JP3568149B2

JP3568149B2 - 義足用荷重ブレーキ

Info

Publication number: JP3568149B2
Application number: JP29603798A
Authority: JP
Inventors: 律夫白石; 正彦奥田; 勤富樫
Original assignee: 株式会社ナブコ
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2018-10-01
Also published as: JP2000107212A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、膝軸を含む義足、特に、単軸の義足に用いるための義足用荷重ブレーキに関し、さらに詳しくは、義足装着者の体重（つまり、荷重）が作用したときに膝軸を中心とした義足の折れ曲がりを阻止する荷重ブレーキに関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、膝軸を含む義足は、装着者の荷重が加わるニープレートを含む上部材と、足部が取り付けられる下部材と、この下部材に支持され、前記上部材と下部材とを揺動可能に連結する膝軸とを備える。この種の義足の代表例は大腿義足であり、その大腿義足の場合、上部材のニープレートの上端には、断端を受け入れるソケットが支持される。
【０００３】
上部材と下部材とを連結する膝軸は、１本の回転軸を中心に動く単軸と、複数のリンクを含み、ひざの屈曲の角度に応じて回転中心が変化する多軸との２種類がある。単軸は、多軸のものに比べて構造が簡単であり、スポーツをする場合などの活発な動きにも充分に耐えることができる。したがって、単軸義足は、大きな活動量を必要とする者に好適である。
【０００４】
こうした単軸の膝軸を含む義足においては、上部材と下部材とが膝軸を中心に自由に回転可能な構造であるため、膝軸の回りにブレーキ力を生じさせることにより、上部材と下部材との間の折れ曲がりを防止することが必要である。この折れ曲がりを防止するブレーキ手段としては、ＵＳＰ３，８６３，２７４号（対応する日本特公昭５２−４６４３２号）、あるいは日本特公昭５７−４１９４３号が示すように、ブレーキブロックに設けた貫通孔の径を減じることによってブレーキ力を生じる荷重ブレーキが好適である。なぜなら、単軸の構造上の特徴を生かし、ブレーキブロックを主体とした荷重ブレーキを膝軸回りにコンパクトに配置することができるからである。この荷重ブレーキでは、義足の装着者が足部を地面に接地させると、ニープレートがピンを中心にブレーキブロックに接近する方向に回転しようとする。そして、ニープレートがブレーキブロックに当たると、荷重がブレーキブロックに伝達されて膝軸が貫通する前記の貫通孔の径が減じ、膝軸を締め付けることにより、膝軸とブレーキブロックとの相対回転が阻止されて膝折れが防止される。
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
ところで、従来の荷重ブレーキでは、義足の膝が伸びているとき、ブレーキブロックがほぼ水平になるような配置となっており、すなわち、膝軸に直交するブレーキブロックの断面を見るとき、その断面の水平方向の一端に膝軸、他端にピンをそれぞれ配置している。そのため、立脚相が始まる段階、すなわち、足部のかかとが接地した状態（ヒールコンタクト）における荷重ブレーキの作用力と、立脚相が終了する段階、すなわち、足部のつま先が地面に接地して地面から離れる前の状態（トーオフ）における荷重ブレーキの作用力とがほぼ同じになることが判明した。
【０００６】
しかしながら、ヒールコンタクト時に強い荷重ブレーキが作用することは膝折れを有効に防止する意味から重要であるが、トーオフ時に強い荷重ブレーキが作用することは歩行の上で好ましいとはいえない。なぜなら、トーオフ時に強い荷重ブレーキを作用させると、早歩きや坂道を下る際につま先が地面に引っ掛かり、装着者が転倒するおそれがあるからである。この問題は、回転中心が常に一定の単軸の義足を設計する上で留意すべき事項の一つである。また、トーオフ時に強いブレーキ力が作用していると、ブレーキ解放時にブレーキブロックが急激な動きをし、ニープレートと衝突して異音を発生し、装着者に不快感を与えるという別の問題をも生じる。
【０００７】
【発明の考え方および手段】
この発明では、より快適な歩行のために、ヒールコンタクト時には強いブレーキ力を作用させることによって、膝折れを有効かつ確実に防止し、他方、立脚相が終了するトーオフ時には、ブレーキ力を弱めることにより、前記のようなつま先の引っ掛かりや異音の各問題を回避することに着目した。
そこで、この発明の第１の目的は、ヒールコンタクト時には強いブレーキ力を生じさせるに対し、トーオフ時には弱いブレーキ力を生じさせることができる義足用荷重ブレーキを提供することにある。
【０００８】
ヒールコンタクト時のブレーキ力に比べてトーオフ時のブレーキ力を弱める方法としては、足部におけるかかととつま先との各クッション度合を変えることにより、つま先を介する床反力をかかとを介する床反力よりも小さくすることも考えられる。しかし、その方法では、義足の使用に伴って足部の各部のクッション度合が経時的に変化するおそれがあるし、また、足部の各部のクッション度合が大きく異なると、歩行に違和感を生じさせるおそれもあり、適切な方法とはいえない。
【０００９】
この発明では、膝軸およびピンの機械的な配置関係を変えることにより、ヒールコンタクト時に比べてトーオフ時のブレーキ力をより確実に弱めることができる技術を提供することを他の目的とする。
【００１０】
こうした目的のために、この発明では、膝軸とピンとの配置を特定することにより、足部のかかとが接地したときニープレートに作用するピンを中心とした回転モーメントが、足部のつま先が接地したときニープレートに作用するピンを中心とした回転モーメントよりも大きくなるように設定する。また、この発明を別の観点から見ると、義足の膝が伸びているとき、ブレーキブロックの膝軸に直交する断面を見るとき、そのブレーキブロックの膝軸の中心とピンの中心とを結ぶ方向が足部のつま先の側に向かっており、足部のかかとが接地したときのブレーキ力が、足部のつま先が接地したときのブレーキ力よりも大きくする、ということができる。ニープレートに作用する回転モーメントは、ブレーキブロックの貫通孔の径を減じる作用力であり、その大小がブレーキ力の大小に直接関連する。
この発明のより詳しい内容については、添付の図面を参照した実施例の説明の中で述べる。
【００１１】
【好適な実施例】
図１および図２を参照しながら、まず、この発明を適用した大腿義足１０の全体的な構成を明らかにする。
大腿義足１０は、膝のない人のための義足であり、膝の形状をしたニープレート１２を含む上部材１２０と、膝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１４を主体とした下部材１４０と、それら下部材１４０と上部材１２０とを膝の部分で回転可能に連結する膝軸２０とを備える。ニープレート１２はアルミニューム合金からなり、その一部に、図示しないソケットを連結するための連結部１２ａを一体的に支持する。一方、下部材１４０の主体となる中空のフレーム１４は、厚さ３ｍｍ程度の繊維強化プラスチックからなり、その下部の開口には、フレーム１４と一緒に下部材１４０を構成するパイプ部材７０を連結する。足の形をした足部８０は、このパイプ部材７０の下端に位置する。なお、フレーム１４の後部には、上下に開口１４ｕおよび１４ｄがそれぞれあり、また、フレーム１４の前部には、膝の部分に開口１４ｋがある。後部側の上部開口１４ｕは、フレーム１４の内部に部品を組込むための開口、あるいはエアシリンダ装置３０とフレーム１４との干渉を避けるための開口である。また、下部開口１４ｄは、フレーム１４の内部に内蔵する電子基板１８との電気的な接続をするための開口である。他方、前部の開口１４ｋは、後述する荷重伝達部９０の調整のための開口である。ここで、エアシリンダ装置３０自体は、ＵＳＰ５，４０５，４０７号、あるいは日本特開平９−５５１号に示されるものと同様の公知のものであり、シリンダ本体３１の内部に第１室３２１と第２室３２２とを区画するピストン３３、さらに、ステッピングモータ３４によって制御され、歩行速度に応じた絞り度合いを生じる可変絞り弁３６、および手動調整可能な固定絞り３８などを備える。それによって、エアシリンダ装置３０は、大腿義足１０が床等の表面から離れる遊脚相において、膝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。
【００１２】
こうした大腿義足１０は、膝軸２０の回りに、この発明による荷重ブレーキ５０を備えている。荷重ブレーキ５０は、膝軸２０を抱き抱えるブレーキブロック５２の貫通孔５２ｂの径を減じることによってブレーキ力を生じるタイプである。ブレーキブロック５２は、チタン合金からなり、膝軸２０が入る大きな貫通孔５２ｂのほか、この大きな貫通孔５２ｂのある側とは反対側の端部の近くに小さな貫通孔５２ｓがある。ブレーキブロック５２は、大きな貫通孔５２ｂの中に金属ブッシュ５３を介して膝軸２０を入れ、しかもまた、小さな貫通孔５２ｓの中にピン６０を入れた形態でニープレート１２の内側にセットされる。膝軸２０の両端部は、フレーム１４に固定した軸受部材（図示しない）によってそれぞれ支持され、また、ピン６０の両端部は、ニープレート１２に設けた支持孔内に支持される。このピン６０自体は、その側部のセットビス６２によって、ニープレート１２に対して固定することができる。
【００１３】
ブレーキブロック５２は、さらに、その外側面から大きな貫通孔５２ｂまで連絡する割り溝５４、割り溝５４に交差する止まり穴５６を備えている。割り溝５４は、ブレーキブロック５２を２つの部分に区分し、大きな貫通孔５２ｂの径を縮減できるようにするためのの溝である。他方、止まり穴５６は、内部にコイルばね５７を収めるための穴であり、その開口部分には、調整プラグ５８がねじ結合される。この調整プラグ５８のねじの結合度合を調整することによって、内部のコイルばね５７の圧縮状態を調整し、荷重ブレーキ５０のブレーキの効き具合を調整することができる。
【００１４】
さて、図３は、今回の発明をする以前の大腿義足であり、この発明に関連する大腿義足を示す図２と同様の全体図である。これらの図２と図３とを比較することによって、この発明の特徴を理解することができるであろう。ここで、図３について、図２の中の構成部分と互いに対応する個所には、同じ符号にダッシュを付けることによって、互いの対応関係を分かりやすくする。
この発明を適用した大腿義足１０の全体的な構造自体は、発明前の大腿義足１０’と同様である。下部材１４０として、中空なフレーム１４、ならびに足部８０を支持するパイプ部材７０を備えており、また、下部材１４０に対し膝軸２０によって揺動可能となった上部材１２０の一部として、膝形状のニープレート１２を備えている。さらに、膝軸２０の回りに配置する荷重ブレーキ５０のブレーキブロック５２、およびブレーキブロック５２の内部構造自体についても同様である。
【００１５】
図２のものと図３のものとの最大のちがいは、荷重ブレーキ５０におけるブレーキブロック５２の配置の点であり、今までのブレーキブロック５２’がいわば水平方向に寝た横型であるのに対し、今回のブレーキブロック５２は垂直方向に立った縦型である。ニープレート１２を通して義足装着者からの荷重が加わるとき、義足１０は床反力（足部８０が接地する部分からの反力）を受け、それに伴ってニープレート１２がピン６０の回りに回転しようとする。ニープレート１２がブレーキブロック５２に当たることにより、ニープレート１２に対するピン６０回りの回転モーメントは、ブレーキブロック５２を変形させようとする作用力となる。経験的な事実からすると、ヒールコンタクト時およびトーオフ時における各床反力はほぼ同じ大きさである。したがって、ピン６０回りの回転モーメントの大小は、各床反力に対する、いわゆる腕の長さ（足部８０のかかとあるいはつま先と膝軸２０の中心とを結んだ各作用線に対するピン６０の中心からの垂線の長さ）による。その点、今までのものでは、図３の要部を拡大して示す図５から分かるように、ヒールコンタクト時の腕の長さｈ’とトーオフ時の腕の長さｔ’とは、大きなちがいはなく、どちらかいうとｈ’＜ｔ’という好ましくない関係があった。それに対し、図２の要部を拡大して示す図４から分かるように、ブレーキブロック５２を縦型としたこの発明では、トーオフ時の腕の長さｔをヒールコンタクト時の腕の長さｈに比べてかなり小さくしている（今までとは逆にｔ＜ｈの関係）。
【００１６】
そうしたｔ＜ｈの関係は、膝軸２０に対するピン６０の配置を変えることによって容易に得ることができる。しかも、歩行に伴って、ニープレート１２は、膝の屈曲および伸展に伴ってたとえば１５０〜１６０度程度は膝軸２０の回りに回転するため、ブレーキブロック５２を横型から縦型にした場合でも、膝軸２０回りのスペースを拡大することもない。
図６は、ニープレート１２を結合するピン６０の位置（義足が垂直な状態にあるとき、膝軸２０を含む水平面に対し、ピン６０が膝軸２０を中心にどれだけ変位しているか、つまり回転角θによってピン６０の位置を示す。）と、ニープレート１２のピン６０回りの回転モーメントとの関係を示す。今まではθが２０〜２５度程度であったのに対し、この発明では、そのθを−４０度から−７０度程度に設定する。トーオフ時の腕の長さをできるだけ小さくするのが好ましく、特には、−７０度近くにするのが最適である。こうした最適値については、義足が垂直な状態にあるとき、ピン６０の位置を、膝軸２０を含む水平面よりも下方であり、しかも、膝軸２０の中心と足部８０のつま先とを結ぶ線を含み、膝軸２０の軸線に沿う方向の傾斜面よりも前方に位置する範囲において、実験によって確認することができる。
【００１７】
図２のものと図３のものとのもう一つのちがいは、ニープレート１２からの荷重をブレーキブロック５２に伝達するための荷重伝達部９０にある。今までのものでは、ニープレート１２’とブレーキブロック５２’との間であって、ニープレート１２’のソケット連結部１２’ａの軸線方向に沿う部分に、共にくさび型の第１および第２のブレーキパッド４１，４２を含む荷重伝達部９０’を配置していた。その点、この発明では、ニープレート１２に、縦型に配置したブレーキブロック５２の前方を覆う膝部分１２ｃを一体に設け、その膝部分１２ｃに荷重伝達部９０を配置している。荷重伝達部９０は、先が細くなったステンレス鋼製のブロック４３と、そのブロック４３の背面を押す調整ねじ４４とを備える。この調整ねじ４４については、今までの調整ねじに比べてより小さなピッチのねじにするのが好ましい。
【００１８】
なお、ヒールコンタクトは立脚相が開始する段階であり、ひき続いて床反力を受け、荷重ブレーキ５０がブレーキ力を生じることになるのに対し、トーオフは立脚相が終了する段階であり、ブレーキ力はその時点のみ作用するだけである。そのため、ニープレート１２とブレーキブロック５２との衝突に伴う異音については、トーオフ時に特に顕著である。この発明によれば、そうした異音を有効に低減することができるが、さらに、衝突する部分にゴム等の緩衝部材を介在させるようにすることもできる。
【００１９】
また、図示した実施例では、歩行補助のためのエアシリンダ装置３０を備えているため、より自然に近い歩行および歩容を得ることができるが、この発明の荷重ブレーキ５０は、坂道を歩くときや早歩きをするときなどにつま先が引っ掛かるという問題をも有効に解決し、歩行補助のための装置の実効を確実に挙げることができる。歩行補助のための装置として、ばねあるいは油圧を使用した他の装置を適用した場合にも、この発明の荷重ブレーキは適用可能である。
【００２０】
さらに、歩行に違和感を生じない範囲において、足部８０のつま先とかかととの各構成を変えつつ、この発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による荷重ブレーキを備える大腿義足の全体的な構成を示す図であり、膝が伸展した時の状態を示す断面図である。
【図２】足部を取り付けた形態を示す図１の大腿義足の全体図である。
【図３】図２に対応する今までの大腿義足の図である。
【図４】図２の要部を拡大して示す部分拡大図である。
【図５】図３の要部を拡大して示す部分拡大図である。
【図６】ニープレートのピン位置と回転モーメントとの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１０大腿義足
１２ニープレート
１２０上部材
１４０下部材
２０膝軸
３０エアシリンダ装置
５０荷重ブレーキ
５２ブレーキブロック
５２ｓ貫通孔
６０ピン
８０足部
９０荷重伝達部

Claims

装着者の荷重が加わるニープレートを含む上部材と、足部が取り付けられる下部材と、この下部材に支持され、前記上部材と下部材とを揺動可能に連結する膝軸とを備える義足に用いるための荷重ブレーキであって、前記ニープレートにピンにより結合したブレーキブロックを含み、そのブレーキブロックには、前記膝軸を挿入する貫通孔があり、前記ニープレートを介して前記装着者の荷重が加わるとき、前記貫通孔は径を減じて前記膝軸を締め付けてブレーキ力を生じる義足用荷重ブレーキにおいて、前記膝軸と前記ピンとの配置を次のＡＢＣのように特定することにより、前記足部のかかとが接地したとき前記ニープレートに作用する前記ピンを中心とした回転モーメントが、前記足部のつま先が接地したとき前記ニープレートに作用する前記ピンを中心とした回転モーメントよりも大きくするようにした義足用荷重ブレーキ。
Ａ前記足部のかかとと前記膝軸の中心とを結んだ線に対する前記ピンの中心からの垂線の長さが、前記足部のつま先と前記膝軸の中心とを結んだ線に対する前記ピンの中心からの垂線の長さよりも長い
Ｂ義足が垂直な状態にあるとき、前記ピンの位置は、前記膝軸を含む水平面よりも下方であり、しかも、前記膝軸の中心と前記足部のつま先とを結ぶ線を含み、前記膝軸の軸線に沿う方向の傾斜面よりも前方に位置する
Ｃ前記膝軸の中心と前記ピンの中心とを結ぶ線は、前記膝軸を含む水平線に対して約４０度から約７０度の角度をなす
装着者の荷重が加わるニープレートを含む上部材と、足部が取り付けられる下部材と、この下部材に支持され、前記上部材と下部材とを揺動可能に連結する膝軸とを備える義足に用いるための荷重ブレーキであって、前記ニープレートにピンにより結合したブレーキブロックを含み、そのブレーキブロックには、前記膝軸を挿入する貫通孔があり、前記ニープレートを介して前記装着者の荷重が加わるとき、前記貫通孔は径を減じて前記膝軸を締め付けてブレーキ力を生じる義足用荷重ブレーキにおいて、前記義足の膝が伸びているとき、前記ブレーキブロックの前記膝軸に直交する断面を見るとき、そのブレーキブロックの前記膝軸の中心と前記ピンの中心とを結ぶ方向が前記足部のつま先の側に向かっており、前記足部のかかとが接地したときのブレーキ力が、前記足部のつま先が接地したときのブレーキ力よりも大きくするようにしたものであり、さらに、次の特徴をもつ義足足用荷重ブレーキ。
特徴：前記ニープレートは、前記ブレーキブロックの前方を覆う膝部分を一体に備え、この膝部分の前記ブレーキブロックと対向する部分に、前記ニープレートからの荷重を前記ブレーキブロックに伝達する荷重伝達部を配置している
前記ニープレートは、前記ブレーキブロックの前方を覆う膝部分を一体に備え、この膝部分の前記ブレーキブロックと対向する部分に、前記ニープレートからの荷重を前記ブレーキブロックに伝達する荷重伝達部を配置した、請求項１の義足用荷重ブレーキ。