JP3948724B2

JP3948724B2 - 義足のためのひざ制動回路およびそれを含む義足

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Publication number: JP3948724B2
Application number: JP2002338628A
Authority: JP
Inventors: 正彦奥田; 豊彦今北; 有朋福井
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JP2004167107A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ひざの屈曲を可能とするひざ継手を含む義足に適用し、ひざの屈曲を柔軟に制動する機能、すなわち、イ−ルディング機能を与えるためのひざ制動回路、およびそのひざ制動回路を含む義足に関する。
【０００２】
【発明の背景】
義足を装着する者にとって、健常者と同様の自然な歩き方をすることが基本的な願いであり、特に、左右の足を交互に出して階段を降りたり、坂をスム−ズに降りることは夢のような願いである。柔軟なひざ制動機能、つまりイ−ルディング機能は、後者の願いを実現する上で必要な機能である。このイ−ルディング機能によって、ひざ継手を含む義足に体重をかけるとき、ひざ継手がゆっくりと屈曲角度を変えていく。したがって、イ−ルディング機能をもつ義足を装着する者は、自らの体重を安心して義足に載せ、左右の足を交互に出して階段や下り坂をスム−ズに降りることができる。
【０００３】
別の見方をすれば、イ−ルディング技術は、義足（義足の屈曲）を完全にロックする技術に対し、義足を屈曲可能な状態に柔軟にロックする技術であるということができる。義足を完全にロックする技術は、たとえば、ＵＳＰ３，８６３，２７４号（対応する日本特公昭５２−４６４３２号）が示すように、ひざ軸を機械的な摩擦力を利用して締め付けて制動力を生じる技術である。それに対し、義足を柔軟にロックする技術は、作動油が絞りを通るときの流れ抵抗を利用して制動力を生じる技術である。したがって、柔軟なロック技術は、絞りのほかに、いくつかの油圧機器を含むひざ制動回路を備える。ひざ制動回路の中の油圧機器の一つは、作動油が流れ込んだり流れ出したりする２つの室を区画する手段であり、その手段としては、往復動ピストンを含むピストンタイプと、揺動ベ−ンを含むロ−タリタイプとが知られている。ＵＳＰ５，７０４，９４５号（対応する特開平８−３１７９４４号）やＵＳＰ２，６６７，６４４号などはロ−タリタイプを、また、ＵＳＰ２，５３０，２８６号、ＵＳＰ２，５６８，０５３号などがピストンタイプをそれぞれ明らかにしている。
【０００４】
【発明の解決すべき課題】
イ−ルディング技術のひざ制動回路に着目すると、今までのものでは、前記した２つの室を区画する手段に対し、一方向の流れのみを許す逆止弁と、絞り機能をもつ制御弁とをそれぞれ並列に設け、義足にかかる荷重に応じてその制御弁を適宜開き、その開きによる絞り量に応じた制動力を生じるようになっている（たとえば、前記した特開平８−３１７９４４号の図６参照）。しかし、義足装着者が自らの意思により制御弁の開き度合、つまりは、その絞り量を制御することは難しい。なぜなら、制御弁の開き度合は、義足にかかる荷重の方向や大きさに応じて変化するからである。したがって、義足装着者が意図する制動力よりも小さな制動力を生じるおそれがあり、その場合には、義足装着者が転倒する危険性もある。階段や坂道を降りる際の安全性を重視した場合、義足装着者が一定の荷重をかけたときに確実に所望の制動力を生じることが好ましい。
【０００５】
この発明は、特に安全性を重視し、一定の荷重がかかったときに確実に所望の制動力を生じる、義足のためのひざ制動回路を提供することを目的とする。
【０００６】
また、この発明は、義足が空中に浮いた遊脚相における制御と両立することができるひざ制動回路を提供することを他の目的とする。
【０００７】
さらに、この発明は、義足装着者が安心感をもってひざに荷重をかけ自らの意思でひざを屈曲させることができる義足を提供することをも目的とする。
この発明のさらに具体的な目的は、以下の説明から明らかになるであろう。
【０００８】
【発明の解決手段】
この発明によるひざ制動回路は、イ−ルディング機能を得るための油圧制動回路であり、ひざの屈曲に対し制動力を与えるための絞りを含む。絞りは、それを通る作動油の流れに抵抗を与え、ひざに柔軟な屈曲作用を可能とする。その屈曲抵抗は、義足装着者が義足に自らの荷重（体重）をかけることによりゆっくりとひざを屈曲するような大きさであり、たとえば４０〜１００Ｎｍ相当である。絞りとしては、可変絞りあるいは固定絞りのいずれも用いることができる。義足装着者の特性や好みに応じて絞り量を調整可能にする点からすると、可変絞りの方が好ましい。そのような絞りによる制動機能をひざが屈曲するときにのみ生じさせるため、言い換えると、ひざが伸展するときには絞りによる制動機能を生じないようにするため、ひざ制動回路には、その絞りに並列に逆止弁が配置されることは勿論である。逆止弁としては、ボ−ルやポペットを弁体とした簡単な構造のものが好ましい。
【０００９】
また、この発明のひざ制動回路は、絞りおよび逆止弁のほか、作動油が流れ込んだり流れ出したりする２つの室を区画する手段を含む。２つの室を区画する手段としては、すでに述べたように、往復動ピストンを含むピストンタイプと、揺動ベ−ンを含むロ−タリタイプとがある。この発明に対し、それらの両タイプを適用することができるが、ひざ制動回路およびそれを適用した義足を小型化する上からすると、ロ−タリタイプの方が好ましい。また、ロ−タリタイプのものは、立脚相におけるひざ制動回路と、遊脚相におけるひざの屈曲および伸展を制御するためのエアシリンダ装置とを併用する上からも好ましい。なお、油圧によるひざ制動回路に対し、油圧の構成要素を加えることによって、立脚相における柔軟なひざ制動機能を得るだけでなく、遊脚相におけるひざの屈曲を制御するようにすることもできる。
【００１０】
この発明では、前記した絞りとは別に、その絞りおよび逆止弁と並列に特定の切換え弁を配置する。その切換え弁は、義足装着者の荷重を受けることにより開閉される弁であり、開状態と閉状態との２つの状態に切り換わるスイッチング機能を果たす。ひざ制動回路の中において、閉状態にある切換え弁は、作動油の流れを遮断して前記絞りの方の機能を実効あらしめるのに対し、開状態にある切換え弁は、作動油をスム−ズに流して前記絞りの機能を無意味あるいは無効にする。したがって、切換え弁としては、わずかなストロ−クで開状態と閉状態とが切り換わる弁構造が好ましい。特に好ましい弁は、弁座に対して弁体を押し付けて弁の開閉を行うシ−ト弁であり、その弁の開閉時、弁体が弁座の面に対して直交する方向に動く弁である。そのような弁は、弁体の小さな動きで、その動き分の高さのリング状の開口を生じるので、即座に大きな流路面積を確保することができる。切換え弁の切換えを確実かつ迅速に行うため、切換え弁の弁体と弁座とは面接触するように構成するのが最も好ましい。
【００１１】
また、ひざ制動回路の切換え弁については、ノ−マルオ−プン、ノ−マルクロ−ズドのいずれにすることもできるが、通常時に確実に制動をかけることによって、ひざ折れを確実に防止する観点からすれば、ノ−マルクロ−ズドの方が好ましい。さらに、遊脚相における制御を油圧によるひざ制動回路とは別のエアシリンダ装置によって制御する場合には、切換え弁をノ−マルクロ−ズドとした上、遊脚相への移行時に切換え弁が開くようにする対策を講じるべきである。その対策として、たとえば、義足が爪先接地になることに応じて、切換え弁の弁体を弁座に対し着座する力を与えるばね力を無効にする方法などを適用することができる。
【００１２】
【実施例】
図１は、この発明によるひざ制動回路の一実施例を示す回路図を示している。ひざ制動回路１０における室区画手段２０は、揺動ベ−ン２２が２つの室２０ｅ，２０ｆを区画するロ−タリタイプである。ひざ制動回路１０の室区画手段２０が区画する２つの室のうち、一方の第１室２０ｅが伸展室であり、他方の第２室２０ｆが屈曲室である。伸展室２０ｅは、ひざが伸展する際に油が流れ込み、ひざが屈曲する際に油が流れ出す室であり、それに対し、屈曲室２０ｆは、ひざが屈曲する際に油が流れ込み、ひざが伸展する際に油が流れ出す室である。室区画手段２０の２つの室２０ｅ，２０ｆは、通路３０を通して互いに連絡されており、一方から他方へ、あるいは他方から一方へと油を流すことができる。油の流れを平滑にするため、通路３０にアキュムレ−タを付属させることもできる。
【００１３】
ひざ制動回路１０は、室区画手段２０の２つの室２０ｅ，２０ｆを連絡する通路３０の間に、流れ抵抗を生じる絞り（つまり、絞り弁）４０、および第１室２０ｅから第２室２０ｆに向かう流れを阻止し、その逆方向の流れを許す逆止弁５０、ならびに義足装着者の荷重を受けて開閉する切換え弁６０を含む。それら絞り４０、逆止弁５０、および切換え弁６０は、通路３０上、互いに並列接続である。この絞り４０としては、いろいろなタイプのものを適用することができるが、その絞り量をより調整しやすいものを選ぶのが好ましい。好ましい例として、弁体の外周に、軸線方向に傾斜した切欠き溝（たとえば、周方向に互いに１８０°隔てた２個の切欠き溝）を設けたものを用いることができる。そのような絞り４０は、義足装着者の体格、歩き方の好みなどに応じて、ねじ調節によってその絞り量を容易に調整することができる。また、逆止弁５０としては、ボ−ル弁やポペット弁を適用することができる。
【００１４】
一方、切換え弁６０は、閉状態から開状態へ、あるいは開状態から閉状態へと迅速かつ確実に切り換えることができる弁構造が好ましい。図２は、ハウジング２４０の内部に収容された切換え弁６０を示す断面図である。ハウジング２４０には、高圧側の伸展室２０ｅに連絡する第１通路３０１、低圧側の屈曲室２０ｆに連絡する第２通路３０２、およびそれら第１、第２の両通路３０１，３０２にそれぞれ連絡する収容孔２４６がある。第１通路３０１、第２通路３０２、および収容孔２４６が、通路３０の一部を構成することは勿論である。切換え弁６０は、収容孔２４６の中に位置し、第１通路３０１側と第２通路３０２側とを連絡、あるいは遮断する弁である。
【００１５】
切換え弁６０の主体は、収容孔２４６の中に移動可能にはまりあった小型のプランジャ６１０である。プランジャ６１０は、その外周のシ−ル部材６２０によって液密にシ−ルされ、また、弁ばね６３０によって収容孔２４６の外に向かう力を受けている。しかし、プランジャ６１０は、収容孔２４６から突き出た一端６１０ａに、リンク機構（図示しない）を通して外部のばね（やはり図示しない）による力をも受けている。外部のばねによる力は、弁ばね６３０の力に打ち勝つため、通常の状態においては、プランジャ６１０の先端６１０ｂが、ハウジング２４０側の平坦な弁座２４０ｂに当たり、それにより、切換え弁６０は閉状態を保っている。一方、図示しないリンク機構は、義足が踵接地状態から爪先接地状態に変わることに応じて、外部のばね（図示しない）の力を解除する。すると、プランジャ６１０は、弁ばね６３０の力により収容孔２４６の外に向かって動き、切換え弁６０を開状態にする。
【００１６】
ひざ制動回路１０において、切換え弁６０はノ−マルクロ−ズドにあり、通常時に絞り４０による制動が常に働くようにし、いわゆるひざ折れを防止するようにしている。そのような通常状態において、絞り４０による流れ抵抗は、たとえば４０〜１００Ｎｍ相当であり、ひざ制動回路１０を備える義足の装着者は、自らの体重をひざにかけることによって、ひざをゆっくりと屈曲することができる。しかも、ひざ制動回路１０は、切換え弁６０とは別個に設けた絞り４０による流れ抵抗によって制動力を生じるようにしているため、義足装着者は、切換え弁６０の開閉制御を自らの体重をかけることにより、確実かつ迅速に行うことができる。というのは、切換え弁６０は、一定の荷重が義足にかかったときに、プランジャ６１０が動き、そのプランジャ６１０がわずかに動くことに応じ、リング状の大きな開口を生じるからである。
【００１７】
図３は、切換え弁６０を含む油圧によるひざ制動回路１０に対し、エアシリンダ７０ａおよびそれに付属する空圧回路７０ｃを含むエアシリンダ装置７０を組合わせた回路を示している。すなわち、義足の立脚相の制御をひざ制動回路１０で行い、しかもまた、同じ義足の遊脚相の制御をエアシリンダ装置７０で行うようにした形態である。エアシリンダ装置７０については、すでに述べた公知のものを適用することができる。エアシリンダ７０ａは、シリンダ内部のピストンがピストンの軸線方向の前後に２つの室を区画する。また、空圧回路７０ｃは、絞りや逆止弁を含み、ピストン前後の各室に流出入するエアの流れを制御する。エアシリンダ装置７０における室区画手段（つまりは、エアシリンダ７０ａ）は、シリンダ内部のピストンが軸線方向に往復動するピストンタイプである。それに対し、ひざ制動回路１０における室区画手段２０は、揺動ベ−ン２２が２つの室２０ｅ，２０ｆを区画するロ−タリタイプである。ひざ制動回路１０は、ひざを構成する部材の内部に構成されており、ひざ制動回路１０側の揺動ベ−ン２２と、エアシリンダ装置７０側のピストン７０ａとは、義足の一部（たとえばニ−プレ−ト）８０を通して互いに連結されている。図３の組合わせ回路を備える義足は、ひざ制動回路１０により立脚相における柔軟なひざ制動機能を得、しかもまた、エアシリンダ装置７０によって遊脚相におけるひざの屈曲および伸展の補助機能を得る。
【００１８】
図４は、切換え弁６０を含む油圧によるひざ制動回路１０に対し、油圧の構成要素を加えた組合わせ回路である。ひざ制動回路１０に加わる新たな構成要素は、絞り４１０および逆止弁５１０を含む伸展補助回路１０１と、絞り４２０および逆止弁５２０を含む屈曲補助回路１０２とである。ひざ制動回路１０が、義足の立脚相における柔軟なひざ制動機能を得るための回路であり、伸展補助回路１０１および屈曲補助回路１０２が、義足の遊脚相における補助機能を得るための回路である。そのため、伸展補助回路１０１および屈曲補助回路１０２における各絞り４１０，４２０は、ひざ制動回路１０の絞り４０に比べて絞り量が小であり、それによる流れ抵抗は、屈曲抵抗に相当する値で最大８Ｎｍである。また、伸展補助回路１０１および屈曲補助回路１０２における逆止弁５１０，５２０が、互いに逆方向の流れのみを許す一方向弁であることは勿論である。立脚相および遊脚相の各制御をともに油圧回路で行う場合、そのような油圧回路を義足のひざの部分に組み込むことができ、義足をより一層小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるひざ制動回路の一実施例を示す回路図である。
【図２】切換え弁の一例を示す断面図である。
【図３】図１の油圧による回路と空圧回路との組合わせを示す回路図である。
【図４】図１の油圧による回路に対し別の油圧構成要素を組み合わせた回路図である。
【符号の説明】
１０ひざ制動回路
２０室区画手段
２２揺動ベ−ン
２０ｅ伸展室（第１室）
２０ｆ屈曲室（第２室）
３０通路
４０絞り
５０逆止弁
６０切換え弁
７０エアシリンダ装置
１０１伸展補助回路
１０２屈曲補助回路

Claims

ひざ継手を含む義足に適用し、ひざの屈曲に制動力を与えるためのひざ制動回路であって、ひざが伸展するときに作動油が入り込む第１室と、ひざが屈曲するときに作動油が入り込む第２室と、それら第２室と第１室との間を連絡する通路と、その通路上、前記第１室と第２室との間に位置する絞りであり、その絞りを通る前記作動油の流れ抵抗を利用して前記ひざの屈曲に制動力を与える絞りと、前記通路上、その絞りと並列に接続され、前記第１室から前記第２室へ向かう流れを阻止し、その逆方向の流れを許す逆止弁と、前記通路上、その逆止弁および前記絞りと並列に接続され、義足を装着する者の荷重を受けることにより開閉される切換え弁とを備え、閉状態にある切換え弁は、作動油の流れを遮断して前記絞りの方の機能を実効あらしめるのに対し、開状態にある切換え弁は、作動油をスムーズに流して前記絞りの機能を無意味あるいは無効にすることを特徴とする、義足のためのひざ制動回路。
前記切換え弁は、弁座に対して弁体を押し付けて弁の開閉を行うシ−ト弁であり、その弁の開閉時、前記弁体は、前記弁座の面に対して直交する方向に動く、請求項１のひざ制動回路。
前記第１室と前記第２室とは、一点を中心に揺動可能なベ−ン、あるいは直線方向に往復動可能なピストンのいずれかによって区画される、請求項１の義足。
前記制動力は、義足が立脚相にあるとき、義足装着者が自らの荷重をかけることによって、ひざ継手がゆっくりと屈曲角度を変えていく大きさである、請求項１のひざ制動回路。
ひざ継手を含む義足であり、請求項１のひざ制動回路を備えることを特徴とする義足。
前記ひざ制動回路は、義足が立脚相にあるとき、義足装着者が自らの荷重をかけることによって、ひざ継手を屈曲可能にするものであり、前記義足は、さらに、遊脚相におけるひざの屈曲および伸展を補助するためのエアシリンダ装置を備える、請求項５の義足。
前記ひざ制動回路は、義足が立脚相にあるとき、義足装着者が自らの荷重をかけることによって、ひざ継手を屈曲可能にするものであり、前記義足は、さらに、遊脚相におけるひざの屈曲および伸展を補助するための油圧制御回路を備える、請求項５の義足。