(57)【要約】駆動源付き義足(10)は、膝部材(12)、膝部材(12)の上方に設けられたソケット接続具(22)、その下に人工の足(20)が連結される底端部(14C)を有する細長い下腿部材(14)およびリニア・アクチュエータ(16)を備える。第1の枢動アセンブリ(30)によって、下腿部材(14)を膝部材(12)に動作的に連結することができる。第2の枢動アセンブリ(80)によって、アクチュエータ(16)の上端部(16A)を膝部材(12)に動作的に連結することができる。第3の枢動アセンブリ(100)によって、アクチュエータ(16)の底端部(16B)を下腿部材(14)の底端部(14C)に動作的に連結することができる。義足(10)は、前部アクチュエータ構造または後部アクチュエータ構造のどちらの構造でも可能である。
2005536317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膝部材と、
前記膝部材の上方にソケットを連結する第1の手段と、
上端部および底端部を有し、主長手方向軸を画成する細長い下腿部材と、
前記下腿部材の前記底端部の下に人工足を連結する第2の手段と、
上端部および底端部を有するリニア・アクチュエータと、
前記下腿部材を前記膝部材に動作的に連結する第3の手段と、
前記アクチュエータの前記上端部を前記膝部材に動作的に連結する第4の手段と、
前記アクチュエータの前記底端部を前記下腿部材の前記底端部に動作的に連結する第5の手段とを備える、膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足。
【請求項２】
前記第3の手段が、前記主長手方向軸に垂直な第1の枢動軸を画成する第1の枢動アセンブリを備え、
前記第4の手段が、前記第1の枢動軸に実質的に平行な第2の枢動軸を画成する第2の枢動アセンブリを備え、前記第2の枢動軸は、前記第1の枢動軸および前記主長手方向軸と間隔を開けて配置され、
前記第5の手段が、前記第1の枢動軸に実質的に平行で、前記第1の枢動軸と間隔を置いて配置される第3の枢動軸を画成する第3の枢動アセンブリを備える、請求項1に記載の義足。
【請求項３】
前記下腿部材が、少なくとも2本の間隔を置いて配置された棒を有し、前記棒が通常ある空間を画成し、その中に前記アクチュエータのほとんどが配置される、請求項1または2に記載の義足。
【請求項４】
前記下腿部材の前記底端部の下に取り付けられた人工足をさらに備え、前記人工足は、前記義足の前面側および背面側を画成する、請求項1から3のいずれか一項に記載の義足。
【請求項５】
前記アクチュエータの前記上端部が前記義足の前面側に連結されている、請求項4に記載の義足。
【請求項６】
前記下腿部材が、前記下腿部材の前記上端部および前記底端部の間を延びる背面板を供える、請求項5に記載の義足。
【請求項７】
前記アクチュエータの前記上端部が前記義足の前記背面側に連結されている、請求項4に記載の義足。
【請求項８】
前記下腿部材が、少なくとも2本の間隔を置いて配置された棒を備える中央区画を有し、前記棒が通常ある空間を画成し、その中に前記アクチュエータのほとんどが配置される、請求項7に記載の義足。
【請求項９】
前記膝部材の上方に取り付けられたソケットをさらに備える、請求項1から8のいずれか一項に記載の義足。
【請求項１０】
前記アクチュエータを制御する第6の手段をさらに備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の義足。
【請求項１１】
前記第6の手段が、固有受容体からの入力信号に応答して制御信号を出力する制御器を備える、請求項1から10のいずれか一項に記載の義足。
【請求項１２】
前記制御器が電力駆動部に接続される出力部を有し、前記電力駆動部が、前記制御信号に応答して電源から来る電気エネルギーを前記アクチュエータに供給する、請求項11に記載の義足。
【請求項１３】
前記入力信号が、前記義足に戴置されたセンサ、および前記義足の外側に配置されたセンサからの信号を含む、請求項11または12に記載の義足。
【請求項１４】
膝部材と、
前記膝部材の上方に連結されたソケットと、
上端部および底端部を有し、主長手方向軸を画成する細長い下腿部材と、
前記下腿部材の前記底端部の下に連結され、前記義足の前面側および背面側を画成する人工足と、
上端部および底端部を有するリニア・アクチュエータと、
前記下腿部材を前記膝部材に動作的に連結し、前記主長手方向軸に垂直な第1の枢動軸を画成する第1の枢動アセンブリと、
前記アクチュエータの前記上端部を前記膝部材に動作的に連結し、前記第1の枢動軸に実質的に平行で、前記第1の枢動軸および前記主長手方向軸と間隔を開けて配置される第2の枢動軸を画成する第2の枢動アセンブリと、
前記アクチュエータの前記底端部を前記下腿部材の前記底端部に動作的に連結し、前記第1の枢動軸に実質的に平行で、前記第1の枢動軸と間隔を置いて配置される第3の枢動軸を画成する第3の枢動アセンブリとを備える、膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足。
【請求項１５】
前記下腿部材が、少なくとも2本の間隔を置いて配置された棒を備える中央区画を有し、前記棒が通常ある空間を画成し、その中に前記アクチュエータのほとんどが配置される、請求項14に記載の義足。
【請求項１６】
前記アクチュエータの前記上端部が前記義足の前記前面側に連結される、請求項14または15に記載の義足。
【請求項１７】
前記下腿部材が、前記下腿部材の前記上端部および前記底端部の間を延びる背面板を供える、請求項16に記載の義足。
【請求項１８】
前記アクチュエータの前記上端部が前記義足の前記背面側に連結される、請求項14または15に記載の義足。
【請求項１９】
前記下腿部材が、少なくとも2本の間隔を置いて配置された棒を備える中央区画を有し、前記棒が通常ある空間を画成し、その中に前記アクチュエータのほとんどが配置される、請求項18に記載の義足。
【請求項２０】
固有受容体からの入力信号に応答して制御信号を出力する、前記アクチュエータを制御するための制御器をさらに備える、請求項14から19のいずれか一項に記載の義足。
【請求項２１】
前記制御器が電力駆動部に接続された出力部を有し、前記電力駆動部は、前記制御信号に応答して、電源から来る電気エネルギーを前記アクチュエータに供給する、請求項20に記載の義足。
【請求項２２】
前記入力信号が、前記義足に戴置されたセンサ、および前記義足の外側に配置されたセンサからの信号を含む、請求項20または21に記載の義足。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足に関する。
【背景技術】
【０００２】
何年にもわたり、肢切断患者の失った片足または両足に置き換えようと、多くの種類の義足が考案されてきた。これら全ての義足は、これらの肢切断患者にできるだけ普通の生活を提供するという困難な課題を有している。しかしながら、人間の歩行の複雑性のために、従来型の義足は入手可能なもっとも精巧な装置でさえ、今に到るも受動的な機構を使用するのみである。従来型義足は、人間の実の足と比較して非常に限られており、したがって、いくつかの要求はそれらによって完全には満たされていない。
【０００３】
肢切断患者によれば、反復動作、連続負荷などの、従来型義足の使用の個々の条件が、代謝エネルギー消費の増加、ソケット圧力の増加、歩行速度の制限、歩行動作における不一致、姿勢バランスの崩壊、骨盤〜脊椎柱の整列の崩壊、および臨床姿勢リハビリ・プログラムの使用の増加などの問題を通常引き起こす。
【０００４】
他の問題は、従来型の義足は自己推進能力を有さないので、肢切断患者の歩行中、義足の移動に使用されるエネルギーが、主として肢切断患者自身から生じるということである。このことが、無視できない短期間および長期間の悪影響を有している。義足の省エネルギー構成部品分野における最近の開発が、肢切断患者と義足の間のエネルギー伝達を改善することに部分的に寄与してきている。それにもかかわらず、エネルギー消費の問題はまだ完全に解決しておらず、主要な問題として残っている。
【０００５】
別の問題は、肢切断患者の歩行中に脚断端が果たす動的役割が、従来型義足の長時間の着用を困難にしていることである。特に、これは、毛包炎(folliculitis)、接触皮膚炎(dermatitis)、水腫(edema)、嚢腫(cysts)、皮膚せん断(skin shearing)、瘢痕化(scarring)、潰瘍(ulcers)など、皮膚問題を作り出す可能性がある。これらの皮膚問題は、シリコン・シース(silicon sheath)、完全なサクション・ソケット(suction socket)、またはパウダを使用することによって部分的に軽減することができるが、これらの皮膚問題を最小化することは重大問題として残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この背景を考慮すると、膝上部肢切断患者のための改良型の義足を開発することが求められていることは明白である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第1の広範な態様によれば、膝部材、膝部材の上方にソケットを連結する第1の手段、細長い下腿部材、下腿部材の底端部の下に人工足を連結する第2の手段、リニア・アクチュエータ、下腿部材を膝部材に動作的に連結する第3の手段、アクチュエータの上端部を膝部材に動作的に連結する第4の手段、およびアクチュエータの底端部を下腿部材の底端部に動作的に連結する第5の手段を備える、改良型の駆動源付き義足が提供される。
【０００８】
本発明の別の広範な態様によれば、膝部材、膝部材の上方に連結されたソケット、細長い下腿部材、下腿部材の底端部の下に連結された人工足、およびリニア・アクチュエータを備える、改良型の駆動源付き義足が提供される。第1の枢動アセンブリによって、下腿部材を膝部材に動作的に連結することが可能になる。第1の枢動アセンブリは、下腿部材の主長手方向軸に垂直な第1の枢動軸を画成する。第2の枢動アセンブリによって、アクチュエータの上端部を膝部材に動作的に連結することが可能になる。第2の枢動アセンブリは、第1の枢動軸に実質的に平行な第2の枢動軸を画成する。第2の枢動軸はまた、第1の枢動軸および主長手方向軸と間隔を開けて配置される。第3の枢動アセンブリによって、アクチュエータの底端部を下腿部材の底端部に動作的に連結することが可能になる。第3の枢動アセンブリは、第1の枢動軸に実質的に平行で、第1の枢動軸と間隔を置いて配置される第3の枢動軸を画成する。
【０００９】
本発明のこれらの、および他の態様は、以下の詳細な説明に記載されており、詳細な説明から明らである。この説明は、添付の図と関連して作成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
添付の図は、本発明の好ましい実施形態および代替の実施形態による、駆動源付き義足(10)を示す。添付の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなく、様々な変更形態および修正形態を生み出すことが可能なので、本発明は図示の実施形態に限定されないことを理解されたい。
【００１１】
義足(10)は2つの主要な構造を有する。1つは前部アクチュエータ構造であり、他の1つは後部アクチュエータ構造である。前部アクチュエータ構造が好ましい。図1から図7は、前部アクチュエータ構造の義足(10)を示し、図8から図13は後部アクチュエータ構造の義足(10)を示す。
【００１２】
前部アクチュエータ構造
図1および図2は、膝部材(12)、細長い下腿部材(14)、膝部材(12)と下腿部材(14)の間にセットされたリニア・アクチュエータ(16)を含む、義足(10)の基本的構成部品を示す。この義足(10)は、膝部材(12)の上方にソケット(18)を連結する手段および下腿部材(14)の底端部の下に人工足(20)を連結する手段も備える。
【００１３】
ソケット(18)は、義足(10)と肢切断患者の脚断端の間の、十分な力の移動を達成しなければならない。ソケット(18)の設計は、任意選択の負荷伝達、安定性、脚断端の移動の効率的な制御を達成するために、通常は注文作業である。ソケット(18)は一般に、例えば、Otto Bock Inc.製の形式「Thermolyn」の柔軟な吸引ライナなどの、適切なシステムによって作り出される吸引効果によって、使用者の脚断端上のしかるべき位置に保持される。この義足(10)は、それとは別の、市場で入手可能な任意の適切なソケットを使用することもできる。
【００１４】
ソケット(18)を連結する手段は、膝部材(12)の上方に設けられた底部ソケット接続具(22)を備えることができる。底部ソケット接続具(22)は、止め金具、例えばねじまたはボルトによって、脱着可能に連結することが好ましい。底部ソケット接続具(22)の正確な種類は変更することができる。一例は、Otto Bock Inc.製の雄型ピラミッド形式4R54などの、標準雄型ピラミッド構造を有する接続具である。別の例は、Ossur Inc.製の、雄型ピラミッド形式2054-2を有する摺動式接続具である。ソケット(18)は、底部雄型接続具(22)に嵌合する、対応する上部接続具をその他に備えている。別の種類の接続具も同様に使用することができる。
【００１５】
膝部材(12)によって、ソケット(18)と下腿部材(14)の間の接合部が、少なくとも回転の1次元の自由度を有することが保証される。膝部材(12)の動作範囲は、約105度であることが好ましく、ここで0度は完全に伸ばした状態であり、105度は最大の膝屈曲の状態である。
【００１６】
図3は、膝部材(12)の拡大図を示す。膝部材(12)は、上部板(26)から突き出した2つのフランジ(24)を有するフォーク形の構成要素であることが好ましい。上部板(26)は、底部ソケット接続具(22)の脱着可能な止め金具用の4個のねじ穴(28)を含む。
【００１７】
好ましい実施形態の膝部材(12)は、第1の枢動アセンブリ(30)によって下腿部材(14)に連結される。この第1の枢動アセンブリ(30)によって、下腿部材(14)が膝部材(12)に動作的に連結可能となり、これによって、これらの2つの部品間で相対的な回転が可能になる。第1の枢動アセンブリ(30)は、多中心とすることもできることは注目すべきである。これは、膝部材(12)と下腿部材(14)の間の動きが純粋な回転ではなく、もっとずっと複雑なパターンを辿ることを意味する。さらに右および左側の部品をわずかに異なるようにし、それによって垂直軸の周りのわずかな捩れ動作を起こさせることが可能である。にもかかわらず、総合的な全体的動作は、実質的に枢動軸周りの回転のままである。
【００１８】
好ましい実施形態では、第1の枢動アセンブリ(30)が第1の枢動軸(31)を画成し、その軸は、図1に示すように、下腿部材(14)の長さに沿って前面内を延びる主長手方向軸(15)に実質的に垂直である。
【００１９】
この第1の枢動アセンブリ(30)は、膝部材(12)のフランジ(24)内の対応するハウジング(36)内に各々が装着された2つの軸受(34)で支持された、1本の軸(32)も含む。軸受(34)の一例は、NSK Inc.製の形式6300-ZZの単溝軸受である。勿論、別の形式の軸受(34)も同様に使用することができる。10mmの段付ナット(shoulder nut)(37)および1セットの外側スペーサ(35)によって、軸受(34)を軸(32)のねじ切りされた端部に保持することが可能になる。図2、4、7に示す光学スイッチ支持部(38)が、膝部材(12)の2つのフランジ(24)の間で、軸(32)の周りの取り付けられている。この支持部(38)は、後ほど本発明の説明の中で説明する。
【００２０】
図3に最もよく示すように、範囲外の動作を防止するために、1セットのエネルギー吸収緩衝器(44)を膝部材(12)の後ろ側に設けることが好ましい。それらの緩衝器(44)は、例えば、Tecspack Inc.製の緩衝器形式GBA-1とすることができる。勿論、別の形式の緩衝器(44)も同様に使用することができる。これらは、膝部材(12)の上面板(26)の側面および前面に配置された対応する受金物(42)に取り付けることができる。この受金物(42)は後ほど本発明の説明の中で説明するコネクタ(78)を支持するためにも使用される。
【００２１】
図4は、好ましい実施形態による下腿部材(14)を示す。それは、3つの主要区画、すなわち、上部区画(14A)、中央区画(14B)および底部区画(14C)を含む。
【００２２】
下腿部材(14)の上部区画(14A)は、取り付け基台(52)から突き出した2つのフランジ(50)を有するフォーク形の構成要素であることが好ましい。取り付け基台(52)は、1対の下腿支柱棒(post bar)(54)に固定して連結されている。背面板(56)が、背面に設けられている。1対の棒(54)および背面板(56)は、中央区画(14B)の一部である。それらは共に、好ましい実施形態ではそれ自体が2つの部分の構成要素である底部区画(14C)に連結されている。第1の部分(60)はややU字形をした部分であり、その下に第2の部分(62)が取り付けられている。この第2の部分(62)は延長部であり、その下に人工の足(20)が設けられる。人工の足(20)を連結する手段は、中にねじが挿入される1セットのねじ切りされた穴を含むことができる。別の種類の接続具も使用することができる。
【００２３】
この人工の足(20)は、例えば、College Park Industries Inc.製の標準型の26cm Trustep義足用足、またはOssur Inc.製のAllurion形式ALX5260義足用足とすることができる。選択された義足用足が上記で示したものと少なくともほぼ同じ動的応答をもたらす場合は、別の種類の、関節で繋がった、または関節で繋がらない人工足(20)も使用することができる。この義足(10)の設計はモジュール式であり、その結果として、任意の形態に適合させることができる。人工の足(20)は、露出した金属または複合材の構造を有することができる。それは、人間の足首および足の外観をもたらす美容被覆を有することもできる。
【００２４】
1対の棒(54)および背面板(56)は、ある空間(58)をもたらし、その中にアクチュエータ(16)のほとんどが配置される。様々な電子および電気的構成部品は、背面板(56)のどちらの側にも取り付けることができる。このコンパクトな設計によって、全体の大きさを通常の人の脚の大きさ内に保つことができる。
【００２５】
図5は、好ましい実施形態による、リニア・アクチュエータ(16)を示す。アクチュエータ(16)の上端部(16A)は膝部材(12)に連結され、底端部(16B)は、下腿部材(14)の底部区画(14C)に連結される。アクチュエータ(16)の機能は、義足がサジタル平面(sagittal plane)内で、肢切断患者の歩行と同期した角度変位を行うのに必要な機械的エネルギーを義足(10)に供給することである。アクチュエータ(16)の直線動作は、膝部材(12)の角度を下腿部材(14)と関連して制御するのに使用される。アクチュエータ(16)は、回転動作を直線動作に転換する機構(72、74)と連結した電気モータ(70)を含む。モータ(70)の一例は、Poly-Scientific製の形式BN2328EUである。モータ(70)は、アクチュエータ(16)の底部に固定したフォロワ(74)と係合したねじ(72)を動作させる。フォロワ(74)はフォロワ支持部(76)によって保持される。フォロワ(74)およびフォロワ支持部(76)は、アクチュエータ(16)の底端部(16B)を構成する。使用では、モータ(70)が回転すると、ねじ(72)が回転し、フォロワ(74)に入ったり出たりする。これが膝部材(12)を押したり引いたりし、それによって、膝部材(12)と下腿部材(14)の間の相対的な回転を生じさせる。
【００２６】
リニア・アクチュエータ(16)の選択は、主として、入手可能なモータ技術のトルク比に対する重量および速度に基づく。これは人間の歩行に必要なトルクに対し、より少ない場所しか取らないので、膝部材(12)と直接連結された直接駆動システムよりも好ましい。理想的には、アクチュエータ(16)は、連続的な力約515Nおよびピークの力約2250Nを供給できなければならないことが判明した。
【００２７】
好ましい実施形態による義足(10)は、さらに第2の枢動アセンブリ(80)を備える。この第2の枢動アセンブリ(80)は、アクチュエータ(16)の上端部(16A)を膝部材(12)に動作的に連結する。第2の枢動アセンブリ(80)は第1の枢動軸(31)に実質的に平行な第2の枢動軸(81)を画成する。それはやはり、第1の枢動軸(31)および主長手方向軸(15)によって定義される平面から間隔を置いて配置される。この構成の一例を、図6に略図的に示す。この線図は、様々な枢動軸を示す。第1の枢動軸(31)は「O」として特定される。第2の枢動軸(81)は文字「C」で特定される。両方の軸(C、O)は、距離「r」だけ間隔を開けて配置されている。この距離によって、アクチュエータ(16)が下腿部材(14)を膝部材(12)に対して相対的に動かすことが可能になる。
【００２８】
図5は、好ましい実施形態の第2の枢動アセンブリ(80)が、アクチュエータ(16)の上端部(16A)を形成する機械的コネクタ(84)に挿入された軸受(82)を含むことを示す。この軸受(82)は、例えば、INA Inc.製のニードル軸受形式NK14/16である、ニードル軸受とすることができる。それは、段付きねじ(86)およびアルミニウムのスペーサ(88)によってしかるべき位置に保持される。この軸受(82)は、理想的には約11500N(2600lbf)までの静的負荷に耐えなければならず、1から3°の一般的な心ずれは許容されることが判明した。ニードル軸受は、事実上何の機械的役割も有さないこと、およびブッシングまたは軸端と比較して低い摩擦係数を有するので好ましい。勿論、別の種類の軸受も同様に使用することができる。軸(90)が、機械的コネクタ(84)を膝部材(12)のフランジ(24)の対応する穴に連結させる。この機械的コネクタ(84)は、ロードセル(92)を使用してモータ(70)の上に固定される。ロードセルについては後ほど本発明の説明の中で説明する。
【００２９】
図4および図5に示すように、アクチュエータ(16)の底端部(16B)は、好ましい実施形態の下腿部材(14)に、第3の枢動アセンブリ(100)を使用して動作的に連結される。この第3の枢動アセンブリ(100)は、第3の枢動軸(101)を画成し、下腿部材(14)の底部区画(14C)の第1の部分(60)内に設けられた、対応するハウジング(64)内に各々が戴置された1つまたは複数のニードル軸受(102)をやはり備えることが好ましい。例えば、INA Inc.製のニードル軸受形式NK14/16である、2つの標準的なニードル軸受(102)をこの目的のために使用することができる。勿論、別の種類の軸受も第2(80)および第3の枢動アセンブリ(100)に同様に使用することができる。1セットのねじ(106)およびスペーサ(108)が、第3の枢動アセンブリ(100)を完成させる。
【００３０】
義足(10)の様々な構造部品は、軽量な材料、例えば、アルミニウムまたはカーボン繊維、ガラス繊維等などの複合材料で作られることが好ましい。特に適した材料は、熱処理された6061T6アルミニウムである。様々な部品は、溶接又は別の方法で一緒に固定できるけれども、ねじで一緒に留めるのが好ましい。部品を一緒にねじ止めすることは、製造可能性を高め、部品の手入れおよび交換を容易にし、かつ、通常全体的な美観を改善するので好ましい。
【００３１】
図7は、図2および図4に表れている特殊な機械的支持部(38)を示す。この特殊な機械的支持部(38)は、第1に後ほど説明するように、光学スイッチを固定するのに使用される。第2に、この特殊な機械的支持部(38)は、義足(10)の比較的固定された区画と比較的移動可能な部分間の、ケーブル部分(図示せず)のわたりを容易にするために使用される。膝部材(12)の受金物(42)に取り付けられたコネクタ(78)が、必要な接続を可能にする。同様なコネクタ(78)がモータ(70)に設けられている。部品(254)上の二つ割り型の線締め付け金具(39A、39B)によって、線を支持部(38)に保持することができる。
【００３２】
後部アクチュエータ構造
図8から図13は、第2の可能な実施形態による義足(10)を示す。これは、後部アクチュエータ構造を有する義足(10)の一例を図示する。この実施形態は、前部アクチュエータ構造を使用するものと非常によく似ている。それは別の種類のアクチュエータ(16)および別の形式の人工足(20)を有して図示されている。下腿部材(14)の中央区画(14B)は、2本の代わりに4本の棒(54)を使用し、背面板を有さない。さらに、下腿部材(14)には底部延長部が設けられていない。
【００３３】
下腿部材(14)は、膝部材(12)および人工足(20)を一緒に連結する、例えば12.7mm(1/2")の下腿支柱棒(54)より構成される外鉄形(shell type)構造も有している。図示の実施形態では、アクチュエータ(16)は、標準リニア・モータ(図5)または特別注文の商業的に入手可能なモータ(70)を備えたシリアル・エラスティック・アクチュエータ(serial elastic actuator)(SEA)(図8)とすることができる。ただし、義足(10)は、ほぼ同じ寸法の任意の種類のリニア・アクチュエータを受け入れることができるように設計されている。SEAアクチュエータ(16)(図8)は、既知の性質の弾性装置(110)と連結されたねじ(72)を含む、ボールねじ伝動システムを有する。このアクチュエータ(16)(図8)は、弾性構成部品の変形に基づいて力制御動作をすることができる。その上、この設計は、エネルギーの貯蔵、衝撃耐性および比較的安定な力の制御が可能になる。SEAアクチュエータ(16)(図8)は、MIT Leg LaboratoryのGill Prattによって開発され、1997年に米国特許第5650704号として特許されている。一実施形態では、それは、Litton BN23-28モータ(70)および3.175mm(1/8")ピッチで9.525mm(3/8")直径のボールねじ(72)を備えていた。SEAアクチュエータ(16)(図8)は、Yobotic Inc.によって商品化されている。
【００３４】
図13は後部アクチュエータ構造の幾何モデルを示す。それは、図6に示す前部アクチュエータ構造のものと、実質上同じである。
【００３５】
制御システム
図14は、義足(10)のアクチュエータ(16)を動作させるのに使用できる制御システム(200)を示す。この図は最初に、肢切断患者の歩行の動力学についてリアルタイムで情報を捕捉するのに使用するセンサである、1セットの人工固有受容体(210)を示す。人工固有受容体(210)のこのセットは、制御器(220)に検知情報を供給する。制御器(220)は、継手の軌道およびアクチュエータ(16)によって印加しなければならない必要な力を求める。次いで、設定値(継手軌道および必要な力)が、電源(240)にそれ自体接続された電力駆動部(230)を介してアクチュエータ(16)に送られる。
【００３６】
電源(240)は、例えば、Cine Power International Ltd.製の型式Lighting Powerbeltなどの柔軟なバッテリ・パック・ベルトとすることができる。電源(240)の別の例には、Worley Inc.製のバッテリ型式SLPB526495、およびCap-XX製のスーパー・キャパシタがある。電力駆動部(230)の例には、Copley Controls Corps Inc.製の型式5121、およびAdvanced Motion Control製の型式BE40A8がある。電源(240)の設計および電力駆動部(230)の設計は、本明細書で上記に示す装置に限定されず、選択された装置が義足(10)に使用される選択されたアクチュエータ(16)の電気的仕様に合致する場合は、特注のまたは商業的などんな製品によっても実施することができることに注目すべきである。
【００３７】
義足(10)は、制御器(220)にフィード・バック情報をもたらすように1セットのセンサ(250)をさらに含むことが好ましい。このフィード・バックによって、制御器は力および他の様々なパラメータを調整することが可能になる。監視することができるパラメータの例には、膝膝部材(12)の相対的角度およびアクチュエータ(16)によって加えられている膝部材(12)におけるトルクがある。別の種類の測定も行うことができる。膝部材(12)の相対的角度の測定は、例えば、US Digital Inc.製のリーディング・ヘッド型式EM1-0-250および等間隔の増分の標識が付けられたMyler(登録商標)ストリップ(262)型式LIN-250-16-S2037などの商業的に入手可能な標準的なインクレメンタル光学式エンコーダ(incremental optical encoder)(260)によって行うことができる。義足(10)の角動作制限用のリミット・スイッチとして使用される他のセンサは、特殊な機械支持部(38)に取り付けるのが好ましい光学スイッチである。図1および2に示す、ケーブル・コネクタ(78)によって、義足(10)の外部装置を内部構成部品に連結することができる。
【００３８】
光学スイッチ(252)は、第1の枢動軸(31)に固定され、膝部材(12)の基準角位置を設定するのに使用される。この基準位置が知られた後は、光学エンコーダの情報は、モータの回転数、ローラねじのピッチおよび義足の形状を媒介として、膝部材(12)の角度を計算するのに使用される。さらに、膝部材(12)が限界の位置に近づいたとき、信号を制御器(220)に送って動作範囲から外れることを防止するのに、光学スイッチ(252)が使用される。勿論、光学スイッチ(252)は、このスイッチの検出と関連する指令の性質に従って、他の目的にも使用することができる。膝部材(12)の相対的角度を測定する別の可能な方法は、例えば、US Digital Inc.製のエンコーダ型式E2-512-250-1などの絶対値光学エンコーダと光学スイッチの組み合わせを使用することである。これらのスイッチの一例には、SUNX製のスイッチ型式PM-L24がある。
【００３９】
トルクの測定は、例えば、後部アクチュエータ構造(図8)のアクチュエータ(16)の、Novotechnik Inc.製の導電性プラスチック抵抗要素型式PTN025などの、弾性装置の圧縮を測定する商業的に入手可能な標準型のポテンショメータによって得られる。アクチュエータ(16)によって加えられる力は、ロードセル(92)によっても測定することができる。このロードセルの一例は、Omegadyne製の型式LC 202 1Kである。義足(10)のセンサ(250)は上述の装置に限定されず、別の適切な計器によっても達成できることに注目されたい。
【実施例】
【００４０】
最適角度のための計算
以下の技術的仕様を想定する。
・体重70Kg、慎重170cmの個体の天然の脛の人体計測体積に対応する幾何体積である。
・最大距離rは0.055m、すなわちr<0.055m。
・最小および最大長さLTはそれぞれ0.3mおよび0.4mに設定、すなわち0.3m<L<SUB>T<0.4mである。
・最小および最大距離dTは-0.015mおよび+0.015m、すなわち-0.015m<D<SUB>T<+0.015mである。
【００４１】
幾何学的モデルは以下の数式によって定義できる。
【数１】
2005536317.tif 000003
【数２】
2005536317.tif 000004
【数３】
2005536317.tif 000005
【数４】
2005536317.tif 000006
【数５】
2005536317.tif 000007
【００４２】
ここで、
θk    膝角度、∠DOA
r    膝部材(12)の回転中心「O」と膝部材(12)上のアクチュエータ(16)の取り付け位置の間の距離
θfix    rと脚断端中心軸の間の距離、∠EOC
LA    膝部材(12)の回転中心と下腿部材(14)上のアクチュエータ(16)の取り付け点の間の距離、OB
LT    膝部材(12)の回転中心と下腿部材(14)の取り付け点の間の距離、OA
dT    下腿部材(14)の中央軸と下腿部材(14)のアクチュエータ(16)の取り付け点の間の距離、AB
α    LTとLAの間に形成される角度:∠AOB
L    アクチュエータ(16)の長さ、BC
β    LAとrの間に形成される角度、∠BOC
br    第1の枢動軸(31)に対するアクチュエータ(16)のレバー・アーム(31)
レバー・アームbrは、35度の膝角度θkで最大となるように想定されていることが好ましい。数学的設計の幾何学的計算は、距離r、長さLT、距離dTおよび角度θfixの設定に基づいている。したがって、これらのパラメータは、肢切断患者の人体計測および選択されるアクチュエータ(16)に応じて定義される。
【００４３】
角度θfixについては、数式5が最大値であるとき、最大レバー・アームbrの最適値が見出される。すなわち、
【数６】
2005536317.tif 000008
【００４４】
ここで、θfix=π-α-θk-β
この条件は、
【数７】
2005536317.tif 000009
【００４５】
であるとき、図6および図13に示す構成に対して達成される。
【００４６】
数式1から、距離rとソケットの中央軸の間の最適角度、θfix|optimalは、以下のように定義される。
【数８】
2005536317.tif 000010
【００４７】
ここで、+π/2および-π/2は、それぞれ、後部および前部アクチュエータ構造に対応している。
【００４８】
この結果は、最適角度θfixは125±3度に設定することが好ましいということである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、前部アクチュエータ構造を有する駆動源付き義足の斜視図である。
【図２】図1に示す義足の、部分分解斜視図である。
【図３】図1に示す膝部材および第1の枢動アセンブリの分解斜視図である。
【図４】図1に示す下腿部材および第3の枢動アセンブリの分解図である。
【図５】図1に示すリニア・アクチュエータおよび第2の枢動アセンブリの部分分解図である。
【図６】前部アクチュエータ構造についての幾何モデルを示す線図である。
【図７】図4に示す光学スイッチ支持部の分解図である。
【図８】本発明の別の可能な実施形態による、後部アクチュエータ構造を有する駆動源付き義足の斜視図である。
【図９】図8に示す義足の部分的分解斜視図である。
【図１０】図8に示す義足の側面図である。
【図１１】図8に示す膝部材、第1の枢動アセンブリおよび第2の枢動アセンブリの分解斜視図である。
【図１２】図8に示す下腿部材および第3の枢動アセンブリの部分分解図である。
【図１３】後部アクチュエータ構造についての幾何モデルを示す線図である。
【図１４】義足のアクチュエータ用の制御システムの一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
(10)…義足、(12)…膝部材、(14)…下腿部材、(15)…主長手方向軸、(16)…リニア・アクチュエータ、(18)…ソケット、(20)…人工足、(22)…底部ソケット接続具、(24)…フランジ、(26)…上面板、(28) …ねじ穴、(30)…第1の枢動アセンブリ、(31)…第1の枢動軸、(32)…軸、(34)…軸受、(35)…外側スペーサ、(36)…ハウジング、(37)…段付ナット、(38)…支持部、(42)…受金物、(44)…緩衝器、(50)…フランジ、(52)…取り付け基台、(54)…下腿支柱棒、(56)…背面板、(58)…空間、(60)…第1の部分、(62)…第2の部分、(64)…ハウジング、(70)…モータ、(72)…ねじ、(74)…フォロワ、(76)…フォロワ支持部、(78)…コネクタ、(80)…第2の枢動アセンブリ、(81)…第2の枢動軸、(82)…軸受、(84)…機械的コネクタ、(86)…段付きねじ、(88)…スペーサ、(90)…軸、(92)…ロードセル、(100)…第3の枢動アセンブリ、(101)…第3の枢動軸、(102)…ニードル軸受、(106)…ねじ、(108)…スペーサ、(110)…弾性装置、(200)…制御システム、(210)…人工固有受容体、(220)…制御器、(230)…電力駆動部、(240)…電源、(250)…センサ、(252)…光学スイッチ、(254)…部品、(260)…インクレメンタル光学式エンコーダ、(262)…ストリップ
【図１】
2005536317.tif 000011
【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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【国際調査報告】
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