JP6923202B2 - 関節駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体の関節駆動装置に関する。

怪我や高齢のために狭くなった関節の可動範囲を広げるために、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を繰り返し行うというリハビリテーションが必要である。一般的に、関節のリハビリテーションは、設備が整った病院に通わないと適切に行うことは難しい。そのため、通院に要する費用や時間が負担となり、それが原因で数多くの人が、リハビリテーションを中途半端に行ってしまう。中途半端なリハビリテーションの結果、患部が完治しないままに通常の生活に復帰すると、怪我の再発や患部の関節の可動域が狭くなってしまう等、患部を悪化させてしまう。

そこで、通院費用や通院時間軽減のため、自宅に居ながらにして行う在宅リハビリテーションが切望されている。しかしながら、在宅リハビリテーションには、（１）リハビリテーションを行うには大きな力が必要であり、長時間行う際には、リハビリテーションを行うパートナーに負担がかかる、（２）患者とパートナーとの両者の時間が必要なので、時間的な拘束が生じる、（３）専門でない人がリハビリテーションを行うと、患部の関節に対して不適切な負荷を与えて悪化させてしまう虞がある、という問題がある。

ここで、上述した関節に対する不適切な負荷について、足首を例に、図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２及び図１３は、人の足首１の瞬間回転軸の軸線、すなわち瞬間回転軸線Ｘ１の変化を説明する概念図である。下腿部２の長手方向の軸線が紙面に対して平行に延びているとして、足首１の関節における紙面に対して垂直方向の瞬間回転軸線Ｘ１回りに、下腿部２に対して足部３を回転させた場合を考える。人体の筋骨格構造は非常に複雑であるため、下腿部２に対する足部３の回転角に応じて瞬間回転軸線Ｘ１の位置が変化する。したがって、爪先を近位側に向けて屈曲させる屈曲運動（背屈）及び爪先を遠位側に向けて伸展させる伸展運動（底屈）を行うための、上述した関節回りの瞬間回転軸線Ｘ１は一定ではなく、下腿部２に対する足部３の回転角に応じた瞬間回転軸線Ｘ１が存在する。

さらに、図１２及び図１３は、紙面に対して垂直方向の回転軸回りに動きを固定した平面運動の場合であって、実際には、瞬間回転軸は、紙面に対して垂直方向以外の傾いた状態、すなわち空間的な配置にもなり得る。したがって、リハビリテーションにおいて、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を行う際に加わる外力が、姿勢に応じた関節の瞬間回転軸に関する純粋なモーメントでない場合、不適切な負荷を患部に与えてしまう。すなわち、リハビリテーションでは、関節回りのトルクのみを加え、それ以外の負荷は加えないことが望ましい。

特許文献１には、足首を実施形態とする関節駆動装置が開示されている。この関節駆動装置は、オルダム継手機構の原理を適用したリンク機構を構成することによって、足首の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に対応可能である。

特開２０１３−２１５４６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の関節駆動装置では、リンク機構が、下腿部に対して、左右方向において片側にのみ配置されている。そのため、足部を上から載せて足部が自由に動かぬように固定し保持する保持部材が、左右方向において片持ち状態となる。その結果、関節駆動装置の自重に由来する力が関節に対して不適切な付加を与える場合がある。また、この関節駆動装置は人体に装着させる前の状態ではその形状が維持されない構造であることから、装着がスムーズに行えないという問題がある。

関節駆動装置の各部材の強度を上げることによって、上述した問題を解決することも可能ではあるが、その結果、関節駆動装置は重量化及び大型化してしまう。

そこで本発明は、関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に対応可能でありながら、軽量で小型な関節駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、関節に対して、一方の側の第１部位に対して他方の側の第２部位を前記関節回りに回転させる関節駆動装置であって、該関節駆動装置が、回転駆動機構と、摺動機構を備えた第１接続部材及び第２接続部材と、前記回転駆動機構に取り付けられ、該回転駆動機構によって第１軸線回りに回転する第１リンク部材と、前記第１接続部材を介して、前記第１軸線に対して直交する第２軸線に沿って受動的に摺動可能に前記第１リンク部材に対して接続された第２リンク部材と、前記第２部位を保持する保持部材であって、前記第２接続部材を介して、前記第２軸線に対して直交する第３軸線に沿って受動的に摺動可能に前記第２リンク部材に対して接続された保持部材と、を具備し、前記回転駆動機構の回転に応じて、前記第１接続部材及び前記第２接続部材が受動的に摺動し、前記第１接続部材が、前記第２部位よりも遠位側に配置されていることを特徴とする関節駆動装置が提供される。

別の態様によれば、前記第１リンク部材が、前記第２部位を跨って配置されている。別の態様によれば、前記第１リンク部材が、Ｕ字状に形成されている。別の態様によれば、弾性部材を有する位置補償機構をさらに具備する。別の態様によれば、前記第１接続部材及び前記第２接続部材が回転機構をさらに備え、前記第１接続部材が前記第２軸線回りに受動的に回転可能であり、前記第２接続部材が前記第３軸線回りに受動的に回転可能である別の態様によれば、回転機構を備えた第３接続部材をさらに具備し、該第３接続部材を介して、前記第１軸線及び前記第２軸線に対して直交する第４軸線回りに回転可能である。別の態様によれば、前記保持部材がワイヤをさらに具備し、前記ワイヤの長さを調節することによって、前記関節の瞬間回転軸線が前記第１軸線に対してセンタリングされる。

本発明の態様によれば、関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に対応可能でありながら、軽量で小型な関節駆動装置を提供するという共通の効果を奏する。

本発明の実施形態による足首のリハビリテーション装置の機構図を含む概念図である。 図１に示された足首とは別の配置の足首を示す概念図である。 図２に示された足首の屈曲運動状態におけるリハビリテーション装置の概念図である。 図２に示された足首の伸展運動状態におけるリハビリテーション装置の概念図である。 図１に対応する足首のリハビリテーション装置の斜視図である。 リハビリテーション装置の主要な構成の斜視図である。 リハビリテーション装置の主要な構成の別の斜視図である。 リハビリテーション装置の主要な構成の正面図である。 図８の線Ｓ−Ｓにおける断面図である。 リハビリテーション装置の主要な構成の底面図である。 クラッチ機構の分解図である。 人の足首の瞬間回転軸の変化を説明する概念図である。 人の足首の瞬間回転軸の変化を説明する概念図である。

以下、本発明の関節駆動装置について、リハビリテーション装置を例に、図面を参照しながら詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、本発明の実施形態による足首のリハビリテーション装置１０の機構図を含む概念図であり、図２は、図１に示された足首とは別の配置の足首を示す概念図であり、図３は、図２に示された足首の屈曲運動状態におけるリハビリテーション装置１０の概念図であり、図４は、図２に示された足首の伸展運動状態におけるリハビリテーション装置１０の概念図である。

図において下方が鉛直方向における下方であり、使用者は仰臥位又は座位の姿勢で足首１をリハビリテーション装置１０に対して装着し、リハビリテーションを行う。以下の説明では、座位の姿勢の使用者から見て、左右方向及び前後方向を規定し、鉛直方向に沿って上下方向を規定する。前方向及び後方向は、それぞれ遠位方向及び近位方向とも称する。なお、リハビリテーション装置１０を立てることによって、使用者が立位の姿勢でリハビリテーションを行うようにしてもよい。

リハビリテーション装置１０は、回転駆動機構２０と、第１リンク部材３０と、第２リンク部材４０と、第３リンク部材である保持部材５０とを有している。図１乃至図４に示された概念図では、後述する具体的なリハビリテーション装置１０の実施形態の一部の部材に対応する部分について、括弧書きで符号を付している。符号が付された部分について、後述する図５乃至図１０の説明と共に図１乃至図４を参照すると、よりその機能や構造等が明確となるだろう。

各符号において、３０番台の符号によって示される部分は第１リンク部材３０に含まれる部分であることを意味し、４０番台の符号によって示される部分は第２リンク部材４０に含まれる部分であることを意味し、５０番台の符号によって示される部分は保持部材５０に含まれる部分であることを意味し、それぞれは一体となって運動する。

なお、８０番台の符号によって示される部分は、後述する弾性部材に相当する部分であり、位置補償機構８０を構成する。位置補償機構８０は、弾性部材の復元力又は復元トルクによって、弾性部材が接続された部材について加わる重力を相殺したり初期位置への復帰を助力したりして、位置を補償する。

第１リンク部材３０及び第２リンク部材４０は、全体としてＵ字状に形成されている。保持部材５０は、全体としてＵ字状に形成されており、使用者がその足部３を載せて、足部３が自由に動かぬように固定し保持するプレート状の部分（符号５３）を有する。保持部材５０は、リハビリテーション装置１０によるトルクを足部３に伝達する役割を果たす。

回転駆動機構２０は、伝動用のモータであり、その回転軸線が第１軸線Ｘ０として示されている。回転駆動機構２０による第１軸線Ｘ０回りの回転は、図１に示された制御装置１００によって所定の回転角の範囲内となるように制御される。なお、制御装置１００は、図３以降の図においては省略されている。

第１リンク部材３０は、摺動機構及び回転機構を備えた１つの第１接続部材３３を有している。また、第１リンク部材３０は、Ｕ字状の両端部分（符号３１）が回転駆動機構２０に対して接続され、回転駆動機構２０の回転に応じて第１軸線Ｘ０回りに回転又は揺動するように構成されている。すなわち、回転駆動機構２０と第１リンク部材３０とは１自由度を有する能動的な回転対偶を構成する。

第２リンク部材４０は、第１軸線Ｘ０に対して直交する第２軸線Ａを有する直線状のロッド部分（符号４１）と、摺動機構及び回転機構とを備えた２つの第２接続部材４４とを有している。直線状のロッド部分（符号４１）と第１接続部材３３とは、互いに協働するように接続されている。第２リンク部材４０は、第１接続部材３３を介して、第２軸線Ａに沿って受動的に摺動可能且つ第２軸線Ａ回りに受動的に回転可能に、第１リンク部材３０に対して接続されている。第１接続部材３３は、例えば、ボールブッシュの構造を利用することによって、摺動機構及び回転機構を同時に実現することが可能となる。したがって、第１リンク部材３０及び第２リンク部材４０は、直進対偶と回転対偶との機能を併せ持つ、２自由度を有する受動的な円筒対偶を構成する。

なお、第１リンク部材３０側にロッド部分を配置し、第２リンク部材４０側に第１接続部材を配置するようにしてもよい。また、第１接続部材３３を第２軸線Ａに沿って受動的に摺動可能にのみ構成し、第１リンク部材３０及び第２リンク部材４０が、直進対偶の機能のみを有するようにしてもよい。

保持部材５０は、第２軸線Ａに対して直交する第３軸線Ｂを有する直線状のロッド部分（符号５１）を有している。直線状のロッド部分（符号５１）と第２接続部材４４とは、互いに協働するように接続されている。保持部材５０は、第２接続部材４４を介して、第３軸線Ｂに沿って受動的に摺動可能且つ第３軸線Ｂ回りに受動的に回転可能に、第２リンク部材４０に対して接続されている。第２接続部材４４は、例えば、ボールブッシュの構造を利用することによって、摺動機構及び回転機構を同時に実現することが可能となる。したがって、第２リンク部材４０及び保持部材５０は、直進対偶と回転対偶との機能を併せ持つ、２自由度を有する受動的な円筒対偶を構成する。

なお、第２リンク部材４０側にロッド部分を配置し、保持部材５０側に第２接続部材を配置するようにしてもよい。また、第２接続部材４４を第３軸線Ｂに沿って受動的に摺動可能にのみ構成し、第２リンク部材４０及び保持部材５０が、直進対偶の機能のみを有するようにしてもよい。

ここで、下腿部２に対する足部３の瞬間回転軸の軸線、すなわち足首１の関節における回転中心を、上述したように瞬間回転軸線Ｘ１とする。瞬間回転軸線Ｘ１と第２接続部材４４とを結ぶ仮想リンクＨ１を考えると、瞬間回転軸線Ｘ１と仮想リンクＨ１とは、１自由度を有する受動的な仮想回転対偶Ｈ０を構成する。そして、第１接続部材３３及び第２接続部材４４を介した２つの受動的な円筒対偶によって、回転駆動機構２０の第１軸線Ｘ０に対する足首１の瞬間回転軸線Ｘ１の位置及び姿勢のずれを補償し、関節に対して不適切な力が伝達されることを防止している。

ここで、図１は、リハビリテーション装置１０に対して使用者の足首が位置及び姿勢共に理想的に配置された状態を示している。したがって、第１軸線Ｘ０、瞬間回転軸線Ｘ１、第２軸線Ａ及び第３軸線Ｂが一点で交差している。しかしながら、通常、図２に示されるように、瞬間回転軸線Ｘ１は、その他軸線の交点からはずれたところに配置される。図２及び図３は、図２の状態から足首を屈曲及び伸展させた状態を示している。

足首１の屈曲（図３）又は伸展（図４）における瞬間回転軸線Ｘ１の位置及び姿勢のずれは、第２リンク部材４０が第１接続部材３３を介して第２軸線Ａに沿って受動的に摺動し、保持部材５０が第２接続部材４４を介して第３軸線Ｂに沿って受動的に摺動することによって補償される。また、足首１の内転又は外転における瞬間回転軸線Ｘ１の位置及び姿勢のずれは、第２リンク部材４０が、第１接続部材３３を介して第２軸線Ａ回りに受動的に回転することによって補償される。また、足首１の内反又は外反における瞬間回転軸線Ｘ１の位置及び姿勢のずれは、保持部材５０が、第２接続部材４４を介して第３軸線Ｂ回りに受動的に回転することによって補償される。実際の足首の運動では、屈曲又は伸展、内転又は外転、及び、内反又は外反が、複合的に生じることから、これら補償も複合的に行われる。

第１リンク部材３０は、第２軸線Ａに対して直交し且つ第３軸線Ｂと平行な第４軸線Ｃを有する直線状のロッド部分（符号３４）と、回転機構を備えた１つの第３接続部材３５とをさらに有してもよい。この場合、直線状のロッド部分（符号３４）は、第１接続部材３３と一体的に接続されている。第２リンク部材４０は、第３接続部材３５を介して、第４軸線Ｃ回りに受動的に回転可能に、第１リンク部材３０に対してさらに接続されている。第２リンク部材４０の第３接続部材３５を介した第４軸線Ｃ回りの回転によって、足部３の内反又は外反をより補償することが可能となる。ただし、第２リンク部材４０の第３接続部材３５を介した第４軸線Ｃ回りの回転は、その回転角（揺動角）の範囲が微小であるため、第２リンク部材４０の第１接続部材３３を介した、第２軸線Ａに沿った受動的な摺動及び第２軸線Ａ回りの回転を妨げることはない。

次に、リハビリテーション装置１０の動作について説明する。まず、制御装置１００で制御された回転駆動機構２０によって、第１リンク部材３０を回転させる。この回転運動によって、第２リンク部材４０を介して、保持部材５０さらには足部３、すなわち仮想リンクＨ１を瞬間回転軸線Ｘ１回りに回転させる。ここで、上述したように、人体の筋骨格構造に起因し、瞬間回転軸線Ｘ１の位置及び姿勢は変位する。しかし、上述したように、第２リンク部材４０が第１リンク部材３０に対して受動的に摺動且つ回転し、保持部材５０が第２リンク部材４０に対して受動的に摺動且つ回転することによって、瞬間回転軸線Ｘ１の変位に対して柔軟に対応することができる。その結果、瞬間回転軸線Ｘ１に対して力が伝達されることなく、トルクのみが伝達される。

したがって、リハビリテーション装置１０によれば、回転駆動機構２０の回転運動を、オルダム継手機構の原理を適用することによって、回転駆動機構２０から離れた位置に存在する瞬間回転軸線Ｘ１に対して力を伝達させることなく、瞬間回転軸線Ｘ１回りの回転運動として伝達する運動伝達機構を実現することが可能となる。

次に、図５乃至図１１を参照しながら、リハビリテーション装置１０の具体的構成について説明する。

図５は、図１に対応する足首のリハビリテーション装置１０の斜視図である。図５に示されるように、リハビリテーション装置１０は、フレーム状の筐体１１と、下腿部２及び足部３を固定するための固定部材１２と、上述した、回転駆動機構２０、第１リンク部材３０、第２リンク部材４０及び保持部材５０とを有している。

図６は、リハビリテーション装置１０の主要な構成の斜視図であり、図７は、リハビリテーション装置１０の主要な構成の別の斜視図であり、図８は、リハビリテーション装置１０の主要な構成の正面図であり、図９は、図８の線Ｓ−Ｓにおける断面図であり、図１０は、リハビリテーション装置１０の主要な構成の底面図である。

回転駆動機構２０は、伝導用のモータ２１と、モータ２１によって回転するウォーム２２と、ウォーム２２と協働するウォームホイール２３と、ウォームホイール２３と共に回転するクラッチ機構２４と、クラッチ機構２４によって回転する駆動ギヤ２５と、角度センサ２６と、電流センサ及び各種センサ（図示せず）と、を有している。角度センサ２６は、クラッチ機構２４を介した駆動ギヤ２５の回転角が予め設定された角度に達したか否かを検知する。駆動ギヤ２５の回転角が予め設定された角度に達したことが検知されると、図示しない制御装置１００に対してその信号が送信され、モータ２１の回転方向が反転するよう制御される。駆動ギヤ２５の予め設定された角度、すなわち回転角の範囲は、一般的な健常者の関節の可動域が最大範囲として、制御装置１００に設定されている。最大範囲は、リハビリテーションを行う足首や手首等の部位による他、性別や年齢等に応じて定めてもよい。リハビリテーション装置１０による使用者の屈曲運動又は伸展運動の際に、使用者に対して過度な負荷が加わる場合には、それがモータに対する逆回転の入力として電流センサによって検知され、モータ２１の回転方向が反転するよう制御される。モータ２１の角速度は、制御装置１００によって、例えば、高速、中速及び低速の３段階に設定可能である。

モータ２１は、好ましくはブラシレスＤＣモータである。ブラシレスＤＣモータを採用することによって、ブラシ付きＤＣモータの場合と比べ、回転速度制御及びトルク制御を容易に行うことが可能となる。したがって、制御装置１００に対して、足首の屈曲又は伸展の最大角度変位及び角速度等を数値的に入力することによって、入力値に従った制御を容易に行うことができる。また、ブラシレスＤＣモータを採用することによって、小型で且つ大きなトルクを出力することができる。なお、モータ２１に、ステッピングモータ又はサーボモータを採用してもよい。

回転駆動機構２０において、ウォーム２２とウォームホイール２３とからなるウォームギヤを採用することによって、リハビリテーション装置１０の起動前であったとしても、駆動ギヤ２５、ひいては第１リンク部材３０等が勝手に回転することはない。すなわち、装着の際に、リハビリテーション装置１０の形状が維持される構造であることから、使用者は固定部材１２に対して安定的且つスムーズに装着することができる。言い換えると、ウォームギヤによって、リハビリテーション装置１０の剛性及び装着性が向上する。また、使用者が、意図的に又は意図せず、保持部材５０に強い力を加えた場合、それがモータ２１に対する逆回転の入力としてモータ２１に悪影響を及ぼすことが防止される。

クラッチ機構２４は、安全機構として機能する。図１１は、クラッチ機構２４の分解図である。クラッチ機構２４は、隣接して配置された２つの曲面状のウェーブスプリング２７ａと、これらウェーブスプリング２７ａの外側にそれぞれ配置された２つの摩擦板２７ｂとを有している。ウェーブスプリング２７ａに代えて、コイルスプリングや円錐バネ等の圧縮バネであってもよい。ウェーブスプリング２７ａ及び摩擦板２７ｂは、ウォームホイール２３と、ギヤ２９とによって挟持される。ウォームホイール２３は、雄ネジ部２３ａと有し、雄ネジ部２３ａは、円盤２８ａを介して、ナット部材２８ｂと螺合する。ウォーム２２を介したモータ２１のトルクは、ウォームホイール２３へと伝達される。ウォームホイール２３へと伝達されたトルクは、ウェーブスプリング２７ａ及び摩擦板２７ｂを介してギヤ２９に伝達される。ギヤ２９に伝達されたトルクは、駆動ギヤ２５に伝達される。

ここで、モータ２１のトルクが、所定の値よりも大きい場合には、２つのウェーブスプリング２７ａが互いに滑る。すなわち、ウォームホイール２３が回転しているにもかかわらず、ギヤ２９、ひいては駆動ギヤ２５がその回転に追従しない。結果として、駆動ギヤ２５に所定の値以上のトルクが伝達されないことから、クラッチ機構２４は、過剰なトルクの伝達を防止する安全機構として機能する。

この所定の値は、クラッチ機構２４を軸線方向に締結する雄ネジ部２３ａに対するナット部材２８ｂの締結力、すなわち２つのウェーブスプリング２７ａが軸線方向に圧縮される力に依存する。したがって、ナット部材２８ｂの締結力を強くすると、２つのウェーブスプリング２７ａが互いに滑り難くなり、より大きいトルクを伝達することができる。他方、ナット部材２８ｂの締結力を弱くすると、２つのウェーブスプリング２７ａが互いに滑りやすくなり、より大きいトルクを伝達することができなくなる。このように使用者が又は装置のメンテナンスを行う者等が、ナット部材２８ｂの締結力を調整することによって、例えばリハビリテーションを開始した直後には締結力を弱くして大きなトルクが伝達されることを防止し、リハビリテーションが進行するに連れて、徐々に締結力を強くして伝達されるトルクを大きくすることができる。なお、ナット部材２８ｂの締結力を決定した後に、ナット部材２８ｂが緩まないように、ナット部材２８ｂの雌ネジを径方向に収縮される固定ネジ２８ｃが用いられている。

第１リンク部材３０は、全体としてＵ字状に形成されている。第１リンク部材３０は、２つのアーム部材３１と、連結プレート３２と、摺動機構及び回転機構を備えた１つのボールブッシュからなる第１接続部材３３とを有している。２つのアーム部材３１の一端は、連結プレート３２によって上部において連結している。また、２つのアーム部材３１の他端は、回転駆動機構２０、具体的には駆動ギヤ２５に対して接続され、回転駆動機構２０の回転に応じて第１軸線Ｘ０回りに回転又は揺動するように構成されている。したがって、第１リンク部材３０は、全体として第１軸線Ｘ０回りに回転又は揺動する。

第２リンク部材４０は、全体としてＵ字状に形成されている。第２リンク部材４０は、第１軸線Ｘ０に対して直交する第２軸線Ａを有する直線状の第１ロッド４１と、第１ロッド４１が垂直に接続される支柱４２と、支柱４２の上下において垂直に取り付けられた２つの第１支持プレート４３と、第１支持プレート４３の各々に取り付けられ且つ摺動機構及び回転機構を備えた２つのボールブッシュからなる第２接続部材４４とを有している。

第１ロッド４１と第１接続部材３３とは、互いに協働するように接続されている。具体的には、第１ロッド４１が、第１接続部材３３内に挿入されている。その結果、第２リンク部材４０は、第１接続部材３３を介して、第２軸線Ａに沿って受動的に摺動可能且つ第２軸線Ａ回りに受動的に回転可能に、第１リンク部材３０に対して接続されている。

保持部材５０は、全体としてＵ字状に形成されている。保持部材５０は、第２軸線Ａに対して直交する第３軸線Ｂを有し且つ上下に配置された２つの直線状の第２ロッド５１と、第２ロッド５１の各々が垂直に接続された２つの第２支持プレート５２と、使用者がその足部３を載せて、足部３が自由に動かぬように固定し保持するプレート状の保持プレート５３と、保持プレート５３の左右の端部から垂直に延びる２つのサイドプレート５４と、２つのワイヤ５５とを有している。

第２ロッド５１と第２接続部材４４とは、互いに協働するように接続されている。具体的には、第２ロッド５１の各々が、対応する第２接続部材４４内に挿入されている。その結果、保持部材５０は、第２接続部材４４を介して、第３軸線Ｂに沿って受動的に摺動可能且つ第３軸線Ｂ回りに受動的に回転可能に、第２リンク部材４０に対して接続されている。

ワイヤ５５の各々は、一端がサイドプレート５４に接続され、他端が駆動ギヤ２５又はアーム部材３１に取り付けられている。その結果、使用者がリハビリテーション装置１０を使用するため足部３を固定部材１２によって固定しようとした場合、すなわち人体に対してリハビリテーション装置１０を装着しようとした場合、前方へ（遠位方向へ）保持部材５０が移動してしまうことが防止される。したがって、ワイヤ５５によって、使用者のリハビリテーション装置１０の装着性が向上する。また、ワイヤ５５の各々は、その長さが調節可能に構成されている。ワイヤ５５の長さを調節することによって、足首１の瞬間回転軸線Ｘ１を回転駆動機構２０の第１軸線Ｘ０に対してより近づけるという、センタリングを行うことが可能となる。

リハビリテーション装置１０は、第１角度調整機構６０と、第２角度調整機構７０と位置補償機構８０とをさらに有していてもよい。

第１角度調整機構６０は、足首１の内転又は外転の角度を調整する機構である。第１角度調整機構６０は、第２軸線Ａと平行な軸線を有し且つ該軸線に沿って摺動可能な第３ロッド６１と、第３ロッド６１を支持する２つの支持部材６２と、アーム部材３１を貫通して支持部材６２の左右に配置された２つの第１調節ネジ６３とを有している。２つの第１調節ネジ６３は、上下方向において、第３ロッド６１と略同じ高さに配置されている。第３ロッド６１は、第１ロッド４１と同様に、支柱４２に対して垂直に接続されている。

図１０に示されているように、支持部材６２は、アーム部材３１及び連結プレート３２から離間して配置されている。したがって、第３ロッド６１及び支持部材６２は、第１接続部材３３を介して第２軸線Ａ回りに回転させることができる。その結果、第２リンク部材４０全体が第２軸線Ａ回りに回転することとなり、足首１の内転方向及び外転方向に、第２リンク部材４０、ひいては保持部材５０を回転させることが可能となる。また、左右の第１調節ネジ６３を回転させ、各々の第１調節ネジ６３の先端位置を調整することによって、第２リンク部材４０及び保持部材５０を第２軸線Ａ回りの所定の角度に固定することが可能となる。

なお、リハビリテーション装置１０は、第２軸線Ａに対して直交する第４軸線Ｃを有する直線状の第４ロッド３４と、回転機構を備えた１つの第３接続部材３５と、アーム部材３１を貫通して支持部材６２の左右に配置された２つの第２調節ネジ６４とをさらに有していてもよい。２つの第２調節ネジ６４は、上下方向において、第１ロッド４１と略同じ高さで且つ後方寄り（近位寄り）に配置されている。第４ロッド３４は、第１接続部材３３と一体的に接続されている。その結果、第２リンク部材４０、ひいては保持部材５０は、第３接続部材３５を介して、第４軸線Ｃ回りに回転可能に、第１リンク部材３０に対してさらに接続されている。第２リンク部材４０及び保持部材５０の第３接続部材３５を介した第４軸線Ｃ回りの回転によって、足部３の内反又は外反を補償することが可能となる。なお、第２リンク部材４０の第３接続部材３５を介した第４軸線Ｃ回りの回転は、その回転角（揺動角）の範囲が微小であるため、第２リンク部材４０の第１接続部材３３を介した、第２軸線Ａに沿った受動的な摺動及び第２軸線Ａ回りの回転を妨げることはない。

第２角度調整機構７０は、足首１の内反又は外反の角度を調整する機構である。第２角度調整機構７０は、支柱４２の左右に取り付けられた第１調節プレート７１と、第１調節プレート７１の近傍における保持プレート５３の左右に取り付けられた第２調節プレート７２と、２つの第３調節ネジ７３とを有している。対応する第１調節プレート７１及び第２調節プレート７２は、少なくとも一方に形成された長穴を介して、第３調節ネジ７３によって連結され、固定される。

上述したように、保持部材５０は、第２接続部材４４を介して、第３軸線Ｂに沿って受動的に摺動可能且つ第３軸線Ｂ回りに受動的に回転可能に、第２リンク部材４０に対して接続されている。ここで、第３調節ネジ７３を緩めてから、第１調節プレート７１及び第２調節プレート７２との連結位置を調節して再度固定することによって、保持部材５０、すなわち保持プレート５３を、第２リンク部材４０に対する第３軸線Ｂ回りの所定の角度に固定することが可能となる。

位置補償機構８０は、複数の弾性部材を、例えばコイルスプリング、板バネ又はトーションスプリングの形態で有している。すなわち、位置補償機構８０は、第１リンク部材３０に対する第２軸線Ａに沿った第２リンク部材４０の位置を補償する第１弾性部材８１と、第２リンク部材４０に対する第３軸線Ｂに沿った保持部材５０の位置を補償する第２弾性部材８２と、第１軸線Ｘ０回りの第１リンク部材３０の回転角度を補償する第３弾性部材８３と、第２リンク部材４０に対する第３軸線Ｂ回りの保持部材５０の回転角度を補償する第４弾性部材８４と、第１リンク部材３０に対する第２軸線Ａ回りの第２リンク部材４０及び保持部材５０の回転角度を補償する第５弾性部材８５と、第１リンク部材３０に対する第４軸線Ｃ回りの第２リンク部材４０及び保持部材５０の回転角度を補償する第６弾性部材８６と、を有している。

第１弾性部材８１は、一端が第１リンク部材３０側、例えば第４ロッド３４を介して接続された一方の支持部材６２に取り付けられ、他端が第２リンク部材４０の支柱４２に取り付けた２つの弾性部材と、一端が第１リンク部材３０側、例えば第４ロッド３４を介して接続された一方の支持部材６２に取り付けられ、他端が他方の支持部材６２に取り付けられた２つの弾性部材とからなる。その結果、第１リンク部材３０に対して第２軸線Ａに沿って摺動可能な第２リンク部材４０には、中央近傍に復帰するような復元力が作用する。

第２弾性部材８２は、一端が第２リンク部材４０の支柱４２に取り付けられ、他端が保持プレート５３に取り付けられた２つの弾性部材からなる。その結果、第２リンク部材４０に対して第３軸線Ｂに沿って摺動可能な保持部材５０には、重力を相殺するような復元力が作用する。

第３弾性部材８３は、一端が、例えば筐体１１に取り付けられ、他端が第１リンク部材３０のアーム部材３１に取り付けられたトーションスプリングからなる。その結果、第１軸線Ｘ０回りに回転可能な第１リンク部材３０には、重力を相殺するような復元トルクが作用する。

第４弾性部材８４は、左右に配置された第１調節プレート７１及び第２調節プレート７２において、一端が第１調節プレート７１に取り付けられ、他端が第２調節プレート７２に取り付けられた複数のトーションスプリングからなる。その結果、第３調節ネジ７３を緩めている場合、第２リンク部材４０に対して第３軸線Ｂ回りに回転可能な保持部材５０には、中央近傍に復帰するような復元トルクが作用する。

第５弾性部材８５は、支持部材６２の左右、特に第４ロッド３４近傍に配置された２つの板バネからなる。その結果、第１リンク部材３０に対して第２軸線Ａ回りに回転可能な第２リンク部材４０及び保持部材５０には、支持部材６２を介して中央近傍に復帰するような復元トルクが作用する。

第６弾性部材８６は、支持部材６２の左右、特に支柱４２寄りに配置された２つの板バネからなる。その結果、第１リンク部材３０に対して第４軸線Ｃ回りに回転可能な第２リンク部材４０及び保持部材５０には、支持部材６２を介して中央近傍に復帰するような復元トルクが作用する。

本発明に係るリハビリテーション装置、すなわち関節駆動装置は、関節（実施形態における足首１）に対して、一方の側の第１部位（実施形態における下腿部２）に対して他方の側の第２部位（実施形態における足部３）を関節回りに回転させる関節駆動装置であり、オルダム継手機構の原理が適用されている。その各構成によれば、以下の効果を奏する。

関節駆動装置にオルダム継手機構の原理を適用することによって、関節の回転軸（瞬間回転軸）の位置が変化したとしてもその変化に受動的に対応し、関節には力を伝達せずに関節回りのトルクのみを伝達することが可能となる。したがって、関節に対して不適切な負荷を与えることなく、関節回りの屈曲運動及び伸展運動を繰り返すことができ、リハビリテーションを行うことが可能となる。また、当該関節駆動装置が、回転軸の位置の変化に対応できるということから、当該関節駆動装置の人体に対する取り付け位置を正確に決定する必要もない。したがって、使用者の身長や体重、性別や年齢等に応じて装置の構成を変更する必要もない。さらに、当該関節駆動装置は、その機構と該機構が取り付けられる関節回りの人体とを１つの系と考え、その系の自由度が１となるように構成されている。したがって、当該関節駆動装置は、回転駆動機構という１つのアクチュエータのみで駆動可能となる。すなわち、当該関節駆動装置は、回転駆動機構以外は受動的な機構で構成されていることから、部品及びセンサ等は最小限の数で構成可能である。したがって、当該関節駆動装置は、非常に軽量で小型且つ簡便な機構である。

そして、第１接続部材を第２部位よりも遠位側に配置することによって、各回転軸線を関節近傍に配置する構成を採用することができ、円筒対偶である第１接続部材及び第２接続部材の摺動方向の変位を低減することができる。その結果、関節の瞬間回転軸の位置及び姿勢の変化に対応可能でありながら、軽量で小型な関節駆動装置を提供することができる。

また、第１リンク部材が、Ｕ字状に形成されることによって、第２部位を跨って配置されていることから、保持部材が左右方向において両持ち状態となる。その結果、特許文献１に記載の関節駆動装置と比べて、関節駆動装置の剛性及び装着性を向上させ、駆動力の伝達性を向上させることができる。また、ウォームとウォームホイールとからなるウォームギヤを採用し、ワイヤを用いたセンタリング機構を採用することによって、関節駆動装置の剛性が向上し、関節駆動装置の装着性が向上する。また、ウェーブスプリングを用いたクラッチ機構を採用することによって、伝達トルクを容易に調整することができ、過剰なトルクの伝達を防止することができる。また、伝動用のモータとして、ブラシレスＤＣモータを採用することによって、回転速度制御と、クラッチ機構によって伝達されるトルクを最大値とするトルク制御とを容易に行うことが可能となる。さらに、関節駆動装置が位置補償機構を有することによって、各部材について加わる重力を相殺したり初期位置への復帰を助力したりし、位置を補償することができる。さらに、第１角度調整機構６０及び第２角度調整機構７０を採用することによって、足首の内転又は外転及び内反又は外反に対応することができ、尖足等の障害がある使用者でも無理なく関節駆動装置を使用することができる。

以上、本発明の関節駆動装置について、リハビリテーション装置を例に説明してきた。しかしながら、本発明の関節駆動装置を、自己の筋肉による能力以上の走行や跳躍又は運搬等が可能となるように構成してもよい。すなわち、強力な伝動用のモータを使用することによって、関節に対する不適切な負荷を抑えつつ、より速く走行し、より高く跳躍し、又は、より重い物を持ち上げることが可能となる。また、本発明の関節駆動装置は、上述した足首以外にも、膝、肘、手首、指、首等その他の関節に対しても適用可能である。

１ 足首
２ 下腿部
３ 足部
１０ リハビリテーション装置
２０ 回転駆動機構
２５ 駆動ギヤ
３０ 第１リンク部材
３３ 第１接続部材
３５ 第３接続部材
４０ 第２リンク部材
４４ 第２接続部材
５０ 保持部材
６０ 第１角度調整機構
７０ 第２角度調整機構
８０ 位置補償機構
Ａ 第２軸線
Ｂ 第３軸線
Ｃ 第４軸線
Ｈ０ 仮想回転対偶
Ｈ１ 仮想リンク
Ｘ０ 第１軸線
Ｘ１ 瞬間回転軸線

Claims (7)

1. 関節に対して、一方の側の第１部位に対して他方の側の第２部位を前記関節回りに回転させる関節駆動装置であって、該関節駆動装置が、
   回転駆動機構と、
   摺動機構を備えた第１接続部材及び第２接続部材と、
   前記回転駆動機構に取り付けられ、該回転駆動機構によって前記関節回りの回転に対応する第１軸線回りに回転する第１リンク部材と、
   前記第１軸線に対して直交する第２軸線に沿って、前記第１接続部材を介して受動的に摺動可能に前記第１リンク部材に対して接続された第２リンク部材と、
   前記第２部位を保持する保持部材であって、前記第２軸線に対して直交する第３軸線に沿って、前記第２接続部材を介して受動的に摺動可能に前記第２リンク部材に対して接続された保持部材と、
   を具備し、
   前記回転駆動機構の回転に応じて、前記第１接続部材及び前記第２接続部材が受動的に摺動し、
   前記第１接続部材が、前記第２部位よりも遠位側に配置されていることを特徴とする関節駆動装置。
2. 前記第１リンク部材が、前記第２部位を跨って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の関節駆動装置。
3. 前記第１リンク部材が、Ｕ字状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の関節駆動装置。
4. 第１弾性部材又は第２弾性部材を有する位置補償機構をさらに具備し、前記第１弾性部材が前記第１リンク部材に対する前記第２軸線に沿った前記第２リンク部材の位置を、又は、前記第２弾性部材が前記第２リンク部材に対する前記第３軸線に沿った前記保持部材の位置を、前記第１弾性部材又は前記第２弾性部材の復元力によって、重力を相殺したり初期位置への復帰を助力したりして、位置を補償することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の関節駆動装置。
5. 前記第１接続部材及び前記第２接続部材が回転機構をさらに備え、前記第１接続部材が前記第２軸線回りに受動的に回転可能であり、前記第２接続部材が前記第３軸線回りに受動的に回転可能である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の関節駆動装置。
6. 回転機構を備えた第３接続部材をさらに具備し、前記第２リンク部材が、該第３接続部材を介して、前記第１軸線及び前記第２軸線に対して直交する第４軸線回りに回転可能である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の関節駆動装置。
7. 前記保持部材が前記回転駆動機構に接続されたワイヤをさらに具備し、前記関節の瞬間回転軸線が前記第１軸線に対してより近づけるように前記ワイヤの長さを調節することによって、前記関節の瞬間回転軸線が前記第１軸線に対してセンタリングされることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の関節駆動装置。

Images