1997年度（平成9年度） | 資料集 | 大分県産業科学技術センター

平成9年度 研究報告 大分県産業科学揉循センタ…

木製はきものの形態と歩行時の下肢負担との関係について

一人問の動作中形態矧生に基づいた木製はきものの開発（第1幸紛 一

佐藤幸志郎＊。河内まき子＊＊さ持丸正明＊＊。長谷和徳＊＊

＊日田産業工芸試験所8＊＊生命工学工業技術研究所人間環境システム部

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要旨

木製はきものの形状要素と歩行時の下肢負担の関連を調べるために、接地点位置、足固定具の位置を変えた実験用サ ンダルを用いて被験者の歩行動作を計測し、床反力、関節角度変化、関節モーメントに着目して解析した。この結果、 はきものの前部接地点が前方にずれ過ぎると足◎ 膝関節モーメントの増加、MP関節背屈角度の増加等の負担増加が観 察され、後部接地点が後方にずれ過ぎると歩行が分節的になることが確認された。

固定される木製サンダルを指す。

本研究では歩行運動の特徴があらわれる失状面内の2 次元モデルで解析を行う。下肢について、Fi g．1（a）のよう に中足指節関節点（以下MP関節）、足関節点、膝関節点、 股関節点を考慮し、これらで連結された4節からなる2次 元剛体リンクモデルと仮定する。また、はきものもFi g．1（a） のように単純化する。A点ははきものの最前部下端、B点 は静止立位時に接地している部分の先端、C点はその後端 である。

現在流通している下駄やサンダルの形状は一見すると

全く異なったものに思えるが、Fi g、1（b）の下駄も、Fi g．1（c） のサンダルも矢状面におけるA点、B点、C点の位置関係

（形態要素）が異なるバリエーションとしてとらえること ができる。以下、特に断らない限り、はきもののÅ点、B 1．はじめに

日本人の生活用具として長年にわたり使い続けられて きた木製のはきものは、その間故約な構成が日本の高温多 湿な気候風土に適していること、歩行動作において靴など のように関節周辺を束縛しないため自由度の大きな足部 関節の動きが可能であることなど、現在主流となっている 繊維。皮革のはきものに対するアドバンテージが数多く指

摘されている（1）。

しかし木製はきものの形態要素の歩行動作に与える影 響を歩行分析の観点から論じた資料は少なく、その微妙な 形態の差に左右されているであろう歩行メカニズムは不 明瞭なままである。

本研究は変形しない素材である木材などの素材で作ら れたはきものの形態や足部への固定方法といった要素が 歩行動作にどのような影響を与えているかについて、要素 の変更が可能な実験用木製はきものを用いた歩行動作を 計測し、主に立脚期の床反力、関節モーメント∴関節角度 変化等に着目し考察するものである。

はきものの形態要素と歩行動作の関係を明瞭にするこ とができるならば、購入の際の正しいフィッティングや製 品開発における生体機能面からの的確な形態の決定に役 立つものと考えている。

2．方法 2、1木製はきものの朱状面モデルの定義

本研究において対象にしている木製はきものとは鼻緒 で固定される伝統的な2枚歯の下駄及びバンドや鼻緒で

C点とは上記の定義を使用する。

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F邑g．篭 木製はきものの矢状面モデル

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ仙

して床反力、関節標点位置の歩行動作申の変化を計測した。 実験は進行方向長さ5 m程度の板張りの歩行路に歩行 路埋込型床反力計（3．6mXl ．8nl 、共和電業社製EFP−A型） を左右と進行方向に2枚づつの計4枚埋め込み、それと計 測標点の動きを60飽の計測周波数で光学的に計測できる

3次元動作計測装置（Oxf or dMet r i x・Vr i con370）を連動さ せて設置している屋内の設備（通商産業省。製品評価技術 センター）を利用して行った。（Fi g。4〉

本研究ではこの装置により計測された3分力の床反カ データと関節に取り付けた標点位置座標データによって、 着力点位置、床反カベクトル、下肢の各関節モーメント、 関節角度を求め、はきもの形態との関連を考察する。 2．ヱ 実験用はきものと実根条件

実験には、Fi g，2の前歯と後歯を前後に動かしてB点、 C点の位置を変更できるようなラワン材とスライド金具 による2枚歯はきものを製作して用いた。

F自習．2 実験用はきものの底側

B点の位置はM

P関節から1cm

後方を基準（Fi g．3）と

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P関節から2cm

前方、5cm

前方、8cm

前方の4

条件での歩行動作を比較した。なお、基準位置は、既存の 木製はきものの設計条件に近いものである（i ：。C点位置及 びはきものの高さについては文献に明確な基準値となる 記述がなかったため、市販の長さ257mm（8寸5分）の2枚 歯のはきもののBC間の距離（130mmト高さ（44mm）を基準 値（F隠3）として使用し、基準値に対しC点をはきもの

後端までずらしてBC問の距離を175m

m

にする条件及び

高さを15mm高くして59mmにする条件の比較を行った。

巨竜g．4 実験施設概観

2．4 被験者と実験条件

被験者は健常な男性2名である（被験者A：身長171．6cm、

体重68．5kg、年齢26才、足長26．5cm

、足幅10．O

cm

）（被

験者B：身長175．1cm、体重67、6kg、年齢31才、足長26．Ocm、 足幅9．5cm）。被験者には陸上競技用のピッタリとしたスウ ェットパンツを着用させ転子点と標点がズレないよう配 慮した。

3次元計測のための標点（2）は股関節の回転軸の目安とな る「月受関節点（転子点）」、膝関節の回転軸と考えられる 大腿骨外側上顆の最外側に突出した点（便宜上「膝関節 点」と呼ぶ）、足関節の回転軸と考えられる「足関節点（外 果端点）」、㌔′ ‡P関節の回転軸と考えられる「第5中屋骨 頭」の4点及びはきものの位置を知るための前端と後端か

ら2cmの位置の2点に取り付けた。さらにMP関節の正確 な関節角度を観察する目的で、母址末節骨上部にも標点を 取り付けて合計7つの標点のデげ夕を得た。（Fi g．5）

被験者には歩調や歩速を被験者の歩きやすい自然なべ r スとするため「普通に歩いて下さい」という指示を与え て上記歩行路を歩かせ、同一条件につき3試行づつの実験 を行った。

巨竜g。3 実験用はきものの来状薗基準寸法

はきものの足部への固定方法は、MP関節の可動を妨げ ないよう細い丈夫なストラップにて第一申足骨頭から第 五中屋骨頭までの中足指節関節上のみを固定する方法を 選択した。また条件としてMP関節の可動を妨げることも できるよう甲の位置にも予備のストラップを用意した。

2．3 実験設備

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データである。各被験者3試行ずつ計測したデータのうち、 デ叶夕の欠落がなく解析が有効であった試行をすべて表 示した。

3．1関節モーメント

3．1．1 B点の位置と関節モーメントの関係 Fi g．6はB点を前方に動かしたときの足関節モ脚メント の変化であり、B点を、基準点であるMP関節の1cm後方 より前にだすほど、トウオフ直前の蹴り出しによる足関節 底屈モーメントのピーク値が大きくなる。また、被験者A では、Fi g．7のとおりB点を前に出すほどヒールコンタク ト後の膝関節伸展モーメントのピーク値が大きくなって いる。これは、ヒール（C点）が着床した後∴最初にB点 が床に着く時点であり、B点が前方に移動することによっ て大きくなる衝撃力を、膝関節の伸展モーメントで吸収し ていると考えらる。

F毒g．5 計測標点の位置

2。5 足関節。膝関節点まわりのモーメントの処理 Fi g．1（a）のモデルで足関節および膝関節における関節モ ーメントを式（1）にしたがって処理した。立脚期には、 大きな床反力が作用し慣性項が相対的に小さくなること から、下腿および足部の慣性項を無視した。（床反力計測 デ｝夕の平滑化式（2）及び着力点位置の計算式（3）は 末尾の付録1、2に記載した。）

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（B点が中足指節関節の1⊂m後方）

M：関節点まわりのモーメント （PyタPz 〉：着力点位置 （」y∫j z ）：関節標点位置

（Fy，Fz ）：床反カベクトル

3．実験結果及び考察

60Hz でサンプリングした床反力の3分力成分と関節標 点位置座標のデータが得られた。標点位置座標から歩行立 脚期の足関節。膝関節の関節角度変化を計算した。あらか じめ計測した静止立位状態の標点位置を関節角度ゼロと して、そこからの変位を求めた。各関節角度の正負の方向 は以下の通りとする。

・膝関節（正一屈曲、負一伸展） ・足関節（正一底屈、貞一背屈） ・中足指節関節（正一背屈、負一底屈〉

また、標点位置と床反カデータから（1）、（2）、（3） 式によって足関節さ膝関節の関節モーメントを計算した。 実験条件ごとに関節モーメントの変化を比較したものを Fi g．6∼11に、由節角度の変化を比較したものをFi g．12に 示す。これらのグラフの時間軸の起点はヒールコンタクト で、終点はトウオフである。ヒールコンタクトの時刻は、 同期して計測した床反カデータの鉛直成分が100Nを越え た時点とした。図中の太線は被験者A、細線は被験者Bの

F岳g．6 B点の変更による足関節モ血メントの変化

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初冥月憺のはきもの

（B点が中足指節関節の1⊂m後方）

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B点が中足指訂関節の8cm前方

賢妻g．プ B点の変更による膝関節モ仙メントの変化

3．1．2 C点の位置と関節モーメントの関係

B点を固定してC点を8点から45m

m

離した場合の足

関節モーメントの変化Fi g．8と膝関節モ叶メントの変化 Fi g．9を示す。被験者Aでは、Fi g．9に示すように膝関節モ ーメントのピーク確が増大している。特に、ヒールコンタ

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3．1．3 はきものの高さと関節モーメントの関係 Fi g．10にBC点の前後方向の位置は変えず高さを15mm 高くしたものの膝関節モーメント時間変化のグラフを示 す。これも被験者Aにのみ顕著に見られる特徴であるが、 はきものの高さが高くなるとヒールコンタクト前後とヒ ールオフ前後の膝関節伸展モーメントのピーク値が増加

していることがわかる。 クト後の伸展モーメントの差が著しい。これは、着床した

とき床から身体に伝わる力のベクトル（床反カベクトル） が、C点のそばを通るか、離れているかに大きく関係する。 床反カベクトルがC点から離れていれば、C点回りに大き な回転力（モーメント）が発生するため、これに抗する力 を身体側で発揮しなければならないことになる。着床時の 床反カベクトルは、踵よりやや前方に現れるから、C点を 後方に下げた場合は、当然、大きな回転力が発生している

ことになり、膝関節回りの力でこれを支えるため、関節モ ーメントが大きくなると考えられる。この場合、C点回り の回転力により、はきものが素早く回転し、B点がすぐに 着床するため、バタンバタンと滑らかさを欠く分節的な歩 き方になりやすい。

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（はきものの高さが44mm）

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F盲g．10 高さの変更による膝関節モーメントの変化

3．1．4 甲の固定の有無と関節モーメントの関係 F鳴・11は足の甲にもストラップをかけて∴MP関節の運 動を抑制した場合の膝関節モーメントの立脚期の時間変 化を示したものである。これも被験者Aについて凄著にみ

られた特徴であるが、甲をはきものに固定しMP関節を敷 きにくくしたものはフットフラット期の膝関節伸展モー メントが増加していることがわかる。

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BC点の距離が175mm

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初期値のはきもの （BC点の距讃が130mm）

F竜g．8 C点の変更による足関節モーメントの変化

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初期値のはきもの

（BC点の距離が130mm）

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甲をストラップで固定 研冥射直のはきもの

博を固定しない）

F象g．9 C意の変更による膝関節膏血メントの変化

反対に、今回は実験していないがC点を初期値よりさら に前方に移動させ、床反カベクトルがヒールコンタクト時 に足関節の前をとおるようにすると床反力は足関節を背 屈させる運動となるので、フットフラットにするために底 屈させる筋力を必要とするようになることが予想される

（足部が接地したときにはきものが後方に倒れる。）。

F射頂 攣の固定の有無による膝関節モⅦメントの変化

また、甲を固定することによってⅩi P関節は曲がりにく くなり、MP関節回りの筋力を有効に活用できなくなる。 このため、特に蹴り出し時などに他の関節の負担が増大し ていると推測できる。

3．2 B点の位置と関節角度変化の関係

平成9年度 研究報告 大分県産業科学技術センタ仙

力計の進行方向成分がピークになるとき（＝下肢がもっと も推進力を発揮しているとき）の下肢の姿勢とはきものの 回転角度と床反力ベクトルを表したものがFi g．12である。

トウオフ時のはきものの傾斜（前傾角度）に注目すると、 B点が前方に行くほどトウオフ時のはきものの傾斜は減 少し、水平に近くなっていることが分かる。

Fi g．13はB点の位置を前後に変更した場合の立脚期の MP関節角度の変化を示している。B点を前に出すほどト ウオフ期のMP関節の背屈が大きくなっていることがわ

かる。

これらのことから、B点を前方に出すほどトウオフ時に MP関節が不自然なほど大きく背屈することになり、推進 力の効率的な伝達を妨げることになるとともに、ストラッ プの固定方法によってはストラップが足部を強く圧迫し 痛みを生じることになる。またはきものにとってはストラ

ップ固定箇所に加わる荷重が増加し破損の原因となるこ とが考えられる。下記のグラフは被験者Bのものだが被験 者Åも同様の傾向を示している。

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関節の8こm前方

平成9年度 研究報告 大分県産業琴率草根締センタ皿

員、慶應義塾大学傘荻原氏の御協力をいただきました。こ こに記して深甚なる謝意を表します。

参考蕊触

り）三浦豊彦：足とはきもの．（1957）、42，労働科学研究所 （2）河内まき子∴横井孝志，渥美浩象山下樹鼠横山一也．吉 岡松太郎，′ 巨木元、堀田明裕，谷井克則も岸義樹，飯田健夫：設 計のための人体計測マニュアル．（199鉦4，製品科学研究所

（3）Br van［，J ．T．．We＼′ er S】H−＆L洞乱臣．J ∴毎‡et hodoデ血a SmOOt hi ng For i 王1St ant aneOS Cent r eOデr o亡a乞まOnmeaSur emenとS・， 焼d。β ゴロブ．＆瞥〔海軍舶・．三三（198封，597

（4）山崎信乱持丸正明，六馬信之こ 床反力計の高精度化 検定手法，バイオメカニズム、土息（1992）†223

（5）長谷和徳三エネルギ消費に基づく歩行動作の決定基 準，（199り，16。慶應義塾大学（修士論文）

紺線1計測♂イ戎の平滑化

2．3の装置で実験を行った結果、3分力床反力成分デー タとそれと同期した関節標点位置座標デ叶夕を得ること ができた。装置から得られた床反カデータは計測ノイズ成 分を含むため、式（2）のBr yant （3）のデジタルフィルタを 招いて遮断周波数6Hz にて標点位置とともにノイズを除

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はきものの底部の形態、固定方法と歩行動作について、

○ 底部の前部接地点が前方にずれ過ぎると、

仕 卜専務プ直前の崖関節底屈膏血メントの増力詔

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・ヒーールオフ前後の榛関節牒傾注十メントの増力員 ○甲をはきものに固定しMP関節を束縛したものは、

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等の関係が実験結果より観察された。

今回はパラメい夕として接地する部分の形状のみ取り 扱ったが、今後は他のパラメータとしてと卜と接するはき もの上面の形態も考慮する必要がある。上面の傾きや形状 は歩行動作にも少なかちず影響を与えていることが予想 されるからである。

木製はきものの開放的な構成による様々なメリットが 見直され現代生活の中であらためてその存在を認められ はじめている今∴木製はきものの形態特性と人間の勤作特 性の関係を明確にしておくことは、山通性の流行としての 存在ではなく、現代生活の中で確実な地位を確立するため に必要な作業であると考えている。

またこのような試みが増えることによりはきもの開発 の指針が確立され、はきものが改善されるとともに、製品 開発において動力学的計測の観点から製品性能を評価で きるシステムが確立されることを期待するものである。

（本実験は中小企業大学校。平成9年度中ノ小企業技術指導 員養成過程の実習カリキュラムを利用して実施されたも のであり、本原稿は上記実習報告書と日本人問工学会第3

9珂大会口頭発表概要に補筆したものである。）

謝辞

東研究は工業技術院生命工学工業技術研究所 人間環 境システム部河内グルーープの皆様のご支援により進めら れました。業務多忙の中、研修生として受け入れて睾ただ き、様々な機粛＼スペーースなどをご提供いただきました。 また関節標点と庶反力計測につきましては通商産業省製 品評価技術センタ▼ 一山にて、ニヨ次元動作計測装置う＼′ ′ r i conな

らびに大型束反力計測装置の使稽を許可いただき効率的 な実験を行うことができました。さらに被験者として鳥取 県工業試験場仏横地研究員、東京都繊維試験場醸累日研究

剃旗瀾灘招甥酢頼灘棋甘爛堅凋成闇轍瑚成鞭鋤濁

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賢覧：計測周波数，㌍∈：遮断周波数 ．F＝ド亡芋S．届＝ほ両二こ∴FJ ．B＝トト．こユ）1＼V十V〉′ ヽ三 ，Cニニ1：′ 1・ヤ．いニこ：5J ニー」ト．（ご）1一いノ㌧Vハブ）／S

柑線2 着力感位置

式（2）によりノイズを除いた床反力計に使用されてい る4組のセンサに作用する力から著力点位置を式（3）に より計算した雄庶。床反力の3分力成分の方向として歩行 の左右方向にⅩ軸、歩行の進行方向に㌣軸、鉛鐙方向にZ 紬を設定した。また本研究では実状面に限定Lた人体モデ ルを使用しているので、着九各位置X座標及び床反力Ⅹ 方向成分烏億矯にていない。（盲 巨一∠主意でのセンづ￣番号）

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