JP2021130049A

JP2021130049A - 電動義手の指駆動ユニット

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Publication number: JP2021130049A
Application number: JP2021093275A
Authority: JP
Inventors: 省三西村; Shozo Nishimura
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2021-09-09

Abstract

【課題】指の太さを細くして構成の簡素化が図れる電動義手の指駆動ユニットを提供する。【解決手段】指駆動ユニットの本体２８に収容されるモータ８の回転を、減速ギヤを介して回転する送りねじで進退移動するピストンと、ピストンの移動を受けて回動する基節部材２１に連接する中節部材２３と、中節部材２３に連接する末節部材２２とを設け、基節部材２１の第一摺接部３９は、基節部材２１が回動すると、中節部材２３と本体２８との間に架設された第一線材３５をくの字に屈曲させ、第一線材３５は中節部材２３を、第一弾性部材の弾力に抗して第二軸２６を中心にして回動させる。また、中節部材２３に設けられた第二摺接部５０は中節部材２３の回動で基節部材２１と末節部材２２との間に架設された第二線材４１をくの字に屈曲させる。この屈曲で第二線材４１、第二弾性部材の弾力に抗して第三軸２７を中心にして回動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、五本の指を個別に動かすことができる電動義手の指駆動ユニットに関する。

五本の指をモータで駆動する電動義手が知られている。この電動義手では親指、人指し指、中指、薬指、小指にそれぞれのモータを設け、モータを正逆回転して指の曲伸ばしを行っている。

引用文献１特開２０１５−３７７１３号公報引用文献２特開２０１８−５７６４７号公報

引用文献１の指駆動ユニットでは、モータの回転を減速ギヤを介して回転する送りねじと、この送りねじに螺合して進退移動する第一ロッド（ピストン）とが設けられる。この第一ロッドの移動を受けて、基節骨に該当する基節部材を回動させている。そして、基節部材は、リンク機構を介して末節骨に該当する末節部材と中節骨に該当する中節部材とを回動させている。このようにリンク機構を使った構成では、基節部材だけを回動させるだけで済むので第一ロッドの移動量を少なくでき、電動義手の小型化が図れる。しかし、リンク機構を使った場合、リンクは幅があるので指の太さを細くすることには限界があった。また、複数のリンクを用いるので構成が複雑となっている。
引用文献２の指駆動ユニットでは、腕内に設けたリニアモータで掌内に設けたスライド部材を進退移動させ、このスライド部材と四つの指の末節骨とをワイヤーで繋いでいる。そして、スライド部材が移動するとワイヤーが四つの指の末節骨と中節骨と基節骨との三本の骨を一度に回動させるようにしている。このようにワイヤーを使用すると指の太さを細くすることができる。しかし、一本のワイヤーを使って末節骨と中節骨と基節骨との三本の骨を回動させた場合、スライド板の移動量が大きくなり装置が大型化してしまう。また、五本の指を個別に動かすことは難しい。
本発明は、電動義手の指駆動ユニットの小型化を図りながら指の太さを細く形成でき、構成の簡素化が図れる電動義手の指駆動ユニットを提供することを目的とする。

第一の発明の電動義手の指駆動ユニットは、指駆動ユニットの本体に収容されるモータの回転を、減速ギヤを介して回転する送りねじと、この送りねじで進退移動するピストンと、ピストンの移動を受けて本体に対して回動する基節部材と、基節部材に連接する中節部材と、中節部材に連接する末節部材とを設けている。そして、基節部材に第一摺接部を設け、第一摺接部は、基節部材が回動すると、中節部材と本体との間に架設された第一線材をくの字に屈曲させるようにした。この第一線材の屈曲で第一線材は中節部材を基節部材に対し、第一弾性部材の弾力に抗して第二軸を中心にして回動させる。また、中節部材に第二摺接部を設け、第二摺接部は中節部材の回動で基節部材と末節部材との間に架設された第二線材をくの字に屈曲させる。この第二線材の屈曲で第二線材は末節部材を中節部材に対し、第二弾性部材の弾力に抗して第三軸を中心にして回動させるようにした。
第二の発明の電動義手の指駆動ユニットは、第一の発明の中節部材に第二軸を中心とする第一円弧部と、末節部材に第三軸を中心とする第二円弧部とを設けたものとした。

第一の発明では、第一線材を中節部材と本体との間に架設し、第二線材を基節部材と末節部材とに架設するだけでよいので構成の簡素化が図れ、指を細く形成することができる。
第二の発明では、中節部材に第一円弧部と、末節部材に第二円弧部とを設け、第一円弧部に第一線材を沿わせ、第二円弧部に第二線材を沿わせるようにした。第一線材と第二線材は、中節部材と末節部材とを接線方向から回動力を付与するので末節部材と中節部材とを常に一定の力で回動させることができる。

本発明の電動義手を示す平面図。指ユニットの構成を示す分解斜視図。指の構成を示す側面図。指ユニットの駆動制御回路図。

指駆動ユニットの本体に収容されるモータの回転を、減速ギヤを介して回転する送りねじと、この送りねじで進退移動するピストンと、ピストンの移動を受けて回動する基節部材と、基節部材に連接する中節部材と、中節部材に連接する末節部材とを設けている。そして、基節部材に第一摺接部を設け、第一摺接部は、基節部材が回動すると、中節部材と本体との間に架設された第一線材をくの字に屈曲させる。この第一線材の屈曲で第一線材は中節部材を基節部材に対し、第一弾性部材の弾力に抗して第二軸を中心にして回動させる。また、中節部材に第二摺接部を設け、第二摺接部は中節部材の回動で基節部材と末節部材との間に架設された第二線材をくの字に屈曲させる。この第二線材の屈曲で第二線材は末節部材を中節部材に対し、第二弾性部材の弾力に抗して第三軸を中心にして回動させる。

本発明の電動義手の概要を図１に示す。なお、同一部材は同一符号を使って説明する。左手に該当する筐体１には左側より小指、薬指、中指、人差し指、親指に該当する指駆動ユニット２〜６が並べて取付けられる。各指駆動ユニット２〜６は、中指を除く小指、薬指、人差し指の指駆動ユニット２・３・５は所定範回動可能に筐体１に取付けられ、指駆動ユニット２・３・５は左右に開閉操作することができる。筐体１側方には親指駆動ユニット６が配置される。筐体１の中央には第一駆動機構７が設けられる。この第一駆動機構７にはモータ８の回転を減速ギヤで回転が伝達される送りねじ９と、この送りねじ９に螺合して進退移動するピストン１０が設けられる。第一駆動機構７は親指駆動ユニット６の基節骨に該当するホルダ１１に係合してピストン１０の進退移動で親指を掌正面側と側方との間を回動させる。また親指駆動ユニット６は、ホルダ１１の他、中節骨に該当する中間部材１２と末節骨に該当する先端部材１３とで構成される。そしてホルダ１１には第一駆動機構７と同じ構成の第二駆動機構１４が設けられ、第二駆動機構１４のピストン１０は中間部材１２に係合し、ピストン１０の進退移動で中間部材１２を回動させる。中間部材１２と先端部材１３とには一本のリンク１５が結合されており、リンク１５は中間部材１２が回動すると先端部材１３を中間部材１２と同方向に回動させる。
また、筐体１の内部には図示しない制御基板が配置され、また手首側に電池室が設けられ、手首側の端面には電源スイッチと充電用のソケットと筐体１を図示しない腕ソケットに取付ける取付板が配置されている。そして、筐体１と各駆動指ユニット２〜６は外方を柔軟な人工皮膚１６で覆われている。

図２に指駆動ユニットの構成を分解斜視図で示す。なお、使用されるねじ２０とネジ穴２０ａは同じ符号を使って説明する。指駆動ユニット２〜５は、基節骨に該当する基節部材２１と末節骨に該当する末節部材２２と中節骨に該当する中節部材２３と、第三駆動機構２４とで構成される。基節部材２１と第三駆動機構２４の本体２８とは手の甲側（以降、上側とする。）で第一軸２５により連結され、基節部材２１と中節部材２３とは上側で第二軸２６により連結され、中節部材２３と末節部材２２とは上側で第三軸２７により連結されている。第三駆動機構２４は、モータ８を収容する本体２８とこの本体２８にモータ８の回転を減速ギヤで回転が伝達される送りねじ９と、この送りねじ９に螺合して進退移動するピストン１０とが設けられる。
ピストン１０はＴ字形をしており、縦バーの中心に送りねじ９を挿通する中空孔１０ａと、横バーの一端側に角孔１０ｂ開けられ他端側には小突起１０ｄが設けられている。そして縦方向の一端側には送りねじ９に螺合するナット板がねじ２０で取付けられる。また縦バーの他端にはピストン１０の動きを基節部材２１に伝達する小リンク２９が短軸３０で取付けられる。

本体２８の下面にはプリント基板３１が取付けられる。このプリント基板３１にはピストン１０の角孔１０ｂ嵌合するノブを有するスライド抵抗器３２と、ピストン１０の移動終端位置でモータ８の回転を停止させる二つのマイクロスイッチ３３とが設けられる。また、プリント基板３１の裏側には棒バネ３４が取付けられている。この棒バネ３４は通常はマイクロスイッチ３３をオンとなるようにしている。この棒ばね３４にピストン１０が移動終端の位置で小突起１０ｄが当接すると、棒バネ３４は弾性変位してマイクロスイッチ３３をオフにする。マイクロスイッチ３３がオフになると制御回路はモータ８の回転を停止させる。またスライド抵抗器３２はノブの移動で抵抗値を変化させて制御回路の働きでモータ８の回転を所定位置で停止させる。

本体２８の端部には基節部材２１側に突出部２８ａが設けられ、この突出部２８ａの側壁の上側に第一軸２５を挿通する第一軸孔２８ｂと、第一軸２５より掌側（以降、下側という。）に第一線材３５の一端を固定する第一固定部３６とが設けられる。第一固定部３６はネジ穴２０ａと第一円筒突起３７とで構成され、ネジ穴２０ａにねじ込まれるねじ２０で第一線材３５の一端を固定し、第一円筒突起３７で固定位置を定めようにしている。また、第一円筒突起３７の下には第一軸２５を半径とする第一円弧溝３８が形成される。
基節部材２１は、片側２１ａと他側２１ｂとに二つに割ったように形成され、中央をねじ２０で固定することで片側２１ａと他側２１ｂとが一体化される。
片側２１ａには一側面の上側の端部に第一軸２５を挿通する第二軸孔２６、第二軸孔２６より下側の端部に第一ピン３９（第一摺接部）、この近くに小リンク２９に係合する長ピン２９ａを挿通する第三軸孔２１ｃ、ほぼ中央に片側２１ａと他側２１ｂを結合するネジ穴２０ａ、中節部材２３に対向する側の端部に第二軸２６を挿通する第四軸孔４０が設けられる。第一ピン３９は金属製で先端を第一円弧溝３８に収容されるように内側に向けて突出している。
一方、他側２１ｂには片側２１ａと同様な第二軸孔２６、第三軸孔２１ｃ、片側２１ａと他側２１ｂを結合するネジ穴２０ａ、第四軸孔４０が設けられる。そして、第四軸孔４０より下側に第二線材４１の一端を固定する第二固定部４２が形成される。第二固定部４２はネジ穴２０ａと第二円筒突起４３とで構成される。そしてこの下側に第四軸孔４０を中心とする第二円弧溝４４が形成される。

中節部材２３は一枚の板状ブロックで形成され、片側の側面に、基節部材２１に対向する側の上側の端部に第二軸２６を挿通する第五孔２３ａが設けられる。そして、この第五孔２３ａを中心に１／４円弧を描く第一円弧面４５が形成される。そして、中節部材２３の上面には第三固定部４６が形成される、第三固定部４６は第一円弧面４５の端面と連接する第一凹部２３ｂとこの第一凹部２３ｂの中心のネジ穴２０ａ孔とで構成される。このネジ穴２０ａにねじ２０を螺合することで第一線材３５は他端を中節部材２３に固定される。また、中節部材２３には第一トーションばね４７（第一弾性部材）を収容する第一縦溝２３ｃと末節部材２２側の対向面に第二トーションばね４８（第二弾性部材）を収容する第二縦溝２３ｄが形成される。
一方、末節部材２２に対向する側の上側の端部に、第三軸２７を挿通する第六孔２３ｅが設けられる。そして、第六孔２３ｅより下側には末節部材２２の第三円筒突起２２ａを収容する第三円弧溝４９が形成されている。一方、他側の側面には第五孔２３ａの下側に第二線材４１に係合する第二ピン５０（第二摺接部）が突出形成される。第二ピン５０は先端を第二円弧溝４４に収容されるように外側に突出しさせて設けられる。第二軸２６は第四孔４０に挿通後に第五孔２３ａを介して第一トーションばね４７と中節部材２３と基節部材２１とを連結する。このとき、第二ピン５０は第二円弧溝４４の一端に第一トーションばね４６の弾力で当接することで中節部材２３と基節部材２１とを平行となる状態にする。

末節部材２２は先端側を指先に似せた円弧状に形成され、中節部材２３側には中節部材２３を収容する第二凹部２２ｂが形成され、上側端部には第三軸２７を挿通する第七孔２２ｃが形成される。第三軸２７は第七孔２２ｃに挿通後に第六孔２３ｅを介して第二トーションばね４８と中節部材２３と末節部材２２とを連結する。第二凹部２２ｂの一側面には第七孔２２ｃを中心に１／４円弧を描く第二円弧面５１が形成されている。そして、末節部材２２の上面には第四固定部５２が形成される、第四固定部５２は第二円弧面５１の端面と第二円弧面５１に連接する第三凹部２２ｄとこの第三凹部２２ｄの中心に第二線材４１の他端を螺合するネジ穴２０ａとで形成される。このネジ穴２０ａにねじ２０を螺合することで第二線材４１は他端を末節部材２２に固定される。
また、第二凹部２２ｂの他側面には第三円筒突起２２ａが設けられ、第三円筒突起２２ａは先端を第三円弧溝４８内に収容される長さとなっている。そして、第三円筒突起２２ａは第三円弧溝４８の一端に第二トーションばね４８の弾力で当接することで末節部材２２と中節部材２３とを平行となる状態にする。

（動作説明）
図３を使って指の動作を説明する。第三駆動機構のピストン１０は左方に移動しているとき小リンク２９を介して基節部材２１をピストン１０と平行となる方向に向かう姿勢に留めている。基節部材２１と第二軸２６で連結された中節部材２３は第一トーションばね４７のバネ力で基節部材２１と平行になる姿勢にとなり、中節部材２３と第三軸２７で連結した末節部材２２も第二トーションばね４８のバネ力で中節部材２３と平行になる姿勢に留められている。第一線材３５は一端を第一固定部３６に固定され、他端は第一円弧面４５に沿い、第一ピン３９に摺接して、ピンと張った状態で緩み無く第三固定部４６に固定されている。また、第二線材４１は一端を第二固定部４２に固定され、第二ピン５０に摺接して他端を第二円弧面５１に沿わされて、ピンと張った状態で緩み無く第四固定部５２に固定されている。

ピストン１０が図中右方に移動すると基節部材２１は小リンク２９に引きずられて第一軸２５を中心にして掌側に回動する。この回動で第一ピン３９は第一線材３５を屈曲させてゆく。そして、ピストン１０が右方への移動終端に達すると、で基節部材２１は第一軸２５を中心にして９０度の回動をする。このとき第一ピン３９は第一線材３５を大きく引き上げるようにして屈曲させる。この屈曲で第一線材３５は第一固定部３６と第一ピン３９との間の長さＡ分だけ、見かけ上短くなる。この短くなった長さＡは中節部材２３が第二軸２６を中心に回動することで補われる。すなわち、第一円弧面４５を短くなった長さＡの四倍の円周を直径とする円に合せると、中節部材２３は第二軸２６を中心にして第一トーションばね４７の弾力に抗して９０度の回動が行われる。
一方、中節部材２３が９０度の回動を行うと、第二ピン５０は第二線材４１を屈曲させてゆく。そして、中節部材２３が回動終端で第二ピン５０は第二線材４１を大きく引き上げるようにして屈曲させる。この屈曲で第二線材４１は第二固定部４２と第二ピン５０との間の長さＢが分だけ見かけ上短くなる。この短くなった長さＢは末節部材２２が第三軸２７を中心に回動することで補われる。すなわち、第二円弧面５１を短くなった長さＢの四倍の円周を直径の円に合せると、末節部材２２は第三軸２７を中心にして第二トーションばね４８の弾力に抗して９０度の回動が行われる。

上記実施例においては第一線材３５と第二線材４１を使って中節部材２３と基節部材２１とを回動させるようにしたので中節部材２３と基節部材２１と末節部材２２とを細く成型することができ、構成も簡素化することができる。なお、第一線材３５および第二線材４１は丈夫で可撓性のある釣糸あるいは細い金属製の撚線を使用することが望ましい。また、第一ピンと第二ピン５０にコロを装着すると第一線材３５と第二線材４１の摩耗を防止できる。なお、親指駆動ユニットではリンクを使っているが親指は一般的に他の指より太いのでリンクを使った構成とした。しかし、線材を使う構成としてもよい。

（制御回路）
図４を使って第一から第三駆動機構の動作制御を行う電子回路の説明をする。電池６０からの電圧はメインスイッチｓ１６を介して制御回路に通電が行われる。すると電池６０の電圧は定電圧ＩＣ６２で減圧されてモータ制御ＩＣ６３を介して六つの駆動機構のモータ８に伝達される。モータ制御ＩＣ６３には第一から第五の操作ボタンＳ１１〜Ｓ１５の信号が送られる。モータ制御ＩＣ６３は操作ボタンＳ１１〜Ｓ１５の信号を受けるとモータ８を所定の方向に回転させる。また、各モータ制御ＩＣ６３には操作ボタンＳ１１〜Ｓ１５よりオペアンプを介した信号も送られる。
オペアンプの入力端にはブリッジ回路が設けられ、固定抵抗５Ｋと半固定抵抗Ｒ１との連結部分の電圧と、固定抵抗５Ｋとスライド抵抗器３２との接続部分の電圧が入力される。オペアンプは入力電圧が等しいと出力端子の電圧がゼロになるのでモータ制御ＩＣ６３はモータ８の回転を停止させる事ができる。したがい、半固定抵抗Ｒ１のあらかじめ抵抗値を設定しておくと指の折り曲げ角度を任意に設定できる。
図中操作ボタンＳ１１はオン操作すると五本の指を真っ直ぐに広げた状態となる。また操作ボタンＳ１２をオン操作すると親指と人差し指で物を摘まむことができる。操作ボタンＳ１３をオン操作すると、人差し指だけくの字に折れ曲がり、その他の指は握られた状態になる。これにより一本指によるキーボードの操作が可能となる。操作ボタンＳ１４をオン操作すると、全ての指がくの字型の折り曲げられた状態になる。この状態は人が無意識の自然体であるときの指の状態となる。操作ボタンＳ１５をオン操作すると、各指は物を握り締めることができる。また、操作ボタンＳ１１〜Ｓ１５のオン操作の途中でボタンをオフにすると、指を折り曲げ途中で停めることができる。

本発明の電動義手の指駆動ユニットは指の細い人に利用することができる。

８モータ
１０ピストン
２１基節部材
２２末節部材
２３中節部材
２８本体
２５第一軸
２６第二軸
２７第三軸
３５第一線材
３６第一固定部
３９第一摺接部
４１第二線材
４２第二固定部
４６第三固定部
４５第一円弧部
４７第一弾性部材
４８第二弾性部材
５０第二摺接部
５１第二円弧部
５２第四固定部

Claims

電動モータ（８）の動力で本体内を進退移動するピストン（１０）と、このピストンの動きを受けて前記本体（２８）の第一軸（２５）に軸支されて回動する基節骨に該当する基節部材（２１）と、この基節部材の第二軸（２６）に軸支されて前記基節部材の動きを受けて回動する中節骨に該当する中節部材（２３）と、この中節部材の第三軸（２７）に軸支されて前記中節部材の動きを受けて回動する末節骨に該当する末節部材（２２）と、前記基節部材の動きを前記中節部材に伝える第一伝達手段と、前記中節部材の動きを前記末節部材に伝える第二伝達手段とを備え、前記基骨部材と前記中節部材と前記末節部材とを手の甲側で連結した電動義手の指駆動ユニットにおいて、
前記第一伝達手段を第一線材（３５）とし、
前記第二伝達手段を第二線材（４１）とし、
前記第一軸の近傍で前記第一線材の一端を固定する第一固定部（３６）を前記本体に設け、
前記第一軸の近傍で前記第一線材に摺接する第一摺接部（３９）と、前記第二軸の近傍に前記第二線材の一端を固定する第二固定部（４２）とを前記基節部材に設け、
前記第二軸の近傍で前記第一線材の他端を固定する第三固定部（４６）と、前記第二線材に摺接する第二摺接部（５０）とを前記中節部材に設け、
前記第三軸の近傍で前記第二線材の他端を固定する第四固定部（５２）を前記末節部材に設け、
前記基節部材と前記中節部材との間に前記中節部材を回動復帰させる第一弾性部材（４７）を設け、
前記中節部材と前記末節部材との間に前記末節部材を回動復帰させる第二弾性部材（４８）を設け、
前記第一線材を前記第一摺接部の外周に接触させて前記第一固定部から前記第三固定部まで架設し、
前記第二線材を前記第二摺接部の外周に接触させて前記第二固定部から前記第四固定部まで架設したことを特徴とする電動義手の指駆動ユニット。
前記中節部材に前記第二軸を中心とする第一円弧部（４５）と、前記末節部材に前記第三軸を中心とする第二円弧部（５１）とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の電動義手の指駆動ユニット。