JP2020199292A - 膝継手 - Google Patents
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Abstract
Description
駆動部と、直列弾性機構と、クランク機構とを備えており、
前記直列弾性機構は、従動部材と、弾性部材と、直動部材とを備えており、
前記駆動部は、前記従動部材を移動させる構成となっており、
前記弾性部材は、前記従動部材と前記直動部材との間に配置されており、
前記直動部材は、前記弾性部材を介して、前記従動部材の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する構成となっており、
前記クランク機構は、前記直動部材の直線運動を回転運動に変換する構成となっている 膝継手。
さらに、ソケットと膝継手とを接続するための上部接続部を備えており、
前記クランク機構は、前記上部接続部を正逆方向に回転運動させる構成となっている
項目1に記載の膝継手。
さらにフレームを備えており、
前記直動部材は、前記フレームに対して少なくとも一方向に沿って移動可能とされている
項目1又は2に記載の膝継手。
さらにフレームを備えており、
前記クランク機構の回転軸は、前記フレームにより支持されている
項目1又は2に記載の膝継手。
前記駆動部は、モータと、変速機構と、ボールねじとを備えており、
前記モータは、前記変速機構を介して、前記ボールねじを正逆方向に回転させる構成となっており、
前記従動部材は、前記ボールねじの回転に応じて直動する構成となっている
項目1〜4のいずれか1項に記載の膝継手。
前記直動部材は、前記従動部材を挟んで対向して配置された第1当接部と第2当接部とを備えており、
前記弾性部材は、第1ばねと第2ばねとを備えており、
前記第1ばねは、前記第1当接部と前記従動部材との間に配置されており、
前記第2ばねは、前記第2当接部と前記従動部材との間に配置されている
項目1〜5のいずれか1項に記載の膝継手。
項目1〜6のいずれか1項に記載の膝継手を備える義足。
本実施形態の膝継手100は、駆動部1と、直列弾性機構2と、クランク機構3とを備えている。さらに、この膝継手100は、上部接続部4と、フレーム5と、下部接続部6とを備えている。
駆動部1は、モータ11と、変速機構12と、ボールねじ13とを備えている(図5参照)。モータ11は、変速機構12を介して、ボールねじ13を正逆方向に回転させる構成となっている。本実施形態の駆動部1は、バッテリ(図示せず)を備えており、バッテリからの給電によってモータ11を駆動できるようになっている。ただし、外部給電(例えば商用電源)によりモータ11を駆動する構成とすることも可能である。また、駆動部1は、クランク機構3の回転角度やモータ11への負荷を検出するセンサ(図示せず)を備えており、そのセンサの出力に応じてモータ11のトルクや回転速度を制御できるようになっている。本実施形態のモータ11、変速機構12、及びボールねじ13は、フレーム5により、適宜の取付部材あるいは軸受けを介して支持されている。
直列弾性機構2は、従動部材21と、弾性部材22と、直動部材23とを備えている。また、本実施形態の直列弾性機構2は、従動部材21と、直動部材23の第1・第2当接部231・232とを案内するためのガイドシャフト24を備えている。
クランク機構3は、直動部材23の直線運動を回転運動に変換する構成となっている。本実施形態のクランク機構3は、連結ロッド31とアーム部材32と回転軸33とを備えている。
上部接続部4は、ソケット200(後述の図21参照)と膝継手100とを接続するためのものである。上部接続部4は、クランク機構3により、正逆方向に回転運動することによって、義足の伸展・屈曲の動作を実現する。上部接続部4は、ピラミッドコネクタとも呼ばれており、既存の手法を用いてソケット200に接続できるようになっている。
本実施形態のフレーム5は、カバー51(図6〜図10参照)と、上部基台52と、下部基台53とを備えている。本実施形態においては、直動部材23は、前記フレーム5の上下の基台52・53に対して少なくとも一方向に(具体的には図1において上下方向に)移動可能とされている。また、本実施形態においては、前記したように、クランク機構3の回転軸33が、フレーム5のカバー51により、回転可能な状態で支持されている。さらに上部基台52と下部基台53は、それぞれ、カバー51に対して固定されており、相対移動しないようになっている。
下部接続部6は、膝継手100と足部300(後述の図21参照)とを接続するためのものである。下部接続部6は、フレーム5の下部基台53に固定されている。下部接続部6も、ピラミッドコネクタとも呼ばれており、既存の手法を用いて足部300と接続できるようになっている。
次に、図11〜図22をさらに参照して、本実施形態の膝継手100の動作を説明する。
本実施形態の説明においては、図1に示す伸展状態を、膝継手の角度が0°であると定義する。この状態から膝継手の角度を60°に屈曲する動作を以下に説明する。
膝の角度が60°から120°までの間の動作は、使用者が座ったり、正座したり、膝が床に着いたりするときの動作である。座る際は、特にモータは動作しないが、座る状態から立ち上がる場合には、モータの動作によるアシストができる。
・弾性機構の直動運動を膝の回転運動に変換する機構が非常に複雑となり、部品数が多い。よって、重くなる;
・膝継手の可動角度を広げようとすると、プーリが大型化する;
・構成部品(弾性要素)と膝との干渉を防ぐため、プーリを義足の側面に配置する必要がある。すると、バランスを保つため、一本の義足において二つのプーリ機構(一つのプーリ機構は二つのプーリと一本の連結ケーブルと関連部品から構成される)を用いる必要が生じる;
・プーリ用のケーブルは、耐久性の面で問題があり、維持コストが高くなりやすい。
・クランク機構を用いているので、膝継手の可動角度を広げたときでも、膝継手全体の大型化を抑制できる;
・プーリ機構の代わりに、小型軽量な一つのクランク機構を用いることができるので、小型かつ軽量な義足を提供できる;
・クランク機構は、プーリに比べて一般的に耐久性が高いので、維持コストを低く抑えることができる
という利点を発揮することができる。
次に、図21を参照して、本実施形態の膝継手を使用者に装着した例を説明する。この例では、膝継手100の上部接続部4にソケット200の下端が接続され、膝継手100の下部接続部6に足部300が接続されている。図示の例では、膝継手100とソケット200と足部300とにより、義足が構成されている。なお、上部接続部4とソケット200との接続、及び、下部接続部6と足部300との接続のためには、従来と同様のアタッチメント(図示せず)を用いることができる。
つぎに、図22をさらに参照して、本実施形態の義足を用いた歩行動作を説明する。なお、この図においては、義足に符号Lを付している。
義足の足部が床面に着地すると、本実施形態の膝継手では、ソケット200から、クランク機構3を介して、直動部材23に下方への押圧力が加わり、それにより、弾性部材22の第1ばね221が弾性変形し、そのエネルギーが蓄積される。しかしながら、直動部材23は、従動部材21を介してボールねじ13に取り付けられているので、ボールねじが回転しようとする方向とは逆にモータを動作させることによって、従動部材21の移動に対する抵抗力を作ることができ、弾性部材22におけるエネルギーを保持できる。
続く歩行動作中には、弾性部材22に蓄積されたエネルギーが解放される。これにより、直動部材23を移動させて、膝継手を伸展させることができる。
その後、本実施形態では、モータ11を動作させて、膝継手を屈曲させる(例えば図12参照)。これにより、弾性部材22にエネルギーを蓄積することができる。
さらに歩行が進行したとき、本実施形態では、モータ11を逆方向に駆動して、膝継手を伸展させる。ここで、本実施形態では、弾性部材22に蓄積されたエネルギーが、膝継手の伸展動作を補助するので、モータ11に必要な動力を低減させることができる。したがって、本実施形態では、バッテリの小型化やバッテリの長持ちを期待することができる。
Nm:変速機構12におけるモータ11側のプーリの歯数;
Nb:変速機構12におけるボールねじ13側のプーリの歯数;
Lb:ボールねじ13のリード;
R:アーム部材32の回転半径;
K:クランク機構による減速係数
である。
α:アーム部材32の、縦方向(図24において上下方向)に対する角度;
β:連結ロッド31の、縦方向(図24において上下方向)に対する角度
である。
11 モータ
12 変速機構
13 ボールねじ
2 直列弾性機構
21 従動部材
22 弾性部材
221 第1ばね
222 第2ばね
23 直動部材
231 第1当接部
232 第2当接部
233 直動ロッド
24 ガイドシャフト
3 クランク機構
31 連結ロッド
32 アーム部材
33 回転軸
4 上部接続部
5 フレーム
51 カバー
52 上部基台
53 下部基台
6 下部接続部
100 膝継手
200 ソケット
300 足部
L 義足
モータと、該モータによって回転されるボールねじの回転に伴って直線方向に往復動する直動部材と、膝角度を変更するためのクランク機構とを備えており、
前記クランク機構は、前記直動部材と回転可能に結合される連結ロッドと、この連結ロッドに回転可能なように取り付けられて、前記連結ロッドの移動に伴って揺動するアーム部材と、このアーム部材が揺動する時の回転中心となる回転軸とを備えており、前記直動部材の直線運動を回転運動に変換するようになっており、
前記クランク機構における減速比は、前記膝角度が約80°〜90°のときに最大値となり、前記膝角度が約0°〜20°のときに、前記最大値よりも低い減速比であって、かつ、前記膝角度が小さくなるほど減速比が低くなるように設定されている
膝継手。
(項目2)
前記直動部材と前記連結ロッドとの連結点は、前記回転軸の回転中心から所定のオフセット量だけオフセットして配置されており、
前記所定のオフセット量は、前記膝角度が約80°〜90°のときに前記減速比が最大となるように定められている
項目1に記載の膝継手。
さらに、ソケットと膝継手とを接続するための上部接続部を備えており、
前記クランク機構は、前記上部接続部に取り付けられて、前記上部接続部を正逆方向に回転運動させる構成となっている
項目1又は2に記載の膝継手。
前記直動部材は該直動部材の移動方向に延びる直動ロッドを含んでおり、
前記連結ロッドが前記直動ロッドの端部に回転可能に連結されている
項目1〜3のいずれか1項に記載の膝継手。
さらにフレームを備えており、
前記クランク機構の回転軸は、前記フレームにより支持されている
項目1〜4のいずれか1項に記載の膝継手。
項目1〜5のいずれか1項に記載の膝継手を備える義足。
Claims (8)
- 駆動部と、直列弾性機構と、クランク機構とを備えており、
前記直列弾性機構は、従動部材と、弾性部材と、直動部材とを備えており、
前記駆動部は、前記従動部材を移動させる構成となっており、
前記弾性部材は、前記従動部材と前記直動部材との間に配置されており、
前記直動部材は、前記弾性部材を介して、前記従動部材の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する構成となっており、
前記クランク機構は、前記直動部材の直線運動を回転運動に変換する構成となっている
膝継手。 - さらに、ソケットと膝継手とを接続するための上部接続部を備えており、
前記クランク機構は、前記上部接続部を正逆方向に回転運動させる構成となっている
請求項1に記載の膝継手。 - さらにフレームを備えており、
前記直動部材は、前記フレームに対して少なくとも一方向に沿って移動可能とされている
請求項1又は2に記載の膝継手。 - さらにフレームを備えており、
前記クランク機構の回転軸は、前記フレームにより支持されている
請求項1又は2に記載の膝継手。 - 前記駆動部は、モータと、変速機構と、ボールねじとを備えており、
前記モータは、前記変速機構を介して、前記ボールねじを正逆方向に回転させる構成となっており、
前記従動部材は、前記ボールねじの回転に応じて直動する構成となっている
請求項1〜4のいずれか1項に記載の膝継手。 - 前記直動部材は、前記従動部材を挟んで対向して配置された第1当接部と第2当接部とを備えており、
前記弾性部材は、第1ばねと第2ばねとを備えており、
前記第1ばねは、前記第1当接部と前記従動部材との間に配置されており、
前記第2ばねは、前記第2当接部と前記従動部材との間に配置されている
請求項1〜5のいずれか1項に記載の膝継手。 - 前記クランク機構における減速比は、前記回転運動における回転角度に応じて変化する構成とされている
請求項1〜6のいずれか1項に記載の膝継手。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の膝継手を備える義足。
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