JP2002286608A - 人工関節摩擦摩耗試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 現実使用時の各人工関節の動作を再現し、そ
の時に生じる摩擦、摩耗状態の試験を容易かつ高精度に
行うことのできる汎用型の人工関節摩擦摩耗試験機を提
供する。 【解決手段】 ６自由度モーション機構２８により専用
ホルダ３４に納められた第１ピース２４に任意の６自由
度モーションを付与する。この時、サーボ加圧機構３０
は専用ホルダ３６に納められた第２ピース２６を第１ピ
ース２４に対して所定接触条件下で接触するように圧力
を与える。その結果、第１ピース２４と第２ピース２６
とが現実使用状態と同じ状態で接触し、かつ任意の相対
運動を実現し、現実の関節の６自由度動作を再現し、摩
擦摩耗試験を行うことができる。また、６自由度モーシ
ョンを適宜選択することにより関節の種類に応じた関節
動作を同一の試験機により実現することが可能になり、
試験機の汎用性を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工関節摩擦摩耗
試験機、特に、現実使用時の人工関節の動作を再現し、
その摩擦、摩耗状態の試験を容易に行うことができる人
工関節摩擦摩耗試験機の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、人工関節に関する研究が進み、そ
の実用化も順次行われている。人工関節とは、生体関節
の損傷時等に、生体関節に代えて生体に埋め込む、人工
物であり、生体に埋め込んでも拒絶反応等を起こさない
材質、例えばチタン等の金属材料やポリエチレン等の樹
脂材料で実際の関節を模して形成される。

【０００３】例えば、膝関節では、脛骨と大腿骨が膝関
節によって接続されており、脛骨側がカップ形状を呈
し、大腿骨側がボール形状を呈している。そして、ボー
ル形状側がカップ形状側に填り込み、両者の係合面が相
対的に摺動することにより、脛骨が大腿骨に対して曲が
り、歩行や着席、正座等の動作を行うことができるよう
になっている。また、股関節においても、臼蓋骨側がカ
ップ形状を呈し、骨頭側（大腿骨側）がボール形状を呈
し、両者の相対的摺動により大腿骨の運動を実現してい
る。

【０００４】前述したような人工関節は、低摩耗性の材
料によって制作されているが、生体が本来持つ生体関節
と比較すると、その摩耗スピードは１０倍以上早い。そ
のため、人工関節を使用する前に、人工関節の摺動面の
摩擦や摩耗に関する十分な検討、評価を行う必要があ
る。また、人工関節を埋め込む生体の体格や骨組織、筋
組織等も個々に異なるため、使用に適した条件下での評
価が必要になる。

【０００５】従来の人工関節の摩擦摩耗試験機は、人工
関節を構成するカップ状部材（第１ピース）とボール状
部材（第２ピース）とを一定の付勢力で接触させた状態
で両者を相対移動させて、加速度的に摩擦試験や摩耗試
験を行うものであった。例えば、図６には、股関節用の
摩擦摩耗試験機１００が示されている。この摩擦摩耗試
験機１００は、上部支持アーム１０２により人工関節の
カップ側（第１ピース１０４）を支持し、股関節の臼蓋
骨と骨頭との接合角度に基づく所定角度傾けた回転台１
０６上に人工関節のボール側（第２ピース１０８）を固
定している。そして、第２ピース１０８側を回転させる
ことにより第１ピース１０４と第２ピース１０８との相
対運動を実現し、摩擦及び摩耗の試験を行っている。

【０００６】また、図７には、膝関節用の摩擦摩耗試験
機１１０の一例が示されている。摩擦摩耗試験機１１０
の場合、上部支持アーム１１２に膝人工関節のボール側
（第２ピース１１４）を支持し、下部傾斜台１１６上に
カップ側（第１ピース１１８）を支持している。上部支
持アーム１１２を上下に動作させることにより、下部傾
斜台１１６が傾斜し、膝関節の屈曲状態を再現してい
る。また、上部支持アーム１１２を所定角度回転させる
ことにより、膝関節の捻り動作等も再現可能としてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】生体関節の場合、靱帯
等の軟部組織により制限を受けるものの、おおむね６自
由度（３直交方向の変位及び３回転軸の回転）の運動を
許容することができる。従って、人工関節においても、
６自由度の運動が可能に構成されている。

【０００８】しかし、従来の人工関節の摩擦摩耗試験機
は、人工関節の代表的な動作軸に関する動きを抽出して
試験を行っている場合が多い。例えば、図６に示す股関
節用の摩擦摩耗試験機１００では、実際の股関節形状が
球に近いこともあり、本来揺動を伴う動作であるべき股
関節の動きを回転運動のみで代表して置き換えていた。
すなわち、実際の関節動作とは異なる条件で、異なる動
作に基づいて、人工関節の摩耗、摩擦評価を行っている
のが現状であり、十分な評価が行われていないという問
題がある。

【０００９】また、図７に示す膝関節用の摩擦摩耗試験
機１１０では、比較的膝関節の動作に近い状態を再現可
能であるが、可動範囲が実際の膝関節の可動範囲まで再
現できなかったり、現実に膝関節が複雑に行う複合動作
を再現できない等、完全な人工関節のシミュレーション
が行われていないという問題がある。

【００１０】さらに、従来の代表動作軸抽出型の摩擦摩
耗試験機においては、第１ピースと第２ピースとを付勢
する付勢手段（例えばシリンダ等）の軸上に配置した歪
みゲージ等の出力により人工関節に作用する力（摩擦
力）を測定していたが、現実に、人工関節に作用する力
は、６軸方向全てに作用しているため、人工関節に作用
する圧力を正確に測定できていないという問題があっ
た。

【００１１】また、各摩擦摩耗試験機は、人工関節毎の
代表動作軸を抽出した専用機になるため、人工関節の摩
擦摩耗試験の効率が低下すると共に、経済的にも不利で
あった。

【００１２】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、現実使用時の各人工関節の動作を再現し、その時
に生じる摩擦、摩耗状態の試験を容易かつ高精度に行う
ことのできる汎用型の人工関節摩擦摩耗試験機を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明は、ボール状部材と、当該ボール状
部材と係合するカップ状部材とからなる人工関節の関節
動作状態を再現して、関節部分の摩擦及び摩耗状態の試
験を行う人工関節摩擦摩耗試験機であって、人工関節を
構成するボール状部材またはカップ状部材のいずれか一
方を第１ピースとして支持し、３直交方向の変位モーシ
ョン及び３回転軸の回転モーションを含む６自由度モー
ションを第１ピースに付与可能な６自由度モーション機
構と、人工関節を構成する他方の部材を第２ピースとし
て支持し、６自由度モーション機構の動作により任意の
方向に変位する第１ピースに対して、第２ピースが所定
圧力で接触するように加圧するサーボ加圧機構と、前記
６自由度モーション機構とサーボ加圧機構とを制御し
て、前記第１ピースと第２ピースとを所定接触条件下で
接触させつつ、両者間で６自由度相対運動を行わせる制
御部と、を含むことを特徴とする。

【００１４】ここで、人工関節とは、膝関節、股関節、
肘関節等、任意の関節を生体が拒絶反応を示さない金属
や樹脂等で模したものであり、関節毎に形状は異なる
が、ボール状部材とカップ状部材との組み合わせにより
構成される。また、６自由度モーション機構とは、例え
ば独立駆動可能な伸縮アクチュエータにより構成され、
３直交方向の変位モーション、すなわち前後、左右、上
下の動きと、３回転軸の回転モーション、すなわちロー
ル、ピッチ、ヨーの動きを各伸縮アクチュエータの組み
合わせ動作により実現する３次元空間で、動作対象を任
意の方向、任意の角度に動かすことのできる機構であ
る。なお、伸縮アクチュエータの駆動源は、油圧、空
圧、モータ等任意の駆動源でよく、所定のプログラムに
従って制御部により制御される。また、サーボ加圧機構
は、任意の方向に変位する第１ピースに対して、第２ピ
ースを所定圧力で接触させる。すなわち、前記第１ピー
スと第２ピースとの接触圧力状態を常に所定の値に維持
するようにサーボ制御が行われる。また、第１ピースと
第２ピースとを所定接触条件下で接触させるとは、例え
ば、膝関節で歩行状態を再現しようとした場合、膝をの
ばした状態と膝を曲げた状態とでは、膝関節にかかる重
量が変化する。この重量変化を関節の動作に応じて変化
させながら第１ピースと第２ピースとを接触させること
を意味している。

【００１５】この構成によれば、６自由度モーション機
構により第１ピースに任意のモーションを付与できる。
その結果、第１ピースと第２ピースとの任意の相対運動
を実現し、現実の関節の６自由度動作を再現することが
できる。また、６自由度モーションを適宜選択すること
により関節の種類に応じた関節動作を同一の試験機によ
り実現することができる。

【００１６】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記サーボ加圧機構は、空圧
駆動であることを特徴とする。

【００１７】サーボ加圧機構を空圧駆動で動作させるこ
とにより、第１ピースに対する第２ピースの加圧動作
は、空気の圧縮及び圧縮からの復帰の動作範囲内におい
て、自動追従とすることができる。例えば、第１ピース
と第２ピースの相対位置関係に摩耗や６自由度モーショ
ン機構の制御誤差やサーボ加圧機構の制御タイミングの
ずれ等により変位が生じた場合、その変位分を空気によ
るクッション作用により第１ピースと第２ピースの接触
を適正状態に迅速に制御することができる。

【００１８】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記第１ピースまたは第２ピ
ースの少なくとも一方に対して、前記を６自由度モーシ
ョン機構の回転モーション範囲以上の回転を付与する付
加回転機構を含み、前記制御部は、付加回転機構を併せ
て制御することを特徴とする。

【００１９】６自由度モーション機構を例えば伸縮アク
チュエータの組み合わせ動作により実現する場合、その
動作範囲、特に回転モーションは、伸縮アクチュエータ
の伸縮量により制限を受ける。しかし、膝関節等では、
正座をするような場合を想定して、例えば１４０°の屈
曲状態の再現も必要になる。そこで、接触する第１ピー
スまたは第２ピースの一方を他方に対して、強制的に回
転させることにより、人工関節の大角度の屈曲も容易に
再現している。

【００２０】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記６自由度モーション機構
が支持する第１ピースの下面側に、当該第１ピースが受
ける圧力をモニタする６軸力センサを有することを特徴
とする。

【００２１】ここで、６軸力センサとは、例えば、６軸
の歪みゲージで構成される。この構成によれば、負荷力
作用点の６方向の力の計測ができる。つまり、６軸の力
をセンシングすることで、予め計測しておいた人工関節
形状より接触点を求め、垂直力と摩擦力に分力すること
ができ、人工関節の任意の姿勢における摺動面の状態を
正確に把握モニタすることが可能になる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。

【００２３】図１には、本実施形態の人工関節摩耗摩擦
試験機１０の概略構成が示されている。人工関節摩耗摩
擦試験機１０は、試験機構本体部１２と、当該試験機構
本体部１２に搭載された各アクチュエータやセンサの制
御及び各種設定や演算、測定等を行う制御部１４、試験
機構本体部１２の動作状態やその設定、センサによる検
出値やその値から算出された情報等の表示を行うモニタ
１６及び、人工関節の試験に関する条件設定や各アクチ
ュエータの動作設定等を行う入力部１８等で構成されて
いる。もちろん、制御部１４、モニタ１６、入力部１８
等をパーソナルコンピュータ等で一体構成にしてもよい
し、試験機構本体部１２に適宜組み込む構成としてもよ
い。

【００２４】図２（ａ）〜（ｃ）には、人工関節摩耗摩
擦試験機１０で摩擦摩耗試験を行う人工関節の一例とし
て膝の人工関節を脛骨２０側及び大腿骨２２側に装着し
た状態の使用概念図が示されている。図２（ａ）は、膝
を伸ばした状態、図２（ｂ）は、膝を僅かに曲げた状
態、図２（ｃ）は、膝を約９０°曲げた状態が示されて
いる。膝用の人工関節の場合、脛骨２０側にカップ状部
材である第１ピース２４がビス２４ａ等により固定さ
れ、大腿骨２２側にボール状部材である第２ピース２６
がビス２６ａ等により固定される。この第１ピース２４
や第２ピース２６は、生体から拒絶反応を受けず、ま
た、低摩耗性の金属や樹脂等で形成されている。例え
ば、第１ピース２４はポリエチレンで形成され、第２ピ
ース２６はチタンで形成される。そして、膝用の人工関
節は第１ピース２４及び第２ピース２６とが互いに摺動
することにより膝の屈曲動作をスムーズに実現する。

【００２５】本実施形態の人工関節摩耗摩擦試験機１０
で試験を行う場合、第１ピース２４及び第２ピース２６
のそれぞれの摺動面（接触面）を露出させた状態で、そ
れぞれの専用ホルダに納められ、人工関節摩耗摩擦試験
機１０にセットされることになる。

【００２６】図３には、試験機構本体部１２の正面図、
図４には、試験機構本体部１２の側面図の詳細が示され
ている。試験機構本体部１２は、大別して、下部の６自
由度モーション機構２８、上部のサーボ加圧機構３０、
中間部の付加回転機構３２とで構成されている。本実施
形態の場合、６自由度モーション機構２８が専用ホルダ
３４に納められた第１ピース２４を支持し、サーボ加圧
機構３０が専用ホルダ３６に納められた第２ピース２６
を支持している。

【００２７】図３、図４に示すように、６自由度モーシ
ョン機構２８は、固定ベース３８上に配置された独立駆
動可能な伸縮アクチュエータ４０（図３、図４は図の簡
略化のため伸縮アクチュエータ４０は１台のみ図示し、
他は、中心線のみで表現している）と、各伸縮アクチュ
エータ４０により支持される可動ベース４２で構成され
ている。なお、各伸縮アクチュエータ４０は、固定ベー
ス３８及び可動ベース４２に対してナックルジョイント
４０ａ等の接続手段によりフリーの状態で接続されてい
る。そして、各伸縮アクチュエータ４０の伸縮動作の組
み合わせにより、可動ベース４２を３直交方向の変位モ
ーション、すなわち、左右方向（Ｘ軸方向）、前後方向
（Ｙ軸方向）、上下方向（Ｚ軸方向）、及び３回転軸の
回転モーション、すなわち、ロール（θX）、ピッチ
（θY）、ヨー（θZ）の６自由度モーションで任意の方
向に移動させている。各伸縮アクチュエータ４０は、例
えば油圧シリンダで構成され、制御部１４からの制御に
基づき所定の駆動パターンで動作する。なお、各伸縮ア
クチュエータ４０は、図５に示すように、略Ｖ字状に配
置している。この場合、伸縮アクチュエータ４０が固定
ベース３８上で形成するピッチサークル３８ａより可動
ベース４２上で形成するピッチサークル４２ａの方を小
さくすることにより、安定的かつ正確な６自由度モーシ
ョンを実現することができる。また、実質的に６本にシ
リンダにより可動ベース４２を支持するリンク機構を構
成することになるので、リンクとしての高剛性を確保す
ることができる。その結果、後述するように、サーボ加
圧機構３０により加圧された時でも、試験機としての撓
みを良好に防止することが可能であり、摩擦力検出時や
各種制御時の誤差を確実に排除することができる。

【００２８】６自由度モーション機構２８の可動ベース
４２上には、６軸力センサ４４が配置されている。この
６軸力センサ４４は、６軸の歪みゲージで構成され、そ
の上面に、前述した専用ホルダ３４に収納された第１ピ
ース２４が積載される。その結果、人工関節の任意の姿
勢における摺動面の垂直力と接線力を正確に把握し、モ
ニタすることが可能になる。

【００２９】このように、第１ピース２４は、６自由度
モーション機構２８の動作により、３直交方向の変位モ
ーション及び３回転軸の回転モーションを含む６自由度
モーションで任意の方向に運動することができる。

【００３０】一方、６自由度モーション機構２８が配置
されるガントリーフレーム４６の上部プレート４８から
は、サーボ加圧機構３０が吊り下げられている。本実施
形態において、サーボ加圧機構３０は、空圧駆動の空圧
シリンダ５０で構成されることが好ましい。この空圧シ
リンダ５０は一端（シリンダ側）が上部プレート４８
に、ナックルジョイント５２等の変位自在な継ぎ手によ
り支持され、他端（ロッド５０ａ側）が可動フレーム５
４に接続されている。この可動フレーム５４は、図４に
示すように、ガントリーフレーム４６に固定されたリニ
アガイド５６によりＺ軸方向（図中上下方向）に移動自
在に支持されている。さらに、この可動フレーム５４に
は、第２ピース２６を納めた専用ホルダ３６を支持する
支持ブロック５８が設けられている。本実施形態の場
合、支持ブロック５８は、可動フレーム５４に固定され
たブラケット５８ａに回動自在にシャフト５８ｂが支持
される構成になっている。このシャフト５８ｂに前記専
用ホルダ３６が固定されている。従って、空圧シリンダ
５０が伸張動作を行うことにより、可動フレーム５４と
共に、専用ホルダ３６が下降する。つまり、図４に示す
ように、専用ホルダ３６に摺動面を露出させた状態で収
納されている第２ピース２６は、同様に摺動面を露出さ
せた状態で専用ホルダ３４に収納されている第１ピース
２４に付勢される。この時、空圧シリンダ５０は、６自
由度モーション機構２８と共に制御部１４により制御さ
れ、６自由度モーション機構２８の動作により任意の方
向に変位する第１ピース２４に対して、第２ピース２６
が所定圧力で接触するように加圧する。つまり、例え
ば、膝関節で歩行状態を再現しようとした場合、膝をの
ばした状態と膝を曲げた状態とでは、膝関節にかかる重
量が変化するが、その重量変化を関節の動作に応じて変
化させながら第１ピースと第２ピースとを接触させるこ
とが可能になる。

【００３１】ここで、サーボ加圧機構３０に空圧シリン
ダ５０を使用する場合、例えば、第１ピース２４や第２
ピース２６に摩耗が生じた場合や、制御部１４の制御に
誤差が生じた場合、第１ピース２４と第２ピース２６と
の間に隙間が生じる。この様な場合、第１ピース２４と
第２ピース２６との摺動動作がスムーズに行われなかっ
たり、両者が周期的に衝突し合うノッキングを起こした
りする。その結果、第１ピース２４と第２ピース２６と
が互いに大きな衝撃を受け、破損したり、変形したりし
てしまう場合がある。この時、サーボ加圧機構３０の駆
動源として油圧シリンダやモータを使用した場合、加圧
制御量に遊びがなので、ノッキング等が発生した場合、
大きな負荷荷重が接触面にかかり、大きな衝撃力となり
破損や変形の可能性が高くなる。一方、空圧シリンダ５
０を使用する場合、空気の圧縮および圧縮からの復帰動
作により第１ピース２４や第２ピース２６に摩耗が生じ
た場合や、制御部１４の制御に誤差が生じ、第１ピース
２４と第２ピース２６との間に隙間が生じるような場合
でも、空気のクッション作用により速やかにその隙間を
埋める方向に追従動作を行い、前述のような破損や変形
を未然に確実に防止することができる。

【００３２】本実施形態においては、前記可動フレーム
５４は、図３に示すように、Ｘ軸方向に変位動作を行い
専用ホルダ３６、つまり第２ピース２６にθYの回転モ
ーションを発生させる付加回転機構３２が配置されてい
る。この付加回転機構３２は、油圧シリンダ、空圧シリ
ンダ、モータ等任意の駆動源で構成され、制御部１４に
より６自由度モーション機構２８やサーボ加圧機構３０
等と共に連動動作する。本実施形態の場合、付加回転機
構３２は、空圧シリンダ６０で構成され、可動フレーム
５４には、ナックルジョイント６２等の可動支持手段に
よって支持され、ロッド６０ａには、リンクプレート６
４が回動自在に設けられている。そして、このリンクプ
レート６４が前記シャフト５８ｂに固定されている。従
って、空圧シリンダ６０が伸縮動作を行うことにより、
リンクプレート６４を回転駆動し、シャフト５８ｂをθ
Y方向に回転させる。その結果、専用フォルダ３６、つ
まり第２ピース２６を第１ピース２４に対して大きく回
転させることができる。このθY方向の回転モーション
により、６自由度モーション機構２８で変位可能な人工
関節の角度（例えば、図２（ｂ）の角度）よりさらに大
きな角度、つまり、図２（ｃ）で示すような、９０°
や、さらに大きな角度（例えば、１４０°）に人工関節
を屈曲させることができる。なお、股関節のように動作
角度があまり大きくない人工関節の試験を行う場合に
は、６自由度モーション機２８による６自由度動作のみ
で、所望の動作角度が得られるので、付加回転機構３２
は使用する必要はない。従って、付加回転機構３２は、
可動フレーム５４に対して容易に着脱できる構造にした
り、可動フレーム５４上で、非使用位置に固定できる構
造にすることが好ましい。このように、６自由度モーシ
ョン機構２８、サーボ加圧機構３０、付加回転機構３２
との組み合わせにより、第１ピース２４と第２ピース２
６との相対運動を任意のパターンに従って実現すること
が可能になり、様々な動きを行う人工関節の現実動作の
実現が可能になり、人工関節摩耗摩擦試験機１０の汎用
性を向上することができる。

【００３３】次に、上述のように構成される人工関節摩
耗摩擦試験機１０の試験方法について説明する。本実施
形態の人工関節摩耗摩擦試験機１０は、人工関節が実際
に生体に装着された状態を再現して摩擦、摩耗試験を行
うことができる。この場合、まず、第１ピース２４の摺
動面を露出させた状態で専用ホルダ３４にビス等で固定
する。同様に、第２ピース２６の摺動面を露出させた状
態で専用ホルダ３６にビス等で固定する。そして、図
３、図４に示すように、専用ホルダ３４を６自由度モー
ション機構２８にセットし、専用ホルダ３６をサーボ加
圧機構３０にセットする。また、膝関節等屈曲角度の大
きな人工関節を試験する時には、付加回転機構３２を使
用可能状態にセットする。

【００３４】ところで、実際に、人工関節を生体に装着
して使用する場合、人工関節は体液等の潤滑液に相当す
るものの中で動作することになる。従って、人工関節の
正確な摩耗、摩擦を観察するために、本実施形態では、
専用ホルダ３４，３６に生理食塩水等の潤滑液を保持で
きる構造を付加し、常時第１ピース２４と第２ピース２
６との接触面やその周囲に潤滑液が供給できる構造にな
っている。なお、潤滑液の供給手段は、適宜選択可能で
あり、専用ホルダ３４，３６の周囲にカップを配置した
り、専用ホルダ３４，３６自体に保持空間を設けたりす
ることができる。また、ノズル等を用いて供給してもよ
い。

【００３５】そして、制御部１４に対して、入力部１８
等を介して、所望の関節動作パターンを入力し、関節動
作の再現を開始する。試験を行う場合、６自由度モーシ
ョン機構２８は、制御部１４の制御により所定のプログ
ラムにより、６自由度動作を行い、第１ピース２４を第
２ピース２６に対して相対移動させる。一方、サーボ加
圧機構３０も制御部１４により、第２ピース２６を第１
ピース２４に所定圧力で押圧するように制御される。こ
の時、サーボ加圧機構３０の空圧シリンダ５０は、可動
フレーム５４や付加回転機構３２等の試験機自体の重量
が第１ピース２４に付加されないように、当該重量を相
殺するように、可動フレーム５４や付加回転機構３２等
を引き上げ制御しながら、実際に人工関節の動作に応じ
た荷重のみが発生するように制御される。例えば、膝関
節が延びた状態と、屈曲した状態では、膝関節にかかる
荷重は、大きく変化する。従って、歩行状態の荷重パタ
ーンを正確に制限するように、空圧シリンダ５０が制御
される。

【００３６】本実施形態の人工関節摩耗摩擦試験機１０
では、例えば、６自由度モーション機構２８の３回転軸
の回転モーション、すなわち、ロール（θX）、ピッチ
（θY）、ヨー（θZ）の動作により、単純に、第１ピー
ス２４が第２ピース２６に対して回転する動作を再現で
きる他、３直交方向の変位モーション、すなわち、左右
方向（Ｘ軸方向）、前後方向（Ｙ軸方向）、上下方向
（Ｚ軸方向）により、第１ピース２４が第２ピース２６
に対してスライドする動作も再現できる。このスライド
動作は、現実の生体関節が靱帯等の軟組織によって保持
され、外力に応じて、スライド可能であることを考慮し
たものである。また、前述したように、付加回転機構３
２を動作させることにより、第２ピース２６を第１ピー
ス２４に対して大きく回転させることが可能であり、人
工関節の大きな屈曲状態の再現も可能である。これらの
回転動作やスライド動作、大きな屈曲動作の再現を制御
部１４の制御により連続的に行うことにより、人工関節
の摩擦、摩耗試験及び耐久試験を容易かつ高精度で行う
ことができる。なお、回転動作やスライド動作、大きな
屈曲動作の再現時に人工関節が受ける圧力変化は、６軸
力センサ４４により検出され、制御部１４で解析されモ
ニタ１６上に表示される。この時、前述したように、空
圧シリンダ５０により、試験機自体の重量は相殺されて
いる。また、６自由度モーション機構２８が６台の伸縮
アクチュエータ４０で構成され、高い機械剛性を有して
いるので、試験機構造及び試験機器動作に基づく、負荷
変動（撓みや捻れ等）が十分に排除することができるの
で、６軸力センサ４４は人工関節に作用する力を正確に
検出することができる。

【００３７】なお、人工関節の動作試験、すなわち、第
１ピース２４と第２ピース２６との接触状態等の観察を
行う場合、図３、図４に示すように、６自由度モーショ
ン機構２８及びサーボ加圧機構３０は、上下分離配置さ
れ、第１ピース２４と第２ピース２６との接触部周辺に
は、僅かなリンク等の構成部材が存在するのみの開放空
間を形成しているので、第１ピース２４と第２ピース２
６との接触部の観察を容易に行うことができる。なお、
この場合、前述した潤滑液の供給が必要ない場合が多い
ので、第１ピース２４と第２ピース２６の周辺に供給手
段が存在する場合には、これを着脱自在な構成にするこ
とが望ましい。また、本実施形態では、カップ状部材を
第１ピースとして、６自由度モーション機構２８に支持
し、ボール状部材を第２ピースとして、サーボ加圧機構
３０に支持する構成を示したが、カップ状部材とポール
状部材を逆に支持する構成にしてもよい。また、本実施
形態では、付加回転機構３２でサーボ加圧機構３０に支
持された専用ホルダを回転させる構成を示したが、６自
由度モーション機構２８側が支持する専用ホルダを回転
させる構成としてもよいし、必要に応じて、両方を回転
させる構成としてもよい。

【００３８】本実施形態においては、人工関節の一例と
して、膝関節、股関節等を例示したが、６自由度モーシ
ョン機構２８及びサーボ加圧機構３０、付加回転機構３
２の協働により、任意の関節動作の再現が可能であり、
同一構成の試験機により任意の人工関節の試験が可能で
あり、本実施形態と同様な効果を得ることができる。ま
た、図３、図４に示した試験機構造は、一例であり、上
述した６自由度モーション機構２８、びサーボ加圧機構
３０、付加回転機構３２等と同等に動作が可能であれ
ば、その機構構造は適宜選択可能であり、本実施形態と
同様な効果を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、６自由度モーション機
構により第１ピースに任意の６自由度モーションを付与
できる。また、サーボ加圧機構により第２ピースを第１
ピースに対して所定接触条件下で接触さる。その結果、
第１ピースと第２ピースとが現実使用状態と同じ状態で
接触し、かつ任意の相対運動を実現し、現実の関節の６
自由度動作を再現し摩擦摩耗試験を行うことができる。
また、６自由度モーションを適宜選択することにより関
節の種類に応じた関節動作を同一の試験機により実現す
ることが可能になり、試験機の汎用性を向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る人工関節摩耗摩擦試
験機の概略構成を説明する説明図である。

【図２】 本発明の実施形態に係る人工関節摩耗摩擦試
験機で摩擦摩耗試験を行う人工関節の一例として示した
膝関節であり、関節を伸ばした状態、僅かに曲げた状
態、大きく屈曲させた状態を説明する説明図である。

【図３】 本発明の実施形態に係る人工関節摩耗摩擦試
験機の試験機構本体部の正面図の詳細を示す説明図であ
る。

【図４】 本発明の実施形態に係る人工関節摩耗摩擦試
験機の試験機構本体部の側面図の詳細を示す説明図であ
る。

【図５】 本発明の実施形態に係る人工関節摩耗摩擦試
験機の６自由度モーション機構の伸縮アクチュエータの
配置状態を説明する説明図である。

【図６】 従来の股関節用の摩擦摩耗試験機の概略構成
を説明する説明図である。

【図７】 従来の膝関節用の摩擦摩耗試験機の概略構成
を説明する説明図である。

【符号の説明】

１０ 人工関節摩耗摩擦試験機、１２ 試験機構本体
部、１４ 制御部、１６モニタ、１８ 入力部、２４
第１ピース（カップ状部材）、２６ 第２ピース（ボー
ル状部材）、２８ ６自由度モーション機構、３０ サ
ーボ加圧機構、３２ 付加回転機構、３４，３６ 専用
ホルダ、４０ 伸縮アクチュエータ、４４ ６軸力セン
サ、５０，６０ 空圧シリンダ、５４ 可動フレーム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日垣 秀彦 福岡県福岡市中央区笹丘１−13−24−803

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボール状部材と、当該ボール状部材と係
   合するカップ状部材とからなる人工関節の関節動作状態
   を再現して、関節部分の摩擦及び摩耗状態の試験を行う
   人工関節摩擦摩耗試験機であって、 人工関節を構成するボール状部材またはカップ状部材の
   いずれか一方を第１ピースとして支持し、３直交方向の
   変位モーション及び３回転軸の回転モーションを含む６
   自由度モーションを第１ピースに付与可能な６自由度モ
   ーション機構と、 人工関節を構成する他方の部材を第２ピースとして支持
   し、６自由度モーション機構の動作により任意の方向に
   変位する第１ピースに対して、第２ピースが所定圧力で
   接触するように加圧するサーボ加圧機構と、 前記６自由度モーション機構とサーボ加圧機構とを制御
   して、前記第１ピースと第２ピースとを所定接触条件下
   で接触させつつ、両者間で６自由度相対運動を行わせる
   制御部と、 を含むことを特徴とする人工関節摩擦摩耗試験機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の試験機において、 前記サーボ加圧機構は、空圧駆動であることを特徴とす
   る人工関節摩擦摩耗試験機。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の試験機に
   おいて、 前記第１ピースまたは第２ピースの少なくとも一方に対
   して、前記を６自由度モーション機構の回転モーション
   範囲以上の回転を付与する付加回転機構を含み、 前記制御部は、付加回転機構を併せて制御することを特
   徴とする人工関節摩擦摩耗試験機。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
   の試験機において、 前記６自由度モーション機構が支持する第１ピースの下
   面側に、当該第１ピースが受ける圧力をモニタする６軸
   力センサを有することを特徴とする人工関節摩擦摩耗試
   験機。