この発明では、油圧シリンダ内部の絞り� ��の弁開度を制御する方法や、ピストンの位� ��によって油圧シリンダの絞り量やバネシリ� ��ダのバネ力を機械的に変化させる方法では� ��く、油圧シリンダやバネシリンダといった� ��力発生手段自体の配置を特定することによ� ��、膝角度増大に伴って抗力発生手段が生じ� ��抵抗(あるいは、抗力)を大にする。この発� �を適用する義足は、多節のリンク機構で構� �され、上部材と下部材とを回転中心回りに� �動にするための膝関節と、多節リンク機構� �揺動自在に取り付けられ、その多節リンク� �構の変形を抑制する抗力を発生する抗力発� �手段とを備える義足である。抗力発生手段� �して油圧シリンダやバネシリンダを利用し� �義足は、空圧シリンダ利用のものに比べて� �単位体積当たりで発生する抗力が大きいこ� �から、義足の小型化を有効に図ることがで� �るし、通常のゆっくりした歩行だけでなく� �小走りしたりするような速い歩行にも広範� �に応じることができる。

 また、この発明は、多節リンク機構で構� ��される膝関節を含む義足を対象とする。多� ��リンク機構による膝関節は、回転中心が変� ��し、健常者の歩行により近い動きを生み出� ��。多節リンク機構は、通常は4節であるが、 その基本となる4節のリンクに対し、たとえ� �立脚安定や伸展補助のために補助リンクを� �加し、5節あるいは6節などにしたものをも含 む。この発明は、そのような補助リンクを含 む4節を超える多節リンク機構のものにも適� �することができる。4節以上の多節リンク機� ��は、膝の前側に位置する前側リンクと、膝� ��後側に位置する後側リンクとの少なくとも2 つのリンクを含む点で共通している。以下に おいては、多節リンクの最も基本となる4節� �リンクの場合を中心に説明を進めるが、こ� �発明が適用できる多節リンク機構がそれに� �定されるわけではない。 

 まず、この発明が狙う膝角度-トルク(油� �やバネによる抵抗あるいは抗力)の特性を明� ��かにする。図2Aおよび図2Bは、横軸に膝角度 、縦軸にトルクをそれぞれ取った特性曲線を 示す。図2Aに示す今までの油圧シリンダは、� ��角度の小さい第1段階のトルクが大きく、膝 角度が増大するに伴ってトルクが次第に小さ くなるような特性である。それに対し、図2B� ��示すこの発明の油圧シリンダでは、膝角度� ��小さい第1段階のトルクが小さく、膝角度が 増大するに伴ってトルクが次第に大きくなる ような特性である。なお、膝角度0°近傍での トルクが大きい場合もあるが、その領域にお けるトルクについては、体重により発生しう る力の方がより大きいので、義足使用者には それほどの負担はかからない。また、膝角度 がさらに増大するにつれトルクも増大し、あ る膝角度でピークを迎え、その後、一般的な 歩行時における最大屈曲角度である60°を越� �るような、ある膝角度において油圧シリン� �のピストンの移動速度が遅くなる。油圧シ� �ンダはこの移動速度の2乗に比例した抗力を� ��生するので、油圧シリンダが発生する抗力� ��したがって、トルクは大きく減じる。しか� ��、ピストンの移動速度が遅くなるのは、一� ��的な歩行時における最大屈曲角度を超える� ��うな場合なので、実用上問題はない。

 そのような油圧シリンダに対し、バネシ� ��ンダはその全長に比例した抗力(反発力)を� �生し、ピストンの移動速度の影響を受けな� �。図3Aおよび図3Bが、バネシリンダにおける� ��角度-トルクの特性を示す。図3Aに示す今ま� ��のバネシリンダの場合、今までの油圧シリ� ��ダの場合と同様、膝角度の小さい第1段階の トルクが大きく、膝角度が増大するに伴って トルクが次第に減少するような特性を示す。 それに対し、図3Bに示すこの発明のバネシリ� ��ダにおいては、この発明の油圧シリンダの� ��合と同様、膝角度の小さい第1段階のトルク が小さく、膝角度が増大するに伴ってトルク が次第に大きくなるような特性である。しか も、このバネシリンダはそのような特性であ りながら、一般的な歩行時における最大屈曲 角度である60°を超えてもトルクが増大して� �る。

 さて、油圧シリンダやバネシリンダのよ� ��な抗力発生手段が生じる抵抗(抗力)は、多� �のリンク機構が定める回転中心回りのトル� �Tである。そのトルクTは、抗力発生手段が生 じる力の作用線から回転中心までの距離、つ まり、レバーアームの長さLと、抗力発生手� �が生じる力Fとの積である。したがって、レ� ��ーアームの長さLや抗力発生手段が生じる力 Fを制御することにより、トルクTを変化させ� ��ことができる。 

 この発明は、前記した屈曲初期における� ��関節筋(Mc)の負担を軽減するため、および、 歩行追従性を確保するため、膝関節の屈曲初 期の第1段階における第1のトルクT1が小さく� �膝関節の屈曲がさらに進んだ屈曲終期の第2� ��階における第2のトルクT2を大きくする。義� ��使用者の負担をより有効に軽減するため、T 1<T2にするのが好ましい。今までT1>T2であ ったのであるから、少なくともT1≦T2にする� �とにより、義足使用者の股関節筋(Mc,Ma)の負� ��を軽減することができる。ここで、屈曲初� ��の第1段階の膝角度は、屈曲終期の第2段階� �膝角度よりも小さいが、それらの各段階に� �ける膝角度は義足使用者によって互いに異� �る。しかし、通例、屈曲初期の第1段階にお� ��る膝角度は0~45°の範囲であり、屈曲終期の� ��2段階における膝角度は45~60°の範囲である� �  

 この発明の第1の技術的な意義は、前記し たT1≦T2の関係をもつ新たな義足を提供する� �とにある。この発明による新たな義足によ� �ば、屈曲初期の第1段階におけるトルクT1が� �対的に小さくなり、そのトルクT1は義足使用 者が自らの体重によって発生させ得るトルク に比べて十分に小さくなるので(図4参照)、義 足使用者は、屈曲初期の負荷を負担に感じる ことがなくなる。この発明を適用した場合に おける負担の一例について、図4に実線で示� �特性曲線oに基づいて知ることができる。ま� ��、空圧シリンダの場合における負担を、同� ��図4に破線で示す特性曲線aに基づいて知る� �とができる。それらを比較すれば、この発� �がもつ第1の利点、すなわち、油圧シリンダ� ��バネシリンダを用いるにもかかわらず、屈� ��初期の負担を空圧シリンダ並みに軽減する� ��とができるという基本的な利点を理解する� ��とができるであろう。一方、屈曲終期にお� ��ては、トルクT2が相対的に大きくなるので� �膝が曲がりすぎることがなくなり、歩行追� �性を確保することができる。この発明は、� �のような第2の利点をも併せもっている。

 そして、この発明の第2の技術的な意義は 、そのような新たな義足を得る手法として、 油圧シリンダやバネシリンダといった抗力発 生手段の配置を特定する方法、特には、膝関 節を構成する多節リンク機構に対する取付け 位置を特定する方法を採ることにある。抗力 発生手段の配置を特定する方法であるため、 抗力発生手段の構成自体は今までと同様であ り、構成を複雑にすることがない。配置を特 定する具体的な手法として、複数の方法を適 用することができる。   

 配置を特定する第1の方法は、レバーアー ムの長さLに着目した考え方である。膝関節� �屈曲終期の第2段階におけるレバーアームの� ��さL2に比べて、屈曲初期の第1段階における� ��バーアームの長さL1を小さくする。別にい� �と、L1<L2の関係を充足させる。好ましくは 、屈曲初期の任意の角度におけるレバーアー ムの長さLをゼロにする。そのように設定す� �とき、その角度以降、屈曲終期までレバー� �ームの長さは増大する。そのため、必然的� �L1<L2の関係を得ることができる。図5が、� �1の方法を図解し明らかにしている。図5にお いて、4節リンク機構10は屈曲角度θs(0°<θs& lt;45°)の屈曲初期の状態にある。屈曲角度θs� ��、抗力を小さくしたい屈曲初期における膝� ��度であり、義足使用者によって多少異なる� ��、通常は20°前後である。4節リンク機構10は 、上部材に対応するリンク12、下部材に対応� ��るリンク14、ならびに前側リンク16および後 側リンク18の4つのリンクから構成される。そ のような4節リンク機構10に対し、抗力発生手 段は、上部材に対応するリンク12、および下� ��材に対応するリンク14に対し、上下二個所� �取り付けられる。   

 図5において、屈曲角度θsにおける4節リ� �ク機構10の瞬間回転中心Osと、抗力発生手段� ��上部取付け位置Psとを通る直線1sを得る。抗 力発生手段の下部取付け位置Qsをこの直線1s� �に配置するというのが、第1の方法による考� ��方である。この考え方による配置によれば� ��屈曲角度θsにおけるレバーアームの長さLが ゼロになるので、そのときのトルクがゼロに なる。ここで、抗力発生手段の上部取付け位 置Psは、前後リンク16,18と上部材に対応する� �ンク12との各連結点26,28の間、したがって、� ��常は上部材を構成する部材上に配置する。� ��れに対し、抗力発生手段の下部取付け位置Q sは、直線1s上、前後リンク16,18と下部材に対� ��するリンク14との各連結点46,48の間ではある が、屈曲角度θsを通常の20°前後にするとき� �それらの両連結点46,48を結ぶ高さ位置よりも 上方に配置する。実際上、抗力発生手段の下 部取付け位置Qsおよび上部取付け位置Psにつ� �ては、各リンクを構成する部材と周辺の他� �部品との干渉を避けながら、直線1s上に配置 することになる。なお、下部取付け位置Qsお� ��び上部取付け位置Psは直線1s上にあればよく 、上部材に対応するリンク12よりも上方、あ� ��いは下部材に対応するリンク14よりも下方� �あってもよい。  

 ここで、屈曲初期における義足使用者の� ��担をさらに軽減するため、屈曲角度θsをよ� ��小さくすることが有効である。図6Aは、屈� �角度θsを通常の20°近辺に設定したときの特� ��を示す。それに対し、図6Bは、屈曲角度θs� �5°に設定したときの特性を示す。これらの� �から、屈曲角度θsをより小さくすることに� �って、負担となるトルクを軽減しうること� �理解されるであろう。ところが、屈曲初期� �トルクを余りに小さくした場合(たとえば、� ��曲角度θsを5°に設定するとき)、伸展時のト ルク(図4参照)も小さなものしか得られなくな ってしまう。その結果、抗力発生手段が発生 する伸展時のトルクによって、ターミナルイ ンパクト(つまり、シリンダの底にピストン� �勢いよくぶつかる現象)を抑制することがで� ��ない。ターミナルインパクトを抑制する公� ��の他の手段(たとえば、シリンダの底の部分 にクッション部材を設ける手段など)を適用� �ることによって、屈曲角度θsを通常の20°よ� ��も小さく(たとえば、10°以下)に設定するこ� ��もできる。しかし、義足の構成をよりシン� ��ルにするため、屈曲角度θsの設定値を選ぶ� ��とにより(好ましくは、10°よりも大きく20°� ��辺までの範囲に設定)、抗力発生手段が発生 する伸展時のトルクによってターミナルイン パクトを抑制するようにするのが良い。なお 、レバーアームの長さLをゼロにしたい屈曲� �度θsを小さくすれば、抗力発生手段の下部� �付け位置Qsがより下の方になり、他の部品と の干渉を避ける面で困難も大きくなる。

 第1の方法では、抗力を小さくしたい屈曲 初期のレバーアームの長さをゼロにし、それ によって、抗力発生手段が発生するトルクを 軽減する。第2の方法は、そのような第1の配� ��方法を前提にしつつ、抗力発生手段のピス� ��ンの移動速度にも着目した考え方である。� ��7が、第2の方法を図解し明らかにしている� �第2の方法において、たとえば20°前後のよう な屈曲角度θsのとき抗力発生手段の下部取付 け位置Qsを直線1s上に配置する。その点は、� �1の方法と同様である。それに加えて、第2の 方法は、下部取付け位置Qsをさらに特定の点Q iとして定める。屈曲角度θsよりも小さな屈� �角度θo(たとえば、0°)を選び、そのときの抗 力発生手段の上部取付け位置をPoとする。第2 の方法では、直線1s上に位置する点であり、� ��かも、より大きな屈曲角度θsにおける上部� ��付け位置Psと、より小さな屈曲角度θoにお� �る上部取付け位置Poとの両位置から等距離に ある点Qiを抗力発生手段の下部取付け位置と� ��る。下部取付け位置をそのように特定する� ��とによって、より小さな屈曲角度θoからよ� ��大きな屈曲角度θsまで膝関節が屈曲する際� ��抗力発生手段の全長の変化をほとんど無く� ��ことができる。そのため、抗力発生手段は� ��のような屈曲の間には力Fを生じないように なり、抗力であるトルクの変動が少なくなる 。膝関節を含む義足には、大腿義足のほか、 股義足が知られている。股義足の場合、大腿 義足に比べて屈曲初期に体重によりトルクを 発生させにくい。そのため、この第2の方法� �、大腿義足よりも股義足に適用することに� �って、特に、その利点を生かすことができ� �。

 以上に述べた第1および第2の各方法によ� �、屈曲終期の第2段階におけるレバーアーム� ��長さL2に比べて、屈曲初期の第1段階におけ� ��レバーアームの長さL1を小さくしたり、あ� �いはまた、第1段階における第1のトルクT1と� ��2段階における第2のトルクT2とをT1≦T2の関� �にすることができる。たとえば、第2の方法� ��より、抗力発生手段の下部取付け位置を点Q iに設定するとき、膝角度-レバーアーム長さ� ��の関係は、図8に破線で示す特性曲線qiのよ� ��になる。この特性曲線qiについて、さらに� �まれることは、屈曲し始めのトルクの発生� �なだらかにすること、また、屈曲角度θs付� �のトルクとそれより大きな屈曲角度(たとえ� ��、30~40°付近)に向かう部分での立ち上がり� �余り大きすぎないようにすること、である� �屈曲し始めの時点でトルクが発生していな� �状態から大きなトルクが発生すると、その� �化を義足使用者は敏感に感じ取るので、使� �感を良好にするため急激なトルクの発生を� �けるのが好ましい。また、抗力を小さくし� �い屈曲角度θs付近から、より大きな屈曲角� �にわたる部分でトルクの立ち上がりが大き� �ぎると、たとえば油圧抵抗が急に増大する� �とから衝撃音が発生する。そのような衝撃� �の発生を防止することが好ましい。

 このような要求に応えるために、第3の方 法では、抗力発生手段の下部取付け位置を点 Qiから少しずらした周辺域の点Qに位置調整す る。たとえば、位置調整可能な点Qの範囲を� �9に網部mをもって示す。網部m内の点Qは、基� ��となる点Qiの近くであって、屈曲角度θsに� �けるレバーアームの長さLsとそれよりも大き な屈曲角度(たとえば、屈曲角度60度)におけ� �レバーアームの長さL60とがLs≦L60の関係を満 たす点である。抗力発生手段の下部取付け位 置を、基準点Qiを基準にして網部m内における 点Qに位置調節すると、膝角度-レバーアーム� ��さとの関係は、図8に破線で示す特性曲線q� �ようになる。特性曲線qは、位置調節する前� ��特性曲線qiに比べて、屈曲し始めのトルク� �発生がなだらかになり、しかもまた、その� �の屈曲角度θs以降におけるトルクの立ち上� �りが緩和されている。図10A~図10Cは、屈曲角� ��θsの大きさによって、網部mの所在が変動す ることを示す。網部mは、屈曲角度θsが大き� �なるにつれて上方に移行する傾向がある。� �とえば、図10Aの網部の位置と図10Cの網部の� �置とは、上下方向に40mmほどの隔たりがある� ��抗力発生手段の下部取付け位置を位置調整� ��る手段としては、ネジによる回転運動を直� ��運動に変換する機能を利用して、取付け位� ��を連続的に移動可能にしたり、また、複数� ��取付け位置を準備しそのどこに取り付ける� ��によって位置調整したりすることができる� ��なお、抗力発生手段の下部取付け位置では� ��く、上部取付け位置を位置調整することも� ��きる。

 抗力発生手段の下部取付け位置を位置調� ��するとき、それが膝角度-トルクの特性にい かに影響するかについて、もう少し具体的に 述べる。たとえば、下部取付け位置を前記し た直線1s上を移動させると、屈曲し始めのト� ��クの大きさが変動する。下部取付け位置を� ��準点Qiから上部取付け位置の方に向かって� �動させるにつれて、屈曲し始めのトルクは� �きくなる。逆に、上部取付け位置から遠ざ� �るように移動すると、屈曲し始めのトルク� �小さくなる傾向がある。また、下部取付け� �置を前記した直線1s上を移動させるとき、屈 曲角度θs付近から、より大きな屈曲角度にわ たる部分でのトルクの立ち上がりへの影響は 少ない。それに対し、下部取付け位置を前記 した直線1s上ではなく、直線1sに直交する方� �に移動するとき、屈曲角度θs付近から、よ� �大きな屈曲角度にわたる部分でのトルクの� �ち上がりが変化する。その立ち上がりは、� �部材に対応するリンク14と前側リンク16との� ��結点46に近づく方向に微調整することによ� �て、滑らかになる傾向がある。いずれにし� �、下部取付け位置を直線1s上の特定の基準点 Qiからその周辺域に位置調整することによっ� ��、屈曲初期のトルクと屈曲終期のトルクと� ��バランスを図ることができる。

 なお、抗力発生手段が油圧シリンダの場� ��は、通常、2つの絞り弁を用いることにより 屈曲時のトルクと伸展時のトルクを独立して 調整できるようになっているので、網部m内� �うち、直線1s上から図の右側に点Qを配置す� �のが望ましい。直線1sよりも図の左側に点Q� �配置すると、レバーアームとの関係で、屈� �時にもかかわらず、伸展用の絞り弁の影響� �受けてしまい、伸展時のトルクと屈曲時の� �ルクを独立して調整するのが困難になるか� �である。