(57)【要約】      （修正有）【課題】人体以外の動力源を用いることなく、人間の筋骨格系に荷重に対して、十分な剛性と柔軟な追随性を持ち、しかも安全で安価な、且つ簡便な、応力伝達のためのリンク機構と、該リンク機構を具備した歩行補助装置を提供する。【解決手段】複数のリンク材１９、２０で構成されたリンク機構と該リンク機構の遠位部あるいは近位部に連結された関節機構２３，２４よりなる歩行補助装置を人体に装置することにより歩行等の補助を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のリンク機構が関節機構によって連結されているリンク機構であって、膝関節機構は外力の荷重に対して関節反力として作用する１乃至２個の機械式ばね、好ましくは捻りコイルばねにより構成され、該リンク機構の第１リンクの一端部は、前述の関節機構の一端部と連結され、第２リンクの一端部は、該関節機構の他端部と連結されるリンク機構。
【請求項２】
前記膝関節機構を構成する捻りコイルばねの最大トルクが３．４Ｎｍ、最大角度１００°、最大外形６０ｍ／ｍである捻りコイルばねにより構成されている膝関節機構。
【請求項３】
前記、捻りコイルばねの材質が、金属、非鉄金属あるいは各種の高分子系材料であり、好ましくは、市場での入手が容易であり、安価で、信頼性の高いＳＫＥ（Ｓ７０ＣＭ相当材）である捻りコイルばね。
【請求項４】
請求項１のリンク機構が対向して配置された４本のリンクで形成される四辺形の断面が同一形状または相似形状であるリンク機構。
【請求項５】
請求項４のリンク機構の軸方向の両端部が、自在継手好ましくは球面継手を介して、該リンクを狭持する固定版に連結されているリンク機構。
【請求項６】
請求項４のリンクが形成する断面の回転中心に更にもう一本の絵インクが球面継手を介して、請求項５に記載の固定版に連結されているリンク機構。
【請求項７】
請求項６のリンクが、初期張力をもった、もしくは持たない部材であるリンク機構。
【請求項８】
前述のリンク機構によって連結されている関節機構が、人間の左右の距腿関節、膝関節及び股関節の水平面外側部に接触または非接触に設けられている装着型歩行補助装置。
【請求項９】
請求項８の歩行補助装置の床反力の受容装置が、脊柱の仙尾椎後彎始点、好ましくは脊柱のＬ５（第５腰椎）とＳ２（第２仙椎）間、更に好ましくはＬ５（第５腰椎）とＳ２（第２仙椎）間の水平面後背部に設けられ、左右の股関節とフレームを介して連結されている歩行補助装置。
【請求項１０】
請求項８の反力受容装置がピン構造等を介して連結されたフレームが左右の大殿筋下部と恥骨結合部に接触する構造となっている歩行補助装置。
【請求項１１】
請求項１及び請求項４乃至請求項８に記載のリンク機構の素材の内部応力の配向方向が、外力の垂直方向に対して、夫々１８０°、９０°、６５°を形成する素材により交互に積層さ
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】本発明は、一対のリンクが関節機構によって連結されているリンク機構に関し、特に該リンク機構を介して、人間の歩行補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】特許文献１には、小型軽量で脱着が容易な、関節反力補助装置として、超音波モーターを応用した駆動手段と、この駆動手段の動力を人間の関節の動きに同調させる制御手段を有すると共に、上記駆動手段を人間の膝に代表される関節に配し、人間が任意の動きを行う際に、その動きの補助を行い、上記駆動手段を進行波型超音波でモーターを組み合わせ、且つ人間の関節の動きを感知するセンサーで構成した関節補助装置が提案されている。【０００３】また、特許文献２には、駆動力の伝達効率を向上させることが出来、動作量及び駆動力を増幅することができる装着型関節駆動装置であり、該装置は流体式アクチュエーターと制御ユニットを備え、この流体式アクチュエーターにより膨張収縮する膨張収縮体が上記関節機構に連結されたフレーム間に取り付けられ、該膨張収縮体か、膨張収縮することにより、駆動力を発生、伝達する装着型関節駆動装置が提案されている。【０００４】特許文献３には、下肢麻痺等の歩行障害者に自力歩行手段を与えるため、被着用者の体幹部に装着され、左右の下肢を固定する左右１対の支柱を有する補装具と該補装具に装着され、上記２本の支柱の夫々を独立的に長さを変化させる空気圧式支柱長可変機構を具備し、さらに支柱長さ、鉛直方向に対する支柱角度、作動空気圧力の夫々を検知するセンサーと、該センサーからの信号に基き制御アルゴリズムに従い、支柱長さを交互に伸縮させる制御装置及び上記の支柱長可変機構に空気圧を供給する空気源を有することを特徴とする歩行補助装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】特開２０００−１０７２１３号公報
【特許文献２】ＷＯ２００４／０８７０３３号公報
【特許文献３】特許第３０３２０３９
【発明の概要】
【発明の解決しようとする課題】
【０００５】上述した従来技術は、何れも人間の体の動きを補助するための関節機構や外骨格支柱に電動モーターや流体機器、空気圧機器を用いるものであり、そのためにモーターを駆動するための電源装置や流体機器に駆動用の流体を給排するための動力装置、空気圧機器を駆動さすための空気圧源装置さらには制御装置が必要となり、装置が大がかりになり、高価なものになるという問題があった。
【０００６】また、動力源を外部に設置する場合にはキャプタイヤ、エアホース、油圧ホースが必要であり、行動範囲がその動力源の近傍に制限され、装着者の自由意志による行動が制約されてしまう。
【０００７】加えて、制御装置が誤作動すると装着者の意に反した異常な動きを示し、事故の原因となるという問題もあった。
【０００８】しかし、これら先行文献などによる、装着型の、人間の筋骨格系補助装置の最も大きな問題点は、応力を伝達するためのリンク機構にある。
【０００９】つまり、人間の筋骨格系を構成する筋肉や骨にかかる外力は、ほとんど全て、非線形的であり、当然の帰結として、内部応力も非線形的に外力に拮抗して発現する。
【００１０】実験室などの静的で良好な環境下で身体の応力分布を解析する身体自由ダイアグラムによる応力解析や、皮膚表面に設置された電極から電気信号、いわゆるＥＭＧ（筋電図）信号を正現化することによる応力解析方法では処理できない外力が、日常生活においては常に、あるいは突然に発生する。
【００１１】このような外力に拮抗する応力を伝達するリンク機構を構成する部材を決定するための強度計算は、予測が困難な外力に対しては、通常衝撃荷重の範囲として、安全率を整数倍乗じて部材の材質、寸法、加工方法などを決定している。
【００１２】しかし乍ら、この様な方法で決定された剛体では、人間の筋骨格系の最もすぐれた機能である外力に対する柔軟性と追随性に同調して応力を伝達することは出来ない。
【００１３】非線形的に発生する外力に拮抗して、必要十分な強度だけでなく柔軟に、しかも即座に追随して動き、簡便でしかも安全で且つ安価な応力伝達のためのリンク機構が求められているが今日までその様なリンク機構はない。
【００１４】本発明は、上述した従来の問題点と実情に鑑み、人体以外の動力源を用いることなく、非線的に発生する外力に対して、十分な剛性と柔軟な追随性を持ち、しかも安全で安価な、且つ簡便な、応力伝達のためのリンク機構と該リンク機構を具備した歩行補助装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】上記の課題を解決するため、本発明は以下の手段を提供する。
【００１６】対向する一対のリンク機構が夫々、四辺形を構成するように対向配置された４本のリンクより成り、リンクの一方の端部と他方の端部が、自在継手、好ましくは球面継手を介して、該リンクを挟持する固定板に連結されているリンク機構。
【００１７】４本のリンクによって概念的に形成される四辺形の断面の回転中心の延長線と前述の４本のリンクを挟持する固定板との交点に取り付けられた自在継手、好ましくは球面継手を介して関節機構に連結されているリンク機構。
【００１８】上記４本のリンクの回転中心には、さらにもう一本のリンク材が、自在継手、好ましくは球面継手を介して、リンク材を挟手する固定板に設けられているリンク機構。
【００１９】該リンク材が、初期張力を持った、もしくは持たない部材で構成されているリンク機構。
【００２０】前述のリンク材の材質は、金属、非鉄金属あるいは高分子系材料など、任意の材料を選択できる。またその材料の断面形状も角形、円筒形、円柱形等、任意の形状を選択できるが、好ましくは円柱形、更に好ましくは円筒形であるリンク機構。
【００２１】しかし、更に重要なことは、上記リンク材の内部構造である。非特許文献『ＫＩＮＥＳＩＯＬＯＧＹ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＭＵＳＣＵＬＯＳＫＥＬＥＴＡＬ』  ｂｙ  Ｄｏｎａｌｄ  Ａ．Ｎｅｕｍａｎ  によると、人間の筋肉の膠原線維は垂直線に対して約６５°であり、隣接する層の線維は反対方向に走行する。この構造配列は解離（垂直軸の分離）、剪断（滑り）およびねじり（ひねり）に抵抗する。もしこれらの膠原線維が垂直に近いものだけならば、外力の索引力に耐えうるが、滑りやねじれなどの力には抵抗しきれない。６５°という角度は、通常の運動による張力に抵抗できる幾何学的な妥協点である。伸延力は屈曲、進展、側屈に本来備わる要素であり、隣接椎体に対して傾く際に生ずる。剪断力とねじれ力は脊柱のほとんどのすべての運動で生ずる。線維輪の線維走行が層ごとに交互パターン（図１）であることにより剪断力が、ねじり力の方向に対応する膠原線維のみが緊張し、他の線維は弘緩する。そこで本発明のリンク材はこのような人体の筋肉の基本的な構成單位である膠原線維の配向と同様に外力に対向する素材の内部応力が垂直方向に対して１８０°、９５°、６５°をなすように交互に積層して配置されていることを特徴とする。例えば、リンクの素材として金属や非鉄金属の圧延製品を選択するならば、圧延方向に対して、前期角度を形成するように成型加工すればよい。簡便な方弦としては、スパイラル成型材とパイプ材と板材のパイプ成型材とを積層することにより目的の素材を得ることができる。
【００２２】人間の左右の距腿関節、膝関節、股関節、仙腸関節（図２）の水平面外側部周辺及び脊柱の仙尾椎後彎始点、好ましくは脊柱のＬ５（第５腰椎）とＳ４（第４仙椎）間、更に好ましくは、Ｌ５（第５腰椎）とＳ２（第２仙椎）間（図３）の水平面後背部周辺に配置された関節機構が前期リンク機構の遠位、近位として連結されていることを特徴とする歩行補助装置。
【００２３】前期、関節機構の膝関節機構には、１及至２個の機械式ばね、好ましくは捻りコイルばねが内臓されており、歩行の際の関節反力を補助する。
【００２４】距腿関節機構は、装着者の靴に直接または間接に装備され歩行時の床反力を該関節機構に連結されている前述のリンク機構により、遠位である膝関節に伝達する。
【００２５】この膝関節機構に伝達された反力は、前述のリンク機構により遠位である股関節機構に伝達される。
【００２６】股関節に伝達された反力は、フレームを介して前述の第２仙椎水平面後背部あるいは仙尾椎後彎始部水平面後背部を支部とする反力受容装置に伝達される。
【発明の効果】
【００２７】本発明は以下の効果を奏する。
【００２８】本発明のリンク機構及び該リンク機構を具備した歩行補助装置は、以上の如く構成されているので、該装置の装着者は、補装具により、下肢の関節反力が補助され、歩行に必要な消費エネルギーは少なくて済む。
【００２９】リンク機構は、装着者の筋骨格系に追随して動くので、装着者は、装着の違和感なく安全に円滑な歩行が可能となる。
【００３０】また、人体以外の動力源を使わないので、安価で軽量且つ簡便であり、制御も人間の五感で制御するため、誤作動などは発生せず、安全に歩行ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】膠原線維の配向図である
【図２】下肢骨格系の構成図である
【図３】胸椎後彎、腰椎前彎、仙尾椎後彎の構成図である。
【図４】本発明の歩行補助装置の全体構成を示す斜視図である。
【図５】捻りコイルばねの寸法図である。
【図６】膝関節装置連結リンク材の作動線スケッチである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】下記に表示した立脚相及び遊脚相の各歩行周期における位置エネルギーと運動エネルギーの相互交換、筋活動のタイミングや筋力の大きさ、各関節におけるエネルギーの産出と吸収等については、自体自由ダイヤグラム分析、ＥＭＧ信号分析等の各種分析手法により、また先行技術により既知であるが、下表の如く非線形的に発生する応力は複合的に人間の筋骨格系に負担を強いる。
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【００３４】まず、本発明は、下記図示の歩行周期における立脚相始期歩行周期０％の踵接地、図２、符号▲２▼の距骨回転中心には、踵骨（３）からの床反力が距骨（１）を介して、伝達される。この反力のベクトルは、上記の表の如く、背屈、底屈、内がえし、外がえしにより、対応し、反力を受ける。図４、符号（３０）の距腿関節装置は、（２）にかかる床反力を補助的に受容する。その際、近位の自在継手、好ましくは球面継手（２２）により、反力は、近位固定版（２１）を介して、該（２１）に球面継手により連結されたリンク（１９）及び（２０）により同じく遠位球面継手（２２）により、遠位固定版（２１）に狭持された球面継手を介して、膝関節装置（２３）に伝達され、該（２３）は内部に設けられた機械式バネにより関節反力を補助し、特に該膝関節装置は、歩行中の人間の五感による下肢の微細制御、いわゆる遊脚中に起こるトウ・クリアランス（足指と地面の間の最小距離。８ｍ／ｍ〜９ｍ／ｍ）の制御をさまたげずスムーズに立脚相に移行する役割を果す。
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【００３５】膝関節装置（２３）によって緩衝された反力は、同様に近位（２１）（２２）及び下肢取付用締付具（２８）並びに取付板（２７）を介して、同様の構成により上部リンク（１９）（２０）に伝達され、上部（２１）（２２）を介して、股関節装置（２４）に伝達される。
【００３６】股関節装置は装着用フレーム（２６）に自在継手を介して取り付けられる。該フレームは身体との密着性から弾性体により構成されているため股関節に伝達された反力は該（２６）に取り付けられた反力に対して必要十分な強度を持った材料により構成された反力受容装置（２５）に伝達される。
【００３７】前記。反力受容装置（２５）は、適度な硬度と摩擦係数を持ったフレーム（２６）により構成されており、本装置の装着者の体重心▲１１▼の近位に位置する仙腸関節▲１３▼、仙骨▲１７▼、尾骨▲１８▼を通る水平面近辺と恥骨結合を通る矢状面及び前額面近辺で、反力を受けるので歩行中常に非線形的な負荷を与え続ける反力による慣性モーメントやトルクは、限りなく吸収され、滑らかな歩行ができる。
【００３８】加えて、該リンク機構▲１９▼▲２０▼は、図１の如く、筋肉の膠原線維と相似の配向をした部材が積層されて形成されており、非線形的に発生する応力に対し、最適な条件で荷重の伝達をすることができる。
【００３９】非線形的に発生する荷重に対して、例えば特許第３７６９６１５゛非線形バネ要素  ＳＡＴ゛に提案されているリンク（１９）の部材として使用し、中心のリンク（２０）には、応力授受のため、必要十分な断面係数をもった部材の構成にすることにより、どのような荷重（引張り、曲げ、捻り、座屈、複合荷重など）に対しても、柔軟に追随して対応することができる。
【００４０】次に該リンク機構の作動と効果について説明する。
【００４１】また、上記［００４０］の構成以外にも（２０）に初期張力を内蔵した部材を使用することにより、重力の加速度を減じることができ、歩行時の消費エネルギーをより少なくすることができる。また、この効果は逆にリンク（１９）に初期張力を内蔵さすことによっても可能である。
【００４２】膝関節装置（２３）は図５の提示された機械式捻りコイルばねにより構成されバネの両端は、上下リンクに連結するための狭持板に締付具（２８）により取り付けられている。
【００４３】この膝関節装置（２３）は、膝関節中心（１１）の大腿骨遠位部と脛骨（５）と腓骨（６）による、動的回転軸は一定せず、関節の滑りと転がりにより変位するので、変位する回転軸に対応するために、該回転軸を挟んで上下２個の関節装置を同調レバー、摩擦歯車などによる同調機構を装備または、装備しない構成とすることも可能である。
【００４４】当該装置は、あらかじめ用意された靴に締付具（２９）により、距腿関節（４）と中足関節、横足根関節の矢状面、前額面、水平面の支点周辺を締め付け、取り付ける。
【００４５】反力受容装置（２５）、締付具（２８）（２９）を身体に取り付ける位置は、身体の各体節の重心位置周辺の水平面に具備することにより、各部位の慣性のモーメントを減じ、滑らかな歩行を可能にすることができる。なお各体節の重心位置は、ｆｒｏｍ  Ｄｅｍｐｓｔｅｒ  ＷＴ：１９５５：Ｓｐａｃｅ  ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｓｅａｔｅｄ  ｏｐｅｒａｔｏｒ．ＷＡＤＣ−ＴＲ−５５−１５９，Ｗｒｉｇｈｔ  Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ  Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｂａｃｅ．Ｂｒａｕｎｅ  ａｎｄ  Ｆｉｓｃｈｅｒ  １９８９．゛ＫＩＮＥＳＩＯＬＯＧＹ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＭＵＳＣＵＬＯＳＫＥＬＥＴＡＬ  ＳＹＳＴＥＭ゛ｂｙ  Ｄｏｎａｌｄ  Ａ．Ｎｅｕｍａｎ  Ｐ９４によれば下記の通りである。
【００４６】各体節の重心位置
下肢：膝関節直上
大腿：短内転筋（または大内転筋、内側広筋）内で、大殿筋粗面の１３ｍ／ｍ内方、内        転筋管の深層：大腿三角の頂点から２９ｍ／ｍ下方で短内転筋遠位線維の１８ｍ        ／ｍ近位。
下腿：膝窩の３５ｍ／ｍ下で、後脛骨筋の後部：アキレスの腱近位端の１６ｍ／ｍ上：        骨間膜の８ｍ／ｍ後方。
足部：足底腱膜内、または隣接の深部足部筋の表面：第２、３楔状骨の近位半分のした        、第２中足骨面内で足関節中央と足部の第１中足骨頭を結ぶ線上。
全身：第２仙椎の前。
【符号の説明】
【００４７】（１）  距骨                      （１９）リンク
（２）  距骨回転中心              （２０）リンク
（３）  踵骨                      （２１）固定板
（４）  距腿関節                  （２２）継手
（５）  腓骨                      （２３）膝関節装置
（６）  脛骨                      （２４）股関節装置
（７）  膝関節中心                （２５）反力受容装置
（８）  膝蓋骨                    （２６）フレーム
（９）  大腿骨                    （２７）締付具取付板
（１０）股関節回転中心            （２８）締付具
（１１）体重心                    （２９）締付具
（１２）仙腸関節回転中心          （３０）距腿関節装置
（１３）仙腸関節
（１４）腸骨
（１５）腸骨陵
（１６）大腿骨頭
（１７）仙骨
（１８）尾骨
【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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