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JP2001520915A - 人工上肢 - Google Patents

人工上肢

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Publication number
JP2001520915A
JP2001520915A JP2000517681A JP2000517681A JP2001520915A JP 2001520915 A JP2001520915 A JP 2001520915A JP 2000517681 A JP2000517681 A JP 2000517681A JP 2000517681 A JP2000517681 A JP 2000517681A JP 2001520915 A JP2001520915 A JP 2001520915A
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JP
Japan
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prosthesis
joint
endoskeletal
worm gear
drive motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000517681A
Other languages
English (en)
Inventor
ガウ，デビット，ジェイムス
Original Assignee
ロシアン プライマリー ケア エヌエイチエス トラスト
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Filing date
Publication date
Application filed by ロシアン プライマリー ケア エヌエイチエス トラスト filed Critical ロシアン プライマリー ケア エヌエイチエス トラスト
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、機械的操作が可能な少なくとも１つの旋回式手首、肘及び肩関節をユーザに提供するための多関節内骨格構造義肢（１）を提供する。 【解決手段】 義肢（１）は、支持体（９）へのピボット式接続部（７）をその近位端部（６）に有する少なくとも１つの細長い内骨格構造チューブ上肢部材（５）を有する。前記上肢部材の近位端部（６）及び前記支持体（９）の一方は、固定ウォーム歯車手段（19）を有し、他方は、前記ウォーム歯車手段（19）の略接線方向に延設されて、このウォーム歯車手段（19）の歯と噛合する駆動出力ウォーム（25）を有する駆動モータ（22) を備え、この駆動モータ（22）が義肢（１）の使用中に運転されたとき、前記上肢部材（５）が前記ウォーム歯車手段（19）の周りを移動し、前記上肢部材をそのピボット式接続部（７）を中心に旋回させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人工上肢に関し、特に、機械的に（通常は電子機械的に）操作可能な
旋回式手首、肘及び／又は肩の関節を有する義肢に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
この種の義肢の設計は、設計の柔軟性、製造コスト、見かけ上の美しさ、パワ
ー、安定性等に関連する様々な問題を呈示している。人工上肢が比較的高度なパ
ワー及び強度上の要求事項を有していることは認識されるであろう。これは、例
えば、腕を伸ばした距離辺りに物体を持ち上げるとき、かなりのてこの力がかか
るためである。
【０００３】 従来知られている義肢は、上肢またはその一部の外観を有するように形成され
、仕上げられた比較的大径のシェル構造を有し、本質的に外骨格の性質を有する
ものである。このタイプの構造では、個々の患者に合わせるために、更に子供の
場合にはその異なる成長段階に合わせるために義肢製造のかなりの部分を費やす
必要がある。特製のシェルは、主たる構造上負荷の支持要素としても、また上肢
の様々な操作機構の支持体としても使用され、このことが、比較的高いコスト及
び製造工程の拡張に繋がる。
【０００４】 また、通常は望ましいものである回転する手首が使用される場合、義肢の回転
部分と非回転部分の接合部または継ぎ目が見えることにより、見た目の美しさが
損なわれる。更に、使用されるモータは、必要なパワーと、所望の姿勢での負荷
下における関節のロックとを提供するために、比較的複雑な伝動システムを必要
とし、またしばしば二次モータの包含を必要とする。このことは、重量の増加、
設計柔軟性の低下、及びより高いパワー消費につながる。
【０００５】 本発明の目的は、以上の欠点のうちの１つ若しくは複数を回避する、又は最小
にするところにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
現在では、義肢を機械的に操作するためにウォーム歯車システムを使用するこ
とにより、人工上肢の構造は、外部動力による従来の人工上肢の場合と同様の性
能、又はそれに勝る性能を維持しながらかなり大幅に単純化され得ることが知見
されている。
【０００７】 さらに詳しくは、本発明はユーザに、機械的操作が可能な少なくとも１つの旋
回式手首、肘及び肩関節を供給するための多関節内骨格構造義肢を提供する。こ
の義肢は、支持体へのピボット式接続部を近位端部に有する少なくとも１つの細
長い内骨格構造チューブからなる上肢部材を備える。この上肢部材の近位端部及
び前記支持体のうちの一方は、固定式のウォーム歯車手段を有し、他方は、前記
固定ウォーム歯車手段の略接線方向に延設されて該固定ウォーム歯車手段の歯と
繋留噛合する駆動出力ウォームを有する駆動モータを備えており、該駆動モータ
が義肢の使用中に運転されたとき、前記上肢部材は、自身をそのピボット式接続
部を中心にして旋回させるように、前記ウォーム歯車手段の周りを移動する。
【０００８】 従って本発明による義肢は、（腕の径に比べて）比較的小径であり、飾りのな
い従来からある軽量チューブ材料を使用することにより、構造を大幅に単純化す
ることができ、また適宜の所望長さに簡単に切断することができる。比較的単純
でありコンパクトな形式の駆動機構もまた、構造の単純化に貢献し、チューブ材
料の強度及び寸法要件、並びに駆動モータ及び電源の要件の低減に貢献する。よ
って、特定患者に合わせた義肢の見かけ上の個人化を、実質的に義肢の非構造的
な外部被覆に限定して行うことができる。さらに本発明によって使用される構造
形式は、以下に詳しく論じられるように、改良された見かけを美しくする機会を
提供することができる。
【０００９】 本発明の他の重大な恩恵は、ウォーム歯車システムが、本来、実質的に自動ロ
ック式であるために、モータがオフ切換され、未だ負荷下にある肢部材の駆動を
停止した場合においても、肢部材は所定位置に保持され、肢部材を所定の位置に
保持するための追加的な機構が不要であるという事実から生じる。
【００１０】 概して、駆動モータ及びこれと共に供給される適宜のギヤボックスは軸方向に
延設されたウォーム歯車を備えた略円筒形の形状を有しているため、これらは、
内骨格構造チューブ部材の端部内側に、駆動出力ウォームを軸方向外向きに突出
させて簡易に取り付けることができる。電源もまた内骨格構造チューブ部材の内
側に取り付けることが可能であるが、より好便には、内骨格構造チューブ部材の
外側を巡るように取り付けられた（例えば、夫々が１８０゜の角度範囲を有する
２つのユニット等、より大きい又はより小さい角度範囲を持つ）略環状の形態と
することができる。
【００１１】 上述のように本発明に係る義肢は、本発明によって機械的操作が可能とされて
いる１つ又は複数の手首関節、肘関節及び肩関節を保有することができる。但し
、例えば、本発明による肘関節を機械的な操作が可能とされた従来型の手首関節
と組み合わせて使用することも可能である。概して、駆動出力ウォームを有する
駆動モータは、固定ウォーム歯車手段より下側の腕に取り付けられるのが好便で
ある。従って手首関節の場合、駆動モータが手部材の内側にあり、固定歯車手段
が前腕部材の遠位端にあるのが好適である。但し、固定歯車手段が手部材上に取
り付けられた状態において、駆動モータが前腕部材の内側にあってもよい。同様
に肘関節の場合、概して、駆動モータが前腕又は下腕部材の内側にあり、固定ウ
ォーム歯車が上腕部材上にあるのが好適である。肩関節では、概して、前者が上
腕部材の内部にあり、後者が患者の肩に取り付けられた支持体上にあるのが好適
である。関節より上側の肢、例えば、肘関節の場合は上腕に駆動モータを保有す
る代替配置の優位点は、義肢の重心が体の中央に近づいて上がり、これによって
当該関節の駆動モータのエネルギー消費及び動力要求が低減されることにある。
無論、与えられる関節のための支持体は、義肢の部位に応じて、内骨格構造チュ
ーブ部材、又は適宜の形式の断端アダプタを備えてよいことはは認識されるであ
ろう。
【００１２】 内骨格構造チューブ部材は、とりわけ、使用材料及び個々の患者の要求に応じ
て種々に異なる形状及びサイズを保有することができる。このチューブは正方形
又は六角形等の多角形断面であってよく、また、長円形又は楕円形等の丸みのあ
る断面を有していてもよい。但し便宜的には、その入手が概して容易であり、義
肢の他の構成要素との調和がより容易であることから、単純な略円筒形の断面が
使用される。その直径は、概して手部材から前腕部材、上腕部材へと増大する強
度及び剛性の要求に従って変更され得る。チューブの肉厚、材質及び構造もまた
、チューブの直径に影響する。チューブは、十分な強度と軽量とを兼ね備える織
製された炭素繊維及び／又は積層された炭素繊維であることが有効である。この
場合、チューブは、概して１０乃至５０ｍｍの直径を有することができ、好適に
は１２乃至４０ｍｍの直径を有することができ、この場合、０．５ｍｍ乃至５ｍ
ｍ、好適には１乃至２．５ｍｍの肉厚を有することができる。従って、例えば手
部材の場合、典型的には、１５ｍｍ乃至２０ｍｍの直径を有するチューブ材料が
使用され、下腕または上腕部材においては、２５ｍｍ乃至３５ｍｍの直径を有す
るチューブ材料が使用される。他の材料、例えば、ジュラルミン（商標）等の高
強度の軽金属合金を使用することも可能である。
【００１３】 トルクと駆動電流との間に応分な広範囲に亘って実質的な比例関係を有してお
り、指部材の駆動制御を容易にする永久磁石ＤＣモータを含め、比較的高い動力
対重量比を有する種々の適正なモータが周知である。特に適したモータはスイス
のミニモータＳＡから入手可能であり、特に、約１０乃至３０ｍｍの直径を有す
る同社のモータが適している。このタイプのモータの更なる優位点は、モータの
出力軸に結合されている標準ギヤボックスシステムを使用できる点にある。この
システム、異なる変速比を有するギヤボックスの範囲から選ぶだけで、異なる出
力−トルク、駆動速度比の選択を可能にする。多数関節を有する義肢において、
このことは、異なる関節において異なるギヤボックスを使用するだけで異なる作
動特性の供給を容易にするという優位点を有している。
【００１４】 円筒形の内骨格構造チューブ部材の使用はまた、特に手首関節に関連して、回
転能力の組込みを容易にするという優位点を有している。このことは、一般的に
周知の方法で供給されることが可能であるが、内骨格形式の構造の使用は、関節
に間断なく張り渡してあり、従来型の回転式手首関節に存在する目障りな切れ目
をなくす化粧用の被覆の使用を可能にするという追加的な優位点がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の更なる好適な特徴及び優位点は、いくつかの好適な実施の形態に関し
て添付の図面を参照して行なう以下の例示的な詳細説明から明らかとなるであろ
う。
【００１６】 図１は、肩断端アダプタ支持体２を備えた人工上肢１を示している。肩断端ア
ダプタ支持体２は、３において、上腕部材５の上側の近位端４にピボット式に連
結されている。上腕部材５の下側の遠位端６は、７において、前腕部材９の上側
の近位端８に順次ピボット式に連結されており、該前腕部材９の支持体として作
用する。前腕部材９の下側の遠位端１０は、１１において、手部材１２に順次ピ
ボット式に連結されている。前腕は、アームベアリングを超えて延伸された軟質
シリコンゴム製の化粧用被覆１３により覆われている。
【００１７】 図２に示すように、前腕チューブ９の上端８は、アダプタ１５の円筒形のハウ
ジング端１４に挿入されている。アダプタ１５の他端１６は、前腕チューブ９に
対して横方向１８に突出し、互いに平行をなして対向する一対のフランジ１７を
有している。突出するフランジ部１８は、これらの間にウォーム歯車１９を受容
しており、この歯車にピボットピン２０によってピボット式に連結されている。
ウォーム歯車１９は、半径方向の外向きに突出する円筒形のプラグアダプタ２１
を一側に有しており、このプラグアダプタ２１は、ウォーム歯車を固定保持する
ために、上腕チューブ部材５の下端６の内部に挿入されて固定保持（例えば、接
着、圧入、ねじ込み、掴持等）されている。
【００１８】 アダプタ１５の円筒形ハウジング端１４の内側には、駆動用出力軸２４を有す
る駆動モータ２２（一体型の遊星ギヤボックス２３を備えていてもよい）が取り
付けられている。駆動用出力軸２４にはウォームギヤ２５が備えられ、これがウ
ォーム歯車１９と接線方向の相互噛合駆動のためにをフランジ１７間に延びてい
る。駆動モータ２２は、前腕チューブ９の壁内の電気接合手段２６を介して、該
チューブ９の周りに密に装着された環状のバッテリパック２８の電源制御回路２
７に接続されている。駆動モータ２２が運転されると、ウォームギヤ２５は、自
らと前腕チューブ９とを、固定ウォーム歯車１９の周りで時計方向又は反時計方
向に引き寄せ、これにより前腕９が上腕５から上下に揺動する。特殊な好適な形
の実施形態では、固定ウォーム歯車１９と駆動されるウォームギヤ２５及びその
駆動モータとの取付けが反対である。即ち、前者が前腕９に取り付けられ、後者
が上腕５に取り付けられている。
【００１９】 図３は、図２の肘関節と略同様の構造である手首関節３０を示している。但し
この場合、手チューブ１２は、前腕チューブ９よりも強度要件が低く、より小型
のモータを３１を使用できる限りにおいて、前腕チューブ９よりも十分短くし、
直径を幾分小さしてもよいことは認識されるであろう。図４を参照してより詳細
に示されているように、前腕チューブ９の下端１０上の固定ウォーム歯車３２の
支持体は、好便には、前記チューブ９の下端１０に取り付けられた回転式アクチ
ュエータ接続部３３の形態をなす。
【００２０】 更に詳しくは、回転式接続部３３は、前腕チューブ９の遠位端１０に固定式に
取り付けてあり、その遠位端３５にリングギヤ３６を有する固定式の断端部分３
４を備えている。略管状をなす手首屈筋支持体３７は、環状ベアリング３９を介
して断端部分３４に回転可能に取り付けられた開端部分３８と、その外側の面４
１に手首屈筋の固定ウォーム歯車３２を取付け、その内側の面４３に平ピニオン
歯車駆動ユニット４４を取り付けた閉端部分４０とを有している。駆動ユニット
４４は、その平ピニオン歯車４５とリングギヤ３６との駆動連結のために、前記
支持体３７の回転中心軸から偏位した位置にて、同中心軸と平行なして延設され
ている。これにより、前記駆動ユニット４４の駆動モータ４６の運転の結果、手
首屈筋支持体３７が前記断端部分３４を中心に回転する。
【００２１】 この種の配置の場合、通常は淡く彩色されたシリコンゴム製グローブ１４０の
形態をなす化粧用の手被覆が、手首関節自体よりも十分に上まで延長されること
が可能であり、患者の衣服で簡単に隠すことができる。前記被覆１４０の上端１
４１は、単に環状のベアリング装置１４２を介して支持されているだけである。
【００２２】 駆動モータ及び歯車手段が、従来型の義肢の場合のように義肢の手本体の中、
即ち手のひら部分の内側ではなく、（本出願人による先の特許公報ＷＯ９５／２
４８７５号に記載されているように）指部材自体の中に設置されている可動式グ
リッピングフィンガー１４３を使用することにより、今では初めて、回転を伴う
手首の屈曲及び機械操作が可能な指を備えた義肢を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の多関節義肢の略示断面図である。
【図２】 本発明の義肢の肘関節の詳細な部分破断断面図である。
【図３】 本発明の義肢の手首関節の詳細な部分破断断面図である。
【図４】 図３の手首関節の回転アクチュエータ部分を示す詳細断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２４日（２０００．４．２４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 機械的操作が可能な少なくとも１つの旋回式手首、肘及び肩
    関節をユーザに提供する多関節内骨格構造義肢であって、前記義肢は、支持体へ
    のピボット式接続部をその近位端部に有する少なくとも１つの細長い内骨格構造
    チューブ上肢部材を備え、該上肢部材の近位端部及び前記支持体のうちの一方は
    、固定ウォーム歯車手段を有し、他方は、前記ウォーム歯車手段の略接線方向に
    延設されて該ウォーム歯車手段の歯と噛合する駆動出力ウォームを有する駆動モ
    ータを備えており、該駆動モータが義肢の使用中に運転されたとき、前記上肢部
    材が前記ウォーム歯車手段の周りを移動し、前記上肢部材をそのピボット式接続
    部を中心に旋回させるようにしてある多関節内骨格構造義肢。
  2. 【請求項２】 駆動モータ手段及びこれに付随する適宜のギヤボックスは、
    軸方向に延びるウォーム歯車を有する略円筒形の形状をなし、駆動出力ウォーム
    が軸方向外向きに突出する状態での内骨格構造チューブ部材の端部内側への取り
    付けを容易にしている請求項１記載の多関節内骨格構造義肢。
  3. 【請求項３】 駆動出力ウォームを有する駆動モータは、固定ウォーム歯車
    手段よりも下側の肢に取り付けてある請求項１又は請求項２に記載の多関節内骨
    格構造義肢。
  4. 【請求項４】 駆動モータは、固定ウォーム歯車手段よりも上側の肢に取り
    付けてある請求項１又は請求項２に記載の多関節内骨格構造義肢。
  5. 【請求項５】 前記支持体は、内骨格構造チューブ部材又は断端アダプタを
    備える請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の多関節内骨格構造義肢。
  6. 【請求項６】 ２つ以上の前記内骨格構造チューブ部材が供給されている場
    合に、関節より下にある内骨格構造チューブの直径は、関節よりも相対的に上に
    ある内骨格構造部材の直径よりも小さくしてある請求項１乃至請求項５のいずれ
    かに記載の多関節内骨格構造義肢。
  7. 【請求項７】 前記内骨格構造チューブ部材は、炭素繊維の織製体及び／又
    は積層体、又は高強度の軽金属合金によって形成してある請求項１乃至請求項６
    のいずれかに記載の多関節内骨格構造義肢。
  8. 【請求項８】 前記駆動モータは、トルクと駆動電流との間に実質的な比例
    関係を有する永久磁石ＤＣモータである請求項１乃至請求項７のいずれかに記載
    の多関節内骨格構造義肢。
  9. 【請求項９】 前記駆動モータは、その出力軸によってギヤボックスに連結
    されており、該ギヤボックスは、種々の変速比を提供する所定の選択範囲から所
    望の変速比を有する適正なものを選ぶことによって、異なるトルク−出力駆動速
    度が選択されるように選ばれている請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の多
    関節内骨格構造義肢。
  10. 【請求項１０】 前記義肢の使用において前記少なくとも１つの関節に間断
    なく張り渡す化粧用の被覆が供給されている請求項１乃至請求項９のいずれかに
    記載の多関節内骨格構造義肢。
  11. 【請求項１１】 義肢の使用において前記モータ用の電源が供給されている
    請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の多関節内骨格構造義肢。
  12. 【請求項１２】 前記電源は、略環状又は部分的に環状としてある請求項１
    １記載の多関節内骨格構造義肢。
  13. 【請求項１３】 手首関節を備える義肢であって、該手首関節の上側には、
    前腕の内骨格構造チューブの遠位端に固定的に取り付けられた固定断端部を備え
    ると共に、前記遠位端にリングギヤを有する回転式アクチュエータ接続部と、環
    状ベアリングを介して前記断端部分に回転可能に取り付けられた開端部分、及び
    ウォーム歯車が固定された手首屈筋をその外面に取り付け、平ピニオン歯車駆動
    ユニットをその内面に取り付けた閉端部分を有する管状の手首屈筋支持体とが供
    給されており、前記駆動ユニットは、前記平ピニオン歯車と前記リングギヤとの
    駆動連結のために、前記支持体の回転中心軸から偏位した位置にて該回転中心軸
    と平行をなして延設されており、義肢の使用中に前記駆動ユニットの駆動モータ
    が運転されたとき、前記手首屈筋支持体が前記断端部分を中心に回転するように
    してある請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の多関節内骨格構造義肢。
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