(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、
上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲する結合手段により結合し、
上記足部材の後端部には左右に適宜離間して２つの被支持片が形成され、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、
各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させた
ことを特徴とする人工足関節機構。
【請求項２】
請求項１に記載の人工足関節機構において、
脛骨部材の左右側面に凸部を形成し、
被支持片の後端部に、内に凹、外側に凸の椀状部を形成し、
該椀状部の凹部と上記脛骨部材の凸部とを係合させた
ことを特徴とする人工足関節機構。
【請求項３】
請求項１に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、湾曲された板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成され、
板バネの一端が脛骨部材に支持され、他端が自由端とされており、
該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、
板バネの自由端側の部分を地面との接触部とした
ことを特徴とする人工足関節機構。
【請求項４】
請求項２に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、湾曲された板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成され、
板バネの一端が脛骨部材に支持され、他端が自由端とされており、
該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、
板バネの自由端側の部分を地面との接触部とした
ことを特徴とする人工足関節機構。
【請求項５】
請求項１に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成された、
ことを特徴とする人工足関節機構。
【請求項６】
請求項２に記載の人工足関節機構において、
衝撃吸収機構が、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成された、
ことを特徴とする人工足関節機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規な人工足関節機構に関する。詳しくは、人体の動作に近い動作をすることが可能であり、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにして軽量化、小型化を図ることができ、ロボット、義足等における人工足関節機構として好適なものを提供する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人体の足関節の本来の動きは、▲１▼歩行方向に対して直交しほぼ水平方向に延びる軸（以下、「Ｙ軸」という。）の軸回り方向における動き（歩行時に折れ曲る方向の動き）、▲２▼脛骨の長さ方向に延びる軸（以下、「Ｚ軸」という。）の軸回り方向における動き（脛骨に対する足のねじれ方向の動き）、▲３▼歩行方向に延びる軸（以下、「Ｘ軸」という。）の軸回り方向における動き（足の裏を内側又は外側に向ける動き）の３つがあり、かかる３つの軸方向における動きの範囲は、▲１▼のＹ軸回り方向の動きが大きく、他の▲２▼のＺ軸回り方向及び▲３▼のＸ軸回り方向の動きが小さくなるようになっている。
【０００３】
そして、従来、歩行を目的とするロボット、義足等に適用される人工足関節機構は、少なくとも上記▲１▼のＹ軸回り方向の動きを、実現するために、人体における足に相当する足部材と脛骨に相当する脛骨部材とを、軸と軸受とによる回動自在な状態で結合する結合手段が用いられている。尚、人体における足とは、脛骨と腓骨の踝より先の部分をいい、踵（くるぶし）、足底（足の裏）、足背（足の甲）及び足指とから構成される。
【０００４】
また、上記かかる３つの軸回り方向への動きを実現するために、上記▲２▼及び▲３▼の軸回り方向の動きはある程度規制した状態で、脛骨部材と足部材とを、自在継手（ユニバーサルジョイント）により結合したものもあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、歩行動作において、最も大きな衝撃を受けるのは、歩行初期において踵（かかと）部を接地したときであり、かかる状態において、足関節機構を構成する軸及び軸受部材に大きな荷重がかかる。
【０００６】
そして、従来のように、足部材と脛骨部材とを軸と軸受部材とにより構成していると、歩行初期における上記衝撃を、軸と軸受とで支えなければならず、これに耐え得る軸と軸受の構造にするには、軸及び軸受の大型化、重量化が避けられなかった。
【０００７】
そこで、本発明は上記した欠点を解消し、歩行ロボット、義足として適用することができ、人工足関節機構としての機能、即ち、足首の屈曲動作（Ｙ軸回り方向の動き）を損なうことなく、重力方向の衝撃に強く、耐久性を向上させ、その分、構造をシンプルにすることができ、軽量化、小型化を実現することができる人工足関節機構を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明人工足関節機構は、上記した課題を解決するために、人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲し得るように結合すると共に、上記衝撃吸収機構を人体における踵に相当する部分とし、上記足部材の後端部には左右に適宜離間して２つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させたものである。
【０００９】
従って、本発明人工足関節機構にあっては、脛骨部材の下端部に衝撃吸収機構を設け、歩行動作に必要な足首の屈曲動作は、足部材（踵部を除く。）と脛骨部材との屈曲自在な結合により行うようにしたので、歩行動作を不自由なく実現しつつ、かかる屈曲動作を実現するための構造部分（結合構造）には、歩行初期などに生じる大きな衝撃がかからないため、該結合構造をシンプルすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。即ち、脛骨部材と衝撃吸収機構との間に、軸と軸受などの回動可能な結合構造がないため、大きな衝撃を受けても損傷するような部材がなく、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにすることができ、人工足関節機構の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００１０】
また、歩行動作などにおける衝撃は、脛骨部材の下端部に設けた衝撃吸収機構により、そのほとんどを吸収することができ、脛骨部材より上側に存する他の部材などへの影響を少なくすることができる。そして、足部材の後端部に左右に適宜離間して２つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とを凹凸係合により結合するようにしたので、構造が簡単であって、人体の動きに近い動作を実現することができる。また、人体における前脛骨筋、後脛骨筋、下腿筋等と同様な人工筋肉機構を配設しやすい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明人工足関節機構の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００１２】
図１乃至図６は本発明人工足関節機構の基本的構成を示すものである。
【００１３】
人工足関節機構１は、人体における脛骨に相当する脛骨部材２と、人体における足であって踵を除く部分に相当する足部材３と、上記脛骨部材２の下端に取着された衝撃吸収機構４とを有し、上記脛骨部材２と足部材３とは、歩行方向に屈曲する方向、即ち、歩行時に足首が折れ曲る方向（Ｙ軸回り方向）に屈曲するように結合手段５により結合されている（図１参照）。
【００１４】
脛骨部材２は、人体における脛骨と同じ形状である必要はなく、また、脛骨のうちその少なくとも下端部に相当する部分であれば良い。これは、本発明人工足関節機構１を歩行ロボットに適用するか或いは人体の義足の一部として適用するかにより異なる。
【００１５】
脛骨部材２は、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成することが好ましい。
【００１６】
足部材３は、少なくとも、人体における足底（足の裏）、足背（足の甲）に相当するものがあれば良く、足指は必須の構成ではない。要は、立脚時に人工足関節機構１よりも上方の荷重（体重）を衝撃吸収機構４と共に支えものであれば良い。
【００１７】
尚、図示は省略したが、脛骨部材２と足部材３との間には、両者の屈伸動作を行うための駆動機構（駆動装置）が設けられており、該駆動機構により屈曲状態又は伸展状態の保持、或いは屈曲状態から伸展状態又は伸展状態から屈曲状態への移行動作を行うようになっている。
【００１８】
かかる駆動機構は、最終的に脛骨部材２と足部材３とが屈伸動作（回動運動）をし得るものであれば良く、その駆動機構としては、モータ、エアシリンダ、油圧シリンダ等の駆動機構の他、伸縮動作を行う駆動機構（人工靱帯、人工筋肉）、例えば、本出願人による平成１０年１月２６日の出願（特願平１０−１２３２８号）にかかる発明（駆動装置）を適用することができる。
【００１９】
衝撃吸収機構４は、単にゴム様の弾力性を有する部材、例えば、ゲルニック、シリコンゴム、フォーム軟質ウレタンなどであっても良いし、後述する第１の実施例及び第２の実施例に示すように弾性部材、例えば、板バネにショックアブソーバを組み付けたものであっても良い。
【００２０】
脛骨部材２と足部材３との結合手段５は、歩行時に足首が折れ曲る方向（Ｙ軸回り方向）に、折れ曲るようなものであれば良く、例えば、脛骨部材２にこれを左右に貫通する軸部材６を設け、足部材３には後斜め上方に延びる２つの被支持片７、７を突設して、上記軸部材６により被支持片７、７を回転自在に支持することが考えられる。
【００２１】
尚、結合手段５において足部材３から後斜め上方に延びる部材は、上述のような２つの被支持片７、７に限らず、１つの被支持片でも良く、この場合、脛骨部材２にすり割りを設け、該すり割りに被支持片を挾持させて、軸部材により回動自在に支持するようにすると良い。また、後述する第３の実施例のように、足部材３を足部材本体と被支持片とに分け、これら足部材本体と被支持片とを結合手段により結合するようにしても良い。
【００２２】
また、脛骨部材２と足部材３とを結合する他の結合手段５としては、後述する第１の実施例及び第２の実施例のように、凹凸係合によるものであっても良い。凹凸係合については、実施例において詳述する。
【００２３】
しかして、歩行するときは、先ず最初に、人体における踵、即ち、本発明における衝撃吸収機構４が地面８に接地する（図２参照）。即ち、当該人工足関節機構１の衝撃吸収機構４は人体における踵に相当する。
【００２４】
このとき、接地により地面８から受けた衝撃のほとんどは、衝撃吸収機構４により吸収され、また、足部材３は地面８に接地していないため、脛骨部材２と足部材３との結合手段５には、力がかからない。尚、衝撃吸収機構４の接地時には、図示しない駆動機構により脛骨部材２と足部材３とは所定の角度、例えば、ほぼ９０度に保たれるように制御されている。
【００２５】
衝撃吸収機構４が地面８に接地した後、上記駆動機構により脛骨部材２に対する足部材３の角度が大きく、即ち、鈍角になるようにする（図３参照）。これは、より早期に足部材３を地面８に接地させることにより、体重を受ける面積を広げて上体の安定を図るためである。尚、足部材３の地面８への接地は、脛骨部材３とのなす角度を９０度に保っておき、脛骨部材３が地面８に対してほぼ垂直になったときに、為すようにしても良い。
【００２６】
また、足部材３が地面８に接地した後は、脛骨部材２が足部材３に対して急激に折れ曲ることがないように、上記駆動機構に適当な駆動力を発揮させておくのが良い。但し、駆動機構のかかる駆動力は歩行動作の妨げにならないように制御することが好ましい。
【００２７】
次に、体重を前方に移動すると、脛骨部材３は地面８に対してほぼ垂直になる。この状態では、既に、足部材３は地面８に接地している（図４参照）。
【００２８】
そして、図示しない駆動機構は、軸部材６に対して足部材３から加わる足裏反力が加わらないように動作する。そして、さらに体重が前方に移動すると、脛骨部材２と足部材３とは両者のなす角度が鋭角になるように屈曲し、また、衝撃吸収機構４の後部が地面８から離れる（図５参照）。
【００２９】
このとき、上記図示しない駆動機構は、軸部材６に対して足部材３から加わる足裏反力が加わらないように、かつ、脛骨部材２と足部材３との屈曲動作に反発するように制御されているため、駆動機構に蹴り出しのエネルギーが蓄積される。そのため、脛骨部材２が足部材３に対して急激に折れ曲ることはない。また、歩行時では、反対側の足にも体重がかかっているため、当該人工足関節機構１の結合手段５の軸部材６には、衝撃吸収機構４が、地面８に接地するときよりも大きな荷重がかからない状態になっている。
【００３０】
更に、体重を前方に移動すると、足部材３はその後端部が地面８から浮き上がり、その前端部（爪先）のみが地面８に接触した状態となる。このとき又はその直前に、上記駆動機構をさらに駆動して足部材３の脛骨部材２に対する角度が鈍角になるように、即ち、足首が伸びるようにする。これにより、足部材３により地面８を後方に蹴り出すことができる（図６参照）。
【００３１】
【実施例】
以下に、本発明人工足関節機構の詳細を図７乃至図１０に示した第１の実施例に従って説明する。
【００３２】
人工足関節機構９は、脛骨部材１０と、足部材１１と、上記脛骨部材１０の下端に取着された衝撃吸収機構１２とを有し、上記脛骨部材１０と足部材１１とは、歩行方向に屈曲する方向（Ｙ軸回り方向）、即ち、歩行時に足首が折れ曲る方向に屈伸可能に結合手段１３により結合されている。
【００３３】
脛骨部材１０は、人体における脛骨の下端部に相当するものであり、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成されており、水平断面形状がほぼ矩形に形成されている。
【００３４】
足部材１１は、人体における足のうち踵を除いた部分に相当するものであり、脛骨部材１０と同様に、強化プラスチック、セラミック、軽金属等、比較的軽量な材料によって形成されており、全体としてほぼ扁平な角錐台状に形成され、足の裏の面積の方が足の甲よりも広くなっている。また、足部材１１にはその上面後部から適宜左右に離間して後斜め上方に突出する被支持片１４、１４が一体に設けられている。左右の被支持片１４と１４との間の間隔は、上記脛骨部材１０の左右幅よりもやや大きく形成されている。
【００３５】
衝撃吸収機構１２は、板バネ材料をほぼＪ字状に折り曲げて成る板バネ部材１５と、該板バネ部材１５の弾性係数を調節するための調節機構１６とを有する。
【００３６】
板バネ部材１５は、前方に開口し相対向する２つの板片１５ａ、１５ｂが水平になる向きで、上記脛骨部材１０の背面下部に固着されている。具体的には、板バネ部材１５の短い方の板片（以下、「上部板片」という。）１５ａを脛骨部材１０の背面下部に埋設し、また、長い方の板片（以下、「下部板片」という。）１５ｂを脛骨部材１０より下側にほぼ水平な状態で位置させ、その前端が脛骨部材１０よりも前方に位置するように配置する。尚、後述するように、板バネ部材１５の下部板片１５ｂは人体における踵に相当する部分として機能する。
【００３７】
調節機構１６は、例えば、油圧式のショックアブソーバで、その減衰率を適時調節することができるようになっており、本体部分が脛骨部材１０の前面下部に固定され、作用部の先端が上記下部板片１５ｂの脛骨部材１０より前方に位置した部分に固着されている。
【００３８】
これにより、衝撃吸収機構１２の板バネ部材１５の下部板片１５ｂが地面１７に接地して衝撃がかかると、板バネ部材１５が撓むと共に、その衝撃力が調節機構１６により吸収され、全体として衝撃吸収機構１２にかかった衝撃力を吸収するようになっている。
【００３９】
尚、衝撃吸収機構１２の板バネ部材１５の弾性係数を調節するには、調節機構１６内を流れる油の流量を調節すれば良く、例えば、油の流れを制限する小孔の口径を適宜調節するようにすれば良い。
【００４０】
脛骨部材１０と足部材１１との結合手段１３は、脛骨部材１０の左右側面の下部に形成された凸部１８、１８と、足部材１１の被支持片１４、１４の後端部に形成された凹部１９ａ、１９ａとの凹凸係合により構成される。
【００４１】
具体的には、脛骨部材１０の凸部１８、１８は、側方から見た形状が円形をしていて、脛骨部材１０に一体に形成されており、被支持片１４、１４の後端部に、内側に「凹」、外側に「凸」の椀状部１９、１９が一体に形成されていて、該椀状部１９、１９の内側の凹部１９ａ、１９ａが上記凹凸係合の凹部になっている。また、該凹部１９ａ、１９ａは上記凸部１８よりも一回り大きく形成されている。
【００４２】
そして、被支持片１４、１４の後端部を脛骨部材１０の下部にそれを左右から挟み込むようにして、椀状部１９、１９の凹部１９ａ、１９ａを上記凸部１８、１８に係合する。このとき、凹部１９ａと凸部１８との間に、椀状のポリカーボネート製パット２０を介在させる。
【００４３】
これにより、足部材１１は脛骨部材１０に対して、凸部１８と凹部１９ａとの凹凸係合箇所を屈曲中心とし屈伸自在に保持される。
【００４４】
また、この第１の実施例にあっては、結合手段１３を凹凸係合により構成したことより、上記脛骨部材１０と足部材１１とが、歩行方向に屈曲する方向（Ｙ軸回り方向）だけでなく、歩行方向に延びる軸の軸回り方向（Ｘ軸回り方向）においても動かすことができ、例えば、地面１７に凹凸があった場合でも、足部材１１のみがその地面１７に合わせて傾斜し、脛骨部材１０は傾斜することがなく、安定した歩行を実現することができる。
【００４５】
しかも、結合手段１３には、脛骨部材１０の凸部１８と被支持片１４の凹部１９ａとの間に、ポリカーボネート製パット２０を介在させてあるので、摩擦抵抗が小さく、かつ、耐擦傷性に優れるため、その動きが滑らかで、歩行動作をスムーズに行うことができる。
【００４６】
図示は省略したが、当該人工足関節機構９を、人工皮膚等で覆った場合、上記椀状部１９、１９の外側に突出する外側凸部１９ｂ、１９ｂは、外見上、人体における踝となり、見栄えが良好になる。
【００４７】
板バネ部材１５の上部板片１５ａの脛骨部材１０への埋設部には、圧力センサ２１が埋設されており、下部板片１５ｂが接地したときの衝撃を該圧力センサ２１により検出するようになっている。具体的には、上部板片１５ａの上面に圧力センサ２１が載置された状態で脛骨部材１０に埋設される。
【００４８】
そして、圧力センサ２１の検出結果は、後述する歩行動作において上記衝撃吸収機構１２の調節機構１６を制御する情報となる。
【００４９】
尚、かかる圧力センサ２１は衝撃吸収機構１２を介して取り付けられているため、接地時の衝撃が、直接、圧力センサ２１に伝わらないが、衝撃吸収機構１２により吸収された分を考慮して、上記調節機構１６の制御を行う。
【００５０】
また、かかる圧力センサ２１には、本出願人による平成９年１２月８日の出願（特願平９−３３６８０８号）にかかる発明（感覚情報取得装置）を適用することができる。
【００５１】
また、圧力センサ２１に限らず、接地時における衝撃の程度を検出することができるものであれば良く、例えば、速度センサを設けておき、加速度の変化を衝撃の程度として認識するようにしても良い。
【００５２】
尚、足部材１１の脛骨部材１０に対する駆動を行なうための駆動装置については、上記実施の形態の説明におけると同様に省略するが、この実施例の場合は、結合手段１３が凸部１８と凹部１９ａとの凹凸係合によるもので、より人体の足関節の構成に近いため、駆動機構も人体における各種靱帯、筋と同様な動きをする人工靱帯、人工筋肉等により構成することが容易であり、また、その方が好ましい。
【００５３】
また、この第１の実施例において、結合手段１３としての凹凸係合を、脛骨部材１０に凸部１８を、足部材１１に凹部１９ａを形成したものについて説明したが、脛骨部材１０に凹部、足部材１１に凸部を設けるようにしても良いことは勿論である。
【００５４】
しかして、歩行するときは、先ず最初に、衝撃吸収機構１２の板バネ部材１５の下部板片１５ｂが地面１７に接地する。
【００５５】
このとき、接地により地面１７から受けた衝撃のほとんどは、衝撃吸収機構１２により吸収され、また、足部材１１は地面１７に接地していないため、脛骨部材１０と足部材１１との結合手段１３には、力がかからず、当該人工足関節機構９が損傷することはない。
【００５６】
また、脛骨部材１０と足部材１１とが結合手段１３により、屈曲可能になっているため、上記実施の形態で説明したように、その後の歩行動作を支障なく行うことができる。
【００５７】
ところで、衝撃吸収機構１２の接地による衝撃力が小さいにもかかわらず、衝撃吸収機構１２の弾性係数が大きいと板バネ部材１５による跳ね返り力が大きく、当該人工足関節機構９よりも上方の部分（上体）への衝撃が大きくなってしまうという問題がある。また、逆に、上記衝撃力が大きいにもかかわらず、衝撃吸収機構１２の弾性係数が小さいと、その衝撃力を吸収することができず、同様に、当該人工足関節機構９よりも上方の部分（上体）への衝撃が大きくなってしまうという問題がある。
【００５８】
そのため、衝撃吸収機構１２の弾性係数が適正であることは、歩行ロボット、人体に用いた場合の義足などにおいて、重要なことである。
【００５９】
尚、上記衝撃力は、当該人工足関節機構９よりも上側の部分の重量（体重）、歩行速度、路面状態などにより相違することが知られており、例えば、体重が重ければ衝撃力は大きく、歩行速度が速ければ衝撃力も大きくなる。また、路面（地面）が土であれば衝撃力は小さく、コンクリートであれば衝撃力は大きくなる。
【００６０】
そこで、この実施例にかかる人工足関節機構９にあっては、上記圧力センサ２１により得られた検出結果に基づき、衝撃吸収機構１２の調節機構１６を調節して、上記弾性係数の適正化を図っている。
【００６１】
即ち、歩行初期時の第１歩目で受けた衝撃を、圧力センサ２１により検出し、その時の衝撃吸収機構１２の弾性係数が適正であったか否かを判断し、もし適正でなかった場合には、即時に、衝撃吸収機構１２の弾性係数を上記調節機構１６により変更する。また、この圧力センサ２１による衝撃力の検出及び調節機構１６による衝撃吸収機構１２の弾性係数の変更は逐次フィードバック制御するようになっている。
【００６２】
これにより、歩行動作の第２歩目においては、衝撃吸収機構１２の弾性係数が適正な値になっており、上記衝撃力による上体への影響が緩和される。尚、これは、その歩行ロボット等の体重が一定であること、歩行は一定の速度で行われること及び路面状況が頻繁に変化することが少ないこと等が条件であるが、上述のように、圧力センサ２１による衝撃力の検出及び調節機構１６による衝撃吸収機構１２の弾性係数の変更を、逐次、フィードバック制御することにより適正な歩行動作を行うことができる。
【００６３】
また、第１歩目と最２歩目との間では、体重が変化することはなく、歩行速度が急変することも少なく、路面状況が急変することも少ないため、第１歩目で受けた衝撃から圧力センサ２１で得られた検出結果に基づいて、調節機構１６を調節すれば、第２歩目において、その弾性係数が適正値から大きく外れることは少ない。
【００６４】
更に別の制御方法として、以下の手段が考えられる。
【００６５】
▲１▼  足部材１１の裏面に温度センサを設けておき、温度差により土、コンクリート、アスファルト等の熱吸収率の差異を認識して、これにより、路面が土であるか、コンクリートであるか又はアスファルトであるかを判断し、予め入力しておいたそれぞれの硬度を考慮して、衝撃吸収機構１２の弾性係数を決定する。
【００６６】
▲２▼  足部材１１の裏面であって、接地時に地面１７と所定の間隔が空くように音響反射装置を設けておき、接地面の固有振動数を認識して、これにより、路面の硬度を判断することができ、この硬度を考慮して、衝撃吸収機構１２の弾性係数を決定する。
【００６７】
▲３▼  足部材１１に電極を設けておき、足部材が水没している場合には、電極の短絡により足部材１１が水中にあることを判断することができ、その分、水の粘性抵抗、浮力を考慮して、衝撃吸収機構１２の弾性係数を決定する。
【００６８】
▲４▼  歩行経路情報による路面データを調節機構１６の制御系に入力して置き、これに基づいて調節機構１６を制御する。即ち、歩行経路情報は、予め備えた地図データに路面情報を入力して置き、ＧＰＳ（Global Positioning System）で自分の位置を確認しつつ、歩行位置の路面状況を判断し、その路面状況に基づき、第１歩目の衝撃吸収機構１２の弾性係数を調節機構１６により設定するようにする。この制御方法によれば、歩行初期の第１歩目から衝撃吸収機構１２の弾性係数を適正値にしておくことができる。
【００６９】
尚、これら制御手段を複数組み合わせることにより、衝撃吸収機構１２の弾性係数を、より適正値に近づけることができる。
【００７０】
図１１及び図１２は本発明人工足関節機構の第２の実施例を示すものである。
【００７１】
この第２の実施例が前記第１の実施例と比較して相違する点は、脛骨部材の下端に取着した衝撃吸収機構が異なる点のみであるので、図面には要部のみを示し、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第１の実施例にかかる人工足関節機構９における同様の部分に付した符号と同じ符号を付すことによりその説明を省略する。
【００７２】
第２の実施例にかかる人工足関節機構９Ａの衝撃吸収機構２２は、球状をした衝撃吸収パット２３と、該衝撃吸収パット２３の弾性係数を調節するための調節機構２４とを有する。
【００７３】
衝撃吸収パット２３は、その外殻体２５が伸縮性のあるゴム又はシリコンで形成され、該外殻体２５内に液状シリコン２６が封入されている。
【００７４】
尚、当該人工足関節機構９Ａを、足関節として人体に埋めこむ場合には、液漏れ事故が発生しても人体に影響が少ない生理食塩水やヒアルロン酸ナトリウム等を用いることが好ましい。
【００７５】
また、外殻体２５を網目状の網目膜で覆うと、外殻体２５内の圧力が変化しても外殻体２５の外形形状が変らないので、好ましい。
【００７６】
調節機構２４は、シリンダ２７と該シリンダ２７内を摺動するピストン２８とから成り、シリンダ２７の先端は、連結パイプ２９を介して上記衝撃吸収パット２３の外殻体２５に接続されていて、シリンダ２７及び連結パイプ２９にも液状シリコン２６が封入されている。尚、この調節機構２４の代わりに、上記第１の実施例において説明した調節機構１６を用いても良いことは勿論である。
【００７７】
衝撃吸収機構２２は、その衝撃吸収パット２３が、その外殻体２５が脛骨部材１０の下端に位置され、調節機構２４は脛骨部材１０の背面下部に取着されている。
【００７８】
そして、調節機構２４のピストン２８をシリンダ２７に対して摺動させると、シリンダ２７、連結パイプ２９及び外殻体２５の内圧が変化して、衝撃吸収パット２３の弾性係数が変化するようになっている。
【００７９】
しかして、この第２の実施例にかかる人工足関節機構９Ａにあっては、上記第１の実施例にかかる人工足関節機構９と同様に、衝撃吸収機構２２の調節機構２３により、衝撃吸収パット２３の弾性係数を変えることにより、歩行時に受ける衝撃力を適正に吸収することができる。
【００８０】
図１３は本発明人工足関節機構の第３の実施例を示すものである。
【００８１】
この第３の実施例が前記第１の実施例と比較して相違する点は、脛骨部材と足部材との結合手段が異なる点、足部材が別体に足部材本体と被支持片とによって構成されている点及び衝撃吸収機構が異なるのみであるので、図面には要部のみを示し、その説明は上記相違点についてのみ行い、他の部分については図面の各部に前記第１の実施例にかかる人工足関節機構９における同様の部分に付した符号と同じ符号を付すことによりその説明を省略する。
【００８２】
第３の実施例にかかる人工足関節機構９Ｂの結合手段３０は、脛骨部材３１と足部材３２とを第１の自在継手３３を介して結合することにより構成されている。
【００８３】
また、足部材３２は、人体における足の足底（足の裏）、足背（足の甲）に相当する足部材本体３４と該足部材本体３４の後部に取着された被支持片３５、３５とから成り、足部材本体３４と被支持片３５、３５とは第２の自在継手３６により結合されている。
【００８４】
第１の自在継手３３は、２つの軸材が互いに直交するように形成された十字片３７の内、一方の軸材が脛骨部材３１の下部に左右に貫通するように形成された空間部３８の前壁及び後壁に回転自在に支持され、他方の軸材が２つの被支持片３５、３５の後端部に回転自在に支持されることにより構成されている。
【００８５】
これにより、脛骨部材３６と２つの被支持片３５、３５とは、歩行方向に対して直交しほぼ水平方向に延びる軸の軸回り方向（Ｙ軸回り方向）における動き（歩行時に折れ曲る方向の動き）と歩行方向に延びる軸の軸回り方向（Ｘ軸回り方向）の動き（足の裏を内側又は外側に向ける動き）とが許容される。
【００８６】
また、第２の自在継手３６は、第１の自在継手３３と同様に、２つの軸材が互いに直交するように形成された十字片３９のうち、一方の軸材が足部材本体３４の後端部上面に突設され前後に離間した軸支持片４０、４０に回転自在に支持され、他方の軸材が２つの被支持片３５、３５の前端部に回転自在に支持されることにより構成されている。
【００８７】
これにより、２つの被支持片３５、３５と足部材本体３４とは、Ｙ軸回り方向の動きとＸ軸回り方向の動きとが許容される。
【００８８】
尚、第１の自在継手３３及び第２の自在継手３６により、脛骨部材３１と被支持片３５、３５との間の結合手段３０及び足部材本体３４と被支持片３５、３５との間の結合において、Ｘ軸回り方向の動きが許容されるようになっているが、この動きの許容範囲は、比較的狭く設定されている。
【００８９】
この第３の実施例にかかる人工足関節機構９Ｂの衝撃吸収機構４１は、上記実施の形態で説明した衝撃吸収機構４と同様に、ゴム様の弾力性を有する部材、例えば、ゲルニック、シリコンゴム、フォーム軟質ウレタンなどで、脛骨部材３１の下端に取着されている。
【００９０】
しかして、この第３の実施例にかかる人工足関節機構９Ｂにあっては、Ｘ軸回り方向の動きが多少許容されるため、例えば、路面に凹凸などが有り、接地した足部材３２の足の裏が水平にならなかったときに、足部材本体３４のみが傾斜して、脛骨部材３１が左右に傾斜してしまうのを防止することができる。
【００９１】
尚、この第３の実施例におけるように、脛骨部材３１と被支持片３５、３５との間の結合手段３０及び足部材本体３４と被支持片３５、３５との間の結合の双方を、自在継手３３、３６により構成することにより、より人体の足関節の動きに近い動きを実現することができるが、一方のみを自在継手で構成しても良い。
【００９２】
また、脛骨部材３１と被支持片３５、３５との結合手段３０及び／又は被支持片３５、３５と足部材本体３４との結合を、上記自在継手３３、３６の代わりに、上記第１の実施例及び第２の実施例において説明した結合手段１３のような凹凸係合にするようにしても良く、更に、一方の結合を凹凸係合に、他方の結合を自在継手にするようにすることもできる。
【００９３】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、本発明人工足関節機構は、人体の脛骨に相当する脛骨部材と、人体の足であって踵を除く部分に相当する足部材と、脛骨部材の下端に取着された衝撃吸収機構とを備え、上記足部材と上記脛骨部材とを歩行方向に屈曲する結合手段により結合し、上記足部材の後端部には左右に適宜離間して２つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とをそれぞれ凹凸係合させたことを特徴とするものである。
【００９４】
従って、本発明人工足関節機構にあっては、脛骨部材の下端部に衝撃吸収機構を設け、歩行動作に必要な足首の屈曲動作は、足部材（踵部を除く。）と脛骨部材との屈曲自在な結合により行うようにしたので、歩行動作を不自由なく実現しつつ、かかる屈曲動作を実現するための構造部分（結合構造）には、歩行初期などに生じる大きな衝撃がかからないため、該結合構造をシンプルにすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。
【００９５】
即ち、脛骨部材と衝撃吸収機構との間に、軸と軸受などの回動可能な結合構造がないため、大きな衝撃を受けても損傷するような部材がなく、耐久性に富み、その分、構造をシンプルにすることができ、人工足関節機構の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００９６】
また、歩行動作などにおける衝撃は、脛骨部材の下端部に設けた衝撃吸収機構により、そのほとんどを吸収することができ、脛骨部材より上側に存する他の部材などへの影響を少なくすることができる。そして、足部材の後端部に左右に適宜離間して２つの被支持片を形成し、該被支持片により脛骨部材を左右側方から挾持するようにし、各被支持片と上記脛骨部材とを凹凸係合により結合するようにしたので、構造が簡単であって、人体の動きに近い動作を実現することができる。また、人体における前脛骨筋、後脛骨筋、下腿筋等と同様な人工筋肉機構を配設しやすい。
【００９９】
請求項２に記載した発明にあっては、脛骨部材の左右側面に凸部を形成し、被支持片の後端部に、内に凹、外側に凸の椀状部を形成して、該椀状部の凹部と上記脛骨部材の凸部とを係合させるようにしたので、椀状部の外側凸部が人体における踝に相当する部分となり、外形上の見栄えを良くすることができる。
【０１００】
請求項３及び請求項４に記載した発明にあっては、衝撃吸収機構を、湾曲した板バネと、該板バネの弾性係数を調節する調節機構とで構成し、板バネの一端を脛骨部材に支持し、他端を自由端として、該自由端に上記調節機構の作用端を接続して、板バネの自由端側の部分を地面との接触部としたので、比較的簡単な構造で、調節機構を適宜調節することにより、板バネの弾性係数を適宜変更することができ、当該人工足関節機構よりも上側の部分の重量や路面の状況などに適応させることができる。
【０１０１】
請求項５及び請求項６に記載した発明にあっては、衝撃吸収機構を、脛骨部材の下端に設けられその内部に液状体が封入された球状殻体と、該球状殻体の内圧を調節する調節機構とで構成したので、比較的簡単な構造で、調節機構を適宜調節することにより、衝撃吸収機構の弾性係数を適宜変更することができ、当該人工足関節機構よりも上側の部分の重量や路面の状況などに適応させることができる。
【０１０３】
尚、上記した実施の形態及び各実施例において示した各部の形状乃至構造は、何れも本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２乃至図６と共に、本発明に係る人工足関節機構の基本構成を概念的に示すものであり、本図は斜視図である。
【図２】図３乃至図６と共に、本発明に係る人工足関節機構による歩行動作を順に説明するための側面図であり、本図は歩行初期において、踵が接地した上体を示す。
【図３】図２の状態から、足部材を接地させた状態を示す。
【図４】図３の状態から、脛骨部材を地面に直角にした状態を示す。
【図５】図４の状態から、人工足関節機構を屈曲した状態を示す。
【図６】図５の状態から、踵を上げた状態を示す。
【図７】図８乃至図１０と共に、本発明に係る人工足関節機構の第１の実施例を示すものであり、本図は前方から見た斜視図である。
【図８】脛骨部材と足部材とを前後に分離して示す分解斜視図である。
【図９】側面図である。
【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図である。
【図１１】図１２と共に、本発明に係る人工足関節機構の第２の実施例を示すものであり、本図は前方から見た斜視図である。
【図１２】垂直縦断面図である。
【図１３】本発明に係る人工足関節機構の第３の実施例を示すものであり、前方から見た斜視図である。
【符号の説明】
１…人工足関節機構、２…脛骨部材、３…足部材、４…衝撃吸収機構、５…結合手段、９…人工足関節機構、１０…脛骨部材、１１…足部材、１２…衝撃吸収機構、１３…結合手段、１４…被支持片、１５…板バネ、１６…調節機構、１７…地面、１８…凸部、１９ａ…凹部、２１…圧力センサ、９Ａ…人工足関節機構、２２…衝撃吸収機構、２３…衝撃吸収パット、２４…調節機構、２５…外殻体（球状殻体）、２６…液状シリコン（液状体）、９Ｂ…人工足関節機構、３０…結合手段、３１…脛骨部材、３２…足部材、３５…被支持片、４１…衝撃吸収機構
【図１】
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【図２】
0004232057.tif 000003
【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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