JP7199155B2

JP7199155B2 - 多節リンク膝継手

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Application number: JP2018076109A
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Inventors: 正彦奥田
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Description

本発明は、多節リンク膝継手に関する。

病気や事故などで膝の上側で足を切断した人が使用する義足には、生体の膝関節と同様に屈曲する膝継手が設けられる。使用者の動きに応じて膝継手が曲がることで、立つ、座る、歩くといった動作が可能になる。

特許文献１には、多節リンク機構により屈曲する膝部と、屈曲角度に応じて膝部の動きを補助するエアシリンダとを備える膝継手が開示されている。この膝継手では、多節リンク機構により膝部の動きが生体の膝関節に近づくので、より自然に動きやすくなる。また、流体シリンダにより歩行動作がサポートされるので、歩行の安定性が向上する。

国際公開第２０１３／１３２６６２号

特許文献１に係る膝継手は、膝部に連結されたピストンロッドの位置を検出し、この検出結果から膝部の屈曲角度を求めてエアシリンダを制御する。膝部の動きを補助する補助駆動部として、エアシリンダや油圧シリンダ以外に、ピストンロッドを持たない回転式油圧ダンパなどを用いる場合もある。この場合、屈曲角度の検出に関する構成を変更する必要がある。屈曲角度の検出に関する構成を、異なる方式の補助駆動部にも対応可能な構成にできれば、多様な製品群を展開する上で部品を共通化してコストを低減できる可能性がある。

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多節リンク膝継手において膝部の屈曲角度を検出する構成を、複数の方式の補助駆動部に対応可能な構成とすることにある。

本発明のある態様は、多節リンク膝継手である。この多節リンク膝継手は、上部リンク部および下部リンク部を含む複数のリンク部を有する多節リンク機構により、上部リンク部が下部リンク部に対して回転する膝部と、複数のリンク部のうちあるリンク部に対する別のリンク部の相対位置を検出する相対位置検出部と、検出された相対位置から膝部の屈曲角度を求める角度検出部とを備える。

この態様によれば、複数のリンク部のうちあるリンク部に対する別のリンク部の相対位置を検出し、この検出結果から膝部の屈曲角度を求めるので、同様の構成で方式が異なる補助駆動部にも対応できる。

本発明によれば、多節リンク膝継手において膝部の屈曲角度を検出する構成を、複数の方式の補助駆動部に対応可能な構成とすることができる。

本発明の第１実施形態に係る多節リンク膝継手の側面図である。本発明の第１実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。第１実施形態に係る多節リンク膝継手において膝部が４５°屈曲した様子を示す図である。制御装置の機能構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。第２実施形態に係る多節リンク膝継手において膝部が４５°屈曲した様子を示す図である。本発明の第３実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。第３実施形態に係る多節リンク膝継手において膝部が４５°屈曲した様子を示す図である。本発明の第４実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。第４実施形態に係る多節リンク膝継手において膝部が４５°屈曲した様子を示す図である。第４実施形態に係る多節リンク膝継手における相対位置検出部の構成を説明するための図である。本発明の第５実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。本発明の第６実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。膝部の屈曲角度と角度センサの出力との関係の一例を示す図である。本発明の第７実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。膝部の屈曲角度と第１角度センサ、第２角度センサの出力との関係の一例を示す図である。第１角度センサのセクションと第２角度センサのセクションの組合せを示す図である。図１８（ａ）および（ｂ）は、変曲点でのセクションの判定方法を説明するための図である。本発明の第８実施形態に係る多節リンク膝継手の断面概略図である。第８実施形態に係る多節リンク膝継手において膝部が４５°屈曲した様子を示す図である。

以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面では、説明の便宜のため、構成要素の一部を適宜省略する。

実施形態に係る多節リンク膝継手を具体的に説明する前に、概要を説明する。実施形態に係る多節リンク膝継手は、多節リンク機構により上部リンク部が下部リンク部に対して回転する膝部と、膝部の動きを補助する補助駆動部とを備える。補助駆動部の一例は、回転式油圧ダンパである。多節リンク膝継手は、複数のリンク部のうちあるリンク部に対する別のリンク部の相対位置を検出する相対位置検出部を備えている。この相対位置は、例えば、あるリンク部に対する別のリンク部の距離や、あるリンク部に対する別のリンク部の回転角度などであってよい。検出された相対位置から膝部の屈曲角度を求めることができる。補助駆動部は、エアシリンダや油圧シリンダなどのシリンダ装置であってもよい。本実施形態に係る膝継手によれば、同様の構成で方式が異なる補助駆動部に対応して膝部の屈曲角度を検出できる。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００の側面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００の断面概略図である。以下の説明では、各図に示すｘｙｚ直交座標系において、ｘ軸に平行な方向を左右方向として、ｘ軸の正方向を「左」、負方向を「右」という。ｙ軸に平行な方向を前後方向として、ｙ軸の正方向を「前」、負方向を「後ろ」という。また、ｚ軸に平行な方向を上下方向として、ｚ軸の正方向を「上」、負方向を「下」という。

多節リンク膝継手１００は、膝部１０を備える。膝部１０は、複数のリンク部を有する多節リンク機構により屈曲する。第１実施形態では、多節リンク機構は、上部リンク部５０、下部リンク部５２、前部リンク部５４および後部リンク部５６の４つのリンク部から構成される四節リンク機構である。本明細書においては、リンクと、該リンクに固定されてリンクと共に動く部位とを合わせて「リンク部」と称する。上部リンク部５０は、上部リンク１６と、大腿接続部３２とを含む。下部リンク部５２は、下部リンク１８と、下腿部１２とを含む。前部リンク部５４は、前部リンク２０を含む。後部リンク部５６は、後部リンク２２を含む。

上部リンク１６には第１軸２４および第２軸２６が設けられ、下部リンク１８には第３軸２８および第４軸３０が設けられている。各軸は、軸方向がｘ軸に平行で回転可能に設けられている。前部リンク２０は、第１軸２４および第３軸２８の端部に取り付けられている。後部リンク２２は、第２軸２６および第４軸３０の端部に取り付けられている。上部リンク１６は、前部リンク２０および後部リンク２２に支持されて下部リンク１８に対して回転する。

下腿部１２は、筒状に形成されており、下部リンク１８の下側に固定される。また、下腿部１２の下側には義足を構成する足部に接続する足接続部４０が設けられている。

上部リンク１６から突出する大腿接続部３２は、使用者の大腿部に取り付けられるソケットに接続される。大腿接続部３２が突出する方向とｚ軸とがなす角を、膝部１０の屈曲角度と定義する。図１および図２に示される屈曲角度は０°であり、膝部１０が完全に伸びた状態である。

図３は、第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００において膝部１０が４５°屈曲した様子を示す図である。屈曲角度が大きくなると、前部リンク２０と後部リンク２２とが交差する。上部リンク１６は、下部リンク１８に対して後方に移動しながら回転する。上部リンク１６の回転により、膝部１０は生体の膝関節と同様に屈曲する。

多節リンク膝継手１００はさらに、下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出するための相対位置検出部５８を備える。この相対位置検出部５８は、磁石６０と、磁石６０が発生させる磁場の強度を検出する磁気センサ６２とを備える。磁石６０は、例えば角型のアルニコ磁石であってよい。磁気センサ６２は、例えばホール素子であってよい。磁気センサ６２は、下部リンク１８の所定の部位、例えば下部リンク１８の上部に設けられる。磁石６０は、上部リンク１６の所定の部位、例えば屈曲角度が０°のときに磁気センサ６２に近接する部位に設けられる。磁石６０は、膝部１０の屈曲角度が０°のときにＮ極が磁気センサ６２側に面し、Ｓ極が磁気センサ６２と反対側に面するように配置される。

下部リンク１８に設けられた磁気センサ６２は、上部リンク１６に設けられた磁石６０との距離ｄに応じた検出値を出力する。磁石６０により形成される磁場の強度は、磁石６０から離れるにつれて小さくなる。図２に示すように、膝部１０の屈曲角度が０°のときに磁石６０と磁気センサ６２との間の距離ｄは最も小さく、このとき磁気センサ６２の検出値は最も大きくなる。図３に示すように、膝部１０の屈曲角度が大きくなると距離ｄが大きくなるので、磁気センサ６２の検出値は小さくなる。

多節リンク膝継手１００はさらに、制御装置１４を備える。この制御装置１４は、下腿部１２内に収納されている。制御装置１４は、相対位置検出部５８検出値（すなわち磁気センサ６２の検出値）を受信し、この検出値から膝部１０の屈曲角度を求め、不図示の補助駆動部を制御する。

図４は、制御装置１４の機能構成を示すブロック図である。本明細書のブロック図で示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

制御装置１４は、角度検出部４２および制御部４４を備える。角度検出部４２は、相対位置検出部５８の検出値から膝部１０の屈曲角度を求める。例えば膝部１０の屈曲角度と相対位置検出部５８の検出値との関係を予め測定してテーブルを作成しておけば、該テーブルを参照して相対位置検出部５８の検出値から膝部１０の屈曲角度を求めることができる。

制御部４４は、角度検出部４２が求めた屈曲角度に応じて、補助駆動部４６を制御する。本実施形態において、補助駆動部４６は、第１軸２４に取り付けられた回転式油圧ダンパであり、制御部４４に制御されて膝部１０の動きを補助する。制御部４４は、屈曲角度が０°に近い立脚時には、第３軸２８の回転を制限するように補助駆動部４６を制御する。これにより、使用者の意思に反して膝部１０が屈曲する膝折れを防ぐ。また、歩行時など屈曲角度が変化する遊脚時には、角度の変化方向に合わせて第３軸２８を回転させるように補助駆動部４６を制御する。これにより、足の振り出しに合わせて下腿部１２がスイングするので、使用者は快適に歩行できる。なお、補助駆動部４６としての回転式油圧ダンパは、第２軸２６、第３軸２８、および第４軸３０のいずれかに設けられてもよい。ただし、第３軸２８および第４軸３０は上部リンク１６の回転途中で回転方向が逆方向に変わる場合があるので、上部リンク１６と常に同じ方向に回転する第１軸２４または第２軸２６に設けた方が、回転式油圧ダンパを制御しやすくなる。また、補助駆動部４６としてエアシリンダや油圧シリンダなどのシリンダ装置を設けてもよい。

以上の構成による使用方法および動作は以下の通りである。多節リンク膝継手１００は、足接続部４０に足部が接続された状態で、大腿接続部３２が使用者の大腿部に取り付けられたソケットに接続されて使用される。膝部１０は、多節リンク機構により上部リンク１６が下部リンク１８に対して回転することで屈曲する。膝部１０が屈曲すると、角度検出部４２が相対位置検出部５８の検出値から屈曲角度を求める。制御部４４は、屈曲角度に応じて補助駆動部を制御して膝部１０の動きを補助する。

第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００では、磁石６０および磁気センサ６２を含む相対位置検出部５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。多様な製品群を展開する上で、屈曲角度を検出する構成を共通化し、製造コストの低減を図ることができる。

また第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００では、相対位置検出部５８の磁気センサ６２と角度検出部４２（制御装置１４）とが共に下部リンク部５２に設けられている。角度検出部４２は、磁気センサ６２の検出結果から膝部１０の屈曲角度を求めるので、磁気センサ６２の検出情報を角度検出部４２に伝送するために、磁気センサ６２と角度検出部４２は配線で接続される必要がある。仮に磁気センサ６２と角度検出部４２が互いに変位する別々の部位に設けられている場合、配線に切断等に不具合が生じないような構成をとる必要がある。これは膝継手のコストアップにつながるため好ましくない。本第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００では、磁気センサ６２と角度検出部４２（制御装置１４）とが同一の下部リンク部５２に設けられているので、配線を簡単な構成にでき、その結果、膝継手の低コスト化を図ることができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、相対位置検出部５８は、上部リンク１６に設けられた磁石６０と下部リンク１８に設けられた磁気センサ６２との間の距離ｄを検出することにより、下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出した。しかしながら、相対位置検出部５８は下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出するだけでなく、４つのリンク部のうちあるリンク部に対する別のリンク部の相対位置を検出してよい。第２実施形態では、その一例を説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る多節リンク膝継手２００の断面概略図である。図５に示す多節リンク膝継手２００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。図６は、第２実施形態に係る多節リンク膝継手２００において膝部１０が４５°屈曲した様子を示す図である。

多節リンク膝継手２００は、相対位置検出部５８の磁気センサ６２が前部リンク２０に設けられている点が、第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００と異なる。磁石６０は、上部リンク１６の所定の部位、例えば屈曲角度が０°のときに磁気センサ６２に近接する部位に設けられる。したがって、本第２実施形態においては、磁石６０および磁気センサ６２を含む相対位置検出部５８は、前部リンク部５４に対する上部リンク部５０の相対位置を検出する。

前部リンク２０に設けられた磁気センサ６２は、上部リンク１６に設けられた磁石６０との距離ｄに応じた検出値を出力する。磁石６０により形成される磁場の強度は、磁石６０から離れるにつれて小さくなる。図５に示すように、膝部１０の屈曲角度が０°のとき、磁石６０と磁気センサ６２との間の距離ｄは最も小さく、このとき磁気センサ６２の検出値は最も大きくなる。図６に示すように、膝部１０の屈曲角度が大きくなると、距離ｄが大きくなるので、磁気センサ６２の検出値は小さくなる。

第２実施形態に係る多節リンク膝継手２００においても、相対位置検出部５８の検出値に基づいて膝部１０の屈曲角度が求められ、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。磁石６０および磁気センサ６２を含む相対位置検出部５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係る多節リンク膝継手３００の断面概略図である。図７に示す多節リンク膝継手３００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。図８は、第３実施形態に係る多節リンク膝継手３００において膝部１０が４５°屈曲した様子を示す。

多節リンク膝継手３００は、相対位置検出部の構成が第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００と異なる。多節リンク膝継手３００の相対位置検出部３５８は、磁石３６０と、磁石３６０が発生させる磁場の強度を検出する磁気センサ３６２とを備える。磁気センサ３６２は、例えばホール素子であってよい。磁気センサ３６２は、下部リンク１８の所定の部位、例えば下部リンク１８の上部に設けられる。

本第３実施形態において、磁石３６０は、上部リンク１６の回転方向に円弧状に延びる棒磁石である。磁石３６０は、Ｎ極が磁気センサ６２側に面し、Ｓ極が磁気センサ３６２と反対側に面するように配置される。図７において、符号「Ｃ」は円弧状に延在する磁石３６０の中心を示す。円弧状の磁石３６０の中心Ｃは、上部リンク１６の回転軸である第１軸２４の中心に対して前方に偏心しており、膝部１０の屈曲角度の変化に応じて磁石３６０と磁気センサ３６２との間の距離ｄが変化する。

下部リンク１８に設けられた磁気センサ６２は、上部リンク１６に設けられた磁石３６０との距離ｄに応じた検出値を出力する。磁石３６０により形成される磁場の強度は、磁石３６０から離れるにつれて小さくなる。図７に示すように、膝部１０の屈曲角度が０°のときに距離ｄは最も小さく、このとき磁気センサ３６２の検出値は最も大きくなる。図８に示すように、膝部１０の屈曲角度が大きくなると、距離ｄが大きくなるので、磁気センサ３６２の検出値は小さくなる。

第３実施形態に係る多節リンク膝継手３００においても、相対位置検出部３５８の検出値に基づいて膝部１０の屈曲角度が求められ、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。磁石３６０および磁気センサ３６２を含む相対位置検出部３５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

また第３実施形態に係る多節リンク膝継手３００では、磁気センサ３６２と角度検出部（制御装置１４）とが同一の下部リンク部５２に設けられているので、配線を簡単な構成にでき、その結果、膝継手の低コスト化を図ることができる。

さらに第３実施形態に係る多節リンク膝継手３００では、相対位置検出部３５８において磁気センサ３６２として円弧状の棒磁石を採用したことにより、上述の第１、第２実施形態のように角型の磁石６０を用いた場合と比較して、屈曲角度が大きくなっても磁気センサ３６２の周囲に強い磁場を形成することができる。その結果、第１、第２実施形態よりも相対位置検出部３５８の検出精度を高めることができるとともに、屈曲角度の検出範囲を広げることができる。

（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００の断面概略図である。図９に示す多節リンク膝継手４００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。図１０は、第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００において膝部１０が４５°屈曲した様子を示す。

多節リンク膝継手４００も、相対位置検出部の構成が第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００と異なる。図１１は、第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００における相対位置検出部４５８の構成を説明するための図である。相対位置検出部４５８は、第１磁石４６０と、第２磁石４６１と、第１磁石４６０および第２磁石４６１が発生させる磁場の強度を検出する磁気センサ４６２とを備え、下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出する。磁気センサ４６２は、例えばホール素子であってよい。磁気センサ４６２は、下部リンク１８の所定の部位、例えば下部リンク１８の上部に設けられる。

第１磁石４６０および第２磁石４６１は、上部リンク１６の回転方向に円弧状に延びる棒磁石である。図９に示すように、円弧状の第１磁石４６０および第２磁石４６１の中心Ｃは、上部リンク１６の回転軸である第１軸２４の中心に対して前方に偏心しており、膝部１０の屈曲角度の変化に応じて第１磁石４６０および第２磁石４６１と磁気センサ４６２との間の距離ｄが変化する。

図１１に示すように、第１磁石４６０と第２磁石４６１は、第１磁石４６０のＳ極と第２磁石４６１のＮ極が対向するように配置される。図１１には、第１磁石４６０および第２磁石４６１により形成される磁場が図示されている。第１磁石４６０および第２磁石４６１により形成される磁場の強度は、第１磁石４６０および第２磁石４６１から離れるにつれて小さくなる。た図９に示すように、膝部１０の屈曲角度が０°のときに距離ｄは最も小さく、このとき磁気センサ４６２の検出値は最も大きくなる。図１０に示すように、膝部１０の屈曲角度が大きくなると、距離ｄが大きくなるので、磁気センサ４６２の検出値は小さくなる。

第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００においても、相対位置検出部３５８の検出値に基づいて膝部１０の屈曲角度が求められ、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。第１磁石４６０、第２磁石４６１および磁気センサ４６２を含む相対位置検出部４５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

また第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００でも、磁気センサ４６２と角度検出部（制御装置１４）とが同一の下部リンク部５２に設けられているので、配線を簡単な構成にでき、その結果、膝継手の低コスト化を図ることができる。

さらに第４実施形態に係る多節リンク膝継手４００では、相対位置検出部４５８において第１磁石４６０と第２磁石４６１を対向配置したことにより、上述の第３実施形態のように単一の磁石３６０を用いた場合と比較して、さらに強い磁場を形成することができる。その結果、第３実施形態よりもさらに相対位置検出部４５８の検出精度を高めることができるとともに、屈曲角度の検出範囲を広げることができる。

（第５実施形態）
図１２は、本発明の第５実施形態に係る多節リンク膝継手５００の断面概略図である。図１２に示す多節リンク膝継手５００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。

多節リンク膝継手５００は、相対位置検出部の構成が第１実施形態に係る多節リンク膝継手１００と異なる。多節リンク膝継手５００の相対位置検出部５５８は、上部リンク１６に形成された溝５６０と、下部リンク１８に設けられた距離センサ５６２とを備える。相対位置検出部５５８は、下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出する。

溝５６０は、上部リンク１６の下部リンク１８側の外周面に、上部リンク１６の回転方向に沿って円弧状に延びるように形成されている。この溝５６０は、延在方向に沿って深さが変化するように形成されている。図１２において、符号「Ｃ」は円弧状に延在する溝５６０の中心を示す。図１２に示すように、溝５６０の中心Ｃは、上部リンク１６の回転軸である第１軸２４の中心に対して前方に偏心している。これにより、膝部１０の屈曲角度が０°のとき、溝５６０は、後方になるにつれて深さが大きくなっている。

距離センサ５６２は、溝５６０の底までの距離ｄを検出するセンサであり、例えば赤外線センサや超音波センサであってよい。上記のように溝５６０の深さは後方になるにつれて大きくなっているので、図１２に示すように、膝部１０の屈曲角度が０°のときに距離センサ５６２の検出値（すなわち距離ｄ）は最も小さくなり、膝部１０の屈曲角度が大きくなると、距離センサ５６２の検出値も大きくなる。

制御装置１４の角度検出部４２（図４参照）は、相対位置検出部５５８の検出値（すなわち距離センサ５６２の検出値）から膝部１０の屈曲角度を求める。例えば膝部１０の屈曲角度と相対位置検出部５５８の検出値との関係を予め測定してテーブルを作成しておけば、該テーブルを参照して相対位置検出部５５８の検出値から膝部１０の屈曲角度を求めることができる。

第５実施形態に係る多節リンク膝継手５００においても、相対位置検出部５５８の検出値に基づいて膝部１０の屈曲角度が求められ、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。溝５６０および距離センサ５６２を含む相対位置検出部５５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

また第５実施形態に係る多節リンク膝継手５００においても、距離センサ５６２と角度検出部（制御装置１４）とが同一の下部リンク部５２に設けられているので、配線を簡単な構成にでき、その結果、膝継手の低コスト化を図ることができる。

（第６実施形態）
図１３は、本発明の第６実施形態に係る多節リンク膝継手６００の断面概略図である。図１３に示す多節リンク膝継手６００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。上述の実施形態と異なり、本第６実施形態に係る多節リンク膝継手６００では、前部リンク部５４に対する上部リンク部５０の回転角度（すなわち第１軸２４周りの回転角度）を検出し、この検出結果に基づいて膝部１０の屈曲角度を求める。

多節リンク膝継手６００は、相対位置検出部として、上部リンク１６の第１軸２４周りの回転角度を検出する角度センサ６５８を備える。角度センサ６５８は、第１軸２４に設けられる。角度センサ６５８としては、例えばポテンショメータ、ロータリエンコーダ、レゾルバ等を用いることができる。

図１４は、膝部１０の屈曲角度θと角度センサ６５８の出力（検出値）との関係の一例を示す。図１４に示す例では、膝部１０の屈曲角度θが増大するにつれて、角度センサの出力も増大している。膝部１０の屈曲角度θと角度センサ６５８の出力が一対一で対応していることから、角度センサ６５８の出力から膝部１０の屈曲角度を求めることができる。そして、この求められた膝部１０の屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。

本第６実施形態に係る多節リンク膝継手６００においても、相対位置検出部としての角度センサ６５８は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

本第６実施形態では、第１軸２４に角度センサ６５８を設けたが、第２軸２６に角度センサを設け、後部リンク部５６に対する上部リンク部５０の回転角度（すなわち第２軸２６周りの回転角度）を検出してもよい。第２軸２６に角度センサを設けた場合も、膝部１０の屈曲角度θと角度センサの出力が一対一で対応するので、角度センサの出力から膝部１０の屈曲角度を求めることができる。

（第７実施形態）
図１５は、本発明の第７実施形態に係る多節リンク膝継手７００の断面概略図である。図１５に示す多節リンク膝継手７００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。本第７実施形態に係る多節リンク膝継手７００では、下部リンク部５２に対する前部リンク部５４、後部リンク部５６の回転角度（すなわち第３軸２８、第４軸３０周りの回転角度）を検出し、この検出結果に基づいて膝部１０の屈曲角度を求める。

多節リンク膝継手７００は、相対位置検出部として、前部リンク２０の第３軸２８周りの回転角度を検出する第１角度センサ７５８と、後部リンク２２の第４軸３０周りの回転角度を検出する第２角度センサ７５９とを備える。第１角度センサ７５８は第３軸２８に設けられ、第２角度センサ７５９は第４軸３０に設けられる。第１角度センサ７５８、第２角度センサ７５９としては、例えばポテンショメータ、ロータリエンコーダ、レゾルバ等を用いることができる。

本第７実施形態に係る多節リンク膝継手７００では、制御装置１４の角度検出部４２（図４参照）は、第１角度センサ７５８および第２角度センサ７５９の出力に基づいて屈曲角度を求める。

図１６は、膝部１０の屈曲角度θと第１角度センサ７５８、第２角度センサ７５９の出力（検出値）との関係の一例を示す。四節リンク機構では、上部リンク１６に設けられる第１軸２４と第２軸２６は、角度センサの出力と膝部１０の屈曲角度が一対一で対応するが、下部リンク１８に設けられる第３軸２８と第４軸３０は、角度センサの出力と膝部１０の屈曲角度が一対一で対応しない。すなわち、第３軸２８と第４軸３０においては、同じ角度センサ出力に対して２つの異なる屈曲角度を取り得る。図１６に示すように、第３軸２８に設けられる第１角度センサ７５８の出力曲線は、屈曲角度θ＝Ｂ１で変曲点を有し、第４軸３０に設けられる第２角度センサ７５９は、屈曲角度θ＝Ｂ２で変曲点を有する。これは、四節リンク機構は変形が進むと死点を迎え、その後、個々のリンクは異なる方向の運動をするためである。したがって、第１角度センサ７５８の出力のみ、または第２角度センサ７５９の出力のみから屈曲角度を求めることは難しい。そこで本第７実施形態では、第１角度センサ７５８と第２角度センサ７５９の両方を利用して屈曲角度を求める。

以下、第１角度センサ７５８の出力と第２角度センサ７５９の出力を用いて屈曲角度θの求める方法について説明する。膝部１０の屈曲角度θが０°のときの角度センサ出力をゼロ点とする。第１角度センサ７５８、第２角度センサ７５９それぞれの出力曲線を、変曲点より小さい屈曲角度のセクション（セクション「０」とする）と変曲点より大きい屈曲角度のセクション（セクション「１」とする）に区分する（図１６参照）。

図１７は、第１角度センサ７５８のセクションと第２角度センサ７５９のセクションの組合せを示す。第１角度センサ７５８のセクション「０」，「１」と第２角度センサ７５９のセクション「０」，「１」の組合せにより、以下の３つのグループができる。そして、各グループごとに角度センサ出力と屈曲角度θの関係式が与えられる。
（１）θ＜Ｂ１のグループ（第１角度センサ７５８がセクション「０」、第２角度センサ７５９がセクション「０」）
（２）Ｂ１＜θ＜Ｂ２のグループ（第１角度センサ７５８がセクション「１」、第２角度センサ７５９がセクション「０」）
（３）Ｂ２＜θのグループ（第１角度センサ７５８がセクション「１」、第２角度センサ７５９がセクション「１」）

実際の制御の際には、制御装置１４の角度検出部４２（図４参照）は、第１角度センサ７５８、第２角度センサ７５９の出力から、屈曲角度θが上記３つのグループのいずれに属しているか判定する。

図１８（ａ）および（ｂ）は、変曲点でのセクションの判定方法を説明するための図である。第１角度センサ７５８の出力が変曲点（出力が増から減、または、減から増に転じる点）に達した場合、第２角度センサ７５９の増減から第１角度センサ７５８のセクションを判定する。例えば、図１８（ａ）において、変曲点近傍で第１角度センサ７５８が減、第２角度センサ７５９が増であれば、第１角度センサ７５８がセクション「１」、第２角度センサ７５９がセクション「０」であり、屈曲角度は、Ｂ１＜θ＜Ｂ２のグループに属していると判定できる。

また、第２角度センサ７５９の出力が変曲点に達した場合、第１角度センサ７５８の増減から第２角度センサ７５９のセクションを判定する。例えば、図１８（ｂ）において、変曲点近傍で第２角度センサ７５９が減、第１角度センサ７５８が増であれば、第１角度センサ７５８がセクション「１」、第２角度センサ７５９がセクション「１」であり、屈曲角度は、Ｂ２＜θのグループに属していると判定できる。

角度検出部４２は、屈曲角度θが属しているグループを判定後、屈曲角度θが属しているグループに与えられた角度センサ出力と屈曲角度θの関係式を用いて、屈曲角度θを求める。このように、屈曲角度θが属しているグループを判定し、グループごとに異なる関係式を適用することにより、出力が変曲点を有する第１角度センサ７５８、第２角度センサ７５９であっても屈曲角度を求めることができる。

上述した角度センサ出力の「ゼロ点」は、第２角度センサ７５９に基づいて判断することが望ましい。図１６から分かるように、第１角度センサ７５８は、屈曲角度θ＝０°以外にもゼロ点と同じ出力値になる屈曲角度θが存在するので、屈曲角度θが０°となる点を決定できない。一方、第２角度センサ７５９は、屈曲角度θ＝０°以外にはゼロ点と同じ出力値になる屈曲角度θが存在しないので、屈曲角度θが０°となる点を一義的に決定できる。

第７実施形態に係る多節リンク膝継手７００においても、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。相対位置検出部としての第１角度センサ７５８および第２角度センサ７５９は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

また第７実施形態に係る多節リンク膝継手７００では、第１角度センサ７５８および第２角度センサ７５９と、角度検出部（制御装置１４）とが同一の下部リンク部５２に設けられているので、配線を簡単な構成にでき、その結果、膝継手の低コスト化を図ることができる。

（第８実施形態）
図１９は、本発明の第８実施形態に係る多節リンク膝継手８００の断面概略図である。図１９に示す多節リンク膝継手８００において、膝部１０の屈曲角度は、０°である。本第７実施形態に係る多節リンク膝継手８００は、相対位置検出部として、第１加速度センサ８６０および第２加速度センサ８６２を備える。第１加速度センサ８６０は、上部リンク１６に設けられ、第２加速度センサ８６２は、下部リンク１８に設けられる。本第８実施形態では、第１加速度センサ８６０および第２加速度センサ８６２を用いて、下部リンク部５２に対する上部リンク部５０の相対位置を検出する。

第１加速度センサ８６０は、基準軸Ａ１を有しており、基準軸Ａ１と重力加速度ｇの方向（鉛直方向）との間の角度Φ１を検出する。第１加速度センサ８６０は、膝部１０の屈曲角度が０°且つ下腿部１２の中心軸Ａｘが鉛直方向と平行なとき、基準軸Ａ１が鉛直方向を向くように配置される。このとき、第１加速度センサ８６０が検出する角度Φ１は０°である。同様に、第２加速度センサ８６２は、基準軸Ａ２を有しており、基準軸Ａ２と重力加速度ｇの方向（鉛直方向）との間の角度Φ２を検出する。第２加速度センサ８６２は、膝部１０の屈曲角度が０°且つ下腿部１２の中心軸Ａｘが鉛直方向と平行なとき、基準軸Ａ２が鉛直方向を向くように配置される。このとき、第２加速度センサ８６２が検出する角度Φ２は０°である。

図２０は、第８実施形態に係る多節リンク膝継手８００において膝部１０が４５°屈曲した様子を示す。図２０は、歩行中の多節リンク膝継手８００の様子を示しており、下腿部１２の中心軸Ａｘは鉛直方向に対して傾斜している。

図２０に示す状態のとき、上部リンク１６に設けられた第１加速度センサ８６０は、基準軸Ａ１と鉛直方向との間の角度Φ１を検出する。また、下部リンク１８に設けられた第２加速度センサ８６２は、基準軸Ａ２と鉛直方向との間の角度Φ２を検出する。第１加速度センサ８６０および第２加速度センサ８６２で検出された角度Φ１，Φ２の情報は、制御装置１４に送られる。制御装置１４の角度検出部４２（図４参照）は、角度Φ１，Φ２に基づいて膝部１０の屈曲角度θを求める。図２０から分かるように、屈曲角度θは、以下の数式で求められる。
θ＝φ２－Φ１

第８実施形態に係る多節リンク膝継手８００においても、求められた屈曲角度に応じて不図示の補助駆動部が制御される。相対位置検出部としての第１加速度センサ８６０および第２加速度センサ８６２は膝部１０に設けられているので、方式が異なる補助駆動部にも対応して膝部１０の屈曲角度を検出できる。

本第８実施形態において、第１加速度センサ８６０、第２加速度センサ８６２は、角速度センサ（ジャイロスコープ）と併用されてもよい。この場合、より正確な角度検出が可能となる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本明細書では、本発明を四軸の多節リンク膝継手を例として説明した。しかしながら、本発明は単軸の膝継手にも適用可能である。具体的には、上述の第１実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第８実施形態に記載した膝部の屈曲角度検出方法は、単軸の膝継手でも利用することができる。

１０膝部、１２下腿部、１４制御装置、１６上部リンク、１８下部リンク、２０前部リンク、２２後部リンク、４２角度検出部、４４制御部、４６補助駆動部、５０上部リンク部、５２下部リンク部、５４前部リンク部、５６後部リンク部、５８，３５８，４５８，５５８相対位置検出部、６０，３６０磁石、６２，３６２，４６２磁気センサ、１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００多節リンク膝継手、４６０第１磁石、４６１第２磁石、５６０溝、５６２距離センサ、６５８角度センサ、７５８第１角度センサ、７５９第２角度センサ、８６０第１加速度センサ、８６２第２加速度センサ。

Claims

上部リンク部、下部リンク部、および前記下部リンク部に対して前記上部リンク部を回転可能に支持する前部リンク部および後部リンク部の４つのリンク部から成る四節リンク機構により、前記上部リンク部が前記下部リンク部に対して回転する膝部と、
前記上部リンク部に対する前記前部リンク部の距離を検出する相対位置検出部と、
検出された前記距離から前記膝部の屈曲角度を求める角度検出部と、
を備え、
前記相対位置検出部は、
前記上部リンク部に設けられた磁石と、
前記前部リンク部に設けられた、前記磁石が発生させる磁場の強度を検出する磁気センサと、
を備えることを特徴とする多節リンク膝継手。
上部リンク部、下部リンク部、および前記下部リンク部に対して前記上部リンク部を回転可能に支持する前部リンク部および後部リンク部の４つのリンク部から成る四節リンク機構により、前記上部リンク部が前記下部リンク部に対して回転する膝部と、
前記上部リンク部に対する前記下部リンク部の距離を検出する相対位置検出部と、
検出された前記距離から前記膝部の屈曲角度を求める角度検出部と、を備え、
前記相対位置検出部は、
前記上部リンク部に設けられた磁石と、
前記下部リンク部に設けられた、前記磁石が発生させる磁場の強度を検出する磁気センサと、
を備え、
前記磁石は、前記上部リンク部の回転方向に延びる円弧形状を有し、
前記円弧形状の中心は、前記上部リンク部の回転軸に対して偏心している、
ことを特徴とする多節リンク膝継手。
前記磁石は、対向して配置された円弧形状の第１磁石および第２磁石を含むことを特徴とする請求項２に記載の多節リンク膝継手。
上部リンク部、下部リンク部、および前記下部リンク部に対して前記上部リンク部を回転可能に支持する前部リンク部および後部リンク部の４つのリンク部から成る四節リンク機構により、前記上部リンク部が前記下部リンク部に対して回転する膝部と、
前記下部リンク部に対する前記前部リンク部および前記後部リンク部の回転角度をそれぞれ検出する相対位置検出部と、
検出された前記前部リンク部および前記後部リンク部の回転角度から前記膝部の屈曲角度を求める角度検出部と、
を備えることを特徴とする多節リンク膝継手。