JP3245828B2 - 伸展補助機構を備える義足 - Google Patents
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Description
用した多軸のひざ関節をもつ義足であって、立脚相にお
けるひざ折れ防止のための伸展補助機構を含むものに関
する。
足は、装着者の荷重が大腿を通して加わる大腿部材と、
下端に足部材を支持する下腿部材と、それら下腿部材お
よび大腿部材を屈曲可能に連結するひざ関節とを備え
る。そして、ひざ関節としては、一つの回転軸をもつ単
軸のものと、リンク機構を応用した多軸のものとがあ
る。ひざの屈曲および伸展に際し、単軸のひざ関節は、
一つの回転軸自体が常に回転中心となる。それに対し、
多軸のひざ関節は、ひざの屈曲および伸展に応じて回転
中心(あるいは瞬間中心)の位置が変化する。この回転
中心の位置が変化することは、自然で美しい歩容(つま
り、歩く姿)を生み出す意味から好ましい。
おけるひざ折れ防止対策が重要である。その点、単軸の
ひざ関節は、構造が比較的に簡単であるため、装着者の
荷重が加わることによってブレーキ力を生じる荷重ブレ
ーキを回転軸の回りに配置することができる。それに対
し、多軸のものでは、ひざの前側に位置する前方リンク
およびひざの後側に位置する後方リンクの少なくとも2
つのリンクを含むため、ひざの部分に荷重ブレーキを組
み込むことは困難である。しかし、多軸のものの瞬間中
心は、ひざが伸展した状態では、実際のひざの部分より
も上方の股関節に近いところに位置する。そのため、多
軸タイプの義足を装着する者は、いわゆる随意制御によ
り、ひざが安定する状態を容易に維持することができ
る。
多軸のひざ関節に対し、ひざを伸ばそうとする伸展力を
補助的に与えるものであり、ひざ折れ防止のための有効
な機構である。特公昭61−44504号や特開昭62
−295658号の各公報は、この種の多軸タイプの義
足に対し、コイルばねを利用した伸展補助機構を設けた
例を明らかにしている。しかし、それらの伸展補助機構
は、屈曲角度が小さい段階で伸展力を生じ、立脚相にお
けるひざ折れを防止するという作用だけでなく、遊脚相
における大きな屈曲角度で屈曲を補助する作用をもする
ようになっている。
とき、遊脚相における制御と、立脚相におけるひざ折れ
防止作用とは別個あるいは独立に制御ないしは作用させ
ることが望まれる。それによって、遊脚相における制御
について、歩行速度の大小などに応じてより適切な制御
をすることができるからである。なお、遊脚相における
制御技術自体は公知であり、たとえば、特許第2501
346号の公報は、エアシリンダ装置を利用し、歩行速
度に応じてシリンダの内部のバルブの開き具合を変える
ように制御する技術を示している。
と遊脚相における制御とは、それぞれ独立に制御される
べきであるという基本的な技術思想の下になされたもの
である。その主な目的は、ひざの屈曲の角度が小さいと
きにだけ伸展トルクを生じる伸展補助機構を備える義足
を提供することにある。また、この発明は、ひざ折れを
防止するための伸展補助機構と、装着者の歩容を自然な
ものとするための遊脚相制御装置とをそれぞれ独立に制
御することができる義足を提供することを他の目的とす
る。さらに、この発明は、遊脚相制御装置としてエアシ
リンダ装置を用い、より高精度な制御を行う場合に最適
な技術を提供することをも目的とする。
節は多軸であり、ひざの前側に位置する前方リンクおよ
びひざの後方に位置する後方リンクの少なくとも2つの
リンクを含む。伸展補助機構をばねを主体として構成す
るとき、その伸展トルクは、ばねの変形に伴う力と、そ
の力の作用線からリンクの回転中心までの距離との積で
決まる。そこで、ひざの屈曲角度が所定の角度を越えた
ときに伸展トルクをほぼゼロにする方法として、所定の
角度以降に力をほぼゼロにする手法、あるいは、所定の
角度以降に距離をほぼゼロにする手法が考えられる。こ
の発明では、後者の距離をほぼゼロにする手法を採用す
る。また、ばねを含む伸展補助機構を下腿部材と後方リ
ンクとの間に支持させることによって、大腿部材と下腿
部材との間のスペースに伸展補助機構を配置する。それ
により、伸展補助機構が義足を大型化すること、および
遊脚相制御装置を配置する上での障害になることを有効
に回避する。
るいは引っ張りばねのいずれをも利用することができ、
また、ばね材としては、コイルあるいはゴム等を用いる
ことができる。好適なばねは、コイル圧縮ばねである。
圧縮ばねについては、各端部をそれぞればね受けを介し
て下腿部材あるいは後方リンクに連結するのが良い。ば
ね受けあるいは連結部を利用して、ばねの力を調整する
ねじ手段、あるいはばねの変形をガイドするガイド手段
を容易に付加することができるからである。
一つの形態を示す図1および図2を参照しながら、この
発明の基本的な考え方を明らかにする。図1は、ひざが
完全に伸展した状態(ひざの屈曲角度が0°の状態)を
示し、また、図2は、遊脚相でひざが最大に屈曲した状
態(ひざの屈曲角度がたとえば60°の状態)を示して
いる。大腿部材10、下腿部材20、前方リンク30、
後方リンク50の4つのリンクが限定連鎖を構成してい
る。隣り合う各リンクの連結部は、互いに回転可能であ
り、前方リンク30と下腿部材20との連結部Qが、圧
縮ばねを用いた伸展補助機構100に対する一方の連結
部を兼ねている。伸展補助機構100の他方の連結部P
は、後方リンク50上にあるが、大腿部材10および下
腿部材20に対する両連結部B,Oを結ぶ直線よりも前
方リンク30寄りである。したがって、伸展補助機構1
00のばねによる力Fは、連結部QとPとを結ぶ作用線
の方向に作用する。その力と後方リンク50の回転中心
Oとの距離をdとすれば、伸展トルクは力Fと距離dと
の積で決まる。図2から分かるように、遊脚相でひざが
最大に屈曲した状態では、力Fはある大きさをもつが、
距離dはゼロないしはゼロに近い値となる。したがっ
て、伸展補助機構100は、ひざの屈曲の角度が小さい
ときにだけ伸展トルクを生じることになり、たとえば、
エアシリンダ装置などの遊脚相制御装置が実質的な作用
力を生じるときには、作用を及ぼすことがない。
てエアシリンダ装置を用いた義足に適用することによっ
て、特に顕著な効果を生じる。なぜなら、エアシリンダ
装置は、ひざが最大に屈曲した後で反発力を生じ、そう
した反発力を下腿部材の振出しに利用することができる
が、そうした反発力を生じるような段階では、この発明
の伸展補助機構は伸展トルクを生じないからである。特
に、歩行速度に応じて制御を行うとき、たとえば歩行速
度がゆっくりな場合には微妙な制御となるが、伸展補助
機構の影響を受けることがないので、その制御を高精度
に行うことができる。また、この発明による伸展補助機
構は、ひざの屈曲角度が小さい段階でのみ伸展作用を生
じるので、着座したときに下腿が不要に跳ね上がるとい
う不都合をも有効に防止することができる。
義足に対し、立脚相におけるひざ折れを防止する技術と
して広く適用することができる。たとえば、遊脚相制御
装置を備えない義足や、遊脚相制御装置として油圧シリ
ンダ装置を用いた義足にも適用することができる。した
がって、立脚相におけるひざ折れを防止する技術として
見るとき、たとえば、ひざの屈曲角度が0°〜15°の
ような小さい屈曲初期だけ、伸展補助機構による伸展作
用を生じるようにすることができる。
の全体的な構成を示している。大腿義足170の上部に
大腿部材110がある。大腿部材110は、ひざの形を
しており、その一部には、図示しないソケットを取り付
ける取付け部110aを一体的に含む。ソケットは、断
端を受け入れて、大腿部材110の側に装着者の荷重を
伝達する。一方、大腿義足170の下部には、下腿部材
120がある。下腿部材120は、ひざの部分から足の
部分に向かって延びる内部中空のフレーム122を主体
としている。ひざ関節80が、それらの下腿部材120
と大腿部材110とを屈曲可能に連結する。また、大腿
義足170は、遊脚相制御装置であるエアシリンダ装置
90を備えている。このエアシリンダ装置90は、US
P5,405,407号や特開平9−551号に示され
るものと同様であり、シリンダ91の内部に第1室92
aと第2室92bとを区画するピストン93、さらに、
ステッピングモータ94によって制御され、歩行速度に
応じて開き具合を変える可変絞りバルブ96、および手
動調整可能な固定絞りバルブ98などを備える。それに
よって、エアシリンダ装置90は、大腿義足170が床
等の表面から離れる遊脚相において、ひざの屈曲および
伸展を自然の歩行に近い形態にコントロールする。図4
は、可変絞りバルブ96が全閉のとき(つまり、早歩き
するとき)のひざの屈曲角度(°)とエアの圧縮に基づ
く反発作用力(Nm)との関係を示す。ひざの屈曲角度
の最大値は、ゆっくり歩きから通常の歩行速度に対応す
る場合に約60°であり、早歩きの場合には約70°、
小走りの場合には約80°である。エアシリンダ装置9
0は、図4が示すように、最大の屈曲角度よりも大きい
屈曲段階で実質的な作用力を生じる。なお、エアシリン
ダ装置90は、大腿部材110側の上部支持点910お
よび下腿部材120側の下部支持点920にそれぞれ回
転可能に支持されている。
に位置する前方リンク130と、ひざの後側に位置する
後方リンク150とを備える。これらの前方リンク13
0と後方リンク150は、ひざの屈曲角度が0°、つま
りひざが完全に伸展した状態において互いに上下方向に
並び、それぞれの端部がピンを主体とした連結部170
A,170B,170Q,170Oで大腿部材110お
よび下腿部材120に回転可能に連結されている。それ
により、前方リンク130および後方リンク150は、
大腿部材110および下腿部材120と相俟って、一定
の動きだけが可能の限定連鎖を構成している。なお、前
方リンク130および後方リンク150は、ひざの正面
から見た形状がコ字型であり、それぞれのリンク本体が
左右対称となっている。また、ひざが伸展した状態を示
す図3、大腿部材110が前方により大きく突き出る屈
曲角度が数10°の状態を示す図5、およびひざの屈曲
角度が90°の状態を示す図6を順次参照すると、大腿
部材110と下腿部材120との間の前方リンク130
が、大腿部材110および下腿部材120を越えて前方
に突き出ないようになっているのが理解されよう。
部材120と後方リンク150との間を、橋渡ししてい
る。前方リンク130と後方リンク150との各リンク
本体が左右対称になっているように、伸展補助機構11
00も同じものが左右対称の配置となっている。左右の
各伸展補助機構1100は、圧縮コイルばね1102
と、圧縮コイルばね1102の前方側の端部を支持しつ
つ、前方リンク130に対し軸1100Pを介して回転
可能に連結された第1のばね受け1103と、圧縮コイ
ルばね1102の後方側の端部を支持しつつ、後方リン
ク150に対し軸1100Qを介して回転可能に連結さ
れた第2のばね受け1105とを備える。また、第2の
ばね受け1105には、図7に拡大して示すように、そ
のばね受け1105と一体となった調整ボルト1160
と、調整ボルト1160にねじ結合する調整ナット11
62とが付属し、それらの調整ボルト1160および調
整ナット1162によって、圧縮コイルばね1102の
力(つまりは、初期たわみ量)を調整することができ
る。さらに、調整ボルト1160は筒形であり、その内
部にガイドロッド1163がスライド自在に入り込んで
いる。ガイドロッド1163は、前方側の第1のばね受
け1103と一体である。筒形のボルト1160および
ガイドロッド1163は、圧縮コイルばね1102の内
周に位置し、弾性変形する圧縮コイルばね1102の変
形に伴う動きをガイドする。
側の連結部(軸1100Q)は、大腿部材110および
下腿部材120に対する後方リンク150の両連結部1
70B,170Oの間にはあるが、両連結部170B,
170Oを結ぶ直線よりも前方リンク130寄りに位置
している。そこで、伸展補助機構1100は、ひざの屈
曲に伴って圧縮コイルばね1102を圧縮し変形し、変
形に伴う力Fを増大するが、ひざの屈曲角度が10°近
くになると、伸展補助機構1100の両連結部1100
P,1100Qを結ぶ直線(つまり、圧縮コイルばね1
102の軸線)が後方リンク150と下腿部材120と
の連結部170Oとほぼ一直線になり、前記した距離d
をほぼゼロにする。図8は、ひざの屈曲角度と伸展補助
機構1100による伸展トルクとの関係を示す図であ
る。伸展補助機構1100は、20°よりも小さい屈曲
角度、特には、0°〜15°で有効な伸展作用を生じる
が、それを越えるような範囲では伸展作用をほとんど生
じない。別の図9は、伸展補助機構1100による伸展
作用と、エアシリンダ装置90による反発作用との相互
関係を示している。この図から分かるように、伸展補助
機構1100とエアシリンダ装置90とは、ひざの屈曲
角度が互いに異なる範囲でそれぞれ作用するので、それ
ぞれの作用が独立して生じる。なお、大腿部材110に
は、緩衝機能をももつストッパ110sがあり、そのス
トッパ110sに対し前方リンク130が当たることに
よって、ひざが伸展することを制限している。
用した伸展補助機構2100を含む大腿義足の要部を示
している。図10はひざが完全に伸展した状態、図12
はひざの屈曲角度が90°に近い状態、また、図11が
それらの中間の屈曲状態を示す図である。伸展補助機構
2100は引っ張りコイルばね2102を主体とし、し
かも、その伸展補助機構2100を、大腿部材210に
対する前方リンク230の連結部270Aと、下腿部材
220に対する後方リンク250の連結部270Oとの
間に連結し支持するようにしている。その連結に際して
は、前方リンク230側について補助リンク260を介
している。また、図10〜図12を順次参照すると、後
方リンク250が引っ張りコイルばね2102の揺動を
制限する立上り部250fを備え、ひざの屈曲角度が小
さな段階で、引っ張りコイルばね2102の軸線を後方
リンク250の軸線と一致させるように制限している。
なお、補助リンク260があるため、ひざの屈曲角度が
大きくなったとき、伸展補助機構2100が屈曲方向に
回転トルクを生じることもない。
伸展した状態を示す図である。
屈曲した状態を示す図である。
的な構成を示す図である。
図である。
分図である。
示す図である。
示す図である。
併せて示す図である。
部の構成を示す図である。
部分図である。
態を示す部分図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 装着者の荷重が大腿を通して加わる大腿
部材と、この大腿部材に対しひざの部分で連結される下
腿部材と、ひざの前側に位置する前方リンクおよびひざ
の後側に位置する後方リンクの少なくとも2つのリンク
を含み、前記大腿部材および下腿部材と相俟って限定連
鎖を構成し、それら大腿部材と下腿部材とを屈曲可能に
連結するひざ関節とを備える義足において、前記前方リ
ンクと後方リンクとの間に、ばねを含む伸展補助機構を
さらに備え、この伸展補助機構は、前記ばねの変形に伴
う力と、その力の作用線から前記後方リンクの回転中心
までの距離との積で決まる伸展トルクを生じ、しかも、
ひざが所定の角度に屈曲した以降、前記距離がゼロにな
ることを特徴とする、伸展補助機構を備える義足。 - 【請求項2】 前記伸展補助機構におけるばねは圧縮ば
ねであり、前記大腿部材と下腿部材との間に配置されて
いる、請求項1の義足。 - 【請求項3】 前記伸展補助機構は、圧縮ばねと、この
圧縮ばねの一方の端部を支持しつつ、前記下腿部材に対
し回転可能に連結された第1のばね受けと、圧縮ばねの
他方の端部を支持しつつ、前記後方リンクに対し回転可
能に連結された第2のばね受けとを備え、ひざが所定の
角度に屈曲した以降、前記圧縮ばねの軸線が前記後方リ
ンクと前記下腿部材との連結部と一直線になる、請求項
2の義足。 - 【請求項4】 前記第1のばね受けの下腿部材に対する
連結部は、前方リンクの大腿部材および下腿部材に対す
る両連結部の間に位置し、さらにまた、前記第2のばね
受けの後方リンクに対する連結部は、大腿部材および下
腿部材に対する後方リンクの両連結部の間に位置し、か
つ、後方リンクの両連結部を結ぶ直線よりも前記前方リ
ンク寄りに位置する、請求項3の義足。 - 【請求項5】 前記伸展補助機構は、前記圧縮ばねの前
記力を調整する手段をさらに含む、請求項2の義足。 - 【請求項6】 前記大腿部材にストッパがあり、このス
トッパに対し前記前方リンクが当たることによって、ひ
ざが伸展することを制限する、請求項1の義足。 - 【請求項7】 前記伸展補助機構のばねが引っ張りばね
であり、この引っ張りばねは、前記大腿部材に対する前
方リンクの連結部と、前記下腿部材に対する後方リンク
の連結部との間に支持される、請求項1の義足。 - 【請求項8】 前記所定の角度で前記伸展補助機構の軸
線が前記後方リンクの軸線と重なる、請求項7の義足。 - 【請求項9】 前記伸展補助機構は、前記前方リンクに
対して補助リンクを介して取り付けられる、請求項7の
義足。 - 【請求項10】 装着者の荷重が大腿を通して加わる大
腿部材と、この大腿部材に対しひざの部分で連結される
下腿部材と、ひざの前側に位置する前方リンクおよびひ
ざの後側に位置する後方リンクの少なくとも2つのリン
クを含み、前記大腿部材および下腿部材と相俟って限定
連鎖を構成し、それら大腿部材と下腿部材とを屈曲可能
に連結するひざ関節とを備える義足において、前記前方
リンクと後方リンクとの間に支持され、ひざの屈曲角度
が所定の角度よりも小さいときに、ひざを伸ばそうとす
る伸展トルクを発生する伸展補助機構と、ひざの屈曲角
度が前記所定の角度よりも大きいときに、実質的な作用
力を発生する遊脚相制御装置とをさらに備え、前記伸展
補助機構は、ばねを含み、そのばねの変形に伴う力と、
その力の作用線から前記後方リンクの回転中心までの距
離との積で決まる伸展トルクを生じ、しかも、ひざが所
定の角度に屈曲した以降、前記距離がゼロになることを
特徴とする義足。 - 【請求項11】 前記ひざの屈曲角度と伸展トルクおよ
び作用力との関係を見るとき、遊脚相におけるひざの屈
曲が最大になる角度よりも小さい屈曲角度において、前
記伸展補助機構は伸展トルクの極大値を示し、他方、前
記遊脚相におけるひざの屈曲が最大になる角度よりも大
きい屈曲角度において、前記遊脚相制御装置は実質的な
作用力の極大値を示す、請求項10の義足。 - 【請求項12】 前記遊脚相制御装置はエアシリンダ装
置であり、シリンダと、このシリンダの内部に2つの室
を区画するピストンと、それらの2室の間の空気の流れ
を制御するバルブとを備える、請求項10の義足。 - 【請求項13】 前記バルブの開き具合が、前記装着者
の歩行速度に応じて制御される、請求項12の義足。 - 【請求項14】 前記遊脚相制御装置による実質的な作
用力がなくなったときに、前記伸展補助機構による伸展
トルクが作用する、請求項10の義足。
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