(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿フレームに固定され下腿フレームに対する膝軸の相対回転を取り出す膝軸歯車と、
下腿フレームに回転自在に支承され前記膝軸歯車の回転を増速する増速歯車列と、
前記増速歯車列の最終段に固定され最終段歯車と一体に回転する制動部と、
足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、
前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、
を備えることを特徴とする荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項２】
大腿フレームに固定され下腿フレームに対する膝軸の相対回転を取り出す膝軸歯車と、
下腿フレームに回転自在に支承され前記膝軸歯車の回転を増速する増速歯車列と、
前記増速歯車列の最終段に固定され最終段歯車と一体に回転する一方向クラッチと、
前記一方向クラッチは、入力段が最終歯車と一体とされ、出力段に制動部が設けられ、下腿フレームの屈曲方向への回転に前記一方向クラッチがオンになり回転が前記制動部に拘束され下腿の伸展方向へは前記一方向クラッチはオフとなり回転自在となるようにされていることと、
足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、
前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、
を備えることを特徴とする荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項３】
前記制動部が、ブレーキドラムであり、
前記荷重検出部が、かかと部の荷重により上に移動する第１のレバーと、第１のレバーの動きを反転させ荷重により下に移動する部分を有する第２のレバーとからなり、
前記ブレーキ手段が、前記第２のレバーに一端が固定され前記ブレーキドラムに卷回された後他端が下腿フレームに固定されたワイヤーからなる、
ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項４】
前記制動部が、ブレーキディスク又はブレーキドラムであり、
前記荷重検出部が、かかと部の荷重を検出し油圧を荷重に応じて変化させる油圧トランスデューサーであり、
前記ブレーキ手段が、前記油圧トランスデューサーの油圧により駆動される油圧シリンダと、その油圧シリンダにより加圧されるブレーキパッド若しくはブレーキシューとからなる、
ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項５】
前記制動部が、ブレーキディスク又はブレーキドラムであり、
前記荷重検出部が、かかと部の荷重を検出し電気信号に変化させる荷重検出器であり、
前記ブレーキ手段が、前記荷重検出器からの信号に応じて必要なブレーキトルク指令値を算出する指令値算出手段と、その指令値算出手段の出力により駆動されるアクチュエーターと、そのアクチュエーターにより駆動加圧されるブレーキパッド若しくはブレーキシューとからなる、
ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項６】
第１の入力軸が大腿フレームに固定され、第２の入力軸が下腿フレームに固定され、前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との相対回転を増速して出力軸に伝える遊星歯車機構と、
前記遊星歯車機構の出力軸の回転が伝えられる制動部と、
足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、
前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、
を備えることを特徴とする荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項７】
前記遊星歯車機構の出力軸と前記制動部との間に介在し、前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相対回転方向が膝を屈曲する方向であるときは回転を伝え、膝を伸展する方向であるときは回転を伝えない一方向クラッチを備えることを特徴とする請求項６に記載の荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【請求項８】
前記制動部が、ブレーキドラムであり、
前記荷重検出部が、足部であってその足部が人体の足部が乗る内殻部分と着床する外殻部分と内殻部分と外殻部分とに挟まれて配置された弾性体とを備え、
前記ブレーキ手段が、前記ブレーキドラムに卷回され一端が前記遊星歯車機構のフレームに固定され他端が前記足部の内殻部分に連結されたブレーキベルトを備える、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の荷重ブレーキ付き長下肢装具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脊髄損傷、脳血管障害、外傷等により下肢が麻痺したり筋機能を喪失した歩行障害者に自力歩行手段を与えるための長下肢装具に関する。
【背景技術】
【０００２】
長下肢装具では膝軸のロック、アンロックが問題になる。最も初歩的な長下肢装具では、大腿フレームと下腿フレームを手動でロック、アンロックする装置を設け、歩行するときは患者がロック状態にして歩行し、座っているとき等は患者がアンロックして膝を曲げられるようにするものであった。しかし、このような長下肢装具では歩行時に膝軸が固定されてしまい、いわゆる棒足歩行を強いられることになる。このため、歩容が不自然となると共に患者に負担を強いるものであった。長下肢装具では、歩行の立脚期にロックされて体重を支え、遊脚期にはアンロックされて下腿の揺動を許すことが理想的である。このような理想に近づくものとして、爪で膝軸のロック、アンロックをするものが知られている。
図１６は、従来の爪で膝軸のロック、アンロックをする長下肢装具の概要を説明する模式図である。大腿フレーム１０１と一体になって回転する円板１０２は一部が縮径され段差部１０３が形成されている。一方、下腿フレームには爪１０５が揺動軸１０６により揺動可能に取り付けられている。爪１０５の先端付近は連結棒１０７により足保持部１０８のかかとに連結されている。立脚期には、図１６（Ａ）に示すように、膝が伸展され、爪１０５が段差部１０３に当接し円板１０２の回転を阻止ロックし膝軸１０４の回転を阻止する。遊脚期には、図１６（Ｂ）に示すように、爪１０５が揺動自在になり爪１０５の先端が段差部１０３から離れて自由になる。このため、図１６（Ｃ）に示すように、爪１０５が段差部１０３に係合することなく円板１０２及び膝軸１０４が回転し、膝をアンロックとし屈曲自在にすることができる。
しかしながら、このようなロック式の長下肢装具では爪１０５が段差部１０３に食い込み遊脚期での膝のアンロックへの移行がスムーズに行かないという問題点があった。つまり、立脚期においては爪１０５の先端と円板１０２の段差部１０３との間に患者の体重に相当する強い荷重が掛かる。このため、爪１０５が段差部１０３に食い込んでしまう。遊脚期に移行し爪１０５が揺動自在となっても、膝にわずかでも屈曲モーメントが働いており爪１０５と段差部１０３との間に小さな押圧力が働いている限り、爪１０５はそのままでは摩擦力で段差部１０３から離れずロック状態が持続する。いわゆる爪１０５の食い込みである。そこで患者は、膝をさらに伸展させる動作をして爪１０５を段差部１０３から一旦引き離し、ロック状態を解除してやる必要があった。これは爪によるロック方式を採用する以上必然的に発生する現象であり、患者に一歩毎に余分な動作を要求し煩雑なことであった。
爪によるロック方式を採用せずブレーキ方式を採用すればこのような食い込み現象は解消されるはずである。特開２０００−１０７２１２号公報には、膝軸に患者の体重による荷重ブレーキを用いた義足が開示されている。しかし、これは義足であり膝部分に大きな空間があり、そこに容積の大きなブレーキ機構を組み込むことにより体重に耐える大きなブレーキ力を発生させることで成立している。長下肢装具では患者の膝の脇のわずかな空間にブレーキ機構を組み込まねばならず、この方式を採用することは無理である。
長下肢装具では患者の体重による荷重で膝軸にブレーキを掛けるのはブレーキ力が不足し、膝折れをきたし無理だと考えられてきた。患者の体重による荷重で確実に膝折れを防止できるブレーキを構成しようとすると、大きなトルクに耐えるためブレーキディスクの直径が３０ｃｍ以上になってしまい、実用的ではなかった。また、登録実用新案第３００２３２０号公報にはブレーキ機構をつけた長下肢装具が開示されている。しかしこれは、モータの動力を用いてブレーキを作動させるものであり、患者の体重でブレーキを掛けるものではない。また、モータによるブレーキのためブレーキが効くまで時間が掛かり、タイムラグが生ずるので使い心地が悪くなるという問題点があった。
【発明の開示】
【０００３】
上記のように、爪によるロック方式は確実に膝軸をロックすることができる利点はあるが、爪の食い込み現象によりアンロック状態へ移行するのに余分の動作が必要になるという課題があった。また、爪によるロックは膝がロックする位置が常に一定の位置、通常は膝の伸展位置に限られる。階段や坂道を昇る際には膝が少し屈曲した位置でロックする必要があるが膝の伸展位置でしかロックできないので階段が昇れないという課題があった。また、単純なブレーキ方式では体重による荷重のみでは膝軸のブレーキ力が不足し、十分なブレーキ力を発生させようとするとブレーキディスクの直径が過大になり実用に耐えないという課題があった。
本発明は上記の課題を解決するためなされたものであり、実用的な大きさのブレーキ装置でもって、患者の体重による荷重により任意の角度位置で確実に膝をロックできて膝折れの不安が無く、荷重が消失すれば直ちに何の余分な動作も要せず膝をアンロック状態へ移行する使い勝手の良い長下肢装具を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明の荷重ブレーキ付き長下肢装具は、第１の発明の態様として、大腿フレームに固定され下腿フレームに対する膝軸の相対回転を取り出す膝軸歯車と、下腿フレームに回転自在に支承され前記膝軸歯車の回転を増速する増速歯車列と、前記増速歯車列の最終段に固定され最終段歯車と一体に回転する制動部と、足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、を備えることを特徴とする。
また、第２の発明の態様として、大腿フレームに固定され下腿フレームに対する膝軸の相対回転を取り出す膝軸歯車と、下腿フレームに回転自在に支承され前記膝軸歯車の回転を増速する増速歯車列と、前記増速歯車列の最終段に固定され最終段歯車と一体に回転する一方向クラッチと、前記一方向クラッチは、入力段が最終歯車と一体とされ、出力段に制動部が設けられ、下腿フレームの屈曲方向への回転に前記一方向クラッチがオンになり回転が前記制動部に拘束され下腿の伸展方向へは前記一方向クラッチはオフとなり回転自在となるようにされていることと、足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、を備えることを特徴とすることができる。
ここで好適には、第３の発明の態様として、前記制動部が、ブレーキドラムであり、前記荷重検出部が、かかと部の荷重により上に移動する第１のレバーと、第１のレバーの動きを反転させ荷重により下に移動する部分を有する第２のレバーとからなり、前記ブレーキ手段が、前記第２のレバーに一端が固定され前記ブレーキドラムに卷回された後他端が下腿フレームに固定されたワイヤーからなる、ことを特徴とすることができる。
さらに、第４の発明の態様として、前記制動部が、ブレーキディスク又はブレーキドラムであり、前記荷重検出部が、かかと部の荷重を検出し油圧を荷重に応じて変化させる油圧トランスデューサーであり、前記ブレーキ手段が、前記油圧トランスデューサーの油圧により駆動される油圧シリンダと、その油圧シリンダにより加圧されるブレーキパッド若しくはブレーキシューとからなる、ことを特徴とすることができる。
さらには、第５の発明の態様として、前記制動部が、ブレーキディスク又はブレーキドラムであり、前記荷重検出部が、かかと部の荷重を検出し電気信号に変化させる荷重検出器であり、前記ブレーキ手段が、前記荷重検出器からの信号に応じて必要なブレーキトルク指令値を算出する指令値算出手段と、その指令値算出手段の出力により駆動されるアクチュエーターと、そのアクチュエーターにより駆動加圧されるブレーキパッド若しくはブレーキシューとからなる、ことを特徴とすることもできる。
また、第６の発明の態様として、第１の入力軸が大腿フレームに固定され、第２の入力軸が下腿フレームに固定され、前記第１の入力軸と前記第２の入力軸との相対回転を増速して出力軸に伝える遊星歯車機構と、前記遊星歯車機構の出力軸の回転が伝えられる制動部と、足保持部に設けられ足部の接地圧を検出する荷重検出部と、前記荷重検出部と前記制動部とを連絡し、荷重検出部に荷重が掛かった際に制動部の回転を制動するブレーキ手段と、を備えることを特徴とすることができる。
さらに、第７の発明の態様として、前記遊星歯車機構の出力軸と前記制動部との間に介在し、前記大腿フレームと前記下腿フレームとの相対回転方向が膝を屈曲する方向であるときは回転を伝え、膝を伸展する方向であるときは回転を伝えない一方向クラッチを備えることを特徴とすることができる。
そして、第８の態様の発明として、前記制動部が、ブレーキドラムであり、前記荷重検出部が、足部であってその足部が人体の足部が乗る内殻部分と着床する外殻部分と内殻部分と外殻部分とに挟まれて配置された弾性体とを備え、前記ブレーキ手段が、前記ブレーキドラムに卷回され一端が前記遊星歯車機構のフレームに固定され他端が前記足部の内殻部分に連結されたブレーキベルトを備える、ことを特徴とすることができる。
上記第１の発明の態様のように構成すると、膝軸の相対回転は増速されて制動部に伝えられる。逆に言えば、制動部の制動トルクは増力されて膝軸に伝えられる。従って、制動部の半径が小さくて小さな制動トルクしか発生できなくても、膝軸では増力されて大きな制動トルクとなる。それ故、長下肢装具に装着し易い半径の小さい制動部によるブレーキでも、患者の体重による荷重トルクを十分に支え、膝折れを発生することがない。さらに、ブレーキ機構による制動、ロックであるから、制動、ロックを解除するときに爪等ロック部材の食い込みによる不愉快な現象は発生しないという効果がある。また、制動部に要求されるブレーキトルクが小さくてすむから制動部周辺の構造が簡易にできるという効果がある。
足保持部が着地し患者の体重による荷重が掛かるとその荷重により制動部が制動される。制動部は増速されているから、制動部の制動トルクは増力されて膝軸に伝えられる。従って、体重による荷重だけで十分な制動トルクを膝軸に与えることができ、確実に任意の位置で膝をロックすることができる。ブレーキ機構によるロックであるから爪の食い込み現象のようなアンロック時の悪影響はなく、足保持部への荷重が解消すれば直ちに制動力が消失する。従って、足保持部を着地するだけで患者の体重による荷重により任意の角度位置で確実に膝をロックでき、足保持部を離地するだけで荷重が消失すれば直ちに何の余分な動作も要せず膝をアンロック状態へ移行することができるという効果がある。それ故、長下肢装具の立脚期から遊脚期への移行、遊脚期から立脚期への移行がスムーズになり、使用感が向上すると云う効果を奏する。また、膝の任意の角度位置でロックできるから階段や坂道の昇りも可能になり、立ち上がりも容易になる。
ここで第２の態様の発明は、最終段歯車と制動部との間に一方向クラッチを設けているから、膝が屈曲する方向にのみブレーキを掛けることができ、膝が伸展する方向は足部に荷重が掛かっている時でも自由に伸展できる。それ故、長下肢装具の使い勝手が良くなるという効果がある。例えば、立ち上がるときは両下肢に荷重がかかった状態で膝が屈曲位から徐々に伸展してゆかなければならない．この機構は屈曲方向のみロックで伸展方向は自由なため、安全にスムーズに立ち上がりが可能になる。階段を昇るとき、長下肢装具が少しだけ屈曲した状態で上の段に着地し荷重をかけて膝をロックし健脚で蹴ることにより体を持ち上げる。体が持ち上がる過程で装具の膝は徐々に伸展し健脚が着地するときには、ほぼ完全伸展位になる．このように、長下肢装具への荷重が完全に０になっていなくても、長下肢装具は伸展することができるので非常に使い勝手がよい。
第３の態様の発明は、制動部をブレーキドラムとしブレーキ手段をブレーキドラムに卷回されたワイヤーとしている。このため、ブレーキ機構の構成が簡易で軽量に構成できるという効果がある。さらにワイヤーのブレーキドラムへの卷回数を適当に設定することによりブレーキトルクを適切に設定することができるという効果がある。
さらに、第４の態様の発明は、油圧を用いているので、体重荷重をロスなくブレーキに伝えられると共に荷重が無くなった時のブレーキトルクの消滅応答性が早いという効果がある。また、油圧であるからブレーキ機構の構成が自由になると云う効果を奏する。
さらには、第５の態様の発明は、電気信号を用いてブレーキを制御しているから制御の可変性に富むという効果がある。例えば、かかと荷重検出値から必要十分なブレーキトルク指令値を算出し出力するようにしておけば、弱いかかと荷重の時はアクチュエーターに流す電流を少なくし強いかかと荷重の時はそれに負けないブレーキトルク指令値を発生することにより、膝のロックを確保しながら電池の消耗を少なくすることができる。また、荷重検出部をかかと荷重検出器単独ではなく、つま先荷重も検出することとし、つま先荷重とかかと荷重を比較しながらブレーキトルク指令値を出力するようにすることにより、より高度な膝関節の制御が可能になる。
第６の態様の発明では、増速機構として遊星歯車機構が使用される。このため、高い増速比をもつ増速機構が軽量でコンパクトに構成でき、長下肢装具の膝軸側部に取り付けるのに好適であるという効果を奏する。また、増速される出力軸からフレームに掛かる力の平衡が取りやすいという効果がある。
そして、第７の態様の発明では、一方向クラッチを介在させているから、上記第２の態様の発明で述べたのと同じ作用効果を奏する。
さらに、第８の態様の発明では、内殻部分と外殻部分とに挟まれた弾性体が圧縮されることにより足部への荷重を検出するものであるから、確実に荷重を検出できると共に、外殻部分の外側に余分の部材がないので、歩行の際邪魔にならないという効果を奏する。さらに、ブレーキ手段が、ブレーキドラムに卷回されたブレーキベルトであるので、足部荷重による内殻部分の相対移動により確実にブレーキドラムを締めブレーキを掛けることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明に係る第１の実施の形態を示す荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。
図２は、足保持部を示す側面図である。
図３は、３段の増速歯車列の部分を示す断面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。
図４は、ブレーキドラム、増速歯車列等の機構をユニット化した第２の実施の形態の長下肢装具の膝軸制御ユニットを示す斜視図である。
図５は、第２の実施の形態の長下肢装具の膝軸制御ユニットを示す裏面図である。
図６は、第２の実施の形態の膝軸制御ユニットの縦断面図である。
図７は、一方向クラッチを組み込んでユニット化した第３の実施の形態の長下肢装具の膝軸制御ユニットを示す斜視図である。
図８は、第３の実施の形態の一方向クラッチを組み込んだ膝軸制御ユニットの縦断面図である。
図９は、油圧を用いた第４の実施の形態を示す荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。
図１０は、電気信号を用いた第５の実施の形態を示す荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。
図１１は、一方向クラッチ付膝軸制御ユニットと改良された足部が組み込まれた長下肢装具を示す斜視図である。
図１２は、改良された足部を示す側面図である。
図１３は、遊星歯車機構を用いた膝軸制御ユニットを示す斜視図である。
図１４は、遊星歯車機構を示す模式図である。
図１５は、遊星歯車機構を用いた膝軸制御ユニットを示す分解斜視図である。
図１６は、従来の爪で膝軸のロック、アンロックをする長下肢装具の概要を説明する模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。左右２本の大腿フレーム１１、１２に大腿止めバンド１３，１４が取り付けられている。大腿フレーム１１，１２の下端に膝軸２１，２２が固定され、その膝軸２１，２２に揺動自在に下腿フレーム１５，１６が取り付けられている。下腿フレーム１５，１６には下腿止めバンド１７が取り付けられている。下腿フレーム１５，１６の下端に足保持部１８が組み付けられ、足保持部１８には足取付けバンド１９が取り付けられている。内側の膝軸２１には膝軸歯車２３が固定され、膝軸歯車２３は下腿フレーム１５上に回転自在に支承された３段の増速歯車列２５と噛合している。
図２は、足保持部１８を示す側面図である。足保持部１８の側部には側部プレート２６が固定され下腿フレーム１５が支承されている。側部プレート２６の後方に第１のレバー２７が上下に摺動自在に保持されている。第１のレバー２７は下部が９０°折曲され、水平な折曲部２７Ａが足保持部１８のかかとの下に位置するようにされている。第１のレバー２７の上端はピンにより第２のレバー２８の後端に連結されている。第２のレバー２８は、下腿フレーム１５に中央部を軸２９により揺動自在に支承されている。第２のレバー２８の前端には上から降りるワイヤー３１の終端が結合されている。かかとが着地すると第１のフレーム２７の折曲部２７Ａが着地し、第１のフレーム２７を患者の体重の荷重で上方に押し上げる。この動きは第２のレバー２８により反転され、ワイヤー３１を体重の荷重で下方に引っ張るようになっている。第１のレバー２７及び第２のレバー２８は荷重検出部を構成する。
図３は、３段の増速歯車列２５の部分を示す断面図（Ａ）及び正面図（Ｂ）である。大腿フレーム１１に固定された膝軸２１により下腿フレーム１５が揺動自在に支承されている。また、大腿フレーム１１及び膝軸２１には膝軸歯車２３が固定されている。下腿フレーム１５には支持ステー３２が固着され、その支持ステー３２に３本の軸３３，３４，３５が植設されている。第１段の軸３３には第１段の増速歯車３６が、第２段の軸３４には第２段の増速歯車３７が、第３段の軸３５には第３段（最終段）の増速歯車３８が、それぞれ回転自在に支承されている。第１段の増速歯車３６は小径の歯車３６Ａと大径の歯車３６Ｂとからなり、小径の歯車３６Ａと大径の歯車３６Ｂとは一体に回転するように相互に固着されている。同様に、第２段の増速歯車３７は小径の歯車３７Ａと大径の歯車３７Ｂとからなり、小径の歯車３７Ａと大径の歯車３７Ｂとは一体に回転するように相互に固着されている。第３段の増速歯車３８は小径の歯車である。第３段の増速歯車３８にはブレーキドラム４１が固着され一体に回転する。
そして、大径の膝軸歯車２３は第１段小径歯車３６Ａと噛合し、第１段大径歯車３６Ｂは第２段小径歯車３７Ａと噛合し、第２段大径歯車３７Ｂは小径の第３段歯車３８に噛合する。具体的には、大径の歯車２３，３６Ｂ、３７Ｂにはピッチ円直径３６ｍｍ、歯数２４の歯車を用い、小径の歯車３６Ａ，３７Ａ、３８にはピッチ円直径１８ｍｍ、歯数１２の歯車を用いた。歯幅は５ｍｍである。３段の増速歯車列２５の増速比は、２×２×２＝８倍となる。また、ブレーキドラム４１の直径は２８ｍｍとした。このブレーキドラム４１にワイヤー３１が３／２回転卷回され、終端が支持ステー３２に固着されたアンカー４２に係止される。
以上の構成に基づき作動について説明する。立脚期には長下肢装具が着地しており、第１のレバー２７の折曲部２７Ａに患者の体重が掛かる。このため、体重の荷重でワイヤー３１が下方に引っ張られワイヤー３１に荷重による張力が発生する。この張力はブレーキドラム４１に卷回されている部分にも伝わり、ワイヤー３１がブレーキドラム４１を締め付け、摩擦によるブレーキトルク力がブレーキドラム４１に発生する。このブレーキトルク力は増速歯車列２５により８倍に増力されて膝軸歯車２３に伝わる。従って、体重による荷重だけで膝軸歯車２３つまり大腿フレーム１１の相対回転を確実に阻止し膝をロックすることがでる。それ故、危険な立脚期の膝折れを防止することができる。
長下肢装具の足保持部１８が離地すると第１のレバー２７の折曲部２７Ａも離地し、第１のレバー２７に掛かっていた荷重が消失する。このため、ワイヤー３１の張力も消失し、ワイヤー３１とブレーキドラム４１との摩擦トルクが消滅し、ブレーキドラム４１は自由に回転できるようになる。このため膝軸歯車２３の相対回転も自由になり膝がアンロックされた状態となる。膝が揺動自在となり下腿が揺動自由になるから遊脚期に適切である。立脚期の膝がロックされた状態から遊脚期の膝がアンロックされた状態への移行は足保持部１８の離地だけで瞬時にスムーズに移行できるから、長下肢装具の使用感が快適である。また、長下肢装具の膝が曲がった状態でも足保持部１８を接地させると体重荷重により膝がロックされるので、長下肢装具を使用できる場面が広くなる。例えば、階段、坂道の昇り歩行が可能になる。膝の伸展動作をしなくても、足保持部１８の接地、離地だけで膝のロック、アンロックが切り替えられるので長下肢装具の使用が容易快適になる。
また、ブレーキドラム４１、増速歯車列２５等の機構が幅４ｃｍ長さ１５ｃｍの中に収まっているから、かさばらず邪魔にならない。なお、ワイヤー３１とブレーキドラム４１の摩擦力によるブレーキトルク及び３段の増速歯車列２５により患者の体重を支えるに十分なブレーキトルクが得られ、各部材の強度も十分であることは、計算と試作品により確認されている。
図４は、ブレーキドラム４１、増速歯車列２５等の機構をユニット化した第２の実施の形態の長下肢装具の膝軸制御ユニットを示す斜視図、図５は、裏面図である。ユニット箱体７０は下腿フレーム１５に固定される部分であり、下腿アーム７１と一体に形成されている。下腿アーム７１には下腿フレーム１５にユニット箱体７０を固定するための２つのねじ孔７１Ａ、７１Ａが明けられている。ユニット箱体７０の反対側には、大腿アーム７２が膝軸７３によりユニット箱体７０に回転可能に支承されている。大腿アーム７２には大腿フレーム１１に大腿アーム７２を固定するための２つのねじ孔７２Ａ、７２Ａが明けられている。ユニット箱体７０には膝軸７３の他に、第１段の軸７４、第２段の軸７５、第３段の軸７６が配設されている。ユニット箱体７０の下腿アーム７１側の側面には２つのワイヤー孔７７、７７が明けられ、ブレーキを掛けるためのワイヤー３１が挿通できるようになっている。
図６は、膝軸制御ユニットの縦断面図である。各軸７３，７４，７５，７６はそれぞれ軸受け７８、７８により回転自在にユニット箱体７０に支承されている。膝軸７３には大腿アーム７２が固定され一体に回転する。その大腿アーム７２に大径の膝軸歯車８１がビス８７により固定されている。膝軸歯車８１は小径の第１段小径歯車８２Ａと噛合し、第１段大径歯車８２Ｂは第２段小径歯車８３Ａと噛合し、第２段大径歯車８３Ｂは小径の第３段歯車８４に噛合する。具体的には、大径の歯車８１，８２Ｂ、８３Ｂにはピッチ円直径３６ｍｍ、歯数２４の歯車を用い、小径の歯車８２Ａ，８３Ａ、８４にはピッチ円直径１８ｍｍ、歯数１２の歯車を用いた。歯幅は５ｍｍである。３段の増速歯車列２５の増速比は、２×２×２＝８倍となる。なお、各歯車８１，８２Ａ，８２Ｂ，８３Ａ、８３Ｂ、８４はそれぞれの軸７３，７４，７５，７６に固定され、それぞれの軸７３，７４，７５，７６と一体に回転する。
最終段の第３段の軸７６にはブレーキドラム８５が固定され第３段歯車８４と一体に回転するようになっている。このブレーキドラム８５に、長下肢装具の足保持部１８の第２のレバー２８（図２参照）に連結されたワイヤー３１が卷回され、ワイヤー３１に張力が発生したときにブレーキドラム８５にブレーキトルクを発生させる。ブレーキドラム８５のブレーキトルクは８倍に増力されて膝軸７３に伝わる。
このように増速歯車列の部分をユニット化することにより、従来の長下肢装具にもこのユニット箱体７０を装着し、荷重ブレーキ付き長下肢装具と改造することが容易となるという利点がある。
図７は、一方向クラッチを組み込んでユニット化した第３の実施の形態の長下肢装具の膝軸制御ユニットを示す斜視図である。裏面図は図５と同じであるので特に図示しない。図４と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。ここでは、最終段の第３段の軸９１の軸長が他の軸７３、７４、７５より若干長くされており、それに伴ってユニット箱体９０の形状も、第３段の軸９１の周りだけ厚さが厚くなっている。これは一方向クラッチを収容するためである。
図８は、一方向クラッチを組み込んだ膝軸制御ユニットの縦断面図である。図６と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。最終段の第３段の軸９１は軸受け７８、７８によりユニット箱体９０に回転自在に支承されている。軸９１の下部には小径の第３段増速歯車８４が形成されている。膝軸歯車８１から第３段増速歯車８４までで８倍に増速するように歯車系列が形成されている。軸９１の上部には一方向クラッチ９２が組み込まれている。一方向クラッチ９２は内輪９３と外輪９４とからなる市販のクラッチで、内輪９３は軸９１に固定され軸９１と一体に回転する。外輪９４は一方向例えば右回転では内輪９３と一体に回転し、逆方向例えば左回転では内輪９３と切り離され自由に回転する。一方向クラッチの方向は適用する長下肢装具が右下肢か左下肢かで決まり、膝が屈曲する方向ではクラッチが掛かり、伸展する方向では回転自由となるように設定する。そしてここでは、一方向クラッチ９２の外輪９４に直接ワイヤー３１を巻き付けるようにし、外輪９４にブレーキドラムとしての作用も行わせている。
このように構成すると、膝が屈曲する方向にのみブレーキを掛けることができ、膝が伸展する方向は足保持部１８に荷重が掛かっている時でも自由に伸展できる。それ故、長下肢装具の使い勝手が良くなるという効果がある。例えば、階段を昇るとき、長下肢装具が少しだけ屈曲した状態で上の段に着地し荷重をかけて膝をロックし健脚を遊脚として体を持ち上げる。体が持ち上がり健脚が着地すると、長下肢装具の屈曲を伸展しようとする。このとき、長下肢装具の足保持部１８への荷重が完全に０になっていなくても、長下肢装具の屈曲は自由に伸展することができるので非常に使い勝手がよい。
図９は、油圧を用いた第４の実施の形態を示す荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。図１で示した第１の実施の形態と同じ部材、例えば増速歯車列２５等は同じ符号を付して説明を省略する。増速歯車列２５の最終段（第３段）増速歯車３８にブレーキディスク５１が固定されて一体に回転する。ブレーキディスク５１を両面側から挟むようにブレーキパッド５２が配設され下腿フレーム１５に支持されている。ブレーキパッド５２は油圧シリンダ５３により駆動されるようになっている。油圧シリンダ５３は、油圧配管５４により足保持部１８の油圧トランスデューサー５５に連通している。油圧トランスデューサー５５は、例えばダイヤフラム又はゴムからなる油室であり、足保持部１８のかかと部底面に配設されている。油圧トランスデューサー５５はかかと部の着地圧を検出して油圧に変換し、油圧は油圧配管５４を経由して油圧シリンダ５３に伝えるようになっている。
上記のように構成すると、立脚期にはかかと荷重の圧力が油圧トランスデューサー５５により油圧に変換され、油圧シリンダ５３を駆動する。すると、ブレーキパッド５２がブレーキディスク５１を挟持押圧し、ブレーキディスク５１にブレーキトルクを掛ける。油圧が低くブレーキディスク５１のブレーキトルクが小さくても、増速歯車列２５により８倍に増力されて膝軸２１にブレーキトルクを掛けるから、確実に患者の体重に耐えて膝軸２１をロックする。遊脚期には、かかと部が地面から離れるから油圧トランスデューサー５５に掛かる荷重も消失し油圧が０になる。このためブレーキパッド５２がブレーキディスク５１から離れ、膝軸２１は回転自在になり膝は揺動自在になる。上記の構成によると、体重荷重をロスなくブレーキに伝えられると共に荷重が無くなった時のブレーキトルクの消滅応答性が早いという利点がある。また、ブレーキ機構の構成が自由になると云う利点がある。そこで、ここでは、ブレーキパッド５２とブレーキディスク５１によるディスクブレーキとして構成したが、ブレーキドラムとブレーキシューによるドラムブレーキとして構成することもできる。
図１０は、電気信号を用いた第５の実施の形態を示す荷重ブレーキ付き長下肢装具を示す斜視図である。図１で示した第１の実施の形態と同じ部材、例えば増速歯車列２５等は同じ符号を付して説明を省略する。増速歯車列２５の最終段（第３段）増速歯車３８にブレーキディスク６１が固定されて一体に回転する。ブレーキディスク６１を両面側から挟むようにブレーキパッド６２が配設され下腿フレーム１５に支持されている。ブレーキパッド６２は電磁アクチュエーター６３により駆動されるようになっている。足保持部１８のかかと底面には歪みゲージ等からなる荷重検出器６５が取り付けられている。荷重検出器６５からの信号はケーブル６６により電子制御ユニット６７に伝えられる。電子制御ユニット６７には下腿フレーム１５に保持された電池６８から電力が供給され、電子制御ユニット６７は荷重検出器６５からの信号に基づいて電磁アクチュエーター６３を駆動するようになっている。
電子制御ユニット６７は内部にＭＰＵ（マイクロプロセッサーユニット）を有し、荷重検出器６５からのかかと荷重検出値に応じて電磁アクチュエーター６３の駆動電流を非線形に制御し、ブレーキトルクを制御する。電子制御ユニット６７はブレーキトルクの指令値算出手段を構成する。立脚期に膝軸２１をロックするために必要十分なブレーキトルクが指令される。増速歯車列２５により１／８に減少されているから、電磁アクチュエーター６３の能力が小さいもので良く、それだけ電池６８の寿命が長くなるという利点がある。さらに、立脚期の領域ではかかと荷重が増えても電磁アクチュエーター６３に流す電流が所定の飽和値に保たれるから、電池６８の消耗が少なくなるという利点がある。
図１１は、一方向クラッチ付膝軸制御ユニット２０１と改良された足部２０２が組み込まれた長下肢装具を示す斜視図である。膝軸制御ユニット２０１の下方からチューブ状のワイヤーハウジング２０３が引き出され、足部２０２に至っている。足部２０２は、人体の足部が乗る内側プラスチック部分（内殻部分）２０５と、床面に接地する外側プラスチック部分（外殻部分）２０６とからなる。
図１２は、改良された足部２０２を示す側面図である。内側プラスチック部分（内殻部分）２０５と外側プラスチック部分（外殻部分）２０６との間の足底面の部分にスポンジ状の弾性体２０７が配設され弾性的に押圧可能にされている。膝軸制御ユニット２０１からのワイヤーハウジング２０３は外側プラスチック部分（外殻部分）２０６に固定される。ワイヤーハウジング２０３内を挿通するワイヤー２０８は内側プラスチック部分（内殻部分）２０５に固定される。このため、足部２０２に荷重が掛かると弾性体２０７がつぶれ、内側プラスチック部分２０５が下がる。その結果、ワイヤー２０８が引っ張られ膝軸制御ユニット２０１にブレーキが掛かる。足部２０２の荷重が消失すると弾性体２０７の復元力によりワイヤー２０８が緩み、膝のブレーキ力が消失する。人体の足部が乗る内側プラスチック部分（内殻部分）２０５と、床面に接地する外側プラスチック部分（外殻部分）２０６と、弾性体２０７とで荷重検出部を構成している。
図１３は、遊星歯車機構を用いた膝軸制御ユニット２１０を示す斜視図である。大腿フレーム１１に固定される大腿アーム２１１と下腿フレーム１５に固定される下腿アーム２１２を備える。大腿アーム２１１と下腿アーム２１２は相対的に回動可能にされている。ハウジング２１３の中には遊星歯車機構が組み込まれ、大腿アーム２１１と下腿アーム２１２の相対的な回転を増速する部分がある。その増速した部分にベルトでブレーキを掛けるようになっている。ブレーキベルト取り出し口２１４がハウジング２１３の側部に設けられている。
図１４は、遊星歯車機構を示す模式図である。この遊星歯車機構は、２Ｓ−Ｃ形のもので、大径の内歯歯車２１５に３個の遊星歯車２１６が噛合し、３個の遊星歯車２１６には１個の小径の太陽歯車２１７が噛合している。３個の遊星歯車２１６はキャリア２１８により保持されている。内歯歯車２１５には大腿アーム２１１が固定され、キャリア２１８には下腿アーム２１２が固定される。内歯歯車２１５とキャリア２１８の相対回転は増速されて太陽歯車２１７の回転になる。内歯歯車２１５の歯数Ｚａ＝８４、太陽歯車２１７の歯数Ｚｂ＝１２、遊星歯車２１６の歯数Ｚｃ＝３６である。内歯歯車２１５とキャリア２１８の相対回転に対する太陽歯車２１７の増速比は、（１＋Ｚａ／Ｚｂ）＝（１＋８４／１２）＝８となる。
図１５は、遊星歯車機構を用いた膝軸制御ユニット２１０を示す分解斜視図である。大腿アーム２１１と一体とされる環状ホルダー２２０に大径の内歯歯車２１５が固定されている。一方、下腿アーム２１２と一体とされる上下２枚の円板状ホルダー２２１には、ボルト２２２によりキャリア２１８が固定される。キャリア２１８には３個の遊星歯車２１６が保持される。中心に配置される太陽歯車２１７の上方には出力軸２２３が太陽歯車２１７と一体に固定されている。出力軸２２３には一方向クラッチ２２４の内輪が嵌着される。一方向クラッチ２２４の外輪にはブレーキドラム２２５が嵌着される。ブレーキドラム２２５の外周にはブレーキベルト２３０が巻き付き、ブレーキベルト２３０の一端はハウジング２１３に固定され、他端はブレーキベルト取り出し口２１４から取り出されて、図１２に示すように、ワイヤー２０８を経由して足部２０２の内殻部分２０５に連結される。ハウジング２１３はボルト２２６により円板状ホルダー２２１に締着される。
大腿アーム２１１と下腿アーム２１２とが相対的に回転すると、遊星歯車機構により太陽歯車２１７が８倍に増速されて回転する。太陽歯車２１７と一体となった一方向クラッチ２２４の内輪が同様に回転する。一方向クラッチ２２４の外輪は、長下肢装具が膝折れ（屈曲）する方向には内輪と一体に回転し、膝が伸展する方向には自由に回転する。一方向クラッチ２２４の外輪にはブレーキドラム２２５が一体に取り付けられ一体に回転する。従って、膝折れする方向への大腿アーム２１１と下腿アーム２１２との回転だけ８倍に増速してブレーキドラム２２５は回転する。そのブレーキドラム２２５の回転を阻止すべく、ブレーキベルト２３０が卷回されている。そのブレーキベルト２３０の一端はハウジング２１３に固定され、他端はワイヤー２０８により、図１２に示すように、足部２０２の内側プラスチック部分（内殻部分）２０５に連結されている。従って、足部２０２が着床して荷重が掛かると、弾性体２０７が圧縮されてワイヤー２０８が引っ張られ、ブレーキベルト２３０が引っ張られて８倍に増速されたブレーキドラム２２５の回転が阻止される。この結果、大腿アーム２１１と下腿アーム２１２の屈曲方向への回転は阻止され、長下肢装具の膝折れが防止される。大腿アーム２１１と下腿アーム２１２の伸展方向への回転は一方向クラッチ２２４により自由であり、長下肢装具の膝の伸展は自在である。このため、足部２０２に荷重が掛かった際には確実にブレーキを掛け長下肢装具の膝折れを防止し、膝の伸展は足部２０２の荷重に係わらず自由であり、非常に使い勝手がよい。
本願発明の要点は、長下肢装具の膝折れを、ロック機構ではなく体重荷重によるブレーキ機構により阻止することを実現したことにある。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
本発明は、長下肢装具に適用される。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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