JP2010069174A - 義肢用アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数組のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置し、組立の作業性、外観等に優れたコンパクトな義肢用アクチュエータを提供する。
【解決手段】義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケース８０の周方向に沿って複数のねじれ紐アクチュエータが配列され、それぞれのねじれ紐アクチュエータを構成する駆動機構部２０、ねじれ紐１及びスライド部材３２がケース８０内に収容されている。ケース８０は、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状部材８１と、その外周面を覆う薄板状のカバー部材８２とからなり、厚板状部材８１の外周面側に駆動機構部２０、ねじれ紐１及びスライド部材３２が収容される凹部８１１、８１２が形成されている。
【選択図】図８

Description

本発明は、モータ駆動義肢、ロボットハンド等に応用可能な義肢用アクチュエータに関し、詳しくは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐とモータを含むねじれ紐アクチュエータを複数組使用した義肢用アクチュエータに関する。

従来、ワイヤとモータを用いたアクチュエータ（以下、ワイヤ式アクチュエータという）として、例えば特許文献１又は２に記載されているようなものが知られている。図１１に、ワイヤ又は紐（以下、単に紐という）とモータを用いた指関節用のワイヤ式アクチュエータの従来技術に係る基本的な構造を示す。

図１１に示すワイヤ式アクチュエータでは、モータ１０１の回転軸１０１ａに減速機を介してプーリーのような回転体１０２が接続されている。あるいは、減速機内蔵型モータ１０１の回転軸１０１ａに回転体１０２が直接接続されている。回転体１０２の径方向に対向する２箇所に紐１０３、１０４が１本ずつ接続され、それぞれの紐１０３、１０４の他端は指関節１０５に接続されている。

モータ１０１の回転軸１０１ａが回転すると、回転体１０２がゆっくり回転し、２本の紐１０３、１０４が互いに逆方向に駆動される。つまり、一方は引っ張られ、他方は緩められる。その結果、指関節１０５は軸心ＡＸを中心として回転駆動される。

多くの関節を有するモータ駆動義肢やロボットハンド等に上記のようなワイヤ式アクチュエータを使用する場合は各関節に１つのモータが必要であり、装置全体の重量を抑えるためには小型モータ又は超小型モータを使用する必要がある。他方、モータ駆動義肢やロボットハンド等に要求される一定以上の把持力を確保するためには、モータ及び減速機を含む駆動系に最低限必要な出力トルクが要求される。

小さなモータであっても減速機を使用することによって大きなトルクを得ることが可能となるが、減速機それ自体が装置の重量を増加させるので、例えば義肢（ハンド）の先端部分が重くなってしまう問題が生ずる。さらに、減速機を組み込むスペースが必要であるので、小形軽量のモータ駆動義肢やロボットハンドを実現することが困難になる。

また、複数段の減速ギアが組み込まれたギア式の減速機を用いる場合は、その重量及びスペースの問題に加えて、ギアが回転する際にギア同士の噛合部で発生する騒音の問題もある。

このような問題を解決し得るワイヤ式アクチュエータとして、本出願人は先に、ねじれ紐アクチュエータに関する発明の特許出願を行った（特許文献３）。このねじれ紐アクチュエータでは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐の基端側がモータを含む駆動機構部に接続され、ねじれ紐の先端側がスライド部材を介して駆動対象物に接続されている。駆動機構部の作動に伴って、ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐の長さが伸縮するので、その結果、駆動対象物が駆動される。

このようなねじれ紐アクチュエータを２個１組として、複数の関節のうちの１つを駆動するように構成することができる。この場合、モータ駆動義肢やロボットハンド等の各指に少なくとも１個の関節が必要であり、きめ細かい動作を可能にするためには各指に２個の関節が必要である。例えば、親指に３個の関節、他の４本の指に２個の関節、手首に２個の関節を設ける場合は、合計１３個の関節が必要となる。したがって、１３組のねじれ紐アクチュエータが必要になる。

１組のねじれ紐アクチュエータは１個の駆動機構部と、その２本の出力軸にそれぞれ接続された２本のねじれ紐と、その先端側に接続された２個のスライド部材と、各スライド部材と駆動対象物である関節との間に接続される２本のワイヤとを備えている。例えば、義肢を構成する腕部又は脚部の周りに、上記のような複数組のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置することが求められる。
特開平０６−００８１７８号公報 特開平０７−０９６４８５号公報 特開２００８−７９３７１号公報

本発明は、上記のような従来の課題に鑑み、複数組のねじれ紐アクチュエータを空間的に効率よく配置し、組立の作業性、外観等に優れたコンパクトな義肢用アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明による義肢用アクチュエータは、２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐と、当該ねじれ紐の基端側に接続された回転出力軸を有する駆動機構部と、前記ねじれ紐の先端側に接続されて前記ねじれ紐の長手方向のスライド運動のみが許容されるスライド部材と、当該スライド部材と駆動対象物である関節との間に接続されるワイヤとを備え、前記駆動機構部の回転出力軸が回転すると前記ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれ状態の変化によって前記ねじれ紐の長さが変化し、その結果、前記スライド部材が前記ねじれ紐の長手方向に変位し、当該変位が前記ワイヤを介して前記駆動対象物に伝達されるように構成されたねじれ紐アクチュエータが、２個１組として複数の関節のうちの１つを駆動する義肢用アクチュエータであって、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケースの周方向に沿って前記複数のねじれ紐アクチュエータが配列され、それぞれのねじれ紐アクチュエータを構成する前記駆動機構部、前記ねじれ紐及び前記スライド部材が前記ケース内に収容されていることを特徴とする（請求項１）。

このような構造によれば、義肢用アクチュエータを構成する複数組のねじれ紐アクチュエータの主要部が、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケースの中に効率よく収容されるので、組立の作業性、外観等に優れたコンパクトな義肢用アクチュエータを提供することができる。

好ましい実施形態において、前記２個１組のねじれ紐アクチュエータを構成する２個の前記スライド部材が、前記ケースの周方向に沿って並ぶように配置されている（請求項２）。義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケースの径方向（厚み方向）ではなく、周方向にスライド部材が並ぶように配置することにより、各組のねじれ紐アクチュエータの厚み方向の寸法を抑えて、ケースの中に収容することが容易になる。

この場合に、前記ねじれ紐にアウターチューブが被せられていることが好ましく（請求項３）、これにより、ねじれ紐同士、又は、ねじれ紐と他の部材との接触を防止し、ねじれ紐アクチュエータの円滑な作動を確保することができる。さらに好ましくは、前記アウターチューブは、前記ねじれ紐のねじれ状態の変化に干渉しにくい材料で形成されている（請求項４）。例えば、表面摩擦係数の小さいフッ素樹脂やシリコーン樹脂で形成されることが好ましく、これにより、アウターチューブ内でねじれ紐が円滑に伸縮することができる。

別の好ましい実施形態において、前記駆動機構部を構成するモータがインナーロータ型であり、そのステータ部が前記ケースに直接固定されている（請求項５）。このような構成によれば、義肢用アクチュエータのケースがモータケースを兼ねているので、ロータ及びステータがモータケース内に組み込まれたモータを義肢用アクチュエータのケースに組み込む場合に比べて、モータケースが不要になる分だけ部品点数が少なくなると共に、実装密度を高くしてコンパクトな義肢用アクチュエータを実現することが可能となる。

更に別の好ましい実施形態として、前記ケースは、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状部材と、その外周面を覆う薄板状のカバー部材とからなり、前記厚板状部材の外周面側に前記ねじれ紐アクチュエータを構成する前記駆動機構部、前記ねじれ紐及び前記スライド部材が収容される凹部が形成されている（請求項６）。このような具体構造によれば、組立の作業性、外観等に優れたコンパクトな義肢用アクチュエータを提供することができる。

上記のように、本発明によれば、義肢用アクチュエータを構成する複数組のねじれ紐アクチュエータの主要部が、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケースの中に効率よく収容されるので、組立の作業性、外観等に優れたコンパクトな義肢用アクチュエータを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の義肢用アクチュエータを構成するねじれ紐アクチュエータの概念を示す模式図である。図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すねじれ紐アクチュエータは、２本の紐１１、１２を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐１とモータ２とを用いて構成される。図１（Ａ）は２本の紐１１、１２のねじれ合わせが緩められて２本の平行な紐になった状態を模式的に示しており、図１（Ｂ）は２本の紐１１、１２が互いにねじれ合わされた状態を模式的に示している。ねじれ紐１、すなわち２本の紐１１、１２の一端側は駆動対象物ＯＢに接続（固定）され、他端側はモータ２の回転軸２１に接続（固定）されている。

図１（Ａ）に示す状態でのねじれ紐１の長さをＬとし、この状態からモータ２の回転軸２１が回転して、図１（Ｂ）に示すように、ねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２が互いにねじれ合わされた状態になると、ねじれ紐１の長さはＬ−ΔＬとなる。つまり、２本の紐１１、１２がねじれ合わされることにより、ねじれ紐１の長さがΔＬだけ短縮される。その結果、駆動対象物ＯＢには、ねじれ紐１の張力によってモータ２へ引き寄せられる方向（右方向）の駆動力Ｆが働く。したがって、ねじれ紐１は、そのねじれ方向の回転運動（モータ２の回転力）を長さ方向の直線運動（張力）に変換する機能を有することになる。

また、図１（Ｂ）の状態からモータ２の回転軸２１が上記と逆方向に回転すると、ねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２のねじれが緩められる。このとき、図１には示していないが、引っ張りバネのような付勢手段で物体ＯＢが左方向に付勢されていると仮定すると、その付勢力によって物体ＯＢはモータ２から遠ざかる方向（左方向）へ移動し、ねじれ紐１の長さが伸張する。２本の紐１１、１２のねじれ合わせが緩められて２本の平行な紐になった図１（Ａ）の状態で、ねじれ紐１の長さが最も長い値（Ｌ）になることが分かる。

したがって、２本の紐１１、１２を互いに緩くねじり合わせた構造のねじれ紐１とモータ２とを用いた上記のねじれ紐アクチュエータによれば、モータ２の回転軸２１の回転方向に応じてねじれ紐１を構成する２本の紐１１、１２のねじれが強められ、又は緩められることにより、ねじれ紐１の長さが短縮され、又は伸張され、その結果、駆動対象物ＯＢを所定の範囲内で駆動することが可能である。

ねじれ紐１は減速機構を含む動力伝達手段として機能するので、多段ギア等を用いた減速機が不要となり、装置全体の小型化、軽量化に大きく貢献することができる。また、多段ギア等を用いた減速機で発生するような騒音の発生が無く、静音アクチュエータを実現することができる。また、一般にねじれ紐は多段ギア等を用いた減速機に比べて安価であるので、アクチュエータのコスト低減が可能になる。

さらに、ねじれ紐１のねじれ方向の回転運動と長さ方向の直線運動との間にある程度の柔軟性（フレキシビリティ）及び弾性が存在するので、バネやエアシリンダ等の弾性付勢手段を用いなくても、いわゆるソフトアクチュエータを実現することが可能である。これにより、例えば人の手のようなコンプライアンス機能を容易に実現することが可能になる。

図２は、２個１組のねじれ紐アクチュエータを用いて指関節を駆動する適用例を示す模式図である。この模式図では、軸心ＡＸを中心として回転可能な指関節ＦＪが駆動対象物に相当する。図２に示すように、駆動対象物としての指関節ＦＪの駆動方向及び駆動範囲を規制するために、スライドガイド３１に沿って所定範囲内で移動可能なスライド部材３２が設けられ、ねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介して指関節ＦＪに接続されている。

ねじれ紐１及びスライド部材３２を含むねじれ紐アクチュエータが２個設けられ、指関節ＦＪの軸心ＡＸを挟んで対向する２箇所Ｐ１及びＰ２に、２個のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介してそれぞれ接続されている。

図２の構成では、スライドガイド３１及びスライド部材３２によって、駆動対象物である指関節ＦＪの駆動方向及び駆動範囲を容易に規制することができる。また、モータ２と指関節ＦＪとの距離や方向に関する設計上のフレキシビリティを確保することができるので、アクチュエータが実装されるスペースの制限に対応することが容易になると共に、スペースの有効活用が可能になる。図２では、指関節ＦＪの駆動方向とモータ２の回転軸２１の軸心方向とがほぼ一致しているが、例えばプーリー等を用いて柔軟なねじれ紐１を曲げることにより、両者の方向が９０度異なるように構成することも可能である。また、指関節ＦＪとモータ２とを互いに近づけたり、離したりすることも可能である。

また、２個のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１を互いに逆方向に駆動することにより、例えば図２に示すように、上側のねじれ紐１を短縮させる方向に駆動し、かつ、下側のねじれ紐１を伸張させる方向に駆動する。これにより、指関節ＦＪを容易かつ正確に駆動することができる。図２に示す構成では、２個のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１が個別のモータ２によって駆動されている。この構成では、２個のモータ２を同期させて駆動制御することが必要である。また、一方のモータ２のみが動作することを防ぐインターロック回路を設けることが好ましい。そのような制御や回路を簡素化するために、後述するように、１個のモータを用いて２個のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１を同時に駆動するように構成してもよい。

図３は、図２に示したねじれ紐アクチュエータの複数指関節への適用例を示す模式図である。２個の指関節ＦＪ１及びＦＪ２が軸心ＡＸ１で枢支連結された状態が示されている。指関節ＦＪ１は軸心ＡＸ１を中心として回転可能であり、指関節ＦＪ２は軸心ＡＸ２を中心として回転可能である。図３では省略しているが、指関節ＦＪ２についても、指関節ＦＪ１と同様に、ねじれ紐１及びスライド部材３２を含むねじれ紐アクチュエータが２個１組として設けられ、軸心ＡＸ２を挟んで対向する２箇所に、２個のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１の一端側がスライド部材３２を介してそれぞれ接続されるように構成されている。このように、１関節に対して２本のねじれ紐１が使用され、ｎ関節の場合は２ｎ本のねじれ紐１が使用されることになる。

図４は、１個のモータで２個のねじれ紐を同時に駆動する構成例を示す模式図である。この構成例は、図２又は図３に示した２個１組のねじれ紐アクチュエータを構成する２個のモータ２を１個のモータ２で置き換えたものに相当する。すなわち、２個１組のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１の他端側（モータ側）が、モータ２の回転軸２１に接続された動力伝達機構４の互いに異なる２本の出力軸４１、４２に接続されている。モータ２の回転軸２１が回転すると、上側の第１出力軸４１はそれに接続されたねじれ紐１のねじれを強める方向に回転し、かつ、下側の第２出力軸４２はそれに接続されたねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように構成されている。

この構成では、１個の指関節ＦＪ１について２個１組のねじれ紐アクチュエータを使用しながら、１個のモータ２でそれらを同時に駆動するので、２個のモータで個別に駆動する場合に比べて、駆動制御が簡単になる。また、指関節ＦＪ１の迅速な駆動が可能になる。

図４に示した構成では、動力伝達機構４として、１個のピニオンギア４３及び２個の平ギア４４、４５を用いた減速反転機構が使用されている。ピニオンギア４３はモータ２の回転軸２１に固定され、上側の平ギア４４は上側のねじれ紐１が接続された第１出力軸４１に固定され、下側の平ギア４５は、下側のねじれ紐１が接続された第２出力軸４２に固定されている。上側の平ギア４４と下側の平ギア４５は同一方向（共にピニオンギア４３と反対方向）に回転するので、２個１組のねじれ紐アクチュエータのねじれ紐１のねじれ方向を互いに逆の方向にしておく必要がある。

つまり、モータ２の回転軸２１が回転すると、第１出力軸４１と第２出力軸４２は同一方向（共にモータ２の回転軸２１と逆方向）に回転するが、２本のねじれ紐１のねじれ方向が互いに逆の方向であるので、例えば図４に示すように、上側のねじれ紐１はねじれを強める方向（長さが短縮する方向）に駆動され、下側のねじれ紐１はねじれを緩める方向（長さが伸張する方向）に駆動される。

動力伝達機構４を構成するギアの数や組合せを変えることにより、２本の出力軸４１、４２の回転方向が互いに逆方向になるように動力伝達機構４を構成し、上下２本のねじれ紐１のねじれ方向が互いに同一方向になるようにしてもよい。要するに、モータ２の回転軸２１が回転したときに、第１出力軸４１及び第２出力軸４２の一方はねじれ紐１のねじれを強める方向に回転し、他方はねじれ紐のねじれを緩める方向に回転するように、動力伝達機構４及びねじれ紐１を構成すればよい。但し、第１出力軸４１と第２出力軸４２の出力トルクが等しくなるように、あるいは両者のバランスがとれるように、動力伝達機構４を構成することが望ましい。

また、ギア同士の噛合部における騒音の発生を回避するために、ギアに代えて、接触面の摩擦力で動力を伝達する複数のローラ、あるいはローラ及びベルトを用いて動力伝達機構４を構成してもよい。また、モータ２として、ＤＣブラシレスモータを使用することにより、モータ２から発生する騒音を低減することも望ましい。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、義肢用アクチュエータを構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの駆動機構部の構成を示す平面図及び断面図である。駆動機構部２０は、上述の動力伝達機構（以下ギアボックスという）４とモータ２が一体に結合したものに相当する。ギアボックス４は、基端側プレート４６、先端側プレート４７及び側面プレート４８からなる略円筒形状のケースを有し、その内部に上述のピニオンギア４３及び平ギア４４、４５等が収容されている。

ギアボックス４の基端側プレート４６の中央部には、モータ２の回転軸２１とそれに固定されたピニオンギア４３とが挿通される貫通孔が形成され、その周囲の外側面（下面）にはモータ２のケース先端部を受け入れる段状凹部が形成されている。基端側プレート４６の段状凹部とモータ２のケース先端部とが嵌入、接着、ねじ止め等の手段によって互いに固定される。なお、略円筒形状のモータ２のケースはギアボックス４の略円筒形状のケースと外径がほぼ等しく、両者が一体に結合されて略円筒形状の外形を有する駆動機構部２０が構成される。

また、基端側プレート４６の内側面（上面）には、その中心の貫通孔から所定距離を隔てた両側に、平ギア４４、４５を回転自在に支持するための固定軸部材４９が２本立設されている。平ギア４４、４５の上下には筒状部４４１、４５１が一体に設けられ、その中心部に固定軸部材４９に外嵌するスリーブ軸受が設けられている。これにより、平ギア４４、４５は固定軸部材４９に支持されて遊転することができる。また、平ギア４４、４５はピニオンギア４３に螺合し、モータ２の回転軸２１の回転に伴って回転駆動される。

平ギア４４、４５の上部の中央部から上方（先端側）に向かって突出するように、出力軸４１、４２がそれぞれ一体に設けられ、ギアボックス４の先端側プレート４７には出力軸４１、４２が挿通される２個の貫通孔が形成されている。なお、出力軸４１（４２）、筒状部４４１（４５１）及び平ギア４４（４５）は、それぞれ個別の部材として形成され、それらが一体に結合していてもよいし、それらの全て又は一部（３個のうちの２個）が初めから一体の部材として形成されていてもよい。

また、先端側プレート４７の内側の面（下面）において、出力軸４１、４２が挿通される貫通孔の周りに円環状の溝が形成されており、この溝に含油焼結合金からなる円環状部材５１が嵌め込まれ接着等の手段で固定されている。また、この円環状部材５１に当接して摺動可能な円環状摺動面４４２、４５２が筒状部４４１、４５１の先端側に形成されている。円環状部材５１の下側の面（円環状摺動面４４２、４５２に対向する円環状の面）には、１２個の半球状突起部５１１が周方向に離間して設けられ（図５（Ａ）参照）、この半球状突起部５１１の先端部が円環状摺動面４４２、４５２に当接するように構成されている。

円環状部材５１は、出力軸４１、４２の軸心方向への移動を規制して保持するスラストベアリングの働きを有する。つまり、出力軸４１、４２の先端部に接続されるねじれ紐のねじれが強められ、ねじれ紐の長さが短縮されるときに、駆動対象物を引き寄せる駆動力の反作用として、出力軸４１、４２が駆動対象物の方向へ引っ張られる力（以下、スラスト力という）が大きくなる。このスラスト力は、筒状部４４１、４５１の先端側の円環状摺動面４４２、４５２と円環状部材５１の半球状突起部５１１（の先端部）とが当接することによって受け止められる。

円環状部材５１は含油焼結合金からなり、回転側の円環状摺動面４４２、４５２との円滑な摺動を実現するので、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が低下しにくい。しかも、ボールベアリングを使用する場合に比べて、省スペースで安価なスラストベアリングを実現することができる。これにより、小形で安価なねじれ紐アクチュエータを実現することができる。

また、円環状部材５１に設けられた１２個の半球状突起部５１１の先端部が回転側の円環状摺動面４４２、４５２に当接するので、円環状部材５１の面全体で円環状摺動面４４２、４５２に当接する場合に比べて接触面（摺動面）の面積が小さくなり、接触面での摺動摩擦に起因する出力ロスが低減される。これにより、スラスト力が大きくなっても回転駆動出力が一層低下しにくい安価なねじれ紐アクチュエータを実現することができる。なお、円環状部材５１に設けた半球状突起部５１１の数を１２個に限定する必要はなく、少なくとも３個あればスラストベアリングとして安定した動作が得られる。

次に、上述した２個１組のねじれ紐アクチュエータを複数組用いて義肢用アクチュエータを構成する実施形態を説明する。なお、本実施形態の義肢用アクチュエータは、義肢の他に、ロボットハンド等にも適用可能である。例えば義肢において、各指に少なくとも１個の関節が必要であり、きめ細かい動作を可能にするためには各指に２個の関節が必要である。仮に、親指に３個の関節、他の４本の指に２個の関節、手首に２個の関節を設けとすると、合計１３個の関節が必要となる。したがって、１３組のねじれ紐アクチュエータが必要になる。義肢用アクチュエータをコンパクトに構成するために、複数組のねじれ紐アクチュエータを義肢又はロボットハンドの腕部又は脚部（以下、単に腕部という）の周りに効率よく配置することが重要である。

本発明の実施形態に係る義肢用アクチュエータの具体的な構造を説明する前に、その前段階として試作された構造を比較例として図６及び図７に基づいて説明する。図６は、比較例に係る義肢用アクチュエータが腕部ＡＲＭに巻き付けられた状態をモータ側から見た概略図である。図７（Ａ）は、比較例に係る義肢用アクチュエータを平面に展開した状態の一部分を示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の義肢用アクチュエータの側面図である。

この比較例の義肢用アクチュエータは、義肢やロボットアームの腕部ＡＲＭに巻き付けて固定される可撓性のバンド部材７５と、その外側に固定された７枚の固定台６５と、各固定台６５の外側に取り付けられた２組のねじれ紐アクチュエータとを備えている。隣接する固定台６５同士はヒンジ部７２、７３で連結され、各固定台６５は４箇所の固定孔７１に挿通される螺子又はリベット等を用いて、可撓性の樹脂や布等で作られたバンド部材７５に固定されている。

１個の駆動機構部２０の２本の出力軸４１、４２に接続された２本のねじれ紐１、その先端側にそれぞれ接続された２個のスライド部材３２、その先端側にそれぞれ接続された２本のワイヤ６７等を含む２個１組のねじれ紐アクチュエータが各固定台６５に２組ずつ固定されている。そして、２組のねじれ紐アクチュエータは、長手方向にずれた状態で配置されている。こうすることにより、図７（Ａ）から分かるように、複数の固定台６５をヒンジ部７２、７３で連結したときに、駆動機構部２０が平面視でジグザク状に配置されるので、複数のねじれ紐アクチュエータの隣接間隔をできるだけ狭くして周方向（図７の上下方向）の寸法を全体として小さくすることができる。

また、駆動機構部２０は、その２本の出力軸４１、４２が固定台６５に対して垂直な方向（上下方向）に並ぶように配置されている。そして、出力軸４１、４２に接続される２本のねじれ紐１と、その先端側に接続される２個のスライド部材３２も上下方向に並ぶように配置されている。２個のスライド部材３２をスライド自在に保持するスライド部材保持台６６が、固定台６５に対して垂直に立つように固定されている。２個のスライド部材３２は、スライド部材保持台６６の上下方向に離間して形成された２個の角孔にそれぞれ内嵌し、ねじれ紐１の長手方向に沿うスライド動作のみが許容される。

スライド部材３２の先端側は、駆動対象である指関節に接続されたワイヤ６７の基端側に接続されている。また、ワイヤ６７に遊嵌する保護チューブ６８の基端側を固定するチューブホルダー６９が固定台６５に対して垂直に立つように固定されている。ワイヤ６７は、保護チューブ６８の内部を長手方向に摺動することができる。また、固定台６５を後述のバンド部材等に固定するための螺子又はリベット等が挿通される固定孔７１が固定台６５の４箇所に設けられている。

複数の固定台６５を幅方向に連結するためのヒンジ部７２、７３は、固定台６５の長手方向に離間するように、また、幅方向端部から突出するように設けられたスプリングプランジャー７２とその受け部７３とで構成されている。図７（Ａ）において、各固定台６５の下辺に設けられたスプリングプランジャー７２は、その下側に連結される別の固定台６５の上辺に設けられた受け部７３と係合してヒンジ部を構成する。

左側のスプリングプランジャー７２は、内蔵するスプリングによって左方向へ付勢されたボール７２ａが左端から出ている。これに対応する左側の受け部７３には、ボール７２ａに係合する丸孔（貫通孔）７３ａが形成されている。また、右側のスプリングプランジャー７２は、内蔵するスプリングによって右方向へ付勢されたボール７２ａが右端から出ている。これに対応する右側の受け部７３にも、ボール７２ａに係合する丸孔（貫通孔）７３ａが形成されている。

したがって、スプリングプランジャー７２と受け部７３との係合に際して、スプリングプランジャー７２のボール７２ａが内蔵スプリングの付勢力に抗して後退したのち、内蔵スプリングの付勢力によって再び突出して受け部７３の丸孔７３ａに係合する。この係合状態では、プリングプランジャー７２と受け部７３とがヒンジ部として機能し、複数の固定台６５はヒンジ部で幅方向に連結される。

スプリングプランジャー７２と受け部７３とからなるヒンジ部で連結された複数の固定台６５は、ヒンジ部で互いに枢支されているので、図６に示したように、腕部ＡＲＭに巻き付けて固定される可撓性のバンド部材７５の外側に沿わせるように配置することが可能である。また、ヒンジ部がスプリングプランジャー７２と受け部７３とで構成されているので、固定台６５の連結が容易であると共に、取り外し（連結解除）も容易である。連結解除の操作では、スプリングプランジャー７２のボール７２ａが内蔵スプリングの付勢力に抗して後退することによって、ボール７２ａと受け部７３の丸孔７３ａとの係合が解除される。

なお、図６に示すように、バンド部材７５の端部の互いに重なり合う部分７５ａは、例えばマジックファスナー（登録商標）等を用いて互いに固定することができる。これにより、義肢用アクチュエータの着脱が容易になる。しかも、取付対象の腕部の太さや形状の変化にある程度対応することができる。

以上のような比較例に係る義肢用アクチュエータは、腕部の太さや形状等のバリエーションに対応しやすいメリットを有する反面、外観上の問題があると共に、径方向の寸法（厚さ）が大きいデメリットを有する。この一因は、前述のように、１組のねじれ紐アクチュエータを構成する駆動機構部２０の出力軸４１、４２に接続される２本のねじれ紐１と、その先端側に接続される２個のスライド部材３２を固定台６５に対して垂直な方向（高さ方向）、すなわち径方向に並ぶように配置したことにある。

図７（Ｂ）では、上下方向に離間する２個のスライド部材３２をスライド自在に保持するスライド部材保持台６６の高さが、駆動機構部２０の高さ（直径）とほぼ同じである。しかし、駆動機構部２０の内部構造の改良や固定台６５への取付方法の改良等によって、その高さが低くなったときは、スライド部材保持台６６の高さが義肢用アクチュエータの径方向の寸法を低減する上でボトルネックとなる。

そこで、スライド部材が義肢用アクチュエータの径方向に並ぶのではなく、周方向に並ぶように構成する。また、比較例の義肢用アクチュエータのような板状の固定台６５の上（径方向外側）に複数のねじれ紐アクチュエータを配置する構造ではなく、ある程度の厚み（径方向寸法）を有するケース内にねじれ紐アクチュエータの主要部を収容する構造を採用する。つまり、比較例における複数の連結された固定台６５に相当する湾曲した厚板状のケースの周方向に沿って複数のねじれ紐アクチュエータを配列し、それぞれのねじれ紐アクチュエータを構成する駆動機構部２０、ねじれ紐１及びスライド部材３２をケース内に収容する構造とする。このような構造の実施形態を図８及び図９に基づいて説明する。

図８は、本発明の実施形態に係る義肢用アクチュエータの一部分を示す概略構成図である。また、図９は、図８の義肢用アクチュエータを構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの部分を示す平面図である。本実施形態の義肢用アクチュエータは、義肢又はロボットハンドの腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケース８０を備え、その周方向（湾曲方向）に沿って、駆動機構部２０、ねじれ紐１及びスライド部材３２を含むねじれ紐アクチュエータが複数組配列されている。

厚板状のケース８０は、腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状部材８１と、その外周面を覆うように厚板状部材８１に固定される薄板状のカバー部材８２からなる。厚板状部材８１とカバー部材８２は、螺子止め、接着、溶着、嵌合等の手段によって接合される。厚板状部材８１の内周側の面は腕部又は脚部に当接する略平坦な湾曲面であり、外周側の面には、駆動機構部２０、ねじれ紐１、及びスライド部材３２が収容される凹部８１１、８１２が形成されている。

また、駆動機構部２０の外形（直径）が厚板状部材８１の凹部８１１の深さよりも大きい場合は、駆動機構部２０の上部が厚板状部材８１の外周面から突出する。この駆動機構部２０の突出部を覆うように、カバー部材８２の内周面には部分円筒状凹部が形成され、それに対応する部分円筒状凸部８２１がカバー部材８２の外周面に形成されている。但し、駆動機構部２０の直径を低減して厚板状部材８１の厚みより小さくすることが可能であれば、カバー部材８２の部分円筒状凸部８２１（及び部分円筒状凹部）は不要であり、完全に平坦な外周面とすることができる。

厚板状部材８１の外周面に形成された凹部８１２の先端側（駆動機構部２０と反対側）は外部への開口部となっており、スライド部材３２の先端側に接続されたワイヤ６７とその保護チューブ６８が開口部から駆動対象の指関節（図示せず）へ延びている。また、凹部８１２の基端側と凹部８１１の先端側との間の壁面８１３は、図７（Ａ）及び（Ｂ）の構造におけるスライド部材保持台６６に相当する。すなわち、壁面８１３には、２個のスライド部材３２をスライド自在に保持する２個の角孔が形成され、それに内嵌するスライド部材３２は、ねじれ紐１の長手方向に沿うスライド動作のみが許容される。

なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）の構造では２個のスライド部材３２が義肢用アクチュエータの径方向に並ぶように構成されていたが、図８及び図９に示す本実施形態の構成では、２個のスライド部材３２が義肢用アクチュエータの周方向に並んでいる。これにより、径方向（凹部８１１、８１２の深さ方向）の寸法を抑えることができる。

また、２個のスライド部材３２の基端側と駆動機構部２０の２本の出力軸４１、４２との間に接続された２本のねじれ紐１には、アウターチューブ１ａが個別に被せられている。このアウターチューブ１ａは、ねじれ紐１同士、又はねじれ紐１と他の部材との接触を防止し、ねじれ紐アクチュエータの円滑な作動を確保する働きを有する。アウターチューブ１ａは、ワイヤ６７の保護チューブ６８と同様のものでもよいが、ねじれ紐１のねじれ状態の変化に干渉しにくい材料、例えば、表面摩擦係数の小さいフッ素樹脂やシリコーン樹脂で形成されることが好ましい。これにより、アウターチューブ１ａ内でねじれ紐１が円滑に伸縮することができる。

次に、図１０は、上記の実施形態の変形例に係る義肢用アクチュエータを構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの部分を示す平面図である。この図は、上記の実施形態の図９に対応している。図１０に示す変形例の構造が図９に示した実施形態の構造と異なる点は、駆動機構部２０を構成するモータ２とギアボックス４（図５参照）とが個別にケース８０（厚板状部材８１）に収容され、ギアボックス４のケース等が省かれている点である。

図９の構造で厚板状部材８１の外周面に形成されている凹部８１１は、図１０の構造では、モータ２が収容される凹部８１１ａとギア４３、４４、４５等が収容される凹部８１１ｂとに分離されている。そして、凹部８１１ａと凹部８１１ｂとの間の壁面８１４が、出力軸４１、４２を回転自在に支持するための基端側プレート４６（図５参照）の機能を果たしている。

壁面８１４に対して遊転自在に支持された出力軸４１、４２には、平ギア４４、４５がそれぞれ固着されている。また、周方向に離間するように配置された、出力軸４１、４２の間にはモータ２の回転軸２１とそれに固定されたピニオンギア４３とが挿通される貫通孔が形成されている。ピニオンギア４３は、平ギア４４、４５と噛み合い、モータ２の駆動力が回転軸２１から出力軸４１、４２に伝達される。これらのキアボックス（動力伝達機構）４の構造は、基本的には図５を参照して説明したものと同じである。

この構造によれば、義肢用アクチュエータのケース８０（厚板状部材８１）がギアボックス４のケースを兼ねているので、部品点数の低減、ひいては組立工数及びコストの低減を図ることができる。図１０に示すような２個１組のねじれ紐アクチュエータが例えば１３組備えられる義肢用アクチュエータにおいて、その効果は小さくない。

なお、図１０に示した変形例の構成において、モータ２のケースの材質として、軽量化のためにアルミニウム系材料を使用することが一般的である。しかし、モータから発生するノイズによって義肢用アクチュエータのコントローラの誤動作が発生する確率を下げるためには、鉄系材料でモータ２のケースを作製することが好ましい。特に、マイクロコンピュータで構成されるコントローラが筋電位センサーの出力信号に基づいて、各指関節に接続されたねじれ紐アクチュエータのモータ２の駆動制御を行う場合に、モータ２の内部における磁場変化が鉄系材料製のケースで遮蔽されるので、筋電位センサーの出力信号へのノイズ混入を防ぐことができる。その結果、マイクロコンピュータの誤動作（誤制御）を防ぐことができる。

また、図１０に示した構成の更なる変形例として、義肢用アクチュエータのケース８０（厚板状部材８１）がギアボックス４のケースを兼ねるだけでなく、モータ２のケースをも兼ねるようにして、モータ２のケースを省略することも可能である。すなわち、モータ２をインナーロータ型で構成し、ロータマグネットを含む内側のロータ部を囲むように（その外側に対向するように）配置されるステータコア及びコイルを含むステータ部をケース８０（厚板状部材８１）に直接固定するように構成してもよい。

このような構成によれば、義肢用アクチュエータのケース８０（厚板状部材８１）がモータ２のケースを兼ねているので、図９又は図１０に示した構成に比べて、モータ２のケースが不要になる分だけ部品点数が少なくなると共に、実装密度を高くして一層コンパクトな義肢用アクチュエータを実現することが可能となる。

以上、本発明の実施形態及び変形例について説明したが、本発明は、これらの実施形態や変形例を適宜組み合わせて実施することができる。更に、これらの実施形態や変形例に限ることなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内で、種々の実施形態を採用することが可能である。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の義肢用アクチュエータを構成するねじれ紐アクチュエータの概念を示す模式図である。 ２個１組のねじれ紐アクチュエータを用いて指関節を駆動する適用例を示す模式図である。 図２に示したねじれ紐アクチュエータの複数指関節への適用例を示す模式図である。 １個のモータで２本のねじれ紐を同時に駆動する構成例を示す模式図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、義肢用アクチュエータを構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの駆動機構部の構成を示す平面図及び断面図である。 比較例に係る義肢用アクチュエータが腕部に巻き付けられた状態をモータ側から見た概略図である。 （Ａ）は、図６の義肢用アクチュエータを平面に展開した状態の一部分を示す図であり、（Ｂ）は、図７（Ａ）の義肢用アクチュエータの側面図である。 本発明の実施形態に係る義肢用アクチュエータの一部分を示す概略構成図である。 図８の義肢用アクチュエータを構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの部分を示す平面図である。 図９の義肢用アクチュエータの変形例を構成する２個１組のねじれ紐アクチュエータの部分を示す平面図である。 ワイヤとモータを用いた指関節用のワイヤ式アクチュエータの従来技術に係る基本的な構造を示す図である。

符号の説明

１ ねじれ紐
１ａ アウターチューブ
２０ 駆動機構部
３２ スライド部材
６７ ワイヤ
８０ ケース
８１ 厚板状部材
８２ カバー部材
８１１、８１２ 凹部

Claims (6)

1. ２本の紐を互いにねじり合わせた構造のねじれ紐と、当該ねじれ紐の基端側に接続された回転出力軸を有する駆動機構部と、前記ねじれ紐の先端側に接続されて前記ねじれ紐の長手方向のスライド運動のみが許容されるスライド部材と、当該スライド部材と駆動対象物である関節との間に接続されるワイヤとを備え、前記駆動機構部の回転出力軸が回転すると前記ねじれ紐を構成する２本の紐のねじれ状態の変化によって前記ねじれ紐の長さが変化し、その結果、前記スライド部材が前記ねじれ紐の長手方向に変位し、当該変位が前記ワイヤを介して前記駆動対象物に伝達されるように構成されたねじれ紐アクチュエータを複数備え、前記ねじれ紐アクチュエータが２個１組として、複数の関節のうちの１つを駆動するように構成された義肢用アクチュエータであって、
   義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状のケースの周方向に沿って前記複数のねじれ紐アクチュエータが配列され、それぞれのねじれ紐アクチュエータを構成する前記駆動機構部、前記ねじれ紐及び前記スライド部材が前記ケース内に収容されていることを特徴とする義肢用アクチュエータ。
2. 前記２個１組のねじれ紐アクチュエータを構成する２個の前記スライド部材が、前記ケースの周方向に沿って並ぶように配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の義肢用アクチュエータ。
3. 前記ねじれ紐にアウターチューブが被せられていることを特徴とする
   請求項２記載の義肢用アクチュエータ。
4. 前記アウターチューブは、前記ねじれ紐のねじれ状態の変化に干渉しにくい材料で形成されていることを特徴とする
   請求項３記載の義肢用アクチュエータ。
5. 前記駆動機構部を構成するモータがインナーロータ型であり、そのステータ部が前記ケースに直接固定されていることを特徴とする
   請求項１から４のいずれか１項記載の義肢用アクチュエータ。
6. 前記ケースは、義肢の腕部又は脚部に沿って湾曲した厚板状部材と、その外周面を覆う薄板状のカバー部材とからなり、前記厚板状部材の外周面側に前記ねじれ紐アクチュエータを構成する前記駆動機構部、前記ねじれ紐及び前記スライド部材が収容される凹部が形成されていることを特徴とする
   請求項１から５のいずれか１項記載の義肢用アクチュエータ。

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