(57)【要約】【課題】  麻痺者用足継手装具において、足関節機能をコンパクトな回転形ＭＲ流体シリンダで具現する。【解決手段】  足を支持する下部構成体と、上肢又は下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する部分で足継手によって屈曲可能に連結した麻痺者用足継手装具において、上記足継手を、下部構成体に設けられて回動軸から堰止板を突設したピストン体と、上部構成体に設けられて堰止板を水密的に囲包して回動軸を中心に扇形に張出し、ＭＲ流体を充填したシリンダ体とからなるＭＲ流体シリンダで構成するとともに、ピストン体で画成されるシリンダ体の両シリンダ室に流出入するＭＲ流体の流れを磁気の強さで制御して下部構成体と上部構成体との屈曲抵抗を調整することを特徴とする麻痺者用足継手装具。【選択図】  図１
2006087559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
足を支持する下部構成体と、上肢又は下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する部分で足継手によって屈曲可能に連結した麻痺者用足継手装具において、上記足継手を、下部構成体に設けられて回動軸から堰止板を突設したピストン体と、上部構成体に設けられて堰止板を水密的に囲包して回動軸を中心に扇形に張出し、ＭＲ流体を充填したシリンダ体とからなるＭＲ流体シリンダで構成するとともに、ピストン体で画成されるシリンダ体の両シリンダ室に流出入するＭＲ流体の流れを磁気の強さで制御して下部構成体と上部構成体との屈曲抵抗を調整することを特徴とする麻痺者用足継手装具。
【請求項２】
磁気の強さでＭＲ流体を非流動から流動まで制御して下部構成体と上部構成体との屈曲がロックされる状態からフリーな状態まで任意に設定が可能である請求項１の麻痺者用足継手。
【請求項３】
両シリンダ室を短絡する外部通路を設け、外部通路に磁気をその強さを変えて付与し、外部通路を流れるＭＲ流体を硬直させた非流動から非硬直させた流動の範囲に亘って制御する請求項１又は２の麻痺者用足継手装具。
【請求項４】
磁気の付与が、永久磁石によるもの又は電磁石によるものである請求項１〜３いずれか１項の麻痺者用足継手装具。
【請求項５】
ピストン体を構成する堰止板に両シリンダ室を連通する連通孔を形成するとともに、連通孔の周囲に電磁石を配置し、電磁石に供給される電力を調整して連通孔を流れるＭＲ流体を硬直させた非流動から非硬直させた流動の範囲に亘って制御する請求項１の麻痺者用足継手装具。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項の麻痺者用足継手の制御機構であり、この制御機構が、下部構成体の裏面に荷重計を取り付け、荷重計の出力に応じて磁気の強さを調整することを特徴とする麻痺者用足継手装具の制御機構。
【請求項７】
荷重計が荷重を検出していないときには、少なくとも磁気が付与される請求項６の麻痺者用足継手装具の制御機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下肢が麻痺している麻痺者が着用して好適な麻痺者用足継手装具及びその制御機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下肢の麻痺には、脳卒中等による主に片方の下肢が麻痺している片麻痺と、脊髄損傷等による多くの場合に両方の下肢が麻痺している対麻痺とがあるが、いずれの場合であっても、自力での歩行は難渋し又は不能である。したがって、これらの麻痺者が歩行するときには、何らかの補助具が必要になる。この補助具としては、従来は、副木のようなもので下肢（上肢の場合もある）から足にかけて固定する方式のものであった。
【０００３】
これによると、立位を安定したり、踏み出しに際して足を地面から離したときに爪先が下がって躓いたりすることは防止できるものの、足関節機能をもたないから、体重心の移動に伴う足首の屈曲や足裏接地時のショックの吸収といったことはできなかった。したがって、この補助具を付けての歩行には身体に多くの負担がかかり、麻痺者は、補助具を付けての自力又は軽介護の歩行を敬遠することになり、その結果、歩行機能の向上も果たせていなかった。
【０００４】
なお、下記特許文献１には、足関節部分にヒンジ機構を取り入れた足継手装具が見られるが、この先行例のものは、自立性を補助するための装具に回動機能を持たせたものにすぎず、回動範囲も極めて狭い範囲に限られており、着地から踏み出しまでの広い角度に亘って対応するものではなかった。また、ヒンジ機構のロック、アンロックを取り入れているが、その操作はロック部材を操作しなければならず、煩雑で面倒なものであった。
【特許文献１】特開２００１−２９９７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、下肢と足とを支持するのはもちろんのこと、これに足関節機能をもたせることで、歩行時の足を含む下肢の動きを生体と同様に実現し、麻痺者の歩行を助け、かつ、歩行機能の向上を可能にする麻痺者用足継手装具を具現したものである。加えて、本発明は、この足継手装具の足継手（足関節に相当する部分）において、体重の移動、すなわち、脚の姿勢に伴って求められる屈曲動作を一定に制御することで、生体足関節と同様な動きにしてより円滑な歩行ができるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題の下、本発明は、請求項１に記載した、足を支持する下部構成体と、上肢又は下肢に装着される上部構成体とを足関節に相当する部分で足継手によって屈曲可能に連結した麻痺者用足継手装具において、上記足継手を、下部構成体に設けられ、回動軸から堰止板を突設したピストン体と、上部構成体に設けられて堰止板を水密的に囲包して回動軸を中心に扇形に張出し、ＭＲ流体を充填したシリンダ体とからなるＭＲ流体シリンダで構成するとともに、ピストン体で画成されるシリンダ体の両シリンダ室に流出入するＭＲ流体の流れを磁気の強さで制御して下部構成体と上部構成体との屈曲抵抗を調整することを特徴とする麻痺者用足継手装具を提供する。
【０００７】
屈曲抵抗を調整する手段として、本発明は、請求項３に記載した、両シリンダ室を短絡する外部通路を設け、外部通路に磁気をその強さを変えて付与し、外部通路を流れるＭＲ流体を硬直させた非流動から非硬直させた流動の範囲に亘って制御する手段、請求項５に記載した、ピストン体を構成する堰止板に両シリンダ室を連通する連通孔を形成するとともに、連通孔の周囲に電磁石を配置し、電磁石に供給される電力を調整して連通孔を流れるＭＲ流体を硬直させた非流動から非硬直させた流動の範囲に亘って制御する手段を提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、以上の麻痺者用足継手装具の制御機構として、請求項６に記載した、下部構成体の裏面に荷重計を取り付け、荷重計の出力に応じて磁気の強さを調整する手段を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によると、シリンダをＭＲ流体を媒体とするＭＲ流体シリンダとしたものであるから、その流れを磁気の強さで調整できて制御が容易、確実である。これにおいて、下部構成体と上部構成体の屈曲抵抗は、ロックの状態からフリーな状態まで任意に調整できるものであるから、麻痺者の歩行能力に応じて最適なものに設定でき、かつ、歩行機能の向上にも寄与できる。そして、シリンダ体を回動軸を中心とする扇形（回転形）に構成したものであるから、上部構成体の側面に沿って大きなスペースを取らずに取り付けられる。したがって、嵩張らない上に軽量であり、歩行等の障害にならない。
【００１０】
また、請求項３及び５の発明によると、下部構成体と上部構成体との屈曲を制御するＭＲ流体の流動の制御が簡単な構成で確実にできるし、請求項６の発明によると、歩行時の脚の姿勢の各段階に応じて求められる足継手の屈曲抵抗の制御を自動的にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明にかかる麻痺者用足継手装具（以下、装具という）１を装着した場合の側面図、図２は後面図であるが、この装具１は、足裏を載せて支持できる下部構成体２と、膝から上の上肢（腰も含む）又は下の下肢の部分に装着される上部構成体３とからなる。本例の下部構成体２は、靴様の足載部４と、足載部４の両側に起立する下部支柱５とからなり、上部構成体３は、両面ファスナー等で下肢に巻き付けることができるバンド６と、バンド６の両側に下垂する上部支柱７とからなる。この下肢装具１の装着は、長靴を履く要領で装着するものであり、バンド６を開いて足を足載部４に挿入して甲押え４ａで甲を押えて固定し、バンド６を膝下の部分で閉めて固定する。なお、片麻痺者の場合は、当該麻痺している方の下肢に、対麻痺者の場合は、両方の下肢に装着することになる。
【００１２】
以上の下部支柱５と上部支柱７とは、足関節部分で足継手８によって回動（屈曲）可能に連結される。なお、この足継手８は、両支柱５、７の外側部分を連結するのに用いられ、内側部分は後述するピンで枢着されている。図３は足継手８を示す図１のＡーＡ断面図、図４は図３のＢーＢ断面図であるが、この足継手８は、下部支柱５に固定される回動軸９に堰止板１０が放射状に突設されたピストン体１１と、回動軸９及び堰止板１０を水密的に囲包して回動軸９を中心に扇形に張出するシリンダ体１２とからなる（１０ａは堰止板１０とシリンダ体１２とをシールするシール体）。そして、堰止板１０を水密的に収容するシリンダ室１３にＭＲ流体を充填してこれを伝力媒体とするＭＲ流体シリンダとしている。
【００１３】
ここでのＭＲ流体（Magneto-Rheological-Fluid)とは、粘性流体に磁気粉体を混ぜた帯磁性流体のことで、これに磁気を付与すると、ＭＲ流体は硬直して固体的機能を発揮し、磁気の強さを抑えると、ＭＲ流体は半硬直の状態になり、一定の流動を可能にするものである。したがって、このＭＲ流体を流路に流して途中に磁場を設けておくと、磁場に磁気を付与すると、その部分が硬直してＭＲ流体の流動は遮断し、磁気を解除すると、流動は許容されるものになる。また、磁気の強さを抑えると、ＭＲ流体は所定の流動抵抗で流動できるものになる。このＭＲ流体には、L0RD社のものがよく知られており、MRF-132AD やMRF-122-2ED といった商品名で市販されている。
【００１４】
以上のＭＲ流体シリンダによれば、シリンダ室１３を構成するピストン体１１の前後の正圧室１３ａと背圧室１３ｂとに流出入するＭＲ流体に磁気をその強さを調整して付与すると、ＭＲ流体は、硬直しての非流動から非硬直での流動の範囲となり、その結果、ピストン体１１の動きを規制したり、許容したりすることができる。なお、ピストン体１１の動きが規制されると、足継手８はロックされて屈曲は不能になり、許容されると、アンロックされてフリーに屈曲できるものとなる。この他、両支柱５、７の内側部分は、回動軸９と同心のピン１４で枢着してある。
【００１５】
次に、以上の装具１を装着した麻痺者が歩行するときに生ずる足継手８の動きについて説明する。脚の姿勢に応じて足継手８の動きをロックしたり、フリーにしたりする必要があるのは上述した。すなわち、足を踏み出して下部構成体２の足載部４の裏面が地面に着地した後（踏足期）は、体重の移動に伴って下部構成体２に対して上部構成体３は順次前方に屈曲して行かなければならない。つまり、踏足期には足継手８はアンロックの状態でなければならない。一方、当該方の足を持ち上げて足載部４を地面から離したとき（遊脚期）には、離れる瞬間の下部構成体２に対する上部構成体３の角度である鋭角状態（背屈位）が保たれているのが好ましい。つまり、遊脚期には足継手８はロックされている必要がある。
【００１６】
これは、重度の麻痺者の場合であり、こうしないと、足継手８が足の重み等で屈曲して爪先が下がり、躓いて転倒したりするからである。この点で、以下の説明は、足継手８が完全にロックされた状態と完全にアンロックされてフリーに屈曲できる状態についてのものである。足継手８のロック、アンロックは、正圧室１３ａと背圧室１３ｂとに連通する制御通路等を設け、この制御通路を流れるＭＲ流体に磁気を付与したり、解除したりすれば、その流れを非流動から流動の範囲に亘って制御できる。磁気の付与や解除は永久磁石によるものと電磁石によるものとがあるが、前者の場合であれば、永久磁石を制御通路に離反させたり、接近させたりすればよい。
【００１７】
この構成を本例では次のようにしている。まず、シリンダ室１３の正圧室１３ａと背圧室１３ｂの側面にそれぞれ孔１５ａ、１５ｂを形成し、これらの孔１５ａ、１５ｂを覆って流路体１６を取り付ける。したがって、流路体１６の内部には両孔１５ａ、１５ｂに連通する外部通路１７が形成されるが、このとき、流路体１６の中に制御体１８を挿入し、流路体１６と制御体１８との間を上記した制御通路に該当する外部通路１７としている。この外部通路１７は、流路体１６と制御体１８の対面側の膨出量を変えて中間がもっとも容積の小さい堰部１９を有している。
【００１８】
一方、シリンダ体１２の上方には、サーボモータ２０が設けられており、その出力軸２０ａにはアーム２１が取り付けられている。これにより、サーボモータ２０を駆動すると、アーム２１は回動することになるが、このとき、アーム２１の所定位置には永久磁石２２が取り付けられており、この永久磁石２２の位置は、アーム２１が真下の位置に来たとき、外部通路１７の堰部１９に最接近するように設定されている。なお、堰部１９を設けるのは、ＭＲ流体の容量を小さくして磁力を効率的に働かせるためであり、十分な磁力が出せるものであれば、この堰部１９は必ずしも必要ではない。
【００１９】
これにより、永久磁石２２を堰部１９に接近させると、その磁力によって堰部１９のＭＲ流体を硬直させてシリンダ室１３に流出入するＭＲ流体の流れを遮断し、回動軸９、すなわち、上部構成体３に対する下部構成体２の屈曲をロックするようになっている。これに対して、永久磁石２２が堰部１９から離反すると、ＭＲ流体は非硬直となって流動し、下部構成体２をアンロックして屈曲ができるようになっている。なお、このアンロック状態のとき、下部構成体２はできるだけ少ない抵抗で屈曲できるのが好ましい。
【００２０】
下部構成体２をある程度抵抗をもたせて屈曲させることがある場合については後述するが、このアンロック状態のときの屈曲抵抗が小さいほど、抵抗の調整レンジが広くなるからである。したがって、ＭＲ流体シリンダの各種の制御通路はできるだけ大きな容量を確保して流動抵抗を極力小さくするのが適する。もちろん、足継手８にこのような機能を発揮させるためには、ピストン体１１やシリンダ体１２及びアーム２１等のＭＲ流体に隣接する部材はアルミ等の非磁性体で構成しておく必要がある。
【００２１】
上記したように、アーム２１を制御して足継手８を踏足期にはアンロック、遊脚期にはロックする必要があるが、これを装具１の装着者自身が操作するのは、実際問題無理である。そこで、足載部４が接地したか否かを判別するセンサーを設け、これによってアーム２１の動きを制御するようにしている。このセンサーは、回動軸９の回動角度を検出したり、地上高さを検出したりするものであってもよいが、本発明では、簡単で動作が確実な足載部４の裏面にスイッチ２３を取り付けたもので構成している。
【００２２】
このスイッチ２３は、足載部４に荷重（体重）がかかったか否かを判別するものであり、歪計や変位計が考えられる。図６はこれを制御する制御回路の一例であるが、電池２４で印加される制御回路２５を設けておき、この制御回路２５に、スイッチ２３が荷重を検知すると閉じる開接点２３ａとリレー２６とを直列に接続しておく。また、リレー２６の閉接点２６ｂとサーボモータ２０とを直列に接続しておく。なお、リレーによったのは理解を容易にするためであり、半導体等を用いて基板に構成するのが通常である。
【００２３】
ところで、以上の説明から明らかなように、この足継手８には、制御を果たすための電池２４やリレー２６或いはスイッチといった電気機器を必要する。これらの機器は別にして身体等に付けてもよいが、適当なボックス２７に収容してこれをシリンダ体１２上方の上部支柱７に取り付けておくとすれば、装具１と一体になり、装着や脱装、保管等に便利になる。もちろん、これらの機器はそれほど重くも、嵩張るものにもならないから、上記の方法を採用したとしても、歩行の支障にはならない。
【００２４】
図５は以上の装具１を麻痺者が装着した説明図であるが、麻痺者がこの装具１を着用して歩行すると、装具１を装着した方の足が踏足期にあるときは、スイッチ２３は荷重を検出していてリレー２６の閉接点２６ｂが開いており、サーボモータ２０は回転しない。したがって、永久磁石２０は、ＭＲ流体を励磁せず、シリンダ室１３へ流出入するＭＲ流体は自由に流動し、下部構成体２は上部構成体３に対して屈曲でき、着地した瞬間から体重の移動に伴って徐々に上部構成体３の屈曲角度が深まる動きが可能になる。なお、この動きは、健常者の生体足関節と同様な動きということになる。
【００２５】
一方、こちら側の足を踏み出そうとして遊脚期になると、スイッチ２３は荷重を検知せず、リレー２６の閉接点２６ｂは閉じる。したがって、サーボモータ２０は回転して永久磁石２２を堰部１９に接近させ、ＭＲ流体を励磁して硬直させる。この状態になると、ＭＲ流体の流れは遮断され、下部構成体２、すなわち、足首の角度は背屈位にロックされた状態を保持する。健常者では、このときの足首の屈曲角度の保持は足の力によって自然にできるものであるが、麻痺者は足の力が弱く、自力では難しいことがあるから、これを補助するものである。さらに、踏み出した足が着地すると、スイッチ２３は再度荷重を検出して下部構成体２の回動をアンロックする。
【００２６】
ところで、足首の角度は、歩行の姿勢に伴って逐次変わるから、足載部４が地面から離れるときの角度は歩幅によって変わって来る。しかし、足首の角度がどのようであっても、上部構成体３に固定されたアーム２１と流路体１６との関係は変わらないから、アーム２１を常に流路体１６の中心（堰部１９）に回動させれば、下部構成体２の動きはロックされることになる。したがって、足首の角度は、歩幅にかかわらず、足載部４が地上から離れた瞬間の姿勢を維持できることになる。このようにして、麻痺者であっても、スムーズな歩行ができるのである。なお、この点で、スイッチ２３は、足載部４の裏面一杯の大きさのものが適する。
【００２７】
以上は、麻痺が重度であり、踏足期には足継手８がアンロックされてフリーに屈曲できる場合であるが、麻痺がより重度であったり、或いは麻痺が軽度であったり、回復期にある場合には、踏足期でも、足継手８の屈曲をある程度の抵抗の下に可能にするのが好ましいことがある。例えば、踏足期に自立が難しいような麻痺者の場合、足継手８を完全にフリーに屈曲できるものにしておくと、転倒したりすることがある。また、踏足期における足継手８の屈曲に抵抗をもたせることで、足の力を強化できて歩行訓練にもなるといった場合がある。
【００２８】
このようなときには、永久磁石２２の堰部１９からの離反をある程度抑制してなお磁気作用を残存させることで可能になり、これは、アーム２１の回動角度を調整することで達成できる。この他、踏足期における足継手８の屈曲抵抗を足裏にかかる体重に応じて変化させるようなこともできる。具体的には、スイッチ２３を幾つかに分割し、どのスイッチ２３から出力があると、どの程度の磁気の強さにするかを決定すればよい。
【００２９】
このことは、遊脚期でも同様であり、遊脚期に足継手８を完全にロックせずに、足継手８を背屈位に保持するためには、ある程度の力を要するようにすることが好ましいことがある。具体的には、回復期にある麻痺者等にこれを適用すると、ロックするための力を出す訓練にもなり、歩行機能を高めることになる。このようなときには、スイッチ２３が荷重を検知していないときにアーム２１を回動させるとき、永久磁石２２が外部通路１７の堰部１９に最接近しないようにすればよい。こうすると、外部通路１７を流れるＭＲ流体は完全には硬直せず、ある程度の流動抵抗はあるものの、流動が可能になる。なお、これらに必要なアーム２１の回動角度の調整は、サーボモータ２２の出力位相又は時間を調整することで可能になる。
【００３０】
一方、磁石を電磁石としてもよい。図７はその例を示す一部後面図であるが、アーム２１を流路体１６の堰部１９に接近させた状態でシリンダ体１２等に固定しておき、永久磁石２２に代えて電磁石２８（２８ａはコイル）を設ければよい。そして、磁気の付与、解除はコイル２８ａに流れる電流をオンオフすればよい。また、磁気の強さの調整は、コイル２８ａに供給する電力を調整することで可能になる。これによると、サーボモータ２０を始めとするアーム２１の回動機構は不要になるから、部材が省略できるとともに、装置構成が簡単になる。
【００３１】
さらに、電磁石を用いることで外部通路１７を不要とする構成も可能である。図８はその例を示すシリンダ体１２の断面図であるが、ピストン体１１を構成する堰止板１０に両シリンダ室１３ａ、１３ｂを連通する連通孔２９を形成するとともに、連通孔２９の周囲に電磁石２８を配置する。電磁石２８のコイル２８ａに電力を供給すると、連通孔２９を流れるＭＲ流体は硬直して流動せず、その結果、堰止板１０、すなわち、下部構成体２の屈曲はロックされる。一方、電力を遮断すると、下部構成体２は自由に屈曲できるものとなる。また、電力の強さを変えることで、下部構成体２の屈曲抵抗も調整できる。これによると、外部通路１７やアーム２１等が不要になり、シリンダ体１２の外部に余分な部材を必要としないよりシンプルな装置構成となる。
【００３２】
この他、図示は省略するが、シリンダ体１２の側壁に摺接する堰止板１０の両側面にＭＲ流体を含浸させた連続気泡スポンジ構造のゴム弾性体を貼り、堰止板１０の内部に電磁石を組み込んでもよい。電磁石を励磁すると、スポンジ内のＭＲ流体は硬直して堰止板１０の回動は不能になり、解除すると、硬直が解かれて堰止板１０が回動できる構造のものである。これによっても、簡単な装置構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の下肢装具の側面図である。
【図２】本発明の下肢装具の後面図である。
【図３】本発明の下肢装具に組み込まれる足継手を示す図１のＡーＡ断面図である。
【図４】本発明の下肢装具に組み込まれる足継手を示す図３のＢーＢ断面図である。
【図５】本発明の下肢装具を装着した状態の説明図である。
【図６】本発明の下肢装具を制御する制御回路図である。
【図７】本発明の下肢装具の他の例の一部後面図である。
【図８】本発明の下肢装具を他の例の一部断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      下肢装具
２      下部構成体
３      上部構成体
４      足載部
４ａ    甲押え
５      下部支柱
６      バンド
７      上部支柱
８      足継手
９      回動軸
１０    堰止板
１０ａ  シール体
１１    ピストン体
１２    シリンダ体
１３    シリンダ室
１３ａ  正圧室
１３ｂ  背圧室
１４    ピン
１５ａ  孔
１５ｂ  孔
１６    流路体
１７    バイパス通路
１８    制御体
１９    堰部
２０    サーボモータ
２０ａ  出力軸
２１    アーム
２２    永久磁石
２３    荷重計
２３ａ  スイッチ
２４    電池
２５    制御回路
２６    リレー
２６ｂ  閉接点
２７    ボックス
２８    電磁石
２８ａ  電磁石のコイル
２９    連通孔
【図１】
2006087559.tif 000003
【図２】
2006087559.tif 000004
【図３】
2006087559.tif 000005
【図４】
2006087559.tif 000006
【図５】
2006087559.tif 000007
【図６】
2006087559.tif 000008
【図７】
2006087559.tif 000009
【図８】
2006087559.tif 000010