JPWO2018008705A1 - 体内埋め込み型動作アシスト装置 - Google Patents

Abstract

体内埋め込み型動作アシスト装置（１）は、股関節（１２）を中心として屈伸動作などの動きが生じる骨盤側の骨（１５）と大腿骨（１４）との間に、股関節（１２）を挟み、その前側および後側に、第１の紐（２８）、第２の紐（２９）を架け渡してある。骨盤側の骨（１５）にはアシスト力発生用の回転アクチュエータ（２４）が固定されている。回転アクチュエータ（２４）により第１、第２の紐（２８、２９）を引張ることにより、股関節（１２）を中心とする屈伸動作等をアシストする引張力が股関節部分に伝えられる。人体の各関節部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達可能な体内埋め込み型動作アシスト装置を実現できる。

Description

本発明は、股関節、膝関節等の関節を中心とした動きをアシストするために、装着者の体内に埋め込まれて使用される体内埋め込み型動作アシスト装置に関する。

この種の体内埋め込み型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いない。

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。

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いる。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アシスト力は、定まった位置を中心として人体の関節部に作用する。

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捩れて移動する。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、内旋・外旋運動および、それらの複合運動が生じる。

従来の一般的な動作アシスト装置では、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。このような動作アシスト装置では、複雑な人体関節部を中心とする動きに追従できず、本来の自然な動きを再現できない。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。この結果、人体関節部分に不要な力が作用し、関節が動かない、または、装着者が拘束感、違和感を覚えることがある。

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。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いる。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

本発明が対象としている体内埋め込み型動作アシスト装置は、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。このような体内埋め込み型動作アシスト装置においては、従来、屈伸運動に伴う人体の関節軸の移動が考慮されていない。また、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。

膝関節に用いる体内埋め込み型動作アシスト装置に対して、上記の特許文献３、４に記載の外装型の動作アシスト装置を適用することが考えられる。すなわち、装置側のアシスト力の回転軸を、前後・上下方向に移動させる機構を採用することが考えられる。しかしながら、外装型の動作アシスト装置におけるアシスト力の回転軸を移動させるための機構は、複雑なリンク機構、あるいは複数のアクチュエータを用いて回転軸を前後方向に移動させるようにしている。このような機構は、構造が複雑で小型化が容易でなく、体内への埋め込みには適していない。

また、従来の機構は、一義的に定めた軌跡に沿ってアシスト力の回転軸を往復移動させるものである。しかしながら、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。一義的に定めた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を移動させても、関節が動かないことがある。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。

さらに、外装型の動作アシスト装置においては、例えば、人体に対する装置の装着状態に遊びができる。この遊びによって、比較的簡単に、人体の関節の動きと装置側の動きのずれを吸収できる。体内埋め込み型動作アシスト装置では、体内の限られたスペースに装置構成部品が配置される。各構成部品は、関節に繋がる一対の骨のそれぞれに対して、遊びの無い状態で固定される。装置側の動作と人体側の動作の間にずれが生じると、それが装着者の関節に、大きな拘束力として作用する。

本発明の目的は、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体内埋め込み型動作アシスト装置を提供することにある。

本発明による体内埋め込み型動作アシスト装置は、装着者の関節の動きをアシストするために体内に埋め込まれて使用される。本発明による体内埋め込み型動作アシスト装置は、関節を中心とする相対運動を行う一対の骨を第１および第２の骨と呼び、第１の骨または当該第１の骨に繋がる腱を第１の部位と呼び、第２の骨または当該第２の骨に繋がる腱を第２の部位と呼ぶものとすると、相対運動における第１の方向の動きをアシストするための引張力を、第１、第２の部位の間に伝えるために用いる可撓性の線状部材と、線状部材に引張力を与えるアクチュエータとを有していることを特徴としている。

本発明において「線状部材」とは、広く、長尺状の部材を意味し、紐、ワイヤー、ロープ、テープ、帯などと呼ばれる各種の形態の細長い部材を含む。また、円形断面、扁平な楕円状断面、中空断面など、断面形状も各種のものが含まれる。さらに、１本の線状素材からなる線状部材、および、複数本の線状素材(繊維状素材)を束ねた拠り糸などの形態の線状部材を含む。線状部材は、必要とされるアシスト力を伝達するために十分な引張強度を備え、人体の関節の動きに追従して撓むことのできる十分な撓み性あるいは柔軟性を備えた部材であればよい。線状部材の素材としては、例えば、炭素繊維、チタン、高分子ポリマーなどを用いることができる。

本発明において、例えば、線状部材を、第１、第２の部位の間に架け渡し、アクチュエータを、線状部材における架け渡し部分の長さを増減できるように、当該線状部材に係合させる。

または、第１、第２の部位のうちの一方の側にアクチュエータを取り付け、他方の側に線状部材の一端を取り付け、線状部材の他端の側を引張ることができるように、当該線状部材の他端にアクチュエータを係合させる。

伸展・屈曲運動が主たる関節、例えば、膝関節において、線状部材の架け渡し部分の長さが短くなる方向にアクチュエータを駆動する。あるいは、線状部材を直接にアクチュエータにより引張る。これにより、膝関節を中心として双方の骨が相対的に伸展する伸展運動のアシスト力を、線状部材を介して引張力として加えることができる。線状部材の架け渡し部分の長さを元の長さに戻すと、あるいは、線状部材を緩めると、アシスト力（引張力）が解除され、双方の骨が接近する屈曲運動が可能になる。

同様に、ボールジョイント系の関節、例えば、股関節の場合においても、股関節を中心とした屈伸運動のアシスト力を引張力の形態で加えることができる。また、内転運動あるいは外転運動のアシスト力、内旋運動あるいは外旋運動のアシスト力を、アクチュエータから、線状部材を介して引張力の形態で加えることできる。

アシスト力の伝達経路が可撓性の線状部材によって形成されており、装置側においてアシスト力の回転軸あるいは回転中心は規定されていない。常に、人体の関節の関節軸あるいは関節中心を中心として、アシスト力が関節に作用する。人体の関節を中心とした双方の骨の自然な動きに追従しながら、アシスト力を伝達可能である。例えば、屈曲運動が主たる膝関節などの関節の場合には、双方の骨の屈伸運動に伴う関節の関節軸の移動を拘束することなく、常に人体の関節の関節軸を中心として、アシスト力が加えられる。また、ボールジョイント系の関節、例えば股関節において、股関節に繋がっている骨などの間に屈伸方向にアシスト力が加わるように配置した線状部材は、その関節中心を中心とした人体側の部位の各方向の動きに追従して、撓み、あるいは、捩れる。例えば、股関節を中心とした内外転運動を拘束することがない。

本発明によれば、可撓性の線状部材を用いることにより、本来備わっている筋肉などによる関節を中心とした運動機能を擬似的に再現することができる。よって、従来における剛体リンクなどから構成される装置とは異なり、人体における各関節において、関節の可動性を維持でき、また、拘束力あるいは違和感の無い状態あるいは少ない状態で、装着者の関節にアシスト力を加えることができる。

本発明において、線状部材の少なくとも一部を筒状部材によって覆うことが望ましい。筒状部材は、可撓性および伸縮性のうち、少なくとも、可撓性を備えていることが望ましい。

筒状部材の可撓性は、線状部材の動きに追従可能な可撓性あるいは柔軟性を意味する。また、筒状部材の伸縮性は、線状部材の架け渡し部分の長さの増減に追従可能な伸縮性を意味する。通常は、最大架け渡し長さに対応する長さの筒状部材を配置し、最小架け渡し長さに対応する長さに縮むことが可能な伸縮性があればよい。

関節部を中心とする人体の動きに伴って人体に埋め込まれる線状部材は所定の範囲内を移動する。線状部材が直接に周囲の人体組織に接触して損傷を与えるおそれがある。線状部材を、周囲の人体組織に接触しても損傷などの悪影響を与えることのない素材から筒状部材（チューブ、シース）によって覆っておくことにより、線状部材の移動範囲内にある人体組織に損傷を与えることを防止できる。また、このようにすれば、人体組織との適応性に制約されることなく、線状部材として各種の素材のものを用いることも可能になる。

本発明において、アクチュエータと線状部材の間の引張力の伝達経路には、ダンパーを配置することが望ましい。「ダンパー」として、例えば、コイルバネ、捩りバネ、板バネ、ゴムなどの可撓性の弾性体、その他の各種の弾性部材を用いることができる。弾性部材は、必要とされる引張力が伝達される場合には実質的に弾性変形せず、それを超える引張力が作用する場合には弾性変形して、伝達される引張力が所定の大きさを超えないようにする。

アクチュエータが停止している状態において、関節部の側から線状部材を介して外力が作用するおそれがある。例えば、膝関節の場合には、装着者が段差につまずく等により、膝関節が意図せずに屈曲あるいは伸展させられる場合がある。このような場合には、大きな衝撃力が線状部材、アクチュエータ等の部分に作用し、これらの部分が破損するおそれがある。引張力の伝達経路上にダンパー、例えば、コイルばねを配置しておくことで、衝撃力を緩和でき、各部が破損するなどの弊害を回避できる。

本発明において、関節部を中心とする相対運動における第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストするための引張力を、第１、第２の部位の間に伝えるために、第１の部位と第２の部位の間に架け渡して使用するための弾性部材を有している場合がある。

例えば、関節を中心とする屈曲方向あるいは伸長方向のアシスト力を与える線状部材と、屈曲状態を伸展状態に戻すための復帰力あるいは伸展張状態を屈曲状態に戻すための復帰力を与える弾性部材との組合せを用いることができる。同様に、関節を中心とする内転方向あるいは外転方向のアシスト力を与える線状部材と、内転状態あるいは外転状態を元の状態に戻すための復帰力を与える弾性部材との組合せを用いることができる。また、関節を中心とする内旋方向あるいは外旋方向のアシスト力を与える線状部材と、内旋状態あるいは外旋状態を元の状態に戻すための復帰力を与える弾性部材との組合せを用いることができる。

ここで、「弾性部材」として、引張コイルバネ、圧縮コイルバネ、捩りバネ、板バネ、ゴムなどの可撓性の弾性体、その他の各種の弾性的に伸び縮みなどの弾性変形可能な部材を用いることができる。

本発明において、アクチュエータとしては各種のアクチュエータを用いることができる。例えば、回転運動によって線状部材の巻き取り・巻き出しを行うものを用いることができる。また、直線運動によって線状部材の引き込み・繰り出しを行うもの、伸縮部材の伸縮運動によって線状部材の引張動作などを行うものを用いることができる。

また、アクチュエータは、前記第１あるいは第２の骨の表面、または、前記第１あるいは第２の骨の内部に配置することができる。

一方、アクチュエータとしては、人工筋肉などとして用いられる高分子アクチュエータを用いることができる。この場合には、例えば、高分子アクチュエータによって、線状部材の一部を形成することができる。このような高分子アクチュエータとしては、例えば、本願出願人による特開２０１５−１２２９３５号公報において提案されているＰＶＣからなる誘電体層を備えたアクチュエータ素子を用いることができる。

なお、線状部材（第１、第２の線状部材）を第１、第２の部位に対して、引張力を伝達可能に取り付けるために用いる部材（取付方法）としては、各種のものを用いることができる。例えば、線状部材を第１の部位あるいは第２の部位に固定するために用いるクギ、ネジあるいはボルト、線状部材を第１の部位あるいは第２の部位に締結するために用いる帯状部材、線状部材を第１の部位あるいは第２の部位に接合するために用いる接着材、線状部材を第１の部位あるいは第２の部位に縫合するために用いる縫合部材などを用いることができる。

本発明において、装着者の関節、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には、骨の髄腔に髄内釘を挿入固定すればよい。この場合には、髄内釘に線状部材あるいはアクチュエータを取り付けることができる。

次に、線状部材を用いて、関節を中心とした相対運動の第１の方向および逆の第２の方向のいずれの方向にもアシスト用の引張力を与えることができる。例えば、屈曲運動および伸展運動の双方をアシストするための引張力を、線状部材を介して関節部分に与えるために、伸び縮みが逆位相で行われるように、１組の線状部材あるいは２組の線状部材を配置すればよい。また、股関節などの関節を中心とした相対運動、例えば、内転運動および外転運動の双方に対して線状部材によってアシスト力を与えるために、伸び縮みが逆位相で行われるように１組の線状部材あるいは２組の線状部材を配置すればよい。

このために、本発明においては、前記の線状部材を第１の線状部材とすると、関節部を中心とする相対運動における第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストする引張力が第１、第２の部位に伝達されるように、当該第１、第２の部位の間に架け渡して使用するための１本あるいは複数本の可撓性の第２の線状部材を有している。アクチュエータは、第１、第２の線状部材における第１、第２の部位の間の架け渡し部分の長さが逆位相で増減するように、第１、第２の線状部材に連結される。

この代わりに、線状部材を、第１、第２の部位の間の架け渡し部分として、相対運動における第１方向の動きをアシストする引張力を伝達するための第１の架け渡し部分と、第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストする引張力を伝達するための第２の架け渡し部分とが形成されるように、第１、第２の部位の間に架け渡してもよい。この場合には、アクチュエータを、第１、第２の架け渡し部分の長さが逆位相で増減するように、線状部材に係合させる。

さらに、本発明において、関節部を中心とする相対運動における第１の方向の動きをアシストするために、第１の線状部材と第１のアクチュエータを配置し、第２の方向の動きをアシストするために、第２の線状部材と第２のアクチュエータを配置することができる。

なお、本発明の体内埋め込み型動作アシスト装置は、例えば、装着者の股関節を中心とする屈伸運動、内外転運動あるいは内外旋運動、膝関節を中心とする屈伸運動をアシストする装置として用いることができる。また、本発明の体内埋め込み型動作アシスト装置は、自力で動くことが可能であるが健常な動きが困難な人であって、動作困難の程度が異なる人に広く用いることができる。さらに、筋力が効かずに歩行等の動作が不能な人にも用いることができる。

本発明を適用した実施の形態１の体内埋め込み型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の体内埋め込み型アシスト装置を人体左外側から見た場合の概略構成図である。 図２の直立状態の左股関節と左膝関節が屈曲した状態を示す概略構成図である。 本発明を適用した実施の形態２の体内埋め込み型の膝関節アシスト機構を示す説明図および直動アクチュエータの説明図である。

［実施の形態１］
図１〜図３に示す実施の形態１は、本発明を、股関節動作アシストユニットおよび膝関節動作アシストユニットを備えた体内埋め込み型歩行アシスト装置に適用したものである。

（全体構成）
図１は実施の形態１に係る体内埋め込み型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。図２は体内埋め込み型歩行アシスト装置を左外側から見た場合の直立状態の概略構成図であり、図３は直立状態から左股関節および左膝関節が屈曲した状態を示す概略構成図である。体内埋め込み型歩行アシスト装置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、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。

アシスト装置１は、例えば、不図示の人体装着型のバッテリ電源および不図示の制御ユニットを備えており、バッテリ電源から股関節動作アシストユニット２、膝関節動作アシストユニット４および制御ユニットに対して駆動電力が供給される。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を、本願出願人は特開２０１５−４４２４０号公報において提案している。

（股関節動作アシストユニット）
股関節動作アシストユニット２は、大腿骨１４の髄腔内に挿入される髄内釘２１と、髄内釘２１を大腿骨１４に固定するためのスクリューネジ２２と、骨盤側の例えば腸骨１５に固定されるスクリューネジ２３と、このスクリューネジ２３にハウジング２４ａが固定されたアシスト力発生用の回転アクチュエータ２４とを有している。

また、股関節動作アシストユニット２は、図２、図３に示すように、回転アクチュエータ２４のハウジング２４ａによって回転自在の状態で支持されている前側巻取り軸２５および後側巻取り軸２６と、大腿骨１４の上側の骨端に固定されたスクリューネジ２７と、可撓性の線状部材である第１の紐２８および第２の紐２９とを有している。これらの第１、第２の紐２８、２９は、例えば細幅のテープ状あるいは帯状の紐である。

第１の紐２８は、人体前側に位置する前側巻取り軸２５から巻き出されてスクリューネジ２７における同一側に位置するネジ前端２７ａに架け渡されている。同様に、第２の紐２９は、人体後側に位置する後側巻取り軸２６から巻き出されてスクリューネジ２７における同一側に位置するネジ後端２７ｂに架け渡されている。したがって、第１の紐２８および第２の紐２９は、股関節１２を挟み人体前後の位置において、骨盤側の腸骨１５と大腿骨１４との間に架け渡されている。

本例では、骨盤側に固定されているスクリューネジ２３に固定したハウジング２４ａによって支持されている前側巻取り軸２５が、第１の紐２８を骨盤側の骨に架け渡すための部位として機能し、大腿骨１４の側のスクリューネジ２７のネジ前端２７ａが第１の紐２８を大腿骨１４に架け渡す（固定する）ための部位として機能する。同様に、後側巻取り軸２６が、第２の紐２９を骨盤側の骨に架け渡すための部位として機能し、大腿骨１４の側のスクリューネジ２７のネジ後端２７ｂが第２の紐２９を大腿骨１４に架け渡す（固定する）ための部位として機能する。

ここで、前側の第１の紐２８における前側巻き取り軸２５からスクリューネジ２７のネジ前端２７ａまでの間の架け渡し部分２８ａは、可撓性のチューブ３１によって覆い隠されている。チューブ３１は例えば蛇腹構造をしており、その長さ方向に伸縮可能である。同様に、後側の第２の紐２９における後側巻き取り軸２６からスクリューネジ２７のネジ後端２７ｂまでの間の架け渡し部分２９ａは、可撓性のチューブ３２によって覆い隠されている。チューブ３２も例えば蛇腹構造をしており、その長さ方向に伸縮可能である。

例えば、回転アクチュエータ２４の回転軸２４ｂには、ピニオン３３が同軸に固定されている。ピニオン３３には、人体前後方向から前側伝達歯車３４および後側伝達歯車３５がかみ合っている。前側伝達歯車３４は前側巻取り軸２５に同軸に固定され、後側伝達歯車３５は後側巻取り軸２６に同軸に固定されている。

第１の紐２８は例えば時計回りに前側巻取り軸２５に巻かれており、第２の紐２９は逆の反時計回りに後側巻取り軸２６に巻かれている。例えば、図２の状態において、回転アクチュエータ２４を駆動してその回転軸２４ｂが一方向に回転すると、図３に示すように、第１の紐２８が前側巻き取り軸２５に巻き取られ、前側巻取り軸２５から大腿骨１４のスクリューネジ２７のネジ前端２７ａまでの間に架け渡されている第１の紐２８の架け渡し部分２８ａの長さが短くなる。換言すると、前側巻き取り軸２５からネジ前端２７ａまでの距離が短くなる。

この結果、回転アクチュエータ２４の回転力が、股関節１２の関節中心を中心として、大腿骨１４が骨盤に対して前方に屈曲する方向のアシスト力として、第１の紐２８を介して大腿骨１４に作用する。チューブ３１は伸縮性があり、架け渡し部分２８ａの長さの減少に応じて縮むので、第１の紐２８の巻き取り動作に干渉しない。

また、後側の第２の紐２９は、図３に示すように、後側巻き取り軸２６の同一方向の回転によって巻き出されて、その架け渡し部分２９ａの長さが長くなり、大腿骨１４の屈曲運動に干渉しない。チューブ３２は、架け渡し部分２９ａが長くなると、それに応じて伸張するので、第２の紐２９が露出して周囲の人体組織に接触することがない。

回転アクチュエータ２４を逆方向に回転すると、前側の第１の紐２８の架け渡し部分２８ａの長さが長くなり、後側の第２の紐２９の架け渡し部分２９ａの長さが短くなる。これにより、回転アクチュエータ２４の回転力が、股関節１２を中心として、大腿骨１４が骨盤に対して後方に伸展する方向のアシスト力が第２の紐２９を介して大腿骨１４に作用する。この場合にも各チューブ３１、３２が架け渡し部分２８ａ、２９ａの長さの変化に追従して伸縮して、例えば、図３の状態から図２の状態に戻る。

ここで、股関節１２を中心として、大腿骨１４の側の部位に、内転運動あるいは外転運動、内旋運動あるいは外旋運動、または、それらの複合運動が生じた場合には、撓み性のある第１、第２の紐２８、２９は、そのような動きに追従して撓み、あるいは捩れる。よって、股関節動作アシストユニット２が内外転運動の障害になることを防止できる。また、このような内外転運動に追従して、第１、第２の紐２８、２９を巻き出し、巻き戻しを行うように回転アクチュエータ２４を駆動制御すれば、装着者は拘束感あるいは違和感なく内外転運動を行うことができる。

さらに、内外転運動、内外旋運動の一方あるいは双方をアシストする引張力を加えることができるように、紐などの可撓性の線状部材を架け渡しておき、この架け渡し長さを、回転アクチュエータなどのアクチュエータによって増減することもできる。このようにすれば、内外転運動、内外旋運動のアシストを行うことができる。

なお、回転アクチュエータ２４は、例えば、電動モータおよび、この出力回転を減速して回転軸２４ｂに伝達する減速機を備えている。また、回転アクチュエータ２４の埋め込み位置は、その埋め込みスペースを容易に確保できるように、例えば、股関節１２の左横方位置から上方に外れた位置とされる。

（膝関節動作アシストユニット）
次に、膝関節動作アシストユニット４は、大腿骨１４の髄腔内に挿入される上述した髄内釘２１と、髄内釘２１の下端部分２１ｂを大腿骨１４に固定するためのスクリューネジ４２と、脛骨１７に挿入される髄内釘４１と、髄内釘４１の上端側部分４１ａを脛骨１７に固定するためのスクリューネジ４３と、大腿骨１４の側のスクリューネジ４２にハウジング４４ａが固定されたアシスト力発生用の回転アクチュエータ４４とを有している。

また、膝関節動作アシストユニット４は、回転アクチュエータ４４のハウジング４４ａによって回転自在の状態で支持されている前側巻取り軸４５および後側巻取り軸４６と、脛骨１７の上側の骨端に固定されたスクリューネジ４７と、可撓性の第１の紐４８および可撓性の第２の紐４９とを有している。

第１の紐４８は、人体前側に位置する前側巻取り軸４５から巻き出されてスクリューネジ４７における同一側に位置するネジ前端４７ａに架け渡されている。同様に、第２の紐４９は、人体後側に位置する後側巻取り軸４６から巻き出されてスクリューネジ４７における同一側に位置するネジ後端４７ｂに架け渡されている。第１の紐４８および第２の紐４９は、膝関節１３を挟み人体前後の位置において、大腿骨１４と脛骨１７の間に架け渡されている。

前側巻取り軸４５が第１の紐４８を大腿骨１４の側に架け渡すための部材として機能し、脛骨１７の側のスクリューネジ４７のネジ前端４７ａが第１の紐４８を脛骨１７に架け渡すための部材として機能する。同様に、後側巻取り軸４６が、第２の紐４９を大腿骨１４に架け渡すための部材として機能し、脛骨１７の側のスクリューネジ４７のネジ後端４７ｂが第２の紐４９を脛骨１７に架け渡すための部材として機能する。

前側の第１の紐４８における前側巻き取り軸４５からスクリューネジ４７のネジ前端４７ａまでの間の架け渡し部分４８ａは、可撓性のチューブ５１によって覆い隠されている。チューブ５１は例えば蛇腹構造をしており、その長さ方向に伸縮可能である。同様に、後側の第２の紐４９における後側巻き取り軸４６からスクリューネジ４７のネジ後端４７ｂまでの間の架け渡し部分４９ａは、可撓性のチューブ５２によって覆い隠されている。チューブ５２も例えば蛇腹構造をしており、その長さ方向に伸縮可能である。

回転アクチュエータ４４の回転軸４４ｂには、ピニオン５３が同軸に固定されている。ピニオン５３には、人体前後方向から前側伝達歯車５４および後側伝達歯車５５がかみ合っている。前側伝達歯車５４は前側巻取り軸４５に同軸に固定され、後側伝達歯車５５は後側巻取り軸４６に同軸に固定されている。

第１の紐４８は例えば時計回りに前側巻取り軸４５に巻かれており、第２の紐４９は逆の反時計回りに後側巻取り軸４６に巻かれている。例えば、図２の状態において、回転アクチュエータ４４を駆動してその回転軸４４ｂが一方向に回転すると、図３に示すように、第２の紐４９が後側巻き取り軸４６から巻き出されて、後前側巻取り軸４６から脛骨１７のスクリューネジ４７のネジ後端４７ｂまでの間に架け渡されている第２の紐４９の架け渡し部分４９ａの長さが長くなる。

この結果、回転アクチュエータ４４の回転力が、膝関節１３を中心として、脛骨１７が大腿骨１４に対して後方に屈曲する方向のアシスト力として、第２の紐４９を介して脛骨１７に作用する。チューブ５２は伸縮性があり、架け渡し部分４９ａの長さの増加に応じて伸び、第２の紐４９の巻き取り動作に干渉しない。

また、前側の第１の紐４８は、前側巻き取り軸４５の同一方向の回転によって巻き出されて、その架け渡し部分４８ａの長さが短くなり、脛骨１７の伸展運動に干渉しない。チューブ５１は、架け渡し部分４８ａが長くなると、それに応じて縮むので、第１の紐４８が露出して周囲の人体組織に接触して損傷を与えることがない。

図３の状態において回転アクチュエータ４４を逆方向に回転すると、図２に示すように、前側の第１の紐４８の架け渡し部分４８ａの長さが短くなり、後側の第２の紐４９の架け渡し部分４９ａの長さが長くなる。これにより、回転アクチュエータ４４の回転力が、膝関節１３を中心として、脛骨１７が大腿骨１４に対して前方に伸びる方向のアシスト力が第１の紐４８を介して脛骨１７に作用する。この場合にも各チューブ５１、５２が架け渡し部分４８ａ、４９ａの長さの変化に追従して伸縮する。

回転アクチュエータ４４は、例えば、電動モータおよび、この出力回転を減速して回転軸４４ｂに伝達する減速機を備えている。また、回転アクチュエータ４４の埋め込み位置は、その埋め込みスペースを容易に確保できるように、例えば、膝関節１３の左横方位置から上方に外れた位置とされる。

（実施の形態１の改変例）
上記の例では股関節１２、膝関節１３において、その前後に１本ずつ第１、第２の紐２８、２９、４８、４９を配置している。第１、第２の紐として、それぞれ、複数本の紐を用いることも可能である。また、第１、第２の紐として機能する１本あるいは複数本の紐を、引き回すことにより、前側の架け渡し部分２８ａ、４８ａが長くなると、後側の架け渡し部分２９ａ、４９ａが短くなるようにすることも可能である。

また、例えば、膝関節１３において、屈曲側である後側の第２の紐４９の代わりに、コイルバネ、捩りバネなどの弾性部材を、大腿骨１４と脛骨１７の間に圧縮力が作用する状態に架け渡しておくことも可能である。例えば、紐を、その長さが短くなる方向に引張ることにより、膝関節の伸展動作を補助し、弾性部材による圧縮力によって膝関節の屈曲動作を補助することができる。また、股関節１２の側においても、紐と弾性部材とを用いることが可能である。

さらに、膝関節１３においては、前側の伸展用の第１の紐４８を、大腿骨１４と脛骨１７の間に架け渡している。この代わりに、第１の紐４８を、第１の大腿骨１４と膝蓋骨１８との間に架け渡し、膝蓋骨１８を介して脛骨１７を伸展させるようにすること可能である。

さらにまた、上記の例では回転アクチュエータを用いてアシスト力を発生している。この代わりに、人工筋肉などに利用される高分子アクチュエータを用いることも可能である。この場合には、例えば、第１、第２の紐２８、２９、４８、４９の一部を高分子アクチュエータによって形成し、紐長さ方向に伸縮させて、架け渡し部分２８ａ、２９ａ、４８ａ、４９ａの長さを増減させるようにすることができる。

なお、上記の例では、髄内釘を用いて装着者の骨を補強している。装着者の骨が強い場合には髄内釘を用いることなく、アクチュエータ、第１、第２の紐などを、各骨に固定することができる。

［実施の形態２］
図４（ａ）は本発明を適応した実施の形態２に係る膝関節アシスト機構を示す説明図であり、図４（ｂ）は直動アクチュエータを示す説明図である。膝関節アシスト機構１００は、装着者の左脚に埋め込まれて左の膝関節１３を中心とする人体前後方向の伸展運動をアシストする伸展アシストユニット１１０と、屈曲運動をアシストする屈曲アシストユニット１３０と、バッテリ電源および制御機構が組み込まれた人体装着型の制御ユニット１５０とを備えている。

制御ユニット１５０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伸展アシストユニット１１０および屈曲アシストユニット１３０の駆動を制御する（特開２０１５−４４２４０号公報参照）。例えば、制御ユニット１５０は、歩行動作において、伸展アシストユニット１１０および屈曲アシストユニット１３０を交互に駆動制御して、膝関節運動をアシストする。

伸展アシストユニット１１０は、伸展運動をアシストするための引張力を膝関節１３に繋がる大腿骨１４および脛骨１７のうちの一方の骨、本例では脛骨１７に伝えるために用いる可撓性のワイヤー１１１と、ワイヤー１１１に引張力を与えるために、大腿骨１４に取り付けた直動アクチュエータ１２０とを備えている。

ワイヤー１１１の下端１１１ａは、脛骨１７の上端部の前側の部位に固定される。ワイヤー１１１は膝蓋骨１８を介して上方に延びており、ワイヤー１１１の上端１１１ｂは、直動アクチュエータ１２０の側に連結される。直動アクチュエータ１２０によるワイヤー１１１の牽引量は、膝関節１３を９０°〜０°まで伸展させるために、６０ｍｍ程度必要である。これを超えるストロークの直動アクチュエータを用いればよい。

ワイヤー１１１の下端１１１ａを脛骨１７に固定するための固定部１１２は、クギ、ネジ、ボルト、締結用バンドなどによる固定部、接着あるいは縫合による固定部とすることができる。ワイヤー１１１における人体組織に接触する部分は、可撓性および伸縮性のある円筒１１３によって覆われている。これにより、移動するワイヤー１１１によって人体組織が傷つけられることを防止できる。

直動アクチュエータ１２０は、例えば、大腿骨１４の外側の側面に沿う状態に配置され、大腿骨１４に固定されている。例えば、直動アクチュエータ１２０を、実施の形態１における髄内釘２１として製作し、大腿骨１４に埋設することもできる。

図４（ｂ）を参照して説明すると、直動アクチュエータ１２０は、ボールねじ式アクチュエータであり、細長い円筒状ケース１２１と、この内部に同軸に延びるボールねじ軸１２２と、ボールねじ軸１２２に螺合しているボールねじ１２３と、ボールねじ１２２を回転駆動するサーボモータ１２４とを備えている。モータと減速機を組み合わせて必要とされるトルクを確保する場合もある。ボールねじ軸１２２は回転自在の状態で円筒状ケース１２１によって支持されており、ボールねじ１２３は、ボールねじ軸１２２に沿ってスライド可能かつ回転不可の状態で、円筒状ケース１２１によって支持されている。サーボモータ１２４を駆動してボールねじ軸１２２を回転すると、ボールねじ１２３はボールねじ軸１２２に沿って、矢印１２６で示す前後方向にスライドする。

ボールねじ１２３には、ダンパーとして機能するコイルばね１２５を介して、ワイヤー１１１の上端１１１ｂが連結されている。ボールねじ１２３が後方にスライドすると、ワイヤー１１１が引張られて引き込まれる（直動アクチュエータ１２０の先端位置１２０ａから、脛骨１７の側に繋がっているワイヤー１１１の下端１１１ａまでの間のワイヤー架け渡し長さが短くなる。）。ワイヤー１１１を介して、膝関節１３を中心として脛骨１７を大腿骨１４に対して人体前方に伸長させる方向の引張力が、アシスト力として作用する。ボールねじ１２３を前方にスライドすると、ワイヤー１１１が緩み、脛骨１７の引張が解除される。装着者は、膝関節１３を中心として脛骨１７を大腿骨１４に対して後方に自由に屈曲させることが可能になる。

再び図４（ａ）に戻って説明すると、屈曲アシストユニット１３０は、伸展アシストユニット１１０と同一構造であるが、取付け位置が相違する。屈曲アシストユニット１３０は、屈曲運動をアシストするための引張力を膝関節１３に繋がる一方の骨、本例では脛骨１７の側に伝えるために用いる可撓性のワイヤー１３１と、ワイヤー１３１に引張力を与える直動アクチュエータ１４０とを備えている。

ワイヤー１３１の下端１３１ａは、脛骨１７あるいは腓骨１９の上端部の後ろ側の部位に固定される。例えば、ワイヤー１３１の下端１３１ａは、脛骨１７における大腿二頭筋付着部あるいは後十字靭帯付着部に固定される。ワイヤー１３１の上端１３１ｂは、直動アクチュエータ１４０の側に連結されている。直動アクチュエータ１４０は、例えば、大腿骨１４の内側の側面に沿って配置され、大腿骨１４に固定されている。

直動アクチュエータ１４０を駆動して、そのボールねじを後方にスライドさせると、ワイヤー１３１が引張られる。ワイヤー１３１を介して、膝関節１３を中心として脛骨１７を大腿骨１４に対して後方に屈曲させる方向の引張力が、アシスト力として作用する。ボールねじを前方にスライドさせると、ワイヤー１３１が緩み、引張力が解除される。

［その他の実施の形態］
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体内埋め込み型動作アシスト装置、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体内埋め込み型動作アシスト装置として用いることができる。また、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ができる。

Claims (17)

1. 装着者の関節の動きをアシストするために体内に埋め込まれて使用される体内埋め込み型動作アシスト装置であって、
   前記関節を中心とする相対運動を行う一対の骨を第１および第２の骨とした場合に、前記第１の骨または当該第１の骨に繋がる腱を第１の部位と呼び、前記第２の骨または当該第２の骨に繋がる腱を第２の部位と呼ぶものとすると、
   前記相対運動における第１の方向の動きをアシストするための引張力を、前記第１、第２の部位の間に伝えるために用いる可撓性の線状部材と、
   前記線状部材に前記引張力を与えるアクチュエータと
   を有している体内埋め込み型動作アシスト装置。
2. 請求項１において、
   前記線状部材の少なくとも一部を覆っている筒状部材を有しており、
   前記筒状部材は、可撓性および伸縮性のうち、少なくとも、可撓性を備えている体内埋め込み型動作アシスト装置。
3. 請求項１において、
   前記アクチュエータと前記線状部材との間の前記引張力の伝達経路に配置したダンパーを有している体内埋め込み型動作アシスト装置。
4. 請求項１において、
   前記相対運動における前記第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストするための引張力を、前記第１、第２の部位の間に伝えるために、前記第１の部位と前記第２の部位の間に架け渡して使用するための弾性部材を有している体内埋め込み型動作アシスト装置。
5. 請求項１において、
   前記アクチュエータは、回転運動、直線運動あるいは伸縮運動によって、前記引張力を前記線状部材に与える回転駆動機構、直動機構あるいは伸縮機構である体内埋め込み型動作アシスト装置。
6. 請求項５において、
   前記アクチュエータの取り付け位置は、前記第１の骨あるいは前記第２の骨の表面または内部である体内埋め込み型動作アシスト装置。
7. 請求項１において、
   前記アクチュエータは、前記線状部材の一部を形成している伸縮可能な高分子アクチュエータである体内埋め込み型動作アシスト装置。
8. 請求項１において、
   前記線状部材を、前記第１、第２の部位に対して、前記引張力を伝達可能に取り付けるために、
   前記線状部材を前記第１の部位あるいは前記第２の部位に固定するために用いるクギ、ネジあるいはボルト、
   前記線状部材を前記第１の部位あるいは前記第２の部位に締結するために用いる帯状部材、
   前記線状部材を前記第１の部位あるいは前記第２の部位に接合するために用いる接着材、および、
   前記線状部材を前記第１の部位あるいは前記第２の部位に縫合するために用いる縫合部材
   のうちの少なくとも一つを有している体内埋め込み型動作アシスト装置。
9. 請求項１において、
   前記第１、第２の骨のうち、少なくとも一方の骨の髄腔に挿入固定するために用いる髄内釘を有しており、
   前記髄内釘は、前記線状部材および前記アクチュエータのうちの少なくとも一方の取付部分である体内埋め込み型動作アシスト装置。
10. 請求項１において、
    前記線状部材は、前記第１、第２の部位の間に架け渡される架け渡し部分として用いられる部分を備え、
    前記アクチュエータは、前記架け渡し部分の長さを増減できるように、前記線状部材に係合している体内埋め込み型動作アシスト装置。
11. 請求項１０において、
    前記線状部材を第１の線状部材とし、前記引張力を第１の引張力と呼ぶものとすると、
    前記相対運動における前記第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストする第２の引張力が前記第１、第２の部位に伝達されるように、当該第１、第２の部位の間に架け渡して使用するための可撓性の第２の線状部材を有しており、
    前記アクチュエータは、前記第１、第２の線状部材における前記第１、第２の部位の間の架け渡し部分の長さが逆位相で増減するように、前記第１、第２の線状部材に係合している体内埋め込み型動作アシスト装置。
12. 請求項１０において、
    前記線状部材の前記架け渡し部分を第１の架け渡し部分と呼び、前記引張力を第１の引張力と呼ぶものとすると、
    前記線状部材は、前記第１の架け渡し部分と、前記第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストする第２の引張力を伝達するための第２の架け渡し部分とが形成されるように、前記第１、第２の部位の間に架け渡して用いられる線状部材であり、
    前記アクチュエータは、前記第１、第２の架け渡し部分の長さが逆位相で増減するように、前記線状部材に係合している体内埋め込み型動作アシスト装置。
13. 請求項１において、
    前記線状部材の少なくとも一部を覆っている筒状部材と、
    前記アクチュエータと前記線状部材との間の前記引張力の伝達経路に配置したダンパーと
    前記第１、第２の骨のそれぞれの髄腔に挿入固定するために用いる髄内釘と
    を有しており、
    前記筒状部材は、可撓性および伸縮性のうち、少なくとも、可撓性を備えており、
    前記関節は膝関節であり、
    前記アクチュエータは、前記第１の骨である大腿骨に挿入固定される前記髄内釘に取り付けて用いるための回転アクチュエータであり、
    前記線状部材の一方の端は、前記第２の骨である脛骨に挿入固定される前記髄内釘に連結するための端である体内埋め込み型動作アシスト装置。
14. 請求項１において、
    前記アクチュエータは、前記第１、第２の部位のうちの一方に取り付けて用いるためのアクチュエータであり、
    前記線状部材の一方の端は、前記第１、第２の部位の他方に連結するための端であり、
    前記アクチュエータは、前記線状部材の他方の端を引張ることができるように、当該線状部材に係合している体内埋め込み型動作アシスト装置。
15. 請求項１３において、
    前記第１、第２の骨のうち、少なくとも一方の骨の髄腔に挿入固定するために用いる髄内釘を有しており、
    前記髄内釘に、前記アクチュエータが組み込まれている体内埋め込み型動作アシスト装置。
16. 請求項１３において、
    前記相対運動における前記第１の方向とは逆の第２の方向の動きをアシストするための第２の引張力を、前記第１、第２の部位の間に伝えるために用いる可撓性の第２の線状部材と、
    前記第２の線状部材に前記第２の引張力を与える第２のアクチュエータと
    を有しており、
    前記第２のアクチュエータは、前記第１、第２の部位のうちの一方に取り付けて用いるアクチュエータであり、
    前記第２の線状部材の一方の端は、前記第１、第２の部位のうちの他方に連結するための端であり、
    前記第２のアクチュエータは、前記第２の線状部材の他方の端を引張ることができるように、当該第２の線状部材に係合している体内埋め込み型動作アシスト装置。
17. 請求項１において、
    前記線状部材の少なくとも一部を覆っている筒状部材と、
    前記アクチュエータと前記線状部材との間の前記引張力の伝達経路に配置したダンパーと
    を有しており、
    前記筒状部材は、可撓性および伸縮性のうち、少なくとも、可撓性を備えており、
    前記関節は膝関節であり、
    前記アクチュエータは、前記第１の骨である大腿骨の表面あるいは内部に取り付けて用いるための直動アクチュエータであり、
    前記線状部材の一方の端は、前記第２の骨である脛骨に連結するための端であり、
    前記直動アクチュエータの直動部は、前記線状部材の他方の端に、前記ダンパーを介して連結されている体内埋め込み型動作アシスト装置。