特許 7352231 人工関節機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-20

(45)【発行日】2023-09-28

(54)【発明の名称】人工関節機構

(51)【国際特許分類】

   A61F 2/58 20060101AFI20230921BHJP

   A61F 2/66 20060101ALI20230921BHJP

   B25J 11/00 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

A61F2/58

A61F2/66

B25J11/00 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019164917

(22)【出願日】2019-09-10

(65)【公開番号】P2021040911

(43)【公開日】2021-03-18

【審査請求日】2022-07-08

(73)【特許権者】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(73)【特許権者】

【識別番号】598144719

【氏名又は名称】株式会社 タナック

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】横井 浩史

(72)【発明者】

【氏名】矢吹 佳子

(72)【発明者】

【氏名】東郷 俊太

(72)【発明者】

【氏名】姜 銀来

(72)【発明者】

【氏名】棚橋 一将

(72)【発明者】

【氏名】山野井 佑介

【審査官】小林 睦

(56)【参考文献】

【文献】英国特許出願公開第０１３３３０７１（ＧＢ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０３９４７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－０２３２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭４９－０４４０９９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５３－１００７９７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｆ ２／５８

Ａ６１Ｆ ２／６６

Ｂ２５Ｊ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

４つの蝶番関節によって折り畳み可能に連結される５枚のプレートを有する２軸機構と、
前記２軸機構に接続される回転手段を有する回内外機構と、
前記２軸機構を初期位置に復帰させる復帰手段と、
を有し、
前記４つの蝶番関節のうちの２つは第１の軸と平行に配置され、別の２つは前記第１の軸と直交する第２の軸と平行に配置されることを特徴とする人工関節機構。

【請求項2】

前記２軸機構は、第１プレートと第２プレートを連結する第１の蝶番関節と、前記第２プレートと第３プレートを連結する第２の蝶番関節と、前記第３プレートと第４プレートを連結する第３の蝶番関節と、前記第４プレートと第５プレートを連結する第４の蝶番関節を有し、
前記第１の蝶番関節、前記第２の蝶番関節、前記第３の蝶番関節、および前記第４の蝶番関節は互いにプレート面の異なる辺に配置されることを特徴とする請求項１に記載の人工関節機構。

【請求項3】

前記第１の蝶番関節、前記第２の蝶番関節、前記第３の蝶番関節、および前記第４の蝶番関節の少なくともひとつは、連続する２枚のプレートの折り畳み線であることを特徴とする請求項２に記載の人工関節機構。

【請求項4】

前記２軸機構は、外部からの動力供給を必要としない受動機構であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の人工関節機構。

【請求項5】

前記復帰手段は、前記５枚のプレートの外周を覆う弾性膜であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の人工関節機構。

【請求項6】

前記復帰手段は、前記５枚のプレートを貫通する弾性体であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の人工関節機構。

【請求項7】

前記回内外機構の前記回転手段は、前記第１の軸および前記第２の軸に直交する第３の軸のまわりに回転することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の人工関節機構。

【請求項8】

前記回転手段はヘリカルギアであることを特徴とする請求項７に記載の人工関節機構。

【請求項9】

前記回内外機構は、前記回転手段を駆動する駆動手段を有することを特徴とする請求項７または８に記載の人工関節機構。

【請求項10】

前記回内外機構は、前記駆動手段の駆動力を前記回転手段に伝達する伝達手段を有することを特徴とする請求項９に記載の人工関節機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、人工関節機構に関する。

【背景技術】

【0002】

義手やロボットハンドの手首関節は、屈伸（手のひら側への掌屈と、手の甲側への背屈）、橈尺屈（手のひらと水平な面内での親指側または小指側への曲げ）、および回内外（手のひらを上へ向ける、または下へ向ける動作）の３自由度を必要とする。足首関節、肩関節、首関節なども、同様に３自由度を有する。

【0003】

特に、義手またはロボットハンドの手首は、手指具による物体把持の姿勢を決定するために不可欠な部品であり、把持した物体の操作性を向上するために重要な機能を果たす。

【0004】

従来は、球面軸受けやユニバーサルジョイントなどを用いて、関節機構が製造されてきた。平面内で変形可能な平行四辺形を含む２つの受動的装置と、二重ジョイントにより各々が形成される２つの伝達装置によって、先端部の移動を３並進自由度に制御する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０１６－５０５３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

球面軸受けやユニバーサルジョイントを用いた従来の関節機構は、その可動域を確保するために一定程度以上の空間が必要であり、小型化することが難しい。たとえば、手首関節で１８０度の屈伸運動を可能とするためには、最低でも手首の直径以上の高さまたは厚さを持つ軸受けまたはジョイントが必要である。しかし、特に前腕切断者の場合、残存肢が手首の直近まで存在する場合が多く、義手に手首の関節機構を挿入する空間的余裕がほとんどない。直径が３０ｍｍの手首を作る場合、屈伸運動のための関節機構を配置するためには３０ｍｍ以上の長さが必要になり、さらにその関節機構を駆動するための駆動機構を配置する空間が必要になる。関節機構の大型化の問題は、小児用の義手の場合、特に顕著になる。

【0007】

本発明は、小型かつ受動的な人工関節機構を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

関節の３自由度のうち、２軸（たとえば屈伸と橈尺屈）に蝶番関節を用いることで、２自由度のための関節機構の厚さを原理的にゼロに近づけ、１自由度（たとえば回内外）を薄型の回転手段（たとえばヘリカルギア）で実現する。

【0009】

本発明の一側面では、人工関節機構は、
４つの蝶番関節によって折り畳み可能に連結される５枚のプレートを有する２軸機構と、
前記２軸機構に接続される回転手段を有する回内外機構と、
前記２軸機構を初期位置に復帰させる復帰手段と、
を有し、
前記４つの蝶番関節のうちの２つは第１の軸と平行に配置され、別の２つは前記第１の軸と直交する第２の軸と平行に配置される。

【発明の効果】

【0010】

上記の構成により、小型かつ受動的な人工関節機構が実現する。本発明の人工関節機構は、義手、義足などの義肢の外に、産業用、介護用等のロボットの関節機構にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態の人工関節機構の斜視図である。

【図2】実施形態の人工関節機構の初期状態の側面図である。

【図3】実施形態の人工関節機構で用いられる回内外機構の平面図である。

【図4】人工関節機構の屈伸運動を説明する図である。

【図5】人工関節機構に義手パーツを組み合わせたときの屈伸運動を示す図である。

【図6】人工関節機構の橈尺屈運動を説明する図である。

【図7】人工関節機構に義手パーツを組み合わせたときの橈尺屈運動を示す図である。

【図8】人工関節機構の回内外運動を説明する図である。

【図9】実施形態の人工関節機構を筋電義手に組み合わせた構成例である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、実施形態の人工関節機構１０の斜視図である。人工関節機構１０は、屈伸、橈尺屈、および回内外の３自由度をもつ、このうち、屈伸と橈尺屈の２自由度を２軸機構２０で実現し、回内外の１自由度は、回内外機構１１０で実現する。

【0013】

屈伸、および橈尺屈のための２軸機構２０は、動力の供給を必要としない受動機構である。ユーザまたはロボットハンドが物をつかむ、物を動かすなどの動作を行うときに、上腕、肘関節、前腕等から２軸機構２０にかかる負荷や重力、あるいはテーブル、作業台などの固定面から受ける反力を利用して、２軸機構２０は動作する。

【0014】

一方、回内外機構１１０は、ヘリカルギア１１１等の薄型の回転機構を用いており、動力源からの動力の供給により駆動される。

【0015】

ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の３軸の座標系を考える。たとえば、屈伸はｙｚ面でのｘ軸まわりの運動、橈尺屈はｘｚ面でのｙ軸まわりの運動、回内外はｚ軸まわりの回動とする。屈伸のうち、手首を掌側に曲げる動作は「掌屈」、手の甲側に反らせる動作は「背屈」と呼ばれる。橈尺屈のうち、手首を親指側に曲げる動作は「橈屈」、小指側に曲げる動作は「尺屈」と呼ばれる。回内外のうち、掌を上に向けた状態から下に向ける動作は回内運動、反対向きの動作は回外運動と呼ばれる。

【0016】

屈伸と橈尺屈をつかさどる２軸機構２０は、５枚のプレート１１～１５と、４個の蝶番関節２１～２４を有する。蝶番関節は、一軸方向にのみ動くヒンジ状の模擬関節である。５枚のプレート１１～１５は、蝶番関節２１～２４によって折り畳み可能に連結されている。

【0017】

プレート１１～１５は、機械的強度と剛性に優れ、経年劣化の少ない材料で形成されるのが望ましい。そのような材料の例として、チタン、タングステン、ステンレス等が挙げられる。これらの金属は、耐久性があるだけでなく、後述するモータ３５等の動力供給源のヒートシンクとして機能することができる。

【0018】

図１の例では、プレート１１～１５は正方形の主面を有するが、プレート主面の形状は正方形に限定されない。プレート１１～１５の主面のサイズは、人工関節機構１０の適用箇所、ユーザの体型、年齢等に応じて適宜設計可能であり、たとえば１．５ｃｍ×１．５ｃｍ～２．５ｃｍ×２．５ｃｍ程度である。

【0019】

プレート１１はベースプレートであり、接着剤、固定具などによって、図示しない支持体、もしくは回内外機構１１０に固定されている。プレート１２は、蝶番関節２１によってプレート１１に対して回動可能に連結されている。

【0020】

プレート１２とプレート１３は、蝶番関節２２によって、相対的に回動可能に連結されている。蝶番関節２２は、プレート１２の辺のうち、蝶番関節２１が設けられている辺以外の辺に設けられ、図１の例では蝶番関節２１と平行に配置されている。

【0021】

プレート１３とプレート１４は、蝶番関節２３によって、相対的に回動可能に連結されている。蝶番関節２３は、蝶番関節２１および２２と直交するように配置されている。

【0022】

プレート１４とプレート１５は、蝶番関節２４によって、相対的に回動可能に連結されている。蝶番関節２４は、蝶番関節２１および２２と直交するように配置され、蝶番関節２３と平行な位置関係となる。

【0023】

一例として、蝶番関節２１と２２は、ｘｚ面での橈尺屈に用いられる。蝶番関節２１と２２は、橈尺屈の方向に応じていずれかが回転して、その蝶番関節に接続される２枚のプレートを開く。蝶番関節２１と２２によって、１８０度の橈尺屈が可能になる。

【0024】

蝶番関節２３と２４は、ｙｚ面での屈伸に用いられる。蝶番関節２３と２４は、屈伸の方向によっていずれかが回転して、その蝶番関節に接続される２枚のプレートを開く。蝶番関節２３と２４によって、橈尺屈と直交する面内で１８０度の屈伸が可能になる。

【0025】

この例では、プレート１２、１３と蝶番関節２１、２２が橈尺屈に用いられ、プレート１４，１５と蝶番関節２３、２４が屈伸に用いられているが、蝶番関節２１～２４の配置は図１の例に限定されず、２軸方向の動きが実現される限り、どのような配置構成をとってもよい。

【0026】

たとえば、蝶番関節２２を、蝶番関節２１と平行に設ける替わりに、蝶番関節２１と隣接する辺に設けてもよい。この場合、蝶番関節２３と２４のいずれか一方が蝶番関節２１と平行になり、他方が蝶番関節２１と直交するように配置される。４個の蝶番関節２１～２４のうちの２つを第１の軸と平行に配置して屈伸または橈尺屈に用い、別の２つを第１の軸と直交する第２の軸と平行に配置して橈尺屈または屈伸に用いることができれば、どのような配置であってもよい。

【0027】

２軸機構２０のプレート１２～１５は、初期位置では完全に折り畳まれ、プレート１２～１５の厚みを除いて、屈伸運動と橈尺屈運動のための原理的な厚さはほぼゼロになる。従来のジョイント構成が、屈伸運動と橈尺屈運動を実現するために、手の長手方向に、手首の径と同じか、それ以上の長さを必要としていたことと比較して、大幅にサイズと厚みを低減することができる。この超薄型の構成により、小児用の義手であっても、手首の内部に人工関節機構１０を配置して、より正確かつ効率的な把持動作を支援することができる。ロボットハンド、あるいはロボットアームに適用される場合も、手首部品を大型化させずに、より正確で安定した把持動作を実現することができる。ロボットハンド、またはロボットアームから２軸機構２０にかかる負荷や重力、固定面からの反力等を利用して、２軸機構２０を受動的に操作することができる。

【0028】

図１の例では、蝶番関節２１～２４は回転軸となる個別の部品として描かれているが、必ずしも回転軸部品である必要はなく、連続する２つのプレート間の角度を変化させることができるどのような構成を採用してもよい。たとえば、蝶番関節２１～２４は、プレートの折り曲げだけによっても実現可能である。この場合、２軸機構２０の原理的な厚みはより一層ゼロに近づく。

【0029】

プレート１１～１５の姿勢変化を初期位置に復帰させる復帰手段として、弾性エラストマー３１が用いられている。屈伸または橈尺屈によってプレートが開いた後、開いたプレートを受動的に初期位置に戻すことが望ましい。図１の例では、復帰手段として、２軸機構２０の外周を覆う薄膜の弾性エラストマー３１が用いられているが、この例に限定されない。たとえば、プレート１１～１５の中心を貫通するロッド状の弾性エラストマーやバネ、ゴム等の弾性体を用いてもよい。

【0030】

プレート１１～１５の形状は必ずしも矩形に限定されず、八角形、十六角形等の多角形のプレートを用いてもよい。その場合、互いに平行関係にある一対の辺に、屈伸または橈尺屈のための蝶番関節を設け、この蝶番関節のペアと直交するように、別の平行な一対の辺に橈尺屈または屈伸のための蝶番関節を設けてもよい。また、蝶番関節が設けられる辺を直線で構成して、それ以外のプレート輪郭を円または楕円の一部を構成する曲線で構成してもよい。

【0031】

ヘリカルギア１１１は、モータ３５等の駆動手段によって駆動され、ｚ軸まわりの回内外運動を実現する。モータ３５の駆動力をヘリカルギア１１１に伝達するために、伝達ギア１１２が用いられている。ヘリカルギア１１１と伝達ギア１１２で、回内外機構１１０
が形成される。

【0032】

伝達ギア１１２は、ピニオンギア、ウォームギア等であり、伝達ギア１１２の回転軸はヘリカルギア１１１の回転軸とずらして配置される。回内外運動の駆動力を、ヘリカルギアの回転軸からずらして供給することで、伝達ギア１１２を超小型のモータ３５とともに人工関節機構１０のための狭いスペース内に配置することができる。

【0033】

回内外機構２０の厚さは、ヘリカルギア１１１の厚さと、伝達ギア１１２の直径で規定される。回内外機構２０の厚さを１０ミリ程度、またはそれ以下の厚さに設計しても、大トルクの伝達が可能になる。

【0034】

図２は、人工関節機構１０の初期状態の側面図である。２軸機構２０の可動のプレート１２～１５は折りたたまれて、固定のプレート１１に重ねられている。隣接するどの２枚のプレート間に形成される角度も０度であり、理論的な厚さは、ほぼゼロである。

【0035】

プレート１１とプレート１２、およびプレート１２とプレート１３は、それぞれｙ軸と平行な蝶番関節２１、２２で接続され、プレート１３とプレート１４、およびプレート１４とプレート１５は、それぞれｘ軸と平行な蝶番関節２１、２２で接続されている。プレート１１～１５と蝶番関節２１～２４の配置がこの構成例に限定されないことは、上述したとおりである。

【0036】

２軸機構２０の全体が、復帰手段としての弾性エラストマー３１で覆われている。義手パーツとの接続のためにプレート１５の一部を屈曲させる場合は、屈曲部分を弾性エラストマー３１の外部に露出しておいてもよい（図１参照）。弾性エラストマー３１を設けることで、プレート１２～１５を受動的に元の姿勢に復帰させることができる。

【0037】

回内外機構１１０は、留め具３３によって、２軸機構２０の最下段に接続されている。回内外の運動は、上段の２軸機構２０に伝達され、２軸機構２０を介して、義手の掌部を上に向ける、下に向ける等の回内外の動作が可能になる。

【0038】

図３は、回内外機構１１０の平面図である。ヘリカルギア１１１の歯と噛み合うように伝達ギア１１２が配置されている。伝達ギア１１２の回転軸は、ヘリカルギア１１１の回転軸と交差しないように配置されている。伝達ギア１１２の回転軸をヘリカルギア１１１の回転軸からはずして配置することで、回内外機構１１０を最小のスペースに収めることができる。

【0039】

ヘリカルギア１１１は、強度、速度等の観点で有利であるが、ヘリカルギア１１１に替えて平歯車を用いてもよい。また、ギアの歯が内側に向いた環状の平歯車を回転手段として用い、環の内側で平歯車とかみ合う内歯車を伝達ギア１１２として用いてもよい。

【0040】

図４は、実際に作製した人工関節機構１０の屈伸運動を説明する図である。図４では、５枚のプレート１１～１５の姿勢をわかりやすくするために、弾性エラストマー３１は省略されている。プレート１５は、主面から連続して立ち上がる屈曲部またはタブ１５１を有している。タブ１５１は、たとえば義肢パーツとの接続等のために用いられるが、必ずしもタブ１５１を設ける必要はない。

【0041】

左側の初期状態で、プレート１１～１５は平坦に折りたたまれている。蝶番関節２３と２４は、屈伸用の蝶番関節＃３、＃４として用いられる。ヘリカルギア１１１は、回内外運動に用いられる。

【0042】

矢印の右側の屈伸（Ａ）では、蝶番関節２３が回転して、プレート１３とプレート１４の間が開き、人工関節機構１０は矢印Ａの方向に動く。屈伸（Ｂ）では、蝶番関節２４が回転して、プレート１４とプレート１５の間が開き、人工関節機構１０は矢印Ｂの方向に動く。

【0043】

図５は、人工関節機構１０Ａに義手パーツ５０を組み合わせたときの屈伸運動を示す模式図である。図５の（Ａ）は、手首を手の甲側に反らせる背屈、図５の（Ｂ）は手首をまっすぐにした正立、図５の（Ｃ）は手首を掌側に曲げる掌屈の状態を示す。

【0044】

図５の構成例では、復帰手段として、プレート１１～１５を貫通するロッド状の弾性エラストマー３２が用いられている。

【0045】

図５の（Ａ）で、たとえば、蝶番関節２３が回転して、プレート１３とプレート１４の間が開き、手首を反らせることができる。弾性エラストマー３２は、－ｙ方向に撓む。図５の（Ｂ）で、弾性エラストマー３２は元の状態に復帰し、プレート１１～1５のすべてが閉じて初期位置に戻る。図５の（Ｃ）で、蝶番関節２４が回転してプレート１４とプレート１５が開き、手首を手のひら側に曲げることができる。弾性エラストマー３２は＋ｙ方向に撓む。掌屈動作が終わると、弾性エラストマー３２は元の状態に復帰し、図５の（Ｂ）の初期状態に戻る。

【0046】

人工関節機構１０Ａの屈伸運動は、たとえばテーブルの上のボール、果物等をつかみにいくとき、あるいは、つかんだ物を棚等の上に置くときなどに行われる。

【0047】

図６は、作製した人工関節機構１０の橈尺屈を説明する図である。蝶番関節２１と２２は、橈尺屈用の蝶番関節＃１、＃２として用いられる。左側の初期状態から右側の橈尺屈動作に移行する。右側の橈尺屈（Ａ）では、蝶番関節２２が回転してプレート１２とプレート１３の間が開き、人工関節機構１０は矢印Ｃの方向に動く。橈尺屈（Ｂ）では、蝶番関節２１が回転してプレート１１とプレート１２の間が開き、人工関節機構１０は矢印Ｄの方向に動く。

【0048】

図７は、人工関節機構１０Ａに義手パーツ５０を組み合わせたときの屈伸運動を示す模式図である。図７の（Ａ）は、手首を親指側に曲げる橈屈、図７の（Ｂ）は手首をまっすぐにした正立、図７の（Ｃ）は手首を小指側に曲げる尺屈の状態を示す。

【0049】

図７の（Ａ）で、たとえば、蝶番関節２１が回転して、プレート１１とプレート１２の間が開き、手首を親指側に曲げることができる。弾性エラストマー３２は、－ｘ方向に撓む。図７の（Ｂ）で、弾性エラストマー３２は元の位置に復帰し、プレート１１～1５のすべてが閉じて初期位置に戻る。図７の（Ｃ）で、蝶番関節２２が回転してプレート１２とプレート１３が開き、手首を小指側に曲げることができる。弾性エラストマー３２は、＋ｘ方向に撓む。尺屈動作が終わると、弾性エラストマー３２は元の状態に復帰し、図７の（Ｂ）の初期状態に戻る。

【0050】

人工関節機構１０Ａの橈尺屈運動は、ビンの蓋の開け閉めや、テーブルを拭くなどするときに行われる。

【0051】

図８は、作製した人工関節機構１０の回内外動作を説明する図である。左側の初期状態から右側の回内外動作に移行する。右側の回内外（Ａ）では、ヘリカルギア１１１が矢印Ｅの方向に回転し、人工関節機構１０は、ｚ軸まわりに矢印Ｅの方向に回転する。回内外（Ｂ）では、ヘリカルギア１１１が矢印Ｆの方向に回転し、人工関節機構１０は、ｚ軸まわりに矢印Ｆの方向に回転する。回内外は、ドアノブを回すときに等行われる。

【0052】

日常動作では、屈伸、橈尺屈、回内外のいずれかだけを単独で行わう動作は多くなく、屈伸と回内外、橈尺屈と回内外など、２以上の自由度を組み合わせた動作が行われる。実施形態の人工関節機構１０および１０Ａは、２以上の自由度を組み合わせるときに、さらに有利である。たとえば、筋電信号に基づいてモータ３５でヘリカルギア１１１を回転させて回内外の動作を行いながら、受動的に蝶番関節２１～２４のいずれかを回転させて、手首を屈伸または橈尺屈することができる。

【0053】

また、屈伸用の蝶番関節（たとえば、蝶番関節２３または２４）と、橈尺屈用の蝶番関節（たとえば蝶番関節２１または２２）を同時に回転させて、橈背屈、掌尺屈など斜め方向の動作を行うことができる。人工関節機構１０または１０Ａでプレート１２～１５をどの方向に動かした場合でも、弾性エラストマー３１、３２等の復帰手段によって、受動的に初期位置に戻すことができる。

【0054】

図９は、人工関節機構１０を筋電義手６０と組み合わせる例を示す。図９では、構成を明確にするために、筋電義手の内部に組み込まれる前の状態を示し、また復帰手段を省略しているが、実際は弾性エラストマー３１等の復帰手段を設けた状態で、筋電義手の付け根の近傍に配置される。また、人工関節機構１０の回内外機構１１０のモータ３５には、別の配線と電極パッドが接続される。

【0055】

筋電義手６０は、ユーザからの筋電信号によって物体の把持動作(親指と４指の開閉）等を制御することができる。ユーザの皮膚に接着される電極パッド６１からの信号は、配線６２を介して駆動制御部６３に入力され、親指と４指の姿勢が制御される。

【0056】

このとき、人工関節機構１０を組み合わせることで、筋電義手６０の手のひらの向き、手首の屈伸の方向、橈尺屈の方向をユーザの意思で受動的に操作することができる。たとえば、テーブルの上のコップをつかむときに、筋電信号によって筋電義手６０の親指と４指が開かれ、その後、コップの外表面にフィットするように親指と４指が閉じられる。同時に、回内外機構２０によって、筋電義手６０の掌部がコップの側面と対向するように手首部が駆動される。また、筋電義手６０の付け根がテーブルから受ける反力や、ユーザからの負荷の方向によって、２軸機構２０の蝶番関節２１～２４の少なくともひとつが受動的に動作する。一般的に、コップをつかむ場合は背屈から掌屈の方向に手首が動く。人工関節機構１０を用いることで、より自然な動作が可能になる。

【0057】

以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。図１および図２の例では、蝶番関節２１～２４を回転軸で表現しているため、一定程度の厚みを有するように描かれているが、各プレートの厚さ以下の径のヒンジまたは回転軸を用いてもよい。蝶番関節２１～２４をプレートの折り曲げのみによって実現する場合は、あらかじめ展開図の形状の金属プレートを作製しておき、所定の線に沿って折り畳むことで、２軸機構２０を実現してもよい。また、プレート１１～１５の一部を折り畳み型にして、残りをヒンジで折りたたみ可能に連結してもよい。

【0058】

回内外機構１１０によるｚ軸まわりの回転動作は、ヘリカルギアと伝達ギアの組み合わせに限定されず、小型と薄化が実現される限り、円盤状のプーリとベルトを用いて実現されてもよい。

【0059】

実施形態の人工関節機構１０または１０Ａは、その薄さと小型形状によって、特に小児用の義肢への適用が期待される。人工関節機構１０または１０Ａは、義手のみならず、一般のロボットハンドやグリッパにも適用可能である。そのような適用例でも、限られた空間内に３自由度の運動機構を配置することができる。人工関節機構１０を手首関節に適用する場合、手先の直近に３自由度を持つ薄くて小型の関節機構が配置され、最小の空間変位で手先を動かすことができる。

【0060】

人工関節機構１０または１０Ａは、手首関節だけではなく、肩関節、首関節、足首関節など、３自由度で運動する任意の関節部分に適用可能である。上腕の付け根から切断されたユーザにとって、人工関節機構１０または１０Ａを内蔵した義手を装着することで、屈伸（腕を横から上下に上げ下げする動き）、橈尺屈（腕を水平方向へ動かす動き）、回内外（腕を前後に振る動き）、あるいはこれらの２以上を組み合わせた斜め方向への動作が可能になる。

【0061】

人工関節機構１０または１０Ａを足首関節に適応する場合は、薄く、かつ小型の構成で３自由度を実現できるので、斜面、凹凸のある道路、混雑した場所などでも安定して歩行を支援することができる。受動構成の２軸機構２０で、足首の屈伸、橈尺屈だけではなく、橈背屈、掌尺屈など、斜め方向の動きが可能である。薄型のギア機構で回内外の動きが実現されるので、歩行中や起立中にバランスがとりやすくなる。

【0062】

足の場合、手先や腕以上に、長さの左右差が歩行の支障となるが、実施形態の人工関節機構１０または１０Ａの２軸機構２０の厚さは、初期状態で原理的にゼロに近い。回内外機構１１０と組み合わせた全体の構成でみても、１０ｍｍ以下に薄く形成することができる。義足の場合、装着による左右差の影響が少なく、ユーザは安定して歩行することができる。

【符号の説明】

【0063】

１０、１０Ａ 人工関節機構
１１～１５ プレート
２０ ２軸機構
２１～２４ 蝶番関節
３１、３２ 弾性エラストマー（復帰手段）
３５ モータ（駆動手段）
５０ 義手パーツ
６０ 筋電義手
１１０ 回内外機構
１１１ ヘリカルギア（回転手段）
１１２ 伝達ギア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】