JP6581003B2 - 膝関節動作支援装置 - Google Patents

Description

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。

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、駆動源からの動力を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／遮断を切換える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。

特開２０１５−１８０２３６号 特開２０１１−１４２９５８号

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を歯合／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。

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。

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。

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。

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のブロック図である。

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。

図１および図２に示すように、装置１００は、人の腰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。

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。

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、腰部に巻き付ける腰部ベルト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つの腰部フレーム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。

大腿部ベルト１４は、１本の帯状のベルトであり、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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膝上ベルト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。

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の出力側には上流側駆動軸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。

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。

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を有する略円筒形の外形を有する。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。

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。

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。

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の捻じれを許容する。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。

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。

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。

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るスライドブッシュ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。

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。

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、スライド範囲の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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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に実線で示す位置）にロックするロック機構１２０を有する。

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。

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。

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。

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に破線で示す位置へ回動される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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が解除され、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。

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（バッテリー切れや故障など）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。

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。

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に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。

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の先端は平らな面取り部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。

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。

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。

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。各センサの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。

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。

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。

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。

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の動作状態を監視する。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。

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に腰かける場合など、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。

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。

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、装置構成を小型軽量化でき、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (5)

1. 大腿部の外側に配置され腰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。
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。
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を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。
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。
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。