JP5967697B2

JP5967697B2 - 膝継手

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Publication number: JP5967697B2
Application number: JP2012051306A
Authority: JP
Inventors: 隆広和田; 龍一原田; 慎一立和名; 恒井上
Original assignee: Kagawa University NUC
Current assignee: Kagawa University NUC
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: JP2013183896A

Description

本発明は、膝継手に関する。大腿切断患者（膝より上の大腿部を切断した患者）は、膝継手が組み込まれた大腿義足を使用する。本発明は、主にこのような大腿義足に組み込まれる膝継手に関する。

近年の大腿義足の機構や制御方法の進歩により、ある程度自由な平地歩行が実現されている。その一方で、大腿義足による階段の昇降、特に昇段（階段の昇り）は困難であることが知られている。
大腿義足による昇段の課題として以下の２点がある。
（１）大腿義足の立脚期において、膝継手が予期せず折れる（膝折れ）。これは、立脚期の初期においては、膝継手が屈曲した状態で床反力がかかることに起因する。
（２）大腿義足の立脚期において、膝の伸展モーメントが発生しないため、身体に大きな負担がかかる。

上記の課題を解決するために、アクチュエータを搭載した膝継手が考案されている（例えば、非特許文献１）。
しかし、このような膝継手は非常に高価であるにも関わらず、不自然な足取りとなり歩行者の負担が大きいという問題があった。

M. Ninomiya, "Development of aKnee Joint for a Trans-femoral Prosthesis that can ascend and descend slopesand stairs", Proceedings of International Society for Prosthetics and Orthotics2004 World Congress, 2004

本発明は上記事情に鑑み、自然な昇段を可能とする膝継手を提供することを目的とする。

第１発明の膝継手は、大腿義足に組み込まれる膝継手であって、大腿側部材と、該大腿側部材に対して回動可能に連結された下腿側部材と、前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の最大屈曲角度を、床反力の増加に従い小さくし、床反力の減少に従い大きくする最大屈曲角度調整手段と、を備えることを特徴とする。
第２発明の膝継手は、第１発明において、前記最大屈曲角度調整手段は、当接部と、制限部と、を備え、前記当接部が、前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の屈曲角度が大きくなるに従い前記制限部に接近し、該屈曲角度が小さくなるに従い該制限部から離間し、前記制限部が、床反力の増加に従い前記当接部に接近し、床反力の減少に従い該当接部から離間する、ように構成されていることを特徴とする。
第３発明の膝継手は、第２発明において、前記下腿側部材は、基部と、該基部に対して昇降可能に連結され、前記大腿側部材に対して回動可能に連結された昇降部と、前記基部に対して前記昇降部を上昇させる方向に付勢する弾性体と、を備え、前記最大屈曲角度調整手段は、前記大腿側部材とともに回動し、一端に前記当接部が連結された第１リンクと、一端が前記基部に対して回動可能に連結され、他端が前記制限部に連結された第２リンクと、一端が前記基部に対して回動可能に連結されたガイドロッドと、を備え、前記当接部および前記制限部は、前記ガイドロッドに沿って移動可能に設けられていることを特徴とする。

第１発明によれば、床反力の増加に従い最大屈曲角度が小さくなるので、床反力がかかる立脚期において屈曲角度が制限され、膝折れを防止できる。また、膝継手に体重が移るに従い伸展モーメントが発生し、昇段を補助できる。これにより、自然な昇段が可能となる。
第２発明によれば、床反力の増加に従い制限部が当接部に接近するので、最大屈曲角度が小さくなる。また、床反力の減少に従い制限部が当接部から離間するので、最大屈曲角度が大きくなる。そのため、床反力がかかる立脚期において屈曲角度が制限され、膝折れを防止できる。また、膝継手に体重が移るに従い伸展モーメントが発生し、昇段を補助できる。これにより、自然な昇段が可能となる。
第３発明によれば、床反力の増加に従い昇降部とともに当接部が下降することによりガイドロッドが傾倒し、制限部が当接部に接近するので、最大屈曲角度が小さくなる。また、床反力の減少に従い昇降部とともに当接部が上昇することによりガイドロッドが起立し、制限部が当接部から離間するので、最大屈曲角度が大きくなる。そのため、床反力がかかる立脚期において屈曲角度が制限され、膝折れを防止できる。また、膝継手に体重が移るに従い伸展モーメントが発生し、昇段を補助できる。これにより、自然な昇段が可能となる。

本発明の一実施形態に係る膝継手の左側面図である。同膝継手の正面図である。同膝継手の背面図である。同膝継手の動作説明図であり、（ａ）荷重がかかっておらず伸展した状態、（ｂ）荷重がかかっておらず屈曲した状態、（ｃ）荷重がかかっており伸展した状態、（ｄ）荷重がかかっており屈曲した状態を示す。同膝継手が組み込まれた大腿義足の昇段運動の説明図であり、（ａ）立脚期の初期、（ｂ）大腿義足に体重が移ったときを示す。同膝継手の力学的な説明図である。大腿部角度および膝関節角度の説明図である。昇段試験における昇段運動の説明図である。平均膝関節角度に対する平均大腿部角度の関係を示すグラフである。平均床反力の時間変化を示すグラフである。実施例の立脚期における、膝関節モーメント、膝関節角度、膝関節モーメントパワーの一例を示すグラフである。比較例１の立脚期における、膝関節モーメント、膝関節角度、膝関節モーメントパワーの一例を示すグラフである。比較例３の立脚期における、膝関節モーメント、膝関節角度、膝関節モーメントパワーの一例を示すグラフである。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１、図２および図３に示すように、本発明の一実施形態に係る膝継手１は、大腿側部材１０と、下腿側部材２０と、最大屈曲角度調整機構３０とから構成されている。
膝継手１は、図１における右側（図２）が膝頭であり、図１における左側（図３）が膝裏である。以下では、図１の右側を前、図１の左側を後とし、図１の紙面に対して垂直な方向（図２および図３の左右）を左右とする。
なお、最大屈曲角度調整機構３０は、特許請求の範囲に記載の最大屈曲角度調整手段に相当する。

大腿側部材１０は、一対の大腿リンク１１、１１と、大腿切断患者の大腿部に装着される大腿ソケット（図示せず）が取り付けられるアダプタ１２とからなる。大腿リンク１１は長尺の板部材であり、一対の大腿リンク１１、１１が所定間隔を開けて左右に配置されている。アダプタ１２は、一対の大腿リンク１１、１１の上端同士に掛け渡され、固定されている。

下腿側部材２０は、基部２１と、昇降部２２とを備えている。基部２１は、その底面に大腿義足の下腿部（図示せず）が取り付け可能となっている。
基部２１には、その前後に一対のスライドピン２３、２３が立設されており、それぞれ昇降部２２の底面に穿設されたスライド穴２４、２４に挿入されている。スライドピン２３はスライド穴２４に沿って褶動可能であり、これにより、昇降部２２は基部２１に対して昇降可能に連結されている。

また、各スライドピン２３にはスプリング２５が挿入されており、このスプリング２５により基部２１に対して昇降部２２を上昇させる方向に付勢されている。
なお、スプリング２５としては、後述の屈曲制限機能と伸展機能に適したバネ定数を有するものが採用される。また、スプリング２５は特許請求の範囲に記載の弾性体に相当する。

昇降部２２の前面には軸受部２６が固定されている。軸受部２６は、基板２６ａと、基板２６ａの左右両端に立設した一対の舌片２６ｂ、２６ｂとから平面視コ字形に形成されている。そして、基板２６ａの左右中央が昇降部２２の前面に固定されており、一対の舌片２６ｂ、２６ｂの間に昇降部２２が配置されている。

軸受部２６の舌片２６ｂ、２６ｂには、軸受を介して膝関節軸２７、２７が軸支されている。膝関節軸２７、２７は、その一端が内側（昇降部２２）に向かうように、左右方向に水平に設けられており、その端部に大腿リンク１１、１１の下端が固定されている。これにより、下腿側部材２０を構成する昇降部２２が大腿側部材１０に対して回動可能に連結され、膝関節が構成されている。
なお、一対の大腿リンク１１、１１の間隔は、昇降部２２の左右の厚みより広く設けられており、一対の大腿リンク１１、１１の下端部の間に昇降部２２が配置されている。

膝継手１には、左右一対の最大屈曲角度調整機構３０、３０が設けられている。これらの最大屈曲角度調整機構３０、３０は左右対称の構成である。最大屈曲角度調整機構３０は、ガイドロッド３１と、そのガイドロッド３１に沿って移動可能に設けられた当接軸３２および制限部３３とを備えている。なお、当接軸３２は、特許請求の範囲に記載の当接部に相当する。

基部２１には、支持部３１ａが立設されており、その支持部３１ａに軸受を介して支持軸３１ｂが軸支されている。支持軸３１ｂは左右方向に水平に設けられており、その端部にガイドロッド３１の下端が固定されている。そのため、ガイドロッド３１は、基部２１に対して前後に回動可能に連結されている。

ガイドロッド３１には、長孔３１ｈが形成されており、その長孔３１ｈに当接軸３２の一端が挿入されている。当接軸３２はこの長孔３１ｈに沿って褶動可能となっている。当接軸３２の他端は第１リンク３４の一端に固定されている。この第１リンク３４の他端は膝関節軸２７に固定されている。ここで、大腿リンク１１および第１リンク３４は、側面視において略直交して、ともに膝関節軸２７に固定されている。そのため、互いの角度を一定に維持した状態で膝関節軸２７周りに回動可能となっている。

基部２１には、支持部３５ａが立設されており、その支持部３５ａに軸受を介して支持軸３５ｂが軸支されている。支持軸３５ｂは左右方向に水平に設けられており、その端部に第２リンク３５の下端が固定されている。そのため、第２リンク３５は、基部２１に対して前後に回動可能に連結されている。第２リンク３５の上端にはピン３５ｃが左右方向に水平に設けられており、このピン３５ｃの先端に制限部３３が回動可能に連結されている。

制限部３３は、中央に溝を有した断面Ｕ字形の部材であり、その溝にガイドロッド３１が嵌めこまれている。そして、制限部３３はガイドロッド３１に沿って褶動可能となっている。

つぎに、膝継手１の動作について説明する。
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、大腿側部材１０が下腿側部材２０に対して回動し、膝関節軸２７周りに屈曲すると、当接軸３２は大腿側部材１０とともに回動し、ガイドロッド３１に沿って下降する。ここで、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の屈曲角度が大きくなるに従い、当接軸３２が制限部３３に接近する。そして、当接軸３２が制限部３３に上方から当接すると、制限部３３により当接軸３２の下降が制限される（図４（ｂ）参照）。これにより、さらなる屈曲が制限される。

逆に、大腿側部材１０が下腿側部材２０に対して回動し、膝関節軸２７周りに伸展すると、当接軸３２は大腿側部材１０とともに回動し、ガイドロッド３１に沿って上昇する。ここで、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の屈曲角度が小さくなるに従い、当接軸３２が制限部３３から離間する。そして、当接軸３２がガイドロッド３１上端に達すると、当接軸３２の上昇が制限される（図４（ａ）参照）。これにより、大腿側部材１０が逆向き（図４（ａ）における右向き）に屈曲することが制限される。

また、図４（ｃ）に示すように、下腿側部材２０に荷重がかかると、その荷重の大きさに従い昇降部２２が下降する（昇降部２２が基部２１に接近する）。このとき、昇降部２２がどの程度下降するか、すなわち昇降部２２と基部２１との間の距離の変位は、スプリング２５のバネ定数と、荷重の大きさによる。

当接軸３２は、荷重の増加に従い昇降部２２とともに下降する。ここで、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の屈曲角度が一定であるとすると、当接軸３２はその水平方向の位置を変えずにまっすぐ下降する。また、当接軸３２は、ガイドロッド３１の支持軸３１ｂと前後方向にずれて配置されている。そのため、当接軸３２が下降することによりガイドロッド３１が後ろに傾倒する。そうすると、制限部３３はガイドロッド３１に沿って上昇する。このように、制限部３３は、下腿側部材２０にかかる荷重の増加に従い上昇する（当接軸３２に接近する）。また、昇降部２２とともに当接軸３２が下降することによっても、当接軸３２と制限部３３との間の距離が短くなる。

図４（ｄ）に示すように、下腿側部材２０に荷重がかかった状態で、大腿側部材１０を下腿側部材２０に対して屈曲させると、当接軸３２は大腿側部材１０とともに回動し、ガイドロッド３１に沿って下降する。そして、当接軸３２が制限部３３に上方から当接すると、制限部３３により当接軸３２の下降が制限される。ここで、下腿側部材２０に荷重がかかった状態では、制限部３３はガイドロッド３１に沿って上昇しており、当接軸３２に接近しているので、下腿側部材２０に荷重がかかっていない状態（図４（ｂ）参照）に比べて、当接軸３２の可動範囲が狭くなっている。そのため、下腿側部材２０に荷重がかかった状態では、屈曲がさらに制限される。このように、下腿側部材２０にかかる荷重の増加に従い、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の最大屈曲角度が小さくなる。

逆に、下腿側部材２０にかかる荷重の減少に従い昇降部２２とともに当接軸３２が上昇する。大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の屈曲角度が一定であるとすると、当接軸３２が上昇することによりガイドロッド３１が起立する。そうすると、制限部３３はガイドロッド３１に沿って下降する。このように、制限部３３は、下腿側部材２０にかかる荷重の増加に従い下降する（当接軸３２から離間する）。また、昇降部２２とともに当接軸３２が上昇することによっても、当接軸３２と制限部３３との間の距離が長くなる。
そうすると、下腿側部材２０にかかる荷重の減少に従い、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の最大屈曲角度が大きくなる。

つぎに、上記膝継手１が組み込まれた大腿義足を用いた昇段（階段の昇り）運動について説明する。
図５に示すように、大腿義足ＴＰは、膝継手１と、膝継手１のアダプタ１２に取り付けられた大腿ソケットＴと、膝継手１の基部２１に取り付けられた下腿部Ｌと、下腿部Ｌの下端に取り付けられた足部Ｆとから構成されている。

図５（ａ）に示すように、昇段運動において、大腿義足ＴＰの立脚期（足部Ｆが地面に接している期間）の初期においては、床反力（下腿側部材２０にかかる荷重）の大きさに従って大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の最大屈曲角度が制限されている。そのため、膝継手１の屈曲角度が予期せずに大きな角度にならず、膝折れを防止できる（屈曲制限機能）。

つぎに、図５（ｂ）に示すように、大腿義足ＴＰに体重が移るに従い、床反力（下腿側部材２０にかかる荷重）が増加し、最大屈曲角度がさらに小さくなるように制限される。このとき、膝継手１の屈曲角度が最大屈曲角度に達しているとすると、床反力が増加するに従い、膝継手１が伸展する（伸展機能）。
より詳細には、下腿側部材２０にかかる荷重が増加するに従い制限部３３がガイドロッド３１に沿って上昇し、当接軸３２を押し上げる。これにより、大腿側部材１０および大腿ソケットＴを伸展方向（図５（ｂ）における右回り）に回動させる伸展モーメントが発生し、膝継手１が伸展する。この伸展モーメントにより、昇段を補助できる。

以上のように、膝継手１は、昇段運動において、膝折れを防止でき、伸展できるので、自然な昇段が可能となる。

つぎに、膝継手１の屈曲制限機能および伸展機能を力学的に説明する。
図６に、伸展モーメントが発生する典型例を示す。
力のつり合いより、数１が得られる。
ここで、F_grは床反力を示す。-F_grは静的な状態における大腿ソケットＴに働く力と等しくなる。また、f_lmtは制限部３３により当接軸３２に働く力を示し、f_sp=[f_sp ^x,f_sp ^y]^Tはスプリング２５により働く力を示す。

スプリング２５により働く力f_spの垂直方向の成分f_sp ^yは、フックの法則により数２の通りに表される。
ここで、kはスプリング２５のばねバネ定数を示す。また、Dはスプリング２５の変位、すなわち基部２１と昇降部２２との間の距離の変位を示す。

また、モーメントのつり合いより数３が得られる。
ここで、M_sktは、-F_grにより発生するモーメントを含んだ、大腿ソケットＴにより働く膝関節軸２７回りのモーメントを示す。また、rは膝関節軸２７から制限部３３により働く力f_lmtの力点までの相対的な位置ベクトルを示す。

一方、膝関節軸２７周りの伸展モーメントτ_kは数４の通りに表される。
ここで、ベクトルf_lmtの方向はガイドロッド３１の長尺方向と一致する。したがって、f_lmtは数５の通りに表される。
ここで、e_lmt=[e_lmt ^x,e_lmt ^y]^Tはガイドロッド３１の長尺方向を表す単位ベクトルである。

数５を数１に代入すると、垂直方向の力のつり合いは数６の通りに表される。
また、数２を数６に代入すると数７が得られる。

数７より、変位Dが一定のとき、床反力が増加すれば伸展モーメントが発生することが分かる。すなわち、膝継手１の屈曲が制限され、屈曲制限機能が実現されていることが分かる。
また、床反力f_gr（下腿側部材２０にかかる荷重）が増加して変位Dが増加したときには、伸展モーメントが大きくなることが分かる。すなわち、伸展機能が実現されていることが分かる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、リンク機構により最大屈曲角度調整手段を実現したが、他の機構により最大屈曲角度調整手段を実現してもよい。
例えば、床反力を検出する検出手段と、サーボモータなどのアクチュエータにより最大屈曲角度を調整する機構を設け、検出手段により検出された床反力をもとにアクチュエータを制御して、床反力の増加に従い最大屈曲角度を小さくし、床反力の減少に従い最大屈曲角度を大きくするように構成してもよい。

また、本発明の膝継手は、床反力の増加に従い伸展モーメントが発生し伸展できることから、大腿義足に限られず、下肢のパワーアシストスーツに利用することもできる。

つぎに、大腿義足を用いた昇段試験について説明する。
試験には、インフォームドコンセントを受けた２人の健康な（大腿部を切断していない）男性（２１才、２２才）が参加した。健常肢を屈曲させた状態で保持する擬似ソケットを作成し、その擬似ソケットに膝継手が組み込まれた大腿義足を取り付けた。試験参加者は、擬似ソケットを右足に装着して昇段運動を行った（実施例、比較例１、比較例２）。また、比較のために、義足を付けていない状態での昇降運動も行った（比較例３）。

試験には、以下の３つの膝継手を用いた。
・実施例：上記の本発明に係る膝継手１
・比較例１：3R95（Otto Bock社製）
・比較例２：3R15（Otto Bock社製）（膝伸展用バネを除去している）
なお、足部として1S49（Otto Bock社製）を用いた。

試験には、２つの床反力計が設けられた３段の階段が用いられた。床反力計は地面と最初の段に設けられた。また、モーションキャプチャシステムで、義足（右足）のつま先、くるぶし、膝関節、左足のつま先、くるぶし、膝関節、および両側の大転子の３次元位置を測定した。
また、図７に示すように、大腿部角度および膝関節角度（屈曲角度）を定義した。

図８に示すように、試験参加者は、義足（右足）から昇段を開始し、両方の足が３段目に達したときを終了とした。昇段の速さは指示せずに試験参加者の判断で行った。実施例、比較例１、比較例２のそれぞれについて３回の昇段を行った。その後、義足を取り外して健常肢による昇段（比較例３）を行った。

図９に、試験参加者の同一歩行周期における平均膝関節角度に対する平均大腿部角度の関係を示す。ここで、破線は遊脚期、実線は立脚期を示す。
図９に示すように、健常肢の場合（比較例３）、膝関節角度は遊脚期と立脚期の両方において大きく屈曲されていることが分かる。また、単脚立脚期の始点における膝関節角度は義足を用いた場合（実施例、比較例１、比較例２）よりも大きいことが分かる。
実施例は、比較例１および比較例２よりも立脚期における膝関節角度が大きいことが分かる。これは、比較例１と比較例２においては、単脚立脚期において膝折れを防止するために膝関節角度を小さくしなければならないからであると考えられる。

図１０に、同一試験参加者の平均床反力を示す。健常肢の場合（比較例３）は平均床反力がすぐに増加するのに対して、義足を用いた場合（実施例、比較例１、比較例２）は平均床反力が徐々に増加した。実施例、比較例１、比較例２の間では、平均床反力のピークに大きな違いが見られた。そして、実施例は、健常肢の場合（比較例３）の床反力と同じ大きさの床反力が発生し、単脚立脚期において大きな膝屈曲を伴った昇段が実現できることが分かった。これにより、本発明に係る膝継手は屈曲制限機能が実現されていることが分かる。

図１１〜図１３に、それぞれ実施例、比較例１、比較例３の立脚期における、膝関節モーメント、膝関節角度、膝関節モーメントパワーの一例を示す。
比較例１の場合（図１２参照）、膝関節モーメントが単脚立脚期において発生し、膝関節モーメントパワーが負である。これは、3R95のダンピングが原因であると考えられる。これに対して実施例の場合（図１１参照）、膝関節モーメントが立脚期において発生して、膝関節モーメントパワーが正である。これは、健常肢（比較例３）の場合（図１３参照）と似た傾向である。これより、本発明に係る膝継手は、昇段において正の力が発生し、伸展機能が実現されていることが分かる。

なお、実施例の場合には手摺なしで昇段が可能であったのに対して、比較例１および比較例２の場合には手摺なしでの昇段が不可能であり、手摺ありで昇段を行っている。このことからも、本発明に係る膝継手は、伸展機能が実現されていることが分かる。

１膝継手
１０大腿側部材
１１大腿リンク
１２アダプタ
２０下腿側部材
２１基部
２２昇降部
２３スライドピン
２４スライド穴
２５スプリング
２６軸受部
２７膝関節軸
３０最大屈曲角度調整機構
３１ガイドロッド
３２当接軸
３３制限部
３４第１リンク
３５第２リンク

Claims

大腿義足に組み込まれる膝継手であって、
大腿側部材と、
該大腿側部材に対して回動可能に連結された下腿側部材と、
前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の最大屈曲角度を、床反力の増加に従い小さくし、床反力の減少に従い大きくする最大屈曲角度調整手段と、を備える
ことを特徴とする膝継手。
前記最大屈曲角度調整手段は、
当接部と、
制限部と、を備え、
前記当接部が、前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の屈曲角度が大きくなるに従い前記制限部に接近し、該屈曲角度が小さくなるに従い該制限部から離間し、
前記制限部が、床反力の増加に従い前記当接部に接近し、床反力の減少に従い該当接部から離間する、ように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。
前記下腿側部材は、
基部と、
該基部に対して昇降可能に連結され、前記大腿側部材に対して回動可能に連結された昇降部と、
前記基部に対して前記昇降部を上昇させる方向に付勢する弾性体と、を備え、
前記最大屈曲角度調整手段は、
前記大腿側部材とともに回動し、一端に前記当接部が連結された第１リンクと、
一端が前記基部に対して回動可能に連結され、他端が前記制限部に連結された第２リンクと、
一端が前記基部に対して回動可能に連結されたガイドロッドと、を備え、
前記当接部および前記制限部は、前記ガイドロッドに沿って移動可能に設けられている
ことを特徴とする請求項２記載の膝継手。