JP2022525049A - 音声認識機能付き、小型、及び携帯型ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【要約】【解決手段】 関節（２０）を選択的に屈曲および伸展させるための関節運動装置（１００）において、腱（１２０）は、第１および第２の関節部材に隣接して配置される。腱固定装置（１１２）が第２の関節部材（１２）に固定されており、腱（１２０）は腱固定装置（１１２）に固定される。少なくとも１つのファランジリング（１１０）が、関節部材に固定されており、ファランジリング（１１０）を介して腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構（１１３）を含む。アクチュエータ（１４０）は、腱（１２０）に結合されており、腱（１２０）を内側に引っ張って、関節（２０）を屈曲させる。弾性部材（１３０）は、ファランジリング（１１０）および腱固定装置（１１２）に結合され、そこに伸長力を加え、それによって、アクチュエータ（１４０）が腱（１２０）を解放する時に、関節（２０）を伸長させる。【選択図】 図１

Description

本出願は、２０１９年３月４日に出願された米国仮特許出願番号６２／８１３，２００の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、関節屈曲・伸展システムに関し、より具体的には、音声起動型ロボット外骨格屈曲・伸展システムに関するものである。

脊髄損傷（ＳＣＩ）は、様々な障害をもたらす神経疾患であり、その例としては、痙攣、心機能障害、運動機能や手の動きの制御が完全に失われることなどが挙げられる。ＳＣＩ患者が自発的に手を動かすことができないと、生活の質と自立性の両方が低下する。脳卒中患者も同様の問題を抱えている。そのため、手の機能が低下している人の手の機能を改善・回復させる方法を実現するために、多くの努力が払われている。

日常生活動作の形で機能的な手の運動を行うことによる理学療法とリハビリテーションは、ＳＣＩや脳卒中の患者など、運動制御機能が低下している、あるいは存在しない人の手の機能の回復を促進することができる。患者が単独で手指の運動を行う能力は損なわれる可能性があるため、リハビリテーションの課題をうまく達成するためには、患者に援助を提供する必要がある。従来、このような支援は、セラピストが患者の手や指を動かして筋肉を鍛えるという形で行われてきた。しかし、この方法では、セラピストが１人の患者に対して１回のセラピーセッション中ずっと直接関わる必要がある。

リハビリテーション中の患者とセラピストの両方を支援するために、いくつかのロボットリハビリテーション機器が開発された。また、日常生活動作（ＡＤＬ）を行うための永続的な補助装置も開発された。しかし、このようなロボット機器の開発は、まだ初期段階にある。このような装置の１つのタイプは、患者の手に取り付けられ、手に所定のパターンの動きを起こさせるリハビリ用ロボット外骨格である。

リハビリテーション用外骨格は、デザインと作動技術に基づいて、従来の剛体キネマティック構造とソフトロボットシステムの２つの大きなカテゴリーに分類される。従来の外骨格は、一般的に剛性の高い構造をしており、外骨格自体に直接組み込まれたギア、リンケージ、プーリーを利用して作動させる。これらの装置の欠点は、かさばるデザインと外骨格の重量増加により、動きが制限されることである。

この欠点を解決する方法の一つとして、ソフトロボットが考えられる。ソフトロボットの外骨格は，手の形状に合わせて作られており，可動部品の数も最小限に抑えられる。これにより、デザインのサイズ、重量、複雑さが軽減され、手にかかる制限要素の数が減るため、可動域（ＲＯＭ）が改善される。柔らかい外骨格には、腱駆動、空気圧、油圧など、さまざまな作動方法が用いられる。しかし、現在の作動設計は携帯性に乏しく、患者の全体的なＲＯＭを制限する傾向がある。空気圧駆動や油圧駆動のシステムは、適切に機能するために比較的大きくてノイズの多いポンプを必要とする。腱駆動システムでは、指の屈曲と伸展のための双方向の作動を実現することが主な設計上の障害となっている。現在の腱駆動システムの設計では、大きなフットプリントを持つプーリーシステムを使用しているため、可動式のアクチュエーションブロックが必要となる。

外骨格の制御を可能にするために、リハビリ用外骨格は、筋電図（ＥＭＧ）、視覚による分類、及び他の人による手動制御など、さまざまな方法を利用している。これらの制御方法に共通する欠点は、外骨格に接続された静的なコンピューティングセットアップが必要なことであり、その結果、ユーザーの移動性が制限され、ユーザーの上体のＲＯＭが制限される。その他の重要な点としては，外骨格の制御に必要なユーザの使いやすさ、直感性、および実装が挙げられる．ＥＭＧを用いた制御は、必要な神経の接続が切断されているため、肩など手に直接接続されていない神経からのバイオセンサー入力が必要となり、ＳＣＩ患者には実装が難しい場合がある。また、筋電図は外部からのノイズの影響を受けやすく、筋電図の信号認識もＳＣＩ患者によって異なる。手動での操作はセットアップが不要だが、直感的ではない。なぜなら、ユーザーの意図と装置の作動との間に断絶があり、ユーザーは他の人を通して間接的に外骨格を操作しているからである。

そのため、可動域への影響が少なく、セラピストが継続的に直接関与しなくても動作可能なロボット外骨格システムが必要とされる。

先行技術の欠点は、一側面において、関節の選択的な屈曲および伸展のための関節運動装置であって、関節が、近位端および反対の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対の遠位端を有する第２の関節部材とを有する本発明によって解消される。前記関節は、前記第２の関節部材が前記第１の関節部材に対して屈曲関係にあるように、前記第１の関節部材の遠位端を前記第２の関節部材の近位端に結合する。第１の端部および反対側の第２の端部を有する腱が、第１の関節部材および第２の関節部材の選択された側に隣接して配置される。腱固定装置が、腱が固定される第２関節部材の遠位端に固定される。少なくとも１つのファランジリングが、第１の関節部材に固定される。少なくとも１つのファランジリングおよび腱固定装置は、腱固定装置から少なくとも１つのファランジリングを介して腱をルーティングするように構成されるテンディングルーティング機構を含む。アクチュエータは、第１の関節部材と固定関係にあり、腱に結合される。アクチュエータは、腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって関節を屈曲させるように構成される。弾性部材は、少なくとも１つのファランジリングおよび腱固定装置に結合されており、そこに伸長力を加えるように構成されており、それによって、アクチュエータが腱を解放する時に、関節を伸長させることができる。

別の態様では、本発明は、手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成されたロボット外骨格である。各指は、近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを含む、少なくとも１つの関節を有する。第２の関節部材は、第１の関節部材に対して屈曲関係にある。ロボット外骨格は、複数の関節運動装置を含む。複数の関節運動装置の各々は、手の異なる対応する指に固定される。各関節運動装置は、対応する指を所定の態様で運動させるように構成される。複数の関節運動装置のそれぞれは、第１の端部および反対側の第２の端部を有し、第１の関節部材および第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された第１の腱と、腱が固定された第２の関節部材の遠位端に固定された腱固定装置とを含む。前記第１の関節部材に固定された第１のファランジリングと、前記第２の関節部材に固定された第２のファランジリングであって、前記第１のファランジリング、前記第２のファランジリング、および前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含む、テンディングルーティング機構と第１の関節部材と固定関係にあり、腱に結合されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって関節を屈曲させるように構成されており、当該アクチュエータは、第１のファランジリングと腱固定装置との間の第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構と、第１のファランジリング、第２のファランジリング、および腱固定装置に結合され、それに伸長力を加えるように構成された弾性部材であって、前記アクチュエータが腱を解放した時に、それによって関節を伸長させるように構成された弾性部材と、を含む。コントローラーは、各アクチュエータと制御通信しており、各関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成される。

本発明のこれらおよびその他の側面は、以下の図面と併せて取られる好ましい実施形態の以下の説明から明らかになるだろう。当業者には明らかなように、本開示の新規概念の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の多くの変形および変更を実施することができる。

図１Ａ～図１Ｂは、２つの関節部材を有する関節の関節運動装置の代表的な一実施形態を示す模式図である。 図２Ａ～図２Ｂは、３つの関節部材を有する関節の関節運動装置の代表的な一実施形態を示す模式図である。 図３は、アクチュエータの代表的な一実施形態を示す模式図である。 図４Ａ～図４Ｂは、アクチュエータの代替実施形態を示す模式図である。 図５は、バネ型弾性部材を採用した実施形態を示す模式図である。 図６は、音声起動を採用した関節運動システムを示す模式図である。 図７Ａ～図７Ｂは、ロボット外骨格システムを装着した手のひらと手の甲を示す模式図である。 図８は、音声コマンドを用いて外骨格を作動させる方法を示すフロー図である。 図９Ａ～図９Ｂは、本発明の外骨格システムを人の手に適用した実験的な実施形態の手のひらの図および手の甲の図である。 図１０は、吸引キャップを採用した一実施形態を示す模式図である。 図１１Ａ～１１Ｂは、吸引キャップを用いた外骨格を人間の手に装着した状態の図である。

次に、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図面を参照すると、同一番号は、図全体を通して同一部分を示す。以下の開示で特に示されていない限り、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。本開示は、図面に例示され、以下に説明される例示的な実施例および技術に決して限定されるべきではない。本明細書および特許請求の範囲全体で使用されているように、以下の用語は、文脈が明らかに他を指示しない限り、本明細書で明示的に関連付けられた意味を取る。「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の意味は、複数の参照を含み、「ｉｎ」の意味は、「ｉｎ」および「ｏｎ」を含む。

既存のシステムの限界を克服するために、本発明の一実施形態では、ＳＣＩ患者の手の機能を改善するために、４自由度を持つ腱作動式の音声制御ソフトロボット外骨格を採用する。この作動機構は、能動的および受動的な作動技術を利用して、患者の移動性を向上させるために前腕部に搭載可能なコンパクトで軽量なシステムを実現する。さらに、スマートフォンアプリを使った音声制御により、かさばる制御ユニットが不要となり、外骨格の携帯性がさらに向上するとともに、直感的な操作が可能となる。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、本発明の代表的な一実施形態は、近位端１１および反対側の遠位端１３を有する第１の関節部材１０と、近位端１５および反対側の遠位端１７を有する第２の関節部材１２とを有する関節２０を選択的に屈曲および伸展させるための関節運動装置１００であって、第２の関節部材１２が第１の関節部材１０に対して屈曲関係にあるように、第１の関節部材１０の遠位端１３を第２の関節部材１２の近位端１５に結合する関節である。

第１の腱１２０は、第１の関節部材１０および第２の関節部材１２の選択された側に隣接して配置される。第１の関節部材１０および第２の関節部材１２が指の一部である場合、選択された側は、指の手のひら側または背側のいずれかであり得る。

第１のファランジリング１１０が第１の関節部材１０に固定され、腱固定装置１１２（第２のファランジリング、またはシンブルのようなキャップの構成を有し得る）が第２の関節部材１２に固定される。ファランジリング１１０および腱固定装置１１２はそれぞれ、腱固定装置１１４からファランジリング１１０を介して腱をルーティングするように構成されたテンディング・ルーティング機構１１３を有する。一実施形態では、ルーティング機構１１３は、腱１２０上の摩擦を最小化するように、ポリ（テトラフルオロエチレン）（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））ライナーでライニングされた通路を含む。（また、腱１２０の一部をルーティングして収容するために使用される他のチューブは、摩擦を最小化するためにポリ（テトラフルオロエチレン）を含むことができる。）

アクチュエータ１４０は、第１の関節部材１０と固定関係で配置され、腱１２０に結合される。図１Ｂに示すように、アクチュエータ１４０は、第１のファランジリング１１０と腱固定装置１１２との間の第１の腱１２０の一部を（矢印Ａの方向のように）短縮する短縮機構として作用し、それにより、関節２０を屈曲させることができる。ニッケルチタン合金（ニチノールなど）のワイヤー１３０などの弾性部材は、アクチュエータ１４０が健を解放した時に関節２０を伸長させる伸長力（矢印Ｂの方向のように）を加えるように、第１のファランジリング１１０および健固定装置１１４に結合される。

特定の実施形態では、図２Ａおよび２Ｂに示すように、関節運動装置１００は、第３の関節部材１４を含む指型関節での使用に適合させることができる。そのような実施形態では、シンブル状のキャップ１１４が腱固定装置として機能することができる一方で、第２のファランジリング１１５が腱１２０をルーティングするために使用することができる。

一実施形態では、図３に示すように、アクチュエータ１４０は、その中にモーター２１２（電気モーターなど）を保持するハウジング２１０を含む。ねじ切り部材２１４は、モーター２１２によって回転され、腱１２０の直径に対応するピッチを有する連続した螺旋状の根元２１６を含む。ナット２１８は、ねじ部材２１４にねじ込まれており、モーター２１２がねじ部材２１４を回転させると、ナット２１８がねじ部材２１４に沿って回転方向に対応する方向に横方向に移動するように、ハウジング２１０によって保持される。腱１２０は、ナット２１８によって画定された通路２１８を通り、第１の方向に回転するときにねじ部材２１４に巻き付けられる。これにより、腱１２０は、ハウジング２１０内に引き込まれ、腱１２０は、ねじ部材２１４の根元２１６に巻き付けられる。ネジ部材２１４が逆方向に回転すると、腱１２０は根元２１６から巻き付けが解かれ、その一部がハウジング２１０から解放される。

別の実施形態では、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、腱は、モーター４１４のスピンドルに取り付けられ、腱セパレータ４３０によって分離される第１の部分４２０ａおよび第２の部分４２０ｂと、キャップ１１４に取り付けられる第３の部分４２０ｃおよび第４の部分４２０ｄと、を含む。モーター４１４がスピンドルを第１の方向に回転させると、第１の部分４２０ａおよび第２の部分４２０ｂが互いにねじれ、これにより、第３の部分４２０ｃおよび第４の部分４２０ｄが引き込まれ、効果的に短縮される。スピンドルが反対方向に回転すると、関節の伸展のために腱が解放される。

一つの代替的な実施形態において、図５に示すように、弾性部材は、ストラップ５１２を介して関節に貼付され、キャップ１１４に結合され、腱１２０とは反対側の関節の側部に配置されたコード５２０に結合されるバネ５１０を含むことができる。スプリングは、アクチュエータ１４０が腱１２０を解放した時に、コード５２０を関節拡張のための張力下に維持する。

図６に示すように、コントローラー６１０は、アクチュエータ１４０に制御電圧を印加する。コントローラー６１０は、無線装置６２０（例えば、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、専用機器など）から音声などのコマンドをアクチュエータ１４０に送信するための無線チップセット６１２（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）チップセット）を含むことができる。これにより、ユーザーが関節の屈曲に関するコマンドを無線装置６２０に発声すると、コントローラー６１０がアクチュエータへの制御電圧を生成する。例えば、複数の関節運動装置１００を患者の手のロボット外骨格として使用する場合、患者は無線装置６２０に音声コマンドを話して、手の運動ルーチンを効果的に行うことができる。

このような手の運動用ロボット外骨格システムは、患者の手のひら３０と手の甲３２の図を示す図７Ａおよび図７Ｂに示す。本実施形態では、腱１２０をルーティングするためのルーティングストラップ７１０と、アクチュエータ１４０を患者の手との固定関係で保持するためのアクチュエータストラップ７１２とを採用する。外骨格システムの構成要素は、患者に簡単に適用できるように手袋に埋め込むことができる。

本実施形態では、無線機器は、特定の音声コマンドに応じて所定の動作を行うようにプログラムすることができる。そのようなコマンドは、物体をつまむ、つかむ、または開くなどのような指が特定の方法で動くことを要求することができる。また、対象物の種類を指定することも可能である。例えば、「ボール」「ペン」「ブロック」「コイン」「チェッカー」などが挙げられる。ある対象物にある種の動きを加えると、指が特定の動きをするようになる。また、音声コマンドには、「リスニング停止」と「リスニングの再開」のコマンドが含まれる。「リスニング停止」コマンドは、バックグラウンドでの会話によるスプリアスな動きを防ぐことができる。

ある例では、図８に示すように、ユーザーが「ボールをつかめ」８１０と言うと、無線装置はまず音声入力を対応するテキスト８１２に変換する。コマンドが解読され８１４、辞書８１８にアクセスしてコマンドからのキーワードが解析される８１６。コマンドが理解されると、システムは、「ボールをつかむ」ルーチン８２０を開始し、外骨格が関節を所定の関節角度８２８にして特定の手のポーズ８２６に移動するように指示する所定のアクションを取ることを含むアクション決定８２４を行う。モーター作動および吸引キャップ制御８２９は、それぞれ、所望の関節角度を達成するためにコントローラーに作動力を適用し、所望のレベルの接触力を達成するためにコントローラーに所望の吸引力を適用する（これについては、以下でさらに詳しく説明する）。次に、コマンドは、外骨格８３０がそれに応じて動くようにするアクチュエータへの制御電圧に変換される。アクションが完了すると、システムは、別のコマンド８４０を待つ状態に戻る。キーワード検索の結果、コマンドが認識されなかった場合８３６、システムは別のコマンド８４０を待つ状態に戻る。これは、システムが「リスニング停止」状態８２２に置かれていて、「リスニング再開」８３４を指令された場合にも起こる。

人間の手には、前腕部にある外在性腱が、指の動きを生み出す主な要因となる。図９Ａおよび図９Ｂは、外骨格の手のひら側を示す図であり、図９Ｂは手の甲側を示す図である。この実験的実施形態では、単純かつ効果的な指の屈曲機構を実現するために、アンダーアクチュエーションによる部分的にバイオミメティックな腱のルーティング戦略を利用する。

人の手では、深指屈筋腱が、人差し指と中指の中手指節関節（ＭＣＰ）、近位指節間関節（ＰＩＰ）、遠位指節間関節（ＤＩＰ）を同時に屈曲させる役割を担う。この動作は、実験的な実施形態では屈筋腱対によって模倣される。屈筋腱は、力の不均衡を防ぎ、動作時の安定性を向上させるためにペアで編成される。

人間の親指は、多くの複雑な動作を行うことができる多自由度（ＤｏＦ）のアクチュエータとして扱うことができる。これは主に、外転と内転を可能にする手根骨（ＣＭＣ）関節により、反対方向の親指の動きを実現しているためである。内転の動きは１本の腱で作り出すことができる。また、親指は長母指屈筋腱の働きで屈曲することができる。この腱は、ＭＣＰと指節間（ＩＰ）関節を通過する親指屈筋腱によって複製される。親指の母指球部の形状が一様でないため、ＣＭＣ運動のために力の伝達を均等に行うことが難しい場合がある。

装着ポイントのずれを防ぐために、実験的な実施形態では、内転筋腱が足底のエミネンスに巻き付けられる。そのため、作動時には、外転筋が足底の隆起部に締め付けられ、接触力が分散されて安定性が向上する。

外骨格システムで使用される腱駆動のアクチュエーションは、一方向性のアクチュエーションしか生成できない。指の曲げ伸ばしを行うためには、能動的または受動的なアクチュエーションを利用することができる。能動的な伸展・屈曲を行うためには、各ＤｏＦに伸展と屈曲の両方を制御する２つのアクチュエータが必要となる。そのため、伸展と屈曲の動作が干渉しないように、同時に行われる腱の動作を正確に調整する必要がある。そこで、アクチュエータの数を増やさず、システムの複雑さを軽減するために、指の伸展に受動的なアクチュエーションを用いることができる。パッシブアクチュエーションでは、バネなどの機械部品を伸展腱に直列に接続し、プレテンションを与えて伸展をサポートすることができる。しかし、これは不快感を引き起こす可能性がある。そこで、受動部品を指に並列に接続することで、指の関節にストレスを与えることなく、指に垂直な力を与えることができる。

実験的な一実施形態では、ニッケル・チタン合金のワイヤーを用いた受動的なバックボーンを採用する。このワイヤーは、人差し指、中指、親指の背側に沿って配置することができ、ファランジリングに収納される。ニッケルチタン合金製のワイヤーは超弾性で、大きなひずみに耐えることができる。そのため、各関節の屈曲による大きな曲率の曲げにも、永久変形することなく耐えることができる。ニッケルチタン合金製のワイヤーは、人差し指と中指の交感指伸筋腱と親指の長母指伸筋腱の機能を模倣しており、コンパクトな屈曲機構を実現する。アクチュエータが腱の張力を解放すると、ニッケルチタン合金線の骨格が指の関節にトルクをかけ、指を所定の静止姿勢まで伸ばすことができる。

さらに、超弾性ワイヤーを採用したバックボーンの作動機構は、過伸展の問題を本質的に取り除く。背骨は、アクチュエータによって腱が解放されると初期位置に戻り、装置のセットアップ時に指が過伸展した姿勢にならない限り、背骨が関節を過剰に回転させることはない。また、本装置は、脳卒中患者のリハビリ・補助装置としても利用可能である。ただし、脳卒中の患者はもともと手が閉じていることが多いので、腱を手の甲側に沿わせて（つまり、装置を裏返して表にして）、腱が指を開いた状態にする。

実験的実施形態の主要なウェアラブルコンポーネント（図９Ａおよび図９Ｂに示す）は、変形可能で低摩擦の３Ｄプリントプラスチック（ＦｏｒｍＬａｂｓ社から入手可能なＤｕｒａｂｌｅ Ｒｅｓｉｎなど）を用いて製作することができ、各ユーザーの仕様に合わせてカスタマイズすることができる。主な構成要素は、ファランジリング、ＣＭＣスリーブ、パームシェルである。ファランジリングは、プラスチックの変形性を利用して、ユーザーの指よりもわずかに小さいサイズにすることで、確実にフィットさせることができる。各リングは、指の側面に沿って外腱（実験的な実施形態では、ＨｅｒｃｕｌｅｓＰｒｏ．ｃｏｍから入手可能なＨｅｒｃｕｌｅｓ ＰＥ Ｂｒａｉｄｅｄ Ｓｐｅｃｔｒａで作られる）をルーティングし、指の手のひら側の障害を軽減して、把持と触覚を改善することができる。リングは、ニッケルチタン合金製のワイヤーを指の背側からわずかにずらして配置し、動作時にワイヤーと指が直接接触しないようにする。キャップは、指先全体を包み込むようなシンブル形状で、指先の手のひら側に表面摩擦係数の高いプラスチック（ＦｏｒｍＬａｂｓ，Ｉｎｃ．製のＥｌａｓｔｉｃ Ｒｅｓｉｎなど）を３Ｄプリントし、グリップ力を向上させる。ＣＭＣスリーブは３Ｄプリントされた一体型で、親指の母指隆起部にフィットする。内転筋腱の配線方法は、ＣＭＣスリーブの構造を利用して、動作時に母指球の周囲に力を分散させ、動作の安定性を高める。ＣＭＣスリーブは、親指の屈曲腱をスリーブに直接接続するとともに、親指伸展用のニッケルチタン合金ワイヤーをスリーブ自体に固定することで、親指の屈曲・伸展動作を内転・外転から切り離す。これにより、親指の屈曲・伸展はＣＭＣの動きと相対的に行われ、親指の２つの自由度の干渉を防ぐことができる。

外骨格の副次的な構成要素は、ニッケルチタン合金製のワイヤーとシリコンバンド（Ｓｍｏｏｔｈ－Ｏｎ，Ｉｎｃ．の「Ｄｒａｇｏｎ Ｓｋｉｎ ３０」など）である。ニッケルチタン合金製のワイヤーは、指の背側に沿って配置され、手の背側のＭＣＰ関節の近くでパームシェルに固定される。ニッケルチタン合金製のワイヤーを指の両側に沿って配置することで、動作時の安定性を高め、指のファランジリングとキャップの位置を合わせやすくする。実験的な一実施形態では、２つのシリコンバンドを使用する。１つのバンドはＣＭＣの受動的外転に使用され，もう１つのバンドはパームシェルを手に固定するために使用される。手のひらのシリコンバンドには、人差し指と中指の屈筋腱ペアを手のひらの中央に沿ってアクチュエータに導くための２つの挿入ポイントがある。被験者実験では、手のひらを覆うように配置された硬い支持構造が、屈曲時に指のＭＣＰ関節の下の手のひらに組織を蓄積させ、ＭＣＰ関節の変位を阻害することが確認された。手のひらシリコンバンドは、指の動きに合わせて手のひらが変形するため、組織の蓄積を防ぎ、ＭＣＰ関節の動きを制限しない。

本実験では、直感的で使いやすいインターフェースとシステムの可搬性を両立させるために、タスクベースの離散的な音声制御を採用する。本実験で採用した音声制御は、信号処理にスマートフォン（Ｇａｌａｘｙ Ｓ８など、Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．）

実験的に使用したアプリでは、連続音声認識による連続音声制御を採用した。これにより、ハンズフリー装置として動作するため、ユーザーはリハビリ作業とスマートフォンの間で意識を分ける必要がない。

タスクベースのコントローラーを使用しているため、ユーザーはカスタマイズした辞書を作成して、さまざまなアクションに対する外骨格の作動を定義することができる。例えば、ユーザーは「カップ」と「マグカップ」という物体と「つかむ」という動作を識別することができる。そして、「カップをつかむ」と「マグをつかむ」に異なる手の構成を割り当てることができる。このように、異なるキーワードを含むコマンドは、指を一意に作動させる。

各動作における指の関節角度は、モーターエンコーダーを用いてあらかじめ設定されている。装置の操作を開始するには、ユーザーがアプリにコマンドを入力する。コマンドは自然言語処理によって解読され、意図された動作を特定するために、辞書にあるキーワードが解析される。認識されたコマンドが検出されると、そのコマンドに対応する一意の識別子がアプリからＢＬＥ経由でマイクロコントローラーに送信され、関連する動作が開始される。また、本実験では継続的な音声制御を行っているため、ユーザーがアプリに「リスニング停止」と伝えると、アプリはそれ以降のコマンドを無視し、ユーザーが「リスニング再開」と伝えるまで外骨格の制御を継続する。キーワードは、実行するアクションに関連する関節角度と手のポーズを決定する。例えば、ブロックを掴むには、人差し指と親指の特定の関節角度と、「親指内転ピンチ」という手のポーズが必要である。本実験では、動作を構成する関節角度と手のポーズに分離することで、ユーザーの要求に応じて異なる動作を分類することができ、外骨格に対するユーザー固有のコマンドを作成するプロセスを簡素化することができる。

特定の実施形態では、キャップ１１４には、つかみやすいように触覚的な表面を与えることができる。また、図１０および１１Ａ～１１Ｂに示すように、制御可能な吸引キャップ１０１０を、キャップ１１４およびシステムの他の部分に貼り付けることができる。このような吸引キャップ１０１０は、ユーザーが掴む力を増強するのに応じて、減少した量の吸引が適用されるように制御することができる。吸引キャップ１０１０の吸引は、空気圧チューブ１０２２を介して吸引キャップ１０１０から空気を送り出すことにより、吸引を所定の量に維持する吸引コントローラー１０２０によって制御することができる。所望のレベルの吸引を維持するように、吸引コントローラー１０２０にリアルタイムのフィードバックを提供するために、力センサーが吸引キャップ１０１０のベースに埋め込まれても良い。この図は、吸引キャップ１０１０が物体４０の把持を補助する様子を示す。本装置がリハビリテーション装置として使用される場合には、対象者がリハビリテーションレジメンの間に良くなるにつれて、吸引圧力を時間とともに減少させることができる。また、アシスト装置として使用する場合には、必要に応じて常に吸引を行うことができる。そのため、音声コマンドとタスクの要件（鉄製の物体を持ち上げるのと卵を持ち上げるのとでは、物体を持ち上げたり操作したりするための吸引力の大きさが異なる。そのため、音声コマンドに基づいて、システムは吸引力を調整する必要がある。吸引キャップ型グリッパーの一例は、米国特許第８，３８２，１７４号に開示されており、この特許は参照により本明細書に組み込まれる。一実施形態では、発揮される吸引力の量を制御するために、リアルタイムで把持力を測定するためのセンサー１０１１（特定のアプリケーションに応じて、圧力センサー、力センサー、および他のタイプのセンサーを含む）を、吸引キャップの基部に採用している。

以上、特定の利点を列挙したが、様々な実施形態は、列挙した利点の一部、全くない、またはすべてを含むことができる。他の技術的な利点は、以下の図と説明を検討した後、当業者には容易に明らかになるだろう。例示的な実施形態が図に示され、以下に説明されているが、本開示の原理は、現在知られているかどうかにかかわらず、任意の数の技術を用いて実施することができることを理解されたい。また、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されたシステム、装置、および方法に修正、追加、または省略を加えることができる。システムや装置の構成要素は、統合されていても、分離されていても良い。また、本明細書に開示されたシステムおよび装置の動作は、より多くの、より少ない、または他のコンポーネントによって実行されても良く、記載された方法は、より多くの、より少ない、または他の工程を含んでも良い。さらに、工程は任意の適切な順序で実行されても良い。本書で使用される「各」は、セットの各メンバー、またはセットのサブセットの各メンバーを意味する。以下に記載される請求項および請求項要素は、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」または「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」という言葉が特定の請求項で明示的に使用されていない限り、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を呼び出さないことが意図される。上述の実施形態は、出願時に発明者に知られる本発明の好ましい実施形態および最良の態様を含むが、例示的な例としてのみ与えられる。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された特定の実施形態から多くの逸脱を行うことができることが容易に理解されるだろう。したがって、本発明の範囲は、上記の具体的に記載された実施形態に限定されるのではなく、以下の特許請求の範囲によって決定されるべきである。

Claims (25)

1. 近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを有し、第２の関節部材が第１の関節部材に対して屈曲関係にあるように、第１の関節部材の遠位端を第２の関節部材の近位端に結合する関節の選択的な屈曲および伸展のための関節運動装置であって、
   （ａ）前記第１の関節部材および前記第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された、第１の端部および反対側の第２の端部を有する腱と、
   （ｂ）前記第２の関節部材の遠位端に固定され、前記腱が固定される腱固定装置と、
   （ｃ）前記第１の関節部材に固定された少なくとも１つのファランジリングであって、前記少なくとも１つのファランジリングおよび前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記少なくとも１つのファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含む、前記少なくとも１つのファランジリングと、
   （ｄ）前記第１の関節部材と固定関係にあり、前記腱に結合されたアクチュエータであって、前記腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって前記関節を屈曲させるように構成された前記アクチュエータと、および
   （ｅ）前記ファランジリングと前記腱固定装置の両方に結合され、そこに伸展力を加えるように構成された弾性部材であって、前記アクチュエータが前記腱を解放する時に、前記関節を伸展させる、前記弾性部材と、
   を有する、関節運動装置。
2. 請求項１に記載の関節運動装置であって、前記アクチュエータは、
   （ａ）前記ファランジリングと前記腱固定装置の間の前記第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構と、および
   （ｂ）前記腱短縮機構を作動させるように構成されたコントローラーと、
   を有する、関節運動装置。
3. 請求項２に記載の関節運動装置であって、前記腱の第１の端部が前記キャップに固定されており、前記腱短縮機構は、
   （ａ）ハウジングと、
   （ｂ）前記ハウジングに連結された電気モーターと、
   （ｃ）前記モーターに回転可能に結合されたねじ部材であって、前記ねじ部材は、前記腱の直径に対応するピッチを有する連続した螺旋状の根部を含む、前記ねじ部材と、
   （ｄ）前記ねじ部材とねじ関係にあるナットであって、前記モーターが前記ねじ部材を回転させる時に、前記ナットが前記ねじ部材に沿って横方向に移動するように前記ハウジングによって保持され、前記ナットは、前記腱が通過する通路を規定する、前記ナットと、
   を含み、
   前記腱の第２の端部は、前記ねじ部材が第１の方向に回転すると、前記腱が前記ハウジング内に引き込まれて前記連続した螺旋状の根元に巻き付けられ、前記ねじ部材が前記第１の方向と反対の第２の方向に回転すると、前記腱が前記連続した螺旋状の根元から解き放たれて前記ハウジングから解放されるように、前記ねじ部材に固定される、関節運動装置。
4. 請求項２記載の関節運動装置において、前記腱短縮機構は、前記腱の第１の端部および前記腱の第２の端部の両方が固定されたモーターを含む電気モーターを備え、前記腱は、前記ファランジリングおよび前記腱固定装置を介して配線されており、前記モーターが第１の方向に回転すると前記腱の第１の部分および前記腱の第２の部分は、前記ファランジリングと前記腱固定装置との間に配置された前記腱の第３の部分および前記第１のファランジリングと前記腱固定装置との間に配置された前記腱の第４の部分の短縮を引き起こすように互いにねじれる、関節運動装置。
5. 請求項１記載の関節運動装置において、前記弾性部材は、ニッケルチタン合金線を含む、関節運動装置。
6. 請求項１記載の関節運動装置において、各ファランジリングの前記テンディングルーティング機構は、前記腱の摩擦を低減するようにポリ（テトラフルオロエチレン）ライナーでライニングされた、前記腱が通過するように定義された通路を含む、関節運動装置。
7. 請求項１記載の関節運動装置において、前記弾性部材は、前記第１の関節と固定関係にある第１の端部と、前記キャップに結合され、前記関節の前記腱とは反対側に配置されたコードに結合された第２の端部とを有するバネを備える、関節運動装置。
8. 手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成された外骨格システムにおいて、請求項１記載の複数の関節運動装置を含み、前記複数の関節運動装置のそれぞれは、前記手の異なる対応する指に固定され、各関節運動装置が対応する指を所定の方法で動作させるように構成される、外骨格システム。
9. 請求項８記載の外骨格システムであって、各アクチュエータと制御通信を行うコントローラーをさらに備え、前記コントローラーは、前記関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成される、外骨格システム。
10. 請求９記載の外骨格システムにおいて、前記複数の音声コマンドのそれぞれは、前記指の異なる所定の動作パターンに対応する、外骨格システム。
11. 請求項１０に記載の外骨格システムにおいて、前記異なる所定の動作パターンは、対象物を把持すること、対象物を挟むこと、前記対象物を把持すること、前記対象物を解放することを含む、外骨格システム。
12. 請求項９に記載の外骨格システムにおいて、前記コントローラーは、デジタル機器と通信可能なチップセットを含む、外骨格システム。
13. 請求項１２に記載の外骨格システムにおいて、前記デジタル機器は、携帯電話、タブレット、専用機器、デスクトップコンピューターおよびラップトップコンピューターのうちから選択される１つである、外骨格システム。
14. 手のひらを有する手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成されたロボット外骨格であって、各指は、近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを含む少なくとも１つの関節を有し、第２の関節部材が第１の関節部材に対して屈曲関係にあるロボット外骨格であって、前記ロボット外骨格は、
    （ａ）複数の関節運動装置であって、前記複数の関節運動装置の各々は、前記手の異なる対応する指に固定され、各関節運動装置が対応する指を所定の方法で動作させるように構成される、前記複数の関節運動装置と、前記複数の関節運動装置の各々は、
    （ｉ）前記第１の関節部材および前記第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された、第１の端部および反対側の第２の端部を有する第１の腱と、
    （ｉｉ）前記第２の関節部材の遠位端に固定され、前記腱が固定される腱固定装置と、
    （ｉｉｉ）第１の関節部材に固定された第１のファランジリングと、第２の関節部材に固定された第２のファランジリングであって、前記第１のファランジリング、前記第２のファランジリング、および前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含み、
    （ｉｖ）前記第１の関節部材と固定関係にあり、前記腱に結合されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって前記関節を屈曲させるように構成され、前記アクチュエータは、前記第１のファランジリングと前記腱固定装置との間の前記第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構を含む、前記アクチュエータと、
    （ｖ）前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングの両方に結合され、それらに伸長力を加えるように構成された弾性部材であって、それによって前記アクチュエータが前記腱を解放した時に、前記関節を伸長させる、前記弾性部材と、および
    （ｖｉ）各アクチュエータと制御通信し、各関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成されるコントローラーと、
    を含む、腱固定装置。
15. 請求項１４記載のロボット外骨格において、前記複数の音声コマンドのそれぞれは、前記指の異なる所定の移動パターンに対する、ロボット外骨格。
16. 請求項１５記載のロボット外骨格において、前記異なる所定の動作パターンは、対象物を把持すること、前記対象物を挟むこと、前記対象物を把持すること、および前記対象物を解放することを含む、ロボット外骨格。
17. 請求項１４記載のロボット外骨格において、前記コントローラーは、デジタル機器と通信可能なチップセットを含む、ロボット外骨格。
18. 請求項１７記載のロボット外骨格において、前記デジタル機器は、携帯電話、タブレット、専用機器、デスクトップコンピュータおよびラップトップコンピュータのうちから選択される１つである、ロボット外骨格。
19. 請求項１４記載のロボット外骨格において、各腱の前記第１の端部がキャップに固定されており、前記腱短縮機構が、
    （ａ）ハウジングと、
    （ｂ）前記ハウジングに連結された電気モーターと、
    （ｃ）前記モーターに回転可能に結合されたねじ部材であって、前記ねじ部材は、前記腱の直径に対応するピッチを有する連続した螺旋状の根部を含む、前記ねじ部材と、
    （ｄ）前記ねじ部材とねじ関係にあるナットであって、前記モーターが前記ねじ部材を回転させる時に、前記ナットが前記ねじ部材に沿って横方向に移動するように前記ハウジングによって保持され、前記ナットは、前記腱が通過する通路を規定する、前記ナットと、
    を含み、
    前記腱の第２の端部は、前記ねじ部材が第１の方向に回転すると、前記腱が前記ハウジング内に引き込まれて前記連続した螺旋状の根元に巻き付けられ、前記ねじ部材が前記第１の方向と反対の第２の方向に回転すると、前記腱が前記連続した螺旋状の根元から解き放たれて前記ハウジングから解放されるように、前記ねじ部材に固定される、ロボット外骨格。
20. 請求項１４記載のロボット外骨格において、前記弾性部材は、ニッケルチタン合金線を含む、ロボット外骨格。
21. 請求項１４記載のロボット外骨格であって、
    （ａ）前記手のひらに隣接して配置され、把持対象物を把持する力を増大させる複数の吸引キャップと、
    （ｂ）吸引キャップコントローラーと、および
    （ｃ）各吸引キャップを前記吸引キャップコントローラーに連結し、前記吸引キャップコントローラが前記吸引キャップに所望の圧力を維持するようにする空圧チューブと、
    をさらに含む、ロボット外骨格。
22. 請求項２１に記載のロボット外骨格であって、前記複数の吸引キャップのうちの少なくとも１つに埋め込まれ、前記吸引キャップコントローラーにリアルタイムフィードバックを提供するように構成されたセンサーをさらに備える、ロボット外骨格。
23. 手のひらを有する手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成されたロボット外骨格であって、各指は、近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを含む少なくとも１つの関節を有し、第２の関節部材が第１の関節部材に対して屈曲関係にあるロボット外骨格であって、前記ロボット外骨格は、
    （ａ）複数の関節運動装置であって、前記複数の関節運動装置の各々は、前記手の異なる対応する指に固定され、各関節運動装置が対応する指を所定の方法で動作させるように構成される、前記複数の関節運動装置と、前記複数の関節運動装置の各々は、
    （ｉ）前記第１の関節部材および前記第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された、第１の端部および反対側の第２の端部を有する第１の腱と、
    （ｉｉ）前記腱が固定される前記第２の関節部材の遠位端に固定される腱固定装置と、
    （ｉｉｉ）第１の関節部材に固定された第１のファランジリングと、第２の関節部材に固定された第２のファランジリングであって、前記第１のファランジリング、前記第２のファランジリング、および前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含む、前記第１のファランジリングおよび第２のファランジリングと、
    （ｉｖ）第１の関節部材と固定関係にあり、前記腱に結合されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって関節を屈曲させるように構成され、前記アクチュエータは、前記第１のファランジリングと前記腱固定装置との間の前記第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構を含む、前記アクチュエータと、および
    （ｖ）前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングの両方に結合され、それらに伸長力を加えるように構成された弾性部材であって、前記アクチュエータが前記腱を解放する時に、前記関節を伸長させる弾性部材と、
    を含む前記複数の関節運動装置と、
    （ｂ）各アクチュエータと制御通信し、各関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成されたコントローラーと、
    （ｃ）前記手のひらに隣接して配置され、把持対象物を把持する力を増大させる複数の吸引キャップと、および
    （ｄ）前記手のひらに隣接して配置され、前記コントローラーにフィードバックを提供する複数のセンサーと、
    を含む、ロボット外骨格。
24. 手のひらを有する手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成されたロボット外骨格であって、各指は、近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを含む少なくとも１つの関節を有し、第２の関節部材が第１の関節部材に対して屈曲関係にあるロボット外骨格であって、前記ロボット外骨格は、
    （ａ）複数の関節運動装置であって、前記複数の関節運動装置の各々は、前記手の異なる対応する指に固定され、各関節運動装置が対応する指を所定の方法で動作させるように構成される、前記複数の関節運動装置と、前記複数の関節運動装置の各々は、
    （ｉ）前記第１の関節部材および前記第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された、第１の端部および反対側の第２の端部を有する第１の腱と、
    （ｉｉ）前記腱が固定される前記第２の関節部材の遠位端に固定される腱固定装置と、
    （ｉｉｉ）第１の関節部材に固定された第１のファランジリングと、第２の関節部材に固定された第２のファランジリングであって、前記第１のファランジリング、前記第２のファランジリング、および前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含む、前記第１のファランジリングおよび第２のファランジリングと、
    （ｉｖ）第１の関節部材と固定関係にあり、前記腱に結合されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって関節を屈曲させるように構成され、前記アクチュエータは、前記第１のファランジリングと前記腱固定装置との間の前記第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構を含む、前記アクチュエータと、および
    （ｖ）前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングの両方に結合され、それらに伸長力を加えるように構成された弾性部材であって、前記アクチュエータが前記腱を解放する時に、前記関節を伸長させる、前記前記弾性部材と、
    を含む、前記複数の関節運動装置と、
    （ｂ）各アクチュエータと制御通信し、各関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成されたコントローラーと、および
    （ｃ）前記手のひらに隣接して配置され、把持対象物を把持する力を増大させる複数の吸引キャップと、
    を含む、ロボット外骨格。
25. 手のひらを有する手の複数の異なる指と一緒に使用するように構成されたロボット外骨格であって、各指は、近位端および反対側の遠位端を有する第１の関節部材と、近位端および反対側の遠位端を有する第２の関節部材とを含む少なくとも１つの関節を有し、第２の関節部材が第１の関節部材に対して屈曲関係にあるロボット外骨格であって、前記ロボット外骨格は、
    （ａ）複数の関節運動装置であって、前記複数の関節運動装置の各々は、前記手の異なる対応する指に固定され、各関節運動装置が対応する指を所定の方法で動作させるように構成される、前記複数の関節運動装置と、前記複数の関節運動装置の各々は、
    （ｉｉ）前記第１の関節部材および前記第２の関節部材の選択された側に隣接して配置された、第１の端部および反対側の第２の端部を有する第１の腱と、
    （ｉｉ）前記第２の関節部材の遠位端に固定され、前記腱が固定される腱固定装置と、
    （ｉｉｉ）第１の関節部材に固定された第１のファランジリングと、第２の関節部材に固定された第２のファランジリングであって、前記第１のファランジリング、前記第２のファランジリング、および前記腱固定装置は、前記腱固定装置から前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングを介して前記腱をルーティングするように構成されたテンディングルーティング機構を含む、前記第１のファランジリングおよび第２のファランジリングと、
    （ｉｖ）第１の関節部材と固定関係にあり、前記腱に結合されたアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記腱を選択的にその内側に引っ張り、それによって関節を屈曲させるように構成され、前記アクチュエータは、第１のファランジリングと腱固定装置との間の第１の腱の一部を短縮するように構成された腱短縮機構を含む、前記アクチュエータと、および
    （ｖ）前記第１のファランジリングおよび前記第２のファランジリングの両方に結合され、それらに伸長力を加えるように構成された弾性部材であって、前記アクチュエータが前記腱を解放する時に、前記関節を伸長させる前記弾性部材と、
    （ｂ）各アクチュエータと制御通信し、各関節の屈曲および伸展に関する複数の異なる音声コマンドに応答するように構成されたコントローラーと、および
    （ｃ）前記手のひらに隣接して配置され、前記コントローラーにフィードバックを提供する複数のセンサーと、
    を含む、ロボット外骨格。

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