膝関節運動補助装置
【課題】膝関節運動補助装置を円滑に動作させる。
【解決手段】本発明の膝関節運動補助装置は、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、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カムと、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝と、当該カム溝と係合するカムフォロアと、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにした。
【解決手段】本発明の膝関節運動補助装置は、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、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カムと、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝と、当該カム溝と係合するカムフォロアと、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変形性膝関節症の患者等における歩行運動、屈伸動作、リハビリテーション等の補助に使用することができる膝関節運動補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の膝関節は大腿骨、脛骨、膝蓋骨からなる骨の部分と、半月板からなる軟骨と、前十字靭帯、後十字靭帯、内側副靭帯、外側副靭帯等の靭帯によって構成される。
【０００３】
図１０に示すように、大腿骨１の下部は後方に突出しており、いくつもの大きさの違う円弧を組み合わせたような形状になっている。脛骨２の上面は略平坦でこの上を大腿骨１の下部が滑りながら回転することで膝の屈伸運動が行われる。
【０００４】
図１１は膝の屈伸運動に伴って大腿骨１の下部の回転中心３が描く軌跡を示す。図１１から明らかなように、膝関節が屈伸すると大腿骨１の下部の回転中心３は、ずれながら螺旋状の軌跡を描く。このように膝関節は単なる回転運動を行うのではなく、すべり転がり運動を行っている。
【０００５】
また、図１０は膝関節の角度とすべり量との関係の一例を示す。図１０中、膝関節の屈曲角度Ｕ，Ｖ，Ｗはすべり量ｕ，ｖ，ｗにそれぞれ対応する。膝関節１の屈伸運動の可動域は、膝が伸びた状態のときを０°とすると、０°〜１３０°程度であり、歩行時に使用している可動域は大体０°〜６０°である。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。
【０００６】
従来、このような膝関節のすべり転がり運動を考慮して、人体の上腿部に装着される上腿装着部に対して人体の下腿部に装着される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が前後方向にスライドするようにした膝関節運動補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この膝関節運動補助装置によれば、人間の膝関節運動への追従性を高めることができ、装具のずれを防止したり、装着違和感等を解決したりすることができる。
【０００７】
しかしながら、上記従来の膝関節運動補助装置では、モーターの動力をリンク装置によって膝関節に伝えるようになっているので、作動時にリンクが装置本体から食み出たり、人体の一部に接触したりするという問題がある。また、リンクの回動角度によって減速比が変化し、特に膝関節の屈曲角度が大きい場合にトルクが低下しやすくなるという問題がある。
【０００８】
そこでこのような問題を解決すべく、本発明の発明者は、このような股関節の複雑な動きを忠実に再現できる股関節運動補助装置を開発した（特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２７５４８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６３５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に開示されている膝関節運動補助装置は、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カムを挟むようにカムフォロア及び駆動歯車を配置した構成を有しており、周縁カムの駆動歯車と噛み合う歯列部分に、駆動としての要素とカムとしての要素の２つの要素をもたせていたため、この歯列部分には負担がかかっていた。また、ギヤ側におけるバックラッシュが発生していた。
【００１１】
そこで、本発明は、歯列部分における負担軽減とバックラッシュの発生を防止可能であって、膝関節の複雑な動きを忠実に再現することが出来る膝関節運動補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。なお、理解を容易にするため図面の参照番号を括弧付きで付するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１３】
すなわち、請求項１に係る膝関節運動補助装置は、上腿部（４）に装着される上腿装着部（５）と、下腿部（６）に装着される下腿装着部（７）と、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部（８）と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カム（５２）と、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車（２５）と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝（５３）と、当該カム溝と係合するカムフォロア（２４）と、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列（２２ａ）が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カム５２の外周縁に駆動歯車２５を配置し、周縁カム５２の内周面に溝カム５３を形成し、この溝カム５３にカムフォロア２４を配置した構成としたことで、駆動歯車と噛み合う噛み合い部の負担を軽減するとともに、当該噛み合い部におけるバックラッシュを防止できる。また、膝関節の動きを再現することが出来ると同時に、作動時に部品、部材等が装置本体から食み出たり、人体や他の物体に接触したりするというおそれがない。さらに、動力の伝達につき減速比が安定するので、膝関節の屈曲角度が大きい場合等においても膝関節を屈伸させるためのトルクの低下を防止することができる。従って、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。
【００１５】
また、請求項２に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、上記カムフォロア及び駆動歯車が上記上腿装着部に取り付けられ、上記周縁カムが上記下腿装着部に取り付けられたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、モーター等の駆動源を上腿部側に設置することができ、患者等への負担を軽減することができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１又は請求項２に記載の膝関節運動補助装置において、上記連結部（８）が、枢軸（２０）と、この枢軸（２０）が挿入される長孔（５５）とを有し、この枢軸（２０）と長孔（５５）とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々設けられたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、膝関節運動補助装置の構造を簡素化することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、モーター（２９）が上記上腿装着部に取り付けられ、このモーターから上記駆動歯車への動力伝達系が、平歯車及びすぐばかさ歯車（３０，３１）の一方又は双方からなる歯車列によって構成されたことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、クラッチ等を設けずとも人体側からの入力に対してその動きを制限することがない。したがって、モーターの非稼動時に患者等は自由に脚を動かせることができるのはもちろんのこと、稼動時において患者等が転倒するような場合であってもすこぶる安全である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の膝関節運動補助装置によれば、駆動歯車と噛み合う噛み合い部の負担を軽減可能であるとともに、当該噛み合い部におけるバックラッシュを防止できる。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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る膝関節運動補助装置の使用状態を示す説明図であり、（Ａ）は脚を伸ばした状態を示し、（Ｂ）は脚を曲げた状態を示す。
【図２】図１に示した膝関節運動補助装置の装着状態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る膝関節運動補助装置の要部を示す斜視図である。
【図４】図３に示す膝関節運動補助装置の中心部を保護カバーを除いて示す正面図である。
【図５】駆動部付近の縦断面図である。
【図６】図５中、ＶＩ−ＶＩ線矢視断面図であり、膝関節が伸長した状態を示す。
【図７】図６と同様な断面図であり、膝関節が歩行時に屈曲した状態を示す。
【図８】図６と同様な断面図であり、膝関節が着座時に屈曲した状態を示す。
【図９】図６と同様な断面図であり、膝関節が立上がりに際し更に屈曲した状態を示す。
【図１０】膝関節の運動を示す説明図である。
【図１１】大腿骨の下部の回転中心が膝関節の屈曲と共に移動する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施の形態について説明する。なお、本実施形態の膝関節運動補助装置は、従来の駆動部が、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カムを挟むようにカムフォロア及び駆動歯車を配置した構成であるのに対して、後述するように、周縁カム５２の外周縁に駆動歯車２５を配置し、周縁カム５２の内周面に溝カム５３を形成し、この溝カム５３にカムフォロア２４を配置した構成である点で異なるものである。
【００２４】
図１乃至図３に示すように、本実施形態の膝関節運動補助装置は、人体の脚に装着されるもので、脚の膝関節から上腿部４にかけて装着される上腿装着部５と、膝関節から下腿部６にかけて装着される下腿装着部７と、上腿装着部５及び下腿装着部７の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部８と、連結部８を中心にして上腿装着部５と下腿装着部７とを相対的に回転させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを具備する。
【００２５】
図４及び図５に示すように、上腿装着部５は、膝関節の側面に沿うように設けられる板状の基部９を有する。
【００２６】
この基部９には、図１乃至図５に示すように、細長い板状の上添え部１０が連結されて基部９と一体化される。この上添え部１０が上腿部４の外側面に沿って立ち上がる。図１乃至図３に示すように、上添え部１０の上端部は患者の腰に巻き付けられた腰ベルト１１に連結具１２を介して連結され、上添え部１０の上記基部９に隣接した部分が上腿当て部１３、面ファスナ１４等を介して上腿部４に連結される。
【００２７】
また、図１乃至図５に示すように、下腿装着部７は細長い板状の下添え部１５を有し、この下添え部１５の上端部が上記基部９に膝関節側から重なり合い、そこから下腿部６の外側面に沿って垂下する。図１乃至図３に示すように、下添え部１５の上記基部９に隣接する部分が下腿当て部１６、面ファスナ１７等を介して下腿部６の膝下部分に連結され、下添え部１５の下端部が足首当て部１８、面ファスナ１９等を介して下腿部６の足首に連結される。
【００２８】
上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は、連結部８によって回転可能に連結される。
【００２９】
図４及び図５に示すように、上腿装着部５の膝関節側端部は上記上添え部１０が連結された基部９が該当し、下腿装着部７の膝関節側端部は上記下添え部１５の上端部が該当する。
【００３０】
図４乃至図６に示すように、連結部８は、ピン状の枢軸２０とこの枢軸２０が挿入される長孔５５を具備する。枢軸２０は基部９に固定され、基部９から下添え部１５の上端部へと突出する。下添え部１５の上端部には基部９に対向するように後述する駆動部の周縁カム５２が固定され、この周縁カム５２の中央部に上記長孔５５が形成される。枢軸２０はこの長孔５５を下添え部１５へと貫通する。図５に示すように、枢軸２０の先端には周縁カム５２を基部９側に拘束する頭部２０ａが設けられる。
【００３１】
これにより、上腿装着部５と下腿装着部７は、連結部８の枢軸２０を中心にして相対的な回転運動が可能であり、かつ、枢軸２０が長孔５５内をスライド可能であることによって上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は前後方向に相対的にスライド運動が可能となる。
【００３２】
なお、枢軸２０と長孔５５とは、上腿装着部５と下腿装着部７との間で入れ替えることも可能である。
【００３３】
上腿装着部５と下腿装着部７の上記回転運動とスライド運動は、図４乃至図６に示す駆動部の駆動によって行われる。
【００３４】
この駆動部は、周縁カム５２と、この周縁カム５２の外周縁に配置される駆動歯車２５と、周縁カム５２の内周面に形成される溝カム５３と、この溝カム５３に係合するカムフォロア２４と、を有する。駆動部は、図３に示すように、カバー２８によって覆われる。カバー２８は基部９に対して着脱可能である。
【００３５】
周縁カム５２は上述したように下腿装着部７の下添え部１５の上端部にネジ等の固定具によって固定される。
【００３６】
カムフォロア２４及び駆動歯車２５は、上腿装着部５の基部９に回転可能に枢支され、基部９から上記枢軸２０と同じ方向に突出する。カムフォロア２４は回転自在なローラとして基部９に取り付けられる。駆動歯車２５はピニオンとして形成され、その軸２５ａが基部９にベアリング２７を介して回転自在に支持される。
【００３７】
カムフォロア２４及び駆動歯車２５は、上腿装着部５の基部９に回転可能に枢支され、基部９から上記枢軸２０と同じ方向に突出する。カムフォロア２４は回転自在なローラとして基部９に取り付けられる。駆動歯車２５はピニオンとして形成され、その軸２５ａが基部９にベアリング２７を介して回転自在に支持される。カムフォロア２４と駆動歯車２５は、枢軸２０を挟んで対峙するように設けられる。
【００３８】
図６に示すように、周縁カム５２の一部周縁には、駆動歯車２５が係合する歯列５２ａが形成されている。歯列５２ａ及び駆動歯車２５の歯は望ましくはすぐ歯として形成される。
【００３９】
また、本実施形態の長孔５５は、図６に示すように、中央部から左斜め上方に延びるように形成されている。
【００４０】
このように構成された駆動部は、駆動歯車２５が回転すると、駆動歯車２５が周縁カム５２の周縁を歯列５２ａに沿って移動すると同時に周縁カム５２が揺動する。
【００４１】
したがって、図６乃至図９に示すように、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして相対的な回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内をスライドし、上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は前後方向に相対的にスライド運動を行うこととなる。このときの上腿装着部５と下腿装着部７の動きは、図１０に示した膝関節の回転運動ないしすべり転がり運動に近似し、また、大腿骨１の下部における回転中心３は、図１１に示した螺旋状の軌跡を描くように移動する。
【００４２】
上記周縁カム５２の周縁の輪郭は、上記のような膝関節の運動を生じるように形成される。すなわち、実際の膝関節は、図１０及び図１１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１５°の間は、すべりのない単純な回転運動を行うことから、周縁カム５２及び溝カム５３の輪郭のうち膝関節角の０°〜１５°に対応する部分は、真円状の円弧に形成され、膝関節角が１５°〜１０５°の間では、膝関節は回転すべり運動を行うことから、周縁カム５２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５２の輪郭は真円状の円弧に形成される。これにより、上腿装着部５と下腿装着部７には、実際の膝関節の動きに近似した動きが実現される。
【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５２の輪郭を適宜変更することによって対処可能である。
【００４４】
また、図４及び図５に示すように、駆動部の動力源としてのモーター２９が上記上腿装着部５の基部９に縦向きに取り付けられる。また、このモーター２９から上記駆動歯車２５への動力伝達系もこの基部９に取り付けられる。動力伝達系は、第１の実施の形態と同様に、平歯車及びすぐばかさ歯車の組合せからなる歯車列によって構成される。この歯車列の一部はモーター２９内の図示しない歯車減速機として設けられる。この歯車減速機は例えば平歯車列によって構成される。歯車減速機の終端歯車の軸２９ａはモーター２９のケーシングから略垂直下方に向かって突出し、その軸２９ａの先端にすぐばかさ歯車３０が固定される。このすぐばかさ歯車３０には他のすぐばかさ歯車３１が噛み合っており、このすぐばかさ歯車３１が上記駆動歯車２５の軸２５ａに固定される。
【００４５】
これにより、モーター２９が回転すると、その動力が駆動歯車２５に伝達され、上述したような相対的回転運動及びスライド運動が上腿装着部５と下腿装着部７との間に生じることになる。また、このように動力伝達系が平歯車及びすぐばかさ歯車３０，３１の一方又は双方からなる歯車列によって構成されることから、クラッチ等を設けずとも人体側からの入力に対してその動きを制限することがない。したがって、セルフロックが回避されることとなり、モーター２９の非稼動時に患者等は自由に脚を動かせることができるのはもちろんのこと、モーター２９の稼動時において患者等が転倒するような場合であってもモーター２９に抗するように脚を動かせることができるのですこぶる安全である。
【００４６】
上記モーター２９は図４に示す制御部３２によって制御され、上記周縁カム５２の所定の角度範囲内において正転し又は逆転する。
【００４７】
例えば、この膝関節運動補助装置を装着した患者等が、図６に示す起立状態から図７に示す中間状態を経て図８に示す屈曲状態に姿勢を変更しようとする場合は、駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回転しつつ周縁カム５２の回りを矢印ａの方向に公転する。これにより、上腿装着部５と下腿装着部７が連結部８を中心にして屈曲し、例えば患者の上腿部４は椅子等に着座可能になる。
【００４８】
図６に示すように、上腿装着部５が下腿装着部７に対して真っ直ぐに伸びた状態から少しばかり屈曲するまでは、枢軸２０が長孔５５の一端５５ａに当たって停止し、長孔５５内を滑ることなく回転のみ可能である。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。
【００４９】
図７及び図８に示すように、上腿装着部５が下腿装着部７に対して更に曲がろうとすると、枢軸２０が長孔５５内をその一端５５ａから他端５５ｂに向かって滑りつつ回転運動を行う。これは、膝関節角の１５°〜１０５°に対応する。これにより、図８に示すように、患者の上腿部４は下腿部６に対して約９０°屈曲し、患者は無理なく椅子等に着座することができる。
【００５０】
また、この膝関節運動補助装置を装着した患者が、図８に示す椅子等への着座状態から起立しようとする場合は、患者の上腿部４は下腿部６に対して９０°を超えて更に屈曲しようとする。その場合の膝関節角は１０５°〜１３５°であり、この角度範囲内では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、図８中、枢軸２０が長孔５５内をその一端５５ａから他端５５ｂ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、図９に示すように、枢軸２０が長孔５５の他端５５ｂに当って停止し、膝関節が１０５°〜１３５°の範囲内で屈曲する際は枢軸２０はその停止位置で回転運動のみ行う。
【００５１】
その後、制御部３２からの指令によってモーター２９が逆転し、図９、図８、図７および図６で順次示すように、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回転しつつ周縁カム５２の回りを矢印ｂの方向に公転する。これにより、患者は椅子等への着座状態から起立することが可能になる。
【００５２】
また、図９中、周縁カム５２における歯列５２ａと長孔５５の各々をより長く形成することによって、上腿装着部５が下腿装着部７に対して例えば約１６０°屈曲可能とすることもできる。その場合は、患者は正座をすることができる。
【００５３】
次に、本実施形態の膝関節運動補助装置の作用について説明する。
【００５４】
まず、図１（Ａ）及び図２に示すように、膝関節運動補助装置が変形性膝関節症を発症した患者の脚に装着される。
【００５５】
すなわち、膝関節運動補助装置の連結部８が患者の膝関節の側面に当てられ、上腿装着部５の上添え部１０が上腿部４の側面に当てられ、下腿装着部７の下添え部１５が下腿部６の側面に当てられる。
【００５６】
そして、上添え部１０の上端部が患者の腰に巻き付けられた腰ベルト１１に連結具１２を介して連結され、上添え部１０の基部９に隣接した部分が上腿当て部１３、面ファスナ１４等を介して上腿部４の膝上部分に連結される。
【００５７】
また、下添え部１５の基部９に隣接する部分が下腿当て部１６、面ファスナ１７等を介して下腿部６の膝下部分に連結され、下添え部１５の下端部が足首当て部１８、面ファスナ１９等を介して下腿部６の足首に連結される。
【００５８】
その他、図示しないが電池が腰ベルト１１に取り付けられ、この電池にモーター２９が電気的に接続される。
【００５９】
モーター２９の図示しないＯＮ／ＯＦＦスイッチが入れられると、モーター２９が起動し、その動力が駆動部の歯車列を介して駆動歯車２５に入力される。
【００６０】
モーター２９は制御部３２によって歩行用、着座用等の各種の制御モードで制御される。
【００６１】
歩行用の制御モードにセットされた場合は、図６のごとく膝関節が伸長した状態で駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図７及び図８のごとく膝関節を屈曲させる。この回転運動による膝関節の回転角度は例えば０°〜６０°の範囲内である。
【００６２】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア５４との間で周縁カム５２の直径方向に揺動するものの、枢軸２０は図６の位置から図８の位置へと長孔５５内を上方にスライドする。
【００６３】
このように、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして屈曲する回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内を上方にスライド運動することから、上腿装着部５と下腿装着部７は、図１０に示した人体の膝関節のすべり転がり運動に近似した動きをすることとなり、患者は無理なく自然に脚を屈曲させることができる。
【００６４】
駆動歯車２５が周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に所定角度だけ公転すると、モーター２９が逆転に切り替えられ、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ｂ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図１２のごとく膝関節を伸長させる。
【００６５】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア５４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図８の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドする。
【００６６】
これにより、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして脚を伸ばす方向に回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内を下方にスライド運動することから、上腿装着部５と下腿装着部７は、図１０に示した人体の膝関節のすべり転がり運動に近似した動きをすることとなり、患者は無理なく自然に脚を伸ばすことができる。
【００６７】
枢軸２０が図８の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドすると、長孔５５の一端５５ａに当たって停止する。
【００６８】
その後、モーター２９の正逆転の繰り返しによって、上記駆動歯車２５の回転が矢印Ａの方向と矢印Ｂの方向に交互に切り替えられ、上腿装着部５と下腿装着部７の伸長と屈曲とが繰り返され、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、患者の歩行動作が補助される。
【００６９】
一方で、モーター２９が制御部３２によって着座用の制御モードにセットされた場合は、図６のごとく膝関節が伸長した状態で駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行い、図７の状態を経て、図８のごとく膝関節を屈曲させる。この回転運動による膝関節の回転角度は例えば０°〜９０°の範囲内である。
【００７０】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア２４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図６の位置から図８の位置へと長孔５５内を上方にスライドする。これにより、枢軸２０は図１０に示した膝関節のすべり転がり運動に倣うように運動する。
【００７１】
駆動歯車２５が周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に所定角度だけ公転すると、モーター２９が停止し、上腿装着部５と下腿装着部７との相対的回転運動も停止し、患者は椅子等に着座可能となる。
【００７２】
患者が椅子から起立しようとする場合は、患者の上腿部４は下腿部６に対して９０°を超えて更に屈曲しようとする。これに対応して、モーター２９が正転を開始し、膝関節角が１０５°になったところで枢軸２０が長孔５５の他端５５ｂに当って停止し、膝関節角が１０５°〜１３５°の範囲内において枢軸２０はその停止位置で回転運動のみ行う。
【００７３】
続いて、モーター２９が逆転に切り替えられ、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ｂ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図６のごとく膝関節を伸長させる。
【００７４】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア２４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図９の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドする。これにより、枢軸２０は図１０に示した膝関節のすべり転がり運動に倣うように運動する。
【００７５】
枢軸２０が図９の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドすると、長孔５５の一端５５ａに当たって停止する。このとき、上腿装着部５と下腿装着部７が真っ直ぐに伸びた状態に保持される。
【００７６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、膝関節運動補助装置を右脚用として示したが、右脚用のものを略対称形にすることによって左足用のものとすることも可能である。また、左右両脚に膝関節運動補助装置を装着することも可能である。また、駆動源としてモーターを用いたが他の種類の駆動源を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００７７】
４…上腿部
５…上腿装着部
６…下腿部
７…下腿装着部
８…連結部
２０…枢軸
５５…長孔
５２…周縁カム
５２ａ…歯列
２４…カムフォロア
２５…駆動歯車
３０，３１…すぐばかさ歯車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変形性膝関節症の患者等における歩行運動、屈伸動作、リハビリテーション等の補助に使用することができる膝関節運動補助装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の膝関節は大腿骨、脛骨、膝蓋骨からなる骨の部分と、半月板からなる軟骨と、前十字靭帯、後十字靭帯、内側副靭帯、外側副靭帯等の靭帯によって構成される。
【０００３】
図１０に示すように、大腿骨１の下部は後方に突出しており、いくつもの大きさの違う円弧を組み合わせたような形状になっている。脛骨２の上面は略平坦でこの上を大腿骨１の下部が滑りながら回転することで膝の屈伸運動が行われる。
【０００４】
図１１は膝の屈伸運動に伴って大腿骨１の下部の回転中心３が描く軌跡を示す。図１１から明らかなように、膝関節が屈伸すると大腿骨１の下部の回転中心３は、ずれながら螺旋状の軌跡を描く。このように膝関節は単なる回転運動を行うのではなく、すべり転がり運動を行っている。
【０００５】
また、図１０は膝関節の角度とすべり量との関係の一例を示す。図１０中、膝関節の屈曲角度Ｕ，Ｖ，Ｗはすべり量ｕ，ｖ，ｗにそれぞれ対応する。膝関節１の屈伸運動の可動域は、膝が伸びた状態のときを０°とすると、０°〜１３０°程度であり、歩行時に使用している可動域は大体０°〜６０°である。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。
【０００６】
従来、このような膝関節のすべり転がり運動を考慮して、人体の上腿部に装着される上腿装着部に対して人体の下腿部に装着される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が前後方向にスライドするようにした膝関節運動補助装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この膝関節運動補助装置によれば、人間の膝関節運動への追従性を高めることができ、装具のずれを防止したり、装着違和感等を解決したりすることができる。
【０００７】
しかしながら、上記従来の膝関節運動補助装置では、モーターの動力をリンク装置によって膝関節に伝えるようになっているので、作動時にリンクが装置本体から食み出たり、人体の一部に接触したりするという問題がある。また、リンクの回動角度によって減速比が変化し、特に膝関節の屈曲角度が大きい場合にトルクが低下しやすくなるという問題がある。
【０００８】
そこでこのような問題を解決すべく、本発明の発明者は、このような股関節の複雑な動きを忠実に再現できる股関節運動補助装置を開発した（特許文献２参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−２７５４８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６３５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に開示されている膝関節運動補助装置は、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カムを挟むようにカムフォロア及び駆動歯車を配置した構成を有しており、周縁カムの駆動歯車と噛み合う歯列部分に、駆動としての要素とカムとしての要素の２つの要素をもたせていたため、この歯列部分には負担がかかっていた。また、ギヤ側におけるバックラッシュが発生していた。
【００１１】
そこで、本発明は、歯列部分における負担軽減とバックラッシュの発生を防止可能であって、膝関節の複雑な動きを忠実に再現することが出来る膝関節運動補助装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成を採用する。なお、理解を容易にするため図面の参照番号を括弧付きで付するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１３】
すなわち、請求項１に係る膝関節運動補助装置は、上腿部（４）に装着される上腿装着部（５）と、下腿部（６）に装着される下腿装着部（７）と、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部（８）と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カム（５２）と、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車（２５）と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝（５３）と、当該カム溝と係合するカムフォロア（２４）と、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列（２２ａ）が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カム５２の外周縁に駆動歯車２５を配置し、周縁カム５２の内周面に溝カム５３を形成し、この溝カム５３にカムフォロア２４を配置した構成としたことで、駆動歯車と噛み合う噛み合い部の負担を軽減するとともに、当該噛み合い部におけるバックラッシュを防止できる。また、膝関節の動きを再現することが出来ると同時に、作動時に部品、部材等が装置本体から食み出たり、人体や他の物体に接触したりするというおそれがない。さらに、動力の伝達につき減速比が安定するので、膝関節の屈曲角度が大きい場合等においても膝関節を屈伸させるためのトルクの低下を防止することができる。従って、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。
【００１５】
また、請求項２に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、上記カムフォロア及び駆動歯車が上記上腿装着部に取り付けられ、上記周縁カムが上記下腿装着部に取り付けられたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、モーター等の駆動源を上腿部側に設置することができ、患者等への負担を軽減することができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１又は請求項２に記載の膝関節運動補助装置において、上記連結部（８）が、枢軸（２０）と、この枢軸（２０）が挿入される長孔（５５）とを有し、この枢軸（２０）と長孔（５５）とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々設けられたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、膝関節運動補助装置の構造を簡素化することができる。
【００１９】
また、請求項４に記載の膝関節運動補助装置は、請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、モーター（２９）が上記上腿装着部に取り付けられ、このモーターから上記駆動歯車への動力伝達系が、平歯車及びすぐばかさ歯車（３０，３１）の一方又は双方からなる歯車列によって構成されたことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、クラッチ等を設けずとも人体側からの入力に対してその動きを制限することがない。したがって、モーターの非稼動時に患者等は自由に脚を動かせることができるのはもちろんのこと、稼動時において患者等が転倒するような場合であってもすこぶる安全である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の膝関節運動補助装置によれば、駆動歯車と噛み合う噛み合い部の負担を軽減可能であるとともに、当該噛み合い部におけるバックラッシュを防止できる。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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る膝関節運動補助装置の使用状態を示す説明図であり、（Ａ）は脚を伸ばした状態を示し、（Ｂ）は脚を曲げた状態を示す。
【図２】図１に示した膝関節運動補助装置の装着状態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る膝関節運動補助装置の要部を示す斜視図である。
【図４】図３に示す膝関節運動補助装置の中心部を保護カバーを除いて示す正面図である。
【図５】駆動部付近の縦断面図である。
【図６】図５中、ＶＩ−ＶＩ線矢視断面図であり、膝関節が伸長した状態を示す。
【図７】図６と同様な断面図であり、膝関節が歩行時に屈曲した状態を示す。
【図８】図６と同様な断面図であり、膝関節が着座時に屈曲した状態を示す。
【図９】図６と同様な断面図であり、膝関節が立上がりに際し更に屈曲した状態を示す。
【図１０】膝関節の運動を示す説明図である。
【図１１】大腿骨の下部の回転中心が膝関節の屈曲と共に移動する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施の形態について説明する。なお、本実施形態の膝関節運動補助装置は、従来の駆動部が、上腿装着部と下腿装着部とのスライド運動を成立させるために、周縁カムを挟むようにカムフォロア及び駆動歯車を配置した構成であるのに対して、後述するように、周縁カム５２の外周縁に駆動歯車２５を配置し、周縁カム５２の内周面に溝カム５３を形成し、この溝カム５３にカムフォロア２４を配置した構成である点で異なるものである。
【００２４】
図１乃至図３に示すように、本実施形態の膝関節運動補助装置は、人体の脚に装着されるもので、脚の膝関節から上腿部４にかけて装着される上腿装着部５と、膝関節から下腿部６にかけて装着される下腿装着部７と、上腿装着部５及び下腿装着部７の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部８と、連結部８を中心にして上腿装着部５と下腿装着部７とを相対的に回転させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを具備する。
【００２５】
図４及び図５に示すように、上腿装着部５は、膝関節の側面に沿うように設けられる板状の基部９を有する。
【００２６】
この基部９には、図１乃至図５に示すように、細長い板状の上添え部１０が連結されて基部９と一体化される。この上添え部１０が上腿部４の外側面に沿って立ち上がる。図１乃至図３に示すように、上添え部１０の上端部は患者の腰に巻き付けられた腰ベルト１１に連結具１２を介して連結され、上添え部１０の上記基部９に隣接した部分が上腿当て部１３、面ファスナ１４等を介して上腿部４に連結される。
【００２７】
また、図１乃至図５に示すように、下腿装着部７は細長い板状の下添え部１５を有し、この下添え部１５の上端部が上記基部９に膝関節側から重なり合い、そこから下腿部６の外側面に沿って垂下する。図１乃至図３に示すように、下添え部１５の上記基部９に隣接する部分が下腿当て部１６、面ファスナ１７等を介して下腿部６の膝下部分に連結され、下添え部１５の下端部が足首当て部１８、面ファスナ１９等を介して下腿部６の足首に連結される。
【００２８】
上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は、連結部８によって回転可能に連結される。
【００２９】
図４及び図５に示すように、上腿装着部５の膝関節側端部は上記上添え部１０が連結された基部９が該当し、下腿装着部７の膝関節側端部は上記下添え部１５の上端部が該当する。
【００３０】
図４乃至図６に示すように、連結部８は、ピン状の枢軸２０とこの枢軸２０が挿入される長孔５５を具備する。枢軸２０は基部９に固定され、基部９から下添え部１５の上端部へと突出する。下添え部１５の上端部には基部９に対向するように後述する駆動部の周縁カム５２が固定され、この周縁カム５２の中央部に上記長孔５５が形成される。枢軸２０はこの長孔５５を下添え部１５へと貫通する。図５に示すように、枢軸２０の先端には周縁カム５２を基部９側に拘束する頭部２０ａが設けられる。
【００３１】
これにより、上腿装着部５と下腿装着部７は、連結部８の枢軸２０を中心にして相対的な回転運動が可能であり、かつ、枢軸２０が長孔５５内をスライド可能であることによって上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は前後方向に相対的にスライド運動が可能となる。
【００３２】
なお、枢軸２０と長孔５５とは、上腿装着部５と下腿装着部７との間で入れ替えることも可能である。
【００３３】
上腿装着部５と下腿装着部７の上記回転運動とスライド運動は、図４乃至図６に示す駆動部の駆動によって行われる。
【００３４】
この駆動部は、周縁カム５２と、この周縁カム５２の外周縁に配置される駆動歯車２５と、周縁カム５２の内周面に形成される溝カム５３と、この溝カム５３に係合するカムフォロア２４と、を有する。駆動部は、図３に示すように、カバー２８によって覆われる。カバー２８は基部９に対して着脱可能である。
【００３５】
周縁カム５２は上述したように下腿装着部７の下添え部１５の上端部にネジ等の固定具によって固定される。
【００３６】
カムフォロア２４及び駆動歯車２５は、上腿装着部５の基部９に回転可能に枢支され、基部９から上記枢軸２０と同じ方向に突出する。カムフォロア２４は回転自在なローラとして基部９に取り付けられる。駆動歯車２５はピニオンとして形成され、その軸２５ａが基部９にベアリング２７を介して回転自在に支持される。
【００３７】
カムフォロア２４及び駆動歯車２５は、上腿装着部５の基部９に回転可能に枢支され、基部９から上記枢軸２０と同じ方向に突出する。カムフォロア２４は回転自在なローラとして基部９に取り付けられる。駆動歯車２５はピニオンとして形成され、その軸２５ａが基部９にベアリング２７を介して回転自在に支持される。カムフォロア２４と駆動歯車２５は、枢軸２０を挟んで対峙するように設けられる。
【００３８】
図６に示すように、周縁カム５２の一部周縁には、駆動歯車２５が係合する歯列５２ａが形成されている。歯列５２ａ及び駆動歯車２５の歯は望ましくはすぐ歯として形成される。
【００３９】
また、本実施形態の長孔５５は、図６に示すように、中央部から左斜め上方に延びるように形成されている。
【００４０】
このように構成された駆動部は、駆動歯車２５が回転すると、駆動歯車２５が周縁カム５２の周縁を歯列５２ａに沿って移動すると同時に周縁カム５２が揺動する。
【００４１】
したがって、図６乃至図９に示すように、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして相対的な回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内をスライドし、上腿装着部５と下腿装着部７の膝関節側端部間は前後方向に相対的にスライド運動を行うこととなる。このときの上腿装着部５と下腿装着部７の動きは、図１０に示した膝関節の回転運動ないしすべり転がり運動に近似し、また、大腿骨１の下部における回転中心３は、図１１に示した螺旋状の軌跡を描くように移動する。
【００４２】
上記周縁カム５２の周縁の輪郭は、上記のような膝関節の運動を生じるように形成される。すなわち、実際の膝関節は、図１０及び図１１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１５°の間は、すべりのない単純な回転運動を行うことから、周縁カム５２及び溝カム５３の輪郭のうち膝関節角の０°〜１５°に対応する部分は、真円状の円弧に形成され、膝関節角が１５°〜１０５°の間では、膝関節は回転すべり運動を行うことから、周縁カム５２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５２の輪郭は真円状の円弧に形成される。これにより、上腿装着部５と下腿装着部７には、実際の膝関節の動きに近似した動きが実現される。
【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５２の輪郭を適宜変更することによって対処可能である。
【００４４】
また、図４及び図５に示すように、駆動部の動力源としてのモーター２９が上記上腿装着部５の基部９に縦向きに取り付けられる。また、このモーター２９から上記駆動歯車２５への動力伝達系もこの基部９に取り付けられる。動力伝達系は、第１の実施の形態と同様に、平歯車及びすぐばかさ歯車の組合せからなる歯車列によって構成される。この歯車列の一部はモーター２９内の図示しない歯車減速機として設けられる。この歯車減速機は例えば平歯車列によって構成される。歯車減速機の終端歯車の軸２９ａはモーター２９のケーシングから略垂直下方に向かって突出し、その軸２９ａの先端にすぐばかさ歯車３０が固定される。このすぐばかさ歯車３０には他のすぐばかさ歯車３１が噛み合っており、このすぐばかさ歯車３１が上記駆動歯車２５の軸２５ａに固定される。
【００４５】
これにより、モーター２９が回転すると、その動力が駆動歯車２５に伝達され、上述したような相対的回転運動及びスライド運動が上腿装着部５と下腿装着部７との間に生じることになる。また、このように動力伝達系が平歯車及びすぐばかさ歯車３０，３１の一方又は双方からなる歯車列によって構成されることから、クラッチ等を設けずとも人体側からの入力に対してその動きを制限することがない。したがって、セルフロックが回避されることとなり、モーター２９の非稼動時に患者等は自由に脚を動かせることができるのはもちろんのこと、モーター２９の稼動時において患者等が転倒するような場合であってもモーター２９に抗するように脚を動かせることができるのですこぶる安全である。
【００４６】
上記モーター２９は図４に示す制御部３２によって制御され、上記周縁カム５２の所定の角度範囲内において正転し又は逆転する。
【００４７】
例えば、この膝関節運動補助装置を装着した患者等が、図６に示す起立状態から図７に示す中間状態を経て図８に示す屈曲状態に姿勢を変更しようとする場合は、駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回転しつつ周縁カム５２の回りを矢印ａの方向に公転する。これにより、上腿装着部５と下腿装着部７が連結部８を中心にして屈曲し、例えば患者の上腿部４は椅子等に着座可能になる。
【００４８】
図６に示すように、上腿装着部５が下腿装着部７に対して真っ直ぐに伸びた状態から少しばかり屈曲するまでは、枢軸２０が長孔５５の一端５５ａに当たって停止し、長孔５５内を滑ることなく回転のみ可能である。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。
【００４９】
図７及び図８に示すように、上腿装着部５が下腿装着部７に対して更に曲がろうとすると、枢軸２０が長孔５５内をその一端５５ａから他端５５ｂに向かって滑りつつ回転運動を行う。これは、膝関節角の１５°〜１０５°に対応する。これにより、図８に示すように、患者の上腿部４は下腿部６に対して約９０°屈曲し、患者は無理なく椅子等に着座することができる。
【００５０】
また、この膝関節運動補助装置を装着した患者が、図８に示す椅子等への着座状態から起立しようとする場合は、患者の上腿部４は下腿部６に対して９０°を超えて更に屈曲しようとする。その場合の膝関節角は１０５°〜１３５°であり、この角度範囲内では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、図８中、枢軸２０が長孔５５内をその一端５５ａから他端５５ｂ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、図９に示すように、枢軸２０が長孔５５の他端５５ｂに当って停止し、膝関節が１０５°〜１３５°の範囲内で屈曲する際は枢軸２０はその停止位置で回転運動のみ行う。
【００５１】
その後、制御部３２からの指令によってモーター２９が逆転し、図９、図８、図７および図６で順次示すように、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回転しつつ周縁カム５２の回りを矢印ｂの方向に公転する。これにより、患者は椅子等への着座状態から起立することが可能になる。
【００５２】
また、図９中、周縁カム５２における歯列５２ａと長孔５５の各々をより長く形成することによって、上腿装着部５が下腿装着部７に対して例えば約１６０°屈曲可能とすることもできる。その場合は、患者は正座をすることができる。
【００５３】
次に、本実施形態の膝関節運動補助装置の作用について説明する。
【００５４】
まず、図１（Ａ）及び図２に示すように、膝関節運動補助装置が変形性膝関節症を発症した患者の脚に装着される。
【００５５】
すなわち、膝関節運動補助装置の連結部８が患者の膝関節の側面に当てられ、上腿装着部５の上添え部１０が上腿部４の側面に当てられ、下腿装着部７の下添え部１５が下腿部６の側面に当てられる。
【００５６】
そして、上添え部１０の上端部が患者の腰に巻き付けられた腰ベルト１１に連結具１２を介して連結され、上添え部１０の基部９に隣接した部分が上腿当て部１３、面ファスナ１４等を介して上腿部４の膝上部分に連結される。
【００５７】
また、下添え部１５の基部９に隣接する部分が下腿当て部１６、面ファスナ１７等を介して下腿部６の膝下部分に連結され、下添え部１５の下端部が足首当て部１８、面ファスナ１９等を介して下腿部６の足首に連結される。
【００５８】
その他、図示しないが電池が腰ベルト１１に取り付けられ、この電池にモーター２９が電気的に接続される。
【００５９】
モーター２９の図示しないＯＮ／ＯＦＦスイッチが入れられると、モーター２９が起動し、その動力が駆動部の歯車列を介して駆動歯車２５に入力される。
【００６０】
モーター２９は制御部３２によって歩行用、着座用等の各種の制御モードで制御される。
【００６１】
歩行用の制御モードにセットされた場合は、図６のごとく膝関節が伸長した状態で駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図７及び図８のごとく膝関節を屈曲させる。この回転運動による膝関節の回転角度は例えば０°〜６０°の範囲内である。
【００６２】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア５４との間で周縁カム５２の直径方向に揺動するものの、枢軸２０は図６の位置から図８の位置へと長孔５５内を上方にスライドする。
【００６３】
このように、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして屈曲する回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内を上方にスライド運動することから、上腿装着部５と下腿装着部７は、図１０に示した人体の膝関節のすべり転がり運動に近似した動きをすることとなり、患者は無理なく自然に脚を屈曲させることができる。
【００６４】
駆動歯車２５が周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に所定角度だけ公転すると、モーター２９が逆転に切り替えられ、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ｂ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図１２のごとく膝関節を伸長させる。
【００６５】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア５４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図８の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドする。
【００６６】
これにより、上腿装着部５と下腿装着部７とが枢軸２０を支点にして脚を伸ばす方向に回転運動を行うと同時に、枢軸２０が長孔５５内を下方にスライド運動することから、上腿装着部５と下腿装着部７は、図１０に示した人体の膝関節のすべり転がり運動に近似した動きをすることとなり、患者は無理なく自然に脚を伸ばすことができる。
【００６７】
枢軸２０が図８の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドすると、長孔５５の一端５５ａに当たって停止する。
【００６８】
その後、モーター２９の正逆転の繰り返しによって、上記駆動歯車２５の回転が矢印Ａの方向と矢印Ｂの方向に交互に切り替えられ、上腿装着部５と下腿装着部７の伸長と屈曲とが繰り返され、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、患者の歩行動作が補助される。
【００６９】
一方で、モーター２９が制御部３２によって着座用の制御モードにセットされた場合は、図６のごとく膝関節が伸長した状態で駆動歯車２５が矢印Ａの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行い、図７の状態を経て、図８のごとく膝関節を屈曲させる。この回転運動による膝関節の回転角度は例えば０°〜９０°の範囲内である。
【００７０】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア２４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図６の位置から図８の位置へと長孔５５内を上方にスライドする。これにより、枢軸２０は図１０に示した膝関節のすべり転がり運動に倣うように運動する。
【００７１】
駆動歯車２５が周縁カム５２の回りを矢印ａ方向に所定角度だけ公転すると、モーター２９が停止し、上腿装着部５と下腿装着部７との相対的回転運動も停止し、患者は椅子等に着座可能となる。
【００７２】
患者が椅子から起立しようとする場合は、患者の上腿部４は下腿部６に対して９０°を超えて更に屈曲しようとする。これに対応して、モーター２９が正転を開始し、膝関節角が１０５°になったところで枢軸２０が長孔５５の他端５５ｂに当って停止し、膝関節角が１０５°〜１３５°の範囲内において枢軸２０はその停止位置で回転運動のみ行う。
【００７３】
続いて、モーター２９が逆転に切り替えられ、駆動歯車２５が矢印Ｂの方向に回り始め、周縁カム５２の回りを矢印ｂ方向に公転し、その結果、上腿装着部５と下腿装着部７とが相対的回転運動を行って図６のごとく膝関節を伸長させる。
【００７４】
また、同時に周縁カム５２が駆動歯車２５とカムフォロア２４との間を周縁カム５２の直径方向に揺動することから、枢軸２０が図９の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドする。これにより、枢軸２０は図１０に示した膝関節のすべり転がり運動に倣うように運動する。
【００７５】
枢軸２０が図９の位置から図６の位置へと長孔５５内を下方にスライドすると、長孔５５の一端５５ａに当たって停止する。このとき、上腿装着部５と下腿装着部７が真っ直ぐに伸びた状態に保持される。
【００７６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、膝関節運動補助装置を右脚用として示したが、右脚用のものを略対称形にすることによって左足用のものとすることも可能である。また、左右両脚に膝関節運動補助装置を装着することも可能である。また、駆動源としてモーターを用いたが他の種類の駆動源を使用することも可能である。
【符号の説明】
【００７７】
４…上腿部
５…上腿装着部
６…下腿部
７…下腿装着部
８…連結部
２０…枢軸
５５…長孔
５２…周縁カム
５２ａ…歯列
２４…カムフォロア
２５…駆動歯車
３０，３１…すぐばかさ歯車
【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、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カムと、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝と、当該カム溝と係合するカムフォロアと、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにしたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、上記カムフォロア及び駆動歯車が上記上腿装着部に取り付けられ、上記周縁カムが上記下腿装着部に取り付けられたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の膝関節運動補助装置において、上記連結部が、枢軸と、この枢軸が挿入される長孔とを有し、この枢軸と長孔とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々設けられたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項４】
請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、モーターが上記上腿装着部に取り付けられ、このモーターから上記駆動歯車への動力伝達系が、平歯車及びすぐばかさ歯車の一方又は双方からなる歯車列によって構成されたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【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、上記上腿装着部及び下腿装着部の膝関節側端部間を回転可能に連結する連結部と、この連結部を中心にして上記上腿装着部と下腿装着部とを相対的に回転運動させながら上記膝関節側端部間を前後方向に相対的にスライド運動させる駆動部とを備えた膝関節運動補助装置において、上記駆動部が、周縁カムと、この周縁カムの外周縁に配置される駆動歯車と、当該周縁カムの内周面に形成されるカム溝と、当該カム溝と係合するカムフォロアと、を有し、この周縁カムとカムフォロア及び駆動歯車とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々取り付けられ、上記周縁カムの外周縁には、上記駆動歯車が係合する歯列が形成され、上記駆動歯車の回転により上記周縁カムと上記カムフォロアとが回転すると上記回転運動及びスライド運動が生じるようにしたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、上記カムフォロア及び駆動歯車が上記上腿装着部に取り付けられ、上記周縁カムが上記下腿装着部に取り付けられたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の膝関節運動補助装置において、上記連結部が、枢軸と、この枢軸が挿入される長孔とを有し、この枢軸と長孔とが上記上腿装着部及び下腿装着部の一方と他方に夫々設けられたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【請求項４】
請求項１に記載の膝関節運動補助装置において、モーターが上記上腿装着部に取り付けられ、このモーターから上記駆動歯車への動力伝達系が、平歯車及びすぐばかさ歯車の一方又は双方からなる歯車列によって構成されたことを特徴とする膝関節運動補助装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１６５８２３（Ｐ２０１２−１６５８２３Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７５４７（Ｐ２０１１−２７５４７）
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【出願人】（３０２０４２６８９）サンコールエンジニアリング株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１０日（２０１１．２．１０）
【出願人】（３０４０２３９９４）国立大学法人山梨大学 (223)
【出願人】（３０２０４２６８９）サンコールエンジニアリング株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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