JP2021501645A - 手外骨格装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、モジュール式の性質を有する手外骨格装置に関する。この装置は、着用可能、携帯可能、かつ軽量となるように設計されるとともに、１〜１０個のモジュールを備え、それぞれのモジュールは、人工腱と結合されるリニアアクチュエータなどの作動機構を有し、人工腱は、その遠位端部に、シースに格納される可撓性ケーブル又はシャフトと、弾性の伸縮可能な部分とを有する。外骨格は、ユーザを取り囲む環境との自然な体性感覚の相互作用を維持しつつ、指の曲げ伸ばしを制御できるようにする。装置は、例えば、日常生活の活動中及び神経リハビリテーションシナリオのいずれにおいても、更に仮想現実などの他のシナリオでも、運動障害を伴うユーザの手の機能を補助して回復させるのに有用である。【選択図】 図１Ａ

Description

［対応する出願］
[0001]本出願は、２０１７年１１月７日にＥＣＯＬＥ ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＥＤＥＲＡＬＥ ＤＥ ＬＡＵＳＡＮＮＥ（ＥＰＦＬ）の名で提出された先の国際特許出願第ＰＣＴ／ＩＢ２０１７／０５６９５４号の優先権を主張し、この先の出願の内容は、参照により本出願に組み入れられる。

[0002]本発明は、例えば、手の運動機能のリハビリテーション及び支援のための装置に関し、特に、日常生活の活動で用いる携帯可能なモジュール式の手外骨格に関する。

[0003]運動機能の医学的リハビリテーションは、病気又は怪我によって低下した機能を回復させるために、通常、病院などで行なわれる。近年、機能障害の回復を向上させること、回復の定量的評価を可能にすること、リハビリテーション作業者の負担を軽減すること等を目的として、ウェアラブル外骨格技術を運動機能のリハビリテーション及び支援に適用しようとする試みがなされてきた。

[0004]特に、手の感覚運動障害は、中枢神経系及び末梢神経系に影響を与える傷害の最も一般的な結果の１つであり、罹患した個人の生活の質の劇的な低下をもたらす。ウェアラブル技術の使用は、そのようなユーザにおける運動機能障害を回復させて補完するための道具として提案されてきた。これらのシステムは、障害のある人体の機能の補完として作用することにより、運動支援を行なうべく又はヘルスケアセンター内及び日常生活の活動中の両方において機能の回復を促進させるべく使用され得る。

[0005]しかしながら、これらのシステムは、それらが研究室及び高度に専門化されたセンタで一般に使用されているにもかかわらず、依然として重大な制限に見舞われる。すなわち、ユーザによる日常的なこれらのシステムの採用は、複雑さ、使い勝手の悪さ、高コストに起因して制限される。確かに、これらのシステムを家庭環境に移し変えることにより、日常生活の有意義な活動中に集中的に且つ継続的に使用できるようになり、最終的には、それらの効果が向上する。

[0006]運動リハビリテーション及び支援を目的とする手外骨格の幾つかの概念が過去に提案されてきた。例えば、米国特許出願第２０１６／０３６１１７９号は、電力消費量が低く、体積が小さく、軽量であるとともに、関節の支持構造と、支持構造に固定される少なくとも１つの張力付与システムと、張力付与システムに接続される少なくとも１つの人工腱とを有する、関節を能動的に且つ動的に補助してロックするための装置を開示する。張力システムは、必要なときにユーザの関節を補助するためにロックシステムと相互作用する。

[0007]米国特許出願第２０１６／００１５５９０号は、人体に取り付けられ得るとともに、単一の直動アクチュエータを使用して遠位指節間関節（ＤＩＰ関節）、近位指節間関節（ＰＩＰ関節）、及び中手指節関節（ＭＰ関節）に駆動力を印加するための動作伝達機構としての機能を果たす３層摺動ばね機構を動作させることができ、それにより、装置が取り付けられた人体の把持動作をサポートする手外骨格装置を開示する。

[0008]米国特許出願第２０１３／０２１９５８５号は、手袋、アクチュエータアセンブリー、及びコントローラを含む把持支援システムを開示する。手袋は、指、すなわち、手の指又は親指、及び力センサを含む。センサは、手袋を着用するオペレータにより物体に印加される握力を測定する。指骨リングが指に対して位置決めされる。可撓性の腱が、一端でリングのうちの１つに接続され、残りのリングを介して経路付けられる。指に対して位置決めされる外骨格は、それぞれが対応するリングに接続されるヒンジ結合された相互接続部材、及び／又は、スロット付き材料の単一片を含む。アクチュエータアセンブリーは腱の他端に接続される。コントローラは、測定された握力に応じて張力を計算して、アクチュエータアセンブリーからの張力を命令し、それにより、腱を引っ張る。外骨格は、オペレータの指から手袋に張力の一部を肩代わりさせる。

[0009]米国特許出願第２０１３／００７２８２９号は、患者の手と前腕とを部分的に覆うように取り付けられるブレースを備える、可撓性があるモジュール式の軽量な手リハビリテーション装置を開示し、この装置は、掌を完全に解放した状態で手の裏に全体が配置され、５本の指の受動的で且つ支援能動的な曲げ／伸びのための可撓性ロッドと、指ぬきを伴う指手袋と、指ぬきに対して安定化されるとともにヒンジと関節継手を画定する急速結合機構とによって可撓性ロッドの一端にヒンジ結合される固定されたロッド又はプレートと、ブレースと一体を成して又はブレースに対して遠隔的に配置されて可撓性ロッドを移動させるための５つの作動手段が設けられるとともに前記ロッドの張力を調整するための手段を更に備える移動／コマンド・制御ユニットと、リハビリテーション装置を調整して手の解剖学的特徴に適合させるための手段と、制御・管理ソフトウェアとを備える。

[0010]米国特許出願第２０１０／００４１５２１号は、手袋に収容される人の手の１本以上の指による把持動作に用いる指手袋を開示する。手袋は、手袋指と掌とを含む。少なくとも１本の手袋指は、手袋の内側に沿って延びる人工腱を両側に含むようになっている。ヨークが、少なくとも１本の手袋指の先端に取り付けられて、収容される指の先端を取り囲むようになっている。手袋指の両側では、人工腱がヨークに接続される。力検出センサを有する指手袋を含むシステムが、少なくとも１本の手袋指の内側に配置されるとともに、手袋指内に収容される指と指に適用される接触面との間の力を検出するようになっている。手袋指のための人工腱は、少なくとも１つのアクチュエータと、力検出センサで検出される力に基づいて少なくとも１つのアクチュエータに手袋指の人工腱に対して引張力を及ぼさせるようになっている制御ユニットとに接続され、それにより、手袋指に収容される指が曲げられる。

[0011]前述の全ての手外骨格は、特にそれがリハビリテーション又は日常生活の活動中の使用に関係する際に、特定の欠点或いはさもなければ制限を有する。例えば、それらの装置の多くは、それらの複雑さを考えると、嵩張り、使い勝手が悪く、高コストである。装置の幾つかは、主にそれらの非携帯性に起因して、臨床現場以外で使用される及び／又は医療専門家により行なわれる監視を伴わずに使用されるように設計されていない。一部の装置は、指の曲げ伸ばしの両方を制御できるようにしておらず、また、それらの装置の多くは、掌及び指先で自然な体性感覚を維持しない。

[0012]更に、先行技術の装置の大部分は、静的な装具又は手袋などのある種の装具を備える。この態様は、指先上又は指先付近におけるセンサの配置を容易にするという主な利点を有するが、装具は、ユーザの手及び／又は腕に重量を付加し、それにより、ユーザの残存運動能力を妨げるとともに、手の拘縮によりユーザによる容易な着用を妨げ、また、例えば手袋の場合など、何度も、それらの装具は、指先及び／又は手のひらを覆ったままにし、それにより、使用中の外部の物体や道具との相互作用における自然な体性感覚を妨げる。この理論に拘束されることなく、例えば脳卒中からの生存による手の運動回復は、リハビリテーションプロトコルの状況下などの使用中に自然な体性感覚認識が刺激されて促進される際に高められてより一層増進されると思われる。

[0013]本発明は、当技術分野において知られる装置の前述の欠点に対処するリハビリテーション及び支援目的のための新しい種類の手外骨格を提供する。

[0014]本発明の主な目的は、完全に着用可能で、携帯可能な、さほど目障りではない外骨格装置を提供するとともに、既知の装置を、改良することである。

[0015]本発明の他の目的は、ユーザを取り囲む環境との自然な体性感覚の相互作用を可能にしつつ、指の屈曲−伸長を制御できる手外骨格を提供することである。

[0016]本発明の更なる他の目的は、日常生活の活動中及び神経リハビリテーションシナリオのいずれにおいても、運動障害を伴うユーザの手の機能を補助して回復させるようになっている手外骨格を提供することである。

[0017]本発明の更に別の目的は、動作伝達のため及びユーザの指との力交換のための構造要素としてのいずれからも構成される要素を利用することによって機能的で軽量なデザインを有する手外骨格を提供することである。

[0018]本発明の他の目的は、モジュールがユーザの特定のニーズを満たすように適合され得るモジュール式装置を提供することである。

[0019]本発明の他の目的は、障害のあるユーザにより簡単に着用可能であり、低コストであるとともに、製造が容易な手外骨格を提供することである。これらの目的は全て、以下に及び添付の特許請求の範囲に記載されるように、本発明の装置を用いて達成された。

[0020]本発明に係る装置は、装着者の指を制御するために作動機構及び人工腱を使用するモジュール式外骨格指に依存する。本発明の手外骨格の主な革新には、そのモジュール形態及び装具の欠如などがあり、これにより、着用者の特定のニーズに合わせて手外骨格を個人向けにできるとともに、システムの全体的なプロファイル及び嵩張りを減らすことができる。これは、主に、この発明の実施形態に係る人工腱の形態によって達成された。そのような腱のそれぞれは、駆動機構から着用者の指に動作を伝達するための手段を組み込んでおり、したがって、外部矯正構造又は外骨格の他のモジュールから独立して指を制御できるようにし得る。重要なことに、人工腱は、手の甲側から指の動きを制御するために使用され、それにより、着用者の掌及び指先を外部の物体や器具との相互作用における障害から解放できる。全体として、この手法は、着用者の掌や指先の自然な体性感覚を維持しつつ、単一の着用可能で携帯可能なモジュール式の装置内で、指の曲げ伸ばしの制御を可能にするという固有の利点を有する。

[0021]一実施形態において、作動ユニット、制御ユニット、及びエネルギー蓄積ユニットは、胸パック内に配置される。これにより、車椅子に座っているユーザは、自分の車椅子のバックシートに自分の背中及び肩を快適にもたれかけることができ、その結果、システムを長期間にわたって快適に使用できるようになる。

[0022]したがって、一実施形態において、本発明は、装具がないモジュール式の手外骨格装置であって、前記装置が少なくとも１つのモジュールを備え、前記モジュールのそれぞれが、
双方向作動機構と、
近位端部、遠位端部、及び近位端部と遠位端部との間にある長尺なシャフトを有し、前記近位端部が双方向作動機構に動作可能に接続可能であり、前記遠位端部がユーザの指に固定するための手段を備える、可撓性ケーブルと、
ケーブルを格納する可撓性シースと、
ユーザの中手指節（ＭＣＰ）関節付近に固定するための手段と、
を備え、
前記遠位端部が、
（１）ＭＣＰ関節固定手段からケーブルの遠位先端まで及ぶとともに、
（２）長手方向に沿って伸縮可能な弾性要素を備える、
手外骨格装置を提供する。

[0023]実施形態において、装置は、本明細書中に規定されるように１〜１０個のモジュールを備えてもよい。

[0024]実施形態では、伸縮可能な弾性要素が可撓性ケーブルと同軸に配置される管状要素であってもよい。

[0025]実施形態では、双方向作動機構が着用可能かつ携帯可能なケースに含まれるリニアモータ又は空気圧アクチュエータであってもよい。好ましくは、ケースは、着用可能かつ携帯可能である。

[0026]実施形態では、双方向作動機構がサーボモータであってもよい。

[0027]実施形態において、双方向作動機構は、ユーザによって操作されるケーブル、プーリー、スプールなどの機械要素であってもよい。

[0028]実施形態において、ケーブルは、（例えば、着用可能かつ／又は携帯可能な）ケースをユーザの胴体などに遠隔的に配置するように適合される長さを有してもよい。

[0029]実施形態では、ケーブル及びシースがボーデンケーブルであってもよい。

[0030]実施形態において、装置は、手外骨格として使用される際、指ぬき、手袋、又はセンサなど、ユーザ／着用者の指先及び手のひらを覆う要素がないことが好ましい。

[0031]実施形態では、ユーザの指に固定するための手段が、ユーザの遠位指節間（ＤＩＰ）関節に固定するための手段、及び／又は、ユーザのＭＣＰ関節と近位指節間（ＰＩＰ）関節との間及び／又はＰＩＰ関節とＤＩＰ関節との間に固定するための手段を備えてもよい。

[0032]実施形態において、伸縮可能な弾性要素は、少なくとも１つの補強構造を備えてもよい。

[0033]実施形態において、少なくとも１つの補強構造は、ＤＩＰ関節及び／又はＰＩＰ関節に対応して配置されなくてもよい。

[0034]実施形態において、少なくとも１つの補強構造は、伸縮可能な弾性要素のより厚い部分を構成してもよい。

[0035]本明細書中で提示される主題の前述及び他の目的、特徴、及び利点は、前記主題の幾つかの好ましい態様を示す添付の図に関連する以下の説明を検討することにより、より明らかになる。しかしながら、本発明は、想定し得る実施形態の例として与えられる以下に説明される及び／又は図面に描かれる実施形態に限定されず、逆に、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

単一モジュール手外骨格として具現化された本発明に係る装置の１つの実施形態の等角図を描く。 同じ装置の遠位端部の拡大図である。 単一人工腱が結合された、特に伸長動作における、単一モジュール手外骨格の作用のメカニズムを概略的に示す。 二重人工腱が結合された、特に伸長動作における、単一モジュール手外骨格の作用のメカニズムを概略的に示す。 ユーザにより着用される単一モジュール手外骨格を示し、着用可能かつ携帯可能なモータアクチュエータがユーザの胴体に配置される。 ユーザにより着用される５本指手外骨格を示し、４つのモータアクチュエータを備える着用可能かつ携帯可能なケースがユーザの胴体に配置される。 指の屈曲をもたらすモータアクチュエータの作動中にユーザにより着用される単一モジュール手外骨格を示す。 ４つのモータアクチュエータを備える着用可能かつ携帯可能なケースを有する５本指手外骨格の現実の実施された実施形態を示す。 反相性動作を有する受動的なユーザ操作される作動機構の実施形態を示す。 相性動作を有する受動的なユーザ操作される作動機構の実施形態を示す。 補強構造を備える本発明に係る装置の一実施形態を示す。

[0045]本開示は、この開示の一部を形成する添付図面に関連して提示される以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解され得る。この開示が本明細書中に記載されるかつ／又は示される特定の条件又はパラメータに限定されず、また、本明細書中で使用される用語が、単なる一例として特定の実施形態を説明することを目的としているにすぎず、特許請求の範囲に記載される開示内容を限定しようとするものでないことが理解されるべきである。

[0046]本明細書中及び添付の特許請求の範囲で使用される単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別段明確に指示しなければ、複数の指示対象を含む。また、「又は」の使用は、別段述べられなければ「及び／又は」を意味する。同様に、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び「含んでいる」は、置き換え可能であり、限定しようとするものではない。

[0047]図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本発明の装置１の１つの非限定的な実施形態が示される。図示のように、装置は、ユーザの単一の指に作用するようになっている単一モジュール手外骨格として具現化される。前記単一モジュール手外骨格は、リハビリテーションプロトコルにおいて及び日常生活の活動中にユーザにより容易に着用されるように携帯可能、着用可能、かつ軽量に設計されるケース１０１に含まれる双方向アクチュエータ１００を備える。前記アクチュエータ１００は可撓性の長尺なケーブル２００と動作可能に接続され、ケーブル２００は、該ケーブルの近位端部２０１を介してシース２０３に格納される。

[0048]明確にするために、本開示の枠組みにおいて、「動作可能に接続される」及び「動作可能に接続できる」という表現は、本発明の装置の幾つかの構成要素間のそれらの間の機能的関係を反映し、すなわち、この用語は、構成要素が指定された機能を果たすように相互に関連付けられることを意味する。「指定された機能」は、接続に関与する異なる構成要素に応じて変化可能であり、例えば、双方向アクチュエータ１００の指定された機能は、ケーブルを引き延ばす又は引き込むためにケーブル２００を長手方向に移動させることである。当業者は、本開示に基づき、本発明のシステムのありとあらゆる構成要素の指定された機能並びにそれらの相関関係が何であるかを容易に理解して把握できる。

[0049]本明細書中で使用される「可撓性」という用語は、アクチュエータ駆動される動作及び／又はユーザの動きにしたがって１つ以上の軸外方向に能動的又は受動的に曲がる本装置の構成要素の能力を示す。幾つかの実施形態において、ケーブル２００及び／又はシース２０３は、本質的に非伸縮性であり、すなわち、これらのケーブル及び／又はシースは、牽引中にそれらの長さを増大させるように塑性的又は弾性的に引き延ばされ得ない。幾つかの代わりの実施形態において、ケーブル２００及び／又はシース２０３は、本質的に（すなわち、ケーブル及び／又はシースを形成する材料に起因して）又は設計特性に起因して（例えば、ケーブル及び／又はシースは、コイル状部材を備えることができる又はコイル状部材から成ることができる）伸縮性となり得る。この目的に適した典型的なシャフト及びケーブルは、実質的に、半硬質性の又はセグメント化された機械的構造を伴う材料、或いは、金属、又は高分子プラスチック、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの材料の任意の適した組み合わせから構成される。シース２０３は、一般に、可撓性ポリマーから形成されるとともに、ケーブル２００の物理的な支持体として機能し、ケーブル２００は、それがシース内で摺動できるように前記シース２０３の中空チャネル内に配置される。シース２０３は、後に詳述されるように、座屈を伴うことなく又は座屈を制限して指を作動させるために、ケーブル２００をユーザの腕の形状に適合させてケーブル２００を腕に固定できるようにする一方で、ケーブル２００が内側で摺動できるようにする。

[0050]１つの実施形態において、シース及びシャフトは、中空の外側ケーブルハウジングに対する内側ケーブルの移動によって機械的な力又はエネルギーを伝達するために使用される一種の可撓性ケーブルであるボーデンケーブルによって構成される。ボーデンケーブルは、一般に、保護プラスチックコーティング又はシース２０３と、鋼構造と、摩擦を減らすための随意的な内側スリーブと、内側ケーブルとを備える。ボーデンケーブルは、幅広く入手し易いとともに低コストであり、したがって、製造に関連する価格が低減される。勿論、他の同等のシステムが本発明の範囲内で使用されてもよい。

[0051]ケーブル２００の遠位端部２０２において、装置は、ユーザの指に固定するための手段３００を備える。好ましくは、前記固定手段３００は、その直径を調整するように遠位指節間（ＤＩＰ）関節に容易に適合できるフックアンドループリングとして、或いは代わりに、前記アンカーポイントの周りで輪になる柔軟な弾性糸又はバンドとして具現化される。好適には、リング３００は、ケーブル２００の遠位先端に配置され、調整可能な接続要素３０１を介して前記ケーブル２００に結合される。前記構成の１つの主な利点は、手袋、指ぬき、又は触覚／位置センサなどの任意の外部構造体からのユーザの指先の自由度にあり、そのため、ユーザの体性感覚認識が不変に保たれる。明らかなように、人工腱は、ユーザの手の甲にユーザにより都合良く着用され、そのため、掌及び指先の両方を自由なままにする。

[0052]ケーブル２００の遠位端部２０２は、ユーザの中手指節（ＭＣＰ）関節付近に固定するための手段４００を更に備え、この場合でも、例えばフックアンドループリング又は柔軟な弾性糸及びバンドは、調節可能な接続要素４０１を介してケーブル２００を格納するシース２０３に結合される。一実施形態において、固定手段３００は、ＭＣＰ関節と近位指節間（ＰＩＰ）関節との間及び／又はＰＩＰ関節とＤＩＰ関節との間を成す指の指節骨の部分にも及ぶ。シース２０３は、シースガイド６０２によって動作可能に結合されるサイドリリースバックル６０１などを有する調整可能な布地バンド６００などによって、ユーザの腕及び／又は手首に保持されてもよい。

[0053]本発明の装置の重要な特徴の１つは、人工腱の形態にある。この構成要素は、２つの主要部分、すなわち、シース２０３によって格納されるケーブル２００及び遠位端部２０２を備える。遠位部２０２は、ユーザのＭＣＰ関節から、特に固定手段４００から、ＤＩＰ関節又は指上の他のアンカーポイントに固定するための手段３００が配置されるケーブル２００の先端までの長さにそれが及ぶという点において、及び、ケーブルを幾つかの実施形態ではその全長にわたって格納する伸縮可能な弾性要素５００をそれが更に備えるという点において特徴付けられる。腱は、その構成部分の引き伸ばされるべき異なる性向に起因して、二重の目的を果たす。シース２０３に対応して、腱は、作動機構によってケーブル２００に与えられる動きを遠位端部２０２に経路付ける可撓性の伝達機構として作用する。逆に、伸縮可能な要素５００は、遠位端部２０２のより高い可撓性を可能にし、それにより、作動されたケーブル２００から作動機構、例えば、１本の指への力の交換を可能にする。この伸縮可能な要素５００は、特に、ケーブルを用いた作業中に直面する典型的な欠点を回避するべく非常に単純であるが効率的な物理的効果を利用することによって外骨格を着用するユーザの指の関節の機能的な曲げ可能にし得る、本発明の背後にある概念のうちの１つに相当する。

[0054]実際に、可撓性ケーブル２００のような非圧縮性の可撓性体がその一方の末端（すなわち、リング３００）で固定されて他方の末端（すなわち、近位端部２０１）からの圧縮に晒される際に通常起こること−本発明の装置の作動動作のうちの１つである−は、ケーブル２００の本体が座屈し、それにより、いわゆる３ベンドサドルが形成され、したがって、圧縮力がシャフトの長手方向軸線から放散されることである。この有害な効果を打ち消すために、本発明者らは、腱の遠位端部２０２に、前記遠位端部２０２に動作可能に結合される伸縮可能な弾性要素５００を含めることを選択した。一実施形態において、要素５００は、ケーブル２００の一部分の周囲に巻き付けられる管状の構成要素であり、一方の末端が固定手段４００の位置でシース２０３に固定され、他方の末端がケーブル２００の先端に固定されるとともに、０．１〜１００ＭＰａの引張強度を有するシリコンポリマー（例えばＰＤＭＳ）などのエラストマー材料から実質的に形成される（例えば、図２参照）。

[0055]重要なことに、可撓性要素５００は、シース２０３に組み込まれて互いに結合される。したがって、シース２００、シース２０３、及び弾性要素５００の組み合わせは、ユーザの指に固定される際に前記指の制御を可能にし得る独立したモジュールである人工腱に相当する。これにより、それぞれの外骨格指が他の全ての外骨格指から独立して付加的な要素（例えば、装具など）の存在に依存しないモジュール形態を実施できる。このようにすると、不要な機能を排除して複雑さ（ユーザにより必要とされない外骨格指など）を低減し、それにより、システムの全体のプロファイル及び負担を軽減するために、ユーザの特定の機能ニーズに的を絞ることができる。

[0056]したがって、明らかなように、遠位端部２０２は、それがその動作範囲もその自由度も規定しない所定の構造を有さないという点において特徴付けられる。ケーブル２００及び弾性要素５００の可撓性に起因して、遠位端部２０２は、三次元空間においてほぼ無限の自由度を有する。好適には、アクチュエータ１００の駆動動作中にケーブル２００が弾性要素５００の内側に押し込まれると、要素５００は、伸長によってその内側のケーブル２００の増大された長さに従順に適合し、それにより、遠位端部２０２を横方向に収縮させることによってオフセット力を妨げて、ケーブル２００を長手方向で案内する（図２を参照）。ケーブル２００の引き込み中、要素５００は弾性的にその元の形状及び長さに回復する。

[0057]それにもかかわらず、遠位端部２０２が例えばユーザの指などの被駆動機構上に拘束されると、その自由度は、前記指の形態によって与えられる。この場合、ケーブル２００の圧縮中、弾性要素５００は、それが拘束される人の指を引き延ばすことが不可能であるため、その長手方向軸線にわたって引き延ばすことができない。そのため、弾性要素５００の伸長は、着用者の手のＭＣＰ関節及びＰＩＰ関節によって与えられる拘束されないヒンジに起因して、着用者の指の全体的な屈曲を引き起こす（図３から図５）。

[0058]逆に、アクチュエータ１００によって与えられる牽引力に起因する、遠位要素２０２の内側のケーブル２００の長さの減少は、弾性要素５００の短縮をもたらすとともに、必要な変更を加えて前述の同じ原理に起因して、結果として生じる指の伸長をもたらす。

[0059]したがって、弾性要素５００の存在は、ケーブル２００が着用者の指の上側で座屈するのを回避して、ケーブル２００を指にできるだけ近づけて保持し、したがって、ＭＣＰ関節及びＰＩＰ関節に中心付けられる円弧への弾性要素５００の直線的伸長の並進を最大にする（図５を参照）という点で、ケーブルの圧縮段階において重要である。

[0060]各腱は、双方向駆動機構を使用してそのシャフトを作動させ、また、管状要素を介した指−シャフト結合と、指の骨格の形態によって課される制約とを利用することにより、結果として指の曲げ伸ばしを制御する。単一指レベルでの作動不足は、操作下にある物体がユーザの手を形作ることができるようにするべく、同じ指の指骨間の生理学的結合を享受する。これは、各指節骨の独立した作動又は複雑な閉ループアルゴリズムの介入を伴うことなく自然で快適な握持をもたらす。

[0061]更に、弾性要素５００とユーザの指との機能的結合は、遠位要素２０２の十分に規定されない運動学的構造を部分的に制約するために利用され、したがって、ユーザ固有のカスタマイズ又はパラメータ設計を必要とすることなく、任意の手の形態に対する外骨格指の本質的に最適な順応性を可能にする。

[0062]幾つかの実施形態において、伸縮可能な弾性要素５００は、少なくとも１つの補強構造（５０１；図８）を備えることができる。これらの実施形態では、製造プロセス中又はその後に、弾性要素５００に対してより高い弾性率を有する幾つかの硬質プラスチック、布地、又は任意の他の適した材料／構成要素を前記弾性要素５００中に又は弾性要素５００上に付加する又は埋め込むことができる。最も好ましくは、前記少なくとも１つの補強構造５０１は、遠位指節間（ＤＩＰ）関節及び／又は近位指節間（ＰＩＰ）関節に対応して配置されない。補強構造５０１の目的は２つある。すなわち、一方で、補強構造は、弾性要素５００がユーザの指の解剖学的構造により良く適合できるようにし、同時に、補強構造は、それが必要とされる場合にのみ、すなわち、指の関節に対応して、解放圧力又は伸長圧力を容易にしてそれに焦点を合わせる。代わりの又は更なるシナリオにおいて、前記少なくとも１つの補強構造５０１は、必要性及び状況に応じて、伸縮可能な弾性要素５００のより厚い部分として具現化され得る。特定の場所で弾性要素５００の形状及び／又は寸法（例えば、厚さ）を変更すると、弾性要素５００の幾つかの部分が補強構造として作用するように弾性要素の機械的特性が局所的に変化する。

[0063]作動機構に戻ると、これは、その長手方向軸線に沿ってシース２００を押し引きする直線動作を実施する従来のアクチュエータ１００であってもよい。非限定的な例として、アクチュエータ１００は、シリンダによって収容されるピストンを備える空気圧又は油圧のピストンエンジンとして具現化されてもよく、或いは、アクチュエータ１００は、ケーブル２００と動作可能に接続される移動器官を有する市販の回転アクチュエータとして具現化されてもよく、更に代わりに、アクチュエータ１００は、ケーブル２００を巻き上げる／繰り出すように回転するべくスプールに結合される回転アクチュエータであってもよい。１つの実施形態において、アクチュエータ１００は、その動作及びケーブル２００の最終位置を制御／修正するために位置フィードバックのための閉ループのエラー検知を使用するリニアサーボモータであってもよい。作動機構全体は、外部エネルギー源又は組み込みバッテリーによって給電されてもよく、また、コンピュータ、タブレット、スマートフォン、マイクロコントローラ、筋電図検査用システムなどの外部装置に対するシステム全体の有線接続又は無線接続のための手段を更に備えてもよい。

[0064]付加的な又は代替的な実施形態において、双方向作動機構１００は、ユーザによって操作される、すなわち、オペレータがモータとしての役目を果たす機械要素である。この実施形態において、作動機構は、「受動」アクチュエータ、すなわち、モータが含まれないアクチュエータと称され、したがって、システム全体に外部エネルギー源又は組み込みエネルギー源が何らなく、極めて軽量である。一例として、この受動的な作動機構の１つの実施形態が図７Ａ及び図７Ｂに示される。図示のように、人工腱は、ユーザの右手の１本の指から左手の他の指までの長さに及んでもよい。１本の指を動かすことにより、反対側の指が簡単かつ自動的に動かされる。１つの実施形態では、反相性動作が使用され（図７Ａ）、この場合、作動する指は、作動された指と反相性である（作動する指の屈曲が作動された指の伸長をもたらし、逆もまた同様である）。或いは、結合要素を利用する相性動作は、作動する指の屈曲が作動された指の屈曲をもたらすことができるようにし、逆もまた同様であり、作動する指と作動された指との間の動作の位相が揃うという更なる利点を有する。

[0065]場合により、１本の作動する指が複数の指を作動させるために使用されてもよく、或いは、逆もまた同様である。指を結合するために実装される機構は、小型化されて、携帯可能にされるとともに、ユーザから離れた場所に配置され又は着用され得る。

[0066]ユーザにより着用される単一モジュール手外骨格装置を示す図３に描かれるように、ケーブル２００は、着用可能で携帯可能なケース１０１を前記ユーザの胴体に離して配置するように適合された長さを有する。ケース１０１は、それを胸パック又は背パックとして容易に着用するべく調整可能なベルトを備えてもよい。

[0067]装置は、必要性及び状況に応じて１〜１０個のモジュールを備えてもよく、例えば、５モジュール装置は、一般に、手の５本の指のそれぞれが独立して可動化されるものとするシナリオで使用され、同様に、６つ以上のモジュールを伴う装置も、両手が関与されるべき場合に想定され得る。幾つかの実施形態では、必要性及び状況に応じて、幾つかの指、例えば薬指及び小指の作動が結合されてもよく、それにより、機能を維持しつつ装置全体の大きさを減らすことができる。図４は、３本の指が３つの独立したモジュールによって独立に作動されるが、２本の指が単一のモジュールによって一緒に作動される、４モジュール装置の一例を示す。これは単なる一例にすぎず、幾つかの実施形態では、３本未満の指又は４本以上の指が独立に作動されてもよい。

[0068]本開示及び添付の図から明らかなように、本発明の装置は、いかなる手装具も全く存在しない。本明細書中で使用される「装具」という用語は、静的装具、すなわち、可動部分を防止又は制限するように設計される装具を指す。これらの装具は、関与する関節の任意の動きを防止する固定装具、及び動作の関節範囲の特定の態様での動きを制限する拘束用装具を含む。典型的な静的装具は、副子、ギプス、又はブレースである。

[0069]手のリハビリテーション及び支援の状況における本発明の装置の有用性にもかかわらず、該装置は、仮想現実又は拡張現実などの異なる設定において、ゲーム、遠隔操作のため、又は、例えば仮想現実がリハビリテーションの目的で利用される混合した状況で、うまく使用され得る。

[0070]装置の一実施形態が図６に示される。この装置は、２つの主要な構成要素、すなわち、胸パックと、作動される外骨格腱とを備える。調整可能なベルトによって着用可能な胸パックは、作動ユニット、制御ユニット、及びエネルギー蓄積ユニットを有する。胸パックのサイズは、２００×２１０×３３（幅×長さ×高さ）ｍｍである。人工腱は、リニアサーボモータ（Ｌ１６Ｒ、Ａｃｔｕｏｎｉｘ Ｍｏｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．、カナダ）によって作動されるボーデンケーブル（１．６ｍｍ、シマノ、日本）を備える。ボーデンケーブルシース（５ｍｍ、シマノ、日本）は、アクチュエータから手の中手指節（ＭＣＰ）関節へ腱を経路付ける。シースの端部は、着用者の指の周りで輪になる柔軟な弾性糸によってＭＣＰに固定される。ＭＣＰから、人工腱は、フックアンドループリングとシリコン管状要素とによって経路付けられて指の所定の位置に保持される。親指、人差し指、中指は、３つの独立したモジュールによって独立して作動されるが、薬指及び小指は、単一のモジュールによって一緒に作動される。これは単なる一例にすぎず、独立に作動される指及び／又は一緒に作動される指の他の構成が着用者の同じ手及び／又は両手で想起されてもよく、この原理は、本発明の原理及び装置が適用される全ての身体部位に適用できる。

[0071]腱の端部は、指先を任意の外部構造体から自由に保つために、遠位指節間（ＤＩＰ）関節上にフックアンドループリングを使用して固定される。更に、柔軟な又は硬質の構造体がユーザの掌に配置されない。シースは、調整可能な布地バンドとカスタム３Ｄ印刷シースガイドとによって着用者の腕及び／又は手首に保持される。布地バンドは、市販のサイドリリースバックルによって着脱される。

[0072]一実施形態において、制御ユニットは、システムのファームウェアを実行するマイクロコントローラ（Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ２５６０Ｒ３、Ａｒｄｕｉｎｏ、イタリア）に加えて、ＰＣ又はスマートフォンなどの外部装置と無線通信するためのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ラジオ（ＨＣ−０６、広州ＨＣ、中国）をホストするカスタムＰＣＢボードを備える。リニアアクチュエータは、マイクロコントローラによるパルス幅変調（ＰＷＭ）関連の送信により閉ループ位置制御の実施を可能にする、ラジコンサーボモータ用の標準的な３線式インタフェースを備える。このシステムは、連続動作モードで最大３時間の自律性をもたらすＬｉＰｏバッテリー（Ｈ２Ｂ１８０、Ｈｙ−Ｌｉｎｅ、スイス）によって給電される。胸パックカバー及びシースガイドは、３Ｄ印刷（ＨＰ Ｃｏｌｏｒ ＤｅｓｉｇｎＪｅｔ３Ｄ、Ｓｔｒａｔａｓｙｓ、米国）によって製造された。外骨格は約５分で着脱され得る。着用者の腕の総重量は５０ｇ未満であるが、胸パックの重量は約９３０ｇである。

[0073]従来の装置と比較して、提示された手法は、着用者の掌や指先の自然な体性感覚を維持しつつ、単一の着用可能で携帯可能なモジュール式の装置内で、指の曲げ伸ばしの制御を可能にするという固有の利点を有する。

[0074]本明細書中に開示されるシステム及び方法の構造、機能、製造、及び使用の原理の全体的な理解を与えるために典型的な実施形態について説明してきた。これらの実施形態のうちの１つ以上の例が添付図面に示される。当業者であれば分かるように、本明細書中に具体的に記載されて添付図面に示されるシステム及び方法は非限定的で典型的な実施形態であり、また、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ規定されない。典型的な実施形態に関連して図示される又は記載される特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わされてもよい。そのような修正及び変形は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。従来の方法及びシステムに伴う多くの問題が本明細書中で言及され、また、本明細書中に開示される方法及びシステムは、これらの問題のうちの１つ以上に対処できる。これらの問題を説明することにより、当該技術分野におけるそれらの知識に関する承認は意図されない。当業者であれば分かるように、特定の方法及びシステムが本明細書中に記載されるが、本発明の範囲はそのように限定されない。

[0075]更に、この発明を多くの実施形態に関連して説明してきたが、多くの代替、修正、及び変形が適用可能な技術分野における当業者に明らかであろうし、また明らかであることが分かる。したがって、この発明の技術思想及び範囲内にあるそのような全ての代替、修正、等価物、及び変形を包含することが意図される。

Claims (13)

1. 装具がないモジュール式の手外骨格装置であって、前記装置が少なくとも１つのモジュールを備え、前記モジュールのそれぞれが、
   双方向作動機構と、
   近位端部（２０１）、遠位端部（２０２）、及び前記近位端部と前記遠位端部との間にある長尺なシャフトを有し、前記近位端部（２０１）が前記双方向作動機構に動作可能に接続可能であり、前記遠位端部（２０２）がユーザの指に固定するための手段（３００）を備える、可撓性ケーブル（２００）と、
   前記ケーブル（２００）を格納する可撓性シース（２０３）と、
   ユーザの中手指節（ＭＣＰ）関節付近に固定するための手段（４００）と、
   を備え、
   前記遠位端部（２０２）が、
   （１）前記ＭＣＰ関節固定手段（４００）から前記ケーブル（２００）の遠位先端まで及ぶとともに、
   （２）長手方向に沿って伸縮可能な弾性要素（５００）を備える、
   手外骨格装置。
2. 前記伸縮可能な弾性要素（５００）が、前記可撓性ケーブル（２００）と同軸に配置される管状要素である、請求項１に記載の手外骨格装置。
3. 前記双方向作動機構が、ケース（１０１）に含まれるリニアモータ又は空気圧アクチュエータである、請求項１又は２に記載の手外骨格装置。
4. 前記ケース（１０１）が着用可能かつ／又は携帯可能である、請求項３に記載の手外骨格装置。
5. 前記双方向作動機構がサーボモータ（１００）である、請求項３又は４に記載の手外骨格装置。
6. 前記双方向作動機構が、前記ユーザによって操作されるケーブル、プーリー、スプールなどの機械要素である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
7. 前記ケーブル（２００）が、着用可能かつ携帯可能な前記ケース（１０１）を前記ユーザの胴体上などに離して配置するように適合された長さを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
8. 前記ケーブル（２００）及び前記シース（２０３）がボーデンケーブルである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
9. 指ぬき、手袋、又はセンサなど、ユーザの指先及び手のひらを覆う要素がない、請求項１〜８のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
10. ユーザの指に固定するための前記手段（３００）が、ユーザの遠位指節間（ＤＩＰ）関節に固定するための手段、及び／又は、ユーザの前記ＭＣＰ関節と近位指節間（ＰＩＰ）関節との間及び／又は前記ＰＩＰ関節と前記ＤＩＰ関節との間に固定するための手段を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
11. 前記伸縮可能な弾性要素（５００）が少なくとも１つの補強構造（５０１）備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の手外骨格装置。
12. 前記少なくとも１つの補強構造（５０１）がＤＩＰ関節及び／又はＰＩＰ関節に対応して配置されない、請求項１１に記載の手外骨格装置。
13. 前記少なくとも１つの補強構造（５０１）が前記伸縮可能な弾性要素（５００）のより厚い部分を構成している、請求項１１又は１２に記載の手外骨格装置。

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