(57)【要約】【課題】  股関節や膝関節の動作に必要な回転トルクをバネ付勢力によって付与すると共に、このバネ付勢力を効率よく伝達することで、日常生活における歩行や起立等の動作を無理なく円滑に行うことのできる下肢動作支援装置を提供することである。【解決手段】  回転軸１７を有する股関節トルク伝達部材１６と、前記回転軸１７に向かう方向とはオフセットした位置Ｘで前記股関節トルク伝達部材１６をバネ付勢し、該股関節トルク伝達部材１６に回転トルクを付与するボールプランジャ２１とを備え、前記股関節トルク伝達部材１６には、前記ボールプランジャ２１のバネ付勢力に応じて回転トルクを変化させるカム面１９が形成され、股関節の回転動作によってボールプランジャ２１が前記カム面１９をバネ付勢することで、前記股関節トルク伝達部材１６に回転トルクが付与されて回転するように股関節補助機構１２を構成した。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
股関節の回転動作を補助する股関節補助機構を備えた下肢動作支援装置であって、
前記股関節補助機構は、回転軸を有する股関節トルク伝達部材と、前記回転軸に向かう方向とはオフセットした位置で前記股関節トルク伝達部材をバネ付勢し、該股関節トルク伝達部材に回転トルクを付与する股関節トルク付与部材とを備え、
前記股関節トルク伝達部材には、前記股関節トルク付与部材のバネ付勢力に応じて回転トルクを変化させるカム面が形成され、股関節の回転動作によって股関節トルク付与部材が前記股関節トルク伝達部材のカム面をバネ付勢することで、前記股関節トルク伝達部材に回転トルクが付与されて回転軸を中心に回転することを特徴とする下肢動作支援装置。
【請求項２】
前記カム面が、前記股関節トルク付与部材のバネ付勢により弾性エネルギーが蓄積される定留部と、前記バネ付勢による弾性エネルギーが放出されて、前記股関節トルク伝達部材に回転トルクを付与する始動部とを備える請求項１に記載の下肢動作支援装置。
【請求項３】
前記カム面は、下肢の歩行動作及び／又は膝の伸長動作の際に、前記股関節トルク付与部材から股関節トルク伝達部材に回転トルクが付与される少なくとも１つの山部と少なくとも１つの谷部とを備えた曲面形状である請求項１又は２に記載の下肢動作支援装置。
【請求項４】
前記カム面は、少なくとも１つの山部と少なくとも１つの谷部とを有して曲面状に形成され、前記山部の頂上部から谷部に向かう曲面とは反対側に前記定留部が設けられる一方、
前記山部の頂上部から谷部に向かう曲面に前記始動部が設定され、この始動部の傾斜角度及び傾斜長によって前記股関節トルク伝達部材の回転トルクが変化する請求項２に記載の下肢動作支援装置。
【請求項５】
前記カム面は、２つの山部と、この２つの山部との間に１つの谷部を有して曲面状に形成され、前記各山部の頂上部から谷部に向かう曲面とは反対側に第１及び第２の定留部が設けられ、前記各山部の頂上部から谷部に向かう曲面に第１及び第２の始動部が設けられる請求項２又は４に記載の下肢動作支援装置。
【請求項６】
前記股関節トルク伝達部材は、外周に前記カム面が形成された回転軸を有する板カムと、この板カムの一端から延びるクランク部材とを備え、前記股関節トルク付与部材がカム面を圧接することで前記板カムが回転軸を中心に回転し、前記クランク部材が前後方向に搖動する請求項１に記載の下肢動作支援装置。
【請求項７】
前記股関節トルク付与部材は、圧縮バネからなるバネ部材と、このバネ部材を内蔵するボールプランジャとを備え、ボールプランジャの先端に設けられたボールがバネ部材によって前記カム面に付勢されている請求項１に記載の下肢動作支援装置。
【請求項８】
前記ボールプレンジャの先端に設けたボールが前記カム面上を転動する請求項７に記載の下肢動作支援装置。
【請求項９】
前記ボールプランジャには、前記圧縮バネの圧縮量を調整する圧縮量調整部が設けられている請求項７に記載の下肢動作支援装置。
【請求項１０】
股関節の回転動作を補助する股関節補助機構と、膝関節の屈伸動作を補助する膝関節補助機構とを備えた下肢動作支援装置であって、
前記股関節補助機構は、回転軸を有する股関節トルク伝達部材と、前記回転軸に向かう方向とはオフセットした位置で前記股関節トルク伝達部材をバネ付勢し、該股関節トルク伝達部材に回転トルクを付与する股関節トルク付与部材とを備え、前記股関節トルク伝達部材には、前記股関節トルク付与部材のバネ付勢力に応じて回転トルクを変化させるカム面が形成され、股関節の回転動作によって股関節トルク付与部材が前記股関節トルク伝達部材のカム面をバネ付勢することで、股関節の回転動作を補助するトルクを発生させ、
前記膝関節補助機構は、前記股関節トルク伝達部材に連結され、回転運動を伴う周縁カム及びスライド運動を伴うカム溝を有する膝関節トルク伝達部材と、この膝関節トルク伝達部材に対して、バネ付勢力によって前記周縁カム及びカム溝に対してトルクを付与する膝関節トルク付与部材とを備え、前記膝関節トルク伝達部材によって、膝関節の回転運動及び前後方向のスライド運動に伴う屈伸動作を補助するトルクを発生させることを特徴とする下肢動作支援装置。
【請求項１１】
前記膝関節トルク付与部材は、ゼンマイバネからなるバネ部材によって形成され、このバネ部材の巻数に応じて前記膝関節トルク伝達部材に所定のトルクが付与される請求項１０に記載の下肢動作支援装置。
【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腰部や膝部を中心とした下肢に装着されて、歩行や起立等の動作を支援する下肢動作支援装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、股関節や膝関節の機能を補助するための装具は、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、股関節や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歩行支援機などがある。この歩行支援機は、補助が必要な片脚に装着され、モータ等の動力の代わりにバネ部材を用いることで歩行等の動作に関わる股関節や膝関節の動きを支援させる構造となっている。
【０００３】
また、膝関節に関しては、特許文献２に示されているように、曲線運動と直線運動とを組み合わせることで、実際の膝関節の動きを模した機構を備えた装置が提案されている。膝関節は人体の中でも非常に複雑な構造をしており、それに伴う動きも複雑となっている。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部位の一つである。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。なお、この特許文献２で開示されている装置では、モータ等の動力を使用することで、患者等の負担を大幅に軽減させるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３６７４１号公報
【特許文献２】特開２０１２−１６５８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、モータ等の動力を用いることなく、バネ部材の弾性力によって股関節の回転動作を補助することができる。しかしながら、股関節の回転動作を補助するカム部材に対して、バネ部材による圧接方向が前記カム部材の回転軸に向いた構造となっている。このような構造であると、前記カム部材の周縁に設けられるカム面に対して、効率よく回転トルクを付与することができないといった問題がある。また、前記バネ部材は、前記カム面に対して取り付け角度を調整することによって、回転トルクを調整するようになっているが、いずれの取り付け角度によっても、カム部材の回転中心に向けてトルクが発生するようになっているので、股関節の回転動作に必要なトルクが十分に得られない場合がある。
【０００６】
一方、膝関節に関しては、単純な円運動をサポートするものであるため、膝に特有の疾患を患っている患者等にとっては、膝の円滑な動作を妨げ、歩行の際に支障を生ずる場合がある。
【０００７】
特許文献２では、実際の膝関節の動きに模した構造のカムを使用しているため、膝に疾患のある患者等にとっても無理なく自然に膝を屈伸させることができる。しかしながら、モータ等の動力を使用しているため、装置が大掛かりなものとなり、軽度の動作では却って重くなるといった問題があった。
【０００８】
また、従来は、股関節と膝関節とをそれぞれ独立した装置によってサポートするものであって、両者が連携したものでないので、歩行や起立動作等の動作全てに最適に適合するものではなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、股関節や膝関節の動作に必要な回転トルクをバネ付勢力によって付与すると共に、このバネ付勢力を効率よく伝達することで、日常生活における歩行や起立等の動作を無理なく円滑に行うことのできる下肢動作支援装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の下肢動作支援装置は、股関節の回転動作を補助する股関節補助機構を備えた下肢動作支援装置であって、前記股関節補助機構は、回転軸を有する股関節トルク伝達部材と、前記回転軸に向かう方向とはオフセットした位置で前記股関節トルク伝達部材をバネ付勢し、該股関節トルク伝達部材に回転トルクを付与する股関節トルク付与部材とを備え、前記股関節トルク伝達部材には、前記股関節トルク付与部材のバネ付勢力に応じて回転トルクを変化させるカム面が形成され、股関節の回転動作によって股関節トルク付与部材が前記股関節トルク伝達部材のカム面をバネ付勢することで、前記股関節トルク伝達部材に回転トルクが付与されて回転軸を中心に回転することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の下肢動作支援装置は、股関節の回転動作を補助する股関節補助機構と、膝関節の屈伸動作を補助する膝関節補助機構とを備えた下肢動作支援装置であって、前記股関節補助機構は、回転軸を有する股関節トルク伝達部材と、前記回転軸に向かう方向とはオフセットした位置で前記股関節トルク伝達部材をバネ付勢し、該股関節トルク伝達部材に回転トルクを付与する股関節トルク付与部材とを備え、前記股関節トルク伝達部材には、前記股関節トルク付与部材のバネ付勢力に応じて回転トルクを変化させるカム面が形成され、股関節の回転動作によって股関節トルク付与部材が前記股関節トルク伝達部材のカム面をバネ付勢することで、股関節の回転動作を補助するトルクを発生させ、前記膝関節補助機構は、前記股関節トルク伝達部材に連結され、回転運動を伴う周縁カム及びスライド運動を伴うカム溝を有する膝関節トルク伝達部材と、この膝関節トルク伝達部材に対して、バネ付勢力によって前記周縁カム及びカム溝に対してトルクを付与する膝関節トルク付与部材とを備え、前記膝関節トルク伝達部材によって、膝関節の回転運動及び前後方向のスライド運動に伴う屈伸動作を補助するトルクを発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る下肢動作支援装置によれば、股関節補助機構が股関節トルク伝達部材と股関節トルク付与部材とからなり、股関節トルク伝達部材の回転軸に対してオフセットした位置に前記股関節トルク付与部材を配置することによって、股関節トルク伝達部材に対して適正且つ確実な回転トルクを発生させることができる。また、前記股関節トルク付与部材がバネ付勢力によるものであるため、股関節トルク伝達部材に形成されているカム面に沿った回転トルクを円滑且つ永続的に発生させることができる。これによって、歩行動作等に必要な股関節の回転動作を無理なく補助することができる。
【００１３】
また、本発明に係る下肢動作支援装置によれば、股関節補助機構と膝関節補助機構を備え、それぞれが股関節及び膝関節に特化した動作を独立に補助することができると共に、相互に連携することによって、歩行や起立といった下肢全般の動作をバランスよく補助することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】下肢動作支援装置を装着したときの起立姿勢における側面図である。
【図２】下肢動作支援装置を装着したときの歩行姿勢における側面図である。
【図３】下肢動作支援装置を装着したときの着座姿勢における側面図である。
【図４】下肢動作支援装置を装着したときの立ち上り姿勢における側面図である。
【図５】股関節補助機構の平面図である。
【図６】股関節補助機構の断面図である。
【図７】股関節補助機構の作用図である。
【図８】膝関節補助機構の起立時における状態を示す断面図である。
【図９】膝関節補助機構の立ち上り時における状態を示す断面図である。
【図１０】膝関節補助機構の着座時における状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に基づいて、本発明に係る下肢動作支援装置の実施の形態を詳細に説明する。図１乃至図４は本実施形態の下肢動作支援装置１１の左側下肢装着用の構成を示したものであり、各構成要素の配置を左右対称にすることによって、右側下肢装着用の構成にすることができる。ここで、図１は起立姿勢、図２は歩行姿勢、図３は着座姿勢、図４は立ち上がり姿勢におけるそれぞれの装着状態を示したものである。この下肢動作支援装置１１は、支援を必要とするいずれか片方の脚あるいは両脚に装着することで、歩行や起立動作を自立して行うことができる。
【００１６】
本実施形態の下肢動作支援装置１１は、股関節の回転動作を補助する股関節補助機構１２と、膝関節の屈伸動作を補助する膝関節補助機構１３とを備えており、この股関節補助機構１２及び膝関節補助機構１３は、腰部固定具１４、大腿固定具３０及び下腿固定具３１によって、人体の腰部、膝上の大腿部及び膝下の下腿部の各部に合わせて装着される。前記腰部固定具１４、大腿固定具３０及び下腿固定具３１は、孔部や面ファスナー等を備えた長さ調整可能なベルトが使用され、腰部固定具１４に関しては、腰部から下腹部を覆うようなコルセットなども使用することができる。
【００１７】
前記股関節補助機構１２は、図５及び図６に示すように、腰部固定具１４の側面に設けられている腰部取付板１５に対して股関節トルク伝達部材１６が回転可能に配置される一方、この股関節トルク伝達部材１６に向けて回転トルクを付与する股関節トルク付与部材（ボールプランジャ）２１が鉛直方向に配置されている。
【００１８】
前記股関節トルク伝達部材１６は、前記腰部取付板１５の股関節の回転部分に対応する箇所に設けられる回転軸１７と、この回転軸１７を中心に回転可能に配置される板カム１８と、この板カム１８の周縁に設けられ、回転トルクを変化させるためのカム面１９と、板カム１８の回転軸１７を一端にして延び、後述する膝関節補助機構１３に連結されるクランク部材２０とを備える。また、前記板カム１８の回転軸１７を中心とする内側面には、前記腰部取付板１５から突出する固定ピン２２に係合して、この板カム１８の回転範囲を規制する円弧状の長孔２３が設けられている。
【００１９】
なお、前記クランク部材２０は、前記股関節トルク伝達部材１６から延びる第１クランク２０ａと、後述する膝関節トルク伝達部材４１から延びる第２クランク２０ｂとによって構成され、前記第１クランク２０ａ及び第２クランク２０ｂにそれぞれ設けられている複数の調整孔２４の所定位置にピン４４等で固定することによって、股関節補助機構１２と膝関節補助機構１３との装着位置を調整することができる。
【００２０】
前記ボールプランジャ２１は、図６に示したように、円筒形状のホルダ２５と、このホルダ２５内に組み込まれ、先端にボール２６を有するシリンダ２７と、このシリンダ２７をホルダ２５内で弾性保持するバネ部材（圧縮バネ）２８と、この圧縮バネ２８の圧縮量を調整する圧縮量調整部（圧縮量調整ネジ）２９とを有して構成されている。このボールプランジャ２１は、前記腰部取付板１５に対して前記ボール２６が下向きとなるように取り付けられ、このボール２６が圧縮バネ２８の圧縮量に応じて上下動することで、股関節トルク伝達部材１６の回転に必要なトルクが発生する構造となっている。
【００２１】
図５に示したように、前記ボールプランジャ２１は、先端のボール２６が板カム１８の回転軸１７の中心Ｏから水平方向にオフセットした位置Ｘでカム面１９に圧接するように配置されている。通常のカム機構では、カム面１９側が運動を伝えようとする原節となり、このカム面１９に沿って転動するボールプランジャ２１側が運動の伝えられる従節となるため、原節である回転軸１７の中心Ｏに向かう方向に従節であるボール２６の転動中心が設けられる。しかしながら、本発明では反対に、ボールプランジャ２１側が原節、カム面１９側が従節となる。このため、板カム１８の回転軸１７の中心Ｏから水平方向にオフセットした位置Ｘにボール２６の頂点を圧接させることによって、このボール２６によって転動させるカム面１９に対して確実に回転トルクを発生させることができる。
【００２２】
次に、前記カム面１９の構成及び作用を図７に示した作用図に基づいて説明する。本実施形態におけるカム面１９には、２つの山部５１，５２と、この２つ山部５１，５２の間に延びる谷部５５とが曲面状に形成されている。前記一方の山部５１はＡ点を頂点とし、谷部５５のＣ点に向けて傾斜する曲面を有している。このＡ−Ｃ間が歩行動作に必要な回転トルクを発生させる第１の始動部５３となっている。前記他方の山部５２はＢ点を頂点とし、谷部５５のＤ点に向けて傾斜する曲面を有している。このＢ−Ｄ間が起立動作に必要な回転トルクを発生させる第２の始動部５４となっている。また、前記Ａ点から谷部５５とは反対側に位置するＡ０点は、歩行動作の開始前における姿勢（起立姿勢）を保持する第１の定留部５６、前記Ｂ点から谷部５５とは反対側に位置するＢ０点は、起立動作の開始前における姿勢（着座姿勢）を保持する第２の定留部５７となっている。
【００２３】
前記第１の定留部５６は、図１に示した起立姿勢時における位置であり、このときの股関節の回転角（Ａ０）を０度近辺とする。また、第２の定留部５７は、図３に示した着座姿勢時における位置であり、このときの股関節の回転角（Ｂ０）を１００度近辺とする。
【００２４】
前記第１の始動部５３は、図２に示したように、装着されている方の片脚を前に振り出そうとするときの動作を補助するものであり、このときの股関節の回転角（Ａ−Ｃ）を５度〜２０度の範囲に設定している。また、前記第２の始動部５４は、図４に示したように、着座姿勢から腰を浮かして立ち上がろうとするときの動作を補助するものであり、このときの股関節の回転角（Ｂ−Ｄ）を９０度〜７５度の範囲に設定している。
【００２５】
前記谷部５５は、歩行動作中や着座姿勢から起立姿勢に至る間の慣性によって股関節が回転可能な回転角（Ｃ−Ｄ）に設定され、前記各始動部５３，５４の曲面に比べてなだらかな円弧状の曲面となっている。
【００２６】
なお、上記回転角等の設定は、標準的な使用者を想定したものであり、装着する者の運動機能の状態や体型等に応じて回転角等を適宜調整した板カム１８が使用される。
【００２７】
次に、上記構成による股関節補助機構１２の作用を図１乃至図４に示した各動作に基づき、また、細部については図７を参照して説明する。図１では、ボールプランジャ２１のボール２６が第１の定留部５６に圧接することによって、圧縮バネ２８が最大限に圧縮され、弾性エネルギーが蓄積される。この状態から図２に示したように、左脚を前方に踏み出そうする動作によって、股関節が回転し始める。このときの股関節の回転角は約５度となり、前記ボール２６がカム面１９の第１の始動部５３の頂上部であるＡ点に移動する。そして、ここから前記圧縮バネ２８に蓄積されている弾性エネルギーが放出されることで、前記ボール２６が第１の始動部５３のＡ点からＣ点に向けて曲面を勢いよく滑り降り、板カム１８が時計回りに回転して股関節トルク伝達部材１６に大きな回転トルクが生じる。
【００２８】
前記股関節トルク伝達部材１６に大きな回転トルクが生じることによって、膝関節補助機構１３に連結されているクランク２０部材が搖動して膝が持ち上がり、左脚をスムーズに前後方向に動かすことができる。その後は、前記ボール２６が第１の始動部５３のＡ点からＣ点あるいはＤ点までの間を往復移動する間に圧縮バネ２８による弾性エネルギーの蓄積と放出が繰り返されることで、歩行動作を連続してスムーズに行うことができる。
【００２９】
このように、最初の左脚の踏み出しに伴う股関節の振り出し時において、大きなトルクを発生させることで、その慣性によって膝の振り上げが大きくなり、股関節と連動した膝関節の屈曲を歩行に必要な角度に保持することができる。
【００３０】
次に、図３及び図４に基づいて、着座姿勢から起立姿勢に至る動作について説明する。この動作は、膝関節の自然な動き又は後述する膝関節補助機構１３を介した動きに連動して股関節補助機構１２が作用する。
【００３１】
図３に示したように、前記ボール２６が第２の定留部５７に圧接することによって、圧縮バネ２８が最大限に圧縮され、弾性エネルギーが蓄積される。この状態から図４に示したように、腰を浮かせて膝を伸ばそうとする動作によって、股関節が回転し始める。このときの股関節の回転角は約９０度となり、前記ボール２６がカム面１９の第２の始動部５４の頂上部であるＢ点に移動する。そして、ここから前記圧縮バネ２８に蓄積されている弾性エネルギーが放出されることで、前記ボール２６が第２の始動部５４のＢ点からＤ点に向かう曲面を勢いよく滑り降り、これによって、板カム１８が反時計回りに回転して股関節トルク伝達部材１６に大きな回転トルクが生じる。
【００３２】
前記第２の始動部５４は、股関節の回転角が９０度〜７５度の範囲に設定され、この範囲で前記股関節トルク伝達部材１６に大きな回転トルクが生じ、立ち上がる際の股関節の動作を補助することができる。一方、膝関節補助機構１３では、後述するように、膝の伸展方向に圧縮バネ２８の付勢力が作用しているので、前記第２の始動部５４を過ぎた時点でも股関節トルク伝達部材１６をさらに反時計回りに回転させる力が作用する。これによって、ボールプランジャ２１の圧接位置を第１の定留部５６に向けて移動させるように股関節の回転動作を補助することができる。
【００３３】
また、ボールプランジャ２１に備わる圧縮量調整ネジ２９を締めたり、緩めたりすることによって、第１の始動部５３及び第２の始動部５４における股関節トルク伝達部材１６に付与する回転トルクを調整することができる。このため、この装置を装着する者の状態に応じて、股関節の補助の程度を適宜変更することができる。
【００３４】
上記実施形態の股関節補助機構１２のカム面１９は、歩行動作と起立動作とをバランスよく補助するための構成としたが、前記カム面１９の形状を変更することによって、歩行動作及び起立動作のそれぞれに特化した構成にすることができる。前記歩行動作に特化する場合は、第２の定留部５７及び第２の始動部５４を省くことができ、その代りに第１の始動部５３の傾斜角や傾斜長を適宜設定した股関節トルク伝達部材を採用することができる。また、起立動作に特化する場合は、第１の定留部５６及び第１の始動部５３を省くことによって、起立直前にかかる負荷を低減することができる。
【００３５】
次に、図８乃至図１０に基づき、また、図１乃至図４を参照しつつ膝関節補助機構１３の構造及び動作について説明する。この膝関節補助機構１３では、膝が屈曲した状態から伸展方向に対してトルクを徐々に変化させると共に、トルクの大きさを必要に応じて調整可能な膝関節トルク伝達部材４１を備えている。歩行障害の一つとして、股関節の屈曲が停止した時点から伸展方向に向かう慣性力が十分に働かないことが知られている。本実施形態の膝関節トルク伝達部材４１では、前記慣性力が作用する方向にトルクをバネ付勢によって発生させることで、膝関節の屈伸動作を無理なく円滑にすることができるように構成されている。
【００３６】
図８乃至図１０に示したように、前記膝関節トルク伝達部材４１は、上記股関節補助機構１２の第２クランク２０ｂを介して大腿固定具３０から膝部に向けて延びる大腿連結板３２と、下腿固定具３１から膝部に向けて延びる下腿連結板３３との連結部分に位置し、下腿連結板３３側に設けられる周縁カム３６と、大腿連結板３２側に設けられるピニオンギア３７及びこのピニオンギア３７を付勢するバネ部材（ゼンマイバネ）４２とを備える。前記ゼンマイバネ４２は、一端が前記ピニオンギア３７に取り付けられ、他端が大腿連結板３２に設けられているバネ固定ピン４３に固定されている。
【００３７】
前記周縁カム３６は、中央部に長孔３５と、この長孔３５の外周にカム溝３８が形成され、前記長孔３５及びカム溝３８には、前記大腿連結板３２に固定されている枢軸３４及びフォロアピン３９が挿通されている。
【００３８】
これにより、大腿連結板３２と下腿連結板３３は、前記枢軸３４を中心にして相対的な回転運動が可能となる。また、前記枢軸３４が長孔３５内をスライドすることによって、膝関節が前後方向に相対的にスライド可能となる。なお、前記枢軸３４と長孔３５とは、大腿連結板３２と下腿連結板３３との間で入れ替えることも可能である。
【００３９】
前記周縁カム３６の外周縁には、前記ピニオンギア３７が係合する歯列４０が形成され、前記ゼンマイバネ４２によって前記歯列４０の左側端部に付勢されている。前記フォロアピン３９とピニオンギア３７は、枢軸３４を挟んで対峙する位置に設けられている。
【００４０】
上記構成からなる膝関節補助機構１３にあっては、ピニオンギア３７がゼンマイバネ４２の付勢力に抗して回転し、周縁カム３６の周縁を歯列４０に沿って移動すると同時に周縁カム３６が揺動する。これによって、大腿連結板３２と下腿連結板３３とが枢軸３４を支点にして相対的な回転運動を行うと同時に、枢軸３４が長孔３５内をスライドすることで、膝関節が前後方向に相対的にスライド運動を行うこととなる。この動作は、膝関節の回転運動及びすべり転がり運動に近似し、また、大腿骨の下部における回転中心は螺旋状の軌跡を描く。
【００４１】
このように、膝の屈曲動作に伴って、周縁カム３６が回転すると、前記ゼンマイバネ４２が巻き取られ、弾性エネルギーが蓄えられる。そして、膝を伸展させる際には、前記巻き取られたゼンマイバネ４２が伸長することで、前記蓄えられた弾性エネルギーが放出され、周縁カム３６に回転トルクが発生する。このように、歩行や着座時における膝下部の重量で膝関節が屈曲することを利用してゼンマイバネ４２を巻き取り、起立等における膝の伸展時には前記ゼンマイバネ４２が伸長する方向のトルクを発生させることができる。また、前記ゼンマイバネ４２のバネ固定ピン４３への巻数を調整することによって、装着する者の筋力等に応じた膝の屈伸動作を円滑にサポートすることができる。
【００４２】
実際の膝関節は、図８乃至図１０に示したように、膝関節角がまっすぐな０°から曲がり始めの約１５°の間は、すべりのない単純な回転運動を行うことから、この０°〜１５°に対応する周縁カム３６及びカム溝３８の輪郭は真円に近い円弧状に形成される。また、膝関節角が１５°〜１０５°の間では、膝関節が回転すべり運動を行うことから、周縁カム３６の輪郭は横方向に延びる楕円状の円弧に形成され、膝関節角が１０５°以上では膝関節は再び回転運動を行うことから、周縁カム３６の輪郭は真円に近い円弧状に形成される。これにより、大腿連結板３２と下腿連結板３３には、実際の膝関節の動きに近似した動きが実現されることになる。
【００４３】
膝関節の動きは患者の体型、年齢、性等によって違いが生じるが、これには周縁カム３６の形状を適宜変更することによって対応可能である。例えば、この膝関節補助機構１３を装着した患者等が、図８に示した起立状態から図９に示した中間状態を経て図１０に示した屈曲状態に姿勢を変更しようとする場合は、ピニオンギア３７が回転しつつ周縁カム３６の回りを公転する。
【００４４】
前記大腿連結板３２が下腿連結板３３に対して真っ直ぐに伸びた状態から少し屈曲するまでは、枢軸３４が長孔３５の一端３５ａに接して停止することで、長孔３５内をスライドすることなく回転運動のみ可能となる。これは、膝関節角の０°〜１５°に対応し、この角度範囲内では、膝関節はすべりのない単純な回転運動を行う。ここから、大腿連結板３２が下腿連結板３３に対してさらに曲がろうとすると、枢軸３４が長孔３５内をその一端３５ａから他端３５ｂに向かってスライドしながら回転運動を行う。これは、膝関節角の１５°〜１０５°に対応する。これにより、大腿部が下腿部に対して約９０°屈曲するので、無理なく椅子や便器等に着座することができる。
【００４５】
また、椅子等への着座状態から起立しようとする場合は、大腿部と下腿部とが９０°の角度を超えてさらに屈曲しようとする。その場合の膝関節角は１０５°〜１３５°であり、この角度範囲内において、膝関節は再び回転運動のみを行う。これにより、膝関節角が１０５°に到達するまでは、枢軸３４が長孔３５内をその一端３５ａから他端３５ｂに向かって滑りつつ回転運動を行い、膝関節角が１０５°に到達すると、枢軸３４が長孔３５の他端３５ｂに接して停止し、膝関節が１０５°〜１３５°の範囲内で屈曲する際は、その停止位置で回転運動のみ行う。
【００４６】
上記膝関節補助機構１３によれば、ピニオンギア３７がゼンマイバネ４２に付勢された状態で周縁カム３６との間の負荷を軽減させるので、バックラッシュを防止することができる。また、変形性膝関節症や膝関節機能に障害を有する患者、膝関節機能が低下した高齢者等にとって膝関節の無理のない屈伸運動を補助することができ、患者や高齢者等はごく自然に歩行したり、立ち上がったり、座ったりすることができる。
【００４７】
なお、本実施形態の膝関節補助機構１３は、自然な膝関節の動きをゼンマイバネ４２の付勢力のみによって忠実に再現することができるので、この膝関節補助機構１３単独でも使用することができる。
【００４８】
以上説明したように、本発明の下肢動作支援装置１１は、股関節補助機構１２と膝関節補助機構１３とを備え、各補助機構が歩行動作や起立動作に適したトルク伝達部材をバネ付勢によって動作させるので、この下肢動作支援装置１１を装着する者の股関節及び膝関節の状態に合わせた最適な動作支援を行うことができる。特に、股関節補助機構１２及び膝関節補助機構１３が電源等の動力源が不要のバネ部材で構成されているため、装置全体の軽量化が図られると共に、屋外でも制限なく使用することができる。このため、下肢に疾患のある患者や障がい者等に限らず、健常者であっても、トルク伝達部材の形状やバネ付勢力を変更あるいは調整することによって、各種作業等において重い荷物を持ち上げたり、急な坂道を上り下りしたりするような動作を補助することができるので、腰や膝の負担を軽減することができる。また、前記股関節補助機構１２と膝関節補助機構１３とを相互に連携させることによって、下肢全体を総合的に、より自然の動作に近い形で支援させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４９】
１１  下肢動作支援装置
１２  股関節補助機構
１３  膝関節補助機構
１４  腰部固定部
１５  腰部取付板
１６  股関節トルク伝達部材
１７  回転軸
１８  板カム
１９  カム面
２０  クランク部材
２０ａ  第１クランク
２０ｂ  第２クランク
２１  ボールプランジャ（股関節トルク付与部材）
２２  固定ピン
２３  長孔
２４  調整孔
２５  ホルダ
２６  ボール
２７  シリンダ
２８  圧縮バネ（バネ部材）
２９  圧縮量調整ネジ
３０  大腿固定具
３１  下腿固定具
３２  大腿連結板
３３  下腿連結板
３４  枢軸
３５  長孔
３６  周縁カム
３７  ピニオンギア
３８  カム溝
３９  フォロアピン
４０  歯列
４１  膝関節トルク伝達部材
４２  ゼンマイバネ（バネ部材）
４３  バネ固定ピン
４４  ピン
５１  第１の山部
５２  第２の山部
５３  第１の始動部
５４  第２の始動部
５５  谷部
５６  第１の定留部
５７  第２の定留部
【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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