JP2013233421A - Knee joint - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、外部動力源を必要としない、大腿義足用の膝継手、又は膝部の伸展をアシストする装具の膝継手に関する。 The present invention relates to a knee joint for a thigh prosthesis, or a knee joint for an orthosis that assists the extension of the knee, which does not require an external power source.
大腿部切断患者にとって、膝関節の欠損による日常生活への影響は大きい。そのため、代替機能となる膝継手の機能が非常に重要となる。しかし、既存の殆どの膝継手は、立脚期に膝の伸展方向の伸展トルクを発生することができず、この伸展トルクを使用者自身が何らかの方法で代替発生しなければならないため、特に階段や坂道の昇降時に大きな負担となる。 For patients with thigh amputation, the loss of the knee joint has a significant impact on daily life. Therefore, the function of the knee joint as an alternative function is very important. However, most existing knee joints cannot generate an extension torque in the knee extension direction during the stance phase, and this extension torque must be generated by the user in some way. This is a big burden when going up and down hills.
また、このような膝継手は受動的な機構であるため、移動の不安定さ、移動の同期性の崩壊、及び歩行速度の減少に繋がり、さらに、脚断端に負担がかかり、皮膚炎、皮膚せん断及び/又は潰瘍などの皮膚問題をも発生する。 In addition, since such a knee joint is a passive mechanism, it leads to instability of movement, disruption of synchronization of movement, and reduction of walking speed. It also causes skin problems such as skin shear and / or ulcers.
これら問題を解消するために、伸展トルクを発生させる膝継手を有する膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足が提案されている(例えば、特許文献1)。 In order to solve these problems, a prosthetic leg with a drive source for a patient who has a knee upper limb amputation having a knee joint that generates extension torque has been proposed (for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載の駆動源付き義足は、義足を動かすのに必要な機械的エネルギを電力供給されるアクチュエータから発生するように設計されている。健康な片足にセンサを設け、健常な足の動きを感知し、制御システムは、それに合わせて協調動作を可能にするように義足に設けられたアクチュエータにより義足を動作させるようにリアルタイムで制御する。 The prosthetic leg with a drive source described in Patent Document 1 is designed to generate mechanical energy necessary for moving the prosthetic leg from an actuator that is powered. A sensor is provided on a healthy leg to sense the movement of the healthy leg, and the control system controls the prosthetic leg in real time by an actuator provided on the prosthetic leg so as to enable a coordinated movement accordingly.
しかしながら、上述した特許文献1に記載の駆動源付き義足は、モータ、バッテリ及び各種センサを利用するため、コストが高い、重量が重い及び体格制限などの問題点があった。そのため、普及に至っていない。 However, the above-mentioned artificial leg with a drive source described in Patent Document 1 uses a motor, a battery, and various sensors, and thus has problems such as high cost, heavy weight, and physique limitation. Therefore, it has not reached widespread use.
そのため、外部動力源を必要としない、歩行中のエネルギを回生することができる小型軽量、かつシンプルな構造で伸展トルクを発生させる膝継手が期待されている。 Therefore, a knee joint that does not require an external power source and is capable of regenerating energy during walking and that is capable of generating extension torque with a small, lightweight and simple structure is expected.
従って本発明の目的は、外部動力源無しに伸展トルクを発生させることができる膝継手を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a knee joint that can generate an extension torque without an external power source.
本発明の他の目的は、小型軽量でありかつシンプルな構造でありながら伸展トルクを発生させることができる膝継手を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a knee joint that is capable of generating an extension torque while having a small size and light weight and a simple structure.
本発明によれば、大腿側に固定される大腿側リンクと、下腿側に固定される下腿側リンクと、大腿側リンクと下腿側リンクとを連結する軸とを有する膝継手において、足底部位置又は下腿部位置に配置した入力シリンダと、大腿側リンクと下腿側リンクとの間に配設された出力シリンダと、入力シリンダと出力シリンダとを連結する油圧回路とを備え、歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させる膝継手が提供される。 According to the present invention, in a knee joint having a thigh side link fixed to the thigh side, a crus side link fixed to the crus side, and a shaft connecting the thigh side link and the crus side link, Or an input cylinder arranged at the position of the crus, an output cylinder disposed between the thigh side link and the crus side link, and a hydraulic circuit that connects the input cylinder and the output cylinder, and during walking operation The input cylinder is compressed by the floor reaction force, and this input is transmitted to the output cylinder via the hydraulic circuit, and a knee joint is provided that generates an extension torque on the thigh side link by the force output from the output cylinder.
歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させることにより、外部動力源を必要とせず、即ち、モータ、バッテリ及び各種センサを利用することなく、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。 During walking motion, the input cylinder is compressed by floor reaction force, and this input is transmitted to the output cylinder via the hydraulic circuit, and the force output from the output cylinder generates an extension torque on the thigh-side link. Therefore, without using a motor, a battery, and various sensors, an extension torque can be generated in the knee joint with a simple structure, and a reduction in size and weight can be achieved.
入力シリンダは、足底部位置に配置された複数の入力シリンダから構成されることが好ましい。これにより、歩行時の足底の圧力分布からより出力が得られる。また、必要なストローク長を分割することができる。 The input cylinder is preferably composed of a plurality of input cylinders arranged at the sole position. As a result, more output can be obtained from the pressure distribution of the sole during walking. Further, the necessary stroke length can be divided.
入力シリンダ及び出力シリンダには、ピストン位置を復元させるバネが設けられていることが好ましい。これにより、バネによる復元力でピストン位置を復元させ、ピストンの摺動と復元の連続運動ができ、連続歩行が可能となる。 The input cylinder and the output cylinder are preferably provided with a spring for restoring the piston position. As a result, the piston position is restored by the restoring force of the spring, and the continuous movement of sliding and restoration of the piston can be performed, and continuous walking is possible.
出力シリンダのピストン径は、入力シリンダのピストン径より大きく形成されていることが好ましい。これにより、伸展トルクを発生するための力を増幅することができ、より大きな伸展トルクを発生することが可能となる。 The piston diameter of the output cylinder is preferably larger than the piston diameter of the input cylinder. Thereby, the force for generating the extension torque can be amplified, and a larger extension torque can be generated.
入力シリンダには、入力の力を増幅するためのてこ機構が設けられ、出力シリンダには、出力の力を増幅するためのてこ機構とピストン位置復元機構とが設けられていることが好ましい。これにより、簡単な構成で入力シリンダの入力と出力シリンダの出力を増幅することができる。また、入力シリンダと出力シリンダの断面積比を1:1にすることができ、バネや減圧のための流路を使用せず、連続歩行が実現できる。 The input cylinder is preferably provided with a lever mechanism for amplifying the input force, and the output cylinder is preferably provided with a lever mechanism for amplifying the output force and a piston position restoring mechanism. Thereby, the input of the input cylinder and the output of the output cylinder can be amplified with a simple configuration. Moreover, the cross-sectional area ratio between the input cylinder and the output cylinder can be 1: 1, and continuous walking can be realized without using a spring or a flow path for pressure reduction.
ピストン位置復元機構は、出力シリンダのピストンを元の位置に移動するように操作するレバーを有し、遊脚期に膝が伸展する際に、レバーの動作により出力シリンダが圧縮され、出力シリンダ及び入力シリンダのピストン位置を復元させるように構成されていることが好ましい。これにより、歩行中に出力シリンダ及び入力シリンダのピストン位置が自動的に復元することが可能となる。 The piston position restoring mechanism has a lever that operates to move the piston of the output cylinder to the original position, and when the knee extends during the swing phase, the output cylinder is compressed by the operation of the lever, and the output cylinder and It is preferable to be configured to restore the piston position of the input cylinder. Thereby, the piston positions of the output cylinder and the input cylinder can be automatically restored during walking.
足底部に配置されたブレーキレバーと、下腿側リンクに装着されているブレーキローターと、ブレーキローターと一緒に装着されているブレーキキャリパーと、ブレーキレバーとブレーキキャリパーとを連結し、引っ張り力を伝達するためのワイヤーとを有する荷重ブレーキ機構をさらに備えていることが好ましい。これにより、平地歩行と階段登行の両方で一定のサポートができる。特に、階段や坂道の上り動作において、膝折れを防止すると共に、より負担を軽減することができる。 The brake lever located on the sole, the brake rotor attached to the lower leg link, the brake caliper attached together with the brake rotor, and the brake lever and brake caliper are connected to transmit the tensile force. It is preferable to further include a load brake mechanism having a wire for the purpose. As a result, constant support can be provided for both walking on flat ground and climbing stairs. In particular, it is possible to prevent knee breakage and further reduce the burden during stairs and uphill movement.
入力シリンダは、下腿部位置に配置され、足底部に配置されたレバーと、下腿側リンクに装着されている圧縮機構と、レバーと圧縮機構とを連結し、レバーにより受けられた床反力を圧縮機構に伝達するためのワイヤーとを有する床反力伝達機構をさらに備えていることが好ましい。これにより、油圧回路を短縮し、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。 The input cylinder is disposed at the crus position, connects the lever disposed at the sole, the compression mechanism attached to the crus link, the lever and the compression mechanism, and the floor reaction force received by the lever It is preferable to further include a floor reaction force transmission mechanism having a wire for transmitting the pressure to the compression mechanism. As a result, the hydraulic circuit can be shortened, the flow loss of the working oil can be reduced, and the extension torque can be generated more efficiently.
本発明によれば、歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させることで、外部動力源を必要とせず、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。また、この膝継手はパワーアシスト装具としても利用できる。 According to the present invention, the input cylinder is compressed by the floor reaction force during the walking motion, and this input is transmitted to the output cylinder through the hydraulic circuit, and the extension torque is generated in the thigh side link by the force output from the output cylinder. Thus, an external power source is not required, an extension torque can be generated in the knee joint with a simple structure, and a reduction in size and weight can be achieved. The knee joint can also be used as a power assist device.
図1は本発明の第1の実施形態に係る膝継手100の構成及び装着状態を示しており、図2は図1の膝継手100の伸展トルクの発生時における膝関節部の角度変化を示しており、図3は図1の膝継手100の入力シリンダ40の配置を示している。図4は図1に示した膝継手100の油圧回路60の構成例を示している。
FIG. 1 shows the configuration and mounting state of a
図1に示すように、膝継手100は、大腿側に固定される大腿側リンク10と、下腿側に固定される下腿側リンク20と、大腿側リンク10と下腿側リンク20とを回動可能に連結する軸30と、足底部位置に埋設した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
大腿側リンク10は、例えば、帯状板部材から構成されている。この大腿側リンク10の上端部は、大腿の周囲に巻着された大腿側取付部材12に軸11を介して回動可能に取り付けられており、下端部は、軸30を介して下腿側リンク20と連結されている。図2に示すように、出力シリンダ50の出力により大腿側リンク10は、角度θの範囲で回動することができる。角度θは、例えば13度とする。
The
下腿側リンク20は、例えば、大腿側リンク10と同様な帯状板部材から形成されている。この下腿側リンク10の上端部は、軸30を介して大腿側リンク10と連結されており、下端部は、下腿の周囲に巻着された下腿側取付部材22に軸21を介して回動可能に取り付けられている。
The
入力シリンダ40は、ピストン41と、ピストンロッド42と、ピストン位置を復元させるバネ43とを備えている。入力シリンダ40は、足底部位置、例えば靴Sの底部に埋設されている。この例においては、3つの入力シリンダ40が用いられている。この3つの入力シリンダ40は、図3に示すように、足底の圧力分布から、最も大きな出力が得られる爪先部、踵部及び踵上部の3箇所に配置されている。また、ピストン41のピストンロッド42の先端は、靴Sの底部から所定長さ(ストローク長)露出されている。本実施形態においては、健常者の歩行解析結果を基に、入力シリンダ40のピストン径及びストローク長を設計した。例えば、爪先部のピストン41の径を15mmとし、踵部のピストン41の径を7.5mmとし、踵上部のピストン41の径を4.0mmとした。また、小型化のために、靴Sの底部に設置する入力シリンダ40のストローク長は可能な限り短いことが望まれる。そのため、入力シリンダ40を複数個にし、必要なストローク長を分割するようにしてもよい。例えば、爪先部のピストン数を2とし、踵部のピストン数を4とし、踵上部のピストン数を1としてもよい。また、各ピストンのストローク長を3.6mmとした。なお、遊脚期に油圧回路60を減圧することにより、バネ43の力によりピストン位置を復元することが可能となる。
The
出力シリンダ50は、ピストン51と、ピストンロッド52と、支持部材53と、バネ54とを備えている。この出力シリンダ50は、大腿側リンク10と下腿側リンク20との間に配設されている。即ち、ピストンロッド52の出力端は軸11を介して大腿側リンク10の上端部に連結されている。また、支持部材53の一端は出力シリンダ50の底部に固定され、他端は軸21を介して下腿側リンク20の下端部に連結されている。また、増幅した出力を得るため、入力シリンダ40と出力シリンダ50との断面積比を、例えば、1:2.4とする。また、ピストン位置を復元させるバネ54が出力シリンダ50の内部に設けられている。
The
油圧回路60は、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する閉回路であり、立脚期と遊脚期で流路を使い分けるために、図4に示すように、電磁弁61と、逆止弁62及び63と、リザーブタンク64及び65とが組み込まれている。なお、油圧回路60の構成は、これに限定されるものではない。
The
連続歩行の際に、電磁弁61によって流路制御を行う。即ち、立脚期において、図4中の矢印Aに示すように、入力シリンダ40が床反力により圧縮されると、入力シリンダ40中の油は逆止弁62を介して出力シリンダ50内に流入する。また、遊脚期において、図4中の矢印Bに示すように、出力シリンダ50内の油は電磁弁61を介してリザーブタンク64に流入する。これにより、流路内が減圧され、バネ43及び54の力によりピストン41及び51の位置が復元される。これにより、油はリザーブタンク65から逆止弁63を介して入力シリンダ40内に流入する。
During continuous walking, the flow path control is performed by the
このような構成では、靴Sの底部に埋設されている入力シリンダ40のピストンロッド42の入力端が床(路面)に接触すると、入力シリンダ40は床反力により圧縮される。入力シリンダ40の断面積を小さく、出力シリンダ50の断面積を大きくすることで入力の床反力が増幅されるため、大きな出力を発生することができる。
In such a configuration, when the input end of the
このように本実施形態に係る膝継手100においては、靴Sの底部に埋設した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60とを備えている。歩行動作中に、入力シリンダ40は床反力により圧縮され、この入力が油圧回路60を介して出力シリンダ50に伝達され、出力シリンダ50から出力した力により大腿側リンク10に伸展トルク(図1中矢印方向)を発生させる。
Thus, in the knee joint 100 according to the present embodiment, the
これにより、外部動力源を必要とせず、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。 Thereby, an external power source is not required, an extension torque can be generated in the knee joint with a simple structure, and a reduction in size and weight can be achieved.
入力シリンダ40は、足底部位置に配置した複数の入力シリンダ40から構成することで、歩行時の各位置において床反力による入力が得られる。また、必要なストローク長を分割することができる。
The
入力シリンダ40及び出力シリンダ50には、ピストン位置を復元させるバネ43及び54が設けられていることにより、バネによる復元力でピストン位置を復元させ、ピストンの往動と復動との連続運動ができ、連続歩行が可能となる。
Since the
出力シリンダ50のピストン51の径は、入力シリンダ40のピストン41の径より大きく形成されていることで、伸展トルクを発生するための力を増幅することができ、より大きな伸展トルクを発生することが可能となる。
Since the diameter of the
図5は本発明の第2の実施形態における膝継手200の構成及び装着状態を概略的に示しており、図6は図5の膝継手200の入力側増幅レバー70の動作状態を示しており、図7は図5の膝継手200の出力側増幅レバー80の動作状態を示しており、図8は図5の膝継手200のピストン位置復元機構90の動作状態を示している。
FIG. 5 schematically shows the configuration and mounting state of the knee joint 200 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 shows the operating state of the input
図5に示すように、膝継手200は、大腿側に固定される大腿側リンク10と、下腿側に固定される下腿側リンク20と、大腿側リンク10と下腿側リンク20とを回動可能に連結する軸30と、足底部位置に埋設した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60Aと、入力側増幅レバー70と、出力側増幅レバー80と、ピストン位置復元機構90とを備えている。
As shown in FIG. 5, the knee joint 200 can rotate the thigh side link 10 fixed to the thigh side, the thigh side link 20 fixed to the thigh side, the
この第2の実施形態において、大腿側リンク10、下腿側リンク20、及び軸30は、上述した第1の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。また、入力シリンダ40と出力シリンダ50とは、断面積比を1:1とし、入力シリンダ40を1つとしている。さらに、入力シリンダ40と出力シリンダ50とには、ピストン位置を復元させるバネを有さない。
In the second embodiment, the thigh-
また、油圧回路60Aは、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する配管からなる閉回路である。この場合、電磁弁、逆止弁及びリザーブタンク等を必要としない。
The
入力側増幅レバー70は、てこ機構であり、図6に示すように、軸71を介して靴Sの底面に回動可能に装着されている。この例において、入力側増幅レバー70のレバー比、即ち、支点〜力点と支点〜作用点の距離の比、即ち、L1:L2を、1:4.24とする。なお、入力側増幅レバー70の形状及び装着位置は、靴Sに合わせて適宜に設計できる。入力側増幅レバー70を設けることで、歩行中の大腿側リンク10の伸展トルクを約40%サポートすることができる。
The input
出力側増幅レバー80は、てこ機構である。図7に示すように、出力側増幅レバー80の一端は、軸81を介して出力シリンダ50の上部に回動可能に装着されている。出力側増幅レバー80の他端は、ピストン位置復元機構90に連結されている。なお、出力側増幅レバー80のレバー比は、必要な増幅量に基づいて適宜に設計できる。
The output
ピストン位置復元機構90は、復元用レバー91と、軸固定部材92と、連結部材93と、ヒンジ部材94と、作用部材95とから構成されている。復元用レバー91は、出力シリンダ50の下部に設けられている軸固定部材92に軸を介して回動可能に装着されている。この復元用レバー91はピストン51を元の位置に移動するように操作可能である。連結部材93は、復元用レバー91の作用点端と出力側増幅レバー80の力点端とを連結し、復元用レバー91の動作を出力側増幅レバー80に伝達するように構成されている。ヒンジ部材94は、復元用レバー91の力点端に軸を介して直交する方向に装着されており、外側へ回動可能で、内側へ回動できないように構成されている。作用部材95は、下腿側リンク20と一緒に動作するように下腿側リンク20に固定されている。この作用部材95の上端は、遊脚期に下脚部の自重と慣性により伸展する際にヒンジ部材94に接触することで、復元用レバー91を動作させることが可能である。
The piston
歩行中のピストン位置復元機構90の動作について、図8を参照して説明する。立脚期において、図8(a)に示すように、作用部材95とヒンジ部材94とは接触しない。この状態は、出力シリンダ50により膝伸展トルクが発生した後の状態である。次に、図8(b)に示す遊脚期において、膝が屈曲することで、作用部材95の上端とヒンジ部材94とを接触し、ヒンジ部材94が外側へ回動して、作用部材95の上端がヒンジ部材94と接触しながら通過する。次に、図8(c)に示すように、膝部が下脚部の自重と慣性により伸展することで、作用部材95の上端がヒンジ部材94に接触し、ヒンジ部材94が内側へ回動しないため、復元用レバー91が上方へ押し上げられる。これにより、連結部材93を介して出力側増幅レバー80の力点端が下方へ引っ張られ、出力シリンダ50のピストン51の位置が復元される。同時に、油圧回路60Aを介して入力シリンダ40の位置も復元される。そして、入力シリンダ40は床反力により圧縮され、この入力が油圧回路60Aを介して出力シリンダ50に伝達され、出力シリンダ50から出力した力により大腿側リンク10に伸展トルクを発生させ、図8(d)に示す状態になる。即ち、立脚期の状態になる。
The operation of the piston
このように本実施形態に係る膝継手200においては、入力シリンダ40には、入力の力(床反力)を増幅するための入力側増幅レバー70が設けられ、また、出力シリンダには、出力の力を増幅するための出力側増幅レバー80が設けられ、さらに、連続歩行を可能にするためのピストン位置復元機構90が設けられている。これにより、入力シリンダ40と出力シリンダ50との断面積比を1:1にすることができ、ピストン位置を復元させるバネや減圧のための流路を使用せずに、連続歩行が実現できる。
As described above, in the knee joint 200 according to this embodiment, the
ピストン位置復元機構90は、出力シリンダ50を操作する復元用レバー91を有し、遊脚期に膝が伸展する際に、復元用レバー91の動作により出力シリンダ50が圧縮され、出力シリンダ50及び入力シリンダ40のピストン位置を復元させることで、歩行中に出力シリンダ50及び入力シリンダ40のピストン位置を自動的に復元することができる。
The piston
なお、上述した第1の実施形態においては、入力シリンダ40を靴Sの底部に埋設されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、入力シリンダ40を義足の足底部に直接装着するようにしてもよい。また、義足の場合、下脚部はアルミなどのロッドで構成されているので、入力シリンダ40を義足の足首部、下脚の中間部又は膝側端部に設置するようにしてもよい。入力シリンダ40を下脚の中間部又は下脚の膝側端部に設置する場合、作動油の流路が短縮され、損失を低減できる。
In the above-described first embodiment, the example in which the
図9は本発明の第3の実施形態における膝継手300の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ40を義足の足首部に装着する例である。図9に示すように、膝継手300は、大腿側に固定される大腿側リンク10と、大腿側リンク10と下腿側のロッド20Aとを回動可能に連結する軸30と、足首部に装着した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60とを備えている。この場合、出力シリンダ50の下端は支持部材53を介して下腿側のロッド20Aに直接固定されている。なお、出力シリンダ50を、支持部材53を介せず、下腿側のロッド20Aに直接固定するようにしてもよい。
FIG. 9 schematically shows the configuration and mounting state of the knee joint 300 according to the third embodiment of the present invention, and this embodiment is an example in which the
膝継手300において、入力シリンダ40のピストン41は義足の下腿側に配置されており、ピストンロッド42は義足の足側に配置されている。このように構成することで、足が床(路面)に接触すると、入力シリンダ40は床反力により圧縮される。上述した第1の実施形態と同様な効果が得られる。また、この場合、入力シリンダ40を埋設するために靴Sの底を厚くする必要がなくなる。
In the knee joint 300, the
図10は本発明の第4の実施形態における膝継手400の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ40が下腿側リンク20Aの上部、膝に近い位置に装着され、かつ荷重ブレーキ機構70Aが設けられる例である。図11は歩行中の動作状態を概略的に示しており、同図(a)は遊脚期の状態を示しており、(b)は立脚期におけるブレーキ作動時の状態を示しており、(c)は立脚期における出力時の状態を示している。
FIG. 10 schematically shows a configuration and a mounting state of a knee joint 400 according to the fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the
図10に示すように、膝継手400は、大腿側に固定される大腿側リンク10と、下腿側に固定される下腿側リンク20Aと、大腿側リンク10と下腿側リンク20Aとを回動可能に連結する軸30と、足底部位置に埋設した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60Bと、荷重ブレーキ機構70Aと、出力側増幅レバー80と、ピストン位置復元機構90とを備えている。なお、出力側増幅レバー80を設けなくてもよい。
As shown in FIG. 10, the knee joint 400 can rotate the thigh side link 10 fixed to the thigh side, the
この第4の実施形態において、大腿側リンク10、下腿側リンク20A、軸30、入力シリンダ40と、出力シリンダ50と、油圧回路60Bは、上述した第3の実施形態の場合とほぼ同様な構成を有し、また、出力側増幅レバー80及びピストン位置復元機構90とは、上述した第2の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。
In the fourth embodiment, the thigh-
荷重ブレーキ機構70Aは、足底部に配置されたブレーキレバー70aと、下腿側リンク20Aに装着されているブレーキローター70bと、ブレーキローター70bと一緒に装着されているブレーキキャリパー70cと、ブレーキレバー70aとブレーキキャリパー70cとを連結し、引っ張り力を伝達するためのワイヤー70dとから構成されている。
The
ブレーキレバー70aは、足底部、例えば靴Sの底部に埋設されている。軸71Aを介して靴Sの底面に回動可能に装着されている。ブレーキレバー70aの回動によりワイヤー70dを引っ張ること、及び放すことができるように構成されている。ブレーキレバー70aを配置する際、踵寄りに配置するのと、つま先寄りに配置するのでは制動力が発生するタイミングが異なる。実験結果により、踵に設置した場合、制動トルクが発生するタイミングは膝関節トルクよりも早い。したがって不自然な角度で膝が固定されてしまい、歩行の妨げとなる可能性がある。一方、つま先に配置した場合、制動トルクが発生するタイミングは膝関節トルクよりも遅い。したがって接地した瞬間に膝折れを起こす可能性がある。また、階段登行においては、どこに配置しても制動トルクが発生するタイミングは一定である。これらの結果から、ブレーキレバー70aを靴Sの底部の中央付近に配置することが好ましい。
The
ブレーキローター70bは、扇型に形成された平板である。このブレーキローター70bは、膝の屈曲と共に回転するように下腿側リンク20Aに取り付けられている。荷重ブレーキ機構70Aでは階段登行で脚を大きく曲げた場合でも作動しなければならない。サポートする角度域でブレーキローター70bに制動力を加えなければならないため、ブレーキローター70bの大きさが重要となる。従来の歩行解析の結果から、階段登行では膝関節を63度(deg)曲げた状態で接地することが明らかとなっている。したがってこの角度で荷重ブレーキ機構70Aが作動するよう、本実施形態において、ブレーキローター70bは100度(deg)の扇形とした。また、ブレーキローター70bの半径は取り付けられる最小の物で75mmとした。なお、上記ブレーキローター70bの角度及び半径の値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
The
ブレーキキャリパー70cは、膝の屈曲と一緒に回転しないように装着されている。対向する2つの接触パッドを有しており、ワイヤー70dを引っ張ると、ブレーキローター70bを両側から挟み込むことで制動力を効かせるようになっている。
The
ワイヤー70dは、ブレーキレバー70aからブレーキキャリパー70cまでの力の伝達、ブレーキキャリパー70cを作動させる手段である。また、ワイヤー70dは、アウターチューブに挿通されており、アウターチューブに沿って自在に移動することが可能である。アウターチューブの両端は、それぞれ靴Sとブレーキキャリパー70cに固定されている。なお、ブレーキキャリパー70cを作動させる手段として、ワイヤー70dを用いた機械式の代わりに油圧式を用いてもよい。
The
歩行中、ブレーキレバー70aの回動によりワイヤー70dが引っ張られ、ブレーキキャリパー70cを動作させ、ブレーキローター70bに制動力を加えることで、ブレーキローター70bの回動を制限し、膝の屈曲を抑制するようになっている。
During walking, the
なお、歩行中の立脚期にはブレーキレバー70aが徐々に押されるため、ブレーキキャリパー70cの制動力も変化する。この時、制動力が小さくなり膝関節を支えられなくなると、膝折れを起こす。また制動力が発生するタイミングが遅すぎる場合にも、十分な制動力が得られず膝折れを起こす。逆に早すぎると、膝が不自然な状態で固定され歩行しづらくなる。したがってブレーキレバー70aの配置位置や寸法の設計が重要になる。ワイヤー70dの引張長さと制動力の関係に基づいて、ブレーキレバー70aの配置位置や寸法を決定する。ブレーキレバー70aによりワイヤー70dを引く際、ブレーキキャリパー70cで十分な制動力が得られなければ膝折れが起こる。この時、膝折れを起こさないためには、歩行中の膝関節トルク以上の制動トルクが必要となる。過去の研究から健常者の階段登行においては、最大で1.5Nm/kg程度の膝関節トルクが発生することが明らかとなっている。そこで荷重ブレーキ機構70Aでは,この膝関節トルク以上の制動トルクが得られるように設計する。例えば、体重60kgの人が使用することを想定した場合、膝関節で発生する膝関節トルクは90Nmとなる。ここで、ブレーキキャリパー70cによって制動力を与えるブレーキローター70bの半径は75mmなので,必要となる制動力は1200Nとなる。ワイヤー70dの引張長さと制動力の関係により、必要となる入力は最低で305Nとなる。したがって膝折れを起こさないためにはワイヤー70dを約15.6mm引く必要がある。なお、上記トルク値、制動力値、入力値、及びワイヤー70dの変位(引く距離)の値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
Since the
歩行中の荷重ブレーキ機構70Aの動作について、図11を参照して説明する。図11(a)に示す遊脚期において、膝が屈曲し、ブレーキレバー70aは地面に接触しないので、荷重ブレーキ機構70Aは動作しない。図11(b)に示す立脚期において、ブレーキレバー70aは地面に接触する際に床反力を受けて回動し、ブレーキレバー70aの回動によりワイヤー70dが引っ張られ、ブレーキキャリパー70cを作動させ、ブレーキローター70bに制動力を加えることで、ブレーキローター70bの回動を制限し、膝の屈曲を抑制するようになっている。次に、図11(c)に示すように、ブレーキレバー70aが足底面まで回動した状態で、入力シリンダ40が床反力により圧縮されると、入力シリンダ40中の油は出力シリンダ50内に流入し、出力シリンダ50により伸展トルクが発生する。
The operation of the
このように本実施形態に係る膝継手400においては、荷重ブレーキ機構70Aを設けることで、膝の屈曲を抑制した後に、出力シリンダ50により伸展トルクが発生することで歩行のサポートを行う。これにより平地歩行と階段登行の両方で一定のサポートができる。特に、階段や坂道の上り動作において、膝折れを防止すると共に、より負担を軽減することができる。入力シリンダ40が下腿側リンク20Aの上部、膝に近い位置に装着されることで、油圧回路60Bを短縮し、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。
As described above, in the knee joint 400 according to the present embodiment, the
図12は本発明の第5の実施形態における膝継手500の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ40を義足の下腿部の膝に近い位置に装着する例である。
FIG. 12 schematically shows the configuration and mounting state of a knee joint 500 according to the fifth embodiment of the present invention, and this embodiment is an example in which the
図12に示すように、膝継手500は、大腿側に固定される大腿側リンク10と、下腿側に固定される下腿側リンク20と、大腿側リンク10と下腿側リンク20とを回動可能に連結する軸30と、足底部位置に埋設した入力シリンダ40と、伸展トルクを発生する出力シリンダ50と、入力シリンダ40と出力シリンダ50とを連結する油圧回路60Bと、床反力伝達機構70Bと、出力側増幅レバー80と、ピストン位置復元機構90とを備えている。
As shown in FIG. 12, the knee joint 500 can rotate the thigh side link 10 fixed to the thigh side, the thigh side link 20 fixed to the thigh side, the
この第5の実施形態において、大腿側リンク10、下腿側リンク20、軸30、入力シリンダ40と、出力シリンダ50と、出力側増幅レバー80及びピストン位置復元機構90とは、上述した第2の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。
In the fifth embodiment, the thigh-
床反力伝達機構70Bは、足底部に配置されたレバー70eと、下腿側リンク20に装着されている圧縮機構70fと、レバー70eと圧縮機構70fとを連結し、レバー70eにより受けられた床反力を圧縮機構70fに伝達するためのワイヤー70gとから構成されている。
The floor reaction
レバー70eは、足底部位置、例えば靴Sの底部に埋設されている。軸71Bを介して靴Sの底面に回動可能に装着されている。レバー70eの回動によりワイヤー70gを引っ張ること、及び放すことができるように構成されている。本実施形態において、接地した瞬間に伸展トルクを発生するように、レバー70eを踵寄りに配置している。
The
圧縮機構70fは、第1の回動アーム70hと、第2の回動アーム70iと、回動軸70jとを備えており、ワイヤー70gの引っ張り力により回動アーム70hが入力シリンダ40のピストンロッド42の先端を押すように構成されている。また、ワイヤー70gは、アウターチューブに挿通されており、一端はレバー70eに固着され、他端は圧縮機構70fに固着されている。アウターチューブの両端は、それぞれ靴Sと圧縮機構70fに固定されている。
The
このように本実施形態に係る膝継手500においては、床反力伝達機構70Bを設け、かつ入力シリンダ40を下腿部の膝に近い位置に配置し、油圧回路60Bを短縮することで、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。
As described above, in the knee joint 500 according to the present embodiment, the floor reaction
また、上述した第1の実施形態においては、3つの入力シリンダ40を靴Sの底部の3箇所に配置されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、1つの入力シリンダ40を用い、靴Sの底部の1箇所に配置するようにしてもよい。
In the above-described first embodiment, the example in which the three
また、上述した第2の実施形態においては、入力シリンダ40に入力側増幅レバー70、出力シリンダ50に出力側増幅レバー80を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、入力シリンダ40と出力シリンダ50のいずれかのみに増幅レバーを設けてもよい。
In the second embodiment described above, the input
以上述べた実施形態は本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。 The embodiments described above are illustrative of the present invention and are not intended to be limiting, and the present invention can be implemented in various other modifications and changes. Therefore, the scope of the present invention is defined only by the claims and their equivalents.
本発明の膝継手は、大腿義足用膝継手やパワーアシスト装具として利用できる。 The knee joint of the present invention can be used as a knee joint for a femoral prosthesis or a power assist device.
10 大腿側リンク
11、21、30、71、81 軸
12 大腿側取付部材
20 下腿側リンク
20A ロッド
22 下腿側取付部材
40 入力シリンダ
41、51 ピストン
42、52、52’ ピストンロッド
43、54 バネ
50 出力シリンダ
53 支持部材
60、60A、60B 油圧回路
70 入力側増幅レバー
70A 荷重ブレーキ機構
70B 床反力伝達機構
70a ブレーキレバー
70b ブレーキローター
70c ブレーキキャリパー
70d、70g ワイヤー
70e レバー
70f 圧縮機構
70h 第1の回動アーム
70i 第2の回動アーム
70j 回動軸
80 出力側増幅レバー
90 ピストン位置復元機構
91 復元用レバー
92 軸固定部材
93 連結部材
94 ヒンジ部材
95 作用部材
100、200、300、400、500 膝継手
L 脚
S 靴
DESCRIPTION OF
Claims (8)
足底部位置又は下腿部位置に配置した入力シリンダと、
前記大腿側リンクと前記下腿側リンクとの間に配設された出力シリンダと、
前記入力シリンダと前記出力シリンダとを連結する油圧回路とを備え、
歩行動作中に前記入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が前記油圧回路を介して前記出力シリンダに伝達され、前記出力シリンダから出力した力により前記大腿側リンクに伸展トルクを発生させることを特徴とする膝継手。 In a knee joint having a thigh side link fixed to the thigh side, a crus side link fixed to the crus side, and a shaft connecting the thigh side link and the crus side link,
An input cylinder arranged at the sole or crus position;
An output cylinder disposed between the thigh side link and the crus side link;
A hydraulic circuit that connects the input cylinder and the output cylinder;
During the walking motion, the input cylinder is compressed by a floor reaction force, and this input is transmitted to the output cylinder via the hydraulic circuit, and an extension torque is generated in the thigh-side link by the force output from the output cylinder. A knee joint characterized by
足底部に配置されたレバーと、前記下腿側リンクに装着されている圧縮機構と、前記レバーと前記圧縮機構とを連結し、前記レバーにより受けられた床反力を前記圧縮機構に伝達するためのワイヤーとを有する床反力伝達機構をさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の膝継手。 The input cylinder is disposed at the lower leg position,
A lever disposed on the sole, a compression mechanism mounted on the crus link, the lever and the compression mechanism are connected, and the floor reaction force received by the lever is transmitted to the compression mechanism. The knee joint according to claim 1, further comprising a floor reaction force transmission mechanism having a plurality of wires.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017213198A1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-12-14 | 学校法人 中央大学 | Motion assist device |
CN107510525A (en) * | 2017-09-18 | 2017-12-26 | 燕山大学 | Gait tracking below-knee prosthesis based on health leg transducing signal |
JP2019162547A (en) * | 2014-03-17 | 2019-09-26 | インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
US10744022B2 (en) | 2016-10-18 | 2020-08-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Force transmitting frame and motion assistance apparatus including the same |
WO2021153410A1 (en) * | 2020-01-29 | 2021-08-05 | トヨフレックス株式会社 | Movement assisting device |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55130659A (en) * | 1980-04-01 | 1980-10-09 | Roudou Fukushi Jigiyoudan | Knee joint of artificial leg |
JPH11128257A (en) * | 1997-10-16 | 1999-05-18 | Nabco Ltd | Artificial leg provided with air cylinder device |
JP2004261622A (en) * | 2004-06-30 | 2004-09-24 | Akira Shimizu | Independent walking supporting machine |
WO2007108551A1 (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Japan Labour Health And Welfare Organization | Long leg brace with load brake |
JP2011217825A (en) * | 2010-04-06 | 2011-11-04 | Keio Gijuku | Own weight compensating type walk assist device |
-
2013
- 2013-04-10 JP JP2013082390A patent/JP6172627B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55130659A (en) * | 1980-04-01 | 1980-10-09 | Roudou Fukushi Jigiyoudan | Knee joint of artificial leg |
JPH11128257A (en) * | 1997-10-16 | 1999-05-18 | Nabco Ltd | Artificial leg provided with air cylinder device |
JP2004261622A (en) * | 2004-06-30 | 2004-09-24 | Akira Shimizu | Independent walking supporting machine |
WO2007108551A1 (en) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Japan Labour Health And Welfare Organization | Long leg brace with load brake |
JP2011217825A (en) * | 2010-04-06 | 2011-11-04 | Keio Gijuku | Own weight compensating type walk assist device |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019162547A (en) * | 2014-03-17 | 2019-09-26 | インテュイティブ サージカル オペレーションズ, インコーポレイテッド | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
US10899021B2 (en) | 2014-03-17 | 2021-01-26 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
KR20220121902A (en) * | 2014-03-17 | 2022-09-01 | 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
KR102561141B1 (en) * | 2014-03-17 | 2023-07-31 | 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
US11919154B2 (en) | 2014-03-17 | 2024-03-05 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Wheeled cart with vibration reduction device, and related systems and methods |
WO2017213198A1 (en) * | 2016-06-07 | 2017-12-14 | 学校法人 中央大学 | Motion assist device |
US10744022B2 (en) | 2016-10-18 | 2020-08-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Force transmitting frame and motion assistance apparatus including the same |
CN107510525A (en) * | 2017-09-18 | 2017-12-26 | 燕山大学 | Gait tracking below-knee prosthesis based on health leg transducing signal |
WO2021153410A1 (en) * | 2020-01-29 | 2021-08-05 | トヨフレックス株式会社 | Movement assisting device |
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