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油圧ダンパによる立位制御と空圧マイコン制御による遊動制御を融合した義足膝継手の開発

油圧と空圧のはたらき

図1 油圧と空圧のはたらき

油圧の切り換え機構

図2 油圧の切り換え機構

商品化した義足膝継手

図3 商品化した義足膝継手

開発品を用いた階段下り歩行

図4 開発品を用いた階段下り歩行

1.概要

 油圧ダンパによる立位制御と,マイコン制御の空圧シリンダによる遊動制御が融合した義足膝継手を開発した.そこでは,独自のリンク機構が床反力の位置を検知し,人間の歩行サイクルに合わせて油圧のオンオフを切り換える.また,体重をかけたまま緩やかに膝を屈曲していくことを可能にするロータリ式油圧ダンパを開発した.この義足膝継手により,転倒の不安が少なくなり,坂道や階段でも義足と健常足を交互に振り出しながら下りられるようになった.また,マイコン制御の空圧シリンダにより,歩行速度を自由に変化させて歩くこともできるようになった.本開発は,油圧・空圧技術,マイコン技術の融合により,今までは不可能であった生活場面でも義足の使用を可能とし,使用者のQOLを飛躍的に向上させた.

2.技術の内容

 義足膝継手は,膝より上で切断した場合に使用される大腿義足を構成する機器であり,失われた人間の膝の機能を代償する.

 図1に示すように,開発した義足膝継手は,立脚相ではロータリ式油圧ダンパによる立位制御がはたらき,遊脚相ではマイコン制御の空圧シリンダによる遊動制御がはたらく.この義足膝継手の使用により,油圧の力で体重を支持することができるようになるので,転倒に対する不安が少なくなる.また,体重をかけたまま,緩やかに膝を屈曲していくことができるので,坂道や階段でも義足と健常足を交互に振り出しながら下りられるようになる.さらに,段差や溝などの障害物の飛び越え,義足に体重をあずけながらの着座や荷物の持ち上げ動作も可能になる.遊脚相では,空気圧のマイコン制御が歩行速度の変化に合わせて,義足の振り子運動の周期を調節するので,“ゆっくり歩き”から“早歩き”まで,少ない疲労で快適に歩ける.

 これらを実現するために,図2に示すように,膝軸の回転に制動を加える油圧ダンパと下腿部をつくるフレームを前方リンクとスライドベアリングで連結し,機構の瞬間中心を足部のトウブレーク(つま先側の蹴り返し点)近傍に配置した.前方リンクは油圧切り換え弁に接しており,歩行時に床反力が踵からつま先に移動すると,瞬間中心まわりのモーメントの正負が変化し,前方リンクが動く方向も変化するので,油圧オンからオフに自然に切り換わる.また,坂の下りなど,膝を曲げたまま義足のつま先に体重をかける動作では,発生した圧力を利用して床反力が瞬間中心を過ぎても切り換え弁の閉状態を持続させる機構を加えた.商品化においては,軽量化(重量1.3kg)とデザイン性を重視した(図3).特に,義足の製作を担当する義肢装具士は,膝まわりが小さいことを望むので,機構の配置と構造の設計に苦心した.また,軽量化のためにフレームには炭素繊維複合樹脂を,機構部品にはジュラルミン系アルミ合金やチタン合金などの高強度軽量の金属材料を使用した.

3.まとめ

 今回開発した義足膝継手は,厚生労働省の義肢装具等完成用部品指定を得て,2006年に「Hybrid Knee」の商品名で販売を開始した.それ以来,1200本以上の販売実績をあげており,海外へも20カ国の代理店をとおして輸出されている.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2012年、奥田正彦(ナブテスコ(株))、今北豊彦(同左)、福井有朋(同左)、中矢賀章((株)ナブテック)に日本機械学会賞(技術)を贈った。

文献

[1] 奥田正彦、「油圧と空圧マイコン制御を用いた義足膝継手」、フルードパワーシステム、Vol.38, No.1, pp.12-15, 2007.
[2] 奥田正彦、今北豊彦、中矢賀章、福井有朋、「立脚相制御に油圧を利用したインテリジェント義足膝継手の開発」、日本義肢装具学会誌、Vol.26, No.3, pp.187-194, 2010.
[3] 奥田正彦、「失われた能力を技術でサポートするインテリジェント義足膝継手」、日本機械学会誌、Vol.114, No.1115, pp.761-762, 2011.

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義足、膝継手、油圧、空圧、マイコン制御、インテリジェント義足
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