JP2009232999A

JP2009232999A - 義肢の膝関節構造

Info

Publication number: JP2009232999A
Application number: JP2008081143A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Otsuka; 滋大塚; Mitsuhisa Suzuki; 光久鈴木
Original assignee: Imasen Engineering Corp
Current assignee: Imasen Engineering Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP5184928B2

Abstract

【課題】電気的制御を必要とせず機械的な構成で遊脚相制御の可能な膝関節構造を提供すること。
【解決手段】下腿部材２に一端部が係合した抑制力発生部材３１と、大腿部材１に係合して相対回動すると共に端部が抑止力発生部材３１の他端部に係合して抑制力発生部材３１の駆動速度を制御するカム３２と、を有することを特徴とする義肢の膝関節構造。
【選択図】図１

Description

本発明は義肢等に使用される膝関節構造、特に、回動位置により回動抑制力が制御される膝関節構造に関する。

大腿部と下腿部とこれらを屈曲可能に連結する関節部とを有する膝関節構造を付けて歩行するとき、大腿部と下腿部の相対回動が相対回動位置（膝屈曲角度）によって適切に抑制されないとスムーズな歩行が困難になる。例えば、膝関節構造の下腿部（に連結された足部）が地面に付いた状態で大腿部が使用者の残存する肢により前方に動かされると、下腿部が慣性力のため後方に残され異常に深く（大きな角度）折れ曲がる場合がある。この場合、下腿部が逆方向の前方に揺動し体の前方に位置する地面に置かれるためには相当の時間を要し、スムーズな歩行動作ができない。

このような問題の少ない膝関節構造として、例えば、大腿部にピストンの一端が係止され下腿部にシリンダが係止されたピストンシリンダ装置（ダンパー）を備え、回動抑制力を受動的に制御する膝関節構造が知られている。

また、回動抑制力を能動的に制御する技術も開発されている。例えば、特許文献１には、大腿部にピストンの一端が係止され下腿部にシリンダが係止されたピストンシリンダ装置の作動流体として機能する磁気流動的液体に磁場を加え、磁場の強さを制御することによりピストンシリンダ装置の駆動抵抗を制御する揺動位相制御が開示されている。

また、特許文献２には、ピストンヘッドで分断されるシリンダの作動空間を２つの伸展室及び屈曲室とし、大腿部と下腿部の揺動に伴う、伸展又は屈曲による弁ピストンの移動による伸展室から屈曲室への、又はその逆方向の作動流体の移動を司る圧液導管を開閉することにより行う揺動位相制御が開示されている。
特表２００１−５１１０５２号公報特開平９−５５１号公報

スムーズな歩行動作のためには屈曲初期は屈曲抵抗が低く（回動抑制力が小さく）、屈曲角が６０°前後で適当な屈曲抵抗が得られることが望ましい。なお、この屈曲抵抗が得られる屈曲角度範囲には個人差がある。

上記従来の回動抑制制御を受動的に行う膝関節構造では、屈曲初期にピストンの下降速度が高いため屈曲抵抗が高くなる。その後、屈曲角度が増大してもピストンの下降速度が高くないため屈曲抵抗が低くい。その結果、スムーズな歩行動作ができない。

前記した揺動位相制御は、いずれも、ピストンシリンダ装置のピストンヘッドの両側に形成される伸展室から屈曲室への、又はその逆方向の作動流体の移動抵抗を制御することによりピストンヘッドの移動抵抗を制御し、大腿部と下腿部の揺動を制御するものである。このような装置では、作動流体の移動抵抗を制御するために、装置が複雑になるとか電気的制御を必要とするとか、高価になるといった問題がある。

本発明者は、より簡易に大腿部と下腿部の揺動位相制御ができる膝関節構造を目指し、研究を重ね、電気的制御を必要とせず機械的な構成で遊脚相制御の可能な膝関節構造の発明を完成したものである。

本発明者は、ピストンシリンダ装置のピストンの摺動抵抗は摺動速度が早いと抵抗が大きく、摺動速度が遅いと摺動抵抗も小さくなり、摺動抵抗の大きさは摺動速度により制御できることに思い到った。また、摺動速度は、大腿部と下腿部の揺動速度が一定の場合、単位揺動角度当たりの摺動距離の量（摺動ストローク）に比例する。従って、摺動抵抗は、大腿部と下腿部の単位揺動角度当たりの摺動距離の量（摺動ストローク）に比例することになる。これらのことから、大腿部と下腿部の揺動位相に合うピストンの摺動速度を制御することを思い至り本発明を完成したものである。

本発明の膝関節構造は、大腿部材と、該大腿部材と相対回動する下腿部材と、該下腿部材の揺動を抑制する抑制手段と、を備えた義肢の膝関節構造であって、前記抑制手段は、下腿部材に一端部が係合した抑制力発生部材と、大腿部材に係合して相対回動すると共に端部が該抑止力発生部材の他端部に係合して該抑制力発生部材の駆動速度を制御するカムと、を有することを特徴とする。

また、抑制手段を複数備えるものとすることができる。

また、本発明に係る膝関節構造は、上部リンクと下部リンクを備える４軸リンク構造であり、大腿部材が上部リンクを、下腿部材が下部リンクをそれぞれ形成し、抑制力発生部材は、一端部が下部リンクに揺動可能に軸支され且つ上部リンクに一端部が揺動可能に軸支された保持部材により保持されているものとすることができる。

また、保持部材の他端部は、圧縮ばねを介して下部リンクに揺動可能に軸支されているものとすることができる。

また、抑制力発生部材は、伸張あるいは圧縮により抵抗力が直線的に変化するばね、ピストンの摺動速度により摺動抵抗が変化するピストンシリンダ装置、相対摺動速度により摺動抵抗が変化する摩擦摺動装置を採用することができる。

本発明の膝関節構造は、カムが抑制力発生部材の摺動速度即ち駆動速度、さらには単位揺動角度当たりの摺動距離の量（摺動ストローク）を制御し、大腿部材と下腿部材の揺動位相に合う大きさの摺動抵抗を発生させている。これにより大腿部材と下腿部材の揺動を制御可能とし、スムーズな歩行を可能にする。

また、抑制手段を複数備えるようにすることで、屈曲時の屈曲抵抗を大きくすることができる。さらに、少なくとも一つを伸展時に摺動抵抗を発生させるようにした抑制手段とすることで、カックンと伸展することがなくなりよりスムーズな歩行が可能になる。

また、４軸リンク構造を採用することで、膝関節構造の回転軸を残存する肢側（上方）に仮想的に移動させることになり、伸展と屈曲がし易くなる。

また、保持部材の他端部が圧縮ばねを介して下部リンクに揺動可能に軸支されていると、屈曲することで圧縮されたバネの反力で関節を伸展させることができる。

最良の形態の膝関節構造を図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１は伸展状態の膝関節構造を示し、図１（a）は、側面視図、図１（b）は、図１（a）の部分断面視図、図１（c）は、後面視図である。図２は、屈曲状態の膝関節構造を示す部分断面図である。なお、上下、前後は図に示すとおりである。

本発明の膝関節構造は、図１に示すように、大腿部材１と、大腿部材１と相対回動する下腿部材２と、下腿部材２の揺動を抑制する抑制手段３と、を備え、抑制手段３は、下腿部材２に一端部が係合したピストンシリンダ装置（抑制力発生部材）３１と、大腿部材１に係合して相対回動すると共に端部がピストンシリンダ装置３１の他端部に係合してピストンシリンダ装置３１の駆動速度を制御するカム３２と、を備えている。

大腿部材１は、上部に大腿ソケットと結合するための調整可能なコネクタ１aを持ち、下部に関節軸１bが固定されている。

関節軸１bの中央付近にはカム３２の中心付近が固定され、両端部には下腿部材２の上端部が係合している。

下腿部材２は、下部に足部と結合するための調整可能なコネクタ２aを持つ断面が略コの字状の梁構造部材である。２bは、側方梁である。

ピストンシリンダ装置３１は、外周壁が下腿部材２の側方梁２bに固定されたシリンダ３１１及びシリンダ３１１の内周壁と摺動するピストンヘッド３１２aを下端部に持つピストンロッド３１２を備えている。シリンダ３１１内には図示しない作動流体（油）が封入されており、ピストンヘッド３１２aには作動流体が出入りするオリフィス（不図示）が形成されている。なお、ピストンシリンダ装置３１として、市販のダンパー装置を使用することができる。

ピストンロッド３１２の上端部には、Ｕ字型の接続部材３１３を介してカムフォロアー３１４がカム３２と係合可能に取り付けられている。

なお、本実施形態の膝関節構造は、図１（c）に示すように、抑制手段３と同じ構成の抑制手段３′を備えている。抑制手段３が膝関節の屈曲を抑制制御するのに対し、抑制手段３′は膝関節の伸展を抑制制御する。したがって、カム３２′はカム３２と形状は同じであるが、関節軸１bへの取り付け角度が異なっている。

次に、本実施形態の膝関節構造の動作を説明する。図１の伸展状態では、関節軸１bの中心からの距離が最も小さいカム３２のアの部位がカムフォロアー３１４に当接し、ピストンヘッド３１２aが最上位に位置している（図１（b）参照）。この状態から下腿部材２が屈曲（矢印方向に関節軸１bの回りに回動）すると、カムフォロアー３１４が当接するカム３２の位置が関節軸１bの中心からの距離が非線形に大きくなる位置ヘ、ア→イ→ウ→エ・・・のように移動する。図２は、カムフォロアー３１４がカム３２と位置ウで当接している状態を示している。図３は、膝関節が屈曲してカムフォロアー３１４がカム３２とア→イ→ウ→エ・・・のように当接した時のピストンヘッド３１２aの変位（摺動ストローク）と屈曲角度の関係（カムA曲線）を示している。図３からア（０°）→イ（２５°）の間は、摺動ストロークがゼロで、イ（２５°）→エ（６０°）の間は、屈曲角度に比例して摺動ストロークが増大し、エ（６０°）より先は飽和が始まり減少するようになることがわかる。すなわち、本実施形態の膝関節構造の場合、屈曲角が０°〜２５°の範囲は摺動抵抗（屈曲抵抗）がなく、２５°〜６０°の範囲は適当な摺動抵抗（屈曲抵抗）が生じることがわかる。したがって、屈曲初期は屈曲抵抗がなく、その後、屈曲角度６０°まで屈曲抵抗があるので、大きく屈曲することもなく、スムーズな歩行が可能になる。

図２の屈曲した状態から矢印と反対方向に回動して図１の伸展状態に戻る時は、カム３２′とピストンシリンダ装置３１′により伸展過程で伸展抵抗が生じ、益々スムーズな歩行が可能になる。

図３には、カム３２を別のカム（カムB）に変更した時の摺動ストロークと屈曲角度の関係も示してある。このカムBの場合は、約７５°まで一定の屈曲抵抗が生じることがわかる。したがって、屈曲抵抗が生じる屈曲角度の範囲に個人差があってもカムの形状を変える（形状の異なるカムに代える）ことで解決することができる。

なお、本実施形態の膝関節構造では、抑制力発生部材にピストンシリンダ装置を採用したが、ばねや摩擦摺動装置を採用してもよい。
（実施形態２）
図４は伸展状態の膝関節構造を示し、図４（a）は、側面視図、図４（b）は、図４（a）の断面視図、図４（c）は、後面視図である。図５は、屈曲状態の膝関節構造を示す部分断面図である。なお、実施形態１と同一の要素には同じ符号を付し、説明を一部省略する。

本実施形態の膝関節構造は、図４に示すように、上部リンク１、下部リンク２、前部リンク５及び後部リンク６を備える４軸リンク構造であり、大腿部材が上部リンク１を、下腿部材が下部リンク２をそれぞれ形成し、ピストンシリンダ装置（抑制力発生部材）３１は、一端部が下部リンク２に揺動可能に軸支され且つ上部リンク１に一端部が揺動可能に軸支された保持部材４により保持されている。

上部リンク（大腿部材）１は、上部に大腿ソケットと結合するための調整可能なコネクタ１aを持ち、中央付近に関節軸１bが固定されている。

関節軸１bの中央付近には間隔を隔てて二つのカム３２が一端部で固定され、両端部には前部リンク５の上端部が揺動自在に係合している。

カム３２の他端部には後部リンク６の上端部が揺動自在にピンＰ1で軸支され、中央付近には保持部材４の上端部がピンＰ2で揺動自在に軸支されている。

下部リンク（下腿部材）２は、下部に足部と結合するための調整可能なコネクタ２aを持ち、中央部付近に前部リンク５の下端部がピンＰ3で揺動自在に軸支され、上端部に後部リンク６の下端部がピンＰ4で揺動自在に軸支されている。

ピストンシリンダ装置３１は、シリンダ３１１の下端部が下部リンク２の中央部付近にピンＰ5で揺動可能に軸支され、シリンダ３１１の上端部が保持部材４のスリーブ４aで壁面同士が摺動可能に保持されている。

保持部材４は、下部にシリンダ３１１を保持するスリーブ４aを、上部にピストンロッド３１２に固定されたカムフォロアー３１４をガイドするガイド部材４bを、それぞれ持ち、ガイド部材４bの上端がカム３２の中央部付近にピンＰ2で揺動自在に軸支されている。そして、スリーブ４aの下端部は、シリンダ３１１の外周に装着されたばね７で上方に付勢されている。

本実施形態の膝関節構造は、４軸リンク構造であり、回転中心Ｏが、関節軸１ｂとピンＰ３とを結ぶ線と、ピンＰ１とピンＰ４とを結ぶ線と、が交差する点である。図４（a）に示すように点Ｏが残存する肢側（上方）に仮想的に移動し、伸展と屈曲が筋力が弱くても可能になる。

次に、本実施形態の膝関節構造の動作を説明する。図１の伸展状態では、カムフォロアー３１４がカム３２の前下方にあり、ピストンヘッド３１２aが最上位に位置している（図１（b）参照）。この状態から矢印方向（後方）に屈曲すると、4軸リンク構造によりＯを中心として下部リンク２が回動する。カムフォロアー３１４とカム３２との間が所定の距離離間しているので、屈曲初期はカムフォロアー３１４がカム３２と係合せず、ピストンシリンダ装置３１からは屈曲抵抗が生じない。一方、屈曲初期でも下部リンク２の矢印方向への回動によりばね７が圧縮され、その反力が保持部材４を介して上部リンク１に作用する。矢印方向への回動がさらに進むと、図5に示すように、カムフォロアー３１２がカム３２に係合し、ピストンヘッド３１２aが下方に摺動し、屈曲抵抗が発生する。同時に、ばね７も圧縮されるので、圧縮ばね７からの反力も屈曲抵抗に加算される。その後、所定の屈曲角度に達すると、圧縮された圧縮ばね７の反力で伸展が完了する。

実施形態１の膝関節構造の伸展状態を示す図である。実施形態１の膝関節構造の屈曲状態を示す図である。実施形態１の抑制手段の膝屈曲角度と摺動ストロークの関係を示すグラフである。実施形態２の膝関節構造の伸展状態を示す図である。実施形態２の膝関節構造の屈曲状態を示す図である。

符号の説明

１・・・・・大腿部材（上部リンク）
２・・・・・下腿部材（下部リンク）
３・・・・・抑制手段
３１・・・抑制力発生手段（ピストンシリンダ装置）
３２・・・カム
４・・・・・保持部材
７・・・・・圧縮ばね

Claims

大腿部材と、該大腿部材と相対回動する下腿部材と、該下腿部材の揺動を抑制する抑制手段と、を備えた義肢の膝関節構造であって、
前記抑制手段は、下腿部材に一端部が係合した抑制力発生部材と、大腿部材に係合して相対回動すると共に端部が該抑止力発生部材の他端部に係合して該抑制力発生部材の駆動速度を制御するカムと、を有することを特徴とする義肢の膝関節構造。
前記抑制手段を複数備える請求項１に記載の膝関節構造。
前記膝関節構造は上部リンクと下部リンクを備える４軸リンク構造であり、
前記大腿部材が前記上部リンクを、前記下腿部材が前記下部リンクをそれぞれ形成し、
前記抑制力発生部材は、前記一端部が前記下部リンクに揺動可能に軸支され且つ前記上部リンクに一端部が揺動可能に軸支された保持部材により保持されている請求項１に記載の義肢の膝関節構造。
前記保持部材の他端部は、圧縮ばねを介して前記下部リンクに揺動可能に軸支されている請求項３に記載の義肢の膝関節構造。
前記抑制力発生部材は、ばね、ピストンシリンダ装置、摩擦摺動装置の一種である請求項１から４のいずれか１項に記載の義肢の膝関節構造。