JP2009112578A

JP2009112578A - 動作支援装置

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Publication number: JP2009112578A
Application number: JP2007289813A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Ueda; 慶輔植田; Hiromichi Fujimoto; 弘道藤本; Takeshi Shirogaichi; 剛城垣内; Motofumi Hori; 素史堀; Tatsuro Mizutani; 竜朗水谷
Original assignee: Activelink Co Ltd
Current assignee: Activelink Co Ltd
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: JP5079458B2; US20100249675A1; WO2009060611A1; EP2218426A1; EP2218426A4; US8425438B2

Abstract

【課題】使用者の動作支援を行う場合に、使用者の望む方向および力で安全に動作支援することができる。
【解決手段】使用者の一方の手に装着可能で指部１２と中手部１３を有する手袋状の装着部材１１と、装着部材１１の手背側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手背側アクチュエータ５と、装着部材の手掌側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手掌側アクチュエータ６とを備え、手掌側アクチュエータ６は、指部の先端手背側から指部両側部２８を通って前記指部の手掌側に配置され、指部の各関節相当位置での間隔が異なるように前記指部１２に沿って中手部１３まで配置された２つのワイヤーで構成されたワイヤー部２１と、前記ワイヤー部２１と連結し前記中手部に設けられたゴム人工筋１９とを備える。
【選択図】図５Ｃ

Description

本発明は、ゴム人工筋肉を備えたアクチュエータを用いて、人体の手指等の動作を支援する動作支援装置に関する。

従来から、運動機能に障害を持つ患者に対して、手足、胴または首等の各部の筋力を回復させるための、各種訓練装置が開発されている。また、体力がなくなったお年寄りの日常動作を支援したり、介護者の肉体的負担を軽減したりするために、歩行支援装置、階段昇降用リフト装置または抱きかかえ用リフト装置等の各種装置が、筋力を補助する目的で各種開発されている。

これらの装置において、使用者が装着することによって、自らの筋力を補助するための技術が、例えば、特開２００１−２８６５１９号公報（特許文献１）、または、特開２００１−２７６１０１号公報（特許文献２）に提案されている。

特許文献１に記載の装置は、使用者の関節部分に曲げ方向の補助力を付与するアクチュエータと、このアクチュエータの動きを制御する制御手段と、アクチュエータの両側に取り付けられた一対の装着部とを有する。この技術によれば、アクチュエータを動作させることによって、関節の屈曲および伸展の動作支援を行うことができた。

特許文献２に記載の装置は、可撓性を有し、円筒状の、使用者の関節部を包み込んで密着する装着部と、この装着部の外周に一体化されたアクチュエータとを有する。この技術によっても、アクチュエータを動作させることにより、装着部を曲げて、関節の屈曲および伸展の動作支援をすることができた。

また、特開２００６−２９４号公報（特許文献３）には、使用者の手に装着するパワーアシスト装置及びパワーアシストグローブが開示されている。この装置は、流体需要部に流体が供給されて内部圧力が増加すると湾曲するチューブ状のアクチュエータと、アクチュエータを関節に合わせて装着するための装着部を備えた構成であり、アクチュエータ内に流体を充填することでアクチュエータを変形させて関節を屈伸させるものである。
特開２００１−２８６５１９号公報特開２００１−２７６１０１号公報特開２００６−２９４号公報

しかしながら、これらの従来技術においては、使用者の関節の屈曲および伸展の支援をする場合に、制御手段によって指示された、または、あらかじめ定められた方向および力でしか動作支援ができなかった。このため、使用者が望む方向と異なる方向に動作支援してしまったような場合や、使用者が望む力とは異なる力、たとえば強すぎる力で動作支援したような場合には、使用者の筋肉や関節を痛めてしまったり、逆に力が弱すぎる場合には、筋力を補助する効果が低下してしまったりする可能性があった。

また、特許文献３に記載のパワーアシスト装置及びパワーアシストグローブは、１つの関節に対して一方向にのみ動作を支援するように構成されており、屈曲と伸展といった互いに異なる動きの支援を行うことができないという問題があった。さらに、パワーアシストグローブにより指の関節を屈曲させる場合、関節が非常に小さいものであるため、例えば、捩れの方向にアクチュエータが動作すると、指の関節を痛めるという問題があった。

本発明は、これらの課題に鑑みてなされたもので、使用者の動作支援を行う場合に、使用者の望む方向および力で安全に動作支援することが可能な動作支援装置を提供するものである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の動作支援装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、使用者の一方の手に装着可能で指部と中手部を有する手袋状の装着部材と、
前記装着部材の手背側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手背側アクチュエータと、
前記装着部材の手掌側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手掌側アクチュエータとを備え、
前記手掌側アクチュエータは、前記指部の先端手背側から指部両側部を通って前記指部の手掌側に配置され、指部の各関節相当位置での間隔が異なるように前記指部に沿って中手部まで配置された２つのワイヤーで構成されたワイヤー部と、前記ワイヤー部と連結し前記中手部に設けられたゴム人工筋とを備えることを特徴とする、動作支援装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記ワイヤー部は、前記指部の各関節相当位置での間隔が、前記指部の先端関節の相当位置で狭く、他の関節相当位置では前記指部の先端側から広狭の繰り返しとなるように設けられていることを特徴とする第１態様の動作支援装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記装着部材の指部は、５指独立に構成されており、
前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータは、各指部に対応して設けられていることを特徴とする、第１又は第２態様の動作支援装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記動作支援装置は、
装着された使用者の他方の手の指に沿って配置され指の屈曲を検出する曲げセンサを備えたセンサユニットと、
前記センサユニットが検知した指の屈伸に基づいて、前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータの動作制御を行う制御ユニットを備えたことを特徴とする、第１から第３態様のいずれか１つの動作支援装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、前記制御ユニットは、前記センサユニットが検知した指の屈伸の動作と同じ動作を行うように前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータの動作制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の動作支援装置。

本発明の第６態様によれば、さらに、前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータに空気を供給する空気圧源を備え、
前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータが空気圧式ゴム人工筋で構成され、
前記制御ユニットは、前記空気圧式ゴム人工筋の空気圧を制御することにより、手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータを動作させることを特徴とする第４又は第５態様の動作支援装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、さらに、前記指部の先端に発光器を備え、
前記制御ユニットは、前記センサユニットの検出に連動して前記発光器を発光させることを特徴とする、第４から第６態様のいずれか１つの動作支援装置を提供する。

本発明によれば、装着部材の指部に設けられている手掌側アクチュエータのワイヤー部を各関節相当位置で広狭を繰り返し行うことで、関節ごとにワイヤー部のワイヤーが三角形状に配置される。したがって、ゴム人工筋の収縮により直線的に引っ張られたワイヤー部に対して、使用者の指の関節に隣り合う２つの部位を、指部の幅方向側方から中央へあるいは中央から側方へ幅方向にぶれることなく、指の延在方向すなわちワイヤー部の延在方向に沿って、ぶれなく引っ張ることができる。したがって、比較的小さな外力でも損傷しやすい指の関節に無理な方向の力を及ぼすことなく、本来の指関節の屈曲方向に力を作用させることができる。よって、指関節の損傷を防止することができる。

また、指の屈伸を検出する曲げセンサを有するセンサユニットを健常側に装着することにより、当該健常側の手指の屈伸を検出して制御ユニットにより手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータの動作制御を行うことにより、麻痺側の筋肉に無意識のうちに筋力を発生させることができる。したがって、麻痺側の手指の神経ネットワークをも増強させ、リハビリ器具として効果である。

また、手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータに用いられるゴム人工筋を高圧空気源を用いて圧力により動作制御することにより、アクチュエータに加えられる付勢力を柔らかくし、手指にかかる負担を小さくすることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る動作支援装置について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の動作支援装置の実施形態にかかるパワーアシストグローブの構成を示す図である。図１に示したように、パワーアシストグローブ１は、センサユニット３、アクチュエータユニット２および制御ユニット４を備える。センサユニット３とアクチュエータユニット２は、使用者Ｍの両手にそれぞれ装着される。本実施形態では、使用者の左手にアクチュエータユニット２が、使用者の右手にセンサユニット３が装着されているが、それぞれ逆の手に装着するように構成されていてもよい。

このような構成とすることにより、パワーアシストグローブ１は、制御ユニット４が、センサユニット３に取り付けられたセンサ７によって装着された方の手指の動きを検知して、その動きを支援するように他方の対応する手指をアクチュエータユニット２のアクチュエータ５，６によって動作させることができる。

アクチュエータユニット２のアクチュエータは、手背側（いわゆる手の甲）に設けられる手背側アクチュエータ５と手掌側（いわゆる手のひら）に設けられる手掌側アクチュエータ６であり、後述するように、それぞれの付勢力を打ち消す方向に付勢力を与える。

このような構成とすることにより、パワーアシストグローブ１を用いれば、左右半身が麻痺したような使用者にとって、有効なリハビリを行うことができる。例えば、使用者の左腕が麻痺しているような場合、センサユニット３を麻痺してない健常な側の腕（右腕）に取り付け、アクチュエータユニット２を麻痺している側の腕（左腕）に取り付ける。

このような構成とすれば、使用者は、自らの健常な方の手指を動かすことで、制御ユニット４がセンサユニット３を通して自らの健常な手指の動きを検知し、その動きにもとづいて、アクチュエータユニット２によって、麻痺した側の対応する手指の筋肉の動作を支援することができる。すなわち、使用者は、パワーアシストグローブ１を用いて、健常な側の手指を見ながら、自らの両手の指を同じように動かそうとすることにより、回復のイメージを持ちながら、意欲を持って自らの麻痺した側の腕を動かしてリハビリすることができ、麻痺した神経ネットワークの再構築のためのリハビリとなる。このようなリハビリは、作業療法士等からの補助を受けることなく、使用者自らが、比較的長時間リハビリを行うことができるので、回復に要する時間を短縮することができ、半身麻痺の者に対して大変有効であることが、例えば、文献１（「脳にマラカスの雨が降る」、栗本慎一郎著、光文社刊、２０００年６月２６日発売）および文献２（「Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ−ｉｎｄｕｃｅｄｍｏｖｅｍｅｎｔｔｈｅｒａｐｙにより上肢機能が改善した脳卒中方麻痺の一例」、ＪｐｎＪＲｅｈａｂｉｌＭｅｄ、Ｖｏｌ４０，Ｎｏ１２，２００３）に示されている。

図２は、図１のパワーアシストグローブのセンサユニットの構成を示す外観図であり、右手に装着した状態を示している。

センサユニット３は、上記のように健常な方の手指に装着する手袋状の部材であるセンサ側装着部３１を備える。手袋状のセンサ側装着部３１は、五指独立に構成された指部３２と、指部を除いたいわゆる手の本体部分に相当する中手部３３とで構成される。

それぞれの指部３２には、手背側いわゆる手の甲側に指部の延在方向に沿って設けられた長板状の曲げセンサ３４が設けられている。センサ７としての曲げセンサ３４は、外力によってその形状が湾曲した場合に、その曲がりの程度を検出するセンサである。各指部３２の手背側に設けられた曲げセンサ３４は、指部の全ての関節（ＩＰ関節（ＤＩＰ関節、ＰＩＰ関節）、ＭＰ関節）に相当する部分をまたぐように設けられており、センサカバー３５によってセンサ側装着部３１に固定されている。したがって、センサユニット３を装着した使用者が、手指の屈伸運動を行うと、手指の動きに応じてセンサ側装着部３１の指部３２及び中手部３３が変形し、これに伴い、センサ側装着部３１に取り付けられている曲げセンサ３４が湾曲する。曲げセンサ３４からの出力信号は、ケーブル３６を介して出力され、制御ユニット４に送信される。

図３Ａから図３Ｃは、指部を伸ばした状態にある図１のパワーアシストグローブのアクチュエータユニット３の構成を示す図であり、図３Ａは、手背側から見た図、図３Ｂは手掌側から見た図、図３Ｃは側方から見た図をそれぞれ示している。

図４Ａ及び図４Ｂは、装着部１１の全ての指部１２を曲げた状態にあるアクチュエータユニット３を示しており、図４Ａは手背側から見た図、図４Ｂは手掌側から見た図である。

図３Ａから図３Ｃに示したように、アクチュエータユニット２は、上記のように麻痺側の手指Ｈに装着する手袋状の部材である。アクチュエータユニット２は、手袋状のアクチュエータ側装着部１１（以下、単に装着部と表記した場合は、アクチュエータ側装着部１１を意味する。）と、アクチュエータ側装着部１１の手背側に設けられた手背側アクチュエータ５及びアクチュエータ側装着部１１の手掌側に設けられた手掌側アクチュエータ６を備えている。

アクチュエータ側装着部１１は、５指独立に構成され使用者の指を収容する指部１２と、指部を除いたいわゆる手の本体部分を収容する中手部１３及び、後述する手背側アクチュエータ５及び手掌側アクチュエータ６の一部又は全部を被覆し隠蔽する被覆部材１４，１５，１６，１７とで構成される。

手背側アクチュエータ５及び手掌側アクチュエータ６は、それぞれ、各指部に対応して各５本の空気圧式ゴム人工筋１８，１９を備えている。これらのゴム人工筋は、各指部１２に対して、一対として配置されており、指部に屈伸方向双方の動きを付与するための部材である。ゴム人工筋１８およびゴム人工筋１９は、互いの生ずる力を打ち消すことができるような位置（以下、このような位置を「拮抗する位置」と記す）に配置されている。

ゴム人工筋１８，１９としては、図６に示すように、例えばマッキベン型の空気圧式ゴム人工筋とも呼ばれる、空気弁を有するシリンダ部とスリーブ部とを有するマッキベン型の空気圧アクチュエータを用いることができる。マッキベン型の空気圧アクチュエータを用いた場合には、エアチューブ２０に設けられている図示しない空気弁を開放して、高圧空気源からの圧力空気によりシリンダ部を加圧して膨張させて、網状に構成されたスリーブ部５１の作用によって、アクチュエータの全長が短くなる方向に力が作用する。シリンダ部内に充填される空気の圧力を調整することにより、アクチュエータの縮小の度合いを調整することができる。一方、シリンダ部を減圧するとシリンダ部の膨張が解除され、アクチュエータが元の長さに戻ることができる。ただしこの場合、アクチュエータの伸び方向には、力が作用することはない。

ゴム人工筋１８，１９の両端には、ゴム人工筋の伸縮の動作を外部に伝えるための接続部材５２が設けられており、この接続部材５２に後述するアクチュエータユニット３の所定部分を連結させてアクチュエータユニット３を駆動させる。

上記のように、ゴム人工筋１８およびゴム人工筋１９は、拮抗する位置に設けられているため、空気圧式ゴム人工筋を用いた場合の手指の屈伸双方向の動きを５指独立の手指部１２にそれぞれ付与することができる。また、ゴム人工筋１８およびゴム人工筋１９は、本来の長さに対して短くなる方向にのみ力が作用するため、一方のゴム人工筋が短くなる場合、他方のゴム人工筋は、一方のゴム人工筋に引っ張られて長く伸ばされることとなる。したがって、他方のゴム人工筋が本来の長さ以上に伸ばされることはなく、一方のゴム人工筋が過剰に短くなったとしても、２つのゴム人工筋の長さのバランスにより、手指部の変形を所定範囲内に抑えることができる。

したがって、例えば、アクチュエータとしてモータなどを使用し、１つのアクチュエータで手指の伸縮双方向に付勢力を付与する構成を採用した場合、モータなどの誤動作により手指の関節を本来の動きに対して無理な方向や力で駆動させることが問題となることがあるが、本実施形態の構成によれば、このような問題が発生することがない。

次に、手背側アクチュエータ５及び手掌側アクチュエータ６の装着部１１への取り付け構造について説明する。なお、上記のように手背側アクチュエータ５及び手掌側アクチュエータ６は、５指独立の指部１２にそれぞれ対応して設けられている。したがって、装着部１１、手背側アクチュエータ５及び手掌側アクチュエータ６を構成する各部材について、各指の構成を区別するときは、各部材の符号に親指はａ、人差し指はｂ、中指はｃ、薬指はｄ、小指はｅの枝番を付すこととする。

図５Ａは、アクチュエータユニットの中指の部分でのアクチュエータの構成を示す図、図５Ｂは、手背側アクチュエータのゴム人工筋の取り付け構造を示す図、図５Ｃは、手掌側アクチュエータのゴム人工筋の取り付け構造を示す図、図５Ｄは、中指の部分での手掌側アクチュエータのワイヤー部の取り付け構造を示す図である。

まず、手背側アクチュエータの取り付け構造について説明する。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、手背側アクチュエータ５を構成するゴム人工筋１８は、装着部の手背側の面に、装着部１１の指部１２の先端被覆部材１７と中手部１３との間を懸架するように取り付けられている。

先端被覆部材１７は、装着部１１の指部１２先端を覆うように設けられている樹脂などで構成されたキャップ状の部材であり、装着部１１の指部１２に対して、手背側に厚みを持たせて構成され、ゴム人工筋１８を挿入して固定できるようになっている。先端被覆部材１７の先端部には、それぞれＬＥＤで構成された発光部２９が設けられており、後述するように、制御ユニット４からの動作信号により、発光する。

手背側アクチュエータ５に用いられているゴム人工筋１８は、各指部１２に沿って設けられ、一端が先端被覆部材１７の内側に、他端が中手部１３の手背側表面に固定されており中間部分は装着部１１に固定されていない。各ゴム人工筋１８の自然長（シリンダ部の内部圧力が大気圧である状態）は、指部１２を最大限に屈曲させたとき、指部手背側表面に沿わせて配置できるような長さとすることが好ましい。したがって、装着部１１の初期形状、すなわち、人間の手に力を加えないときの形状である各指が手掌側に若干曲がった形状であるときは、手背側アクチュエータ５のゴム人工筋１８は、その中間部が装着部１１の手背側表面から浮き上がるように配置される。

手背側アクチュエータ５のゴム人工筋１８は、その中手側に位置する端部が手背側被覆部材１６によって被覆され、接続部及びエアチューブ２０が外部に露出することがない。

以上のようにゴム人工筋１８が配置された手背側アクチュエータ５によれば、ゴム人工筋１８のシリンダ部に圧縮空気を充填することでゴム人工筋１８を収縮させて、指を曲げた状態から伸ばした状態に動作支援することができる。

次に手掌側アクチュエータ６の取り付け構造について説明する。図５Ａ、図５Ｃ及び図５Ｄに示すように、手掌側アクチュエータ６は、装着部の手掌背側の面に、装着部１１の指部１２の先端から中手部１３に沿って設けられたワイヤー部２１と、前記ワイヤー部２１に接続されたゴム人工筋１９とを備えている。

ワイヤー部は、一本のワイヤーを中間部分で折り曲げて環状としたワイヤーで構成されている。中間部分で折り曲げられた端部を構成する２本のワイヤーは、指部の手背側表面から指部先端の両側部２８を通って指部の手掌側に巻き回される。ワイヤー部２１は、指部１２手掌側表面の各関節相当位置に設けられたガイド部材２２，２３，２４及び、中手部手掌側表面に設けられたガイド部材２５によりガイドされる。また、指部１２に設けられているガイド部材２２，２３，２４は、各関節相当位置での間隔が異なるように広狭を繰り返すように設けられる。なお、中手部のガイド部材２５の間隔は広狭を繰り返すように設けられていなくてもよい。

具体的には、親指指部１２ａのＩＰ関節（図示なし）及び他の指の指部のＤＩＰ関節６１相当位置に設けられている第１ガイド２２は、指部幅方向中央位置に１箇所設けられ、巻き回されたワイヤー部を挿通する。また、親指指部１２ａのＭＰ関節（図示なし）及び他の指の指部１２のＰＩＰ関節６２相当位置に設けられている第２ガイド２３は、指部幅方向に離れて設けられ、２本のワイヤーをそれぞれ挿通する。また、親指指部１２ａの中手指関節（図示なし）及び他の指の指部１２のＭＰ関節６３相当位置に設けられている第３ガイド２４は、指部幅方向中央位置に１箇所設けられ、巻き回された２本のワイヤーを挿通する。

中手部に設けられているガイドは、第３ガイドを挿通したワイヤー間の間隔を異ならせることなく、ゴム人工筋１９へ案内する。

このように、指部１２に設けられているガイド部の広狭を繰り返し行うことで、関節ごとにワイヤー部のワイヤーが三角形状に配置される。したがって、ゴム人工筋１９の収縮により直線的に引っ張られたワイヤー部２１に対して、使用者の指Ｆの関節を挟む２つの部位を図５Ｄの矢印に示すように、側方から中央へあるいは中央から側方へ幅方向にぶれることなく、指の延在方向すなわちワイヤー部２１の延在方向に沿って、ぶれなく引っ張ることができる。したがって、比較的小さな外力でも損傷しやすい指の関節に無理な方向の力を及ぼすことなく、本来の指関節の屈曲方向に力を作用させることができる。よって、指関節の損傷を防止することができる。

なお、親指指部１２ａについては、図５Ｃに示すように、ワイヤー部２１ａは、中手部１３において小指側へ巻き回されるように案内される。これは、人間の親指は、ＭＰ関節において指の延在方向に曲がるように構成されておらず、小指の方向に曲がるように構成されているためであり、親指のワイヤー部のみをかかる配置とすることにより、人間の親指関節の自然な動作を実現することができる。

手掌側アクチュエータ６に用いられているゴム人工筋１９及びワイヤー部２１は、その合計の自然長（シリンダ部の内部圧力が大気圧である状態）は、指部１２を最大限に親展させたとき、指部手掌側表面に沿うような長さとすることが好ましい。したがって、装着部１１の初期形状、すなわち、人間の手に力を加えないときの形状である各指が手掌側に若干曲がった形状であるときは、手背側アクチュエータ５のゴム人工筋１９あるいはワイヤー部２１には若干の余長が存在する。

手掌側アクチュエータ６のワイヤー部２１は、指部被覆部材１４によって被覆され、外部からワイヤー部に接触できないように構成されている。また、中手部１３では、手掌側被覆部材１５によってワイヤー部２１及びゴム人工筋１９がそれぞれ被覆され、ワイヤー部２１、ゴム人工筋１９及びエアチューブ２０が外部に露出しないように構成されている。

以上のようにワイヤー部２１及びゴム人工筋１９が配置された手掌側アクチュエータ６によれば、ゴム人工筋１９のシリンダ部に圧縮空気を充填することでゴム人工筋１９を収縮させて、ワイヤー部を幅方向にぶれなく引っ張ることにより、指を伸ばした状態から曲げた状態に動作支援することができる。

次に、パワーアシストグローブ１の動作制御について説明する。図８は、本発明の第１の実施の形態におけるパワーアシストグローブ１の機能ブロック図である。図８に示したように、パワーアシストグローブ１において、センサユニット３の曲げセンサ３４（３４ａ〜３４ｅ）は、それぞれ制御ユニット４に接続されている。また、制御ユニット４は、曲げセンサ３４それぞれの出力を検知して、使用者がいかなる動きをしようとしているのかを判定し、その結果にもとづいて、空気圧源８に接続されたゴム人工筋１８，１９に対応するそれぞれの空気弁を開閉制御して空気圧を変化させることにより、アクチュエータユニット２のゴム人工筋１８，１９それぞれを動作させ、使用者の所望の部位に対して、所望の方向および所望の力で動作支援を行うことができる。

次に、パワーアシストグローブ１による使用者の動作支援方法についてさらに詳細に説明する。図７は、パワーアシストグローブ１が使用者の動作支援を行う際の動作ステップを示すフローチャートである。

まず、図６に示したように、パワーアシストグローブ１の制御ユニット４が、曲げセンサ３４からの出力検知を開始する（＃１）。

ステップＳ２において、制御ユニット４が曲げセンサ３４からの出力を検知した場合には、制御ユニット４は、その出力から、使用者がどの手指をどのような方向に動作させようとしているのかを判定する（＃２）。曲げセンサ３４は、伸展状態、中間状態、曲げ状態の３つのレベルでその形状変化を検出することができ、それぞれの形状に応じた出力信号を出力している。制御ユニット４は、どの曲げセンサがどのような形状を示す出力信号を出力しているかを検出することにより、使用者がどの手指をどのような方向に動作させようとしているのかを判定することができる。

次に、制御ユニット４は、前述のように、形状を検出した曲げセンサ３４に対応する指部１２に付されているゴム人工筋１８，１９の空気弁を開閉制御することによって、ゴム人工筋１８，１９それぞれに所望の動作をさせる（＃３）。そして、制御ユニット４は、ステップＳ２に戻り、再度曲げセンサ３４の検知を開始する。

例えば、ステップ＃２において、制御ユニット４が、曲げセンサ３４の出力を検知して、使用者が「指関節の屈曲」をしようとしていると判定した場合には、制御ユニット４は、手背側ゴム人工筋１８および手掌側ゴム人工筋１９の空気弁を制御して、それぞれのシリンダ内部の圧力を調整することにより、手掌側ゴム人工筋１９を伸縮させて引っ張り方向の付勢力を付与するとともに、手背側ゴム人工筋１８の付勢力を解除することにより、使用者の指関節の屈曲を補助する力を加えることができる。

図９は、本発明の第１の実施の形態におけるパワーアシストグローブ１の制御ユニット４の機能について説明するための図である。図９においては、一例として、上側に指を伸展状態から曲げ状態に動作させるときの使用者の指の動きについてのグラフを示し、下側に、そのときに曲げセンサ３４が検出する曲げレベルの大きさについてのグラフを示す。横軸に時間ｔをとって示している。

例えば、指の屈曲に伴い曲げセンサ３４の変形が開始される。時刻Ｔ１において曲げセンサ３４が所定の閾値を超えて曲げレベル１から曲げレベル２へ変化したとき、その出力信号を発信する。制御ユニット４はこの出力信号を検出すると、ゴム人工筋１８およびゴム人工筋１９それぞれのシリンダ部の圧力が所定値となるように空気弁を制御する。これによって、使用者の特定の指に対して、収縮方向の付勢力Ｐ２を付与することができる。なお、制御ユニット４は、ある特定の指が曲げられていることを検出した場合、その特定の指に対応するアクチュエータユニット２の発光部２９のＬＥＤを発光させるように制御することもできる。

ここで、制御ユニット４は、センサ３４によって検出された力が所定の閾値を超えたタイミング（時刻Ｔ１）と、必ずしも同時にゴム人工筋１８，１９の圧力制御を開始する必要はない。ゴム人工筋１８，１９の圧力制御を開始するタイミングに、多少の遅れが生じた方が、使用者のリハビリに好結果を与える場合もあるので、この遅れ量を調整可能としておくことが望ましい。例えば、この遅れ量を調整するためのスイッチやダイヤル等の調整部を制御ユニット４に設けておき、調整部を使用者に操作させることによって、使用者のリハビリにもっとも効果を奏するように状態で動作支援することが可能となる。

なお、各曲げセンサの曲げレベル（大きい方が曲がりの程度が大きい。）と、手背側アクチュエータ５のゴム人工筋１８及び手掌側アクチュエータ６のゴム人工筋１９に対して設定される圧力レベルは、下記の表１の通りである。ここで、圧力レベルは、数字が大きくなるほど高圧であることを示し、圧力レベル１は、バルブが開放され、シリンダ内が大気圧とほぼ等しい状態であることを示している。

すなわち、パワーアシストグローブの電源ＯＦＦの状態では、手掌側及び手背側のアクチュエータの圧力レベルは共に１であり、アクチュエータユニット２には、アクチュエータの付勢力が加わらない。このため、アクチュエータユニット２の装着が容易である。そして、使用者がアクチュエータユニット２及びセンサユニット３を装着し、電源を入れると、そのセンサ曲げレベルに応じて手掌側及び手背側のアクチュエータに圧縮空気が送り込まれ、アクチュエータによる付勢力が作用する。センサ曲げレベル１のときは、ほぼ指が伸びている状態（初期形状）であり、このとき、手背側のアクチュエータは圧力レベル３であり、手掌側アクチュエータの圧力レベルは１（付勢力が作用しない）となっている。すなわち、手背側のアクチュエータにより、指部は伸ばす方向に引っ張られ、手掌側アクチュエータにより指部の伸ばし量に規制がかけられる。

また、センサ曲げレベルが大きくなるにつれて、手背側アクチュエータは圧力が減少し、手掌側アクチュエータの圧力が大きくなる。これに伴い、手掌側アクチュエータが短くなりワイヤー部により指部が引っ張られて曲げる方向に付勢力を作用させるとともに、手背側アクチュエータにより指部の曲げ量に規制がかけられる。

このように、パワーアシストグローブ１は、手背側ゴム人工筋１８および手掌側ゴム人工筋１９を同時に収縮及び解放させることにより、使用者の手指関節の動作をよりスムーズに行うことができる。また、手背側ゴム人工筋１８および手掌側ゴム人工筋１９は、収縮方向にのみ付勢力が及ぶ一方、拮抗する側のゴム人工筋が過剰な変形を防止するように機能するため、手指の関節を本来の動きに対して無理な方向や力で駆動させることがない。例えば、手指を伸ばそうとする場合、手背側ゴム人工筋１８が収縮して指を伸ばす向きに付勢力を発揮する一方、手掌側ゴム人工筋１９が所定の長さ以上に伸びないため、手背側ゴム人工筋１８の収縮により手指を過剰に伸ばそうとすることはできなくなる。

以上のように、使用者は、センサユニットを装着している自らの健常な方の手指を動かすことで、制御ユニット４がセンサユニット３を通して自らの健常な手指の動きを検知し、その動きにもとづいて、アクチュエータユニット２によって、麻痺した側の手指の対応する筋肉の動作を支援することができる。すなわち、使用者は、パワーアシストグローブ１を用いて、健常な側の手指を見ながら、自らの両手の指を同じように動かそうとすることにより、回復のイメージを持ちながら、意欲を持って自らの麻痺した側の腕を動かしてリハビリすることができる。

なお、上記のように発光部２９の発光のタイミングを曲げセンサ３４による曲げを検出した場合とする以外に、他のタイミングで発光させるようにしてもよい。例えば、動作のリハビリをするために動作させる対象である指に設けられた発光部２９を発光させ、その発光を合図として指のリハビリを行わせるようにしてもよい。

また、パワーアシストグローブ１においては、アクチュエータとして、柔らかい空気圧式のゴム人工筋を使用しているので、使用者が痛みを感じにくいという効果がある。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

例えば、アクチュエータユニット２及びセンサユニット３の装着部は、５指独立で構成されているが、必ずしも５指独立でなくてもよい。例えば、ミトンのように親指と残りの指を分けるような構成としてもよい。

パワーアシストグローブ１においては、健常な側の腕にセンサユニット３を装着し、麻痺した側の腕にアクチュエータユニット２を装着した例を示したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、前述の構成に加えて、さらに、麻痺した側の腕にもセンサを装着して、制御ユニット４が麻痺した側の腕の筋肉の動きを検知することによって、使用者の筋力の回復度合いを測定することも可能である。

さらにこのとき、制御ユニット４は、使用者の筋力の回復度合いを測定して、その結果に応じて、動作支援する量を変化させる（例えば、筋力が回復するほど、支援量を減らす）ことにより、より効果的なリハビリが可能である。

また、センサユニット３の装着される側の腕に、グリップ等を握らせておいて、グリップに圧力センサ等を設けることにより、使用者の握力を検知して、その握力の変化によって、安全スイッチが働くような構成としておけば（例えば、握力が低下した場合には、安全スイッチを働かせて、装置をオフにする）、安全性に優れた構成が実現できるとともに、力のこもった状態の腕の方が、手指の形状のセンシングがしやすいので、より効果的なリハビリが可能となる。

また、上記実施形態では、曲げセンサ３４は、３段階に曲げレベルを検出するように構成されているが、これに限定されるものではなく、多段階又は無段階に検出するようにしてもよい。なお、曲げセンサ３４の検出段数に応じて、手背側ゴム人工筋１８および手掌側ゴム人工筋１９の圧力レベルの調整段数を多くすることが好ましい。

本発明の動作支援装置の実施形態にかかるパワーアシストグローブの構成を示す図である。図１のパワーアシストグローブのセンサユニットの構成を示す外観図であり、右手に装着した状態を示している指部を伸ばした状態にある図１のパワーアシストグローブのアクチュエータユニットを手背側から見た構成図である。図３Ａのアクチュエータユニットを手掌側から見た構成図である。図３Ａのアクチュエータユニットを側方から見た構成図である。指部を曲げた状態にある図１のパワーアシストグローブのアクチュエータユニットを手背側から見た構成図である。図４Ａのアクチュエータユニットを側方から見た構成図である。アクチュエータユニットの中指の部分でのアクチュエータの構成を示す図である。手背側アクチュエータのゴム人工筋の取り付け構造を示す図である。手掌側アクチュエータのゴム人工筋の取り付け構造を示す図である。中指の部分での手掌側アクチュエータのワイヤー部の取り付け構造を示す図である。図１のパワーアシストグローブに用いられる空気圧式ゴム人工筋の外観構成を示す図である。パワーアシストグローブが使用者の動作支援を行う際の動作ステップを示すフローチャートである。本発明の第１の実施の形態におけるパワーアシストグローブ１の機能ブロック図である。本発明の第１の実施の形態におけるパワーアシストグローブ１の制御ユニットの機能について説明するための図である。

符号の説明

１パワーアシストグローブ
２アクチュエータユニット
３センサユニット
４制御ユニット
５手背側アクチュエータ
６手掌側アクチュエータ
７センサ
８空気圧源
１１アクチュエータ側装着部
１２指部
１３中手部
１４指部被覆部材
１５手掌側被覆部材
１６手背側被覆部材
１７先端被覆部材
１８手背側ゴム人工筋
１９手掌側ゴム人工筋
２０エアチューブ
２１ワイヤー部
２２，２３，２４指部ガイド部材
２５中手部ガイド部材
２９発光部
３１センサ側装着部
３２指部
３３中手部
３４曲げセンサ
３５センサカバー
３６ケーブル

Claims

使用者の一方の手に装着可能で指部と中手部を有する手袋状の装着部材と、
前記装着部材の手背側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手背側アクチュエータと、
前記装着部材の手掌側に指部の先端と中手部との間に懸架される伸縮自在な手掌側アクチュエータとを備え、
前記手掌側アクチュエータは、前記指部の先端手背側から指部両側部を通って前記指部の手掌側に配置され、指部の各関節相当位置での間隔が異なるように前記指部に沿って中手部まで配置された２つのワイヤーで構成されたワイヤー部と、前記ワイヤー部と連結し前記中手部に設けられたゴム人工筋とを備えることを特徴とする、動作支援装置。
前記ワイヤー部は、前記指部の各関節相当位置での間隔が、前記指部の先端関節の相当位置で狭く、他の関節相当位置では前記指部の先端側から広狭の繰り返しとなるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の動作支援装置。
前記装着部材の指部は、５指独立に構成されており、
前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータは、各指部に対応して設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の動作支援装置。
前記動作支援装置は、
装着された使用者の他方の手の指に沿って配置され指の屈曲を検出する曲げセンサを備えたセンサユニットと、
前記センサユニットが検知した指の屈伸に基づいて、前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータの動作制御を行う制御ユニットを備えたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の動作支援装置。
前記制御ユニットは、前記センサユニットが検知した指の屈伸の動作と同じ動作を行うように前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータの動作制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の動作支援装置。
さらに、前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータに空気を供給する空気圧源を備え、
前記手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータが空気圧式ゴム人工筋で構成され、
前記制御ユニットは、前記空気圧式ゴム人工筋の空気圧を制御することにより、手背側アクチュエータ及び手掌側アクチュエータを動作させることを特徴とする請求項４又は５に記載の動作支援装置。
さらに、前記指部の先端に発光器を備え、
前記制御ユニットは、前記センサユニットの検出に連動して前記発光器を発光させることを特徴とする、請求項４から６のいずれか１つに記載の動作支援装置。