継手装置であって、
前記継手装置は義足であって、
前記第1部材を膝下側部材、且つ、前記第2部材を膝上側部材とし、
前記連接部を通る鉛直線に対する前記第1部材の角度を下腿角度とした場合、
前記非加重遷移取得部は、前記下腿角度の角速度(下腿角速度)及び前記下腿角度の角加速度(下腿角加速度)に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(9) The coupling device according to (8),
The joint device is a prosthetic leg,
The first member is a lower-knee member and the second member is an upper-knee member,
When the angle of the first member with respect to a vertical line passing through the connection portion is defined as a lower leg angle,
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the angular velocity of the lower leg angle (lower leg angular velocity) and the angular acceleration of the lower leg angle (lower leg angular acceleration), the joint device.

(9)によれば、つま先が地面に引っかかることを抑制できる。 (9) This prevents the toes from getting caught on the ground.

(10) (9)に記載の継手装置であって、
前記非加重遷移取得部は、前記加重に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(10) The coupling device according to (9),
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the weighting.

(10)によれば、加重状態から非加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 (10) improves the estimation accuracy of the transition from a weighted state to a non-weighted state.

(11) (9)又は(10)に記載の継手装置であって、
股関節を通る鉛直線に対する前記第2部材の角度を大腿角度(大腿角度β)とした場合、
前記非加重遷移取得部は、前記大腿角度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
(11) A coupling device according to (9) or (10),
When the angle of the second member with respect to a vertical line passing through the hip joint is defined as a thigh angle (thigh angle β),
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the thigh angle.

(11)によれば、加重状態から非加重状態への遷移の推定精度を向上できる。 According to (11), the estimation accuracy of the transition from a weighted state to a non-weighted state can be improved.

(12)第1部材(膝下側部材10)と、
第2部材(膝上側部材20)と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部(膝関節機構30)と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置(伸縮装置40)と、を備える継手装置(電動義足1)であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態(立脚)と、加重を受けない非加重状態(遊脚)と、を遷移するように設けられ、
前記伸縮装置は、
動力源(モータM)と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部(変速機T)と、
動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える断続機構(断続機構50)と、
前記断続機構を制御する断続機構制御部(モータ制御部108、断続機構制御部110)と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに遮断状態に制御する、継手装置。
(12) A first member (knee-below member 10);
A second member (above-knee member 20);
a joint portion (knee joint mechanism 30) that connects the first member and the second member in a manner that allows the angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device (electric prosthetic leg 1) including an extension device (extension device 40) that can change the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The joint device is provided to transition between a load-bearing state (standing leg) in which an external load is applied and a non-load-bearing state (free leg) in which no load is applied,
The telescopic device is
A power source (motor M);
a power transmission unit (transmission T) that transmits the power of the power source;
an interrupting mechanism (interrupting mechanism 50) that switches between disconnection and connection of power in a power transmission path;
an interruption mechanism control unit (motor control unit 108, interruption mechanism control unit 110) for controlling the interruption mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
A coupling device that is controlled to a connected state when in the load-applied state, and is controlled to a disconnected state when in the non-load-applied state.

(12)によれば、動力源の動力を伝達する動力伝達部を介して連接部を伸展及び屈曲させることができる。また、加重状態のときに断続機構を接続状態とすることで連接部を伸展及び屈曲させる際に抵抗を発生させることができ、動力源が停止していても連接部が加重に負けて急激に屈曲することが回避される。一方、断続機構を遮断状態とすることで連接部を伸展及び屈曲させる際に抵抗を発生させないことができ、連接部をスムーズに伸展させることができる。 According to (12), the connecting portion can be extended and bent via a power transmission portion that transmits the power of the power source. In addition, by setting the disconnecting mechanism to a connected state when a load is applied, resistance can be generated when the connecting portion is extended and bent, and even if the power source is stopped, the connecting portion can be prevented from suddenly bending due to the load. On the other hand, by setting the disconnecting mechanism to a disconnected state, resistance can be prevented from being generated when the connecting portion is extended and bent, and the connecting portion can be extended smoothly.

(13) (12)に記載の継手装置であって、
前記断続機構制御部は、前記非加重状態から前記加重状態に遷移したとき又は遷移することを予測したときに、前記遮断状態から前記接続状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
(13) The coupling device according to (12),
The coupling device, wherein the interrupting mechanism control unit controls the coupling state to be switched from the disconnected state to the connected state when the coupling state transitions from the unloaded state to the loaded state or when the coupling state transition is predicted.

(13)によれば、非加重状態から加重状態への遷移時に適切に断続機構を切り替えることで、異音の発生を抑制できる。 According to (13), by appropriately switching the on/off mechanism when transitioning from a non-loaded state to a loaded state, the generation of abnormal noise can be suppressed.

(14) (12)に記載の継手装置であって、
前記断続機構制御部は、前記加重状態から前記非加重状態に遷移したとき又は遷移することを予測したときに、前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
(14) The coupling device according to (12),
The coupling device, wherein the interrupting mechanism control unit controls the coupling state to be switched from the connected state to the disconnected state when the coupling state transitions from the loaded state to the unloaded state or when the coupling state transition is predicted.

(14)によれば、加重状態から非加重状態への遷移時に適切に断続機構を切り替えることで、スムーズな遷移を行うことができる。 According to (14), by appropriately switching the interrupting mechanism when transitioning from a loaded state to a non-loaded state, a smooth transition can be achieved.

1 電動義足(継手装置)
10 膝下側部材(第1部材)
20 膝上側部材(第2部材)
30 膝関節機構(連接部)
40 伸縮装置
50 断続機構
50D 下側クラッチ(第2断続機構)
50U 上側クラッチ(第1断続機構)
108 モータ制御部(制御部)
110 断続機構制御部(制御部)
113 加重遷移取得部
M モータ(動力源)
T 変速機(動力伝達部)
T1 第1変速機構(第1動力伝達路)
T2 第2変速機構(第2動力伝達路)
1. Electric prosthetic limb (joint device)
10 Knee lower member (first member)
20 Knee-up member (second member)
30 Knee joint mechanism (articulation part)
40: Expansion device 50: Intermittent mechanism 50D: Lower clutch (second intermittent mechanism)
50U Upper clutch (first intermittent mechanism)
108 Motor control unit (control unit)
110 Interrupting mechanism control unit (control unit)
113 Weighted transition acquisition unit M Motor (power source)
T Transmission (power transmission section)
T1 First transmission mechanism (first power transmission path)
T2 Second transmission mechanism (second power transmission path)

Claims (12)

第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置と、を備える継手装置であって、
前記伸縮装置は、
動力源と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部と、を備え、
前記動力伝達部は、
前記動力を第1変速比で伝達する第1動力伝達路と、
前記動力を前記第1変速比とは異なる第2変速比で伝達する第2動力伝達路と、を備え、
前記伸縮装置は、
前記第1動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第1断続機構と、
前記第2動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える第2断続機構と、を備え、
前記継手装置は、前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構の何れか一方を接続する接続状態と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を遮断する遮断状態と、を切り替えるよう制御する、継手装置。
A first member;
A second member; and
a connecting portion that connects the first member and the second member in a manner that allows an angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device including an extension device capable of changing the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The telescopic device is
A power source;
a power transmission unit that transmits the power of the power source,
The power transmission unit includes:
a first power transmission path that transmits the power at a first gear ratio;
a second power transmission path that transmits the power at a second speed ratio different from the first speed ratio ,
The telescopic device is
a first interrupting mechanism that switches between interruption and connection of power in the first power transmission path;
a second interrupting mechanism that switches between interruption and connection of power in the second power transmission path,
The coupling device further includes a control unit that controls the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism.
The control unit is
a connection state in which either one of the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism is connected;
a disconnecting state in which the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism are disconnected, and a disconnecting state in which the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism are disconnected .
請求項に記載の継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態と、加重を受けない非加重状態と、を遷移するように設けられ、
前記制御部は、
前記非加重状態から前記加重状態に遷移することを取得する加重遷移取得部と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する断続機構制御部と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに前記接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに前記遮断状態に制御し、
前記加重遷移取得部が前記非加重状態から前記加重状態に遷移することを取得したときに、
前記遮断状態から前記接続状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
2. The coupling device according to claim 1 ,
The coupling device is provided to transition between a loaded state in which an external load is applied and a non-loaded state in which no load is applied,
The control unit is
a weighted transition acquisition unit that acquires a transition from the non-weighted state to the weighted state;
an interrupting mechanism control unit that controls the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
Controlling to the connected state when in the loaded state, and controlling to the disconnected state when in the non-loaded state;
When the weighted transition acquisition unit acquires a transition from the non-weighted state to the weighted state,
A coupling device that controls switching from the disconnected state to the connected state.
請求項に記載の継手装置であって、
前記継手装置は義足であって、
180°から前記成す角を差し引いた角度を膝角度とした場合、
前記加重遷移取得部は、前記膝角度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
3. The coupling device according to claim 2 ,
The joint device is a prosthetic leg,
If the knee angle is the angle obtained by subtracting the above angle from 180°,
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the knee angle.
請求項に記載の継手装置であって、
前記加重遷移取得部は、前記加重に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
4. The coupling device according to claim 3 ,
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the weighting.
請求項又はに記載の継手装置であって、
前記第1部材を膝下側部材、且つ、前記第2部材を膝上側部材とし、
前記連接部を通る鉛直線に対する前記第1部材の角度を下腿角度とした場合、
前記加重遷移取得部は、前記下腿角度の角速度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
A coupling device according to claim 3 or 4 ,
The first member is a lower-knee member and the second member is an upper-knee member,
When the angle of the first member with respect to a vertical line passing through the connection portion is defined as a lower leg angle,
The weighted transition acquisition unit determines the transition based on the angular velocity of the lower leg angle.
請求項に記載の継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態と、加重を受けない非加重状態と、を遷移するように設けられ、
前記制御部は、
前記加重状態から前記非加重状態に遷移することを取得する非加重遷移取得部と、
前記第1断続機構及び前記第2断続機構を制御する断続機構制御部と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに前記接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに前記遮断状態に制御し、
前記非加重遷移取得部が前記加重状態から前記非加重状態に遷移することを取得したときに、
前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
2. The coupling device according to claim 1 ,
The coupling device is provided to transition between a loaded state in which an external load is applied and a non-loaded state in which no load is applied,
The control unit is
a non-weighted transition acquisition unit that acquires a transition from the weighted state to the non-weighted state;
an interrupting mechanism control unit that controls the first interrupting mechanism and the second interrupting mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
Controlling to the connected state when in the loaded state, and controlling to the disconnected state when in the non-loaded state;
When the non-weighted transition acquisition unit acquires a transition from the weighted state to the non-weighted state,
A coupling device that controls switching from the connected state to the disconnected state.
請求項に記載の継手装置であって、
前記継手装置は義足であって、
前記第1部材を膝下側部材、且つ、前記第2部材を膝上側部材とし、
前記連接部を通る鉛直線に対する前記第1部材の角度を下腿角度とした場合、
前記非加重遷移取得部は、前記下腿角度の角速度及び前記下腿角度の角加速度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
7. A coupling device according to claim 6 ,
The joint device is a prosthetic leg,
The first member is a lower-knee member and the second member is an upper-knee member,
When the angle of the first member with respect to a vertical line passing through the connection portion is defined as a lower leg angle,
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the angular velocity of the lower leg angle and the angular acceleration of the lower leg angle.
請求項に記載の継手装置であって、
前記非加重遷移取得部は、前記加重に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
8. A coupling device according to claim 7 ,
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the weighting.
請求項又はに記載の継手装置であって、
股関節を通る鉛直線に対する前記第2部材の角度を大腿角度とした場合、
前記非加重遷移取得部は、前記大腿角度に基づいて前記遷移を判定する、継手装置。
A coupling device according to claim 7 or 8 ,
When the angle of the second member with respect to a vertical line passing through the hip joint is defined as a thigh angle,
The non-weighted transition acquisition unit determines the transition based on the thigh angle.
第1部材と、
第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との成す角を変更可能に連接する連接部と、
伸縮することにより前記第1部材と前記第2部材との前記成す角を変更可能な伸縮装置と、を備える継手装置であって、
前記継手装置は、外部からの加重を受ける加重状態と、加重を受けない非加重状態と、を遷移するように設けられ、
前記伸縮装置は、
動力源と、
前記動力源の動力を伝達する動力伝達部と、
動力伝達路における動力の遮断及び接続を切り替える断続機構と、
前記断続機構を制御する断続機構制御部と、を備え、
前記断続機構制御部は、
前記加重状態のときに接続状態に制御し、且つ、前記非加重状態のときに遮断状態に制御する、継手装置。
A first member;
A second member; and
a connecting portion that connects the first member and the second member in a manner that allows an angle between the first member and the second member to be changed;
A joint device including an extension device capable of changing the angle between the first member and the second member by extending and contracting,
The coupling device is provided to transition between a loaded state in which an external load is applied and a non-loaded state in which no load is applied,
The telescopic device is
A power source;
a power transmission unit that transmits the power of the power source;
an interrupting mechanism for switching between interruption and connection of power in a power transmission path;
An interruption mechanism control unit for controlling the interruption mechanism,
The interrupting mechanism control unit is
A coupling device that is controlled to a connected state when in the load-applied state, and is controlled to a disconnected state when in the non-load-applied state.
請求項10に記載の継手装置であって、
前記断続機構制御部は、前記非加重状態から前記加重状態に遷移したとき又は遷移することを予測したときに、前記遮断状態から前記接続状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
11. The coupling device of claim 10 ,
The coupling device, wherein the interrupting mechanism control unit controls the coupling state to be switched from the disconnected state to the connected state when the coupling state transitions from the unloaded state to the loaded state or when the coupling state transition is predicted.
請求項10に記載の継手装置であって、
前記断続機構制御部は、前記加重状態から前記非加重状態に遷移したとき又は遷移することを予測したときに、前記接続状態から前記遮断状態に切り替えるよう制御する、継手装置。
11. The coupling device of claim 10 ,
The coupling device, wherein the interrupting mechanism control unit controls the coupling state to be switched from the connected state to the disconnected state when the coupling state transitions from the loaded state to the unloaded state or when the coupling state transition is predicted.
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