ASSISTECH Report 1999

国際支援のための義足システムの開発
Development of a lower limb prosthetic systemcomponent
中川昭夫 大塚 博 中村俊哉 赤澤康史 北山一郎
NAKAGAWA Akio, OHTSUKA Hiroshi, NAKAMURA Toshiya, AKAZAWA Yasushi, KITAYAMA Ichiro
Abstract：
The Asia Prosthetic Centre which Dr. Sawamura has
been proposing is planned to start in Thailand. A new
prosthetic system is required to be used in this center for
education of students of prosthetic course. The authors
have planned to design the system so that it should beused by those students and by amputees in Thailand. By
this way, the system could be produced in some rate ofnumber from the beginning. Authors have visited Bangkok to investigate the level of production of prostheticcomponents. It became clear that they have enough potential to make appropriate components. Authors havedesigned a new foot and adapter parts. The foot has beentested to accumulate information to design appropriate
keel construction and material, and appropriate polyurethane material. The adapter parts have been made using
lost-wax technology. The components are composed of
two parts, they could be used in variety ways by using themachined parts. The information gathered here could beapplied to improve these component design in next year.

本年度は、6 月に再度タイを訪問し、チェンマイ大学で使用するための義足部品を製造している工場を視察することで、現地の技術レベル等を調査するとともに、シリントンリハビリテーションセンターのスタッフと情報を交換することで、さらに現地のニーズをつかむこととした。チェンマイ大学で使用している義足部品は、タイにおける国民の寄付を財源にして、タイ国内の政府支給の義足が使用できないような辺境地を対象としているため、極端に安価なコストで製造されている。しかし、耐久性に関しては問題があるといわれている。今回は、訪問した足部製造を担当している工場でサンプルを入手することができたので、これを研究所所有の ISO 基準の足部耐久試験機によって試験した。次に、タイをはじめとする各国での技術レベルで製造できることを前提条件として、足部と下腿部の接続金具を試作した。

2. タイの製造技術

チェンマイ大学の義肢装具製作施設が行っている義肢サービスにおいて使用するための部品を製造し1. はじめにている工場を訪問した。この義肢サービスは、タイ政府による身体障害者福祉法に則った義肢支給シス
JICA によるアジア太平洋障害者総合地域センター テムとは別に、タイ国内の辺境地に住む切断者のた（仮称）は数年以内にタイに開設できるよう準備が行 めに行うモービルクリニックで無償で提供するためわれているようである。本研究はこのセンターでの に使用するためのものである。福祉法による政府予
義肢装具士養成コースでの教材として使用される義 算とは別に、王室名を冠した寄付を財源としたもの
足部品と、タイでの身体障害者福祉法によって給付 であり、極端に安価に製造する方法をとっており、される義足部品を共通のものとすることで、初期か 製造を担当する工場側も材料費を除けば作業費等にらの生産量を、ある程度まとまった数にするとともに、 関しては無償で協力しているようである。本年度はそのコースで教育を受けた義肢装具士が帰国後も継 膝継手を製造するための金型を受注している機械工
続して使用できるよう、無理のない価格で供給でき 場と、足部を受注している靴底のメーカーであるウることを目的としている。
レタン発泡工場を調査した。
平成 10 年度にタイを訪問して当センターと姉妹
機械工場は旋盤やフライス盤をはじめとする多数提携を結んでいるバンコクのシリントンリハビリテ の汎用加工機と従業員を擁する、比較的規模の大きーションセンターや、チェンマイ大学の義肢装具製 な工場である。精度の高い加工を必要とする製品を作施設等の調査を行なった。このとき得られたニー 製造する場合のために、NC 加工機や 3 次元の形状ズや情報を元に、義足システムの構成を検討した。
測定機、NC 放電加工機等も持ち、日本国内で中堅
福祉のまちづくり工学研究所報告集

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と考えられる加工工場と同等の規模と技術を持つと考えられる。同工場の敷地内には、プラスチックの射出成形工場や電気関係の組立工場も持ち、総合的な製造技術を持つ。チェンマイの義足部品のうち、ポリプロピレンによる膝継手を製造するための金型を受注して、製造中であった。同工場を見学の後、義足を組み立てる際に必要となる金属部品製造の可能性を話し合ったが、ロストワックスで製造可能であった。ただし、見積金額は予想より高額であり、帰国後、日本国内のロストワックスメーカーに見積をとったところ、タイの工場による見積と同等、あるいは、少し安価な金額の提示があった。ロストワックスの製造工程を考えると、少量生産に向くが労働集約型であり、タイの他のメーカーを調査すれば、より安価な金額を提示するところが見つかる可能性が高いと考えられる。
ポリウレタン発泡を行う靴底メーカーの工場は、日本やヨーロッパの運動靴メーカーの靴底を下請けしている。同工場では月産 15 万個程度の靴底の生産能力がある。受注量には変動があり、受注量が多い時期（ハイシーズン）にはフル生産になるが、生産量が少ない時期（ローシーズン）もあり、この時期にチェンマイからの受注足部を社会貢献として生産しているとのことである。フル生産時期には平均で 1 日あたり 5000 個前後の生産量があるとみられることから、チェンマイからの受注量である 600 個の製造は、数時間程度の作業となる。そのために工程を変更し、樹脂タンクや注入システムの洗浄を行うのは大変な手間であることは理解できる。使用しているポリウレタン樹脂はポリエステル系の材料であり、加水分解に強いといわれているポリエーテル系の材料は取り扱っていない。前年度末にチェンマイでデザインして試作したとされる足部のサンプルが送られてきたが、その材料はポリエーテル系のポリウレタン樹脂であり、この工場の生産品ではないとのことであった。同工場でのヒアリングによると、金型はエポキシ型で 6,000B（約 2 万円）、アルミ型で15,000B（約 5 万円）で受注可能とのことであった。
訪問時に使用していたポリウレタンを使用したサンプル足部をその場で製造し、テスト用に持ち帰ることができた。
これらの情報から、タイにおいても製造技術レベルとしては十分なものがあることが確認された。ただし、シリントンリハビリテーションセンターのスタッフには、これらの製造方法や材料、製造工場に関する情報が不足しており、最終的に現地生産に移行する段階では、タイにおける製造工場に関する情報を収集するとともに、適切な協力関係を結ぶこと
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兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所ができる製造業者を選定しなければならないことがあきらかとなった。

3. タイで試作された 2 種類の足部の試験
平成 10 年度末にチェンマイの試作足部ということで郵送されてきた足部を、研究所の義足足部試験機によって試験した。これは、ISO10328（義足主要構造強度試験法）に規定された、体重 80kg 級の切断者が使用する義足負荷に相当する A80 クラスの試験負荷（最大 1230N、最小 50N、1Hz による正弦波繰り返し負荷）で、室温、乾燥状態での試験では200 万回の繰り返し試験を破損なく終了した。この足部についてシリントンリハビリテーションセンタ
ーの義肢装具士や医師は、歩行時の踵接床時（ヒールクッション）の固さが硬すぎると評価していた。
ただし、同時期にシリントンリハビリテーションセ
ンターへ配布された足部は、同センター所有の足部試験機によると数千回の繰り返し負荷で破損したとのことであり、確認したところ、日本へ送ってきた試作足部の材料はポリエーテル系ポリウレタンであったが、シリントンリハビリテーションセンターへ送られた試作足部はポリエステル系ポリウレタンであったことがわかった。
平成 11 年 6 月にタイの足部製造工場を訪問したときに持ち帰った足部を同じ試験機に同じ負荷で試験したところ、7,000 回弱の繰り返し試験で破損した。
破損した足部を図 1 に示す。同工場では、靴底材料としてはポリエステル系のポリウレタンであっても4 年程度は使用できるということであったが、靴底という厚みの薄い形状で、しかも、義足足部に用いるキールのような、剛性が大きく異なる材料と併用しなければならない条件とは異なる状況での使用という場合での耐久性と考えられる。

図 1 タイ チェンマイ製足部の破損

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4. 足部の試作、結果と考察

耐久試験としては、3 節と同じ体重 80kg 級に相当する A80 の負荷を用いて室温、乾燥状態で試験した。
以上のような結果を参考にしながら足部を試作す 試験機の様子を図 3 に示す。その結果、つま先にかることとする。設計条件としては、最終的に現地で ける負荷によってステンレスバネ鋼の弾性範囲を越の生産に容易に移行できる技術を用いること、欧米 えてしまい、繰り返し負荷に相当する静的負荷によで問題なく使用されている足部でもタイでしばしば って変形した。このことは、ステンレスバネ鋼を用問題になる加水分解を可能な限り避けることができ いて板厚を 3mm とした設計ではキールとして不十る材料を選定すること、そして、最終的な価格が現 分であることを示している。次に、ウレタン樹脂の地で受け入れられ易いものとすることである。
耐久性をみるために、踵のみに A80 に規定される繰
足部はキール部とウレタン発泡部に分けることが り返し負荷をかけた。その結果、この足部に使用しできる。キール部は体重を支えるとともに、義足の たポリウレタン樹脂は 200 万回の繰り返し負荷に耐下腿部との接続を行うためのベースとなる部分で、 えることができた。このときの変位の変化を図 4 にその形状とポリウレタン発泡部との組み合わせで、 示す。引き続き、高湿度における耐久性を試験する
歩行特性に大きく影響を及ぼすところである。従来 ために、図 5 に示すような方法で繰り返し負荷を継の足部では、木、プラスチック、グラスファイバー、 続した。この方法は、角形のケースの下部に水道水炭素繊維等で製作されてきた。種々検討の結果、現 を溜め、足部にはストキネットをかぶせることで、地の技術で容易に製造可能なように、バネ鋼を用い 毛細管現象を利用して常に足部表面を湿らせるものた溶接構造を試みることとした。バネ鋼を溶接して である。この方法で繰り返し負荷を加えたところ、キール構造を組み立て、その後にバネ性を復元させ 更に 509,000 回の負荷をかけたときに足部の破損をるために熱処理を行う。また、金属とポリウレタン 発見した。湿式での負荷試験時の変位を図 6 に、破樹脂の接合を良好にするために、金属の表面処理も 損後の足部を図 7 に示す。
必要である。初めての試作としては、どの程度の性能が得られるかが分からないため、とりあえず 1 つ試作して、その試験結果を参考に改良を進めることとした。初めての試作において必要とされるのは、キールの材料と構造の決定、金型の準備、ポリウレタン材料の選択と発泡である。
最初の試作足部としては、バネ鋼としてステンレスバネ鋼を採用し、図 2 のような構造の足部とした。
タイでの使用では踵の高さが高い靴を履くことが少ないため、足底はフラットし、この形状をもつチェンマイの試作足部を参考に金型を製作することとした。

図 3 試作足部の耐久試験

変位の変化（m m ）251230N
相対変位

201550N
相対変位10

最大-最小5001000000

2000000

繰り返し回数

図 2 試作足部の内部構造

図 4 試作足部の踵の変位の変化
福祉のまちづくり工学研究所報告集

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択は適切であった可能性が高い。今後は、キール材料をより広い弾性域を持つバネ鋼に変更して数個試作し、ISO10328 にあるように踵と踏み返し部に交互に負荷をかける試験、初めから湿式での試験、義足使用者による試用試験を行って評価する必要がある。

5. 足部とソケットとを接続するための金具の試作と考察

図 5 試作足部の湿式耐久試験

変位の変化（m m ）251230N
相対変位

20151050N
相対変位

5最大-最小00200000 400000

繰り返し回数

図 6 試作足部の湿式耐久試験時の変位の変化

図 7 試作足部の湿式試験による破損

初回は今後の手がかりとするために足部を 1 個のみ試作したため、ウレタン樹脂の加水分解に対する耐久性が十分なものであるか、不足であるかについては判定することが困難であった。しかし、乾燥状態で 200 万回の踵負荷に耐えたことから、樹脂の選page-166

兵庫県立福祉のまちづくり工学研究所

足部とソケットを接続する金具は、現在はオットボック社規格のものが世界標準となっている。これらは、足部直上に取り付けるサッチフットアダプタ、チューブクランプアダプタ、ソケットアダプタの 3種類を基本とし、必要に応じた様々な種類のものが、各社から製品化されている。材料と製法はステンレ
ス鋳造、あるいは、チタン鋳造等が製品化されている。
タイでこれを購入しようとすると、最も安価な部品であるサッチフットアダプタの購入費が約 3,000 円ということで、目標とする義足全体の価格と比較すると使用できないものとなる。そこで、この規格に適合した金具を製作すると、どのようなものがどのような価格で製作できるかを検証するために、日本国内のロストワックスメーカーに製作を依頼した。
材料はオットボック社が使用しているものと同等と考えられるステンレス材 SUS340 を使用し、図 8のような設計とした。これは、可能な限り少ない部品の種類で多様な使用方法に適応できるように、オットボック社のサッチフットアダプタとソケットアダプタに対応する部品のみを製作し、これをアルミパイプ取り付けに使用する場合には、パイプの内部から外へ広げることでパイプをクランプするジュラルミン製の部品を追加することを念頭においたものである。また、ソケット注型時にはソケットアダプ
タ側にジュラルミン製の円盤の外周に溝を掘ったプレートを接続することとする。これらを組み合わせることで、下腿義足の短断端から、パイプを使用しない程度の長断端まで対応できるようにした。試作
した部品を使用して組み立てる状態を図 9 に示す。
今回の試作から、強度的にも満足でき、価格的にもタイでの使用に見合う部品を製作することができる可能性が高いことが明らかとなった。ただし、部品の種類を少なくするために共通部分を持たせたために、それぞれの部品はオットボック社のものよりも重い。
今回の経験から、ロストワックス製法は少量生産に向き、基本となる金型製作も比較的安価であることがわかったので、今回の試作のように部品の種類を少なくして、それぞれの生産量を多くするのが有ASSISTECH Report 1999

利であるか、オットボックのように多種の専用部品を準備するのが有利であるかについては再検討を要する。

6. まとめ
本年度は現地であるタイの技術調査を行うとともに、それらの技術に見合うと考えられる試作を行った。
これらは、初めての試作であり、今後の仕様の絞り込みに必要なデータを得ることを目的としたものであるため、最終的な性能とは大きな差があるが、多くの情報を得ることができた。
今後は、足部に関してはキール材料を変更して複数個を試作して試験評価する必要がある。金具に関しては、ロストワックスで製作することで、部品の性能と価格について目標に近いものにすることができ、次の試作を行う目処をたてることができたものと考えられる。膝継手については、これらの継手金具を応用することで、例えば昨年度の報告書で触れたATLAS システムの継手と接続することが可能となって、下腿義足から大腿義足までのシステムを構築することが可能になるものと考えられる。さらに何回かの試作によって、目標とする低価格であり、かつ、ある程度以上の機能をもった義足システムをまとめることができるものと考える。

図 8 下腿接続部品の設計

図 9 試作した接続部品の応用のイメージ

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