JP4112430B2 - 歩行補助装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、股関節や膝関節の運動に補助力を与えるための歩行補助装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外傷や疾病、あるいは加齢による筋力低下で自力歩行が困難となった人のために、股関節や膝関節に回転アクチュエータを装着し、該回転アクチュエータが発生する回転動力で下肢の運動を補助するようにした歩行補助装置が種々提案されている。
【０００３】
従来、これらの歩行補助装置においては、股関節並びに膝関節の各側方に回転アクチュエータを固定し、これら回転アクチュエータの駆動トルクを下肢に伝達するために、腰部、大腿部、並びに下腿部のそれぞれにコルセットのような装具を装着しなければならなかった。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５８−１６３３６４号公報（第１図〜第４図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記公報に開示された従来の装具は、アクチュエータを身体にしっかりと固定することを第一義に構成されており、むしろ自由な身体の動きを阻害するきらいがあった。また、装具の関節位置と人体の関節位置とを三次元上で一致させることは不可能なため、例えば図６に示すように、股関節中心と股関節の側方に装着されたアクチュエータとの間のオフセットにより、脚を側方へ振り出す運動を行う際には、人体と装具との動きの間にずれＥが生じざるを得ない。そのため、図６の例で言うと、股関節を中心とした大腿部の側方への運動に追従可能なように膝関節アクチュエータを脚部に固定することは極めて困難であった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、しっかりと装着することができ、しかもある程度の自由度を確保することのできる歩行補助装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を果たすために、本発明の請求項１の歩行補助装置は、下肢の運動に補助力を与える歩行補助装置であって、腰部に装着される腰部装具（１）と、前記腰部装具に取り付けられて股関節の側方に配置される腰部補助動力発生装置（股関節アクチュエータ１０）と、一端を前記腰部補助動力発生装置に連結された連結バー（２５）と、前記連結バーの他端に取り付けられ膝関節の側方に配置される膝関節補助動力発生装置（膝関節アクチュエータ２６）と、前記膝関節補助動力発生装置に連結され、下腿部に装着される下腿部装具（２）とを有し、前記股関節回転動力発生装置は、大腿部の左右方向運動と脚の捻転運動の方向に撓曲可能な撓曲可能材製の連結板（３０）によって大腿部の左右方向運動と脚の捻転運動の変位を許容して前記腰部装具に取り付けられ、前記連結バーは下肢の運動に応じて伸縮する伸縮手段を有している。
【０００８】
このようにすれば、連結板の左右方向及び捩り方向についての変位作用と、連結バーの伸縮作用とにより、人体の関節位置と補助動力発生装置の装着位置とのずれを吸収することができる。
【０００９】
請求項２においては、膝関節回転動力発生装置以下の重量を支持するばね手段を伸縮手段に設けるものとした。これにより、膝関節回転動力発生装置以下の重量を腰部側に引き上げることができるので、下腿部に加わる力を軽減し、且つ下腿部に装着した装具のずれを抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明に基づき構成された歩行補助装置の人体への装着状態を示している。この歩行補助装置は、腰部装具１と、下腿部装具２と、駆動ユニット３とから構成されており、腰部装具１と下腿部装具２とを下肢に固定し、これらを介して駆動ユニット３が発生する回転トルクを下肢に伝えることにより、低下した筋力を補う力を人体に与える機能を備えている。
【００１４】
腰部装具１は、図２に示すように、背当て部４と、ベルト部５と、ライニング部６とからなっている。
【００１５】
背当て部４は、図３に併せて示すように、左右の腸骨陵部（骨盤前面端点）７から仙腸関節（脊柱と骨盤の接合点）８を通る後背部に当接するように、平面視が概ねＵ字形をなしており、その左右両端に設けられた股部駆動源連結部９に連結される減速機付き電動モータ等からなる股関節アクチュエータ１０の駆動力を受け止めることができるように、実質的な剛体で構成されている。そして背当て部４の後背部は中空に形成されており、その内部には、図には明示されていないが、制御回路と、電動モータ及び制御回路に電力を供給するバッテリーとが内蔵されている。また背当て部４の直接人体に当接する部分には、クッションパッド１１が設けられている。
【００１６】
ベルト部５は、比較的硬質な材料で形成され、且つ背当て部４の左右両側部に一体的に設けられたベルト結合部１３の内面にボルト止めされる左右一対の基部１４と、各基部１４の前端に固着された左右一対のウェブ部１５と、各ウェブ部１５の遊端に取り付けられた左右一対のバックル１６とからなっている。そしてベルト部５の内面、つまり人体の腰回りとの対向面には、圧着ファスナなどを利用して保護用のライニング部６が貼り付けられるようになっている。
【００１７】
背当て部４に設けられたクッションパッド１１は、腰椎１７に沿う窪みに当たる中央パッド１８と、腰椎１７の左右にて後方へ僅かに膨出する脊柱起立筋の左右両外側に当たる側部パッド１９とからなっている。またライニング部６には、腸骨陵部７に当たる腸骨パッド２０が設けられている。これらにより、総計５箇所のパッドが腰回りの要所に当たり、背当て部４がずれないように保持されるようになっている。なお、剛体からなる股部駆動源連結部９が身体に直接当接すると、痛みを与えるおそれがあり、また万一転倒した際に身体に大きな衝撃が加わるおそれがあるので、これらを緩和するために、股部駆動源連結部９との間に挟まれて股関節側面に当たる股関節パッド２１がライニング部６に設けられている。
【００１８】
各ウェブ部１５は、基部１４の上下に固着された２本の平織りベルトをその遊端で統合して各バックル１６に結合し、前側が狭くなるＶ字形をなしている。これらウェブ部１５の上側部分１５Ｕは、腸骨陵部７に対応する部位に位置する基部１４との結合点から、臍と恥骨との中間部（丹田）に位置するバックル１６へ向けて、外腹斜筋の筋繊維が走る方向に沿って延在している。そしてウェブ部１５の下側部分１５Ｌは、股関節の側方に位置する基部１４との結合点からバックル１６へ向けて、内腹斜筋の繊維の走る方向に沿って延在している。
【００１９】
脊柱の直立姿勢は、背筋、胸筋、および腹筋のバランスで維持されるが、歩行機能に障害を来たした人の筋力低下は、下肢に限らずこれらの筋肉群にも当然表れ、特に腹筋の筋力低下は、腹腔を下垂させると共に脊柱を側面視Ｓ字形に湾曲させ、歩行の際の直立姿勢の維持を困難にする。それが本発明装置によれば、直立姿勢の維持に特に大切な腹直筋、外腹斜筋、内腹斜筋、腹横筋などが重なっている丹田と呼ばれる下腹部中央にバックル１６を位置させてウェブ部１５に緊締力を加えることにより、左右の腸骨陵部７および仙腸関節８を通る後背部にかけて装着された背当て部４が脊柱の湾曲を矯正し、骨盤を安定させて姿勢を正しくすると同時に、腹腔圧を高め、内臓を正しい位置に持ち上げる作用を発揮する。またウェブ部１５は比較的広い面積で下腹部に当接するので、腹腔に加わる圧力が下腹部の全体に均一に分散され、圧迫感が軽減される。
【００２０】
他方、下腿部装具２は、図４に併せて示すように、前脛骨筋上部の両側からヒフク筋２２の下部とアキレス腱２３の上部との間の下肢関節を動かした時の皮膚の動きが比較的少ない部位に巻き付く帯状部２４を備えている。これによれば、膝の屈伸運動により周囲長が変化するふくらはぎ及び足首の運動に伴って皮膚が動くアキレス腱２３を避けているので、適度な緊締力をもってしっかりと下腿部に装具を固定することができる。
【００２１】
駆動ユニット３は、図５に併せて示すように、連結バー２５（第２連結手段）の各端に減速機付き電動モータ等からなる股関節アクチュエータ１０並びに膝関節アクチュエータ２６をそれぞれ結合してなるものであり、腰部装具１の股関節の側方に対応する位置に設けられた股部駆動源連結部９、並びに下腿部装具２の膝関節の側方に対応する位置に設けられた膝部駆動源連結部２７に対し、公知のチャッキング機構を利用して容易に反復着脱自在なように構成されている。
【００２２】
連結バー２５は、テレスコピック式に相対摺動可能に結合したアウタチューブ２８とインナロッド２９とからなっており、両アクチュエータ１０・２６間の寸法を伸縮可能なようにしている（矢印Ｅ）。アウタチューブ２８内には、例えばインナロッド２９に連結された引っ張りコイルばね（図示省略）が組み込まれており、膝関節アクチュエータ２６の重量が加わるインナロッド２９に対し、その重量を支持する向きの張力を常時作用させている。これにより、膝関節アクチュエータ２６の重量を腰部装具側に引き上げて下腿部に加わる力を軽減すると同時に、下腿部装具２がずり落ちることを抑制している。なお、連結バー２５は、大腿部の側面に沿うように一定曲率の円弧で形成されている。
【００２３】
股部駆動源連結部９の基部３１は、剛体からなるベルト結合部１３（図２）の近傍に、エラストマ材等の撓曲可能材からなる連結板３０（第１連結手段）を介して結合されている。連結板３０は、背当て部４の側端部から前方へ斜め下向きに延出され、且つ位置調節可能なように長孔６１を介してボルト止めされている。これにより、使用者の体格に応じて異なる人体の股関節中心Ｐに対し、股関節アクチュエータ１０の回転中心軸ＡＭを合致させることができるようになっている。
【００２４】
連結板３０は、例えばその断面の縦横比により、股関節アクチュエータ１０の回転力で連結バー２５を前後に揺動させる大腿部の前後方向運動時（矢印Ｓ）に、股関節アクチュエータ１０の回転中心軸ＡＭが股関節中心Ｐからずれないように、前後方向および上下方向には撓み難いが、大腿部の左右方向運動と捻回運動にはある程度追従可能なように、股関節アクチュエータ１０の回転中心軸ＡＭを接線とする円弧方向、即ち左右方向への撓み変形（矢印Ｂ）と、回転中心軸ＡＭに直交する軸ＡＣ回りについての変位、即ち捻れ変形（矢印Ｔ）とにより、股関節アクチュエータ１０の軸角度の変位をある範囲で許容し得るようになっている。
【００２５】
上記の如き自由度を、腰部装具１の股部駆動源連結部９と、駆動ユニット３における両アクチュエータ１０・２６の相互連結部である連結バー２５に付与することにより、各アクチュエータ１０・２６が結合した各連結部９・２７の位置が、脚の捻転運動と前後左右への旋回運動とに追従して変位し得るので、人体の動きを阻害せずに済む。また連結板３０の変位軸ＡＣが、股関節アクチュエータ１０の回転中心軸ＡＭと交差しているので、大腿部の動きに対する股関節アクチュエータ１０の位置ずれを最小化し、股部駆動源連結部９が人体に突き当たったり擦れたりすることが抑制される。なお、連結バー２５並びに連結板３０の周囲を覆うカバーは、その一部に蛇腹状部分６２・６３が設けられており、連結バー２５の伸縮並びに連結板３０の撓み及び捻れを吸収可能になっている。
【００２６】
本発明装置は、テーピングを施したのと同様な緊締力が特定の筋肉に作用するように製造された運動用スパッツＳ（特開２００１−２１４３０３号公報を参照されたい）の上に装着すると、スパッツＳを形成する繊維の緊締力による筋肉支持作用と相俟って、運動機能を高める上により一層効果的である。また本発明装置は、駆動トルクを逆に作用させれば負荷トルクを関節に作用させることができるので、運動機能補助装置としての用途のみならず、医療用、リハビリテーション用、並びに筋力増強トレーニング用の負荷発生装置としても利用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述した通り本発明によれば、以下の如き格別な効果を奏することができる。
１．少なくとも２自由度を有する第１連結手段である連結板を介して股関節アクチュエータを身体に装着し、且つ股関節アクチュエータと膝関節アクチュエータとの間を伸縮手段を備えた第２連結手段である連結バーで連結するものとしたので、連結板の例えば左右方向及び捩り方向についての変位作用と、連結バーの伸縮作用とにより、人体の関節位置と各アクチュエータの装着位置とのずれを吸収することができる。
２．膝関節アクチュエータ以下の重量をばね手段で支持するものとしたので、膝関節アクチュエータの重量と略釣り合うように腰部側へ引き上げる力をばね手段で発生させ、これにより、下腿部に加わる力を軽減すると同時に、下腿部装具のずれを抑制することができる。
３．股関節アクチュエータの腰部装具に対する連結部に、股関節アクチュエータの回転中心軸を接線とする円弧方向及び回転中心軸に直交する軸回りについての変位を許容する撓曲部材を用いたので、股関節の捻転運動と前後左右への旋回運動とに追従可能なように股関節アクチュエータを身体に固定することができる。４．股関節アクチュエータを腰部装具に連結する連結板の変位軸を、股関節アクチュエータの回転中心軸と交差させるものとしたので、股関節の動きに対する股関節アクチュエータの動きのずれを最小化することができる。
即ち、多自由度と調整機能とを有する本発明装置により、装着することで却って自由な動きが阻害されることとなっていた従来の装具の不都合を払拭し、快適な運動補助機能を獲得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置を装着した状態の下半身を示す斜視図
【図２】本発明装置の腰部装具の構成を示す分解斜視図
【図３】背当て部と人体との関係を示す説明図
【図４】下腿部装具を下腿部に装着した状態を示す説明図
【図５】本発明装置の要部斜視図
【図６】人体と補助装置との動きの違いを示す説明図
【符号の説明】
１ 腰部装具
２ 下腿部装具
３ 駆動ユニット
９ 股部駆動源連結部
１０ 股関節アクチュエータ
２５ 連結バー
２６ 膝関節アクチュエータ
２７ 膝部駆動源連結部
２８ アウタチューブ
２９ インナロッド
３０ 連結板

Claims (2)

1. 「下肢の運動に補助力を与える歩行補助装置であって、
   腰部に装着される腰部装具と、
   前記腰部装具に取り付けられて股関節の側方に配置される腰部補助動力発生装置と、
   一端を前記腰部補助動力発生装置に連結された連結バーと、
   前記連結バーの他端に取り付けられ膝関節の側方に配置される膝関節補助動力発生装置と、
   前記膝関節補助動力発生装置に連結され、下腿部に装着される下腿部装具とを有し、
   前記股関節回転動力発生装置は、大腿部の左右方向運動と脚の捻転運動の方向に撓曲可能な撓曲可能材製の連結板によって大腿部の左右方向運動と脚の捻転運動の変位を許容して前記腰部装具に取り付けられ、
   前記連結バーは下肢の運動に応じて伸縮する伸縮手段を、
   有している歩行補助装置。」と補正する。
2. 前記伸縮手段が、前記膝関節回転動力発生装置以下の重量を支持するばね手段を有することを特徴とする請求項１に記載の歩行補助装置。

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