JP6713684B2 - 動作アシスト装置 - Google Patents

Description

本発明は、装着者の関節部の動きをアシストする動作アシスト装置に関する。

この種の動作アシスト装置としては、体内埋め込み型のものと外装型のものとが知られている。体内埋め込み型の動作アシスト装置は特許文献１、２に開示されている。特許文献１に開示の動力付き人工関節では、人工関節内にアクチュエータが組み込まれ、人工関節を動かすためのアシスト力を人工関節に加えている。人工関節は、関節部分が健常であるが筋力の低下などにより歩行等の動作が困難な人には適してない。

特許文献２に開示の埋込型動作補助装置では、電動モータによって駆動される２本のリムのそれぞれを、関節に繋がっている各骨に固定し、電動モータからの補助力を各骨に加えるようにしている。関節部分が健常であるが歩行等の動作が困難な人に用いることができる。

これらの特許文献１、２に開示の動作アシスト装置では、電動モータの回転力を、各骨に対して剛体部材を介して伝達しており、動作アシスト装置に設けた機械的な関節軸を中心としてアシスト力伝達用の剛体部材が人体の前後方向に旋回する。動作アシスト装置が発生する関節部を中心とする屈伸運動のアシスト力の中心が常に定まった位置にある。

人体の各関節部の動きは複雑であり、例えば膝関節においては膝の屈伸運動に伴って膝関節の関節軸が前後および上下方向に移動する。股関節、肩関節などのボールジョイント系の関節においては、その関節中心は実質的に移動することはないが、前後の屈伸運動に加えて内転・外転運動、内外旋運動、および、それらの複合運動が生じる。

剛体部材からアシスト力伝達系が構成され、屈伸運動をアシストするアシスト力の中心位置が固定されている動作アシスト装置では、このような複雑な人体の動きに追従できず、本来の自然な動きを再現できない。換言すると、動作アシスト装置を装着した場合には、それによってアシストされる関節部分の動きが動作アシスト装置の動きに拘束されるので、人体関節部分に不要な力が作用し、装着者が関節を意図するように動かせない、装着者が拘束感、違和感を覚える、などの弊害が発生することがある。

一方、特許文献３、４には外装型の動作アシスト装置が提案されている。これらの特許文献３、４に記載の動作アシスト装置では、膝関節の屈伸運動に伴う関節軸の前後方向および上下方向への移動を考慮して、人体の屈伸運動に合わせて、屈伸運動のアシスト力の回転軸を前後および上下方向に移動させる機構が備わっている。

特開２００６−２６１９７号公報 特開２００９−９５３８２号公報 特開２００７−２７５４８２号公報 特開２０１３−７０７８３号公報

特許文献２に記載されているような人工関節を用いずに歩行動作などの動作をアシスト
する体内埋め込み型の動作アシスト装置については、屈伸運動に伴う人体の関節軸の移動は考慮されていないのが現状である。また、屈伸運動に加えて内外転運動、内外旋運動、および、これらの複合運動が生じる股関節などに用いるのに適した体内埋め込み型動作アシスト装置は提案されていない。

また、歩行動作などにおける屈伸運動に伴う人体の関節部の関節軸の動きは複雑である。例えば、膝関節において、円弧状の軌跡に沿って動作アシスト装置の側のアシスト力の回転中心線を膝関節の屈曲角に応じて人体の前後方向に移動させても、関節が動かないことがあり、また、装着者にとって拘束感、違和感のないアシスト動作を実現できないことがある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、人体の各関節の自然な動きを拘束することなく、必要とされるアシスト力を関節部に伝えることのできる体内埋め込み型の動作アシスト装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、人体の各関節の自然な動きを拘束することなく、必要とされるアシスト力を関節部に伝えることのできる、人体の関節部分に対して外側から装着して用いられる外装型の動作アシスト装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による、装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置は、体内埋め込み型の場合には、前記関節を中心として相対運動を行う一対の骨を第１および第２の骨として説明すると、次の構成を備えている。（外装型の場合には、前記関節を中心として相対運動を行う一方の人体部位を第１の人体部位、他方を第２の人体部位として説明する。）

すなわち、動作アシスト装置は、
前記第１の骨に固定される第１リンク（前記第１の人体部位に装着される第１リンク）および前記第２の骨に固定される第２リンク（前記第２の人体部位に装着される第２リンク）と、
前記第２リンクに回転出力軸が固定されているアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
前記第１リンクと前記回転アクチュエータの間を連結しているカップリング機構と、
を有しており、
前記カップリング機構は、前記第１リンクに対して相対的に第１方向にスライド可能な状態で連結され、前記回転アクチュエータに対して相対的に前記第１方向とは異なる第２方向にスライド可能な状態で連結されており、
前記第１方向および前記第２方向は、前記回転出力軸の中心軸線の延長線上に位置する点を中心とする円弧あるいは球面によって規定されていることを特徴としている。

関節を中心とする相対運動、例えば、股関節のようなボールジョイント系の関節の場合には、前後方向への屈伸運動に加えて、内外転運動、内外旋運動、および、それらの複合運動において、関節中心回りの各方向の相対運動が生じる。したがって、第１、第２の骨に取り付けられている第１、第２リンクも、このような動きに合わせて相対的に移動しようとする。

第２リンクに回転出力軸が固定されている回転アクチュエータは、カップリング機構を介して、二方向に相対的にスライド可能な状態で第１リンクの側に連結されている。回転アクチュエータの回転出力軸の中心軸線が関節中心、例えば股関節の関節中心を通る状態となるように体内に埋め込まれる（外装型の場合には、該当する人体部位の外側に装着さ
れる）。これにより、股関節などの関節中心回りの各方向の動きに追従して、回転出力軸の中心軸線、すなわち、第２リンクの回転中心線が関節中心を中心として揺動する。

本発明によれば、装着者の関節の関節中心回りの動きに追従して、第１、第２リンクも関節中心回りに相対運動を行う。装着者の関節の自然な動きを阻害することがなく、また、第１、第２リンクから伝達されるアシスト力によって、アシスト方向とは異なる方向の不要な力成分が関節に作用することも防止あるいは抑制できる。これにより、関節の可動性を維持し、また、装着者に拘束感あるいは違和感を与えることのない体内埋め込み型の動作アシスト装置（外装型の動作アシスト装置）を実現できる。さらに、第１リンクと第２リンク間を二方向にスライド可能なカップリング機構を介して連結するという単な構造を採用しているので、装置構成の小型・コンパクト化が容易であり、特に、体内埋め込み用の機構として適している。

本発明において、前記カップリング機構を、球面あるいは円筒面によって規定されるスライド面に沿って面接触状態でスライドするように、前記第１リンクおよび前記回転アクチュエータのそれぞれに連結しておくことができる。

例えば、前記カップリング機構は、
前記第１リンクに固定され、あるいは一体形成された第１カップリング部材と、
前記支持部材に固定され、あるいは一体形成された第２カップリング部材と、
前記第１カップリング部材に対して前記第１方向に面接触状態でスライド可能に連結され、前記第２カップリング部材に対して前記第２方向に面接触状態でスライド可能に連結された中間カップリング部材と、
を備えている。

面接触状態でスライド面に沿ってスライド可能に、三部材（第１カップリング部材、中間カップリング部材および第２カップリング部材）を連結しておくことにより、これらの部材を介して、安定して大きなアシスト力を伝達できる。

本発明は例えば股関節の動きをアシストするために用いることができる。この場合、前記第１リンクは、股関節を構成する骨盤および大腿骨のうちの一方に固定されるリンクであり、前記第２リンクは、骨盤および大腿骨のうちの他方に固定されるリンクである（外装型の場合には、第１リンクは腰に装着され、第２リンクは大腿部に装着される。）

また、装着者の関節部、骨などに過大な負担を掛けることなくアシスト力の伝達機構を構成するために、髄内釘を用いることができる。体内埋め込み型の場合には、大腿骨の髄腔内に挿入固定される髄内釘と、前記第１、第２リンクのうち、大腿骨に固定される側のリンクを、前記髄内釘に固定するための固定具とが用いられる。

上記構成の動作アシスト装置は、股関節、肩関節などのような、いわゆる、ボールジョイント系の関節に用いるのに適している。これに対して、膝関節、肘関節などの関節は、関節軸を中心として屈曲伸展運動を行う部分であり、また、関節軸の位置が屈伸運動に伴って移動する。

膝関節などに用いることのできる本発明の動作アシスト装置は、体内埋め込み型の場合には、アシスト対象の関節を中心として相対運動を行う一対の骨を第１および第２の骨として説明すると、次の構成を備えている。（外装型の場合には、前記関節を中心として相対運動を行う一方の人体部位を第１の人体部位、他方を第２の人体部位として説明する。）

すなわち、本発明の動作アシスト装置は、
前記第１の骨に取り付けられる第１取付部材（前記第１の人体部位に装着される第１取付部材）、および、前記第２の骨に取り付けられる第２取付部材（前記第２の人体部位に装着される第２取付部材）と、
前記関節から前記第１の骨（第１の人体部位）に沿って延びる状態に配置される第１リンクと、
前記関節から前記第２の骨（第２の人体部位）に沿って延びる状態に配置される第２リンクと、
前記第１、第２リンクにおける前記関節の側に配置される第１リンク先端部および第２リンク先端部を通る装置側関節軸を中心として、前記第１、第２リンクを相対的に開閉する方向に旋回させるアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
前記第１リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と前記第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構と、
前記第２リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と前記第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構と
を有している。

前記第１カップリング機構によって、前記第１リンクは前記第１取付部材に対して、前記装置側関節軸に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能、かつ、前記軸線の方向にスライド可能な状態となっている。また、前記第２カップリング機構によって、前記第２リンクは前記第２取付部材に対して、前記装置側関節軸に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能、かつ、前記軸線の方向にスライド可能な状態となっている。

この構成の動作アシスト装置は、外装型の動作アシスト装置として用いることもできる。この場合には、アシスト対象の関節に繋がる一方の人体部位を第１の人体部位、他方の人体部位を第２の人体部位とすると、上記の第１取付部材が第１の人体部位に外側から固定あるいは装着され、上記の第２取付部材が第２の人体部位に外側から固定あるいは装着される。これ以外の上記の各部材も人体外側から取り付けられる。

関節の屈伸運動に伴って、第１、第２リンクのそれぞれは、第１、第２の骨（第１、第２の人体部位）に沿った方向にスライド可能であり、また、装置側関節軸に直交する軸線を中心とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能である。したがって、第１、第２リンク先端部を通る装置側関節軸は、人体側の関節軸の動きにほぼ追従して移動することができる。よって、装着者の関節の自然な動きが実質的に保持され、また、第１、第２リンクから伝達されるアシスト力によって、アシスト方向とは異なる方向の不要な力成分が関節に作用することも殆どない。これにより、関節の可動性を維持し、また、装着者に拘束感あるいは違和感を与えることのない動作アシスト装置を実現できる。

ここで、動作アシスト装置の装置側関節軸の動きを、膝関節、肘関節などの関節における屈伸運動に伴う人体側の関節軸の動きに対してより正確に追従できるようにするためには、カム機構を用いることができる。

この場合には、上記の第１リンクにおける関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と、第１の骨（外装型の場合には、第１の人体部位）に取り付けた第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構は、所定形状の第１カム溝が形成された外周曲面を備えた第１スライド台座と、前記第１カム溝に沿ってスライド可能な第１カムフォロワとを備えており、前記第１スライド台座は前記第１取付部材に取り付けられ、前記第１カムフォロワは前記第１リンク後端部に取り付けられる。

同様に、上記の第２リンクにおける関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と、第２の骨（外装型の場合には、第２の人体部位）に取り付けた第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構は、所定形状の第２カム溝が形成された外周曲面を備えた第２スライド台座と、前記第２カム溝に沿ってスライド可能な第２カムフォロワを備えており、前記第２スライド台座は前記第２取付部材に取り付けられ、前記第２カムフォロワは前記第２リンク後端部に取り付けられる。

例えば、実際に動作アシスト装置を用いる人の関節軸の動きを測定あるいはシミュレーションして、これに基づき、第１、第２カム溝の溝形状を設定すればよい。

また、動作アシスト装置の装置側関節軸の動きを、膝関節、肘関節などの関節における屈伸運動に伴う人体側の関節軸の動きに対してより正確に追従できるようにするために、上記の第１、第２カップリング機構として次の機構を用いることができる。

すなわち、上記の第１リンクにおける関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と、第１の骨（外装型の場合には第１の人体部位）に取り付けた第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構は、前記第１リンクを、前記装置側関節軸線に平行な第１軸線およびこれに直交する第２軸線のそれぞれを中心として回転可能で、前記第１、第２軸線に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる第３軸線の方向にスライド可能で、かつ、前記第３軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、前記第１取付部材に連結している。

同様に、上記の第２リンクにおける関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と、第２の骨（外装型の場合には、第２の人体部位）に取り付けた第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構は、前記第２リンクを、前記装置側関節軸線に平行な第４軸線およびこれに直交する第５軸線のそれぞれを中心として回転可能で、前記第４、第５軸線に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる第６軸線の方向にスライド可能で、かつ、前記第６軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、前記第２取付部材に連結している。

さらに、動作アシスト装置の装置側関節軸の動きを、膝関節、肘関節などの関節における屈伸運動に伴う人体側の関節軸の動きに対してより正確に追従できるようにするために、上記の第１、第２カップリング機構、および、上記の回転アクチュエータの取付部分を、次のように構成することができる。

まず、上記の回転アクチュエータは前記第１リンク先端部に取り付けられ、その回転出力軸によって前記装置側関節軸が規定される。回転出力軸には前記第２リンク先端部が取り付けられる。また、前記第１リンク先端部と前記第２リンク先端部との間が、これら第１、第２リンク先端部よりも前記関節の側の前記装置側関節軸線上に位置する点を中心とし、前記関節とは反対側に凸の球面に沿ってスライド可能な状態に連結される。

そして、上記の第１カップリング機構は、前記第１リンクを、前記装置側関節軸線に平行な第１軸線を中心として回転可能で、前記第１軸線に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる第３軸線の方向にスライド可能で、かつ、前記第３軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、前記第１取付部材に連結している。

同様に、上記の第２カップリング機構は、前記第２リンクを、前記装置側関節軸線に平行な第４軸線を中心として回転可能で、前記第４軸線に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる第６軸線の方向にスライド可能で、かつ、前記第６軸線を中心線とする円筒面に
沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、前記第２取付部材に連結している。

本発明を適用した体内埋め込み型の歩行アシスト装置を人体前側から見た場合の概略構成図である。 図１の股関節動作アシストユニットの構成を説明するための説明図である。 図１の膝関節動作アシストユニットの第１の構成例を示す説明図である。 図１の膝関節動作アシストユニットの第２の構成例を示す説明図である。 図１の膝関節動作アシストユニットの第３の構成例を示す説明図である。 図１の膝関節動作アシストユニットの第４の構成例を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の実施の形態は、本発明を、股関節および膝関節の動き、特に歩行動作をアシストするための体内埋め込み型の歩行アシスト装置に適用したものである。本発明は外装型の動作アシスト装置として用いることもでき、この場合には、関節に繋がる人体の部位に、動作アシスト装置の構成部品を外側から装着して固定すればよい。

また、本発明は、歩行以外の動作、例えば、腕の上げ下げを補助するために肩関節部に装着される動作アシスト装置、肘の屈伸などの動作を補助するために肘関節部に装着される動作アシスト装置としても用いることができる。これら以外の人体の関節部に装着して動作アシストを行う装置として用いることもできる。

（全体構成）
図１は本実施の形態に係る体内埋め込み型の歩行アシスト装置を装着者の前側から見た場合の概略構成図である。歩行アシスト装置１（以下、単に「アシスト装置１」と呼ぶ。）は、装着者の体内、本例では左脚１１内に埋め込まれて、左脚１１の歩行動作に伴う股関節１２および膝関節１３の屈伸運動をアシストする。

アシスト装置１は、左の股関節１２の部分に埋め込まれ、当該股関節１２を中心とする歩行時の前後の屈伸運動をアシストする股関節動作アシストユニット２と、左の膝関節１３の部分に埋め込まれて、当該膝関節１３を中心とする歩行時の前後の屈伸運動をアシストする膝関節動作アシストユニット４とを備えている。

また、アシスト装置１は、バッテリ電源５および不図示の制御ユニットを備えている。バッテリ電源５は、骨盤近傍に埋め込まれる。バッテリ電源５からは給電用コード６、７が延びている。一方の給電用コード６は上側の股関節動作アシストユニット２に接続され、他方の給電用コード７は膝関節動作アシストユニット４に接続されている。不図示の制御ユニットは、体内埋め込み型あるいは外装型のユニットである。制御ユニットは、例えば、神経振動子モデルを用いた制御方法により人体の動きに連動して股関節動作アシストユニット２および膝関節動作アシストユニット４の駆動を制御する。このような制御方法は、本願出願人によって特開２０１５−４４２４０号公報において提案されている。

（股関節動作アシストユニット）
図２は股関節動作アシストユニットの動作を説明するための概念図である。図１および図２を参照して説明すると、股関節動作アシストユニット２は、アシスト力発生用の回転アクチュエータ２１を備えている。回転アクチュエータ２１の回転出力軸２２の先端部は、股関節１２の骨盤１４の側に固定される第１リンク２３に固定されている。股関節１２の大腿骨１６には第２リンク２４が固定されている。第１リンク２３と回転アクチュエータ２１との間は、カップリング機構２５によって連結されている。

回転アクチュエータ２１は、例えば、電動モータと、この出力を減速して出力する減速機と、電動モータの駆動制御を行う制御部から構成することができる。回転アクチュエータ２１の回転出力軸２２が回転すると、その先端部に固定されている第２リンク２４が、回転出力軸２２の中心軸線２２ａ回りに旋回する。回転出力軸２２の中心軸線２２ａは、体内に装着された状態において、股関節１２の関節中心１２ａを通る状態に設定される。

第１リンク２３は、骨盤１４の部分にねじ込み固定したスクリューネジ２６の頭部に固定され、スクリューネジ２６を介して骨盤側に固定されている。これに対して、大腿骨１６の側の第２リンク２４はスクリューネジ２７に固定されている。スクリューネジ２７は、大腿骨１６の髄腔内に挿入された髄内釘２８の上端部分を大腿骨１６の上側の骨端１６ａに固定しているネジである。

カップリング機構２５は、図２に示すように、第１リンク２３に固定した第１カップリング部材３１と、回転アクチュエータ２１のハウジングに固定した第２カップリング部材３２と、これら第１、第２カップリング部材３１、３２の間に配置した中間カップリング部材３３を備えている。

中間カップリング部材３３は、第１カップリング部材３１（したがって、第１リンク２３）に対して、相対的に第１方向にスライド可能な状態で連結されている。また、中間カップリング部材３３は、第２カップリング部材３２（したがって、回転アクチュエータ２１）に対して相対的に第１方向とは異なる第２方向にスライド可能な状態で連結されている。

本例では、中間カップリング部材３３と第１カップリング部材３１の間には、人体左外側に凸の球面によって規定される第１スライド面３４が形成されている。第１スライド面３４に沿って、中間カップリング部材３３と第１カップリング部材３１は、面接触状態で相対的に第１方向である人体上下方向にスライド可能である。

中間カップリング部材３３と第２カップリング部材３２の間にも、人体左外側に凸の球面によって規定される第２スライド面３５が形成されている。第２スライド面３５に沿って、中間カップリング部材３３と第２カップリング部材３２は、面接触状態で相対的に第２方向である人体前後方向にスライド可能である。

第１、第２スライド面３４、３５を規定するそれぞれの球面は、点Ｐを中心とする同心球である。体内に埋め込まれた状態において、点Ｐが人体の股関節１２の関節中心１２ａに一致するように設定される。

カップリング機構２５について更に説明する。図２に示すように、カップリング機構２５は、基本構成が、第１、第２カップリング部材３１、３２と中間カップリング部材３３からなる積層構造となっている。第１カップリング部材３１と中間カップリング部材３３の間に形成されている第１スライド面３４では、第１カップリング部材３１の側の凸の球面と、中間カップリング部材３３の側の凹の球面が面接触している。

また、これらの部材３１、３３の間には、面接触状態を維持するための第１係合部と、第１方向（人体内外転方向）への移動範囲を規制する第１規制部とが形成されている。例えば、第１係合部はスライドガイド溝とスライダから構成される。この場合には、第１カップリング部材３１の側に上下方向に延びている底側が広幅の第１スライドガイド溝（図示せず）が形成され、中間カップリング部材３３の側に、第１スライドガイド溝に沿ってスライド可能な広幅の頭部を備えた第１スライダ（図示せず）が形成される。第１規制部
は、例えば、第１スライドガイドの上下の端に取り付けたストッパ（図示せず）である。

同様に、第２カップリング部材３２と中間カップリング部材３３の間にも、これらの面接触状態を維持するための第２係合部と、第２方向（人体内外旋方向）への移動範囲を規制する第２規制部とが形成されている。この場合においても、第２係合部をスライドガイド溝とスライダから構成できる。この場合には、例えば、中間カップリング部材３３には前後方向に延びている底側が広幅の第２スライドガイド溝（図示せず）が形成され、第２カップリング部材３２には、当該第２スライドガイド溝に沿ってスライド可能な広幅の頭部を備えた第２スライダ（図示せず）が形成される。第２規制部は、例えば、第２スライドガイド溝の両端に取り付けたストッパ（図示せず）である。

本例では、回転アクチュエータ２１の回転出力軸２２が、カップリング機構２５の中心部分を貫通して延びている。したがって、回転アクチュエータ２１に対して相対的に第１、第２方向にスライドする第１カップリング部材３１および中間カップリング部材３３には、回転アクチュエータ２１のスライドに伴う回転出力軸２２の移動範囲を包含する大きさの貫通穴あるいは溝が形成されている。回転アクチュエータ２１と一体となってスライドする第２カップリング部材３２には、回転出力軸２２が回転自在の状態で貫通している貫通穴が形成されている。

この構成の股関節動作アシストユニット２においては、第１リンク２３と回転アクチュエータ２１とは、点Ｐ（関節中心１２ａ）を中心として、相対的に所定の角度範囲内を揺動可能である。すなわち、第１リンク２３と、回転アクチュエータ２１の回転出力軸２２に固定された第２リンク２４とが、点Ｐ（関節中心１２ａ）を中心として、相対的に所定の角度範囲内を揺動可能である。

歩行運動においては、股関節１２の関節中心回りの前後方向の屈曲・伸展運動のアシスト力が、回転アクチュエータ２１の回転出力軸２２から第２リンク２４に伝達される。アシスト力は、股関節１２の関節中心１２ａの中心回りに作用する。

また、股関節１２を中心とする内外転運動、内外旋運動などにおいては、人体側の動きに追従して、第１、第２リンク２３、２４が関節中心１２ａを中心として相対的に揺動する。よって、股関節１２を中心とする左脚１１の内外転運動、内外旋運動などの動きを阻害する力が股関節動作アシストユニット２の側から股関節１２の側に作用することが防止あるいは抑制される。

（膝関節動作アシストユニットの第１の構成）
次に、膝関節動作アシストユニット４として用いることのできる第１の構成を説明する。膝関節動作アシストユニット４は、膝関節１３に繋がっている上側の大腿骨１６と下側の脛骨１７の屈伸運動をアシストするアシスト力を発生するものである。膝関節１３においては、その関節軸を中心として、大腿骨１６と脛骨１７が人体前後方向に屈伸運動を行う。屈伸運動時には、関節角に応じて関節軸が人体前後方向に移動する。

図３は第１の構成を備えた膝関節動作アシストユニット４Ａを示す説明図である。膝関節動作アシストユニット４Ａは、大腿骨１６の側に取り付けられる円弧板形状の第１取付部材４１および脛骨１７の側に取り付けられる第２取付部材４２を備えている。また、膝関節１３から大腿骨１６の両側に沿って延びる状態に配置される第１リンク４３と、膝関節１３から脛骨１７の両側に沿って延びる状態に配置される第２リンク４４とを備えている。

第１リンク４３と第２リンク４４における膝関節１３の側に配置される第１リンク先端
部４３ａおよび第２リンク先端部４４ａには、それぞれ、装置側関節軸４５が通っている。装置側関節軸４５を中心として、第１、第２リンク４３、４４は、相対的に人体前後方向に開閉可能である。このように、膝関節１３を挟み、大腿骨１６と脛骨１７との間に架け渡されている第１、第２リンク４３、４４は、それらの側方に配置される回転アクチュエータ４６によって開閉駆動される。例えば、第１リンク４３の側に回転アクチュエータ４６が取り付けられ、第２リンク４４の側が、回転アクチュエータ４６の回転出力軸に連結される。

第１リンク４３における膝関節１３から離れている側の第１リンク後端部４３ｂは、第１カップリング機構４７を介して、第１取付部材４１に連結されている。同様に、第２リンク４４における膝関節１３から離れている側の第２リンク後端部４４ｂは、第２カップリング機構４８を介して、第２取付部材４２に連結されている。

図３（ｂ）に示すように、第１カップリング機構４７は、第１リンク後端部４３ｂを第１取付部材４１に連結している。第１カップリング機構４７によって、第１リンク後端部４３ｂは、円筒面５０に沿ってその円周方向５０ａにスライド可能な状態で、第１取付部材４１に取り付けられている。円筒面５０は、装置側関節軸４５に直交し、第１リンク４３の長さ方向に延びる軸線を中心線とする円筒面である。また、第１カップリング機構４７によって、第１リンク後端部４３ｂは、装置側関節軸４５に直交し第１リンク４３の長さ方向に延びる軸線に沿った方向４９にスライド可能な状態で、第１取付部材４１に取り付けられている。

第１の構成では、第１カップリング機構４７は、円弧板形状の第１スライド部材５１および円弧枠形状の第２スライド部材５２を備えている。第１スライド部材５１は、円弧板形状の第１取付部材４１の表面に形成した円筒面５０に沿って、その円周方向５０ａに所定の角度範囲内をスライド可能な状態に配置されている。第１スライド部材５１の上面には、装置側関節軸４５に直交する方向４９に延びるガイドレール５３が形成されている。第２スライド部材５２は、このガイドレール５３に沿ってスライド可能な状態に配置されている。第２スライド部材５２の両端部に、両側の第１リンク後端部４３ｂが取り付けられて固定されている。他方の第２カップリング機構４８も同様に構成されているので、その説明を省略する。

なお、この構成の膝関節動作アシストユニット４は、外装型の動作アシスト装置として用いることもできる。この場合には、アシスト対象の膝関節に繋がる一方の人体部位である大腿部の側に外側から第１取付部材４１が所定位置に装着されて、動かないように固定される。膝関節に繋がる他方の人体部位である下腿部の側に、外側から第２取付部材４２が装着されて動かないように固定される。これ以外の各部材も同様に膝関節部の外側に装着される。

この構成の膝関節動作アシストユニット４では、膝関節１３を挟み、大腿骨１６および脛骨１７の間に架け渡される第１、第２リンク４３、４４には、それぞれの第１、第２リンク先端部４３ａ、４４ａの側の装置側関節軸４５を中心とするアシスト力が、回転アクチュエータ４６から加えられる。

膝関節１３の屈伸運動に伴って、第１、第２リンク４３、４４のそれぞれは、大腿骨１６、脛骨１７に沿った人体上下方向にスライド可能であり、また、円筒面５０の円周方向４９に沿った内外旋方向にスライド可能である。したがって、第１、第２リンク先端部４３ａ、４４ａを通る装置側関節軸４５は、人体側の膝関節軸の動きにほぼ追従して人体前後方向に移動することができる。

（膝関節動作アシストユニットの第２の構成）
ここで、図４（ａ）に示すように、膝関節１３の屈伸運動に伴って、人体の膝関節軸６０は、大腿骨１６に対して、人体前後方向に円弧状の軌跡に沿って移動すると共に、その姿勢も変化する。このような膝関節軸６０の動きは、図４（ｂ）〜（ｄ）に示すように、膝関節軸６０を底辺とする三角形６１を考えると、この三角形６１の対角頂点６１ａを大腿骨１６の骨表面に沿って滑らせることによって再現可能であると考えられる。

そこで、図４（ｅ）に示すように、屈伸運動に伴う三角形の対角頂点の骨表面に沿った移動軌跡６２を求め、これに沿った形状のカム溝を設定することが考えられる。例えば、実際に膝関節動作アシストユニット４を用いる人の膝関節軸の動きを測定し、これに基づき、カム溝の溝形状を設定することが可能である。

先に述べた第１の構成（図３）の膝関節動作アシストユニット４Ａにおいて、第１、第２カップリング機構４７、４８として、第１、第２スライド部材５１、５２の代わりに、このようなカム溝が形成された円筒カムを備えた第１、第２カップリング機構を用いる。このように構成した第２の構成の膝関節動作アシストユニットを用いることも可能である。

例えば、図４（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）に示すように、大腿骨１６の側の第１リンク４３における第１リンク後端部４３ｂと、大腿骨１６に固定した第１取付部材（図示せず）との間を連結している第１カップリング機構４７Ｂを、所定形状の第１カム溝６５が形成された外周曲面６６を備えたスライド台座６７、および、カム溝６５に沿ってスライド可能なカムフォロワ６８備え、スライド台座６７を大腿骨１６に固定されている第１取付部材（図示せず）に取り付け、カムフォロワ６８を円弧形状の連結枠６９を介して第１リンク後端部４３ｂに取り付けて固定した構成とすることができる。第２カップリング機構の側も同様に構成することができる。

（膝関節動作アシストユニットの第３の構成）
図５は、第１の構成における第１、第２カップリング機構４７、４８の代わりに用いることのできるカップリング機構を備えた膝関節動作アシストユニット４Ｃを示す説明図である。図３の各部に対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

図５において、第１カップリング機構７１は、第１リンク４３における膝関節１３から離れた側に配置される第１リンク後端部４３ｂと、大腿骨１６に取り付けた第１取付部材４１との間を連結している。第１カップリング機構７１は、第１リンク後端部４３ｂを、装置側関節軸４５に平行な第１軸線７２およびこれに直交する第２軸線７３のそれぞれを中心として回転可能で、第１、第２軸線７２、７３に直交し第１リンク４３の長さ方向に延びる第３軸線７４の方向にスライド可能で、かつ、第３軸線７４の方向に延びる線を中心線とする第１取付部材４１の円筒面５０に沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、第１取付部材４１に連結している。

例えば、図に示すように、第１カップリング機構７１は、円弧板形状の第１取付部材４１に形成した円筒面５０に沿ってその円周方向に所定の角度範囲に亘りスライド可能な状態で配置された円弧板形状のスライド部材７６を備えている。また、スライド部材７６の外周面上に取り付けたピボット軸部７７を備えている。ピボット軸部７７の軸穴には、円弧形状をした連結枠７８が円筒面５０に沿った方向にスライド可能な状態に通されている。また、ピボット軸部７７によって、連結枠７８は、直交する第１軸線７２および第２軸線７３回りに回転可能な状態で支持されている。連結枠７８の両端部は、両側の第１リンク後端部４３ｂに取り付けられて固定されている。脛骨１７の側の第２カップリング機構も同様に構成されている。

（膝関節動作アシストユニットの第４の構成）
図６は、第１の構成における第１、第２カップリング機構４７、４８の代わりに用いることのできるカップリング機構を備えた膝関節動作アシストユニット４Ｄを示す説明図である。図３の各部に対応する部位には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。

本例の膝関節動作アシストユニット４Ｄにおいては、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、大腿骨１６の側の第１リンク８１は、その第１リンク先端部８１ａが外側に凸の円弧形状をしており、その第１リンク後端部８１ｂの側の部分は直線状に延びている。円弧形状は、装置側関節軸４５上における両側の第１リンク先端部８１ａの中間の点Ｐを中心とする球面に沿った形状のものである。他方の第２リンク８２も同様な形状であり、第１リンク８１の両側に配置されている。

回転アクチュエータ４６（の固定側部材であるハウジング）は、脛骨側の第２リンク８２の一方の第２リンク先端部８２ａに取り付けられている。回転アクチュエータ４６の回転出力軸４６ａが装置側関節軸４５を規定している。また、この回転出力軸４６ａに大腿骨側の一方の第１リンク先端部８１ａが取り付けられている。第１リンク先端部８１ａと第２リンク先端部８２ａとの間は、点Ｐを中心とし、膝関節とは反対側（人体側方の外側）に凸の球面８３に沿ってスライド可能な状態で連結されている。このような構成としては、例えば、図２に示す股関節用のカップリング機構と同様な構造を採用することができる。

他方の第１リンク先端部８１ａと第２リンク先端部８２ａとの間も、点Ｐを中心とする凸の球面８４に沿って相対的にスライド可能な状態で連結されている。

第１リンク後端部８１ｂを大腿骨１６に取り付けた第１取付部材４１に連結している第１カップリング機構８５は、第１リンク後端部８１ｂを、装置側関節軸４５に平行な第１軸線８６を中心として回転可能で、第１軸線８６に直交し第１リンク８１の長さ方向に延びる第３軸線８７の方向にスライド可能で、かつ、第３軸線８７の方向に延びる線を中心線とする円筒面５０に沿ってその円周方向にスライド可能な状態で、第１取付部材４１に連結している。

図６（ｃ）に示すように、本例では第１取付部材４１の外周面に円筒面５０が形成されており、第１カップリング機構８５は、円筒面５０に沿ってその円周方向に所定の角度範囲をスライド可能な状態に配置されている円弧形状のスライド部材８９と、スライド部材８９の外周面に取り付けたピボット軸部９０と、ピボット軸部９０によって第１軸線８６を中心として回転可能な状態に支持されている円弧形状の連結枠９１とを備えている。また、ピボット軸部９０によって、連結枠９１は、円筒面５０に沿った方向にスライド可能な状態で支持される。連結枠９１の両側の端部は、それぞれ、両側の第１リンク後端部８１ｂに取り付けられて固定されている。他方の脛骨側の第２カップリング機構も同様に構成されている。

なお、図１に示すように、膝関節１３の側において、大腿骨１６の髄腔内には髄内釘２８が挿入固定され、上下の端部がスクリューネジ２６、２７によって大腿骨１６に固定されている。また、脛骨１７の髄腔内にも髄内釘１０１が挿入される。髄内釘１０１の上端側部分１０２はスクリューネジ１０３によって脛骨１７に固定されており、その下端部分１０４はたとえば複数本の横止めネジ１０５によって脛骨１７に固定されている。

髄内釘１０１を利用することにより、上記の第１取付部材４１、第２取付部材４２を確実に大腿骨１６および脛骨１７に取り付けることができる。

上記の第２、第３、第４構成の膝関節動作アシスト装置では、装着者の歩行動作などにおける前後方向への屈伸運動に同期して、大腿骨１６の側に固定されている回転アクチュエータ４６が駆動され、その回転出力軸４６ａが回転する。回転出力軸４６ａの回転は装置側関節軸４５を中心とする第１、第２リンクの人体前後方向への相対的な開閉運動として伝達される。これら第１、第２リンクを介して、膝関節１３に対して、歩行動作などにおける屈伸運動のアシスト力が与えられる。

膝関節１３を中心とする屈伸運動に伴って、その運動中心である人体側の膝関節軸が人体前後方向および上下方向に移動する。また、膝関節軸の姿勢も変化する。このような膝関節軸の移動および姿勢の変化に追従して、装置側関節軸４５も変位する。したがって、不要な力が膝関節１３の上下の骨に作用することなく、実質的に屈伸運動のアシスト力のみを膝関節１３に加えることができる。装着者は、健常な状態における膝の屈伸運動に近い自然な動きを維持しつつアシスト力を受けることができる。

１ 体内埋め込み型歩行アシスト装置（アシスト装置）
２ 股関節動作アシストユニット
４、４Ａ、４Ｃ、４Ｄ 膝関節動作アシストユニット
５ バッテリ電源
６、７ 給電用コード
１１ 左脚
１２ 股関節
１３ 膝関節
１４ 骨盤
１６ 大腿骨
１６ａ 骨端
１７ 脛骨
２１ 回転アクチュエータ
２２ 回転出力軸
２２ａ 中心軸線
２３ 第１リンク
２４ 第２リンク
２５ カップリング機構
２６ スクリューネジ
２７ スクリューネジ
２８ 髄内釘
３１ 第１カップリング部材
３２ 第２カップリング部材
３３ 中間カップリング部材
３４ 第１スライド面
３５ 第２スライド面
４１ 第１取付部材
４２ 第２取付部材
４３ 第１リンク
４３ａ 第１リンク先端部
４３ｂ 第１リンク後端部
４４ 第２リンク
４４ａ 第２リンク先端部
４４ｂ 第２リンク後端部
４５ 装置側関節軸
４６ 回転アクチュエータ
４６ａ 回転出力軸
４７ 第１カップリング機構
４８ 第２カップリング機構
４９ 方向
５０ 円筒面
５１ 第１スライド部材
５２ 第２スライド部材
５３ ガイドレール
６０ 膝関節軸
６１ 三角形
６２ 移動軌跡
６５ 第１カム溝
６６ 外周曲線
６７ 第１スライド台座
６８ 第１カムフォロワ
６９ 連結枠
７１ 第１カップリング機構
７２ 第１軸線
７３ 第２軸線
７４ 第３軸線
７６ スライド部材
７７ ピボッド軸部
７８ 連結枠
８１ 第１リンク
８１ａ 第１リンク先端部
８１ｂ 第１リンク後端部
８２ 第２リンク
８２ａ 第２リンク先端部
Ｐ 点
８６ 第１軸線
８７ 第３軸線
８９ スライド部材
９０ ピボット軸部
９１ 連結枠
１０１ 髄内釘
１０２ 上端側部分
１０３ スクリューネジ
１０４ 下端部分
１０５ 横止めネジ

Claims (8)

1. 装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心として相対運動を行う一方の骨あるいは人体部位を第１の部位、他方の骨あるいは人体部位を第２の部位とすると、前記第１の部位に固定される第１リンクおよび前記第２の部位に固定される第２リンクと、
   前記第２リンクに回転出力軸が固定されているアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
   前記第１リンクと前記回転アクチュエータの間を連結しているカップリング機構と、
   を有しており、
   前記カップリング機構は、前記第１リンクに対して相対的に第１方向にスライド可能な状態で連結され、前記回転アクチュエータに対して相対的に前記第１方向とは異なる第２方向にスライド可能な状態で連結されており、
   前記第１方向および前記第２方向は、前記回転出力軸の中心軸線の延長線上に位置する点を中心とする円弧あるいは球面によって規定されていることを特徴とする動作アシスト装置。
2. 請求項１において、
   前記カップリング機構は、
   前記第１リンクに固定され、あるいは一体形成された第１カップリング部材と、
   前記回転アクチュエータに固定され、あるいは一体形成された第２カップリング部材と、
   前記第１カップリング部材に対して前記第１方向に面接触状態でスライド可能に連結され、前記第２カップリング部材に対して前記第２方向に面接触状態でスライド可能に連結された中間カップリング部材と、
   を備えている動作アシスト装置。
3. 請求項１において、
   前記第１リンクは、股関節を構成する骨盤あるいは腰部、および、大腿骨あるいは大腿部のうちの一方に固定されるリンクであり、前記第２リンクは他方に固定されるリンクである動作アシスト装置。
4. 請求項３において、
   前記第１リンクは骨盤および大腿骨のうちの一方に固定されるリンクであり、前記第２リンクは他方に固定されるリンクであり、
   大腿骨の髄腔内に挿入固定される髄内釘と、
   前記第１、第２リンクのうち、大腿骨に固定される側のリンクを、前記髄内釘に固定するための固定具と、
   を有している体内埋め込み型の動作アシスト装置。
5. 装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心として相対運動を行う一方の骨あるいは人体部位を第１の部位、他方の骨あるいは人体部位を第２の部位とすると、前記第１の部位に取り付けられる第１取付部材、および、前記第２の部位に取り付けられる第２取付部材と、
   前記関節から前記第１の部位に沿って延びる状態に配置される第１リンクと、
   前記関節から前記第２の部位に沿って延びる状態に配置される第２リンクと、
   前記第１、第２リンクにおける前記関節の側に配置される第１リンク先端部および第２リンク先端部を通る装置側関節軸線を中心として、前記第１、第２リンクを相対的に開閉する方向に旋回させるアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
   前記第１リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と前記第
   １取付部材との間を連結している第１カップリング機構と、
   前記第２リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と前記第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構と、
   を有しており、
   前記第１カップリング機構によって、前記第１リンクは前記第１取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能、かつ、前記軸線の方向にスライド可能な状態となっており、
   前記第２カップリング機構によって、前記第２リンクは前記第２取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる軸線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能、かつ、前記軸線の方向にスライド可能な状態になっていることを特徴とする動作アシスト装置。
6. 装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心として相対運動を行う一方の骨あるいは人体部位を第１の部位、他方の骨あるいは人体部位を第２の部位とすると、前記第１の部位に取り付けられる第１取付部材、および、前記第２の部位に取り付けられる第２取付部材と、
   前記関節から前記第１の部位に沿って延びる状態に配置される第１リンクと、
   前記関節から前記第２の部位に沿って延びる状態に配置される第２リンクと、
   前記第１、第２リンクにおける前記関節の側に配置される第１リンク先端部および第２リンク先端部を通る装置側関節軸線を中心として、前記第１、第２リンクを相対的に開閉する方向に旋回させるアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
   前記第１リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と前記第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構と、
   前記第２リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と前記第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構と、
   を有しており、
   前記第１カップリング機構は、所定形状の第１カム溝が形成された外周曲面を備えた第１スライド台座、および、前記第１カム溝に沿ってスライド可能な第１カムフォロワを備えており、前記第１スライド台座は前記第１取付部材に取り付けられ、前記第１カムフォロワは前記第１リンク後端部に取り付けられており、
   前記第２カップリング機構は、所定形状の第２カム溝が形成された外周曲面を備えた第２スライド台座、および、前記第２カム溝に沿ってスライド可能な第２カムフォロワを備えており、前記第２スライド台座は前記第２取付部材に取り付けられ、前記第２カムフォロワは前記第２リンク後端部に取り付けられていることを特徴とする動作アシスト装置。
7. 装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心として相対運動を行う一方の骨あるいは人体部位を第１の部位、他方の骨あるいは人体部位を第２の部位とすると、前記第１の部位に取り付けられる第１取付部材、および、前記第２の部位に取り付けられる第２取付部材と、
   前記関節から前記第１の部位に沿って延びる状態に配置される第１リンクと、
   前記関節から前記第２の部位に沿って延びる状態に配置される第２リンクと、
   前記第１、第２リンクにおける前記関節の側に配置される第１リンク先端部および第２リンク先端部を通る装置側関節軸線を中心として、前記第１、第２リンクを相対的に開閉する方向に旋回させるアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
   前記第１リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と前記第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構と、
   前記第２リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と前記第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構と、
   を有しており、
   前記第１カップリング機構によって、前記第１リンクは前記第１取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に平行な第１軸線およびこれに直交する第２軸線のそれぞれを中心として回転可能で、
   前記第１、第２軸線に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる第３軸線の方向にスライド可能で、かつ、
   前記第３軸線の方向に延びる線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態となっており、
   前記第２カップリング機構によって、前記第２リンクは前記第２取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に平行な第４軸線およびこれに直交する第５軸線のそれぞれを中心として回転可能で、
   前記第４、第５軸線に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる第６軸線の方向にスライド可能で、かつ、
   前記第６軸線の方向に延びる線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態となっていることを特徴とする動作アシスト装置。
8. 装着者の関節の動きをアシストするために使用される動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心として相対運動を行う一方の骨あるいは人体部位を第１の部位、他方の骨あるいは人体部位を第２の部位とすると、前記第１の部位に取り付けられる第１取付部材、および、前記第２の部位に取り付けられる第２取付部材と、
   前記関節から前記第１の部位に沿って延びる状態に配置される第１リンクと、
   前記関節から前記第２の部位に沿って延びる状態に配置される第２リンクと、
   前記第１、第２リンクにおける前記関節の側に配置される第１リンク先端部および第２リンク先端部を通る装置側関節軸線を中心として、前記第１、第２リンクを相対的に開閉する方向に旋回させるアシスト力発生用の回転アクチュエータと、
   前記第１リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第１リンク後端部と前記第１取付部材との間を連結している第１カップリング機構と、
   前記第２リンクにおける前記関節から離れた側に配置される第２リンク後端部と前記第２取付部材との間を連結している第２カップリング機構と、
   を有しており、
   前記回転アクチュエータは前記第１リンク先端部に取り付けられ、前記回転アクチュエータの回転出力軸の中心軸線が前記装置側関節軸線であり、
   前記回転出力軸に前記第２リンク先端部が取り付けられており、
   前記第１リンク先端部と前記第２リンク先端部との間は、これら第１、第２リンク先端部よりも前記関節の側の前記装置側関節軸線上に位置する点を中心とし、前記関節とは反対側に凸の球面に沿ってスライド可能な状態で連結されており、
   前記第１カップリング機構によって、前記第１リンクは前記第１取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に平行な軸線を中心として回転可能で、
   前記軸線に直交し前記第１リンクの長さ方向に延びる第１スライド方向にスライド可能で、かつ、
   前記第１スライド方向に延びる線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態となっており、
   前記第２カップリング機構によって、前記第２リンクは前記第２取付部材に対して、
   前記装置側関節軸線に平行な軸線を中心として回転可能で、
   前記軸線に直交し前記第２リンクの長さ方向に延びる第２スライド方向にスライド可能で、かつ、
   前記第２スライド方向に延びる線を中心線とする円筒面に沿ってその円周方向にスライド可能な状態となっていることを特徴とする動作アシスト装置。