JP5089373B2 - 筋力補助装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体、液体、若しくは固体の物質、又はこれらの混合物の供給又は排出によって伸縮するアクチュエータを用い、使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置に関するものである。

気体・液体・固体の物質またはそれらの混合体を注入すると長手方向は拘束され径方向に膨らむことを特徴とするチューブを持ち、そのチューブの外部に長手方向および径方向に伸縮する円筒型スリーブを配置し、両端を拘束し、片端に注入口を設け、チューブにポリエステル系・ポリアミド系・ポリエチレン系・ポリイミド系・ポリスチレン系・ポリカーボネート系のいずれか／もしくは混合されたフィルムまたは繊維を用いたことを特徴とする動力装置が既に提案されている（特許文献１）。
また、この種の動力装置を利用した動作支援装置も提案されている（特許文献２、３）。
そして、特許文献２では、肘関節の屈伸を弾性体によるジョイントで行うことで、関節の屈曲、伸展動作に加えてねじり動作をも支援している。
特開２００４−１０５２６３号公報 国際公開第２００７／０４３３０８号 特開２００７−１６７４８４号公報

例えば、上腕に装着する装着具と前腕に装着する装着具とを、一軸の回転軸で連結した場合には、装着時において、関節の回動軸と、装具の回転軸とがずれている場合や、装着後の曲げ動作の結果として、関節の回動軸と、装具の回転軸とがずれてしまった場合には、関節の屈曲、伸展動作を十分に行うことができないだけでなく、使用者に過度の負荷がかかってしまうことがある。
これに対して、特許文献２に示すジョイントは、ジョイントによって二軸としているため、一軸に比べると関節の回動軸とのずれを緩和した動作を行わせることができる。また、特許文献２のジョイントは、弾性体で構成しているため、ねじり動作のような負荷が加わっても、対応することが可能であるが、長期の繰り返し負荷に十分に耐えるためには、弾性体の材質を的確に選択しなければならない。
また、ただの２重関節では、それぞれの関節が独立しているため、動作が不安定で座屈を起こす危険性もある。また２重関節では、屈曲の際、装着具１と２の位置関係が、使用者の関節から離れる方向に変化する。これは、装着具が使用者の腕、足とずれることであり、装着感が悪い、長時間使用した場合に、こすれて痛いなどといった原因になる。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、関節の回動軸と、装具の回転軸とがずれていても、関節の屈曲、伸展動作をスムーズに行うことができ、使用者に過度の負荷が加わることのない筋力補助装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の筋力補助装置は、関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具と、前記関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具と、前記第１の装着具に一端を、前記第２の装着具に他端を設ける人工筋とを備え、前記人工筋として、気体、液体、若しくは固体の物質、又はこれらの混合物の供給又は排出によって伸縮するアクチュエータを用い、使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置であって、前記第１の装着具と前記第２の装着具とをバネ関節で連結し、前記バネ関節としてコイルバネを用いたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の筋力補助装置において、前記コイルバネを引っ張りバネとして用いることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の筋力補助装置において、前記関節の回動軸を通り前記第１の装着具の長手方向に沿った仮想線をＸ軸線、前記関節の前記回動軸を通り前記Ｘ軸線に垂直な仮想線をＹ軸線とし、前記Ｘ軸線と前記Ｙ軸線との交点に対して、前記第２の装着具の曲げ方向を前記Ｙ軸線のプラス方向とした場合に、前記第１の装着具に対して前記第２の装着具が伸展した状態において、前記コイルバネの軸心を前記Ｙ軸線のマイナス位置に配置することを特徴とする。

本発明によれば、コイルバネによって関節を構成することで、筋力補助装置と関節とのずれがある場合でも、スムーズな動作を確保することができる。

本発明の第１の実施の形態による筋力補助装置は、第１の装着具と第２の装着具とをバネ関節で連結し、バネ関節としてコイルバネを用いたものである。本実施の形態によれば、コイルバネによって関節を構成することで、筋力補助装置と関節とのずれがある場合でも、コイルバネが変形し、ずれを緩和してスムーズな動作を確保することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による筋力補助装置において、コイルバネを引っ張りバネとして用いるものである。本実施の形態によれば、コイル間での無理な圧着を防止でき、コイル同士が挟まり合うこともなく、スムーズな動作を行わせることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態による筋力補助装置において、関節の回動軸を通り第１の装着具の長手方向に沿った仮想線をＸ軸線、関節の回動軸を通りＸ軸線に垂直な仮想線をＹ軸線とし、Ｘ軸線とＹ軸線との交点に対して、第２の装着具の曲げ方向をＹ軸線のプラス方向とした場合に、第１の装着具に対して第２の装着具が伸展した状態において、コイルバネの軸心をＹ軸線のマイナス位置に配置するものである。本実施の形態によれば、屈曲動作時に、関節の回動軸とコイルバネの回転軸の変位構造が類似しているため、筋力補助装置と関節のずれを低減でき、第1の装着具／第２の装着具が各々バネ関節となす角度が均等であるため、第1の装着具／第２の装着具に加わる負荷が等しくなる。よって、コイルバネの動作をスムーズにするとともに、繰り返し荷重に対する耐久性も高まる。

以下に、本発明の筋力補助装置の一実施例について説明する。
図１は本発明の一実施例における筋力補助装置の伸展状態を示す構成図、図２は同筋力補助装置の屈曲途中の状態を示す構成図、図３は同筋力補助装置の屈曲状態を示す構成図、図４は図１相当の同筋力補助装置の要部斜視図、図５は図３相当の同筋力補助装置の要部斜視図である。
本実施例による筋力補助装置は、関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具１０と、関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具２０と、第１の装着具１０に一端３１を第２の装着具２０に他端３２を設ける人工筋３０とを備えている。
本実施例のように、肘に設ける場合には、第１の装着具１０は上腕に配置され、第２の装着具２０は前腕に配置される。
人工筋３０は、気体、液体、若しくは固体の物質、又はこれらの混合物の供給又は排出によって、少なくとも長手方向に伸縮するアクチュエータである。
第１の装着具１０には、スイングアーム４０を設けている。このスイングアーム４０の反関節側端部が回動支点４１となり、スイングアーム４０の関節側端部が変位端４２となる。そして、人工筋３０の一端３１は、スイングアーム４０の変位端４２に設けている。
第１の装着具１０には、補助人工筋５０を設けている。この補助人工筋５０は、その一端５１を第１の装着具１０の反関節側端部に設け、他端５２をスイングアーム４０の変位端４２に設けている。
第１の装着具１０には、ガイドプレート６０を設けている。このガイドプレート６０にはガイド穴６１を備え、スイングアーム４０の変位端４２をガイド穴６１に沿って変位させている。

なお、関節の回動軸１を通り第１の装着具１０の長手方向に沿った仮想線をＸ軸線、関節の回動軸１を通りＸ軸線に垂直な仮想線をＹ軸線とし、Ｘ軸線とＹ軸線との交点（回動軸１）に対して、第２の装着具２０の曲げ方向をＹ軸線のプラス方向として以下に説明する。なお、回動軸１は、第１の装着具１０に対する第２の装着具２０が最も伸展した状態での関節の位置を示している。この回動軸１は、図２及び図３では、点線で示す円内で変位する。
スイングアーム４０の回動支点４１をＹ軸線のプラス位置に配置し、補助人工筋５０の一端５１をＹ軸線のマイナス位置に配置している。また、ガイド穴６１の一端６１ＡはＹ軸線のプラス位置に、ガイド穴６１の他端６１ＢはＹ軸線のマイナス位置に配置している。
第１の装着具１０と第２の装着具２０とはバネ関節７０で連結している。このバネ関節７０には、コイルバネを用い、引っ張りバネとして用いる。バネ関節７０は、第１の装着具１０に対する第２の装着具２０が最も伸展した状態において、コイルバネの軸線７１がＹ軸線のマイナス位置となるように配置している。
加えて、コイルバネによるバネ関節７０の回転軸のずれが、関節の回動軸１のずれと等しくなるようにコイルバネの長さを調節している。
また、図示はしないが、人工筋３０を収縮させる第１の動力源と、補助人工筋５０を収縮させる第２の動力源とを備えている。人工筋３０及び補助人工筋５０は、それぞれ腕の両側方に対として設けることが好ましい。
また、図４及び図５に示すように、肘側に伸展用人工筋８０を備えている。伸展用人工筋８０は、図４に示す状態で最も収縮した状態を示しており、図５に示す状態で最も伸展した状態を示している。

以下本実施例による筋力補助装置の動作について説明する。
図１に示すように、同装置の伸展状態では、第１の装着具１０に対して第２の装着具２０は、第２の装着具２０の反関節側端部が、Ｙ軸線のプラス方向に約１０度の初期角度を持って構成されている。
この状態では、人工筋３０及び補助人工筋５０は、長手方向に最も伸展した状態となっている。また、スイングアーム４０の変位端４２は、ガイド穴６１の一端６１Ａに配置されている。
図１の状態では、コイルバネの軸線７１はＹ軸線のマイナス位置に配置され、バネ関節７０の長手方向の中心線７０ｙはＹ軸線上に、長手方向の上部巻線の中心７０ｘはＹ軸線の略マイナス位置に配置している。

図１の状態において、第１の駆動源によって人工筋３０だけを作動させた状態を図２に示している。
第２の駆動源の作動を行わせていないため、補助人工筋５０は、長手方向に最も伸展した状態を維持しており、スイングアーム４０の変位端４２は、ガイド穴６１の一端６１Ａに配置された状態を示している。
第１の駆動源によって人工筋３０を作動させることで、人工筋３０は長手方向に収縮し、人工筋３０の収縮によって第２の装着具２０は第１の装着具１０に対して屈曲する。

図２の状態において、第２の駆動源によって補助人工筋５０を作動させた状態を図３に示している。
第２の駆動源によって補助人工筋５０を作動させることで、補助人工筋５０は長手方向に収縮し、補助人工筋５０の収縮によって、スイングアーム４０の変位端４２は、ガイド穴６１の他端６１Ｂに移動する。
スイングアーム４０の変位端４２がガイド穴６１の他端６１Ｂに移動することで、人工筋３０の一端３１も、ガイド穴６１の他端６１Ｂに移動し、第２の装着具２０は第１の装着具１０に対して更に屈曲する。

本実施例のように、第１の装着具に対して第２の装着具が伸展した状態において、コイルバネの軸線７１はＹ軸線のマイナス位置に配置され、コイルバネの長手方向の中心線７０ｙを、Ｙ軸上に配置し、かつ、コイルバネ７０の長手方向の上部巻線の中心７０ｘをＹ軸線の略マイナス位置に配置することで、屈曲動作時に、関節の回動軸１とコイルバネ７０の回転軸の変位構造が類似しているため、筋力補助装置と関節のずれを低減でき、第1の装着具／第２の装着具が各々バネ関節となす角度が均等であるため、第1の装着具／第２の装着具に加わる負荷が等しくなる。よって、コイルバネは最も大きな円弧を形成するため、コイルバネの動作をスムーズにするとともに、繰り返し荷重に対する耐久性も高めることができる。
なお、上記実施例の動作説明では、人工筋３０の動作を終了させてから、補助人工筋５０を動作させる場合を説明したが、屈曲動作時には、第１の動力源の作動開始を第２の動力源の作動開始よりも早く行えばよく、人工筋３０の動作が終了しない前に、補助人工筋５０の動作を開始してもよい。

以上のように本発明は、第１の装着具１０と第２の装着具２０とをバネ関節７０で連結し、バネ関節７０としてコイルバネを用いることで、筋力補助装置と関節とのずれがある場合でも、スムーズな動作を確保することができる。
また本発明は、第１の装着具１０に対する第２の装着具２０が伸展した状態において、コイルバネの軸線７１がＹ軸線のマイナス位置に配置され、コイルバネ７０の長手方向の中心線７０ｙをY軸上に配置し、かつ、コイルバネ７０の長手方向の上部巻線の中心７０ｘをＹ軸線の略マイナス位置に配置することで、屈曲動作時に、筋力補助装置と関節のずれを低減でき、第1の装着具／第２の装着具に加わる負荷が等しくなるため、コイルバネの動作をスムーズにするとともに、繰り返し荷重に対する耐久性を高めることができる。
また本発明は、コイルバネを引っ張りバネとして用いるものである。本実施の形態によれば、コイル間での無理な圧着を防止でき、コイル同士が挟まり合うこともなく、スムーズな動作を行わせることができる。
また本発明は、人工筋３０の一端３１を第１の装着具１０に対して変位可能な構成とし、人工筋３０の一端３１を変位させることで、人工筋３０の一端３１を変位させない場合よりも、第１の装着具１０に対する第２の装着具２０の曲げ角度を大きくしたものである。
また本発明は、第１の装着具１０にスイングアーム４０を設け、スイングアーム４０の反関節側端部を回動支点４１とし、スイングアーム４０の関節側端部を変位端４２とし、人工筋３０の一端３１をスイングアーム４０の変位端４２に設けたことで、人工筋３０の一端３１の位置を変位させることができる。

本発明は、肘、膝、又は手首などの関節での動作を支援する筋力補助装置として利用できる。

本発明の一実施例における筋力補助装置の伸展状態を示す構成図 同筋力補助装置の屈曲途中の状態を示す構成図 同筋力補助装置の屈曲状態を示す構成図 図１相当の同筋力補助装置の要部斜視図 図３相当の同筋力補助装置の要部斜視図

１０ 第１の装着具
２０ 第２の装着具
３０ 人工筋
３１ 一端
３２ 他端
７０ バネ関節

Claims (3)

1. 関節の一方の骨に沿って配置される第１の装着具と、
   前記関節の他方の骨に沿って配置される第２の装着具と、
   前記第１の装着具に一端を、前記第２の装着具に他端を設ける人工筋とを備え、
   前記人工筋として、気体、液体、若しくは固体の物質、又はこれらの混合物の供給又は排出によって伸縮するアクチュエータを用い、
   使用者の肘、膝、又は手首の動作を支援する筋力補助装置であって、
   前記第１の装着具と前記第２の装着具とをバネ関節で連結し、前記バネ関節としてコイルバネを用いたことを特徴とする筋力補助装置。
2. 前記コイルバネを引っ張りバネとして用いることを特徴とする請求項１に記載の筋力補助装置。
3. 前記関節の回動軸を通り前記第１の装着具の長手方向に沿った仮想線をＸ軸線、前記関節の前記回動軸を通り前記Ｘ軸線に垂直な仮想線をＹ軸線とし、前記Ｘ軸線と前記Ｙ軸線との交点に対して、前記第２の装着具の曲げ方向を前記Ｙ軸線のプラス方向とした場合に、前記第１の装着具に対して前記第２の装着具が伸展した状態において、前記コイルバネの軸心を前記Ｙ軸線のマイナス位置に配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筋力補助装置。