JP4232057B2 - 人工足関節機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は新規な人工足関節機構に関する。詳しくは、人体の動作に近い動作をすることが可能であり、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにして軽量化、小型化を図ることができ、ロボット、義足等における人工足関節機構として好適なものを提供する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
人体の足関節の本来の動きは、▲1▼歩行方向に対して直交しほぼ水平方向に延びる軸(以下、「Y軸」という。)の軸回り方向における動き(歩行時に折れ曲る方向の動き)、▲2▼脛骨の長さ方向に延びる軸(以下、「Z軸」という。)の軸回り方向における動き(脛骨に対する足のねじれ方向の動き)、▲3▼歩行方向に延びる軸(以下、「X軸」という。)の軸回り方向における動き(足の裏を内側又は外側に向ける動き)の3つがあり、かかる3つの軸方向における動きの範囲は、▲1▼のY軸回り方向の動きが大きく、他の▲2▼のZ軸回り方向及び▲3▼のX軸回り方向の動きが小さくなるようになっている。
【0003】
そして、従来、歩行を目的とするロボット、義足等に適用される人工足関節機構は、少なくとも上記▲1▼のY軸回り方向の動きを、実現するために、人体における足に相当する足部材と脛骨に相当する脛骨部材とを、軸と軸受とによる回動自在な状態で結合する結合手段が用いられている。尚、人体における足とは、脛骨と腓骨の踝より先の部分をいい、踵(くるぶし)、足底(足の裏)、足背(足の甲)及び足指とから構成される。
【0004】
また、上記かかる3つの軸回り方向への動きを実現するために、上記▲2▼及び▲3▼の軸回り方向の動きはある程度規制した状態で、脛骨部材と足部材とを、自在継手(ユニバーサルジョイント)により結合したものもあった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、歩行動作において、最も大きな衝撃を受けるのは、歩行初期において踵(かかと)部を接地したときであり、かかる状態において、足関節機構を構成する軸及び軸受部材に大きな荷重がかかる。
【0006】
そして、従来のように、足部材と脛骨部材とを軸と軸受部材とにより構成していると、歩行初期における上記衝撃を、軸と軸受とで支えなければならず、これに耐え得る軸と軸受の構造にするには、軸及び軸受の大型化、重量化が避けられなかった。
【0007】
そこで、本発明は上記した欠点を解消し、歩行ロボット、義足として適用することができ、人工足関節機構としての機能、即ち、足首の屈曲動作(Y軸回り方向の動き)を損なうことなく、重力方向の衝撃に強く、耐久性を向上させ、その分、構造をシンプルにすることができ、軽量化、小型化を実現することができる人工足関節機構を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明人工足関節機構は、上記した課題を解決するために、人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲し得るように結合すると共に、上記衝撃吸収機構を人体における踵に相当する部分とし、上記足部材の後端部には左右に適宜離間して2つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させたものである。
【0009】
従って、本発明人工足関節機構にあっては、脛骨部材の下端部に衝撃吸収機構を設け、歩行動作に必要な足首の屈曲動作は、足部材(踵部を除く。)と脛骨部材との屈曲自在な結合により行うようにしたので、歩行動作を不自由なく実現しつつ、かかる屈曲動作を実現するための構造部分(結合構造)には、歩行初期などに生じる大きな衝撃がかからないため、該結合構造をシンプルすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。即ち、脛骨部材と衝撃吸収機構との間に、軸と軸受などの回動可能な結合構造がないため、大きな衝撃を受けても損傷するような部材がなく、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにすることができ、人工足関節機構の小型化及び軽量化を図ることができる。
【0010】
また、歩行動作などにおける衝撃は、脛骨部材の下端部に設けた衝撃吸収機構により、そのほとんどを吸収することができ、脛骨部材より上側に存する他の部材などへの影響を少なくすることができる。そして、足部材の後端部に左右に適宜離間して2つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とを凹凸係合により結合するようにしたので、構造が簡単であって、人体の動きに近い動作を実現することができる。また、人体における前脛骨筋、後脛骨筋、下腿筋等と同様な人工筋肉機構を配設しやすい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明人工足関節機構の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【0012】
図1乃至図6は本発明人工足関節機構の基本的構成を示すものである。
【0013】
人工足関節機構1は、人体における脛骨に相当する脛骨部材2と、人体における足であって踵を除く部分に相当する足部材3と、上記脛骨部材2の下端に取着された衝撃吸収機構4とを有し、上記脛骨部材2と足部材3とは、歩行方向に屈曲する方向、即ち、歩行時に足首が折れ曲る方向(Y軸回り方向)に屈曲するように結合手段5により結合されている(図1参照)。
【0014】
脛骨部材2は、人体における脛骨と同じ形状である必要はなく、また、脛骨のうちその少なくとも下端部に相当する部分であれば良い。これは、本発明人工足関節機構1を歩行ロボットに適用するか或いは人体の義足の一部として適用するかにより異なる。
【0015】
脛骨部材2は、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成することが好ましい。
【0016】
足部材3は、少なくとも、人体における足底(足の裏)、足背(足の甲)に相当するものがあれば良く、足指は必須の構成ではない。要は、立脚時に人工足関節機構1よりも上方の荷重(体重)を衝撃吸収機構4と共に支えものであれば良い。
【0017】
尚、図示は省略したが、脛骨部材2と足部材3との間には、両者の屈伸動作を行うための駆動機構(駆動装置)が設けられており、該駆動機構により屈曲状態又は伸展状態の保持、或いは屈曲状態から伸展状態又は伸展状態から屈曲状態への移行動作を行うようになっている。
【0018】
かかる駆動機構は、最終的に脛骨部材2と足部材3とが屈伸動作(回動運動)をし得るものであれば良く、その駆動機構としては、モータ、エアシリンダ、油圧シリンダ等の駆動機構の他、伸縮動作を行う駆動機構(人工靱帯、人工筋肉)、例えば、本出願人による平成10年1月26日の出願(特願平10−12328号)にかかる発明(駆動装置)を適用することができる。
【0019】
衝撃吸収機構4は、単にゴム様の弾力性を有する部材、例えば、ゲルニック、シリコンゴム、フォーム軟質ウレタンなどであっても良いし、後述する第1の実施例及び第2の実施例に示すように弾性部材、例えば、板バネにショックアブソーバを組み付けたものであっても良い。
【0020】
脛骨部材2と足部材3との結合手段5は、歩行時に足首が折れ曲る方向(Y軸回り方向)に、折れ曲るようなものであれば良く、例えば、脛骨部材2にこれを左右に貫通する軸部材6を設け、足部材3には後斜め上方に延びる2つの被支持片7、7を突設して、上記軸部材6により被支持片7、7を回転自在に支持することが考えられる。
【0021】
尚、結合手段5において足部材3から後斜め上方に延びる部材は、上述のような2つの被支持片7、7に限らず、1つの被支持片でも良く、この場合、脛骨部材2にすり割りを設け、該すり割りに被支持片を挾持させて、軸部材により回動自在に支持するようにすると良い。また、後述する第3の実施例のように、足部材3を足部材本体と被支持片とに分け、これら足部材本体と被支持片とを結合手段により結合するようにしても良い。
【0022】
また、脛骨部材2と足部材3とを結合する他の結合手段5としては、後述する第1の実施例及び第2の実施例のように、凹凸係合によるものであっても良い。凹凸係合については、実施例において詳述する。
【0023】
しかして、歩行するときは、先ず最初に、人体における踵、即ち、本発明における衝撃吸収機構4が地面8に接地する(図2参照)。即ち、当該人工足関節機構1の衝撃吸収機構4は人体における踵に相当する。
【0024】
このとき、接地により地面8から受けた衝撃のほとんどは、衝撃吸収機構4により吸収され、また、足部材3は地面8に接地していないため、脛骨部材2と足部材3との結合手段5には、力がかからない。尚、衝撃吸収機構4の接地時には、図示しない駆動機構により脛骨部材2と足部材3とは所定の角度、例えば、ほぼ90度に保たれるように制御されている。
【0025】
衝撃吸収機構4が地面8に接地した後、上記駆動機構により脛骨部材2に対する足部材3の角度が大きく、即ち、鈍角になるようにする(図3参照)。これは、より早期に足部材3を地面8に接地させることにより、体重を受ける面積を広げて上体の安定を図るためである。尚、足部材3の地面8への接地は、脛骨部材3とのなす角度を90度に保っておき、脛骨部材3が地面8に対してほぼ垂直になったときに、為すようにしても良い。
【0026】
また、足部材3が地面8に接地した後は、脛骨部材2が足部材3に対して急激に折れ曲ることがないように、上記駆動機構に適当な駆動力を発揮させておくのが良い。但し、駆動機構のかかる駆動力は歩行動作の妨げにならないように制御することが好ましい。
【0027】
次に、体重を前方に移動すると、脛骨部材3は地面8に対してほぼ垂直になる。この状態では、既に、足部材3は地面8に接地している(図4参照)。
【0028】
そして、図示しない駆動機構は、軸部材6に対して足部材3から加わる足裏反力が加わらないように動作する。そして、さらに体重が前方に移動すると、脛骨部材2と足部材3とは両者のなす角度が鋭角になるように屈曲し、また、衝撃吸収機構4の後部が地面8から離れる(図5参照)。
【0029】
このとき、上記図示しない駆動機構は、軸部材6に対して足部材3から加わる足裏反力が加わらないように、かつ、脛骨部材2と足部材3との屈曲動作に反発するように制御されているため、駆動機構に蹴り出しのエネルギーが蓄積される。そのため、脛骨部材2が足部材3に対して急激に折れ曲ることはない。また、歩行時では、反対側の足にも体重がかかっているため、当該人工足関節機構1の結合手段5の軸部材6には、衝撃吸収機構4が、地面8に接地するときよりも大きな荷重がかからない状態になっている。
【0030】
更に、体重を前方に移動すると、足部材3はその後端部が地面8から浮き上がり、その前端部(爪先)のみが地面8に接触した状態となる。このとき又はその直前に、上記駆動機構をさらに駆動して足部材3の脛骨部材2に対する角度が鈍角になるように、即ち、足首が伸びるようにする。これにより、足部材3により地面8を後方に蹴り出すことができる(図6参照)。
【0031】
【実施例】
以下に、本発明人工足関節機構の詳細を図7乃至図10に示した第1の実施例に従って説明する。
【0032】
人工足関節機構9は、脛骨部材10と、足部材11と、上記脛骨部材10の下端に取着された衝撃吸収機構12とを有し、上記脛骨部材10と足部材11とは、歩行方向に屈曲する方向(Y軸回り方向)、即ち、歩行時に足首が折れ曲る方向に屈伸可能に結合手段13により結合されている。
【0033】
脛骨部材10は、人体における脛骨の下端部に相当するものであり、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成されており、水平断面形状がほぼ矩形に形成されている。
【0034】
足部材11は、人体における足のうち踵を除いた部分に相当するものであり、脛骨部材10と同様に、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成されており、全体としてほぼ扁平な角錐台状に形成され、足の裏の面積の方が足の甲よりも広くなっている。また、足部材11にはその上面後部から適宜左右に離間して後斜め上方に突出する被支持片14、14が一体に設けられている。左右の被支持片14と14との間の間隔は、上記脛骨部材10の左右幅よりもやや大きく形成されている。
【0035】
衝撃吸収機構12は、板バネ材料をほぼJ字状に折り曲げて成る板バネ部材15と、該板バネ部材15の弾性係数を調節するための調節機構16とを有する。
【0036】
板バネ部材15は、前方に開口し相対向する2つの板片15a、15bが水平になる向きで、上記脛骨部材10の背面下部に固着されている。具体的には、板バネ部材15の短い方の板片(以下、「上部板片」という。)15aを脛骨部材10の背面下部に埋設し、また、長い方の板片(以下、「下部板片」という。)15bを脛骨部材10より下側にほぼ水平な状態で位置させ、その前端が脛骨部材10よりも前方に位置するように配置する。尚、後述するように、板バネ部材15の下部板片15bは人体における踵に相当する部分として機能する。
【0037】
調節機構16は、例えば、油圧式のショックアブソーバで、その減衰率を適時調節することができるようになっており、本体部分が脛骨部材10の前面下部に固定され、作用部の先端が上記下部板片15bの脛骨部材10より前方に位置した部分に固着されている。
【0038】
これにより、衝撃吸収機構12の板バネ部材15の下部板片15bが地面17に接地して衝撃がかかると、板バネ部材15が撓むと共に、その衝撃力が調節機構16により吸収され、全体として衝撃吸収機構12にかかった衝撃力を吸収するようになっている。
【0039】
尚、衝撃吸収機構12の板バネ部材15の弾性係数を調節するには、調節機構16内を流れる油の流量を調節すれば良く、例えば、油の流れを制限する小孔の口径を適宜調節するようにすれば良い。
【0040】
脛骨部材10と足部材11との結合手段13は、脛骨部材10の左右側面の下部に形成された凸部18、18と、足部材11の被支持片14、14の後端部に形成された凹部19a、19aとの凹凸係合により構成される。
【0041】
具体的には、脛骨部材10の凸部18、18は、側方から見た形状が円形をしていて、脛骨部材10に一体に形成されており、被支持片14、14の後端部に、内側に「凹」、外側に「凸」の椀状部19、19が一体に形成されていて、該椀状部19、19の内側の凹部19a、19aが上記凹凸係合の凹部になっている。また、該凹部19a、19aは上記凸部18よりも一回り大きく形成されている。
【0042】
そして、被支持片14、14の後端部を脛骨部材10の下部にそれを左右から挟み込むようにして、椀状部19、19の凹部19a、19aを上記凸部18、18に係合する。このとき、凹部19aと凸部18との間に、椀状のポリカーボネート製パット20を介在させる。
【0043】
これにより、足部材11は脛骨部材10に対して、凸部18と凹部19aとの凹凸係合箇所を屈曲中心とし屈伸自在に保持される。
【0044】
また、この第1の実施例にあっては、結合手段13を凹凸係合により構成したことより、上記脛骨部材10と足部材11とが、歩行方向に屈曲する方向(Y軸回り方向)だけでなく、歩行方向に延びる軸の軸回り方向(X軸回り方向)においても動かすことができ、例えば、地面17に凹凸があった場合でも、足部材11のみがその地面17に合わせて傾斜し、脛骨部材10は傾斜することがなく、安定した歩行を実現することができる。
【0045】
しかも、結合手段13には、脛骨部材10の凸部18と被支持片14の凹部19aとの間に、ポリカーボネート製パット20を介在させてあるので、摩擦抵抗が小さく、かつ、耐擦傷性に優れるため、その動きが滑らかで、歩行動作をスムーズに行うことができる。
【0046】
図示は省略したが、当該人工足関節機構9を、人工皮膚等で覆った場合、上記椀状部19、19の外側に突出する外側凸部19b、19bは、外見上、人体における踝となり、見栄えが良好になる。
【0047】
板バネ部材15の上部板片15aの脛骨部材10への埋設部には、圧力センサ21が埋設されており、下部板片15bが接地したときの衝撃を該圧力センサ21により検出するようになっている。具体的には、上部板片15aの上面に圧力センサ21が載置された状態で脛骨部材10に埋設される。
【0048】
そして、圧力センサ21の検出結果は、後述する歩行動作において上記衝撃吸収機構12の調節機構16を制御する情報となる。
【0049】
尚、かかる圧力センサ21は衝撃吸収機構12を介して取り付けられているため、接地時の衝撃が、直接、圧力センサ21に伝わらないが、衝撃吸収機構12により吸収された分を考慮して、上記調節機構16の制御を行う。
【0050】
また、かかる圧力センサ21には、本出願人による平成9年12月8日の出願(特願平9−336808号)にかかる発明(感覚情報取得装置)を適用することができる。
【0051】
また、圧力センサ21に限らず、接地時における衝撃の程度を検出することができるものであれば良く、例えば、速度センサを設けておき、加速度の変化を衝撃の程度として認識するようにしても良い。
【0052】
尚、足部材11の脛骨部材10に対する駆動を行なうための駆動装置については、上記実施の形態の説明におけると同様に省略するが、この実施例の場合は、結合手段13が凸部18と凹部19aとの凹凸係合によるもので、より人体の足関節の構成に近いため、駆動機構も人体における各種靱帯、筋と同様な動きをする人工靱帯、人工筋肉等により構成することが容易であり、また、その方が好ましい。
【0053】
また、この第1の実施例において、結合手段13としての凹凸係合を、脛骨部材10に凸部18を、足部材11に凹部19aを形成したものについて説明したが、脛骨部材10に凹部、足部材11に凸部を設けるようにしても良いことは勿論である。
【0054】
しかして、歩行するときは、先ず最初に、衝撃吸収機構12の板バネ部材15の下部板片15bが地面17に接地する。
【0055】
このとき、接地により地面17から受けた衝撃のほとんどは、衝撃吸収機構12により吸収され、また、足部材11は地面17に接地していないため、脛骨部材10と足部材11との結合手段13には、力がかからず、当該人工足関節機構9が損傷することはない。
【0056】
また、脛骨部材10と足部材11とが結合手段13により、屈曲可能になっているため、上記実施の形態で説明したように、その後の歩行動作を支障なく行うことができる。
【0057】
ところで、衝撃吸収機構12の接地による衝撃力が小さいにもかかわらず、衝撃吸収機構12の弾性係数が大きいと板バネ部材15による跳ね返り力が大きく、当該人工足関節機構9よりも上方の部分(上体)への衝撃が大きくなってしまうという問題がある。また、逆に、上記衝撃力が大きいにもかかわらず、衝撃吸収機構12の弾性係数が小さいと、その衝撃力を吸収することができず、同様に、当該人工足関節機構9よりも上方の部分(上体)への衝撃が大きくなってしまうという問題がある。
【0058】
そのため、衝撃吸収機構12の弾性係数が適正であることは、歩行ロボット、人体に用いた場合の義足などにおいて、重要なことである。
【0059】
尚、上記衝撃力は、当該人工足関節機構9よりも上側の部分の重量(体重)、歩行速度、路面状態などにより相違することが知られており、例えば、体重が重ければ衝撃力は大きく、歩行速度が速ければ衝撃力も大きくなる。また、路面(地面)が土であれば衝撃力は小さく、コンクリートであれば衝撃力は大きくなる。
【0060】
そこで、この実施例にかかる人工足関節機構9にあっては、上記圧力センサ21により得られた検出結果に基づき、衝撃吸収機構12の調節機構16を調節して、上記弾性係数の適正化を図っている。
【0061】
即ち、歩行初期時の第1歩目で受けた衝撃を、圧力センサ21により検出し、その時の衝撃吸収機構12の弾性係数が適正であったか否かを判断し、もし適正でなかった場合には、即時に、衝撃吸収機構12の弾性係数を上記調節機構16により変更する。また、この圧力センサ21による衝撃力の検出及び調節機構16による衝撃吸収機構12の弾性係数の変更は逐次フィードバック制御するようになっている。
【0062】
これにより、歩行動作の第2歩目においては、衝撃吸収機構12の弾性係数が適正な値になっており、上記衝撃力による上体への影響が緩和される。尚、これは、その歩行ロボット等の体重が一定であること、歩行は一定の速度で行われること及び路面状況が頻繁に変化することが少ないこと等が条件であるが、上述のように、圧力センサ21による衝撃力の検出及び調節機構16による衝撃吸収機構12の弾性係数の変更を、逐次、フィードバック制御することにより適正な歩行動作を行うことができる。
【0063】
また、第1歩目と最2歩目との間では、体重が変化することはなく、歩行速度が急変することも少なく、路面状況が急変することも少ないため、第1歩目で受けた衝撃から圧力センサ21で得られた検出結果に基づいて、調節機構16を調節すれば、第2歩目において、その弾性係数が適正値から大きく外れることは少ない。
【0064】
更に別の制御方法として、以下の手段が考えられる。
【0065】
▲1▼ 足部材11の裏面に温度センサを設けておき、温度差により土、コンクリート、アスファルト等の熱吸収率の差異を認識して、これにより、路面が土であるか、コンクリートであるか又はアスファルトであるかを判断し、予め入力しておいたそれぞれの硬度を考慮して、衝撃吸収機構12の弾性係数を決定する。
【0066】
▲2▼ 足部材11の裏面であって、接地時に地面17と所定の間隔が空くように音響反射装置を設けておき、接地面の固有振動数を認識して、これにより、路面の硬度を判断することができ、この硬度を考慮して、衝撃吸収機構12の弾性係数を決定する。
【0067】
▲3▼ 足部材11に電極を設けておき、足部材が水没している場合には、電極の短絡により足部材11が水中にあることを判断することができ、その分、水の粘性抵抗、浮力を考慮して、衝撃吸収機構12の弾性係数を決定する。
【0068】
▲4▼ 歩行経路情報による路面データを調節機構16の制御系に入力して置き、これに基づいて調節機構16を制御する。即ち、歩行経路情報は、予め備えた地図データに路面情報を入力して置き、GPS(Global Positioning System)で自分の位置を確認しつつ、歩行位置の路面状況を判断し、その路面状況に基づき、第1歩目の衝撃吸収機構12の弾性係数を調節機構16により設定するようにする。この制御方法によれば、歩行初期の第1歩目から衝撃吸収機構12の弾性係数を適正値にしておくことができる。
【0069】
尚、これら制御手段を複数組み合わせることにより、衝撃吸収機構12の弾性係数を、より適正値に近づけることができる。
【0070】
図11及び図12は本発明人工足関節機構の第2の実施例を示すものである。
【0071】
この第2の実施例が前記第1の実施例と比較して相違する点は、脛骨部材の下端に取着した衝撃吸収機構が異なる点のみであるので、図面には要部のみを示し、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第1の実施例にかかる人工足関節機構9における同様の部分に付した符号と同じ符号を付すことによりその説明を省略する。
【0072】
第2の実施例にかかる人工足関節機構9Aの衝撃吸収機構22は、球状をした衝撃吸収パット23と、該衝撃吸収パット23の弾性係数を調節するための調節機構24とを有する。
【0073】
衝撃吸収パット23は、その外殻体25が伸縮性のあるゴム又はシリコンで形成され、該外殻体25内に液状シリコン26が封入されている。
【0074】
尚、当該人工足関節機構9Aを、足関節として人体に埋めこむ場合には、液漏れ事故が発生しても人体に影響が少ない生理食塩水やヒアルロン酸ナトリウム等を用いることが好ましい。
【0075】
また、外殻体25を網目状の網目膜で覆うと、外殻体25内の圧力が変化しても外殻体25の外形形状が変らないので、好ましい。
【0076】
調節機構24は、シリンダ27と該シリンダ27内を摺動するピストン28とから成り、シリンダ27の先端は、連結パイプ29を介して上記衝撃吸収パット23の外殻体25に接続されていて、シリンダ27及び連結パイプ29にも液状シリコン26が封入されている。尚、この調節機構24の代わりに、上記第1の実施例において説明した調節機構16を用いても良いことは勿論である。
【0077】
衝撃吸収機構22は、その衝撃吸収パット23が、その外殻体25が脛骨部材10の下端に位置され、調節機構24は脛骨部材10の背面下部に取着されている。
【0078】
そして、調節機構24のピストン28をシリンダ27に対して摺動させると、シリンダ27、連結パイプ29及び外殻体25の内圧が変化して、衝撃吸収パット23の弾性係数が変化するようになっている。
【0079】
しかして、この第2の実施例にかかる人工足関節機構9Aにあっては、上記第1の実施例にかかる人工足関節機構9と同様に、衝撃吸収機構22の調節機構23により、衝撃吸収パット23の弾性係数を変えることにより、歩行時に受ける衝撃力を適正に吸収することができる。
【0080】
図13は本発明人工足関節機構の第3の実施例を示すものである。
【0081】
この第3の実施例が前記第1の実施例と比較して相違する点は、脛骨部材と足部材との結合手段が異なる点、足部材が別体に足部材本体と被支持片とによって構成されている点及び衝撃吸収機構が異なるのみであるので、図面には要部のみを示し、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第1の実施例にかかる人工足関節機構9における同様の部分に付した符号と同じ符号を付すことによりその説明を省略する。
【0082】
第3の実施例にかかる人工足関節機構9Bの結合手段30は、脛骨部材31と足部材32とを第1の自在継手33を介して結合することにより構成されている。
【0083】
また、足部材32は、人体における足の足底(足の裏)、足背(足の甲)に相当する足部材本体34と該足部材本体34の後部に取着された被支持片35、35とから成り、足部材本体34と被支持片35、35とは第2の自在継手36により結合されている。
【0084】
第1の自在継手33は、2つの軸材が互いに直交するように形成された十字片37の内、一方の軸材が脛骨部材31の下部に左右に貫通するように形成された空間部38の前壁及び後壁に回転自在に支持され、他方の軸材が2つの被支持片35、35の後端部に回転自在に支持されることにより構成されている。
【0085】
これにより、脛骨部材36と2つの被支持片35、35とは、歩行方向に対して直交しほぼ水平方向に延びる軸の軸回り方向(Y軸回り方向)における動き(歩行時に折れ曲る方向の動き)と歩行方向に延びる軸の軸回り方向(X軸回り方向)の動き(足の裏を内側又は外側に向ける動き)とが許容される。
【0086】
また、第2の自在継手36は、第1の自在継手33と同様に、2つの軸材が互いに直交するように形成された十字片39のうち、一方の軸材が足部材本体34の後端部上面に突設され前後に離間した軸支持片40、40に回転自在に支持され、他方の軸材が2つの被支持片35、35の前端部に回転自在に支持されることにより構成されている。
【0087】
これにより、2つの被支持片35、35と足部材本体34とは、Y軸回り方向の動きとX軸回り方向の動きとが許容される。
【0088】
尚、第1の自在継手33及び第2の自在継手36により、脛骨部材31と被支持片35、35との間の結合手段30及び足部材本体34と被支持片35、35との間の結合において、X軸回り方向の動きが許容されるようになっているが、この動きの許容範囲は、比較的狭く設定されている。
【0089】
この第3の実施例にかかる人工足関節機構9Bの衝撃吸収機構41は、上記実施の形態で説明した衝撃吸収機構4と同様に、ゴム様の弾力性を有する部材、例えば、ゲルニック、シリコンゴム、フォーム軟質ウレタンなどで、脛骨部材31の下端に取着されている。
【0090】
しかして、この第3の実施例にかかる人工足関節機構9Bにあっては、X軸回り方向の動きが多少許容されるため、例えば、路面に凹凸などが有り、接地した足部材32の足の裏が水平にならなかったときに、足部材本体34のみが傾斜して、脛骨部材31が左右に傾斜してしまうのを防止することができる。
【0091】
尚、この第3の実施例におけるように、脛骨部材31と被支持片35、35との間の結合手段30及び足部材本体34と被支持片35、35との間の結合の双方を、自在継手33、36により構成することにより、より人体の足関節の動きに近い動きを実現することができるが、一方のみを自在継手で構成しても良い。
【0092】
また、脛骨部材31と被支持片35、35との結合手段30及び/又は被支持片35、35と足部材本体34との結合を、上記自在継手33、36の代わりに、上記第1の実施例及び第2の実施例において説明した結合手段13のような凹凸係合にするようにしても良く、更に、一方の結合を凹凸係合に、他方の結合を自在継手にするようにすることもできる。
【0093】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明人工足関節機構は、人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲する結合手段により結合し、上記足部材の後端部には左右に適宜離間して2つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させたことを特徴とするものである。
【0094】
従って、本発明人工足関節機構にあっては、脛骨部材の下端部に衝撃吸収機構を設け、歩行動作に必要な足首の屈曲動作は、足部材(踵部を除く。)と脛骨部材との屈曲自在な結合により行うようにしたので、歩行動作を不自由なく実現しつつ、かかる屈曲動作を実現するための構造部分(結合構造)には、歩行初期などに生じる大きな衝撃がかからないため、該結合構造をシンプルにすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。
【0095】
即ち、脛骨部材と衝撃吸収機構との間に、軸と軸受などの回動可能な結合構造がないため、大きな衝撃を受けても損傷するような部材がなく、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにすることができ、人工足関節機構の小型化及び軽量化を図ることができる。
【0096】
また、歩行動作などにおける衝撃は、脛骨部材の下端部に設けた衝撃吸収機構により、そのほとんどを吸収することができ、脛骨部材より上側に存する他の部材などへの影響を少なくすることができる。そして、足部材の後端部に左右に適宜離間して2つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とを凹凸係合により結合するようにしたので、構造が簡単であって、人体の動きに近い動作を実現することができる。また、人体における前脛骨筋、後脛骨筋、下腿筋等と同様な人工筋肉機構を配設しやすい。
【0099】
請求項2に記載した発明にあっては、脛骨部材の左右側面に凸部を形成し、被支持片の後端部に、内に凹、外側に凸の椀状部を形成して、該椀状部の凹部と上記脛骨部材の凸部とを係合させるようにしたので、椀状部の外側凸部が人体における踝に相当する部分となり、外形上の見栄えを良くすることができる。
【0100】
請求項3及び請求項4に記載した発明にあっては、衝撃吸収機構を、湾曲した板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成し、板バネの一端を脛骨部材に支持し、他端を自由端として、該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、板バネの自由端側の部分を地面との接触部としたので、比較的簡単な構造で、調節機構を適宜調節することにより、板バネの弾性係数を適宜変更することができ、当該人工足関節機構よりも上側の部分の重量や路面の状況などに適応させることができる。
【0101】
請求項5及び請求項6に記載した発明にあっては、衝撃吸収機構を、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成したので、比較的簡単な構造で、調節機構を適宜調節することにより、衝撃吸収機構の弾性係数を適宜変更することができ、当該人工足関節機構よりも上側の部分の重量や路面の状況などに適応させることができる。
【0103】
尚、上記した実施の形態及び各実施例において示した各部の形状乃至構造は、何れも本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図2乃至図6と共に、本発明に係る人工足関節機構の基本構成を概念的に示すものであり、本図は斜視図である。
【図2】図3乃至図6と共に、本発明に係る人工足関節機構による歩行動作を順に説明するための側面図であり、本図は歩行初期において、踵が接地した上体を示す。
【図3】図2の状態から、足部材を接地させた状態を示す。
【図4】図3の状態から、脛骨部材を地面に直角にした状態を示す。
【図5】図4の状態から、人工足関節機構を屈曲した状態を示す。
【図6】図5の状態から、踵を上げた状態を示す。
【図7】図8乃至図10と共に、本発明に係る人工足関節機構の第1の実施例を示すものであり、本図は前方から見た斜視図である。
【図8】脛骨部材と足部材とを前後に分離して示す分解斜視図である。
【図9】側面図である。
【図10】図9におけるX−X線に沿う断面図である。
【図11】図12と共に、本発明に係る人工足関節機構の第2の実施例を示すものであり、本図は前方から見た斜視図である。
【図12】垂直縦断面図である。
【図13】本発明に係る人工足関節機構の第3の実施例を示すものであり、前方から見た斜視図である。
【符号の説明】
1…人工足関節機構、2…脛骨部材、3…足部材、4…衝撃吸収機構、5…結合手段、9…人工足関節機構、10…脛骨部材、11…足部材、12…衝撃吸収機構、13…結合手段、14…被支持片、15…板バネ、16…調節機構、17…地面、18…凸部、19a…凹部、21…圧力センサ、9A…人工足関節機構、22…衝撃吸収機構、23…衝撃吸収パット、24…調節機構、25…外殻体(球状殻体)、26…液状シリコン(液状体)、9B…人工足関節機構、30…結合手段、31…脛骨部材、32…足部材、35…被支持片、41…衝撃吸収機構
Claims (6)
- 人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、
上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲する結合手段により結合し、
上記足部材の後端部には左右に適宜離間して2つの被支持片が形成され、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、
各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させた
ことを特徴とする人工足関節機構。 - 請求項1に記載の人工足関節機構において、
脛骨部材の左右側面に凸部を形成し、
被支持片の後端部に、内に凹、外側に凸の椀状部を形成し、
該椀状部の凹部と上記脛骨部材の凸部とを係合させた
ことを特徴とする人工足関節機構。 - 請求項1に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、湾曲された板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成され、
板バネの一端が脛骨部材に支持され、他端が自由端とされており、
該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、
板バネの自由端側の部分を地面との接触部とした
ことを特徴とする人工足関節機構。 - 請求項2に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、湾曲された板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成され、
板バネの一端が脛骨部材に支持され、他端が自由端とされており、
該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、
板バネの自由端側の部分を地面との接触部とした
ことを特徴とする人工足関節機構。 - 請求項1に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成された、
ことを特徴とする人工足関節機構。 - 請求項2に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成された、
ことを特徴とする人工足関節機構。
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