JP2016525394A - 外骨格装置の制御システム - Google Patents

Abstract

使用者の肢用の外骨格の制御システムであって、肢は、使用者の身体に連結される上部と、下肢部とを有する。制御システムは、外骨格の１つ以上の関節を回転させる、１つ以上の駆動モータの動作を制御する。圧力センサおよび位置センサからの入力信号が監視され、入力信号が期待値内に入ると、１つ以上の制御動作を実施することができる。
【選択図】 図３１

Description

[0001]本明細書は、外骨格装置に関する。好ましい実施形態において、本明細書は、外骨格装置用の制御システムに関する。好ましくは、制御システムは、歩行等の動きを実行するための、外骨格装置の電動式関節の制御を容易にする。

[0002]以下は、以下に記すことが従来技術の一部、あるいは当業者にとって共通の一般的な知識の一部であることを容認するものではない。

[0003]脊髄損傷は、麻痺の主な原因の１つである。脊髄損傷は、高位のＣレベル損傷から、低位のＳレベル損傷までの範囲で、様々な重症度が存在し得る。脊髄損傷は、対麻痺（下肢の運動または知覚の喪失）、あるいは四肢麻痺（下肢および上肢の両方の運動または知覚の喪失）さえも引き起こす場合がある。

[0004]完全な、または部分的な対麻痺を有する人は、通常は座位や横臥位に制限される。運動性の欠如等の明らかな健康上の困難のほかに、対麻痺に関する多くの二次的な健康上の問題がある。いくつかの最も一般的な二次的疾患には、圧迫潰瘍、呼吸障害、尿生殖器の障害、痙縮、痛み、および自律神経反射異常が含まれる。

[0005]このようなあらゆる二次的な健康合併症のために、対麻痺の患者の再入院は、一般集団をしのぎ、通常の２．６倍にのぼる。また、二次的疾患は孤立して存在せず、互いに悪化させる可能性を有し、これは、深刻な健康合併症につながる場合がある。

[0006]しかしながら、例えば補助器具を用いて、直立して運動する能力が対麻痺にもたらされれば、このような合併症の多くは、低減または排除することができる。

[0007]さらに、適切な補助器具は、進行中の機能リハビリテーションを提供することができ、これが一部の患者の肢の運動および感覚を徐々に回復させる可能性を有する。これは、初めての損傷後に、補助器具の使用がすぐに開始される場合に、特にあてはまる。

[0008]現在、リハビリテーションは、人手による労力を要するプロセスである。患者は通常、リハビリテーション診療所に定期的に通わなければならず、専門の理学療法士が、様々な運動機器および装置の使用を介して患者を支援する。患者はまた、理学療法士によって、人手による運動を導入される場合もある。しかしながら、リハビリテーション期間が完了すると、患者は通常は車椅子に戻り、次のリハビリテーション期間まで、さらに訓練を受けることはない。

[0009]患者のために使用できる、各種の外骨格装置が知られている。例えば、外骨格は、使用者の腕または脚に設けることができる。使用者が、外骨格に支持された肢を最大限に使える際は、外骨格は、例えば重い荷物を運ぶ等、生来の能力を強化するために使用することができる。他の事例において、使用者が、外骨格に支持された肢を十分に使えない際には、外骨格は、リハビリ目的、または完全な機能を再現するために使用することができる。

[0010]通常、脚用の外骨格は、使用者の胴または腰に接触する胴体部分、胴体部分に運動可能に取り付けられた上側脚部、および上側脚部に運動可能に取り付けられた下側脚部を備える。

[0011]また、外骨格には動力を供給することができ、この場合は、歩行等の使用者の所望の動きを容易にするために、上側および下側脚部を動かすように構成された歯車またはプーリに連結された、１つ以上のモータを有することができる。

[0012]本概要は、以下のより詳細な説明の導入を読者にもたらすことが意図されており、特許請求された発明、またはまだ特許請求されていない発明を限定または定義するものではない。特許請求の範囲および図面を含む本文書の任意の部分で開示される、部品または工程の任意の組み合わせ、あるいは補助的な組み合わせの中に、１つ以上の発明が存在する場合がある。

[0013]幅広い態様において、外骨格の肢を操作するために、少なくとも１つのアクチュエータで外骨格装置を制御する方法が提供され、その方法は、外骨格に連結された複数のセンサを設けるステップであり、センサのそれぞれが、生理学的特性を検知するように構成される、ステップと、入力プロファイルを生成するために、センサのそれぞれから入力信号を受信するステップと、入力プロファイルを、複数の動作プロファイルのうちの選択されたプロファイルにマッピングするステップであり、動作プロファイルのそれぞれが制御動作に対応し、動作プロファイルのそれぞれが、センサのうちの少なくとも２つからの１つ以上の期待値を含む、ステップと、制御動作を実施するステップとを含む。

[0014]いくつかの実施形態において、この方法は、入力プロファイルを周期的に再生成するステップをさらに含む。マッピングは、入力プロファイルが再生成される度に繰り返すことができる。

[0015]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、外骨格の動作モードに関連し、制御動作を実施するステップは、選択されたプロファイルが動作モードに関連するときに、少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供するステップを含む。

[0016]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、外骨格の休止モードに関連し、制御動作を実施するステップは、選択されたプロファイルが休止モードに関連するときに、少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供しないステップを含む。

[0017]いくつかの実施形態において、生理学的特性は、センサのうちの少なくとも１つの位置特性である。

[0018]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つの加速度計を含み、位置特性は、加速度を含む。

[0019]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つのジャイロスコープを含み、位置特性は、ロール、ヨー、およびピッチからなる群から選択された少なくとも１つの特性を含む。

[0020]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つの力センサを含み、生理学的特性は、力である。

[0021]いくつかの実施形態において、入力プロファイルは、以前の動作プロファイルの指示を含む。いくつかの実施形態において、入力プロファイルは、インターフェース入力指示を含む。

[0022]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのそれぞれは、外骨格の可能な動作に基づいて事前に定義されている。

[0023]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのそれぞれは、少なくとも１つの患者特性に基づいて事前に決定されている。

[0024]いくつかの実施形態において、複数の動作プロファイルは、外骨格装置のメモリに記憶されている。

[0025]別の広範な態様において、外骨格の肢を操作するために、少なくとも１つのアクチュエータで外骨格を制御する装置が提供され、前記装置は、外骨格に連結された複数のセンサであり、センサのそれぞれが、生理学的特性を検知するように構成される、複数のセンサと、センサのそれぞれから入力信号を受信するように構成されるコントローラと、プロセッサであり、入力信号に基づいて入力プロファイルを生成し、入力信号を複数の動作プロファイルのうちの選択されたプロファイルにマッピングし、動作プロファイルのそれぞれが制御動作に対応し、動作プロファイルのそれぞれが、少なくとも２つのセンサからの１つ以上の期待値を含み、制御動作を実施する、ように構成されるプロセッサとを備える。

[0026]いくつかの実施形態において、プロセッサは、入力プロファイルを周期的に再生成するようにさらに構成される。プロセッサは、入力プロファイルが再生成される度にマッピングを繰り返すようにさらに構成することができる。

[0027]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、外骨格の動作モードに関連し、制御動作は、選択されたプロファイルが動作モードに関連するときに、少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供することによって実施される。

[0028]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、外骨格の休止モードに関連し、制御動作は、選択されたプロファイルが休止モードに関連するときに、少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供しないことによって実施される。

[0029]いくつかの実施形態において、生理学的特性は、複数のセンサのうちの少なくとも１つの位置特性である。

[0030]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つの加速度計を含み、位置特性は、加速度を含む。

[0031]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つのジャイロスコープを含み、位置特性は、ロール、ヨー、およびピッチからなる群から選択された少なくとも１つの特性を含む。

[0032]いくつかの実施形態において、複数のセンサは、少なくとも１つの力センサを含み、生理学的特性は、力である。

[0033]いくつかの実施形態において、入力プロファイルは、以前の動作プロファイルの指示を含む。

[0034]いくつかの実施形態において、本装置は、患者入力インターフェースをさらに備え、入力プロファイルは、患者入力インターフェースからのインターフェース入力指示を含む。

[0035]いくつかの実施形態において、動作モデルのそれぞれは、外骨格の可能な動作に基づいて事前に定義されている。

[0036]いくつかの実施形態において、動作プロファイルのそれぞれは、少なくとも１つの患者特性に基づいて事前に決定されている。

[0037]いくつかの実施形態において、本装置は、複数の動作モデルを記憶するように構成されたメモリをさらに備える。

[0038]別の広範な態様において、プログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体が提供され、プログラム命令がプロセッサによって実行されると、外骨格の肢を操作するために、少なくとも１つのアクチュエータで外骨格装置を制御する方法をプロセッサに実行させ、複数のセンサが外骨格に連結され、各センサが、生理学的特性を検知するように構成され、前記方法は、入力プロファイルを生成するために、各センサから入力信号を受信するステップと、入力プロファイルを複数の動作プロファイルの選択されたプロファイルにマッピングするステップであって、各動作プロファイルが制御動作に対応し、各動作プロファイルが、少なくとも２つのセンサからの１つ以上の期待値を含む、ステップと、制御動作を実施するステップとを含む。

[0039]外骨格は、本明細書に含まれる任意の１つ以上の特徴を具体化でき、この特徴は、任意の特定の組み合わせまたは補助的な組み合わせに使用できることが、当業者には理解されよう。

[0040]本明細書に含まれる図面は、本明細書が教示する物品、方法、および装置の様々な例を示すためのものであり、いかなる場合にも、教示されるものの範囲を限定することは意図されていない。

１本の肢の歯車収容カバーの外カバーを除去した、例示的な外骨格装置の斜視図である。 両方の肢の歯車収容カバーの外カバーを除去した、図１の例示的な外骨格装置の斜視図である。 図１の外骨格の前面図である。 図１の外骨格の脚構造の内部側面図である。 歯車収容カバーを除去した、図４の脚構造の外部側面図である。 外骨格の右側の脚構造の例示的な駆動力伝達機構の斜視図である。 図６の駆動力伝達機構の第１の、または外部の側面図である。 図６の駆動力伝達機構の前面図である。 図６の駆動力伝達機構の第２の、または内部の側面図である。 外骨格の左側の脚構造の例示的な駆動力伝達機構の斜視図である。 図６の例示的な駆動力伝達機構の分解斜視図である。 駆動モータが除去された、図６の駆動力伝達機構の部分拡大前面図である。 図１２の部分的な駆動力伝達機構の外部側面図である。 図１２の部分的な駆動力伝達機構の背面図である。 図１２の部分的な駆動力伝達機構の内部側面図である。 内部歯車の外側の駆動部品を除去した、図１２の部分的な駆動力伝達機構の内部から見た斜視図である。 外骨格の左側の脚構造の、部分的な駆動力伝達機構の内部から見た斜視図である。 外骨格の左側の脚構造用の足部分の斜視図である。 図１８の足部分の外部側面図である。 図１８の足部分の前面図である。 図１８の足部分の分解斜視図である。 代替実施形態による、外骨格の脚用の足部分の斜視図である。 図２２の足部分の外部側面図である。 図２２の足部分の前面図である。 図２２の足部分の分解斜視図である。 例示的な空気のうストラップを有する、外骨格の斜視図である。 別の例示的な空気のうストラップを有する、外骨格の斜視図である。 さらに別の例示的な空気のうストラップを有する、外骨格の斜視図である。 さらに別の例示的な空気のうストラップを有する、外骨格の斜視図である。 空気のうストラップを有する、外骨格用の制御システムの概略図である。 外骨格用の制御システムの概略図である。 図３１の制御システムを作動させる方法のフロー図である。 初期化動作プロファイルのフロー図である。 「座位から立位へ」の動作プロファイルのフロー図である。 「立位から歩行へ」の動作プロファイルのフロー図である。 「歩行から停止へ」の動作プロファイルのフロー図である。 「立位から座位へ」の動作プロファイルのフロー図である。

[0042]図面は、本明細書で説明される例示的な実施形態の様々な態様および特徴を示す目的で提供される。対応する要素、または類似する要素を示すために、適切と考えられるところで、図面間で参照符号が繰り返されている場合がある。

[0043]特許請求の範囲に記載されている発明のそれぞれの実施形態の例を提供するために、様々な装置またはプロセスが以下で説明される。以下で説明される実施形態は、特許請求の範囲に記載されているいかなる発明も制限することはなく、特許請求の範囲に記載されている発明はいずれも、以下で説明されるものとは異なるプロセスまたは装置を含むことができる。特許請求の範囲に記載されている発明は、以下で説明される任意の１つの装置またはプロセスの特徴の全てを有する装置またはプロセスに限定されることはなく、あるいは以下で説明される複数または全ての装置に共通する特徴に限定されることはない。以下で説明される装置またはプロセスは、特許請求の範囲に記載されている発明の実施形態でなくてもよい。本明細書で特許請求されない、以下で説明される装置またはプロセスで開示された任意の発明は、別の防護器具の主題であってもよく、例えば、継続的な特許出願、ならびに出願者、発明者または所有者は、本明細書におけるその開示によって、このような任意の発明の権利を断念、放棄、あるいは公衆に献呈されることを意図していない。

[0044]説明される実施形態は、進行中の機能リハビリテーションを容易にすることによって、対麻痺の補助および治療に使用するのに適した補助装置を提供する。例えば、患者の脚および胴を立位に支持する、電動式の外骨格構造が説明される。患者は、外骨格を使用しながら、１本以上の松葉杖の助けを借りて立ったり歩いたりすることができ、あるいは外骨格の使用のみで歩くことができる。１つの実施形態において、外骨格は、患者が、例えば立ったり座ったり歩いたりできるように、センサ、ならびに生理学的な入力および環境的な入力を解釈するコントローラを有することができる。例えば、生理学的な入力には、患者の上半身の角度位置、両脚のバランス、およびそれぞれの足の裏にかかる圧力が含まれ得る。これに代えて、あるいはこれに加えて、患者がバランスを失っているか、または単に動作を行う準備ができていない場合は、外骨格は、損傷や望ましくない動きを避けるために、休止したままにすることができる。

[0045]外骨格の作動は、電気モータによってもたらされ、これは膝または股関節のそれぞれにおいて、トランスミッションでステップダウンすることができる。いくつかの実施形態において、足首関節には動力が供給されず、ばねで付勢された機構の補助によって動作し、これは、患者の足の後部が歩行面を離れたときに足の前部を持ち上げる。動力は、搭載されたバッテリパックによって供給されることが好ましい。他の実施形態では、フットプレート組立体は設けられなくてもよい。

[0046]説明される実施形態は、対麻痺の患者による使用に限定されない。他の疾病または病状の患者もまた、外骨格の使用の恩恵を受けることができる。例えば、筋萎縮性側策硬化症（ＡＬＳ）の中期、多発性硬化症、筋ジストロフィー、脳卒中その他の神経学的障害を有する患者は、外骨格の恩恵を受けることができる。さらに、外骨格はまた、筋肉、腱、または靭帯損傷等の、筋骨格の損傷の治療にも役立てることができる。

[0047]外骨格は、脚構造が１本のみ設けられてもよいことが理解されよう。例えば、使用者が動作の障害や動作の制限を有する肢が、１本のみである場合がある。また、外骨格は、股関節または膝等の、１つの関節のみの動作に困難を有する使用者のために設計されてもよいことも理解されよう。このような場合、外骨格は、その関節のみのために電動式の補助をもたらすように構成することができる。また、使用者の片腕または両腕で使用するために設計された外骨格に、同一の機構が使用されてもよいことも理解されよう。例えば、この外骨格は、使用者の片腕に連結されるように構成された肢構造を有することができる。

[0048]説明される実施形態は、一般的に、対麻痺の使用者の脚用の外骨格に関するが、（例えば、股関節または腰、ならびに両腕への）追加の関節およびモータの追加を介して、四肢麻痺の使用者用の外骨格が同様に提供されてもよい。

[0049]外骨格装置の概要
図１〜図５を参照すると、外骨格１の例示的な実施形態が示されている。示されている実施形態において、外骨格装置は、使用者の両脚用の外骨格である。代替実施形態において、外骨格装置は、さらに、またはこれに代えて、（例えば四肢麻痺患者のための）腕および／または上胴構造、あるいは１本のみの肢、または１本の肢の１つのみの関節用の部分的な外骨格を備えていてもよい。

[0050]示されている例において、外骨格１は、２本の肢構造２に運動可能に連結された、胴体部分すなわち支持構造９を備える。肢構造２は、上肢部３および下肢部４を備え、使用者の腕または脚を支持するように構成することができる。上肢部は、胴体部分９および下肢部４の両方に、運動可能に駆動連結することができる。肢構造２はまた、フットプレート５を含む足部分を備え、これは、下肢部４に運動可能に連結することができる。例示されているように、複数の肢構造２は、同一の構造である。しかしながら、複数の肢構造２は異なっていてもよいことが理解されよう。また、例えば、いくつかの実施形態において、下肢構造は必要とされない場合があることも理解されよう。

[0051]上肢部３、下肢部４、および胴体部分９のそれぞれは、金属、金属合金、プラスチック、複合材その他の適切な材料、またはそれらの組み合わせで形成することができる。各部分は、単一の連続的な部品であってもよく、または互いに連結された複数の部品を含んでいてもよい。

[0052]いくつかの実施形態で、胴体部分９は、臀部９１および腰部９２を含み、これらは通常は互いに連結される。また、胴体部分９には、使用者の快適性のために、尻当て９３および背当て９４を設けてもよい。尻当て９３および背当て９４は、様々な適切な構成で設けられてもよい。尻当ておよび背当てを形成するために、押出発泡体その他適切な材料を使用することができる。あるいは、これらは、（例えば、金属、金属合金、プラスチック、複合材その他適切な材料で形成された）剛性部材であってもよく、これは（例えば、発泡体その他の変形可能な材料で）当て物をすることができる。胴体部分９は、それのみで使用できることが理解されよう。また、本明細書に開示される異なる態様は、胴体部分９、または当業者に知られている任意の胴体部分なしで使用できることも理解されよう。

[0053]いくつかの実施形態において、図１に例示されているように、胴体部分９は、肩ハーネスが設けられないように構成される。したがって、使用者の上胴または肩から、使用者の脊椎に重量が伝達されない。この設計の利点は、使用者の上半身の可動性が向上することである。また、使用者が体感する外骨格の重量の重心が低くなる。

[0054]腰部９２は、様々な身体寸法の使用者に適合するように調節可能であってもよい（例えば、複数のセグメントを設けてもよい）。したがって、腰部９２の部品は剛性部材であってもよく、これらの部品のいくつか、または全ては、隣接する部材に対して運動可能に連結することができる。例示されているように、腰部９２は、腰部調節部材９５を設けることができ、これは、複数の位置で臀部伸張部９１ａに固定可能な第１の端部９５ａ、および複数の位置で側部ストラップ９７の第１の端部９７ａに固定可能な第２の端部９５ｂを有する。腰部調節部材９５は、外骨格の両側に設けることができる。これに代えて、またはこれに加えて、腰部９２はまた、背部調節部材９６も設けることができ、これは、複数の位置で側部ストラップ９７の第２の端部９７ｂに固定可能な第１の端部９６ａ、および複数の位置で外骨格のもう一方の側の側部ストラップ９７の第２の端部９７ｂに固定可能な第２の端部９６ｂを有する。示されている例において、腰部９２は、互いに摺動可能に対合するいくつかのセグメントを含む。セグメントには複数の穴が設けられ、腰部を所望の幅および奥行きに調節することができる。腰部を所望の寸法で固定するために、ボルトその他の適切な締め具（例えば蝶ナット）が設けられてもよい。複数の連結位置を有する、他の摺動可能な機構または連結機構が使用されてもよい。したがって、腰部は、特定の使用者の寸法に合わせられるように、様々な構造にしてもよいことが理解されよう。

[0055]例示されているように、特に、使用者の１本以上の脚に用いるための外骨格では、肩ストラップその他の機構は設けられないことが好ましい。したがって、使用者の上胴は、外骨格の重量を支持することはない。フットプレートが設けられている実施形態では、外骨格は、本質的に自重を支持する。したがって、腰部９２は、外骨格の上部の、使用者の下胴への固定を確実にするように、あるいは補助するように構成することができるため、使用中は、本質的に使用者に対する相対位置に固定される。

[0056]いくつかの実施形態において、上肢部３は、その上に１つ以上のモータ２１が設けられる支持構造を提供することができる。モータは、電動式の各関節に設けられることが好ましい。上肢および胴体の関節、ならびに上肢および下肢の関節用のモータは、それぞれ上肢に設けられることが好ましい。

[0057]モータに電力を供給するために、搭載された蓄電部材を設けることができる。任意の蓄電部材を設けることができ、蓄電部材は、外骨格の任意の位置に設けられてもよく、あるいは外骨格から離して配置されてもよい。例えば、使用者が電源パックを携帯してもよく、外骨格に接続するコードを有していてもよい。蓄電部材は、１つ以上のバッテリを含むことができる。図３に例示されているように、バッテリ３１は、上肢部３に設けることができる。他の実施形態において、１つ以上のバッテリ３１が、胴体部分９に設けられてもよい。例示されているように、各モータに、それ自身のバッテリを設けてもよいことが理解されよう。この設計の利点は、バッテリの重量がより均等に配分されることである。あるいは、各モータに連結された中央電源パックが設けられてもよい。

[0058]使用者の胴に近い上肢部３に、モータ２１およびバッテリ３１等の部品を設けることにより、下肢部４をより軽量にし、その質量慣性モーメントを低減することができる。慣性モーメントの低減に対応して、下肢部が重い場合に生じる使用者の（膝等の）関節にかかる応力を低減する。

[0059]上肢部３は、単一の連続的なセグメントで形成でき、あるいは長さを調節することができる。例えば、いくつかの実施形態において、上肢部３は、ブラケットによって連結された２つの端部セグメントを有することができる。例えば、それらは伸縮部材であってもよく、あるいは並んだ部材またはブラケットを有していてもよい。異なる長さを有する代替のブラケットを用いることによって、あるいは（例えば、ブラケットまたは端部セグメントにおいて、間隔の異なるねじ穴同士の間で選択して）異なる位置でブラケットを互いに連結することによって、上肢部３は、各使用者に適合するように、長くしたり短くしたりすることができる。任意の調節可能なセグメントが使用できることが理解されよう。

[0060]上肢部が外骨格に駆動連結されている場合は、上肢部３の各端部は、取り付け具を有することができ、かつ関節のもう一方の側で、外骨格の隣接する部分にモータ２１を駆動連結するための駆動力伝達機構２０を設けることができる。例えば、上肢部３の上端は、モータ２１を上部胴体部分９に駆動連結するための駆動力伝達機構２０を有することができ、上肢部３の下端は、モータ２１を下肢部４に駆動連結するための駆動力伝達機構２０を有することができる。外骨格の部分は、互いに枢動可能に連結されることが好ましい。したがって、図示された実施形態に見られるように、取付け具は、図８にさらに詳細に示される通り、旋回軸Ａを有するピボット３０を備える。ピボット３０は、旋回軸Ａの周りの、上肢部３に対する下肢部４の回転運動を容易にするための適切な軸受を備えることができる。

[0061]下肢部４は、単一の連続的なセグメントで形成でき、あるいは長さを調節することができる。例えば、いくつかの実施形態において、下肢部４は、複数の係止位置を有する、図示されているような伸縮する管構造を備えることができ、各使用者に適合するように、長くしたり短くしたりすることができる。下肢部は、上肢部３と同一の長さ調節機構を使用でき、あるいは異なる長さ調節機構を用いてもよいことが理解されよう。

[0062]塵その他の汚染物から外骨格１の部分を遮蔽するために、また、外部の物体から外骨格１の可動部品を保護するために、上肢カバー１０が設けられてもよい。上肢カバー１０は、金属、金属合金、プラスチック、複合材その他の適切な材料で形成することができる。

[0063]伝達構造
本明細書で説明される教示の１つの態様によれば、以下は、伝達構造または歯車構造の説明であり、これは、任意の外骨格、あるいはオフセット旋回軸構造、フットプレート組立体構造、および空気のうストラップ構造を含む、本明細書で開示される、任意の１つ以上の他の態様との組み合わせまたは補助的な組み合わせにおいて、単独で用いることができる。通常、駆動力伝達機構２０は、上肢部に設けられたモータと胴体部分との間、ならびに／あるいは上肢部のモータと下肢部との間に駆動力を伝達するように構成される。したがって、モータおよび駆動力伝達機構は、組み合わせて電動式の関節を提供する。この態様によれば、駆動力伝達機構２０は、上肢部に取り付けられ、かつ肢とほぼ平行なモータ軸を有するモータからの回転力を適応させ、１つ以上の歯車を介して、胴体部分または下肢部に、回転力を横方向に伝達する。

[0064]モータの出力軸を、モータから関節への伝達方向を横切るように位置合わせすることの利点は、低トルクレベルを有するモータを設けることができ、したがって、より小さいモータを使用できることである。より小さいモータを用いることにより、より軽いモータの使用が可能になり、同一の搭載されたエネルギー供給源の使用で、より長寿命を得ることができる。

[0065]モータの出力軸を、モータから関節への伝達方向を横切るように位置合わせすることの別の利点は、肢構造のプロファイルを低減できることである。モータ軸が歯車の回転の軸線と位置合わせされた場合は、モータはさらに外向きに延びて、使用者が壁や家具等を避けなければならない間隔が増加することになる。

[0066]図６〜図１７を参照すると、外骨格１等の外骨格で使用するための、使用者の肢に対応する少なくとも１本の肢構造用の駆動力伝達機構２０の例示的な実施形態が示されている。図６〜図１１は、上肢部および下肢部の小部分を伴う、完全な伝達機構２０を示す。図１２〜図１７は、内部部品がよりよく見えるように、選択された部分が省略された、部分的な駆動力伝達機構２０を示す。

[0067]通常、少なくとも１本の肢構造は、上部すなわち上肢部３を有することができ、これは胴体部分９に連結されるか、または下肢部４に連結され、あるいはその両方に連結される。上肢部３は、胴体部分９に運動可能に取り付けることができ、下肢部４は、上肢部３に運動可能に取り付けることができる。少なくともいくつかの実施形態において、上肢部３は、胴体部分９に枢動可能かつ運動可能に取り付けることができ、下肢部４は、上肢部３に枢動可能かつ運動可能に取り付けることができる。

[0068]示されている例において、外骨格１は、左脚構造および右脚構造、ならびに腰部材すなわち胴体部分９を有する。外骨格は、当業者に知られている任意の手段によって、使用者に固定することができる。外骨格の様々な位置に、複数のストラップが設けられることが好ましい。例えば、ストラップは、それによって使用者を脚構造に固定し、左脚および右脚構造によって、使用者の体重を外骨格に伝達するために設けることができる。また、外骨格を使用者の下胴に固定するために、腰ストラップが設けられてもよい。いくつかの実施形態において、ストラップは、快適性を高め、かつ使用者の肢または胴の圧力を分散させるために、少なくとも１つの膨張式ポケットを備えることができる。

[0069]この態様によれば、駆動モータ２１は、上肢部３に設けることができる。駆動モータ２１は、上肢部３とほぼ平行に延びるモータ軸Ｍを有する。さらに詳細には、駆動モータ２１は、モータ出力軸２２が、上肢部３の長手方向軸線とほぼ平行になるように配向される。これにより、外骨格１上で部品のコンパクトで効率的な配置が容易になる。

[0070]駆動モータ２１は、上肢部端部３ａに取り付けられるか、またはこれに近接して取り付けることができ、また出力軸２２は、駆動歯車２３が従動歯車２４と駆動係合するように配置される、十分な長さを有することができる。

[0071]いくつかの実施形態において、駆動モータ２１は、モータ出力軸２２のトルクを増加させながら出力速度を減少させるために、遊星歯車ボックスに組み込まれるかまたは連結される。

[0072]図６〜図１７に示されている例において、示されている駆動力伝達機構２０は、駆動モータ２１を（例えば膝関節で）外骨格１の下肢部４に駆動連結するのに使用される、回転運動駆動力伝達機構である。さらに詳細には、下肢部４は、上肢部３に運動可能に取り付けられ、かつ、好ましくは枢動可能に取り付けられる。

[0073]駆動力伝達機構２０は、下肢部４の上端に設けられた第１の歯車すなわち従動歯車２８を備える。従動歯車２８は、下肢部４に連結される任意の歯車であってもよい。この歯車は、内接歯車であってもよい。この歯車は、一定の弧を有し、１０〜１５０度の間、または３０〜１５０度の間の移動距離をもたらせることが好ましい。移動距離は、関節に応じて異なっていてもよく、（好ましくは、歩行中、および座位になったり座位から立ち上がったりする間の）関節の通常の範囲の動きが可能なように選択されることが好ましい。

[0074]駆動力伝達機構２０は、モータ軸Ｍを横切って延びる第１の伝達部材をさらに備える。

[0075]いくつかの実施形態において、第１の伝達部材は、単一の直交歯車、例えば、駆動モータからの回転出力を直交すなわち横方向に下肢部に伝達する歯車を備えることができる。例えば、モータ出力軸２２に設けられた駆動歯車２３は、このような直交歯車と駆動係合することができ、直交歯車は、従動歯車２８と直接駆動係合することができる。あるいは、駆動歯車２３は、従動歯車２８またはその延長部と直接駆動係合してもよい。しかしながら、示されている例を含む他の実施形態において、伝達部材は伝達シャフト２６を備え、これはその第１の端部に設けられた駆動歯車２７、およびその第２の対向する端部に設けられた従動歯車２４を有する。駆動歯車２７は、従動歯車２８に駆動連結される。駆動歯車２７および従動歯車２８のうちの１つ、または両方が斜歯歯車であってもよく、他の実施形態では、平歯車その他の適切な歯車であってもよい。斜歯歯車は、平歯車に比べて動作が静かであるという利点をもたらす。

[0076]従動歯車２４は、モータ出力軸２２に設けられた駆動歯車２３によって駆動され、これは伝達シャフト２６に対して横方向に取り付けられる。示されている例において、駆動歯車２３および従動歯車２４は、傘歯歯車である。駆動歯車２３は、例えば剪断可能なキーを用いて、回転しないようにモータ出力軸２２に取り付けられる。駆動歯車２３は、これもまた傘歯である、従動歯車２４に駆動連結するための傘歯歯車であってもよい。他の実施形態において、駆動歯車２３は、ウォーム歯車等の他の構成を用いて従動歯車２４に駆動連結されてもよい。

[0077]オーバートルク状態による使用者のけがを防ぐために、歯車の少なくとも１つ、ならびに好ましくは従動歯車２４および駆動歯車２７のうちの１つは、伝達シャフト２６に剪断可能に取り付けられる。例えば、剪断可能なキー２５を用いて、伝達シャフト２６に回転しないように取り付けることができる。同様に、駆動歯車２３は、剪断可能なキーを使用して、回転しないようにモータ出力軸２２に取り付けることができる。剪断可能なキーは、所定の力が加えられたときに変形および剪断する柔らかい金属合金等の材料で形成することができ、所定の力は、使用者にけがをさせるか、または外骨格の部品を損傷するか、あるいはその両方を引き起こす力よりも低くなるように選択される。

[0078]いくつかの実施形態において、駆動力伝達機構は、１：２００〜１：６００の歯車減速をもたらす。いくつかの実施形態において、駆動力伝達機構は、１：３００〜１：５００の歯車減速をもたらす。

[0079]いくつかの実施形態において、従動歯車２８は、内接歯車である（すなわち、歯が内側に設けられ、外側には設けられない）。内接歯車は、完全な円形に広がることができ、内面の一部または全てに歯を有していてもよいことが理解されよう。あるいは、例示されているように、内部歯車２８は、弧として構成される。このような実施形態では、従動歯車２８の外部を囲むために、かつ好ましくは弧の形状の従動歯車２８の開口端を閉じるために、下肢部４の端部に歯車収容部３３が設けられてもよく、その結果、囲まれた内部空間３４を画定する（図１１を参照）。したがって、内部従動歯車２８は、伝達シャフト２６上の駆動歯車２７の歯が係合する、歯を有する従動側、および歯車収容部３３によって閉じることができる反対側を有する。

[0080]示されているように、従動歯車２８は、内接歯車であってもよく、かついくつかの様式で構成することができる。例えば、歯車収容部３３の一部として（例えば一体的に形成されたユニットとして）形成されてもよく、あるいは従動歯車２８は、歯車収容部３３に固定されるか、または歯車収容部３３内にあってもよい。歯車収容部には、伝達シャフト２６の側面に対向する、開口部３４の側面を閉じる背板３５を設けることができる。歯車収容部３３および背板３５は、内接歯車が使用者の衣服の付属物に絡まることや、あるいは他の外部環境要素から内接歯車を保護する。従動歯車２８は、下肢部４の上端のポートとして形成されてもよく、あるいは、個別に製造されて、その後でそこに取り付けられてもよい。

[0081]使用者の肢を損傷する可能性のある、関節の過回転を防止するために、関節の所定の限度を超えた回転を抑制または防止するための機構を設けることができる。限度は、過回転で使用者の関節が損傷を受ける回転度よりも少し小さく設定することができる。例えば、従動歯車２８は、第１および第２の離間された歯車端面２８ａおよび２８ｂを有することができ、かつ停止部分の前または停止部分で伝達部材の回転を止めるように、従動歯車２８の離間された端面２８ａおよび２８ｂの一方または両方に近接して、停止部材２９ａまたは２９ｂを設けることができる。いくつかの実施形態において、停止部材２９ａまたは２９ｂは、歯車収容部３３の一部とするか、または歯車収容部３３と一体化されていてもよい。停止部材２９ａまたは２９ｂは、例えば駆動歯車２７が係合するように、任意の構成にすることができ、かつ任意の部分に設けることができる。そして、駆動歯車の停止部を超えた回転を防止する。剪断可能なコネクタが設けられる場合は、剪断可能なコネクタは、上記のようなことの発生時に剪断することができ、これによって、使用者の関節、および外骨格への損傷を防止することができる。停止部は、剪断可能なコネクタに剪断を生じさせるために、回転に対する抵抗をもたらすように設計できることが理解されよう。

[0082]これに代えて、あるいはこれに加えて、この機構は、駆動モータ２１に動作可能に連結されたコントローラを備えることができ、これは、歯車端面２８ａおよび２８ｂの一方または両方を超えた駆動歯車２７の回転を防止するように構成することができる。

[0083]同様かつ類似の様式で、第２の駆動力伝達機構２０’が、股関節に設けられてもよく、第２の駆動モータのモータ軸を横切って延びる第２の伝達部材を備えることができる。ここで、第２の駆動力伝達機構２０’は、第２の駆動モータを胴体部分９に駆動連結する。図１〜図５に例示されているように、上肢部３は、胴体部分９に運動可能に取り付けられ、かつ、好ましくは枢動可能に取り付けられる。この実施形態において、第１の歯車すなわち従動歯車２８は、胴体部分９に設けられることが好ましい。例えば、従動歯車２８は、胴体部分９の臀部９１に設けることができる。また、いくつかの実施形態において、歯車収容部３３は、胴体部分９の一端に設けることができる。

[0084]したがって、いくつかの実施形態において、外骨格は、各脚に１本ずつの２本の肢構造を有することができる。図１に例示されているように、外骨格は、左脚用の肢構造と右脚用の肢構造とを有する。肢構造は、腰部材に連結される。上肢部には、１つは股関節の作動用、１つは膝関節の作動用の２つのモータを設けることができる。この設計の１つの利点は、使用者の膝に関係する軟骨や靭帯を過回転から保護するために、運動神経をシミュレートするとともに、膝が動く範囲に限界を作成するための、膝の感覚受容器を必要としないことである。

[0085]別の利点は、下肢部４の重量が低減されることであり、これによって、膝関節を介して伝達される力が低減される。

[0086]さらに別の利点は、下肢部４の取り外し、使用または取り替えがより簡単になることである。例えば、モータ用の制御配線は、膝関節を通って延ばす必要はない。また、下肢部４を上肢部３に運動可能に固定しているねじ等を取り外すことによって、かつ必要に応じて、駆動力伝達機構から下肢部４の歯車の係合を外すことによって、下肢部を取り外すことができる。

[0087]さらに別の利点は、モータを上肢部３に維持し、かつ腰部材ならびに／または上肢部および下肢部で重量を支持することによって、外骨格の足首関節を介して伝達される重量を低減することができ、それによって、フットプレートをより軽くすることである。

[0088]オフセット旋回軸
本明細書で説明される教示の別の態様によれば、以下はオフセット旋回軸の説明であり、これは、伝達構造、フットプレート組立体構造、および空気のうストラップ構造を含む、外骨格あるいは本明細書で開示される、任意の１つ以上の他の態様との組み合わせまたは補助的な組み合わせにおいて、単独で用いることができる。この構造は、伝達構造と共に用いられることが好ましい。

[0089]この態様によれば、上肢は、関節の駆動軸から垂直に離間された位置で、枢動可能に下肢（および／または胴体部分）に取り付けられる。例えば、関節が本明細書に開示されている伝達構造を用いる場合は、外骨格の関節の旋回軸は、伝達シャフト２６の軸線から垂直にオフセットすることができる。したがって、上肢および下肢３、４の旋回軸は、その関節の伝達シャフト２６の軸線の上方にあってもよい。同様に、上肢３および胴体９の旋回軸は、その関節の伝達シャフト２６の軸線の下方にあってもよい。外骨格の関節の旋回軸は、使用者の肢の関節の旋回軸に近接していることが好ましく、本質的に、使用者の肢の関節に位置することが好ましいことが理解されよう。

[0090]この設計の利点は、関節の駆動機構が、使用者の関節によってもたらされる制約とは比較的無関係に寸法決めできることである。例えば、より大きい伝達部材または歯車構造が、使用者自身の関節とうまく位置が合わない回転軸を有していても、これを使用することができる。この設計はまた、異なるサイズの肢に対する、調節機能の向上を容易にすることができる。

[0091]図示されている例において、下肢部４は、肢部旋回軸Ａの周囲で枢動可能に上肢部３に取り付けられる（図８を参照）。肢部旋回軸Ａは、従動歯車２８および関連付けられた収容部３３、３５等の、下肢４の部分またはその延長部を通って延びる任意の位置に配置することができる。例示されているように、肢部旋回軸Ａは、従動歯車２８を囲む収容部３３のほぼ内側かつ上端に配置することができる。旋回軸Ａは、収容部３３等の下肢部４の上端を、上肢部端部３ａ等の上肢部３の下端に（図６を参照）、枢動可能かつ運動可能に連結する軸受３０の中心に置くことができる。

[0092]図８および図１２に例示されているように、肢部旋回軸Ａは、伝達部材すなわち伝達シャフト２６の伝達軸Ｂに近接し、かつそのほぼ上方に配置される。伝達軸Ｂは、肢部旋回軸Ａとほぼ平行に延びることができる。しかしながら、肢部旋回軸Ａは、肢部旋回軸Ａが伝達軸Ｂから垂直にオフセットされるように、伝達部材すなわち伝達シャフト２６から離間される。したがって、示されている例において、下肢部４は、肢部旋回軸Ａの周囲で枢動可能に上肢部３に取り付けられ、外骨格１は、肢部旋回軸Ａが、伝達部材すなわち伝達シャフト２６の伝達軸Ｂに近接し、かつほぼ上方に配置されるように構成される。

[0093]使用時に、肢部旋回軸Ａは、使用者自身の膝の生来の旋回軸と位置合わせされ、ストラップ等の使用を介して、この位置に固定することができる。旋回軸Ａを、膝の生来の旋回軸と位置合わせすることにより、膝関節の応力が低減される。対照的に、現行の外骨格の関節は、使用者自身の生来の旋回軸と完全に位置合わせされた回転軸を設けることができないか、あるいは膝関節が回転時に異なる点で応力を加えられてもよいように、膝関節とは異なる回転弧を有する場合がある。

[0094]同様に、駆動力伝達機構２０’等の他の構成において、胴体部分９は、胴体部分旋回軸Ａ’の周囲で枢動可能に上肢部３に取り付けることができる。胴体部分旋回軸Ａ’は、伝達部材Ｂ’の軸線に近接し、かつほぼ下方に配置することができる。伝達部材の軸線は、胴体部分の軸線Ａ’とほぼ平行に延びることができる。しかしながら、胴体部分の軸線Ａ’は、伝達部材の軸線Ｂ’および胴体部分の軸線Ａ’が垂直にオフセットされ、胴体部分の軸線Ａ’を伝達部材の軸線Ｂ’の下方に配置できるように、伝達部材すなわち伝達シャフトから離間される（例えば図２を参照）。肢部旋回軸Ａと同様に、胴体部分の軸線Ａ’もまた、使用者の股関節の生来の旋回軸と位置合わせすることができる。

[0095]また、機構２０と同様の様式で、第１の従動歯車は外周に囲まれた内接歯車にすることができ、胴体部分旋回軸Ａ’は、外周の下部に配置することができ、かつ歯車収容部３３’内に設けることができる。

[0096]したがって上肢部３は、胴体に対して、上肢の軸線の周囲で回転可能であり、上肢部は、胴体部分旋回軸の周囲で枢動可能に胴体部分に取り付けられる。外骨格は、胴体部分旋回軸Ａ’が、使用者の上肢および胴体の回転の軸線（例えば股関節の旋回軸）に近接し、伝達部材の軸線Ｂ’のほぼ下方に配置されるように構成することができる。

[0097]この態様との組み合わせで、異なる歯車構成が使用される場合は、外骨格の胴体の旋回軸と関節の旋回軸との相対的な配置は逆にできることが理解されよう。例えば、外骨格は、臀部の胴体部分の旋回軸Ａ’が、伝達部材の軸線Ｂ’の上方に配置されるように構成することができる。同様に、外骨格は、膝の胴体部分旋回軸Ａが、伝達部材の軸線Ｂの下方に配置されるように構成することができる。

[0098]フットプレート組立体
本明細書で説明される教示の別の態様によれば、以下はフットプレート組立体の説明であり、これは、伝達構造、オフセット旋回軸構造、および空気のうストラップ構造を含む、外骨格あるいは本明細書で開示される、任意の１つ以上の他の態様との組み合わせまたは補助的な組み合わせにおいて、単独で用いることができる。

[0099]この態様によれば、使用者の脚用の外骨格には、使用者の足を受けるように構成されたフットプレートが設けられ、フットプレートは、歩行を容易にするように、使用者の足首関節の周囲で運動可能である。フットプレートの前部は、使用者の脚が床から持ち上げられて前方に移動するときに、上方に持ち上がるように付勢することができる。この設計の利点は、足の前部を持ち上げることによって、起伏のある地面での歩行を補助することである。例えば、使用者の足が、使用者の転倒を招く物体にぶつからないようにすることができる。したがって、この態様は、歩行の地面に見られる場合がある、小さな躓きやすい障害物を避けるのを補助することができる。

[0100]フットプレートは、機械ばね５５（図２１を参照）または空気ばね５５’（図２５を参照）等の機械的な付勢部材によって、上方へ付勢することができる。機械的な付勢部材を使用することの利点は、この付勢部材はより単純で、壊れにくいことである。また、軽量なためフットプレート組立体の重量を低減し、かつ膝関節を介して伝達される力を低減する。

[0101]フットプレートは、（下肢部４等の）脚構造、および好ましくは下肢部４の下端に連結される付勢部材によって、持ち上げられた位置に付勢することができる。付勢部材は、フットプレート組立体７５の前部に付勢連結することができ、したがって、付勢部材は収縮位置に付勢されることが可能になり、これによってフットプレート組立体７５の前部に上向きの力をもたらすことが理解されよう。あるいは、付勢部材は、フットプレート組立体７５の後部に付勢連結することができ、したがって、付勢部材は伸長位置または拡張位置に付勢されることが可能になり、これによってフットプレート組立体７５の後部に下向きの力をもたらす。

[0102]フットプレートは、使用者の足を受けるように寸法決めされる。フットプレートは、使用者の足の全部または大部分が、その上で受けられるように寸法決めすることができる。あるいは、フットプレートは、使用者の足の中央部のみの下にくるように寸法決めされてもよい。フットプレートは、靴の中で受けられるように寸法決めされてもよい。

[0103]本明細書で説明されるのは、上方位置に付勢されるフットプレートを提供する実施形態であり、付勢は、モータまたは歯車伝達を使用することなく達成することができる。

[0104]図１８〜図２１を参照すると、上向きの力がフットプレート組立体７５の前部にもたらされる、フットプレート組立体７５の第１の例が示されている。

[0105]フットプレート組立体７５は、通常は下側脚部端部４ａを含み、これは、下肢部４のセグメントまたは部分（より具体的には、下側の脚部）とするか、あるいは下肢部４に連結されるように適合されてもよい。

[0106]示されている例において、下側脚部端部４ａは中空の管であり、これは管内で付勢部材５４を受けるように適合される。この設計の利点は、付勢部材が脚構造の内部部材として設けられるために、付勢部材のための個別の保護収容部が必要ないことによって、脚構造の重量を低減することである。他の実施形態において、付勢部材５４は、下側脚部端部４ａの外部に、あるいは隣接して設けられてもよい（例えば、図２２の実施形態を参照）。いくつかの実施形態において、下側脚部端部４ａは設けられなくてもよく、下部４は、フットプレート組立体７５に直接連結することができる。

[0107]下側脚部端部４ａは、連結点５２でフットプレート５に運動可能に連結され、そこに枢動可能に取り付けられることが好ましい。

[0108]フットプレート５は、単一の、ほぼＵ字型または鐙形状の部品で形成することができ、あるいは、フットプレートを形成するために共に連結された複数の部品から形成されてもよい。フットプレート５は、通常は足下支持部、および上端に貫通する穴１００を有する２つのフランジ７０を備える。好ましくは外側に位置する、フランジ７０のうちの１つは、連結点５２でフットプレート５を下側脚部端部４ａに連結するのに使用され、これにより、足首旋回軸Ｃを画定する。旋回軸Ｃは、下側脚部端部４ａの長手方向軸線をほぼ横切る。

[0109]したがって、フランジ７０は１つのみ設けられてもよいことが理解されよう（例えば図２２の実施形態を参照）。このため、いくつかの実施形態において、フランジ７０は１つのみ設けられ、外骨格の使用者の外側に配置されるように構成することができる。

[0110]フランジ７０は、フットプレートの足下支持部から横方向および上方向に延びることができる。フランジ７０は、開口部１００が好ましくは使用者の足首関節に隣接して配置され、かつ歩行中に使用者の足首とかみ合わないように、横方向に、および好ましくは外向きに、そこから離間されるような形状にされることが好ましい。

[0111]図２１に例示されているように、下側脚部端部４ａは、適切な軸受、ワッシャ組立体その他の回転可能な連結を用いて、連結点５２でフットプレート５に回転運動可能に連結される。例えば、下側脚部端部４ａの下端には、一対の離間フランジ１１２を設けることができ、外側のフランジ７０は、そこに枢動可能に取り付けることができる。例示されているように、フランジ１１２は開口部１１４を有する。内側のフランジ７０は、フランジ１１２と、位置合わせされた開口部１１４および１００との間で受けられる。内部にねじ穴を有する内側のねじ部材を、外側のフランジ７０の内側に設けることができ、開口部１１４および１００を通って外向きに延びる。ワッシャ１０８は、内側ねじ部材１０２と、内側のフランジ７０の内面との間に設けることができる。軸受１０４は、内側ねじ部材１０２のシャフトに設けられ、開口部１００に配置することができる。ワッシャは、次に内側ねじ部材１０２のシャフトに配置され、次に、外側にねじを切られたシャフトを有する外側ねじ部材１０４を、内側ねじ部材１０２のねじ穴にねじ込むことができる。他の枢動取り付けが使用されてもよいことが理解されよう。

[0112]フットプレート５の足下支持部は、使用者の踵を支持するために連結点５２の後方に設けられた後部５７と、使用者の前足部の少なくとも一部を支持するために連結点５２の前方に設けられた前部５９とを有する。フランジ７０は、したがって、後部５７と前部５９との間の中間部分５８に設けられる。

[0113]フットプレート５および足下支持部は、特に、使用時に使用者の足がフランジ７０内、および足下支持部の上方、例えば上面に置かれると、フットプレート５を使用者の靴の中に入れることができるように、使用者の靴の中にほぼ収まる寸法にすることができる。したがって、使用者の靴は、歩行のための牽引力をもたらす。

[0114]足首支持部５１が設けられてもよい。このような事例において、足首支持部５１は、一方の端部で下側脚部端部４ａに、かつ反対側の端部でフットプレート５に連結することができ、この場合は、２つのフランジ７０が設けられてもよい。あるいは、足首支持部５１は、例えば連結点５２において、両端でフットプレート５に連結されてもよい。足首支持部５１は、通常は、金属またはプラスチック等の硬い材料で形成されるが、いくつかの実施形態において、可撓性材料も使用することができ、当て物を設けることができる。

[0115]図２１に例示されているように、足首支持部５１は、その遠位端５１ａに開口部１１０が設けられ、内側のフランジ７０で、内側ねじ部材１０２に共に取り付けることができる。足首支持部５１が設けられない場合は、内側のフランジ７０は設けられなくてもよいことが理解されよう。足首支持部５１の近位端５１ｂは、例えば、足首支持部５１の近位端５１ｂで、開口部１１８を貫通して下側脚部端部４ａに入るねじ１１６によって、下側脚部端部４ａに固定することができる。このようにして、足首部材５１は、定位置に固定される。代替実施形態において、足首支持部５１は、枢動可能に、あるいは運動可能に取り付けることができる。

[0116]足首支持部５１は、通常は、歩行動作が行われるときに靴に干渉しないように、使用者の靴の踵の上方にくるように配置することができる。

[0117]図８〜図２１の実施形態によれば、フットプレート５の前部５９は、上向きに付勢される。したがって、外側のフランジ７０は、付勢フランジ７１を備えることができ、これは、開口部１００の前方に設けられ、通常は連結点５２のほぼ少し前方、かつ外骨格の使用者の足首に近接して設けられることが好ましい。付勢部材５５は、下肢部４とフットプレート組立体７５との間に付勢連結され、かつそれぞれに直接連結してもよく、あるいはフットプレート組立体７５に連結するために、付勢部材５５から延びる第１の延長部材に、および／または下肢部４に連結するために、付勢部材５５から延びる第２の延長部材に連結してもよい。

[0118]例示されているように、付勢部材５５の第１の端部５５ａは、ロッド５６の第２の端部５６ｂに連結され、ロッド５６の第２の端部５６ａは、（例えばねじ１２０を介して）フランジ７１に連結される。付勢部材５５の第２の対向端部５５ｂは、キャップ６２に連結でき、これは、下側脚部端部４ａの一部に固定することができる（例えば、下側脚部端部４ａの上側開口部に位置することができる）。いくつかの実施形態において、キャップ６２は、下側脚部端部４ａ内に設けられたねじ山に連結されるねじキャップであってもよい。ねじキャップの調節によって、付勢部材５５の張力調節をもたらす。必要に応じて、下側脚部端部４ａの内部にシース６１が設けられ、そこで付勢部材５５を受ける。この設計の利点は、付勢部材または延長部材が、使用者が歩く際に枢動または移動できるように、下側脚部端部４ａおよびフットプレート組立体に運動可能に取り付けられることである。この構成を考慮して、付勢部材の配向またはその延長部は、下肢部４およびフットプレート組立体７５のそれぞれに対して運動可能である。この構成では、付勢部材が、図２５に例示されているような空気ばね等の剛性部材であることが好ましい。他の実施形態では、配向は固定されていてもよい。付勢部材が、コイルばね等の可撓である場合は、このような実施形態を使用することができる。

[0119]付勢部材５５は、フランジ７１に直接固定されてもよく、かつ／あるいは付勢部材は、フットプレート組立体７５の別の部分に固定されてもよいことが理解されよう。同様に、付勢部材５５は、下側脚部端部４ａまたは下肢４の別の部分に固定されてもよい。

[0120]図示されている実施形態において、付勢部材５５はコイルばねである。しかしながら、他の実施形態において、付勢部材５５は、弾性部品、収縮位置に付勢された空気ばね、その他適切な付勢部材であってもよい。

[0121]フットプレートは、後部５７が下向きに延び、かつ前部５９が上向きに延びる第１の位置と、後部５７が上向きに延び、かつ前部５９が下向きに延びる第２の位置との間で関節動作が可能なように、連結点５２に運動可能に取り付けられる。

[0122]付勢部材５５は、通常は収縮構成に付勢され、フットプレート５は、第１の位置に持ち上げられる。フットプレート５を第１の位置に付勢することによって、立位のとき、または使用者が歩行中に足を床に置いたとき等、使用者がフットプレート５に体重をかけたときに、使用者および外骨格の重量により、フットプレート５が表面に対して平らになる。しかしながら、脚が持ち上げられると、付勢部材５５は、前部５９が上向きに持ち上げられた状態で、フットプレート５を最初の持ち上げられた位置に戻す。

[0123]いくつかの実施形態において、付勢部材は、連結点５２以外の位置でフットプレートに枢動可能に連結することができる。例えば、いくつかの代替実施形態において、付勢部材は、連結点５２の後方の位置でフットプレート５に駆動連結されてもよい。より具体的には、付勢部材は、フットプレート５の足下部分から横方向および上向きに延びる、中心部分に設けられたフランジ、または連結点５２の後方に配置された付勢フランジに連結することができる。図２２〜図２５に、このような代替実施形態を例示する。

[0124]ここで図２２〜図２５を参照すると、下向きの力がフットプレート組立体の後部にもたらされる、フットプレート組立体の別の例が示されている。

[0125]この代替的な構成において、付勢部材５５は、後部５７が下向きに延び、かつ前部５９が上向きに延びる伸長構成と、後部５７が上向きに延び、かつ前部５９が下向きに延びる収縮構成との間で運動可能である。この構成において、付勢部材は、伸長構成に付勢される。このような付勢部材５５’は、例えば伸縮する空気ばねであってもよい。

[0126]伸縮するばねは、運動可能に、かつ好ましくは枢動可能に、例えばフランジ７９によって、下側脚部端部４ａに取り付けることができる。この実施形態では、フランジ７１’が連結点５２の後方に設けられ、伸縮するばねは、運動可能に、かつ好ましくは枢動可能に、フランジ７１’に取り付けることができる。いくつかの実施形態において、付勢部材５５’は、空気圧シリンダであってもよい。

[0127]付勢部材５５’は、対向する端部に支持取付部１７５を有する。支持取付部１７５をフランジ７９およびフランジ７１’にそれぞれ固定するために、ねじ部材１７４を用いることができる。

[0128]フットプレート５’は、単一の、ほぼＵ字型または鐙形状の部品で形成することができ、あるいは、フットプレートを形成するために共に連結された複数の部品から形成されてもよい。フットプレート５’は、通常は、足下支持部および１つの外側フランジ１８０を有し、連結点５２用に、その上端にこれを貫通する穴１７０を有する。フランジ１８０は、フットプレートの足下支持部から横向きかつ上向きに延びる。フランジ１８０は、開口部１７０が、使用者の足首関節に隣接して配置され、かつ歩行中に使用者の足首とかみ合わないように、横方向に、および好ましくは外向きに、そこから離間されるような形状にされることが好ましい。

[0129]図２５に例示されているように、下側脚部端部４ａ’は、適切な軸受、ワッシャ組立体その他の回転可能な連結を用いて、連結点５２でフットプレート５’に回転運動可能に連結される。例えば、下側の脚４ａ’の下端には、分岐１８３を設けることができ、これは、そこを貫通する開口部１８０を有する。分岐１８３は、締め具１８６によって下肢４ａ’に固定できるが、他の実施形態では、分岐１８３は、下側の脚４ａ’と一体化されてもよい。

[0130]開口部１８０は、開口部１７０と位置合わせされ、分岐１８３は、一対のワッシャ１７２によってフランジ１８０から離間される。外側にねじを切られたシャフトを有する内側ねじ部材１７６を、内側のフランジ７０の内部に設けることができ、開口部１８０を通って外向きに延びることができる。軸受１７８は、内側ねじ部材１７６のシャフトに設けられ、開口部１８０内に配置することができる。次にワッシャ１８２が、内側ねじ部材１７６のシャフトに配置され、次に、内側にねじを切られたシャフトを有する外側ねじ部材１８４を、内側ねじ部材１７６のねじ穴にねじ込むことができる。他の枢動取り付けが使用されてもよいことが理解されよう。

[0131]いくつかの実施形態において、付勢部材は、使用者の足首に近接した位置でフットプレート５に運動可能に取り付けることができ、足首の上方または下方、および足首の前方または後方に、足首からオフセットして配置することができる。

[0132]空気のうストラップ
本明細書で説明される教示の別の態様によれば、以下はストラップの説明であり、これは、伝達構造、オフセット旋回軸構造、およびフットプレート組立体構造を含む外骨格あるいは任意の１つ以上の他の態様との組み合わせまたは補助的な組み合わせにおいて、単独で用いることができる。

[0133]使用中に使用者の重量を支持するために、外骨格は、様々な位置で使用者に固定されるべきである。例えば、外骨格は、腰部、大腿中央部、およびふくらはぎ中央部で使用者に固定することができる。他の例において、外骨格は、腰部、臀部に近接した大腿上部、膝に近接した大腿下部、膝に近接し、かつ膝の下方の膝蓋骨下部、ならびに足首部分で固定することができる。

[0134]いくつかの実施形態において、外骨格を使用者に固定するために、プラスチックまたは布のストラップを使用することができる。しかしながら、このようなストラップは、特定の位置で使用者の肢および胴に圧力を加える場合があり、痛みや不快感、あるいは使用者の肢の感覚が弱まっている場合には、挫傷や擦過傷さえ引き起こす場合がある。さらに、適合が不十分なストラップは、肢から「ずり上がった」り、「ずり下がった」りしがちな場合があり、これによって外骨格の性能に影響を及ぼし、かつ使用者に危険をもたらす可能性もある。また、使用者に対してストラップが動くと、使用者の皮膚に損傷を引き起こす場合がある。

[0135]この態様によれば、その中に空気のうまたはポケットを有するストラップが提供される。空気のうは、所望の範囲内の圧力まで膨張する。圧力は、使用者を所定の位置に固定するのに十分なように設定される。好ましい圧力範囲の上限は、使用者の血液循環が制限されるレベルより低くなるように設定することができる。好ましい圧力範囲の下限は、ストラップが緩すぎて使用中に動くレベルよりも高くなるように設定することができる。

[0136]１つ以上の空気のうを含むストラップを使用することの利点は、床ずれを起こす傾向を低減できることである。床ずれは、皮膚の過剰な圧迫から生じる。使用者は、外骨格に固定するためにストラップ使用される位置において、知覚を有していない場合がある。このため、ストラップが適用されるとき、静止時には許容できる圧迫で適用することができるが、歩行中に過剰な圧迫が生じる。例えば、対麻痺は、損傷の箇所より下には知覚がなく、ストラップがきつすぎて皮膚を過剰に圧迫しているときに何も感じない。床ずれは、対麻痺の再入院の重大な理由である。

[0137]図２６〜図２９を参照すると、外骨格１等の外骨格と共に使用するためのストラップの例が示されている。本明細書で説明されるように、外骨格１は、少なくとも１本の脚構造、および少なくとも１本の脚構造に動作可能に連結される駆動モータ２１等の駆動部材を有することができる。

[0138]１つ以上の空気のうストラップ８１は、外骨格に取り付けまたは連結することができ、使用者を外骨格の一部に固定するように構成することができる。

[0139]図２６の例において、空気のうストラップ８１は、外骨格に設けられた、開閉部８２から装着部８３に延びる部分を有し、膨張式ポケット８４を有するこの部分は、開閉部に近接する第１の端部と、装着部に近接する第２の端部とを有する。第１および第２の端部は、空気流連通している。この設計の利点は、本質的に、使用者の一部を囲むストラップの全長にわたって、一方の端部からもう一方の端部に空気が流れるのを可能にする空気のうを有し得ることである。このため、空気のう全体の圧力は、均一なままである。したがって、外骨格の使用中にストラップが１箇所で圧迫された場合に、その箇所で空気のうの局所的な圧力が増加しても、空気のう全体に分散されることによって、使用者の身体に加えられる圧迫を低減する。

[0140]図２６には、外骨格の腰部材または胴体部分に取り付けられた電源パックまたはバッテリ３１’も示されている。バッテリ３１’は、上側脚部に装着されたバッテリ３１の代わりに設けてもよく、あるいはこのようなバッテリに加えて設けられてもよいことが理解されよう。また、バッテリ３１’は、例えば腰部材の後部、側面に沿って、あるいはそれらの組み合わせ等、様々な位置に取り付けできることも理解されよう。

[0141]図２７に示す別の例において、空気のうストラップ８１ａは、使用者の胴体の周囲に連続的に延びて、背中支持部９４の後ろを通るが、背中支持部９４と背部調節部９６との間にある。空気のうストラップの開閉部７７は、装着部７８に着脱可能に装着することができる。

[0142]いくつかの実施形態において、単一の連続的な空気のう、または膨張式ポケット８４は、開閉部８２に近接した位置から、装着部８３に近接した位置まで延ばさなくてもよいことが理解されよう。また、他の事例において、空気のうは、ストラップの一部に沿ってのみ延びていてもよい。このような実施形態において、ストラップは、開閉部８２に近接した位置から、装着部８３に近接した位置までの一部または全てにわたって延びるように、端部から端部まで配置された２つ以上の空気のうを含むことができる。

[0143]いくつかの実施形態において、膨張式ポケット８４は、空気のうストラップと一体化され、例えば、空気のうストラップは、膨張式ポケットを形成するために、ヒートシールされたプラスチック部品で形成される。したがって、外骨格に固定される外側カバー部材は、用いられなくてもよい。

[0144]他の実施形態において、膨張式ポケット８４は、ストラップに挿入された空気のうであってもよく、ストラップは２つ以上の部分で形成される。例えば、ストラップは縫い合わされた２枚以上の布で形成されてもよく、空気のうは布片同士の間に挿入される。

[0145]空気圧縮器８５または圧縮空気ボンベ等の、加圧流体の供給源は、入口８６を介して、膨張式ポケットと流れ連通して連結可能である。加圧流体の供給源は、外骨格に搭載するか、または外付けにすることができ、胴体部分９に搭載することが好ましい。

[0146]再び図２６を参照すると、空気のうストラップの開閉部８２は、装着位置８７等の外骨格の第１の位置で、外骨格に着脱可能に取り付けることができる。例えばバックル、スナップコネクタ、または面ファスナ等を含む、外骨格を使用者に固定するのに適した任意のアタッチメントが使用されてもよい。

[0147]いくつかの実施形態において、空気のうストラップは、外骨格に設けられた装着部８３に、着脱不能に取り付けられる。例えば、空気のうストラップは、ねじ、接着剤等を用いて、装着部８３に固定することができる。

[0148]図２８に示されているような他の実施形態において、空気のうストラップ８１’は、第１の位置８２ａおよび第２の位置８２ｂに着脱可能に取り付けられる。このような実施形態では、加圧流体の供給源と膨張式ポケットとの間に流体連通をもたらすために、第１または第２の位置、あるいはその両方で、流体の流れの連結をもたらすことができる。

[0149]図２９に示されているような、さらに他の実施形態において、空気のうストラップ８１ｃは、ストラップの中央部８９で外骨格に連結することができ、開閉部８２ｃは、例えばスナップコネクタ、面ファスナ等によって、ストラップの対向する端部に設けられた装着部８３ｃに着脱自在に装着することができる。

[0150]いくつかの実施形態において、膨張式ポケットは、図２８に示されているように、バッフルを設けることができる。このような事例では、ストラップの横方向に対向する端部は、やはり互いに空気流連通している。

[0151]いくつかの実施形態において、空気のうストラップは、少なくとも１つの追加の膨張式ポケットを有することができる。例えば、ストラップ８１は、ポケット８４と平行で、かつポケット８４と（例えば上方または下方に）同一の広がりを持つことができる、第２のポケット８４を設けられてもよい。加圧流体の供給源は、膨張式ポケットの全てと流れ連通することができ、あるいは異なる加圧流体の供給源が設けられてもよく、１つの加圧流体の供給源は、１つのみ、または２つ以上の膨張式ポケットと流れ連通することができる。

[0152]空気のうストラップの様々な組み合わせおよび構成が可能であり、単一の外骨格に２つ以上の構成が用いられてもよいことが、当業者には理解されよう。

[0153]使用時に、空気のうストラップは、通常は使用者の身体の部分の周囲に延びて、外骨格に連結される。空気のうストラップは、次に、コントローラの制御下で、加圧流体の供給源から、所定の圧力まで加圧または膨張され（図３０を参照）、コントローラは、好ましくは胴体部分９において外骨格に設けられてもよく、あるいは外部コントローラであってもよい。コントローラは、通常は加圧流体の供給源に動作可能に連結される。

[0154]コントローラは、空気のうストラップ内の圧力を所定の範囲内で維持するように構成することができる。あるいは、コントローラは、空気のうストラップ内の圧力を所定のレベルより高く維持するように構成することができる。加圧流体の供給源は、各ストラップ８１と空気流連通することができる。あるいは、加圧流体の別の供給源が、各ストラップ８１と空気流連通することができる。

[0155]図３０を参照すると、膨張式ポケット８４と流れ連通している圧力センサ１６０を用いて、空気のうストラップ内の圧力を監視するための例示的な制御システム１５０が示されている。コントローラ１５２は、圧力センサ１６０を用いて、ポケット８４の圧力を監視する。圧力センサは、加圧流体の供給源８５とポケット８４との間、ならびに好ましくは加圧流体の供給源８５と流体流れ連結部１６２（例えばポケット８４の入口）との間に設けることができる。圧力センサは、例えば、加圧流体の供給源８５とポケット８４との間の流れ導管１９２内にあってもよい。コントローラ１５２は、圧力センサ１６０からの低圧信号に反応して、加圧流体の供給源８５を作動させるように構成することができる。

[0156]流体流れ連結部１６２は、通常は空気のう入口８６に設けられる。また、使用していないときに加圧流体の供給源８５を分離するために、逆止弁１５６が、圧力センサ１６０と加圧流体の供給源８５との間に配置されてもよい。

[0157]いくつかの実施形態において、圧力逃し弁１５８が、膨張式ポケットと流れ連通して設けられてもよい。圧力逃し弁は、過圧状態が生じたときに、空気のうストラップから圧力を逃がすように構成される。圧力逃し弁１５８は、（例えばばね作動する）機械的な弁であってもよく、この場合には、コントローラは、空気のうストラップ内の圧力を、所定のレベルより高く維持するように構成することができる。あるいは、圧力逃し弁１５８は、電気式であってもよく（例えば、圧力センサ１６０で測定された圧力等の膨張式ポケット内の圧力が、所定の圧力を上回ったときに、空気のうストラップから自動的に圧力を逃がすために、コントローラ１５２によって作動可能にすることができる）、この場合には、コントローラは、空気のうストラップ内の圧力を所定の範囲内に維持するように構成することができる。

[0158]いくつかの実施形態において、圧力逃し弁１５８と逆止弁１５６とが、単一の三方弁であってもよい。

[0159]したがって、コントローラ１５２は、膨張式ポケット８４内の流圧を所定の圧力に、あるいは所定の範囲内に維持するように構成することができる。所定の圧力は、使用者の損傷や不快感を防止しながら、外骨格を使用者にしっかりと適合させるように選択することができる。

[0160]いくつかの実施形態において、図２６に例示されているように、胴体部分９は、これに取り付けられた電源、圧縮空気の供給源８５、およびコントローラを有する。この設計の利点は、これらの構成部品の重量が、使用者の腰に固定された外骨格の部分にもたらされることである。このため、この部分の重量は、使用者の下胴に伝達される。これにより、普通なら外骨格の肢に加わる重量を低減し、外骨格の関節を介して伝達される力が増加する。

[0161]制御システム
制御システムは、空気のうストラップの動作を制御することに加えて、外骨格の動きも制御する。特に、制御システムは、外骨格に設けられた様々なセンサを監視するため、かつ外骨格を動かすモータを制御するための、１つ以上のモジュールを含むことができる。

[0162]本明細書で説明される制御システムの実施形態は、ハードウェアまたはソフトウェア、あるいはその両方の組み合わせで実施することができる。このような実施形態は、プログラム可能なコンピュータで実行されるコンピュータプログラムで実施することができ、各コンピュータは、少なくとも１つのプロセッサ、データ記憶システム（揮発性メモリまたは不揮発性メモリその他のデータ記憶素子、あるいはそれらの組み合わせ）、および少なくとも１つの通信インターフェースを含む。

[0163]各プログラムは、オブジェクト指向プログラミングまたは高レベル手続き型プログラミング、あるいはスクリプト言語、もしくはその両方で実施することができる。しかしながら、あるいはプログラムは、所望によりアセンブリ言語または機械語で実施されてもよい。言語は、コンパイルされた言語、またはインタープリタ型の言語であってもよい。このような各コンピュータプログラムは、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体（例えば、読み出し専用メモリ、磁気ディスク、光ディスク）に記憶することができる。記憶媒体は、本明細書で説明される機能を実行するために、特定かつ予め定められた方法でコンピュータを動作させるように構成される。

[0164]モジュールという用語が、様々な実施形態の説明で用いられるが、モジュールは、ハードウェアまたはソフトウェア、あるいはその両方で実施されて、出力信号を生成するための入力信号の処理等の、１つ以上の機能を実行する機能ブロックを含む。本明細書で用いられるように、モジュールは、それ自身がモジュールであるサブモジュールを含むことができる。

[0165]ここで図３１を参照すると、例えば、外骨格１等の外骨格装置のための、例示的な制御システム１０００の概略が示されている。

[0166]制御システム１０００は、プロセッサ１０１０、メモリ１０１５、１つ以上のバッテリ、複数のセンサ、および複数のモータ駆動モジュールを含む。制御システム１０００は、また、制御システム１５０を組み込むことができる。

[0167]外骨格に物理的に連結される複数のセンサは、プロセッサ１０１０に動作可能に連結される。

[0168]複数のセンサのうちのいくつかは、外骨格に関する生理学的特性を検知するように構成することができる。生理学的特性は、慣性ナビゲーションに用いられる生理学的特性であってもよい。位置特性の計測が可能なセンサの一例が、加速度計１０２０であり、（例えば重力による）加速度を計測可能である。位置特性の計測が可能なセンサの別の例は、ジャイロスコープ１０２２であり、これは較正済みの基準位置に対するロール、ヨー、およびピッチを計測可能である。

[0169]いくつかの実施形態において、生理学的特性は、他の物体（椅子や床等）によって外骨格に与えられる力である場合がある。したがって、力センサ１０２４（または圧力センサ）もまた、加えられた力を測定するために設けることができる。力センサは、任意の時点で、外骨格のどの部分が（床等の）表面と接触しているかを測定することによって、外骨格の安全な動作を容易にする。フットプレート部分に力センサを配置することによって、位置センサで測定される位置特性は、外骨格の現在の状態を識別するために、力特性と連係させることができる。

[0170]制御システム１０００を分かりにくくしないために、図３１には３つのセンサのみが例示的に示されているが、各種のセンサにつき２つ以上が、設けられて使用されてもよいことが理解されよう。

[0171]例えば、力センサ１０２４は、各フットプレート５の下側、または使用者の足と接触するフットプレートの上に配置されてもよい。（例えば、使用者が前かがみになったり、後ろに反ったり、横に傾いたりしたときに検知するために）加速度計１０２０およびジャイロスコープ１０２２は、外骨格の各肢部３、４、および背中支持部等に設けることができる。

[0172]メモリ１０１５は、揮発性および不揮発性メモリの両方を含んでいてもよく、データベースおよび制御システムソフトウェアを記憶するために使用することができる。制御システムソフトウェアは、プロセッサ１０１０によって実行することができる。

[0173]プロセッサ１０１０は、マイクロコントローラ、組み込みプロセッサ、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）その他の適切なマイクロプロセッサであってもよい。動作時に、プロセッサ１０１０は、特定の時点で入力プロファイルを生成するために、複数のセンサからの入力信号を受ける。入力プロファイルは、本明細書で説明されるように、事前設定された複数の動作プロファイルの選択されたプロファイルにマッピングされることができる。各動作プロファイルは、１つ以上の対応する制御動作を有し、プロセッサ１０１０は、現在の入力プロファイルが動作プロファイルのうちの１つと一致すると、１つ以上のモータドライバモジュール１０３０を介してこれを実施する。

[0174]通常、プロセッサ１０１０は、複数のセンサを監視し、制御動作をリアルタイムで実施することができる。外骨格はバッテリ電源で動作するため、プロセッサ１０１０は、低電力消費を有するように選択することができる。

[0175]プロセッサ１０１０は、モータドライバモジュール１０３０に動作可能に連結され、これは駆動モータ２１の動作を制御する。いくつかの実施形態において、モータドライブモジュール１０３０は、集積回路ドライバを含む。１つのモータドライバモジュール１０３０は、複数の駆動モータ２１を制御することができる。しかしながら、実際には、この配置は単一の集積回路のために高電力の使用を引き起こす場合があり、回路が「バーンアウトする」危険がある。したがって、個別のモータドライバモジュール１０３０が、各駆動モータ２１に設けられてもよい。通常は、各駆動モータ２１が、外骨格の（膝や股関節等の）関節動作を駆動させるため、各モータドライバモジュール１０３０は、プロセッサ１０１０の指示の下で、関節の動きを制御することができる。

[0176]１つの例示的な実施形態において、外骨格１は、４つの駆動モータ２１を有する。各モータは、使用時に約１Ａを引き出す４８Ｖモータである。モータドライバモジュール１０３０は、約２５Ａの電流容量を有する。制御システム１０００およびプロセッサ１０１０は、５Ｖで動作する。バッテリは、約３．７Ｖ、および約２０Ａｈの合成容量のセル電圧を有し、約１５個の電池セルを必要とする。この構成では、外骨格１は、１００％のデューティサイクルで約４時間の運転時間を有する。

[0177]ここで図３２を参照すると、外骨格を制御する例示的な方法のフロー図が示されている。方法１１００は、例えば制御システム１０００のプロセッサ１０１０によって実行することができる。

[0178]方法１１００は、使用者が制御システム１０００および外骨格を動作モードにすることによって開始することができる。例えば、動作モードは、使用者が、外骨格に設けられたスイッチまたはボタン（図示せず）等の、患者入力インターフェースを動作させることによって使用可能にされてもよい。

[0179]１１０５において、制御システムは、外骨格に連結された複数のセンサを用いて、外骨格に関する生理学的特性を検知する。各センサは、（力や加速度等の）測定を行い、各測定値の表示を含むデータ信号を生成する。

[0180]各センサによって生成されたデータ信号は、１１１０において、入力信号としてプロセッサ１０１０に入力され、プロセッサ１０１０は、１１１５において、入力信号を収集して、現在の入力信号の組の入力プロファイルを生成する。

[0181]１１２０において、プロセッサ１０１０は、現在選択されている動作プロファイルがあるかどうかを判定する。現在選択されている動作プロファイルがない場合は、プロセッサ１０１０は、１１３０に進む。以前に方法１１００を通して識別された、現在選択されている動作プロファイルがある場合は、プロセッサ１０１０は、センサ値が、依然として選択された動作プロファイルの期待値の範囲内にあるかどうかを判定し、範囲内にある場合は、１１４０において、関連付けられた制御動作の実施を継続する。センサ値が期待値内ではなくなった場合は、プロセッサ１０１０は、１１６０において、エラー回復動作を実施することができる。例えば、エラー回復動作は、既知の状態が再び達成されるまで、駆動モータの動作を停止させることができる。

[0182]１１３０において、プロセッサ１０１０は、メモリに記憶された複数の動作プロファイルから、選択されたプロファイルへの入力プロファイルのマッピングを試みる。動作プロファイルは、例えば、健常者が外骨格を着用している際の動作を記録することによって、事前設定することができる。動作プロファイルは、任意の数の個別の動きに対して存在し得る。動作プロファイルの例には、「座位から立位へ」の動き、「立位から歩行へ」の動き、「歩行から停止へ」の動き、および「立位から座位へ」の動きのプロファイルが含まれる。また、動作プロファイルは、初期化状態または基礎状態用に事前設定することができ、外骨格の電源オン時または起動時に使用することができる。例えば、初期化状態は「座位」の状態であってもよい。

[0183]各動作プロファイルは、１つ以上の対応する制御動作を有することができ、これは、少なくとも２つのセンサからの１つ以上の期待値に基づく。例えば、１つの制御動作は、「座位から立位へ」の動きを通して、膝関節の駆動モータを動作させることができる。この制御動作の期待値は、両脚の上側肢部分の初期の水平位置（例えば床と平行）、および両脚の下側肢部分の初期の垂直位置と相関することができる。センサ値が期待値の範囲内にない場合は、１本以上の肢部が想定された位置にないことを示し、制御動作を行うには安全でない場合があることを示すことができる。したがって、制御動作は実施されない場合がある。

[0184]通常、各動作プロファイルは、外骨格がセンサ入力に基づいてどのように動作すべきかを管理する「シナリオ」に対応する。以下で動作プロファイルについてさらに詳しく説明する。

[0185]１１３５において、プロセッサ１０１０は、現在の入力プロファイルが、任意の動作プロファイルと一致するかどうかを判定する。一致させるためには、選択された動作プロファイルで識別された各センサ入力のセンサ値は、選択された動作プロファイルで指定された期待値の範囲内になければならない。しかしながら、全てのセンサが、あらゆる動作プロファイルで考慮される必要はない。

[0186]入力プロファイルが、選択された動作プロファイルと一致する場合は、本明細書で説明されているように、外骨格の動作を実行するために、１１４０において、１つ以上の制御動作を実施することができる。

[0187]一致が見られない場合は、方法１１００を再開する前に、１１５０において遅延を実施することができる。遅延は、複数のセンサのサンプリング間隔中、またはプロセッサ１０１０のいくつかのクロック周期の間に方法１１００を実行するように、数ミリ秒等の最小限にすることができる。

[0188]同様に、一致が見られて、１１４０において制御動作が実施される場合は、遅延は、方法１１００を再開する前に、１１５０で実施することができる。

[0189]ここで図３３を参照すると、初期化動作プロファイルのための例示的なフロー図１３００が示されている。例示的な初期化動作プロファイルにおいて、制御システム１０００は、使用者が動作させることのできる係合スイッチを監視する。フロー１３００は、待機状態の１３１０から開始して、スイッチからの入力信号が、１３２０におけるスイッチの作動に応答して、動作モードに入るべきことを示しているかどうかを判定する。１３３０でポーリングされたときにスイッチが作動されていない場合は、システムは１３１０の待機状態に戻る。

[0190]初期化動作プロファイルは、使用者が最初に外骨格を着用するときに使用することができる。例えば、使用者は自身の身体を外骨格の上に配置して、外骨格を身体に固定するためにストラップを装着することができる。外骨格は、最初は椅子の上に置くことができ、したがって、使用者が外骨格を身体に固定すると、使用者もまた椅子に座っている。この最初の座位は、初期化動作プロファイルに分類することができる。使用者は、外骨格を動作モードにするために係合ボタンを押すことができ、外骨格は、外骨格が現在「座位」の動作プロファイルにあることを示す、センサからの入力信号を確認することができる。必要に応じて、係合ボタンを押すことで、「座位から立位へ」の動作プロファイルに直接移行することができる。

[0191]ここで図３４を参照すると、「座位から立位へ」の動作プロファイルのための例示的なフロー図１４００が示されている。フロー１４００は、（例えばフロー１３００における）起動に応答して開始することができる。

[0192]圧力センサおよび（加速度計等の）位置センサからの入力信号は、それぞれ１４１０および１４５０において監視される。入力信号が「座位から立位へ」の動作プロファイルの期待値と一致しない場合は、１４２５および１４６５において、圧力信号および位置信号の監視をそれぞれ継続することができる。しかしながら、圧力信号および位置信号が期待値の範囲内に入ると、１４２０および１４６０において、それぞれイネーブル信号が提供される。イネーブル信号に応答して、プロセッサ１０１０は、「座位から立位へ」の動作プロファイルが有効にされたと判断して、追加の期待値を監視しながら、外骨格が起立動作を実行するように、１４４０において、１つ以上の制御動作を開始する。

[0193]制御動作の開始の前に、入力信号は、主として２進のイネーブル／ディスエーブル信号とみなされてもよい。つまり、入力信号値が期待値の範囲に入るまで、制御動作は実行されない。

[0194]制御動作が開始されると、入力信号の値は、各制御動作に影響を及ぼすように使用することができ、例えば、駆動モータの速度を変化させる。

[0195]通常、位置センサは、外骨格（および使用者の身体）の位置に関するデータを継続的に測定することができる。圧力センサは、各フットプレートに１つ、圧力センサマトリックスとして設けることができ、使用者の重量配分、または別の観点から見ると、フットプレートによって使用者の身体に加えられている力を測定する。

[0196]「座位から立位へ」の動作プロファイルにおいても、両脚間のバランスが必要とされるため、圧力が両脚の間でほぼ均等に配分されることを確実にするために、圧力センサマトリックスを監視することができる。使用者は、上半身と下半身とを一直線にする中心のある姿勢をとることによって、これを行うことができる。

[0197]この時点で、入力プロファイルは、係合スイッチが動作し、圧力が均等に配分されていること、および位置センサが動作プロファイルに対して期待値以内の値を有する（すなわち、動作プロファイルを有効にする）ことを識別する。

[0198]動作プロファイルが有効になると、使用者は、例えば、胴を脚よりも前方に傾けることによって、上半身を開始位置に動かすことができる。外骨格の背中支持部にある位置センサは、この動きを検知することができ、起立動作を開始すべきであることを示すことができる。プロセッサは、この動きを通じて入力信号の監視を続け、系統立って動きを実行するために、モータ駆動モジュールに適切な制御信号を提供する。

[0199]各センサの期待値は、健常な使用者によって作成されたデータを分析および記録することによって、予め決定してメモリ（例えばデータベース）に記憶させることができる。

[0200]健常な使用者は、歩行、ランニング、椅子から立ち上がる、椅子に座る、階段を上がる、階段を下りる、および体の向きを変える等の動作をこなすことができる。各動作は、複数の使用者によって複数回繰り返されてもよく、結果として得られた組み合わせデータは、例えば、各動作に対応する特定の動作プロファイルを作成するために、結合されるかあるいは平均化されてもよい。

[0201]各動作プロファイルに記憶されたデータ項目の例には、ジャイロスコープまたは加速度計からのＸ軸データ、またはその両方、ジャイロスコープまたは加速度計からのＹ軸データ、またはその両方、ジャイロスコープまたは加速度計からのＺ軸データ、またはその両方、左側フットプレートの圧力マトリックス値、および右側フットプレートの圧力マトリックス値がある。

[0202]ここで図３５を参照すると、例示的な「立位から歩行へ」の動作プロファイルのためのフロー図１５００が示されている。

[0203]フロー１５００は、フロー１４００の動作１４４０の続きから開始することができる。

[0204]１５１０において、プロセッサ１０１０は、入力プロファイルが、歩行動作を有効にする期待値内にある、圧力センサからの入力信号を含むかどうかを判定することができる。例えば、歩行動作を有効にする期待値は、使用者の背中が真っ直ぐであることを示す、外骨格の背中支持部からの加速度計信号を含むことができる。入力信号が期待値内にない場合、プロセッサ１０１０は、１５１５において、監視を続ける。あるいは、入力信号が歩行動作の期待値内にないが、座る動作の期待値内にある場合は、図３７を参照して本明細書で説明されるように、プロセッサ１０１０は１５３０に進むことができる。

[0205]同様に、１５２０において、プロセッサ１０１０は、入力プロファイルが、歩行動作を有効にする期待値内の、位置センサからの入力信号を含むかどうかを判定することができる。入力信号が期待値内にない場合、プロセッサ１０１０は、１５１５において、監視を続ける。あるいは、入力信号が歩行動作の期待値内にないが、座る動作の期待値内にある場合は、図３７を参照して本明細書で説明されるように、プロセッサ１０１０は１５３０に進むことができる。

[0206]１５４０において、プロセッサ１０１０が、入力プロファイルが右脚の動きの期待値と一致すると判定した場合は、制御システムは、右脚を左脚の前に移動させるために、１５４５において、１つ以上の制御動作を開始する。

[0207]１５５０において、プロセッサ１０１０が、入力プロファイルが左脚の動きの期待値と一致すると判定した場合は、制御システムは、左脚を右脚の前に移動させるために、１５５５において、１つ以上の制御動作を開始する。

[0208]動作時に、使用者は、杖や松葉杖等の助けを借りて、一方の脚かもう一方の脚へ体重を移動させることによって、歩行動作を制御するように訓練することができる。圧力センサ信号は、脚を動かすべきであることを示して、使用者の体重が移動したことを確認するために使用することができる。

[0209]例えば、使用者が右脚を動かしたい場合は、使用者は、位置センサおよび圧力センサからの入力信号が、「右脚を前へ」の動作プロファイルと一致する入力プロファイルを提供するように、自身の上半身を左に移動させることができ、その逆もまた可能である。

[0210]ここで図３６を参照すると、例示的な「歩行から停止へ」の動作プロファイルのためのフロー図１６００が示されている。

[0211]フロー１６００は、フロー１５００とほぼ類似している。しかしながら、歩行動作を停止させるために、使用者は、足を踏み出す動作に続く、所定の時間の入力を遅延させることができる。遅延に応答して、プロセッサ１０１０は自動的に、後方にある脚を前方にある脚と平行になるように前に運び、結果として安定した立位となる。

[0212]したがって、１５４０または１５５０の後に、いずれかの脚を動かすために使用者がさらなる入力をしない場合は、この遅延は１５８０において識別され、１５８５において、前方にある脚と平行になるように、後方にある脚を前方に運ぶために、１つ以上の制御動作が開始される。

[0213]ここで図３７を参照すると、例示的な「立位から座位へ」の動作プロファイルのためのフロー図１７００が示されている。

[0214]フロー１７００は、フロー１５００またはフロー１６００とほぼ類似している。しかしながら、座る動作を起こすために、使用者は、センサが、座る動作を引き起こす入力プロファイルを提供するように、身体を配置することができる。例えば、立位では、使用者の上半身もまた立位である必要があり、外骨格は、両脚間で重量バランスがとれた状態で、両脚を互いに平行にする必要がある。使用者は、上胴を後方に傾け、両脚の重量のバランスをとるために松葉杖を使用することによって、このプロセスを開始することができる。外骨格の背中支持部にある位置センサは、この動きを検知して、入力信号であって、その結果、「立位から座位へ」の動作プロファイルと一致する入力プロファイルとなる入力信号を提供することができ、プロセッサ１０１０は、座る動作を実行するように、駆動モータを起動するために１つ以上の制御動作を開始する。

[0215]本明細書で説明される例示的な実施形態の完全な理解をもたらすために、多くの具体的な詳細が記載されていることが理解されよう。しかしながら、本明細書で説明される実施形態は、これらの具体的な詳細なしに実施され得ることが、当業者には理解されるであろう。他の場合においては、よく知られている方法、手順、および構成部品については、本明細書で説明される実施形態を分かりにくくしないように、詳細には説明されていない。特許請求の範囲は、好ましい実施形態および例によって限定されるべきではなく、全体としての記述と一致する、最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (29)

1. 外骨格の肢を操作するために、少なくとも１つのアクチュエータで外骨格装置を制御する方法であって、
   前記外骨格に連結された複数のセンサを設けるステップであり、前記センサのそれぞれが、生理学的特性を検知するように構成される、複数のセンサを設けるステップと、
   入力プロファイルを生成するために、前記センサのそれぞれから入力信号を受信するステップと、
   前記入力プロファイルを、複数の動作プロファイルのうちの選択されたプロファイルにマッピングするステップであり、前記動作プロファイルのそれぞれが、制御動作に対応し、前記動作プロファイルのそれぞれが、前記センサのうちの少なくとも２つからの１つ以上の期待値を含む、マッピングするステップと、
   前記制御動作を実施するステップと
   を含む方法。
2. 前記入力プロファイルを周期的に再生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記入力プロファイルが再生成される度に、前記マッピングが繰り返される、請求項２に記載の方法。
4. 前記動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、前記外骨格の動作モードに関連付けられ、前記制御動作を実施するステップが、前記選択されたプロファイルが前記動作モードに関連付けられるときに、前記少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供することを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、前記外骨格の休止モードに関連付けられ、前記制御動作を実施するステップが、前記選択されたプロファイルが前記休止モードに関連付けられるときに、前記少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供しないことを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記生理学的特性が、少なくとも１つの前記センサのうちの少なくとも１つの位置特性である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記複数のセンサが、少なくとも１つの加速度計を備え、前記少なくとも１つの加速度計の前記位置特性が加速度を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記複数のセンサが、少なくとも１つのジャイロスコープを備え、前記少なくとも１つのジャイロスコープの前記位置特性が、ロール、ヨー、およびピッチからなる群から選択された少なくとも１つの特性を含む、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記複数のセンサが、少なくとも１つの力センサを備え、前記少なくとも１つの力センサの前記生理学的特性が力である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記入力プロファイルが、前の動作プロファイルの指示を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記入力プロファイルが、インターフェース入力指示を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記動作プロファイルのそれぞれが、前記外骨格の可能な動作に基づいて事前に定義されている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記動作プロファイルのそれぞれが、少なくとも１つの患者特性に基づいて事前に決定されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記複数の動作プロファイルが、前記外骨格装置のメモリに記憶されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 外骨格の肢を操作するために、少なくとも１つのアクチュエータで前記外骨格を制御する装置であって、
    前記外骨格に連結された複数のセンサであり、前記センサのそれぞれが、生理学的特性を検知するように構成される、複数のセンサと、
    前記センサのそれぞれから入力信号を受信するように構成されるコントローラと、
    プロセッサであり、
    前記入力信号に基づいて入力プロファイルを生成し、
    前記入力信号を、複数の動作プロファイルのうちの選択されたプロファイルにマッピングし、前記動作プロファイルのそれぞれが制御動作に対応し、前記動作プロファイルのそれぞれが、少なくとも２つの前記センサからの１つ以上の期待値を含み、
    前記制御動作を実施する、
    ように構成されるプロセッサと
    を含む装置。
16. 前記プロセッサが、前記入力プロファイルを周期的に再生成するようにさらに構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記プロセッサが、前記入力プロファイルが再生成される度に前記マッピングを繰り返すようにさらに構成される、請求項１６に記載の装置。
18. 前記動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、前記外骨格の動作モードに関連付けられ、前記選択されたプロファイルが前記動作モードに関連付けられるときに、前記少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供することによって前記制御動作が実施される、請求項１５〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 前記動作プロファイルのうちの少なくとも１つが、前記外骨格の休止モードに関連付けられ、前記選択されたプロファイルが前記休止モードに関連付けられるときに、前記少なくとも１つのアクチュエータに制御信号を提供しないことによって前記制御動作が実施される、請求項１８に記載の装置。
20. 前記生理学的特性が、前記センサのうちの少なくとも１つの位置特性である、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 前記複数のセンサが、少なくとも１つの加速度計を備え、前記少なくとも１つの加速度計の前記位置特性が加速度を含む、請求項２０に記載の装置。
22. 前記複数のセンサが、少なくとも１つのジャイロスコープを備え、前記少なくとも１つのジャイロスコープの前記位置特性が、ロール、ヨー、およびピッチからなる群から選択された少なくとも１つの特性を含む、請求項２０または２１に記載の装置。
23. 前記複数のセンサが、少なくとも１つの力センサを備え、前記少なくとも１つの力センサの前記生理学的特性が力である、請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の装置。
24. 前記入力プロファイルが、前の動作プロファイルの指示を含む、請求項１５〜２３のいずれか一項に記載の装置。
25. 患者入力インターフェースをさらに備え、前記入力プロファイルが、前記患者入力インターフェースからのインターフェース入力指示を含む、請求項１５〜２４のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記動作モデルのそれぞれが、前記外骨格の可能な動作に基づいて事前に定義されている、請求項１５〜２５のいずれか一項に記載の装置。
27. 前記動作プロファイルのそれぞれが、少なくとも１つの患者特性に基づいて事前に決定されている、請求項１５〜２６のいずれか一項に記載の装置。
28. 前記複数の動作モデルを記憶するように構成されたメモリをさらに備える、請求項１５〜２７のいずれか一項に記載の装置。
29. プロセッサによって実行されると、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法を前記プロセッサに実行させるプログラム命令を記憶する、非一時的なコンピュータ可読媒体。

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