JP2014188145A - 下肢運動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 二つ以上の自由度を有していて足関節の運動に追従することができ、しかも小型で軽量であり、かつ低コストで製作できる下肢運動装置を提供する。
【解決手段】 下位側および上位側にそれぞれ配されたリンクハブ２，３に対して回転可能に端部リンク５，６を連結し、下位側および上位側の端部リンク５，６を中央リンク７に対して回転可能に連結することにより、下位側の端部リンク５、中央リンク７、および上位側の端部リンク６で構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構４Ａ，４Ｂを複数組有する。上位側のリンクハブ２に、人の足を載せることが可能な足置き部材４２を設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、病気や整形外科手術後に行う下肢の運動療法に用いられ、下肢関節の拘縮、循環不良等を改善・予防するために下肢関節の他動運動および自動運動を行う下肢運動装置に関する。

足関節の底屈・背屈の自動、自動介助または他動運動を行う装置は、一般に、足裏全体が平板状の足置き部材に接した状態となるように、足部を足置き部材に固定させる構造のものが多い。しかし、足関節に内反を生じた状態でこのような運動装置を用いた場合、足裏の外縁側のみが足置き部材に接した状態となり、足裏の外縁側に外力による圧迫が加わるため、苦痛が生じる可能性がある。

このような問題を解決することを目的として、特許文献１に記載の他動運動装置が提案されている。この他動運動装置は、足裏を固定する平板の内返し・外返しの軸回りに、動力を持たない受動的な自由度を付加し、さらにこの軸回りの減衰要素を設けることで、内返し・外返し軸回りの急激な動作を抑制し、足裏と足裏を固定する平板とを並行に保持できる機構としたものである。

また、足関節は三つの独立した軸線で運動できる構造であるにも拘わらず、従来の足関節用運動装置は底屈・背屈の１軸の運動のみを行うものが多く、他の２軸の運動を行える装置が少ないという現状がある。３軸の運動を行える運動器具の例として、特許文献２に記載のものがある。この運動器具は、２軸または３軸の自由度を有しており、それらの自由度を独立して制御できる。

特開２００８−３０２０１９号公報 特開平５−１４６４７６号公報

特許文献１に記載の他動運動装置は、内返し・外返しの軸回りの動力を持たないため、この軸回りの他動運動を行うことはできない。また、減衰要素を設けているが、一つの回転軸に上に足が載っている状態は不安定であり、減衰要素だけで急激な動作を完全に抑制することは困難である。

また、特許文献２に記載の運動器具は、１軸を駆動する装置を積み上げて２軸または３軸の運動装置を構成しており、下層では重量は増して大きな駆動力が必要となり、また全体サイズも大きくなる。これらのことから、コストが高くなり、また広い設置スペースが必要となる。

この発明の目的は、上記従来の運動装置の課題を解消することであり、二つ以上の自由度を有していて足関節の運動に追従することができ、しかも小型で軽量であり、かつ低コストで製作できる下肢運動装置を提供することである。

この発明の下肢運動装置は、下位側および上位側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、下位側および上位側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記下位側の端部リンク、中央リンク、および上位側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有し、前記上位側のリンクハブに、人の足を載せることが可能な足置き部材を設けたことを特徴とする。

下位側および上位側のリンクハブと複数組のリンク機構とからなるリンク構造体は、下位側のリンクハブに対して上位側のリンクハブが２自由度で姿勢変更が可能であり、その姿勢変更の可動範囲を広くとれる。例えば、下位側のリンクハブ中心軸と上位側のリンクハブ中心軸の最大折れ角を９０°以上とすることが可能であり、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの旋回角を０°〜３６０°の範囲に設定できる。上記リンクハブ中心軸は、下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれのリンクハブ内における二つの端部リンクとの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ軸を指す。

この下肢運動装置は、下位側のリンクハブを床面等の支持面に支持させ、その状態で足置き部材に足を載せて使用される。足置き部材は、下位側のリンクハブに複数組のリンク機構を介して支持された上位側のリンクハブに設けられているので、足を安定状態に支えることができる。前述したように、リンク構造体は広範囲な領域で２自由度の姿勢変更が可能であるため、足置き部材に載せられた足の足関節の底屈・背屈の運動、および回内・回外の運動を安全かつ効果的に行うことができる。また、上記足関節の運動に加えて、膝関節の屈曲・伸展の運動および内反・外反の運動、ならびに股関節の屈曲・伸展の運動および内旋・外旋の運動等を複合させた下肢の各関節部の運動を行うことができる。

この発明において、前記足置き部材に、足の甲部および踵部のいずれかまたは両方を拘束可能な拘束手段を設けても良い。
この場合、拘束手段により足を足置き部材に固定することができるので、足が足置き部材から外れることがなく安全である。

この発明において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、下位側および上位側のいずれについても、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶中心軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記下位側の端部リンクと前記上位側の端部リンクを、前記中央リンクに対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動させる連動手段を設けると良い。
上記のように連動手段を設けることにより、リンク機構の数が二組であっても、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの姿勢を規定することができる。リンク機構の数が二組であると、各リンク機構同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。例えば、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの姿勢変更を大きく取り易い。また、リンク機構の数が少ないため、低コスト化を実現できる。

この発明において、前記上位側のリンクハブは、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれのリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向に貫通した中空部を有し、前記足置き部材に載せた足の足関節部が前記下位側および上位側のリンクハブ間に位置するように前記足置き部材を配置すると良い。
足置き部材の上記位置への配置に対して、上位側のリンクハブの中空部に下肢を挿通して、下位側および上位側のリンクハブ間に足関節部を位置させることができる。

上記構成とする場合、前記上位側のリンクハブの周方向の一部に、この上位側のリンクハブに囲まれた領域と外部の領域とを繋ぐ開口部を設けるのが望ましい。
開口部を設けると、上位側のリンクハブの中空部に下肢を挿通させる際に、開口部を通って半径方向から下肢を入れることができ、下肢運動装置への足の装着が容易になる。

この発明において、前記上位側のリンクハブに対して前記足置き部材を、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向と平行な上位側リンクハブ中心軸に平行に移動可能に支持する可動支持機構を設けると良い。
可動支持機構を設けると、足置き部材を上位側のリンクハブ中心軸に沿って任意の位置に移動させることができ、使用者の狙いに合った下肢関節部の運動が可能となる。例えば、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの姿勢変更の中心と足関節の回転中心の位置を合わせることで、主に足関節の運動を行える。

この発明の下肢運動装置には、前記各リンク機構の前記各リンク間の相互位置関係を規制する規制手段を設けても良い。これにより、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの姿勢変更の範囲を限定でき、使用者の下肢関節が可動範囲を超えて運動をすることを防ぐことができ安全である。

また、前記各リンク機構の前記各リンク間の相互運動を減衰させる減衰手段を設けても良い。リンク構造体が可動域の限界まで動作した場合、使用者が急に負荷をかけた場合等に、反作用による衝撃が生じる。減衰手段が設けられていると、前記衝撃を緩和して、使用者の関節部に急激な負担がかかることを軽減できる。

さらに、前記各リンク機構の前記各リンク間の相互運動に抵抗を付与する抵抗手段を設けても良い。これにより、適度の負荷をかけた自動抵抗運動が可能となる。

この発明において、前記複数組のリンク機構のうちの二組以上のリンク機構につき、前記下位側のリンクハブに対する前記下位側の端部リンクの回転角位置を変更するアクチュエータを、前記下位側のリンクハブに設けると良い。
上記アクチュエータを設けることで、下位側のリンクハブに対する上位側のリンクハブの姿勢を強制的に変更することができるため、角度２自由度の自動介助運動または他動運動が可能となる。また、静止部である下位側のリンクハブにアクチュエータを設けることで、上位側のリンクハブおよび各リンク機構からなる可動部を軽量・小型化することができる。それにより、姿勢変更するときの慣性力が小さくなるため、姿勢変更制御が容易となる。

この発明において、前記上位側のリンクハブに対して前記足置き部材を、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向と平行な上位側リンクハブ中心軸の軸回りに回転可能に支持する回転支持機構を設けると良い。
回転支持機構が設けられていると、足関節の内転・外転の自由度が増す。これにより、足関節の生理的な動き、例えば内返し・外返しに追従でき、違和感の無い運動ができる。内返しは底屈、回外、および内転の各運動が複合された運動であり、外返しは背屈、回内、および外転の各運動が複合された運動である。

上記構成の場合、前記上位側のリンクハブに、前記回転支持機構に支持された前記足置き部材を前記回転中心軸回りに回転させるアクチュエータを設けても良い。これにより、足関節の内転・外転の自動介助運動または他動運動ができる。足置き部材の裏側にアクチュエータを配置すれば、アクチュエータをコンパクトに配置できる。

この発明の下肢運動装置は、下位側および上位側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、下位側および上位側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記下位側の端部リンク、中央リンク、および上位側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有し、前記上位側のリンクハブに、人の足を載せることが可能な足置き部材を設けたため、二つ以上の自由度を有していて足関節の運動に追従することができ、しかも小型で軽量であり、かつ低コストで製作できる。

この発明の一実施形態にかかる下肢運動装置の側面図である。 同下肢運動装置の平面図である。 同下肢運動装置のリンク構造体を直線で表現した図である。 同リンク構造体を展開した状態の一部破断展開図である。 同リンク構造体の斜視図である。 この発明の異なる実施形態にかかる下肢運動装置の側面図である。 同下肢運動装置の平面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の側面図である。 同下肢運動装置の平面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の一状態を示す一部を省略した斜視図である。 同下肢運動装置の図１０とは異なる状態を示す一部を省略した斜視図である。 同下肢運動装置の可動支持機構を示す断面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置のリンク構造体の斜視図である。 同リンク構造体の図１３とは異なる状態を示す側面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の側面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の側面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の下位側のリンクハブの破断平面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の上位側のリンクハブおよび足置き部材の平面図である。 図１８のXIX−XIX断面図である。 この発明のさらに異なる実施形態にかかる下肢運動装置の上位側のリンクハブおよび足置き部材の断面図である。

この発明の一実施形態を図１〜図５と共に説明する。
図１はこの発明の一実施形態にかかる下肢運動装置の側面図、図２はその平面図である。この下肢運動装置４０は、下位側および上位側のリンクハブ２，３と、これらリンクハブ２，３を互いに連結する二組のリンク機構４Ａ，４Ｂとで構成されるリンク構造体１を有する。二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構であり、下位側のリンクハブ２に一端が回転自在に連結された下位側の端部リンク５（図１）と、上位側のリンクハブ３に一端が回転自在に連結された上位側の端部リンク６と、これら端部リンク５，６の他端に両端がそれぞれ回転自在に連結された中央リンク７（図１）とで構成される。

下肢運動装置４０は、上記リンク構造体１における下位側のリンクハブ２の底面に土台４１が固定して設けられており、この土台４１を床面等の支持面Ｆに接触させて設置される。また、上位側のリンクハブ３には、人の足を載せることが可能な足置き部材４２と、この足置き部材４２に足の甲部および踵部のいずれかまたは両方を拘束可能な拘束手段４３とが設けられている。この実施形態では、足置き部材４２は、上位側のリンクハブ３に設けられた主固定具４２ａおよび補助固定具４２ｂにより、上位側のリンクハブ３の上方位置に固定状態に設けられている。拘束手段４３は、足の甲部における足首付近を足置き部材４２に拘束する足首固定ベルト４３ａと、つま先部分を足置き部材４２に固定するつま先固定ベルト４３ｂとでなる。拘束手段４３は、足の上記以外の箇所を足置き部材４２に拘束するものであっても良い。また、場合によっては、拘束手段４３を設けなくても良い。

リンク構造体１についてさらに詳しく説明する。
リンク構造体１の二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、幾何学的に同じ形状である。幾何学的に同じ形状とは、図３のようにリンク構造体１を直線で表現した幾何学モデル、すなわち各回転対偶と、これら回転対偶間を結ぶ直線とで表現したモデルが互いに同じ形状であることを言う。また、それぞれのリンク機構４Ａ，４Ｂは、直線で表現した幾何学モデルが、中央リンク７の中央部に対する入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称を成す形状である。言い換えると、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１を対称面として、前記入力側部分と出力側部分とが互いに鏡像対称である。上記横断面Ｆ１は、中央リンク７と２つの端部リンク５，６の回転対偶中心軸Ｏ３，Ｏ４の成す角度を２等分する平面であるとも言える。

各リンク機構４Ａ，４Ｂの下位側および上位側の端部リンク５，６は、共に球面リンク構造である。球面リンク構造とは、図４の一部破断展開図および図５の斜視図に示すように、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）、および端部リンク５（６）と中央リンク７の回転対偶中心軸Ｏ３（Ｏ４）が、すべて球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を通る構造を言う。

二組のリンク機構４Ａ，４Ｂは、それぞれの回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が互いに交差する位置関係にある。つまり、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°でない。そして、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が位置している。図示例では、小さい方の軸間角度αが１２０°とされている。

なお、図４の展開状態では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂが、下位側および上位側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を通り、リンクハブ２（３）と端部リンク５（６）の回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度を二等分する縦断面Ｆ４に対して互いに鏡像対称となる位置に配置されている。

端部リンク５，６と中央リンク７の各回転対偶中心軸Ｏ３，Ｏ４は、ある交差角をもっていても良いし、平行であっても良い。図示例では、回転対偶中心軸Ｏ３，Ｏ４の軸間角度γは９０°とされている。また、下位側および上位側のリンクハブ２，３が同一平面上に位置する図４の状態において、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）と回転対偶中心軸Ｏ３（Ｏ４）の軸間角度βは、７５°とされている。

上記各リンク機構４Ａ，４Ｂの下位側の端部リンク５と上位側の端部リンク６とは、連動手段９により、互いに連動して回転変位するようになっている。この実施形態の場合、連動手段９は、下位側の端部リンク５および上位側の端部リンク６に対してそれぞれ回転自在な一対の傘歯車１０，１１を互いに噛み合わせた構成である。一対の傘歯車１０，１１は同諸元のものであり、下位側の端部リンク５と上位側の端部リンク６が、互いの回転方向が反対で、かつ回転変位角度が同じになるように連動する。このように、連動手段９が複数の傘歯車１０，１１等の歯車の噛み合いによるものであると、下位側の端部リンク５および上位側の端部リンク６の回転変位に滑り等による誤差が生じないため、精度良く連動させることができ、またコンパクトである。

連動手段９は、同諸元の一対の傘歯車１０，１１の噛み合いによるものに限らない。傘歯車の代わりにリンク機構、カム、ベルト等を用いてもよい。なお、前記軸間角度γが０°のときには、平歯車を用いる。また、一対の歯車の歯数を互いに異ならせても良い。その場合、下位側の端部リンク５と上位側の端部リンク６の回転変位角度が異なる。さらに、歯車以外の別の手段、例えばロータリアクチュエータやモータ等のアクチュエータで下位側の端部リンク５と上位側の端部リンク６の相互回転を制御してもよい。

リンクハブ２（３）は、球面リンク中心Ｐ１（Ｐ２）を中心として、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）が位置する平面Ｆ２（Ｆ３）（図３）に沿って拡がる円弧状であり、その両端に軸受内包部１３がそれぞれ設けられている。軸受内包部１３は内部に複列の転がり軸受１４を有し、これら転がり軸受１４により、端部リンク５，６の基端に一体に設けた回転軸１５を回転自在に支持する。回転軸１５の軸心は、回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂと一致する。二つの転がり軸受１４は間隔を開けて配置されており、その間隔部に端部リンク５，６の基端が位置している。軸受内包部１３には、端部リンク５，６の基部が回転可能に嵌る溝１３ａが形成されている。この溝１３ａにより端部リンク５，６の回転範囲を規制することで、先に説明したように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの中央リンク７が常に回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ（Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ）の軸間角度が１８０°よりも大きい側に位置する。

転がり軸受１４は、外輪１４ａが軸受内包部１３の内周に圧入等により嵌合し、内輪１４ｂが回転軸１５の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１４は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。転がり軸受１４としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１４の代わりに滑り軸受を用いてもよい。

また、中央リンク７の両端部には転がり軸受１７が設けられ、この転がり軸受１７により、端部リンク５，６の先端に一体に設けた回転軸１８を回転自在に支持する。回転軸１８の軸心は、回転対偶中心軸Ｏ３，Ｏ４と一致する。転がり軸受１７は、外輪１７ａが中央リンク７の端部に圧入等により嵌合し、内輪１７ｂが回転軸１８の外周に圧入等により嵌合している。転がり軸受１７は、例えば深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受等の玉軸受である。転がり軸受１７としては、図示例のように玉軸受を複列で配列する以外に、ローラ軸受を用いても良い。また、転がり軸受１７の代わりに滑り軸受を用いてもよい。

リンクハブ２，３は先に説明したような円弧状であり、それぞれその内部に、リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２（図３）の方向に貫通した中空部２０を有する。リンクハブ中心軸Ｃ１，Ｃ２は、下位側と上位側のリンクハブ２，３が互いに平行である状態での、それぞれの球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ軸を言う。上記中空部２０は、一対の軸受内包部１３間に形成された開口部２１を介してリンクハブ２，３の外部と連通している。開口部２１は、下位側および上位側のリンクハブ２，３のいずれについても、各回転対偶中心軸Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ，Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂに対して同じ側に位置する。つまり、図５のように、下位側のリンクハブ２と上位側のリンクハブ３が互いに平行になる姿勢において、両リンクハブ２，３の開口部２１が、共に同じ側を向く。

なお、前記土台４１は、平面寸法が縦横共に下位側のリンクハブ２よりも大きな平板状の部材であり、下位側のリンクハブ２の一対の軸受内包部１３と円弧状部の中央部との３箇所で、下位側のリンクハブ２に固定されている。また、前記足置き部材４２の主固定具４２ａは、上位側のリンクハブ３の一対の軸受内包部１３間に架け渡して設けられ、補助固定具４２ｂは上位側のリンクハブ３に円弧状部の中央部に設けられている。

上記構成であるリンク構造体１は、各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける四つの回転対偶のうちの任意の一つの回転対偶の回転角が変更されることで、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の動きおよび姿勢が一義的に決まる、回転の自由度が２自由度の機構である。下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢変更の中心Ｄ（図１）は、下位側のリンクハブ中心軸Ｃ１と上位側のリンクハブ中心軸Ｃ２の交点である。

詳しく説明する。この構造において、リンクハブ２，３とそれに連結される端部リンク５，６の下位側と上位側それぞれは、球面リンク機構を構成しており、それぞれの球面リンク機構は、下位側と上位側の端部リンク５，６が中央リンク７を介して連結されている。ここで各リンク機構４Ａ，４Ｂの二つの中央リンク７は、それぞれの球面リンク機構が重なる円の円周上の並進運動に限定された１自由度となる。下位側および上位側の球面リンク機構は、節の曲率半径を無限大とすれば平面上の四節リンク機構であり、下位側、上位側のそれぞれが独立して１自由度を有している。下位側と上位側の端部リンク５，６間に連動手段９が無い場合は、二つの中央リンク７の１自由度と下位側と上位側の球面リンク機構の各１自由度とで３自由度となる。ここで、このリンク構造体１では、下位側と上位側の端部リンク５，６間に連動手段９を設けたため、それぞれの球面リンク機構は連動し、両球面リンク機構で１自由度となる。以上のように、このリンク構造体１は、中央リンク７の１自由度と前記球面リンク機構の１自由度を合わせた２自由度の機構となる。なお、中央リンク７の位置変位は、下位側と上位側のリンクハブ２，３間においては角度変化となり、以上から下位側と上位側のリンクハブ２，３間は、２方向の角度変化が可能な構造となる。

この実施形態のように、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂにおいて、端部リンク５，６の角度、長さ、および端部リンク５，６の幾何学的形状が下位側と上位側で等しく、また、中央リンク７についても下位側と上位側で形状が等しいとき、中央リンク７の対称面に対して中央リンク７と、下位側および上位側のリンクハブ２，３と連結される端部リンク５，６との角度位置関係を下位側と上位側で同じにすれば、幾何学的対称性から下位側のリンクハブ２および下位側の端部リンク５と、上位側のリンクハブ３および上位側の端部リンク６とは同じに動く。

この２自由度のリンク構造体１は、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の可動範囲を広くとれる。例えば、下位側のリンクハブ中心軸Ｃ１と上位側のリンクハブ中心軸Ｃ２の折れ角の最大値（最大折れ角）を９０°以上とすることができる。また、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の旋回角を０°〜３６０°の範囲で設定できる。折れ角は、下位側のリンクハブ中心軸Ｃ１に対する上位側のリンクハブ中心軸Ｃ２の傾斜角度のことであり、旋回角は、下位側のリンクハブ中心軸Ｃ１に対して上位側のリンクハブ中心軸Ｃ２が傾斜した水平角度のことである。

このリンク構造体１は、連動手段９により、下位側の端部リンク５と上位側の端部リンク６を、中央リンク７に対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動させる。それにより、下位側のリングハブ２に対して上位側のリンクハブ３の姿勢を変更するとき、常に、下位側および上位側の球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２の中間点に位置して球面リンク中心Ｐ１，Ｐ２を結ぶ直線に対して垂直な平面Ｆ５（図４）が、中央リンク７と端部リンク５，６の二つの回転対偶の並び方向に対して垂直な横断面Ｆ１（図４）と一致する。図示例では、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの両方に連動手段９が設けられているため、リンク構造体１の剛性が高く、上位側のリンクハブ３を正確に位置決めすることができる。二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのうちの少なくとも一組に連動手段９が設けられていれば、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢を規定することができる。

各リンク機構４Ａ，４Ｂにおける４つの回転対偶、つまり、下位側のリンクハブ２と下位側の端部リンク５との連結部分、上位側のリンクハブ３と上位側の端部リンク６との連結部分、および下位側および上位側の端部リンク５，６と中央リンク７との二つの連結部分を軸受構造とすることにより、その連結部分での摩擦抵抗を抑えて回転抵抗の軽減を図ることができ、滑らかな動力伝達を確保できると共に耐久性を向上できる。

このリンク構造体１は、リンク機構４Ａ，４Ｂの数が二組であるため、三組以上である場合と比べて、各リンク機構４Ａ，４Ｂ同士の干渉を回避し易く、設計の自由度が高い。例えば、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢変更を大きく取り易い。また、リンク機構４Ａ，４Ｂの数が少ないため、低コスト化を実現できる。さらに、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂの形状が同じであるため、部品の種類を減らすことができ、このことからも低コスト化を実現できる。

この下肢運動装置４０は、図１、図２のように、下位側のリンクハブ２に固定の土台４１を床面等の支持面Ｆに支持させ、その状態で足置き部材４２に足を載せ、その足を拘束手段４３で足置き部材４２に足を固定して使用される。足置き部材４２は、下位側のリンクハブ２に複数組のリンク機構４Ａ，４Ｂを介して支持された上位側のリンクハブ３に設けられているので、足置き部材４２に載せられた足に対し、足関節の底屈・背屈の運動、および回内・回外の運動を行うことができる。また、足関節の運動に加えて、膝関節の屈曲・伸展の運動および内反・外反の運動、ならびに股関節の屈曲・伸展の運動および内旋・外旋の運動等を複合させた下肢の各関節部の運動を行うことができる。
また、拘束手段４３により足が足置き部材４２に固定されるため、足を安定状態に支えることができる。足が足置き部材４２から外れることがなく安全である。リンク構造体１は広範囲な領域で２自由度の姿勢変更が可能であるため、足置き部材４２に載せられた足の足関節の底屈・背屈の運動、および回内・回外の運動を安全かつ効果的に行うことができる。また、上記足関節の運動に加えて、膝関節の屈曲・伸展の運動および内反・外反の運動、ならびに股関節の屈曲・伸展の運動および内旋・外旋の運動等を複合させた下肢の各関節部の自動運動を行うことができる。

図６および図７はこの発明の異なる実施形態を示す。この下肢運動装置４０は、足置き部材４２に載せた足の足関節部が下位側および上位側のリンクハブ２，３間に位置するように、足置き部材４２が上位側のリンクハブ３の下方に配置されている。足置き部材４２は、上位側のリンクハブ３の一対の軸受内包部１３からそれぞれ垂下して設けられた主固定具４２ａと、上位側のリンクハブ３の円弧状部の中央部から垂下して設けられた補助固定具４２ｂとにより支持されている。リンク構造体１は前記実施形態のものと同じ構成であり、上位側のリンクハブ３は、リンクハブ中心軸Ｃ２の方向に貫通した中空部２０（図７）を有し、この中空部２０は、一対の軸受内包部１３間に形成された開口部２１（図７）を介して、上位側のリンクハブ３に囲まれた領域と外部の領域とが繋がっている。

上記位置に足置き部材４２を配置すると、支持面Ｆから足置き部材４２までの高さを低くすることができ、足置き部材４２に足を載せたときの安定性が良い。この場合、上位側のリンクハブ３が中空部２０を有していると、この中空部２０に下肢を挿通して、下位側および上位側のリンクハブ２，３間に位置する足置き部材４２に足を載せることができる。また、開口部２１が設けられていると、上位側のリンクハブの中空部２０に下肢を挿通させる際に、開口部２１を通って半径方向から下肢を入れることができ、下肢運動装置４０への足の装着が容易になる。図８および図９のように、上位側のリンクハブ３を、開口部２１（図７）を有しない構成としてもよい。

図１０および図１１は、上位側のリンクハブ３に対して足置き部材４２をリンクハブ中心軸Ｃ２と平行な方向に移動可能に支持する可動支持機構４５が設けられた下肢運動装置１を示す。この下肢運動装置１の足置き部材４２は、水平状の足置き部４２ａと、この足置き部４２ａの両端から上方へ延びる長穴形成部４２ｂとからなり、各長穴形成部４２ａに上下方向に沿う一対の長穴４６が形成されている。前記可動支持機構４５は、前記長穴形成部４２ｂと、上位側のリンクハブ３に固定された固定ブロック４７と、長穴形成部４２ｂを挟んで固定ブロック４７と対向して配置され、前記長穴４６に移動自在に嵌る円筒部４８ａ（図１１）を有するガイドプレート４８と、これら固定ブロック４７とガイドプレート４８とを締結する２本の固定ボルト４９とで構成される。詳しくは、図１２に示すように、各固定ボルト４９は、固定ブロック４７のボルト挿通孔４７ａに挿通されて、ガイドプレート４８のねじ孔４８ｂに螺着される。ねじ孔４８ｂは、前記円筒部４８ａを貫通して設けられている。

固定ボルト４９で固定ブロック４７とガイドプレート４８を締め付けることにより、長穴形成部４２ｂと固定ブロック４７、および長穴形成部４２ｂとガイドプレート４８の摩擦力により、固定ブロック４７に対して足置き部材４２が固定される。固定ボルト４９を緩めると、長穴４６に沿って円筒部４８ａを移動させて、足置き部材４２の高さ位置を変更することができる。図１０は、足置き部材４２を移動可能範囲の下端に位置させた状態を示し、図１１は足置き部材４２を移動可能範囲の上下中央部に位置させた状態を示す。

上記可動支持機構４５が設けられていると、足置き部材４２を上位側のリンクハブ中心軸Ｃ２と平行な方向における任意の位置に移動させることができ、使用者の狙いに合った下肢関節部の運動が可能となる。例えば、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢変更の中心（図示せず）と足関節の回転中心の位置を合わせることで、主に足関節の運動を行える。

図１３および図１４は、各リンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７間の相互位置関係を規制する規制手段５０を設けた実施形態を示す。図示例の規制手段５０は、下位側のリンクハブ２の各軸受内包部１３の上面に取り付けられた一対の板状ストッパ５０ａからなり、下位側のリンクハブ２に対して下位側の端部リンク５が一定角度以上に回転しないように規制する。このような規制手段５０を設けると、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢変更の範囲を限定でき、使用者の下肢関節が可動範囲を超えて運動をすることを防ぐことができて安全である。図１４は、上位側のリンクハブ３が姿勢変更可能範囲の限界まで姿勢変更した状態を示している。

また、図１５に示すように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７間の相互運動を減衰させる減衰手段５１を設けても良い。図示例の減衰手段５１は、土台４１と各下位側の端部リンク５との間に設けられた一対のダンパ５１ａからなり、下位側のリンク２に対する各下位側の端部リンク５の回転を減衰させる。リンク構造体１が可動域の限界まで動作した場合、使用者が急に負荷をかけた場合等に、反作用による衝撃が生じるが、減衰手段５１が設けられていると、前記衝撃を緩和して、使用者の関節部に急激な負担がかかることを軽減できる。

さらに、図１６に示すように、各リンク機構４Ａ，４Ｂの各リンク５，６，７間の相互運動に抵抗を付与する抵抗手段５２を設けても良い。図示例の抵抗手段５２は、土台４１と各下位側の端部リンク５との間に設けられた一対の引張コイルばね５２ａからなり、各下位側の端部リンク５が回転角度の大きくなる側に回転することに対して抵抗を付与する。抵抗手段５２は、引張コイルばね５２以外であっても良い。このような抵抗手段５２を設けることにより、適度の負荷をかけた自動抵抗運動が可能となる。

図１７は、二組のリンク機構４Ａ，４Ｂのそれぞれに、下位側のリンクハブ２に対する下位側の端部リンク５の回転角位置を変更する姿勢変更用アクチュエータ５３を、下位側のリンクハブ２に設けた実施形態を示す。姿勢変更用アクチュエータ５３は、例えばロータリアクチュエータであって、回転軸１５を回転駆動することで、端部リンク５を回転させる。ロータリアクチュエータ以外のアクチュエータを用いて、端部リンク５を回転させても良い。

姿勢変更用アクチュエータ５３を設けることで、下位側のリンクハブ２に対する上位側のリンクハブ３の姿勢を強制的に変更することができるため、角度２自由度の自動介助運動または他動運動が可能となる。また、静止状態に設置される下位側のリンクハブ２に姿勢変更用アクチュエータ５３を設けることで、上位側のリンクハブ３および各リンク機構４Ａ，４Ｂからなる可動部分を軽量・小型化することができる。それにより、姿勢変更するときの慣性力が小さくなるため、姿勢変更制御が容易となる。

図１８および図１９は、上位側のリンクハブ３に対して足置き部材４２をリンクハブ中心軸（図示せず）と平行な回転中心軸Ｅ回りに回転可能に支持する回転支持機構５５を設けた実施形態を示す。この例の回転支持機構５５は、上位側のリンクハブ３の上面にベースプレート５６と円筒状部材５７を重ねて設置し、円筒状部材５７の内周に軸受５８を介して、足置き部材４２の底面から下方に突出する軸部４２ａを回転自在に支持している。軸部４２ａの中心は、足置き部材４２の上に置かれたた足の足関節の内転・外転の回転中心とほぼ一致する平面位置とされている。なお、ベースプレート５６は、上位側のリンクハブ３の一対の軸受内包部１３にボルト５９で両端がそれぞれ固定され、円筒状部材５７は、その張出部５７ａでボルト６０によりベースプレート５６に固定されている。

上記回転支持機構５５が設けられていると、足関節の内転・外転の自由度が増す。これにより、足関節の生理的な動き、例えば内返し・外返しに追従でき、違和感の無い運動ができる。内返しは底屈、回外、および内転の各運動が複合された運動であり、外返しは背屈、回内、および外転の各運動が複合された運動である。

図２０は上記回転支持機構５５を有する構成において、上位側のリンクハブ３に、回転支持機構５５に支持された足置き部材４２を回転中心軸Ｅ回りに回転させる回転用アクチュエータ６２を設けた実施形態を示す。この例では、足置き部材４２の底面から下方に突出して形成された円筒状部４２ｂの外周に軸受５８が嵌合している。回転用アクチュエータ６２はロータリアクチュエータであって、ベースプレート５６の底面に設けられたアクチュエータ取付部材６３に固定して取り付けられ、上向きに突出する回転軸６２ａと足置き部材４２の底面から下方に突出する軸部４２ａとがカップリンク６４を介して回転伝達可能に連結されている。なお、アクチュエータ取付部材６３はボルト６５によりベースプレート５６に固定され、このアクチュエータ取付部材６３にボルト６６によりアクチュエータ６３が固定されている。

このように、足置き部材４２を回転させる回転用アクチュエータ６２を設けると、足関節の内転・外転の自動介助運動または他動運動ができる。この例のように、足置き部材の裏側に回転用アクチュエータ６２を配置すれば、回転用アクチュエータ６２をコンパクトに配置できる。

１…リンク構造体
２…下位側のリンクハブ
３…上位側のリンクハブ
４Ａ，４Ｂ…リンク機構
５…下位側の端部リンク
６…上位側の端部リンク
７…中央リンク
９…連動手段
２０…中空部
２１…開口部
４０…下肢運動装置
４２…足置き部材
４３…拘束手段
４５…可動支持機構
５０…規制手段
５１…減衰手段
５２…抵抗手段
５３…姿勢変更用アクチュエータ
６２…回転用アクチュエータ
Ｃ１…下位側のリンクハブ中心軸
Ｃ２…上位側のリンクハブ中心軸
Ｄ…姿勢変更中心
Ｅ…回転中心軸
Ｏ１Ａ，Ｏ１Ｂ…下位側のリンクハブと下位側の端部リンクの回転対偶中心軸
Ｏ２Ａ，Ｏ２Ｂ…上位側のリンクハブと上位側の端部リンクの回転対偶中心軸
Ｏ３…下位側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
Ｏ４…上位側の端部リンクと中央リンクの回転対偶中心軸
Ｐ１…下位側の球面リンク中心
Ｐ２…上位側の球面リンク中心

Claims (7)

1. 下位側および上位側にそれぞれ配されたリンクハブに対して回転可能に端部リンクを連結し、下位側および上位側の端部リンクを中央リンクに対して回転可能に連結することにより、前記下位側の端部リンク、中央リンク、および上位側の端部リンクで構成される、四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を複数組有し、
   前記上位側のリンクハブに、人の足を載せることが可能な足置き部材を設けたことを特徴とする下肢運動装置。
2. 請求項１に記載の下肢運動装置において、前記足置き部材に、足の甲部および踵部のいずれかまたは両方を拘束可能な拘束手段を設けた下肢運動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の下肢運動装置において、前記四つの回転対偶からなる三節連鎖のリンク機構を二組有し、これら二組のリンク機構は、下位側および上位側のいずれについても、それぞれの前記リンクハブと前記端部リンクの各回転対偶中心軸が同一平面上にあって、かつ互いに交差する位置関係であり、前記二組のリンク機構のうち少なくとも一組のリンク機構に、前記下位側の端部リンクと前記上位側の端部リンクを、前記中央リンクに対する回転方向が互いに逆で、かつ回転変位角度が同じとなるように連動させる連動手段を設けた下肢運動装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の下肢運動装置において、前記上位側のリンクハブは、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれのリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向に貫通した中空部を有し、前記足置き部材に載せた足の足関節部が前記下位側および上位側のリンクハブ間に位置するように前記足置き部材を配置した下肢運動装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の下肢運動装置において、前記上位側のリンクハブに対して前記足置き部材を、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向と平行な上位側リンクハブ中心軸に平行に移動可能に支持する可動支持機構を設けた下肢運動装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の下肢運動装置において、前記複数組のリンク機構のうちの二組以上のリンク機構につき、前記下位側のリンクハブに対する前記下位側の端部リンクの回転角位置を変更するアクチュエータを、前記下位側のリンクハブに設けた下肢運動装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の下肢運動装置において、前記上位側のリンクハブに対して前記足置き部材を、前記下位側と上位側のリンクハブが互いに平行である状態での、それぞれリンクハブ内における前記各端部リンクの回転対偶中心軸の交点である球面リンク中心を結ぶ方向と平行な上位側リンクハブ中心軸の軸回りに回転可能に支持する回転支持機構を設けた下肢運動装置。

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