JP2014226550A - Apparatus and method for augmenting function of human hand using supernumerary artificial appendage - Google Patents

Apparatus and method for augmenting function of human hand using supernumerary artificial appendage Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a prosthesis configured to infer desired motion according to movement of a user's hand.SOLUTION: An apparatus for augmenting a function of a human hand using at least one supernumerary artificial appendage is provided. The apparatus includes: a brace configured to be coupled to a human arm; a supernumerary artificial appendage attached to the brace; a sensor configured to be coupled to different parts of the human hand and to detect information on at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the human hand; and a processor coupled to the sensor and the supernumerary artificial appendage. The processor determines, on the basis of an output from the sensor, at least one of the posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the supernumerary artificial appendage, and sends at least one control signal configured to operate the supernumerary artificial appendage according to the determined at least one of the posture, position, velocity, acceleration, force, and torque.

Description

関連出願
本願は、2013年5月17日に出願された”Apparatus and Method of Supernumerary, Wearable Robotic Fingers”という表題の米国仮特許出願第61/824,509号について優先権を主張するものであり、この文献の全体が、参照することにより本明細書に組み込まれる。
This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 61 / 824,509, filed May 17, 2013, entitled “Apparatus and Method of Supernumerary, Wearable Robotic Fingers”. The entirety of this document is hereby incorporated by reference.

本願の解決策は、人間の手の機能を補完するような過剰人工付属肢に関するものである。   The solution of the present application relates to an excess artificial appendage that complements the function of the human hand.

従来技術において、自然な身体の一部の代わりに機能するような補綴装置を形成することが知られている。例えば事故で指を失った場合に、その人は、失った指の代わりに人工指を装着することができる。このように、補綴装置によって、ユーザが以前あった手全体から失われた機能の一部を取り戻すことを可能にする。また、このような装置は、特定の手の筋肉の運動によって制御されるように設計されている。例えば、この補綴装置は、ユーザの手の筋肉によって生成された神経信号を検出するセンサを含んでおり、このような信号に基づいて補綴装置の運動の基礎を形成する。   It is known in the prior art to form a prosthetic device that functions in place of a natural body part. For example, if a person loses a finger in an accident, the person can wear an artificial finger instead of the lost finger. In this way, the prosthetic device allows the user to regain some of the lost functionality from the entire previous hand. Also, such devices are designed to be controlled by specific hand muscle movements. For example, the prosthetic device includes a sensor that detects neural signals generated by the muscles of the user's hand and forms the basis for the movement of the prosthetic device based on such signals.

こうして、補綴装置を操作するには、新たなユーザが、この装置の要求に対応するために、自分の手の筋肉を訓練する必要がある。このように、ユーザは、典型的には、人工指を制御するために、不自然で直感的でない筋肉の運動を行わなければならない。   Thus, in order to operate the prosthetic device, a new user needs to train his hand muscles to meet the requirements of the device. Thus, a user typically has to perform unnatural and unintuitive muscle exercises to control an artificial finger.

本発明の一実施形態によれば、少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する装置が提供される。この装置は、人間の腕に連結するように構成されたブレース(brace)と、このブレースに取り付けられた過剰人工付属肢と、人間の手の様々な部分に連結されるとともに、人間の手の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する情報を検出するように構成されたセンサとを含む。この装置は、センサ及び過剰人工付属肢に結合されたプロセッサも含む。このプロセッサは、センサからの出力に基づいて過剰人工付属肢の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定し、且つこの決定された、姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに従って過剰人工付属肢を作動させるように構成された少なくとも1つの制御信号を送信する。   In accordance with one embodiment of the present invention, an apparatus is provided for extending the function of a human hand using at least one excess artificial appendage. The device is connected to a brace configured to be coupled to a human arm, an excess artificial appendage attached to the brace, and various parts of the human hand, as well as to the human hand. And a sensor configured to detect information regarding at least one of attitude, position, speed, acceleration, force, and torque. The device also includes a processor coupled to the sensor and the excess artificial appendage. The processor determines at least one of the posture and position, velocity, acceleration, force, and torque of the excess artificial appendage based on the output from the sensor, and the determined posture, position, Transmit at least one control signal configured to activate the excess artificial appendage in accordance with at least one of speed, acceleration, force, and torque.

過剰人工付属肢は、過剰人工付属肢を人間の手首に連結するためにブレースに配置してもよい。いくつかの実施形態では、過剰人工付属肢は複数の自由度を示す。また、過剰人工付属肢は、プロセッサからの少なくとも1つの制御信号に基づいて、人工関節を作動させるような少なくとも1つのアクチュエータを含んでもよい。   The excess artificial appendage may be placed on the brace to connect the excess artificial appendage to the human wrist. In some embodiments, the excess artificial appendage exhibits multiple degrees of freedom. The excess prosthetic limb may also include at least one actuator for actuating the prosthesis based on at least one control signal from the processor.

種々の実施形態では、複数のセンサのうちの1つのセンサが、人間の指や、人間の掌、又は人間の手首の位置を検出する。さらなる実施形態では、センサは、人間の手の親指、人差し指、又は中指の位置を検出する。センサは、(i)人間の指の関節、又は(ii)人間の手首の関節の角度を検出してもよい。   In various embodiments, one of the plurality of sensors detects the position of a human finger, a human palm, or a human wrist. In a further embodiment, the sensor detects the position of the thumb, index finger, or middle finger of a human hand. The sensor may detect the angle of (i) a human finger joint or (ii) a human wrist joint.

この装置は、(i)人間の指の先端により加えられる接触力を検出する力センサ、(ii)人間の掌における圧力を検出する圧力センサ、又は(iii)人間の指の関節におけるトルクを検出するトルクセンサ、のうちの少なくとも1つも含む。これらの実施形態では、プロセッサは、人間の手の姿勢に関する情報を検出するような複数のセンサからの出力、及び力センサや、圧力センサ、トルクセンサ、又はこれらの任意のこれらの組み合わせからの出力に基づいて、過剰人工付属肢の姿勢を決定する。   This device can detect (i) a force sensor that detects the contact force applied by the tip of a human finger, (ii) a pressure sensor that detects pressure in a human palm, or (iii) detects torque in a human finger joint. Including at least one of the torque sensors. In these embodiments, the processor outputs from multiple sensors that detect information about the posture of the human hand, and output from force sensors, pressure sensors, torque sensors, or any combination thereof. To determine the posture of the excess artificial appendage.

この装置は、(i)人間の掌の向きを検出する加速度計、又は(ii)人間の掌の動きを検出するジャイロスコープ、のうちの少なくとも1つを含んでもよい。これらの実施形態では、プロセッサは、人間の手の姿勢に関する情報を検出するような複数のセンサからの出力、及び加速度計からの出力や、ジャイロスコープからの出力、又はこれらの両方の出力に基づいて、過剰人工付属肢の位置を決定する。   The apparatus may include at least one of (i) an accelerometer that detects the orientation of the human palm, or (ii) a gyroscope that detects movement of the human palm. In these embodiments, the processor is based on outputs from multiple sensors that detect information about the posture of the human hand and output from the accelerometer, output from the gyroscope, or both outputs. To determine the position of the excess artificial appendages.

また、プロセッサは、過剰人工付属肢を位置付けするために少なくとも1つの制御信号を送信して、(i)物体を把持する、(ii)物体を操作する、又は(iii)人間の指と一緒に作業を行うように、人間の手を補助してもよい。   The processor may also send at least one control signal to position the excess artificial appendage and (i) grasp the object, (ii) manipulate the object, or (iii) with a human finger A human hand may be assisted to perform the work.

本発明の一実施形態によれば、少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する方法が提供される。この方法は、複数のセンサからの出力信号を受信するステップを含む。各出力信号は、人間の手の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する様々な情報を示す。この方法は、センサからの出力信号に基づいて過剰人工付属肢の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定するステップを含む。さらに、この方法は、決定された、姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに従って、過剰人工付属肢を作動させるために少なくとも1つの制御信号を送信するステップを含む。   According to one embodiment of the present invention, a method is provided for extending the function of a human hand using at least one excess artificial appendage. The method includes receiving output signals from a plurality of sensors. Each output signal indicates various information related to the posture of a human hand and / or at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque. The method includes the step of determining at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the excess artificial appendage based on an output signal from the sensor. In addition, the method includes transmitting at least one control signal to actuate the excess artificial appendage according to the determined posture, at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque. Including.

この方法は、人間の指や、人間の掌、又は人間の手首の位置を示す出力信号を受信するステップを含む。この方法は、人間の手の親指や、人差し指、又は中指の位置を示す出力信号を受信するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、本方法は、(i)人間の指の関節、又は(ii)人間の手首の関節の角度の表示を示す出力信号を受信するステップを含む。また、この方法は、力センサからの出力信号を受信するステップであって、その出力信号は人間の指の先端により加えられる接触力を示す、受信するステップを含んでもよい。さらに、この方法は、トルクセンサからの出力信号を受信するステップであって、その出力信号は人間の指の関節におけるトルクを示す、受信するステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、この方法は、加速度計からの出力信号を受信するステップであって、その出力信号は人間の手の一部の向きを示す、受信するステップを含む。この方法は、ジャイロスコープからの出力信号を受信するステップであって、その出力信号は人間の掌の動きを示す、受信するステップを含んでもよい。   The method includes receiving an output signal indicative of a position of a human finger, a human palm, or a human wrist. The method may include receiving an output signal indicating a position of a thumb, index finger, or middle finger of a human hand. In some embodiments, the method includes receiving an output signal indicative of an angle indication of (i) a human finger joint or (ii) a human wrist joint. The method may also include receiving an output signal from the force sensor, the output signal indicating a contact force applied by the tip of a human finger. Further, the method may include receiving an output signal from a torque sensor, the output signal indicating a torque at a human finger joint. In some embodiments, the method includes receiving an output signal from the accelerometer, the output signal indicating the orientation of a portion of a human hand. The method may include receiving an output signal from the gyroscope, the output signal indicating a movement of the human palm.

さらに、この方法は、過剰人工付属肢の人工関節を作動させるために、少なくとも1つの制御信号をアクチュエータに送信するステップを含んでもよい。過剰人工付属肢を位置付けするために少なくとも1つの制御信号を送信して、(i)物体を把持する、(ii)物体を操作する、又は(iii)人間の指と一緒に作業を行うように、人間の手を補助するステップを含んでもよい。   Further, the method may include transmitting at least one control signal to the actuator to actuate the artificial joint of the excess artificial appendage. Send at least one control signal to position the excess prosthesis to (i) grasp an object, (ii) manipulate an object, or (iii) work with a human finger Assisting a human hand may be included.

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する装置が提供される。この装置は、人間の腕に連結するように構成されたブレースと、このブレースに取り付けられた第1及び第2の過剰人工付属肢とを含む。第1の過剰人工付属肢は、第1の複数のアクチュエータを有しており、各アクチュエータは、第1の過剰人工付属肢の異なる関節に対応する。同様に、第2の過剰人工付属肢は、第2の複数のアクチュエータを有しており、各アクチュエータは、第2の過剰人工付属肢の異なる関節に対応する。また、第2の過剰人工付属肢は、第1の過剰人工付属肢に対して反対側の位置でブレースに取り付けられている。   According to another embodiment of the present invention, an apparatus is provided for extending the function of a human hand using at least one excess artificial appendage. The device includes a brace configured to be coupled to a human arm and first and second excess artificial appendages attached to the brace. The first excess artificial appendage has a first plurality of actuators, each actuator corresponding to a different joint of the first excess artificial appendage. Similarly, the second excess artificial appendage has a second plurality of actuators, each actuator corresponding to a different joint of the second excess artificial appendage. The second excess artificial appendage is attached to the brace at a position opposite to the first excess artificial appendage.

この装置は、人間の手の様々な部分に連結されるとともに、人間の手の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する情報を検出するように構成されたセンサも含む。さらに、この装置は、センサ及び過剰人工付属肢に結合されたプロセッサを含む。このプロセッサは、(i)第1及び第2の過剰人工付属肢の各関節について、センサからの出力に基づいて姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定し、及び(ii)アクチュエータに対応する関節を位置付けするように構成される異なる制御信号を、第1及び第2の過剰人工付属肢の各アクチュエータに送信する。   The device is coupled to various parts of the human hand and is configured to detect information about the posture of the human hand and / or at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque. Includes sensors. In addition, the device includes a processor coupled to the sensor and the excess artificial appendage. The processor determines (i) at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque based on the output from the sensor for each joint of the first and second excess artificial appendages. And (ii) transmitting different control signals configured to position a joint corresponding to the actuator to each actuator of the first and second excess artificial appendages.

センサは、人間の指の先端により加えられる接触力を検出する力センサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、センサは、人間の掌の向きを検出する加速度計、人間の掌の動きを検出するジャイロスコープ、又はこれらの両方を含む。また、センサは、人間の掌に加えられた圧力を検出する圧力センサを含んでもよい。さらに、センサは、人間の指の関節におけるトルクを検出するトルクセンサを含んでもよい。
前述した実施形態の特徴は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を参照することによってより容易に理解されるであろう。
The sensor may include a force sensor that detects a contact force applied by the tip of a human finger. In some embodiments, the sensor includes an accelerometer that detects the orientation of the human palm, a gyroscope that detects the movement of the human palm, or both. The sensor may include a pressure sensor that detects pressure applied to a human palm. Further, the sensor may include a torque sensor that detects torque at a joint of a human finger.
The features of the embodiments described above will be more readily understood by reference to the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張するような装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of an apparatus that expands the function of a human hand using an excess artificial appendage. 図1に示された装置の例示的な実施形態及び用途を示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment and application of the apparatus shown in FIG. 図1に示された装置の例示的な実施形態及び用途を示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment and application of the apparatus shown in FIG. 図1に示された装置の例示的な実施形態及び用途を示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment and application of the apparatus shown in FIG. 図1に示された装置が人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which the apparatus shown by FIG. 1 complements grasp of a human hand. 図1に示された装置によって人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which complements grasp of a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which complements grasp of a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which complements grasp of a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which complements grasp of a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手の把握を補完するような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which complements grasp of a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手と一緒に補助作業を行うような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which performs auxiliary work with a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手と一緒に補助作業を行うような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which performs auxiliary work with a human hand with the apparatus shown by FIG. 図1に示された装置によって人間の手と一緒に補助作業を行うような使用例を示す図である。It is a figure which shows the usage example which performs auxiliary work with a human hand with the apparatus shown by FIG. 物体を把握している間の、人間の手及び過剰人工付属肢の典型的な位置を示す図であり、これらの位置は、人間の手の位置と過剰人工付属肢の位置との間の相互関係を決定するための実験データとして記録される。FIG. 4 is a diagram showing typical positions of a human hand and an excess prosthetic appendage while grasping an object, and these positions represent the mutual relationship between the position of a human hand and the position of an excess prosthetic appendage. Recorded as experimental data to determine the relationship. 収集された実験データ基づいて実行された主成分分析結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the principal component analysis result performed based on the collected experiment data. 過剰人工付属肢の制御アルゴリズムの精度を示すデータを表す図である。It is a figure showing the data which show the precision of the control algorithm of an excess artificial appendage. 図1に示された装置を使用する例示的なフローチャートである。2 is an exemplary flowchart using the apparatus shown in FIG.

例示的な実施形態は、人間の手の自然な能力を向上させるためのものである。人がこのような例示的な実施形態を装着しているときに、これらの実施形態は、ユーザの手が完全に機能し且つ健全である、又は指失っているか、或いは準最適の器用さを呈するか否かに拘わらず、様々な物体を把握、保持、及び/又操作する際にその人を支援することができる。そのために、例示的な実施形態は、過剰人工付属肢を有する装置を含んでおり、ユーザがこの装置を装着したときに、装置によって、過剰人工付属肢を作動させて、ユーザが様々な作業を達成するのを助けるような協調的態様でユーザの手と一緒に移動させる。   The exemplary embodiment is for improving the natural abilities of the human hand. When a person is wearing such exemplary embodiments, these embodiments may be that the user's hand is fully functional and healthy, or has lost fingers, or is suboptimal dexterity. Whether presenting or not, the person can be assisted in grasping, holding and / or manipulating various objects. To that end, an exemplary embodiment includes a device having an over prosthetic limb, and when the user wears the device, the device activates the over prosthetic limb to allow the user to perform various tasks. Move with the user's hand in a coordinated manner to help achieve.

一般的に、人が損傷した四肢の失われた機能の一部を取り戻すことを可能にするような従来の補綴装置とは異なり、過剰付属肢は、ユーザの手の通常の機能を補完する。また、過剰付属肢によって、ユーザが片方の健全な人間の手を使って達成するのが通常困難な作業を実行することが可能になる。例えば、ユーザが大きな、扱いにくい物体を保持する場合に、この装置は、ユーザの把握を補強するように過剰人工付属肢を配置することができる。別の例では、装置は、ユーザの主な作業を支援する補助作業を行うように過剰人工付属を配置することができる(例えば、人がキャップを回して外している間に、所定の位置にボトルを保持する、人がリンゴを保持している間に、リンゴの茎をカットする)。このように、この装置によって、ユーザが自分の通常の能力で実現できることを超えた目的を達成できるようにする。   In general, unlike conventional prosthetic devices that allow a person to regain some of the lost function of a damaged limb, the excess appendage complements the normal function of the user's hand. Excess appendages also allow the user to perform tasks that are usually difficult to accomplish with one healthy human hand. For example, if the user holds a large, unwieldy object, the device can place an excess artificial appendage to reinforce the user's grasp. In another example, the device can place an excess artificial appendage to perform auxiliary tasks that support the user's primary tasks (eg, in place while a person unscrews the cap). Hold the bottle, cut the apple stalk while the person is holding the apple). Thus, this device allows the user to achieve objectives beyond what can be achieved with his normal capabilities.

また、付属肢は、人間の手によって行われる作業に物理的に合わせて調整される。付属肢は、複数の関節を含むことができ、こうして、付属肢の姿勢に複数の自由度を提供する。さらに、関節で接続された各セクションは、様々な形状因子を有してもよい。これらのパラメータによって、付属肢が、ユーザの手を補完するために多種多様の位置及び姿勢に適合することを可能にする。   In addition, the appendages are adjusted in accordance with physical work performed by human hands. The appendage can include multiple joints, thus providing multiple degrees of freedom for the posture of the appendage. Further, each section connected by the joint may have various form factors. These parameters allow the appendage to adapt to a wide variety of positions and postures to complement the user's hand.

さらに、装置の様々な実施形態は、有利には、ユーザの手又はその一部の姿勢や、位置、速度、加速度、力及び/又はトルクに応じて動作する。このように、従来技術とは異なり、装置を操作することは、ユーザにとって直感的で一貫した経験となる。具体的には、この装置のセンサは、ユーザの手の様々なメトリック(metrics)を記録する。これらのメトリックを分析することによって、装置は、ユーザの作業を補助するような過剰人工付属肢の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定する。別の言い方をすれば、装置は、人間の手の配置に基づく人工付属肢のメトリックに関するデータに基づいて、ユーザを支援するために人工付属肢の所望される運動(つまり、所望の配置)を推察する。実際には、ユーザの通常の活動の過程で、装置は、人工付属肢が追加の指であるかのように挙動するように、過剰人工付属肢を作動させる。ユーザが移動し続けた場合に、装置は、その記録されたメトリックを更新して、それに応じて過剰人工付属肢を再配置する。   Furthermore, the various embodiments of the device advantageously operate in response to the posture, position, velocity, acceleration, force and / or torque of the user's hand or part thereof. Thus, unlike the prior art, operating the device is an intuitive and consistent experience for the user. Specifically, the sensor of this device records various metrics of the user's hand. By analyzing these metrics, the device determines at least one of an over prosthetic limb posture, position, velocity, acceleration, force, and torque to assist the user's work. In other words, the device performs the desired movement (ie, desired placement) of the artificial appendage to assist the user based on data regarding the metric of the artificial appendage based on the placement of the human hand. I guess. In practice, in the course of a user's normal activities, the device activates the excess artificial appendage so that it behaves as if the artificial appendage is an additional finger. If the user continues to move, the device updates its recorded metric and repositions the excess prosthesis accordingly.

ここで図面を参照すると、図1には、過剰人工付属肢を使用する人間の手の機能を拡張するような装置100の概略図が示されている。この装置100は、プロセッサ110と一緒に、人間の手の様々な位置及び慣性データを感知するようなセンサ105a,105b,105c(以下、総称して「105」)を含んでいる。ブレース(brace)112が、プロセッサ110、過剰人工付属肢115及びそのアクチュエータ118に結合される。ユーザが装置100を装着したとき、センサ105は、ユーザの手の様々な部分に結合することができる。センサ105は、ユーザの手の様々なメトリックを検出し、プロセッサ110にこれらメトリックを転送する。これらのメトリックに基づいて、プロセッサ110は、過剰人工付属肢115の適切な後続の配置(例えば、姿勢や、位置、速度、加速度、力及び/又はトルク)を決定する。プロセッサ110は、これに応答して、過剰人工付属肢115のアクチュエータ118に制御信号を転送し、それに応じて次に過剰人工付属肢115を作動させる。また、センサ105は、手のメトリックを継続的に監視し、その結果、プロセッサ110及びアクチュエータ118は、過剰人工付属肢115の動作を継続的に更新する。   Referring now to the drawings, FIG. 1 shows a schematic diagram of an apparatus 100 that extends the functionality of a human hand using an extra artificial appendage. The device 100, together with the processor 110, includes sensors 105a, 105b, 105c (hereinafter collectively "105") that sense various positions and inertial data of the human hand. A brace 112 is coupled to the processor 110, the excess artificial appendage 115 and its actuator 118. When the user wears the device 100, the sensor 105 can be coupled to various parts of the user's hand. Sensor 105 detects various metrics of the user's hand and forwards these metrics to processor 110. Based on these metrics, the processor 110 determines an appropriate subsequent placement (eg, posture, position, velocity, acceleration, force, and / or torque) of the excess artificial appendage 115. In response, the processor 110 forwards a control signal to the actuator 118 of the excess artificial appendage 115, which in turn activates the excess artificial appendage 115 accordingly. Sensor 105 also continuously monitors hand metrics, so that processor 110 and actuator 118 continuously update the operation of excess artificial appendages 115.

各センサ105は、ユーザの手の様々なメトリックを検出することができる。いくつかの実施形態では、センサ105は、手の一部の位置を検出する。例えば、複数のセンサ105のうちの1つが、指、掌、又は手首の位置を決定してもよい。センサ105又は別のセンサ105は、指の関節や手首の関節等の手の関節の角度を決定するように構成してもよい。いくつかの実施形態では、センサ105は、所与の人間の複数の指の関節(例えば、第1及び第2関節)の角度を決定する。それらの関節を、手の任意の指に連結するように構成できるが、センサ105を、特定の指(例えば、親指、人差し指、中指)に結合するように構成してもよい。種々の実施形態では、センサ105は、親指の内向きの分回し運動(circumduction)、指の外転(abduction)、又は関節の屈曲(例えば、中手指節、指節間)を測定する。   Each sensor 105 can detect various metrics of the user's hand. In some embodiments, the sensor 105 detects the position of a part of the hand. For example, one of the plurality of sensors 105 may determine the position of a finger, palm, or wrist. The sensor 105 or another sensor 105 may be configured to determine the angle of a hand joint, such as a finger joint or a wrist joint. In some embodiments, the sensor 105 determines the angle of a plurality of finger joints (eg, first and second joints) for a given human. The joints can be configured to connect to any finger of the hand, but the sensor 105 may be configured to couple to a specific finger (eg, thumb, index finger, middle finger). In various embodiments, the sensor 105 measures thumb inward circumduction, finger abduction, or joint flexion (eg, metacarpal segment, interphalangeal segment).

追加の実施形態では、センサ105は、手の一部により加えられる圧力を検出することができる。例えば、センサ105は、人間の指の先端により加えられる圧力を判定するように構成してもよい。このようなセンサ105は、力センサ105であってもよい。いくつかの実施形態では、力センサ105は、指の爪床の色の変化を検出し、且つ指に加えられる力の量を判定してもよい。他の例では、センサ105は、掌、手の甲、又は手の側面により加えられた圧力を判定してもよい。さらに、センサ105は、トルクセンサであってもよい。この種類のセンサは、指の関節や手首等の手の一部におけるトルクを測定してもよい。種々の実施形態では、センサ105は、手の一部の向きを検出する。例えば、センサ105は、ユーザの手の一部(例えば掌、指)が、上向きに又は下向きに対向しているか否かを判定する加速度計であってもよい。また、センサ105は、手の一部の動きを検出するようなジャイロスコープであってもよい。装置105は、手の一部のメトリックを測定するような任意のタイプのセンサ105を使用してもよい。いくつかの実施形態では、センサ105は、指の関節角度を測定するようなストレッチセンサであってもよい。他の例として、センサ105は、曲げセンサ、又は導電性液体のチャネルに埋め込まれたエラストマーシートを含むような液体埋め込み型エラストマー電子部品(LE3)であってもよい。センサ105は、関節の曲率を測定するようなファイバブラッグ格子(FBG)歪センサ、又は光学式リニアエンコーダ(OLE)であってもよい。別の実施形態では、センサ105は、微小電気機械(MEMS)加速度計やジャイロスコープ等の慣性センサを含んでもよい。特定の例示的なセンサ105は、ニューヨーク州のスタテンアイランドのImages Scientific Instrumentsによって製造されているBi-Flex Sensor(商標);ユタ州のドラパーのFlexpoint Sensor Systemsによって製造されているBend Sensor(商標);そしてマサチューセッツ州のボストンのTecscan, Inc.によって製造されているFlexiforce Sensor(登録商標)が挙げられる。   In additional embodiments, the sensor 105 can detect pressure applied by a part of the hand. For example, the sensor 105 may be configured to determine the pressure applied by the tip of a human finger. Such a sensor 105 may be a force sensor 105. In some embodiments, the force sensor 105 may detect a change in the color of the fingernail bed and determine the amount of force applied to the finger. In other examples, the sensor 105 may determine the pressure applied by the palm, back of the hand, or side of the hand. Further, the sensor 105 may be a torque sensor. This type of sensor may measure torque on a part of a hand, such as a finger joint or wrist. In various embodiments, the sensor 105 detects the orientation of a part of the hand. For example, the sensor 105 may be an accelerometer that determines whether a part of the user's hand (for example, a palm or a finger) is facing upward or downward. The sensor 105 may be a gyroscope that detects a movement of a part of the hand. The device 105 may use any type of sensor 105 that measures a metric of a part of the hand. In some embodiments, the sensor 105 may be a stretch sensor that measures finger joint angles. As another example, the sensor 105 may be a bend sensor or a liquid embedded elastomeric electronic component (LE3) that includes an elastomeric sheet embedded in a channel of conductive liquid. The sensor 105 may be a fiber Bragg grating (FBG) strain sensor that measures joint curvature, or an optical linear encoder (OLE). In another embodiment, sensor 105 may include an inertial sensor such as a micro electromechanical (MEMS) accelerometer or a gyroscope. Certain exemplary sensors 105 are Bi-Flex Sensor ™ manufactured by Images Scientific Instruments, Staten Island, NY; Bend Sensor ™ manufactured by Flexpoint Sensor Systems, Drapper, Utah; And the Flexiforce Sensor (R) manufactured by Tecscan, Inc. in Boston, Massachusetts.

装置100は、本明細書で説明するセンサ105のいずれか、いずれかの組み合わせを含んでもよい。例えば、所与の装置100では、センサ105の1種又は2種以上を、手の同じ部分に結合させてもよい。装置100は、ユーザのそれぞれの指用の力センサ105及び加速度105の別個のセットを提供してもよい。さらに、いくつかの実施形態では、装置100は、別個のトルクセンサ105をユーザの指関節のそれぞれに結合してもよい。また、装置100は、加速度計105及びジャイロスコープをユーザの掌に結合してもよい。このように、装置100は、所望に応じて、本明細書で説明されるセンサ105の任意の数及びこれらの組み合わせを含んでもよい。   The device 100 may include any combination of any of the sensors 105 described herein. For example, in a given device 100, one or more of the sensors 105 may be coupled to the same part of the hand. The device 100 may provide a separate set of force sensors 105 and accelerations 105 for each finger of the user. Further, in some embodiments, the device 100 may couple a separate torque sensor 105 to each of the user's finger joints. Device 100 may also couple accelerometer 105 and gyroscope to the user's palm. As such, apparatus 100 may include any number and combination of sensors 105 described herein, as desired.

センサ105は、無線又は有線通信を介してプロセッサ110に出力信号を送信してもよい。例えば、センサ105は、センサ105の出力ポートをプロセッサ110に接続するようなワイヤを含んでもよい。別の例では、センサ105には、無線通信機器を備えてもよい。その場合に、センサ105は、当業者によって理解されるプロトコルに従って、プロセッサ110に無線出力信号を送信してもよい。   The sensor 105 may transmit an output signal to the processor 110 via wireless or wired communication. For example, the sensor 105 may include a wire that connects the output port of the sensor 105 to the processor 110. In another example, the sensor 105 may include a wireless communication device. In that case, the sensor 105 may send a wireless output signal to the processor 110 according to protocols understood by those skilled in the art.

種々の実施形態では、センサ105は、各々のセンサ105をユーザの手の様々な部分に結合するような固定装置に取り付けてもよい。例えば、センサ105は、手首の両側、掌、指関節及び指先の中心に対応する位置にブレース112を配置してもよい。別の例では、センサ105は、関心部位に対応する位置でグローブ(glove)に取り付けてもよい。この最後の例では、センサ105は、指の全長に沿って位置付けされたストレッチセンサであってもよく、各センサ105は、対応する指の関節の角度を検出する。過剰人工付属肢115の位置を決定するために、プロセッサ110は、ローカルメモリから命令を読み出して実行する。   In various embodiments, the sensors 105 may be attached to a fixation device that couples each sensor 105 to various parts of the user's hand. For example, the sensor 105 may arrange the braces 112 at positions corresponding to the sides of the wrist, the palm, the finger joint, and the center of the fingertip. In another example, the sensor 105 may be attached to a glove at a location corresponding to the site of interest. In this last example, the sensors 105 may be stretch sensors positioned along the entire length of the finger, and each sensor 105 detects the angle of the corresponding finger joint. To determine the position of the excess artificial appendage 115, the processor 110 reads and executes the instructions from local memory.

実験の後に、本発明者らは、過剰人工付属肢115の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクと、手の一部のこれらの同様の項目とが相互に関係していることを見出した。後述するように、図14、図15を参照してより詳細に説明するように、過剰人工付属肢115及び手の一部は、大抵の場合「バイオ人工相乗効果」を示す。この知見により、本発明者らは、過剰人工付属肢115の挙動モデルを開発することができた。ここで過剰人工付属肢115の所望のメトリックは、手の一部の既知のメトリックから決定することができる。また、本発明者らは、次に、潜在的な他の種類のモデルの中でも、このモデルに基づいて過剰人工付属肢115の制御アルゴリズムを形成することができた。   After the experiment, we found that the posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the excess artificial appendage 115 and these similar items of the hand part are interrelated. I found. As will be described later, as will be described in more detail with reference to FIGS. 14 and 15, the excess artificial appendage 115 and a part of the hand usually show a “bioartificial synergistic effect”. With this knowledge, the present inventors have been able to develop a behavior model of the excessive artificial appendage 115. Here, the desired metric of the excess artificial appendage 115 can be determined from a known metric of part of the hand. In addition, the inventors were then able to form a control algorithm for the excess artificial appendage 115 based on this model, among other potential types of models.

過剰人工付属肢115を作動させるために、プロセッサ110は、所望の姿勢や、位置、速度、加速度、力及び/又はトルクに応じて付属肢115を作動させるような制御信号を過剰人工付属肢115に転送する。いくつかの実施形態では、プロセッサ110は、信号をアクチュエータ118に転送する。アクチュエータ118によって、過剰人工付属肢115の一部を移動させてもよい。付属肢115の一部を向き合せするために、アクチュエータ118によって、付属肢115に結合された関節を回転させてもよい。アクチュエータ118は、関節によって形成された角度を増減させて、付属肢115のセクションを位置付けすることができる。いくつかの実施例では、アクチュエータ118は、付属肢115のセクションにより加えられたトルク量を制御してもよい。   In order to activate the excess artificial appendage 115, the processor 110 sends control signals to the excess artificial appendage 115 to activate the appendage 115 in response to the desired posture, position, velocity, acceleration, force and / or torque. Forward to. In some embodiments, processor 110 forwards the signal to actuator 118. A portion of the excess artificial appendage 115 may be moved by the actuator 118. To face a portion of the appendage 115, the joint coupled to the appendage 115 may be rotated by the actuator 118. The actuator 118 can position the section of the appendage 115 by increasing or decreasing the angle formed by the joint. In some embodiments, the actuator 118 may control the amount of torque applied by the section of the appendage 115.

幾つかの実施形態では、付属肢115は、プロセッサ110と通信する1つ以上のセンサ105を含んでもい。例えば、付属肢115は、その先端で圧力を検出するようなセンサ105を含んでもよい。このように、このセンサ105は、付属肢115の先端により加えられる接触力を測定してもよい。別の例では、付属肢115は、付属肢115の関節のトルクを検出するようなトルクセンサ105を含んでもよい。各センサ105は、付属肢115の所望の配置を達成するために付属肢115のアクチュエータに送信された制御信号を調整するような収集データをプロセッサ110に転送してもよい。   In some embodiments, appendage 115 may include one or more sensors 105 that communicate with processor 110. For example, the appendage 115 may include a sensor 105 that detects pressure at its tip. Thus, the sensor 105 may measure the contact force applied by the tip of the appendage 115. In another example, the appendage 115 may include a torque sensor 105 that detects the joint torque of the appendage 115. Each sensor 105 may forward collected data to the processor 110 that adjusts control signals sent to the actuators of the appendage 115 to achieve the desired placement of the appendage 115.

種々の実施形態では、過剰人工付属肢115は、複数の関節及び複数のアクチュエータ118を含んでもよい。アクチュエータ118の数は、付属肢115の自由度の数(関節の数に対応する)に依存してもよい。各アクチュエータ118によって、付属肢115の別の関節を作動させてもよい。また、各アクチュエータ118は、プロセッサ110から別々の制御信号を受信してもよく、アクチュエータ118を使用して、その関連する関節を配置する、及び拡張して、付属肢115のセクションを配置してもよい。   In various embodiments, the excess artificial appendage 115 may include multiple joints and multiple actuators 118. The number of actuators 118 may depend on the number of degrees of freedom of the appendage 115 (corresponding to the number of joints). Each actuator 118 may actuate another joint of the appendage 115. Each actuator 118 may also receive a separate control signal from the processor 110, and the actuator 118 is used to position and expand its associated joint to position the appendage 115 section. Also good.

サーボは、典型的なタイプのアクチュエータである。例えば、付属肢115は、韓国のソウルのRobotisによって製造されたDynamixel AX-12Aを含んでもよい。このサーボは、1.5Nmの最大トルクだけでなく、300度の範囲内に関節を位置付けする能力を提供する。異なる最大トルク及び異なる動作範囲を示す他のサーボ118を使用してもよい。空気圧アクチュエータは、別の典型的なタイプのアクチュエータである。いくつかの実施形態では、付属肢の各関節は、関節を制御するカスタムモータに結合されるが、他の様々な種々のアクチュエータを用いてもよい。過剰付属肢115を、様々な方法でブレース112に取り付けてもよい。例えば、付属肢115は、装着するときに、ブレース112によって付属肢115をユーザの手首に結合するようにこのブレース112上に位置付けしてもよい。あるいはまた、付属肢115は、ブレース112を介してユーザの腕の他の部分(ユーザの前腕又は手等)に結合してもよい。いくつかの実施形態では、付属肢115を、ユーザの手の側面に結合してもよい。こうして、過剰人工付属肢115は、ユーザの腕の任意の部分に結合するように位置付けしてもよい。いくつかの実施形態では、装置100は、ブレース112に取り付けられた2つの過剰人工付属肢115を含んでおり、ユーザの手の両側に位置付けされる。   A servo is a typical type of actuator. For example, the appendage 115 may include Dynamixel AX-12A manufactured by Robotis of Seoul, Korea. This servo provides the ability to position the joint within a 300 degree range as well as a maximum torque of 1.5 Nm. Other servos 118 that exhibit different maximum torques and different operating ranges may be used. A pneumatic actuator is another typical type of actuator. In some embodiments, each joint of the appendage is coupled to a custom motor that controls the joint, although a variety of other various actuators may be used. The excess appendage 115 may be attached to the brace 112 in various ways. For example, the appendage 115 may be positioned on the brace 112 such that the brace 112 couples the appendage 115 to the user's wrist when worn. Alternatively, the appendage 115 may be coupled to other parts of the user's arm (such as the user's forearm or hand) via the brace 112. In some embodiments, the appendage 115 may be coupled to the side of the user's hand. Thus, the excess artificial appendage 115 may be positioned to couple to any portion of the user's arm. In some embodiments, the device 100 includes two excess artificial appendages 115 attached to the brace 112 and is positioned on both sides of the user's hand.

この明細書の説明は、単一の付属肢115を議論しているが、任意数の付属肢115を、様々な実施形態に組み込んでもよい。単一の過剰人工付属肢115の議論は、こうして簡略化する目的のためだけにある。いくつかの実施形態では、装置100は、2つの付属肢115を含む。一方の付属肢115が、人間の親指と同様の形状因子を有しており、他方の付属肢115が、手の最後の指(例えば、小指)と同様の形状因子を有してもよい。また、1つ以上の付属肢115は、複数のセクションを有してもよい。例えば、付属肢115は、各関節に配置された別個のアクチュエータ118を含む、関節によって区切られた2又は3のセクションを有してもよい。種々の実施形態では、付属肢115は、3つの自由度を呈するが、他の数の自由度で実装されてもよい。例えば、付属肢115は、従来のデカルト座標系の3方向の運動の自由度を有してもよい。他の例では、付属肢115の回転、及び/又は付属肢115のセクションの回転が可能である。   Although the description herein discusses a single appendage 115, any number of appendages 115 may be incorporated into various embodiments. The discussion of a single excess artificial prosthesis 115 is only for the purpose of simplifying in this way. In some embodiments, the device 100 includes two appendages 115. One appendage 115 may have a form factor similar to a human thumb, and the other appendage 115 may have a form factor similar to the last finger of the hand (eg, little finger). One or more appendages 115 may also have multiple sections. For example, the appendage 115 may have two or three sections separated by a joint, including a separate actuator 118 disposed at each joint. In various embodiments, the appendage 115 exhibits three degrees of freedom, but may be implemented with other numbers of degrees of freedom. For example, the appendage 115 may have three degrees of freedom of movement in a conventional Cartesian coordinate system. In other examples, rotation of the appendage 115 and / or rotation of a section of the appendage 115 is possible.

いくつかの実施形態では、付属肢115は、その先端に物体(ツール等)を含んでおり、この物体を作動させる1つ以上のアクチュエータを含んでもよい。例えば、付属肢115は、クリッパーを含んでおり、アクチュエータは、プロセッサ110からの制御信号に基づいてこのクリッパーの刃を開閉してもよい。別の例では、付属肢115は、縫合ツールを含んでもよい。プロセッサ110からの制御信号に基づいて、アクチュエータ118は、縫合ツールを作動させて、物体に縫い目を形成してもよい。付属肢115がワイヤ送給装置を含む場合に、アクチュエータ118によって、ワイヤ送給装置を作動させて、ワイヤを消費させる又は後退させてもよい。さらなる例では、付属肢115は、ホルダを含んでおり、アクチュエータ118は、別の物体を所定の位置に保持するためにこのホルダを位置付けする。これらの実施形態は単に例示であり、他の種類ツールや、このようなツールを使用する作動方法を、装置100に組み込んでもよい。   In some embodiments, appendage 115 includes an object (such as a tool) at its tip and may include one or more actuators that actuate the object. For example, the appendage 115 includes a clipper, and the actuator may open and close the clipper blade based on a control signal from the processor 110. In another example, appendage 115 may include a suturing tool. Based on the control signal from the processor 110, the actuator 118 may activate a sewing tool to form a seam on the object. If the appendage 115 includes a wire feeder, the actuator 118 may activate the wire feeder to consume or retract the wire. In a further example, the appendage 115 includes a holder, and the actuator 118 positions the holder to hold another object in place. These embodiments are merely exemplary, and other types of tools and methods of operation using such tools may be incorporated into the device 100.

また、装置100は、単一のプロセッサ110を有するものとして説明しているが、装置100は、最終的なアプリケーションによって必要とされるような任意数のプロセッサ110を含んでもよい。特に、プロセッサ110は、シングルコア又はマルチコアのプロセッサを含んでもよい。装置100は、過剰人工付属肢115の制御アルゴリズムを実行可能なプロセッサ110の種類をいくつでも使用してもよい。   Also, although the device 100 is described as having a single processor 110, the device 100 may include any number of processors 110 as required by the final application. In particular, the processor 110 may include a single core or multi-core processor. The device 100 may use any number of types of processors 110 capable of executing control algorithms for excess artificial appendages 115.

種々の実施形態では、ユーザは、自分の体の一部にブレース112を取付けることにより、装置100を着用してもよい。例えば、ユーザ112は、自分の手首周りにブレース12を巻き付けてもよい。別の例では、ユーザは、自分の手をグローブ内にはめ込んでもよい。   In various embodiments, a user may wear the device 100 by attaching the brace 112 to a part of their body. For example, the user 112 may wrap the brace 12 around his wrist. In another example, the user may place his hand in the glove.

ブレース112は、当業者によって実行可能に考慮されるような、従来の任意の製造方法によって製造してもよい。例えば、ブレース112は、3Dプリント(例えば、溶融堆積モデリングで形成される)や射出成形品であってもよい。快適さと使い易さを向上させるために、ブレース112は、軽量であることが好ましい。例えば、ブレース112は、約250グラム未満の重さとしてもよい。ブレース112は、例示的に、ユーザの手や、手首、前腕、又はこれらの任意の組み合わせに亘って過剰人工付属肢115の重量を均一に分散させるように設計されている。しかしながら、他の実施形態では、重量を均等に分散させていない。   The brace 112 may be manufactured by any conventional manufacturing method, as considered feasible by those skilled in the art. For example, the brace 112 may be a 3D print (eg, formed by melt deposition modeling) or an injection molded product. In order to improve comfort and ease of use, the brace 112 is preferably lightweight. For example, the brace 112 may weigh less than about 250 grams. The brace 112 is illustratively designed to evenly distribute the weight of the excess artificial appendage 115 over the user's hand, wrist, forearm, or any combination thereof. However, in other embodiments, the weight is not evenly distributed.

図2〜図4には、図1で示した装置の例示的な実施形態が示されている。具体的には、図2には、装置200が、指先により加えられる圧力や、指の関節の角度、及び手首の関節の角度を測定するようなセンサ105を含むような1つの実装形態が示されている。センサ105は、これらの測定値をプロセッサ(図示せず)に送信し、これらの測定値によって装置200の2つの過剰人工付属肢115の配置が決定される。この実施形態では、付属肢115をユーザの手首に結合するような両方の過剰人工付属肢115が、ブレース112に取付けられている。過剰人工付属肢115は、一般に、ユーザの手の両側に結合されるように位置付けされる。また、これらの過剰人工付属肢115は、様々な関節で接続された複数のセグメントを有している。こうして、プロセッサ110は、過剰人工付属肢115の各セグメントの配置を決定し、この配置は、セグメントをこの様に位置付けするために各関節に必要とされる回転及び伸長を含む。付属肢115を位置付けするために、プロセッサ110は、最初に、過剰人工付属肢115の各アクチュエータ118に制御信号を送信する。アクチュエータ118は、付属肢115a及び115bの関節を所望の位置や向きに移動させることによって応答する。また、付属肢115上のセンサ105dによって、付属肢115の先端により加えられる接触力を測定し、センサ105dは、測定データをプロセッサ110に転送してもよい。プロセッサ110は、付属肢115が所望の力を発揮するようにアクチュエータ118に送信される制御信号を調整してもよい。   2-4 illustrate an exemplary embodiment of the apparatus shown in FIG. Specifically, FIG. 2 shows one implementation in which the device 200 includes a sensor 105 that measures the pressure applied by the fingertip, the angle of the finger joint, and the angle of the wrist joint. Has been. The sensor 105 sends these measurements to a processor (not shown), which determines the placement of the two excess artificial appendages 115 of the device 200. In this embodiment, both excess prosthetic appendages 115 are attached to the brace 112 to couple the appendages 115 to the user's wrist. The excess artificial appendages 115 are generally positioned to be coupled to both sides of the user's hand. Further, these excess artificial appendages 115 have a plurality of segments connected by various joints. Thus, processor 110 determines the placement of each segment of excess prosthetic appendage 115, which placement includes the rotation and extension required for each joint to position the segment in this manner. To position the appendage 115, the processor 110 first sends a control signal to each actuator 118 of the excess artificial appendage 115. Actuator 118 responds by moving the joints of appendages 115a and 115b to the desired position and orientation. Further, the contact force applied by the tip of the appendage 115 may be measured by the sensor 105d on the appendage 115, and the sensor 105d may transfer the measurement data to the processor 110. The processor 110 may adjust the control signal sent to the actuator 118 so that the appendage 115 exerts the desired force.

図3には、2つの過剰人工付属肢115を含む別の例示的な装置300が示されている。図2の装置200に示されるように、ユーザの手首又は前腕に装着されるような過剰人工付属肢115が、ブレース112に取り付けられる。ブレース112上の過剰人工付属肢115の位置によって、過剰人工付属肢115は、手首や前腕に結合される。また、過剰人工付属肢115は、一般にユーザの手の両側に位置している。このような過剰人工付属肢115は、より多くのセグメント、つまり図2に示される過剰人工付属肢115より多くの関節を有するので、プロセッサ(図示せず)は、より高い精度でこれら過剰人工付属肢115を配置することができる。また、装置300の過剰人工付属肢の115は、異種セグメントを有している。各セグメントは、異なる形状因子を有しており及び/又は異なる材料で構成してもよい。例えば、末端セグメントは、物体を把持するように構成された形状因子を有しており、把持を補助するために高い摩擦係数を有する材料を含んでもよい。   FIG. 3 illustrates another exemplary device 300 that includes two excess artificial appendages 115. As shown in the device 200 of FIG. 2, an over prosthetic appendage 115 is attached to the brace 112, such as worn on the user's wrist or forearm. Depending on the position of the excess artificial appendage 115 on the brace 112, the excess artificial appendage 115 is coupled to the wrist or forearm. In addition, the excess artificial appendages 115 are generally located on both sides of the user's hand. Since such an excess prosthesis 115 has more segments, ie more joints than the excess prosthesis 115 shown in FIG. 2, the processor (not shown) is more accurate with these excess prostheses. A limb 115 can be placed. Also, the excess artificial appendage 115 of the device 300 has heterogeneous segments. Each segment may have a different form factor and / or be composed of a different material. For example, the end segment may have a form factor configured to grip an object and include a material having a high coefficient of friction to assist in gripping.

図4には、別の例示的な装置400が示されている。ブレース112に加えて、この装置400は、ストレッチセンサ105が取り付けられたグローブを含む。こうして、各ストレッチセンサ105は、その対応する指のメトリックを取得することができる。この実施形態では、3つのストレッチセンサ105は、ユーザの親指、人差し指、及び中指のメトリックを取得するが、他の実施形態では、装置400は、各指のストレッチセンサ105を備えている。また、ストレッチセンサ105は、ワイヤを介してプロセッサ(図示せず)に電気的に結合されている。プロセッサ110は、ストレッチセンサ105からの信号を処理して、本明細書で説明する任意のステップに従って過剰人工付属肢の115を配置してもよい。   In FIG. 4, another exemplary apparatus 400 is shown. In addition to the brace 112, the device 400 includes a glove with a stretch sensor 105 attached. In this way, each stretch sensor 105 can acquire the corresponding finger metric. In this embodiment, the three stretch sensors 105 obtain metrics for the user's thumb, index finger, and middle finger, but in other embodiments, the device 400 includes a stretch sensor 105 for each finger. The stretch sensor 105 is electrically coupled to a processor (not shown) through a wire. The processor 110 may process the signal from the stretch sensor 105 to place the excess artificial appendage 115 according to any of the steps described herein.

図5〜図10には、図1に示した装置100の様々な異なる例示的な用途が示されている。これらの例では、装置100は、物体を把持する際にユーザの手を補助する。図5には、単一の過剰人工付属肢115が、ユーザによって保持された物体、つまりカップを支持するような装置500が示されている。この例では、過剰人工付属肢115は、物体の底面を上に支えている。図6〜図10には、2つの過剰人工付属肢115がユーザの把握を補完するような装置600,700,800,900,1000が示されている。これらの例のいくつかでは、装置600,700,800は、物体を握るために過剰位置人工付属肢115を位置付けする。残りの例では、装置900,1000は、物体の側面を保持するために過剰人工付属肢115を位置付けし、これにより、ユーザの保持を補強する。   5-10 illustrate various different exemplary applications of the apparatus 100 shown in FIG. In these examples, the device 100 assists the user's hand when gripping an object. FIG. 5 shows a device 500 in which a single excess artificial appendage 115 supports an object held by a user, i.e. a cup. In this example, the excess artificial appendage 115 supports the bottom surface of the object. 6 to 10 show devices 600, 700, 800, 900, 1000 in which two excess artificial appendages 115 complement a user's grasp. In some of these examples, the devices 600, 700, 800 position the overpositioned artificial appendage 115 to grasp an object. In the remaining examples, the devices 900, 1000 position the excess prosthetic appendage 115 to hold the sides of the object, thereby reinforcing the user's hold.

図11〜13には、図1で説明した装置100の他の様々な例示的な用途が示されている。これらの例では、装置100は、人間の手と一緒に補助作業を行う。例えば、図11には、オンボードクリッパー130を含む過剰人工付属肢115が示されている。ユーザが物体、例えばリンゴを把持する場合に、プロセッサ110及びアクチュエータ118は、物体のステム(柄:stem)の周囲にクリッパー130の刃を位置付けする。プロセッサ110及びアクチュエータ118は、クリッパー130を作動させてステム(柄)を切断することもできる。このようにして、カッター(クリッパー)130が、ユーザの手の作業とは別の作業であるが、ユーザの手の作業の作業に相補的な作業を実行する。ユーザが物体を把持する場合に、クリッパー130は、同ステムをカットする。   11-13 illustrate various other exemplary applications of the apparatus 100 described in FIG. In these examples, the device 100 performs an auxiliary operation with a human hand. For example, FIG. 11 shows an excess artificial appendage 115 that includes an onboard clipper 130. When a user grips an object, such as an apple, the processor 110 and the actuator 118 position the blade of the clipper 130 around the object's stem. The processor 110 and the actuator 118 can also operate the clipper 130 to cut the stem. In this way, the cutter (clipper) 130 performs a work that is different from the work of the user's hand, but is complementary to the work of the user's hand. When the user grips an object, the clipper 130 cuts the stem.

図12、図13では、過剰人工付属肢(複数可)115は、ユーザが物体を操作する場合に、その物体を所定の位置に保持する。図12には、ホルダー130付きの過剰人工付属肢115が示されており、このホルダー130は、ユーザが、ドリルを操作する間に、ネジを所定の位置に保持することができる。図13には、ユーザがキーパッドにタイプしている間に、タブレットコンピュータ装置を保持する過剰人工付属肢115が示されている。様々な他の例では、過剰人工付属肢115は、ユーザがその物体を開ける際に(例えば、ボトルからキャップを外す)、その物体を保持することができる。   12 and 13, the excess artificial appendage (s) 115 holds the object in a predetermined position when the user operates the object. FIG. 12 shows an excess artificial appendage 115 with a holder 130 that can hold the screw in place while the user operates the drill. FIG. 13 shows an over prosthetic appendage 115 that holds the tablet computer device while the user is typing on the keypad. In various other examples, the excess artificial appendage 115 can hold the object as the user opens the object (eg, removes the cap from the bottle).

ここで過剰人工付属肢115の制御を参照すると、装置100の制御アルゴリズムは、手の一部の挙動に関して過剰人工付属肢115の有利な挙動をモデル化する実験データから導出される。理論に縛られることを望まないが、これらの例示的アルゴリズムは、相乗効果の原理に基づいている。人間の手の文脈では、様々なグループの筋肉は、それら筋肉が単一の制御信号により活性化されるので、生物学的な相乗効果を示す。筋肉の様々なグループの中で実証された相乗効果を考慮して、手は、制御信号が展開される様式に基づいて多くの複雑な運動を達成することができる。実際には、少ない数の信号によって、広範な範囲の運動を生成することができる。これらの運動の各々は、筋肉の関連グループに中継される制御信号の特定のシーケンス及び/又は重ね合わせに依存する。   Referring now to the control of the excess artificial appendage 115, the control algorithm of the device 100 is derived from experimental data that models the beneficial behavior of the excess artificial appendage 115 with respect to the behavior of part of the hand. Without wishing to be bound by theory, these exemplary algorithms are based on the principle of synergy. In the human hand context, various groups of muscles exhibit biological synergies because they are activated by a single control signal. In view of the synergistic effects demonstrated in various groups of muscles, the hand can achieve many complex movements based on the manner in which control signals are deployed. In practice, a small range of signals can generate a wide range of motion. Each of these movements depends on a specific sequence and / or superposition of control signals relayed to the relevant group of muscles.

様々な実施形態の文脈では、発明者らが過剰人工付属肢115の所望の挙動をモデル化した場合に、発明者らは、過剰人工付属肢115が人間の手の自然な指との相乗効果を示すことを見出した。過剰人工付属肢115は、実際には筋肉のグループ又は神経を有していないため、これらの相乗効果は、人工(例えば、「バイオ人工」)である。付属肢115の制御機能(複数可)におけるこれら相互関係を考慮することにより、御装置100によって、過剰人工付属肢115を制御して、それら過剰人工付属肢が人間の手の自然な伸長であるように、すなわちそれら過剰人工付属肢がユーザの自然な手の一部と協力して機能するような筋肉のグループや関節を有しているかのように挙動させることができる。特に、本発明者らは、ユーザの自然な手の配置に基づいて過剰人工付属肢115の配置を決定するための例示的な制御アルゴリズムを形成した。   In the context of various embodiments, when the inventors model the desired behavior of the over prosthetic appendage 115, the inventors have found that the over prosthetic appendage 115 is synergistic with the natural finger of the human hand. It was found to show. Since the excess artificial appendages 115 do not actually have muscle groups or nerves, these synergistic effects are artificial (eg, “bio-artificial”). By considering these interrelationships in the control function (s) of the appendages 115, the control device 100 controls the excess artificial appendages 115 so that they are natural extensions of the human hand. That is, they can behave as if they have muscle groups or joints that function in cooperation with part of the user's natural hand. In particular, the inventors have formed an exemplary control algorithm for determining the placement of the excess artificial appendage 115 based on the user's natural hand placement.

アルゴリズムを開発する技術者や他の開発者は、ユーザの手や過剰人工付属肢115のメトリックを捕捉できるような装置を装着してもよい。いくつかの実施形態では、開発者は、メトリックを捕捉できるようなデータグローブを備えた装置100を装着してもよい。例示的なデータグローブは、テキサス州リーグシティのVirtual Realities, Ltdによって製造されたShape Handである。例えば、データグローブは、ユーザの手首や、指先及び指関節の位置等のメトリックを捕捉する光ファイバセンサを含んでもよい。例示的な光ファイバセンサは、カナダのトロントのMeasurandによって製造されたセンサを含む。他の例では、データグローブは、本明細書で説明するセンサ105のいずれかを含んでもよい。いくつかの実施形態では、装置100のメモリは、手や過剰人工付属肢115の一部に関するメトリックを捕捉するために再プログラムされる。さらなる実施形態では、装置100は、メトリックを捕捉し且つ記録するためのプログラムを実行するコンピュータ装置に接続される。   Engineers and other developers who develop algorithms may wear a device that can capture the metrics of the user's hand or excess artificial appendage 115. In some embodiments, the developer may wear a device 100 with a data glove that can capture metrics. An exemplary data glove is Shape Hand manufactured by Virtual Realities, Ltd of League City, Texas. For example, the data glove may include a fiber optic sensor that captures metrics such as the user's wrist, fingertips and finger joint positions. Exemplary fiber optic sensors include those manufactured by Measurand, Toronto, Canada. In other examples, the data glove may include any of the sensors 105 described herein. In some embodiments, the memory of the device 100 is reprogrammed to capture metrics relating to a portion of the hand or excess artificial appendage 115. In a further embodiment, the device 100 is connected to a computer device that executes a program for capturing and recording metrics.

データ自体を取得するために、開発者は、作業ために自分の手を配置し(例えば、自分の指を位置付けし、手を向き合せし、指先を介して所望の力を作用させる)、この作業において開発者を補助する態様で過剰人工付属肢115を配置し、この配置のためのすべてのメトリック(例えば、姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つ)を記録する。開発者は、次に、付属肢115を手動で配置してもよい。いくつかの実施形態では、開発者は、テキサス州オースティンのNational Instrumentsによって製作されたLabview等のソフトウェアプログラムを使用して過剰人工付属肢115を制御することができる。開発者は、それら過剰人工付属肢が所望の配置に到達するまで、Labviewに命令して過剰人工付属肢115を移動させることができる。次に、Labviewは、各所望の配置のための過剰人工付属肢115のメトリック(例えば、各関節の角度)だけでなく、開発者の手のメトリックも記録することができる。例えば、メトリックは、本明細書で説明する例示的なメトリックのいずれかを含んでもよいが、メトリックは、開発者の指の中で19の関節角度や、過剰人工付属肢115の6つの関節角度を含んでもよい。   To obtain the data itself, developers place their hands to work (for example, position their fingers, point their hands and apply the desired force through the fingertips) Place the excess artificial appendage 115 in a manner that assists the developer in the work, and include all metrics for this placement (e.g., posture, position, velocity, acceleration, force, and torque). Record. The developer may then manually place the appendage 115 manually. In some embodiments, the developer can control the excess artificial appendage 115 using a software program such as Labview made by National Instruments of Austin, Texas. The developer can instruct Labview to move the excess artificial appendages 115 until the excess artificial appendages reach the desired placement. Labview can then record the metrics of the prosthetic hand as well as the metrics of the excess prosthesis 115 (eg, the angle of each joint) for each desired placement. For example, the metric may include any of the exemplary metrics described herein, but the metric may include 19 joint angles within the developer's finger or 6 joint angles of the excess prosthesis 115. May be included.

手の所与の配置について、開発者は、過剰人工付属肢115の1又は複数の潜在的に所望する配置についてのデータを記録してもよい。例えば、図14に示されるように、開発者がボトルを把握する間に、過剰人工付属肢115は、二つ以上の位置からボトルを十分に支持することができる。開発者は、1つの配置についてのデータを収集し、過剰人工付属肢115を別の補足的な配置に位置を変更し、この別の配置についてのデータを収集してもよい。別の例では、開発者は、サッカーボールの上部を把持し、開発者がボールを保持するのに役立つであろういくつかの位置に過剰人工付属肢115を配置することができる。開発者は、これらの配置における自分の手や過剰人工付属肢115の一部に関するメトリックを記録してもよい。別の例では、開発者は、フットボールの上部を把握し、開発者の保持を補助するように過剰人工付属肢115を配置し、メトリックを記録することができる。   For a given placement of the hand, the developer may record data about one or more potentially desired placements of the excess artificial appendage 115. For example, as shown in FIG. 14, the excess artificial appendage 115 can fully support the bottle from more than one position while the developer grasps the bottle. The developer may collect data for one arrangement, reposition the excess prosthetic appendage 115 to another supplemental arrangement, and collect data for this other arrangement. In another example, the developer can grip the top of the soccer ball and place the excess artificial appendage 115 in several locations that will help the developer hold the ball. Developers may record metrics regarding their hands and portions of excess artificial appendages 115 in these placements. In another example, the developer can grasp the top of the football, place an over prosthetic appendage 115 to assist the developer and record the metric.

いくつかの実施形態では、開発者は、さらなる分析のためにすべてのデータを保持してもよい。他の実施形態では、手の所与の配置について、開発者は、過剰人工付属肢115のデータを平均化して、その後の分析で使用されるデータ量を低減させてもよい。例えば、開発者は、この開発者が特定の作業を実行しているときに、過剰人工付属肢115の5つの潜在的な配置についてのデータを記録し、次にこのデータを平均化してもよい。開発者は、開発者の手の配置に関連して平均化したデータを保存して、収集した元データを破棄してもよい。   In some embodiments, the developer may retain all data for further analysis. In other embodiments, for a given arrangement of hands, the developer may average the data for excess artificial appendages 115 to reduce the amount of data used in subsequent analyses. For example, the developer may record data for five potential placements of the excess prosthetic appendage 115 when the developer is performing a specific task, and then average this data. . The developer may save the averaged data in relation to the developer's hand placement and discard the collected original data.

図14の例には、様々な物体を把持する開発者が示されているが、開発者が他の作業を行うときに、メトリックを収集してもよい。例えば、過剰人工付属肢115によって、作業で使用される物体の位置を固定してもよい。付属肢115は、開発者が穴をドリルで開ける場合に、ワークを所定の位置に固定するように圧力を適用することができる。いくつかの追加の例では、付属肢115は、開発者がドライバー又はレンチでネジやナットを固定する間に、そのネジやナットを所定の位置に保持し、開発者がそのふたを回して外す際に(広口)ビンのベースや本体を把持し、又は開発者がボトルキャップ取外し器でそのキャップを取り外す際に、ボトルを把握することができる。開発者は、開発者がそのページをめくる間に、本を開いた状態に保持するように付属肢115を位置付けしてもよい。別の例では、開発者がスプーンでその内容物を攪拌する間に、この開発者は、底部から容器を保持するように付属肢115を位置付けしてもよい。付属肢115は、開発者がボックスを担持する間に、ボックスの異なる側面又は底面を支持してもよい。   In the example of FIG. 14, a developer holding various objects is shown, but metrics may be collected when the developer performs other tasks. For example, the position of the object used in the work may be fixed by the excessive artificial appendage 115. The appendage 115 can apply pressure to fix the workpiece in place when the developer drills a hole. In some additional examples, the appendage 115 holds the screw or nut in place while the developer secures the screw or nut with a screwdriver or wrench, and the developer unscrews the lid. When the (wide mouth) bottle base or main body is gripped, or when the developer removes the cap with the bottle cap remover, the bottle can be grasped. The developer may position appendage 115 to hold the book open while the developer turns the page. In another example, the developer may position the appendage 115 to hold the container from the bottom while the developer agitates its contents with a spoon. The appendages 115 may support different sides or bottom surfaces of the box while the developer carries the box.

このように、ユーザは、ユーザ自身の手に関して、過剰人工付属肢115の有用な、有利な配置に関するデータを取得することができる。   In this manner, the user can obtain data regarding useful and advantageous placement of the excess artificial appendage 115 with respect to the user's own hand.

主成分分析(PCA)によって、手の一部の配置や過剰人工付属肢115の所望の配置との間に相互関係が存在することを明らかにすることができる。具体的には、収集されたデータのPCAによって、収集したデータ内の分散の主な原因となるような最も重要な分散を決定することができる。収集されたデータは、
のような行列Xに入力することができる。
Principal component analysis (PCA) can reveal that there is a correlation between the placement of a part of the hand and the desired placement of the excess artificial appendage 115. Specifically, the PCA of the collected data can determine the most important variance that is the main cause of the variance in the collected data. The collected data is
Can be input to the matrix X.

ここで、x=[x,L,xは、手と過剰付属肢115との中心化された(mean-centered)関節角度を表しており、Nは、収集されたデータセットの数に対応する。Xの共分散の固有ベクトル(v)及び固有値λ)を用いて、次に、XXを、
によって近似することができる。
Where x i = [x 1 , L, x r ] T represents the mean-centered joint angle between the hand and excess appendage 115 and N is the collected data set Corresponds to the number of. Using the eigenvectors (v i ) and eigenvalues λ i ) of the covariance of X, then XX T
Can be approximated by

ここで、s<=r<Nである。この近似の精度は、主成分によって占められるデータの分散の割合を表す。固有値を使用して、精度は、
として表現することができる。
Here, s <= r <N. The accuracy of this approximation represents the proportion of data variance occupied by the principal component. Using eigenvalues, the precision is
Can be expressed as

図15には、収集された実験データに基づいて実行される主成分分析結果の一例が示されている。この分析は、実験で用いた配置について、過剰人工付属肢115の配置が、手の一部の配置と相関していることを実証している。この結果によって、過剰人工付属肢115及び手の動きが相互に関係していることが確認される。   FIG. 15 shows an example of the principal component analysis result executed based on the collected experimental data. This analysis demonstrates that the placement of the excess artificial appendage 115 correlates with the placement of part of the hand for the placement used in the experiment. This result confirms that the excess artificial appendage 115 and hand movement are interrelated.

特に、図15には、最初の6つの主要成分のそれぞれについてのμが示されている。ユーザの手の5本の指及び2つの過剰人工付属肢115を一緒に考慮する場合に、2つの主要成分は、位置データの分散の約81.5%(例えば、第1の成分について66.6%、第2成分について14.9%)を占めている。別の言い方をすれば、2つの自由度が、ユーザの手及び過剰人工付属肢115の実現可能な位置の81.5%を占めている。第1成分は、5本の指や、過剰人工付属肢115、又はこれらの両方の一致する(in-phase)運動に対応するが、第2成分は、5本の指や、過剰人工付属肢115、又はこれらの両方の不一致の(out-of-phase)運動に対応している。   In particular, FIG. 15 shows μ for each of the first six major components. When considering five fingers and two excess artificial appendages 115 together in the user's hand, the two major components are approximately 81.5% of the variance of the position data (eg, 66. for the first component). 6% and 14.9% for the second component). In other words, the two degrees of freedom account for 81.5% of the possible positions of the user's hand and excess artificial appendage 115. The first component corresponds to the in-phase movement of five fingers and / or the extra artificial appendage 115, or both, while the second component includes five fingers and the extra artificial appendage. 115, or both, out-of-phase motion.

さらに、PCAは、収集されたデータが、少数の分散を用いてモデル化することができるだけでなく、配置(つまり、運動)の範囲を特定数の制御信号を使用して十分に表すことができることを裏付ける。図15は、19の指関節及び6つの過剰人工付属肢115の関節の主要因となるような収集された実験データに関連付けられており、それによって25の自由度がもたらされる。図15は、主成分の主要因である分散量が、3つ目の自由度の後で大幅に減少することも実証している。このように、開発者は、2つ又は3つの主成分に基づいて、人工付属肢115の機能モデル及び制御アルゴリズムを形成することができ、これにより25から2又は3に自由度の数を減らすことができる。図15は、4番目の主成分を考慮することによって、機能にわずかな改善を提供するであろうことを明らかにする。   In addition, PCA not only allows the collected data to be modeled with a small number of variances, but also allows the range of placement (ie motion) to be adequately represented using a certain number of control signals. Back up. FIG. 15 is associated with collected experimental data that is a key factor for 19 finger joints and 6 extra artificial appendage 115 joints, thereby providing 25 degrees of freedom. FIG. 15 also demonstrates that the amount of dispersion, the main factor of the main component, decreases significantly after the third degree of freedom. In this way, the developer can form a functional model and control algorithm for the artificial appendage 115 based on two or three principal components, thereby reducing the number of degrees of freedom from 25 to 2 or 3. be able to. FIG. 15 reveals that considering the fourth principal component will provide a slight improvement in function.

この相互関係をモデル化するために、いくつかの実施形態では、収集されたデータは、2つの別々の行列に最初に挿入され、一方は、ユーザの5本の指に関して収集されたデータを含み、他方は、過剰人工付属肢115に関して収集されたデータを含む。一方は、入力行列Xであり、他方は、出力行列Yである。   To model this interrelationship, in some embodiments, the collected data is first inserted into two separate matrices, one containing the collected data for the user's five fingers. , The other, includes data collected for excess artificial appendages 115. One is an input matrix X and the other is an output matrix Y.


また、x=[x,...,xは、ユーザの指の中心化された(mean-centered)関節角度を表しており、ここでy=[y,L,yは、過剰人工付属肢115の中心化された関節角度に対応する。n及びmは、それぞれ、指及び人工付属肢115の自由度の数に対応し、Nは、収集されたデータセットの数に対応する。 X i = [x 1 ,..., X n ] T represents the mean-centered joint angle of the user's finger, where y i = [y 1 , L, y m ] T corresponds to the centered joint angle of the excess artificial appendage 115. n and m correspond to the number of degrees of freedom of the fingers and artificial appendages 115, respectively, and N corresponds to the number of data sets collected.

次に、入力及び出力空間での単位ベクトルは、入力単位ベクトルでの手の配置の投影と出力単位ベクトルでの過剰人工付属肢の投影との間の相関を最大化するように決定される。入力空間における単位ベクトルは
として表すことができる。
Next, unit vectors in the input and output space are determined to maximize the correlation between the projection of the hand placement at the input unit vector and the projection of the excess artificial appendage at the output unit vector. The unit vector in the input space is
Can be expressed as

入力空間での理論的な単位ベクトルへのユーザの手の配置の投影は、
として表すことができる。
The projection of the user's hand placement onto the theoretical unit vector in the input space is
Can be expressed as

出力空間での単位ベクトルは、
として表すことができる。
The unit vector in the output space is
Can be expressed as

さらに、出力空間における理論的な単位ベクトルでの過剰人工付属肢115の配置の投影は、
として表すことができる。
Furthermore, the projection of the placement of the excess artificial appendage 115 in the theoretical unit vector in the output space is
Can be expressed as

ユーザの手の配置と人工付属肢115との配置の間に最も強い相関を示すように入力及び出力ベクトルの方向を決定するために、以下の式は、
のように解かなければならない。
In order to determine the direction of the input and output vectors to show the strongest correlation between the placement of the user's hand and the placement of the artificial appendage 115, the following equation:
It must be solved like this.

より詳細には、vは、行列XYYXの最大固有値に関連する単位固有ベクトルであり、wは、行列YXXYの最大固有値に関連する単位固有ベクトルである。固有ベクトルのこのペアは、手及び人工付属肢115の配置を相関させるために最も重要な成分を与える。部分的な最小二乗(PLS)回帰式をこれらの式に適用することによって、重要性の高い順に、一連の単位ベクトルがもたらされる。上述したように、データ分散の大部分は最初の3つの主要成分を介して表現することができるので、開発者は、制御アルゴリズムのために3ペアの単位ベクトルを選択することができる。いくつかの実施形態では、制御アルゴリズムは、
y=Ax
によって表すことができる。
More specifically, v o is a unit eigenvector associated with the largest eigenvalue of the matrix XY T YX T , and w o is a unit eigenvector associated with the largest eigenvalue of the matrix YX T XY T. This pair of eigenvectors provides the most important component for correlating the placement of the hand and artificial appendage 115. Applying partial least squares (PLS) regression equations to these equations yields a series of unit vectors in order of importance. As mentioned above, since most of the data distribution can be represented via the first three main components, the developer can select three pairs of unit vectors for the control algorithm. In some embodiments, the control algorithm is:
y = Ax
Can be represented by

ここで、Aは、部分的な最小二乗回帰によって得られた一連の単位ベクトルを含むような行列である。   Here, A is a matrix including a series of unit vectors obtained by partial least square regression.

主成分分析、及びその後の相互関係のモデル、つまり最終的に使用される付属肢の制御アルゴリズムは、ユーザ及び付属肢の関節角度に関して本明細書で説明したが、同様のステップを、本明細書で説明した他のメトリックを適用してもよい。例えば、開発者は、ユーザの手の速度、ユーザの指関節に作用するトルク、及び付属肢の関節によって加えられる所望のトルクを含むデータを収集してもよい。このように、開発者は、付属肢の関節角度だけでなく、各関節によって加えられるトルクを整えるような制御アルゴリズムを形成してもよい。本明細書で説明する方法は、ユーザの手及び人工付属肢の任意の他のメトリックを考慮するように拡張することができる。   Principal component analysis and subsequent models of the interrelationship, ie, the appendix control algorithm that is ultimately used, have been described herein with respect to the user and appendage joint angles, but similar steps are described herein. You may apply the other metric demonstrated by. For example, the developer may collect data including the speed of the user's hand, the torque acting on the user's knuckles, and the desired torque applied by the appendage joint. Thus, the developer may form a control algorithm that adjusts not only the joint angle of the appendage limb but also the torque applied by each joint. The methods described herein can be extended to take into account any other metrics of the user's hand and prosthetic appendages.

図16には、過剰人工付属肢115の制御アルゴリズム、本明細書で説明したステップを使用して決定した制御アルゴリズムの精度を示すデータが表されている。円形のデータ点によって実証されるように、部分的な最小二乗回帰を介して形成された3つの主成分を利用する制御アルゴリズムについて、実験データを収集する間に観測された人工付属肢115の位置は、このアルゴリズムが付属肢115に適用された場合に取得された位置と実質的に一致する。   FIG. 16 represents data indicating the accuracy of the control algorithm for the excess artificial appendage 115 and the control algorithm determined using the steps described herein. The position of the artificial appendage 115 observed during experimental data collection for a control algorithm that utilizes three principal components formed via partial least square regression, as demonstrated by the circular data points Substantially matches the position obtained when this algorithm is applied to the appendage 115.

図17には、図1で説明した装置を使用する方法の例示的なフロー図が示されている。まず、この方法は、位置センサからの出力信号を受信する。ここで、各出力信号は、人間の手の異なる部分の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを示す(ステップ1701)。出力信号は、指、掌、又は手首の位置、及び/又は指の関節や手首の関節等の手の関節の角度を示すことができる。出力信号は、親指の内向きの分回し運動、指の外転、又は関節(例えば、中手指節、指節間)の曲がりを示すことができる。   FIG. 17 shows an exemplary flow diagram of a method of using the apparatus described in FIG. First, this method receives an output signal from a position sensor. Here, each output signal indicates at least one of the posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of different parts of the human hand (step 1701). The output signal can indicate the position of the finger, palm, or wrist and / or the angle of a hand joint, such as a finger joint or wrist joint. The output signal may indicate an inward turning movement of the thumb, finger abduction, or bending of a joint (eg, metacarpal segment, interphalangeal segment).

この方法は、位置センサからの出力信号に基づいて過剰人工付属肢についての姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定することもできる(ステップ1702)。例えば、本方法は、本明細書で説明したステップのいずれかで形成された制御アルゴリズムを適用してもよい。本方法は、少なくとも1つの制御信号を送信して、過剰人工付属肢を配置する(ステップ1703)。この制御信号によって、アクチュエータ118を作動させ、付属肢、又は付属肢のセクションを位置付けする。   The method may also determine at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque for the excess artificial appendage based on the output signal from the position sensor (step 1702). For example, the method may apply a control algorithm formed in any of the steps described herein. The method sends at least one control signal to place an excess artificial appendage (step 1703). This control signal activates the actuator 118 to position the appendage, or section of the appendage.

様々な実施形態を、人間の手や腕に連結できるような過剰人工指を参考に本明細書で説明してきたが、人工付属肢は、人間の身体の他の部分に結合することができる。いくつかの実施形態では、付属肢は、さらに人体から取り外してもよい。例えば、付属肢は、ユーザから遠隔に位置付けしてもよい。これらの実施形態では、付属肢の制御アルゴリズムを開発するためのデータを取得するために、開発者は、自分の手を位置付けすることができ、作業において開発者を補助するような態様で過剰人工付属肢115を位置決めし、すべてのメトリックを記録することができる。例えば、開発者は、構造機器等の機械を制御するために、人工付属肢を作動させるためのデータを収集してもよい。データのセットを取得するために、開発者は、自分の手を配置し、構造機器に対して人工付属肢を配置し、本明細書で説明するようなメトリックを収集する。このようにして、手のユーザの挙動及び関連する人工付属肢の挙動に関するデータを収集することにより、開発者は、構造機器を遠隔で作動させるための制御アルゴリズムを形成することができる。さらに工業的な実施形態が、企図され、それは本開示の範囲内に含まれる。開発者は、本明細書で説明される方法によって、主成分分析及び部分的な最小二乗回帰に従って、制御アルゴリズムを形成することができる。   Although various embodiments have been described herein with reference to an excess artificial finger that can be coupled to a human hand or arm, the artificial appendages can be coupled to other parts of the human body. In some embodiments, the appendage may be further removed from the human body. For example, the appendage may be located remotely from the user. In these embodiments, in order to obtain data for developing an appendage control algorithm, the developer can position his hand and over-artificate in a manner that assists the developer in the work. The appendage 115 can be positioned and all metrics can be recorded. For example, a developer may collect data for operating an artificial appendage to control a machine, such as a structural device. To obtain a set of data, the developer places his hand, places an artificial appendage relative to the structural equipment, and collects metrics as described herein. In this way, by collecting data regarding hand user behavior and associated artificial appendage behavior, developers can form control algorithms for remotely operating structural equipment. Further industrial embodiments are contemplated and are within the scope of this disclosure. Developers can form control algorithms according to principal component analysis and partial least squares regression by the methods described herein.

本発明の様々な実施形態は、この段落以下(及びこの出願の最後に提供される実際の特許請求の範囲より前)の段落に列挙されている潜在的な請求項によって特徴付けることができる。これらの潜在的な請求項は、この出願の詳細な説明の一部を形成する。従って、以下の潜在的な特許請求の範囲の主題は、本出願又は本出願に基づいて優先権を主張する出願を含む、後の手続きにおける実際の特許請求の範囲として提示することができる。このような潜在的な特許請求の範囲の包含は、実際の特許請求の範囲が、潜在的な特許請求の範囲の主題を網羅しないものであると意味するように解釈すべきではない。こうして、後の手続においてこれら潜在的な特許請求の範囲が存在していないと決定することによって、公衆に対して主題の寄贈が行われているものとして解釈すべきではない。   Various embodiments of the present invention can be characterized by the potential claims listed in the paragraphs below this paragraph (and before the actual claims provided at the end of this application). These potential claims form part of the detailed description of this application. Accordingly, the subject matter of the following potential claims may be presented as an actual claim in a later procedure, including this application or an application claiming priority based on this application. The inclusion of such potential claims should not be construed to mean that the actual claims are not exhaustive of the subject matter of the potential claims. Thus, it should not be construed that the subject matter has been donated to the public by determining that these potential claims do not exist in later proceedings.

上述した本発明の実施形態は、単なる例示であることを意図している。多くの変形及び修正は、当業者には明らかだろう。このような変形及び変更の全ては、添付の特許請求の範囲に規定されるように本発明の範囲内にあることが意図される。
The above-described embodiments of the present invention are intended to be examples only. Many variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. All such variations and modifications are intended to be within the scope of the present invention as defined in the appended claims.

Claims (26)

少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する装置であって、当該装置は:
人間の腕に連結するように構成されたブレースと;
該ブレースに取り付けられた過剰人工付属肢と;
人間の手の様々な部分に連結されるとともに、人間の手の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する情報を検出するように構成されたセンサと;
前記センサ及び前記過剰人工付属肢に結合されたプロセッサと;を備えており、
該プロセッサは、(i)前記センサからの出力に基づいて前記過剰人工付属肢の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定し、且つ(ii)該決定された、姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに従って前記過剰人工付属肢を作動させるように構成された少なくとも1つの制御信号を送信する、
装置。
A device for expanding the function of a human hand using at least one excess artificial appendage, the device comprising:
Braces configured to connect to the human arm;
An excess artificial appendage attached to the brace;
A sensor coupled to various parts of the human hand and configured to detect information about the posture of the human hand and / or at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque;
A processor coupled to the sensor and the excess artificial appendage;
The processor determines (i) at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the excess artificial appendage based on an output from the sensor; and (ii) the determination Transmitting at least one control signal configured to actuate the excess artificial appendage according to at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque,
apparatus.
前記過剰人工付属肢は、該過剰人工付属肢を人間の手首に連結するために前記ブレースに配置される、
請求項1に記載の装置。
The excess artificial appendage is disposed on the brace to connect the excess artificial appendage to a human wrist;
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工付属肢は、複数の自由度を示す、
請求項1に記載の装置。
The excess artificial appendage exhibits a plurality of degrees of freedom;
The apparatus of claim 1.
前記過剰人工付属肢は、前記プロセッサからの少なくとも1つの制御信号に基づいて、人工関節を作動させるような少なくとも1つのアクチュエータを含む、
請求項1に記載の装置。
The excess artificial appendage includes at least one actuator to actuate the prosthesis based on at least one control signal from the processor;
The apparatus of claim 1.
前記複数のセンサのうちの1つのセンサが、人間の指や、人間の掌、又は人間の手首の位置を検出する、
請求項1に記載の装置。
One of the plurality of sensors detects the position of a human finger, a human palm, or a human wrist;
The apparatus of claim 1.
前記センサは、人間の手の親指、人差し指、又は中指の位置を検出する、
請求項5に記載の装置。
The sensor detects the position of the thumb, index finger or middle finger of a human hand;
The apparatus according to claim 5.
前記センサは、(i)人間の指の関節、又は(ii)人間の手首の関節の角度を検出する、
請求項5に記載の装置。
The sensor detects (i) a human finger joint, or (ii) a human wrist joint angle,
The apparatus according to claim 5.
(i)人間の指の先端により加えられる接触力を検出する力センサ、(ii)人間の掌における圧力を検出する圧力センサ、又は(iii)人間の指の関節におけるトルクを検出するトルクセンサ、のうちの少なくとも1つをさらに備えており、
前記プロセッサは、人間の手の姿勢に関する情報を検出するような複数のセンサからの出力、及び力センサや、圧力センサ、トルクセンサ、又はこれらの任意の組合せからの出力に基づいて、前記過剰人工付属肢の姿勢を決定する、
請求項1に記載の装置。
(I) a force sensor that detects a contact force applied by the tip of a human finger, (ii) a pressure sensor that detects pressure in the human palm, or (iii) a torque sensor that detects torque in a human finger joint, At least one of the following:
The processor is configured to generate the excess artificial signal based on outputs from a plurality of sensors that detect information related to a posture of a human hand, and outputs from a force sensor, a pressure sensor, a torque sensor, or any combination thereof. Determine the posture of the appendages,
The apparatus of claim 1.
(i)人間の掌の向きを検出する加速度計、又は(ii)人間の掌の動きを検出するジャイロスコープ、のうちの少なくとも1つをさらに備えており、
前記プロセッサは、人間の手の姿勢に関する情報を検出するような複数のセンサからの出力、及び加速度計からの出力や、ジャイロスコープからの出力、又はこれら両方の出力に基づいて、前記過剰人工付属肢の位置を決定する、
請求項1に記載の装置。
At least one of (i) an accelerometer that detects the orientation of the human palm, or (ii) a gyroscope that detects the movement of the human palm,
The processor is configured to output the excess artificial appendage based on outputs from a plurality of sensors that detect information related to the posture of a human hand, output from an accelerometer, output from a gyroscope, or both. Determine the position of the limbs,
The apparatus of claim 1.
前記プロセッサは、前記過剰人工付属肢を位置付けするために少なくとも1つの制御信号を送信して、(i)物体を把持する、(ii)物体を操作する、又は(iii)人間の指と一緒に作業を行うように、人間の手を補助する、
請求項1に記載の装置。
The processor sends at least one control signal to position the excess artificial appendage and (i) grasps an object, (ii) manipulates an object, or (iii) together with a human finger Helping human hands to do the work,
The apparatus of claim 1.
少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する方法であって、当該方法は:
複数のセンサからの出力信号を受信するステップであって、各出力信号は、人間の手の一部の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する様々な情報を示す、受信するステップと;
前記プロセッサによって、前記センサからの出力信号に基づいて前記過剰人工付属肢の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定するステップと;
前記プロセッサによって、前記決定された、姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに従って、前記過剰人工付属肢を作動させるために少なくとも1つの制御信号を送信するステップと;を含む、
方法。
A method of extending the function of a human hand using at least one excess artificial appendage, the method comprising:
A step of receiving output signals from a plurality of sensors, each output signal being a variety of information relating to a posture of a part of a human hand and at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque; Receiving, indicating;
Determining, by the processor, at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque of the excess artificial appendage based on an output signal from the sensor;
Sending at least one control signal to actuate the excess artificial limb according to at least one of the determined attitude, position, velocity, acceleration, force, and torque by the processor; ;including,
Method.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
人間の指や、人間の掌、又は人間の手首の位置を示す出力信号を受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal indicative of a position of a human finger, a human palm, or a human wrist,
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
人間の手の親指や、人差し指、又は中指の位置を示す出力信号を受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal indicating the position of the thumb, index finger, or middle finger of a human hand,
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
(i)人間の指の関節、又は(ii)人間の手首の関節の角度を示す出力信号を受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal indicative of an angle of (i) a human finger joint or (ii) a human wrist joint;
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
力センサからの出力信号を受信するステップであって、前記力センサからの出力信号は、人間の指の先端により加えられる接触力を示す、受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal from a force sensor, wherein the output signal from the force sensor includes receiving indicating a contact force applied by a tip of a human finger;
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
トルクセンサからの出力信号を受信するステップであって、前記トルクセンサからの出力信号は、人間の指の関節におけるトルクを示す、受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal from a torque sensor, wherein the output signal from the torque sensor includes receiving a torque at a joint of a human finger;
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
加速度計からの出力信号を受信するステップであって、前記加速度計からの出力信号は、人間の手の一部の向きを示す、受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal from an accelerometer, wherein the output signal from the accelerometer includes receiving a direction of a portion of a human hand;
The method of claim 11.
前記センサからの出力信号を受信するステップは:
ジャイロスコープからの出力信号を受信するステップであって、前記ジャイロスコープからの出力信号は、人間の掌の動きを示す、受信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The steps of receiving an output signal from the sensor include:
Receiving an output signal from the gyroscope, wherein the output signal from the gyroscope includes receiving a movement of a human palm,
The method of claim 11.
前記少なくとも1つの制御信号を送信するステップは:
前記過剰人工付属肢の人工関節を作動させるために、少なくとも1つの制御信号をアクチュエータに送信するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The step of transmitting the at least one control signal includes:
Sending at least one control signal to an actuator to actuate the artificial joint of the excess artificial appendage;
The method of claim 11.
前記少なくとも1つの制御信号を送信するステップは:
前記過剰人工付属肢を位置付けするために少なくとも1つの制御信号を送信して、(i)物体を把持する、(ii)物体を操作する、又は(iii)人間の指と一緒に作業を行うように、人間の手を補助するステップを含む、
請求項11に記載の方法。
The step of transmitting the at least one control signal includes:
Sending at least one control signal to position the excess artificial appendage to (i) grasp an object, (ii) manipulate an object, or (iii) work with a human finger Including the step of assisting the human hand,
The method of claim 11.
少なくとも1つの過剰人工付属肢を用いて人間の手の機能を拡張する装置であって、当該装置は:
人間の腕に連結するように構成されたブレースと;
該ブレースに取り付けられた第1の過剰人工付属肢であって、第1の過剰人工付属肢は、第1の複数のアクチュエータを有しており、各アクチュエータは、第1の過剰人工付属肢の異なる関節に対応する、第1の過剰人工付属肢と;
第1の過剰人工付属肢に対して反対側の位置でブレースに取り付けられた第2の過剰人工付属肢であって、第2の過剰人工付属肢は、第2の複数のアクチュエータを含んでおり、各アクチュエータは、第2の過剰人工付属肢の異なる関節に対応する、第2の過剰人工付属肢と;
人間の手の様々な部分に連結されるとともに、人間の手の姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つに関する情報を検出するように構成されたセンサと;
前記センサ及び第1及び第2の過剰人工付属肢に結合されたプロセッサであって、該プロセッサは、(i)第1及び第2の過剰人工付属肢の各関節について、前記センサからの出力に基づいて姿勢や、位置、速度、加速度、力、及びトルクのうちの少なくとも1つを決定し、及び(ii)前記アクチュエータに対応する関節を位置付けするように構成される異なる制御信号を、第1及び第2の過剰人工付属肢の各アクチュエータに送信する、プロセッサと;を備える、
装置。
A device for expanding the function of a human hand using at least one excess artificial appendage, the device comprising:
Braces configured to connect to the human arm;
A first excess artificial appendage attached to the brace, wherein the first excess artificial appendage has a first plurality of actuators, each actuator being a first excess artificial appendage. A first excess artificial appendage corresponding to different joints;
A second excess artificial appendage attached to the brace at a position opposite to the first excess artificial appendage, wherein the second excess artificial appendage includes a second plurality of actuators. Each actuator has a second excess prosthesis corresponding to a different joint of the second excess prosthesis;
A sensor coupled to various parts of the human hand and configured to detect information about the posture of the human hand and / or at least one of position, velocity, acceleration, force, and torque;
A processor coupled to the sensor and the first and second excess artificial appendages, wherein the processor outputs (i) an output from the sensor for each joint of the first and second excess artificial appendages; Determining at least one of posture, position, velocity, acceleration, force, and torque based on, and (ii) different control signals configured to position a joint corresponding to the actuator, And a processor for transmitting to each actuator of the second excess prosthetic appendage;
apparatus.
前記センサは、人間の指の先端により加えられる接触力を検出する力センサを含む、
請求項21に記載の装置。
The sensor includes a force sensor that detects a contact force applied by a tip of a human finger.
The apparatus of claim 21.
前記センサは、人間の掌の向きを検出する加速度計を含む、
請求項21に記載の装置。
The sensor includes an accelerometer that detects the orientation of a human palm,
The apparatus of claim 21.
前記センサは、人間の掌の動きを検出するジャイロスコープを含む、
請求項21に記載の装置。
The sensor includes a gyroscope that detects the movement of a human palm,
The apparatus of claim 21.
前記センサは、人間の掌に加えられた圧力を検出する圧力センサを含む、
請求項21に記載の装置。
The sensor includes a pressure sensor that detects pressure applied to a human palm.
The apparatus of claim 21.
前記センサは、人間の指の関節におけるトルクを検出するトルクセンサを含む、
請求項21に記載の装置。
The sensor includes a torque sensor that detects torque at a joint of a human finger.
The apparatus of claim 21.
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