(57)【要約】【課題】歩行動作の個々の相において、装着者の歩行改善に適した特性の補助を付与することができ、健常者に近い自然な歩行動作を実現する足関節装具を提供することを目的とする。【解決手段】下腿部に装着される下腿部装着体２に対して、足底を載せる足底載置体３を、底屈及び背屈方向に揺動可能に連結した短下肢装具１であって、３相以上からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別し、該判別した相に応じた可変的な抗力を外力による前記揺動に対して付与する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下腿部に装着される下腿部装着体に対して、足底を載せる足底載置体を、底屈及び背屈方向に揺動可能に連結した足関節装具であって、
３相以上からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別し、該判別した相に応じた可変的な抗力を外力による前記揺動に対して付与することを特徴とする足関節装具。
【請求項２】
接地しているか否かを検知して検知信号を発信する少なくとも２つのセンサが、前記足底載置体の底面の踵部及び爪先部にそれぞれ設けられ、
前記少なくとも２つのセンサの検知信号に基づいて、４相からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別することを特徴とする請求項１に記載の足関節装具。
【請求項３】
前記足底載置体と前記下腿部装着体とにそれぞれ接続された連結部材を底屈及び背屈方向に揺動可能に連結した足継手を内部空間に収納する袋体を備え、
前記判別した相に応じて前記袋体の内部空間を負圧にすることにより、前記連結部材を互いに密着させ、密着面に発生する摩擦力を前記抗力とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の足関節装具。
【請求項４】
前記足底載置体の接地面に設けられ、前記袋体の内部空間と連通する内部空間を有し、該内部空間の容積が外力により可変な容積可変体と、
前記袋体の内部空間と前記容積可変体の内部空間との間を流出入する気体の流量を可変的に調整する流量調整弁と、を備え、
前記流量調整弁により、前記袋体の内部空間の圧力を調整することを特徴とする請求項３に記載の足関節装具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下垂足の障害をかかえる患者が歩行動作の際に補助具として用いる足関節装具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中や外傷等による片麻痺患者や要介護認定の高齢者の中には、自らの意思に関わらず足関節が底屈方向に伸び緊張する下垂足の障害をかかえた患者が数多く存在している。この障害をかかえる患者は、歩行動作の際に足先が垂れ下がるために円滑な体重移動を行えず、また爪先が床に引っかかる等により上手く歩行できないことから、常に転倒の危険にさらされながら日常生活を送っている。このような患者が健常歩行に近い歩行動作を行なうために、足関節の動きを制限する補助具として短下肢装具（Ankle-Foot Orthoses：ＡＦＯ）が一般に用いられている。
【０００３】
従来の短下肢装具は、足首をほぼ９０°に曲げた状態に固定するシューホーン型などの装具が主流であった（例えば、特許文献１の図５参照。）。しかしながら、このような短下肢装具を用いた場合、下垂足を阻止することはできるが、足関節を固定してしまい、膝折れ現象などが生じ、不自然でぎこちない歩行動作となる。そこで、最近では、これを改善し、足関節に適切な範囲の自由度を与え、底屈方向や背屈方向の動きを可能とする短下肢装具が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された短下肢装具においては、足底載置体と下腿部装着体とを踝部のピンを介して底屈及び背屈可能に枢着し、足底載置体と下腿部装着体の踵後部との間に圧縮スプリングを設け、圧縮スプリングの弾性復元力によって、足関節の底屈方向の動きを抑制するとともに、背屈方向の動きを補助している。そして、障害の程度や歩行条件等に合わせて、圧縮スプリングの弾性復元力や、該弾性復元力が作用し始める足関節角度を調整することができる。
【０００５】
また、特許文献２に開示された短下肢装具においては、足底載置体と下腿部装着体とを傾動可能に取付け、足底載置体と下腿部装着体との間に可変オイルダンパとコイルバネとを介在させて、背屈方向及び底屈方向の動きに対する矯正力を与えている。この矯正力は、障害の程度や歩行条件等に合わせて調整することができる。
【特許文献１】特開平９−１０３４４３号公報
【特許文献２】特開平９−２０６３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の特許文献１に開示された短下肢装具において、底屈方向の動きを抑制し背屈方向の動きを補助する圧縮スプリングの弾性復元力や該弾性復元力が作用し始める足関節角度は、歩行動作の相に関わらず一定である。また、前記従来の特許文献２に開示された短下肢装具において、背屈方向及び底屈方向の動きに対する矯正力は、歩行動作の相に関わらず一定である。そのため、これらの短下肢装具においては、歩行動作の個々の相において、装着者の歩行改善に適した特性の補助を付与するものではなく、健常者に近い自然な歩行動作を実現することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、歩行動作の個々の相において、装着者の歩行改善に適した特性の補助を付与することができ、健常者に近い自然な歩行動作を実現する足関節装具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当該目的を達成するために、請求項１に記載の足関節装具は、下腿部に装着される下腿部装着体に対して、足底を載せる足底載置体を、底屈及び背屈方向に揺動可能に連結した足関節装具であって、３相以上からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別し、該判別した相に応じた可変的な抗力を外力による前記揺動に対して付与することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の足関節装具は、請求項１に記載の足関節装具において、接地しているか否かを検知して検知信号を発信する少なくとも２つのセンサが、前記足底載置体の底面の踵部及び爪先部にそれぞれ設けられ、前記少なくとも２つのセンサの検知信号に基づいて、４相からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別することを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の足関節装具は、請求項１又は２に記載の足関節装具において、前記足底載置体と前記下腿部装着体とにそれぞれ接続された連結部材を底屈及び背屈方向に揺動可能に連結した足継手を内部空間に収納する袋体を備え、前記判別した相に応じて前記袋体の内部空間を負圧にすることにより、前記連結部材を互いに密着させ、密着面に発生する摩擦力を前記抗力とすることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の足関節装具は、請求項３に記載の足関節装具において、前記足底載置体の接地面に設けられ、前記袋体の内部空間と連通する内部空間を有し、該内部空間の容積が外力により可変な容積可変体と、前記袋体の内部空間と前記容積可変体の内部空間との間を流出入する気体の流量を可変的に調整する流量調整弁と、を備え、前記流量調整弁により、前記袋体の内部空間の圧力を調整することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の足関節装具によれば、３相以上からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別し、該判別した相に応じた可変的な抗力を外力による揺動に対して付与するので、歩行動作の個々の相において、装着者の歩行改善に適した特性の抗力を外力による揺動に対する補助として付与することが可能となるので、健常者に近い自然な歩行動作を実現することができる。
【００１３】
請求項２に記載の足関節装具によれば、足底載置体の踵部及び爪先部にそれぞれ設けられた少なくとも２つのセンサが、接地しているか否かを検知して発信する各検知信号に基づいて、４相からなる歩行動作の相の何れの相にあるかを判別するので、該相の判別を容易に行なうことができる。
【００１４】
請求項３に記載の足関節装具によれば、連結部材の密着面に発生する摩擦力を抗力とするので、判別した相に応じて袋体の内部空間を負圧にすることにより、可変的な抗力を容易に付与することができる。また、付与する抗力は摩擦力という受動的な力であるので、故障等により暴走せず安全を確実に確保できる。
【００１５】
請求項４に記載の足関節装具によれば、流量調整弁により袋体の内部空間の圧力を調整するので、可変的な抗力を容易に付与することができる。また、容積可変体が足底載置体の接地面に設けられているので、外部から動力を与えることなく、当該足関節装具を装着した者の歩行動作により、容積可変体の内部空間の容積を可変させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る足関節装具である短下肢装具１は、図１に示すように、下腿部に装着される下腿部装着体２と、足底を載せる足底載置体３と、下腿部装着体２に対して足底載置体３を底屈方向（足先が垂れ下がる方向）及び背屈方向（足先が持ち上がる方向）に揺動可能に連結する足継手４と、装着者の歩行動作の状態を検知して検知信号を発信するセンサ５と、該検知信号を受けて装着者の歩行動作が何れの相にあるかを判別し、判別した相に応じた制御信号を発信する制御部６と、該制御信号を受信して外力による前記揺動に対して抗力を付与する抗力付与部７と、を備えている。
【００１７】
下腿部装着体２は、下腿部の少なくとも一部を覆うようにして装着者の下腿部に装着される比較的硬質のものであり、足底載置体３は、これに足底を載せた装着者の足部に装着される比較的硬質のものである。
【００１８】
足継手４は、下腿部装着体２に対して足底載置体３を底屈及び背屈方向に揺動可能に連結して装着者の足関節の動きを補助する。足継手４の態様は特に限定されないが、例えば、下腿部装着体２に対して足底載置体３を直接軸支する、下腿部装着体２と足底載置体３との間に介在体を設け、該介在体を揺動可能な２部材からなるものとする、あるいは、前記介在体を軟質なものとすればよい。
【００１９】
センサ５は、装着者の歩行動作の状態を検知して検知信号を発信する。センサ５として、例えば、足底載置体３が接地にしているか否かを検知する接地センサ、足底載置体３の接地圧力を検知する圧力センサ、膝関節や股関節の角度を検知する角度センサ等の何れか、あるいはこれらを組み合わせて用いることができる。
【００２０】
制御部６は、センサ５からの検知信号を受信して装着者の歩行動作が何れの相にあるかを判別し、判別した応じた制御信号を発信する。なお、制御部６は、赤外線等により信号を送受信し、短下肢装具１から別個独立させて装着者が携帯可能なものとしてもよい。
【００２１】
ここで、健常者の歩行動作の相を、図２に基づいて説明する。健常者の歩行動作は、第１相から第４相までの計４相に大きく分けることができる。すなわち、着目する片方の足の踵部が接地（踵接地）してから、除々に体重がかかりながら爪先部が接地する（爪先接地）までの第１相、爪先接地から、当該片方の足のみで体重を支持しつつ他方の足を前に出すに従い踵部が地面から離れる（踵離地）までの足底全面が接地している第２相、踵離地から、除々に体重を他方の足にかけながら、着目する片足が接地しない遊脚期までの第３相、当該片足が地面から浮いた状態で前に出され再び踵部が接地する（踵接地）までの第４相である。そして、この一連の歩行動作が繰り返される。
【００２２】
このように分けられた歩行動作の相によって、センサ５から発信される検知信号は異なる。例えば、図３には、足底載置体３の踵部が接地しているときにのみ検知信号を発信する踵センサ、足底載置体３の爪先部が接地しているときにのみ検知信号を発信する爪先センサ、足底載置体３の踵部の接地圧力を検知信号として発信する踵圧力センサ、足底載置
体３の爪先部の接地圧力を検知信号として発信する爪先圧力センサ、膝関節の角度を検知信号として発信する膝関節角度センサ、股関節の角度を検知信号として発信する股関節角度センサの各検知信号と歩行動作の相との関係が模式的に示されている。図から明らかなように、これらの検知信号によって歩行動作の相を判別することが可能となる。例えば、踵センサと爪先センサをセンサ５として用いることにより、第１相から第４相までの各相を判別することができる。さらに、例えば、踵圧力センサと爪先圧力センサをセンサ５として用いることにより、歩行動作の相を４相以上に分けて細かく判別することができる。そして、制御部６は、判別した歩行動作の相に応じた制御信号を抗力付与部７に発信する。
【００２３】
抗力付与部７は、制御部６から受信した制御信号に応じた抗力を外力による前記揺動に対して付与し、いわば、短下肢装具１の足関節の固さを調整する。抗力付与部７は、下腿部装着体２に対して足底載置体３を底屈及び背屈方向に揺動させる外力に対する抗力を可変的に付与するものであれば、特に限定されない。例えば、抗力付与部７として、特開２００２−１８６６８３号公報に開示されている曲げ運動を拘束する運動拘束具を用いることができる。この運動拘束具は、曲げ変形可能なシートを積層させて袋体に内包し、該袋体の内圧を制御することによって、前記外力に対して抗力を付与するものである。すなわち、袋体の内圧が大気圧と均衡している場合には、各シート間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、外力に対して抗力を付与しない。一方、袋体の内圧を負圧として各シートを密着させると、密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が前記外力に対する抗力となる。袋体の内圧によって摩擦力が変化するので、制御部６からの制御信号に応じて袋体の内圧を制御することによって、前記外力に対して抗力を可変的に付与することができる。
【００２４】
また、抗力付与部７として、ダンパ内の流体をＥＲ（Electro-Rheological）流体又はＭＲ（Magnetro-Rheological）流体としたＥＲダンパやＭＲダンパを用いることができる。ＥＲ流体は電場によって、ＭＲ流体は磁場によってそれぞれ粘性が可逆的に変化するものであり、外部から与える電場や磁場の強度を制御してＥＲ流体やＭＲ流体の粘性を変化させることによってダンパの減衰力を制御することができる。このダンパを下腿部装着体２と足底載置体３との間に取付け、制御部６からの制御信号に応じて電場や磁場の強度を制御することによって、前記外力に対して抗力を可変的に付与させることができる。
【００２５】
また、抗力付与部７として、サーボバルブを組入れ減衰力を制御可能としたサーボ油圧ダンパを用いることができる。このサーボ油圧ダンパを下腿部装着体２と足底載置体３との間に取付け、制御部６からの制御信号に応じてサーボバルブにより流量を制御することによって、前記外力に対して抗力を可変的に付与させることができる。
【００２６】
このように抗力付与部７として前記運動拘束具、ＥＲダンパ、ＭＲダンパやサーボ油圧ダンパを用いた場合、抗力付与部７が付与する抗力は前記外力に応じて発生する受動的な抵抗力である。従って、故障等により暴走した場合であっても安全であるという利点がある。なお、伸縮力が制御可能なサーボアクチュエータ等を用い、抗力付与部７が抗力を能動的（強制的）に発生させてもよく、これにより、外力として所定の保持トルクが作用するまで足継手４を確実に拘束させることが容易になる利点がある。
【００２７】
以下、歩行動作の相に応じて抗力付与部７が付与する抗力について、主に図３に基づいて説明する。
健常者の場合は、踵接地から爪先接地に至る動作を徐々に行っているが、下垂足の障害をかかえた患者の場合、足先が垂れ下がり、うまく行なえない。そこで、踵接地時（第４相終端時）における足先の垂れ下りを防止しつつ、踵部から接地させることができるように、短下肢装具１の足関節の固さを固くすることが好ましい。そこで、足先が垂れ下がろうとする力によって底屈方向に傾こうとする足底載置体３を完全に拘束するために、抗力付与部７は、足継手４の揺動を完全に拘束する抗力を付与する。
【００２８】
次に、踵接地から爪先接地に至るまで（第１相）は、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、踵部から足底全面に渡って滑らかに体重移動させることができるように、踵接地直後から短下肢装具１の足関節の固さを少し柔らかくすることが好ましい。そこで、足先が垂れ下がろうとする力によって底屈方向に傾こうとする足底載置体３に対しての拘束を除々に弱めるために、抗力付与部７は、足継手４を揺動させる外力に対して該外力の大きさとの比率が除々に低下するような抗力を付与する。
【００２９】
次に、爪先接地から踵離地に至るまで（第２相）は、足底載置体３を拘束していると足底全面がうまく接地しないので、装着者の体重を利用し足底全面を接地させることができるように、短下肢装具１の足関節の固さを柔らかくすることが好ましい。そこで、足底載置体３に対する拘束を開放するために、抗力付与部７は、足継手４を揺動させる外力に対して抗力を付与しない。
【００３０】
次に、踵離地から遊脚期に至るまで（第３相）は、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、足底全面から爪先部に渡って滑らかに体重移動させることができるように、踵離地直後から短下肢装具１の足関節の固さを少し固くすることが好ましい。そこで、足先が垂れ下がろうとする力によって底屈方向に傾こうとする足底載置体３に対しての拘束を除々に強
めるために、抗力付与部７は、足継手４を揺動させる外力に対して該外力の大きさとの比率が除々に増加するような抗力を付与する。
【００３１】
次に、踵接地に至る遊脚期（第４相）においては、足先が垂れ下がって地面に接触することを防止するために、短下肢装具１の足関節の固さを固くすることが好ましい。そこで、足先が垂れ下がろうとする力によって底屈方向に傾こうとする足底載置体３を完全に拘束するために、抗力付与部７は、足継手４の揺動を完全に拘束する抗力を付与する。
【００３２】
このように、第１相から第４相までの計４相に大きく分けられた歩行動作の個々の相において、必要とする抗力が異なる。そして、各相に応じた必要な抗力を補助力として付与することにより、装着者の歩行動作を改善させることができる。なお、付与する抗力の制御を、計４相の各相に応じて段階的に、あるいは、第１相と第２相を同じ相とみなす等によって計３相に分けて行なってもよい。これらの場合、制御が容易になるという利点を有している。また、さらに相を細分してきめこまかく、あるいは、リアルタイム的に制御を行なってもよい。これらの場合、歩行動作がより滑らかになり、装着者の歩行動作をさらに改善させることができる。
【００３３】
また、足関節の角度を検知する角度センサ、下腿部装着体２や足底載置体３の加速度を検知する加速度センサ、装着者の肢部の筋力を検知する筋力センサ等のセンサを設け、これらのセンサが発信する検知信号に基づくフィードバックをかけて、制御部６が制御信号を発信してもよい。この場合、装着者の歩行状態をより正確に判別することができ、該判別した歩行状態に適した足関節の角度となるように抗力を付与することが可能となるので、装着者の歩行動作をさらに改善させることができる。
【００３４】
また、制御部６が発信する制御信号に応じて抗力付与部７が抗力を付与するため、該抗力を容易に変更、修正することができる。そのため、前記踵圧力センサや爪先圧力センサからの検知信号に基づいて、あるいは、装着者の不図示の入力手段への入力等により、坂道や階段などの地面状況、装着者の症状や筋力、磨耗による特性劣化等の経時的変化などに適する抗力を付与するように、制御部６が制御信号を発信してもよい。
【００３５】
以下、本発明の実施の形態に係る足関節装具として空気圧受動要素を用いた短下肢装具１０について説明する。この短下肢装具１０は、図４に示すように、装着者Ｍの下腿部に装着される下腿部装着体１１と、装着者Ｍの足底を載せる足底載置体１２と、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２を底屈及び背屈方向に揺動可能に連結する足継手１３と、
該足継手１３を内部空間に収容する袋体１４と、足底載置体１２の接地面に設けられたポンプ（容積可変体）１５と、袋体１４とポンプ１５との間を流出入する空気の流量を調整する流量調整弁１６と、足底載置体１２の底面の踵部に設けられた踵センサ１７と、足底載置体１２の底面の爪先部に設けられた爪先センサ１８と、踵センサ１７及び爪先センサ１８からの検知信号に基づいて歩行動作の相を判別し、判別した相に応じて流量調整弁１６に制御信号を発信する制御ユニット１９と、を備えている。
【００３６】
下腿部装着体１１は、装着者Ｍの下腿部のふくらはぎ部周りを覆うように、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト２０によって装着者Ｍの下腿部に装着される。足底載置体１２は、装着者Ｍの足底を載せることができ、かつ踵部周りを覆うように、足底載置体１２と同様に、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト２１によって装着者Ｍの足部に装着される。
【００３７】
足継手１３は、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２を底屈及び背屈方向に揺動可能に連結する。この足継手１３は、図４、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、下腿部装着体１１の下方側部にボルト２２ａを介して接続される複数の第１接続片１３ａと、足底載置体１２の踝部近傍にボルト２２ｂを介して接続される複数の第２接続片１３ｂと、第１接続片１３ａとボルト２２ａを介して接続される複数の第１連結片１３ｃと、第２接続片１３ｂとボルト２２ｂを介して接続される複数の第２連結片１３ｄと、第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄとを揺動可能に連結するピン１３ｅと、からなるものである。
【００３８】
各第１接続片１３ａ及び第２接続片１３ｂは、合成樹脂等からなる薄厚の矩形のシート状部材であり、その厚さ方向に貫通する貫通孔を２つ備えている。一方、各第１連結片１３ｃ及び第２連結片１３ｄは、合成樹脂等からなる薄厚の半長円形のシート状部材であり、その厚さ方向に貫通する貫通孔を、該半長円形の半円の中心近傍に１つ、該半円から離間して第１接続片１３ａ及び第２接続片１３ｂの貫通孔に対応するよう２つ備えている。
【００３９】
第１接続片１３ａと第１連結片１３ｃとは、これらの厚さ方向に互い違いに位置するように、第１接続片１３ａの２つの貫通孔及びこれに対応する第１連結片１３ｃの２つの貫通孔を介して、ボルト２２ａによって連結されており、該ボルト２２ａは、その端部に形成されたネジ部を、下腿部装着体１１の下方側部に形成されたネジ孔（不図示）に螺合させて、下腿部装着体１１に固定されている。袋体１４の内圧が外部の大気圧と均衡している等所定以下の圧力である（以下、「常圧」という。）場合、ボルト２２ａにより連結された第１接続片１３ａと第１連結片１３ｃは、その間に隙間を有しており、これらの厚さ方向に移動可能となっている。そして、第２接続片１３ｂと第２連結片１３ｄも、第１接続片１３ａや第１連結片１３ｃと同様に、足底載置体１２に固定されたボルト２２ｂによって連結されている。袋体１４の内圧が常圧の場合、ボルト２２ｂにより連結された第２接続片１３ｂと第２連結片１３ｄは、その間に隙間を有しており、これらの厚さ方向に移動可能となっている。
【００４０】
一方、第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄとは、これらの厚さ方向に互い違いに位置するように、第１連結片１３ｃの半円中心近傍の貫通孔及びこれに対応する第２連結片１３ｄの半円中心近傍の貫通孔を介して、ピン１３ｅによって連結されており、該ピン１３ｅの端部に形成されたネジ部にナット１３ｆが螺合されている。袋体１４の内圧が常圧である場合、ピン１３ｅにより連結された第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄは、その間に隙間を有しており、これらの厚さ方向に移動可能となっている。
【００４１】
図５（ｂ）に示すように、袋体１４の内部空間が適量の空気で満たされて、袋体１４の内圧が常圧の場合においては、一定容積の内部空間が維持されて、前記したように、足継手１３を構成する各片１３ａから１３ｄはその厚さ方向に移動可能な状態である。そのため、各片１３ａから１３ｄ間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄとは揺動自在であり、第１接続片１３ａに接続された下腿部装着体１１に対して第２接続片１３ｂに接続された足底載置体１２が底屈及び背屈方向に揺動する動きを拘束しない。
【００４２】
一方、図５（ｃ）に示すように、袋体１４の内部空間にある空気が流出されて、袋体１４の内圧が所定圧以下の負圧となった状態においては、内部空間の容積が収縮されて、足継手１３の隣接する各片１３ａから１３ｄ、すなわち、第１接続片１３ａと第１連結片１３ｃ、第２接続片１３ｂと第２連結片１３ｄ、第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄの外面がそれぞれ密着し、これら密着面に摩擦力が生じ足継手１３の形状が固定され、該摩擦力が第１接続片１３ａに固定された下腿部装着体１１に対して第２接続片１３ｂに固定された足底載置体１２が底屈及び背屈方向に揺動する力に対する抗力となって、動きを拘束する。
【００４３】
前記摩擦力は、それぞれ密着面に作用する法線方向の力（以下、法線力という。）に、密着面の摩擦係数を乗じたものであるから、法線力を制御することにより、該密着面に生じる摩擦力を制御することができる。すなわち、袋体１４の内圧を制御することにより、抗力を任意に変動させることができる。なお、足継手１３を構成する各片１３ａから１３ｄの外面に鋸刃状などの凹凸形状を形成すれば、摩擦係数が大きくなり、抗力が増すので好ましい。
【００４４】
袋体１４は、軟質で内部空間に流出入する空気を透過させない素材からなり、変形容易な中空状のものである。図５（ｂ）に示すように、袋体１４は、足継手１３を囲繞することにより、その内部空間に足継手１３を収納しており、足継手１３を収納した状態でボルト２２ａ、２２ｂによって下腿部装着体１１及び足底載置体１２に固定されている。
【００４５】
ポンプ１５は、図４に示すように、内部空間に流出入する空気を透過させない素材からなり、足底載置体１２の底面である接地面に設けられている。ポンプ１５の内部空間は、その容積が外力により可変なものであり、袋体１４の内部空間と空気が流出入可能なようにチューブ２３を介して連通している。ポンプ１５は、例えば、その底部が平らな板状膜からなり、側部が蛇腹状の膜からなるものである。そして、ポンプ１５は、装着者Ｍの体重を利用した足踏み式のポンプであり、装着者Ｍが歩行する際、足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて密閉された内部空間の容積が圧縮されることにより内圧を高めることができる。なお、ポンプ１５として電動ポンプ等を用いてもよいが、軽量化、小型化の点から足踏み式のポンプが好ましい。
【００４６】
流量調整弁１６は、袋体１４の内部空間とポンプ１５の内部空間との間を流出入する空気の流量を可変的に調整する電磁弁であり、制御ユニット１９からの制御信号に応じて前記流量を調整することができる。
【００４７】
踵センサ１７は、足底載置体１２の底面の踵部に設けられ、当該踵部が接地しているか否かを検知し、接地している場合に検知信号を発信する接触センサや圧力センサ等の周知かつ任意のセンサであり、検知信号は信号線（不図示）を通じて制御ユニット１９に入力される。爪先センサ１８は、足底載置体１２の底面の爪先部に設けられ、当該爪先部が接地しているか否かを検知し、接地している場合に検知信号を発信する接触センサや圧力センサ等の周知かつ任意のセンサであり、検知信号は信号線（不図示）を通じて制御ユニット１９に入力される。
【００４８】
制御ユニット１９は、踵センサ１７及び爪先センサ１８からの各検知信号の受信の有無に基づいて歩行動作の相の何れの相にあるかを判別し、判別した相に応じて外力に対して所望の比率となる抗力を付与するように制御信号を発信する。該制御信号は信号線（不図示）を通じて流量制御弁１６に入力される。制御ユニット１９には、ＭＰＵ（Microprocessing Unit）等の制御手段の他に、前記各検知信号の受信の有無に基づいて適切な制御信号を選択するプログラムを格納するメモリや、選択された制御信号を発信する発信手段などを備えている。
【００４９】
以下、歩行動作の相に応じた短下肢装具１０の動作について、図４から図６に基づいて説明する。まず、第４相において、足底載置体１２は接地していない。そのため、踵センサ１７及び爪先センサ１８の何れからも検知信号は発信されず、また、ポンプ１５の内部空間の容積は圧縮されず、その内圧は低い。そして、流量制御弁１６は閉じられ、袋体１４の内圧は負圧となっており、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２が底屈及び背屈方向に揺動する動きを拘束している。
【００５０】
次に、踵部が接地した時、踵センサ１７がこれを検知し、検知信号を発信する。この検知信号を受信した制御ユニット１９は、第１相に移ったと判別し、制御信号を流量制御弁１６に発信する。この制御信号を受信した流量制御弁１６は、弁を所定量だけ（半開１）開ける。一方、第１相に移ったことにより、ポンプ１５の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて踵部側から順次圧縮され、ポンプ１５の内圧が除々に高まる。これにより、ポンプ１５側から流量制御弁１６を介して袋体１４の内部空間に空気が流入し、袋体１４の内圧が除々に高くなり、足継手１３を構成する各片１３ａから１３ｄ間における摩擦力が減少し、揺動に対する抗力が除々に弱まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、踵部から足底全面に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００５１】
次に、爪先部が接地した時、爪先センサ１８がこれを検知し、検知信号を発信する。この検知信号を受信した制御ユニット１９は、第２相に移ったと判別し、制御信号を流量制御弁１６に発信する。この制御信号を受信した流量制御弁１６は、弁を開放（全開）する。一方、第２相に移ったことにより、ポンプ１５の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて圧縮され、ポンプ１５の内圧がさらに高まる。これにより、ポンプ１５側から流量制御弁１６を介して袋体１４の内部空間に空気が流入し、袋体１４の内圧が高くなって常圧となり、第１連結片１３ｃと第２連結片１３ｄとが揺動自在となり、揺動に対する抗力がなくなる。このようにして、足底載置体１２の拘束を解除し、装着者Ｍの体重を利用し足底全面をうまく接地させるよう補助することができる。
【００５２】
次に、踵部が離地した時、踵センサ１７がこれを検知し、検知信号の発信を停止する。この検知信号を受信しなくなった制御ユニット１９は、第３相に移ったと判別し、制御信号を流量制御弁１６に発信する。この制御信号を受信した流量制御弁１６は、弁を所定量まで（半開２）閉める。一方、第３相に移ったことにより、ポンプ１５の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間にて踵部側から開放されて踵部側から順次伸張し、ポンプ１５の内圧が除々に低くなる。これにより、袋体１４側から流量制御弁１６を介してポンプ１５の内部空間に空気が流入し、袋体１４の内圧が除々に低くなり、足継手１３を構成する各片１３ａから１３ｄ間における摩擦力が増加し、揺動に対する抗力が除々に強まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、足底全面から爪先部に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００５３】
次に、爪先部が離地した時、爪先センサ１８がこれを検知し、検知信号の発信を停止する。この検知信号を受信しなくなった制御ユニット１９は、第４相に移ったと判別し、制御信号を流量制御弁１６に発信する。この制御信号を受信した流量制御弁１６は、弁を閉じる。これにより、袋体１４の内部空間とポンプ１５の内部空間との空気の流出入が遮断され、袋体１４の内圧が負圧のまま維持され、足継手１３を構成する各片１３ａから１３ｄ間における摩擦力が大きく、揺動に対する抗力が最大の状態で保持され、揺動が完全に拘束され。このようにして、足底載置体１２を完全に拘束し、足先が垂れ下がって地面に接触することを防止するよう補助することができる。
【００５４】
このように、第１相から第４相までの歩行動作の個々の相に応じた必要な抗力を付与して補助することにより、装着者Ｍの歩行動作を改善させることができる。また、装着者Ｍの歩行動作によって、ポンプ１５を動作させているので、ポンプ１５を電力等により動作させる必要がないので、軽量化できる利点がある。また、制御ユニット１９は、踵センサ１７及び爪先センサ１８からの各検知信号の受信の有無に基づいて歩行動作の４相の何れの相にあるかを判別しているので、各相の判別を容易かつ確実に行なうことができる。
【００５５】
なお、袋体１４やポンプ１５の内部空間の圧力を検知するセンサを設け、このセンサから発信される検知信号を考慮して、流量制御弁１６の流量を調整してもよい。この場合、さらに適切な抗力を付与することが可能となり、装着者Ｍの歩行動作をさらに改善させることができる。また、袋体１４やポンプ１５の内部空間と連通する内部空間を有し、流量制御弁等の弁を備えた補助タンクを設けてもよい。この場合、ポンプ１５の内部空間の伸縮とは独立させて、袋体１４の内圧を調整することが可能となり、装着者Ｍの歩行動作をさらに改善させることができる。なお、空気の代わりに、ヘリウムガス、アルゴンガス等の気体を用いてもよい。
【００５６】
なお、本発明に係る足関節装具は、本発明の実施の形態として示した短下肢装具１０に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜設計変更できることは勿論である。例えば、膝関節の動きも代償する長下肢装具であってもよい。さらに、本発明に係る足関節装具は、障害をかかえる患者が歩行動作の際に補助具として用いることに限定されるものではなく、健常者がスポーツトレーニングを行なう際に用いるものであってもよい。例えば、各種運動動作の相に応じて足関節に作用する空気抵抗や水の流体抵抗等の負荷を抗力として付与することにより、仮想現実的にスポーツトレーニングを行なう擬似体験装置に本発明に係る足関節装具を適用させることができる。また、歩行動作の相に応じて足関節に作用する負荷を抗力として適切に付与することにより、足関節周り等の筋肉を効果的に鍛える筋肉トレーニング装置に本発明に係る足関節装具を適用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る短下肢装具１の構成を示す模式図である。
【図２】健常者の歩行動作の相を示す説明図である。
【図３】歩行動作の相とセンサの検知信号及び抗力の関係を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る短下肢装具１０の外観構成を示す側面図である。
【図５】（ａ）は、足継手１３を示す斜視図であり、（ｂ）は、袋体１４の内圧が常圧である場合における、（ｃ）は、袋体１４の内圧が負圧である場合における、足継手１３及び袋体１４を示す断面図である。
【図６】歩行動作の相とセンサの検知信号、流量制御弁の開閉度、ポンプ１５の内圧及び抗力の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１、１０  短下肢装具
２、１１  下腿部装着体
３、１２  足底載置体
４、１３  足継手
５  センサ
６  制御部
７  抗力付与部
１４  袋体
１５  ポンプ（容積可変体）
１６  流量制御弁
１７  踵センサ（センサ）
１８  爪先センサ（センサ）
１９  制御ユニット
【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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