JP6883712B6 - 外骨格構造 - Google Patents

Description

本発明は、外骨格構造に関する。

力補助外骨格は、人間の骨格の構造を複製し、人体の身体的能力を改善することを可能にする機械的構造である。

力補助外骨格には、ユーザが実行するタスクに依存するさまざまなタイプがある。各タイプの外骨格は、特定のタスクの実行中にユーザによって供給される力を制限または低減することを可能にする。

しかしながら、外骨格構造の重量が地面に伝達されない場合、ユーザは外骨格構造の重量を支持しなければならず、これは、ユーザの移動の自由を制限し、ユーザの下半身に必然的に伝達される追加の荷重を生成する結果となる。

さらに、ユーザにとって、外骨格構造を装着または除去することは困難であり得る。

本発明の１つの目的は、より快適であり、ユーザの動きをできるだけ妨げない外骨格構造を提案することである。

この目的は、本発明の範囲内で、外骨格構造であって、
− ユーザの脚に固定されることを意図した脚部と、
− ユーザの足に固定されることを意図した足部と、
− 脚部を足部に連結する機械的連結アセンブリであって、ユーザの足の内転／外転の動作中に、第１の回動軸線のまわりで脚部に対して、足部の回動を可能にする第１の枢動軸と、ユーザの足首の回内／回外の動作中に、第２の回動軸線のまわりで脚部に対して、足部の回動を可能にする第２の枢動軸と、を含む機械的連結アセンブリと、を備え、ユーザが基準解剖学的姿勢で地上に立っているときに、第１の枢動軸が脚部の片側に配置されるように、脚部がユーザの矢状面と第１の枢動軸との間に位置されるように、第１の枢動軸が地面から２０センチメートル以上の高さに配置されるように、第１の枢動軸が配置され、第１の回動軸線および第２の回動軸線の間の距離が５センチメートル以下であるように、第１の回動軸線は配向されている、外骨格構造によって実施される。

「２つの軸の間の距離」は、２つの軸のそれぞれにそれぞれ位置する２つの点を分離する最小の距離として定義されることを想起されたい。

発明は、第１の枢動軸をユーザの足首から十分に離れた位置（即ち、地上から一定の高さで）に位置付けるとき、足首の実際の回動の中心にできるだけ近づくように、第１の回動軸線を配置することができるという観察に基づいている。特に、第１の回動軸線は、足首の自由度を可能な限り忠実に再現し、したがって、より快適な外骨格構造を得るように、第２の回動軸線に十分に近くなるように（すなわち、軸間の距離が５センチメートル以下になるように）配置される。

さらに、第１の枢動軸は、脚部がユーザの矢状面と第１の枢動軸との間に位置するように、脚部の一方の側に配置される。

第１の枢動軸のこの配置は、ユーザの脛骨の前に位置する空間、ならびに脚の内部空間を自由にすることを可能にする。このようにして、外骨格構造をより容易に着脱することができる。加えて、これは、歩行中に外骨格構造とユーザの他方の足との間の干渉の危険性を制限する。

さらに、この構成は、構造の異なる部分のより軽量でかさばらない設計を可能にする。

本発明の好ましい実施形態では、第１の回動軸線は、第２の回動軸線と交差するように配向される（すなわち、軸間の距離はゼロである）。第１の回動軸線と第２の回動軸線とは、同時に存在し、それらは、足首の自由度を維持することを可能にする。

提案された外骨格構造は、以下の特徴をさらに有することができる。すなわち、
− ユーザが基準解剖学的姿勢で立っているときに、垂直方向に対して第１の非ゼロ角度を形成するように第１の回動軸線は配向され、この第１の角度は、１度〜３０度の間、好ましくは１０度〜１５度の間に含まれ、例えば、１２度に等しい、
− ユーザの足首の屈曲／伸展の動作中に、第３の回動軸線のまわりで脚部に対して、足部の回動を可能にする第３の枢動軸を機械的連結アセンブリは備え、
− ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザのくるぶしの高さよりも低い高さに第３の枢動軸は配置される、
− 第３の枢動軸は、ユーザのくるぶしに対してユーザの足の裏に向かって配置される、
− 第１の回動軸線は、第１の回動軸線と第３の回動軸線との間の距離が５センチメートル以下であるように配向される、
− 第３の回動軸線は、第３の回動軸線を横切るように配向される、
− ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの前頭面と第２の非ゼロ角度を形成するように第３の回動軸線は配向され、この第２の角度は、１度〜１５度の間、好ましくは４度〜７度の間に含まれ、例えば、６度に等しい、
− ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの横断面と第３の非ゼロ角度を形成するように第３の回動軸線は配向され、この角度は、５度〜１５度の間、好ましくは６度〜８度の間に含まれ、例えば、８度に等しい、
− 機械的連結アセンブリは、第１の枢動軸を介して脚部に連結された第１の端部と、第３の枢動軸に連結された第２の端部とを有する連結部を備え、連結部は、連結部の長さを調節するように互いに対して摺動するように取り付けられた２つの部分と、長さが調節されると２つの部分を互いに対してロックするロック装置とを備える、
− ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、水平方向に対して第４の非ゼロ角度を形成するように第２の回動軸線は配向され、この角度は、１度〜３０度の間、好ましくは１５度〜２５度の間に含まれ、例えば、１８度である、
− ユーザが立っているときにユーザのくるぶしの下を通過するように第２の回動軸線が配向される、
− ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、第２の回動軸線が足の後部からユーザの足の前部に向かって進められるとき、第２の回動軸線は下方に配向される。

他の特徴および利点は、純粋に例示的であり、限定的ではなく、添付の図面を参照して読まれなければならない以下の説明によって明らかになるであろう。

本発明の一実施形態に従う外骨格構造を装備したユーザを正面図で概略的に示す図である。 図１の外骨格構造の一部を背面図で概略的に示す図である。 図１の外骨格構造の一部を背面図で概略的に示す図である。 図１の外骨格構造の一部を上面図で概略的に示す図である。 図１の外骨格構造の一部を側面図で概略的に示す図である。

１つの実施形態の詳細な説明
図１は、解剖学的構造における基準システムに従って、解剖学的基準姿勢（「基準姿勢」または「基準解剖学的姿勢」とも呼ばれる）で、水平な地面上に立っているユーザを概略的に示す。

図１は、さらに、利用者の前頭面Ｆ、矢状面Ｓ、および横断面Ｔを示す図を含む。既知の方法では、矢状面Ｓは、ユーザの身体の右半分から左半分を分離する正中面に平行な面として定義される。前頭面Ｆまたは冠状面は、正中面に垂直であり、身体を前部または腹部と後部または背部とに分離する平面として定義される。横断面Ｔまたは横断面は、正中面に垂直であり、かつ、本体を上部（頭部側）および下部（足部側）に分離する面として定義される。

図１において、ユーザは、ユーザの下部部材の動作中にユーザを補助するための力補助外骨格構造１を装備している。

図１に示す外骨格構造１は、ユーザのウエストを取り囲むことができる腰部ベルト２と、第１の下部部材アセンブリ３と、第２の下部部材アセンブリ４とを備える。

腰部ベルト２は、ユーザのウエストのまわりに配置され、ユーザの腰に支持される。腰部ベルト２は、腰部ベルトに固定された電池および制御ユニット（図示せず）を支持することができる。バッテリは、構造の異なるアクチュエータに電気エネルギーを供給することを可能にする。コントロールユニットは、異なるアクチュエータを制御するようにプログラムされている。

第１の下部部材アセンブリ３は、ユーザの第１の下部部材に沿って延在し（図１の例では、第１の下部部材アセンブリは、ユーザの右下部部材に沿って延在する）、第１の股関節枢動軸３１（ユーザの右側に位置する）によって腰部ベルト２に連結される。

第１の下部部材アセンブリ３は、第１の股関節枢動軸３１と、ユーザの右大腿に沿って延びるのに適した第１の大腿骨部３２と、ユーザの右大腿に固定されるのに適した第１の大腿部３３と、第１の膝関節枢動軸３４と、ユーザの右脚に固定されるのに適した第１の脚部３５と、第１の機械的連結アセンブリ３６と、ユーザの右足に固定されるのに適した第１の足部３７とを備える。

第１の股関節枢動軸３１は、骨盤に対するユーザの右大腿部の屈曲／伸展の動作中に、腰ベルト２に対する第１の大腿骨部３２の回動を可能にする。

第１の下部部材アセンブリ３は、第１の股関節枢動軸３１と一体化された股関節アクチュエータをさらに備えることができる。股関節アクチュエータは、右股関節の屈曲または伸展の動作中に腰部ベルト２に対して脛骨部３２を回転駆動するように、ステータと、ステータに対して回転駆動されるのに適したロータとを備える。

第１の膝関節枢動軸３４は、第１の大腿骨部３２を第１の脚部３５に連結する。膝関節枢動軸３４は、右膝関節の屈曲／伸展の動作中に、大腿骨部３２に対する脚部３５の回動を可能にする。

第１の下部部材アセンブリ３は、第１の膝関節枢動軸３４と一体化された膝アクチュエータをさらに備えることができる。膝アクチュエータは、右膝関節の屈曲または伸展の動作中に大腿骨部３２に対して脚部３５を回転駆動するように、ステータと、ステータに対して回転駆動されるのに適したロータとを備える。

図２に示すように、第１の連結アセンブリ３６は、枢動軸３６１と、脛骨部３６２と、枢動軸３６３と、中間部３６４と、枢動軸３６５とを備えている。

脛骨部３６２は、脚部３５と中間部３６４との間でユーザのふくらはぎに沿って延びる。脛骨部３６２は、第１の端部３６６および第２の端部３６７を有する。

脚部３５は、枢動軸３６１によって脛骨部３６２に連結されている。より正確には、脚部３５は、枢動軸３６１によって脛骨部３６２の第１の端部３６６に連結される。枢動軸３６１は、脚に対するユーザの足の内転／外転の動作中に、回動軸線Ｘ１のまわりの脚部３５に対する脛骨部３６２の回動を可能にする。

中間部３６４は、脛骨部３６２と足部３７との間に延在する。中間部３６４は、枢動軸３６３によって脛骨部３６２に連結されている。より正確には、中間部３６４は、枢動軸３６３によって脛骨部３６２の第２の端部３６７に連結される。枢動軸３６３は、脚に対するユーザの足の屈曲／伸展の回動動作中に、回動軸線Ｘ３のまわりの脛骨部３６２に対する中間部３６４の回動を可能にする。

中間部３６４は、枢動軸３６５によって足部３７に連結されている。枢動軸３６５は、ユーザの足の後ろ、すなわち踵の後ろに配置される。枢動軸３６５は、脚に対するユーザの足の外返し／内返しの動作中に、回動軸線Ｘ２のまわりの中間部３６４に対する足部３７の回動を可能にする。

足部３７は、ユーザの足に固定するのに適している。より正確には、足部３７は、外骨格構造１に及ぼされる力を、靴５を介して地面に伝達するように、ユーザの右靴５、例えば靴底に固定されるのに適している。

足部３７は、靴５の靴底の両側に延在するのに適した２つの分枝部３７１及び３７２を有する。足部３７の各分枝部３７１、３７２は、例えば、靴底の厚さに貫通する１つ以上の固定ピンによって靴底に固定される。

脛骨部３６２は、ランナによって互いに対して摺動可能に取り付けられた２つの部分３６８、３６９に形成することができる。部分３６８および３６９の互いに対する摺動は、脛骨部３６２の短縮または延長を可能にし、ユーザの形態に応じて脛骨部３６２の長さの調整を可能にする。脛骨部３６２はまた、脛骨部を所望の長さにロックすることを可能にするロック装置を備えることができる。

図１に見られるように、枢動軸３６１は、脚部３５がユーザの矢状面Ｓと枢動軸３６１との間に位置するように、脚部３５の一方の側に配置される。

加えて、枢動軸３６３は、ユーザの足の一方の側、すなわち、くるぶしの近くに配置される。より正確には、枢動軸３６３は、中間部３６４がユーザの矢状面Ｓと枢動軸３６３との間に位置決めされるように、中間部３６４の一方の側に位置決めされる。

その結果、脛骨部３６２は、ユーザの脚の外側に（脛骨の前ではなく）延在する。これにより、軽量な外骨格構造１を設計することができる。さらに、外骨格構造１は、装着および除去がより容易である。ユーザは、外骨格構造１の存在なしに、通常行うように、靴を着けたり、靴を取り外したりすれば十分である。さらに、これは、２つの脚アセンブリ間の干渉を制限するように、足首を取り囲む空間、特に足首の内側に位置する空間を解放することを可能にする。

図１に示すように、第２の下部部材アセンブリ４は、第１の下部部材アセンブリ３に対して対称である。第２の下部部材アセンブリ４はまた、第１の股関節枢動軸３１と対称的な第２の股関節枢動軸４１によって腰部ベルト２に連結されている。第２の下部部材アセンブリ４は、ユーザの第２の下部部材に沿って延在する（図１の例では、第２の下部部材アセンブリは、ユーザの左側下部部材に沿って延在する）。

第２の下部部材アセンブリ４は、第１の下部部材アセンブリ３の部品と同一であるが、ユーザの矢状面Ｓに対して対称に配置された部品を備える。

したがって、第２の下部部材アセンブリ４は、第２の股関節枢動軸４１と、ユーザの左大腿に沿って延在するのに適した第２の大腿骨部４２と、ユーザの左大腿に固定されるのに適した第２の大腿部４３と、第２の膝関節枢動軸４４と、ユーザの左脚に固定されるのに適した第２の脚部４５と、第２の機械的連結アセンブリ４６と、ユーザの左足に固定されるのに適した第２の足部４７とを備える。

第２の股関節枢動軸４１は、骨盤に対するユーザの左大腿部の屈曲／伸展の動作中に、腰部ベルト２に対する第２の大腿骨部４２の回動を可能にする。

第２の下部部材アセンブリ４は、股関節枢動軸４１と一体化された股関節アクチュエータをさらに備えることができる。股関節アクチュエータは、股関節の屈曲または伸展の動作中に腰部ベルト２に対して脛骨部４２を回転駆動するように、ステータと、ステータに対して回転駆動されるのに適したロータとを備える。

第２の膝関節枢動軸４４は、第２の大腿骨部４２を第２の脚部４５に連結する。膝関節枢動軸４４は、大腿部に対するユーザの脚の屈曲／伸展の動作中に、大腿骨部４２に対する脚部４５の回動を可能にする。

第２の下部部材アセンブリ４は、第２の膝関節枢動軸４４と一体化された膝アクチュエータをさらに備えることができる。膝アクチュエータは、膝関節の屈曲または伸展の動作中に大腿骨部４２に対して脚部４５を回転駆動するように、ステータと、ステータに対して回転駆動されるのに適したロータとを備える。

図３に示すように、第２の連結アセンブリ４６は、第１の枢動軸４６１と、脛骨部４６２と、第２の枢動軸４６３と、中間部４６４と、第３の枢動軸４６５とを含む。

脛骨部４６２は、ランナによって互いに対して摺動可能に取り付けられた２つの部分４６８、４６９に形成することができる。部分４６８および４６９の互いに対する摺動は、脛骨部４６２の短縮または延長を可能にし、ユーザの形態に応じて脛骨部３６２の長さを調整することを可能にする。脛骨部４６２はまた、脛骨部を所望の長さにロックすることを可能にするロック装置を含むことができる。

第２の連結アセンブリ４６は、矢状面Ｓに対して第１の連結アセンブリ３６と対称に配置される。

特に、図１に見られるように、第１の枢動軸４６１は、脚部４５がユーザの矢状面Ｓと第１の枢動軸４６１との間に位置するように、脚部４５の一方の側に配置される。

さらに、第２の枢動軸４６３は、ユーザの足の片側で、くるぶしの近くに配置される。より正確には、第２の回動軸線４６３は、中間部４６４がユーザの矢状面Ｓと第２の回動軸線４６３との間に位置するように、中間部４６４の一方の側に配置される。

その結果、脛骨部４６２は、ユーザの脚の外側に（脛骨の前ではなく）延在する。

図２に示すように、枢動軸３６１の回動軸線Ｘ１は、ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、垂直方向に対して第１のゼロでない角度αを形成するように配向される。第１の角度αは、１度〜３０度の間、好ましくは１０度〜１５度の間に含まれ、例えば、約１２度である。

同様に、枢動軸４６１の回動軸線Ｘ１も、ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、垂直方向に対して第１のゼロでない角度αを形成するように配向される。

さらに、図２および図３に示すように、第１の連結アセンブリ３の枢動軸３６３および第２の連結アセンブリ４６の枢動軸４６３は、ユーザが立っているときにユーザのくるぶしの高さよりも低い高さに配置される。

回動軸線Ｘ３は、ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの横断面Ｔとゼロでない角度βを形成するように配向され、この角度は、５度〜１５度の間、好ましくは６度〜８度の間に含まれ、例えば、約８度である。

さらに、図４に示されるように、第１の連結アセンブリ３６の枢動軸３６３は、ユーザのくるぶしに対してユーザの足の後方に向かって配置される。この配置は、中間部の寸法を最小にするのを可能とし、その結果、外骨格構造をより軽量にすることを可能にする。

第２の連結アセンブリ４６の枢動軸４６３は、矢状面に対して第１の連結アセンブリ３６の枢動軸３６３の配置と対称の配置を有する。

さらに、回動軸線Ｘ３は、ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの前頭面Ｆとゼロでない角度γを形成するように配向され、この角度は、１度〜１５度の間、好ましくは４度〜７度の間に含まれ、例えば、約６度である。

回動軸線Ｘ３は回動軸線Ｘ２の上を通り、回動軸線Ｘ３とＸ２の交点はない。

一方、図４に示すように、第１の連結アセンブリ３６および第２の連結アセンブリ４６の両方において、回動軸線Ｘ１は、回動軸線Ｘ２と交差している。

図５に示されるように、回動軸線Ｘ２は、ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの横断面Ｔに対してゼロでない角度δで配向され、この角度は、１度〜３０度の間、好ましくは１５度〜２５度の間に含まれ、例えば、約１８度である。

回動軸線Ｘ２は、回動軸線Ｘ２が足の後部から足の前部に向かって進められるとき、下方に配向される。この構成は、ユーザが不規則な地形、すなわちでこぼこの地面を歩いているときでさえ、外骨格構造１の強化された安定性を得るという利点を有する。実際、ユーザが自分の足を粗い地形上に置く場合、靴６の靴底の粗さによって生成される反力の印加点は、必然的に、外返し／内返しの軸線Ｘ２の上方に位置し、その結果生じるモーメントは、ユーザの足首に課される回動を制限する傾向を有する。（反対に、回動軸線Ｘ２が靴６の靴底の粗さによって生成される反力の印加点より上に位置する構造では、結果として生じるモーメントが生成され、これは、ユーザの足首に課される回動を強める傾向がある）。

Claims (13)

1. 外骨格構造（１）であって、
   − ユーザの脚に固定されることを意図した脚部（３５、４５）と、
   − ユーザの足に固定されることを意図した足部（３７、４７）と、
   − 脚部（３５、４５）を足部（３７、４７）に連結する機械的連結アセンブリ（３６、４６）であって、ユーザの足の内転／外転の動作中に、第１の回動軸線（Ｘ１）のまわりで脚部（３５、４５）に対して、足部（３７、４７）の回動を可能にする第１の枢動軸（３６１、４６１）と、ユーザの足首の回内／回外の動作中に、第２の回動軸線（Ｘ２）のまわりで脚部（３５、４５）に対して、足部（３７、４７）の回動を可能にする第２の枢動軸（３６５、４６５）と、を含む機械的連結アセンブリ（３６、４６）と、
   を備え、
   ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、第１の枢動軸（３６１、４６１）が脚部（３５、４５）の片側に配置されるように、脚部（３５、４５）がユーザの矢状面と第１の枢動軸（３６１、４６１）との間に位置されるように、第１の枢動軸（３６１、４６１）が地面から２０センチメートル以上の高さに配置されるように、第１の枢動軸（３６１、４６１）が配置され、第１の回動軸線（Ｘ１）および第２の回動軸線（Ｘ２）の間の距離が５センチメートル以下であるように、第１の回動軸線（Ｘ１）は配向されており、
   ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、垂直方向に対して第１の非ゼロ角度（α）を第１の回動軸線（Ｘ１）が形成するように第１の回動軸線（Ｘ１）が配向され、第１の非ゼロ角度が、１度〜３０度の間である、外骨格構造。
2. 第１の回動軸線（Ｘ１）が、第２の回動軸線（Ｘ２）と第１の回動軸線が交差するように配向される、請求項１に記載の外骨格構造。
3. ユーザの足首の屈曲／伸展の動作中に、第３の回動軸線（Ｘ３）のまわりで脚部（３５、４５）に対して、足部（３７、４７）の回動を可能にする第３の枢動軸（３６３、４６３）を機械的連結アセンブリ（３６、４６）が備える、請求項１から２のいずれか一項に記載の外骨格構造。
4. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザのくるぶしの高さよりも低い高さに第３の枢動軸（３６３、４６３）が配置される、請求項３に記載の外骨格構造。
5. 第３の枢動軸（３６３、４６３）が、ユーザのくるぶしからユーザの足の後方側に配置される、請求項３および４のいずれか一項に記載の外骨格構造。
6. 第１の回動軸線（Ｘ１）が、第１の回動軸線（Ｘ１）と第３の回動軸線（Ｘ３）との間の距離が５センチメートル以下であるように配向される、請求項３から５のいずれか一項に記載の外骨格構造。
7. 第１の回動軸線（Ｘ１）が、第３の回動軸線（Ｘ３）を第１の回動軸線が横切るように配向される、請求項３から６のいずれか一項に記載の外骨格構造。
8. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの前頭面と第２の非ゼロ角度（γ）を第３の回動軸線が形成するように第３の回動軸線（Ｘ３）が配向され、第２の非ゼロ角度が、１度〜１５度の間である、請求項３から７のいずれか一項に記載の外骨格構造。
9. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザの横断面と第３の非ゼロ角度（β）を第３の回動軸線が形成するように第３の回動軸線（Ｘ３）が配向され、第３の非ゼロ角度が、５度〜１５度の間である、請求項３から８のいずれか一項に記載の外骨格構造。
10. 機械的連結アセンブリ（３６、４６）が、第１の枢動軸（３６１、４６１）を介して脚部（３５、４５）に連結された第１の端部（３６６、４６６）と、第３の枢動軸（３６３、４６３）に連結された第２の端部（３６７、４６７）と、を有する連結部（３６２、４６２）を備え、連結部（３６２、４６２）が、連結部（３６２、４６２）の長さを調節するように互いに対して摺動するように取り付けられた２つの部分（３６８、３６９、４６８、４６９）と、長さが調節されると２つの部分（３６８、３６９、４６８、４６９）を互いに対してロックするロック装置と、を備える、請求項３から９のいずれか一項に記載の外骨格構造。
11. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、水平方向に対して第４の非ゼロ角度（δ）を第２の回動軸線が形成するように第２の回動軸線（Ｘ２）が配向され、第４の非ゼロ角度が、１度〜３０度の間である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の外骨格構造。
12. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、ユーザのくるぶしの下を第２の回動軸線が通過するように第２の回動軸線（Ｘ２）が配向される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の外骨格構造。
13. ユーザが解剖学的基準姿勢で立っているときに、第２の回動軸線（Ｘ２）が、足の後部からユーザの足の前部に向かって進められるときに、第２の回動軸線（Ｘ２）が、下方に配向される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の外骨格構造。

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