JP2008520289A - 最大６自由度の可動関節 - Google Patents

Abstract

可動関節（１００）は、１つの穴（１０８）によって接続された２つの間隔を空けた開口（１０４，１０６）を有する本体（１０２）と、開口に受け入れられる端部を有する２つのアーム（１１０，１１２）と、穴（１０８）を貫通し、開口の中のアームの端部を接続する弾性コネクタ（１１４）とを含み、弾性コネクタの弾性は、アーム（１１０，１１２）の隣接部分（１２０）がそれぞれ開口（１０４，１０６）の隣接部分（１２２）に係合することで規制された、最大６自由度での、アームの独立した動作を許容し、アームに加えられた力を吸収する。

Description

本発明は、最大６自由度の可動関節に関する。

人間の膝関節のような複雑な可動関節は、２つの部材の最大６自由度の相対移動を許容する。６自由度は、３つの直交軸に関する移動に加えてそれら３つの直交軸周りの回転を参照する。

以前に提案された２つ以上の自由度を有する可動関節は、典型的には、２つの部材を固定したスロットの中で揺動可能または回動可能なピンにより接続する。そのようなピンインスロット（pin-in-slot）可動関節は、自然な、最大６自由度の人間または動物の関節の解剖学的動作を模倣することはできない。さらに、ピンインスロット可動関節の剛性は、それらが、衝撃、振動およびそれらに加わる負荷を吸収できないことを意味する

それゆえ、簡単で低コストの、衝撃、振動および負荷を吸収できる、最大６自由度の可動関節への要求がある。そのような可動関節は、人間または動物の関節の補助装置への使用のような、利用可能性がある。

本発明によれば、
１つの穴によって接続された２つの間隔を空けた開口を有する本体と、
前記開口に受け入れられる端部を有する２つのアームと、
前記穴を貫通し、前記開口の中の前記アームの前記端部を接続する弾性コネクタとを含み、
前記弾性コネクタの弾性は、前記アームの隣接部分がそれぞれ前記開口の隣接部分に係合することで規制された、最大６自由度での、前記アームの独立した動作を許容し、
前記アームに加えられた力を吸収する、可動関節が提供される。

本発明は、
１つの穴によって接続された２つの間隔を空けた開口をそれぞれ有する複数の本体と、
前記開口に受け入れられる端部を有する２つのアームと、
前記穴を貫通し、前記開口の中の前記アームの前記端部を取り外し可能に接続する弾性コネクタとを含み、
前記弾性コネクタの弾性は、前記アームの隣接部分がそれぞれ前記開口の隣接部分に係合することで規制された、最大６自由度での、前記アームの独立した動作を許容し、
前記アームに加えられた力を吸収し、
前記本体の前記開口の前記隣接部分は、他の前記本体の前記開口の前記隣接部分と異なる形状に形成され、前記本体の交換により、前記最大６自由度での前記アームの独立した動作を選択的に規制できる、可動関節システムをも提供する。

本発明は、さらに、
少なくとも１つの本発明の可動関節または本発明の可動関節システムによって、人または動物の関節の相対動作を補助するための、接続された２つの保持部を含む人または動物の関節用の関節補助装置を提供する。

本発明の実施形態は、これより、単なる非限定的例として、添付した図面を参照しながら説明される。

図１は、本発明の可動関節の一般的実施形態１００を示す。可動関節１００は、間隔を空けた２つの開口１０４，１０６を有する本体１０２を含み、本体２の断面に示すように、２つの開口１０４，１０６は穴１０８によって接続されている。開口１０４，１０６の大きさ、形状および間隔は、個々の適用例により変化する。２本のアーム１１０，１１２は開口１０４，１０６に受け入れられ、少なくとも部分的に開口１０４，１０６に隣接する端部を有する。アーム１１０，１１２の隣接する端部の大きさおよび形状もまた、個々の適用例により変化する。本体１０２および／またはアーム１１０，１１２は、例えば、射出成型で製造できる。本体１０２および／またはアーム１１０，１１２は、例えば、ポリウレタン、シリコン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステルおよびポリエステルエラストマ、並びに、それらの組み合わせのような高分子材料から製造できる。高分子材料は、ガラス布またはガラス繊維、グラファイト繊維、ケブラー（商標）繊維およびＳｐｈｅｒｅｔｅｘ（商標）繊維などの強化材を含むことができる。他の好ましい製造方法および材料が当業者には自明である。

図１に破線で示した弾性コネクタ１１４は、穴１０８を貫通して開口１０４，１０６の中でアーム１１０，１１２の端部を接続する。弾性コネクタ１１４は、アーム１１０，１１２の端部に、ねじなどの取り外せる留め具により取り外し可能に接続されている。使用中、弾性コネクタ１１４の弾性は、アーム１１０，１１２の最大６自由度の、アーム１１０，１１２の隣接部分１２０のそれぞれの開口１０４，１０６の隣接部分１２２に対する係合によって規制された、独立した動作を可能にする。図１では、３つの直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸が、６自由度の運動の各基準方向を与える。アーム１１０，１１２の６自由度は、３つの平行移動度Ｔ_Ｘ，Ｔ_Ｙ，Ｔ_Ｚおよび３つの回転度Ｒ_Ｘ，Ｒ_Ｙ，Ｒ_Ｚを含む。図２−４は、６自由度のアーム１１０，１１２の位置の様々な例を示す。また、使用中、弾性コネクタ１１４の弾性力は、アーム１１０，１１２に対して加えられる衝撃、振動および負荷のような力を吸収する。弾性コネクタ１１４の弾性特性によって、アーム１１０，１１２に加えられた外部の引っ張り、圧縮および／またはねじりの力や負荷が弱められ、吸収され、または、抵抗される。

図５−７は弾性コネクタ１１４の１つの実施形態の製造工程を順に示す。この実施形態の製造は、スペーサ１２８によって間隔を空けて接続されたスプール１２４，１２６の統合アセンブリに始まる。スプール１２４，１２６およびスペーサ１２８の統合アセンブリは、治具（不図示）に配置され、図６に示すように、スプール１２４，１２６の間に、それらの周りに、スペーサ１２８に対して縦方向に、且つ、径方向に糸を巻き付けて、張力を付与した背骨１３０が形成されている。そして、弾性部材１３２が、スプール１２４，１２６および張力を付与した背骨１３０の上に型成形される。スプール１２４，１２６は、弾性コネクタ１１４をアーム１１０，１１２に接続する留め具を受け入れるための横断貫通穴を有する。使用中、張力を付与した背骨１３０は、アーム１１０，１１２に加えられた引っ張り負荷に耐える。製造の容易さはともかく、スペーサ１２８は、製造した弾性コネクタ１１４に高い剛性を与えることができる。図８は、弾性コネクタ１１４の代案の実施形態を示す。本実施形態では、張力を付与した背骨１３０は、２つの端部プラグ１３４，１３６の内側部分の間を結ぶ糸により形成されている。そして、弾性部材１３２は、端部プラグ１３４，１３６の内側部分および張力を付与した背骨１３０の上に型成形されている。端部プラグ１３４，１３６の外側部分は、弾性コネクタ１１４をアーム１１０，１１２に接続する留め具を受け入れるための横断貫通穴を有する。

スプール１２４，１２６および／またはスペーサ１２８は、例えば、射出成形によって形成できる。スプール１２４，１２６および／またはスペーサ１２８は、例えば、ポリウレタン、シリコン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステルおよびポリエステルエラストマ、並びに、それら組み合わせのような高分子材料で形成できる。高分子材料は、ガラス布またはガラス繊維、グラファイト繊維、ケブラー（商標）繊維およびＳｐｈｅｒｅｔｅｘ（商標）繊維などの強化材を含むことができる。端部プラグ１３４，１３６は、例えば、ステンレス鋼で形成できる。張力を付与した背骨１３０は、例えば、高い引っ張り強さ、曲げ疲労耐性、および、低いクリープ性を有する天然または合成繊維で形成できる。好ましい材料は、ポリエステル、または、ベクトラン（商標）繊維のような液晶ポリマー繊維、ケブラー（商標）繊維のようなアラミド繊維、ダイニーマ（商標）繊維またはスペクトラ（商標）繊維のような超高分子量ポリエチレン繊維、および、麻のような天然繊維を含む。弾性部材１３２は、例えば、張力を付与した背骨１３０の全体を目視検査できるように、透明熱可塑性ポリウレタンで形成できる。他の好ましい製造方法および材料は、当業者には明らかである。

一般的な可動関節１００は、開口１０４，１０６、および／または、アーム１１０，１１２の隣接端部の剛性の調整、および／または、弾性コネクタ１１４の弾性特性の調整によって、いかなる個別の適用例にもカスタマイズできる。特に、アーム１１０，１１２の最大６自由度の動きは、アーム１１０，１１２および／または開口１０４，１０６の隣接部分１２０，１２２のそれぞれの３次元形状の選択、および／または、弾性コネクタ１１４の弾性特性の選択により規制できる。例えば、６自由度のアームの独立した動きは、人間または動物の関節の最大６自由度の解剖学的動作を実質的に模倣するように規制してもよい。

図９は、２つの可動関節２０６ａ、２０６ｂで接続された上腿および下腿の保持フレーム２０２，２０４を有する膝ギプス２００を示す。上腿および下腿の保持フレーム２０２，２０４は、例えば、紐、フックおよび止め輪（不図示）により、上腿および下腿に固定されるのに適することができる。各可動関節２０６ａ，２０６ｂは、それぞれ一端で上腿および下腿の保持フレーム２０２，２０４にねじ２１２を介して固定された２つのアーム２０８，２１０を含む。アーム２０８，２１０の他端は、本体２１４に受け入れられている。図１０を参照すると、アーム２０８，２１０は、本体２１４の開口２１６，２１８に、破線で示した弾性コネクタ２２０によって接続されている。弾性コネクタ２２０は、アーム２０８，２１０の端部に、アーム２０８，２１０を本体に容易に接続および切り離しできるようにするねじ２２２によって、取り外し可能に接続されている。

上腿及び下腿の保持フレーム２０２，２０４は、例えば、型形成によって製造できる。上腿及び下腿の保持フレーム２０２，２０４は、例えば、強化材の有無を問わないファイバーグラスから製造できる。強化材は、使用する場合、ガラス布またはガラス繊維、グラファイト繊維、ケブラー（商標）繊維およびＳｐｈｅｒｅｔｅｘ（商標）繊維などを含められる。他の好ましい製造方法および材料は、当業者には明らかである。本体２１４および／またはアーム２０８，２１０は、先に説明した本体１０２および／またはアーム１１０，１１２と同じ材料から製造できる。弾性コネクタ２２０は、先に説明した弾性コネクタ１１４と同じ材料から製造できる。

各可動関節２０６ａ、２０６ｂは、最大６自由度の人の膝関節の自然な解剖学的動きを模倣するためにカスタマイズされている。人の膝の６自由度は、３つの回転度−屈曲／伸展、外転／内転、内旋／外旋、および、３つの平行移動度−前／後、内／外、接近／離間を含む。使用中、可動関節２０６ａ，２０６ｂは、先に説明した一般的な可動関節１００と同じ全体的機能を有する。

最大６自由度のアーム２０８，２１０の独立した動作は、開口２１６，２１８および／またはアーム２０８，２１０の隣接端部の形状を調整すること、および／または、弾性コネクタ２２０の弾性特性を調整することでカスタマイズできる。図１１−１４は、膝ギプス２００の最大６自由度の動作の範囲を規制するための異なる例示の形状を有する開口２１６，２１８を備える本体２１４の実施形態を示す。図１１は、本体２１４の実施形態の断面であり、そこで、開口２１６，２１８は、膝ギプス２００の屈曲および伸展の範囲を、約０°の伸展から約１５°の屈曲までに規制するように形成されている。図１２は、本体２１４の代案の断面を示し、そこで、開口２１６，２１８は、膝ギプス２００の屈曲および伸展の範囲を、約５°の伸展から約３０°の屈曲までに規制するように形成されている。図１３に示すさらなる実施形態では、開口２１６，２１８は、屈曲および伸展の範囲を、約１０°の伸展から約４５°の屈曲までに規制するように形成されている。図１４は、本体２１４の実施形態の上面図であり、そこで、開口２１６，２１８は、約０°から約１５°までの屈曲および伸展の間の、内／外の回転を規制するように形成されている。

図１１−１４に示した本体２１４と異なる実施形態は、各本体２１４の開口２１６，２１８が他の本体２１４の開口２１６，１２８と異なるように形成された可動関節システムを含む。そのようなシステムでは、屈曲および伸展の選択した異なる角度にアーム２０８，２１０の独立した動作を制限するために、アーム２０８，２１０をねじを介して異なる本体２１４に対して容易に取り外し、接続できる。異なる本体２１４は、それ故、与えられたどの可動関節２０６ａ，２０６ｂも、膝ギプス２００の着用者の必要に合わせられるように、交換可能であってもよい。例えば、可動関節システムが患者に装着される外科用膝ギプス２００に使用されるなら、患者を代える必要に応じて異なる本体２１４に交換してもよい。このように、患者を代える必要があれば、それに応じて、本体２１４を交換してもよい。反対に、ある膝ギプスが異なる患者に再利用されるなら、アーム２０８，２１０の最大６自由度の独立した動作の限度は、第２の患者の必要に合わせて単に本体２１４を交換するだけで簡単に変更できる。

図１５は、２つの可動関節３０６ａ，３０６ｂで接続された下腿保持フレーム３０２および足保持フレーム３０４を有する足首ギプス３００を示す。下腿および足の保持フレーム３０２，３０４は、例えば、紐、フックおよび止め輪（不図示）によって、下腿および足にしっかりと固定するのに適することができる。足首ギプス３００および可動関節３０６ａ，３０６ｂの構成要素は、先に説明した膝ギプス２００および可動関節２０６ａ，２０６ｂと同じ全体構造および構成を有する。それ故、各可動関節３０６ａ，３０６ｂは、一般的に、弾性コネクタ３１８で接続された２つのアーム３１４，３１６を受け入れる２つの開口３１０，３１２を有する本体３０８を含む。しかしながら、可動関節３０６ａ，３０６ｂの開口３１０，３１２の隣接部分およびアーム３１４，３１６の隣接端部は、人の足首の自然な解剖学的動作に対応するいくつかの自由度での、下腿保持フレーム３０２および足保持フレーム３０４の動きを規制するためにカスタマイズできる。足首の自由度は、背屈、足底屈、内反および外反を含む。背屈は、足を脚に向かって回動させる動きである。足底屈は、足を脚から遠ざけるように回動する動きである。内反は、足を内側に回動させたときの動きであり、外反は、足を外側に回動させたときの動きである。使用中、開口３１０，３１２の形状は、足首ギプス３００の、内反、外反および捻れを規制するが、背屈および足底屈を許容する。

本発明の実施形態は、簡単で、低コストの、衝撃、振動および負荷を吸収できる最大６自由度を有する可動関節を提供するものであると理解される。そのような可動関節は、限定ではなく、人または動物の関節補助装置としての使用を含む多くの利用可能性を有する。本発明の実施形態は、基本的にいかなる形状でもよく、高分子または高分子の混合物で全面的に形成できる。

本発明は、説明して図示した実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく変形および改良ができる。

本発明の可動関節の一般的実施形態の部分断面概略斜視図。 最大６自由度の動作位置における図１の可動関節の部分断面概略斜視図。 最大６自由度の異なる動作位置における図１の可動関節の部分断面概略斜視図。 最大６自由度の異なる動作位置における図１の可動関節の部分断面概略斜視図。 本発明の可動関節の弾性コネクタの実施形態の概略斜視図。 本発明の可動関節の弾性コネクタの実施形態の概略斜視図。 本発明の可動関節の弾性コネクタの実施形態の概略斜視図。 本発明の可動関節の弾性コネクタの実施形態の概略斜視図。 本発明の可動関節を含む膝ギプスの概略斜視図。 図９の膝ギプスの可動関節の概略斜視図。 図１０の可動関節の実施形態の部分断面概略図。 図１０の可動関節の異なる内部形状の実施形態の部分断面概略図。 図１０の可動関節の異なる内部形状の実施形態の部分断面概略図。 図１０の可動関節の実施形態の平面図。 本発明の可動関節の実施形態を含む足首ギプスの概略斜視図。

Claims (14)

1. １つの穴によって接続された２つの間隔を空けた開口を有する本体と、
   前記開口に受け入れられる端部を有する２つのアームと、
   前記穴を貫通し、前記開口の中の前記アームの前記端部を接続する弾性コネクタとを含み、
   前記弾性コネクタの弾性は、前記アームの隣接部分がそれぞれ前記開口の隣接部分に係合することで規制された、最大６自由度での、前記アームの独立した動作を許容し、
   前記アームに加えられた力を吸収する可動関節。
2. 前記最大６自由度での前記アームの独立した動作は、前記アームおよび前記開口の少なくともいずれかの隣接部分の形状の選択と、前記弾性コネクタの弾性特性の選択との少なくともいずれかによって規制される請求項１に記載の可動関節。
3. 前記最大６自由度での前記アームの独立した動作は、人または動物の関節の最大６自由度の解剖学的動作を実質的に模倣するように規制されている請求項２に記載の可動関節。
4. 前記弾性コネクタは、前記アームに加えられた引っ張り負荷に抵抗するために予め張力が付与されている請求項１から３のいずれかに記載の可動関節。
5. 前記弾性コネクタは、弾性部材の中に予め張力を付与した部材が設けられている請求項４に記載の可動関節。
6. 前記弾性コネクタは、前記アームの端部を前記開口の中で取り外し可能に接続する請求項１から５のいずれかに記載の可動関節。
7. １つの穴によって接続された２つの間隔を空けた開口をそれぞれ有する複数の本体と、
   前記開口に受け入れられる端部を有する２つのアームと、
   前記穴を貫通し、前記開口の中の前記アームの前記端部を取り外し可能に接続する弾性コネクタとを含み、
   前記弾性コネクタの弾性は、前記アームの隣接部分がそれぞれ前記開口の隣接部分に係合することで規制された、最大６自由度での、前記アームの独立した動作を許容し、
   前記アームに加えられた力を吸収し、
   前記本体の前記開口の前記隣接部分は、他の前記本体の前記開口の前記隣接部分と異なる形状に形成され、前記本体の交換により、前記最大６自由度での前記アームの独立した動作を選択的に規制できる可動関節システム。
8. 請求項１から６の少なくともいずれかに記載の可動関節によって、人または動物の関節の相対動作を補助するための、接続された２つの保持部を含む人または動物の関節用の関節補助装置。
9. 請求項７に記載の可動関節によって、人または動物の関節の相対動作を補助するための、接続された２つの保持部を含む人または動物の関節用の関節補助装置。
10. 前記関節補助装置は、膝ギプスであって、前記２つの保持部は、上腿部および下腿部である請求項８または９に記載の関節補助装置。
11. 前記関節補助装置は、足首ギプスであって、前記２つの保持部は、下腿部および足部である請求項８または９に記載の関節補助装置。
12. 実質的に、添付した図面に記載した可動関節。
13. 実質的に、添付した図面に記載した可動関節システム。
14. 実質的に、添付した図面に記載した関節補助装置。

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