(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下脚ブロックと、
ヨーク組立体と、
前記ヨーク組立体の部材であるクラッチ要素とを含む機械式関節であって、
前記クラッチ要素は、
前記機械式関節に重みがかかる場合、前記ヨーク組立体に対して前記下脚ブロックが一方向に回転することを機械的に防止し、
前記機械式関節に重みがかからない場合には、前記ヨーク組立体に対する前記下脚ブロックの自由回転を機械的に許容し、
前記クラッチ要素は、
中央円筒形バンドと、
前記中央円筒形バンドの第１の縁に取り付けられ、前記中央円筒形バンドから螺旋状に離隔する第１のコイルと、
前記中央円筒形バンドの第２の縁に取り付けられ、前記第１のコイルとは反対方向に前記中央円筒形バンドから螺旋状に離隔する第２のコイルとを有する、機械式関節。
【請求項２】
前記ヨーク組立体は、
第１のアーバー装着部と第２のアーバー装着部とを備えたヨークを含むヨーク・アーバーサブアセンブリと、
前記第１のアーバー装着部に装着される第１の円筒形シャフトを有する第１のアーバーと、
前記第２のアーバー装着部に装着される第２の円筒形シャフトを有する第２のアーバーとを含み、
前記第１のコイルは前記第１のアーバーに回転可能に装着され、
前記第２のコイルは前記第２のアーバーに回転可能に装着され、
前記機械式関節に重みがかかる場合、前記ヨーク組立体に対して前記下脚ブロックが一つの回転方向に回転することを防止するために、前記第１のコイル及び前記第２のコイルが、前記第１の円筒形シャフトおよび前記第２の円筒形シャフトをそれぞれ固定する、請求項１に記載の機械式関節。
【請求項３】
前記ヨークは、構造部材と、前記第１のアーバー装着部と、前記第２のアーバー装着部とを含み、
前記第１のアーバー及び前記第２のアーバーのそれぞれは、前記第１のアーバー装着部及び前記第２のアーバー装着部のそれぞれに相補的な装着部材を含み、
前記第１のアーバーの前記装着部材が、前記第１のアーバー装着部に嵌合し、第１の固定部材によって前記第１のアーバー装着部にさらに固定されると、前記第１のアーバーは前記ヨークにしっかりと装着され、
前記第２のアーバーの前記装着部材が、前記第２のアーバー装着部に嵌合し、第２の固定部材によって前記第２のアーバー装着部にさらに固定されると、前記第２のアーバーは前記ヨークにしっかりと装着される請求項２に記載の機械式関節。
【請求項４】
前記ヨーク組立体は、
第１の円筒形アーバースリーブの内面と前記第１の円筒形シャフトの表面との間に置かれた前記第１のコイルと共に、前記第１の円筒形シャフトに回転可能に装着された前記第１の円筒形アーバースリーブと、
第２の円筒形アーバースリーブの内面と前記第２の円筒形シャフトの表面との間に置かれた前記第２のコイルと共に、前記第２の円筒形シャフトに回転可能に装着された前記第２の円筒形アーバースリーブとをさらに含み、
前記第１のコイルの端部部材は、前記第１の円筒形アーバースリーブの相補的な部材と対になり、前記第２のコイルの端部部材は、前記第２の円筒形アーバースリーブの相補的な部材と対になり、
前記機械式関節に重みがかからない場合、前記第１の円筒形アーバースリーブ及び前記第２の円筒形アーバースリーブは、前記第１のアーバー及び前記第２のアーバーに対してそれぞれ回転し、前記第１のコイルと前記第２のコイルとにそれぞれ捩じり力を加えて、前記第１および第２のコイルと前記第１および第２の円筒形シャフトとの間の相互作用を緩め、前記ヨーク組立体に対する前記下脚ブロックの自由回転を可能にする請求項２に記載の機械式関節。
【請求項５】
前記下脚ブロックが前記クラッチ要素から離れる場合、前記第１および第２の円筒形アーバースリーブと前記下脚ブロックとを連結する連結部材は、前記第１および第２の円筒形アーバースリーブに回転力を提供し、
前記第１のコイルの端部部材及び前記第２のコイルの端部部材は、前記第１の円筒形アーバースリーブ及び前記第２の円筒形アーバースリーブの相補的な部材内に嵌合する正角柱の断面であり、
トルク伝達ピンは、前記下脚ブロックにバネで装着され、前記中央円筒形バンドの開口を通過し、
前記ヨーク組立体は、前記トルク伝達ピンがスライドする一部シャフト開口を有する円筒形カムをさらに含み、
前記トルク伝達ピンは、前記クラッチ要素と前記下脚ブロックとを回転可能に結合し、  前記円筒形カムは、前記ヨークに固定され、前記トルク伝達ピン及び前記下脚ブロックが前記ヨーク組立体に対して回転する際シャフト開口の深さが変化する請求項４に記載の機械式関節。
【請求項６】
前記下脚ブロックは、下部義足にしっかりと固定され、
前記ヨーク組立体は、上部義足にしっかりと固定される請求項１に記載の機械式関節。
【請求項７】
下部義足に対して上部義足の制限された回転を可能にするために、前記上部義足を前記下部義足に機械的に相互連結させる方法であって、
前記下部義足を機械式関節の下脚ブロックに連結するステップと、
前記上部義足を前記ヨーク組立体に連結するステップとを含み、
前記機械式関節は、
ヨーク組立体と、前記ヨーク組立体の部材であるクラッチ要素をさらに含み、
前記クラッチ要素は、前記機械式関節に重みがかかる場合、前記ヨーク組立体に対して前記下脚ブロックが一方向に回転することを機械的に防止し、前記機械式関節に重みがかからない場合には、前記ヨーク組立体に対する前記下脚ブロックの自由回転を機械的に許容し、
前記クラッチ要素は、
中央円筒形バンドと、
前記中央円筒形バンドの第１の縁に取り付けられ、前記中央円筒形バンドから螺旋状に離隔する第１のコイルと、
前記中央円筒形バンドの第２の縁に取り付けられ、前記第１のコイルとは反対方向に前記中央円筒形バンドから螺旋状に離隔する第２のコイルとを有する、方法。
【請求項８】
前記ヨーク組立体は、
第１のアーバー装着部と第２のアーバー装着部とを備えたヨークを含むヨーク・アーバーサブアセンブリと、
前記第１のアーバー装着部に装着される第１の円筒形シャフトを有する第１のアーバーと、
前記第２のアーバー装着部に装着される第２の円筒形シャフトを有する第２のアーバーと、
前記クラッチ要素とを含んでおり、
前記第１のコイルは前記第１のアーバーに回転可能に装着され、
前記第２のコイルは前記第２のアーバーに回転可能に装着され、
前記機械式関節に重みがかかる場合、前記ヨーク組立体に対して前記下脚ブロックが一つの回転方向に回転することを防止するために、前記第１のコイル及び前記第２のコイルが、前記第１の円筒形シャフトおよび前記第２の円筒形シャフトをそれぞれ固定する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ヨーク組立体は、
第１の円筒形アーバースリーブの内面と前記第１の円筒形シャフトの表面との間に置かれた前記第１のコイルと共に、前記第１の円筒形シャフトに回転可能に装着された前記第１の円筒形アーバースリーブと、
第２の円筒形アーバースリーブの内面と前記第２の円筒形シャフトの表面との間に置かれた前記第２のコイルと共に、前記第２の円筒形シャフトに回転可能に装着された前記第２の円筒形アーバースリーブとをさらに含み、
前記第１のコイルの端部部材は、前記第１の円筒形アーバースリーブの相補的な部材と対になり、前記第２のコイルの端部部材は、前記第２の円筒形アーバースリーブの相補的な部材と対になり、
前記機械式関節に重みがかからない場合、前記第１の円筒形アーバースリーブ及び前記第２の円筒形アーバースリーブは、前記第１のアーバー及び前記第２のアーバーに対してそれぞれ回転し、前記第１のコイルと前記第２のコイルにそれぞれ捩じり力を加えて、前記第１および第２のコイルと前記第１および第２のシャフトとの間の相互作用を緩め、前記ヨーク組立体に対する前記下脚ブロックの自由回転を可能にする請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１５年１０月２６日出願の米国仮特許出願第６２／２４６，４８５号の利益を主張する２０１６年１０月２６日出願のＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０５８９４８号に基づいた優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、人工装具、外骨格、矯正及び／又はロボット装置に使用される人工関節に関し、特に、切換可能な回転拘束のために提供するために、人工関節内に組み込まれた両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチに関する。
【背景技術】
【０００３】
義肢と人工関節との設計及び製造は、大規模な重要産業である。人工装具は、軍事的衝突、交通事故による四肢損失に対処し、現在増加している糖尿病を含む多くの異なる種類の病気及び病理に対処するのに使用される。現在、大規模な設計及び開発の努力は、一つ以上のマイクロプロセッサによって制御される複雑な電気機械式人工装具に向けられている。一部の設計は、患者の身体内の神経活動を感知し、これに反応して義肢の動き及び動作を少なくとも部分的に制御することを目指す。これらの多くの複雑且つ高コストの人工装具は、シミュレートされた自然の動きと生物学的な手足のように動作する特性を提供するが、これらは多くの欠点を有する。第一の欠点はコストである。先進国の多くの市民にさえも、数万〜数十万ドルの義肢の費用が手の届かないところにある。地雷や未発見の不発弾などの軍事的衝突及び残余の危険に苦しむ貧しい国々を含む多くの発展途上国において、現代的且つ複雑な電気機械式人工装具は、比較的裕福な住民にさえ高価すぎる。また、複雑な電気機械式人工装具は、信頼できる電源の供給、急な学習曲線、身体的な適合性要件、及びそのような人工装具の使用に関連する訓練のための間接費の問題を含むかなりの欠点を有し、複雑な設計及び実行に一般に伴われる故障モードの多くのタイプは、耐水性の欠如、有害な環境要因への脆弱性、頻繁なメンテナンス及び修理費用を含む。このような理由から、製造が簡単で、比較的安価であり、堅牢で、信頼できる新規の機械式人工装具を開発することへの大きな関心が依然としてある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示は、生物学的膝と同様の機能を提供する機械式人工膝に組み込まれるか、ロボット若しくは矯正用連結装置又は部材等の他の連結装置内に組み込まれた両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチに関する。現在開示されている両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチは、非活性化時には両方向の自由回転を可能にするが、活性化時には他方向への自由回転を可能にしつつ一方向への回転を防止する。機械式人工膝において、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチは、機械的な力の適用によって活性化され、機械的な力の除去によって非活性化される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】人間の歩行サイクルを示す。
【図２】機械式人工膝関節内に組み込まれ、デュアルラップバネクラッチ（dual-wrap-spring clutch）要素を含む、現在開示されている両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチの分解図を提供する。
【図３Ａ】デュアルラップバネクラッチ要素のクラッチ操作を誇張して示す。
【図３Ｂ】デュアルラップバネクラッチ要素のクラッチ操作を誇張して示す。
【図３Ｃ】デュアルラップバネクラッチ要素のクラッチ操作を誇張して示す。
【図３Ｄ】デュアルラップバネクラッチ要素のクラッチ操作を誇張して示す。
【図４】組み立てられた、現在開示されている人工膝の両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構を示す。
【図５】上述の両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチが組み込まれた義足を示す。
【図６Ａ】図５に示された義足の動作を示す。
【図６Ｂ】図５に示された義足の動作を示す。
【図６Ｃ】図５に示された義足の動作を示す。
【図７】損傷した脚の治癒を促進したり、損傷した四肢に向上した機能を提供するために着用することができる矯正外骨格様装置を示す。
【図８Ａ】より複雑な人工関節及びロボット組立体内に組み込むことができる二重機械式クラッチ組立体を示す。
【図８Ｂ】より複雑な人工関節及びロボット組立体内に組み込むことができる二重機械式クラッチ組立体を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
図１は、人間の歩行サイクルを示す。図１は、左から右の方向に水平面１０２に沿って、前方に歩いている人の右脚の歩行サイクルを示す。図１において、右脚は、回転股関節１０４、上脚軸１０６、回転膝関節１０８、下脚軸１１０、回転足首関節１１２、及び足１１４によって概略的に表される。図１に示す第１の位置１１６において、歩行中に足１１４のかかとが水平面１０２にちょうど接触して、脚が前方に押し出されるようになる。人が前方に歩行し続けるとき、人は人の重心における前進移動に伴う他方の脚の筋肉の運動によって大きく前方に進み、膝関節が回転することによって人の体は前方に移動するとともに、足は摩擦によって水平面上に確実に位置決めされる。これは、図１に示す第２の位置１１８に示されている。位置１２０で、人の身体は脚を伸ばしながらさらに前方に移動する。位置１２２で、膝関節が回転し続け、身体の重心が足と膝を超えて前方に進む。膝関節の回転は、位置１２４まで継続し、足首関節及び膝関節の両方ともが回転して人のかかとを水平面上に持ち上げ、そして、脚の筋力が人を前方に進ませる。位置１２６で、人の左脚が位置１１６から位置１１８に移動し、示されている右脚に重みがかからず、足は水平面に接触しない位置に持ち上げられる。位置１２８〜１３０で、これにより膝を反対方向に回転することが可能となり、地面と接触できるようにするために下脚を前方にスイングさせる。位置１３０は歩行サイクルを完了した様子であり、これは位置１１６に相当する。
【０００７】
したがって、歩行サイクルは、一般的に立脚期１３２と遊脚期１３４とを有することを説明することができる。立脚期において、膝関節は、位置１１８から位置１２０までまっすぐ伸ばすために、図１の視点から下脚を時計回りに回転させる必要がある。しかし、人の体の重心が膝の位置の後ろに位置するため脚が座屈し、その結果、転倒することを防止するために、膝は反時計回りへの回転に耐えなければならない。これとは逆に、遊脚期１３４の間は、膝は下脚を時計回りに回転させ続けることができるが、その後に脚を前方に押して次の立脚期が始まることを容易にするために、下脚を反時計回りに回転させることができる。一般に、遊脚期１３４中は脚に重みがかけられないが、立脚期１３２中は人の体の重力が脚構造を押し下げるため、脚に重みがかかる。
【０００８】
大腿骨切断の患者のためには、歩行及び他のタイプの運動と移動を可能にしようと、一般的に人工膝関節が使用される。人工膝は膝の座屈を防止するために、一般に立脚期中に回転を制限しようとするが、遊脚期中は膝を比較的自由にスイングさせる。「義足歩行（peg-leg walking）」と呼ばれる修正された歩行サイクルなどの歩行サイクルを変更することによって、遊脚期中の特定レベルの回転制限は切断患者が克服することができるが、立脚期中の人工膝の一方向のみに回転できなくなると、かかる人工膝は不適切で危険なものになり得る。
【０００９】
上述した通り、人工膝は概ね、マイクロプロセッサ制御式、電気機械式人工膝、又はマイクロプロセッサと一般にデジタル電子装置とがない純粋な機械式膝に分類することができる。立脚期中に脚に重みがかかる場合、制限されない膝の回転を防止するための多様且つ相違するタイプの機械式膝は、油圧ブレーキ、空気圧ブレーキ、摩擦ブレーキ及び／又はリンク装置の幾何学的干渉を使用する。電気機械式膝は、類似する機械式部品を使用することができるが、一般に、人工膝の動作を制御するためには、ソフトウェアで制御されるマイクロプロセッサとその他のデジタル-電子部品とを使用する。
【００１０】
現在使用可能な従来の機械式膝の場合において、切断患者は、患者の残りの筋肉で膝を制御し、立脚期中の膝の安定性を維持するために歩行時に特定の技術を行うことを学習する。ユーザーが膝を正しい位置に置かない場合、膝は不安定になる。これは、かなりの訓練と専門知識が要求され、切断患者に余分な精神作業負荷（mental workload）が強要され、結果、歩行時により高い集中力とより多くのエネルギーが消費されることを意味する。しかし、従来の機械式膝は、一般に、マイクロプロセッサ式膝よりも耐久性があり、安価であるため、広範囲に使用されている。
【００１１】
一方、マイクロプロセッサで制御される膝は、様々なセンサを監視し、歩行サイクル内のユーザーの位置を決定し、ユーザーの安定性制御のエンゲージメントを自動的に制御する。実際に、このような膝は概ね安定モードに維持される。その結果、歩行効率が向上し、精神作業負荷が減少する。しかし、マイクロプロセッサで制御される膝はかなり高コストであり、電源（通常、バッテリー）が必要であり、機能を適切に実行するための重要な調整及びメンテナンスを頻繁に必要とする。
【００１２】
本明細書は、立脚期中の脚に重みがかかる場合、下脚及び上脚の相対回転に対して所望の制限を与えるが、遊脚期中の脚に重みがかからない場合には、上脚に対する下脚の相対的な自由回転を提供する新規な機械式人工膝関節を開示している。現在開示されている機械式人工膝関節は、記載された実施例において完全に機械式であり、マイクロプロセッサベースではなく人工膝である。しかし、他の実施例では、現在開示されている機械式人工膝の機械部品を活用した機械式人工膝関節内に、状態機械（state machines）及びマイクロプロセッサの両方又はいずれかを含む電子装置と制御ロジックが組み込まれ得る。つまり、現在開示されている機械式人工膝は、純粋な機械式で実施されるのに適しているが、現在開示されている機械式部品は、より複雑な電気機械式人工膝にさらに使用することができる。
【００１３】
現在開示されている人工膝に使用される機械式回転-制限機構は、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチの一種である。このような機械式クラッチは、単体のデュアルラップバネクラッチ要素（「ＷＳＣ」）をベースとする。図２は、機械式人工膝関節内に組み込まれ、デュアルラップバネクラッチ要素を含む、現在開示されている両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチの分解図を提供する。図２に示すように、機械式人工膝関節は、ＷＳＣ２０２と、２つのアーバー２０４及び２０６と、２つのアーバースリーブ２０８及び２１０と、２つのクラッチピン２１２及び２１４と、ヨーク２１６と、カム方式の動力調節器及び寸法制限部２１８と、トルク伝達ピン２２０と、トルク伝達ピン用バネ２２２と、２つの可撓性リンク装置２２４及び２２６と、下脚ブロック２２８とを含む。
【００１４】
図２において、機械式人工膝が膝蓋骨（kneecap）を含む場合、膝蓋骨は矢印２３０の方向の外部に向く。膝の後ろは矢印２３２の方向に向く。下脚ブロック２２８は、下部義足組立体に堅固に取り付けられ、トルク伝達ピン２２０がＷＳＣ２０２と下脚ブロック２２８とを回転可能に結合し、ヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６は、上部義足組立体に堅固に取り付けられる。ＷＳＣ２０２は、アーバー２０４及び２０６とヨーク２１６とに対してトルク伝達ピン及び下脚ブロック２２８とともに回転する。立脚期中の脚に重みがかかる場合、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構は、ヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６とに対して図を見る観察者の観点から下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０が反時計回りに回転することを防止するように動作するが、下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０が時計回りに回転することは可能にする。遊脚期中の脚に重みがかからない場合、下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０は、ヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６とに対して時計回り及び反時計回りに自由に回転することができる。
【００１５】
ＷＳＣは摩擦ベースのクラッチを提供する。ＷＳＣ２０２は、後述するアーバーシャフトに相補的な柱面を提供する扁平なコイルを備えた２つの外向き螺旋状ヘリカルコイル（outward-spiraling helical coils）２３４及び２３６を含む。ＷＳＣの中心バンド２３８の下部の開口を介して取り付けられる下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０が、矢印２３０の方向の外部に回転する場合、外向き螺旋状コイルは、円筒形アーバーシャフト２４０及び２４２の表面上を、ヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６とに対して時計回りに自由に回転する。ＷＳＣ２０２がアーバー２０４及び２０６に対して回転するにつれて、外向き螺旋状ヘリカルコイルは、ねじのねじ山のように中央のＷＳＣバンド２３８に向けて、内部に水平移動しているように見える。しかし、下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０をヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６とに対して反時計回りに回転させるために、下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０が前方から後方、すなわち、矢印２３２の方向に押される場合、外向き螺旋状ヘリカルコイル２３４及び２３６がアーバーシャフト２４０及び２４２の表面を強く圧縮して回転を防止する。これらの外向き螺旋状ヘリカルコイルが下脚ブロック及びトルク伝達ピンとともに反時計回りに回転することができれば、ヘリカルコイルはアーバー２０４及び２０６の末端部に向けて外部に水平移動しているように見える。
【００１６】
ＷＳＣの外向き螺旋状ヘリカルコイルの上に乗るために、アーバースリーブ２０８及び２１０の相補的な六角端部の継手２４８と対になるＷＳＣの六角ナット状端部２４４及び２４６で、アーバースリーブ２０８及び２１０はアーバー２０４及び２０６の上に嵌合される。可撓性リンク装置２２４及び２２６は、開口２５０〜２５３を通るピンを介して下脚ブロック２２８に取り付けられ、開口２５４〜２５７を介してアーバースリーブ２０８及び２１０に取り付けられる。脚に重みがかかる場合、ヨーク２１６、アーバースリーブ２０８及び２１０、アーバー２０４及び２０６、並びにＷＳＣ２０２は、トルク伝達ピン用バネ２２２に対して下脚ブロック２２８に向かう下向きの力を受ける。ヨーク２１６、アーバースリーブ２０８及び２１０、並びにアーバー２０４及び２０６のこのような下向きの移動は、可撓性リンク装置２２４及び２２６を介してアーバースリーブ２０８及び２１０に伝達される上向きの力を引き起こし、アーバースリーブをアーバー２０６及び２０４とヨーク２１６とに対して時計回りに回転させる。これは、ＷＳＣの端部２４４及び２４６を時計回りに回転させて、アーバーシャフト２４０及び２４２に対して外向き螺旋状ヘリカルコイルが締め付けられてクラッチ動作できるようにしてもよく、下脚ブロック２２８及びトルク伝達ピン２２０がヨーク２１６とアーバー２０４及び２０６とに対して反時計回りに回転することを防止する。脚に重みがかからない場合、トルク伝達ピン用バネ２２２は下脚ブロックに対してＷＳＣ２０２を上方に押し上げ、その結果、可撓性リンク装置２２４及び２２６によってアーバースリーブ２０８及び２１０に下向きの力が加えられる。これは、アーバースリーブをアーバー２０４とヨーク２１６とに対して反時計回りに回転させ、外向き螺旋状のＷＳＣヘリカルコイル２３４及び２３６に反時計回りの回転を加えて、外向き螺旋状のヘリカル円筒の直径を拡張させ、アーバーシャフトに対してヘリカル円筒を回転させることができるようになる。
【００１７】
ヨーク２１６の各側面当りの２個ずつのタイン（tine）２６０，２６２，２６４，及び２６６は、完成された組立体におけるアーバー２０４及び２０６の垂直端部バー２７０及び２７２上に嵌められ、また、クラッチピン２１２及び２１４を介して前記アーバーに取り付けられ、これらのクラッチピンはカム方式の動力調節器及び寸法制限部２１８の端部の開口２７４及び２７６も通過する。したがって、カム方式の動力調節器及び寸法制限部は、外向き螺旋状ヘリカルコイル２３４及び２３６からの外向きの圧力に耐えるように、互いに一定の水平距離にアーバーを固定する。さらに、円筒形カム２７８は、トルク伝達ピンが内部で摺動する、一部シャフト開口２８０を含む。人工膝関節が伸びる際、カム方式の動力調節器及び寸法制限部によるさらなる摩擦力がトルク伝達ピンに加えられ、結果、脚に加えられる体重の効果を増加させ、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構を活性化する。着座の姿勢において、切断患者は直立の姿勢に比べてより容易にクラッチ動作を克服することができ、着座の姿勢から直立の姿勢に移行することができる。
【００１８】
両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチは、機械的に対称であり、耐障害性を有する。単一ラップバネは、機械的な故障の際に事故をもたらす可能性がある。２つのラップバネを使用することにより、単一コイルの欠陥は回転制限の失敗をもたらさないが、切断患者には分かり、切断患者に修理の必要性を知らせる。さらに、デュアルラップバネの構成は、両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチを介して荷重力（loading force）の対称分布を提供し、不均衡な応力と潜在的な故障モードを緩和する。
【００１９】
図３Ａ−Ｄは、デュアルラップバネクラッチ要素がクラッチする動作を誇張して示している。図３Ａ−Ｂは、解放された構成の開放形のＷＳＣを示す。このような構成において、平坦な外向き螺旋状ヘリカルコイル２３４及び２３６の直径は、中心ＷＳＣバンド２３８から外側端部３０２及び３０４に向かって増加する。図３Ｂは、解放されたＷＳＣクラッチの構成を異なる観点から提供している。上述したように、脚に重みがかかる場合、図３Ｃ及び３Ｄに誇張して示すように、可撓性リンク装置（図２の２２４及び２２６）がアーバースリーブ２０８及び２１０に時計回りの回転を加え、アーバーシャフトに対してＷＳＣのヘリカルコイルを締め付ける。外向き螺旋状ヘリカルコイル２３４及び２３６の直径は、中心ＷＳＣバンド２３８から端部３０２及び３０４に向かって減少する。図３Ｄは、締め付けられたヘリカルコイルを異なる観点から示す。しかし、実際の動作において、ＷＳＣ外向き螺旋状ヘリカルコイルの長さに沿った直径の変化は、視覚的に感知できない。
【００２０】
図４は、組み立てられた、現在開示されている人工膝の両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構を示す。このような観点において、ヨーク２１６は、アーバー２０６の垂直バー２７２上にしっかりと装着されており、その内一つだけが図４から確認できる。２つの可撓性リンク装置２２４及び２２６が、ピン４０２〜４０５を介して下脚ブロック２２８とアーバースリーブ２０８及び２１０とに装着されたことが示されている。クラッチピン２１４の端部４０８は、ヨーク２１６の緑部で確認され、図２におけるカム方式の動力調節器及び寸法制限部２１８の端部４０６は、アーバー２０６の垂直バー２７２の外面で確認される。
【００２１】
図５は、上述の両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチを組み込んだ義足を示す。両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチ５０２が、下脚軸５０４と切断された四肢用上脚スリーブ５０６とに取り付けられたことが示されている。図６Ａ−Ｃは、図５に示されている義足の動作を示す。切断患者が着座している場合、切断された四肢用スリーブ５０６は、下脚軸５０４に略垂直に配向される。両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構５０２には、重みがかからないので、クラッチ機構は非活性化の状態である。図６Ｂに示すように、切断患者が立ち始めたとき、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ５０２に部分的に重みがかかってクラッチが活性化され、図６Ａに示す位置である下部後方に、切断された四肢用スリーブ５０６の回転抵抗が生じるようになる。図６Ｃにおいて、切断患者は義肢上に立っており、その結果、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ５０２は活性化され、切断された四肢用スリーブ５０６が下脚軸５０４に対して後方に回転することを防止するが、切断された四肢用スリーブ５０６に対して反時計回りに下脚軸５０４が回転することは許容する。
【００２２】
図７は、負傷した脚の治癒を促進し、又は損傷した四肢の機能を向上させるために着用し得る外骨格式矯正装置を示す。矯正装置７０２は、いくつかの両方向バイパス可能なオーバーランニング機械式クラッチ機構７０４および７０６を組み込み、矯正装置に重みがかからない場合、矯正装置の上脚部７１０に対する矯正装置の下脚部７０８の自由回転を提供するが、矯正装置に重みがかかる場合には、矯正装置の上脚部７１０に対して矯正装置の下脚部７０８が後方、時計回りに回転することを防止する。
【００２３】
図８Ａ及び図８Ｂは、より複雑な人工関節及びロボット組立体内に組み込むことができる二重機械式クラッチ組立体を示す。図８Ａに示す図面符号８０２の二重機械式クラッチ組立体において、２つの両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構８０４および８０５は、２つの両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構８０４および８０５内の２つのＷＳＣ中央バンドに結合されるか、又は組み込まれている固定部材８０６によって共に結合される。図８Ｂは、２つの両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構８１０及び８１２が連結部材８１４を介して互いに垂直に配置されている他のデュアルクラッチ機構を示す。
【００２４】
本発明は、特定の実施例に関して説明しているが、これらの実施例に本発明を限定したものではない。本発明の思想内での修正は、当業者には明らかである。例えば、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構の様々な部品は、金属、合成物、プラスチック、及び他の材料を含む様々な異なる材料から製造されてもよい。これらはモールディング、キャスティング、機械加工、又は３Ｄプリンティングによって印刷することさえできる。上述の可撓性リンク装置は、上述したように可撓性であって、いずれかの端部に固定されていてもよく、或いは、強固で、取付点に対して旋回できる。ＷＳＣ中心体とシャンク部との間の境界面は、２つの間の相対回転に抵抗又は防止するが、相対的な縦方向の移動は許容する任意の形態であってもよい。例としては、Sarrusリンク機構（Sarrus linkage）、多重リニアシャフト、異なる断面のシャフト、又は可撓性ビームが挙げられるが、これらに限定されない。制御方法論は、ＷＳＣに対する上脚の動きでＷＳＣのブレーキ動作を制御することによって反転できる。制御スリーブは、上述したように機械式手段によって、又は誘導電磁場、空気圧システム、若しくは油圧システムによって回転することができる。空気圧システム、油圧システム、又は電磁システムは、ＷＳＣとシャンク部との間に調節可能なバネ力を提供することができる。マイクロプロセッサによらない機械式人工膝関節は、図６Ａと同様に、複数の回転軸（例えば、多軸膝（polycentric）、又は膝）を有する関節システムを作り出すために、これと同じ又は類似のタイプのＷＳＣユニットをさらに結合することができる。また、回転軸は、任意の平面に置かれてもよいので、異なる方向（例えば、肩関節、股関節等）の動きを提供する。現在開示されている両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチは、ロボットの四肢における関節として使用することができる。特に、膝関節システムは、より優れた安定性と、転倒からの向上した復元力で、歩行ロボットがより効率的に歩行することを可能にする。マイクロプロセッサによらない機械式人工膝関節は、ＷＳＣ中心体を介して２つの部分に分割することができる。これは、外骨格又は矯正システムの不可欠な部品として機能するために、無傷の膝関節又は他の関節の両側に関節システムを装着できるようにする。そのような場合に、ユーザーは切断患者である必要はないが、これらの既存の強度、歩行、姿勢、及び／又は可動範囲を増加又は補足するために、マイクロプロセッサによらない機械式人工膝関節を使用することができる。上述したように、両方向バイパス可能なオーバーランニングクラッチ機構は、様々な電気機械式及び高性能人工装具にさらに組み込むことができる。
【００２５】
開示された実施例に関する従来技術の説明は、当業者が本開示を製造又は使用することができるように提供されていることが理解される。これらの実施例に対する様々な変更は、当業者には明らかであり、本明細書に規定されている一般的な原則は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施例に適用され得る。したがって、本開示を本明細書に示す実施例に限定することを意図するものではなく、本明細書に開示された原理と新規な特徴とに一致する最も広い範囲を容認することを意図する。
【図１】
0006700389.tif 000002
【図２】
0006700389.tif 000003
【図３Ａ】
0006700389.tif 000004
【図３Ｂ】
0006700389.tif 000005
【図３Ｃ】
0006700389.tif 000006
【図３Ｄ】
0006700389.tif 000007
【図４】
0006700389.tif 000008
【図５】
0006700389.tif 000009
【図６Ａ】
0006700389.tif 000010
【図６Ｂ】
0006700389.tif 000011
【図６Ｃ】
0006700389.tif 000012
【図７】
0006700389.tif 000013
【図８Ａ】
0006700389.tif 000014
【図８Ｂ】
0006700389.tif 000015