JP2013233421A

JP2013233421A - Knee joint

Info

Publication number: JP2013233421A
Application number: JP2013082390A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Suzuki; 聡一郎鈴木; Wataru Ishii; 弥石井
Original assignee: Kitami Institute of Technology NUC
Current assignee: Kitami Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: JP6172627B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a knee joint which does not need an external power, is light and small, and generates extension torque with a simple structure.SOLUTION: A knee joint 100 is provided which comprises a thigh side link 10 fixed to the thigh side, a lower thigh side link 20 fixed to the lower thigh side, and a shaft connecting the thigh side link and the lower thigh side link. The knee joint has an input cylinder 40 arranged on a sole position or a lower thigh position, an output cylinder 50 arranged between the thigh side link and the lower thigh side link, and a hydraulic circuit 60 connecting the input cylinder and the output cylinder. The input cylinder is compressed by floor reaction force during walking movement. Such an input is transmitted via the hydraulic circuit to the output cylinder. Force output by the output cylinder generates an extension torque at the thigh side link.

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.

特表２００５−５３６３１８号公報JP 2005-536318 A

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.

本発明の第１の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly the structure of the knee joint which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図１に示した膝継手の伸展トルクの発生状態を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the generation | occurrence | production state of the extension torque of the knee joint shown in FIG. 図１に示した膝継手の入力シリンダの配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the input cylinder of the knee joint shown in FIG. 図１に示した膝継手の油圧回路の構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structure of the hydraulic circuit of the knee joint shown in FIG. 本発明の第２の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly the structure of the knee joint which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図５に示した膝継手の入力シリンダ側の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement by the side of the input cylinder of the knee joint shown in FIG. 図５に示した膝継手の出力シリンダ側の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation | movement by the side of the output cylinder of the knee joint shown in FIG. 図５に示した膝継手のピストン位置復元機構の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the piston position restoring mechanism of the knee joint shown in FIG. 本発明の第３の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly the structure of the knee joint which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly the structure of the knee joint which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図１０に示した膝継手の荷重ブレーキ機構の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the load brake mechanism of the knee joint shown in FIG. 本発明の第５の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。It is a side view which shows roughly the structure of the knee joint which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

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 knee joint 100 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows the angle change of the knee joint portion when an extension torque is generated in the knee joint 100 of FIG. FIG. 3 shows the arrangement of the input cylinder 40 of the knee joint 100 of FIG. FIG. 4 shows a configuration example of the hydraulic circuit 60 of the knee joint 100 shown in FIG.

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 knee joint 100 can rotate a thigh side link 10 fixed to the thigh side, a crus side link 20 fixed to the crus side, and the thigh side link 10 and the crus side link 20. And the input cylinder 40 embedded in the sole position, the output cylinder 50 that generates the extension torque, and the hydraulic circuit 60 that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50.

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 thigh side link 10 is composed of, for example, a belt-like plate member. An upper end portion of the thigh side link 10 is rotatably attached to a thigh side attachment member 12 wound around the thigh via a shaft 11, and a lower end portion is connected to the thigh side link via a shaft 30. 20 is connected. As shown in FIG. 2, the thigh-side link 10 can be rotated within the range of the angle θ by the output of the output cylinder 50. The angle θ is, for example, 13 degrees.

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 crus link 20 is formed of, for example, a belt-like plate member similar to the thigh link 10. The upper end portion of the crus link 10 is connected to the thigh link 10 via a shaft 30, and the lower end portion rotates via a shaft 21 to a crus attachment member 22 wound around the lower leg. It is attached as possible.

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 input cylinder 40 includes a piston 41, a piston rod 42, and a spring 43 that restores the piston position. The input cylinder 40 is embedded in the sole position, for example, the bottom of the shoe S. In this example, three input cylinders 40 are used. As shown in FIG. 3, the three input cylinders 40 are arranged at three locations, the toe portion, the heel portion, and the heel portion, from which the greatest output can be obtained from the pressure distribution of the sole. The tip of the piston rod 42 of the piston 41 is exposed from the bottom of the shoe S by a predetermined length (stroke length). In the present embodiment, the piston diameter and stroke length of the input cylinder 40 are designed based on the results of a normal person's walking analysis. For example, the diameter of the piston 41 at the toe portion is 15 mm, the diameter of the piston 41 at the collar portion is 7.5 mm, and the diameter of the piston 41 at the upper portion of the collar is 4.0 mm. In order to reduce the size, it is desirable that the stroke length of the input cylinder 40 installed at the bottom of the shoe S is as short as possible. Therefore, a plurality of input cylinders 40 may be provided to divide a necessary stroke length. For example, the number of pistons at the toe may be 2, the number of pistons at the heel may be 4, and the number of pistons at the top of the heel may be 1. The stroke length of each piston was 3.6 mm. It should be noted that the piston position can be restored by the force of the spring 43 by reducing the pressure of the hydraulic circuit 60 during the swing phase.

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 output cylinder 50 includes a piston 51, a piston rod 52, a support member 53, and a spring 54. The output cylinder 50 is disposed between the thigh side link 10 and the crus side link 20. That is, the output end of the piston rod 52 is connected to the upper end portion of the thigh-side link 10 via the shaft 11. One end of the support member 53 is fixed to the bottom of the output cylinder 50, and the other end is connected to the lower end of the crus link 20 via the shaft 21. In order to obtain an amplified output, the cross-sectional area ratio between the input cylinder 40 and the output cylinder 50 is set to, for example, 1: 2.4. A spring 54 for restoring the piston position is provided inside the output cylinder 50.

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 hydraulic circuit 60 is a closed circuit that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50, and as shown in FIG. 4, an electromagnetic valve 61, a check valve, 62 and 63 and reserve tanks 64 and 65 are incorporated. Note that the configuration of the hydraulic circuit 60 is not limited to this.

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 electromagnetic valve 61. That is, when the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force in the stance phase as shown by an arrow A in FIG. 4, the oil in the input cylinder 40 flows into the output cylinder 50 through the check valve 62. To do. Further, during the swing phase, as indicated by an arrow B in FIG. 4, the oil in the output cylinder 50 flows into the reserve tank 64 via the electromagnetic valve 61. Thereby, the inside of the flow path is decompressed, and the positions of the pistons 41 and 51 are restored by the force of the springs 43 and 54. As a result, the oil flows from the reserve tank 65 into the input cylinder 40 via the check valve 63.

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 piston rod 42 of the input cylinder 40 embedded in the bottom of the shoe S contacts the floor (road surface), the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force. Since the floor reaction force of the input is amplified by reducing the cross-sectional area of the input cylinder 40 and increasing the cross-sectional area of the output cylinder 50, a large output can be generated.

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 input cylinder 40 embedded in the bottom of the shoe S, the output cylinder 50 that generates the extension torque, and the hydraulic circuit 60 that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50. And. During the walking motion, the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force, and this input is transmitted to the output cylinder 50 via the hydraulic circuit 60, and the extension torque (FIG. 1) is applied to the thigh-side link 10 by the force output from the output cylinder 50. Middle arrow direction).

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 input cylinder 40 includes a plurality of input cylinders 40 arranged at the sole position, so that an input by a floor reaction force can be obtained at each position during walking. Further, the necessary stroke length can be divided.

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 input cylinder 40 and the output cylinder 50 are provided with springs 43 and 54 for restoring the piston position, the piston position is restored by the restoring force of the spring, and the continuous movement of the forward and backward movement of the piston is performed. And continuous walking is possible.

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 piston 51 of the output cylinder 50 is formed larger than the diameter of the piston 41 of the input cylinder 40, the force for generating the extension torque can be amplified, and a larger extension torque can be generated. Is possible.

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 side amplification lever 70 of the knee joint 200 of FIG. 7 shows an operating state of the output side amplification lever 80 of the knee joint 200 of FIG. 5, and FIG. 8 shows an operating state of the piston position restoring mechanism 90 of the knee joint 200 of FIG.

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 thigh side link 10 and the thigh side link 20. The input cylinder 40 embedded in the sole position, the output cylinder 50 generating the extension torque, the hydraulic circuit 60A connecting the input cylinder 40 and the output cylinder 50, and the input side amplification lever 70. The output side amplification lever 80 and the piston position restoring mechanism 90 are provided.

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-side link 10, the crus-side link 20, and the shaft 30 have the same configuration as that of the above-described first embodiment. Omitted. Further, the input cylinder 40 and the output cylinder 50 have a cross-sectional area ratio of 1: 1 and one input cylinder 40. Furthermore, the input cylinder 40 and the output cylinder 50 do not have a spring for restoring the piston position.

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 hydraulic circuit 60 </ b> A is a closed circuit including a pipe connecting the input cylinder 40 and the output cylinder 50. In this case, a solenoid valve, check valve, reserve tank, etc. are not required.

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 side amplification lever 70 is a lever mechanism, and is rotatably mounted on the bottom surface of the shoe S via a shaft 71 as shown in FIG. In this example, the lever ratio of the input side amplification lever 70, that is, the ratio of the distance between the fulcrum to the force point and the fulcrum to the action point, that is, L1: L2 is set to 1: 4.24. In addition, the shape and mounting position of the input side amplification lever 70 can be appropriately designed according to the shoe S. By providing the input side amplification lever 70, the extension torque of the thigh side link 10 during walking can be supported by about 40%.

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 side amplification lever 80 is a lever mechanism. As shown in FIG. 7, one end of the output side amplification lever 80 is rotatably mounted on the upper portion of the output cylinder 50 via a shaft 81. The other end of the output side amplification lever 80 is connected to the piston position restoring mechanism 90. The lever ratio of the output side amplification lever 80 can be appropriately designed based on the required amplification amount.

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 position restoring mechanism 90 includes a restoring lever 91, a shaft fixing member 92, a connecting member 93, a hinge member 94, and an action member 95. The restoring lever 91 is rotatably mounted on a shaft fixing member 92 provided at the lower portion of the output cylinder 50 via a shaft. The restoring lever 91 can be operated to move the piston 51 to the original position. The connecting member 93 is configured to connect the action point end of the restoring lever 91 and the force point end of the output side amplification lever 80 and transmit the operation of the restoration lever 91 to the output side amplification lever 80. The hinge member 94 is attached to the end of the force point of the restoring lever 91 in a direction perpendicular to the shaft, and is configured to be rotatable outward and not inward. The action member 95 is fixed to the crus link 20 so as to operate together with the crus link 20. The upper end of the action member 95 can operate the restoring lever 91 by contacting the hinge member 94 when the upper end of the action member 95 extends due to the weight and inertia of the lower leg portion during the free leg period.

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 position restoring mechanism 90 during walking will be described with reference to FIG. In the stance phase, as shown in FIG. 8A, the action member 95 and the hinge member 94 do not contact each other. This state is a state after the knee extension torque is generated by the output cylinder 50. Next, in the swing leg period shown in FIG. 8B, the knee is bent, so that the upper end of the action member 95 and the hinge member 94 are brought into contact with each other, and the hinge member 94 is rotated outwardly. Passes while the upper end of is in contact with the hinge member 94. Next, as shown in FIG. 8C, the upper end of the action member 95 comes into contact with the hinge member 94 and the hinge member 94 does not rotate inward because the knee extends due to the weight and inertia of the lower leg. Therefore, the restoring lever 91 is pushed upward. Thereby, the power point end of the output side amplification lever 80 is pulled downward via the connecting member 93, and the position of the piston 51 of the output cylinder 50 is restored. At the same time, the position of the input cylinder 40 is also restored via the hydraulic circuit 60A. Then, the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force, and this input is transmitted to the output cylinder 50 via the hydraulic circuit 60A, and the extension torque is generated in the thigh side link 10 by the force output from the output cylinder 50. The state shown in FIG. That is, the stance phase is entered.

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 input cylinder 40 is provided with the input side amplification lever 70 for amplifying the input force (floor reaction force), and the output cylinder has an output. An output side amplifying lever 80 is provided for amplifying the force, and a piston position restoring mechanism 90 is provided for enabling continuous walking. Thereby, the cross-sectional area ratio of the input cylinder 40 and the output cylinder 50 can be 1: 1, and continuous walking can be realized without using a spring for restoring the piston position or a flow path for pressure reduction.

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 position restoring mechanism 90 has a restoring lever 91 for operating the output cylinder 50. When the knee extends during the swing leg period, the output cylinder 50 is compressed by the operation of the restoring lever 91, and the output cylinder 50 and By restoring the piston position of the input cylinder 40, the piston positions of the output cylinder 50 and the input cylinder 40 can be automatically restored during walking.

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 input cylinder 40 is embedded in the bottom of the shoe S has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the input cylinder 40 may be directly attached to the bottom of the artificial leg. In the case of a prosthetic leg, since the lower leg part is made of a rod such as aluminum, the input cylinder 40 may be installed at the ankle part of the prosthetic leg, the middle part of the lower leg, or the knee side end part. When the input cylinder 40 is installed in the middle part of the lower leg or the knee side end part of the lower leg, the flow path of the hydraulic oil is shortened and the loss can be reduced.

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 input cylinder 40 is mounted on the ankle portion of the artificial leg. As shown in FIG. 9, the knee joint 300 is attached to the ankle part, the thigh side link 10 fixed to the thigh side, the shaft 30 that rotatably connects the thigh side link 10 and the crus side rod 20A, and the ankle part. The input cylinder 40, the output cylinder 50 that generates the extension torque, and the hydraulic circuit 60 that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50 are provided. In this case, the lower end of the output cylinder 50 is directly fixed to the rod 20 </ b> A on the crus side via the support member 53. The output cylinder 50 may be directly fixed to the rod 20A on the crus side without using the support member 53.

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 piston 41 of the input cylinder 40 is arranged on the lower leg side of the artificial leg, and the piston rod 42 is arranged on the leg side of the artificial leg. With this configuration, when the foot comes into contact with the floor (road surface), the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force. The same effects as those of the first embodiment described above can be obtained. In this case, it is not necessary to thicken the bottom of the shoe S in order to embed the input cylinder 40.

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 input cylinder 40 is mounted on the upper part of the crus link 20A, near the knee. In this example, a load brake mechanism 70A is provided. FIG. 11 schematically shows the motion state during walking, where FIG. 11A shows the state of the swing phase, FIG. 11B shows the state of the brake operation in the stance phase, c) shows the output state in the stance phase.

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 thigh side link 20A fixed to the thigh side, the thigh side link 10 and the thigh side link 20A. An input cylinder 40 embedded in the sole position, an output cylinder 50 that generates extension torque, a hydraulic circuit 60B that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50, a load brake mechanism 70A, An output side amplification lever 80 and a piston position restoring mechanism 90 are provided. The output side amplification lever 80 may not be provided.

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-side link 10, the crus-side link 20A, the shaft 30, the input cylinder 40, the output cylinder 50, and the hydraulic circuit 60B have substantially the same configuration as that of the above-described third embodiment. Moreover, since the output side amplification lever 80 and the piston position restoring mechanism 90 have the same configuration as that of the second embodiment described above, detailed description thereof is omitted here.

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 load brake mechanism 70A includes a brake lever 70a disposed on the sole, a brake rotor 70b mounted on the crus link 20A, a brake caliper 70c mounted together with the brake rotor 70b, and a brake lever 70a. The brake caliper 70c is connected to the wire 70d for transmitting a tensile force.

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 brake lever 70a is embedded in the sole, for example, the bottom of the shoe S. It is rotatably mounted on the bottom surface of the shoe S via the shaft 71A. The wire 70d can be pulled and released by turning the brake lever 70a. When the brake lever 70a is disposed, the timing at which the braking force is generated differs depending on whether the brake lever 70a is disposed closer to the toe or closer to the toe. From the experimental results, when installed on the heel, the timing at which the braking torque is generated is earlier than the knee joint torque. Therefore, the knee is fixed at an unnatural angle, which may hinder walking. On the other hand, when it arrange | positions to a toe, the timing which generate | occur | produces braking torque is later than knee joint torque. Therefore, there is a possibility that the knee will be broken at the moment of grounding. Further, in climbing stairs, the timing at which braking torque is generated is constant no matter where it is placed. From these results, it is preferable to arrange the brake lever 70a near the center of the bottom of the shoe S.

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 brake rotor 70b is a flat plate formed in a fan shape. The brake rotor 70b is attached to the crus link 20A so as to rotate with the knee flexion. The load brake mechanism 70A must operate even when the legs are bent greatly during stairs climbing. Since the braking force must be applied to the brake rotor 70b in the angle range to be supported, the size of the brake rotor 70b is important. From the results of conventional gait analysis, it is clear that when climbing stairs, the knee joint is grounded with a bending angle of 63 degrees (deg). Therefore, in this embodiment, the brake rotor 70b has a sector shape of 100 degrees (deg) so that the load brake mechanism 70A operates at this angle. Moreover, the radius of the brake rotor 70b was set to 75 mm, which is the smallest thing that can be attached. The values of the angle and the radius of the brake rotor 70b are examples, and the present invention is not limited to this.

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 brake caliper 70c is mounted so as not to rotate together with the knee flexion. It has two contact pads facing each other, and when the wire 70d is pulled, the braking force is applied by sandwiching the brake rotor 70b from both sides.

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 wire 70d is a means for transmitting force from the brake lever 70a to the brake caliper 70c and for operating the brake caliper 70c. The wire 70d is inserted through the outer tube and can move freely along the outer tube. Both ends of the outer tube are fixed to the shoe S and the brake caliper 70c, respectively. As a means for operating the brake caliper 70c, a hydraulic type may be used instead of the mechanical type using the wire 70d.

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 wire 70d is pulled by the rotation of the brake lever 70a, the brake caliper 70c is operated, and the braking force is applied to the brake rotor 70b, thereby restricting the rotation of the brake rotor 70b and suppressing the bending of the knee. It is like that.

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 brake lever 70a is gradually pushed during the stance period during walking, the braking force of the brake caliper 70c also changes. At this time, if the braking force becomes small and the knee joint cannot be supported, the knee is bent. Also, when the timing of generating the braking force is too late, sufficient braking force cannot be obtained and the knee is bent. On the other hand, if it is too early, the knee is fixed in an unnatural state and it becomes difficult to walk. Accordingly, the design of the arrangement position and dimensions of the brake lever 70a is important. Based on the relationship between the tensile length of the wire 70d and the braking force, the arrangement position and dimensions of the brake lever 70a are determined. When pulling the wire 70d by the brake lever 70a, if a sufficient braking force cannot be obtained by the brake caliper 70c, knee bending occurs. At this time, in order not to cause the knee to break, a braking torque greater than the knee joint torque during walking is required. From past studies, it has been clarified that a knee joint torque of about 1.5 Nm / kg is generated at the maximum in stairs climbing of healthy subjects. Therefore, the load brake mechanism 70A is designed so as to obtain a braking torque greater than the knee joint torque. For example, when it is assumed that a person with a weight of 60 kg is used, the knee joint torque generated at the knee joint is 90 Nm. Here, since the radius of the brake rotor 70b that gives the braking force by the brake caliper 70c is 75 mm, the required braking force is 1200N. Due to the relationship between the tensile length of the wire 70d and the braking force, the required input is at least 305N. Therefore, it is necessary to pull the wire 70d about 15.6 mm in order not to cause the knee to bend. Note that the torque value, the braking force value, the input value, and the displacement (pulling distance) value of the wire 70d are examples, and the present invention is not limited to this.

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 load brake mechanism 70A during walking will be described with reference to FIG. In the swing phase shown in FIG. 11A, the knee is bent and the brake lever 70a does not contact the ground, so the load brake mechanism 70A does not operate. In the stance period shown in FIG. 11 (b), the brake lever 70a is rotated by receiving a floor reaction force when contacting the ground, and the wire 70d is pulled by the rotation of the brake lever 70a to operate the brake caliper 70c. By applying a braking force to the brake rotor 70b, the rotation of the brake rotor 70b is limited, and the bending of the knee is suppressed. Next, as shown in FIG. 11 (c), when the input cylinder 40 is compressed by the floor reaction force with the brake lever 70 a rotated to the bottom surface, the oil in the input cylinder 40 flows into the output cylinder 50. And an extension torque is generated by the output cylinder 50.

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 load brake mechanism 70A is provided so that the knee is prevented from bending, and then the output cylinder 50 generates an extension torque to support walking. As a result, a certain level of 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. Since the input cylinder 40 is mounted on the upper part of the crus link 20A and close to the knee, the hydraulic circuit 60B can be shortened, the flow loss of the working oil can be reduced, and the extension torque can be generated more efficiently. be able to.

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 input cylinder 40 is mounted at a position close to the knee of the lower leg portion of the artificial leg. It is.

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 thigh side link 10 and the thigh side link 20. , An input cylinder 40 embedded in the sole position, an output cylinder 50 that generates extension torque, a hydraulic circuit 60B that connects the input cylinder 40 and the output cylinder 50, and a floor reaction force transmission mechanism 70B. And an output side amplification lever 80 and a piston position restoring mechanism 90.

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-side link 10, the crus-side link 20, the shaft 30, the input cylinder 40, the output cylinder 50, the output-side amplification lever 80, and the piston position restoring mechanism 90 are the same as those described above. Since the configuration is the same as that of the embodiment, detailed description thereof is omitted here.

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 force transmission mechanism 70B connects the lever 70e disposed on the sole, the compression mechanism 70f attached to the crus link 20, the lever 70e and the compression mechanism 70f, and the floor received by the lever 70e. It is comprised from the wire 70g for transmitting reaction force to the compression mechanism 70f.

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 lever 70e is embedded in the sole part position, for example, the bottom part of the shoe S. It is rotatably mounted on the bottom surface of the shoe S via the shaft 71B. The wire 70g can be pulled and released by the rotation of the lever 70e. In the present embodiment, the lever 70e is disposed close to the heel so that an extension torque is generated at the moment of grounding.

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 compression mechanism 70f includes a first rotation arm 70h, a second rotation arm 70i, and a rotation shaft 70j, and the rotation arm 70h is a piston rod of the input cylinder 40 by a pulling force of the wire 70g. It is comprised so that the front-end | tip of 42 may be pushed. The wire 70g is inserted through the outer tube, and one end is fixed to the lever 70e and the other end is fixed to the compression mechanism 70f. Both ends of the outer tube are fixed to the shoe S and the compression mechanism 70f, respectively.

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 force transmission mechanism 70B is provided, the input cylinder 40 is disposed at a position close to the knee of the crus, and the hydraulic circuit 60B is shortened. Oil flow loss can be reduced, and extension torque can be generated more efficiently.

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 input cylinders 40 are arranged at the three locations on the bottom of the shoe S has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, one input cylinder 40 may be used and disposed at one location on the bottom of the shoe S.

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 side amplification lever 70 is provided in the input cylinder 40 and the output side amplification lever 80 is provided in the output cylinder 50. However, the present invention is not limited to this. For example, an amplification lever may be provided only in either the input cylinder 40 or the output cylinder 50.

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 SYMBOLS 10 Thigh side link 11, 21, 30, 71, 81 Axis 12 Thigh side attachment member 20 Lower leg side link 20A Rod 22 Lower leg side attachment member 40 Input cylinder 41, 51 Piston 42, 52, 52 'Piston rod 43, 54 Spring 50 Output cylinder 53 Support member 60, 60A, 60B Hydraulic circuit 70 Input side amplification lever 70A Load brake mechanism 70B Floor reaction force transmission mechanism 70a Brake lever 70b Brake rotor 70c Brake caliper 70d, 70g Wire 70e Lever 70f Compression mechanism 70h First turn Moving arm 70i Second rotating arm 70j Rotating shaft 80 Output side amplification lever 90 Piston position restoring mechanism 91 Restoring lever 92 Shaft fixing member 93 Connection member 94 Hinge member 95 Working member 100, 200, 300, 400, 5 0 knee joint L leg S shoes

Claims

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、前記大腿側リンクと前記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、
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

前記入力シリンダは、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を特徴とする請求項１に記載の膝継手。 The knee joint according to claim 1, wherein the input cylinder includes a plurality of input cylinders arranged at the sole position.

前記入力シリンダ及び前記出力シリンダには、ピストン位置を復元させるバネが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の膝継手。 The knee joint according to claim 1 or 2, wherein the input cylinder and the output cylinder are provided with a spring for restoring a piston position.

前記出力シリンダのピストン径は、前記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を特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の膝継手。 The knee joint according to any one of claims 1 to 3, wherein a piston diameter of the output cylinder is formed larger than a piston diameter of the input cylinder.

前記入力シリンダには、入力の力を増幅するためのてこ機構が設けられ、前記出力シリンダには、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を特徴とする請求項１に記載の膝継手。 The input cylinder is provided with a lever mechanism for amplifying the input force, and the output cylinder is provided with a lever mechanism for amplifying the output force and a piston position restoring mechanism. The knee joint according to claim 1.

前記ピストン位置復元機構は、前記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、前記レバーの動作により前記出力シリンダが圧縮され、前記出力シリンダ及び前記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を特徴とする請求項５に記載の膝継手。 The piston position restoring mechanism has a lever for operating the piston of the output cylinder to move to the original position, and the output cylinder is compressed by the operation of the lever when the knee extends during the free leg period. The knee joint according to claim 5, wherein the knee joint is configured to restore piston positions of the output cylinder and the input cylinder.

足底部に配置されたブレーキレバーと、前記下腿側リンクに装着されているブレーキローターと、前記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、前記ブレーキレバーと前記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を特徴とする請求項１に記載の膝継手。 A brake lever arranged at the sole, a brake rotor attached to the lower leg link, a brake caliper attached together with the brake rotor, and the brake lever and the brake caliper are connected and pulled. The knee joint according to claim 1, further comprising a load brake mechanism having a wire for transmitting force.

前記入力シリンダは、下腿部位置に配置され、
足底部に配置されたレバーと、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.