駆動装置および装着型動作支援装置
【課題】出力リンクの広い動作範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）にわたって良好にトルクが伝達可能であり、且つ、更なる小型化を実現可能とする、駆動装置およびこれを備えた装着型動作支援装置を提供する。
【解決手段】駆動装置８に、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構１０と、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位と中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位が所定の比率に拘束することにより五節リンク機構１０の自由度を１に制限する自由度制限機構２３と、入力リンク１１に対し回転駆動力を与えるアクチュエータ９とを備える。
【解決手段】駆動装置８に、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構１０と、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位と中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位が所定の比率に拘束することにより五節リンク機構１０の自由度を１に制限する自由度制限機構２３と、入力リンク１１に対し回転駆動力を与えるアクチュエータ９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、五節リンク機構を備えた駆動装置およびこの駆動装置を備えた装着型動作支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、利用者の身体に装着されて、利用者の動作を支援する動作支援装置が開発されている。例えば、利用者の歩行時や起立時などの股関節や膝関節の動きを補助するための、下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置が知られている。このような装着型動作支援装置は、一般に、装着者の腰に装着される腰装着部、大腿に装着される大腿装着部、下腿に装着される下腿装着部、腰装着部と大腿装着部の間の股関節部および大腿装着部と下腿装着部との間の膝関節部にそれぞれ配置されたアクチュエータ等からなる装着具を備えている。しかし、装着具の膝関節部近傍にアクチュエータが配置されると、アクチュエータの重みにより膝関節部周りの装着具のイナーシャが増大し、装着者の軽快な歩行が阻害されたり、イナーシャを受けた装着具の動きを修正するためにアクチュエータの負荷が増大するという課題があった。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載の肢体アシスト装置では、装着具に大腿装着部と下腿装着部とを含む四節平行リンク機構を備えることにより、膝関節用アクチュエータの重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを軽減している。具体的には、この肢体アシスト装置は、第一のリンク部、大腿リンク部、下腿リンク部および第二のリンク部を順次回転自在に連結してなる閉じられた四節リンク機構と、第一のリンク部を駆動する膝関節用アクチュエータとを備えている。そして、肢体アシスト装置が具備するアクチュエータの中でも特に重量の大きい膝関節用アクチュエータを利用者の膝関節よりも体幹（胴体）方向へ配置している。
【０００４】
特許文献１に基づけば、例えば、図１４（ａ）に示すように、動作支援装置の装着具の下肢部分に入力リンク９９ａ、固定リンク９９ｂ、出力リンク９９ｃおよび媒介リンク９９ｄを順次回転可能に連結して成る四節平行リンク機構９９が備えられることとなる。人間の膝関節は、直立から蹲踞まで姿勢を変化させるときに約１４０°という広い動作範囲を有することが知られている。そこで、上記四節平行リンク機構９９において出力リンク９９ｃが固定リンク９９ｂと一列に並んだ状態を０°として、ここから出力リンク９９ｃを１４０°まで動かしてみると、図１４（ｂ）に示すように、出力リンク９９ｃの角度が０−１４０°内の或値で、四節平行リンク機構９９は思案点となる。四節平行リンク機構９９が思案点となるときは、装着者の膝が大きく屈曲して特に外部動力によるサポートが必要なときでもある。ところが、思案点では入力リンク９９ａから出力リンク９９ｃまでのトルク伝達が不安定となる。このような理由から、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節平行リンク機構を備えると、人間の膝関節の広い動作範囲に対応することが困難である。
【０００５】
また、動作支援装置の装着具の下肢部分を四節平行リンク機構で構成する場合、入力リンクから出力リンクへのトルク伝達率は常に１である。ところが、立位や直立歩行時には、膝関節に余分な負荷を掛けないために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は小さいことが望ましい。そして、蹲踞の姿勢では、蹲踞の姿勢から直立姿勢へ移行するときに装着者の体重を支持しながら装着者の動きを力強くアシストするために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は大きいことが望ましい。つまり、動作支援装置の装着具において入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は直立姿勢で小さく、蹲踞の姿勢で大きい特性を有することが望ましい。
【０００６】
そこで、特許文献２では、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節非平行リンク機構を備え、リンク長比を調整することによって人間の膝関節の広い動作範囲に対応するとともに入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比を好適に調整できるようにしている。具体的には、特許文献２に記載された動力付歩行支援装置では、入力リンク、固定リンク、出力リンクおよび中間リンクを順次回転自在に連結してなる閉じられた四節非平行リンク機構を備えている。この四節リンク機構のうち、固定リンクが大腿に固定され、出力リンクが下腿に固定され、入力リンクに動力が入力される。そして、対向するリンクのリンク長比の和同士がほぼ等しくなるように、各リンク長が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３４２００号公報
【特許文献２】特開２００８−２３２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された動力付歩行支援装置によれば、人間の膝関節の広い動作範囲に対応可能となるものの、膝関節の屈曲に追従してリンクが動くと入力リンクと中間リンクとの連結部が大きく後方へ出っ張ることとなり、装着具が大型化してしまう。装着具の大型化は、装着具の重量化や装着感の低下に繋がる。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲にわたって良好にトルクを伝達可能であり、且つ、更なる小型化を実現可能とする、駆動装置およびこれを備えた装着型動作支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る駆動装置は、入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を１に制限する自由度制限機構と、前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えているものである。
【００１１】
上記構成の駆動装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
前記駆動装置において、前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車とすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、前記下肢フレームに設けられた前記駆動装置とを備え、前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられているものである。
【００１４】
上記構成の装着型動作支援装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置できれば、下肢フレームの側方への突出量を抑えることができ、装着型動作支援装置の小型化に寄与することができる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。これにより、装着型動作支援装置は、人間の膝関節の１４０°という広い動作範囲に対応することができる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、アクチュエータが装着者の膝関節よりも上方の大腿装着部に設けられることにより、アクチュエータを膝関節近傍に設ける場合と比較して歩行時に装着者に作用するアクチュエータに起因する慣性力が低減し、装着者により快適な歩行を提供することができる。
【００１５】
前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有していることがよい。
【００１６】
さらには、前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、０°のときにトルク伝達比が１より小さく、９０°以上でトルク伝達比が１以上となる関係を有していることがよい。
【００１７】
上記構成によれば、装着者が直立姿勢で歩行するときにトルク伝達比が小さく、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときにトルク伝達比が大きくなり、装着者の下肢に負担をかけないより快適な歩行と、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときの強力なアシストとを実現することができる。
【００１８】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。
【００１９】
または、前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し前記下腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。
【００２０】
上記構成によれば、大腿装着部または下腿装着部のうち一方が装着者の身体に係留しているときに、他方は並進自由度を備えることとなる。このような装着型動作支援装置は、装着者が膝の屈伸を行うときに装着者の身体の動きに良好に追従し、装着者に違和感を与えずに動作を支援することができる。
【００２１】
前記装着型動作支援装置において、前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置をより小型化することができる。
【００２２】
前記装着型動作支援装置において、装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置の大腿装着部と下腿装着部がほぼ直線上に並び、大腿装着部と下腿装着部を含む下肢フレームをより小型化することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、四節平行リンク機構を備える構成と比較して、出力リンクの動作範囲をより広い範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）とすることができる。そして、この出力リンクの広い動作範囲にわたって、入力リンクから出力リンクへ安定してトルクを伝達することが可能となる。さらに、このような広い動作範囲を確保しつつ、駆動装置および装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。
【図３】装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。
【図４】装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。
【図５】装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図６】膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図７】第１の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図８】第２の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図９】動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図である。
【図１０】図９に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。
【図１１】装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、（ａ）は直立姿勢の様子を示す図、（ｂ）は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。
【図１２】本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。
【図１３】本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。
【図１４】従来の四節平行リンク機構を示す図であり、（ａ）は出力リンク角が０°のときの状態を示しており、（ｂ）は出力リンク角が１４０°のときの状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２６】
［駆動装置］
まず、本発明に係る駆動装置について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図であり、図２は図１の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図１に示すように、駆動装置８は、五節リンク機構１０と、五節リンク機構１０へ動力を与えるアクチュエータ９とを備えている。
【００２７】
五節リンク機構１０は、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る閉じられたリンク機構である。具体的には、入力リンク１１と固定リンク１２は入力軸１６により回動自在に連結されており、固定リンク１２と中間リンク１３は連結軸１７により回動自在に連結されており、中間リンク１３と出力リンク１４は連結軸１８により回動自在に連結されており、出力リンク１４と媒介リンク１５とは連結軸１９により回動自在に連結されており、媒介リンク１５と入力リンク１１とは連結軸２０により回動自在に連結されている。図１，２に示す例では、入力軸１６と各連結軸１７，１８，１９，２０は平行である。以下では、固定リンク１２の長軸方向Ｈ12に対する出力リンク１４の長軸方向Ｈ14の傾きを「出力リンク角Ｑ」という。出力リンク角Ｑは、出力リンク１４の長軸方向Ｈ14と固定リンク１２の長軸方向Ｈ12とが一直線に並ぶとき（図１）を０°とする。また、入力軸１６と連結軸１７の中心間を結ぶ仮想直線を「固定リンク線ＨL2」という。図１，２に示す例では、固定リンク１２の長軸方向Ｈ12と固定リンク線ＨL2とは重複するが、固定リンク１２の態様によってはこれらが重複しないこともある。さらに、連結軸１７と連結軸１８の中心間を結ぶ仮想直線を「中間リンク線ＨL3」といい、連結軸１８と連結軸１９の中心間を結ぶ仮想曲線を「出力リンク線ＨL4」という。図１，２に示す例では、出力リンク１４の長軸方向Ｈ14と出力リンク線ＨL4とは重複しないが、出力リンク１４の態様によってはこれらが重複することもある。
【００２８】
五節リンク機構１０は、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位と、中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位とを所定の比率とするための、自由度制限機構２３を備えている。ここで、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位とは、固定リンク線ＨL2と中間リンク線ＨL3が成す角度の変化を意味する。また、中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位とは、中間リンク線中間リンク線ＨL3と出力リンク線ＨL4が成す角度の変化を意味する。この自由度制限機構２３により固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４の動作は相互に拘束されて、五節リンク機構１０の自由度は１となっている。
【００２９】
本実施の形態に係る自由度制限機構２３は、一方が固定リンク１２に設けられ、他方が出力リンク１４に設けられた一対の噛み合う歯車で構成されている。具体的には、固定リンク１２の中間リンク１３と連結されている側の端部に第１歯車２１が設けられており、出力リンク１４の中間リンク１３と連結されている側の端部に第２歯車２２が設けられており、第１歯車２１と第２歯車２２が噛合している。第１歯車２１と第２歯車２２の歯車比は１：１に限定されず、第１歯車２１と第２歯車２２で異なる歯数の歯車が用いられてもよい。また、第１歯車２１および第２歯車２２の歯車比は一定に限られず、回転するうちに変化してもよい。さらに、第１歯車２１および第２歯車２２の全周に歯列が設けられている必要はなく、少なくとも固定リンク１２に相対する出力リンク１４の可動範囲において歯車２１，２２が噛み合うように歯列が設けられていれば足り、他は平滑であってもよい。なお、自由度制限機構２３は一対の歯車から成るものに限定されない。例えば、第１歯車２１および第２歯車２２の一方又は両方に代えてカムを用いることができる。
【００３０】
上記構成の五節リンク機構１０において、固定リンク１２と出力リンク１４はそれぞれ適当な支持構造体（図示略）に固定されるか、当該支持構造体の一部を構成している。そして、入力リンク１１がアクチュエータ９から入力軸１６回りの回転駆動力を受けると、この回転駆動力は媒介リンク１５を介して出力リンク１４から所定の減速比で出力される。五節リンク機構１０において入力リンク１１が図１に示す状態から入力軸１６を中心として反時計回りに回転すると、図２に示すように、入力リンク１１に連結された媒介リンク１５を介して出力リンク１４が連結軸１８を中心として反時計回りに回転し、中間リンク１３が連結軸１７を中心として反時計回りに回転する。ここで、自由度制限機構２３の作用により、固定リンク１２と中間リンク１３との相対変位と中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位が所定の比率（例えば、１）に拘束されることから、入力リンク１１の動作に伴って出力リンク１４だけでなく中間リンク１３も動作することとなる。
【００３１】
上記構成の駆動装置８の五節リンク機構１０は、四節平行リンク機構と比較して大きな動作範囲を有する。詳細には、五節リンク機構１０の出力リンク角Ｑが０°から大きな角度（例えば、１４０°）まで変化するときに、固定リンク１２と出力リンク１４の間に中間リンク１３が介在することにより、固定リンク１２と出力リンク１４を同一平面内に配置してもこれらのリンク１２，１４を干渉させないように構成することができる。さらに、五節リンク機構１０の出力リンク角Ｑが０°から大きな角度（例えば、１４０°）まで変化するときに、この動作範囲に思案点を含まないように構成することができる。つまり、五節リンク機構１０は、中間リンク１３の存在により、出力リンク１４の広い動作範囲（例えば、出力リンク角Ｑが０°から１４０°までの範囲）にわたって、入力リンク１１から出力リンク１４へのトルク伝達が不安定となることがない。
【００３２】
上記駆動装置８の五節リンク機構１０では、前述の通り、中間リンク１３の存在により、固定リンク１２と出力リンク１４とを同じ平面内に配置することが可能となる。これに加えて、図１に示すように、固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４を直線状に配置したときに、入力リンク１１および媒介リンク１５をこの直線に沿うように形成することが可能である。このようにして、五節リンク機構１０をより小型化、つまり、固定リンク１２に沿った細長い形状とすることができる。さらに、この五節リンク機構１０では、固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４が直線状に並んだ状態（図１）から出力リンク角Ｑが大きくなる方へ出力リンク１４が動いたときに（図２）、入力リンク１１および媒介リンク１５をこれらのリンク１２，１３，１４に沿うように形成することが可能であり、駆動装置８の小型化を図ることができる。
【００３３】
［装着型動作支援装置］
続いて、上記駆動装置８を備えた装着型動作支援装置（以下、単に動作支援装置という）について説明する。本実施の形態に係る動作支援装置３０は下半身外骨格形状を有しており、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。
【００３４】
図３は装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。図３に示すように、動作支援装置３０は、装着具３１と、装着具３１に積載されたバックパック３２と、バックパック３２に収容されたバッテリ３３および制御器３４とを備えている。装着具３１は、装着者の腰（骨盤）周りに装着される腰部フレーム４０と、装着者の背部に装着される背部フレーム４１と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム４２，４２とで概略構成されている。バックパック３２は背部フレーム４１に着脱可能に積載されているが、バックパック３２は背部フレーム４１と一体的に構成されていてもよい。以下、図３に加えて図４から６を参照しつつ、装着具３１の構成について詳細に説明する。図４は装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図、図５は装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図、図６は膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。
【００３５】
（腰部フレーム４０）
腰部フレーム４０は、装着者の腰（骨盤）の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略Ｕ字形をなしている。具体的には、腰部フレーム４０は、左右方向に長尺であって装着者の腰の背側に位置する基部４５と、基部４５の左右両端から前方へ突出するサイド部４６，４６とを備えている。腰部フレーム４０は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えており、腰部フレーム４０は装着者の腰に係留される。
【００３６】
（下肢フレーム４２）
左右の下肢フレーム４２，４２はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム４０の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、以下では一方（左側）の下肢フレーム４２の構造についてのみ詳細に説明し、他方の説明を省略する。下肢フレーム４２は、大腿装着部である大腿アーム５１と、膝関節近傍に配置される中間アーム５２と、下腿装着部である下腿アーム５３と、足装着部である足下アーム５４とを備えている。大腿アーム５１、下腿アーム５３および足下アーム５４は、装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えている。
【００３７】
大腿アーム５１は、股関節用アクチュエータ６１および股関節用ジョイント６２を介して腰部フレーム４０のサイド部４６の前端に接続されている。股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム４０のサイド部４６の前端部から外方へ突出するように設けられている。股関節用アクチュエータ６１は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。図７に詳細に示されるように、股関節用アクチュエータ６１の出力軸６１ａは股関節用ジョイント６２の構成要素である第１継手６２１に固定されており、股関節用アクチュエータ６１の駆動により腰部フレーム４０に対して第１継手６２１が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００３８】
股関節用ジョイント６２は、第１継手６２１と、大腿アーム５１の上部と接続された第２継手６２２と、第１継手６２１と第２継手６２２とを前額面上で回動可能に連結する枢軸６２３とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００３９】
大腿アーム５１の下端には、連結軸１７を介して中間アーム５２の上端が回動可能に連結されている。中間アーム５２の下端は、連結軸１８を介して下腿アーム５３の上端と回動可能に連結されている。大腿アーム５１の下端に第１歯車２１が設けられ、下腿アーム５３の上端に第２歯車２２が設けられ、これらの噛合する歯車２１，２２が自由度制限機構２３を構成している。このように連結された大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３は、五節リンク機構１０の一部を構成している。大腿アーム５１は固定リンク１２に、中間アーム５２は中間リンク１３に、下腿アーム５３は出力リンク１４にそれぞれ相当する。五節リンク機構１０に回転動力を付与する膝関節用アクチュエータ６３は、大腿アーム５１にブラケット６３ａ等を介して固定されている。膝関節用アクチュエータ６３は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。このように膝関節用アクチュエータ６３が装着者の膝関節から離れた腰側に配置されることにより、膝関節用アクチュエータ６３が装着者の膝関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に膝関節用アクチュエータ６３の重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを低減させることができる。
【００４０】
膝関節用アクチュエータ６３の出力軸、すなわち、五節リンク機構１０への入力軸１６には、入力リンク１１の一端が固定されている。入力リンク１１の他端は、連結軸２０を介して媒介リンク１５の一端と回動可能に連結されている。媒介リンク１５の他端は、連結軸１９を介して下腿アーム５３と回動可能と連結されている。このように、下肢フレーム４２の膝関節部分の周りに五節リンク機構１０および膝関節用アクチュエータ６３（アクチュエータ９）からなる駆動装置８が設けられている。そして、入力リンク１１が膝関節用アクチュエータ６３から入力軸１６回りの回転駆動力を受けると、図６に示すように、入力リンク１１に連結された媒介リンク１５を介して下腿アーム５３が連結軸１８を中心として回転し、中間アーム５２が連結軸１７を中心として回転する。ここで、自由度制限機構２３の作用により、大腿アーム５１と中間アーム５２の相対変位と中間アーム５２と下腿アーム５３の相対変位が所定の比率（例えば、１）に拘束されて、入力リンク１１の動作に伴って下腿アーム５３だけでなく中間アーム５２も動作する。
【００４１】
大腿アーム５１の長さ（長軸方向の寸法）は装着者の大腿の長さにおおよそ適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム５１の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム５１の最小長さでもある。大腿アーム５１は、大腿アーム５１を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第１の並進自由度機構５５を備えている。図７にも示すように、第１の並進自由度機構５５は、大腿アーム５１と股関節用ジョイント６２の第２継手６２２との接続部において、第２継手６２２から並進方向に延びる接続ピン５５ａと、大腿アーム５１に設けられた接続ピン５５ａが摺動可能に挿入される接続孔５５ｂと、接続ピン５５ａに嵌装された圧縮バネ５５ｃとで構成されている。接続ピン５５ａは接続孔５５ｂよりも長く、接続ピン５５ａの下端は接続孔５５ｂから下方へ突き抜けており、その下端部に鍔部が形成されている。接続孔５５ｂの開口縁と接続ピン５５ａの鍔部は並進方向に離間しており、接続ピン５５ａの接続孔５５ｂの開口縁と接続ピン５５ａの鍔部の間に圧縮バネ５５ｃが設けられている。接続ピン５５ａと大腿アーム５１とは滑り対偶であって、接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとの間に滑りが生じることにより大腿アーム５１が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン５５ａは接続孔５５ｂ内で半径方向（接続ピン５５ａの軸回り）に回動可能であって、これにより大腿アーム５１に回旋自由度（接続ピン５５ａの軸回りの回転１自由度）が与えられている。なお、大腿アーム５１の並進方向への伸長代Ｅ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端との間に現れる接続ピン５５ａの長さである。伸長代Ｅ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端が当接しているときに０であって、伸長代Ｅ１が０となるように圧縮バネ５５ｃにより接続ピン５５ａが付勢されている。そして、大腿アーム５１に引張荷重がかかったときに、圧縮バネ５５ｃの付勢力に抗して接続ピン５５ａが接続孔５５ｂ内を移動することによって伸長代Ｅ１が増大する。
【００４２】
また、下腿アーム５３の長さ（長軸方向の寸法）は、装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム５３の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム５３の最小長さでもある。下腿アーム５３は、下腿アーム５３を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第２の並進自由度機構５７を備えている。図８にも示すように、第２の並進自由度機構５７は、下腿アーム５３の下端と、後述する足関節用ジョイント６４の第１継手６４１との接続部において、第１継手６４１に設けられた並進方向に延びる角柱部５７ａと、下腿アーム５３に設けられた角柱部５７ａが摺動可能に挿入される角筒部５７ｂと、角柱部５７ａを角筒部５７ｂ内へ収容する方向へ付勢する付勢部材としての引張バネ５７ｃとで構成されている。角柱部５７ａと下腿アーム５３とは滑り対偶であって、角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム５３は並進方向に伸長する。上記構成において、下腿アーム５３の並進方向への伸長代Ｅ２は、下腿アーム５３の下端と第１継手６４１の上端との間に現れる角柱部５７ａの長さである。伸長代Ｅ２は、下腿アーム５３の下端と第１継手６４１の上端が当接しているときに０であって、引張バネ５７ｃは伸長代Ｅ２が０となるように角柱部５７ａを付勢している。そして、下腿アーム５３に引張荷重がかかったときに、引張バネ５７ｃの付勢力に抗して角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を移動することによって、伸長代Ｅ２が増大する。
【００４３】
なお、上述のように大腿アーム５１と下腿アーム５３の基準長さは、それぞれ装着者の大腿と下腿の寸法に適合するように調整されるが、大腿アーム５１と下腿アーム５３の基準長さにさほどの精度は求められない。大腿アーム５１と下腿アーム５３が各々並進自由度を備えていることに加え、これらの間に中間アーム５２が設けられることによって、多少の寸法誤差が許容される。
【００４４】
下腿アーム５３と足下アーム５４とは、足関節用ジョイント６４を介して接続されている。足関節用ジョイント６４は、下腿アーム５３の下端に接続された第１継手６４１と、足下アーム５４の上端に接続された第２継手６４３と、第１継手６４１と第２継手６４３を枢結する枢結軸６４２とで構成されている。第１継手６４１は枢結軸６４２に遊嵌されており、第１継手６４１は枢結軸６４２を中心として矢状面上で回動可能であるとともに、前額面上で揺動可能である。第２継手６４３の下部には、足下アーム５４を構成する足裏プレート５３１が接続されている。足裏プレート５３１は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。
【００４５】
（背部フレーム４１）
背部フレーム４１は、いわゆる背負子である。背部フレーム４１は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具（図示略）を備えている。背部フレーム４１には、バックパック３２が積載される。バックパック３２に格納されたバッテリ３３は、股関節用アクチュエータ６１、膝関節用アクチュエータ６３、および制御器３４へ電気を供給する。また、バックパック３２に格納された制御器３４は、装着具３１の各部に設けたセンサ（図示略）からの検出信号を受けて、装着具３１が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ６１および膝関節用アクチュエータ６３を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ６１，６３に発生させることができる。
【００４６】
上記構成の動作支援装置３０において、五節リンク機構１０の５つのリンクのリンク長比は、動作支援装置３０として最適なトルク伝達比を発揮できるように設定されている。すなわち、リンク長比により、膝関節用アクチュエータ６３が一定出力であっても、蹲踞の姿勢時には力強いアシスト力を発揮し且つ直立姿勢時には俊敏なバックドライブを確保できるようなトルク伝達比に調整されている。このようなトルク伝達比は、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲において、出力リンク角Ｑが増大するに伴って大きくなる特性を有している。また、このようなトルク伝達比は、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲において、出力リンク角Ｑが０°のときに１未満であり、出力リンク角Ｑが９０°以上で１よりも大きくなる特性を有していることがよい。特に、出力リンク角Ｑが０°近傍においてトルク伝達比は０に近い小さな値であることが望ましい。これにより、特に強力なアシストが必要となる蹲踞の姿勢において、膝関節用アクチュエータ６３から出力リンクである下腿アーム５３へ効果的に動力が伝達される。
【００４７】
図９は動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図であり、図１０は図９に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図９および１０において、入力軸１６と連結軸２０の中心間距離は、入力リンク１１のリンク長Ｌ１である。同様に、入力軸１６と連結軸１７の中心間距離は、固定リンク１２のリンク長Ｌ２である。連結軸１７と連結軸１８の中心間距離は、中間リンク１３のリンク長Ｌ３である。連結軸１８と連結軸１９の中心間距離は、出力リンク１４のリンク長Ｌ４である。そして、連結軸１９と連結軸２０の中心間距離は、媒介リンク１５のリンク長Ｌ５である。また、Ｌinは、入力軸１６の中心から媒介リンク線ＨL5に下ろした垂線の長さであり、入力垂線距離Ｌinとする。ここで、媒介リンク線ＨL5は、連結軸１９と連結軸２０の中心間を結ぶ仮想直線である。Ｌoutは、第１歯車２１と第２歯車２２との噛合点Ｐ３から媒介リンク線ＨL5に下ろした垂線の長さであり、出力垂線距離Ｌoutとする。入力垂線距離Ｌinと出力垂線距離Ｌoutは、５つのリンク長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５に依存する値である。そして、出力垂線距離Ｌoutを入力垂線距離Ｌinで除した値が、トルク伝達比（＝Ｌout／Ｌin）となる。
【００４８】
次に示す数式１および数式２は、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０が思案点となる条件式である。数式１および数式２を満たさない範囲で五節リンク機構１０を設計することにより、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０が思案点となることを避けることができる。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
数式１と数式２において、ＱL0およびＱLfは固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角である。ＱL0は装着者の膝関節が最も伸びたとき（直立姿勢）の固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角であり、ＱLfは装着者の膝関節が最も曲がったとき（蹲踞の姿勢）の固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角である。また、ｒは１／（１＋ｎｙ）である。ここでｎｙは固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位の比率である。本実施形態のように自由度制限機構２３として噛み合う歯車２１，２２を用い、その歯車比が１：１である場合は、ｎｙ＝１となる。
【００５２】
数式１と数式２を用いてリンク長比を求める手法を、媒介リンク長Ｌ５を決定する場合について具体例（図示しない）を挙げて次に説明する。はじめに、媒介リンク長Ｌ５以外のリンク長（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）が装着者の身体寸法に合わせて定められる。例えば、入力リンク長Ｌ１＝６０ｍｍ，固定リンク長Ｌ２＝２１０ｍｍ，中間リンク長Ｌ３＝４０ｍｍ，出力リンク長Ｌ４＝５０ｍｍである。そして、動作支援装置３０の構成に合わせてｎｙ，ＱL0，ＱLfの各値が定められる。例えば、ｎｙ＝１，ＱL0＝０°，ＱLf＝１４０°である。これらの各数値条件を数式１および数式２に代入して、媒介リンク長Ｌ５を求める。すると、数式１では媒介リンク長Ｌ５＝２４０ｍｍと算出され、数式２では媒介リンク長Ｌ５＝２５８ｍｍと算出される。このように数式１および数式２を用いて算出された媒介リンク長Ｌ５の下限より大きく且つ上限より小さい値のなかから、媒介リンク長Ｌ５となる値が選択される。ここでは、例えば、数式１の解と数式２の解との間を取って、媒介リンク長Ｌ５＝２５０ｍｍが選択される。以上のようにして求められたリンク長比（入力リンク長Ｌ１＝６０ｍｍ，固定リンク長Ｌ２＝２１０ｍｍ，中間リンク長Ｌ３＝４０ｍｍ，出力リンク長Ｌ４＝５０ｍｍ，媒介リンク長Ｌ５＝２５０ｍｍ）のトルク伝達比は表１に示す通りである。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１に示すトルク伝達比の出力リンク角に対する変化では、出力リンク角が０°のときにトルク伝達比が０に近い十分に小さな値であり、出力リンク角が９０°以上ではトルク伝達比は１より大きい。そして、トルク伝達比は、出力リンク角の増大に伴って増大しており、表１に示す最大の出力リンク角（１４０°）で最大値となっている。このように、上記手法により定められたリンク長比により、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０のトルク伝達比は動作支援装置３０として好適な設定となる。
【００５５】
以上説明した本実施の形態に係る動作支援装置３０は、五節リンク機構１０を具備する駆動装置８を備えることにより、下腿アーム５３（出力リンク１４）の広い動作範囲（例えば、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲）にわたって、大腿アーム５１と下腿アーム５３が同一平面内に配置されてもこれらのアーム５１，５３が干渉せず且つ思案点とならない。よって、上記下腿アーム５３の広い動作範囲にわたって、下腿アーム５３へ安定してトルクが伝達されることとなる。これにより、動作支援装置３０は、人間の膝関節の０−１４０°という広い動作範囲に対応することができる。
【００５６】
さらに、本実施の形態に係る動作支援装置３０は、駆動装置８を備えることにより、上記広い動作範囲を確保しつつ、より小型化することができる。具体的には、下腿アーム５３と大腿アーム５１がほぼ同じ矢状面上に配置されることにより、下肢フレーム４２の左右方向の厚みの増加が抑制されている。これに加えて、装着者の直立姿勢時に、矢状面視（図５）において、大腿アーム５１の上端Ｐ１と、下腿アーム５３の下端Ｐ２と、大腿アーム５１と中間アーム５２の連結軸１７とが略同一直線上に配置されることにより、下肢フレーム４２の前後方向の厚みの増加が抑制されている。なお、図５において、大腿アーム５１の上端Ｐ１は、腰部フレーム４０と下肢フレーム４２との接続部を指している。
【００５７】
図５に示すように、大腿アーム５１の上端Ｐ１は装着者の股関節の側方に位置し、下腿アーム５３の下端Ｐ２は装着者の踝の側方に位置している。矢状面視において、これらの点（Ｐ１とＰ２）を結ぶ直線は装着者の膝関節よりも背面側を通っており、この直線上に連結軸１７および連結軸１８がおよそ位置している。このように連結軸１７，１８が配置されることによって、大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３により成る下肢フレーム４２の基本部分がおおよそ直線形状を成すこととなる。このように下肢フレーム４２の基本部分がおおよそ直線形状を成すことで、下肢フレーム４２の膝関節部分（中間アーム５２）よりも上方に位置する荷重を下肢フレーム４２の基本部分に受動的に支持させることができる。そして、上述のように直線状に並んだ大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３に沿うように入力リンク１１および媒介リンク１５を形成することが可能である。さらに、出力リンク角が増大した状態において、入力リンク１１および媒介リンク１５を大腿アーム５１に沿わせるように形成することが可能である。このように五節リンク機構１０が形成された結果、直立姿勢と蹲踞の姿勢の両方において、下肢フレーム４２およびその一部が装着者の前方又は後方へ大きく突出することがなく、下肢フレーム４２は装着者の下肢に沿ったコンパクトなものとなる。
【００５８】
なお、大腿アームと下腿アームとを膝関節軸で連結して成る従来の動作支援装置において、膝関節軸を装着者の膝関節よりも背面側に配置した場合、装着者が膝を屈曲させるに従って、膝関節軸が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離が減少する。この距離の変化は、装着者の身体と装着具とのズレ等の問題を引き起こす。これに対し、本実施形態に係る動作支援装置３０では上記問題が回避又は軽減されている。図５に示すように、装着者が直立姿勢のときに、矢状面視において、連結軸１８、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３および下腿アーム５３の下端Ｐ２がほぼ一直線上に並んでいる。そして、図６に示すように、装着者が膝を屈曲させるに従って、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ直線から連結軸１８が離れるため、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ線分の長さが減少する。つまり、装着者が膝を屈曲させるときに、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離の減少に伴って、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ線分の長さも減少するので、装着者の身体と装着具とのズレが回避又は軽減される。
【００５９】
なお、本実施の形態に係る動作支援装置３０の装着具３１では、大腿アーム５１および下腿アーム５３のそれぞれに、装着者の身体に係留させるための係止具と、並進自由度機構（第１の並進自由度機構５５と第２の並進自由度機構５７）とを設けている。但し、装着具３１を大腿アーム５１および下腿アーム５３のいずれか一方に並進自由度機構を備え、他方を装着者の身体に係留させる構成であってもよい。いずれの装着具３１にせよ、装着者の骨格構造に対する大腿アーム５１と下腿アーム５３の長尺方向寸法の厳格な調整を不要としながらも、装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。図１１は、装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、（ａ）は直立姿勢の様子を示す図、（ｂ）は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。図１１(ａ）（ｂ）に示すように、大腿アーム５１を係止具７５により装着者の大腿に係留させ且つ足下アーム５４を係止具７６により装着者の足に係留させる場合には、下腿アーム５３に第２の並進自由度機構５７を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の歩行を支援するために利用される動作支援装置３０に適している。また、中間アーム５２を係止具により装着者の下腿部に係留させ且つ足下アーム５４を係止具により装着者の足に係留させる場合には、大腿アーム５１に第１の並進自由度機構５５を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の荷役を支援するために利用される動作支援装置３０に適している。
【００６０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００６１】
例えば、本発明に係る駆動装置８は、上述の下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置３０に限らず、他の装着型動作支援装置にも適用することができる。例えば、装着型動作支援装置は、装着者の膝の屈伸のみを支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、大腿装着部（固定リンク１２）、膝関節部（中間リンク１３）、下腿装着部（出力リンク１４）、入力リンク１１および媒介リンク１５から成る１自由度五節リンク機構１０と、入力リンク１１へ動力を付与するアクチュエータ９とを含む駆動装置８を備えることとなる。また、例えば、装着型動作支援装置は、装着者の肘の屈伸を支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、上腕装着部（固定リンク１２）、肘関節部（中間リンク１３）、下腕装着部（出力リンク１４）、入力リンク１１および媒介リンク１５から成る１自由度五節リンク機構１０と、入力リンク１１へ動力を付与するアクチュエータ９とを含む駆動装置８を備えることとなる。
【００６２】
さらに、駆動装置８は装着型動作支援装置以外にも、屈曲するアームを備えたあらゆる装置や機械に適用させることができる。図１２は本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。図１２(ａ）（ｂ）では、作業用車両であるブルドーザーが備えるアームに、駆動装置８を適用させている。具体的には、ブルドーザーのアームが、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されてなる１自由度五節リンク機構１０で構成されている。そして、アクチュエータ９により入力リンク１１へ回転駆動力が与えられることにより、ブルドーザーのアームを昇降させることができる。
【００６３】
また、図１３は本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。図１３(ａ）（ｂ）では、産業用ロボットのアームに、駆動装置８を適用させている。具体的には、産業用ロボットのアームが、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されてなる１自由度五節リンク機構１０で構成されている。そして、アクチュエータ９により入力リンク１１へ回転駆動力が与えられることにより、産業用ロボットのアームを屈伸させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る駆動装置は、屈曲する関節を備えたあらゆる装置や機械において、四節平行リンク機構を備える場合と比較して広い可動範囲を確保しつつ更なる小型化を図るために有用である。
【符号の説明】
【００６５】
８ 駆動装置
９ アクチュエータ
１０ 五節リンク機構
１１ 入力リンク
１２ 固定リンク
１３ 中間リンク
１４ 出力リンク
１５ 媒介リンク
１６ 入力軸
１７，１８，１９，２０ 連結軸
２１，２２ 歯車
２３ 自由度制限機構
３０ 動作支援装置
３１ 装着具
３２ バックパック
３３ バッテリ
３４ 制御器
４０ 腰部フレーム
４１ 背部フレーム
４２ 下肢フレーム
５１ 大腿アーム
５２ 中間アーム
５３ 下腿アーム
５４ 足下アーム
６３ 膝関節用アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、五節リンク機構を備えた駆動装置およびこの駆動装置を備えた装着型動作支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、利用者の身体に装着されて、利用者の動作を支援する動作支援装置が開発されている。例えば、利用者の歩行時や起立時などの股関節や膝関節の動きを補助するための、下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置が知られている。このような装着型動作支援装置は、一般に、装着者の腰に装着される腰装着部、大腿に装着される大腿装着部、下腿に装着される下腿装着部、腰装着部と大腿装着部の間の股関節部および大腿装着部と下腿装着部との間の膝関節部にそれぞれ配置されたアクチュエータ等からなる装着具を備えている。しかし、装着具の膝関節部近傍にアクチュエータが配置されると、アクチュエータの重みにより膝関節部周りの装着具のイナーシャが増大し、装着者の軽快な歩行が阻害されたり、イナーシャを受けた装着具の動きを修正するためにアクチュエータの負荷が増大するという課題があった。
【０００３】
そこで、特許文献１に記載の肢体アシスト装置では、装着具に大腿装着部と下腿装着部とを含む四節平行リンク機構を備えることにより、膝関節用アクチュエータの重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを軽減している。具体的には、この肢体アシスト装置は、第一のリンク部、大腿リンク部、下腿リンク部および第二のリンク部を順次回転自在に連結してなる閉じられた四節リンク機構と、第一のリンク部を駆動する膝関節用アクチュエータとを備えている。そして、肢体アシスト装置が具備するアクチュエータの中でも特に重量の大きい膝関節用アクチュエータを利用者の膝関節よりも体幹（胴体）方向へ配置している。
【０００４】
特許文献１に基づけば、例えば、図１４（ａ）に示すように、動作支援装置の装着具の下肢部分に入力リンク９９ａ、固定リンク９９ｂ、出力リンク９９ｃおよび媒介リンク９９ｄを順次回転可能に連結して成る四節平行リンク機構９９が備えられることとなる。人間の膝関節は、直立から蹲踞まで姿勢を変化させるときに約１４０°という広い動作範囲を有することが知られている。そこで、上記四節平行リンク機構９９において出力リンク９９ｃが固定リンク９９ｂと一列に並んだ状態を０°として、ここから出力リンク９９ｃを１４０°まで動かしてみると、図１４（ｂ）に示すように、出力リンク９９ｃの角度が０−１４０°内の或値で、四節平行リンク機構９９は思案点となる。四節平行リンク機構９９が思案点となるときは、装着者の膝が大きく屈曲して特に外部動力によるサポートが必要なときでもある。ところが、思案点では入力リンク９９ａから出力リンク９９ｃまでのトルク伝達が不安定となる。このような理由から、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節平行リンク機構を備えると、人間の膝関節の広い動作範囲に対応することが困難である。
【０００５】
また、動作支援装置の装着具の下肢部分を四節平行リンク機構で構成する場合、入力リンクから出力リンクへのトルク伝達率は常に１である。ところが、立位や直立歩行時には、膝関節に余分な負荷を掛けないために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は小さいことが望ましい。そして、蹲踞の姿勢では、蹲踞の姿勢から直立姿勢へ移行するときに装着者の体重を支持しながら装着者の動きを力強くアシストするために、装着具における入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は大きいことが望ましい。つまり、動作支援装置の装着具において入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比は直立姿勢で小さく、蹲踞の姿勢で大きい特性を有することが望ましい。
【０００６】
そこで、特許文献２では、動作支援装置の装着具の下肢部分に四節非平行リンク機構を備え、リンク長比を調整することによって人間の膝関節の広い動作範囲に対応するとともに入力リンクから出力リンクへのトルク伝達比を好適に調整できるようにしている。具体的には、特許文献２に記載された動力付歩行支援装置では、入力リンク、固定リンク、出力リンクおよび中間リンクを順次回転自在に連結してなる閉じられた四節非平行リンク機構を備えている。この四節リンク機構のうち、固定リンクが大腿に固定され、出力リンクが下腿に固定され、入力リンクに動力が入力される。そして、対向するリンクのリンク長比の和同士がほぼ等しくなるように、各リンク長が定められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３３４２００号公報
【特許文献２】特開２００８−２３２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された動力付歩行支援装置によれば、人間の膝関節の広い動作範囲に対応可能となるものの、膝関節の屈曲に追従してリンクが動くと入力リンクと中間リンクとの連結部が大きく後方へ出っ張ることとなり、装着具が大型化してしまう。装着具の大型化は、装着具の重量化や装着感の低下に繋がる。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲にわたって良好にトルクを伝達可能であり、且つ、更なる小型化を実現可能とする、駆動装置およびこれを備えた装着型動作支援装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る駆動装置は、入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を１に制限する自由度制限機構と、前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えているものである。
【００１１】
上記構成の駆動装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、駆動装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
前記駆動装置において、前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車とすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る装着型動作支援装置は、装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、前記下肢フレームに設けられた前記駆動装置とを備え、前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられているものである。
【００１４】
上記構成の装着型動作支援装置によれば、固定リンクと出力リンクとの間に中間リンクが存在することにより、出力リンクの四節平行リンク機構と比較して広い動作範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）にわたって、出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置してもこれらのリンクが干渉しない構成とすることが可能となる。出力リンクと固定リンクを同一平面内に配置できれば、下肢フレームの側方への突出量を抑えることができ、装着型動作支援装置の小型化に寄与することができる。また、出力リンクの上記広い動作範囲にわたって、思案点を通過しない構成とすることが可能となり、上記広い動作範囲で入力リンクから出力リンクへの安定したトルク伝達を行うことが可能となる。これにより、装着型動作支援装置は、人間の膝関節の１４０°という広い動作範囲に対応することができる。また、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクを直線状に配置したときに、入力リンクおよび媒介リンクをこの直線に沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、固定リンク、中間リンクおよび出力リンクが直線状に並んだ状態から出力リンクが動作するときに、入力リンクおよび媒介リンクをこれらのリンクに沿うように形成することが可能であり、装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。さらに、アクチュエータが装着者の膝関節よりも上方の大腿装着部に設けられることにより、アクチュエータを膝関節近傍に設ける場合と比較して歩行時に装着者に作用するアクチュエータに起因する慣性力が低減し、装着者により快適な歩行を提供することができる。
【００１５】
前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有していることがよい。
【００１６】
さらには、前記装着型動作支援装置において、前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、０°のときにトルク伝達比が１より小さく、９０°以上でトルク伝達比が１以上となる関係を有していることがよい。
【００１７】
上記構成によれば、装着者が直立姿勢で歩行するときにトルク伝達比が小さく、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときにトルク伝達比が大きくなり、装着者の下肢に負担をかけないより快適な歩行と、装着者が蹲踞の姿勢から立ち上がるときの強力なアシストとを実現することができる。
【００１８】
前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。
【００１９】
または、前記装着型動作支援装置において、前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し前記下腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有していることがよい。
【００２０】
上記構成によれば、大腿装着部または下腿装着部のうち一方が装着者の身体に係留しているときに、他方は並進自由度を備えることとなる。このような装着型動作支援装置は、装着者が膝の屈伸を行うときに装着者の身体の動きに良好に追従し、装着者に違和感を与えずに動作を支援することができる。
【００２１】
前記装着型動作支援装置において、前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置をより小型化することができる。
【００２２】
前記装着型動作支援装置において、装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されていることがよい。かかる構成により、装着型動作支援装置の大腿装着部と下腿装着部がほぼ直線上に並び、大腿装着部と下腿装着部を含む下肢フレームをより小型化することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、四節平行リンク機構を備える構成と比較して、出力リンクの動作範囲をより広い範囲（例えば、固定リンクに相対する出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲）とすることができる。そして、この出力リンクの広い動作範囲にわたって、入力リンクから出力リンクへ安定してトルクを伝達することが可能となる。さらに、このような広い動作範囲を確保しつつ、駆動装置および装着型動作支援装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。
【図３】装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。
【図４】装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図である。
【図５】装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図６】膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。
【図７】第１の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図８】第２の並進自由度機構の拡大側面図である。
【図９】動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図である。
【図１０】図９に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。
【図１１】装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、（ａ）は直立姿勢の様子を示す図、（ｂ）は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。
【図１２】本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。
【図１３】本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。
【図１４】従来の四節平行リンク機構を示す図であり、（ａ）は出力リンク角が０°のときの状態を示しており、（ｂ）は出力リンク角が１４０°のときの状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２６】
［駆動装置］
まず、本発明に係る駆動装置について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は本発明に係る駆動装置の概略構成を示す図であり、図２は図１の駆動装置の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図１に示すように、駆動装置８は、五節リンク機構１０と、五節リンク機構１０へ動力を与えるアクチュエータ９とを備えている。
【００２７】
五節リンク機構１０は、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る閉じられたリンク機構である。具体的には、入力リンク１１と固定リンク１２は入力軸１６により回動自在に連結されており、固定リンク１２と中間リンク１３は連結軸１７により回動自在に連結されており、中間リンク１３と出力リンク１４は連結軸１８により回動自在に連結されており、出力リンク１４と媒介リンク１５とは連結軸１９により回動自在に連結されており、媒介リンク１５と入力リンク１１とは連結軸２０により回動自在に連結されている。図１，２に示す例では、入力軸１６と各連結軸１７，１８，１９，２０は平行である。以下では、固定リンク１２の長軸方向Ｈ12に対する出力リンク１４の長軸方向Ｈ14の傾きを「出力リンク角Ｑ」という。出力リンク角Ｑは、出力リンク１４の長軸方向Ｈ14と固定リンク１２の長軸方向Ｈ12とが一直線に並ぶとき（図１）を０°とする。また、入力軸１６と連結軸１７の中心間を結ぶ仮想直線を「固定リンク線ＨL2」という。図１，２に示す例では、固定リンク１２の長軸方向Ｈ12と固定リンク線ＨL2とは重複するが、固定リンク１２の態様によってはこれらが重複しないこともある。さらに、連結軸１７と連結軸１８の中心間を結ぶ仮想直線を「中間リンク線ＨL3」といい、連結軸１８と連結軸１９の中心間を結ぶ仮想曲線を「出力リンク線ＨL4」という。図１，２に示す例では、出力リンク１４の長軸方向Ｈ14と出力リンク線ＨL4とは重複しないが、出力リンク１４の態様によってはこれらが重複することもある。
【００２８】
五節リンク機構１０は、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位と、中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位とを所定の比率とするための、自由度制限機構２３を備えている。ここで、固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位とは、固定リンク線ＨL2と中間リンク線ＨL3が成す角度の変化を意味する。また、中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位とは、中間リンク線中間リンク線ＨL3と出力リンク線ＨL4が成す角度の変化を意味する。この自由度制限機構２３により固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４の動作は相互に拘束されて、五節リンク機構１０の自由度は１となっている。
【００２９】
本実施の形態に係る自由度制限機構２３は、一方が固定リンク１２に設けられ、他方が出力リンク１４に設けられた一対の噛み合う歯車で構成されている。具体的には、固定リンク１２の中間リンク１３と連結されている側の端部に第１歯車２１が設けられており、出力リンク１４の中間リンク１３と連結されている側の端部に第２歯車２２が設けられており、第１歯車２１と第２歯車２２が噛合している。第１歯車２１と第２歯車２２の歯車比は１：１に限定されず、第１歯車２１と第２歯車２２で異なる歯数の歯車が用いられてもよい。また、第１歯車２１および第２歯車２２の歯車比は一定に限られず、回転するうちに変化してもよい。さらに、第１歯車２１および第２歯車２２の全周に歯列が設けられている必要はなく、少なくとも固定リンク１２に相対する出力リンク１４の可動範囲において歯車２１，２２が噛み合うように歯列が設けられていれば足り、他は平滑であってもよい。なお、自由度制限機構２３は一対の歯車から成るものに限定されない。例えば、第１歯車２１および第２歯車２２の一方又は両方に代えてカムを用いることができる。
【００３０】
上記構成の五節リンク機構１０において、固定リンク１２と出力リンク１４はそれぞれ適当な支持構造体（図示略）に固定されるか、当該支持構造体の一部を構成している。そして、入力リンク１１がアクチュエータ９から入力軸１６回りの回転駆動力を受けると、この回転駆動力は媒介リンク１５を介して出力リンク１４から所定の減速比で出力される。五節リンク機構１０において入力リンク１１が図１に示す状態から入力軸１６を中心として反時計回りに回転すると、図２に示すように、入力リンク１１に連結された媒介リンク１５を介して出力リンク１４が連結軸１８を中心として反時計回りに回転し、中間リンク１３が連結軸１７を中心として反時計回りに回転する。ここで、自由度制限機構２３の作用により、固定リンク１２と中間リンク１３との相対変位と中間リンク１３と出力リンク１４の相対変位が所定の比率（例えば、１）に拘束されることから、入力リンク１１の動作に伴って出力リンク１４だけでなく中間リンク１３も動作することとなる。
【００３１】
上記構成の駆動装置８の五節リンク機構１０は、四節平行リンク機構と比較して大きな動作範囲を有する。詳細には、五節リンク機構１０の出力リンク角Ｑが０°から大きな角度（例えば、１４０°）まで変化するときに、固定リンク１２と出力リンク１４の間に中間リンク１３が介在することにより、固定リンク１２と出力リンク１４を同一平面内に配置してもこれらのリンク１２，１４を干渉させないように構成することができる。さらに、五節リンク機構１０の出力リンク角Ｑが０°から大きな角度（例えば、１４０°）まで変化するときに、この動作範囲に思案点を含まないように構成することができる。つまり、五節リンク機構１０は、中間リンク１３の存在により、出力リンク１４の広い動作範囲（例えば、出力リンク角Ｑが０°から１４０°までの範囲）にわたって、入力リンク１１から出力リンク１４へのトルク伝達が不安定となることがない。
【００３２】
上記駆動装置８の五節リンク機構１０では、前述の通り、中間リンク１３の存在により、固定リンク１２と出力リンク１４とを同じ平面内に配置することが可能となる。これに加えて、図１に示すように、固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４を直線状に配置したときに、入力リンク１１および媒介リンク１５をこの直線に沿うように形成することが可能である。このようにして、五節リンク機構１０をより小型化、つまり、固定リンク１２に沿った細長い形状とすることができる。さらに、この五節リンク機構１０では、固定リンク１２、中間リンク１３および出力リンク１４が直線状に並んだ状態（図１）から出力リンク角Ｑが大きくなる方へ出力リンク１４が動いたときに（図２）、入力リンク１１および媒介リンク１５をこれらのリンク１２，１３，１４に沿うように形成することが可能であり、駆動装置８の小型化を図ることができる。
【００３３】
［装着型動作支援装置］
続いて、上記駆動装置８を備えた装着型動作支援装置（以下、単に動作支援装置という）について説明する。本実施の形態に係る動作支援装置３０は下半身外骨格形状を有しており、高齢者、身体障害者および健常者を問わず人間の身体に装着されて、装着者の主に下肢部の筋力を補助又は代行することにより装着者の動作を支援するものである。
【００３４】
図３は装着型動作支援装置の全体的な概略構成を示す図である。図３に示すように、動作支援装置３０は、装着具３１と、装着具３１に積載されたバックパック３２と、バックパック３２に収容されたバッテリ３３および制御器３４とを備えている。装着具３１は、装着者の腰（骨盤）周りに装着される腰部フレーム４０と、装着者の背部に装着される背部フレーム４１と、装着者の下肢部に装着される左右の下肢フレーム４２，４２とで概略構成されている。バックパック３２は背部フレーム４１に着脱可能に積載されているが、バックパック３２は背部フレーム４１と一体的に構成されていてもよい。以下、図３に加えて図４から６を参照しつつ、装着具３１の構成について詳細に説明する。図４は装着型動作支援装置の左側下部を示す正面図、図５は装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図、図６は膝を屈曲させた姿勢の装着型動作支援装置の左側下部を示す側面図である。なお、以下では「左右方向」とは装着者の肩幅方向をいい、「前後方向」とは装着者の前後方向をいい、「矢状面」とは装着者の身体を左右対称に切る面とこれに平行な面をいい、「前額面」とは装着者の身体を前後に切る面であって矢状面に垂直な面をいう。
【００３５】
（腰部フレーム４０）
腰部フレーム４０は、装着者の腰（骨盤）の後側および左右両側を覆うことができるように、平面視で略Ｕ字形をなしている。具体的には、腰部フレーム４０は、左右方向に長尺であって装着者の腰の背側に位置する基部４５と、基部４５の左右両端から前方へ突出するサイド部４６，４６とを備えている。腰部フレーム４０は、装着者の腰周りへ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えており、腰部フレーム４０は装着者の腰に係留される。
【００３６】
（下肢フレーム４２）
左右の下肢フレーム４２，４２はほぼ同一の構成であって、腰部フレーム４０の左右中央を対称軸として左右線対称に設けられている。よって、以下では一方（左側）の下肢フレーム４２の構造についてのみ詳細に説明し、他方の説明を省略する。下肢フレーム４２は、大腿装着部である大腿アーム５１と、膝関節近傍に配置される中間アーム５２と、下腿装着部である下腿アーム５３と、足装着部である足下アーム５４とを備えている。大腿アーム５１、下腿アーム５３および足下アーム５４は、装着者の身体へ係留させるためのベルトやフックなどの係止具（図示略）を備えている。
【００３７】
大腿アーム５１は、股関節用アクチュエータ６１および股関節用ジョイント６２を介して腰部フレーム４０のサイド部４６の前端に接続されている。股関節用アクチュエータ６１は、腰部フレーム４０のサイド部４６の前端部から外方へ突出するように設けられている。股関節用アクチュエータ６１は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。図７に詳細に示されるように、股関節用アクチュエータ６１の出力軸６１ａは股関節用ジョイント６２の構成要素である第１継手６２１に固定されており、股関節用アクチュエータ６１の駆動により腰部フレーム４０に対して第１継手６２１が矢状面上で回動する。なお、「矢状面上で回動する」とは、矢状面と垂直な軸を中心として、矢状面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００３８】
股関節用ジョイント６２は、第１継手６２１と、大腿アーム５１の上部と接続された第２継手６２２と、第１継手６２１と第２継手６２２とを前額面上で回動可能に連結する枢軸６２３とを備えている。なお、「前額面上で回動する」とは、前額面と垂直な軸を中心として、前額面との平行を維持した状態で回動することをいう。
【００３９】
大腿アーム５１の下端には、連結軸１７を介して中間アーム５２の上端が回動可能に連結されている。中間アーム５２の下端は、連結軸１８を介して下腿アーム５３の上端と回動可能に連結されている。大腿アーム５１の下端に第１歯車２１が設けられ、下腿アーム５３の上端に第２歯車２２が設けられ、これらの噛合する歯車２１，２２が自由度制限機構２３を構成している。このように連結された大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３は、五節リンク機構１０の一部を構成している。大腿アーム５１は固定リンク１２に、中間アーム５２は中間リンク１３に、下腿アーム５３は出力リンク１４にそれぞれ相当する。五節リンク機構１０に回転動力を付与する膝関節用アクチュエータ６３は、大腿アーム５１にブラケット６３ａ等を介して固定されている。膝関節用アクチュエータ６３は、例えば、モーターと減速歯車で構成されている。このように膝関節用アクチュエータ６３が装着者の膝関節から離れた腰側に配置されることにより、膝関節用アクチュエータ６３が装着者の膝関節近傍に配置された構成と比較して、装着者の歩行時に膝関節用アクチュエータ６３の重量に起因して装着者にかかる慣性モーメントを低減させることができる。
【００４０】
膝関節用アクチュエータ６３の出力軸、すなわち、五節リンク機構１０への入力軸１６には、入力リンク１１の一端が固定されている。入力リンク１１の他端は、連結軸２０を介して媒介リンク１５の一端と回動可能に連結されている。媒介リンク１５の他端は、連結軸１９を介して下腿アーム５３と回動可能と連結されている。このように、下肢フレーム４２の膝関節部分の周りに五節リンク機構１０および膝関節用アクチュエータ６３（アクチュエータ９）からなる駆動装置８が設けられている。そして、入力リンク１１が膝関節用アクチュエータ６３から入力軸１６回りの回転駆動力を受けると、図６に示すように、入力リンク１１に連結された媒介リンク１５を介して下腿アーム５３が連結軸１８を中心として回転し、中間アーム５２が連結軸１７を中心として回転する。ここで、自由度制限機構２３の作用により、大腿アーム５１と中間アーム５２の相対変位と中間アーム５２と下腿アーム５３の相対変位が所定の比率（例えば、１）に拘束されて、入力リンク１１の動作に伴って下腿アーム５３だけでなく中間アーム５２も動作する。
【００４１】
大腿アーム５１の長さ（長軸方向の寸法）は装着者の大腿の長さにおおよそ適合するように調整されている。このように調整された大腿アーム５１の長さを「大腿アームの基準長さ」ということとする。大腿アームの基準長さは、大腿アーム５１の最小長さでもある。大腿アーム５１は、大腿アーム５１を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第１の並進自由度機構５５を備えている。図７にも示すように、第１の並進自由度機構５５は、大腿アーム５１と股関節用ジョイント６２の第２継手６２２との接続部において、第２継手６２２から並進方向に延びる接続ピン５５ａと、大腿アーム５１に設けられた接続ピン５５ａが摺動可能に挿入される接続孔５５ｂと、接続ピン５５ａに嵌装された圧縮バネ５５ｃとで構成されている。接続ピン５５ａは接続孔５５ｂよりも長く、接続ピン５５ａの下端は接続孔５５ｂから下方へ突き抜けており、その下端部に鍔部が形成されている。接続孔５５ｂの開口縁と接続ピン５５ａの鍔部は並進方向に離間しており、接続ピン５５ａの接続孔５５ｂの開口縁と接続ピン５５ａの鍔部の間に圧縮バネ５５ｃが設けられている。接続ピン５５ａと大腿アーム５１とは滑り対偶であって、接続ピン５５ａと接続孔５５ｂとの間に滑りが生じることにより大腿アーム５１が並進方向へ伸長する。さらに、接続ピン５５ａは接続孔５５ｂ内で半径方向（接続ピン５５ａの軸回り）に回動可能であって、これにより大腿アーム５１に回旋自由度（接続ピン５５ａの軸回りの回転１自由度）が与えられている。なお、大腿アーム５１の並進方向への伸長代Ｅ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端との間に現れる接続ピン５５ａの長さである。伸長代Ｅ１は、第２継手６２２の下端と大腿アーム５１の上端が当接しているときに０であって、伸長代Ｅ１が０となるように圧縮バネ５５ｃにより接続ピン５５ａが付勢されている。そして、大腿アーム５１に引張荷重がかかったときに、圧縮バネ５５ｃの付勢力に抗して接続ピン５５ａが接続孔５５ｂ内を移動することによって伸長代Ｅ１が増大する。
【００４２】
また、下腿アーム５３の長さ（長軸方向の寸法）は、装着者の下腿部の長さに適合するように調整されている。このように調整された下腿アーム５３の長さを「下腿アームの基準長さ」ということとする。下腿アームの基準長さは、下腿アーム５３の最小長さでもある。下腿アーム５３は、下腿アーム５３を基準長さから１−３０ｍｍだけ並進方向（長軸方向）へ伸長可能とする、第２の並進自由度機構５７を備えている。図８にも示すように、第２の並進自由度機構５７は、下腿アーム５３の下端と、後述する足関節用ジョイント６４の第１継手６４１との接続部において、第１継手６４１に設けられた並進方向に延びる角柱部５７ａと、下腿アーム５３に設けられた角柱部５７ａが摺動可能に挿入される角筒部５７ｂと、角柱部５７ａを角筒部５７ｂ内へ収容する方向へ付勢する付勢部材としての引張バネ５７ｃとで構成されている。角柱部５７ａと下腿アーム５３とは滑り対偶であって、角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を並進方向に滑ることにより、下腿アーム５３は並進方向に伸長する。上記構成において、下腿アーム５３の並進方向への伸長代Ｅ２は、下腿アーム５３の下端と第１継手６４１の上端との間に現れる角柱部５７ａの長さである。伸長代Ｅ２は、下腿アーム５３の下端と第１継手６４１の上端が当接しているときに０であって、引張バネ５７ｃは伸長代Ｅ２が０となるように角柱部５７ａを付勢している。そして、下腿アーム５３に引張荷重がかかったときに、引張バネ５７ｃの付勢力に抗して角柱部５７ａが角筒部５７ｂ内を移動することによって、伸長代Ｅ２が増大する。
【００４３】
なお、上述のように大腿アーム５１と下腿アーム５３の基準長さは、それぞれ装着者の大腿と下腿の寸法に適合するように調整されるが、大腿アーム５１と下腿アーム５３の基準長さにさほどの精度は求められない。大腿アーム５１と下腿アーム５３が各々並進自由度を備えていることに加え、これらの間に中間アーム５２が設けられることによって、多少の寸法誤差が許容される。
【００４４】
下腿アーム５３と足下アーム５４とは、足関節用ジョイント６４を介して接続されている。足関節用ジョイント６４は、下腿アーム５３の下端に接続された第１継手６４１と、足下アーム５４の上端に接続された第２継手６４３と、第１継手６４１と第２継手６４３を枢結する枢結軸６４２とで構成されている。第１継手６４１は枢結軸６４２に遊嵌されており、第１継手６４１は枢結軸６４２を中心として矢状面上で回動可能であるとともに、前額面上で揺動可能である。第２継手６４３の下部には、足下アーム５４を構成する足裏プレート５３１が接続されている。足裏プレート５３１は、少なくとも装着者の踵を覆う一体的な形状を有している。
【００４５】
（背部フレーム４１）
背部フレーム４１は、いわゆる背負子である。背部フレーム４１は、装着者の肩や胸に係留させるための脇ベルト、肩紐およびフックなどの係止具（図示略）を備えている。背部フレーム４１には、バックパック３２が積載される。バックパック３２に格納されたバッテリ３３は、股関節用アクチュエータ６１、膝関節用アクチュエータ６３、および制御器３４へ電気を供給する。また、バックパック３２に格納された制御器３４は、装着具３１の各部に設けたセンサ（図示略）からの検出信号を受けて、装着具３１が装着者の動作を補助又は代行するように股関節用アクチュエータ６１および膝関節用アクチュエータ６３を制御する。なお、上記センサは、部材の重心の変化量や部材に加わる負荷量などの物理量を検出するセンサであるが、これらに代えて又はこれらに加えて装着者の生体信号を検出する生体信号センサを用いても良い。生体信号センサを用いれば、装着者の意思に従った動力をアクチュエータ６１，６３に発生させることができる。
【００４６】
上記構成の動作支援装置３０において、五節リンク機構１０の５つのリンクのリンク長比は、動作支援装置３０として最適なトルク伝達比を発揮できるように設定されている。すなわち、リンク長比により、膝関節用アクチュエータ６３が一定出力であっても、蹲踞の姿勢時には力強いアシスト力を発揮し且つ直立姿勢時には俊敏なバックドライブを確保できるようなトルク伝達比に調整されている。このようなトルク伝達比は、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲において、出力リンク角Ｑが増大するに伴って大きくなる特性を有している。また、このようなトルク伝達比は、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲において、出力リンク角Ｑが０°のときに１未満であり、出力リンク角Ｑが９０°以上で１よりも大きくなる特性を有していることがよい。特に、出力リンク角Ｑが０°近傍においてトルク伝達比は０に近い小さな値であることが望ましい。これにより、特に強力なアシストが必要となる蹲踞の姿勢において、膝関節用アクチュエータ６３から出力リンクである下腿アーム５３へ効果的に動力が伝達される。
【００４７】
図９は動作支援装置が備える五節リンク機構のリンク長比とトルク伝達比を説明する図であり、図１０は図９に示す五節リンク機構の出力リンク角を増大させた状態を示す図である。図９および１０において、入力軸１６と連結軸２０の中心間距離は、入力リンク１１のリンク長Ｌ１である。同様に、入力軸１６と連結軸１７の中心間距離は、固定リンク１２のリンク長Ｌ２である。連結軸１７と連結軸１８の中心間距離は、中間リンク１３のリンク長Ｌ３である。連結軸１８と連結軸１９の中心間距離は、出力リンク１４のリンク長Ｌ４である。そして、連結軸１９と連結軸２０の中心間距離は、媒介リンク１５のリンク長Ｌ５である。また、Ｌinは、入力軸１６の中心から媒介リンク線ＨL5に下ろした垂線の長さであり、入力垂線距離Ｌinとする。ここで、媒介リンク線ＨL5は、連結軸１９と連結軸２０の中心間を結ぶ仮想直線である。Ｌoutは、第１歯車２１と第２歯車２２との噛合点Ｐ３から媒介リンク線ＨL5に下ろした垂線の長さであり、出力垂線距離Ｌoutとする。入力垂線距離Ｌinと出力垂線距離Ｌoutは、５つのリンク長Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５に依存する値である。そして、出力垂線距離Ｌoutを入力垂線距離Ｌinで除した値が、トルク伝達比（＝Ｌout／Ｌin）となる。
【００４８】
次に示す数式１および数式２は、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０が思案点となる条件式である。数式１および数式２を満たさない範囲で五節リンク機構１０を設計することにより、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０が思案点となることを避けることができる。
【００４９】
【数１】
【００５０】
【数２】
【００５１】
数式１と数式２において、ＱL0およびＱLfは固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角である。ＱL0は装着者の膝関節が最も伸びたとき（直立姿勢）の固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角であり、ＱLfは装着者の膝関節が最も曲がったとき（蹲踞の姿勢）の固定リンク線ＨL2と出力リンク線ＨL4が成す角である。また、ｒは１／（１＋ｎｙ）である。ここでｎｙは固定リンク１２と中間リンク１３の相対変位の比率である。本実施形態のように自由度制限機構２３として噛み合う歯車２１，２２を用い、その歯車比が１：１である場合は、ｎｙ＝１となる。
【００５２】
数式１と数式２を用いてリンク長比を求める手法を、媒介リンク長Ｌ５を決定する場合について具体例（図示しない）を挙げて次に説明する。はじめに、媒介リンク長Ｌ５以外のリンク長（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）が装着者の身体寸法に合わせて定められる。例えば、入力リンク長Ｌ１＝６０ｍｍ，固定リンク長Ｌ２＝２１０ｍｍ，中間リンク長Ｌ３＝４０ｍｍ，出力リンク長Ｌ４＝５０ｍｍである。そして、動作支援装置３０の構成に合わせてｎｙ，ＱL0，ＱLfの各値が定められる。例えば、ｎｙ＝１，ＱL0＝０°，ＱLf＝１４０°である。これらの各数値条件を数式１および数式２に代入して、媒介リンク長Ｌ５を求める。すると、数式１では媒介リンク長Ｌ５＝２４０ｍｍと算出され、数式２では媒介リンク長Ｌ５＝２５８ｍｍと算出される。このように数式１および数式２を用いて算出された媒介リンク長Ｌ５の下限より大きく且つ上限より小さい値のなかから、媒介リンク長Ｌ５となる値が選択される。ここでは、例えば、数式１の解と数式２の解との間を取って、媒介リンク長Ｌ５＝２５０ｍｍが選択される。以上のようにして求められたリンク長比（入力リンク長Ｌ１＝６０ｍｍ，固定リンク長Ｌ２＝２１０ｍｍ，中間リンク長Ｌ３＝４０ｍｍ，出力リンク長Ｌ４＝５０ｍｍ，媒介リンク長Ｌ５＝２５０ｍｍ）のトルク伝達比は表１に示す通りである。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１に示すトルク伝達比の出力リンク角に対する変化では、出力リンク角が０°のときにトルク伝達比が０に近い十分に小さな値であり、出力リンク角が９０°以上ではトルク伝達比は１より大きい。そして、トルク伝達比は、出力リンク角の増大に伴って増大しており、表１に示す最大の出力リンク角（１４０°）で最大値となっている。このように、上記手法により定められたリンク長比により、動作支援装置３０が備える五節リンク機構１０のトルク伝達比は動作支援装置３０として好適な設定となる。
【００５５】
以上説明した本実施の形態に係る動作支援装置３０は、五節リンク機構１０を具備する駆動装置８を備えることにより、下腿アーム５３（出力リンク１４）の広い動作範囲（例えば、出力リンク角Ｑが０−１４０°の範囲）にわたって、大腿アーム５１と下腿アーム５３が同一平面内に配置されてもこれらのアーム５１，５３が干渉せず且つ思案点とならない。よって、上記下腿アーム５３の広い動作範囲にわたって、下腿アーム５３へ安定してトルクが伝達されることとなる。これにより、動作支援装置３０は、人間の膝関節の０−１４０°という広い動作範囲に対応することができる。
【００５６】
さらに、本実施の形態に係る動作支援装置３０は、駆動装置８を備えることにより、上記広い動作範囲を確保しつつ、より小型化することができる。具体的には、下腿アーム５３と大腿アーム５１がほぼ同じ矢状面上に配置されることにより、下肢フレーム４２の左右方向の厚みの増加が抑制されている。これに加えて、装着者の直立姿勢時に、矢状面視（図５）において、大腿アーム５１の上端Ｐ１と、下腿アーム５３の下端Ｐ２と、大腿アーム５１と中間アーム５２の連結軸１７とが略同一直線上に配置されることにより、下肢フレーム４２の前後方向の厚みの増加が抑制されている。なお、図５において、大腿アーム５１の上端Ｐ１は、腰部フレーム４０と下肢フレーム４２との接続部を指している。
【００５７】
図５に示すように、大腿アーム５１の上端Ｐ１は装着者の股関節の側方に位置し、下腿アーム５３の下端Ｐ２は装着者の踝の側方に位置している。矢状面視において、これらの点（Ｐ１とＰ２）を結ぶ直線は装着者の膝関節よりも背面側を通っており、この直線上に連結軸１７および連結軸１８がおよそ位置している。このように連結軸１７，１８が配置されることによって、大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３により成る下肢フレーム４２の基本部分がおおよそ直線形状を成すこととなる。このように下肢フレーム４２の基本部分がおおよそ直線形状を成すことで、下肢フレーム４２の膝関節部分（中間アーム５２）よりも上方に位置する荷重を下肢フレーム４２の基本部分に受動的に支持させることができる。そして、上述のように直線状に並んだ大腿アーム５１、中間アーム５２および下腿アーム５３に沿うように入力リンク１１および媒介リンク１５を形成することが可能である。さらに、出力リンク角が増大した状態において、入力リンク１１および媒介リンク１５を大腿アーム５１に沿わせるように形成することが可能である。このように五節リンク機構１０が形成された結果、直立姿勢と蹲踞の姿勢の両方において、下肢フレーム４２およびその一部が装着者の前方又は後方へ大きく突出することがなく、下肢フレーム４２は装着者の下肢に沿ったコンパクトなものとなる。
【００５８】
なお、大腿アームと下腿アームとを膝関節軸で連結して成る従来の動作支援装置において、膝関節軸を装着者の膝関節よりも背面側に配置した場合、装着者が膝を屈曲させるに従って、膝関節軸が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離が減少する。この距離の変化は、装着者の身体と装着具とのズレ等の問題を引き起こす。これに対し、本実施形態に係る動作支援装置３０では上記問題が回避又は軽減されている。図５に示すように、装着者が直立姿勢のときに、矢状面視において、連結軸１８、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３および下腿アーム５３の下端Ｐ２がほぼ一直線上に並んでいる。そして、図６に示すように、装着者が膝を屈曲させるに従って、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ直線から連結軸１８が離れるため、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ線分の長さが減少する。つまり、装着者が膝を屈曲させるときに、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３が配置される装着者の身体の部位から装着者の踝までの距離の減少に伴って、歯車２１，２２の噛合点Ｐ３と下腿アーム５３の下端Ｐ２とを結ぶ線分の長さも減少するので、装着者の身体と装着具とのズレが回避又は軽減される。
【００５９】
なお、本実施の形態に係る動作支援装置３０の装着具３１では、大腿アーム５１および下腿アーム５３のそれぞれに、装着者の身体に係留させるための係止具と、並進自由度機構（第１の並進自由度機構５５と第２の並進自由度機構５７）とを設けている。但し、装着具３１を大腿アーム５１および下腿アーム５３のいずれか一方に並進自由度機構を備え、他方を装着者の身体に係留させる構成であってもよい。いずれの装着具３１にせよ、装着者の骨格構造に対する大腿アーム５１と下腿アーム５３の長尺方向寸法の厳格な調整を不要としながらも、装着者にとって違和感の少ない下肢の動きを提供することができる。図１１は、装着型動作支援装置の大腿フレームを係止具で装着者の大腿部に係留させた状態を示す図であり、（ａ）は直立姿勢の様子を示す図、（ｂ）は蹲踞の姿勢時の様子を示す図である。図１１(ａ）（ｂ）に示すように、大腿アーム５１を係止具７５により装着者の大腿に係留させ且つ足下アーム５４を係止具７６により装着者の足に係留させる場合には、下腿アーム５３に第２の並進自由度機構５７を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の歩行を支援するために利用される動作支援装置３０に適している。また、中間アーム５２を係止具により装着者の下腿部に係留させ且つ足下アーム５４を係止具により装着者の足に係留させる場合には、大腿アーム５１に第１の並進自由度機構５５を備えれば足りる。このような装着形態は、装着者の荷役を支援するために利用される動作支援装置３０に適している。
【００６０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
【００６１】
例えば、本発明に係る駆動装置８は、上述の下半身外骨格形状を有する装着型動作支援装置３０に限らず、他の装着型動作支援装置にも適用することができる。例えば、装着型動作支援装置は、装着者の膝の屈伸のみを支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、大腿装着部（固定リンク１２）、膝関節部（中間リンク１３）、下腿装着部（出力リンク１４）、入力リンク１１および媒介リンク１５から成る１自由度五節リンク機構１０と、入力リンク１１へ動力を付与するアクチュエータ９とを含む駆動装置８を備えることとなる。また、例えば、装着型動作支援装置は、装着者の肘の屈伸を支援するものであってもよい。この場合の動作支援装置の装着具は、上腕装着部（固定リンク１２）、肘関節部（中間リンク１３）、下腕装着部（出力リンク１４）、入力リンク１１および媒介リンク１５から成る１自由度五節リンク機構１０と、入力リンク１１へ動力を付与するアクチュエータ９とを含む駆動装置８を備えることとなる。
【００６２】
さらに、駆動装置８は装着型動作支援装置以外にも、屈曲するアームを備えたあらゆる装置や機械に適用させることができる。図１２は本発明に係る駆動装置を作業用車両のアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。図１２(ａ）（ｂ）では、作業用車両であるブルドーザーが備えるアームに、駆動装置８を適用させている。具体的には、ブルドーザーのアームが、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されてなる１自由度五節リンク機構１０で構成されている。そして、アクチュエータ９により入力リンク１１へ回転駆動力が与えられることにより、ブルドーザーのアームを昇降させることができる。
【００６３】
また、図１３は本発明に係る駆動装置を産業用ロボットのアームに適用させた例を示す図であって、（ａ）はアームを下げた図であり、（ｂ）はアームを上げた図である。図１３(ａ）（ｂ）では、産業用ロボットのアームに、駆動装置８を適用させている。具体的には、産業用ロボットのアームが、入力リンク１１、固定リンク１２、中間リンク１３、出力リンク１４および媒介リンク１５の５つのリンクが順次回転可能に連結されてなる１自由度五節リンク機構１０で構成されている。そして、アクチュエータ９により入力リンク１１へ回転駆動力が与えられることにより、産業用ロボットのアームを屈伸させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る駆動装置は、屈曲する関節を備えたあらゆる装置や機械において、四節平行リンク機構を備える場合と比較して広い可動範囲を確保しつつ更なる小型化を図るために有用である。
【符号の説明】
【００６５】
８ 駆動装置
９ アクチュエータ
１０ 五節リンク機構
１１ 入力リンク
１２ 固定リンク
１３ 中間リンク
１４ 出力リンク
１５ 媒介リンク
１６ 入力軸
１７，１８，１９，２０ 連結軸
２１，２２ 歯車
２３ 自由度制限機構
３０ 動作支援装置
３１ 装着具
３２ バックパック
３３ バッテリ
３４ 制御器
４０ 腰部フレーム
４１ 背部フレーム
４２ 下肢フレーム
５１ 大腿アーム
５２ 中間アーム
５３ 下腿アーム
５４ 足下アーム
６３ 膝関節用アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、
前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を１に制限する自由度制限機構と、
前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えている、駆動装置。
【請求項２】
前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車である、請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、
前記下肢フレームに設けられた請求項１又は請求項２に記載の駆動装置とを備え、
前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられている、装着型動作支援装置。
【請求項４】
前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有している、請求項３に記載の装着型動作支援装置。
【請求項５】
前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、０°のときにトルク伝達比が１より小さく、９０°以上でトルク伝達比が１以上となる関係を有している、請求項３又は４に記載の装着型動作支援装置。
【請求項６】
前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、
前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項３から５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項７】
前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し
前記下腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項３から５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項８】
前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されている、請求項３から７のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項９】
装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されている、請求項３から８のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項１】
入力リンク、固定リンク、中間リンク、出力リンクおよび媒介リンクの５つのリンクが順次回転可能に連結されて成る五節リンク機構と、
前記固定リンクと前記中間リンクの相対変位と前記中間リンクと前記出力リンクの相対変位を所定の比率に拘束することにより前記五節リンク機構の自由度を１に制限する自由度制限機構と、
前記入力リンクに対し前記固定リンクとの連結部回りの回転駆動力を与えるアクチュエータとを備えている、駆動装置。
【請求項２】
前記自由度制限機構は、前記固定リンクと前記出力リンクの各々に設けられた噛合し合う歯車である、請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
装着者の筋力を補助或いは代行する装着型動作支援装置であって、
前記装着者の大腿に装着される大腿装着部および前記装着者の下腿に装着される下腿装着部を少なくとも有する下肢フレームと、
前記下肢フレームに設けられた請求項１又は請求項２に記載の駆動装置とを備え、
前記大腿装着部に前記固定リンクが設けられ、前記下腿装着部に前記出力リンクが設けられ、前記大腿装着部に前記アクチュエータが設けられている、装着型動作支援装置。
【請求項４】
前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、前記出力リンクの角度の増大に伴ってトルク伝達比が増大する関係を有している、請求項３に記載の装着型動作支援装置。
【請求項５】
前記入力リンク、前記固定リンク、前記中間リンク、前記出力リンクおよび前記媒介リンクのリンク長比は、前記固定リンクに相対する前記出力リンクの角度が０°から１４０°までの範囲において、０°のときにトルク伝達比が１より小さく、９０°以上でトルク伝達比が１以上となる関係を有している、請求項３又は４に記載の装着型動作支援装置。
【請求項６】
前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は前記装着者の大腿に係留するための係止具を有し、
前記下腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項３から５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項７】
前記下肢フレームは前記装着者の足に装着される足装着部を備え、
前記大腿装着部は並進方向に伸長可能な並進自由度を有し
前記下腿装着部は前記装着者の下腿に係留するための係止具を有し、
前記足装着部は前記装着者の足に係留するための係止具を有している、請求項３から５のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項８】
前記固定リンクと前記出力リンクが同じ矢状面上に配置されている、請求項３から７のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【請求項９】
装着者の直立姿勢時に、前記大腿装着部の上端と、前記下腿装着部の下端と、前記固定リンクと前記中間リンクの連結部とが、矢状面視において略同一直線上に配置されている、請求項３から８のいずれか一項に記載の装着型動作支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１７６１１７（Ｐ２０１２−１７６１１７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４０７５８（Ｐ２０１１−４０７５８）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
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