関節構造及び短下肢装具
【課題】耐久性に優れ製造コストを低減可能な関節構造、及び抗力付与具の脱着が容易であり生体との親和性が高い関節構造を足継手として用いた短下肢装具を提供することを目的とする。
【解決手段】２つの関節部材２，３が回動可能に軸連結され、当該関節部材間２，３の回動に対して抗力付与具４により抗力を付与させ得る関節構造１であって、抗力付与具４が、厚さ方向に連接する薄片６と、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体７と、厚さ方向に並設された薄片６の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体７、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体８と、備え、薄片６を取り囲む空間Ｓの収縮により抗力を可変的に付与し、２つの関節部材２，３がそれぞれ第１及び第２の保持体７に取り外し可能に固定される関節構造１。
【解決手段】２つの関節部材２，３が回動可能に軸連結され、当該関節部材間２，３の回動に対して抗力付与具４により抗力を付与させ得る関節構造１であって、抗力付与具４が、厚さ方向に連接する薄片６と、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体７と、厚さ方向に並設された薄片６の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体７、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体８と、備え、薄片６を取り囲む空間Ｓの収縮により抗力を可変的に付与し、２つの関節部材２，３がそれぞれ第１及び第２の保持体７に取り外し可能に固定される関節構造１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節構造、特に２つの関節部材が回動可能に軸連結された関節構造、及び、該関節構造を足継手として用いる短下肢装具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中や外傷等による片麻痺患者や要介護認定の高齢者の中には、自らの意思に関わらず足関節が底屈方向に伸び緊張する下垂足の障害をかかえた患者が数多く存在している。この障害をかかえる患者は、歩行動作の際に足先が垂れ下がるために円滑な体重移動を行えず、また爪先が床に引っかかる等により上手く歩行できないことから、常に転倒の危険にさらされながら日常生活を送っている。このような患者が健常歩行に近い歩行動作を行なうために、足関節の動きを制限する補助具として短下肢装具（Ankle-Foot Orthoses：ＡＦＯ）が一般に用いられている。
【０００３】
従来の短下肢装具は、足首をほぼ９０°に曲げた状態に固定するシューホーン型などの装具が主流であった。しかしながら、このような短下肢装具を用いた場合、下垂足を阻止することはできるが、足関節を固定してしまい、膝折れ現象などが生じ、不自然でぎこちない歩行動作となる。そこで、最近では、これを改善し、足関節に適切な範囲の自由度を与え、底屈方向や背屈方向の動きを可能とする短下肢装具が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された短下肢装具においては、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２（図１０参照。）を接続する足継手として、底屈及び背屈方向に回動可能に連結し可変的な抗力を外力による回動に対して付与する関節構造が開示されている。このような関節構造として、例えば図１１及び図１２に示す関節構造９０は、下腿部装着体１１と足底載置体１２との間の外力による回動に対して抗力付与具９１が抗力を付与する。
【０００５】
抗力付与具９１は、図１２（ｂ）にその部分透視図を示すように、並設された２つの群の薄片９２がその貫通孔を挿通するパイプ９３により配置されるとともに、これら２つの群の薄片９２がそれぞれ互い違いとなるように貫通孔を挿通するパイプ９４により当該ピン９４を中心の回動可能かつ厚さ方向に接するように連接され、これら全ての薄片９２が中空の袋体９５の内部空間に収容されている。そして、図１１（ａ）に示すように、パイプ９３を挿通するピン９６のネジ部が下腿部装着体１１と足底載置体１２にそれぞれ螺合により固定され、パイプ９４を挿通するピン９７のネジ部がナット９８に螺合により固定されている。袋体９５に接合されたチューブ９９には、袋体９５の内部空間の内圧を変更する不図示の手段が接続されている。
【０００６】
このように構成された関節構造９０において、下腿部装着体１１と足底載置体１２とが、外力によって相対的に回動するとき、下腿部装着体１１と足底載置体１２に固定されたピン９６が挿通するパイプ９３によりそれぞれ並設される２つの群の薄片９２も相対的に回動する。このとき、これらの薄片９２を互い違いに連接するパイプ９４に挿通されるピン９７が回動軸の中心となる。関節構造９０は、袋体９５の内部空間の内圧を制御することによって、密着した各薄片９２間の接触面に生じる摩擦力が変化するので、下腿部装着体１１と足底載置体１２との間を相対的に回動させる外力に対して抗力を可変的に付与することが可能となる。
【０００７】
このような関節構造９０を足継手として用いることにより、短下肢装具は、袋体９５の内部空間を負圧にすることにより、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２が底屈及び背屈方向に回動する動きを拘束するために必要な抗力を簡易かつ容易に付与することができる。また、付与する抗力は摩擦力という受動的な力であるので、故障等により暴走せず安全を確実に確保することができる。
【特許文献１】特願２００５−１５７４８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の関節構造９０においては、薄片９２を収容する袋体９５を貫通させてパイプ９３，９４が接合されている。そのため、袋体９５とパイプ９３，９４との接合が困難であり製造コストが高くなるとともに、パイプ９４に挿通されるピン９７を軸として回動するので袋体９５の内部空間から空気漏れが起こりやすく耐久性に劣るという問題があった。また、抗力付与具９１を脱着するためには、下腿部装着体１１及び足底載置体１２と４本のピン９６との接続を解除する必要があるので、抗力付与具９１の交換が困難であるという問題があった。また、抗力付与具９１を上下両側から挟むように下腿部装着体１１と足底載置体１２に固定する必要があるため全高が高くなるなど、小型化や軽量化が困難であるという問題があった。
【０００９】
さらに、短下肢装具の足継手は、装着者の体格や症状によって歩行改善に適した特性の補助を付与するため、また各人の嗜好もあるため、その場で実際に試みながら抗力の大きさ等を微調整する必要がある。しかしながら、前記従来の関節構造９０を足継手として用いた短下肢装具においては、抗力付与具９１の交換が困難であり、抗力の調整に手間がかかるという問題があった。また、関節構造９０の製造コストが高くため、短下肢装具の製造コストも高くなるという問題があった。また、関節構造９０の耐久性が劣るため、関節構造９０を交換する頻度が多いという問題があった。また、関節構造９０の小型化や軽量化が困難であるため、歩行動作に影響を与え、生体との親和性が低くなるという問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、耐久性に優れ製造コストを低減可能な関節構造を提供することを目的とする。また、抗力付与具の脱着が容易であり生体との親和性が高い関節構造を足継手として用いた短下肢装具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
当該目的を達成するために、請求項１に記載の関節構造は、２つの関節部材が回動可能に軸連結され、当該関節部材間の回動に対して抗力付与具により抗力を付与させ得る関節構造であって、前記抗力付与具が、厚さ方向に連接する薄片と、厚さ方向に並設された前記薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体と、厚さ方向に並設された前記薄片の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体と、前記薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体と、備え、前記薄片を取り囲む空間の収縮により前記抗力を可変的に付与し、前記２つの関節部材がそれぞれ前記第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定されることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の関節構造は、請求項１に記載の関節構造において、前記第１の保持体に保持される薄片と、前記第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接することを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載の関節構造は、請求項１又は２に記載の関節構造において、前記薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を前記第１又は第２の保持体に設けることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の短下肢装具は、下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の関節構造によれば、厚さ方向に並設された薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に第１及び第２の保持体が遊嵌して保持し、薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を可撓性の囲繞体が制限する。そのため、関節部材や当該関節部材を回動可能に連結する軸に薄片の一群を保持するために、囲繞体を貫通するパイプ等を設ける必要がない。そのため、囲繞体とパイプ等とを接合する必要がないので従来に比べて製造コストを低減することが可能となるとともに、囲繞体とパイプ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することができる。また、２つの関節部材がそれぞれ第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定される。そのため、抗力付与具を関節部材から容易に脱着することができ、抗力付与具を容易に交換することができる。また、薄片の厚さ方向の両側から挟むように抗力付与具を関節部材に固定する必要がないため、従来に比べて全高を低くすることができ、小型化や軽量化が可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の関節構造によれば、第１の保持体に保持される薄片と、第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接する。そのため、第１及び第２の保持体にそれぞれ保持される２つの群の薄片のみを、抗力付与具を構成する薄片とするので、関節構造の構成が簡易になり、小型化や軽量化がさらに可能となる。また、回動の中心が、２つの群の薄片の互いに連接する部分に位置することになり、関節部材の回動をさらに円滑に行うことが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の関節構造によれば、薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を第１又は第２の保持体に設ける。そのため、囲繞体にチューブ等により連通口を設ける必要がないので、囲繞体とチューブ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の短下肢装具によれば、下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いる。そのため、抗力付与具の交換が容易であるので、抗力の調整に手間がかからない。また、関節構造の製造コストを低減することが可能であるため、短下肢装具の製造コストを低減することができる。また、関節構造の耐久性が優れるため、短下肢装具の寿命を延ばすこととが可能となる。また、関節構造の小型化や軽量化が可能であるため、歩行動作に与える影響が低減し、生体との親和性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に実施の形態に係る関節構造１は、図１から図３に示すように、回動可能に軸連結された２つの関節部材２，３と、当該関節部材２，３間の回動に対して抗力を付与させ得る抗力付与具４と、を備えている。
【００２０】
関節部材２，３は、第１の関節部材２と第２の関節部材３とからなり、これらの関節部材２，３が軸５にて回動自在に連結されている。第１及び第２の関節部材２，３は、それぞれ回動自在に軸連結される関節体２ａ，３ａと抗力付与具４を取り付けるための取付体２ｂ，３ｂとから構成され、取付体２ｂ，３ｂが関節体２ａ，３ａにそれぞれ固定されている。ここでは、関節体２ａ，３ａ及び取付体２ｂ，３ｂはステンレスやアルミニウム等の金属など剛性の高い材質からなり、ボルト２ｃ，３ｃにより取付体２ｂ，３ｂが関節体２ａ，３ａに固定されている。第１の関節部材２の関節体２ａには、貫通孔が形成されており、該貫通孔に内挿されるボールベアリングやニードルベアリング等の軸受５ａを介して軸５が回動自在に挿通されている。一方、第２の関節部材３の関節体３ａにはネジ孔が形成されており、該ネジ孔に軸５の端部に形成されたネジ部が螺結され、軸５が関節体３ａに固定されている。関節体２ａと関節体３ａとの間には、軸５が挿通する平座金５ｂが配設されている。第１及び第２の関節部材２，３は、図示しない部材にそれぞれ固定する便宜を考慮して、関節体２ａ，３ａの底面が同一面上に位置するように形成され、さらにネジ孔が貫設されている。
【００２１】
抗力付与具４は、図４及び図５にその部分透視図を示すように、厚さ方向に連接する薄片６と、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌してそれぞれ保持する２つの保持体７と、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体８（図４及び図５に２点鎖線にて示す。）と、備えている。
【００２２】
各薄片６は、同形状の薄厚のシート状部材であり、ポリスチレン、ポリプロピレンや塩化ビニルなどの合成樹脂等からなる。その表裏面は、鋸歯状等の凹凸形状を形成することにより、摩擦係数を大きくすることが好ましい。薄片６は、例えば、一辺に半円を、当該一辺に対向する辺に矩形状の突片を備えた矩形状のものであるが、この形状に特に限定されるものではない。
【００２３】
保持体７は、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持するものであり、合成樹脂等の剛性の高い材質からなる。保持体７は、薄片６の突片より僅少に大きく形成された形状が、厚さ方向に貫設されており、該貫設された部分に薄片６の一群が遊嵌し、傾斜等することなく厚さ方向に移動可能に保持される。保持体７の幅は、薄片６の幅と略同一であることが好ましい。保持体７には、貫通孔が形成されており、図１から図３に示すように、該貫通孔を挿通するボルト９を関節部材２，３の取付体２ｂ，３ｂのネジ孔に螺合させることにより取り外し可能に固定される。なお、関節構造１の全高を抑えるため、ボルト９の頭部が保持体７の上面から突出しないように、ボルト９の頭部を収容可能な凹陥部を設けることが好ましい。
【００２４】
一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、他方の保持体７に保持される一群の薄片６とが、厚さ方向に交互に（互い違いに）位置するように連接することが好ましい。交互に配置される薄片６は、その半円の中心が厚さ方向に略一致することが好ましい。
【００２５】
囲繞体８は、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の密着性の良好な薄いシート状部材であり、ゴム等の耐久性に優れ空気を透過させない変形容易な軟質素材からなる。囲繞体８は、その端部がそれぞれ保持体７の周面に渡って接着剤等により密着して固定されている。囲繞体８と２つの保持体７により密閉された断面略矩形状の空間Ｓが形成されており、当該空間Ｓ内に薄片６が収容され、薄片６を所定の相互関係に配設するとともにその自由な移動を所定の範囲内に規制している。薄片６の厚さ方向の合計厚さより空間Ｓの内高が大きく、空間Ｓの内圧が外部の大気圧と均衡している等所定以下の圧力である（以下、「常圧」という。）場合、空間Ｓ内に収容された各薄片６は、その間に隙間を有しており、その厚さ方向に移動可能となっている。なお、取付体２ｂ，３ｂには、抗力付与具４の載置面に、囲繞体８と保持体７との接着部との干渉を回避する逃げ部を設けている。
【００２６】
空間Ｓ内の内圧を変更することができる図示しない内圧変更手段が、空間Ｓ内と連通する連通口を有する細長い管状体（チューブ）８ａによって接続されている。内圧変更手段は、例えば、空間Ｓ内の空気を出し入れ可能なポンプや、空間Ｓ内の空気を出すことが可能な排出ポンプ及び空間Ｓを外部に開放することにより外圧と均衡とする開放弁である。
【００２７】
このように構成された関節構造１において、第１の関節部材２と第２の関節部材３とが、任意の外力によって軸５を回動中心として相対的に回動するとき、２つの保持体７がそれぞれ関節部材２，３の取付体２ｂ，３ｂに固定されているため、２つの保持体７も同様に相対的に回動し、これに伴い各保持体７に保持される一群の薄片６も相対的に回動する。このとき、薄片６の半円の中心が回動の略中心となるので、薄片６との接触により囲繞体８が破損する恐れは減少されている。
【００２８】
関節構造１は、空間Ｓの内圧を制御することによって、２つの関節部材２，３間の相対的に回動させる外力に対して抗力を付与することが可能となる。空間Ｓの内圧が大気圧と均衡している場合には、各薄片６間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、外力に対して抗力を付与しない。一方、空間Ｓの内圧を負圧として各薄片６を密着させると、密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が前記外力に対する抗力となる。空間Ｓの内圧によって摩擦力が変化するので、空間Ｓの内圧を制御することによって、前記外力に対して抗力を可変的に付与することができる。
【００２９】
空間Ｓが適量の空気で満たされて、内圧が常圧の場合においては、空間Ｓが一定容積に維持されて、前記したように、薄片６はその厚さ方向に移動可能な状態である。そのため、各薄片６間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、２つの関節部材２，３間は回動自在であり、外力による回動に対する抗力をほとんど（僅かな摩擦抵抗を除き）付与しない。
【００３０】
一方、空間Ｓの空気が流出されて、内圧が所定圧以下の負圧となった状態においては、空間Ｓの容積が収縮して、各薄片Ｓの表面と裏面とがそれぞれ密着し、これら密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が２つの関節部材２，３を相対的に回動させる外力に対する抗力を付与する。
【００３１】
前記摩擦力は、それぞれ密着面に作用する法線方向の力（以下、法線力という。）に、密着面の摩擦係数を乗じたものであるから、法線力を制御することにより、該密着面に生じる摩擦力を制御することができる。すなわち、内圧を制御することにより、抗力を任意に変動させることができる。また、密着面の大きさを変更する、例えば、薄片６の枚数を変更する、薄片６の表面積を変更することにより、付与可能な抗力を変更することができる。また、密着面の摩擦係数を変更することにより、すなわち、薄片６の表裏面の表面粗さを変更することにより、付与可能な抗力を変更することができる。このように、薄片６の枚数や表面粗さ等を適宜変更することにより、適切な抗力を付与可能とすることが簡単にできる。
【００３２】
以上説明したように、この関節構造１によれば、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に２つの保持体７がそれぞれ遊嵌して保持し、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を可撓性の囲繞体８が制限する。そのため、関節部材２，３や当該関節部材２，３を回動可能に連結する軸５に薄片６を保持するために、上記従来の関節構造９０のように、囲繞体８を貫通するパイプ等を設ける必要がない。そのため、囲繞体８とパイプ等とを接合する必要がないので従来に比べて製造コストを低減することが可能となるとともに、囲繞体８とパイプ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することができる。
【００３３】
また、２つの関節部材２，３がそれぞれ保持体７に取り外し可能に固定される。そのため、抗力付与具４を関節部材２，３に対して容易に脱着することができ、抗力付与具４を容易に交換できる。そして、付与可能な最大抗力等の抗力の特性を、薄片６の枚数や摩擦係数を変更することにより、大きな変更幅の特性を自在に調整することができる。また、薄片６の枚数等が偏向することにより抗力付与具４の全高が変わっても取り付け互換性を確保することができる。また、薄片６の厚さ方向の両側から挟むように抗力付与具４を関節部材２，３に固定する必要がないため、従来に比べて全高を低くすることができ、小型化や軽量化が可能となる。
【００３４】
なお、本実施の形態で示した関節構造は、本発明に係る関節構造の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、各保持体７が保持する一群の薄片６同士が交互に位置する場合、すなわち、並置する２群の薄片６からなる場合の例を示したが、並置する薄片が３群以上からなる場合であってもよい。例えば、図６に示すように、一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、何れの保持体にも保持されない一群の長円状の薄片６Ａと、他方の保持体７に保持される一群の薄片６と、を備え、長円状の薄片６Ａがその表裏面にてそれぞれ１つの薄片６と隣接するように配置されているものであってもよい。囲繞体８Ａがこれら全ての薄片６，６Ａを囲繞することによりその移動可能範囲を規制し、長円状の薄片６Ａも所定範囲内に移動が制限される。また、図７に示すように、一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、何れの保持体にも保持されない一群の長円状の薄片６Ｂと、他方の保持体７に保持される一群の薄片６と、を備え、長円状の薄片６Ｂがその表裏面にてそれぞれ２つの薄片６に隣接するように配置されているものであってもよい。囲繞体８Ｂがこれら全ての薄片６，６Ｂを囲繞することによりその移動可能範囲を規制し、長円状の薄片６Ｂも所定範囲内に移動が制限される。
【００３５】
また、抗力付与具４を上方から抑える押え具を設けてもよい。例えば、図８に示すように、押え具９Ａの下面が抗力付与具４の保持体７の上面に接触するように、関節部材２´，３´の取付体２ｂ´，３ｂ´の天面に形成されたネジ孔にボルト９Ｂが螺結されて、押え具９が関節部材２´，３´に固定されている。これにより、抗力付与具４をより安定的に固定することができる。
【００３６】
また、薄片６を取り囲む空間Ｓと外部との連通する連通口を保持体に設けてもよい。例えば、図９に示すように、保持体７Ａは、薄片６を保持する面と外側に位置する側面とを連結する孔７ａが形成され、該孔が空間Ｓと不図示の内圧変更手段と接続する連通口となっている。これにより、囲繞体８にチューブ等により連通口を設ける必要がないので、囲繞体８とチューブ等との接合部から空気漏れが起こることがなく、耐久性を向上することができる。
【００３７】
また、図示しないが、関節部材２，３の関接体２ａ，３ａと取付体２ｂ,３ｂとを一体化してもよい。これにより、さらに関節構造１に薄厚化、軽量化が可能となる。また、関節部材２，３を抗力付与具４の一方の側（図１等における下側）だけではなく、両方の側から挟むように抗力付与具４を取り付けてもよい。これにより、さらに強度の向上が可能となる。また、複数の抗力付与具４を積み重ねるように取り付けてもよい。また、抗力付与具４の空間Ｓを複数に区分してそれぞれの内圧を調整するものであってもよい。これにより、さらに付与可能な抗力の微調整が可能となる。
【００３８】
以下、本発明の実施形態に係る関節構造１を用いた短下肢装具としての短下肢装具１０について説明する。この短下肢装具１０は、図１０に示すように、装着者Ｍの下腿部に装着される下腿部装着体１１と、装着者Ｍの足底を載せる足底載置体１２と、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２を底屈及び背屈方向に回動（揺動）可能に連結する足継手としての関節構造１と、足底載置体１２の接地面に設けられたポンプ（容積可変体）１３と、を備えている。
【００３９】
下腿部装着体１１は、装着者Ｍの下腿部のふくらはぎ部周りを覆うように、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト１４によって装着者Ｍの下腿部に装着される。下腿部装着体１１は関節構造１の第１の関節部材２に固定されている。具体的には、下腿部装着体１１は、その下端部がボルトにより第１の関節部材２の関節体２ａに固定されている。足底載置体１２は、装着者Ｍの足底を載せることができ、かつ踵部周りを覆うように、足底載置体１２と同様に、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト１５によって装着者Ｍの足部に装着される。足底載置体１２は関節構造１の第２の関節部材３に固定されている。具体的には、足底載置体１２は、その上端部がボルトにより第２の関節部材３の関節体３ａに固定されている。
【００４０】
ポンプ１３は、内部空間に流出入する空気を透過させない素材からなり、足底載置体１２の底面である接地面に設けられている。ポンプ１３の内部空間は、その容積が外力により可変なものであり、抗力付与具４の空間Ｓと空気が流出入可能なようにチューブ１６を介して連通している。ポンプ１３は、例えば、その底部が平らな板状膜からなり、側部が蛇腹状の膜からなるものである。そして、ポンプ１３は、装着者Ｍの体重を利用した足踏み式のポンプであり、装着者Ｍが歩行する際、足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて密閉された内部空間の容積が圧縮されることにより内圧を高めることができる。なお、ポンプ１３として電動ポンプ等を用いてもよい。
【００４１】
以下、歩行動作に応じた短下肢装具１０の動作について説明する。まず、足底載置体１２が接地していないとき、ポンプ１３の内部空間の容積は圧縮されず、その内圧は低い。そして、抗力付与具４の空間Ｓの内圧は負圧となっており、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２が底屈及び背屈方向に回動する動きを拘束している。
【００４２】
次に、踵部が接地したとき、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて踵部側から順次圧縮され、ポンプ１３の内圧が除々に高まる。これにより、ポンプ１３側からチューブ１６を介して抗力付与具４の空間Ｓに空気が流入し、空間Ｓの内圧が除々に高くなり、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が減少し、関節部材２，３にそれぞれ固定された下腿部装着体１１と足底載置体１２との間の回動に対する抗力が除々に弱まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、踵部から足底全面に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００４３】
次に、爪先部が接地とした時、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて圧縮され、ポンプ１３の内圧がさらに高まる。これにより、ポンプ１３側からチューブ１６を介して抗力付与具４の空間Ｓに空気がさらに流入し、空間Ｓの内圧が高くなって常圧となり、薄片６間の摩擦力が消滅し、関節部材２，３にそれぞれ固定された下腿部装着体１１と足底載置体１２とが回動自在となり、回動に対する抗力がなくなる。このようにして、足底載置体１２の拘束を解除し、装着者Ｍの体重を利用し足底全面をうまく接地させるよう補助することができる。
【００４４】
次に、踵部が離地した時、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間にて踵部側から開放されて踵部側から順次伸張し、ポンプ１３の内圧が除々に低くなる。これにより、抗力付与具４の空間Ｓからチューブ１６を介してポンプ１３の内部空間に空気が流入し、空間Ｓの内圧が除々に低くなり、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が増加し、回動に対する抗力が除々に強まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、足底全面から爪先部に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００４５】
次に、爪先部が離地した時、抗力付与具４の空間Ｓの内圧が負圧のまま維持され、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が大きく、回動に対する抗力が最大の状態となり、回動が拘束される。このようにして、足底載置体１２を拘束し、足先が垂れ下がって地面に接触することを防止するよう補助することができる。
【００４６】
以上説明したように、この短下肢装具１０によれば、抗力付与具４の交換が容易であるので、抗力の調整に手間がかからない。また、関節構造１の製造コストを低減することが可能であるため、短下肢装具１０の製造コストを低減することができる。また、関節構造１の耐久性が優れるため、短下肢装具１０の寿命を延ばすこととが可能となる。また、関節構造１の小型化や軽量化が可能であるため、歩行動作に与える影響が低減し、生体との親和性が高くなる。
【００４７】
また、歩行動作に応じた抗力を適宜付与して補助するので、装着者Ｍの歩行動作を改善させることができる。また、装着者Ｍの歩行動作によって、ポンプ１３を動作させているので、ポンプ１３を電力等により動作させる必要がないので、軽量化できる利点がある。
【００４８】
なお、関節構造１の抗力付与具４の空間Ｓとポンプ１３との間を流出入する空気の流量を調整する流量調整弁を設け、この流量調整弁を制御することにより、関節構造１の空間Ｓの内圧を調整して、足底載置体１２の拘束を適宜調整するものであってもよい。また、踵部や爪先が接地しているか否かを検知するセンサ、抗力付与具４の空間Ｓやポンプ１３の内部空間の圧力を検知するセンサを設け、このセンサから発信される検知信号を考慮して、流量制御弁の流量を調整してもよい。また、抗力付与具４の空間Ｓやポンプ１３の内部空間と連通する内部空間を有し、流量制御弁等の弁を備えた補助タンクを設けてもよい。この場合、ポンプ１３の内部空間の伸縮とは独立させて、空間Ｓの内圧を調整することが可能となり、装着者Ｍの歩行動作をさらに改善させることができる。なお、空気の代わりに、ヘリウムガス、アルゴンガス等の気体を用いてもよい。
【００４９】
なお、本発明に係る短下肢装具は、本発明の実施の形態として示した短下肢装具１０に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜設計変更できることは勿論である。例えば、膝関節の動きも代償する長下肢装具に関節構造１を用いたものであってもよい。さらに、本発明に係る短下肢装具は、障害をかかえる患者が歩行動作の際に補助具として用いることに限定されるものではなく、健常者がスポーツトレーニングを行なう際に用いるものであってもよい。例えば、各種運動動作に応じて足関節に作用する空気抵抗や水の流体抵抗等の負荷を抗力として付与することにより、仮想現実的にスポーツトレーニングを行なう擬似体験装置に本発明に係る短下肢装具を適用させることができる。また、歩行動作に応じて足関節に作用する負荷を抗力として適切に付与することにより、足関節周り等の筋肉を効果的に鍛える筋肉トレーニング装置に本発明に係る短下肢装具を適用させることができる。また、ハイカットシューズ等の運動トレーニング用の靴に内蔵させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係る関節構造１を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一部分解斜視図である。
【図２】関節構造１を示す分解斜視図である。
【図３】図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は関節構造１の抗力付与具４を示す部分透視斜視図であり、（ｃ）はその薄片を示す斜視図である。
【図５】（ａ）から（ｂ）は関節構造１の抗力付与具４を示す部分透視上面図であり、（ｃ）はその薄片を示す斜視図である。
【図６】（ａ）から（ｃ）は、関節構造１の抗力付与具４の変形例を示す部分透視上面図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、関節構造１の抗力付与具４の他の変形例を示す部分透視上面図である。
【図８】関節構造１の変形例を示し、（ａ）は部分分解斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図９】関節構造１の抗力付与具４の他の変形例を示し、（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は部分透視上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に短下肢装具１０の外観構成を示す側面図である。
【図１１】従来の関節構造９０を示し、（ａ）は部分分解斜視図であり、（ｂ）は側面図である。
【図１２】従来の関節構造９０の抗力付与具４を示し、（ａ）は解斜視図であり、（ｂ）は部分分解透視斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 関節構造
２、３ 関節部材
４ 抗力付与具
５ 軸
６ 薄片
７ 保持体
８ 囲繞体
１０ 短下肢装具
１１ 下腿部装着体
１２ 足底載置体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、関節構造、特に２つの関節部材が回動可能に軸連結された関節構造、及び、該関節構造を足継手として用いる短下肢装具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中や外傷等による片麻痺患者や要介護認定の高齢者の中には、自らの意思に関わらず足関節が底屈方向に伸び緊張する下垂足の障害をかかえた患者が数多く存在している。この障害をかかえる患者は、歩行動作の際に足先が垂れ下がるために円滑な体重移動を行えず、また爪先が床に引っかかる等により上手く歩行できないことから、常に転倒の危険にさらされながら日常生活を送っている。このような患者が健常歩行に近い歩行動作を行なうために、足関節の動きを制限する補助具として短下肢装具（Ankle-Foot Orthoses：ＡＦＯ）が一般に用いられている。
【０００３】
従来の短下肢装具は、足首をほぼ９０°に曲げた状態に固定するシューホーン型などの装具が主流であった。しかしながら、このような短下肢装具を用いた場合、下垂足を阻止することはできるが、足関節を固定してしまい、膝折れ現象などが生じ、不自然でぎこちない歩行動作となる。そこで、最近では、これを改善し、足関節に適切な範囲の自由度を与え、底屈方向や背屈方向の動きを可能とする短下肢装具が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された短下肢装具においては、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２（図１０参照。）を接続する足継手として、底屈及び背屈方向に回動可能に連結し可変的な抗力を外力による回動に対して付与する関節構造が開示されている。このような関節構造として、例えば図１１及び図１２に示す関節構造９０は、下腿部装着体１１と足底載置体１２との間の外力による回動に対して抗力付与具９１が抗力を付与する。
【０００５】
抗力付与具９１は、図１２（ｂ）にその部分透視図を示すように、並設された２つの群の薄片９２がその貫通孔を挿通するパイプ９３により配置されるとともに、これら２つの群の薄片９２がそれぞれ互い違いとなるように貫通孔を挿通するパイプ９４により当該ピン９４を中心の回動可能かつ厚さ方向に接するように連接され、これら全ての薄片９２が中空の袋体９５の内部空間に収容されている。そして、図１１（ａ）に示すように、パイプ９３を挿通するピン９６のネジ部が下腿部装着体１１と足底載置体１２にそれぞれ螺合により固定され、パイプ９４を挿通するピン９７のネジ部がナット９８に螺合により固定されている。袋体９５に接合されたチューブ９９には、袋体９５の内部空間の内圧を変更する不図示の手段が接続されている。
【０００６】
このように構成された関節構造９０において、下腿部装着体１１と足底載置体１２とが、外力によって相対的に回動するとき、下腿部装着体１１と足底載置体１２に固定されたピン９６が挿通するパイプ９３によりそれぞれ並設される２つの群の薄片９２も相対的に回動する。このとき、これらの薄片９２を互い違いに連接するパイプ９４に挿通されるピン９７が回動軸の中心となる。関節構造９０は、袋体９５の内部空間の内圧を制御することによって、密着した各薄片９２間の接触面に生じる摩擦力が変化するので、下腿部装着体１１と足底載置体１２との間を相対的に回動させる外力に対して抗力を可変的に付与することが可能となる。
【０００７】
このような関節構造９０を足継手として用いることにより、短下肢装具は、袋体９５の内部空間を負圧にすることにより、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２が底屈及び背屈方向に回動する動きを拘束するために必要な抗力を簡易かつ容易に付与することができる。また、付与する抗力は摩擦力という受動的な力であるので、故障等により暴走せず安全を確実に確保することができる。
【特許文献１】特願２００５−１５７４８３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の関節構造９０においては、薄片９２を収容する袋体９５を貫通させてパイプ９３，９４が接合されている。そのため、袋体９５とパイプ９３，９４との接合が困難であり製造コストが高くなるとともに、パイプ９４に挿通されるピン９７を軸として回動するので袋体９５の内部空間から空気漏れが起こりやすく耐久性に劣るという問題があった。また、抗力付与具９１を脱着するためには、下腿部装着体１１及び足底載置体１２と４本のピン９６との接続を解除する必要があるので、抗力付与具９１の交換が困難であるという問題があった。また、抗力付与具９１を上下両側から挟むように下腿部装着体１１と足底載置体１２に固定する必要があるため全高が高くなるなど、小型化や軽量化が困難であるという問題があった。
【０００９】
さらに、短下肢装具の足継手は、装着者の体格や症状によって歩行改善に適した特性の補助を付与するため、また各人の嗜好もあるため、その場で実際に試みながら抗力の大きさ等を微調整する必要がある。しかしながら、前記従来の関節構造９０を足継手として用いた短下肢装具においては、抗力付与具９１の交換が困難であり、抗力の調整に手間がかかるという問題があった。また、関節構造９０の製造コストが高くため、短下肢装具の製造コストも高くなるという問題があった。また、関節構造９０の耐久性が劣るため、関節構造９０を交換する頻度が多いという問題があった。また、関節構造９０の小型化や軽量化が困難であるため、歩行動作に影響を与え、生体との親和性が低くなるという問題があった。
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、耐久性に優れ製造コストを低減可能な関節構造を提供することを目的とする。また、抗力付与具の脱着が容易であり生体との親和性が高い関節構造を足継手として用いた短下肢装具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
当該目的を達成するために、請求項１に記載の関節構造は、２つの関節部材が回動可能に軸連結され、当該関節部材間の回動に対して抗力付与具により抗力を付与させ得る関節構造であって、前記抗力付与具が、厚さ方向に連接する薄片と、厚さ方向に並設された前記薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体と、厚さ方向に並設された前記薄片の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体と、前記薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体と、備え、前記薄片を取り囲む空間の収縮により前記抗力を可変的に付与し、前記２つの関節部材がそれぞれ前記第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定されることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の関節構造は、請求項１に記載の関節構造において、前記第１の保持体に保持される薄片と、前記第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接することを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載の関節構造は、請求項１又は２に記載の関節構造において、前記薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を前記第１又は第２の保持体に設けることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載の短下肢装具は、下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の関節構造によれば、厚さ方向に並設された薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に第１及び第２の保持体が遊嵌して保持し、薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を可撓性の囲繞体が制限する。そのため、関節部材や当該関節部材を回動可能に連結する軸に薄片の一群を保持するために、囲繞体を貫通するパイプ等を設ける必要がない。そのため、囲繞体とパイプ等とを接合する必要がないので従来に比べて製造コストを低減することが可能となるとともに、囲繞体とパイプ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することができる。また、２つの関節部材がそれぞれ第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定される。そのため、抗力付与具を関節部材から容易に脱着することができ、抗力付与具を容易に交換することができる。また、薄片の厚さ方向の両側から挟むように抗力付与具を関節部材に固定する必要がないため、従来に比べて全高を低くすることができ、小型化や軽量化が可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の関節構造によれば、第１の保持体に保持される薄片と、第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接する。そのため、第１及び第２の保持体にそれぞれ保持される２つの群の薄片のみを、抗力付与具を構成する薄片とするので、関節構造の構成が簡易になり、小型化や軽量化がさらに可能となる。また、回動の中心が、２つの群の薄片の互いに連接する部分に位置することになり、関節部材の回動をさらに円滑に行うことが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の関節構造によれば、薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を第１又は第２の保持体に設ける。そのため、囲繞体にチューブ等により連通口を設ける必要がないので、囲繞体とチューブ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することが可能となる。
【００１８】
請求項４に記載の短下肢装具によれば、下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いる。そのため、抗力付与具の交換が容易であるので、抗力の調整に手間がかからない。また、関節構造の製造コストを低減することが可能であるため、短下肢装具の製造コストを低減することができる。また、関節構造の耐久性が優れるため、短下肢装具の寿命を延ばすこととが可能となる。また、関節構造の小型化や軽量化が可能であるため、歩行動作に与える影響が低減し、生体との親和性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に実施の形態に係る関節構造１は、図１から図３に示すように、回動可能に軸連結された２つの関節部材２，３と、当該関節部材２，３間の回動に対して抗力を付与させ得る抗力付与具４と、を備えている。
【００２０】
関節部材２，３は、第１の関節部材２と第２の関節部材３とからなり、これらの関節部材２，３が軸５にて回動自在に連結されている。第１及び第２の関節部材２，３は、それぞれ回動自在に軸連結される関節体２ａ，３ａと抗力付与具４を取り付けるための取付体２ｂ，３ｂとから構成され、取付体２ｂ，３ｂが関節体２ａ，３ａにそれぞれ固定されている。ここでは、関節体２ａ，３ａ及び取付体２ｂ，３ｂはステンレスやアルミニウム等の金属など剛性の高い材質からなり、ボルト２ｃ，３ｃにより取付体２ｂ，３ｂが関節体２ａ，３ａに固定されている。第１の関節部材２の関節体２ａには、貫通孔が形成されており、該貫通孔に内挿されるボールベアリングやニードルベアリング等の軸受５ａを介して軸５が回動自在に挿通されている。一方、第２の関節部材３の関節体３ａにはネジ孔が形成されており、該ネジ孔に軸５の端部に形成されたネジ部が螺結され、軸５が関節体３ａに固定されている。関節体２ａと関節体３ａとの間には、軸５が挿通する平座金５ｂが配設されている。第１及び第２の関節部材２，３は、図示しない部材にそれぞれ固定する便宜を考慮して、関節体２ａ，３ａの底面が同一面上に位置するように形成され、さらにネジ孔が貫設されている。
【００２１】
抗力付与具４は、図４及び図５にその部分透視図を示すように、厚さ方向に連接する薄片６と、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌してそれぞれ保持する２つの保持体７と、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体８（図４及び図５に２点鎖線にて示す。）と、備えている。
【００２２】
各薄片６は、同形状の薄厚のシート状部材であり、ポリスチレン、ポリプロピレンや塩化ビニルなどの合成樹脂等からなる。その表裏面は、鋸歯状等の凹凸形状を形成することにより、摩擦係数を大きくすることが好ましい。薄片６は、例えば、一辺に半円を、当該一辺に対向する辺に矩形状の突片を備えた矩形状のものであるが、この形状に特に限定されるものではない。
【００２３】
保持体７は、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持するものであり、合成樹脂等の剛性の高い材質からなる。保持体７は、薄片６の突片より僅少に大きく形成された形状が、厚さ方向に貫設されており、該貫設された部分に薄片６の一群が遊嵌し、傾斜等することなく厚さ方向に移動可能に保持される。保持体７の幅は、薄片６の幅と略同一であることが好ましい。保持体７には、貫通孔が形成されており、図１から図３に示すように、該貫通孔を挿通するボルト９を関節部材２，３の取付体２ｂ，３ｂのネジ孔に螺合させることにより取り外し可能に固定される。なお、関節構造１の全高を抑えるため、ボルト９の頭部が保持体７の上面から突出しないように、ボルト９の頭部を収容可能な凹陥部を設けることが好ましい。
【００２４】
一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、他方の保持体７に保持される一群の薄片６とが、厚さ方向に交互に（互い違いに）位置するように連接することが好ましい。交互に配置される薄片６は、その半円の中心が厚さ方向に略一致することが好ましい。
【００２５】
囲繞体８は、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を制限する可撓性の密着性の良好な薄いシート状部材であり、ゴム等の耐久性に優れ空気を透過させない変形容易な軟質素材からなる。囲繞体８は、その端部がそれぞれ保持体７の周面に渡って接着剤等により密着して固定されている。囲繞体８と２つの保持体７により密閉された断面略矩形状の空間Ｓが形成されており、当該空間Ｓ内に薄片６が収容され、薄片６を所定の相互関係に配設するとともにその自由な移動を所定の範囲内に規制している。薄片６の厚さ方向の合計厚さより空間Ｓの内高が大きく、空間Ｓの内圧が外部の大気圧と均衡している等所定以下の圧力である（以下、「常圧」という。）場合、空間Ｓ内に収容された各薄片６は、その間に隙間を有しており、その厚さ方向に移動可能となっている。なお、取付体２ｂ，３ｂには、抗力付与具４の載置面に、囲繞体８と保持体７との接着部との干渉を回避する逃げ部を設けている。
【００２６】
空間Ｓ内の内圧を変更することができる図示しない内圧変更手段が、空間Ｓ内と連通する連通口を有する細長い管状体（チューブ）８ａによって接続されている。内圧変更手段は、例えば、空間Ｓ内の空気を出し入れ可能なポンプや、空間Ｓ内の空気を出すことが可能な排出ポンプ及び空間Ｓを外部に開放することにより外圧と均衡とする開放弁である。
【００２７】
このように構成された関節構造１において、第１の関節部材２と第２の関節部材３とが、任意の外力によって軸５を回動中心として相対的に回動するとき、２つの保持体７がそれぞれ関節部材２，３の取付体２ｂ，３ｂに固定されているため、２つの保持体７も同様に相対的に回動し、これに伴い各保持体７に保持される一群の薄片６も相対的に回動する。このとき、薄片６の半円の中心が回動の略中心となるので、薄片６との接触により囲繞体８が破損する恐れは減少されている。
【００２８】
関節構造１は、空間Ｓの内圧を制御することによって、２つの関節部材２，３間の相対的に回動させる外力に対して抗力を付与することが可能となる。空間Ｓの内圧が大気圧と均衡している場合には、各薄片６間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、外力に対して抗力を付与しない。一方、空間Ｓの内圧を負圧として各薄片６を密着させると、密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が前記外力に対する抗力となる。空間Ｓの内圧によって摩擦力が変化するので、空間Ｓの内圧を制御することによって、前記外力に対して抗力を可変的に付与することができる。
【００２９】
空間Ｓが適量の空気で満たされて、内圧が常圧の場合においては、空間Ｓが一定容積に維持されて、前記したように、薄片６はその厚さ方向に移動可能な状態である。そのため、各薄片６間の接触面に摩擦力がほとんど生じず、２つの関節部材２，３間は回動自在であり、外力による回動に対する抗力をほとんど（僅かな摩擦抵抗を除き）付与しない。
【００３０】
一方、空間Ｓの空気が流出されて、内圧が所定圧以下の負圧となった状態においては、空間Ｓの容積が収縮して、各薄片Ｓの表面と裏面とがそれぞれ密着し、これら密着面に摩擦力が生じ、該摩擦力が２つの関節部材２，３を相対的に回動させる外力に対する抗力を付与する。
【００３１】
前記摩擦力は、それぞれ密着面に作用する法線方向の力（以下、法線力という。）に、密着面の摩擦係数を乗じたものであるから、法線力を制御することにより、該密着面に生じる摩擦力を制御することができる。すなわち、内圧を制御することにより、抗力を任意に変動させることができる。また、密着面の大きさを変更する、例えば、薄片６の枚数を変更する、薄片６の表面積を変更することにより、付与可能な抗力を変更することができる。また、密着面の摩擦係数を変更することにより、すなわち、薄片６の表裏面の表面粗さを変更することにより、付与可能な抗力を変更することができる。このように、薄片６の枚数や表面粗さ等を適宜変更することにより、適切な抗力を付与可能とすることが簡単にできる。
【００３２】
以上説明したように、この関節構造１によれば、厚さ方向に並設された薄片６の一群を当該厚さ方向に移動可能に２つの保持体７がそれぞれ遊嵌して保持し、薄片６を囲繞し当該薄片６の移動可能範囲を可撓性の囲繞体８が制限する。そのため、関節部材２，３や当該関節部材２，３を回動可能に連結する軸５に薄片６を保持するために、上記従来の関節構造９０のように、囲繞体８を貫通するパイプ等を設ける必要がない。そのため、囲繞体８とパイプ等とを接合する必要がないので従来に比べて製造コストを低減することが可能となるとともに、囲繞体８とパイプ等との接合部から空気漏れが起こることがないので従来に比べて耐久性を向上することができる。
【００３３】
また、２つの関節部材２，３がそれぞれ保持体７に取り外し可能に固定される。そのため、抗力付与具４を関節部材２，３に対して容易に脱着することができ、抗力付与具４を容易に交換できる。そして、付与可能な最大抗力等の抗力の特性を、薄片６の枚数や摩擦係数を変更することにより、大きな変更幅の特性を自在に調整することができる。また、薄片６の枚数等が偏向することにより抗力付与具４の全高が変わっても取り付け互換性を確保することができる。また、薄片６の厚さ方向の両側から挟むように抗力付与具４を関節部材２，３に固定する必要がないため、従来に比べて全高を低くすることができ、小型化や軽量化が可能となる。
【００３４】
なお、本実施の形態で示した関節構造は、本発明に係る関節構造の一態様にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、各保持体７が保持する一群の薄片６同士が交互に位置する場合、すなわち、並置する２群の薄片６からなる場合の例を示したが、並置する薄片が３群以上からなる場合であってもよい。例えば、図６に示すように、一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、何れの保持体にも保持されない一群の長円状の薄片６Ａと、他方の保持体７に保持される一群の薄片６と、を備え、長円状の薄片６Ａがその表裏面にてそれぞれ１つの薄片６と隣接するように配置されているものであってもよい。囲繞体８Ａがこれら全ての薄片６，６Ａを囲繞することによりその移動可能範囲を規制し、長円状の薄片６Ａも所定範囲内に移動が制限される。また、図７に示すように、一方の保持体７に保持される一群の薄片６と、何れの保持体にも保持されない一群の長円状の薄片６Ｂと、他方の保持体７に保持される一群の薄片６と、を備え、長円状の薄片６Ｂがその表裏面にてそれぞれ２つの薄片６に隣接するように配置されているものであってもよい。囲繞体８Ｂがこれら全ての薄片６，６Ｂを囲繞することによりその移動可能範囲を規制し、長円状の薄片６Ｂも所定範囲内に移動が制限される。
【００３５】
また、抗力付与具４を上方から抑える押え具を設けてもよい。例えば、図８に示すように、押え具９Ａの下面が抗力付与具４の保持体７の上面に接触するように、関節部材２´，３´の取付体２ｂ´，３ｂ´の天面に形成されたネジ孔にボルト９Ｂが螺結されて、押え具９が関節部材２´，３´に固定されている。これにより、抗力付与具４をより安定的に固定することができる。
【００３６】
また、薄片６を取り囲む空間Ｓと外部との連通する連通口を保持体に設けてもよい。例えば、図９に示すように、保持体７Ａは、薄片６を保持する面と外側に位置する側面とを連結する孔７ａが形成され、該孔が空間Ｓと不図示の内圧変更手段と接続する連通口となっている。これにより、囲繞体８にチューブ等により連通口を設ける必要がないので、囲繞体８とチューブ等との接合部から空気漏れが起こることがなく、耐久性を向上することができる。
【００３７】
また、図示しないが、関節部材２，３の関接体２ａ，３ａと取付体２ｂ,３ｂとを一体化してもよい。これにより、さらに関節構造１に薄厚化、軽量化が可能となる。また、関節部材２，３を抗力付与具４の一方の側（図１等における下側）だけではなく、両方の側から挟むように抗力付与具４を取り付けてもよい。これにより、さらに強度の向上が可能となる。また、複数の抗力付与具４を積み重ねるように取り付けてもよい。また、抗力付与具４の空間Ｓを複数に区分してそれぞれの内圧を調整するものであってもよい。これにより、さらに付与可能な抗力の微調整が可能となる。
【００３８】
以下、本発明の実施形態に係る関節構造１を用いた短下肢装具としての短下肢装具１０について説明する。この短下肢装具１０は、図１０に示すように、装着者Ｍの下腿部に装着される下腿部装着体１１と、装着者Ｍの足底を載せる足底載置体１２と、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２を底屈及び背屈方向に回動（揺動）可能に連結する足継手としての関節構造１と、足底載置体１２の接地面に設けられたポンプ（容積可変体）１３と、を備えている。
【００３９】
下腿部装着体１１は、装着者Ｍの下腿部のふくらはぎ部周りを覆うように、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト１４によって装着者Ｍの下腿部に装着される。下腿部装着体１１は関節構造１の第１の関節部材２に固定されている。具体的には、下腿部装着体１１は、その下端部がボルトにより第１の関節部材２の関節体２ａに固定されている。足底載置体１２は、装着者Ｍの足底を載せることができ、かつ踵部周りを覆うように、足底載置体１２と同様に、合成樹脂材等の軽量で硬質な材質から一体的に薄厚に成形されるものであり、固定ベルト１５によって装着者Ｍの足部に装着される。足底載置体１２は関節構造１の第２の関節部材３に固定されている。具体的には、足底載置体１２は、その上端部がボルトにより第２の関節部材３の関節体３ａに固定されている。
【００４０】
ポンプ１３は、内部空間に流出入する空気を透過させない素材からなり、足底載置体１２の底面である接地面に設けられている。ポンプ１３の内部空間は、その容積が外力により可変なものであり、抗力付与具４の空間Ｓと空気が流出入可能なようにチューブ１６を介して連通している。ポンプ１３は、例えば、その底部が平らな板状膜からなり、側部が蛇腹状の膜からなるものである。そして、ポンプ１３は、装着者Ｍの体重を利用した足踏み式のポンプであり、装着者Ｍが歩行する際、足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて密閉された内部空間の容積が圧縮されることにより内圧を高めることができる。なお、ポンプ１３として電動ポンプ等を用いてもよい。
【００４１】
以下、歩行動作に応じた短下肢装具１０の動作について説明する。まず、足底載置体１２が接地していないとき、ポンプ１３の内部空間の容積は圧縮されず、その内圧は低い。そして、抗力付与具４の空間Ｓの内圧は負圧となっており、下腿部装着体１１に対して足底載置体１２が底屈及び背屈方向に回動する動きを拘束している。
【００４２】
次に、踵部が接地したとき、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて踵部側から順次圧縮され、ポンプ１３の内圧が除々に高まる。これにより、ポンプ１３側からチューブ１６を介して抗力付与具４の空間Ｓに空気が流入し、空間Ｓの内圧が除々に高くなり、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が減少し、関節部材２，３にそれぞれ固定された下腿部装着体１１と足底載置体１２との間の回動に対する抗力が除々に弱まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、踵部から足底全面に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００４３】
次に、爪先部が接地とした時、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間に挟まれて圧縮され、ポンプ１３の内圧がさらに高まる。これにより、ポンプ１３側からチューブ１６を介して抗力付与具４の空間Ｓに空気がさらに流入し、空間Ｓの内圧が高くなって常圧となり、薄片６間の摩擦力が消滅し、関節部材２，３にそれぞれ固定された下腿部装着体１１と足底載置体１２とが回動自在となり、回動に対する抗力がなくなる。このようにして、足底載置体１２の拘束を解除し、装着者Ｍの体重を利用し足底全面をうまく接地させるよう補助することができる。
【００４４】
次に、踵部が離地した時、ポンプ１３の内部空間は足底載置体１２の底面と地面との間にて踵部側から開放されて踵部側から順次伸張し、ポンプ１３の内圧が除々に低くなる。これにより、抗力付与具４の空間Ｓからチューブ１６を介してポンプ１３の内部空間に空気が流入し、空間Ｓの内圧が除々に低くなり、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が増加し、回動に対する抗力が除々に強まる。このようにして、足先の急激な垂れ下りを防止しつつ、足底全面から爪先部に渡って滑らかに体重移動させるよう補助することができる。
【００４５】
次に、爪先部が離地した時、抗力付与具４の空間Ｓの内圧が負圧のまま維持され、抗力付与具４の各薄片６間における摩擦力が大きく、回動に対する抗力が最大の状態となり、回動が拘束される。このようにして、足底載置体１２を拘束し、足先が垂れ下がって地面に接触することを防止するよう補助することができる。
【００４６】
以上説明したように、この短下肢装具１０によれば、抗力付与具４の交換が容易であるので、抗力の調整に手間がかからない。また、関節構造１の製造コストを低減することが可能であるため、短下肢装具１０の製造コストを低減することができる。また、関節構造１の耐久性が優れるため、短下肢装具１０の寿命を延ばすこととが可能となる。また、関節構造１の小型化や軽量化が可能であるため、歩行動作に与える影響が低減し、生体との親和性が高くなる。
【００４７】
また、歩行動作に応じた抗力を適宜付与して補助するので、装着者Ｍの歩行動作を改善させることができる。また、装着者Ｍの歩行動作によって、ポンプ１３を動作させているので、ポンプ１３を電力等により動作させる必要がないので、軽量化できる利点がある。
【００４８】
なお、関節構造１の抗力付与具４の空間Ｓとポンプ１３との間を流出入する空気の流量を調整する流量調整弁を設け、この流量調整弁を制御することにより、関節構造１の空間Ｓの内圧を調整して、足底載置体１２の拘束を適宜調整するものであってもよい。また、踵部や爪先が接地しているか否かを検知するセンサ、抗力付与具４の空間Ｓやポンプ１３の内部空間の圧力を検知するセンサを設け、このセンサから発信される検知信号を考慮して、流量制御弁の流量を調整してもよい。また、抗力付与具４の空間Ｓやポンプ１３の内部空間と連通する内部空間を有し、流量制御弁等の弁を備えた補助タンクを設けてもよい。この場合、ポンプ１３の内部空間の伸縮とは独立させて、空間Ｓの内圧を調整することが可能となり、装着者Ｍの歩行動作をさらに改善させることができる。なお、空気の代わりに、ヘリウムガス、アルゴンガス等の気体を用いてもよい。
【００４９】
なお、本発明に係る短下肢装具は、本発明の実施の形態として示した短下肢装具１０に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜設計変更できることは勿論である。例えば、膝関節の動きも代償する長下肢装具に関節構造１を用いたものであってもよい。さらに、本発明に係る短下肢装具は、障害をかかえる患者が歩行動作の際に補助具として用いることに限定されるものではなく、健常者がスポーツトレーニングを行なう際に用いるものであってもよい。例えば、各種運動動作に応じて足関節に作用する空気抵抗や水の流体抵抗等の負荷を抗力として付与することにより、仮想現実的にスポーツトレーニングを行なう擬似体験装置に本発明に係る短下肢装具を適用させることができる。また、歩行動作に応じて足関節に作用する負荷を抗力として適切に付与することにより、足関節周り等の筋肉を効果的に鍛える筋肉トレーニング装置に本発明に係る短下肢装具を適用させることができる。また、ハイカットシューズ等の運動トレーニング用の靴に内蔵させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係る関節構造１を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は一部分解斜視図である。
【図２】関節構造１を示す分解斜視図である。
【図３】図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は関節構造１の抗力付与具４を示す部分透視斜視図であり、（ｃ）はその薄片を示す斜視図である。
【図５】（ａ）から（ｂ）は関節構造１の抗力付与具４を示す部分透視上面図であり、（ｃ）はその薄片を示す斜視図である。
【図６】（ａ）から（ｃ）は、関節構造１の抗力付与具４の変形例を示す部分透視上面図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、関節構造１の抗力付与具４の他の変形例を示す部分透視上面図である。
【図８】関節構造１の変形例を示し、（ａ）は部分分解斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図９】関節構造１の抗力付与具４の他の変形例を示し、（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は部分透視上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に短下肢装具１０の外観構成を示す側面図である。
【図１１】従来の関節構造９０を示し、（ａ）は部分分解斜視図であり、（ｂ）は側面図である。
【図１２】従来の関節構造９０の抗力付与具４を示し、（ａ）は解斜視図であり、（ｂ）は部分分解透視斜視図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 関節構造
２、３ 関節部材
４ 抗力付与具
５ 軸
６ 薄片
７ 保持体
８ 囲繞体
１０ 短下肢装具
１１ 下腿部装着体
１２ 足底載置体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの関節部材が回動可能に軸連結され、当該関節部材間の回動に対して抗力付与具により抗力を付与させ得る関節構造であって、
前記抗力付与具が、
厚さ方向に連接する薄片と、
厚さ方向に並設された前記薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体と、
厚さ方向に並設された前記薄片の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体と、
前記薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体と、備え、前記薄片を取り囲む空間の収縮により前記抗力を可変的に付与し、
前記２つの関節部材がそれぞれ前記第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定されることを特徴とする関節構造。
【請求項２】
前記第１の保持体に保持される薄片と、前記第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接することを特徴とする請求項１に記載の関節構造。
【請求項３】
前記薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を前記第１又は第２の保持体に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の関節構造。
【請求項４】
下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いることを特徴とする短下肢装具。
【請求項１】
２つの関節部材が回動可能に軸連結され、当該関節部材間の回動に対して抗力付与具により抗力を付与させ得る関節構造であって、
前記抗力付与具が、
厚さ方向に連接する薄片と、
厚さ方向に並設された前記薄片の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第１の保持体と、
厚さ方向に並設された前記薄片の他の一群を当該厚さ方向に移動可能に遊嵌して保持する第２の保持体と、
前記薄片を囲繞し当該薄片の移動可能範囲を制限する可撓性の囲繞体と、備え、前記薄片を取り囲む空間の収縮により前記抗力を可変的に付与し、
前記２つの関節部材がそれぞれ前記第１及び第２の保持体に取り外し可能に固定されることを特徴とする関節構造。
【請求項２】
前記第１の保持体に保持される薄片と、前記第２の保持体に保持される薄片とが、厚さ方向に交互に位置するように連接することを特徴とする請求項１に記載の関節構造。
【請求項３】
前記薄片を取り囲む空間と外部との連通する連通口を前記第１又は第２の保持体に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の関節構造。
【請求項４】
下腿部に装着される下腿部装着体と足底を載せる足底載置体とを接続する足継手として、請求項１から３の何れか１項に記載の関節構造を用いることを特徴とする短下肢装具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３１３０４１（Ｐ２００７−３１３０４１Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４６１００（Ｐ２００６−１４６１００）
【出願日】平成１８年５月２６日（２００６．５．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、産業技術研究助成事業「空気圧可変要素を利用したインテリジェント足関節装具開発」、産業活力再生特別措置法第３０条適用を受ける特許出願）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２６日（２００６．５．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、産業技術研究助成事業「空気圧可変要素を利用したインテリジェント足関節装具開発」、産業活力再生特別措置法第３０条適用を受ける特許出願）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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