JP5128132B2 - 切断患者のための作動人工補装器 - Google Patents

Description

本発明は切断患者のための作動人工補装器に係り、特に、制限されるものでないが、膝上切断患者のための義肢に関する。

何年にも亘って、多くの種類の人工補装器が、切断患者が失った手足を置換するために考案されてきた。特に、手足のような主要部の損失が切断患者に与える大きな衝撃に鑑みて、それらを置換する人工補装器の開発のために多くの努力がなされてきた。このような人工補装器は全て、切断患者ができるだけ正常な生活を得られるようにするという困難な仕事を担っている。この仕事は特に義肢の場合に困難なものとなる。その理由の一部はヒトの歩行の複雑性に起因するものである。今日までの従来の義肢は入手可能な最も複雑な装置の内の受動的な機構を使用するものであった。従って、従来の義肢は実際のヒトの脚と比較して極めて制限されたものであり、要求が全て完全に満たされているものではなかった。

切断患者による従来の義肢の特定の使用条件、例えば反復運動および継続的荷重により以下のような典型的な問題が生じていた。つまり、代謝エネルギー消費の増加、ソケット圧の増加、歩行速度の制限、歩行運動における不一致、姿勢バランスの崩れ、骨盤−脊柱整合不良、姿勢についての臨床リハビリテーションプログラムの使用の増加などである。

他の問題は、切断患者の歩行の間において、義肢を移動させるのに使用されるエネルギーは主として、切断患者自身から得られるということである。なぜならば、従来の義肢は自己推進能力を有していないからである。このことは、かなりの短期的又は長期的副作用を生じさせる。省エネルギー補綴部材の分野での最近の発達は、切断患者とその人工補装器との間のエネルギー伝達の改善に多少なりとも寄与するものとなっている。それにも拘わらず、エネルギー消費の問題は依然として十分に解決されておらず、主な関心事となっている。

更なる問題は、切断患者の歩行の間における断端部による動力学的役割が従来の義肢の長期間にわたる使用を困難にしていることである。これはとりわけ、種々の皮膚上の問題を生じさせる。例えば、毛包炎、接触皮膚炎、水腫様膨潤、膿腫、皮膚の捩じり変形、傷および潰瘍などである。これらの皮膚上の問題は、シリコーンシース、完全吸着式ソケット又はパウダーなどを使用することにより多少軽減されるが、これらの皮膚上の問題を軽減させることが、依然として関心事となっている。

同様の考察は、人工補装器に課せられる特定の条件に応じて多少なりとも、他の種類の人工補装器にも当て嵌まる。

従って、本発明は上述のような欠点を回避又は軽減することを目的とする。

本発明の広範な第１の形態によれば、切断された手足を置換するための作動人工補装器が提供される。つまり、この作動人工補装器は、
一次関節部材と；
前記一次関節部材にソケットを接続するためのソケット部材と；
主長手軸に沿って離間する両端を有する長尺構造部材と；
該構造部材の一端に、端部を接続するためのソケットコネクタ・アッセンブリーと；
前記構造部材を前記一次関節部材に操作自在に接続するためのピボットアッセンブリーであって、前記一次関節部材と該構造部材との間で、前記ピボットアッセンブリーにより規定される第１のピボット軸を中心として両者の相対的な回動を許容するピボットアッセンブリーと；
一端が前記構造部材に接続され、他端が前記ピボットアッセンブリーから離間した位置において前記一次関節部材に接続されたリニアアクチュエータであって、該アクチュエータの進退動作により、前記構造部材に対して前記ピボット軸周りに前記一次関節部材に対応した回動を誘起させるリニアアクチュエータと；
を具備してなることを特徴とする。

好ましくは、前記人工補装器が義肢であり、前記アクチュエータは電気的に駆動されるものである。

本発明の広範な第２の形態によれば改良された作動義肢が提供される。つまり、この作動義肢は、膝部材と、該膝部材に接続されたソケットと、長尺下腿部材と、該下腿部材の下端の下に接続された義足と、リニアアクチュエータとを具備してなることを特徴とする。第１のピボットアッセンブリーにより前記下腿部材が前記膝部材に操作自在に接続される。この第１のピボットアッセンブリーは、前記下腿部材の主長手軸に垂直な第１のピボット軸を規定するものである。第２のピボットアッセンブリーにより前記アクチュエータの上端が前記膝部材に操作自在に接続される。この第２のピボットアッセンブリーは、前記第１のピボット軸に実質的に平行な第２のピボット軸を規定するものである。この第２のピボット軸は更に、前記第１のピボット軸および前記主長手軸から離間して設けられている。第３のピボットアッセンブリーにより前記アクチュエータの下端が前記下腿部材の下端に操作自在に接続される。この第３のピボットアッセンブリーは、前記第１のピボット軸に実質的に平行であり、かつ、前記第１のピボット軸から離間した第３のピボット軸を規定するものである。

以下、本発明を添付した図面を参照して、その実施例について説明する。

これら図面は膝上切断患者のための義肢として、作動人工補装器（１０）を実施した３つの異なる例を示している。なお、本発明はこれら図示の例に限定されないことを理解されるべきである。なぜならば、添付した請求の範囲から逸脱することなく種々の変更および改良が可能であるからであり、また、ここに記載した原理および概念は腕など、他の手足部材を適用する場合にも適用することができるからである。記述の明確性および容易性のため、脚の場合に使用される用語が用いられているが、これらの用語は他の手足における均等機能にも等しく適用し得ることを理解されるべきである。例えば、“膝”に関するものは人工補装器が腕の場合は、“ひじ”について等しく該当するものである。

図示のように、人工補装器（１０）は３つの代替構造を有する。１つは前方アクチュエータ構造、他のものとして後方アクチュエータ構造、更に他のものとして逆アクチュエータ構造がある。この場合、前方アクチュエータ構造が好ましい。図１ないし７は前方アクチュエータ構造の人工補装器（１０）を示し、図８ないし１３は後方アクチュエータ構造の人工補装器（１０）を示し、図１５ないし２１は逆アクチュエータ構造の人工補装器（１０）を示している。

（前方アクチュエータ構造）
図１および２は人工補装器（１０）の基本的部材を示しており、これには一次関節部材、つまり膝部材（１２）と、長尺構造部材、つまり長尺の下腿部材（１４）と、この膝部材（１２）と下腿部材（１４）と間に作用しこれらの間に相対的動きを生じさせるリニアアクチュエータ（１６）とが含まれる。人工補装器（１０）は更に、膝部材（１２）にソケット（１８）を接続させるためのソケットコネクター・アッセンブリー（１７）と、下腿部材（１４）の下端の下に義足（２０）のような手足の端部を接続させるためのコネクターアッセンブリー（１９）が含まれる。

ソケット（１８）は人工補装器（１０）と切断患者の断端との間で適切に作用する力の伝達を達成するものでなければならない。このソケット（１８）の設計は通常、随意の荷重伝達、安定性および断端の可動性の効果的な制御を達成するために特注作業となる。このソケット（１８）は通常、例えば、Otto Bock社製の“Thermolyn”のタイプの可撓性吸着ライナーなどの適当なシステムにより生じる吸着作用により使用者の断端上の所定位置に保持される。それ以外に、人工補装器（１０）は市販の適当なソケットを使用することができる。

ソケット（１８）を接続させるためのソケットコネクター・アッセンブリー（１７）は、膝部材（１２）上に設けられた下部ソケット・コネクター（２２）を含むものであってもよい。下部ソケット・コネクター（２２）は好ましくは、例えばネジ又はボルトなどの固定具により着脱自在に接続される。下部ソケット・コネクター（２２）の正確なタイプは変更させることができる。１例は標準のオス型ピラミッド形状を有するコネクター、例えばOtto Bock社製のオス型ピラミッドモデル“２０５４−２”である。このソケット（１８）にはついで、対応する上部コネクターが装着され、この上部コネクターが下部ソケット・コネクター（２２）上に嵌合することになる。その他のタイプのコネクターも同様に使用することができる。

膝部材（１２）はソケット（１８）と下腿部材（１４）との間の接点を提供するものであり、少なくとも１度の自由度の回動が可能となっている。膝部材（１２）の動きの好ましい範囲は約１０５度である。ここで、ゼロ度はいっぱいに延びているときのものであり、１０５度は膝が最大に屈曲しているときのものである。

図３は膝部材（１２）の拡大図である。この膝部材（１２）は好ましくはフォーク形状の部材からなり、上部プレート（２６）から延出した２つのフランジ（２４）を有する。上部プレート（２６）には４個のネジ孔（２８）が設けられているが、これらは下部ソケット・コネクター（２２）の着脱自在な留め具のためのものである。

膝部材（１２）は第１のピボットアッセンブリー（３０）により下腿部材（１４）に接続されている。この第１のピボットアッセンブリー（３０）は下腿部材（１４）を膝部材（１２）に対し操作自在に接続させるものであり、それによりこれら２つの部材間の相対的回動を可能にしている。なお、第１のピボットアッセンブリー（３０）は多軸心を有するのものであってもよいことを留意すべきである。このことは、膝部材（１２）と下腿部材（１４）との間の動きが純粋な回転ではなく、より複雑なパターンに従うことを意味する。更に、この部品の右側と左側とが若干異なり、それにより垂直軸を中心として若干の捩じり動作を生じさせることになる。それにも拘わらず、全体的な動きは実質的にピボット軸を中心とする回転に維持される。

第１のピボットアッセンブリー（３０）は第１のピボット軸（３１）を画定するものであり、この第１のピボット軸（３１）は図１に示すように前面において、下腿部材（１４）の長手方向に沿って延出する主長手軸（１５）に実質的に垂直となっている。この第１のピボットアッセンブリー（３０）は２つのベアリング（３４）により支持された車軸(３２)を有する。これらベアリング（３４）はそれぞれの膝部材（１２）のフランジ(２４)内に対応するハウジング(３６)内に装着されている。このベアリング（３４）の１例はＮＳＫ社製の単一溝ベアリングモデル６３００−ＺＺである。もちろん、他のタイプのベアリング（３４）も同様に使用することが可能である。１０ｍｍのショルダーナット（３７）および１セットの外部スペーサー（３５）により、ベアリング（３４）が車軸（３２）のネジ付き端部に保持されている。図２，４および７に示すように、光学スイッチ支持部材（３８）が膝部材（１２）の２つのフランジ（２４）間の車軸（３２）の周りに装着されている。この支持部材（３８）については改めて以下に説明する。

図３に明示するように、好ましくは、１セットのエネルギー吸収バンパー（４４）が膝部材（１２）の後側に設けられていて、動作範囲から外れるのを防止している。これらのバンパー（４４）の例としては、例えば、Tecspak社製のバンパーモデルＧＢＡ−１を挙げることができる。もちろん、他のタイプのバンパー（４４）を同様に使用することも可能である。これらのバンパー（４４）は、膝部材（１２）の上方プレート（２６）の側面および前面に配置された対応するブラケット（４２）に装着される。これらのブラケット（４２）は更に後述する支持コネクター（７８）に対しても使用される。

図４に明示するように、下腿部材（１４）は３つの主な部分からなっている。つまり、上方部（１４Ａ）、中間部（１４Ｂ）および下方部（１４Ｃ）である。

この下腿部材（１４）の上方部（１４Ａ）は好ましくはフォーク型のもので、装着ベース（５２）から２つのフランジ（５０）が延出した形のものである。この装着ベース（５２）は１対の下腿ポストバー（５４）に固着されている。その後側にバックプレート（５６）が設けられている。これら一対のバー（５４）およびバックプレート（５６）は中間部（１４Ｂ）の一部となっている。これらは双方とも下方部（１４Ｃ）に接続されている。この下方部（１４Ｃ）は２つの部分（６０，６２）から形成されている。第１の部分（６０）はほぼＵ字形のものであって、その下に第２の部分（６２）が取着されている。この第２の部分（６２）は義足（２０）がその下に設けられるように延出している。義足（２０）を接続させるための足コネクターアッセンブリー（１９）は１セットのネジ孔を有し、その中にネジが挿入されるようになっている。他のタイプのコネクターを用いることも可能である。

義足（２０）は、例えばCollege Park Industries 社製の標準的な26ｃｍのTrustep義足又はOssur Inc.社製のAllurionモデルALX5260義足であってもよい。他のタイプの関節化又は非関節化義足（２０）も、選択された義足が上述のものと少なくとも同様の動力学的応答を提供するものであれば、使用することができる。義肢の設計はモジュール設計のものであって、従って任意の形状のものに調整することができる。義足（２０）は露出した金属又は複合構造を有するものであってもよい。更に、義足（２０）は化粧被覆を有し、ヒトの足首および足の様相を与えるようにしたものでもよい。

一対のバー（５４）およびバックプレート（５６）は空間（５８）を有し、その中にアクチュエータ（１６）の殆どが配置されるようになっている。種々の電子又は電気部品をバックプレート（５６）のいずれかの側に取着させることができる。このようなコンパクトな構造により、全体の寸法を正常なヒトの脚の寸法内に納めることができる。

リニアアクチュエータ（１６）が図５に示されている。このアクチュエータ（１６）の上端（１６Ａ）はピボットアッセンブリー（８０）により膝部材（１２）に接続され、その下端（１６Ｂ）は下腿部材（１４）の下方部（１４Ｃ）に接続されている。このアクチュエータ（１６）の機能は、切断患者の歩行に同調した角度変位を矢状面で実行するのに必要な機械的エネルギーを義肢（１０）に供給することである。アクチュエータ（１６）の直線状の動きは下腿部材（１４）との関連で、膝部材（１２）の角度を制御するのに利用される。このアクチュエータ（１６）は機構（７２，７４）に連結された電動モータ（７０）を有し、回転動作を直線動作に変換させるようになっている。このモータ（７０）の一例はPoly-Scientific社製のモデルBN2328EUである。このモータ（７０）はアクチュエータ（１６）の下部に固定された従動部材（７４）と係合するネジ（７２）を操作させるものである。従動部材（７４）は従動部材支持部材（７６）により保持されている。この従動部材（７４）および従動部材支持部材（７６）によりアクチュエータ（１６）の下方部（１６Ｂ）が構成されている。使用時においてモータ（７０）が回転すると、ネジ（７２）が回転し従動部材（７４）出入りすることになる。それにより膝部材（１２）が押され又は引かれ、膝部材（１２）と下腿部材（１４）との間の相対的回動を生じさせる。

アクチュエータ（１６）の選択は主として重量対トルク比および入手可能なモータ技術の速度に基づいてなされる。これは膝部材（１２）に直接連結された直接駆動システムよりも好ましい。なぜならば、ヒトの歩行で要求されるトルクのための空間がより小さくて済むからである。理想的には、アクチュエータ（１６）は約５１５Ｎの連続的力および約２２５０Ｎのピーク力を供給することができるものとする。

第２のピボットアッセンブリー（８０）は、アクチュエータ（１６）の上端（１６Ａ）を膝部材（１２）に操作自在に接続させる。この第２のピボットアッセンブリー（８０）は第１のピボット軸（３１）に実質的に平行な第２のピボット軸（８１）を画定している。これも第１のピボット軸（３１）により画定される面および主長手軸（１５）から離間している。この構造の例が図６に模式的に示されている。この模式図は種々のピボット軸を表している。第１のピボット軸（３１）は“Ｏ”として示され、第２のピボット軸（８１）は文字“Ｃ”として示されている。この双方の軸（Ｃ，Ｏ）は距離“ｒ”により互いに離間している。この距離はレバーアームを構成し、アクチュエータ（１６）により下腿部材（１４）が膝部材（１２）との関連で移動可能となっている。

図５は第２のピボットアッセンブリー（８０）を示しており、これは機械的コネクター（８４）内に挿入されたベアリング（８２）を有し、アクチュエータ（１６）の上端（１６Ａ）を形成している。このベアリング（８２）はニードルベアリング、例えばＩＮＡ社製のニードルベアリングモデルＮＫ１４／１６であってもよい。このベアリング（８２）は段付きネジ（８６）およびアルミニウムスペーサ（８８）により所定位置に保持されている。理想的には、このベアリング（８２）は約１１５００Ｎ（２６００lbf）までの静荷重に耐え、１〜３の典型的なミスアライメントを許容するものでなければならないことが見出された。ニードルベアリング（８２）が好ましいが、その理由はブッシュ又はロッド端部と比較して実際上機械的遊びがなく、摩擦係数が低いからである。もちろん、他のタイプのベアリングを同様に使用することも可能である。車軸（９０）は機械的コネクター（８４）を膝部材（１２）のフランジ（２４）中の対応する孔に連結させるものである。この機械的コネクター（８４）は、後述するロードセル（９２）を用いてモータ（７０）上に固定される。

アクチュエータ（１６）の下方端（１６Ｂ）は、図４および５に示すように、第３のピボットアッセンブリー（１００）を用いて下腿部材（１４）に操作自在に接続されている。この第３のピボットアッセンブリー（１００）は第３のピボット軸（１０１）を画定し、更に好ましくは、１又はそれ以上のニードルベアリング（１０２）を有し、その各々が下腿部材（１４）の下方部（１４Ｃ）の第１の部分（６０）に設けられた対応するハウジング（６４）内に装着されている。この目的のために、２つの標準的ニードルベアリング（１０２）（ＩＮＡ社製のニードルベアリングモデルＮＫ１４／１６）を使用してもよい。もちろん、第２のピボットアッセンブリー（８０）および第３のピボットアッセンブリー（１００）において、他のタイプのベアリングを使用することも可能である。１セットのネジ（１０６）および１セットのスペーサ（１０８）により第３のピボットアッセンブリー（１００）が完成される。

義肢（１０）の種々の構造部材は、好ましくは軽量の材料、例えばアルミニウム、複合材料、例えば炭素繊維又はガラス繊維などを用いて作られる。特に好ましい材料は、熱処理した６０６１Ｔ６アルミニウムである。この種々の構造部材は互いに好ましくはネジ止めされるが、溶接など、他の手段で互いに固定してもよい。構造部材を互いにネジ止めすることは、生産性を向上させ、サービス並びに部品の交換を容易にし、通常、全体的審美性を向上させる。

図７は、図２および４に示した特殊化機械的支持部材（３８）を示している。この特殊化機械的支持部材（３８）は後述する光学スイッチを固定するのに第１に、使用される。第２に、この特殊化機械的支持部材（３８）は、義肢（１０）の相対的に固定された部分と相対的に可動な部分との間のケーブル（図示しない）の部分間の伝達を容易にするために使用される。膝部材（１２）のブラケット（４２）に取着されたコネクター（７８）は必要な接続を提供する。同様のコネクター（７８）がモータ（７０）にも設けられている。部材（２５４）上の２個構成ワイヤークランプ（３９Ａ、３９Ｂ）により支持部材（３８）上にワイヤーが保持される。

制御システム：
図１ないし７の義肢に示されているアクチュエータ（１６）は図１４に示す制御システム（２００）により制御される。図１４では最初に１セットとなる複数の人工固有受容器(artificial proprioceptors)（２１０）を示している。これらの複数の人工固有受容器（２１０）は切断患者の歩行の動力学について実時間で情報を捕捉するのに使用される複数のセンサーである。１セットとなる複数の人工固有受容器（２１０）は感知した情報をコントローラ（２２０）に提供する。このコントローラ（２２０）は、関節の軌道（joint trajectories）およびアクチュエータ（１６）により与えなければならない必要な動力を決定する。ついで、整定値（関節の軌道および必要な動力）が、動力供給部（２４０）に接続された動力駆動部（２３０）を介して、アクチュエータ（１６）に送られる。

この動力供給部（２４０）は例えば、可撓性バッテリーパックベルト（例えば、Cine Power International社製のLighting Powerbeltモデル）であってもよい。動力供給部（２４０）の他の例としては、バッテリーモデルSLPB526495（Worley社製）およびスーパー・キャパシター（Cap-XX）がある。動力駆動部（２３０）の例としては、Copley Controls Corps社製の５１２１モデルおよびAdvanced Motion Control社製のモデルBE40A8がある。なお、これら動力供給部（２４０）および動力駆動部（２３０）の設計は上述の装置に限定されるものではなく、義肢（１０）に使用するため選択されたアクチュエータ（１６）の電気的仕様に適合するものであれば、任意の特注の製品、又は市販の製品を使用することができる。

好ましくは、義肢（１０）は更に、コントローラ（２２０）に対し情報をフィードバックするための１セットとなる複数のセンサー（２５０）が含まれる。このフィードバックにより、コントローラ（２２０）は力および種々の他のパラメータを調整することができる。モニター可能なパラメータの例は、膝部材（１２）の相対的角度、およびアクチュエータ（１６）により作用されている膝部材（１２）におけるトルクである。他のタイプのパラメータも取り上げることができる。膝部材（１２）の相対的角度の測定は、例えば標準の市販のインクリメンタル・オプチカル・エンコーダ（２６０）（例えば、リーディング・ヘッド・モデルEMI-0-250）および均等に離間させた増分を印したマイラー・ストリップ（US Digital社製のモデルLIN-250-16-S2037）を用いて行うことができる。義肢（１０）の角度の動きの限界のためのリミットスイッチとして使用可能な他のセンサーは、光学スイッチであり、これは好ましくは、特殊化機械的支持部材（３８）上に装着される。ケーブルコネクター（７８）（図１および図２に示す）は、外部装置を義肢（１０）の内部部材に連結させることを可能にする。

光学スイッチ（２５２）は第１のピボット軸（３１）上に固定され、膝部材（１２）の参照角度位置を設定するのに使用される。一旦、この参照位置を知ると、光学エンコーダの情報を用いて、モータの回転を介しての膝部材（１２）の角度、ローラ・ネジピッチおよび義肢のジオメトリーが計算される。更に、光学スイッチ（２５２）を用いて、膝部材（１２）が臨界位置に近づいたときにコントローラ（２２０）へ信号を送り、動きの範囲から外れるのを防止する。もちろん、この光学スイッチ（２５２）を、スイッチの検出と関連する命令の性質に従って他の目的に使用してもよい。膝部材（１２）の相対的角度を測定する他の方法は、絶対光学エンコーダ（例えば、US Digital社製のエンコーダモデルE2-512-250-1）と、光学スイッチとの組合わせを使用することである。そのようなスイッチの例はSUNX社製のスイッチモデルPM-L24である。

トルクの測定は、ロードセル（９２）により測定されたアクチュエータ（１６）により働いた力から取り出される。このロードセルの１例は、Omegadyne社製のモデルLC 2021Kである。モータ（７０）に設けられたコネクターにより内部センサーがケーブルに接続される。なお、義肢（１０）のセンサー（２５０）は上記の装置に限定されるものではなく、他の適当な機器により行うことも可能である。

前方アクチュエータ構造の操作：
操作に際し、膝アッセンブリー（１２）をソケット（１８）に接続させ、ピボットアッセンブリー（３０）により、下腿部材と、膝との間の、横断水平軸を中心とする相対的動きを可能にさせる。下腿部材（１４）との関連での膝部材の回動はアクチュエータ（１６）の操作により制御する。このアクチュエータ（１６）は、膝部材（１２）上のピボットアッセンブリー（８０）と、下腿部材（１４）の下端のピボットアッセンブリー（１００）との間に作用し、アクチュエータ（１６）の長さの変化によりピボット（３０）を中心とした対応する回動を生じさせる。

アクチュエータ（１６）の長さはコントローラ（２２０）からの制御信号により調整される。なお、このコントローラ（２２０）はモータ（７０）に電力を供給し、ネジ（７２）を１方向又は他方向に回動させる。ネジ（７２）の回動により従動部材（７４）をネジ（７２）に沿って移動させる。この動きはピボットアッセンブリー（１００）により提供される接続を介して下腿部材（１４）に伝達される。これによりピボット軸（３０）を中心とする膝部材（１２）および下腿部材（１４）の対応する回動が生じ、所望の動きが提供される。もちろん、回動の速度および程度はモータ（７０）への制御信号を介して調整することができ、義肢内に設けられたセンサーによりコントローラ（２２０）へのフィードバックがなされる。

後方アクチュエータ構造：
図８ないし１３は第２の可能な実施例に係る義肢（１０）を示している。つまり、ここには後方アクチュエータ構造を備えた義肢（１０）の１例が示されている。この実施例は前記前方アクチュエータ構造を使用したものと非常によく似ている。これはアクチュエータ（１６）の他の種類のもの、および義足（２０）の他のモデルが示されている。下腿部材（１４）の中間部（１４Ｂ）は２個ではなく、４個のバー（５４）を使用している。これにはバックプレートが含まれない。更に、下腿部材（１４）上に下方延出部が設けられていない。

下腿部材（１４）は更に、膝部材（１２）と、義足（２０）とを連結する例えば１／２インチの複数の下腿ポストバー（５４）からなる殻形構造物を有している。図示の実施例において、アクチュエータ（１６）は標準のリニアモータ（図５）であってもよいし、又は特注の市販のモータ（７０）を備えたシリアル・エラスチックアクチュエータ（ＳＥＡ）（図８）であってもよい。しかし、この義肢（１０）は、同じ近似サイズの任意のリニアアクチュエータ（１６）を受入れできるように設計されている。ＳＥＡアクチュエータ（１６）（図８）は、ボールネジトランスミッションシステムを有し、これには既知の特徴の弾性装置（１１０）と結合したネジ（７２）を有している。このアクチュエータ（１６）（図８）は、弾性部材の変形に基づく力制御作動を可能にする。同様に、この設計はエネルギー貯蔵、衝撃許容度および比較的安定な動力制御を可能にする。ＳＥＡアクチュエータ（１６）（図８）はMIT Leg Laboratory社のGill Prattにより開発されたものであり、米国特許No.5,650,704として１９９７年に許可されている。１実施形態において、これはLitton BN23-28モータ（７０）と、３/８インチ径、１/８インチピッチのボールネジ（７２）とを備えている。このＳＥＡアクチュエータ（１６）（図８）はYobotic社により市販されている。

図８に示す構造において、トルクは標準の市販の電位差計により測定可能であり、これはアクチュエータ（１６）の弾性装置の圧縮を測定するものであり、例えば、Novotechnik社製の導電性プラスチック抵抗素子モデルPTN025がある。膝部材（１２）と、下腿部材（１４）との間の角度の測定も、アクチュエータ（１６）の長さの測定および義肢の既知のジオメトリーから直接計算することができる。標準の市販のインクリメンタル・オプチカル・エンコーダ（２６０）（例えば、リーディング・ヘッド・モデルEMI-0-250）を可動部上に装着し、均等に離間させた増分を印したマイラー・ストリップ（US Digital社製のモデルLIN-250-16-S2037）を静止部に固定させる。モータ（７０）が駆動ネジ（７０）を回転させることにより、アクチュエータ（１６）の長さの直接的読みが得られる。

図１３は後方アクチュエータ構造の幾何学的モデルを示している。これは図６に示した前方アクチュエータ構造のものと基本的に似ている。

逆アクチュエータ：
上記実施例の夫々において、アクチュエータ（１６）は、モータ（７０）を膝部材（１２）近傍に配し、従動部材（７４）を下腿部材（１４）の下方足首領域に延出させたものである。このような配置は動力の経路および制御ラインを簡略化させ、かつ、足首に向けてのテーパー形状をほぼ可能にし、それにより自然の脚の外形に合致させることができる。しかし、これらの配置においては、モータ（７０）は第２のピボットアッセンブリー（８０）と共に義肢の動きの範囲を通して移動することになり、従って、膝部材（１２）の設計においては、モータの工程容積を融通しなければならない。同様に、膝部材近傍のモータ（７０）の位置は、脚の動きの間において、質量分布に変動を生じさせ、それ故、義肢の動力学に変化を生じさせ、使用時に義肢に対し不自然な感じを生じさせることになる。このような問題に対処するものとして、義肢（１０）の更なる実施例が図１５ないし２１に示されている。なお、これらの図において、同様の部材に対しては同様の符号に明瞭のためアクセント符号（’）が付されている。

特に、図１５ないし１８を参照すると、義肢（１０’）は、上方プレート（２６’）から延出するフランジ（２４’）を有するＵ字形部材として形成された膝部材（１２’）を有する。フランジ（２４’）の下端はそれぞれベアリング（３４’）を受入れている。なお、ベアリング（３４’）は、膝部材（１２’）を下腿部材（１４’）に接続させるピボットアッセンブリー（３０’）の一部を構成している。ソケットコネクターアッセンブリー（１７’）が適当なソケットへの接続のため上方プレート（２６’）に固定されている。

下腿部材（１４’）は、一対の離間したウェブ（３００）により形成された上方部（１４Ａ’）を有し、これらウェブ（３００）には孔（３０２）が設けられていて、ピボットアッセンブリー（３０’）のベアリング（３４’）を受入れるようになっている。ウェブ（３００）は中間部（１４Ｂ’）の上端にて肩部（図示しない）に固定される。この中間部（１４Ｂ’）は開口したチャンネル部材（３０４）として形成されており、このチャンネル部材（３０４）は横方向に離間した複数の側壁部（３０６）を有し、これら側壁部（３０６）は、一体的に形成された前方壁部（３０８）により相互に接続されている。このチャンネル部材（３０４）は後方壁部（３１０）により閉塞され、また、この後方壁部（３１０）は取り外し可能となっていてチャンネル部材（３０４）の内部への接続を可能にしている。従って、この中間部（１４Ｂ’）は、それに印加される荷重に適合すべく、高い捩じり強度および曲げ強度の軽量の構造部材を提供するものである。

チャンネル部材（３０４）の上端（３１２）および下端（３１４）はそれぞれ拡張されていて、上方部（１４Ａ’）および下方部（１４Ｂ’）を受入れ、それによりウエスト形の中間部（３１６）を画定している。このウエスト部（３１６）の側壁部（３０６）はほぼ平坦な側面を有し、これらがエネルギー貯蔵モジュール（３２０）（典型的にはバッテリーパック）をチャンネル部材（３０４）のいずれかの側において保持している。前方壁部（３０８）もまた、平坦な面（３１４）で形成され、アクチュエータ（１６’）の操作と関連する制御盤（３１９）を受入れて、エネルギー貯蔵モジュール（３２０）に出入りする電流を調整するようになっている。

後方壁部（３１０）もアクチュエータ（１６’）の制御に利用される更なる制御盤（３２２）のための装着域として利用される。前方部（３２６）および後方部（３２８）からそれぞれ形成された外囲シェル（３２４）は前記中間部（３１６）を取り囲み、拡張された上端（３１２）および下端（３１４）により支持されている。この外囲シェル（３２４）はウエスト形の中間部（３１６）上に装着された部材を保護すると共に、ヒトの脚の外観に似せて形付けられている。

下腿部材（１４’）の下方部（１４Ｃ’）は、拡張下端（３１４）内に受入れられた装着プレート（３３０）を具備している。このプレート（３３０）はチャンネル部材（３０４）の下端（３１４）にボルト締めされ、更に、アクチュエータ（１６’）の制御に利用される動力駆動部（３２２）にボルト締めされている。このアクチュエータ（１６’）は中間部（１４Ｂ’）に固定されている。ソケット（３３４）が上記プレート（３３０）の下側に装着され、足コネクターアッセンブリー（２０’）の管状部材（３３６）を受入れるようになっている。この管状部材（３３６）は足コネクターアッセンブリー（２０’）上に形成されたオスソケットまで延出しており、その長さは特定の個人に義肢が合うように調整される。裾部（３３８）が化粧的観点から管状部材（３３６）の周りに延びている。

図１５および１７に明示するように、アクチュエータ（１６’）はネジ（７２’）を有するモータ（７０’）を具備している。このアクチュエータ（１６’）は中間部（１４Ｂ’）の内部に配置され、壁部（３０８，３１０，３１２）により囲まれ、ネジ（７２’）は上端（３１２）を超え、膝部材（１２’）のフランジ（２６’）間に延びている。ネジ（７２’）はピボットアッセンブリー（８０’）の一部を形成する従動部材（７４’）と係合している。このピボットアッセンブリー（８０’）はピボットアッセンブリー（３０’）から離れた位置にて、膝部材（１２’）に接続されている。

モータ（７０’）は同様に、ピボットアッセンブリー（１００’）を介して中間部（１４Ｂ’）の下端（３１４）と装着点（３４０）にて接続されている（図１６）。なお、装着点（３４０）はピボットアッセンブリー（１００’）のベアリングを受入れるようになっている。

逆アクチュエータの操作：
逆アクチュエータの操作は基本的には、前面装着アクチュエータの場合と同様である。つまり、モータ（７０’）の回転によりアクチュエータ（１６’）の有効長さを変化させ、下腿部材（１４’）との関連で膝部材（１２’）を対応して回動させる。このような回動の間において、モータ（７０’）はそのピボットアッセンブリー（１００’）を中心として揺動するが義肢（１０’）の軸に沿って移動することはないことに留意すべきである。従って、モータの動きの範囲でのモータの行程容積は減少し、利用可能な空間のより良好な利用が図られる。更に、義肢における質量分布も、モータの移動の少なさに鑑み、実質的に均一化され、義肢の操作に対しより自然な感触が得られることに気付くであろう。

更に、中間部でのエネルギーモジュールと、制御盤との合体により、よりすぐれた自給式ユニットを提供することができ、制御および動力伝達の経路形成を簡略化することができる。

最適角度のための計算の例：
以下のような技術仕様を推定することができる。

＊ 体重が７０ｋｇ、身長が１７０ｃｍのヒトの自然の脛骨の人体測定法による容積に相当する幾何学的容積；
＊ 最大長さ“ｒ”を０．０５５ｍ、つまり、ｒ＜０．０５５ｍに設定する；
＊ 最小長さおよび最大長さＬ_Ｔを０．３ｍおよび０．４ｍにそれぞれ設定する、つまり０．３ｍ＜Ｌ_Ｔ＜０．４ｍ；
＊ 最小距離および最大距離ｄ_Ｔを−０．０１５ｍおよび＋０．０１５ｍにそれぞれ設定する、つまり−０．０１５ｍ＜ｄ_Ｔ＜＋０．０１５ｍに設定する。

この幾何学的モデルは以下の等式により画定される。

ここで、
θ_Ｋ 膝の角度、つまり、角ＤＯＡ；
ｒ 膝部材（１２）の回動中心“Ｏ”と、膝部材（１２）上のアクチュエータ（１６）の取付け点との間の距離；
θ_fix ｒと断端の中心軸との間の角度、つまり、角ＥＯＣ；
Ｌ_Ａ 膝部材（１２）の回動中心と、下腿部材（１４）上のアクチュエータ（１６）の取付け点との間の距離、つまり、線分ＯＢ；
Ｌ_Ｔ 膝部材（１２）の回動中心と、下腿部材（１４）の取付け点との間の長さ、つまり、線分ＯＡ；
ｄ_Ｔ 下腿部材（１４）の中心軸と、下腿部材（１４）へのアクチュエータ（１６）の取付け点との間の距離、つまり、線分ＡＢ；
α Ｌ_ＴとＬ_Ａとの間のなす角度、つまり、角ＡＯＢ；
Ｌ アクチュエータ（１６）の長さ、つまり、線分ＢＣ；
β Ｌ_Ａとｒとの間の角度、つまり、角ＢＯＣ；
ｂ_r 第１のピボット軸（３１）に対するアクチュエータ（１６）のレバーアーム
好ましくは、レバーアームｂ_rは、３５°の膝角度θ_Ｋで最大となるようにする。機械的設計の幾何学的計算は、距離ｒ、長さＬ_Ｔ、距離ｄ_Ｔおよび角度θ_fixの設定に基づくものである。従って、これらのパラメータは切断患者の固有受容器の測定および選択されたアクチュエータ（１６）に従って規定される。

角度θ_fixについて、最大レバーアームｂ_rの最適値が、上記数５が最大値をとるときにみいだされた。つまり、

ここで、θ_fix＝π−α−θ_ｋ−β
この条件は以下の場合に、図６および１３に示すような構造に到達する：

等式１から、距離rと、ソケットの中心軸（θ_fix|_optimal）との間の最適角度は以下のように規定される：

ここで、＋π/２および−π/２は、後方および前方アクチュエータ構造にそれぞれ対応するものである。

結果としては、最適角度θ_fixは好ましくは１２５±３°に設定することである。

別の寸法およびパラメータを他の手足、例えば腕に適用することができるが、上述の基本的部材のそのような環境への適用は、本発明の基本的概念が一旦理解されれば、容易に実行できるであろう。

前方アクチュエータ構造を有する作動人工補装器を示す斜視図。 図１に示す人工補装器の部分的分解斜視図。 図１に示す膝部材および第１のピボットアッセンブリーを示す分解斜視図。 図１に示す下腿部材および第３のピボットアッセンブリーを示す分解斜視図。 図１に示すリニアアクチュエータおよび第２のピボットアッセンブリーを示す部分的分解斜視図。 前方アクチュエータ構造を有する幾何学的モデルを示す模式図。 図４に示す光学スイッチ支持部を示す分解斜視図。 本発明の他の実施例における後方アクチュエータ構造を有する作動人工補装器を示す斜視図。 図８に示す人工補装器の部分的分解斜視図。 図８に示す人工補装器の側面図。 図８に示す膝部材、第１のピボットアッセンブリーおよび第２のピボットアッセンブリーを示す分解斜視図。 図８に示す膝部材および第３のピボットアッセンブリーを示す部分的分解斜視図。 後方アクチュエータ構造を有する幾何学的モデルを示す模式図。 人工補装器のアクチュエータのための制御システムの１例を示すブロック図。 人工補装器の更なる実施例の分解斜視図。 図１５に対応するものであり、図１５の人工補装器の構造部材を拡大して示す図。 図１５に対応するものであり、図１５の人工補装器の起動部材を拡大して示す図。 図１５の人工補装器の縦断面図。 図１８のＸＩＸ-ＸＩＸ線に沿う断面図。 図１８のＸＸ-ＸＸ線に沿う断面図。 図１８のＸＸＩ-ＸＸＩ線に沿う断面図。

符号の説明

１０ 人工補装器又は義肢
１２ 膝部材
１４ 下腿部材
１６ アクチュエータ
１７ ソケットコネクター・アッセンブリー
１８ ソケット
１９ コネクター・アッセンブリー
２０ 義足
２２ 下部ソケット・コネクター
２４ フランジ
２６ 上部プレート
２８ ネジ孔
３０ 第１のピボットアッセンブリー
３２ 車軸
３４ ベアリング
３５ 外部スペーサー
３６ ハウジング
３８ 光学スイッチ支持部材
４２ ブラケット
４４ バンパー
５０ フランジ
５２ 装着ベース
５６ バックプレート
７０ モータ
７２ ネジ
７４ 従動部材
８０ 第２のピボットアッセンブリー
８２ ベアリング
８４ コネクター
８６ 段付きネジ
９０ 車軸
９２ ロードセル
２２０ コントローラ
２５２ 光学スイッチ

Claims (27)

1. 膝上切断患者の脚部を置換するための作動大腿義足であって、
   膝部材と；
   該膝部材にソケットを接続するためのソケットコネクターアッセンブリーと；
   主長手軸に沿って離間する上端と下端を有する下腿部材と；
   該下腿部材の前記下端に、果義足を接続するためのコネクターアッセンブリーと；
   前記下腿部材の上端を前記膝部材に操作自在に接続するための第１のピボットアッセンブリーであって、前記膝部材と前記下腿部材との間で、前記第１のピボットアッセンブリーにより規定される第１のピボット軸を中心として両者の相対的な回動を許容する第１のピボットアッセンブリーと；
   ロータリーモータと、該モータにより駆動されて前記モータの回転運動を直線状の変位に変換する駆動部材と、弾性部材とを有するシリアルエラスチックアクチュエータであり、前記モータが第２のピボット軸を規定する第２のピボットアッセンブリーを介して前記下腿部材に枢動可能に接続されており、前記駆動部材が第１のピボットアッセンブリーから離間した位置において第３のピボット軸を形成するように前記膝部材に枢動可能に接続されているリニアアクチュエータと；
   前記膝上切断患者の歩行の動力学について実時間で情報を捕捉する複数のセンサーで検出して取得した前記膝上切断患者の動作の情報に応じて前記リニアアクチュエータで与えられる動力を決定するコントローラと、を具備し、
   前記駆動部材の直線状の変位運動は、前記第１のピボット軸を中心として下腿部材に対応する膝部材の相対的な回動を誘起させ、膝部材と下腿部材との間の相対的な回動は、第１のピボット軸のみで行われ、リニアアクチュエータと下腿部材との間の相対的な回動は、第２のピボット軸のみで行われ、リニアアクチュエータと膝部材との間の相対的な回動は、第３のピボット軸のみで行われることを特徴とする作動大腿義足。
2. 前記リニアアクチュエータは、弾性部品の変形に基づく力制御作動を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の作動大腿義足。
3. 前記複数のセンサーは、弾性部材の圧縮を測定することによってトルクを測定するセンサーを含むことを特徴とする請求項１記載の作動大腿義足。
4. 前記アクチュエータは、前記第１のピボット軸に実質的に平行で、かつ、該第１のビボット軸から離間した第２及び第３のピボット軸を有することを特徴とする請求項１記載の作動大腿義足。
5. 前記リニアアクチュエータが前記下腿部材内に配置されている請求項１記載の作動大腿義足。
6. 前記下腿部材が少なくとも２つの離間したバーを含み、該バーが前記リニアアクチュエータを配置する空間を画成している請求項５記載の作動大腿義足。
7. 前記下腿部材が中空シェルを含み、前記リニアアクチュエータが前記シェル内に配置されている請求項５記載の作動大腿義足。
8. 前記シェルが、開口部を有したチャンネル部材と、該開口部を覆う着脱自在な蓋体とから形成されている請求項７記載の作動大腿義足。
9. エネルギー貯蔵モジュールが前記シェル上に支持されている請求項７記載の作動大腿義足。
10. 回路基板が前記シェル上に支持されている請求項７記載の作動大腿義足。
11. 前記コネクターアッセンブリーに取着された果義足を更に含み、該果義足が前記作動大腿義足の前方側および後方側を画成している請求項１記載の作動大腿義足。
12. 前記リニアアクチュエータの一端が前記第１のピボット軸の前方で、前記膝部材に接続されている請求項１１記載の作動大腿義足。
13. 前記下腿部材は、上端と下端との間に延出するバックプレートを有する請求項５記載の作動大腿義足。
14. 前記リニアアクチュエータの一端が前記第１のピボット軸の後方で、前記膝部材に接続されている請求項１１記載の作動大腿義足。
15. 前記下腿部材が少なくとも２つの離間したバーからなる中間部を有し、該バーが前記リニアアクチュエータを収納する空間を画成している請求項１４記載の作動大腿義足。
16. 前記膝部材に取着されたソケットを更に具備している請求項１１記載の作動大腿義足。
17. 前記コントローラが、少なくとも一つの固有受容器を構成する複数のセンサーからの入力信号に応答して制御信号を前記リニアアクチュエータに出力するようになっている請求項１記載の作動大腿義足。
18. 前記コントローラが、動力駆動部に接続された出力部を有し、前記動力駆動部が前記制御信号に応答して電源から前記リニアアクチュエータに電気エネルギーを供給するようになっている請求項１７記載の作動大腿義足。
19. 前記入力信号が更に、前記リニアアクチュエータに装着されたセンサーからの信号を含むものである請求項１７記載の作動大腿義足。
20. 前記駆動部材はネジ及び従動部を有し、前記ネジが前記モータにより回動され、前記従動部が前記モータの回動により前記ネジに沿って変位可能である請求項１記載の作動大腿義足。
21. 前記モータが前記下腿部材近傍に配置され、前記従動部が前記一次関節部材に接続されている請求項２０記載の作動大腿義足。
22. 荷重センサーが、前記リニアアクチュエータと前記膝部材及び下腿部材のいずれかとの間に介在されており、作動大腿義足に印加された荷重を示すようになっている請求項１記載の作動大腿義足。
23. 前記膝部材と前記下腿部材との間の相対的動きを示すセンサーを更に具備してなる請求項１記載の作動大腿義足。
24. 前記センサーが光学センサーである請求項２３記載の作動大腿義足。
25. 前記膝部材は、上方プレートから下方に向かって突出するフランジを有するU字形部材として形成されている請求項１記載の作動大腿義足。
26. 前記ソケットコネクターアッセンブリーは、前記ソケットを接続するために前記膝部材の上方プレートに設けられている請求項２５記載の作動大腿義足。
27. 前記第１のピボットアッセンブリーは、前記膝部材のフランジに前記下腿部材の上端を動作可能に接続している請求項１記載の作動大腿義足。

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