JP2014213199A

JP2014213199A - 可動指を持つ義手

Info

Publication number: JP2014213199A
Application number: JP2013104494A
Authority: JP
Inventors: 達鋭橋本; Tatsutoshi Hashimoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】軽量で、装備が簡単でかつ、本人の持つ運動機能で握る動作を可能にする義手を提供する可能とする。
【解決手段】手首の屈曲動作をプーリーの回転に変換して、ワイヤーの一端をプーリーに、他端を指の骨に相当するパイプに固定し、パイプの端部に作った各関節に相当する揺動軸を中心に、ワイヤーで駆動して揺動させる構造とした。効率よく動かすために、親指以外は一体に動けるように、ＭＰ関節位置を一つの回転軸にして、人差し指、中指、薬指、小指を固定し、この軸を回転させる構造とした。また、自然な手の動きと同様に動くよう、握る時、中節骨が最も屈曲するのを再現するために、中節骨に固定したワイヤーの他端をさらに牽引することで、中節骨が最も屈曲するように構成した。さらに、親指以外の指が屈曲に加えて左右に揺動できる構造にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、可動指を持つ義手の駆動構造に関するものである。

義手用の可動指としては従来、能動義手の可動指が一般に知られており、その可動指は、各々僅かに曲げられた固定形状に形成された三本または五本の指の付け根部分をそれぞれ義手の手の甲または手のひら部分に揺動可能に支持するとともに、それらの指をそれぞれその手の甲および手のひら部分の内側に設けたリンク機構に結合し、そのリンク機構に一端部を結合したワイヤーからなるコントロールリードを義手装着者の背中に回して、そのコントロールリードの他端部を義手装着側と反対側の腕に結合し、その腕を動かすことでコントロールリードを引いたり緩めたりして、上記三本または五本の指をそれらの付け根で上記リンク機構により全て同時に揺動させて曲げたり戻したりするものがある。

しかし、構造が複雑、高価、装備に時間がかかる、訓練にも時間がかかるなどの問題があった。

この改善策として、また、これを解決する構造として、義手に複雑な動作をさせるために、アクチュエータとワイヤーとスプリングと巻き掛け偏心部材等の駆動手段から構成され、それぞれの指を電気的に駆動する複雑な義手の提案がなされている。

しかし、通常、指がない人にとって、日常生活では、手として必要な機能の大部分は握る動作であり、加えて摘む動作が簡便にできる義手が必要とされている。

特許公開２０００−３２５３７５ＺｕｄｅｒＰａｔｅｎｔｓｃｈｒｉｆｔ３０９３６７

解決しようとする問題点は、少なくとも手として必要な機能である握る動作を、軽量かつ簡便にできない点である。

本発明は、軽量で、装着が簡単でかつ、本人の持つ運動機能で握る動作を可能にする義手を提供することを最も主要な特徴とする。

本発明の義手は、電気駆動のアクチェータや、電源などを持たないために軽量な構造が可能であり、義指の戻し力をバネにより発生させないで、ワイヤーで駆動して戻すので、作動させる時の力が少なくて済むという利点がある。

図１は右手用義手を示した説明図である。図２は右手の骨と関節を示した説明図である。図３は図１を中央断面で見た説明図である。図４は手首を曲げることで、指が屈曲した状態になるのを示す説明図である。図５は親指も屈曲して握った状態を示す説明図である。図６は親指の屈曲状態を変更して、はさむ動作状態を示す説明図である。

指がない人の手首の屈曲で、実際の指の動きに近い握る動作を実現した。そのためには、手首の屈曲動作をプーリーの回転に変換して、ワイヤーの一端をプーリーに、他端を指の骨に相当するパイプに固定し、パイプの端部に設けた各関節に相当する揺動軸を中心に揺動させる構造とした。

図１は、実施例全体を示す、一部断面図である。実施例では図２に示した人の手の骨と関節の名称に合わせている。

具体的に実施例を示す。１は中手骨から先が欠損した人の手を示す。２はこの手に装着する義手である。３は義手のベースとなる部分、４は親指以外の屈曲する指の部分、５は親指部である。この実施例では手首の揺動をワイヤーでプーリーの回転に変換伝達して、５指を屈曲させることで、握る動作を義手に行わせることができる構造となる。

ベース３を説明する。３１Ａ，３１Ｂはフレーム、３２はリスト固定部、３３は入力手段であるスイングアーム、３４Ａ，３４Ｂはスイングアームの揺動支点である。スイングアーム３３は手１にぴったりはまり、手首を揺動させると、スイングアーム３３を揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心にして揺動させることができる。
３５はワイヤー固定部である。後に述べる駆動ワイヤー端の位置を手首の曲げられる角度の範囲と合わせることができるように、スイングアーム３３に対して揺動方向に位置調整可能にしてある。かつ、スイングアーム３３の揺動支点３４Ａ，３４Ｂから後述する円筒プーリーと駆動ワイヤーが常に接線方向に巻き掛ける半径となる円弧状に形成してある。

３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃはフレーム３１Ａとフレーム３１Ｂを両端ネジで固定した固定軸であって、リスト固定部３２とともに、ベースの骨格を形成する。固定軸３６Ａ上に、両端を図示しないベアリングで回動可能に軸支された円筒プーリー３７Ａ、固定軸３６Ｃ上に、両端を図示しないベアリングで回動可能に軸支された円筒フレーム３８がある。この軸がＭＩＰ関節に相当する。これら円筒プーリー３７Ａと円筒フレーム３８が入力軸となる。固定軸３６Ｂは後述するワイヤーのガイドにもなる。

３９は円筒フレーム３８上に固定された大プーリーである。４０は駆動ワイヤーで、大プーリー３９にワイヤー中央部を固定され、かつその外周に巻き掛けられている。さらに、固定軸３６Ｂをまたいで、円筒プーリー３７Ａにクロスして巻き掛けたのちワイヤー固定部３５の裏面に固定されている。

円筒プーリー３７Ａもワイヤー４０と固定されており、スイングアーム３３が、揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心に揺動すると、ワイヤー４０を介してプーリー３７Ａはスイングアーム３３と逆方向に、大プーリー３９は同方向に回転する。大プーリー３９の径は手首の揺動できる角度と、出せる力を顧慮して、握る力がなるべく大きくなるよう変換されるように決められる。

次に親指以外の屈曲する指の部分４の詳細を説明する。親指以外の屈曲する指の部分は親指以外同じ構成なので、人差し指で説明を行う。４１は円筒フレーム３８の回転方向と直角に揺動可能に軸支されている揺動ピンで、円筒フレーム３８上に両側で人差し指、中指、薬指、小指の部分４を両側から軸支している。そのため、円筒フレーム３８が回転すると一体として、屈曲する。

また、各指はＭＰ揺動軸の回転方向と直角に揺動可能に軸支されているので、各指は握る方向とは独立して、図１の矢印方向にも左右に１０度前後揺動可能である。このため、左右の手を組むことが可能となる。あるいは指の間にペンやスプーン等を挟むことも可能となる。また、円筒フレーム３８は中空であり、軸と直角方向にを後述するワイヤーが通るための長穴が設けてある。

４２ＡはＰ１ワイヤー、４２ＢはＰ２ワイヤー、４３は基節骨、４４はＰＩＰ関節相当の揺動軸、４４ＡはＰ１プーリー、４４ＢはＰ２プーリー、４５ＡはＤ１ワイヤー、４５ＢはＤ２ワイヤー、４６はＤＩＰ関節相当の揺動軸、４７は中節骨である。図２で示すように、Ｐ１ワイヤー４２Ａの一端は円筒プーリー３７Ａに固定され、巻き掛けられており、固定軸３６Ｂをまたいで、円筒フレーム３８の長穴を抜け、基節骨４３を通り、Ｐ２プーリー４４Ｂ巻き掛けて、中節骨４７に固定されている。

一方、Ｐ２ワイヤー４２Ｂの一端は円筒プーリー３７Ａに固定され、巻き掛けられており、３６Ｂをまたいで、円筒フレーム３８の長穴を抜け、基節骨４３を通り、Ｐ２プーリー４４Ｂに巻き掛けて、中節骨４７に固定されている。４８はＤプーリー、４９は末節骨である。Ｄ１ワイヤー４５Ａの一端は、基節骨４３に固定されており、Ｐ１プーリー４４Ａに巻き掛けて中節骨４７を経由して、Ｄプーリー４８に巻き掛け、他端は末節骨４９に固定されている。

一方、Ｄ１ワイヤー４５Ａと対称の位置関係になるよう、Ｄ２ワイヤー４５Ｂの一端は、基節骨４３に固定され、Ｐ１プーリー４４Ａに巻き掛けて中節骨４７を経由して、Ｄプーリー４８に巻き掛け、他端は末節骨４９に固定されている。このように基節骨４３と中節骨４７と末節骨４９はＤ２ワイヤー４５ＢとＤ１ワイヤー４５Ａでクロスして連結されているので、いずれかの骨を連結した隣の骨に対し屈曲させると、離れた骨も連動して、相対的に同じ方向に屈曲する。このとき、屈曲角度はプーリーの巻き掛け径に反比例する。

次に親指５の構成を説明する。５１Ａ、５１Ｂはワイヤー、５１ＡＡはパイプでワイヤー５１Ａと、５１ＢＢはパイプでワイヤー５１Ｂと一体である。５２Ａ、５２Ｂはコイルシースである。これらは湾曲できるとともに、ワイヤーに張力がかっても縮まないよう金属のコイルからできている。また、一端はフレーム３１Ｂに固定され、他端は大菱形骨５４に固定されている。

ワイヤー５１Ａ、５１Ｂはコイルシース５２Ａ、５２Ｂの中を摺動自在である。５３は固定軸であり、ＣＭ関節の揺動軸に相当する。５４は親指の第一中手骨を支える大菱形骨である。固定軸５３はフレーム３１Ｂに対し、大菱形骨５４を揺動自在に固定している。５５は揺動軸で屈曲方向のＣＭ関節に相当する。

５６はＣＭプーリー、５７はＰストッパーであり、パイプ５１ＡＡ、５１ＢＢの動きを同時に固定か解放の状態を維持できる構造である。５８が第一中手骨である。５９Ａ、５９Ｂはワイヤーである。６０は揺動軸で、ＭＰ関節に相当する。６１はＭプーリーである。６２は基骨節である。

ワイヤー５１Ａ，５１Ｂの一端は円筒プーリー３７Ａの外周に固定され、お互い逆方向に巻き掛けられている。他端はＣＭプーリー５６を経由して、プーリー６１を越え、基節骨６２に固定されている。６３は揺動軸でＩＰ関節に相当する。６４はＩプーリーである。６５が末節骨となる。ワイヤー５９Ａ、５９Ｂの一端は第一中手骨５８に固定され、Ｉプーリー６１に対し、互いに交叉しながら、巻き掛け、中節骨６２部で交叉して、Ｍプーリー６４に巻き掛けて、末節骨に固定される。

このように、人さし指などの先端部と同様の連結構造になっているので、いずれかの骨を、連結した隣の骨に対し屈曲させると、離れた骨も連動して、相対的に同じ方向に屈曲する。このとき、屈曲角度はプーリーの巻き掛け径に反比例する。手首の揺動に対して、遅れることなく屈曲するように、これらのワイヤーはほとんど弛みがなく、張られている。

次にこの動作を説明する。親指以外の指の動きを図３と図４で説明する。義手を装着した人の手１が手首を屈曲すると、スイングアーム３３は揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心に矢印方向の反時計回りに揺動する。夫々のプーリーに巻き掛けられた駆動ワイヤー４０が、円筒プーリー３７Ａを時計回りに、大プーリー３９を反時計回りに回転させる。大プーリー３９と一体の円筒フレーム３８が回転するので、揺動中心４１でつながった指４の部分を屈曲させる。

同時に、円筒フレーム３８に固定されたＰ１ワイヤー４２Ａは巻き掛けられることで短くなり、他端末の中節骨４７はＰＩＰ揺動軸４４を中心に屈曲する。一方、円筒フレーム３８に固定されたＰ２ワイヤー４２Ｂは巻きが解けることで長くなり、他端末の中節骨４７はＰＩＰ揺動軸４４を中心に屈曲するのに抵抗がなくなる。

このようにして、手の指の動きで、握る動作をするとき、一般に、親指以外は中節骨の回転角が最も大きくなる動きを再現している。中節骨４７が屈曲することで、前述した基節骨４３と中節骨４７と末節骨４９は連動して屈曲し、握る動作となる。このとき、末節骨４９の屈曲が中節骨４７よりおおきくならないように、Ｐ１プーリー４４Ａを小径にＤプーリー４８を大径にしている。

逆に手首の屈曲をもどすと、スイングアーム３３は揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心に矢印と反対方向の時計回りに揺動する。夫々のプーリーに巻き掛けられた駆動ワイヤー４０が、円筒プーリー３７Ａを反時計回りに、大プーリー３９を時計回りに回転させる。大プーリー３９と一体の円筒フレーム３８が回転するので、揺動中心４１でつながった指４は元にもどる。

次に、親指の握る動作を説明する。図４で説明したように、義手を装着した人の手１が手首を屈曲すると、スイングアーム３３は揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心に矢印方向の反時計回りに揺動する。そのため円筒プーリー３７Ａが時計まわりに回転すると、このプーリーに巻き掛けられたワイヤー５１Ａはさらに巻き掛けられ、５１Ｂは解ける。その後の動作を図５で説明する。ワイヤー５１Ａ、ワイヤー５１Ｂの他端は中節骨６２に固定されているため、揺動軸５５と揺動軸６０で屈曲しようとする。

前述のように、指の先端部は連動するようにワイヤーで連結されているので抵抗が大きく、揺動軸５５から先に屈曲開始する。第一中手骨５８に何か挟まれて屈曲抵抗が増えると、揺動軸５５の屈曲がとまり、揺動軸６６で屈曲しはじめ、指の先端部が連動屈曲する。

次に、親指のつまむ動作を説明する。予め、手を開いた図１の状態で、Ｐストッパー５７にて、パイプ５１ＡＡ、５１ＢＢの動きを同時に固定しておく。図４で説明したように、義手を装着した人の手１が手首を屈曲すると、スイングアーム３３は揺動支点３４Ａ，３４Ｂを中心に矢印方向の反時計回りに揺動する。

そのため円筒プーリー３７Ａが時計まわりに回転すると、このプーリーに巻き掛けられたワイヤー５１Ａはさらに巻き掛けられ、ワイヤー５１Ｂは解ける。その後の動作を図６で説明する。ワイヤー５１Ａと５１Ｂは第一中手骨５８に固定されている状態なので、直ちに、揺動軸５５の屈曲が始まる。

一方それより上流部のワイヤーには長さの変化がないので屈曲しないまま、人差し指に当接するように屈曲する。うまく当接するように親首の向きを小菱形骨５４部で回転させておき、円筒プーリー３７Ａ、ＣＭプーリー５６の比を調整しておく。このように、握る動作では、親指全体が屈曲するように、摘む動作では親指の揺動軸５５でのみ屈曲させる。このようにして、２つの異なる動作が可能となる。

指の骨に相当する部分は前述したように、パイプで構成しており、揺動軸の前後を別体にして、小径のパイプで勘合させる構造にしている。そうすることで、揺動軸が微妙にねじれの位置にあるような人の手を模倣しやすい。

このように構成することで、握る動作と摘む動作ができる軽量で使い勝手の良い義手となる。この実施例においては、指がない人の手首の屈曲で、実際の指の動きに近い握る動作を実現した。この構造は実際の手に対して、特別な空間を占めないようコンパクトにできているので、手首や、腕が欠損している人の場合であっても、少なくとも一つの駆動プーリーを牽引や回転させる駆動手段とくみあわせれば、上記動作は可能である。もちろんモーターやソレノイド等の電動手段と組み合わせてもよい。同じような構造はマニュピレータにも使用可能である。

１人の手
２義手
３ベース
４親指以外の指部
５親指部
３１Ａ、３１Ｂフレーム
３２リスト固定部
３３スイングアーム
３４Ａ、３４Ｂ揺動支点
３５ワイヤー固定部
３６Ａ、３６Ｂ，３６Ｃ固定軸
３７Ａ円筒プーリー
３８円筒フレーム
３９大プーリー
４０駆動ワイヤー
４１揺動ピン
４２ＡＰ１ワイヤー
４２ＢＰ２ワイヤー
４３基節骨
４４揺動軸（ＰＩＰ関節）
４４ＡＰ１プーリー
４４ＢＰ２プーリー
４５ＡＤ１ワイヤー
４５ＢＤ２ワイヤー
４６揺動軸（ＤＩＰ関節）
４７中節骨
４８Ｄプーリー
４９末節骨
５１Ａ、５１Ｂワイヤー
５１ＡＡ、５１ＢＢパイプ
５２Ａ、５２Ｂコイルシース
５３固定軸
５４大菱形骨
５５揺動軸（ＣＭ関節）
５６ＣＭプーリー
５７Ｐストッパー
５８第一中手骨
５９Ａ、５９Ｂワイヤー
６０揺動軸（ＭＰ関節）
６１Ｉプーリー
６２基節骨
６３揺動軸（ＩＰ関節）
６４Ｍプーリー
６５末節骨

Claims

義肢用可動指と該可動指の関節に相当する揺動軸と、入力軸と、該入力軸を駆動する駆動手段と、該入力軸と該可動指とを連結するワイヤーとそれらを支えるフレームからなる可動義肢。
請求項１の義肢用可動指であって、該揺動軸に可動指用プーリーと、該入力軸の入力プーリーとを備えた可動義肢。
請求項１の義肢用可動指の屈曲は屈曲方向に関わらず、動力源は該ワイヤーの牽引によることを特徴とする可動義肢。
請求項１の少なくとも１か所の義肢用可動指の関節にあたる揺動中心近傍で、屈曲方向と直角方向の左右方向にも揺動できる構造であることを特徴とする可動義肢。
請求項１の義肢用可動指の少なくとも２つの可動指のＭＰ関節に相当する揺動軸が一体であるように構成された可動義肢。
請求項１の義肢用可動指の少なくとも１つは、骨の両端の揺動軸同士が平行関係からねじれの位置関係になることができるように構成された可動義肢。
請求項１の義肢用可動指であって、少なくとも２か所の揺動軸をまたがって連結された、駆動ワイヤーの途中の駆動ワイヤーの動きを拘束できる機構を持ち、拘束位置の上流の揺動軸でのみ屈曲できるように構成したことを特徴とする可動義肢。
請求項１の義肢用可動指であって、ＭＰ関節の屈曲と同方向または逆方向へ揺動する複数の軸を備え、基節骨はＭＰ関節を固定した揺動軸を回転させることで屈曲し、中節骨はＭＰ関節の揺動軸以外の牽引手段と中節骨とをワイヤーで連結することで、中節骨が基節骨より屈曲角が大きくなるように構成された可動義肢。