JP5119440B2

JP5119440B2 - 股関節及び膝関節自動股義足

Info

Publication number: JP5119440B2
Application number: JP2007334028A
Authority: JP
Inventors: 直輝畠; 剛伸井上; 久保　　勉; 陽介山崎
Original assignee: Japan Health Sciences Foundation
Current assignee: Japan Health Sciences Foundation
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP2009153660A

Description

本発明は、片足に麻痺や受傷を負った患者が使用出来る股義足の技術であり、装着時に受傷した脚部を地面から離した状態で維持することができるとともに、義足の股関節及び膝関節が、非装着側（健脚側）の足の運動情報に基づいて駆動することによって、健脚に近い歩様で歩行することを可能にする股義足の技術である。

従来より下肢離断患者が使用する義足には、特許文献１に示すものが有る。特許文献１の義足は、下肢のうち膝関節から下の部分を失った患者の歩行を補助するために着用するものであり、人の歩行運動が地面から離脱させた足を前方に振り出す遊脚運動と、地面に足を接地して上体を支えつつ地面を蹴る立脚運動を左右の足で交互に繰り返すことに着目しており、健脚の足裏に取り付けたセンサーで健脚が立脚運動状態にあるか遊脚運動状態にあるかを検出し、検出情報に基づいて、健脚が遊脚動作をしているときには義足の下肢フレームに遊脚動作をさせ、健脚が立脚状態に有るときは、義足の下肢フレームに遊脚動作を行わせるものとなっている。

即ち、特許文献１の義足の構成は、膝関節を失った大腿部を固定するソケットが設けられ、ソケットの下に受け台を介して膝軸（膝関節）が設けられ、膝軸周りに屈曲又は伸展する下肢フレームと足が設けられると共に、健脚側に履く靴の裏側のつま先及びかかと部分に取り付けられた荷重検出器の検出結果に基づいて膝関節の駆動をロックし又はフリーにする油圧シリンダがソケット受け台及び下肢フレームの間に設けられることで構成されている。

上記構成によって特許文献１の義足は、健脚側靴裏のいずれかの荷重検出器によって荷重を検出し始めたときには、健脚が立脚運動を開始したものとして、油圧機構を切り替えて前記油圧シリンダの動作制限を徐々に解除し、ロックされていた義足の膝関節の駆動を徐々に自由にしていくことにより、大腿部に対して下肢フレームを徐々に屈曲自由の状態とさせつつ振り出し運動（遊脚運動）を開始させるものとなっている。また、特許文献１の義足は、前記荷重検出器によって荷重が検出出来なくなった時には、健脚が遊脚運動を開始したものとして、再び油圧機構を切り替えて前記油圧シリンダの動作を徐々に制限し、義足の膝関節の駆動を徐々にロックしていくことにより、膝折れを防止しつつ義足に立脚運動を開始させるものとなっている。

このようにして特許文献１の義足は、健脚の立脚運動開始及び遊脚運動開始のタイミングに併せて義足膝関節のロックを解除又は開始させることにより、義足の下肢フレームに膝折れを防止した立脚運動と、健脚側と同様の振り出し動作（遊脚運動）を健脚の下肢と対称に行わせることにより、義足を装着した膝下離断者の歩様を健常者に近いものとすることを特徴としている。

特開２００５−２３０２０７号公報

片足に怪我や麻痺等の傷病を負ったために傷病側の足を地面に着地させることが出来ない患者が歩行する場合には、傷病等が治癒するまで松葉杖に代表される歩行補助装具を使用して地面に足を着地させない状態を保ちつつ歩行しなければならないが、その歩様は、傷病や麻痺が無い場合の歩様とは異なるぎこちない歩様にならざるを得なかった。従って、怪我や麻痺等の傷病を負ったために足を地面に着地させない状態を保ちつつ、なめらかな歩様で歩行できる歩行補助装具があれば便利である。

しかし、特許文献１の義足は、膝下離断者の大腿部を固定することが出来ても膝下を離断していない健常者の大腿部や股下離断者の大腿部を固定することが出来なかった。従って、片足に怪我や麻痺などの傷病を負った健常者が、着地出来なくなった足を地面から退避させつつ行う歩行補助や股下離断者の歩行補助に使用することが出来なかった。

また、特許文献１の義足には、股関節部分が無く下肢全体の動きを再現することは考慮されていなかった。従って、仮に傷病を負った健常者の大腿部や股下離断者の大腿部が固定可能であって、義足側の膝関節部分に健足側膝関節に近い動作をさせることが出来たとしても、義足側に健足側股関節の動作に相当する動作をさせることが出来なかった。傷病を負った健常者や股下離断者の歩行補助を行い、更に補助を行う下肢の歩様をなめらかなものにするためには、義足側の股関節を健足側と同様に動作させ、義足装着側の下肢全体を健足側の下肢全体と同様に運動させることが必要になる。

また、特許文献１の義足は、膝関節のロックとアンロックを切り替えることにより膝下の下肢フレームを健足と同様に振り出すことが出来たとしても、その振り出しには、義足を装着した大腿部を前方に揺動させる装着者の運動が必要であり、義足が能動的に下肢フレームの振り出し動作を行ってくれるわけではない。従って、義足装着者は、振り出しに体力を使うため、体力面の負担が大きくなる問題もあった。

以上の問題に鑑みて、本発明は、健常者及び股下離断者を問わずに装着可能であって、装着すれば即時歩行することが可能な歩行補助装具を提供するものであり、利用者の片足の運動情報を基に義足に内蔵した制御装置・駆動機構により股関節と膝関節を能動的に駆動させ、義足装着者が安定した歩様で歩行できる、股関節及び膝関節自動股義足を提供することを目的としている。

請求項１の発明は、股関節及び膝関節自動股義足であって、上方から前方にかけて開口し、装着する骨盤の支点位置から前方に向けて引き延ばして形成された下部支持面が、骨盤と大腿部を下方から支持する股ソケットと、前記股ソケットに取り付けられた複数の肩掛けストラップと、前記股ソケットの外周側面に股関節軸を取り付ける固定ブラケットと、上端が前記股関節軸に対して回転自在に取り付けられ、下端が前記股ソケットの外周下面に回り込み、前記外周下面に転がり接触する上部の支持ローラーを介して前記股ソケットを支持するとともに下部に義足大腿部を取り付ける回転ブラケットの組み合わせからなる股継手と、前記義足大腿部を取り付けた回転ブラケットを前記股関節軸周りに揺動させる股関節用駆動源を備えた股関節駆動機構と、義足大腿部の下部に設けられた膝関節軸と、前記膝関節軸に上端が回転自在に取り付けられた下腿パイプと、下腿パイプを前記膝関節軸周りに揺動させる膝関節用駆動源を備えた膝関節駆動機構と、健常側股関節に取り付けられ歩行時の健常側大腿部の角度を計測する第１の角度計測器と、健常側膝関節に取り付けられ歩行時の健常側下腿部の角度を計測する第２の角度計測器と、健常側及び義足の足底にそれぞれ取り付けられ、健常側下肢と義足の離着床を検知する複数の感圧スイッチと、前記各角度計測値から算出した健常側股関節及び膝関節の角速度と前記両足足裏の離着床検知結果に基づいて義足を健常側下肢とほぼ一致した動作で健常側と交互に振り出させる振りだし指令信号を前記股関節及び膝関節駆動機構に送信する制御コンピュータを備えた股関節及び膝関節制御機構を備えることにより、義足側の股関節と膝関節が、自動で健常側とほぼ同一かつ交互に動作し、義足大腿部及び下腿パイプが、それぞれ健常側大腿部及び下腿部とほぼ一致した動作で健常側と交互に歩行動作を行うようにした。

（作用）請求項１の発明は以下の作用を奏する。即ち、（ａ）この股義足は、股ソケットの下面が骨盤支持点から前方に向けて長く、股下離断者だけでなく、片足に麻痺や受傷を負った健常者（片足に離断が無い者）が、装着して受傷した足を地面から離床した状態で使用できる。（ｂ）股関節及び膝関節駆動機構により義足側大腿部と下腿パイプは、駆動源によって義足側股関節軸の周りと義足側膝関節軸の周りをそれぞれ揺動し、義足側の振り出し動作を自動的に行う。（ｃ）股関節及び膝関節制御機構は、制御コンピュータが、健常側股関節における股関節回転中心周りの大腿部の角速度と健常側膝関節における大腿部に対する下腿部の角速度から健常側下肢全体の歩行速度を計測し、更に、健常側及び義足側の足底にそれぞれ取り付けた感圧スイッチによって各足が離床（遊脚）または着床（立脚）のいずれの状態に有るかを検出することによって義足装着者の健常側下肢の振りだしパターンに基づいて義足側で再現すべき振りだしパターンを解析し、解析結果に基づき義足の股関節及び膝関節駆動機構を動作させる。振り出しパターンの解析は、あるタイミングにおける健常側大腿部及び下腿部の角度で無く角速度から解析することにより、装着状態の変化等によって生じる座標系のずれに基づく解析誤差が減少する。その結果、義足は、それぞれ健常側下肢とほぼ一致した振りだしパターンで振りだされ、義足の歩様が健常側下肢の歩様に極めて近似することになる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の股関節及び膝関節自動股義足であって、前記第１及び第２の角度計測器は、健常側股関節及び膝関節の回転中心にそれぞれ取り付けられると共に前記制御コンピュータに接続されたポテンショメータであって、前記制御コンピュータは、健常側股関節のポテンショメータによって計測される腰部基準軸に対する健常側大腿部の角度情報と、膝関節のポテンショメータによって計測される健常側大腿部に対する健常側下腿部の角度情報の各微分値から歩行時における健常側股関節及び膝関節の角速度をそれぞれ計測する。

（作用）各ポテンショメータにより腰部基準軸に対する健常側大腿部の角度情報（股関節角度情報）と、健常側大腿部に対する健常側下腿部の角度情報（膝関節角度情報）を容易に計測でき、計測結果を制御コンピュータが微分することにより、歩行時における健常側大腿部及び下腿部の誤差の少ない角速度情報を得ることが出来るため、健常側下肢全体の歩行パターンを誤差の少ない状態で解析し、義足側の動作として再現することが出来る。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の股義足であって、前記股関節駆動機構は、前記股関節用駆動源が義足大腿部に内蔵した股用サーボモーターであって、前記股用サーボモーターによって回転する股用主動プーリと、前記股関節軸と同軸の位置に固定された股用従動プーリを備え、前記股用両プーリ間に股用伝達ベルトが取り付けられていることにより、主動プーリが駆動すると、従動プーリが股関節軸側に回転不能に固定されているため、サーボモータを内蔵した義足大腿部が股関節軸周りに回転する。

（作用）股関節駆動機構は、駆動源となるサーボモータを義足大腿部に内蔵すことにより、股ソケット外周側面に設けた股関節軸周辺の駆動構造がコンパクトになる。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の股義足であって、前記膝関節駆動機構は、前記膝関節用駆動源が義足大腿部に内蔵した膝用サーボモーターであって、前記膝用サーボモーターによって回転する膝用主動プーリと、前記膝関節軸と同軸の位置に固定された膝用従動プーリを備え、前記膝用両プーリ間に膝用伝達ベルトが取り付けられているため、主動プーリが駆動すると、従動プーリが膝関節軸側に回転不能に固定されているため、下腿パイプが膝関節軸周りに回転する。

（作用）膝関節駆動機構は、駆動源となるサーボモータを義足大腿部に内蔵すことにより、股関節軸周辺の駆動構造がコンパクトになる。

請求項１及び請求項２の発明によれば、まず、片足に怪我や麻痺などの傷病を負った患者が、傷病の治癒に至るまで傷病側の足を地面から退避させた状態で歩行できる。また、義足装着者は、歩行時に義足側大腿部及び下腿パイプ（義足側下腿部）が自動的に歩行動作をすることにより体力面の負荷を減少させつつ、容易に歩行することが出来る。更に、義足装着者は、義足が健常側下肢に近似した歩様で歩行動作を行う結果、両足の歩様がスムーズになって安定するため、疲れを感じずに歩行することが出来る。

請求項３の発明によれば、股関節軸に駆動源の回転軸を直接取り付けず、駆動源を義足大腿部に集約することによって股ソケットの大きさを装着に必要最低限の大きさに止めることが出来る。

請求項４の発明によれば、膝関節軸に駆動源の回転軸を直接取り付けず、駆動源を義足大腿部に集約することによって下腿パイプ上端部の大きさを小さくまとめることが出来る。

以下、図面１〜５を参照して本願考案の好適な実施形態（以下、実施例という）について説明する。

図１は、本発明の実施例である股義足（制御機構を除く）の斜視図、図２は、図１の股義足の正面図（背面ガイド及びストラップ省略）、図３は、本実施例の股義足の装着状態を表す参考図で（ａ）図は側面図、（ｂ）図は正面図、図４は、股義足の制御系統説明図、図５は、両脚の股関節及び膝関節の座標系説明図、図６は、義足振り出しのタイミング制御の説明図である。

まず実施例１の股義足の概略について説明する。本実施例１の股関節及び膝関節自動股義足１（本実施例は左足用）は、図１及び図２に示す股ソケット２、股関節駆動機構１９、義足大腿部２１、膝関節駆動機構３０、下腿パイプ３８、と、図４に示す股関節膝関節制御機構４０によって構成されている。

股ソケット２（実施例のものは左脚用）は、衝撃や応力に耐えうるようにＦＲＰ等の樹脂により、義足装着者の骨盤を固定する骨盤支持部３と、その前方の大腿支持部４が一体となって形成されており、健常者または股下離断者を問わず着用可能に形成されている。骨盤支持部４は、義足着用側の骨盤を下方から支持する骨盤下部支持面５と、骨盤下部支持面５の外側及び後部と連続した状態で腰部を右前方から左側方にかけて取り囲む腰部周壁部６から構成されている。腰部周壁部６の内側には、開口部６ａを設ける。腰部周壁部６の後方には、２本のストラップ（８，９）を上部に取り付けた背面ガイド７が取り付けられている。また開口する腰部周壁部６の右前方には、腹部ストラップ１０が取り付けられ、左側方にはストラップ留め具１１が取り付けられている。

前記大腿支持部４においては、健常者の大腿部を地面から退避した状態で下方から支持する大腿下部支持面１２が、骨盤下部支持面５と一体となって義足装着者の前方へ向けて形成され、各下部支持面（５，１２）が、義足装着側の骨盤と大腿部を下方から支持する。大腿下部支持面１２には、内外両側から上方に引き延ばされ、大腿部の両側方を覆う大腿用側壁部（１３，１４）が設けられている。大腿用側壁部（１３，１４）の外壁には、それぞれストラップ止め具（１５，１６）が取り付けられている。

義足の装着は、まず骨盤を骨盤下部支持面５に載せ、股下の離断が無い者が装着する場合、大腿部を大腿下部支持面１１に載せて地面から退避させた状態で腹部ストラップ１０を留め具１１に通して締める（図１参照）。次に肩掛けストラップ（８，９）を肩にかけ、前方で交差させながら留め具（１５，１６）に通して締める（図３各図参照）ことにより、骨盤から大腿部が股ソケット２に確実に固定される。

また、股ソケット２の外周下面には、側面から見て円弧状の義足大腿被支持部１７が形成され、被支持部１７の外周には被支持部と同様に円弧状に形成された金属製のガイドブラケット１８が取り付けられ、後述する支持ローラー２８が転がり接触する際の摩耗を防止している。

本実施例の義足股関節駆動機構１９は、股継手２０、義足大腿部２１に内蔵されたＡＣサーボモータ（駆動源）２２、モータの駆動を義足大腿部２１に伝達する股用主導プーリ２３、従動プーリ２４、股用タイミングベルト（伝達ベルト）２５によって構成される。

股継手２０は、固定ブラケット２０ａと回転ブラケット２０ｂによって構成される。固定ブラケット２０ａは、ガイドブラケット１８と共に股ソケット２の外周側壁にネジ２６により複数箇所ネジ止めされ、その内側は股関節軸２７が固定されている。股関節軸２７には、股用タイミングベルト２５を滑らない状態で取り付ける股用従動プーリ２４が回転出来ない状態で固定されている。

回転ブラケット２０ｂは、正面視Ｊ字状に形成され、その上端がベアリング等を介して股関節軸２７に取り付けられることにより股関節軸２７の周りを回転する。地面と略平行に屈曲する回転ブラケット２０ｂの下端には、上部に支持ローラー２８が円弧状のガイドブラケット１８の下面に接触するように取り付けられている。股義足装着者が立脚する際には、回転ブラケット２０ｂの下端が支持ローラー２８を介して装着者の体重を支え、支持ローラー２８は、義足遊脚時に回転ブラケット２０ｂが回転すると円弧状のガイドブラケット１８の外周下面に転がりながら接触する。また、回転ブラケット２０ｂの下面には、複数のネジ２９により義足大腿部２１が取り付けられ、義足大腿部２１は、回転ブラケット２０ｂと一体となって股関節軸２７の周りを揺動する。

義足大腿部２１には、駆動源となる股用サーボモータ２２が内蔵されている。サーボモータ２２の駆動軸２２ａには、股用主動プーリ２３が一体化され、股用従動プーリ２４との間に股用伝達ベルト２５が滑らない状態で取り付けられている。股用従動プーリ２４は、モータ２２によって股用主動プーリ２３が回転し、タイミングベルト２５によって駆動力が伝達されても回転出来ないように固定されている。従って、股用モータ２２を駆動させると義足大腿部２１が股関節軸２７の周りを揺動する。

また、本実施例の義足膝関節駆動機構３０は、膝関節軸３１、膝関節軸受け３２、膝継手３３、義足大腿部２１に内蔵された膝用ＡＣサーボモータ（駆動源）３４、モータの駆動を下腿パイプに伝達する膝用主導プーリ３５、膝用従動プーリ３６、タイミングベルト（伝達ベルト）３７によって構成される。

膝用サーボモータ３４は、義足大腿部２１の内部において股用ＡＣサーボモータ２２の下方に内蔵され、その駆動軸３４ａには膝用主動プーリ３５が一体化されている。義足大腿部２１の下部には、滑り軸受けである膝関節軸受け３２が設けられ、下腿パイプ３８が、その上端に取り付けられた膝継手３３に一体化された膝関節軸３１を介して回転自在に取り付けられている（軸受けはベアリングとしても良い）。下腿パイプ３８の下部には、義足足首３９が取り付けられ、膝継手３３の側面には、膝関節軸３１と中心軸が同軸となる膝関節従動プーリー３６が固定されている。

膝用主動プーリー３５と膝用従動プーリー３６には、滑らない状態でタイミングベルト３７が取り付けられている。膝用従動プーリ３６は、モータ３４により膝用主動プーリ３５が回転（揺動）し、タイミングベルト３５が駆動力を伝達しても回転出来ないように膝継手３３に固定されているため、回転ブラケット３３に一体化された下腿パイプ３８が膝関節軸３１の周りを揺動する。

尚、本実施例では、モーターの内蔵位置を義足大腿部に集約するため義足大腿部２１と下腿パイプ３８をそれぞれ揺動させる際の各ＡＣサーボモータの駆動力を一対のプーリと伝達ベルトを利用して伝達しているが、股関節軸２７と膝関節軸３１を股用及び膝用ＡＣサーボモータ（２２，３４）の駆動軸とそれぞれ一体化させ、義足大腿部２１と下腿パイプ３８を股関節軸２７と膝関節軸３１にそれぞれ一体化させ、各駆動軸の回転によって直接義足大腿部２１と下腿パイプ３８を揺動させることも出来る。また、各ＡＣサーボモータには、その駆動軸にモータ回転角度を検出するエンコーダ（図示せず）を取り付けたものを利用する。

尚、義足の歩様をより健常側下肢に近づけるために、義足を股下離断者が使用する場合には、股関節軸２７及び膝関節軸３１の地面からの高さと前後位置がそれぞれ健常側股関節及び膝関節の回転中心と一致する位置となるように回転ブラケット２０ｂを取り付け、軸受け３２を設けることが望ましく、股下離断の無い健常者が使用する場合には、重心位置が前寄りになるため、前記重心位置の真下に義足股関節軸２７が配置されるように回転ブラケット２０ｂを取り付ける。

次に、図４により本実施例の股関節及び膝関節制御機構４０の構成を説明する。義足大腿部２１には、各ＡＣサーボモータ（２２，３４）に接続された小型の図１及び２中に図示しない制御コンピュータ４１が内蔵されている。そして健常側下肢の股関節及び膝関節回転中心には、可変抵抗型のポテンショメータ（４２，４３）がそれぞれ取り付けられ、健常側下肢の足裏には、足先に一つと踵（かかと）に二つの感圧ゴムスイッチ（足先：４４、踵：４５，４６）が取り付けられ、義足の足裏には、足先に一つと踵（かかと）に二つの感圧ゴムスイッチ（足先：４７、踵：４８，４９）が取り付けられている。各ポテンショメータは、ＡＤコンバータ５０を介して制御コンピュータ４１に接続され、各感圧ゴムスイッチ（４４〜４９）が、それぞれ制御コンピュータ４１に接続されている。

制御コンピュータ４１は、ＤＡコンバータ５１を介して股関節用及び膝用サーボモータ（２２，３４）のモータドライバ（５２，５３）にそれぞれ接続され、前記各ドライバにトルク出力指令信号を発信することで義足側股関節駆動機構１９と膝関節駆動機構３０を作動させる。ＡＣサーボモータ（２２，３４）の各回転角度は、前記各モータ駆動軸のエンコーダを介し、位相信号としてモータドライバ（５２，５３）から制御コンピュータ４１へ伝達される。尚、踵は、接地時の圧力分布が局所的となることによる離着床の誤検出を防止するために感圧スイッチを複数配置しているが、検出範囲が広く踵全体を検出でき、誤検出の無いスイッチであれば一つでも差し支えない。

次に、図５及び図６により本実施例の股関節及び膝関節制御機構４０による義足の動作の具体的な制御を説明する。義足の動作制御は、制御コンピュータ４１が両足足裏の感圧ゴムスイッチ（４４〜４９）による測定結果から導出される義足振り出しのタイミングに合わせ、ポテンショメータ（４２，４３）の測定値から算出した義足の振り出し量に相当する角度指令値（トルク出力指令信号）をモータドライバ（５２，５３）に発信することによって行われる。

図５により義足大腿部の振り出し量（義足股関節角度指令値Ｗ）の算出について説明する。制御コンピュータ４１は、腰部基準軸Ｌ１（直立制止時を零値とした鉛直軸）に対する健常側大腿部の角度（鉛直軸に対して股関節軸中心Ｏ１と膝関節軸中心Ｏ２を通る直線Ｌ２が成す角度、伸展方向を正値とし屈曲方向を負値とする）と健常側大腿部に対する下腿部の角度（基準軸とする直線Ｌ２に対して膝関節軸中心Ｏ２とくるぶしＯ３を通る線が成す角度、直立不動時を零値とし伸展方向を正値とし屈曲方向を負値とする）を各ポテンショメータ（４２，４３）によって計測される電圧値（ＡＤコンバータでデジタル変換）から計測し、角度データθ１及びθ２を微分することで遊脚時における健常側大腿部の角速度Ｒ１と大腿部に対する下腿部の角速度Ｒ２を取得する。

尚、前記角速度Ｒ１とＲ２は、ポテンショメータの代わりにジャイロセンサ等の角速度計を利用して計測しても良い。また、鉛直方向は、健常側腰部には、制御コンピュータに接続した加速度センサ（ジャイロセンサでも可）を設置することによって重力ベクトルから検出させてもよい。

制御コンピュータ４１は、前記計測によって得られた健常側股関節の角速度Ｒ１と膝関節の角速度Ｒ２から算出した義足装着者の健常側下肢の歩行速度Ｕと、両足の感圧ゴムスイッチ（４４〜４９）によって得られる、義足側で再現すべき健常側下肢と同様の歩行周期に基づき、予め入力する義足装着者の歩幅の理想値Ｓ（両脚支持の際の股関節軸から両下肢のくるぶしを結ぶ直線の相対角度、即ち、歩行動作において両足が前後に最大開脚している際に股関節を中心軸として両足が前後に成している角度）によって補正された義足大腿部の振り出し量に相当する指令値、即ち義足股関節角度指令値Ｗを算出する。角度指令値Ｗは、以下に示す導出過程により算出される。

[変数定義]
b=√（9.8/h）：h(メートル)は人の重心点高さ。適宜調整する。
Ts=0.5(秒)：人の一歩踏み出す所要時間。適宜調整する。
lam=0.2 ：制御パラメータ(設定範囲0〜1.0)
K=1.0 ：適合パラメータ(設定範囲0〜1.0)
S=0.6 ：歩幅理想値(ラジアン)・(設定範囲目安0.1〜1.0)
R1,R2：健側下肢の測定による。
[計算処理過程]
U = R1 - R2 * 0.5
C1=−K*((1.0+lam*lam)*cosh(b*Ts)-2.0*lam)/(b*sinh(b*Ts))
C2=−C1*(b*sinh(b*Ts)/(2.0*(1.0-cosh(b*Ts))))−0.5
[結果]
W = C1 * U + C2 * S

上記の導出により義足股関節角度指令値Wが決定される。義足の反応は、適合パラメータKにより使用者の熟練度に応じて加減することができる。動作の例として、K=0であれば、W = −0.5*Sの固定値となり、常に同じ指令値、即ち一定の振り出し量で制御されるようになる。K=1.0とすれば、歩行速度の変化に対して敏感に反応し、義足の歩幅の調節がなされる。

また制御コンピュータ４１は、義足振り出しのタイミング制御を以下のように行う。即ち、制御コンピュータ４１は、健常側と義足側足裏において足先と踵にそれぞれ取り付けられた感圧ゴムスイッチ（４４〜４９）の検出結果（入力時：足裏が地面に接地、解除時：足裏が地面から離床）から、健常側及び義足側下肢が、遊脚相と立脚相との間で切り替わるタイミングを判別する。その上で制御コンピュータ４１は、義足装着者の歩行パターンを立脚相と遊脚相から構成される６つの制御モード（制御モード１〜３が健常側遊脚相で義足立脚相、制御モード４〜６が健常側立脚相で義足遊脚相、図６を参照）に分割して股関節及び膝関節駆動機構（１９，３０）を制御する。

義足が立脚相にある制御モード１〜３は、制御モード１が「直立静止状態または、直立静止状態から健常側下肢が離床完了までの両脚支持期」、制御モード２が「健常側下肢が遊脚を開始してから着地をするまでの義足側片脚支持期」、制御モード３が「健常側下肢が立脚し、義足が離床完了するまでの両足支持期」である。また、義足が遊脚相にある制御モード４〜６は、制御モード４が「義足側で下腿パイプを振り出すための十分な溜めを作る、健常側片足支持期」、制御モード５が「義足股関節を屈曲させ、義足膝関節を伸展させることで、義足大腿部と下腿パイプを振り出す、健常側片足支持期」、制御モード６が「義足膝関節を伸展させて義足大腿部を振り戻し、義足が着地するまでの両足支持期（以降は制御モード１に戻って６まで繰り返す）」である。以下に図６に従い具体的な義足の遊脚及び立脚制御例を説明する。各義足関節角度の指令値は、股関節：θh、膝関節：θk（単位は共にラジアン）と示してある。座標系は、図５と同一で指令値の数値は全て参考値である。

制御コンピュータ４１は、直立制止時の制御モード１において、義足股関節及び膝関節駆動機構にそれぞれ振り出し量指令値を（θｈ＝０．０，θｋ＝０．２）とするトルク出力信号を送信し、義足股関節を健常側腰部より鉛直下方に向けて微小距離だけ下の位置に保持することによって義足の弾性を高め、下腿パイプを過伸展状態とすることにより膝折れを防止する。尚、前記トルク制御は、歩行中において歩行動作を阻害しない程度に止める。

歩行動作は、常に健常側下肢の振り出しから行う。直立制止時から歩行を開始する際に健常側の足裏は踵から先に離床する。従って、制御コンピュータ４１は、歩行中の制御モード１において健常側足先の感圧ゴムスイッチ４４の入力が解除された場合に健常側の足裏が完全に離床して健常側下肢が遊脚相に入ったものとして制御モード１の実行を終了し、制御モード２の実行を開始する。

制御モード２において制御コンピュータ４１は、義足膝関節の角度を維持しつつ義足大腿部を振り出させるため、義足股関節及び膝関節駆動機構に振り出し量指令値を（θｈ＝０．２，θｋ＝０．２）とするトルク出力信号を送信し、義足膝関節に伸展方向のトルクを与えて下腿パイプの伸展状態を維持しつつ、義足股関節（義足大腿部）を前方から後方に向かって揺動させる（伸展させる）ことにより、上体が前方に倒れこんで前進しやすくなるように制御する。制御コンピュータ４１は、健常側踵に取り付けられたいずれかの感圧ゴムスイッチ（４５，４６）が入力を検知した場合に健常側下肢が着地し、両脚立脚相に入ったものとして制御モード２の実行を終了し、制御モード３の実行を開始する。

制御モード３において制御コンピュータ４１は、義足の遊脚動作準備のため、義足股関節及び膝関節駆動機構に振り出し量指令値を（θｈ＜０．２となる健側の動作によって決定される所定値，θｋ＝−１．０）とするトルク出力信号を送信し、義足膝関節（下腿パイプ）を屈曲させて振り上げると共に、義足股関節（義足大腿部）を屈曲させて前方へ向けた振り出しを開始する。その際義足大腿部は、義足股関節に伸展方向へ向けた一定の抵抗トルクが付加された状態で振り出されるようにすることで義足の歩様が自然になるようにする。尚、制御コンピュータは、義足足裏の足先に取り付けた感圧ゴムスイッチ４７の入力解除を検知すると、義足が完全に離床して遊脚相に入ったものとして、制御モード３の実行を終了して制御モード４の実行を開始する。

制御モード４において制御コンピュータは、所定の振り出し量指令値（θｈ＝θｋ_now／１．６＋θｈ_ini，θｋ＝−１．０；θｈ_iniは、制御モード３が終了した際の股関節角度であり、θk_nowは、膝用ＡＣサーボモーターの回転角度から検出される下腿パイプの現在角度である。）に従って引き続き義足股間節と義足膝関節を動作させる。前記義足股関節と義足膝関節は、タイマー制御により、制御モード４の開始から予め任意に設定した時間ｔ１（秒）が経過し、かつ義足膝関節が所定の角度（例えば、−０．７≧θk≧−１．０）となるまで動作させ、振り出しに必要な溜めを作る。健常側の立脚歩行動作が進み、時間ｔ１が経過し、膝関節が所定の角度まで屈曲すると、制御コンピュータ４１は、制御モード４の実行を終了して制御モード５の実行を開始する。

制御モード５において制御コンピュータは、義足大腿部と下腿パイプを前方に向かって振り出させるため、義足股関節及び膝関節駆動機構に振り出し量指令値を（θｈ＝健側の動作によって決定される所定値，θｋ＝０．０５）とするトルク出力信号を送信し、義足股関節の屈曲と義足膝関節の伸展を開始させる。振り出し動作は、タイマー制御により、制御モード５の開始から予め任意に設定した時間ｔ２が経過するまで続行させる。制御コンピュータは、時間ｔ２が経過すると、制御モード５の実行を終了して制御モード６の実行を開始する。

制御モード６において制御コンピュータは、義足膝関節の角度を維持しつつ義足を着地させるため、義足股関節及び膝関節駆動機構に振り出し量指令値を（θｈ＝０．０，θｋ＝０．０５）とするトルク出力信号を送信し、義足大腿部を振り戻させる。義足足裏の踵に取り付けられたいずれかの感圧ゴムスイッチ（４８，４９）が入力を検知した場合、制御コンピュータは、義足が着地して健常側下肢と義足による両脚立脚相に移行するものとして制御モード６の実行を終了して再び制御モード１の実行を開始する。以後、歩行中は、制御モード１から制御モード６を循環することにより、義足が健常側下肢と同様の歩様で歩行動作する。

本発明の実施例である股義足（制御機構を除く）の斜視図図１の股義足の正面図（背面ガイド及びストラップ省略）。本実施例の股義足の装着状態を表す参考図。（ａ）図は側面図、（ｂ）図は正面図。股義足の制御系統説明図。両脚の股関節及び膝関節の座標系説明図。義足振り出しのタイミング制御の説明図。

符号の説明

１股関節及び膝関節自動股義足
２股ソケット
５骨盤下部支持面
８，９肩掛けストラップ
１２大腿下部支持面
１９股関節駆動機構
２０股継手
２０ａ固定ブラケット
２０ｂ回転ブラケット
２１義足大腿部
２２股用サーボモータ（股関節用駆動源）
２３股用主動プーリ
２４股用従動プーリ
２５股用タイミングベルト（股用伝達ベルト）
２７股関節軸
２８支持ローラー
３０膝関節駆動機構
３１膝関節軸
３４膝用サーボモータ（膝関節用駆動源）
３５膝用主動プーリ
３６膝用従動プーリ
３７膝用タイミングベルト（膝用伝達ベルト）
３８下腿パイプ
４０股関節及び膝関節駆動機構
４１制御コンピュータ
４２股用ポテンショメータ（第１の角度計測器）
４３膝用ポテンショメータ（第２の角度計測器）
４４感圧ゴムスイッチ（健常側足先用）
４５，４６感圧ゴムスイッチ（健常側踵用）
４７感圧ゴムスイッチ（義足側足先用）
４８，４９感圧ゴムスイッチ（義足側踵用）

Claims

上方から前方にかけて開口し、装着する骨盤の支点位置から前方に向けて引き延ばして形成された下部支持面が、骨盤と大腿部を下方から支持する股ソケットと、
前記股ソケットに取り付けられた複数の肩掛けストラップと、
前記股ソケットの外周側面に股関節軸を取り付ける固定ブラケットと、上端が前記股関節軸に対して回転自在に取り付けられ、下端が前記股ソケットの外周下面に回り込み、前記外周下面に転がり接触する上部の支持ローラーを介して前記股ソケットを支持するとともに下部に義足大腿部を取り付ける回転ブラケットの組み合わせからなる股継手と、前記義足大腿部を取り付けた回転ブラケットを前記股関節軸周りに揺動させる股関節用駆動源を備えた股関節駆動機構と、
義足大腿部の下部に設けられた膝関節軸と、前記膝関節軸に上端が回転自在に取り付けられた下腿パイプと、下腿パイプを前記膝関節軸周りに揺動させる膝関節用駆動源を備えた膝関節駆動機構と、
健常側股関節に取り付けられ歩行時の健常側大腿部の角度を計測する第１の角度計測器と、健常側膝関節に取り付けられ歩行時の健常側下腿部の角度を計測する第２の角度計測器と、健常側及び義足の足底にそれぞれ取り付けられ、健常側下肢と義足の離着床を検知する複数の感圧スイッチと、前記各角度計測値から算出した健常側股関節及び膝関節の角速度と前記両足足裏の離着床検知結果に基づいて義足を健常側下肢とほぼ一致した動作で健常側と交互に振り出させる振りだし指令信号を前記股関節及び膝関節駆動機構に送信する制御コンピュータを備えた股関節及び膝関節制御機構、
を備えたことを特徴とした、股関節及び膝関節自動股義足。
前記第１及び第２の角度計測器は、健常側股関節及び膝関節の回転中心にそれぞれ取り付けられると共に前記制御コンピュータに接続されたポテンショメータであって、前記制御コンピュータは、健常側股関節のポテンショメータによって計測される腰部基準軸に対する健常側大腿部の角度情報と、膝関節のポテンショメータによって計測される健常側大腿部に対する健常側下腿部の角度情報の各微分値から歩行時における健常側股関節及び膝関節の角速度をそれぞれ計測することを特徴とした、請求項１記載の股関節及び膝関節自動股義足。
前記股関節駆動機構は、前記股関節用駆動源が義足大腿部に内蔵した股用サーボモーターであって、前記股用サーボモーターによって回転する股用主動プーリと、前記股関節軸と同軸の位置に固定された股用従動プーリを備え、前記股用両プーリ間に股用伝達ベルトが取り付けられていることを特徴とした請求項１または２に記載の股関節及び膝関節自動股義足。
前記膝関節駆動機構は、前記膝関節用駆動源が義足大腿部に内蔵した膝用サーボモーターであって、前記膝用サーボモーターによって回転する膝用主動プーリと、前記膝関節軸と同軸の位置に固定された膝用従動プーリを備え、前記膝用両プーリ間に膝用伝達ベルトが取り付けられていることを特徴とした請求項１から３のうちいずれかに記載の股関節及び膝関節自動股義足。