JP6400530B2 - 義足膝継手およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、義足膝継手およびその制御方法に関する。

一般に、義足膝継手は、上端にソケットを支持する上方部分と、下端に足部を支持する下方部分と、それら上方部分と下方部分とを屈曲可能に連結する膝継手本体と、その動きを補助または制限するシリンダー装置とを備えている。このシリンダー装置は、膝の屈曲時にはシリンダー長が小となる縮小行程となり、膝の伸展時にはシリンダー長が大となる伸展行程となる。シリンダー装置は膝の屈曲および伸展を可能にする。

特許文献１には従来の義足膝継手が開示されている。特許文献１に示す義足膝継手は、複数のセンサを備えており、これら複数のセンサから提供されたデータに基づいて、アクチュエータの屈曲抵抗および／または伸展抵抗を変化させるようになっている。しかしながら、このような義足膝継手は、多くのセンサを用いているため、制御が複雑であり、コストが高くなるという課題がある。また、義足膝継手を構成するシステムが複雑なので、信頼性が低下するおそれがある。

特開２０１３−５１０６０４号公報

ところで、義足膝継手を用いる義足使用者が、中腰の膝を軽く曲げた状態で静止する姿勢をとろうとする場合がある。このとき、義足使用者は、体重を健脚側で支持したり、股関節を伸展したりすることによって、一瞬であれば膝を任意の角度で曲げて義足膝継手を静止させることができる。しかしながら、義足使用者にとって、中腰の膝を軽く曲げた状態で長時間姿勢を維持することは負担が大きい。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、義足使用者が中腰の膝を軽く曲げた状態で静止しようという意思にあわせてシリンダーの縮小を制限することが可能な、義足膝継手およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明による義足膝継手は、義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手であって、前記ソケットに接続される膝部と、前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、前記膝部の角度である膝角度値を直接的又は間接的に検出する膝角度センサと、前記膝角度センサに接続され、前記シリンダーの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記膝角度センサによって検出された前記膝角度値に基づいて膝角速度値を算出し、前記制御部は、前記膝角速度値に基づいて前記膝部が膝静止状態にあるか否かを判定し、前記膝静止状態にある時間に基づいて、前記シリンダーの縮小を自動的に制限することを特徴とする。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記膝角度値が所定値よりも膝屈曲側にあることを条件に、前記シリンダーの縮小を制限してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記足部に対する前記義足膝継手の荷重値を直接的又は間接的に検出する荷重センサを更に備え、前記制御部は、前記荷重センサから得た前記荷重値が所定値よりも大きいことを条件に、前記シリンダーの縮小を制限してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記荷重値の値が上記所定値よりも大きい上限荷重閾値を上回る場合、前記シリンダーの縮小の制限を解除してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記膝静止状態が一定時間Ｔ_１以上継続した場合に、前記シリンダーの縮小を自動的に制限してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記荷重値が所定値に満たない状態、または前記膝角度値の膝伸展側への変化が一定時間Ｔ_２以上継続した場合に、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記荷重値が所定値に満たない状態、または前記膝角度値の膝伸展側への変化が一定時間Ｔ_２以上継続した場合に、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除し、前記時間Ｔ_１と前記時間Ｔ_２との間でＴ_１＞Ｔ_２の関係にあってもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記ソケットに対する前記義足膝継手の伸展側の回転モーメントが所定のモーメント閾値を上回る場合、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除してもよい。

本発明による義足膝継手において、前記制御部は、一定時間内に、前記膝角度値が所定の膝角度変化上限閾値を上回った状態と、前記膝角度値が所定の膝角度変化下限閾値を下回った状態との両方を経た場合に、前記シリンダーの縮小を自動的に制限してもよい。

本発明による義足膝継手は、義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手であって、前記ソケットに接続される膝部と、前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、前記膝部の角度の時間変化である膝角速度値を直接的又は間接的に検出する膝角速度センサと、前記膝角速度センサに接続され、前記シリンダーの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記膝角速度センサによって検出された前記膝角速度値に基づいて前記膝部が膝静止状態にあるか否かを判定し、前記膝静止状態にある時間に基づいて、前記シリンダーの縮小を自動的に制限することを特徴とする。

本発明による義足膝継手は、義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手であって、前記ソケットに接続される膝部と、前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、前記膝部の角度である膝角度値を直接的又は間接的に検出する膝角度センサと、前記膝角度センサに接続され、前記シリンダーの駆動を制御する制御部と、前記足部に対する前記義足膝継手の荷重値を直接的又は間接的に検出する荷重センサとを備え、前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記荷重センサから得た前記荷重値が所定値に満たない状態、または前記膝角度値の膝伸展側への変化が一定時間以上継続した場合に、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除することを特徴とする。

本発明による義足膝継手の制御方法は、義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手の制御方法であって、前記義足膝継手は、前記ソケットに接続される膝部と、前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、前記膝部の角度である膝角度値を直接的又は間接的に検出する膝角度センサとを備えた、義足膝継手の制御方法であって、前記膝角度センサによって検出された前記膝角度値に基づいて膝角速度値を算出する工程と、前記膝角速度値に基づいて前記膝部が膝静止状態にあるか否かを判定し、前記膝静止状態にある時間に基づいて、前記シリンダーの縮小を自動的に制限する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、義足使用者が中腰の膝を軽く曲げた状態で静止しようという意思にあわせてシリンダーの縮小を制限することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る義足膝継手を含む大腿義足を示す正面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る義足膝継手を含む大腿義足を示す概略構成図である。 図３は、シリンダーおよび駆動機構を示す油圧回路図である。 図４（ａ）は、膝屈曲時のシリンダーおよび駆動機構を示す油圧回路図であり、図４（ｂ）は、膝伸展時のシリンダーおよび駆動機構を示す油圧回路図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

［大腿義足の構成］
図１は、本実施の形態による義足膝継手を備えた大腿義足の全体的な構成を示す正面図であり、図２は、当該大腿義足を示す概略構成図である。

図１に示すように、大腿義足１０は、大腿部に対応するプラスチック製のソケット１１と、ソケット１１の下端に回転可能に連結され、下腿部に相当する義足膝継手２０と、義足膝継手２０の下端に連結された足部１２とを備えている。

［義足膝継手の構成］
図２に示すように、義足膝継手２０は、フレーム２１と、フレーム２１に対して回動可能に設けられ、ソケット１１に接続される膝部２２と、膝部２２に連結され、膝部２２の回転動作を制限または補助するシリンダー３０と、シリンダー３０を駆動させるための駆動機構４０とを備えている。

シリンダー３０の周囲には、シリンダー３０の伸縮量に基づいて、膝部２２の角度である膝角度値を検出する膝角度センサ６０が配置されている。この膝角度センサ６０は、制御部５０に接続されている。なお、膝角度値は、ソケット１１の軸に対する義足膝継手２０の軸がなす角度である。例えば義足使用者が直立している場合、膝角度値は０°となり、ソケット１１の軸に対して義足膝継手２０の軸が一直線上となる。一方、例えば義足使用者が着席している場合、膝角度値が９０°となり、ソケット１１の軸に対して義足膝継手２０の軸が直交する。フレーム２１の下端には、足部１２に対する義足膝継手２０の荷重値（鉛直荷重）を検出する荷重センサ７０が設けられている。荷重センサ７０は、制御部５０に接続されている。

制御部５０は、膝角度センサ６０および荷重センサ７０から出力される信号に基づき、駆動機構４０の動作を制御することによってシリンダー３０の駆動を制御する。制御部５０には、駆動機構４０および制御部５０などの各種部品に電力を供給する電池５５が接続されている。

なお、駆動機構４０、制御部５０および電池５５は、図２においてフレーム２１の外側に示しているが、実際にはフレーム２１またはシリンダー３０に取り付けられている。

シリンダー３０は、油を作動流体とし、抗力を発生することで膝部２２の動作を制限または補助するもの（油圧シリンダー）である。シリンダー３０は、ソケット１１とフレーム２１とを回動可能に連結している支持点２３（図１参照）の近くに設けられた上部支持点３１と、フレーム２１の一部に連結された下部支持点３２とを有している。これにより、シリンダー３０は、ひざの屈曲時にシリンダー長が小となる縮小行程となり、ひざの伸展時にシリンダー長が大となる伸展行程となる。ここで、シリンダー長とは、シリンダー３０の上部支持点３１と下部支持点３２との間の長さをいう。

次に、図３を参照して、シリンダー３０および駆動機構４０の動作機構について説明する。シリンダー３０は、シリンダーチューブ３３と、シリンダーチューブ３３に対して移動可能であるピストンロッド３４と、シリンダーチューブ３３に移動可能に収納されてピストンロッド３４が固定されたピストン３５とを有している。シリンダーチューブ３３の内部は、ピストン３５を介して第１キャビティ３６と第２キャビティ３７とに分割されている。第１キャビティ３６および第２キャビティ３７には、作動流体である油が充填されている。

駆動機構４０は、油圧によりシリンダー３０の駆動を制御するための機構である。この駆動機構４０は、シリンダー３０にそれぞれ接続された伸展側油圧回路４１と、屈曲側油圧回路４２とを有している。伸展側油圧回路４１および屈曲側油圧回路４２はともに、シリンダー３０の第１キャビティ３６および第２キャビティ３７に連通している。伸展側油圧回路４１には、伸展側バルブ４３と、伸展側逆止弁４４とが設けられている。伸展側油圧回路４１は、第１キャビティ３６から第２キャビティ３７に向けて油を流すことができるが、第２キャビティ３７から第１キャビティ３６に向けて油を流すことはできないようになっている。屈曲側油圧回路４２には、屈曲側バルブ４５と、屈曲側逆止弁４６とが設けられている。屈曲側油圧回路４２は、第２キャビティ３７から第１キャビティ３６に向けて油を流すことができるが、第１キャビティ３６から第２キャビティ３７に向けて油を流すことはできないようになっている。伸展側バルブ４３および屈曲側バルブ４５は、それぞれ制御部５０に接続されており、制御部５０に制御されることで、全開、全閉およびその中間の状態（一部開）をとることができるようになっている。

図４（ａ）（膝屈曲時）に示すように、膝が屈曲された場合、ピストンロッド３４が縮退し、ピストン３５が引込側に移動する。これにより、第２キャビティ３７からの油が、屈曲側バルブ４５および屈曲側逆止弁４６を介して屈曲側油圧回路４２から第１キャビティ３６に流入する。このとき、屈曲側バルブ４５を閉とすることで、油が屈曲側油圧回路４２を流れないようにし、ピストンロッド３４の縮退を制限することができる。この場合、シリンダー３０は膝の屈曲側の動きを制限される。

一方、図４（ｂ）（膝伸展時）に示すように、膝が伸展された場合、ピストンロッド３４が伸長し、ピストン３５が押出側に移動する。これにより、第１キャビティ３６からの油が、伸展側逆止弁４４および伸展側バルブ４３を介して伸展側油圧回路４１から第２キャビティ３７に流入する。このとき、伸展側バルブ４３を閉とすることで、油が伸展側油圧回路４１を流れないようにし、ピストンロッド３４の伸長を制限することができる。この場合、シリンダー３０は膝の伸展側の動きを制限される。

再度図２を参照すると、膝角度センサ６０は、例えばピストンロッド３４に収納された図示しない磁石と、シリンダーチューブ３３に対して固定されていて上記磁石の位置を検出する図示しない磁気センサとを有している。この膝角度センサ６０は、ピストンロッド３４の伸縮位置に基づき膝角度値を検出し、この膝角度値を制御部５０に対して送信するようになっている。膝角度センサ６０は、直接的に膝角度値を検出するものに限らず、間接的に膝角度値を検出するものであっても良い。例えば、制御部５０が、膝角度センサ６０によって検出されたピストンロッド３４の伸縮位置を数値変換することにより、膝角度値を求めるようになっていても良い。

荷重センサ７０は、例えばソケット１１と足部１２との間に設けられたひずみセンサである。この場合、荷重センサ７０は、ソケット１１に設けられ、外力を受ける図示しないセンサーブロックと、センサーブロックに取り付けられた図示しないひずみセンサとを有している。そしてひずみセンサがセンサーブロックに生じたひずみを検知することにより、荷重センサ７０は足部１２に対する義足膝継手２０の荷重値を検出する。荷重センサ７０は、この荷重値を制御部５０に対して送信する。なお、荷重は、直接的に荷重値を検出するものに限らず、間接的に荷重値を検出するものであっても良い。例えば、制御部５０が、荷重センサ７０によって検出されたひずみ値を数値変換することにより、荷重値を求めても良い。

制御部（コンピューター）５０は、例えばＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御部５０は、膝角度センサ６０によって検出された膝角度値に基づいて膝角速度値を算出する。制御部５０は、膝角度センサ６０および荷重センサ７０から出力される信号に基づき、駆動機構４０の動作を制御することによってシリンダー３０の駆動を制御する。

具体的には、制御部５０は、膝角度センサ６０によって検出された膝部２２の膝角度値に基づいて膝角速度値を算出する。膝角速度値は、膝角度値の時間変化であり、単位時間あたりの膝角度の変化量をいう。この場合、制御部５０は、このようにして求めた膝角速度値と、膝角度センサ６０から得た膝角度値と、荷重センサ７０から得た荷重値とに基づいて膝部２２が膝静止状態にあるか否かを判定する。ここで、膝静止状態とは、通常の歩行状態とは異なり、義足使用者が中腰の膝を軽く曲げ、すなわち義足膝継手２０を大腿部に対して軽く折り曲げて、静止しようとしている状態をいう。

そして制御部５０は、膝静止状態にある時間に基づき、例えば一定時間以上膝部２２が膝静止状態にある場合、シリンダー３０の縮小を自動的に制限（セーフティロック）する。すなわち、義足使用者が、一定時間膝静止状態を維持した場合、義足使用者が義足膝継手２０を大腿部に対して静止しようとする意思があるものとみなし、シリンダー３０の縮小を制限する。このときシリンダーチューブ３３に対するピストンロッド３４の移動が制限される。これにより、膝部２２の角度が固定され、義足膝継手２０をソケット１１（大腿部）に対して固定することができるので、義足使用者は、疲れることなく膝を軽く曲げた中腰の姿勢を保つことができる。

［本実施の形態の作用］
次に、このように制御部５０がシリンダー３０の縮小を制限する際の作用（義足膝継手２０の制御方法）について、更に説明する。

まず、膝角度センサ６０は、膝部２２の膝角度値を連続的ないし断続的に検出し、これを信号として制御部５０に送信する。制御部５０は、膝角度センサ６０によって検出された膝角度値に基づいて膝部２２の膝角速度値を算出する。この場合、制御部５０は、例えば膝角度値を微分することにより膝角速度値を求めても良い。また、荷重センサ７０は、足部１２に対する義足膝継手２０の荷重値（鉛直荷重）を連続的ないし断続的に検出し、これを信号として制御部５０に送信する。制御部５０は、このようにして得られた膝角速度値、膝角度値および荷重値を時系列に沿って記憶する。

続いて、義足使用者が中腰で膝を軽く曲げて静止した場合を想定する。このとき、膝角度値がほぼ一定の値となるため、膝角速度値の変化は通常の歩行時よりも小さくなる。このように、膝角速度値が伸展方向および屈曲方向のいずれにおいても所定値（閾値Ａ）以下となる条件を条件Ａとする。例えば、膝角速度値が１°／５０ｍｓ以下の状態を条件Ａとしてもよい。

また、義足使用者が中腰で膝を軽く曲げて静止したとき、膝部２２の角度（ソケット１１の軸に対して義足膝継手２０の軸がなす角度）は一定以上となるため、膝角度値は所定値以上となり、所定値よりも膝屈曲側の値となる。このように、膝角度値が当該所定値（閾値Ｂ）以上となる条件を条件Ｂとする。例えば、膝角度値が１５°以上の状態を条件Ｂとしてもよい。

また、義足使用者が中腰で膝を軽く曲げて静止したとき、義足膝継手２０から足部１２に対して鉛直方向に荷重が加わるため、このときの荷重値は所定値以上となる。このように、荷重値が当該所定値（下限荷重閾値、閾値Ｃ）以上となる条件を条件Ｃとする。例えば、荷重値が１００Ｎ以上の状態を条件Ｃとしてもよい。

上述した条件Ａ、条件Ｂおよび条件Ｃを全て満たしたとき、制御部５０は、膝部２２が膝静止状態にあると判定する。そしてこの膝静止状態が一定時間Ｔ_１以上継続した場合、制御部５０は、シリンダー３０の縮小を自動的に制限する。Ｔ_１としては、例えば１秒〜３秒としても良く、この時間は適宜調整可能となっている。

このとき制御部５０は、駆動機構４０を制御し、屈曲側バルブ４５を閉とする。これにより、屈曲側油圧回路４２を油が流れないようになり、シリンダー３０の縮小は、膝の屈曲側に自動的に制限される。このとき、義足使用者が力を加えても、膝部２２の角度はこれ以上大きくならないので、義足使用者の体重によって膝がこれ以上曲がることがない。このため、義足使用者は、膝静止状態を維持し、中腰の膝を軽く曲げた姿勢を楽に保つことができる。

一方、制御部５０は、駆動機構４０を制御し、伸展側バルブ４３が開の状態を維持する。すなわち、シリンダー３０の動きは、膝の伸展側には制限されない。したがって、義足使用者は、自らの意思に従って、例えば膝を伸ばすことにより膝静止状態を解除して、シリンダー３０の縮小の制限を解除することができる。

次に、シリンダー３０の縮小が制限された状態にある場合に、シリンダー３０の縮小の制限を解除する際の作用について説明する。

例えば、義足使用者が、中腰の状態から直立した状態に移行し、膝を伸ばして膝静止状態を解除しようとすることが考えられる。この場合、膝角度値は伸展方向に小さくなるため、膝角速度値の変化は膝静止状態のときよりも大きくなる。すなわち、膝角速度値が伸展方向において所定値（閾値Ａ）を上回る。このとき、上記条件Ａが満たされなくなる。例えば上述した例では、膝角速度値が１°／５０ｍｓを上回った場合、条件Ａが満たされなくなる。

また、義足使用者が、中腰の状態から直立した状態に移行すると、膝部２２の角度は小さくなるため、膝角度値は膝伸展側へ変化し、所定値（閾値Ｂ）未満となる。この場合、上記条件Ｂが満たされなくなる。例えば上述した例では、膝角度値が１５°未満となった場合、条件Ｂが満たされなくなる。

あるいは、義足使用者が健脚側に体重を加えて義足側を地面から浮かせたり、義足使用者が椅子に着席したりすることにより、膝静止状態を解除しようとすることも考えられる。この場合、義足膝継手２０から足部１２に加わる鉛直方向の荷重が減少するため、荷重値は所定値（閾値Ｃ）を下回り、上記条件Ｃが満たされなくなる。例えば上述した例では、荷重値が１００Ｎ未満となった場合、条件Ｃが満たされなくなる。

このように、条件Ａ、条件Ｂおよび条件Ｃのうち、少なくとも１つの条件が満たされなくなった場合、制御部５０は、膝部２２の膝静止状態が生じなくなったと判定する。そしてこの膝静止状態が一定時間Ｔ_２以上継続的に生じなかった場合に、制御部５０は、シリンダー３０の縮小の制限を自動的に解除する。例えば、制御部５０は、荷重値が所定値に満たない状態（荷重値が閾値Ｃ未満の状態）、または膝角度値の膝伸展側への変化（膝角度値が閾値Ｂ未満の状態）が一定時間Ｔ_２以上継続した場合に、シリンダー３０の縮小の制限を自動的に解除しても良い。Ｔ_２としては、例えば０．１秒〜０．３秒であり、適宜調整可能になっている。

なお、上述したシリンダー３０の縮小を制限するのに必要な時間Ｔ_１と、シリンダー３０の縮小の制限を解除するのに必要な時間Ｔ_２との間で、Ｔ_１＞Ｔ_２の関係にあることが好ましい。すなわち、Ｔ_１を一定値以上の値にすることにより、義足使用者が階段を下りるときなど、通常の動作時にシリンダー３０の縮小が制限されてしまうことを確実に防止し、安全性を高めることができる。一方、Ｔ_２を一定値以下の値にすることで、必要以上に待たなくてもシリンダー３０の縮小の制限を解除することができ、使用時の快適性を高めることができる。このため、Ｔ_１＞Ｔ_２となる関係を満たすことにより、安全性と快適性とを両立させることができる。

シリンダー３０の縮小の制限を解除する際、制御部５０は、駆動機構４０を制御し、屈曲側バルブ４５を開とする。これにより、第２キャビティ３７に貯留されていた油が屈曲側油圧回路４２に流動可能となり、シリンダー３０のピストンロッド３４を円滑に伸長することができる。このため、義足使用者は、膝静止状態を解除し、通常の動作に円滑に戻ることができる。

なお、上記においては、制御部５０がシリンダー３０の縮小を制限する条件として条件Ａ（膝角速度値）、条件Ｂ（膝角度値）および条件Ｃ（荷重値）を挙げたが、必ずしもこれらの条件全てを満たさなくても良い。例えば条件Ａのみを満たした場合にシリンダー３０の縮小を制限するようにしても良い。

一方、条件Ａに加えて条件Ｂを満たしたときにシリンダー３０の縮小を制限するようにした場合、脚を伸ばして直立している状態で不必要にシリンダー３０の縮小が制限されることを確実に防止することができる。また、膝角度値の閾値Ｂを、立脚相から遊脚相に移るための膝角度の閾値（概ね１０°前後）よりも大きく設定することにより、シリンダー３０の縮小が不必要に制限されてしまい、立脚相から遊脚相への移行を阻害されることを防止することができる。

また、条件Ａに加えて条件Ｃを満たしたときにシリンダー３０の縮小を制限するようにした場合、義足使用者が座っている場合や階段を下りている場合等、不必要にシリンダー３０の縮小が制限されることを確実に防止することができる。また、義足使用者が車に乗っている場合など、膝を伸ばせない状態でも、シリンダー３０の縮小の制限を解除することができる。

また、上述した条件Ａ（膝角速度値）、条件Ｂ（膝角度値）および条件Ｃ（荷重値）のほか、下記各条件（条件Ｄ、条件Ｅ、条件Ｆ）の少なくとも１つを満たした場合に、シリンダー３０の縮小を制限し、またはシリンダー３０の縮小の制限を解除するようにしても良い。

上記において、制御部５０は、荷重値が所定値（閾値Ｃ）以上となった場合に（条件Ｃ）、膝静止状態が生じていると判定し、所定値（閾値Ｃ）を下回った場合に、膝静止状態が生じていないと判定する場合を例にとって説明した。しかしながら、これに加え、制御部５０は、荷重値が閾値Ｃよりも大きい所定値（上限荷重閾値、閾値Ｄ）以下となった場合に（条件Ｄ）、膝静止状態が生じていると判定し、所定値（閾値Ｄ）を上回った場合に、膝静止状態が生じていないと判定してシリンダー３０の縮小の制限を解除しても良い。すなわち制御部５０は、荷重値が閾値Ｃと閾値Ｄとの間にある場合に、膝静止状態が生じていると判定し、荷重値が閾値Ｃと閾値Ｄとの間にない場合に、膝静止状態が生じていないと判定しても良い。これにより、例えば義足使用者が階段を下っている場合等、義足側に体重の大半が乗り、かつ膝を屈曲しなければならない状態で、不必要にシリンダー３０の縮小が制限されてしまい、義足使用者が膝を屈曲できずに転倒あるいは転落してしまうリスクを低減することができる。

また、制御部５０は、シリンダー３０の縮小が制限された状態で、ソケット１１に対する義足膝継手２０の伸展側の回転モーメントが所定のモーメント閾値（閾値Ｅ）を上回る場合、シリンダー３０の縮小の制限を自動的に解除するようにしてもよい（条件Ｅ）。この場合、義足使用者が階段を下る際、不必要にシリンダー３０の縮小が制限されてしまい、膝を屈曲できずに転倒あるいは転落してしまうリスクを低減することができる。また、このようにシリンダー３０の縮小の制限を解除する方法が更に追加されることにより、義足使用者が階段を下る際などに不意にシリンダー３０の縮小が制限された場合であっても、これを自然に解除することができる。また、義足使用者が坂道を下る途中で、シリンダー３０の縮小が制限された状態から歩行を開始したときに、シリンダー３０の縮小の制限を解除するための特別な動作をすることなく、スムーズに遊脚相へ移行することができる。なお、ソケット１１に対する義足膝継手２０の回転モーメントは、荷重センサ７０から送られてきた荷重値に基づいて、制御部５０が演算を行うことにより算出することができる。

また、制御部５０は、条件Ａ、条件Ｂおよび条件Ｃのほか、義足使用者が短い一定の時間内に大腿義足１０の膝屈曲と膝伸展の繰り返しを１回以上行った場合に、シリンダー３０の縮小を自動的に制限するようにしてもよい。より詳細には、制御部５０は、一定時間（例えば１秒〜３秒）内に、膝角度値が所定の膝角度変化上限閾値（閾値Ｆ１）を上回った状態と、膝角度値が所定の膝角度変化下限閾値（閾値Ｆ２、ただしＦ１＞Ｆ２）を下回った状態との両方を経た場合に（条件Ｆ）、シリンダー３０の縮小を自動的に制限するようにしてもよい。これにより、制御部５０がシリンダー３０の縮小を自動的に制限する条件（例えば、条件Ａ、条件Ｂおよび条件Ｃの全てを満たす状態が一定時間Ｔ_１以上継続すること）を満たさない場合であっても、義足使用者の意思に基づいてシリンダー３０の縮小を制限することが可能となる。とりわけ、中腰で膝を軽く曲げて静止することが難しい義足使用者であっても、必要に応じてシリンダー３０の縮小を制限させることができる。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態によれば、制御部５０は、膝角速度値に基づいて膝部２２が膝静止状態にあるか否かを判定し、膝静止状態にある時間に基づいて、シリンダー３０の縮小を自動的に制限するようになっている。これにより、義足使用者が中腰の膝を軽く曲げた状態で静止しようという意思にあわせて、シリンダー３０の縮小を制限することができる。シリンダー３０の縮小を制限した後は、義足使用者が特に力を使わなくても静止状態を維持することができる。

また、本実施の形態によれば、制御部５０は、膝角速度値に加えて、膝角度値に基づいて膝部２２が膝静止状態にあるか否かを判定する。これにより、義足使用者が脚を伸ばして直立している状態にあるとき、不必要にシリンダー３０の縮小が制限される不具合を確実に防止することができる。

また、本実施の形態によれば、制御部５０は、膝角速度値に加えて、荷重値に基づいて膝部２２が膝静止状態にあるか否かを判定する。これにより、義足使用者が座っている場合や階段を下りている場合等、不必要にシリンダー３０の縮小が制限される不具合を確実に防止することができる。

さらに、本実施の形態によれば、シリンダー３０の縮小を自動的に制限したり、シリンダー３０の縮小の制限を自動的に解除したりするための構成が簡単である。とりわけ、少数のセンサ（例えば膝角度センサ６０および荷重センサ７０の２つのセンサ）を用いて上記構成を実現することができるので、多くのセンサを用いる場合と比較して、制御が簡単であり、コストの上昇を抑えることができる。また、義足膝継手２０を構成するシステムが簡単なので、信頼性を向上させることができる。

［変形例］
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができる。例えば、次のように変更して実施することができる。

上述した膝部２２の機構は、単節リンク機構のほか、四節リンク機構等の多節リンク機構であっても良い。

上記において、シリンダー３０は、油圧を用いた流体シリンダーである場合を例にとって説明したが、これに限らず、例えば空気などの気体を用いた流体シリンダーや、電動式シリンダーであっても良い。

また、上記において、制御部５０が屈曲側バルブ４５を閉とすることによりシリンダー３０の縮小を制限する場合を例にとって説明した。しかしながら、これに限らず、シリンダー３０の可動部（ピストンロッド３４、ピストン３５等）を物理的にロックすることにより、シリンダー３０の縮小を制限するようにしても良い。

また、上記において、膝角度センサ６０は、ピストンロッド３４に収納された磁石と、シリンダーチューブ３３に対して固定されていて磁気センサとを有するものを例にとって説明した。しかしながら、これに限らず、膝角度センサ６０としては、ピストンロッド３４に磁気センサが収納され、シリンダーチューブ３３に磁石が固定されているものであっても良い。あるいは、膝角度センサ６０は、ロータリーエンコーダ等、膝角度値を直接的に検出するものであっても良い。

さらに、上記において、制御部５０が、膝角度センサ６０によって検出された膝角度値に基づいて膝角速度値を算出する場合を例にとって説明した。しかしながら、これに限らず、膝角度センサ６０に代えて、膝角速度値を直接的又は間接的に検出する図示しない膝角速度センサを設けても良い。このような膝角速度センサとしては、例えばジャイロセンサ等を挙げることができる。この場合、制御部５０は、膝角速度センサに接続されており、膝角速度センサによって検出された膝角速度値に基づいて、膝部２２が膝静止状態にあるか否かを判定する。そして、制御部５０は、上記と同様に、膝静止状態にある時間に基づいて、シリンダー３０の縮小を自動的に制限するようにしてもよい。

１０ 大腿義足
１１ ソケット
１２ 足部
２０ 義足膝継手
２１ フレーム
２２ 膝部
３０ シリンダー
３３ シリンダーチューブ
３４ ピストンロッド
３５ ピストン
３６ 第１キャビティ
３７ 第２キャビティ
４０ 駆動機構
４１ 伸展側油圧回路
４２ 屈曲側油圧回路
４３ 伸展側バルブ
４４ 伸展側逆止弁
４５ 屈曲側バルブ
４６ 屈曲側逆止弁
５０ 制御部
６０ 膝角度センサ
７０ 荷重センサ

Claims (10)

1. 義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手であって、
   前記ソケットに接続される膝部と、
   前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、
   前記膝部の角度である膝角度値を直接的又は間接的に検出する膝角度センサと、
   前記膝角度センサに接続され、前記シリンダーの駆動を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記膝角度センサによって検出された前記膝角度値に基づいて膝角速度値を算出し、
   前記制御部は、前記膝角速度値が伸展方向および屈曲方向のいずれにおいても所定値以下となる場合、前記膝部が膝静止状態にあると判定し、前記膝静止状態が一定時間Ｔ _１ 以上継続した場合、歩行状態とは異なると判断して、前記シリンダーの縮小を自動的に制限することを特徴とする義足膝継手。
2. 前記制御部は、前記膝角度値が所定値よりも膝屈曲側にあることを条件に、前記シリンダーの縮小を制限することを特徴とする請求項１に記載の義足膝継手。
3. 前記足部に対する前記義足膝継手の荷重値を直接的又は間接的に検出する荷重センサを更に備え、
   前記制御部は、前記荷重センサから得た前記荷重値が所定値よりも大きいことを条件に、前記シリンダーの縮小を制限することを特徴とする請求項１または２に記載の義足膝継手。
4. 前記制御部は、前記荷重値の値が上記所定値よりも大きい上限荷重閾値を上回る場合、前記シリンダーの縮小の制限を解除することを特徴とする請求項３に記載の義足膝継手。
5. 前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記荷重値が所定値に満たない状態、または前記膝角度値の膝伸展側への変化が一定時間Ｔ_２以上継続した場合に、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除することを特徴とする請求項３又は４に記載の義足膝継手。
6. 前記時間Ｔ_１と前記時間Ｔ_２との間でＴ_１＞Ｔ_２の関係にあることを特徴とする請求項５記載の義足膝継手。
7. 前記制御部は、前記シリンダーの縮小が制限された状態で、前記ソケットに対する前記義足膝継手の伸展側の回転モーメントが所定のモーメント閾値を上回る場合、前記シリンダーの縮小の制限を自動的に解除することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の義足膝継手。
8. 前記制御部は、一定時間内に、前記膝角度値が所定の膝角度変化上限閾値を上回った状態と、前記膝角度値が所定の膝角度変化下限閾値を下回った状態との両方を経た場合に、前記シリンダーの縮小を自動的に制限することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の義足膝継手。
9. 義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手であって、
   前記ソケットに接続される膝部と、
   前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、
   前記膝部の角度の時間変化である膝角速度値を直接的又は間接的に検出する膝角速度センサと、
   前記膝角速度センサに接続され、前記シリンダーの駆動を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記膝角速度センサによって検出された前記膝角速度値が伸展方向および屈曲方向のいずれにおいても所定値以下となる場合、前記膝部が膝静止状態にあると判定し、前記膝静止状態が一定時間Ｔ _１ 以上継続した場合、歩行状態とは異なると判断して、前記シリンダーの縮小を自動的に制限することを特徴とする義足膝継手。
10. 義足使用者の大腿部に対応するソケットと、足部とを連結する義足膝継手の制御方法であって、前記義足膝継手は、前記ソケットに接続される膝部と、前記膝部に連結され、前記膝部の動作を制限または補助するシリンダーと、前記膝部の角度である膝角度値を直接的又は間接的に検出する膝角度センサとを備えた、義足膝継手の制御方法であって、
    前記膝角度センサによって検出された前記膝角度値に基づいて膝角速度値を算出する工程と、
    前記膝角速度値が伸展方向および屈曲方向のいずれにおいても所定値以下となる場合、前記膝部が膝静止状態にあると判定し、前記膝静止状態にある時間が一定時間Ｔ _１ 以上継続した場合、歩行状態とは異なると判断して、前記シリンダーの縮小を自動的に制限する工程とを備えたことを特徴とする義足膝継手の制御方法。

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