JP2014184027A - 指アシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装着者の意図に応じて指の屈曲動作あるいは伸張動作を適切にアシストする。
【解決手段】複数のユニットを、指の屈曲方向および伸張方向に回転可能に連結して指アシスト装置を形成する。ユニットは、指の腹側および背側から挟持部で指を挟持することによって指に取り付けられており、指の腹側と挟持部との間の接触力（第１接触力）および指の背側と挟持部との間の接触力（第２接触力）を検出して、駆動力を制御する。指アシスト装置の装着者の意図は第１接触力と第２接触力とに表れるから、こうすることで装着者の意図に応じて適切に指アシスト装置の駆動力を制御して、指の屈曲動作あるいは伸張動作をアシストすることが可能となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、指アシスト装置に関する。

事故や病気などによって指の曲げ伸ばしに支障が生じた人や、握力が低下した人、高齢のために力が弱くなった老人などが手に装着して、指の動作を補助する装置が提案されている（特許文献１、特許文献２）。

特開２００２−３４５８６１号公報 特開２０１１−１１５２４８号公報

しかし、指を屈曲させようとしているのか、伸張させようとしているのかに関する人の意志を検出することは難しく、従って、上記提案の何れにおいても、指の屈曲動作あるいは伸張動作を適切にアシストすることは困難であるという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題を解決するためになされたものであり、人が指を屈曲させようとしているのか、伸張させようとしているのかを検出して、指の屈曲動作あるいは伸張動作を適切にアシストすることが可能な技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の指アシスト装置は次の構成を採用した。すなわち、
指に装着されて前記指が屈曲する動きをアシストする指アシスト装置において、
前記指の屈曲方向および前記屈曲方向とは逆方向の伸張方向に回転可能に連結された複数のユニットと、
複数の前記ユニットに設けられて、前記指の腹側および背側から前記指を挟持する挟持部と、
前記挟持部に設けられて、前記挟持部と前記手指の腹側との間に生じる第１接触力を検出する第１センサーと、
前記挟持部に設けられて、前記挟持部と前記手指の背側との間に生じる第２接触力を検出する第２センサーと、
前記ユニットに連結された前記ユニットを前記屈曲方向あるいは前記伸張方向に回転駆動する駆動部と、
前記駆動部が前記ユニットを回転駆動する駆動力を、前記第１接触力と前記第２接触力とに基づいて制御する駆動力制御部と
を備えることを特徴とする。

このような本発明の指アシスト装置は、連結された複数のユニットを屈曲方向あるいは伸張方向に回転駆動することによって、指の動作をアシストする。ここで、ユニットは、指の腹側および背側から挟持部で指を挟持することによって、指に取り付けられている。尚、「指の腹側」とは、指を屈曲させて対象物を把持する際に、指が対象物に面する側を指す。また、「指の背側」とは、指の腹側とは反対側を指す。そして、指の腹側と挟持部との間の接触力（第１接触力）および指の背側と挟持部との間の接触力（第２接触力）を検出して、駆動力を制御する。詳細には後述するが、指アシスト装置の装着者の意図は第１接触力と第２接触力とに表れるから、こうすることで装着者の意図に応じて適切に指アシスト装置の駆動力を制御して、指の屈曲動作あるいは伸張動作をアシストすることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置において、ユニットを屈曲方向に回転駆動している状態では、次のようにして駆動力を増減させても良い。すなわち、第１接触力が第２接触力よりも大きい場合には駆動力を増加させ、第１接触力が第２接触力よりも小さい場合には駆動力を減少させることとしてもよい。

ユニットを屈曲方向に回転駆動している状態で、第１接触力が第２接触力より大きいと言うことは、装着者が指を更に屈曲させようとしていると考えられる。逆に、第１接触力が第２接触力よりも小さいということは、装着者が指を屈曲させる力を弱めようとしていると考えられる。従って、上述したように駆動力を制御することで、装着者の意図に応じて駆動力を増減させることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置において、ユニットを屈曲方向に回転駆動している時の第１接触力と第２接触力との差が所定の閾値よりも小さかった場合には、駆動力を増減させないようにしても良い。すなわち、ユニットを屈曲方向に回転駆動している状態で、第１接触力が第２接触力よりも第１増加側閾値以上大きい場合には駆動力を増加させ、第２接触力が第１接触力よりも第１減少側閾値以上大きい場合には駆動力を減少させる。更に、ユニットを屈曲方向に回転駆動している状態で、第１接触力が第２接触力よりも大きく、且つ第１接触力の第２接触力に対する超過量が第１増加側閾値未満であるか、あるいは第２接触力が第１接触力よりも大きく、且つ第２接触力の第１接触力に対する超過量が第１減少側閾値未満である場合には、駆動力を維持することとしてもよい。尚、駆動力を増加させる側の閾値（第１増加側閾値）と、駆動力を減少させる側の閾値（第１減少側閾値）とは別々に設定可能であれば十分であり、第１増加側閾値と第１減少側閾値とが同じ値に設定されていても構わない。

こうすれば、装着者が意図しないような僅かな指の動き（たとえば指の震え）によって第１接触力および第２接触力が増減し、それに伴って駆動力が増減することを回避することができる。その結果、装着者の意図に応じて、指の屈曲動作および伸張動作を安定してアシストすることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置において、ユニットを伸張方向に回転駆動している状態では、次のようにして駆動力を増減させても良い。すなわち、第１接触力が第２接触力よりも大きい場合には駆動力を減少させ、第１接触力が第２接触力よりも小さい場合には駆動力を増加させることとしてもよい。

ユニットを伸張方向に回転駆動している状態で、第１接触力が第２接触力より大きいと言うことは、装着者が指を伸張させる力を弱めようとしていると考えられる。逆に、第１接触力が第２接触力よりも小さいということは、装着者が指を更に伸張させようとしていると考えられる。従って、上述したように駆動力を制御することで、装着者の意図に応じて駆動力を増減させることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置において、ユニットを伸張方向に回転駆動している時の第１接触力と第２接触力との差が所定の閾値よりも小さかった場合には、駆動力を増減させないようにしても良い。すなわち、ユニットを伸張方向に回転駆動している状態で、第２接触力が第１接触力よりも第２増加側閾値以上大きい場合には駆動力を増加させ、第１接触力が第２接触力よりも第２減少側閾値以上大きい場合には駆動力を減少させる。更に、ユニットを伸張方向に回転駆動している状態で、第２接触力が第１接触力よりも大きく、且つ第２接触力の第１接触力に対する超過量が第２増加側閾値未満であるか、あるいは第１接触力が第２接触力よりも大きく、且つ第１接触力の第２接触力に対する超過量が第２減少側閾値未満である場合には、駆動力を維持することとしてもよい。尚、駆動力を増加させる側の閾値（第２増加側閾値）と、駆動力を減少させる側の閾値（第２減少側閾値）とは別々に設定可能であれば十分であり、第２増加側閾値と第２減少側閾値とが同じ値に設定されていても構わない。

こうすれば、装着者が意図しないような僅かな指の動き（たとえば指の震え）によって第１接触力および第２接触力が増減し、それに伴って駆動力が増減することを回避することができる。その結果、装着者の意図に応じて、指の屈曲動作および伸張動作を安定してアシストすることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置においては、第２増加側閾値を第１増加側閾値よりも小さな値に設定し、第２減少側閾値を第１減少側閾値よりも小さな値に設定することとしてもよい。

一般に指の伸張時は屈曲時よりも指の力が小さい傾向がある。従って、第２増加側閾値を第１増加側閾値よりも小さな値と、第２減少側閾値を第１減少側閾値よりも小さな値としておけば、指の伸張時には屈曲時よりも、指に小さな力がかかった段階から指の動作をアシストすることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置においては、複数のユニットの中で、特に指の先端側のユニットの挟持部に、第１センサーおよび第２センサーを設けることとしても良い。尚、この場合、他のユニットの挟持部にも、第１センサーおよび第２センサーを設けても良い。

指を屈曲させたり伸張させたりする場合、指の先端になるほど指の動きは大きくなる。従って、複数のユニットの中で特に指の先端側のユニットの挟持部に、第１センサーおよび第２センサーを設けておけば、装着者の意図を敏感に検知して、指の動きを適切にアシストすることが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置において、指の腹側に設けられた第１挟持部は、指の背側に設けられた第２挟持部よりも変形容易に形成してもよい。

こうすれば、装着者が対象物を把持する場合に、対象物を把持する感触が第１挟持部を介して装着者の指の腹に伝わるので、対象物を把持しやすい指アシスト装置を実現することが可能となる。

また、上述した本発明の指アシスト装置においては、ユニットを回転駆動させる駆動部として、圧電材料を含んで形成された振動体を用いることとしても良い。振動体としては、屈曲駆動式のピエゾアクチュエータを好適に用いることができる。

こうすれば、振動体を薄型化することによって指アシスト装置を薄型化することが可能となる。また、振動体は連結部材に押し付けた状態で用いられるので、連結部材を回転駆動していない間は、連結部材の回転を防止するブレーキとして機能する。このため、振動体で連結部材を駆動していない場合でも、荷重に負けて指が仰け反ることがない。

本実施例の指アシスト装置の全体図である。 指アシスト装置の駆動ユニットの構造を示す説明図である。 圧電モーターの構造を示す斜視図である。 圧電モーターの動作原理を示す説明図である。 指アシスト装置の動作を示す説明図である。 第１センサーおよび第２センサーの出力に基づいて指アシスト装置の装着者の意図を検出する原理を示す説明図である。 圧電モーターの駆動力を調整する駆動力調整処理のフローチャートである。 駆動制御部のメモリーに記憶されている屈曲動作時用の対応関係および伸張動作時用の対応関係を概念的に示した説明図である。 第１変形例の第１挟持部および第２挟持部を例示した説明図である。 複数の指アシスト装置を並列に取付部材に取り付けた第２変形例を例示した説明図である。

図１は、本実施例の指アシスト装置１００を人間の手の指１（人差し指）に装着した様子を示す説明図である。図１（ａ）には、指１の腹側から見た状態が示されており、図１（ｂ）には指１の側面側から見た状態が示されている。また、図１中に示した符番１ａは指１の爪を示しており、符番１ｂは指１の股を示しており、符番１ｃは指１の関節を示している。尚、「指の腹側」とは、指１を屈曲させて対象物を把持する際に、指１が対象物に面する側を指す。また、「指の背側」とは、指の腹側とは反対側を指す。尚、本実施例では人間の手の指１に装着した場合について説明するが、足の指に装着しても良いし、人間以外の動物の手の指あるいは足の指に装着しても良い。

図示されるように本実施例の指アシスト装置１００は、直列に接続された複数（図示した例では２つ）の駆動ユニット１１０と、先端に接続された指先ユニット１２０とを備えている。尚、２つの駆動ユニット１１０は同じものが用いられているが、これらを区別する必要がある場合には、図１に示されるように、それぞれ駆動ユニット１１０ａ、１１０ｂと称するものとする。また、本実施例の駆動ユニット１１０は、本発明における「ユニット」に対応する。

図１（ａ）に示されるように、駆動ユニット１１０は、指１の側に設けられた第１部材１１１と、その第１部材１１１を挟んで指１と反対側に設けられた第２部材１１２と、第１部材１１１と第２部材１１２との間に設けられた円板形状のローター１１３と、ローター１１３を回転させる圧電モーター２００と、ローター１１３と共に回転する第１平歯車１１４と、第１平歯車１１４と嵌合する第２平歯車１１５と、第１平歯車１１４を隣接する駆動ユニット１１０の第２部材１１２に連結させる連結ネジ１１６とを備えている。従って、それぞれの駆動ユニット１１０は、連結ネジ１１６を締結したりゆるめたりすることによって自由に着脱することが可能である。また、圧電モーター２００は、駆動信号を供給することによって圧電モーター２００の駆動方向および駆動力を制御する駆動制御部２５０に接続されている。尚、本実施例の圧電モーター２００は、本発明における「駆動部」あるいは「振動体」に対応し、本実施例の駆動制御部２５０は、本発明における「駆動力制御部」に対応する。

また、駆動ユニット１１０ａの第１部材１１１や、駆動ユニット１１０ｂの第１部材１１１、指先ユニット１２０には、第１挟持部１３０ｂと第２挟持部１３０ａとが設けられており、第１挟持部１３０ｂは指１の腹側から、第２挟持部１３０ａは指１の背側から指１を挟持する。このため、図１に示すように、駆動ユニット１１０ａ，１１０ｂおよび指先ユニット１２０に設けられた第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａで指１を挟持することによって、本実施例の指アシスト装置１００を指１に装着することができる。また、第２挟持部１３０ａは、金属や硬質樹脂などの変形しにくい材質で形成されているが、第１挟持部１３０ｂは、軟質樹脂などの変形しやすい材質で形成されている。このため、指アシスト装置１００を指１に装着した状態で対象物を把持する場合でも、装着者は対象物を把持する感触を、第１挟持部１３０ｂを介して指１の腹側で感じることができる。尚、本実施例の第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａが、本発明における「挟持部」に対応する。

図１（ｃ）には、指先ユニット１２０をＡ−Ａの位置で切断した断面図が示されている。図示されるように、指先ユニット１２０の第１挟持部１３０ｂには、指１の腹側と接触する位置に第１センサー１３２ｂが設けられている。また、指先ユニット１２０の第２挟持部１３０ａには、指１の背側と接触する位置に第２センサー１３２ａが設けられている。このため、本実施例の指アシスト装置１００を指１に装着すると、指１の腹側が第１センサー１３２ｂに接触して軽く押し付けられた状態となり、指１の背側が第２センサー１３２ａに接触して軽く押し付けられた状態となる。

また、第１センサー１３２ｂおよび第２センサー１３２ａからの出力は、駆動制御部２５０に供給される。そして駆動制御部２５０は、第１センサー１３２ｂおよび第２センサー１３２ａからの出力に基づいて、圧電モーター２００を駆動する。この点については、後ほど詳しく説明する。尚、本実施例では、指先ユニット１２０の第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａにだけ、第１センサー１３２ｂおよび第２センサー１３２ａが取り付けられているものとして説明するが、駆動ユニット１１０ａ，１１０ｂの第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａにも、第１センサー１３２ｂおよび第２センサー１３２ａを取り付けてもよい。

図２は、駆動ユニット１１０の詳細な構造を示す説明図である。尚、図２では、取付部１０２，１０４については図示を省略している。図２（ａ）は、指１に装着される側と反対側（第２部材１１２の側）から見た駆動ユニット１１０の正面図であり、図２（ｂ）は、駆動ユニット１１０の中央位置での断面図であり、図２（ｃ）は、指１に装着される側（第１部材１１１の側）から見た駆動ユニット１１０の背面図である。

第１部材１１１には、円柱形状のボス１１１ｂが２箇所に突設されており、圧電モーター２００はボス１１１ｂの頂面にネジ止めされている。圧電モーター２００の構造については後述する。また、第１部材１１１と第２部材１１２との間には、円板形状のローター１１３が回転可能に取り付けられており、このローター１１３と同軸に第１平歯車１１４が取り付けられて、ローター１１３と共に一体に回転する。更に、第１平歯車１１４には第２平歯車１１５が嵌合している。従って、圧電モーター２００を用いてローター１１３を回転させると、ローター１１３と共に第１平歯車１１４が回転し、第２平歯車１１５が回転する。また、第２平歯車１１５は第１平歯車１１４に対して歯数が多くなっている。このため、第１平歯車１１４の回転は減速されて（従って、増力されて）第２平歯車１１５に伝達される。

図３は、圧電モーター２００の構造を示した斜視図である。図示されるように圧電モーター２００は、圧電材料を含んで板状に形成された２枚の圧電素子（表圧電素子２２０，裏圧電素子２２１）の間に、金属平板で形成されたシム板２１０を挟んで貼り合わせた積層構造となっている。以下では、圧電モーター２００の長手方向をＸ方向と称する。また、図中に示すように、Ｘ方向と直交する圧電モーター２００の短手方向をＹ方向と称し、Ｘ方向およびＹ方向と直交する圧電モーター２００の厚さ方向をＺ方向と称するものとする。

表圧電素子２２０のシム板２１０と接する面とは反対側の面（上面）には、表圧電素子２２０に電圧を印加するための表電極２２２が設けられており、図３に示されているように、表圧電素子２２０の上面を格子状に４分割するように４つの矩形形状の表電極２２２が設けられている。また、図示は省略するが、裏圧電素子２２１のシム板２１０と接する面とは反対側の面（下面）にも同様に、その下面を格子状に４分割するように４つの矩形形状の裏電極２２３が設けられている。また、金属製のシム板２１０は、圧電素子（表圧電素子２２０，裏圧電素子２２１）を補強するだけでなく、表圧電素子２２０および裏圧電素子２２１に電圧を印加するための共通電極としての役割を有しており、グランドに接地されている。

圧電モーター２００の長手方向（Ｘ方向）の端部には、凸部２１２が設けられている。また、圧電モーター２００の短手方向（Ｙ方向）に向いた両側面には、圧電モーター２００を凸部２１２が設けられた側に向けて付勢した状態で支持するための一対の支持部２１４が設けられている。これら凸部２１２および支持部２１４はシム板２１０と一体に形成されている。

図４は、圧電モーター２００の動作原理を示す説明図である。圧電モーター２００は、圧電モーター２００の表電極２２２および裏電極２２３に一定周期で電圧を印加したときに、圧電モーター２００の凸部２１２が楕円運動することによって動作する。圧電モーター２００の凸部２１２が楕円運動するのは次の理由による。尚、表圧電素子２２０に設けられた表電極２２２と、裏圧電素子２２１に設けられた裏電極２２３とはＸ−Ｙ平面に関して面対称であって基本的には同じであるため、ここでは、表電極２２２を例に説明する。

先ず、周知のように圧電材料を含む圧電素子（表圧電素子２２０，裏圧電素子２２１）は、正電圧を印加すると伸張する性質を有している。従って、図４（ａ）に示すように、４つの表電極２２２の全てに正電圧を印加した後、印加電圧を解除することを特定の周波数で繰り返すと、圧電モーター２００（表圧電素子２２０）は、長手方向（Ｘ方向）に伸縮する一種の共振現象を発生させることができる。尚、圧電モーター２００が長手方向（Ｘ方向）に伸縮を繰り返す動作を「伸縮振動」と呼び、圧電モーター２００が伸縮する方向（図中の±Ｘ方向）を「伸縮方向」と呼ぶ。

また、図４（ｂ）あるいは図４（ｃ）に示すように、互いに対角線の位置にある２つの表電極２２２を組（表電極２２２ａおよび表電極２２２ｄの組、あるいは表電極２２２ｂおよび表電極２２２ｃの組）として、特定の周波数の電圧を印加すると、圧電モーター２００（表圧電素子２２０）は、長手方向（Ｘ方向）の先端部（凸部２１２が設けられた部分）が、図面上で左右方向（Ｙ方向）に首を振るような一種の共振現象を発生させることができる。例えば、図４（ｂ）に示したように、表電極２２２ａおよび表電極２２２ｄの組に一定周期で正電圧を印加すると、圧電モーター２００は、長手方向の先端部が右方向に移動する動作を繰り返す。また、図４（ｃ）に示したように、表電極２２２ｂおよび表電極２２２ｃの組に一定周期で正電圧を印加すると、圧電モーター２００は、長手方向の先端部が左方向に移動する動作を繰り返す。このような圧電モーター２００の動作を「屈曲振動」と呼ぶ。以下では、圧電モーター２００が屈曲振動する方向（図中の±Ｙ方向）を「屈曲方向」と呼ぶ。

そして、表圧電素子２２０の物性や、表圧電素子２２０の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）を適切に選んでやれば、「屈曲振動」で共振させることによって同時に「伸縮振動」の共振も誘起することができる。その結果、図４（ｂ）に示す態様で表電極２２２ａおよび表電極２２２ｄの組に電圧を印加した場合には、圧電モーター２００の先端部（凸部２１２が設けられた部分）が図面上で時計回りに楕円を描くような動作（楕円運動）を行う。また、図４（ｃ）に示す態様で表電極２２２ｂおよび表電極２２２ｃの組に電圧を印加した場合には、圧電モーター２００の先端部が図面上で反時計回りの楕円運動を行う。裏圧電素子２２１についても、表圧電素子２２０と全く同様なことが成り立つ。

圧電モーター２００は、このような楕円運動を利用して被駆動体を駆動する。すなわち、圧電モーター２００の凸部２１２を被駆動体に押しつけた状態で楕円運動を発生させる。すると、凸部２１２は、圧電モーター２００が伸張する際には被駆動体に押し付けられた状態で左から右に向かって（あるいは右から左に向かって）移動し、圧電モーター２００が収縮する際には被駆動体から離れた状態で元の位置まで復帰する動作を繰り返す。この結果、被駆動体は、凸部２１２から受ける摩擦力によって一方向に駆動される。

本実施例の駆動ユニット１１０に搭載された圧電モーター２００は、ローター１１３に凸部２１２を押し付けた状態で設置されている（図２参照）。このため、圧電モーター２００を駆動すると、ローター１１３およびローター１１３が回転し、その回転が第２平歯車１１５に伝わる。そして、図１に示したように、第２平歯車１１５には隣の駆動ユニット１１０（あるいは指先ユニット１２０）が接続されている。このため、圧電モーター２００を駆動することによって、駆動ユニット１１０ａと駆動ユニット１１０ｂ、あるいは駆動ユニット１１０ｂと指先ユニット１２０とを屈曲させたり、伸張させたりすることが可能となる。

図５は、本実施例の指アシスト装置１００の動作を示す説明図である。例えば、図５（ａ）に示されるように、駆動ユニット１１０ａのローター１１３が紙面上で時計方向に回転するように、駆動ユニット１１０ａの圧電モーター２００を駆動すると、駆動ユニット１１０ａに対して屈曲するように駆動ユニット１１０ｂが移動する。同様に、駆動ユニット１１０ｂのローター１１３が紙面上で時計方向に回転するように、駆動ユニット１１０ｂの圧電モーター２００を駆動すると、駆動ユニット１１０ｂに対して屈曲するように指先ユニット１２０が移動する。その結果、図５（ａ）中に白抜きの矢印で示したように、指アシスト装置１００が屈曲する。

また、図５（ｂ）に示したように、駆動ユニット１１０ａおよび駆動ユニット１１０ｂの圧電モーター２００を逆方向に駆動して、ローター１１３を紙面上で反時計回りに回転させれば、図中に白抜きの矢印で示したように、屈曲した指アシスト装置１００を伸張させることができる。

以上に説明したように、本実施例の指アシスト装置１００は、指１の側面に装着して圧電モーター２００を駆動することにより、指１が屈曲する動作あるいは伸張する動作を補助することができる。もっとも、これら指１の動作を指アシスト装置１００で適切に補助するためには、指１に指アシスト装置１００を装着した人間が、指１を屈曲させようとしているのか、伸張させようとしているのかといった人間（装着者）の意図を適切に検出することが重要となる。更には、装着者が指１を屈曲させており、その動作を指アシスト装置１００で補助している場合でも、補助する力が弱いと感じているのか、強いと感じているのかを検出することが重要となる。装着者が指１を伸張させる場合も同様に、指アシスト装置１００が指１を補助する力が弱いと感じているのか、強いと感じているのかを検出することが重要となる。そこで、本実施例の指アシスト装置１００は、第１挟持部１３０ｂに取り付けられた第１センサー１３２ｂ、および第２挟持部１３０ａに取り付けられた第２センサー１３２ａの出力を用いて装着者の意図を検出する。

図６は、本実施例の指アシスト装置１００が第１センサー１３２ｂおよび第２センサー１３２ａの出力に基づいて装着者の意図を検出する原理を示す説明図である。尚、図６中に示した符番１ａは指１の爪を示しており、符番１ｂは指１の股を示しており、符番１ｃは指１の関節を示している。図１を用いて前述したように指アシスト装置１００を指１に装着すると、第１挟持部１３０ｂは指１の腹側から、第２挟持部１３０ａは指１の背側から指１に軽く押し付けられた状態で指１を挟持している。このため、第１挟持部１３０ｂに設けられた第１センサー１３２ｂと指１の間、および第２挟持部１３０ａに設けられた第２センサー１３２ａと指１の間には、それぞれ接触力が働いている。尚、以下では、第１センサー１３２ｂと指１の間に働く接触力を「第１接触力」と称し、第２センサー１３２ａと指１との間に働く接触力を「第２接触力」と称することにする。

ここで、図６（ａ）に示しように、装着者が指１を屈曲させようとしている場合を考える。指１が動いていない状態から操作者が指１を屈曲させようとした場合、装着者の指１が第１挟持部１３０ｂを押すことになるので、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が増加する。また、装着者の指１が第２挟持部１３０ａから離れようとするので、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が減少する。あるいは、指１が屈曲動作をしている時に、屈曲する力をもっと強めたいと装着者が思った場合にも、装着者の指１が第１挟持部１３０ｂを押すことになる。このため、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が増加し、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が減少する。

これに対して、指１が屈曲動作をしている時に、屈曲する力をもっと弱めたいと装着者が思った場合には、装着者が指１を屈曲させる力を弱める結果、指アシスト装置１００の指先ユニット１２０および駆動ユニット１１０の動きが、装着者の指１の動きを追い越すような状態となる。このため、装着者の指１が第２挟持部１３０ａを押すことになるので、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が増加し、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が減少する。

以上の説明から明らかなように、指１の屈曲動作時（屈曲させる前の停止状態も含む）には、第１センサー１３２ｂで検出された第１接触力Ｆ１が第２センサー１３２ａで検出された第２接触力Ｆ２よりも大きい場合には、指アシスト装置１００が指１を屈曲させる方向に補助する力を増加させればよい。逆に、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも小さい場合には、指アシスト装置１００が指１を屈曲させる方向に補助する力を減少させればよいことが分かる。

次に、図６（ｂ）に示したように、装着者が指１を伸張させようとしている場合を考える。指１が動いていない状態から操作者が指１を伸張させようとした場合、装着者の指１が第２挟持部１３０ａを押すことになるので、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が増加する。また、装着者の指１が第１挟持部１３０ｂから離れようとするので、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が減少する。あるいは、指１が伸張動作をしている時に、伸張する力をもっと強めたいと装着者が思った場合にも、装着者の指１が第２挟持部１３０ａを押すことになる。このため、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が増加し、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が減少する。

また、指１が伸張動作をしている時に、伸張する力をもっと弱めたいと装着者が思った場合には、装着者が指１を伸張させる力を弱める結果、指アシスト装置１００の指先ユニット１２０および駆動ユニット１１０の動きが、装着者の指１の動きを追い越すような状態となる。このため、装着者の指１が第１挟持部１３０ｂを押すことになるので、第１センサー１３２ｂで検出される第１接触力Ｆ１が増加し、第２センサー１３２ａで検出される第２接触力Ｆ２が減少する。

以上の説明から明らかなように、指１の伸張動作時（伸張させる前の停止状態も含む）には、第２センサー１３２ａで検出された第２接触力Ｆ２が第１センサー１３２ｂで検出された第１接触力Ｆ１よりも大きい場合には、指アシスト装置１００が指１を伸張させる方向に補助する力を増加させればよい。逆に、第２接触力Ｆ２が第１接触力Ｆ１よりも小さい場合には、指アシスト装置１００が指１を伸張させる方向に補助する力を減少させればよいことが分かる。

このように、第１センサー１３２ｂで検出した第１接触力Ｆ１と、第２センサー１３２ａで検出した第２接触力Ｆ２とを比較すれば、指アシスト装置１００の装着者の意図に応じて、圧電モーター２００の駆動力を増減させることが可能となる。このため、指アシスト装置１００を用いて指１の屈曲動作あるいは伸張動作を適切にアシストすることが可能となる。

また、以上では、第１接触力Ｆ１と第２接触力Ｆ２とを比較することで、装着者の意図に応じたアシスト動作が可能となる原理に主眼をおいて説明した。この原理を実際の制御に適用する場合には、第１接触力Ｆ１と第２接触力Ｆ２との差が大きくなるほど、圧電モーター２００の駆動力を大きく変化させることができる。また、第１接触力Ｆ１と第２接触力Ｆ２との差が所定の閾値以下の場合には、その時の圧電モーター２００の駆動力を維持するようにすることができる。

図７は、本実施例の指アシスト装置１００が装着者の意図に応じて圧電モーター２００の駆動力を調整するために実行する駆動力調整処理のフローチャートである。この処理は、指アシスト装置１００の駆動制御部２５０が、圧電モーター２００の駆動中に実行される。

図示されるように駆動力調整処理では先ず始めに、第１センサー１３２ｂで検出された第１接触力Ｆ１と、第２センサー１３２ａで検出された第２接触力Ｆ２とを取得して（Ｓ１００）、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算する（Ｓ１０２）。続いて駆動制御部２５０は、圧電モーター２００を屈曲方向に駆動中（図５（ａ）参照）であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。圧電モーター２００の駆動方向は駆動制御部２５０によって制御されているから、駆動制御部２５０は現在、屈曲方向に駆動中であるか否かを容易に判断できる。その結果、屈曲方向に駆動中と判断した場合は（Ｓ１０４：ｙｅｓ）、屈曲動作時用の対応関係を参照して、駆動力の調整量を決定する（Ｓ１０６）。ここで「対応関係」とは、減算値（＝第１接触力Ｆ１−第２接触力Ｆ２）と、圧電モーター２００の駆動力の調整量との対応関係である。本実施例の駆動制御部２５０の図示しないメモリーには、屈曲動作時用の対応関係と、伸張動作時用の対応関係とが予め記憶されている。

図８は、駆動制御部２５０のメモリーに記憶されている屈曲動作時用の対応関係および伸張動作時用の対応関係を概念的に示した説明図である。図８（ａ）には屈曲動作時用の対応関係が示されており、図８（ｂ）には伸張動作時用の対応関係が示されている。図８（ａ）に示した屈曲動作時用の対応関係には、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きいが、第１接触力Ｆ１の第２接触力Ｆ２に対する超過量が第１増加側閾値ｔｈ１ｕ未満である場合、あるいは第２接触力Ｆ２が第１接触力Ｆ１よりも大きいが、第２接触力Ｆ２の第１接触力Ｆ１に対する超過量が第１減少側閾値ｔｈ１ｄ未満である場合には、駆動力の調整量が「０」に設定されている。このため、上記の何れかの場合に該当する場合には、圧電モーター２００の駆動力はそのまま維持される。尚、第１増加側閾値ｔｈ１ｕと第１減少側閾値ｔｈ１ｄとは、同じ値に設定されていても良いし、異なる値に設定されていても良い。

また、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きい場合には、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値が第１増加側閾値ｔｈ１ｕよりも大きくなるほど、駆動力の調整量が大きな正の値に設定されている。このため、屈曲動作中で、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きく、尚且つ、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値が第１増加側閾値ｔｈ１ｕ以上大きい場合には、減算値が大きくなるほど、駆動力が大きく増加するように調整される。

これに対して、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも小さい場合には、第２接触力Ｆ２から第１接触力Ｆ１を減算した減算値が第１減少側閾値ｔｈ１ｄよりも大きくなるほど、駆動力の調整量が絶対値の大きな負の値に設定されている。このため、屈曲動作中で、第２接触力Ｆ２が第１接触力Ｆ１よりも大きく、尚且つ、第２接触力Ｆ２から第１接触力Ｆ１を減算した減算値が第１減少側閾値ｔｈ１ｄ以上大きい場合には、減算値が大きくなるほど、駆動力が大きく減少するように調整される。

図７のＳ１０６では、以上のようにして、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値に基づいて、圧電モーター２００の駆動力の調整量を決定する。そして、決定した調整量で圧電モーター２００の駆動力を調整した後（Ｓ１０８）、処理の先頭に戻って、再び第１接触力Ｆ１および第２接触力Ｆ２を取得し（Ｓ１００）、続く上述した一連の処理を行う。

これに対して、Ｓ１０４で指アシスト装置１００の屈曲動作中でないと判断した場合は（Ｓ１０４：ｎｏ）、今度は、伸張動作中か否かを判断する（Ｓ１１０）。その結果、伸張動作中と判断した場合は（Ｓ１１０：ｙｅｓ）、伸張動作時用の対応関係（図８（ｂ））を参照して、駆動力の調整量を決定する（Ｓ１１２）。図８（ｂ）に示されているように、伸張動作時用の対応関係には、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きいが、第１接触力Ｆ１の第２接触力Ｆ２に対する超過量が第２減少側閾値ｔｈ２ｄ未満である場合、あるいは第２接触力Ｆ２が第１接触力Ｆ１よりも大きいが、第２接触力Ｆ２の第１接触力Ｆ１に対する超過量が第２増加側閾値ｔｈ２ｕ未満である場合には、駆動力の調整量が「０」に設定されている。このため、上記の何れかの場合に該当する場合には、圧電モーター２００の駆動力はそのまま維持される。尚、第２減少側閾値ｔｈ２ｄと第２増加側閾値ｔｈ２ｕとは、同じ値に設定されていても良いし、異なる値に設定されていても良い。

また、伸張動作時に用いられる第２増加側閾値ｔｈ２ｕは、屈曲動作時に用いられる第１増加側閾値ｔｈ１ｕよりも小さな値に設定されており、同様に、伸張動作時に用いられる第２減少側閾値ｔｈ２ｄは、屈曲動作時に用いられる第１減少側閾値ｔｈ１ｄよりも小さな値に設定されている。これは、指１の力は、屈曲時よりも伸張時の方が弱いため、指１の力が小さい段階から指アシスト装置１００で指１をアシストできるようにするためである。

また、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きい場合には、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値が第２減少側閾値ｔｈ２ｄよりも大きくなるほど、駆動力の調整量は絶対値が大きな負の値に設定されている。このため、伸張動作中で、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも大きく、尚且つ、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値が第２減少側閾値ｔｈ２ｄ以上大きい場合には、減算値が大きくなるほど、駆動力が大きく減少するように調整される。

これに対して、第１接触力Ｆ１が第２接触力Ｆ２よりも小さい場合には、第２接触力Ｆ２から第１接触力Ｆ１を減算した減算値が第２増加側閾値ｔｈ２ｄよりも大きくなるほど、駆動力の調整量が大きな正の値に設定されている。このため、伸張動作中で、第２接触力Ｆ２が第１接触力Ｆ１よりも大きく、尚且つ、第２接触力Ｆ２から第１接触力Ｆ１を減算した減算値が第２増加側閾値ｔｈ２ｄ以上大きい場合には、減算値が大きくなるほど、駆動力が大きく増加するように調整される。

図７のＳ１１２では、以上のようにして、第１接触力Ｆ１から第２接触力Ｆ２を減算した減算値に基づいて、圧電モーター２００の駆動力の調整量を決定する。そして、決定した調整量で圧電モーター２００の駆動力を調整した後（Ｓ１１４）、処理の先頭に戻って、再び第１接触力Ｆ１および第２接触力Ｆ２を取得し（Ｓ１００）、続く上述した一連の処理を行う。また、Ｓ１１０で伸張動作時ではないと判断した場合は（Ｓ１１０：ｎｏ）、そのまま先頭に戻って第１接触力Ｆ１および第２接触力Ｆ２を取得した後（Ｓ１００）、続く上述した一連の処理を継続する。

本実施例の指アシスト装置１００は、以上のようにして、第１センサー１３２ｂで検出した第１接触力Ｆ１および第２センサー１３２ａで検出した第２接触力Ｆ２に基づいて、圧電モーター２００の駆動力を調整する。指アシスト装置１００の装着者の意図は、第１接触力Ｆ１と第２接触力Ｆ２との差の値に現れるから、こうすることで装着者の意図に応じて、指アシスト装置１００を用いて指１の屈曲動作および伸張動作を適切にアシストすることが可能となる。

上述した本実施例の指アシスト装置１００には幾つかの変形例が存在している。以下では、これら変形例について、本実施例との相違点を中心として簡単に説明する。尚、以下の変形例では、本実施例との共通部分については同じ番号を符番することによって詳細な説明は省略する。

上述した実施例では、指１の腹側の第１挟持部１３０ｂは、指１の背側の第２挟持部１３０ａよりも変形容易な材質で形成されているものとして説明した（図１（ｃ）参照）。しかし、第１挟持部１３０ｂについても第２挟持部１３０ａと同様に、金属や硬質樹脂などの変形しにくい材質で形成しても良い。

図９は、このような第１変形例の第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａを例示した説明図である。尚、図９では、指先ユニット１２０の第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａについて示しているが、駆動ユニット１１０についても同様な第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａとすることができる。

図示した第１変形例では、第１挟持部１３０ｂおよび第２挟持部１３０ａは何れも略半円の円弧形状に形成されており、第１挟持部１３０ｂの一端は、第２挟持部１３０ａの一端に対して回動可能に軸支されている。このため、第１挟持部１３０ｂを回動させることにより、第１挟持部１３０ｂが第２挟持部１３０ａに対して開いた状態（図中に実線で表示した状態）と、第１挟持部１３０ｂが第２挟持部１３０ａに対して閉じた状態（図中に破線で表示した状態）とにすることができる。そして、第１挟持部１３０ｂを開いた状態で、第２挟持部１３０ａの内側を指１の背に接触させて、第１挟持部１３０ｂを回動させて第２挟持部１３０ａに対して閉じた状態とした後、第１挟持部１３０ｂの他端に設けた締結ネジ１３３で第１挟持部１３０ｂを第２挟持部１３０ａに固定する。こうすれば、第１挟持部１３０ｂの第１センサー１３２ｂが指１の腹に押し付けられ、第２挟持部１３０ａの第２センサー１３２ａが指１の背に押し付けられた状態で、指１を挟持することができる。

図１０は、複数の指アシスト装置１００を並列に取付部材３００に取り付けた第２変形例を例示した説明図である。第２変形例では、それぞれの指アシスト装置１００は取付部３０２を介して、並列に取付部材３００に取り付けられている。このような第２変形例では、取付部材３００を掌あるいは手の甲に装着することで、指１に対して指アシスト装置１００を適切な位置に装着することができる。このため、指１の屈曲動作を適切にアシストすることが可能となる。

尚、図１０（ａ）に示した例では取付部材３００に対して４つの指アシスト装置１００が取り付けられているので、人差し指、中指、薬指、小指の４つの指１の屈曲動作をアシストすることができる。もちろん、取付部材３００にもう１つの指アシスト装置１００を取り付けて、親指の屈曲動作をアシスト可能としても良い。また、図１０（ｂ）に例示したように、アシストの必要な指１にだけ、取付部材３００に指アシスト装置１００を取り付けるようにしても良い。

以上、本実施例および変形例の指アシスト装置１００について説明したが、本発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１００…指アシスト装置、 １０２…取付部、 １１０…駆動ユニット、
１１１…第１部材、 １１２…第２部材、 １１３…ローター、
１１４…第１平歯車、 １１５…第５平歯車、 １１６…連結ネジ、
１２０…指先ユニット、 １３０ａ…第２挟持部、 １３０ｂ…第１挟持部、
１３２ａ…第２センサー、 １３２ｂ…第１センサー、 １３３…締結ネジ、
２００…圧電モーター、 ２２０…表圧電素子、 ２２１…裏圧電素子、
２２２…表電極、 ２２３…裏電極、 ２５０…駆動制御部、
３００…取付部材、 ３０２…取付部、 Ｆ１…第１接触力、
Ｆ２…第２接触力、 ｔｈ１ｄ…第１減少側閾値、 ｔｈ１ｕ…第１増加側閾値、
ｔｈ２ｄ…第２減少側閾値、 ｔｈ２ｕ…第２増加側閾値。

Claims (9)

1. 指に装着されて前記指が屈曲する動きをアシストする指アシスト装置において、
   前記指の屈曲方向および前記屈曲方向とは逆方向の伸張方向に回転可能に連結された複数のユニットと、
   複数の前記ユニットに設けられて、前記指の腹側および背側から前記指を挟持する挟持部と、
   前記挟持部に設けられて、前記挟持部と前記手指の腹側との間に生じる第１接触力を検出する第１センサーと、
   前記挟持部に設けられて、前記挟持部と前記手指の背側との間に生じる第２接触力を検出する第２センサーと、
   前記ユニットに連結された前記ユニットを前記屈曲方向あるいは前記伸張方向に回転駆動する駆動部と、
   前記駆動部が前記ユニットを回転駆動する駆動力を、前記第１接触力と前記第２接触力とに基づいて制御する駆動力制御部と
   を備えることを特徴とする指アシスト装置。
2. 請求項１に記載の指アシスト装置において、
   前記駆動力制御部は、
   前記ユニットを前記屈曲方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも大きい場合には、前記駆動力を増加させ、
   前記ユニットを前記屈曲方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも小さい場合には、前記駆動力を減少させる
   ことを特徴とする指アシスト装置。
3. 請求項２に記載の指アシスト装置において、
   前記駆動力制御部は、
   前記ユニットを前記屈曲方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも所定の第１増加側閾値以上大きい場合には、前記駆動力を増加させ、
   前記ユニットを前記屈曲方向に回転駆動している状態で、前記第２接触力が前記第１接触力よりも前記第１減少側閾値以上大きい場合には、前記駆動力を減少させ、
   前記ユニットを前記屈曲方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも大きく、且つ前記第１接触力の前記第２接触力に対する超過量が前記第１増加側閾値未満であるか、前記第２接触力が前記第１接触力よりも大きく、且つ前記第２接触力の前記第１接触力に対する超過量が前記第１減少側閾値未満である場合には、前記駆動力を維持する
   ことを特徴とする指アシスト装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の指アシスト装置において、
   前記駆動力制御部は、
   前記ユニットを前記伸張方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも大きい場合には、前記駆動力を減少させ、
   前記ユニットを前記伸張方向に回転駆動している状態で、前記第２接触力が前記第１接触力よりも大きい場合には、前記駆動力を増加させる
   ことを特徴とする指アシスト装置。
5. 請求項４に記載の指アシスト装置において、
   前記駆動力制御部は、
   前記ユニットを前記伸張方向に回転駆動している状態で、前記第１接触力が前記第２接触力よりも所定の第２減少側閾値以上大きい場合には、前記駆動力を減少させ、
   前記ユニットを前記伸張方向に回転駆動している状態で、前記第２接触力が前記第１接触力よりも前記第２増加側閾値以上大きい場合には、前記駆動力を増加させ、
   前記ユニットを前記伸張方向に回転駆動している状態で、
   前記第１接触力が前記第２接触力よりも大きく、且つ前記第１接触力の前記第２接触力に対する超過量が前記第２減少側閾値未満であるか、前記第２接触力が前記第１接触力よりも大きく、且つ前記第２接触力の前記第１接触力に対する超過量が前記第２増加側閾値未満である場合には、前記駆動力を維持する
   ことを特徴とする指アシスト装置。
6. 請求項５に記載の指アシスト装置において、
   前記第２増加側閾値は、前記第１増加側閾値よりも小さな値に設定されており、
   前記第２減少側閾値は、前記第１減少側閾値よりも小さな値に設定されている
   ことを特徴とする指アシスト装置。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載の指アシスト装置において、
   前記第１センサーおよび前記第２センサーは、複数の前記ユニットの中で前記指の先端側の前記ユニットの前記挟持部に設けられている
   ことを特徴とする指アシスト装置。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載の指アシスト装置において、
   前記挟持部は、前記指の腹側に設けられた第１挟持部と、前記指の背側に設けられた第２挟持部とを備えており、
   前記第１挟持部は、前記第２挟持部よりも変形容易に形成されている
   ことを特徴とする指アシスト装置。
9. 請求項１ないし請求項８の何れか一項に記載の指アシスト装置において、
   前記駆動部は、圧電材料を含んで形成された振動体であることを特徴とする指アシスト機構。

Images