(57)【要約】      （修正有）【課題】外部動力源を必要としない、小型軽量、かつシンプルな構造で伸展トルクを発生させる膝継手を提供する。【解決手段】大腿側に固定される大腿側リンク１０と、下腿側に固定される下腿側リンク２０と、大腿側リンクと下腿側リンクとを連結する軸とを有する膝継手１００において、足底部位置又は下腿部位置に配置した入力シリンダ４０と、大腿側リンクと前記下腿側リンクとの間に配設された出力シリンダ５０と、入力シリンダと出力シリンダとを連結する油圧回路６０とを備え、歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿側に固定される大腿側リンクと、下腿側に固定される下腿側リンクと、前記大腿側リンクと前記下腿側リンクとを連結する軸とを有する膝継手において、
足底部位置又は下腿部位置に配置した入力シリンダと、
前記大腿側リンクと前記下腿側リンクとの間に配設された出力シリンダと、
前記入力シリンダと前記出力シリンダとを連結する油圧回路とを備え、
歩行動作中に前記入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が前記油圧回路を介して前記出力シリンダに伝達され、前記出力シリンダから出力した力により前記大腿側リンクに伸展トルクを発生させることを特徴とする膝継手。
【請求項２】
前記入力シリンダは、足底部位置に配置された複数の入力シリンダから構成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】
前記入力シリンダ及び前記出力シリンダには、ピストン位置を復元させるバネが設けられてい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】
前記出力シリンダのピストン径は、前記入力シリンダのピストン径より大きく形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の膝継手。
【請求項５】
前記入力シリンダには、入力の力を増幅するためのてこ機構が設けられ、前記出力シリンダには、出力の力を増幅するためのてこ機構とピストン位置復元機構とが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の膝継手。
【請求項６】
前記ピストン位置復元機構は、前記出力シリンダのピストンを元の位置に移動するように操作するレバーを有し、遊脚期に膝が伸展する際に、前記レバーの動作により前記出力シリンダが圧縮され、前記出力シリンダ及び前記入力シリンダのピストン位置を復元させるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の膝継手。
【請求項７】
足底部に配置されたブレーキレバーと、前記下腿側リンクに装着されているブレーキローターと、前記ブレーキローターと一緒に装着されているブレーキキャリパーと、前記ブレーキレバーと前記ブレーキキャリパーとを連結し、引っ張り力を伝達するためのワイヤーとを有する荷重ブレーキ機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の膝継手。
【請求項８】
前記入力シリンダは、下腿部位置に配置され、
足底部に配置されたレバーと、前記下腿側リンクに装着されている圧縮機構と、前記レバーと前記圧縮機構とを連結し、前記レバーにより受けられた床反力を前記圧縮機構に伝達するためのワイヤーとを有する床反力伝達機構をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の膝継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部動力源を必要としない、大腿義足用の膝継手、又は膝部の伸展をアシストする装具の膝継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
大腿部切断患者にとって、膝関節の欠損による日常生活への影響は大きい。そのため、代替機能となる膝継手の機能が非常に重要となる。しかし、既存の殆どの膝継手は、立脚期に膝の伸展方向の伸展トルクを発生することができず、この伸展トルクを使用者自身が何らかの方法で代替発生しなければならないため、特に階段や坂道の昇降時に大きな負担となる。
【０００３】
また、このような膝継手は受動的な機構であるため、移動の不安定さ、移動の同期性の崩壊、及び歩行速度の減少に繋がり、さらに、脚断端に負担がかかり、皮膚炎、皮膚せん断及び／又は潰瘍などの皮膚問題をも発生する。
【０００４】
これら問題を解消するために、伸展トルクを発生させる膝継手を有する膝上部肢切断患者用の駆動源付き義足が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
特許文献１に記載の駆動源付き義足は、義足を動かすのに必要な機械的エネルギを電力供給されるアクチュエータから発生するように設計されている。健康な片足にセンサを設け、健常な足の動きを感知し、制御システムは、それに合わせて協調動作を可能にするように義足に設けられたアクチュエータにより義足を動作させるようにリアルタイムで制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００５−５３６３１８号公報
【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、上述した特許文献１に記載の駆動源付き義足は、モータ、バッテリ及び各種センサを利用するため、コストが高い、重量が重い及び体格制限などの問題点があった。そのため、普及に至っていない。
【０００８】
そのため、外部動力源を必要としない、歩行中のエネルギを回生することができる小型軽量、かつシンプルな構造で伸展トルクを発生させる膝継手が期待されている。
【０００９】
従って本発明の目的は、外部動力源無しに伸展トルクを発生させることができる膝継手を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、小型軽量でありかつシンプルな構造でありながら伸展トルクを発生させることができる膝継手を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、大腿側に固定される大腿側リンクと、下腿側に固定される下腿側リンクと、大腿側リンクと下腿側リンクとを連結する軸とを有する膝継手において、足底部位置又は下腿部位置に配置した入力シリンダと、大腿側リンクと下腿側リンクとの間に配設された出力シリンダと、入力シリンダと出力シリンダとを連結する油圧回路とを備え、歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させる膝継手が提供される。
【００１２】
歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させることにより、外部動力源を必要とせず、即ち、モータ、バッテリ及び各種センサを利用することなく、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。
【００１３】
入力シリンダは、足底部位置に配置された複数の入力シリンダから構成されることが好ましい。これにより、歩行時の足底の圧力分布からより出力が得られる。また、必要なストローク長を分割することができる。
【００１４】
入力シリンダ及び出力シリンダには、ピストン位置を復元させるバネが設けられていることが好ましい。これにより、バネによる復元力でピストン位置を復元させ、ピストンの摺動と復元の連続運動ができ、連続歩行が可能となる。
【００１５】
出力シリンダのピストン径は、入力シリンダのピストン径より大きく形成されていることが好ましい。これにより、伸展トルクを発生するための力を増幅することができ、より大きな伸展トルクを発生することが可能となる。
【００１６】
入力シリンダには、入力の力を増幅するためのてこ機構が設けられ、出力シリンダには、出力の力を増幅するためのてこ機構とピストン位置復元機構とが設けられていることが好ましい。これにより、簡単な構成で入力シリンダの入力と出力シリンダの出力を増幅することができる。また、入力シリンダと出力シリンダの断面積比を１：１にすることができ、バネや減圧のための流路を使用せず、連続歩行が実現できる。
【００１７】
ピストン位置復元機構は、出力シリンダのピストンを元の位置に移動するように操作するレバーを有し、遊脚期に膝が伸展する際に、レバーの動作により出力シリンダが圧縮され、出力シリンダ及び入力シリンダのピストン位置を復元させるように構成されていることが好ましい。これにより、歩行中に出力シリンダ及び入力シリンダのピストン位置が自動的に復元することが可能となる。
【００１８】
足底部に配置されたブレーキレバーと、下腿側リンクに装着されているブレーキローターと、ブレーキローターと一緒に装着されているブレーキキャリパーと、ブレーキレバーとブレーキキャリパーとを連結し、引っ張り力を伝達するためのワイヤーとを有する荷重ブレーキ機構をさらに備えていることが好ましい。これにより、平地歩行と階段登行の両方で一定のサポートができる。特に、階段や坂道の上り動作において、膝折れを防止すると共に、より負担を軽減することができる。
【００１９】
入力シリンダは、下腿部位置に配置され、足底部に配置されたレバーと、下腿側リンクに装着されている圧縮機構と、レバーと圧縮機構とを連結し、レバーにより受けられた床反力を圧縮機構に伝達するためのワイヤーとを有する床反力伝達機構をさらに備えていることが好ましい。これにより、油圧回路を短縮し、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、歩行動作中に入力シリンダは床反力により圧縮され、この入力が油圧回路を介して出力シリンダに伝達され、出力シリンダから出力した力により大腿側リンクに伸展トルクを発生させることで、外部動力源を必要とせず、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。また、この膝継手はパワーアシスト装具としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。
【図２】図１に示した膝継手の伸展トルクの発生状態を概略的に示す説明図である。
【図３】図１に示した膝継手の入力シリンダの配置を示す図である。
【図４】図１に示した膝継手の油圧回路の構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。
【図６】図５に示した膝継手の入力シリンダ側の動作を示す説明図である。
【図７】図５に示した膝継手の出力シリンダ側の動作を示す説明図である。
【図８】図５に示した膝継手のピストン位置復元機構の動作を示す説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。
【図１１】図１０に示した膝継手の荷重ブレーキ機構の動作を示す説明図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る膝継手の構成を概略的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る膝継手１００の構成及び装着状態を示しており、図２は図１の膝継手１００の伸展トルクの発生時における膝関節部の角度変化を示しており、図３は図１の膝継手１００の入力シリンダ４０の配置を示している。図４は図１に示した膝継手１００の油圧回路６０の構成例を示している。
【００２３】
図１に示すように、膝継手１００は、大腿側に固定される大腿側リンク１０と、下腿側に固定される下腿側リンク２０と、大腿側リンク１０と下腿側リンク２０とを回動可能に連結する軸３０と、足底部位置に埋設した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０とを備えている。
【００２４】
大腿側リンク１０は、例えば、帯状板部材から構成されている。この大腿側リンク１０の上端部は、大腿の周囲に巻着された大腿側取付部材１２に軸１１を介して回動可能に取り付けられており、下端部は、軸３０を介して下腿側リンク２０と連結されている。図２に示すように、出力シリンダ５０の出力により大腿側リンク１０は、角度θの範囲で回動することができる。角度θは、例えば１３度とする。
【００２５】
下腿側リンク２０は、例えば、大腿側リンク１０と同様な帯状板部材から形成されている。この下腿側リンク１０の上端部は、軸３０を介して大腿側リンク１０と連結されており、下端部は、下腿の周囲に巻着された下腿側取付部材２２に軸２１を介して回動可能に取り付けられている。
【００２６】
入力シリンダ４０は、ピストン４１と、ピストンロッド４２と、ピストン位置を復元させるバネ４３とを備えている。入力シリンダ４０は、足底部位置、例えば靴Ｓの底部に埋設されている。この例においては、３つの入力シリンダ４０が用いられている。この３つの入力シリンダ４０は、図３に示すように、足底の圧力分布から、最も大きな出力が得られる爪先部、踵部及び踵上部の３箇所に配置されている。また、ピストン４１のピストンロッド４２の先端は、靴Ｓの底部から所定長さ（ストローク長）露出されている。本実施形態においては、健常者の歩行解析結果を基に、入力シリンダ４０のピストン径及びストローク長を設計した。例えば、爪先部のピストン４１の径を１５ｍｍとし、踵部のピストン４１の径を７．５ｍｍとし、踵上部のピストン４１の径を４．０ｍｍとした。また、小型化のために、靴Ｓの底部に設置する入力シリンダ４０のストローク長は可能な限り短いことが望まれる。そのため、入力シリンダ４０を複数個にし、必要なストローク長を分割するようにしてもよい。例えば、爪先部のピストン数を２とし、踵部のピストン数を４とし、踵上部のピストン数を１としてもよい。また、各ピストンのストローク長を３．６ｍｍとした。なお、遊脚期に油圧回路６０を減圧することにより、バネ４３の力によりピストン位置を復元することが可能となる。
【００２７】
出力シリンダ５０は、ピストン５１と、ピストンロッド５２と、支持部材５３と、バネ５４とを備えている。この出力シリンダ５０は、大腿側リンク１０と下腿側リンク２０との間に配設されている。即ち、ピストンロッド５２の出力端は軸１１を介して大腿側リンク１０の上端部に連結されている。また、支持部材５３の一端は出力シリンダ５０の底部に固定され、他端は軸２１を介して下腿側リンク２０の下端部に連結されている。また、増幅した出力を得るため、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０との断面積比を、例えば、１：２．４とする。また、ピストン位置を復元させるバネ５４が出力シリンダ５０の内部に設けられている。
【００２８】
油圧回路６０は、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する閉回路であり、立脚期と遊脚期で流路を使い分けるために、図４に示すように、電磁弁６１と、逆止弁６２及び６３と、リザーブタンク６４及び６５とが組み込まれている。なお、油圧回路６０の構成は、これに限定されるものではない。
【００２９】
連続歩行の際に、電磁弁６１によって流路制御を行う。即ち、立脚期において、図４中の矢印Ａに示すように、入力シリンダ４０が床反力により圧縮されると、入力シリンダ４０中の油は逆止弁６２を介して出力シリンダ５０内に流入する。また、遊脚期において、図４中の矢印Ｂに示すように、出力シリンダ５０内の油は電磁弁６１を介してリザーブタンク６４に流入する。これにより、流路内が減圧され、バネ４３及び５４の力によりピストン４１及び５１の位置が復元される。これにより、油はリザーブタンク６５から逆止弁６３を介して入力シリンダ４０内に流入する。
【００３０】
このような構成では、靴Ｓの底部に埋設されている入力シリンダ４０のピストンロッド４２の入力端が床（路面）に接触すると、入力シリンダ４０は床反力により圧縮される。入力シリンダ４０の断面積を小さく、出力シリンダ５０の断面積を大きくすることで入力の床反力が増幅されるため、大きな出力を発生することができる。
【００３１】
このように本実施形態に係る膝継手１００においては、靴Ｓの底部に埋設した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０とを備えている。歩行動作中に、入力シリンダ４０は床反力により圧縮され、この入力が油圧回路６０を介して出力シリンダ５０に伝達され、出力シリンダ５０から出力した力により大腿側リンク１０に伸展トルク（図１中矢印方向）を発生させる。
【００３２】
これにより、外部動力源を必要とせず、シンプルな構造で膝継手に伸展トルクを発生させることができ、かつ小型軽量化を図ることができる。
【００３３】
入力シリンダ４０は、足底部位置に配置した複数の入力シリンダ４０から構成することで、歩行時の各位置において床反力による入力が得られる。また、必要なストローク長を分割することができる。
【００３４】
入力シリンダ４０及び出力シリンダ５０には、ピストン位置を復元させるバネ４３及び５４が設けられていることにより、バネによる復元力でピストン位置を復元させ、ピストンの往動と復動との連続運動ができ、連続歩行が可能となる。
【００３５】
出力シリンダ５０のピストン５１の径は、入力シリンダ４０のピストン４１の径より大きく形成されていることで、伸展トルクを発生するための力を増幅することができ、より大きな伸展トルクを発生することが可能となる。
【００３６】
図５は本発明の第２の実施形態における膝継手２００の構成及び装着状態を概略的に示しており、図６は図５の膝継手２００の入力側増幅レバー７０の動作状態を示しており、図７は図５の膝継手２００の出力側増幅レバー８０の動作状態を示しており、図８は図５の膝継手２００のピストン位置復元機構９０の動作状態を示している。
【００３７】
図５に示すように、膝継手２００は、大腿側に固定される大腿側リンク１０と、下腿側に固定される下腿側リンク２０と、大腿側リンク１０と下腿側リンク２０とを回動可能に連結する軸３０と、足底部位置に埋設した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０Ａと、入力側増幅レバー７０と、出力側増幅レバー８０と、ピストン位置復元機構９０とを備えている。
【００３８】
この第２の実施形態において、大腿側リンク１０、下腿側リンク２０、及び軸３０は、上述した第１の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。また、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とは、断面積比を１：１とし、入力シリンダ４０を１つとしている。さらに、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とには、ピストン位置を復元させるバネを有さない。
【００３９】
また、油圧回路６０Ａは、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する配管からなる閉回路である。この場合、電磁弁、逆止弁及びリザーブタンク等を必要としない。
【００４０】
入力側増幅レバー７０は、てこ機構であり、図６に示すように、軸７１を介して靴Ｓの底面に回動可能に装着されている。この例において、入力側増幅レバー７０のレバー比、即ち、支点〜力点と支点〜作用点の距離の比、即ち、Ｌ１：Ｌ２を、１：４．２４とする。なお、入力側増幅レバー７０の形状及び装着位置は、靴Ｓに合わせて適宜に設計できる。入力側増幅レバー７０を設けることで、歩行中の大腿側リンク１０の伸展トルクを約４０％サポートすることができる。
【００４１】
出力側増幅レバー８０は、てこ機構である。図７に示すように、出力側増幅レバー８０の一端は、軸８１を介して出力シリンダ５０の上部に回動可能に装着されている。出力側増幅レバー８０の他端は、ピストン位置復元機構９０に連結されている。なお、出力側増幅レバー８０のレバー比は、必要な増幅量に基づいて適宜に設計できる。
【００４２】
ピストン位置復元機構９０は、復元用レバー９１と、軸固定部材９２と、連結部材９３と、ヒンジ部材９４と、作用部材９５とから構成されている。復元用レバー９１は、出力シリンダ５０の下部に設けられている軸固定部材９２に軸を介して回動可能に装着されている。この復元用レバー９１はピストン５１を元の位置に移動するように操作可能である。連結部材９３は、復元用レバー９１の作用点端と出力側増幅レバー８０の力点端とを連結し、復元用レバー９１の動作を出力側増幅レバー８０に伝達するように構成されている。ヒンジ部材９４は、復元用レバー９１の力点端に軸を介して直交する方向に装着されており、外側へ回動可能で、内側へ回動できないように構成されている。作用部材９５は、下腿側リンク２０と一緒に動作するように下腿側リンク２０に固定されている。この作用部材９５の上端は、遊脚期に下脚部の自重と慣性により伸展する際にヒンジ部材９４に接触することで、復元用レバー９１を動作させることが可能である。
【００４３】
歩行中のピストン位置復元機構９０の動作について、図８を参照して説明する。立脚期において、図８（ａ）に示すように、作用部材９５とヒンジ部材９４とは接触しない。この状態は、出力シリンダ５０により膝伸展トルクが発生した後の状態である。次に、図８（ｂ）に示す遊脚期において、膝が屈曲することで、作用部材９５の上端とヒンジ部材９４とを接触し、ヒンジ部材９４が外側へ回動して、作用部材９５の上端がヒンジ部材９４と接触しながら通過する。次に、図８（ｃ）に示すように、膝部が下脚部の自重と慣性により伸展することで、作用部材９５の上端がヒンジ部材９４に接触し、ヒンジ部材９４が内側へ回動しないため、復元用レバー９１が上方へ押し上げられる。これにより、連結部材９３を介して出力側増幅レバー８０の力点端が下方へ引っ張られ、出力シリンダ５０のピストン５１の位置が復元される。同時に、油圧回路６０Ａを介して入力シリンダ４０の位置も復元される。そして、入力シリンダ４０は床反力により圧縮され、この入力が油圧回路６０Ａを介して出力シリンダ５０に伝達され、出力シリンダ５０から出力した力により大腿側リンク１０に伸展トルクを発生させ、図８（ｄ）に示す状態になる。即ち、立脚期の状態になる。
【００４４】
このように本実施形態に係る膝継手２００においては、入力シリンダ４０には、入力の力（床反力）を増幅するための入力側増幅レバー７０が設けられ、また、出力シリンダには、出力の力を増幅するための出力側増幅レバー８０が設けられ、さらに、連続歩行を可能にするためのピストン位置復元機構９０が設けられている。これにより、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０との断面積比を１：１にすることができ、ピストン位置を復元させるバネや減圧のための流路を使用せずに、連続歩行が実現できる。
【００４５】
ピストン位置復元機構９０は、出力シリンダ５０を操作する復元用レバー９１を有し、遊脚期に膝が伸展する際に、復元用レバー９１の動作により出力シリンダ５０が圧縮され、出力シリンダ５０及び入力シリンダ４０のピストン位置を復元させることで、歩行中に出力シリンダ５０及び入力シリンダ４０のピストン位置を自動的に復元することができる。
【００４６】
なお、上述した第１の実施形態においては、入力シリンダ４０を靴Ｓの底部に埋設されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、入力シリンダ４０を義足の足底部に直接装着するようにしてもよい。また、義足の場合、下脚部はアルミなどのロッドで構成されているので、入力シリンダ４０を義足の足首部、下脚の中間部又は膝側端部に設置するようにしてもよい。入力シリンダ４０を下脚の中間部又は下脚の膝側端部に設置する場合、作動油の流路が短縮され、損失を低減できる。
【００４７】
図９は本発明の第３の実施形態における膝継手３００の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ４０を義足の足首部に装着する例である。図９に示すように、膝継手３００は、大腿側に固定される大腿側リンク１０と、大腿側リンク１０と下腿側のロッド２０Ａとを回動可能に連結する軸３０と、足首部に装着した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０とを備えている。この場合、出力シリンダ５０の下端は支持部材５３を介して下腿側のロッド２０Ａに直接固定されている。なお、出力シリンダ５０を、支持部材５３を介せず、下腿側のロッド２０Ａに直接固定するようにしてもよい。
【００４８】
膝継手３００において、入力シリンダ４０のピストン４１は義足の下腿側に配置されており、ピストンロッド４２は義足の足側に配置されている。このように構成することで、足が床（路面）に接触すると、入力シリンダ４０は床反力により圧縮される。上述した第１の実施形態と同様な効果が得られる。また、この場合、入力シリンダ４０を埋設するために靴Ｓの底を厚くする必要がなくなる。
【００４９】
図１０は本発明の第４の実施形態における膝継手４００の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ４０が下腿側リンク２０Ａの上部、膝に近い位置に装着され、かつ荷重ブレーキ機構７０Ａが設けられる例である。図１１は歩行中の動作状態を概略的に示しており、同図（ａ）は遊脚期の状態を示しており、（ｂ）は立脚期におけるブレーキ作動時の状態を示しており、（ｃ）は立脚期における出力時の状態を示している。
【００５０】
図１０に示すように、膝継手４００は、大腿側に固定される大腿側リンク１０と、下腿側に固定される下腿側リンク２０Ａと、大腿側リンク１０と下腿側リンク２０Ａとを回動可能に連結する軸３０と、足底部位置に埋設した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０Ｂと、荷重ブレーキ機構７０Ａと、出力側増幅レバー８０と、ピストン位置復元機構９０とを備えている。なお、出力側増幅レバー８０を設けなくてもよい。
【００５１】
この第４の実施形態において、大腿側リンク１０、下腿側リンク２０Ａ、軸３０、入力シリンダ４０と、出力シリンダ５０と、油圧回路６０Ｂは、上述した第３の実施形態の場合とほぼ同様な構成を有し、また、出力側増幅レバー８０及びピストン位置復元機構９０とは、上述した第２の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。
【００５２】
荷重ブレーキ機構７０Ａは、足底部に配置されたブレーキレバー７０ａと、下腿側リンク２０Ａに装着されているブレーキローター７０ｂと、ブレーキローター７０ｂと一緒に装着されているブレーキキャリパー７０ｃと、ブレーキレバー７０ａとブレーキキャリパー７０ｃとを連結し、引っ張り力を伝達するためのワイヤー７０ｄとから構成されている。
【００５３】
ブレーキレバー７０ａは、足底部、例えば靴Ｓの底部に埋設されている。軸７１Ａを介して靴Ｓの底面に回動可能に装着されている。ブレーキレバー７０ａの回動によりワイヤー７０ｄを引っ張ること、及び放すことができるように構成されている。ブレーキレバー７０ａを配置する際、踵寄りに配置するのと、つま先寄りに配置するのでは制動力が発生するタイミングが異なる。実験結果により、踵に設置した場合、制動トルクが発生するタイミングは膝関節トルクよりも早い。したがって不自然な角度で膝が固定されてしまい、歩行の妨げとなる可能性がある。一方、つま先に配置した場合、制動トルクが発生するタイミングは膝関節トルクよりも遅い。したがって接地した瞬間に膝折れを起こす可能性がある。また、階段登行においては、どこに配置しても制動トルクが発生するタイミングは一定である。これらの結果から、ブレーキレバー７０ａを靴Ｓの底部の中央付近に配置することが好ましい。
【００５４】
ブレーキローター７０ｂは、扇型に形成された平板である。このブレーキローター７０ｂは、膝の屈曲と共に回転するように下腿側リンク２０Ａに取り付けられている。荷重ブレーキ機構７０Ａでは階段登行で脚を大きく曲げた場合でも作動しなければならない。サポートする角度域でブレーキローター７０ｂに制動力を加えなければならないため、ブレーキローター７０ｂの大きさが重要となる。従来の歩行解析の結果から、階段登行では膝関節を６３度（ｄｅｇ）曲げた状態で接地することが明らかとなっている。したがってこの角度で荷重ブレーキ機構７０Ａが作動するよう、本実施形態において、ブレーキローター７０ｂは１００度（ｄｅｇ）の扇形とした。また、ブレーキローター７０ｂの半径は取り付けられる最小の物で７５ｍｍとした。なお、上記ブレーキローター７０ｂの角度及び半径の値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５５】
ブレーキキャリパー７０ｃは、膝の屈曲と一緒に回転しないように装着されている。対向する２つの接触パッドを有しており、ワイヤー７０ｄを引っ張ると、ブレーキローター７０ｂを両側から挟み込むことで制動力を効かせるようになっている。
【００５６】
ワイヤー７０ｄは、ブレーキレバー７０ａからブレーキキャリパー７０ｃまでの力の伝達、ブレーキキャリパー７０ｃを作動させる手段である。また、ワイヤー７０ｄは、アウターチューブに挿通されており、アウターチューブに沿って自在に移動することが可能である。アウターチューブの両端は、それぞれ靴Ｓとブレーキキャリパー７０ｃに固定されている。なお、ブレーキキャリパー７０ｃを作動させる手段として、ワイヤー７０ｄを用いた機械式の代わりに油圧式を用いてもよい。
【００５７】
歩行中、ブレーキレバー７０ａの回動によりワイヤー７０ｄが引っ張られ、ブレーキキャリパー７０ｃを動作させ、ブレーキローター７０ｂに制動力を加えることで、ブレーキローター７０ｂの回動を制限し、膝の屈曲を抑制するようになっている。
【００５８】
なお、歩行中の立脚期にはブレーキレバー７０ａが徐々に押されるため、ブレーキキャリパー７０ｃの制動力も変化する。この時、制動力が小さくなり膝関節を支えられなくなると、膝折れを起こす。また制動力が発生するタイミングが遅すぎる場合にも、十分な制動力が得られず膝折れを起こす。逆に早すぎると、膝が不自然な状態で固定され歩行しづらくなる。したがってブレーキレバー７０ａの配置位置や寸法の設計が重要になる。ワイヤー７０ｄの引張長さと制動力の関係に基づいて、ブレーキレバー７０ａの配置位置や寸法を決定する。ブレーキレバー７０ａによりワイヤー７０ｄを引く際、ブレーキキャリパー７０ｃで十分な制動力が得られなければ膝折れが起こる。この時、膝折れを起こさないためには、歩行中の膝関節トルク以上の制動トルクが必要となる。過去の研究から健常者の階段登行においては、最大で１．５Ｎｍ/ｋｇ程度の膝関節トルクが発生することが明らかとなっている。そこで荷重ブレーキ機構７０Ａでは，この膝関節トルク以上の制動トルクが得られるように設計する。例えば、体重６０ｋｇの人が使用することを想定した場合、膝関節で発生する膝関節トルクは９０Ｎｍとなる。ここで、ブレーキキャリパー７０ｃによって制動力を与えるブレーキローター７０ｂの半径は７５ｍｍなので，必要となる制動力は１２００Ｎとなる。ワイヤー７０ｄの引張長さと制動力の関係により、必要となる入力は最低で３０５Ｎとなる。したがって膝折れを起こさないためにはワイヤー７０ｄを約１５．６ｍｍ引く必要がある。なお、上記トルク値、制動力値、入力値、及びワイヤー７０ｄの変位（引く距離）の値は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５９】
歩行中の荷重ブレーキ機構７０Ａの動作について、図１１を参照して説明する。図１１（ａ）に示す遊脚期において、膝が屈曲し、ブレーキレバー７０ａは地面に接触しないので、荷重ブレーキ機構７０Ａは動作しない。図１１（ｂ）に示す立脚期において、ブレーキレバー７０ａは地面に接触する際に床反力を受けて回動し、ブレーキレバー７０ａの回動によりワイヤー７０ｄが引っ張られ、ブレーキキャリパー７０ｃを作動させ、ブレーキローター７０ｂに制動力を加えることで、ブレーキローター７０ｂの回動を制限し、膝の屈曲を抑制するようになっている。次に、図１１（ｃ）に示すように、ブレーキレバー７０ａが足底面まで回動した状態で、入力シリンダ４０が床反力により圧縮されると、入力シリンダ４０中の油は出力シリンダ５０内に流入し、出力シリンダ５０により伸展トルクが発生する。
【００６０】
このように本実施形態に係る膝継手４００においては、荷重ブレーキ機構７０Ａを設けることで、膝の屈曲を抑制した後に、出力シリンダ５０により伸展トルクが発生することで歩行のサポートを行う。これにより平地歩行と階段登行の両方で一定のサポートができる。特に、階段や坂道の上り動作において、膝折れを防止すると共に、より負担を軽減することができる。入力シリンダ４０が下腿側リンク２０Ａの上部、膝に近い位置に装着されることで、油圧回路６０Ｂを短縮し、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。
【００６１】
図１２は本発明の第５の実施形態における膝継手５００の構成及び装着状態を概略的に示しており、この実施形態は入力シリンダ４０を義足の下腿部の膝に近い位置に装着する例である。
【００６２】
図１２に示すように、膝継手５００は、大腿側に固定される大腿側リンク１０と、下腿側に固定される下腿側リンク２０と、大腿側リンク１０と下腿側リンク２０とを回動可能に連結する軸３０と、足底部位置に埋設した入力シリンダ４０と、伸展トルクを発生する出力シリンダ５０と、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０とを連結する油圧回路６０Ｂと、床反力伝達機構７０Ｂと、出力側増幅レバー８０と、ピストン位置復元機構９０とを備えている。
【００６３】
この第５の実施形態において、大腿側リンク１０、下腿側リンク２０、軸３０、入力シリンダ４０と、出力シリンダ５０と、出力側増幅レバー８０及びピストン位置復元機構９０とは、上述した第２の実施形態の場合と同様な構成を有しているため、ここで、詳細な説明を省略する。
【００６４】
床反力伝達機構７０Ｂは、足底部に配置されたレバー７０ｅと、下腿側リンク２０に装着されている圧縮機構７０ｆと、レバー７０ｅと圧縮機構７０ｆとを連結し、レバー７０ｅにより受けられた床反力を圧縮機構７０ｆに伝達するためのワイヤー７０ｇとから構成されている。
【００６５】
レバー７０ｅは、足底部位置、例えば靴Ｓの底部に埋設されている。軸７１Ｂを介して靴Ｓの底面に回動可能に装着されている。レバー７０ｅの回動によりワイヤー７０ｇを引っ張ること、及び放すことができるように構成されている。本実施形態において、接地した瞬間に伸展トルクを発生するように、レバー７０ｅを踵寄りに配置している。
【００６６】
圧縮機構７０ｆは、第１の回動アーム７０ｈと、第２の回動アーム７０ｉと、回動軸７０ｊとを備えており、ワイヤー７０ｇの引っ張り力により回動アーム７０ｈが入力シリンダ４０のピストンロッド４２の先端を押すように構成されている。また、ワイヤー７０ｇは、アウターチューブに挿通されており、一端はレバー７０ｅに固着され、他端は圧縮機構７０ｆに固着されている。アウターチューブの両端は、それぞれ靴Ｓと圧縮機構７０ｆに固定されている。
【００６７】
このように本実施形態に係る膝継手５００においては、床反力伝達機構７０Ｂを設け、かつ入力シリンダ４０を下腿部の膝に近い位置に配置し、油圧回路６０Ｂを短縮することで、動作油の流動損失を低減することができ、より効率的に伸展トルクを発生することができる。
【００６８】
また、上述した第１の実施形態においては、３つの入力シリンダ４０を靴Ｓの底部の３箇所に配置されている例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、１つの入力シリンダ４０を用い、靴Ｓの底部の１箇所に配置するようにしてもよい。
【００６９】
また、上述した第２の実施形態においては、入力シリンダ４０に入力側増幅レバー７０、出力シリンダ５０に出力側増幅レバー８０を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、入力シリンダ４０と出力シリンダ５０のいずれかのみに増幅レバーを設けてもよい。
【００７０】
以上述べた実施形態は本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の膝継手は、大腿義足用膝継手やパワーアシスト装具として利用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１０  大腿側リンク
１１、２１、３０、７１、８１  軸
１２  大腿側取付部材
２０  下腿側リンク
２０Ａ  ロッド
２２  下腿側取付部材
４０  入力シリンダ
４１、５１  ピストン
４２、５２、５２’  ピストンロッド
４３、５４  バネ
５０  出力シリンダ
５３  支持部材
６０、６０Ａ、６０Ｂ  油圧回路
７０  入力側増幅レバー
７０Ａ  荷重ブレーキ機構
７０Ｂ  床反力伝達機構
７０ａ  ブレーキレバー
７０ｂ  ブレーキローター
７０ｃ  ブレーキキャリパー
７０ｄ、７０ｇ  ワイヤー
７０ｅ  レバー
７０ｆ  圧縮機構
７０ｈ  第１の回動アーム
７０ｉ  第２の回動アーム
７０ｊ  回動軸
８０  出力側増幅レバー
９０  ピストン位置復元機構
９１  復元用レバー
９２  軸固定部材
９３  連結部材
９４  ヒンジ部材
９５  作用部材
１００、２００、３００、４００、５００  膝継手
Ｌ  脚
Ｓ  靴
【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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