JP6856431B2 - 動作補助装置の膝関節機構 - Google Patents

Description

本開示は、使用者の身体の動作を補助するために関節に装着される関節機構に関する。

脚の動作を補助する脚装具として、ユーザの大腿に取り付けられる大腿リンクと、下腿に取り付けられる下腿リンクと、足に取り付けられる足リンクとを備えたものが公知である（例えば、特許文献１）。特許文献１記載の脚装具では、下腿リンクは、Ｕ字状の下腿上部フレームと、Ｕ字状の下腿下部フレームと、下腿中間フレームとを有し、下腿上部フレームは、その両端がそれぞれ膝関節の側方で大腿リンクと回転可能に連結され、その長手方向の略中央が膝前方斜め下に位置しており、下腿下部フレームは、その両端がそれぞれ足首関節の側方で足リンクと回転可能に連結され、その長手方向の略中央が足首前方斜め上に位置しており、下腿中間フレームは、その上端が膝前方斜め下で下腿上部フレームに連結し、その下端が足首前方斜め上で下腿下部フレームに連結している。この脚装具では、ふくらはぎ部分の筋肉の付き方の個人差の影響を気にせずに使用でき、歩行時等に他方の脚の動きを妨げないように、下腿リンクがユーザの脛の前方に配置されており、脛の側方には構造体が配置されていない。

特開２０１２−９０７５８号公報

ところで、大腿骨及び脛骨から構成される膝関節（狭義の膝関節、即ち脛骨大腿関節）は、蝶番関節に近い螺旋関節であり、屈伸運動及び回旋運動を行う。屈伸運動は、大腿骨が脛骨上を転がる転がり運動と脛骨上を滑る滑り運動との複合運動である。そのため、膝関節の運動軸は、関節角度（曲げ角度）に応じて変位する。

しかしながら、従来の脚装具では、ユーザの膝関節の両側方に膝関節の運動軸と同軸に配置された１対のジョイントにより、大腿リンクと下腿リンクとが相互に回転可能に連結されている。そのため、関節角度によってはジョイントの位置が膝関節の運動軸からずれてしまい、ユーザが屈伸運動時に違和感を覚える。

本発明は、このような背景に鑑み、運動時に使用者が覚える違和感を抑制できる関節機構を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、使用者（Ｕ）の身体の動作を補助するために、前記使用者の第１体部（１７）の伸展側に沿って装着された第１リンク（２１）と、前記第１体部に関節（１）により連結された第２体部（１８）の伸展側に沿って装着された第２リンク（２２）とを互いに回動可能に連結する関節機構（２４）であって、前記第１リンク側に連結された、伸展側に凸の円弧状をなす第１スライド軌道（３３ｂ）を備えた第１スライド部材（３３）と、前記第１スライド軌道と協働する第１対応スライド軌道（４１ｂ）及び、伸展側に凸の円弧状をなす第２スライド軌道（４２ｃ）を備え、前記第１スライド軌道に沿って前記第１スライド部材にスライド可能に連結された中間スライド部材（４０）と、前記第２スライド軌道と協働する第２対応スライド軌道（３７ｂ）を備え、前記第２スライド軌道に沿って前記中間スライド部材にスライド可能に連結されると共に前記第２リンク側に連結された第２スライド部材（３７）とを有し、前記第１スライド軌道及び前記第２スライド軌道が異なる曲率中心（Ｃ１、Ｃ２）を有することを特徴とする。

この構成によれば、第１スライド軌道の曲率中心と第２スライド軌道の曲率中心とが互いに相違することにより、第２スライド部材の第１スライド部材に対する瞬間回転中心が、第１スライド軌道の曲率中心と第２スライド軌道の曲率中心とを結ぶ線分上に位置し得ることになり、且つこの線分が第１スライド軌道の曲率中心を中心として回動した時に描く扇形の領域内に位置し得ることになる。即ち、第２リンクの第１リンクに対する瞬間回転中心が扇形の領域内で変位し得るため、関節の運動時に使用者が覚える違和感を抑制できる。

また、上記構成において、前記中間スライド部材（４０）が、前記第１対応スライド軌道（４１ｂ）を備え、且つ伸展側に凸の円弧状をなす第３スライド軌道（４１ｃ）を備えた第１中間スライド部材（４１）と、前記第２スライド軌道（４２ｃ）を備え、且つ前記第３スライド軌道と協働する第３対応スライド軌道（４２ｂ）を備え、前記第３スライド軌道に沿って前記第１中間スライド部材にスライド可能に連結された第２中間スライド部材（４２）とを有し、前記第３スライド軌道が前記第１スライド軌道及び前記第２スライド軌道とは異なる曲率中心（Ｃ３）を有するとよい。

この構成によれば、第２スライド部材の第１スライド部材に対する瞬間回転中心が位置し得る領域を拡大することができる。

また、上記構成において、前記第２スライド軌道（４２ｃ）の曲率半径（Ｒ２）が前記第１スライド軌道（３３ｂ）の曲率半径（Ｒ１）と異なるとよい。

この構成によれば、第１スライド軌道の曲率中心と第２スライド軌道の曲率中心とを結ぶ線分の長さを所望に調整することができ、扇形の領域を所望の大きさに広げることができる。

また、上記構成において、前記第３スライド軌道（４１ｃ）の曲率半径（Ｒ３）が前記第１スライド軌道（３３ｂ）の曲率半径（Ｒ１）及び前記第２スライド軌道（４２ｃ）の曲率半径（Ｒ２）と異なるとよい。

この構成によれば、第１スライド軌道の曲率中心と第２スライド軌道の曲率中心とを結ぶ線分の長さを所望に調整することができ、扇形の領域を所望の大きさに広げることができる。

また、上記構成において、前記第１スライド部材（３３）及び前記第２スライド部材（３７）の少なくとも一方が、対応する前記第１リンク（２１）又は前記第２リンク（２２）に、前記関節（１）の運動軸（１Ｘ）と平行な回転軸まわりに回動可能に設けられているとよい。

この構成によれば、使用者の基本姿勢における第１リンク及び第２リンクの角度を、使用者の関節の柔らかさ等に応じて適した角度に設定することができる。

また、上記構成において、前記第１リンク（２１）と前記第２リンク（２２）又は前記第２スライド部材（３７）とに連結され、伸長時に前記第１リンクと前記第２リンクとを伸展させるモーメントを発生する弾性部材（４５）を更に備えるとよい。

この構成によれば、第１リンクと第２リンクとに、両者を近付ける引張力を容易な構成により付加することができる。

また、上記構成において、前記弾性部材（４５）の前記第１リンク（２１）に対する連結位置を、前記弾性部材の伸長方向に調整することで前記弾性部材によるモーメントを調整可能なモーメント調整機構（５７）を更に備えるとよい。

この構成によれば、第１リンクと第２リンクとに付加される、両者を近付ける向きの補助モーメントの大きさを調整することができる。

また、上記構成において、前記第１体部が大腿（１７）であり、前記第２体部が下腿（１８）であり、前記関節が膝関節（１）であり、前記第１スライド部材（３３）、前記中間スライド部材（４０）及び前記第２スライド部材（３７）が、前記膝関節の前方に配置されているとよい。

この構成によれば、使用者が膝関節の屈伸運動を行った際に、第１スライド部材に対する第２スライド部材の瞬間回転中心が、膝関節の運動軸の変位に応じて変位可能であるため、屈伸運動時に使用者が覚える違和感を抑制できる。

また、上記構成において、前記第１スライド部材（３３）と前記第２スライド部材（３７）とが取り得る瞬間回転中心の領域（Ａ）が、前記膝関節（１）の運動軸（１Ｘ）の軌跡を包含するとよい。

膝関節の運動軸の変位は骨格の大きさや形状に依存するため、そこには個体差があり、瞬間回転中心が変位可能であったとしても、その変位が適する使用者と適さない使用者とが存在する。この構成によれば、使用者が膝関節の屈伸運動を行った際に、第１スライド部材に対する第２スライド部材の瞬間回転中心が、膝関節の運動軸の軌跡を包含するため、膝関節機構が様々な使用者の膝関節の運動軸の変位に追従する。そのため、屈伸運動時に使用者が覚える違和感を抑制できる上、様々な使用者に共通して膝関節機構を使用することができる。

このように本発明によれば、運動時に使用者が覚える違和感を抑制できる関節機構を提供することができる。

人の右脚の膝関節の斜視図 人の右脚の膝関節を矢状面に沿って示す断面図 実施形態に係る膝関節機構が適用された動作補助装置の右脚部の斜視図 図３に示される膝関節機構の分解斜視図 図３中のＶ−Ｖ断面図 図３中のVI−VI断面図 膝関節機構の瞬間回転中心の領域を示す右脚の膝関節の内側面図 伸展状態の膝関節機構の図６に対応する断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

まず、図１及び図２を参照して人の膝関節１について説明する。図１は、人の膝関節１の斜視図である。膝関節１は、広義には、大腿骨２と脛骨３とにより構成される脛骨大腿関節４と、大腿骨２と膝蓋骨５とによって構成される膝蓋大腿関節６とからなる複関節を指し、更に広義には、脛骨３と腓骨７とにより構成される上脛腓骨関節８まで含むこともある、狭義には、膝関節１は脛骨大腿関節４を指し、本明細書では、膝関節１は脛骨大腿関節４を指す狭義のものとする。

膝関節１は、屈伸運動及び回旋運動を行う、蝶番関節に近い螺旋関節であり、大腿骨２の下端の外側顆及び内側顆と脛骨３の上端の外側顆及び内側顆とが、外側半月板１１及び内側半月板１２等を介して互いに接触する構造となっている。膝関節１は、前十字靭帯１３、後十字靭帯１４、内側側副靭帯１５、外側側副靭帯１６等がまわりにあることで安定するようになっている。膝関節１の回旋運動は屈伸運動に比べて小さく、本明細書では、膝関節１の運動は、屈曲及び伸展からなる屈伸運動を指すものとし、膝関節１の運動軸１Ｘは左右に（前頭面に沿って）延在するものとする。

膝関節１では、脛骨３が固定された状態で大腿骨２が屈曲するとした場合、脛骨顆上では大腿骨顆の後方への回転運動と、大腿骨顆の前方へ滑り運動が生じる。屈曲の初動時には、大腿骨顆は略後方への回転のみを行い、屈曲が進むにつれて前方への滑りの運動比率を高め、その後、前方への滑りを行わなくなってその場で回転する。伸展では、大腿骨顆は逆の運動を行う。膝関節１がこのような運動を行うことにより、大腿骨２が固定された状態で脛骨３が屈曲するとした場合には、膝関節１の運動軸１Ｘは以下ように変位する。

図２は、人の膝関節１を矢状面に沿って示す断面図である。図２に示されるように、伸展時（屈曲の初動時）には、大腿骨顆の下端部の前後方向の略中央に位置する膝関節１の運動軸１Ｘは、矢印で示されるように膝関節１の関節角度（曲げ角度）が大きくなるにつれて後方へ移動し、その後上方へ移動するように変位する。一方、屈曲時には、膝関節１の運動軸１Ｘは、その逆を辿るように、即ち、大腿骨顆の後端部から、関節角度が小さくなるにつれ下方へ移動し、その後、前方へ移動するように変位する。

そこで、このような膝関節１の運動軸１Ｘの変位に追従するため、本実施形態に係る膝関節機構２４は回動軸を変位可能に構成されている。以下、膝関節機構２４を備えた動作補助装置２０について詳細に説明する。なお、以下では、直立位での肢位を基本肢位とし、動作補助装置２０を装着した使用者Ｕが基本肢位をとっているものとして、動作補助装置２０の構成を説明する。

図３は、実施形態に係る膝関節機構２４が適用された動作補助装置２０の右脚部の斜視図である。動作補助装置２０は、使用者Ｕの身体の動作を補助するであり、例えば、使用者Ｕの脚部の歩行動作を補助するものであってもよく、使用者Ｕの脚部の屈伸動作を補助するものであってもよく、使用者Ｕの腕部による持ち上げ動作を補助するものであってもよい。動作補助装置２０は、装置自体の荷重の全てが使用者Ｕに伝わることがないように地面に接地する構造になっている。

動作補助装置２０は、使用者Ｕの大腿１７の前側にて大腿１７に沿って上下方向に延在する大腿リンク２１と、使用者Ｕの下腿１８の前側にて下腿１８に沿って上下方向に延在する下腿リンク２２と、使用者Ｕの足１９を保持する足保持部材２３とを主要素として有している。大腿リンク２１と下腿リンク２２とは、膝関節機構２４によって互いに連結されており、下腿リンク２２と足保持部材２３とは、足関節機構２５によって互いに連結されている。

上記のように、使用者Ｕの膝関節１の運動軸１Ｘは左右に延在しており、基本肢位においては下腿１８が膝関節１を介して大腿１７に直線状に繋がった完全伸展の状態になり、屈曲時には下腿１８が膝関節１を中心にして後方に回動した状態になる。即ち、膝関節１に関しては、前方が伸展側であり、後方が屈曲側である。従って、膝関節１に関しては、大腿リンク２１、膝関節機構２４及び下腿リンク２２は、それぞれ対応する大腿１７、膝関節１又は下腿１８の伸展側に配置されている。

大腿リンク２１は、アルミニウム等の金属材を切削加工して形成され、大腿１７の前面に沿う湾曲形状の横断面を有する板状の大腿リンク本体部２６を有している。大腿リンク本体部２６の前面には上下方向に直線状に延びる左右の第１ガイドレール２７が設けられている。また、大腿リンク本体部２６の前面における左右の第１ガイドレール２７の間には、上下方向に直線状に延びる第２ガイドレール２８が設けられている。第１ガイドレール２７には、後方に開放するチャネル形状のスライダ２９が摺動自在に係合している。

スライダ２９には、第１ガイドレール２７上の位置を調整可能な位置調整部材３０が設けられている。位置調整部材３０は、操作部材３１と、第２ガイドレール２８に係合するロック部材３２とを備えている。ロック部材３２は、操作部材３１の操作によって第２ガイドレール２８に対する摺動が許容されたアンロック状態と第１ガイドレール２７に対する摺動が規制されたロック状態とを切り替えられる。ロック部材３２がアンロック状態とされることにより、スライダ２９が第１ガイドレール２７上を摺動可能になり、ロック部材３２がロック状態とされることにより、スライダ２９が第１ガイドレール２７に固定される。

大腿リンク２１の下端には、膝関節機構２４の一部である第１スライド部材３３が連結されている。本実施形態では、第１スライド部材３３は大腿リンク２１と一体成形されており、大腿リンク２１に固定されている。

下腿リンク２２は、アルミニウム等の金属からなる棒材又はパイプ材を加工して形成されている。下腿リンク２２の上端には、左右方向に延びる貫通孔が形成された板状の上連結部３４が設けられている。下腿リンク２２は、左右に延在して上連結部３４を貫通する連結ピン３５を介して、膝関節機構２４の一部である第２スライド部材３７に回動可能に連結されている。第１スライド部材３３及び第２スライド部材３７を含む膝関節機構２４の詳細については後述する。

下腿リンク２２の下端部には、ヒンジ機構をなす足関節機構２５の上側である上側部材３８が連結されている。上側部材３８は、アルミニウム等の金属板を加工してなる成形品であり、平面視でＵ字形をなし、下腿１８の下部前側を外囲して左右の後端が足関節の左右の側方に位置するように設けられている。上側部材３８の左右の後端部には、足関節機構２５の下側である左右の下側部材３９が回転可能に連結されている。下側部材３９の両後端部は、足関節の底背屈軸上で上側部材３８の両後端に枢支されている。

足保持部材２３は、下側部材３９の両前端に連結されている。足保持部材２３は、動作保持装置の地面に接地する部分であり、足載置面の上に載せられた使用者Ｕの足１９を保持する。足関節機構２５の下側部材３９が上側部材３８に対して回動することにより、足保持部材２３は底背屈軸まわりに回動する。

図４は、図３に示される膝関節機構２４の分解斜視図である。図４に示されるように、膝関節機構２４は、上記の第１スライド部材３３及び第２スライド部材３７と、第１スライド部材３３と第２スライド部材３７との間に配置された、第１中間スライド部材４１及び第２中間スライド部材４２からなる中間スライド部材４０とを備えている。本実施形態では、第２スライド部材３７は、第１スライド部材３３の前側に配置されている。第１中間スライド部材４１は第１スライド部材３３側（後側）に配置され、第２中間スライド部材４２は第２スライド部材３７側（前側）に配置されている。第１スライド部材３３、第２スライド部材３７、第１中間スライド部材４１及び第２中間スライド部材４２は、それぞれアルミニウム等の金属板を加工して形成され、上下方向において伸展側である前側に凸の湾曲形状を有し、且つ左右の側縁に沿って左右の側壁３３ａ、３７ａ、４１ａ、４２ａを有する板状部材である。

第２スライド部材３７の下端には、下方に向けて突出する左右のピン支持部４３が一体に形成されている。左右のピン支持部４３は、下腿リンク２２を枢支するための連結ピン３５を支持する。大腿リンク２１に設けられたスライダ２９の前面及び第２スライド部材３７の前面には、想像線で示される弾性部材４５を固定するために２つの固定部材４４が着脱可能に取り付けられている。２つの固定部材４４によって弾性部材４５の上端及び下端がスライダ２９及び第２スライド部材３７固定されることにより、スライダ２９及び第２スライド部材３７が弾性部材４５によって連結される。

図５は、図３中のＶ−Ｖ断面図である。図４及び図５に示されるように、第１スライド部材３３、第１中間スライド部材４１及び第２中間スライド部材４２の左右の側壁３３ａ、４１ａ、４２ａは、前方に突出するように形成されている。一方、第２スライド部材３７の左右の側壁３７ａは、後方に突出するように形成されている。第１スライド部材３３の左右の側壁３３ａの内側に第１中間スライド部材４１が配置され、第１中間スライド部材４１の左右の側壁４１ａの内側に第２中間スライド部材４２が配置され、第２中間スライド部材４２の左右の側壁４２ａの内側に第２スライド部材３７が配置されている。

第１スライド部材３３の左右の側壁３３ａの内面には、前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定された左右の第１スライド軌道３３ｂが形成されている。第１中間スライド部材４１の左右の側壁４１ａの外面には、第１スライド軌道３３ｂに対応する前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定され、第１スライド軌道３３ｂと協働する左右の第１対応スライド軌道４１ｂが、第１スライド軌道３３ｂに対向するように形成されている。第１スライド軌道３３ｂ及び第１対応スライド軌道４１ｂは、協働して円形断面の第１ガイド溝４６を画定する。第１ガイド溝４６には複数の鋼球５０（ベアリングボール）が挿入されており、第１スライド部材３３と第１中間スライド部材４１とは、鋼球５０を介して第１ガイド溝４６に沿って互いに摺動する。

第１中間スライド部材４１の左右の側壁４１ａの内面には、前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定された左右の第３スライド軌道４１ｃが形成されている。第２中間スライド部材４２の左右の側壁４２ａの外面には、第３スライド軌道４１ｃに対応する前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定され、第３スライド軌道４１ｃと協働する左右の第３対応スライド軌道４２ｂが、第３スライド軌道４１ｃに対向するように形成されている。第３スライド軌道４１ｃ及び第３対応スライド軌道４２ｂは、協働して円形断面の第３ガイド溝４７を画定する。第３ガイド溝４７は第１ガイド溝４６よりも若干前方に配置されている。第３ガイド溝４７には複数の鋼球５０が挿入されており、第１中間スライド部材４１と第２中間スライド部材４２とは、鋼球５０を介して第３ガイド溝４７に沿って互いに摺動する。

第２中間スライド部材４２の左右の側壁４２ａの内面には、前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定された左右の第２スライド軌道４２ｃが形成されている。第２スライド部材３７の左右の側壁３７ａの外面には、第２スライド軌道４２ｃに対応する前側に凸の円弧状をなすガイド溝により画定され、第２スライド軌道４２ｃと協働する左右の第２対応スライド軌道３７ｂが、第２スライド軌道４２ｃに対向するように形成されている。第２スライド軌道４２ｃ及び第２対応スライド軌道３７ｂは、協働して円形断面の第２ガイド溝４８を画定する。第２ガイド溝４８は第３ガイド溝４７よりも若干前方に配置されている。第２ガイド溝４８には複数の鋼球５０が挿入されており、第２中間スライド部材４２と第２スライド部材３７とは、鋼球５０を介して第２ガイド溝４８に沿って互いに摺動する。

第１スライド部材３３には、２つの第１ピン部材５１が左右の２箇所に後面側から取り付けられている。第１ピン部材５１は、基端側に雄ねじが形成され、先端側が円滑に形成されてスライドピンをなす軸部を有しており、第１スライド部材３３に形成された雌ねじ孔に軸部の基端側が螺合することで、軸部の先端側を前面から突出させるように第１スライド部材３３に固定されている。第１中間スライド部材４１は、２つの第１ピン部材５１に対応する位置に２つの第１ガイドスロット５２を備えており、第１ガイドスロット５２が第１ピン部材５１の軸部を受容することで、摺動時に２つの第１ピン部材５１によりガイドされる。

第１中間スライド部材４１には、１つの第３ピン部材５３が左右方向の中央に後面側から取り付けられている。第３ピン部材５３は、第３ピン部材５３と同様の構成を有しており、第１中間スライド部材４１に形成された雌ねじ孔に軸部の基端側が螺合することで、軸部の先端側を前面から突出させるように第１中間スライド部材４１に固定されている。第２中間スライド部材４２は、第３ピン部材５３に対応する左右方向の中央に１つの第３ガイドスロット５４を備えており、第３ガイドスロット５４が第３ピン部材５３の軸部を受容することで、摺動時に第３ピン部材５３によりガイドされる。

第２中間スライド部材４２には、２つの第２ピン部材５５が第１ピン部材５１よりも内側の左右の２箇所に後面側から取り付けられている。第２ピン部材５５は、第１ピン部材５１と同様の構成を有しており、第２中間スライド部材４２に形成された雌ねじ孔に軸部の基端側が螺合することで、軸部の先端側を前面から突出させるように第２中間スライド部材４２に固定されている。第２スライド部材３７は、２つの第２ピン部材５５に対応する位置に２つの第２ガイドスロット５６を備えており、第２ガイドスロット５６が第２ピン部材５５の軸部を受容することで、摺動時に２つの第２ピン部材５５によりガイドされる。

図６は、図３中のVI−VI断面図である。図６に示されるように、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１と、第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２と、第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３とは、互いに異なっている。具体的には、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１は、比較的前方の、３つの中で最も低い位置にあり、第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３は、比較的前方の比較的高い位置にあり、第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２は、３つの中で最も後方の比較的高い位置にある。また、第１スライド軌道３３ｂの曲率半径Ｒ１と、第２スライド軌道４２ｃの曲率半径Ｒ２と、第３スライド軌道４１ｃの曲率半径Ｒ３とは、互いに異なっている。具体的には、第１ガイド溝４６（図５）が最も後方に位置していることから、第１スライド軌道３３ｂの曲率半径Ｒ１が最も小さい。また、第２ガイド溝４８（図６）が最も前方に位置し且つその曲率中心Ｃ２が最も後方に位置していることから、第２スライド軌道４２ｃの曲率半径Ｒ２が最も大きい。第３スライド軌道４１ｃの曲率半径Ｒ３は、第１スライド軌道３３ｂの曲率半径Ｒ１と第２スライド軌道４２ｃの曲率半径Ｒ２との中間である。

図７は、膝関節機構２４の瞬間回転中心の領域Ａを示す右脚の膝関節１の内側面図である。第２スライド部材３７は、第２スライド軌道４２ｃに沿って摺動し得ることから、第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２を回転中心にして揺動可能である。また、第２スライド部材３７は、第２中間スライド部材４２と共に第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３を回転中心にしても揺動可能である。従って、第２中間スライド部材４２の第３スライド軌道４１ｃに沿う揺動と、第２スライド部材３７の第２スライド軌道４２ｃに沿う揺動とが同時に行われた場合、その動作の比に応じ、第２スライド部材３７は、第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２と第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３とを結ぶ線分Ｌ１上のいずれかの点を回転中心にして揺動する。更に、第２中間スライド部材４２の第３スライド軌道４１ｃに沿う揺動のみが進んでいる状態から、第２中間スライド部材４２の第３スライド軌道４１ｃに沿う揺動と、第２スライド部材３７の第２スライド軌道４２ｃに沿う揺動とが同時に行われた場合、その動作の比に応じ、第２スライド部材３７は、第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３を中心として上記線分Ｌ１を回動させた扇形の領域Ａ１内の点を回転中心にして揺動する。

このように、第２スライド部材３７の揺動中心は変位可能である。そして、第２スライド部材３７は、第１中間スライド部材４１が第１軌道の曲率中心Ｃ１を回転中心にして揺動可能であることから、第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３が第１軌道の曲率中心Ｃ１を回転中心にして揺動して曲率中心Ｃ３'の位置まで変位することで、図７に示される太線で囲まれた領域Ａに瞬間回転中心を取り得る。この第１スライド部材３３と第２スライド部材３７とが取り得る瞬間回転中心の領域Ａは、図７に曲線で描かれている膝関節１の変位する運動軸１Ｘの軌跡を包含している。言い換えれば、第１スライド部材３３と第２スライド部材３７とが取り得る瞬間回転中心の領域Ａが、膝関節１の運動軸１Ｘの軌跡を包含するように、膝関節機構２４の各スライド部材のスライド軌道が設定されている。

なお、第２スライド部材３７の第２スライド軌道４２ｃに沿う揺動がない場合、第２スライド部材３７は、第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２を回転中心にして揺動し得ること及び、中間スライド部材４０と共に第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１を回転中心にして揺動し得ることから、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１と第３スライド軌道４１ｃの曲率中心Ｃ３とを結ぶ線分Ｌ２を、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１を中心として回動させた扇形の領域Ａ２内の点を回転中心にして揺動する。

ところで、膝関節１の運動軸１Ｘの変位は骨格の大きさや形状に依存するため、そこには個体差があり、瞬間回転中心が変位可能であったとしても、その変位が適する使用者Ｕと適さない使用者Ｕとが存在する。即ち、個体差によって運動軸１Ｘの軌跡が位置し得る領域１ＸＡは、実線の曲線で示される膝関節１の運動軸１Ｘの軌跡のまわりに破線で示されるように広がる。本実施形態では、膝関節機構２４の瞬間回転中心の領域Ａが、破線で示された膝関節１の運動軸１Ｘの軌跡が位置し得る領域１ＸＡの殆どの部分を包含するように設定されている。

図８は、伸展状態の膝関節機構２４の図６に対応する断面図である。使用者Ｕが膝関節１の屈伸を行うと（下腿１８を後方に回動させると）、足保持部材２３が足１９を保持していることから膝関節機構２４の互いに隣接するスライド部材同士が摺動することによって下腿リンク２２が下腿１８と共に後方に回動する。

この際、弾性部材４５は、膝関節１の前方に配置されていることから、下腿リンク２２の後方への回動に伴って伸長する。即ち、弾性部材４５は、膝関節１の屈曲時に、第１リンクと第２リンクとを伸展させるモーメントを発生する引張弾性部材として機能し、屈曲した膝関節１に伸展方向の補助モーメントを付与する。弾性部材４５は、膝関節１の曲げ角度が大きくなるほど伸ばされるため、曲げ角度が大きくなるほど大きな進展補助モーメントを膝関節１に付与する。

そして、弾性部材４５は、図３及び図４に示されるように、スライダ２９が位置調整部材３０により第２ガイドレール２８の延在方向に位置調整可能とされていることにより、基本肢位における引張力を調整可能とされている。即ち、第２ガイドレール２８、スライダ２９及び位置調整部材３０により、大腿リンク２１に対する連結位置を、弾性部材４５の伸長方向に調整することで弾性部材４５によるモーメントを調整可能なモーメント調整機構５７が構成されている。

以下、このように構成された膝関節機構２４の作用効果を説明する。

図６及び図７に示されるように、膝関節機構２４は、第１スライド部材３３と、中間スライド部材４０と、第２スライド部材３７とを有しており、第１スライド軌道３３ｂ及び第２スライド軌道４２ｃが異なる曲率中心Ｃ１、Ｃ２を有しているため、第２スライド部材３７の第１スライド部材３３に対する瞬間回転中心が、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１と第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２とを結ぶ線分Ｌ２上に位置し得ることになり、且つこの線分Ｌ２が第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１を中心として回動した時に描く扇形の領域Ａ２内に位置し得ることになる。即ち、下腿リンク２２の大腿リンク２１に対する瞬間回転中心が扇形の領域Ａ２内で変位し得るため、関節の運動時に使用者Ｕが覚える違和感を抑制できる。

図４及び図５に示されるように、中間スライド部材４０は、第１スライド軌道３３ｂを介して第１スライド部材３３にスライド可能に連結された第１中間スライド部材４１と、第２スライド軌道４２ｃを介して第２スライド部材３７にスライド可能に連結されると共に、第２スライド軌道４２ｃを介して第２スライド部材３７にスライド可能に連結された第２中間スライド部材４２とを備え、第３スライド軌道４１ｃが第１スライド軌道３３ｂ及び第２スライド軌道４２ｃとは異なる曲率中心Ｃ３を有している。そのため、図７に示されるように、第２スライド部材３７の第１スライド部材３３に対する瞬間回転中心が位置し得る領域Ａ２を領域Ａのように拡大することができる。

第２スライド軌道４２ｃの曲率半径Ｒ２は、第１スライド軌道３３ｂの曲率半径Ｒ１と異なっており、これにより、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１と第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２とを結ぶ線分Ｌ２の長さを所望に調整することができ、扇形の領域Ａ２を所望の大きさに広げることができる。

第３スライド軌道４１ｃの曲率半径Ｒ３は、第１スライド軌道３３ｂの曲率半径Ｒ１及び第２スライド軌道４２ｃの曲率半径Ｒ２と異なっており、これにより、第１スライド軌道３３ｂの曲率中心Ｃ１と第２スライド軌道４２ｃの曲率中心Ｃ２とを結ぶ線分Ｌ１の長さを所望に調整することができ、扇形の領域Ａ１を所望の大きさに広げることができる。

図３に示されるように、第２スライド部材３７は、膝関節１の運動軸１Ｘ（図２）と平行な回転軸まわりに回動可能に下腿リンク２２に設けられており、これにより、使用者Ｕの基本姿勢における大腿リンク２１及び下腿リンク２２の相対角度を、使用者Ｕの関節の柔らかさ等に応じて適した角度に設定することができる。なお、第２スライド部材３７の変わりに、或いは第２スライド部材３７と同様に、第１スライド部材３３が、膝関節１の運動軸１Ｘと平行な回転軸まわりに回動可能に大腿リンク２１に設けられていてもよい。

図８に示されるように、膝関節機構２４は、大腿リンク２１と第２スライド部材３７とに連結され、伸長時に大腿リンク２１と第２スライド部材３７に連結された下腿リンク２２とを伸展させるモーメントを引張力により発生する弾性部材４５を備えており、これにより、大腿リンク２１と下腿リンク２２とに、両者を近付ける引張力を容易な構成により付加することができる。

図４に示されるように、膝関節機構２４は、弾性部材４５の大腿リンク２１に対する連結位置を、弾性部材４５の伸長方向に調整することで弾性部材４５によるモーメントを調整可能なモーメント調整機構５７を備えており、これにより、大腿リンク２１と下腿リンク２２とに付加される、両者を近付ける向きの補助モーメントの大きさを調整することができる。

本実施形態では、本発明に係る関節機構が膝関節機構２４として構成されており、これにより、使用者Ｕが膝関節１の屈伸運動を行った際に、図７に示されるように、第１スライド部材３３に対する第２スライド部材３７の瞬間回転中心が、膝関節１の運動軸１Ｘの変位に応じて変位可能であるため、屈伸運動時に使用者Ｕが覚える違和感を抑制できる。

図７に示されるように、第１スライド部材３３と第２スライド部材３７とが取り得る瞬間回転中心の領域Ａは、膝関節１の運動軸１Ｘの軌跡を包含しており、これにより、膝関節機構２４が様々な使用者Ｕの膝関節１の運動軸１Ｘの変位に追従する。そのため、屈伸運動時に使用者Ｕが覚える違和感を抑制できる上、様々な使用者Ｕに共通して膝関節機構２４を使用することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、互いに隣接するスライド部材同士が鋼球５０を介して摺動するが、互いに嵌合する凹凸形状のガイドレール機構を介して摺動してもよい。また、上記実施形態では、第２スライド部材３７と下腿リンク２２とが回転可能に連結されているが、両部材は固定されていてもよく、一体に形成されていてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、素材など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ 膝関節
１ＸＡ 膝関節１の運動軸１Ｘの瞬間回転中心が取り得る領域
１Ｘ 運動軸
１７ 大腿（第１体部）
１８ 下腿（第２体部）
２０ 動作補助装置
２１ 大腿リンク（第１リンク）
２２ 下腿リンク（第２リンク）
２４ 膝関節機構
３３ 第１スライド部材
３３ｂ 第１スライド軌道
３７ 第２スライド部材
３７ｂ 第２対応スライド軌道
４０ 中間スライド部材
４１ 第１中間スライド部材
４１ｂ 第１対応スライド軌道
４１ｃ 第３スライド軌道
４２ 第２中間スライド部材
４２ｂ 第３対応スライド軌道
４２ｃ 第２スライド軌道
４５ 弾性部材
４６ 第１ガイド溝
４７ 第３ガイド溝
４８ 第２ガイド溝
５７ モーメント調整機構
Ａ 第２スライド部材３７が取り得る瞬間回転中心の領域
Ｃ１ 第１スライド軌道３３ｂの曲率中心
Ｃ２ 第２スライド軌道４２ｃの曲率中心
Ｃ３ 第３スライド軌道４１ｃの曲率中心
Ｒ１ 第１スライド軌道３３ｂの曲率半径
Ｒ２ 第２スライド軌道４２ｃの曲率半径
Ｒ３ 第３スライド軌道４１ｃの曲率半径
Ｕ 使用者

Claims (9)

1. 使用者の身体の動作を補助するために、前記使用者の第１体部の伸展側に沿って装着された第１リンクと、前記第１体部に関節により連結された第２体部の伸展側に沿って装着された第２リンクとを互いに回動可能に連結する関節機構であって、
   前記第１リンク側に連結された、伸展側に凸の円弧状をなす第１スライド軌道を備えた第１スライド部材と、
   前記第１スライド軌道と協働する第１対応スライド軌道及び、伸展側に凸の円弧状をなす第２スライド軌道を備え、前記第１スライド軌道に沿って前記第１スライド部材にスライド可能に連結された中間スライド部材と、
   前記第２スライド軌道と協働する第２対応スライド軌道を備え、前記第２スライド軌道に沿って前記中間スライド部材にスライド可能に連結されると共に前記第２リンク側に連結された第２スライド部材とを有し、
   前記第１スライド軌道及び前記第２スライド軌道が、互いに異なる位置に曲率中心を有することを特徴とする関節機構。
2. 前記中間スライド部材が、
   前記第１対応スライド軌道を備え、且つ伸展側に凸の円弧状をなす第３スライド軌道を備えた第１中間スライド部材と、
   前記第２スライド軌道を備え、且つ前記第３スライド軌道と協働する第３対応スライド軌道を備え、前記第３スライド軌道に沿って前記第１中間スライド部材にスライド可能に連結された第２中間スライド部材とを有し、
   前記第３スライド軌道が前記第１スライド軌道及び前記第２スライド軌道とは異なる位置に曲率中心を有することを特徴とする請求項１に記載の関節機構。
3. 前記第２スライド軌道の曲率半径が前記第１スライド軌道の曲率半径と異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の関節機構。
4. 前記第３スライド軌道の曲率半径が前記第１スライド軌道の曲率半径及び前記第２スライド軌道の曲率半径の少なくとも一方と異なることを特徴とする請求項２に記載の関節機構。
5. 前記第１スライド部材及び前記第２スライド部材の少なくとも一方が、対応する前記第１リンク又は前記第２リンクに、前記関節の運動軸と平行な回転軸まわりに回動可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の関節機構。
6. 前記第１リンクと前記第２リンク又は前記第２スライド部材とに連結され、伸長時に前記第１リンクと前記第２リンクとを伸展させるモーメントを発生する弾性部材を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の関節機構。
7. 前記弾性部材の前記第１リンクに対する連結位置を、前記弾性部材の伸長方向に調整することで前記弾性部材によるモーメントを調整可能なモーメント調整機構を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の関節機構。
8. 前記第１体部が大腿であり、前記第２体部が下腿であり、前記関節が膝関節であり、
   前記第１スライド部材、前記中間スライド部材及び前記第２スライド部材が、前記膝関節の前方に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の関節機構。
9. 前記第１スライド部材と前記第２スライド部材とが取り得る瞬間回転中心の領域が、前記膝関節の運動軸の軌跡を包含することを特徴とする請求項８に記載の関節機構。

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