(57)【要約】【課題】ランニング等の脚にプレッシャーを与える運動中における下肢関節の損傷や軟骨等の関節間質の摩損を防ぐと共に、下肢の動きを妨害しない装置を提供する。【解決手段】本下肢関節緩衝装置は支え棒を用い、ももとふくらはぎと足の踵とを固定して関節連接軸で繋がり、全装置を一体化して下肢関節を全て支えられる。関節連接軸の回動に制動をかかると、全装置の支え棒は回転できずに踵固定部からもも支え棒まで椅子の様にももや上半身の重さを支え、下肢関節にかかる力を減軽する。またセンサーを用いて脚の運動状態を検測し、その運動状態によって軸回動の緩衝材である磁性流体（ＭＲＦ）にかかる磁力を調節してＭＲＦの抵抗力を短時間で調節し、前述の連接軸に必要な時点だけ制動をかかる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運動中の下肢関節が受ける衝撃を緩衝する装置であり、下肢支え棒本体にセンサーと電子制御システムと関節回動制御装置を備える。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記下肢支え棒のもも支え棒とふくらはぎ支え棒と踵固定装置とはそれぞれにももとふくらはぎと踵とに固定する。もも支え棒とふくらはぎ支え棒とは膝関節連接軸に、ふくらはぎ支え棒と踵固定装置とは足関節連接軸に連接する。関節連接軸の回動は前記関節回動制御システムによって制御される。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記電子制御システムは前記センサーの測定したデータを基づき、下肢の運動状態を判定する。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、前記電子制御システムは前記下肢の運動状態を基づき、前記関節回動制御装置を通して前記関節連接軸にかかる制動力の強さを調節する。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、前記電子制御システムは関節が衝撃を受けた時点のみに前記関節回動制御装置を通して前記関節連接軸に制動力をかかる。衝撃を受けない状態には前記関節連接軸は自由に回動できる。
【請求項６】
請求項２記載の装置において、前記関節連接軸の回動が制限された状態における前記下肢支え棒は関節以上の体重を支える。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、前記もも支え棒とももとを固定するには衝撃の運動エネルギーを吸収する高反発マットを用いたもも保持部を使用する。
【請求項８】
請求項２記載の装置において、前記関節回動制御システムは内部に磁性流体（ＭＲＦ）を充填する。磁場を加えると瞬時に液体から固体になって必要な制動を連接軸の回動にかける。
【請求項９】
請求項３記載の装置において、前記センサーのうちに、踵と地面との瞬時圧力を連続に記録して前記電子制御システムに送る瞬間圧力感知センサーを含む。
【請求項１０】
請求項９記載の装置において、前記電子制御システムは測定した前記瞬時圧力が設定した値を超える時点より、瞬時圧力が減少し始める時点までの区間を緩衝期と判定する。緩衝期のみに前記関節回動制御装置を通して関節連接軸に必要な制動をかける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明の実施形態は、運動中の下肢関節が受ける衝撃を緩衝するための下肢装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  透明な関節軟骨は正常の骨関節の表面に付着している。この関節軟骨は骨関節の運動における大切な役割を果たしている。この関節軟骨は成年後にほとんど成長しないと分かっている。その内に、下肢の各関節は損傷による退化が最もしやすい。４５歳以上になると、特に女性は体内ホルモンレベルの減少による関節軟骨の退化、萎縮が進める一方で、古い軽度な外部損傷が存在すると、緩慢に関節機能の喪失になっていく。そこで、下肢関節を保護する為に、様々なサポーター類器具が作られた。【０００３】  下肢関節に装着する器具は現在大きく分けて３種類市販されている。一つは膝関節痛緩解用の膝関節用サポーター等、ばねをバンド等でももとふくらはぎとの膝端に固定してばねの弾性で膝関節を支える装置である。もう一つ種類は関節損傷の場合で用いる関節を固定するサポーターで、最後は電機類の人工脚や外骨格装置である。【０００４】  ＭＲＦ（磁性流体）は磁場を付加すると瞬間に液体から固体になる材料である。また、磁力の方向や強さを変えるとＭＲＦの抵抗力も変える。１９６０年代に開発され、近年に自動車の制動や緩衝を含む様々な分野で応用する智能材料である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−０７８５２６号公報
【特許文献２】特開２０１９−０７７０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  現在では、健康な健常者の運動中における下肢関節の慢性的損傷の予防用装置はほとんど存在ない。関節を固定するサポーターや電機類の人工脚や外骨格装置は運動には不向きである。膝関節痛緩解向けの膝関節用サポーターは運動中にも使用できるけれど、短所がある。【０００７】  まず軟質のバンドで関節支えるばねを下肢に固定しても、体重を支えなければ、ほとんどの体重由来の衝撃エネルギーは関節にかかって関節が受ける衝撃エネルギーを削減する効果はほぼない。硬質の支え棒をももとふくらはぎに固定し、関節連接軸にばねを装着してばねの弾性で関節を支えると、支え棒は体重の一部を支えて関節に作用する衝撃エネルギーを削減するが、その衝撃は一部固定部位に伝達する。固定部位にある発力筋肉またはアキレス腱に衝撃がかかって筋肉の発力が阻害される。さらに、ばねで下肢関節を支えるサポーターの構造は簡単だが、下肢が曲がる動きを妨害し、余分の力を使う必要がある。【０００８】  そのために、運動状態によって関節に必要な制動のみがかかる装置と下肢の全ての部位に固定する硬質の下肢支え棒が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本下肢関節緩衝装置は支え棒を用い、ももとふくらはぎと足の踵とに固定して関節連接軸で繋がり、全装置を一体化して下肢関節を全て支えられる。関節を支える為に、センサーを用いて脚の運動状態を検測して電子制御システムによって関節連接軸の回動を制御する。回動制御用の緩衝材である磁性流体（ＭＲＦ）にかかる電磁石の磁性の方向と強さとを制御してＭＲＦを液体と固体と相互に転換し、短い時間（千分の一秒レベル）に必要な抵抗力に変え、運動中における脚の各骨関節を保護するが、脚や膝の正常な行動を妨害しない。【００１０】  また、ふくらはぎ支え棒の主要な固定部位を膝関節と踵とにすると、ふくらはぎの発力筋肉に圧迫力がかからない。さらに、高反発材料マットを含むもも保持部をもも支え棒の固定に使用すると、もも支え棒は運動の衝撃エネルギーを吸収することができる。
【発明の効果】
【００１１】  この様に、本実施形態は下肢の各部位に、より固く固定し、下肢全体だけでなく、上半身の体重も支えて衝撃エネルギーを削減する。また、運動中における下肢関節が受ける衝撃エネルギーは高反発材料マットを含むもも保持部に吸収される。さらに、固定部は発力筋肉に負担を付加しなく、運動中の筋肉の発力を阻害しない。最後に、運動状態に応じる回動を制御し、下肢の自然な動きを制限しない。【００１２】  理論的に、着用後に下肢の動き方によって関節が受ける衝撃エネルギーは本来の約３０％〜８０％まで減少する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の各組成部位と右下肢に着用する様子である。
【図２】本実施形態が下肢に固定する仕組みである。
【図３】ＭＲＦ（磁性流体）制御装置の内部構造である。
【図４】ＭＲＦ（磁性流体）抵抗力変化の制御回路である。
【図５】ＭＲＦ（磁性流体）制御装置の制御原理である。
【図６】着用後の運動中における下肢の応力と歩行周期の実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  本実施形態に係る装置は左脚用と右脚用と鏡面対称であるが、右脚用のみ表示する。図１を参照して主にもも支え棒１とふくらはぎ支え棒４とを膝関節連接軸３とＭＲＦ制御装置５とで連接し、踵固定装置６とふくらはぎ支え棒４とを足関節連接軸７で連接して構成する。瞬間圧力感知センサーは踵固定装置６に内蔵し、内蔵電源を有する電子制御システム２と磁性流体（ＭＲＦ）制御装置５とに接続する。もも支え棒１、ふくらはぎ支え棒４はそれぞれもも、ふくらはぎに固定して支える。
【００１５】  電子制御システム２は、踵固定装置６が踵の地面に踏む瞬間の力を連続に測定して運動状態を検測する。運動状態に応じてＭＲＦ制御装置５にある電磁石１３の磁性の方向と強さとを調整し、軸回動の緩衝材である磁性流体（ＭＲＦ）を必要な抵抗力に変え、もも支え棒１とふくらはぎ支え棒４との回動を制御して下肢関節を支える。
【００１６】  図２の様に、高反発材料マットを含むもも保持部Ｂ１と伸縮性のないナイロン類バンドＢ１’を用い、もも支え棒１をももに固定する。踵固定部Ｂ４とＢ５と、伸縮性のないナイロン類固定バンドＢ４’とＢ５’とを用いて靴を踵固定装置６に固定する。膝サイト固定部Ｂ２と伸縮性のないナイロン類固定バンドＢ３’とふくらはぎマットＢ３とを用いてふくらはぎ支え棒４をふくらはぎに固定する。固定システムのＢ２とＢ４とＢ５とはＢ３のふくらはぎ発力筋肉に対する圧力を分担し、緩衝中に筋肉の発力を阻害しない。全ての固定バンドの長さは調節できる。
【００１７】  ＭＲＦ制御装置５は内部を枠体で密封している。枠体の一面を開い、内部構造は図３で表示する。図３ａを参照して制動軸９は歯を有し、隙間なく軸固定リング１４ａと１４ｂとを通して固定リングに固定する。軸固定リングｂ１４ｂはふくらはぎ支え棒４に固定し、回動はできないが、もも支え棒１に組み立てる軸固定リングａ１４ａは回動ができる。またＭＲＦ制御装置５の枠体はもも支え棒１に固定する。この構造でもも支え棒１とふくらはぎ支え棒４と回転すると、前述枠体はもも支え棒１と連動して回動する。図３ｂと図３ｃとを参照して制動軸９と第一区画部８ａ、８ｂとふくらはぎ支え棒４と互いに固定し、回動はできない。区画部１０はＭＲＦ制御装置５の枠体に固定し、その枠体はもも支え棒１に固定する。ＭＲＦ填充空間１１は第一区画部８ａ、８ｂとＭＲＦ制御装置５の枠体とに囲んで密封される。ＭＲＦ填充空間１１にはＭＲＦが填充されている。このＭＲＦ填充空間１１は第二区画部１０に２つに分けら、互いに密封するが、ＭＲＦは第二区画部１０にある通過孔１２のみを流れ通せる。電磁石１３も通過孔１２付近のＭＲＦ制御装置５の枠体に固定する。ＭＲＦが通過孔１２に流れ通せなければ、第二区画部１０は自由に回転できず、第二区画部１０と連動するもも支え棒１も、ふくらはぎ支え棒４との回転が固定される。本実施形態の電磁石１３と通過孔１２を有する第二区画部１０とはＭＲＦ制御装置５の反対側に設置することもできる。
【００１８】  ＭＲＦ（磁性流体）抵抗力変化の制御回路は図４で表示する。その内に、ＭＲＦ制御装置５は枠体の一面を開い、内部構造を表示する。▲１▼踵固定装置６に内蔵する瞬間圧力感知センサーはデータを収集する。▲２▼電子制御システム２は収集したデータを基づき、電磁石１３の磁性の方向と強さとを調節する。▲３▼電磁石１３の磁力によって貫通孔１２の周りのＭＲＦが固体になる。これでＭＲＦが通過孔１２を流れ通せずに、第二区画部１０は自由に回転できない。これで第二区画部１０と連動するもも支え棒１は、ふくらはぎ支え棒４との回転が固定される。
【００１９】  もも支え棒１とふくらはぎ支え棒４との回転は図５のａとｂとで表示する。その内に、ＭＲＦ制御装置５は枠体の一面を開い、内部構造を示している。図５ａを参照してＭＲＦが通過孔１２に通し流れる時に、もも支え棒１が方向Ｖ１と方向Ｖ２とに回転できる。しかしＭＲＦが通過孔１２に通し流れない時に、図５ｂを参照してもも支え棒１が方向Ｖ１と方向Ｖ２とに回転できなくなる。図５ｃは踵固定装置６の瞬間圧力感知センサーが測定した圧力と時間との関係の１周期を表示する。踵が地面に接触してから圧力が上昇し、頂点に達して踵が地面から離れるまで圧力が減少する。Ｐ０を個人の好みで設置し、電子制御システム２によってＰ０からＰ１までを緩衝期とし、前述関節連接軸を制動する。圧力を連続に測定するために、現時点の圧力が前時点より減少し始めると感知すると、その後の脚を伸ばす動きを妨害しない為に、関節連接軸にかかる制動を解除し、もも支え棒１と、ふくらはぎ支え棒４とは自由に回転できる。
【００２０】  走りや跳躍の応力は図６ａに表示する。ふくらはぎに地面の支持力Ｆ１がかかる。また、上身の重量Ｆ２はももにかかる。Ｆ１とＦ２とが同時に連接軸である膝関節にかかった状態で膝関節が回動すると、膝関節軟骨等に損傷を与える。膝関節と同様にＦ３とＦ４とがふくらはぎ下の足関節にも同時にかかる。着用後に、踵が着地の瞬間にＭＲＦ制御装置５が関節連接軸の回動をロックし、もも支え棒１がももを支え、Ｆ２’を提供する。これで膝関節が曲がる時のかかられた力は減少する。また高反発材料を含むもも保持部Ｂ１の緩衝によって損傷を防止することもできる。さらに、体重の一部が支えられ、ふくらはぎ下の足関節の受けた衝撃力も減少する。図６ｂは着用後の運動状態を表示する。▲１▼踵が地面に踏んでからＭＲＦ制御装置５はロック状態にしてももを支える。その次の▲２▼は方向Ｖ３に行くために、踵が地面に踏んだままＭＲＦ制御装置５のロック状態をすぐに解除し、足を伸ばして走りの動きを完了する。これで走りや跳躍、特に坂を登る場合でも関節を支える一方、必要な動きを妨害しない。
【符号の説明】
【００２１】  １・・・もも支え棒、２・・・電子制御システム、３・・・膝関節連接軸、４・・・ふくらはぎ支え棒、５・・・ＭＲＦ（磁性流体）制御装置、６・・・踵固定装置、７・・・足関節連接軸、８ａ，８ｂ・・・第一区画部、９・・・制動軸、１０・・・第二区画部、１１・・・ＭＲＦ填充空間、１２・・・通過孔、１３・・・電磁石、１４ａ・・・軸固定リングａ、１４ｂ・・・軸固定リングｂ、Ｂ１・・・もも保持部、Ｂ１’，Ｂ３’，Ｂ４’，Ｂ５’・・・バンド、Ｂ２・・・膝サイト固定部、Ｂ３・・・ふくらはぎマット、Ｂ４，Ｂ５・・・踵固定部、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３・・・回転または運動方向、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ２’・・・力【００２２】  図１の示した方位を基準として正方形を通す矢印は当図の目視方向を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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