JP5967700B2 - 膝継手 - Google Patents

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、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３点がある。
（１）大腿義足の遊脚期の初期において、膝関節の屈曲不足により足部が下段の蹴込面に衝突する。
（２）大腿義足の遊脚期の終期において、膝関節の過伸展により足部が上段の蹴込面に衝突する。
（３）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。

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回動方向を、屈曲方向または伸展方向の一方向に制限可能な回動制限手段と、該回動制限手段を、伸展方向の回動を制限する伸展制限状態と、屈曲方向の回動を制限する屈曲制限状態とで切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記大腿義足の遊脚期に前記回動制限手段を前記伸展制限状態とし、前記大腿義足の立脚期に前記回動制限手段を前記屈曲制限状態とす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、前記回動制限手段は、回転方向を切り替え可能なラチェット機構であることを特徴とする。
第３発明の膝継手は、第１発明において、前記切替手段は、前記回動制限手段が前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の過伸展を抑制した後であって、該回動制限手段に伸展方向の負荷が加わる前に、該回動制限手段の前記伸展制限状態を解除することを特徴とする。
第４発明の膝継手は、第１発明において、前記大腿義足の下腿部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、前記切替手段は、前記加速度検出手段で検出した加速度が、屈曲方向の値である閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段の前記伸展制限状態を解除することを特徴とする。
第５発明の膝継手は、第４発明において、前記切替手段は、前記大腿側部材に対して前記下腿側部材が伸展を開始した後に、前記加速度検出手段で検出した加速度が、屈曲方向の値である閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段の前記伸展制限状態を解除することを特徴とする。
第６発明の膝継手は、第１発明において、前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の角度を検出する角度検出手段を備え、前記切替手段は、前記角度検出手段で検出した角度がピークに達したことをきっかけとして、前記回動制限手段を前記伸展制限状態から前記屈曲制限状態へ切り替えることを特徴とする。
第７発明の膝継手は、第１発明において、前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の角度を検出する角度検出手段を備え、前記切替手段は、前記角度検出手段で検出した角度が閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段を前記屈曲制限状態から前記伸展制限状態へ切り替えることを特徴とする。

第１発明によれば、大腿義足の遊脚期に膝関節の伸展方向の回動を制限するので、膝関節の屈曲不足または過伸展により足部が蹴込面に衝突することを防止できる。また、大腿義足の立脚期に膝関節の屈曲方向の回動を制限するので、膝折れを防止できる。これにより、自然な昇段が可能となる。
第２発明によれば、回転にかかる抵抗が小さいので、膝関節が屈曲しやすく、大腿義足の遊脚期において足部が蹴込面に衝突することを防止できる。
第３発明によれば、回動制限手段が膝関節の過伸展を抑制した後に回動制限手段の伸展制限状態を解除するので、膝関節の過伸展により足部が蹴込面に衝突することを防止できる。また、回動制限手段に伸展方向の負荷が加わる前に回動制限手段の伸展制限状態を解除するので、回動制限手段に回転制限方向の負荷が加わり切り替えできなくなることを防止できる。
第４発明によれば、下腿部の加速度が、閾値に達したこときっかけとして回動制限手段の前記伸展制限状態を解除するので、回動制限手段が過伸展を抑制した後であって、回動制限手段に伸展方向の負荷が加わる前に回動制限手段の前記伸展制限状態を解除できる。
第５発明によれば、膝関節が伸展を開始した後に回動制限手段の前記伸展制限状態を解除するので、膝関節の屈曲による下腿部の加速度を無視することができ、誤作動を防止することができる。
第６発明によれば、膝関節角度がピークに達したこときっかけとして回動制限手段を切り替えるので、回動制限手段が過伸展を抑制した後であって、回動制限手段に伸展方向の負荷が加わる前に回動制限手段を切り替えることができる。
第７発明によれば、膝関節角度が閾値に達したことをきっかけとして回動制限手段を切り替えるので、膝折れを防止できる。

本発明の一実施形態に係る膝継手が組み込まれた大腿義足の側面図である。 同膝継手の側面図である。 同膝継手の背面図である。 図３におけるIV-IV線矢視断面図である。 制御手段を含むブロック図である。 昇段運動の説明図である。 昇段運動の試験結果であって、（ａ）膝関節角度および膝関節モーメントの時間変化を示すグラフ、（ｂ）下腿部加速度の時間変化を示すグラフである。 膝関節角度、膝関節モーメントおよび下腿部加速度の説明図である。 昇段運動の試験結果であって、（ａ）膝関節角度の時間変化を示すグラフ、（ｂ）膝関節モーメントの時間変化を示すグラフである。 動作試験における義足の軌跡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、大腿義足ＴＰに組み込まれる膝継手である。大腿義足ＴＰは、膝継手１と、大腿切断患者の大腿部に装着される大腿ソケットＴと、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２および図３に示すように、膝継手１は、大腿側部材１０と、下腿側部材２０とを備えている。
膝継手１は、図２における右側が膝頭であり、図２における左側（図３）が膝裏である。以下では、図２の右側を前、図２の左側を後とし、図２の紙面に対して垂直な方向（図３の左右）を左右とする。

大腿側部材１０は、大腿ソケットＴが取り付けられるアダプタである（図１参照）。大腿側部材１０は逆Ｕ字型に形成されており、その左右に下垂した一対のアーム１１、１１を備えている。この一対のアーム１１、１１の間には、膝関節軸１２が掛け渡され固定されている。

下腿側部材２０は、ケース２１と、下腿部Ｌが取り付けられるアダプタ２２とから構成されている（図１参照）。このアダプタ２２は、ケース２１の下端に回動不可能に固定されている。
ケース２１の上端は、大腿側部材１０の一対のアーム１１、１１の間に挿入されており、膝関節軸１２が貫通している。そのため、下腿側部材２０は、大腿側部材１０に対して回動可能に連結されており、これにより膝関節が構成されている。本明細書において膝関節とは、大腿側部材１０と下腿側部材２０との連結部分を意味する。

図４に示すように、ケース２１の内部には、ラチェット機構３０が取り付けられている。ラチェット機構３０は、筐体３１と、筐体３１に対して回転する回転体３２と、切替レバー３３とから構成されている。ラチェット機構３０の筐体３１は、ケース２１の内面に固定されており、回転体３２には膝関節軸１２が挿入され固定されている。すなわち、大腿側部材１０と下腿側部材２０とは、ラチェット機構３０を介して連結されている。

このラチェット機構３０は、切替レバー３３の操作により、回転体３２の回転方向を以下の３つの状態に切り替え可能となっている。
（１）フリー状態
切替レバー３３を中立にすると、ラチェット機構３０は回転体３２が筐体３１に対して右回りにも左回りにも回転するフリー状態となる。この状態では、膝関節は屈曲も、伸展も可能となる。
（２）伸展制限状態
切替レバー３３を図４における下向きに倒すと、ラチェット機構３０は回転体３２が筐体３１に対して図４における左回りにのみ回転するように制限された伸展制限状態となる。この状態では、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の回動方向は屈曲方向にのみ制限され、伸展方向の回動は制限される。すなわち、膝関節は屈曲可能であるが、伸展は制限される。
（３）屈曲制限状態
切替レバー３３を図４における上向きに倒すと、ラチェット機構３０は回転体３２が筐体３１に対して図４における右回りにのみ回転するように制限された屈曲制限状態となる。この状態では、大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の回動方向は伸展方向にのみ制限され、屈曲方向の回動は制限される。すなわち、膝関節は伸展可能であるが、屈曲は制限される。

ラチェット機構３０を、（１）フリー状態、（２）伸展制限状態、（３）屈曲制限状態の間で切り替えるために、ケース２１の内部には、切替手段４０が取り付けられている。切替手段４０は、スライダ４１と、リニアステッピングモータ４２と、リンク４３とから構成されている。

スライダ４１は、ケース２１の内部に図４における上下方向に褶動可能に設けられている。また、スライダ４１の上端には凹部４１ａが形成されており、この凹部４１ａに切替レバー３３の先端が嵌め込まれている。また、リニアステッピングモータ４２は、ハウジング４２ａがケース２１に固定されており、軸４２ｂが図４における上下方向に駆動するように設けられている。リニアステッピングモータ４２の軸４２ｂの先端とスライダ４１とはリンク４３で連結されている。そのため、リニアステッピングモータ４２により、スライダ４１を上下方向に駆動できるようになっている。これにより、切替レバー３３を中立または上下に倒して、ラチェット機構３０を、（１）フリー状態、（２）伸展制限状態、（３）屈曲制限状態の間で切り替えることができる。

図２および図３に示すように、膝継手１には、ロータリーポテンショメータ５０が備えられている。ロータリーポテンショメータ５０は、ケース２１の外部に取付部材５１を介して取り付けられている。ロータリーポテンショメータ５０には、膝関節軸１２が接続されており、膝関節軸１２の回転角度を検出できるようになっている。すなわち、ロータリーポテンショメータ５０により、膝関節角度（大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の角度）を検出できるようになっている。
なお、ロータリーポテンショメータ５０が、特許請求の範囲に記載の角度検出手段に相当する。

また、図１に示すように、下腿部Ｌの重心には加速度センサ６０が取り付けられている。この加速度センサ６０により下腿部Ｌの加速度を検出できるようになっている。
なお、加速度センサ６０が、特許請求の範囲に記載の加速度検出手段に相当する。

図５に示すように、上記ロータリーポテンショメータ５０および加速度センサ６０は制御手段７０に接続されており、それぞれの検出結果を出力するように構成されている。また、制御手段７０はリニアステッピングモータ４２に接続されており、制御信号を出力するように構成されている。
制御手段７０は、ロータリーポテンショメータ５０で検出した膝関節角度、および加速度センサ６０で検出した下腿部Ｌの加速度を基に、ラチェット機構３０をいずれの状態に切り替えるかを判断し、リニアステッピングモータ４２を駆動する。

なお、制御手段７０はコンピュータ等で構成されており、ケース２１の内部に固定されるか、膝継手１とは分離した物として構成される。
また、制御手段７０と、ロータリーポテンショメータ５０、加速度センサ６０およびリニアステッピングモータ４２とは、それぞれ有線で接続してもよいし、無線で接続してもよい。

つぎに、上記膝継手１が組み込まれた大腿義足ＴＰを用いた昇段（階段の昇り）運動について説明する。
図６に示すように、人は、義足および健足が地面に接地している立脚期と地面から離れている遊脚期とを交互に繰り返して昇段する。また、歩行の場合には、義足および健足の一方が遊脚期であり他方が立脚期である単脚支持期と、両方が立脚期である両脚支持期とを交互に繰返す。この立脚期と遊脚期とを合わせて歩行周期と称される。

大腿義足ＴＰの遊脚期に注目すると、（ａ）その初期において足部Ｆが階段の段差を乗り越えるように膝関節を屈曲させる必要があり、（ｂ）その終期において足部Ｆが上段の蹴上面に衝突しないように膝関節の伸展を制限する必要がある。大腿義足ＴＰの遊脚期の初期において膝関節の屈曲が不足すると足部Ｆが下段の蹴上面に衝突し、大腿義足ＴＰの遊脚期の終期において膝関節が伸展しすぎると足部Ｆが上段の蹴上面に衝突する。

また、大腿義足ＴＰの立脚期に注目すると、膝関節が屈曲した状態で床反力がかかるため、その床反力に抗して膝関節を伸展させるとともに、膝関節の屈曲を制限する必要がある（ｃ）〜（ｆ）。大腿義足ＴＰの立脚期において膝関節が屈曲すると、膝折れとなる。

そこで、膝継手１は、切替手段４０の動作により、大腿義足ＴＰの遊脚期にラチェット機構３０を伸展制限状態とし、大腿義足ＴＰの立脚期にラチェット機構３０を屈曲制限状態とする。

このように、ラチェット機構３０を伸展制限状態と屈曲制限状態とで切り替えれば、大腿義足ＴＰの遊脚期に膝関節の伸展方向の回動を制限するので、膝関節の屈曲不足により足部が蹴上面に衝突することを防止できるし、膝関節の過伸展により足部が蹴込面に衝突することを防止できる。また、大腿義足ＴＰの立脚期に膝関節の屈曲方向の回動を制限するので、膝折れを防止できる。これにより、自然な昇段が可能となる。

一般に、膝関節の抵抗を大きくした膝継手は、膝関節が屈曲しづらいため、立脚期において膝折れを抑制できるが、遊脚期の初期において足部が下段の蹴上面に衝突する。
その点、ラチェット機構３０は回転可能な方向への回転にかかる抵抗が小さいという性質を有することから、膝継手１は膝関節が屈曲しやすく、遊脚期の初期において足部Ｆが階段の段差を乗り越えやすい。そのため、膝関節の屈曲不足により足部Ｆが下段の蹴上面に衝突することを防止できる。

また、一般に、膝関節の抵抗を小さくした膝継手は、膝関節が屈曲しやすいが、下腿部が前方に大きく振られ足部が上段の蹴上面に衝突する。また、振り出した下腿部が振り子のように揺れ、その揺れにタイミングを合わせて接地する必要があるため、使用者にストレスがかかる。
その点、膝継手１は、ラチェット機構３０により遊脚期に膝関節の伸展方向の回動を制限するので、足部Ｆが上段の蹴上面に衝突することを防止できる。また、下腿部Ｌが揺れないので任意のタイミングで接地できる。そのため、使用者にストレスがかからない。

つぎに、ラチェット機構３０の伸展制限状態から屈曲制限状態への切り替えタイミングの詳細を説明する。
大腿義足ＴＰの遊脚期の終期において、ラチェット機構３０を伸展制限状態としたまま大腿義足ＴＰを接地させると、その後立脚期に移行し、膝関節を伸展させる力が加わる。一般に、ラチェット機構は回転制限方向（回転が制限されている方向）に負荷が加わると、回転方向の切り替えができなくなるという性質を有する。そのため、大腿義足ＴＰが接地した後、ラチェット機構３０に伸展方向の負荷が加わると、ラチェット機構３０の切り替えができなくなる場合がある。また、大腿義足ＴＰが立脚期に移行した後は膝折れの恐れがある。
そのため、大腿義足ＴＰが接地する前または接地した直後に、少なくともラチェット機構３０の伸展制限状態を解除し（フリー状態または屈曲制限状態へ切り替え）、膝折れが生じる前に屈曲制限状態へ切り替えることが好ましい。

また、前述のごとく、膝関節の過伸展により足部Ｆが蹴込面に衝突することを防止するためには、ラチェット機構３０が膝関節の過伸展を抑制した後に、ラチェット機構３０の伸展制限状態を解除する必要がある。

図７に、膝継手１が組み込まれた大腿義足ＴＰを用いた昇段運動の試験結果を示す。この試験は、大腿部を切断していない健常者の男性１名の右足に、健常肢を屈曲させた状態で保持する擬似ソケット装着し、その擬似ソケットに大腿義足ＴＰを取り付けて行った。図７は、膝継手１のラチェット機構３０を伸展制限状態として昇段運動を行った９試行分のデータを平均して得たものである。

ここで、図８に示すように、下腿部に働く膝関節周りのモーメントを膝関節モーメントとし、膝裏側の大腿部と下腿部とのなす角（大腿側部材１０に対する下腿側部材２０の角度）を膝関節角度とし、膝関節を回転中心とした回転座標系（y’,z’）における下腿部の重心の水平方向y’の加速度を下腿部加速度とした。

図７（ａ）に示すように、遊脚期の前半は、膝関節角度が徐々に小さくなり膝関節が屈曲していることがわかる。また、遊脚期の中程で膝関節角度が徐々に大きくなり約20°伸展して膝関節角度がピークに達し、遊脚期の後半はそれ以上の伸展は制限されていることがわかる。この約20°の伸展はラチェット機構３０の遊びや、ラチェット機構３０と大腿側部材１０との接続部分のガタによるものである。そして、膝関節角度が約20°増加し、それ以上の伸展が制限されたとき（膝関節角度がピークに達したとき）（図７における破線）が、ラチェット機構３０が膝関節の過伸展を抑制したときである。

また、膝関節の過伸展が抑制されたときに、膝関節モーメントが負のピークを示しており、膝関節を屈曲させるモーメントが働いていることが分かる。これより、膝関節の過伸展が抑制された後は、膝関節に伸展方向へのモーメントが働いていないため、ラチェット機構３０の回転方向を切り替えることが可能であることが分かる。

また、図７（ｂ）に示すように、膝関節の過伸展が抑制されたときに、下腿部加速度が負のピークを示している。そのため、この下腿部加速度のピークを基に、ラチェット機構３０を伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替えればよい。なお、下腿部加速度のピークを基に、少なくともラチェット機構３０の伸展制限状態を解除すればよく、その後屈曲制限状態へ切り替えてもよい。

具体的には、加速度センサ６０で下腿部Ｌの重心の加速度（下腿部加速度）を検出する。制御手段７０は、加速度センサ６０で検出した下腿部加速度が予め定められた閾値に達したことをきっかけとして、リニアステッピングモータ４２を駆動してラチェット機構３０を伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替える。ここで、図７（ｂ）に示す例では、下腿部加速度のピーク値は-13.1m/s²であるので、上記閾値は例えば-10.0m/s²に定められる。

なお、特許請求の範囲に記載の「屈曲方向の値である閾値」は、図８に示す回転座標系（y’,z’）では負の値となる。また、特許請求の範囲に記載の「屈曲方向の値である閾値に達した」とは、閾値が負の値である場合、負方向に加速度が増してその閾値に達したことを意味する。

以上のタイミングで制御することにより、ラチェット機構３０が膝関節の過伸展を抑制した後であって、ラチェット機構３０に伸展方向の負荷が加わる前に、少なくともラチェット機構３０の伸展制限状態を解除し、その後屈曲制限状態へ切り替えることができる。
また、ラチェット機構３０が膝関節の過伸展を抑制した後にラチェット機構３０の伸展制限状態を解除するので、膝関節の過伸展により足部Ｆが蹴込面に衝突することを防止できる。また、ラチェット機構３０に伸展方向の負荷が加わる前にラチェット機構３０の伸展制限状態を解除するので、ラチェット機構３０に回転制限方向の負荷が加わり切り替えできなくなることを防止できる。

なお、下腿部加速度が閾値に達したか否かを判断する前に、膝関節が伸展を開始したことを判断した方が好ましい。
具体的には、ロータリーポテンショメータ５０で膝関節角度を検出する。制御手段７０は、ロータリーポテンショメータ５０で検出した膝関節角度の時間変化（角速度）が伸展方向の値である閾値に達したか否かを基に、膝関節が伸展を開始したことを判断する。その後、上記のように下腿部加速度が閾値に達したか否かを判断する。

大腿義足ＴＰの遊脚期の初期においては、足部Ｆが階段の段差を乗り越えるように膝関節を屈曲させる。このとき、下腿部Ｌは後ろ向きに振られるため下腿部加速度が上記閾値に達する場合がある（図７（ｂ）では現れていない）。そうすると、ラチェット機構３０が膝関節の過伸展を抑制する前に、ラチェット機構３０が屈曲制限状態へ切り替えられてしまう。そこで、上記のように、膝関節が伸展を開始したことを判断することで、膝関節の屈曲による下腿部加速度を無視することができ、このような誤作動を防止することができる。

なお、本実施形態におけるラチェット機構３０は、フリー状態を介して伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替えられるが、フリー状態を介さずに屈曲制限状態へ切り替える構成としてもよい。

つぎに、ラチェット機構３０の屈曲制限状態から伸展制限状態への切り替えタイミングの詳細を説明する。
図９に、大腿義足ＴＰの立脚期における、膝関節角度と膝関節モーメントの時間変化の典型例を示す。図９に示すように、膝継手１が組み込まれた大腿義足ＴＰの立脚期の終期において、健足が接地する（両脚支持期II）前に膝継手１の膝関節の伸展が最大となることがわかる。また、大腿義足ＴＰの単脚支持期において、膝関節の伸展が最大となってから健足が接地するまでの膝関節モーメントは正の値であり、膝関節を伸展させるモーメントが働いていることがわかる。

これより、膝関節の伸展が最大となったことをきっかけとして、ラチェット機構３０を屈曲制限状態から伸展制限状態へ切り替えればよい。
具体的には、ロータリーポテンショメータ５０で膝関節角度を検出する。制御手段７０は、ロータリーポテンショメータ５０で検出した膝関節角度が伸展の最大値に達したことをきっかけとして、リニアステッピングモータ４２を駆動してラチェット機構３０を屈曲制限状態から伸展制限状態へ切り替える。

なお、ここで伸展の最大値は、特許請求の範囲に記載の閾値に相当する。閾値としては、伸展の最大値（例えば180°）以外にも、その最大値の近傍の値（例えば175°）に設定してもよい。

以上のタイミングで制御することにより、ラチェット機構３０を伸展制限状態へ切り換えても膝折れを防止できる。

なお、本実施形態におけるラチェット機構３０は、フリー状態を介して屈曲制限状態から伸展制限状態へ切り替えられる。特許請求の範囲に記載の「回動制限手段を屈曲制限状態から伸展制限状態へ切り替える」とは、このようにフリー状態を介して切り替える場合も含まれるし、フリー状態を介さずに切り替える場合も含まれる概念である。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、ラチェット機構３０の伸展制限状態から屈曲制限状態への切り替えにおいて、加速度センサ６０で下腿部Ｌの加速度を検出するように構成されているが、他の加速度検出手段を採用してもよい。例えば、ロータリーポテンショメータ５０で膝関節角度の時間変化、すなわち角加速度を検出するように構成してもよい。膝関節の角加速度と上記下腿部加速度とは比例関係にあるので、膝関節の角加速度を基にラチェット機構３０を伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替えるように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、下腿部加速度が閾値に達したことをきっかけとしてラチェット機構３０を伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替えているが、他の指標をきっかけとしてもよい。
例えば、ロータリーポテンショメータ５０で膝関節角度を検出し、膝関節角度がピーク（図７（ａ）における破線）に達したことをきっかけとして、ラチェット機構３０を伸展制限状態から屈曲制限状態へ切り替えてもよい。ここで、膝関節角度がピークに達したか否かは、膝関節の角速度が正の値から負の値に変化することなどから判断できる。
このようにしても、ラチェット機構３０が過伸展を抑制した後であって、ラチェット機構３０に伸展方向の負荷が加わる前にラチェット機構３０を切り替えることができる。

また、上記実施形態では、ラチェット機構３０の屈曲制限状態から伸展制限状態への切り替えにおいて、ロータリーポテンショメータ５０を用いているが、膝関節角度を検出できる手段であれば、他の手段を用いても良い。例えば、ケース２１の上面にリミットセンサを取り付け、このリミットセンサで大腿側部材１０が下腿側部材２０に対して直立したことを検知するように構成すれば、膝関節角度が伸展の最大値となったことを検出できる。このように、特許請求の範囲に記載の角度検出手段は、所定の範囲の角度を検出できるものに限られず、リミットセンサなど一の角度のみを検出できるものも含まれる。

また、上記実施形態では、制御手段７０により切替手段４０を制御して、自動でラチェット機構３０の切り替えを行うように構成したが、切替手段４０にスイッチを接続し、大腿義足ＴＰの使用者が、そのスイッチを手で操作することにより、ラチェット機構３０の切り替えを行うように構成してもよい。

（動作試験）
つぎに、上記膝継手１の動作試験について説明する。
試験には、大腿部を切断していない健常者の男性が参加した。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１が組み込まれた大腿義足ＴＰ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。

試験には、手摺の付いた５段の階段が用いられた。また、モーションキャプチャシステムで、義足（右足）の爪先、踝、膝関節、左足の爪先、踝、膝関節、および両側の股関節の３次元位置を測定した。

試験参加者は、平地に義足（右足）、階段の１段目に健足を接地させた状態を初期状態として、義足の遊脚期から開始し、義足を４段目に接地させ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昇りやすいと感じる速度で行った。

図１０に、義足の軌跡の典型例を示す。
図１０に示すように、足部が蹴上面に衝突することなく、また、膝折れが生じることなく昇段が行えることが確認された。

１ 膝継手
１０ 大腿側部材
１１ アーム
１２ 膝関節軸
２０ 下腿側部材
２１ ケース
２２ アダプタ
３０ ラチェット機構
３１ 筐体
３２ 回転体
３３ 切替レバー
４０ 切替手段
４１ スライダ
４２ リニアステッピングモータ
４３ リンク
５０ ロータリーポテンショメータ
５１ 取付部材
６０ 加速度センサ
７０ 制御手段

Claims (7)

1. 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回動方向を、屈曲方向または伸展方向の一方向に制限可能な回動制限手段と、
   該回動制限手段を、伸展方向の回動を制限する伸展制限状態と、屈曲方向の回動を制限する屈曲制限状態とで切り替える切替手段と、を備え、
   前記切替手段は、
   前記大腿義足の遊脚期に前記回動制限手段を前記伸展制限状態とし、
   前記大腿義足の立脚期に前記回動制限手段を前記屈曲制限状態とする
   ことを特徴とする膝継手。
2. 前記回動制限手段は、回転方向を切り替え可能なラチェット機構である
   ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。
3. 前記切替手段は、前記回動制限手段が前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の過伸展を抑制した後であって、該回動制限手段に伸展方向の負荷が加わる前に、該回動制限手段の前記伸展制限状態を解除する
   ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。
4. 前記大腿義足の下腿部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
   前記切替手段は、前記加速度検出手段で検出した加速度が、屈曲方向の値である閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段の前記伸展制限状態を解除する
   ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。
5. 前記切替手段は、
   前記大腿側部材に対して前記下腿側部材が伸展を開始した後に、
   前記加速度検出手段で検出した加速度が、屈曲方向の値である閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段の前記伸展制限状態を解除する
   ことを特徴とする請求項４記載の膝継手。
6. 前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の角度を検出する角度検出手段を備え、
   前記切替手段は、前記角度検出手段で検出した角度がピークに達したことをきっかけとして、前記回動制限手段を前記伸展制限状態から前記屈曲制限状態へ切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。
7. 前記大腿側部材に対する前記下腿側部材の角度を検出する角度検出手段を備え、
   前記切替手段は、前記角度検出手段で検出した角度が閾値に達したことをきっかけとして、前記回動制限手段を前記屈曲制限状態から前記伸展制限状態へ切り替える
   ことを特徴とする請求項１記載の膝継手。