JP4194150B2 - 多節リンクの膝関節を備える義足 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多節リンクの膝関節を備える義足に関し、特に、主要な４節の限定連鎖を下腿部材の側に一箇所で回転可能に連結した構成の膝関節を備える義足に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、膝関節を備える義足は、装着者の荷重が大腿を通して加わる大腿部材と、足部が取り付けられる下腿部材と、この下腿部材と前記大腿部材との間に位置し、両部材の屈曲および伸展を可能とする膝関節とを備える。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、大腿部材の上端には、断端を受け入れるソケットが支持される。
【０００３】
大腿部材と下腿部材との間の膝の部分に位置する膝関節として、１本の回転軸を中心に動き、膝の屈曲の角度が変わっても常に回転中心は一定である単軸と、複数のリンク（つまり、多節リンク）を含み、膝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。ここでは、多軸あるいは多節リンクを含むものを対象とする。なぜなら、多節リンクの膝関節は、回転中心あるいは瞬間回転中心が変化し、健常者の歩行により近い動きを提供するからである。こうした考えは、たとえばＵＳＰ２，６３８，６０５号が示すように、かなり以前から知られている。
【０００４】
【発明の解決すべき課題】
こうした多節リンクの膝関節について、さらなる改良を図ることを考えた。改良の第１の視点は、屈曲に伴って瞬間回転中心を膝関節を安定化させる方向に変化させるという視点である。瞬間回転中心が膝関節のより上方、特には上方かつ後方に位置するほど、義足の装着者は、股関節の筋肉による随意制御によって、膝折れを容易にコントロールすることができる。ＵＳＰ５，１８１，９３１号（特開平５−１４６号に対応）は、曲げ側の後方リンクの長さを弾性的に可変にすることによって、屈曲に伴って瞬間回転中心を膝関節を安定化させる方向に膝関節から遠ざける技術を示している。しかし、この先行技術による義足は、多節リンクの主要リンクである後方リンクの長さを可変とするため、多節リンクの動きの安定性の点でわずかながら不安が否めない。多節リンクの動きの安定性については、特に、遊脚期における歩行補助のための装置（たとえば、エアシリンダ機構、ばねあるいは油圧を利用した他の機構）を備える場合に、より高い安定性が求められる。
この発明では、多節リンクの主要なリンク構成をできるだけ変えることなく、瞬間回転中心を膝関節を安定化させる方向に変化させることができる技術を提供することを第１の課題とする。
【０００５】
改良の第２の視点は、立脚期の初期段階、つまり足部のかかとが接地する当初における膝の軽い屈曲（立曲げ、stance flexion）を有効に達成させるという視点である。この立曲げには、いくつかの技術的な意義、すなわち、義足による歩行の姿（歩容）を健常者の歩容に近づけること、接地時の衝撃を吸収し緩和すること、重心の移動を低減し義足の装着者を疲れにくくすること、さらには、股関節の筋肉の負担を軽減すること、などの意義がある。
【０００６】
この第２の視点からの改良技術としては、ＵＳＰ５，３１４，４９８号（特表平５−５０５７４５号に対応）、ＵＳＰ５，５４５，２３２号（特開平８−３３６６３号に対応）やＵＳＰ５，６４５，５９０号などが知られている。しかし、ほとんどの技術は、多節リンクに対して加わる装着者の荷重の方向によって、自動的にリンク機構をロック（固定）、あるいはアンロック（可動）の各状態にするようになっている。したがって、それらの技術によって立曲げ状態から屈曲状態に移行するには、義足の装着者は、意図的に所定方向の力を作り出すことが必要である。ここで所定方向の力とは地面に対して水平方向の力であり、歩行中においては、このような力が自然に作用するので、装着者は力の方向を意識する必要が無い。しかしながら、椅子に座るときなどに義足に水平方向の力を作用させるために特殊な動作をしなければならないといった難点がある。
【０００７】
それに対し、ＵＳＰ５，６４５，５９０号の技術は、多節リンクに対して加わる装着者の荷重の方向のいかんにかかわらず、曲げ側の後方リンクが下腿部材に制約されるか否かによって、リンク機構をロックあるいはアンロックの各状態にする義足を明らかにしている。この技術は、所定の方向性をもつ荷重を意図的に作ることなしに、ロックを解除してアンロックの状態を得ることができるという点で他の技術と区別することができる。すなわち、椅子に座るときには荷重を抜いていきながら大腿を屈曲させるだけで自然に義足の膝を屈曲させることができる。しかしながら、立曲げ時には、多節リンクの主要なリンクである曲げ側の後方リンクを大腿部材に直接当てるために、装着者に違和感を感じさせるおそれがあり、しかもまた、長期の使用に伴ってその後方リンクを傷めることにもなりかねない。
この発明では、多節リンクの主要なリンクを直接制約することなく、所定の方向の荷重を作り出すことなしに、ロックを解除してアンロックの状態を得ることができ、有効な立曲げを実現することができる技術を提供することを第２の課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段あるいは方法】
この発明では、主要な４節のリンク機構の各リンクの長さを一定にすることによって、リンク機構の機構的な安定性を図る。そのため、膝の前側に位置する前方リンクおよび膝の後側に位置する後方リンクについて、膝の上部に位置する上方の端部を大腿部材の側に回転可能にそれぞれ連結するのに対し、膝の下部に位置する下方の端部を下方リンクの軸線方向の各端部にそれぞれ連結する。下方リンクは、足部を支持する下腿部材とは別のリンクである。そこで、この発明における多節リンクは、大腿部材、後方リンク、前方リンクおよび下方リンクによって限定連鎖を構成する。そして、こうした限定連鎖を下腿部材に対し、下方リンクの前方リンクとの連結側の一箇所で回転可能に連結する。
【０００９】
以上のようなリンク構成の下、第１の課題を達成するため、この発明の義足にあっては、次のｘをさらに備えることにより、大腿部材を通して膝関節に荷重が加わるとき、その膝関節にかかわる瞬間回転中心を膝関節を安定化させる方向に膝関節から遠ざける。
ｘ．下方リンク上、前方リンクと連結する側の部分と、後方リンクの軸線方向中途の部分とを連結する２節の中間リンク機構
また、第２の課題を達成するため、この発明の義足にあっては、前記のｘの中間リンク機構に加えて、次のｙのストッパ手段を備える。
ｙ．中間リンク機構を構成する第１および第２の２つのリンクのうち、下方リンクと連結する第２のリンクの動きを規制し、それによって、義足による歩行の立脚期の当初の立曲げを行わせる立曲げのためのストッパ手段
【００１０】
別にいうと、この発明は、多節リンクの主要な４節のリンク（限定連鎖）の構成を変えずに、特定の中間リンク機構によって、あるいはまた、その中間リンク機構の動きを規制することによって、荷重が加わることに伴って回転および変形する４節のリンクの動きを制限するものである。中間リンク機構の第１のリンクは、後方リンク上、下方リンクとの連結部を除く部分でその後方リンクに対し回転可能に連結され、しかもまた、中間リンク機構の第２のリンクは、下方リンク上、下腿部材に対する限定連鎖の一箇所の連結部に、その限定連鎖を下腿部材に連結するための軸と軸を共通にして回転可能に連結される。
この発明では、主要な４節のリンクの構成を変えずに、しかも、中間リンク機構を介して間接的にその４節のリンクの動きを規制することによって、立脚期における膝関節の安定化を図り、しかもまた、立脚期の当初の立曲げを有効に実現することができる。
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、上部にアルミニューム合金からなる大腿部材１２がある。大腿部材１２は、膝の形をしており、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を一体的に含む。ソケットは、大腿義足１０を装着する装着者の断端を受け入れて、大腿部材１２の側に装着者の荷重を伝達する。一方、大腿義足１０の下部には、下腿部材１４がある。下腿部材１４の主体は、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１４０である。このフレーム１４０は、大腿部材１２に近い上部側に位置するリンク接続部１４２と、そのリンク接続部１４２の下方に続くフレーム本体１４４とを備える。フレーム本体１４４およびリンク接続部１４２については、アルミニューム合金あるいは繊維強化プラスチックなどによって構成する。下方のフレーム本体１４４の下端の開口には、フレーム１４０と一緒に下腿部材１４を構成するパイプ部材１５０を連結する。足の形をした図示しない足部は、このパイプ部材１５０の下端に位置する。こうしたフレーム１４０の内部には、遊脚期における歩行補助のためのエアシリンダ装置２０がある。エアシリンダ装置２０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２１の内部に第１室２２１と第２室２２２とを区画するピストン２３、さらに、ステッピングモータ２４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２６、および手動調整可能な固定絞り２８などを備える。それによって、エアシリンダ装置２０は、大腿義足１０が床等の表面から離れる遊脚期において、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。なお、エアシリンダ装置２０は、シリンダ本体２１のシリンダボトム側がピン結合によってフレーム１４０に支持される一方、シリンダ本体２１のシリンダヘッド側から外部に伸びるピストンロッド２３ｒの端部が支持リンク２５を介して大腿部材１２に回転可能に連結されている。支持リンク２５を用いることにより、エアシリンダ装置２０は、中空なフレーム１４０の内部にすっぽりと、しかも、膝の屈曲の度合にかかわらずシリンダ本体２１がフレーム１４０の内部を動くことなく一定の形態で保持されている。
【００１２】
膝関節３０は、それらの下腿部材１４と大腿部材１２とを屈曲および伸展可能に連結する。図２が膝関節３０の部分を拡大して示し、また、図３が膝関節３０の骨組み（いわゆるスケルトン）を示している。これらの図２および図３を参照しながら、この発明における膝関節３０について説明する。
膝関節３０は、膝の前側に位置する前方リンク４０および膝の後側に位置する後方リンク５０の２つのリンクを含む。これらの各リンク４０，５０は、膝が伸びた状態で膝の上下方向に伸び、上方の端部が大腿部材１２に回転可能にそれぞれ連結されている。また、これら前方リンク４０および後方リンク５０の下方側の端部は、下方リンク６０の軸線方向の各端部にそれぞれ回転可能に連結されている。それによって、大腿部材１２、後方リンク５０、前方リンク４０および下方リンク６０は、一定の動きだけが可能な４節の限定連鎖を構成している。図のスケルトン上、符号Ａが下方リンク６０に対する後方リンク５０の連結部、符号Ｂが大腿部材１２に対する後方リンク５０の連結部であり、符号Ｃが大腿部材１２に対する前方リンク４０の連結部、符号Ｄが下方リンク６０に対する前方リンク４０の連結部である。
【００１３】
また、こうした４節の限定連鎖は、前方リンク４０の連結部Ｄよりも少し下方に位置する一箇所の部分Ｄ’で、下腿部材１４のリンク接続部１４２に回転可能に連結されている。したがって、４節の限定連鎖は、大腿部材１２に装着者の荷重が作用するとき、この連結部Ｄ’の軸回りに回転し変形する。膝関節３０の４節の限定連鎖の動きは、下方リンク６０に対する後方リンク５０の連結部Ａの側に配置したバンパ装置７０によって支持される。バンパ装置７０は、下方リンク６０の下面に取り付けられ、前記の荷重に伴う限定連鎖の動きに対し、連結部Ａの部分を支える第１のばね受け７１と、下腿部材１４のリンク接続部１４２の側に支持された第２のばね受け７２と、第１および第２の両ばね受け７１，７２の間に支持されたコイルばね７３とからなる。第１のばね受け７１には筒状のガイド部７１ａ、また、第２のばね受け７２には、その筒状のガイド部７１ａにはまり合うロッド部７２ａがそれぞれあり、それによって、両ばね受け７１，７２は、コイルばね７３の弾性変形に伴って両者間の距離を変える。
【００１４】
さて、この発明では、４節の限定連鎖の動きを間接的に規制するため、２節の中間リンク機構８０を設ける。中間リンク機構８０は、互いの一端を回転可能に連結した第１（後方側）および第２（前方側）の２つのリンク８１，８２を備える。この中間リンク機構８０の第１のリンク８１の残りの端部は、後方リンク５０の軸線方向中途の部分に回転可能に連結する。また、第２のリンク８２の残りの端部は、下腿部材１４側に対する限定連鎖の連結部Ｄ’に軸を共通にして回転可能に連結する。そして、このような中間リンク機構８０の中の前方側の第２のリンク８２の動きを規制するために、２つのストッパ手段を設ける。各ストッパ手段は、下腿部材１４のリンク接続部１４２に取り付けた、ゴム等の弾性部材からなるストッパ９２，９３からなる。一方のストッパ９２は、第２のリンク８２が連結部Ｄ’の軸を中心に反時計回りに回転する（つまり、前方側から後方側に向って回転する）ことを制限する。それに対し、他方のストッパ９３は、ストッパ９２とは反対に、第２のリンク８２が連結部Ｄ’の軸を中心に時計回りに回転する（つまり、後方側から前方側に向って回転する）ことを制限する。なお、膝関節３０は、大腿部材１２に過伸展防止のための別のストッパ９１を備える。ストッパ９１は、大腿義足１０が完全に伸展するとき、前方リンク４０に当たり、それ以上伸展しないように作用する。
【００１５】
大腿部材１２、後方リンク５０、前方リンク４０および下方リンク６０からなる４節の限定連鎖の運動を考えると、この限定連鎖は、膝が曲がるに応じて、後方リンク５０の上端の連結部Ｂと前方リンク４０の下端の連結部Ｄとの距離を小さくする。それに応じて、２節の中間リンク機構８０は、第１のリンク８１と第２のリンク８２との角度を変える。図４は、立脚期における各ストッパ９１〜９３の機能を示している。図４の（ａ）は荷重が加わらない状態を示し、限定連鎖は、前方リンク４０を過伸展防止のためストッパ９１に当て、中間リンク機構８０の第１のリンク８１と第２のリンク８２との角度（ＦＥＤ’の角度）を１８０°以下にしている。その状態から、かかとが接地することによって荷重が加わると、第２のリンク８２がストッパ９２に当たる（ｂ）の状態、ついで、（ｃ）の状態、つまり、第１のリンク８１と第２のリンク８２とが一直線（ＦＥＤ’の角度が１８０°）になる。こうした（ｂ）および（ｃ）は４節の限定連鎖にロックがかかっていない状態であるので、膝折れの可能性がある。しかし、２節の中間リンク機構８０の作用により、図５に示すように、瞬間回転中心が当初の位置Ｏから後方かつ上方の位置Ｏ’に移動する。そのため、膝関節３０は膝折れに対して安全になる方向に働く。
【００１６】
荷重がさらに加わると、大腿部材１２側の過伸展防止ストッパ９１による制限に反して、ストッパ９２が連結部ＢとＤとの間の距離を長くするように、第２のリンク８２と第１のリンク８１との角度を変化させる。これに起因して、ＦＥＤ’の角度は、１８０°を越えるようになり、（ｄ）に示すように、第２のリンク８２の延長部がストッパ９３に当たるようになる。この（ｄ）の状態はロック状態である。したがって、ストッパ９３の位置を設定することにより、必要とする立曲げ、たとえば１５°程度の立曲げを安定して得ることができる。図４に関連する説明は、荷重が連結部Ｄ’の後方に作用する場合を中心に述べたが、荷重が連結部Ｄ’の前方に作用する場合には、限定連鎖が連結部Ｄ’を中心に時計方向に回転しようとする作用力を受けるが、ストッパ９３によるストッパ機能によって限定連鎖は回転することなく、ロック状態のままである。こうした点から、この発明の膝関節３０は、荷重の方向にかかわらず、荷重の大きさに応じてロックあるいはアンロックの各状態を得る機能を備える、ということもできる。
【００１７】
また、図６は膝関節３０の遊脚期における動作を示し、（ａ）〜（ｅ）に行くにつれて次第に膝の屈曲角度が大きくなっている。荷重がかからないため、中間リンク機構８０の角度（ＦＥＤ’の角度）は、どれも１８０°よりも小さい。そのため、どのリンクもストッパ９２，９３に当たることなく、限定連鎖は自由に変形可能である。
【００１８】
【変形例】
今までの実施例では、下方リンク６０に対する前方リンク４０の連結部Ｄを限定連鎖の一箇所の連結部Ｄ’と別にしているが、それらの連結部ＤとＤ’とを一致させ、同軸に配置することもできる。図７および図８がそうした変形例を示している。また、図７は、連結部ＤとＤ’とを同軸にした上に、ストッパ９２とストッパ９３とを第２のリンク８２の両側にリンク８２を挟むように配置している。さらに、図８は、ストッパ９１と９２とを省略し、ストッパ９３だけにした例を示している。ここでは、過伸展防止のためのストッパ９１がないので、荷重がかかることによるリンクの自然な動きが、ロック作動を開始するためのきっかけとなる。図８のストッパ９３は、ロック状態で中間リンク機構８０の角度を制限すると同時に、下腿部材１２の過伸展を防止するように機能する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明を適用した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】 図１の大腿義足の膝関節の部分を拡大して示す図である。
【図３】 図２に対応する部分の骨組みを示す図である。
【図４】 立脚期の動作を示す図である。
【図５】 瞬間回転中心の移動についての効果を示す図である。
【図６】 遊脚期の動作を示す図である。
【図７】 変形例の一つを示す図である。
【図８】 他の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 大腿義足
１２ 大腿部材
１４ 下腿部材
１４２ リンク接続部
２０ エアシリンダ装置
３０ 膝関節
４０ 前方リンク
５０ 後方リンク
６０ 下方リンク
７０ バンパ装置
８０ 中間リンク機構
８１ 第１のリンク
８２ 第２のリンク
９１ 過伸展防止ストッパ
９２，９３ ストッパ（ストッパ手段）

Claims (8)

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膝関節を介して連結される下腿部材とを備える義足であって、前記膝関節は、膝の前側に位置する前方リンクおよび膝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、これらの各リンクは、膝の上部に位置する上方の端部が前記大腿部材の側に回転可能にそれぞれ連結され、しかも、膝の下部に位置する下方の端部が下方リンクの軸線方向の各端部にそれぞれ連結され、それら大腿部材、後方リンク、前方リンクおよび下方リンクは、それぞれのリンクの長さが一定であることにより限定連鎖を構成し、この限定連鎖は、前記下腿部材に対し、前記下方リンクの前記前方リンクとの連結側の一箇所で回転可能に連結される、多節リンクの膝関節を備える義足において、次のｘをさらに備えることにより、前記大腿部材を通して前記膝関節に荷重が加わるとき、その膝関節にかかわる瞬間回転中心を膝関節を安定化させる方向に膝関節から遠ざけることを特徴とする義足。
   ｘ．前記下方リンク上、前記前方リンクと連結する側の部分と、前記後方リンクの軸線方向中途の部分とを連結する２節の中間リンク機構
2. 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膝関節を介して連結される下腿部材とを備える義足であって、前記膝関節は、膝の前側に位置する前方リンクおよび膝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、これらの各リンクは、膝の上部に位置する上方の端部が前記大腿部材の側に回転可能にそれぞれ連結され、しかも、膝の下部に位置する下方の端部が下方リンクの軸線方向の各端部にそれぞれ連結され、それら大腿部材、後方リンク、前方リンクおよび下方リンクは、それぞれのリンクの長さが一定であることにより限定連鎖を構成し、この限定連鎖は、前記下腿部材に対し、前記下方リンクの前記前方リンクとの連結側の一箇所で回転可能に連結される、多節リンクの膝関節を備える義足において、次のｘおよびｙをさらに備えることを特徴とする義足。
   ｘ．前記下方リンク上、前記前方リンクと連結する側の部分と、前記後方リンクの軸線方向中途の部分とを連結する２節の中間リンク機構
   ｙ．前記中間リンク機構を構成する第１および第２の２つのリンクのうち、前記下方リンクと連結する第２のリンクの動きを規制し、それによって、前記義足による歩行の立脚期の当初の立曲げを行わせる立曲げのためのストッパ手段
3. 前記中間リンク機構の第１のリンクは、前記後方リンク上、前記下方リンクとの連結部を除く部分でその後方リンクに対し回転可能に連結され、しかもまた、前記中間リンク機構の第２のリンクは、前記下方リンク上、前記下腿部材に対する前記限定連鎖の前記一箇所の連結部に、その限定連鎖を前記下腿部材に連結するための軸と軸を共通にして回転可能に連結されている、請求項１あるいは２の義足。
4. 前記軸は、前記大腿部材に荷重が作用するとき、前記限定連鎖がその軸の回りに回転する軸である、請求項３の義足。
5. 前記装着者の荷重に応じて前記限定連鎖が回転するとき、その回転を弾性変形しつつ制限するバンパ装置をさらに備える、請求項１あるいは２の義足。
6. 前記大腿部材は、前記前方リンクに当たり、義足の過伸展を防止するための過伸展防止ストッパを支持する、請求項１あるいは２の義足。
7. 前記ｙにおけるストッパ手段は、前記第２のリンクが前記下方リンクとの連結部の回りに所定方向に回転しようとするとき、その所定方向の回転を制限する所定方向の回転制限ストッパを少なくとも備える、請求項１の義足。
8. 前記ｙにおけるストッパ手段は、前記第２のリンクが前記下方リンクとの連結部の回りに所定方向に回転しようとするとき、その所定方向の回転を制限する所定方向の回転制限ストッパと、前記第２のリンクが前記所定方向とは反対方向に回転しようとするとき、その反対方向の回転を制限する反対方向の回転制限ストッパとを備え、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの角度を所定範囲に制限する、請求項２の義足。

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