JP4384822B2 - 義肢の駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，義手，義足等の義肢を動力で動かすようにした義肢の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，かゝる義肢の駆動装置の駆動方式として，油圧式（特公昭６２−１３０１７号公報参照），リニアモータ式（特開昭６３−３８５５号公報参照），空気圧式（実開昭６３−１０２４２０号公報参照）等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，上記何れの形式の駆動装置を採用するにせよ，従来では，その動力源にバッテリを用いているが，従来のバッテリでは，エネルギ密度が５０〜１００ｗｈ／ｋｇ程度であるので，これにより長時間の運転を満足させるには至っていない。そこで，内燃機関による発電に頼ることが考えられるが，排気音や振動等，その使用を躊躇させるものがある。
【０００４】
本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，長時間，快適に使用することができる，新規な義肢の駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，関節を介して相互に連結した第１及び第２義肢体を相互に屈伸駆動する，義肢の駆動装置であって，前記両義肢体以外の任意箇所に取り付けられるディスプレッサ装置と，前記両義肢体間にそれらを相互に屈伸させるべく取り付けられるパワーシリンダ装置とでスターリングエンジンを構成し，ディスプレッサ装置の圧縮室とパワーシリンダ装置の作動室との間を可撓性の圧力導管を介して接続し，前記ディスプレッサ装置のディスプレッサシリンダ頭部に，その内部の膨張室を加熱する燃焼器を設けると共に，この燃焼器に燃料供給手段を接続し，ディスプレッサ装置のディスプレッサピストンには，これを任意に駆動し得るアクチュエータを連結したことを第１の特徴とする。尚，前記第１及び第２義肢体は，後述する本発明の実施例中の義足を構成する大腿部２及び下腿部４に対応し，前記燃料供給手段は燃料カートリッジ３８に対応する。
【０００６】
この第１の特徴によれば，アクチュエータによりディスプレッサピストンの作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，第１及び第２義肢体相互の屈伸速度をゼロから任意の値に制御できて，使用者の意思通りに義肢を動かすことができる。
【０００７】
しかもディスプレッサ装置の燃焼器での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，その上，燃料供給手段の採用により義肢の長時間の屈伸運動を可能にする。
【０００８】
さらに第１及び第２義肢体にはパワーシリンダ装置を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置や燃料供給手段は，第１及び第２義肢体以外の任意の箇所に配設するので，両義肢体の軽量化及びスリム化を図り，両義肢体のスムーズな屈伸運動を確保することができる。
【０００９】
また本発明は，第１の特徴に加えて，前記圧縮室と圧力導管との間に，圧縮室の圧力を油圧に変換して前記パワーシリンダ装置の作動室に伝達する油圧変換器を設けたことを第２の特徴とする。
【００１０】
この第２の特徴によれば，ディスプレッサ装置の圧縮室の圧力が油圧変換器により油圧に変換されて，パワーシリンダの作動室に伝達されるので，圧力導管及び作動室では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００１１】
さらに本発明は，第１の特徴に加えて，前記アクチュエータを制御するための電子制御ユニット及び蓄電池に，第２のスターリングエンジンによって駆動される発電手段を接続したことを第３の特徴とする。尚，前記発電手段は，上述する本発明の実施例中の発電コイル７３に対応する。
【００１２】
この第３の特徴によれば，第２スターリングエンジンの運転により発電手段が作動され，それによって蓄電池は常に自動的に充分に充電され，電子制御ユニット及びアクチュエータを常に的確に作動することができ，パワーシリンダ装置の一層の長時間運転を可能にする。
【００１３】
さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記ディスプレッサ装置及びアクチュエータを，使用者が装着するベルトに取り付けたことを第４の特徴とする。
【００１４】
この第４の特徴によれば，使用者は，身体へのベルトの着脱により，ディスプレッサ装置の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００１５】
さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記第１及び第２義足体を，義足を構成する大腿部及び下腿部とし，その下腿部の下端に結合される足部の中空部にディスプレッサ装置を収容したことを第５の特徴とする。
【００１６】
この第５の特徴によれば，義足の足部内のデッドスペースをディスプレッサ装置の設置に有効利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の一実施例に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例に係る義肢の駆動装置を装着した使用者の正面図，図２はその背面図，図３は上記義肢の駆動装置の要部を縦断した全体図，図４は本発明の第２実施例を示す概要図，図５は本発明の第３実施例を示す概要図，図６は本発明の第４実施例を示す概要図である。
【００１９】
先ず，図１〜３に示す本発明の第１実施例の説明より始める。
【００２０】
図１及び図２において，義足１は，使用者の残存する大腿部を挿入するソケット２ａを一体に備え大腿部２と，この大腿部２の下端に関節３を介して屈伸可能に連結した下腿部４と，この下腿部４の下端に連設される足部５とからなっており，その大腿部２及び下腿部４相互の屈伸運動のために本発明の義肢の駆動装置Ａが適用される。この駆動装置Ａは，使用者が腰部に装着するベルトＢに取り付けられるディスプレッサ装置６及び制御部７と，義足１に取り付けられるパワーシリンダ装置８と，ディスプレッサ装置６で発生した圧力をパワーシリンダ装置８に伝達する圧力導管２２とから構成されるもので，これらについて図３を参照しなが詳細に説明する。
【００２１】
ディスプレッサ装置６は，ディスプレッサシリンダ１０と，該シリンダ１０に摺動自在に嵌装されて，該シリンダ１０内を頭部側の膨張室１１と底部側の圧縮室１２とに区画するるディスプレッサピストン１３と，ディスプレッサシリンダ１０の頭部に設けられて膨張室１１を加熱する燃焼器１４と，ディスプレッサシリンダ１０の底部に設けられて圧縮室１２を冷却する放熱器１５と，膨張室１１及び圧縮室１２間を接続する連通ポート１６に介裝される熱再生器１７と，ディスプレッサシリンダ１０の底部を貫通するロッド１８を介してディスプレッサピストン１３を駆動する電動式のアクチュエータ２０とからなる。このアクチュエータ２０には，ディスプレッサピストン１３の位置を検知するディスプレッサピストンセンサ２１が設けられる。
【００２２】
上記燃焼器１４は触媒式に構成されるもので，ディスプレッサシリンダ１０の頭部外面に形成した燃焼ハウジング２５に燃焼用触媒２６が充填されると共に，該ハウジング２５の一端部に燃料・空気混合器２７が，またその他端部に排気管２８がそれぞれ設けられる。
【００２３】
燃焼ハウジング２５の周囲には，それと共に排気管２８の基部を覆う熱交換壁２９が形成される。またこの熱交換壁２９の周囲にはそれを覆うシュラウド３０が形成され，このシュラウド３０が有する空気取り入れ口３１が上記燃焼ハウジング２５，熱交換壁２９及びシュラウド３０の各間を蛇行する空気通路３２を介して燃料・空気混合器２７の空気入口に連通する。
【００２４】
またシュラウド３０には，熱交換壁２９に近接する熱発電素子３４が付設され，熱交換壁２９から受けた熱を電気に変換して蓄電池３９に充電するようになっている。さらにシュラウド３０には，前記アクチュエータ２０を収容しながらその固定部を支持する支持壁３５が連設される。
【００２５】
制御部７は，電子制御ユニット３７，燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７の電源となる蓄電池３９及び，電子制御ユニット３７を任意に操作する手元コントローラ４０を備えており，電子制御ユニット３７，燃料カートリッジ３８及び蓄電池３９は制御ボックス４１に収容される。燃料カートリッジ３８に充填される燃料は，ベンジン，アルコール，ブタン等が適当である。
【００２６】
燃料カートリッジ３８の燃料出口は燃料導管４２を介して前記燃料・空気混合器２７の燃料入口に接続され，燃料導管４２には燃料流量を調整する燃料調整器４４が設けられる。燃焼ハウジング２５内には，点火栓４５が混合器２７に隣接して設置される。
【００２７】
パワーシリンダ装置８は，上記ディスプレッサ装置６と協同してスターリングエンジンＥを構成する。このパワーシリンダ装置８は，大腿部２及び下腿部４の一方にピボット連結されるパワーシリンダ４７と，大腿部２及び下腿部４の他方にピボット連結されると共にパワーシリンダ４７内に摺動可能に嵌装されるパワーピストン４８とからなっており，このパワーピストン４８によってパワーシリンダ４７内に画成される作動室４９が圧力導管２２を介して前記ディスプレッサ装置６の圧縮室１２に連通される。こうしてパワーシリンダ装置８は，前記ディスプレッサ装置６と協同してフリーピストン式のスターリングエンジンＥを構成する。
【００２８】
大腿部２及び下腿部４間には，その両部２，４の屈伸角度を検知する屈伸センサ５１が取り付けられ，この屈伸センサ５１の出力信号，並びに前記手元コントローラ４０及びディスプレッサピストンセンサ２１の出力信号が前記電子制御ユニット３７に入力され，それら信号に基づいて電子制御ユニット３７は前記アクチュエータ２０及び燃料調整器４４を制御する。
【００２９】
次に，この第１実施例の作用について説明する。
【００３０】
燃料カートリッジ３８から送られ，燃料調整器４４により調量された燃料を燃料・空気混合器２７に供給すると，空気取り入れ口３１から空気通路３２を経て燃料・空気混合器２７に流入した空気と混合する。その混合気に点火栓４５で一旦点火すれば，触媒２６により燃焼が継続的に促進され，ディスプレッサシリンダ１０の頭部から膨張室１１を所定の高温状態に加熱し，その燃焼に伴い発生する排ガスは排気管２８から外部に放出される。
【００３１】
一方，放熱器１５は圧縮室１２を一定の低温状態に保ち，熱再生器１７は，作動ガスが連通ポート１６を通して膨張室１１から圧縮室１２へ，あるいはそれと反対方向へ移動するとき，そのガスと熱の授受を行う。
【００３２】
いま，電子制御ユニット３７の指令に基づきアクチュエータ２０が作動して，ディスプレッサピストン１３を往復動させれば，圧縮室１２に圧力振幅をつくり出すことができ，その圧力が可撓性の圧力導管２２を通して，パワーシリンダ４７の作動室４９に伝達して，パワーピストン４８を往復動させ，それにより大腿部２及び下腿部４を相互に屈伸させて，使用者の歩行を補助する。
【００３３】
その際，電子制御ユニット３７は，屈伸センサ５１の出力信号からパワーピストン４８の位置を知り，パワーピストン４８に対してディスプレッサピストン１３をクランク角度に換算して９０°進角させるように，アクチュエータ２０を作動すれば，パワーピストン４８を効率良く駆動することができ，またディスプレッサピストン１３の作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，大腿部２及び下腿部４の屈伸速度をゼロから任意の値に制御することができ，したがって使用者の意思通りに義足１を動かすことができる。
【００３４】
実験によれば，燃料（液化ブタン）３０ｃｃで，触媒２６で６０Ｗ相当の発熱をさせた場合，６時間の運転が可能であった。
【００３５】
ところで，触媒式燃焼器１４での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，しかも燃料カートリッジ３８の採用により，燃料補充の迅速化と相俟って長時間の運転，即ち歩行を可能にする。
【００３６】
また電子制御ユニット３７の電源である蓄電池３９の消費電力は極めて少ない上，燃焼器１４で発生した熱の一部は熱発電素子３４によって電気エネルギに変換され，上記蓄電池３９に蓄えられるので，蓄電池３９の耐用時間も長いものとなる。
【００３７】
しかも義足１にはパワーシリンダ装置８を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置６や燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７等は，使用者の腰部に装着されるベルトＢに取り付けられ，ディスプレッサ装置６及びパワーシリンダ装置８間が圧力導管２２で接続されるので，義足１のスムーズな屈伸運動を確保しつゝ，その軽量化及びスリム化を図ることができる。また使用者は，腰部へのベルトＢの着脱により，ディスプレッサ装置６の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００３８】
図４に示す本発明の第２実施例は，ディスプレッサ装置６に，その圧縮室１２の圧力を油圧に変換する油圧変換器５３を設け，この油圧変換器５３の出力ポートとパワーシリンダ４７の作動室４９間を圧力導管２２で接続したもので，その他の構成は前記第１実施例と同様であるので，図４中，前記第１実施例との対応部分には同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００３９】
この第２実施例によれば，ディスプレッサ装置６の圧縮室１２の圧力が油圧変換器５３により油圧に変換されて，パワーシリンダ４７の作動室４９に伝達されるので，圧力導管２２及び作動室４９では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００４０】
図５の示す本発明の第３実施例は，義足１の足部５の中空部５ａにディスプレッサ装置６，燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７及び蓄電池３９と，電子制御ユニット３７に接続される通信装置５４ｂとを収容する一方，ベルトＢに手元コントローラ４０と，この手元コントローラ４０の出力信号を処理する統括制御装置５５と，この統括制御装置５５の出力信号に応じた電波を発する通信装置５４ａとが取り付けられ，両通信装置５４ａ，５４ｂ間での電波の授受によりパワーシリンダ装置８を作動するようにしたものである。その他の構成は前記第２実施例と同様であるので，図５中，前記第２実施例との対応部分には同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００４１】
この第３実施例によれば，義足１の足部５内のデッドスペースをディスプレッサ装置６等の設置に有効利用することができる。
【００４２】
最後に，図６に示す本発明の第４実施例について説明する。
【００４３】
ベルトＢに第１及び第２ディスプレッサ装置６，６０が取り付けられる。第１ディスプレッサ装置６は，前記第１実施例のディスプレッサ装置６と同様の構成を有すもので，その圧縮室１２が圧力導管２２を介して義足１のパワーシリンダ装置８の作動室４９に接続される。
【００４４】
第２ディスプレッサ装置６０のディスプレッサシリンダ６１に嵌装されるディスプレッサピストン６２には永久磁石６３が付設され，この永久磁石６３と協働してディスプレッサピストン６２を駆動する駆動コイル６４がディスプレッサシリンダ６１の底部に固設される。またディスプレッサシリンダ６１の底部にはパワーシリンダ６５が同軸状に連設され，このパワーシリンダ６５には，永久磁石７２を持ったパワーピストン６６が摺動可能に嵌装される。このパワーピストン６６によりパワーシリンダ６５内は，頭部側の作動室６７と，反対側のばね室６８とに区画され，その作動室６７はディスプレッサシリンダ６１の圧縮室７７に連通する。ばね室６８には，パワーピストン６６を作動室６７側に付勢するばね６９が収容される。
【００４５】
ディスプレッサシリンダ６１の頭部には，第１ディスプレッサ装置６と共通に使用される燃焼器１４が設けられ，ディスプレッサシリンダ６１の底部には放熱器８０が付設される。膨張室７６及び圧縮室７７間を連通する連通ポート７８には熱再生器７９が設けられる。
【００４６】
パワーシリンダ６５の外周には，パワーピストン６６に付設された永久磁石７２と協働して発電する発電コイル７３が配設される。この発電コイル７３と前記駆動コイル６４間を結ぶ電気回路７４にはディスプレッサ駆動回路７５が挿入されると共に蓄電池３９に接続される。上記パワーシリンダ６５及びパワーピストン６６は，第２ディスプレッサ装置６６と協同して第２のスターリングエンジンＥ2 を構成する。
【００４７】
その他の構成は，前記第１実施例と同様であるので，図６中，前記第１実施例との対応部分には，同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００４８】
この第４実施例によれば，ディスプレッサ駆動回路７５により駆動コイル６４を駆動して，ディスプレッサピストン６２を一旦往復動させれば，圧縮室７７に起こる圧力振幅がパワーシリンダ６５の作動室６７に波及して，永久磁石７２を持ったパワーピストン６６を，ばね６９との協働により自由振動させるので，発電コイル７３から電気エネルギが取り出され，蓄電池３９及び電子制御ユニット３７に供給される。
【００４９】
かくして，蓄電池３９は常に自動的に充分に充電され，電子制御ユニット３７及び，第１ディスプレッサ装置６のアクチュエータ２０を常に的確に作動することができ，より一層のパワーシリンダ装置８の長時間運転，即ち歩行を可能にする。
【００５０】
本発明は，上記実施例に限定されるものではなく，その要旨の範囲を逸脱することなく種々の設計変更が可能である。例えば，本発明は義手の駆動にも適用することができる。また病人の介護や重作業を行う健常者の上肢や下肢に第１及び第２義肢体を装着させ，これを本発明の駆動装置Ａで駆動するようにすることもでき，そうすれば作業者の労力軽減に寄与し得る。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の特徴によれば，関節を介して相互に連結した第１及び第２義肢体を相互に屈伸駆動する，義肢の駆動装置であって，前記両義肢体以外の任意箇所に取り付けられるディスプレッサ装置と，前記両義肢体間にそれらを相互に屈伸させるべく取り付けられるパワーシリンダ装置とでスターリングエンジンを構成し，ディスプレッサ装置の圧縮室とパワーシリンダ装置の作動室との間を可撓性の圧力導管を介して接続し，前記ディスプレッサ装置のディスプレッサシリンダ頭部に，その内部の膨張室を加熱する燃焼器を設けると共に，この燃焼器に燃料供給手段を接続し，ディスプレッサ装置のディスプレッサピストンには，これを任意に駆動し得るアクチュエータを連結したので，アクチュエータによりディスプレッサピストンの作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，第１及び第２義肢体相互の屈伸速度をゼロから任意の値に制御できて，使用者の意思通りに義肢を動かすことができる。しかもディスプレッサ装置の燃焼器での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，その上，燃料供給手段の採用により義肢の長時間の屈伸運動を可能にする。さらに第１及び第２義肢体にはパワーシリンダ装置を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置や燃料供給手段は，第１及び第２義肢体以外の任意の箇所に配設するので，両義肢体の軽量化及びスリム化を図り，両義肢体のスムーズな屈伸運動を確保することができる。
【００５２】
また本発明の第２の特徴によれば，前記圧縮室と圧力導管との間に，圧縮室の圧力を油圧に変換して前記パワーシリンダ装置の作動室に伝達する油圧変換器を設けたので，圧力導管及び作動室では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００５３】
さらに本発明の第３の特徴によれば，前記アクチュエータを制御するための電子制御ユニット及び蓄電池に，第２のスターリングエンジンによって駆動される発電手段を接続したので，第２スターリングエンジンの運転により作動する発電手段によって蓄電池に常に充分な充電を自動的に行い，電子制御ユニット及びアクチュエータを常に的確に作動することができ，パワーシリンダ装置の一層の長時間運転を可能にする。
【００５４】
さらにまた本発明の第４の特徴によれば，前記ディスプレッサ装置及びアクチュエータを，使用者が装着するベルトに取り付けたので，使用者は，身体へのベルトの着脱により，ディスプレッサ装置の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００５５】
さらにまた本発明の第５の特徴によれば，前記第１及び第２義足体を，義足を構成する大腿部及び下腿部とし，その下腿部の下端に結合される足部の中空部にディスプレッサ装置を収容したので，義足の足部内のデッドスペースをディスプレッサ装置の設置に有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る義肢の駆動装置を装着した使用者の正面図。
【図２】 同使用者の背面図。
【図３】 上記義肢の駆動装置の要部を縦断した全体図。
【図４】 本発明の第２実施例を示す概要図。
【図５】 本発明の第３実施例を示す概要図。
【図６】 本発明の第４実施例を示す概要図。
【符号の説明】
Ａ・・・・・・義肢の駆動装置
Ｂ・・・・・・ベルト
Ｅ・・・・・・スターリングエンジン
Ｅ′・・・・・第２のスターリングエンジン
１・・・・・・義足
２・・・・・・第１義肢体（大腿部）
３・・・・・・関節
４・・・・・・第２義肢体（下腿部）
５・・・・・・足部
５ａ・・・・・中空部
６・・・・・・ディスプレッサ装置
８・・・・・・パワーシリンダ装置
１０・・・・・ディスプレッサシリンダ
１１・・・・・膨張室
１２・・・・・圧縮室
１３・・・・・ディスプレッサピストン
１４・・・・・燃焼器
２０・・・・・アクチュエータ
２２・・・・・圧力導管
３７・・・・・電子制御ユニット
３８・・・・・燃料供給手段（燃料カートリッジ）
３９・・・・・蓄電池
４９・・・・・作動室
５３・・・・・油圧変換器
７３・・・・・発電手段（発電コイル）
【発明の属する技術分野】
本発明は，義手，義足等の義肢を動力で動かすようにした義肢の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，かゝる義肢の駆動装置の駆動方式として，油圧式（特公昭６２−１３０１７号公報参照），リニアモータ式（特開昭６３−３８５５号公報参照），空気圧式（実開昭６３−１０２４２０号公報参照）等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，上記何れの形式の駆動装置を採用するにせよ，従来では，その動力源にバッテリを用いているが，従来のバッテリでは，エネルギ密度が５０〜１００ｗｈ／ｋｇ程度であるので，これにより長時間の運転を満足させるには至っていない。そこで，内燃機関による発電に頼ることが考えられるが，排気音や振動等，その使用を躊躇させるものがある。
【０００４】
本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，長時間，快適に使用することができる，新規な義肢の駆動装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，関節を介して相互に連結した第１及び第２義肢体を相互に屈伸駆動する，義肢の駆動装置であって，前記両義肢体以外の任意箇所に取り付けられるディスプレッサ装置と，前記両義肢体間にそれらを相互に屈伸させるべく取り付けられるパワーシリンダ装置とでスターリングエンジンを構成し，ディスプレッサ装置の圧縮室とパワーシリンダ装置の作動室との間を可撓性の圧力導管を介して接続し，前記ディスプレッサ装置のディスプレッサシリンダ頭部に，その内部の膨張室を加熱する燃焼器を設けると共に，この燃焼器に燃料供給手段を接続し，ディスプレッサ装置のディスプレッサピストンには，これを任意に駆動し得るアクチュエータを連結したことを第１の特徴とする。尚，前記第１及び第２義肢体は，後述する本発明の実施例中の義足を構成する大腿部２及び下腿部４に対応し，前記燃料供給手段は燃料カートリッジ３８に対応する。
【０００６】
この第１の特徴によれば，アクチュエータによりディスプレッサピストンの作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，第１及び第２義肢体相互の屈伸速度をゼロから任意の値に制御できて，使用者の意思通りに義肢を動かすことができる。
【０００７】
しかもディスプレッサ装置の燃焼器での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，その上，燃料供給手段の採用により義肢の長時間の屈伸運動を可能にする。
【０００８】
さらに第１及び第２義肢体にはパワーシリンダ装置を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置や燃料供給手段は，第１及び第２義肢体以外の任意の箇所に配設するので，両義肢体の軽量化及びスリム化を図り，両義肢体のスムーズな屈伸運動を確保することができる。
【０００９】
また本発明は，第１の特徴に加えて，前記圧縮室と圧力導管との間に，圧縮室の圧力を油圧に変換して前記パワーシリンダ装置の作動室に伝達する油圧変換器を設けたことを第２の特徴とする。
【００１０】
この第２の特徴によれば，ディスプレッサ装置の圧縮室の圧力が油圧変換器により油圧に変換されて，パワーシリンダの作動室に伝達されるので，圧力導管及び作動室では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００１１】
さらに本発明は，第１の特徴に加えて，前記アクチュエータを制御するための電子制御ユニット及び蓄電池に，第２のスターリングエンジンによって駆動される発電手段を接続したことを第３の特徴とする。尚，前記発電手段は，上述する本発明の実施例中の発電コイル７３に対応する。
【００１２】
この第３の特徴によれば，第２スターリングエンジンの運転により発電手段が作動され，それによって蓄電池は常に自動的に充分に充電され，電子制御ユニット及びアクチュエータを常に的確に作動することができ，パワーシリンダ装置の一層の長時間運転を可能にする。
【００１３】
さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記ディスプレッサ装置及びアクチュエータを，使用者が装着するベルトに取り付けたことを第４の特徴とする。
【００１４】
この第４の特徴によれば，使用者は，身体へのベルトの着脱により，ディスプレッサ装置の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００１５】
さらにまた本発明は，第１〜第３の特徴の何れかに加えて，前記第１及び第２義足体を，義足を構成する大腿部及び下腿部とし，その下腿部の下端に結合される足部の中空部にディスプレッサ装置を収容したことを第５の特徴とする。
【００１６】
この第５の特徴によれば，義足の足部内のデッドスペースをディスプレッサ装置の設置に有効利用することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の一実施例に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例に係る義肢の駆動装置を装着した使用者の正面図，図２はその背面図，図３は上記義肢の駆動装置の要部を縦断した全体図，図４は本発明の第２実施例を示す概要図，図５は本発明の第３実施例を示す概要図，図６は本発明の第４実施例を示す概要図である。
【００１９】
先ず，図１〜３に示す本発明の第１実施例の説明より始める。
【００２０】
図１及び図２において，義足１は，使用者の残存する大腿部を挿入するソケット２ａを一体に備え大腿部２と，この大腿部２の下端に関節３を介して屈伸可能に連結した下腿部４と，この下腿部４の下端に連設される足部５とからなっており，その大腿部２及び下腿部４相互の屈伸運動のために本発明の義肢の駆動装置Ａが適用される。この駆動装置Ａは，使用者が腰部に装着するベルトＢに取り付けられるディスプレッサ装置６及び制御部７と，義足１に取り付けられるパワーシリンダ装置８と，ディスプレッサ装置６で発生した圧力をパワーシリンダ装置８に伝達する圧力導管２２とから構成されるもので，これらについて図３を参照しなが詳細に説明する。
【００２１】
ディスプレッサ装置６は，ディスプレッサシリンダ１０と，該シリンダ１０に摺動自在に嵌装されて，該シリンダ１０内を頭部側の膨張室１１と底部側の圧縮室１２とに区画するるディスプレッサピストン１３と，ディスプレッサシリンダ１０の頭部に設けられて膨張室１１を加熱する燃焼器１４と，ディスプレッサシリンダ１０の底部に設けられて圧縮室１２を冷却する放熱器１５と，膨張室１１及び圧縮室１２間を接続する連通ポート１６に介裝される熱再生器１７と，ディスプレッサシリンダ１０の底部を貫通するロッド１８を介してディスプレッサピストン１３を駆動する電動式のアクチュエータ２０とからなる。このアクチュエータ２０には，ディスプレッサピストン１３の位置を検知するディスプレッサピストンセンサ２１が設けられる。
【００２２】
上記燃焼器１４は触媒式に構成されるもので，ディスプレッサシリンダ１０の頭部外面に形成した燃焼ハウジング２５に燃焼用触媒２６が充填されると共に，該ハウジング２５の一端部に燃料・空気混合器２７が，またその他端部に排気管２８がそれぞれ設けられる。
【００２３】
燃焼ハウジング２５の周囲には，それと共に排気管２８の基部を覆う熱交換壁２９が形成される。またこの熱交換壁２９の周囲にはそれを覆うシュラウド３０が形成され，このシュラウド３０が有する空気取り入れ口３１が上記燃焼ハウジング２５，熱交換壁２９及びシュラウド３０の各間を蛇行する空気通路３２を介して燃料・空気混合器２７の空気入口に連通する。
【００２４】
またシュラウド３０には，熱交換壁２９に近接する熱発電素子３４が付設され，熱交換壁２９から受けた熱を電気に変換して蓄電池３９に充電するようになっている。さらにシュラウド３０には，前記アクチュエータ２０を収容しながらその固定部を支持する支持壁３５が連設される。
【００２５】
制御部７は，電子制御ユニット３７，燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７の電源となる蓄電池３９及び，電子制御ユニット３７を任意に操作する手元コントローラ４０を備えており，電子制御ユニット３７，燃料カートリッジ３８及び蓄電池３９は制御ボックス４１に収容される。燃料カートリッジ３８に充填される燃料は，ベンジン，アルコール，ブタン等が適当である。
【００２６】
燃料カートリッジ３８の燃料出口は燃料導管４２を介して前記燃料・空気混合器２７の燃料入口に接続され，燃料導管４２には燃料流量を調整する燃料調整器４４が設けられる。燃焼ハウジング２５内には，点火栓４５が混合器２７に隣接して設置される。
【００２７】
パワーシリンダ装置８は，上記ディスプレッサ装置６と協同してスターリングエンジンＥを構成する。このパワーシリンダ装置８は，大腿部２及び下腿部４の一方にピボット連結されるパワーシリンダ４７と，大腿部２及び下腿部４の他方にピボット連結されると共にパワーシリンダ４７内に摺動可能に嵌装されるパワーピストン４８とからなっており，このパワーピストン４８によってパワーシリンダ４７内に画成される作動室４９が圧力導管２２を介して前記ディスプレッサ装置６の圧縮室１２に連通される。こうしてパワーシリンダ装置８は，前記ディスプレッサ装置６と協同してフリーピストン式のスターリングエンジンＥを構成する。
【００２８】
大腿部２及び下腿部４間には，その両部２，４の屈伸角度を検知する屈伸センサ５１が取り付けられ，この屈伸センサ５１の出力信号，並びに前記手元コントローラ４０及びディスプレッサピストンセンサ２１の出力信号が前記電子制御ユニット３７に入力され，それら信号に基づいて電子制御ユニット３７は前記アクチュエータ２０及び燃料調整器４４を制御する。
【００２９】
次に，この第１実施例の作用について説明する。
【００３０】
燃料カートリッジ３８から送られ，燃料調整器４４により調量された燃料を燃料・空気混合器２７に供給すると，空気取り入れ口３１から空気通路３２を経て燃料・空気混合器２７に流入した空気と混合する。その混合気に点火栓４５で一旦点火すれば，触媒２６により燃焼が継続的に促進され，ディスプレッサシリンダ１０の頭部から膨張室１１を所定の高温状態に加熱し，その燃焼に伴い発生する排ガスは排気管２８から外部に放出される。
【００３１】
一方，放熱器１５は圧縮室１２を一定の低温状態に保ち，熱再生器１７は，作動ガスが連通ポート１６を通して膨張室１１から圧縮室１２へ，あるいはそれと反対方向へ移動するとき，そのガスと熱の授受を行う。
【００３２】
いま，電子制御ユニット３７の指令に基づきアクチュエータ２０が作動して，ディスプレッサピストン１３を往復動させれば，圧縮室１２に圧力振幅をつくり出すことができ，その圧力が可撓性の圧力導管２２を通して，パワーシリンダ４７の作動室４９に伝達して，パワーピストン４８を往復動させ，それにより大腿部２及び下腿部４を相互に屈伸させて，使用者の歩行を補助する。
【００３３】
その際，電子制御ユニット３７は，屈伸センサ５１の出力信号からパワーピストン４８の位置を知り，パワーピストン４８に対してディスプレッサピストン１３をクランク角度に換算して９０°進角させるように，アクチュエータ２０を作動すれば，パワーピストン４８を効率良く駆動することができ，またディスプレッサピストン１３の作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，大腿部２及び下腿部４の屈伸速度をゼロから任意の値に制御することができ，したがって使用者の意思通りに義足１を動かすことができる。
【００３４】
実験によれば，燃料（液化ブタン）３０ｃｃで，触媒２６で６０Ｗ相当の発熱をさせた場合，６時間の運転が可能であった。
【００３５】
ところで，触媒式燃焼器１４での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，しかも燃料カートリッジ３８の採用により，燃料補充の迅速化と相俟って長時間の運転，即ち歩行を可能にする。
【００３６】
また電子制御ユニット３７の電源である蓄電池３９の消費電力は極めて少ない上，燃焼器１４で発生した熱の一部は熱発電素子３４によって電気エネルギに変換され，上記蓄電池３９に蓄えられるので，蓄電池３９の耐用時間も長いものとなる。
【００３７】
しかも義足１にはパワーシリンダ装置８を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置６や燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７等は，使用者の腰部に装着されるベルトＢに取り付けられ，ディスプレッサ装置６及びパワーシリンダ装置８間が圧力導管２２で接続されるので，義足１のスムーズな屈伸運動を確保しつゝ，その軽量化及びスリム化を図ることができる。また使用者は，腰部へのベルトＢの着脱により，ディスプレッサ装置６の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００３８】
図４に示す本発明の第２実施例は，ディスプレッサ装置６に，その圧縮室１２の圧力を油圧に変換する油圧変換器５３を設け，この油圧変換器５３の出力ポートとパワーシリンダ４７の作動室４９間を圧力導管２２で接続したもので，その他の構成は前記第１実施例と同様であるので，図４中，前記第１実施例との対応部分には同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００３９】
この第２実施例によれば，ディスプレッサ装置６の圧縮室１２の圧力が油圧変換器５３により油圧に変換されて，パワーシリンダ４７の作動室４９に伝達されるので，圧力導管２２及び作動室４９では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００４０】
図５の示す本発明の第３実施例は，義足１の足部５の中空部５ａにディスプレッサ装置６，燃料カートリッジ３８，電子制御ユニット３７及び蓄電池３９と，電子制御ユニット３７に接続される通信装置５４ｂとを収容する一方，ベルトＢに手元コントローラ４０と，この手元コントローラ４０の出力信号を処理する統括制御装置５５と，この統括制御装置５５の出力信号に応じた電波を発する通信装置５４ａとが取り付けられ，両通信装置５４ａ，５４ｂ間での電波の授受によりパワーシリンダ装置８を作動するようにしたものである。その他の構成は前記第２実施例と同様であるので，図５中，前記第２実施例との対応部分には同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００４１】
この第３実施例によれば，義足１の足部５内のデッドスペースをディスプレッサ装置６等の設置に有効利用することができる。
【００４２】
最後に，図６に示す本発明の第４実施例について説明する。
【００４３】
ベルトＢに第１及び第２ディスプレッサ装置６，６０が取り付けられる。第１ディスプレッサ装置６は，前記第１実施例のディスプレッサ装置６と同様の構成を有すもので，その圧縮室１２が圧力導管２２を介して義足１のパワーシリンダ装置８の作動室４９に接続される。
【００４４】
第２ディスプレッサ装置６０のディスプレッサシリンダ６１に嵌装されるディスプレッサピストン６２には永久磁石６３が付設され，この永久磁石６３と協働してディスプレッサピストン６２を駆動する駆動コイル６４がディスプレッサシリンダ６１の底部に固設される。またディスプレッサシリンダ６１の底部にはパワーシリンダ６５が同軸状に連設され，このパワーシリンダ６５には，永久磁石７２を持ったパワーピストン６６が摺動可能に嵌装される。このパワーピストン６６によりパワーシリンダ６５内は，頭部側の作動室６７と，反対側のばね室６８とに区画され，その作動室６７はディスプレッサシリンダ６１の圧縮室７７に連通する。ばね室６８には，パワーピストン６６を作動室６７側に付勢するばね６９が収容される。
【００４５】
ディスプレッサシリンダ６１の頭部には，第１ディスプレッサ装置６と共通に使用される燃焼器１４が設けられ，ディスプレッサシリンダ６１の底部には放熱器８０が付設される。膨張室７６及び圧縮室７７間を連通する連通ポート７８には熱再生器７９が設けられる。
【００４６】
パワーシリンダ６５の外周には，パワーピストン６６に付設された永久磁石７２と協働して発電する発電コイル７３が配設される。この発電コイル７３と前記駆動コイル６４間を結ぶ電気回路７４にはディスプレッサ駆動回路７５が挿入されると共に蓄電池３９に接続される。上記パワーシリンダ６５及びパワーピストン６６は，第２ディスプレッサ装置６６と協同して第２のスターリングエンジンＥ2 を構成する。
【００４７】
その他の構成は，前記第１実施例と同様であるので，図６中，前記第１実施例との対応部分には，同一の参照符号を付して，その説明を省略する。
【００４８】
この第４実施例によれば，ディスプレッサ駆動回路７５により駆動コイル６４を駆動して，ディスプレッサピストン６２を一旦往復動させれば，圧縮室７７に起こる圧力振幅がパワーシリンダ６５の作動室６７に波及して，永久磁石７２を持ったパワーピストン６６を，ばね６９との協働により自由振動させるので，発電コイル７３から電気エネルギが取り出され，蓄電池３９及び電子制御ユニット３７に供給される。
【００４９】
かくして，蓄電池３９は常に自動的に充分に充電され，電子制御ユニット３７及び，第１ディスプレッサ装置６のアクチュエータ２０を常に的確に作動することができ，より一層のパワーシリンダ装置８の長時間運転，即ち歩行を可能にする。
【００５０】
本発明は，上記実施例に限定されるものではなく，その要旨の範囲を逸脱することなく種々の設計変更が可能である。例えば，本発明は義手の駆動にも適用することができる。また病人の介護や重作業を行う健常者の上肢や下肢に第１及び第２義肢体を装着させ，これを本発明の駆動装置Ａで駆動するようにすることもでき，そうすれば作業者の労力軽減に寄与し得る。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の特徴によれば，関節を介して相互に連結した第１及び第２義肢体を相互に屈伸駆動する，義肢の駆動装置であって，前記両義肢体以外の任意箇所に取り付けられるディスプレッサ装置と，前記両義肢体間にそれらを相互に屈伸させるべく取り付けられるパワーシリンダ装置とでスターリングエンジンを構成し，ディスプレッサ装置の圧縮室とパワーシリンダ装置の作動室との間を可撓性の圧力導管を介して接続し，前記ディスプレッサ装置のディスプレッサシリンダ頭部に，その内部の膨張室を加熱する燃焼器を設けると共に，この燃焼器に燃料供給手段を接続し，ディスプレッサ装置のディスプレッサピストンには，これを任意に駆動し得るアクチュエータを連結したので，アクチュエータによりディスプレッサピストンの作動速度をゼロから任意の値に制御することにより，第１及び第２義肢体相互の屈伸速度をゼロから任意の値に制御できて，使用者の意思通りに義肢を動かすことができる。しかもディスプレッサ装置の燃焼器での燃焼形態は連続燃焼であるから，燃焼効率が高いと共に燃焼振動がなく，その上，燃料供給手段の採用により義肢の長時間の屈伸運動を可能にする。さらに第１及び第２義肢体にはパワーシリンダ装置を設けるだけであり，比較的重いディスプレッサ装置や燃料供給手段は，第１及び第２義肢体以外の任意の箇所に配設するので，両義肢体の軽量化及びスリム化を図り，両義肢体のスムーズな屈伸運動を確保することができる。
【００５２】
また本発明の第２の特徴によれば，前記圧縮室と圧力導管との間に，圧縮室の圧力を油圧に変換して前記パワーシリンダ装置の作動室に伝達する油圧変換器を設けたので，圧力導管及び作動室では作動気体のような弾性圧縮は起こらず，圧力伝達効率の向上を図ることができる。
【００５３】
さらに本発明の第３の特徴によれば，前記アクチュエータを制御するための電子制御ユニット及び蓄電池に，第２のスターリングエンジンによって駆動される発電手段を接続したので，第２スターリングエンジンの運転により作動する発電手段によって蓄電池に常に充分な充電を自動的に行い，電子制御ユニット及びアクチュエータを常に的確に作動することができ，パワーシリンダ装置の一層の長時間運転を可能にする。
【００５４】
さらにまた本発明の第４の特徴によれば，前記ディスプレッサ装置及びアクチュエータを，使用者が装着するベルトに取り付けたので，使用者は，身体へのベルトの着脱により，ディスプレッサ装置の着脱を容易，迅速に簡単に行うことができる。
【００５５】
さらにまた本発明の第５の特徴によれば，前記第１及び第２義足体を，義足を構成する大腿部及び下腿部とし，その下腿部の下端に結合される足部の中空部にディスプレッサ装置を収容したので，義足の足部内のデッドスペースをディスプレッサ装置の設置に有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る義肢の駆動装置を装着した使用者の正面図。
【図２】 同使用者の背面図。
【図３】 上記義肢の駆動装置の要部を縦断した全体図。
【図４】 本発明の第２実施例を示す概要図。
【図５】 本発明の第３実施例を示す概要図。
【図６】 本発明の第４実施例を示す概要図。
【符号の説明】
Ａ・・・・・・義肢の駆動装置
Ｂ・・・・・・ベルト
Ｅ・・・・・・スターリングエンジン
Ｅ′・・・・・第２のスターリングエンジン
１・・・・・・義足
２・・・・・・第１義肢体（大腿部）
３・・・・・・関節
４・・・・・・第２義肢体（下腿部）
５・・・・・・足部
５ａ・・・・・中空部
６・・・・・・ディスプレッサ装置
８・・・・・・パワーシリンダ装置
１０・・・・・ディスプレッサシリンダ
１１・・・・・膨張室
１２・・・・・圧縮室
１３・・・・・ディスプレッサピストン
１４・・・・・燃焼器
２０・・・・・アクチュエータ
２２・・・・・圧力導管
３７・・・・・電子制御ユニット
３８・・・・・燃料供給手段（燃料カートリッジ）
３９・・・・・蓄電池
４９・・・・・作動室
５３・・・・・油圧変換器
７３・・・・・発電手段（発電コイル）
Claims (5)
- 関節（３）を介して相互に連結した第１及び第２義肢体（２，４）を相互に屈伸駆動する，義肢の駆動装置であって，
前記両義肢体（２，４）以外の任意箇所に取り付けられるディスプレッサ装置（６）と，前記両義肢体（２，４）間にそれらを相互に屈伸させるべく取り付けられるパワーシリンダ装置（８）とでスターリングエンジン（Ｅ）を構成し，ディスプレッサ装置（６）の圧縮室（１２）とパワーシリンダ装置（８）の作動室（４９）との間を可撓性の圧力導管（２２）を介して接続し，前記ディスプレッサ装置（６）のディスプレッサシリンダ（１０）頭部に，その内部の膨張室（１１）を加熱する燃焼器（１４）を設けると共に，この燃焼器（１４）に燃料供給手段（３８）を接続し，ディスプレッサ装置（６）のディスプレッサピストン（１３）には，これを任意に駆動し得るアクチュエータ（２０）を連結したことを特徴とする，義肢の駆動装置。 - 請求項１記載の義肢の駆動装置において，
前記圧縮室（１２）と圧力導管（２２）との間に，圧縮室（１２）の圧力を油圧に変換して前記パワーシリンダ装置（８）の作動室（４９）に伝達する油圧変換器（５３）を設けたことを特徴とする，義肢の駆動装置。 - 請求項１記載の義肢の駆動装置において，
前記アクチュエータ（２０）を制御するための電子制御ユニット（３７）及び蓄電池（３９）に，第２のスターリングエンジン（Ｅ′）によって駆動される発電手段（７３）を接続したことを特徴とする，義肢の駆動装置。 - 請求項１〜３の何れかに記載の義肢の駆動装置において，
前記ディスプレッサ装置（６）及びアクチュエータ（２０）を，使用者が装着するベルト（Ｂ）に取り付けたことを特徴とする，義肢の駆動装置。 - 請求項１〜３の何れかに記載の義肢の駆動装置において，
前記第１及び第２義肢体を，義足（１）を構成する大腿部（２）及び下腿部（４）とし，その下腿部（４）の下端に結合される足部（５）の中空部（５ａ）にディスプレッサ装置（６）を収容したことを特徴とする，義肢の駆動装置。
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