JP2006340852A

JP2006340852A - 着用形関節駆動装置

Info

Publication number: JP2006340852A
Application number: JP2005168564A
Authority: JP
Inventors: Kimitaka Nakazawa; 公孝中澤; Kazuaki Hiramatsu; 万明平松
Original assignee: NATL REHABILITATION CENTER FOR DISABLED; Hitachi Medical Corp
Current assignee: NATL REHABILITATION CENTER FOR DISABLED; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】本発明は、全体を軽量化して装着したまま容易に移動することができるとともに、水中での使用を容易にすることができる着用形関節駆動装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】体幹フレーム１と大腿フレーム８との間には、大腿部を持ち上げる方向に体幹フレーム１に対して大腿フレーム８を回動させる力を発生する大腿前部アクチュエータ２７と、大腿前部アクチュエータ２７とは逆方向へ大腿フレーム８を回動させる力を発生する一対の大腿後部アクチュエータ２８とが接続されている。大腿前部アクチュエータ２７及び大腿後部アクチュエータ２８としては、空気圧式アクチュエータが用いられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば歩行訓練等に使用するため、被着用体に着用させて被着用体の関節部を駆動する着用形関節駆動装置に関するものである。

従来の歩行訓練装置では、リンク機構を介して装置本体に接続された大腿装着部及び下腿装着部が被装着者の大腿部及び下腿部に装着される。そして、モータの駆動力により、予め登録された軌道に沿って大腿装着部及び下腿装着部が駆動される。また、装置本体は、室内に設置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−７４０６３号公報

上記のような従来の歩行訓練装置では、モータの駆動力で関節部を駆動しているため、装置全体の重量が大きくなり、容易に移動させることができず、訓練場所が限定されてしまう。また、訓練者に装置全体を装着して実際に歩行させることができなかった。さらに、近年、脊髄損傷等による麻痺患者の立位訓練や歩行訓練方法として、転倒の可能性の低い水中歩行訓練が提案されているが、従来の装置は水中で使用することができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、全体を軽量化して装着したまま容易に移動することができるとともに、水中での使用を容易にすることができる着用形関節駆動装置を得ることを目的とする。

この発明に係る着用形関節駆動装置は、被着用体の腰部に装着される体幹フレーム、体幹フレームに回動可能に連結され、被着用体の大腿部に装着される左右一対の大腿フレーム、体幹フレームと大腿フレームとの間に接続され、大腿部を持ち上げる方向に体幹フレームに対して大腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の大腿前部アクチュエータ、及び体幹フレームと大腿フレームとの間に接続され、大腿前部アクチュエータとは逆方向へ大腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の大腿後部アクチュエータを備え、大腿前部アクチュエータ及び大腿後部アクチュエータは、流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、膨張収縮体の外周を覆う網状の被覆体とを有し、膨張収縮体が膨張することにより長さが縮小して力を発生する流体圧式アクチュエータである。

この発明の着用形関節駆動装置は、大腿前部アクチュエータ及び大腿後部アクチュエータとして流体圧式アクチュエータを用いたので、全体を軽量化して装着したまま容易に移動することができるとともに、水中での使用を容易にすることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による着用形関節駆動装置（長下肢装具）を示す斜視図、図２は図１の着用形関節駆動装置を示す側面図であり、被着用体である被装着者（図示せず）に装着される部分を示している。また、この例における着用形関節駆動装置は、水中歩行訓練装置の一部として使用される。さらに、被装着者は、腰部と、股関節部を中心に回動可能に腰部に連結された一対の大腿部と、大腿フレームに回動可能に連結され、膝関節部を中心に回動可能に大腿部に連結された一対の下腿部とを有している。

図において、被装着者の腰部には、体幹フレーム１が装着される。体幹フレーム１は、アルミニウム合金製の体幹フレーム本体２、腰部に対向配置される第１及び第２の腰部ガイド３，４、被装着者の臀部に対向する臀部ガイド５、及び腰部に巻き付けられて体幹フレーム１を腰部に固定する第１及び第２の腰部ベルト６，７を有している。

体幹フレーム１の下部には、大腿部に装着される一対の大腿フレーム８が連結されている。大腿フレーム８は、被装着者の股関節部に対応する第１の関節部９を中心として体幹フレーム１に対して回動可能に連結されている。

各大腿フレーム８は、アルミニウム合金製の大腿フレーム本体１０、大腿部に対向配置される第１及び第２の大腿部ガイド１１，１２、大腿部ガイド１１，１２によって支持され、被装着者の大腿部を大腿フレーム本体１０とで挟むように配置されるサブフレーム１０ａ、及び大腿部に巻き付けられて大腿フレーム８を大腿部に固定する第１及び第２の大腿部ベルト１３，１４を有している。

各大腿フレーム８の下部には、下腿部に装着される下腿フレーム１５が連結されている。下腿フレーム１５は、被装着者の膝関節部に対応する第２の関節部１６を中心として大腿フレーム８に対して回動可能に連結されている。

下腿フレーム１５は、アルミニウム合金製の下腿フレーム本体１７、下腿部に対向配置される下腿部ガイド１８、下腿部ガイド１８によって支持され、被装着者の下腿部を下腿フレーム本体１７とで挟むように配置されるサブフレーム１７ａ、及び下腿部に巻き付けられて下腿フレーム１５を下腿部に固定する下腿部ベルト１９を有している。

各下腿フレーム１５の下部には、被装着者の足部に装着される靴部２０が連結されている。靴部２０は、被装着者の足関節部に対応する第３の関節部２１を中心として下腿フレーム１５に対して回動可能に連結されている。

体幹フレーム１の前部には、左右一対の第１の前部取付具２２が固定されている。各大腿フレーム８の前部には、第２の前部取付具２３が固定されている。体幹フレーム１の後部には、左右一対の第１の後部取付具２４が固定されている。各大腿フレーム８の後部には、第２の後部取付具２５が固定されている。各下腿フレーム１５の後部には、第３の後部取付具２６が固定されている。

第１の前部取付具２２と第２の前部取付具２３との間には、大腿部を持ち上げる方向に体幹フレーム１に対して大腿フレーム８を回動させる力を発生する大腿前部アクチュエータ２７が接続されている。大腿前部アクチュエータ２７は、左右２本ずつ配置されている。第１の後部取付具２４と第２の後部取付具２５との間には、大腿前部アクチュエータ２７とは逆方向へ大腿フレーム８を回動させる力を発生する一対の大腿後部アクチュエータ２８が接続されている。

第２の後部取付具２５と第３の後部取付具２６との間には、膝関節部を屈曲させる方向に大腿フレーム８に対して下腿フレーム１５を回動させる力を発生する一対の下腿後部アクチュエータ２９が接続されている。第２の前部取付具２３と下腿部ガイド１８の前部との間には、下腿後部アクチュエータ２９とは逆方向へ下腿フレーム１５を回動させる力を発生する一対の下腿前部アクチュエータ３０が接続されている。

取付具２３〜２６には、アクチュエータ２７〜３０を接続するための複数のアクチュエータ接続孔が設けられている。アクチュエータ２７〜３０は、アクチュエータ接続孔のいずれかに選択的に接続される。これにより、アクチュエータ２７〜３０の取付位置が調整可能になっている。

図３は図１のアクチュエータ２７〜３０を示す側面図、図４は図３のアクチュエータ２７〜３０の膨張状態を示す側面図である。なお、図３及び図４では、内部構造を示すために、メッシュスリーブの一部を破断して示している。

図において、膨張収縮体としてのインナチューブ３１の長さ方向の一端部には、インナチューブ３１内に対して流体である空気を供給・排出するための給排管３２が接続されている。インナチューブ３１の長さ方向の他端部には、ブッシュ（図示せず）が挿入されて気密に閉じられている。インナチューブ３１は、例えばブチルゴム等の弾性体により構成されている。

インナチューブ３１の外周は、網状の被覆体であるメッシュスリーブ３３により覆われている。メッシュスリーブ３３は、例えば伸縮性を持たない高張力繊維等の線材により構成されている。メッシュスリーブ３３の長さ方向の両端部は、締め付け具３４ａ，３４ｂにより締め付けられており、これによりインナチューブ３１の両端部に対して固定されている。

インナチューブ３１は、内部に空気が供給されることにより膨張する。このとき、メッシュスリーブ３３を構成する線材は伸縮性を持たないため、インナチューブ３１の膨張はアクチュエータ全体の長さの縮小に変換される。即ち、アクチュエータ２７〜３０は、空気が供給されると、径が拡大されつつ長さが縮小される。この長さの縮小により、アクチュエータ２７〜３０は駆動力（引張力）を発生する。

このように、アクチュエータ２７〜３０としては、空気圧式アクチュエータ（流体圧式アクチュエータ）が用いられており、人工筋肉として機能する。また、大腿前部アクチュエータ２７の全長（伸縮量）は、他のアクチュエータ２８〜３０のそれぞれの全長（伸縮量）よりも大きく設定されている。

大腿後部アクチュエータ２８の全長（伸縮量）と下腿後部アクチュエータ２９の全長（伸縮量）とは、互いに同じに設定されている。下腿前部アクチュエータ３０の全長（伸縮量）は、下腿後部アクチュエータ２９の全長（伸縮量）よりも小さく設定されている。

図５は図１の着用形関節駆動装置を用いた水中歩行訓練装置を示すブロック図である。アクチュエータ２７〜３０には、コンプレッサ４１からの空気が圧力制御ユニット４２を介して供給される。圧力制御ユニット４２は、アクチュエータ２７〜３０に対応した複数の電空レギュレータを有している。圧力制御ユニット４２は、制御コンピュータ４３からの圧力制御信号に応じて、アクチュエータ２７〜３０に対する空気の給排を制御する。即ち、この例における制御部は、圧力制御ユニット４２及び制御コンピュータ４３を有している。

アクチュエータ２７〜３０内の圧力は、圧力計４４により検出される。圧力計４４で検出された圧力の情報は、測定コンピュータ４５に入力される。被装着者（歩行訓練を受ける人）には、複数のセンサ（筋電計測用電極）４７が装着される。センサ４７からの信号は、筋電測定器４８に入力される。筋電測定器４８は、センサ４７からの信号に基づいて、被装着者の筋肉に発生した筋力を検出する。筋電測定器４８により検出された筋力の情報は、測定コンピュータ４５に入力される。即ち、測定コンピュータ４５では、アクチュエータ２７〜３０に入力された圧力に対して、被装着者がどのような動きをしたかがモニタされ記録される。

このようなシステムのうち、訓練用水槽４６には、アクチュエータ２７〜３０を含む着用形関節駆動装置、センサ４７、及び空気配管の一部が入れられる。他の機器は、水に濡れない位置に配置される。また、空気配管は、被装着者が訓練用水槽４６内で３ｍ程度歩行できる程度に配管される。

図６は図５の制御コンピュータ４３からの圧力制御信号の一例を示すグラフである。図６では、簡単のため左側のアクチュエータ２７〜３０に関する信号のみを示している。図中、実線は大腿前部アクチュエータ２７（左股関節屈曲用）に対応する信号、１点鎖線は下腿後部アクチュエータ２９（左膝関節屈曲用）に対応する信号、破線は大腿後部アクチュエータ２８（左股関節伸展用）に対応する信号、２点鎖線は下腿前部アクチュエータ３０（左膝関節伸展用）に対応する信号を示している。

図７は図５の圧力計４４における圧力検出値の一例を示すグラフである。図７では、簡単のため左側のアクチュエータ２７〜３０に関する圧力検出値のみを示している。図中、実線は大腿前部アクチュエータ２７、１点鎖線は下腿後部アクチュエータ２９、破線は大腿後部アクチュエータ２８、２点鎖線は下腿前部アクチュエータ３０の圧力検出値をそれぞれ示している。

また、大腿前部アクチュエータ２７への流体の供給圧力は左右交互に上昇・低下されるとともに、大腿後部アクチュエータ２８への流体の供給圧力は大腿前部アクチュエータ２７とは逆のタイミングで左右交互に上昇・低下される。即ち、一方の足の股関節部が屈曲されたとき、他方の足の股関節部が伸展されるように、大腿前部アクチュエータ２７及び大腿後部アクチュエータ２８が制御される。

次に、動作について説明する。水中歩行訓練を行う場合、訓練を受ける者は、介助者の補助又は車椅子により訓練用水槽４６内に進入する。この後、訓練を受ける者の下肢に着用形関節駆動装置及びセンサ４７を装着する。そして、訓練用水槽４６内に設置された水中トレッドミル（図示せず）を例えば１．２ｋｍ／ｈに設定し、そのベルト側部に被装着者を移動させる。このとき、転倒を防止するために手摺につかまってもらう。

このような準備の後、アクチュエータ２７〜３０による駆動を開始するとともに、被装着者を水中トレッドミルのベルト上に移乗させる。アクチュエータ２７〜３０に加える圧力の強さやタイミングは、訓練を受ける者の症状や熟練度に応じて、訓練を指導する者が適宜設定する。

このような着用形関節駆動装置では、アクチュエータ２７〜３０として空気圧式アクチュエータを用いたので、全体を軽量化して装着したまま容易に移動することができるとともに、水中での使用を容易にすることができる。
また、この着用形関節駆動装置を用いた水中歩行訓練装置では、着用形関節駆動装置の着脱が容易であり、補助する者の身体的負担を軽減することができる。さらに、訓練中の遊脚期後期の前脛骨筋の筋活動量を小さく抑えることができる。さらにまた、水抵抗に抗する推進力を発揮し、大腿二頭筋の筋活動量を小さく抑えることができる。筋活動量を小さく抑えることができるということは、即ち、その筋が働く動作において、筋力及び動作の補助が可能である。選択的に補助を行うことにより、歩行動作の訓練と筋力向上の訓練とを同一のシステムで行うことが可能である。
さらに、大腿前部アクチュエータ２７への流体の供給圧力は左右交互に上昇・低下されるとともに、大腿後部アクチュエータ２８への流体の供給圧力は大腿前部アクチュエータ２７とは逆のタイミングで左右交互に上昇・低下されるので、一方の大腿部が持ち上げられたときに、股関節部全体が屈曲されるのを防止し、効率的に方向訓練を行うことができる。

なお、上記の例では、股関節部及び膝関節部を駆動する装置を示したが、股関節部のみを駆動するようにしてもよい。この場合、下腿フレーム１５、下腿後部アクチュエータ２９及び下腿前部アクチュエータ３０等は省略することができる。
また、各アクチュエータ２７〜３０の本数は、特に限定されるものではない。即ち、複数本のアクチュエータを並列に配置して所定の出力を得るようにしても、１本のアクチュエータで所定の出力を得るようにしてもよい。但し、アクチュエータ２７〜３０の配置は、左右対称とすることが好適である。
さらにまた、上記の例では、制御コンピュータ４３と測定コンピュータ４５とを分けたが、共通のコンピュータで制御と測定とを実行してもよい。
また、上記の例では、被装着者に着用形関節駆動装置を装着する場合について示したが、例えば人形やロボット等の被着用体に装着してもよい。
さらに、流体圧式アクチュエータは、空気圧式アクチュエータに限定されるものではなく、空気以外の気体や液体を用いるものであってもよい。

この発明の実施の形態１による着用形関節駆動装置を示す斜視図である。図１の着用形関節駆動装置を示す側面図である。図１のアクチュエータを示す側面図である。図３のアクチュエータの膨張状態を示す側面図である。図１の着用形関節駆動装置を用いた水中歩行訓練装置を示すブロック図である。図５の制御コンピュータからの圧力制御信号の一例を示すグラフである。図５の圧力計における圧力検出値の一例を示すグラフである。

符号の説明

１体幹フレーム、８大腿フレーム、１５下腿フレーム、２７大腿前部アクチュエータ、２８大腿後部アクチュエータ、２９下腿後部アクチュエータ、３０下腿前部アクチュエータ。

Claims

被着用体の腰部に装着される体幹フレーム、
上記体幹フレームに回動可能に連結され、被着用体の一対の大腿部に装着される左右一対の大腿フレーム、
上記体幹フレームと上記大腿フレームとの間に接続され、上記大腿部を持ち上げる方向に上記体幹フレームに対して上記大腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の大腿前部アクチュエータ、及び
上記体幹フレームと上記大腿フレームとの間に接続され、上記大腿前部アクチュエータとは逆方向へ上記大腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の大腿後部アクチュエータ
を備え、
上記大腿前部アクチュエータ及び上記大腿後部アクチュエータは、流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、上記膨張収縮体の外周を覆う網状の被覆体とを有し、上記膨張収縮体が膨張することにより長さが縮小して力を発生する流体圧式アクチュエータであることを特徴とする着用形関節駆動装置。
上記大腿前部アクチュエータ及び上記大腿後部アクチュエータへの流体の給排を制御する制御部をさらに備え、
上記制御部は、上記大腿前部アクチュエータへの流体の供給圧力を左右交互に上昇・低下させるとともに、上記大腿後部アクチュエータへの流体の供給圧力を上記大腿前部アクチュエータとは逆のタイミングで左右交互に上昇・低下させることを特徴とする請求項１記載の着用形関節駆動装置。
上記大腿フレームに回動可能に連結され、被着用体の一対の下腿部に装着される左右一対の下腿フレーム、
上記大腿フレームと上記下腿フレームとの間に接続され、被着用体の膝関節部を屈曲させる方向に上記大腿フレームに対して上記下腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の下腿後部アクチュエータ、及び
上記大腿フレームと上記下腿フレームとの間に接続され、上記下腿後部アクチュエータとは逆方向へ上記下腿フレームを回動させる力を発生する左右一対の下腿前部アクチュエータ
をさらに備え、
上記下腿後部アクチュエータ及び上記下腿前部アクチュエータは、上記流体圧式アクチュエータであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の着用形関節駆動装置。