JP6766921B2 - 制御可能な非能動性人口膝 - Google Patents

Description

この発明は、人工的な下肢用補綴および矯正システムの分野に関連し、より具体的には、種々の矯正用途に使用可能な外骨格膝に関連する。

伝統的な長下肢矯正装具（ｋｎｅｅ−ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ：ＫＡＦＯ）は歩行のウエイト担持フェーズの間に患者の安定性を増大させるために用いられる。伝統的なＫＡＦＯは膝を最も伸ばした状態に固定し、これが安定性を付与する。この固定された姿勢により、患者は、歩行偏位をともなって歩き回りがちであり、これが使いすぎによる損傷をもたらす。スタンス制御装具（ｓｔａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｒｔｈｏｓｉｓｉ：ＳＣＯ）によれば、歩行周期のスイングフェーズで膝が屈曲可能になり、スタンスフェーズでの安定性のために膝を伸ばさなくても良いようになす。スイングフェーズで、膝を屈曲可能にするので、ＳＣＯはより自然な歩行を可能にし、歩行補償からの二次的な合併症を減らすことができ、より少ない努力で患者が歩行できるようにする。いつくかのスタンス制御装具がある（従来例）。

Ｆｉｌｌａｕｅｒは、スイングフェーズロック（ＳＰＬ）装具のための重力作動膝ジョイントシステムを開発した（米国特許２００３０１５３８５４）。スイングフェーズロックは、大腿部リンクに実装した単純な内部振り子（ユーザの大腿部と同一ピッチで動作する部材）を利用する。大腿部リンクが動くとき、振り子スイング動作が、大腿部リンクに関連して脛部リンク（ユーザの脛と同一のピッチで移動する部材）をロックし、またはロック解除する。これによって、歩行サイクルの適切なフェーズにおいて膝ジョイントのロックおよびロック解除を行える。

Ｆｒｅｅ Ｗａｌｋ装具（Ｏｔｔｏｂｏｃｋが販売している）およびＵＴＸ装具（Ｂｅｃｋｅｒが販売している）は、この原理に従って働く。スタンスの終了時で足部が背屈すると、膝ジョイントにおいてロック機構と結合された制御可能なケーブルが引かれる。この引き動作によりロック機構がスイングのために係合解除される。ロック機構は、バネ荷重を受け、膝が充分に伸びているときに膝を固定する。

Ｓｅｎｓｏｒ Ｗａｌｋ（Ｏｔｔｏｂｏｃｋが製造）は膝をロックまたはロック解除するために膝ジョイントにおいてラップバネを利用する。この装具は、２組のセンサ（膝にある１つが膝角度を測定し、プットプレート（ｆｏｏｔ ｐｌａｔｅ）にある他の１つが足部および床の間の力を測定する）；横方向膝ジョイントを置き換えて、制動能力を付与して解剖学的膝ジョイントを支持するラップバネクラッチ；マイクロプロセッサ制御による制動開放；電子回路；およびウエストパック中に担持されるバッテリーパックを含む。重量が体の反対側に移動して片足支持の準備が整ったときに、フットプレート中のセンサがラップバネクラッチを係合解除して、膝が、スタンスフェーズの後方部で膝を曲げることができるようになす。膝センサはつま先がはなれて膝が伸びるのを検知し、信号をマイクロプロセッサに送信し、ラップバネクラッチを固定位置に配置する。

Ｈｏｒｔｏｎ Ｓｔａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｔｈｏｓｉｓ（米国特許第６６３５０２４号および米国２００２２０１６９４０２）は、押し込み棒部材の補助に対して膝のロックおよびロック解除を行うロック機構を含む。押し込み棒部材は踵および膝の間に配置される。押し込み棒部材は踵衝撃時に膝をロックし、スタンスフェーズのちょうど終了時に膝をロック解除する。装置は任意の角度で膝をロックする。

米国特許出願公開第２００３／０１５３８５４号明細書 米国特許第６６３５０２４号明細書 米国特許出願公開２００２／０１６９４０２号明細書

この発明は、制御可能な抵抗トルクを伴う少なくとも１つの外骨格を含む外骨格システムに向けられている。具体的には、この発明は、ここに、種々な外骨格システムにおける、外骨格膝およびその用途を説明し、ここでは、２つの表面の間の摩擦力を用いて歩行サイクルにおける種々のフェーズでの膝屈曲および膝伸長を制動する。２つの表面の間の摩擦力を制御して、運動サイクルのいくつかの部分の間に外骨格に対して任意の抵抗用トルクが実現できる。外骨格膝において制動性トルクを形成することにより、膝において、装着者が付与すべきトルクを減少させる。さらに、外骨格膝はスタンスフェーズの多くの部分において装着者の膝の負担を軽減する。ここに説明される外骨格膝は、装着者の膝から独立して、さらには、腰、くるぶし、または足部の外関節から独立して、使用できる。これによって、種々の医療用、民生用、または軍用の用途においてこの外骨格膝を非常に柔軟に使用できる。

この発明の外骨格の１実施例を示す図である。 より明瞭にするためにブレースを除去して示す外骨格の実施例を示す図である。 図２の外骨格の分解図である。 ラップバネを大腿部リンクへ連結するカップリングを示す分解図である。 図４のカップリングを組み立て状態で示す図である。 この発明の実施例およびそのコントローラを示す図である。 垂直重力線に対する、大腿部リンクまたはユーザの大腿部の絶対大腿部角度を示す図である。 垂直重力線に対するユーザの絶対大腿部角度を示す図である 予め特定した最大および最小大腿部角度を示す図である。 抵抗性トルクプロフィールの実施例を示す図である。 抵抗性トルクプロフィールの実施例を示す図である。 外骨格制御に関連した有限状態マシーンを示す図である。 階段下りの間における垂直重力線に対するユーザの大腿部角度を示す図である。 階段下りの間の抵抗性トルクプロフィールを示す図である。 階段上りの間における垂直重力線に対するユーザの絶対大腿部角度を示す図である。 第１短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ）をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 第２短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ）をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 第３短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ）をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 第４短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ）をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 外骨格体幹をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 他の外骨格体幹の実施例を示す図である。 図１６の短下肢装具を含む外骨格体幹をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 図１７の短下肢装具を含む外骨格体幹をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 図１８の短下肢装具を含む外骨格体幹をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 図１９の短下肢装具を含む外骨格体幹をさらに有するこの発明の実施例を示す図である。 ラップバネが作動部によって拘束されておらず方向１３５に沿って自由に移動できるこの発明の実施例を示す図である。 ラップバネが作動部によって拘束されておらず方向１３５に沿って自由に移動できるこの発明の実施例を示す図である。 外骨格制御に関連する有限状態マシーンの他の実施例を示す図である。

図１は、ユーザ１０１に結合された外骨格１００の実施例を示す。外骨格１００は大腿部リンク１０２、脛部リンク１０４、および膝ジョイント１０６を有し、これは、膝軸１０８に沿って大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間での伸長および屈曲回転を可能にするように構成されている。伸長回転は、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２が相互に離間するように移動するときの脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の動作を示す。矢印１７５は、脛部リンク１０４の大腿部リンク１０２に対する伸長運動の方向を示す。屈曲回転は、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２が相互に近づくように移動するときの脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の動作を示す。この発明のいくつかの実施例において、外骨格１００は、ユーザの大腿部１５５に連結可能にする大腿部コネクタ１５０をさらに有する。この発明のいくつかの実施例において、外骨格１００は、ユーザの脛部１５４に連結可能にする脛部コネクタ１５５をさらに有する。この発明のいくつかの実施例において、大腿部コネクタ１５０および脛部コネクタ１５５は締め具を有する。図１では、締め具が、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２をユーザの大腿部１５５および脛部１５４へのカップリングの実例として示されたけれども、当業者は、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２をユーザの脛部１５４および大腿部１５５と同期して移動させる多くの方法および装置を用いることができることを理解できるであろう。脛部および大腿部締め具を介したカップリングは同期運動を起こさせる１つの方法にすぎない。

図２は、より明瞭に見えるように締め具１５０および１５２を取り除いた外骨格１００の実施例を示す。図３は、図２の外骨格１００の分解図であり、ここでは締め具はより明瞭に見えるように取り除いている。外骨格１００は、さらにラップバネ１１０を有し、ここで、ラップバネ１１０の第１の端部１１２は大腿部リンク１０２に結合されている。この結合は、種々の機械的な方法により実現できるけれども、この結合の実施例は、以下に図４および図５の支援を受けて説明される。ラップバネ１１０の大腿部リンク１０２への結合はディスク１１５およびキャップ１２２により容易に行えるようになっている。図４は、キャップ１２２、ディスク１１５、およびラップバネの他の図を示す。ラップバネ１１０の第１の端部１１２はキャップ１２２に結合される。ラップバネ１１０はディスク１１５の回りに巻き付けられる。ディスク１１５は、こののち、穴１１３を通り抜ける４つのファスナ（図示しない）によってキャップ１２２に固着される。この後、セットネジ１４２を用いてラップバネ１１０がディスク１１５に対して回転しないようになす。キャップ１２２は、一組の穴１３０および１３１（それぞれ図３および図４に示される）を通り抜けるファスナ（図示しない）を介して大腿部リンク１０２に結合される。この方法では、ラップバネ１１０の第１の端部１１２が大腿部リンク１０２に固定される。外骨格１００は、さらに、脛部リンク１０４に結合されたシリンダ１１４を有する。シリンダ１１４は、その主軸をラップバネ１１０の主軸と実質的に平行になるようにして実質的にラップバネ１１０内に位置決めされる。外骨格１００は、さらに、ラップバネ１１０の第２の端部１１８を位置決めできる、少なくとも１つの電気作動部１１６を有する。組み立てられたとき、第２の端部１１８は、作動部１１６のバー１３３中の穴１３２を通り抜けてその内部に止まるように伸びる。この実施例において、作動部１１６は、バー１３３が矢印１３５および１３６に沿って線形移動できるようにしているけれども、ラップバネ１１０の第２の端部１１８の位置を制御するために種々の作動部を採用して良い。外骨格１００は、電気作動部１１６を制御できるコントローラ１２０を有する。動作を説明すると、コントローラ１２０は、電気作動部１１６をして、ラップバネ１１０の第２の端部１１８を位置決めさせて、シリンダ１１４の円筒表面１２６と、ラップバネ１１０の内部表面１３４との間に任意の圧力を付与する。この圧力によって、シリンダ１１４およびラップバネ１１０の間に抵抗性トルクが生じる。この結果、ラップバネ１１０の第２の端部１１８を制御することにより、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の抵抗性トルクを制御できる。作動部１１６の支援を受けて第２の端部１１８が矢印１３６に沿って移動するときに、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の抵抗性トルクが増大する。作動部１１６の支援を受けて第２の端部１１８が矢印１３５に沿って移動するときに、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の抵抗性トルクが減少する。

図１から図５は外骨格１００の実施例を示し、ここでは、２つの摩擦表面の間の摩擦力を使用して制御可能な抵抗性トルクを発生させる。図３に最も良く示されるように、第１の摩擦表面は、脛部リンク１０４に結合されたシリンダ１１４の外側表面１２６であり、第２の摩擦表面は、ディスク１１５およびキャップ１２２に介して大腿部リンク１０２に結合されたラップバネ１１０の内側表面１３４である。電気作動部１１６は、好ましくは大腿部リンク１０２に結合され、ラップバネ１１０の第２の端部１１８を位置決めしてシリンダ１１４の外側表面１２６およびラップバネ１１０の内側表面１３４の間の圧力を制御する。この結果、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の抵抗性トルクが制御できる。当業者は、逆の結合（図示しない）で上述の手法を利用できる。すなわち、逆の場合には、バネ１１０の第１の端部１１２が脛部リンク１０４に結合され、シリンダ１１４が大腿部リンク１０２に結合される。さらに、逆の場合には、電気作動部が好ましくは脛部リンク１０４に結合される。

この発明の１実施例において、シリンダ１１４の外側直径はラップバネ１１０の内側直径より若干大きい。この実施例において、ラップバネ１１０の内側表面１３４は、その自由な形態では（すなわちラップバネ１１０の第２の端部１１８が作動部１１６により拘束されていないとき）、シリンダ１１４の外側表面に接触している。これによって、ラップバネ１１０の第２の端部１１８が作動部１１６により拘束されず、自由に動けるときに、ラップバネ１１０およびシリンダ１１４がぴったりとフィットすることが可能となる。この実施例において、図２６に示すように、オプションで、ラップバネ１１０の第２の端部１１８が作動部１１６によって拘束されないように作動部１１６をラップバネ１１０の第２の端部１１８に結合してよい。これによって、ラップバネ１１０を巻き戻すためにラップバネ１１０の第２の端部が自由に動くことができる。なぜならば、ラップバネの第２の端部がバー１３３に形成されたスロット１３７中を自在に動けるからである。この実施例の特別な特性は、これによって、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の相互に対する膝の伸長が、いつでも、自由になる（または膝伸長時にほんのわずかな抵抗しかない）ことである。ラップバネ１１０の第２の端部１１８が拘束されていないときに、ラップバネ１１０およびシリンダ１１４は相互に接触しているので、選択的な抵抗性トルクを形成し、このため、作動部１１６を用いてラップバネ１１０の第２の端部１１８を方向１３５に沿って移動させて、ラップバネ１１０をほどく必要がある。作動部１１６がラップバネ１１０の第２の端部１１８を方向１３５に沿ってより多く移動させると、ラップバネ１１０がよりほぐされて、より小さな抵抗性トルクしか生じなくなる。ラップバネ１１０の第２の端部１１８が方向１３５に沿って移動して、ラップバネ１１０およびシリンダ１１４の間の接触が最小になる（または接触しなくなる）点まで到達すると、ラップバネ１１０の内側表面およびシリンダ１１４の間に抵抗性トルクが生じなくなる。この実施例において、ラップバネ１１０の第２の端部１１８の位置と無関係に（すなわち、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の屈曲に応じてどのくらい多くの抵抗性トルクが生じるかとは無関係に）、シリンダ１１４（および、その結果として、脛部リンク１０４も）が大腿部リンク１０２に対して矢印１７５に沿って自由に回転させて良い。この実施例において、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４は、いつでも、相互に自由に（またはほんのわずかな抵抗しかなく）伸長し、これは、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間の屈曲に応じて抵抗性トルクが生じる場合もそうである。この特徴は重要であり、なぜならば、これによって、いつでも、作動部１１６に何の指令を出すことなしに、膝ジョイントを、自由に、または、ほとんど抵抗なしに、伸長させることができるようになるからである。この実施例において、作動部１１６は、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の間の屈曲時に選択的な抵抗性トルクを生じるためにのみ貢献する。この実施例の機械的の性質のため、脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の間はいつでも自由に伸長させることができる。バー１３３のスロット１３７の代わりに、長尺の穴（今時点で１３９）を図２７に示すように形成して良い。

図６は、この発明の実施例およびそのコントローラ１２０を示し、ここでは制御可能な抵抗性トルクがどのように生じるかは無関係である。外骨格１００は図６に示されるように人の下肢に結合されるように構成されている。外骨格１００は大腿部リンク１０２、脛部リンク１０４、膝ジョイント１０６、トルク発生器１５６、少なくとも１つの脚部センサ１２８、および、コントローラ１２０を有し、大腿部リンク１０２はユーザの大腿部１５５と連動して動くように構成され、脛部リンク１０４はユーザの脛部１５４と連動して動くように構成され、膝ジョイント１０６は脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の間の屈曲および伸長を可能にし、トルク発生器１５６は脛部リンク１０４および大腿部リンク１０２の間に制御可能な抵抗性トルクを形成するように構成され、脚部センサ１２８は大腿部リンク１０２の角度を表す脚部信号１４０を形成し、コントローラ１２０はトルク発生器１５６を制御できる。

トルク発生器１５６は抵抗性トルクを発生させる全般的な機構を表し、これは摩擦力と異なる他の方法を含む。具体的には、トルク発生器１５６は、図１〜図５に示したような２つの摩擦表面の間の摩擦力を使用することにより、大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間に制御可能な抵抗性トルクを発生させるように構成されてよい。この発明のいくつかの実施例において、油圧システム（図示しない）を用いて大腿部リンク１０２および脛部リンク１０４の間に制御可能な抵抗性トルクを実現して良い（油圧人口膝に類似したもの）。この発明の他のいくつかの実施例において、電気モータおよび作動装置（図示しない）を用いて制御可能な抵抗性トルクを実現して良い。

この発明のいくつかの実施例において、脚部センサ１２８は、コンピュータまたは電気回路または双方の支援を受けて、大腿部リンク１０２の絶対角度を生成するセンサまたはセンサの組み合わせを有する。この発明のいくつかの実施例において、ジャイロスコープ、加速度計、および磁力計を含む電子印刷回路基板（ＰＣＢ）を利用できる。この発明のいくつかの実施例において、ＰＣＢセンサは、大腿部リンク絶対角度を測定するために大腿部リンク１０２上に実装されている。ＰＣＢセンサはさらにフィルタリングおよび計算を行うためのマイクロコンピュータを含んで良い。ＰＣＢ上のジャイロスコープはＰＣＢまたはＰＣＢが接続されている任意の部材の角速度を表す信号を出力する。この発明のいくつかの実施例において、ジャイロスコープは大腿部リンク１０２の角速度を表す信号を出力する。ジャイロスコープの出力が、つぎに、積分されてＰＣＢセンサまたは大腿部リンク１０２の絶対角度が計算され、発生される。ＰＣＢボード上の加速度計および磁力計は、角速度から絶対角度を計算する上での誤差を減少させるために使用される。この発明のいくつかの実施例において、脚部センサ１２８はそれ自体の計算能力、および大腿部リンク１０２の計算のための電子回路を含む。この発明のいくつかの実施例において、外骨格コントローラ１２０は大腿部リンク１０２の絶対角度を導出するのに用いられる。脚部信号１４０は、垂直重力線１６１（図７）または地面１６２（図６）に対する、大腿部リンク１０２の絶対角度を表す、コントローラ中の、信号、信号の組み合わせ、または少なくとも１つの変数を表す。いくつかの実施例において、センサ・オンボード・コンピュータを用いて脚部信号１４０を生成して良い。いくつかの実施例において、外骨格コントローラ１２０または他のコンピュータまたは回路を用いて脚部信号１４０を生成して良い。

人の胴体（上半身）の方向は、歩行中はむしろ垂直であるので、ユーザの胴体および大腿部リンク１０２の間の角度を表す信号を脚部信号１４０として使用できる。これは、センサをヒップジョイントの上に実装して、図２０に示すような屈曲伸長軸３５２に沿う、大腿部リンク１０２および胴体リンク３５３の間の屈曲および伸長を測定することにより実現できる。脚部センサ１２８の例は、これに限定されないが、回転ポテンショメータ、線形ポテンショメータ、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、線形可変差分トランスフォーマ、容量偏位センサ、渦電流近接センサ、可変誘導近接センサ、ロッカースイッチ、スライドスイッチ、加速度計、慣性測定ユニット、磁力計、およびそれらの組み合わせを含む。この発明のいくつかの実施例において、コントローラ１２０は脛部リンク１０４に結合される。

外骨格１００の１実施例において、脚部信号１４０は、図７に示すような垂直重力線１６１に対する、大腿部リンク１０２の絶対角度を表す信号である。垂直重力線１６１は重力に対して平行である。慣性測定ユニット（ＩＭＵ）の形態の脚部センサ１２８は、ユーザの大腿部１５５に固定でき、ユーザの大腿部１５５または大腿部リンク１０２の垂直重力性１６１に対する絶対角度を生成できる。ユーザの大腿部１５５および大腿部リンク１０２はそれぞれ揃って動くので、脚部センサ１２８はユーザの大腿部１５５または大腿部リンク１０２のいずれに固定されても良い。以下、外骨格１００が平坦地歩行、階段降り、および階段昇りについてどのように制御されるかを説明する。

［平坦歩行］
図８は、平坦な地面を歩行している人の大腿部の垂直重力線１６１に対する絶対角度を示す。この発明の１実施例において、脚部信号１４０は、大腿部リンク１０２の垂直重力線１６１に対する絶対角度を表す。図８から理解されるように、この場合、大腿部リンク１０２の垂直重力線１６１に対する絶対角度は−２０°および＋２０°の間に限定される。この限定は人ごとに違って良く、同じ人でも時間や他の変数により変化する。コントローラ１２０は、脚部信号１４０に基づいて、トルク発生器１５６の抵抗性トルクを制御する。

動作を説明すると、トルク発生器１５６は、脚部信号１４０（この実施例では、大腿部リンク１０２の垂直重力線１６１に対する絶対角度）が予め定められた最大大腿部角度⁻θより大きくなったときに、屈曲に応じて抵抗性トルクを発生し始める。これによって、トルク発生器１５６は踵の打撃時の外骨格膝屈曲に応じて抵抗性トルクを発生させるように準備する。外骨格１００のこの状態を「抵抗性状態」２０８（図１２に示す）と定義する。この発明のいくつかの実施例において、この予め定められた最大大腿部角度⁻θ（なお「バー」は本来「θ」の真上にある。以下同様）は１８°と考えた。人の歩き方に応じてこの予め定められた最大大腿部角度は調整できる。この方法を用いて、脚部信号１４０が角度⁻θ（例えば１８°）を越えるとすぐに、外骨格が抵抗性状態２０８に移り（すなわち膝屈曲に応じて抵抗性トルクを付与する）、これは膝ジョイントが伸長し続けていてもそうである。

トルク発生器１５６は、脚部信号１４０が予め定められた最小大腿部角度より小さくなるとゼロまたは最小の抵抗性トルクを発生し始める。この予め定められた最小大腿部角度は₋θ（図９に示される。（なお「バー」は本来「θ」の真下にある。以下同様）と表される。換言すると、脚部信号１４０がこの最小大腿部角度より小さくなると、トルク発生器１５６が膝ジョイント１０６において抵抗性トルクを減少させ始め、これによって外骨格１００が自由な状態に入るのを準備する。図１２に示すように、トルク発生器１５６は抵抗性トルクをゼロまたは最小可能値まで減少させる。この発明のいくつかの実施例において、この予め定められた最小大腿部角度₋θは−１８°と考えた。人の歩き方に応じてこの予め定められた最小大腿部角度は調整できる。

抵抗性状態２０８においては、多くの形態の抵抗性トルクプロフィールがある。図１０に示すように、この発明のいくつかの実施例において、抵抗性トルクは非常に迅速にその最大値まで増大する。抵抗性トルクは減少し、その後、再度、ちょうどつま先が離れる前に増大する（脚部信号１４０または膝角度またはこれらの組み合わせに左右される）。この特徴のプロフィールは歩行障害を伴う人に適切なものであろう。図１１は、抵抗性トルクプロフィールの他の実施例を示し、これは正常な移動能力を有する人に対して使用されて良い。図１１に示されるように、抵抗性トルクは非常に迅速に最大値まで増大し、その後に最小値へと減少する。

図１２は外骨格制御に関連する有限状態マシーンを示す。図１２に示すように、外骨格１００は、外骨格１００が抵抗性状態２０８に予め定められた最大スタンス時間（ｔ_ｌｉｍ）より長い期間だけ抵抗性状態２０８に止まる場合に、ロック状態２１０へと移動し、ここで、トルク発生器１５６が最大抵抗性トルクを発生する。この発明のいくつかの実施例において、この予め定められた最大スタンス時間は１．５秒である。

外骨格１００は、外骨格１００が自由状態２０６に予め定められた最大スタンス時間（ｔ_ｌｉｍ）より長い期間だけ抵抗性状態２０８に止まる場合に、ロック状態２１０へと移動し、ここで、トルク発生器１５６が最大抵抗性トルクを発生する。この発明のいくつかの実施例において、この予め定められた最大スタンス時間は１．５秒である。

この発明のいくつかの実施例において、脚部信号１４０が予め定められた最大大腿部角度より大きいときに（すなわち、図１２に示すように、θ_{Ｔｈｉｇｈ}＞⁻θ）、外骨格１００は抵抗性状態２０８に移動する。この発明のいくつかの実施例において、脚部信号１４０が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに（すなわち、図１２に示すように、θ_{Ｔｈｉｇｈ}＜₋θ）、外骨格１００は自由状態２０６に移動する。

この発明のいくつかの実施例において、外骨格１００は手動ロック装置１６４（図６参照）を有し、これはコントローラ１２０に対してロック信号２１２を生成することができる。動作を説明すると、手動ロック装置１６４が起動されると、外骨格１００がロック状態２１０（図１２に示す）に移行し、ここで、トルク発生器１５６が最大抵抗性トルクを発生させる。

この発明のいくつかの実施例において、外骨格１００は手動ロック解除装置１６６（図６参照）を有し、これがコントローラ１２０に対して手動ロック解除信号２１４を生成でき、ここで、手動ロック解除装置１６６が起動されると外骨格１００はロック解除状態２００に移行し、ここでトルク発生器１５６は最小抵抗性トルクを発生させる。この発明のいくつかの実施例において、最小抵抗性トルクはゼロ値である。

この発明のいくつかの実施例において、外骨格１００は手動座位装置１６８（図６）を有し、これはコントローラ１２０に対して手動座位信号を発生させることができる。動作を説明すると、手動座位装置１６８が起動されると、外骨格１００が座位状態２０２に移行し、ここで、トルク発生器１５６が、膝ジョイント１０６を徐々に屈曲させるのに適した任意の抵抗性トルクを発生させる。この発明のいくつかの実施例において、座位状態の端部において、脚部信号１４０が予め定められた最大座位大腿部角度値（⁻θ_ｓｉｔ）に達すると外骨格１００はロック解除状態２００に移行する。この発明のいくつかの実施例において、この予め定められた最大座位大腿部角度は約９０度である。

手動ロック装置１６４、手動ロック解除装置１６６、および手動座位装置１６８は、コントローラ１２０に対して手動ロック信号２１２、手動ロック解除信号２１４、および手動座位信号２１６を発生させることができる任意の信号発生器または信号発生器の組み合わせを有する。これら信号発生器（すなわち１６４、１６６、１６８）の例は、これに限定されないが、スイッチ、瞬時スイッチ、トグルスイッチ、オン−オフ・ボタン、スライドスイッチ、ノブ、ポテンショメータ、サムロール押しボタン、および、これらの組み合わせを含む。この発明のいくつかの実施例において、手動ロック装置１６４および手動ロック解除装置１６６は同一のハードウェアである。当業者は、１または複数の信号発生器を通じて上述の信号を生成させるための種々の方法があることが、理解できる。

［階段下り］
階段を下るときには、人の大腿部の、垂直重力線１６１に対する絶対角度は、周期的な動作を経る。ただし、この大腿部絶対角度は常に正である。図１３に示すように、階段下りの間、垂直重力線１６１に対する絶対大腿部角度は約３０°へと増大し、約１２．３°へと減少する。私達は、もし、₋θおよび⁻θが平坦歩行用に外骨格を動作させるならば（例えば、上述のように₋θ＝−１８°かつ⁻θ＝１８°）、外骨格１００は階段下りのときに依然として機能できることを見いだした。大腿部角度が⁻θ（例えば１８°）を越えることが検出されるときに、外骨格１００は抵抗性状態２０８（図１２に示す）に移行する。ただし、人の脚部は依然としてスイングフェーズ（すなわち地面に接触していない）にある。これは、脚部が地面に接触するときに、外骨格１００が、膝屈曲に応答して容易に抵抗性トルクを生成できることを意味する。階段下りにおいて、人は通常、スイングフェーズでは、膝を屈曲させない。なぜならば、膝角度はスタンスフェーズにおいてすでにかなり屈曲されているからである。いくつかの実施例において、階段下りのときには、外骨格１００は自由状態２０６に入らない、なぜならば、垂直重力線１６１に対する絶対大腿部角度は₋θより小さくならないからである。これは、この発明のいくつかの実施例において、₋θおよび⁻θに対する１組のパラメータが、平坦地面歩行および階段下りに充分であることを意味する。図１４は、階段下りの溜の抵抗性トルクプロフィールの実施例を示す。

図１２に戻ると、外骨格１００が自由状態２０６にあり、かつ、垂直重力線１６１に対する大腿部リンク１０２の絶対角度が⁻θより大きいときに、外骨格１００が抵抗性状態２０８に移行する。外骨格１００が抵抗性状態２０８にあり、かつ、垂直重力線１６１に対する大腿部リンク１０２の絶対角度が₋θより小さいときに、外骨格１００が自由状態２０６に移行する。図１４および図１２を良く観察すると、階段下りの間、外骨格１００が自由状態２０６に入らないことがわかる。これは、階段下りの間、垂直重力線１６１に対する大腿部リンク１０２の絶対角度が₋θより小さくならないからである。

［階段昇り］
階段を昇るとき、人の大腿部角度は人の大腿部の、垂直重力線１６１に対する絶対角度は、周期的な動作を経る。図１５は、１組の階段を人が昇る状態を示す。垂直重力線１６１に対する人の大腿部の絶対角度が⁻θ（例えば１８°）を越えると、膝角度（大腿部および脛部の間の角度）は約９０°へと自由に屈曲し、その後約５０°へと伸長する必要があることが観察できる。外骨格１００は、大腿部絶対角度が⁻θより大きいと自由に屈曲できないので、人の脚部はつぎの階段ステップにあたってしまう。これは、いくつかの実施例において、平坦歩行および階段下りの際に利用した⁻θの同一の値を利用できないことを意味する。ここでいくつかの解決策が提供される。最初の解決策では、階段を上る際には、手動ロック解除装置１６６を用いて外骨格１００をロック解除状態２００に移行させることが必要になる。

第２の解決策では、膝角度測定値θ_ｋｎｅｅが利用可能であれば、これを利用して平坦歩行と階段登りとを差別化することができる。膝角度測定値θ_ｋｎｅｅは、図１５に示すように、大腿部および脛部の間の角度を表す。図５によれば、膝角度測定値θ_ｋｎｅｅは、つま先が離れた直後に非常に小さな値から（ほぼゼロ）から大きな値（９０°に近いどこか）に増加する。脚部信号１４０が⁻θに至ると、膝角度は、平坦歩行時のそれよりかなり大きなものである。脚部信号１４０が⁻θに至るとき平坦歩行時の膝角度測定値は、通常、約１５°であるが、脚部信号１４０が⁻θに至るとき階段昇り時の膝角度測定値は、通常、約４５°である。脚部信号１４０が⁻θに至り、かつ膝測定値が⁻θ_ｋｎｅｅより小さいとき（すなわち、θ_ｋｎｅｅ＜⁻θ_ｋｎｅｅ）、コントローラは抵抗性状態２０８に移行する。この発明のいくつかの実施例において、⁻θ_ｋｎｅｅは３０°に選択され、これは平坦歩行時の最大膝角度特定値より大きな値である。ただし、脚部信号１４０が⁻θに至り、かつ膝測定値が⁻θ_ｋｎｅｅより大きいとき（すなわち、θ_ｋｎｅｅ＞⁻θ_ｋｎｅｅ）、コントローラはその自由状態２０６に止まる。膝角度測定は、エンコーダまたはレゾルバまたは任意の角度センサを膝ジョイントに実装することにより実現できる。

第３の解決策では、₋θおよび⁻θを修正して昇り階段または上り坂に適した値にする必要がある。この発明の１実施例において、₋θおよび⁻θは昇り階段および上り坂に対して１０°および６０°に設定できる。

図１６〜図１９は、外骨格がさらに短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ ｏｒｔｈｏｓｉｓ）を有する、この発明の実施例を示す。この発明のいくつかの実施例において、例えば、図１６に示すような実施例においては、短下肢装具４０２は人の脚部に結合可能である。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具４０２は脛部リンク１０４に結合可能である。この発明のいくつかの実施例において、図１６に示すように、外骨格３００は、短下肢装具４０２をさらに有し、これは装着者の靴３０３の外部に装着される。この発明のいくつかの実施例において、図１７に示すように、外骨格４００は、短下肢装具４０４をさらに有し、これは装着者の靴３０３の内部にインソールのように装着される（装着者の靴は明瞭化のために示さない）。当業者は内部および外部の短下肢装具の多くの形態に至ることができる。図１８は、短下肢装具４０６を有する外骨格５００の実施例を示し、これは標準的な短い、短下肢装具（ａｎｋｌｅ−ｆｏｏｔ−ｏｒｔｈｏｓｉｓ：ＡＦＯ）であり、固定ヒンジ（いくつかの場合には調整可能である）を伴う。このタイプのＡＦＯは比較的軽量であり、靴内に装着しやすい。このＡＦＯは足部を脛部リンク１０４に対して所望の角度に保持する。さらに、このＡＦＯでは、足底屈曲（ｐｌａｎｔａｒ ｆｌｅｘｉｏｎ）または足背屈曲（ｄｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ）ができず、そのため、いくつかの他の締め具のようなかなり自然な足どりを実現しない。図１７は、短下肢装具４０４が標準的なソリッド短下肢装具である骨格４００の実施例を示す。このタイプの短下肢装具は足底屈曲を阻止し、また足背屈曲を阻止または制限する。図１９は、短下肢装具４０８を有する外骨格６００の実施例を示し、これはＰｌａｎｔｅｒｆｌｅｘｉｏｎ Ｓｔｏｐ ＡＦＯである。このＡＦＯでは、足部リンク１０３が下方を向かないようにして足底屈曲を阻止するようになす。

種々の短下肢装具の具体的な例を示したけれども、この発明に関連して他のタイプの短下肢装具を利用して良い。例えば、この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＤｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔ ＡＦＯ（図示しない）である。このタイプのＡＦＯは図１８に示したＡＦＯと類似するけれども、足部が地面から離れたときに足部リンク２０３を上昇させる（くるぶしを足背屈曲させる）ように動作するバネ状ヒンジを具備する。Ｄｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔ ＡＦＯは、より通常な足どりパターンの利点を実現する。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具は標準的なＰｏｓｔｅｒｉｏｒ Ｌｅａｆ Ｓｐｒｉｎｇの短下肢装具（図示しない）である。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＥｎｅｒｇｙ Ｒｅｔｕｒｎの短下肢装具（図示しない）である。このタイプのＡＦＯはＡＦＯの材料に組み込まれた自然な屈曲を採用して足背屈曲を支援する。これらの同地はしばしばカーボン繊維材料から製造される。一般的に、この発明の短下肢装具は、上述の機能を実現できる、内部または外部の短下肢装具の任意の装置または組み合わせを有する。外部または内部の短下肢装具の例は、これに限定されないが、柔軟性のあるＡＦＯ、堅固なＡＦＯ、アメリカマツ曲げを具備するＡＦＯ、抗斜面（ａｎｔｉ−ｔａｌｕｓ）のＡＦＯ、抗斜面（ａｎｔｉ−ｔａｌｕｓ）のＡＦＯ（前面シェルまたは前方にシェルがある）、自由動きくるぶしジョイント付きのＡＦＯ、調整可能な堅固なくるぶしジョイント付きのＡＦＯ、バネ負荷くるぶしジョイント付きのＡＦＯ、調整可能なバネ負荷くるぶしジョイント付きのＡＦＯ、およびこれらの組み合わせを含む。

図２０および図２１は、外骨格６１０がさらに外骨格体幹３５０を有する、この発明の１実施例を示す。外骨格体幹３５０は人の上方身体に結合されるように構成される。この発明のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、バックパックのように人に連結される（図示しない）。この発明のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、例えば、図２０に示すように、ベルトのように人に連結される。外骨格体幹３５０は胴体リンク３５３を有し、これが人の上方身体および胴体に結合できる。外骨格体幹３５０は大腿部リンクを胴体リンク３５３に回転可能に結合するように構成された体幹大腿部リンク３５１をさらに有する。この発明のいくつかの実施例において、体幹大腿部リンク３５１は大腿部リンク１０２に結合されている。この発明のいくつかの実施例において、体幹大腿部リンク３５１は大腿部リンク１０２に結合されていない。図示しない代替的な実施例において、体幹大腿部リンク３５１は人の大腿部に結合されている。この発明のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０はさらに胴体リンク３５３および体幹大腿部リンク３５１の間にトルクを付与することができる作動部３５８を有する。作動部３５８用のコントローラボックス３６７およびバッテリ３６９が図２０に示される。この発明のいくつかの実施例において、脚部信号１４０は、垂直重力線１６１または地面１６２に対する大腿部リンク１０２の絶対角度を示す。この発明のいくつかの実施例において、脚部信号１４０は、垂直重力線１６１または地面１６２（図６参照）に対する体幹大腿部リンク３５１の絶対角度を示す。この発明のいくつかの実施例において、脚部信号１４０は、人の胴体と実質的に平行な胴体リンク３５３に対する体幹大腿部リンク３５１の絶対角度を示す。

図２１は、外骨格体幹３５０の他の部分図を示す。屈曲伸長軸３５２は、体幹大腿部リンク３５１および胴体リンク３５３の間の屈曲および伸長を示す。この発明のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０は、腰部外転内転ジョイント３６５を有し、これによって、外骨格体幹３５０の右側および左側を相互に対して移動させることができる。外転内転軸３５５は、腰部外転内転の回転軸を示す。この発明のいくつかの実施例において、腰部外転内転の回転は自在に回転する。この発明のいくつかの実施例において、腰部外転内転の回転は柔軟部材（図示しない）を使用して抵抗を受ける。この発明のいくつかの実施例において、腰部外転内転軸は、前方平面において外転および内転の動きが抑えられるべき用途に対してはロックすることができる。

この発明のいくつかの実施例において、外骨格体幹３５０はさらに脚部外転内転ジョイント３５７を有し、これによって、体幹大腿部リンク３５１の胴体リンク３５３'に対する外転および内転を可能にする。脚部外転内転軸３５９は、脚部外転内転の回転軸を示す。この発明のいくつかの実施例において、脚部外転内転の回転はバネのような柔軟部材（図示しない）を使用して抵抗を受ける。この発明のいくつかの実施例において、脚部外転内転軸は、前方平面において外転および内転の動きが抑えられるべき用途に対してはロックすることができる。図２１はタブ３６１および３６３を示し、これらを用いて大腿部リンク１２０を締め具に連結する。

図２２〜図２５は、外骨格体幹３５０および短下肢装具（例えば４０２、４０４、４０６、および４０８）の双方を含むこの発明の実施例（外骨格６２０、６３０、６４０、および６５０）を示す。これら図示の実施例において、この発明の短下肢装具（４０４、４０６、４０８）は、人の足部に連結可能であり、脛部リンク１０４に結合される。代替的には、図２２に示される実施例において、短下肢装具４０２は装着者の沓０３の外側に装着される。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具４０４はインソールのように装着者の靴の中で装着される（図２３に示される。ここでは明瞭に示すために装着者の靴は示さない）。当業者は、内側、および、外側の短下肢装具の多くの形態に至ることができる。図２４は、短下肢装具４０６が標準的な短い脚部の短下肢装具であり、固定された（ただし調整可能）ヒンジを具備する、外骨格６４０の実施例を示す。図２３は、短下肢装具４０４が標準的なソリッドの短下肢装具である外骨格６３０の実施例を示す。図２５は、短下肢装具４０８がＰｌａｎｔａｒｆｌｅｘｉｏｎ Ｓｔｏｐ ＡＦＯである外骨格６５０の実施例を示す。さきに述べたように、種々の短下肢装具の具体的な例が示されるけれども、この発明に関連して利用できる種々のタイプの短下肢装具がある。例えば、この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＤｏｒｓｉｆｌｅｘｉｏｎ Ａｓｉｓｔ ＡＦＯであって良い。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具は標準的なＰｏｓｔｅｒｉｏｒ Ｌｅａｆ Ｓｐｒｉｎｇ 短下肢装具であって良い。この発明のいくつかの実施例において、短下肢装具はＥｎｅｒｇｙ Ｒｅｔｕｒｎの短下肢装具であって良い。外骨格体幹３５０は、人の上方の身体に結合されるように構成される。この発明のいくつかの実施例において、図２２に示すように、外骨格体幹３５０は肩紐１８８を用いてバックパックのように人に結合される。この発明のいくつかの実施例において、図２３、２４および２４に示すように、外骨格体幹３５０はベルトのように人に結合される。

以下、ここで記述した技術的特徴を列挙する。
［技術的特徴１］
ユーザの下肢に結合されるように構成された外骨格において、
上記ユーザの大腿部と揃って動くように構成された大腿部リンクと、
上記ユーザの脛部と揃って動くように構成された脛部リンクと、
上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に位置づけられ、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間で屈曲および伸長ができるように構成された膝ジョイントと、
第１の端部および第２の端部を有するラップバネであって、上記第１の端部が上記大腿部リンクまたは上記脛部リンクの一方に結合された上記ラップバネと、
上記大腿部リンクまたは上記脛部リンクの他方に結合されたシリンダであって、当該シリンダの一部が上記ラップバネの内部に位置づけられ、上記シリンダの主軸が上記ラップバネの主軸と平行な、上記シリンダと、
上記大腿部リンクの垂直重力線に対する角度を表す少なくとも１つの脚部信号を生成するように構成された少なくとも１つの脚部センサと、
上記ラップバネに結合されて上記ラップバネの上記第２の端部を選択的に位置決めさせることができる少なくもと１つの電気作動部と、
上記少なくもと１つの電気作動部と通信するコントローラとを有し、
上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号に応じて、当該外骨格を抵抗性状態に遷移させるように構成され、当該抵抗性状態において、上記コントローラは上記少なくもと１つの電気作動部をして上記ラップバネの上記第２の端部を選択的に位置決めさせて、踵の衝突時の膝屈曲に応じて、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に所望の抵抗性トルクを発生させることを特徴とする外骨格。
［技術的特徴２］
上記大腿部リンクは上記大腿部リンクを上記ユーザの大腿部に結合させる大腿部コネクタを有し、上記脛部リンクは上記脛部リンクを上記ユーザの脛部に結合させる脛部コネクタを含む技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴３］
上記所望の抵抗性トルクは上記シリンダの表面および上記ラップバネの表面の間の摩擦接触により発生させられる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴４］
上記シリンダの外側直径は上記ラップバネの内側直径より大きくて、上記ラップバネの上記第２の端部が上記少なくもと１つの電気作動部と結合されていないときに、上記ラップバネの内側表面の少なくとも一部が上記シリンダの外側表面と接触するようになっている技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴５］
上記ラップバネの上記第２の端部が上記少なくもと１つの電気作動部により拘束されず、もって、上記ラップバネの上記第２の端部が上記ラップバネを復元状態にほぐすために移動自在であるように、上記ラップバネの上記第２の端部に結合される技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴６］
上記膝ジョイントは常に伸長自在である技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴７］
上記少なくもと１つの電気作動部は上記大腿部リンクまたは上記脛部リンクに結合されている技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴８］
上記少なくとも１つの脚部センサは、ポテンショメータ、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、線形可変差分トランスフォーマ、容量変位センサ、渦電流近接センサ、可変インダクタンス近接センサ、ロッカースイッチ、スライドスイッチ、加速度計、慣性測定ユニット、ジャイロスコープ、磁力計、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択された要素を有する技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴９］
上記コントローラは、当該外骨格が上記抵抗性状態にあり、かつ、上記脚部信号が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを自由状態に遷移させるように適合化され、上記自由状態において、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間のトルクは上記所望の抵抗性トルクより実質的に小さい技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴１０］
上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが上記自由状態にあり、かつ、上記脚部信号は上記予め定められた最大大腿部角度より大きいときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを上記抵抗性状態に遷移させるように適合化される技術的特徴９記載の外骨格。
［技術的特徴１１］
上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間の角度を測定する膝センサをさらに有し、上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが上記自由状態にあり、かつ、上記脚部信号が上記予め定められた最大大腿部角度より大きく、さらに、上記膝センサが上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間の屈曲が小さいことを示すときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを上記抵抗性状態に遷移させるように適合化され技術的特徴９記載の外骨格。
［技術的特徴１２］
上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが上記抵抗性状態であり、かつ上記脚部信号が予め定められた最小大腿部信号より小さいときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを自由状態に遷移させるように適合化され、上記自由状態において、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間のトルクをゼロである技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴１３］
上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが上記自由状態であり、かつ上記脚部信号が予め定められた最大大腿部角度より大きいときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを上記抵抗性状態に遷移させるように適合化される技術的特徴１２記載の外骨格。
［技術的特徴１４］
上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが、予め定められた最大スタンス時間より長い期間だけ上記抵抗性状態に止まっているときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクをロック状態に遷移させるように適合化され、上記ロック状態において、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に最大抵抗性トルクを発生させる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴１５］
上記コントローラは、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが予め定められたスイング時間より長い期間だけ上記自由状態に止まっているときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクをロック状態に遷移させるように適合化され、上記ロック状態において上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に最大抵抗性トルクを発生する技術的特徴９または１２記載の外骨格。
［技術的特徴１６］
上記コントローラは、上記脚部信号が予め定められた最大大腿部角度より大きいときに上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを上記抵抗性状態に遷移させるように適合化される技術的特徴１４記載の外骨格。
［技術的特徴１７］
上記コントローラは、上記脚部信号が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクを上記自由状態に遷移させるように適合化される技術的特徴１５記載の外骨格。
［技術的特徴１８］
上記コントローラに対してロック信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、手動入力装置がユーザにより起動されたときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクはロック状態に遷移し、このロック状態において上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に最大の抵抗性トルクを発生させる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴１９］
上記コントローラに対して手動ロック解除信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、上記手動ロック装置がユーザにより起動されたときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクはロック解除状態に遷移し、このロック解除状態において上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に最小の抵抗性トルクを発生させる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２０］
上記コントローラに対して手動ロック解除信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、上記手動ロック装置がユーザにより起動されたときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクはロック解除状態に遷移し、このロック解除状態において上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間にゼロの抵抗性トルクを発生させられる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２１］
上記コントローラに対して手動座位信号を発生させることができる手動座位装置をさらに有し、上記手動座位装置がユーザにより起動されたときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが座位状態に遷移し、この座位状態において上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に、上記膝ジョイントを徐々に屈曲させるのに適した任意の抵抗性トルクが発生させられる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２２］
上記脚部信号が予め定められた最大座位大腿部角度値に到達したときに上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクが上記ロック解除状態に遷移する技術的特徴１９または２０記載の外骨格。
［技術的特徴２３］
上記予め定められた最大座位大腿部角度は９０度である技術的特徴２２記載の外骨格。
［技術的特徴２４］
上記コントローラに対してロック信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、上記手動ロック装置が起動されたときに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクがロック状態に遷移し、このロック状態において上記トルク発生器が最大抵抗性トルクを発生させる技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２５］
上記ユーザの足部に結合させることができる短下肢装具をさらに有し、上記短下肢装具は上記脛部リンクに結合可能である技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２６］
上記ユーザの上方の身体に結合されるように構成された外骨格体幹をさらに有し、上記外骨格体幹は、
上記ユーザの胴体に結合させることが可能な胴体リンクと、
上記胴体リンクに回転可能に結合されることが可能な体幹大腿部リンクとを有し、
上記体幹大腿部リンクは上記大腿部リンクに結合される技術的特徴１記載の外骨格。
［技術的特徴２７］
上記胴体リンクおよび上記体幹大腿部リンクの間にトルクを付与することができる作動部をさらに有する技術的特徴２６記載の外骨格。
［技術的特徴２８］
上記ユーザの足部に結合させることができる短下肢装具をさらに有し、上記短下肢装具は上記脛部リンクに結合可能である技術的特徴２６記載の外骨格。
［技術的特徴２９］
上記胴体リンクおよび上記体幹大腿部リンクの間にトルクを付与することができる作動部をさらに有する技術的特徴２８記載の外骨格。
［技術的特徴３０］
ユーザの下肢に結合されるように構成された外骨格において、
第１のリンクと、
第２のリンクと、
上記第１のリンクおよび上記第２のリンクの間に位置づけられ、上記第１のリンクおよび上記第２のリンクの間で屈曲および伸長ができるように構成された膝ジョイントと、
第１の端部および第２の端部を有し、当該第１の端部が上記第１のリンクに結合されたラップバネと、
上記第２のリンクに結合されたシリンダであって、当該シリンダの一部が上記ラップバネの内部に位置づけられ、上記シリンダの主軸が上記ラップバネの主軸と平行な、上記シリンダと、
上記ユーザの大腿部の垂直重力線に対する角度を表す少なくとも１つの脚部信号を生成するように構成された少なくとも１つの脚部センサと、
上記ラップバネに結合されて上記ラップバネの上記第２の端部を選択的に位置決めさせることができる少なくもと１つの電気作動部と、
上記作動部と通信するコントローラとを有し、
上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号に基づいて、当該外骨格を抵抗性状態に遷移させるように構成され、当該抵抗性状態において、上記コントローラは上記電気作動部をして上記ラップバネの上記第２の端部を選択的に位置決めさせて、踵の衝突時の膝屈曲に応じて、上記第１のリンクおよび上記第２のリンクの間に所望の抵抗性トルクを発生させることを特徴とする外骨格。

１００ 外骨格
１０１ ユーザ
１０２ 大腿部リンク
１０３ 足部リンク
１０４ 脛部リンク
１０６ 膝ジョイント
１０８ 膝軸
１１０ ラップバネ
１１２ 第１の端部
１１４ シリンダ
１１５ ディスク
１１６ 電気作動部
１１８ 第２の端部
１２０ コントローラ
１２２ キャップ
１２８ 脚部センサ
１３３ バー
１４２ セットネジ
１５６ トルク発生器

Claims (27)

1. ユーザの下肢に結合されるように構成された外骨格において、
   上記ユーザの大腿部と揃って動くように構成された大腿部リンクと、
   上記ユーザの脛部と揃って動くように構成された脛部リンクと、
   上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクに結合され、これらの間に位置づけられ、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間で屈曲および伸長ができるように構成された膝ジョイントと、
   受動トルク発生器であって、上記外骨格が抵抗性状態にあるときに、上記受動トルク発生器は上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に屈曲方向に沿って抵抗性トルクを発生するように構成され、かつ、上記外骨格が自由状態にあるときに、上記受動トルク発生器は、上記抵抗性トルクより小さな、第２のトルクを発生するように構成される、上記受動トルク発生器と、
   垂直重力線に対する上記大腿部リンクの角度を表す少なくとも１つの脚部信号を生成するように構成された少なくとも１つの脚部センサと、
   上記受動トルク発生器と通信するコントローラであって、上記少なくとも１つの脚部信号に基づいて上記受動トルク発生器を制御するように構成された上記コントローラとを有し、
   上記コントローラは、（１）上記ユーザの上記大腿部および上記脛部がスイングフェースにあって、かつ地面と接触していないとき、（２）上記外骨格が上記自由状態のとき、かつ（３）上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最大大腿部角度より大きいときに、かかと衝突時の膝屈曲に応じて上記外骨格を上記抵抗性状態に遷移させるように構成されることを特徴とする外骨格。
2. 上記大腿部リンクは上記大腿部リンクを上記ユーザの上記大腿部に結合させる大腿部コネクタを有し、上記脛部リンクは上記頸部リンクを上記ユーザの上記脛部に結合させる脛部コネクタを有する請求項１記載の外骨格。
3. 上記受動トルク発生器は第１の摩擦表面および第２の摩擦表面を有し、
   上記受動トルク発生器は、上記第１の摩擦表面および上記第２の摩擦表面の間の摩擦力を利用して上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に上記抵抗性トルクを生成するように構成され、
   上記外骨格はさらに電気アクチュエータを有し、
   上記第１の摩擦表面は上記脛部リンクに結合されたシリンダの外側表面であり、
   上記第２の摩擦表面は、ラップバネであって、当該ラップバネの第１の端部から上記大腿部リンクに結合された上記ラップバネの内側表面であり、
   上記電気アクチュエータは、上記ラップバネの第２の端部を移動させることによって、上記シリンダの上記外側表面および上記ラップバネの上記内側表面の間の圧力を制御するように構成される請求項１記載の外骨格。
4. 上記電気アクチュエータは、上記ラップバネの上記第２の端部が上記電気アクチュエータに拘束されず、かつ上記ラップバネをほどくように自在に移動するように、上記ラップバネの上記第２の端部に結合される請求項３記載の外骨格。
5. 上記電気アクチュエータは上記大腿部リンクに結合される請求項４記載の外骨格。
6. 上記膝ジョイントは常に自由に延びる請求項１記載の外骨格。
7. 上記少なくとも１つの脚部センサは、ポテンショメータ、磁気エンコーダ、光学エンコーダ、線形可変差分トランスフォーマ、容量変位センサ、渦電流近接センサ、可変インダクタンス近接センサ、ロッカースイッチ、スライドスイッチ、加速度計、慣性測定ユニット、ジャイロスコープ、磁力計、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択された要素を有する請求項１記載の外骨格。
8. 上記コントローラは、上記外骨格が上記抵抗性状態であり、かつ上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに、上記外骨格を上記自由状態に遷移するように構成される請求項１記載の外骨格。
9. さらに、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間の角度を測定する膝部センサを有し、これによって、上記受動トルク発生器によって発生させられたトルクがさらに上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間の上記角度に基づくようになし、上記コントローラは、上記膝部センサが上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間の屈曲を示すときに、上記外骨格を上記抵抗性状態へと遷移させるように適合化される請求項１記載の外骨格。
10. 上記コントローラは、上記外骨格を、上記外骨格が上記抵抗性状態にあり、かつ、上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに、上記受動トルク発生器がゼロのトルクを発生させるように構成される上記自由状態に遷移させるように適合化される請求項１記載の外骨格。
11. 上記コントローラは、上記外骨格が予め定められた最大スイング時間より長い期間だけ上記自由状態に止まっているときに、上記外骨格を上記ロック状態に遷移させるように適合化され、
    上記ロック状態において、上記受動トルク発生器が最大抵抗性トルクを発生するように構成される請求項１０記載の外骨格。
12. 上記コントローラは、上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最小大腿部角度より小さいときに上記外骨格を上記自由状態に遷移させるように適合化される請求項１１記載の外骨格。
13. 上記コントローラは、上記外骨格が上記抵抗性状態に予め定められた最大スタンス時間より長い期間だけ上記抵抗性状態にとどまっているときに、上記外骨格をロック状態に遷移させるように適合化され、
    上記ロック状態において、上記受動トルク発生器が最大抵抗性トルクを発生するように構成される請求項１記載の外骨格。
14. 上記コントローラに対して手動ロック解除信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、これによって、上記手動ロック装置がユーザにより起動されたときに、上記外骨格はロック解除状態に遷移するように構成され、
    このロック解除状態において上記トルク発生器は最大の抵抗性トルクを発生させるように構成される請求項１記載の外骨格。
15. 上記コントローラに対して手動ロック解除信号を発生させることができる手動ロック解除装置をさらに有し、これによって、上記手動ロック解除装置がユーザにより起動されたときに、上記外骨格はロック解除状態に遷移するように構成され、
    このロック解除状態において上記トルク発生器は最小の抵抗性トルクを発生させるように構成される請求項１記載の外骨格。
16. 上記コントローラに対して手動ロック解除信号を発生させることができる手動ロック解除装置をさらに有し、これによって、上記手動ロック解除装置がユーザにより起動されたときに、上記外骨格はロック解除状態に遷移するように構成され、
    このロック解除状態において上記トルク発生器はゼロの抵抗性トルクを発生させるように構成される請求項１記載の外骨格。
17. 上記コントローラに対して手動座位信号を発生させることができる手動座位装置をさらに有し、これによって、上記手動座位装置がユーザにより起動されたときに、上記外骨格が座位状態に遷移するように構成され、
    この座位状態において上記トルク発生器が、上記膝ジョイントを徐々に屈曲させるのに適した任意の抵抗性トルクを発生するように構成される請求項１記載の外骨格。
18. 上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最大座位大腿部角度値に到達したときに上記外骨格が上記ロック解除状態に遷移し、上記ロック解除状態において、上記受動トルク発生器はゼロの抵抗性トルクを発生させるように構成される請求項１記載の外骨格。
19. 上記予め定められた最大座位大腿部角度は約９０度である請求項１８記載の外骨格。
20. 上記コントローラに対してロック信号を発生させることができる手動ロック装置をさらに有し、もって、上記手動ロック装置が起動されたときに、上記外骨格がロック状態に遷移するように構成され、このロック状態において上記トルク発生器が最大抵抗性トルクを発生させるように構成される請求項１記載の外骨格。
21. 上記ユーザの足部に結合させることができる短下肢装具（ＡＦＯ）をさらに有する請求項１記載の外骨格。
22. 上記短下肢装具は上記脛部リンクに結合可能である請求項２１記載の外骨格。
23. ユーザに結合されるように構成された外骨格において、
    上記ユーザの胴体に結合可能な胴体リンクと、
    上記ユーザの大腿部と揃って動き、上記ユーザの臀部において上記胴体リンクに回転可能に結合されるように構成された大腿部リンクと、
    上記胴体リンクおよび上記大腿部リンクの間にトルクを付与できるアクチュエータと、
    上記ユーザの脛部と揃って動くように構成された脛部リンクと、
    上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に位置づけられ、上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間で屈曲および伸長ができるように構成された膝ジョイントと、
    受動トルク発生器であって、上記外骨格が抵抗性状態にあるときに、上記受動トルク発生器は上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に屈曲方向に沿って抵抗性トルクを発生するように構成され、かつ、上記外骨格が自由状態にあるときに、上記受動トルク発生器は、上記抵抗性トルクより小さな、第２のトルクを発生するように構成される、上記受動トルク発生器と、
    少なくとも１つの脚部信号を生成するように構成された少なくとも１つの脚部センサであって、上記少なくとも１つの脚部信号は、上記大腿部リンクの垂直重力線に対する角度を表す信号、上記大腿部リンクの上記胴体リンクに対する角度を表す信号、およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される、上記少なくとも１つの脚部センサと、
    上記受動トルク発生器と通信するコントローラであって、（１）上記ユーザの上記大腿部および上記脛部がスイングフェースにあって、かつ地面と接触していないとき、（２）上記外骨格が上記自由状態のとき、かつ（３）上記少なくとも１つの脚部信号が予め定められた最大大腿部角度より大きいときに、かかと衝突時の膝屈曲に応じて上記外骨格を上記抵抗性状態に遷移させるように構成される、上記コントローラとを有することを特徴とする外骨格。
24. 上記受動トルク発生器は第１の摩擦表面および第２の摩擦表面を有し、
    上記受動トルク発生器は、上記第１の摩擦表面および上記第２の摩擦表面の間の摩擦力を利用して上記大腿部リンクおよび上記脛部リンクの間に上記抵抗性トルクを生成するように構成され、
    上記外骨格はさらに電気アクチュエータを有し、
    上記第１の摩擦表面は上記脛部リンクに結合されたシリンダの外側表面であり、
    上記第２の摩擦表面は、ラップバネであって、当該ラップバネの第１の端部から上記大腿部リンクに結合された上記ラップバネの内側表面であり、
    上記電気アクチュエータは、上記ラップバネの第２の端部を移動させることによって、上記シリンダの上記外側表面および上記ラップバネの上記内側表面の間の圧力を制御するように構成される請求項２３記載の外骨格。
25. 上記ユーザの足部に結合させることができる短下肢装具（ＡＦＯ）をさらに有する請求項２３記載の外骨格。
26. 上記コントローラは、上記外骨格が上記抵抗性状態であり、かつ上記脚部信号が予め定められた最小大腿部信号より小さいときに、上記外骨格を自由状態に遷移させるように適合化される請求項２３記載の外骨格。
27. 上記コントローラは、上記外骨格が上記抵抗性状態であり、かつ上記脚部信号が予め定められた最小大腿部信号より小さいときに、上記外骨格を自由状態に遷移させるように適合化され、上記自由状態において、上記トルク発生器はゼロのトルクを発生するように構成される請求項２３記載の外骨格。

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