JP2003250824A - パラレルリンク機構およびこれを用いた人工関節装置 - Google Patents

パラレルリンク機構およびこれを用いた人工関節装置

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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61F2220/00—Fixations or connections for prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ねじり動作が可能な義肢などを、駆動源を用
いることなく実現することができるとともに、駆動源を
用いた場合には、小型化および低コスト化をいずれも達
成できる人工関節装置、およびそのような人工関節装置
を実現できるパラレルリンク機構を提供する。 【解決手段】 義足１の足首関節用の人工関節装置２
は、足部３および装着板４ａの間を連結するパラレルリ
ンク機構１０を備えている。このパラレルリンク機構１
０は、上端部が装着板４ａに固定され、下端部が足部３
にボールジョイント１２を介して連結された固定リンク
１１と、上下端部が上下のボールジョイント１４ａ，１
４ｂを介して足部３および装着板４ａにそれぞれ連結さ
れた４つの伸縮リンク１３とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、義肢やロボットの
手足などの人工肢体に適用される人工関節装置およびパ
ラレルリンク機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の人工関節装置として、例
えば特開平１１−３４５号公報に記載されたものが知ら
れている。この人工関節装置は、義足の足部と脚部との
間を連結する足首関節に適用されたものであり、義足の
足部の上端部には、これを左右方向に貫通する孔が形成
されている。また、義足の脚部の下端部は、二股に分岐
した２つのアームを有するブラケットになっており、ブ
ラケットの２つのアームにはそれぞれ、上記足部の孔に
対応する位置に孔が形成されている。この人工関節装置
では、ブラケットの孔と足部の孔とが互いに位置合わせ
された状態で、これらの孔に軸が嵌合しており、これに
より、足部と脚部は、互いに水平軸線回りに前後方向に
のみ回動自在に構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の人工関節装
置によれば、脚部と足部が互いに水平軸線回りに前後方
向にのみ回動する構造であるため、義足の着用者が、歩
行中、左右方向に曲がろうとすると、足首関節部分にお
けるねじり動作ができないことで、この曲がり動作が難
しいという問題がある。また、このようなねじり動作を
可能な人工関節装置として、ロボットの手足の関節部分
などに用いられる、３自由度以上の自由度を有するシリ
アルリンク機構と電気モータとを組み合わせたものが知
られている。しかし、この種の人工関節装置では、シリ
アルリンク機構における３自由度以上の自由度を確保す
ると同時に、ロボットの部品重量を支持するために、３
つ以上の電動モータが必要となる。そのため、電源や装
置全体が大型化し、製造コストが上昇するとともに、大
型化および電源の必要性などの点から義肢への適用が難
しいという問題がある。
【０００４】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、ねじり動作が可能な義肢などを、駆動源を
用いることなく実現することができるとともに、駆動源
を用いた場合には、小型化および低コスト化をいずれも
達成できる人工関節装置、およびそのような人工関節装
置を実現できるパラレルリンク機構を提供することを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、互いに間隔を隔てた２つの
リンク取付部（足部３、装着板４ａ）の間を連結するパ
ラレルリンク機構１０であって、一端部が２つのリンク
取付部の一方（装着板４ａ）に固定された固定リンク１
１と、固定リンク１１の他端部を、他方のリンク取付部
（足部３）に任意の方向に角度可変に連結する固定リン
ク用継手（ボールジョイント１２）と、２つのリンク取
付部の間に延びる伸縮自在の複数の伸縮リンク１３と、
複数の伸縮リンク１３の両端部を２つのリンク取付部に
任意の方向に角度可変にそれぞれ連結する複数の伸縮リ
ンク用継手（上下のボールジョイント１４ａ，１４ｂ）
と、を備えることを特徴とする。
【０００６】このパラレルリンク機構によれば、固定リ
ンクの一端部が２つのリンク取付部の一方に固定されて
いるので、この固定リンクを堅固なものとすることによ
り、２つのリンク取付部の少なくとも一方に作用する圧
縮荷重または引張荷重の大部分を、固定リンクで支える
ことが可能になる。これに加えて、複数の伸縮リンクの
両端部が、伸縮リンク用継手を介して２つのリンク取付
部に任意の方向に角度可変にそれぞれ連結されているの
で、伸縮リンクに対して、曲げ応力が作用することな
く、圧縮荷重および／または引張荷重のみが作用する。
これにより、伸縮リンクを、強度または剛性の比較的低
いものとして構成でき、パラレルリンク機構の軽量化を
達成することができる。また、固定リンクの他端部およ
び伸縮リンクの両端部がそれぞれ、固定リンク用継手お
よび伸縮リンク用継手を介して、リンク取付部に任意の
方向に角度可変に連結されているので、２つのリンク取
付部間のねじり動作が可能になるなど、両者の相対的な
動作角度において、極めて高い自由度を確保することが
できる。
【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
パラレルリンク機構１０において、複数の伸縮リンク１
３の各々に設けられ、各伸縮リンク１３が伸縮する際、
各伸縮リンク１３をその伸縮する向きの少なくとも一方
と逆向きに付勢する付勢部材（コイルばね１３ｃ）をさ
らに備えることを特徴とする。
【０００８】このパラレルリンク機構によれば、付勢部
材により、各伸縮リンクがその伸びる向きおよび／また
は縮む向きと逆向きに付勢されるので、この付勢力によ
り、伸縮リンクを介して２つのリンク取付部間で衝撃が
伝達するのを、緩和することができる。さらに、付勢手
段の付勢力は、伸縮リンクの伸縮量が大きいほど、より
増大するので、リンク取付部が必要以上に動かないよう
に、その可動範囲を適切なものに制限することができ
る。それにより、例えば、リンク取付部を曲面や立体な
どに沿って動かした場合でも、がたつきなどを生じるこ
とがなく、良好な追従性を確保することができる。
【０００９】請求項３に係る発明は、請求項１または２
に記載のパラレルリンク機構１０において、固定リンク
１１は、２つのリンク取付部の間における衝撃の伝達を
緩和するための緩衝部材（コイルばね１１ｃ）を備える
ことを特徴とする。
【００１０】このパラレルリンク機構によれば、緩衝部
材により、固定リンクを介して２つのリンク取付部間で
衝撃が伝達するのを、緩和することができる。
【００１１】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
のいずれかに記載のパラレルリンク機構１０において、
複数の伸縮リンク１３は、少なくとも３つの伸縮リンク
１３であることを特徴とする。
【００１２】このパラレルリンク機構によれば、２つの
リンク取付部が、少なくとも３つの伸縮リンクおよび固
定リンクを介して互いに連結されているので、例えばア
クチュエータなどで各伸縮リンクを伸縮駆動した場合、
２つのリンク取付部を、相対的に逆回転する向きにねじ
るように駆動することが可能になる。
【００１３】請求項５に係る発明は、請求項４に記載の
パラレルリンク機構１０において、少なくとも３つの伸
縮リンク１３は、２つのリンク取付部の少なくとも一方
（装着板４ａ）において、少なくとも一方との連結部が
一直線上に並ばないように配置され、かつ連結部を頂点
とする多角形の内側に固定リンク１１の連結部が位置す
るように配置されていることを特徴とする。
【００１４】このパラレルリンク機構によれば、少なく
とも３つの伸縮リンクは、２つのリンク取付部の少なく
とも一方において、少なくとも一方との連結部が一直線
上に並ばないように配置され、かつ連結部を頂点とする
多角形の内側に固定リンク１１の連結部が位置するよう
に配置されているので、上述したような、２つのリンク
取付部を相対的に逆回転する向きにねじり駆動可能なパ
ラレルリンク機構を、コンパクト化することができると
同時に、そのようなねじり動作などに必要な駆動力を低
減することができ、動作効率を向上させることができ
る。
【００１５】請求項６に係る発明は、請求項４または５
に記載のパラレルリンク機構１０において、駆動源（電
源２２）と、駆動源からの駆動力の供給により、少なく
とも３つの伸縮リンク１３の各々を伸縮駆動するアクチ
ュエータ（電動人工筋肉１３ｄ）と、駆動源からアクチ
ュエータに供給される駆動力を制御する制御手段（コン
トローラ２１）と、をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】このパラレルリンク機構によれば、制御手
段により、アクチュエータを介して、少なくとも３つの
伸縮リンクの各々の伸縮を制御することができるので、
上述したように、２つのリンク取付部を、相対的に逆回
転方向にねじるように駆動制御することができ、そのよ
うな動作が必要なロボットや産業機械などに適用するこ
とができる。また、前述したように、固定リンクを堅固
なものとした場合には、２つのリンク取付部の少なくと
も一方に作用する圧縮荷重および引張荷重の大部分を、
固定リンクで支えられるので、その分、伸縮リンクを駆
動するアクチュエータの駆動力を低減でき、消費エネル
ギを低減することができる。
【００１７】請求項７に係る発明は、請求項６に記載の
パラレルリンク機構１０において、アクチュエータは、
電動式アクチュエータ（電動人工筋肉１３ｄ）であり、
電動式アクチュエータは、伸縮リンク１３が外力により
伸縮させられたときに発電するように構成され、電動式
アクチュエータが発電した回生電力を蓄える蓄電装置
（キャパシタ２３）をさらに備えることを特徴とする。
【００１８】このパラレルリンク機構によれば、伸縮リ
ンクが外力により伸縮させられたときに、電動式アクチ
ュエータによる電力回生を行うことができるので、この
回生電力を電動式アクチュエータの駆動用電力として利
用することが可能になり、そのようにした場合には、電
源の小型化と、ランニングコストの低減とを両立させる
ことができ、製造コストを削減することができる。
【００１９】請求項８に係る人工関節装置２，２Ａ，２
Ｂ，２Ｃは、互いに間隔を隔てた２つの肢体部材（足部
３、装着板４ａ、手部９、母指部材１６ｂ）と、２つの
肢体部材の間を連結するパラレルリンク機構１０，１５
と、を備えることを特徴とする。
【００２０】この人工関節装置によれば、２つの肢体部
材がパラレルリンク機構により連結されるので、２つの
肢体部材間のねじり動作が可能になるなど、２つの肢体
部材間の相対的な動作角度の自由度を、従来の義足の人
工関節装置では不可能であった、生体関節と同様の程度
にまで高めることができる。また、そのような人工関節
装置を、従来のロボットなどに用いられるシリアルリン
ク機構タイプの人工関節装置と異なり、電源や電動モー
タなどを用いることなく、より簡易かつ安価なパラレル
リンク機構によって実現することができる。
【００２１】請求項９に係る発明は、請求項８に記載の
人工関節装置２において、パラレルリンク機構１０は、
一端部が２つの肢体部材の一方（装着板４ａ）に固定さ
れた固定リンク１１と、固定リンクの他端部を、他方の
肢体部材（足部３）に任意の方向に角度可変に連結する
固定リンク用継手（ボールジョイント１２）と、２つの
肢体部材の間に延びる伸縮自在の複数の伸縮リンク１３
と、複数の伸縮リンク１３の両端部を２つの肢体部材に
任意の方向に角度可変にそれぞれ連結する複数の伸縮リ
ンク用継手（上下のボールジョイント１４ａ，１４ｂ）
と、を備えることを特徴とする。
【００２２】この人工関節装置によれば、請求項１のパ
ラレルリンク機構による作用効果を同様に得ることがで
きる。すなわち、軽量化と極めて高い自由度とを達成す
ることできる。したがって、例えば、この人工関節装置
を義足の足首関節に適用した場合、義足の軽量化を図る
ことができるとともに、そのような義足により、使用者
の体重を支えながら、従来の義足の関節装置では不可能
であった、脚部と足部との間でのねじり動作などを、生
体関節と同様に行うことができ、直進歩行に限らず、曲
がる際の歩行動作もより円滑かつ自然に行うことができ
る。また、例えば、この人工関節装置を義手の手首関節
に適用した場合、義手の軽量化を図ることができるとと
も、腕部と手部との間でのねじり動作などを行うことが
でき、動作角度の自由度を高めることができる。
【００２３】請求項１０に係る発明は、請求項９に記載
の人工関節装置２において、複数の伸縮リンク１３の各
々に設けられ、各伸縮リンク１３が伸縮する際、各伸縮
リンク１３をその伸縮する向きの少なくとも一方と逆向
きに付勢する付勢部材（コイルばね１３ｃ）をさらに備
えることを特徴とする。
【００２４】この人工関節装置によれば、請求項２のパ
ラレルリンク機構による作用効果を同様に得ることがで
きる。すなわち、伸縮リンクを介して２つの肢体部材間
で衝撃が伝達するのを、緩和することができる。したが
って、例えば、この人工関節装置を義足の足首関節に適
用した場合、付勢部材により、義足を床や路面など（以
下、単に「床」という）につく際の衝撃が、伸縮リンク
を介して生体側に伝達するのを緩和することができ、義
足使用者の負担を軽減することができる。これに加え
て、例えば、伸縮リンクが縮む際に、その逆向きに付勢
する付勢手段を用いれば、歩行中、義足を床からあげる
際、床を蹴るように作用する付勢力が得られることで、
歩行中の生体側の床を蹴る力を低減できる。それによ
り、義足使用者の負担をさらに軽減することができると
ともに、歩行動作をより一層、円滑に行うことができ
る。さらに、歩行中、足首角度の路面への追従性と、適
切な足首関節の保持力とを要求されるような場合、例え
ば斜面を歩行するような場合でも、そのような追従性お
よび保持力を、付勢手段の付勢力により確保することが
できる。
【００２５】請求項１１に係る発明は、請求項９または
１０に記載の人工関節装置２において、固定リンク１１
は、２つの肢体部材の間における衝撃の伝達を緩和する
ための緩衝部材（コイルばね１１ｃ）を備えることを特
徴とする。
【００２６】この人工関節装置によれば、請求項３のパ
ラレルリンク機構による作用効果を同様に得ることがで
きる。すなわち、固定リンクを介して２つの肢体部材間
で衝撃が伝達するのを、緩和することができる。したが
って、例えば、この人工関節装置を義足に適用した場
合、義足を床につく際の衝撃が、固定リンクを介して生
体側に伝達するのを緩和することができ、義足使用者の
負担をさらに軽減することができる。
【００２７】請求項１２に係る発明は、請求項９ないし
１１のいずれかに記載の人工関節装置２において、複数
の伸縮リンクは、少なくとも３つの伸縮リンク１３であ
ることを特徴とする。
【００２８】この人工関節装置によれば、請求項４のパ
ラレルリンク機構の作用効果を同様に得ることができ
る。すなわち、例えばアクチュエータなどで各伸縮リン
クを伸縮駆動した場合、２つの肢体部材を、相対的に逆
回転方向にねじるように駆動することが可能になり、そ
のような自動制御式の人工関節装置を実現することが可
能になる。
【００２９】請求項１３に係る発明は、請求項１２に記
載の人工関節装置２において、少なくとも３つの伸縮リ
ンク１３は、２つの肢体部材の少なくとも一方（装着板
１４ａ）において、少なくとも一方のリンク取付部との
それぞれの連結部が一直線上に並ばないように配置さ
れ、かつ連結部を頂点とする多角形の内側に固定リンク
１１の連結部が位置するように配置されていることを特
徴とする。
【００３０】この人工関節装置によれば、請求項５のパ
ラレルリンク機構の作用効果を同様に得ることができ
る。すなわち、２つの肢体部材を相対的に逆回転する向
きにねじり駆動可能な自動制御式の人工関節装置を、コ
ンパクト化することができると同時に、そのようなねじ
り動作などに必要な駆動力を低減することができ、動作
効率を向上させることができる。
【００３１】請求項１４に係る発明は、請求項１２また
は１３に記載の人工関節装置２において、駆動源（電源
２２）と、駆動源からの駆動力の供給により、少なくと
も３つの伸縮リンク１３の各々を伸縮駆動するアクチュ
エータ（電動人工筋肉１３ｄ）と、駆動源からアクチュ
エータに供給される駆動力を制御する制御手段（コント
ローラ２１）と、をさらに備えることを特徴とする。
【００３２】この人工関節装置によれば、請求項６のパ
ラレルリンク機構の作用効果を同様に得ることができ
る。すなわち、２つの肢体部材を、相対的に逆回転方向
にねじるように駆動制御することができる。したがっ
て、例えば、この人工関節装置を義足の足首関節に適用
した場合、足首におけるねじり動作を行うことができ、
歩行中の曲がり動作を円滑に行うことができるととも
に、そのような自動制御式の義足を実現することができ
る。また、義足の母指球関節に適用した場合、歩行中の
曲がり動作をより一層、円滑に行うことができる。その
結果、自動制御式の義足の動きを、生体の足の動きに近
づけることができる。以上に加えて、前述したように、
固定リンクを堅固なものとすることで、体重に起因する
荷重をこれで支えることができ、その分、アクチュエー
タの駆動力を低減でき、自動制御式の義足の消費エネル
ギを低減することができる。また、義手の手首関節また
は母指球関節に適用した場合にも、自動制御式の義手を
実現することができ、そのような義手の動きを生体の手
の動きに近づけることができるとともに、消費エネルギ
を低減することができる。これに加えて、この人工関節
装置をロボットの手足に適用した場合にも、以上と同様
の作用効果を得ることができる。
【００３３】請求項１５に係る発明は、請求項１４に記
載の人工関節装置２において、アクチュエータは、電動
式アクチュエータ（電動人工筋肉１３ｄ）であり、電動
式アクチュエータは、伸縮リンク１３が外力により伸縮
させられたときに発電するように構成され、電動式アク
チュエータが発電した回生電力を蓄える蓄電装置（キャ
パシタ２３）をさらに備えることを特徴とする。
【００３４】この人工関節装置によれば、パラレルリン
ク機構において、請求項７のパラレルリンク機構の作用
効果を同様に得ることができる。したがって、この人工
関節装置を自動制御式の義肢またはロボットの手足に適
用した場合、電源の小型化と、ランニングコストの低減
とをいずれも達成することができ、コストを削減するこ
とができる。
【００３５】請求項１６に係る発明は、請求項１４また
は１５に記載の人工関節装置２において、人工関節装置
２は、義足１および義手４０の少なくとも一方に用いら
れ、義足１および義手４０の少なくとも一方を動作させ
ようとする使用者７の動作意志を検出する動作意志検出
手段（インプラントチップ２４）をさらに備え、制御手
段（コントローラ２１）は、検出された動作意志に応じ
て、アクチュエータ（電動人工筋肉１３ｄ）を制御する
ことを特徴とする。
【００３６】この人工関節装置によれば、動作意志検出
手段により、義足および／または義手を使用する使用者
の動作意志が検出され、制御手段により、この検出され
た動作意志に応じてアクチュエータが制御される。一般
に、生体の関節、特に手足の関節の動きは複雑であり、
そのような動きをアクチュエータ式のパラレルリンク機
構で模擬的に実現しようとすると、使用者の脳からの指
令などでパラレルリンク機構を直接的に制御するのは無
理であり、そのため、使用者の脳、神経および筋肉の動
きなどから動作意志を検出し、それに応じてパラレルリ
ンク機構を制御する制御装置が必要になる。したがっ
て、この人工関節装置によれば、自動制御式の義足およ
び／または義手の動きを、使用者がイメージした動きに
同調させることができ、利便性を向上させることができ
る。
【００３７】請求項１７に係る発明は、請求項８に記載
の人工関節装置２Ａ，２Ｃにおいて、パラレルリンク機
構１５は、２つの肢体部材（足部３、母指部材１６ｂ）
の間に延びる伸縮不能の可動リンク１９と、可動リンク
１９の両端部を、２つの肢体部材に任意の方向に角度可
変にそれぞれ連結する２つの可動リンク用継手（ボール
ジョイント１９ａ，１９ａ）と、を備えることを特徴と
する。
【００３８】この人工関節装置によれば、可動リンクの
両端部が、可動リンク用継手を介して２つの肢体部材に
任意の方向に角度可変にそれぞれ連結されているので、
２つの肢体部材における可動リンクとの連結部の間の距
離を、一定に保持することができると同時に、パラレル
リンク機構による余剰な自由度を拘束でき、不必要な動
きを制限できる。
【００３９】請求項１８に係る発明は、請求項８に記載
の人工関節装置２Ａ，２Ｃにおいて、人工関節装置２
Ａ，２Ｃは母指に用いられ、パラレルリンク機構１５
は、２つの肢体部材（足部３、手部９、母指部材１６
ｂ）の間に延びる伸縮自在の少なくとも３つの伸縮リン
ク１７と、少なくとも３つの伸縮リンク１７の両端部を
２つの肢体部材に任意の方向に角度可変にそれぞれ連結
する複数の伸縮リンク用継手（ボールジョイント１８）
と、を備え、駆動源（電源２２）と、駆動源からの駆動
力の供給により、少なくとも３つの伸縮リンクの各々を
伸縮駆動するアクチュエータ（電動人工筋肉１７ｄ）
と、駆動源からアクチュエータに供給される駆動力を制
御する制御手段（コントローラ２１）と、をさらに備え
ることを特徴とする。
【００４０】この人工関節装置によれば、少なくとも３
つの伸縮リンクの各々の両端部が、伸縮リンク用継手を
介して２つの肢体部材に任意の方向に角度可変にそれぞ
れ連結されているので、母指球関節における高い自由度
を達成することができる。これに加えて、制御手段によ
り、伸縮リンクを伸縮駆動するアクチュエータの動作が
制御されるので、自動制御式の母指球関節装置を実現す
ることができる。したがって、この人工関節装置を義足
の母指球関節に適用した場合には、歩行中の曲がり動作
を行う上で重要な役割を果たす母指の動きを、生体の母
指の動きに近づけることができ、それにより、自動制御
式の義足による曲がり動作などの歩行動作を、生体の足
の動作に近づけることができ、歩行動作を円滑に行うこ
とができる。また、人工関節装置を義手の母指球関節に
適用した場合には、自動制御式の義手の動きの自由度
を、生体の手に近づけることができる。さらに、人工関
節装置をロボットの手足の関節に適用した場合にも、以
上と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】請求項１９に係る発明は、請求項１８に記
載の人工関節装置２Ａ，２Ｃにおいて、パラレルリンク
機構１５は、２つの肢体部材（足部３、母指部材１６
ｂ）の間に延びる伸縮不能の可動リンク１９と、可動リ
ンク１９の両端部を、２つの肢体部材に任意の方向に角
度可変にそれぞれ連結する２つの可動リンク用継手（ボ
ールジョイント１９ａ，１９ａ）と、をさらに備えるこ
とを特徴とする。
【００４２】この人工関節装置によれば、請求項１７に
係る発明と同様の作用効果を得ることができる。これに
加えて、母指の長さを変化させることなく、母指関節の
曲げ動作を行うことができ、自動制御式の義肢の母指の
動きを、生体の手により一層、近づけることができる。
【００４３】請求項２０に係る発明は、請求項１８に記
載の人工関節装置２Ａ，２Ｃにおいて、制御手段（コン
トローラ２１）は、２つの肢体部材（足部３、母指部材
１６ｂ）の間隔を一定に保持するように、アクチュエー
タ（電動人工筋肉１７ｄ）に供給される駆動力を制御す
ることを特徴とする。
【００４４】この人工関節装置によれば、部品点数を増
やすことなく、請求項１９に係る発明と同様に、自動制
御式の義肢の母指の動きを、生体の手により一層、近づ
けることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の第１実施形態に係る人工関節装置について説明す
る。この第１実施形態は、本発明のパラレルリンク機構
を含む人工関節装置を義足の足首関節に適用した例であ
り、図１は、人工関節装置２およびこの人工関節装置２
を適用した義足１の概略構成を示している。なお、以下
の説明においては、義足を使用する使用者自身を基準と
した場合の左右側および前後側を、そのまま左右側およ
び前後側という（すなわち、図１における左右側を前後
側、同図面の手前側・奥側を左右側という）。
【００４６】同図に示すように、この義足１は、生体の
膝下脚部に装着するタイプのもので、右足用のものであ
り、足部３および脚装着部４と、これらをパラレルリン
ク機構１０で連結した人工関節装置２と、カバー５など
を備えている。この義足１では、カバー５により人工関
節装置２などが全体的に覆われており、生体の脚部とほ
ぼ同様の外観を有している。
【００４７】足部３（リンク取付部、肢体部材）は、生
体の足と同様の形状で、平らな上端面を有している。ま
た、脚装着部４は、平らな装着板４ａおよび同化材４ｂ
を備えている。この装着板４ａ（リンク取付部、肢体部
材）は、義足１を図示しない生体の膝下脚部に取り付け
る際、生体の膝下脚部との間に同化材４ｂが介在した状
態で、図示しない装着具を介して生体の膝下脚部に連結
される。この同化材４ｂは、例えば多孔質シリコンで構
成されており、上記連結の際、膝下脚部になじむように
変形し、膝下脚部と装着板４ａを、両者が直接当たらな
い状態で一体化させる。これにより、義足１の使用中、
義足１との連結部分における使用者の違和感および不快
感を軽減でき、装着感を高めることができる。
【００４８】また、パラレルリンク機構１０は、１本の
固定リンク１１および４本の伸縮リンク１３などを備え
ている。固定リンク１１は、その上端部が装着板４ａに
固定されており、下端部が、ボールジョイント１２（固
定リンク用継手）を介して足部３に連結されている。こ
れにより、固定リンク１１は、足部３に対して任意の方
向に回動自在に設けられている。すなわち、固定リンク
１１は、少なくとも３自由度を有している。
【００４９】さらに、４つの伸縮リンク１３の各々は、
その上端部が上ボールジョイント１４ａ（伸縮リンク用
継手）を介して装着板４ａに連結されており、下端部も
下ボールジョイント１４ｂ（伸縮リンク用継手）を介し
て足部３に連結されている。４つの伸縮リンク１３は、
隣り合う各２つの伸縮リンク１３，１３の互いの間隔が
上下の一方に向かって漸減するように設けられている。
具体的には、前側の左右の伸縮リンク１３，１３は、互
いの間隔が上側に向かって漸減するように設けられ、両
者の上端の上ボールジョイント１４ａ，１４ａは、装着
板４ａの下面における互いに近接した位置に配置されて
いる。また、前後に並ぶ２つの伸縮リンク１３，１３
は、互いの間隔が下側に向かって漸減するように設けら
れ、両者の下端の下ボールジョイント１４ｂ，１４ｂ
も、足部３の平らな上端面における互いに近接した位置
に配置されている。
【００５０】また、図２に示すように、４つの伸縮リン
ク１３の上端部と装着板４ａとを連結する４つの上ボー
ルジョイント１４ａは、装着板４ａの下面において、一
直線上に並ばないように配置され、かつ各上ボールジョ
イント１４ａを頂点とする４角形の内側に、固定リンク
１１の装着板４ａとの連結部が位置するように配置され
ている。
【００５１】さらに、各伸縮リンク１３は、互いに嵌合
する上下のシリンダ１３ａ，１３ｂと、これらのシリン
ダ１３ａ，１３ｂ内に収容されたコイルばね１３ｃとを
備えている。下シリンダ１３ｂは、上シリンダ１３ａよ
りも小径で、上シリンダ１３ａの内孔に嵌合している。
これにより、両シリンダ１３ａ，１３ｂは互いに相対的
に軸線方向にスライド自在になっているとともに、その
スライドにより、伸縮リンク１３が軸線方向に伸縮す
る。
【００５２】また、上シリンダ１３ａの上端は図示しな
い蓋部により閉塞されており、この蓋部には、コイルば
ね１３ｃの上端部が取り付けられている。さらに、下シ
リンダ１３ｂの下端も図示しない底部により閉塞されて
おり、この底部には、コイルばね１３ｃの下端部が取り
付けられている。以上の構成により、コイルばね１３ｃ
（付勢部材）は、伸縮リンク１３が所定の基準長さより
も伸びたときには、それに伴って引っ張られることによ
り、伸縮リンク１３をその縮む向きに付勢する。一方、
伸縮リンク１３が所定の基準長さよりも縮んだときに
は、それに伴って圧縮されることにより、伸縮リンク１
３をその伸びる向きに付勢する。
【００５３】以上のように構成された義足１の動作につ
いて、図３〜図７を参照しながら説明する。なお、これ
らの図３〜図７に示す義足１では、靴６が足部３に装着
されているとともに、理解の容易化のために、カバー５
および同化材４ｂが省略されている。さらに、図４〜図
７の義足１では、義足１を装着した生体の膝下脚部が省
略されている。
【００５４】まず、義足１が生体の膝下脚部に装着され
ていない状態では、義足１は、図３（ａ），（ｂ）およ
び図４に示すように、各伸縮リンク１３のコイルばね１
３ｃの付勢力により、ほぼ直立した状態に保持される。
図４に示すように、前側の伸縮リンク１３が下ボールジ
ョイント１４ｂを中心として自由に回動すると仮定した
場合、その上端の上ボールジョイント１４ａの中心は、
破線で示す円弧を描きながら移動することになるけれど
も、実際には、実線で示す円弧、すなわち固定リンク１
１の下端のボールジョイント１２を中心とする円弧上を
移動することになる。したがって、前側の伸縮リンク１
３は、義足１が図４に示す位置から前方に傾いたときに
は圧縮され、後方に傾いたときには伸張される。その
際、伸縮リンク１３の上下端部が、上下のボールジョイ
ント１４ａ，１４ｂを介して、装着板４ａおよび足部３
にそれぞれ連結されているので、前側の伸縮リンク１３
に対して、曲げ応力が作用することなく、圧縮荷重およ
び／または引張荷重のみが作用する。
【００５５】また、後ろ側の伸縮リンク１３も、前側の
伸縮リンク１３と同様に、これが下ボールジョイント１
４ｂを中心として自由に回動すると仮定した場合、その
上端の上ボールジョイント１４ａの中心は、破線で示す
円弧を描きながら移動することになるけれども、実際に
は、実線で示す円弧、すなわち固定リンク１１の下端の
ボールジョイント１２を中心とする円弧上を移動するこ
とになる。したがって、後ろ側の伸縮リンク１３も、義
足１が図４に示す位置から前方に傾いたときには圧縮さ
れ、後方に傾いたときには伸張される。その際、上述し
た理由により、後ろ側の伸縮リンク１３に対して、曲げ
応力が作用することなく、圧縮荷重および／または引張
荷重のみが作用する。
【００５６】したがって、図５（ａ）に示すように、義
足１を生体の膝下脚部に装着した使用者が、歩行中、膝
下脚部を前方に傾けたときには、上述したように、４つ
の伸縮リンク１３がいずれも圧縮される。その際、４つ
の伸縮リンク１３の下ボールジョイント１４ｂはいずれ
も、固定リンク１１のボールジョイント１２よりも前側
に配置されているので、４つのコイルばね１３ｃの付勢
力は、固定リンク１１のボールジョイント１２を回動中
心として、足部３を床側に回動させるように作用し、そ
の反力が生体の膝下脚部を斜め前上がりの向きに押すよ
うに作用する。その結果、義足１で床を蹴る動作が促進
されることで、歩行動作をより軽快かつ円滑に行うこと
ができる。
【００５７】一方、図５（ｂ）に示すように、歩行中、
膝下脚部を後方に傾けたときには、前述したように、４
つの伸縮リンク１３がいずれも伸張される。その際、上
述した４つの伸縮リンク１３の下ボールジョイント１４
ｂの配置により、４つのコイルばね１３ｃの付勢力は、
固定リンク１１のボールジョイント１２を回動中心とし
て、固定リンク１１を前方に回動させるように作用す
る。その結果、膝を前方に運ぶ動作が促進されること
で、歩行動作をより軽快かつ円滑に行うことができる。
【００５８】また、膝下脚部を左方に傾けたときには、
図６（ａ）に示すように、左側の２つの伸縮リンク１３
がいずれも圧縮されると同時に、右側の２つの伸縮リン
ク１３がいずれも伸張される。これは、前述したよう
に、各伸縮リンク１３の上ボールジョイント１４ａの中
心が、固定リンク１１の下端のボールジョイント１２を
中心とする円弧上を移動することによる。その際、４つ
の伸縮リンク１３のコイルばね１３ｃの付勢力は、固定
リンク１１のボールジョイント１２を回動中心として、
固定リンク１１を右方に回動させるように作用する。す
なわち、固定リンク１１を図３に示す状態に復帰させる
ように作用する。
【００５９】上記とは逆に、膝下脚部を右方に傾けたと
きには、図６（ｂ）に示すように、右側の２つの伸縮リ
ンク１３がいずれも圧縮されると同時に、左側の２つの
伸縮リンク１３がいずれも伸張される。その際、４つの
伸縮リンク１３のコイルばね１３ｃの付勢力は、固定リ
ンク１１のボールジョイント１２を回動中心として、固
定リンク１１を左方に回動させるように作用する。すな
わち、固定リンク１１を図３に示す状態に復帰させるよ
うに作用する。
【００６０】さらに、図７（ａ），（ｂ）に示すよう
に、左側に曲がるために、膝下脚部を左方に傾けながら
足部３に対してねじったときには、４つの伸縮リンク１
３のコイルばね１３ｃの付勢力は、固定リンク１１を右
方にねじりながら図３に示す状態に復帰させるように作
用する。
【００６１】以上のパラレルリンク機構１０によれば、
固定リンク１１の上端部が装着板４ａに固定されている
ので、この固定リンク１１を堅固なものとすることによ
り、装着板４ａに作用する使用者の体重または足部３が
床から受ける反力の大部分を、固定リンク１１で支える
ことが可能になる。これに加えて、４つの伸縮リンク１
３の上下端部が、ボールジョイント１４ａ，１４ｂを介
して足部３および装着板４ａに任意の方向に角度可変に
それぞれ連結されているので、伸縮リンク１３に対し
て、曲げ応力が作用することなく、圧縮荷重および／ま
たは引張荷重のみが作用する。これにより、伸縮リンク
１３を、強度または剛性の比較的低いものとして構成で
き、パラレルリンク機構１０の軽量化を達成することが
できる。また、固定リンク１１の下端部も、ボールジョ
イント１２を介して、足部３に任意の方向に角度可変に
連結されているので、足首関節でのねじり動作が可能に
なるなど、生体の膝下脚部と足部３ｂとの相対的な動作
角度において、極めて高い自由度を確保することができ
る。
【００６２】また、このパラレルリンク機構１０によれ
ば、コイルばね１３ｃにより、各伸縮リンク１３がその
伸び方向または縮み方向と逆方向に付勢されるので、こ
の付勢力により、伸縮リンク１３を介して生体側に衝撃
が伝達するのを、緩和することができる。さらに、前述
したように、コイルばね１３の付勢力により、歩行中、
膝下脚部を前方に傾けたときには、足部３で床を蹴る動
作が促進され、膝下脚部を後方に傾けたときには、膝を
前方に運ぶ動作が促進されるので、歩行動作をより軽快
かつ円滑に行うことができる。さらに、歩行中、足首角
度の路面への追従性と、適切な足首関節の保持力とを要
求されるような場合、例えば斜面を歩行するような場合
でも、そのような追従性および保持力を、コイルばね１
３の付勢力により確保することができる。
【００６３】したがって、以上のようなパラレルリンク
機構１０を用いた人工関節装置２によれば、足首関節に
おける動作角度の自由度を、従来の義足の人工関節装置
では不可能であった、生体関節と同様の程度まで高める
ことができ、曲がり動作などを円滑に行うことができ
る。これに加えて、そのような人工関節装置２を、従来
のロボットなどに用いられるシリアルリンク機構タイプ
の人工関節装置と異なり、電源や電動モータなどを用い
ることなく、より簡易、安価かつ軽量で小型のパラレル
リンク機構１０によって実現することができる。
【００６４】なお、この第１実施形態は、パラレルリン
ク機構１０の固定リンク１１の下端部および伸縮リンク
１３の上下端部をいずれも、ボールジョイント１２，１
４ａ，１４ｂを介して連結した例であるが、リンク１
１，１３を連結するための継手はこれに限らず、リンク
１１，１３を足部３および装着板４ａに任意の方向に角
度可変に連結するもの、すなわち少なくとも３自由度を
有するものであればよい。例えばユニバーサルジョイン
トなどの球面運動可能な継手を用いてもよい。また、第
１実施形態は、伸縮リンク１３が伸縮する際、これを伸
縮する向きと逆向きに付勢する付勢手段として、コイル
ばね１３ｃを用いた例であるが、付勢手段はこれに限ら
ず、伸縮リンク１３を伸縮する向きの少なくとも一方と
逆向きに付勢するものであればよい。例えば、付勢手段
として、空気ばねなどの流体ばねを用いてもよい。ま
た、伸縮リンク１３の数は、第１実施形態の４つに限ら
ず、複数であればよい。
【００６５】次に、図８を参照しながら、本発明の第２
実施形態に係る人工関節装置２について説明する。な
お、以下の説明では、前述した第１実施形態と同様の構
成要素については、同一の参照番号を付し、その説明は
適宜、省略するものとする。同図に示すように、本実施
形態の人工関節装置２は、第１実施形態の人工関節装置
２と比較して、固定リンク１１のみが異なっている。
【００６６】すなわち、この固定リンク１１は、伸縮可
能なものであり、シリンダ１１ａ、ロッド１１ｂおよび
コイルばね１１ｃ（緩衝部材）などを備えている。この
シリンダ１１ａはその上端部が装着板４ａに固定され、
その下端が開放されている。また、ロッド１１ｂは、シ
リンダ１１ａの内孔に嵌合し、これに対して移動自在で
あるとともに、下端部がボールジョイント１２を介して
足部３に連結されている。
【００６７】また、ロッド１１ｂのボールジョイント１
２との連結部よりも上側の部位には、フランジ１１ｄが
形成されており、コイルばね１１ｃは、ロッド１１ｂに
巻かれた状態で、このフランジ１１ｄとシリンダ１１ａ
との間に配置され、両者の間隔を広げる向きに、ロッド
１１ｂおよびシリンダ１１ａを付勢している。
【００６８】以上の構成により、この人工関節装置２に
よれば、歩行中、義足１を床につくときに、コイルばね
１１ｃの付勢力により、床からの反力を原因とする衝撃
が固定リンク１１を介して生体側に伝達するのを、緩和
することができる。また、そのような人工関節装置２を
備えた義足１の使用者の負担を、軽減することができ、
使用感をさらに向上させることができる。
【００６９】なお、この第２実施形態は、衝撃が固定リ
ンク１１を介して生体側に伝達するのを緩和する緩衝部
材として、コイルばね１１ｃを用いた例であるが、緩衝
部材はこれに限らず、緩衝性を備えたものであればよ
い。例えば、空気ばねなどの流体ばねや合成ゴムなどを
用いてもよい。
【００７０】次に、図９〜１１を参照しながら、本発明
の第３実施形態に係る人工関節装置について説明する。
本実施形態の人工関節装置は、電気制御式の義足の足首
関節用および母指球関節用の人工関節装置に適用された
例である。まず、足首関節用の人工関節装置２について
説明すると、この人工関節装置２は、第１実施形態の人
工関節装置２と比べて、伸縮リンク１３が電動式のもの
である点と、これを駆動制御するための制御装置２０を
備えている点とが異なっている。
【００７１】すなわち、図１０，１１に示すように、伸
縮リンク１３は、２つのシリンダ１３ａ，１３ｂ内に収
容された電動人工筋肉１３ｄを備えている。この電動人
工筋肉１３ｄ（アクチュエータ）は、例えばポリアクリ
ルニトリルを用いた高分子アクチュエータで構成されて
おり、入力信号に応じて伸縮し、それにより、伸縮リン
ク１３が伸縮する。また、電動人工筋肉１３ｄは、加圧
されると発電する、電力回生可能なタイプのものであ
る。
【００７２】また、制御装置２０は、コントローラ２１
（制御手段）、電源２２（駆動源）およびキャパシタ２
３（蓄電装置）などを備えている。上記電動人工筋肉１
３ｄは、コントローラ２１を介して、電源２２およびキ
ャパシタ２３に接続されている。この電源２２は、例え
ば燃料電池で構成されている。また、コントローラ２１
には、インプラントチップ２４（動作意志検出手段）お
よび関節位置センサ２５などが接続されている。
【００７３】このインプラントチップ２４は、義足１の
使用者７の脳８に埋め込まれており、脳８の指令、すな
わち義足１を動作させようとする使用者７の動作意志を
示す指令を検出し、その検出信号をコントローラ２１に
出力する。さらに、関節位置センサ２５は、各電動人工
筋肉１３ｄの角度位置を検出し、その検出信号をコント
ローラ２１に出力する。
【００７４】コントローラ２１は、マイクロコンピュー
タで構成され、インプラントチップ２４および関節位置
センサ２５からの検出信号に応じて、電源２２またはキ
ャパシタ２３からの電動人工筋肉１３ｄへの電力供給を
制御する（図１１（ａ）参照）。これに加えて、加圧に
より、電動人工筋肉１３ｄが電力を発生しているときに
は、その回生電力をキャパシタ２３に充電するととも
に、その回生電力量を制御する（図１１（ｂ）参照）。
【００７５】次に、母指球関節用の人工関節装置２Ａに
ついて説明する。この人工関節装置２Ａは、足部３、母
指部１６およびパラレルリンク機構１５などで構成され
ており、このパラレルリンク機構１５は、３つの伸縮リ
ンク１７および可動リンク１９を備えている。
【００７６】母指部１６は、２つの母指部材１６ａ，１
６ｂ（肢体部材）と、これらを互いに回転可能に連結す
る回転ジョイント１６ｃとで構成されている。
【００７７】また、伸縮リンク１７は、前述した電動式
の伸縮リンク１３と比較すると、サイズが小さい点を除
けば、電動式の伸縮リンク１３と同様に構成されてい
る。すなわち、図１０に示すように、伸縮リンク１７
は、コントローラ２１に接続された電動人工筋肉１７ｄ
（アクチュエータ）を内蔵しており、コントローラ２１
により、伸縮動作が制御される。また、この伸縮リンク
１７の両端部は、ボールジョイント１８，１８（伸縮リ
ンク用継手）を介して、足部３および母指部１６の母指
部材１６ｂに連結されている。
【００７８】また、可動リンク１９は、伸縮不能のもの
であり、その両端部は、ボールジョイント１９ａ，１９
ａ（可動リンク用継手）を介して、足部３および母指部
１６の母指部材１６ｂに連結されている。これにより、
伸縮リンク１７が伸縮した場合でも、足部３および母指
部材１６ｂにおける可動リンク１９との連結部の間の間
隔がほぼ一定に保持される。
【００７９】以上のように構成された本実施形態の足首
関節用の人工関節装置２によれば、コントローラ２１に
より、インプラント２４および関節位置センサ２５から
の検出信号に応じて、各伸縮リンク１３に内蔵された電
動人工筋肉１３ｄを制御することができるので、使用者
７の脳からの指令などで直接的に制御するのが困難な電
動式のパラレルリンク機構１０の動きを、使用者７がイ
メージした動きに同調させることができる。その際、前
述したように、パラレルリンク機構１０によって、義足
１の人工関節装置２の動作角度を、高い自由度で変化さ
せることができる。特に、伸縮リンク１３の上ボールジ
ョイント１４ａは、装着板４ａとの連結部において、一
直線上に並ばないように配置され、かつ各上ボールジョ
イント１４ａを頂点とする４角形の内側に、固定リンク
１１の装着板４ａとの連結部が位置するように配置され
ている互いを直線的に結んだ範囲内に固定リンク１１の
固定部が位置するように配置されているので、図７に示
すように、人工関節装置２をねじり駆動することができ
るとともに、そのような伸縮リンク１３すなわち人工関
節装置２をコンパクト化することができる。
【００８０】さらに、母指球関節用の人工関節装置２Ａ
でも、上記足首関節用の人工関節装置２と同様に、コン
トローラ２１により、インプラント２４および関節位置
センサ２５からの検出信号に応じて、各伸縮リンク１７
に内蔵された電動人工筋肉１７ｄを制御することができ
るので、使用者７の脳からの指令などで直接的に制御す
るのが困難な電動式のパラレルリンク機構１５の動き
を、使用者７がイメージした動きに同調させることがで
きる。その際、パラレルリンク機構１５によって、義足
１の母指球関節の動作角度における高い自由度を達成す
ることができるので、歩行中の曲がり動作を行う上で重
要な役割を果たす母指部１６の動きを、生体の足の母指
の動きに近づけることができる。これと同時に、母指部
１６の母指部材１６ｂが、伸縮不能の可動リンク１９を
介して足部３に連結されているので、パラレルリンク機
構１５を制御する際、母指球関節の曲げ動作を、母指の
長さがほとんど変化しない状態で行うことができ、生体
の足の母指球関節の動きにより一層、近づけることがで
きる。以上により、自動制御式の義足１による曲がり動
作などの歩行動作を、生体の足の動作に近づけることが
でき、歩行動作を円滑に行うことができる。
【００８１】また、固定リンク１１により、義足１に作
用する荷重の大部分を支えることができるので、その
分、伸縮リンク１３を駆動する際の電動人工筋肉１３ｄ
の駆動力を低減できるとともに、伸縮リンク１３の軽量
化を図ることができる。これに加えて、伸縮リンク１３
が圧縮される際、電動人工筋肉１３ｄにより、電力回生
を行うことができる。以上により、消費電力の低減化と
電源の小型化とをいずれも達成することができ、その
分、ランニングコストを削減することができるととも
に、装置自体の小型化も達成することができる。
【００８２】なお、以上の第３実施形態は、インプラン
トチップ２４を使用者の動作意志を示す信号を検出する
検出手段として用いた例であるが、検出手段はこれに限
らず、使用者の動作意志を検出可能なものであればよ
い。例えば、神経系の電位の変化を検出するセンサ、筋
肉の動きを検出するセンサ、および使用者の音声を検出
するセンサなどを用いてもよい。
【００８３】また、第３実施形態は、母指球関節の曲げ
動作中、母指の長さがほとんど変化しないようにするた
めの構成として、可動リンク１９を用いた例であるが、
可動リンク１９を省略するとともに、コントローラ２１
により、母指球関節の曲げ動作中、母指の長さをほとん
ど変化させないように、伸縮リンク１７の伸縮を制御し
てもよい。このようにすれば、部品点数を増やすことな
く、母指球関節の曲げ動作を、生体の足の母指球関節の
動きにより一層、近づけることができる。
【００８４】また、第３実施形態は、電動人工筋肉１３
ｄが発電した回生電力を蓄えるための蓄電装置として、
キャパシタ２３を用いた例であるが、蓄電装置はこれに
限らず、バッテリなどの回生電力を蓄えることができる
ものであればよい。
【００８５】さらに、第３実施形態では、伸縮リンク１
３を伸縮駆動するためのアクチュエータとして電動人工
筋肉１３ｄを用いたが、アクチュエータはこれに限ら
ず、伸縮リンク１３を伸縮駆動できるものであればよ
い。例えば、図１２に示すように、伸縮リンク１３を伸
縮駆動するアクチュエータとして、ＤＣリニアモータ３
０を用いてもよい。
【００８６】同図（ｃ）に示すように、ＤＣリニアモー
タ３０は、ステータ３１と、このステータ３１に対して
移動自在のムーバ３２などで構成されており、このステ
ータ３２は、位置検出センサなどを備えているととも
に、コントローラ２１に接続されている。また、同図
（ａ），（ｂ）に示すように、伸縮リンク１３は、アー
ムとしてのステータ３１と、上記ムーバ３２が内蔵さ
れ、ステータ３１に対してスライド自在のスライダ３３
と、ステータ３１およびスライダ３３の先端部に取り付
けられたボールジョイント１４ａ，１４ｂなどで構成さ
れている。
【００８７】コントローラ２１は、スライダ３３内のム
ーバ３２の位置検出センサの検出信号に応じて、スライ
ダ３３を、固定子３１に対してリニアに移動するように
制御し、それにより、伸縮リンク１３の伸縮が制御され
る。以上のＤＣリニアモータ３０で伸縮駆動される伸縮
リンク１３を、パラレルリンク機構１０に用いた場合で
も、第３実施形態のパラレルリンク機構１０と同様の効
果を得ることができる。
【００８８】また、アクチュエータによる電力回生を必
要としない場合には、アクチュエータとして、磁気形状
記憶合金や空気圧式の人工筋肉などを用いてもよい。
【００８９】さらに、第３実施形態のパラレルリンク機
構１０において、図１３に示すように、固定リンク１１
を、前述した第２実施形態の固定リンク１１と同様に構
成してもよい。すなわち、同図に示すように、この固定
リンク１１は、伸縮可能で、シリンダ１１ａ、ロッド１
１ｂおよびコイルばね１１ｃなどを備えている。このパ
ラレルリンク機構１０によれば、前述した第２実施形態
のパラレルリンク機構１０と同様の効果を得ることがで
きる。
【００９０】次に、図１４を参照しながら、本発明の第
４実施形態に係る人工関節装置について説明する。同図
に示すように、本実施形態の人工関節装置は、自動制御
式の義手の手首関節用および母指球関節用の人工関節装
置に適用された例である。この義手４０の手首関節用の
人工関節装置２Ｂは、手部９（肢体部材）および装着板
４ａをパラレルリンク機構１０で連結したものである。
このパラレルリンク機構１０は、第３実施形態のパラレ
ルリンク機構１０と同様の電動式のものであり、その動
作が前記制御装置２０と同様の制御装置により制御され
る。すなわち、この人工関節装置２Ｂは、第３実施形態
の足首関節用の人工関節装置２と比べると、その足部３
を手部９に置き換えた点以外は、第３実施形態の人工関
節装置２と同様に構成されている。
【００９１】したがって、この手首関節用の人工関節装
置２Ｂにおいても、第３実施形態の人工関節装置２と同
様の効果を得ることができる。すなわち、使用者の脳か
らの指令などで直接的に制御するのが困難な電動式のパ
ラレルリンク機構１０の動きを、使用者がイメージした
動きに同調させることができる。その際、前述したよう
に、パラレルリンク機構１０によって、義手４０の人工
関節装置２Ｂの動作角度を、高い自由度で変化させるこ
とができる。
【００９２】また、母指球関節用の人工関節装置２Ｃ
は、パラレルリンク機構１５で手部９と母指部１６を連
結したものであり、第３実施形態の母指球関節用の人工
関節装置２Ａと比べると、その足部３を手部９に置き換
えた点と、母指部１６の構造が若干異なる点以外は、第
３実施形態の人工関節装置２Ａと同様に構成されてい
る。したがって、この母指球関節用の人工関節装置２Ｃ
においても、第３実施形態の母指球関節用の人工関節装
置２Ａと同様の効果を得ることができる。すなわち、使
用者の脳からの指令などで直接的に制御するのが困難な
電動式のパラレルリンク機構１５の動きを、使用者がイ
メージした動きに同調させることができる。その際、パ
ラレルリンク機構１５によって、母指球関節の動作角度
における高い自由度を達成することができ、物を掴む動
作を行う上で重要な役割を果たす母指部１６の動きを、
生体の手の母指の動きに近づけることができる。
【００９３】なお、以上の第３および第４実施形態は、
本発明の人工関節装置を義足および義手に適用した例で
あるが、本発明の人工関節装置はこれに限らず、ロボッ
トやマニピュレータなどの人工肢体に適用可能であるこ
とはいうまでもない。
【００９４】
【発明の効果】以上のように、本発明の人工関節装置に
よれば、ねじり動作が可能な義肢などを、駆動源を用い
ることなく実現することができるとともに、駆動源を用
いた場合には、小型化および低コスト化をいずれも達成
できる。また、本発明のパラレルリンク機構によれば、
そのような人工関節装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るパラレルリンク機
構を含む人工関節装置と、これを適用した右足用の義足
の概略構成を示す模式図である。
【図２】装着板における４つの上ボールジョイントと固
定リンクの連結部との位置関係を示す平面図である。
【図３】未装着状態の右足用の義足を示す（ａ）正面図
と（ｂ）背面図である。
【図４】未装着状態の右足用の義足を示す側面図であ
る。
【図５】（ａ）歩行中、右足用の義足の足首関節が前方
に曲げられた状態を示す側面図と（ｂ）後方に曲げられ
た状態を示す側面図である。
【図６】（ａ）歩行中、右足用の義足の足首関節が左方
に曲げられた状態を示す正面図と（ｂ）右方に曲げられ
た状態を示す正面図である。
【図７】（ａ）（ｂ）歩行中、左側への曲がり動作を行
う際、右足用の義足の足首関節が左側にねじられた状態
を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る人工関節装置と、
これを適用した義足の概略構成を示す模式図である。
【図９】（ａ）本発明の第３実施形態に係る人工関節装
置、およびこれを適用した自動制御式の義足の概略構成
を示す模式図と（ｂ）母指球関節のパラレルリンク機構
の概略構成を示す模式図である。
【図１０】義足を制御する制御装置の概略構成を示す図
である。
【図１１】電動人工筋肉の動作を説明するための模式図
である。
【図１２】（ａ）電動式の伸縮リンクの外観を示す斜視
図と（ｂ）その断面図と（ｃ）電動リニアモータの概略
構成を示す斜視図である。
【図１３】第３実施形態の人工関節装置の変形例を示す
模式図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る人工関節装置
と、これを適用した自動制御式の義手の概略構成を示す
模式図である。
【符号の説明】
１ 義足 ２ 人工関節装置 ２Ａ〜２Ｃ 人工関節装置 ３ 足部（リンク取付部、肢体部材） ４ａ 装着板（リンク取付部、肢体部材） ９ 手部（肢体部材） １０ パラレルリンク機構 １１ 固定リンク １１ｃ コイルばね（緩衝部材） １２ ボールジョイント（固定リンク用継手） １３ 伸縮リンク １３ｃ コイルばね（付勢部材） １３ｄ 電動人工筋肉（アクチュエータ） １４ａ 上ボールジョイント（伸縮リンク用継手） １４ｂ 下ボールジョイント（伸縮リンク用継手） １５ パラレルリンク機構 １６ｂ 母指部材（肢体部材） １７ 伸縮リンク １７ｄ 電動人工筋肉（アクチュエータ） １８ ボールジョイント（伸縮リンク用継手） １９ 可動リンク １９ａ ボールジョイント（可動リンク用継手） ２１ コントローラ（制御手段） ２２ 電源（駆動源） ２３ キャパシタ（蓄電装置） ２４ インプラントチップ（動作意志検出手段） ３０ 電動リニアモータ（アクチュエータ） ４０ 義手
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 臼倉 功 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 中原 洋一 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 岩▲崎▼ 晴之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 梅田 俊吾 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 山本 一規 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 塩野 正光 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 岡田 一雄 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 中山 学 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 久保 敦嗣 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 4C097 AA07 AA08 AA13 BB02 CC08 CC17 TB03

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 互いに間隔を隔てた２つのリンク取付部
    の間を連結するパラレルリンク機構であって、 一端部が前記２つのリンク取付部の一方に固定された固
    定リンクと、 当該固定リンクの他端部を、他方の前記リンク取付部に
    任意の方向に角度可変に連結する固定リンク用継手と、 前記２つのリンク取付部の間に延びる伸縮自在の複数の
    伸縮リンクと、 当該複数の伸縮リンクの両端部を前記２つのリンク取付
    部に任意の方向に角度可変にそれぞれ連結する複数の伸
    縮リンク用継手と、 を備えることを特徴とするパラレルリンク機構。
  2. 【請求項２】 前記複数の伸縮リンクの各々に設けら
    れ、当該各伸縮リンクが伸縮する際、当該各伸縮リンク
    をその伸縮する向きの少なくとも一方と逆向きに付勢す
    る付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に
    記載のパラレルリンク機構。
  3. 【請求項３】 前記固定リンクは、前記２つのリンク取
    付部の間における衝撃の伝達を緩和するための緩衝部材
    を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のパ
    ラレルリンク機構。
  4. 【請求項４】 前記複数の伸縮リンクは、少なくとも３
    つの伸縮リンクであることを特徴とする請求項１ないし
    ３のいずれかに記載のパラレルリンク機構。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも３つの伸縮リンクは、前
    記２つのリンク取付部の少なくとも一方において、当該
    少なくとも一方のリンク取付部とのそれぞれの連結部が
    一直線上に並ばないように配置され、かつ当該連結部を
    頂点とする多角形の内側に前記固定リンクの連結部が位
    置するように配置されていることを特徴とする請求項４
    に記載のパラレルリンク機構。
  6. 【請求項６】 駆動源と、 当該駆動源からの駆動力の供給により、前記少なくとも
    ３つの伸縮リンクの各々を伸縮駆動するアクチュエータ
    と、 前記駆動源から当該アクチュエータに供給される前記駆
    動力を制御する制御手段と、 をさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記
    載のパラレルリンク機構。
  7. 【請求項７】 前記アクチュエータは、電動式アクチュ
    エータであり、 当該電動式アクチュエータは、前記伸縮リンクが外力に
    より伸縮させられたときに発電するように構成され、 当該電動式アクチュエータが発電した回生電力を蓄える
    蓄電装置をさらに備えることを特徴とする請求項６に記
    載のパラレルリンク機構。
  8. 【請求項８】 互いに間隔を隔てた２つの肢体部材と、 当該２つの肢体部材の間を連結するパラレルリンク機構
    と、 を備えることを特徴とする人工関節装置。
  9. 【請求項９】 前記パラレルリンク機構は、 一端部が前記２つの肢体部材の一方に固定された固定リ
    ンクと、 当該固定リンクの他端部を、他方の前記肢体部材に任意
    の方向に角度可変に連結する固定リンク用継手と、 ２つの肢体部材の間に延びる伸縮自在の複数の伸縮リン
    クと、 当該複数の伸縮リンクの両端部を前記２つの肢体部材に
    任意の方向に角度可変にそれぞれ連結する複数の伸縮リ
    ンク用継手と、 を備えることを特徴とする請求項８に記載の人工関節装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記複数の伸縮リンクの各々に設けら
    れ、当該各伸縮リンクが伸縮する際、当該各伸縮リンク
    をその伸縮する向きの少なくとも一方と逆向きに付勢す
    る付勢部材をさらに備えることを特徴とする請求項９に
    記載の人工関節装置。
  11. 【請求項１１】 前記固定リンクは、前記２つの肢体部
    材の間における衝撃の伝達を緩和するための緩衝部材を
    備えることを特徴とする請求項９または１０に記載の人
    工関節装置。
  12. 【請求項１２】 前記複数の伸縮リンクは、少なくとも
    ３つの伸縮リンクであることを特徴とする請求項９ない
    し１１のいずれかに記載の人工関節装置。
  13. 【請求項１３】 前記少なくとも３つの伸縮リンクは、
    前記２つの肢体部材の少なくとも一方において、当該少
    なくとも一方のリンク取付部とのそれぞれの連結部が一
    直線上に並ばないように配置され、かつ当該連結部を頂
    点とする多角形の内側に前記固定リンクの連結部が位置
    するように配置されていることを特徴とする請求項１２
    に記載の人工関節装置。
  14. 【請求項１４】 駆動源と、 当該駆動源からの駆動力の供給により、前記少なくとも
    ３つの伸縮リンクの各々を伸縮駆動するアクチュエータ
    と、 前記駆動源から当該アクチュエータに供給される前記駆
    動力を制御する制御手段と、 をさらに備えることを特徴とする請求項１２または１３
    に記載の人工関節装置。
  15. 【請求項１５】 前記アクチュエータは、電動式アクチ
    ュエータであり、 当該電動式アクチュエータは、前記伸縮リンクが外力に
    より伸縮させられたときに発電するように構成され、 当該電動式アクチュエータが発電した回生電力を蓄える
    蓄電装置をさらに備えることを特徴とする請求項１４に
    記載の人工関節装置。
  16. 【請求項１６】 当該人工関節装置は、義足および義手
    の少なくとも一方に用いられ、 当該義足および義手の少なくとも一方を動作させようと
    する使用者の動作意志を検出する動作意志検出手段をさ
    らに備え、 前記制御手段は、当該検出された動作意志に応じて、前
    記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１
    ４または１５に記載の人工関節装置。
  17. 【請求項１７】 前記パラレルリンク機構は、 前記２つの肢体部材の間に延びる伸縮不能の可動リンク
    と、 当該可動リンクの両端部を、前記２つの肢体部材に任意
    の方向に角度可変にそれぞれ連結する２つの可動リンク
    用継手と、 を備えることを特徴とする請求項８に記載の人工関節装
    置。
  18. 【請求項１８】 当該人工関節装置は母指に用いられ、 前記パラレルリンク機構は、 前記２つの肢体部材の間に延びる伸縮自在の少なくとも
    ３つの伸縮リンクと、 当該少なくとも３つの伸縮リンクの両端部を前記２つの
    肢体部材に任意の方向に角度可変にそれぞれ連結する複
    数の伸縮リンク用継手と、を備え、 駆動源と、 当該駆動源からの駆動力の供給により、前記少なくとも
    ３つの伸縮リンクの各々を伸縮駆動するアクチュエータ
    と、 前記駆動源から当該アクチュエータに供給される前記駆
    動力を制御する制御手段と、 をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の人工
    関節装置。
  19. 【請求項１９】 前記パラレルリンク機構は、 前記２つの肢体部材の間に延びる伸縮不能の可動リンク
    と、 当該可動リンクの両端部を、前記２つの肢体部材に任意
    の方向に角度可変にそれぞれ連結する２つの可動リンク
    用継手と、 をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の人
    工関節装置。
  20. 【請求項２０】 前記制御手段は、前記２つの肢体部材
    の間隔を一定に保持するように、前記アクチュエータに
    供給される前記駆動力を制御することを特徴とする請求
    項１８に記載の人工関節装置。
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