(57)【要約】【課題】１つのアクチュエータで下肢訓練を行う際の下肢動作範囲の拡大手段を提供する。【解決手段】下肢を駆動するためのアクチュエータと、下肢を把持する少なくとも１カ所以上のホールド部と、下肢の動きに合わせて伸縮する伸縮機構部と、下腿の一部を直線軌道上に固定するための軌道固定部を備えた下肢訓練装置において、下肢の屈曲伸展時に下腿を一定の高さに持ち上げられるよう足ジョイントを沿わせる曲線状の軌道固定部を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下肢を駆動するためのアクチュエータと、下肢を把持する少なくとも１カ所以上のホールド部と、下肢の動きに合わせて伸縮する伸縮機構部と、下腿の一部を直線軌道上に固定するための軌道固定部を備えた下肢訓練装置において、
下肢の屈曲伸展時に下腿を一定の高さに持ち上げられるよう足ジョイントを沿わせる曲線状の軌道固定部を備えることを特徴とする下肢訓練装置。
【請求項２】
大腿部を駆動するためのアクチュエータと、アクチュエータと結合して伸縮自在な伸縮機構部と、大腿部を保持する大腿ホールド部と、膝関節の屈曲伸展に倣うことのできるフリージョイントを有するリンクと、下腿を保持する下腿ホールド部と、下腿の一部を直線軌道上に固定するための軌道固定部を備えた下肢訓練装置において、
下腿角度を検出する角度センサーを装着した下腿ホールド部と、下肢の屈曲伸展時に下腿を一定の高さに持ち上げられるよう足ジョイントを沿わせる曲線状の軌道固定部を備えることを特徴とする下肢訓練装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、手術前後に用いられる連続他動運動装置、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肢体駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、整形外科あるいは理学診療（リハビリテーション）科では、変形性膝関節症による人工関節置換術やリウマチ患者の滑膜切除術等の手術直後からＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍｏｔｉｏｎ（以下ＣＰＭという）と呼ばれる装置を用いて関節可動域訓練を行っている。対象者の関節を動かすことで、関節拘縮を予防し、関節可動域を確保することが目的である。膝関節用ＣＰＭは、１つのアクチュエータを用いて、かかとの位置や膝関節の角度を制御することで、膝関節を動かしているが、間接的に股関節および／または足関節を動かして下肢全体を運動させている。これを利用して医療現場では、膝関節のみならず股関節などに対しても適用している。
図５は、かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う膝関節用ＣＰＭであり、１は下腿をホールドする下腿スプリント、２はかかと位置を移動させるリニアアクチュエータ、３はかかと位置を直線軌道上に固定するためのリニアガイドである。
図６は、図５の装置を用いた場合の下肢の動きを模式化した図であり、かかと位置をｘ、股関節角度をθ１、膝関節角度をθ２、大腿長さをＬ１、下腿長さをＬ２とすると、
ｘ＝Ｌ１＊ｃｏｓθ１＋Ｌ２＊ｃｏｓ（θ２−θ１）      ・・・（１）
となり、かかと位置ｘが動くことで股関節角度θ１、膝関節角度θ２が同時に変化することがわかる。図７は、膝関節の角度を制御して下肢全体の訓練を行う装置であり、１００は下腿をホールドする下腿スプリント、１０１は大腿をホールドする大腿スプリント、１０２は膝関節の角度を制御するアクチュエータ、１０３はかかと位置を直線軌道上に固定するためのリニアガイド、１０４は伸縮機構をもつリンクである。
図７の装置を用いた場合の下肢の動きは図５の装置と同様、式（１）で表現され、膝関節角度θ２が動くことで、かかと位置ｘ、股関節角度θ１が同時に変化する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８９４７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５、図７のどちらの装置の場合も、かかと位置ｘはリニアガイドで長さと方向が固定されているため、股関節角度θ１は、膝関節角度θ２よりも角度範囲が小さくなる。そのため、股関節の訓練が不十分となる問題があった。また、以上のような幾何学的な考察では、膝関節角度は十分な角度範囲がとれることになるが、実際の人間では、膝関節の屈曲伸展には大腿の裏側にあるハムストリングス、大腿四頭筋が主要な役目を果たし、股関節の角度によってそれぞれの筋肉の張り具合が変わるため、股関節の角度により膝関節の屈曲伸展のしやすさが異なってくる。図５、図７の装置の場合には股関節角度が大きく取れないため、実際は膝関節の屈曲角度が十分取れなくなる問題があった。さらに、図５の装置では、かかと位置を制御するため、膝や股の関節角度を把握することができない問題があった。図７の装置においても、リンク１０４を介して膝関節の角度を制御するため、伸縮機構を用いてリンク長さを調節して、膝関節の回転中心とリンクの回転中心を一致させる必要があり、多忙な医療現場では、リンクの長さ調節がおろそかになることが多かった。そのため、膝関節中心とリンクの回転中心が一致せずに、所定の角度まで到達できない問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膝や股の関節角度を管理せずにただ単純に動かすだけの訓練の場合やそうでない場合にも、下肢訓練装置の駆動機構と下肢の軸合わせを不要にして、１つのアクチュエータで下肢訓練を行う際の下肢動作範囲の拡大手段を提供することである。
【０００５】
【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記載の発明は、下肢を駆動するためのアクチュエータと、下肢を把持する少なくとも１カ所以上のホールド部と、下肢の動きに合わせて伸縮する伸縮機構部と、下腿の一部を直線軌道上に固定するための軌道固定部を備えた下肢訓練装置において、下肢の屈曲伸展時に下腿を一定の高さに持ち上げられるよう足ジョイントを沿わせる曲線状の軌道固定部を備えるものである。
また、請求項２記載の発明は、大腿部を駆動するためのアクチュエータと、アクチュエータと結合して伸縮自在な伸縮機構と、大腿部を保持する大腿ホールド部と、膝関節の屈曲伸展に倣うことのできるフリージョイントを有するリンクと、下腿を保持する下腿ホールド部と、下腿の一部を直線軌道上に固定するための軌道固定部を備えた下肢訓練装置において、下腿角度を検出する角度センサーを装着した下腿ホールド部と、下肢の屈曲伸展時に下腿を一定の高さに持ち上げられるよう足ジョイントを沿わせる曲線状の軌道固定部を備えるものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態の下肢訓練装置について図１、図２、図８および図９に基づいて説明する。第１の下肢訓練装置は、膝関節の角度を制御して下肢全体を訓練する装置である。第１の下肢訓練装置のリンク機構は、訓練の対象となる足の左右に大腿リンク１１、下腿リンク１２を配置し、下腿ホールド部１４で下腿を保持し、大腿ホールド部１５で大腿を保持する構成となっている。股ジョイント２１は、リンク機構の左右に配置している曲線ガイド機構２２に結合されており、股ジョイント２１を中心にリンク機構が動作するようにしている。アクチュエータ１６は、膝ジョイント１７付近に配置し、大腿リンク１１、下腿リンク１２の間の角度を制御することで、対象者の膝関節角度を制御する。対象者の膝関節角度を管理しながら訓練するためには、対象者の膝関節中心と膝ジョイント１７の位置を一致させる必要がある。そのために大腿リンク１１と下腿リンク１２には、リンク長さを調節する伸縮機構１９がある。足ジョイント１８は、足関節の角度変化に対応して足リンク１３と下腿リンク１２の間の角度を変化させる役割と、曲線状の軌道固定部２０に沿って対象者のかかと位置を制御する役割を持つ。
【０００７】
ここで曲線状の軌道固定部２０を用いることで下肢動作範囲を拡大できる点について説明する。図２は、第１の実施形態の下肢訓練装置が動作する様子を模式的に表した図である。図２のように座標系を設定し、かかと位置座標を（ｘ、ｙ）、股関節角度をθ１、膝関節角度をθ２、大腿長さをＬ１、下腿長さをＬ２とすると、足ジョイント１８のｘ座標は、式（１）で表すことができ、ｙ座標は次のように表すことができる。
【０００８】
ｙ＝Ｌ１＊ｓｉｎθ１−Ｌ２＊ｓｉｎ（θ２−θ１）      ・・・（２）
ここで、式（１）と式（２）から、
ｘ２＋ｙ２＝Ｌ１２＋Ｌ２２＋２＊Ｌ１＊Ｌ２＊ｃｏｓθ２    ・・・（３）
【０００９】
を得ることができる。
式（３）でθ２が固定値、すなわち膝関節を動かさなければ、足ジョイント１８は、円軌道となる。例えば、θ２＝０°とした場合、図８のようにいわゆるＳＬＲ（Ｓｔｒａｉｇｈｔ  Ｌｅｇ  Ｒａｉｓｉｎｇ）動作となることからも式（１）（２）の設計基本式の妥当性が確かめられる。実用的には、膝も股も同時に動かすことになるため、足ジョイント１８の軌道つまり曲線状の軌道固定部２０のガイド溝は、半径が逐次変化する円弧軌道となる。設計の一例を示す。まず平均的なＬ１、Ｌ２を設定する。だいたい成人男子でＬ１＝３７８ｍｍ、Ｌ２＝４４１ｍｍである。次に、膝関節角度をどの程度まで動かすかを、股関節角度との関連で設定する。例えば股関節を０°から１１０°まで動かしたときに、膝関節を０°から１２０°まで動かすとすると、式（３）から曲線ガイド機構のガイド溝は、図９に示すような軌道となる。実際のガイド溝の加工は、式（１）と式（２）を用いて実施してもよい。
【００１０】
この発明の第２の実施形態である下肢訓練装置について図３および図４基づいて説明する。第２の下肢訓練装置は、股関節の角度を制御して下肢全体を訓練する装置である。第２の下肢訓練装置のリンク機構は、訓練の対象となる足の左右に大腿リンク５１、下腿リンク５２を配置し、下腿ホールド部５４で下腿を、大腿ホールド部５５で大腿を保持し、大腿リンク５１と下腿リンク５２の間にはフリージョイント５３を設けて、膝関節の屈曲伸展に倣うことができる構成になっている。股ジョイント５７は、回転型アクチュエータ５６とリンク機構の左右に配置している曲線ガイド機構６３に結合されており、股ジョイント５７を中心にリンク機構が動作するようにしている。回転型アクチュエータ５６には、図示しない位置検出器が結合されており、回転角度θ３を検出できる。回転型アクチュエータ５６には、伸縮自在な伸縮機構部５８と大腿リンク５１が結合されており、股関節角度を直接制御する。下肢訓練装置に対象者の下肢を乗せ、伸縮機構部５８を調整しながら、対象者の足に靴を履かせる要領で下腿ホールド部５４を装着し、大腿ホールド部５５で大腿を固定する。
【００１１】
このように伸縮機構部５８は、ある範囲内の下肢長さに対する長さ調整の役割を果たすと同時に、対象者の膝関節軸と下肢訓練装置のフリージョイント５３が一致していない場合に対象者の下肢の動きに装置が倣う役割を果たす。下腿ホールド部５４にはジャイロ６０が取り付けてあり、対象者の下腿の角度θ４を検出する。対象者の股関節の角度は位置検出器の出力角度θ３で検出でき、膝関節の角度θ５は、図４に示すように下腿の角度θ４を用いて次のように求める。
θ５＝１８０°−（θ３＋θ４）      ・・・（４）
【００１２】
このように膝関節の角度と、股関節の角度を検出できるため、対象者の関節角度を管理しながら訓練することができる。
第２の実施形態である下肢訓練装置においても同様に、足関節の角度変化に対応する足ジョイント５９は、下腿リンク５２と足リンク６１の間の角度を変化させる役割と、曲線状の軌道固定部６２に沿って対象者のかかと位置を制御する役割を持つ。曲線状の軌道固定部６２は、第１の実施形態である下肢訓練装置と同じ設計方法により、下肢動作範囲を拡大できる。
【００１３】
なお、第１の実施形態でも第２の実施形態でも、曲線状の軌道固定部はいくつか用意しておき、対象者の状態に合わせて、選択できるようにすることで、対象者にいろいろな動作パターンを提供できるようになる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載及び請求項２記載の下肢訓練装置によれば、曲線状の軌道固定部により、股関節と膝関節の角度変化を調整できるので、簡単な構造でありながら、これまで十分でなかった股関節角度を大きくとることができ、その結果、従来よりも膝関節が大きくとれるようになる等、下肢動作範囲の拡大手段を提供することができる。請求項２記載の下肢訓練装置によれば、簡単な調節で対象者の下肢長さの違いに対応しつつ、下肢訓練装置の駆動機構と下肢の軸合わせを不要にして、対象者の膝関節、股関節の訓練角度を管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である下肢訓練装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である下肢訓練装置の動作模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である下肢訓練装置の構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である下肢訓練装置の動作模式図である。
【図５】かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の構成図である。
【図６】かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の動作模式図である。
【図７】膝関節の角度を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の構成図である。
【図８】ＳＬＲ（Ｓｔｒａｉｇｈｔ  Ｌｅｇ  Ｒａｉｓｉｎｇ）動作説明図である。
【図９】曲線状の軌道固定部のガイド溝計算例である。
【符号の説明】
１  下腿ホールド部
２  リニアアクチュエータ
３、１０３  リニアガイド
１１  大腿リンク
１２  下腿リンク
１３、６１  足リンク
１４、５４、１００  下腿ホールド部
１５、５５、１０１  大腿ホールド部
１６、１０２  アクチュエータ
１７  膝ジョイント
１８、５９  足ジョイント
１９、５８、１０４  伸縮機構部
２０、６２  曲線状の軌道固定部
２１、５７  股ジョイント
２２、６３  曲線ガイド機構
５１  大腿リンク
５２  下腿リンク
５３  フリージョイント
５６  回転型アクチュエータ
５９  足ジョイント
６０  ジャイロ
【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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