(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータにより駆動される回転駆動部と、第１の回転機構部と、第２の回転機構部と、前記第２の回転機構部に付設され肢体の関節の相隣合う肢体の少なくとも一方に装着可能な装着部とを備え、
前記回転駆動部と、前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部、前記第１の回転機構部、第２の回転機構部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が四辺形をなすように連結して配置され、
前記第１の回転機構部は前記回転駆動部の回転軸を中心とした円弧上を動作し、前記第２の回転機構部は前記肢体の関節の回転軸を中心とした円弧上を動作することを特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とする請求項１記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記第１の回転機構部は、前記回転駆動部に連動して回転する連動駆動部であり、
前記第２の回転機構部は、前記回転駆動部および前記連動駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とする請求項１記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記回転駆動部と、前記２つのフリー回転部は、前記回転駆動部、前記第１のフリー回転部、前記第２のフリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とする請求項２記載の関節駆動装置。
【請求項５】
前記回転駆動部と前記連動駆動部と前記フリー回転部は、前記回転駆動部、前記連動駆動部、前記フリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とする請求項３記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記回転駆動部と前記第１および第２の回転機構部は、各々の間の距離を調節可能であることを特徴とする請求項１記載の関節駆動装置。
【請求項７】
前記肢体の関節の回転軸が前記平行四辺形の頂点からずれた場合、そのずれを吸収し、前記平行四辺形を維持する機構を備えたことを特徴とする請求項４または５記載の関節駆動装置。
【請求項８】
前記回転駆動部を駆動する前記アクチュエータとして電動機を用い、
前記電動機の回転角度または回転速度を計測する手段と、
前記装着部を装着した肢体からの作用力を計測する手段と、
前記電動機の回転角度または回転速度を制御する手段と、
運動教示時において前記装着部を前記肢体に装着した状態でインピーダンス制御を行う手段と、
前記インピーダンス制御を行っている間、一定周期ごとに前記回転角度を保存するメモリと、
運動再現時において前記メモリに保存された前記回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により教示した運動および力を再現する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至７記載の関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、手術前後に用いられる連続受動（他動）運動装置（ＣＰＭ装置）、肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置等の関節駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、手術前後または他の障害により、関節部が拘縮をおこし、またはそのおそれがある場合にその改善を目的として用いる連続受動運動装置（ＣＰＭ装置）、筋力の低下した肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置などの、関節を中心にして外部から機械的に肢体を駆動したり、関節の動きに負荷をかけたりする装置として、多数の機構が提案されている。これらの従来の関節駆動装置を大きく分類すると、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合と、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合（特願平６−１４３８３７）に分けられる。さらに、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合は、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸と一致する位置に配置したり、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸からずらして配置し、ずらして配置したことによって生じる装着部での肢体と機器とのズレをスライド機構等を使って逃がすというように、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合と、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合とがある。
【０００３】
肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合の従来例について、図２、図３、図４および図５を参照しながら説明する。
【０００４】
図２は、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合で、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸と一致する位置に配置した従来例である。関節駆動装置２００には、基台２０１と、この基台２０１上の回転駆動部２０２と、回転駆動部２０２から伸びるリンク部材２０３が備えられている。リンク部材２０３は、基台２０１に対して回転駆動部２０２の回転軸を中心に回転するようになっている。リンク部材２０３には装着部２０７が付いており、リンク部材２０３を装着部２０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置２００は、回転駆動部２０２の回転軸を、駆動したい関節の回転軸に一致するように配置しているため、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部２０２が回転すると、その回転力は、リンク部材２０３を経て肢体に伝えられ、肢体を駆動したい関節を中心にして、リンク部材２０３と共に動かすことで、関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００５】
図３は、装置の駆動により目的の関節のみを駆動する場合で、回転駆動部の回転軸を関節の回転軸からずらして配置し、ずらして配置したことによって生じる装着部での肢体と機器とのズレをスライド機構を使って逃がした従来例である。関節駆動装置３００には、基台３０１と、この基台３０１上の回転駆動部３０２と、回転駆動部３０２から伸びるリンク部材３０３が備えられている。リンク部材３０３は、基台３０１に対して回転駆動部３０２の回転軸を中心に回転するようになっている。リンク部材３０３には、フリー回転部３０６とスライド機構部３１０を介して装着部３０７が付いており、リンク部材３０３を装着部３０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置３００は、回転駆動部３０２の回転軸を、駆動したい関節の回転軸からずらして配置し、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部３０２が回転すると、リンク部材３０３は回転駆動部３０２の回転軸を中心にして回転する。回転機構部３０２の回転軸と駆動したい関節の回転軸とを、ずらして配置したことによって生じる装着部３０７でのズレをスライド機構３１０で受けることにより、リンク部材３０３の動きは、フリー回転部３０６とスライド機構部３１０を経て肢体に伝えられ、肢体を駆動したい関節を中心にして動かすことで、関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００６】
図４は、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合で、膝関節用の関節駆動装置として各種実用化されているものである。関節駆動装置４００には、基台４０１と、この基台４０１上の直動駆動部４０２と、直動駆動部４０２から伸びる第１リンク部材４０３が備えられている。第１リンク部材４０３は、基台４０１に対して直動駆動部４０２のガイドにそって直線的に駆動するようになっている。また、基台４０１の前方には、下端がヒンジ連結されたくの字状リンク部材４１３が取り付けられており、くの字状リンク部材４１３は、第２フリー回転部４１２、第２リンク部材４１１を介して装着部４０７に連結されている。第１リンク部材４０３及び第２リンク部材４１１には、第１フリー回転部４０６を介して装着部４０７が付いており、第１リンク部材４０３及び第２リンク部材４１１を装着部４０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置４００は、（図示していない）アクチュエータによって、直動駆動部４０２がベースフレーム長手方向に駆動することによって、直動駆動部４０２が駆動すると、第１リンク部材４０３は直動駆動部４０２のガイドにそって駆動する。第１リンク部材４０３の動きは、第１フリー回転部４０６と装着部４０７を経て下腿部に伝えられ、下腿部を臀部に対して近付けたり遠ざけたりして、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
【０００７】
図５も、装置の駆動により複数の関節を同時に駆動しながら目的の関節を駆動する場合で、膝関節用の関節駆動装置として実開平６−５８９３７で提案されているものである。関節駆動装置５００には、基台５０１と、この基台５０１上の回転駆動部５０２と、回転駆動部５０２から伸びる第１リンク部材５０３が備えられている。第１リンク部材５０３は、基台５０１に対して回転駆動部５０２の回転軸を中心に回転するようになっている。また、基台５０１上には、第３リンク部材５１１が第３フリー回転部５１４を介して、第１リンク部材５０３と平行に取り付けられている。第１リンク部材５０３には第１フリー回転部５０４を介して、第３リンク部材５１１には第２フリー回転部５１２を介して、第２リンク部材５０５が連結されいる。第２リンク部材５０５には装着部５０７が付いており、第１リンク部材５０３及び第３リンク部材５１１を装着部５０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置５００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部５０２が回転すると、第１リンク部材５０３が回転駆動部５０２の回転軸を中心にして回転するとともに、第３リンク部材５１１は第１リンク部材５０３と平行に動き、第２リンク部材５０５は、基台５０１に平行に駆動する。また、第１リンク部材５０３の動きは、第１フリー回転部５０４と第２リンク部材５０５を経て下腿部に伝えられ、下腿部を基台５０１に対して平行に保ちながら動かして、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。  次に、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合の従来例について、図６を参照しながら説明する。関節駆動装置６００には、基台６０１と、この基台６０１上の第１回転駆動部６０２と、第１回転駆動部６０２から伸びる第１リンク部材６０３が備えられている。第１リンク部材６０３は、基台６０１に対して第１回転駆動部６０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材６０３には第２回転駆動部６０４を介して第２リンク部材６０５が連結されており、第２回転駆動部６０４の駆動により、第２リンク部材６０５は第１リンク部材６０３に対して、第２回転駆動部６０４の回転軸を中心にして回転するようになっている。更に、第２リンク部材６０５には第３回転駆動部６０６を介して第３リンク部材６１１が連結されており、第３回転駆動部６０６の駆動により、第３リンク部材６１１は第２リンク部材６０５に対して、第３回転駆動部６０６の回転軸を中心にして回転するようになっている。第３リンク部材６１１には固定部６１２を介して、装着部６０７が取り付けられており、リンク部材６１１を装着部６０７により下腿部に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置６００は、（図示していない）アクチュエータによって第１回転駆動部６０２、第２回転駆動部６０４及び第３回転駆動部６０６が回転すると、第１リンク部材６０３は、基台６０１に対し第１回転駆動部６０２の回転軸を中心に、第２リンク部材６０５は、第１リンク部材６０３に対し第２回転駆動部６０４の回転軸を中心に、第３リンク部材６１１は、第２リンク部材６０５に対し第３回転駆動部６０６の回転軸を中心にそれぞれ駆動する。また、第３リンク部材６１１の動きは、固定部６１２を経て下腿部に伝えられ、下腿部を平面内で任意に駆動して、膝関節と股関節を同時に動かすことで、目的の関節である膝関節を（ａ）、（ｂ）のように駆動することができる。
ここでは、装置の駆動により膝関節と股関節を同時に駆動しながら目的の膝関節を駆動する例を示したが、膝関節のみを駆動する場合は、第１回転駆動部６０２を大腿部に取り付ける構成にすればよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、肢体関節の１回転自由度に対し装置の１駆動自由度を対応させる場合の従来例において、関節駆動装置２００のように回転駆動部の回転軸と関節の回転軸とを一致させて関節を駆動しようとした場合、回転駆動部の位置は駆動したい関節の回転軸上に限定されるため、例えば指の関節を駆動しようとする場合、指と指の間に回転駆動部がくるために違和感を生じたり、左右の脚に共通に使える装置を設計する場合、装着部を左右の脚に応じて交換したり、機器をひっくり返しても使えるようにするなどの工夫が必要で、その構成に制約を受けて設計がやりずらい。関節駆動装置３００のようにスライド機構を使った場合、回転駆動部は、駆動したい関節の回転軸によらず任意の位置に設定できるが、駆動したい関節と回転駆動部との距離が大きくなると、一定の駆動範囲を得るためにはスライド機構部を長くする必要がある。また、逆にスライド機構の長さを限定すると、駆動したい関節の駆動範囲が狭くなる。関節駆動装置４００や関節駆動装置５００のように、複数の関節を同時に駆動する場合は、関節駆動装置の駆動部で発生する力が複数の関節に分散されるため、駆動したい目的の関節にどのくらいの負荷がかかるのかわからず、負荷をかけ過ぎたり逆にかからなかったりするおそれがある。また、複数の関節を同時に駆動するため装着時のズレを生じ易く、目的の関節の関節角を知りたい場合は、特表平４−５０６６１０のように駆動部を関節の回転軸と一致するようにしたり、実開平６−５８９３７のようにゴニオメータにより測定したりする必要があるという問題があった。
また、肢体関節の１回転自由度に対し装置の複数の駆動自由度を対応させる場合の従来例については、駆動したい関節１つについて、複数のアクチュエータを必要とするため、装置自体が大がかりなものとなったり、複数の駆動部を協調させて駆動するため、複雑な計算を必要とするという問題があった。
この発明は、こうした従来の技術が持つ問題点を解消するためになされたものであり、簡単な機構で複雑な計算を必要とせずに、回転駆動部を駆動したい関節の回転軸にかかわらず任意の位置に設定でき、関節の駆動範囲を損なわずに、駆動したい関節を無理なく駆動することができる関節駆動装置の提供を目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、アクチュエータにより駆動される回転駆動部と、第１の回転機構部と、第２の回転機構部と、前記第２の回転機構部に付設され肢体の関節の相隣合う肢体の少なくとも一方に装着可能な装着部とを備え、
前記回転駆動部と、前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部、前記第１の回転機構部、第２の回転機構部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が四辺形をなすように連結して配置され、
前記第１の回転機構部は前記回転駆動部の回転軸を中心とした円弧上を動作し、前記第２の回転機構部は前記肢体の関節の回転軸を中心とした円弧上を動作することを特徴とする関節駆動装置とするものである。
請求項２の発明は、前記第１および第２の回転機構部は、前記回転駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とするものである。
請求項３の発明は、前記第１の回転機構部は、前記回転駆動部に連動して回転する連動駆動部であり、前記第２の回転機構部は、前記回転駆動部および前記連動駆動部の駆動により受動的に回転するフリー回転部であることを特徴とするものである。
請求項４の発明は、前記回転駆動部と、前記２つのフリー回転部は、前記回転駆動部、前記第１のフリー回転部、前記第２のフリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とするものである。
請求項５の発明は、前記回転駆動部と前記連動駆動部と前記フリー回転部は、前記回転駆動部、前記連動駆動部、前記フリー回転部、前記肢体の関節、前記回転駆動部の順に辿ると、それらの各回転軸が平行四辺形をなすように連結して配置されたことを特徴とするものである。
請求項６の発明は、前記回転駆動部と前記第１および第２の回転機構部は、各々の間の距離を調節可能であることを特徴とするものである。
請求項７の発明は、前記肢体の関節の回転軸が前記平行四辺形の頂点からずれた場合、そのずれを吸収し、前記平行四辺形を維持する機構を備えたことを特徴とするものである。
請求項８の発明は、前記回転駆動部を駆動する前記アクチュエータとして電動機を用い、
前記電動機の回転角度または回転速度を計測する手段と、
前記装着部を装着した肢体からの作用力を計測する手段と、
前記電動機の回転角度または回転速度を制御する手段と、
運動教示時において前記装着部を前記肢体に装着した状態でインピーダンス制御を行う手段と、
前記インピーダンス制御を行っている間、一定周期ごとに前記回転角度を保存するメモリと、運動再現時において前記メモリに保存された前記回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により教示した運動および力を再現する手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
上記手段により、アクチュエータ１つで、装着部でのリンクと肢体のズレを生じずに、駆動したい関節を任意の位置の回転駆動部により駆動することができるので、駆動範囲を損なわずに、肢体の関節に無理な負荷をかけることなく、簡単な構成で複数の関節に適応可能な関節駆動装置の提供をすることが可能となる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は本発明を膝関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１００には、基台１０１と、この基台１０１上の回転駆動部１０２と、回転駆動部１０２から伸びる第１リンク部材１０３が備えられている。第１リンク部材１０３は、基台１０１に対して回転駆動部１０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１０３には第２リンク部材１０５が連結されており、第１リンク部材１０３と第２リンク部材１０５の連結部には、第１回転機構部１０４が取り付けられている。第１回転機構部１０４は回転駆動部１０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１０５は第１リンク部材１０３に対して、第１回転機構部１０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１０５には第２回転機構部１０６を介して、装着部１０７が付いており、第２リンク部材１０５を装着部１０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１０２が回転すると、回転駆動部１０２の回転力は、第１リンク部材１０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１０２が駆動すると、肢体は膝関節１０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、膝関節１０９を駆動することができる。
【００１２】
図７は本発明を膝関節に適用した別の実施例を示す側面図である。関節駆動装置７００には、基台７０１と、この基台７０１上の回転駆動部７０２と、回転駆動部７０２から伸びる第１リンク部材７０３が備えられている。第１リンク部材７０３は、基台７０１に対して回転駆動部７０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材７０３には第２リンク部材７０５が連結されており、第１リンク部材７０３と第２リンク部材７０５の連結部には、第１回転機構部７０４が取り付けられている。第１回転機構部７０４は回転駆動部７０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材７０５は第１リンク部材７０３に対して、第１回転機構部７０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材７０５には第２回転機構部７０６を介して、装着部７０７が付いており、第２リンク部材７０５を装着部７０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置７００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部７０２が回転すると、回転駆動部７０２の回転力は、第１リンク部材７０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部７０２が駆動すると、肢体は膝関節７０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、膝関節７０９を駆動することができる。
【００１３】
図９は本発明を股関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置９００には、基台９０１と、この基台９０１上の回転駆動部９０２と、回転駆動部９０２から伸びる第１リンク部材９０３が備えられている。第１リンク部材９０３は、基台９０１に対して回転駆動部９０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材９０３には第２リンク部材９０５が連結されており、第１リンク部材９０３と第２リンク部材９０５の連結部には、第１回転機構部９０４が取り付けられている。第１回転機構部９０４は回転駆動部９０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材９０５は第１リンク部材９０３に対して、第１回転機構部９０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材９０５には第２回転機構部９０６を介して、装着部９０７が付いており、第２リンク部材９０５を装着部９０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置９００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部９０２が回転すると、回転駆動部９０２の回転力は、第１リンク部材９０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部９０２が駆動すると、肢体は股関節９０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、股関節９０９を駆動することができる。
【００１４】
図１０は本発明を足関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１０００には、基台１００１と、この基台１００１上の回転駆動部１００２と、回転駆動部１００２から伸びる第１リンク部材１００３が備えられている。第１リンク部材１００３は、基台１００１に対して回転駆動部１００２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１００３には第２リンク部材１００５が連結されており、第１リンク部材１００３と第２リンク部材１００５の連結部には、第１回転機構部１００４が取り付けられている。第１回転機構部１００４は回転駆動部１００２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１００５は第１リンク部材１００３に対して、第１回転機構部１００４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１００５には第２回転機構部１００６を介して、装着部１００７が付いており、第２リンク部材１００５を装着部１００７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１０００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１００２が回転すると、回転駆動部１００２の回転力は、第１リンク部材１００３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１００２が駆動すると、肢体は足関節１００９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、足関節１００９を駆動することができる。
【００１５】
図１１は本発明を肩関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１１００には、基台１１０１と、この基台１１０１上の回転駆動部１１０２と、回転駆動部１１０２から伸びる第１リンク部材１１０３が備えられている。第１リンク部材１１０３は、基台１１０１に対して回転駆動部１１０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１１０３には第２リンク部材１１０５が連結されており、第１リンク部材１１０３と第２リンク部材１１０５の連結部には、第１回転機構部１１０４が取り付けられている。第１回転機構部１１０４は回転駆動部１１０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１１０５は第１リンク部材１１０３に対して、第１回転機構部１１０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１１０５には第２回転機構部１１０６を介して、装着部１１０７が付いており、第２リンク部材１１０５を装着部１１０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１１００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１１０２が回転すると、回転駆動部１１０２の回転力は、第１リンク部材１１０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１１０２が駆動すると、肢体は肩関節１１０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、肩関節１１０９を駆動することができる。
【００１６】
図１２は本発明を肘関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１２００には、基台１２０１と、この基台１２０１上の回転駆動部１２０２と、回転駆動部１２０２から伸びる第１リンク部材１２０３が備えられている。第１リンク部材１２０３は、基台１２０１に対して回転駆動部１２０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１２０３には第２リンク部材１２０５が連結されており、第１リンク部材１２０３と第２リンク部材１２０５の連結部には、第１回転機構部１２０４が取り付けられている。第１回転機構部１２０４は回転駆動部１２０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１２０５は第１リンク部材１２０３に対して、第１回転機構部１２０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１２０５には第２回転機構部１２０６を介して、装着部１２０７が付いており、第２リンク部材１２０５を装着部１２０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１２００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１２０２が回転すると、回転駆動部１２０２の回転力は、第１リンク部材１２０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１２０２が駆動すると、肢体は肘関節１２０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、肘関節１２０９を駆動することができる。
【００１７】
図１３は本発明を手首関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１３００には、基台１３０１と、この基台１３０１上の回転駆動部１３０２と、回転駆動部１３０２から伸びる第１リンク部材１３０３が備えられている。第１リンク部材１３０３は、基台１３０１に対して回転駆動部１３０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１３０３には第２リンク部材１３０５が連結されており、第１リンク部材１３０３と第２リンク部材１３０５の連結部には、第１回転機構部１３０４が取り付けられている。第１回転機構部１３０４は回転駆動部１３０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１３０５は第１リンク部材１３０３に対して、第１回転機構部１３０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１３０５には第２回転機構部１３０６を介して、装着部１３０７が付いており、第２リンク部材１３０５を装着部１３０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１３００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１３０２が回転すると、回転駆動部１３０２の回転力は、第１リンク部材１３０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１３０２が駆動すると、肢体は手首関節１３０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、手首関節１３０９を駆動することができる。
【００１８】
図１４は本発明を指関節に適用した実施例を示す側面図である。関節駆動装置１４００には、基台１４０１と、この基台１４０１上の回転駆動部１４０２と、回転駆動部１４０２から伸びる第１リンク部材１４０３が備えられている。第１リンク部材１４０３は、基台１４０１に対して回転駆動部１４０２の回転軸を中心に回転するようになっている。第１リンク部材１４０３には第２リンク部材１４０５が連結されており、第１リンク部材１４０３と第２リンク部材１４０５の連結部には、第１回転機構部１４０４が取り付けられている。第１回転機構部１４０４は回転駆動部１４０２が駆動することにより回転し、第２リンク部材１４０５は第１リンク部材１４０３に対して、第１回転機構部１４０４の回転軸を中心に回転するようになっている。第２リンク部材１４０５には第２回転機構部１４０６を介して、装着部１４０７が付いており、第２リンク部材１４０５を装着部１４０７により肢体に取り付けることができるようになっている。
以上のように構成された関節駆動装置１４００は、（図示していない）アクチュエータによって回転駆動部１４０２が回転すると、回転駆動部１４０２の回転力は、第１リンク部材１４０３、第２リンク部材を経て肢体に伝えられるように構成されているため、回転駆動部１４０２が駆動すると、肢体は指関節１４０９を中心にして図（ａ）、（ｂ）のように動き、指関節１４０９を駆動することができる。
上記の実施例では、膝関節、股関節、足関節、肩関節、肘関節、手首関節、指関節に適応した場合について述べたが、同様にして股、肩、手首の関節の違う自由度や指の別の関節及び胴体の前屈運動や首等にも適応することができる。
上記の実施例では、基台から回転駆動部、第１回転機構部、第２回転機構部の順で肢体に連結される例を述べたが、第２回転機構部が基台側でも良く、順番は任意に構成することができる。また、リンクの形状は直線である必要はなく任意の形状で構成できる。
【００１９】
請求項２の関節駆動装置については、請求項１の回転機構部をフリー回転部に置き換えれば良い。請求項２の関節駆動装置は、構造が簡単であるためリンク調節機能等を負荷することが容易であり、また、装着位置が多少ずれてもフリー回転部２つで吸収できる。
請求項３の関節駆動装置については、請求項１の回転機構部の一方を回転駆動部に連動して回転する連動駆動部に、もう一方をフリー回転部に置き換えれば良い。連動駆動部は、回転駆動部の駆動をベルト、チェーン、シャフト、ハイポイドギアなどで伝える構成や複数のギアやリンクの組合せで容易に構成することが可能である。請求項３の関節駆動装置は、回転駆動部の駆動に連動して駆動する連動駆動部を設けているため、負荷側からの力に強い構成となる。
請求項４の関節駆動装置については、請求項２記載の装置において、回転駆動部とふたつのフリー回転部の各回転軸が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすように配置すればよい。
請求項５の関節駆動装置については、請求項３記載の装置において、回転駆動部と連動駆動部とフリー回転部の各回転軸が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすように配置すればよい。
【００２０】
図８は、請求項４及び請求項５を説明するための図であり、図７の本発明の実施例を回転駆動部とふたつの回転機構部が、肢体の関節の回転軸に対して平行四辺形をなすようにしたものである。図８からわかるように、請求項４及び請求項５の関節駆動装置は、３つの回転部を肢体の関節に対して平行四辺形をなすように配置しているため、回転駆動部８０２の回転角と肢体関節８０９の回転角が一致する。このため、肢体関節を１８０゜スムーズに回転することができ、また、回転駆動部の回転角を計測することで容易に肢体関節の回転角を知ることができる。請求項６の関節駆動装置について述べる。請求項６の関節駆動装置は、請求項１記載の装置において、各回転部間の距離を調節可能にしたもので、これにより装着部の取り付け位置や本装置と肢体との距離を変えることができるため、肢体の個人差等への対応が可能となる。また、複数の関節へ適応可能な機器の作成が可能となる。請求項７の関節駆動装置について図１５を参照しながら述べる。請求項７の関節駆動装置は、請求項４および請求項５記載の装置において、関節が平行四辺形の位置からずれた場合のズレを吸収する機構を備えたもので、図（ａ）の実施例は、ズレを吸収するためのスライド機構を付けたもの、図（ｂ）の実施例は、装着部での固定を緩めて装着部と肢体とが滑べることによりズレを吸収するもの、図（ｃ）の実施例は、リンクの一部にスプリングを設けこれによりズレを吸収するものである。本発明によれば、装着部において機構的にズレを生じることはない。しかし、装置の装着の仕方、個人差によるズレや、関節が厳密には１点を中心にして回転するのではなく姿勢により回転中心が変わることから、装着部において微小なズレを生ずることがある。請求項７の関節駆動装置はこの微小なズレを吸収する機構を備えたものである。
【００２１】
以上述べた本発明の機構は、本出願人が特願平６−１５９４１４号として提案している連続受動運動装置に適用することができる。
ここでは、本発明の図１に示した実施例に組み合わせた例を説明する。
すなわち、図１６に示すように、能動的に回転可能な回転駆動部１０２を電動機１６０１で駆動するようにし、その回転角度（位置）または回転速度を計測する手段である回転検出器１６０２と、動く側の装着部（ここでは足首側１０７）に取り付けられ肢体からの作用力を計測する力センサ１６０３と、前記電動機の回転角度または回転速度を制御する手段である電動機制御部１６０４と、教示中にインピーダンス制御を行っている間は一定周期ごとに前記回転角度をストアするメモリ１６０５と、運動状態教示時には前記関節駆動装置に肢体を取付けた状態でインピーダンス制御を行うとともに、治療時には前記メモリに保存された前記回転角度を平衡点とするインピーダンス制御により教示した運動および力を再現するインピーダンス制御部１６０６とを付加すればよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば機構が簡単で装置の制御に複雑な計算を必要としないため、設計が楽で、装置を安価で軽量なものにすることができる。また、構成に制約を受けないため、複数の関節に汎用に使用可能できる装置の提供が可能である。更に駆動したい関節を、直接駆動することが可能なため、肢体の関節に無理な負荷をかけずに駆動でき、しかも装置の装着位置と装置の駆動部の回転角度から、肢体の関節の角度を容易に推定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を膝関節に適用した実施例を示す側面図
【図２】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図３】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図４】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図５】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図６】従来の関節駆動装置を示す側面図
【図７】本発明を膝関節に適用した別の実施例を示す側面図
【図８】請求項４及び請求項５を説明するための図
【図９】本発明を股関節に適用した実施例を示す側面図
【図１０】本発明を足関節に適用した実施例を示す側面図
【図１１】本発明を肩関節に適用した実施例を示す側面図
【図１２】本発明を肘関節に適用した実施例を示す側面図
【図１３】本発明を手首関節に適用した実施例を示す側面図
【図１４】本発明を指関節に適用した実施例を示す側面図
【図１５】請求項７のズレを吸収する機構を説明する図
【図１６】本発明の実施例の制御ブロック図
【符号の説明】
１００：本発明を膝関節に適用した実施例による関節駆動装置
２００、３００、４００、５００、６００：関節駆動装置
７００：本発明を膝関節に適用した別の実施例による関節駆動装置
９００：本発明を股関節に適用した実施例による関節駆動装置
１０００：本発明を足関節に適用した実施例による関節駆動装置
１１００：本発明を肩関節に適用した実施例による関節駆動装置
１２００：本発明を肘関節に適用した実施例による関節駆動装置
１３００：本発明を手首関節に適用した実施例による関節駆動装置
１４００：本発明を指関節に適用した実施例による関節駆動装置
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１：基台
９０１、１００１、１１０１、１２０１、１３０１、１４０１：基台
１０２、２０２、３０２、５０２、７０２、８０２、９０２：回転駆動部
１００２、１１０２、１２０２、１３０２、１４０２：回転駆動部
４０２：直動駆動部
６０２：第１回転駆動部
６０４：第２回転駆動部
６０６：第３回転駆動部
１０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３：第１リンク部材
１００３、１１０３、１２０３、１３０３、１４０３：第１リンク部材
１０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４：第１回転機構部
１２０４、１３０４、１４０４：第１回転機構部
１０５、４１１、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５：第２リンク部材
１００５、１１０５、１２０５、１３０５、１４０５：第２リンク部材
５１１、６１１：第３リンク部材
１０６、７０６、８０６、９０６、１００６、１１０６：第２回転機構部
１２０６、１３０６、１４０６：第２回転機構部
３０６、４０６、５０６、６０６：フリー回転部
４０６、５０４：第１フリー回転部
４１２、５１２：第２フリー回転部
４１３：くの字状リンク部材
６１２：固定部
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７：装着部
９０７、１００７、１１０７、１２０７、１３０７、１４０７：装着部
２０３、３０３：リンク部材
３１０：スライド機構
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９：膝関節
９０９：股関節
１００９：足関節
１１０９：肩関節
１２０９：肘関節
１３０９：手首関節
１４０９：指関節
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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