JP2009247734A - 筋力補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲動作と伸展動作とを行わせるためにエアシリンダーを用いるとともに、このエアシリンダーを固定した状態で回転運動を得ることができる筋力補助装置を提供すること。
【解決手段】本発明の筋力補助装置は、関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具１０と、関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具２０と、第１の装着具１０と第２の装着具２０とを連結する弾性関節又は多軸関節とを備え、使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援し、第１の装着具１０に一端を、第２の装着具２０に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構４０を有し、リンク機構４０の直進運動として直動駆動部を用いることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置に関するものである。

気体・液体・固体の物質またはそれらの混合体を注入すると、長手方向は拘束され径方向に膨らむことを特徴とするチューブを持ち、そのチューブの外部に長手方向および径方向に伸縮する円筒型スリーブを配置し、両端を拘束し、片端に注入口を設け、チューブにポリエステル系・ポリアミド系・ポリエチレン系・ポリイミド系・ポリスチレン系・ポリカーボネート系のいずれか／もしくは混合されたフィルムまたは繊維を用いた動力装置が既に提案されている（特許文献１）。
特開２００４−１０５２６３号公報 特願２００７−３４０６７３号

しかし、この種の動力装置では、収縮方向に対してしか駆動力を発生しないため、屈曲動作と伸展動作とを行わせるためには、最低２つの装置が必要となってしまう。
一方、１軸関節による駆動では、動作によって装着部のズレが発生してしまうため、これを解消する手段として、多軸関節や弾性関節を用いることが考えられる。
しかし、装着具の連結として多軸関節や弾性関節を用いる場合には、モータなどの回動駆動部によって直接回転力を発生させ、関節を中心とした回動動作をさせるには、連結部の軸が一意的に定まらないため、モータの配置、作用点を適切に設けることができない。
また、仮に適切な配置を行えたとしても、関節の周辺に配置する機構が大掛かりとなり、装着感が悪化するといった問題が生じる。
また、関節から離れた場所に作用点を配置し、エアシリンダーや人工筋の直進運動で回 動を実現する方法も考えられるが、この場合には、回動に伴ってエアシリンダーや人工筋が装着具から突出するため、やはり機構が大げさになり、装着を目的とした筋力補助装置には不向きであった。

そこで本発明は、屈曲動作と伸展動作とを行わせるために直動駆動部を用いるとともに、この直動駆動部を固定した状態で回転運動を得ることができる筋力補助装置を提供することを目的とする。
また本発明は、逆ぞりを規制し、単純な一軸動作ではない関節動作に合わせた動作を行わせることができる筋力補助装置を提供することを目的とする。
また本発明は、シリンダーロッドに伸縮方向以外の方向に負荷が加わることを防止することができる筋力補助装置を提供することを目的とする。
また本発明は、特に関節周辺の機構をコンパクトにし、駆動部が装着具から大きく突出しない筋力補助装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の筋力補助装置は、関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具と、前記関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具と、前記第１の装着具と前記第２の装着具とを連結する弾性関節又は多軸関節とを備え、使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置であって、前記第１の装着具に一端を、前記第２の装着具に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構を有し、前記リンク機構の直進運動として直動駆動部を用いることを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置おいて、前記リンク機構を、複数のロッドと、隣り合う前記ロッドを回動可能に連結するリンク部と、隣り合う前記ロッドの回動角度を規制する逆ぞり規制部とにより構成することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載の筋力補助装置おいて、少なくとも３つの前記ロッドを用い、少なくとも２つの前記リンク部を用いることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置おいて、前記直動駆動部として前記エアシリンダーを用い、前記エアシリンダーのシリンダーロッドに連結するホイールと、前記リンク機構に連結するブリッジと、前記シリンダーロッドの伸縮方向を摺動方向として配置するリニアスライダーとを有し、前記ホイールと前記ブリッジとを、前記ホイールの半径方向に変位可能に設け、前記ブリッジを前記リニアスライダーに摺動自在に設けることを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置おいて、前記リンク機構の前記他端を、接続部材を介して前記第２の装着具に設け、前記リンク機構の前記他端と前記接続部材とを、前記リンク機構の長手方向に垂直な方向に変位可能に設けることを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置おいて、前記リンク機構を、前記第１の装着具の一方の側部に設ける一方側リンク機構と、前記第１の装着具の他方の側部に設ける他方側リンク機構とより構成し、前記直動駆動部を、前記一方側リンク機構に対応する一方側直動駆動部と、前記他方側リンク機構に対応する他方側直動駆動部とより構成することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の筋力補助装置おいて、前記第１の装着具が、一方側第１の装着具と他方側第１の装着具とに分離し、前記第２の装着具が、一方側第２の装着具と他方側第２の装着具とに分離し、前記一方側リンク機構を前記一方側第１の装着具及び前記一方側第２の装着具に、前記他方側リンク機構を前記他方側第１の装着具及び前記他方側第２の装着具に設けることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置おいて、前記第１の装着具が上腕に、前記第２の装着具が前腕に配置され、前記リンク機構が前記関節よりも外側に配置することを特徴とする。

本発明によれば、直動駆動部を固定した状態で回転運動を得ることができる。また、本発明によれば、逆ぞりを規制し、単純な一軸動作ではない関節動作に合わせた動作を行わせることができる。また、本発明によれば、シリンダーロッドに伸縮方向以外の方向に負荷が加わることを防止することができる。

本発明の第１の実施の形態による筋力補助装置は、第１の装着具と第２の装着具を弾性関節又は多軸関節で連結し、第１の装着具に一端を、第２の装着具に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構を有し、リンク機構の直進運動として直動駆動部を用いるものである。本実施の形態によれば、直動駆動部を固定した状態で回転運動を得ることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、リンク機構を、複数のロッドと、隣り合うロッドを回動可能に連結するリンク部と、隣り合うロッドの回動角度を規制する逆ぞり規制部とにより構成するものである。本実施の形態によれば、規制された所定の角度までの逆ぞりを利用し、限られたストロークの下でリンク機構を円滑に回動させることで、有効な回転角度（軌跡）で屈曲／伸展を行い、関節の動作に合わせた動作を行わせることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態による筋力補助装置において、少なくとも３つのロッドを用い、少なくとも２つのリンク部を用いるものである。本実施の形態によれば、少なくとも２つのリンク部によって、単純な一軸動作ではない関節動作に合わせた動作を実現することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、直動駆動部としてエアシリンダーを用い、エアシリンダーのシリンダーロッドに連結するホイールと、リンク機構に連結するブリッジと、シリンダーロッドの伸縮方向を摺動方向として配置するリニアスライダーとを有し、ホイールとブリッジとを、ホイールの半径方向に変位可能に設け、ブリッジをリニアスライダーに摺動自在に設けるものである。本実施の形態によれば、装着者の体型の相違や装着ずれによって生じるシリンダーロッドの伸縮方向以外の方向に加わる負荷を、ホイールとブリッジとを、ホイールの半径方向に変位可能に設けることで緩和することができ、またブリッジをリニアスライダーに摺動自在に設けることでシリンダーロッドに伸縮方向以外の方向に負荷が加わることを防止することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、リンク機構の他端を、接続部材を介して第２の装着具に設け、リンク機構の他端と接続部材とを、リンク機構の長手方向に垂直な方向に変位可能に設けるものである。本実施の形態によれば、装着者の体型の相違や装着ずれによって生じるリンク機構の長手方向以外の方向に加わる負荷を緩和することができ、リンク機構の破損を防止することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、リンク機構を、第１の装着具の一方の側部に設ける一方側リンク機構と、第１の装着具の他方の側部に設ける他方側リンク機構とより構成し、直動駆動部を、一方側リンク機構に対応する一方側直動駆動部と、他方側リンク機構に対応する他方側直動駆動部とより構成するものである。本実施の形態によれば、装着具の両側部にリンク機構を設けて動作させるため、安定した動作を確保することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第６の実施の形態による筋力補助装置において、第１の装着具が、一方側第１の装着具と他方側第1の装着具とに分離し、第２の装着具が、一方側第２の装着具と他方側第２の装着具とに分離し、一方側リンク機構を一方側第１の装着具及び一方側第２の装着具に、他方側リンク機構を他方側第１の装着具及び他方側第２の装着具に設けるものである。本実施の形態によれば、装着具を一方側と他方側に分離することができるため、使用者への装着を容易に行うことができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、第１の装着具が上腕に、第２の装着具が前腕に配置され、リンク機構が関節よりも外側に配置するものである。本実施の形態によれば、肘の屈曲動作によるリンク機構の関節への圧迫を防止することができる。

以下に、本発明の筋力補助装置の一実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例における筋力補助装置の斜視図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図、図３は同筋力補助装置の要部斜視図、図４は同筋力補助装置の機構説明図、図５は同接続部材の要部斜視図、図６は図５の破線枠で囲む箇所を他の方向から見た斜視図、図７は図６に示す状態から一部の部材を取り外した状態を示す斜視図、図８は同筋力補助装置の伸展状態を示す側面図、図９は同筋力補助装置の屈曲状態を示す側面図である。

本実施例による筋力補助装置は、図１及び図２に示すように、関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具１０と、関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具２０と、第１の装着具１０と第２の装着具２０とを連結するバネ関節３０とを備えている。なお、本実施例では、弾性関節としてバネ関節３０を示すが、バネ以外の弾性体による変形を関節として用いることもできる。また、バネ関節３０のような弾性関節以外にも、２軸以上の回転軸を備えた多軸関節を用いることもできる。
本実施例では、肘に設ける場合を示しており、第１の装着具１０は上腕に配置され、第２の装着具２０は前腕に配置される。肘以外には、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置にも適用できる。
本実施例による筋力補助装置は、第１の装着具１０に一端を第２の装着具２０に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構４０と、リンク機構４０の直進運動として用いるエアシリンダー５０を備えている。なお、本実施例では、直動駆動部としてエアシリンダー５０を示すが、その他の直動駆動部としては、ガスシリンダー、油圧シリンダー、モータの回転により直進運動するラックピニオン、モータの回転により直進運動するボールネジ、その他ソレノイドやリニアモータを用いることもできる。

第１の装着具１０は、上腕の内側に配置される一方側第１の装着具１０Ａと、上腕の外側に配置される他方側第1の装着具１０Ｂとで構成する。図２に示すように、一方側第１の装着具１０Ａと他方側第1の装着具１０Ｂとを上腕の下側で連結し、第1の装着具１０の上方だけを開放することで、第1の装着具１０を下方から上腕に装着することができる。なお、一方側第１の装着具１０Ａと他方側第1の装着具１０Ｂとは、上腕の下側以外で連結してもよい。また、一方側第１の装着具１０Ａと他方側第1の装着具１０Ｂとを分離することで、一方側第１の装着具１０Ａと他方側第１の装着具１０Ｂとをそれぞれ上腕の内側と外側から挟み込むようにして上腕に装着することができる。
第２の装着具２０は、一方側第２の装着具２０Ａと他方側第２の装着具２０Ｂとで構成する。第２の装着具２０についても、一方側第２の装着具２０Ａと他方側第２の装着具２０Ｂとを前腕の下側で連結する。なお、一方側第２の装着具２０Ａと他方側第２の装着具２０Ｂとは、上腕の下側以外で連結してもよい。また、第１の装着具１０と同様に、一方側第２の装着具２０Ａと他方側第２の装着具２０Ｂとに分離してもよい。
一方側第１の装着具１０Ａ及び一方側第２の装着具２０Ａには、一方側リンク機構４０Ａを設けている。また、他方側第１の装着具１０Ｂ及び他方側第２の装着具２０Ｂには、図示はしないが他方側リンク機構を設けている。
エアシリンダー５０についても、図２に示すように、一方側リンク機構４０Ａに対応する一方側エアシリンダー５０Ａと、他方側リンク機構に対応する他方側エアシリンダー５０Ｂとによって構成される。

リンク機構４０を、一方側リンク機構４０Ａについて図１及び図３を用いて説明する。他方側リンク機構については図示しないが、一方側リンク機構４０Ａと同じ構成となっている。
一方側リンク機構４０Ａは、複数のロッド４１Ａと、隣り合うロッド４１Ａを回動可能に連結するリンク部４２Ａと、隣り合うロッド４１Ａの回動角度を規制する逆ぞり規制部４３Ａとより構成する。本実施例では、３つのロッド４１Ａを用い、２つのリンク部４２Ａを用いている。リンク部４２Ａは、ロッド４１Ａの一方の側辺に回転中心を片寄らせて設け、所定の角度までの逆ぞりを規制する逆ぞり規制部４３Ａは、ロッド４１Ａの他方の側辺に設けている。
このようにリンク機構４０を複数のロッド４１Ａとリンク部４２Ａによって、多軸で構成するため、装着具の連結がバネ関節３０のような弾性関節や多軸関節であっても、エアシリンダー５０の直進運動を、回転運動に有効に変換することが可能であり、かつ装着具１０、２０を連結した関節の動きを阻害しない。またこの機構では、関節の周辺に配置されるのはリンク機構４０だけであり、シリンダー３０などの直動駆動部は、第１の装着具１０の周囲に固定されているため、直動駆動部による突出部が少なく、コンパクトな機構を実現できる。

一方側エアシリンダー５０Ａのシリンダーロッド５１Ａには、ホイール５２Ａを連結している。
ホイール５２Ａは、図３及び図４に示すように、２枚の円盤を所定間を有して構成されており、シリンダーロッド５１Ａと同軸に設けている。ホイール５２Ａは、図４に示すように、シリンダーロッド５１Ａとねじ連結され、シリンダーロッド５１Ａの軸方向に配置位置を調整可能に設けている。ホイール５２Ａとシリンダーロッド５１Ａとをねじ連結によって調整可能な構成とすることで、使用者の体格に合わせた調整を行うことができる。
一方側エアシリンダー５０Ａの両側部には、シリンダーロッド５１Ａの伸縮方向を摺動方向として配置する一対のリニアスライダー６１Ａを配置している。
一対のリニアスライダー６１Ａには、ブリッジ６２Ａが設けられ、ブリッジ６２Ａはリニアガイド６５Ａに沿って摺動する。
ブリッジ６２Ａは、一方側リンク機構４０Ａの一端に連結されるとともに、ホイール５２Ａと連結される。なお、ブリッジ６２Ａは、ホイール５２Ａの半径方向に変位可能に連結される。
このように、一方側リンク機構４０Ａの一端にブリッジ６２Ａを連結し、ブリッジ６２Ａをリニアガイド６５Ａに沿って移動させることで、一方側リンク機構４０Ａからの横荷重はリニアスライダー６１Ａで受ける。また、ブリッジ６２Ａとホイール５２Ａとは、半径方向に変位可能に連結されているので、リンク機構からの横荷重をシリンダーロッド５１Ａで受けることはない。

一方側リンク機構４０Ａの他端は、図５から図７に示すように、接続部材７０Ａを介して一方側第２の装着具２０Ａに設けている。一方側リンク機構４０Ａの他端を構成するロッド４１Ａには、図７に示すように、回転軸４４Ａが設けられ、この回転軸４４Ａは、接続部材７０Ａに設けられた長穴７１Ａ内に配置される。そして、図６に示すように回転軸４４Ａには、抜け防止部材４５Ａが設けられて、回転軸４４Ａと接続部材７０Ａとが連結される。この連結状態において、回転軸４４Ａは、長穴７１Ａ内で一方側リンク機構４０Ａの長手方向に垂直な方向に変位することができる。
このように、回転軸４４Ａと接続部材７０Ａとが変位可能に連結されているので、一方側リンク機構４０Ａと一方側第２の装着具２０Ａとにずれが生じ負荷が加わっても、この連結によって
変位を吸収することができる。

次に、図８及び図９を用いて本実施例による筋力補助装置の動作について説明する。
エアシリンダー５０がシリンダーロッド５１を引き込んだ状態では、図８に示すように、リンク機構４０を構成するロッド４１は直線上に配置されている。この状態が同筋力補助装置の伸展状態である。
エアシリンダー５０がシリンダーロッド５１を押し出すことで、シリンダーロッド５１に連結しているホイール５２がブリッジ６２に対して負荷を加える。ブリッジ６２に負荷が加わると、ブリッジ６２はリニアガイド６５に沿って摺動する。
ブリッジ６２がリニアガイド６５に沿って摺動すると、ブリッジ６２によってリンク機構４０には、リンク機構４０の一端側から負荷が加わる。リンク機構４０の他端はリンク機構４０の長手方向には接続部材７０によって規制されているため、リンク機構４０には両端から圧縮荷重が加わり、ロッド４１は逆ぞり規制部材４３で規制される所定の角度で逆ぞり状態となる。またバネ関節３０はリンク機構４０によって引っ張り荷重が加わる。従って、リンク機構４０は、バネ関節３０の圧縮方向の力によってバネ関節３０側に力が加わり、バネ関節３０側に屈曲し、その後シリンダーロッド５１の直線移動に伴って、屈曲動作を継続して図９に示す状態となる。この状態が同筋力補助装置の屈曲状態である。なお、動作初期状態や装着ずれなどの原因によって、他の方向の荷重が加わったとしても、逆ぞり規制部４３によって回転方向が規制されているため、ロッド４１は、逆ぞり規制部４３によって規制されていない方向に屈折する。

以上のように本発明は、第１の装着具１０に一端を、第２の装着具２０に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構４０を有し、リンク機構４０の直進運動としてエアシリンダー５０を用いることで、エアシリンダー５０を固定した状態で回転運動を得ることができる。
また本発明は、リンク機構４０を、複数のロッド４１と、隣り合うロッド４１を回動可能に連結するリンク部４２と、隣り合うロッド４１の回動角度を規制する逆ぞり規制部４３とで構成することで、規制された所定の角度までの逆ぞりを利用し、限られたストロークの下でリンク機構を円滑に回動させることで、有効な回転角度（軌跡）で屈曲／伸展を行い、関節の動作に合わせた動作を行わせることができる。特に、少なくとも３つのロッド４１と、少なくとも２つのリンク部４２を用いることで、単純な一軸動作ではない関節動作に合わせた動作を実現することができる。
また本発明は、ホイール５２とブリッジ６２とを、ホイール５２の半径方向に変位可能に設けることで、装着者の体型の相違や装着ずれによって生じるシリンダーロッド５１の伸縮方向以外の方向に加わる負荷を、緩和することができ、また、ブリッジ６２をリニアスライダー６１に摺動自在に設けることでシリンダーロッド５１に伸縮方向以外の方向に負荷が加わることを防止することができる。
また本発明は、リンク機構４０の他端と接続部材７０とを、リンク機構４０の長手方向に垂直な方向に変位可能に設けることで、装着者の体型の相違や装着ずれによって生じるリンク機構４０の長手方向以外の方向に加わる負荷を緩和することができ、リンク機構４０の破損を防止することができる。
また本発明は、装着具１０、２０の両側部にリンク機構４０を設けて動作させるため、安定した動作を確保することができる。
また本発明は、装着具１０、２０を一方側と他方側に分離することで、使用者への装着を容易に行うことができる。

本発明は、肘、膝、又は手首などの関節での動作を支援する筋力補助装置として利用できる。

本発明の一実施例における筋力補助装置の斜視図 図１のＸ−Ｘ線断面図成図 同筋力補助装置の要部斜視図 同筋力補助装置の機構説明図 同接続部材の要部斜視図 図５の破線枠で囲む箇所を他の方向から見た斜視図 図６に示す状態から一部の部材を取り外した状態を示す斜視図 同筋力補助装置の伸展状態を示す側面図 同筋力補助装置の屈曲状態を示す側面図

符号の説明

１０ 第１の装着具
２０ 第２の装着具
３０ バネ関節
４０ リンク機構
４１ ロッド
４２ リンク部
４３ 接続部材
４４ 回転軸
５０ エアシリンダー
５１ シリンダーロッド
５２ ホイール
６１ リニアスライダー
６２ ブリッジ
６５ リニアガイド
７０ 接続部材

Claims (8)

1. 関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具と、
   前記関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具と、
   前記第１の装着具と前記第２の装着具とを連結する弾性関節又は多軸関節とを備え、
   使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置であって、
   前記第１の装着具に一端を、前記第２の装着具に他端を設けて直進運動を回転運動に変換するリンク機構を有し、
   前記リンク機構の直進運動として直動駆動部を用いることを特徴とする筋力補助装置。
2. 前記リンク機構を、複数のロッドと、隣り合う前記ロッドを回動可能に連結するリンク部と、隣り合う前記ロッドの回動角度を規制する逆ぞり規制部とにより構成することを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。
3. 少なくとも３つの前記ロッドを用い、少なくとも２つの前記リンク部を用いることを特徴とする請求項２に記載の筋力補助装置。
4. 前記直動駆動部としてエアシリンダーを用い、前記エアシリンダーのシリンダーロッドに連結するホイールと、前記リンク機構に連結するブリッジと、前記シリンダーロッドの伸縮方向を摺動方向として配置するリニアスライダーとを有し、前記ホイールと前記ブリッジとを、前記ホイールの半径方向に変位可能に設け、前記ブリッジを前記リニアスライダーに摺動自在に設けることを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。
5. 前記リンク機構の前記他端を、接続部材を介して前記第２の装着具に設け、前記リンク機構の前記他端と前記接続部材とを、前記リンク機構の長手方向に垂直な方向に変位可能に設けることを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。
6. 前記リンク機構を、前記第１の装着具の一方の側部に設ける一方側リンク機構と、前記第１の装着具の他方の側部に設ける他方側リンク機構とより構成し、前記直動駆動部を、前記一方側リンク機構に対応する一方側直動駆動部と、前記他方側リンク機構に対応する他方側直動駆動部とより構成することを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。
7. 前記第１の装着具が、一方側第１の装着具と他方側第１の装着具とに分離し、前記第２の装着具が、一方側第２の装着具と他方側第２の装着具とに分離し、前記一方側リンク機構を前記一方側第１の装着具及び前記一方側第２の装着具に、前記他方側リンク機構を前記他方側第１の装着具及び前記他方側第２の装着具に設けることを特徴とする請求項６に記載の筋力補助装置。
8. 前記第１の装着具が上腕に、前記第２の装着具が前腕に配置され、前記リンク機構が前記関節よりも外側に配置することを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。