JPH05212070A - 義足制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】膝の曲り及び伸びについて、各々別々で同時及
び自動可変制御可能な人工膝ジョイントを提供する。 【構成】本発明は義足の膝部分に関係する。この義足は
人工的な膝ジョイントの角速度又は回転の受動的な制御
に油圧ダンパーを使用する。プログラムされたマイクロ
プロセッサは、義足に設けられた歪み及び膝角度センサ
から得られる情報から、共通歩行パターンを認識する。
マイクロプロセッサはモーターを動作させることで、歩
行の様々な遷移点で義足に作用する。このモータはダン
パー内に設けられたバルブアッセンブリを調節する。バ
ルブアッセンブリは膝ジョイント動作の減衰を曲げ及び
伸びの動作のとき、同時に、且つ別々に変化させること
ができる。歩行は広範囲に改良された膝の動作制御によ
り改良される。更に、階段の降下及び着座などの通常動
作ルーチンも又実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は膝より先の義足膝ジョイ
ント（ｋｎｅｅ ｊｏｉｎｔ）の回転を制御するシステ
ムを提供する。本システムはマイクロプロセッサを使用
する。このマイクロプロセッサは、義足に設けられたセ
ンサから発せられる足下部の歪み及び膝角度の測定値に
応答し、油圧ダンパーに関するバルブアッセンブリの動
作を制御する。これにより、人工膝ジョイントの回転を
減衰運動（ｄｕｍｐ）又はその回転に抵抗力を発生す
る。

【０００２】

【従来の技術】前述したように、本発明は膝を失った人
が装着する人工の足又は人工器官として使用される。

【０００３】現在、前述したような人工膝は５０種ほど
市販されている。これら義足は次に示す部品を有する。

【０００４】− ユーザのスタンプ（ｓｔｕｍｐ）を受
け及び扱うソケット； − 前記ソケットに頑丈に接続される膝ブラケット； − 前記ブラケットから下に伸びるフレームで、前記ブ
ラケットに水平シャフトによってピボット接続されるフ
レーム。前記ブラケット、シャフト及びフレームは共同
して人工膝ジョイントを形成する；及び − 膝ジョイントをロックすることにより、膝がステッ
プ（ｓｔｅｐ）のスタンスフェーズ（ｓｔａｎｃｅ ｐ
ｈａｓｅ）内の負荷で歪むのを防ぎ、ステップのスイン
グフェーズ（ｓｗｉｎｇ ｐｈａｓｅ）ではそれを自由
にすることで、膝ジョイントを制御する手段。

【０００５】現在、生体つまり自然の膝は筋肉の動きに
よって力が発生する。筋肉は２つの要素を持っている。
一つは収縮によって生じる能動力で、もう一つは可変す
る堅さである。膝義足内に筋肉の収縮を再現するのは、
重みと大きさから生じる制限のために容易ではない。そ
の結果、膝ジョイントに強度を与える研究が行われてい
る。一般にこれは、固定又は自由回転の２つのモードの
１つに膝ジョイントをスイッチすることを含む。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近、研究者は人工膝
ジョイントの動作制御に関する改良を発見した。この改
良とは、足を失った人の足取りを改善し、歩行を可能と
し、階段の降り又は座るために体を低くするなどの典型
的な動作をうまく処理することである。

【０００７】これに関係する特許は、フランス特許２６
２３−０８６−Ａである。この特許は膝ジョイントと足
との間のフレーム上に設けられた歪みゲージセンサを説
明し、このセンサは負荷を測定する。そのセンサからの
電気信号はマイクロプロセッサに送信され、そして負荷
測定値がモニタされる。ステップのスイングフェーズが
終り、負荷が足に与えられていることを負荷信号が示す
とき、マイクロプロセッサはモータ又は電磁石が膝ジョ
イントを固定させるようにする。スタンスフェーズが完
了したとき、マイクロプロセッサはアクチュエータに膝
ジョイントを解放するように指示する。これにより膝は
スイングフェーズで自由にピボット運動する。

【０００８】これに関連する従来技術はロシア特許ＳＵ
１３３３−３３３−Ａである。この特許は膝のヒンジに
センサを使用して、膝の角度を測定する。膝の角度測定
値に応答して膝のヒンジをロック又は自由にする。

【０００９】これに関係する他の従来技術は、Ｈｅｎｓ
ｃｈｋｅ Ｍａｕｃｈ Ｓ−Ｎ−Ｓシステムとして知ら
れており、これは前述の膝義足を制御する。このシステ
ムは線形油圧ダンパーを具備し、これはスタンスフェー
ズのとき、膝ジョイントの回転に単一減衰率で抵抗を与
える。減衰率は手動調節により変更できる。膝ジョイン
トが十分に伸びたとき、ダンパーは非抵抗モードを設定
する。つまり、このシステムは減衰の自動調節がなく、
僅か２つの状態、即ちスタンスフェーズにおける高い非
柔軟性及びスイングフェーズにおける自由回転しかな
い。

【００１０】膝ジョイントを簡単なヒンジとして見る
と、分離した２つの動作が行われるのが分かる。”曲が
り”のとき、膝ジョイントは回転して上部及び下部の足
部分が互いに接近して動くことを可能とする。”伸び”
のとき、膝ジョイントは反対方向に回転して、足セグメ
ントは別々に動き、足は直線状になる。人工の膝ジョイ
ントが、生体の膝ジョイントを更にシミュレートするた
めには、曲り（ｆｌｅｘｉｏｎ）及び伸び（ｅｘｔｅｎ
ｓｉｏｎ）モードにおいて、堅さが別々にそして可変し
て適用されるように制御することが必要である。例え
ば、ステップのスタンス（即ち、体重を運ぶ）フェーズ
が始まりるときは、膝の僅かな曲がりを許容して、そし
て膝が更に下方に曲がるのをロックさせることが望まし
い。同時に、体の動きによって足が直線上になるとき、
膝を自由に延ばすことが望ましい。従ってこの動作のス
タンスフェーズのとき、膝ジョイントは、曲がりのロッ
クされた又は堅い状態、及び伸びの自由な状態に同時に
変化する。

【００１１】出願人の知る範囲において、曲り及び伸び
に関する、別々で同時及び自動可変制御可能な人工膝ジ
ョイントは、従来技術には存在しない。

【００１２】この様な機構が工夫できると、膝のジョイ
ント部の動作に関する更に改良された制御が実現でき
る。

【００１３】本発明の目的は、このような機構を提供
し、改良された人工器官の全てにそれを適用することで
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段と作用】本発明はオンボー
ドのコンピュータシステムに関係する。このシステム
は、膝から先の人工器官（ＡＫＰ：ａｂｏｖｅ ｋｎｅ
ｅ ｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ）内に設けられる膝ジョイン
トの回転に関する改良された自動制御を提供する。この
膝器官は膝ジョイントで結合される上部及び下部の足部
品を含み、前記下部の足部品はフット（ｆｏｏｔ）を含
む。一般に本システムは次に示す要素を具備する。

【００１５】− 膝ジョイントの曲げ及び伸びの動作を
別々に及び様々に減衰、即ちその運動に抵抗を与える線
形油圧ダンパーと； − ＡＫＰの膝角度及び下部の足の歪み（これらは各足
部品の間の角度と、ＡＫＰフットに対するユーザの体重
重心の位置を各々示す）を測定し、その測定値を示す信
号を放出する電子式検知手段と； − サーボモータなどの作動手段であって、前記減衰手
段を調節して、少なくとも曲り及び伸びの一方の状態に
ある前記膝ジョイントの回転に対する抵抗を変化させる
作動手段と； − プログラムされたコンピュータ手段であって、前記
検知手段から放出される信号を受信して、反復動作中の
前記ＡＫＰの状態を前記信号から連続的に判断し、そし
て膝の動作を実質的にシミュレートするために減衰力を
変化する必要がある場合に、前記作動手段を作動させる
コンピュータ手段。更に詳細には、前記コンピュータ手
段は、格納されたスレショルド値（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ
ｖａｌｕｓ）と前記信号とを比較することで前述した
動作を行う。このスレショルド値は動作中の前記ＡＫＰ
の各状態間の所定遷移点を示す。受信した信号の値が、
前記格納された値に一致した場合、ＡＫＰ膝ジョイント
の動作が実質的に生体の膝をシミュレートするように、
コンピュータ手段は前記作動手段に必要な指示を与え、
その減衰抵抗が変化する。

【００１６】本発明はＡＫＰ膝ジョイントの曲げと伸び
で、別々の可変減衰動作を含む。この明細書で”減衰
（Ｄａｍｐｉｎｇ）”は、膝ジョイントの回転運動に抵
抗を与えることである。抵抗は実質的に完全な抵抗でも
よい。この場合、膝ジョイントは曲り及び伸びの一方又
は両方で、実質的に回転できない。抵抗は部分的な抵抗
でもよい。その場合、膝ジョイントの回転速度は、曲り
及び伸びの一方又は両方で制限される。又、抵抗が存在
しない場合がある。その場合、膝ジョイントは曲り及び
伸びの一方又は両方で、自由に回転する。つまり、ダン
パーは曲げ及び伸びの一方又は両方で、膝ジョイントの
回転速度を制御するように工夫される。

【００１７】このような２方向の減衰を達成するため
に、本出願人はピストン及びそのピストンを制御する手
段を具備する新しいダンパーを開発した。更に詳細に
は、その可変線形油圧ダンパーは次の要素を具備する。

【００１８】− 油圧流体で充填された中空密閉シリン
ダーであって、シリンダーチャンバ内で縦方向にスライ
ドする円筒形の中空ピストンを有するシリンダーと； − 前記ピストンはその端部から延長される軸方向ロッ
ドを好適に有し、このロッドは シリンダーの両端壁に
設けられるシールされた開口を介して突き出ている。更
にピストンはその両端の間の外周面上にシールリングを
具備し、シリンダーの側壁をシールする。

【００１９】− 第１開口部及びチェックバルブアッセ
ンブリであって、ピストンの第１端壁に関係し、流体が
前記シリンダーチャンバの第１端壁から前記ピストンチ
ャンバへ流入することを可能とし； − 第２開口部及びチェックバルブアッセンブリであっ
て、前記ピストンの第２端壁に関係し、流体が前記シリ
ンダーチャンバの第２端部から前記ピストンチャンバへ
流入することを可能とし； − 直径を介して反対側に設けられる第１ポート対であ
って、前記ピストン側壁を貫通し、ピストンの第１端部
に隣接し、前記シールリングの一方の側に設けられるポ
ート対と、 − 直径を介して反対側に設けられる第２ポート対であ
って、前記ピストン側壁を貫通し、ピストンの第２端部
に隣接し、前記シールリングの他方の側に設けられるポ
ート対と、 − 好適に、前記第１ポート対は前記第２ポート対に対
して円周上において互いにオフセットされ、 − 好適に、各ポートはスリットに類似する形状で、 − 前記シリンダー及びピストンチャンバ内に延長され
るバルブであって、このバルブは前記第１（曲り用）ポ
ートに流体を流すために使用できる有効領域を徐々に減
少又は増加し、そして第１ポートとは別々に前記第２
（つまり伸び用）ポートの有効領域を徐々に減少又は増
加するように工夫され、 − 最も好適に、前記バルブは前記ピストンチャンバ内
に延長されシリンダー軸と平行の回転シャフトを具備
し、このシャフトは半径方向に突出し直径を介して反対
側に設けられる一対のローブ（ｌｏｂｅｓ）を有し、各
ローブはシャフトが回転したとき、隣接する曲げ及び伸
び用ポートを徐々に開ける又は閉じるように工夫され、
これにより曲げ及び伸び用ポートを貫通する流体流領域
を別々に及び同時に制御する。

【００２０】実際に使用されるとき、ピストンの一方の
ロッドは前記ＡＫＰの一方のセグメントに接続され、そ
して前記セグメントから離れた側にあるシリンダーの端
部はＡＫＰの他方のセグメントに接続される。ダンパー
ピストンの上部プッシュプロッドはＡＫＰの上部の足セ
グメントにピボット接続され、そしてシリンダーの下端
は下部の足セグメントにピボット接続される。従って、
曲りの状態で、ダンパーは収縮し、そしてピストンは体
重によってシリンダー内を下方に駆動される。伸びの状
態で、ダンパーは延ばされ、ピストンは体の運動によっ
て下方に押される。

【００２１】ダンパーの動作に関して、 − バルブが曲げを可能とする位置にあり、ピストンが
下方に駆動されると、シリンダーチャンバの下端部内に
ある流体は加圧され、その流体は下部チェックバルブ及
び伸び用ポート（開いている場合）を介して上方のピス
トンチャンバ内に流れる。そして流体はピストンチャン
バから上部曲がり用ポートを介してピストンから流出す
る。ここで、流体は伸び用ポート（開いている場合）を
介してピストンチャンバから流出することはない。なぜ
なら、シリンダーチャンバの下端とピストンチャンバ内
との間には著しい圧力差が無いためである。

【００２２】− バルブが伸びを可能とする位置にあ
り、ピストンが上方に押されると、シリンダーチャンバ
の上端の中にある流体は加圧され、流体は上部チェック
バルブ及び曲げ用ポート（開いている場合）を介して下
方のピストンチャンバ内に流れ、流体は下部の伸び用ポ
ートを介してピストンチャンバから流出する。前と同様
に、シリンダーチャンバの上端部とピストンチャンバ内
との間には著しい圧力差が無いので、流体は曲り用ポー
トを介してピストンから流出しない。

【００２３】ここで、ダンパーの設計は次に示す属性に
よって特徴付けられる。

【００２４】− バルブはポート面積を可変でき、従っ
て流体の流量は変化し、曲り又は伸びにおける膝ジョイ
ントの回転抵抗を同時に変える。これにより両方向の減
衰力が同時に変化する。

【００２５】− 直径を介して反対側に設けられる複数
対のポートが提供されるので、バルブは大きな負荷のと
き、一方のピストン壁に対してのみ圧力を発生すること
はない。従ってバルブは押さえ込まれる又は動きずらく
なることはない。従って、ダンパーを制御するには、小
型モータ及び小型シャフトを使用できる。このことは本
ユニットの小型軽量化に貢献する。

【００２６】− ダンパーは油圧であるため、磨耗に著
しく影響されることはなく、減衰特性は常に安定してい
る。これによりユーザは装置の”アクション”に慣れる
ことができ、その性能を信頼できる。油圧オイルの温度
が変化するので装置の一貫性がそれに影響されことが考
えられるが、この影響は航空機用の油圧流体を使用する
ことで最小限に抑えられる。

【００２７】広い範囲では、ダンパーの設計は次の構成
要素を含む。

【００２８】− 一対の閉じたチャンバ（例えばシリン
ダーチャンバの２つの端部）； − 足セグメントに接続される手段（例えばピストン及
びシリンダー）であって、この手段は、２つの通過経路
（例えば、チェックバルブアッセンブリ、ピストンチャ
ンバ、及び一対のポート）を形成し、足セグメントが互
いに接近する方向に動くとき、流体をチャンバの一端か
ら他端へ、通過経路の一方を介して移動又はポンピング
し、そして足セグメントが互いに離れる方向に動くと
き、他の通過経路を介して流体は流れる。

【００２９】− 各通過経路を介して流体の流れを制御
する手段（例えばバルブ及びポートアッセンブリ）。

【００３０】本発明の他の局面によれば、足動作の反復
性から利点が得られる。例えば、平坦な所を歩いている
場合、膝の角度及び下部の足の歪みにはパターンがあ
り、これらは一歩ごとに変わることはない。信号とタイ
ミングの２つのセットをモニタすることで、コンピュー
タソフトウエアはＡＫＰ運動の段階又は状態を判断で
き、曲り及び伸びに対して適切な変化を開始できる。ス
イングフェーズ中にＡＫＰが爪先で躓いたときのよう
な、通常パターンからの偏倚がある場合、ソフトウエア
はこの変化を検知して、適切な動作を開始できる。

【００３１】従って本システムはＡＫＰの膝ジョイント
を制御する方法を含む。この方法は平坦歩行の場合につ
いて次のように説明できる。

【００３２】− 下部の足歪み及び膝の角度のスレショ
ルド値をコンピュータメモリに格納する。これらの値は
スタンスフェーズでの膝の曲り、足首又はフットに対す
る体重重心の前方位置、及びスイングフェーズでの各値
を示し、これらは平坦歩行の一歩に含まれる。

【００３３】− ＡＫＰを使用中に下部の足の歪み及び
膝の角度を連続的に検知し、その結果を示す電気信号を
発生する。

【００３４】− その信号を、格納されたスレショルド
値と比較する。その信号が前記格納されたスレショルド
値に実質的に一致するとき、曲り及び伸びの少なくとも
一方で、膝ジョイントの回転速度を変えて、スタンスフ
ェーズが始まる時点で膝ジョイントの曲りを可能とし、
スタンスフェーズの中頃で膝の曲りをロックしてから、
曲りを可能とする。そして、ＡＫＰがスイングフェーズ
に近付くとき、膝ジョイントを自由にする。そして − 前述の動作を繰り返す。

【００３５】検知手段と、曲げと伸びを同時にしかも別
々に制御できる手段を有するダンパー、及び反復動作の
形式に基づくソフトウエアを組み合わせることで、膝ジ
ョイントシステムは緻密な制御及び予想を伴う応答を特
徴とする。この結果ユーザは、長時間でリズミカルな歩
行を可能とする本システムに自信を持つことができる。
本ソフトウエアは遅い歩行と早い歩行に同様に対応でき
る。そしてソフトウエアは”詳細に調整されて”特定ユ
ーザに適応するようにＡＫＰの動作を修正できる。更
に、本システムは平坦歩行運動に限らず、階段の降下及
び着座などの運動で、膝ジョイントを制御するように工
夫できる。

【００３６】以上のことから本発明は、検知手段から出
力された信号を受信して、その信号から動作中のＡＫＰ
の状態を連続的に判断し、作動手段を作動することで減
衰力を変化させ、自然な膝の動作を実質的にシミュレー
トするプログラムされたコンピュータ手段を含むことが
分かる。更に詳細には、プログラムされたコンピュータ
手段は、放出された前記信号を、ＡＫＰの反復運動の各
状態間の各遷移点を示す格納されたスレショルド値と比
較するように適応できる。そしてその信号が、格納され
たスレショルド値に実質的に一致する場合、曲げ及び伸
びのどちから、又は両方で、膝ジョイントの回転速度が
変化される。好適に、この格納されたスレショルド値
は、膝角度及びＡＫＰフットに対するユーザの体重重心
の位置、現在に最も近い過去の遷移点からの経過時間、
及び動作中に考えられる更に他の状態に関する値であ
る。

【００３７】ここで説明される発明は、障害者の動作に
応答する機械として考えることができるので、その歩行
は改善される。障害者がこの機械の性能を全て引き出す
ためには、機械の高い信頼性が必要である。この信頼性
は、一歩毎の機械の応答性に再現性があることで、確保
される。

【００３８】一貫性及び再現性のある応答を得るため
に、本発明は通常歩行中の義足動作を保証する大量生産
に向いた機械の利点を利用する。前述したように、歩行
の一歩毎に膝は一つの動作パターンを経験する。このパ
ターンは各一歩について同一である。各一歩で一定して
いるものは、障害者の体重によって生じたＡＫＰフレー
ム上の歪みと、膝ジョイントの角度変化である。

【００３９】信号の反復性は、本発明の成功に重要な要
素である。この反復性によって、義足は一貫したマン／
マシンインターフェースを有することができる。この義
足は障害者によって使用され、今までと違うタスクを実
行する道具である。この道具の性能が予知され再現され
る場合、ユーザはこの道具に自信を持つことができる。

【００４０】各ステップで同時期に発生する応答及び同
一の応答方法により、障害者はこの機械を信頼し、流体
が流れるように歩行できる。

【００４１】つまり、本発明では、各ステップが複数の
セグメント又は複数の状態に分割されることで歩行が改
善される。ステップの分割は、先ず、義足から情報を得
て、この情報を電子回路により整えて、そしてソフトウ
エアを使用してその情報を分析することにより実行され
る。そして膝ジョイントの曲り及び伸びの回転に与える
抵抗力を、別々に及び同時に変化させることで機械は前
記情報に応答する。

【００４２】

【実施例】図４及び５には人工器官が示され、これは、
サクションソケット１を具備し、このソケットは一般に
障害者の足の切断部分に適合するように制作され、吸入
部（ｓｕｃｔｉｏｎ）によってその部分に付く。調節プ
レート２はソケット１のベースに接続される。膝ブラケ
ット３はねじによって調節プレートに保持される。膝ブ
ラケット３は中空シャフトサポート３ａ，３ｂを有し、
メイン膝ジョイントシャフト９及びダンパーシャフト１
５を各々、受け、支持し、押す。フレーム４はベアリン
グ４ａをその上端に有し、メインシャフト９によって膝
ブラケット３に回転可能に搭載される。メインシャフト
９はリング４ａを介して設けられる。フレーム４は従っ
て固定メインシャフト９上を回転又はピボット運動す
る。フレーム４はその下端で長方形ソケット部材４ｂを
形成し、長方形ブロック７ａを受ける。このブロック７
ａはフットパイロン７の上端部に固定される。ねじがパ
イロンブロック７ａをフレームソケット部材４ｂに固定
する。フット８はパイロン７の下端部に保持される。

【００４３】上部ベアリングハウジング１２はダンパー
シャフト１５上を回転するように搭載される。ダンパー
シャフト１５はメイン膝結合シャフト９の後ろに配置さ
れ、それによりシャフト１５及び上部ベアリングハウジ
ング１２は、膝ブラケット３が回転又はピボット運動す
るとき、シャフト９に関する円弧に従うように動く。

【００４４】図２に示されるホール効果センサ１３は、
膝の角度又は膝ジョイントの回転をモニタするために提
供される。ここで使用されるセンサ１３は、Ｓｐｒａｇ
ｕｅＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓで製造されており、モデル
番号はＵＧＮ−３５０３Ｕとして示される。このセンサ
１３は、リング磁石１１を具備し、これは膝ブラケット
３の静止ダンパーシャフト１５に、リング磁石キーパー
１０によって固定される。センサ１３は更にホール効果
トランスジューサー１３ａを具備し、このトランスジュ
ーサーは回転可能の上部ベアリングハウジング１２内に
配置され、そしてリング磁石１１に面している。膝ジョ
イントに回転が生じると、ベアリングハウジング１２は
ダンパーシャフト１５の回りを移動する。これによって
トランスジューサー１３ａはリング磁石１１に対して移
動する。

【００４５】トランスジューサー１３ａは電圧出力を有
し、この出力は前方の磁束強度（Ｎ又はＳ極）に直接依
存する。従って膝ジョイントが回転するとき、トランス
ジューサー１３ａの出力は変化する。線形ホール素子ト
ランスジューサーからの信号は、膝ジョイントが十分伸
びた状態で ．５ボルトに増幅され、十分曲がった状態
で４．５ボルトに増幅される。この回路にはゲイン調整
及びオフセット制御が含まれる。つまり、トランスジュ
ーサー１３ａの信号は、膝が直線状のとき最も小さく、
膝が曲がるに従って増加する。図３は膝の角度に関する
増幅後の代表的なセンサ電圧出力である。

【００４６】フット８に加わる力はフレーム４の歪みを
測定することで検知される。これは薄膜歪みゲージ６を
使用して測定でき、このゲージはＭｉｃｒｏ Ｍｅａｓ
ｕｒｅｍｅｎｔｓ Ｇｒｏｕｐ Ｉｎｃ．，Ｒａｌｅｉ
ｇｈ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａで製造され、形番
はＣＥＡ−０６−０６２ ＵＷ−３５０である。４つの
ゲージが使用される。２つはフレーム４の前に、２つは
後ろに使用され、フレームアパーチャー１０１とフレー
ム４のベースの間に設けられる。これらのセンサは踵に
対する荷重とフット８の爪先に対する荷重を測定し、そ
の差を求める。つまり、歪みの測定によって、ユーザの
体の重心がＡＫＰフットに対して前方か、その中心か、
又は後方にあるか否かが示される。４つのゲージはホイ
ーストンブリッジ構成内に配線され、歪みに比例して変
化する信号を発生する。ホイーストンブリッジ構成は、
歪みゲージの抵抗変化を判断するための標準的な構成で
ある。このブリッジの出力は差動アンプ１２６により増
幅され、踵に十分荷重が加わったとき、 ．５ボルトを
発生し、爪先に十分荷重が加わったとき４．５ボルトを
発生する。爪先と踵に同一の荷重が加わったとき、又は
荷重が加わっていないとき２．５ボルトを発生する。こ
の回路にはゲイン調整及びオフセット調整が含まれる。
図６はそのブリッジの代表的な電圧出力を示し、この出
力は信号が増幅された後のフット荷重に関係する。負荷
信号は踵に荷重が加わったとき減少し、爪先に荷重が加
わると増加する。

【００４７】サーボモータブラケット１４はベアリング
ハウジング１２のベースに保持される。サーボモータ１
６はこのブラケット１４の中に設けられる。使用される
モータはＡｉｒｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｔｄ．で製造され、
形番は９４７３７である。

【００４８】上部スプリングリテイナー１７はサーボモ
ータブラケット１４のベース上に設けられる。この目的
は後述する。

【００４９】ダンパーＢはサーボモータブラケット１４
及びフレーム４のベースの間に配置される。

【００５０】ダンパーＢは中空シリンダー２６を具備
し、この外側はねじが切ってある。下部スプリング搭載
リング２９も又ねじが切ってあり、シリンダー２６の外
側下端にこのリングは取り付けられる。リング２９は半
径方向のねじ穴１００を有し、このねじ穴はその中心軸
に対して直角で、下部ベアリングピン５に適合される。
このピン５はフレーム４のベース内でアパーチャー１０
１を介してねじ止めされる。従って、シリンダー２６の
ベースは、ピン５をリング２９の穴１００に貫通させる
ことでフレーム４のベースにピボット接続される。シリ
ンダー２６の外部表面にねじ止めされるロックリング２
８は、リング２９に対して締め付けられ、それをロック
する。

【００５１】下部キャップ３０はシリンダー２６の下端
の穴１０２の内部に嵌合し、この穴を閉じる。下部キャ
ップ３０はスナップリング１０３によって固定される。
下部キャップ３０は周囲のＯリング１０４を支え、シリ
ンダー２６の側壁１０５をシールする。穴１０６はキャ
ップ３０を介して設けられる。Ｏリング１０７はこの穴
１０６の内部に搭載され、ピストン２４のダミープッシ
ュロッド２５の周りをシールする。

【００５２】シリンダー２６はその上端に上部キャップ
２１を有し、このキャップはシリンダーの穴１０２の内
部に嵌合し、スナップリング１０８により固定される。
上部キャップ２１は周囲Ｏリング１０９を支え、シリン
ダー２６の側壁１０５をシールする。穴１１０はキャッ
プ２１を介して設けられる。Ｏリング１１１はこの穴１
１０の内部に搭載され、ピストン２４のプッシュロッド
２２の周りをシールする。

【００５３】中空円筒ピストン２４はシリンダーの穴１
０２の内側に位置する。ピストン２４は解放端を有する
ドラム１１２を具備し、このドラムは上部及び下部エン
ドキャップ１１３、１１４を有し、これらはドラムにね
じ止めされる。プッシュロッド２２はシリンダーキャッ
プ２１内のシールされた穴１１０を介して、上部エンド
キャップ１１３から上方に伸び、サーボモータハウジン
グ１４にねじ止めされる。前述したことから、ベアリン
グハウジング１２、サーボモータハウジング１４及びプ
ッシュロッド２２は、ダンパーシャフト１５及びブラケ
ットプレート３に接続される部品列を形成することが分
かる。従って、ソケット１がメインシャフト９の周りを
ピボット運動するとき、この回転運動はプッシュロッド
２２及びピストン２４の線形運動に変換される。

【００５４】管状スプリング１８は、上部スプリングリ
テイナー１７と下部スプリング搭載リング２７の間で、
シリンダー２６の周りに同心円で設けられ、足取りのス
イングフェーズのとき、膝の伸びる速度を増加するよう
にアッセンブリを支援する。これは足取りの速度を増加
させるために有効である。

【００５５】ピストン２４及びシリンダー２６を図２２
及び２３に簡単に示す。これらの図で、流体の流れは、
曲り及び伸びの両方で矢印によって示される。

【００５６】シリンダー２６は閉じた又はシールされた
ユニットで、油圧流体で充填される。ピストン２４は外
部リングシール１１５を運び、シリンダー２６の側壁１
０５をシールする。

【００５７】ピストン２４の上部キャップ１１３は穴１
１６を有し、この穴はピストンチャンバ１１７の内部ま
で貫通している。スプリング負荷の一方向チェックバル
ブ１１８は穴１１６を制御し、これにより圧力流体はシ
リンダーチャンバ１１９の下端部から上方にピストンチ
ャンバ１１７内部に移動する。

【００５８】ピストン２４の下部キャップ１１４は、ピ
ストンチャンバ１１７の内部まで貫通する穴１１６を有
する。スプリング負荷の一方向チェックバルブ１２１が
穴１２０を制御することで、圧力流体がシリンダーチャ
ンバ１１９の下端から、上方のピストンチャンバ１１７
の内部に移動する。

【００５９】ここで使用されるチェックバルブはＬｅｅ
Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋ，Ｃｏｎｎｅｃ
ｔｉｃｕｔから入手可能で、形番はＣＫＦＡ ２５０６
２０５Ａである。

【００６０】直径を介して反対側に設けられる曲げポー
ト１２２の最初のペアは、ピストンの周辺シール１１５
の上部に位置し、ピストンの側壁１２３を介して設けら
れる。直径を介して反対側に設けられるポート１２４は
ピストンの側壁１２３を介して周辺シール１１５の下部
に位置する。

【００６１】前述の説明及び図２２から、体重がプッシ
ュロッド２２及びピストン２４に対して下方に作用する
とき、曲げポート１２２が開いた状態で、油圧流体は円
筒状チャンバ１１９の下端から、下部チェックバルブ１
２１を介して、上方のピストンチャンバ１１７に流れ、
このピストンチャンバから曲りポート１２２を介してシ
リンダーチャンバ１１９の上端方向に流れる。従って、
曲りポート１２２が開いている限り、ピストン２４は下
方に動き、ダンパーＢは収縮し、そして膝ジョイントの
曲りが発生することになる。曲りポート１２２が部分的
に開いている場合、膝の曲りによる回転に対しする減衰
又は抵抗がある。曲りポート１２２が閉じていると、ピ
ストン２４は下方に動けなくなり、膝ジョイントは曲り
に対してロックされる。

【００６２】同様に、図２３を参照する。プッシュロッ
ド２２及びピストン２４が上方に押されると、伸びポー
ト１２４が開いた状態で、加圧された油圧流体はシリン
ダーチャンバ１１９の上端から、上部チェックバルブ１
１８を介して下方のピストンチャンバ１１７に流れ、そ
のピストンチャンバから伸びポート１２４を介して、シ
リンダーチャンバ１１９の下端方向に流れる。従って、
伸びポート１２４が開いている限り、ピストン２４は上
方に動き、ダンパーＢは伸び、膝ジョイントの伸びが生
じる。伸びポート１２４が部分的に開いていると、膝の
伸びに対して減衰又は抵抗が生じる。ポート１２４が閉
じている場合、ピストン２４は上方に動けなくなり、膝
ジョイントは伸びに対して実質的にロックされる。

【００６３】前述したように、ポート内を流れる流体の
制限は、中空ピストンを介した流体の流れを減少する。
これによりピストンが動く速度が制御される。

【００６４】流体の流れる率は可変回転バルブ２３によ
り制御される。このバルブ２３を図４、５及び２５〜３
３に示す。これは一対のローブ（ｌｏｂｅｓ）１２５を
運ぶシャフト又はロッド３６を具備する。ロッド３６は
軸方向に設けられ、そしてピストンチャンバ１１７の中
心方向に延長される。このロッドはプッシュロッド２２
内の穴１２６を介して更に延長され、そしてブラケット
１４内に設けられたサーボモータ１６に接続されそのモ
ータによって駆動される。

【００６５】ローブ１２５はロッド３６から半径方向に
延長され、ピストン側壁１２３の内側表面を実質的にシ
ールする。ローブ１２５はピストン２４に設けられた上
部曲りポート１２２及び下部伸びポート１２４の両方を
各々介して位置するように、垂直方向に延長して設計さ
れる。

【００６６】ピストン２４の両側に設けられるポート１
２２、１２４は、図２５〜３３に示すように周囲に関し
てオフセットされている。つまり、下部伸びポート１２
４は上部曲りポート１２２がほぼ終わる所から始まる。
ポート１２２、１２４は細長い水平スリットである。一
般にそれらは、長さ ．２５インチ、幅 ．０２インチ
である。

【００６７】従って、バルブローブが前記ポートを介し
て回転行程を移動するとき、減少に対する前進特性があ
り、その結果、ポートの開口領域に増加が生じる。勿
論、これは流体がピストンチャンバ１１７を介して流れ
る率に影響し、膝ジョイントが経験する減衰又は抵抗を
決定する。

【００６８】互いに関係する一対の上部及び下部ポート
を周囲でオフセットすることで、曲り及び伸びポートの
開閉に対して連続的及び分離した特性が生じる。

【００６９】つまり、図２５〜３３に示すように、ピス
トンの一方の側にある互いに関係する各々一対の曲り及
び伸びポートは： − 各々別々に及び徐々に開く又は閉じることができ、
又は − 各々別々に全開又は全閉でき、又は − 一方を全開又は全閉し、他方を徐々に閉じることが
でき、又は − 両方とも全閉にできる。

【００７０】そして前述の動作は単一のモータ及びバル
ブで行うことができるので、装置は小型軽量に制作でき
る。

【００７１】内部バルブ２３の回転は、ソフトウエア制
御のマイクロプロセッサ３２によって決定され、このプ
ロセッサはサーボモータ１６も制御する。

【００７２】これら器官の各ステップ又は運動は、入力
センサ信号及び所定スレショルド値との比較に依存して
セグメント（状態）に分解できる。マイクロプロセッサ
のメモリ内には、内部バルブ２３に関するピストン信号
が格納されている。足のステップ毎の変化により、内部
バルブ２３の位置は変化し、従って膝ジョイントの異な
る制御が可能となる。例えば、図８の状態Ｎｏ．１にお
いて、スタンスフェーズの最初の位置で、内部バルブ２
３は、流体が曲りポート１２２から逃げるように設定さ
れ、その結果、膝ジョイントは障害者が荷重をかけたと
きに曲がることができる。プログラムされたコンピュー
タは増加している膝の角度をモニタし、その角度が格納
されているスレショルド値（膝が状態Ｎｏ．２を開始す
る所定角度まで曲がったことを示す値）に達すると、内
部バルブ２３の位置は、流体が曲りポート１２２を流れ
るのを完全に制限し、そしてポート１２４から流れるよ
うにする。これにより膝が更に曲がることはなく、膝は
伸びる。

【００７３】前述した例で、アッセンブリは膝ジョイン
トの回転方向（即ち、曲りのロック及び伸びの許可）に
依存する異なる制御パラメータを持つことができる。流
体は膝運動の２つの各方向に関して、別々のポートを通
過する。従って、曲り及び伸びポートが互いに独立して
制限される場合、ピストン運動の速度は各方向に対して
異なる方法で制御できる。

【００７４】図２５〜３３は内部バルブ２３に関する具
体的な位置を示す。実際に、内部バルブの位置決めは、
０から１００度まで任意に設定できる。従って、無制限
の膝ジョイント減衰が得られる。これは、降りる速度を
障害者に求めなければならない階段を降りるときのよう
な運動している足を”調節”する場合に都合がよい。

【００７５】使用されたマイクロプロセッサ３２はＭｏ
ｔｏｒｏｌａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ 社で製
造されており、形番はＸＣ ６８ ＨＣ ８１１ Ｅ２
ＦＮである。これは８ビットプロセッサで、２Ｋのメ
モリ、８つのアナログ・デジタルコンバータ、及び８つ
のデジタル入力を装備する。このチップの大きさは約
１”×１”で、追加の周辺チップは必要なく、従ってそ
れは器官Ａ内の小型パッケージに収納できる。

【００７６】膝の角度及び負荷センサの信号は増幅さ
れ、マイクロプロセッサ３２に直接入力される。膝の角
度及び負荷信号の調整に使用されるアンプ１２６、１２
７は、Ｔｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＴＬＣ
２７２及びＴＬＣ ２７４を各々使用できる。

【００７７】図示されるように、アンプ１２６、１２７
及びマイクロプロセッサ３２は回路基板２０に搭載さ
れ、この基板にはバッテリー３４（Ｍｏｔｏｒｏｌａ
ＳＮＮ４０３８Ａ）及びシェル１９内のバッテリーホル
ダー３３が装備され、このシェルはフレーム４に保持さ
れる。

【００７８】ソフトウエア フローチャート及び添付した付録に本ソフトウエアを示
す。

【００７９】各ステップからステップへの過程における
センサ情報の類似性（反復性）により、各ステップの遷
移点における２つの各信号の振幅を決定できる。これら
の遷移点は、膝ジョイントの減衰力が変化して、障害者
の歩行を可能とする重要な時点である。遷移点はプロセ
ッサによって検出される。この検出は、メモリに格納さ
れた所定”スレショルド”値と器官Ａからの実際の信号
とを比較することにより行われ、そして各遷移点を介し
てそれらが発生したときに繰り返される。障害者が予想
される信号を発生し続けるかぎり、プロセッサはサイク
ルの追跡を維持できる。

【００８０】このタイプの動作ソフトウエアによれば、
油圧ダンパーＢは各遷移点が発生したとき、適合してい
るときに予め決められた新しい位置に調節できる。

【００８１】従ってこのシステムは各ステップの間に器
官Ａの位置を判断でき、適切な減衰係数を膝ジョイント
に適用できる。更に、障害者が平らな所を歩いている
か、又は階段を降りているか、座るか、又は爪先がスイ
ングフェーズのとき地面にぶつかっているかなどのよう
な危険な状態などの状態を判断するレベル選定根拠 図８はその点を示す。番号付けされた各円は前述の状態
である。プロセッサは常に状態＃１から開始され、足の
ステップはそこから始まる。障害者が器官Ａに体重をか
けると、膝ジョイントは曲がり始める。これは膝角度信
号を増加し、この信号は現在のスレショルド値と連続的
に比較され、そのスレショルド値以上であれば、プロセ
ッサは状態＃２に移る。油圧ダンパーの設定はその遷移
点で所定の設定値に変化する。これにより膝は状態＃１
で曲り、状態＃２で膝の曲りはロックされる。

【００８２】状態＃１のとき、ダンパーの機能は膝の曲
りを減衰し、同時に伸びを許容する。状態＃２で膝の曲
りをロックし、同時に膝の伸びを許容するが減衰する。
ここで、伸びの減衰は、膝の伸びの減衰設定に関係な
く、ダンプされた設定からロックされた設定に移る。こ
の設計により、障害者は膝の曲りが依然ロックされてい
ても、状態＃２で膝を真っ直ぐにできる。

【００８３】減衰された設定では、障害者が進むときの
膝の速度を制御する必要がある。自由な伸びの設定が選
択されたとき、膝は直線的に”スナップ”して障害者は
異常停止があったことを知るであろう。

【００８４】踵の接触及び膝の直線化の後の最初の伸び
は、通常の歩行パターンの中に見られ、それは”膝のバ
ウンス（ｂｏｕｎｃｅ）”と呼ばれる。

【００８５】油圧ダンパーの機能を示す正確な機構は番
号付けされた各円の他に図８に示される。

【００８６】図８及び９は比較のときに使用される規則
と、一歩に期待されるセンサ出力の値である。状態＃１
から状態＃２への遷移は、その一歩を介して、図９の膝
の角度信号が増加したときに起こる。

【００８７】グラフでは、膝の曲りは状態＃２への遷移
の後、短時間で停止することが分かる。遅延時間はダン
パーが変化するのに必要な時間である。

【００８８】その一歩を障害者が進むとき、次に重要な
出来事はスイングフェーズ（フット８が地面を離れてい
るとき）である。スイングフェーズの到来は、負荷信号
を連続的にモニタし、その信号を所定の値と比較するこ
とで検出できる。

【００８９】障害者の重心が足の上を通過するとき、荷
重は爪先にかかる。負荷信号が増加して、その信号が所
定スレショルド値以上になった直後、プロセッサは状態
＃３にスイッチする。ダンパーは膝ジョイントのロック
を解除するように命令を受け、これにより障害者はスイ
ングフェーズを開始できる。

【００９０】スイングフェーズ全体はプロセッサによっ
て追跡される。膝ジョイントがスイングフェーズの最初
の部分で曲がり、膝信号が増加して、所定スレショルド
値を越えたとき、状態は＃４へ遷移する。

【００９１】状態＃４の後、歪み又は負荷信号は無視さ
れ、プロセッサは膝角度の第１変位をモニタする。この
変位は膝回転の速度及び方向を示す。スイング中に膝ジ
ョイントが最大曲りに到達すると、変位は０となり、こ
れを検出することで状態は＃５にスイッチする。ここ
で、状態＃３〜４〜５を通して、つまり、スイングフェ
ーズの完了を達成する自由曲り及び自由伸びの間、同一
コマンドがダンパーに対して維持される。

【００９２】スイングフェーズの完了は、膝の角度信号
が減少して所定スレショルド値を通過し、膝ジョイント
が直線位置に戻ったことを示すときに検出される。プロ
セッサは状態＃１にスイッチし、障害者が平らな地面を
歩き続けるかぎり、この処理全体が繰り返される。

【００９３】緊急スイングフェーズの回復（爪先で躓い
たとき） 膝の角度及び歪みの通常繰り返しパターンにより、プロ
セッサは状態＃１〜２〜３〜４〜５〜１（図７及び９参
照）に遷移する。スイングフェーズで障害者の爪先が障
害物に接触したときのパターンは異なる。状態＃５の
後、プロセッサは膝の角度変位情報をモニタして、最初
の変位がプラスになれば、状態＃６にスイッチする。こ
のプラス変位は膝の伸びが停止して、現在更に曲がり始
めている（すなわち、障害物が膝の伸びの通常速度を妨
害している）ことを示す。状態＃６の間、ダンパーは膝
ジョイントの曲がりをロックするように指示を受ける。

【００９４】追加の状態は平坦歩行図での存在を変化さ
せる。循環運動（ｃｉｒｃｕｍｄｕｃｔｉｏｎ）は膝ジ
ョイントを曲げることなくスイングフェーズを完了する
ことである。これは、膝を曲げる代わりに、円弧状側路
に足をスイングさせて地面の上を通過することで行われ
る。スイングフェーズのときに膝の曲がりがないと、プ
ロセッサは状態＃１〜２〜３からスイッチして停止す
る。この問題はプロセッサが状態＃３にいる時間を測定
することで解決される。そして膝が所定時間の間、曲が
っていなかった場合、入力とは無関係に、プロセッサは
状態＃１に戻る。

【００９５】座りモード 日常生活では、障害者は長い時間座っていることがよく
ある。そのとき障害者が足をどんな方向にも位置させる
ことができるように、器官の膝ジョイントはロック解除
の位置であるのが望ましい。例えば彼は、膝を曲げて、
足を椅子の下に置きたい場合、又は足を直角に曲げて垂
直に座りたい場合、又は車の中で足を部分的に曲げたい
場合がある。通常この位置決めは、手又はもう一方の足
を動かすことにより行われる。

【００９６】座る動作は障害者が所定の運動を練習し
て、座る行為をプロセッサに指示することにより行われ
る。図１１、１２及び１３は座るときの状態サイクルを
示す。図１４は代表的な座るときの動作に対して変化す
る信号を示す。プロセッサは最初状態＃１にいる。障害
者が後方に体を傾けることで、器官の踵にかかる加重が
増加し、膝ジョイントが曲がり始める。膝信号が所定ス
レショルドを通過したとき、プロセッサは状態＃１から
状態＃２にスイッチする（図１４の状態変化を参照）。

【００９７】踵の加重が減少し、負荷信号が所定スレシ
ョルド値を通過すると、プロセッサは状態＃７にスイッ
チする。プロセッサが状態＃７にスイッチした直後、タ
イマーがスタートして、負荷が踵に存在する時間が測定
される。１／３秒後、プロセッサは状態＃８にスイッチ
し、ダンパーに膝ジョイントの曲がりを許容するように
コマンドが送られる。障害者はその器官に体重をのせ、
制御された速度で椅子にしゃがむ。時間測定が再び行わ
れ、プロセッサは３／４秒後に状態＃９にスイッチす
る。この状態はダンパーに膝ジョイントが自由に曲が
り、そして伸びるように指示を与え、これにより、障害
者は椅子に座って足を快適な位置に操作できる。プロセ
ッサは、膝ジョイントが直線位置に伸びるまで、つまり
膝角度信号が減少し、プロセッサが状態＃１にスイッチ
するためのスレショルド値をその信号が通過するまで状
態＃９に止まる。

【００９８】階段を降りる運動 障害者が階段を降りるときの一般的な方法は、次の段に
義足が接触するまで、良いほうの足のみを使って自分の
体を支えて各段を降りることである。彼は良いほうの足
を使って再びその動作を繰り返す。義足はまったく使用
されず、降下は”一度に一段”である。

【００９９】第２の方法は前より敏捷な障害者の場合
で、通常の”一段に一歩”であるが、彼が膝を曲げると
き（ジャックナイフ動作）、膝が制御されない状態で降
りる。

【０１００】本発明は、障害者が階段の一段を降りよう
とする事実を最初に検知し、制御された下降速度を提供
する。

【０１０１】階段の降下を開始するために、プロセッサ
はユーザから適当な信号を受信しなければならない。こ
れは、義足の踵を段の端部に位置させて体重をかけるこ
とによって行われる。平坦歩行と同様に最初の状態変化
は、膝が曲がり始めたときの状態＃１から状態＃２への
変化である（前述参照）。この時点で、負荷信号（踵負
荷）は減少しそしてプロセッサは状態＃７にスイッチす
る。そして負荷が所定スレショルド値に到達すると状態
＃１０に移る（図１５、１６、及び１７参照）。

【０１０２】ここで、ユーザによって踵に加えられた荷
重の量は、プロセッサが状態＃７で止まるか（”座り”
を検出）、または状態＃１０に進むか（”階段”を検
出）を決定する。ユーザはプロセッサに正しく指示を与
えるために、適当な荷重を与えるように練習することに
なる。

【０１０３】プロセッサが状態＃１０にスイッチすると
き、タイマーが動作する。ユーザが１／２秒間負荷を維
持するかぎり、プロセッサは状態＃１１にスイッチす
る。状態＃１１の間、ダンパーは膝ジョイントの曲がり
を減衰し、伸びを許容するように指示される。このダン
パーはドアの油圧制御ユニットに類似する。膝に関し
て、この減衰運動はユーザの意思に依存して存在する。
ある人は階段をゆっくり降りることを望み、ある人は早
く降りることを希望する。

【０１０４】各段の完了時点で、ユーザは他方の足で次
の段に降りる。このとき、プロセッサは、スイングフェ
ーズで膝ジョイントが伸びるのを待っている。その伸び
は膝信号を減少させ所定スレショルド値を通過させる。
そしてプロセッサは状態＃１２にスイッチする。ダンパ
ーは曲がりをロックするように指示され、そして伸びを
許容する。ユーザは再び踵を次の段に位置させ、各段
で、シーケンス７〜１０〜１１〜１２を繰り返す。ここ
でプロセッサは各段の後、状態＃１には戻らない。これ
は次の段の前に、足の完全な伸びが無いためである。

【０１０５】階段の降下が完了すると、膝は直線位置に
伸び、プロセッサは膝角度が所定値に減少したとき、状
態＃１にスイッチする。この時点で、階段、着座、又は
平坦歩行の選択ができる。

【０１０６】図１８及び１９は互いにグループとなった
全ての状態を示す。各ステップの最初に、ソフトウエア
は、障害者が平坦な地面を進むか（状態＃１〜２〜３〜
４〜５〜１）、平坦な地面でのステップで爪先が躓いた
か（状態＃１〜２〜３〜４〜５〜６〜１）、着座するか
（１〜２〜７〜８〜９〜１）、または階段を降りるか
（１〜２〜７〜１０〜１１〜１２）を検出する。

【０１０７】障害者は異なる領域に関する機能に変化す
るようにプロセッサに指示を与えるとき、ボタンを押し
たり、レバーを回したりする必要がない。

【０１０８】状態図の他の特徴にはバッテリーの節約が
含まれる。障害者が状態１、２、又は９で３秒を超えて
停止すると、プロセッサは制御モータへの電源を停止
し、遮断状態（ｓｈｕｔｄｏｗｎ ｓｔａｔｅ）にま
る。

【０１０９】ローバッテリー（ｌｏｗ ｂａｔｔｅｒ
ｙ）警報がユーザにバッテリー交換が必要なことを知ら
せる。バッテリーが完全に低下すると、電源が完全に無
くなる前に、ダンパーは曲がりをダンプして自由に伸び
るように指示される。これにより、障害者は充電された
バッテリーが足に装着されるまで、膝が曲がり過ぎずに
足に加重をかけることができる。曲がりが減衰されたと
き、スイングフェーズはこのときの循環運動によって達
成されなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本システムに関する情報の流れを示すブロック
図

【図２】ホール効果センサの概略を示す斜視図で、これ
は膝の角度を示す信号を発生する。

【図３】膝ジョイントの回転に対する膝角度センサの出
力をプロットした図。

【図４】義足の展開斜視図。

【図５】組み上げられた義足を示す展開斜視図。

【図６】義足に加わる歪み即ち負荷に対する歪みセンサ
出力をプロットした図。

【図７】平坦歩行の各状態を示す図で、それら状態にお
ける適切な条件が示されている。

【図８】平坦歩行の各状態を示す図で、それら状態にお
ける足の動作、ピストン位置及びバルブ位置を示す。

【図９】平坦歩行における膝角度と、歪み（足首の曲げ
モーメント又は負荷）信号の関係を示す図。

【図１０】階段を降下するときの各状態を示す図で、そ
のときの足の動作、ピストン位置及びバルブ位置を示
す。

【図１１】座るときの各状態を示す図で、それら状態に
おける適切な条件を示す。

【図１２】図１１と同様に座るときの各状態を示す図。

【図１３】座るときの各状態を示す図で、それら状態に
おける足の動作、ピストン位置及びバルブ位置を示す。

【図１４】膝角度と歪み信号の関係を示す図で、座ると
きの各状態に関係している。

【図１５】階段を降りるときの各状態を示す図で、それ
ら状態における適切な条件を示す。

【図１６】図１４と同様に階段を降りるときの各状態を
示す図。

【図１７】膝角度と歪み信号の関係をプロットした図。

【図１８】広範囲な動作の各種モードに関する状態とそ
の条件を示す。

【図１９】図１８と同様に広範囲な動作の各種モードに
関する状態とその条件を示す。

【図２０】図１８及び１９に対応する図であって、体の
様々な動作を示す。

【図２１】図２０と同様に体の様々の動作を示す。

【図２２】曲りモードにおけるピストンとシリンダーを
概略示す断面図。

【図２３】伸びモードにおけるピストンとシリンダーを
概略示す断面図。

【図２４】ピストンの内部を概略示す図。

【図２５】図２４に類似する図で、バルブの位置を示
す。

【図２６】バルブの位置を示す図。

【図２７】バルブの位置を示す図。

【図２８】バルブの位置を示す図。

【図２９】バルブの位置を示す図。

【図３０】バルブの位置を示す図。

【図３１】バルブの位置を示す図。

【図３２】バルブの位置を示す図。

【図３３】バルブの位置を示す図。

【図３４】シリンダーとピストンを示す断面図。

【図３５】本システムの総合回路図面。

【図３６】通信回路を示す図。

【図３７】マイクロプロセッサ・チップの一部を示す
図。

【図３８】マイクロプロセッサ・チップの一部を示す
図。

【図３９】マイクロプロセッサ・チップの一部を示す
図。

【図４０】マイクロプロセッサ・チップの一部を示す
図。

【図４１】マイクロプロセッサ・チップ上に位置するア
ナログ・デジタルコンバータ用の参照電圧及びレギュレ
ータを示す略図。

【図４２】ホール効果センサ調整用の電子回路を示す
図。

【図４３】歪みセンサ調整用の電子回路を示す図。

【図４４】ローバッテリー検出用の電子回路を示す図。

【図４５】本ソフトウエアのフローチャート。

【図４６】本ソフトウエアのフローチャート。

【図４７】２０ミリ秒毎に実行されるインタラプト・サ
ービス・ルーチンを示す図。

【図４８】フレームのベースに設けられる歪みゲージの
位置決めを示す図。

【符号の説明】

１…サクションソケット、４…フレーム、１２…ベアリ
ングハウジング、１３…ホール効果センサ、１４…サー
ボモータブラケット、１６…サーボモータ、１８…管状
スプリング、２２…プッシュロッド、２３…可変回転バ
ルブ、２４…ピストン、２６…シリンダー、３０…下部
キャップ、３２…マクロプロセッサ、１０８…スナップ
リング、１１７…ピストンチャンバ、１１８…チェック
バルブ、１１９…円筒状チャンバ、Ｂ…ダンパー。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部及び下部の足部品と、膝を結合するジ
   ョイントを有する膝から先の義足（ＡＫＰ）であって、 前記膝ジョイントの曲り及び伸びの各回転運動を、別々
   に及び可変減衰する線形油圧ダンパーと、 前記ＡＫＰの膝角度及び下部の足部品の歪みを各々測定
   し、その測定値を示す信号を放出する電子式検知手段
   と、 前記ダンパーを調節して、曲り及び伸びにおける前記膝
   ジョイントの減衰力を変化させる作動手段、及びプログ
   ラムされたコンピュータ手段であって、前記検知手段か
   ら放出される信号を受信し、その信号と、曲げ及び伸び
   の少なくとも一方を調節するために選択される所定の遷
   移点を示す格納してあるスレショルド値とを比較し、前
   記受信した信号の値が前記格納された値に実質的に一致
   するとき、前記作動手段を動作させることで減衰力を変
   化させるコンピュータ手段、を具備することを特徴とす
   る義足。
2. 【請求項２】膝ジョイント、下部の足及び足首を有する
   義足の膝ジョイントを制御する方法であって、 コンピュータメモリに、下部の足の歪み及び膝角度のス
   レショルド値を格納するステップであって、前記スレシ
   ョルド値はスタンスフェーズでの膝ジョイントの曲り、
   及びスイングフェーズでの体重重心の前記足首に対する
   前方位置を示し、これらの値は全て平面歩行中の一歩に
   含まれ、 下部の足の歪み及び膝角度を義足使用中に連続的に検知
   し、その検知信号を発生するステップ、 前記信号と、前記格納してあるスレショルド値とを比較
   し、前記信号が前記スレショルド値に実質的に一致する
   とき、前記膝ジョイントの回転速度を曲り及び伸びの一
   方又は両方で、自動的に必要なだけ変化させるステップ
   と、を有することを特徴とする方法。
3. 【請求項３】義足用の２方向可変線形油圧ダンパーであ
   って、 油圧流体を保持するチャンバを形成する端壁及び側壁を
   有する中空密閉シリンダーであって、各端壁にはロッド
   用開口部が形成され、 前記シリンダーチャンバ内に配置される円筒形中空ピス
   トンであって、前記シリンダー内を縦方向にスライドす
   るように工夫され、前記ピストンには前記シリンダーを
   密閉した状態に保ち、前記ロッド用開口部を介して延長
   される軸方向ロッドが設けられ、 前記ピストンはその端部の間に外周シールリングを有
   し、前記シールリングは前記シリンダー側壁と密閉関係
   にあり、前記ピストンは端壁と側壁で形成され、前記ピ
   ストンはその壁を介して前記シールリング上側に第１開
   口部及び前記壁を介して前記シールリング下側に第２開
   口部を形成し、 前記第１開口部を制御して、流体が前記シリンダーチャ
   ンバの第１端部から前記ピストンチャンバに流入するの
   を可能とする第１の一方向チェックバルブと、 前記第２開口部を制御して、流体が前記シリンダーチャ
   ンバの第２端部から前記ピストンチャンバに流入するの
   を可能とする第２の一方向チェックバルブと、 直径を介して反対側に位置する第１ポート対であって、
   このポート対は前記ピストン側壁の前記第１端部に隣接
   した部分を貫通し、 直径を介して反対側に位置する第２のポート対であっ
   て、このポート対は前記ピストン側壁の前記第２端部に
   隣接した部分を貫通し、及び前記第１ポートに流体を流
   すために使用できるそのポートの有効領域を徐々に減少
   又は増加し、そして、前記第１ポートとは別々に、前記
   第２ポートに流体を流すために使用できるそのポートの
   有効領域を徐々に減少又は増加するバルブ手段と、を具
   備することを特徴とするダンパー。
4. 【請求項４】人間に使用する膝から先の義足（ＡＫＰ）
   であって、前記ＡＫＰは上部及び下部の足セグメント
   と、前記セグメントを結合する膝ジョイント、及び前記
   下部足セグメントのベースに結合されるフットを有し、 前記各足セグメントにピボット接続され、前記膝ジョイ
   ントの曲り及び伸びの各回転運動を、別々に可変減衰さ
   せる手段と、 ＡＫＰの膝角度及び前記ＡＫＰのフットに対するユーザ
   の体重重心の位置をモニタし、そのモニタ結果を示す信
   号を放出する電子式検知手段と、 前記減衰手段を調節することで前記膝ジョイントの減衰
   を変化させる作動手段と、及びプログラムされたコンピ
   ュータ手段であって、前記検知手段から放出される信号
   を受信し、前記信号から運動中の前記ＡＫＰの状態を連
   続的に判断し、前記作動手段を作動することで減衰力を
   変化させ、生体の膝の動作をシミュレートするコンピュ
   ータ手段と、を具備することを特徴とする義足。
5. 【請求項５】前記減衰手段は、 油圧流体を収容する一対の閉じたチャンバと、 前記足セグメントに接続され、前記チャンバに結合され
   る２つの通過経路を形成する手段であって、前記足セグ
   メントが一緒に動くとき、一方のチャンバから他方のチ
   ャンバへ一方の前記通過経路を介して流体を移動させ、
   及び前記足セグメントが別々に動くとき、他方の前記通
   過系を介して流体を移動させる手段、及び各通過経路を
   介して流体の流れを管理する手段、ここで前記作動手段
   は前記管理手段を調節することで前記膝ジョイントの減
   衰を変化させ、を具備することを特徴とする請求項４記
   載の義足。
6. 【請求項６】前記減衰手段は２方向可変線形油圧ダンパ
   ーであって、前記ダンパーは、 端壁及び側壁を具備し、圧力流体を収容するチャンバを
   形成する中空の閉じたシリンダーと、 前記シリンダーチャンバ内に配置され、前記シリンダー
   内を縦方向にスライドするように工夫された円筒形中空
   ピストンと、 ここで、前記ピストンの外周にはシールリングがその両
   端部の間に設けられ、前記シールリングは前記シリンダ
   ーの側壁に対して密閉関係にあり、前記ピストンは端壁
   及び側壁で形成され、前記ピストンはシールリング上側
   に前記ピストンの壁を貫通する第１開口部を形成し、前
   記シールリング下側に前記ピストンの壁を貫通する第２
   開口部を形成し、前記ピストンは前記シリンダーチャン
   バを第１及び第２の閉じたエンドチャンバに分け、 前記第１開口部を制御することで前記第１エンドチャン
   バから前記ピストンチャンバへの流体の流入を可能とす
   る第１の１方向チェックバルブと、 前記第２開口部を制御することで前記第２チャンバから
   前記ピストンチャンバへの流体の流入を可能とする第２
   の１方向チェックバルブと、 直径を介して反対側に位置する第１のポート対であっ
   て、前記ピストン側壁を貫通して、前記ピストンの第１
   端部に隣接して位置し、前記シールリングに対して一方
   の側に設けられるポート対と、 直径を介して反対側に位置する第２のポート対であっ
   て、前記ピストン側壁を貫通して前記ピストンの第２端
   部に隣接して位置し、前記シールリングに対して他方の
   側に設けられるポート対と、 前記第１ポートを流れる流体に使用できるそのポートの
   有効領域を徐々に減少又は増加し、及び前記第２ポート
   を流れる流体に使用できるそのポートの有効領域を前記
   第１ポートとは別々に及び徐々に減少又は増加するバル
   ブ手段と、 ここで、前記作動手段は前記バルブ手段を調節すること
   で前記膝ジョイントの減衰力を変化させ、を具備するこ
   とを特徴とする請求項４記載の義足。
7. 【請求項７】前記プログラムされたコンピュータ手段
   は、前記放出された信号を、格納されたスレショルド値
   と比較するように工夫され、前記スレショルド値は前記
   ＡＫＰの反復運動の各状態間の遷移点を示し、前記信号
   が実質的に前記スレショルド値に一致するとき、曲り及
   び伸びの一方又は両方で前記膝の回転速度を変化させる
   ことを特徴とする請求項４記載の義足。
8. 【請求項８】前記格納されたスレショルド値は前記膝角
   度及び前記ＡＫＰフットに対するユーザの体重重心の位
   置の絶対値及び偏倚値、及び現在に最も近い過去の遷移
   点からの継続時間及び運動中に考えられる更に他の状態
   により構成されるグループから選択されることを特徴と
   する請求項７記載の義足。
9. 【請求項９】前記ＡＫＰフットに対する前記ユーザの体
   重重心の相対位置をモニタする検知手段は下部の足の歪
   みをモニタする手段を具備することを特徴とする請求項
   ８記載の義足。
10. 【請求項１０】前記プログラムされたコンピュータ手段
    は、前記放出された信号を、前記ＡＫＰの反復運動の状
    態間の遷移点を示す格納されたスレショルド値と比較す
    るように工夫され、前記信号が前記スレショルド値に実
    質的に一致するとき、曲り及び伸びの一方又は両方の前
    記膝ジョイントの回転速度を変化させることを特徴とす
    る請求項６記載の義足。
11. 【請求項１１】前記格納されているスレショルド値は、
    膝角度及び前記ＡＫＰフットに対する前記ユーザの体重
    重心の相対位置の絶対値及び偏倚と、現在に最も近い過
    去の遷移点からの経過時間、及び運動中に考えられる他
    の状態よりなるグループから選択されることを特徴とす
    る請求項１０記載の義足。
12. 【請求項１２】前記ＡＫＰフットに対するユーザの体重
    重心の相対位置をモニタする検知手段は、下部の足の歪
    みをモニタする手段を具備することを特徴とする請求項
    １１記載の義足。