JPH05309109A - 歩行速度制御機能を有する義足 - Google Patents

歩行速度制御機能を有する義足

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JPH05309109A
JPH05309109A JP4143348A JP14334892A JPH05309109A JP H05309109 A JPH05309109 A JP H05309109A JP 4143348 A JP4143348 A JP 4143348A JP 14334892 A JP14334892 A JP 14334892A JP H05309109 A JPH05309109 A JP H05309109A
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frame
lower leg
thigh
leg frame
cylinder
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Takayoshi Maeda
隆義 前田
Toshihiro Hamada
俊博 浜田
Yoshihiro Kodama
義弘 児玉
Yasuichi Furuichi
保一 古市
Kazuaki Iwanami
和明 岩波
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Nabco Ltd
Original Assignee
Nabco Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 義足装着者の歩行速度に対応して義足の作動
速度が制御され、義足装着者のごく自然な歩行を可能と
する義足を提供すること。 【構成】 大腿部に装着される大腿フレームに下腿フレ
ームを膝軸で揺動可能に連結し、前記下腿フレームにシ
リンダを収納し、このシリンダは、そのロッドと本体を
前記下腿フレームと大腿フレームに回動可能に取り付け
られると共にその内部に可変絞り機構と、この絞り機構
の開度を調整するコンピュータとを備えた構成であり、
このコンピュータは、前記大腿フレームと下腿フレーム
との間に設けてあり、下腿フレームの揺動速度を検出す
る検出器の出力に基づいて前記シリンダの可変絞りの開
度を制御する機能を有すると共にその作動電源を前記下
腿フレームに取り付けてあり下腿フレームの揺動運動に
より発電作動をする発電機の電力または電池の電力のい
ずれか一方又は、双方によって作動すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、義足に係り、特に義
足装着者の歩行速度に対応して義足の作動速度が制御さ
れ、義足装着者のごく自然な歩行を可能とする義足に関
する。
【0002】
【従来の技術】大腿部切断者が装着する義足は、膝がな
いので義足を自分の意思で自由にコントロールすること
が出来ない。このため、歩行の速度を変えてリズムカル
に歩行することが困難であった。このような困難性を改
善するため、近年、マイクロコンピュータによってシリ
ンダの絞りを調整して、歩行速度に対応して歩行が可能
になるような義足が提案されている。
【0003】例えば、図8に示すように、大腿部を切断
された膝のない人のための義足は、大腿部を挿入する大
腿フレーム1と、この大腿フレーム1に膝軸3で下腿フ
レーム2を揺動可能に連結すると共に、前記大腿フレー
ム1と下腿フレーム2との間に軸7及び軸6によって回
動可能にシリンダ5を設けた構成のものがある。
【0004】このシリンダ5は、図9に詳しく記載して
いるように、スリーブ15の両端にヘッドカバー11と
ロッドカバー14とを固定した本体8を構成する。この
本体8のスリーブ15には、ロッド13に大径部22を
介して固定したピストン12が摺動自在に嵌入し、該ピ
ストン12がスリーブ15内をヘッド室側16とロッド
側室17とに分割する。前記ロッド13は、ロッドカバ
ー14を貫通し本体8の外部に突出するその先端に、図
8に示すように下腿フレーム2に支持された軸6が貫通
する穴を有する取り付け部6aを備えている。ヘッドカ
バー11の先端には、図8に示すように大腿フレーム1
に支持された軸7が貫通する取り付け部7aを有する。
ピストン12とロッド13との間に構成された大径部2
2は、ピストン12が下方に移動し、終端の近くになる
と、ロッドカバー14に設けた内孔24に嵌入する構成
であり、その内部に通路21eとこの通路21eに平行
に逆止弁18aを設けてある。前記通路21eは、ロッ
ド13の内部に設けたニードル弁20aの先端が当接す
る弁座21fを有し、この通路21eとニードル弁20
aとで、絞り弁21aを構成している。
【0005】前記ニードル弁20aは、ロッド13の内
部に摺動自在に設けてあり、その先端が、前記通路21
eの弁座21fに当接可能になっており、その下端は、
コンピュータによって制御されるモータ30に当接して
いる。ニードル弁20aは鍔31とロッド13の内孔と
の間に設けたばね32によって常時モータ30に当接し
た構成とすることで、モータ30とニードル弁20aと
を連結している。このため、絞り弁21aは、モータ3
0の回転によりその開度の調整が行われる構成である。
【0006】前記大径部22とロッド13との連結部に
は、通路21bが設けてあり、この通路21bには、絞
り弁21aの弁座21fと逆止弁18aの通路18bが
開口する。この逆止弁18aは、ロッド側室17からヘ
ッド室側16方向を順方向とするものであるから、ピス
トン12が図9の位置から下方向に移動しはじめ、大径
部22の先端が内孔24に嵌入する迄は、ロッド側室1
7の空気がヘッド室側16へ自由に流通する。つまり、
シリンダ5の伸張時の抵抗を軽くしている。
【0007】シリンダ5が伸張して、大径部22が嵌入
する内孔24は、内孔24のロッド側室17への開口端
にその断面がV字状のシール25を、その断面のv字の
開いた方をロッド側室17に向けて設けてある。また、
絞り27aは、ロッドカバー14のロッド側室17方向
の端面に開口する通路27bの軸線と同一線上に設けた
ニードル弁20aとで構成してあり、この絞り27aの
下端を、通路27cによって内孔24の下端に連結して
ある。
【0008】前記絞り27aは、大径部22が内孔24
の開口端に設けたシール25に嵌入すると、ロッド側室
17と内孔24との間が遮断されるが、ヘッド室側16
は逆止弁18aから通路18bを経て通路21bで構成
される通路により内孔24に接続される。ロッド側室1
7は、シール25がその断面のV字の開いた部分にロッ
ド側室17の圧力を受けるので、シール25のリップは
大径部22の表面に沿うことになる。このため、ロッド
側室17の空気は絞り27aのみを介してヘッド室側1
6へ流出するので、シリンダ5には、クッション作用が
生じる。
【0009】前記したシリンダ5の絞り弁21aは、ピ
ストン12が下端から上方に移動するとき、ヘッド室側
16の空気は、逆止弁18aが閉鎖するので、通路21
eから絞り弁21aをへて通路21bより内孔24へ流
入する。ピストン12の移動によるヘッド室側16の容
積の変化は内孔24の容積の変化より大きいので、ヘッ
ド室側16から内孔24へ流入する空気の量は内孔24
の容積より大きくなる。この分は、シール25のリップ
を押し上げロッド側室17へ流出する。従って、ピスト
ン12の作動速度は絞り弁21aの開度によって決ま
る。従って、この絞り弁21aの開度を、モータ30に
よって歩行速度にあわせて制御することで、義足を歩行
速度に応じて揺動させることができる。
【0010】以上の構成を有する義足の作用を、人が歩
く時の状況を模式化した図10を参照しながら説明す
る。図10は、人が立った状態から歩き始め、踵が地に
付くまでの動きを示すもので、人を線で表してある。こ
の図10に於いて、a1は頭部、a2は背、a3は腰、
a4は膝、a5は踵、a6は爪先を各々表す。1、2は
前記した大腿フレーム、下腿フレームである。
【0011】図10は、踵a5が接地してから再び接地
する迄の状態を示すものであり、位置b1は踵a5が接
地した時を示し、位置c6は踵a5が再び接地する直前
を示すものであり、人の歩行する状態に於いてその足一
本のサイクルを位置b1から位置c6に分解して表した
ものである。図10に於いて、位置b1の踵a5が接地
した状態から位置b7の爪先a6が地表から離れる迄の
間を立脚相D1と称し、爪先a6が地上から離れ踵a5
が接地する迄の間を遊脚相D2と称す。人の歩行は、2
本の足の内一方が遊脚相D2の時他方は立脚相D1とな
り、この立脚相D1と遊脚相D2とを交互に繰り返すこ
とで歩行が行われる。
【0012】立脚相D1は、踵a5が接地した位置b1
から始まり、爪先a6が地上から離れる位置b7で終了
する。この位置b1では、大腿フレーム1と下腿フレー
ム2とは、ほぼ一直線状となり、背a2と頭部a1とが
踵a5よりやや後方に位置する。この位置b1から位置
b2、位置b3、を経て人が直立した状態の位置b4に
至る迄は、人体が踵a5を中心にして、大腿フレーム1
と下腿フレーム2とが一直線となった状態で回転し、位
置b4で爪先a6が接地するとほぼ同時に頭部a1から
踵a5迄がほぼ一直線状になる。人が直立した状態の位
置b4から位置b5、位置b6、位置b7に向う移動
は、頭部a1から踵a5迄がほぼ一直線状で全体に前方
へ傾斜し、位置b6当たりから、腰a3を中心に人の上
体を少しつづ起こすと共に、大腿フレーム1と下腿フレ
ーム2とが、爪先a6を中心に回転し続ける。この様に
して位置b5から位置b7迄は、大腿フレーム1と下腿
フレーム2とがほぼ一直線の状態で爪先a6を中心にし
て位置b7に至り立脚相D1が終了して遊脚相D2に移
る。
【0013】遊脚相D2は、爪先a6が地上から離れる
位置c1から始まり、踵a5が接地する位置b1で終了
する。この位置c1からは、大腿フレーム1に対して下
腿フレーム2が膝a4を中心にして後方に回転し始め、
位置c3に至って大腿フレーム1と下腿フレーム2が最
大に折れ曲がる。そして、この位置c3から遊脚相D2
が終了する位置c6に至る迄は大腿フレーム1に対して
下腿フレーム2が前方に回転し、大腿フレーム1と下腿
フレーム2とが再びほぼ一直線状態になり、遊脚相D2
が終了し、立脚相D1へ移行する。
【0014】次に、図9に示したシリンダ5を使用した
義足で、図10に示した人の歩行時の作動を行う場合に
ついて述べる。図10において、立脚相D1の位置b1
から位置b6までは、大腿フレーム1と下腿フレーム2
とがほぼ直線に伸びているので、シリンダ5のロッド1
3は伸張した状態にある。この状態から、歩行が進行す
ると位置b7から下腿フレーム2が大腿フレーム1の後
方に振り上げられはじめ、位置c3に達すると最大の屈
曲となる。この位置b7では、ロッド13が伸張してい
るので、大径部22が内孔24の下端に達しており、位
置b7から位置c3に向かうに従って、ロッド13が縮
小しはじめる。
【0015】この縮小時にシリンダ5のヘッド室側16
の空気は圧縮され、その一部が絞り弁21aを介して通
路21bより、内孔24へ放出される。このため、下腿
フレーム2の振り上げ速度がピストン12の移動速度つ
まり、絞り弁21aの開度に応じた値になる。この作動
時に、ヘッド室側16の容積の変化は内孔24の容積の
変化より大きいので、ヘッド室側16から絞り弁21a
を介して流入する空気の一部は、シール25を介してロ
ッド側室17に流入する。
【0016】人体が位置c3に至と、シリンダ5のロッ
ド13は図9に示すように縮小され、この位置c3から
下腿フレーム2が振り出され位置c6で大腿フレーム1
と下腿フレーム2がほぼ一直線となり再び位置b1に至
る。位置c3から下腿フレーム2が振り下げられ始める
と、ピストン12はヘッド室側16内孔24に残存する
空気圧力による押圧力を受けるので下腿フレーム2を振
り下げる。この振り下げによりヘッド室側16の空気力
は減少し、ロッド側室17の空気圧力とが上昇するが、
このロッド側室17の空気は、通路21bから逆止弁1
8aを介してヘッド室側16に流入するので、下腿フレ
ーム2は抵抗なく振り出される。
【0017】下腿フレーム2が振り出され位置b5付近
までくると、ピストン12に連設した大径部22がシー
ル25に嵌入するので、通路21bが内孔24のみに開
口しヘッド室側16とロッド側室17は、絞り27aの
みを介して接続する。従ってロッド側室17の空気は絞
り27aから内孔24を経て通路21bより逆止弁18
aを介してヘッド室側16へ流入する。このため、ロッ
ド側室17の空気圧が、絞り27aの開口面積に応じて
上昇するので、ピストン12の移動速度が減少する。こ
のために、下腿フレーム2の振り下げ速度も減少し、位
置c6に至って、大腿フレーム1と下腿フレーム2とが
ほぼ一直線になるときの下腿フレーム2の先端2bと大
腿フレーム1の下端との当接時の衝撃を緩和する。
【0018】以上のような作動を行う義足に使用される
シリンダ5のピストン12の作動速度を決定するのは、
前記した通り、通路21eの先端の弁座21fとニード
ル弁20aの先端の開度、すなわち、絞り弁21aの開
度の大きさによるものである。この開度が小さければ空
気の逃げるのが遅くなるので多くの空気が圧縮されその
反発力が強くなることからピストン12の作動速度が早
くなり、逆に大きければ遅くなる。そして、この絞り弁
21aの開度を、歩行速度すなわち下腿フレーム2の揺
動速度に合わせてコンピュータでその回転を制御される
モータ30によってニードル弁20aを回転させ弁座2
1fに離接近させることで、義足を歩行速度に応じて揺
動させている。この場合の歩行速度すなわち下腿フレー
ム2の揺動速度の検出は検出器によって行われる。
【0019】この検出器33は、例えば図11に示すよ
うに、磁性体で構成した接触可能なリードをその内部に
有するスイッチ体34と、磁石35とで構成し、前記ス
イッチ体34を、下腿フレーム2の上端の側面で大腿フ
レーム1に当接するストッパ36の近傍に前記リードを
ほぼ水平にして設け、前記磁石35を、このスイッチ体
34に対抗する位置で、かつ前記スイッチ体34の側面
と磁石35の側面が僅かの隙間を有して接触しない位置
の前記大腿フレーム1の下部に取り付けると共に、大腿
フレーム1と下腿フレーム2とがほぼ一直線になった
時、前記スイッチ体34の上面と前記磁石35の下面と
を略同一の位置になるように構成したものである。
【0020】義足の歩行状態では、下腿フレーム2が図
10の立脚相D1から遊脚相D2に至る間を繰り返して
行なわれるものであるから、検出器33は、この立脚相
D1の大腿フレーム1と下腿フレーム2とがほぼ直線に
なった時、磁石35にスイッチ体34が近傍することで
それを検出し、遊脚時D2に入り始めると、大腿フレー
ム1と下腿フレーム2とが膝軸3を介して折れ曲がり始
めるので、磁石35とスイッチ体34が徐々に離れ、遊
脚相D2になった時は、磁石35とスイッチ体34が離
れてそれを検出する。
【0021】この状態を図12に基づいて説明すると、
曲線C1は、歩行時における下腿フレーム2の動きを示
すもので、曲線C1の部分C2は大腿フレームと下腿フ
レーム2とが直線状になっている立脚相D1部分を示
し、部分C3は大腿フレームに対して下腿フレーム2が
折れ曲がる遊脚相D2を示している。検出器33は、図
13に示すように、部分C3でOFFとなり、部分C2
でONとなる。従って、義足装着者の歩行速度は、検出
器33が立脚相D1から遊脚相D2になるときの点B1
から次に立脚相D1から遊脚相D2になるときの点B2
迄の時間Tを測定することで判断できる。
【0022】この歩行速度(時間T)を検出器33から
の入力によりコンピュータが感知して、前記シリンダ5
のニードル弁20aの開度を調整して義足の振出速度を
義足装着者の歩行速度に合致させるのである。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】以上のような歩行速度
制御機能を有する義足において、検出器からの入力によ
ってニードル弁の回転角度を制御するコンピュータ、あ
るいはニードル弁に回転駆動力を与えるモータの作動電
源としては電池が使用されている。しかしながら、この
電池は下腿フレームに取り付けて使用する小型のもので
あるから寿命が限られている。このため、使用中におい
て電池の寿命がなくなることがあり、この場合には、直
ちに電池を交換することによって通常の歩行状態に戻る
が、もし、交換用の電池を持っていない場合には、前記
コンピュータ及びモータが作動しないために歩行の速度
を変えてリズムカルに歩行することが困難となる。又、
代りに交換用の電池を持っていた場合でも、場所によっ
ては交換作業ができにくいことがあり、いずれにして
も、不自由を強いられるという問題点があった。
【0024】
【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するためになされたもので、その手段とするところ
は、大腿部に装着される大腿フレームに下腿フレームを
膝軸で揺動可能に連結し、前記下腿フレームにシリンダ
を収納し、このシリンダは、そのロッドと本体を前記下
腿フレームと大腿フレームに回動可能に取り付けられる
と共にその内部に可変絞り機構と、この絞り機構の開度
を調整するコンピュータとを備えた構成であり、このコ
ンピュータは、前記大腿フレームと下腿フレームとの間
に設けてあり、下腿フレームの揺動速度を検出する検出
器の出力に基づいて前記シリンダの可変絞りの開度を制
御する機能を有すると共にその作動電源を前記下腿フレ
ームに取り付けてあり、下腿フレームの揺動運動により
発電作動をする発電機の電力または電池の電力のいずれ
か一方又は、双方によって作動することにある。
【0025】
【作用】上記手段によると、コンピュータやシリンダの
可変絞りの開度を制御する機能に必要とされる電力は、
発電機から直接にまたは発電機で充電もしくは蓄積され
た電力を使用できるために、従来使用している電池が不
要になるか、または、併用した場合にはその寿命を延ば
すことができる。あるいは、併用した電源電池の寿命が
尽きた場合であっても、下腿フレームの揺動運動によっ
て発電できるので、多くの電力を消費する歩行中の制御
は可能となり、リズミカルな歩行を行え、不自然な歩行
とはならない。
【0026】
【実施例】この発明の歩行速度制御機能を有する義足の
実施例を図1乃至図7に基づいて説明する。尚、義足の
シリンダ、検出器を含む全体装置については、前記した
従来技術と同様のものを使用した実施例としたので、共
通部分には同符号を付してその説明を省略し、この発明
の特徴となる点についてのみ説明を加える。
【0027】この発明の第1実施例は、図1及び図2に
示すように、下腿フレーム2が大腿フレーム1に膝軸3
を中心に揺動運動するように取り付けられていることを
利用して発電する発電機37を具備した義足を示す。こ
の発電機37は下腿フレーム2の上方の内側面に固定さ
れており、ロータ軸38に設けた歯車39と膝軸3に固
定している固定扇形ギア40が噛み合うようになってい
る。このような構成をとることによって、シリンダ5の
ロッド13の伸縮によって下腿フレーム2が大腿フレー
ム1に対して膝軸3を中心に揺動したとき、ロータ軸3
8に設けた歯車39が回転して発電する。図1はシリン
ダ5のロッド13が伸びて大腿フレーム1と下腿フレー
ム2が直線となった時の状態を示し、この位置では発電
機37の歯車39は固定扇形ギア40の上方にあるが、
ロッド13が縮小した図2の状態では下腿フレーム2が
屈曲するので固定扇形ギア40の下方に位置している。
このようにして、ロッド13の伸縮に応じて発電機37
の歯車39が固定扇形ギア40の上方から下方へ又はそ
の逆方向へ回転移動することによって発電されるのであ
る。
【0028】この発明の第2実施例は、図3及び図4に
示すように、下腿フレーム2の下方の内側面に発電機3
7を取り付けたものを示す。この実施例の場合には、ロ
ータ軸38に振子41を固定し、下腿フレーム2が揺動
運動するに従い振子41が揺動するので、これに伴いロ
ータ軸38も回転して発電されるものである。振子41
の揺動が大きくなるように、下腿フレーム2の下方に設
けるのが好ましいがとくに限定されるものではない。
【0029】発電機37の取り付け位置は、前記2つの
実施例に限られるものではなく、下腿フレーム2の揺動
運動を利用して発電可能であれば、他の位置に取り付け
たものであってもよい。そして、このような発電機37
で発生した電力は、図外の配線によって充電機能を備え
た電池、コンデンサーやコンピュータ及びモータ30な
どに配電されるが、これを図5乃至図7に示す発電回路
図に基づいて説明する。尚、図ではコンピュータ及びモ
ータ30等の電力が消費される回路を制御回路として示
している。
【0030】図5に示す発電回路は、充電式の電池であ
る2次電池42を使用した例を示すもので、発電機37
で発電した電力を2次電池42に充電し、この2次電池
42を唯一の電源として制御回路43に供給するもので
ある。過充電防止回路44は前記2次電池42が過充電
状態に達した時、発電機37を短絡させて充電を一時停
止させるためのものである。整流器45は発電機37の
ロータ軸38が右又は左に回転した場合にも制御回路4
3に正常に電圧が供給されるために設けたものである。
【0031】図6に示す回路は、コンデンサー46を使
用した例を示し、コンデンサー46に発電機37で発電
された電力を充電するものである。通常は、発電機37
にて発電された電力が制御回路43にて使用されるが、
歩行停止した場合等は電力消費微少のためコンデンサー
46にて充電された電力により制御回路43は動作す
る。
【0032】図7に示す回路は、発電機37と、通常の
電源電池である一次電池47をダイオード48により突
き合せを行う例を示す。これにより、発電機37からの
電圧が高い場合には、発電機37側の電力が消費され、
歩行停止した場合等は発電されないため一次電池47が
消費される。消費電力は歩行時の消費の方が大きいため
に、この発電機37を設けることによって一次電池47
の寿命を大幅に延ばすことができる。そしてこの場合に
は、万一、一次電池47の寿命が尽きた場合であって
も、歩行時は発電機37で発生した電力が使用できるの
で、歩行に不自由は生じない。
【0033】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、この
発明の歩行速度制御機能を有する義足によると、義足の
下腿フレームの揺動を利用した発電機で発電し、この電
力を義足の歩行速度を制御する制御回路の電源として利
用するように構成したので、電池の寿命を長くすること
ができる。又、電池と発電機を併用する場合には、消費
電力の大きい歩行中のシリンダの制御を発電機の電力に
よって行うものであるから、仮りに電池が消耗し切った
場合であっても、歩行中の制御は可能となるので、電池
の消滅によっても不自然な歩行とはならない利点があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電機の取り付けを示す第1実施例の説明図。
【図2】図1の状態から下腿フレームが移動した場合の
説明図。
【図3】発電機の取り付けを示す第2実施例の正面説明
図。
【図4】図3の側面説明図。
【図5】発電回路の例図。
【図6】発電回路の例図。
【図7】発電回路の例図。
【図8】義足の全体説明図。
【図9】シリンダの説明図。
【図10】歩行時に於ける義足の動作分解図。
【図11】検出器の配置説明図。
【図12】膝の曲り角度と時間の関係を示すグラフ。
【図13】検出器のON,OFFの状態を示すグラフ。
【符号の説明】
1 大腿フレーム 2 下腿フレーム 3 膝軸 5 シリンダ 8 本体 13 ロッド 20a ニードル弁(可変絞り機構) 21a 絞り弁(可変絞り機構) 21e 通路(可変絞り機構) 21f 弁座(可変絞り機構) 30 モータ(可変絞り機構) 33 検出器 37 発電機

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 大腿部に装着される大腿フレームに下腿
    フレームを膝軸で揺動可能に連結し、前記下腿フレーム
    にシリンダを収納し、このシリンダは、そのロッドと本
    体を前記下腿フレームと大腿フレームに回動可能に取り
    付けられると共にその内部に可変絞り機構と、この絞り
    機構の開度を調整するコンピュータとを備えた構成であ
    り、このコンピュータは、前記大腿フレームと下腿フレ
    ームとの間に設けてあり、下腿フレームの揺動速度を検
    出する検出器の出力に基づいて前記シリンダの可変絞り
    の開度を制御する機能を有すると共にその作動電源を前
    記下腿フレームに取り付けてあり下腿フレームの揺動運
    動により発電作動をする発電機の電力または電池の電力
    のいずれか一方又は、双方によって作動することを特徴
    とする歩行速度制御機能を有する義足。
JP4143348A 1992-05-09 1992-05-09 歩行速度制御機能を有する義足 Pending JPH05309109A (ja)

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