JP5908983B2 - 下肢用外骨格 - Google Patents

Description

本発明は、外骨格（exoskeleton）に関し、更に詳細には、ユーザの脚部の領域に配置される下肢用外骨格に関する。

以下の全てにおいて、述べられた軸線および平面の配向は、自身の下肢を静置したユーザにより上記外骨格が装着されたときのものであると理解されるべきである。

特許文献１は、ユーザにより装着されるようにされた下肢用外骨格であって、
− ユーザの身体の上側部分に固定するための手段を備えた骨盤用要素と、
− ユーザの下肢に固定するための手段を備えると共に、立脚期の間に地面上に載置される２つの下側支持体であって、該支持体の各々は大腿用セグメントおよび脛骨用セグメントを有し、当該大腿用セグメントおよび当該脛骨用セグメントはこれらの間で屈曲および伸長ができるように構成された膝部用リンク部材により接続される、２つの下側支持体と、
− 上記２つの下側支持体を上記骨盤用要素に対して接続する股関節用リンク部材と、
を有する下肢用外骨格を開示している。

上記文献において、上記骨盤用要素は、
− 上記下側支持体の外転および内転の運動を許容するために、ユーザに固定するための部材（ベルト、背部支持体など）上で、縦方向軸線（矢状面に含まれた水平軸線）に沿い連接結合された一部材式であり（この構成においては、一方の下側支持体の外転は、他方の下側支持体の内転を必然的に引き起こすことを銘記すべきである）、
− 各下側支持体の外転および内転の独立的な運動を許容するために、ユーザに固定するための部材上で、平行な各縦方向軸線に沿い連接結合された二部材式であり、および、
− 各下側支持体に対して独立的に、該下側支持体の外転および内転の運動を許容するために、弾性ヒンジにより上記連結部材に対して接続された二部材式である、
複数の変更例が示されている。

この種の骨盤用要素は、ユーザの各下肢の自然な運動に対し、常に最適には追随しないことが見出された。

米国特許出願公開第２００６／０２６０６２０（Ａ１）号明細書

本発明の目的は、大腿用セグメントおよび脚部用セグメントが、ユーザの各下肢の自然な運動に対して更に容易に追随するという下肢用外骨格を実現することである。

この目的を達成するために、ユーザにより装着されるようにされた下肢用外骨格であって、
ユーザの身体の上側部分に固定するための手段を備えた骨盤用要素と、
ユーザの下肢に固定するための手段を備えると共に、立脚期の間に地面上に載置される２つの下側支持体であって、該支持体の各々は大腿用セグメントおよび脛骨用セグメントを有し、当該大腿用セグメントおよび当該脛骨用セグメントはこれらの間において屈曲および伸長ができるように構成された膝部用リンク部材により接続される、２つの下側支持体と、
上記２つの下側支持体を上記骨盤用要素に対して接続する股関節用リンク部材と、
を有する下肢用外骨格が作成される。

本発明に依れば、上記骨盤用要素は、
− 正中矢状面に対して対称的に延在すると共に、ユーザに固定するための上記手段に付設された内側セグメントと、
− 対称的に延在する２つの外側セグメントであって、少なくとも、上記内側セグメントと当該外側セグメントの各々との間において実質的に直交する２つの軸線に沿った屈曲を可能にする結合部材により、上記内側セグメントの各々の末端に対して接続される２つの外側セグメントとを有し、
各下側支持体は、上記股関節用リンク部材の一方により、上記外側セグメントの一方に対して接続される。

故に、上記内側セグメントと上記外側セグメントとの間に介設された上記結合部材は、上記骨盤用要素の変形の可能性を提供することから、上記外骨格は、ユーザの下肢の自然な運動に更に良好に追随することができる。

本発明の第１実施例に依れば、各結合部材は、鉛直な軸線に沿う回動リンク部材により、上記内側セグメントの末端に対して接続された基端と、水平な軸線に沿う回動リンク部材により、対応する外側セグメントの基端に対して接続された末端と、を有する中間セグメントを備える。故に、この様に構成された上記結合部材は、カルダン継手に類似する。

これらの回動リンク部材は、好適には、スプリングもしくは緩衝器の如き調節部材を備え、または、これらのリンク部材が制御されなければならない場合は、アクチュエータさえも備える。

本発明の第２実施例に依れば、各結合部材は、実質的に鉛直な平面に沿って延在するブレードであって、上記内側セグメントの末端に対して係合された基端と、対応する外側セグメントの基端に対して係合された末端とを有するという変形可能なブレードを備える。該変形可能なブレードは、屈曲および捩れを被り得る。上記ブレードの屈曲により、鉛直軸線に沿った上記内側セグメントと外側セグメントとの間の屈曲が確実になる一方で、該ブレードの捩れにより、水平軸線に沿った上記内側セグメントと外側セグメントとの間の屈曲が確実になる。

当然ながら、上記内側セグメントは、ユーザに固定するための部材に対して両方とも接続された２つの半体セグメントへと分解されることが可能である。

添付図面を参照しながら、本発明の特定実施例に関する以下の説明を解釈すれば、本発明をよりよく理解できるであろう。

本発明の第１の特定実施例に係る下肢用外骨格の概略的斜視図であり、該外骨格の右側部分のみが描かれており、該外骨格が正中矢状面Ｐに対して対称的であることが理解される。 本発明の第２実施例に係る、本発明の外骨格の骨盤用要素の部分的概略図である。 図２の骨盤用要素の概略的平面図である。 図２および図３の骨盤用要素の代表的実施例の斜視図である。

図１を参照すると、本発明の下肢用外骨格は、ユーザに対して装着されることが意図される。この目的の為に、それは、たとえば、ベルトおよびストラップによりユーザの背部に対して取り付けられることが意図された背部用構造体２０を有する。上記外骨格は、此処では、当該骨盤用要素の中心にて、縦方向水平軸線（すなわち、矢状面内に延在する水平軸線）の旋回用リンク部材２１を介して背部用構造体２０に連接結合された骨盤用要素１であって、該骨盤用要素に対しては、各々が大腿用セグメント３、脛骨用セグメント４および足５を有する（此処では一方のみが視認可能である）２つの下側支持体２が接続される、骨盤用要素１を有する。

此処では、横方向水平軸線（すなわち、正中矢状面Ｐに対して直交する軸線）の回動リンク部材である膝部用リンク部材６が、大腿用セグメント３を脚部用セグメント４に対して接続する一方、此処ではボールおよびソケットである踝用リンク部材７は、上記脛骨用セグメントを足５に対して接続する。更に、各大腿用セグメント３は、一方では、横方向水平軸線の回動リンク部材１０により骨盤用要素１に対して接続され、他方では、縦方向水平軸線の回動リンク部材１１により大腿用セグメント３に対して接続された中間連結部材９を有する股関節用リンク部材８により、骨盤用要素１に対して接続される。

当然ながら、上記外骨格が本発明の有効範囲に包含されないことを意味することなく、膝部用リンク部材、踵用リンク部材および股関節用リンク部材が他の任意の構成とされることが可能である。

此処で、股関節用リンク部材８の回動リンク部材１０に対しては、骨盤用要素１と中間連結部材９との間の運動を制御するために、アクチュエータ２２が組み合わされる。該アクチュエータ２２は此処では、二重動作を行うケーブル式アクチュエータである。このアクチュエータが骨盤用要素１に設置される様式は、後に再検討される。更に、膝部用リンク部材６に対しては、脛骨用セグメント４と大腿用セグメント３との間の運動を制御するために、大腿用セグメント３上に配置されたアクチュエータ２３が組み合わされる。此処で、他の回動リンク部材は、平衡の位置への復帰のためのスプリングを備えている。

本発明の本質的な見地に依れば、上記骨盤用要素は、一体物ではなく、代わりに、
− 上記背部用構造体に対して直接的に連接結合されると共に、正中矢状面Ｐに関して対称的である内側セグメント３０と、
− 鉛直軸線の回動リンク部材３２により内側セグメント３０の末端に対して結合された基端を有する（此処では一方のみが視認可能である）２つの中間セグメント３１と、
回動リンク部材３２の鉛直軸線と一点で交わる水平軸線の回動リンク部材３４により、中間セグメント３１の一方の末端に対して結合された基端を有する（此処では一方のみが視認可能である）２つの外側セグメント３３と、
を備える。

回動リンク部材３２および３４は、此処では、平衡の位置への復帰のためのスプリングを備えている。

これにより導入される２つの自由度によれば、上記骨盤用要素は、ユーザの自然な運動に対して更に良好に追随することができる。各中間セグメント３１は、内側セグメント３０と、各外側セグメント３３との間において、カルダン継手の様式で作用することを銘記されたい。

図２乃至図４から理解される如く、本発明の変更例に依れば、堅固な中間セグメント３１は、屈曲および捩れの両方において変形可能であるブレード３１’により置き換えられる。ブレード３１’の各々は、鉛直平面内に延在すると共に、内側セグメント３０の末端に対し、且つ、一方の外側セグメント３３の基端に対して係合される。図３において太線の矢印により例示されるように、各ブレード３１’が、先行例と同様に、内側セグメント３０に対する外側セグメント３３の運動を許容する如く、各ブレード３１’は屈曲および捩れの両方において弾性的に（または粘弾性的に）変形可能である。

本発明の特定の見地に依れば、各外側セグメント３３は屈曲され、基端３３ａは、実質的に、内側セグメント３０の対応する末端と連続して延在すると共に、前頭面θに対して好適には５°〜３０°の角度αを形成し、且つ、末端３３ｂは、前方に延在すると共に、矢状面に対して好適には−１０°〜＋２０°の角度βを形成する。

此処で、ケーブル式アクチュエータ２２は、上記骨盤用要素の背後において外側セグメント３３の基端３３ａにより担持され、且つ、各方向変換プーリ３４によれば、（破線で示された）ケーブルは、股関節用リンク部材８の中間連結部材９に対して堅固に接続されたプーリ３５まで戻ることができる。当然ながら、不図示であるが、他方の外側セグメント３３もまた、ケーブル式のアクチュエータを担持する。

故に、上記股関節用リンク部材を制御するアクチュエータは、ユーザの背部にて上記骨盤用要素の背後に載置されると共に、該骨盤用要素に対して容易に一体化され得る。すると、上記大腿用セグメントにはアクチュエータが不要となり、このことは、本発明の下肢用外骨格の横方向の広がりの減少に寄与する。

本発明は、記述されたことに厳密に制限されるのではなく、代わりに、各請求項により定義された発明の有効範囲内に収まる一切の変更例を包含する。特に、上記骨盤用要素の内側セグメントは、図示された例においては一体物であるが、当然ながら、特許文献１の例に従い、二部材式の内側セグメントを使用することが可能である。此処では、図示された骨盤用要素の中間屈曲の各軸線は、一点で交わる鉛直方向および水平方向（結合軸線３２および３４、ブレード３１’の屈曲および捩れの各軸線）に沿い延在するが、本発明は更に概略的に、骨盤用要素であって、当該骨盤用要素の外側セグメントが、一点で交わっても、一点で交わらなくてもよい２つの直交軸線に沿った屈曲を可能にする結合部材により内側セグメントに対して接続される、骨盤用要素に対して適用される。

Claims (7)

1. ユーザにより装着されるようにされた下肢用外骨格であって、
   − ユーザの身体の上側部分に固定するための手段を備えた骨盤用要素（１）と、
   − ユーザの下肢に固定するための手段を備えると共に、立脚期の間に地面上に載置される２つの下側支持体（２）であって、前記支持体の各々は大腿用セグメントおよび脛骨用セグメントを有し、前記大腿用セグメント及び前記脛骨用セグメントはこれらの間において屈曲および伸長ができるように構成された膝部用リンク部材により接続される、２つの下側支持体（２）と、
   − 前記２つの下側支持体を前記骨盤用要素に対して接続する股関節用リンク部材と、
   を有する下肢用外骨格において、
   上記骨盤用要素は、
   − 正中矢状面に対して対称的に延在すると共に、ユーザに固定するための前記手段に付設された内側セグメント（３０）と、
   − 対称的に延在する２つの外側セグメント（３３）であって、少なくとも、前記内側セグメントと前記外側セグメントの各々との間において直交する２つの軸線に沿った屈曲を可能にする結合部材（３１、３２、３４；３１’）により、前記内側セグメントの各々の末端に対して接続される２つの外側セグメント（３３）とを有し、
   各下側支持体は、前記股関節用リンク部材の一方により、前記外側セグメント（３３）の一方に対して接続され、
   少なくとも１つの股関節用リンク部材（８）には、ケーブル式アクチュエータ（２２）が組み合わされていることを特徴とする、
   下肢用外骨格。
2. 各結合部材は、実質的に鉛直な軸線に沿う回動リンク部材（３２）により、前記内側セグメントの末端に対して接続される基端と、実質的に水平な軸線に沿う回動リンク部材（３４）により、対応する外側セグメントの基端に対して接続された末端と、を有する中間セグメント（３１）を備える、
   請求項１に記載の下肢用外骨格。
3. 前記回動リンク部材の軸線は互いに一点で交わる、
   請求項２に記載の下肢用外骨格。
4. 各結合部材は、屈曲および捩れにより変形可能であるブレード（３１’）であって、実質的に鉛直な平面に沿って延在すると共に、前記内側セグメントの末端に対して係合された基端と、対応する外側セグメントの基端に対して係合された末端とを有するブレード（３１’）を備える、
   請求項１に記載の下肢用外骨格。
5. 各股関節用リンク部材は、前記骨盤用要素上に配置されたアクチュエータ（２２）により制御される少なくともひとつの回動リンク部材（１０）を有する、
   請求項２に記載の下肢用外骨格。
6. 前記アクチュエータは、前記股関節用リンク部材を担持する前記外側セグメント（３３）に対して堅固に接続される、
   請求項５に記載の下肢用外骨格。
7. 前記外側セグメントは屈曲され、
   前記アクチュエータは、前記内側セグメントに対して接続された前記外側セグメントの基端部分により担持される、
   請求項６に記載の下肢用外骨格。

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