JP5663692B1 - 膝継手、並びに、それを用いた義足及びパワーアシスト装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記下腿切断の場合、前記膝関節は残存するので、前記膝関節の機能は保持される。このため、下腿義足は、前記膝関節の機能を考慮することがないため、膝継手の必要がない。一方、前記大腿切断では、前記膝関節は切除されてしまうこととなる。前記膝関節は、股関節と足関節とのほぼ中央にあり、両関節と協調し、前記下肢の立位保持及び立ちしゃがみ(屈伸運動)に最も重要な機能を持つ関節である。前記大腿切断に対して用いられる大腿義足では、この膝の機能を再建しない限り、前記大腿義足による機能再建は不可能である。この膝機能の再建のために用いられる構造物が前記膝継手である。よって、前記膝継手の性能如何により生活の快適さ(QOL:Quality Of Life)が大きく異なってくる。
また、前記膝継手は、前記義足だけでなく、二足歩行ロボット、及び人間の下肢機能を補助するパワーアシスト装置などにも応用が可能である。このため、前記膝継手の性能如何により、これらの動きの性能が大きく異なってくる。
そこで、従来より、快適かつ運動性能を高めるため様々な膝継手が開発されている。
前記膝継手は、前記ラチェット機構を切り替えることにより、前記伸展及び前記屈曲が可能な状態と、前記伸展のみができる状態と、前記屈曲のみができる状態とにそれぞれ切り替えが可能である。伸展方向の運動を制限すると、前記膝関節の屈曲不足又は過度な伸展により、前記義足の足部が階段等の蹴込面に衝突することが防止され、大腿義足や股義足の立脚期に前記膝関節の屈曲方向の運動を制限することにより、膝折れが防止される。
図2Bにおいて、脛骨2の上端左側に位置する略楕円形部は、膝の屈伸運動時に大腿骨外顆6が当接してその上を回動乃至回旋する部分(脛骨外顆面溝4)であり、脛骨2の上端右側に位置する略楕円形部は、膝の屈伸運動時に大腿骨内顆5が当接してその上を回動乃至回旋する部分(脛骨内顆面溝3)である。更に、図2Bにおいて、横線Zは、前記膝関節が伸展した状態(前記屈曲角0°)の時に、脛骨内顆面溝3に当接する大腿骨内顆5の表面と同一の曲面を有する仮想球体(図2CにおけるA)と、脛骨外顆面溝4に当接する大腿骨外顆6の表面と同一の曲面を有する仮想球体(図2CにおけるB)との球心を通過し、膝関節の前額面に平行な直線を脛骨2の上端面に投写した直線である。
ここで、図3〜図5Dを用いて、人間の大腿骨における前記脛骨と接する部分の形状について説明する。図3は、左足の膝関節の大腿骨外顆6を表す左側面図(左足の外側から見た図)であり、図4は、左足の膝関節の大腿骨内顆5を表す右側面図(左足の内側から見た図)である。図3及び図4に表すように、大腿骨外顆6及び大腿骨内顆5は、図3においては外側及び図4においては内側から見ると、前記脛骨2に接する部分においては、共に前後方向に長径を持つ卵形に近似することができる。内側前顆部5a及び外側前顆部6aは、それぞれ大腿骨内顆5及び大腿骨外顆6の前顆部であり、同様に、前記膝関節を、図3においては外側及び図4においては内側から見ると、前記脛骨2に接する部分においては、楕円形を半分にした半楕円形に近似することができる。これに対し、図2にも表した、内側後顆部5b及び外側後顆部6bは、それぞれ大腿骨外顆6及び大腿骨内顆5の後顆部であり、同様に、前記膝関節を、図3においては外側及び図4においては内側から見ると、前記脛骨2に接する部分においては、真円形に近似することができる。
つまり、内側後顆部5b及び外側後顆部6bは、真球に近い形状として近似することができ、内側後顆部5b及び外側後顆部6bにより、前記膝関節の屈伸運動と回旋運動とが制御されていることがわかる。
図6に表すように、左足の外側の端面から見た形状、及び図7Aに表すように、前記屈曲角0°の時の前記人体背面側から見た形状は、遠位部に相当する部分(下半分)は真球を半分にした真円半球(半球)に、近位部に相当する部分(上半分)は楕円球(長球)を半分にした楕円半球(半長球)に近似することができ、前記真円半球の直径と前記楕円半球の長径とが同一である略楕円球体に近似することができる。図7Bに表すように、前記屈曲角0°の時の内側後顆部5b及び外側後顆部6bの前記人体背面側と直交する人体頭部側から見た形状は、真球に近似することができる。つまり、人間の膝関節における大腿骨内顆5の内側後顆部5bにおける回転球心は、前記脛骨に当接して屈曲していく際に、前記屈曲角0°〜90°にかけては偏心しないが、前記屈曲角90°を超えると偏心するのである。このことは、本発明者が初めて見出したことである。したがって、脛骨2に当接する部分における、内側後顆部5bの形状は、下半分が前記真円半球であり、上半分が前記楕円半球であって、前記屈曲角0°〜90°にかけては、前記真円半球の表面が脛骨2の表面と当接し、前記屈曲角90°〜180°にかけては、連続的に径が短くなる扁平した前記楕円半球の表面が脛骨2の表面と当接する。なお、図6、図7A及び図7Bにおいては、前記略楕円球体の外側後顆部6bを表しているが、外側後顆部6bは、略真球に近似してもよい。
人間の前記膝関節では、図6に表すように、内側後顆部5bの球心DO2と、外側後顆部6bの球心DO1とは、地面に対し同一の略水平面C上にあり、かつ、前記屈曲角0°の時の外側後顆部6bにおける球心DO1は、内側後顆部5bにおける球心DO2の後方(膝関節背面側)に位置する。また、左足の外側の端面から見ると、外側後顆部6bは、内側後顆部5bの輪郭からはみ出ない状態で位置する。更に、前記状態においては、前記屈曲角135°から150°にかけての、2つの球(外側後顆部6b及び内側後顆部5b)の表面の輪郭は略同一となる。なお、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の球心DO2は、図7Aの右側の内側後顆部5bの実線で表した下半分と、破線で表した上半分とからなる略真球の球心とし、外側後顆部6b(大腿骨外顆LC)の球心DO1は、図7Aの左側の外側後顆部6bの実線で表した下半分と、破線で表した上半分とからなる略真球の球心に相当する。
図7Aに表すように、外側後顆部6b(大腿骨外顆LC)の内径は、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の内径よりも短く、かつ、前記屈曲角0°の時の前記球心間線AX6は水平線HLと平行であるため、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)と、外側後顆部6b(大腿骨外顆LC)との最遠位点間(下半球の最下点)を結ぶ線を遠位顆線DCLとすると、遠位顆線DCLは、水平線HLに対し外側後顆部6b側に向けて傾いた(内反)状態となる。また、図7Bに表すように、内側後顆部5bの後端と外側後顆部6bの後端とを結ぶ線を遠位顆線PCLとすると、遠位顆線PCLは、前記脛骨の上端の前記大腿骨内顆と前記大腿骨外顆とが当接する平面と略平行となる。このことは、前記屈曲角0°の時の前記脛骨の上端の前記大腿骨内顆と前記大腿骨外顆とが当接する平面は内反していることを示している。前記球心間線AX6と、外科的顆上線SELとは、互いに平行な関係を保つ。
前記膝関節の屈伸運動では、回旋運動を伴う。この回旋運動は、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)が固定点となり、外側後顆部6b(大腿骨外顆LC)が回旋する運動である。
図8Aは、左足内側から見た左足の膝の屈伸運動における、左足の大腿骨内顆の、楕円球に近似した内側後顆部の球心の移動状態を表す説明図である。図8Bは、図8Aにおいて内側後顆部の球心の移動と最下点の関係を示す説明図である。図8A及び図8Bは、前記屈曲角0°から前記屈曲角90°において、大腿骨内顆5における内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の前記遠位部(下半分)である前記真円半球が、脛骨2と接しているときの球心DO2の位置と、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の前記近位部(上半分)である前記楕円半球が、脛骨2と接するときの球心DO2の位置と、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)と脛骨2とが当接している最下点Pの位置との関係を示している。なお、図8Aの右側が左足の膝関節の前方であり、左側が後方である。図8A及び図8Bに表すように、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の遠位側(下半分)が前記真円半球であるため、前記屈曲角0°から前記屈曲角90°の間は、脛骨(模式)2の表面と当接する部分が前記真円半球の表面部分であり、内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の球心DO2は、前記屈曲角0°と同じ位置を維持する。前記屈曲角90°超では、脛骨2の表面と当接する部分が前記楕円半球の表面部分となるため、球心DO2は、前記屈曲角の増加と共に膝関節の後下方に移動する。しかし、総ての前記屈曲角において内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の最下点Pの位置は、同一である。したがって、図8A及び図8Bに表すように、球心DO2の移動は、最下点Pの位置には全く影響していない。
図12は、左足の大腿骨内顆5の内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の脛骨2に接する部分における輪郭線を、前記屈曲角0°の時の内側後顆部5b(大腿骨内顆MC)の最下点を原点とする座標上に表した図である。なお、上述したように、大腿骨1の内側前顆部5a及び外側前顆部6aは、前記膝関節の前記屈曲の動作に直接関与しないため、それぞれの後顆部の近似式のみを説明する。
x2/262+(y−26)2/232=1・・・(式1)
x2+(y−26)2=(±26)2・・・(式2)
外側後顆部6b(大腿骨外顆LC)の上半分の前記楕円半球の輪郭は、図中に破線で示すように、以下の(式3)で表すことができる。
x2/262+(y−26)2/22.952=1・・・(式3)
(x−2)2+(y−26)2=(±23)2・・・(式4)
本発明の膝継手は、略半球状部分を少なくとも有する内顆部、及び略半球状部分を少なくとも有する外顆部を備えた大腿骨コンポーネントと、前記内顆部と接しつつ前記内顆部を転動可能にする内顆部受溝、及び前記外顆部と接しつつ前記内顆部の転動に伴って前記外顆部を転動可能にしかつ前記内顆部を回旋軸として回旋可能にする外顆部受溝を有する脛骨コンポーネントと、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする離接防止手段と、を有する。
本発明の前記膝継手においては、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋をする。このとき、前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。本発明の前記膝継手によると、前記内顆部及び前記外顆部が蝶番のような画一的な動きではなく、前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝のそれぞれによって、前記内顆部が転動可能となり、前記外顆部が転動及び回旋可能となるため、人間の膝関節と同様の動きが正確に再現され、特に深屈曲の状態から伸脚までの一連の動きが円滑かつ正確に再現される。また、人工膝関節とは違い、前記膝継手においては、膝蓋骨に該当する部材が要らず、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが正確に再現される。
本発明の前記義足においては、前記膝継手が、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋する。このとき、前記膝継手における前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。そして、前記膝継手には前記足部が接続されているので、前記義足は、前記膝継手において、人間の膝の屈曲運動と同じ動きが正確に再現される。前記義足においては、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが再現される。
本発明のパワーアシスト装置においては、前記膝継手が、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋する。このとき、前記膝継手における前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。そして、前記膝継手は、前記アクチュエータにより駆動され、駆動時には、前記膝継手において人間の膝の屈曲運動と同じ動きが忠実に再現される。前記パワーアシスト装置においては、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが再現される。
以下、本発明の実施例1の膝継手につき、図面を参照しながら説明するが、本発明はこの実施例1に何ら限定されるものではない。なお、以下の各図面における「10」等の符号は、それぞれ同じものを意味している。
図14A〜図20は、人間の左足に装着する、実施例1に係る膝継手10を表す概略説明図である。図14Aは、膝継手10の概略斜視図(背面側)である。図14Bは、膝継手10の概略斜視図(正面側)である。図15は、膝継手10の概略平面図である。図16は、膝継手10の概略正面図である。図17は、膝継手10の概略背面(裏面)図である。図18は、図15における膝継手10のA−A断面で切断したものの背面(裏面)方向から見た概略図である。図19は、膝継手10の概略右側面図(膝継手10を装着した際における内側から見た概略図)である。図20は、膝継手10の概略左側面図(膝継手10を装着した際における外側から見た概略図)である。
図14A〜図20に表す膝継手10は、大腿骨コンポーネント20と、脛骨コンポーネント30と、大腿骨側接続部材40と、脛骨側接続部材50とを有する。
図14A〜図20に表す大腿骨コンポーネント20は、外顆部22と、内顆部24と、両顆接続部26と、案内部28とを有する。
外顆部22は、略球状であって、略球体の表面が、互いに平行な一対の平面と、該一対の平面と略直交方向に位置し、かつ互いに略直交方向に位置する2つの平面とに沿って切除された外形を有する。即ち、外顆部22は、表面に4つの平面を有する。なお、人体に装着された状態の膝継手10において、外顆部22における前記一対の平面は、人体足首側から人体頭部側にかけての方向に略平行であり、以下、「立設平面」と称することがある。また、人体に装着された状態の膝継手10において、外顆部22における前記一対の平面と略直交方向に位置し、かつ互いに略直交方向に位置する2つの平面の内の一つは、地面に対し略平行であり、以下、「水平面」と称することがあり、他の一つは、地面に対し略垂直であり、以下、「垂直面」と称することがある。また、外顆部22には、前記垂直面側に前記垂直面に連続した切欠部22dが設けられている。切欠部22dには、前記水平面と平行な載置平面部22eが形成されている。載置平面部22eには、後述する大腿骨側接続部材40を接続するための略L字状接続部材42が載置される。載置平面部22eには、ネジ穴が設けられており、ネジによって略L字状接続部材42が後述する大腿骨側接続部材40と共に載置平面部22eに脱離不能に螺合される。
外顆部22における略球状の表面部分は、図23A〜図23Cに表す、脛骨コンポーネント30における受溝形成プレート部30aに形成された、外顆部受溝32に接しつつ、転動乃至回旋可能である。
内顆部24は、略球状であって、略球体の表面が、互いに平行な一対の平面と、該一対の平面と略直交方向に位置し、かつ互いに略直交方向に位置する2つの平面とに沿って切除された外形を有する。即ち、内顆部24は、表面に4つの平面を有する。なお、人体に装着された状態の膝継手10において、内顆部24における前記一対の平面は、人体足首側から人体頭部側にかけての方向に略平行であり、以下、「立設平面」と称することがある。また、人体に装着された状態の膝継手10において、内顆部24における前記一対の平面と略直交方向に位置し、かつ互いに略直交方向に位置する2つの平面の内の一つは、地面に対し略平行であり、以下、「水平面」と称することがあり、他の一つは、地面に対し略垂直であり、以下、「垂直面」と称することがある。また、内顆部24には、前記垂直面側に前記垂直面に連続した切欠部24dが設けられている。切欠部24dには、前記水平面と平行な載置平面部24eが形成されている。載置平面部24eには、後述する大腿骨側接続部材40を接続するための略L字状接続部材42が載置される。載置平面部24eには、ネジ穴が設けられており、ネジによって略L字状接続部材42が後述する大腿骨側接続部材40と共に載置平面部24eに脱離不能に螺合される。
内顆部24における略球状の表面部分は、図23A〜図23Cに表す、脛骨コンポーネント30における受溝形成プレート部30aに形成された、内顆部受溝34に接しつつ、転動乃至回旋可能である。
両顆接続部26は、略円柱状の部材であり、互いに直径の異なる小径部と中径部と大径部とを有する。前記小径部は、両顆接続部26の両端部に位置する。前記小径部は、後述する脛骨コンポーネント30に係合されるため、以下、「係合凸部26a」と称することがある。前記中径部は、前記小径部に隣接して、両顆接続部26における前記大径部の両側に位置する。前記大径部は、一対の前記中径部に挟まれて位置する。
案内部28は、図18に表すように、略円柱状の棒状体28aであり、両顆接続部26に貫通される円筒状の接続部を一端に有する。即ち、案内部28は、前記円筒状の接続部の周側面に、該接続部の軸方向と直交方向に略円柱状の棒状体28aが延設された形状を有する。棒状体28aにおける、前記円筒状の接続部が形成された一端側とは反対側の他端側は、前記一端側よりも大径となっている。棒状体28aにおける前記他端側には、棒状体28aにおける前記一端側よりも大径の抜止防止部材28bが螺合されており、その結果、前記他端側が前記一端側よりも大径となっている。
実施例1において、大腿骨コンポーネント20は、以下のようにして組み立てることが可能である。案内部28における前記円筒状の接続部を、両顆接続部26で貫通させる。次に、外顆部22及び内顆部24を両顆接続部26で貫通させる。このとき、外顆部22における凸部22aと、内顆部24における凸部24aとが、案内部28における前記円筒状の接続部と接するようにする。また、外顆部22における前記水平面及び載置平面部22eと、内顆部24における、前記水平面及び載置平面部24eとが、互いに平行に位置するようにする。以上により、大腿骨コンポーネント20を組み立てることができる。なお、この状態の大腿骨コンポーネント20は、両顆接続部26が、外顆部22、案内部28及び内顆部24から容易に脱離可能である。しかし、膝継手10においては、両顆接続部26における両端に位置する小径部(係合凸部26a)が、後述するように、脛骨コンポーネント30に脱離不能かつ回動乃至移動可能に係合されるので、大腿骨コンポーネント20における、両顆接続部26、外顆部22、案内部28及び内顆部24は互いに脱離不能に一体化された状態となる。
図14A〜図20に表す脛骨コンポーネント30は、受溝形成プレート部30aと、係合凸部係合用壁部30bとを有する。脛骨コンポーネント30の材質としては、例えば、ニューライト(作新工業株式会社製)製である。
受溝形成プレート部30aは、図23A〜図23Cに表すように、一方の表面に、外顆部受溝32及び内顆部受溝34が形成されている。また、外顆部受溝32と内顆部受溝34との間には、案内孔36が形成されている。図23Aは、受溝形成プレート部30aの概略斜視図である。図23Bは、受溝形成プレート部30aの概略平面図である。図23Cは、受溝形成プレート部30aの概略底面図である。
受溝形成プレート部30aを平面視したときの形状は、図23A〜図23Cに表すように、略L字状である。即ち、第一の長方形と、該第一の長方形における一の長辺側に、該第一の長方形よりも小さな長辺を有する第二の長方形が延設された形状である。前記第一の長方形における前記一の長辺側に、外顆部受溝32、案内孔36、及び内顆部受溝34が形成されており、外顆部受溝32が形成されている側に、前記第二の長方形が位置している。
受溝形成プレート部30aにおける、外顆部受溝32及び内顆部受溝34が形成された側とは反対側の面には、図23Cに表すように、ネジ穴が形成されている。受溝形成プレート部30aは、図14A〜図20に表すように、ネジによって後述する脛骨側接続部材50と共に脱離不能に螺合される。
外顆部受溝32は、人間の膝関節における脛骨外顆面溝を模した形状であり、図23A〜図23Cに表すように、その開口形状が、内顆部受溝34を回動中心とした湾曲形状(略楕円形状、そら豆形状)となっている。外顆部受溝32の深さ方向の断面形状は、最下点から一端側にかけてなだらかな傾斜を有し、前記最下点から他端側かけて急な傾斜を有する形状である。前記一端側が膝継手10の前方側であり、前記他端側が膝継手10の後方側である。前記湾曲形状(略楕円形状)の外顆部受溝32上を、外顆部22が転動乃至回動するため、人間の膝関節と同様の転動及び回旋が再現可能となる。
内顆部受溝34は、内顆部24における球面状部分の表面形状と近似した略半球状の溝である。このため、内顆部受溝34上において、内顆部24は、所定の回動運動が可能となる。内顆部受溝34の深さ方向の断面形状は、扇形の円弧形状である。なお、前記円弧形状における左端開口部側が膝継手10の前方側であり、前記円弧形状における右端開口部側が膝継手10の後方側である。前記内顆部受溝34上を、内顆部24が転動乃至回動するため、人間の膝関節と同様の転動及び回旋が再現可能となる。
案内孔36は、外顆部受溝32と内顆部受溝34との略中間に位置する。案内孔36の開口形状は、内顆部受溝34を回動中心とした湾曲形状(略楕円形状)である。案内孔36は、大腿骨コンポーネント20を脛骨コンポーネント30上に載置した場合において、大腿骨コンポーネント20における案内部28に貫通される。案内部28における、両顆接続部26と接続された側とは反対側であって、脛骨コンポーネント30における、外顆部受溝32及び内顆部受溝34が形成された側とは反対側は、図23Cに表すように、その開口面積が、大腿骨コンポーネント20が配される側よりも大きくなっている。そして、大腿骨コンポーネント20が配される側とは反対側からは、上述した大径の抜止防止部材が案内孔36に挿入され、案内部28における前記棒状体に対し螺合されている。このため、案内部28が、案内孔36から脱離することが防止される。案内孔36が前記湾曲形状を有するため、外顆部受溝34上で外顆部22が回動乃至転動するのと合わせて、案内部28が案内孔36内を円滑に移動可能である。案内孔36に挿入された、案内部28における棒状体28aに抜止防止部材28bが螺合すると、大腿骨コンポーネント20が脛骨コンポーネント30から離接不能となる。よって、案内部28及び案内孔36が、前記離接防止手段として機能する。
係合凸部係合用壁部30bは、図14A〜図20に表すように、受溝形成プレート部30aの両端部に、かつ受溝形成プレート30aと直交方向に、一組立設される。係合凸部係合用壁部30bには、ネジ穴が2つ設けられており、係合凸部係合用壁部30bは、ネジによって受溝形成プレート部30aに脱離不能に螺合される。係合凸部係合用壁部30bには、両顆接続部26における係合凸部26aが貫通して係合凸部係合用壁部30bに係合可能にする係合凸部案内孔30cが形成されている。係合凸部案内孔30cの形状は、大腿骨コンポーネント20における、外顆部22及び内顆部24が、脛骨コンポーネント30における、外顆部受溝32及び内顆部受溝34の上を転動乃至回旋する動作を阻害しない形状である。より詳しくは、外顆部22における係合凸部26aが係合する係合凸部案内孔30cの形状は、外顆部22の転動乃至回旋の軌跡に合わせた形状であり、図20に表すように、前記屈曲角0°の時の外顆部22における係合凸部26aの位置を始点とすると、膝継手10の後方向かつ下方向に傾斜する長孔形状である。一方、内顆部24における係合凸部26aが係合する係合凸部案内孔30cの形状は、内顆部24の転動乃至回旋の軌跡に合わせた形状であり、図19に表すように、前記屈曲角0°の時の内顆部24における係合凸部26aの位置を始点とすると、膝継手10の前方向かつ下方向に傾斜する長孔形状である。係合凸部案内孔30cに係合凸部26aが係合すると、大腿骨コンポーネント20が脛骨コンポーネント30から離接不能となる。よって、係合凸部案内孔30c及び係合凸部26aが、前記離接防止手段として機能する。
互いに対向する一組の係合凸部係合用壁部30bが、受溝形成プレート部30aの両端部に螺合されると、係合凸部係合用壁部30bに係合凸部26aが貫通した状態で係合する。このとき、大腿骨コンポーネント20における、両顆接続部26、外顆部22、案内部28及び内顆部24は互いに脱離不能に一体化された状態となる。
図14A〜図20、及び図24に表す、大腿骨側接続部材40は、大腿骨側からの延設部材と接続される延設部材接続部40aと、連結部40bと、大腿骨コンポーネント20と接続される大腿骨コンポーネント接続部40cとを有する。
延設部材接続部40aは、一端有底の筒状体である。該筒状体の内部に、前記大腿骨側からの延設部材を収容可能である。該筒状体の周側面部には、該筒状体における開口径を調節可能なネジ穴40fが設けられていて、ネジによって、前記大腿骨側からの延設部材は、前記筒状体の内部に脱落不能に接続される。
連結部40bは、円柱状部材であり、一端に延設部材接続部40aが接続され、他端に大腿骨コンポーネント接続部40cが接続されている。
大腿骨コンポーネント接続部40cは、平板状部材であり、ネジ孔が4つ設けられている。この内の2つのネジ孔40dは、ネジによって、外顆部22及び内顆部24における、それぞれの切欠部22d及び24dの載置平面部22e及び24eに脱離不能に螺合される。また、残りの2つのネジ孔40eは、ボルトとナットによって、略L字状接続部材と共に脱離不能に螺合される。
図14A〜図20、及び図25に表す、脛骨側接続部材50は、脛骨側からの延設部材と接続される延設部材接続部50aと、連結部50bと、脛骨コンポーネント30と接続される脛骨コンポーネント接続部50cとを有する。
延設部材接続部50aは、一端有底の筒状体である。該筒状体の内部に、前記脛骨側からの延設部材を収容可能である。該筒状体の周側面部には、該筒状体における開口径を調節可能なネジ穴50fが設けられていて、ネジによって、前記脛骨側からの延設部材は、前記筒状体の内部に脱落不能に接続される。
連結部50bは、円柱状部材であり、一端に延設部材接続部50aが接続され、他端に脛骨コンポーネント接続部50cが接続されている。
脛骨コンポーネント接続部50cは、平板状部材であり、ネジ孔50dが4つ設けられている。脛骨コンポーネント接続部50cは、4つのネジによって、脛骨コンポーネント30における受溝形成プレート部30aに脱離不能に螺合される。
次に、本発明の実施例1に係る膝継手10の動作原理について、図8A、図9、図10.図26A〜図26Cを用いて詳細に説明する。なお、外顆部22と内顆部24の動作は、人間の膝関節における、外側後顆部6b及び内側後顆部5bの動作を再現しているため、図8A、図9、及び図10を代用して説明する。
図26Aは、膝継手10の動作について、前記屈曲度0°の時の状態を、外顆部22側から見た概略説明図である。図26Bは、膝継手10の動作について、前記屈曲度90°の時の状態を、外顆部22側から見た概略説明図である。図26Cは、膝継手10の動作について、前記屈曲度150°の時の状態を、外顆部22側から見た概略説明図である。
膝継手10において屈曲運動を開始すると、大腿骨側接続部材40及び脛骨側接続部材50の少なくともいずれか一方が動き、前記屈曲角が0°よりも漸次大きくなっていく。この時、図14A及び図15に表すように、内顆部受溝34が内顆部24の外形と略同形状であるため、内顆部受溝34に当接する内顆部24は、図8Aに表すように、ピポット軸として機能する。これに対し、図14A及び図15に表すように、外顆部22は、外顆部受溝32に接した状態で転動しつつ回旋し、外顆部受溝32の断面形状に沿って、図23Aの下側に、上述の図9におけるのと同様に中央側に、上述の図10におけるのと同様に上側から下側にかけての中央付近に移動する。
更に屈曲運動を継続すると、内顆部24は、転動を継続しつつ、外顆部22は、転動しつつ回旋(内顆部24を回動中心として回動)する。外顆部22は、外顆部受溝32に接した状態で転動しつつ回旋し、外顆部受溝32の断面形状に沿って、図23Aの下側に、上述の図9におけるのと同様に右側に、上述の図10におけるのと同様に下側に移動する。
更に屈曲運動を継続すると、内顆部24は、転動を継続しつつ、外顆部22は、転動しつつ回旋(内顆部24を回動中心として回動)し、いわゆる深屈曲の状態(正座をしている状態)となる。
なお、この状態から膝継手10が伸展運動を開始すると、前記伸展運動は前記屈曲運動の逆であり、前記屈曲角150°から前記屈曲角0°の時まで先程と逆の動きをすることになり、図26Cから図26Aにかけて動作していくことになる。
この動作原理により、膝継手10は、人間の膝関節の動きを再現することができる。なお、上述したように、人間の膝関節は僅かな内旋をしているが、屈伸運動では外旋が重要であり、一般的な生活では膝関節の内旋は重要ではないため、実施例1では前記内旋については考慮していない。しかし、外顆部受溝32の形状を予め変形させて形成することで、内顆部24を軸とした内旋を実現することも可能である。
本発明の膝継手は、上述した各実施例に記載したものに限られず、目的に応じて以下のような変形を加えてもよい。
前記大腿骨コンポーネントとしては、前記脛骨コンポーネントに対し、接触しつつ、膝の屈曲運動の際に、前記脛骨コンポーネント上を転動(回動)及び回旋可能であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、内顆部と外顆部とを少なくとも有しているものが好適に挙げられ、更に必要に応じて適宜選択したその他の部を有していてもよい。
前記内顆部としては、後述する内顆部受溝に接して転動可能であればよく、その形状としては少なくとも略半球状の部分を有していればよく、構造、大きさ、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記内顆部における少なくとも略半球状の部分としては、前記真円半球(真球の半球)であってもよいし、前記楕円半球(楕円球の半球)であってもよい。前記楕円半球の形状としては、人間の膝関節における前記大腿骨内顆の前記内側後顆部の形状と近似させる観点からは、前記略半球の前記内顆部の球面ではない部分を平面としたときに、前記平面と直交し、前記略半球の球心を通る垂直面による断面形状において、1/2円弧が真円の円弧であり、前記1/2円弧と連続する残りの1/2円弧が、連続的に径が短くなる扁平した楕円弧である形状の前記楕円半球が好ましい。上述した人間の膝の動作原理として説明したとおり、人間の大腿骨において、前記大腿骨内顆及び前記大腿骨外顆が膝の屈曲運動に関与しており、少なくとも前記大腿骨内顆における前記内側後顆部と、前記大腿骨外顆における前記外側後顆部とに相当する略半球状の部分さえあれば、人間の膝関節の動きを再現し得る。このため、前記内顆部は、前記略半球状の部分を少なくとも有していればよい。即ち、膝関節の稼働域が前記屈曲角0°から180°の間であると仮定すると、前記膝継手を前記屈曲角0°(膝を伸展した状態)とした時は、前記略半球状の前記内顆部における球面ではない部分が、前記膝継手の前方側を向いて略垂直に立った状態で、後述する内顆部受溝に接し、ここから徐々に前記膝継手を屈曲させていくと、前記略半球状の前記内顆部における球面部分が前記内顆部受溝の表面に当接しながら転動し、前記膝継手を前記屈曲角180°とした時は、前記内顆部における球面ではない部分が、前記膝継手の後方側を向いて略垂直に立った状態で、前記内顆部受溝に接することで、前記膝継手により人間の膝関節の動きが再現される。よって、前記膝継手の動作に必要な、前記内顆部における前記略半球状の前記内顆部受溝に当接する球面部分以外の形状としては、膝継手の屈曲運動には関与しないため特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記離接防止手段として後述する箱体などを採用する場合には、前記略半球状の部分と一体となって球体を成す、略真円半球状、及び略楕円半球状(楕円体)などが好適に挙げられる。また、前記真円半球、及び前記楕円半球における、前記膝継手の屈伸運動時に前記脛骨コンポーネントと当接しない部分を適宜切除することにより、前記膝継手を小型化することができる。
前記内顆部の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、中空の構造、表面が連続面及び不連続面の構造、表面に孔が形成されている構造、突起を有する構造などが挙げられる。前記突起を有する内顆部の構造としては、例えば、前記内顆部の、前記外顆部側の端部とは逆側の端部に、突起を設ける構造が挙げられる。なお、前記突起は、上述した前記膝関節の動作原理に基づく、前記大腿骨コンポーネントの前記線分AX66(屈伸軸)と同一となる軸上に設けることが好ましく、後述する箱体の側面係合孔に挿入し、係合するように形成することができる。
前記内顆部の大きさとしては、特に制限はなく、前記内顆部受溝の大きさに応じて適宜選択することができる。また、後述する外顆部に合わせて大きさを決定してもよく、前記内顆部及び前記外顆部を、上述した人間の膝関節における前記内側後顆部及び前記外側後顆部の大きさと同じ大きさとすること、あるいは前記内側後顆部及び前記外側後顆部の大きさと相似関係のある大きさとすることが好ましい。
前記内顆部の材質としては、前記内顆部受溝に対して転動が可能な耐久性のある素材であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。これらの中でも、転動が滑らかに行えるように低摩擦係数の素材が好ましく、また、人間の体重が掛かるため、耐荷重性に優れ、変形しない素材が好ましく、ニューライト(作新工業株式会社製)が特に好ましい。なお、前記内顆部の表面に、公知の潤滑剤が塗布乃至コーティングされていてもよい。
上述した原理のとおり、人間の膝関節における前記内側後顆部に相当する前記内顆部を軸として、人間の膝関節における前記外側後顆部に相当する前記外顆部が転動及び回旋できればよく、前記内顆部及び前記外顆部のそれぞれの大きさや位置関係としては、必ずしも特に制限はないが、人間の膝関節における前記内側後顆部と前記外側後顆部との大きさや位置に近似させることが好ましい。
前記外顆部としては、前記内顆部の転動に伴って後述する外顆部受溝に接して転動及び回旋可能であればよく、その形状としては少なくとも略半球状の部分を有していればよく、構造、大きさ、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記外顆部における少なくとも略半球状の部分としては、前記真円半球であってもよいし、前記楕円半球であってもよい。前記内顆部と同様に、人間の大腿骨において、前記大腿骨内顆及び前記大腿骨外顆が膝の屈曲運動に関与しており、少なくとも前記大腿骨内顆における前記内側後顆部と、前記大腿骨外顆における前記外側後顆部とに相当する略半球状の部分さえあれば、人間の膝関節の動きを再現し得る。このため、前記外顆部は、略半球状の部分を少なくとも有していればよい。即ち、膝関節の稼働域が前記屈曲角0°から180°の間であると仮定すると、前記膝継手を前記屈曲角0°(膝を伸展した状態)とした時は、前記略半球状の前記外顆部における球面ではない部分が、前記膝継手の前方側を向いて略垂直に立った状態で、後述する外顆部受溝に接し、ここから徐々に前記膝継手を屈曲させていくと、前記略半球状の前記外顆部における球面部分が、前記外顆部受溝の表面に接しながら転動及び回旋し、前記膝継手を前記屈曲角180°とした時は、前記外顆部における球面ではない部分が、前記膝継手の後方側を向いて略垂直に立った状態で、前記外顆部受溝に接することで、前記膝継手により人間の膝関節の動きが再現される。なお、前記外顆部の前記略半球状の部分の形状は、前記真円半球が好ましく、前記楕円半球がより好ましく、前記楕円半球の中でも、前記内顆部と同様に、前記略半球の前記外顆部の球面ではない部分を平面としたときに、前記平面と直交し、前記略半球の球心を通る垂直面による断面形状が、1/2円弧が真円の円弧であり、前記1/2円弧と連続する残りの1/2円弧が、連続的に径が短くなる扁平した楕円弧となる楕円半球が特に好ましい。前記断面形状を有する前記楕円半球の場合、前記屈曲角135°〜150°にかけて、前記外顆部が人間の膝関節と同様に略水平に移動するため、より人間の膝関節の動作を再現することができるため有利である。しかし、前記膝継手の場合、前記略水平の移動を前記外顆部受溝によってでも実現可能なため、前記外顆部の形状によって前記略水平の移動を実現しなくても問題はない。
よって、前記膝継手の動作に必要な、前記外顆部における前記略半球状の前記外顆部受溝に当接する球面部分以外の形状としては、膝継手の屈曲運動には関与しないため特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記離接防止手段として後述する箱体などを採用する場合には、前記略半球状の部分と一体となって球体を成す、略真円半球状、及び略楕円半球状(楕円体)などが好適に挙げられる。また、前記真円半球、及び前記楕円半球における、前記膝継手の屈伸運動時に前記脛骨コンポーネントと当接しない部分を適宜切除することにより、前記膝継手を小型化することができる。
前記外顆部の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、中空の構造、表面が連続面及び不連続面の構造、表面に孔が形成されている構造、突起を有する構造などが挙げられる。前記突起を有する外顆部の構造としては、例えば、前記外顆部の、前記内顆部側の端部とは逆側の端部に、突起を設ける構造が挙げられる。なお、前記突起は、上述した前記膝関節の動作原理に基づく、前記大腿骨コンポーネントの前記線分AX66(屈伸軸)と同一となる軸上に設けることが好ましく、後述する箱体の側面係合孔に挿入し、係合するように形成することができる。
前記外顆部の大きさとしては、特に制限はなく、前記外顆部受溝の大きさに応じて適宜選択することができる。また、前記内顆部に合わせて大きさを決定してもよく、前記内顆部及び前記外顆部を、上述した人間の膝関節における前記内側後顆部及び前記外側後顆部の大きさと同じ大きさとすること、あるいは前記内側後顆部及び前記外側後顆部の大きさと近似した大きさとすることが好ましい。
前記外顆部の材質としては、前記外顆部受溝に対して確実に転動及び回旋可能となるように、適度な摩擦力を有し、耐久性のある素材であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。これらの中でも、人間の体重が掛かるため、耐荷重性に優れ、変形しない点から、ニューライト(作新工業株式会社製)が好ましい。なお、前記外顆部の表面に公知の潤滑剤が塗布乃至コーティングされていてもよい。
前記内顆部と同様に、前記内側後顆部に相当する前記内顆部を軸として、人間の膝関節における前記外側後顆部に相当する前記外顆部が転動及び回旋できればよく、前記内顆部及び前記外顆部のそれぞれの大きさや位置関係としては必ずしも特に制限はないが、人間の膝関節における前記内側後顆部と前記外側後顆部との大きさや位置に近似させることが好ましい。
前記その他の部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、両顆接続部などが挙げられる。
前記両顆接続部は、前記内顆部と前記外顆部とを接続する。前記両顆接続部により、前記内顆部と前記外顆部とが接続されると、人間の前記大腿骨の足側の先端(前記大腿骨の遠位端)と同様の動作を正確に再現でき、かつ確実に連動させて動作させることができる。
前記両顆接続部としては、前記内顆部及び前記外顆部とは別個独立した部材として、これらと接合及び接着されていてもよいし、前記内顆部及び前記外顆部と一体成形されていてもよい。
前記両顆接続部としては、前記内顆部と前記外顆部とを接続することができるものであれば、その形状、構造、大きさ、材質などについては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記脛骨コンポーネントとしては、前記大腿骨コンポーネントの前記内顆部と前記外顆部とが、前記脛骨コンポーネントに接した状態で前記内顆部が転動しつつ、前記外顆部が前記内顆部を回旋中心として回旋できるものであれば、その形状、構造、大きさ、材質などとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記脛骨コンポーネントの形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記大腿骨コンポーネントの動作を阻害しないために、前記人体頭部側から見た形状が前記膝継手の後方側に延設部を有する略L字形状又は湾曲形状とすることが好ましい。なお、後述する外顆部受溝が形成される部分を、前記膝継手の後方側に延設させた略L字形状又は湾曲形状とすることがより好ましい。
前記脛骨コンポーネントの構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、複数の部材を組み合わせた構造、中空の構造などが挙げられる。
前記脛骨コンポーネントの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。これらの中でも、人間の体重が掛かるため、耐荷重性に優れ、変形しない点から、ニューライト(作新工業株式会社製)が好ましい。
前記脛骨コンポーネントの具体例としては、外顆部受溝と、内顆部受溝と、を少なくとも有しているものが好適に挙げられ、更に必要に応じて適宜選択したその他の部を有していてもよい。
前記内顆部受溝としては、前記脛骨コンポーネントの前記人体頭部側から見た面に形成され、前記内顆部と接しつつ前記内顆部の所定の転動を可能にする溝であれば、形状、形成箇所に特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記内顆部受溝の形状としては、前記内顆部が所定の転動を可能とする形状の溝であれば制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記内顆部の球面と同形状の内表面を有する溝形状であることが好ましい。
前記内顆部受溝の形成箇所としては、前記内顆部が所定の転動が可能であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記脛骨コンポーネントの前記人体頭部側から見た面の内側(左足の前記膝継手の場合は右側、右足の前記膝継手の場合は左側)のいずれの場所に形成してもよい。前記膝継手の内旋を可能としたい場合は、前記外顆部受溝よりも後方に形成することにより、前記内顆部受溝に接する前記内顆部がピボット軸となり、外旋可能な上に内旋も可能となる。
例えば、前記内顆部が接しつつ転動可能となるように、断面が中心角180°未満の扇形の円弧からなる形状の溝としてもよく、人間の前記脛骨に近い構造とすることができる。
前記内顆部受溝は、前記脛骨コンポーネントとは別の材質を表面に積層することも可能であり、前記内顆部受溝の材質としては、前記内顆部の転動が可能な素材であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。これらの中でも、低摩擦係数の点からニューライト(作新工業株式会社製)が好ましい。なお、前記内顆部受溝の表面に公知の潤滑剤が塗布乃至コーティングされていてもよい。
前記外顆部受溝としては、前記内顆部受溝と同様に、前記脛骨コンポーネントの前記人体頭部側から見た面に形成され、前記外顆部と接しつつ前記外顆部の所定の転動及び回旋可能にする溝であれば、形状、形成箇所などに特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記外顆部受溝の形状としては、前記外顆部が所定の転動及び回旋可能とする形状の溝であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、開口形状が前記内顆部受溝の略中心を中心とした略楕円弧状であることが好ましい。また、その他にも、湾曲した略楕円形状や、略そら豆形状、いずれかの箇所で切断された略円弧形状であってもよい。更に、前記外顆部受溝が、長さ方向における両端のうちの一端側近傍に最下点を有する形状が好ましい。
前記外顆部受溝の形成箇所としては、前記脛骨コンポーネントの前記人体頭部側から見た面の外側(左足の前記膝継手の場合は左側、右足の前記膝継手の場合は右側)であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記外顆部受溝は、前記脛骨コンポーネントとは別の材質を表面に積層することも可能であり、前記外顆部受溝の材質としては、前記外顆部が転動及び回旋が可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。これらの中でも、ニューライト(作新工業株式会社製)が好ましい。なお、前記外顆部受溝の表面に公知の潤滑剤が塗布乃至コーティングされていてもよい。
前記その他の部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、挿入穴、凹部、球状部、底面凹部などが挙げられる。
前記挿入穴としては、後述する接続部材の他端が挿入される穴であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記脛骨コンポーネントの前記人体頭部側から見た面の前記内顆部受溝の略中心、及び前記外顆部受溝の略中心から略等距離の位置に設けられる。更に、前記接続部材が前記外顆部及び前記内顆部に連動して揺動可能となるように、前記脛骨コンポーネントを前記人体頭部側から見た面から前記足首側から見た面に貫通させて前記外顆部受溝の形状に相似した形状に形成されているか、又は、後述する球状部側を頂点とする略円錐形状に穴が形成されていることが好ましく、前記外顆部と連動する関係で、前記外顆部受溝と同様に、開口形状が前記内顆部受溝の略中心を中心とする略楕円弧状の穴であることが好ましい。また、その他にも、湾曲した略楕円形状や、略そら豆形状、いずれかの箇所で切断された略円弧形状であってもよく、前記外顆受溝と同じ形状を用いてもよい。
前記離接防止手段としては、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにすることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないように、かつ前記外顆部及び前記外顆部受溝が互いに離接しないようにすることができるものがより好ましい。該離接防止手段により、前記大腿骨コンポーネントと、前記脛骨コンポーネントとが動作中も互いの距離を保ちつつ、かつ、離接せずに動作させることができる。
前記離接防止手段の具体例としては、前記大腿骨コンポーネントから延設させた案内棒を前記脛骨コンポーネントに貫通させ、該案内棒に抜止防止部材を装着させた態様、前記大腿骨コンポーネントの両端、即ち前記内顆部及び前記外顆部から突出させた係合凸部を前記脛骨コンポーネントから立設させた壁面に貫通させた態様、前記大腿骨コンポーネント及び前記脛骨コンポーネントを収容する箱体を使用する態様、前記大腿骨コンポーネント及び前記脛骨コンポーネントを接続する接続部材を使用する態様、などが好適に挙げられる。
前記箱体の材質としては、前記大腿骨コンポーネントと前記脛骨コンポーネントとが動作しても破損しない素材であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
前記接続部材の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、略T字形状、円筒体を有する形状などが挙げられる。
前記接続部材の構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、前記略T字形状の前記接続部材及び前記円筒体を有する前記接続部材において、一端を前記大腿骨コンポーネントと接続する構造とし、他端を前記脛骨コンポーネントと接続する構造が挙げられる。前記略T字形状の前記接続部材の構造としては、略棒状体の一端が前記略棒状体の長さ方向と直交方向に二股に延設され、かつ前記略棒状体の他端が前記略棒状体の最大径よりも大きな直径を有する球体を有する略T字状部材であって、前記略球状に形成された前記他端が脛骨コンポーネントに係合され、前記二股に延設された一端が大腿骨コンポーネントに係合された構造などが好適に挙げられる。
前記接続部材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)などが挙げられる。
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、大腿骨側接続部材、脛骨側接続部材、駆動源、などが挙げられる。
前記大腿骨側接続部材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。
前記脛骨側接続部材の材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、樹脂などが挙げられる。前記金属としては、例えば、クロム−ニッケル合金、チタン合金、ステンレススチール、アルミニウム、鉄などが挙げられる。前記樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ABS、FRP、テフロン(登録商標)、ニューライト(作新工業株式会社製)などが挙げられる。
本発明の義足100は、図27に表すように、本発明の膝継手10と、足部120と、ソケット110と、を有し、膝継手10とソケット110とは、大腿骨側からの延設部材60を介して接続され、膝継手10と足部120とは、脛骨側からの延設部材70を介して接続される。また、本発明の義足100は、更に必要に応じてその他の部材を有してなる。
前記足部としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、踏み返し動作と歩行を容易にする役割を有し、装着者が一般的な歩行や、スポーツなどの激しい運動などの用途に応じて、公知の足部を適宜選択して使用することができ、単軸足部、多軸足部、エネルギー蓄積足部などが挙げられる。
前記単軸足部は、足関節に相当する部分に継手が配置され、前記継手は前後に動く継手であり、踵を着いた際にバンパーが撓んで衝撃を吸収する足部である。
前記多軸足部は、軸が2つ以上設置されており、例えば、前後及び左右の動きのある足部とすることができる。また、用途に応じて更に軸が追加される。
前記エネルギー蓄積足部は、踵着床から体重負荷のエネルギーを蓄積し、踏み切りに利用する機能を有する足部である。
前記足部は、前記膝継手の前記脛骨コンポーネントと、所定の部材を介して接続するものであり、例えば、前記脛骨側接続部材を介して、前記足部の上部と、前記膝継手の前記脛骨コンポーネントとが接続される。
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ソケット、股継手、アクチュエータ、センサなどが挙げられる。
前記股ソケットとしては、例えば、骨盤全体を覆い、義足の懸垂を腸骨稜で行いつつ体重支持を断端下部と前後の支持面で行うもので、カナダ式ソケットなどが挙げられる。
前記大腿ソケットとしては、その上半部側が空洞部分になっており、空洞部分の上端側となる前記大腿ソケットの上端は開口されていて、この上端の開口部分から内部の空洞部分に、切断脚の断端部を挿入して装着するようになっている。例えば、四辺形ソケット、坐骨収納型ソケット(IRC)、MASソケットなどが挙げられる。
前記ソケットは、前記膝継手の前記大腿骨コンポーネントと、所定の部材を介して接続するものであり、例えば、大腿骨側接続部材を介して、前記ソケットの下部と、前記膝継手の前記大腿骨コンポーネントとが接続される。
本発明のパワーアシスト装置は、本発明の膝継手と、アクチュエータとを有し、更に必要に応じてその他の部材を有してなる。
前記アクチュエータとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、前記義足の前記アクチュエータと同様に、例えば、油圧シリンダ、空圧シリンダ、水圧シリンダ、及びソレノイドなどが挙げられる。前記アクチュエータを前記パワーアシスト装置に備えることにより、駆動力が前記膝継手を含む必要な箇所に伝達され、パワーアシスト装置を装着した操作者の負担を軽減させることができる。
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、駆動源、制御部、センサなどが挙げられる。
前記パワーアシスト装置が、本発明の膝継手を備えることにより、人間の膝関節と同様の動きを再現する膝継手を備えることができる上に、コストを抑えることができる。
更に、本発明の膝継手はロボットにも活用することが可能であり、より人間の膝関節の動きを模したロボットを提供することが可能となる。
<1> 略半球状部分を少なくとも有する内顆部、及び略半球状部分を少なくとも有する外顆部を有する大腿骨コンポーネントと、
前記内顆部と接しつつ前記内顆部を転動可能にする内顆部受溝、及び前記外顆部と接しつつ前記内顆部の転動に伴って前記外顆部を転動可能にしかつ前記内顆部を回旋軸として回旋可能にする外顆部受溝を有する脛骨コンポーネントと、
前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする離接防止手段と、
を有することを特徴とする膝継手である。
前記<1>に記載の膝継手においては、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋をする。このとき、前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。前記<1>に記載の膝継手によると、前記内顆部及び前記外顆部が蝶番のような画一的な動きではなく、前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝のそれぞれによって、前記内顆部が転動可能となり、前記外顆部が転動及び回旋可能となるため、人間の膝関節と同様の動きが正確に再現され、特に深屈曲の状態から伸脚までの一連の動きが円滑かつ正確に再現される。また、人工膝関節とは違い、前記膝継手においては、膝蓋骨に該当する部材が要らず、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが正確に再現される。
前記外顆部受溝の開口形状が、前記内顆部受溝の略中心を中心とした略楕円弧状であり、長さ方向における両端のうちの一端側近傍に最下点を有する前記<1>に記載の膝継手である。
前記<2>に記載の膝継手においては、前記内顆部受溝の開口形状が、略真円形であるので、前記内顆部に載置された前記内顆部は、ピポット軸として機能する。前記内顆部が前記内顆部受溝上を転動すると、それに伴って、前記外顆部が、前記外顆部受溝上を転動しつつ、前記人体頭部側から見た前記外顆部受溝の形状が、内顆部受溝の略中心を中心とする略楕円弧状であるため、前記外顆部が前記内顆部を中心として回旋する。また、前記外顆部受溝の形状が、その長さ方向における両端のうちの一端側近傍に最下点を有するため、前記外顆部が前記内顆部を中心として円滑に回旋する。このため、前記膝継手は、人間の膝関節と同様の動きが再現可能となる。
前記<3>に記載の膝継手においては、前記係合凸部案内孔を前記係合凸部が貫通する。前記両顆接続部における両端に位置する前記係合凸部が、一対の係合凸部係合用壁部に儲けられた前記係合凸部案内孔に挟持され、支持される。このため、前記内顆部及び前記外顆部が前記受溝形成プレート部から離接することがない。
前記<4>に記載の膝継手においては、前記案内孔を貫通する前記案内部に前記脱離防止部材が設けられているので、前記内顆部及び前記外顆部が前記受溝形成プレート部から離接することがない。
前記<5>に記載の膝継手においては、前記第一の平面が、前記第二の平面に対してオフセットの位置にあることから、人間の膝関節の動きが忠実に再現される。
前記<6>に記載の義足においては、前記膝継手が、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋する。このとき、前記膝継手における前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。そして、前記膝継手には前記足部が接続されているので、前記義足は、前記膝継手において、人間の膝の屈曲運動と同じ動きが正確に再現される。前記義足においては、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが再現される。
前記<7>に記載のパワーアシスト装置においては、前記膝継手が、屈曲運動の際、前記大腿骨コンポーネントにおける、略半球状部分を少なくとも有する前記内顆部及び略半球状部分を少なくとも有する前記外顆部が、前記脛骨コンポーネントにおける前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝にそれぞれ接した状態で各溝の形状に沿って転動及び回旋する。このとき、前記膝継手における前記離接防止手段が、前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする。そして、前記膝継手は、前記アクチュエータにより駆動され、駆動時には、前記膝継手において人間の膝の屈曲運動と同じ動きが忠実に再現される。前記パワーアシスト装置においては、複雑な機構は必要なく、簡単な構造で人間の膝関節の動きが再現される。
2 脛骨
3 脛骨内顆面溝
4 脛骨外顆面溝
5 大腿骨内顆
5a 内側前顆部
5b 内側後顆部
6 大腿骨外顆
6a 外側前顆部
6b 外側後顆部
10 膝継手
20 大腿骨コンポーネント
22 外顆部
22a 凸部
22c 貫通孔
22d 切欠部
22e 載置平面部
24 内顆部
24a 凸部
24c 貫通孔
24d 切欠部
24e 載置平面部
26 両顆接続部
26a 係合凸部
28 案内部
28a 棒状体
28b 抜止防止部材
30 脛骨コンポーネント
30a 受溝形成プレート部
30b 係合凸部係合用壁部
30c 係合凸部案内孔
32 外顆部受溝
34 内顆部受溝
36 案内孔
40 大腿骨側接続部材
40a 延設部材接続部
40b 連結部
40c 大腿骨コンポーネント接続部
40d ネジ孔
40e ネジ孔
40f ネジ穴
42 略L字状接続部材
50 脛骨側接続部材
50a 延設部材接続部
50b 連結部
50d ネジ孔
50f ネジ穴
60 延設部材
70 延設部材
100 義足
110 ソケット
120 足部
500 膝継手
510 大腿骨側部材
520 アーム
530 膝関節軸ユニット
540 下腿側部材
550 大腿ソケット
560 下腿部
570 足部
Claims (7)
- 略半球状部分を少なくとも有する内顆部、及び略半球状部分を少なくとも有する外顆部を備えた大腿骨コンポーネントと、
前記内顆部と接しつつ前記内顆部を転動可能にする内顆部受溝、及び前記外顆部と接しつつ前記内顆部の転動に伴って前記外顆部を転動可能にしかつ前記内顆部を回旋軸として回旋可能にする外顆部受溝を有する脛骨コンポーネントと、
前記外顆部の回旋を許容し、かつ少なくとも前記内顆部及び前記内顆部受溝が互いに離接しないようにする離接防止手段と、
を有することを特徴とする膝継手。 - 前記内顆部受溝の開口形状が、略真円形であり、
前記外顆部受溝の開口形状が、前記内顆部受溝の略中心を中心とした略楕円弧状であり、長さ方向における両端のうちの一端側近傍に最下点を有する請求項1に記載の膝継手。 - 前記離接防止手段が、
前記内顆部及び前記外顆部を貫通して接続する両顆接続部の両端に位置する係合凸部、並びに、
前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝が形成された受溝形成プレート部の両端部にかつ該受溝形成プレート部と直交方向に立設された一対の係合凸部係合用壁部に設けられた係合凸部案内孔、である請求項1から2のいずれかに記載の膝継手。 - 前記離接防止手段が、
前記脛骨コンポーネントにおける、前記内顆部受溝の略中心及び前記外顆部受溝の略中心から略等距離の位置に設けられ、かつ前記案内部が挿入される案内孔、並びに、
前記内顆部及び前記外顆部を貫通して接続する両顆接続部から、該両顆接続部の長さ方向と直交方向に延設され、かつ前記案内孔を貫通すると共に脱離防止部材が設けられた案内部、である請求項1から2のいずれかに記載の膝継手。 - 前記脛骨コンポーネントにおける、前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝が形成された平面とは反対側に、脛骨側接続部材を有し、
前記内顆部受溝及び前記外顆部受溝に載置された前記内顆部及び前記外顆部における、前記平面と略平行な位置に大腿骨側接続部材を有し、
前記脛骨側接続部材及び前記大腿骨側接続部材の中心軸を含み、かつ前記平面に対し略直交する方向に位置する第一の平面が、
前記内顆部及び前記外顆部の略中心を含み、かつ前記平面に対し略直交する方向に位置する第二の平面よりも前方に位置する、請求項1から4のいずれかに記載の膝継手。 - 請求項1から5のいずれかに記載の膝継手と、前記膝継手における脛骨コンポーネントと接続された足部とを有することを特徴とする義足。
- 請求項1から5のいずれかに記載の膝継手と、前記膝継手を駆動させるアクチュエータとを有することを特徴とするパワーアシスト装置。
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