JP3759916B2 - Electric prosthesis - Google Patents

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0009Gripping heads and other end effectors comprising multi-articulated fingers, e.g. resembling a human hand

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、物を掴むことができる握り構造体、特に手を失った人々、或いは手の機能が損なわれた人々の補助用具としての電動義手に関するもので、複合4節リンクと遊星歯車機構を応用した電動義手を提供するものである。
【0002】
【従来の技術】
手は手首関節より指先に向けての範囲を云い、更に、手は手掌部と指部にわかれ、指は母指と4指(示指、中指、環指、小指)に大別される。
人間が物を把握する際、母指と4指で物を挟むように把握するが、4指は把持体を落とさないように、各関節は把持体の形に倣った形で屈曲する。
図1に人間の手の構造を示す。
前記したように手は、手掌部と母指、4指に大別される。指は、中手骨、基節骨、中節骨、末節骨から構成されている。
関節は、中手骨と基節骨との接触部を中手指節関節といい(以下MP関節という)、基節骨と中節骨との接触部を近位指節関節といい(以下PIP関節という)、中節骨と末節骨との接触部を遠位指節関節(以下DIP関節という)という。指は屈曲・伸展動作をし、MP関節では横に動く動作(内転・外転側屈動作)が可能で、指全体の動作は4自由度である。
人間のように器用に動く指の研究は多くの研究機関、大学、福祉機器メ−カ−で行われているが、義手は肩、又は腕に装着するものであるから、軽くなければならない。
従来、義手(ロボットハンド)の研究は下記の3方向で行われている。
(1)リンクおよび歯車等の機構を応用した義手。
(2)人間の腱に相当する索条を用いた駆動方式の義手。
(3)超小型の電動モータを各指関節に埋め込み、それぞれのモータをコントロールして屈曲させる超小型電動モータ指埋込み方式の義手。
上記のように、指の屈曲伸展構造として、前腕等に設置した動力源から数本の索条をもって行う方法、または各指の関節間に小型電動モーター等を取り付けて行う方法が取られていたが、索条3自由度の屈曲伸展に6本の索条を必要とし、その本数に対応した動力源が必要であり、また、いずれの方法も多数の動力源を必要とするので、代替義手としては重すぎるという欠点があった。
図2に従来の義手を示しており、これは指1本当たり小型電動モータ1個で駆動する構造のものである。各関節はレバー比により屈曲角度を設定できるが、屈曲角度は比例的であり、指の動作は把持体の形状に倣うような屈曲は困難である。また、人間が物を握るときは、母指と示指との間にある水かきに物を押し付けるような姿勢で行うが、従来のものは先端摘みは可能であるが、腹で摘む動作は困難であり、また、把持体の大きさによる位置の変化に対応が困難であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来の欠点を克服したもので、把持体の形状に倣うように屈曲が可能で確実な把持姿勢ができる義手を提供する。また、本発明の義手は、指の腹で摘む動作が可能であり、また、指1本につき小型電動モータで人間の手と同等の器用に動き、しっかりと物を把握でき、しかも軽量な義手を提供するものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術手段は、
複合4節リンクと、複合4節リンクと連結した遊星歯車装置と、遊星歯車を駆動する駆動装置とからなり、前記駆動装置の駆動によって、遊星歯車、複合4節リンクが作動し、複合4節リンクにより物を把持できるようにした電動義手であって、前記複合4節リンクは、第1リンク、第2リンク、第3リンクと順次連結し、鉤形の第4リンクの前部と第3リンクとを、第2リンクと第3リンクとの連結点よりも前側において連結し、第4リンクの他方を第5リンクの一方に、また、第4リンクの他方を前記第1リンクに回転可能に連結して複合4節リンクが構成されており、さらに前記遊星歯車装置の遊星歯車に第5リンクを、遊星歯車装置の太陽歯車に第1リンクを、それぞれ連結し、遊星歯車と太陽歯車は回転ア−ムを介して連結されたことを特徴とする電動義手である。
また、太陽歯車取付台に回転自在に支持された下軸には、コの字形の回転アームと、第1リンクの取付金具と、アイドルプ−リと、太陽歯車が支持され、また、コの字形の回転アームの上方に支持された上軸には、回転受動プ−リと、遊星歯車を前記太陽歯車を噛み合うように支持して遊星歯車装置とし、そして、駆動装置からの撚り線スチ−ルワイヤをアイドルプ−リと回転受動プ−リに懸架させ、駆動装置からの駆動力を遊星歯車装置に伝達できるようにしたことを特徴とする電動義手である。
また、遊星歯車装置と駆動装置との間に懸架した撚り線スチ−ルワイヤにコイルスプリングを設けたことを特徴とする電動義手である。
また、ウオ−ムとウオ−ムホイ−ルからなる減速機構と駆動プ−リを有する動力伝達変換部を有する駆動装置としたことを特徴とする電動義手である。
また、第1リンクを基節骨、第2リンクを中節骨、第3リンクを末節骨として指を構成し、指1本につき小型電動モータを設け、この小型電動モータの駆動力で基節骨、中節骨、末節骨を駆動し、物を把握できるようにしたことを特徴とする電動義手である。
また、末節骨腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付けたことを特徴とする電動義手である。
また、小型電動モータをパソコンで操作し、指の動作を制御するようにしたことを特徴とする電動義手である。
【0005】
【実施例】
本発明の概略を図3、4に基づいて説明する。図3は指の屈曲伸展動作する全体構成図を示し、図4は複合4節リンクの説明図である。
図3に示すように、本発明の指の屈曲伸展動作をする構成は、動力源部と、動力伝達変換部と、MP関節部と、指骨部とからなる。また、前記動力源部は小型電動モータを有し、また、前記動力伝達変換部は減速機構と駆動プ−リからなり、前記MP関節部は遊星歯車装置からなり、指骨部は複合4節リンク機構からなるものである。そして、小型電動モータからの駆動力は、動力伝達軸、減速機構・駆動プ−リ、撚り線スチ−ルワイヤ、遊星歯車機装置、複合4節リンク機構と順次伝わり、複合4節リンク機構によって物の把持を行うものである。
次に、複合4節リンク機構を図4に基づいて説明する。複合4リンク機構は基節骨に該当する第1リンク1Aと、中節骨に該当する第2リンク2A、末節骨に該当する第3リンク3Aおよびこれら3種類のリンクに連結する補助リンクB(第4リンク4A)と補助リンクA(第5リンク5A)よりなっている。これらは2組の4節リンクを組み合わせた構造で複合4節と呼ぶ。
図4に示すように、4節リンク機構は、太陽歯車と遊星歯車と第6リンクからなる遊星歯車機構に連結されている。
これら各リンクと遊星歯車装置との結合関係を説明すると、第1リンク1Aは回転ジョイントaを介して第2リンク2Aに、第2リンク2Aは回転ジョイントbを介して第3リンク3Aに、第3リンク3Aは回転ジョイントcを介して鉤型の第4リンク4Aに、第4リンク4Aは回転ジョイントdを介して第1リンク1Aと、回転ジョイントeを介して第5リンク5Aに、また、第1リンク1Aは回転ジョイントfを介して太陽歯車7Aに、第5リンク5Aは回転ジョイントgを介して遊星歯車8Aに、それぞれ回転可能に連結され、そして、太陽歯車7Aと遊星歯車8A間には第6リンク6Aが回転可能に連結されている。さらに具体的には、図4に示すように、鉤形の第4リンク4Aの前部(指先側)と第3リンク3Aとを、第2リンク2Aと第3リンク3Aとの連結点よりも前側(指先側)において連結し、第4リンク4Aの他方を第5リンク5Aの一方に、また、第4リンク4Aの他方を前記第1リンクに回転可能に連結している。
【0006】
上記リンク機構等を人間の手に適用した具体的な構成を図5以下に基づいて説明する。
図5(a)は、電動義手全体の平面図を示し、図5(b)は図5(a)のA−A矢視図である。本発明は、示指、中指、環指、小指の4指に装備されているものである。手掌部は、指骨部とMP関節部と撚線ワイヤと動力変換部からなり、動力変換部には動力伝達軸と動力源部が順次連結されている。
指骨部は、基節骨と中節骨と末節骨とからなり、基節骨と中節骨との間には、PIP関節、中節骨と末節骨との間には、DIP関節が設けられている。
次に、上記各部材の関連構成を図6(a)(b)に基づいて詳説する。図6(a)は1本の指部の平面図で、図6(b)は図6(a)のB−B矢視図である。
指骨部を構成する基節骨1の後部には、取付金具2がネジ等により固着され、前記基節骨1の前部には、中節骨3の後部が軸4により回転可能に連結されている。中節骨3の前部には末節骨5が軸6により回転可能に連結されている。また、末節骨5に軸7により回転可能に連結された鉤状の補助リンクBの曲部8は基節骨1の前部に軸9により回転可能に連結され、更に、前記補助リンクBの端部には補助リンクAの前部を軸10により回転可能に連結されている。末節骨5腹面には把握力コントロール用感圧センサ(不図)が取り付けてある。上記4節リンク機構を構成する各リンクの形状は図7に示す。基節骨1は後方に取付金具2を溶接、ネジ等の固着手段により取付け、また、基節骨1の前部には中節骨3を取り付けるための穴11と補助リンクBを取り付けるための穴12の2個を穿設する。中節骨3には、前部に末節骨5を取り付けるための穴13、後部に基節骨1を取り付けるための穴14を設け、中間には指の太さに相当する肉盛りをつけている。末節骨5には、前部に補助リンクBを取り付けるための穴15、後部に中節骨3を取り付けるための穴16を設け、更に、末節骨5腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付け、物に当たった時に感知し、把握力をコントロールするようにしてある。補助リンクAの前部には、補助リンクBの末端に取り付けるための穴17と、後部に遊星歯車に取り付けるための穴18をそれぞれ穿設する。補助リンクBは鉤状の形状になっており、短寸法側には補助リンクAと連結するための穴19、他の長寸法側には末節骨5に取り付けるための穴20、曲部には基節骨1に取り付けるための穴21を穿設する。これらのリンクは一枚板に穴を穿設し、これを左右に設けて組み立ててもよいが、コ字状の角形に形成して組み立てて、軸を挿入して図6のように組み立ててもよいものである。
上記のように構成された指骨部の補助リンクAと取付け金具2は、MP関節部を構成する遊星歯車装置に連結される。
【0007】
次に、MP関節部の構成を図8(a) (b) に基づいて説明する。図8(a) は、MP関節部の正面図、図8(b) は、図8(a) のC−Cの矢視図である。
MP関節部は図8(a) (b) に示すように遊星歯車装置になっており、その構成は、太陽歯車取付台22、太陽歯車23、遊星歯車24、回転ア−ム25、アイドルプ−リ(2個)26、回転受動プ−リ27、太陽歯車軸28、遊星歯車軸29からなっている。太陽歯車取付台22は、手掌部に相当するベ−ス盤30に固定され太陽歯車軸28を支持している。太陽歯車軸28には、コの字形の回転アーム25と、基節骨1の取付金具2と、アイドルプ−リ26と、太陽歯車23が支持され、太陽歯車23には基節骨1に固定された取付金具2がキ−等により同軸的に固定されていて、基節骨1を回転させる役割を持つ。また、前記回転アーム25の上方に支持された遊星歯車軸29には、回転受動プ−リ27と、遊星歯車24とが支持され、遊星歯車24は太陽歯車23と噛み合うように配置する。遊星歯車24には回転受動プ−リ27が同軸的に固定され、動力伝達変換部からの動力が撚り線スチ−ルワイヤ30に伝達され、その撚り線スチ−ルワイヤ30が動くことにより回転受動プ−リ27が回転する。回転受動プ−リ27が回転すると遊星歯車24は回転し、自転し太陽歯車23に回転を与えたりまた太陽歯車23の周囲を公転する(図6)。遊星歯車装置は2つの役割をもっていて1つは自転し太陽歯車23を回転させる役割と、太陽歯車23の回転が止まると、太陽歯車23の周囲を公転し、補助リンクAを引張る役割である。回転ア−ム25はコ字形をしていて、遊星歯車24の回転軸受であり、また、太陽歯車23の回転軸を中心に回転するためのア−ムでもある。側面から見た形状は図9のようになっており、一方の端は角形に角張っていて遊星歯車24が反時計方向に回転しないように、太陽歯車取付け台22に接触しストッパ−になっている。アイドルプ−リ26は遊星歯車装置に巻かれた撚り線スチ−ルワイヤ30の方向転換のための滑車で回転の中心は太陽歯車23の太陽歯車軸28である。回転受動プ−リ27は遊星歯車24に回転を与えるためのもので遊星歯車24と遊星歯車軸29で連結されている。
【0008】
次に、回転受動プ−リ27に後述の駆動プーリの回転を伝達させ、遊星歯車24を回転させる役割を持つ撚り線スチ−ルワイヤ30を図6、10に基づいて説明する。
太さは約 0.5 mmで、動力伝達変換部からアイドルプ−リ26を経て遊星歯車24の回転受動プーリ27に達してベルト掛けになっている。そして、撚り線スチ−ルワイヤ30は動力伝達変換部の駆動プーリに固定されていて、駆動プーリ34との間で滑らないようになっており、また回転受動プ−リ27とも滑らないように固定されている。更に撚り線スチ−ルワイヤ30の中間にはコイルスプリング31、32の2種類が連結されており、遊星歯車24を回転させるために駆動プーリ34の回転を伝達させる役割をもち、コイルスプリング32は遊星歯車24の自転をさせるためのものであり、コイルスプリング33は把握力をコントロールするためのものである。
【0009】
次に、動力伝達変換部を図6、11に基づいて説明する。
動力伝達変換部は減速機構と駆動プーリ34からなっている。減速機構は小型電動モータの回転数を小さくするためのもので、ウォーム35とウォームホイール36との組み合わせで、ウォームホイール36と駆動プーリ34は同軸に連結されていてウォームホイール36の回転が駆動プーリ34に伝達される。駆動プーリ34は撚り線スチ−ルワイヤ30が巻かれ、且つ固定されているのでウォームホイール36の回転が駆動プーリ34に伝達される。
動力源部は小型電動モータ、例えば小型直流サーボモータを用い図5に示すように指1本に1個用い動力伝達軸を介してその動力はウォーム35に入力される。
【0010】
次に、指が物の形状に倣って指先が屈曲する状態を図12に基づいて説明する。この動作は2段階の運動をするものである。
(1)第1段階
動力源部からの動力が動力伝達軸を介してウォーム35に入力され、駆動プーリ34が回転され、駆動プーリ34の回転が撚り線スチ−ルワイヤ30により遊星歯車24に回転が伝達されると、遊星歯車は24は自転し、太陽歯車23の回転を与える。太陽歯車23が回転すると、太陽歯車23に固定されている基節骨1が把持体に接触するまで回転する。この時複合4節リンクの構造から補助リンクA、補助リンクBの作用により、中節骨3と末節骨5が把持体に向かって屈曲する。(図12(a)(b))この段階から第2段階に移る。
(2)第2段階
基節骨が把持体に接触し回転が止まり太陽歯車23の回転が止まっても、なお駆動プーリ34の回転を続行すると遊星歯車24の回転は太陽歯車23のまわりを公転するようになる。この公転が時計方向にまわると補助リンクAは基点より右に移る。補助リンクAが右方向に移動すると、補助リンクBは軸9を中心に反時計方向に回転すると末節骨5は軸6を中心に反時計方向に回転する。そうすると4節リンク作用により、中節骨3も反時計方向に回転し把持体を把握する方向に中節骨3、末節骨5が回転する。(図12(c))
末節骨5に取り付けた感圧センサが把持体に接触し、感圧センサが働くと把握終了の信号となり、把握動作は終了する。
復帰はこの逆で、遊星歯車は24が反時計方向に公転し、末節骨5、中節骨3が把持体から離れる。次に遊星歯車は24が自転し基節骨1を初期状態に戻る。
戻り動作の終了は回転ア−ム25が太陽歯車取付台22に接触し、その信号により小型電動モータの回転が止まる。
上記の構成の義手全体の操作は、「把握せよ」という信号をパソコンに入力する事により、先ず、母指が把持体の大きさに従った姿勢を形成する。次に4指が動作を開始し、母指の上にのせられた把持体を握ることができる。
上記実施例では人間の指に倣って用いたが、物を掴むものであれば如何なる物にも使用できるものである。
【0011】
【発明の効果】
本発明により、小型電動モータの動力が、動力伝達装置を介して遊星歯車装置に伝達され、遊星歯車装置は連結された複合4節リンクを動かし、複合4節リンクが把持体に倣って屈曲し把持体を保持するので、把持体の形状に倣うように屈曲が可能となり、確実な把持姿勢が形成できる。また、3自由度の指の屈曲・伸展動作を(イ)複合4リンク、(ロ)遊星歯車装置、(ハ)索条による動力伝達装置、(ニ)把持力制御センサ、の4要素により1個のモータ、特に指1本当たり小型電動モータ1個で可能にしたので軽量化が計れる。更に、上記構成によって、把持体の大きさによる位置の変化にも対応が容易であり、指の腹で摘む動作も可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】手の構造図である。
【図2】 従来の全電動式ハンドの図である。
【図3】本発明の指の屈曲伸展動作をする全体構成図である。
【図4】本発明の複合4節リンク説明図である。
【図5】本発明の義手の全体図で(a)は平面図で、(b)はA−A矢視図である。
【図6】本発明の指部詳細図で(a)は平面図で、(b)はB−B矢視図である。
【図7】本発明の複合4節リンクの構成部品図である。
【図8】本発明のMP関節部を示す図で、(a)は正面図で、(b)はC−C矢視図である。
【図9】本発明の回転アーム逆転防止機構説明図である。
【図10】本発明の撚り線スチールワイヤ引き回し説明図である。
【図11】本発明の動力伝達変換部(減速機構、駆動プーリ)を示す図で、(a)は側面図で、(b)はD−D矢視図である。
【図12】本発明の物を把握する把握姿勢図で、(a)は動作前姿勢、(b)は第1段階(基節骨が把持体に接触)、(c)は第二段階(把握姿勢)の図である。
【符号の説明】
1 基節骨
2 取付金具
3 中節骨
4 軸
5 末節骨
6 軸
7 軸
8 曲部
9 軸
10 軸
11 穴

21 穴
22 太陽歯車取付台
23 太陽歯車
24 遊星歯車
25 回転アーム
26 アイドルプーリ
27 回転受動プーリ
28 太陽歯車軸
29 遊星歯車車軸
30 撚り線スチールワイヤ
31 ベース盤
32 コイルスプリング
33 コイルスプリング
34 駆動プーリ
35 ウオーム
36 ウオームホィール
37 補助リンクA
38 補助リンクB
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a gripping structure that can grasp an object, and particularly to an electric prosthetic hand as an auxiliary tool for people who have lost their hands or who have lost their functions. It provides an applied electric prosthesis.
[0002]
[Prior art]
The hand refers to the range from the wrist joint to the fingertip, and the hand is divided into palm and finger parts, and the fingers are roughly divided into thumbs and four fingers (indicating finger, middle finger, ring finger, little finger).
When a human grasps an object, he grasps the object with his mother finger and four fingers, but each joint bends in a shape following the shape of the grasping body so that the four fingers do not drop the grasping body.
FIG. 1 shows the structure of a human hand.
As described above, the hands are roughly divided into the palm portion, the thumb, and the four fingers. The finger is composed of a metacarpal bone, a proximal phalanx, a middle phalanx, and a distal phalanx.
As for the joint, a contact portion between the metacarpal bone and the proximal phalanx is referred to as a metacarpal phalangeal joint (hereinafter referred to as an MP joint), and a contact portion between the proximal phalanx and the middle phalanx is referred to as a proximal phalangeal joint (hereinafter referred to as PIP). The joint portion between the middle phalanx and the distal phalanx is referred to as a distal phalangeal joint (hereinafter referred to as a DIP joint). The finger bends / extends, and the MP joint can move sideways (internal / external side bending), and the entire finger has 4 degrees of freedom.
The research of dexterous fingers like human beings is carried out by many research institutions, universities, and welfare equipment manufacturers, but since the prosthetic hand is to be worn on the shoulder or arm, it must be light.
Conventionally, research on artificial hands (robot hands) has been conducted in the following three directions.
(1) A prosthetic hand using a mechanism such as a link and a gear.
(2) A prosthetic hand with a driving system using a cord corresponding to a human tendon.
(3) A miniature electric motor finger embedding prosthesis that embeds an ultra-small electric motor in each finger joint and controls and bends each motor.
As described above, as a finger bending extension structure, a method of performing several cords from a power source installed on the forearm or the like, or a method of attaching a small electric motor or the like between each finger joint has been taken However, 6 lines are required for flexion and extension with 3 degrees of freedom, and power sources corresponding to the number of lines are required, and each method requires a large number of power sources. There was a disadvantage that it was too heavy.
FIG. 2 shows a conventional prosthetic hand, which is structured to be driven by one small electric motor per finger. The bending angle of each joint can be set by the lever ratio, but the bending angle is proportional, and it is difficult to bend the finger to follow the shape of the gripper. In addition, when a person grasps an object, the posture is such that the object is pressed against a webbed between the thumb and index finger, but the conventional one can pick the tip, but it is difficult to pick with the abdomen. In addition, it is difficult to cope with a change in position due to the size of the gripping body.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention overcomes the drawbacks of the prior art and provides a prosthetic hand that can be bent to follow the shape of the gripping body and can be securely gripped. In addition, the prosthetic hand of the present invention can be picked by the belly of a finger, and can move to a dexterity equivalent to a human hand with a small electric motor per finger, and can grasp a solid object, and is lightweight. Is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the technical means adopted by the present invention are:
It comprises a compound four-bar link, a planetary gear unit connected to the compound four-node link, and a drive unit that drives the planetary gear, and the planetary gear and the compound four-node link are operated by the drive of the drive unit. An electric prosthetic hand capable of gripping an object by a link , wherein the composite four-bar link is sequentially connected to a first link, a second link, and a third link, and a front portion of a hook-shaped fourth link and a third link The link can be connected in front of the connection point between the second link and the third link, the other of the fourth links can be rotated to one of the fifth links, and the other of the fourth links can be rotated to the first link. Are connected to the planetary gear device, the fifth link is connected to the planetary gear of the planetary gear device, the first link is connected to the sun gear of the planetary gear device, and the planetary gear and the sun gear are Connected via rotating arm An electric artificial hand characterized by and.
The lower shaft rotatably supported by the sun gear mounting base supports a U-shaped rotating arm, a first link mounting bracket, an idle pulley, and a sun gear. An upper shaft supported above the character-shaped rotating arm has a rotating passive pulley and a planetary gear supported so as to mesh with the sun gear to form a planetary gear device, and a stranded wire from the drive device. The electric prosthesis is characterized in that the lube is suspended on the idle pulley and the rotary passive pulley so that the driving force from the driving device can be transmitted to the planetary gear device.
The electric prosthetic hand is characterized in that a coil spring is provided on a stranded steel wire suspended between the planetary gear device and the driving device.
Further, the present invention is an electric prosthesis characterized in that a drive device having a power transmission conversion unit having a speed reduction mechanism comprising a worm and a worm wheel and a drive pulley is provided.
A finger is constructed with the first link as the proximal phalanx, the second link as the middle phalanx, and the third link as the distal phalanx, and a small electric motor is provided for each finger. It is an electric prosthesis characterized by driving bones, middle phalanges, and distal phalanges so that objects can be grasped.
The electric prosthesis is characterized in that a pressure-sensitive sensor for grasping force control is attached to the abdominal surface of the distal phalanx.
Further, the electric prosthetic hand is characterized in that a small electric motor is operated by a personal computer to control the operation of a finger.
[0005]
【Example】
The outline of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an overall configuration diagram showing the bending and extending operation of the finger, and FIG. 4 is an explanatory diagram of a composite four-bar link.
As shown in FIG. 3, the configuration for bending and extending the finger according to the present invention includes a power source unit, a power transmission conversion unit, an MP joint unit, and a phalange unit. The power source unit includes a small electric motor, the power transmission conversion unit includes a speed reduction mechanism and a drive pulley, the MP joint unit includes a planetary gear device, and the finger bone unit includes a composite four-bar link. It consists of a mechanism. The driving force from the small electric motor is sequentially transmitted to the power transmission shaft, the speed reduction mechanism / drive pulley, the stranded steel wire, the planetary gear device, and the composite four-bar linkage mechanism. Gripping.
Next, the composite four-bar linkage mechanism will be described with reference to FIG. The compound 4-link mechanism includes a first link 1A corresponding to the proximal phalanx, a second link 2A corresponding to the middle phalanx, a third link 3A corresponding to the distal phalanx, and an auxiliary link B ( 4th link 4A ) and auxiliary link A (5th link 5A ). These are structures in which two sets of four-section links are combined and are called composite four-section.
As shown in FIG. 4, the four-bar linkage mechanism is connected to a planetary gear mechanism including a sun gear, a planetary gear, and a sixth link.
The connection relationship between each of these links and the planetary gear device will be described. The first link 1A is connected to the second link 2A via the rotary joint a, the second link 2A is connected to the third link 3A via the rotary joint b, The third link 3A is a saddle-shaped fourth link 4A via the rotary joint c, the fourth link 4A is the first link 1A via the rotary joint d, the fifth link 5A via the rotary joint e, and The first link 1A is rotatably connected to the sun gear 7A via the rotary joint f, and the fifth link 5A is rotatably connected to the planetary gear 8A via the rotary joint g, and between the sun gear 7A and the planetary gear 8A . The sixth link 6A is rotatably connected. More specifically, as shown in FIG. 4, the front part (fingertip side) of the hook-shaped fourth link 4A and the third link 3A are located more than the connection point between the second link 2A and the third link 3A. They are connected on the front side (fingertip side), the other of the fourth links 4A is rotatably connected to one of the fifth links 5A, and the other of the fourth links 4A is rotatably connected to the first link.
[0006]
A specific configuration in which the link mechanism or the like is applied to a human hand will be described with reference to FIG.
Fig.5 (a) shows the top view of the whole electric prosthesis, FIG.5 (b) is an AA arrow line view of Fig.5 (a). The present invention is equipped with four fingers: an index finger, a middle finger, a ring finger, and a little finger. The palm portion includes a phalange portion, an MP joint portion, a stranded wire, and a power conversion portion, and a power transmission shaft and a power source portion are sequentially connected to the power conversion portion.
The phalange is composed of a proximal phalanx, a middle phalanx, and a distal phalanx. A PIP joint is provided between the proximal phalanx and the middle phalanx, and a DIP joint is provided between the middle phalanx and the distal phalanx. It has been.
Next, a related configuration of each member will be described in detail with reference to FIGS. Fig.6 (a) is a top view of one finger | toe part, FIG.6 (b) is a BB arrow line view of Fig.6 (a).
A mounting bracket 2 is fixed to the rear portion of the proximal phalanx 1 constituting the phalange portion with a screw or the like, and the rear portion of the middle phalange 3 is rotatably connected to the front portion of the proximal phalange 1 by a shaft 4. ing. A distal phalanx 5 is rotatably connected to the front part of the middle phalanx 3 by a shaft 6. A curved portion 8 of the hook-shaped auxiliary link B that is rotatably connected to the distal phalange 5 by the shaft 7 is rotatably connected to the front portion of the proximal phalange 1 by the shaft 9. The front portion of the auxiliary link A is rotatably connected to the end portion by a shaft 10. A pressure sensor (not shown) for grasping force control is attached to the abdominal surface of the distal phalanx 5. The shape of each link constituting the four-bar linkage mechanism is shown in FIG. The proximal phalanx 1 is attached to the rear by a fixing means 2 such as welding and screws, and a hole 11 for attaching the middle phalanx 3 and an auxiliary link B are attached to the front of the proximal phalange 1. Two holes 12 are drilled. The middle phalanx 3 is provided with a hole 13 for attaching the distal phalanx 5 to the front part and a hole 14 for attaching the proximal phalanx 1 to the rear part, and a fillet corresponding to the thickness of the finger is attached in the middle. Yes. The distal phalanx 5 is provided with a hole 15 for attaching the auxiliary link B to the front part, and a hole 16 for attaching the middle phalanx 3 to the rear part. Further, a pressure sensor for grasping force control is provided on the abdominal surface of the distal phalange 5. It is designed to detect when it hits an object, and controls its grip. A hole 17 for attaching to the end of the auxiliary link B and a hole 18 for attaching to the planetary gear are formed in the front part of the auxiliary link A, respectively. The auxiliary link B has a bowl-like shape, the hole 19 for connecting to the auxiliary link A on the short dimension side, the hole 20 for attaching to the distal phalange 5 on the other long dimension side, A hole 21 for attaching to the proximal phalanx 1 is drilled. These links can be assembled by drilling holes in a single plate and providing them on the left and right, but they are assembled by forming a square U-shape and inserting the shaft as shown in FIG. Is also good.
The auxiliary link A of the phalange portion and the mounting bracket 2 configured as described above are connected to the planetary gear device that constitutes the MP joint portion.
[0007]
Next, the configuration of the MP joint will be described with reference to FIGS. FIG. 8A is a front view of the MP joint, and FIG. 8B is a view taken along the line CC of FIG. 8A.
As shown in FIGS. 8A and 8B, the MP joint portion is a planetary gear device, which is composed of a sun gear mounting base 22, a sun gear 23, a planetary gear 24, a rotating arm 25, an idle gear. -It consists of two (two) 26, a rotary passive pulley 27, a sun gear shaft 28, and a planetary gear shaft 29. The sun gear mount 22 is fixed to a base board 30 corresponding to the palm portion and supports the sun gear shaft 28. The sun gear shaft 28 supports a U-shaped rotary arm 25, the mounting bracket 2 of the proximal phalanx 1, the idle pulley 26, and the sun gear 23. The sun gear 23 supports the proximal phalange 1. The fixed mounting bracket 2 is coaxially fixed by a key or the like and has a role of rotating the proximal phalanx 1. A planetary gear shaft 29 supported above the rotary arm 25 supports a rotary passive pulley 27 and a planetary gear 24, and the planetary gear 24 is arranged to mesh with the sun gear 23. A rotating passive pulley 27 is coaxially fixed to the planetary gear 24, and the power from the power transmission conversion portion is transmitted to the stranded steel wire 30, and the stranded steel wire 30 moves to move the rotating passive pulley 27. -The reel 27 rotates. When the rotary passive pulley 27 rotates, the planetary gear 24 rotates and rotates to give rotation to the sun gear 23 or revolve around the sun gear 23 (FIG. 6). The planetary gear device has two roles, one is the role of rotating to rotate the sun gear 23 and the role of revolving around the sun gear 23 and pulling the auxiliary link A when the rotation of the sun gear 23 stops. The rotary arm 25 is U-shaped, is a rotary bearing for the planetary gear 24, and is also an arm for rotating around the rotary shaft of the sun gear 23. The shape seen from the side is as shown in FIG. 9, and one end is square and is in contact with the sun gear mounting base 22 so as to be a stopper so that the planetary gear 24 does not rotate counterclockwise. Yes. The idle pulley 26 is a pulley for changing the direction of the stranded steel wire 30 wound around the planetary gear device, and the center of rotation is the sun gear shaft 28 of the sun gear 23. The rotation passive pulley 27 is for giving rotation to the planetary gear 24, and is connected to the planetary gear 24 by the planetary gear shaft 29.
[0008]
Next, the stranded steel wire 30 having the role of transmitting the rotation of a driving pulley described later to the rotary passive pulley 27 and rotating the planetary gear 24 will be described with reference to FIGS.
The thickness is about 0.5 mm, and reaches the rotary passive pulley 27 of the planetary gear 24 through the idle pulley 26 from the power transmission conversion portion and is belted. The stranded steel wire 30 is fixed to the drive pulley of the power transmission conversion unit so that it does not slip between the drive pulley 34 and the rotary passive pulley 27. Has been. Further, two types of coil springs 31 and 32 are connected in the middle of the stranded steel wire 30 and serve to transmit the rotation of the drive pulley 34 in order to rotate the planetary gear 24. The coil spring 32 is a planetary gear. The coil spring 33 is for rotating the gear 24, and the coil spring 33 is for controlling the grasping force.
[0009]
Next, the power transmission conversion unit will be described with reference to FIGS.
The power transmission conversion unit includes a speed reduction mechanism and a drive pulley 34. The speed reduction mechanism is for reducing the number of rotations of the small electric motor. The combination of the worm 35 and the worm wheel 36 is such that the worm wheel 36 and the drive pulley 34 are connected coaxially, and the rotation of the worm wheel 36 is the drive pulley. 34. Since the drive pulley 34 is wound and fixed with the stranded steel wire 30, the rotation of the worm wheel 36 is transmitted to the drive pulley 34.
As the power source unit, a small electric motor, for example, a small DC servo motor, is used, one for each finger as shown in FIG. 5, and the power is input to the worm 35 via the power transmission shaft.
[0010]
Next, a state in which the fingertip bends following the shape of the object will be described with reference to FIG. This operation is a two-stage exercise.
(1) The power from the first stage power source is input to the worm 35 via the power transmission shaft, the drive pulley 34 is rotated, and the rotation of the drive pulley 34 is rotated to the planetary gear 24 by the stranded steel wire 30. Is transmitted, the planetary gear 24 rotates and gives the sun gear 23 rotation. When the sun gear 23 rotates, the proximal phalanx 1 fixed to the sun gear 23 rotates until it comes into contact with the gripping body. At this time, the middle phalanx 3 and the distal phalanx 5 are bent toward the grasping body by the action of the auxiliary link A and the auxiliary link B from the structure of the composite four-node link. (FIGS. 12A and 12B) The process proceeds from this stage to the second stage.
(2) Even if the second stage proximal phalanx contacts the gripping body and the rotation stops and the rotation of the sun gear 23 stops, the rotation of the planetary gear 24 revolves around the sun gear 23 if the rotation of the drive pulley 34 continues. To come. When this revolution turns clockwise, the auxiliary link A moves to the right from the base point. When the auxiliary link A moves in the right direction, the auxiliary link B rotates counterclockwise about the shaft 9, and the distal phalange 5 rotates about the shaft 6 in the counterclockwise direction. Then, the middle phalanx 3 and the distal phalanx 5 rotate in the direction in which the middle phalanx 3 rotates counterclockwise and grasps the grasping body by the four-joint link action. (Fig. 12 (c))
When the pressure-sensitive sensor attached to the distal phalanx 5 comes into contact with the gripping body and the pressure-sensitive sensor works, a grasping end signal is generated, and the grasping operation is finished.
In reverse, the planetary gear 24 revolves counterclockwise, and the distal phalange 5 and the middle phalanx 3 are separated from the grasping body. Next, the planetary gear 24 rotates to return the proximal phalanx 1 to the initial state.
At the end of the return operation, the rotary arm 25 comes into contact with the sun gear mount 22 and the signal stops the rotation of the small electric motor.
In the operation of the entire prosthetic hand having the above-described configuration, first, the mother finger forms a posture according to the size of the gripping body by inputting a signal “get it” to the personal computer. Next, the four fingers start to move and can grasp the gripping body placed on the thumb.
In the above-described embodiment, it is used following a human finger. However, any object can be used as long as it can grasp an object.
[0011]
【The invention's effect】
According to the present invention, the power of the small electric motor is transmitted to the planetary gear device via the power transmission device, and the planetary gear device moves the combined four-joint link, and the compound four-joint link bends following the holding body. Since the gripping body is held, it can be bent so as to follow the shape of the gripping body, and a reliable gripping posture can be formed. In addition, the bending / extending movement of a finger with three degrees of freedom is performed by four elements: (a) a composite four link, (b) a planetary gear device, (c) a power transmission device using a rope, and (d) a gripping force control sensor . Since it is possible to use one motor, particularly one small electric motor per finger, the weight can be reduced. Furthermore, according to the above configuration, it is easy to cope with a change in position depending on the size of the gripping body, and an operation of picking with the belly of the finger is also possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram of a hand.
FIG. 2 is a diagram of a conventional all-electric hand.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of the finger bending / extending operation of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a composite 4-section link of the present invention.
5A is an overall view of the prosthetic hand of the present invention, FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is an AA arrow view.
6A and 6B are detailed views of a finger portion according to the present invention, in which FIG. 6A is a plan view, and FIG.
FIG. 7 is a component diagram of a composite four-bar link of the present invention.
8A and 8B are views showing an MP joint according to the present invention, where FIG. 8A is a front view and FIG. 8B is a view taken along the line CC.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a rotation arm reverse rotation prevention mechanism of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory drawing of the stranded wire steel wire routing of the present invention.
11A and 11B are diagrams showing a power transmission conversion unit (deceleration mechanism, drive pulley) according to the present invention, in which FIG. 11A is a side view and FIG.
FIG. 12 is a grasp posture diagram for grasping an object of the present invention, where (a) is a pre-motion posture, (b) is the first stage (the proximal phalanx contacts the grasping body), and (c) is the second stage ( FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Basic phalanx 2 Mounting bracket 3 Middle phalanx 4 Axis 5 End phalanx 6 Axis 7 Axis 8 Curved part 9 Axis 10 Axis 11 Hole ~
21 Hole 22 Sun gear mount 23 Sun gear 24 Planetary gear 25 Rotating arm 26 Idle pulley 27 Rotating passive pulley 28 Sun gear shaft 29 Planetary gear axle 30 Strand wire steel wire 31 Base panel 32 Coil spring 33 Coil spring 34 Drive pulley 35 Worm 36 Warm Wheel 37 Auxiliary Link A
38 Auxiliary link B

Claims (7)

複合4節リンクと、複合4節リンクと連結した遊星歯車装置と、遊星歯車を駆動する駆動装置とからなり、前記駆動装置の駆動によって、遊星歯車、複合4節リンクが作動し、複合4節リンクにより物を把持できるようにした電動義手であって、前記複合4節リンクは、第1リンク、第2リンク、第3リンクと順次連結し、鉤形の第4リンクの前部と第3リンクとを、第2リンクと第3リンクとの連結点よりも前側において連結し、第4リンクの他方を第5リンクの一方に、また、第4リンクの他方を前記第1リンクに回転可能に連結して複合4節リンクが構成されており、さらに前記遊星歯車装置の遊星歯車に第5リンクを、遊星歯車装置の太陽歯車に第1リンクを、それぞれ連結し、遊星歯車と太陽歯車は回転ア−ムを介して連結されたことを特徴とする電動義手。 It comprises a compound four-bar link, a planetary gear unit connected to the compound four-node link, and a drive unit that drives the planetary gear, and the planetary gear and the compound four-node link are operated by the drive of the drive unit. An electric prosthetic hand capable of gripping an object by a link , wherein the composite four-bar link is sequentially connected to a first link, a second link, and a third link, and a front portion of a hook-shaped fourth link and a third link The link can be connected in front of the connection point between the second link and the third link, the other of the fourth links can be rotated to one of the fifth links, and the other of the fourth links can be rotated to the first link. Are connected to the planetary gear device, the fifth link is connected to the planetary gear of the planetary gear device, the first link is connected to the sun gear of the planetary gear device, and the planetary gear and the sun gear are Connected via rotating arm Electric artificial arm that characterized the door. 太陽歯車取付台に回転自在に支持された下軸には、コの字形の回転アームと、第1リンクの取付金具と、アイドルプ−リと、太陽歯車が支持され、また、コの字形の回転アームの上方に支持された上軸には、回転受動プ−リと、遊星歯車を前記太陽歯車を噛み合うように支持して遊星歯車装置とし、そして、駆動装置からの撚り線スチ−ルワイヤをアイドルプ−リと回転受動プ−リに懸架させ、駆動装置からの駆動力を遊星歯車装置に伝達できるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の電動義手。The lower shaft rotatably supported by the sun gear mounting base supports a U-shaped rotating arm, a first link mounting bracket, an idle pulley, a sun gear, and a U-shaped rotating arm. On the upper shaft supported above the rotating arm, a rotating passive pulley and a planetary gear are supported so as to mesh with the sun gear to form a planetary gear device, and a stranded steel wire from the driving device is provided. 2. The electric prosthesis according to claim 1, wherein the electric prosthesis is suspended from an idle pulley and a rotary passive pulley so that the driving force from the driving device can be transmitted to the planetary gear device. 遊星歯車装置と駆動装置との間に懸架した撚り線スチ−ルワイヤにコイルスプリングを設けたことを特徴とする請求項2の電動義手。3. The electric prosthesis according to claim 2, wherein a coil spring is provided on a stranded steel wire suspended between the planetary gear device and the driving device. ウオ−ムとウオ−ムホイ−ルからなる減速機構と駆動プ−リを有する動力伝達変換部を有する駆動装置としたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電動義手。The electric prosthetic hand according to any one of claims 1 to 3, wherein a drive device having a power transmission converter having a speed reduction mechanism comprising a worm and a worm wheel and a drive pulley is provided. . 第1リンクを基節骨、第2リンクを中節骨、第3リンクを末節骨として指を構成し、指1本につき小型電動モータを設け、この小型電動モータの駆動力で基節骨、中節骨、末節骨を駆動し、物を把握できるようにしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電動義手。The first link is the base phalanx, the second link is the middle phalanx, the third link is the distal phalanx, and the fingers are configured, and a small electric motor is provided for each finger. The electric prosthetic hand according to any one of claims 1 to 4, wherein the middle phalanx and the distal phalanx are driven so that an object can be grasped. 末節骨腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付けたことを特徴とする請求項5記載の電動義手。6. The electric prosthesis according to claim 5, wherein a pressure-sensitive sensor for grasping force control is attached to the abdominal surface of the distal phalanx. 小型電動モータをパソコンで操作し、指の動作を制御するようにしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電動義手。The electric prosthetic hand according to any one of claims 1 to 6, wherein a small electric motor is operated by a personal computer to control the operation of a finger.
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