JP5904580B2

JP5904580B2 - 関節駆動装置

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Publication number: JP5904580B2
Application number: JP2012089994A
Authority: JP
Inventors: 行生武田; 達也古賀; 松浦　大輔; 大輔松浦
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: JP2013215461A

Description

本発明は、人体の関節駆動装置に関する。詳細には、関節回りの回転運動を助力又は増強することによって、関節のリハビリテーションや、自己の筋肉による能力以上の走行や跳躍又は運搬等を可能にする装置に関する。

怪我や高齢のために狭くなった関節の可動範囲を広げるために、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を繰り返し行うというリハビリテーションが必要である。一般的に、関節のリハビリテーションは、設備が整った病院に通わないと適切に行うことは難しい。そのため、通院に要する費用や時間が負担となり、それが原因で数多くの人が、リハビリテーションを中途半端に行ってしまう。中途半端なリハビリテーションの結果、患部が完治しないままに通常の生活に復帰すると、怪我の再発や患部の関節の可動域が狭くなってしまう等、患部を悪化させてしまう。

そこで、通院費用や通院時間軽減のため、自宅に居ながらにして行う在宅リハビリテーションが切望されている。しかしながら、在宅リハビリテーションには、（１）リハビリテーションを行うには大きな力が必要であり、長時間行う際には、リハビリテーションを行うパートナーに負担がかかる、（２）患者とパートナーとの両者の時間が必要なので、時間的な拘束が生じる、（３）専門でない人がリハビリテーションを行うと、患部の関節に対して不適切な負荷を与えて悪化させてしまう虞がある、という問題がある。

ここで、上述した関節に対する不適切な負荷について、足首を例に、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２及び図１３は、人の足首１の瞬間回転軸Ｘ１の変化を説明する概念図である。下腿部２の長手方向の軸線が紙面に対して平行に延びているとして、足首１の関節における紙面に対して垂直方向の回転軸Ｘ１回りに、下腿部２に対して足部３を回転させた場合を考える。人体の筋骨格構造は非常に複雑であるため、下腿部２に対する足部３の回転角に応じて回転軸Ｘ１の位置が変化する。従って、関節回りの屈曲運動及び伸展運動の回転軸Ｘ１は一定ではなく、下腿部２に対する足部３の回転角に応じた瞬間回転軸Ｘ１が存在する。

さらに、図１２及び図１３は、紙面に対して垂直方向の回転軸回りに動きを固定した平面運動の場合であって、実際には、瞬間回転軸は、紙面に対して垂直方向以外の傾いた状態、すなわち空間的な配置にもなり得る。従って、リハビリテーションにおいて、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を行う際に加わる外力が、姿勢に応じた関節の瞬間回転軸に関する純粋なモーメントでない場合、不適切な負荷を患部に与えてしまう。すなわち、リハビリテーションでは、関節回りのトルクのみを加え、それ以外の負荷は加えないことが望ましい。

ところで、リハビリテーションを機械的に行うリハビリテーション装置等の関節駆動装置が公知である（特許文献１乃至５及び非特許文献１乃至５参照）。

特許４７５３１３８号公報特許４４２１３０４号公報特許４２８０４３８号公報特許３９６８４１６号公報特開２０１２−０２９７８７号公報

Developments of a Knee Motion Assist Mechanism for Wearable Robot with a Non-circular Gear and Grooved Cams, Mechanisms and Machine Science, Volume 3, Part 2, pp.69-76, 2012 Self-aligning exoskeleton axes through decoupling of joint rotations and translation, IEEE Transactions on Robotics, v 25, n 3, pp.628-633, 2009, Special Issue on Rehabilitation Robotics Design of self-adjusting orthoses for rehabilitation, Proceedings of the IASTED International Conference on Robotics and Applications, pp.215-223, 2009 A new one-DOF fully parallel mechanism for modeling passive motion at the human tibiotalar joint, Journal of Biomechanics, v 42, n 10, pp.1403-1408, July 22, 2009 Ergonomic considerations for anthropomorphic wrist exoskeletons: A simulation study on the effects of joint misalignment, IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.4905-4910, 2011

これに関し、特許文献１乃至３に記載されたリハビリテーション装置は、いずれも関節の瞬間回転軸を考慮したものではなく、従って、不適切な負荷を関節に与えてしまう。

また、特許文献４に記載されたリハビリテーション装置は、下肢等の複数の部位を牽引することによって、より人体に対する不適切な負荷を軽減するようにしている。しかし、特許文献４に記載された装置は、非常に大型であり且つ高価である。また、特許文献５に記載された血栓症予防装置は、足裏と装置の揺動体の間に受動的に動くスライダ機構を設けることで足首の回転軸と装置の回転軸の位置の不一致に対応して足首の屈曲・伸展運動をモータにより行わせるものである。

非特許文献１には、膝関節の運動支援のために、各個人の膝の動きに合わせて設計した非円形歯車と溝カムを用いて回転軸の位置の変化に対応する装置が開示されている。また、非特許文献２及び３には、足首の自由度より機構の自由度を多くした装置が開示されている。その結果、足首の回転軸と装置による外力の回転軸にずれが生じた場合に発生する負荷を低減するように、装置による回転軸が受動的に動くことで足首の回転軸の位置の変化に対応している。

しかしながら、その他非特許文献４及び５に記載の装置も含め、上述のいずれの従来技術も関節の平面運動に対応するものがほとんどであり、３次元的な関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に、軽量で小型且つ簡便な機構で対応するものではない。

そこで本発明は、関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に、軽量で小型且つ簡便な機構で対応可能な関節駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、関節に対して一方の側の人体の第１部位に取り付けられる回転駆動機構と、該回転駆動機構に取り付けられ、該回転駆動機構によって回転する第１リンク部材と、摺動機構を備えた第１接続部材を有し、該第１接続部材によって前記第１リンク部材に対して垂直な状態で該第１リンク部材に沿って受動的に摺動可能に接続された第２リンク部材と、前記関節に対して他方の側の人体の第２部位を保持する保持部材であって、摺動機構を備えた第２接続部材を有し、該第２接続部材によって該第２リンク部材に沿って受動的に摺動可能に接続された保持部材と、を具備し、前記回転駆動機構の回転に応じて、前記第１接続部材及び前記第２接続部材が受動的に摺動し、前記第２部位を前記第１部位に対して前記関節回りに回転させる関節駆動装置が提供される。

すなわち、請求項１に記載の発明では、関節駆動装置にオルダム継手機構の原理を適用することによって、関節の回転軸（瞬間回転軸）の位置が変化したとしてもその変化に受動的に対応し、関節には力を伝達せずに関節回りのトルクのみを伝達することが可能となる。従って、関節に対して不適切な負荷を与えることなく、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を繰り返すことができ、リハビリテーションを行うことが可能となる。また、当該関節駆動装置が、回転軸の位置の変化に対応できるということから、当該関節駆動装置の人体に対する取り付け位置を正確に決定する必要もない。従って、使用者の身長や体重、性別や年齢等に応じて装置の構成を変更する必要もない。さらに、当該関節駆動装置は、その機構と該機構が取り付けられる関節回りの人体とを１つの系と考え、その系の自由度が１となるように構成されている。従って、当該関節駆動装置は、回転駆動機構という１つのアクチュエータのみで駆動可能となる。すなわち、当該関節駆動装置は、回転駆動機構以外は受動的な機構で構成されていることから、部品及びセンサ等は最小限の数で構成可能である。従って、当該関節駆動装置は、非常に軽量で小型且つ簡便な機構である。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記第１接続部材及び第２接続部材が、回転機構をさらに備えてそれぞれの摺動方向の軸線回りに受動的に回転可能である関節駆動装置が提供される。

すなわち、請求項２に記載の発明では、関節駆動装置全体として、少なくとも５自由度の出力自由度を有するため、人体の第１部位に対する第２部位の相対的な姿勢の自由度が高い。従って、装置使用時において、関節に対する不適切な負荷が少ないという効果を奏する。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項２に記載の発明において、前記保持部材が、回転機構を備えた第３接続部材をさらに有して前記第２リンク部材の摺動方向に対して垂直な方向の軸線回りに回転可能である関節駆動装置が提供される。

すなわち、請求項３に記載の発明では、関節駆動装置全体として、少なくとも６自由度の出力自由度を有するため、人体の第１部位に対する第２部位の相対的な姿勢の自由度が、請求項２に記載の発明と比較してより高くなる。従って、装置使用時において、請求項２に記載の発明と比較してより関節に対する負荷が少なくなるという効果を奏する。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１乃至３のいずれか１つに記載の発明において、前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材が湾曲している関節駆動装置が提供される。

すなわち、請求項４に記載の発明では、第１リンク部材及び第２リンク部材が湾曲していることによって、関節駆動装置を装着した状態で、関節駆動装置が人体からの突出量を減少させることが可能となる。従って、関節駆動装置をより小型化することが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に、軽量で小型且つ簡便な機構で対応可能になるという共通の効果を奏する。

本発明の第１実施形態による足首のリハビリテーション装置の機構図を含む概念図である。図１に示された足において、足部を爪先側に曲げた状態の概念図である。オルダム継手機構を説明する図である。図３に示されたオルダム継手機構の自由体図である。足を例に人体の関節部分をモデル化した関節代替機構の機構図を含む概念図である。本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置の機構図を含む概念図である。図６に示された足の状態を正面から見た概念図である。本発明の第２実施形態による関節代替機構を含む足首のリハビリテーション装置の斜視図である。本発明の第２実施形態による関節代替機構を含む足首のリハビリテーション装置の別の斜視図である。本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置の機構図である。本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置の動作によって足首にかかる力と足首の角変位との関係を示す実験結果である。人の足首の瞬間回転軸の変化を説明する概念図である。人の足首の瞬間回転軸の変化を説明する概念図である。

以下、本発明の関節駆動装置について、リハビリテーション装置を例に説明する。また、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、本発明の第１実施形態による足首１のリハビリテーション装置１０の機構図を含む概念図であり、図２は、図１に示された足において、足部３を爪先側に曲げた状態の概念図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の第１実施形態による足首１のリハビリテーション装置１０が、下腿部２に装着されている。リハビリテーション装置１０は、回転駆動機構１１と、第１リンク部材１２と、第２リンク部材１３と、保持部材１４とを有している。

回転駆動機構１１は、伝動用のモータであり、その回転軸Ｘ０は紙面に対して垂直な方向である。第１リンク部材１２及び第２リンク部材１３は、直線状のロッドである。保持部材１４は、使用者がその足部３を上から載せて足部３が自由に動かぬように固定し保持するプレート状の部材であり、リハビリテーション装置１０によるトルクを足部３に伝達する役割を果たす。

第１リンク部材１２の一端は、回転駆動機構１１に取り付けられ、回転駆動機構１１の回転に応じて回転又は揺動するように構成されている。すなわち、回転駆動機構１１と第１リンク部材１２とは１自由度を有する能動的な回転対偶を構成する。

第２リンク部材１３は、一端に第１接続部材１５を有する。第２リンク部材１３は、第１接続部材１５によって、第１リンク部材１２に対して垂直な状態で第１リンク部材１２に沿って摺動可能に接続されている。すなわち、第１リンク部材１２と第２リンク部材１３とは、１自由度を有する受動的な直進対偶を構成する。

保持部材１４は、その前方、すなわち爪先側に第２接続部材１６を有する。保持部材１４は、第２接続部材１６によって、足部３を第２リンク部材１３に対して所定の姿勢に保持しつつ該第２リンク部材１３に沿って摺動可能に接続されている。すなわち、第２リンク部材１３と保持部材１４とは、１自由度を有する受動的な直進対偶を構成する。

ここで、下腿部２に対する足部３の回転軸、すなわち足首１の関節における回転中心を回転軸Ｘ１とする。上述したように、回転軸Ｘ１は、下腿部２に対する足部３の回転角に応じてその位置が変化する瞬間回転軸Ｘ１である。瞬間回転軸Ｘ１と第２接続部材１６とを結ぶ仮想リンクＨ１を考えると、瞬間回転軸Ｘ１と仮想リンクＨ１とは、１自由度を有する受動的な仮想回転対偶Ｈ０を構成する。本実施形態において、瞬間回転軸Ｘ１は、回転駆動機構１１の回転軸Ｘ０と平行、すなわち紙面に対して垂直な方向とする。

以上より、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０は、第１リンク部材１２と第２リンク部材１３と仮想リンクＨ１とを有し、これと下腿部２は同一平面上に軌道を有する平面４節リンク機構を構成する。

次に、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０の動作について説明する。回転駆動機構１１は、例えば、図示しない角度センサ等によってその回転角が測定され、角速度等が算出される。これらの値に基づき、図１に示された制御装置５０によって回転角及び角速度等が制御される。当然のことながら、制御装置５０は、リハビリテーションを必要としない健常な人の関節の可動域を越えることのない可動限界の範囲内で、回転駆動機構１１を制御する。この限界の可動域は、足首や手首等の部位による他、性別や年齢等に応じて定めてもよい。なお、制御装置５０は、図２以降の図においては省略されている。

図１に示された足の状態から、リハビリテーション装置１０を用いて図２に示された足の状態、すなわち足部３を爪先側に曲げた状態に足首１を屈曲させる場合を考える。これは、怪我等によって足首１の爪先側の屈曲方向の可動域の限界が図１に示された状態である場合に行われるリハビリテーションに相当する。

制御装置５０で制御された回転駆動機構１１によって、第１リンク部材１２を図１及び図２において反時計回りに回転させる。この回転運動によって、第２リンク部材１３を介して、保持部材１４さらには足部３、すなわち仮想リンクＨ１を瞬間回転軸Ｘ１回りに回転させる。ここで、上述したように、人体の筋骨格構造に起因し、瞬間回転軸Ｘ１の位置は、仮想リンクＨ１の回転と共に変位する。このとき、第１接続部材１５が第１リンク部材１２に対して受動的に摺動し、且つ、第２接続部材１６が第２リンク部材１３に対して受動的に摺動することによって、瞬間回転軸Ｘ１の変位に対して柔軟に対応することができる。その結果、瞬間回転軸Ｘ１に対して力が伝達されることなく、トルクのみが伝達される。

従って、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０によれば、回転駆動機構１１の回転運動を、回転駆動機構１１から離れた位置に存在する瞬間回転軸Ｘ１に対して力を伝達させることなく、角速度比一定の瞬間回転軸Ｘ１回りの回転運動として伝達する運動伝達機構を実現することが可能となる。こうした機構は、次に説明するオルダム継手機構を利用している。

図３は、オルダム継手機構を説明する図であり、図４は、図３に示されたオルダム継手機構の自由体図である。対偶Ａは、能動的な回転対偶であり、当該対偶にトルクを入力する。対偶Ｂ及び対偶Ｃは受動的な直進対偶である。対偶Ｄは、受動的な回転対偶であり、対偶Ａから入力されたトルクをモーメントとして出力する。当該機構と図１及び図２に示された本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０とを比較すると、回転対偶Ａは、回転駆動機構１１に相当し、直進対偶Ｂは、第１リンク部材１２と第２リンク部材１３とが構成する直進対偶に相当し、直進対偶Ｃは、第２リンク部材１３と保持部材１４とが構成する直進対偶に相当し、回転対偶Ｄは、瞬間回転軸Ｘ１と仮想リンクＨ１とが構成する仮想回転対偶Ｈ０に相当する。

図４に基づいて、各リンクにかかる力を求めると以下の式が成り立つ。ｘ方向成分の力の釣り合いの式は、以下の式（１）乃至式（３）のようになる。
Ｆ_1x＋Ｆ_2x＝０・・・（１）
−Ｆ_2x＋Ｆ_3x＝０・・・（２）
−Ｆ_3x＋Ｆ_4x＝０・・・（３）
よって、以下の式（４）が成り立つ。
Ｆ_1x＝−Ｆ_2x＝−Ｆ_3x＝−Ｆ_4x ・・・（４）

ｙ方向成分の力の釣り合いの式も同様に、以下の式（５）乃至式（７）のようになる。
Ｆ_1y＋Ｆ_2y＝０・・・（５）
−Ｆ_2y＋Ｆ_3y＝０・・・（６）
−Ｆ_3y＋Ｆ_4y＝０・・・（７）
よって、以下の式（８）が成り立つ。
Ｆ_1y＝−Ｆ_2y＝−Ｆ_3y＝−Ｆ_4y ・・・（８）

さらに、モーメントの釣り合いの式は、以下の式（９）乃至式（１１）のようになる。
τ₁＋τ₂＝０・・・（９）
−τ₂＋τ₃＝０・・・（１０）
−τ₃＋τ₄＝０・・・（１１）
よって、以下の式（１２）が成り立つ。
τ₁＝−τ₂＝−τ₃＝−τ₄ ・・・（１２）

ここで、対偶Ｂ及び対偶Ｃは、受動的な直進対偶であるため、これらの運動方向には力を受けることはできない。そこで以下の式（１３）及び式（１４）が成り立つ。
Ｆ_2y＝０・・・（１３）
Ｆ_3x＝０・・・（１４）
式（４）及び式（８）並びに式（１３）及び式（１４）より、以下の式（１５）及び式（１６）が成り立つ。
Ｆ_1x＝Ｆ_2x＝Ｆ_3x＝Ｆ_4x ・・・（１５）
Ｆ_1y＝Ｆ_2y＝Ｆ_3y＝Ｆ_4y ・・・（１６）

以上より、回転対偶Ｄに加わる力は０となり、回転対偶Ｄはモーメントの−τ₄のみ受けることが分かる。従って、図１及び図２に示されたオルダム継手機構によれば、回転対偶Ａに入力されたトルクは、受動的な直進対偶Ｂ及び直進対偶Ｃを介すことによって、回転対偶Ａから離れた位置に存在する回転対偶Ｄに対して伝達される。このとき、力は回転対偶Ｄに対して伝達されない。以上が、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０及び次に説明する第２実施形態によるリハビリテーション装置２０が利用するオルダム継手機構の基本的構造である。

上述したように、本発明の第１実施形態による足首のリハビリテーション装置１０は平面４節リンク機構である。従って、回転駆動機構１１の回転軸Ｘ０と足首１の関節における瞬間回転軸Ｘ１とが、平行、すなわち平面４節リンク機構の平面に対して垂直でない場合には、瞬間回転軸Ｘ１に対して不適切な負荷となる力が伝達される。そこで、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０では、両回転軸が平行でない場合、すなわち空間的な瞬間回転軸Ｘ２に対して力を伝達させない機構を実現する。これに関し、図５を参照しながら関節代替機構について次に説明する。

図５は、足を例に人体の関節部分をモデル化した関節代替機構４の機構図を含む概念図である。関節代替機構４は、関節の回転軸の変位、すなわち瞬間回転軸Ｘ２を再現するためクロスしている４節リンク機構５と、回転機構６及び回転機構７とを有している。４節リンク機構５において、リンク同士の交点が瞬間回転軸Ｘ２となる。瞬間回転軸Ｘ２回りの下腿部２に対するリンク８の回転角はθｆで表される。また、回転機構６は、下腿部２の長手方向の軸線回りの回転θを再現し、回転機構７は、下腿部２の長手方向に垂直な方向の軸線回りの回転φを再現する。これに基づき、本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置２０について説明する。

図６は、本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置２０の機構図を含む概念図であり、図７は、図６に示された足の状態を正面から見た概念図である。また、図８は、本発明の第２実施形態による関節代替機構を含む足首のリハビリテーション装置２０の関節代替機構４を含む斜視図であり、図９は、本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置２０の関節代替機構４を含む別の斜視図である。さらに、図１０は、本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置２０の機構図である。なお、図１０には、各対偶に相当する部材又は仮想の要素の参照符号が付されている。

図６及び図７を参照すると、本発明の第２実施形態による足首１のリハビリテーション装置２０が、下腿部２に装着されている。また、図８及び図９を参照すると、本発明の第２実施形態による関節代替機構を含む足首１のリハビリテーション装置２０が、足首１の関節代替機構４に組み合わされて示されている。リハビリテーション装置２０は、回転駆動機構２１と、第１リンク部材２２と、第２リンク部材２３と、保持部材２４とを有している。

回転駆動機構２１は、伝動用のモータであり、その回転軸Ｘ０は図６の紙面に対して垂直な方向である。第１リンク部材２２及び第２リンク部材２３は、直線状のロッドである。保持部材２４は、使用者がその足部３を上から載せて足部３が自由に動かぬように固定し保持するプレート状の部材であり、リハビリテーション装置２０によるトルクを足部３に伝達する役割を果たす。

第１リンク部材２２の一端は、回転駆動機構２１に取り付けられ、回転駆動機構２１の回転に応じて回転又は揺動するように構成されている。すなわち、回転駆動機構２１と第１リンク部材２２とは１自由度を有する能動的な回転対偶を構成する。

第２リンク部材２３は、一端に第１接続部材２５を有する。第２リンク部材２３は、第１接続部材２５によって、第１リンク部材２２に対して垂直な状態で第１リンク部材２２に沿って摺動可能であり、且つ、摺動方向の軸線回りに回転可能に接続されている。例えば、第１接続部材２５は、ボールブッシュの構造を利用することによって、摺動機構と回転機構を同時に実現することが可能となる。従って、第１リンク部材２２及び第２リンク部材２３は、直進対偶と回転対偶との機能を併せ持つ、２自由度の受動的な円筒対偶を構成する。

保持部材２４は、その前方、すなわち爪先側に第２接続部材２６及び第３接続部材２７を有する。保持部材２４及び第３接続部材２７は、第２接続部材２６によって、足部３を第２リンク部材２３に対して所定の姿勢に保持しつつ該第２リンク部材２３に沿って摺動可能であり、且つ、摺動方向の軸線回りに回転可能に接続されている。例えば、第２接続部材２６は、ボールブッシュの構造を利用することによって、摺動機構と回転機構を同時に実現することが可能となる。従って、第２リンク部材２３と保持部材２４及び第３接続部材２７とは、直進対偶と回転対偶との機能を併せ持つ、２自由度の受動的な円筒対偶を構成する。これら２つの円筒対偶によって、回転駆動機構２１の回転軸Ｘ０と足首１の瞬間回転軸Ｘ２の位置及び姿勢のずれを補償し且つ力が伝達されることを防止している。

また、保持部材２４は、第３接続部材２７によって、足部３を第２接続部材２６に対して所定の姿勢に保持しつつ第２リンク部材２３の摺動方向に対して垂直な方向の軸線回りに回転可能に接続されている。すなわち、保持部材２４と第３接続部材２７とは、１自由度を有する受動的な回転対偶を構成する。この回転対偶によって、回転駆動機構２１の回転軸Ｘ０と足首１の瞬間回転軸Ｘ２のずれを補償している。

ここで、下腿部２に対する足部３の回転軸Ｘ２、すなわち足首１の関節における回転中心を回転軸Ｘ２とする。上述したように、回転軸Ｘ２は、下腿部２に対する足部３の回転角に応じてその位置及び姿勢が空間的に変化する瞬間回転軸Ｘ２である。瞬間回転軸Ｘ２と第３接続部材２７とを結ぶ仮想リンクＨ２を考えると、瞬間回転軸Ｘ２と仮想リンクＨ２とは、１自由度を有する受動的な仮想回転対偶Ｈ０を構成する。

次に、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０の動作について説明するが、基本的な原理は、上述した本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０と同様である。すなわち、回転駆動機構２１は、例えば、図示しない角度センサ等によってその回転角が測定され、角速度等が算出される。これらの値に基づき、上述した制御装置５０によって回転角及び角速度等が制御される。当然のことながら、制御装置５０は、リハビリテーションを必要としない健常な人の関節の可動域を越えることのない可動限界の範囲内で、回転駆動機構２１を制御する。この限界の可動域は、足首や手首等の部位による他、性別や年齢等に応じて定めてもよい。

制御装置５０で制御された回転駆動機構２１によって、第１リンク部材２２を回転させる。この回転運動によって、第２リンク部材２３を介して、保持部材２４さらには足部３、すなわち仮想リンクＨ２を瞬間回転軸Ｘ２回りに回転させる。ここで、上述したように、人体の筋骨格構造に起因し、瞬間回転軸Ｘ２の位置及び姿勢は変位する。しかし、この場合でも、第１接続部材２５が第１リンク部材２２に対して受動的に摺動且つ回転し、第２接続部材２６が第２リンク部材２３に対して受動的に摺動且つ回転し、第３接続部材２７が第２接続部材２６に対して受動的に回転することによって、瞬間回転軸Ｘ２の変位に対して柔軟に対応することができる。その結果、瞬間回転軸Ｘ２に対して力が伝達されることなく、トルクのみが伝達される。

従って、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０によれば、回転駆動機構２１の回転運動を、回転駆動機構２１から離れた位置に存在する瞬間回転軸Ｘ２に対して力を伝達させることなく、角速度比一定の瞬間回転軸Ｘ２回りの回転運動として伝達する運動伝達機構を実現することが可能となる。すなわち、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０は、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０と同様に、オルダム継手機構の原理を利用している。さらに、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０が平面的な運動伝達機構であったのに対し、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０は、空間的な運動伝達機構であると言える。

図１１は、本発明の第２実施形態による足首のリハビリテーション装置２０の動作によって足首１にかかる力と足首の角変位との関係を示す実験結果である。実験の際には、図５に示されたモデルに基づき、図８及び図９に示されたリハビリテーション装置２０を使用し、力センサ２８によって負荷を測定した。

実験では、図５に示された角度θ、φ及びθｆ、さらにリハビリテーション装置２０が足首を動かす際に必要なトルクＮの４つの条件を設定して測定する。上述したように、θは下腿部２の長手方向の軸線回りの回転角であり、爪先が正面を向いた状態を０とする。また、φは下腿部２の長手方向に垂直な方向の軸線回りの回転角であり、足部３がその支持面（保持部材２４）に直立した状態を０とする。θｆは、４節リンク機構５の存在する平面上にある所定の直線と、瞬間回転軸Ｘ２を形成するリンク交点を構成するリンク８との成す角であり、足首１の屈曲運動及び伸展運動の程度を示す指標とする。

図１１を参照すると、横軸はθｆであり、縦軸は力センサ２８によって測定された関節代替機構４にかかる負荷を示す。実線で示された測定結果Ｋ１は、θ＝０度、φ＝３８．９度、Ｎ＝１６Ｎｍの場合であり、破線で示された測定結果Ｋ２は、θ＝０度、φ＝３８．９度、Ｎ＝１２Ｎｍの場合であり、一点鎖線で示された測定結果Ｋ３は、θ＝０度、φ＝２１，５度、Ｎ＝１２Ｎｍの場合である。

図１１から明らかなように、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０によれば、θｆの値、すなわち足首の屈曲運動及び伸展運動の程度や、φの値、すなわち足首の姿勢や、足首を動かす際に必要なトルクＮの大きさに拘わらず、足首にはほぼ一定の力が加わっているものの変動が少ない。変動が少ないということは、このほぼ一定の力は当該装置の自重や摩擦等であって、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０の動作に起因する足首への負荷は非常に少ないと言える。従って、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０の有効性が実験によって立証された。

本発明によるリハビリテーション装置を用いたリハビリテーション法の一例として、可動域付近までは患者が自分で患部を動かし、可動域付近になると装置が力を出すような手順を行うことが挙げられる。それによれば、装置がトルクを出力する範囲は少なくて済み、静止状態と変わらないとみなすことができる。

上述した本発明の各実施形態による足首のリハビリテーション装置によれば、以下の効果を奏する。すなわち、リハビリテーション装置にオルダム継手機構の原理を適用することによって、瞬間回転軸の位置及び姿勢が変化したとしてもその変化に受動的に対応し、足首には力を伝達せずに足首回りのトルクのみを伝達することが可能となる。従って、足首に対して不適切な負荷を与えることなく、足首回りの屈曲運動及び伸展運動を繰り返すことができ、リハビリテーションを行うことが可能となる。また、当該リハビリテーション装置が、瞬間回転軸の位置の変化に対応できるということは、当該リハビリテーション装置の人体に対する取り付け位置を正確に決定する必要もない。従って、使用者の身長や体重、性別や年齢等に応じて装置の構成を変更する必要もない。さらに、当該リハビリテーション装置は、その機構と該機構が取り付けられる足首回りの人体とを１つの系と考え、その系の自由度が１となるように構成されている。従って、当該リハビリテーション装置は、回転駆動機構という１つのアクチュエータのみで駆動可能となる。すなわち、当該リハビリテーション装置は、回転駆動機構以外は受動的な機構で構成されていることから、部品及びセンサ等は最小限の数で構成可能である。従って、当該リハビリテーション装置は、非常に軽量で小型且つ簡便な機構である。

さらに、本発明の第１実施形態によるリハビリテーション装置１０の装置全体の自由度が３であるのに比べて、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０の装置全体の自由度は、６である。従って、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０は、下腿部２に対する足部３の相対的な姿勢の自由度がより高く、装置使用時において、足首１に対する不適切な負荷がより少ないという効果を奏する。

なお、装置の簡略化及び軽量化のため、本発明の第２実施形態によるリハビリテーション装置２０における第３接続部材２７を省略してもよい。この場合、装置全体の自由度は５となる。

さらに、各実施形態において、第１リンク部材及び第２リンク部材を直線状のロッドに代えて、湾曲した形状であってもよい。この場合、第１リンク部材及び第２リンク部材に関する接続構造に関する記載において、「垂直」なる語は、その接続部の接線を基準に考えてもよい。第１リンク部材及び第２リンク部材が湾曲していることによって、リハビリテーション装置を装着した状態で、リハビリテーション装置が人体からの突出量を減少させることが可能となる。従って、リハビリテーション装置をより小型化することが可能となる。

本発明によるリハビリテーション装置は、上述した足首以外にも、膝、肘、手首、指、首等その他の関節のリハビリテーションに対しても適用可能である。その場合、保持部材はその部位に適した形状に置き換えられることは言うまでもない。例えば、上述したプレート状の部材ではなく、バンド等で拘束するようにしてもよい。

また、本発明によるリハビリテーション装置は、回転駆動機構を関節に対して近位側、すなわち胴体に近い側に取り付けることが望ましい。しかしながら、取り付け部位やリハビリテーション装置自体の形状によっては、回転駆動機構を関節に対して遠位側、すなわち胴体から遠い側に取り付けてもよい。

以上、本発明の関節駆動装置について、リハビリテーション装置を例に説明してきた。しかしながら、本発明の関節駆動装置を、自己の筋肉による能力以上の走行や跳躍又は運搬等が可能となるように構成してもよい。すなわち、強力な伝動用のモータを使用することによって、関節に対する不適切な負荷を抑えつつ、より速く走行し、より高く跳躍し、又は、より重い物を持ち上げることが可能となる。

１０リハビリテーション装置
１１回転駆動機構
１２第１リンク部材
１３第２リンク部材
１４保持部材
１５第１接続部材
１６第２接続部材

Claims

関節に対して一方の側の人体の第１部位に取り付けられる回転駆動機構と、
該回転駆動機構に取り付けられ、該回転駆動機構によって回転する第１リンク部材と、
摺動機構を備えた第１接続部材を有し、該第１接続部材によって前記第１リンク部材に対して垂直な状態で該第１リンク部材に沿って受動的に摺動可能に接続された第２リンク部材と、
前記関節に対して他方の側の人体の第２部位を保持する保持部材であって、摺動機構を備えた第２接続部材を有し、該第２接続部材によって該第２リンク部材に沿って受動的に摺動可能に接続された保持部材と、
を具備し、
前記回転駆動機構の回転に応じて、前記第１接続部材及び前記第２接続部材が受動的に摺動し、前記第２部位を前記第１部位に対して前記関節回りに回転させる関節駆動装置。
前記第１接続部材及び第２接続部材が、回転機構をさらに備えてそれぞれの摺動方向の軸線回りに受動的に回転可能である請求項１に記載の関節駆動装置。
前記保持部材が、回転機構を備えた第３接続部材をさらに有して前記第２リンク部材の摺動方向に対して垂直な方向の軸線回りに回転可能である請求項２に記載の関節駆動装置。
前記第１リンク部材及び前記第２リンク部材が湾曲している請求項１乃至３のいずれか１つに記載の関節駆動装置。