JP2007097770A - 旋回伸縮リンク機構と同旋回伸縮リンク機構を用いた股義足及び大腿義足 - Google Patents

Abstract

【課題】補償動作を伴う義足の問題点を解決するのに適した平面リンク機構であるのと同時に、義足以外にも応用可能な旋回伸縮リンク機構と、同旋回伸縮リンク機構を用いた股義足及び大腿義足とを提供する。
【解決手段】一対の支持リンク２・３を固定リンク９に第一のピンａにより交差した状態で結合し、一対の同一長さの支持リンク２・３間に、同一長さの四本のリンク４・５・６・７をピンｂ・ｃ・ｄ・ｅで結合し閉環状にした平行四節リンク８を配置して、その対角線上の一組の第二・第三のピンｃ・ｅにそれぞれ一対の支持リンク２・３の一方を回転自在に連結する。そして、固定リンク９に連結リンク１０を第四のピンｆによって結合し、この連結リンク１０を平行四節リンク８のもう一方の対角線上に位置する一組の第五・第六のピンｂ・ｄのうち、第一のピンａに近い方に位置する第五のピンｂに回転自在に連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、四本のリンクがピン結合され閉環状になっている四節リンクを用いて構成した平面リンク機構に関連し、旋回しつつ伸縮する旋回伸縮リンク機構と、同旋回伸縮リンク機構を用いた股義足及び大腿義足に関するものである。

従来、数多くのリンク機構が考え出され様々な機械、器具、装置等に応用されている。例えば、数本のリンクが低次対偶で連結されていて構造が比較的簡単なものに股義足がある。この股義足の代表的なものに、図８に示すようなカナダ式股義足と呼ばれているものがある。この股義足は、ソケット１０１と呼ばれる使用者の骨盤を包み込むように装着する装具に下肢部１０４が取り付けられたものである。下肢部１０４は大腿部１０２，下腿部１０３，足部１０５を膝継手や足継手で連結したもので、矢状面において通常の股関節軸Ａから前下方斜め４５°の方向に位置するソケット１０１の外面に、継手軸Ｂによって大腿部１０２の上端が結合され取り付けられている。

このような股義足１００は、ソケット１０１内において使用者の断端（切断された部位）のピストン運動が小さく義足歩行に必要な力の伝達効率が良好で、また、股，膝，足の継手が全遊動となっているために、歩行の各時期において安定しており、歩容が正常歩行に近いのが特徴である（例えば、特許文献１参照）。
特公昭６３−４４３７１公報（第１〜３頁、第５〜７図）

しかしながら、股義足１００を装着し膝を上げる動作をした場合、継手軸Ｂが通常の股関節軸Ａよりも斜め下方にずれた位置にあるため、膝に相当する大腿部１０２の先端部の軌跡は二点鎖線で示すようになり、健足の大腿を旋回させたときの軌跡（一点鎖線）よりも外側を通過する。つまり、大腿部１０２の長さ（大腿長）は健足長に比べ長くなる。

これにより、股義足１００を装着して歩行した場合、遊脚相（つま先で床面を蹴り出してから、前方に振り出された足の踵が床面に着地するまで時間帯）において伸展していた下肢部１０４が股継手部分で屈曲すると、大腿長が伸長して下肢部１０４の義足長が長くなるため、足部１０５が段差などの障害物に接触し易くなる。

したがって、足部１０５と地面との間のフットクリアランスを確保しようとすると、健足側を大きな底屈角で蹴り出す代償動作が必要となり、このような代償動作が、上体が上下に大きく揺れる等の正常歩行とは異なる、股義足歩行特有の現象を生じさせる一因となっている。

そこで本発明は、このような義足の問題点を解決するのに適した平面リンク機構であるのと同時に、義足以外にも応用可能な旋回伸縮リンク機構と、同旋回伸縮リンク機構を用いた股義足及び大腿義足とを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため請求項１記載の旋回伸縮リンク機構は、一対の支持リンクを、固定リンクに第一のピンにより交差した状態で結合し、前記一対の支持リンク間に、四本のリンクをピン結合し閉環状にした四節リンクを配置して、その対角線上に位置する一組の第二・第三のピンにそれぞれ、前記一対の支持リンクの一方を回転自在に連結する。
そして、前記固定リンクに連結リンクを第四のピンによって結合し、同連結リンクを前記四節リンクのもう一方の対角線上に位置する一組の第五・第六のピンのうち、前記第一のピンに近い方に位置する第五のピンに回転自在に連結することを特徴としている。

請求項１記載の旋回伸縮リンク機構によれば、前記固定リンクを固定し、前記一対の支持リンク及び前記四節リンクを前記第一のピンを中心に旋回させると、前記連結リンクが前記第四のピンを中心にして旋回し、前記第一のピンと前記第五のピンとの距離が変化する。すると、前記四節リンクは前記第二・第三のピンが前記一対の支持リンクで支持された状態になっているため、旋回半径方向に伸縮しながら旋回運動をするようになる。

つまり、前記連結リンクが旋回して前記固定リンクと前記連結リンクとで挟まれた角度が小さくなれば、前記第一のピンと前記第五のピンとが近づき、前記四節リンクは旋回半径方向に長い菱型形状に変形し、逆に角度が大きくなると前記第一のピンと前記第五のピンとの距離が遠くなり、前記四節リンクは旋回方向に長い菱型形状に変形する。したがって、前記第一のピンから第六のピンまでの距離を旋回半径とすれば、この旋回半径を変えながら旋回する動作が可能になる。

なお、前記固定リンクと前記連結リンクとの長さを同じにすると前記第六のピンは、前記第一のピンを中心とする円の接線上を移動するようになり、前記固定リンクの長さを前記連結リンクよりも短くすると前記第六のピンの軌跡は、旋回半径方向の外方に反った円弧状になり、前記連結リンクよりも長くすると、旋回半径方向の内方に反った円弧状になる。

また、前記四節リンクの前記第五のピンの両隣にある前記リンクを同一長さにするとともに、前記第六のピンの両隣にある前記リンクを同一長さにし、前記第六のピン側にある前記リンクの長さを前記第五のピン側にある前記リンクよりも長くすれば、四本の前記リンクの長さを同一にする場合に比べ、前記第一のピンと前記第六のピンとの距離の変化を小さくすることができる。一方、前記第六のピン側にある前記リンクの長さを前記第五のピン側にある前記リンクよりも短くすれば、前記第一のピンと前記第六のピンとの距離を大きく変化させることができる。

請求項２記載の旋回伸縮リンク機構は、前記四本のリンクの長さを同一にするとともに、前記一対の支持リンクの長さを同一にすることを特徴としている。こうすると、バランスが良くなり動作が滑らかになる。

請求項３記載の旋回伸縮リンク機構は、第六のピンにスライダを連結し、このスライダを、第四のピンに回転自在に連結したガイドリンクに、スライド可能に取り付けることを特徴としている。

請求項３記載の旋回伸縮リンク機構によれば、前記第六のピンが前記ガイドリンクに沿って移動する前記スライダに支持された状態になるため、前記四節リンクの変形動作を安定させることができる。

請求項４記載の股義足は、請求項１〜３のいずれかに記載の旋回伸縮リンク機構を、大腿部の少なくとも鼠径部に相当する部分に用い、前記旋回伸縮リンク機構をソケットの前面に、前記第一のピンによって上下方向に旋回可能に結合し、固定リンクを前記ソケットに、前方斜め下方を向いた状態で固定するか、及び／又は、前記旋回伸縮リンク機構を、下腿部の少なくとも膝関節に相当する部分に用い、前記旋回伸縮リンク機構を前記大腿部の下端に、前記第一のピンによって後方に旋回可能に結合し、前記固定リンクを前記大腿部に、後方斜め下方を向いた状態で固定することを特徴としている。請求項４記載の股義足によれば、前記旋回伸縮リンク機構を用いることにより、旋回途中に前記大腿部及び／又は前記下腿部を縮めて義足長を短くすることができるので動作がコンパクトになり、義足長が変化しない従来の義足に比べて足部をより高く上げて動けるようになる。

請求項５記載の大腿義足は、請求項１〜３のいずれかに記載の旋回伸縮リンク機構を、下腿部の少なくとも膝関節に相当する部分に用い、前記旋回伸縮リンク機構を大腿部の下端に、前記第一のピンによって後方に旋回可能に結合し、前記固定リンクを前記大腿部に、後方斜め下方を向いた状態で固定することを特徴としている。
請求項５記載の大腿義足によれば、前記旋回伸縮リンク機構を用いることによって旋回途中に下腿長を短くして義足長を縮めることができるので、義足長が一定の従来の義足に比べて足部をより高く上げて動作することができる。

上述のような手段をもって為される本発明の旋回伸縮リンク機構は、旋回運動に伴って旋回半径を変化させることができるため、旋回半径を途中で小さくしてコンパクに動かしたい部分や、旋回半径よりも曲率半径の大きい動作をさせたい部分等に応用することができる。

この旋回伸縮リンク機構を股義足や大腿義足に応用することにより遊脚相において、足部をより地面から離した状態で前方へ運ぶことができ、健足と同じようなスムーズな歩行が可能になる。

また、四本のリンクの長さを同一にし、且つ、一対の支持リンクの長さを同一にすることでリンク機構のバランスが良くなり、応用した部分の動作を円滑にすることができる。さらに、四節リンクの第六のピンを、第五のピンに連結されているスライダリンクに沿って運動するスライダに連結すれば、四節リンクの動きが安定するので、応用した部分の動作を安定させることができる。

以下に、本発明にかかる旋回伸縮リンク機構の実施形態について、図面１〜７を参照しつつ説明する。

図１に示すように旋回伸縮リンク機構１（以下、単にリンク機構１ともいう）は、一本の固定リンク９の一端部に、同一長さの一対の支持リンク２・３が一本のピンａにより、一端部を交差させた状態で結合されている。そして、これらの支持リンク２・３の間に、同一長さの四本のリンク４・５・６・７をピンｂ・ｃ・ｄ・ｅで結合し閉環状にした平行四節リンク８（以下、単に四節リンク８とも示す）が配置されており、四節リンク８の対角線上に位置する一組のピンｃ・ｅ（第二・第三ピン）に、一方の支持リンク２・３の他端部がそれぞれ、回転自在に連結されている。

また、固定リンク９の他端部には、固定リンク９よりも長い連結リンク１０の一端部がピンｆ（第四のピン）によって結合されており、この連結リンク１０の他端部は、四節リンク８のもう一方の対角線上に位置する一組のピンｂ・ｄ（第五・第六のピン）のうち、ピンａに近いピン、つまり、図で示すところのピンｂに回転自在に連結されている。

次に、このリンク機構１の作用について説明する。

リンク機構１は便宜上、四節リンク８が固定リンク９の下になるように縦向きに配置し、固定リンク９を鉛直方向に向けた状態で固定したものとする。この状態で一対の支持リンク２・３と四節リンク８とをピンａを中心にして左右に旋回させると、連結リンク１０
もピンｆを中心に左右に旋回する。

連結リンク１０の鉛直方向からの旋回角度が大きくなるにつれ、つまり、連結リンク１０と固定リンク９とで挟まれた角度が小さくなるにつれてピンｂはピンａに近くなり、四節リンク８のピンｂとピンｄとの間隔が広がる反面、ピンｃとピンｅとの間隔が狭くなるため、四節リンク８は旋回半径方向に長い菱型形状に変形する（図１（ｂ）,（ｃ）参照）。

一方、連結リンク１０と固定リンク９とで挟まれた角度が大きくなるにつれてピンｂはピンａから遠ざかり、四節リンク８のピンｂとピンｄとの間隔が狭くなる反面、ピンｃとピンｅとの間隔が広くなるため、四節リンク８は旋回方向に長い菱型形状に変形する（図１（ａ）参照）。

したがってリンク機構１は、連結リンク１０の鉛直方向からの旋回角度が大きくなるほど、四節リンク８のピンａ・ピンｄ間の距離が長くなり、その角度が小さくななるほど、ピンａ・ピンｂ間の距離が短くなるような動作をする。つまり、リンク機構１のピンｄの軌跡は、連結リンク１０の旋回角度が最大になったときのピンａ・ピンｄ間の長さを半径とした円弧よりも、ややピンａ寄りの位置を通る軌跡になる。

次に、このリンク機構１を応用した義足１１について図２を参照しつつ説明する。この義足１１は、使用者の骨盤を包み込むように装着するソケットを備えた股義足で、このソケット１２に義足の下肢部１３が取り付けられている。

リンク機構１は大腿部１４に用いられており、ピンａをソケット１２の前面下部に、矢状面において通常の股関節軸Ａから前下方斜め４５°の方向に位置するように取り付け、且つ、固定リンク９をソケット１２に、股関節軸Ａとピンａとを通る直線と同一の方向に向けた状態で固定している。このようにしてソケット１２に取り付けられたリンク機構１は、ピンａを中心に上下方向に旋回可能になっている。

そして、四節リンク８のピンｄには、筒型のスライダ１５の一端部が回転可能に連結されている。このスライダ１５はピンｄ側の端から、一端部を四節リンク８のピンｂに回転自在に連結したガイドリンク１６が挿通され、このガイドリンク１６に沿ってスライドするようになっている。

スライダ１５の他端部には、下腿部１７の延長部品の一端部がピンｇによって結合され後方に旋回可能になっており、下腿部１７の延長部品の他端部には、足部１８が連結軸ｈによって前後方向に回転可能に結合されている。

次に、このリンク機構１を応用した義足１１の作用について説明する。
義足１１を装着して静止立位の姿勢をとると、四節リンク８が旋回半径方向に長い菱型形状になり、リンク機構１のピンａ・ピンｄ間が伸びた状態、つまり、大腿部１４が伸びた状態になっている。

そして、膝を上げる動作、即ち、ピンａを中心に大腿部１４を旋回させる動作をすると、膝に相当するピンｇを引き上げるにしたがい四節リンク８は、旋回方向に長い菱型形状に変形し、鉛直方向からの旋回角度が４５°のときにリンク機構１のピンａ・ピンｄ間が最も縮んだ状態、つまり、大腿部１４の長さ（大腿長）が最も短い状態になっている。

それからさらにピンｇを引き上げると、四節リンク８は旋回半径方向に長い菱型形状へ
と変化し、正常股関節屈曲９０°と同位置で大腿部１４の長さが静止立位での長さと同一になる。

このときのピンｇの軌跡は、大腿長が静止立位での長さで変化しない股義足の軌跡（二点鎖線）に比べピンａ寄りを通過する軌跡（一点鎖線）となり、二点鎖線の動きをする場合（細線で表している）に比べて足部１８を地面からより離した動作をすることができる。

これと同様に図３に示すように、歩行時の遊脚中期から踵接地期において、大腿長が一定の義足に比べ足部１８をより地面から離した状態で前方へ運ぶことができ、地面の段差や障害物等に接触しにくくスムーズな足運びが可能になる。なお図３において、義足１１のピンｇの軌跡を一点鎖線で示すとともに、足部１８の位置を破線で示し、大腿長が一定の義足のピンｇの軌跡を二点鎖線で示すとともに、足部の位置を細線で示している。

この義足１１は静止立位時の大腿長と正常股関節屈曲９０°と同位置での大腿長とを同一にしているので、座位時において膝に相当するピンｇの位置が健足に比べて前方に突出したり、後にひっこんだりすることがなく座位での見栄えが良い。また、大腿部１４は９０°以上に旋回可能になっており、座位から立ち上がる動作（上体を前に倒して下肢部１３をピンｇでより大きく屈曲させる動作）がし易くなっている。

また、支持リンク２・３の長さが同一で、且つ、四節リンク８の四本のリンク４・５・６・７の長さが同一であるため、リンク機構１のバランスが良く、下肢部１３を滑らかに動かすことができ、さらに、スライダ１５を設けているので動作が安定している。

また、リンク機構１を下腿部１７に用いることもできる。図４に示す例はリンク機構１を、大腿部１４の延長部品の下端にピンａにより結合し、固定リンク９を大腿部１４の延長部品に、後下方斜め４５°の向きで固定したものである。そして、足部１８をスライダ１５の下端に、ピンｈで前後方向に回転可能となるように連結している。

リンク機構１は静止立位でやや前方に傾いた状態になるように取り付けられているが、これは静止立位においてリンク機構１に伸展させる方向の力を生じさせ姿勢を安定させるためである。

この義足２１は下腿部１７を後方に曲げる際、つまり、ピンａを中心にして下腿部１７を後方に旋回させると、静止立位から４５°旋回した位置に近づくにつれ、リンク機構１は旋回半径方向に縮む変形をし、下腿部１７の長さ（下腿長）は次第に短くなる。そして、４５°で下腿長が最も短くなった後は、リンク機構１が伸展する変形をし始め９０°で静止立位と同一の長さになる。

したがって足部１８の軌跡は、下腿長が変化しない義足と比較してピンａ寄りを通過するため、歩行時のつま先離床期から遊脚中期において、足部１８を地面からより離した歩行ができるので段差等の障害物に引っ掛かりにくく、スムーズな足運びが可能になる。
また、義足２１は静止立位時の下腿長と旋回角度９０°時の下腿長とを同一にしているので、座位時において膝に相当するピンａの高さが健足の膝と同じ位置になり、座位時の見栄えが良くなっている。
次に、リンク機構１を自動車用ワイパーに応用した場合について説明する。図５のワイパー３１は、リンク機構１をアームの部分に用いており、図示しないウインドガラスの下方に、四節リンク８が固定リンク９の上になるように配置し、ピンａを自動車のボディに固定するとともに、固定リンク９を鉛直方向に向けた状態で固定している。そして、ピンｄにワイパーブレード３２を連結している。なお、このワイパー３１のリンク機構１は、
固定リンク９と連結リンク１０とを同一の長さにしたものである。

このワイパー３１をピンａを中心に左右に旋回させると、中央の位置ではリンク機構１が旋回半径方向に縮んだ状態になっており、左右に寄るにしたがってリンク機構１は旋回半径方向に伸びた状態になる。この際ピンｄは高さを変化させずに左右に移動するため、ピンｄに連結されているワイパーブレード３２はウインドガラスの幅方向に平行な動きをする。したがって、ワイパーブレードが円弧上を動く従来のワイパーに比べ、ウインドガラス上部のより広い範囲を払拭できるため、雨天時においてより広い視界を確保することができる。

また図６に示すように、リンク機構１を電気スタンド４１のアームに応用することもできる。この場合、上記ワイパー３１の場合と同様、四節リンク８の方を上にした状態でピンａを支持台４２に固定し、且つ、固定リンク９を縦向きに固定し、ピンｄにライト４３を連結している。なお、リンク機構１は固定リンク９と連結リンク１０との長さを同一にしている。この電気スタンド４１はリンク機構１を傾けると、傾きが大きくなるにつれてリンク機構１が旋回半径方向に伸び、しかも、ピンｄの高さが変化せずライト４３の高さが変わらないので、ライト４３を動かして照らす場所を変えても一定の明るさで照らすことができ。

さらに、リンク機構１を縦型の掃除機に応用した例を次に説明する。図７に示す掃除機５１は、リンク機構１をグリップ５２と掃除機本体５３との間の支持部として用いている。リンク機構１は四節リンク８を下側にして配置し、ピンａをグリップ５２に固定するとともに、固定リンク９を縦向きに固定し、ピンｄと掃除機本体５３とを連結している。なおリンク機構１は、上記のワイパー３１や電気スタンド４１と同様、固定リンク９と連結リンク１０との長さを同一にしている。

掃除機本体５３の下端部には自走式の吸引ノズル５４が設けられており、この吸引ノズル５４が床上を移動すると、リンク機構１がピンａを中心に旋回しながら旋回半径方向に伸びる変形をする。この際、ピンｄの高さは一定に保たれているので掃除機本体５３を倒さずに済み、狭くて掃除機本体５３を倒しづらい場所でも手軽に掃除することができる。

なお、上述した実施形態はいずれも、リンク機構１を縦向きに配した例であるが、当然この向きに限定するものではなく、横向きや斜めに傾けた状態で用いることも可能である。

本発明にかかる旋回伸縮リンク機構の実施形態を示す概念図を示しており、（ａ）は固定リンクと連結リンクとが一直線状になった場合を表し、（ｂ）,（ｃ）はそれぞれ支持リンクと四節リンクとを左右に旋回させた場合を表している。 本発明にかかる股義足であり、旋回伸縮リンク機構を大腿部に応用した実施形態を示す概念図であり、膝を上げる動作をした場合を表している。 図２に示す股義足を膝を伸ばした状態で前方に振り出した状態を示す説明図である。 本発明にかかる大腿義足であり、旋回伸縮リンク機構を下腿部に応用した実施形態を示す概念図である。 本発明にかかる旋回伸縮リンク機構を自動車用ワイパーに応用した場合の概念図である。 本発明にかかる旋回伸縮リンク機構を電気スタンドのアームに応用した場合の概念図である。 本発明にかかる旋回伸縮リンク機構を縦型の掃除機に応用した場合の概念図である。 従来のカナダ式股義足を示す側面図である。

符号の説明

１ 旋回伸縮リンク機構
２・３ 支持リンク
４〜７ リンク
８ 平行四節リンク
９ 固定リンク
１０ 連結リンク
ａ 第一のピン
ｂ 第四のピン
ｃ・ｅ 第二のピン
ｆ 第三のピン

Claims (5)

1. 一対の支持リンクが、固定リンクに第一のピンにより交差した状態で結合されており、前記一対の支持リンク間に、四本のリンクをピン結合して閉環状にした四節リンクが配置され、その対角線上に位置する一組の第二・第三のピンにそれぞれ、前記一対の支持リンクの一方が回転自在に連結されており、前記固定リンクに連結リンクが第四のピンによって結合され、同連結リンクが、前記四節リンクのもう一方の対角線上に位置する一組の第五・第六のピンのうち、前記第一のピンに近い方に位置する第五のピンに、回転自在に連結されていることを特徴とする旋回伸縮リンク機構。
2. 前記四本のリンクの長さが同一で、且つ、前記一対の支持リンクの長さが同一になっていることを特徴とする請求項１記載の旋回伸縮リンク機構。
3. 前記第六のピンにスライダが連結されており、同スライダが、前記第四のピンに回転自在に連結されているガイドリンクに、スライド可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の旋回伸縮リンク機構。
4. 股離断用の股義足であって、前記請求項１〜３のいずれかに記載の旋回伸縮リンク機構が、大腿部の少なくとも鼠径部に相当する部分に用いられており、前記旋回伸縮リンク機構がソケットの前面に、前記第一のピンによって上下方向に旋回可能に結合され、前記固定リンクが前記ソケットに、前方斜め下方を向いた状態で固定されているか、及び／又は、前記旋回伸縮リンク機構が、下腿部の少なくとも膝関節に相当する部分に用いられており、前記旋回伸縮リンク機構が前記大腿部の下端に、前記第一のピンによって後方に旋回可能に結合され、前記固定リンクが前記大腿部に、後方斜め下方を向いた状態で固定されていることを特徴とする股義足。
5. 大腿切断用の大腿義足であって、前記請求項１〜３のいずれかに記載の旋回伸縮リンク機構が、下腿部の少なくとも膝関節に相当する部分に用いられており、前記旋回伸縮リンク機構が大腿部の下端に、前記第一のピンによって後方に旋回可能に結合され、前記固定リンクが前記大腿部に、後方斜め下方を向いた状態で固定されていることを特徴とする大腿義足。

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