JP2002058689A - 義肢の膝関節構造 - Google Patents
義肢の膝関節構造Info
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Abstract
つ、つま先離れがスムーズで歩容も良い義肢の膝関節構
造を提供する。 【解決手段】 5節リンク機構を有する膝関節構造であ
って、義肢の腿支持部10が固定される上部リンク1
と、義肢の足部11が連結される下部リンク4と、上部
リンク1と下部リンク4とを連結する後部リンク5と、
上部リンク1の前方に連結される主前部リンク2と、主
前部リンク2と下部リンク4とを連結する副前部リンク
3との5節からなるリンクを有し、副前部リンク3と下
部リンク4とのなす角度を広げるように作用する弾性体
8を備える。
Description
する。
る。単軸のものは構造は簡単であるが、踵が地面に触れ
踵荷重が義肢に掛かった瞬間に膝折れしないようにする
ため、単軸を脚の後方に設定しなければならず、義肢の
動作が不自然になる。このため、膝関節構造として、4
節リンク機構を採用したものが多く用いられている。4
節リンク機構では、遊脚相の時の仮想中心軸をリンク機
構の上方に設定できるため制御性に優れる。図を参照し
説明する。
節のダイヤグラム図である。膝関節は4本のリンク10
1,102,103,104からなるリンク機構で構成
される。上部リンク101は義肢の腿支持部110に固
定される。下部リンク103は義肢の足部111に連結
される。上部リンク101には、上部リンク101と前
部リンク102とのなす角度が所定角度以上に広がらな
いように阻止するストッパー105が設けられている。
ストッパー105は膝の伸展止めである。遊脚相の時に
は、前部リンク102の延長線と後部リンク104の延
長線の交点が仮想回転中心軸P101である。図1の例
では、仮想回転中心軸P101の初期位置はリンク機構
のはるか高くかつ後方に位置するようにリンク機構が構
成されている。
間すなわち足部111が地面GLに接触した瞬間の、踵
着地時の荷重の作用線F101,F102は仮想回転中
心軸P101の前方に延び後方に来ることが無いので踵
着地時に膝折れすることが無く安定である。作用線F1
01は義肢を装着する断端者の股関節の伸筋が強い場合
を示し、作用線F102は股関節の伸筋が弱い場合を示
している。次に歩行が進み、つま先が地面GLから離れ
るつま先離れ時の荷重の作用線をF103,F104に
示す。作用線F103は断端者の股関節の屈筋が強い場
合を示し、作用線F104は股関節の屈筋が弱い場合を
示している。屈筋が強い場合の作用線F103は仮想回
転中心軸P101の後方を通るので、つま先離れの際に
膝折れが生じスムーズな歩行ができる。しかし、屈筋が
弱い場合には作用線F104が仮想回転中心軸P101
の前方を通るので膝折れができず、スムーズなつま先離
れができない。
P102が比較的前方に位置するように構成した4節リ
ンク機構では、つま先離れの際に、屈筋が強い場合の作
用線F103も屈筋が弱い場合の作用線F104も共に
仮想回転中心軸P102の後方を通過するので膝折れが
生じスムーズなつま先離れをすることができる。しかし
ながら、踵が着地する際には、伸筋が強い場合には作用
線F101が仮想回転中心軸P102の十分前方を通る
ので膝折れの心配は無いものの、伸筋が弱い場合には作
用線F102が仮想回転中心軸P102の近傍を通るの
で場合によっては膝折れを生じ、歩行が不安定になるこ
とがある。
ク機構による膝関節では踵の着地時の膝折れ防止と、つ
ま先離れ時のスムーズな膝折れとが二律背反事項とな
る。このため、極端に描いた図1と図2の間の中庸的な
リンク機構を、義肢を装着する断端者の筋力に応じて設
計したり、あるいは、断端者が、提供された義肢のリン
ク機構の特性に応じた踵の着地時の伸筋の使い方や、つ
ま先離れ時の屈筋の使い方を訓練して収得する必要があ
った。
て、米国特許USP5,181,931には4節リンク
の一つのリンクの長さを荷重により収縮させるようにし
たものが提案されている。しかし、この装置ではリンク
の長さを収縮伸長させるための摺動部が必要になり、可
動部が節となる軸だけの純粋のリンク機構に比べて機構
が複雑になりコストや耐久性で問題があった。
ンク機構を用いて、踵を着地するときの安定性に優れ、
踵着地時の衝撃を吸収でき、つま先離れ時にスムーズに
膝折れし、歩行時の歩容が良く、幅広い筋力の断端者が
特別の訓練を要することなく使用できる義肢の膝関節構
造を提供することを目的とする。
め、本発明は、図3を参照し、5節リンク機構を有する
義肢の膝関節構造であって、義肢の腿支持部10が固定
される上部リンク1と、義肢の足部11が連結される下
部リンク4と、上部リンク1と下部リンク4とを連結す
る後部リンク5と、上部リンク1の前方に連結される主
前部リンク2と、主前部リンク2と下部リンク4とを連
結する副前部リンク3との5節からなるリンクを有し、
前記上部リンク1と主前部リンク2のなす角度が所定角
度以上に広がらないように阻止する第1のストッパー6
と、前記副前部リンク3と下部リンク4のなす角度が所
定角度以上に広がらないように阻止する第2のストッパ
ー7と、前記副前部リンク3と下部リンク4との間に挟
挿され両リンク3,4のなす角度を広げるように作用す
る弾性体8と、を備え、前記主前部リンク2の延長線と
後部リンク5の延長線との交点(第1の交点P10)が
各リンクの上方に位置し、前記副前部リンク3の延長線
と後部リンク5の延長線との交点(第2の交点P20)
が各リンクの下方に位置するように各リンク1〜5の長
さが設定されていることを特徴とする。ここで、弾性体
8としては、ゴムであってもバネであってもよく、両リ
ンク3,4のなす角度を広げるような作用をするための
手段のすべてをいう。また、符号21〜25で示すのは
各リンク1〜5を回転自在に連結する軸である。
は、副前部リンク3と下部リンク4とが弾性体8により
押し広げられ第2のストッパー7に押し当てられた状態
となり、副前部リンク3と下部リンク4とは一体として
動作する。このため、リンク機構はあたかも4節リンク
の如き動作をする。膝は第1の交点P10を仮想回転中
心軸として揺動自在である。膝の伸展位置は第1のスト
ッパー6により規制される。膝を曲げていくと仮想回転
中心軸は第1の交点P10から一点鎖線に沿って移動す
る。膝を折り曲げて正座のように膝関節を曲げるとき
は、リンク機構は二点鎖線で示すように変形し、仮想回
転中心軸は一点鎖線に沿って移動し、交点P11に至
る。ここまでの動作は従来の4節リンクの膝関節構造と
同じである。
移り足部11の踵が地面GLに着地した瞬間の作動につ
いて説明する。踵が地面GLに着地し体重が掛かると、
その荷重の作用線は義肢を装着する断端者の股関節の伸
筋の強弱に応じて、作用線F1または作用線F2のよう
になる。ここで作用線F1,F2は何れも第2の交点P
20の後方を通る。このため、弾性体8の弾性力に抗し
て副前部リンク3と下部リンク4のなす角度を小さくす
るような力が下部リンク4に掛かり、弾性体8が押圧圧
縮されて副前部リンク3と下部リンク4のなす角度が小
さくなり副前部リンク3が第2のストッパー7から離れ
る。この結果、軸22と軸24との間隔が小さくなり主
前部リンク2と後部リンク5のなす角度が図3に示す遊
脚相の場合に比べて小さくなる。このため、主前部リン
ク2の延長線と後部リンク5の延長線との交点である膝
関節の仮想回転中心軸は、図3に示す交点P10から図
4に示す交点P12に移動する。
ク機構のはるか上方かつ後方の交点P12に移動するた
め、断端者の股関節の伸筋が強い場合も弱い場合もその
作用線F1,F2は仮想回転中心軸である交点P12の
はるか前方を通るから、踵の着地時に膝折れすることが
ない。すなわち、筋力の強い断端者も弱い断端者も遊脚
相から立脚相に移る踵着地の際に膝折れのない安定した
着地をすることができる。さらに、踵着地の際に弾性体
8が押圧圧縮されるからクッションの作用をし、踵着地
時に断端者に与える衝撃を緩和することができる。さら
に加えて、踵着地時に膝が軸23を中心に僅かに曲がる
ことになるから、健常者の踵着地時と似た動きとなり、
歩容が向上する。
と、体重の荷重による作用線は足部11の踵からつま先
に向けて移動する。図5はそのような途中におけるリン
ク機構の作用を説明するダイヤグラム図である。荷重に
よる作用線F3は、始点が足部11の中央付近まで進
み、第2の交点P20の後方の近傍を通過して上方に伸
びている。作用線F3が第2の交点P20の近傍を通過
しているため、作用線F3に沿った力の分力のうち弾性
体8を押圧圧縮する力成分が減少する。このため、弾性
体8がやや伸び、副前部リンク3と下部リンク4との角
度がやや広がった状態になる。しかし、第2のストッパ
ー7が副前部リンク3に当接するには至らない。このた
め、軸22と軸24との間隔がやや広がり、主前部リン
ク2の延長線と後部リンク5の延長線との交点P13に
膝関節の仮想回転中心軸が移動する。すなわち、踵着地
により図3に示す交点P10の位置から図4に示す交点
P12に移動した仮想回転中心軸は、歩行の進行に従っ
て徐々に再び交点P10の位置に向かって戻ってくるこ
とになる。
2の交点P20の前方に出るようになると、作用線F3
に沿った力の分力のうち弾性体8を押圧圧縮する力成分
が無くなる。このため、弾性体8が伸長し、副前部リン
ク3と下部リンク4との角度がいっぱい広がって第2の
ストッパー7が副前部リンク3に当接し両リンク3,4
の角度が広がるのを阻止するようになる。荷重の作用線
F3が第2の交点P20の前方に出るようになると、作
用線F3に沿った力の分力は両リンク3,4を開くよう
に作用する。従って、第2の交点P20は、足部11か
らの荷重が踵からの荷重か、つま先からの荷重かを識別
するところの「鍵となる仮想中心軸」と考えることがで
きる。荷重の作用線F3が「鍵となる仮想中心軸」であ
る第2の交点P20より後方にあるときは、荷重は踵荷
重であると識別され弾性体8が圧縮され膝関節の仮想回
転中心軸はリンクからはるかに上方かつ後方にある交点
P12の近くに位置する。一方、荷重の作用線F3が
「鍵となる仮想中心軸」である第2の交点P20より前
方にあるときは、荷重はつま先荷重であると識別され第
2のストッパー7が働いた状態となり、膝関節の仮想回
転中心軸はリンクから近い第1の交点P10となる。
用を説明するダイヤグラム図である。義肢を装着する断
端者の股関節の屈筋が強い場合の荷重の作用線F5も、
屈筋が弱い場合の荷重の作用線F6も、共に、「鍵とな
る仮想中心軸」である第2の交点P20より前方にあ
る。このため、荷重はつま先荷重であると識別され、副
前部リンク3と下部リンク4との角度が開いて第2のス
トッパー7が働いた状態となり、膝関節の仮想回転中心
軸はリンクから近い第1の交点P10となる。そして、
いずれの作用線F5,F6も仮想回転中心軸である第1
の交点P10より後方を通っているので、第1の交点P
10を中心として膝折れを開始し、スムーズなつま先離
れが生ずる。
1〜5の長さを適切に設計することにより、踵荷重時の
膝関節の仮想回転中心軸すなわち交点P12を十分に高
くかつ後方の位置に設定することができるので、義肢を
装着する断端者の筋力の強弱にかかわらず膝折れしない
安定した踵の着地ができ、遊脚相から立脚相への移行が
安定して行える。また、つま先荷重時の膝関節の仮想回
転中心軸すなわち第1の交点P10をリンク機構の近く
に設定することができるので、つま先荷重時の荷重の作
用線F5,F6が第1の交点P10の後方を通るように
することができ、筋力の強弱にかかわらず、つま先荷重
時の膝折れをスムーズに行うことができ、立脚相から遊
脚相への移行が滑らかになる。しかも、踵荷重とつま先
荷重との識別を行う鍵となる軸をリンク機構の下に位置
する仮想中心軸である第2の交点P20としているの
で、第2の交点P20の位置を適切に設定することによ
り、筋力の強弱にかかわらず踵荷重とつま先荷重との識
別を的確に行うことができる。このため、一つの膝関節
構造を幅広い筋力の断端者が特別の訓練を要することな
く使用できる。
が簡単な純粋のリンク機構を用いているのでコストが安
く耐久性がある、(2)踵を着地するときの安定性に優
れている、(3)踵着地時の衝撃が弾性体で吸収され断
端者への衝撃が小さくなり使いやすい、(4)つま先離
れ時にスムーズに膝折れし立脚相から遊脚相への移行が
スムーズである、(5)歩行時の歩容が良い、(6)幅
広い筋力の断端者が特別の訓練を要することなく使用で
きる、といった効果を奏する。
図、図8は側面図である。これらの図面では後述する上
部リンク1と下部リンク4とを連結するダンパー31は
省略して図示していない。図7はやや後方から見た図で
ある。略円板形状をしたブロック状部材からなる上部リ
ンク1の左右には、略S字形状に湾曲した2枚の板状部
材からなる主前部リンク2,2が軸21により回転自在
に連結されている。主前部リンク2,2の下方には一枚
の板状ブロックからなる副前部リンク3が配設され、軸
22により主前部リンク2,2と副前部リンク3が回転
自在に連結されている。副前部リンク3は軸23により
略円板ブロック形状をした下部リンク4に連結されてい
る。下部リンク4と上部リンク1との後方は、略く字形
状に湾曲した2枚の板状部材からなる後部リンク5,5
により連結されている。すなわち、後部リンク5,5の
下部は軸24により下部リンク4に連結される。後部リ
ンク5,5の上部は上部リンク1の後方に延出するアー
ム部1B,1Bに軸25,25により連結される。そし
て、図8に示すように、軸21,22,23,24,2
5により5節のリンク機構を構成している。副前部リン
ク3と下部リンク4との間には円柱状のゴムからなる弾
性体8が挟挿され、副前部リンク3と下部リンク4との
なす角度が開くように付勢している。
後ろから見た斜視図であり、一部を破断し、右側の主前
部リンク2および右側の後部リンク5を省略して描いて
いる。これらの図ではダンパー31が付け加えられてい
る。ダンパー31は上部リンク1と下部リンク4との間
に連結され、膝を折った時の動作がダンパーピストン3
2の働きにより異常に速くならないように抑制する作用
をする。図9は遊脚相である図3の状態にある膝関節構
造を示している。この状態では円柱状ゴムの弾性体8は
伸長しており、副前部リンク3の下辺の一辺と下部リン
ク4の上辺の一辺が当接しこれ以上副前部リンク3と下
部リンク4のなす角度が広がらないようになっている。
副前部リンク3の下辺の一辺と下部リンク4の上辺の一
辺は第2のストッパー7を構成している。図10は踵着
地時である図4の状態にある膝関節構造を示している。
この状態では円柱状ゴムの弾性体8は押し潰されてお
り、副前部リンク3と下部リンク4のなす角度は若干狭
まり、副前部リンク3の下辺の一辺と下部リンク4の上
辺の一辺は開いて第2のストッパー7は作用していない
状態にある。
支持部10および足部11(ここでは図示しない)を取
り付けた状態を示す側面図であり、一部を破断し、左側
の主前部リンク2および左側の後部リンク5を省略して
描いている。上部リンク1には腿支持部10が固定され
ている。下部リンク4にはすねの骨格に該当するパイプ
15が固定されている。パイプ15の先端には図示しな
い足部11が連結される。図11は遊脚相である図3の
状態にある膝関節構造を示している。この状態では円柱
状ゴムの弾性体8は伸長しており、一点鎖線で示す主前
部リンク2と後部リンク5の延長線の交点はリンク機構
の比較的近くに位置する。図12は踵着地時である図4
の状態にある膝関節構造を示している。この状態では円
柱状ゴムの弾性体8は押し潰されており、一点鎖線で示
す主前部リンク2と後部リンク5の延長線の交点はリン
ク機構のはるか後方かつ高い位置に位置する。
関節構造の様子を示す側面図であり、一部を破断し、一
部を省略して描いている。図13は踵が着地した状態で
の膝関節構造を示す。図14は遊脚相で膝が伸展した状
態での膝関節構造を示す。図15は遊脚相で膝が約60
°折れ曲がった状態を示す。図16は遊脚相で膝が約9
0°折れ曲がった状態を示す。図17は遊脚相で膝が約
160°折れ曲がった正座に近い状態を示す。このよう
に膝を折り曲げる際には、軸21,22を結ぶ直線と軸
24,25を結ぶ直線との交点で決まる仮想回転中心軸
をリンク機構の近くあるいは内部に持ってきて小さく折
り畳むことができる。
阻止する第1のストッパー6と、副前部リンク3の前方
への伸展を阻止する第2のストッパー7との構造を説明
する膝関節構造の側面図である。第1のストッパー6
は、上部リンク1の凸部の面1Aと主前部リンク2上方
の破線で示す面2Aとにより構成される。主前部リンク
2が軸21を回転中心として図面右回転方向つまり膝を
伸展させる方向に回転しようとすると、主前部リンク2
の面2Aが上部リンク1の面1Aに当接し阻止される。
上部リンク1と主前部リンク2のなす角度が所定角度以
上に広がらないように阻止する第1のストッパー6であ
る。第2のストッパー7は、副前部リンク3の下辺の面
3Aと下部リンク4の上辺の面4Aとにより構成され
る。副前部リンク3が軸23を回転中心として図面左回
転方向つまり副前部リンク3を前方に伸展させる方向に
回転しようとすると、副前部リンク3の面3Aが下部リ
ンク4の面4Aに当接し阻止される。副前部リンク3と
下部リンク4のなす角度が所定角度以上に広がらないよ
うに阻止する第2のストッパー7である。
のダイヤグラム図である。
関節のダイヤグラム図である。
のダイヤグラム図であり、遊脚相の場合を示す。
関節のダイヤグラム図である。
膝関節のダイヤグラム図である。
膝関節のダイヤグラム図である。
斜視図である。
る。
造の側面図である。
節構造の側面図である。
る。
造の側面図である。
ける膝関節構造の側面図である。
ける膝関節構造の側面図である。
おける膝関節構造の側面図である。
を説明する膝関節構造の側面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 5節リンク機構を有する義肢の膝関節構
造であって、 義肢の腿支持部が固定される上部リンクと、義肢の足部
が連結される下部リンクと、上部リンクと下部リンクと
を連結する後部リンクと、上部リンクの前方に連結され
る主前部リンクと、主前部リンクと下部リンクとを連結
する副前部リンクとの5節からなるリンクを有し、 前記上部リンクと主前部リンクのなす角度が所定角度以
上に広がらないように阻止する第1のストッパーと、 前記副前部リンクと下部リンクのなす角度が所定角度以
上に広がらないように阻止する第2のストッパーと、 前記副前部リンクと下部リンクとの間に挟挿され両リン
クのなす角度を広げるように作用する弾性体と、を備
え、 前記主前部リンクの延長線と後部リンクの延長線との交
点が各リンクの上方に位置し、前記副前部リンクの延長
線と後部リンクの延長線との交点が各リンクの下方に位
置するように各リンクの長さが設定されていることを特
徴とする義肢の膝関節構造。
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