WO2018087997A1 - 膝継手 - Google Patents

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WO2018087997A1
WO2018087997A1 PCT/JP2017/031190 JP2017031190W WO2018087997A1 WO 2018087997 A1 WO2018087997 A1 WO 2018087997A1 JP 2017031190 W JP2017031190 W JP 2017031190W WO 2018087997 A1 WO2018087997 A1 WO 2018087997A1
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WO
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knee joint
driven member
linear motion
crank mechanism
knee
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PCT/JP2017/031190
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小軍 孫
雅幸 稲葉
慧 岡田
悠紀 浅野
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国立大学法人東京大学
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    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/005—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about with knee, leg or stump rests
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Definitions

  • the present invention relates to a knee joint used for a prosthetic leg.
  • a prosthetic leg is composed of a socket that is fixed to the cut surface of the foot, a knee joint that is connected to the lower end of the socket, and a foot that is connected to the lower end of the knee joint and serves as a grounding portion.
  • the knee joint can be extended and bent within a predetermined angle range.
  • knee joint drive systems There are three types of knee joint drive systems: passive, electronically controlled, and active.
  • passive type the wearer moves the prosthetic leg, and the knee joint passively bends / extends using a damper and a spring force of a hydraulic or pneumatic cylinder corresponding to the movement of the prosthetic leg.
  • electronic control type movement resistance in bending and extension of the knee joint is adjusted by electronic control so that the operation of the knee joint can be improved.
  • An example of an electronically controlled knee joint is shown in Patent Document 1 below.
  • the active type the knee joint movement is actively controlled by using a motor to assist the knee joint movement during operations such as climbing stairs and standing up.
  • the conventional active knee joint is not only expensive because of its complicated structure, but also has a problem that the wearer tends to get tired because of its heavy weight.
  • the conventional active knee joint needs to always operate a motor mounted on the knee joint, and is not energy efficient. Therefore, a battery having a large capacity is required and tends to be large and heavy.
  • Non-Patent Document 1 discloses an active knee joint that rotates a knee joint by converting a linear motion by a series elastic actuator (so-called “Series Elastic Actuator”) into a rotational motion by a pulley. .
  • a series elastic actuator so-called “Series Elastic Actuator”
  • the walking energy is utilized to obtain a high energy efficiency as compared with the energy efficiency of a conventional active knee joint.
  • a belt fixed to the linear motion elastic element becomes a mechanism for rotating the knee via two pulleys. Yes.
  • Patent Document 2 describes a configuration in which a knee member is rotatably attached to the upper end of the lower limb member and a foot member is attached to the lower end of the lower limb member.
  • a protrusion is integrally formed on the side of the knee member, and a linear actuator is attached between the protrusion and the lower part of the lower limb member.
  • the rotation of the knee member can be assisted by the driving force of the linear actuator.
  • the linear actuator is directly connected to the knee member without a speed reducer, there is a problem that a high load is applied to the linear actuator when a high driving torque is to be obtained.
  • the present invention has been made based on the above situation.
  • the main object of the present invention is to provide a knee joint that is energy efficient, is small and lightweight, and can take a wide range of motion.
  • the series elastic mechanism includes a driven member, an elastic member, and a linear member.
  • the drive unit is configured to move the driven member,
  • the elastic member is disposed between the driven member and the linear member;
  • the linear motion member is configured to elastically move in at least one direction according to the movement of the driven member via the elastic member,
  • the crank mechanism is configured to convert linear motion of the linear motion member into rotational motion.
  • (Item 2) In addition, it has an upper connection for connecting the socket and knee joint, The knee joint according to item 1, wherein the crank mechanism is configured to rotationally move the upper connecting portion in a forward and reverse direction.
  • the drive unit includes a motor, a speed change mechanism, and a ball screw.
  • the motor is configured to rotate the ball screw in forward and reverse directions via the speed change mechanism,
  • the knee joint according to any one of items 1 to 4, wherein the driven member is configured to move linearly in response to rotation of the ball screw.
  • the linear motion member includes a first contact portion and a second contact portion that are arranged to face each other with the driven member interposed therebetween,
  • the elastic member includes a first spring and a second spring, The first spring is disposed between the first contact portion and the driven member;
  • the knee joint according to any one of items 1 to 5, wherein the second spring is disposed between the second contact portion and the driven member.
  • a knee joint that is energy efficient, is small and lightweight, and can have a wide range of movement. Further, according to the present invention, it is possible to provide a knee joint that is active and relatively inexpensive.
  • FIG. 3 is a left side view of FIG. 2.
  • FIG. 3 is a plan view of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3.
  • FIG. 2 is a perspective view of the knee joint of FIG. 1 with a cover attached.
  • FIG. 7 is a front view of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a left side view of FIG. 7.
  • FIG. 8 is a plan view of FIG. 7. It is sectional drawing which follows the AA line of FIG.
  • FIG. 2 is a perspective view of the knee joint of FIG.
  • FIG. 13 is a left side view of FIG. 12.
  • FIG. 13 is a plan view of FIG. 12.
  • FIG. 17 is a front view of FIG. 16.
  • It is a left view of FIG. It is a top view of FIG.
  • It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. It is a schematic explanatory drawing which shows the example which comprised the artificial leg using the knee joint of FIG. It is explanatory drawing for demonstrating operation
  • FIG. 25 is a graph showing an example of the characteristics of the crank mechanism of FIG. 24, in which the horizontal axis is the knee angle (degrees) and the vertical axis is the reduction ratio. It is a graph which shows the change of the knee angle at the time of walking, Comprising: A horizontal axis is time (arbitrary unit) and a vertical axis
  • 27 is a graph showing an example of the characteristic of the crank mechanism of FIG. 27 superimposed on the characteristic example of FIG. 25, in which the horizontal axis represents the knee angle (degrees) and the vertical axis represents the reduction ratio.
  • FIGS. 1 to 10 show a state in which a cover 51 (described later) of the frame 5 is excluded, and FIGS. 6 to 10 show a state in which the cover 51 is attached.
  • the knee joint 100 according to the present embodiment can be combined with a socket 200 and a foot portion 300 to constitute a prosthetic leg as shown in FIG. 21 (described later).
  • a socket 200 and a foot portion 300 to constitute a prosthetic leg as shown in FIG. 21 (described later).
  • FIG. 21 the structure of the knee joint 100 of this embodiment is demonstrated.
  • the knee joint 100 of this embodiment includes a drive unit 1, a series elastic mechanism 2, and a crank mechanism 3. Further, the knee joint 100 includes an upper connection portion 4, a frame 5, and a lower connection portion 6.
  • the drive unit 1 includes a motor 11, a speed change mechanism 12, and a ball screw 13 (see FIG. 5).
  • the motor 11 is configured to rotate the ball screw 13 in the forward and reverse directions via the speed change mechanism 12.
  • the drive unit 1 according to the present embodiment includes a battery (not shown), and can drive the motor 11 by power supply from the battery. However, the motor 11 may be driven by external power supply (for example, commercial power supply).
  • the drive unit 1 also includes a sensor (not shown) that detects the rotation angle of the crank mechanism 3 and a load on the motor 11, and can control the torque and rotation speed of the motor 11 according to the output of the sensor. It is like that.
  • the motor 11, the speed change mechanism 12, and the ball screw 13 according to the present embodiment are supported by the frame 5 via appropriate attachment members or bearings.
  • the series elastic mechanism 2 includes a driven member 21, an elastic member 22, and a linear motion member 23. Further, the series elastic mechanism 2 of the present embodiment includes a guide shaft 24 for guiding the driven member 21 and the first and second abutting portions 231 and 232 of the linear motion member 23.
  • the driven member 21 is configured to be moved along the guide shaft 24 (in the vertical direction in FIG. 1) by the driving force of the driving unit 1. More specifically, the driven member 21 of the series elastic mechanism 2 in the present embodiment is configured to reciprocate in the linear direction according to the rotation of the ball screw 13 of the drive unit 1.
  • the elastic member 22 is disposed between the driven member 21 and the linear member 23. More specifically, the elastic member 22 of the present embodiment includes two first springs 221 and two second springs 222 (see FIGS. 1 and 3).
  • the first spring 221 is disposed between the first contact portion 231 (described later) of the linear motion member 23 and the driven member 21, but is not fixed to these members.
  • the second spring 222 is disposed between a second contact portion 232 (described later) of the linear motion member 23 and the driven member 21, but is not fixed to these members.
  • the linear motion member 23 is configured to move elastically in at least one direction through the elastic member 22 as the driven member 21 moves. More specifically, as described above, the linear motion member 23 of the present embodiment includes the first contact portion 231, the second contact portion 232, and the linear motion rod that are disposed to face each other with the driven member 21 interposed therebetween. 233. Moreover, the 1st contact part 231 and the 2nd contact part 232 are connected by the support
  • the guide shaft 24 is two in this embodiment, and is arranged to connect an upper base 52 and a lower base 53 (described later) of the frame 5 respectively. (See FIG. 2).
  • the two guide shafts 24 are not fixed to the driven member 21, the first contact portion 231, and the second contact portion 233, so that the driven member 21, the first contact portion 231, and the second contact shaft 23 are not fixed.
  • the contact portion 233 can move along the extending direction of the guide shaft 24 (that is, in the vertical direction in FIG. 2).
  • the linear rod 233 of the linear member 23 passes through the upper base 52 of the frame 5 and is fixed to the upper surface of the first contact portion 231 (see FIGS. 2 and 3). As the first contact portion 231 and the second contact portion 232 move, the guide shaft 24 reciprocates along the extending direction of the guide shaft 24 (that is, in the vertical direction in FIG. 1).
  • crank mechanism 3 is configured to convert linear motion of the linear motion member 23 into rotational motion.
  • the crank mechanism 3 according to the present embodiment includes a connecting rod 31, an arm member 32, and a rotating shaft 33.
  • One end of the connecting rod 31 is pin-coupled to the upper end of the linear motion rod 233 of the linear motion member 23 so as to be mutually rotatable.
  • the arm member 32 is pin-coupled to the other end of the connecting rod 31 so as to be mutually rotatable. Further, the arm member 32 can swing around the rotation shaft 33.
  • the upper connection portion 4 is attached to the upper portion of the arm member 32.
  • the rotation shaft 33 is attached to a cover 51 (described later) of the frame 5, and the relative position between the rotation shaft 33 and the frame 5 is fixed.
  • the upper connecting portion 4 is for connecting the socket 200 (see FIG. 21 described later) and the knee joint 100.
  • the upper connecting portion 4 is rotated in the forward and reverse directions by the crank mechanism 3 to realize the extension and bending operations of the artificial leg.
  • the upper connection portion 4 is also called a pyramid connector, and can be connected to the socket 200 using an existing method.
  • the frame 5 of this embodiment includes a cover 51 (see FIGS. 6 to 10), an upper base 52, and a lower base 53.
  • the linear motion member 23 is movable in at least one direction (specifically, in the vertical direction in FIG. 1) with respect to the upper and lower bases 52 and 53 of the frame 5.
  • the rotating shaft 33 of the crank mechanism 3 is supported by the cover 51 of the frame 5 in a rotatable state.
  • the upper base 52 and the lower base 53 are respectively fixed to the cover 51 so that they do not move relative to each other.
  • the lower connection part 6 is for connecting the knee joint 100 and the foot part 300 (see FIG. 21 described later).
  • the lower connection portion 6 is fixed to the lower base 53 of the frame 5.
  • the lower connection portion 6 is also called a pyramid connector, and can be connected to the foot portion 300 using an existing method.
  • the extended state shown in FIG. 1 is defined as the knee joint angle being 0 °.
  • the operation of bending the knee joint angle to 60 ° from this state will be described below.
  • the motor 11 of the drive unit 1 is rotated.
  • the ball screw 13 rotates through the speed change mechanism 12, and the driven member 21 of the series elastic mechanism 2 moves in one direction (downward in FIG. 1 in this example).
  • the driven member 21 applies a compressive force to the second spring 222 of the elastic member 22 and moves the linearly moving member 23 in one direction (downward in FIG. 1 in this example) via the spring.
  • the connecting rod 31 of the crank mechanism 3 is lowered, and as a result, the arm member 32 rotates about the rotation shaft 33 (see FIGS. 11 to 15).
  • the upper connection part 4 can be rotated by a desired angle.
  • the knee angle in human walking repeats from 0 ° (extended state) to about 60 ° (bent state). Therefore, after the knee flexion of 60 °, the motor 11 is rotated in the reverse direction to apply a compressive force to the first spring 221 to return to the 0 ° extended state.
  • the movement between the knee angle of 60 ° and 120 ° is the movement when the user sits down, sits down, or the knee sits on the floor.
  • the motor does not operate in particular, but when standing up from the sitting state, assistance by the operation of the motor can be performed.
  • FIGS. Examples of bending the knee joint at 60 ° or more are shown in FIGS. As the arm member 32 of the crank mechanism 3 is further rotated in the same manner as described above, the knee joint can be bent to about 120 ° (ideally to about 140 °).
  • the bending angle of the knee joint 100 can be dynamically changed by appropriately controlling the torque, rotation speed, or rotation angle of the motor 11.
  • the knee joint joint is actively controlled by the driving force of the driving unit 1 so that the behavior of the prosthetic leg user (walking or alternating stair climbing) Or standing-up motion).
  • Non-Patent Document 1 has the following problems. -The mechanism for converting the linear motion of the elastic mechanism into the rotational motion of the knee is very complex and has a large number of parts. So it gets heavier; ⁇ When the angle of movement of the knee joint is increased, the pulley becomes larger; ⁇ To prevent interference between the components (elastic elements) and the knee, it is necessary to place a pulley on the side of the prosthesis. Then, in order to maintain balance, it becomes necessary to use two pulley mechanisms (one pulley mechanism is composed of two pulleys, one connecting cable and related parts) in one artificial leg; ⁇ Pulley cables have problems in terms of durability, and maintenance costs tend to be high.
  • crank mechanism Since the crank mechanism is used, even when the movable angle of the knee joint is widened, the increase in the size of the entire knee joint can be suppressed; -A small and lightweight crank mechanism can be used instead of the pulley mechanism, so that a small and lightweight artificial leg can be provided; -Since the crank mechanism is generally more durable than the pulley, it can exhibit the advantage that the maintenance cost can be kept low.
  • the knee joint of the present embodiment is mounted on the user
  • the lower end of the socket 200 is connected to the upper connection part 4 of the knee joint 100
  • the foot part 300 is connected to the lower connection part 6 of the knee joint 100.
  • the knee joint 100, the socket 200, and the foot portion 300 constitute a prosthetic leg.
  • an attachment (not shown) similar to the conventional one can be used.
  • Fig. 22 (a)-(b) When the foot portion of the prosthetic leg lands on the floor surface, in the knee joint of the present embodiment, a downward pressing force is applied from the socket 200 to the linear motion member 23 via the crank mechanism 3.
  • the first spring 221 is elastically deformed and the energy is accumulated.
  • the linear motion member 23 is attached to the ball screw 13 via the driven member 21, the resistance to the movement of the driven member 21 is achieved by operating the motor in the direction opposite to the direction in which the ball screw is to rotate. A force can be generated, and energy in the elastic member 22 can be retained.
  • the knee joint bend angle (passive) at the time of contact of the foot (FIGS. 22 (a) to (b)).
  • the bending angle due to deformation can be set to about 20 °. In this way, there is an advantage that it is possible to realize a knee flexion angle of about 20 ° for absorbing shock at the time of heel contact, and to improve the user's sense of use.
  • crank mechanism 3 of the present embodiment will be described in detail with further reference to FIGS.
  • FIG. 23 the structure of the above-described knee joint is schematically shown in FIG.
  • the motor 11, the speed change mechanism 12, and the elastic member 22 are shown as one actuator.
  • the mechanism shown in FIG. 23 is further schematically shown in FIG.
  • each variable other than K can be regarded as a constant in the description here, so a detailed description is omitted.
  • the deceleration variable K of the crank mechanism can be expressed as follows.
  • ⁇ angle of the arm member 32 with respect to the vertical direction (vertical direction in FIG. 24); ⁇ : An angle of the connecting rod 31 with respect to the vertical direction (vertical direction in FIG. 24).
  • the reduction ratio in the crank mechanism is as shown in FIG. 25 due to the influence of the deceleration variable K.
  • FIG. 26 shows an example of a change in knee angle over time associated with human walking.
  • the knee angle changes between about 0 ° and 80 ° during walking.
  • the knee angle may change greatly from a knee angle of approximately 80 ° to nearly 0 °.
  • a large torque is required to rotate the knee joint.
  • a high reduction ratio can be obtained at a deep knee angle of about 80 °. Then, there is an advantage that a large torque can be applied to the knee joint without imposing a large burden on the motor 11.
  • the knee joint In the case of a rush foot, the knee joint is required to have a high rotational speed at a shallow knee angle, but no high torque is required.
  • the crank mechanism of the present embodiment has an advantage that it is easy to increase the rotation speed of the knee joint because the reduction ratio is low when the knee angle is shallow (for example, 0 ° to 20 °).
  • Non-Patent Document 1 If a pulley mechanism (see Non-Patent Document 1 described above) is used instead of the crank mechanism, there is no reduction coefficient K in the pulley mechanism, so the reduction ratio in the pulley mechanism is constant regardless of the knee angle. Become. Therefore, when a large torque is required, there is a possibility that a large burden is generated on the motor. The same problem occurs even when the speed change mechanism is not used (see Patent Document 2 described above).
  • the knee joint of the present embodiment has an advantage that both high torque and high speed rotation can be achieved by using the crank mechanism.
  • FIG. 27 shows an example in which the offset amount between the rotation center of the crank mechanism 3 and the series elastic mechanism 2 is changed.
  • the characteristics of the reduction ratio after changing the offset amount are shown by the solid line in FIG.
  • a one-dot chain line in FIG. 28 is a characteristic in the example of FIG.
  • the relationship between the knee angle ⁇ and the reduction ratio can be adjusted by changing the offset amount. Therefore, according to the present embodiment, there is an advantage that the maximum torque can be obtained at a necessary knee angle by adjusting the offset amount.

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Abstract

本発明は、エネルギー効率が良く、小型かつ軽量で、可動範囲を広くとることが可能な膝継手を提供するものである。また、本発明は、能動型でありながら比較的に安価な膝継手を提供するものである。駆動部１は、従動部材２１を移動させる。弾性部材２２は、従動部材２１と直動部材２３との間に配置される。直動部材２３は、弾性部材２２を介して、従動部材２１の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する。クランク機構３は、直動部材２３の直線運動を回転運動に変換することによって、膝継手の屈曲又は進展動作を実現できる。

Description

膝継手
　本発明は、義足に用いられる膝継手に関するものである。
　一般に、義足は、足の切断面に固定されるソケットと、ソケットの下端に接続される膝継手と、膝継手の下端に接続されて接地部分となる足部とから構成される。膝継手は、膝関節と同様に、所定の角度範囲内で伸展及び屈曲ができるようになっている。
　膝継手の駆動方式としては、受動式と、電子制御式と、能動式の３タイプが存在する。受動式では、装着者が義足を動かし、義足の移動に対応して、油圧や空圧シリンダーのダンパーとばね力などを用いて、受動的に膝継手が屈曲／伸展するようになっている。電子制御式では、膝継手の屈曲や伸展における移動抵抗を、電子制御により調整し、膝継手の動作を改善できるようになっている。電子制御式の膝継手の一例を下記特許文献１に示す。また、能動式では、モータを用いて能動的に膝継手の折れ曲がり角度を制御することにより、階段上りや立ち上がりなどの動作におけるひざ関節の動きを支援するようになっている。
　ところで、従来の能動式の膝継手は、構造が複雑であるために高価であるばかりでなく、重いために装着者が疲労しやすいという問題があった。特に、従来の能動式の膝継手は、膝関節に搭載したモータを常に動作させる必要があり、エネルギー効率が良くないため、容量の大きいバッテリを必要とし、大きくかつ重くなる傾向があった。
　一方、下記非特許文献１には、直列弾性アクチュエータ（いわゆる「Series Elastic Actuator」）による直動をプーリにより回転運動に変換して、膝継手を回動させる能動式の膝継手が示されている。この技術においては、直列弾性アクチュエータのバネを用いることにより、歩行エネルギーを活用して、従来の能動式の膝継手のエネルギー効率に比較して、高いエネルギー効率を得ている。しかしながら、この技術では、直列弾性アクチュエータの直動運動を膝の回転運動に変換するために、直動する弾性要素に固定されるベルトが二つのプーリを介して、膝を回転させる機構になっている。直動する弾性要素と膝との干渉を防ぐために、ベルトとプーリを膝継手の側面に配置する必要がある。すると、バランスを保つために、一本の膝継手において二つのベルトを用いる必要が生じてしまう。したがって、この技術では、機構が非常に複雑となり、部品数が多いという問題がある。膝継手の可動角度（可動範囲）を広げようとすると、ベルトとプーリが大型化してしまい、大きさや重さの点で使用しにくいものになってしまう。また、プーリを回転させるためのベルトは、耐久性の面で問題があるため、その維持や交換のためのコストが高くなりやすいという傾向がある。
　また、下記特許文献２には、下肢部材の上端に膝部材を回転自在に取り付け、下肢部材の下端に足部材を取り付ける構成が記載されている。膝部材の側部には突出部が一体に形成されており、この突出部と下肢部材の下部との間にリニアアクチュエータが取り付けられている。この技術では、このリニアアクチュエータの駆動力により、膝部材の回転動作を補助できるようになっている。しかしながら、この技術では、リニアアクチュエータが膝部材に減速機なしで直結された構造のため、高い駆動トルクを得ようとしたときには、リニアアクチュエータに高い負荷がかかってしまうという問題がある。
特開２００４－１６７１０６号公報 国際公開２００４／０１７８７２号公報
Elliott J. Rouse, Luke M.Mooney and Hugh M. Herr, "Clutchable series-elastic actuator: Implications for prosthetic knee design" October 9, 2014, doi: 10.1177/0278364914545673 The International Journal of Robotics Research November 2014 vol. 33 no. 13 1611-1625
　本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、エネルギー効率が良く、小型かつ軽量であり、しかも、可動範囲を広くとることが可能な膝継手を提供することである。
　前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
　（項目１）
　駆動部と、直列弾性機構と、クランク機構とを備えており、
　前記直列弾性機構は、従動部材と、弾性部材と、直動部材とを備えており、
　前記駆動部は、前記従動部材を移動させる構成となっており、
　前記弾性部材は、前記従動部材と前記直動部材との間に配置されており、
　前記直動部材は、前記弾性部材を介して、前記従動部材の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する構成となっており、
　前記クランク機構は、前記直動部材の直線運動を回転運動に変換する構成となっている　膝継手。
　（項目２）
　さらに、ソケットと膝継手とを接続するための上部接続部を備えており、
　前記クランク機構は、前記上部接続部を正逆方向に回転運動させる構成となっている
　項目１に記載の膝継手。
　（項目３）
　さらにフレームを備えており、
　前記直動部材は、前記フレームに対して少なくとも一方向に沿って移動可能とされている
　項目１又は２に記載の膝継手。
　（項目４）
　さらにフレームを備えており、
　前記クランク機構の回転軸は、前記フレームにより支持されている
　項目１又は２に記載の膝継手。
　（項目５）
　前記駆動部は、モータと、変速機構と、ボールねじとを備えており、
　前記モータは、前記変速機構を介して、前記ボールねじを正逆方向に回転させる構成となっており、
　前記従動部材は、前記ボールねじの回転に応じて直動する構成となっている
　項目１～４のいずれか１項に記載の膝継手。
　（項目６）
　前記直動部材は、前記従動部材を挟んで対向して配置された第１当接部と第２当接部とを備えており、
　前記弾性部材は、第１ばねと第２ばねとを備えており、
　前記第１ばねは、前記第１当接部と前記従動部材との間に配置されており、
　前記第２ばねは、前記第２当接部と前記従動部材との間に配置されている
　項目１～５のいずれか１項に記載の膝継手。
　（項目７）
　項目１～６のいずれか１項に記載の膝継手を備える義足。
　本発明によれば、エネルギー効率がよく、小型かつ軽量でかつ可動範囲を広くとることが可能な膝継手を提供することが可能となる。また、本発明によれば、能動型でありながら比較的に安価な膝継手を提供することが可能になる。
本発明の一実施形態における膝継手（屈曲角度＝０°）の、カバーを除外した状態での斜視図である。 図１の正面図である。 図２の左側面図である。 図２の平面図である。 図３のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１の膝継手の、カバーを取り付けた状態での斜視図である。 図６の正面図である。 図７の左側面図である。 図７の平面図である。 図８のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１の膝継手の、屈曲角度６０°の状態での斜視図である。 図１１の正面図である。 図１２の左側面図である。 図１２の平面図である。 図１３のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１の膝継手の、屈曲角度１２０°の状態での斜視図である。 図１６の正面図である。 図１７の左側面図である。 図１７の平面図である。 図１８のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１の膝継手を用いて義足を構成した例を示す、概略的な説明図である。 図２１の義足の動作を説明するための説明図である。 図１の膝継手におけるクランク機構の動作を説明するための説明図である。 図２３のクランク機構の模式的な説明図である。 図２４のクランク機構の特性の一例を示すグラフであって、横軸は膝角度（度）、縦軸は減速比である。 歩行時における膝角度の変化を示すグラフであって、横軸は時間（任意単位）、縦軸は膝角度（度）である。 クランク機構における回転軸に対する直列弾性機構のオフセット量を変更した例を示す説明図である。 図２７のクランク機構の特性例を、図２５の特性例と重ねて示すグラフであって、横軸は膝角度（度）、縦軸は減速比である。
　以下、本発明の一実施形態に係る膝継手を、添付の図面（図１～図１０）を参照しながら説明する。なお、これらの図のうち、図１～５は、フレーム５のカバー５１（後述）を除外した状態を示し、図６～１０は、カバー５１を取り付けた状態を示している。
　本実施形態の膝継手１００は、図２１（後述）に示すように、ソケット２００及び足部３００と組み合わされて、義足を構成できるようになっている。以下、本実施形態の膝継手１００の構成について説明する。
　（本実施形態の構成）
　本実施形態の膝継手１００は、駆動部１と、直列弾性機構２と、クランク機構３とを備えている。さらに、この膝継手１００は、上部接続部４と、フレーム５と、下部接続部６とを備えている。
　（駆動部）
　駆動部１は、モータ１１と、変速機構１２と、ボールねじ１３とを備えている（図５参照）。モータ１１は、変速機構１２を介して、ボールねじ１３を正逆方向に回転させる構成となっている。本実施形態の駆動部１は、バッテリ（図示せず）を備えており、バッテリからの給電によってモータ１１を駆動できるようになっている。ただし、外部給電（例えば商用電源）によりモータ１１を駆動する構成とすることも可能である。また、駆動部１は、クランク機構３の回転角度やモータ１１への負荷を検出するセンサ（図示せず）を備えており、そのセンサの出力に応じてモータ１１のトルクや回転速度を制御できるようになっている。本実施形態のモータ１１、変速機構１２、及びボールねじ１３は、フレーム５により、適宜の取付部材あるいは軸受けを介して支持されている。
　（直列弾性機構）
　直列弾性機構２は、従動部材２１と、弾性部材２２と、直動部材２３とを備えている。また、本実施形態の直列弾性機構２は、従動部材２１と、直動部材２３の第１・第２当接部２３１・２３２とを案内するためのガイドシャフト２４を備えている。
　従動部材２１は、駆動部１の駆動力によって、ガイドシャフト２４に沿って（図１において上下方向に）移動させられる構成となっている。より具体的には、本実施形態における直列弾性機構２の従動部材２１は、駆動部１のボールねじ１３の回転に応じて、直線方向に往復動する構成となっている。
　弾性部材２２は、従動部材２１と直動部材２３との間に配置されている。より具体的には、本実施形態の弾性部材２２は、２本の第１ばね２２１と２本の第２ばね２２２とを備えている（図１及び図３参照）。第１ばね２２１は、直動部材２３の第１当接部２３１（後述）と従動部材２１との間に配置されているが、これらの部材には固定されていない状態となっている。第２ばね２２２は、直動部材２３の第２当接部２３２（後述）と従動部材２１との間に配置されているが、これらの部材には固定されていない状態となっている。
　直動部材２３は、弾性部材２２を介して、従動部材２１の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する構成となっている。より具体的には、前記したように、本実施形態の直動部材２３は、従動部材２１を挟んで対向して配置された第１当接部２３１と第２当接部２３２と直動ロッド２３３とを備えている。また、第１当接部２３１と第２当接部２３２とは、支柱２３４により連結されている（図３参照）。支柱２３４は、従動部材２１を貫通しており、両者間での相対移動は可能となっている。さらに、支柱２３４は、弾性部材２２の第１ばね２２１及び第２ばね２２２の内側をそれぞれ通過する状態で配置されている。本例では、直動ロッド２３３の下端と、支柱２３４の上端とは、連結されており、これらは一体の部品となっている。
　ガイドシャフト２４は、本実施形態では２本とされており、それぞれ、フレーム５の上部基台５２と下部基台５３（後述）とを連結するように配置されている。（図２参照）。２本のガイドシャフト２４は、従動部材２１と第１当接部２３１と第２当接部２３３とには固定されておらず、これにより、従動部材２１と第１当接部２３１と第２当接部２３３とは、ガイドシャフト２４の延長方向に沿って（すなわち図２において上下方向に）移動できるようになっている。
　直動部材２３の直動ロッド２３３は、本実施形態では、フレーム５の上部基台５２を貫通して、第１当接部２３１の上面に固定されており（図２及び図３参照）、第１当接部２３１及び第２当接部２３２の移動に従って、ガイドシャフト２４の延長方向に沿って（つまり図１において上下方向に）往復動するようになっている。
　（クランク機構）
　クランク機構３は、直動部材２３の直線運動を回転運動に変換する構成となっている。本実施形態のクランク機構３は、連結ロッド３１とアーム部材３２と回転軸３３とを備えている。
　連結ロッド３１の一端は、直動部材２３の直動ロッド２３３の上端に、相互に回転可能となるようにピン結合されている。
　アーム部材３２は、連結ロッド３１の他端に、相互に回転可能となるようにピン結合されている。また、アーム部材３２は、回転軸３３を中心として揺動可能とされている。アーム部材３２の上部には、上部接続部４が取り付けられている。
　回転軸３３は、本実施形態では、フレーム５のカバー５１（後述）に取り付けられており、回転軸３３とフレーム５との間の相対位置が固定されている。
　（上部接続部）
　上部接続部４は、ソケット２００（後述の図２１参照）と膝継手１００とを接続するためのものである。上部接続部４は、クランク機構３により、正逆方向に回転運動することによって、義足の伸展・屈曲の動作を実現する。上部接続部４は、ピラミッドコネクタとも呼ばれており、既存の手法を用いてソケット２００に接続できるようになっている。
　（フレーム）
　本実施形態のフレーム５は、カバー５１（図６～図１０参照）と、上部基台５２と、下部基台５３とを備えている。本実施形態においては、直動部材２３は、前記フレーム５の上下の基台５２・５３に対して少なくとも一方向に（具体的には図１において上下方向に）移動可能とされている。また、本実施形態においては、前記したように、クランク機構３の回転軸３３が、フレーム５のカバー５１により、回転可能な状態で支持されている。さらに上部基台５２と下部基台５３は、それぞれ、カバー５１に対して固定されており、相対移動しないようになっている。
　（下部接続部）
　下部接続部６は、膝継手１００と足部３００（後述の図２１参照）とを接続するためのものである。下部接続部６は、フレーム５の下部基台５３に固定されている。下部接続部６も、ピラミッドコネクタとも呼ばれており、既存の手法を用いて足部３００と接続できるようになっている。
　（本実施形態の動作）
　次に、図１１～図２２をさらに参照して、本実施形態の膝継手１００の動作を説明する。
　（膝継手の角度調整動作…０°から６０°）
　本実施形態の説明においては、図１に示す伸展状態を、膝継手の角度が０°であると定義する。この状態から膝継手の角度を６０°に屈曲する動作を以下に説明する。
　まず、駆動部１のモータ１１を回転させる。すると、変速機構１２を介してボールねじ１３が回転し、直列弾性機構２の従動部材２１が一方向（本例では図１において下方向）に移動する。
　すると、従動部材２１は、弾性部材２２の第２ばね２２２に圧縮力を加えて、これのばねを介して、直動部材２３を一方向（本例では図１において下方向）に移動させる。直動部材２３がばね力により下降すると、クランク機構３の連結ロッド３１が下降し、その結果、アーム部材３２が回転軸３３を中心として回転する（図１１～図１５参照）。これにより、上部接続部４を所望の角度だけ回転させることができる。人間の歩行におけるひざの角度は、０°（伸長状態）から約６０°（屈曲状態）までを繰り返す。したがって、６０°の膝屈曲の後は、モータ１１を逆回転させて、第１ばね２２１に圧縮力を加えることにより、０°の伸展状態に戻す。
　（膝継手の角度調整動作…６０°～１２０°）
　膝の角度が６０°から１２０°までの間の動作は、使用者が座ったり、正座したり、膝が床に着いたりするときの動作である。座る際は、特にモータは動作しないが、座る状態から立ち上がる場合には、モータの動作によるアシストができる。
　６０°以上に膝継手を屈曲させた例を図１６～図２０に示す。前記と同様にしてクランク機構３のアーム部材３２がさらに回転することにより、膝継手を約１２０°まで（理想的には約１４０°まで）屈曲させることができる。
　駆動部１のモータ１１を逆回転させることにより、膝継手の屈曲角度を初期状態（角度＝０°）に戻すことができる。
　本実施形態では、モータ１１のトルク、回転速度、あるいは回転角度を適宜に制御することにより、膝継手１００の屈曲角度を動的に変更することができる。義足の使用状況、例えば、階段を上るときやいすから立ち上がるときに、駆動部１の駆動力によって膝継手の回転角度を能動的に制御することにより、義足使用者の行動（歩行や交互階段上りや立ち上がり動作）を支援することができる。
　また、前記した非特許文献１に記載の技術では、次のような問題があった。
・弾性機構の直動運動を膝の回転運動に変換する機構が非常に複雑となり、部品数が多い。よって、重くなる；
・膝継手の可動角度を広げようとすると、プーリが大型化する；
・構成部品（弾性要素）と膝との干渉を防ぐため、プーリを義足の側面に配置する必要がある。すると、バランスを保つため、一本の義足において二つのプーリ機構（一つのプーリ機構は二つのプーリと一本の連結ケーブルと関連部品から構成される）を用いる必要が生じる；
・プーリ用のケーブルは、耐久性の面で問題があり、維持コストが高くなりやすい。
　これに対して、前記した本実施形態の膝継手によれば、
・クランク機構を用いているので、膝継手の可動角度を広げたときでも、膝継手全体の大型化を抑制できる；
・プーリ機構の代わりに、小型軽量な一つのクランク機構を用いることができるので、小型かつ軽量な義足を提供できる；
・クランク機構は、プーリに比べて一般的に耐久性が高いので、維持コストを低く抑えることができる
という利点を発揮することができる。
　（膝継手の装着状態）
　次に、図２１を参照して、本実施形態の膝継手を使用者に装着した例を説明する。この例では、膝継手１００の上部接続部４にソケット２００の下端が接続され、膝継手１００の下部接続部６に足部３００が接続されている。図示の例では、膝継手１００とソケット２００と足部３００とにより、義足が構成されている。なお、上部接続部４とソケット２００との接続、及び、下部接続部６と足部３００との接続のためには、従来と同様のアタッチメント（図示せず）を用いることができる。
　（義足を用いた歩行動作）
　つぎに、図２２をさらに参照して、本実施形態の義足を用いた歩行動作を説明する。なお、この図においては、義足に符号Ｌを付している。
　（図２２（ａ）～（ｂ））
　義足の足部が床面に着地すると、本実施形態の膝継手では、ソケット２００から、クランク機構３を介して、直動部材２３に下方への押圧力が加わり、それにより、弾性部材２２の第１ばね２２１が弾性変形し、そのエネルギーが蓄積される。しかしながら、直動部材２３は、従動部材２１を介してボールねじ１３に取り付けられているので、ボールねじが回転しようとする方向とは逆にモータを動作させることによって、従動部材２１の移動に対する抵抗力を作ることができ、弾性部材２２におけるエネルギーを保持できる。
　ここで、本実施形態では、弾性部材２２のばね力や初期位置を適宜に設定することにより、足部の接地時点（図２２（ａ）～（ｂ））における膝継手の屈曲角度（受動的変形による屈曲角度）を、約２０°に設定することができる。このようにすると、人間本来の、踵接地の際に衝撃吸収するための約20°の膝屈曲角度を実現でき、使用者の使用感覚を向上させることができるという利点がある。
　また、本実施形態では、足部に加わった床面からの反発力は、弾性部材２２を介して使用者に伝達されることになるので、設置時の衝撃を緩和することができ、使用者の疲労進行を低減させることができる。
　（図２２（ｂ）～（ｄ））
　続く歩行動作中には、弾性部材２２に蓄積されたエネルギーが解放される。これにより、直動部材２３を移動させて、膝継手を伸展させることができる。
　（図２２（ｄ）～（ｅ））
　その後、本実施形態では、モータ１１を動作させて、膝継手を屈曲させる（例えば図１２参照）。これにより、弾性部材２２にエネルギーを蓄積することができる。
　（図２２（ｅ）～（ｆ））
　さらに歩行が進行したとき、本実施形態では、モータ１１を逆方向に駆動して、膝継手を伸展させる。ここで、本実施形態では、弾性部材２２に蓄積されたエネルギーが、膝継手の伸展動作を補助するので、モータ１１に必要な動力を低減させることができる。したがって、本実施形態では、バッテリの小型化やバッテリの長持ちを期待することができる。
　また、ボールねじ１３と直動部材２３との摩擦抵抗を低く設定した場合には、前記した弾性部材２２の弾性力を用いて、モータ１１による電力回生を行うことができるという利点もある。
　次に、本実施形態のクランク機構３の動作を、図２３～図２８をさらに参照しながら詳しく説明する。
　まず、動作説明のため、前記した実施形態の膝継手の構造を、模式的に図２３に示す。この図では、モータ１１と変速機構１２と弾性部材２２を一つのアクチュエータとして示している。図２３の機構をさらに模式的に図２４に示す。
　このクランク機構３を用いた膝継手における減速比は下記式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで
Ｎｍ：変速機構１２におけるモータ１１側のプーリの歯数；
Ｎｂ：変速機構１２におけるボールねじ１３側のプーリの歯数；
Ｌｂ：ボールねじ１３のリード；
Ｒ：アーム部材３２の回転半径；
Ｋ：クランク機構による減速係数
である。
　ここで、Ｋ以外の各変数は、ここでの説明においては定数とみなせるので、詳しい説明は省略する。クランク機構の減速変数Ｋは、下記のように表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、
α：アーム部材３２の、縦方向（図２４において上下方向）に対する角度；
β：連結ロッド３１の、縦方向（図２４において上下方向）に対する角度
である。
　減速変数Ｋの影響により、クランク機構における減速比は、図２５のようになる。この特性では、膝角度の変化に伴って減速比が変化しており、膝角度α＝８０°の近辺で減速比最大となっている。つまり、本実施形態のクランク機構では、膝角度の変化に伴って、異なる減速比で膝継手を駆動することができる。
　人間の歩行に伴う膝角度の経時的変化の一例を図２６に示す。この図に示されるように、歩行中は、約０°～８０°の間で膝角度が変化する。また例えば、階段の上り下りや椅子からの立ち上がりにおいては、約８０°近くの膝角度から０°近くまで膝角度が一気に大きく変化することがある。このように深い膝角度からの大きな角度変化が必要な場合、膝継手を回転させるためには、大きなトルクが必要となる。本実施形態では、約８０°前後という深い膝角度において、高い減速比を得ることができる。すると、モータ１１に大きな負担をかけることなく、膝継手に大きなトルクを与えることができるという利点がある。
　また、急ぎ足の場合、膝継手には、浅い膝角度での早い回転速度が求められる一方、高トルクは不要となる。本実施形態のクランク機構では、浅い膝角度の場合（例えば０°～２０°）では、低い減速比となるので、膝継手の回転速度を高めることが容易になるという利点がある。
　仮に、クランク機構の代わりにプーリ機構（前記した非特許文献１参照）を用いた場合、プーリ機構においては減速係数Ｋが存在しないので、プーリ機構での減速比は、膝角度によらず一定となる。したがって、大きなトルクが必要な場合、モータに大きな負担を生じるおそれがある。また、変速機構を用いない場合（前記した特許文献２参照）においても、同様の問題を生じる。これに対して、本実施形態の膝継手では、クランク機構を用いることにより、高トルクと高速回転とを両立させることができるという利点がある。
　クランク機構３の回転中心と直列弾性機構２とのオフセット量を変更した例を図２７に示す。オフセット量変更後の減速比の特性を図２８中の実線で示す。図２８中の一点鎖線は、図２５の例における特性である。この図から分かるように、オフセット量を変更することにより、膝角度αと減速比との関係を調整することができる。したがって、本実施形態によれば、オフセット量の調整により、必要な膝角度で最大トルクを得ることが可能になるという利点もある。
　なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
　１　駆動部
　１１　モータ
　１２　変速機構
　１３　ボールねじ
　２　直列弾性機構
　２１　従動部材
　２２　弾性部材
　２２１　第１ばね
　２２２　第２ばね
　２３　直動部材
　２３１　第１当接部
　２３２　第２当接部
　２３３　直動ロッド
　２４　ガイドシャフト
　３　クランク機構
　３１　連結ロッド
　３２　アーム部材
　３３　回転軸
　４　上部接続部
　５　フレーム
　５１　カバー
　５２　上部基台
　５３　下部基台
　６　下部接続部
　１００　膝継手
　２００　ソケット
　３００　足部
　Ｌ　義足

Claims (8)

  1. 　駆動部と、直列弾性機構と、クランク機構とを備えており、
    　前記直列弾性機構は、従動部材と、弾性部材と、直動部材とを備えており、
    　前記駆動部は、前記従動部材を移動させる構成となっており、
    　前記弾性部材は、前記従動部材と前記直動部材との間に配置されており、
    　前記直動部材は、前記弾性部材を介して、前記従動部材の移動に従って、少なくとも一方向に弾性的に移動する構成となっており、
    　前記クランク機構は、前記直動部材の直線運動を回転運動に変換する構成となっている
    　膝継手。
  2. 　さらに、ソケットと膝継手とを接続するための上部接続部を備えており、
    　前記クランク機構は、前記上部接続部を正逆方向に回転運動させる構成となっている
    　請求項１に記載の膝継手。
  3. 　さらにフレームを備えており、
    　前記直動部材は、前記フレームに対して少なくとも一方向に沿って移動可能とされている
    　請求項１又は２に記載の膝継手。
  4. 　さらにフレームを備えており、
    　前記クランク機構の回転軸は、前記フレームにより支持されている
    　請求項１又は２に記載の膝継手。
  5. 　前記駆動部は、モータと、変速機構と、ボールねじとを備えており、
    　前記モータは、前記変速機構を介して、前記ボールねじを正逆方向に回転させる構成となっており、
    　前記従動部材は、前記ボールねじの回転に応じて直動する構成となっている
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の膝継手。
  6. 　前記直動部材は、前記従動部材を挟んで対向して配置された第１当接部と第２当接部とを備えており、
    　前記弾性部材は、第１ばねと第２ばねとを備えており、
    　前記第１ばねは、前記第１当接部と前記従動部材との間に配置されており、
    　前記第２ばねは、前記第２当接部と前記従動部材との間に配置されている
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の膝継手。
  7. 　前記クランク機構における減速比は、前記回転運動における回転角度に応じて変化する構成とされている
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の膝継手。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の膝継手を備える義足。
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