JP2017035372A - 膝補助装具 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、簡単な構造で実用的に使用できる膝補助装具を提供することを目的とする。【解決手段】上記問題を解決するために、本発明に係る膝補助装具１００は、大腿部着装部材１と、下腿部着装部材２と、下腿部着装部材２の上部と一体化したケーシング３と、ケーシング３の中心軸に回動可能に軸装され、大腿部着装部材１の下部と一体化され使用者の膝の屈伸角度に応じてケーシング３内で回動するベース３２１と、ケーシング３の中に内装されたねじりコイルばね４１、５１と、ベース３２１においてねじりコイルばねの鈎部４１２、５１２を通過する回動軌跡を持つ位置に設けられ、ベース３２１の回動により鈎部４１２、５１２に掛合すると回動角度に応じたトルクをねじりコイルばねから受け取るトルク受け部３３１、３３２を備え、使用者の膝の屈伸角度に応じてねじりコイルばねの弾性力によりトルクを発生させ、使用者の膝屈伸を補助することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、使用者の脚に沿って装着して、膝の動作を補助する膝補助装具に関する。

日本の農業就業人口は年々減少している。農林業センサス、農業構造動態調査（農林水産省統計部）によれば、平成２６年（２０１４年）で２２６．６万人、基幹的農業従事者は１６７．９万人である。「基幹的農業従事者」とは、農業就業人口のうち、ふだんの主な状態が「仕事が主」の者をいう。農業人口のうち６５歳以上は６３．７％を占め、また、女性の割合が半数で、平均年齢は６６．７歳と年々高くなってきている。このような状況の中で、農作業支援の必要性が高まっている。特に、高齢者や女性にとって、重・軽量物の持ち上げ・持ち下ろし、傾斜地や階段の登り下り、同じ姿勢、例えば中腰姿勢での長時間の収穫作業を行うことは大きな負担である。このような農業者の負担を軽減する農作業支援機器として、パワーアシストスーツと呼ばれる補助装置が開発されている。また、パワーアシストスーツは、農業用以外に工場用として、重量物の運搬作業や長時間継続する一定姿勢での作業などに使用される。さらに、パワーアシストスーツは、介護用として、ベッドから車椅子への人の移乗作業などに使用され、また、リハビリ用として、使用者の体に装着して、脚部の可動部に対してアシスト力を付与する歩行補助装置が開発されている。このような歩行補助装置では、高齢者や身障者の歩行を補助する装置として利用されることが期待されている。さらに、高齢者などに限らず、宅配業者など重い荷物を運ぶ作業者に対する補助装置としても利用することで、作業における身体的負担を軽減することが期待されている。

パワーアシストスーツの応用として、ユーザの立ち上がり動作や着座動作を補助する装置の発明が提案されている。
特許文献１には、当該装置を使用者の体に装着するための固定具と、使用者の左右の大腿部に夫々装着される補助器具と、補助器具の一端に固定されているギアと、左右の補助器具にギアを介してモータの動力を伝達するチェーン３とを備える歩行補助装置が開示されている。
特許文献２には、使用者が脚に装着する膝補助装具のエアシリンダによって起立・着座時の脚の動作を補助する脚補助装置が開示されている。
特許文献３には、着座部材を使用者が跨ぐ形態で利用する歩行補助装置が開示されている。この歩行補助装置は、駆動源にて第２関節部分を回動駆動させ、脚リンクを伸び方向、すなわち、着座部材を押し上げる方向に駆動し、使用者の体重の一部を支持する支持力を発生する制御を行っている。
特許文献４には、使用者の両足平の荷重割合によって算出したアシスト力に応じて駆動源を駆動し、歩行をアシストする技術が開示されている。介護福祉支援、家庭での筋力弱体者の自立運動の支援、並びに工場ラインでの重量物運搬支援及び長時間の立ち仕事の支援等に用いられるアシスト装置である。

また、バネを利用して、使用者の立ち上がり動作や着座動作を補助する補助具の発明が開示されている。
特許文献５には、大腿部着装部材と、下腿部着装部材と、両者の基端とを回動自在に軸着する枢軸ピンと、枢軸ピンに軸支されたトルク調節ギアと、内端を枢軸ピンに固定し、外端をトルク調節ギア板面に掛止した渦巻バネと、トルク調節摘を備えそれを回転してトルク調節ギアを回転駆動するトルク調節ギア駆動機構と、枢軸ピンの先端に設けた非円柱形状のストッパ凸部及び下腿部着装部材下面のストッパ凸部と嵌合可能な枢軸ピンストッパ凹部とを備える立ち上がり補助具が開示されている。
特許文献６には、リハビリ療法を受けている関節の全動作範囲において、相対的に一定のトルクを加えることができる動作範囲副子を開示している。副子は、それぞれ関節の第１及び第２の側の患者の身体部分に接続するよう構成された、第１及び第２の固定器部と、駆動アセンブリを包含する。第１及び第２の固定器部は、第１及び第２の腕をそれぞれ包含し、回転軸構造により副子の旋回軸回りに旋回自在に連結されている。駆動アセンブリは、従動プーリ、駆動プーリ、バイアス部材、及び連結部を包含する。従動プーリは、副子旋回軸回りに第２の腕に取り付けられる。駆動プーリは、駆動軸回りに、副子旋回軸より間隔を置いて第１の腕に取り付けられる。バイアス部材は、第１の腕と駆動プーリとに連結され駆動プーリにトルクを加える。連結部は、駆動プーリを従動プーリに連結し、第１の固定器部と及び第２の固定器部との間にトルクを加える。バイアス部材は渦巻きバネを包含する。バネは、駆動軸回りに配置され、第１の腕に取り付けられた第１の端及び駆動プーリに取り付けられた第２の端を有する。駆動プーリと従動プーリとはベルトにより連結される。
特許文献７には、腓腹用副子と足支持部とが、継手を介して踝の高さで結合されており、継手の回転軸が足の側面に対してほぼ直角であり、継手がばねを有しており、該ばねのばね力がつま先の上向き運動の方向に作用する足を支持するための装具が開示されている。
特許文献８には、一の装着具と別の装着具にトーションバネおよびコイルバネを取り付けた歩行補助装具を腰と大腿部の屈折部に装着することにより、バネの特性（元に戻る力）を利用して足を上げようとする僅かな力で足を上げることが出来るようにした発明が開示されている。ただし、技術的な内容は記載されていない。

立ち上がり動作や着座動作では、ユーザの膝関節に加わる負荷が大きい。そのため、立ち上がり動作や着座動作を補助するための膝補助装具は、ユーザの膝の負担を軽減することが重要である。膝の負担を軽減する手法として、膝関節に予め定められたトルクを加える方法と、膝関節角が所定の軌道を描くように大腿部と下腿部をガイドする方法とがある。ここで、「所定の軌道」とは、立ち上がり動作又は着座動作において膝関節角の経時的変化が描くべき軌道である。その軌道が適切であれば、自然な立ち上がり動作又は着座動作が実現する。トルクを加える方法はロボット工学におけるいわゆる力制御に相当し、膝関節が所定の軌道を描くようにガイドする方法は位置制御又は角度制御に相当する。

ところで、一般に、「力制御」だけでは角度が不定となり「位置制御」だけでは力（トルク）が不定となる。前者では、使用者が自ら膝に加えるトルク（筋力）を加減することによって膝関節角度の軌道を決めることができる。しかしながら、使用者が加えるトルクが足りない場合は、立ち上がり動作や着座動作が完遂するか保証されない。後者は、立ち上がり動作又は着座動作が完遂することが保証されるものの、膝関節角度の軌道が膝補助装具によって規制されるため、膝補助装具のガイドする軌道が使用者の予想する軌道と相違する場合には使用者に違和感を与えることとなる。

特開２０００−１６６９９７号公報 特開２００４−２６１６２２号公報 特許第４８７２８２１号公報 国際公開２００６／１２６７１１号公報 特開２０１５−８０６２１号公報 特表８−５１１９７５号公報 特表１０−５００６０２号公報 特開２００５−１７７４２０号公報

しかしながら、従来のアシスト装置の多くは、人が行うことが困難なので機械が担う作業又は輸送機器を利用して行うような重労働を、人が単独で楽に行う場合又は筋力が弱体化して自立運動できないような患者向けに設計されることが一般的であった。そのため、効果が高ければ費用や機構の構成方法については度外視されており、電動（空気圧）などのアクチュエータやセンサを多用しているため、連続運転時間が短かったり、維持費が高くなったりする傾向があり、現場での実用性は低いと考えられる。さらに、アクチュエータを使用者の運動に連動させるためのセンシングの誤作動などにより使用者を危険にさらす可能性がある。

そこで、本発明は、以上の従来技術の問題点を解決するために創作されたものであり、簡単な構造で実用的に使用できる膝補助装具を提供することを目的とする。なお、本明細書では、使用者の脚に沿って装着して、膝の動作を補助する装置を「膝補助装具」と称する。

本発明に係る膝補助装具は、使用者の大腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の大腿部と一体に運動する大腿部着装部材と、使用者の下腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の下腿部と一体に運動する下腿部着装部材と、使用者の膝横付近に設けられ、下腿部着装部材の上部と一体化したケーシングと、ケーシングの中心軸に回動可能に軸装され、大腿部着装部材の下部と一体化され、大腿部着装部材を介して使用者の膝の屈伸角度に応じてケーシング内で回動するベースと、ケーシングの中に内装された渦巻き状に巻回したねじりコイルばねであって、その一端がケーシングの一部に固定された固定端であり、その他端が鈎部のついた自由端となっているねじりコイルばねと、ベースにおいて、ねじりコイルばねの鈎部を通過する回動軌跡を持つ位置に設けられた構造物で、ベースの回動により鈎部に掛合すると回動角度に応じたトルクをねじりコイルばねから受け取るトルク受け部を備え、使用者の膝の屈伸角度に応じてねじりコイルばねの弾性力によりトルクを発生させ、使用者の膝屈伸を補助することを特徴とする。

また、ねじりコイルばねとトルク受け部のセットがそれぞれ複数個あり、各々のねじりコイルばねの径が異なるものであり、各々のトルク受け部の取り付け位置が、セットとなるねじりコイルばねの鈎部を通過する回動軌跡上に設けられ、掛合し得る位置であるとよい。なお、ベース内におけるトルク受け部の設置箇所を、鈎部を通過する回動軌跡上において選択可能な構造とし、トルク受け部がねじりコイルばねからトルクを受け取り始めるトルク始動角度を調節可能にすると好適である。さらに、ねじりコイルばねとトルク受け部のセットにおいて、各々のトルク受け部の取り付け位置を異なるものとし、各々のトルク受け部が対応するねじりコイルばねからトルクを受け取り始めるトルク始動角度が異なるものにしてもよい。トルク始動角度は、０度から３０度の間の任意の設定とすることができる。

またさらに、本発明に係る膝補助装具は、大腿部着装部材が、使用者の大腿部の側面に添えられる上フレームと、大腿部に装着する大腿部ベルトを備えたものであり、下腿部着装部材が、使用者の下腿部の側面に添えられる下フレームと、下腿部に装着する下腿部ベルトを備えたものであり、ケーシングが、中心軸である枢軸ピンと、枢軸ピンを回動自在に支承する軸受部と、軸受部を覆って枢軸ピンの上部を固定する筒状外装部とを備えたものであることを特徴とする。下腿部着装部材は、下フレームの下端に足首ベルトを備えると、膝補助装具が使用者の脚全体をしっかり保持することが可能になる。

本発明に係る膝補助装具は、アクチュエータ等複雑な構造の部品を使用しないため、構造が簡単なため、小型化・軽量化に適し、製造やメンテナンスが容易という利便性がある。また、トルク始動角度を容易に調整することができるので、使用者の使用目的に応じて、トルクの軽重を選択することが可能になる効果がある。さらに、膝補助装具の装着が容易であるため、特に高齢の農業従事者にとって、使い勝手がよいという効果がある。

本発明に係る膝補助装具１００において、使用者の左足に装着される膝補助装具の外側（ａ）と内側（ｂ）を示す斜視図である。 図１（ａ）に示す膝補助装具１００の外側の要部を示す側面図である。 図１（ｂ）に示す膝補助装具１００の外側の要部を示す側面図である。 本発明に係るケーシング３の内部構造を示す分解斜視図である。 軸受部３２を示す平面図（ａ）と、Ａ−Ａ線断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｃ）である。 軸受部３２にねじりコイルばね４１、５１を載置した状態を示す平面図（ａ）と、Ａ−Ａ線断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｃ）である。 本発明に係るケーシング３の筒状外装部３３の上面を示す図である。 上フレーム１１と下フレーム２１の回動を模式的に示す図である。 ねじりコイルばねの始動角度が３０度の場合における、回動角度における係止孔の位置を示す図である。 ねじりコイルばねの始動角度が０度（ａ）、１０度（ｂ）、２０度（ｃ）それぞれの場合における、回動角度における係止孔の位置を示す図である。 本発明の膝補助装具１００を装着した使用者が起立状態から中腰状態、中腰状態から起立状態に戻る動作を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。各図において、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。また、図面は、本発明を理解するために誇張して表現している場合もあり、必ずしも縮尺どおり精緻に表したものではないことに留意されたい。なお、本発明は下記に示される実施例に限られるものではない。

実施例１を図面を参照して詳細に説明する。

まず、膝補助装具１００の全体構成を説明する。なお、膝補助装具１００は、左足用と右足用の一対からなるものであるが、両者は対称であるため、便宜的に左足用のみを説明し、右足用については説明を省略する。図１は、本発明に係る膝補助装具１００において、使用者の左足に装着される膝補助装具の外側（ａ）と内側（ｂ）を示す斜視図である。図２は、図１（ａ）に示す膝補助装具１００の外側の要部を示す側面図である。図３は、図１（ｂ）に示す膝補助装具１００の内側の要部を示す側面図である。図１、２、３に示すとおり、本発明に係る膝補助装具１００の外側の部材は、大別すると、使用者の大腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の大腿部と一体に運動する大腿部着装部材１と、使用者の下腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の下腿部と一体に運動する下腿部着装部材２と、使用者の膝横付近に設けられ、下腿部着装部材２の上部と一体化したケーシング３とから構成される。ベース３２１は、ケーシング３の中心軸に回動可能に軸装され、大腿部着装部材１の下部と一体化される。また、ケーシング３内には、内装された渦巻き状に巻回したねじりコイルばね４１、５１が配設され、その一端がケーシング３の一部に固定された固定端４１１、５１１であり、その他端が鈎部４１２、５１２のついた自由端となって、大腿部着装部材１を介して使用者の膝の屈伸角度に応じてケーシング３内で回動する。ベース３２１において、ねじりコイルばね４１、５１の鈎部４１２、５１２を通過する回動軌跡を持つ位置に設けられた構造物で、ベース３２１の回動により鈎部に掛合すると回動角度に応じたトルクをねじりコイルばねから受け取るトルク受け部３３１、３３２を備える。このように、使用者の膝の屈伸角度に応じてねじりコイルばね４１、５１の弾性力によりトルクを発生させ、使用者の膝屈伸を補助することができる構成となっている。また、ねじりコイルばね４１、５１とトルク受け部３３１、３３２のセットがそれぞれ複数個あり、各々のねじりコイルばね４１、５１の径が異なるものであり、各々のトルク受け部３３１、３３２の取り付け位置が、セットとなるねじりコイルばね４１、５１の鈎部４１２、５１２を通過する回動軌跡上に設けられ、掛合し得る位置であるとよい。なお、ベース３２１内におけるトルク受け部３３１、３３２の設置箇所を、鈎部４１２、５１２を通過する回動軌跡上において選択可能な構造とし、トルク受け部３３１、３３２がねじりコイルばね４１、５１からトルクを受け取り始めるトルク始動角度を調節可能にすると好適である。
また、膝補助装具１００は、使用者の足の膝上の大腿部に装着され、該大腿部の側面に添えられる上フレーム１１、７１と、その上端を該大腿部に保持する大腿部ベルト１２とからなる大腿部着装部材１と、使用者の足の膝下の下腿部に装着され、該下腿部の側面に添えられる下フレーム２１、８１と、該下フレーム２１を該下腿部に保持する下腿部ベルト２２とからなる下腿部着装部材２と、大腿部着装部材１と下腿部着装部材２とを回動自在に軸着したケーシング３（外側）及び内側関節ピン９０（内側）とから構成されてもよい。さらに、使用者の膝部全体を覆い、膝を開口する開口部６３を有する膝部サポータ６２を、上フレーム１１、７１と下フレーム２１、８１とに面ファスナ等で装着できるようにしてもよい。またさらに、下フレーム２１、８１の下端に受け金具２５を介して足首ベルト２６を備えるようにすることもできる。このような構成により、本発明の膝補助装具１００を使用者の足にぴったり装着することができる。
本発明において最も重要な構成要素であり特徴部分であるケーシング３については、大腿部着装部材１と下腿部着装部材２とを回動自在に、より詳細には上フレーム１１と下フレーム２１とを回動自在に軸着する部材であるが、図４、５、６において詳細に後述する。

図１（ａ）及び図２を参照する。図１（ａ）は、前述したとおり、使用者の左足に装着される膝補助装具の外側を示しており、図２はその要部を示す側面図である。大腿部着装部材１は、使用者の大腿部の側面に添えられる上フレーム１１と、その上端を該大腿部に保持する大腿部ベルト１２とからなり、両者は上受け金具１３で固定される。一方、下腿部着装部材２は、使用者の下腿部の側面に添えられる下フレーム２１と、所定の位置で該下腿部に保持する下腿部ベルト２２とからなり、両者は下受け金具２３で固定される。

図１（ｂ）及び図３を参照する。図１（ｂ）は、前述したとおり、使用者の左足に装着される膝補助装具の内側を示しており、図３はその要部を示す側面図である。大腿部着装部材１は、使用者の大腿部の側面に添えられる上フレーム７１と、その上端を該大腿部に保持する大腿部ベルト１２とからなり、両者は上受け金具１３で固定される。一方、下腿部着装部材２は、使用者の下腿部の側面に添えられる下フレーム８１と、所定の位置で該下腿部に保持する下腿部ベルト２２とからなり、両者は下受け金具２３で固定される。膝補助装具１００の内側の回動機構は、内側関節ピン９０を上フレーム７１の下端と下フレーム８１の上端に備えて、両フレーム７１、８１が回動自在に軸着されている。

上フレーム１１、７１や下フレーム２１、８１は、軽量な金属、例えばアルミニウム合金やチタニウム合金で作られるとよい。また、繊維強化プラスチックなどを使用してもよいが、この場合、不飽和ポリエステル樹脂を常温・常圧でも硬化するものを使用するとよい。

大腿部ベルト１２、下腿部ベルト２２、膝部ベルト６２、足首ベルト２６は、メッシュ生地、伸縮性生地等で作り、面ファスナで着脱できるようにすると便利である。また、大腿部ベルト１２と下腿部ベルト２２については、開閉可能な割筒状の固定筒部材を使用することも可能である。上受け金具１３、下受け金具２３、受け金具２５はアルミ合金等を使用し、使用者の皮膚に直接接触する、あるいは衣類の上から長時間にわたって装着されることを考慮して、裏面にスポンジ等を装着するとよい。なお、スポンジは、通気性や抗菌性、アレルギー等にも配慮された素材を選択することが好ましい。

図４を参照する。図４は、本発明に係るケーシング３の内部構造を示す分解斜視図である。ケーシング３は、枢軸ピン３１と、軸受部３２と、第一のねじりコイルばね４１と、第二のねじりコイルばね５１と、筒状外装部３３とからなる。枢軸ピン３１は、下フレーム２１の上端に固定されている。軸受部３２は、枢軸ピン３１を支承する支承孔３２５を備える筒状部３２０と、上フレーム１１の下端に固定されたベース部３２１と、第二のねじりコイルばね５１を収容する溝３２２とからなる。第一のねじりコイルばね４１と、第二のねじりコイルばね５１とを軸受部３２に収容した後、筒状外装部３３は、軸受部３２を被って枢軸ピン３１の上部３１１にねじＮ等で固定する。また、筒状外装部３３は、ボルトＢ１、Ｂ２を用いて、第一のねじりコイルばね４１と、第二のねじりコイルばね５１のトルク始動角度を調整できるトルク受け部３３１、３３２を備えている。なお、枢軸ピン３１は、回転軸に鍛造材、圧延材を用いてもよいが、ＭＣナイロン等樹脂系素材を使用して、軸周にアルミ合金等を配置してもよい。また、軸受部３２や筒状外装部３３はプラスチックや軽金属の剛性薄板を用いてもよいが、ＭＣナイロンを選択することが好ましい。

図４に示すとおり、第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１は、筒状部３２０の外周に載置され、第一のねじりコイルばね４１はベースの外側に、第二のねじりコイルばね５１は、ベース３２１の内側にある溝３２２に配置される。第一のねじりコイルばね４１は、コイル線材を渦巻き状に巻回することにより形成された巻回部４１０と、巻回部４１０の一端からベース３２１の所定の位置に穿たれた孔３２４（図に示していない）に向け延出する第一のアーム部４１１と、巻回部４１０の他端が延出して鈎状に曲折する第二のアーム部４１２とを備えている。また、第二のねじりコイルばね５１は、コイル線材を渦巻き状に巻回することにより形成された巻回部５１０と、巻回部５１０の一端から軸受部３２の溝３２２の所定の位置に穿たれた孔３２３に向け延出する第一のアーム部５１１と、巻回部５１０の他端が延出して鈎状に曲折する第二のアーム部５１２とを備えている。

ここで、ねじりコイルばねとは、コイルの中心線のまわりにねじりモーメントを受けるばねをいう。第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１は、いずれも冷間成形用材料のピアノ線、ステンレス鋼線等を素材として選択することができるが、実施例１において、円形断面の直径（ｄ）が４．５ｍｍのピアノ線のＳＷＰ−Ａを使用し、第一のねじりコイルばね４１は、コイル平均径（Ｄ）を９５ｍｍ、巻数（Ｎ）を３．３、第二のねじりコイルばね５１は、コイル平均径（Ｄ）を７５ｍｍ、巻数（Ｎ）を４としているが、これらに限定されることなく、所望の条件のねじりコイルばねを使用することができる。

図５を参照する。図５は、軸受部３２を示す平面図（ａ）と、Ａ−Ａ線断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｃ）である。図５（ａ）〜（ｃ）に示すとおり、軸受部３２は、枢軸ピン３１を支承する支承孔３２５を備える筒状部３２０と、上フレーム１１の下端に固定されたベース部３２１と、第二のねじりコイルばね５１を収容する溝３２２とからなる。

図５（ａ）を参照する。図に向かって軸受部３２の上方に上フレーム、下方に下フレームが配置される。溝３２２は、図に向かって天にあたる箇所に係止孔３２３を設けており、係止孔３２３に第二のねじりコイルばね５１の第一のアーム部４１１が挿置される。また、ベース３２１の上面外周において、図に向かって底にあたる地点から時計回り１０８度の位置に、係止孔３２４を設けており、係止孔３２４に第一のねじりコイルばね４１の第一のアーム部５１１が挿置される。

図５（ｂ）及び（ｃ）を参照する。図５（ｂ）は、図５（ａ）においての軸受部３２のＡ−Ａ線断面図であり、図５（ｃ）は、そのＢ−Ｂ線断面図である。ここでは、前述した同一内容は省略するが、ベース３２１はその底面に突起状のストッパ３２６を備える。ストッパ３２６は、回動する上フレーム１１が回動位置から原位置にばねのねじりトルクで復帰する際、原位置以上に回動することを規制する。

図６を参照する。図６は、軸受部３２にねじりコイルばね４１、５１を載置した状態を示す平面図（ａ）と、Ａ−Ａ線断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ線断面図（ｃ）である。図６（ａ）〜（ｃ）に示すとおり、第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１は、筒状部３２０の外周に載置され、第一のねじりコイルばね４１はベースの外側に、第二のねじりコイルばね５１は、ベース３２１の内側にある溝３２２に配置される。第一のねじりコイルばね４１は、コイル線材を渦巻き状に巻回することにより形成された巻回部４１０と、巻回部４１０の一端からベース３２１の所定の位置に穿たれた孔３２４に向け延出する第一のアーム部４１１と、巻回部４１０の他端が延出して鈎状に曲折する第二のアーム部４１２とを備えている。また、第二のねじりコイルばね５１は、コイル線材を渦巻き状に巻回することにより形成された巻回部５１０と、巻回部５１０の一端から軸受部３２の溝３２２の所定の位置に穿たれた孔３２３に向け延出する第一のアーム部５１１と、巻回部５１０の他端が延出して鈎状に曲折する第二のアーム部５１２とを備えている。なお、第一のねじりコイルばね４１の第二のアーム部４１２の先端は、軸心に向かって内側に湾曲して鈎形状を形成している。一方、第二のねじりコイルばね５１の第二のアーム部５１２の先端は、軸心に向かって外側に湾曲して鈎形状を形成している。後述するトルク受け部３３１、３３２は、第二のアーム部４１２、５１２にボルトＢ２、Ｂ１で規制し、上フレーム１１が回動した際、回動することにより生じる復元力を付与し、さらにトルク始動角度を調整することによりトルクを調整することを可能にする。

図７を参照する。図７は、本発明に係るケーシング３の筒状外装部３３の上面を示す図である。筒状外装部３３は、軸受部３２を被って枢軸ピン３１の上部３１１を孔３３３ａ、３３３ｂ、３３３ｃ、３３３ｄ、３３３ｅ、３３３ｆを介してねじＮ等で固定する。また、筒状外装部３３の上面の外周にトルク受け部３３１、３３２を備える。すなわち、図に向かって、天の位置にトルク受け部孔３３１ａ、トルク受け部孔３３１ａから時計回りに１０度ごと角度傾けた位置に、３３１ｂ、３３１ｃ、３３１ｄを備えている。一方、図に向かって、底の位置にトルク受け部孔３３２ａ、トルク受け部孔３３２ａから時計回りに１０度ごと角度傾けた位置に、３３２ｂ、３３２ｃ、３３２ｄを備えている。これらのうち所望のトルク受け部孔にボルトＢ２、Ｂ１を挿置し、第二のアーム部４１２、５１２を規制するとともにトルク始動角度を調整することにより、上フレーム１１が回動した際、回動することにより生じる復元力（トルク）を調整することが可能になる。

図８を参照する。図８は、上フレーム１１と下フレーム２１の回動を模式的に示す図であり、表１に対応する図である。すなわち、図８（ａ）は、膝曲げ角度が３０度、（ｂ）は９０度、（ｃ）は１２０度、（ｄ）は１５０度のときの上フレーム１１と下フレーム２１の回動状態を示している。

図９を参照する。図９は、ねじりコイルばねの始動角度が３０度の場合における、回動角度における係止孔の位置を示す図である。下記の表１は、図９において、ボルトＢ１をトルク受け部孔３３１ｄに、ボルトＢ２をトルク受け部孔３３２ｄに挿置した場合におけるトルクの参考値を示している。始動角度が３０度までの場合は、ねじりコイルばねの第二のアーム部４１２、５１２が規制されないため、トルクは働かない。すなわち、膝曲げ３０度のときは、ねじりコイルばね４１、５１はトルク受け部３３１、３３２のボルトＢ１、Ｂ２に規制されていないため、トルクは発生していない状態である。膝曲げ角度９０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で５５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で８．３Ｎ−ｍとなる。また、膝曲げ角度１２０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で８０度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１２．１Ｎ−ｍとなる。さらに、膝曲げ角度１５０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１０５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１５．９Ｎ−ｍとなる。該表１に従えば、膝補助装具１００のトルクは、ばねが１２０度回転したとき、片足で推定１８．０Ｎ−ｍ確保することになる。

図１０を参照する。図１０は、ねじりコイルばねの始動角度が０度（ａ）、１０度（ｂ）、２０度（ｃ）それぞれの場合における、回動角度における係止孔の位置を示す図である。
下記の表２は、図１０（ａ）において、ボルトＢ１をトルク受け部孔３３１ａに、ボルトＢ２をトルク受け部孔３３２ａに挿置した場合におけるトルクの参考値を示している。始動角度が０度の場合は、ねじりコイルばねの第二のアーム部４１２、５１２が規制されても、当然にトルクは働かない。膝曲げ角度９０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で８５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１２．７Ｎ−ｍとなる。また、膝曲げ角度１２０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１１０度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１６．５Ｎ−ｍとなる。さらに、膝曲げ角度１５０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１３５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で２０．３Ｎ−ｍとなる。

下記の表３は、図１０（ｂ）において、ボルトＢ１をトルク受け部孔３３１ｂに、ボルトＢ２をトルク受け部孔３３２ｂに挿置した場合におけるトルクの参考値を示している。始動角度が１０度までの場合は、ねじりコイルばねの第二のアーム部４１２、５１２が規制されないため、トルクは働かない。すなわち、膝曲げ１０度までは、ねじりコイルばね４１、５１はトルク受け部３３１、３３２のボルトＢ１、Ｂ２に規制されていないため、トルクは発生していない状態である。膝曲げ角度９０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で７５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１１．３Ｎ−ｍとなる。また、膝曲げ角度１２０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１００度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１５．０Ｎ−ｍとなる。さらに、膝曲げ角度１５０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１２５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１８．８Ｎ−ｍとなる。

下記の表４は、図１０（ｃ）において、ボルトＢ１をトルク受け部孔３３１ｃに、ボルトＢ２をトルク受け部孔３３２ｃに挿置した場合におけるトルクの参考値を示している。始動角度が２０度までの場合は、ねじりコイルばねの第二のアーム部４１２、５１２が規制されないため、トルクは働かない。すなわち、膝曲げ２０度までは、ねじりコイルばね４１、５１はトルク受け部３３１、３３２のボルトＢ１、Ｂ２に規制されていないため、トルクは発生していない状態である。膝曲げ角度９０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で６５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で９．８Ｎ−ｍとなる。また、膝曲げ角度１２０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で９０度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１３．５Ｎ−ｍとなる。さらに、膝曲げ角度１５０度のときは、ねじりコイルばねの変位角度の推定で１１５度となり、トルクは第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１の合計で１７．２Ｎ−ｍとなる。

所望のトルク値は、ボルトＢ１、Ｂ２をトルク受け部３３１、３３２のトルク受け部孔を選択的に挿置することにより、微妙に調整することができる。例えば、ボルトＢ１をトルク受け部孔３３１ｂに挿置し、ボルトＢ２をトルク受け部孔３３２ｃに挿置することで、４の４乗とおりにトルクを調整できる。すなわち、ねじりコイルばね４１、５１とトルク受け部３３１、３３２のセットにおいて、各々のトルク受け部３３１、３３２の取り付け位置を異なるものとし、各々のトルク受け部３３１、３３２が対応するねじりコイルばね４１、５１からトルクを受け取り始めるトルク始動角度が異なるものにしてもよい。このように、複数のねじりコイルばねで、各々のトルク始動角度を異なるものとし、回動角度とトルクの関係を非線形関係にしてもよい。なお、トルク受け部孔の数量や始動角度の刻みを変更することでトルクを調整することができることはいうまでもない。さらに、実施例１においては、第一のねじりコイルばね４１と第二のねじりコイルばね５１との二本のねじりコイルばねを使用しているが、三本以上のねじりコイルばねを使用することもできる。

図１１を参照する。本発明の膝補助装具１００を装着した使用者が起立状態から中腰状態、中腰状態から起立状態に戻る動作を模式的に示す図である。図１１によれば、イ〜リの使用者の姿勢が示されている。イ〜ホまでは、使用者が中腰になるまでを示し、ホ〜リまでは、中腰から起立状態に復帰する様子を示している。ロは膝曲げ角度が略３０度であるので、表１の場合、ばねのトルクは０である。ハは６０度、ニは９０度、ホは１２０度であり、ホの姿勢になると、ばねの復元力（トルク）は大きいものであるが、使用者の体重により姿勢をそのまま保持することが可能な範囲と考えられる。本発明に係る膝補助装具１００は、ばねの復元力（トルク）を利用して、この中腰状態を一定時間維持して、その後、使用者の踏ん張り力から跳ね上げ力を付与することにより、図１１に示すホ〜リに至る原姿勢に容易に復帰することを可能にする。

以上、本発明に係る膝補助装具における好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。

本発明に係る膝補助装具は、構造が簡易であり軽量で使用者に負担が少ないので、農林水産業の現場、建設現場、病院や介護施設など広く利用することができる。

１００ 膝補助装具
１ 大腿部着装部材
１１ 上フレーム
１２ 大腿部ベルト
２ 下腿部着装部材
２１ 下フレーム
２２ 下腿部ベルト
３ ケーシング
３１ 枢軸ピン
３２ 軸受部
３２０ 筒状部
３２１ ベース
３２２ 溝
３２３ ３２４ 係止孔
３２５ 支承孔
３３ 筒状外装部
４１ 第一のねじりコイルばね
４１０ 巻回部
４１１ 第一のアーム部（固定端）
４１２ 第二のアーム部（鈎部）
５１ 第二のねじりコイルばね
５１０ 巻回部
５１１ 第一のアーム部（固定端）
５１２ 第二のアーム部（鈎部）
３３１ ３３２ トルク受け部
３３１ａ ３３１ｂ ３３１ｃ ３３１ｄ トルク受け部の孔
３３２ａ ３３２ｂ ３３２ｃ ３３２ｄ トルク受け部の孔
Ｂ１ Ｂ２ ボルト
３２６ ストッパ
２６ 足首ベルト

本発明に係る膝補助装具は、使用者の大腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の大腿部と一体に運動する大腿部着装部材と、使用者の下腿部に沿わせて装着せしめ、使用者の下腿部と一体に運動する下腿部着装部材と、使用者の膝横付近に設けられ、下腿部着装部材の上部と一体化したケーシングと、ケーシングの中心軸に回動可能に軸装され、大腿部着装部材の下部と一体化され、大腿部着装部材を介して使用者の膝の屈伸角度に応じてケーシング内で回動するベースと、ケーシングの中に内装された渦巻き状に巻回したねじりコイルばねであって、その一端がケーシングの一部に固定された固定端であり、その他端が鈎部のついた自由端となっているねじりコイルばねと、ケーシングにおいて、ねじりコイルばねの鈎部を通過する回動軌跡を持つ位置に設けられた構造物で、ベースの回動により鈎部に掛合すると回動角度に応じたトルクをねじりコイルばねから受け取るトルク受け部を備え、また、ねじりコイルばねとトルク受け部のセットがそれぞれ複数個あり、各々のねじりコイルばねの径が異なるものであり、各々のトルク受け部の取り付け位置がセットとなるねじりコイルばねの鈎部を通過する回動軌跡上に設けられ、掛合し得る位置であるようにして、使用者の膝の屈伸角度に応じてねじりコイルばねの弾性力によりトルクを発生させ、使用者の膝屈伸を補助することを特徴とする。

なお、ベース内におけるトルク受け部の設置箇所を、鈎部を通過する回動軌跡上において選択可能な構造とし、トルク受け部がねじりコイルばねからトルクを受け取り始めるトルク始動角度を調節可能にすると好適である。さらに、ねじりコイルばねとトルク受け部のセットにおいて、各々のトルク受け部の取り付け位置を異なるものとし、各々のトルク受け部が対応するねじりコイルばねからトルクを受け取り始めるトルク始動角度が異なるものにしてもよい。トルク始動角度は、０度から３０度の間の任意の設定とすることができる。

Claims (7)

1. 使用者の大腿部に沿わせて装着せしめ、前記使用者の大腿部と一体に運動する大腿部着装部材と、
   使用者の下腿部に沿わせて装着せしめ、前記使用者の下腿部と一体に運動する下腿部着装部材と、
   前記使用者の膝横付近に設けられ、前記下腿部着装部材の上部と一体化したケーシングと、
   前記ケーシングの中心軸に回動可能に軸装され、前記大腿部着装部材の下部と一体化され、前記大腿部着装部材を介して前記使用者の膝の屈伸角度に応じて前記ケーシング内で回動するベースと、
   前記ケーシングの中に内装された渦巻き状に巻回したねじりコイルばねであって、その一端が前記ケーシングの一部に固定された固定端であり、その他端が鈎部のついた自由端となっているねじりコイルばねと、
   前記ベースにおいて、前記ねじりコイルばねの前記鈎部を通過する回動軌跡を持つ位置に設けられた構造物で、前記ベースの回動により前記鈎部に掛合すると前記回動角度に応じたトルクを前記ねじりコイルばねから受け取るトルク受け部を備え、
   前記使用者の膝の屈伸角度に応じて前記ねじりコイルばねの弾性力によりトルクを発生させ、前記使用者の膝屈伸を補助することを特徴とする膝補助装具。
2. 前記ねじりコイルばねと前記トルク受け部のセットがそれぞれ複数個あり、
   各々の前記ねじりコイルばねの径が異なるものであり、
   各々の前記トルク受け部の取り付け位置が、セットとなる前記ねじりコイルばねの前記鈎部を通過する前記回動軌跡上に設けられ、掛合し得る位置であることを特徴とする請求項１に記載の膝補助装具。
3. 前記ベース内における前記トルク受け部の設置箇所を、前記鈎部を通過する前記回動軌跡上において選択可能な構造とし、前記トルク受け部が前記ねじりコイルばねからトルクを受け取り始めるトルク始動角度を調節可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の膝補助装具。
4. 前記ねじりコイルばねと前記トルク受け部のセットにおいて、各々の前記トルク受け部の取り付け位置を異なるものとし、各々の前記トルク受け部が対応する前記ねじりコイルばねからトルクを受け取り始める前記トルク始動角度が異なるものとしたことを特徴とする請求項３に記載の膝補助装具。
5. 前記大腿部着装部材が、前記使用者の大腿部の側面に添えられる上フレームと、前記大腿部に装着する大腿部ベルトを備えたものであり、
   前記下腿部着装部材が、前記使用者の下腿部の側面に添えられる下フレームと、前記下腿部に装着する下腿部ベルトを備えたものであり、
   前記ケーシングが、前記中心軸である枢軸ピンと、前記枢軸ピンを回動自在に支承する軸受部と、前記軸受部を覆って前記枢軸ピンの上部を固定する筒状外装部とを備えたものである請求項１ないし４のいずれか１項に記載の膝補助装具。
6. 前記トルク始動角度は、０度から３０度の間の任意の設定であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の膝補助装具。
7. 前記下腿部着装部材は、前記下フレームの下端に足首ベルトを備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の膝補助装具。

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