JP3957959B2 - 義肢の膝関節構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、義肢の膝関節に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の義肢の膝関節には単軸のものがある。単軸のものは構造は簡単であるが、踵が地面に触れ踵荷重が義肢に掛かった瞬間に膝折れしないようにするため、単軸を脚の後方に設定しなければならず、義肢の動作が不自然になる。このため、膝関節構造として、４節リンク機構を採用したものが多く用いられている。４節リンク機構では、遊脚相の時の仮想中心軸をリンク機構の上方に設定できるため制御性に優れる。図を参照し説明する。
【０００３】
図１は従来の４節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。膝関節は４本のリンク１０１，１０２，１０３，１０４からなるリンク機構で構成される。上部リンク１０１は義肢の腿支持部１１０に固定される。下部リンク１０３は義肢の足部１１１に連結される。上部リンク１０１には、上部リンク１０１と前部リンク１０２とのなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止するストッパー１０５が設けられている。ストッパー１０５は膝の伸展止めである。遊脚相の時には、前部リンク１０２の延長線と後部リンク１０４の延長線の交点が仮想回転中心軸Ｐ１０１である。図１の例では、仮想回転中心軸Ｐ１０１の初期位置はリンク機構のはるか高くかつ後方に位置するようにリンク機構が構成されている。
【０００４】
このため、遊脚相から立脚相に移行する瞬間すなわち足部１１１が地面ＧＬに接触した瞬間の、踵着地時の荷重の作用線Ｆ１０１，Ｆ１０２は仮想回転中心軸Ｐ１０１の前方に延び後方に来ることが無いので踵着地時に膝折れすることが無く安定である。作用線Ｆ１０１は義肢を装着する断端者の股関節の伸筋が強い場合を示し、作用線Ｆ１０２は股関節の伸筋が弱い場合を示している。次に歩行が進み、つま先が地面ＧＬから離れるつま先離れ時の荷重の作用線をＦ１０３，Ｆ１０４に示す。作用線Ｆ１０３は断端者の股関節の屈筋が強い場合を示し、作用線Ｆ１０４は股関節の屈筋が弱い場合を示している。屈筋が強い場合の作用線Ｆ１０３は仮想回転中心軸Ｐ１０１の後方を通るので、つま先離れの際に膝折れが生じスムーズな歩行ができる。しかし、屈筋が弱い場合には作用線Ｆ１０４が仮想回転中心軸Ｐ１０１の前方を通るので膝折れができず、スムーズなつま先離れができない。
【０００５】
一方、図２に示すように、仮想回転中心軸Ｐ１０２が比較的前方に位置するように構成した４節リンク機構では、つま先離れの際に、屈筋が強い場合の作用線Ｆ１０３も屈筋が弱い場合の作用線Ｆ１０４も共に仮想回転中心軸Ｐ１０２の後方を通過するので膝折れが生じスムーズなつま先離れをすることができる。しかしながら、踵が着地する際には、伸筋が強い場合には作用線Ｆ１０１が仮想回転中心軸Ｐ１０２の十分前方を通るので膝折れの心配は無いものの、伸筋が弱い場合には作用線Ｆ１０２が仮想回転中心軸Ｐ１０２の近傍を通るので場合によっては膝折れを生じ、歩行が不安定になることがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、４節リンク機構による膝関節では踵の着地時の膝折れ防止と、つま先離れ時のスムーズな膝折れとが二律背反事項となる。このため、極端に描いた図１と図２の間の中庸的なリンク機構を、義肢を装着する断端者の筋力に応じて設計したり、あるいは、断端者が、提供された義肢のリンク機構の特性に応じた踵の着地時の伸筋の使い方や、つま先離れ時の屈筋の使い方を訓練して収得する必要があった。
【０００７】
上記の二律背反事項を緩和するものとして、米国特許ＵＳＰ５，１８１，９３１には４節リンクの一つのリンクの長さを荷重により収縮させるようにしたものが提案されている。しかし、この装置ではリンクの長さを収縮伸長させるための摺動部が必要になり、可動部が節となる軸だけの純粋のリンク機構に比べて機構が複雑になりコストや耐久性で問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、機構が簡単な純粋のリンク機構を用いて、踵を着地するときの安定性に優れ、踵着地時の衝撃を吸収でき、つま先離れ時にスムーズに膝折れし、歩行時の歩容が良く、幅広い筋力の断端者が特別の訓練を要することなく使用できる義肢の膝関節構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、図３を参照し、５節リンク機構を有する義肢の膝関節構造であって、義肢の腿支持部１０が固定される上部リンク１と、義肢の足部１１が連結される下部リンク４と、上部リンク１と下部リンク４とを連結する後部リンク５と、上部リンク１の前方に連結される主前部リンク２と、主前部リンク２と下部リンク４とを連結する副前部リンク３との５節からなるリンクを有し、
前記上部リンク１と主前部リンク２のなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第１のストッパー６と、前記副前部リンク３と下部リンク４のなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第２のストッパー７と、前記副前部リンク３と下部リンク４との間に挟挿され両リンク３、４のなす角度を前記第２のストッパー７で阻止されるまで広げるように作用する弾性体８と、を備え、前記弾性体８は、遊脚相から立脚相に移行するかかと接地の際の荷重で充分に圧縮され、それより弱い荷重では徐々に伸展する弾性を有し、
前記主前部リンク２の延長線と後部リンク５の延長線との交点である第１の交点Ｐ１０が、遊脚相の際に各リンク１〜５の上方であって、遊脚相から立脚相に移行するかかと接地の際の床反力線より後方に位置し、前記副前部リンク３の延長線と後部リンク５の延長線との交点である第２の交点Ｐ２０が、各リンク１〜５の下方であって、遊脚相から立脚相に移行する際のかかと接地の際の床反力線より前方で、立脚相から遊脚相に移行する際のつま先接地の際の床反力線より後方に位置するように、各リンク１〜５の長さが設定されていることを特徴とする。
ここで、弾性体８としては、ゴムであってもバネであってもよく、両リンク３，４のなす角度を広げるような作用をするための手段のすべてをいう。また、符号２１〜２５で示すのは各リンク１〜５を回転自在に連結する軸である。
【００１０】
【作用】
このように形成すると、図３に示す遊脚相では、副前部リンク３と下部リンク４とが弾性体８により押し広げられ第２のストッパー７に押し当てられた状態となり、副前部リンク３と下部リンク４とは一体として動作する。このため、リンク機構はあたかも４節リンクの如き動作をする。膝は第１の交点Ｐ１０を仮想回転中心軸として揺動自在である。膝の伸展位置は第１のストッパー６により規制される。膝を曲げていくと仮想回転中心軸は第１の交点Ｐ１０から一点鎖線に沿って移動する。膝を折り曲げて正座のように膝関節を曲げるときは、リンク機構は二点鎖線で示すように変形し、仮想回転中心軸は一点鎖線に沿って移動し、交点Ｐ１１に至る。ここまでの動作は従来の４節リンクの膝関節構造と同じである。
【００１１】
次に、図４を参照し、遊脚相から立脚相に移り足部１１の踵が地面ＧＬに着地した瞬間の作動について説明する。踵が地面ＧＬに着地し体重が掛かると、その荷重の作用線は義肢を装着する断端者の股関節の伸筋の強弱に応じて、作用線Ｆ１または作用線Ｆ２のようになる。ここで作用線Ｆ１，Ｆ２は何れも第２の交点Ｐ２０の後方を通る。このため、弾性体８の弾性力に抗して副前部リンク３と下部リンク４のなす角度を小さくするような力が下部リンク４に掛かり、弾性体８が押圧圧縮されて副前部リンク３と下部リンク４のなす角度が小さくなり副前部リンク３が第２のストッパー７から離れる。この結果、軸２２と軸２４との間隔が小さくなり主前部リンク２と後部リンク５のなす角度が図３に示す遊脚相の場合に比べて小さくなる。このため、主前部リンク２の延長線と後部リンク５の延長線との交点である膝関節の仮想回転中心軸は、図３に示す交点Ｐ１０から図４に示す交点Ｐ１２に移動する。
【００１２】
図４に示すように、仮想回転中心軸がリンク機構のはるか上方かつ後方の交点Ｐ１２に移動するため、断端者の股関節の伸筋が強い場合も弱い場合もその作用線Ｆ１，Ｆ２は仮想回転中心軸である交点Ｐ１２のはるか前方を通るから、踵の着地時に膝折れすることがない。すなわち、筋力の強い断端者も弱い断端者も遊脚相から立脚相に移る踵着地の際に膝折れのない安定した着地をすることができる。さらに、踵着地の際に弾性体８が押圧圧縮されるからクッションの作用をし、踵着地時に断端者に与える衝撃を緩和することができる。さらに加えて、踵着地時に膝が軸２３を中心に僅かに曲がることになるから、健常者の踵着地時と似た動きとなり、歩容が向上する。
【００１３】
踵着地の状態から立脚相での歩行が進むと、体重の荷重による作用線は足部１１の踵からつま先に向けて移動する。図５はそのような途中におけるリンク機構の作用を説明するダイヤグラム図である。荷重による作用線Ｆ３は、始点が足部１１の中央付近まで進み、第２の交点Ｐ２０の後方の近傍を通過して上方に伸びている。作用線Ｆ３が第２の交点Ｐ２０の近傍を通過しているため、作用線Ｆ３に沿った力の分力のうち弾性体８を押圧圧縮する力成分が減少する。このため、弾性体８がやや伸び、副前部リンク３と下部リンク４との角度がやや広がった状態になる。しかし、第２のストッパー７が副前部リンク３に当接するには至らない。このため、軸２２と軸２４との間隔がやや広がり、主前部リンク２の延長線と後部リンク５の延長線との交点Ｐ１３に膝関節の仮想回転中心軸が移動する。すなわち、踵着地により図３に示す交点Ｐ１０の位置から図４に示す交点Ｐ１２に移動した仮想回転中心軸は、歩行の進行に従って徐々に再び交点Ｐ１０の位置に向かって戻ってくることになる。
【００１４】
さらに歩行が進み、荷重の作用線Ｆ３が第２の交点Ｐ２０の前方に出るようになると、作用線Ｆ３に沿った力の分力のうち弾性体８を押圧圧縮する力成分が無くなる。このため、弾性体８が伸長し、副前部リンク３と下部リンク４との角度がいっぱい広がって第２のストッパー７が副前部リンク３に当接し両リンク３，４の角度が広がるのを阻止するようになる。荷重の作用線Ｆ３が第２の交点Ｐ２０の前方に出るようになると、作用線Ｆ３に沿った力の分力は両リンク３，４を開くように作用する。従って、第２の交点Ｐ２０は、足部１１からの荷重が踵からの荷重か、つま先からの荷重かを識別するところの「鍵となる仮想中心軸」と考えることができる。荷重の作用線Ｆ３が「鍵となる仮想中心軸」である第２の交点Ｐ２０より後方にあるときは、荷重は踵荷重であると識別され弾性体８が圧縮され膝関節の仮想回転中心軸はリンクからはるかに上方かつ後方にある交点Ｐ１２の近くに位置する。一方、荷重の作用線Ｆ３が「鍵となる仮想中心軸」である第２の交点Ｐ２０より前方にあるときは、荷重はつま先荷重であると識別され第２のストッパー７が働いた状態となり、膝関節の仮想回転中心軸はリンクから近い第１の交点Ｐ１０となる。
【００１５】
図６はつま先荷重におけるリンク機構の作用を説明するダイヤグラム図である。義肢を装着する断端者の股関節の屈筋が強い場合の荷重の作用線Ｆ５も、屈筋が弱い場合の荷重の作用線Ｆ６も、共に、「鍵となる仮想中心軸」である第２の交点Ｐ２０より前方にある。このため、荷重はつま先荷重であると識別され、副前部リンク３と下部リンク４との角度が開いて第２のストッパー７が働いた状態となり、膝関節の仮想回転中心軸はリンクから近い第１の交点Ｐ１０となる。そして、いずれの作用線Ｆ５，Ｆ６も仮想回転中心軸である第１の交点Ｐ１０より後方を通っているので、第１の交点Ｐ１０を中心として膝折れを開始し、スムーズなつま先離れが生ずる。
【００１６】
つまり、本発明の構成によれば、各リンク１〜５の長さを適切に設計することにより、踵荷重時の膝関節の仮想回転中心軸すなわち交点Ｐ１２を十分に高くかつ後方の位置に設定することができるので、義肢を装着する断端者の筋力の強弱にかかわらず膝折れしない安定した踵の着地ができ、遊脚相から立脚相への移行が安定して行える。また、つま先荷重時の膝関節の仮想回転中心軸すなわち第１の交点Ｐ１０をリンク機構の近くに設定することができるので、つま先荷重時の荷重の作用線Ｆ５，Ｆ６が第１の交点Ｐ１０の後方を通るようにすることができ、筋力の強弱にかかわらず、つま先荷重時の膝折れをスムーズに行うことができ、立脚相から遊脚相への移行が滑らかになる。しかも、踵荷重とつま先荷重との識別を行う鍵となる軸をリンク機構の下に位置する仮想中心軸である第２の交点Ｐ２０としているので、第２の交点Ｐ２０の位置を適切に設定することにより、筋力の強弱にかかわらず踵荷重とつま先荷重との識別を的確に行うことができる。このため、一つの膝関節構造を幅広い筋力の断端者が特別の訓練を要することなく使用できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、（１）機構が簡単な純粋のリンク機構を用いているのでコストが安く耐久性がある、（２）踵を着地するときの安定性に優れている、（３）踵着地時の衝撃が弾性体で吸収され断端者への衝撃が小さくなり使いやすい、（４）つま先離れ時にスムーズに膝折れし立脚相から遊脚相への移行がスムーズである、（５）歩行時の歩容が良い、（６）幅広い筋力の断端者が特別の訓練を要することなく使用できる、といった効果を奏する。
【００１８】
【実施例】
図７は本発明に係る膝関節構造を示す斜視図、図８は側面図である。これらの図面では後述する上部リンク１と下部リンク４とを連結するダンパー３１は省略して図示していない。図７はやや後方から見た図である。略円板形状をしたブロック状部材からなる上部リンク１の左右には、略Ｓ字形状に湾曲した２枚の板状部材からなる主前部リンク２，２が軸２１により回転自在に連結されている。主前部リンク２，２の下方には一枚の板状ブロックからなる副前部リンク３が配設され、軸２２により主前部リンク２，２と副前部リンク３が回転自在に連結されている。副前部リンク３は軸２３により略円板ブロック形状をした下部リンク４に連結されている。下部リンク４と上部リンク１との後方は、略く字形状に湾曲した２枚の板状部材からなる後部リンク５，５により連結されている。すなわち、後部リンク５，５の下部は軸２４により下部リンク４に連結される。後部リンク５，５の上部は上部リンク１の後方に延出するアーム部１Ｂ，１Ｂに軸２５，２５により連結される。そして、図８に示すように、軸２１，２２，２３，２４，２５により５節のリンク機構を構成している。副前部リンク３と下部リンク４との間には円柱状のゴムからなる弾性体８が挟挿され、副前部リンク３と下部リンク４とのなす角度が開くように付勢している。
【００１９】
図９および図１０はこの膝関節構造を斜め後ろから見た斜視図であり、一部を破断し、右側の主前部リンク２および右側の後部リンク５を省略して描いている。これらの図ではダンパー３１が付け加えられている。ダンパー３１は上部リンク１と下部リンク４との間に連結され、膝を折った時の動作がダンパーピストン３２の働きにより異常に速くならないように抑制する作用をする。図９は遊脚相である図３の状態にある膝関節構造を示している。この状態では円柱状ゴムの弾性体８は伸長しており、副前部リンク３の下辺の一辺と下部リンク４の上辺の一辺が当接しこれ以上副前部リンク３と下部リンク４のなす角度が広がらないようになっている。副前部リンク３の下辺の一辺と下部リンク４の上辺の一辺は第２のストッパー７を構成している。図１０は踵着地時である図４の状態にある膝関節構造を示している。この状態では円柱状ゴムの弾性体８は押し潰されており、副前部リンク３と下部リンク４のなす角度は若干狭まり、副前部リンク３の下辺の一辺と下部リンク４の上辺の一辺は開いて第２のストッパー７は作用していない状態にある。
【００２０】
図１１および図１２はこの膝関節構造に腿支持部１０および足部１１（ここでは図示しない）を取り付けた状態を示す側面図であり、一部を破断し、左側の主前部リンク２および左側の後部リンク５を省略して描いている。上部リンク１には腿支持部１０が固定されている。下部リンク４にはすねの骨格に該当するパイプ１５が固定されている。パイプ１５の先端には図示しない足部１１が連結される。図１１は遊脚相である図３の状態にある膝関節構造を示している。この状態では円柱状ゴムの弾性体８は伸長しており、一点鎖線で示す主前部リンク２と後部リンク５の延長線の交点はリンク機構の比較的近くに位置する。図１２は踵着地時である図４の状態にある膝関節構造を示している。この状態では円柱状ゴムの弾性体８は押し潰されており、一点鎖線で示す主前部リンク２と後部リンク５の延長線の交点はリンク機構のはるか後方かつ高い位置に位置する。
【００２１】
図１３乃至図１７は様々な姿勢における膝関節構造の様子を示す側面図であり、一部を破断し、一部を省略して描いている。図１３は踵が着地した状態での膝関節構造を示す。図１４は遊脚相で膝が伸展した状態での膝関節構造を示す。図１５は遊脚相で膝が約６０°折れ曲がった状態を示す。図１６は遊脚相で膝が約９０°折れ曲がった状態を示す。図１７は遊脚相で膝が約１６０°折れ曲がった正座に近い状態を示す。このように膝を折り曲げる際には、軸２１，２２を結ぶ直線と軸２４，２５を結ぶ直線との交点で決まる仮想回転中心軸をリンク機構の近くあるいは内部に持ってきて小さく折り畳むことができる。
【００２２】
図１８は主前部リンク２の前方への伸展を阻止する第１のストッパー６と、副前部リンク３の前方への伸展を阻止する第２のストッパー７との構造を説明する膝関節構造の側面図である。第１のストッパー６は、上部リンク１の凸部の面１Ａと主前部リンク２上方の破線で示す面２Ａとにより構成される。主前部リンク２が軸２１を回転中心として図面右回転方向つまり膝を伸展させる方向に回転しようとすると、主前部リンク２の面２Ａが上部リンク１の面１Ａに当接し阻止される。上部リンク１と主前部リンク２のなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第１のストッパー６である。第２のストッパー７は、副前部リンク３の下辺の面３Ａと下部リンク４の上辺の面４Ａとにより構成される。副前部リンク３が軸２３を回転中心として図面左回転方向つまり副前部リンク３を前方に伸展させる方向に回転しようとすると、副前部リンク３の面３Ａが下部リンク４の面４Ａに当接し阻止される。副前部リンク３と下部リンク４のなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第２のストッパー７である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来図であり、４節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。
【図２】従来図であり、他の４節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。
【図３】本発明に係り、５節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図であり、遊脚相の場合を示す。
【図４】踵の着地時における５節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。
【図５】立脚相の途中における５節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。
【図６】つま先離れ時における５節リンク機構を用いた膝関節のダイヤグラム図である。
【図７】実施例に係り、斜め後ろから見た膝関節構造の斜視図である。
【図８】膝関節構造の側面図である。
【図９】遊脚相における膝関節構造の斜視図である。
【図１０】踵の着地時における膝関節構造の斜視図である。
【図１１】遊脚相における腿支持部を装着した膝関節構造の側面図である。
【図１２】踵の着地時における腿支持部を装着した膝関節構造の側面図である。
【図１３】踵の着地時における膝関節構造の側面図である。
【図１４】遊脚相で膝が伸展した状態における膝関節構造の側面図である。
【図１５】遊脚相で膝が約６０°折れ曲がった状態における膝関節構造の側面図である。
【図１６】遊脚相で膝が約９０°折れ曲がった状態における膝関節構造の側面図である。
【図１７】遊脚相で膝が約１６０°折れ曲がった状態における膝関節構造の側面図である。
【図１８】第１のストッパーと第２のストッパーの構造を説明する膝関節構造の側面図である。
【符号の説明】
１ 上部リンク
２ 主前部リンク
３ 副前部リンク
４下部リンク
５ 後部リンク
６ 第１のストッパー
７ 第２のストッパー
８ 弾性体
１０ 腿支持部
１１ 足部
２１〜２５ 軸

Claims (1)

1. ５節リンク機構を有する義肢の膝関節構造であって、
   義肢の腿支持部が固定される上部リンクと、義肢の足部が連結される下部リンクと、上部リンクと下部リンクとを連結する後部リンクと、上部リンクの前方に連結される主前部リンクと、主前部リンクと下部リンクとを連結する副前部リンクとの５節からなるリンクを有し、
   前記上部リンクと主前部リンクのなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第１のストッパーと、
   前記副前部リンクと下部リンクのなす角度が所定角度以上に広がらないように阻止する第２のストッパーと、
   前記副前部リンクと下部リンクとの間に挟挿され両リンクのなす角度を前記第２のストッパーで阻止されるまで広げるように作用する弾性体と、を備え、
   前記弾性体は、遊脚相から立脚相に移行するかかと接地の際の荷重で充分に圧縮され、それより弱い荷重では徐々に伸展する弾性を有し、
   前記主前部リンクの延長線と後部リンクの延長線との交点である第１の交点が、遊脚相の際に各リンクの上方であって、遊脚相から立脚相に移行するかかと接地の際の床反力線より後方に位置し、
   前記副前部リンクの延長線と後部リンクの延長線との交点である第２の交点が、各リンクの下方であって、遊脚相から立脚相に移行する際のかかと接地の際の床反力線より前方で、立脚相から遊脚相に移行する際のつま先接地の際の床反力線より後方に位置するように、
   各リンクの長さが設定されていることを特徴とする義肢の膝関節構造。

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