JP2005095523A - 人体運動補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】失われた指、手又は足等の関節の運動を、残された指、手又は足等の筋力を利用して回復できる簡単な構造の人体運動補助装置を提供する。
【解決手段】人体運動補助装置１は、基端に固定された基端プーリー２が滑節３に接合され滑節３を支点に先端４が旋回可能な一対の節５，６と、一対の節５，６の一方を旋回させる外力を、他方の節６を旋回させる回転力として、他方の節６へ伝達する２本の可撓伝達体７とを備える。可撓伝達体７は、一方の節５に一端８０を接続し他端８１を他方の節６に接続した可撓性の線状牽体８と、線状牽体８を内部に挿通させて撓変形自在な可撓案内管９０とを備え、一方の節５が外力にて旋回する回転力により線状牽体８の一端８０を牽引し、線状牽体８の他端８１に生じる張力にて他方の節６に回転力を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、指、手又は足等を負傷等で失った人が、残された指、手又は足等の筋力を利用して、失われた指、手又は足等の運動を回復することを補助するための機械システムである人体運動補助装置に関する。

従来より、事故等で負傷して指、手又は足等の関節を失った者が、その部位に関節を有する義肢を装着することがある。このような義肢の人工関節に係る技術が、下記の特許文献に開示されている。
特開平１１−２７７４７７号

しかしながら、人工関節の動作を担うアクチュエータとして電動機又はエアシリンダ等を適用すると、その電源又は圧縮空気を供給するための装置が更に必要となり、肢体の総重量が増すので、却って義肢を装着する者に身体的な負担を強いることになる。更には、肢体が全体として大掛かりな装置となるため、その製造コストが高騰することに加え、肢体のメンテナンスに多くの手間を要することになる。

そこで、本発明の目的は、電動機又はエアシリンダ等のアクチュエータに依存することなく、失われた指、手又は足等の関節の運動を、残された指、手又は足等の筋力を利用して回復できる簡単な構造の人体運動補助装置を提供することにある。

本発明に係る人体運動補助装置は、基端が滑節に支持され該滑節を支点に先端が旋回可能な一対の節と、前記一対の節の一方を旋回させる外力を、他方の前記節を旋回させる回転力として前記他方の節へ伝達する可撓伝達体とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る人体運動補助装置は、基端及び先端を有する複数の節を、それぞれの基端及び先端を滑節を介し接合して成る一対の有節体と、前記一対の有節体にそれぞれ属する複数の節同士を個々に対応させ、これらの一方の節の先端を前記滑節を支点に旋回させる外力を、他方の前記節の先端を旋回させる回転力として、前記他方の節に各々伝達する複数の可撓伝達体とを備えることを特徴とする。

更に、本発明に係る人体運動補助装置は、前記可撓伝達体が、前記一方の節に一端を接続し他端を前記他方の節に接続した可撓性の線状牽体と、該線状牽体を内部に挿通させて撓変形自在な可撓案内管とを備え、前記一方の節が前記外力にて旋回する回転力により前記線状牽体の一端を牽引し、該線状牽体の他端に生じる張力にて前記他方の節に回転力を発生させることを特徴とする。

本発明に係る人体運動補助装置は、一対の節の一方を旋回させる外力を他方の節を旋回させる回転力として可撓伝達体により伝達できるので、例えば、負傷する等して中指を失った場合、健全に運動できる親指に一方の節を固定し、同親指の筋力により一方の節を運動させれば、これに従わせて他方の節を運動させることができる。他方の節が運動する方向は特に限定されるものではないが、日常生活において、例えば、親指と中指を閉じてこれらの間でコップ等の対象物を挟むような運動を行う頻度が高い。そこで、一対の節が相互に開閉するように、それぞれが運動可能な方向を設定しておけば、上記例示のように中指を失った者がその本来の中指の機能を回復することができる。従って、中指を失った者が、日常生活において不自由からある程度は開放されることになる。

本発明に係る人体運動補助装置は、以上の効果を達成しながら、電動機やエアシリンダ等のような比較的重いアクチュエータを必要としないので、当該装置を装着する者に身体的な負担を強いることが殆どない。また、その構造が極めて簡単であることに加え、製造コストを節減できるという利点も得られる。

また、可撓伝達体としては、例えばワイヤ、ベルト、又は非圧縮流体のように、その本体を固定点にて支持することなく、力を良好に伝達できるものであれば何でも適用できるので、当該装置は必ずしも人体に強固に取付ける必要がない。しかも、このような可撓伝達体を適用した場合、一対の節の位置を自由に変更したり両者の間隔を増減しても、その機能が変化することがなく、一方の節の運動に従わせて他方の節を確実に連動させることができる。以上に述べた可撓伝達体は節の周囲に自由に取り回せるので、多数の可撓伝達体が節の周囲で互いに接触することになっても、互いの動作が干渉することがなく、総ての節を円滑に運動させることができる。

また、本発明に係る人体運動補助装置は、複数の節を滑節を介し接合して一対の有節体を構成し、これら一対の有節体にそれぞれ属する複数の節同士を個々に対応させて運動するよう構成しているので、上記の例のように中指を失った場合には、先ず健全に運動できる人指し指に一方の有節体を固定する。次いで、一方の有節体に属する各節を人指し指の第１関節と第２関節に個別に固定し、これら第１関節と第２関節のそれぞれの筋力により一方の有節体の全体を運動させれば、これに従わせて他方の有節体の全体を運動させることができる。他方の有節体に属する各節が運動する方向は特に限定されるものではないが、日常生活において、例えば、人指し指と中指とを掌の内側へ曲げて扉の把手等を握るような運動を行う頻度が高い。そこで、一対の有節体が一緒に同じ方向へ旋回するように、それぞれが運動可能な方向を設定しておけば、上記例示のように人指し指と中指を失った者がそれぞれの指の本来の機能を回復することができる。これ以外の効果は既に述べた通りである。

更に、本発明に係る人体運動補助装置の可撓伝達体は、線状牽体の一端を一方の節に接続し同線状牽体の他端を他方の節に接続し、このような線状牽体を撓変形自在な可撓案内管に挿通させているので、線状牽体を一対の節の間で直線状に緊張させなくても、一方の節が外力にて旋回する回転力により線状牽体の一端を牽引すれば、同線状牽体の他端に張力を生じさせられる。従って、可撓伝達体はその本体を固定点にて支持することなく、上記の張力を良好に伝達できるので、当該装置を必ずしも人体に強固に取付ける必要がない。しかも、このような可撓伝達体によれば、一対の節の位置を自由に変更したり両者の間隔を増減しても、その機能が変化することがなく、一方の節の運動に従わせて他方の節を確実に連動させることができる。以上に述べた可撓伝達体は節の周囲に自由に取り回すことができるので、多数の可撓伝達体が節の周囲で互いに接触することになっても、互いの動作が干渉することがなく、総ての節を円滑に運動させることができる。

以下に、本発明に係る実施形態として、所謂ワイヤ方式の１自由度補助装置の試作品の構成を説明する。これを発展させた２自由度補助装置として、二つの能動関節と二つの受動関節から構成する例を述べる。更に、所謂流体方式の二自由度補助装置について述べる。また、以下で、「一方」及び「他方」としたのは相対的な呼称であり、実質的な構成の差異を示唆するものではない。

図１（ａ）に示すように、本発明に係る実施例１の人体運動補助装置１は、基端プーリー２が固定された基端を滑節３にて支持され滑節３を支点に先端４が旋回可能な一対の節５，６と、一対の節５，６の一方の節５を旋回させる外力を、他方の節６を旋回させる回転力として、他方の節６へ伝達する可撓伝達体７とを備えるものである。

滑節３は、基端プーリー２の支軸を主体とし、図中に仮想線で表した支持体２０に固定されている。一対の節５，６は、それぞれ薄いアルミニウム板又は合成樹脂板を、概ね成人の親指又は人指し指に倣った輪郭となるよう形成加工したものである。支持体２０としては、例えば人体の骨格、人工骨、人体の肢体に着脱自在に装着できる枠体、ギプス、又はコルセット等が適用できる。また、支持体２０を人体に簡便に装着する方法としては、丈夫な手袋又は靴下等に支持体２０を予め接合し、このような手袋又は靴下等を人体に装着することが考えられる。

図中には、可撓伝達体７の他に可撓伝達体７ａを表している。これら２本の可撓伝達体７，７ａについて説明する。即ち、一対の節５，６には、それぞれの表裏に、基端プーリー２が１個ずつ合計２個設けられいる。同図に表れているのは、一対の節５，６のそれぞれの表側に設けた基端プーリー２である。これら表側の基端プーリー２の間には、図中右上がりの姿勢で表した方の可撓伝達体７が掛けられている。この可撓伝達体７として細いワイヤー、チェーン、又はベルト等を適用した場合、可撓伝達体７の一端７０を一方の節５に固定し、可撓伝達体７の他端７１を他方の節６に固定する。更に、可撓伝達体７の一端７０付近を、一方の節５の基端プーリー２の周面に下側から接触し、他端７１付近を、他方の節６の基端プーリー２の周面に上側から接触すると共に、同基端プーリー２の周面に沿って略一巻することが好ましい。これは、可撓伝達体７が基端プーリー２に接触する面積を増大して、両者間に滑りが起こらない程度の摩擦力を得るためである。

一方の節５に、これを矢印Ｃで指した時計回りに旋回させる外力が加わると、一端７０付近が一方の節５の基端プーリー２に巻き取られようとする。これにより可撓伝達体７に発生する張力が、他方の節６の基端プーリー２に回転力として作用し、他方の節６が、矢印ＣＣで指した反時計回りに旋回することになる。図中右下がりの姿勢で表した方の可撓伝達体７ａは、一対の節５，６ので裏側に隠れている基端プーリー２の間に掛けられている。この可撓伝達体７ａついては、詳細な図示は省略しいるが、一方の節５にこれを反時計回りに旋回させる外力が加わったときに発生する張力により、他方の節６を時計回りに旋回させる役割を果たすものである。また、一方の節５の基端プーリー２と他方の節６の基端プーリー２とは、図中で横並びに配置されているが、２本の可撓伝達体７，７ａをそれぞれ２個の基端プーリー２の間で適度に緊張させておくことができれば、一対の節５，６の位置関係は、何ら限定されるものではない。

以上の説明では、２本の可撓伝達体７，７ａにそれぞれ張力を発生させる旨を記したが、大きな力の伝達を要しないのであれば、可撓伝達体７ａは省略しても良く、１本の可撓伝達体７に張力と圧縮力とを発生させても良い。例えば、一方の節５に、これを反時計回りに旋回させる外力が加わると、可撓伝達体７が一方の節５の基端プーリー２から他方の節６の基端プーリー２へ向かって押し出されようとする。これにより可撓伝達体７に発生する圧縮力が、他方の節６の基端プーリー２を時計回りに旋回させる回転力として作用する。可撓伝達体７に張力を発生する場合の動作は既に述べた通りである。また、２本の可撓伝達体７，７ａを図中で明確に区別するため符号７の後にａを添えたが、２本の可撓伝達体７，７ａは実質的に同一であるため、以下では、これらの両方を可撓伝達体７と表記する。

また、以上の説明では、可撓伝達体７として単に１又は２本のワイヤを適用した例を説明したが、図１（ｂ）に示すような可撓伝達体９を代用することが望ましい。可撓伝達体９は、可撓性の細いワイヤーから成る線状牽体８と、線状牽体８を内部に挿通させて撓変形自在な可撓案内管９０とを備えるものである。線状牽体８は、一方の節５の基端プーリー２の周面の適所に一端８０を固定し、他端８１を他方の節６の基端プーリー２の周面の適所に固定している。可撓案内管９０は、可撓性の細管であれば特に限定されるものではないが、例えば、ステンレス鋼から成る細い針金をコイル状に巻いて成る細管を適用し、このような細管に線状牽体８を挿通させても良い。この他、可撓案内管９０の材料として合成樹脂を適用しても良い。或いは、ポリテトラフルオロエチレンから成るインナーチューブを可撓案内管９０に内装する等して、可撓案内管９０と線状牽体８との間の摩擦力を積極的に低減しても良い。

線状牽体８及び可撓案内管９０を湾曲させたり捩じる等の変形は自由に行える。線状牽体８及び可撓案内管９０は、図示のように湾曲された状態でも、本来の機能を確実に果たすことができる。即ち、一方の節５に、これを矢印Ｃで指した時計回りに旋回させる外力が加わると、線状牽体８の一端８０付近が一方の節５の基端プーリー２に巻き取られようとする。これにより線状牽体８に発生する張力は、線状牽体８自体の形状及び可撓案内管９０の形状に関わり無く、他方の節６の基端プーリー２に回転力として作用し、他方の節６が、矢印ＣＣで指した反時計回りに旋回することになる。

このように力の伝達を担う線状牽体８は、何らかの固定点にて支持されなくても良い。また、線状牽体８自体を直線状に緊張させておく必要もない。従って、可撓伝達体９を必ずしも人体に強固に取付ける必要はない。しかも、一対の節５，６の間隔が変化しても、これら一対の節５，６の動作には何ら影響することがない。また、以上に、個々の基端プーリー２の径が同じ場合の例を述べたが、個々の基端プーリー２の径を適宜変更することにより、一方の節５が旋回するのに従って他方の節６が旋回する角度の割合を調整しても良い。

次に、人体運動補助装置１の使用例について説明する。上記の「外力」としては専ら人体の筋力を利用する。例えば、負傷する等して中指を失った者が当該装置１を装着する場合、健全に運動できる親指に一方の節５を固定し、同親指の筋力により一方の節５を運動させれば、これに従わせて他方の節６を運動させることができる。他方の節６が運動する方向は特に限定されるものではないが、例えば、親指と中指の間でコップ等を挟むような運動を企図するのであれば、一対の節５，６が相互に開閉するように、それぞれが運動可能な方向を上記の矢印Ｃ，ＣＣで指した向きに設定すれば良い。

図２に示すように、本発明に係る実施例２の人体運動補助装置１０は、基端に固定された基端プーリー２及び先端４を有する複数（図示は２体）の節５，５０を滑節３０を介し接合して成る有節体５１と、基端に固定された基端プーリー２及び先端４を有する複数（図示は２体）の節６，６０を、滑節３０を介し接合して成る有節体６１と、これら一対の有節体５１，６１にそれぞれ属する節５０，６０同士を個々に対応させ、一方の節５０の先端４を滑節３０を支点に旋回させる外力を、他方の節６０の先端４を旋回させる回転力として各々伝達する２本の可撓伝達体９とを備えるものである。

更に、人体運動補助装置１０は、一対の有節体５１，６１にそれぞれ属する節５，６同士を個々に対応させ、一方の節５の先端４を滑節３を支点に旋回させる外力を、他方の節６の先端４を旋回させる回転力として、他方の節６へ伝達する２本の可撓伝達体７を備えている。これら２本の可撓伝達体７については、実施例１において既述しているので、その図示及び詳細な説明を省略している。この他、実施例１と同様の構成要素には同符号を付して、その詳細な説明は省略する。

以下に、人体運動補助装置１０の具体的な構成を説明する。図３は人体運動補助１０を表面側から見た正面図を示し、その裏面図を図４に示している。人体運動補助装置１０は、可撓伝達体７，９をそれぞれ２本ずつ具備しているが、図面を簡略化するために、一方の有節体５１を外力によって旋回させた場合に、一対の有節体５１，６１を互いに接近する方向へ旋回させるための力の伝達を担う可撓伝達体７，９のみを図３に表している。そして、図４には、一対の有節体５１，６１を互いに離反する方向へ旋回させるための力の伝達を担う可撓伝達体７，９のみを表している。また、個々の節５，６，５０，６０毎にその表裏に基端プーリー２を１個ずつ合計８個備えている。これら８個の基端プーリー２が、それぞれ図４及び図３に４個ずつ表れている。詳しくは次の通りである。

図３に示すように、一対の節５，６のそれぞれの表側に設けた基端プーリー２の間には、可撓伝達体７が掛けられている。可撓伝達体７については、概ね実施例１において述べたので、ここでは可撓伝達体７を固定する構造を説明する。即ち、一方の節５の適所に小孔７２を穿孔し、図に表れていない雌ねじを一方の節５の縁部から小孔７２まで貫通し、この雌ねじに螺合したビス７３を、小孔７２に挿通した可撓伝達体７の一端７０に締め付けている。同様にして、可撓伝達体７の他端７１が他方の節６に固定され、可撓伝達体９の線状牽体８の一端８０及び他端８１が、それぞれ節５０，６０に固定されている。

可撓伝達体９の可撓案内管９０の両端部は、それぞれ四角形の座金９２によって一対の節５，６の表面又は裏面に固定されている。即ち、座金９２と一対の節５，６の表面又は裏面との間には、可撓伝達体９の可撓案内管９０が挟着されている。更に、座金９２の内側には、図に表れていないが、ポリテトラフルオロエチレンから成る潤滑を兼ねたブッシュが配置され、このブッシュを線状牽体８が挿通している。従って、可撓案内管９０の両端部は座金９２によって位置決めされるが、線状牽体８は座金９２の内側を自由に通り抜けられ、その長手方向（張力が発生する向き）に滑動することができる。

図３に示した可撓伝達体９は、その線状牽体８の一端８０を一方の節５０に固定し、線状牽体８の他端８１を他方の節６０に固定している。更に、線状牽体８の一端８０付近が、一方の節５０の基端プーリー２の周面に図中右の側方から接触し、他端８１付近が、他方の節６０の基端プーリー２の周面に図中右の側方から接触すると共に、同基端プーリー２の周面に沿って略一巻している。これは、線状牽体８が基端プーリー２に接触する面積を増大して、両者間に滑りが起こらない程度の摩擦力を得るためである。また、図中で基端プーリー２内の点線の円はプーリー溝を表している。

図４に表れた可撓伝達体９が、図３に表れた可撓伝達体９と相違する点は、線状牽体８の他端８１付近を、他方の節６０の基端プーリー２の周面に図中右の側方から接触し、一端８０付近を、一方の節５０の基端プーリー２の周面に図中右の側方から接触すると共に、同基端プーリー２の周面に沿って略一巻したことにある。「図中右」としたのは、基端プーリー２と線状牽体８の配置を限定する記載ではなく、一対の節５０，６０を互いに反対方向に回転させることを企図したものである。従って、線状牽体８の一端８０付近が、一方の節５０の基端プーリー２の周面に図中左の側方から接触するならば、他端７１付近を、他方の節６６の基端プーリー２の周面に図中左の側方から接触させれば良い。

図５に示すように、本発明に係る実施例３の人体運動補助装置１１は、可撓伝達体として流体（作動オイル等）を適用したものである。即ち、人体運動補助装置１１は、可撓伝達体７に代えて、流体の流入により膨張し流体の排出により収縮する一対の伸縮チャンパー（図中のドット部分）１２，１３と、一対の伸縮チャンパー１２，１３同士の間で流体を移動させる撓変形自在な可撓管路１４とを介して、一対の節５，６が相互に連動するよう構成したものである。一対の節５０，６０についても同様である。人体運動補助装置１１によれば、一方の伸縮チャンパー１２が、一方の節５（又は５０）の旋回に従って圧縮されることにより、一方の節５から排出される流体が、他方の伸縮チャンパー１３へ流入し、他方の伸縮チャンパー１３の膨張に従って他方の節６（又は６０）が旋回する。

尚、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できる。例えば、図６に示すように、左腕を失った者が人体運動補助装置１０又は１１を装着する場合、健全な右腕１５の肩及び肘の関節にそれぞれ有節体５１の２つの滑節３，３０を対応させ、この状態で、有節体５１の節５を肩と肘の間の適所に固定すると共に、有節体５１の節５０を右腕１５の肘と手首との間の適所に固定する。更に、左肩付近に支持体２０を取付け、この支持体２０に有節体６１を取付けるようにする。これにより、右腕によって運動可能な有節体５１の節５，５１の旋回に従わせて、有節体６１の節６、６０を、恰も左腕のように運動させることができる。

或いは、右脚を失った者が人体運動補助装置１０又は１１を装着する場合、健全な右腕１５に上記のように有節体５１を固定し、更に、右大腿付近に支持体２０を取付け、この支持体２０に有節体６１を取付けるようにする。これにより、右腕に従わせて有節体６１の節６、６０を、右脚に歩行運動をさせることができる。この場合、右足首の部分に対応して配置した有節体６１の滑節３０を介して、節６０の先端４が図中に仮想線で表した脚の軸Ａの周りに、回転（ローリング）できるようにしても良い。

また、有節体５１，６１は、それぞれ３つ以上の節を組み合わせたものでも良い。例えば、図７に示すように、支持体２０にそれぞれ滑節３を介して接続した一対の節５，６に、それぞれの先端４０に滑節３を介して節５０，６０を各々接続し、更に、節５０，６０のそれぞれの先端４１に、滑節３１を介して節５２，６２を各々接続しても良い。また、基端プーリー２を省略し、滑節３の主体である支軸からある程度隔たる位置（作用点）に、可撓伝達体７又は線状牽体８を固定しても良い。

本発明は、医療の現場において、一の指、手又は足等の関節（受動関節）に、他の指、手又は足等の関節（能動関節）力を伝達できるので、負傷等によって肢体の一部を失った者等が義肢を設けた場合に、同義肢を健全な身体の筋力を利用して運動させることができる。従って、義肢を設けた者を社会生活の不自由から開放することができる。この他、福祉又はスポーツトレーニングの現場においては、身体の一部の運動を他部の筋力を利用して矯正することができる。

（ａ）は本発明に係る実施例１の人体運動補助装置の概略図、（ｂ）はその変形例の概略図。 本発明に係る実施例２の人体運動補助装置の概略図。 本発明に係る実施例２の人体運動補助装置の正面図。 本発明に係る実施例２の人体運動補助装置の裏面図。 本発明に係る実施例３の人体運動補助装置の装着例を示す概略図。 本発明の実施形態に係る人体運動補助装置の装着例を表す正面図。 本発明の実施形態に係る人体運動補助装置の変形例の概略図。

符号の説明

１，１０，１１：人体運動補助装置
２：基端プーリー
３，３０：滑節
４：先端
５，５０：節
６，６０：節
７，９：可撓伝達体
８：線状牽体
１２，１３：伸縮チャンパー
１４：可撓管路
５１，６１：有節体
７０：一端
７１：他端
８０：一端
８１：他端
９０：可撓案内管

Claims (3)

1. 基端が滑節に支持され該滑節を支点に先端が旋回可能な一対の節と、
   前記一対の節の一方を旋回させる外力を、他方の前記節を旋回させる回転力として、前記他方の節へ伝達する可撓伝達体と、
   を備えることを特徴とする人体運動補助装置。
2. 基端及び先端を有する複数の節を、それぞれの基端及び先端を滑節を介し接合して成る一対の有節体と、
   前記一対の有節体にそれぞれ属する複数の節同士を個々に対応させ、これらの一方の節の先端を前記滑節を支点に旋回させる外力を、他方の前記節の先端を旋回させる回転力として、前記他方の節へ各々伝達する複数の可撓伝達体と、
   を備えることを特徴とする人体運動補助装置。
3. 前記可撓伝達体が、前記一方の節に一端を接続し他端を前記他方の節に接続した可撓性の線状牽体と、該線状牽体を内部に挿通させて撓変形自在な可撓案内管とを備え、
   前記一方の節が前記外力にて旋回する回転力により前記線状牽体の一端を牽引し、該線状牽体の他端に生じる張力にて前記他方の節に回転力を発生させることを特徴とする請求項１又は２に記載の人体運動補助装置。

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