JP4716456B2 - 関節運動支援装置 - Google Patents
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Description
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、容易に装着できるとともに、関節ごとに十分な関節運動を支援することができる関節運動支援装置を提供することを目的とする。
また、前記伝達部材は、前記一方側部位が関節から延びる方向へ延び、前記一方側部位に接触固定される第1部分と;前記第1部分の関節側端部に設けられ、前記第1部分の関節側端部から、前記一方側部位が関節から延びる方向と固定的な第1角度で交差し、かつ、前記一方側部位における前記ベローズの配置側へと向う方向へ延び、前記ベローズの第1端部が接続される第2部分と;を備え、前記他方側伝達部材は、前記他方側部位が関節から延びる方向へ延び、前記他方側部位に接触固定される第3部分と;前記第3部分の関節側端部に設けられ、前記第3部分の関節側端部から、前記他方側部位が関節から延びる方向と固定的な第2角度で交差し、かつ、前記他方側部位における前記ベローズの配置側へと向う方向へ延び、前記ベローズの第2端部が接続される第4部分と;を備え、前記拘束部材は、前記第2部分における前記一方側部位の近傍部分と、前記第4部分における前記他方側部位の近傍部分との間を弾性的に連結する、ようにすることができる。この場合には、ベローズの収縮に起因する関節運動を支援する力が、当該ベローズの接続された一方側伝達部材における第2部分、及び、他方側伝達部材における第4部分に伝達される。そして、拘束部材の支援により当該力が回転力に変換され、当該回転力が、一方側伝達部材における第1部分、及び、他方側伝達部材における第3部分を介して、一方側部位及び他方側部位に伝達される。
本発明の関節運動支援装置では、前記所定対象物の関節は、手指の少なくとも1つの関節であり、前記ベローズは、前記関節の伸展側に配置され、少なくとも前記関節の伸展運動を支援する力を発生するようにすることができる。この場合には、所定対象物の手指の関節運動を支援することができる。また、ベローズが、関節の屈曲側に比べて、所定対象物の関節運動の妨げとならない伸展側に装着されるので、関節可動域を確保して、所定対象物の関節運動を妨げないようにすることができる。
図1には、一実施形態に係る関節運動支援装置100の外観図が示されている。図1は、人体の手HDに装着された関節運動支援装置100を、手指及び手首の関節が伸展状態にあるときの手背(手の甲)側から眺めた外観図である。
図1に示されるように、関節運動支援装置100は、5個の手指関節運動支援部(手指用アクチュエータ)1101,1102,1103,1104,1105と、手首関節運動支援部120(手首用アクチュエータ)とを備えている。また、関節運動支援装置100は、手指関節運動用配管130と、手首関節運動用配管140と、装着用シート150,160とを備えている。さらに、関節運動支援装置100は、空気圧調整部としての空気圧調整部180を備えている。
伝達部材331は、平板部331a,331bを有している。そして、平板部331aは、ベローズ311の伸縮方向の+V方向側と固着し、平板部331bは、手背上の手首側に載置、固定される。また、伝達部材332は、平板部332a,332bを有しており、平板部332aの略中央には、手首関節運動用配管140を通すための孔(不図示)が設けられている。そして、平板部332aは、ベローズ311の−V方向側と固着し、平板部332bは、前腕上の手首側に載置され、布製のベルト部材351により前腕上に固定される。
なお、本実施形態では、伝達部材331,333,335における平板部の手背上の手首側への固定は、当該平板部と固着している装着用シート150(図3A,Bにおいては不図示。図1参照)を介して行うようになっている。また、伝達部材332,334,336における平板部の前腕上の手首側への固定は、当該平板部と固着している装着用シート160(図3A,Bにおいては不図示。図1参照)及びベルト部材351を介して行うようになっている。
開閉バルブ1321は手指関節運動支援部1101と接続されるチューブ上に配置される。また、開閉バルブ1322は手指関節運動支援部1102と接続されるチューブ上に配置され、開閉バルブ1323は手指関節運動支援部1103と接続されるチューブ上に配置される。さらに、開閉バルブ1324は手指関節運動支援部1104と接続されるチューブ上に配置され、開閉バルブ1325は手指関節運動支援部1105と接続されるチューブ上に配置される。このようにして配置された開閉バルブ132jを操作して、空気が通るチューブの開閉を行うことができるようになっている。
上記の空気圧調整部180は、手指関節運動用配管130を介して手指関節運動支援部110j(j=1,…,5)のベローズ213と連通しているとともに、手首関節運動用配管140を介して手首関節運動支援部120のベローズ311〜313と連通している。そして、空気圧調整部180は、手指関節運動用配管130及び手首関節運動用配管140を通じて、手指関節運動支援部110jのベローズ211〜213及び手首関節運動支援部120のベローズ311〜313(以下、すべてのベローズを総称して、単に、「ベローズ」とも記す)への空気の供給、及び、ベローズからの空気の排出を行い、ベローズ内の空気圧を調整する。かかる機能を有する空気圧調整部180は、図5に示されるように、加圧タンク181と、真空タンク182と、電気−空気圧制御弁183とを備えている。また、空気圧調整部180は、制御部184と、配管185,186,187とを備えている。
上記の電気−空気圧制御弁183は、流路切換3方向弁と、圧力制御弁(比例ソレノイド)とを備えて構成されている。この流路切換3方向弁の入口側の一方が加圧タンク181に接続されているとともに、入口側の他方が真空タンク182に接続されている。そして、流路切換3方向弁は、制御部184による制御のもとで、ベローズへの空気の供給を行う際には加圧タンク181と接続されている流路に切り換え、ベローズからの空気の排出を行う際には真空タンク182と接続されている流路に切り換える。また、圧力制御弁は、制御部184による制御のもとで、出力圧力を制御して、配管187を介して、ベローズ内の空気圧を変化させる。
また、所定時間T0については、手指及び手首の拘縮に関するリハビリテーションを効果的に行うという観点から、実験、シミュレーション、経験等に基づいて予め定められる。
以上のようにして構成された関節運動支援装置100の動作について、主に手指及び手首の関節運動支援処理に着目して説明する。なお、関節運動支援装置100は、人体の手HDに装着されており、当初においては、空気圧調整部180によるベローズ内の空気圧調整は行われていないものとする。また、手指関節運動支援部110j(j=1,…,5)と接続されているチューブ上に配置された開閉バルブ132jは、開いているものとする。
この関節運動支援処理は、利用者が空気圧調整部180の制御部に対して、開始指令を送ることにより開始する。空気圧調整部180は、当該開始指令を受けると、手指関節運動用配管130及び手首関節運動用配管140を通じて、ベローズへの空気の供給、及び、ベローズからの空気の排出を、切り換えて行う。
図7Aに示されるように、当該空気圧の上昇によりベローズ211〜213の環状溝の間隔が広がるが、ベローズ211〜213の関節と対向する側の環状溝が弾性部材241〜243により弾性的に拘束されているため、ベローズ211〜213が、YZ平面視で、略円孤状に伸長する。この結果、ベローズ211〜213は、連動して、手指の第1〜第3関節を伸展状態から屈曲させる回動方向の力を発生させる。また、弾性部材241〜243が、ベローズ211〜213の関節と対向する側の環状溝を弾性的に拘束していることにより、屈伸運動に伴う関節間距離の伸縮が吸収される。
また、空気圧調整部180により、手首関節運動用配管140を通じて、手首関節運動支援部120のベローズ311〜313への空気の供給が行われると、ベローズ311〜313内の空気圧が上昇する。ベローズ311〜313内の空気圧が上昇し、ベローズ内圧が十分な値の正圧となったときの手首関節運動支援部120の状態が、図8Aに示されている。
図7Bに示されるように、当該空気圧の下降によりベローズ211〜213が収縮する。この結果、ベローズ211〜213は、連動して、手指の第1〜第3関節を屈曲状態から伸展させる回動方向の力を発生させる。また、上述したように、弾性部材241〜243が、ベローズ211〜213の関節と対向する側の環状溝を弾性的に拘束していることにより、屈伸運動に伴う関節間距離の伸縮が吸収される。
また、空気圧調整部180により、手首関節運動用配管140を通じて、手首関節運動支援部120のベローズ311〜313からの空気の排出が行われると、ベローズ311〜313内の空気圧が下降する。ベローズ311〜313内の空気圧が下降し、ベローズ内圧が十分な値の負圧となったときの手首関節運動支援部120の状態が、図8B(図3Bを再載)に示されている。
したがって、本実施形態によれば、容易に所定対象物である人体の手指及び手首に装着できるとともに、関節ごとに十分な関節運動を支援することができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、手指関節運動支援部110j(j=1,…,5)の平板部234b、及び、手首関節運動支援部120の伝達部材331,333,335における平板部を、装着用シート150に固着することにより、当該平板部を、手背上に固定するようにした(図1等参照)。これに対して、変形例の関節運動支援装置として、当該平板部をベルト部材により、手背上に固定するようにしてもよい。
また、関節運動を支援する力を発生させるベローズは、手首の関節の伸展側に配置されることとしたが、関節の屈曲側に配置されるようにしてもよいし、屈曲側及び伸展側の両方に配置されるようにしてもよい。このようにベローズを屈曲側及び伸展側の両方に配置する場合には、空気圧調整部は、屈曲側に配置されたベローズへの空気の供給を行うときに、伸展側に配置されたベローズからの空気の排出を行い、屈曲側に配置されたベローズからの空気の排出を行うときに、伸展側に配置されたベローズへの空気の供給を行うようにすればよい。
なお、実施形態においては、樹脂製のベローズを採用したが、伸縮自在で、かつ、人体に装着されるときに装置の重さ等の負担を必要以上にかけることがない素材であれば、他の素材を採用してもよい。また、上記の実施形態では、手指関節運動用配管は、各手指関節運動支援部の1個のベローズ213に接続されているものとしたが、各手指関節運動支援部の3個のベローズ211〜213に接続されるようにしてもよい。
上記の手指関節運動用配管130Dは、手指関節運動用配管130(図4参照)と比べて、チューブが3個のベローズ211〜213に接続されている点、及び、ベローズ211,212,213に接続されているチューブ上に、開閉バルブ132j,1,132j,2,132j,3が配置されている点が異なっている。
なお、上記の実施形態におけるベローズ内の空気の供給/排出の切り換え制御方法(図6参照)は一例であって、他の制御方法であってもよいことは勿論である。
例えば、肘の関節運動を支援する場合には、図12A,Bに総合的に示される外観の肘関節運動支援部410を備えるようにすればよい。この肘関節運動支援部410は、ベローズ411と、配管420と、伝達部材431,432とを備えている。また、肘関節運動支援部410は、拘束部としての弾性部材441と、締め付け部材としてのベルト部材451,452とを備えている。上記のベローズ411は、実施形態におけるベローズと同様に、等間隔の環状溝を有する伸縮自在な部材であり、肘の関節の伸展側に配置される。上記の配管420は、一方側がベローズ411に接続されるとともに、他方側が不図示の空気圧調整部に接続されている。
なお、図12A,Bにおいては、ベローズは肘の関節の伸展側に配置されることとしたが、ベローズは、関節の屈曲側に配置されるようにしてもよいし、屈曲側及び伸展側の両方に配置されるようにしてもよい。
また、股の関節運動を支援する場合には、例えば、図13A,Bに総合的に示される外観の股関節運動支援部510を備えるようにすればよい。この股関節運動支援部510は、ベローズ511と、配管520と、伝達部材531,532とを備えている。また、股関節運動支援部510は、拘束部としての弾性部材541と、締め付け部材としてのベルト部材551,552とを備えている。
また、膝の関節運動を支援する場合には、例えば、図14A,Bに総合的に示される外観の膝関節運動支援部610を備えるようにすればよい。この膝関節運動支援部610は、ベローズ611と、配管620と、伝達部材631,632とを備えている。また、膝関節運動支援部610は、拘束部としての弾性部材641と、締め付け部材としてのベルト部材651,652とを備えている。
また、足首の関節運動を支援する場合には、例えば、図15A,Bに総合的に示される外観の足首関節運動支援部710を備えるようにすればよい。この足首関節運動支援部710は、ベローズ711と、配管720と、伝達部材731,732とを備えている。また、足首関節運動支援部710は、拘束部としての弾性部材741と、締め付け部材としてのベルト部材751,752とを備えている。
なお、図15A,Bにおいては、ベローズは足首の関節の屈曲側に配置されることとし、図16A,Bにおいては、ベローズは足首の関節の伸展側に配置されることとしたが、足首の関節の屈曲側及び伸展側の両方に配置されるようにしてもよい。
また、本発明の関節運動支援装置は、作動流体を空気としたが、水や油等の液体であってもよい。さらにまた、上記の実施形態においては、人体の関節運動を支援する関節運動支援装置に本発明を適用したが、関節機構を有する人体以外の哺乳類、ロボット等の所定対象物の関節運動を支援する関節運動支援装置にも本発明を適用することができる。
Claims (14)
- 所定対象物の関節運動を支援する関節運動支援装置であって、
関節運動を支援すべき前記所定対象物における関節ごとに用意され、前記関節の回動運動の回動軸に対して垂直方向の関節部分であり、かつ、前記関節の屈曲運動を支援する場合には前記関節の屈曲側であり、前記関節の伸展運動を支援する場合には前記関節の伸展側である支援すべき関節の回転運動方向側に配置された場合に、前記関節運動を支援する力を発生させる少なくとも1つの伸縮自在なベローズと;
前記ベローズと連通する配管と;
前記ベローズの端部側に接続されるとともに前記所定対象物に装着された場合に、前記ベローズの伸縮に起因する前記関節運動を支援する回動力を、前記関節に伝える伝達部材と;
前記ベローズの複数の環状溝の配列方向と垂直な方向であり、かつ、前記所定対象物と対向する側で前記ベローズを弾性的に拘束する拘束部材と;
前記ベローズ及び前記伝達部材を、前記所定対象物に装着する装着部と;を備え、
前記伝達部材は、
前記関節に接続された前記所定対象物の一方側部位に装着される一方側伝達部材と;
前記関節に接続された前記所定対象物の他方側部位に装着される他方側伝達部材と;を備え、
前記拘束部材は、前記一方側伝達部材における前記一方側部位の前記関節側の近傍部分と、前記他方側伝達部材における前記他方側部位の前記関節側の近傍部分との間を弾性的に連結し、
前記ベローズは、前記関節運動の支援に際して、前記ベローズからの動作流体の強制的排出が行われ、前記ベローズの内圧が負圧となった場合には、前記ベローズの収縮に起因する前記関節運動を支援する力を発生させ、
前記拘束部材は、前記ベローズの収縮により発生する力を前記回動力に変換するための支援を行い、前記回動力が、前記一方側伝達部材及び前記他方側伝達部材を介して、前記一方側部位及び前記他方側部位に伝達される、
ことを特徴とする関節運動支援装置。 - 前記動作流体は、空気であり、
前記配管を通して、前記ベローズ内の空気圧を調整する空気圧調整部を更に備える、ことを特徴とする請求項1に記載の関節運動支援装置。 - 前記空気圧調整部は、前記ベローズへの空気の供給、及び、前記ベローズからの空気の排出を行う、ことを特徴とする請求項2に記載の関節運動支援装置。
- 前記関節を駆動する筋肉に関する生体情報を検出する検出部を更に備え、
前記空気圧調整部は、前記検出部による検出結果に基づいて、前記ベローズ内の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の関節運動支援装置。 - 前記伝達部材は、前記ベローズに対して着脱可能である、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。
- 前記一方側伝達部材は、
前記一方側部位が関節から延びる方向へ延び、前記一方側部位に接触固定される第1部分と;
前記第1部分の関節側端部に設けられ、前記第1部分の関節側端部から、前記一方側部位が関節から延びる方向と固定的な第1角度で交差し、かつ、前記一方側部位における前記ベローズの配置側へと向う方向へ延び、前記ベローズの第1端部が接続される第2部分と;を備え、
前記他方側伝達部材は、
前記他方側部位が関節から延びる方向へ延び、前記他方側部位に接触固定される第3部分と;
前記第3部分の関節側端部に設けられ、前記第3部分の関節側端部から、前記他方側部位が関節から延びる方向と固定的な第2角度で交差し、かつ、前記他方側部位における前記ベローズの配置側へと向う方向へ延び、前記ベローズの第2端部が接続される第4部分と;を備え、
前記拘束部材は、前記第2部分における前記一方側部位の近傍部分と、前記第4部分における前記他方側部位の近傍部分との間を弾性的に連結する、
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。 - 前記所定対象物の関節は、手指の少なくとも1つの関節であり、
前記ベローズは、前記関節の伸展側に配置され、少なくとも前記関節の伸展運動を支援する力を発生する、
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。 - 同一の手指における複数の関節ごとに用意されたベローズのそれぞれは、
前記用意されたベローズのそれぞれの内圧が同時に負圧となった場合には、前記ベローズそれぞれの収縮に起因して、連動して、屈曲状態から伸展状態へ向かう第1回動方向の力を同時に発生させ、
前記用意されたベローズのそれぞれの内圧が同時に正圧となった場合には、前記ベローズそれぞれの伸長に起因して、連動して、伸展状態から屈曲状態へ向かう第2回動方向の力を同時に発生させる、
ことを特徴とする請求項7に記載の関節運動支援装置。 - 前記ベローズの数は、複数であり、
前記複数のベローズの中から、空気圧を調節可能なベローズを選択する選択部を更に備える、ことを特徴とする請求項7に記載の関節運動支援装置。 - 前記所定対象物の関節は、手首の関節であり、
前記ベローズは、前記手首の関節の屈曲側に配置された場合には、少なくとも前記手首の関節の屈曲運動を支援する力を発生し、前記手指の関節の伸展側に配置された場合には、少なくとも前記手首の関節の伸展運動を支援する力を発生する、
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。 - 前記装着部は、前記関節に対応する位置に、前記伝達部材と接続された前記ベローズが配設される手袋である、ことを特徴とする請求項7〜10のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。
- 前記所定対象物の関節は、肘、肩、膝及び足首の少なくとも1つの関節であり、
前記ベローズは、前記少なくとも1つの関節の屈曲側に配置された場合には、少なくとも前記関節の屈曲運動を支援する力を発生し、前記少なくとも1つの関節の伸展側に配置された場合には、少なくとも前記関節の伸展運動を支援する力を発生する、
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。 - 前記所定対象物の関節は、股関節であり、
前記ベローズは、前記股関節の屈曲側に配置され、少なくとも前記股関節の屈曲運動を支援する力を発生する、
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。 - 前記装着部は、前記伝達部材に配設され、前記所定対象物に締め付ける締め付け部材を備える、ことを特徴とする請求項1〜10,12,13のいずれか一項に記載の関節運動支援装置。
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