JP3968064B2 - 義足バウンス装置 - Google Patents

Description

本発明は、義足の膝関節に関する。

義足の膝関節にとって、膝折れを避けながら義足のかかとが着床した瞬間の衝撃を緩和することは重要なことである。特開平０５−０００１４６号公報には膝関節のリンク機構の一要素を伸縮させることにより吸収する技術が開示されている。特開２０００−１３９９７４号公報には中間リンク機構を付加したものが開示されている。

特開平０５−０００１４６号公報 特開２０００−１３９９７４号公報

しかしながら、これら従来の技術は、屈曲も可能としなければならない膝関節で、膝折れを阻止しながら軽い膝曲げを実現しなければならず、機構が複雑になるという問題点があった。立脚相での軽い膝曲げは、かかとが着床した際の衝撃を吸収するだけでなく、患者の重心の上下動を小さくし、歩容を良くする上で重要である。

そこで本発明では、屈曲させる本来の膝関節とは別個に、軽い膝曲げだけを実現するユニットを導入することとした。すなわち、本発明の義足バウンス装置は、義足の膝関節の直下に配設される装置であって、膝関節に直結する結合部材と下腿パイプとが膝折れ方向に角度を持つことができるようにすると共に下腿パイプより前方に回転中心軸線を構成する単軸構造若しくはリンク構造と、前記単軸構造若しくはリンク構造において下腿パイプが伸展した位置で阻止するストッパと、前記単軸構造若しくはリンク構造において下腿パイプが伸展しストッパに阻止される方向に付勢する弾性体と、を備えることを特徴とする。
また、前記単軸構造若しくはリンク構造において結合部材と下腿パイプが有することができる角度が２０度未満である様に構成されていることを特徴とすることができる。
上記の構成において、リンク構造としては４節リンク構造を用いることができる。弾性体としてはゴムのブロックあるいはバネを用いることができる。

作用について説明する。このように構成すると、膝の自由状態つまり遊脚相では弾性体の付勢力により下腿パイプが伸展しストッパに阻止された状態になる。つまり膝が伸展した状態である。歩行が進み踵が着床すると床反力が下腿パイプから単軸構造若しくはリンク構造に伝わる。ここで、単軸構造若しくはリンク構造の回転中心軸線は下腿パイプより前方に構成されているから、弾性体の付勢力に抗して単軸構造若しくはリンク構造が屈曲する。従って、着床のショックは弾性体の収縮により吸収される。外観からはわずかに単軸構造若しくはリンク構造が屈曲し膝が屈曲したようになる。さらに歩行が進み立脚相が進むと、床反力も踵から前方に進み、さらに多くの体重が掛かる。よって、弾性体がより多く収縮し、単軸構造若しくはリンク構造がより多く屈曲し、膝がわずかに多く屈曲するようになる。

さらに歩行が進み立脚相が進むと、床反力が足の前方に進み、床反力の作用力線が単軸構造若しくはリンク構造の回転中心に近づく。このため床反力の大きさは同じであっても、単軸構造若しくはリンク構造を屈曲させる曲げモーメントが小さくなり、弾性体の付勢力により単軸構造若しくはリンク構造が伸展を始める。外観からは膝がわずかに屈曲した状態から徐々に進展し始める。さらに歩行が進み立脚相が進むと、ついに、床反力の作用力線が単軸構造若しくはリンク構造の回転中心を通り過ぎる。すると、単軸構造若しくはリンク構造を屈曲させる曲げモーメントは消失し、弾性体の付勢力により単軸構造若しくはリンク構造はストッパに当接するまで伸展される。外観からは膝が伸びきった状態になる。そして、つま先で離床し立脚相から遊脚相に移行する際には、単軸構造若しくはリンク構造が伸展し膝が伸展した状態となる。

上述の作用に基づき効果について説明する。
第１に、立脚相での体重心の上下動を抑制し小さくする。膝が完全に固定された義足では、立脚相において着床した足を中心とし義肢の長さを半径とする円弧状に体重心が動いてしまう。これに対して本発明の義足バウンス装置を装着した義足では、立脚相において単軸構造若しくはリンク構造が徐々に屈曲し徐々に進展する動作をする。この動作は膝をわずかに曲げ伸ばしすることに相当し、円弧状の動きを補償する動作となるので、立脚相での体重心の上下動を小さくする。このため、患者の歩行時の乗り越え感を小さくすることができる。また、上下動が小さくなり歩容が良くなる。

第２に、下りの坂道では、床反力の作用力線が単軸構造若しくはリンク構造の回転中心を越えるのが遅くなるから、より長い期間義足バウンス装置が屈曲しているので、患者の「乗り越えた後の落下」の恐怖感を和らげる。
第３に、足の着床期の衝撃を緩衝する。
第４に、足底全体が着床する時期が早くなり、歩行の安定が向上する。
第５に、立脚相前半期の大腿部ソケットの屈曲角が増すため股関節伸展筋を働かせ易くなり、前方への推進力を大きく出せるようになる。

また、義足バウンス装置として、単軸構造若しくはリンク構造において結合部材と下腿パイプが有することができる角度が２０度未満である様に構成されているものにおいては、義足の足に予期せぬ荷重が掛かったときも屈曲する角度が制限され、膝折れ現象とならないので安全で患者に安心感を与える。

実施の形態としては、リンク構造を用いたものの方が優れるが、理解の容易さから単軸構造のものを先に説明する。

図１は、単軸構造の義足バウンス装置を装着した義足を示す側面図である。上方に患者の断端を支える大腿部ソケット１がある。大腿部ソケット１の下には膝関節２が装着される。膝関節２は、単に伸展した状態でロックが可能で、ロックを外したときに膝折れができるだけの単純な機構のものでよい。膝関節２と単軸バウンス装置１０とは結合部材である結合パイプ３により結合されている。単軸義足バウンス装置１０の下には下腿パイプ４が結合され、下腿パイプ４には足部５が結合される。単軸義足バウンス装置１０は、単軸１１を回転中心として結合パイプ３と下腿パイプ４が膝折れ方向にわずかに屈曲することができる装置である。単軸義足バウンス装置１０はゴム弾性体２０により伸展方向に付勢されている。

図２は、単軸義足バウンス装置１０を１０度ほど屈曲させ、大腿部ソケット１をわずかに後傾させた状態を示す側面図である。単軸１１が下腿パイプ４より前方に位置することに注意されたい。

図３は、単軸義足バウンス装置１０のユニット単体を示す側面図、図４は、図３の縦断面図である。単軸義足バウンス装置１０は単軸１１で回転自在に結合された上部ブロック１２と下部ブロック１３を主要な要素とする。上部ブロック１２の上方には結合パイプ３が一体に形成されている。下部ブロック１３の下方にはピラミッド結合子１４が螺合されて一体とされ、下腿パイプ４を結合するのに用いられる。上部ブロック１２と下部ブロック１３の回転中心となる単軸１１の位置は、結合パイプ３や下腿パイプ４が結合されるピラミッド結合子１４より前方に位置される。単軸１１下方の上部ブロック１２の突出部はストッパ１５をなし、下部ブロック１３の受け面１６に当接可能である。ストッパ１５が受け面１６に当接する角度位置は、結合パイプ３と下腿パイプ４が直線状になる膝が伸展した角度位置である。従って、上部ブロック１２と下部ブロック１３は、ストッパ１５が受け面１６に当接した位置から上部ブロック１２の後部１２Ａと下部ブロック１３の後部１３Ａが当接する、約１５度程度後屈した位置まで物理的には回転（揺動）可能である。

下部ブロック１３の半球面形状の凹部に、半球面形状の凸部を持ったゴム受け体１７が載置されている。ゴム受け体１７に対向する位置の上部ブロック１２にゴム押圧体１８が螺合されて組み込まれ、その軸方向位置を回転により調整できるようになっている。ゴム受け体１７とゴム押圧体１８との間に、円柱形状のゴム弾性体２０が組み込まれる。ゴム弾性体２０はゴム押圧体１８により軸方向に圧縮され、単軸１１を回転中心にして上部ブロック１２と下部ブロック１３を開くように付勢している。従って、自由状態ではゴム弾性体２０の付勢力によりストッパ１５が受け面１７に当接し、膝が伸展した状態となる。上部ブロック１２を背屈させるのに要する力は、患者の体重や筋力に合わせ、ゴム押圧体１８の回転位置を調整しゴム弾性体２０の圧縮量を調整することにより、ある程度調整できる。大きな調整が必要なときはゴム弾性体２０を入れ替える。

図５及び図６は、単軸義足バウンス装置１０の作動を示す模式図である。図５は無負荷時の、図６は負荷時の状態を示している。大腿部ソケット１に連なる膝関節２はロックされて伸展したまま固定されているとする。図５に示すように、無負荷時にはゴム弾性体２０の付勢力によりストッパ１５に押しつけられた状態になり、単軸義足バウンス装置１０は大腿部ソケット１に対して下腿パイプ４が伸展した角度位置に維持する。図６に示すように、負荷時には単軸義足バウンス装置１０はゴム弾性体２０の付勢力に抗して後屈し、下腿パイプ４に対して大腿部ソケット１が後屈し角度を有する状態になる。後屈の程度は負荷の大きさによる。

図７は、歩行時の単軸義足バウンス装置１０の作動を説明する模式図である。歩行は（Ａ）から（Ｅ）に進む。（Ａ）では、足部５は床面１００から離れ未だ遊脚相にあるから単軸義足バウンス装置１０は伸展した状態にある。（Ｂ）では、立脚相に入り足部５の踵が着床した状態を示す。破線で示すのは床反力１０１である。踵からの床反力１０１は単軸１１の後方を通るから単軸義足バウンス装置１０に曲げモーメントが掛かり、単軸義足バウンス装置１０が屈曲し大腿部ソケット１が後屈する。このため、着床時のショックが吸収される。（Ｂ）から（Ｃ）に至る過程では、徐々に体重が義足に掛かると共に床反力１０１が前方に移動する。このとき、単軸義足バウンス装置１０が屈曲するため足部５の足底全体が着床する時期が早くなり、歩行の安定性が向上する。また、大腿部ソケット１の屈曲角が増すため、股関節伸筋を働かせ易くなり前方への推進力が大きくなる。そして、歩行の進行に伴い体重が乗り、単軸義足バウンス装置１０の屈曲角度が徐々に大きくなる。

（Ｃ）では、全体重が義足に掛かり、かつ、床反力１０２が単軸１１から最も離れた位置を通るから曲げモーメントが大きくなり、単軸義足バウンス装置１０が最も屈曲する。（Ｃ）から（Ｄ）に至る過程では、床反力１０２がさらに前方に移動し、単軸１１との距離が小さくなり曲げモーメントが小さくなる。このため、単軸義足バウンス装置１０の屈曲角度が徐々に減少する。（Ｄ）では、床反力１０３が単軸１１の位置を通るから曲げモーメントが無くなり、単軸義足バウンス装置１０はゴム弾性体２０の付勢力により伸展する。（Ｅ）に至ると、床反力がさらに前方に移動しつま先離床直前の状態になるが、床反力１０４は単軸１１の前方を通り、曲げモーメントを発生しない。従って、単軸義足バウンス装置１０は伸展したままである。つま先離床すれば立脚相を過ぎて遊脚相に入る。

このように、単軸義足バウンス装置１０が適宜適当な角度だけ屈曲することにより、遊脚相から立脚相に入るときのショックを吸収し、立脚相の進行に伴って屈曲角を徐々に大きくし、徐々に小さくする。これは、健常者の歩行の際の膝関節の微妙な動きに近似している。このため、立脚相での体重心の上下動を小さくするなど、優れた効果を奏する。

図８は、４節リンク構造の義足バウンス装置を装着した義足を示す側面図である。上方に患者の断端を支える大腿部ソケット１がある。大腿部ソケット１の下には膝関節２が装着される。膝関節２は、単に伸展した状態でロックが可能で、ロックを外したときに膝折れができるだけの単純な機構のものでよい。膝関節２と４節リンクバウンス装置３０とは直接結合され、４節リンクバウンス装置３０の部材の一部が結合部材を構成している。４節リンクバウンス装置３０の下には下腿パイプ４が結合され、下腿パイプ４には足部５が結合される。４節リンクバウンス装置３０は、４つの軸３１、３２、３３、３４と４つのリンク３５、３６、３７、３８で構成され、第１リンク３５の仮想回転中心Ｐ１を回転中心として結合パイプ３と下腿パイプ４が膝折れ方向にわずかに屈曲することができる装置である。

図９は、４節リンクバウンス装置３０を１０度ほど屈曲させ、大腿部ソケット１をわずかに後傾させた状態を示す側面図である。第１リンク３５の仮想回転中心がＰ１からＰ２に移動し、第２軸３２に近づいた位置にあることに注意されたい。

図１０は、４節リンクバウンス装置３０のユニット単体を示す側面図、図１１は、図１０の縦断面図である。４節リンクは４つの軸３１、３２、３３、３４と４つのリンク３５、３６、３７、３８で構成される。第１リンク３５と第３リンク３７はブロック状の部材である。第２リンク３６と第４リンク３８はそれぞれ２枚からなる板状の部材であり、ブロック状の部材３５、３７を図面上で前後から挟んでいる。従って、図１０では前側の板状のリンク３６、３８が示され、図１１では後側の板状のリンク３６、３８が示される。ブロック状の第１リンク３５は、上方に延出し環形状の結合部４１を構成している。結合部４１は膝関節２に結合する部分である。下方のブロック状の第３リンク３７は、下方で円盤形状をなしている。第３リンクの下方にはピラミッド結合子４２が螺合されて一体とされ、下腿パイプ４を結合するのに用いられる。ここで、第１リンク３５の仮想回転中心Ｐ１がピラミッド結合子４２より前方にあることを確認しておく。

ブロック状の第１リンク３５と第３リンク３７との間に、軸４３、４４により直線型のオイルダンパー４５が架設されている。第１リンク３５とオイルダンパー４５を接続する軸４３は第１リンク３５のオーバーハングした位置（４節リンクバウンス装置３０の第１軸３１より外の位置）にあるから、実効的には第２リンク３６と第３リンク３７の間にオイルダンパーが架設されているのと等価になる。

図１１を参照し、オイルダンパー４５は、円筒形状のシリンダ４６とピストン４７とピストンロッド４８とを主な要素とする。シリンダ４６の底部が第１リンク３５に軸４３で連結され、ピストンロッド４８の先端が軸４４により第３リンク３７に結合されている。そして、第３リンク３７とシリンダ４６との間に圧縮コイルバネ５０が挟持されている。圧縮コイルバネ５０はピストンロッド４８を引き出すように、そして軸４３を介して第１リンク３５のオーバーハングした部分を押すように付勢し、第２リンク３６と第３リンク３７の角度が開く方向に付勢する。つまり、圧縮コイルバネ５０は４節リンクバウンス装置３０が伸展し膝が伸展する方向に付勢する。

オイルダンパー４５のシリンダ４６内にはピストン４７の前進を規制するストッパ５１が設けられている。自由状態では、図１１に示すように、圧縮コイルバネ５０の付勢力によりピストン４７がストッパ５１に当接した位置にある。このピストン４７の位置での４節リンクバウンス装置３０の姿勢は、膝が伸展した姿勢になる。膝を後屈させる負荷が掛かると、圧縮コイルバネ５０の付勢力に抗してピストン４７が押し込まれ、４節リンクの仮想回転中心Ｐ１を中心に回転して膝が後屈する。このとき、仮想回転中心Ｐ１も移動する。膝が最も後屈するのはピストン４７がストローク端に達したときである。４節リンクバウンス装置３０の伸展端、後屈端はオイルダンパー４５のストロークで規制される。

図１２及び図１３は、４節リンクバウンス装置３０の作動を示す模式図である。図１２は無負荷時の、図１３は負荷時の状態を示している。大腿部ソケット１に連なる膝関節２はロックされて伸展したまま固定されているとする。図１２に示すように、無負荷時には圧縮コイルバネ５０の付勢力によりストッパ５１に押しつけられた状態になり、４節リンクバウンス装置３０は大腿部ソケット１に対して下腿パイプ４が伸展した角度位置に維持される。このときの４節リンクの仮想回転中心Ｐ１は下腿パイプ４の前方に位置する。図１３に示すように、負荷時には４節リンクバウンス装置３０は圧縮コイルバネ５０の付勢力に抗して後屈し、下腿パイプ４に対して大腿部ソケット１が後屈し角度を有する状態になる。このときの４節リンクの仮想回転中心Ｐ２は下腿パイプ４の近くまで移動する。後屈の程度は負荷の大きさによる。

図１４は、歩行時の４節リンクバウンス装置３０の作動を説明する模式図である。歩行は（Ａ）から（Ｅ）に進む。（Ａ）では、足部５は床面２００から離れ未だ遊脚相にあるから４節リンクバウンス装置３０は圧縮コイルバネ５０の付勢力により伸展した状態にある。（Ｂ）では、立脚相に入り足部５の踵が着床した状態を示す。破線で示すのは床反力２０１である。踵からの床反力２０１は仮想回転中心Ｐ１、Ｐ２の後方を通るから４節リンクバウンス装置３０に曲げモーメントが掛かり、４節リンクバウンス装置３０が屈曲し大腿部ソケット１が後屈する。このため、着床時のショックが吸収される。踵が着床した初期は仮想回転中心Ｐ１が床反力２０１からより離れた位置にあるから４節リンクバウンス装置３０により大きな曲げモーメントが掛かり、軽く屈曲を開始し着床時のショックを吸収する。屈曲が進むと仮想回転中心Ｐ１がＰ２に移動し、曲げモーメントが小さくなるのでそれ以上の屈曲が抑えられる。

（Ｂ）から（Ｃ）に至る過程では、徐々に体重が義足に掛かると共に床反力２０１が前方に移動する。このとき、４節リンクバウンス装置３０が屈曲しているため足部５の足底全体が着床する時期が早くなり、歩行の安定性が向上する。また、大腿部ソケット１の屈曲角が増すため、股関節伸筋を働かせ易くなり前方への推進力が大きくなる。そして、歩行の進行に伴い体重が乗り、４節リンクバウンス装置３０の屈曲角度が大きくなる。（Ｃ）では、全体重が義足に掛かり、かつ、床反力２０２が仮想回転中心Ｐ２から最も離れた位置を通るから曲げモーメントが大きくなり、４節リンクバウンス装置３０が最も屈曲する。

（Ｃ）から（Ｄ）に至る過程では、床反力２０２がさらに前方に移動し、仮想回転中心Ｐ２との距離が小さくなり曲げモーメントが小さくなる。このため、４節リンクバウンス装置３０の屈曲角度が徐々に減少する。このとき、屈曲角度の減少に伴って仮想回転中心がＰ２からＰ１へ徐々に移動する。このため、屈曲角度の減少の様子が歩行の進行に従い滑らかなものとなる。（Ｄ）では、床反力２０３が仮想回転中心Ｐ１の位置を通るから曲げモーメントが無くなり、４節リンクバウンス装置３０は圧縮コイルバネ５０の付勢力により伸展する。前記の図７で示した単軸義足バウンス装置１０を用いたものでは、床反力１０２、１０３が単軸１１を通過することにより作用が急激に変化するが、本実施例の４節リンクバウンス装置３０を用いたものでは、床反力２０２、２０３が仮想回転中心Ｐ１を越えようとする際に、仮想回転中心もＰ２からＰ１に移動し、その移動する仮想回転中心を追いかけて床反力２０２、２０３が追い越す形となるため作用の移行が非常に滑らかになる。このため、患者の使用感が滑らかなものになり心地よい。

（Ｅ）に至ると、床反力２０４がさらに前方に移動しつま先離床直前の状態になるが、床反力２０４は仮想回転中心Ｐ１の前方を通り、曲げモーメントを発生しない。従って、４節リンクバウンス装置３０は伸展したままである。つま先離床すれば立脚相を過ぎて遊脚相に入る。

このように、４節リンクバウンス装置３０が適宜適当な角度だけ屈曲することにより、遊脚相から立脚相に入るときのショックを吸収し、立脚相の進行に伴って屈曲角を徐々に大きくし、徐々に小さくする。これは、健常者の歩行の際の膝関節の微妙な動きに近似している。このため、立脚相での体重心の上下動を小さくするなど、優れた効果を奏する。そして、４節リンクバウンス装置３０は、単軸義足バウンス装置１０に比べて、リンク機構特有の仮想回転中心Ｐ１、Ｐ２の移動により、着床時のショックを単軸のものより柔らかく吸収する。さらに、床反力が回転中心を越え作用が切り替わる際に、床反力２０２、２０３、２０４が移動する仮想回転中心Ｐ２、Ｐ１を追いかけて越えることになるので切り替えが非常に滑らかになる。このため、患者にとって使い心地の良いものになるという利点がある。さらに、仮想回転中心で回転させるため単軸１１を前方に突出させる必要が無くなり、義足バウンス装置の外観が良くなるという利点がある。

単軸構造の義足バウンス装置を装着した義足を示す側面図である。 単軸義足バウンス装置を１０度ほど屈曲させ、大腿部ソケットをわずかに後傾させた状態を示す側面図である。 単軸義足バウンス装置のユニット単体を示す側面図である。 図３の縦断面図である。 無負荷時の単軸義足バウンス装置の作動を示す模式図である。 負荷時の単軸義足バウンス装置の作動を示す模式図である。 歩行時の単軸義足バウンス装置の作動を説明する模式図である。 ４節リンク構造の義足バウンス装置を装着した義足を示す側面図である。 ４節リンクバウンス装置を１０度ほど屈曲させ、大腿部ソケットをわずかに後傾させた状態を示す側面図である。 ４節リンクバウンス装置のユニット単体を示す側面図である。 図１０の縦断面図である。 無負荷時の４節リンクバウンス装置の作動を示す模式図である。 負荷時の４節リンクバウンス装置の作動を示す模式図である。 歩行時の４節リンクバウンス装置の作動を説明する模式図である。

符号の説明

１ 大腿部ソケット
２ 膝関節
３ 結合パイプ
４ 下腿パイプ
５ 足部
１０ 単軸義足バウンス装置
１１ 単軸
１２ 上部ブロック
１３ 下部ブロック
１５ ストッパ
２０ ゴム弾性体
３０ ４節リンクバウンス装置
３５ 第１リンク
３６ 第２リンク
３７ 第３リンク
３８ 第４リンク
４５ オイルダンパー
４７ ピストン
５０ 圧縮コイルバネ
５１ ストッパ

Claims (3)

1. 義足の膝関節の直下に配設される義足バウンス装置であって、
   膝関節に直結する結合パイプと下腿パイプとが膝折れ方向に角度を持つことができるようにすると共に下腿パイプより前方に回転中心軸を構成する軸構造と、
   前記軸構造において下腿パイプが伸展した位置で阻止するストッパと、
   前記軸構造において下腿パイプが伸展しストッパに阻止される方向に付勢する弾性体と、
   を備えることを特徴とする義足バウンス装置。
2. 義足の膝関節の直下に配設される義足バウンス装置であって、
   膝関節に直結する結合パイプと下腿パイプとが膝折れ方向に角度を持つことができるようにすると共に下腿パイプより前方に仮想回転中心軸を構成し、
   その仮想回転中心軸がリンクの伸展時には下腿パイプのより前方に、リンクの屈曲時には下腿パイプにより近接するように移動するように構成されたリンク構造と、
   前記リンク構造において下腿パイプが伸展した位置で阻止するストッパと、
   前記リンク構造において下腿パイプが伸展しストッパに阻止される方向に付勢する弾性体と、
   を備えることを特徴とする義足バウンス装置。
3. 結合パイプと下腿パイプが有することができる角度が２０度未満である様に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の義足バウンス装置。

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