CN114209479A - 膝关节 - Google Patents

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CN114209479A
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冈田慧
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Abstract

本发明提供能效佳、小型且轻量，并能够扩大可动范围的膝关节。另外，本发明提供较低价的主动式膝关节。驱动部(1)使从动部件(21)移动。弹性部件(22)配置于从动部件(21)与直动部件(23)之间。直动部件(23)经由弹性部件(22)，随着从动部件(21)的移动而至少在一个方向上弹性移动。曲柄机构(3)将直动部件(23)的直线运动转换为旋转运动，由此能够实现膝关节的弯曲或伸展动作。

Description

膝关节
本申请是申请日为2017年8月30日、申请号为201780068657.3、发明名称为“膝关节”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于假肢的膝关节。
背景技术
通常，假肢构成为包括：固定于足截面的接受腔；与接受腔的下端连接的膝关节；与膝关节的下端连接且成为接地部分的足部。膝关节与人体膝关节同样地，能够在规定的角度范围内伸展及弯曲。
作为膝关节的驱动方式，存在被动式、电子控制式、主动式三种类型。被动式中，穿戴者使假肢运动，与假肢的移动对应地，使用液压或气动缸的阻尼器和弹簧力等，膝关节被动地弯曲/伸展。电子控制式中，能够通过电子控制调整膝关节的弯曲及伸展下的移动阻力，改善膝关节的动作。在下述专利文献1中表示电子控制式膝关节的一例。另外，主动式中，通过使用电动机来主动地控制膝关节的弯曲角度，来辅助上台阶及立起等动作下的膝关节的运动。
而现有的主动式膝关节由于构造复杂而价格高昂，不仅如此，还存在由于重而穿戴者容易疲劳之类的问题。特别是，现有的主动式膝关节需要始终使搭载于膝关节的电动机工作，能效差，故而，需要大容量的电池，具有变大并变重的倾向。
另一方面，下述非专利文献1中，示出了如下的主动式膝关节：通过带轮将串联弹性驱动器(所谓的“Series Elastic Actuator”)产生的直动转换为旋转运动，以使膝关节转动。在该技术中，通过使用串联弹性驱动器的弹簧来活用步行能量，得到与现有的主动式膝关节的能效相比较高的能效。但是，该技术中，为了将串联弹性驱动器的直动运动转换为膝部的旋转运动，而构成为固定于直动的弹性要素上的带经由两个带轮使膝部旋转的机构。为了防止直动的弹性要素与膝部的干涉，需要将带和带轮配置于膝关节的侧面。于是，为了保持平衡，产生在一个膝关节中使用两个带的必要性。因此，该技术中，存在机构非常复杂、零部件数量多之类的问题。如果想要扩大膝关节的可动角度(可动范围)，则带和带轮大型化，在大小及重量这些点上变得难以使用。另外，用于使带轮旋转的带在耐久性方面存在问题，故而，具有用于维持及更换带的成本容易变高之类的倾向。
另外，下述专利文献2中记载了如下结构：将膝部件旋转自如地安装于下肢部件的上端，并在下肢部件的下端安装足部件。在膝部件的侧部一体地形成有突出部，在该突出部与下肢部件的下部之间安装有线性驱动器。该技术中，能够通过该线性驱动器的驱动力，来辅助膝部件的旋转动作。但是，该技术中，由于是线性驱动器未经减速器而与膝部件直接连结的结构，故而存在如下问题：在想要获得高驱动扭矩时，将对线性驱动器施加高负载。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2004－167106号公报
专利文献2：国际公开2004/017872号公报
非专利文献
非专利文献1：Elliott J.Rouse,Luke M.Mooney and Hugh M.Herr,"Clutchableseries-elastic actuator:Implications for prosthetic knee design"October 9,2014,doi:10.1177/0278364914545673 The International Journal of RoboticsResearch November 2014 vol.33no.13 1611-1625
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是基于上述状况而作出的。本发明的主要目的在于，提供能效佳、小型且轻量、而且能够扩大可动范围的膝关节。
用于解决课题的技术方案
解决上述课题的技术方案能够记载为以下项目。
(项目1)
一种膝关节，其中，
具备：驱动部、串联弹性机构、曲柄机构，
所述串联弹性机构具备：从动部件、弹性部件、直动部件，
所述驱动部构成为使所述从动部件移动，
所述弹性部件配置于所述从动部件与所述直动部件之间，
所述直动部件构成为，经由所述弹性部件，随着所述从动部件的移动而至少在一个方向上弹性移动，
所述曲柄机构构成为将所述直动部件的直线运动转换为旋转运动。
(项目2)
根据项目1所述的膝关节，其中，
还具备用于将接受腔和膝关节连接的上部连接部，
所述曲柄机构构成为使所述上部连接部向正反方向旋转运动。
(项目3)
根据项目1或2所述的膝关节，其中，
还具备框架，
所述直动部件形成为能够相对于所述框架至少沿一个方向移动。
(项目4)
根据项目1或2所述的膝关节，其中，
还具备框架，
所述曲柄机构的旋转轴由所述框架支承。
(项目5)
根据项目1～4中任一项所述的膝关节，其中，
所述驱动部具备：电动机、变速机构、滚珠丝杠副，
所述电动机构成为经由所述变速机构使所述滚珠丝杠副向正反方向旋转，
所述从动部件构成为根据所述滚珠丝杠副的旋转而直线运动。
(项目6)
根据项目1～5中任一项所述的膝关节，其中，
所述直动部件具备隔着所述从动部件相向配置的第一抵接部和第二抵接部，
所述弹性部件具备第一弹簧和第二弹簧，
所述第一弹簧配置于所述第一抵接部与所述从动部件之间，
所述第二弹簧配置于所述第二抵接部与所述从动部件之间。
(项目7)
一种假肢，其中，具备项目1～6中任一项所述的膝关节。
(项目8)
一种膝关节，其中，
具备：电动机、伴随利用该电动机旋转的滚珠丝杠副的旋转而沿直线方向往复运动的直动部件、用于变更膝角度的曲柄机构，
所述曲柄机构具备：能够旋转地与所述直动部件结合的连结杆；能够旋转地安装于该连结杆，伴随所述连结杆的移动而摆动的臂部件；成为该臂部件摆动时的旋转中心的旋转轴；将所述直动部件的直线运动变换为旋转运动，
所述曲柄机构的减速比设定为，在所述膝角度为约80°～90°时成为最大值，在所述膝角度为约0°～20°时，比所述最大値低，并且，所述膝角度越小，减速比越低。
(项目9)
根据项目8所述的膝关节，其中，
所述直动部件与所述连结杆的连结点以从所述旋转轴的旋转中心偏移规定偏移量而配置，
所述规定偏移量设定为在所述膝角度为约80°～90°时，所述减速比最大。
(项目10)
根据项目8或9所述的膝关节，其中，
还具备用于连接接受腔与膝关节的上部连接部，
所述曲柄机构安装于所述上部连接部，使所述上部连接部向正反方向旋转运动。
(项目11)
根据项目8～10中任一项所述的膝关节，其中，
所述直动部件包括沿该直动部件的移动方向延伸的直动杆，
所述连结杆能够旋转地连结于所述直动杆的端部。
(项目12)
根据项目8～11中任一项所述的膝关节，其中，
还具备框架，
所述曲柄机构的旋转轴由所述框架支承。
(项目13)
一种假肢，其中，具备项目8～12中任一项所述的膝关节。
发明效果
根据本发明，能够提供能效佳、小型且轻量、并能够扩大可动范围的膝关节。另外，根据本发明，能够提供较低价的主动式膝关节。
附图说明
图1是本发明一实施方式的膝关节(弯曲角度＝0°)的将罩卸除后的状态下的立体图；
图2是图1的主视图；
图3是图2的左侧视图；
图4是图2的俯视图；
图5是沿着图3的A－A线的剖视图；
图6是图1的膝关节的将罩安装后的状态下的立体图；
图7是图6的主视图；
图8是图7的左侧视图；
图9是图7的俯视图；
图10是沿着图8的A－A线的剖视图；
图11是图1的膝关节在弯曲角度60°的状态下的立体图；
图12是图11的主视图；
图13是图12的左侧视图；
图14是图12的俯视图；
图15是沿着图13的A－A线的剖视图；
图16是图1的膝关节在弯曲角度120°的状态下的立体图；
图17是图16的主视图；
图18是图17的左侧视图；
图19是图17的俯视图；
图20是沿着图18的A－A线的剖视图；
图21是表示使用图1的膝关节构成假肢的例子的概略性说明图；
图22是用于说明图21的假肢的动作的说明图；
图23是用于说明图1的膝关节中的曲柄机构的动作的说明图；
图24是图23的曲柄机构的示意性说明图；
图25是表示图24的曲柄机构的一特性例的曲线图，其中，横轴为膝角度(度)，纵轴为减速比；
图26是表示步行时膝角度的变化的曲线图，其中，横轴为时间(任意单位)，纵轴为膝角度(度)；
图27是表示变更了串联弹性机构相对于曲柄机构旋转轴的偏移量的例子的说明图；
图28是将图27的曲柄机构的特性例与图25的特性例重叠表示的曲线图，其中，横轴为膝角度(度)，纵轴为减速比。
具体实施方式
以下，参照附图(图1～图10)说明本发明一实施方式的膝关节。需要说明的是，这些图之中，图1～5表示将框架5的罩51(后述)卸除后的状态，图6～10表示将罩51安装后的状态。
如图21(后述)所示，本实施方式的膝关节100能够与接受腔200及足部300组合构成假肢。以下，对本实施方式的膝关节100的结构进行说明。
(本实施方式的结构)
本实施方式的膝关节100具备：驱动部1、串联弹性机构(SEA)2、曲柄机构3。该膝关节100还具备：上部连接部4、框架5、下部连接部6。
(驱动部)
驱动部1具备：电动机11、变速机构12、滚珠丝杠副13(参照图5)。电动机11构成为，经由变速机构12使滚珠丝杠副13向正反方向旋转。本实施方式的驱动部1具备电池(未图示)，能够通过来自电池的供电对电动机11进行驱动。但是，也可以设为通过外部供电(例如商用电源)驱动电动机11的结构。另外，驱动部1具备检测曲柄机构3的旋转角度、及对电动机11的负载的传感器(未图示)，能够根据该传感器的输出来控制电动机11的扭矩及旋转速度。本实施方式的电动机11、变速机构12及滚珠丝杠副13经适当的安装部件或轴承被框架5支承。
(串联弹性机构)
串联弹性机构2具备：从动部件21、弹性部件22、直动部件23。另外，本实施方式的串联弹性机构2具备导向轴24，该导向轴24用于引导从动部件21、直动部件23的第一、第二抵接部231、232。
从动部件21构成为，通过驱动部1的驱动力沿着导向轴24(图1中上下方向)移动。更具体而言，本实施方式中的串联弹性机构2的从动部件21构成为，根据驱动部1的滚珠丝杠副13的旋转而沿直线方向往复运动。
弹性部件22配置于从动部件21与直动部件23之间。更具体而言，本实施方式的弹性部件22具备两个第一弹簧221和两个第二弹簧222(参照图1及图3)。第一弹簧221配置于直动部件23的第一抵接部231(后述)与从动部件21之间，但为未固定于这些部件的状态。第二弹簧222配置于直动部件23的第二抵接部232(后述)与从动部件21之间，但为未固定于这些部件的状态。
直动部件23构成为，经由弹性部件22随着从动部件21的移动而至少在一个方向上弹性移动。更具体而言，如上所述，本实施方式的直动部件23具备隔着从动部件21相向配置的第一抵接部231及第二抵接部232和直动杆233。另外，第一抵接部231和第二抵接部232由支柱234连结(参照图3)。支柱234贯通从动部件21，能够进行在两者间的相对移动。进一步地，支柱234以分别通过弹性部件22的第一弹簧221及第二弹簧222的内侧的状态配置。本例中，直动杆233的下端和支柱234的上端连结，其为一体的部件。
导向轴24在本实施方式中设为两个，分别配置为将框架5的上部基座52和下部基座53(后述)连结。(参照图2)。两个导向轴24未固定于从动部件21、第一抵接部231和第二抵接部233，由此，从动部件21、第一抵接部231和第二抵接部233能够沿着导向轴24的延长方向(即图2中上下方向)移动。
直动部件23的直动杆233在本实施方式中将框架5的上部基座52贯通，而固定于第一抵接部231的上表面(参照图2及图3)，该直动杆233随着第一抵接部231及第二抵接部232的移动而沿着导向轴24的延长方向(即图1中上下方向)往复运动。
(曲柄机构)
曲柄机构3构成为，将直动部件23的直线运动转换为旋转运动。本实施方式的曲柄机构3具备连结杆31、臂部件32和旋转轴33。
连结杆31的一端与直动部件23的直动杆233的上端以相互能够旋转的方式销结合。
臂部件32与连结杆31的另一端以相互能够旋转的方式销结合。另外，臂部件32设为能够以旋转轴33为中心摆动。在臂部件32的上部，安装有上部连接部4。
旋转轴33在本实施方式中安装于框架5的罩51(后述)，旋转轴33与框架5之间的相对位置被固定。
(上部连接部)
上部连接部4用于连接接受腔200(参照后述的图21)和膝关节100。上部连接部4通过曲柄机构3向正反方向旋转运动，由此实现假肢的伸展、弯曲动作。上部连接部4也被称为锥形连接器(pyramid connector)，能够使用现有方法连接到接受腔200。
(框架)
本实施方式的框架5具备罩51(参照图6～图10)、上部基座52和下部基座53。在本实施方式中，直动部件23设为能够相对于上述框架5的上下的基座52、53至少在一个方向上(具体而言，图1中上下方向上)移动。另外，在本实施方式中，如上所述，曲柄机构3的旋转轴33以能够旋转的状态被框架5的罩51支承。进一步地，上部基座52和下部基座53分别与罩51固定，不会相对移动。
(下部连接部)
下部连接部6用于连接膝关节100和足部300(参照后述的图21)。下部连接部6固定于框架5的下部基座53。下部连接部6也被称为锥形连接器(pyramid connector)，能够使用现有方法与足部300连接。
(本实施方式的动作)
接着，进一步参照图11～图22，说明本实施方式的膝关节100的动作。
(膝关节的角度调整动作…0°至60°)
在本实施方式的说明中，将图1中表示的伸展状态定义为膝关节的角度是0°。以下，说明从该状态将膝关节的角度弯曲到60°的动作。
首先，使驱动部1的电动机11旋转。于是，滚珠丝杠副13经由变速机构12旋转，串联弹性机构2的从动部件21向一方向(本例中，图1中下方向)移动。
于是，从动部件21对弹性部件22的第二弹簧222施加压缩力，经由该弹簧使直动部件23向一方向(本例中，图1中下方向)移动。直动部件23因弹簧力而下降时，曲柄机构3的连结杆31下降，其结果，臂部件32以旋转轴33为中心旋转(参照图11～图15)。由此，能够使上部连接部4旋转期望的角度。人步行时膝部的角度在0°(伸长状态)至约60°(弯曲状态)间反复。因此，60°的膝弯曲之后，使电动机11反转，对第一弹簧221施加压缩力，由此，回到0°的伸展状态。
(膝关节的角度调整动作…60°～120°)
膝部的角度从60°至120°之间的动作是指，使用者或坐、或跪坐、或膝部着地时的动作。坐着时，特别地电动机不工作，但从坐着的状态立起的情况下，能够通过电动机的动作予以辅助。
图16～图20表示使膝关节弯曲到60°以上的例子。与上述同样地，曲柄机构3的臂部件32进一步旋转，由此，能够使膝关节弯曲至约120°(理想约至140°)。
通过使驱动部1的电动机11反旋转，能够使膝关节的弯曲角度回到初始状态(角度＝0°)。
本实施方式中，通过适当控制电动机11的扭矩、旋转速度、或旋转角度，能够动态变更膝关节100的弯曲角度。假肢的使用状况例如上台阶时或从椅子立起时，通过驱动部1的驱动力主动控制膝关节的旋转角度，由此，能够辅助假肢使用者的行动(步行或交替上台阶或立起动作)。
另外，上述非专利文献1中记载的技术中，存在如下问题。
·将弹性机构的直动运动转换为膝部的旋转运动的机构非常复杂，零部件数量多。因而，变重；
·如果想要扩大膝关节的可动角度，则带轮大型化；
·为了防止构成部件(弹性要素)与膝部的干涉，需要将带轮配置在假肢的侧面。于是，为了保持平衡，产生在一个假肢中使用两个带轮机构(一个带轮机构由两个带轮、一根连结缆索和关联零部件构成)的必要性；
·带轮用缆索在耐久性方面存在问题，维护成本容易变高。
与此相对，根据上述本实施方式的膝关节，
·由于使用曲柄机构，因而，即使扩大膝关节的可动角度时，也能够抑制膝关节整体的大型化；
·由于能够使用小型轻量的一个曲柄机构来代替带轮机构，因而，能够提供小型且轻量的假肢；
·由于曲柄机构与带轮相比通常耐久性较高，因而，能够将维护成本抑制得较低。
(膝关节的穿戴状态)
接着，参照图21，说明将本实施方式的膝关节穿戴于使用者的例子。该例中，接受腔200的下端与膝关节100的上部连接部4连接，足部300与膝关节100的下部连接部6连接。图示的例子中，由膝关节100、接受腔200和足部300构成假肢。需要说明的是，为了上部连接部4与接受腔200的连接、以及下部连接部6与足部300的连接，能够使用与现有同样的配件(未图示)。
(使用了假肢的步行动作)
接着，进一步参照图22，说明使用了本实施方式的假肢的步行动作。需要说明的是，在该图中，对假肢标注标记L。
(图22(a)～(b))
假肢的足部落到地面时，本实施方式的膝关节中，从接受腔200经由曲柄机构3对直动部件23施加向下方的按压力，由此，弹性部件22的第一弹簧221弹性变形，其能量被蓄积。但是，直动部件23由于经从动部件21安装于滚珠丝杠副13，因而，通过使电动机向与滚珠丝杠副想要旋转的方向相反的方向动作，能够产生对从动部件21的移动的阻力，能够保持弹性部件22的能量。
在此，本实施方式中，通过适当设定弹性部件22的弹簧力及初始位置，能够将足部的接地时刻(图22(a)～(b))的膝关节的弯曲角度(被动变形产生的弯曲角度)设定为约20°。如此，能够实现人原本的、用于在脚后跟接地时吸收冲击的约20°的膝弯曲角度，具有能够提升使用者的使用感这样的优点。
另外，本实施方式中，施加于足部上的来自地面的反作用力经由弹性部件22传递到使用者，因而，能够缓和设置时的冲击，能够降低使用者的疲劳发展。
(图22(b)～(d))
在接着的步行动作中，蓄积于弹性部件22的能量被释放。由此，能够使直动部件23移动，而使膝关节伸展。
(图22(d)～(e))
之后，本实施方式中，使电动机11工作，而使膝关节弯曲(例如参照图12)。由此，能够在弹性部件22蓄积能量。
(图22(e)～(f))
步行进一步进行时，本实施方式中，向反方向驱动电动机11，而使膝关节伸展。在此，本实施方式中，蓄积于弹性部件22的能量辅助膝关节的伸展动作，因而，能够减少电动机11所需的动力。因此，本实施方式中，能够期待电池的小型化及电池的长续航。
另外，在将滚珠丝杠副13与直动部件23的摩擦阻力设定得低的情况下，还具有如下优点：能够使用上述弹性部件22的弹性力，通过电动机11进行电力再生。
接着，进一步参照图23～图28，详细说明本实施方式的曲柄机构3的动作。
首先，为了说明动作，图23中示意性地表示上述实施方式的膝关节的构造。该图中，将电动机11、变速机构12和弹性部件22示作一个驱动器。图24中进一步示意性地表示图23的机构。
使用了该曲柄机构3的膝关节的减速比由下式表示。
Figure BDA0003432212540000111
其中，
Nm：变速机构12的电动机11侧的带轮齿数；
Nb：变速机构12的滚珠丝杠副13侧的带轮齿数；
Lb：滚珠丝杠副13的导程；
R：臂部件32的旋转半径；
K：曲柄机构的减速系数。
这里，K以外的各变量在此处的说明中被视为常数，因而省略详细说明。曲柄机构的减速变量K如下示。
Figure BDA0003432212540000112
其中，
α：臂部件32相对于纵方向(图24中上下方向)的角度；
β：连结杆31相对于纵方向(图24中上下方向)的角度。
由于减速变量K的影响，曲柄机构的减速比如图25所示。该特性中，减速比随着膝角度的变化而变化，在膝角度α＝80°的附近减速比最大。即，本实施方式的曲柄机构中，能够随着膝角度的变化，以不同的减速比驱动膝关节。
图26中表示膝角度随着人步行的经时变化的一例。如该图所示，步行中，膝角度在约0°～80°之间变化。另外例如，上下台阶或从椅子立起时，存在膝角度一下子从约80°附近的膝角度至0°附近的大幅变化。在需要这样自深(弯曲)的膝角度起的大幅角度变化的情况下，为了使膝关节旋转，需要大扭矩。本实施方式中，在约80°前后这样深(弯曲)的膝角度，能够取高的减速比。于是，具有能够不对电动机11造成大负担地给膝关节赋予大扭矩这样的优点。
另外，在疾走的情况下，对膝关节要求以浅(弯曲)膝角度的快速的旋转速度，而不需要高扭矩。本实施方式的曲柄机构中，在浅(弯曲)膝角度的情况(例如0°～20°)下，为低的减速比，因而，具有容易提高膝关节的旋转速度这样的优点。
假设使用带轮机构(参照上述的非专利文献1)来代替曲柄机构，该情况下，在带轮机构中不存在减速系数K，因而，带轮机构中的减速比恒定而与膝角度无关。因此，担心在需要大扭矩的情况下会在电动机上产生大的负担。另外，在不使用变速机构的情况(参照上述的专利文献2)下也会产生同样的问题。与此相对，本实施方式的膝关节中，具有如下优点：通过使用曲柄机构，能够使高扭矩和高速旋转并存。
图27中表示变更了曲柄机构3的旋转中心与串联弹性机构2的偏移量的例子。图28中以实线表示偏移量变更后的减速比的特性。图28中的点划线是图25的例子的特性。由该图可知，通过变更偏移量，能够调整膝角度α与减速比的关系。因此，根据本实施方式，也具有如下优点：通过偏移量的调整，能够以所需的膝角度得到最大扭矩。
需要说明的是，本发明的内容不限于上述实施方式。本发明能够在权利要求书所记载的的范围内，对具体结构加以种种变更。
标记说明
1 驱动部
11 电动机
12 变速机构
13 滚珠丝杠副
2 串联弹性机构
21 从动部件
22 弹性部件
221 第一弹簧
222 第二弹簧
23 直动部件
231 第一抵接部
232 第二抵接部
233 直动杆
24 导向轴
3 曲柄机构
31 连结杆
32 臂部件
33 旋转轴
4 上部连接部
5 框架
51 罩
52 上部基座
53 下部基座
6 下部连接部
100 膝关节
200 接受腔
300 足部
L 假肢

Claims (6)

1.一种膝关节，其中，
具备：电动机、伴随利用该电动机旋转的滚珠丝杠副的旋转而沿直线方向往复运动的直动部件、用于变更膝角度的曲柄机构，
所述曲柄机构具备：能够旋转地与所述直动部件结合的连结杆；能够旋转地安装于该连结杆，伴随所述连结杆的移动而摆动的臂部件；成为该臂部件摆动时的旋转中心的旋转轴；将所述直动部件的直线运动变换为旋转运动，
所述曲柄机构的减速比设定为，在所述膝角度为约80°～90°时成为最大值，在所述膝角度为约0°～20°时，比所述最大値低，并且，所述膝角度越小，减速比越低。
2.根据权利要求1所述的膝关节，其中，
所述直动部件与所述连结杆的连结点以从所述旋转轴的旋转中心偏移规定偏移量而配置，
所述规定偏移量设定为在所述膝角度为约80°～90°时，所述减速比最大。
3.根据权利要求1或2所述的膝关节，其中，
还具备用于连接接受腔与膝关节的上部连接部，
所述曲柄机构安装于所述上部连接部，使所述上部连接部向正反方向旋转运动。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的膝关节，其中，
所述直动部件包括沿该直动部件的移动方向延伸的直动杆，
所述连结杆能够旋转地连结于所述直动杆的端部。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的膝关节，其中，
还具备框架，
所述曲柄机构的旋转轴由所述框架支承。
6.一种假肢，其中，具备权利要求1～5中任一项所述的膝关节。
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