(57)【要約】【課題】  膝関節の複雑な動きを忠実に再現することで、膝関節の機能が低下した患者や高齢者等に歩行等の動作を補助することができると共に、軽量で簡単に装着することができる膝関節補助装置を提供することである。【解決手段】  上腿部に装着される上腿装着部２２と、下腿部に装着される下腿装着部２３と、前記上腿装着部２２及び下腿装着部２３のそれぞれの膝関節側端部を回転可能に支持する連結部２４とを備え、前記連結部２４が前記上腿装着部２２に対して下腿装着部２３を回転させたときに下腿装着部２３の膝関節側端部を前後方向にスライドさせながら回転する回転機構部３１を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上腿部に装着される上腿装着部と、下腿部に装着される下腿装着部と、前記上腿装着部及び下腿装着部のそれぞれの膝関節側端部を回転可能に支持する連結部とを備え、
前記連結部が前記上腿装着部に対して下腿装着部を回転させたときに下腿装着部の膝関節側端部を前後方向にスライドさせながら回転する回転機構部を備えることを特徴とする膝関節補助装置。
【請求項２】
前記回転機構部は、一方の装着部に設けられる一対のピン部材と、他方の装着部に設けられ、前記各ピン部材がスライド移動可能な一対の長孔とを備える請求項１記載の膝関節補助装置。
【請求項３】
前記長孔は、膝関節の屈伸に応じて一方のピン部材を前後方向にスライドさせる直線状長孔と、他方のピン部材が移動し、前記一方のピン部材のスライドを規制するための円弧状長孔とで構成される請求項１又は２記載の膝関節補助装置。
【請求項４】
前記円弧状長孔は、前記直線状長孔内をスライドするピン部材のスライド方向と直交する軸を中心とした左右いずれかの平面内に形成される請求項２又は３記載の膝関節補助装置。
【請求項５】
前記円弧状長孔は、上腿部と下腿部が略直線状となる直立位置から上腿部と下腿部が重なる正座位置までの間で少なくとも他方のピン部材が移動する長さを有して形成される請求項１記載の膝関節補助装置。
【請求項６】
前記回転機構部には、前記上腿装着部と下腿装着部の回転を伴う動きを補助する駆動機構が設けられる請求項１記載の膝関節補助装置。
【請求項７】
前記駆動機構は、前記上腿装着部と下腿装着部のいずれか一方に設けられるモーターと、このモーターの回転軸に一端が回転可能に取り付けられ、他端が前記上腿装着部と下腿装着部のいずれか他方に連結されるリンク部材とを備えて構成される請求項６記載の膝関節補助装置。
【請求項８】
前記リンク部材は、前記モーターが取り付けられる上腿装着部側に一端が回転可能に支持された第１アームと、前記下腿装着部側に一端が回転可能に支持された第２アームとからなり、前記第１アーム及び第２アームの各他端が回転可能に連結されている請求項７記載の膝関節補助装置。
【請求項９】
前記駆動機構は、前記回転機構部の回転量及びスライド移動量からなる膝関節の動作量を検出する検出部と、前記動作量に基づいて前記モーターの回転を制御する制御部とを備える請求項７記載の膝関節補助装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、病気や事故又は老化等に伴って機能が低下した膝関節の動作を補助するための膝関節補助装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
膝関節は人体の中でも非常に複雑な構造を有すると共に複雑な動きをしている。また、この膝関節には、通常、人間の体重の４〜５倍もの荷重がかかるため、起立時や歩行時などの日常動作において最も故障の起きやすい器官の一つである。特に、高齢者にあっては、膝関節の軟骨や半月板が過負荷や、度重なる運動などによってすり減ってしまい、そのために膝の曲げ伸ばしや歩行に支障をきたす変形性膝関節症が非常に多くなってきている。
【０００３】
図１０に示すように、膝関節１は大腿骨２、脛骨３、膝蓋骨４からなる骨の部分と、半月板からなる軟骨と、前十字靭帯６、後十字靭帯７、内側側副靭帯、外側側副靭帯などの靭帯によって形成されている。大腿骨２の下端は後方に突出しており、いくつもの大きさの違う円を組み合わせたような形状になっている。脛骨３の上面は略平坦でこの上を大腿骨２の下部が転がるようにして回転することで膝の屈伸運動が行われる。このとき、突出した膝蓋骨４はプーリの役割をし、前十字靭帯６によって脛骨３の前方への滑り出しを防ぎ、後十字靭帯７によって後方への落ち込みを防いでいる。このように、大腿骨２は後方に突出していることによって、膝関節１はすべり転がり運動を行う。このようなすべり転がり運動を行うために、大腿骨２は複雑な形状をなしており、単なる蝶番構造ではない。このため、前記大腿骨２の下部は、図１１に示すように、回転中心５がずれながら螺旋状の軌跡を描くようにして回転動作することとなる。
【０００４】
また、膝関節１は図１２に示すように、曲げ伸ばし運動である伸展・屈伸（方向Ａ）と、内側又は外側のねじれ運動（方向Ｂ）を伴う。膝をまっすぐにしている状態を０°とすると、前記伸展・屈伸運動の可動域は０°〜１３０°程度で、歩行時に使用している可動域は大体０°〜６０°となっている。この可動域のうち、膝の曲がり始めから１０°〜１５°の間は、略一軸の転がり運動をし、その後徐々にすべり運動へ移行してすべり転がり運動となる。なお、膝の内側又は外側のねじれ運動に関しては、個人差が大きいため、可動域の特定はなされていないのが現状である。
【０００５】
従来、膝関節の機能を補助するための膝装具などに関しては数多く知られており、実際に患者の治療やリハビリテーションに用いられている。その中で、比較的装着が容易で簡易に膝関節の動きを補助する装具として、例えば、特許文献１に開示されているような膝関節用歩行補助具がある。一方、構造は複雑であるが、実際の膝関節の動きに近く、膝関節の動きをさらに強力にサポートする装置に関しては、例えば、特許文献２に示されているような歩行等を補助する電動補助装置が知られている。
【特許文献１】特開２００４−１６７１７５号公報
【特許文献２】特開平７−１６３６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の膝関節補助用の補助装具や補助器具では、膝関節の回転軸が単純な一軸で構成されているものがほとんどである。このため、実際の膝関節の動きに追従するようなすべり転がり運動が再現できないといった問題があり、膝の自然な曲げ伸ばしをかえって阻害するような場合があった。このような問題を改善する手段としては、医者や技師等が患者の症状に合わせて装具を改良したり、回転軸の微調整を行ったりして対応するしかないのが現状である。実際に行われている調整方法としては、前述したような膝関節のすべり転がり運動を近似的に見立てた基本的生理機能における動作軸といったようなものを想定し、この動作軸に装具の軸を手作業で合わせ込むといった手段がとられる。ただし、このような調整を施した場合にあっても、使用しているうちに膝関節の動きと装具との間にズレが生じてしまうといった問題がある。
【０００７】
特許文献２に示されているような動力源を備えたものは、構造が複雑で装置自体が重くなるため、高齢者にとってはかえって歩行等に支障をきたす場合がある。また、装置が大掛かりであるため、簡単に着脱ができないといった問題もあった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、膝関節の複雑な動きを忠実に再現することで、膝関節の機能が低下した患者や高齢者等に歩行等の動作を補助することができると共に、軽量で簡単に装着することができる膝関節補助装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の膝関節補助装置は、上腿部に装着される上腿装着部と、下腿部に装着される下腿装着部と、前記上腿装着部及び下腿装着部のそれぞれの膝関節側端部を回転可能に支持する連結部とを備え、前記連結部が前記上腿装着部に対して下腿装着部を回転させたときに下腿装着部の膝関節側端部を前後方向にスライドさせながら回転する回転機構部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の膝関節補助装置によれば、膝関節部を中心にして上腿部及び下腿部にかけて装着することによって、膝関節の実際の動きに近い水平方向のすべり運動と屈伸に伴う回転が連動したすべり転がり運動が再現可能となる。このため、膝関節機能に障害を有する患者や膝関節機能が低下した高齢者にとって無理のない自然な歩行や立ち上がりを補助することができる。
【００１１】
また、前記連結部に備わる回転機構部が一対のピン部材と、このピン部材がスライドする直線状及び円弧状の一対の長孔とによって構成されているため、軽量且つコンパクトに形成することができる。このため、患者等に違和感なく装着することができる。
【００１２】
さらに、前記回転機構部に小型のモーター、リンク部材からなる駆動機構を備えることで、実際の膝関節の曲げ伸ばしを無理なく且つ膝の痛みを和らげるように補助することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る膝関節補助装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の膝関節補助装置２１の構造を示したものである。この膝関節補助装置２１は、人体の膝部を中心とした脚部の一部に装着されるもので、図３及び図４に示すように、膝部１０から上腿部１１にかけて装着される上腿装着部２２と、膝部１０から下腿部１２にかけて装着される下腿装着部２３と、膝部１０において前記上腿装着部２２及び下腿装着部２３の一端が回転可能に支持される連結部２４とを備えて構成される。
【００１５】
図１に示したように、前記上腿装着部２２は、膝部１０の側方に沿って当接する円盤状の連結板２６と、この連結板２６から上腿部１１の一部にかけて延びる平板状の上腿固定部２５とで構成される。また、前記下腿装着部２３は、前記連結板２６と重なる円盤状の連結板２８と、この連結板２８から下腿部１２の一部にかけて延びる平板状の下腿固定部２７とで構成される。前記上腿装着部２２及び下腿装着部２３は、後述するように脚部の表面に沿って固定するような装具に取り付けられ、ベルトや紐などによって装着する人の体型に合わせて巻き付け固定される。
【００１６】
前記連結部２４には、上腿装着部２２と下腿装着部２３の回転を規制するための回転機構部３１が設けられる。この回転機構部３１は、一方の連結板２６に立設される第１のピン部材３２及び第２のピン部材３３と、他方の連結板２８に水平方向に開設される直線状の第１の長孔３４及び円弧状の第２の長孔３５と、前記第１のピン部材３２及び第２のピン部材３３の先端を固定し、前記連結板２８をカバーする押え板２９とを備えている。前記第１のピン部材３２は、前記連結板２６の略中心部に設けられ、第２のピン部材は、前記第１のピン部材３２を中心とした外周側の一端に設けられる。また、前記第１の長孔３４は、前記連結板２８の略中心部に設けられ、前記第１のピン部材３２が貫通して設けられる。第２の長孔３５は、前記連結板２８の外周に沿って設けられ、前記第２のピン部材３３が貫通して設けられる。
【００１７】
前記第１の長孔３４は、歩行や屈伸によって膝部１０内の大腿骨２が水平方向にずれる際の動きを規制するためのもので、前記大腿骨２の中心軸に見立てた第１のピン部材３２が前後方向にスライド可能に保持される。また、前記第２の長孔３５は、膝部１０を折り曲げようとする際に、前記大腿骨２の回転をガイドすると共に、前記第１のピン部材３２のスライドを規制するために設けられ、前記第１のピン部材３２を中心にした円弧状に形成される。
【００１８】
図２は前記回転機構部３１の動きを示したものである。前記第２の長孔３５を横方向に広がる楕円軌道を描くように円弧状に形成することで、この第２の長孔３５に沿ってスライドする第２のピン部材３３に連動して、第１のピン部材３２が第１の長孔３４内を右方向に水平にスライド移動する。このような第２のピン部材３３の楕円運動と第１のピン部材３２による水平運動によって、実際の膝関節と同じようなすべり転がり運動が実現する。また、この第２の長孔３５は、前記第１の長孔３４をスライドする第１のピン部材３２の水平移動軸Ｘに対して直交する前記第１のピン部材３２の直交軸Ｙを中心にして右方向（図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すような膝部１０の折曲げ方向）の平面内に形成される。このように、前記第２の長孔３５が前記直交軸Ｙを中心にした膝部１０の折曲げの最大限となる１８０°以内の回転角度に設定されることで、直立した姿勢から正座した姿勢までの膝部１０の動きを障害なくスムーズに行わせることができる。実際の膝関節の動きは、膝がまっすぐな状態から曲がり始めの０°〜１５°の間は、すべりのない単純な回転運動を行うことから、例えば、前記第２の長孔３５の回転角が０°〜１５°の間は、真円状の円弧に形成し、回転角が１５°〜９０°の間は、横方向に延びる楕円状の円弧に形成することで、実際の膝関節に近似した動きを実現することができる。
【００１９】
次に、前記膝関節補助装置２１を装着した際の歩行時における動作状態を図３に示す。図３（ａ）は、膝部１０が伸びた状態における膝関節補助装置２１の形態を示したものである。この膝を伸ばした状態にあっては、前記第１のピン部材３２が第１の長孔３４内の左端部でスライドが規制され、第２のピン部材３３が第２の長孔３５内の上端で止まることによって、前記上腿装着部２２と下腿装着部２３とが略直線状となる。そして、この膝が伸びた状態から図３（ｂ）に示すように通常の歩行動作によって膝関節１を曲げると、第２のピン部材３３が第２の長孔３５にガイドされながら円弧状の軌跡を描いて下降すると同時に、前記第１のピン部材３２が第１の長孔３４を右方向にスライド移動する。このような歩行時における第２のピン部材３３の可動域は、０°〜６０°の範囲となる。これによって、膝関節１は、上腿部１１の大腿骨２が下腿部１２の脛骨３に対して、後方に僅かにずれながら右方向に回転するといった本来の膝関節１の自然な動きに合わせた動きを得ることができる。
【００２０】
次に、前記膝関節補助装置２１を装着し、椅子などに座るときの動作状態を図４に示す。図４（ａ）は膝部１０をまっすぐに伸ばしたときの回転機構部３１の状態を示したものであり、図４（ｂ）は椅子に座った際に約９０°近辺まで膝関節１を折り曲げた状態における回転機構部３１の状態を示したものである。この実施形態の回転機構部３１では、膝部１０がまっすぐの状態（０°）から椅子に座った状態（９０°）までの回転によって第１のピン部材３２が第１の長孔３４の右端部で停止するため、膝を折り曲げた状態でしばらくその姿勢を保持することができる。また、前記第１の長孔３４によって第１のピン部材３２のスライドがロックされ、それに伴って第２のピン部材３３による回転運動も停止するので、特に膝関節１を保持する筋力の低下した患者や高齢者が膝部１０を折り曲げようとした際に、その姿勢を保持できなくなり、急激に膝が崩れるのを防止する安全機能としての役割を有する。
【００２１】
図３及び図４に示したように、前記回転機構部３１によれば、膝関節１の機能が低下した患者等が通常に歩行する際の動きに応じた０°〜６０°の可動域や、椅子に座ったり、立ち上がったりするといった動きに応じた０°〜９０°の可動域までの動きを補助することができる。また、前記第１の長孔３４を右方向に延長させることによって、第１のピン部材３２の右方向へのスライドを開放することができるので、正座するような姿勢までの膝関節１の動きに対応した０°〜１３０°の可動域まで補助することが可能となる。
【００２２】
前記第１の長孔３４及び第２の長孔３５の長さを規定することによって、その長さ範囲での膝関節１の動きが患者等の各症状に合わせて規制されると共に、その長さの両端部で膝関節１の動きをロックさせることができる。なお、膝関節１の自然な動きは、前述したように、楕円状の回転と水平方法のずれとが組み合わされたものである点で共通するが、前記回転機構部３１に設ける第１の長孔３４や第２の長孔３５は、患者等の体型や年齢あるいは男女の差に応じて適宜設定するのが好ましい。
【００２３】
前記回転機構部３１は、第１のピン部材３２と第２のピン部材３３がそれぞれ第１の長孔３４と第２の長孔３５に沿って摺動する際の摩擦力が作用することによって、上腿装着部２２と下腿装着部２３の回転が急に変化したり、がたついたりしないように規制される。また、前記回転機構部３１が設けられる連結部２４に対して、人体の前十字靭帯や後十字靭帯に模した形状のバネ部材を介在させるようにすれば、前記回転機構部３１における回転運動が拘束され、膝関節１の動きに沿ったスムーズな動作が得られる。
【００２４】
前記膝関節補助装置２１を脚部に装着する際には、図５に示す膝関節補助装置４１のように、前記上腿装着部２２の裏面に上腿部１１の曲面形状に沿って湾曲した上腿当て部３６が取り付けられ、下腿装着部２３の裏面には下腿部１２の曲面形状に沿って湾曲した下腿当て部３７が取り付けられる。そして、前記上腿当て部３６及び下腿当て部３７には、体型に合わせてそれぞれ上腿部及び下腿部に巻き付けて固定するためのベルト３８及びバックル３９からなる拘束具が設けられる。
【００２５】
図５に示した膝関節補助装置４１は、前記回転機構部３１に駆動機構４２を設けた構成によるものである。また、この膝関節補助装置４１を装着した例を図６に示す。駆動機構４２は、上腿装着部２２側に設けられるバッテリやモーター、そして、このモーターの回転速度を膝関節１の動作に合わせて減速させるための減速部材等を備えた動力部４３と、この動力部４３による回転運動を前記下腿装着部２３側に伝達させる伝達機構とを備えて構成される。
【００２６】
この実施形態の駆動機構４２は、図７及び図８に示すように、動力部４３に小型のＤＣモーター４７及びこのＤＣモーター４７の回転を減速するための図示しないウォームギアや小型の電源装置が備えられる。また、伝達機構は、前記ＤＣモーター４７の回転軸４８に一端が回転可能に取り付けられるリンク部材５０によって構成されている。前記ＤＣモーター４７及び電源装置は、上腿装着部２２の上側端部に固定される。前記リンク部材５０は、回転軸４８に一端が回転可能に連結される第１アーム５１と、一端が下腿装着部２３の一端に回転可能に連結される第２アーム５２とで構成され、前記第１アーム５１及び第２アーム５２のそれぞれの他端が回転自在な連結ピン５３によって回転支持される。
【００２７】
前記駆動機構４２によれば、ＤＣモーター４７の回転トルクがウォームギア等によって減速され、この減速された回転速度によって回転軸４８が右回転あるいは左回転する。そして、この回転軸４８の回転に伴って第１アーム５１が膝関節１の回転方向に沿って直線状に移動し、さらに、この第１アーム５１に繋がる第２アーム５２によって、下腿装着部２３に伝達される。このように、膝関節補助装置４１を装着している人の下腿部１２を前記動力部４３によって伸縮するリンク部材５０の力を借りて容易に引き上げたり、伸ばしたりすることができる。この駆動機構４２におけるＤＣモーター４７の回転速度や回転方向等の調整は、装着する人の膝関節の症状や体型、年齢等に応じてプログラミング可能な制御部によって行われる。また、この制御部に前記リンク部材５０を介して伝達される実際の膝関節の動きをフィードバックする検出部を設けることによって、装着する人の個人差に応じた動力を供給させることができる。
【００２８】
駆動機構４２は、装着する人の脚部への負担を考慮して軽量化を図る必要があるため、バッテリには軽量且つ高容量のリチウムポリマー電池を使用すると共に、ＤＣモーター４７やリンク部材５０の構成の簡略化及び軽量化を図るのが望ましい。そのためには、前記バッテリや制御部などを前記膝関節補助装置４１から有線又は無線を介して独立させて、装着する人の胴部などの比較的負担の掛からない部位に装着することもできる。
【００２９】
以上説明したように、前記駆動機構４２によれば、ＤＣモーター４７の回転トルクを第１アーム５１及び第２アーム５２を経て直線運動に変換することで、前記回転機構部３１におけるすべり転がり運動を連続的に再現することができる。これによって、膝関節の動きが自由にできない患者や高齢者に負担をかけることなく、歩行等が容易になるように補助することができる。
【００３０】
なお、前記駆動機構４２では、膝関節の曲げ伸ばしを容易にするための伝達機構としてリンク部材５０を用いて構成したが、このような構成に限定されるものではなく、例えば、図９に示すように、前記図８で示したリンク部材５０の代わりに、ＤＣモーター４７の回転軸４８から離れた位置に設けられる変心軸６４に一端が回転可能に取り付けられ、他端が下腿装着部２３側に設けたスライド溝６２にスライド可能に取り付けられる連結アーム６１を備えたクランクスライダー６０を用いて構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る膝関節補助装置の分解斜視図である。
【図２】上記膝関節装置の回転機構部の動きを示す説明図である。
【図３】歩行時における回転機構部の動きを示す説明図である。
【図４】膝の折曲げ時における回転機構部の動きを示す説明図である。
【図５】動力伝達機構部を設けた膝関節補助装置の斜視図である。
【図６】上記膝関節補助装置を装着した状態を示す説明図である。
【図７】動力伝達機構の一構成例を示す平面図である。
【図８】減速機構の構成を示す説明図である。
【図９】動力伝達機構の他の構成例を示す平面図である。
【図１０】人間の膝部の骨格構造を示す説明図である。
【図１１】大腿骨の動きを示す説明図である。
【図１２】膝関節部の動きを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  膝関節
２  大腿骨
３  脛骨
４  膝蓋骨
５  回転中心
６  前十字靭帯
７  後十字靭帯
１０  膝部
１１  上腿部
１２  下腿部
２１  膝関節補助装置
２２  上腿装着部
２３  下腿装着部
２４  連結部
２５  上腿固定部
２６  連結板
２７  下腿固定部
２８  連結板
２９  押え板
３１  回転機構部
３２  第１のピン部材
３３  第２のピン部材
３４  第１の長孔
３５  第２の長孔
３６  上腿当て部
３７  下腿当て部
３８  ベルト
３９  バックル
４１  膝関節補助装置
４２  駆動機構
４３  動力部
４７  ＤＣモーター
４８  回転軸
５０  リンク部材
５１  第１アーム
５２  第２アーム
５３  連結ピン
６０  クランクスライダー
６１  連結アーム
６２  スライド溝
６４  変心軸
Ｘ  水平移動軸
Ｙ  直交軸
【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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