JP5608388B2 - 脚装具 - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの脚に装着し、膝関節、あるいは、足首関節にトルクを与えることによって脚の揺動動作を補助する脚装具に関する。

ユーザの脚の関節にトルクを与える脚装具が開発されている。特許文献１には、ユーザの膝関節にトルクを与える脚装具が示されており、特許文献２には、ユーザの足首関節にトルクを与える脚装具が示されている。特許文献１の脚装具は、ユーザの大腿と下腿に夫々装着する大腿リンクと下腿リンクが揺動可能に連結された構造を有しており、アクチュエータによって大腿リンクと下腿リンクが相互に揺動する。特許文献２の脚装具は、ユーザの下腿と足の夫々に装着する下腿リンクと足リンクが揺動可能に連結された構造を有しており、アクチュエータによって下腿リンクと足リンクが相互に揺動する。

特開２００２−３０１１２４号公報 特開２００５−５００号公報

上記の脚装具は、リンク連結部の揺動軸がユーザの脚関節の回転軸と同軸となるように構成されている方がよい。一方、脚の長さはユーザによって異なる。そのため、揺動軸をユーザの関節に同軸に配置するには、下腿リンクの長さが調整できる方がよい。他方、上記の脚装具はアクチュエータやセンサを備えるため、それらのためのワイヤハーネスを各リンクに沿って配索する必要がある。下腿リンクの長さを変えると、ワイヤハーネスに余剰が生じる。余剰部分をそのままにしておくとユーザ自身や環境に置かれた物体にワイヤハーネスを引っ掛けてしまう虞がある。他方、下腿リンクの長さに合わせてワイヤハーネスも交換するのでは効率が悪い。下腿リンクの長さを変えたときにワイヤハーネスが余剰なく（弛まず）すっきりと配索される技術が必要とされている。なお、ワイヤハーネスを必要とする従来の脚装具ではワイヤハーネスへの配慮が欠けていた。

本明細書が開示する技術の一実施形態の脚装具は、足首関節の動きを補助する脚装具に具現化することも好適である。そのような脚装具は、下腿リンクと足リンクを備える。下腿リンクは、ユーザの下腿に装着され、靴状の足リンクはユーザの足に装着される。足リンクは下腿リンクに揺動可能に連結されており、動力によって下腿リンクと足リンクが相互に揺動する。脚装具は、下腿リンクと足リンクの連結部に第１ハーネス収容部を有する。そして、電力又は信号を伝達するワイヤハーネスが第１ハーネス収容部を通じて下腿リンクから足リンクへと配索されている。ワイヤハーネスは、第１ハーネス収容部内で周回湾曲もしくはＳ字状に湾曲するように配索されている。本明細書が開示する技術は、足首関節の動きを補助する脚装具に具現化することも好適である。そのような脚装具は、下腿リンクと足リンクを備える。下腿リンクは、ユーザの下腿に装着され、靴状の足リンクはユーザの足に装着される。足リンクは下腿リンクに揺動可能に連結されており、動力によって下腿リンクと足リンクが相互に揺動する。また、足リンクの底には一対の接地センサが取り付けられ、一対の接地センサのうち一方が、足リンクのつま先が接地したか否かを検知するものであり、一対の接地センサのうち他方が、足リンクの踵が接地したか否かを検知するものである。また、ユーザの脚が、遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、遊脚が、ユーザの股関節と膝関節と足首関節の関節角の経時的な目標角データに基づく予め定められた動きとなるように前記動力を制御するために、前記一対の接地センサが検知するものである。

本明細書が開示する技術は、大腿リンクと下腿リンクを備える。大腿リンクはユーザの大腿に装着され、下腿リンクはユーザの下腿に装着される。下腿リンクは大腿リンクに揺動可能に連結されており、動力によって大腿リンクと下腿リンクが相互に揺動する。その脚装具では、大腿リンクと下腿リンクの連結部に第２ハーネス収容部が設けられている。そして、電力又は信号を伝達するワイヤハーネスが第２ハーネス収容部を通じて大腿リンクから下腿リンクへと配索されている。ワイヤハーネスは、第２ハーネス収容部内で周回湾曲もしくはＳ字状に湾曲するように配索されている。

本明細書が開示する技術は、足首関節の動きを補助する脚装具に具現化することも好適である。そのような脚装具は、下腿リンクと足リンクを備える。下腿リンクは、ユーザの下腿に装着され、靴状の足リンクはユーザの足に装着される。足リンクは下腿リンクに揺動可能に連結されており、動力によって下腿リンクと足リンクが相互に揺動する。脚装具は、下腿リンクと足リンクの連結部にハーネス収容部を有する。そして、電力又は信号を伝達するワイヤハーネスがハーネス収容部を通じて下腿リンクから足リンクへと配索されている。ワイヤハーネスは、ハーネス収容部内で周回湾曲もしくはＳ字状に湾曲するように配索されている。

上記した脚装具では、下腿リンク又は足リンクの長さが調整可能である。そのような脚装具において、下腿リンクを短くすると（短いものに交換すると）、ワイヤハーネスのうち下腿リンク付近で余剰となった部分は、ハーネス収容部内で予め湾曲している部分に誘導されて、自然にハーネス収容部へと入り込む。逆に下腿リンクを長くすると（長いものに交換すると）、下腿リンクが長くなった分だけ、ワイヤハーネスのうちハーネス収容部内の湾曲部分が引き出される。ハーネス収容部を設けるとともにその内部にワイヤハーネスを上記のとおり予め湾曲させて収容しておくことで、下腿リンクの長さに応じてハーネス収容部からワイヤハーネスが出入りし、ワイヤハーネスの露出部分に余剰が生じず、ワイヤハーネスは弛まずにリンクに沿ってすっきりと配索される。

本明細書が開示する技術によれば、リンクの長さを変更したときにリンクに沿って露出しているワイヤハーネスが余剰なく（弛まず）すっきりと配索される脚装具を提供することができる。

実施例の脚装具の側面図を示す。 ユーザが膝を曲げたときの脚装具の状態を示す。 ハーネス収容部周辺の拡大図である。 他の形態におけるハーネス収容部周辺の拡大図である。 さらに他の形態におけるハーネス収容部周辺の拡大図である。

図１に、脚装具１００の側面図を示す。脚装具１００は、機構的には主として、大腿リンク１０と下腿リンク１２と足リンク１４から構成されている。大腿リンク１０はユーザの大腿ＵＡに装着され、下腿リンク１２はユーザの下腿ＵＢに装着され、足リンク１４はユーザの足ＵＣに装着される。図中の符号１０ａが大腿リンク１０をユーザの大腿ＵＡに固定するための固定具を示しており、符号１２ａが下腿リンク１２をユーザの下腿ＵＢに固定する固定具を示している。なお、足リンク１４をユーザの足ＵＣに固定する固定具は図示を省略している。

大腿リンク１０の下端に下腿リンク１２の上端が揺動可能に連結しており、下腿リンク１２の下端に足リンク１４の上端が揺動可能に連結している。符号Ｃ１は下腿リンク１２の揺動軸を示しており、符号Ｃ２は足リンク１４の揺動軸を示している。下腿リンク１２はモータ１６（請求項２に記載された「動力」に相当する。）によって大腿リンク１０に対して揺動し、足リンク１４はモータ１８（請求項１に記載された「動力」に相当する。）によって下腿リンク１２に対して揺動する。足リンク１４の底には接地センサ２０ａ、２０ｂが取り付けられている。接地センサ２０ａは足リンク１４のつま先が接地したか否かを検知する。接地センサ２０ｂは足リンク１４の踵が接地したか否かを検知する。脚装具１００のコントローラ（不図示）は、接地センサ２０ａ、２０ｂのセンサデータに基づいて、ユーザの脚の動きがスムーズな歩行動作となるようにモータ１６、１８を制御する。より具体的には、コントローラは、接地センサ２０ａ、２０ｂのセンサデータから、脚が遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、遊脚が予め定められた動きとなるように、モータを制御する。ここで、予め定められた動きとは、ユーザの股関節と膝関節と足首関節の関節角の経時的な目標角データで記述される。目標角データはコントローラに記憶されている。経時的な目標角データの生成方法については説明を省略する。なお、目標角データは、接地センサ２０ａや２０ｂのセンサデータからリアルタイムに生成されてもよい。

コントローラは、ユーザの腰付近に装着される。コントローラとモータやセンサの間にワイヤハーネスが配索される。ワイヤハーネスは、センサ信号をコントローラに伝えたり、モータへ電力を供給したりするケーブルである。例えば、足リンク１４の足底に設けられた接地センサ２０ａ、２０ｂのセンサデータをコントローラへ伝えるためのワイヤハーネス４０が足リンク１４、下腿リンク１２、及び大腿リンク１０に沿って配索される。符号４０が示すワイヤハーネスには、モータ１６やモータ１８に電力を供給するためのケーブルも含まれる。

大腿リンク１０に対して下腿リンク１２が揺動し、下腿リンク１２に対して足リンク１４が揺動するので、リンクの連結部では、ワイヤハーネスの長さに余裕を持たせる必要がある。ただし、周囲の物体に引掛かかる虞があるので、ワイヤハーネスの余剰部分は露出させずにカバーで覆うことが望ましい。脚装具１００は、大腿リンク１０と下腿リンク１２の連結部に、ワイヤハーネス４０を収容するハーネス収容部３０（請求項２に記載された「第２ハーネス収容部」に相当する。）を備えている。また、下腿リンク１２と足リンク１４の連結部に、ワイヤハーネス４０を収容するハーネス収容部５０（請求項１に記載された「第１ハーネス収容部」に相当する。）を備えている。

ハーネス収容部３０の構造について詳しく説明する。ハーネス収容部３０は、大腿リンク１０と下腿リンク１２の連結部において下腿リンク１２側に固定されている。またハーネス収容部３０は、下腿リンク１２の揺動軸Ｃ１と重なるように配置されている。ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０を通じて大腿リンク１０から下腿リンク１２へと配索されている。図１に示すように、ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０の内部で、環を描くように周回湾曲させてある。符号４０ａが周回湾曲部を示す。周回湾曲部４０ａは、ハーネス収容部３０に完全に覆われている。ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０内において、ピッチ軸（ユーザの体側方向）と交差する面内で周回湾曲させてある。また、ハーネス収容部３０の内部には、ワイヤハーネス４０の大腿リンク１０から伸びている部分と周回湾曲部４０ａを仕切る仕切板３１が設けられている。また、ワイヤハーネス４０は、周回湾曲部４０ａの両側で固定されている。周回湾曲部４０ａの大腿リンク側はハーネス収容部３０の内部で固定されており、下腿リンク側は下腿リンク１２に固定されている。符号３２と３３がハーネス固定具を示している。

下腿リンク１２が揺動すると、下腿リンク１２とともにハーネス収容部３０も揺動する。図２にユーザが膝を曲げたときの脚装具の状態を示す。図１と図２に示すように、ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０の内部で、揺動軸Ｃ１の前方を通っている。そのため、ユーザが膝を曲げるとき、別言すれば下腿リンク１２が後方へ揺動するとき、ワイヤハーネス４０には引き伸ばす方向の力が加わる。このとき、図２に示すように、周回湾曲部４０ａの環が小さくなり、ワイヤハーネスに無理な力が加わることがない。別言すれば、下腿リンク１２の揺動に伴って周回湾曲部４０ａの環の直径が大きくなったり小さくなったりすることで、ワイヤハーネスに無理な力が加わることが防止される。また、周回湾曲部４０ａはハーネス収容部３０の内部で直径が変化するので、露出している部分で弛むことがない。別言すれば、ワイヤハーネス４０はリンクに沿って露出している部分は常にリンク近くに沿っており、リンクが揺動してもリンクから離れる余剰部分が生じることがない。この効果は、膝関節のピッチ軸に交差する面内で周回する周回湾曲４０ａがハーネス収容部３０内に形成されていることに起因する。

また、仕切板３１は、周回湾曲部４０ａのカーブに沿って湾曲するように形成されており、周回湾曲部４０ａの環がハーネス収容部３０の内部でスムーズに拡大縮小できるように周回湾曲部４０ａをガイドする。以上説明したとおり、大腿リンク１０と下腿リンク１２の連結部において、ワイヤハーネス４０をハーネス収容部３０内に収容するとともに、その内部でワイヤハーネス４０をピッチ軸交差面内で一巡周回するように湾曲させることによって、下腿リンク１２が揺動してもワイヤハーネス４０は露出している部分で弛むことがない。

下腿リンク１２が揺動してもワイヤハーネス４０が緩むことがないという上記の効果は、リンク長さを調整するときにも有効に作用する。脚装具１００をユーザに装着すると、下腿リンク１２の揺動軸Ｃ１はユーザの膝関節の軸線と同軸に位置し、足リンク１４の揺動軸Ｃ２は足首関節の軸線と同軸に位置することが好ましい。そのような同軸配置が実現されていれば、下腿リンク１２が揺動する際ユーザの下腿との平行を保てるからである。しかし、脚の長さはユーザによって異なる。そのため、下腿リンク１２の長さを調整しないと、揺動軸Ｃ１をユーザの膝関節の軸線と同軸に位置させることができない。そこで、脚装具１００は、下腿リンク１２の一部が交換可能になっている。下腿リンク１２は、その一部を構成するスペーサ１３が着脱可能になっている。スペーサ１３を、長さの異なる別のスペーサに交換することによって、下腿リンク１２の全長をユーザの脚の長さに適合させることができる。

下腿リンク１２を短くすると、ワイヤハーネス４０に余剰分が生じ、下腿リンク１２に沿って配索されているワイヤハーネス４０が弛んでしまう虞があるが、脚装具１００では、ハーネス収容部３０が、ワイヤハーネス４０が弛むことを防止している。図３に、ハーネス収容部３０の拡大図を示す。なお図３では図面を見易くするために、ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０に収容されている部分も実線で描いてあることに留意されたい。ワイヤハーネス４０はハーネス収容部３０の内部で周回湾曲している。前述したように、周回湾曲部４０ａの大腿リンク側はハーネス固定具３３によってハーネス収容部３０内で固定されており、周回湾曲部４０ａの下腿リンク側は、スペーサ１３のすぐ下でハーネス固定具３２によって下腿リンク１２に固定されている。スペーサ１３を取り外すとハーネス固定具３３と３２の間が短くなる。このとき下腿リンク１２の揺動の場合と同様に、ワイヤハーネス４０のうちスペーサ１３に相当する長さだけ余剰となるが、余剰となった部分は、ハーネス収容部３０内で予め湾曲している周回湾曲部４０ａに誘導されて、自然にハーネス収容部３０へと入り込む。図３の二点鎖線４０ｄが、スペーサ１３の分だけ直径が大きくなった周回湾曲部を示している。スペーサ１３をもとに戻すと、下腿リンク１２が長くなった分だけ、ワイヤハーネス４０のうちハーネス収容部３０内の湾曲部分が引き出される。下腿リンク１２の長さに応じてハーネス収容部３０からワイヤハーネス４０が出入りし、余剰部分が露出せず、ワイヤハーネス４０は弛まずにリンクに沿ってすっきりと配索される。このときも、周回湾曲部４０ａに合わせて湾曲している仕切板３１が、湾曲しているワイヤハーネスをガイドするとともに、大腿リンク側に伸びているハーネス部分との干渉を防止する。

図４に、脚装具の他の実施形態の例を示す。図４の脚装具１５０は、ハーネス収容部３０付近におけるハーネス固定具の配置が図３の脚装具とは異なっている。図４の脚装具１５０では、周回湾曲部４０ａの大腿リンク側が、ハーネス固定具３３の他に、ハーネス固定具３４によってハーネス収容部３０内で固定されている。ハーネス固定具３３と３４によって、ユーザが膝を曲げたとき、ハーネス固定具３３と３４の間でワイヤハーネス４０の曲げ半径が変化する。このことによって、脚装具１５０は、ワイヤハーネス４０に無理な力が加わらないようにしている。ハーネス固定具３４以外の構成は脚装具１００と同じである。この脚装具１５０も、スペーサ１３を外して下腿リンク１２を短くしたときのワイヤハーネスの余剰分は、図３の脚装具１００と同様に、ハーネス収容部３０内で予め湾曲している周回湾曲部４０ａに誘導されて、自然にハーネス収容部３０へと入り込む。

図５に、脚装具のさらに他の実施形態の例を示す。図５の脚装具２００は、ハーネス収容部３０内部でのワイヤハーネス４０の配置が図３の脚装具とは異なっている。図５に示すように、脚装具２００のワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部３０の内部でＳ字状に湾曲させて配索されている。ワイヤハーネス４０は、下腿リンク１２の揺動面内（揺動軸Ｃ１に交差する面内）で、大腿リンク１０側から下方へ向かって伸び、一旦上方に折り返され、次いで下方に折り返されるＳ字状に湾曲してから下腿リンク１２へ伸びている。Ｓ字湾曲部４０ｅは、ハーネス収容部３０に完全に覆われている。Ｓ字湾曲部４０ｅの大腿リンク側は、ハーネス収容部３０の内部でハーネス固定具３４によって固定されている。ワイヤハーネス４０はさらに、ハーネス固定具３３によって大腿リンク１０にも固定されている。Ｓ字湾曲部４０ｅの下腿リンク側は、スペーサ１３のすぐ下でハーネス固定具３２によって下腿リンク１２に固定されている。この脚装具２００も、スペーサ１３を外して下腿リンク１２を短くしたときのワイヤハーネスの余剰分は、自然にＳ字湾曲部が大きくなってハーネス収容部３０内に導かれる。図５の符号４０ｆが、スペーサ１３を外したときのＳ字湾曲部を示している。図５の脚装具２００も、図４の脚装具１５０と同様の効果を奏する。

大腿リンク１０と下腿リンク１２の連結部に配置されたハーネス収容部３０について説明した。図１に戻って、下腿リンク１２と足リンク１４の連結部に配置されたハーネス収容部５０を説明する。なお、図１の符号Ｃ２は、足リンク１４の揺動軸を示している。ハーネス収容部５０は、足リンク１４の揺動軸Ｃ２よりも後方に配置されている。ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部５０の内部で周回湾曲して収納されている。周回湾曲部４０ｂは、足首関節のピッチ軸に交差する面内（即ち、足リンク１４の揺動面内）で一巡して配索されている。符号５３はスペーサを示している。スペーサ５３を異なる長さのものに交換すると揺動軸Ｃ２に対する足リンク１４の位置を調整することができる。足リンク１４の位置や下腿リンク１２の長さを調整するとき、ワイヤハーネス４０の長さの変化分はハーネス収容部５０内で吸収され、露出している部分では弛まない。足リンク１４と下腿リンク１２の連結部に配置されたハーネス収容部５０も、ハーネス収容部３０と同様の効果を奏する。ワイヤハーネス４０は、図４の場合と同様に、ハーネス収容部５０の内部でＳ字状に湾曲するように配索されてもよい。図１の符号５１と５２は、ハーネス固定具を示している。ワイヤハーネス４０は、ハーネス収容部５０の上側においてはハーネス固定具５２によって下腿リンク１２に固定され、ハーネス収容部５０の下側においてはハーネス固定具５１によって足リンク１４に固定されている。

以上、実施例の脚装具を説明した。本明細書が開示する技術は、足リンクを備えず、大腿リンクと下腿リンクが揺動可能に連結された脚装具に適用することも好適である。或いは、大腿リンクを備えず、下腿リンクと足リンクが揺動可能に連結された脚装具（いわゆる短下肢装具）に適用することも好適である。また、リンクの長さを調整するスペーサは、様々な長さのスペーサで交換可能であってよい。また、スペーサの代わりに、下腿リンクは、２本のサブリンクがスライド可能に連結した構造を有しており、サブリンク同士を伸縮させてリンク全体の長さを調整する構造であってもよい。さらに、実施例の脚装具ではハーネス収容部３０が下腿リンク側に固定されていたが、大腿リンク側に固定されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：大腿リンク
１２：下腿リンク
１３：スペーサ
１４：足リンク
１６、１８：モータ
２０ａ、２０ｂ：接地センサ
３０：ハーネス収容部
３１：仕切板
３２、３３：ハーネス固定具
４０：ワイヤハーネス
４０ａ、４０ｂ：周回湾曲部
４０ｅ：Ｓ字湾曲部
５０：ハーネス収容部
５１、５２：ハーネス固定具
５３：スペーサ
１００、１５０、２００：脚装具

Claims (3)

1. ユーザの下腿に装着される下腿リンクとユーザの足に装着される足リンクが揺動可能に連結されており、下腿リンクと足リンクが動力によって相互に揺動する脚装具であり、
   下腿リンクと足リンクの連結部に第１ハーネス収容部が設けられており、
   電力又は信号を伝達するワイヤハーネスが、前記第１ハーネス収容部を通じて下腿リンクから足リンクへと配索されており、第１ハーネス収容部内で周回湾曲もしくはＳ字状に湾曲しているとともに、
   前記足リンクの底には一対の接地センサが取り付けられ、
   前記一対の接地センサのうち一方が、前記足リンクのつま先が接地したか否かを検知するものであり、
   前記一対の接地センサのうち他方が、前記足リンクの踵が接地したか否かを検知するものであり、
   前記ユーザの脚が、遊脚期間にあるか立脚期間にあるかを判定し、遊脚が、ユーザの股関節と膝関節と足首関節の関節角の経時的な目標角データに基づく予め定められた動きとなるように前記動力を制御するために、前記一対の接地センサが検知することを特徴とする脚装具。
2. ユーザの大腿に装着される大腿リンクとユーザの下腿に装着される下腿リンクが揺動可能に連結されており、大腿リンクと下腿リンクが動力によって相互に揺動する脚装具であり、
   大腿リンクと下腿リンクの連結部に第２ハーネス収容部が設けられており、
   電力又は信号を伝達するワイヤハーネスが、前記第２ハーネス収容部を通じて大腿リンクから下腿リンクへと配索されており、第２ハーネス収容部内で周回湾曲もしくはＳ字状に湾曲していることを特徴とする請求項１記載の脚装具。
3. 下腿リンク又は足リンクの長さが調整可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の脚装具。

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