JP2012217746A - 脚装具 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザの脚の形状に容易に合わせられる脚装具を提供する。
【解決手段】歩行支援装置１００は、ユーザの脚の側方で脚に沿って伸びるフレームを有する。フレームは中間フレーム１６と下フレーム１７に分割できる。中間フレーム１６と下フレーム１７の連結部は、以下の突部４４、円筒状溝４６、及び、スリーブ４１で構成される。突部４４は、下フレーム１７の端部に形成されており円柱状外面を有する。その円柱の中心線ＣＰがユーザのロール軸方向に伸びている。円筒状溝４６は、中間フレーム１６フレームの下端に形成されている。円筒状溝４６は突部４４と係合する。スリーブ４１は、中間フレーム１６にスライド可能に取り付けられており、突部４４と円筒状溝４６の嵌合部を覆う。突部４４の円柱側面と円筒状溝４６の表面の夫々に、相互に係合するスプラインまたはセレーションが形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、ユーザの脚の動きを補助する脚装具に関する。

従来から知られている長下肢装具に加えて、近年ではアクチュエータによって下腿を積極的に動かす脚装具が研究されている。アクチュエータを有する脚装具は「歩行支援装置」、「パワードスーツ」など様々な呼称がある。本明細書で用いる「脚装具」という用語は、従来の長下肢装具とアクチュエータ付きの歩行支援装置を含む。

一つの脚装具を異なるユーザで用いる場合、脚装具の形状を個々のユーザの体型に合わせて調整する必要がある。例えば特許文献１には、ユーザの大腿近傍に配置されるフレームの長さをアクチュエータで調整する機構を備えた脚装具が開示されている。

ここで、本明細書で用いる座標軸に関する用語を説明しておく。ピッチ軸は、ユーザの体側方向（横方向）を向く軸を意味する。ロール軸は、ユーザが直立姿勢をとったときに前後方向を向く軸を意味する。ヨー軸は、ユーザが直立姿勢をとったときにユーザの体幹の長手方向を向く軸を意味する。別言すればヨー軸は鉛直方向を向く軸を意味する。なお、「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」は、ユーザに固定された座標系を基準として定義される。例えば、下腿のヨー軸は、下腿の長手方向に伸びる中心線に相当する。足のヨー軸は、足裏面と直交し、足首関節の回転軸を通る直線に相当する。本明細書では、脚装具を装着したユーザを基準にしたロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸を、脚装具のロール軸、ピッチ軸、及び、ヨー軸と呼称する。本明細書で用いる「ピッチ軸」、「ロール軸」、及び、「ヨー軸」という用語は、ロボット工学で一般的に用いられる用語と同じ意味で用いられる。

特開２００６−８７４７８号公報

体型の個人差は脚の長さだけではない。Ｘ脚やＯ脚という呼称があるように、下腿の形状にも個人差がある。即ち、ユーザを正面から観察したときに、脚の傾きに個人差がある。脚装具はそのような個人差に対しても簡単に調整する機構を備えていることが好ましい。

本明細書は、ユーザの脚の側方で脚に沿って伸びるフレームが上下に分離可能になっており、上側フレームと下側フレームのピッチ軸回りの連結角度を簡単に変更できる脚装具を提供する。この脚装具は、上側フレームと下側フレームの連結部の構造に特徴がある。

連結部は、上側フレームと下側フレームの一方の端部に設けられた突部と、他方の端部に設けられており突部と嵌合する溝と、嵌合部をロックするスリーブで構成される。突部は、円柱形状である（ただし、一部にはフレームとの連結のための形状を有しており、完全な円柱形状ではない）。即ち、突部は円柱状の外面（側面）を有する。また、突部は、円柱の中心線がユーザのロール軸方向に伸びるようにフレーム端部に設けられている。他方のフレームに設けられた溝は、円柱状の突部と嵌合するように円筒状に形成されている。

そして、突部の円柱側面と、円筒状溝の表面（溝内面）に、相互に係合するスプラインまたはセレーションが形成されている。以下では、簡単のため、スプラインまたはセレーションを単に「スプライン」と称する。嵌合部にスプラインを設けているので、スプラインの歯のピッチを分解能として上側フレームと下側フレームの連結角度を変更することができる。ここで、突部の円柱はロール軸方向に伸びているので、この連結部は、上側フレームと下側フレームがなすロール軸回りの角度を簡単に変更することができる。即ち、この脚装具は、正面からみたときのフレームの角度（鉛直方向に対する傾き）を簡単に変更することができる。従って、Ｘ脚やＯ脚といった、正面からみたときのユーザの脚の形状に合わせて脚装具の形状を簡単に調整することができる。

スリーブは、上側フレームと下側フレームのいずれか一方に、フレーム長手方向に沿ってスライド可能に備えられている。スリーブは、上側フレームと下側フレームを嵌合した後にスライドさせて、突部と円筒状溝の嵌合部を覆い、嵌合部が外れないようにロックする。フレーム（あるいはスリーブ）には、嵌合部を覆う位置でスリーブを固定するラッチ機構が設けられているとよい。ラッチ機構は、典型的にはボールプランジャでよい。

本明細書が開示する脚装具は、ユーザの脚の形状に合わせて上側フレームと下側フレームの角度を調整した上で両者を連結する。その後、スリーブをスライドさせ、連結が外れないように嵌合部を覆う。それだけの手順で調整が完了する。

本明細書が開示するフレーム連結機構は、従来の長下肢装具だけでなく、アクチュエータによって脚を積極的に動かすタイプの脚装具にも適用することができることに留意されたい。

実施例の歩行支援装置（脚装具）の斜視図である。 脚形状の異なるユーザに適用したときの歩行支援装置の形状変化を説明する図である。 フレーム連結部の拡大図である。 フレーム連結部の分解図である。 連結手順を説明する図である。 中間フレームと下フレームの連結角度の調整を説明する図である。 他の連結機構を説明する図である。

図を参照して実施例の歩行支援装置１００を説明する。歩行支援装置１００は、脚装具の一種である。なお、以下では、歩行支援装置１００を単に支援装置１００と称することがある。図１に、ユーザＨが装着した支援装置１００の模式的斜視図を示す。この支援装置１００は、ユーザＨの膝関節にトルクを加えて歩行動作を補助する。支援装置１００は、大腿リンク２、下腿リンク１２、足リンク２２によって構成される多リンク構造を有している。

図に示す座標系について説明する。図に示すＸＹＺ座標系において、Ｘ軸がロール軸に相当し、Ｙ軸がピッチ軸に相当し、Ｚ軸がヨー軸に相当する。ロール軸（Ｘ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの前後方向に相当し、ピッチ軸（Ｙ軸）は、ユーザの横方向（側方）に相当し、ヨー軸（Ｚ軸）は、ユーザＨが直立姿勢をとったときの上下方向（鉛直方向）に相当する。座標系は全ての図において共通である。

大腿リンク２は、ユーザＨの大腿に固定される。なお、大腿リンク２には、コントローラユニット３が取り付けられている。コントローラユニット３の内部には、支援装置１００を制御するための回路のほか、下腿リンク１２を揺動させるためのモータ４、及び、下腿リンク１２の回転角を計測する角度センサが内蔵されている。

下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿に沿って配置される。下腿リンク１２は、ユーザＨの下腿の側方両側に位置するメインフレーム１３ａ、１３ｂと、左右のメインフレームを連結する連結バー１１を有している。なお、メインフレーム１３ａ、１３ｂは、それぞれ３つのパーツに分割されるがその構造については後に詳しく説明する。

下腿リンク１２は、膝ジョイント５ａ、５ｂによって大腿リンク２に対して揺動可能に連結されている。膝ジョイント５ａ、５ｂは、ユーザＨの膝関節のピッチ軸と同軸に位置する。

コントローラユニット３に内蔵されたモータ４は、ユーザの膝側方外側に位置する膝ジョイント５ｂに連結している。モータ４を駆動することによって、下腿リンク１２がピッチ軸回りに揺動する。即ち、支援装置１００は、歩行動作に合わせて下腿リンク１２をピッチ軸回りに揺動させ、ユーザＨの膝関節にトルクを加え、歩行動作を補助する。モータ４はコントローラユニット３の内部の回路によって制御される。コントローラユニット３は、ユーザの歩行動作に同調するように下腿リンク１２の揺動を制御する。歩行支援のための制御アルゴリズムについての説明は省略する。

足リンク２２は、ユーザＨの足に固定される。足リンク２２は、ユーザの足裏に固定されるソール２６と、ソール２６の側方両側から伸びているフレーム２４ａ、２４ｂを有している。図示を省略しているが、ソール２６の上には靴が取り付けられ、その靴によって足リンク２２がユーザの足に固定される。

足リンク２２は、一対の足首ジョイント２８ａ、２８ｂを介して下腿リンク１２に連結している。詳しくは、足リンク２２のフレーム２４ａが、ユーザの足首の内側側方で足首ジョイント２８ａを介して下腿リンク１２のメインフレーム１３ａと連結している。足リンク２２のフレーム２４ｂが、足首の外側側方で足首ジョイント２８ｂを介して下腿リンク１２のメインフレーム１３ｂと連結している。足首ジョイント２８ａ、２８ｂによって、足リンク２２は、下腿リンク１２に対してピッチ軸回りに回転することができる。

支援装置１００を装着する際、大腿リンク２がユーザＨの大腿に固定され、下腿リンク１２がユーザＨの下腿に固定され、足リンク２２がユーザＨの足に固定される。Ｘ脚やＯ脚といった呼称があるように、下腿の形状は個人差が大きい。特に、前方から観察したときの下腿の形状について個人差が大きい。このことは別言すれば、膝関節と足首関節の位置関係についての個人差が大きいことを意味する。そのため、支援装置１００を複数のユーザで共用する場合、下腿リンク１２の形状が容易に調整できることが好ましい。下腿リンク１２の形状を変化させることができれば、大腿リンク２と足リンク２２の相対位置を、ユーザの脚の形状に応じて調整できるからである。

支援装置１００は、そのための機構を備えている。支援装置１００は、下腿リンク１２のメインフレーム１３ａ、１３ｂが夫々分割可能である。また、分割されたフレーム同士の連結角度も容易に調整が可能である。図１に示すように、メインフレーム１３ａは３個のフレーム（上フレーム１５、中間フレーム１６、及び、下フレーム１７）で構成されており、連結部３０と３２で隣接するフレーム同士が連結している。そして、それぞれの連結部において、ロール軸方向（図のＸ軸方向）から見たフレーム同士の連結角度を容易に変更することができる。メインフレーム１３ｂも同様に３個のフレームで構成されており２箇所の連結部を有しているが、図１ではメインフレーム１３ｂについては連結部の図示を省略している。下腿リンク１２は、脚の側方両側に配される左右のメインフレームがそれぞれ３分割でき、隣接するフレーム同士のロール軸回りの連結角度が容易に変えられる構造を有している。そのような構造により、下腿リンク１２は、ロール軸方向からみたときの形状を容易に変更することができる。

図２に、ユーザの脚形状に応じて形状を調整した支援装置１００の例を示す。図２に示すように、下腿リンク１２は、右側のメインフレーム１３ａが連結部３０と３２を有しており、左側のメインフレーム１３ｂが連結部３４と３６を有している。夫々の連結部において、隣接するフレームのロール軸回りの連結角度が変えられる。図２（Ａ）は、下腿リンク１２の形状をストレートな形状の脚Ｈａに合わせた例であり、図２（Ｂ）は、下腿リンク１２の形状をＸ脚Ｈｂに合わせた例である。図２から理解されるように、各連結部におけるフレームの連結角度を変更することによって、足リンク２２に対する大腿リンク２の位置を左右にずらしている。

連結部の構造を詳しく説明する。以下では、図１の連結部３０を例に説明するが、他の連結部の構造も同じである。図３に、連結部３０（図１の破線で囲った部分）の拡大図を示す。図４に連結部３０の分解図を示す。連結部３０は、下フレーム１７の上端に設けられた突部４４と、中間フレーム１６の下端に設けられた円筒状溝４６が嵌合して構成される。突部４４は、部分円柱状であり、中心線ＣＰがロール軸（Ｘ軸）方向を向く。突部４４は、円柱状外面を有する。そしてその円柱側面に、ロール軸方向に伸びるスプライン４５（スプラインキー）が形成されている。円筒状の溝４６の円筒内面には、ロール軸方向に伸びるスプライン４７（スプライン溝）が形成されている。このスプライン溝４７は、突部４４のスプラインキー４５と噛み合う。すなわち、溝４６は、突部４４に嵌合するように構成されており、ロール軸方向に伸びている。別言すれば、突部４４と溝４６が嵌合したとき、溝４６の円筒の中心線は上記した突部４４の中心線ＣＰと一致する。

図４の矢印Ａが示す方向に突部４４を円筒状溝４６に挿入すると、スプラインキー４５とスプライン溝４７が嵌合し、中間フレーム１６と下フレーム１７は相互に固定される。また、中間フレーム１６には、その長手方向にスライドするスリーブ４１が備えられている。さらに中間フレーム１６には、フレーム外側で円筒状溝４６とほぼ同じ高さの位置にボールプランジャ４２（ラッチ機構）が備えられている。ボールプランジャ４２は、金属製のボールがバネによって中間フレーム１６の内部から外側に向かって付勢されている構造を有している。また、スリーブ４１内側であって金属ボールに対応する位置に窪みが設けられている。図４の矢印Ｂが示すごとくスリーブ４１を下方にスライドさせると、ボールプランジャ４２のボールがスリーブ内側の窪みに嵌り、スリーブ４１が固定される（ラッチされる）。スリーブ４１は、ボールプランジャ４２に嵌る位置に移動すると、突部４４と円筒状溝４６の嵌合部を覆うことになり、突部４４と円筒状溝４６が外れることを防止する。

図５を用いて連結手順をもう一度説明する。最初は、中間フレーム１６と下フレーム１７が分離している（図５（Ａ））。下フレーム１７の上端の突部４４を、中間フレーム１６の円筒状溝４６に嵌める（図５（Ｂ））。次いでスリーブ４１を下ろす（図５（Ｃ））。スリーブ４１が適切な位置まで下がるとボールプランジャ４２がスリーブ４１をラッチする。これだけの手順で中間フレーム１６と下フレーム１７を連結することができる。

図６を用いて中間フレーム１６と下フレーム１７の連結角度が変わることを説明する。突部４４のスプラインキー４５と、これに対応する円筒状溝４６のスプライン溝４７は、かみ合わせる位置を自在に変えることができる。それゆえ、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中間フレーム１６と下フレーム１７のロール軸（ｘ軸）回りの連結角を自在に変更することができる。なお、スプラインキーのピッチが、フレーム連結角度の分解能を決定する。

下腿リンク１２は左右のメインフレーム１３ａ、１３ｂがそれぞれ２箇所の連結部を有しており、それぞれの連結部が上記説明した構造を有している。そのような構成により、図２に示したように、ユーザの脚の形状に応じて、ロール軸方向からみたときの下腿リンク１２の形状を自在に変更することができる。より具体的には、ロール軸方向からみたときの足リンク２２と大腿リンク２の相対位置関係を自在に変更することができる。連結部にスプライン（またはセレーション）を採用することにより、支援装置１００は、極めて簡単な手順で隣接するフレームの連結角度を変更することができる。

上記説明した支援装置１００についての留意点を述べる。他の連結部３２、３４、３６も、連結部３０と同様の構造を有している。連結部３０においては、中間フレーム１６が特許請求の範囲に記載した「上側フレーム」の一例に相当し、下フレーム１７が特許請求の範囲に記載した「下側フレーム」の一例に相当する。図１の連結部３２では、上フレーム１５が特許請求の範囲に記載した「上側フレーム」の一例に相当し、中間フレーム１６が特許請求の範囲に記載した「下側フレーム」の一例に相当する。

連結部３０では、下フレーム１７の上端に突部４４が備えられており、中間フレーム１６の下端に円筒状溝４６が備えられていた。これとは逆に、下フレーム１７の上端に円筒状溝を設け、中間フレーム１６の下端に突部を設けてもよい。

支援装置１００は、中間フレーム１６を、長さの異なる別の中間フレームに交換することによって（及び他方のメインフレーム１３ｂでも同様に中間フレームを交換することによって）、下腿リンク全体の長さを変更することも可能である。

上記実施例では、突部４４と円筒状溝４６にスプラインを設けた。スプラインの代りにセレーションを設けても同じ効果が期待できる。

上記実施例の連結部３０とは異なる機構の連結部を、図７を参照して説明する。この連結部は、下フレーム１７の上端に設けられたテーパ状の突部５５と、中間フレーム１６の下端に備えられた一対のフック５４が係合する構成である。図７（Ａ）は係合前を示しており、図７（Ｂ）は係合途中を示しており、図７（Ｃ）は係合した後を示している。なお、図７では、一対のフック５４のうち右側のフックにのみ各部に符号を付し、左側のフックでは符号を省略した。

一対のフック５４のそれぞれは、ピボット５３で回動可能に支持されている。一対のフック５４の夫々は、バネ５１によって、一対のフックの先端が閉じる方向に付勢されている。フック５４のピボット５３よりも上方にはピン５２が設けられている。両方のフック５４のピン５２を押すと、フック５４の先端が開く（図７（Ｂ））。また、下フレーム１７の突部５５を中間フレーム１６の一対のフック５４の間に押し込むと、突部５５の先端のテーパに案内されて一対のフック５４が開き、フック５４が突部５５に係合する。中間フレーム１６と下フレーム１７を分離する場合、一対のピン５２を押し込むことによって、フック５４が開き、両者は簡単に分離する。

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。

２：大腿リンク
３：コントローラユニット
４：モータ
５ａ、５ｂ：膝ジョイント
１１：連結バー
１２：下腿リンク
１３ａ、１２ｂ：フレーム
１５：上フレーム
１６：中間フレーム
１７：下フレーム
２２：足リンク
２４ａ、２４ｂ：フレーム
２６：ソール
２８ａ、２８ｂ：ジョイント
３０、３２、３４、３６：連結部
４１：スリーブ
４２：ボールプランジャ
４４：突部
４５：スプラインキー
４６：円筒状溝
４７：スプライン溝
５１：バネ
５２：ピン
５３：ピボット
５４：フック
５５：突部
１００：歩行支援装置

Claims (2)

1. ユーザの脚の側方で脚に沿って伸びるフレームを有する脚装具であり、
   フレームが上下に分割可能になっており、上側フレームと下側フレームの連結部が以下の構成、すなわち、
   上側フレームと下側フレームの一方の端部に形成されており円柱状外面を有する突部であってその円柱の中心線がユーザのロール軸方向に伸びている突部と、
   上側フレームと下側フレームの他方のフレームの端部に形成されており、前記突部と嵌合する円筒状溝と、
   上側フレームと下側フレームのいずれかのフレームにスライド可能に取り付けられているスリーブであって突部と円筒状溝の嵌合部を覆うスリーブと、
   によって構成されているとともに、
   前記突部の円柱側面と前記円筒状溝の表面の夫々に、相互に係合するスプラインまたはセレーションが形成されていることを特徴とする脚装具。
2. 嵌合部を覆う位置でスリーブを固定するラッチ機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の脚装具。

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