JPWO2008114340A1 - 屈曲初期のトルクを低減した義足 - Google Patents

Abstract

この発明は、油圧シリンダやバネシリンダを利用した義足の使用感を空圧シリンダ並みに快適にするとともに、歩行追従性をも向上させる技術を提供する。この発明では、油圧シリンダやバネシリンダといった抗力発生手段自体の配置を特定する。それによって、膝角度の増大に伴って抗力発生手段が生じる抵抗を大きくする。膝関節の屈曲初期の第１段階における第１のトルクＴ１が小さく、膝関節の屈曲がさらに進んだ屈曲終期の第２段階における第２のトルクＴ２を大きくする。今までのものとは異なり、Ｔ１≦Ｔ２にし、義足使用者の股関節筋の負担を軽減する。

Description

この発明は、膝関節による屈曲、伸展の動きに対して油圧シリンダやバネシリンダ（伸展補助などのため油圧や空圧シリンダの内部または外部に、ピストンに力を作用させるバネが設けられているものも含む。以下同じ。）といった抗力発生手段が抵抗（あるいは、抗力）を与える義足に関し、特には、歩行時において爪先が地面より離れるときに装着者（つまり、義足使用者）が義足に作用させる力を低減しつつ、歩行追従性を確保できる技術に関する。

膝関節を含む義足には、通例、膝関節による動きを有効に行わせるため、空圧シリンダや油圧シリンダ、あるいはバネシリンダといった抗力発生手段を備える。空圧シリンダは、屈曲し始めの初期抵抗が小さく、義足使用者の股関節筋の負担が小さい。しかし、空圧には圧縮性があるため、空圧シリンダが生じる力は油圧シリンダやバネシリンダに比べれば大きくはない。義足に必要とする力を得るため、空圧シリンダの大きさはある程度以上にしなければならない。そのため、空圧シリンダは、義足を小型化するときの障害となる傾向がある。

それに対し、油圧シリンダは、非圧縮性流体である油の特性から、空圧シリンダに比べて大きな力を生じ得る。同様に、バネシリンダもバネ定数に応じて空圧シリンダに比べて大きな力を生じ得る。したがって、義足を小型化する上で、油圧シリンダやバネシリンダは有利である。しかしながら、これら油圧シリンダやバネシリンダは、義足使用者にとって股関節の負担が大きい。そのため、一方の油圧シリンダを備える義足の利用は、主に筋力や体力がある人に限られている。また、他方のバネシリンダを備える義足については、あえてバネシリンダのバネ力を弱めることによって、筋力や体力が比較的に劣る人が利用できるようにしている。しかし、バネ力を弱めてしまうと、義足用バネシリンダは、筋力や体力に優れた人には適さなくなってしまう。

たとえば、特許文献１が空圧シリンダを備える義足を示し、また、特許文献２が油圧シリンダを備える義足を示し、さらに、特許文献３がバネシリンダを備える義足を示している。
特開２００１−１３７２６８号公報 特開２００２−５８６８９号公報 特開昭５５−１３０６５７号公報

この発明では、義足の小型化の上で有利な油圧シリンダやバネシリンダに着目し、膝角度−抵抗（抗力あるいは回転トルク）の特性についていろいろと検討した。図１は、義足（いわゆる大腿義足）による歩行形態の一周期を示す。義足歩行の一周期は、足部が宙に浮き接地していない遊脚相と、足部が接地している立脚相とを含む。この歩行周期において、義足使用者は、自己の股関節筋（Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ）を３回にわたって働かせる。第１は、爪先が地面に着いた状態で膝を曲げ始める時期（図１のＳ０）、第２は、最大に曲がった足を振り出そうとする時期（図１のＳ１）、そして第３は、踵を着地し立ち姿勢に入る時期（図１のＳ２）である。これらの３回の時期のうち、第３の立ち姿勢に入る時期には、大腿義足の使用者は、自己の体重により発生する力を利用して対応することができる。それに対し、第１の遊脚相における屈曲当初あるいは初期、および第２の遊脚相における屈曲終期の各段階には、体重により力を十分に発生させることができないので、自己の股関節筋（Ｍｃ，Ｍａ）を積極的に働かせなければならない。

しかし、油圧シリンダやバネシリンダを利用した今までの義足において、それら油圧シリンダやバネシリンダが生じる抵抗（抗力あるいは回転トルク）について検討したところ、ある共通点があることを見出した。その共通点とは、膝角度の小さい図１のＳ０時期の抵抗が大きく、膝角度の大きな図１のＳ１時期の抵抗が小さいことである。これは、技術的な特別な意図をもって配置されることはなく、空いたスペース内に単に漠然と配置されていた、あるいは、第３の時期において問題となる膝折れを防止するために、バネの伸展作用を大きくする意図をもって配置されていた、と考えることができる。膝折れは、股関節筋による膝の伸展が不十分であるときに起こる。

その結果、油圧シリンダやバネシリンダといった抗力発生手段を利用した今までの義足においては、抗力発生手段が発生する屈曲初期に生じる大きな抵抗に打ち勝つための股関節筋（Ｍｃ）の負担が大きく、しかもまた、爪先が地から離れ膝角度が大きくなった時点での抵抗が小さいために、義足が過度に振上り、義足が戻るまでの時間が長くなるので歩行追従性が悪い。義足を歩行に追従させようとすると、大きな股関節筋（Ｍａ）を働かせなければならない。そのために、義足使用者は、股関節筋（Ｍｃ，Ｍａ）の負担が大きく、それだけ疲れやすく、義足の快適な使用感が損なわれてしまう。

勿論、義足の使用感を快適にするためには、油圧シリンダ内部の絞り弁の弁開度をマイクロコンピュータによって制御すること、あるいは、ピストンの位置に応じて油流路の数を段階的に変化させることにより油圧シリンダの絞り量を変化させること、あるいはまた、バネシリンダのバネ力を機械的に変化させることが考えられる。しかし、このような構成は複雑であり、義足のコスト高を招く。

この発明は、そのようなコスト高を招くことなく、油圧シリンダやバネシリンダを利用した義足の使用感を空圧シリンダ並みに快適にするとともに、歩行追従性を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
この発明は、膝角度の増大に伴って油圧シリンダやバネシリンダが生じる抵抗を適切に大にすることができる、油圧シリンダやバネシリンダを利用した義足を提供するものである。
この発明のその他の目的については、今後の説明から明らかになるであろう。

この発明では、油圧シリンダ内部の絞り弁の弁開度を制御する方法や、ピストンの位置によって油圧シリンダの絞り量やバネシリンダのバネ力を機械的に変化させる方法ではなく、油圧シリンダやバネシリンダといった抗力発生手段自体の配置を特定することにより、膝角度増大に伴って抗力発生手段が生じる抵抗（あるいは、抗力）を大にする。この発明を適用する義足は、多節のリンク機構で構成され、上部材と下部材とを回転中心回りに可動にするための膝関節と、多節リンク機構に揺動自在に取り付けられ、その多節リンク機構の変形を抑制する抗力を発生する抗力発生手段とを備える義足である。抗力発生手段として油圧シリンダやバネシリンダを利用した義足は、空圧シリンダ利用のものに比べて、単位体積当たりで発生する抗力が大きいことから、義足の小型化を有効に図ることができるし、通常のゆっくりした歩行だけでなく、小走りしたりするような速い歩行にも広範囲に応じることができる。

また、この発明は、多節リンク機構で構成される膝関節を含む義足を対象とする。多節リンク機構による膝関節は、回転中心が変化し、健常者の歩行により近い動きを生み出す。多節リンク機構は、通常は４節であるが、その基本となる４節のリンクに対し、たとえば立脚安定や伸展補助のために補助リンクを付加し、５節あるいは６節などにしたものをも含む。この発明は、そのような補助リンクを含む４節を超える多節リンク機構のものにも適用することができる。４節以上の多節リンク機構は、膝の前側に位置する前側リンクと、膝の後側に位置する後側リンクとの少なくとも２つのリンクを含む点で共通している。以下においては、多節リンクの最も基本となる４節のリンクの場合を中心に説明を進めるが、この発明が適用できる多節リンク機構がそれに限定されるわけではない。

まず、この発明が狙う膝角度−トルク（油圧やバネによる抵抗あるいは抗力）の特性を明らかにする。図２Ａおよび図２Ｂは、横軸に膝角度、縦軸にトルクをそれぞれ取った特性曲線を示す。図２Ａに示す今までの油圧シリンダは、膝角度の小さい第１段階のトルクが大きく、膝角度が増大するに伴ってトルクが次第に小さくなるような特性である。それに対し、図２Ｂに示すこの発明の油圧シリンダでは、膝角度の小さい第１段階のトルクが小さく、膝角度が増大するに伴ってトルクが次第に大きくなるような特性である。なお、膝角度０°近傍でのトルクが大きい場合もあるが、その領域におけるトルクについては、体重により発生しうる力の方がより大きいので、義足使用者にはそれほどの負担はかからない。また、膝角度がさらに増大するにつれトルクも増大し、ある膝角度でピークを迎え、その後、一般的な歩行時における最大屈曲角度である６０°を越えるような、ある膝角度において油圧シリンダのピストンの移動速度が遅くなる。油圧シリンダはこの移動速度の２乗に比例した抗力を発生するので、油圧シリンダが発生する抗力、したがって、トルクは大きく減じる。しかし、ピストンの移動速度が遅くなるのは、一般的な歩行時における最大屈曲角度を超えるような場合なので、実用上問題はない。

そのような油圧シリンダに対し、バネシリンダはその全長に比例した抗力（反発力）を発生し、ピストンの移動速度の影響を受けない。図３Ａおよび図３Ｂが、バネシリンダにおける膝角度−トルクの特性を示す。図３Ａに示す今までのバネシリンダの場合、今までの油圧シリンダの場合と同様、膝角度の小さい第１段階のトルクが大きく、膝角度が増大するに伴ってトルクが次第に減少するような特性を示す。それに対し、図３Ｂに示すこの発明のバネシリンダにおいては、この発明の油圧シリンダの場合と同様、膝角度の小さい第１段階のトルクが小さく、膝角度が増大するに伴ってトルクが次第に大きくなるような特性である。しかも、このバネシリンダはそのような特性でありながら、一般的な歩行時における最大屈曲角度である６０°を超えてもトルクが増大している。

さて、油圧シリンダやバネシリンダのような抗力発生手段が生じる抵抗（抗力）は、多節のリンク機構が定める回転中心回りのトルクＴである。そのトルクＴは、抗力発生手段が生じる力の作用線から回転中心までの距離、つまり、レバーアームの長さＬと、抗力発生手段が生じる力Ｆとの積である。したがって、レバーアームの長さＬや抗力発生手段が生じる力Ｆを制御することにより、トルクＴを変化させることができる。

この発明は、前記した屈曲初期における股関節筋（Ｍｃ）の負担を軽減するため、および、歩行追従性を確保するため、膝関節の屈曲初期の第１段階における第１のトルクＴ１が小さく、膝関節の屈曲がさらに進んだ屈曲終期の第２段階における第２のトルクＴ２を大きくする。義足使用者の負担をより有効に軽減するため、Ｔ１＜Ｔ２にするのが好ましい。今までＴ１＞Ｔ２であったのであるから、少なくともＴ１≦Ｔ２にすることにより、義足使用者の股関節筋（Ｍｃ，Ｍａ）の負担を軽減することができる。ここで、屈曲初期の第１段階の膝角度は、屈曲終期の第２段階の膝角度よりも小さいが、それらの各段階における膝角度は義足使用者によって互いに異なる。しかし、通例、屈曲初期の第１段階における膝角度は０〜４５°の範囲であり、屈曲終期の第２段階における膝角度は４５〜６０°の範囲である。

この発明の第１の技術的な意義は、前記したＴ１≦Ｔ２の関係をもつ新たな義足を提供することにある。この発明による新たな義足によれば、屈曲初期の第１段階におけるトルクＴ１が相対的に小さくなり、そのトルクＴ１は義足使用者が自らの体重によって発生させ得るトルクに比べて十分に小さくなるので（図４参照）、義足使用者は、屈曲初期の負荷を負担に感じることがなくなる。この発明を適用した場合における負担の一例について、図４に実線で示す特性曲線ｏに基づいて知ることができる。また、空圧シリンダの場合における負担を、同じ図４に破線で示す特性曲線ａに基づいて知ることができる。それらを比較すれば、この発明がもつ第１の利点、すなわち、油圧シリンダやバネシリンダを用いるにもかかわらず、屈曲初期の負担を空圧シリンダ並みに軽減することができるという基本的な利点を理解することができるであろう。一方、屈曲終期においては、トルクＴ２が相対的に大きくなるので、膝が曲がりすぎることがなくなり、歩行追従性を確保することができる。この発明は、そのような第２の利点をも併せもっている。

そして、この発明の第２の技術的な意義は、そのような新たな義足を得る手法として、油圧シリンダやバネシリンダといった抗力発生手段の配置を特定する方法、特には、膝関節を構成する多節リンク機構に対する取付け位置を特定する方法を採ることにある。抗力発生手段の配置を特定する方法であるため、抗力発生手段の構成自体は今までと同様であり、構成を複雑にすることがない。配置を特定する具体的な手法として、複数の方法を適用することができる。

配置を特定する第１の方法は、レバーアームの長さＬに着目した考え方である。膝関節の屈曲終期の第２段階におけるレバーアームの長さＬ２に比べて、屈曲初期の第１段階におけるレバーアームの長さＬ１を小さくする。別にいうと、Ｌ１＜Ｌ２の関係を充足させる。好ましくは、屈曲初期の任意の角度におけるレバーアームの長さＬをゼロにする。そのように設定するとき、その角度以降、屈曲終期までレバーアームの長さは増大する。そのため、必然的にＬ１＜Ｌ２の関係を得ることができる。図５が、第１の方法を図解し明らかにしている。図５において、４節リンク機構１０は屈曲角度θｓ（０°＜θｓ＜４５°）の屈曲初期の状態にある。屈曲角度θｓは、抗力を小さくしたい屈曲初期における膝角度であり、義足使用者によって多少異なるが、通常は２０°前後である。４節リンク機構１０は、上部材に対応するリンク１２、下部材に対応するリンク１４、ならびに前側リンク１６および後側リンク１８の４つのリンクから構成される。そのような４節リンク機構１０に対し、抗力発生手段は、上部材に対応するリンク１２、および下部材に対応するリンク１４に対し、上下二個所で取り付けられる。

図５において、屈曲角度θｓにおける４節リンク機構１０の瞬間回転中心Ｏｓと、抗力発生手段の上部取付け位置Ｐｓとを通る直線１ｓを得る。抗力発生手段の下部取付け位置Ｑｓをこの直線１ｓ上に配置するというのが、第１の方法による考え方である。この考え方による配置によれば、屈曲角度θｓにおけるレバーアームの長さＬがゼロになるので、そのときのトルクがゼロになる。ここで、抗力発生手段の上部取付け位置Ｐｓは、前後リンク１６，１８と上部材に対応するリンク１２との各連結点２６，２８の間、したがって、通常は上部材を構成する部材上に配置する。それに対し、抗力発生手段の下部取付け位置Ｑｓは、直線１ｓ上、前後リンク１６，１８と下部材に対応するリンク１４との各連結点４６，４８の間ではあるが、屈曲角度θｓを通常の２０°前後にするとき、それらの両連結点４６，４８を結ぶ高さ位置よりも上方に配置する。実際上、抗力発生手段の下部取付け位置Ｑｓおよび上部取付け位置Ｐｓについては、各リンクを構成する部材と周辺の他の部品との干渉を避けながら、直線１ｓ上に配置することになる。なお、下部取付け位置Ｑｓおよび上部取付け位置Ｐｓは直線１ｓ上にあればよく、上部材に対応するリンク１２よりも上方、あるいは下部材に対応するリンク１４よりも下方にあってもよい。

ここで、屈曲初期における義足使用者の負担をさらに軽減するため、屈曲角度θｓをより小さくすることが有効である。図６Ａは、屈曲角度θｓを通常の２０°近辺に設定したときの特性を示す。それに対し、図６Ｂは、屈曲角度θｓを５°に設定したときの特性を示す。これらの図から、屈曲角度θｓをより小さくすることによって、負担となるトルクを軽減しうることが理解されるであろう。ところが、屈曲初期のトルクを余りに小さくした場合（たとえば、屈曲角度θｓを５°に設定するとき）、伸展時のトルク（図４参照）も小さなものしか得られなくなってしまう。その結果、抗力発生手段が発生する伸展時のトルクによって、ターミナルインパクト（つまり、シリンダの底にピストンが勢いよくぶつかる現象）を抑制することができない。ターミナルインパクトを抑制する公知の他の手段（たとえば、シリンダの底の部分にクッション部材を設ける手段など）を適用することによって、屈曲角度θｓを通常の２０°よりも小さく（たとえば、１０°以下）に設定することもできる。しかし、義足の構成をよりシンプルにするため、屈曲角度θｓの設定値を選ぶことにより（好ましくは、１０°よりも大きく２０°近辺までの範囲に設定）、抗力発生手段が発生する伸展時のトルクによってターミナルインパクトを抑制するようにするのが良い。なお、レバーアームの長さＬをゼロにしたい屈曲角度θｓを小さくすれば、抗力発生手段の下部取付け位置Ｑｓがより下の方になり、他の部品との干渉を避ける面で困難も大きくなる。

第１の方法では、抗力を小さくしたい屈曲初期のレバーアームの長さをゼロにし、それによって、抗力発生手段が発生するトルクを軽減する。第２の方法は、そのような第１の配置方法を前提にしつつ、抗力発生手段のピストンの移動速度にも着目した考え方である。図７が、第２の方法を図解し明らかにしている。第２の方法において、たとえば２０°前後のような屈曲角度θｓのとき抗力発生手段の下部取付け位置Ｑｓを直線１ｓ上に配置する。その点は、第１の方法と同様である。それに加えて、第２の方法は、下部取付け位置Ｑｓをさらに特定の点Ｑｉとして定める。屈曲角度θｓよりも小さな屈曲角度θｏ（たとえば、０°）を選び、そのときの抗力発生手段の上部取付け位置をＰｏとする。第２の方法では、直線１ｓ上に位置する点であり、しかも、より大きな屈曲角度θｓにおける上部取付け位置Ｐｓと、より小さな屈曲角度θｏにおける上部取付け位置Ｐｏとの両位置から等距離にある点Ｑｉを抗力発生手段の下部取付け位置とする。下部取付け位置をそのように特定することによって、より小さな屈曲角度θｏからより大きな屈曲角度θｓまで膝関節が屈曲する際、抗力発生手段の全長の変化をほとんど無くすことができる。そのため、抗力発生手段はそのような屈曲の間には力Ｆを生じないようになり、抗力であるトルクの変動が少なくなる。膝関節を含む義足には、大腿義足のほか、股義足が知られている。股義足の場合、大腿義足に比べて屈曲初期に体重によりトルクを発生させにくい。そのため、この第２の方法は、大腿義足よりも股義足に適用することによって、特に、その利点を生かすことができる。

以上に述べた第１および第２の各方法により、屈曲終期の第２段階におけるレバーアームの長さＬ２に比べて、屈曲初期の第１段階におけるレバーアームの長さＬ１を小さくしたり、あるいはまた、第１段階における第１のトルクＴ１と第２段階における第２のトルクＴ２とをＴ１≦Ｔ２の関係にすることができる。たとえば、第２の方法により、抗力発生手段の下部取付け位置を点Ｑｉに設定するとき、膝角度−レバーアーム長さとの関係は、図８に破線で示す特性曲線ｑｉのようになる。この特性曲線ｑｉについて、さらに望まれることは、屈曲し始めのトルクの発生をなだらかにすること、また、屈曲角度θｓ付近のトルクとそれより大きな屈曲角度（たとえば、３０〜４０°付近）に向かう部分での立ち上がりを余り大きすぎないようにすること、である。屈曲し始めの時点でトルクが発生していない状態から大きなトルクが発生すると、その変化を義足使用者は敏感に感じ取るので、使用感を良好にするため急激なトルクの発生を避けるのが好ましい。また、抗力を小さくしたい屈曲角度θｓ付近から、より大きな屈曲角度にわたる部分でトルクの立ち上がりが大きすぎると、たとえば油圧抵抗が急に増大することから衝撃音が発生する。そのような衝撃音の発生を防止することが好ましい。

このような要求に応えるために、第３の方法では、抗力発生手段の下部取付け位置を点Ｑｉから少しずらした周辺域の点Ｑに位置調整する。たとえば、位置調整可能な点Ｑの範囲を図９に網部ｍをもって示す。網部ｍ内の点Ｑは、基準となる点Ｑｉの近くであって、屈曲角度θｓにおけるレバーアームの長さＬｓとそれよりも大きな屈曲角度（たとえば、屈曲角度６０度）におけるレバーアームの長さＬ60とがＬｓ≦Ｌ60の関係を満たす点である。抗力発生手段の下部取付け位置を、基準点Ｑｉを基準にして網部ｍ内における点Ｑに位置調節すると、膝角度−レバーアーム長さとの関係は、図８に破線で示す特性曲線ｑのようになる。特性曲線ｑは、位置調節する前の特性曲線ｑｉに比べて、屈曲し始めのトルクの発生がなだらかになり、しかもまた、その後の屈曲角度θｓ以降におけるトルクの立ち上がりが緩和されている。図１０Ａ〜図１０Ｃは、屈曲角度θｓの大きさによって、網部ｍの所在が変動することを示す。網部ｍは、屈曲角度θｓが大きくなるにつれて上方に移行する傾向がある。たとえば、図１０Ａの網部の位置と図１０Ｃの網部の位置とは、上下方向に４０ｍｍほどの隔たりがある。抗力発生手段の下部取付け位置を位置調整する手段としては、ネジによる回転運動を直線運動に変換する機能を利用して、取付け位置を連続的に移動可能にしたり、また、複数の取付け位置を準備しそのどこに取り付けるかによって位置調整したりすることができる。なお、抗力発生手段の下部取付け位置ではなく、上部取付け位置を位置調整することもできる。

抗力発生手段の下部取付け位置を位置調整するとき、それが膝角度−トルクの特性にいかに影響するかについて、もう少し具体的に述べる。たとえば、下部取付け位置を前記した直線１ｓ上を移動させると、屈曲し始めのトルクの大きさが変動する。下部取付け位置を基準点Ｑｉから上部取付け位置の方に向かって移動させるにつれて、屈曲し始めのトルクは大きくなる。逆に、上部取付け位置から遠ざけるように移動すると、屈曲し始めのトルクは小さくなる傾向がある。また、下部取付け位置を前記した直線１ｓ上を移動させるとき、屈曲角度θｓ付近から、より大きな屈曲角度にわたる部分でのトルクの立ち上がりへの影響は少ない。それに対し、下部取付け位置を前記した直線１ｓ上ではなく、直線１ｓに直交する方向に移動するとき、屈曲角度θｓ付近から、より大きな屈曲角度にわたる部分でのトルクの立ち上がりが変化する。その立ち上がりは、下部材に対応するリンク１４と前側リンク１６との連結点４６に近づく方向に微調整することによって、滑らかになる傾向がある。いずれにしろ、下部取付け位置を直線１ｓ上の特定の基準点Ｑｉからその周辺域に位置調整することによって、屈曲初期のトルクと屈曲終期のトルクとのバランスを図ることができる。

なお、抗力発生手段が油圧シリンダの場合は、通常、２つの絞り弁を用いることにより屈曲時のトルクと伸展時のトルクを独立して調整できるようになっているので、網部ｍ内のうち、直線１ｓ上から図の右側に点Ｑを配置するのが望ましい。直線１ｓよりも図の左側に点Ｑを配置すると、レバーアームとの関係で、屈曲時にもかかわらず、伸展用の絞り弁の影響を受けてしまい、伸展時のトルクと屈曲時のトルクを独立して調整するのが困難になるからである。

義足の一例による歩行形態の一周期を示す。 今までの油圧シリンダにおける、膝角度−トルクの特性を示す。 この発明を適用した油圧シリンダにおける、膝角度−トルクの特性を示す。 今までのバネシリンダにおける、膝角度−トルクの特性を示す。 この発明を適用したバネシリンダにおける、膝角度−トルクの特性を示す。 この発明を説明するための特性図である。 この発明により配置を特定する第１の方法を図解するための図である。 屈曲角度θｓを通常の２０°近辺に設定したときの特性を示す。 屈曲角度θｓを５°に設定したときの特性を示す。 この発明により配置を特定する第２の方法を図解するための図である。 この発明により得る、膝角度−レバーアームの長さの特性の例を示す。 この発明により配置を特定する第３の方法を図解するための図である。 屈曲角度θｓが１０°のときの網部を示す。 屈曲角度θｓが２０°のときの網部を示す。 屈曲角度θｓが３０°のときの網部を示す。 この発明による義足の一実施例を示す正面図である。 図１１Ａの実施例を示す側面図である。 図１１Ａの実施例を示す断面図である。 図１１Ａの膝角度０°が膝角度２０°になったときの状態を示す図である。 図１１Ａの膝角度０°が膝角度４０°になったときの状態を示す図である。 図１１Ａの膝角度０°が膝角度６０°になったときの状態を示す図である。 図１１Ｃの膝角度０°が膝角度２０°になったときの状態を示す図である。 図１１Ｃの膝角度０°が膝角度４０°になったときの状態を示す図である。 図１１Ｃの膝角度０°が膝角度６０°になったときの状態を示す図である。 この発明による義足の変形例であり、第１の位置での取付け状態を示す図である。 図１４の変形例について、第２の位置での取付け状態を示す図である。 図１４の変形例について、第３の位置での取付け状態を示す図である。 油圧シリンダの芯をずらした例を示す図である。

符号の説明

１０ ４節リンク機構
１２ 上部材に対応するリンク
１４ 下部材に対応するリンク
１６ 前側リンク
１８ 後側リンク
θｓ 抗力を小さくしたい屈曲初期における膝角度
Ｐｓ 抗力発生手段の上部取付け位置
Ｑｓ 抗力発生手段の下部取付け位置
Ｑｉ 基準点
ｍ 位置調整可能な点Ｑの範囲（網部）
５０ 義足（大腿義足）
５２ 上部材
５４ 下部材
５６ 前側リンク
５８ 後側リンク
６０ 膝関節
７０ 油圧シリンダ

図１１Ａ〜１１Ｃは、この発明の義足の一実施例であり、特に、膝関節の部分を中心に示している。大腿義足である義足５０は、膝の上側に位置する上部材５２と、膝の下側に位置し、上部材５２に揺動可能に連結して膝の屈曲を可能とする下部材５４とを備える。上部材５２は、上部中央部にアライメントブロック５２２を一体に支持する。アライメントブロック５２２は、図示しないソケットを取り付ける部分であり、ソケットに入る大腿を通して義足使用者の荷重を支える。一方、下部材５４の下部中央部にも別のアライメントブロック５４２がある。このアライメントブロック５４２は、足部を支持する脚部材を取り付ける部分である。

そのような上部材５２と下部材５４とを膝関節６０が連結する。膝関節６０は、４節のリンク機構から構成される。４節のリンク機構は、４つのリンクを回転可能に連結した限定連鎖である。上部材５２および下部材５４は、その限定連鎖の４つのリンクの中の一つのリンクとしてそれぞれ機能する。残りの２つのリンクは、前側リンク５６および後側リンク５８である。それら両リンク５６，５８は、上下の各端部に他のリンクとの連結部５６２，５６４；５８２，５８４をもつ。ここで、前後の両リンク５６，５８は、ともに左右対称の形状であり、上下の各連結部がそれぞれ左右一対である。したがって、前後に離れた前側リンク５６および後側リンク５８は、両者が相俟って膝関節６０の外側を取り囲み、その内側スペースを区画するようになっている。

抗力発生手段としての油圧シリンダ７０は、前後の両リンク５６，５８が取り囲む内側スペースに位置する。油圧シリンダ７０は、図１１Ｃが示すように、軸線をもち内部にその軸線方向に沿うシリンダ孔を含むシリンダ本体７２と、シリンダ孔の中に入りシリンダ孔を二つの室に区画するピストン７４と、そのピストン７４の部分からシリンダ本体７２の外部まで伸びるピストンロッド７６とを備える。また、図には示さないが、油圧シリンダ７０は、油圧抵抗を生じるため、良く知られた油圧回路をシリンダ本体７２の中に支持している。油圧回路は、ピストン一側の第１室からピストン他側の第２室へ向かう流れだけを許す第１逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第１絞り弁を含む第１通路、ならびに、第２室から第１室へ向かう流れだけを許す第２逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第２絞り弁を含む第２通路を備える。したがって、屈曲時の油圧抵抗と伸展時の油圧抵抗とを別に設定できるようになっている。油圧シリンダ７０は、油圧抵抗に基づく力と、その力とレバーアームの長さとの積で定まるトルクを抗力として発生する。

この実施例では、すでに述べた第２の方法によって、図２Ｂの特性を得るように、油圧シリンダ７０の上部取付け位置Ｐｓおよび下部取付け位置Ｑｓを設定した。上部取付け位置Ｐｓは、上部材５２上の前後の連結部５６２，５８２の間の部分であって、それら連結部とほぼ同じ高さ部分に位置する。それに対し、下部取付け位置Ｑｓは、下部材５４上の前後の連結部５６４，５８４の間の部分ではあるが、それら連結部５６４，５８４よりは高い部分に位置する。そのため、下部材５４は、上方に立ち上がったアーム部分５４７を含む。油圧シリンダ７０は、上部材５２および下部材５４に対し揺動可能にするため、上部取付け位置Ｐｓおよび下部取付け位置Ｑｓの各部分における連結がピボット結合になっていることは勿論である。

図１２Ａ〜１２Ｃおよび図１３Ａ〜１３Ｃに、膝角度が２０°、４０°、６０°の各屈曲状態を示している。それらの図から、この発明を適用した大腿義足５０が、膝角度−トルクの特性面で義足使用者に好ましいフィーリングを与えるにもかかわらず、構成および動きがシンプルであることが理解されるであろう。

変形例

以上に述べた実施例の義足では、油圧シリンダ７０の下部取付け位置Ｑｓを一個所に固定している。しかし、屈曲初期のトルクと屈曲終期のトルクのバランスを調整するため、義足上に下部取付け位置Ｑｓの位置を調整する手段を設けるようにすることもできる。そうすれば、その位置調整手段によって、義足使用者の好みに合わせるように、義肢装具士などが義足の外部から調整可能である。図１４〜図１６は、義足の前後方向に隣り合う３個所に、締付けボルト８０による固定部を設けた例である。それら３個所の固定部を選ぶことによって、油圧シリンダ７０の下部取付け位置Ｑｓを前後に位置調整することができる。位置調整の幅は、たとえば、０〜２０ｍｍ、一般的には０〜１０ｍｍほどである。

さらに、上記実施例の義足で用いた油圧シリンダにバネが併用されていてもよい。また、上記実施例の義足では油圧シリンダを用いており、作動流体は非圧縮性流体である油であるが、水などの他の非圧縮性液体を用いてもよく、非圧縮性が顕著となる高圧、たとえば大気圧の数倍以上の高圧の圧縮空気を用いてもよい。

さらにまた、スペースの都合で、図１７に示すように、油圧シリンダ７０の上部取付け位置Ｐｓと下部取付け位置Ｑｓとを通る直線１ｓに対し、油圧シリンダ７０のピストン７４およびピストンロッド７６の軸線を偏心（直線１ｓと軸線とがわずかな角度で交差）させるようにすることもできる。その場合、油圧シリンダ７０の取付け位置がすでに述べた条件を満たすことが前提である。

Claims (10)

1. 多節リンク機構で構成され、上部材と下部材とを瞬間回転中心回りに可動にするための膝関節と、油圧シリンダあるいはバネシリンダによって構成され、前記多節リンク機構に揺動自在に取り付けられ、その多節リンク機構の変形を抑制する抗力を発生する抗力発生手段とを備える義足であって、
   前記抗力発生手段は、前記多節リンク機構に対し、所定の配置にあり、
   それにより、前記膝関節の屈曲初期の第１段階における瞬間回転中心回りの第１のトルクＴ１と、前記膝関節の屈曲がさらに進んだ屈曲終期の第２段階における瞬間回転中心回りの第２のトルクＴ２とが、Ｔ１≦Ｔ２の関係を充足することを特徴とする、屈曲初期のトルクを低減した義足。
2. 前記上部材および前記下部材は、それぞれ前記多節リンク機構を構成するリンクの一つであり、前記抗力発生手段は、前記上部材に対する上部取付け位置と、前記下部材に対する下部取付け位置との上下二個所で前記多節リンク機構に取り付けられている、請求項１の義足。
3. 前記抗力発生手段は、前記屈曲終期の第２段階におけるレバーアームの長さＬ２に比べて、前記屈曲初期の第１段階におけるレバーアームの長さＬ１が小さくなるような配置である、請求項２の義足。
4. 前記屈曲初期の第１段階における任意の屈曲角度のとき、前記上部材に対する前記抗力発生手段の上部取付け位置、あるいは前記下部材に対する前記抗力発生手段の下部取付け位置の一方の取付け位置と、前記膝関節の瞬間回転中心とを結ぶ直線上、あるいはその直線の延長上に、前記抗力発生手段の他方の取付け位置がある、請求項３の義足。
5. 前記屈曲初期の第１段階において、より大きな屈曲角度θｓ、およびその屈曲角度θｓよりも小さい屈曲角度θｏとを選び、
   前記より大きな屈曲角度θｓにおける前記抗力発生手段の上部取付け位置Ｐｓと、その屈曲角度θｓにおける前記膝関節の瞬間回転中心Ｏｓとを結ぶ直線の延長線上であって、
   前記より大きな屈曲角度θｓにおける前記抗力発生手段の上部取付け位置Ｐｓ、および前記屈曲角度θｓよりも小さな屈曲角度θｏにおける前記上部材に対する前記抗力発生手段の上部取付け位置Ｐｏの両取付け位置から等距離にある点を前記抗力発生手段の下部取付け位置とした、請求項４の義足。
6. 前記上部材に対する上部取付け位置、あるいは、前記下部材に対する下部取付け位置のいずれか一方の取付け位置を調整するための位置調整手段をさらに備える、請求項２の義足。
7. 前記位置調整手段により、前記膝関節の屈曲初期の第１段階における瞬間回転中心回りの第１のトルクＴ１と、前記膝関節の屈曲がさらに進んだ屈曲終期の第２段階における瞬間回転中心回りの第２のトルクＴ２とのバランスを図る、請求項６の義足。
8. 前記多節リンク機構は、膝の前側に位置する前側リンクと、膝の後側に位置する後側リンクとの少なくとも２つのリンクを含み、それら前側リンクおよび後側リンクが前記上部材の側、前記下部材の側にそれぞれ回転可能に連結されている、請求項２の義足。
9. 前記屈曲初期の第１段階における膝角度は０〜４５°の範囲であり、前記屈曲終期の第２段階における膝角度は４５〜６０°の範囲である、請求項１あるいは２のいずれか一つの義足。
10. 前記抗力発生手段としての油圧シリンダは、軸線をもち内部にその軸線方向に沿うシリンダ孔を含むシリンダ本体と、前記シリンダ孔の中に入りシリンダ孔を軸線方向に第１および第２の二つの室に区画するピストンと、そのピストンの部分から前記シリンダ本体の外部まで伸びるピストンロッドとを備え、さらに、前記第１室から第２室へ向かう流れだけを許す第１逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第１絞り弁を含む第１通路、ならびに前記第２室から第１室へ向かう流れだけを許す第２逆止弁、およびその流れに流れ抵抗を与える第２絞り弁を含む第２通路を備える、請求項１あるいは２のいずれか一つの義足。

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