JP2016055403A - 関節機構および駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】関節機構は、第1部材と、回動軸周りに回動可能に第1部材に設けられた第2部材と、フラット型配線部材と、を備える。そして、フラット型配線部材は、回動軸に平行な仮想線と3カ所以上交わる部分を有するように曲げられている。
【選択図】図5
Description
2Lcos2θ/(cos2θ+1)−Wtanθ>0 ・・・(1)
このような形態の関節機構であれば、上記式(1)によって、関節機構の回動可能角度が規定される。そのため、関節機構の設計を容易に行うことができる。
図1は、本発明の一実施形態としての駆動装置1の概略構成を示す模式図である。駆動装置1は、例えば、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人等の手に装着されて指の動きを補助するために用いられる。本実施形態の駆動装置1は、特に、手の親指の動きを補助するために用いられる。以下では、駆動装置1が、被装着部としての手に装着された際に、親指の指先側を「先端側」または「前側」と呼び、親指の根元(第3関節付近)側を「後端側」または「後ろ側」と呼ぶ。また、本明細書において、手の「指」とは、指の種類にかかわらず、指先から第3関節までのことをいう。また、「手」には、「指」も含まれる。
図3は、第1回動部12の概略構成を示す説明図である。第2回動部118、第3回動部122、第4回動部142は、第1回動部12と同様の構成であるため、これらの回動部の構成については説明を省略する。第1回動部12は、第1回動軸51と同心で連結された第1ローター61と、第1ローター61を回転させる第2ローター62と、第2ローター62を回転させる第3ローター63と、第3ローター63を回転させる圧電駆動装置64と有している。第1ローター61と第2ローター62と第3ローター63とは1組のギヤトレイン(被駆動部)として構成されている。圧電駆動装置64によって第3ローター63が回転すると、これに応じて第1ローター61が回転する。すると、第1ローター61の回転に応じて第1ローター61に連結された回動軸(第1回動軸51)が回転し、これに応じて第1連結部110がベース部材10に対して回動する。なお、ローターの数や各ローターのギア比は、駆動対象の軸の回転方向や要求されるトルク等に応じて任意に変更可能である。
図5は、駆動装置1に備えられた関節機構90の構造を示す図である。図5には、第1部材20と第2部材30とが第3回動軸53によって接続されることにより構成された関節機構90の構造を示している。駆動装置1のベース部材10から第4連結部140(または固定部40)までには、各回動部を制御部14に電気的に接続するためのフラット型配線部材70が内部に挿通されている。そのため、関節機構90内にもフラット型配線部材70が配置されている。フラット型配線部材70とは、形状が平状で、曲げることが可能な配線部材である。本実施形態のフラット型配線部材70は、フレキシブル基板によって構成されている。フラット型配線部材70は、形状が全体として平状であれば、表面は平坦であっても凹凸状であってもよい。フラット型配線部材70としては、フレキシブル基板以外にも、例えば、被覆線を複数本並べて融着したフラットケーブルや、平板型の導体を複数本並べて被覆したリボン状のフレキシブルフラットケーブルなどを採用することができる。
図6(b)に示すように、フラット型配線部材70の幅をWとし、
図6(a)に示すように、第1部材20と第2部材30とが回動していない場合に、第1部材20および第2部材30が延びる方向Xにおいて、仮想線VLがフラット型配線部材70に2カ所で交わる位置の間の距離をLとしたときに、
以下の式(1)を満たすθの4倍の角度(4θ)まで、第2部材30は第1部材20に相対的に回動可能である。
A+2B=2L ・・・(2)
次に、長さAは、図6(b)から以下の式(3)によって表すことができる。
A=2Bcos2θ ・・・(3)
この式(3)を式(2)に代入すると、
2Bcos2θ+2B=2L
となる。よって、式(2)の長さBは、以下のように表される。
B=L/(cos2θ+1)
この長さBを式(2)に代入すると、
A+2L/(cos2θ+1)=2L
となるため、
長さAは、以下の式(4)によって表すことが可能になる。
A=2Lcos2θ/(cos2θ+1) ・・・(4)
C=A−Wtanθ ・・・(5)
第1部材20が回動する際には、Cは0よりも大きい必要があるから、式(5)は、以下の式(6)のように表される。
A−Wtanθ>0 ・・・(6)
この式(6)に、上記式(4)によって表される長さAを代入すれば、以下のようになり、上記式(1)が導き出される。
2Lcos2θ/(cos2θ+1)−Wtanθ>0
図7は、図2におけるA矢視図である。図8は、図7におけるB矢視図である。図9は、図8におけるC矢視図である。図7に示されているように、駆動装置1を手に装着すると、ベース部材10が手の甲に配置され、第1回動軸51が人差し指中手骨80に沿って配置される。そのため、第1回動軸51に接続された第1副部材112は、親指の付け根の背側と平行を保つ。しかし、第1回動軸51が人差し指中手骨80に沿って配置されたとしても、これらの軸は同一の位置にはないため、第1回動軸51を中心に第1副部材112が回動すると、親指の第3関節83から第1副部材112までの高さγ(図7,9参照)と、親指の第2関節84と第3関節83とを結ぶ親指中手骨82から第2回動軸52までの距離α(図7,8参照)と、が親指の動きによって変化する。
そのほか、本実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
<第1,2変形例>
図10は、駆動装置の第1の変形例を示す図である。図11は、駆動装置の第2の変形例を示す図である。上記実施形態の駆動装置1では、第1部材20に備えられた第1スライド機構117によって第2連結部120と第1連結部110とを伸縮させることにより、ベース部材10と第2部材30との間の距離を調整している。これに対して、第1部材20は、ベース部材10と第2部材30との間の距離を調整可能であれば、どのような構造であってもよい。例えば、図10に示した駆動装置1aは、第1部材20aの一部が、蛇腹状の部材によって伸縮可能に構成されている。このような構成によっても、上記実施形態と同様に、ベース部材10と第2部材30との間の距離を調整することができる。また、図11に示した駆動装置1bは、第1部材20bの一部が屈曲可能に構成されている。このような構成であっても、上記実施形態と同様に、ベース部材10と第2部材30との間の距離を調整可能である。
図12は、駆動装置の第3の変形例を示す図である。図13は、駆動装置の第4の変形例を示す図である。上記実施形態の駆動装置1は、第2回動軸52と第3回動軸53とを備えている。しかし、これらの軸は、いずれか一方(好ましくは、第2回動軸52の方)を省略してもよい。例えば、図12に示した駆動装置1cは、第2回動軸52が省略されている。そのため、第2回動部118も省略されており、更に、第1副部材112と第2副部材114とが一体化され、1つの第1連結部110cが構成されている。また、図13に示した駆動装置1dは、第3回動軸53が省略されている。そのため、第3回動部122も省略されており、更に、第2連結部と第3連結部とが一体化された連結部125として構成されている。これらの図に示したように、第2回動軸52と第3回動軸53とのどちらか一方が省略された場合であっても、各可動部材の遊びによって、省略された軸の可動範囲を吸収することができる。また、図12や図13に示したように、回動軸の数を削減すれば、それだけ、回動部の数を削減することができるため、駆動装置1の小型化や軽量化、省電力化を図ることができる。
図14は、駆動装置の第5の変形例を示す図である。上記実施形態の駆動装置1は、第1部材20と第2部材30とを備えているが、図14に示すように、第2部材30は省略してもよい。この場合、第1部材20eは、第2副部材114を備えていなくてもよい。このような構成によれば、親指が人差し指中手骨80に沿った軸周りに回動することを補助する単機能な駆動装置1eを提供することができる。
上記実施形態では、第1回動軸51を駆動する第1回動部12が、ベース部材10に備えられているが、第1回動部12は、第1部材20に備えられていてもよい。また、上記実施形態では、第2回動軸52を駆動する第2回動部118が、第1副部材112に備えられているが、第2回動部118は第2副部材114に備えられていてもよい。また、上記実施形態では、第3回動軸53を駆動する第3回動部122が、第2連結部120に備えられているが、第3回動部122は、第3連結部130に備えられていてもよい。また、上記実施形態では、第4回動軸54を駆動する第4回動部142が、第4連結部140に備えられているが、第4回動部142は、第3連結部130に備えられていてもよい。
上記実施形態では、図2および図3に示したように、圧電体651を用いた回動部によって各回動軸を駆動しているが、各回動軸は、各種アクチュエーターによって駆動してもよい。例えば、各回動軸を駆動するアクチュエーターとして、一般的な小型モーターや電磁アクチュエーター等を利用することが可能である。また、ワイヤーとワイヤーの張力を変化させるテンショナーとから構成されるアクチュエーターや、ホースとホース内の油圧や空気圧を変化させるポンプとから構成されるアクチュエーター等を利用することも可能である。
上記実施形態におけるフラット型配線部材70は、駆動装置1に備えられた関節機構90に限らず、他の任意の関節機構に備えられてもよい。また、フラット型配線部材70が挿通された関節機構は、回動部等のアクチュエーターを備えていてもよいし、備えていなくてもよい。また、駆動装置1は、フラット型配線部材70に限らず、他の形態の配線部材によって配線が行われていてもよい。例えば、一般的な被覆線や、複数の被覆線をシースによってまとめたケーブルなどによって配線が行われていてもよい。
上記実施形態では、駆動装置1は、回動部として、第1回動部12と、第2回動部118と、第3回動部122と、第4回動部142とを備えているが、これらすべての回動部を備えていなくてもよい。例えば、動きを補助する必要のない関節を駆動するための回動部は省略することが可能である。
上記実施形態では、駆動装置1は、人の手の親指に装着されることが想定されているが、駆動装置1は、人に限らず、動物などの生体の関節や、ロボットなど生体以外の関節の動きを補助する用途に用いてもよい。
10…ベース部材
12…第1回動部
14…制御部
20,20a,20b,20e…第1部材
21…第1空洞部
30…第2部材
31…第2空洞部
40…固定部
42…装着バンド
44…第2スライド機構
51…第1回動軸
52…第2回動軸
53…第3回動軸
54…第4回動軸
55…第5回動軸
61…第1ローター
62…第2ローター
63…第3ローター
64…圧電駆動装置
65…振動体
66…振動板
67…突起部
68…支持部
69…連結板
70…フラット型配線部材
80…人差し指中手骨
81…親指の基節骨
82…親指中手骨
83…親指の第3関節
84…親指の第2関節
90…関節機構
110,110c…第1連結部
112…第1副部材
114…第2副部材
115…開口部
116…弾性部材
117…第1スライド機構
118…第2回動部
120…第2連結部
122…第3回動部
125…連結部
130…第3連結部
140…第4連結部
142…第4回動部
150…第5連結部
651,651a,651b,651c,651d…圧電体
VL…仮想線
Claims (6)
- 第1部材と、
回動軸周りに回動可能に前記第1部材に設けられた第2部材と、
フラット型配線部材と、を備え、
前記フラット型配線部材は、前記回動軸に平行な仮想線と3カ所以上交わる部分を有するように曲げられている、
関節機構。 - 請求項1に記載の関節機構であって、
前記フラット型配線部材は、前記第1部材および前記第2部材の少なくとも一方に固定されている、関節機構。 - 請求項1または請求項2に記載の関節機構であって、
前記第1部材は、第1空洞部を有し、
前記第2部材は、第2空洞部を有し、
前記フラット型配線部材は、前記第1空洞部および前記第2空洞部を通る、関節機構。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の関節機構であって、
前記フラット型配線部材は、フレキシブル基板である、関節機構。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の関節機構であって、
前記フラット型配線部材が、前記回動軸に平行な仮想線と3カ所で交わる部分を有する場合に、
前記フラット型配線部材の幅をWとし、
前記第1部材と前記第2部材とが回動していない場合に、前記第1部材および前記第2部材が延びる方向において、前記仮想線が前記フラット型配線部材に2カ所で交わる2つの部分の間の距離をLとしたときに、以下の式(1)を満たすθの4倍の角度まで、前記第2部材は前記第1部材に対して回動可能である、関節機構。
2Lcos2θ/(cos2θ+1)−Wtanθ>0 ・・・(1) - 駆動装置であって、
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の関節機構と、
前記第1部材と前記第2部材とを、前記回動軸周りに回動させる回動部と、
を備える駆動装置。
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Citations (2)
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JPH059894U (ja) * | 1991-07-23 | 1993-02-09 | 三洋電機株式会社 | マニピユレ−タの配線装置 |
JP2004056948A (ja) * | 2002-07-22 | 2004-02-19 | Fujikura Ltd | 電気接続構造及び電気接続装置 |
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