JP2012090758A - 脚装具 - Google Patents

Abstract

【課題】脚の形状が相違するユーザに共通に使うことができ、脚動作の妨げにならない構造の脚装具を提供する。
【解決手段】脚装具１０は、大腿に取り付けられる大腿リンク２０、下腿に取り付けられる下腿リンク３０、足に取り付けられる足リンク４０を備える。下腿リンク３０は、下腿上部フレーム３１、下腿下部フレーム３３、及び、下腿中間フレーム３２から構成される。下腿上部フレーム３１は、両端が夫々膝関節の側方で大腿リンク２０と回転可能に連結されており、長手方向の略中央が膝前方斜めに位置するＵ字状をなしている。下腿下部フレーム３３は、両端が夫々足首関節の側方で足リンク４０と回転可能に連結されており、長手方向の略中央が足首前方斜め上に位置するＵ字状をなしている。そして、下腿中間フレーム３２は、上端が膝前方斜め下で下腿上部フレーム３１に連結しているとともに、下端が足首前方斜め上で下腿下部フレーム３３に連結している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ユーザの膝関節にトルクを加えて脚の動作を補助する脚装具に関する。

ユーザの腕や脚に装着し、アクチュエータによって関節にトルクを加え、ユーザの動作を補助する装具が研究されている（例えば特許文献１）。本明細書は、特に、脚の動きを補助する装置に関し、そのような装置を脚装具と称する。脚の膝関節に加わる負荷が大きいため、脚装具の一つの範疇は、ユーザの膝に加わる負荷を軽減するための装具である。あるいは、脚装具は、膝関節を自由に動かせないユーザのために、歩行動作がスムーズとなるように下腿の揺動を補助する。そのような脚装具は典型的には、大腿に装着される大腿リンクと下腿に装着される下腿リンクがユーザの膝関節と同軸の位置で連結されている構造を有する。そして、大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備える。アクチュエータは典型的にはモータであるが、油圧あるいは空気圧を利用するものであってもよい。

特開２００７−１３０２３４号公報

ユーザに装着する脚装具の場合、様々な体型（脚の形状）のユーザに共通して使えることが、コストの観点から好ましい。ここで、脚装具を大きくすると、様々な体型のユーザに装着することはできるが、ユーザの動作を妨げることになりかねない。逆に、ユーザの体型に合わせてコンパクトに作れば、ユーザ毎の専用機を作ることになり、コスト増となる。本明細書が開示する新規な技術は、体型が相違するユーザに共通に使うことができ、しかも動作のじゃまにならない構造の脚装具を提供する。

特に下腿は、Ｘ脚やＯ脚と呼ばれるように、ユーザ毎の形状の差が顕著な部分である。従って、下腿の形状の相違に対応できる下腿リンクの構造が重要である。発明者らは、下腿の形状は、正面から見るとＸ脚やＯ脚などの特徴によって形状の相違が大きいが、側面から見ると脛はほぼ真っ直ぐであるという、人体共通の身体的特徴に着目し、脛の前方の空間を積極的に利用するとともに下腿側方の空間には構造体を配置しない新規な下腿リンク構造を有する脚装具を創作した。

本明細書が開示する脚装具は、ユーザの大腿に取り付けられる大腿リンク、下腿に取り付けられる下腿リンク、足に取り付けられる足リンク、及び、大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させるアクチュエータを備える。この脚装具は、アクチュエータによってユーザの膝関節にトルクを加え、脚の動きを支援する。本明細書が開示する脚装具は、下腿リンクの構造に特徴がある。下腿リンクは、下腿上部フレーム、下腿下部フレーム、及び、下腿中間フレームから構成される。下腿上部フレームは、脚装具が装着されたときに、両端が夫々膝関節の側方で大腿リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が膝前方斜め下に位置するＵ字状をなしている。下腿下部フレームは、脚装具が装着されたときに、両端が夫々足首関節の側方で足リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が足首前方斜め上に位置するＵ字状をなしている。そして、下腿中間フレームは、上端が膝前方斜め下で下腿上部フレームに連結しているとともに、下端が足首前方斜め上で下腿下部フレームに連結している。

下腿上部フレームは、大腿リンクとの連結構造の強度を受け持つ部材であり、下腿下部フレームは、足リンクとの連結構造の強度を受け持つ部材である。下腿中間フレーム（以下、単に「中間フレーム」と称する）は、下腿上部リンクと下腿下部リンクを連結し、アクチュエータのトルクを、大腿リンクと足リンクを介してユーザに伝達するための部材である。

中間フレームは、脚装具がユーザに取り付けられたときに中間フレーム全体が下腿よりも前側に位置する。この下腿リンクは、ユーザの脛の前方で下腿上部フレームと下腿下部フレームを連結する構造を有しており、脛の側方には構造体を配置しない。従って、フクラハギ部分の筋肉の付き方の個人差の影響を気にせずに用いることができる。すなわち、脚（特に下腿）の形状の異なるユーザに対して共通に用いることができる。また、正面から見て下腿の内側方に構造体が配置されていないので、歩行時など、他方の脚の動きを妨げない。

さらに下腿の形状の相違に対応するため、下腿リンクは、下腿上部フレームに対する下腿中間フレームの取り付け角度が調整可能に構成されていることが好ましい。下腿上部フレームのコンパクトな形状を保持したまま、Ｘ脚のユーザであってもＯ脚のユーザであっても用いることができるからである。また、下腿リンクは、下腿上部フレームと下腿下部フレームの間の長さが調整可能に構成されていることが好ましい。脚長の異なるユーザであっても同じフレームを用いることができるからである。

大腿リンクについては、両端が夫々膝関節の側方で下腿リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が膝前方斜め上に位置するＵ字状の大腿下部フレームと、大腿下部フレームに固定されているとともに、ユーザの大腿に巻きつけられるベルトを有していると好ましい。

本明細書が開示する技術は、下腿の形状が相違するユーザに共通に使うことができ、しかも脚動作の妨げにならない構造の脚装具を提供する。

脚装具全体の斜視図である。 図２（Ａ）は脚装具の正面図であり、図２（Ｂ）は脚装具の側面図である。 脚装具の膝付近の拡大図である。 図３の破線IVで囲った部分の模式的構造図である。

本実施例の脚装具１０は、主として一方の脚の膝関節を自由に動かすことができない非健常者の脚動作補助を目的とした装置である。脚装具１０は、ユーザＨの大腿に取り付けられる大腿リンク２０、下腿に取り付けられる下腿リンク３０、足に取り付けられる足リンク４０から構成される。大腿リンク２０と下腿リンク３０は、一対のジョイント１２ａ、１２ｂによって相互に回転可能に連結されている。一対のジョイント１２ａ、１２ｂは、ユーザＨの膝関節の夫々の側方に位置し、膝関節の回転軸と同軸に位置する。なお、ジョイント１２ａには、モータ１４（アクチュエータ）とエンコーダ（不図示）が搭載されており、モータ１４が下腿リンク３０を大腿リンク２０に対して揺動させる。下腿リンク３０と足リンク４０は、一対のジョイント１６ａ、１６ｂによって相互に回転可能に連結されている。一対のジョイント１６ａ、１６ｂは、ユーザＨの足首関節の夫々の側方に位置し、足首関節のピッチ軸回りの回転軸と同軸に位置する。このように、脚装具１０は、人体の大腿、下腿、及び、足の連結構造と同等の機械的構造を有している。脚装具１０は、ユーザＨに取り付けられ、ユーザの脚（下腿と足）の揺動に合わせて下腿リンク３０と足リンク４０が揺動する。なお、足リンク４０には、ユーザが履く靴１８が固定されているが、理解を助けるため、靴１８は仮想線（２点鎖線）で描いてある。

脚装具１０はさらに、コントローラ（不図示）を有している。コントローラは、エンコーダ（不図示）の検出データに基づいて、適宜にモータ１４を制御する。例えば、脚装具１０は、ユーザの歩行動作に合わせて下腿リンク３０を揺動させ、ユーザの下腿（膝関節）の動きを支援する。あるいは、脚装具１０は、ユーザの着座動作、起立動作に合わせてモータ１４を制御し、それらの動作時に膝関節に加わる負荷を軽減する。なお、制御アルゴリズムについての説明は割愛する。

大腿リンク２０は、大腿下部フレーム２２と、ベルト２１を有する。大腿下部フレーム２２は、両端が夫々膝関節の側方で下腿リンク３０と回転可能に連結されている。また、大腿下部フレーム２２は、略Ｕ字状をなしており、その長手方向の略中央が膝関節斜め上に位置する。ベルト２１は、その前方が大腿下部フレーム２２の裏側に固定されている。大腿リンク２０は、ベルト２１をユーザの大腿に巻き着けて固定される。

下腿リンク３０は、下腿上部フレーム３１、下腿下部フレーム３３、及び、中間フレーム３２で構成される。下腿上部フレーム３１は、両端が夫々膝関節の側方で大腿リンク２０（大腿下部フレーム２２）と回転可能に連結されている。なお、大腿下部フレーム２２と下腿上部フレーム３１は、一対のジョイント１２ａ、１２ｂによって連結される。また、下腿上部フレーム３１は、略Ｕ字形状をなしており、ユーザに装着されたとき、その長手方向の略中央が膝前方斜め下に位置する。下腿下部フレーム３３は、両端が夫々ユーザＨの足首関節の側方で足リンク４０と回転可能に連結されている。なお、下腿下部フレーム３３と足リンク４０は、一対のジョイント１６ａ、１６ｂによって連結される。また、下腿下部フレーム３３は、略Ｕ字形状をなしており、その長手方向の略中央がユーザＨの足首前方斜め上に位置する。中間フレーム３２は、上端が膝関節前方斜め下で下腿上部フレーム３１に連結しているとともに、下端が足首前方斜め上で下腿下部フレーム３３に連結している。中間フレーム３２は、直線状／板状の部材であり、下腿上部フレーム３１の中央と下腿下部フレーム３３の中央を直線的に連結している。なお、図１から図３では、下腿上部フレーム３１と中間フレーム３２の連結部付近の詳細な構造の図示が省略されていることに留意されたい。その構造については図４を参照して後述する。

図２（Ｂ）の側面図によく現れているように、中間フレーム３２は、脚装具１０がユーザＨに取り付けられたときにその全体が下腿よりも前側に位置する。また、図２（Ａ）の正面図と図２（Ｂ）によく現れているように、下腿リンク３０は、ユーザＨに取り付けられたとき、ユーザの下腿（特にフクラハギ）の両側方に構造体を要しない。図１、図２から明らかなように、下腿リンク３０は極めてコンパクトであるとともに、ユーザの下腿の幅（特にフクラハギの大きさや形状）に関わりなく、また、ユーザの下腿の形状（例えばＸ脚の形状やＯ脚の形状）に容易に調整可能に取り付けることができる。また、下腿リンク３０は、下腿を一巡して囲む部材を有していないので、ユーザＨの前方から装着することができる。即ち、この下腿リンク３０は装着しやすいというという利点も備えている。これらの利点は、脚前方を通るＵ字形状の下腿上部フレーム３１と下腿下部フレーム３３、及び、下腿上部フレーム３１と下腿下部フレーム３３とを脛前方で連結する中間フレーム３２の構造とレイアウトによって達成される。さらに、下腿リンク３０は特に正面からみて下腿の内側に構造体を配置していないので、歩行時に他方の脚の動きを妨げることがない。

また、図２（Ａ）によく現れているように、大腿リンク２０と下腿リンク３０は、一対のジョイント１２ａ、１２ｂによって膝関節の両側で連結されており、下腿リンク３０と足リンク４０は一対のジョイント１６ａ、１６ｂによって足首関節の両側で連結されている。そして、正面からみて、中間フレーム３２が、下腿上部フレーム３１と下腿下部フレーム３３をそれぞれのほぼ中央で連結している。即ち、下腿リンク３０は、正面からみてその形状の左右対称性がよい。そのため、モータ１４が発生するトルクは、膝の両側のジョイント１２ａ、１２ｂに均等に加わるとともに、足首両側のジョイント１６ａ、１６ｂに均等に加わる。従って、脚装具１０は、コンパクトであるだけでなく、モータのトルクをバランスよく（即ち、モータのトルクが局所的に偏って加わることなく）ユーザの脚（下腿）に伝達することができる。

図４は、図３の破線IVで囲った部分、即ち、下腿上部フレーム３１と中間フレーム３２の連結部分の詳細構造を示す拡大図である。下腿上部フレーム３１と中間フレーム３２は、２本のピン３５ａ、３５ｂで固定される。下腿上部フレーム３１には、水平方向（ユーザが装着したときの状態において水平方向）に伸びるスリット３１ａ、３１ｂが形成されており、中間フレーム３２には、鉛直方向（ユーザが装着したときの状態において鉛直方向）に伸びるスリット３２ｃが形成されている。下腿上部フレーム３１のスリットと中間フレーム３２のスリットを重ね合わせて形成される貫通部分にピン３５ａ、３５ｂを挿入し、両者が固定される。図４から明らかなとおり、ピン３５ａ、３５ｂを緩めると、中間フレーム３２は、下腿上部フレーム３１に対する取り付け角度（人体ロール軸周りの取り付け角度）を容易に調整することができる。

また、中間フレーム３２は、第１フレーム３２ａが第２フレーム３２ｂに嵌り込む構造を有しており、第１フレーム３２ａは第２フレーム３２ｂに対して長手方向に伸縮自在である。第１フレーム３２ａは、ピン３８によって第２フレーム３２ｂに対して固定される。ピン３８を緩めると、中間フレーム３２の長さを容易に調整することができる。中間フレーム３２の長さを変えることは、下腿上部フレーム３１と下腿下部フレーム３３の間の長さを変えることに相当する。即ち、下腿リンク３０は、下腿上部フレーム３１と下腿下部フレーム３３の間の距離を容易に調整可能に構成されている。

実施例の脚装具１０に関する留意点を述べる。中間フレーム３２は、直線状の板材、あるいは直線状の筒材で作られている。図２（Ａ）によく現れているように、正面からみたときの中間フレーム３２の幅は、ユーザの下腿の幅よりも狭くなっている。大腿リンク２０（ベルト２１を除く）、下腿リンク３０、及び、足リンク４０（靴１８を除く）は、アルミなどの軽金属、あるいは、ＣＦＲＰなどの強化プラスチックで作られている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：脚装具
１２、１６：ジョイント
１４：モータ
１８：靴
２０：大腿リンク
２１：大腿下部フレーム
２２：ベルト
３０：下腿リンク
３１：下腿上部フレーム
３２：中間フレーム
３３：下腿下部フレーム
４０：足リンク

Claims (4)

1. ユーザの膝関節にトルクを加える脚装具であり、
   ユーザの大腿に取り付けられる大腿リンクと、
   ユーザの下腿に取り付けられる下腿リンクと、
   ユーザの足に取り付けられる足リンクと、
   大腿リンクに対して下腿リンクを揺動させるアクチュエータと、
   を備えており、
   下腿リンクは、
   両端が夫々膝関節の側方で大腿リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が膝前方斜め下に位置するＵ字状の下腿上部フレームと、
   両端が夫々足首関節の側方で足リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が足首前方斜め上に位置するＵ字状の下腿下部フレームと、
   上端が膝前方斜め下で下腿上部フレームに連結しているとともに、下端が足首前方斜め上で下腿下部フレームに連結している下腿中間フレームと、
   を有することを特徴とする脚装具。
2. 前記下腿リンクは、前記下腿上部フレームに対する下腿中間フレームの取り付け角度が調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の脚装具。
3. 前記下腿リンクは、下腿上部フレームと下腿下部フレームの間の長さが調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の脚装具。
4. 前記大腿リンクは、
   両端が夫々膝関節の側方で下腿リンクと回転可能に連結されており、長手方向の略中央が膝前方斜め上に位置するＵ字状の大腿下部フレームと、
   大腿下部フレームに固定されているとともに、ユーザの大腿に巻きつけられるベルトと、
   を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の脚装具。

Images