JP4906013B2 - 手動ロック機構を備える膝継手、および大腿義足 - Google Patents

Description

この発明は、膝の上方側に位置する上部材と膝の下方側に位置する下部材とを、膝が伸びた形態において、揺動可能なアンロック状態あるいは揺動不能なロック状態に手動で切り換えることができる膝継手、およびその膝継手を備える大腿義足に関し、特には、アンロック状態／ロック状態の切換えを行う手動ロック機構をコンパクト化する上で有効な技術に関する。

膝継手は、上部材と下部材とを揺動可能にする膝関節の役割を果たす。そのような膝継手を備える義足の代表例は大腿義足である。膝継手を備える義足には、揺動運動を有効に行わせるため、空圧シリンダや油圧シリンダ、あるいはバネシリンダといった抗力発生手段を備えるのが通例である。義足を小型化あるいはコンパクト化する観点からすると、空圧シリンダよりも油圧シリンダやバネシリンダの方が好ましい。それに対し、空圧シリンダは、エアが圧縮性があるため、膝が最大に屈曲した後における反発力を得ることができる。

たとえば、特許文献１が空圧シリンダを備える義足を示し、また、特許文献２が油圧シリンダを備える義足を示し、さらに、特許文献３がバネシリンダを備える義足を示している。
特開２００１−１３７２６８号公報 特開２００２−５８６８９号公報 特開昭５５−１３０６５７号公報

膝継手を備える義足は、上部材と下部材とが揺動可能であるため、使用者が意図しない膝折れを防止することが望まれる。特許文献４は、使用者の荷重がかかることに応じて、ブレーキ作用を生じさせ、歩行時に揺動運動を自動的にロック／アンロックさせる膝折れ防止技術を示している。
実公昭５５−３２５７４号公報

しかし、そのような膝折れ防止技術は、使用者の荷重を利用しているため、たとえば雪道や不整地での歩行時には、有効に適用することができない。雪道や不整地などの歩行時に、膝折れを確実に防止するためには、膝が伸びた形態にロックしておくのが良い。膝が伸びた形態とは、上部材と下部材とがまっすぐに伸びた形態（特許文献５や特許文献６）や、上部材と下部材とが「く」の字状になった形態（特許文献７）とがある。
特開昭６２−８７１４９号公報 ＧＢ２０９９７０８Ａ 特開平９−７５３８２号公報

特許文献５〜７による各技術によれば、雪道や不整地などの歩行時には、ロック状態で膝折れを確実に防止することができる。しかも、上部材と下部材との揺動運動をロック状態から一時的にアンロック状態に手動で切り換えることもできる。したがって、常にアンロック状態にするようにワイヤを引っ張った状態で固定するようにすれば、通常の歩行時には、適切な揺動運動に対応することも考えられる。しかし、今までの手動ロック機構は、構成が複雑であり、構成部品も多く、ワイヤを引っ張った状態で固定する機構も新たに必要となる。したがって、膝継手や義足をコンパクト化する上で難点があり、しかもまた、外観上の見栄えという点でも改良の余地がある。

この発明は、歩行時にアンロック状態／ロック状態を選択的に切り換えることができる手動ロック機構をシンプルな構成にし、それを含む膝継手や義足をコンパクトにすることができる技術を提供することを目的とする。
また、この発明は、外観上の見栄えも良く、手動ロック機構の切換え操作性をも向上させることができる技術を提供するものである。
この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。

この発明では、上部材と下部材とを揺動可能に連結する連結手段が揺動軸を含むことに着目し、その揺動軸の動きを規制することによって、ロック状態を得ることを考えた。揺動軸は、膝継手や義足に必須のものであり、それを手動ロック機構の一つの構成要素にすることにより、手動ロック機構をシンプルな構成にすることを狙う。

この発明の手動ロック機構は、次のような特徴をもつ。
（Ａ）前記した揺動軸が手動ロック機構の一つの構成要素であり、自らの軸線方向に走る凹凸部を含む。
（Ｂ）上部材および下部材のうち、揺動軸（つまり、動きを規制する対象である揺動軸）を回転可能に支持する部材に支持されたロック部材を備え、そのロック部材は、揺動軸の凹凸部に接するロック状態と、その凹凸部から離れるアンロック状態とに手動で選択的に切換え可能である。
（Ｃ）ロック状態のとき、ロック部材は長手方向の第１端部が凹凸部に向かい合うように接し、上部材と下部材とが膝を曲げようとする動きを抑える。

ロック状態を維持しようとするとき、揺動運動を抑えるロック部材にはかなりの力が加わる。その力は、今までのロック部材では、通常、曲げ荷重として加わっていた。そのため、ロック部材の強度設計に充分な配慮が必要であった。その点、この手動ロック機構では、ロック状態を維持するとき、揺動軸からの力がロック部材に対し長手方向の圧縮荷重として加わるようにする。圧縮荷重であるため、ロック部材の強度設計に余裕を生む。しかも、ロック部材を水平方向に配置することができ、揺動軸に接する第１端部とは反対の第２端部に手動操作部を設けることができる。また、ロック部材はアンロック状態／ロック状態を選択的に切り換えることができるので、ロック状態で歩行することもできるし、アンロック状態で歩行することもできる。

また、上部材と下部材とを揺動可能に連結する連結手段としては、揺動運動の揺動中心が一定である単軸、あるいは、揺動運動の揺動中心が揺動に伴って変化する多軸とがある。単軸のものでは、単一の単軸の動きを規制することになるし、多軸のものでは、複数の揺動軸の中の一つの動きを規制することになる。単一の単軸は、膝継手の上部に位置するため、その膝継手を備える義足を使用する者は、その単軸に臨む内側の第１端部とは反対の外側の第２端部（つまり、手動操作部）を自分で操作し、必要に応じてロックあるいはアンロックに容易に切り換えることができる。また、複数の揺動軸を含む多軸では、膝継手の上部の揺動軸を規制する形態を採ることにより、単軸と同様の切換えを行うことができる。したがって、好ましくは、膝継手の上部に位置する揺動軸を規制すべきであり、その場合、充分な機械的強度をもつソケット取付け部に対してロック部材を支持することが最も好ましい。

ここで、揺動軸の動きを規制し、上部材と下部材との揺動運動をロック状態にする形態は、上部材と下部材とが膝を伸ばした形態である。言い換えると、その形態は、義足を装着した装着者が雪道や不整地などを歩行できる形態である。したがって、その形態は、上部材と下部材とがまっすぐに伸びた膝角度０°から歩行に障害を与えない膝角度２０°までの形態である。

ロック状態あるいはアンロック状態に切り換わることに応じ、ロック部材は、ロック状態の位置とアンロック状態の位置とに変化する。したがって、好ましくは、ロック状態あるいはアンロック状態を維持するように位置規制するための位置規制手段を設けるのが良い。位置規制手段としては、たとえば、位置規制のためのボルトやピンを浅い溝に出入れ可能に落とし込んだり、爪の引っ掛かりを活用する方法がある。

また、ロック部材については、回転操作あるいはスライド操作のいずれかの操作によってロック状態とアンロック状態とに切り換えることができる。この切換えに伴う動きは、回転操作あるいはスライド操作のどちらも水平に配置したロック部材の水平面の中での移動である。そのため、ロック部材およびその動きに対してはわずかなスペースを要するだけである。

この種の膝継手およびそれを備える義足には、膝継手による動きを有効に行わせるため、膝継手による膝の屈曲および伸展に対して抗力を発生する抗力発生手段を備えるのが好ましい。この発明の手動ロック機構は、シンプルな構成の上、わずかなスペースを要するだけであるため、そのような抗力発生手段を設ける上で何の障害もない。抗力発生手段は、油圧シリンダ、バネシリンダあるいは空圧シリンダのいずれをも用いることができる。ちなみに、この発明の手動ロック機構のほか、抗力発生手段を備える大腿義足のおいて、それら手動ロック機構および抗力発生手段は、膝継手の輪郭の内側に位置する。それにより、その大腿義足は、コンパクトであるし、外観的にも見栄えのするものである。

この発明による膝継手の第１実施例を示す正面図である。 図１の２−２線に沿う断面図である。 図１の３−３線に沿う断面図である。 第１実施例の膝継手の別の状態を示す正面図である。 図４の５−５線に沿う断面図である。 図４の６−６線に沿う断面図である。 この発明による膝継手の第２実施例を示す正面図である。 図７の８−８線に沿う断面図である。 図７の９−９線に沿う断面図である。 この発明による手動ロック機構の別の例におけるロック状態を示す断面図である。 図１０の手動ロック機構における切換え時の状態を示す断面図である。 図１０の手動ロック機構におけるアンロック状態を示す断面図である。

符号の説明

３０ 膝継手（第１実施例）
３２ 上部材
３４ 下部材
３６ 前側リンク
３８ 後側リンク
４０ 連結手段
５０ 伸展補助機構
６０ 油圧シリンダ
７０ 手動ロック機構
７２ 揺動軸
７２０ 凹凸部
７２１ 第１の面
７２２ 第２の面
７４ ロック部材
７６ レバー（手動操作部）
８０ ナット部材
２３０ 膝継手（第２実施例）
２３２ 上部材
２３４ 下部材
２６０ 空圧シリンダ
２７２ 揺動軸
７００ 手動ロック機構（別の例）
７４０ ロック部材
７４２ ロック爪
７６０ 押しボタン式の手動操作部
７７０ ストッパー

図１〜３は、この発明を多軸の膝継手に適用した第１実施例である。第１実施例の膝継手３０は、膝の上側に位置する上部材３２と、膝の下側に位置し、上部材３２に揺動可能に連結して膝の屈曲を可能とする下部材３４とを備える。上部材３２は、上部中央部にアライメントブロック３２２を一体に支持する。アライメントブロック３２２は、図示しないソケットを取り付ける部分であり、ソケットに入る大腿を通して義足使用者の荷重を支える。一方、下部材３４の下部中央部にも別のアライメントブロック３４２がある。このアライメントブロック３４２は、足部を支持する脚部材を取り付ける部分である。したがって、膝継手３０は、大腿義足の主要な部分を構成する。

多軸の連結手段４０が上部材３２と下部材３４とを揺動可能に連結する。連結手段４０は、４節のリンク機構から構成される。４節のリンク機構は、４つのリンクを回転可能に連結した限定連鎖である。上部材３２および下部材３４は、その限定連鎖の４つのリンクの中の一つのリンクとしてそれぞれ機能する。残りの２つのリンクは、前側リンク３６および後側リンク３８である。それら両リンク３６，３８は、上下の各端部に他のリンクとの連結部３６２，３６４；３８２，３８４をもつ。ここで、前後の両リンク３６，３８は、ともに左右対称の形状であり、上下の各連結部がそれぞれ左右一対である。したがって、前後に離れた前側リンク３６および後側リンク３８は、両者が相俟って膝継手３０の外側を取り囲み、その内側スペースを区画するようになっている。なお、膝継手３０には、下部材３４と後側リンク３８との間に伸展補助機構５０が支持されている。伸展補助機構５０は、圧縮バネ５２のほか、二つの補助リンク５４，５６を含み、膝の曲がりが小さい段階で膝を伸ばそうとする伸展力を生じる。

そのような膝継手３０の内側スペースの中に、抗力発生手段としての油圧シリンダ６０がある。油圧シリンダ６０は、上部取付け位置６２２で上部材３２と、下部取付け位置６２４で下部材３４とそれぞれ回転可能に連結され、上部材３２と下部材３４との揺動運動に抗力を与える。油圧シリンダ６０自体は、良く知られたものであり、シリンダ孔を含むシリンダ本体６４と、シリンダ孔の中に入りシリンダ孔を二つの室に区画するピストン６６と、そのピストン６６の部分からシリンダ本体６４の外部まで伸びるピストンロッド６８とを備える。また、図には示さないが、油圧シリンダ６０は、油圧抵抗を生じるため、良く知られた油圧回路をシリンダ本体６４の中に含む。油圧回路は、ピストン一側の第１室からピストン他側の第２室へ向かう流れだけを許す第１逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第１絞り弁を含む第１通路、ならびに、第２室から第１室へ向かう流れだけを許す第２逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第２絞り弁を含む第２通路を備える。

さて、第１実施例の膝継手３０は、連結手段４０の４つの連結部のうち、より上方に位置し、しかも充分な機械的強度をもつアライメントブロック３２２に隣り合う連結部３６２に対し、手動ロック機構７０を備えている。手動ロック機構７０の一方の主体は、連結部３６２における揺動軸７２である。揺動軸７２は、図３が示すように、断面円形状で水平方向に伸びる回転軸である。揺動軸７２は、両端の止めネジ７３ａ，７３ｂによって前側リンク３６に固定され、上部材３２を回転あるいは揺動可能に支持する。

そして、断面円形状の揺動軸７２には、その軸線方向中央部に自らの外周側面を抉った凹凸部７２０がある。凹凸部７２０は、揺動軸７２の軸線方向に沿って広がる第１の面７２１と、その第１の面７２１にクロス（ここでは、ほぼ直交）する方向に広がる第２の面７２２とを含む。凹凸部７２０の第１の面７２１は、外周から軸の中心近くまで伸び、軸線方向に沿う断面形状が円弧状である。しかし、凹凸部７２０は、揺動軸７２の軸線方向中央部の一部を占めるだけであるし、その深さ（第２の面７２２の広がり）も軸径に比べてわずか（たとえば、軸径の１／４以下）である。そのため、揺動軸７２は、凹凸部７２０を含んではいるが、揺動運動時の荷重およびロック時の荷重を受けるだけの充分な機械的強度をもつ。

手動ロック機構７０の他方の主体はロック部材７４である。ロック部材７４は、凹凸部７２０を含む揺動軸７２と協力し合って、上部材３２が揺動軸７２回りに揺動するのを抑えるロック状態と、上部材３２の揺動を許すアンロック状態とを実現する。アンロック状態のとき、ロック部材７４は強度的に問題となるような荷重を受けることはない。しかし、ロック状態のとき、ロック部材７４は、互いに動きを規制し合う揺動軸７２とともに、義足装着者の荷重を直接的に支えることになる。そのため、膝継手３０においては、ソケット取付け部であるアライメントブロック３２２を支持する部分にロック部材７４を取り付けるようにしている。アライメントブロック３２２を支持する部分は、膝継手３０の中でも機械的な強度が最も大きな部分である。ここでは、アライメントブロック３２２の中心孔を貫く支持ボルト（図示しない）と、支持ボルトにネジ結合するナット部材８０とを用いて、ロック部材７４を上部材３２に取り付けるようにしている。ロック部材７４は、ナット部材８０の外周に回転可能に支持されている。それにより、ロック部材７４は、揺動軸７２とクロスするように水平方向に伸び、ナット部材８０に支持された第１端部から上部材３２の外周縁に位置する第２端部まで至る。

ロック部材７４の第１端部は、図２および図３が示すようにカム形状であり、揺動軸７２の凹凸部７２０に接しロック状態を作り出すロック部７４Ｌと、凹凸部７２０から離れアンロック状態を作り出すアンロック部７４Ｕとを備える。また、長手方向に見て第１端部とは反対側の第２端部には、手動操作部となるレバー７６がある。レバー７６は、膝継手３０の輪郭の内側であるが、上部材３２の外側に位置する。したがって、義足装着者は、必要に応じてレバー７６を回転操作することによってロック状態あるいはアンロック状態に切り換えることができる。なお、ロック部材７４の第１端部の近くにボルトやピンなどの位置決め部材を取り付け、それを上部材３２側に設けたガイド溝や位置決め溝に出し入れ可能に落とし込むことにより、ロック部材７４を位置規制する位置規制手段を構成することができる。位置規制手段によれば、ロック部材７４をロック状態あるいはアンロック状態に確実に維持することができる。さらに、ガイド溝をロック位置の位置決め溝からアンロック位置の位置決め溝にまでは到達させることなくアンロック位置の位置決め溝の手前までにのみ設けるようにすれば、ロック操作をより確実にすることができる。そのようなガイド溝の場合、位置決め部材をアンロック位置の位置決め溝に移動させるためには、ガイド溝の側壁を乗り越えさせなければならない。そのため、ロック操作の際、操作ミスなどで位置決め部材がロック位置の位置決め溝にはまり込んでいない事態が生じたとしても、いきなりアンロック状態になることがない。その事態はロック状態でもないため、義足装着者はロック状態になっていないことに気が付く。それにより、アンロック状態になる前に再度ロック操作をし、確実にロック状態にすることができる。

ロック状態のとき、ロック部材７４のロック部７４Ｌは揺動軸７２側の凹凸部７２０の第１の面７２１に接し、膝を曲げようとする動きを抑えることができる。すなわち、揺動軸７２側の第１の面７２１とロック部材７４側の端面とが互いに押し合うような方向の揺動軸７２の回転は確実に阻止される。しかし、ロック部材７４は、その端面が第１の面７２１から離れようとする反対方向の動きを阻止するものではない。揺動軸７２は、第２の面７２２が制限されるまでは反対方向に動くことができる。膝継手３０は、伸展補助機構５０を備えているため、図４〜６に示すように、たとえば、膝角度が１０°程度の立曲げあるいはバウンシングが可能である。したがって、完全にロックする場合に比べ、雪道や不整地などの歩行時の安定性を損なうことなく、自然な歩容とすることができる。

図７〜９は、この発明を単軸の膝継手に適用した第２実施例である。第２実施例の膝継手２３０は、アライメントブロック２３２２を含む上部材２３２と、内部中空のフレームを主体とした下部材２３４とを単一の揺動軸（単軸）２７２によって揺動可能に連結した構成である。また、膝継手２３０の抗力発生手段は、空圧シリンダ２６０である。膝継手２３０における手動ロック機構２７０は、下部材２３４の上部に位置する揺動軸２７２の動きを規制する。したがって、手動ロック機構２７０は、第１実施例における手動ロック機構７０と同様であり、凹凸部７２０を含む揺動軸２７２と、アライメントブロック２３２２の部分に回転可能に支持され、回転操作するためのレバー７６を含むロック部材７４とから構成される。

図１０〜１２は、手動ロック機構の別の例について互いに異なる状態を示している。すでに述べた手動ロック機構７０では、ロック部材７４を回転操作することによって、ロック／アンロックの切換えを行う。それに対し、図１０〜１２に示す手動ロック機構７００は、ロック部材７４０をスライド操作することによって、ロック／アンロックの切換えを行う。ロック部材７４０は、スライド操作することに応じて、長手方向の一端が揺動軸７２の凹凸部７２０の第１の面７２１に接したり、離れたりする。

ロック部材７４０は、反対側の端部に押しボタン式の手動操作部７６０を備え、その手動操作部７６０に押しバネ７６２を内蔵している。ロック部材７４０は、さらに、それに並行するように伸びるストッパー連動板７６４を一体に支持している。ロック部材７４０にはロック爪７４２がある。そのロック爪７４２の下方に、上部傾斜面７７２を含むストッパー７７０が配置されている。ストッパー７７０は、押しバネ７７４によって、押上げ力を受けている。ストッパー７７０がロック爪７４２に引っ掛かった状態（図１０）がロック状態である。そのロック状態からアンロック状態に切り換えるとき、手動操作部７６０を押せば、ストッパー連動板７６４が上部傾斜面７７２を介してストッパー７７０を下方に押し下げ、ストッパー７７０がロック爪７４２から外れる（図１１）。図示しないが、ロック部材７４０には、アンロック状態に戻ろうとする方向の力を与えるバネ力Ｆｃが加わっている。そのバネ力Ｆｃは、手動操作部７６０の押しバネ７６２のバネ力Ｆａおよびストッパー７７０の押しバネ７７４によるバネ力Ｆｂよりも小さく設定される（ちなみに、バネ力Ｆａ＞バネ力Ｆｂ≧バネ力Ｆｃ）。そのため、手動操作部７６０から手を離せば、ロック爪７４２がストッパー７７０から外れたロック部材７４０は、一端が揺動軸７２から離れたアンロック状態（図１２）になる。また、アンロック状態からロック状態に切り換えるときには、手動操作部７６０を押し込めば良く、それに応じて、ロック部材７４０のロック爪７４２がストッパー７７０に引っ掛かった状態になる。

Claims (12)

1. 膝の上方側に位置する上部材と、
   膝の下方側に位置する下部材と、
   それら上部材および下部材の中の一方の部材に回転可能に支持される少なくとも一つの揺動軸を含み、上部材と下部材とを揺動可能に連結する連結手段と、
   前記上部材と前記下部材とが膝を伸ばした形態において、それら上部材と下部材との揺動運動をロックあるいはアンロックに手動で切り換えることができる手動ロック機構とを備え、
   その手動ロック機構が次のような特徴をもつ、手動ロック機構を備える膝継手。
   （Ａ）前記揺動軸が手動ロック機構の一つの構成要素であり、自らの軸線方向に走る凹凸部を含む。
   （Ｂ）前記上部材および前記下部材のうち、前記揺動軸を回転可能に支持する部材に支持されたロック部材を備え、そのロック部材は、前記揺動軸の凹凸部に接するロック状態と、その凹凸部から離れるアンロック状態とに手動で選択的に切換え可能である。
   （Ｃ）前記ロック状態のとき、前記ロック部材は長手方向の第１端部が前記凹凸部に向かい合うように接し、前記上部材と前記下部材とが膝を曲げようとする動きを抑える。
2. 前記連結手段は、前記上部材と前記下部材とが揺動するとき、その揺動中心が一定である単軸、または、前記揺動中心が変化する多軸のいずれか一つである、請求項１の膝継手。
3. 前記膝を伸ばした形態は、前記上部材と前記下部材とがまっすぐに伸びた膝角度０°から歩行に障害を与えない膝角度２０°までの形態である、請求項１の膝継手。
4. 前記凹凸部は、断面円形状の揺動軸の外周側面を抉った構成であり、前記ロック部材の長手方向の第１端部の面と同方向に広がる第１の面と、その第１の面にクロスする方向に広がる第２の面とを含む、請求項１の膝継手。
5. 前記ロック部材は、前記上部材に回転可能に支持され、前記第１の面が円弧状である、請求項４の膝継手。
6. 前記ロック部材は、長手方向に見て前記第１端部とは反対の第２端部に手動操作部があり、その手動操作部は、膝継手の輪郭の内側に位置する、請求項１の膝継手。
7. 前記ロック部材が前記ロック状態にあるとき、そのロック部材をそのロック状態を維持するように位置規制する位置規制手段を備える、請求項１の膝継手。
8. 請求項１の膝継手を備える大腿義足であって、
   前記上部材には、ソケットを取り付けるためのソケット取付け部があり、前記下部材には、足部を取り付けるための足部取付け部があり、
   前記ロック部材は、前記ソケット取付け部の構成要素である支持ボルトの回りに回転可能に支持されている、大腿義足。
9. 前記ロック部材は、長手方向に見て前記第１端部とは反対の第２端部に手動操作部があり、その手動操作部は、大腿義足を装着した装着者が自分で操作可能な高さに位置する、請求項８の大腿義足。
10. 前記ロック部材は、回転操作あるいはスライド操作のいずれかの操作によって、前記ロック状態と前記アンロック状態とに切換え可能である、請求項８の大腿義足。
11. 前記膝継手による膝の屈曲および伸展に対して抗力を発生する抗力発生手段をさらに備え、その抗力発生手段および前記手動ロック機構が、前記膝継手の輪郭の内側に位置する、請求項８の大腿義足。
12. 前記抗力発生手段は、油圧シリンダ、バネシリンダあるいは空圧シリンダのいずれか一つである、請求項１１の大腿義足。

Images