JP4284565B2 - Artificial joint mechanism - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規な人工関節機構に関する。詳しくは、特に膝関節に好適で、人体の動作に近い動作をすることが可能であり、ロボット、義足等における人工関節機構として好適なものを提供する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来よりロボット、義足等における関節として、一方の対偶にオイルレス軸受、他方の対偶に軸を設けて、両者の回転自在な結合により構成したもの、或いは一方の対偶に硬い平滑凸面、他方の対偶に軟らかい平滑凹面を設けて両者の組合わせにより構成したものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、人体に近い動作を目的とするロボット、義足等を軸と軸受とにより構成すると、関節より上の部分(ロボット本体、人体等)の重量を軸と軸受とで支えなければならず、軸又は軸受の耐久性に問題があった。特に、膝関節の場合においては、立脚初期の接地時にはその衝撃が大きく、これに耐え得る軸と軸受の構造にするには、軸及び軸受の大型化、重量化が避けられなかった。
【0004】
また、硬い平滑凸面と軟らかい平滑凹面との組合わせによる関節にあっては、接触面(関節面)における摩擦が問題で、両者の磨耗を防ぐための滑液を接触面に供給することが難しかった。かかる磨耗は、両対偶を形成する部材を削ることになり、例えば、人体に義体として用いた場合においては、その磨耗粉はガン細胞の誘発を促すという問題も生じる。
【0005】
そこで、本発明は上記した欠点を解消し、人間の関節に近い動作を可能にし、また、重力方向の衝撃に強く、耐久性を向上させることができ、また、対偶における磨耗などの問題が生じない人工関節機構を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明人工関節機構は、一対の対偶と、これら2つの対偶を連結する連結手段を有し、両対偶が互いに反発するように磁石を各対偶の関節面側にそれぞれ設け、伸展した状態(伸展位)から屈曲した状態(屈曲位)になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたものである。
【0007】
従って、本発明人工関節機構にあっては、対偶間に常に磁石の反発力による間隙が生じ、人工関節機構にかかる衝撃を上記間隙により吸収することができ、また、両対偶間のそれぞれの関節面が接触していないため、関節を屈曲させても両対偶が磨耗することはなく、更に、従来の関節軸のように、衝撃を受け止める構成部材がないため、耐久性に優れた人工関節機構を提供することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明人工関節機構の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【0009】
図1乃至図4は本発明人工関節機構の基本的構成を示すものである。
【0010】
人工関節機構1は、上部対偶2と、下部対偶3と、上部対偶2の関節面に埋めこまれた上部磁石4と、下部対偶3の関節面に埋めこまれた下部磁石5と、上部対偶2と下部対偶3とを結合する連結手段6、6を備える。
【0011】
そして、上部対偶2は上部骨体7の下端部に形成され、また、下部対偶3は下部骨体8の上端に形成されている。
【0012】
上部対偶2は、上部骨体7にその下端に一体に形成され、その形状は上部骨体7の直径より大きな円柱状を為し、上部骨体7の軸方向に対して直交する向きで、かつ、互いの外周面の前端が一致するように形成されている(図1参照)。
【0013】
下部対偶2は、その上面が上記上部対偶2を底面側から見た形状とほぼ同じで、かつ、ほぼ平滑な面に形成されている。
【0014】
上部対偶2の左右方向のほぼ中央部には、永久磁石からなる上部磁石4が埋設されている。上部磁石4は側方から見て半円を呈し、例えば、その外周面側がN極、中心側がS極に着磁されている(図1、図3参照)。尚、外周面側をN極、中心側をS極にするには、径方向に着磁された小磁石4a、4a、・・・を多数配列するようにすると良い(図4参照)。
【0015】
下部対偶3の左右方向におけるほぼ中央部には、上記上部対偶2の上部磁石4に対向するように、永久磁石からなる下部磁石5が埋設されている。下部磁石5はその上側がN極、下側がS極に着磁されており、従って、この人工関節機構1が伸展位から屈曲位まで変化するすべての状態において、上部対偶2と下部対偶3とは、両者の間に反発力が作用し、それぞれ互いに離間する方向に付勢される。
【0016】
上部対偶2と下部対偶3とを結合する連結手段6は、その一端が上部骨体7の側面に結合し、他端が下部骨体8の側面に結合されており、これにより、両対偶2と3とが離間するのが阻止されている。かかる連結手段6は、引張方向へ伸長しない部材で構成されており、上部磁石4と下部磁石5との反発力により、伸びないようになっていることが好ましい。
【0017】
そして、人工関節機構1は、伸展位(図1参照)から中心角でほぼ90度屈曲する(図3参照)ようになっており、そのすべての状態において、上部対偶2と下部対偶3とが、互いに反発して、両者間に間隙9が形成される。
【0018】
また、人工関節機構1に衝撃がかかった時は、その衝撃が上部磁石4と下部磁石5との反発力に抗して働くため、上部対偶2と下部対偶3との間の間隙9がその衝撃を吸収することになる。
【0019】
【実施例】
以下に、本発明人工関節機構の詳細を図5乃至図20に示した第1の実施例に従って説明する。
【0020】
尚、第1の実施例は、本発明を人工膝関節機構に適用したものである。
【0021】
人工膝関節機構10は、一種の蝶番関節であって、人体における大腿骨の下端側関節頭に相当する上部対偶11と、人体における脛骨の上端側関節窩に相当する下部対偶12と、上部対偶11の下端面(関節面)に埋めこまれた上部磁石13、13と、下部対偶12の上端面(関節面)に埋めこまれた下部磁石14と、上部対偶11と下部対偶12との間であって左側部及び右側部の両部に介在され、人体における半月板に相当する衝撃吸収パット15、15と、上部対偶11と下部対偶12とを結合し、人体における十字靱帯に相当する連結手段16、16を備える(図5参照)。尚、図5は、連結手段16、16を省略して示し、伸展位の人工膝関節機構10を上下に分解して後方から見た斜視図である。
【0022】
そして、上部対偶11は上部骨体17の下端部に形成され、また、下部対偶12は下部骨体18の上端に形成されている。
【0023】
上部対偶11は、チタン(Ti)合金、コバルト(Co)合金、超高分子ポリエチレン、或いはアルミナ(酸化アルミニウム)等で形成され、その形状は、人体における大腿骨の下端側関節頭とほぼ同じに形成されている。即ち、上部対偶11は、上部骨体17よりも太く、かつ、伸展位において左右に分かれて下方及び後方に突出する2つの瘤状の突部11a、11bが形成されており、これにより、両突部11aと11bとの間に下方及び後方に開口する溝部11cが形成されている。
【0024】
突部11a、11bのうち外側の突部(人体における外(腓)側顆)11aの方が、内側の突部(人体における内(脛)側顆)11bよりやや大きく形成され、また、突部11a、11bの関節面は球面でなく、関節面の前部及び後部において曲率半径r1、r1が小さく、中央部では曲率半径r2が大きくなっている(図6参照)。
【0025】
下部対偶は上記上部対偶11と同様に、チタン(Ti)合金、コバルト(Co)合金、超高分子ポリエチレン、或いはアルミナ(酸化アルミニウム)等で形成され、その形状は、人体における脛骨の上端側関節窩とほぼ同じに形成されている。即ち、下部対偶12は、その上端面が上記上部対偶11を底面側から見た大きさとほぼ同じ大きさに形成されており、上記外側突部11aに対応した部分(人体における外(腓)側顆)の関節面(以下、「外側関節面」という。)12aはやや凹面になっており、また、上記内側突部11bに対応した部分(人体における内(脛)側顆)の関節面(以下、「内側関節面」という。)12bはほぼ平面になっていて、外側関節面12aと内側関節面12bとの間の部分(以下、「関節窩中央部」という。)12cが上記上部対偶11の溝部11cに対向するようになっている。
【0026】
上部磁石13、13は、上部対偶11の2つの突部11a、11bに各別に埋設されており、その形状はほぼ同じなので、一方についてのみ説明する。
【0027】
上部磁石13は、やや厚肉の円盤を中心角でほぼ90度の部分を切り欠いて中心角がほぼ270度の扇形に形成された基礎材19に、多数の小磁石20、20、・・・を埋め込んで構成されている(図9、図10参照)。具体的には、両端が異極に着磁された棒状の小磁石20、20、・・・を、基礎材19の外周面上に、中心角でほぼ30度間隔で、かつ、厚さ方向に直線上に配列し、すべての小磁石20、20、・・・の外周面側の磁極が同極、例えば、N極になるように配設されている。尚、各小磁石20、20、・・・による磁場については、後述する。
【0028】
小磁石20の基礎材19への取り付けは、基礎材19に有底穴を形成し、その有底穴内に小磁石20を嵌合して、接着剤により固定する。尚、小磁石20に螺溝を形成し、上記有底穴に対して小磁石20を螺合するようにしても良い。
【0029】
そして、このような上部磁石13は、人工膝関節機構10が伸展位の場合に、上記基礎材19が、側方から見て前方上部に扇形の切り欠かれた部分が位置するように上部対偶11の突部11a及び11bの左右方向におけるほぼ中央部にそれぞれ埋設されている。
【0030】
尚、基礎材19は、上部対偶11と同じ材質により構成されており、基礎材19が上部対偶11に埋設された状態で、上部対偶11の表面に、例えば、ハイドロオキシアパタイト(HAp)によるコーティングが施されている。
【0031】
下部磁石14は、下部対偶12の外側関節面12a、内側関節面12b及び関節窩中央部12cにそのほぼ全面に多数の小磁石21、21、・・・が埋設されて構成されている。具体的には、上記上部磁石13と同様に、両端が異極に着磁された棒状の小磁石21が下部対偶12の外側関節面12a、内側関節面12b及び関節窩中央部12cのそれぞれのほぼ全面に形成された有底穴に固着されており、各小磁石21、21、・・・は、その上部が、例えば、N極になるように取り付けられている。
【0032】
従って、当該人工膝関節機構10が、伸展位であるか又は屈曲位であるかに関わらず、上部磁石13、13と下部磁石14との対向する磁極が同極であり、よって、上部対偶11と下部対偶12とは、常に、反発するようになっている。
【0033】
尚、各小磁石21、21、・・・による磁場については、後述する。また、上記上部磁石13における小磁石20、20、・・・の説明で述べたように、小磁石21を下部対偶12に螺合によって取り付けるようにしても良い。
【0034】
また、小磁石21、21、・・・が取り付けられた下部対偶12の表面には、上部対偶11と同様に、例えば、ハイドロオキシアパタイト(HAp)によるコーティングが施されている。
【0035】
このような上部対偶11、下部対偶12は、例えば、その主材料となるチタン合金で、最終形状よりも一回り小さな形状のものを鋳造により成形し、これに各磁石13、13又は14を埋設して、その後、ハイドロオキシアパタイトによるコーティングを施して、NC旋盤によりNC切削して最終形状に加工される。
【0036】
そして、上部磁石13、13及び下部磁石14のそれぞれの磁場は、以下に示すようになっており、各小磁石20、20、・・・、21、21、・・・が、上記各磁場を形成するように配置又は着磁されている。
【0037】
即ち、上部磁石13、13の磁場は、正面から見て、左右両端部の磁力強度が最も小さく、中央に行くに従い大きくなり、上部磁石13、13のそれぞれの中央において最も大きく、また、上部磁石13と13との間において磁力強度がやや小さくなるようになっている(図9参照)。また、上部磁石13を側方から見た場合の磁場は、上部対偶11が伸展位において前端に位置する小磁石20が最も磁力強度が小さく、図10において、周方向に反時計回り方向に行くに従い磁力強度が大きくなるようになっており、これにより、上部対偶11が伸展位から屈曲位になるに従い、下部磁石14の小磁石21、21、・・・に対向する小磁石20、20、・・・の磁力強度が大きくなるようになっている(図10、図11、図12参照)。
【0038】
一方、下部磁石14の磁場は、正面から見て、左右両端部の磁力強度が最も大きく、中央に行くに従い小さくなり、外側関節面12aと内側関節面12bとのそれぞれの中央において最も小さく、また、関節窩中央部12cにおける磁力強度がやや大きくなるようになっている。また、下部磁石14を側方から見た場合の磁場は、前端部に位置する小磁石21、21、・・・が最も磁力強度が大きく、後方へ行くに従い磁力強度が小さくなるようになっている(図10、図11、図12参照)。
【0039】
尚、各磁石13、14において、磁力強度を変化させるには、各小磁石20、20、・・・、21、21、・・・のそれぞれの磁力強度を変えるようにすれば良い。また、同じ磁力の小磁石20、20、・・、21、21、・・・を、各対偶11、12に埋設する場合に、その埋設する深さを調整することによって磁力強度を変えることができる。
【0040】
これにより、上部対偶11と下部対偶12とを正面から見ると、互いの磁場において、磁力強度の大きい部位と小さい部位とが対向し合い、これが左右方向にずれようとすると、反発力が生じるため、両対偶11、12は、互いの中心がほぼ一致するように位置される。尚、両磁石13、14による反発力は、正面から見て側方に行くに従い大きくなるようにしても良い。このようにすると、後述する衝撃吸収パット15、15にかかる荷重の分散作用を補完することができる。
【0041】
また、上部対偶11と下部対偶12とを側面から見ると、上部対偶11が伸展位から屈曲位に移行するに従い、下部対偶12に対向する上部磁石13、13の磁力強度が大きくなるようになっているが、これは、後述するように、上部対偶11が伸展位から屈曲位に移行するに従い、後方に偏倚するようになっており、上部対偶11が屈曲しながら後方へ偏倚した場合において、下部磁石14の磁力強度との関係で、偏倚の過程においてその反発力が一定になるようになっている。
【0042】
これにより、当該人工膝関節10を人体の義足として適用した場合であって、人体に残存した各種靱帯を用いる場合には、これら靱帯に過度の引張力がかかることがなく、残存靱帯の損傷(伸び)を防止することができる。
【0043】
そして、当該人工膝関節機構1が屈曲する場合において、上部対偶11が伸展位から屈曲位に移行するに従い、後方に偏倚するようになっている。かかる偏倚は、主に、以下に示す連結手段16の構成によるものである。
【0044】
連結手段16は、人体における十字靱帯に相当するもので、前十字体22aと後十字体22bとから成り、前十字体22aは、上部対偶11の溝部11c内の後端部と下部対偶12の関節窩中央部12cの前端部とを連結するように設けられ、また、後十字体22bは、上部対偶11の溝部11cの前後方向におけるほぼ中央部と下部対偶12の関節窩中央部12cの後端部とを連結するように設けられている(図13参照)。尚、図13は、前十字体22a、後十字体22bを解りやすくするために、上部対偶11と下部対偶12とを上下に離間して、前十字体22a、後十字体22bを誇張して示した。
【0045】
これにより、図14乃至図16に示すように、伸展位から屈曲位に移行するに従い、上部対偶11は後方に偏倚することになり、人体における大腿骨の下側関節頭の動作に近い動作を実現することができる。
【0046】
また、このような前十字体22a及び後十字体22bは、引張方向へ伸長しない部材、例えば、医療用糸により構成されている。尚、ロボットに当該人工膝関節機構10を用いる場合には、前十字体22a、後十字体22bをリンク機構で構成しても良い。かかる場合、リンク機構を構成するのに軸部材及び軸受部材等が必要になるが、上記上部磁石13、13及び下部磁石14による反発力が両対偶11と12との間に常に働いているため、軸部材及び軸受部材に過度の負担がかかることがない。
【0047】
尚、人体における膝関節は、十字靱帯の他に、側副靱帯、大腿四頭筋、膝蓋靱帯等を有し、当該人工関節機構10の動作を、人体の膝関節の動作により近くするためには、上記各靱帯、筋等と同様の構成を備えることが好ましい。
【0048】
衝撃吸収パット15は、上方から見てほぼC字状を呈し、その両端間の距離が上記両対偶11、12の前後方向の大きさとほぼ同じに形成され、また、中央部の左右方向の幅が、下部対偶12の左側又は右側の上部磁石13に対向する部分と下部対偶12の左端部又は右端部との間の間隔とほぼ同じか又はやや小さく、また、衝撃吸収パット15の断面形状はくさび状に形成されている(図17、図18参照)。
【0049】
そして、このような衝撃吸収パット15、15は上部対偶11と下部対偶12との間であって、その左側部及び右側部に介在せしめられる。具体的には、衝撃吸収パット15、15が、下部対偶12の上面にその上側関節面12a及び下側関節面12bを各別に囲うように配置され、該衝撃吸収パット15、15の上面に、上部対偶11の突部11a及び11bのそれぞれの下端部よりやや前側、後側及び外側に寄った部分が接触するように配設される。
【0050】
これにより、上部対偶11は下部対偶12の上面に2つの衝撃吸収パット15、15を介して載置され、また、上記上部磁石13、13及び下部磁石14との反発力が上部対偶11と下部対偶12との間に作用するようになっている。
【0051】
従って、上部対偶11に衝撃がかかると、該衝撃が衝撃吸収パット15、15及び上部磁石13、13と下部磁石14との反発力により、吸収される。
【0052】
かかる衝撃吸収パット15は、人体における半月板に相当し、シリコンなどの弾性部材からなる外殻体23に、ヒアルロン酸ナトリウム又は生理食塩水などの流体24とシリコンなどのゲル物質25とが封入されている(図17参照)。尚、外殻体23内には流体24とゲル物質25とを封入する方が好ましいが、そのいずれか一方のみを封入しても良い。
【0053】
特に、本発明人工関節機構を義足に適用して人体に装着する場合には、上記ゲル物質25を流体24と共に、外殻体23に封入した方が好ましいが、本発明人工関節機構をロボットにおける膝関節に適用する場合には流体24だけを外殻体23に封入すれば足りる。尚、ロボットに適用する場合には、流体24に人体に害があるとされている流体シリコンを用いても良い。
【0054】
しかして、伸展位の状態、特に、歩行開始時における立脚時において、人工膝関節10に大きな衝撃がかかるが、この衝撃を上部対偶11と下部対偶12とにそれぞれ埋設した上記両磁石13、14による反発力及び上記衝撃吸収パット15、15により吸収する。
【0055】
また、伸展位から屈曲位までの変位においては、前十字体22a、後十字体22bにより、上部対偶11が後方へ偏倚することになり、人体における膝関節と同様な動きを実現する。
【0056】
更に、伸展位から屈曲位までの変位の間、上部対偶11が回転しながら後方へ偏倚しても、上部磁石13、13と下部磁石14とによる反発力がほぼ一定であるため、安定した上部対偶11の動きを実現することができる。
【0057】
尚、当該人工膝関節機構10を人工皮膚で覆い、上部対偶11と下部対偶12との間に滑液を充填することにより、更に、対偶11、12間の動きがスムーズになる。
【0058】
図19及び図20に示すものは、衝撃吸収パットの変形例15Aである。
【0059】
かかる衝撃吸収パット15Aは、その外殻体23の側部に、多数のスリット状の小孔15a、15a、・・・が形成されていて、外殻体23の内部と外部とが連通され、また、外殻体23内にはゲル物質25のみが収められている。
【0060】
このような衝撃吸収パット15Aは、人工膝関節機構10を人工皮膚で覆い、上部対偶11と下部対偶12との間に人体にもともとある滑液を充填した場合に、用いると良い。
【0061】
衝撃吸収パット15Aを、上部対偶11と下部対偶12との間に配置すると、衝撃吸収パット15Aは上記人体にもともとある滑液内に位置され、これにより、該滑液が外殻体23の上記小孔15a、15a、・・・を通してその内部に侵入し、従って、外殻体23内に収められたゲル物質25は支障なく滑らかに動くことができる。
【0062】
このような衝撃吸収パット15Aにあっては、滑液として人体にもともとあるものを用いるため、人工的な流体を用い場合に比べ、他の人体の一部に与える影響はない。
【0063】
尚、上記小孔15a、15a、・・・を外殻体23の側部に形成したのは、外殻体23の上面や下面のように、上部対偶11及び下部対偶12やゲル物質25に接触する部位に小孔15a、15a、・・・を形成しておくと、当該衝撃吸収パット15Aに荷重がかかった状態で衝撃吸収パット15Aが上部対偶11と下部対偶12との間において移動したときに、小孔15a、15a、・・・と上部対偶11及び下部対偶12やゲル物質25とが擦れてしまい、両対偶11、12やゲル物質25及び外殻体23の耐擦傷性が劣ってしまったり、或いは滑液の流通が悪くなってしまったりすること等の理由による。
【0064】
図21乃至図28は本発明人工関節機構の第2の実施例を示すものである。
【0065】
この第2の実施例が前記第1の実施例と比較して相違する点は、磁石に電磁石を用いたこと、左右のバランスを取れること及び膝関節の逆折れ防止手段を設けたことであるので、図面には要部のみを示し、また、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第1の実施例に係る人工関節機構における同様の部分に付した符号と同じ符号を付することによりその説明を省略する。
【0066】
第2の実施例にかかる人工膝関節10Aの上部対偶26に埋設された上部磁石27は各小磁石28、28、・・・の磁力が均一で、また、その基礎材19に埋設される深さも一定になっており、従って、上部磁石27は伸展位から屈曲位まで変化する間、下部対偶29に対向した側において一定の磁場を形成する(図21、図22参照)。
【0067】
下部対偶29に埋設された下部磁石30の各小磁石31は電磁石であり、以下のように、伸展位から屈曲位まで変化する間、所定の磁場を形成するように制御される。
【0068】
即ち、下部磁石30が形成する磁場は、側面から見て、伸展位において全体としてほぼ中央部の磁力強度が弱い凹状を呈しており(図23、図24、図25参照)、この磁力強度の弱い部分が伸展位から屈曲位になるに従い後方に移行するようになっている。
【0069】
これにより、上部磁石27が、下部磁石30の磁力の弱い部分に位置されて、該磁石強度の弱い部分が屈曲が進むにつれて後方に移行し、よって、伸展位から屈曲位に移行して行くに従い、上部対偶26が後方へ偏倚することになる。これは、十字体22a、22bにより為される上部対偶26の後方への偏倚を補うことになり、よりスムーズな偏倚が行われる。
【0070】
尚、この実施例では、下部磁石30のみを電磁石としたが、上部磁石27のみを電磁石とすることも、また、上部磁石27、下部磁石30の双方を電磁石とすることもできる。
【0071】
衝撃吸収パット15と下部対偶29の上面との間の左右両端部には、圧力センサ32、32が介在されており(図21、図22参照)、これら圧力センサ32、32により検出された圧力の差が信号として、上記下部磁石30の各小磁石31、31、・・・に出力され、左右の荷重バランスを取り、リザルタントフォースを改善することができる。
【0072】
即ち、例えば、下部対偶29の左側の圧力センサ32が右側の圧力センサに比べてより多くの圧力を検出したときは、左側の下部磁石30の各小磁石31、31、・・・により多くの電流を流し、磁力強度を上げて上部対偶26への反発力を増大する。これにより、下部対偶29にかかる荷重が左右にアンバランスであっても、上部対偶26の左右のバランスを保つことができる。
【0073】
尚、かかる圧力センサ32には、本出願人による平成9年12月8日の出願(特願平9−336808号)にかかる発明(感覚情報取得装置)を適用することができ、また、既知の各種圧力センサを適用することができる。
【0074】
上部対偶26の前方には、人体における膝蓋骨に相当する蓋体33が設けられ、また、該蓋体33の下方であって、下部対偶29の前方には逆折れ防止部材34が設けられており、これら蓋体33、逆折れ防止部材34は人工靱帯35の内側面に取り付けされており、また、人工靱帯35の上端は上部対偶26に、その下端は下部対偶29にそれぞれ連結されている(図26、図27、図28参照)。
【0075】
これにより、屈曲位において、上部対偶26の前方に蓋体33が位置され、人体における膝関節を屈曲した場合と同様な外形を呈し(図28参照)、より人体に近似した人工膝関節機構10Aにすることができる。
【0076】
また、逆折れ防止部材34の後部には、電磁石36が埋設されていると共に、該電磁石36に対向する下部対偶29の部分には磁性体37が埋設されている。そして、逆折れ防止部材34の電磁石36は、伸展位において励磁するように制御されており、これにより、当該人工膝関節機構10Aは、逆に折れることはない(図27参照)。
【0077】
膝関節の逆折れは、膝関節から下側の脚を前方に振り出した場合に、その勢いにより起ることがあるが、当該人工膝関節機構10Aによれば、逆折れ防止部材34の電磁石36を励磁することで、該電磁石36が下部対偶29の前端部に埋設した磁性体37に吸着され、これが上部対偶26と下部対偶29の前端間における側方から見た断面が三角状の空隙38に位置し、これにより、上部対偶26が逆折れしそうになっても、下部対偶29との間に位置して来た逆折れ防止部材34が邪魔をして、逆折れが防止される。
【0078】
尚、この実施例において、逆折れ防止部材34の電磁石36が下部対偶29に設けた磁性体37に吸着されるようにしたが、上部対偶26に同様の磁性体を設けるようにしても良い。
【0079】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明人工関節機構は、一対の対偶と、これら2つの対偶を連結する連結手段を有し、両対偶が互いに反発するように磁石を各対偶の関節面側にそれぞれ設け、伸展した状態(伸展位)から屈曲した状態(屈曲位)になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたことを特徴とする。
【0080】
従って、本発明人工関節機構にあっては、対偶間に磁力の反発力よる間隙ができ、該反発力により衝撃を吸収することができ、また、両対偶が接触していないため、両対偶の関節面において、磨耗がなく、更に、従来のように、関節軸を設ける必要がないので、耐久性に優れる。
【0081】
尚、本発明人工関節機構は、上記実施の形態及び各実施例で示したような1軸性関節に限らず、2軸性関節或いは多軸性関節ににも適用することができる。
【0082】
また、伸展位から屈曲位に変化するに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、連結手段を構成したので、より人体の関節に近い動きを実現することができる。
【0083】
また、一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い、弱くなるようにしたので、他方の対偶の屈曲方向への偏倚をスムーズにすることができ、より人体の動きに近い動作を可能にする。
【0084】
また、他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い、一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの変化の間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにしたので、伸展位であるか又は屈曲位であるかに関わらず、対偶間の間隔を一定にすることができ、例えば、人体に義体として用いた場合にその人体に残存した靱帯に過度の負荷をかけることがない。
【0085】
請求項2に記載した発明にあっては、少なくとも一方の対偶に設ける磁石を電磁石としたので、対偶間の間隙を制御することができ、他方の対偶の屈曲方向への偏倚をスムーズに行わせることができ、より人体の関節の動きに近い動作を可能にすることができる。
【0086】
請求項3及び請求項4に記載した発明にあっては、一方の対偶と他方の対偶との間に衝撃吸収パットを介在させるようにしたので、急激な衝撃があっても、かかる衝撃を衝撃吸収パットにより吸収することができ、対偶を破損してしまうことがない。
【0087】
請求項5及び請求項6に記載した発明にあっては、少なくとも一方の磁石に電磁石を用いた人工関節機構において、一方の対偶と他方の対偶との間であって、屈曲方向に対して直交する方向に適宜離間した位置に圧力センサを介在させるようにしたので、かかる圧力センサで検出した圧力差を信号として電磁石を制御することにより、両対偶間の屈曲方向に対して直交する方向に離間した位置の反発力を調整することができ、対偶にかかる荷重がアンバランスであっても、一方の対偶に対する他方の対偶にバランスを保ち、リザルタントフォースを改善することができる。
【0088】
請求項7乃至請求項12に記載した発明にあっては、一方対偶と他方対偶との間であって、屈曲したときに一方の対偶と他方の対偶とのなす角度が大きくなる側に逆折れ防止部材を配設し、該逆折れ防止部材の一方の対偶又は他方の対偶と対向する位置に電磁石を設け、該電磁石に対向する一方の対偶又は他方の対偶の部位には磁性体を設けて、伸展位において、上記電磁石を励磁して逆折れ防止部材を一方の対偶又は他方の対偶に吸着させるようにしたので、伸展位において、他方の対偶が逆折れしそうになっても、一方の対偶との間の逆折れ防止部材が邪魔をすることになり、当該人工関節機構の逆折れを防止することができる。
【0089】
尚、上記した実施の形態及び各実施例においては、本発明人工関節機構を、膝関節に適用したものについて説明したが、本発明は、これに限らず、肘関節、指関節等の各種関節に適用することができる。
【0090】
また、上記した実施の形態及び各実施例において示した各部の形状乃至構造は、何れも本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図2乃至図4と共に、本発明に係る人工関節機構の基本構成を概念的に示すものであり、本図は伸展位にある人工関節機構を示す側面図である。
【図2】伸展位にある人工関節機構を示す正面図である。
【図3】屈曲位にある人工関節機構を示す側面図である。
【図4】上部磁石の別の例を示す側面図である。
【図5】図6乃至図20と共に、本発明に係る人工関節機構を人工膝関節機構に適用した第1の実施例を示すものであり、本図は人工膝関節機構を上下に分離して示す分解斜視図である。
【図6】上部対偶の関節面を説明するための側面図である。
【図7】上部磁石を拡大して示す正面図である。
【図8】上部磁石を拡大して示す側面図である。
【図9】上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す正面図である。
【図10】伸展位において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図11】90度屈曲した状態において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図12】ほぼ150度屈曲した屈曲位において、上部磁石及び下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図13】十字体を誇張するために、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す後方から見た分解斜視図である。
【図14】図15及び図16と共に、上部対偶の動きを示すものであり、本図は伸展位における側面図である。
【図15】90度屈曲した状態を示す側面図である。
【図16】150度屈曲した屈曲位の側面図である。
【図17】衝撃吸収パットを水平方向に切断した状態を上方から見た平面図である。
【図18】屈曲方向に直交する方向に切断した状態を示す垂直断面図である。
【図19】図20と共に、衝撃吸収パットの変形例を拡大して示すもので、本図は平面図である。
【図20】側面図である。
【図21】図22乃至図28と共に、本発明に係る人工関節機構を人工膝関節機構に適用した第2の実施例を示すものであり、本図は衝撃吸収パットを水平方向に切断した状態を上方から見た平面図である。
【図22】屈曲方向に直交する方向に切断した状態を示す垂直断面図である。
【図23】伸展位において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図24】90度屈曲した状態において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図25】ほぼ150度屈曲した屈曲位において、下部磁石の磁力強度を表わすグラフと共に、上部対偶と下部対偶とを上下に分離して示す側面図である。
【図26】図27及び図28と共に、蓋体及び逆折れ防止部材の動きを示すものであり、本図は伸展位よりやや屈曲した状態の側面図である。
【図27】逆折れ防止部材が上部対偶と下部対偶との間に介在して、上部対偶の逆折れを防止した状態を示す側面図である。
【図28】屈曲位の側面図である。
【符号の説明】
1…人工関節機構、2…上部対偶、3…下部対偶、4…上部磁石、5…下部磁石、6…連結手段、10…人工膝関節機構、11…上部対偶、12…下部対偶、13…上部磁石、14…下部磁石、15…衝撃吸収パット、16…連結手段、10A…人工膝関節機構、26…上部対偶、27…上部磁石、28…小磁石、29…下部対偶、30…下部磁石、31…小磁石、32…圧力センサ、34…逆折れ防止部材、36…電磁石、37…磁性体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel artificial joint mechanism. Specifically, the present invention relates to a technique that is particularly suitable for a knee joint and can perform an operation close to that of a human body and provides a suitable artificial joint mechanism for a robot, a prosthetic leg, or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a joint in a robot, a prosthetic leg, etc., an oilless bearing is provided on one pair, a shaft is provided on the other pair, and the two pairs are configured to be freely rotatable, or one pair has a hard smooth convex surface and the other pair. Some have a soft, smooth concave surface and are configured by a combination of both.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, if a robot, prosthetic leg, or the like intended for operation close to the human body is composed of a shaft and a bearing, the weight above the joint (robot body, human body, etc.) must be supported by the shaft and the bearing. Or there was a problem in the durability of the bearing. In particular, in the case of a knee joint, the impact is great at the time of ground contact in the initial stage of the stance, and it is inevitable to increase the size and weight of the shaft and the bearing in order to achieve a shaft and bearing structure that can withstand this.
[0004]
Also, in joints with a combination of a hard smooth convex surface and a soft smooth concave surface, friction on the contact surface (joint surface) is a problem, and it is difficult to supply synovial fluid to the contact surface to prevent wear of both. It was. Such wear results in the removal of the members that form the double pair. For example, when used as a prosthetic body in the human body, the wear powder also causes a problem of promoting the induction of cancer cells.
[0005]
Therefore, the present invention eliminates the above-mentioned drawbacks, enables operation close to a human joint, is resistant to impact in the direction of gravity, can improve durability, and causes problems such as wear at the even number. It is an object to provide no artificial joint mechanism.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The artificial joint mechanism of the present invention has a pair of pairs and a connecting means for connecting these two pairs, and magnets are provided on the joint surface side of each pair so that both pairs repel each other,A magnet provided in one pair even so that the coupling means is configured so that the other pair is biased in the bending direction with respect to one pair as it changes from the extended state (extended position) to the bent state (bending position). The magnetic strength of the other pair is weakened as it goes in the deviating direction, and the magnetic strength of the other pair of magnets is expanded so that the part facing the one pair of magnets becomes stronger with bending. The distance between one kinematic pair and the other kinematic pair is made constant from the position to the bending position.
[0007]
Therefore, in the artificial joint mechanism of the present invention, a gap due to the repulsive force of the magnet is always generated between the pair and the shock applied to the artificial joint mechanism can be absorbed by the gap. Since the surfaces are not in contact, even if the joint is bent, both pairs will not wear, and since there are no components that receive impact like the conventional joint shaft, the artificial joint mechanism has excellent durability. Can be provided.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the artificial joint mechanism of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0009]
1 to 4 show the basic configuration of the artificial joint mechanism of the present invention.
[0010]
The artificial joint mechanism 1 includes an
[0011]
The
[0012]
The
[0013]
The upper surface of the
[0014]
An upper magnet 4 made of a permanent magnet is embedded in a substantially central portion of the
[0015]
A
[0016]
The connecting means 6 for connecting the
[0017]
The artificial joint mechanism 1 is bent at a central angle of approximately 90 degrees from the extended position (see FIG. 1) (see FIG. 3). In all of the states, the
[0018]
When an impact is applied to the artificial joint mechanism 1, the impact works against the repulsive force between the upper magnet 4 and the
[0019]
【Example】
Details of the artificial joint mechanism according to the present invention will be described below according to the first embodiment shown in FIGS.
[0020]
In the first embodiment, the present invention is applied to an artificial knee joint mechanism.
[0021]
The artificial knee
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
Of the
[0025]
The lower pair is formed of titanium (Ti) alloy, cobalt (Co) alloy, ultra-high molecular weight polyethylene, alumina (aluminum oxide) or the like, similar to the
[0026]
Since the
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
And when the artificial knee
[0030]
The
[0031]
The
[0032]
Therefore, regardless of whether the artificial knee
[0033]
In addition, the magnetic field by each
[0034]
In addition, the surface of the
[0035]
For example, the
[0036]
And each magnetic field of the
[0037]
That is, when viewed from the front, the magnetic field of the
[0038]
On the other hand, when viewed from the front, the magnetic field of the
[0039]
In order to change the magnetic strength in each of the
[0040]
As a result, when the
[0041]
When the
[0042]
Thereby, when the artificial knee joint 10 is applied as a prosthetic leg of a human body and various ligaments remaining on the human body are used, excessive tensile force is not applied to the ligaments, and damage to the remaining ligaments ( (Elongation) can be prevented.
[0043]
When the artificial knee joint mechanism 1 bends, the
[0044]
The connecting means 16 corresponds to a cruciate ligament in the human body, and is composed of a
[0045]
Accordingly, as shown in FIGS. 14 to 16, as the transition from the extended position to the bent position is performed, the
[0046]
Further, the
[0047]
In addition to the cruciate ligament, the knee joint in the human body has a collateral ligament, quadriceps muscle, patella ligament, and the like, so that the operation of the artificial
[0048]
The
[0049]
The
[0050]
As a result, the
[0051]
Therefore, when an impact is applied to the
[0052]
The
[0053]
In particular, when the artificial joint mechanism of the present invention is applied to a human body by applying it to a prosthetic leg, it is preferable to enclose the
[0054]
Thus, a large impact is applied to the artificial knee joint 10 in the extended position, particularly when standing at the start of walking, and both the
[0055]
Further, in the displacement from the extended position to the bent position, the
[0056]
Further, even if the
[0057]
In addition, by covering the artificial knee
[0058]
FIG. 19 and FIG. 20 show a modified example 15A of the shock absorbing pad.
[0059]
The
[0060]
Such an
[0061]
When the
[0062]
In such a
[0063]
The
[0064]
21 to 28 show a second embodiment of the artificial joint mechanism of the present invention.
[0065]
The second embodiment differs from the first embodiment in that an electromagnet is used as a magnet, a balance between the left and right sides is provided, and a knee joint reverse folding preventing means is provided. Therefore, only the main part is shown in the drawing, the description is made only for the above differences, and the other parts are attached to the same parts in the artificial joint mechanism according to the first embodiment in each part of the drawing. The same reference numerals are used to omit the description.
[0066]
The
[0067]
Each
[0068]
That is, when viewed from the side, the magnetic field formed by the
[0069]
As a result, the
[0070]
In this embodiment, only the
[0071]
[0072]
That is, for example, when the
[0073]
For the
[0074]
A
[0075]
As a result, in the bent position, the
[0076]
An
[0077]
The reverse bending of the knee joint may occur due to the moment when the lower leg is swung forward from the knee joint. According to the artificial knee
[0078]
In this embodiment, the
[0079]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the artificial joint mechanism of the present invention has a pair of pairs and a connecting means for connecting the two pairs, and the magnets are connected to the joints of the pairs so that both pairs repel each other. Provided on each side,A magnet provided in one pair even so that the coupling means is configured so that the other pair is biased in the bending direction with respect to one pair as it changes from the extended state (extended position) to the bent state (bending position). The magnetic strength of the other pair is made weaker as it goes in the direction of the bias, and the magnetic strength of the other pair of magnets is expanded so that the part facing the one pair of magnets becomes stronger with bending. The distance between one kinematic pair and the other kinematic pair was made constant from top to bottomIt is characterized by that.
[0080]
Therefore, in the artificial joint mechanism of the present invention, there is a gap due to the repulsive force of the magnetic force between the pair, and the impact can be absorbed by the repulsive force. There is no wear on the joint surface, and there is no need to provide a joint shaft as in the prior art.
[0081]
The artificial joint mechanism of the present invention can be applied not only to a uniaxial joint as shown in the above embodiment and each example but also to a biaxial joint or a multiaxial joint.
[0082]
Also,Since the coupling means is configured so that the other pair is biased in the bending direction with respect to one pair as the position changes from the extended position to the bent position, a movement closer to the joint of the human body can be realized.
[0083]
Also,Since the magnetic strength of the magnet provided in one pair is weakened as the other pair goes in the direction of bias, the bias in the bending direction of the other pair can be made smoother and the movement of the human body more Allows operation close to.
[0084]
Also,During the change from the extended position to the bent position, the magnetic strength of the other pair of magnets is increased so that the portion facing the one of the paired magnets becomes stronger with bending. Since the interval between them is constant, the distance between the even number can be made constant regardless of whether it is in the extended position or the bent position, for example, when used as a prosthetic body in the human body An excessive load is not applied to the ligament remaining in the human body.
[0085]
Claim 2In the described invention, since the magnet provided in at least one pair is an electromagnet, the gap between the pair can be controlled, and the other pair can be smoothly biased in the bending direction, The movement closer to the movement of the joints of the human body can be made possible.
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
In the above embodiment and each example, the artificial joint mechanism of the present invention is applied to a knee joint. However, the present invention is not limited to this, and various joints such as an elbow joint and a finger joint. Can be applied to.
[0090]
In addition, the shape or structure of each part shown in the above-described embodiment and each example is merely an example of the embodiment to be performed in carrying out the present invention. The range should not be interpreted in a limited way.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 conceptually shows the basic structure of an artificial joint mechanism according to the present invention together with FIGS. 2 to 4, and this figure is a side view showing the artificial joint mechanism in an extended position.
FIG. 2 is a front view showing an artificial joint mechanism in an extended position.
FIG. 3 is a side view showing an artificial joint mechanism in a bent position.
FIG. 4 is a side view showing another example of the upper magnet.
FIG. 5 and FIG. 20 show a first embodiment in which the artificial joint mechanism according to the present invention is applied to the artificial knee joint mechanism. FIG. 5 shows the artificial knee joint mechanism separated vertically. It is a disassembled perspective view shown.
FIG. 6 is a side view for explaining the joint surface of the upper pair.
FIG. 7 is an enlarged front view showing the upper magnet.
FIG. 8 is an enlarged side view showing the upper magnet.
FIG. 9 is a front view showing an upper pair and a lower pair separated in a vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the upper magnet and the lower magnet.
FIG. 10 is a side view showing an upper pair and a lower pair separated in a vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the upper magnet and the lower magnet in the extended position.
FIG. 11 is a side view showing an upper pair and a lower pair separated from each other in a vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the upper magnet and the lower magnet in a bent state of 90 degrees.
FIG. 12 is a side view showing the upper pair and the lower pair separated from each other in a vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the upper magnet and the lower magnet in a bent position bent approximately 150 degrees.
FIG. 13 is an exploded perspective view seen from the rear showing the upper pair and the lower pair separated from each other in order to exaggerate the cross body.
FIG. 14 shows the movement of the upper pair even with FIGS. 15 and 16, and this figure is a side view in the extended position.
FIG. 15 is a side view showing a state bent 90 degrees.
FIG. 16 is a side view of a bent position bent by 150 degrees.
FIG. 17 is a plan view of a state where the shock absorbing pad is cut in the horizontal direction as viewed from above.
FIG. 18 is a vertical sectional view showing a state cut in a direction perpendicular to the bending direction.
FIG. 19 is an enlarged view of a modified example of the shock absorbing pad, together with FIG. 20, and is a plan view.
FIG. 20 is a side view.
FIG. 21 and FIG. 28 show a second embodiment in which the artificial joint mechanism according to the present invention is applied to the artificial knee joint mechanism, and this figure shows a state where the shock absorbing pad is cut in the horizontal direction. It is the top view which looked at from the upper part.
FIG. 22 is a vertical sectional view showing a state cut in a direction perpendicular to the bending direction.
FIG. 23 is a side view showing an upper pair and a lower pair separated in a vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the lower magnet in the extended position.
FIG. 24 is a side view showing the upper pair and the lower pair separated from each other in the vertical direction, together with a graph showing the magnetic strength of the lower magnet in a state where it is bent by 90 degrees.
FIG. 25 is a side view showing the upper pair and the lower pair separated from each other in the vertical direction together with a graph showing the magnetic strength of the lower magnet in a bent position bent approximately 150 degrees.
FIG. 26, together with FIG. 27 and FIG. 28, shows the movement of the lid and the reverse folding preventing member, and this figure is a side view in a slightly bent state from the extended position.
FIG. 27 is a side view showing a state in which the reverse folding preventing member is interposed between the upper pair and the lower pair to prevent the upper pair from being folded backward.
FIG. 28 is a side view of a bent position.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Artificial joint mechanism, 2 ... Upper pair even, 3 ... Lower pair, 4 ... Upper magnet, 5 ... Lower magnet, 6 ... Connection means, 10 ... Artificial knee joint mechanism, 11 ... Upper pair, 12 ... Lower pair, 13 ... Upper magnet, 14 ... lower magnet, 15 ... shock absorbing pad, 16 ... coupling means, 10A ... artificial knee joint mechanism, 26 ... upper pair, 27 ... upper magnet, 28 ... small magnet, 29 ... lower pair, 30 ...
Claims (12)
伸展した状態(伸展位)から屈曲した状態(屈曲位)になるに従い、一方の対偶に対して他方の対偶が屈曲方向に偏倚するように、上記連結手段を構成し、
一方の対偶に設ける磁石の磁力強度を、他方の対偶が偏倚する方向に行くに従い弱くなるようにし、
他方の対偶の磁石の磁力強度を、屈曲に伴い一方の対偶の磁石に対向する部位が強くなるようにして、伸展位から屈曲位までの間、一方の対偶と他方の対偶との間の間隔が一定になるようにした
ことを特徴とする人工関節機構。A pair of kinematic pairs and a coupling means for linking these two kinematic pairs, and magnets are provided on the joint surface side of each pair so that both pairs repel each other;
The above-mentioned connecting means is configured such that the other pair is biased in the bending direction with respect to one pair even as it is bent (extended) from the extended state (extended position),
The magnetic strength of the magnet provided in one pair is made weaker as it goes in the direction in which the other pair is biased,
The magnetic strength of the other pair of magnets is increased between the extended position and the bent position so that the part facing the one pair of magnets becomes stronger with bending, and the distance between one pair and the other pair. An artificial joint mechanism characterized in that is constant .
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