JP6140358B2 - 機械的リンク機構 - Google Patents

Description

本発明は機械的リンク機構に関し、より詳細には、力受容体の選択された自由度による限られた動きを可能にしながら２つの点の間で力を伝達させる、ジンバル型リンク機構に関するものである。

機械的システムにおいて、アクチュエータと受容体との間の力の伝達が所望される場合が多い。具体的には、現実にはアクセスできない「仮想点」に力をかけることが所望される場合が多い。

例えば神経障害を持つ人のためのリハビリロボットの分野において、患者の四肢を動かして支持するために、アクチュエータは作動力と支持力の両方を提供できなければならない。これは、例えば、一端をアクチュエータに、そしてもう一端を腕や脚などの対象者の四肢に取り付けるロッドを使用して行なうことができる。

ロッドと対象者の四肢との間の接続はいくつかの方法で行なうことができる。例えば、ロッドは、四肢の周りを固定するストラップ又はブレースに堅く取り付けることができる。このようなタイプの接続ではロッドと四肢との間が自由に動かせず、６つの自由度全てにおける四肢のこのような動きはロッドの動きに依存する。

これはリハビリの場合に問題となる。目的は対象者の自立支援動作に向けた前進を促すことであり、そしていくつかの動きができるようになると、動きの自由感によって対象者は制御を働かせる気になるため、有益である。

ロッドとストラップとの間に球面継手又はカルダン継手を設けることができるが、これでは身体の関節の中心の周りに２つの回転自由度の自由を与えるだけである。関節、例えば足首関節に力がかけられる場合、これは問題となる場合がある、というのも足首関節が球面継手の周りを回転すると、ロッドからの力の方向線が足首の回転中心と一致しなくなるからである。これは理想的ではない、というのも、それによって足首にモーメントが生じ、これが計画された一直線上に整列する位置へと戻る動きに抵抗し、よって、歩行を矯正しようとする対象者の試みに抵抗するからである。

必要とされるのは、アクチュエータから受容体への力の伝達を可能にし、且つ、受容体の自由回転の拘束を最小限にする接続である。

本発明の目的は、上述の問題を克服すること、又は少なくとも軽減することである。

本発明の第１の態様によれば、力供給体から受容客体に力を伝達するアセンブリが提供され、このアセンブリは、
力供給体と、
受容客体と、
力供給体から受容客体へ力を伝達するリンク機構とを備え、
リンク機構は第１リンクと第２リンクとを備え、
第１リンクは第１リンク軸を画定する第１回転継手と第２リンク軸を画定する第２回転継手とを有し、第１及び第２リンク軸は相互に第１リンク角度をなし、第１リンクは第１軸の周りを回転するために、受容客体に枢動可能に取り付けられ、
第２リンクは第３リンク軸を画定する第３回転継手と第４リンク軸を画定する第４回転継手とを有し、第３及び第４リンク軸は相互に第２リンク角度をなし、第２リンクは第２及び第３リンク軸が一致するように第１リンクに枢動可能に取り付けられ、第２リンクは力供給体から力を伝達するために第４リンク軸で枢動可能に設置され、
第１、第２、第３及び第４軸は受容客体がリンク機構の連結によって所定の点の周りを回転できるように前記所定の点で交差し、
第１及び第２リンク角度はそれぞれ４５度未満である。

有利には、このジンバル様の機構により、力供給体によって力を前記所定の点に与えることができる。受容客体はリンク機構と連結して前記所定の点の周りを動くことができるが、重大なことには、力はリンク機構の連結中、その点を通して作用し続ける。従って、力を所望の方向に与えることができ、力を湾曲させることなく、又は望ましくないトルクを発生させることなく、受容客体は動くことができる。小さな角度（４５°未満）のリンクを使用することにより、配置をコンパクトに保持しながら適切な範囲の動きが可能となる。このため、好適には、リンクの内角の合計は小さく、９０°以下である。角度は、リハビリテーション用ロボットの場合、例えば過剰な連結を防止するために、所望される限られた範囲の動作を提供するように選択することができる。

好適には、力供給体はリニアアクチュエータ、又は好適にはクランクを有する回転アクチュエータなどのアクチュエータによって駆動される、プッシュプルロッドである。

上述の様に、好適には、プッシュプルロッド及びアクチュエータは、前記所定の点を通して力がかけられるように構成される。

好適には、回転継手は、共通シャフトが貫通したリンクのボアによって画定される。これによってアセンブリを簡単に行なうことができる。

好適には、各リンクは中間部、第１の端部及び第２の対向する端部を有する本体を備え、これらの端部は中間部に対して角度をなす。リンクの回転継手は、それぞれの端部に対して垂直に、これらの端部がリンク角度を提供するように角度をなして画定することができる。

好適には、リンクは略管状の本体、例えば押出体から構成される。これによって軽量になる。

リンク機構は、第５リンク軸を画定する第５回転継手と、第６リンク軸を画定する第６回転継手とを有する第３リンクを備え、第５及び第６リンク軸は相互に第３リンク角度をなし、第３リンクは、第２及び第３リンク軸が一致するように第２リンクに枢動可能に取り付けられ、第３リンクは力供給体から力を伝達するために、第６リンク軸で枢動可能に設置される。リンク機構は４つ以上のリンクを備えてもよい。

本発明は第１の態様によるリンク機構を備えるリハビリテーション装置も提供し、この装置において受容客体は体の一部、例えば、脚、腕又は胴の支持体である。

好適には、体の一部の支持体は、関節の回転軸がリンク機構の前記所定の点と一直線上に整列するように、前記関節に近接して体の一部を受けるように構成される。こうすることによってリハビリテーション力の作用点は前記関節に維持される。

より好適には、体の一部の支持体は、関節の回転の中心がリンク機構の前記所定の点と一直線上に整列するように、前記関節に近接して体の一部を受けるように構成される。

力供給体は第１の方向に力をかけるように構成してもよく、この場合、第１リンク軸はかけられる力に対して８０〜１００°に配向される。好適には９０°に配向される。

好適には、支持体は足の支持体であり、力供給体は使用中の対象者の前後方向に力をかけるように構成される。

好適には、第１リンクは使用中の対象者の足の側面で支持体に接続される。

本発明による例示的リンク機構を添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明による第１リンク機構を備える歩行訓練装置の一部を示す斜視図である。 図１のリンク機構の構成部品の詳細図である。 図１のリンク機構の斜視図である。 図１のリンク機構の側面図である。 本発明による第２リンク機構の概略図である。 本発明による第２リンク機構の概略図である。 第２位置における図５ａ及び図５ｂのリンク機構の概略図である。 第２位置における図５ａ及び図５ｂのリンク機構の概略図である。 第３位置における図５ａ及び図５ｂのリンク機構の概略図である。 第３位置における図５ａ及び図５ｂのリンク機構の概略図である。 足首の自由度のための、歩行リハビリテーション用ロボットの作業空間及び可動域を示す図である。 胴の自由度のための、歩行リハビリテーション用ロボットの作業空間及び可動域を示す図である。 本発明による第３リンク機構を備える歩行訓練装置の更なる部分の略斜視図である。

図１を参照すると、足ブレース１０２、プッシュロッド１０４及びリンク機構１０６を備える歩行訓練アセンブリ１００が示されている。

足ブレース１０２は、ヒトの足（図示せず）の下側を支持するように構成された基板１０８と、これから垂直に延びて足の外側を支持する側板１１０とを備える。側板１１０は、側板１１０の外側で基板１０８から垂直に延びる支持部材１１２を備える。

Ｘ_０、Ｙ_０、Ｚ_０の軸を有するグローバル座標系を図１に示す。足ブレース１０２は、グローバル座標系の中心に足首関節（簡単にするために球面継手として示す）の中心Ａを有するヒトの足を保持するように配置されている。

プッシュロッド１０４は、Ｘ_０に概して平行な方向Ｆに力を提供するように配置されたアクチュエータ（図示せず）に接続された主要部１０５を有する。プッシュロッド１０４の端部１０７は、図３に示す様に、主要部１０５に対して角度αをなす。

リンク機構１０６は第１リンク１１４と第２リンク１１６とを備えている。リンク１１４及び１１６は本実施形態において類似しているため、ここではリンク１１４のみを図２を参照して説明する。

リンク１１４は中空方形の断面を有する管状の角柱体１１５を備えている。リンクは第１端１２４及び第２端１３２を画定する。本体１１５は第１端部１１８と、第２端部１２０と、第１端部１１８と第２端部１２０を繋ぐ中間部１２２とを備える。第１のボア対１２８及び１３０は、本体１１５の第１端１２４に近接する第１端部を貫通している。ボア１２８及び１３０は、ボア１２８及び１３０を画定する本体１１５の表面に垂直な第１軸１２６を画定する。同様に、第２のボア対１３６及び１３８は、本体１１５の第２端１３２に近接する第２端部を貫通している。ボア１３６及び１３８は、ボア１３８及び１３６を画定する本体１１５の表面に垂直な第２軸１３４を画定する。第１端部１１８及び第２端部１２０は、軸１２６及び１３４が相互に包含角度θをなすように、中間部１２２に対してθ／２の角度をなす。

図３を参照すると、第１リンク１１４は、このリンク１１４の一直線上に整列するボア１２８及び１３０に係合されたシャフトを備える第１回転継手１３８を介して、支持部材１２６に接続される。第１リンク１１４の軸１２６は、第１リンク１１４が足ブレース１０２に対して回転できるように、グローバル軸Ｚ_０に一直線上に整列される。

第２リンク１１６は第２回転継手１４０によって第１リンク１１４の第２端部１２０に接続され、これによって第１リンク１１４及び第２リンク１１６は、一直線上に整列する第１リンク１１４の第２軸１３４及び第２リンク１１６の第１軸１２６’の周りを相対回転することができる。

プッシュロッド１０４の端部１０７は、第２リンク１１６の第２軸１３４’の周りを回転するために、第３回転継手１４２によって第２リンク１１６に接続される。

図３及び図４に示す構成（すなわち直列リンクを有する構成）において、リンク１１４及び１１６は軸１２６に対して２θの角度で広がっている。

図５ａ及び図５ｂは、第１アセンブリ１００と同じ原理で動作する第２アセンブリ２００の概略図である。アセンブリ２００はヒトの足２を保持する足ブレース２０２を備える。ヒトの足２の足首関節は、原点０を有するグローバル座標系Ｘ_０、Ｙ_０、Ｚ_０と一致する。

リンク機構２０４は、（図５ａ及び図５ｂのＺ_０と一直線上に整列する）第１軸２０６を画定する足ブレース２０２に接続された第１継手を備える。第１リンク２０８は第１軸２０６の周囲を回転するように接続され、第２軸２１０を画定する第２継手に接続される。第２リンク２１２は第１リンク２０８に対して第２軸２０８の周りを回転するように接続され、第３軸２１４を画定する第３継手に接続される。こうすることによって第２リンクはプッシュロッド２１６に回転可能に接続される。

軸２０６、２１０及び２１４は、足首の原点Ｏと一致する共通点で交差する。リンク２０８及び２１２は、従って、足２を制御して動かすことのできるシンバル状の機構を形成する。

図５ａ及び図５ｂの足２は中立、又は静止位置にあり、図に示す様に、力Ｆが、Ｘ_０と一直線上にほぼ整列する方向でプッシュロッド２１６に加えられると、ブレース２０２を介して足は前方へと促される。プッシュロッド２１６は力Ｆが足首の回転中心Ｏを通して作用するように構成される。よって対象者は足首に何らトルクを感じない。

図６ａ及び図６ｂを見ると、足２は縦軸Ｙ_０の周りをβ°内側に回転し、新しい足軸Ｘ_０’及びＺ_０’を提供し、これらはそれぞれグローバル軸Ｘ_０及びＺ_０からβ°回転する。

軸２０６を画定する第１継手のブレース２０２への拘束のため、軸２０６は足軸Ｚ_０’と共にβ°回転する。だが、リンク２０８及び２１２の連結は、プッシュロッド２１６（及び軸２１４）が同じ位置に留まることを意味している。従って、力Ｆを、足首関節の原点Ｏを通して同じ方向にさらにかけることができる。こうすることによってリハビリテーション中、足は外側及び内側に回転することができる。歩行中、対象者の足首は数度内側に回転する（これは通常である）。このような回転を可能にすることにより、この動きに対する不必要な制限なく、自然な歩行を生じさせることができる。内側／外側への回転を与えることなく、足首に矯正力を与えることができる。例えば歩幅を増やしたり、より外側へ足を向けることができる。外側及び内側への回転は、足首の原点Ｏと一致しない力が与えられることにはならない。具体的には、図５ａ及び図５ｂに示す中立位置に戻る足首の動きに対抗する力は加えられない。

尚、機構の可動域は、リンク２０８及び２１２の包含角度θによって制限される。

図７ａ及び図７ｂを見ると、足２は横軸Ｘ_０の周りをγ°内がえしし、このように、新しい足軸Ｙ_０’及びＺ_０’が提供され、これらは各々グローバル軸Ｙ_０及びＺ_０からγ°回転している。

軸２０６を画定する第１継手をブレース２０２に拘束することにより、軸２０６は足軸Ｚ_０’と共にγ°回転する。だが、リンク２０８及び２１２の連結は、プッシュロッド２１６（及び軸２１４）が同じ位置に留まることを意味している。従って、力Ｆを、足首関節の原点Ｏを通して同じ方向にさらにかけることができる。こうすることによってリハビリテーション中、足は内がえし及び外がえしを行うことができる。内がえし及び外がえしは、足首の原点Ｏと一致しない力が与えられることにはならない。具体的には、図５ａ及び図５ｂに示す中立位置に戻る足首の動きに対抗する力は加えられない。

尚、この場合も機構の可動域はリンク２０８及び２１２の包含角度θによって制限される。

図に示すように、第１リンク２０８がブレース２０２に取り付けられている点は、足（足の後部から前方に向けてかけられる力Ｆと対向する）の側面である。このように、リンク機構２０４をブレース２０２へ取り付ける軸２０６は、かけられる力Ｆの方向に対して９０°をなす。従って、包含角度θは４５°未満（本例では１７°）である。これにより、リンク機構２０４をコンパクトに確保しつつ足２の適切な運動角度を提供することができる。

リハビリテーション中、２５°の背屈及び３５°の底屈（Ｚ０の周りを回転）が提供されることが望ましい。このように大きな範囲の動作が必要とされるため、第１軸（極めて非拘束）は足首屈曲軸に一直線上に整列される（すなわち第１リンクは足の側面に位置する）。

図８を見ると、足首を支持するため（内がえし／外がえし及び内側／外側への回転のため）に必要とされる動作範囲が示されている。内側／外側への回転は横軸に、内がえし／外がえしは縦軸に示されている。

円形領域３００は、各々がθ＝１２°である２つのリンクを有するリンク機構によって提供される可動域を表している。この円は２４°、すなわち２θの直径Ｄを有する。これは何れかの自由度で２４°の潜在範囲が可能であることを意味している。

足首の１０°の内がえし／外がえし（すなわち水平の前後の軸の周りの回転）も望ましい。怪我をしないように、内がえしにハードリミットを設けることが望ましい（最も一般的な足首の捻挫は内がえしによるものである）。

１０°の内側への回転及び２０°の外側への回転も通常の歩行に必要とされる。

（上述の動作によって定められる）必要な作業空間３０２も示されている。角運動の範囲はリンク機構の設計及びジオメトリによって特定されるため、長方形である。２種類の動作が同時に行なえるように、作業空間は２次元領域である（足首は効果的には玉継手であるため）。

リンク機構を適切に構成することにより、円形の作業空間３００の中心３０４は、外側への回転が５°（すなわち内側／外側への回転の中間点）で内がえしが１０°となるように動かすことができる。有益には、これはリンク機構の可動域内で必要とされる作業空間３０２のほとんど全てに位置し、約−１０°の内がえしのハードリミットを提供する（実際これは同時の内側／外側への回転に依存するが）。

図８において、円の中心は、そこで軸２０６と２１４とが一致するリンクの位置である。これは、製造及び組み付け中にリンク軸を適切に機械的にセットアップすることによって決定することができる。

ヒトの胴に関する同様の例を図９に示す。この場合、リンク機構は、その仮想的中心で股関節に取り付けられる。２つのリンク機構はそれぞれ各股関節を中心として使用され、完全な自由度を提供する（図１０を参照して以下に詳細を説明する）。本発明は特に有利である、というのも、骨盤にトルクを生じさせずに股関節に力がかけられるからである。

図９において、リンク機構の可動域を領域４００として示す。骨盤軸回転を水平軸に示し、骨盤矢状回転を垂直軸に示す。θ＝１７°の２つのリンクで直径Ｄ’は３４°となる。

歩行中、骨盤が必要とする望ましい自由度は以下のとおりである：
（ｉ）前後軸周りの前額面内での骨盤回転（前額面上での外旋）；
（ｉｉ）垂直軸周りの水平な横断面内での骨盤回転（軸回転）；及び
（ｉｉｉ）左右軸周りの矢状面での骨盤回転（矢状回転）。

リンク機構は患者の背後に配置される。歩行中対象者は腕を振ることができなければならないため、患者の傍らにスペースはない。

骨盤が必要とする可動域は以下の通りである：
正面回転＝±１０°；
軸回転＝±１５°；
矢状回転＝−２６．９〜２２．６°
上述の範囲は必要とされる作業空間４０２を提供する。

リンク機構は、Ｚ_０と同等の軸が回転の前額軸と一直線上に整列され（すなわち前後方向）、対象者の背後に位置するように組み付けられる。従って実際にはリンク機構は純粋な前額面上での外旋を制限しない。歩行中、過剰な前額面上での外旋は問題とならない（達成困難である）ため、これは問題ではない。

上述の様に、±１５°の軸回転が必要とされ、（２つのリンクの）最小リンク角度θは１５／２＝７．５°である。

リンク機構の１つの小さな欠点は、中心点（図９における円の原点）によって対象者に僅かに気の散る感覚が生じることであり、これが「通常の」可動域にあるのは望ましくない。よってこれは軸回転において１０°オフセットされる。

必要とされる作業空間４００を円４００が覆うように、円の中心４０４からの角度θが選択される。この場合、θは１７°である。

図１０を見ると、ウエストバンド５０２、第１プッシュロッド５０４、第１リンク機構５０６、第２プッシュロッド５０８及び第２リンク機構５１０を備える歩行訓練アセンブリ５００が示されている。

ウエストバンドは対象の腹部を取り囲み、対象者の左右それぞれの臀部の背後でリンク機構５０６及び５１０を固定するように構成される。

第１リンク機構５０６は、軸５１３の周りを枢動可能に第１プッシュロッド５０４に取り付けられた第１リンク５１２と、軸５１５の周りを回転するため第１リンク５１２に枢動可能に取り付けられた第２リンク５１４とを備える。第２リンク５１４もまた、軸５１８の周りを回転するため、ウエストバンド５０２から下方に延びるブラケットに枢動可能に取り付けられている。

上述の実施形態と同様に、各リンク５１２及び５１４は、それぞれの回転軸の間にθの包含角度を有する。軸５１３、５１５及び５１８は全て股関節の回転中心Ｈで交差し、アセンブリ５００は、この仮想交差点が対象者の臀部と一直線上に整列するように構成される。

第２リンク機構５１０は第１リンク機構５０６とほぼ同様に構成される。

変形形態は本発明の範囲に含まれる。

例えば、予備の動作範囲のために３つ以上のリンクを設けてもよい。リンク数が増えることによって滑らかな動きが提供され、リンク機構の剛性が低減されるが、最終的なリンク数は特定の用途に合わせて選択しなければならない。

別の変形例として、（各股関節の代わりに）臀部の間の骨盤の質量中心の方向に向くシンプルな配置がある。この配置により、注意をそらすトルクを対象者に与えることなく、質量中心に力をかけることができる。

本発明は、軸が対象者の関節の回転中心で交差するように一直線上に整列されているのであれば、他の関節に力を加えるために使用することができる。

Claims (14)

1. 力供給体から受容客体に力を伝達する歩行訓練アセンブリであって、該アセンブリは、
   力供給体と、
   受容客体と、
   前記力供給体から前記受容客体に力を伝達するように構成されたリンク機構とを備え、
   前記リンク機構は第１リンクと第２リンクとを備え、
   前記第１リンクは第１リンク軸を画定する第１回転継手と、第２リンク軸を画定する第２回転継手とを有し、前記第１及び第２リンク軸は相互に第１リンク角度をなし、前記第１リンクは前記第１リンク軸の周りを回転するために前記受容客体に枢動可能に取り付けられ、
   前記第２リンクは第３リンク軸を画定する第３回転継手と、第４リンク軸を画定する第４回転継手とを有し、前記第３及び第４リンク軸は相互に第２リンク角度をなし、前記第２リンクは、前記第２及び第３リンク軸が一致するように前記第１リンクに枢動可能に取り付けられ、前記第２リンクは力を前記力供給体から伝達するように、前記第４リンク軸で枢動可能に設置され、
   前記第１、第２、第３及び第４リンク軸は、前記リンク機構の連結によって前記受容客体が所定の点の周りを回転することができるように前記所定の点で交差し、
   前記第１及び第２リンク角度はそれぞれ４５°未満である歩行訓練アセンブリ。
2. 請求項１に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、前記力供給体はアクチュエータによって駆動されるプッシュプルロッドである歩行訓練アセンブリ。
3. 請求項２に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、前記プッシュプルロッド及び前記アクチュエータは前記所定の点を通して力をかけるように構成される歩行訓練アセンブリ。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、前記回転継手は共通シャフトが貫通した前記リンクのボアによって画定される歩行訓練アセンブリ。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、各リンクは中間部、第１の端部及び第２の対向する端部を有する本体を備え、前記第１及び第２の端部は前記中間部に対して角度をなす歩行訓練アセンブリ。
6. 請求項５に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、前記リンクの前記回転継手は、それぞれの端部に対して垂直に、これらの端部が前記リンク角度を提供するための角度をなすように画定される歩行訓練アセンブリ。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、前記リンクは略管状の本体から構成される歩行訓練アセンブリ。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の歩行訓練アセンブリにおいて、該歩行訓練アセンブリは、第５リンク軸を画定する第５回転継手と、第６リンク軸を確定する第６回転継手とを有する第３リンクを備え、前記第５及び第６リンク軸は相互に第３リンク角度をなし、前記第３リンクは、前記第４及び第５リンク軸が一致するように、前記第２リンクに枢動可能に取り付けられ、前記第３リンクは、前記力供給体から力を伝達するために、前記第６リンク軸で枢動可能に設置される歩行訓練アセンブリ。
9. リハビリテーション装置であって、前記受容客体が体の一部の支持体である、請求項１〜８の何れか一項に記載の歩行訓練アセンブリを備えるリハビリテーション装置。
10. 請求項９に記載のリハビリテーション装置において、前記体の一部の支持体は、関節の回転軸が前記リンク機構の前記所定の点と一直線上に整列するように、前記関節と近接して体の一部を受けるように構成されるリハビリテーション装置。
11. 請求項１０に記載のリハビリテーション装置において、前記体の一部の支持体は、関節の回転中心が前記リンク機構の前記所定の点と一直線上に整列するように、前記関節と近接して体の一部を受けるように構成されるリハビリテーション装置。
12. 請求項９〜１１の何れか一項に記載のリハビリテーション装置において、前記力供給体は第１方向に力をかけるように構成され、前記第１リンク軸は前記かけられる力に対して８０〜１００°に配向するリハビリテーション装置。
13. 請求項１２に記載のリハビリテーション装置において、前記支持体は足の支持体であり、前記力供給体は使用中の対象者の前後方向に力をかけるように構成されるリハビリテーション装置。
14. 請求項１３に記載のリハビリテーション装置において、前記第１リンクは使用中の前記対象者の足の側面で前記支持体に接続されるリハビリテーション装置。

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