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【発明の名称】 伸展補助機構を備える義足
【発明者】 【氏名】奥田 正彦

【氏名】田中 浩太郎

【氏名】森本 清

【氏名】古市 保一

【氏名】白石 律夫
【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１７０Ｏ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。
【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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２５０１３４６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１００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、ＵＳＰ５，４０５，４０７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９２ａ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９０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１３０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１７０Ａ，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１１００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１１６２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１７０Ｂ，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１１００Ｐ，１１００Ｑを結ぶ直線（つまり、圧縮コイルばね１１０２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。
【出願人】 【識別番号】０００００４０１９
【氏名又は名称】株式会社ナブコ
【出願日】 平成１０年（１９９８）４月３日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】保科 敏夫
【公開番号】 特開平１１−２８５５０８
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月１９日
【出願番号】 特願平１０−１０８５９１