JPH11285508A - 伸展補助機構を備える義足 - Google Patents

伸展補助機構を備える義足

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JPH11285508A
JPH11285508A JP10108591A JP10859198A JPH11285508A JP H11285508 A JPH11285508 A JP H11285508A JP 10108591 A JP10108591 A JP 10108591A JP 10859198 A JP10859198 A JP 10859198A JP H11285508 A JPH11285508 A JP H11285508A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ひざの屈曲の角度が小さいときにだけ伸展トル
クを生じる伸展補助機構１１００を備える義足を提供す
る。 【解決手段】大腿義足１７０のひざ関節８０は多軸であ
り、前方リンク１３０および後方リンク１５０が大腿部
材１１０、下腿部材１２０と相俟って限定連鎖を構成す
る。圧縮ばねを含む伸展補助機構１１００は、下腿部材
１２０と後方リンク１５０との間に支持される。伸展補
助機構１１００による伸展トルクは、圧縮ばねの変形に
伴う力と、その力の作用線から後方リンク１５０の回転
中心までの距離との積で決まる。ここでは、ひざの屈曲
角度がたとえば１５°を越えた段階で、圧縮ばねの軸線
が後方リンク１５０と下腿部材１２０との連結部１７０
Ｏとほぼ一直線になるようにする。それによって、伸展
トルクに関係する距離をほぼゼロにし、伸展トルク自体
をほぼゼロにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、リンク機構を応
用した多軸のひざ関節をもつ義足であって、立脚相にお
けるひざ折れ防止のための伸展補助機構を含むものに関
する。
【０００２】
【発明の背景】一般に、ひざの屈曲および伸展を伴う義
足は、装着者の荷重が大腿を通して加わる大腿部材と、
下端に足部材を支持する下腿部材と、それら下腿部材お
よび大腿部材を屈曲可能に連結するひざ関節とを備え
る。そして、ひざ関節としては、一つの回転軸をもつ単
軸のものと、リンク機構を応用した多軸のものとがあ
る。ひざの屈曲および伸展に際し、単軸のひざ関節は、
一つの回転軸自体が常に回転中心となる。それに対し、
多軸のひざ関節は、ひざの屈曲および伸展に応じて回転
中心（あるいは瞬間中心）の位置が変化する。この回転
中心の位置が変化することは、自然で美しい歩容（つま
り、歩く姿）を生み出す意味から好ましい。
【０００３】ところで、義足を設計する場合、立脚相に
おけるひざ折れ防止対策が重要である。その点、単軸の
ひざ関節は、構造が比較的に簡単であるため、装着者の
荷重が加わることによってブレーキ力を生じる荷重ブレ
ーキを回転軸の回りに配置することができる。それに対
し、多軸のものでは、ひざの前側に位置する前方リンク
およびひざの後側に位置する後方リンクの少なくとも２
つのリンクを含むため、ひざの部分に荷重ブレーキを組
み込むことは困難である。しかし、多軸のものの瞬間中
心は、ひざが伸展した状態では、実際のひざの部分より
も上方の股関節に近いところに位置する。そのため、多
軸タイプの義足を装着する者は、いわゆる随意制御によ
り、ひざが安定する状態を容易に維持することができ
る。
【０００４】
【発明の解決すべき課題】伸展補助機構は、そのような
多軸のひざ関節に対し、ひざを伸ばそうとする伸展力を
補助的に与えるものであり、ひざ折れ防止のための有効
な機構である。特公昭６１−４４５０４号や特開昭６２
−２９５６５８号の各公報は、この種の多軸タイプの義
足に対し、コイルばねを利用した伸展補助機構を設けた
例を明らかにしている。しかし、それらの伸展補助機構
は、屈曲角度が小さい段階で伸展力を生じ、立脚相にお
けるひざ折れを防止するという作用だけでなく、遊脚相
における大きな屈曲角度で屈曲を補助する作用をもする
ようになっている。
【０００５】しかし、義足を高精度に制御しようとする
とき、遊脚相における制御と、立脚相におけるひざ折れ
防止作用とは別個あるいは独立に制御ないしは作用させ
ることが望まれる。それによって、遊脚相における制御
について、歩行速度の大小などに応じてより適切な制御
をすることができるからである。なお、遊脚相における
制御技術自体は公知であり、たとえば、特許第２５０１
３４６号の公報は、エアシリンダ装置を利用し、歩行速
度に応じてシリンダの内部のバルブの開き具合を変える
ように制御する技術を示している。
【０００６】この発明は、立脚相におけるひざ折れ防止
と遊脚相における制御とは、それぞれ独立に制御される
べきであるという基本的な技術思想の下になされたもの
である。その主な目的は、ひざの屈曲の角度が小さいと
きにだけ伸展トルクを生じる伸展補助機構を備える義足
を提供することにある。また、この発明は、ひざ折れを
防止するための伸展補助機構と、装着者の歩容を自然な
ものとするための遊脚相制御装置とをそれぞれ独立に制
御することができる義足を提供することを他の目的とす
る。さらに、この発明は、遊脚相制御装置としてエアシ
リンダ装置を用い、より高精度な制御を行う場合に最適
な技術を提供することをも目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明の義足のひざ関
節は多軸であり、ひざの前側に位置する前方リンクおよ
びひざの後方に位置する後方リンクの少なくとも２つの
リンクを含む。伸展補助機構をばねを主体として構成す
るとき、その伸展トルクは、ばねの変形に伴う力と、そ
の力の作用線からリンクの回転中心までの距離との積で
決まる。そこで、ひざの屈曲角度が所定の角度を越えた
ときに伸展トルクをほぼゼロにする方法として、所定の
角度以降に力をほぼゼロにする手法、あるいは、所定の
角度以降に距離をほぼゼロにする手法が考えられる。こ
の発明では、後者の距離をほぼゼロにする手法を採用す
る。また、ばねを含む伸展補助機構を下腿部材と後方リ
ンクとの間に支持させることによって、大腿部材と下腿
部材との間のスペースに伸展補助機構を配置する。それ
により、伸展補助機構が義足を大型化すること、および
遊脚相制御装置を配置する上での障害になることを有効
に回避する。
【０００８】伸展補助機構のばねとしては、圧縮ばねあ
るいは引っ張りばねのいずれをも利用することができ、
また、ばね材としては、コイルあるいはゴム等を用いる
ことができる。好適なばねは、コイル圧縮ばねである。
圧縮ばねについては、各端部をそれぞればね受けを介し
て下腿部材あるいは後方リンクに連結するのが良い。ば
ね受けあるいは連結部を利用して、ばねの力を調整する
ねじ手段、あるいはばねの変形をガイドするガイド手段
を容易に付加することができるからである。
【０００９】ここで、圧縮ばねを用いた伸展補助機構の
一つの形態を示す図１および図２を参照しながら、この
発明の基本的な考え方を明らかにする。図１は、ひざが
完全に伸展した状態（ひざの屈曲角度が０°の状態）を
示し、また、図２は、遊脚相でひざが最大に屈曲した状
態（ひざの屈曲角度がたとえば６０°の状態）を示して
いる。大腿部材１０、下腿部材２０、前方リンク３０、
後方リンク５０の４つのリンクが限定連鎖を構成してい
る。隣り合う各リンクの連結部は、互いに回転可能であ
り、前方リンク３０と下腿部材２０との連結部Ｑが、圧
縮ばねを用いた伸展補助機構１００に対する一方の連結
部を兼ねている。伸展補助機構１００の他方の連結部Ｐ
は、後方リンク５０上にあるが、大腿部材１０および下
腿部材２０に対する両連結部Ｂ，Ｏを結ぶ直線よりも前
方リンク３０寄りである。したがって、伸展補助機構１
００のばねによる力Ｆは、連結部ＱとＰとを結ぶ作用線
の方向に作用する。その力と後方リンク５０の回転中心
Ｏとの距離をｄとすれば、伸展トルクは力Ｆと距離ｄと
の積で決まる。図２から分かるように、遊脚相でひざが
最大に屈曲した状態では、力Ｆはある大きさをもつが、
距離ｄはゼロないしはゼロに近い値となる。したがっ
て、伸展補助機構１００は、ひざの屈曲の角度が小さい
ときにだけ伸展トルクを生じることになり、たとえば、
エアシリンダ装置などの遊脚相制御装置が実質的な作用
力を生じるときには、作用を及ぼすことがない。
【００１０】この発明の考え方は、遊脚相制御装置とし
てエアシリンダ装置を用いた義足に適用することによっ
て、特に顕著な効果を生じる。なぜなら、エアシリンダ
装置は、ひざが最大に屈曲した後で反発力を生じ、そう
した反発力を下腿部材の振出しに利用することができる
が、そうした反発力を生じるような段階では、この発明
の伸展補助機構は伸展トルクを生じないからである。特
に、歩行速度に応じて制御を行うとき、たとえば歩行速
度がゆっくりな場合には微妙な制御となるが、伸展補助
機構の影響を受けることがないので、その制御を高精度
に行うことができる。また、この発明による伸展補助機
構は、ひざの屈曲角度が小さい段階でのみ伸展作用を生
じるので、着座したときに下腿が不要に跳ね上がるとい
う不都合をも有効に防止することができる。
【００１１】なお、この発明は、多軸のひざ関節をもつ
義足に対し、立脚相におけるひざ折れを防止する技術と
して広く適用することができる。たとえば、遊脚相制御
装置を備えない義足や、遊脚相制御装置として油圧シリ
ンダ装置を用いた義足にも適用することができる。した
がって、立脚相におけるひざ折れを防止する技術として
見るとき、たとえば、ひざの屈曲角度が０°〜１５°の
ような小さい屈曲初期だけ、伸展補助機構による伸展作
用を生じるようにすることができる。
【００１２】
【第１の実施例】図３が第１の実施例の大腿義足１７０
の全体的な構成を示している。大腿義足１７０の上部に
大腿部材１１０がある。大腿部材１１０は、ひざの形を
しており、その一部には、図示しないソケットを取り付
ける取付け部１１０ａを一体的に含む。ソケットは、断
端を受け入れて、大腿部材１１０の側に装着者の荷重を
伝達する。一方、大腿義足１７０の下部には、下腿部材
１２０がある。下腿部材１２０は、ひざの部分から足の
部分に向かって延びる内部中空のフレーム１２２を主体
としている。ひざ関節８０が、それらの下腿部材１２０
と大腿部材１１０とを屈曲可能に連結する。また、大腿
義足１７０は、遊脚相制御装置であるエアシリンダ装置
９０を備えている。このエアシリンダ装置９０は、ＵＳ
Ｐ５，４０５，４０７号や特開平９−５５１号に示され
るものと同様であり、シリンダ９１の内部に第１室９２
ａと第２室９２ｂとを区画するピストン９３、さらに、
ステッピングモータ９４によって制御され、歩行速度に
応じて開き具合を変える可変絞りバルブ９６、および手
動調整可能な固定絞りバルブ９８などを備える。それに
よって、エアシリンダ装置９０は、大腿義足１７０が床
等の表面から離れる遊脚相において、ひざの屈曲および
伸展を自然の歩行に近い形態にコントロールする。図４
は、可変絞りバルブ９６が全閉のとき（つまり、早歩き
するとき）のひざの屈曲角度（°）とエアの圧縮に基づ
く反発作用力（Ｎｍ）との関係を示す。ひざの屈曲角度
の最大値は、ゆっくり歩きから通常の歩行速度に対応す
る場合に約６０°であり、早歩きの場合には約７０°、
小走りの場合には約８０°である。エアシリンダ装置９
０は、図４が示すように、最大の屈曲角度よりも大きい
屈曲段階で実質的な作用力を生じる。なお、エアシリン
ダ装置９０は、大腿部材１１０側の上部支持点９１０お
よび下腿部材１２０側の下部支持点９２０にそれぞれ回
転可能に支持されている。
【００１３】さて、多軸のひざ関節８０は、ひざの前側
に位置する前方リンク１３０と、ひざの後側に位置する
後方リンク１５０とを備える。これらの前方リンク１３
０と後方リンク１５０は、ひざの屈曲角度が０°、つま
りひざが完全に伸展した状態において互いに上下方向に
並び、それぞれの端部がピンを主体とした連結部１７０
Ａ，１７０Ｂ，１７０Ｑ，１７０Ｏで大腿部材１１０お
よび下腿部材１２０に回転可能に連結されている。それ
により、前方リンク１３０および後方リンク１５０は、
大腿部材１１０および下腿部材１２０と相俟って、一定
の動きだけが可能の限定連鎖を構成している。なお、前
方リンク１３０および後方リンク１５０は、ひざの正面
から見た形状がコ字型であり、それぞれのリンク本体が
左右対称となっている。また、ひざが伸展した状態を示
す図３、大腿部材１１０が前方により大きく突き出る屈
曲角度が数１０°の状態を示す図５、およびひざの屈曲
角度が９０°の状態を示す図６を順次参照すると、大腿
部材１１０と下腿部材１２０との間の前方リンク１３０
が、大腿部材１１０および下腿部材１２０を越えて前方
に突き出ないようになっているのが理解されよう。
【００１４】伸展補助機構１１００は、そのような下腿
部材１２０と後方リンク１５０との間を、橋渡ししてい
る。前方リンク１３０と後方リンク１５０との各リンク
本体が左右対称になっているように、伸展補助機構１１
００も同じものが左右対称の配置となっている。左右の
各伸展補助機構１１００は、圧縮コイルばね１１０２
と、圧縮コイルばね１１０２の前方側の端部を支持しつ
つ、前方リンク１３０に対し軸１１００Ｐを介して回転
可能に連結された第１のばね受け１１０３と、圧縮コイ
ルばね１１０２の後方側の端部を支持しつつ、後方リン
ク１５０に対し軸１１００Ｑを介して回転可能に連結さ
れた第２のばね受け１１０５とを備える。また、第２の
ばね受け１１０５には、図７に拡大して示すように、そ
のばね受け１１０５と一体となった調整ボルト１１６０
と、調整ボルト１１６０にねじ結合する調整ナット１１
６２とが付属し、それらの調整ボルト１１６０および調
整ナット１１６２によって、圧縮コイルばね１１０２の
力（つまりは、初期たわみ量）を調整することができ
る。さらに、調整ボルト１１６０は筒形であり、その内
部にガイドロッド１１６３がスライド自在に入り込んで
いる。ガイドロッド１１６３は、前方側の第１のばね受
け１１０３と一体である。筒形のボルト１１６０および
ガイドロッド１１６３は、圧縮コイルばね１１０２の内
周に位置し、弾性変形する圧縮コイルばね１１０２の変
形に伴う動きをガイドする。
【００１５】伸展補助機構１１００の後方リンク１５０
側の連結部（軸１１００Ｑ）は、大腿部材１１０および
下腿部材１２０に対する後方リンク１５０の両連結部１
７０Ｂ，１７０Ｏの間にはあるが、両連結部１７０Ｂ，
１７０Ｏを結ぶ直線よりも前方リンク１３０寄りに位置
している。そこで、伸展補助機構１１００は、ひざの屈
曲に伴って圧縮コイルばね１１０２を圧縮し変形し、変
形に伴う力Ｆを増大するが、ひざの屈曲角度が１０°近
くになると、伸展補助機構１１００の両連結部１１００
Ｐ，１１００Ｑを結ぶ直線（つまり、圧縮コイルばね１
１０２の軸線）が後方リンク１５０と下腿部材１２０と
の連結部１７０Ｏとほぼ一直線になり、前記した距離ｄ
をほぼゼロにする。図８は、ひざの屈曲角度と伸展補助
機構１１００による伸展トルクとの関係を示す図であ
る。伸展補助機構１１００は、２０°よりも小さい屈曲
角度、特には、０°〜１５°で有効な伸展作用を生じる
が、それを越えるような範囲では伸展作用をほとんど生
じない。別の図９は、伸展補助機構１１００による伸展
作用と、エアシリンダ装置９０による反発作用との相互
関係を示している。この図から分かるように、伸展補助
機構１１００とエアシリンダ装置９０とは、ひざの屈曲
角度が互いに異なる範囲でそれぞれ作用するので、それ
ぞれの作用が独立して生じる。なお、大腿部材１１０に
は、緩衝機能をももつストッパ１１０ｓがあり、そのス
トッパ１１０ｓに対し前方リンク１３０が当たることに
よって、ひざが伸展することを制限している。
【００１６】
【第２の実施例】図１０〜図１２が、引っ張りばねを利
用した伸展補助機構２１００を含む大腿義足の要部を示
している。図１０はひざが完全に伸展した状態、図１２
はひざの屈曲角度が９０°に近い状態、また、図１１が
それらの中間の屈曲状態を示す図である。伸展補助機構
２１００は引っ張りコイルばね２１０２を主体とし、し
かも、その伸展補助機構２１００を、大腿部材２１０に
対する前方リンク２３０の連結部２７０Ａと、下腿部材
２２０に対する後方リンク２５０の連結部２７０Ｏとの
間に連結し支持するようにしている。その連結に際して
は、前方リンク２３０側について補助リンク２６０を介
している。また、図１０〜図１２を順次参照すると、後
方リンク２５０が引っ張りコイルばね２１０２の揺動を
制限する立上り部２５０ｆを備え、ひざの屈曲角度が小
さな段階で、引っ張りコイルばね２１０２の軸線を後方
リンク２５０の軸線と一致させるように制限している。
なお、補助リンク２６０があるため、ひざの屈曲角度が
大きくなったとき、伸展補助機構２１００が屈曲方向に
回転トルクを生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の概要を示す図であり、ひざが完全に
伸展した状態を示す図である。
【図２】図１と同様の図であり、遊脚相でひざが最大に
屈曲した状態を示す図である。
【図３】この発明の第１の実施例による大腿義足の全体
的な構成を示す図である。
【図４】エアシリンダ装置の一特性を示す図である。
【図５】図３に示す大腿義足の別の屈曲状態を示す部分
図である。
【図６】図３に示す大腿義足の９０°屈曲状態を示す部
分図である。
【図７】第１の実施例における伸展補助機構を拡大して
示す図である。
【図８】第１の実施例における伸展補助機構の一特性を
示す図である。
【図９】伸展補助機構とエアシリンダ装置との各作用を
併せて示す図である。
【図１０】この発明の第２の実施例による大腿義足の要
部の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示す大腿義足の別の屈曲状態を示す
部分図である。
【図１２】図１０に示す大腿義足の９０°に近い屈曲状
態を示す部分図である。
【符号の説明】
１００，１１００，２１００ 伸展補助機構 １０，１１０，２１０ 大腿部材 ２０，１２０，２２０ 下腿部材 ３０，１３０，２３０ 前方リンク ５０，１５０，２５０ 後方リンク ８０ ひざ関節 ２６０ 補助リンク ９０ エアシリンダ装置（遊脚相制御装置） １１０２ 圧縮コイルばね（圧縮ばね） １１０３ 第１のばね受け １１０５ 第２のばね受け ２１０２ 引っ張りコイルばね（引っ張りばね）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古市 保一 兵庫県神戸市西区福吉台１丁目1617番１ 株式会社ナブコ西神工場内 (72)発明者 白石 律夫 兵庫県神戸市中央区磯上通２丁目２番21号 株式会社ナブコ本社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 装着者の荷重が大腿を通して加わる大腿
    部材と、この大腿部材に対しひざの部分で連結される下
    腿部材と、ひざの前側に位置する前方リンクおよびひざ
    の後側に位置する後方リンクの少なくとも２つのリンク
    を含み、前記大腿部材および下腿部材と相俟って限定連
    鎖を構成し、それら大腿部材と下腿部材とを屈曲可能に
    連結するひざ関節とを備える義足において、前記前方リ
    ンクと後方リンクとの間に、ばねを含む伸展補助機構を
    さらに備え、この伸展補助機構は、前記ばねの変形に伴
    う力と、その力の作用線から前記後方リンクの回転中心
    までの距離との積で決まる伸展トルクを生じ、しかも、
    ひざが所定の角度に屈曲した以降、前記距離がほぼゼロ
    になることを特徴とする、伸展補助機構を備える義足。
  2. 【請求項２】 前記伸展補助機構におけるばねは圧縮ば
    ねであり、前記大腿部材と下腿部材との間に配置されて
    いる、請求項１の義足。
  3. 【請求項３】 前記伸展補助機構は、圧縮ばねと、この
    圧縮ばねの一方の端部を支持しつつ、前記下腿部材に対
    し回転可能に連結された第１のばね受けと、圧縮ばねの
    他方の端部を支持しつつ、前記後方リンクに対し回転可
    能に連結された第２のばね受けとを備え、ひざが所定の
    角度に屈曲した以降、前記圧縮ばねの軸線が前記後方リ
    ンクと前記下腿部材との連結部とほぼ一直線になる、請
    求項２の義足。
  4. 【請求項４】 前記第１のばね受けの下腿部材に対する
    連結部は、前方リンクの大腿部材および下腿部材に対す
    る両連結部の間に位置し、さらにまた、前記第２のばね
    受けの後方リンクに対する連結部は、大腿部材および下
    腿部材に対する後方リンクの両連結部の間に位置し、か
    つ、後方リンクの両連結部を結ぶ直線よりも前記前方リ
    ンク寄りに位置する、請求項３の義足。
  5. 【請求項５】 前記伸展補助機構は、前記圧縮ばねの前
    記力を調整する手段をさらに含む、請求項２の義足。
  6. 【請求項６】 前記大腿部材にストッパがあり、このス
    トッパに対し前記前方リンクが当たることによって、ひ
    ざが伸展することを制限する、請求項１の義足。
  7. 【請求項７】 前記伸展補助機構のばねが引っ張りばね
    であり、この引っ張りばねは、前記大腿部材に対する前
    方リンクの連結部と、前記下腿部材に対する後方リンク
    の連結部との間に支持される、請求項１の義足。
  8. 【請求項８】 前記所定の角度で前記伸展補助機構の軸
    線が前記後方リンクの軸線と重なる、請求項７の義足。
  9. 【請求項９】 前記伸展補助機構は、前記前方リンクに
    対して補助リンクを介して取り付けられる、請求項７の
    義足。
  10. 【請求項１０】 装着者の荷重が大腿を通して加わる大
    腿部材と、この大腿部材に対しひざの部分で連結される
    下腿部材と、ひざの前側に位置する前方リンクおよびひ
    ざの後側に位置する後方リンクの少なくとも２つのリン
    クを含み、前記大腿部材および下腿部材と相俟って限定
    連鎖を構成し、それら大腿部材と下腿部材とを屈曲可能
    に連結するひざ関節とを備える義足において、前記前方
    リンクと後方リンクとの間に支持され、ひざの屈曲角度
    が所定の角度よりも小さいときに、ひざを伸ばそうとす
    る伸展トルクを発生する伸展補助機構と、ひざの屈曲角
    度が前記所定の角度よりも大きいときに、実質的な作用
    力を発生する遊脚相制御装置とをさらに備えることを特
    徴とする義足。
  11. 【請求項１１】 前記ひざの屈曲角度と伸展トルクおよ
    び作用力との関係を見るとき、遊脚相におけるひざの屈
    曲が最大になる角度よりも小さい屈曲角度において、前
    記伸展補助機構は伸展トルクの極大値を示し、他方、前
    記遊脚相におけるひざの屈曲が最大になる角度よりも大
    きい屈曲角度において、前記遊脚相制御装置は実質的な
    作用力の極大値を示す、請求項１０の義足。
  12. 【請求項１２】 前記遊脚相制御装置はエアシリンダ装
    置であり、シリンダと、このシリンダの内部に２つの室
    を区画するピストンと、それらの２室の間の空気の流れ
    を制御するバルブとを備える、請求項１０の義足。
  13. 【請求項１３】 前記バルブの開き具合が、前記装着者
    の歩行速度に応じて制御される、請求項１２の義足。
  14. 【請求項１４】 前記遊脚相制御装置による実質的な作
    用力がなくなったときに、前記伸展補助機構による伸展
    トルクが作用する、請求項１０の義足。
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