平成9年度 研究報告 大分県産業科学揉循センタ…

木製はきものの形態と歩行時の下肢負担との関係について一人問の動作中形態矧生に基づいた木製はきものの開発（第1幸紛 一佐藤幸志郎＊。河内まき子＊＊さ持丸正明＊＊。長谷和徳＊＊＊日田産業工芸試験所8＊＊生命工学工業技術研究所人間環境システム部

Re旦ationbetweemwoodenclog ssbapeandiegstress−Developmentoダwoodenciogs丘）undedont圭一ehumanfunctiona】1dmorphology（Par＝トKoushirouSÅTOU＊㍉MakikoKOUCHI＊＊◎MasaakiMOC㌍‡MARU＊＊暮KazunoriHÅSE＊＊＊Hi払首ndustrial−ArtDi＼′主sion・不＊Natn．Inst。Of Biosci＆Hu王Ⅵan−Tech．

要旨
木製はきものの形状要素と歩行時の下肢負担の関連を調べるために、接地点位置、足固定具の位置を変えた実験用サンダルを用いて被験者の歩行動作を計測し、床反力、関節角度変化、関節モーメントに着目して解析した。この結果、はきものの前部接地点が前方にずれ過ぎると足◎膝関節モーメントの増加、MP関節背屈角度の増加等の負担増加が観察され、後部接地点が後方にずれ過ぎると歩行が分節的になることが確認された。
固定される木製サンダルを指す。

1．はじめに日本人の生活用具として長年にわたり使い続けられて本研究では歩行運動の特徴があらわれる失状面内の2きた木製のはきものは、その間故約な構成が日本の高温多次元モデルで解析を行う。下肢について、Fig．1（a）のよう湿な気候風土に適していること、歩行動作において靴などに中足指節関節点（以下MP関節）、足関節点、膝関節点、のように関節周辺を束縛しないため自由度の大きな足部股関節点を考慮し、これらで連結された4節からなる2次関節の動きが可能であることなど、現在主流となっている

元剛体リンクモデルと仮定する。また、はきものもFig．1（a）

繊維。皮革のはきものに対するアドバンテージが数多く指のように単純化する。A点ははきものの最前部下端、B点摘されている（1）。

は静止立位時に接地している部分の先端、C点はその後端

しかし木製はきものの形態要素の歩行動作に与える影である。

響を歩行分析の観点から論じた資料は少なく、その微妙な現在流通している下駄やサンダルの形状は一見すると形態の差に左右されているであろう歩行メカニズムは不全く異なったものに思えるが、Fig、1（b）の下駄も、Fig．1（c）明瞭なままである。のサンダルも矢状面におけるA点、B点、C点の位置関係

本研究は変形しない素材である木材などの素材で作ら（形態要素）が異なるバリエーションとしてとらえることれたはきものの形態や足部への固定方法といった要素がができる。以下、特に断らない限り、はきもののÅ点、B

歩行動作にどのような影響を与えているかについて、要素C点とは上記の定義を使用する。

、点節関⁚・〜・・lt・

はきものの形態要素と歩行動作の関係を明瞭にするこ・・﹁⁚又．︑．

．＼＼︑∵う︑変化等に着目し考察するものである。

ヽ−こ式／′一llヽ

計測し、主に立脚期の床反力、関節モーメント∴関節角度﹃戯の変更が可能な実験用木製はきものを用いた歩行動作をとができるならば、購入の際の正しいフィッティングや製品開発における生体機能面からの的確な形態の決定に役崖立つものと考えている。

2．方法
2、1木製はきものの朱状面モデルの定義

本研究において対象にしている木製はきものとは鼻緒

こB・− ・二こ一

F邑g．篭 木製はきものの矢状面モデル

で固定される伝統的な2枚歯の下駄及びバンドや鼻緒で一150：−■ ∴、

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ仙して床反力、関節標点位置の歩行動作申の変化を計測した。

2．ヱ 実験用はきものと実根条件

実験は進行方向長さ5 m程度の板張りの歩行路に歩行実験には、Fig，2の前歯と後歯を前後に動かしてB点、路埋込型床反力計（3．6mXl．8nl、共和電業社製EFP−A型）

C点の位置を変更できるようなラワン材とスライド金具を左右と進行方向に2枚づつの計4枚埋め込み、それと計による2枚歯はきものを製作して用いた。

測標点の動きを60飽の計測周波数で光学的に計測できる3次元動作計測装置（OxfordMetrix・Vricon370）を連動させて設置している屋内の設備（通商産業省。製品評価技術センター）を利用して行った。（Fig。4〉

本研究ではこの装置により計測された3分力の床反カデータと関節に取り付けた標点位置座標データによって、着力点位置、床反カベクトル、下肢の各関節モーメント、関節角度を求め、はきもの形態との関連を考察する。

F自習．2 実験用はきものの底側B点の位置はMP関節から1cm後方を基準（Fig．3）とし、MP関節から2cm前方、5cm前方、8cm前方の4条件での歩行動作を比較した。なお、基準位置は、既存の木製はきものの設計条件に近いものである（i：。C点位置及
びはきものの高さについては文献に明確な基準値となる
記述がなかったため、市販の長さ257mm（8寸5分）の2枚
歯のはきもののBC間の距離（130mmト高さ（44mm）を基準値（F隠3）として使用し、基準値に対しC点をはきもの後端までずらしてBC問の距離を175mmにする条件及び巨竜g．4 実験施設概観高さを15mm高くして59mmにする条件の比較を行った。
2．4 被験者と実験条件
被験者は健常な男性2名である（被験者A：身長171．6cm、体重68．5kg、年齢26才、足長26．5cm、足幅10．Ocm）（被験者B：身長175．1cm、体重67、6kg、年齢31才、足長26．Ocm、足幅9．5cm）。被験者には陸上競技用のピッタリとしたスウェットパンツを着用させ転子点と標点がズレないよう配慮した。
3次元計測のための標点（2）は股関節の回転軸の目安となる「月受関節点（転子点）」、膝関節の回転軸と考えられる大腿骨外側上顆の最外側に突出した点（便宜上「膝関節点」と呼ぶ）、足関節の回転軸と考えられる「足関節点（外巨竜g。3 実験用はきものの来状薗基準寸法果端点）」、㌔′‡P関節の回転軸と考えられる「第5中屋骨はきものの足部への固定方法は、MP関節の可動を妨げ頭」の4点及びはきものの位置を知るための前端と後端かないよう細い丈夫なストラップにて第一申足骨頭から第ら2cmの位置の2点に取り付けた。さらにMP関節の正確五中屋骨頭までの中足指節関節上のみを固定する方法をな関節角度を観察する目的で、母址末節骨上部にも標点を選択した。また条件としてMP関節の可動を妨げることも取り付けて合計7つの標点のデげ夕を得た。（Fig．5）

できるよう甲の位置にも予備のストラップを用意した。

被験者には歩調や歩速を被験者の歩きやすい自然なべ

2．3 実験設備

rスとするため「普通に歩いて下さい」という指示を与えパラメータの変更による関節への負荷の変化を定量的て上記歩行路を歩かせ、同一条件につき3試行づつの実験に表せることから床反力計と3次元動作計測装置を利用を行った。

一151

平成9年度 研究報告 大分県産業考斗学技術センター
データである。各被験者3試行ずつ計測したデータのうち、デ叶夕の欠落がなく解析が有効であった試行をすべて表示した。
3．1関節モーメント3．1．1 B点の位置と関節モーメントの関係

Fig．6はB点を前方に動かしたときの足関節モ脚メントの変化であり、B点を、基準点であるMP関節の1cm後方より前にだすほど、トウオフ直前の蹴り出しによる足関節底屈モーメントのピーク値が大きくなる。また、被験者A
では、Fig．7のとおりB点を前に出すほどヒールコンタク

F毒g．5 計測標点の位置

ト後の膝関節伸展モーメントのピーク値が大きくなって2。5 足関節。膝関節点まわりのモーメントの処理いる。これは、ヒール（C点）が着床した後∴最初にB点

Fig．1（a）のモデルで足関節および膝関節における関節モが床に着く時点であり、B点が前方に移動することによっーメントを式（1）にしたがって処理した。立脚期には、て大きくなる衝撃力を、膝関節の伸展モーメントで吸収し大きな床反力が作用し慣性項が相対的に小さくなることていると考えらる。

から、下腿および足部の慣性項を無視した。（床反力計測
0︵U5∩−︵U∵∵ ヨ己局︵宣子÷ご→ふ追詰盛

M＝（Py−Jy）、Fz−（Pz−．）z）、Fy

ハU n︼
︹︺
︵U∈︺盲蔓ヱ∧≠仁山由謹由デ｝夕の平滑化式（2）及び着力点位置の計算式（3）は末尾の付録1、2に記載した。）

50

M：関節点まわりのモーメント（PyタPz〉：着力点位置

こ一丁∴ニー（」y∫jz）：関節標点位置（Fy，Fz）：床反カベクトル

初期イ直のはきもの＿

B点が中居指節関節の8⊂m前方（B点が中足指節関節の1⊂m後方）

F岳g．6 B点の変更による足関節モ血メントの変化

3．実験結果及び考察
60Hzでサンプリングした床反力の3分力成分と関節標点位置座標のデータが得られた。標点位置座標から歩行立じめ計測した静止立位状態の標点位置を関節角度ゼロとして、そこからの変位を求めた。各関節角度の正負の方向は以下の通りとする。

盲Z︶エ∧≠肘笹描露盤■盲Z︶エヽ∵︹−山ふ璧謎燵 ■脚期の足関節。膝関節の関節角度変化を計算した。あらか00∩】

・膝関節（正一屈曲、負一伸展）・足関節（正一底屈、貞一背屈）・中足指節関節（正一背屈、負一底屈〉−＿∴二二初冥月憺のはきもの（B点が中足指節関節の1⊂m後方）

また、標点位置と床反カデータから（1）、（2）、（3）式によって足関節さ膝関節の関節モーメントを計算した。

B点が中足指訂関節の8cm前方

賢妻g．プ B点の変更による膝関節モ仙メントの変化

実験条件ごとに関節モーメントの変化を比較したものをFig．6〜11に、由節角度の変化を比較したものをFig．12に

3．1．2 C点の位置と関節モーメントの関係示す。これらのグラフの時間軸の起点はヒールコンタクト

B点を固定してC点を8点から45mm離した場合の足で、終点はトウオフである。ヒールコンタクトの時刻は、関節モーメントの変化Fig．8と膝関節モ叶メントの変化同期して計測した床反カデータの鉛直成分が100Nを越えFig．9を示す。被験者Aでは、Fig．9に示すように膝関節モた時点とした。図中の太線は被験者A、細線は被験者Bのーメントのピーク確が増大している。特に、ヒールコンタ

一一152＿平成9年度 研究報告 大分県産業寺斗学技術センター

クト後の伸展モーメントの差が著しい。これは、着床した3．1．3 はきものの高さと関節モーメントの関係

とき床から身体に伝わる力のベクトル（床反カベクトル）

Fig．10にBC点の前後方向の位置は変えず高さを15mmが、C点のそばを通るか、離れているかに大きく関係する。

高くしたものの膝関節モーメント時間変化のグラフを示

床反カベクトルがC点から離れていれば、C点回りに大きす。これも被験者Aにのみ顕著に見られる特徴であるが、な回転力（モーメント）が発生するため、これに抗する力はきものの高さが高くなるとヒールコンタクト前後とヒを身体側で発揮しなければならないことになる。着床時のールオフ前後の膝関節伸展モーメントのピーク値が増加

床反カベクトルは、踵よりやや前方に現れるから、C点をしていることがわかる。

後方に下げた場合は、当然、大きな回転力が発生しているーメントが大きくなると考えられる。この場合、C点回りの回転力により、はきものが素早く回転し、B点がすぐに着床するため、バタンバタンと滑らかさを欠く分節的な歩︵∈N︶エ∧≠﹁∴ご率選塵盲Z︶エ∧旦−中編露盤

ことになり、膝関節回りの力でこれを支えるため、関節モ∩）0■■き方になりやすい。

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盲Z︶﹂∧≠1中温謹画

0く﹂︵U0︵U∴三ニー（はきものの高さが44mm）

0n︶言Z︶エ八≠−山岳崇鱒拙

‑50ミニニニl二

初期偶のはきもの

F盲g．10 高さの変更による膝関節モーメントの変化

5錘

3．1．4 甲の固定の有無と関節モーメントの関係
F鳴・11は足の甲にもストラップをかけて∴MP関節の運∴−−−∴

初期値のはきもの（BC点の距讃が130mm）

動を抑制した場合の膝関節モーメントの立脚期の時間変

BC点の距離が175mm化を示したものである。これも被験者Aについて凄著にみられた特徴であるが、甲をはきものに固定しMP関節を敷F竜g．8 C点の変更による足関節モーメントの変化

きにくくしたものはフットフラット期の膝関節伸展モーメントが増加していることがわかる。

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︵∈Zェ∧≠山鹿語学盟︻︵∈Z︶﹂∧≠∵芦困鹿器攣盟−（U050墓迩（BC点の距離が130mm）（U・・け・…

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初期値のはきもの〔∪嘉基
BC点の責巨離が17Snlm

研冥射直のはきもの
博を固定しない）

甲をストラップで固定

F象g．9 C意の変更による膝関節膏血メントの変化
F射頂 攣の固定の有無による膝関節モⅦメントの変化
反対に、今回は実験していないがC点を初期値よりさらまた、甲を固定することによってⅩiP関節は曲がりにくに前方に移動させ、床反カベクトルがヒールコンタクト時に足関節の前をとおるようにすると床反力は足関節を背くなり、MP関節回りの筋力を有効に活用できなくなる。

屈させる運動となるので、フットフラットにするために底このため、特に蹴り出し時などに他の関節の負担が増大し屈させる筋力を必要とするようになることが予想されるていると推測できる。
3．2 B点の位置と関節角度変化の関係（足部が接地したときにはきものが後方に倒れる。）。

立脚期のフットフラットからトウオフにかけての床反山Ⅵ153一一

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ仙
力計の進行方向成分がピークになるとき（＝下肢がもっとかる。

これらのことから、B点を前方に出すほどトウオフ時にも推進力を発揮しているとき）の下肢の姿勢とはきものの回転角度と床反力ベクトルを表したものがFig．12である。

MP関節が不自然なほど大きく背屈することになり、推進

トウオフ時のはきものの傾斜（前傾角度）に注目すると、力の効率的な伝達を妨げることになるとともに、ストラッB点が前方に行くほどトウオフ時のはきものの傾斜は減プの固定方法によってはストラップが足部を強く圧迫し少し、水平に近くなっていることが分かる。

痛みを生じることになる。またはきものにとってはストラFig．13はB点の位置を前後に変更した場合の立脚期のップ固定箇所に加わる荷重が増加し破損の原因となるこMP関節角度の変化を示している。B点を前に出すほどトとが考えられる。下記のグラフは被験者Bのものだが被験ウオフ期のMP関節の背屈が大きくなっていることがわ者Åも同様の傾向を示している。

0O8O︵U′OO0O

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OPう7

下肢関節群

ヰ︵Uモノ

宗蔓無撃墜置場風塵遠雷豊組史囁璧屡騰剋謡

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進行方向標虚位置師m）＆進行方南床最知宅Nきーーーーご：￣三l＿

B点が率足指節 B虔が中屋指節 B貞が中農脂節B点が帝展指節関節の2こm前方 関節の5c獅前方 関節の呂∈m前方関節の1紺磯演

巨竜g。12 邑意の変更による應反力進行方向成分ピ山夕時の下肢姿勢とはきものの回転角度！1一∴こご．・∴・・＝こ．

10 20 30

10 2〇 3・？・∴ぺ∵．

∴ ∵∵∴ゾ．、：−ご・王∴t、．∵‥・．・

Fl：、ニニミー；・1、：∵・・：〜、てロ コ0ヨ

二さご、∴−1関節の2こm前方関節の5∈獅前方い∵一 ＿ −ト・−、ニー、− ∴、−√・：∴・：−∴■・＞−・こ・＿・154

関節の8こm前方

平成9年度 研究報告 大分県産業琴率草根締センタ皿員、慶應義塾大学傘荻原氏の御協力をいただきました。こβ．賛左耳
はきものの底部の形態、固定方法と歩行動作について、こに記して深甚なる謝意を表します。

○底部の前部接地点が前方にずれ過ぎると、

参考蕊触仕 卜専務プ直前の崖関節底屈膏血メントの増力詔り）三浦豊彦：足とはきもの．（1957）、42，労働科学研究所

・トウオフ直前∫）れ†P調節首尾角蜜の増加（2）河内まき子∴横井孝志，渥美浩象山下樹鼠横山一也．吉岡松太郎，′巨木元、堀田明裕，谷井克則も岸義樹，飯田健夫：設・ヒールコンタクト返誉漆関節伸展モー・メントロ増加計のための人体計測マニュアル．（199鉦4，製品科学研究所○底部の後部接地点が後方にずれ過ぎると、（3）Brvan［，J．T．．We＼′erS】H−＆L洞乱臣．J∴毎‡ethodoデ血a・L・■一．阜レニンダニント達し了二さ漆覇王う薄集モー・メントニ増加○はきものの高さが高くなると、

SmOOthing Fori王1StantaneOS CentreOデro亡a乞まOnmeaSuremenとS・，焼d。βゴロブ．＆瞥〔海軍舶・．三三（198封，597

Iヒ▲−しルコンタクナー接ぐ〕麓関取海馬モー・・ナ・ントの増加（4）山崎信乱持丸正明，六馬信之こ 床反力計の高精度化

・ヒーールオフ前後の榛関節牒傾注十メントの増力員検定手法，バイオメカニズム、土息（1992）†223○甲をはきものに固定しMP関節を束縛したものは、（5）長谷和徳三エネルギ消費に基づく歩行動作の決定基・フソトフラット期㌫漆関節伸展モ…メントか増加

準，（199り，16。慶應義塾大学（修士論文）
等の関係が実験結果より観察された。
今回はパラメい夕として接地する部分の形状のみ取り

紺線1計測♂イ戎の平滑化
2．3の装置で実験を行った結果、3分力床反力成分デー扱ったが、今後は他のパラメータとしてと卜と接するはきもの上面の形態も考慮する必要がある。上面の傾きや形状

タとそれと同期した関節標点位置座標デ叶夕を得ることは歩行動作にも少なかちず影響を与えていることが予想ができた。装置から得られた床反カデータは計測ノイズ成されるからである。

分を含むため、式（2）のBryant（3）のデジタルフィルタを

木製はきものの開放的な構成による様々なメリットが招いて遮断周波数6Hzにて標点位置とともにノイズを除見直され現代生活の中であらためてその存在を認められ

・1ブニ

はじめている今∴木製はきものの形態特性と人間の勤作特性の関係を明確にしておくことは、山通性の流行としての剃旗瀾灘招甥酢頼灘棋甘爛堅凋成闇轍瑚成鞭鋤濁∴∴存在ではなく、現代生活の中で確実な地位を確立するために必要な作業であると考えている。

・・ −∴またこのような試みが増えることによりはきもの開発の指針が確立され、はきものが改善されるとともに、製品．F＝ド亡芋S．届＝ほ両二こ∴FJ．B＝トト．こユ）1＼V十V〉′ヽ三

開発において動力学的計測の観点から製品性能を評価で，Cニニ1：′1・ヤ．いニこ：5Jニー」ト．（ご）1一いノ㌧Vハブ）／S

ご￣ ．

賢覧：計測周波数，㌍∈：遮断周波数

きるシステムが確立されることを期待するものである。
（本実験は中小企業大学校。平成9年度中ノ小企業技術指導

柑線2 着力感位置員養成過程の実習カリキュラムを利用して実施されたも式（2）によりノイズを除いた床反力計に使用されていのであり、本原稿は上記実習報告書と日本人問工学会第3る4組のセンサに作用する力から著力点位置を式（3）に9珂大会口頭発表概要に補筆したものである。）より計算した雄庶。床反力の3分力成分の方向として歩行の左右方向にⅩ軸、歩行の進行方向に㌣軸、鉛鐙方向にZ謝辞

紬を設定した。また本研究では実状面に限定Lた人体モデ

東研究は工業技術院生命工学工業技術研究所 人間環ルを使用しているので、着九各位置X座標及び床反力Ⅹ境システム部河内グルーープの皆様のご支援により進めら方向成分烏億矯にていない。（盲 巨一∠主意でのセンづ￣番号）れました。業務多忙の中、研修生として受け入れて睾ただき、様々な機粛＼スペーースなどをご提供いただきました。

靴可芝鞭獅鵬矩芝鞭招諭帥翫

また関節標点と庶反力計測につきましては通商産業省製、、−●−

らびに大型束反力計測装置の使稽を許可いただき効率的●‥…− −な実験を行うことができました。さらに被験者として鳥取、 − ■−県工業試験場仏横地研究員、東京都繊維試験場醸累日研究、・・．

∴∴…

品評価技術センタ▼一山にて、ニヨ次元動作計測装置う＼′′riconな155−、− −−−・ 一 二−● ■●＝