JP4411649B2 - Lower limb training device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、手術前後に用いられる連続他動運動装置、肢体の機能を回復するために用いられるリハビリテーション支援装置及び、トレーニング装置等の肢体駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、整形外科あるいは理学診療（リハビリテーション）科では、変形性膝関節症による人工関節置換術やリウマチ患者の滑膜切除術等の手術直後からContinuous Passive Motion（以下ＣＰＭという）と呼ばれる装置を用いて関節可動域訓練を行っている。対象者の関節を動かすことで、関節拘縮を予防し、関節可動域を確保することが目的である。膝関節用ＣＰＭは、１つのアクチュエータを用いて、かかとの位置や膝関節の角度を制御することで、膝関節を動かしているが、間接的に股関節および／または足関節を動かして下肢全体を運動させている。これを利用して医療現場では、膝関節のみならず股関節などに対しても適用している。
図５は、かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う膝関節用ＣＰＭであり、１は下腿をホールドする下腿スプリント、２はかかと位置を移動させるリニアアクチュエータ、３はかかと位置を直線軌道上に固定するためのリニアガイドである。
図６は、図５の装置を用いた場合の下肢の動きを模式化した図であり、かかと位置をｘ、股関節角度をθ１、膝関節角度をθ２、大腿長さをＬ１、下腿長さをＬ２とすると、
ｘ＝Ｌ１＊ｃｏｓθ１＋Ｌ２＊ｃｏｓ（θ２−θ１） ・・・（１）
となり、かかと位置ｘが動くことで股関節角度θ１、膝関節角度θ２が同時に変化することがわかる。図７は、膝関節の角度を制御して下肢全体の訓練を行う装置であり、１００は下腿をホールドする下腿スプリント、１０１は大腿をホールドする大腿スプリント、１０２は膝関節の角度を制御するアクチュエータ、１０３はかかと位置を直線軌道上に固定するためのリニアガイド、１０４は伸縮機構をもつリンクである。
図７の装置を用いた場合の下肢の動きは図５の装置と同様、式（１）で表現され、膝関節角度θ２が動くことで、かかと位置ｘ、股関節角度θ１が同時に変化する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１８９４７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図５、図７のどちらの装置の場合も、かかと位置ｘはリニアガイドで長さと方向が固定されているため、股関節角度θ１は、膝関節角度θ２よりも角度範囲が小さくなる。そのため、股関節の訓練が不十分となる問題があった。また、以上のような幾何学的な考察では、膝関節角度は十分な角度範囲がとれることになるが、実際の人間では、膝関節の屈曲伸展には大腿の裏側にあるハムストリングス、大腿四頭筋が主要な役目を果たし、股関節の角度によってそれぞれの筋肉の張り具合が変わるため、股関節の角度により膝関節の屈曲伸展のしやすさが異なってくる。図５、図７の装置の場合には股関節角度が大きく取れないため、実際は膝関節の屈曲角度が十分取れなくなる問題があった。さらに、図５の装置では、かかと位置を制御するため、膝や股の関節角度を把握することができない問題があった。図７の装置においても、リンク１０４を介して膝関節の角度を制御するため、伸縮機構を用いてリンク長さを調節して、膝関節の回転中心とリンクの回転中心を一致させる必要があり、多忙な医療現場では、リンクの長さ調節がおろそかになることが多かった。そのため、膝関節中心とリンクの回転中心が一致せずに、所定の角度まで到達できない問題があった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膝や股の関節角度を管理せずにただ単純に動かすだけの訓練の場合やそうでない場合にも、下肢訓練装置の駆動機構と下肢の軸合わせを不要にして、１つのアクチュエータで下肢訓練を行う際の下肢動作範囲の拡大手段を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、次のような構成になっている。
請求項１ に記載の発明は、リンク機構で構成された下肢訓練装置において、前記リンク機構が、一端が股ジョイントと結合して大腿を保持する大腿リンクと、前記大腿リンクの他方端と膝ジョイントを介して結合して下腿を保持する下腿リンクと、前記下腿リンクの他方端が足ジョイントを介して足リンクと結合して形成され、
前記股ジョイントと前記足ジョイント間を支持する部材から構成され、前記部材の内側に前記大腿および前記下腿を引き寄せる際に円弧の頂点へ移動する曲線状のガイドを有する軌道固定部を備えた軌道ガイド機構が前記リンク機構の側部に配置され、前記足ジョイントが前記軌道ガイド機構に備えられた前記軌道固定部に沿って、前記膝ジョイントに備えられたアクチュエータにより動作させるものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態の下肢訓練装置について図１、図２、図８および図９に基づいて説明する。第１の下肢訓練装置は、膝関節の角度を制御して下肢全体を訓練する装置である。第１の下肢訓練装置のリンク機構は、訓練の対象となる足の左右に大腿リンク１１、下腿リンク１２を配置し、下腿ホールド部１４で下腿を保持し、大腿ホールド部１５で大腿を保持する構成となっている。股ジョイント２１は、リンク機構の左右に配置している曲線ガイド機構２２に結合されており、股ジョイント２１を中心にリンク機構が動作するようにしている。アクチュエータ１６は、膝ジョイント１７付近に配置し、大腿リンク１１、下腿リンク１２の間の角度を制御することで、対象者の膝関節角度を制御する。対象者の膝関節角度を管理しながら訓練するためには、対象者の膝関節中心と膝ジョイント１７の位置を一致させる必要がある。そのために大腿リンク１１と下腿リンク１２には、リンク長さを調節する伸縮機構１９がある。足ジョイント１８は、足関節の角度変化に対応して足リンク１３と下腿リンク１２の間の角度を変化させる役割と、曲線状の軌道固定部２０に沿って対象者のかかと位置を制御する役割を持つ。
【０００７】
ここで曲線状の軌道固定部２０を用いることで下肢動作範囲を拡大できる点について説明する。図２は、第１の実施形態の下肢訓練装置が動作する様子を模式的に表した図である。図２のように座標系を設定し、かかと位置座標を（ｘ、ｙ）、股関節角度をθ１、膝関節角度をθ２、大腿長さをＬ１、下腿長さをＬ２とすると、足ジョイント１８のｘ座標は、式（１）で表すことができ、ｙ座標は次のように表すことができる。
【０００８】
ｙ＝Ｌ１＊ｓｉｎθ１−Ｌ２＊ｓｉｎ（θ２−θ１） ・・・（２）
ここで、式（１）と式（２）から、
ｘ2＋ｙ2＝Ｌ１2＋Ｌ２2＋２＊Ｌ１＊Ｌ２＊ｃｏｓθ２ ・・・（３）
【０００９】
を得ることができる。
式（３）でθ２が固定値、すなわち膝関節を動かさなければ、足ジョイント１８は、円軌道となる。例えば、θ２＝０°とした場合、図８のようにいわゆるＳＬＲ（Straight Leg Raising）動作となることからも式（１）（２）の設計基本式の妥当性が確かめられる。実用的には、膝も股も同時に動かすことになるため、足ジョイント１８の軌道つまり曲線状の軌道固定部２０のガイド溝は、半径が逐次変化する円弧軌道となる。設計の一例を示す。まず平均的なＬ１、Ｌ２を設定する。だいたい成人男子でＬ１＝３７８ｍｍ、Ｌ２＝４４１ｍｍである。次に、膝関節角度をどの程度まで動かすかを、股関節角度との関連で設定する。例えば股関節を０°から１１０°まで動かしたときに、膝関節を０°から１２０°まで動かすとすると、式（３）から曲線ガイド機構のガイド溝は、図９に示すような軌道となる。実際のガイド溝の加工は、式（１）と式（２）を用いて実施してもよい。
【００１０】
この発明の第２の実施形態である下肢訓練装置について図３および図４基づいて説明する。第２の下肢訓練装置は、股関節の角度を制御して下肢全体を訓練する装置である。第２の下肢訓練装置のリンク機構は、訓練の対象となる足の左右に大腿リンク５１、下腿リンク５２を配置し、下腿ホールド部５４で下腿を、大腿ホールド部５５で大腿を保持し、大腿リンク５１と下腿リンク５２の間にはフリージョイント５３を設けて、膝関節の屈曲伸展に倣うことができる構成になっている。股ジョイント５７は、回転型アクチュエータ５６とリンク機構の左右に配置している曲線ガイド機構６３に結合されており、股ジョイント５７を中心にリンク機構が動作するようにしている。回転型アクチュエータ５６には、図示しない位置検出器が結合されており、回転角度θ３を検出できる。回転型アクチュエータ５６には、伸縮自在な伸縮機構部５８と大腿リンク５１が結合されており、股関節角度を直接制御する。下肢訓練装置に対象者の下肢を乗せ、伸縮機構部５８を調整しながら、対象者の足に靴を履かせる要領で下腿ホールド部５４を装着し、大腿ホールド部５５で大腿を固定する。
【００１１】
このように伸縮機構部５８は、ある範囲内の下肢長さに対する長さ調整の役割を果たすと同時に、対象者の膝関節軸と下肢訓練装置のフリージョイント５３が一致していない場合に対象者の下肢の動きに装置が倣う役割を果たす。下腿ホールド部５４にはジャイロ６０が取り付けてあり、対象者の下腿の角度θ４を検出する。対象者の股関節の角度は位置検出器の出力角度θ３で検出でき、膝関節の角度θ５は、図４に示すように下腿の角度θ４を用いて次のように求める。
θ５＝１８０°−（θ３＋θ４） ・・・（４）
【００１２】
このように膝関節の角度と、股関節の角度を検出できるため、対象者の関節角度を管理しながら訓練することができる。
第２の実施形態である下肢訓練装置においても同様に、足関節の角度変化に対応する足ジョイント５９は、下腿リンク５２と足リンク６１の間の角度を変化させる役割と、曲線状の軌道固定部６２に沿って対象者のかかと位置を制御する役割を持つ。曲線状の軌道固定部６２は、第１の実施形態である下肢訓練装置と同じ設計方法により、下肢動作範囲を拡大できる。
【００１３】
なお、第１の実施形態でも第２の実施形態でも、曲線状の軌道固定部はいくつか用意しておき、対象者の状態に合わせて、選択できるようにすることで、対象者にいろいろな動作パターンを提供できるようになる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の下肢訓練装置によれば、曲線状の軌道固定部により、股関節と膝関節の角度変化を調整できるので、簡単な構造でありながら、これまで十分でなかった股関節角度を大きくとることができ、その結果、従来よりも膝関節が大きくとれるようになる等、下肢動作範囲の拡大手段を提供することができる。また、簡単な調節で対象者の下肢長さの違いに対応しつつ、下肢訓練装置の駆動機構と下肢の軸合わせを不要にして、対象者の膝関節、股関節の訓練角度を管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である下肢訓練装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である下肢訓練装置の動作模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である下肢訓練装置の構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である下肢訓練装置の動作模式図である。
【図５】かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の構成図である。
【図６】かかと位置を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の動作模式図である。
【図７】膝関節の角度を制御して下肢全体の訓練を行う従来装置の構成図である。
【図８】ＳＬＲ（Straight Leg Raising）動作説明図である。
【図９】曲線状の軌道固定部のガイド溝計算例である。
【符号の説明】
１ 下腿ホールド部
２ リニアアクチュエータ
３、１０３ リニアガイド
１１ 大腿リンク
１２ 下腿リンク
１３、６１ 足リンク
１４、５４、１００ 下腿ホールド部
１５、５５、１０１ 大腿ホールド部
１６、１０２ アクチュエータ
１７ 膝ジョイント
１８、５９ 足ジョイント
１９、５８、１０４ 伸縮機構部
２０、６２ 曲線状の軌道固定部
２１、５７ 股ジョイント
２２、６３ 曲線ガイド機構
５１ 大腿リンク
５２ 下腿リンク
５３ フリージョイント
５６ 回転型アクチュエータ
５９ 足ジョイント
６０ ジャイロ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a continuous passive motion apparatus used before and after an operation, a rehabilitation support apparatus used to recover the function of a limb, and a limb body drive apparatus such as a training apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in orthopedics or physical therapy (rehabilitation) departments, a device called Continuous Passive Motion (hereinafter referred to as CPM) is used immediately after surgery such as artificial joint replacement due to knee osteoarthritis or synovectomy for rheumatic patients. The range of motion training is performed. The purpose is to prevent joint contracture and secure a joint range of motion by moving the subject's joint. The knee joint CPM moves the knee joint by controlling the position of the heel and the angle of the knee joint using a single actuator, but indirectly moves the hip joint and / or ankle joint to move the entire lower limb. Exercise. In the medical field using this, it is applied not only to the knee joint but also to the hip joint.
FIG. 5 is a knee joint CPM that controls the heel position and exercises the entire lower limb. 1 is a crus splint that holds the crus, 2 is a linear actuator that moves the heel position, and 3 is a heel position on a straight track. It is a linear guide for fixing to.
FIG. 6 is a diagram schematically showing the movement of the lower limbs when the apparatus of FIG. 5 is used, where the heel position is x, the hip joint angle is θ1, the knee joint angle is θ2, the thigh length is L1, and the lower leg length is L2
x = L1 * cos θ1 + L2 * cos (θ2−θ1) (1)
Thus, it can be seen that the hip joint angle θ1 and the knee joint angle θ2 change simultaneously as the heel position x moves. FIG. 7 shows an apparatus for training the entire lower limb by controlling the angle of the knee joint, wherein 100 is a lower leg sprint that holds the lower leg, 101 is a thigh splint that holds the thigh, and 102 is an actuator that controls the angle of the knee joint. , 103 is a linear guide for fixing the heel position on a straight track, and 104 is a link having an expansion / contraction mechanism.
The movement of the lower limb in the case of using the apparatus of FIG. 7 is expressed by the expression (1) similarly to the apparatus of FIG. 5, and the heel position x and the hip joint angle θ1 change simultaneously by moving the knee joint angle θ2.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-189475
[Problems to be solved by the invention]
5 and 7, the length and direction of the heel position x is fixed by a linear guide, so that the hip joint angle θ1 has a smaller angle range than the knee joint angle θ2. Therefore, there has been a problem that hip joint training is insufficient. In addition, in the geometrical considerations as described above, the knee joint angle can be in a sufficient range. However, in actual humans, the knee joint flexion and extension are performed on the hamstrings and thighs on the back of the thigh. The head muscle plays a major role, and the tension of each muscle changes depending on the angle of the hip joint. Therefore, the ease of flexion and extension of the knee joint differs depending on the angle of the hip joint. In the case of the apparatus shown in FIGS. 5 and 7, since the hip joint angle cannot be made large, there is a problem that the knee joint cannot be sufficiently bent. Furthermore, the apparatus of FIG. 5 has a problem in that it cannot grasp the joint angles of knees and hips because the heel position is controlled. In the apparatus of FIG. 7 as well, in order to control the angle of the knee joint via the link 104, it is necessary to adjust the link length by using an expansion / contraction mechanism so that the rotation center of the knee joint matches the rotation center of the link. In busy medical settings, link length adjustment was often neglected. Therefore, there has been a problem that the knee joint center and the rotation center of the link do not coincide with each other and the predetermined angle cannot be reached.
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the purpose of the present invention is to lower the limb even in the case of training for simply moving without managing the joint angles of the knee and crotch, or in other cases. An object of the present invention is to provide a means for enlarging the range of movement of the lower limbs when performing lower limb training with one actuator, without requiring the alignment of the driving mechanism of the training apparatus and the lower limb.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The invention according to claim 1 is a lower limb training apparatus configured by a link mechanism, wherein the link mechanism includes a thigh link that has one end coupled to the crotch joint to hold the thigh, the other end of the thigh link, and a knee joint. A lower leg link that holds the lower leg by being joined via the leg, and the other end of the lower leg link is formed by being joined to the foot link via the leg joint,
A track guide including a track fixing portion that includes a member that supports between the crotch joint and the foot joint and has a curved guide that moves to the top of an arc when the thigh and the crus are pulled inside the member. A mechanism is disposed on a side portion of the link mechanism, and the foot joint is operated by an actuator provided in the knee joint along the track fixing portion provided in the track guide mechanism.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A lower limb training apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, 8, and 9. The first lower limb training apparatus is an apparatus for training the entire lower limb by controlling the angle of the knee joint. In the link mechanism of the first lower limb training apparatus, the thigh link 11 and the crus link 12 are arranged on the left and right of the foot to be trained, the crus are held by the crus hold unit 14, and the thighs are held by the thigh hold unit 15. It has a configuration. The crotch joint 21 is coupled to curved guide mechanisms 22 disposed on the left and right sides of the link mechanism so that the link mechanism operates around the crotch joint 21. The actuator 16 is disposed near the knee joint 17 and controls the angle between the thigh link 11 and the crus link 12, thereby controlling the knee joint angle of the subject. In order to train while managing the knee joint angle of the subject, it is necessary to match the position of the knee joint 17 with the center of the subject's knee joint. For this purpose, the thigh link 11 and the crus link 12 have a telescopic mechanism 19 that adjusts the link length. The foot joint 18 has a role of changing the angle between the foot link 13 and the crus link 12 in response to a change in the angle of the ankle joint, and a role of controlling the heel position of the subject along the curved
[0007]
Here, the point that the lower limb motion range can be expanded by using the curved
[0008]
y = L1 * sin θ1-L2 * sin (θ2-θ1) (2)
Here, from Equation (1) and Equation (2),
x 2 + y 2 = L1 2 + L2 2 + 2 * L1 * L2 * cos θ2 (3)
[0009]
Can be obtained.
If θ2 is a fixed value in Equation (3), that is, if the knee joint is not moved, the foot joint 18 has a circular orbit. For example, when θ2 = 0 °, the so-called SLR (Straight Leg Raising) operation is performed as shown in FIG. 8, so that the validity of the design basic equations (1) and (2) can be confirmed. Practically, since the knee and the crotch are moved simultaneously, the trajectory of the foot joint 18, that is, the guide groove of the curved
[0010]
A lower limb training apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second lower limb training apparatus is an apparatus for training the entire lower limb by controlling the angle of the hip joint. The link mechanism of the second lower limb training apparatus has a thigh link 51 and a lower thigh link 52 arranged on the left and right of the foot to be trained, holds the lower leg with the lower leg holding part 54, and holds the thigh with the thigh holding part 55. A free joint 53 is provided between the link 51 and the crus link 52 so as to follow the flexion and extension of the knee joint. The crotch joint 57 is coupled to the rotary actuator 56 and a curved guide mechanism 63 disposed on the left and right of the link mechanism, and the link mechanism operates with the crotch joint 57 as a center. A position detector (not shown) is coupled to the rotary actuator 56, and the rotation angle θ3 can be detected. The rotary actuator 56 is coupled with a telescopic mechanism 58 and a thigh link 51 that are telescopic, and directly controls the hip joint angle. The lower leg is placed on the lower limb training apparatus, and the lower leg holding part 54 is attached in the manner of putting the shoes on the subject's foot while adjusting the expansion / contraction mechanism part 58, and the thigh is fixed by the thigh holding part 55.
[0011]
Thus, the telescopic mechanism 58 plays a role of adjusting the length of the lower limb within a certain range, and at the same time when the subject's knee joint axis and the free joint 53 of the lower limb training apparatus do not match. The device follows the movement of the lower limbs. A gyro 60 is attached to the crus hold unit 54, and an angle θ4 of the subject's crus is detected. The hip joint angle of the subject can be detected by the output angle θ3 of the position detector, and the knee joint angle θ5 is obtained as follows using the lower leg angle θ4 as shown in FIG.
θ5 = 180 ° − (θ3 + θ4) (4)
[0012]
Thus, since the angle of the knee joint and the angle of the hip joint can be detected, it is possible to train while managing the joint angle of the subject.
Similarly, in the lower limb training apparatus according to the second embodiment, the foot joint 59 corresponding to the change in the angle of the ankle joint has a role of changing the angle between the crus link 52 and the foot link 61 and has a curved orbit fixed. It plays a role of controlling the heel position of the subject along the part 62. The curved trajectory fixing section 62 can expand the lower limb motion range by the same design method as the lower limb training apparatus according to the first embodiment.
[0013]
In both the first embodiment and the second embodiment, several curvilinear track fixing portions are prepared and can be selected in accordance with the state of the subject. An operation pattern can be provided.
[0014]
【The invention's effect】
As described above, according to the lower limb training apparatus of the present invention , the angle change between the hip joint and the knee joint can be adjusted by the curved trajectory fixing portion. The angle can be increased, and as a result, it is possible to provide means for expanding the lower limb motion range such that the knee joint can be made larger than before. In addition , it is possible to manage the training angle of the knee joint and hip joint of the subject by eliminating the need for the driving mechanism of the lower limb training device and the axis alignment of the lower limb while corresponding to the difference in the length of the subject's lower limb by simple adjustment. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a lower limb training apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation schematic diagram of the lower limb training apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a lower limb training apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an operation schematic diagram of a lower limb training apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional apparatus that exercises training for the entire lower limb by controlling the heel position.
FIG. 6 is an operation schematic diagram of a conventional apparatus that exercises training for the entire lower limb by controlling the heel position.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional apparatus that exercises training for the entire lower limb by controlling the angle of the knee joint.
FIG. 8 is an explanatory diagram of SLR (Straight Leg Raising) operation;
FIG. 9 is an example of calculating a guide groove of a curved track fixing part.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower leg hold part 2 Linear actuator 3, 103 Linear guide 11 Thigh link 12 Lower leg link 13, 61
Claims (1)
前記リンク機構は、一端が股ジョイントと結合して大腿を保持する大腿リンクと、前記大腿リンクの他方端と膝ジョイントを介して結合して下腿を保持する下腿リンクと、前記下腿リンクの他方端が足ジョイントを介して足リンクと結合して形成され、
前記股ジョイントと前記足ジョイント間を支持する部材から構成され、前記部材の内側に前記大腿および前記下腿を引き寄せる際に円弧の頂点へ移動する曲線状のガイドを有する軌道固定部を備えた軌道ガイド機構が前記リンク機構の側部に配置され、前記足ジョイントが前記軌道ガイド機構に備えられた前記軌道固定部に沿って、前記膝ジョイントに備えられたアクチュエータにより動作させることを特徴とする下肢訓練装置。In the lower limb training apparatus composed of a link mechanism,
The link mechanism includes a thigh link that has one end coupled to the crotch joint and holds the thigh, a crus link that couples to the other end of the thigh link via a knee joint and holds the crus, and the other end of the crus link Is connected to the foot link through the foot joint,
A trajectory guide comprising a trajectory fixing portion that includes a member that supports between the crotch joint and the foot joint, and has a curved guide that moves to the top of an arc when the thigh and the lower leg are pulled inside the member. Lower limb training , wherein a mechanism is disposed on a side of the link mechanism, and the foot joint is operated by an actuator provided in the knee joint along the track fixing part provided in the track guide mechanism. apparatus.
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