JP2011115248A

JP2011115248A - 装着型動作支援装置

Info

Publication number: JP2011115248A
Application number: JP2009273038A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwatsuki; 敬岩月
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、三節部位を自然な屈曲姿勢とすることができ、装着者の骨関節に負担をかけることがなく、小型で、装着性が良好で、信頼性を向上させることができるようにする。
【解決手段】単関節駆動部は、単一の関節軸を支持し、ベース部に固定された関節軸支持部と、関節軸を中心に回転可能な駆動アーム部と、駆動アーム部に取り付けられるとともに、三節部位に装着される装着部とを備え、装着部は、三節部位の先端節に装着され、関節軸の位置は、駆動アーム部が目標到達位置にあるときに三節部位の２つの関節が屈曲し、かつ、装着部から関節部までの距離が、駆動アーム部が目標到達位置にあるときと、動作開始位置にあるときとで等しくなるように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体の三節部位の動作回復及び動作支援のための装着型動作支援装置に関するものである。

従来、事故や疾病によって身体に障害を受けたり、病気や怪我（けが）などによって、上肢、下肢又は指の運動機能に障害がある者のために、四肢又は指の動作回復及び動作支援を目的とした装置が開発されている。これらの装置のうち、指の動作回復及び動作支援装置として、指の多関節をそれぞれ屈曲及び伸展させるために、指の背側に複雑な機構の駆動部を装着し、該駆動部によって装着者の指を動かす多関節アーム方式の装着型動作支援装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

また、指に複雑な機構の駆動部を装着するスペースがほとんどない場合に備えて、図２に示されるような単関節アーム方式の装着型動作支援装置も提案されている。

図２は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す図、図３は装着者の手の指の各部の名称と符号との関係を示す図である。なお、図２において、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

図２において、１１は装着者の手（図に示される例は左手）であり、１２は中手（ｍｅｔａｃａｒｐｕｓ）である。また１３は親指、１４は人差指、１５は中指、１６は薬指、１７は小指である。図３には、各指の各部の名称と符号との関係が示されている。なお、いくつかの符号については、煩雑さを避けるために図中への付与が省略されている。また、１４ｄは、人差指１４の中手指節関節軸であり、人差指基節１４ａは、この中手指節関節軸１４ｄを中心に中手１２に対して屈曲する。

そして、２０は単関節アーム方式の装着型動作支援装置であり、該装着型動作支援装置２０は、中手１２の凸面、すなわち、手の甲（手背）に装着されたベース部２２と、該ベース部２２に接続されるとともに指に装着され、指を屈曲及び伸長させる指駆動部２１とを有する。なお、図に示される例では、人差指１４にのみ指駆動部２１が装着されている。

前記ベース部２２は、手の平（手掌）に掛け回されたゴム紐（ひも）２２ａによって中手１２に固定されている。

また、前記指駆動部２１は、前記ベース部２２の一端に固定された接続ブラケット２２ｂと、アーム回転軸２７ａを介して前記ブラケット２２ｂに固定され回転可能に取り付けられた駆動プーリ２７と、該駆動プーリ２７に基端が固定された駆動アーム部２４とを有する。該駆動アーム部２４は、先端が人差指末節１４ｃに届くような細長い部材であって、人差指１４の側面に沿うように配設され、押し当てブロック２５によって人差指１４に固定されている。

次に、前記指駆動部２１の構成について詳細に説明する。

図４は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態の指駆動部を示す三面図である。なお、図において、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。

図に示されるように、指駆動部２１は、アーム回転軸２７ａが中手指節関節軸１４ｄと同軸上に位置するように、装着者の人差指１４に装着されている。また、押し当てブロック２５は、駆動アーム部２４が回転したときに、それに追従して人差指１４を回転させるための部材であり、人差指中節１４ｂと人差指末節１４ｃとを繋（つな）ぐ関節である遠位指節間関節の位置に対応するように配設され、ゴム紐２５ｂによって人差指１４に固定される。

なお、押し当てブロック２５は、取付ねじ２５ａによって駆動アーム部２４に固定される。該駆動アーム部２４には、その長手方向に並んだ複数のねじ孔（こう）２４ａが穿（せん）設されており、装着者の人差指１４の寸法に適合するように任意のねじ孔２４ａを選択して取付ねじ２５ａを螺（ら）合することによって、押し当てブロック２５の位置が人差指１４の遠位指節間関節の位置に対応するように調整することができる。

また、駆動プーリ２７には駆動ワイヤ２３が掛け回されており、該駆動ワイヤ２３の下側部分２３ａ及び上側部分２３ｂの一方を引っ張り、他方を緩めることによって駆動プーリ２７を回転させる。そして、該駆動プーリ２７がアーム回転軸２７ａを中心として回転すると、駆動プーリ２７に基端が固定された駆動アーム部２４もアーム回転軸２７ａを中心として回転し、これにより、押し当てブロック２５に固定された人差指１４が、駆動アーム部２４に追従して、中手指節関節軸１４ｄを中心として回転する。

次に、前記指駆動部２１の動作について説明する。

図５は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置の指駆動部の動作を示す側面図である。

駆動ワイヤ２３の下側部分２３ａを引っ張り、上側部分２３ｂを緩めると、駆動プーリ２７が図における時計回り方向に回転し、駆動アーム部２４は実線で示される位置から、点線で示される位置に向けて９０度回転する。なお、駆動アーム部２４が実線で示される位置にあるときは、図４に示されるように、人差指１４が伸長しており、駆動アーム部２４が点線で示される位置にあるときは、人差指１４が屈曲している。そこで、駆動アーム部２４の図における時計回り方向への回転を屈曲方向への回転と称し、反時計回り方向への回転を伸長方向への回転と称する。

駆動ワイヤ２３の下側部分２３ａを引っ張り、上側部分２３ｂを緩めることによって駆動アーム部２４が屈曲方向へ回転すると、押し当てブロック２５も人差指１４を押しながら屈曲方向へ回転するので、人差指１４が屈曲方向に変位する、すなわち、屈曲する。また、駆動ワイヤ２３の上側部分２３ｂを引っ張り、下側部分２３ａを緩めることによって駆動アーム部２４が伸長方向へ回転すると、ゴム紐２５ｂにより人差指１４に固定されている押し当てブロック２５も伸長方向へ回転するので、人差指１４が伸長方向に変位する、すなわち、伸長する。

ところで、図２〜５に示される例においては、人差指１４のみを動かす場合についてのみを説明したが、従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置２０は、他の指も動かすことができる。

図６は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置で他の指も動かすようにした状態を示す図、図７は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置のラウンドスライダを示す図である。なお、図７において、（ａ）は第１の状態を示し、（ｂ）は第２の状態を示している。

図６に示される例においては、人差指１４、中指１５、薬指１６及び小指１７の各々に、指駆動部２１が装着されている。したがって、各指駆動部２１の駆動アーム部２４を回転させることによって、人差指１４、中指１５、薬指１６及び小指１７を各々屈曲させることができる。なお、小指１７の場合、図２〜５に示される指駆動部２１と同様のものを、駆動プーリ２７等の配置を左右に入れ替えるだけで、装着することができるが、中指１５及び薬指１６の場合、中手１２と干渉するので、駆動プーリ２７及びアーム回転軸２７ａを使用することができない。

そこで、中指１５及び薬指１６の場合には、駆動アーム部２４を回転可能に支持する部材として、駆動プーリ２７及びアーム回転軸２７ａに代えて、ラウンドスライダ３１を使用する。

該ラウンドスライダ３１は、図７に示されるように、アウタスライダ３１ａ、及び、該アウタスライダ３１ａ内にスライド可能に挿入されたインナスライダ３１ｂを備える。前記アウタスライダ３１ａ及びインナスライダ３１ｂは、ともに、長手方向の中心軸が円弧状に湾曲した形状を備え、それぞれの中心軸が描く円弧は互いに同一である。それゆえ、図７（ｂ）に示されるように、前記アウタスライダ３１ａ及びインナスライダ３１ｂの一方（図に示される例ではアウタスライダ３１ａ）を固定し、それに対して他方（図に示される例ではインナスライダ３１ｂ）をスライドさせると、他方は前記円弧の中心点を中心に回転したのと同様の軌跡を描いて移動する。

したがって、前記アウタスライダ３１ａ及びインナスライダ３１ｂの一方をベース部２２に固定し、他方を駆動アーム部２４の基端に固定すると、駆動プーリ２７及びアーム回転軸２７ａを使用した場合と同様に、駆動アーム部２４を回転させることができる。また、前記アウタスライダ３１ａ及びインナスライダ３１ｂにおける前記円弧の内側の部分には、空間があるので、中手１２と干渉することがない。

このように、ラウンドスライダ３１を使用することによって、駆動アーム部２４の回転中心が中手指節関節軸１４ｄと同軸上に位置するように、中指１５及び薬指１６にも指駆動部２１を装着することができる。

また、装着者の手に装着するための手袋状の装着部材を用意し、該装着部材における指の手背側に相当する部分に指を伸長させるために指先端を引っ張るアクチュエータを配設し、指の手掌側に相当する部分に指を屈曲させるためのアクチュエータを配設した装着型動作支援装置が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。このような装着型動作支援装置では、アクチュエータから指先までをワイヤで伝達することによって、中手や指の手掌側に機構部がほとんど装着されていない。

特開２００２−３４５８６１号公報特開２００７−３１３０９３号公報特開２００９−１１２５７８号公報

しかしながら、前記従来の装着型動作支援装置においては、指に装着される指駆動部２１に駆動プーリ２７、アーム回転軸２７ａ等の関節を駆動する装置を設けているので、特に、多関節アーム方式の装着型動作支援装置の場合、各指駆動部２１に複数の関節を駆動する装置を設ける必要があり、指駆動部２１が大型化してしまい、動作支援に支障を来すことがある。例えば、鋏（はさみ）、手提げ袋等を把持するような動作では、装着型動作支援装置の指に装着する部分が把持の対象物と干渉してしまい、把持が困難になる。

また、１つの装着型動作支援装置を複数の装着者に対応させる場合、装着者毎に各指の基節、中節及び末節の長さが相違するので、各指駆動部２１の複数の関節の位置を調整可能とする必要があり、構造が複雑化し、かつ、大型化してしまう。

これに対し、単関節アーム方式の装着型動作支援装置の場合には、各指駆動部２１に単一の関節を駆動する装置を設けるだけで済むので、調整機構を採用しても、構造を簡素化し、かつ、小型化することができる。図２及び４に示される例について説明したように、装着者の指の寸法に適合するように任意のねじ孔２４ａを選択して取付ねじ２５ａを螺合することによって、押し当てブロック２５の位置が指の遠位指節間関節の位置に対応するように調整することができる。

しかし、単関節アーム方式の装着型動作支援装置の場合には、指の屈曲時の動作が物を把持するためには不自然になってしまう。

図８は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を使用して指を屈曲させた状態を示す側面図である。

駆動ワイヤ２３の下側部分２３ａを引っ張り、上側部分２３ｂを緩めることによって駆動アーム部２４を屈曲方向へ回転させると、押し当てブロック２５も人差指１４を押しながら屈曲方向へ回転するので、人差指１４が屈曲する。すると、図８に示されるように、中手指節関節のみ曲がってしまうため、人差指１４の屈曲時の状態が物を把持するためには、不自然な状態になってしまう。

また、特許文献３に記載されているような装着型動作支援装置の場合には、指を屈曲させる際の軸として装着者の骨関節を利用しているので、指の屈伸動作を行うと、装着者の骨関節に負荷がかかってしまう。そのため、装着者が骨関節にも障害がある者であったり、廃用症候群により弱ってしまった者であるような場合には、骨関節を痛める可能性がある。特に、装着者が手指節関節の感覚がない者であると、骨関節の過負荷を感じることができないため、知らないうちに重症化してしまう可能性がある。

本発明は、前記従来の装着型動作支援装置の問題点を解決して、装着者の三節部位における先端節に単関節駆動部の駆動アーム部の装着部を装着し、駆動アーム部が目標到達位置にあるときには三節部位における２つの関節が屈曲するとともに、装着部から単関節駆動部の関節軸までの距離が動作開始位置及び目標到達位置で等しくなるようにして、簡素な構成でありながら、三節部位を自然な屈曲姿勢とすることができ、装着者の骨関節に負担をかけることがなく、小型で、装着性が良好で、信頼性の高い装着型動作支援装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明の装着型動作支援装置においては、ベース部と、単関節駆動部とを有し、前記ベース部及び単関節駆動部を装着者に装着し、該装着者の三節部位の動作を支援する装着型動作支援装置であって、前記単関節駆動部は、単一の関節軸を支持し、前記ベース部に固定された関節軸支持部と、前記関節軸を中心に回転可能な駆動アーム部と、該駆動アーム部に取り付けられるとともに、前記三節部位に装着される装着部とを備え、該装着部は、前記三節部位の先端節に装着され、前記関節軸の位置は、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときに前記三節部位の２つの関節が屈曲し、かつ、前記装着部から関節部までの距離が、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときと、動作開始位置にあるときとで等しくなるように設定される。

本発明の他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記関節軸の位置は、前記装着部から関節部までの距離が、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときと、動作開始位置にあるときと、前記目標到達位置及び動作開始位置の中間に設定された動作中間位置とで等しくなるように設定される。

本発明の更に他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記関節軸支持部は、前記関節軸の位置を２次元方向に変位させることができる関節軸位置調整機構を備える。

本発明の更に他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記関節軸位置調整機構の動作を制御する制御部を更に有し、該制御部は、前記装着者のＩＤと前記関節軸の位置とを対応付けたデータを含むデータベースを備え、前記装着者のＩＤが入力されると、前記関節軸の位置が入力されたＩＤに対応する位置となるように前記関節軸位置調整機構を作動させる。

本発明の更に他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記関節軸位置調整機構の動作を制御する制御部を更に有し、該制御部は、前記装着者のＩＤと前記三節部位の各節の長さとを対応付けたデータ、及び、目的動作と前記三節部位の２つの関節の角度とを対応付けたデータを含むデータベースを備え、前記装着者のＩＤ及び目的動作が入力されると、前記三節部位の各節の長さ及び前記三節部位の２つの関節の角度に基づいて前記関節軸の位置を計算し、前記関節軸の位置が計算された位置となるように前記関節軸位置調整機構を作動させる。

本発明の更に他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記三節部位は手の指であり、前記動作開始位置は手の指が伸長した状態に対応する位置であり、前記目標到達位置は手の指が屈曲した状態に対応する位置である。

本発明の更に他の装着型動作支援装置においては、さらに、前記２つの関節は、中手指節関節及び近位指節間関節である。

本発明によれば、装着型動作支援装置は、装着者の三節部位における先端節に単関節駆動部の駆動アーム部の装着部を装着し、駆動アーム部が目標到達位置にあるときには三節部位における２つの関節が屈曲するとともに、装着部から単関節駆動部の関節軸までの距離が動作開始位置及び目標到達位置で等しくなるようにする。これにより、簡素な構成でありながら、三節部位を自然な屈曲姿勢とすることができる。また、装着者の骨関節に負担をかけることがない。さらに、小型化することができ、装着性を良好とし、信頼性を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態における装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す側面図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す図である。装着者の手の指の各部の名称と符号との関係を示す図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態の指駆動部を示す三面図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置の指駆動部の動作を示す側面図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置で他の指も動かすようにした状態を示す図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置のラウンドスライダを示す図である。従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置を使用して指を屈曲させた状態を示す側面図である。本発明の第１の実施の形態における人差指の動作開始位置及び目標到達位置を座標面上で示す図である。本発明の第１の実施の形態における装着型動作支援装置の指駆動部の動作を示す側面図である。本発明の第２の実施の形態における人差指の動作開始位置、屈曲軌跡中間角度位置及び目標到達位置を座標面上で示す図である。屈曲軌跡中間角度位置を考慮しない場合の人差指の動作を座標面上で示す第１の参考図である。屈曲軌跡中間角度位置を考慮しない場合の人差指の動作を座標面上で示す第２の参考図である。本発明の第２の実施の形態における人差指の動作を座標面上で示す図である。本発明の第３の実施の形態における装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す図である。本発明の第３の実施の形態における装着型動作支援装置の関節軸位置調整機構を示す図である。本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の関節軸位置調整機構を示す図である。本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースのデータ構成を示す図である。本発明の第５の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースの第１のデータ構成を示す図である。本発明の第５の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースの第２のデータ構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す側面図である。

図において、２０は本実施の形態における装着型動作支援装置であり、いわゆる単関節アーム方式の装置であって、人体の三節部位の動作回復及び動作支援のための装置である。前記装着型動作支援装置２０は、人体の三節部位であれば、いかなる部分の動作回復及び動作支援のために使用することもでき、例えば、上肢及び下肢の動作回復及び動作支援のために使用することもでき、また、足の指の動作回復及び動作支援にも使用することができるが、ここでは、説明の都合上、手の指の代表例である人差指１４の動作回復及び動作支援に使用した場合についてのみ説明することとする。

なお、本実施の形態における装着型動作支援装置２０の基本的な構造は、「背景技術」の項において説明した従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置２０の構造と同様であるので、その説明を援用する。また、本実施の形態における装着型動作支援装置２０の各部についても、従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置２０と同一のものについては同一の符号を付与し、説明を省略する。なお、駆動プーリ２７及びアーム回転軸２７ａに代えて、ラウンドスライダ３１を使用することもできる。さらに、装着型動作支援装置２０を装着した装着者の手及び指についても、同様に、「背景技術」の項における説明を援用する。

本実施の形態においては、図に示されるように、単関節駆動部としての指駆動部２１は、単関節駆動部の関節軸としてのアーム回転軸２７ａが中手指節関節軸１４ｄと同軸上に位置しないように、装着者の三節部位としての人差指１４に装着されている。なお、具体的には、ベース部２２に固定された関節軸支持部としての接続ブラケット２２ｂに支持されているアーム回転軸２７ａの位置が、側面から観て、２次元方向、つまり、Ｘ−Ｙ方向に、それぞれ、Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙだけ中手指節関節軸１４ｄの位置からずれている。

そして、前記指駆動部２１は、人差指１４における２つの関節が屈曲している姿勢で、人差指１４における先端節（具体的には、人差指中節１４ｂと人差指末節１４ｃとを繋ぐ関節である遠位指節間関節の位置）に装着部としての押し当てブロック２５を装着するとともに、該押し当てブロック２５からアーム回転軸２７ａまでの距離が動作開始位置及び目標到達位置で等しくなるように設定される。

なお、その他の点については、「背景技術」の項において説明した従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置２０であるので、説明を省略する。

ここで、動作開始位置及び目標到達位置における人差指１４の各部の座標面上での位置を説明する。

図９は本発明の第１の実施の形態における人差指の動作開始位置及び目標到達位置を座標面上で示す図である。

図において、太線は、動作開始位置及び目標到達位置における人差指１４の人差指基節１４ａ及び人差指中節１４ｂの位置を２次元平面であるＸ−Ｙ座標面上に示したものである。なお、動作開始位置は、装着型動作支援装置２０による人差指１４の屈曲動作を開始する時点の位置であって人差指１４が伸長している状態に相当し、目標到達位置は装着型動作支援装置２０による人差指１４の屈曲動作を終了させる目標となる位置であって人差指１４が目標通りに屈曲している状態に相当する。

ここで、人差指基節１４ａ及び人差指中節１４ｂの長さを、それぞれ、Ｌ２ａ及びＬ２ｂとする。そして、目標到達位置における中手指節関節角度及び近位指節間関節角度を、それぞれ、−θ２ａ及び−θ２ｂとする。なお、中手指節関節は中手１２と指の基節（人差指基節１４ａ）とを繋ぐ関節であり、近位指節間関節は指の基節と中節（人差指中節１４ｂ）とを繋ぐ関節である。

また、動作開始位置及び目標到達位置における遠位指節間関節位置を、それぞれ、５１ａ及び５１ｂとし、近位指節間関節位置を、それぞれ、５２ａ及び５２ｂとする。そして、アーム回転軸２７ａから動作開始位置及び目標到達位置における遠位指節間関節位置までの距離を、それぞれ、Ｌｍ１及びＬｍ２とする。なお、遠位指節間関節に押し当てブロック２５が装着され、アーム回転軸２７ａから押し当てブロック２５までの距離は変化しないと考えられるから、Ｌｍ１＝Ｌｍ２とする。

すると、アーム回転軸２７ａの位置座標は（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）であり、動作開始位置での遠位指節間関節の位置座標は（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ、０）であるから、Ｌｍ１は次の式（１）で表される。

また、目標到達位置での近位指節間関節の位置座標は[(L2a ×cos( -θ2a) 、
L2a ×sin( -θ2a)]であり、遠位指節間関節の位置座標は[L2a×cos( -θ2a)+L2b ×cos( -θ2a -θ2b) 、L2a ×sin( -θ2a)+L2b ×sin( -θ2a -θ2b)]であるから、Ｌｍ２は次の式（２）で表される。

そして、Ｌｍ１＝Ｌｍ２であるから、次の式（３）が成立する。

最後に、該式（３）から、条件式として、次の式（４）を得ることができる。

L2y²-(L2asin( θ2a)+L2bsin( θ2a+ θ2b)-L2y)²
=(L2acos( θ2a)+L2bcos( θ2a+ θ2b)-L2x)²-(L2a+L2b+L2x)² ・・・式（４）
したがって、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）は、Ｌ２ｘ及びＬ２ｙが条件式としての前記式（４）を満たすように設定される。

次に、前記構成の装着型動作支援装置２０の動作について説明する。

図１０は本発明の第１の実施の形態における装着型動作支援装置の指駆動部の動作を示す側面図である。なお、図において、（ａ）は従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置の動作を示す参考図、（ｂ）は本実施の形態における装着型動作支援装置の動作を示す図である。

図１０（ａ）に示されるように、「背景技術」の項において説明した従来の単関節アーム方式の装着型動作支援装置２０では、駆動アーム部２４を屈曲方向へ回転させて人差指１４を屈曲させると、点線で示されるように、中手指節関節のみが屈曲してしまう。そのため、人差指１４の屈曲した状態は、物を把持するのに適さない、不自然な状態になってしまう。

これに対し、本実施の形態における装着型動作支援装置２０では、図１０（ｂ）に示されるように、駆動アーム部２４を屈曲方向へ回転させて人差指１４を屈曲させると、点線で示されるように、中手指節関節だけでなく、近位指節間関節も屈曲する。そして、目標到達位置では、中手指節関節角度及び近位指節間関節角度が、それぞれ、−θ２ａ及び−θ２ｂとなる。

このように、本実施の形態においては、アーム回転軸２７ａの位置が、Ｘ−Ｙ方向に、それぞれ、Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙだけ中手指節関節軸１４ｄの位置からずれるように、指駆動部２１を設定する。したがって、単関節アーム方式であっても、中手指節関節だけでなく、近位指節間関節も屈曲させることができる。つまり、三節部位における２つの関節を屈曲させることができる。そのため、物を把持するような動作を自然に行わせることができる。

また、指駆動部２１は、駆動プーリ２７及びアーム回転軸２７ａ以外には、関節を駆動する装置がないので、スリムで小型である。したがって、装着性が良好となり、他の指や把持の対象物と干渉することがない。

さらに、装着者の骨関節に負担をかけることもないので、安全性及び信頼性が高い。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１１は本発明の第２の実施の形態における人差指の動作開始位置、屈曲軌跡中間角度位置及び目標到達位置を座標面上で示す図である。

本実施の形態においては、動作開始位置及び目標到達位置に加え、動作開始位置と目標到達位置との間に設定された屈曲軌跡中間角度位置を考慮して、アーム回転軸２７ａの位置座標を設定する。目標到達位置における中手指節関節角度及び近位指節間関節角度を、それぞれ、−θ２ａ及び−θ２ｂとすると、屈曲軌跡中間角度位置における中手指節関節角度及び近位指節間関節角度を、それぞれ、−θ２ａ／２及び−θ２ｂ／２とする。

そして、屈曲軌跡中間角度位置における遠位指節間関節位置及び近位指節間関節位置を、それぞれ、５１ｃ及び５２ｃとすると、屈曲軌跡中間角度位置における近位指節間関節の位置座標は[L2a×cos( -θ2a/2) 、L2a ×sin( -θ2a/2)]であり、遠位指節間関節の位置座標は[L2a×cos( -θ2a/2)+L2b ×cos( -θ2a/2 -θ2b/2) 、L2a ×sin( -θ2a/2)+
L2b ×sin( -θ2a/2 -θ2b/2)]である。

ここで、アーム回転軸２７ａから屈曲軌跡中間角度位置における遠位指節間関節位置までの距離をＬｍ３とすると、Ｌｍ３は次の式（５）で表される。

そして、Ｌｍ１＝Ｌｍ３であるから、次の式（６）が成立する。

最後に、該式（６）から、条件式として、次の式（７）を得ることができる。

L2y²-(L2asin( θ2a/2)+L2bsin( θ2a/2+ θ2b/2)-L2y)²
=(L2acos( θ2a/2)+L2bcos( θ2a/2+ θ2b/2)-L2x)²-(L2a+L2b+L2x)² ・・・式（７）
そして、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）は、Ｌ２ｘ及びＬ２ｙが条件式としての前記式（４）及び（７）を満たすように設定される。

次に、本実施の形態における装着型動作支援装置２０の動作について説明する。

図１２は屈曲軌跡中間角度位置を考慮しない場合の人差指の動作を座標面上で示す第１の参考図、図１３は屈曲軌跡中間角度位置を考慮しない場合の人差指の動作を座標面上で示す第２の参考図、図１４は本発明の第２の実施の形態における人差指の動作を座標面上で示す図である。

前記第１の実施の形態のように、屈曲軌跡中間角度位置を考慮せずに、動作開始位置及び目標到達位置だけを考慮して、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）を設定した場合、すなわち、Ｌ２ｘ及びＬ２ｙが前記式（４）のみを満たすように設定された場合、動作開始位置から目標到達位置までの間で、人差指１４の動作が図１２又は１３に示されるようになる可能性がある。

例えば、図１２に示されるように、動作開始の直後から近位指節間関節が大きく屈曲したり、また、図１３に示されるように、動作を開始してしばらくの間は近位指節間関節がほとんど屈曲せず、目標到達位置に近付いてから近位指節間関節が急に屈曲する可能性がある。つまり、動作開始位置から目標到達位置までの間での人差指１４の動作が不自然になるように、アーム回転軸２７ａの位置が設定される可能性がある。

これに対し、本実施の形態における装着型動作支援装置２０では、動作中間位置として、目標到達位置における各関節角度の半分の角度となるような屈曲軌跡中間角度位置を設定し、該屈曲軌跡中間角度位置を人差指１４が通過するように、アーム回転軸２７ａの位置が設定されている。つまり、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）は、Ｌ２ｘ及びＬ２ｙが、前記式（４）のみならず、前記式（７）をも満たすように設定されている。したがって、図１４に示されるように、人差指１４の動作は、動作開始位置から目標到達位置までの間で、近位指節間関節が徐々に屈曲するような自然なものとなる。

このように、本実施の形態においては、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）は、Ｌ２ｘ及びＬ２ｙが前記式（４）及び（７）を満たすように設定される。したがって、三節部位における２つの関節を屈曲させることができるだけでなく、各関節の屈曲動作が自然なものとなり、各関節に負荷がかかることが防止される。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１５は本発明の第３の実施の形態における装着型動作支援装置を装着者の手に装着した状態を示す図、図１６は本発明の第３の実施の形態における装着型動作支援装置の関節軸位置調整機構を示す図である。なお、図１５及び１６において、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

本実施の形態における装着型動作支援装置２０は、図１５に示されるように、アーム回転軸２７ａの位置を調整するための関節軸位置調整機構４１を有する。該関節軸位置調整機構４１を作動させることによって、アーム回転軸２７ａをＸ−Ｙ方向に変位させ、位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）を容易に調整することができる。

図１６に示されるように、前記関節軸位置調整機構４１は、ベース部２２に固定された関節軸支持部としての接続ベース部４２と、該接続ベース部４２にＹ方向（垂直方向）にスライド可能に取り付けられた垂直スライドベース部４３と、該垂直スライドベース部４３にＸ方向（水平方向）にスライド可能に取り付けられた水平スライドベース部４４とを備える。なお、該水平スライドベース部４４のスライド方向の一端（図１６における右端）には、アーム回転軸２７ａの基端が固定されている。そして、前記接続ベース部４２には、垂直スライドベース部４３をスライド可能に保持する垂直スライド４２ａが形成され、前記垂直スライドベース部４３には、水平スライドベース部４４をスライド可能に保持する水平スライド４３ａが形成されている。

また、前記接続ベース部４２には、Ｙ方向に延在する第１スクリュロッド部４６の上端を回転可能、かつ、軸方向に移動不能に保持する第１ブラケット部４６ａが固定されている。なお、前記第１スクリュロッド部４６の下端にはねじが形成され、垂直スライドベース部４３に形成された第１スクリュナット孔４６ｂに螺入されている。したがって、第１スクリュロッド部４６を回転させることによって、垂直スライドベース部４３を接続ベース部４２に対してＹ方向に変位させることができる。

さらに、前記垂直スライドベース部４３には、Ｘ方向に延在する第２スクリュロッド部４７の一端（図１６における左端）を回転可能、かつ、軸方向に移動不能に保持する第２ブラケット部４７ａが固定されている。なお、前記第２スクリュロッド部４７の他端（図１６における右端）にはねじが形成され、水平スライドベース部４４に形成された第２スクリュナット孔４７ｂに螺入されている。したがって、第２スクリュロッド部４７を回転させることによって、水平スライドベース部４４を垂直スライドベース部４３に対してＸ方向に変位させることができる。

このように、前記関節軸位置調整機構４１は、第１スクリュロッド部４６及び第２スクリュロッド部４７を回転させることによって、水平スライドベース部４４に固定されているアーム回転軸２７ａを、接続ベース部４２が固定されているベース部２２に対して、Ｘ−Ｙ方向に変位させることができる。

装着者が他の装着者に交替した場合、人差指１４のサイズが変化するので、人差指基節１４ａの長さＬ２ａ及び人差指中節１４ｂの長さＬ２ｂの値が変化する。したがって、Ｌ２ａ及びＬ２ｂを変数として含む前記式（４）及び（７）を満たすように設定されるアーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）も変化する。

そこで、装着者が他の装着者に交替した場合には、前記式（４）及び（７）を満たすＬ２ｘ及びＬ２ｙの値を計算し、それに対応するように、第１スクリュロッド部４６及び第２スクリュロッド部４７を回転させて、アーム回転軸２７ａの位置を調整する。

このように、本実施の形態においては、１つの装着型動作支援装置２０を複数の装着者に対応させる場合に装着者毎に指のサイズが相違していても、関節軸位置調整機構４１を作動させてアーム回転軸２７ａの位置を調整することによって、容易に適合させることができる。

また、関節軸位置調整機構４１は指駆動部２１の基端に配設されているので、本実施の形態における装着型動作支援装置２０は、指の背側に複雑な機構部を実装している多関節アーム方式の装着型動作支援装置とは異なり、スリムで小型である。したがって、装着性が良好となり、他の指や把持の対象物と干渉することがない。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１７は本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の関節軸位置調整機構を示す図、図１８は本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置の構成を示すブロック図、図１９は本発明の第４の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースのデータ構成を示す図である。

本実施の形態における関節軸位置調整機構４１は、図１７に示されるように、第１スクリュロッド部４６を回転させるアクチュエータとしての第１回転アクチュエータ４８と、第２スクリュロッド部４７を回転させるアクチュエータとしての第２回転アクチュエータ４９とを有する。また、前記第１回転アクチュエータ４８及び第２回転アクチュエータ４９には、第１スクリュロッド部４６及び第２スクリュロッド部４７の回転量を測定するためのアブソリュートエンコーダとしての第１アブソリュートエンコーダ４８ａ及び第２アブソリュートエンコーダ４９ａが取り付けられている。したがって、前記第１回転アクチュエータ４８及び第２回転アクチュエータ４９を作動させることによって、アーム回転軸２７ａをＸ−Ｙ方向に変位させることができる。

なお、アブソリュートエンコーダは、絶対位置を検出する機能を備えたエンコーダである。つまり、信号としてモータの回転量に応じたパルス列だけでなく、絶対位置信号も検出する点が、インクリメンタルエンコーダとの違いである。ロボット、工作機械等のＮＣ制御を使うＦＡ機器は、原点を基準とした位置データに基づいて作動する。そのため、インクリメンタルエンコーダを使用した場合、原点を検出するためにリミットスイッチ等の機械的な基準点（原点）を設け、電源を入れたときに機械を作動させて原点を探すようになっている。これに対し、アブソリュートエンコーダを使うと、原点に対する位置を常に把握することができるので、例えば、電源を切った状態において、何らかの理由でモータが回転しても、電源を入れると現在位置を検出することができる。したがって、原点復帰動作が不要となる。

また、本実施の形態における装着型動作支援装置２０は、図１８に示されるような制御装置を有する。該制御装置は、制御部３５と、入出力装置３６と、上位インターフェイス３７とを備える。そして、前記第１回転アクチュエータ４８、第２回転アクチュエータ４９、第１アブソリュートエンコーダ４８ａ及び第２アブソリュートエンコーダ４９ａは、制御部３５に接続され、前記第１回転アクチュエータ４８及び第２回転アクチュエータ４９の動作は制御部３５によって制御される。なお、該制御部３５は、図１９に示されるように、装着者のＩＤ毎に対応するＬ２ｘ及びＬ２ｙの値を記録したデータを格納するデータベースを備える。

装着者が装着型動作支援装置２０を装着する前に、前記入出力装置３６又は上位インターフェイス３７から前記装着者のＩＤを入力する。すると、制御部３５は、前記データベースにアクセスし、入力された装着者のＩＤに対応するＬ２ｘ及びＬ２ｙの値を取得する。そして、制御部３５は、第１回転アクチュエータ４８及び第２回転アクチュエータ４９を作動させて、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）の値がデータベースから取得したＬ２ｘ及びＬ２ｙの値に一致するように、アーム回転軸２７ａをＸ−Ｙ方向に変位させる。

このように、本実施の形態においては、１つの装着型動作支援装置２０を複数の装着者に対応させる場合に装着者毎に指のサイズが相違していても、前記式（４）及び（７）を満たすＬ２ｘ及びＬ２ｙの値を計算することなく、アーム回転軸２７ａの位置を自動的に調整することができる。したがって、容易に、かつ、短時間でアーム回転軸２７ａの位置を装着者に適合させることができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図２０は本発明の第５の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースの第１のデータ構成を示す図、図２１は本発明の第５の実施の形態における装着型動作支援装置の制御装置が有するデータベースの第２のデータ構成を示す図である。

本実施の形態における装着型動作支援装置２０は、前記第４の実施の形態と同様の制御装置を有する。なお、本実施の形態における制御装置の制御部３５は、図２０に示されるように、装着者のＩＤ毎に対応するＬ２ａ及びＬ２ｂの値を記録したデータと、図２１に示されるように、目的動作毎に対応する目標到達位置における中手指節関節角度及び近位指節間関節角度、すなわち、−θ２ａ及び−θ２ｂの値を記録したデータとを格納するデータベースを備える。

装着者が装着型動作支援装置２０を装着する前に、前記入出力装置３６又は上位インターフェイス３７から前記装着者のＩＤを入力する。すると、制御部３５は、前記データベースにアクセスし、入力された装着者のＩＤに対応するＬ２ａ及びＬ２ｂの値を取得する。

そして、装着者が装着型動作支援装置２０を装着した後に、前記入出力装置３６又は上位インターフェイス３７から目的動作（例えば、コップをつかむ）を入力する。すると、制御部３５は、前記データベースにアクセスし、入力された目的動作に対応する−θ２ａ及び−θ２ｂの値を取得する。

続いて、制御部３５は、前記式（４）及び（７）にデータベースから取得したＬ２ａ、Ｌ２ｂ、−θ２ａ及び−θ２ｂの値を代入し、前記式（４）及び（７）を満たすＬ２ｘ及びＬ２ｙの値を計算し、第１回転アクチュエータ４８及び第２回転アクチュエータ４９を作動させて、アーム回転軸２７ａの位置座標（Ｌ２ｘ、Ｌ２ｙ）の値が計算したＬ２ｘ及びＬ２ｙの値に一致するように、アーム回転軸２７ａをＸ−Ｙ方向に変位させる。

このように、本実施の形態においては、１つの装着型動作支援装置２０を複数の装着者に対応させる場合に装着者毎の指のサイズに適切に対応することができるとともに、目的動作に応じて指の中手指節関節角度及び近位指節間関節角度を変化させることができるので、細かい動作を行うことができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、装着型動作支援装置に適用することができる。

１４人差指
２０装着型動作支援装置
２１指駆動部
２２ベース部
２２ｂ接続ブラケット
２４駆動アーム部
２５押し当てブロック
２７ａアーム回転軸
３５制御部
４１関節軸位置調整機構
４２接続ベース部

Claims

（ａ）ベース部と、単関節駆動部とを有し、前記ベース部及び単関節駆動部を装着者に装着し、該装着者の三節部位の動作を支援する装着型動作支援装置であって、
（ｂ）前記単関節駆動部は、単一の関節軸を支持し、前記ベース部に固定された関節軸支持部と、前記関節軸を中心に回転可能な駆動アーム部と、該駆動アーム部に取り付けられるとともに、前記三節部位に装着される装着部とを備え、
（ｃ）該装着部は、前記三節部位の先端節に装着され、
（ｄ）前記関節軸の位置は、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときに前記三節部位の２つの関節が屈曲し、かつ、前記装着部から関節部までの距離が、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときと、動作開始位置にあるときとで等しくなるように設定されることを特徴とする装着型動作支援装置。
前記関節軸の位置は、前記装着部から関節部までの距離が、前記駆動アーム部が目標到達位置にあるときと、動作開始位置にあるときと、前記目標到達位置及び動作開始位置の中間に設定された動作中間位置とで等しくなるように設定される請求項１に記載の装着型動作支援装置。
前記関節軸支持部は、前記関節軸の位置を２次元方向に変位させることができる関節軸位置調整機構を備える請求項１又は２に記載の装着型動作支援装置。
前記関節軸位置調整機構の動作を制御する制御部を更に有し、
該制御部は、前記装着者のＩＤと前記関節軸の位置とを対応付けたデータを含むデータベースを備え、前記装着者のＩＤが入力されると、前記関節軸の位置が入力されたＩＤに対応する位置となるように前記関節軸位置調整機構を作動させる請求項３に記載の装着型動作支援装置。
前記関節軸位置調整機構の動作を制御する制御部を更に有し、
該制御部は、前記装着者のＩＤと前記三節部位の各節の長さとを対応付けたデータ、及び、目的動作と前記三節部位の２つの関節の角度とを対応付けたデータを含むデータベースを備え、前記装着者のＩＤ及び目的動作が入力されると、前記三節部位の各節の長さ及び前記三節部位の２つの関節の角度に基づいて前記関節軸の位置を計算し、前記関節軸の位置が計算された位置となるように前記関節軸位置調整機構を作動させる請求項３に記載の装着型動作支援装置。
前記三節部位は手の指であり、前記動作開始位置は手の指が伸長した状態に対応する位置であり、前記目標到達位置は手の指が屈曲した状態に対応する位置である請求項１〜５のいずれか１項に記載の装着型動作支援装置。
前記２つの関節は、中手指節関節及び近位指節間関節である請求項６に記載の装着型動作支援装置。