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技術 膝関節動作支援装置

出願人 株式会社東芝東芝インフラシステムズ株式会社
発明者 平光功明
出願日 2016年1月25日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2016-011753
公開日 2017年8月3日 (3年6ヶ月経過) 公開番号 2017-131975
状態 特許登録済
技術分野 機械的に作動されるクラッチ マニプレータ 油圧・電磁・流体クラッチ・流体継手
主要キーワード 歯合位置 横プレート セットカラー 連結ベース メカクラッチ 係合ロッド 回動支持機構 ロックレバ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年8月3日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (13)

課題

動作の信頼性が高く消費電力量が比較的少ない膝関節動作支援装置を提供する。

解決手段

膝関節の動きに合わせて下部分を上部分に対して回動可能に支持する回動支持機構30と、この回動支持機構に駆動源51からの動力を伝達するとともに動力を遮断するクラッチ90を備えた動力伝達機構60とを有する。クラッチは、駆動源からの動力を伝達可能に歯合する歯合位置と動力を遮断する離間位置との間で移動可能に設けた第1および第2の歯型部材91、92と、歯型部材を離間位置に向けて付勢する第1付勢部材と、第1付勢部材による付勢力に抗して第1および第2の歯型部材を歯合位置に向けて移動させる第1アクチュエータと、歯型部材を歯合位置に固定するロック機構と、このロック機構を固定位置へ付勢する第2付勢部材と、この第2付勢部材による付勢力に抗してロック機構を固定解除位置へ移動させる第2アクチュエータと、を有する。

概要

背景

近年、人の膝関節の動作を支援する膝関節動作支援装置が開発されている。この種の装置は、駆動源からの動力回動支持機構に伝える動力伝達機構を有し、この動力伝達機構が、動力の伝達/遮断切換え電磁クラッチを備えている。

通常、装置を人に装着する場合や歩行時には、電磁クラッチをOFFにして動力の伝達を遮断する。また、膝関節の動作を支援するときには、電磁クラッチをONにして動力を伝達する。

概要

動作の信頼性が高く消費電力量が比較的少ない膝関節動作支援装置を提供する。膝関節の動きに合わせて下部分を上部分に対して回動可能に支持する回動支持機構30と、この回動支持機構に駆動源51からの動力を伝達するとともに動力を遮断するクラッチ90を備えた動力伝達機構60とを有する。クラッチは、駆動源からの動力を伝達可能に歯合する歯合位置と動力を遮断する離間位置との間で移動可能に設けた第1および第2の歯型部材91、92と、歯型部材を離間位置に向けて付勢する第1付勢部材と、第1付勢部材による付勢力に抗して第1および第2の歯型部材を歯合位置に向けて移動させる第1アクチュエータと、歯型部材を歯合位置に固定するロック機構と、このロック機構を固定位置へ付勢する第2付勢部材と、この第2付勢部材による付勢力に抗してロック機構を固定解除位置へ移動させる第2アクチュエータと、を有する。

目的

よって、動作の信頼性が高く利便性が高く消費電力量が比較的少ない膝関節動作支援装置の開発が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

大腿部の外側に配置されに装着する上部分と、下腿部に装着する下部分と、膝関節の外側で上記上部分に設けられ、膝関節の動きに合わせて上記下部分を上記上部分に対して回動可能に支持する回動支持機構と、駆動源と、上記駆動源からの動力を上記回動支持機構に伝達するとともに動力を遮断するクラッチを備えた動力伝達機構と、を有し、上記クラッチは、上記駆動源からの動力を伝達可能に歯合する歯合位置と動力を遮断する離間位置との間で移動可能に設けた第1および第2の歯型部材と、上記第1および第2の歯型部材を上記離間位置に向けて付勢する第1付勢部材と、この第1付勢部材による付勢力に抗して上記第1および第2の歯型部材を上記歯合位置に向けて移動させる第1アクチュエータと、上記第1および第2の歯型部材を上記歯合位置に固定するロック機構と、このロック機構を固定位置へ付勢する第2付勢部材と、この第2付勢部材による付勢力に抗して上記ロック機構を固定解除位置へ移動させる第2アクチュエータと、を有する膝関節動作支援装置

請求項2

上記第1の歯型部材を上記第2の歯型部材に歯合する上記歯合位置と上記第2の歯型部材から離間する離間位置との間で移動可能に支持したスライド機構と、上記第1の歯型部材を取り付けた支持アームと、をさらに有し、上記第1アクチュエータは、上記支持アームを第1方向に揺動させて上記スライド機構によって支持された上記第1の歯型部材を上記歯合位置へ移動させる第1ソレノイドであり、上記第1付勢部材は、上記第1方向と逆の第2方向に上記支持アームを付勢する第1引っ張りバネである、請求項1の膝関節動作支援装置。

請求項3

上記ロック機構は、上記第1の歯型部材を上記歯合位置へ移動した状態の上記支持アームを係止する上記固定位置と上記支持アームの係止状態解除する上記固定解除位置との間で揺動可能に設けたロックレバーを有し、上記第2アクチュエータは、上記ロックレバーを上記固定解除位置に向けて揺動させる第2ソレノイドであり、上記第2付勢部材は、上記ロックレバーを上記固定位置に向けて付勢する第2引っ張りバネである、請求項2の膝関節動作支援装置。

請求項4

上記第1および第2の歯型部材の歯は、歯先に向けて収束した第1部分と、この第1部分の基端に連続し、径方向および当該歯の突出方向と平行な噛合い面を有する第2部分と、をそれぞれ有する、請求項1または請求項3の膝関節動作支援装置。

請求項5

上記クラッチは、上記ロック機構を手動によって固定解除位置へ移動させる手動レバーをさらに有し、この手動レバーの操作端は、上記動力伝達機構を囲んだカバーの外に突出している、請求項1、3、4のいずれか1項の膝関節動作支援装置。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、人の脚の膝関節の動作を支援する膝関節動作支援装置に関する。

背景技術

0002

近年、人の膝関節の動作を支援する膝関節動作支援装置が開発されている。この種の装置は、駆動源からの動力回動支持機構に伝える動力伝達機構を有し、この動力伝達機構が、動力の伝達/遮断切換え電磁クラッチを備えている。

0003

通常、装置を人に装着する場合や歩行時には、電磁クラッチをOFFにして動力の伝達を遮断する。また、膝関節の動作を支援するときには、電磁クラッチをONにして動力を伝達する。

先行技術

0004

特開2015−180236号
特開2011−142958号

発明が解決しようとする課題

0005

しかし、電磁クラッチは、一般に、電磁力によって可動鉄心を移動させて一対の歯型部材歯合/離間させるため、可動鉄心の移動ストロークが比較的短い。膝関節動作支援装置に適したサイズの電磁クラッチでは、可動鉄心の移動ストロークは例えば1.5mm程度と考えられる。この場合、歯型部材の歯の高さは1mm程度であり、このサイズの電磁クラッチを用いて大きなトルクを伝達しようとすると、歯型部材同士の噛み合いが外れて歯飛びする可能性があり、動作の信頼性が低下する。

0006

反面、このような歯飛びの問題を考慮して歯数の多い電磁クラッチを選択すると、電磁クラッチの径が大きくなって重くなってしまう。つまり、この場合、可動鉄心の径が大きくなって装置全体が重くなり、装置を装着した人の負荷になってしまう。また、電磁クラッチが大きくなると、装置サイズも大きくなり、装置を装着して使用する際に周囲の物にぶつけるなどの不具合を生じ、利便性が低下する。

0007

また、電磁クラッチは、通電により、動力を伝達する状態を維持(或いは動力を遮断する状態を維持)するため、消費電力量が比較的大きく、装置を継続して使用可能な時間が比較的短くなる。これに対し、装置の1充電当たりの使用時間を長くするため、バッテリー容量を大きくすると、装置が大型化して重くなってしまう。

0008

よって、動作の信頼性が高く利便性が高く消費電力量が比較的少ない膝関節動作支援装置の開発が望まれている。

課題を解決するための手段

0009

実施形態に係る膝関節動作支援装置は、膝関節の動きに合わせて下部分を上部分に対して回動可能に支持する回動支持機構と、この回動支持機構に駆動源からの動力を伝達するとともに動力を遮断するクラッチを備えた動力伝達機構と、を有する。クラッチは、駆動源からの動力を伝達可能に歯合する歯合位置と動力を遮断する離間位置との間で移動可能に設けた第1および第2の歯型部材と、第1および第2の歯型部材を離間位置に向けて付勢する第1付勢部材と、この第1付勢部材による付勢力に抗して第1および第2の歯型部材を歯合位置に向けて移動させる第1アクチュエータと、第1および第2の歯型部材を歯合位置に固定するロック機構と、このロック機構を固定位置へ付勢する第2付勢部材と、この第2付勢部材による付勢力に抗してロック機構を固定解除位置へ移動させる第2アクチュエータと、を有する。

図面の簡単な説明

0010

図1は、実施形態に係る膝関節動作支援装置の正面図である。
図2は、図1の膝関節動作支援装置の側面図である。
図3は、図1の膝関節動作支援装置の要部を拡大した正面図である。
図4は、図2の膝関節動作支援装置の要部を拡大した側面図である。
図5は、図1の膝関節動作支援装置のクラッチ機構を示す概略図である。
図6は、図5のクラッチ機構によりクラッチを切った状態を示す概略図である。
図7は、図5のクラッチ機構によりクラッチをつないだ状態を示す概略図である。
図8は、図1の膝関節動作支援装置のクラッチ歯の歯を軸方向から見た平面図である。
図9は、図8のクラッチ歯をIX−IX線で切断した断面図である。
図10は、図8のクラッチ歯をX−X線で切断した断面図である。
図11は、図8のクラッチ歯をXI−XI線で切断した1つの歯の断面図である。
図12は、図1の膝関節動作支援装置の動作を制御する制御系ブロック図である。

実施例

0011

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図1は、実施形態に係る膝関節動作支援装置100(以下、単に、装置100と称する)の正面図であり、図2は、この装置100を左横から見た側面図であり、図3は、図1の要部を部分的に拡大した正面図であり、図4は、図2の要部を部分的に拡大した側面図である。ここでは、この装置100を装着した人が図1のように立った状態を基準にして、上下、左右、前後方向を説明する。

0012

図1および図2に示すように、装置100は、人のに装着する腰部装具10、下腿部に装着する下腿部装具20、および大腿部の外側に配置する保持フレーム1を有する。また、装置100は、保持フレーム1を腰部装具10に連結する連結機構40、下腿部装具20を保持フレーム1に対して回動可能に支持する回動支持機構30、駆動力を発生する駆動機構50、駆動機構50からの動力を回動支持機構30に伝える動力伝達機構60、および回動支持機構30に取り付けた膝部装具70を有する。保持フレーム1は、回動支持機構30、駆動機構50、動力伝達機構60、および膝部装具70を保持する。さらに、装置100は、装置100の動作を制御する制御部80(図12)を有する。

0013

回動支持機構30、駆動機構50、動力伝達機構60、および膝部装具70を保持した保持フレーム1、腰部装具10、および連結機構40は、装置100の上部分として機能する。また、下腿部装具20は、装置100の下部分として機能する。さらに、駆動機構50は、駆動部として機能する。

0014

以下、装置100の各部の構成についてより詳細に説明する。
腰部装具10は、腰部巻き付け腰部ベルト11、腰部ベルト11を腰に留めるバックル11a、脚の付け根に装着する2本の大腿部ベルト14、14、および腰部ベルト11に固設された左右2つ腰部フレーム12、12を有する。本実施形態の装置100は、この腰部装具10の腰部ベルト11(バックル11aを含む)以外、左右一対の同じ構造を有する。このため、以下の説明では、左側の構成のみ代表して説明し、右側の構成についての説明および図示を省略する。

0015

大腿部ベルト14は、1本の帯状ベルトであり、大腿部の前側から内股を通して大腿部の後側へ巻き回され、両端を腰部ベルト11の左横に固定している。腰部フレーム12は、大腿部ベルト14の両端を固定した位置で腰部ベルト11に固設されている。腰部フレーム12の図示下端には、後述する連結機構40が回動可能に接続される。

0016

下腿部装具20は、下腿部の外側に沿って配置した細長い板状の下腿部フレーム23、足乗せプレート27、および足首の上方で下腿部に巻き付けてマジックテープ登録商標)などで留める足首固定ベルト21を有する。

0017

下腿部フレーム23は、帯状の板金を下腿部に沿って折り曲げた下腿部上フレーム23aと、アジャスタ22を介して下腿部上フレーム23aの下端に接続した下腿部下フレーム23bと、を有する。アジャスタ22は、下腿部上フレーム23aと下腿部下フレーム23bを伸縮自在に接続し、下腿部フレーム23の長さを調節可能にしている。足首固定ベルト21は、スペーサ21aを介して下腿部下フレーム23bの内側に取り付けられている。

0018

足乗せプレート27は、回動軸26を介して下腿部下フレーム23bの下端に回動自在に取り付けられている。回動軸26は、左右方向に延びている。足乗せプレート27は、固定ブロック25を介してL字状に連結した足底プレート27aおよび足横プレート27bを有する。足底プレート27aは足の裏に対向し、足横プレート27bはくるぶしに対向する。そして、足横プレート27bの上端が下腿部下フレーム23bの下端に接続されている。固定ブロック25は、足底プレート27aを固定しているとともに、足横プレート27bの上下位置を調節可能に固定している。

0019

図3および図4に示すように、保持フレーム1は、大腿部の外側に配置された内側フレーム1a、内側フレーム1aの外側に配置された外側フレーム1b、内側フレーム1aおよび外側フレーム1bの前側の端縁をつないだ前側フレーム1c、および内側フレーム1aおよび外側フレーム1bの後ろ側の端縁をつないだ後側フレーム1dを有する。これら複数のフレームを含む保持フレーム1は装置100のケースの一部として機能する。また、保持フレーム1の内部には、水平上サブフレーム2a、水平下サブフレーム2b、および垂直サブフレーム2cが固設されている。

0020

図示明瞭化のため、図1および図3では、前側フレーム1cおよび後側フレーム1dの図示を省略しており、図2および図4では、内側フレーム1aおよび外側フレーム1bの図示を省略している。上述したように、保持フレーム1には、回動支持機構30、駆動機構50、動力伝達機構60、および膝部装具70が取り付けられている。

0021

回動支持機構30は、内側フレーム1aと垂直サブフレーム2cの間に設けた平歯車31を有する。垂直サブフレーム2cは、外側フレーム1bの下端に固定され、内側フレーム1aの外側に離間して平行に配置されている。平歯車31は、図示しないキーを介して回動軸32に同軸に固定されている。回動軸32は、2つのベアリング33、34を介して内側フレーム1aと垂直サブフレーム2cに回動自在に取り付けられている。つまり、平歯車31は、内側フレーム1aと垂直サブフレーム2cの間に配置され、平歯車31の回動軸32は、左右方向に延びている。回動軸32の外側には、ポテンショメータ35が図示しないネジにより固定されている。平歯車31は、図示しないネジ等により下腿部上フレーム23aの上端に固定されている。

0022

このため、動力伝達機構60を介して駆動機構50の駆動力を伝達して、平歯車31を回動させると、保持フレーム1に対して下腿部フレーム23が前後に揺動される。つまり、平歯車31、回動軸32、およびベアリング33、34が、回動支持機構30として機能する。

0023

回動支持機構30の回動軸32の内側には、膝部装具70(図1参照)が取り付けられている。膝部装具70は、ベアリング71を介して回動軸32に回動自在に取り付けた膝部フレーム72、膝部フレーム72の上端に取り付けた上ベルト73、および膝部フレーム72の下端に取り付けた膝下ベルト74を有する。膝上ベルト73は、膝の上方で脚に巻き付けて図示しないマジックテープなどで留める。膝下ベルト74は、膝の下方で脚に巻き付けて図示しないマジックテープなどで留める。

0024

駆動機構50は、水平上サブフレーム2aに固設されている。駆動機構50は、サーボモータ51、およびハーモニックドライブ(登録商標)などの減速機53を同軸に有する。また、サーボモータ51には、エンコーダ54が取り付けられている。減速機53は、サーボモータ51の回転軸(図示せず)に取り付けられている。減速機53の出力側には上流駆動軸55が固設されている。サーボモータ51の回転軸は、上下方向に延設されている。このため、駆動機構50を縦方向に配置でき、省スペース化を図ることができる。

0025

連結機構40は、図1および図2に示すように、腰部装具10の腰部フレーム12に連結するための連結ベース41を有する。連結ベース41は、ヒンジ42を介して上下につながった連結上プレート41aおよび連結下プレート41bを有する。連結上プレート41aの上端が、図1中で左右に延設された回動軸43を介して腰部フレーム12の下端に回動可能に取り付けられる。また、ヒンジ42は、その回動軸42aが前後に延びる向きで設けられている。このため、連結ベース41は、ヒンジ42の回動軸42aを中心に連結下プレート41bが人体から離れる横方向に回動可能となっている。

0026

図3および図4に示すように、連結ベース41の連結下プレート41bの下端には、保持スリーブ44のフランジ部44aが一体に固設されている。保持スリーブ44は、内部にスライドロッド46を挿通可能な細長い孔44bを有する略円筒形外形を有する。保持スリーブ44は、その長手軸が上下方向に沿う姿勢で連結ベース41の下端に固設されている。

0027

また、連結機構40は、保持スリーブ44の孔44bに挿通されるスライドロッド46を有する。スライドロッド46は、大腿部の外側に沿って上下方向に延設されている。スライドロッド46の上端には、保持スリーブ44のフランジ部44aの上端に係合するセットカラー46aが設けられている。セットカラー46aは、ブラケット47を介して水平上サブフレーム2aに固定されている。

0028

スライドロッド46の下端は、図示しないネジにより、保持フレーム1の水平上サブフレーム2aに締結固定される。水平上サブフレーム2aは、水平面に沿って配置され、前側フレーム1cと後側フレーム1dの間に架け渡されている。つまり、スライドロッド46は、保持スリーブ44の上方から細長い孔44bに挿通されて、下端を図示しないネジを介して水平上サブフレーム2aに締結固定され、保持フレーム1に固設される。

0029

そして、この連結機構40は、スライドロッド46に対する保持スリーブ44の上下方向への移動を許容することで、腰部装具10と保持フレーム1との間の距離を伸縮可能に接続する。また、この連結機構40は、スライドロッド46の保持スリーブ44に対する回動を許容することで、腰部装具10に対する保持フレーム1のじれを許容する。なお、ここで言う捻じれとは、スライドロッド46の軸を中心とした保持フレーム1の回動動作を指す。

0030

動力伝達機構60は、駆動機構50の減速機53の上流側駆動軸55に接続したクラッチ機構90(クラッチ)を有する。クラッチ機構90は、上流側駆動軸55の下端に図示しないキーを介して固定した上クラッチ歯91(第2の歯型部材)を有する。上クラッチ歯91は、後述する複数の歯を下に向けた姿勢で上流側駆動軸55の下端に固設されている。

0031

また、クラッチ機構90は、上クラッチ歯91の下方に配置した下クラッチ歯92(第1の歯型部材)を有する。下クラッチ歯92は、後述する複数の歯を上に向けた姿勢で上クラッチ歯91に対して離接する上下方向に移動可能に設けられている。また、下クラッチ歯92の下方には平歯車93が同軸に配置されている。下クラッチ歯92と平歯車93は、互いに上下方向に離間した状態で、下流側駆動軸94に対して同軸に固設されている。下クラッチ歯92および平歯車93は、それぞれ、図示しないキーを介して下流側駆動軸94に固設されている。

0032

上クラッチ歯91は、下流側駆動軸94の上端を軸方向にスライド自在に受け入れスライドブッシュ95を備えている。スライドブッシュ95は、上流側駆動軸55と同軸に取り付けられており、下流側駆動軸94を上流側駆動軸55と同軸且つスライド自在に保持する。これにより、下クラッチ歯92および平歯車93が上クラッチ歯91に対して離接する方向にスライド可能になるとともに、下クラッチ歯92および平歯車93が上クラッチ歯91と同軸に配置される。

0033

クラッチ機構90の出力側の平歯車93には、動力伝達機構60の平歯車61が歯合されている。この平歯車61は、ワンウェイクラッチ69を介して、上下方向に延設した駆動軸62の上端に対して同軸に取り付けられている。ワンウェイクラッチ69は、曲げた膝を伸ばすときに空転する向きで取り付けられている。駆動軸62は、ベアリング63を備えたベアリングホルダ64を介して水平下サブフレーム2bに回動自在に取り付けられている。

0034

下流側の平歯車61の歯幅は、上流側の平歯車93の歯幅より大きくされている。上流側の平歯車93は、後述するスライド機構110によって下クラッチ歯92とともに上下にスライド可能に支持されており、スライド範囲全長にわたって下流側の平歯車61と歯合する必要がある。よって、下流側の平歯車61の歯幅が上流側の平歯車93のスライド範囲をカバーする大きさに設計されている。しかし、平歯車61の歯幅を大きくすると、その分、重量も増すため、平歯車61の歯幅は、下クラッチ歯92が上クラッチ歯91に歯合しない位置に上流側の平歯車93がスライドした状態(駆動力が伝達されない状態)では下流側の平歯車61とわずかに歯合する程度の歯幅に設計されている。

0035

駆動軸62の下端には、かさ歯車65が同軸に固設されている。このかさ歯車65には、別のかさ歯車66が歯合されている。そして、この下流側のかさ歯車66は、図示しないキーを介して駆動軸67に同軸に固定されている。駆動軸67は、内側フレーム1aと外側フレーム1bの間に架け渡されている。駆動軸67は、2つのベアリング67a、67bを介してフレーム1a、1bによって回動可能に支持されている。また、駆動軸67には、上述した回動支持機構30の平歯車31と歯合する平歯車68が図示しないキーを介して同軸に固設されている。

0036

しかして、クラッチをつないだ状態で駆動機構50のサーボモータ51が回転すると、減速機53、上流側駆動軸55、上クラッチ歯91、下クラッチ歯92、下流側駆動軸94、平歯車93、平歯車61、駆動軸62、かさ歯車65、かさ歯車66、駆動軸67、および平歯車68を介して、回動支持機構30の平歯車31に動力が伝達され、下腿部フレーム23が保持フレーム1に対して揺動される。上述したように、駆動機構50、動力伝達機構60、および回動支持機構30が同じ保持フレーム1に取り付けられているため、駆動力を確実に伝達でき、安定した動作支援が可能となる。

0037

上述した下クラッチ歯92のスライド機構110は、保持フレーム1に対して上下にスライド自在に設けた可動フレーム111を有する。可動フレーム111は、平歯車93を上下に挟む位置に設けた上可動プレート112、および下可動プレート113を有する。上可動プレート112と下可動プレート113の間には、両者を一定間隔開けて固定するスタッド114が設けられている。スタッド114は、平歯車93に干渉しない位置に設けられている。

0038

下クラッチ歯92を固設した上述した下流側駆動軸94は、上可動プレート112と下可動プレート113を貫通して延びている。上可動プレート112および下可動プレート113は、それぞれ、ベアリング115を介して下流側駆動軸94の下端側を回動可能に保持している。このため、下クラッチ歯92の移動とともに可動フレーム111(上可動プレート112、下可動プレート113、およびスタッド114)も上下に移動する。

0039

一方、水平下サブフレーム2bの上面から2本のスライドロッド116が上方に突出して取り付けられている。2本のスライドロッド116は、それぞれ、上可動プレート112および下可動プレート113を貫通して延びている。上可動プレート112および下可動プレート113は、それぞれ、スライドブッシュ117を介してスライドロッド116に対して上下にスライド可能に取り付けられている。つまり、2本のスライドロッド116は、可動フレーム111を上下にスライド可能に支持している。

0040

以下、上述した上クラッチ歯91および下クラッチ歯92を含むクラッチ機構90について、図3および図4とともに図5乃至図7を参照して説明する。図5は、クラッチ機構90の要部概略図である。図6は、クラッチを切った状態の概略図であり、図7は、クラッチをつないだ状態の概略図である。

0041

クラッチ機構90は、下クラッチ歯92を上クラッチ歯91に対して離接可能に支持した支持アーム96、支持アーム96を回動軸96aを中心に図示反時計周り方向(第1方向)に回動させるソレノイド97(第1ソレノイド、第1アクチュエータ)、支持アーム96を図示時計周り方向(第2方向)に付勢する引っ張りバネ98(第1引っ張りバネ、第1付勢部材)、および支持アーム96を図示上方位置(図5実線で示す位置)にロックするロック機構120を有する。

0042

ロック機構120は、支持アーム96の揺動の先端にある係合ロッド99に係合して支持アーム96をロックするロックレバー121、ロックレバー121を回動軸121aを中心に反時計回り方向に回動させるソレノイド122(第2ソレノイド、第2アクチュエータ)、およびロックレバー121を時計周り方向に付勢する引っ張りバネ123(第2引っ張りバネ、第2付勢部材)を有する。

0043

支持アーム96は、図3に示すように、下クラッチ歯92を間に挟んで左右に設けられている。回動軸96aは、これら2つの支持アーム96の基端部を貫通して固設されている。回動軸96aは、装置100の左右方向に延設され、前側フレーム1cにネジ131により締結固定したブラケット132に対し、ブッシュ133を介して回動可能に取り付けられている。

0044

2つの支持アーム96は、連結ロッド134および係合ロッド99によって連結されており、一体に回動可能となっている。係合ロッド99は、支持アーム96の回動の先端近くに設けられており、連結ロッド134は、支持アーム96の長手方向の中間より基端側に片寄った位置に設けられている。

0045

連結ロッド134には、リンク135を介してソレノイド97のプランジャ97aが接続されている。ソレノイド97は、ブラケット136を介して前側フレーム1cに固定して取り付けられている。ソレノイド97に通電するとプランジャ97aが吸引され、支持アーム96が回動軸96aを中心に図5に実線で示す位置へ回動され、ソレノイド97をOFFにすると引っ張りバネ98の付勢力により支持アーム96が図5破線で示す位置へ回動される。

0046

引っ張りバネ98の基端は、図3に示すように、ブラケット137を介して水平下サブフレーム2bに固定されている。引っ張りバネ98の先端は、一方の支持アーム96の長手方向の略中央に固定されている。引っ張りバネ98は、僅かに引き伸ばした状態で水平下サブフレーム2bと一方の支持アーム96の間に取り付けられ、支持アーム96を時計周り方向に常時付勢する。

0047

また、一対の支持アーム96は、それぞれ、下クラッチ歯92を取り付けるためのスライド孔96bを有する。スライド孔96bは、支持アーム96の長手方向に延びた長円形の孔であり、可動フレーム111に固設した一対の支持突起111a(図4参照)を回動可能に受け入れる。下クラッチ歯92は、上述したスライド機構110によって上クラッチ歯91に離接する方向に真っ直ぐにスライド可能に支持されており、支持アーム96が揺動するため、支持突起111aを受け入れるスライド孔96bを長孔とした。

0048

ロック機構120のロックレバー121は、ブッシュ124を介して保持フレーム1に対して回動可能に取り付けた回動軸121aを有する。回動軸121aは、装置100の左右方向に延設され、ロックレバー121の長手方向の中間位置に取り付けられている。ロックレバー121の回動の先端には、支持アーム96の係合ロッド99に係合する係合爪121bが設けられている。また、ロックレバー121の後方には、手動レバー125が一体に突設されている。手動レバー125の操作端は、図4に示すように、後側フレーム1dの図示しない開口部を介して装置100の外に突出している。

0049

ロックレバー121の基端121cには、リンク126を介してソレノイド122のプランジャ122aが接続されている。ソレノイド122は、図3に示すように、ブラケット127を介して内側フレーム1aに固定して取り付けられている。ソレノイド122に通電するとプランジャ122aが吸引され、ロックレバー121が回動軸121aを中心に図5で反時計周り方向に回動され、ソレノイド122をOFFにすると引っ張りバネ123の付勢力によりロックレバー121が図5で時計周り方向に回動される。

0050

引っ張りバネ123の基端は、ブラケット127に固定されている。引っ張りバネ123の先端は、ロックレバー121の回動軸121aより先端に片寄った位置でロックレバー121に固定されている。引っ張りバネ123は、僅かに引き伸ばした状態でブラケット127とロックレバー121の間に取り付けられ、ロックレバー121を時計周り方向に常時付勢する。

0051

次に、上述したクラッチ機構90の動作について説明する。
クラッチをつなぐ場合、制御部80は、ソレノイド97に短い時間だけ通電してプランジャ97aを吸引し、支持アーム96を図7に示す状態へ回動させる。支持アーム96を図7の状態に回動させると、支持アーム96の先端に設けた係合ロッド99がロックレバー121の係合爪121bを乗り越えて係合爪121bに嵌合し、ロックレバー121が引っ張りバネ123の付勢力によって固定位置に配置される。これにより、支持アーム96が下クラッチ歯92を上クラッチ歯91に歯合させる歯合位置に係止される。この状態でソレノイド97への通電を切っても、支持アーム96はこの位置にロックされる。以上のように、支持アーム96が上方に揺動すると、可動フレーム111が図示上方に移動し、下クラッチ歯92が上クラッチ歯91に歯合する歯合位置に移動され、クラッチがつながる。

0052

一方、クラッチを切る場合、制御部80は、ソレノイド122を短い時間だけ通電してプランジャ122aを吸引し、ロックレバー121を図5で反時計周り方向に回動させて固定解除位置へ移動させる。ロックレバー121をこの方向に回動させると、係合爪121bが支持アーム96の係合ロッド99から外れて係止状態解除され、引っ張りバネ98の付勢力によって支持アーム96が図6に示す状態に戻される。この状態で、ソレノイド122への通電をやめると、ロックレバー121は引っ張りバネ123の付勢力によって元の位置(固定位置)に戻るが、支持アーム96は図6の位置に留まる。以上のように支持アーム96が下方に揺動すると、可動フレーム111が図示下方に移動され、下クラッチ歯92が上クラッチ歯91から離間する離間位置に移動され、クラッチが切れる。

0053

図5に実線で示す位置に回動した支持アーム96をロック機構120によってロックした状態(クラッチがつながった状態)で、何らかの理由(バッテリー切れ故障など)によってソレノイド122への通電が不能となった場合、利用者は、装置100の外側から手動レバー125を操作することでクラッチを切ることができる。この場合、利用者は、装置100の後方に突出した手動レバー125の操作端を上方にわずかに動かすだけで、ロックレバー121を反時計周り方向に回動させることができ、クラッチを容易に切ることができる。

0054

次に、上述した上クラッチ歯91および下クラッチ歯92の歯の形状について、図8乃至図11を参照して説明する。上クラッチ歯91および下クラッチ歯92は同じ構造を有するため、ここでは下クラッチ歯92を代表して説明し、上クラッチ歯91の説明は省略する。図8は、下クラッチ歯92を軸方向の上方から見た平面図であり、図9は、下クラッチ歯92を図8のIX−IX線で切断した断面図であり、図10は、下クラッチ歯92を図8のX−X線で切断した部分断面図であり、図11は、下クラッチ歯92を図8のXI−XI線で切断した1つの歯141の断面図である。

0055

下クラッチ歯92は、図8および図9に示すように、その表面92aに、周方向に等間隔で離間して径方向放射状に配置された複数(本実施形態では10個)の歯141を突設している。下クラッチ歯92は、その中心に、下流側駆動軸94を挿通して受け入れる軸孔142を有する。軸孔142の内周壁には図示しないキーを受け入れるキー溝143が設けられている。

0056

図10および図11に示すように、歯141は、歯先に向けて収束した2つの傾斜面144aを有する第1部分144と、この第1部分144の基端に連続して下クラッチ歯92の表面92aから垂直に突出した第2部分145と、を一体に有する。第1部分144の先端は平ら面取り部144bを有する。第2部分145は、歯141の突出方向に延びるとともに径方向に延びた2つの噛合い面145aを有する。

0057

歯141の先端が先細になっていることで、上クラッチ歯91の歯141に噛み合わせるときに歯先同士を互いの間に案内することができ、歯の噛合いを確実にできる。第2部分145の噛合い面145aは、下クラッチ歯92の表面92aと垂直な面であり、上クラッチ歯91の歯141の噛合い面145aと面で接触し、上クラッチ歯91の歯141と下クラッチ歯92の歯141をしっかりと係合させる。噛合い面145aは、歯141の周方向の両側にあるため、上流側駆動軸55および下流側駆動軸94の回転方向によらず、歯の噛合いを確実にできる。

0058

1つの歯141の形状に着目すると、2つの噛合い面145aが径方向に延びているため、第1部分144の2つの傾斜面144aは、下クラッチ歯92の中心に向けて幅が狭くなる。このため、2つの傾斜面144aをそれぞれ例えば45°の角度に設計すると、図10に示すように、第1部分144と第2部分145の境界線146が下クラッチ歯92の中心に向けて表面92aから離れる方向(図示上方)に傾斜する。これにより、上クラッチ歯91の歯141と歯合したとき、各歯141の中心側ほど第2部分145の噛合い面145aの重なりが大きくなり、歯141の噛合いをより確実にできる。

0059

図12は、装置100の動作を制御する制御系のブロック図である。
制御部80には、6つの加速度センサ81a、81b、81c、82a、82b、82cが接続されている。各センサ取付位置も左右対称であるため、ここでも、右側の加速度センサ82a、82b、82cについての詳細な説明は省略する。

0060

最も下方の加速度センサ81aは、下腿部フレーム23の下端の外面側に取り付けられている。また、その上の加速度センサ81bは、保持フレーム1の外面側に取り付けられている。さらに、最も上方の加速度センサ81cは、腰部フレーム12の外面側に取り付けられている。

0061

また、制御部80には、サーボモータ51のエンコーダ54の他に、ポテンショメータ35が接続されている。ポテンショメータ35は、回動支持機構30に駆動力を伝達する平歯車31の外側に取り付けられており、平歯車31の回動位置を検出し、下腿部フレーム23の保持フレーム1に対する回動位置を検出する。つまり、ポテンショメータ35は、膝関節の角速度の変化を検出して、膝関節が動いたことを検出する。

0062

さらに、制御部80には、サーボモータ51、クラッチをつなぐためのソレノイド97、およびクラッチを切るためのソレノイド122が接続されている。図示を省略してあるが、制御部80は、腰部装具10の腰部ベルト11の背中側に取り付けられている。

0063

次に、制御部80による動作を説明する。
制御部80は、左右6つの加速度センサ81a、81b、81c、82a、82b、82cを介して装置100の動作状態監視する。また、制御部80は、ポテンショメータ35を介して回動支持機構30の回動位置を監視する。つまり、制御部80は、これらセンサ類を介してこの装置100を装着した人の動きを監視する。

0064

そして、制御部80は、この装置100を装着した人が通常の歩行動作をしようとしていることを判断した場合、或いはこの人が動作していないことを判断した場合、ソレノイド122に通電してクラッチを切って、動力伝達機構60による動力の伝達を遮断する。これにより、歩行時に不所望な負荷が回動支持機構30に与えられる不具合を防止でき、歩行動作を楽にできる。また、クラッチを切ることで、利用者がこの装置100を装着したり取り外したりする際に椅子腰かける場合など、回動支持機構30に不所望な負荷がかけられる不具合を防止でき、自然に膝を曲げたり伸ばしたりすることができ、装置100の装着/取外しを容易にできる。

0065

或いは、制御部80は、この装置100を装着した人がしゃがんだ状態から図1、2の立位状態に向けて動こうとしていることを判断した場合、ソレノイド97に通電してクラッチを繋げてサーボモータ51を付勢する。これにより、装置100が膝関節の動きをサポートし、例えば、重い荷物を容易に持ち上げる動作が可能となる。

0066

以上のように、本実施形態の膝関節動作支援装置100によると、ソレノイド97に短い時間だけ通電することでクラッチをつなぎ、別のソレノイド122に短い時間だけ通電することでクラッチを切ることができるクラッチ機構90を備えているため、装置構成小型軽量化でき、消費電力量を少なくでき、装置100の継続使用時間を延長することができる。

0067

また、本実施形態によると、上記のようにアクチュエータを小型化できることに加えて、上クラッチ歯91および下クラッチ歯92の歯の高さを比較的高くしてクラッチ機構90を小型化できるため、装置100を軽量にすることができ、装置100を装着した人の負荷を軽減でき、利便性を向上させることができる。

0068

さらに、本実施形態によると、メカクラッチを採用したことで、上クラッチ歯91および下クラッチ歯92の歯の高さを比較的高くすることができることから、歯飛びの問題を解消することができ、比較的大きなトルクを伝達することができ、動作の信頼性を高めることができる。特に、本実施形態によると、上クラッチ歯91および下クラッチ歯92それぞれの歯141が、上クラッチ歯91および下クラッチ歯92の表面に対して垂直な噛合い面145aを有するため、歯飛びの可能性が殆どない信頼性の高いクラッチ機構90を提供できる。

0069

上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述した実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述した実施形態は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

0070

例えば、上述した実施形態では、一方のソレノイド97に通電してクラッチをつなぎ、別のソレノイド122に通電してクラッチを切るようにしたが、これに限らず、一方のソレノイド97に通電してクラッチを切り、別のソレノイド122に通電してクラッチをつなぐようにしてもよい。この場合、ロック機構120が、クラッチを切った状態の支持アーム96をロックし、ロックを解除することで引っ張りバネ98により支持アーム96をクラッチをつなぐ位置に回動させればよい。

0071

また、上述した実施形態では、支持アーム96を付勢する付勢部材およびロックレバー121を付勢する付勢部材として引っ張りバネ98、123を用いた場合について説明したが、これに限らず、板バネやαバネなどの他の付勢部材をもちいることもできる。

0072

1…保持フレーム、10…腰部装具、20…下腿部装具、30…回動支持機構、40…連結機構、50…駆動機構、51…サーボモータ、55…上流側駆動軸、60…動力伝達機構、70…膝部装具、80…制御部、90…クラッチ機構、91…上クラッチ歯、92…下クラッチ歯、92a…表面、94…下流側駆動軸、96…支持アーム、96a…回動軸、97…ソレノイド、98…引っ張りバネ、99…係合ロッド、100…膝関節動作支援装置、110…スライド機構、121…ロックレバー、122…ソレノイド、121b…係合爪、123…引っ張りバネ、125…手動レバー、141…歯、144…第1部分、144a…傾斜面、145…第2部分、145a…噛合い面、146…境界線。

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