(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に対して昇降可能に設けられる昇降部と、前記昇降部に床反力が掛かっていない状態における基準位置から前記昇降部が下降した際に前記基部に対して前記昇降部を上昇させる方向に付勢する付勢手段とを有する下腿側部材と、
前記基準位置において、前記昇降部の上昇方向に対して所定の角度屈曲した状態になるように前記昇降部に対して回動可能な大腿側リンク部を有する大腿側部材と、
床反力が増加し、前記昇降部が下降するに従って、前記大腿側リンク部を伸展方向へ回動させ、床反力が減少し、前記昇降部が上昇するに従って、前記大腿側リンク部を屈曲方向へ回動させる回動手段とを備えることを特徴とする膝継手。
【請求項２】
前記所定の角度は、５０度〜７０度の範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の膝継手。
【請求項３】
前記回動手段は、前記大腿側リンク部と共に回動し、一端に連結軸が連結される第１リンク部と、一端が前記基部に対して回動可能に連結され、他端が前記連結軸に回動可能に連結される第２リンク部とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の膝継手。
【請求項４】
前記大腿側リンク部と前記第１リンク部は、一体として略Ｌ字型に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の膝継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に大腿義足に用いられる膝継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大腿義足の機構や制御の進歩によって、平地歩行における安全性やスムーズさが向上している。一方で、階段歩行は日常生活において、よく経験する場面であるにもかかわらず、大腿義足による階段の昇段は困難であることが知られている。一般的に普及しているパッシブな大腿義足による階段の昇段が困難な要因としては、（１）階段の昇段時には、膝を屈曲した状態で接地するが、その状態では意図せずに膝継手が屈曲すること（膝折れ）、（２）大腿義足の立脚期において、伸展機能がないために膝の伸展モーメントが発生せず、鉛直方向の重心移動が困難であるという問題がある。
【０００３】
また、このような問題を解決するために、大きな動力源（アクチュエータ）を搭載したアクティブな膝継手も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、このような膝継手は、非常に高価であるため、一般的に普及するには至っていない。
【０００４】
そこで、本発明者らは、アクチュエータを用いることなく、大腿義足の立脚期での膝折れを防止する屈曲ロック機能と、昇段時の鉛直方向への重心移動を行うための膝伸展機能を有する膝継手を開発した（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の膝継手では、膝関節の最大屈曲角度を、床反力の増加に従い小さくし、床反力の減少に従い大きくするための最大屈曲角度調整手段を備えている。これにより、床反力がかかる立脚期において膝関節の屈曲角度が制限され、膝折れを防止することができると共に、膝継手に体重が移るに従い膝の伸展モーメントが発生し、昇段を補助することできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１８３８９６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】https://www.google.co.jp/?gfe_rd=cr&ei=KnxuVLLeI6rS8geNxoDoCQ&gws_rd=ssl#q=Power+Knee
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の膝継手では、膝関節の最大屈曲角度のみが一意に定まるように設計されており、膝関節の伸展方向への運動を制限することができなかった。そのため、遊脚期における制御ができないため、重力等による膝伸展によって、大腿義足の足部が階段の蹴上げ等に衝突する虞があった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、立脚期における屈曲ロック機能、膝伸展機能を保持しつつ、遊脚期の足部の位置決め精度を向上させると共に、遊脚期の足部の階段への衝突を防止することができる膝継手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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る膝継手は、基部と、前記基部に対して昇降可能に設けられる昇降部と、前記昇降部に床反力が掛かっていない状態における基準位置から前記昇降部が下降した際に前記基部に対して前記昇降部を上昇させる方向に付勢する付勢手段とを有する下腿側部材と、前記基準位置において、前記昇降部の上昇方向に対して所定の角度屈曲した状態になるように前記昇降部に対して回動可能な大腿側リンク部を有する大腿側部材と、床反力が増加し、前記昇降部が下降するに従って、前記大腿側リンク部を伸展方向へ回動させ、床反力が減少し、前記昇降部が上昇するに従って、前記大腿側リンク部を屈曲方向へ回動させる回動手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係る膝継手は、前記所定の角度が、５０度〜７０度の範囲に設定されることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る膝継手は、前記回動手段が、前記大腿側リンク部と共に回動し、一端に連結軸が連結される第１リンク部と、一端が前記基部に対して回動可能に連結され、他端が前記連結軸に回動可能に連結される第２リンク部とを有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る膝継手は、前記大腿側リンク部と前記第１リンク部が、一体として略Ｌ字型に形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る膝継手によれば、昇降部に床反力が掛かっていない状態における基準位置において、昇降部の上昇方向に対して所定の角度屈曲した状態になるように大腿側リンク部を昇降部に対して回動可能に構成し、回動手段によって、床反力が増加し、昇降部が下降するに従って、大腿側リンク部を伸展方向へ回動させ、床反力が減少し、昇降部が上昇するに従って、前記大腿側リンク部を屈曲方向へ回動させる。これにより、昇降部の昇降の変位、つまり直動変位と、大腿側リンク部の回動角度の変位、つまり膝関節変位を一対一に対応付けられるので、アクチュエータを用いることなく、立脚期の初期における床反力が掛かる際に膝折れを防止する屈曲ロック機能と、床反力が増加した際に膝関節を伸展させるための膝伸展機能とを保持しつつ、昇降部に床反力が掛からない遊脚期においては、大腿側リンク部は、昇降部の上昇方向に対して所定の角度屈曲した状態になるため、遊脚期の足部の位置決め精度を向上させると共に、遊脚期の足部の階段への衝突を防止することができる。
【００１４】
また、本発明に係る膝継手によれば、基準位置における大腿側リンク部の昇降部の上昇方向に対する所定の屈曲角度は、５０度〜７０度の範囲に設定されているので、より確実に遊脚期の足部の階段への衝突を防止することができる。
【００１５】
また、本発明に係る膝継手によれば、回動手段は、大腿側リンク部と共に回動し、一端に連結軸が連結される第１リンク部と、一端が基部に対して回動可能に連結され、他端が連結軸に回動可能に連結される第２リンク部とを有しているので、比較的簡易な機構で、昇降部の直動変位と、大腿側リンク部の膝関節変位を一対一に対応付けることができるため、コストを軽減することができる。
【００１６】
また、本発明に係る膝継手によれば、大腿側リンク部と第１リンク部は、一体として略Ｌ字型に形成されているので、より機構を簡易化することができると共に、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る膝継手の一例を示す概略左側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る膝継手の一例を示す概略正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る膝継手の一例を示す概略背面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る膝継手の動作について説明するための概略模式図であって、（ａ）は荷重が掛かっていない状態を示しており、（ｂ）は荷重が係っている状態を示している。
【図５】昇降部の直動変位Ｄと膝関節変位の関係の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る膝継手を組み込んだ大腿義足の昇段運動について説明するための概略模式図であって、（ａ）は立脚期の初期の状態を示しており、（ｂ）は大腿義足に体重が移った際の状態を示しており、（ｃ）は遊脚期の状態を示している。
【図７】本発明の実施形態に係る膝継手を組み込んだ大腿義足を力学的に説明するための概略説明図であって、（ａ）は大腿側リンク部及び第１リンク部に作用する力を示しており、（ｂ）は大腿義足全体で構成される系に作用する力を示している。
【図８】屈曲ロック機能及び膝伸展機能が発現する要件範囲の一例を示すグラフであって、（Ａ）は屈曲保持角度を５０度に設計した場合を示しており、（Ｂ）は屈曲保持角度を７０度に設計した場合を示している。
【図９】ステップ壁面上端と爪先の鉛直距離（クリアランス）を示すグラフであって、（ａ）は健常肢の場合を示しており、（ｂ）は屈曲保持角度を７０度に設計した膝継手を用いた義足を使用した場合を示している。
【図１０】階段を昇段した際の膝関節角度、膝関節モーメント、膝関節パワー、床反力の鉛直方向成分の一例を示すグラフであって、（ａ）は健常肢の場合を示しており、（ｂ）は屈曲保持角度を５０度に設計した膝継手を用いた義足を使用した場合を示しており、（ｃ）は屈曲保持角度を７０度に設計した膝継手を用いた義足を使用した場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る膝継手１について、図面を参照しつつ説明する。膝継手１は、主に膝より上の大腿部を切断した患者が使用する大腿義足に用いられるものであって、図１〜３に示すように、大腿側部材２と、下腿側部材３と、回動手段４等を備えている。この膝継手１は、図１における右側（図２）が膝頭側であり、図１における左側（図３）が膝裏側になっている。尚、以下では、図１の右側を前方側、左側を後方側、図１の紙面に対して垂直な方向を左右方向とする。
【００１９】
大腿側部材２は、一対の大腿リンク部２１と、大腿部に装着する大腿ソケット（不図示）を取り付けるためのアダプタ２２とを有している。大腿リンク部２１は、長尺の板部材によって形成されている。一対の大腿リンク部２１は、それぞれ左右に所定間隔を離して配置されており、下端側が膝関節軸５に固定されている。また、アダプタ２２は、一対の大腿リンク部２１の上端に掛け渡されて固定されている。
【００２０】
下腿側部材３は、基部３１と、該基部３１に対して昇降可能に設けられる昇降部３２と、昇降部３２に床反力が掛かっていない状態における基準位置から昇降部３２が下降した際に、基部３１に対して昇降部３２を上昇させる方向に付勢するスプリング（付勢手段）３３等を有している。基部３１は、その底面に大腿義足の下腿部（不図示）を取り付けることが可能となっている。また、基部３１には、その前後に上下方向に長尺な一対のスライドピン３４が立設されており、それぞれ昇降部３２の底面に形成されているスライド孔３５に上端側が挿入されている。スライドピン３４は、スライド孔３５に沿って上下方向に摺動可能であり、これによって、昇降部３２は基部３１に対して昇降可能に設けられている。
【００２１】
また、膝継手１では、後方側のスライドピン３４に、スプリング３３が挿入されており、昇降部３２が基準位置から下降した際に、基部３１に対して昇降部３２を上昇させる方向に付勢するように構成されている。尚、本実施形態に係る膝継手１では、後方側のスライドピン３４にのみスプリング３３が挿入されている例を示しているが、これに限定されるものではなく、後述する屈曲ロック機能及び膝伸展機能を発現できるように構成されていれば良く、前方側のスライドピン３４にもスプリング３３を挿入するように構成しても良い。また、スプリング３３のバネ定数も屈曲ロック機能及び膝伸展機能を発現できるように使用する大腿切断患者やその他の構造に応じて適宜設定しても良い。
【００２２】
昇降部３２には、前面に軸受部３６が固定されている。この軸受部３６は、板状の基板３６ａと、該基板３６ａに対して直交するように、左右両端からそれぞれ後方側へ突出して設けられる一対の舌片３６ｂとによって、平面視略コの字形に形成されている。軸受部３６は、一対の舌片３６ｂの間に昇降部３２が配置されるように、基板３６ａの左右中央部が昇降部２２の前面に固定されている。また、基板３６ａの下端側には、その左右に上下方向に長尺な一対のスライドピン３７が設けられており、基部３１の前端側に固定されている案内部材３８に形成されているスライド孔３８ａに下端側が挿入されている。従って、昇降部３２の昇降と共に軸受部３６が昇降する際は、スライドピン３７がスライド孔３８ａに沿って上下方向に摺動する。また、基板３６ａの上端側には、大腿リンク部２１が伸展方向（前方側）へ所定の角度だけ回動した際に当接し、それ以上の前方側への回動を規制するための規制部６が設けられている。
【００２３】
軸受部３６の舌片３６ｂには、軸受（不図示）を介して膝関節軸５が軸支されている。膝関節軸５は、その一端が内側（昇降部３２）に向うように、左右方向に水平に設けられており、その他端側に大腿リンク部２１の下端が固定されている。これにより、昇降部３２が大腿側部材２に対して回動可能に連結され、膝関節が構成されている。尚、この際、大腿リンク部２１は、図４（ａ）に示すように、昇降部３２に床反力が掛かっていない状態（昇降部３２の直動変位Ｄ＝０）における基準位置において、昇降部３２の上昇方向に対して所定の角度（屈曲保持角度）θｋ０だけ後方側へ傾いて屈曲した状態になるように膝関節軸５に固定される。ここで、屈曲保持角度θｋ０とは、昇降部３２の直動変位Ｄ＝０の床反力が掛かっていない状態の時の膝関節角度θｋのことである。この屈曲保持角度θｋ０は、特に限定されるものではないが、一般的な階段の段差の高さ等を考慮して、例えば、５０度〜７０度の範囲で設定される。また、一対の大腿リンク部２１の左右の間隔は、昇降部３２の左右の厚みよりも広く設けられており、一対の大腿リンク部２１の下端側の間に昇降部３２が配置される。
【００２４】
回動手段４は、床反力が増加して、昇降部３２が下降するに従って、大腿リンク部２１を伸展方向（前方側）へ回動させ、床反力が減少して、昇降部３２が上昇するに従って、大腿リンク部２１を屈曲方向（後方側）へ回動させるためのものであって、第１リンク部４１と、第２リンク部４２とを有している。
【００２５】
第１リンク部４１は、大腿リンク部２１と共に回動するものであって、一端が連結軸４３に固定され、他端が膝関節軸５に固定されている。第１リンク部４１と大腿リンク部２１とは、図１に示すように、側面視において略直交しており、ともに膝関節軸５に固定されているので、互いに一定の角度を維持した状態で膝関節軸５周りに回動可能となっている。尚、本実施形態に係る膝継手１では、大腿リンク部２１と第１リンク部４１を別々の部材として膝関節軸５にそれぞれ固定するように構成しているが、図４に示すように、大腿リンク部２１と第１リンク部４１を一体として略Ｌ字型に形成し、大腿リンク部２１と第１リンク部４１の交差する部分を膝関節軸５に固定するようにしても良い。これにより、１つの部材で、大腿リンク部２１と第１リンク部４１をそれぞれ膝関節軸５に固定した場合と同様の動作を実現することができる。
【００２６】
第２リンク部４２は、下端側が基部３１に立設されている支持部７に軸受を介して軸支されている支持軸８に固定されている。支持軸８は、左右方向に水平に設けられており、その端部に第２リンク部４２の下端側が固定される。そのため、第２リンク部４２は、基部３１に対して前後に回動可能に連結されている。また、第２リンク部４２の上端側は、連結軸４３に回動可能に連結されている。
【００２７】
以下、膝継手１の動作について図面を参照しつつ説明する。膝継手１では、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば、立脚期において、下腿側部材３に荷重が掛かって床反力が増加すると、昇降部３２が基準位置から下降し、昇降部３２の直動変位Ｄが増加する。この昇降部３２の直動変位Ｄの増加に伴って、図４（ｂ）に示すように、第２リンク部４２は支持軸８を中心に後方側へ（反時計周りに）回動すると共に、第２リンク部４２の上端側と連結軸４３を介して連結されている第１リンク部４１が、膝関節軸５を中心に後方側へ（時計周りに）回動する。これにより、大腿リンク部２１が伸展方向（前方側）へ回動し、膝関節軸５を通る昇降部３２の上昇方向と大腿リンク部２１の長尺方向のなす角である膝関節角度θｋが減少する。この際、スプリング３３は、昇降部３２の下降によって縮められるため、昇降部３２を上昇させる方向に付勢力が働くことになる。尚、昇降部３２がどの程度下降するか、すなわち昇降部３２の直動変位Ｄは、スプリング３３のバネ定数や荷重の大きさによって決まる。
【００２８】
一方、図４（ｂ）に示す状態から、例えば、遊脚期において、床反力が減少すると、スプリング３３の付勢力によって昇降部３２は上昇し、直動変位Ｄが減少し、昇降部３２は図４（ａ）に示す基準位置へと戻る。この昇降部３２の直動変位Ｄの減少に伴って、図４（ａ）に示すように、第２リンク部４２は支持軸８を中心に前方側へ（時計周りに）回動すると共に、第１リンク部４１が、膝関節軸５を中心に前方側へ（反時計周りに）回動する。これにより、大腿リンク部２１が屈曲方向（後方側）へ回動し、膝関節角度θｋが増加し、最終的に図４（ａ）に示すように、昇降部３２の直動変位Ｄ＝０の床反力が掛かっていない状態の時の膝関節角度θｋである屈曲保持角度θｋ０だけ大腿リンク部２１が昇降部３２の上昇方向に対して屈曲している状態に戻る。
【００２９】
このように膝継手１では、床反力による直動変位Ｄと膝関節変位を一対一に対応付けているので、直動変位Ｄと膝関節角度θｋにおいて、図５に示すような関係になっている。図５では、屈曲保持角度θｋ０を５０度に設定した場合と、７０度に設定した場合の一例を示している。つまり、膝継手１では、床反力が一定である場合には、直動変位Ｄ及び膝関節角度θｋが変化せずに膝折れを防止する屈曲ロック機能を発揮し、床反力の増加に伴って、直動変位Ｄが増加すると膝関節角度θｋが減少し、鉛直方向への重心移動を行うために膝関節を伸展させる膝伸展機能が発揮される。また、遊脚期においては床反力がなくなり、直動変位Ｄ＝０となり、膝関節角度θｋが屈曲保持角度θｋ０となる屈曲補助機能が発揮されるので、階段と足部の衝突を防止することが可能になる。
【００３０】
次に、本実施形態に係る膝継手１が組み込まれた大腿義足１００を用いた階段１２の昇段運動について説明する。図６に示すように、大腿義足１００は、膝継手１と、膝継手１のアダプタ２２に取り付けられた大腿ソケット９と、膝継手１の基部２１に取り付けられた下腿部１０と、下腿部１０の下端に取り付けられた足部１１とを備えている。
【００３１】
図６（ａ）に示すように、膝継手１では、常に床反力による昇降部３２の直動変位Ｄと膝関節角度θｋの変位が一対一に対応付けられているので、昇段運動における大腿義足１００の立脚期（足部１１が踏み面１２ａに接している期間）の初期において、膝継手１の膝関節角度θｋが予期せずに大きな角度になることはなく、膝折れを防止することができる（屈曲ロック機能）。
【００３２】
また、図６（ｂ）に示すように、大腿義足１００に体重が移るに従い、床反力が増加すると、昇降部３２の直動変位Ｄが増加すると共に膝関節角度θｋが減少し、鉛直方向への重心移動を行うために膝関節が伸展する（膝伸展機能）。より詳細には、下腿側部材３に荷重が掛かって床反力が増加すると、昇降部３２が基準位置から下降し、昇降部３２の直動変位Ｄが増加する。この昇降部３２の直動変位Ｄの増加に伴って、図６（ｂ）に示すように、第２リンク部４２は支持軸８を中心に後方側へ（反時計周りに）回動すると共に、第２リンク部４２の上端側と連結軸４３を介して連結されている第１リンク部４１が、膝関節軸５を中心に後方側へ（時計周りに）回動する。これにより、大腿リンク部２１及び大腿ソケット９が伸展方向（前方側）へ回動させる伸展モーメントが発生し、膝継手１が伸展する。この伸展モーメントによって、階段の昇段運動が補助される。
【００３３】
また、図６（ｃ）に示すように、遊脚期（足部１１が踏み面１２ａから離れている期間）においては床反力がなくなり、直動変位Ｄ＝０となり、膝継手１の膝関節角度θｋが屈曲保持角度θｋ０となる（屈曲補助機能）。そのため、足部１１が階段１２の蹴上げ面１２ｂへ衝突することを防止することができる。
【００３４】
次に、膝継手１の屈曲ロック機能及び膝伸展機能を力学的に説明する。義足下腿部が水平な床面に対して垂直であると仮定し、大腿リンク部２１、第１リンク部４１、及び第２リンク部４２の質量を０に近似する。図７（ａ）は、大腿リンク部２１及び第１リンク部４１に作用する力を示している。大腿リンク部２１及び第１リンク部４１における力及びモーメントのつり合い式は、以下の数式（１）、（２）のように示される。尚、ここでは、大腿リンク部２１及び第１リンク部４１を一体として形成しているものとする。ここで、Ｆ１は大腿ソケット９から受ける力、Ｆ２は第２リンク部４２から受ける力、Ｆ３は膝関節軸５から受ける力を示している。また、Ｍ１は大腿ソケット９が大腿リンク部２１及び第１リンク部４１に及ぼすモーメントを示している。また、ｒ１は膝関節軸５から力Ｆ１の作用点までのベクトル、ｒ２は膝関節軸５から力Ｆ２の作用点までのベクトルである。
【数１】
0006410142.tif 000002
【数２】
0006410142.tif 000003
【００３５】
図７（ｂ）は、大腿義足全体で構成される系に作用する力を示している。膝関節軸から床面に下した垂線と床面の交点を基準とした、踵と爪先のベクトルを以下の数式（３）とおく。このとき、大腿義足全体の力及びモーメントのつり合い式は以下の数式（４）、（５）で与えられる。ここで、Ｆ４は床反力を示しており、ｒ４は膝関節軸５から力Ｆ４の作用点（ＣＯＰ）までのベクトルを示している。
【数３】
0006410142.tif 000004
【数４】
0006410142.tif 000005
【数５】
0006410142.tif 000006
【００３６】
そして、床反力作用点ＣＯＰが大腿義足の足部１１内に存在する、つまり、ｒＲｘ≦ｒ４ｘ≦ｒＦｘが成立する必要がある。この関係式を数式（５）に代入することで、以下の数式（６）、（７）が得られる。
【数６】
0006410142.tif 000007
【数７】
0006410142.tif 000008
【００３７】
数式（２）において、伸展動作を行う場合も含めると、以下の数式（８）の不等式で表わされる。
【数８】
0006410142.tif 000009
【００３８】
スプリング３３が線形である場合を仮定すると、Ｆ３のｙ成分は、以下の数式（９）のように表わされる。この数式（９）と数式（１）、（８）から膝折れせずに伸展動作が行われるためのＦ１は以下の数式（１０）を満たす。以上より、膝折れせずに膝伸展するためには、外力Ｆ１が数式（６）、（７）、（１０）を同時に満たせば良い。
【数９】
0006410142.tif 000010
【数１０】
0006410142.tif 000011
【００３９】
以下、設計パラメータである、遊脚期における屈曲保持角度θｋ０を変化させた場合のＦ１が満たす条件の変化について説明する。図８は、膝継手１が屈曲ロック機能及び膝伸展機能を発揮するＦ１の要件範囲を示している。図８（Ａ）は屈曲保持角度θｋ０＝５０［ｄｅｇ］に設計した膝継手１を表わしており、図８（Ｂ）は屈曲保持角度θｋ０＝７０［ｄｅｇ］に設計した膝継手１を表わしている。両条件とも健常者の階段昇段時の最大の股関節モーメントを参考に、Ｍ１＝−２０［Ｎｍ］としている。また、直動変位Ｄは、０．００５、０．０１５、０．０２５［ｍ］の３条件について計算している。試作した膝継手１の各種パラメータを以下の表１に示している。尚、ｄはスプリング３３の自然長である。
【表１】
0006410142.tif 000012
【００４０】
図８に示すように、直動変位Ｄが増加することで機能が発現するＦ１の範囲が広がっていることがわかる。図８におけるハッチングの部分は、膝関節周りの伸展モーメントの程度を表わしている。例えば、図８（Ａ）に示す屈曲保持角度θｋ０＝５０［ｄｅｇ］、Ｄ＝０．０２５［ｍ］において、体重を７０ｋｇ（Ｆ１のｙ成分が約７００［Ｎ］）とすると、発生する伸展モーメントは最大で−４０〜−６０［Ｎｍ］であることがわかる。屈曲保持角度θｋ０による要件範囲を比較すると、θｋ０＝５０［ｄｅｇ］では範囲が広く、発揮される伸展モーメントも大きくなっている。
【００４１】
上記実施形態では、リンク機構により回動手段４を実現しているが、他の機構により回動手段を実現してもよい。例えば、床反力を検出する検出手段と、サーボモータなどのアクチュエータによって膝関節角度を調整する機構を設け、検出手段により検出された床反力をもとにアクチュエータを制御して、床反力の増加に従い膝関節角度を小さくして大腿リンク部２１を伸展方向に回動させ、床反力の減少に従い膝関節角度を大きくして大腿リンク部２１を屈曲方向に回動させるように構成してもよい。また、本発明の膝継手は、床反力の増加に従い伸展モーメントが発生し伸展できることから、大腿義足に限られず、下肢のパワーアシストスーツ等にも利用することもできる。
【００４２】
次に、大腿義足を用いた昇段実験について説明する。表１に示すように、試作した大腿義足が膝伸展機能と屈曲ロック機能を発現するかを確認した。また、遊脚期における歩容を計測し、階段の昇段が可能か確認した。また、赤外線カメラ１０台を用いたモーションキャプチャシステム（Motion analysis製）を計測周波数１００［Ｈｚ］にて使用した。
【００４３】
昇段実験には、踏み幅０．３［ｍ］、横幅０．９［ｍ］、蹴上げ０．１７［ｍ］の計５段の手摺り付の階段を使用した。２，３段目には床反力を測定するために、フォースプレート（BP400600、AMTI製、周波数１０００［Ｈｚ］）を設置した。被験者は、２２歳の健常な成人男性１名（身長１．７［ｍ］、体重６８［ｋｇ］）である。健常者の右脚に対して最大膝伸展角度が約−１０［ｄｅｇ］となる模擬大腿義足ソケットを装着し、試作した義足を取り付けた。被験者には、１段目に大腿義足の足部が接地した状態から自然な速度で最上段まで昇段するよう教示した。また、手摺りは転倒の危険を感じない限り、使用しないよう教示した。
【００４４】
遊脚期の膝屈曲角度条件として、屈曲保持角度θｋ０＝５０［ｄｅｇ］と７０［ｄｅｇ］の２水準を設けた。各水準を３試行ずつ計６試行を行った。義足を用いた階段の昇段において、ここでは、大腿義足の片足支持期を「Single Stance Phase（ＳＳ期）」とする。解析範囲は、健足側の足部が２段目のステップに接地した瞬間であるＬＨＣ（Left Heel Contact）から、大腿義足側の足部がステップに接地した瞬間ＲＨＣ（Right Heel Contact）、健足側の足部が離地した瞬間ＬＴＯ（Left Toe Off）を経て、健足側の足部が接地した瞬間ＬＨＣまでとした。尚、１段目階段接地時のＬＨＣの時点を時刻０秒とする。また、比較のために、試作の大腿義足を装着せずに、両側健常肢による階段の昇段実験も行った。
【００４５】
遊脚期の膝屈曲角度条件θｋ０にかかわらず、試作した膝継手を用いることで、手摺りを使用することなく、階段の交互昇段を行うことが可能であった。図９は、健常者とθｋ０＝７０［ｄｅｇ］での矢状面における２段目と３段目のステップ壁面上端と爪先の鉛直距離（クリアランス）である。第ｉ段目とのクリアランスとは、第ｉ−１段と第ｉ段の境界を表わす蹴上げ面の鉛直方向における第ｉ段の踏み面と、大腿義足の爪先部のクリアランスである。図９に示すように、健常者に比べ、大腿義足（θｋ０＝７０［ｄｅｇ］）では、クリアランスは小さいが、衝突することなく、階段の昇段が実現できていることが示されている。
【００４６】
図１０は、各水準における膝関節角度、膝関節モーメント、膝関節パワー、矢床反力の鉛直方向成分の結果を示している。膝関節モーメントは、試作の膝継手のパーツの質量も全て考慮に入れて動力学解析をし、これを踏まえた逆動力学計算によって算出した。ＲＴＯ直後に膝が屈曲し、θｋ０＝５０［ｄｅｇ］では、約３０［ｄｅｇ］、θｋ０＝７０［ｄｅｇ］では約６０［ｄｅｇ］まで膝が屈曲した、尚、設計した屈曲保持角度よりも最大屈曲角度が小さくなるのは、下腿部に掛かる重力の影響によるためである。同時刻において正の膝関節パワーが発揮された。また、ＳＳ期直前には解析範囲における最大の膝伸展モーメントが発揮された。ＳＳ期における床反力鉛直成分を比較すると、健常者は約６１０［Ｎ］の力を義足側（右）に掛けていた。両水準ともに約６００［Ｎ］の力を義足側（右）に掛けていたことから、健常者と同等の体重を義足に掛けて階段の昇段をしており、飛び上がるような特殊な身体運動をしていないことが示された。
【００４７】
以上のように、膝継手１を用いた実験の結果、手摺り等の補助器具を用いることなく、階段の交互昇段が可能であった。また、立脚期においては、膝伸展モーメントが発生し、正の膝関節パワーが発揮されていることが確認された。また、床反力に大きなピークなども見られず、立脚期中に体重を掛けて階段の昇段が可能であることが確認された。また、遊脚期には、屈曲保持機能が発現し、階段と足部のクリアランスを確保して昇段が可能であった。
【００４８】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１        膝継手
２        大腿側部材
２１      大腿リンク部
３        下腿側部材
３１      基部
３２      昇降部
３３      スプリング（付勢手段）
４        回動手段
４１      第１リンク部
４２      第２リンク部
４３      連結軸
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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