JP2021029596A

JP2021029596A - 膝関節補助装置

Info

Publication number: JP2021029596A
Application number: JP2019152891A
Authority: JP
Inventors: 武士菊池; Takeshi Kikuchi; 井上　智晶; Tomoaki Inoue; 智晶井上
Original assignee: Oita University
Current assignee: Oita University
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2021-03-01
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: JP7300168B2

Abstract

【課題】膝関節のロールバック運動により良く適合しながら、軽量で種々の用途に適用可能な膝関節補助装置を提供すること。【解決手段】膝関節補助装置１０が、本体１２、１４と、直線に沿って延びる直線歯車部分２６と、直線に接する円弧に沿って延びるセクタ歯車部分２８とを有した固定歯車２４と、固定歯車に係合する移動歯車２０と、移動歯車に取り付けられ、固定歯車に沿って移動歯車と共に移動する第１の腕部材１６と、本体に固定された第２の腕部材１８とを具備し、第１の腕部材を装着者の大腿部に固定し、第２の腕部材を装着者の下腿部に固定するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒトの歩行や膝屈伸運動を補助する膝関節補助装置に関する。

膝関節補助装置は、装着者の日常の或いはリハビリ時の歩行や屈伸運動を補助するために、様々なものが開発されている。例えば、特許文献１には、支持軸を中心として相対的に回転自在に支持された上部アームと下部アームを装着者の大腿部と下腿部に取り付け、上部アームの所定角度位置を超える旋回動を阻止するためのストッパーを下部アームに設けた膝装着具が記載されている。特許文献１の膝装着具は、膝関節のすべり転がり運動またはロールバック運動（例えば、非特許文献２参照）に追従することができず、歩行運動または屈伸運動を妨げてしまう。

この点、特許文献２には、下腿装着部の膝関節側端部が前後方向にスライド可能として、膝関節のすべり転がり運動に適合した膝関節運動補助装置が記載されている。然しながら、特許文献２の膝関節運動補助装置では、動力源としてのモーター、平歯車およびすぐばかさ歯車を含む動力伝達装置およびバッテリを備えており、装置が重量とならざるを得ず、リハビリテーション支援、介助作業支援、看護作業支援、農作業支援等の様々な用途に応用すること、特に重度の障害者へ適用することが困難である問題がある。

非特許文献１には、電磁モータ、非円形歯車および溝カムを用いた歩行リハビリ用の膝関節アシスト装具が開示されている。非特許文献１の膝関節アシスト装具も膝関節のすべり転がり運動またはロールバック運動に適合しているが、電磁モータやバッテリ等の重量物を搭載しており、装具自体が重く、特許文献２の場合と同様に、様々な用途に応用すること、特に重度の障害者へ適用することが困難である問題がある。

特開２００８−２７２３１２号公報特開２０１０−０６３５８１号公報

Terada H. et al.: Development of a knee motion assist mechanism for wearable robot with a non-circular gear and grooved cams, Mechanisms, Transmissions and Applications: Mechanism and Machine Science, 3, Springer, pp. 68, 2012. ＣＴ画像に基づくＸ線動画像シミュレーションを用いたスクワット動作における生体膝関節の機能評価、日本機械学会論文集（Ｃ編）77巻782号、pp.219-227、2011

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、膝関節のロールバック運動により良く適合しながら、軽量で種々の用途に適用可能な膝関節補助装置を提供することを目的としている。

本発明によれば、本体と、直線に沿って延びる直線歯車部分および前記直線に接する円弧に沿って延びるセクタ歯車部分とを有し、前記本体内に配設された固定歯車と、前記本体内に配設され、前記固定歯車に係合する移動歯車と、記移動歯車に取り付けられ、前記固定歯車に沿って前記移動歯車と共に移動する第１の腕部材と、前記本体に固定された第２の腕部材とを具備し、前記第１の腕部材を装着者の大腿部に固定し、前記第２の腕部材を前記装着者の下腿部に固定するようにした膝関節補助装置が提供される。

本発明は、ヒトの膝関節のロールバック動作に非常に近い運動を再現することが可能でありながら、構造が簡単で軽量であるために、非常に多種多様な用途に適用することができる。

本発明の好ましい実施形態による膝関節補助装置の概略略図である。使用者の膝関節に取り付けた図１の膝関節補助装置を使用者と共に示す略図である。図１の膝関節補助装置の案内溝を示す略図である。図１の膝関節補助装置の本体に対する第１の腕部材の動作位置を説明するための側面図である。図１の膝関節補助装置の本体に対する第１の腕部材の動作位置を説明するための側面図である。図１の膝関節補助装置の本体に対する第１の腕部材の動作位置を説明するための側面図である。本発明により作製した関節補助装置の回転軸の変位の測定結果を、Ｘ線動画像により装着者（被験者）がスクワットを行ったときの膝関節の動作の分析結果に基づき、膝中心の移動を直線近似して作成した膝関節運動モデルと共に示すグラフである。図１の膝関節補助装置の運動モデルを示す略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１において、本実施形態による膝関節補助装置１０は、平行に配置された２枚の板状部材より成る本体部１２、１４と、該本体部１２、１４の間に固定された固定歯車２４と、該固定歯車２４に係合する移動歯車２０と、本体部１２、１４の間に配置された付勢手段としてのねじりコイルばねまたはトーションばね３２と、移動歯車２０の回転軸２２に取り付けられた第１の腕部材１６と、本体部１２、１４に固定された第２の腕部材１８を主要な構成要素として備えている。本体部１２、１４には案内溝１２ａ、１４ａが形成されている。

膝関節補助装置１０は、図２に示すように、第１の腕部材１６に取り付けられた上腿部装着具４０と、第２の腕部材１８に取り付けられた下腿部装着具４２とを有している。上腿部装着具４０は、ヒトの大腿部の表面に馴染むエラストマー、プラスチック、革、布帛等により形成することができ、該上腿部装着具４０をヒトの大腿部の外側の側面に固定するバンド４０ａを有している。下腿部装着具４２は、ヒトの下腿部の表面に馴染むエラストマー、プラスチック、革、布帛等により形成することができ、該下腿部装着具４２をヒトの下腿部の外側の側面に固定するバンド４２ａを有している。

膝関節補助装置１０は、移動歯車２０の回転軸２２が、起立姿勢の装着者の膝関節の回転軸線に概ね一致するように、装着者の膝関節の外側の側面に装着される。このとき、第１の腕部材１６が上方に突出し、第２の腕部材１８が下方に突出し、好ましくは、第１と第２の腕部材１６、１８は一直線上に配置される。膝関節補助装置１０の本体部１２、１４それ自体は、装着者の膝関節に固定されることはない。

固定歯車２４は矩形の板状の部材より成る本体部分２４ａを有している。本体部分２４ａは、該本体部分２４ａの一方の測縁部から膨出した扇状部分２４ｂを有している。固定歯車２４は、本体部分２４ａの上縁部に沿って歯切りされた直線歯車部分２６と、直線歯車部分２６の一端から接線方向に接続するように、扇状部分２４ｂの外周面に沿って歯切りされたセクタ歯車部分２８とを有している。より詳細には、直線歯車部分２６とセクタ歯車部分２８は、直線歯車部分２６のピッチ線がセクタ歯車部分２８のピッチ円に接するように配置されている。なお、膝関節補助装置１０を起立姿勢の使用者の膝関節の外側側面に装着したとき、直線歯車部分２６のピッチ線は概ね水平方向に延びる。また、セクタ歯車部分２８は、膝関節補助装置１０を使用者の膝関節に取り付けたときに、使用者の後方を向くように配置されている。

本体部１２、１４を形成する板部材の各々に形成された案内溝１２ａ、１４ａは、少なくとも固定歯車２４のセクタ歯車部分２８のピッチ円の中心Ｏsに関する円周に沿って形成された円弧部分１２ｂ、１４ｂと、円弧部分１２ｂ、１４ｂの上側の端部から固定歯車２４の直線歯車部分２６のピッチ線に平行に伸びる直線部分１２ｃ、１４ｃとを有している。

移動歯車２０は、固定歯車２４の直線歯車部分２６およびセクタ歯車部分２８の歯に係合する歯を有している。移動歯車２０は通常の平歯車のような円形の歯車とすることができるが、固定歯車２４の直線歯車部分２６に係合する部分と、セクタ歯車部分２８に係合する部分とで異なる半径としてもよい。移動歯車２０は、本体部１２、１４を形成する板部材に対して垂直に延びる回転軸２２を中心として回転する。移動歯車２０は、回転軸２２と共に、或いは、回転軸２２に対して相対的に回転可能となっている。回転軸２２の両端には、案内溝１２ａ、１４ａに係合するローラまたはフォロア２２ａを取り付けることができる。こうして、移動歯車２０は、回転軸２２を中心として回転しつつ、案内溝１２ａ、１４ａに沿って移動可能となる。

トーションばね３２は、本体部１２、１４の内面に固定されたトーションばね取付部としてのボス部３０に取り付けられる。トーションばね３２は、第１と第２の脚部３２ａ、３２ｂを有している。トーションばね３２をボス部３０に取り付けたとき、第１の脚部３２ａは、移動歯車２０の回転軸２２または回転軸２２に取り付けられているローラまたはフォロア２２ａに係合する。第２の脚部３２ｂは、第２の腕部材１８の近傍に配置されたトーションばね係留部３４に固定される。

第１の腕部材１６は、図３に示すように、第１の腕部材１６の中心軸線Ｏｍが第２の腕部材１８の中心軸線Ｏに概ね一直線上に配置される位置（０°の位置）から、中心軸線Ｏｍが中心軸線Ｏに対して９０°の角度をなす位置（図４）を経て、中心軸線Ｏｍが中心軸線Ｏに対して１５０°の角度をなす位置（図５）まで、本体部１２、１４に対して移動することができる。

この間、トーションばね３２は、０°の位置へ復帰する方向に移動歯車２０の回転軸２２を付勢する。トーションばね３２から回転軸２２への付勢力は、角度が大きくなにつれ次第に大きくなる。つまり、トーションばね３２から回転軸２２への付勢力は、膝関節補助装置１０を装着した装着者が最も深く屈曲させたときに最も大きくなり、そうした姿勢から膝を伸ばす際に、装着者の膝伸展動作を良好に補助することが可能となる。

図６は、白石善孝等が行った、膝関節のＸ線動画像により装着者（被験者）がスクワットを行ったときの膝関節の動作の分析結果に基づき、膝中心の移動を直線近似して作成した膝関節運動モデルを示している。膝の屈伸運動は、ロールバック運動(Rollback Motion)とも称される、脛骨上の大腿骨の転がり運動と滑り運動による複合運動であり、完全伸展位から屈曲初期には、大腿骨が脛骨に対して回転する転がり運動のみであるが、徐々に滑り運動が加わり、最終的には滑り運動のみとなる。

本実施形態では、移動歯車２０の回転軸２２が、なるべく図６のモデルに沿って移動できるように膝関節補助装置１０の寸法を決定した。図７を参照すると、膝関節補助装置１０の運動モデルが示されている。図７において、回転軸２２の移動は一点鎖線で示されている。また、図７では、Ｘ軸は前後方向（左方が装着者の前方）であり、Ｚ軸は上下方向である。

ｒ１は移動歯車２０において固定歯車２４の直線歯車部分２６（図７では２）に係合する部分１の半径であり、ｒ２はセクタ歯車部分２８（図７では４）に係合する部分３の半径であり、ｒ３はセクタ歯車部分４の半径である。θ１は、移動歯車２０の回転軸２２の中心Ｏmgに関する部分１の中心角度であり、θ２は、移動歯車２０の回転軸２２の中心Ｏmgに関する部分２の中心角度である。

ｒ１＝ｒ２＝１２ｍｍ、ｒ３＝８ｍｍ、θ１＝３０°、θ２＝１２０として、実際に膝関節補助装置１０を作製し、回転軸２２の動作を測定した。測定結果を図６において一点鎖線で示す。図６から理解されるように、本実施形態による膝関節補助装置１０は、実線で示すヒトの膝関節のロールバック動作に非常に近い運動を再現することが可能である。

１０膝関節補助装置
１２本体部
１２ａ案内溝
１２ｂ円弧部分
１２ｃ直線部分
１４本体部
１４ａ案内溝
１４ｂ円弧部分
１４ｃ直線部分
１６第１の腕部材
１８第２の腕部材
２０移動歯車
２２回転軸
２２ａフォロア
２４固定歯車
２４ａ本体部分
２４ｂ扇状部分
２６直線歯車部分
２８セクタ歯車部分
３０ボス部
３２ａ第１の脚部
３２ｂ第２の脚部
３４係留部
４０上腿部装着具
４０ａバンド
４２下腿部装着具
４２ａバンド

Claims

本体と、
直線に沿って延びる直線歯車部分および前記直線に接する円弧に沿って延びるセクタ歯車部分とを有し、前記本体内に配設された固定歯車と、
前記本体内に配設され、前記固定歯車に係合する移動歯車と、
前記移動歯車に取り付けられ、前記固定歯車に沿って前記移動歯車と共に移動する第１の腕部材と、
前記本体に固定された第２の腕部材とを具備し、
前記第１の腕部材を装着者の大腿部に固定し、前記第２の腕部材を前記装着者の下腿部に固定するようにした膝関節補助装置。
前記本体は、前記移動歯車の回転軸を、前記固定歯車の直線歯車部分に平行な方向、および、前記セクタ歯車部分の中心を中心とした円弧に沿って案内する案内溝が形成されている請求項１に記載の膝関節補助装置。
前記移動歯車の回転軸を前記案内溝の直線部分へ向けて付勢する付勢手段を更に具備する請求項２に記載の膝関節補助装置。
前記付勢手段は、前記移動歯車の回転軸に係合する脚部を有したトーションばねである請求項３に記載の膝関節補助装置。
前記第１の腕部材に取り付けられた上腿部装着具と、前記第２の腕部材に取り付けられた下腿部装着具とを更に具備し、前記上腿部装着具４０は、装着者の大腿部の外側の側面に固定され、前記下腿部装着具は、装着者の下腿部の外側の側面に固定される請求項４に記載の膝関節補助装置。