JP5623412B2 - 下肢継手装具及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、下肢、特に足部が麻痺している麻痺者が使用して好適な下肢継手装具及びその制御方法に関するものである。
足部の麻痺には、脳卒中等による主に片方の足が麻痺している片麻痺と、脊髄損傷等による多くの場合に両方の足が麻痺している対麻痺とがあるが、いずれの場合であっても、自力での歩行は難渋又は不能な場合が多い。したがって、これらの麻痺者が歩行するときには、何らかの補助具が必要になる。この補助具としては、従来は、副木のようなもので下腿から足にかけて固定する方式のものであった。
これによると、立位を安定させたり、踏み出しに際して足部を地面から離したときに爪先が下がって蹟いたりすることは防止できるものの、関節機能をもたないから、体重心の移動に伴う足首の屈伸や足裏接地時のショックの吸収といったことはできなかった。したがって、この補助具を付けての歩行には身体に多くの負担がかかり、麻痺者は、補助具を付けての自力又は軽介護の歩行を敬遠することになり、その結果、歩行機能の向上も果たせていなかった。
なお、下記特許文献1には、足関節部分にヒンジ機構を取り入れた下肢継手装具が見られるが、この先行例のものは、自立性を補助するための装具に回動機能を持たせたものにすぎず、回動範囲も極めて狭い範囲に限られており、着地から踏み出しまでの広い角度に亘って対応するものではなかった。また、ヒンジ機構のロック、アンロックを取り入れているが、その操作はロック部材を操作しなければならず、煩雑で面倒なものであった。
そこで、本出願人は、足関節部分に磁力によって粘度が変わるMR流体を封入したロータリーシリンダを設け、そのロータとステータとを下肢に装着される上部構成体と足部を支持する下部構成体とにそれぞれ連結し、歩行時に足裏に掛かる体重の推移に応じて磁力を調整することでMR流体の粘度を調整し、足首の屈伸(足首に対して足部を上下に回動させること)を不能又は半不能(これをロックという)から自由に遊動(これをフリーという)にする技術を下記特許文献2として提案している。しかし、この技術では下肢継手装具の構造が複雑となりサイズが大形化するきらいがあった。
特開2001−299790号公報 特開2006−087559号公報
本発明は、上記した特許文献2の発明を更に改良したもので、構造を簡単にしてよりコンパクトなものにするとともに、動作の鋭敏性、高出力を可能にしたものである。
以上の課題の下、本発明は、請求項1に記載した、足部を支持する下部構成体と、下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する位置で継手によって身体の上下方向に屈伸可能に連結した下肢継手装具であり、前記継手を、短円筒状の密閉空間をその中心から周方向に仕切って扇形に形成した複数の流体室11に磁力によって粘度が変わるMR流体を封入し、下部構成体1又は上部構成体2のいずれか一方に取り付けられたステータと、関節位置に設定され、且つ、前記ステータ3の中心にて回転可能に支持された軸部12及び前記軸部12から突設され、該軸部12の周囲に配置された各流体室11の中に前後に前室14と後室15を確保する仕切板13とを有するロータとで構成し、前記ステータに特定の流体室11の前室14と後室15とを連通する連通通路17を流体室11から離して設けるとともに、ロータの軸部12に各流体室11の前室14同士及び後室15同士をそれぞれ連絡する連絡通路20を設け、連通通路17の側面に電磁石25を配し、電磁石25に供給される電力に基づく磁力を調整して連通通路17を流動するMR流体の粘度を制御し、下部構成体と上部構成体の回転抵抗を調整することを特徴とする下肢継手装具を提供する。
また、本発明は、別の構成として、請求項4に記載した、足部を支持する下部構成体と、下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する位置で継手26によって身体の上下方向に屈伸可能に連結した下肢継手装具であり、前記継手26を、シリンダ室27に磁力によって粘度が変わるMR流体を封入したシリンダ28と、シリンダ室27に前後に前室29と後室30を確保して突入されるピストン31とで構成し、シリンダ28又はピストン31の一端を関節位置に設定するとともに、シリンダ室27の前室29と後室30とを連通する連通通路36をシリンダ室27の外部に設ける他、連通通路36の側面に電磁石37を配し、電磁石37に供給される電力に基づく磁力を調整して連通通路36を流動するMR流体の粘度を制御し、下部構成体と上部構成体の回転抵抗を調整することを特徴とする下肢継手装具を提供する。
さらに、本発明は、以上の下肢継手装具の制御方法として、請求項6に記載した、ロータとステータの回転抵抗又はピストン31とシリンダ28の進退抵抗を制御する下肢継手装具の制御方法であって、下部構成体の裏面に荷重を検出するセンサーを取り付け、センサーの出力に応じて電磁石25,37に供給される電力を調整して前記抵抗を制御することを特徴とする下肢継手装具の制御方法を提供する。
請求項1の発明はMR流体シリンダをロータリ型にしたものであり、これにおいて、MR流体を封入する流体室を複数設けたものであるから、MR流体の粘度を変化させることによる足継手のロックやフリーをより鋭敏にできるとともに、出力が増してサイズも小型化できる。また、MR流体の粘度の調整は電磁石の磁力によるものであるから、構造も簡単になるし、制御も容易になる。請求項4の発明はMRシリンダをレシプロ型にしたものであるから、構造が簡単になるし、請求項6の発明によると、歩行時の脚の姿勢における足首の屈伸状態に応じて下部構成体と上部構成体との回転抵抗を自動的に制御できるから、生体の足関節に近いを動きをさせることができる。
第一実施例に係る下肢継手装具の側面図である。 第一実施例に係る下肢継手装具の後面図である。 第一実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の縦断面図である。 第一実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の右側面図である。 第一実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の左側面図である。 第一実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の横断面図である。 図3のA−A断面図である。 図3のB−B断面図である。 図3のC−C断面図である。 第二実施例に係る下肢継手装具の側面図である。 第二実施例に係る下肢継手装具の後面図である。 第二実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の断面図である。 第二実施例に係る下肢継手装具を構成する継手の側面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の第一実施例に係る足関節機能を持たせた下肢継手装具の側面図、図2は後面図、図3は下肢継手装具を構成する継手の縦断面図、図4は右側面図、図5は左側面図、図6は横断面図である。
本例の下肢継手装具(以下、単に「装具」とも云う。)は、MR流体シリンダをロータリ型シリンダにしたもので、足裏を載せて支持できる下部構成体1と、下肢に装着される上部構成体2とをステータ3とロータ4とからなる継手5で連結したものである。なお、図1及び図2では、継手5の表面にカバー50を装着した状態を示している。
下部構成体1は、靴様の足載部6と、足載部6の(装着時における)左右両側に起立する下部支柱7とからなり、上部構成体2は、下肢に装着できる装着体8と、装着体8の(装着時における)左右両側に下垂する上部支柱9とからなる。この装具の装着は、長靴を履く要領で装着するものであり、足載部6に足を挿入し(このとき、バンド等で甲を押えておく)、装着体8を下腿に装着するものである。なお、片麻痺者の場合は、当該麻痺している方の下肢に、対麻痺者の場合は、両方の下肢に本発明の装具を装着することになる。
ステータ3は、上部支柱9に固定されるものであり、ケーシング3aで囲まれた短円筒状の密閉空間を三つの堰体10で周方向に仕切って扇形に形成した三つの流体室11を有しており、この流体室11には後述するMR流体が封入されている。なお、堰体10はノックピン10aを介してケーシング3a内に固定されており、堰体10とケーシング3aとの接触面には、液密性を維持するためフッ素樹脂等からなるパッキン40が前記堰体10の全周に取り付けられている。
また、本例では、ステータ3内に三つの流体室11を設ける場合を示しているが、このステータ3内に設けられる流体室11の数は、二つであってもよいし、四つ以上であってもよい。
ロータ4は、下部支柱7に固定されるものであって(ステータ3とロータ4の取付けは逆であってもよい)、ステータ3の中心に回転可能に挿入されている軸部12と、該軸部12から放射状に突設されて各流体室11に突入する仕切板13とを有している。したがって、仕切板13は各流体室11を前室14と後室15とに仕切っていることになる。このような構成であれば、軸部12を回転させようとしても、前室14と後室15とに充填されているMR流体は逃げ場がないから回転しない。なお、このロータ4の仕切板13にも、ステータ3のケーシング3aとの摺動面に、液密性を維持するためフッ素樹脂等からなるパッキン42が取り付けられている。また、図3中の符号44は、軸部12の全周に巻設された磁気シールである。
そこで、上記の通りこのままでは前室14と後室15に充填されているMR流体の逃げ場がなくロータ4は回転できないことから、ステータ3の室壁16で流体室11とは離れた位置に特定の流体室11の前室14と後室15とを連通する連通通路17を設ける。図7は図3のA−A断面図、図8はB−B断面図、図9はC−C断面図であるが、本例の連通通路17は、当該流体室11の前室14及び後室15とそれぞれ誘導通路18で連絡される二つの独立した弧状通路19を設け、弧状通路19の間に形成される帯状域を連通通路17としている。この場合、連通通路17の幅は弧状通路19の弧長よりも短く設定されている。
この連通通路17をすべての流体室11の前室14と後室15に形成しておけば、それぞれの前室14又は後室15のMR流体は後室15又は前室14との間で流通するから、仕切板13、すなわち、軸部12は回転できることになる。しかし、すべての流体室11に連通通路17を設けるとすれば、その構成は複雑になるし、スペース的な問題もある。このため、本例では、ロータ4の軸部12に各流体室11の前室14同士及び後室5同士を連絡する連絡通路20を設けている。なお、この連絡通路20は前室14用と後室15用とに分けて軸部12の軸方向に二列で構成している。
これにより、ロータ4を前進(図6で時計方向に回転)させようと思えば、特定の流体室11の前室14のMR流体は誘導通路18、弧状通路19及び連通通路17を通って後室14に流れ込むとともに、他の流体室11の前室14のMR流体は連絡通路20を通って後室15に流れ込み、最終的に特定の流体室11の後室15へと流れ込む。したがって軸部12、すなわち、ロータ4は回転できることになる。一方、ロータ4を後退させるときには、MR流体は上記と逆の経路を辿ることになる。
なお、温度変化等でMR流体が膨張して流体室11の内圧が上昇し、当該流体室11内からMR流体が漏出する虞がある。そこで、本例では、堰体10の側面に開口させて緩衝室21を設け、この中に流体室11の作動時における内圧よりも強いバネ係数を有するスプリング22を配置すると共に、前記スプリング22で弾発され緩衝室21内を摺動する調整板23を緩衝室21の開口側に設け、流体室11の内圧が過度に上昇した際にMR流体を当該緩衝室21に流入させて流体室11から外部へと漏出するのを防いでいる。
ところで、ステータ3とロータ4とが相対的に回転できるということは、下部構成体1と上部構成体2の回転(足首の屈伸)ができるということであるが、このときの回転抵抗(足首の屈伸抵抗)はMR流体に付与される磁力に応じて差異があり、歩行時、いつの時点でどの程度の回転抵抗にするかは後述する。この場合における継手5は下肢の外側の下部支柱7と上部支柱9に組み込まれ、このときのロータ4の軸部12は足関節位置に設定される。一方、内側の下部支柱7と上部支柱9も回転できる必要があるから、軸部12と同心のピン24で枢着している。
連通通路17の側面に、これを取り囲むように電磁石25(25aは電力線)を配しておけば、電磁石25に供給される電力を調整することで、連通通路17を流動するMR流体の粘度が変化し、下部構成体1と上部構成体2の回転抵抗が制御できることになる。このため、連通通路17は電磁石25に接近させ、かつ、電磁石25に対向する面を幅広にし、奥行きの浅い溝状のものにして電磁石25による磁力に鋭敏に反応するものにしている。加えて、電磁石25は、連通通路17の形状に沿った円形磁石にしてある。
なお、以上のような性能を発揮させるために、ステータ3やロータ4といったMR流体に隣接する部材はアルミ等の非磁性体で構成しておくのが好ましい。また、ステータ3やロータ4の全体をアルミ等の非磁性体で構成するものの他に、MR流体と接触する部分のみアルミ等の非磁性金属材料で形成し、MR流体と接触せず、高度な耐摩耗性が要求されない部分を熱可塑性樹脂などの合成樹脂で構成するようにしてもよい。このように非磁性金属材料と合成樹脂とをハイブリッド化させることにより、継手5を経済的に量産化することができると共に、継手5のより一層の軽量化を達成することもできるようになる。さらに、MR流体と接触するステータ3やロータ4の表面にDLC(ダイヤモンドライクカーボン;Diamond-like Carbon)等からなる耐摩耗性のコーティング層を設けるようにしてもよい。
ところで、上記したMR流体(Magneto-Rheological-Fluid)とは、粘性流体に磁気粉体を混ぜた帯磁性流体のことで、これに磁気を付与すると、MR流体は硬直して固体的機能を発揮して流動せず、解除すると硬直が解かれて自由に流動するという特性を有しているものである。いわば、付与される磁力に応じて粘度が変わる流体をいう。このMR流体には、LORD社のものがよく知られており、MRF-132ADやMRF-122-2EDといった商品名で市販されている。
次に、以上の装具1を装着した麻痺者が歩行するときの継手5の動きについて説明すると、生体の足首は脚の姿勢に応じて屈伸度が異なるが、これと同じ動きをこの継手5で行うのである。すなわち、足部を踏み出して下部構成体2の足載部4の裏面が地面に着地した後(立脚中期)は、体重の移動に伴って下部構成体2に対して上部構成体3は順次前方に屈曲して行く。つまり、立脚中期から立脚期の間では、継手5の回転はある程度自由である必要がある。一方、当該方の足部を持ち上げて足載部4を地面から離したとき(遊脚期)には、離れる瞬間の下部構成体2に対する上部構成体3の角度である鋭角状態(背屈位)が保たれているのが好ましい。すなわち、遊脚期には、継手5はロックされている必要がある。
これは、重度の麻痺者の場合であり、こうしないと、継手5が足の重み等で回転して爪先が下がり、蹟いて転倒したりするからである。この点で、以下の説明は、継手5の回転がロックされた状態とフリーの状態についてのものである。継手5の回転のロック、フリーは、連通通路17を流動するMR流体の粘度によって制御できるから、これを電磁石25へ供給する電力(電圧又は電流)の調整によって行う。電磁石25に供給される電力を大きくすれば、MR流体には大きな磁力が付与されてその粘度は上がり、継手5の回転抵抗は大きくなるが、反対に電力を小さくすれば、回転抵抗は小さくなる。
そこで、立脚期には磁力を小さくし、遊脚期には大きくすればよいのであるが、これを装具の装着者自身が操作するのは、実際問題無理である。そこで、足載部4が接地したか否かを判別するセンサー(図示省略)を設け、これによって電磁石25の磁力を調整するようにしている。このセンサーは、軸部12の回動角度を検出したり、足載部4の地上高さを検出したりするものであってもよいが、本発明では、簡単で動作が確実な荷重計を用い、これを足載部4の裏面に取り付けている。
この荷重計は足載部6に荷重(体重)がかかったか否かを判別するものであり、歪計や変位計といった歪や変位に対応する出力(電圧)が得られるものにしておく。そこで、荷重計の出力を計測し、この出力に応じた電力を電磁石25へ供給する電力の設定条件としておく。したがって、立脚期には荷重計からの出力が変動し、電磁石25には小さな電力が供給され、磁力は弱くなってMR流体の粘度は小さくなり、下部構成体1は上部構成体2に対して比較的自由に回転できる(足首が屈伸できる)。一方、遊脚期にはこれと逆の状況となるが(足首の屈伸は制限される)、このときの足首の角度は、足載部6が地上から離れた瞬間の姿勢を維持できるものになる。このようにして、麻痺者であっても、スムーズな歩行ができるのである。
この場合、センサーを足載部6の裏面に適宜な分布で多数設けておき、どのセンサーが反応したかを判別するようにしておくことも可能である。これによると、踏足期の各過程で各センサーからの各出力が逐次変わってくるから、各過程で異なる磁力を発生させることもでき、生体の足首により近い動きにすることもできる。
以上は、立脚期には継手5の回転を完全にフリーにする場合であるが、麻痺がより重度であったり、反対に麻痺が軽度であったり、回復期にある場合には、立脚期でも、継手5の回転をある程度の抵抗の下で可能にするのが好ましいことがある。例えば、立脚期に自立が難しいような重度の麻痺者の場合、継手5を完全にフリーに回転できるものにしておくと、転倒したりすることがある。逆に、軽度の麻痺や回復期にある場合は、踏足期における継手5の回転に抵抗をもたせることで、麻痺側の踏み切りが容易になるといったことがある。
このことは、遊脚期でも同様であり、遊脚期に継手5の回転を完全にロックせずに、継手5を背屈位に保持するためにある程度の力を要するようにすることが好ましいことがある。具体的には、回復期にある麻痺者等にこれを適用すると、ロックするための力を出す訓練にもなり、歩行機能を高めることになる。以上、いずれの場合でも、センサーからの出力に基づいて電磁石25へ供給する電力を加減するようにすればよい。なお、本例のロータリ型シリンダでは、流体室11を三つ形成して、仕切板13、すなわち、ロータ4を最大で60゜回転できるようにしている。生体の足関節の屈伸の角度がそうであるし、シリンダ室11を数多く形成できて回転抵抗の制御の幅を上げられるからである。
図10は第二実施例に係る同じく足関節機能を持たせた装具の側面図、図11は後面図、図12は装具を構成する足継手の断面図、図13は側面図であるが、本例のものは、継手26に係るMR流体シリンダをレシプロ型シリンダにしたものである。具体的には、シリンダ室27にMR流体を封入したシリンダ28と、シリンダ室27に前後に前室29と後室30を確保して突入されるピストン31とで構成し、シリンダ28から突出しているピストンロッド31aの一端を下部構成体1と上部構成体2とを枢着する連結軸32に固定したアーム33に連結ピン34で枢着するとともに、シリンダ28の他端を上部構成体2に連結したものである。なお、この取付けは逆にしてもよいのは第一実施例の場合と同じであるし、内側の下部構成体1と上部構成体2とは連結軸32と同芯のピン24で枢着しておくのも同じである。
シリンダ室27の前室29と後室30には同じくMR流体を封入し、シリンダ28の室壁35に前室29と後室30とを連絡する連通通路36を形成し、連通通路36の側面に電磁石37(37aは電力線)を配置する。本例の連通通路36は、連通孔38を介して中央の渡架通路39で連通されており、この渡架通路39は、電磁石37による磁力に鋭敏に反応させるため、電磁石37に近づけ、かつ、電磁石37に対向する面を幅広にして奥行きの浅い溝状のものにしている。また、電磁石37は渡架通路39を取り囲む方形磁石にしてある。
これにより、電磁石37へ供給する電力を調整することで、MR流体の粘度を変更でき、ピストン31の進退抵抗、つまり、下部構成体1と上部構成体2の回転抵抗を調整できることになる。なお、下部構成体1の裏面にセンサーを取り付けることやこのときの制御等については、上記した第一実施例の場合と同じである。本例によるものは、MR流体シリンダを通常のレシプロ型にできることから、構造が簡単になる利点がある。また、連結点が二点になることから、連結構成を工夫することで下腿と足とをある程度回旋させることもできる。
以上の下肢継手装具は足関節に関節機能を持たせたものであるが、関節機能を膝関節に持たせたものであってもよい。この場合、足関節機能は封殺して下部構成体1を膝近くまで延ばし、上部構成体2は上腿に装着することになるが(軸部12を膝関節に設定)、遊脚期、立脚期、踏足期でそれぞれセンサーによってMR流体シリンダの回転抵抗を制御することは同じである。また、足関節機能と膝関節機能を併有するものであってもよい。制御は複雑になるが、センサーからの出力をプログラムによってMR流体シリンダに出力すればよい。さらに、上肢に装着するものであってもよい。具体的には、肘関節機能や手首関節機能を持たせることである。この場合の制御は、手動によるものが一般的である。
1 下部構成体
2 上部構成体
3 ステータ
3a ケーシング
4 ロータ
5 足継手
6 足載部
7 下部支柱
8 装着体
9 上部支柱
10 堰体
10aノックピン
11 流体室
12 軸部
13 仕切板
14 前室
15 後室
16 ステータの室壁
17 連通通路
18 誘導通路
19 弧状通路
20 連絡通路
21 緩衝室
22 スプリング
23 調整板
24 ピン
25 電磁石
25a電力線
26 足継手
27 シリンダ室
28 シリンダ
29 前室
30 後室
31 ピストン
31aピストンロッド
32 連結軸
33 アーム
34 連結ピン
35 シリンダの室壁
36 連通通路
37 電磁石
37a電力線
38 連通孔
39 渡架通路
40 (堰体用の)パッキン
42 (仕切板用の)パッキン
44 磁気シール
50 カバー

Claims (6)

  1. 足部を支持する下部構成体と、下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する位置で継手によって身体の上下方向に屈伸可能に連結した下肢継手装具であり、
    前記継手を、
    短円筒状の密閉空間をその中心から周方向に仕切って扇形に形成した複数の流体室11に磁力によって粘度が変わるMR流体を封入し、下部構成体1又は上部構成体2のいずれか一方に取り付けられたステータと、
    関節位置に設定され、且つ、前記ステータ3の中心にて回転可能に支持された軸部12及び前記軸部12から突設され、該軸部12の周囲に配置された各流体室11の中に前後に前室14と後室15を確保する仕切板13とを有するロータとで構成し、
    前記ステータに特定の流体室11の前室14と後室15とを連通する連通通路17を流体室11から離して設けるとともに、ロータの軸部12に各流体室11の前室14同士及び後室15同士をそれぞれ連絡する連絡通路20を設け、
    連通通路17の側面に電磁石25を配し、電磁石25に供給される電力に基づく磁力を調整して連通通路17を流動するMR流体の粘度を制御し、
    下部構成体と上部構成体の回転抵抗を調整することを特徴とする下肢継手装具。
  2. 前記連通通路17が特定の流体室11のそれぞれ前室14と後室15とを各々誘導通路18で連絡した二つの半円形通路を連通する状態でその間に形成される帯状の通路であり、
    前記電磁石25が連通通路17を取り囲む円形磁石である請求項1の下肢継手装具。
  3. 前記流体室11が三室に分割され、前記仕切板13がそれぞれの流体室11で60゜の範囲で回転する請求項1又は2の下肢継手装具。
  4. 足部を支持する下部構成体と、下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する位置で継手26によって身体の上下方向に屈伸可能に連結した下肢継手装具であり、
    前記継手26を、
    シリンダ室27に磁力によって粘度が変わるMR流体を封入したシリンダ28と、シリンダ室27に前後に前室29と後室30を確保して突入されるピストン31とで構成し、
    シリンダ28又はピストン31の一端を関節位置に設定するとともに、シリンダ室27の前室29と後室30とを連通する連通通路36をシリンダ室27の外部に設ける他、連通通路36の側面に電磁石37を配し、電磁石37に供給される電力に基づく磁力を調整して連通通路36を流動するMR流体の粘度を制御し、
    下部構成体と上部構成体の回転抵抗を調整することを特徴とする下肢継手装具。
  5. 連通通路36が中央の渡架通路39で連通されてシリンダ28の室壁35に形成され、電磁石37が渡架通路39を取り囲む方形磁石である請求項4の下肢継手装具。
  6. 請求項1〜5いずれかの継手装具におけるロータとステータの回転抵抗又はピストン31とシリンダ28の進退抵抗を制御する下肢継手装具の制御方法であって、
    下部構成体の裏面に荷重を検出するセンサーを取り付け、センサーの出力に応じて電磁石25,37に供給される電力を調整して前記抵抗を制御することを特徴とする下肢継手装具の制御方法。
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