JP2015058144A - 膝関節動作支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量且つコンパクトな膝関節動作支援装置を提供することを課題とする。【解決手段】実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上部分と、下腿部に装着する下部分と、を有する。この装置は、大腿部に装着する部分を有していない。下部分の上端の膝関節と反対の外側には、膝関節の動きに合わせて下部分を回動可能に支持するための回動支持機構が設けられている。そして、この回動支持機構と上部分との間には、両者を可動的に連結した連結機構が設けられている。この連結機構は、回動支持機構と上部分との間の距離を伸縮可能に連結し、下部分の上部分に対する捩れを許容する。上部分には駆動機構が取り付けられている。また、この駆動機構には、回転支持機構に動力を伝えるための動力伝達機構が連結されている。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、人の脚の膝関節の動作を支援する膝間接動作支援装置に関する。

近年、人の脚の動きを助ける装置として、歩行補助装置が普及されつつある。歩行補助装置は、例えば、腰に装着する腰部フレームに対して大腿部に装着する大腿部フレームを揺動させる左右２つの股関節アクチュエータ、および下腿部に装着する下腿部フレームを大腿部フレームに対して揺動させる左右２つの膝関節アクチュエータを備えている。

特許第４０７１７５５号

しかし、上述した４つのアクチュエータは、それぞれ、モータの他に減速器などを有するため、比較的重い。このため、特に、膝関節アクチュエータの重量が膝間接動作の際に重荷となり、脚の機敏な動きを妨げる原因になる。また、膝関節アクチュエータが両膝の外側に突出する（膝の内側には配置不可能）ため、歩行などの動作時に手が当たりやすく邪魔になる。

よって、軽量且つコンパクトな膝関節動作支援装置の開発が望まれている。

実施形態に係る膝関節動作支援装置は、腰に装着する上部分と、下腿部に装着する下部分と、を有する。この装置は、大腿部に装着する部分を有していない。膝関節の外側の下部分の上端には、膝関節の動きに合わせて下部分を回動可能に支持するための回動支持機構が設けられている。そして、この回動支持機構と上部分との間には、両者を可動的に連結した連結機構が設けられている。この連結機構は、回動支持機構と上部分との間の距離を伸縮可能に連結し、下部分の上部分に対する捩れを許容する。上部分には駆動機構が取り付けられている。また、この駆動機構と回転支持機構との間には、駆動機構からの動力を回転支持機構に伝えるための動力伝達機構が設けられている。

図１は、実施形態に係る膝関節動作支援装置の正面図である。 図２は、図１の膝関節動作支援装置の側面図である。 図３は、図１の膝関節動作支援装置のしゃがんだ状態の側面図である。 図４は、図１の膝関節動作支援装置の動作を制御する制御系のブロック図である。 図５は、図１の膝関節動作支援装置の変形例を示す正面図である。 図６は、図５の膝関節動作支援装置の側面図である。 図７は、図５の膝関節動作支援装置のしゃがんだ状態の側面図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る膝関節動作支援装置１００（以下、単に、装置１００と称する）の正面図であり、図２は、この装置１００を右横から見た側面図であり、図３は、この装置１００を装着した人がしゃがんだ状態で該装置１００を右横から見た側面図である。ここでは、この装置１００を装着した人が図１のように立った状態を基準にして、上下、左右、前後方向を説明する。

装置１００は、人の腰に装着する腰部装具１０（上部分）、下腿部に装着する下腿部装具２０（下部分）、この下腿部装具２０の上端に設けられた回転支持機構３０、この回転支持機構３０と腰部装具１０の下端との間を連結した連結機構４０、腰部装具１０に取り付けられた駆動機構５０、この駆動機構５０からの動力を回転支持機構３０に伝えるための動力伝達機構６０、および装置１００の動作を制御する制御部７０（図４）を有する。

腰部装具１０は、腰部に巻き付けてマジックテープなどで留める腰部ベルト１１、および腰部ベルト１１に固設された左右２つの腰部フレーム１２、１２を有する。各腰部フレーム１２、１２は、それぞれ、腰部ベルト１１の側部から大腿部に沿って下方に延設された板状のものであり、腰部ベルト１１の下端縁に対向する位置で、外側に折り曲げられた段部１２ａを形成している。

本実施形態の装置１００は、腰部装具１０の腰部ベルト１１以外、左右一対の同じ構造を有するため、以下の説明では右側の構成のみ代表して説明し、左側の構成についての説明および図示を省略する。

腰部フレーム１２の下端には、ヒンジ１３を介して、連結機構４０につながる接続プレート１４が取り付けられている。接続プレート１４は、その下端を外側に略直角に折り曲げたＬ字形の板状のものである。ヒンジ１３の回転軸１３ａは、前後方向に延びており、接続プレート１４は、この回転軸１３ａを中心に、人体から離れる外方へ回動可能となっている。また、接続プレート１４の外側に折れ曲がった水平部分１４ａには、後述する連結機構４０の保持スリーブ４１を取り付けるための取付孔１４ｂが設けられている。

下腿部装具２０は、膝の下方で下腿部に巻き付けてマジックテープなどで留める下腿部上ベルト２１、および足首の上方で下腿部に巻き付けてマジックテープなどで留める下腿部下ベルト２２を有する。下腿部上ベルト２１の外側には、板状の下腿部上フレーム２３が固設され、下腿部下ベルト２２の外側には、板状の下腿部下フレーム２４が固設されている。本実施形態では、下腿部上フレーム２３および下腿部下フレーム２４は別体に設けてある。

下腿部上フレーム２３の下端と下腿部下フレーム２４の上端は、ヒンジ２５を介して連結されている。ヒンジ２５の回転軸２５ａは、前後方向に延びており、下腿部上フレーム２３および下腿部下フレーム２４は、互いに横方向に回動可能となっている。このため、下腿部装具２０は、下腿部の外側側部の湾曲に沿って配置可能となっている。

しかし、下腿部上フレーム２３および下腿部下フレーム２４は、必ずしも別体に設ける必要はなく、その場合、ヒンジ２５も不要となる。この場合、下腿部の外側に沿って湾曲した一体の下腿部フレームを設ければ良い。また、下腿部上フレーム２３および下腿部下フレーム２４は、少なくとも一方を設ければ良く、下腿部上ベルト２１および下腿部下ベルト２２も、少なくとも一方を設ければ良い。

回転支持機構３０は、膝関節の外側に対向する位置で、膝関節から離れる外方に僅かに突出して、下腿部上フレーム２３の上端に設けられている。回転支持機構３０は、下腿部上フレーム２３の上端に、ヒンジ３１を介して取り付けられた回動プレート３２を有する。ヒンジ３１の回転軸３１ａは、前後方向に延びている。このため、下腿部装具２０は、このヒンジ３１の回転軸３１ａを中心に、回動プレート３２に対して、下腿部から離れる方向に回動可能となっている。

回動プレート３２は、ヒンジ３１を取り付けた水平部分３２ａと、この水平部分３２ａの外側端辺から上方に一体に折れ曲がった固定部分３２ｂと、を有するＬ字状の板である。この回動プレート３２の固定部分３２ｂの外側面には、後述する動力伝達機構６０の駆動プーリ６１が固設される。駆動プーリ６１の回転軸６１ａは、左右方向に延びている。つまり、この回動プレート３２は、動力伝達機構６０の駆動プーリ６１と一体に、膝関節の回動方向に回転されるようになっている。

回動プレート３２の水平部分３２ａの上面側には、２つのヒンジ３３、３４が互いに連結した状態で取り付けられている。各ヒンジ３３、３４の回転軸３３ａ、３４ａは、左右方向に延びている。つまり、これら２つのヒンジ３３、３４は、膝関節の動きに合わせて下腿部装具２０を回動可能に支持するとともに、膝関節の複雑な動き（回動中心が移動する）に追従させるように複数（本実施形態では２つ）の回転軸を提供している。

上方のヒンジ３４には、Ｌ字状の連結片３５を介して接続プレート３６が接続されている。接続プレート３６は、連結片３５を固設した水平部分３６ａおよびこの水平部分３６ａの外側辺部から上方に一体に折り曲げられた立壁部分３６ｂを有する。水平部分３６ａには、後述する連結機構４０のスライドロッド４３の下端を固定するためのネジ３７を挿通するための取付孔３６ｃが設けられている。また、立壁部分３６ｂには、後述する駆動伝達機構６０の押えプーリ６２が取り付けられている。

連結機構４０は、腰部装具１０の下端にある接続プレート１４の水平部分１４ａの取付孔１４ｂに取り付けられた保持スリーブ４１を有する。保持スリーブ４１は、取付孔１４ｂの周縁で接続プレート１４の水平部分１４ａの上面に係合するフランジ部４１ａを有する。つまり、保持スリーブ４１は、水平部分１４ａの上方から取付孔１４ｂに挿通されて、フランジ部４１ａを水平部分１４ａの上面に係合せしめることで、接続プレートに取り付けられる。なお、保持スリーブ４１は、内部にスライドロッド４３を挿通可能な細長い孔を有する略円筒形の外形を有する。

また、連結機構４０は、ネジ３７を介して、回転支持機構３０の接続プレート３６の水平部分３６ａの取付孔３６ｃに下端を締結固定されたスライドロッド４３を有する。スライドロッド４３は、大腿部の外側に沿って上下方向に延設されている。スライドロッド４３の上端には、保持スリーブ４１のフランジ部４１ａの上端面に係合するフランジ部４３ａが設けられている。しかして、スライドロッド４３は、保持スリーブ４１の上方から細長い孔に挿通されて、下端をネジ３７で接続プレート３６の水平部分３６ａに締結固定されることで取り付けられる。

そして、この連結機構４０は、スライドロッド４３に対する保持スリーブ４１の上下方向への移動（図１に矢印で示す）を許容することで、回転支持機構３０と腰部装具１０の下端との間の距離を伸縮可能に接続する。また、この連結機構４０は、スライドロッド４３の保持スリーブ４１に対する回転（図１に矢印で示す）を許容することで、腰部装具１０に対する回転支持機構３０の捻じれを許容し、すなわち腰部装具１０に対する下腿部装具２０の捻じれを許容する。なお、ここで言う捻じれとは、スライドロッド４３の軸を中心とした回転支持機構３０および下腿部装具２０の回転動作を指す。

駆動機構５０は、腰部装具１０の腰部フレーム１２の上端に取り付けられたサーボモータ５１（駆動源）、および、ハーモニックドライブ（登録商標）などの減速機５２を有する。サーボモータ５１には、エンコーダ５３が取り付けられている。腰部フレーム１２の上端は、図２に示すように、背中側に９０°より大きい角度（すなわち鈍角）で屈曲されている。そして、この屈曲部分１２ｂの内側（背中側）に減速機５２、サーボモータ５１、及びエンコーダ５３が、この順番で腰部フレーム１２から離れるように同軸に重ねて取り付けられている。減速機５２は、サーボモータ５１の回転軸（図示せず）に取り付けられている。サーボモータ５１の回転軸は、左右方向に延設されている。

動力伝達機構６０は、駆動機構５０の減速機５２の出力軸に同軸に取り付けられた電磁クラッチ６３を有する。電磁クラッチ６３は、腰部フレーム１２の屈曲部分１２ｂの外側に取り付けられている。電磁クラッチ６３の出力軸にはプーリ６３ａが設けられている。電磁クラッチ６３の前方に隣接して、腰部フレーム１２の外側には、大小２つのプーリ６４ａ、６４ｂを同軸に固定した回転軸６４ｃが、片持ち梁状態で回転可能に取り付けられている。腰部フレーム１２に近い比較的大径のプーリを第１プーリ６４ａと称し、腰部フレーム１２から離れた比較的小径のプーリを第２プーリ６４ｂと称する。第１プーリ６４ａと電磁クラッチ６３のプーリ６３ａには、無端状のタイミングベルト６５が巻回されている。

回転軸６４ｃの下方の腰部フレーム１２の外側には、大小２つのプーリ６６ａ、６６ｂを同軸に固定した回転軸６６ｃが、片持ち梁状態で回転可能に取り付けられている。腰部フレーム１２に近い比較的大径のプーリを第３プーリ６６ａと称し、腰部フレーム１２から外方に離れた比較的小径のプーリを第４プーリ６６ｂと称する。比較的大径の第３プーリ６６ａと上述した第２プーリ６４ｂには、無端状のタイミングベルト６７が巻回されている。また、第３プーリ６６ａと第４プーリ６６ｂとの間の回転軸６６ｃには、後述する最も長いタイミングベルト７０の弛みを無くすためのテンションレバー６８の略中央部が回転可能に取り付けられている。

比較的小径の第４プーリ６６ｂ（駆動伝達プーリ）には、上述した回転支持機構３０につながる最も長い無端状のタイミングベルト７０が巻回されている。このタイミングベルト７０は、この他に、上述した回転支持機構３０に取り付けた駆動プーリ６１および押えプーリ６２に巻き回されている。さらに、このタイミングベルト７０は、腰部フレーム１２の外側に回転可能に取り付けられた複数のプーリ６９（本実施形態では２つ）、およびテンションレバー６８の一端に取り付けられたプーリ６８ａに巻き回されている。テンションレバー６８の他端には、図２で反時計回りにテンションレバー６８を付勢する引っ張りバネ７１の一端が取り付けられている。この引っ張りバネ７１の他端は、腰部フレーム１２から一体に突出した突片に固定されている。

しかして、図２に示す立位の姿勢から図３に示すしゃがんだ姿勢まで屈伸したとき、連結機構４０のスライドロッド４３に沿って保持スリーブ４１が摺動して、腰部装具１０と下腿部装具２０との間の距離が縮んだ場合であっても、タイミングベルト７０の弛みをとることができる。つまり、この場合、屈伸によってタイミングベルト７０に付与されている張力が弱まると、テンションレバー６８が、引っ張りバネ７１の復元力によって図２、３で反時計回り方向に回転し、タイミングベルト７０の弛みが吸収される。

図４に示すように、装置１００の動作を制御する制御部８０には、６つの加速度センサ８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃが接続されている。各センサの取付位置も左右対称であるため、ここでも、左側の加速度センサ８２ａ、８２ｂ、８２ｃについての詳細な説明は省略する。

最も下方の加速度センサ８１ａは、下腿部下フレーム２４の下端の外面側に取り付けられている。また、その上の加速度センサ８１ｂは、下腿部上フレーム２３の上端の外面側に取り付けられている。さらに、最も上方の加速度センサ８１ｃは、腰部フレーム１２の段部１２ａの下側の外面側に取り付けられている。

また、制御部８０には、サーボモータ５１のエンコーダ５３の他に、ロータリーエンコーダ８４が接続されている。ロータリーエンコーダ８４は、回転支持機構３０に駆動力を伝達する動力伝達機構６０の駆動プーリ６１の外側（図１）に固設されており、プーリ６１の回転位置、すなわち回動プレート３２の回転位置を検出する。

さらに、制御部８０には、サーボモータ５１および電磁クラッチ６３が接続されている。図示を省略してあるが、制御部８０は、腰部装具１０の腰部ベルト１１の背中側に取り付けられている。

以下、上記構造の膝関節動作支援装置１００の機能について説明する。
装置を装着した人が、図１及び図２に示す立位状態から図３に示す状態までしゃがむと、腰部装具１０と下腿部装具２０との間の距離が縮まり、連結機構４０の保持スリーブ４１に対してスライドロッド４３がスライドする。このとき、膝間接の複雑な動きに応じて、下腿部装具２０が腰部装具１０に対して僅かに捩れるが、この捩れは、保持スリーブ４１に対するスライドロッド４３の回転により吸収される。また、このとき、タイミングベルト７０の弛みは、テンションレバー６８の作用によって防止される。

また、このとき、回転支持機構３０の２つのヒンジ３３、３４がそれぞれ回動し、膝関節の複雑な動きに追従する。人の膝関節は、屈伸動作時に、その回転中心が移動する。このため、この膝関節に対向する装置１００の部位に、２つの回転軸３３ａ、３４ａを設けることで、膝関節の複雑な動きを許容できるようになる。本実施形態では、膝関節の回動軸と略平行な２つの回転軸３３ａ、３４ａを設けたが、３つ以上の回転軸を設けても良い。

次に、制御部８０による動作を説明する。
制御部８０は、左右６つの加速度センサ８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃを介して装置１００の動作状態を監視する。また、制御部８０は、ロータリーエンコーダ８４を介して回転支持機構３０の回転位置を監視する。つまり、制御部８０は、これらセンサ類を介してこの装置１００を装着した人の動きを監視する。

そして、制御部８０は、この装置１００を装着した人が通常の歩行動作をしようとしていることを判断した場合、或いはこの人が動作していないことを判断した場合、電磁クラッチ６３を切って、動力伝達機構６０による動力の伝達を遮断する。これにより、歩行時に不所望な負荷が回転支持機構３０に与えられる不具合を防止でき、歩行動作を楽にできる。

或いは、制御部８０は、この装置１００を装着した人が図３のしゃがんだ状態から図１、２の立位状態に向けて動こうとしていることを判断した場合、電磁クラッチ６３を繋げてサーボモータ５１を付勢する。これにより、装置１００が膝関節の動きをサポートし、例えば、重い荷物を容易に持ち上げる動作が可能となる。

以上のように、本実施形態の膝関節動作支援装置１００によると、人の腰部に装着した腰部装具１０に対し、下腿部に装着した下腿部装具２０を近づけたり遠ざけたりすることができ（両者の間の距離を伸縮でき）、且つ、膝関節に対向する２つの回転軸３３ａ、３４ａをもうけたため、人の体に負荷を与えることなく、膝関節の複雑な動きに装置１００を追従させることができる。

また、本実施形態によると、動力伝達機構６０の途中に電磁クラッチ６３を設けたため、膝関節の動作をサポートしない歩行時などにおいて、人の自然な動きを妨げるような不所望な負荷を与えることがなく、動作をスムーズにできる。

また、本実施形態によると、腰部装具１０の腰部ベルト１１の背中側に、比較的重いサーボモータ５１や減速機５２を取り付けたため、すなわち、膝関節に対向する位置に駆動源を設けないため、脚に作用する重量を軽くでき、俊敏な動作が可能となる。

さらに、膝関節の外側に駆動源を設けないことで、膝関節の外側に突出する構成を小さくでき、歩行時などに手が当たる不具合を防止できる。

上述した実施形態の膝関節動作支援装置によれば、腰部装具１０と下腿部装具２０との間の伸縮や腰部装具１０に対する下腿部装具２０の捩れを許容する連結機構４０を設け、比較的重いサーボモータ５１を腰部装具１０に取り付けたため、軽量且つコンパクトな装置を実現できる。

図５乃至図７には、上述した実施形態の変形例を示す。
この変形例の膝関節動作支援装置２００（以下、単に、装置２００と称する）は、上述した実施形態の装置１００の腰部装具１０の一対の腰部フレームを、それぞれ、２ピースに分割した構造を有する。これ以外の構造は、上述した実施形態と基本的に同じであるため、同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。なお、図５乃至図７は図１乃至図３に対応するものであり、ここでも、右側の構造について代表して説明し、左側の構成の説明および図示を省略する。

図５乃至図７に示すように、変形例に係る装置２００は、上述した実施形態の装置１００の腰部フレーム１２の代わりに、固定フレーム９１および可動フレーム９２を有する。固定フレーム９１は、腰部ベルト１１に固定されている。固定フレーム９１には、サーボモータ５１、減速機５２、電磁クラッチ６３が取り付けられており、プーリ６３ａ、プーリ６４ａ、６４ｂを同軸に備えた回転軸６４ｃ、およびプーリ６６ａ、６６ｂを同軸に備えた回転軸６６ｃが取り付けられている。回転軸６６ｃには、テンションレバー６８の他に、可動フレーム９２が回動自在に取り付けられている。すなわち、可動フレーム９２は、腰部ベルト１１に対して固定されていない。

可動フレーム９２には、上述した動力伝達機構６０の２つのプーリ６９が回動可能に取り付けられている。また、可動フレーム９２には、引っ張りバネ７１の他端を留める突片が一体に突設されている。さらに、可動フレーム９２には、段部１２ａが設けられている。そして、可動フレーム９２の下端には、ヒンジ１３を介して接続プレート１４が取り付けられている。

以上のように変形例に係る装置２００によると、上述した実施形態の装置１００と同様の効果を奏することができることに加え、この装置２００を装着した人の姿勢に関わらず、動作に支障を来たすことなく、人体の近くにサーボモータ５１の位置を固定できる。これにより、特に、図７に示すようにしゃがんだときに、サーボモータ５１が背中側で移動することが無いことから、プーリ６３の下部（臀部上方の腰部）にバッテリーや制御部（コントローラ）を配置することができ、これらを背中に置く必要がなくなりコンパクトに収納することが可能となる。

上述した実施形態や変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態や変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、上述した実施形態や変形例では、電磁クラッチ６３を用いた場合について説明したが、これに限らず、図示しない機械式クラッチを用いても良い。この場合、電磁クラッチ６３を用いた場合と比較して、装置の重量を軽量化でき、図示しないバッテリーの使用持続時間も長くできる。

また、上述した実施形態では、両脚の膝関節の動作を支援する装置１００、２００について説明したが、装置１００、２００の構成は、少なくとも左右一方があれば良く、必ずしも両側に設ける必要はない。

１０…腰部装具、１１…腰部ベルト、１２…腰部フレーム、２０…下腿部装具、２１…下腿部上ベルト、２２…下腿部下ベルト、２３…下腿部上フレーム、２４…下腿部下フレーム、３０…回転支持機構、３２…回動プレート、３３、３４…ヒンジ、３６…接続プレート、４０…連結機構、４１…保持スリーブ、４３…スライドロッド、５０…駆動機構、５１…サーボモータ、５２…減速機、６０…動力伝達機構、６１…駆動プーリ、６３…電磁クラッチ、６８…テンションレバー、７１…引っ張りバネ、８０…制御部、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ…加速度センサ、８４…ロータリーエンコーダ、９１…固定フレーム、９２…可動フレーム、１００…膝関節動作支援装置。

Claims (7)

1. 腰に装着する上部分と、
   下腿部に装着する下部分と、
   膝関節の外側で上記下部分の上端に設けられ、膝関節の動きに合わせて上記下部分を回動可能に支持する回動支持機構と、
   この回動支持機構と上記上部分との間の距離を伸縮可能に連結するとともに、上記下部分の上記上部分に対する捩れを許容するように、上記回動支持機構を上記上部分に連結した連結機構と、
   上記上部分に取り付けられた駆動機構と、
   この駆動機構からの動力を上記回転支持機構に伝える動力伝達機構と、
   を有する膝関節動作支援装置。
2. 大腿部に装着する部分を持たないことを特徴とする請求項１の膝関節動作支援装置。
3. 上記駆動機構は、動力を発生させる駆動源、および減速機を有する、
   請求項２の膝関節動作支援装置。
4. 上記駆動源は、上記上部分の背中側に取り付けられている、
   請求項３の膝関節動作支援装置。
5. 上記動力伝達機構は、動力の伝達を遮断するクラッチを有する、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の膝関節動作支援装置。
6. 上記回動支持機構は、複数の回転軸を有する、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の膝関節動作支援装置。
7. 上記上部分は、腰部に固定して装着する固定フレームと、この固定フレームに対して回転可能に接続した可動フレームと、を有し、
   上記動力伝達機構は、上記回転支持機構に動力を伝達可能に固設した駆動プーリと、上記可動フレームの上記固定フレームに対する回転軸と同軸に回転可能に取り付けた駆動伝達プーリと、上記駆動プーリと上記駆動伝達プーリに巻回されて張設された無端状のタイミングベルトと、を有する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の膝関節動作支援装置。