JP4389135B2 - Wire drive device and force / tactile sense presentation device using the same - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワイヤー部材の駆動装置及びワイヤー部材を使って装具を駆動するタイプの力触覚提示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
仮想現実(バーチャルリアリティ)、遠隔現実(テレリアリティ)等の分野では、視覚情報や聴覚情報に加えて対象者に力覚や触覚を提示するための力触覚提示装置が使用され、この種の装置には、例えば、シャフトアームを使った機構の場合、複数のシャフトアームに対して指や手を設置・固定して、当該シャフトアームの変位を位置検出器(ポテンシオメータ等)によって検出することで人体の各部位の動きを認識したり、あるいはシャフトアームからの反力を利用して力覚を対象者に与えることができるようにしたものが挙げられる。また、力覚提示用のデータグローブ等では、アクチュエータや小型エアシリンダ等によって駆動される骨格構造(人体の内骨格とは別の部材として外部から人体に付設されるという意味で「外骨格」と称される。)を指や手等に付設し、外骨格からの反力によって力覚が得られるようにした装置が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置にあっては、駆動部をコンパクトに作成することができないため、装置の重量が重くなったり、あるいは駆動源の配置場所を確保するのが難しくなる等の問題がある。
【0004】
例えば、駆動部によって発生する力を、ワイヤー部材を介して装具に伝達するタイプの力触覚提示装置への適用においては、駆動部の重量化は対象者の体力的な消耗や、動作の鈍化等の原因となり、また、駆動源の配置場所を適切に選定しないと装具間の干渉を惹き起こす原因となってしまう等の不都合が生じる。
【0005】
そこで、本発明は、ワイヤー部材の駆動装置の小型化及び省スペース化を課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した課題を解決するために、ワイヤー部材が接続されたフィルムと、該フィルムを挟み込むための動力ローラー及び圧迫ローラーとを備え、フィルムを動かす際に、圧迫ローラーによって当該フィルムを動力ローラーに押し付けて動力を伝達するための伝達機構を有し、フィルムのうち圧迫ローラーに当接する面側が帯電しており、これと逆極性をもって帯電した圧迫ローラーとの間に静電的な引力が作用することにより、動力ローラーからフィルムへの動力伝達が行われない状態では当該フィルムが圧迫ローラーに吸着されるように構成されているものである。
【0007】
従って、本発明によれば、ワイヤー部材が接続されたフィルムを動力ローラー及び圧迫ローラーにより搬送することでワイヤー部材の駆動機構を簡単化し、装置全体をコンパクトに作成することができる。また、フィルム及び圧迫ローラーの帯電による静電的引力の作用を利用して、動力ローラーからフィルムへの偶発的な動力伝達を防止することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明に係るワイヤー駆動装置は、フィルムを使ってワイヤー部材を駆動するための装置であり、その基本構成を示すと図1のようになる。
【0009】
ワイヤー駆動装置1は、ワイヤー部材2が接続されたフィルム3を有しており、このフィルムを挟み込むための動力ローラー4及び圧迫ローラー5を備えている。
【0010】
帯状をしたフィルム3の材質については、弾性に富む金属(巻尺に使用されるスチール等。)や耐摩耗性の合成樹脂等が使用され、該フィルム3の搬送方向においてワイヤー部材2の牽引に必要な強度を有することが前提となる。また、フィルム3の形状については、フィルムの搬送方向に対して直交する面での当該フィルムの断面形状を長方形状にした形態と、当該断面形状を弧状に湾曲させて、その凸面側が圧迫ローラー5に当接されるようにした形態が挙げられ、後者の場合には動力の非伝達時にフィルム3と動力ローラー4との偶発的な接触頻度を低減するのに有効である(その詳細については後述する。)。
【0011】
動力ローラー(あるいは駆動ローラー)4は、モータ等の駆動源を含む駆動機構6によって正逆回転され、圧迫ローラー5との間にフィルム3を挟み込んだ状態でフィルムを摺動させるために設けられている。
【0012】
また、圧迫ローラー(あるいは圧着ローラー)5には圧着機構7が付設されており、フィルム3への動力伝達時に圧着機構7により圧迫ローラー5が動力ローラー4側に移動されてフィルム3が両ローラーの間に挟み込まれるようになっている。即ち、圧着機構7は、フィルム3を動かす際に、圧迫ローラー5によって当該フィルムを動力ローラー4に押し付けて動力を伝達するための伝達機構として機能する(その際、圧迫ローラー5は固定ローラーとして回転しなくても良いし、動力ローラー4の従動ローラーとして回転しても良い。)。
【0013】
よって、圧迫ローラー5が所定の圧着力をもってフィルム3に当接していない場合(非接触時や圧着力の不足時を含む。)には、ただ動力ローラー4が空転するだけであり、フィルム3への動力伝達は行われることがない。
【0014】
但し、フィルム3が偶発的に動力ローラー4に接触した場合に力が伝わってしまい、フィルムが予期せぬ動きをする虞があり、このような不都合を避けるには、フィルムへの動力伝達を行わない時には、静電引力を利用してフィルムを圧迫ローラー5に吸着する方法か又は静電斥力を利用してフィルムが動力ローラーから離れるようにする方法を用いれば良い。
【0015】
つまり、図2に示すように、フィルム3のうち圧迫ローラー5に当接する面3aの側を負(又は正)に帯電させ、これと逆極性に帯電させた圧迫ローラー5との間に静電的な引力が働くようにし、動力ローラー4からフィルム3への動力伝達が行われない状態においてフィルム3が圧迫ローラー5に吸着されるように構成する。
【0016】
例えば、図3に示す帯電機構8では、圧迫ローラー5に対する(導電性)従動ローラー9が導電性の弾性支持部材10(図にはバネの記号で示す。)によって弾接されており、この部材10が接地されている。また、一端に布11が付設された当接部材12が弾性支持部材13(図にはバネの記号で示す。)による付勢力(バネの弾性力)によって圧迫ローラー5に布11が接触されるようになっている。そして、圧迫ローラー5の表面にはエボナイト樹脂等がコーティングされているので、帯電時には、圧迫ローラー5に対する従動ローラー9の接触を図示しない機構により解除し(圧迫ローラー5に従動ローラー9が接触しないようにする。)、圧迫ローラー5に布11を当てた状態で当該ローラーを回転することで表面が帯電する。フィルムについては圧迫ローラー5の電荷と反対の極性をもって事前に帯電させておけば良く、これによりフィルムが圧迫ローラー5に吸着される。尚、圧迫ローラー5の帯電を解除するには、図示しない機構により、当接部材12の布11が圧迫ローラー5に当接しないようにして、従動ローラー9を圧迫ローラー5に接触させて、溜った電荷をグランド(GND)に落せば良い。
【0017】
この他、動力ローラー4を帯電させるとともにこの電荷と同極性の電荷をもってフィルムを帯電させることで動力ローラーとフィルムとの間に働く静電力によりフィルムを動力ローラーから遠ざける方法もあるが、この場合には、動力ローラーの駆動源に対する電気絶縁等への影響について考慮する必要がある。
【0018】
また、搬送方向に沿うフィルム3の端部のうち、ワイヤー部材2が接続された方と反対側の端部には、図1に矢印Fで示す方向への付勢力を与えておくと、圧着機構7を解除した場合にフィルム3の状態を初期状態に戻すことができるが、フィルムの長さがある程度長くなる場合には、端部を巻取機構14に接続して、フィルムのうち巻き取った部分を収容できるように構成すれば良い(例えば、スチール製巻尺のように、バネ部材を用いてフィルムを収容部内のリールに巻き取る方向への付勢力を与えた構成等。)。
【0019】
しかして、ワイヤー駆動装置1によれば、ワイヤー部材2が接続されたフィルム3をローラー対(動力ローラー4及び圧迫ローラー5)により駆動することでワイヤー部材2を駆動することができるので、駆動機構6に対してローラー対の配置場所を自由に選ぶことができる。
【0020】
尚、ワイヤー駆動装置1については、例えば、人間や動物の骨格や関節構造を模倣したロボットアーム、マニピュレータにおいて関節駆動をワイヤー部材で行うためにワイヤー駆動機構を備えた装置等等への適用が挙げられるが、以下では力触覚提示装置について説明する。
【0021】
この装置では、対象者に装着して使用する複数の装具と、装具を構成する被覆部材のうち、対をなす被覆部材に亘って架け渡された複数対のワイヤー部材と、該ワイヤー部材を駆動する駆動手段とを備えており、ワイヤー部材を介して駆動手段の力を装具に伝達することで対象者に力触覚を提示することができる。
【0022】
そして、駆動手段に上記した装置1が使用され、ワイヤー部材が接続されたフィルムを、動力ローラー及び圧迫ローラーで挟み込んだ状態で搬送するために、フィルムを動かす際に圧迫ローラーによって当該フィルムを動力ローラーに押し付けて動力を伝達するための伝達機構を有している。
【0023】
図4乃至図9は、前腕(右手)の回内・回外動作の提示例を示したものであり、前腕の肘部付近に第1の被覆部材(肘部サポーター)S2が装着され、手首の尺骨及び橈骨の突起部分には第2の被覆部材(手首サポーター)S1が装着されている。
【0024】
そして、一対のワイヤー部材WA、WBが、第1の被覆部材から第2の被覆部材に亘って架け渡されている。尚、ここで「ワイヤー部材」には、紐状部材あるいはこれを管に通したもの等が含まれ、例えば、可撓性を有する管状部材にワイヤー線材を通した構造が皮膚への損傷を防止する点から好ましいが、この他に、やや幅のある帯状部材等も含まれる。
【0025】
図4乃至図9において、図4及び図5は前腕の回外状態を、図6及び図7は前腕の立位状態を、図8及び図9は前腕の回内状態をそれぞれ示しており、これらの図では、一対のワイヤー部材について、理解の容易さを考慮してそれぞれ別図として図示しているが、これらのワイヤー部材は、肘部サポーターと手首サポーターとに亘って前腕上を引き廻されている。
【0026】
図4及び図5に示す回外状態では、手の掌面や前腕の内面が示されており、図4に示すように、ワイヤー部材WAについては、その端部が手首サポーターの背面側において橈骨側突起に対応した位置付近に設けられた取付部M(破線で示す。)に固定されており、ここから前腕の背面を通って引き廻された後に、肘寄りのところで前腕の側面(尺骨側)に位置している。そして、ワイヤー部材WAの他端部は、肘部サポーターに付設された図示しない駆動機構(後述する)に接続されており、該駆動機構に設けられた検出手段によってワイヤー部材WAの長さが検出されるように構成されている。
【0027】
尚、図には、2点鎖線で示す線上の位置(丸印で囲んで示す3箇所)で前腕及びワイヤー部材を切断したと仮定した場合の、前腕に対するワイヤー部材の位置を概略的に示しており、これについては、図5乃至図9でも同様である。また、これらの図では、理解を容易にするためにワイヤー部材の断面形状を実際より誇張して示している。
【0028】
図5は回外状態におけるワイヤー部材WBの配置を示しており、その端部が手首サポーターの背面側において尺骨側突起に対応した位置寄りのところに設けられた取付部N(破線で示す。)に固定されており、ここから少し前腕の背面側(橈骨側の表面)を通って引き廻された後に、前腕の表側に出てからほぼ直線的に延びている。そして、肘寄りのところで前腕の側面(尺骨側)に位置している。尚、ワイヤー部材WBの他端部は、肘部サポーターに付設された図示しない駆動機構(後述する)に接続されており(ワイヤー部材WBの駆動機構とは独立している。)、該駆動機構に設けられた検出手段によってワイヤー部材WBの長さが検出されるように構成されている。
【0029】
尚、これらのワイヤー部材の端部を、手首サポーターの取付部M、Nに固定する方法としては、例えば、ワイヤー部材の端部寄りの部分をプーリ等の部材に巻き付けた上で端部が外れないようにしてこれを手首サポーターに埋め込んだり、ネジ止め等で固定する方法が挙げられるが、その詳細については後述する。
【0030】
図6は、立位状態におけるワイヤー部材WAの配置を拇指側から示しており、該ワイヤー部材は、破線で示すように取付部Mから尺骨側の表面上を引き廻された後に、肘寄りの位置で前腕の側面に位置している。
【0031】
図7は、立位状態におけるワイヤー部材WBの配置を拇指側から示しており、該ワイヤー部材は、実線で示すように取付部Nから腕の橈骨側の表面上を引き廻された後に、肘寄りの位置で前腕の側面に位置している。
【0032】
従って、図6及び図7に示す立位状態から図4及び図5に示す回外状態へと前腕を動かす場合には、ワイヤー部材WAを引張り、ワイヤー部材WBを緩めれば良い。
【0033】
図8は回内状態におけるワイヤー部材WAの配置を手の甲側から示しており、該ワイヤー部材は、取付部Mから尺骨側の表面上を引き廻された後に、中程から図の裏側を廻って、肘寄りの位置で前腕の側面(橈骨側)に位置している。
【0034】
図9は回内状態におけるワイヤー部材WBの配置を手の甲側から示しており、該ワイヤー部材は、取付部Nから橈骨側の表面上を引き廻された後に、肘寄りの位置で前腕の側面(橈骨側)に位置している。
【0035】
従って、図6及び図7に示す立位状態から図8及び図9に示す回内状態へと前腕を動かす場合には、ワイヤー部材WBを引張り、ワイヤー部材WAを緩めれば良い。)。
【0036】
図10は肘部サポーターにおけるワイヤー部材の駆動機構部の配置例を回外状態について概略的に示したものであり、駆動機構部DAがワイヤー部材WAの駆動制御に関与し、駆動機構部DBがワイヤー部材WBの駆動制御に関与している(図では肘部サポーターに外付けされているが、実際には当該サポーター内に埋設された状態とされている。)。
【0037】
図示するように、2つのワイヤー部材WA、WBが、駆動機構部DA、DBにそれぞれ接続される手前の位置で互いに交差する角度「θ」については、90度又はこれに極力近いことが重要であり、この角度が小さ過ぎると前腕の動きに支障が出たり、あるいはワイヤー部材の駆動時における皮膚への圧迫等が問題となる。
【0038】
また、肘部サポーターにおける駆動機構部の取付位置については、他の部材(例えば、後述する指部を駆動するための駆動ベースサポーター等)に干渉しない場所を選択することが望ましいため、場合によっては、図10に示すような配置が採れないことがあるが、そのような場合にはプーリ等の中継部材を用いることにより、ある程度対処できる。
【0039】
例えば、図11に示すように、肘部サポーターの側面部に駆動機構部DA、DBを取り付ける場合において、一方のワイヤー部材WBに対してプーリPLを設け、これによって引き廻しの方向をほぼ90度変更した上で当該ワイヤー部材を駆動機構部に接続すれば良い。つまり、この場合には、ワイヤー部材WBがプーリPLに巻回される際の巻き始め位置での接線方向に該ワイヤー部材を仮想的に延ばしたと想定した延長線と、ワイヤー部材WAとの間になす角度が90度又はこれに近い値となるように設定される。
【0040】
また、図12(A)、(B)に示すように、肘部サポーターの底部(肘受け部分)S2Bに駆動機構部DA、DBを取り付ける場合には、例えば、一方のワイヤー部材WBに対してプーリPLbを設け、これによって引き廻しの方向を変更した上で当該ワイヤー部材を駆動機構部DBに接続するとともに、ワイヤー部材WAについては、2つのプーリPLa1、PLa2を設け、初段のプーリPLa1で引き廻し方向をほぼ90度変更した後、次段のプーリPLa2によってさらに引き廻し方向を変更してから当該ワイヤー部材を駆動機構部DAに接続すれば良い。
【0041】
以上のように、前腕の肘部付近に第1の被覆部材を装着するとともに、手首の尺骨及び橈骨の突起部分に第2の被覆部材を装着し、第1の被覆部材から第2の被覆部材に亘って一対のワイヤー部材を架け渡してこれらのワイヤー部材の一方を引っ張り他方を緩めることで前腕の回内又は回外動作の力覚提示が可能である。
【0042】
ワイヤー部材の駆動装置については、動作への影響を考慮して小型・軽量化に適したものが望ましく、例えば、そのような構成例15を図13乃至図25に示す。
【0043】
本例では、図13乃至図18に示すように、フィルム16がガイド部17と18との間及びガイド部19と20との間を通るように配置されており、該フィルム16の一部を圧着ローラー21及び駆動ローラー22で挟持して搬送する構成となっている。
【0044】
搬送方向におけるフィルム16の一端にはワイヤー部材が接続されるが、フィルムへのワイヤー端部の固定方法としては図13及び図14に示す方法が挙げられる。
【0045】
図13に示すように、ワイヤー23は小径のフランジ付プーリ(あるいは糸巻)24巻着され、該プーリ24は円板状をした2つのフランジ部25、25を、これらの間に位置された小径の軸部26で連結した構造を有している。つまり、ワイヤー23の端部は、プーリ24に数回に亘って巻き付けられた後で、その先端部23aと、ワイヤー23のうちプーリ24への巻着部の手前側の部分23bとが固定用の止め金具27を用いて加締止めされている。
【0046】
そして、図14に示すように、フィルム16の端部寄りの位置に鍵孔状の係合孔28を形成して、この孔にプーリ24を係合させる。つまり、該プーリ24のフランジ部25を係合孔28の円孔部29に通した後でワイヤー23を引けば、小径の軸部26を係合孔28のスリット部分30に係合させることができ、この状態で図に破線の四角形枠31で示すように、止め金具27とプーリ24及びこれを取り付けたフィルム端部を合成樹脂で被覆して固めてしまえば良い。
【0047】
図15、図17に示すように、フィルム16の一部16aはガイド部17と18との間を挿通されて支持されており、また、フィルム16の他の部分16bについてはガイド部19と20との間を挿通されて支持されているが、これらのガイド部の中程に位置するフィルム部分16cが圧着ローラー21と駆動ローラー22により挟持される。
【0048】
即ち、駆動ローラー22については、ガイド部18、20の側において動力モータ32による回転力が減速機(ギヤボックス)33を介してローラーの駆動力として伝達される構成となっている。
【0049】
また、ガイド部17、19の側に設けられた圧着ローラー21については、後述するモータにより駆動されるスライド部材によって当該ローラーを駆動ローラー22側に移動させる圧着機構34が設けられている。
【0050】
図15、図16に示すように、ガイド部17及び18や、19及び20をそれらの側面において連結する部材35、36には、該支持板37、38が各別に固定されており、該支持板37、38及びガイド部17、19に固定されたガイドに沿ってそれぞれ案内されるローラー支持部39、40により、圧着ローラー21の軸(51、52)がそれぞれ支持されている。つまり、一方のローラー支持部39はその両脇に設けられたガイド41、42に沿って移動可能な状態で支持され、他方のローラー支持部40はその両脇に設けられたガイド43、44に沿って移動可能な状態で支持されている。尚、ローラー支持部39、40の移動方向は、フィルム16の搬送方向に直交する方向であって、圧着ローラー21を駆動ローラー22側に近づけたり、駆動ローラー22から遠ざける方向とされている。また、ローラー支持部39、40の端部(フィルム16から遠い方の端部)にはテーパー面45、46がそれぞれ形成されている。同様にガイド41、42の端部にもテーパー面47、48がそれぞれ形成され、ガイド43、44の端部にテーパー面49、50がそれぞれ形成されている。
【0051】
支持板37、38には圧着ローラー21の軸51、52を通すための長孔53、54(図15、図16にはその一方だけを示す。)が形成されており、軸51、52にそれぞれ弾接されるバネ部材(圧縮コイルバネ等)55、56が配置されている。これらのバネ部材は圧着ローラー21を駆動ローラー22から離す向きへの付勢力を圧着ローラー21に対して常時与える目的で付設される。
【0052】
ガイド部19に付設された駆動部57にはモータ58が設けられており、該モータの回転力が減速機(ギヤボックス)59を介して駆動ギヤ60への回転力として伝達される。そして、駆動ギヤ60により直線的に移動されるスライダー61が設けられており、該スライダーに伴って上記ローラー支持部39、40が移動される。
【0053】
図17、図19に示すように、スライダー61の一方の面には、駆動ギヤ60に対して噛合する歯部62が形成されており、その両脇に傾斜面63、64が形成されている。これらの傾斜面については、上記ローラー支持部39、40やガイド41、42及び43、44の各テーパー面(47乃至50)の傾斜に対応した角度(傾斜角度)をもっている。また、スライダー61の支持については、支持板37と38に跨るようにしてこれらに固定された押え片65(図15乃至17を参照。)と、ローラー支持部39、40との間にスライダー61が挟まれた状態で駆動ギヤ60による移動が可能な構成となっている。
【0054】
図20はスライダーの移動とこれに伴うローラー支持部の位置変化について概略的に示したものであり、(A)図に示すように、駆動ギヤ60によりスライダー61が矢印Sの方向(フィルムの搬送方向に対して平行な方向)に移動されると、傾斜面63、64とローラー支持部39、40のテーパー面45、46との当接により、ローラー支持部39、40が上記バネ部材(55、56)による付勢力に抗して矢印Bの方向(駆動ローラー側)に押されていき、(B)図に示す状態となる。この状態でさらにスライダー61を移動させるとローラー支持部39、40が矢印Bの方向へとさらに押されて行くので、フィルム16の駆動ローラー22への圧着力が強まり、(C)図の状態において圧着力が最大値となる。尚、ガイド41乃至44のテーパー面(47乃至50)はスライダー61の傾斜面63、64との当接を考慮して付けられており、この面がないとスライダーの移動に支障を来す。また、圧着機構34はローラー対(21、22)によりフィルム16を挟持する力を可変制御する機構でもあり、駆動ローラー22が回転しないように保持力を加えるとともにフィルム16を圧着ローラー21との間に挟み込んだ状態で、当該フィルムに接続されたワイヤー部材を引っ張ったときに受ける抵抗をスライダーの位置に応じて変えることができる。
【0055】
しかして、本装置を使用する場合には、動力モータ32から減速機33を介して駆動ローラー22を回転させるとともに、モータ58から減速機59を介して駆動ギヤ60を回転させてスライダー61を移動させることによりローラー支持部39、40の移動とともに圧着ローラー21をフィルム16に圧着させる。これによりフィルム16が圧着ローラー21と駆動ローラー22に挟まれて動力が伝達され、フィルム16が搬送される結果としてワイヤーの牽引等が行われる。
【0056】
フィルム16の搬送については、駆動ローラー22を常時回転させておき、圧着ローラー21によるフィルムへの圧着時に駆動力をフィルムに伝達する方法と、フィルムの駆動と圧着ローラー21のフィルムへの圧着とを同期させ、圧着と同時に駆動ローラー22を回転させる方法とがあり、ワイヤーの駆動を頻繁に行うには前者の方法が時間遅れが少ないという点好ましく、また、省電力化等の観点からは後者の方法が好ましい。尚、フィルムの搬送を行わない場合には、フィルム16に対する圧着ローラー21の当接を解除するためにモータ58を停止させるか又は回転方向を逆転させれば良く、バネ部材の付勢力によりローラー支持部39、40が非圧着方向(駆動ローラー22から離れる方向)へと移動される。また、図示は省略するが、フィルム端のうちワイヤーとの接続端とは反対側の端部には付勢力を与える機構又はフィルムの巻取機構等が設けられることは前述の通りである。
【0057】
図15乃至図20の例では、フィルム16の横断面形状(搬送方向に対して直交する面で切断したときの断面形状)が長方形状をしているが、これに限らず、図21に示すフィルム66のように、横断面形状が円弧状に湾曲した形状をした例が挙げられる。つまり、この場合には、フィルム面の一方が凸面67とされ、その反対面が凹面68とされているが、凸面67の側を圧着ローラー21に当接させる。これにより、駆動ローラー22とフィルム66との接触面積を減らすことができるので、フィルム66に対する動力伝達を行わない場合において、フィルム66が駆動ローラー22に接触して偶発的に移動させるといった誤動作を防ぐことができる。
【0058】
また、フィルムの非搬送時において、静電力を利用して圧着ローラーにフィルムを引き寄せるために、図3に示したような帯電機構を設ける場合には、機構部品(ガイドローラーや当接部材等)を圧着ローラーに対して付設するに際して、これらがスライダーの移動に支障を来すことがないように注意する必要がある。例えば、図22に示すように、圧着ローラー21に対して設けられるガイドローラー69や、布70を貼った当接部材71、これらの弾性支持部材72、72を、ローラー支持部39や40の側面に付設して支持のための突条部74、75をそれぞれ形成する等の構成が挙げられる。
【0059】
そして、図15、図17に示すように、平板状のガイド部17、18や19、20については、ガイド部17と18とが対向され、ガイド部19と20とが対向された状態とされ、かつ、圧着ローラー21の軸と駆動ローラー22の軸を通る線分を含んでフィルム16の搬送方向に直交する平面に関してガイド部17、18と19、20とが対称的な配置とされており、フィルム16が一直線上に沿って移動される構成となっているが、これに限らず、図23に概略的に示すように、フィルム16のうちガイド部76と77との間に挿通されたフィルム部分16aと、ガイド部78と79との間に挿通されたフィルム部分16bとが、角度「θ」の角度をもって搬送されるように、両ガイド部の中間的な位置に圧着ローラー80及び駆動ローラー81を配置させる構成を用いることができる。これは、他の部材との位置関係においてフィルムを一直線に沿って移動することができない場合(例えば、フィルムの搬送経路上に障害物が存在する場合等。)において有効である。
【0060】
また、図示した例では、1つの駆動ローラーに対して1つの圧着ローラーを設けたが、これに限らず、図24に示すように、1つの駆動ローラー82に対して2個以上の複数の圧着ローラーを設けてこれらと駆動ローラー82との間でフィルム83を挟持することで、圧着ローラーの小径化による装置の小型・薄型化が可能である。つまり、2個の圧着ローラー84、85のうちの一方84についてはそのローラー支持部86をスライダー87により圧着制御し、他方の圧着ローラー85についてはそのローラー支持部88をスライダー89により圧着制御する。
【0061】
この他、1つの駆動機構によって複数のフィルムを駆動する構成を採用しても良く、その際には、図25に示すように、図15乃至図18の機構15を横一列に並設し(図には3つの機構90、91、92を結合した例を示す。)、各機構によってそれぞれのフィルム93、94、95を各別に駆動するにあたって、動力モータや駆動ローラーを共用することで構成の簡単化を図ることが好ましい。つまり、図示の構成では、動力モータ96、97による回転力がそれぞれの減速機98、99を介して駆動ローラー100に伝達されて当該ローラーが駆動される。尚、各フィルムを挟んで駆動ローラー100とは反対側にそれぞれのフィルムを挟持するための圧着ローラー及びその圧着機構(図示せず。)が設けられているので、各フィルムの駆動を個別に制御することができる。つまり、各圧着ローラーにより、これに対応するフィルムを駆動ローラーに圧着させた状態で当該フィルムを駆動することができる。また、複数又は多数のフィルムを駆動していて、これらのフィルムに接続された各ワイヤー部材にかかる負荷が増加した場合には、これに応じて動力モータの出力を増加させ、また、1つ又は少数のフィルムの駆動時には、動力モータの出力を減らすように仕事量を調整する。
【0062】
ワイヤー部材の位置検出についてはフィルムの位置検出に置き換えて行うことができ、動力モータの回転状態の検出にはエンコーダ等が用いられる。そして、ワイヤーの張力を検出する張力検出手段については、張力の変化を抵抗値により検出できる歪みゲージや、ロボットハンド等の力制御に使用される各種の力センサー等が挙げられる。
【0063】
次に、ワイヤー部材を用いた手指の力覚提示について説明する。
【0064】
上記した回内・内外動作では1対のワイヤー部材の長さが互いに相反した関係をもって伸縮又は駆動されることを説明したが、これは筋のもつ役割をワイヤーの駆動によって代用していることと等価な関係にある(つまり、各ワイヤー部材が屈筋と伸筋に対応している。)。
【0065】
人体の筋については、1自由度の関節に対して最低2本の筋を協調動作させることによって屈曲や伸展を行っていることは周知の通りであり、例えば、指部における筋配置を図26に概略的に示す(「○」印は関節を示している。)。
【0066】
指の背面には指伸筋が配置され、掌面側には深指屈筋と浅指屈筋が配置されている。
【0067】
筋の代わりにワイヤー部材を使って関節の屈曲動作や伸展動作を行うためには、屈筋に相当するワイヤー(又はワイヤー群)と伸筋に相当するワイヤー(又はワイヤー群)を用意して、それらのうちの一方のワイヤーを緊張させたときに他方のワイヤーを弛緩させる制御を行えば良い。
【0068】
但し、手指のように自由度の多い関節構造においてワイヤー群とその駆動系を屈筋及び伸筋毎に用意すると、構成が複雑化し、多くの駆動源が必要になるので、装備の小型・軽量化にとって好ましくない。
【0069】
そこで、このような関節に対応する場所には、各種の弾性部材(後述する渦巻バネや、コイルバネ等。)を付設することで駆動部や動力部の削減及び省スペース化、軽量化を図ることが好ましい。即ち、手や指の背面に装着される装具については、これを複数の被覆部材から構成し、被覆部材にそれぞれ複数対のワイヤー部材を付設するとともに、被覆部材のうちの隣り合う部材同士を弾性部材によって連結して、手指の屈曲位又は伸展位の方向に力を付勢する構成を採用すると、ワイヤー部材の数を減らすことができる。
【0070】
その際、下記に示す2形態が挙げられる。
【0071】
(I)バネ部材の初期状態として関節の屈曲位を基準とし、この状態からワイヤー駆動により伸展位となる方向に装具の状態を変化させていく形態
(II)バネ部材の初期状態として関節の伸展位を基準とし、この状態からワイヤー駆動により屈曲位となる方向に装具の状態を変化させていく形態。
【0072】
つまり、形態(I)では、バネ部材によって常に屈曲位となる方向への付勢力が常に作用しているので、装具の装着時にはワイヤーを駆動して装具を伸展位の状態にした上で対象者に装着する。
【0073】
また、形態(II)では、バネ部材によって常に伸展位となる方向への付勢力が常に作用しているので、装具の装着時にはワイヤーを駆動する必要がない分、対象者への装具の装着は容易になるが、装具の状態を屈曲位の状態へと変化させるための機構や制御が形態(I)に比べて難しくなる。
【0074】
図27は力触覚装置101の基本構成を示したものであり、対象者に装着して使用する複数の装具については、装具を構成する被覆部材のうち、対をなす被覆部材102、102、例えば、上記したように手首サポーターと肘部サポーターに亘って複数対のワイヤー部材103、103が架け渡されている。
【0075】
そして、これらのワイヤー部材を駆動する駆動手段については、各ワイヤー部材をそれぞれ駆動するための駆動機構104、104と、そのサーボ制御や後述するクラッチ機構の制御を行うワイヤー駆動部105とを有する構成とされ、中枢制御部106からの制御信号を受けてワイヤー部材の駆動制御を行う。
【0076】
中枢制御部106は力触覚提示処理部107からの指令を受け取ってその内容を解釈し、これに従って各ワイヤー部材を制御するための信号を生成するものであり、また、対象の動作認識を行う場合や力覚提示制御中において、各ワイヤー部材の長さを検出するためのワイヤー長検出手段や、各ワイヤー部材の張力を検出するためワイヤー張力検出手段(これらは駆動機構104内に設けられている)によって必要な情報を取得する。
【0077】
力触覚提示処理部107は対象に付与する力触覚について指示内容を決める部分であり、例えば、ゲーム機器の場合には、コンピュータ・グラフィックスを駆使して視覚提示される仮想空間内で展開される物語に合わせて力触覚の提示信号を所定の記録媒体から読み出し、提示のタイミングを制御する。また、医療用機器として利用する場合には、治療や診断時において対象者に付与する力触覚の指示内容を手動又は半自動で選択して決定するための制御を行う。
【0078】
尚、この力触覚提示処理部107や中枢制御部106はコンピュータ等の計算手段を使って構成されるが、ワイヤー駆動部105をソフトウェアサーボで実現する場合にその一部又は全部をコンピュータ上でのプログラム制御に委ねることができる。
【0079】
図では、前腕の肘部付近に装着される第1の被覆部材として肘部サポーターを示し、手首の尺骨及び橈骨の突起部分に装着される第2の被覆部材として手首サポーターを示しており、これらの両部材に亘って一対のワイヤー部材103、103が架け渡されている。そして、中枢制御部106からワイヤー駆動部105に送出される制御信号により、一方のワイヤー部材を引っ張り、かつ他方のワイヤー部材を緩めることで、前腕の回内又は回外動作に係る力覚を提示することができる。また、各ワイヤー部材に一定の張力をかけた状態でワイヤー長の検出を行うことにより回内・回外の状態を把握することができる。
【0080】
手指の駆動については、上記したように、手や指の背面に複数の被覆部材を装着して、これらの被覆部材のうちの隣り合う部材同士を弾性部材で連結することによって、手指の屈曲位又は伸展位の方向に力を付勢し、被覆部材にそれぞれ付設された複数対のワイヤー部材を駆動して、手指の屈曲又は伸展を行う時には、駆動手段により、複数対のワイヤー部材を、弾性部材による付勢力に抗して引っ張るように制御を行う。尚、弾性部材として渦巻バネ、コイルバネ等を用いた具体的な構造については、後で詳述する。
【0081】
また、ワイヤー部材の端部を駆動機構に接続するに際して、両者の結合を強固にし過ぎると、対象に無理な力が働いたときに問題が起きる虞があるので、ワイヤー部材の端部を、電磁クラッチ機構を介して駆動手段に結合し、ワイヤーの張力が閾値を超えた場合に、ワイヤー部材と駆動手段との結合が解除されるように安全対策を講じることが望ましい。例えば、後述するように、ワイヤー部材に対して固定された永久磁石又は磁性体と、駆動手段のうちワイヤー部材との結合部分に設けられた電磁石とによって、電磁クラッチ機構を構成することができる。
【0082】
尚、本発明は、上肢に限らず下肢や他の部位に関する力覚提示にも同様に適用できることは勿論である。
【0083】
【実施例】
図28乃至図82は、本発明を映像や音声情報の提示とともに力触覚提示を行う装置に適用した例を示すものである。
【0084】
尚、力触覚提示の前提となる世界は2つあり、その1つは「仮想現実」の世界、もう1つは「仮想イリュージョン」の世界である。
【0085】
図28は両者の相違点を比較して説明するための概念図であり、「仮想現実」の世界では、人が現実に体験している現象を、映像や音声、力触覚の提示等を駆使することで仮想的に模倣し、当該現象によって人が受ける効果を同じ感覚でもって現出させることが目的となる。例えば、図示するように、「人が現実世界で本を手にとって読み始める。」という状況を考えた場合に、人は本からの視覚情報の他、本の重量感や本に触ったときの質感を感じとることができる。仮想現実の世界では、この状況と等価な環境を現出させるために、例えば、実体のない仮想の本VBを映像情報として対象者に供与するために対象者に視覚表示装置VD(ヘッドマウントディスプレイ等。)を装着してもらうことによって視覚情報を提供するとともに、力触覚提示装置を用いて本にかかる重力によって引き起こされる力覚や、本の表紙や紙面から受ける触覚の情報を提供する。つまり、この世界での仮想的体験は常に現実世界での体験と比較したり、対比することができる性質のものである。
【0086】
これに対して仮想イリュージョンの世界では、人が現実世界において実際に体験することが不可能な現象を、映像や音声、力触覚提示等を駆使することによって未体験の感覚として提示する。例えば、図示するように、「人が仮想世界で本を手にとって読み始める。」という動作を行うと、「本が砕けてその中から出た来た雪だるまが本の内容を人に語りかける。」といった非現実的な状況を仮想的かつ視覚的に現出させたり、力触覚提示装置を用いて雪だるまの重量から受ける腕の力覚や、手触り等の触覚情報、温度情報を提供することができる。つまり、この世界での体験は現実世界において起こり得ないものであり、現実世界の体験と比較されることがない。
【0087】
力触覚の提示にあたっては、このような2つの世界を充分に考慮した上で力触覚提示装置の構成及びその制御を行う必要がある。
【0088】
図29は装置全体のハードウェア構成例を示したものであり、対象者に装着して使用する装具類108と、その制御を司る中央制御部109、そして、これらの間に介在されて検出情報や出力情報の伝達を中継する入出力インターフェイス部110を具備している。
【0089】
先ず、装具類108には、例えば、下記に示すものが含まれる。
【0090】
(i)頭部に装着できる視覚表示及び音声出力装置(ヘッドマウントディスプレイ等)
(ii)両手に装着される力触覚提示及びモーションキャプチャー用の装具
(iii)胸部や腰に装着される装具。
【0091】
尚、本例では左右の手、前腕、上腕に対する触覚や力覚の提示や動作認識のための装具を使用しているが、脚等にも専用の装具を装着して力触覚の提示及び対偶の動作認識を行っても良いことは勿論である。また、装具全体を一体的に形成してこれを統括的に制御するよりは、各装具について各別に制御できる構成を採用すると、例えば、下記に示す利点が得られる。
【0092】
・装具をニーズに応じて変更したり、装具の追加が容易である
・配線の削減や配線変更に対して柔軟に対処できる。
【0093】
上記(i)の視覚表示及び音声出力装置111は、中央制御部109から入出力インターフェイス部110を通して送られて来る映像情報を対象者の眼前に映し出すものであり、中央制御部109から入出力インターフェイス部110を通して送られて来る音声情報(音楽や声等。)を出力する音声出力手段(ヘッドホンやスピーカー等)が内蔵されている。これによって映像と音声の情報を装置に対して同時的に受け渡すことができる。尚、本装置には磁気センサあるいはポヒマス・センサ(polhe-mus sensor)等が付設されており、対象者の頭部の位置や姿勢(傾き等)に関する検出情報を得ることができるようになっており、該検出情報は入出力インターフェイス部110を通して中央制御部109に送出される。
【0094】
上記(ii)の装具は手や腕に対する力触覚の提示及びこれらの動作認識のための機能を有しており、ワイヤーを使用した方法を採用している。尚、本装具と入出力インターフェイス部110との間でやりとりされる情報は多岐に渡るので、装具の機構説明の後に詳述する。
【0095】
上記(iii)の装具は胸椎や腰椎等に対する装具であり、これにはジャイロセンサが付設されている。つまり、ジャイロセンサは当該装具の位置や姿勢(傾き等)に関する検出情報を得るものであり、該検出情報は入出力インターフェイス部110を通して中央制御部109に送出される。
【0096】
このように、装具類108は、複数の部分によって構成されるが、以下では、(ii)の装具について説明する。
【0097】
図30乃至図32は装具の構成例を概略的に示したものであり、装具112は、手及び手首に装着される装具部分112H(以下、「手部サポーター」という。)と、前腕の肘寄りの部分に装着される装具部分112A(以下、「前腕部サポーター」という。)と、肘部での結合のために必要とされる装具部分112B(以下、「肘部結合用サポーター」という。)と、上腕部に装着される装具部分112U(以下、「上腕部サポーター」という。)とからなっている。
【0098】
これらのサポーターの装着にあたっては、例えば、図30に示すように、手を水平方向に伸ばして掌を上向きにした状態において、手部サポーター112Hを手の甲側、つまり、下側から装着し、前腕部サポーター112Aについても同様に前腕の下側から装着する。そして、肘部結合用サポーター112B及び上腕部サポーター112Uについては上方から肘部や上腕部に装着する。尚、肘部結合用サポーター112Bは前腕部サポーター112Aに結合される(図の2点鎖線を参照。)。また、上腕部サポーター112Uは上腕に巻き付けて使用できる形状を有している。例えば、1対のリング状部分112Urと112Urとが連結部112Uc、112Uc(図にはその一方だけを示す。)によって結合されており、各リング状部分については帯状部材を上腕に巻き付けた上で、その端部同士(上腕三頭筋に対応する部分であり、その割り位置を図に破線の円で示す。)を面状ファスナー等を用いて結合することでリング状部分112Urが環状となって上腕に巻着された状態になる。
【0099】
尚、装着の容易性を考慮した場合には、各サポーターを手や腕に対して同じ方向から装着できるようにすることが好ましい。例えば、図31に示すように、肘部結合用サポーター112Bを前腕部サポーター112Aに結合した状態(両サポーターをボタン止めによって結合する等。)にして肘部の下側から装着できるようにするとともに、上腕部サポーター112Uについては、各リング状部分112Urを構成する帯状部材を上腕に巻き付けた上で、その端部同士(上腕二頭筋に対応する部分であり、その割り位置を図に破線の円で示す。)を面状ファスナー等で結合して上腕に巻着できるようにする。これによって、全サポーターを予め組み立てて結合させた状態にしておいてから、これを同じ方向(図の下方から上方に向かう方向)から手及び腕に容易に装着することができるようになる。また、肘部結合用サポーター112Bを前腕部サポーター112Aに結合した状態では肘部結合用サポーター112Bの形状如何によって装着し難くなる場合があるので、そのときには肘部結合用サポーター112Bの中央部において腕の長さ方向に延びるスリットや切れ目等を形成すると良い。
【0100】
図32は全サポーターの上肢への装着を完了した状態を示している。
【0101】
次に、各サポーターの構成について順を追って説明する。
【0102】
図33乃至図35は左手用の手部サポーターの構成例について説明するための図である。
【0103】
図33は手部サポーター112Hの斜視図、図34は平面図、図35は側面図をそれぞれ概略的に示しており、これらの図において人間の手や腕に相当する部分は二点鎖線で示している。
【0104】
手部サポーター112Hは、下記に示す部分を有する構成とされている。
【0105】
・第1乃至第5指に対して背面側からそれぞれ装着されるサポーター112HA(以下、「手指サポーター」という。)
・手の甲に装着されるサポーター112HB(以下、「甲面サポーター」という。)
・手首に巻き付けるためのサポーター112HC(以下、「手首サポーター」という。)
・ワイヤーの駆動部(図33では図示を省略しているが、この構成については後述する。)を搭載するためにヒレ状に設けられたサポーター112HD(以下、「駆動ベースサポーター」という。)。
【0106】
尚、これらのサポーターに使用する材料については、例えば、スプリント材(熱可塑性プラスチック)等が挙げられるが、できるだけ薄くて軽い材料が好ましい。
【0107】
各手指サポーター112HAは、基本的には医療用指サックの形状を模して形成されており、伸展位の指背面を全体的に覆うことができるように、各指の骨に対応した被覆部を、バネ部材を使って指の側面で連結した構成を有する。つまり、第2乃至第5指については、各指の基節骨、中節骨、末節骨のそれぞれに対応した被覆部112HA1、112HA2、112HA3がそれぞれ各別に設けられており、拇指については末節骨と基節骨とにそれぞれ対応した被覆部112HA1、112HA2が各別に設けられている。そして、これらの被覆部は面状ファスナー等を使って指に固定される。
【0108】
図33乃至図35において多重円で示す部材は、隣り合う被覆部を指の側面において連結するための渦巻バネを表している。尚、自由度の多い指において関節に対応する場所には各種のバネ部材を付設した構造を採用すると、動力部の削減や省スペース化、軽量化を図るのに効果的である。つまり、人体の関節は単純な軸運動ではなく曲面同士の結合により瞬間中心(瞬間的な軸の中心となる位置)が変動しているので、この影響を除去するためには関節に対応する位置に適切なバネを使用する必要がある。
【0109】
図36は渦巻バネ113の形状例を示したものであり、渦の中心部113aを起点として外側にいくに従って次第に半径を増して最終的には互いに反対側に突出して延びる2つの端部113b、113bが形成されており、これらの端部が端部が隣り合う被覆部にそれぞれ固定されることで両被覆部に渦巻バネが架け渡されることになる。尚、この渦巻バネの材質としては、SWPB(ピアノ線の棒)等が挙げられる。
【0110】
渦巻バネ113は、各指の関節に対応する指の両側面の位置に配置されるようになっており、例えば、第2指乃至第5指の場合には、DIP関節(遠位指節間関節)やPIP関節(近位指節間関節)に対応する指側面にそれぞれ渦巻バネが配置された構成になる。
【0111】
尚、渦巻バネについては、図37の大円内に拡大して示すように、2連にした構造や、3角形の各頂点位置に渦巻バネをそれぞれ配置して連結して3連の構造等を用いることができ、これらによって各渦巻バネの巻き径が小さくても指の長手方向に沿ってバネが充分にたわむようになり、また、線材同士の接触に起因する曲げ角度の制限を緩和することができる。図に示す例では、指の末節に対して背面から付設された被覆部112HA1と、中節に対して背面から付設された被覆部112HA2との間に、2連構造の渦巻バネ113、113が指の側面において架け渡されており、該被覆部112HA2と、基節に対して付設された被覆部112HA3との間には、3連構造の渦巻バネ113、113、113が指の側面において架け渡されている。
【0112】
このような渦巻バネの採用は、サポーターの位置ずれ等に起因する動作時の違和感を軽減するのに有効である。尚、渦巻バネにおいて線材同士の接触が生じないようにするためには渦巻の形状を円形状でなく扇状にする等、干渉が起きないようにするための工夫を要する。
【0113】
また、各渦巻バネの反力に関するバラツキを低減するためには、反力を微調整するための機構を設けることが望ましい。
【0114】
図38乃至図40はバネ強度の調節機構について引張バネを使った構成例を示したものである。
【0115】
図38に示すように、調節機構114は、指の末節に対する被覆部112HA1と中節に対する被覆部112HA2とに跨る状態で両部材に取り付けられている。
【0116】
図39は、巻き上げタイプの機構例114Aを示するものである。尚、同図の(A)、(B)に示す図は、異なる状態での平面図をそれぞれ示し、(C)に示す図が(A)のC−C線に沿う断面図、(D)に示す図が(A)のD−D線に沿う断面図を示している。
【0117】
図示するように、2つの部材115、116との間で2本の引張バネ(あるいは引張コイルバネ)117、117が張設された状態となっている。尚、一方の部材115が被覆部112HA1に固定され、他方の部材116が被覆部112HA2に固定される。
【0118】
部材116を構成する筐体116aの内部には、2本の引張バネ117、117が部分的に挿通される案内用の通路118、118が形成されており、各引張バネ117の一端部がワイヤー119、119の一端にそれぞれ接続されており、各ワイヤーの他端部119aが巻き上げ軸120(円柱軸)に巻着された状態で固定されている。そして、各引張バネ117の他端部は上記の部材115に固定されており、当該部材と巻き上げ軸120との間で引張バネ117の長さが調節できる構成となっている(図に示す「ΔL」を参照。)。
【0119】
巻き上げ軸120は、その両端部が筐体116aの側面に形成された支持孔121、121にそれぞれ挿通されることで回転可能な状態で支持されており、(A)図、(B)図に示すように、その中程の部分には巻き上げ軸120の回転中心軸と同軸であってこれより大径とされた2つの円板部122、122が一体的に形成されている。そして、円板部122、122の間には、両円板部122よりは小径の歯状部123が形成されており、上記通路118、118の間に位置するように形成された凹部124内には、ストッパー125と、該ストッパー125の爪部(先端部)125aを歯状部123の歯の間に当接させて押しつけるための付勢力を得る圧縮コイルバネ126が収容されている。尚、ストッパー125の爪部125aと歯状部123とは、両者の係合関係においてラチェット機構を構成しており、円板部122、122を(D)図の時計回り方向に回転させて引張バネ117を伸張させること(バネの巻き上げ動作)はできても、その逆、つまり、円板部122、122を(D)図の反時計回り方向に回転させて引張バネ117を緩めることはできない構造になっている(尚、ストッパー125の爪部125aの解除機構については説明を省略する。)。
【0120】
しかして、本構成では、円板部122、122を操作してこれを回転させることによって引張バネ117、117の長さを調整することができるので、渦巻バネ113と調節機構114Aとを組み合わせることで反力の微調整を行ってそのバラツキを小さくすることができる。
【0121】
図40はスライドタイプの機構例114Bを示しており、(A)に示す図は平面図、(B)に示す図は、(A)図のB−B線に沿う断面図を示している。
【0122】
被覆部112HA2に固定される部材116Bの筐体116Ba内には、スライダー127が摺動可能な状態で収容されており、各引張バネ117の一端部がこのスライダー127に固定されている。即ち、各引張バネ117のうち、部材115に固定された端部とは反対側の部分が、筐体116Baに形成された2つの挿通孔128、128を通してそれぞれ筐体116Ba内に導入された上でスライダー127に固定されている。
【0123】
スライダー127には、これを引張バネ117の長手方向に沿って移動させる際に操作するための操作部127aが形成されるとともに、その位置を保持するために(B)図の上方を向いて突設した三角爪127bが形成されており、該三角爪127bは、図示するように、筐体116Baの上面部において横に突き出した突起部129、129(図には簡単化のため2対だけを示す。)に係合される。つまり、当該突起部129、129に対する三角爪127bの係合位置によってスライダー127の位置が決まることになる。尚、(B)図に示すように、三角爪127bのやや下方の位置にはスリット127cが形成されており、突起部129、129に対する三角爪127bの係合を解除する際に、三角爪127bの形成部分が容易に歪むように配慮されている。
【0124】
しかして、本構成では、スライダー127を操作して、その三角爪127bと突起部129との間の係合時の位置関係を規定することにより当該スライダー127の位置決めを行うことで、スライダー127と部材115との間に張設された引張バネ117、117の長さを調整することができる。これにより、渦巻バネ113とこの調節機構114Bとを組み合わせることで反力の微調整を行い、そのバラツキを小さくすることができる。
【0125】
図41は、渦巻バネ113のバネ強度を調節するための調節機構130を渦巻バネの付け根に設けるようにした構成例を示したものである。
【0126】
この場合には、渦巻バネ113の一端部113bがスライド機構131を構成するスライダー132に固定されており、該スライダー132の位置を規定することでバネ強度の調節が可能である。
【0127】
即ち、収容部133内に摺動可能な状態で受け入れられたスライダー132において、スリット132aが形成された部分の断面形状が略コ字状をなしており、その一方の先端部に係止爪132bが形成されている。そして、該係合爪132bは収容部133に形成された複数の係止孔133a、133a、・・・のうちのどれかに係合されるようになっており、この状態で別の係止孔133bに固定ピン134を通してスライダー132を螺止め等で固定することで当該スライダー132の移動を阻止して、その位置規定を指の長さ方向において行うことができる。尚、渦巻バネ113の他方の端部113bについてはこれを被覆部に直接固定しても良いし、又は調節機構130と同様の調節機構を介して被覆部に固定しても良い。
【0128】
図42は指の大きさ(幅)に合わせた被覆部の調整機構の一例を概略的に示したものであり、(A)図が小さい指への付設状態、(B)図が大きい指への付設状態をそれぞれ示している。
【0129】
この例では被覆部112HAが3つの部分112HA_α、112HA_β、112HA_γから構成されており、これらが蝶番バネ等で形成された回動軸135、135によって連結されている。尚、3つの部分のうち両端に位置する部分の末端には上記調節機構130、130が回動軸135、135を介してそれぞれ結合されている。
【0130】
上記した例では、関節に対応する指の側面に渦巻バネを配置する構成としたが、渦巻バネの代わりに、被覆部の背面に蝶番式コイルバネを用いた構成を採用しても良く、その構成例を図43に示す。
【0131】
各被覆部の背面において、112HA1と112HA2との間、112HA2と112HA3との間にはこれらの部材を連結するための背面バネ136、136が取り付けられており、該背面バネ136は横断面形状が四角形状(正方形や長方形等)をなしたコイルバネの部分136a、136aと当該部分を連結する蝶番部136bとから構成されている。
【0132】
これらの背面バネ136は、図43(B)に示すように、その初期状態において屈曲位となるように設置され、後述するワイヤー部材(被覆部の背面に沿って配置される。)の引張力により、図43(A)に示すように、伸展位となるよう動作させることができる。その際、コイルバネの干渉によって指の屈曲、伸展に支障を来さないので、動作がぎこちなくなることはない。尚、バネの初期状態として指の伸展位の状態(つまり、(A)図の状態)としても構わないが、その場合にはワイヤー部材の引き廻しを掌面側にする必要がある。
【0133】
図44や図45に示すように、各指の指サポーター112HAには、2本のワイヤー部材137、137(シリコーンチューブにタングステン製ワイヤーを通したもの。)がそれぞれれ設けられており、これらは各被覆部の背面において指の長さ方向に沿って延び、甲面サポーター112HB、手首サポーター112HCを経て駆動ベースサポーター112HD上にまで及んでいる(これらのワイヤーの伸張は駆動ベースサポーター112HDに取り付られた図示しない駆動機構部により制御されるが、その詳細は後述する。)。
【0134】
各指の付け根の部分にそれぞれ装着される被覆部材の間には、V字状バネを配置してそのバネ掛け部を隣り合う被覆部材にそれぞれ固定した構成が用いられ、例えば、図46に示すように、第2指乃至第5指の各指サポーターの間においてMP関節(中手指節関節)の近辺にV字状バネ138、138、138が付設されている。つまり、これらのV字状バネは第2指と第3指との間、第3指と第4指との間、第4指と第5指との間において、基節に対する被覆部の側面にそれぞれ取り付けられており、当該バネの初期状態は手指部の外転位であって手の甲を平にした状態を基準としている。これは外転位を初期状態として内転動作を行うため及び手部の対立動作を行うため、そして、各指サポーターを連結することによる強度向上のためであるが、V字状バネに内転、外転の機能を付与しない場合にはバネの内転位を初期状態とすれば良い。また、後述する対立動作のための機構を採用する場合にはV字状バネを不要にすることもできる。
【0135】
図47はV字状バネ138の形状例を示したものであり、(A)が側面図、(B)が(A)において矢印B方向から見た図である。
【0136】
V字状バネ138は、その断面形状が円形状をしたコイル部139と、該コイル部から突設された2本のバネ掛け部から構成されており、バネ掛け部については、コイル部139から延長された直線部140、140が側方からみてハ字状に延びている。つまり、その端部140a、140aがバネ掛け片としてコ字状に屈曲された形状になっており、これらが被覆部に取り付けられる。
【0137】
手の甲の背面に装着される被覆部材としての甲面サポーター112HBについては、これを複数の構成部材から構成し、各構成部材を蝶番部材で連結されており、かつ、連結された部材同士の間隔を自在に変化させるためのスライド機構を蝶番部材に対してそれぞれ設けた構造が望ましく、例えば、図48に示すように、第3指と第4指との間を通って紙面に垂直に延びる平面によって2つに分断された被覆部112HBa、112HBaを有しており、両被覆部は、同図に1点鎖線で示す軸「R−R」(これが対立動作の中心軸となる。)の回りに回動可能な状態で連結されている。
【0138】
尚、図示する例では、被覆部112HBa、112HBaを連結する部材が、3つの蝶番バネ141、141、141と、これらの各蝶番バネを軸R−Rに直交する方向にスライド可能な状態で支持するための支持機構142、142、142を備えている。つまり、被覆部同士を単に蝶番バネ141で接合しただけの構造において、外転位の状態では、掌面を平らにした状態(掌面をほぼ平面状にした状態であり、以下、この状態を「平坦位」という。)でしか被覆部112HBa、112HBaを手の表面に密着させることができず、手をつぼめて湾曲させた状態(掌面を凹面状に湾曲させた状態であり、以下、この状態を「湾曲位」という。)において、手の甲の表面に被覆部112HBa、112HBaを充分に密着させることが難しいからである。
【0139】
図49は蝶番バネ141の形状例を示すものであり、(A)に示す図はコイル部141aの軸方向から見た側面図、(B)は矢印B方向から見た図、(C)は矢印C方向から見た図である。
【0140】
コイル部141aの両端部からそれぞれ突出してコ字状に屈曲された一対の屈曲片141b、141bは、(A)の図に示す状態では、角度「φ」をなしている。尚、蝶番バネ141の自然状態(無負荷状態)では、この角度φが180度より稍小さい値とされ、よって、コイル部141aの軸方向から見た蝶番バネ141の状態がヘ字状になっている(これは平坦位における手の甲の背面が全くの平坦面でないことに依る。)。
【0141】
図50は蝶番バネ141の支持機構142の一例についてその要部のみを示したものであり、(A)はバネの収容状態を示し、(B)はコイル部141aの軸方向から見た状態の変化を示している。
【0142】
収容部(あるいはハウジング)143、143は、蝶番バネの屈曲片141b、141bをそれぞれ収容するものであり(図には、一方の屈曲片141bとのその収容部143だけを示す。)、開口144、144が形成されている。つまり、コイル部141aの一端部から出た屈曲片141bの一部分が一方の開口144を通して収容部143内に受け入れられた状態になっており、開口144と144との間には、屈曲片141bの抜け止め用にストッパー突部145が形成されている。そして、蝶番バネ141は、(B)図に示すように、屈曲片141bが収容部143内に殆んど収まった状態と、屈曲片141bの大半部が収容部143から出た状態との間に亘って摺動が可能である(図の「Δx」を参照。)。
【0143】
尚、図50では便宜上、一方の屈曲片141bについてのみ図示しているが、他方の屈曲片141bについても同様にして収容部143内において摺動可能な状態で受け入れられている。
【0144】
また、蝶番バネ141の摺動時において、その移動方向をより確実に規定するためには、蝶番バネを案内するためのガイド手段(ガイド溝等)を収容部143内に設け、これに対応した被ガイド部を蝶番バネの屈曲部に形成する等の構成を用いることが好ましいが、図50には基本的な構成だけを示し、それ以上の詳細な機構等の説明は割愛する。
【0145】
上記した軸R−Rについて、ゴム等の弾性部材で形成した1つの円柱軸146により被覆部112HBa、112HBaを連結する場合には、図51に示すように、円柱軸146の側面に対して支持機構142、142、・・・を付設すれば良い(図では円柱軸146の両端寄り部分及び中央部に嵌合された部材を各支持機構142によってそれぞれスライド可能な状態で支持している。)。
【0146】
また、図48や図51に示す構成では、甲面サポーター112HBを2つの部分に分断したが、これに限らず、第2指と第3指との間、第4指と第5指との間についても同様に被覆部を分断して、これらを回動可能であってかつ回動軸に直交する方向にスライド可能な状態とすることが望ましい。
【0147】
甲面サポーター112HBを構成する被覆部112HBa、112HBaと各指サポーター112HAとの連結構造については、例えば、各被覆部の背面に図50で示したスライド機構142を付設することにより、蝶番バネ141で被覆部112HBa、112HBaと指サポーターの被覆部112HA3とを連結する方法が挙げられるが、図48や図51に示すように、手の甲の背面に装着される被覆部材には、指毎に内転・外転のための動作機構(あるいは回動機構)147、147、・・・をそれぞれ付設するとともに(図にはそれらのうちの2つだけの部分だけを示す。)、当該機構を構成する回動部材の先端部に渦巻バネ(113、113、113)を付設してこれを指サポーター(112HA3)に連結することが好ましい。
【0148】
各動作機構147は、各指に対して設けられる一対のワイヤー部材を各別に駆動する際の軸運動によって内転・外転方向への動作を可能にするために指毎に付設されるものであり、内転・外転に係る向きの違いを除いていずれも同様の構成を有しているので、以下では、その一つだけを取り出して説明する。
【0149】
図52において、動作機構147を構成する回動部材147aは被覆部112HBaに形成された収容部148内にその大半部が受け入れられた状態とされ、図に示す点「RC」を回動中心として、矢印「R」の方向に回動し得る構成となっている。尚、回動部材147aのうち点RCとは反対側の端部には渦巻バネ(113、113、113)が固定されているが、その構成については後で詳述する。
【0150】
収容部148内の空間については、回動部材147aのうち回動中心点RCの付近では回動部材147aとの隙間が少なくなっているが、回動中心点RCから遠ざかるにつれて次第に隙間が大きくなっていき、図示する例では、収容部148の開口付近に板バネ149が付設されている。この板バネ149は、その一端部が収容部148の側壁に回動可能な状態で取り付けられており、回動部材147aに対して一定方向(図の時計回り方向)への付勢力を与えるものである。
【0151】
つまり、その初期状態においては、(A)図に示すように、板バネ149の付勢力によって、当該板バネ149とは反対側に位置する収容部148の側壁に回動部材147aが押しつけられた状態となっているが、外転時には、(B)図に示すように、回動部材147aが板バネ149の力に抗する方向に回動していき、最終的には回動部材147aがそれ以上回動できない状態となる(内転時にはこれとは逆に(B)の状態から(A)の状態へと変化する。)。
【0152】
尚、図53の動作機構147Aに示す例では、板バネ149の代わりに2つの磁石(永久磁石又は電磁石)150、151が使用され、その一方の磁石150が収容部148の開口付近の内壁に固定され、他方の磁石151がこれに対向した回動部材147aの側面に固定されている。よって、本構成では、初期状態においては、磁石150と151との間に働く斥力により回動部材147aが収容部148の側壁(図の上方に位置する側壁)に押しつけられた状態となっているが、外転時には回動部材147aが磁石同士の反発力に抗して図の反時計回りに回動していくことになる。
【0153】
また、図52に示した例では、回動部材147aと収容部148との隙間が回動中心RC近辺で狭くなっているが、これに限らず、図54の動作機構147Bに示すように、回動中心RCを収容部148Bの開口近辺に設定するとともに、当該回動中心RCから遠ざかって収容部148Bの奥に入るにつれて回動部材147aとの隙間が次第に大きくなるようにし、回動部材147aの端部と収容部143の側壁との間に板バネ152を配置した構成を用いても構わない。
【0154】
要するに、第2指及び第3指については第1指に近付く方向に回動部材147aが回動できるようにし、また、第4指及び第5指については第3指から遠ざかる方向に回動部材147aが回動できるように、各収容部内に回動部材の可動範囲をそれぞれ確保すれば良い。
【0155】
回動部材147aのうち、収容部148から突出した端部には、渦巻バネを使った連結部が設けられており、指サポーターに固定される。
【0156】
図55はその構成例の要部を部分的に示したものであり、図36に示した渦巻バネを3つ用意し、これらを横一列に並べた上でそれぞれの中心部を軸部材153で結合し(例えば、図の大円内に拡大して示すように2つの半円柱状部材153a、153aで各渦巻バネの中心部を挟み込んだ上で、半円柱状部材153aの両端部に円環状部材154、154を装着(環装)する等。)、各渦巻バネ113の一端部を回動部材147aに固定し、他端部を上記した指サポーターの被覆部112HA3に固定する。尚、複数の渦巻バネを並設する理由は、内転・外転運動時におけるバネのたわみを減少させるためであり、軸部材153を付設することによってさらにたわみを少なくすることができる。
【0157】
これらの渦巻バネの初期状態としてはMP関節の屈曲位を基準としているが、MP関節の屈曲・伸展をスムーズに行うためには、スライド式の反力調整機構を付設することが好ましい。
【0158】
図56はスライド式反力調整機構の構成例155を示すものであり、(A)図は平面図、(B)図は(A)におけるB−B線に沿う断面図を示している。尚、一対のスライド機構155a、155bのうちの一方155aが指サポーター側の被覆部に取り付けられ、他方155bが甲面サポーター112HB側の被覆部に取り付けられる。
【0159】
各渦巻バネ113はスライド機構155aと155bとの間に挟まれた状態で、その両端部が各スライド機構のスライド部材156a、156bにそれぞれ固定されている。つまり、スライド機構155aを構成するスライド部材156aの一端部には各渦巻バネ113の端部が固定され、他端部が収容部材157a内に受け入れられた状態で2つのコイルバネ158a、158aが固定されている。
【0160】
これらのコイルバネ158a、158aは、互いに平行な位置関係をもって収容部材157a内に配置されており、各コイルバネのうち、スライド部材156aに固定された方とは反対側の端部が操作部材159aに固定されており、該操作部材159aの位置を規定することによってスライド方向におけるコイルバネの反力を調整することができるように構成されている。尚、操作部材159aに形成された係合部160aは、収容部材157aに形成された図示しない複数のストッパ溝の一つに係合されることで操作部材159aのスライド方向における位置決めがなされる。また、収容部材157aに形成されて渦巻バネの付近まで張り出した部分161はMP関節に対応した突起部(これがないとワイヤー部材が皮膚に接触する虞がある。)である。
【0161】
他方のスライド機構155bについても上記スライド機構155aと同様の構成を有しており、スライド部材156bの一端部に各渦巻バネ113の端部が固定され、他端部が収容部材157b内に受け入れられた状態で2つのコイルバネ158b、158bが固定されている。つまり、互いに平行な位置関係をもって収容部材157b内に配置されたコイルバネ158b、158bのうち、スライド部材156bに固定された方とは反対側の端部に操作部材159bが固定されており、該操作部材159aに形成された係合部160bを、収容部材157bに形成された図示しない複数のストッパ溝の一つに係合させることで操作部材159bのスライド方向における位置決めを行い、これによってスライド方向におけるコイルバネの反力を調整することができる構成となっている。
【0162】
尚、渦巻バネ自身の調整機構については、例えば、前記した機構114(図39、図40参照。)を用いることができ、図示するように、その収容部(116、116B)が一方のスライド部材156bの上に固定されるとともに、部材(115)が渦巻バネ113の中心よりややスライド部材156b側にずれた位置に取り付けられており、当該部材がワイヤー162を介して他方のスライド部材156a上に固定用部材163を介して取り付けられている。この調整機構の設置場所としては、渦巻バネ113を結合している軸部材153より背面側に選定することが、当該機構と指との接触の問題を回避するために好ましい。
【0163】
このように、コイルバネ(158a、158b)のスライド方向における反力の調整と、渦巻バネ(113)の回転方向における反力の調整とを独立して行えるように構成すると、MP関節の動作をさらに滑らかにすることができる点で有効である。
【0164】
尚、図56に示す機構において渦巻バネ113を使用せずに、一対のスライド部材156aと156bとを蝶番や回動機構等で連結した場合には、この機構を全ての指関節について被覆部の背面に配置することができ、この場合には図43で示した背面バネ136を使った機構の別の実施例となっていることが分かる。
【0165】
拇指のCM関節における対立動作については、図57や図58に示すように、甲面サポーター112HBに対して回動機構164を付設する。つまり、この回動機構164は、前記した外転・内転の動作機構(図52乃至図54を参照。)を応用したものであり、当該機構を構成する回動部材164aは、蝶番バネを用いた回動軸165を介して甲面サポーター112HBの被覆部112HBaの側面に連結されている。尚、蝶番バネについては、手をつぼめて湾曲させたときの状態を初期状態とする(図58の破線参照。)。
【0166】
回動部材164aは、図に点「RC」で示す回動中心の回りに所定の角度範囲をもって回動できるように支持されており、本例では、2つの磁石166、167を使って回動部材147aに図の時計回り方向への付勢力を付与している。つまり、回動軸165寄りに位置に付設された磁石166と、これに対応した回動部材164aの側面位置に付設された磁石167との間に作用する斥力により生じる反発力が回動部材164aを回動軸165から遠ざけるように働く。尚、これらの磁石の代替として板バネ等を使用しても良いことは勿論である(図52、図54を参照。)。
【0167】
回動部材164aの端部と、拇指の基節の被覆部との間には、図49、図50に示したスライドバネ、あるいは図55に示した渦巻バネ等を使った機構が配置されるが、バネの初期状態はこの場合も屈曲位とする。
【0168】
尚、甲面サポーター112HBでは、MP関節の屈曲・伸展動作や、対立動作に関する機構が必要となるが、各機構の動作に関与するワイヤーの配置や駆動制御については、後述するワイヤーの駆動部との関連において併せて詳述する。
【0169】
次に、手首サポーター112HCについて説明する。
【0170】
手首サポーター112HCは時計ハンドのように手首に巻き付けてから面状ファスナー等を用いて固定されるが、ワイヤー駆動時における局部的な圧迫を手首に与えないように注意すべきである。
【0171】
そのためには、手首サポーター112HCのうち手首と接触する面に緩衝部材を設置するか、あるいは、図59の(A)図に示すように手首に緩衝部材168を巻き付けてから、(B)図のように手首サポーター112HCを装着することが望ましい。つまり、緩衝部材168は、ワイヤー駆動に伴う表皮の巻き込みを防止する役割を果たす。尚、図では手首サポーター112HCにおいて2つのヒンジ部分169、169が形成されており、巻き込み防止用の緩衝部材170、171が中間部材としてサポーターと緩衝部材168との間に介挿された構成となっている。
【0172】
駆動ベースサポーター112HDについても、その一部(又は手首サポーターと一体の場合には当該手首サポーター)を手首170に巻き付けてから面状ファスナー等を用いて固定されるが、本サポーターではワイヤーの駆動機構を搭載するために平坦状をした領域がある程度必要となり、また、駆動機構が回内・回外時において前腕部サポーター112Aと接触しないようにすべきである。尚、手首サポーター112HCと駆動ベースサポーター112HDとを別個に設けた構成と、両者を一体的に作成した構成とが挙げられるが、装着の容易さの観点からは後者の方が好ましい。
【0173】
駆動機構としては、例えば、下記に示す構成が挙げられるが、小型化・薄型化に適した構成が好ましい。
【0174】
・ワイヤーが接続されたフィルムをスライドさせる機構
・電磁クラッチ手段とスライド式駆動部を用いた機構。
【0175】
フィルムをスライドさせる機構例について前記した通りであり、モータによって回転駆動される駆動ローラーと、所定の圧着力を付勢するための圧着ローラーを設け、両ローラーの間にフィルムを挟み込んで該フィルムをスライドさせることでワイヤーを駆動する。
【0176】
図60はワイヤーをモータ部に直接的には接続せずに、両者の間に電磁クラッチ機構を介在させた構成例174を示すものである。本機構は、ワイヤー部材にかかる張力が閾値を超えた場合にワイヤー部材とその駆動手段との連結を解除することで、対象にそれ以上の大きな力がかからないように制御するために必要とされる。
【0177】
シリコーンチューブ等の可撓性に富む管状部材175内に通されたワイヤー173の末端には永久磁石176(あるいは鉄等の磁性体)が固定されており、該永久磁石176のうち、ワイヤー173とは反対側の位置に接触検知用センサ177が付設されている。また、この永久磁石176と対をなす電磁石179が設けられており、これにはセンサ177に対向した接触検知用センサ178が付設されている。そして、該電磁石179は張力センサ180を介してスライド式駆動部181の出力軸に結合されたワイヤー部181aに固定されている。尚、スライド式駆動部181にはリニアモータ等が使用され、その内部には出力軸やワイヤー部181aの位置を検出するための検出手段(エンコーダ等)が設けられている。また、永久磁石176や電磁石179、張力センサ180、ワイヤー部181aは管状部材175内に配置されている。
【0178】
本構成では、永久磁石176と電磁石179が電磁クラッチ機構を構成しており、電磁石179の励磁によって該電磁石179と永久磁石176との間に引力が発生するために両者が吸引された状態となり、これが接触検知用センサ177、178によって検出される。そして、この状態でスライド式駆動部181によりワイヤー部181aを駆動すると、図の右方(スライド式駆動部181に近づく方向)に作用する力が張力センサ180、さらには電磁石179及び永久磁石176を介してワイヤー173の末端に働く(張力センサ180はこの時のワイヤーの張力を検出する。)。その後、ワイヤー173への駆動力を増加させていくと、ある範囲まではワイヤーの張力が次第に増して行くことになるが、当該張力がある閾値(電磁石179と永久磁石176との吸引力によって決まる値)を越えると、電磁石179と永久磁石176とが離れてしまう(この分離状態は接触検知用センサ177、178によって検出される。)ので、それ以上の力がワイヤーにかからないように制限される。つまり、ワイヤーに過度の力が作用して当該ワイヤーが引っ張られた場合には、ワイヤーの先に接続された部材(サポーター)に対して許容範囲外の好ましくない力がかかってしまう虞があるが、上記構成では電磁石179と永久磁石176との分離が、ワイヤーに必要以上の力がかからないように保証してくれる。尚、張力センサ180によって検出されたワイヤーの張力が予め決めておいた基準値以上となった場合に、電磁石179の励磁状態を変更して磁極を反転させることで、該電磁石179と永久磁石176とが反発するように制御して両者を積極的に分離する方法を採用しても良い。
【0179】
図61は電磁クラッチ機構の別例182について、ワイヤー端との連結部分だけを部分的に取り出して概略的に示したものであり、(A)図が要部の断面図、(B)図が駆動側の部材を示し、(C)図がワイヤー取付側の部材を示しており、(D)図はこれらの部材を摺動自在な状態で支持している側壁部をそれぞれ示している。
【0180】
収容部183内には、2つの部材184、185がスライド可能な状態で支持されており、その一方の部材185がワイヤー173との連結部材であって、これにワイヤー173の端部が収容部183の孔183aを挿通された後で固定され、また、他方の部材184は、連結部材185と係合された状態において当該部材を所定の方向にスライドさせるためのスライド部材として機能する。つまり、磁性体で形成された連結部材185は、(A)図に示すように、横から見た形状がほぼL字状をしており、また、(C)図に示すように、その両側面にそれぞれ突設された2つの軸端部185a、185aが、収容部183の側壁に形成されたガイド長孔183c、183c(図にはその一方だけを示す)に挿通されている。つまり、連結部材185は、ガイド長孔183c、183cに沿ってスライド自在な状態であって、かつ軸端部185a、185aの回りに回動可能な状態で収容部183の側壁に支持されている。
【0181】
また、スライド部材184の先端部にはほぼ直方体状をした電磁石186が付設されており、当該先端部の両側面にそれぞれ形成された突部184a、184a((B)図を参照。)は、収容部183の側壁において上記ガイド長孔183c、183cと平行して延びるように形成されたガイド長孔183b、183b(図にはその一方だけを示す。)に挿通されている。尚、スライド部材184は図示しない駆動機構(例えば、上記のフィルム駆動機構やリニアモータを使ったスライド式の駆動機構等)により、ガイド長孔183b、183bに案内されて直線的に移動される。
【0182】
本機構182では、連結部材185を強磁性材料で形成するか、または、連結部材185のうち、スライド部材184の電磁石186に対応した位置に永久磁石を付設することによって、電磁クラッチ機構を構成する。即ち、図61(A)に2点鎖線で示すように、連結部材185と、スライド部材184の端部との係合が外れた状態から、スライド部材184の電磁石186を励磁すると、両者が係合した状態になるので、スライド部材184を同図に矢印Sで示す方向に動かすと、これによってスライド部材184の端部が連結部材185に係合されるので連結部材185及びワイヤー173が引っ張られることになる。そして、ワイヤー173の張力が大きくなり、連結部材185に対する電磁石186の吸着力を超えた場合には、両者の係合が解除される。よって、電磁石186の励磁時に必要なエネルギーは電磁石186と連結部材185との係合に必要な程度で済み、このときの吸引力によってワイヤー173にかかる張力の許容上限値を決定できる。
【0183】
尚、連結部材185とスライド部材184の端部とが係合状態にあるか否かの検出には、例えば、検知用端子を両部材に付設して両端子の接触又は非接触の状態検出として行う方法や、フォトカプラー等の光検出手段によって両部材の接触や近接状態の如何を検出する方法(例えば、連結部材185側に光センサやフォトカプラー等を付設し、スライド部材184には光を遮断する遮光部を形成しておき、当該遮光部によって光センサの光が遮られた場合に連結部材185とスライド部材184とが係合していると判断し、光が遮られない場合に両部材が係合していないと判断する。)等、部材間の相対的な位置検出法には各種の形態が挙げられる。
【0184】
尚、この他、ワイヤーの駆動源と駆動機構を分離する方法がある。例えば、駆動源については大容量のものを使って複数のワイヤーの間で共用して、これを、例えば、腰椎への装具に付設して人が背負えるように構成するとともに、電磁クラッチやER流体(電気粘性流体)等を使った軽量な駆動機構だけを駆動ベースサポーター112HD上に設置すれば良い。また、駆動源としてはモータに限らず、空圧源を用いてシリンダ部を駆動ベースサポーター112HD上に設置する等、各種の形態を採用できることは勿論である。
【0185】
次に、駆動ベースサポーター112HD上に配置された駆動機構によって制御される各ワイヤーの配置について説明する。
【0186】
尚、ワイヤーは動力を伝達する媒介手段として人体の筋の働きを模写したものであるが、その材質については、タングステンワイヤーや、装具を縫合するための糸の表面に耐摩耗性のポリマーを塗布したもの等が挙げられる。また、ワイヤーが皮膚に直接接触した場合における皮膚の損傷を防止するために、ワイヤーをシリコーンチューブ等の管状部材の中に挿通した状態で使用する(管状部材をサポーター内に埋設した状態で配線する等。)ことが安全上の観点から好ましい。例えば、シリコーンチューブの場合には、これにワイヤーを通した場合の初期状態においてその形状が管状を保っているが、ワイヤーが引っ張られたときにシリコーンチューブが収縮するので、皮膚表面を傷つける危険性がない。
【0187】
先ず、手指サポーター112HAに付設されたワイヤーについては、図44に示すように、各指の末節の被覆部を起点として、各被覆部の背面にそれぞれ取り付けられた2本ずつのワイヤー137、137が、甲面サポーター112HBの被覆部112HBa、さらには手首サポーター112HCを経由して駆動ベースサポーター112HD上の図示しないワイヤー駆動機構に接続されている。
【0188】
図62及び図63は第2乃至第5指の指サポーターにワイヤー部材を付設した状態を例示したものであり、各被覆部の背面に沿ってワイヤー対137、137がそれぞれ取り付けられている。
【0189】
尚、隣り合う被覆部の間や、被覆部のエッジ部等に位置するワイヤー部分について応力が集中し易い場合には、図64に示すように被覆部の所定箇所に小型の支持部材187、187、・・・(玉軸受や滑車等。)を付設して、これらにワイヤー部材137を通して配線することが耐久性の向上にとって好ましい。また、その際には、糸や合成繊維等で形成したワイヤーを使用することで支持部材187の内径を小さくすることが望ましい。
【0190】
手指サポーター112HAにおける第2指乃至第5指の動作について、図62、図63に示した各ワイヤーの働きは下記に示す通りである。
【0191】
・屈曲位から伸展位への移行時には、各指の背面に配置されたワイヤー対を上記駆動機構によって同時に引っ張る
・伸展位から屈曲位への移行時には、各指の背面に配置されたワイヤー対を上記駆動機構によって同時に緩める
・内転から外転への移行時には、第3指と第4指との間を通る対立動作の中心軸に関して、これより遠い方のワイヤー部材(第2指、第3指については第1指に近い方のワイヤー部材137A、また、第4指と第5指については第1指から遠い方のワイヤー部材137B)を同時に引っ張り、他方のワイヤーについては同時に緩める
・外転から内転への移行時には、上記と逆になる。即ち、第3指と第4指との間を通る対立動作の基準軸に関して、これに近い方のワイヤーを同時に引っ張り、他方のワイヤーを同時に緩める。
【0192】
拇指の動作については、図57に示すようにワイヤー部材が配置されており、指の被覆部の背面に沿って付設された2本のワイヤー部材137、137(図にはその一方だけを示す。)が、上記した回動機構164を構成する部材、さらに手首サポーター112HCを経由して駆動ベースサポーター112HD上のワイヤー駆動機構に接続される。また、回動機構164を構成する回動部材164aに端を発する2本のワイヤー部材137C、137Cが、甲面サポーター112HBの被覆部112HBa及び手首サポーター112HCを経由して駆動ベースサポーター112HD上のワイヤー駆動機構に接続される。
【0193】
よって、手指サポーター112HAにおける拇指の動作についての各ワイヤーの働きは下記に示す通りである。
【0194】
・屈曲位から伸展位への移行時には、拇指の背面に配置されたワイヤー対(137、137)を同時に引っ張る
・伸展位から屈曲位への移行時には、拇指の背面に配置されたワイヤー対(137、137)を同時に緩める
・湾曲位から平坦位への移行時には、甲面サポーターを経由するワイヤー対(137C、137C)を同時に引っ張る
・平坦位から湾曲位への移行時には、甲面サポーターを経由するワイヤー対(137C、137C)を同時に緩める。
【0195】
対立動作とともに内転・外転動作を実現するためには、図65に示すように、第2乃至第5指の掌面側(MP関節の前面側)に2本のワイヤーを配置する。尚、(A)図は初期状態(外転・平坦位)を示し、(B)図はV字状バネ138の反力に抗した内転・湾曲位の状態をそれぞれ示している。
【0196】
図65に示すように、第2乃至第5指の基節部を覆う被覆部112HA3、112HA3、・・・については、指の掌面を覆う部材188、188、・・・がそれぞれ設けられ、これら部材に跨るように各ワイヤー部材137D1、137D2を付設する。例えば、一方のワイヤー部材137D1については、第5指を起点として、第4指、第3指、第2指を経由した上で、図66に示すように、甲面サポーター112HBの被覆部112HBa′の背面に沿って引き廻された後、被覆部112HBaの内面(皮膚側の面)を通ってから該被覆部の背面から抜け出て手首サポーター112HCを経由して駆動ベースサポーター112HD上のワイヤー駆動機構(図示せず。)に接続される。また、他方のワイヤー137D2については、図65に示すように、第2指を起点として、第3指、第4指、第5指を経由した上で、図66に示すように、甲面サポーター112HBの被覆部112HBaの背面に沿って引き廻された後、被覆部112HBa′の内面(皮膚側の面)を通ってから該被覆部の背面から抜け出て手首サポーター112HCを経由して駆動ベースサポーター112HD上のワイヤー駆動機構(図示せず。)に接続される。尚、2本のワイヤーが甲面サポーター112HBにおいて部分的にその内面側で交差した配置となっている理由は、甲面サポーター112HBの被覆部112HBa、112HBa′を駆動して対立動作を補助するためである。また、各ワイヤーが第2乃至第5指の掌面側で跨るように配置するにあたっては、掌面からみた場合に、これらがなるべくV字状バネ138のコイル部139の中心付近を通るようにすることが好ましい。
【0197】
対立動作におけるワイヤーの働きは下記に示す通りである。
【0198】
・平坦位から湾曲位への移行時には、ワイヤー137D1、137D2を同時に引っ張る
・湾曲位から平坦位への移行時には、ワイヤー137D1、137D2を同時に緩める。
【0199】
手関節の動作については、図67にワイヤー配置を示す。尚、(A)図は背面からみた図、(B)図は橈骨側からみた図、(C)図は掌面からみた図である。
【0200】
図67(A)に示すように、甲面サポーター112HBの被覆部112HBa、112HBa′の背面において、これらの周縁寄りの位置を起点とするワイヤー部材137E1、137E1′は手首サポーター112HCの背面を経由した後、駆動ベースサポーター112HD上の図示しないワイヤー駆動機構にそれぞれ接続されている。尚、ワイヤー部材137E1の端部が被覆部112HBaに固定され、ワイヤー部材137E1′の端部が被覆部112HBa′に固定されている。
【0201】
また、図67(C)に示すように、甲面サポーター112HBにおけるMP関節寄りであって周縁部の内側の場所(拇指と第2指との間及び第5指の脇)を起点するワイヤー137E2(拇指と甲面サポーターとの間を通って引き廻される。)、137E2′は手首サポーター112HCの掌面側をそれぞれ経由した後、駆動ベースサポーター112HD上の図示しないワイヤー駆動機構にそれぞれ接続されている。そして、第3指及び第4指の基節部の掌面側に取り付けられる被覆部112HA3、112HA3をそれぞれ起点として掌面上で交差した配置のワイヤー部材137E3、137E3′については、手首サポーター112HCの掌面側を経由した後、駆動ベースサポーター112HD上の図示しないワイヤー駆動機構にそれぞれ接続されている。尚、一方のワイヤー部材137E3はその端部が第4指の被覆部に固定され、掌面上を拇指に対して次第に近付くように引き廻されており、また、他方のワイヤー137E3′は、その端部が第3指の被覆部に固定され、掌面上を拇指に対して次第に遠ざかるように引き廻されている。
【0202】
手関節の動作における各ワイヤー部材の役割は下記の通りである。
【0203】
・背屈から掌屈への移行時には、甲面サポーターの掌面側に配置された2本のワイヤー部材137E2、137E2′を同時に引っ張る(又は、第3指及び第4指に対する2本のワイヤー部材137E3、137E3′を同時に引っ張る)とともに、甲面サポーターの背面側に配置された2本のワイヤー部材137E1、137E1′を同時に緩める。
【0204】
・掌屈から背屈への移行時には、甲面サポーターの背面側に配置された2本のワイヤー部材137E1、137E1′を同時に引っ張るとともに、甲面サポーターの掌面側に配置された2本のワイヤー部材137E2、137E2′を同時に緩める(又は、第3指及び第4指に対する2本のワイヤー137E3、137E3′を同時に緩める)。
【0205】
・尺屈から橈屈への移行時には、甲面サポーターの背面側に配置されたワイヤー部材137E1′と、掌面側のワイヤー部材137E2、137E3を同時に引っ張るとともに、甲面サポーターの背面側に配置されたワイヤー部材137E1と、掌面側のワイヤー部材137E2′、137E3′を同時に緩める。
【0206】
・橈屈から尺屈への移行時には、甲面サポーターの背面側に配置されたワイヤー137E1と、掌面側のワイヤー部材137E2′、137E3′を同時に引っ張るとともに、甲面サポーターの背面側に配置されたワイヤー部材137E1′と、掌面側のワイヤー部材137E2、137E3を同時に緩める。
【0207】
尚、手関節のワイヤー駆動のための駆動機構やその駆動源(モータ等)の取付位置としては、駆動ベースサポーター112HDにおいて尺側手根屈筋と橈側手根屈筋の始点位置に相当する場所が理想的であるが、この要請を厳密にし過ぎると、駆動源についての配置の自由度がなくなってしまう虞があるので、駆動ベースサポーター上における駆動機構等の配置については注意が必要である。
【0208】
また、手指サポーター112HAや甲面サポーター112HBについて、指の屈曲位を初期状態としてバネ部材の付勢力を設定している場合には、サポーターの装着時にワイヤー部材を引っ張ることで伸展位の状態とする必要があるが、その際、手首サポーター112HCに状態保持のための機構を付設することが好ましい。即ち、装具の着脱を容易にするためには、着脱時において対偶の状態を一時的に保持・固定するための保持機構を設けると良い。
【0209】
図68及び図69はそのような機構例を示したものである。
【0210】
手首サポーター112HCの背面に付設されたスライダー機構189は、スライド部材190とその収容部191を有しており、甲面サポーター112HBのうちスライダー機構189に対向した場所には、スライド部材190の端部形状に対応した形状をした凹部192が形成されている。
【0211】
よって、手部サポーター112Hの装着にあたっては、先ず、図68に示すように、スライド部材190を引き出して、これを凹部192内に収容した状態とすることで、手首が固定されて曲がらないように規制される。その後、図69に示すように、指の駆動ワイヤー群を引っ張ることにより各サポーターを伸展位の状態にしてから装具に手を装着すると作業がし易くなる。尚、サポーターの使用時には、スライド部材190を収容部191内に戻しておけば、以後の動作に支障を来すことはない。
【0212】
次に前腕部サポーター112Aについて説明する。
【0213】
本サポーターは肘部近辺を被覆する役割をもち、回内・回外動作時に手指サポーター112HA及び駆動ベースサポーター112HDの基底部となる。そして、これは前腕の背面側から面状ファスナー等を使って取り付けられ、前腕の回内・回外動作に係るワイヤーの配置及びその駆動機構の取付にとって必要なものである。尚、回内・回外動作による尺骨の回動に対して干渉しないように装着時には肘部からほぼ3分の1程度の範囲内に本サポーターが配置されるようにする。また、サポーターのうち肘関節寄りの側面には2つの突起部が互いに反対方向を向いて突設されているが、これらには後述するように肘関節動作のワイヤーが取り付けられるようになっている。
【0214】
図70は回内状態におけるワイヤー配置について背面側から示したものであり、2本のワイヤー部材193、193′は、それらの一端が手首サポーター112HCに固定されて、他端が前腕部サポーター112Aに付設されたワイヤー駆動機構194に接続されている。尚、ワイヤー部材193が前記したワイヤー部材WAに相当し、ワイヤー部材193′が前記したワイヤー部材WBに相当しており、それらの役割は既述の通りである。
【0215】
図71は前腕の動作を示しており、(A)が回内状態、(B)が立位状態、(C)が回外状態をそれぞれ示している。
【0216】
一対のワイヤー部材193、193′については、一方のワイヤー部材を緊張させて引っ張る際に、他方のワイヤー部材を弛緩させることで関節の回内・回外動作が行われ、その動きは下記の通りである。
【0217】
・回内から回外への移行時には、ワイヤー部材193を引っ張り、ワイヤー部材193′を緩める。
【0218】
・回外から回内への移行時には、上記とは逆にワイヤー部材193′を引っ張り、ワイヤー部材193を緩める。
【0219】
尚、図72に示すようなC字状のガイド部材195を前腕部サポーター112Aの側面に付設するとともに、当該部材195と前腕部サポーター112Aの間に形成される間隙に駆動ベースサポーター112HDの後端部を挟み込んだ状態で、回内・回外動作の確認ができるように構成しても良い。つまり、この場合には、回内・回外動作時に駆動ベースサポーター112HDがガイド部材195の湾曲面(内面)に案内されて前腕の長さ方向の軸回りに回動することになる。
【0220】
図73は肘部結合用サポーター112Bの構成例を示すものである。
【0221】
このサポータは、前腕部サポーター112Aと上腕部サポーター112Uとに亘って設けられているワイヤーの着脱を可能にするために、前腕部サポーター112Aに対して肘部において結合するために設けられている。つまり、(A)図に示すように、装着状態では、肘部結合用サポーター112Bはほぼ三日月形状をしており、前腕部サポーター112Aの肘寄りの部分を被覆している。尚、前腕部サポーター112Aへの取り付け方法に関しては、(B)図に示すように、肘部結合用サポーター112Bと前腕部サポーター112Aに金属製ボタン等の点状ファスナー196、196、・・・を付設して容易に着脱できるようにする。また、上腕部サポーター112Uの装着に手間取ることがないように、肘部結合用サポーター112Bの中央部には、腕の長さ方向に沿うスリット197(図に1点鎖線で示す。)を予め形成しておくことが望ましい。
【0222】
図74は上腕部サポーター112Uの構成例を概略的に示すものであり、上腕二頭筋と上腕三頭筋の領域に対する被覆が予定される部分をカットした形状となっている。これは、前腕の屈曲・伸展動作時に上腕二頭筋や上腕三頭筋の形状変化が顕著に認められるため、これらの筋肉によるサポーターとの干渉を極力回避する必要があることに依る。尚、上腕二頭筋の中央には正中神経が配置されており、当該神経への過度の圧迫は、第1乃至第4指の背面感覚領域や第1指、第2指の運動領域について麻痺を誘発する危険があるため、上腕二頭筋を皮膚表面から被覆しない構成は、正中神経への圧迫を防止するという目的にも適っている。
【0223】
上腕のうち前腕寄りの位置に巻着されたリング状部分(基本的立位姿勢において下側の支持部)112Ur1と、肩関節寄りの位置に巻着されたリング状部分(基本的立位姿勢において上側の支持部)112Ur2とを連結する連結部112Uc、112Ucは、上腕側面において長手方向に延びており、この部分は肘関節の屈曲動作時に湾曲し、上腕二頭筋の形状変化に対応してリング状部分112Ur1、112Ur2を上腕二頭筋の収縮方向へと変位させる。
【0224】
また、上腕二頭筋の経路がリング状部分112Ur1、112Ur2と交差する場所については当該部分を皮膚表面からやや浮かした状態としている。これは屈曲動作時に起こる筋変形による圧迫を回避するためである。
【0225】
尚、これらリング状部分については、面状ファスナーを使って上腕部に巻き付けているだけであるため、着脱は容易である。
【0226】
肘関節における屈曲・伸展動作をワイヤー駆動によって実現するためには、上腕二頭筋と上腕三頭筋を模倣したワイヤー配置が必要である。
【0227】
即ち、図示するように、前腕部サポーター112Aの側面に突設された突起部198、198をそれぞれ起点とする2本ずつ、合計4本のワイヤー部材が付設されており、そのうちのワイヤー部材199a、199aが突起部198、198の付け根の上部から上腕の側面にかけてそれぞれ引き廻された後、連結部112Uc、112Ucにそれぞれ付設されたワイヤー部材の駆動機構200a、200aに接続されている。また、ワイヤー部材199b、199bは、突起部198、198の先端の下側部分から上腕の側面にかけてそれぞれ引き廻された後、やはり連結部112Uc、112Ucにそれぞれ付設されたワイヤーの駆動機構200b、200bに接続されている。尚、ワイヤーの駆動機構を連結部112Uc、112Ucに付設しない場合には、例えば、肩関節や胸椎等に付設するサポーターに取り付ける等、各種の実施形態が挙げられる。
【0228】
肘関節の動作においては、一対のワイヤー部材のうち、一方のワイヤー部材を緊張させて引っ張る際に、他方のワイヤー部材を弛緩させることで関節の屈曲又は伸展動作が制御され、各ワイヤー部材の動きは下記のとおりである。
【0229】
・伸展から屈曲への移行時には、ワイヤー部材199a、199aを引っ張るとともに、ワイヤー199b、199bを緩める。
【0230】
・屈曲から伸展への移行時には、ワイヤー部材199b、199bを引っ張るとともに、ワイヤー部材199a、199aを緩める。
【0231】
しかして、各サポーターとワイヤーの配置等が明らかになったところで、図29に戻って力覚提示に必要な制御要素をまとめてみると、下記のようになる。
【0232】
A)検出のための要素
・ワイヤー長あるいは位置検出用のセンサ
・ワイヤーの張力検出用のセンサ
B)駆動制御のための要素
・ワイヤーの駆動源及び駆動機構
・電磁クラッチ等、安全のための保護機構
・対偶の状態保持のための機構。
【0233】
先ず、A)に示す検出手段のうち、ワイヤー長あるいは位置検出用のセンサについては、例えば、ワイヤー部材の駆動機構内に設けられた位置検出用センサが挙げられる。
【0234】
また、ワイヤーの張力検出用のセンサについては、例えば、図60に示す駆動機構における張力センサ180が挙げられる。
【0235】
尚、これらのセンサによって取得される検出情報は入出力インターフェイス部110を介して中央制御部109に送出される。
【0236】
次に、B)におけるワイヤーの駆動源及び駆動機構については、中央制御部109から入出力インターフェイス部110を介して送られて来る制御信号によって各ワイヤーの駆動制御が行われる。
【0237】
また、電磁クラッチを使った保護機構については、ワイヤーに過度の力が加わる前にワイヤーと駆動機構(又は駆動源)とを切り離すものであり、例えば、図60、図61のように永久磁石と電磁石を組み合わせた構成が挙げられる。
【0238】
対偶の状態保持のための機構は装具の着脱時に必要とされ、例えば、図68、図69に示したようにスライダー機構189を使って対偶の姿勢を一時的に保持するものである。尚、本機構を手動で操作する方法もあるが、中央制御部109から入出力インターフェイス部110を介して送られて来る制御信号によってスライダー機構189の駆動源を制御することが好ましい。
【0239】
尚、力覚に加えて触覚や温覚(あるいは熱覚)を提示する場合には、手指サポーター112HAに触覚提示機構と発熱・吸熱装置を付設する。
【0240】
図75は指先にクリック感を提示するための構成例を示すものである。
【0241】
指先の背面部を覆う被覆部112HA1の先端には、回動軸201を介して触覚提示板202が設けられており、駆動手段203によって触覚提示板202が回動軸201の回りに駆動される構成となっている。つまり、同図に矢印Rで示すように、触覚提示板202は指先の掌面側に回り込むようにして指先部分に接触され、そのときの押圧力(触覚に係る強弱)又は接触の有無が駆動手段203によって規定される。尚、この駆動手段203については、被覆部の背面に取り付けられたモータ及び減速機等の動力伝達機構や電磁式プランジャー等により触覚提示板202を回動させる構成、あるいは、触覚提示板202を指側に付勢するための付勢手段をその回動軸に付設するとともに被覆部の背面を通ってから触覚提示板202に固定されたワイヤー等の力伝達部材を、遠隔位置(駆動ベースサポーター上等)に設けられた機構によって駆動する構成等が挙げられるが、要は触覚提示板を指先の掌面側に接触させるための機構であればその如何は問わない。また、触覚提示板によって指先に加わる押圧力の程度を検出するためには、触覚提示板の状態を検出するセンサ、あるいは触覚提示板のうち指との接触場所に圧力センサを配置する等、各種の方法が挙げられる。
【0242】
そして、指先に温覚を提示するには、例えば、ペルチェ素子等を使った発熱/吸熱装置204を、触覚提示板202のうち指との接触場所に配置するとともに、その場所での温度を検出する温度検出用のセンサを設け、当該センサで得られた検出値が指令値となるように発熱/吸熱装置204についてフィードバック制御を行えば良い。
【0243】
図76は指先に素材の感触を提示するための構成例を示すものである。
【0244】
本例では触覚提示板205のうち、その回動軸201に近い場所に駆動ローラー206を設けるとともに、回動軸201から遠い方の端部には従動ローラー207を設け(駆動ローラーと従動ローラーとの位置関係は逆でも良い。)、両ローラーに亘って無端の帯状部材208(例えば、絹、麻、木綿、毛糸、化学繊維等で形成した布)が張架されている。つまり、駆動ローラー206の回転によって、同図に矢印Kに示す方向(又はその逆方向)に帯状部材208が搬送駆動される構成となっている。その際には、駆動ローラー206又は従動ローラー207の回転検出用のセンサ等を付設して、帯状部材208の送り速度が速くなり過ぎないように監視すること(帯状部材と指との過度の摩擦熱が発生しないようにすること)が好ましい。
【0245】
また、帯状部材208の駆動時において、当該帯状部材208に接触することで摩擦熱を発生させるための摩擦熱発生用部材209(ゴム材料等の摩擦係数の高い材料で形成されている。)は、例えば、触覚提示板205の回動軸201に付設されており、帯状部材208のうち駆動ローラー206の近辺に接触される。つまり、ローラー206、207による帯状部材208の駆動機構と、摩擦熱発生用部材209とによって発熱装置が構成されている。尚、駆動ローラー206が回転している間、摩擦熱発生用部材209が帯状部材208に対して常に接触されていると摩擦熱が常に発生することになるので、熱の提示が不要なときには摩擦熱発生用部材209の帯状部材208への接触を解除するための機構を設けることが好ましい(本機構は摩擦熱発生用部材209と帯状部材208との接触状態を加減して発熱量を制御する場合にも使用できる。)。
【0246】
しかして、上記の構成では、触覚提示板205を回動させ、帯状部材208を指の掌面に接触させた状態にすることで指に素材の感触を提示できることは勿論、この状態で駆動ローラー206を回転させて帯状部材208の送り制御を行うことにより、指先に対して物体の移動を伴う触覚を提示することができる。さらには、摩擦熱発生用部材209を帯状部材208に接触させたときに発生される摩擦熱を帯状部材208から指先に伝達することで温覚を提示できる。
【0247】
以上に説明した触覚や温覚の提示に必要な制御要素をまとめると、下記のようになる。
【0248】
C)検出のための要素
・触覚提示に必要なセンサ(圧力センサやローラーの回転検出用センサ等)
・温覚提示に必要な熱や温度検出用のセンサ
D)駆動制御のための要素
・指先へのクリック感の提示機構
・指先への素材感の提示機構
・発熱/吸熱装置。
【0249】
先ず、上記C)の触覚提示に必要なセンサについては、例えば、前記した触覚提示板202が指先に予定した押圧力でもって接触されるように制御したり、あるいは、帯状部材208の送り速度を制御するために使用される。そして、熱や温度検出用のセンサは、温覚提示を行う場合の温度制御に使用されることは勿論、過度の熱提示が行われないようにするためにも必要である。尚、これらのセンサによって得られる検出信号は全て入出力インターフェイス部110(図29参照。)を介して中央制御部109に送られる。
【0250】
上記D)の提示機構については、触覚提示板202、205の駆動機構や帯状部材208の送り機構が挙げられ、また、発熱/吸熱装置については、前記したように触覚提示板202に温熱・冷却素子(204)を付設した構成や、帯状部材208との接触により摩擦熱を発生させる機構が挙げられるが、これらに対する制御信号は中央制御部109から入出力インターフェイス部110を介してそれぞれの機構に対して送出される。
【0251】
尚、上記した装具類108と入出力インターフェイス部110との間の情報伝達については、これを有線式通信で行っても無線通信で行っても構わないが、対象者の動作や移動の自由度を制限しないという観点からは無線通信の方が好ましい(例えば、IEEE1934の規格に準拠した赤外線又は無線を使った入出力インターフェイス等。)。
【0252】
次に中央制御部109の構成について説明する。
【0253】
図77は中央制御部109において視覚・聴覚情報に関する情報処理部分の構成例を主として示したものであり、映像・音声合成部210と統括制御部211を備えている。
【0254】
映像・音声合成部210は、統括制御部211により仮想空間について規定される規則に従ってポリゴンデータ等の形状データやテクスチャーデータに基づいて映像(ステレオ映像等。)信号や音声信号を生成して、これらをヘッドマウントディスプレイ等の視覚表示及び音声出力装置に出力したり、あるいはテクスチャーデータに含まれる重量、力覚や触覚、温覚等の情報を統合して後述する位置及び力覚制御部に提供する役割をもっている。尚、重量、力覚や触覚、温覚等の情報を、材質の質感等を表現するテクスチャーデータに包含させる理由は、その方がデータ量を削減できるからである。
【0255】
前記したように力触覚提示では仮想現実と仮想イリュージョンとを区別する必要があり、そのために、本例では仮想現実データベース部210aと仮想イリュージョンデータベース部210bとを独立して設けている。
【0256】
仮想現実データベース部210aを構成する構築されたデータベースは下記の通りである(括弧内は符号を示す)。
【0257】
a)環境データベース(210a_1)
b)人体データベース(210a_2)
c)衣服データベース(210a_3)
d)道具データベース(210a_4)。
【0258】
先ず、環境データベース210a_1は、仮想現実世界を体験する被験者(の疑似映像)が、仮想現実空間において存在するための環境を提供するデータ群であり、例えば、無限平面や部屋等の映像データである。但し、被験者が触ったり、動かす等して仮想的に影響を及ぼすことのできる物体(仮想物体)、例えば、襖、椅子、窓、武器等のデータは道具データベース210a_4に含まれるので、壁や天井、景色等のように動かせないものが環境データベースのデータとなる。
【0259】
人体データベース210a_2は仮想世界を体験する被験者自身、あるいは登場人物(仮想人物)の映像や音声データを含むデータベースである。
【0260】
衣服データベース210a_3は被験者の着衣や登場人物の衣類を構成するためのデータベースであり、例えば、甲冑やドレス等の構成データが含まれる。
【0261】
道具データベース210a_4は、被験者が力学的作用を及ぼして動かすことのできる物体(仮想物体)を構成するためのデータベースであり、例えば、コップや椅子等の構成データが含まれる。
【0262】
仮想イリュージョンデータベース部210bについては、人間が実際に体験できない現象を仮想的に作成して構成するためのデータベースが使用され、例えば、触ると融けて軟らかくなる壁や、握手すると融け出す人間、火や水でできた甲冑、触ると砕け散って雪だるまが出て話出す本等、幻想の世界を仮想的に生成するための一切のデータが含まれる。尚、このデータベースについても、上記した仮想現実データベースの場合と同様に、a)乃至d)のデータベースに対応するデータベースによって構成されるが、各データベースの区分けについて、仮想現実データベースの場合ほどの厳密さは要求されない。例えば、仮想現実データベースの場合には、環境データベースと道具データベースとの区別に関して、被験者が触って動かせるか否かが判断の基準となっているが、仮想イリュージョンデータベースの場合には、被験者が触らなくても動かせる仮想物体があり得るので、これを道具データベースに包含させても問題はないし、壁が衣服に変化する場合にはこれを衣服データベースに包含させても良いからである。
【0263】
これらのデータベースはいずれも映像情報に基づく視覚的な提示に利用するためのものであり、これらはポリゴン(データ)生成部210cにより参照される。このポリゴン生成部210cは上記した各種のデータベースに基づいて各種のポリゴンデータを生成するために必要とされ、各データベースにそれぞれ対応した生成部(環境データベース210a_1に対する環境ポリゴン生成部210c_1、人体データベース210a_2に対する人体ポリゴン生成部210c_2、衣服データベース210a_3に対する衣服ポリゴン生成部210c_3、道具データベース210a_4に対する道具ポリゴン生成部210c_4)が設けられている。尚、人体ポリゴン生成部210c_2では、後述する現状モーション生成部からのデータに基づいて被験者のポリゴンデータを生成する。
【0264】
また、仮想イリュージョンデータベース部210bについても仮想現実データベースの場合と同様にポリゴン(データ)生成部210dが設けられている。
【0265】
仮想ポリゴン合成部210eは、上記したポリゴン生成部210c、210dによって生成されたデータを合成して出力する部分であり、画像合成された情報(ステレオ映像等)は視覚表示及び音声出力装置111(ヘッドマウントディスプレイ等)の(ステレオ)映像出力装置212に送出される。
【0266】
情報統合部(210f乃至210h)は、各ポリゴン生成部から得たテクスチャーデータから重力、力覚、触覚、温覚のデータを取り出してまとめた上で、各データ群を後述する位置及び力覚制御部に送出する。つまり、重力についての情報は重力情報統合部210fで抽出された後に後述の重力認識部に送られ、力覚についての情報は力覚情報統合部210gで抽出された後に後述の力覚認識部に送られる。また、触覚と温覚についての情報は触覚及び熱情報統合部210hにおいて抽出された後に、両者が後述の触覚認識部及び熱認識部に送られる。
【0267】
干渉比較部210iは、各ポリゴン生成部によって得られた全てのデータに基づいて、例えば、被験者と仮想物体との間に干渉が起きているか否かを判別するために設けられており、干渉がある場合、即ち、仮想物体との接触や仮想物体から受ける力覚や温覚の提示を要する可能性があると判断した場合に、下記に示す割り込み(INT)を発生させる。
【0268】
・位置又は力覚制御に対するINT(例えば、値「0」のとき「位置制御」を示し、値「1」のとき「力覚制御」を示す。)
・触覚制御に対するINT(例えば、値「0」のとき「制御なし」を示し、値「1」のとき「制御あり」を示す。)
・温覚制御に対するINT(例えば、値「0」のとき「制御なし」を示し、値「1」のとき「制御あり」を示す。)。
【0269】
尚、これらによる制御内容については後述する。
【0270】
映像・音声合成処理部210への入力情報は、前記した磁気センサやジャイロセンサによって得られる検出情報であり、磁気センサ(図の「MGS」)の検出情報は音声信号処理部210jや仮想ポリゴン合成部210eに送出され、ジャイロセンサ(図の「JYS」)の検出情報はポリゴン生成部210cに送出される。
【0271】
音声信号処理部210jは仮想現実世界や仮想イリュージョンの世界における音源のデータベースに基づいて音声情報を生成し、これを視覚表示及び音声出力装置111の音声出力部213に送出する。尚、この音声信号処理部210jは、仮想現実と仮想イリュージョンとの間で共用できる。
【0272】
統括制御部211は、仮想現実又は仮想イリュージョンの世界を視覚表示・音声出力装置111や力触覚・温覚提示用の装具を通して現出させるか否かの選択や、前記保護機構(危険回避の機構)の作動後における復旧の判断を行ったり、仮想現実や仮想イリュージョンの世界での閉じた規則を司っている中枢部分である。尚、この統括制御部211は、装具の着脱性を向上させるため、対偶の状態を一時的に保持するのに使用する対偶保持機構214の制御も行っている(図68、図69のスライダー機構189において、装具を着る時や脱ぐときに、スライド部材190を移動させる。)。
【0273】
次に、位置や力覚、触覚及び温覚の制御について説明する。
【0274】
図78は中央制御部109を構成する位置及び力覚制御部215と、触覚及び温覚制御部216の構成例を示したものである。
【0275】
位置及び力覚制御部215は下記に示す構成要素を備えている(括弧内は符号を示す。)。
【0276】
・位置認識部(215a)
初期のキャリブレーション(後述する)によって取得したデータ等をもとにして各ワイヤー長から関節の角度を求める処理を行う。そのために、ワイヤー長を検出するセンサ(図の「WLS」)から検出情報を受け取り、認識結果についてはこれを後段の実重力認識部に送出する。
【0277】
・実重力認識部(215b)
上記重力情報統合部210fから得られる被験者の重量データに、装具の総重量を示すデータを加算するとともに、位置認識部215aによって得られた情報に対して実際の重量データを付加する。つまり、これによって装具を纏った被験者の重量が決定される。
【0278】
・仮想重力認識部(215c)
上記重力情報統合部210fからの仮想物体に重量を付与し、実重力認識部215bで得たデータに対して仮想重量データが付加される。例えば、被験者が仮想物体である本を手にもった場合には、本に付与された仮想重量(仮想物体に対して想定した重量)を加味する必要がある。
【0279】
・力覚認識部(215d)
張力センサ(図の「TTS」)からの情報を取得したり、力覚情報統合部210gからの仮想物体による力覚の情報及び仮想重力認識部215cからの仮想重量とに基づいてどの程度の力覚を被験者が受けるかを算定する。例えば、被験者が仮想物体を手にもっている状況を想定した場合には、当該仮想物体が現実の物体であったとしたときに手や腕が受けるであろう力を計算により認識する。但し、上記した干渉比較部210iからの位置又は力覚制御に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「0」のときには動作しない。
【0280】
・現状モーション生成部(215e)
後述の予測モーション生成部とともにモーション生成部を構成する部分であり、上記実重力認識部215bからのデータ及び人体データベース210a_2のワイヤーフレームデータに基づいて、被験者の現時点におけるモーションをワイヤーフレームデータとして取得し、これを人体ポリゴン生成部210c_2や後述の危険回避制御部に送出する。但し、上記した干渉比較部210iからの位置又は力覚制御に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「1」のときには動作しない。
【0281】
・予測モーション生成部(215f)
力覚認識からのデータ及び人体データベース210a_2のワイヤーフレームデータに基づいて、被験者について予測されるモーションをワイヤーフレームデータとして取得し、これを後述のワイヤー長制御部に送出する。但し、上記した干渉比較部210iからの位置又は力覚制御に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「0」のときには動作しない。
【0282】
・危険回避制御部(215g)
現状モーション生成部215eによって得られるワイヤーフレームに基づいて人体によって危険な体位を取ろうとする時や、関節の許容角度を逸脱するような体位が予測される場合に、ワイヤーとその駆動源とを切り離して防止するものである。例えば、永久磁石と電磁石を使った電磁クラッチ機構217において両者を分離することで、ワイヤーの駆動を禁止する。
【0283】
図79は電磁クラッチ機構を用いたときの制御動作の一例を示したフローチャート図である。
【0284】
先ず、ステップS1において接触検知用センサからの検出信号を取得した後、次ステップS2において、電磁クラッチ機構が結合状態にあるか否かを判断する。例えば、図60に示す例では、ワイヤー173に固定された永久磁石176と、スライド式駆動部181のワイヤー部181aに対して固定された電磁石179とが結合しているか否かを、接触検知用センサ177、178からの検出信号に基づいて判断し、両者の結合によってワイヤー173をスライド式駆動部181で引っ張ることができる状態である場合には、ステップS4に進むが、そうでないときはステップS3に進んでスライド式駆動部181を制御してワイヤー部181aがワイヤー173に近付くように移動させた後、ステップS1に戻る。
【0285】
ステップS4において張力センサ(TTS)からの検出信号を取得した後、次ステップS5ではワイヤーの牽引力が危険な状態にあるか否かが問われ、これが安全圏内にある場合には、ステップS4に戻るが、そうでない場合には次ステップS6に進み、電磁クラッチ機構が非結合状態となる(例えば、永久磁石と電磁石とが分離する。)。
【0286】
尚、ステップS7における機構的な割り込みの発生時、例えば、ワイヤーへの牽引力が急上昇して危険状態が発生し、これに対して緊急に対処する必要がある場合には、次ステップS8に進んで、ワイヤーの牽引力が永久磁石の吸着力を越えたときにステップS6に進む。また、ワイヤーの牽引力が永久磁石の吸着力以下の場合にはステップS4に進む。
【0287】
・ワイヤー長制御部(215b)
予測モーション生成部215fからのデータに基づいて各ワイヤーの長さを制御するものであり、ワイヤー駆動部218に対して制御信号を送出する。尚、上記した干渉比較部210iからの位置又は力覚制御に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「0」のときには、ワイヤーの張力が一定となるように、現状モーション生成部215eによる体位を基準として、予測モーション生成部215fからの体位へと移行するようにワイヤー長を制御する。また、値が「1」のときには、現状モーション生成部215eによる体位を保持したままで、予測モーション生成部215fから得られる力覚だけを提示するようにワイヤー長を制御する。
【0288】
触覚及び温覚制御部216は、下記に示す構成要素を備えている(括弧内に符号を示す。)。
【0289】
・熱認識部(216a)
被験者の指先の温度情報を、熱又は温度検出用のセンサ(図の「THS」)により取得して監視するものである。尚、当該情報が許容範囲から逸脱している場合、例えば、上限温度を越えて危険な温度に達している場合には、発熱・吸熱装置219への電力供給を停止するか、又は制御を反転させる(発熱から吸熱への移行あるいはその逆の移行)ための信号を発生させ、後述の熱制御部に送出する。
【0290】
・触覚認識部(216b)
圧力センサ(図の「PSS」)によって指先の圧力の状態を検出したり、あるいはローラー(図76の206、207を参照。)の回転数を回転検出センサ(図の「RLS」)によって検出して監視するものである。尚、検出した圧力が許容範囲内から逸脱したと判断したとき、あるいはローラーの回転数が速すぎると判断した場合には、その旨を後述の触覚制御部に送出して、過度の圧力等が指に加わらないように防止する。
【0291】
・熱パターン生成部(216c)
後述の触覚パターン生成部とともにパターン生成部を構成しており、上記モーション生成部や触覚及び熱情報統合部210hからの情報、そして熱認識部216aからの情報に基づいて指先に提示したい温度感覚の提示パターンを生成する。尚、上記した位置及び力覚に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「1」とされ、かつ、温覚制御に対する割り込み発生時の値が「1」のときにのみ動作する。
【0292】
・触覚パターン生成部(216d)
上記モーション生成部や触覚及び熱情報統合部210hからの情報、そして触覚認識部216bからの情報に基づいて指先に提示したい触覚の提示パターンを生成する。尚、上記した位置及び力覚に対する割り込み(INT)が発生して、その時の値が「1」とされ、かつ、触覚制御に対する割り込み発生時の値が「1」のときにのみ動作する。
【0293】
・熱制御部(216e)
熱パターン生成部216cからの指令を受けて発熱・吸熱装置(ペルチェ素子等。)219に制御信号を送出する部分である。
【0294】
・触覚制御部(216f)
触覚パターン生成部216dからの指令を受けて触覚提示板(202、205)の駆動機構220やローラー駆動部221に対して制御信号を送出して制御を行う部分である。
【0295】
尚、触覚制御については、指の圧力を加えるタイミングを予め設定しておき、当該タイミングになったときに仮想映像による入力装置(キーボードやマウス、ジョグダイヤル、トラックボール等)を視覚表示装置上に表示して、仮想の入力装置への打鍵や釦操作によってコマンドによる指示やデータ入力等を行うことができる。
【0296】
次に、装具に関する初期設定時に行うキャリブレーション処理について図80乃至図82に従って説明する。
【0297】
図80は、関節可動域(関節が動作する範囲)やワイヤー長の時間的変化や、位置制御速度の最大値を取得するための処理例を示すフローチャート図である。
【0298】
先ず、ステップS1では、対象者に装具を装着してから、各ワイヤーの張力が一定の状態となるようにワイヤー駆動部218を制御した上で、次ステップS2では、被験者(対象者)に対して動作の模倣を促すために音声情報(視覚表示及び音声出力装置111内の音声出力装置213を通した音声ガイド)を伝える。
【0299】
被験者に模倣してもらう動作については、例えば、下記に示す例が挙げられる。
【0300】
・手を前に出して拳をつくった状態での、肘伸展、回内、第2乃至第5指のDIP、PIP、MP屈曲、第1指のIP、MP屈曲
・手で鉄アレイを把持して、これを上げてからの回外、肘屈曲、指屈曲時の手首の掌屈
・手を前に出して掌面を平らにした状態における、対立の平坦位、第2乃至5指のMP外転、第1指のCM橈屈外転
・手首を下に曲げた状態からの指伸展時の手首の掌屈
・手首を上に曲げた状態からの手首の背屈
・手刀状態での、第2乃至第5指のDIP、PIP、MP伸展とMP内転
・親指を小指の付け根につけた状態での、対立の湾曲位、第1指のCM尺屈内転。
【0301】
次ステップS3では、模倣すべき動作を映像情報として被験者に提供するために当該情報を視覚表示及び音声出力装置111に送出する。そして、この装置に映し出された手や腕の動作(模範動作)を示す映像と、被験者の手や腕を撮影して得られる映像とがほぼ重なるように被験者に動作を模倣してもらう。尚、模範動作の映像と、被験者の映像を合成して視覚表示及び音声出力装置111の映像出力装置212上に映し出すには、例えば、ヘッドマウントディスプレイ等の視覚表示及び音声出力装置111に撮像手段(CCD型やMOS型のエリアイメージセンサ等の固体撮像素子等。)を付設して撮影した被験者の映像信号を入出力インターフェイス部110を介して中央制御部109に一旦取り込んだ後、画像座標系での位置補正及び模範動作を示す映像との画像合成処理を施してから出力信号を視覚表示及び音声出力装置111に送出すれば良い。
【0302】
次ステップS4において、各ワイヤー長の検出を行い、長さ変動が予め決められた基準範囲内であるか否かを位置認識部215aで判断する。そして、変動が基準値以上の場合にはステップS3に戻って動作の模倣を再実行してもらうが、そうでない場合には次ステップS5に進む。
【0303】
ステップS5では、予め決めておいた一定の時間間隔(サンプリング周期)に従って計時を行うとともに、時間経過に伴う各ワイヤー長の変位量(動作開始時におけるワイヤー長を基準としてサンプリング時刻毎に検出したワイヤーの長さ変位)を示すデータを取得した後で、ステップS6に進む。
【0304】
例えば、図81のグラフ図に示すように、横軸に時間「t」をとり、縦軸には、あるワイヤー長「L」をとって、グラフ曲線gy(若者の場合)とグラフ曲線go(高齢者の場合)を概略的に示したものである。尚、図中の「t0」は動作開始時点を示しており、「ΔTs」はサンプリング(時間)間隔を示している。また、「L0」は被験者の動作直前のワイヤー長、「L1」は被験者の動作終了時のワイヤー長をそれぞれ示している。つまり、ワイヤー長の変位量は「ΔL=L−L0」で表され、その最大値(関節可動域)が「ΔLmax=L1−L0」である。
【0305】
図から分かるように、若者の場合には動作開始直後からΔLが直ぐに立ち上がってL=L1に漸近して飽和する様子が認められ、高齢者の場合には動作開始直後からΔLがゆっくりと立ち上がって最終的にはL=L1に飽和する様子が認められる。
【0306】
よって、ある時刻t(=t0+n・ΔTs、nは自然数。)におけるワイヤー長Lからその変位量ΔL(関節角度や回内・回外角度等に対応する。)を求めることができるので、このデータを時間情報とともに記憶手段に格納しておくことにより被験者の動作をワイヤー長の時間変化として取得することができる(この処理が図80のステップS6である。)。尚、その際、被験者の人体構造モデル(人体に関する力学的構造を示す数値モデルであり、例えば、特願平10−266号(特開平11−192214号)を参照。)を予めデータベース化したものを利用できる場合には、当該モデルから得られる各関節の可動範囲や動作時間等を上記の検出データと比較・対照をすることによって、例えば、被験者の筋肉等に無理な力がかかっているか否か等を判断することができる。
【0307】
続くステップS7(図80参照。)では全ての動作についてステップS6でのデータ取得が終了したか否かを判断し、終了時にはステップS8に進むが、未終了時にはステップS2に戻る。
【0308】
ステップS8では各ワイヤーの位置制御(あるいはワイヤー長の制御)における最大速度(Vmax)を算出する。
【0309】
つまり、図81に示したグラフ曲線における勾配(あるいは傾き)を計算したとき、その中での最大値がVmaxであり、これはワイヤー長の制御においてVmaxを超える速度でワイヤーが引っ張られるのを禁止するために必要である。尚、「Vmax=max(ΔLi/ΔTs)である。但し、「ΔLi」は、整数変数を「i」としたとき、時刻t=t0+i・ΔTsでのワイヤー長L(i)と、時刻t=t0+(i+1)・ΔTsでのワイヤー長L(i+1)との差、「L(i+1)−L(i)」であり、また、max(X)は変数Xの変域内での最大値を示す関数である。
【0310】
このように、対象の動作変化に伴うワイヤー長の時間的変化を示すt(時間)−L(ワイヤー長又は位置変位)特性を取得するとともに、当該変化における勾配を算出することでワイヤー部材の駆動制御について許容される制御速度の最大値又はこれに安全率を加味した上限値を求めることができる。
【0311】
図82は、力触覚提示量の最大値や、力覚提示速度の最大値を取得するための処理例を示すフローチャート図である。
【0312】
先ず、ステップS1では、装具の装着後において、ワイヤー駆動部218の制御によりワイヤー部材の長さが一定となるように、ワイヤー長を一定値に保った状態とし、また、指先への触覚提示については上記触覚提示板(図75、図76参照。)を指に接触させて、この状態を保持した後、次ステップS2に進む。
【0313】
ステップS2や次ステップS3については、図80のステップS2やS3と同様であり、被験者に対して音声ガイドによる動作説明を行い、視覚表示及び音声出力装置111に映し出される動作を模倣してもらう。
【0314】
続くステップS4では各ワイヤーの張力を張力センサで検出して、その変動率が予め決められた基準値以下であるか否かを力覚認識部215dが判断し、そうであれば次ステップS5に進むが、そうでなければステップS3に戻って動作を再実行してもらう。
【0315】
ステップS5では、予め決めておいた一定の時間間隔(サンプリング周期)に従って計時を行うとともに、時間経過に伴う各ワイヤーの張力変化(動作開始時における張力値を基準としてサンプリング時刻毎に検出したワイヤー張力の変化量)を示すデータを取得及し、かつ、各時刻で指にかかる圧力値を圧力センサで検出した後、ステップS6に進む。つまり、横軸を時間軸とし、縦軸をワイヤーの張力又は指への圧力としたグラフ図において、図81での説明と同様の手順でサンプリング時刻毎の検出データを得て、これを時間情報とともに記憶手段に格納しておくことにより、被験者の動作に基づくワイヤー張力の変化(手や腕の動作に対応して被験者に付与される力覚の度合を示す。)及び指への圧力変化(指の動作に対応して被験者に付与される触覚の度合を示す。)を取得することができる。
【0316】
ステップS7では全ての動作についてのデータ取得が終了したか否かを判断し、終了時にはステップS8に進むが、未終了時にはステップS2に戻る。
【0317】
ステップS8では各ワイヤーの張力制御における最大速度及び触覚提示制御における最大印加圧(最大提示圧)を算出する。つまり、前者の最大速度については、対象の動作変化に伴うワイヤー張力の時間的変化を示すt(時間)−TS(ワイヤー張力)特性を取得するとともに、当該変化における勾配を算出することで対象について許容される力覚提示速度の最大値又はこれに安全率を加味した上限値を求めることができ、この値を超える張力に対応した力覚が被験者に提示されるのを禁止するために必要である。また、後者の最大印加圧は、検出された圧力値の最大値であり、これの値を超える圧力が指にかからないように規制するために必要である。
【0318】
以上に説明した力触覚提示装置の適用例としては、下記に示す分野が挙げられる。
【0319】
・仮想現実を利用した各種のシミュレーターや、テレリアリティ分野における遠隔操作時の力触覚提示装置
・仮想イリュージョンを利用したゲーム機器
・医療分野における対偶の駆動補助や動力補助のための装置
・人体の関節自由度をそのままに模倣したマニピュレータやロボットアーム等。
【0320】
最後の例については、人体の手や腕の関節構造を模写して作成した骨格構造物に対して、上記した装具やワイヤーを取り付けるとともに、ワイヤーの駆動機構や駆動源等を骨格構造物に内蔵した構成のマニピュレータやハンドを作成することができる。そして、これらのマニピュレータに付設したのと全く同等の装具やワイヤー等を被験者の手腕に装着すれば、マニピュレータで物に触ったり持ち上げたりしたときの力触覚を、被験者の手や腕にそのまま写して提示することができるようになる。
【0321】
しかして、本実施例に係る力触覚提示装置によれば、下記に示す利点を得ることができる。
【0322】
・人体の関節だけを使用しているので、関節構造や軸構造をもった外骨格機構部を人体に付設する必要がない。よって、機構部の軽量化や薄型化に適しており、装着が容易であって、かつ動き易い。
【0323】
・人体の筋配置を模倣したワイヤーの駆動制御を実現し、当該ワイヤーの駆動部を効率的に装具に配置することで省スペース化が可能である。また、ワイヤー及びその駆動機構と、バネ部材を使った機構とを組み合わせることで動力源やワイヤー駆動機構を削減できる。
【0324】
・基本的には手部の背面にサポーターを付設するだけで済むので、温度や触覚の提示機構を掌面に設ける際に支障を来さない。
【0325】
・サポーターによる圧迫やワイヤーによる損傷等に対して安全対策を講じている。
【0326】
・キーや釦等を触った瞬間の感触のように、硬いものに触れたときの触覚提示が可能である。
【0327】
・指先で素材を触った感触や、該素材が1方向に流れて行くかの如き触覚提示が可能である。
【0328】
・指先に温覚を提示できる。
【0329】
・力覚提示用のワイヤー部材を動作認識のための検出手段として使用することでモーションキャプチャーの機能を実現できる。
【0330】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項1に係る発明によれば、ワイヤー部材が接続されたフィルムを動力ローラー及び圧迫ローラーにより搬送することでワイヤー部材の駆動機構を簡単化し、装置全体をコンパクトに作成することができる。また、フィルム及び圧迫ローラーの帯電による静電的引力の作用を利用して、動力ローラーからフィルムへの偶発的な動力伝達を防止することができる。
【0331】
請求項2や請求項に係る発明によれば、フィルムの形状に工夫を凝らすことで偶発的に動力ローラーに接触することによる不意の動作の発生頻度を低減することができる。
【0333】
請求項や請求項に係る発明によれば、圧迫ローラー及び動力ローラーが接触するフィルム部分以外を巻取機構によって巻き取ることで、フィルム収容のためのスペース(体積)を少なくできる。
【0334】
請求項に係る発明によれば、対象に重量の嵩む機構部品を装着することなくワイヤー部材の駆動制御だけで力触覚を提示することができるとともに、ワイヤー駆動部の小型化や省スペース化を図ることができるので、装置の軽量化に適しており、動作の悪化や体力の消耗等への影響が少ない。また、フィルム及び圧迫ローラーの帯電による静電的引力の作用を利用して、動力ローラーからフィルムへの偶発的な動力伝達を防止することができる。
【0335】
請求項に係る発明によれば、手指の屈曲位又は伸展位の方向への付勢力を得るための弾性部材を用いることで、被覆部材に対して付設するワイヤー部材の数を低減することができるので、機構を簡素化できる。
【0336】
請求項に係る発明によれば、弾性部材として渦巻バネを用いて被覆部材をその側面で連結することによって、関節部の瞬間的な中心移動や被覆部材のずれ等に起因する動作時の違和感を軽減することができる。
【0337】
請求項に係る発明によれば、弾性部材としてコイルバネを用いてこれを被覆部材の背面に取り付けることによって屈曲動作時におけるバネの干渉を防止することができる。
【0338】
請求項10に係る発明によれば、可撓性を有する管状部材にワイヤー線材を通した構成を用いることによってワイヤー駆動時における対象への損傷を防止することができ、かつワイヤー部材の強度を増強することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るワイヤー駆動装置の基本構成を示す図である。
【図2】圧迫ローラーへのフィルムの吸着法についての説明図である。
【図3】帯電機構の説明図である。
【図4】図5乃至図9とともに、一対のワイヤー部材を使った認識方法について説明するための図であり、本図は前腕の回外状態における一方のワイヤー部材WAの配置を示す。
【図5】回外状態における他方のワイヤー部材WBの配置を示す図である。
【図6】図7とともに前腕の立位状態におけるワイヤー部材の配置を示す図であり、本図は一方のワイヤー部材WAの配置を示す。
【図7】立位状態における他方のワイヤー部材WBの配置を示す図である。
【図8】図9とともに前腕の回内状態におけるワイヤー部材の配置を示す図であり、本図は一方のワイヤー部材WAの配置を示す。
【図9】回内状態における他方のワイヤー部材WBの配置を示す図である。
【図10】肘部サポーターにおけるワイヤー部材の駆動機構部の配置例を示す図である。
【図11】プーリーを経由してワイヤー部材を駆動機構部に接続するように構成した例を示す図である。
【図12】肘部サポーターの底部にワイヤー部材の駆動機構部を配置した例を示す図である。
【図13】図14とともに、フィルムへのワイヤー端部の固定方法について示すものであり、本図はワイヤー端の処理を示す。
【図14】フィルムに形成された係合孔及び当該係合孔へのワイヤー端部の取付・固定について説明するための図である。
【図15】図16乃至18とともにワイヤー駆動装置の構成例を示すものであり、本図は一部を取り外して示す斜視図である。
【図16】側面図である。
【図17】構成の要部を示す断面図である。
【図18】押え板とスライダーを取り外した状態の平面図である。
【図19】スライダーの斜視図である。
【図20】圧着機構の動作についての説明図である。
【図21】フィルムの形状例を示す図である。
【図22】帯電機構の構成部材の配置例を示す図である。
【図23】フィルムの搬送経路の角度設定についての説明図である。
【図24】複数の圧着ローラーを設けて駆動ローラーとの間でフィルムを挟持する構成例を示す図である。
【図25】1つの駆動機構を用いて複数のフィルムを駆動する構成例を示す図である。
【図26】指部における筋配置を概略的に示す側面図である。
【図27】力触覚呈示装置の基本構成例を示す図である。
【図28】図29乃至図82とともに、本発明の実施の一例を示すものであり、本図は仮想現実と仮想イリュージョンの概念に関する説明図である。
【図29】装置構成の概要を示す図である。
【図30】図31及び図32とともに対象者への装具の装着について説明するための図であり、本図は手指サポーターや前腕部サポーターの人体への装着方向に対して、上腕部サポーターの人体への装着方向が反対方向になっている例を示す。
【図31】各サポーターの人体への装着方向が統一されている例を示す図である。
【図32】各サポーターを人体に装着した状態を示す図である。
【図33】手部サポーターの全体を概略的に示す図である。
【図34】甲側からみた手部サポーターを概略的に示す図である。
【図35】側面からみた手部サポーターを概略的に示す図である。
【図36】渦巻バネの形状例を示す図である。
【図37】多連構造の渦巻バネ群と、その使用例を示す図である。
【図38】バネ強度の調節機構を被覆部に付設した状態を示す指部の側面図である。
【図39】バネ強度の調節機構について構成例を示す図である。
【図40】バネ強度の調節機構について別例を示す図である。
【図41】調節機構を渦巻バネの付け根に設けた構成例を示す図である。
【図42】指の大きさに合わせた被覆部の調整機構例を概略的に示す図である。
【図43】被覆部の背面に蝶番式コイルバネを用いた構成例を示す図である。
【図44】手部サポーターにおけるワイヤー配置について甲側からみた図である。
【図45】手部サポーターにおけるワイヤー配置について拇指側からみた図である。
【図46】MP関節付近の被覆部に設けられたV字状バネの配置を示す図である。
【図47】V字状バネの形状例を示す図である。
【図48】甲面サポーターの構成例を示す図である。
【図49】蝶番バネの形状例を示す図である。
【図50】蝶番バネの支持機構の要部を示す図である。
【図51】甲面サポーターの別例を示す図である。
【図52】内転・外転のための動作機構の一例を示す図である。
【図53】内転・外転のための動作機構に磁石を使った例を示す図である。
【図54】内転・外転のための動作機構の別例を示す図である。
【図55】3つの渦巻バネを並設した連結構造の要部を示す図である。
【図56】スライド式反力調整機構の構成例を示す図である。
【図57】図58とともに拇指のCM関節における対立動作機構について説明するための図であり、本図は甲側からみた図である。
【図58】拇指の動作軸に直交する方向からみた図である。
【図59】手首サポーターの装着についての説明図である。
【図60】ワイヤー駆動機構の一例を示す図である。
【図61】電磁クラッチ機構例を示す図である。
【図62】図63とともに手部サポーターを示す図であり、本図は甲側からみた図である。
【図63】ワイヤー部材だけを抽出してそれらの配置を示した図である。
【図64】手指サポーターにおけるワイヤーの支持例を示す図である。
【図65】指部について初期状態(外転・平坦位)と、内転・湾曲位の状態をそれぞれ示した図である。
【図66】甲面サポーターにおけるワイヤー部材の配置を示す図である。
【図67】手関節の動作に関するワイヤー部材の配置について説明するための図である。
【図68】図69とともに、手首サポーターの状態保持機構の一例を示す図であり、本図は指関節の屈曲状態を示す。
【図69】指関節の伸展状態を示す図である。
【図70】回内・回外動作にかかるワイヤー部材の配置を示す図である。
【図71】回外、立位、回内状態を示す説明図である。
【図72】C字状のガイド部材を前腕部サポーターの側面に付設した構成例を示す図である。
【図73】肘部結合用サポーターの構成例を示す図である。
【図74】前腕部サポーターと上腕部サポーターの構成例を示す図である。
【図75】触覚呈示機構の一例を示す図である。
【図76】触覚呈示機構の別例を示す図である。
【図77】視覚・聴覚情報に関する情報処理部分の構成例を示す図である。
【図78】位置及び力覚制御部と、触覚及び温覚制御部の構成例を示す図である。
【図79】電磁クラッチ機構を用いた制御動作の一例を示したフローチャート図である。
【図80】関節可動域やワイヤー長の時間的変化、位置制御速度の最大値を取得するための処理例を示すフローチャート図である。
【図81】ワイヤー長さの時間的変化を示すグラフ図である。
【図82】力触覚提示量の最大値や力覚提示速度の最大値を取得するための処理例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
1…ワイヤー駆動装置、2…ワイヤー部材、3…フィルム、4…動力ローラー、5…圧迫ローラー、14…巻取機構、101…力触覚提示装置、102…被覆部材、104、105…駆動手段、108、112…装具、113…渦巻バネ、136…コイルバネ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive device for a wire member and a force / tactile sense presentation device of a type that drives a brace using the wire member.
[0002]
[Prior art]
In the fields of virtual reality (virtual reality), remote reality (telereality), and the like, force / tactile sensation presentation devices for presenting force sense and tactile sensation to a target person in addition to visual information and auditory information are used. For example, in the case of a mechanism using a shaft arm, a finger or a hand is placed and fixed on a plurality of shaft arms, and the displacement of the shaft arm is detected by a position detector (potentiometer, etc.). Examples are those in which the movement of each part of the human body can be recognized, or the reaction force from the shaft arm can be used to give a sense of force to the subject. In addition, in a data glove for force sense presentation, a skeletal structure driven by an actuator, a small air cylinder, etc. (`` exoskeleton '' in the sense that it is attached to the human body from the outside as a separate member from the human skeleton There is known a device in which a force sense is obtained by a reaction force from the exoskeleton.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional apparatus, since the drive unit cannot be made compact, there is a problem that the weight of the apparatus becomes heavy or it is difficult to secure a place where the drive source is arranged.
[0004]
For example, in application to a force-tactile sensation presentation device that transmits the force generated by the drive unit to the brace via a wire member, the weight of the drive unit is physically consumed by the subject, slowed down, etc. In addition, if the location of the drive source is not properly selected, inconveniences such as causing interference between the devices occur.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to reduce the size and space of a wire member drive device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problems, the present invention includes a film to which a wire member is connected, a power roller and a compression roller for sandwiching the film, and the film is moved by the compression roller when the film is moved. Has a transmission mechanism to transmit power by pushing againstHowever, the surface of the film that contacts the compression roller is charged, and an electrostatic attractive force acts between the surface and the compression roller charged with the opposite polarity, so that power transmission from the power roller to the film is possible. When not done, the film is configured to be attracted to the compression rollerIs.
[0007]
  Therefore, according to this invention, the drive mechanism of a wire member can be simplified and the whole apparatus can be created compactly by conveying the film to which the wire member was connected by a power roller and a compression roller.Moreover, accidental power transmission from the power roller to the film can be prevented by utilizing the action of electrostatic attraction caused by charging of the film and the compression roller.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The wire driving device according to the present invention is a device for driving a wire member using a film, and its basic configuration is as shown in FIG.
[0009]
The wire drive device 1 has a film 3 to which a wire member 2 is connected, and includes a power roller 4 and a compression roller 5 for sandwiching the film.
[0010]
As for the material of the belt-like film 3, an elastic metal (steel used for a tape measure, etc.), an abrasion-resistant synthetic resin, or the like is used, and it is necessary for pulling the wire member 2 in the transport direction of the film 3. It is premised on having sufficient strength. Moreover, about the shape of the film 3, the cross-sectional shape of the said film in the surface orthogonal to the conveyance direction of a film is made into the rectangular shape, and the said cross-sectional shape is curved in an arc shape, The convex surface side is the compression roller 5 In the latter case, it is effective to reduce the frequency of accidental contact between the film 3 and the power roller 4 when power is not transmitted (details will be described later). To do.)
[0011]
The power roller (or drive roller) 4 is rotated in the forward and reverse directions by a drive mechanism 6 including a drive source such as a motor, and is provided for sliding the film with the film 3 sandwiched between the pressure roller 5. Yes.
[0012]
In addition, the pressure roller (or pressure roller) 5 is provided with a pressure-bonding mechanism 7, and when the power is transmitted to the film 3, the pressure roller 5 is moved to the power roller 4 side by the pressure-bonding mechanism 7, so that the film 3 has both rollers. It is designed to be sandwiched between them. That is, when the film 3 is moved, the pressure-bonding mechanism 7 functions as a transmission mechanism for transmitting power by pressing the film against the power roller 4 by the pressure roller 5 (in this case, the pressure roller 5 rotates as a fixed roller). Or may be rotated as a driven roller of the power roller 4).
[0013]
Therefore, when the pressing roller 5 is not in contact with the film 3 with a predetermined pressing force (including when the pressure roller 5 is not in contact or when the pressing force is insufficient), the power roller 4 is merely idled. The power transmission is not performed.
[0014]
However, if the film 3 accidentally contacts the power roller 4, the force is transmitted, and the film may move unexpectedly. To avoid such inconvenience, power transmission to the film is performed. If not, a method of attracting the film to the pressing roller 5 using electrostatic attraction or a method of separating the film from the power roller using electrostatic repulsion may be used.
[0015]
That is, as shown in FIG. 2, the surface 3a of the film 3 that contacts the pressing roller 5 is charged negatively (or positively) and electrostatically between the pressing roller 5 charged in the opposite polarity. In this state, the film 3 is attracted to the compression roller 5 in a state where power is not transmitted from the power roller 4 to the film 3.
[0016]
For example, in the charging mechanism 8 shown in FIG. 3, a (conductive) driven roller 9 with respect to the compression roller 5 is elastically contacted by a conductive elastic support member 10 (indicated by a spring symbol in the drawing). 10 is grounded. Further, the contact member 12 having the cloth 11 attached to one end is brought into contact with the compression roller 5 by the urging force (spring elastic force) generated by the elastic support member 13 (indicated by a spring symbol in the drawing). It is like that. Since the surface of the compression roller 5 is coated with ebonite resin or the like, at the time of charging, the contact of the driven roller 9 with the compression roller 5 is released by a mechanism (not shown) so that the driven roller 9 does not contact the compression roller 5. The surface is charged by rotating the roller 11 while the cloth 11 is applied to the compression roller 5. The film may be charged in advance with a polarity opposite to the charge of the compression roller 5, and the film is adsorbed by the compression roller 5. In order to release the charging of the compression roller 5, the cloth 11 of the contact member 12 is not brought into contact with the compression roller 5 by a mechanism (not shown), and the driven roller 9 is brought into contact with the compression roller 5 and accumulated. What is necessary is just to drop the charged electric charge to the ground (GND).
[0017]
In addition, there is also a method of charging the power roller 4 and charging the film with the same polarity as this charge to move the film away from the power roller by an electrostatic force acting between the power roller and the film. Therefore, it is necessary to consider the influence on the electric insulation and the like for the driving source of the power roller.
[0018]
Moreover, if the urging | biasing force to the direction shown by the arrow F in FIG. 1 is given to the edge part on the opposite side to the direction where the wire member 2 was connected among the edge parts of the film 3 along a conveyance direction, it will be crimped | bonded. When the mechanism 7 is released, the state of the film 3 can be returned to the initial state. However, when the length of the film is increased to some extent, the end portion is connected to the winding mechanism 14 and the film is wound up. (For example, a structure in which a spring member is used to apply a biasing force in the direction of winding the film around the reel in the housing portion, such as a steel tape measure).
[0019]
Therefore, according to the wire drive device 1, the wire member 2 can be driven by driving the film 3 to which the wire member 2 is connected by the roller pair (the power roller 4 and the compression roller 5). With respect to 6, the arrangement position of the roller pair can be freely selected.
[0020]
The wire driving device 1 may be applied to, for example, a robot arm imitating a human or animal skeleton or joint structure, a device having a wire driving mechanism for performing joint driving with a wire member in a manipulator, and the like. However, a force / tactile sense presentation device will be described below.
[0021]
In this device, a plurality of appliances used by being attached to a subject, and a plurality of pairs of wire members spanned across a pair of covering members among the covering members constituting the appliances, and driving the wire members And a force tactile sensation can be presented to the subject by transmitting the force of the drive means to the brace via the wire member.
[0022]
And in order to convey the film in which the above-described device 1 is used as the driving means and the wire member is connected between the power roller and the compression roller, the film is moved by the compression roller when the film is moved. A transmission mechanism for transmitting power by being pressed against the motor.
[0023]
FIGS. 4 to 9 show examples of pronation / extraction of the forearm (right hand). A first covering member (elbow supporter) S2 is mounted near the elbow of the forearm, and the wrist A second covering member (wrist supporter) S1 is attached to the protrusions of the ulna and ribs.
[0024]
And a pair of wire member WA and WB is spanned over the 2nd coating | coated member from the 1st coating | coated member. Here, the “wire member” includes a string-like member or a member in which the wire member is passed through a tube. For example, a structure in which a wire member is passed through a flexible tubular member prevents damage to the skin. However, in addition to this, a belt-like member having a little width is also included.
[0025]
4 to 9, FIGS. 4 and 5 show the forearm prolapsed state, FIGS. 6 and 7 show the forearm standing state, and FIGS. 8 and 9 show the forearm pronation state. In these figures, a pair of wire members are shown as separate views in consideration of ease of understanding, but these wire members are drawn on the forearm across the elbow supporter and the wrist supporter. Has been.
[0026]
4 and FIG. 5, the palm surface of the hand and the inner surface of the forearm are shown. As shown in FIG. 4, the end of the wire member WA is the rib on the back side of the wrist supporter. It is fixed to a mounting portion M (shown by a broken line) provided near the position corresponding to the side protrusion, and after being routed through the back of the forearm from here, the side of the forearm (ulna side) near the elbow ). The other end of the wire member WA is connected to a drive mechanism (not shown) attached to the elbow support, and the length of the wire member WA is detected by the detection means provided in the drive mechanism. It is configured to be.
[0027]
The figure schematically shows the position of the wire member with respect to the forearm when it is assumed that the forearm and the wire member have been cut at positions on the line indicated by the two-dot chain line (three places surrounded by a circle). This also applies to FIGS. 5 to 9. In these drawings, the cross-sectional shape of the wire member is exaggerated from the actual one for easy understanding.
[0028]
FIG. 5 shows the arrangement of the wire member WB in the pronation state, and an end portion of the wire member WB is provided near the position corresponding to the ulnar protrusion on the back side of the wrist supporter (shown by a broken line). After being routed slightly through the back side of the forearm (the surface on the side of the rib) from here, it extends almost linearly after coming out to the front side of the forearm. And it is located on the side of the forearm (ulna side) near the elbow. The other end of the wire member WB is connected to a drive mechanism (not shown) attached to the elbow support (described later) (independent of the drive mechanism of the wire member WB). The length of the wire member WB is detected by the detection means provided in the.
[0029]
In addition, as a method of fixing the end portions of these wire members to the attachment portions M and N of the wrist supporter, for example, after the portion near the end portion of the wire member is wound around a member such as a pulley, the end portion is detached. There is a method of embedding it in a wrist supporter or fixing it with screws or the like so as to avoid this, and details thereof will be described later.
[0030]
FIG. 6 shows the arrangement of the wire member WA in the standing position from the thumb side, and the wire member is drawn on the surface of the ulna side from the attachment portion M as shown by the broken line, Located on the side of the forearm in position.
[0031]
FIG. 7 shows the arrangement of the wire member WB in the standing position from the thumb side, and the wire member is drawn from the attachment portion N on the surface on the rib side of the arm as shown by the solid line, It is located on the side of the forearm at a close position.
[0032]
Therefore, when the forearm is moved from the standing state shown in FIGS. 6 and 7 to the supination state shown in FIGS. 4 and 5, the wire member WA may be pulled and the wire member WB may be loosened.
[0033]
FIG. 8 shows the arrangement of the wire member WA in the pronation state from the back side of the hand. The wire member is routed from the attachment portion M on the surface on the ulna side, and then goes from the middle to the back side of the figure. It is located on the side of the forearm (rib side) at a position close to the elbow.
[0034]
FIG. 9 shows the arrangement of the wire member WB in the pronation state from the back side of the hand. After the wire member is drawn on the surface on the rib side from the attachment portion N, the side surface of the forearm ( It is located on the rib side.
[0035]
Therefore, when the forearm is moved from the standing state shown in FIGS. 6 and 7 to the pronation state shown in FIGS. 8 and 9, the wire member WB may be pulled and the wire member WA may be loosened. ).
[0036]
FIG. 10 schematically shows an example of the arrangement of the drive mechanism portion of the wire member in the elbow supporter, and the drive mechanism portion DA is involved in the drive control of the wire member WA, and the drive mechanism portion DB is It is involved in the drive control of the wire member WB (although it is externally attached to the elbow supporter in the figure, it is actually embedded in the supporter).
[0037]
As shown in the drawing, it is important that the angle “θ” at which the two wire members WA and WB intersect with each other at a position in front of being connected to the drive mechanisms DA and DB, respectively, be 90 degrees or as close as possible. If this angle is too small, the movement of the forearm is hindered, or the skin is compressed when the wire member is driven.
[0038]
In addition, as for the mounting position of the drive mechanism part in the elbow supporter, it is desirable to select a place that does not interfere with other members (for example, a drive base supporter for driving a finger part to be described later). In some cases, the arrangement as shown in FIG. 10 cannot be adopted. In such a case, it is possible to cope with the problem to some extent by using a relay member such as a pulley.
[0039]
For example, as shown in FIG. 11, when the drive mechanism parts DA and DB are attached to the side surface part of the elbow supporter, a pulley PL is provided for one of the wire members WB so that the direction of routing is approximately 90 degrees. What is necessary is just to connect the said wire member to a drive mechanism part, after changing. That is, in this case, between the wire member WA and the extension line assumed to have virtually extended the wire member in the tangential direction at the winding start position when the wire member WB is wound around the pulley PL. The angle formed is set to be 90 degrees or a value close thereto.
[0040]
In addition, as shown in FIGS. 12A and 12B, when attaching the drive mechanism parts DA and DB to the bottom part (elbow support part) S2B of the elbow supporter, for example, with respect to one wire member WB A pulley PLb is provided, and the direction of routing is thereby changed, and then the wire member is connected to the drive mechanism DB, and for the wire member WA, two pulleys PLa1 and PLa2 are provided and pulled by the first-stage pulley PLa1. After the direction of rotation is changed by approximately 90 degrees, the direction of rotation is further changed by the pulley PLa2 at the next stage, and then the wire member is connected to the drive mechanism section DA.
[0041]
As described above, the first covering member is mounted in the vicinity of the elbow portion of the forearm, and the second covering member is mounted on the ulna of the wrist and the protruding portion of the radius. It is possible to present a sense of force of pronation or supination motion of the forearm by spanning a pair of wire members and pulling one of these wire members and loosening the other.
[0042]
The wire member driving device is preferably suitable for reduction in size and weight in consideration of the influence on the operation. For example, such a configuration example 15 is shown in FIGS. 13 to 25.
[0043]
In this example, as shown in FIGS. 13 to 18, the film 16 is disposed so as to pass between the guide portions 17 and 18 and between the guide portions 19 and 20. It is configured to be sandwiched and conveyed by the pressure roller 21 and the drive roller 22.
[0044]
A wire member is connected to one end of the film 16 in the transport direction. Examples of a method for fixing the wire end to the film include the methods shown in FIGS. 13 and 14.
[0045]
As shown in FIG. 13, the wire 23 is wound around a small-diameter flanged pulley (or thread spool) 24, and the pulley 24 has two disk-shaped flange portions 25, 25 disposed between them. The shaft part 26 is connected. That is, after the end portion of the wire 23 is wound around the pulley 24 several times, the front end portion 23a and the portion 23b on the near side of the winding portion of the wire 23 around the pulley 24 are fixed. The fastener 27 is used for crimping.
[0046]
Then, as shown in FIG. 14, a keyhole-like engagement hole 28 is formed at a position near the end of the film 16, and the pulley 24 is engaged with this hole. That is, by pulling the wire 23 after passing the flange portion 25 of the pulley 24 through the circular hole portion 29 of the engagement hole 28, the small-diameter shaft portion 26 can be engaged with the slit portion 30 of the engagement hole 28. In this state, as shown by a broken-line square frame 31 in the figure, the stopper 27, the pulley 24, and the film end to which the stopper 27 is attached may be covered with a synthetic resin and hardened.
[0047]
As shown in FIGS. 15 and 17, a part 16a of the film 16 is inserted and supported between the guide parts 17 and 18, and the other parts 16b of the film 16 are supported by the guide parts 19 and 20. The film portion 16 c located in the middle of these guide portions is sandwiched between the pressure roller 21 and the drive roller 22.
[0048]
That is, the driving roller 22 is configured such that the rotational force of the power motor 32 is transmitted as the driving force of the roller via the speed reducer (gear box) 33 on the guide portions 18 and 20 side.
[0049]
The pressure roller 21 provided on the guide portions 17 and 19 side is provided with a pressure bonding mechanism 34 that moves the roller to the drive roller 22 side by a slide member driven by a motor described later.
[0050]
As shown in FIGS. 15 and 16, the support plates 37 and 38 are fixed to the members 35 and 36 for connecting the guide portions 17 and 18 and 19 and 20 on their side surfaces, respectively. The shafts (51, 52) of the pressure roller 21 are supported by roller support portions 39, 40 guided along the guides fixed to the plates 37, 38 and the guide portions 17, 19, respectively. That is, one roller support portion 39 is supported in a state of being movable along guides 41 and 42 provided on both sides thereof, and the other roller support portion 40 is supported on guides 43 and 44 provided on both sides thereof. It is supported so that it can move along. In addition, the moving direction of the roller support parts 39 and 40 is a direction orthogonal to the conveyance direction of the film 16, and is a direction in which the pressure-bonding roller 21 is brought closer to or away from the driving roller 22 side. Tapered surfaces 45 and 46 are formed at the end portions (end portions far from the film 16) of the roller support portions 39 and 40, respectively. Similarly, tapered surfaces 47 and 48 are formed at the ends of the guides 41 and 42, respectively, and tapered surfaces 49 and 50 are formed at the ends of the guides 43 and 44, respectively.
[0051]
The support plates 37 and 38 are formed with long holes 53 and 54 (only one of them is shown in FIGS. 15 and 16) through which the shafts 51 and 52 of the press roller 21 pass. Spring members (compression coil springs or the like) 55 and 56 that are elastically contacted are disposed. These spring members are provided for the purpose of constantly applying an urging force to the pressure roller 21 in the direction of separating the pressure roller 21 from the drive roller 22.
[0052]
The drive unit 57 attached to the guide unit 19 is provided with a motor 58, and the rotational force of the motor is transmitted as a rotational force to the drive gear 60 through a reduction gear (gear box) 59. A slider 61 that is linearly moved by the drive gear 60 is provided, and the roller support portions 39 and 40 are moved along with the slider.
[0053]
As shown in FIGS. 17 and 19, a tooth portion 62 that meshes with the drive gear 60 is formed on one surface of the slider 61, and inclined surfaces 63 and 64 are formed on both sides thereof. . These inclined surfaces have angles (inclination angles) corresponding to the inclination of the tapered surfaces (47 to 50) of the roller support portions 39 and 40 and the guides 41, 42 and 43 and 44. As for the support of the slider 61, the slider 61 is interposed between the presser pieces 65 (see FIGS. 15 to 17) fixed to the support plates 37 and 38 and the roller support portions 39 and 40. It is configured to be able to move by the drive gear 60 in a state where is sandwiched.
[0054]
FIG. 20 schematically shows the movement of the slider and the change in the position of the roller support portion associated therewith. As shown in FIG. 20A, the slider 61 is moved in the direction of the arrow S by the drive gear 60 (the conveyance of the film). When the roller support portions 39 and 40 are moved in a direction parallel to the direction), the roller support portions 39 and 40 are brought into contact with the tapered surfaces 45 and 46 of the roller support portions 39 and 40, whereby the roller support portions 39 and 40 are moved to the spring members (55). , 56) is pushed in the direction of arrow B (on the driving roller side) against the urging force of (56), and the state shown in FIG. If the slider 61 is further moved in this state, the roller support portions 39 and 40 are further pushed in the direction of the arrow B, so that the pressure-bonding force of the film 16 to the driving roller 22 is increased, and in the state shown in FIG. The crimping force is the maximum value. The tapered surfaces (47 to 50) of the guides 41 to 44 are provided in consideration of contact with the inclined surfaces 63 and 64 of the slider 61. If this surface is not provided, the movement of the slider is hindered. The crimping mechanism 34 is also a mechanism for variably controlling the force for sandwiching the film 16 by the roller pair (21, 22). The holding mechanism is applied so that the driving roller 22 does not rotate and the film 16 is placed between the crimping roller 21. The resistance received when the wire member connected to the film is pulled in the state of being sandwiched between the two can be changed according to the position of the slider.
[0055]
Therefore, when using this apparatus, the drive roller 22 is rotated from the power motor 32 via the speed reducer 33 and the drive gear 60 is rotated from the motor 58 via the speed reducer 59 to move the slider 61. By doing so, the pressure roller 21 is pressure-bonded to the film 16 as the roller support portions 39 and 40 move. As a result, the film 16 is sandwiched between the pressure roller 21 and the driving roller 22 to transmit power, and as a result of the film 16 being conveyed, the wire is pulled.
[0056]
Regarding the conveyance of the film 16, the driving roller 22 is always rotated, and the driving force is transmitted to the film when the pressure roller 21 presses the film, and the driving of the film and the pressure bonding of the pressure roller 21 to the film are performed. There is a method in which the driving roller 22 is rotated at the same time as the pressure bonding, and the former method is preferable because the time delay is small in order to frequently drive the wire, and from the viewpoint of power saving, the latter method is preferable. The method is preferred. When the film is not transported, the motor 58 may be stopped or the rotation direction may be reversed in order to release the contact of the pressure roller 21 with the film 16, and the roller is supported by the biasing force of the spring member. The parts 39 and 40 are moved in the non-crimping direction (direction away from the drive roller 22). Moreover, although illustration is abbreviate | omitted, as above-mentioned, the mechanism which gives urging | biasing force, the film winding mechanism, etc. are provided in the edge part on the opposite side to the connection end with a wire among film ends.
[0057]
In the example of FIGS. 15 to 20, the cross-sectional shape of the film 16 (cross-sectional shape when cut by a plane orthogonal to the transport direction) is rectangular, but the present invention is not limited to this, and is shown in FIG. 21. An example in which the cross-sectional shape of the film 66 is curved in an arc shape is given. That is, in this case, one of the film surfaces is a convex surface 67 and the opposite surface is a concave surface 68, but the side of the convex surface 67 is brought into contact with the pressure roller 21. As a result, the contact area between the drive roller 22 and the film 66 can be reduced, so that malfunctions such as accidental movement of the film 66 in contact with the drive roller 22 when power transmission to the film 66 is not performed are prevented. be able to.
[0058]
Further, when a charging mechanism as shown in FIG. 3 is provided to attract the film to the pressure roller using electrostatic force when the film is not conveyed, mechanical parts (guide roller, contact member, etc.) When attaching to the pressure roller, care must be taken that these do not hinder the movement of the slider. For example, as shown in FIG. 22, a guide roller 69 provided for the pressure roller 21, a contact member 71 to which a cloth 70 is pasted, and these elastic support members 72 and 72 are connected to the side surfaces of the roller support portions 39 and 40. The protrusions 74 and 75 for supporting and forming the protrusions 74 and 75 are provided.
[0059]
As shown in FIGS. 15 and 17, the plate-shaped guide portions 17, 18, 19, and 20 are in a state in which the guide portions 17 and 18 face each other and the guide portions 19 and 20 face each other. In addition, the guide portions 17, 18, 19, and 20 are symmetrically arranged with respect to a plane that includes a line segment that passes through the axis of the pressure roller 21 and the axis of the drive roller 22 and that is orthogonal to the conveyance direction of the film 16. The film 16 is configured to move along a straight line. However, the present invention is not limited to this, and the film 16 is inserted between the guide portions 76 and 77 of the film 16 as schematically shown in FIG. The pressure roller 80 and the drive are positioned at an intermediate position between the two guide portions so that the film portion 16a and the film portion 16b inserted between the guide portions 78 and 79 are conveyed at an angle “θ”. Low It can employ the structure for placing over 81. This is effective when the film cannot be moved along a straight line in the positional relationship with other members (for example, when an obstacle exists on the film conveyance path).
[0060]
In the illustrated example, one pressing roller is provided for one driving roller. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. By providing a roller and sandwiching the film 83 between these and the driving roller 82, the apparatus can be reduced in size and thickness by reducing the diameter of the pressure roller. That is, for one of the two pressure rollers 84, 85, the roller support 86 is controlled by the slider 87, and for the other pressure roller 85, the roller support 88 is controlled by the slider 89.
[0061]
In addition, a configuration in which a plurality of films are driven by a single driving mechanism may be employed. In this case, as shown in FIG. 25, the mechanisms 15 in FIGS. The figure shows an example in which three mechanisms 90, 91, 92 are combined.) When driving each film 93, 94, 95 by each mechanism separately, the power motor and the driving roller are shared. It is preferable to simplify. In other words, in the illustrated configuration, the rotational force of the power motors 96 and 97 is transmitted to the driving roller 100 via the respective speed reducers 98 and 99, and the rollers are driven. In addition, since a pressure roller and a pressure bonding mechanism (not shown) for holding each film are provided on the opposite side of the drive roller 100 with each film interposed therebetween, the driving of each film is individually controlled. can do. That is, the film can be driven in a state where the film corresponding to the pressure roller is pressure-bonded to the driving roller. In addition, when a plurality of films or a large number of films are driven and the load applied to each wire member connected to these films increases, the output of the power motor is increased accordingly. When driving a small number of films, the amount of work is adjusted to reduce the output of the power motor.
[0062]
The position detection of the wire member can be performed in place of the position detection of the film, and an encoder or the like is used to detect the rotation state of the power motor. And about the tension | tensile_strength detection means which detects the tension | tensile_strength of a wire, the various strain sensors etc. which are used for force control, such as a strain gauge which can detect the change of tension | tensile_strength by resistance value, a robot hand, etc. are mentioned.
[0063]
Next, the force sense presentation of a finger using a wire member will be described.
[0064]
In the above-mentioned pronation / internal / external operations, it was explained that the length of a pair of wire members is extended or contracted or driven in a mutually contradictory relationship, but this means that the role of the muscle is substituted by the drive of the wire. There is an equivalent relationship (that is, each wire member corresponds to a flexor and an extensor).
[0065]
As for human muscles, it is well known that bending and extension are performed by cooperatively operating at least two muscles with respect to a joint of one degree of freedom. (A circle indicates a joint).
[0066]
Finger extensors are arranged on the back side of the finger, and deep finger flexors and shallow finger flexors are arranged on the palm side.
[0067]
In order to perform bending and extension movements of joints using wire members instead of muscles, prepare a wire (or group of wires) corresponding to a flexor and a wire (or group of wires) corresponding to an extensor. Control may be performed to relax the other wire when one of the wires is tensioned.
[0068]
However, if a group of wires and their drive systems are prepared for each flexor and extensor in a joint structure with a high degree of freedom such as fingers, the configuration becomes complicated and many drive sources are required. Not good for.
[0069]
Therefore, various elastic members (spiral springs, coil springs, etc., which will be described later) are attached to locations corresponding to such joints, thereby reducing drive units and power units, saving space, and reducing weight. Is preferred. In other words, for a device worn on the back of a hand or a finger, the device is composed of a plurality of covering members, and a plurality of pairs of wire members are attached to the covering members, and adjacent members of the covering members are elasticized. If the structure which connects with a member and urges | biases force in the direction of a bending | flexion position of a finger or an extension position is employable, the number of wire members can be reduced.
[0070]
In that case, two forms shown below are mentioned.
[0071]
(I) A form in which the state of the brace is changed from the state to the extension position by wire driving from the joint bending position as an initial state of the spring member.
(II) A form in which the state of the brace is changed from the state to the bending position by wire driving from the joint extension position as an initial state of the spring member.
[0072]
In other words, in form (I), the spring member always exerts an urging force in the direction of bending, so when attaching the brace, the wire is driven to place the brace in the extended position. Attach to.
[0073]
Moreover, in form (II), since the urging force in the direction of the extended position is always applied by the spring member, it is not necessary to drive the wire at the time of wearing the brace. Although it becomes easy, the mechanism and control for changing the state of the brace to the state of the bending position become difficult as compared with the form (I).
[0074]
FIG. 27 shows a basic configuration of the force / tactile sensation device 101. For a plurality of appliances to be used by being attached to a subject, the covering members 102 and 102 that form a pair among the covering members constituting the appliance, for example, As described above, a plurality of pairs of wire members 103 and 103 are bridged over the wrist supporter and the elbow supporter.
[0075]
And about the drive means which drives these wire members, the structure which has the drive mechanisms 104 and 104 for driving each wire member, respectively, and the wire drive part 105 which controls the servo control and the clutch mechanism mentioned later In response to the control signal from the central control unit 106, drive control of the wire member is performed.
[0076]
The central control unit 106 receives a command from the force / tactile sensation presentation processing unit 107, interprets the contents thereof, generates a signal for controlling each wire member in accordance with the command, and performs a motion recognition of the target. During the force sense presentation control, wire length detection means for detecting the length of each wire member, and wire tension detection means for detecting the tension of each wire member (these are provided in the drive mechanism 104). ) To obtain necessary information.
[0077]
The force / tactile sensation presentation processing unit 107 is a part that determines an instruction content for a force / tactile sensation to be given to a target. In accordance with the story, a force / tactile sense presentation signal is read from a predetermined recording medium, and the timing of presentation is controlled. When used as a medical device, control for selecting and determining force / tactile sensation content to be given to a subject during treatment or diagnosis is performed manually or semi-automatically.
[0078]
The force / tactile sensation presentation processing unit 107 and the central control unit 106 are configured using calculation means such as a computer. However, when the wire driving unit 105 is realized by a software servo, part or all of the force / tactile sense presentation processing unit 107 and the central control unit 106 are performed on the computer. Can be left to program control.
[0079]
In the figure, an elbow supporter is shown as a first covering member attached near the elbow of the forearm, and a wrist supporter is shown as a second covering member attached to the ulna and wrist projections of the wrist. A pair of wire members 103, 103 are stretched over the two members. And, by pulling one wire member and loosening the other wire member by a control signal sent from the central control unit 106 to the wire driving unit 105, a sense of force related to the pronation or supination operation of the forearm is presented. can do. Further, by detecting the wire length in a state where a certain tension is applied to each wire member, the pronation / extraction state can be grasped.
[0080]
Regarding the driving of fingers, as described above, by attaching a plurality of covering members on the back of the hand or fingers and connecting adjacent members of these covering members with elastic members, the bending position of the fingers Alternatively, when a plurality of pairs of wire members attached to the covering member are driven to bend or extend a finger by energizing a force in the extending direction, the driving means elastically moves the plurality of pairs of wire members. Control is performed to pull against the biasing force of the member. A specific structure using a spiral spring, a coil spring or the like as the elastic member will be described in detail later.
[0081]
In addition, when connecting the end of the wire member to the drive mechanism, if the coupling between the two is too strong, a problem may occur when an excessive force is applied to the target. It is desirable to take safety measures so that the coupling between the wire member and the driving means is released when the wire is coupled to the driving means via the clutch mechanism and the tension of the wire exceeds a threshold value. For example, as will be described later, the electromagnetic clutch mechanism can be configured by a permanent magnet or a magnetic body fixed to the wire member and an electromagnet provided at a coupling portion of the driving means with the wire member.
[0082]
Needless to say, the present invention is applicable not only to the upper limbs but also to the haptic presentation related to the lower limbs and other parts.
[0083]
【Example】
FIGS. 28 to 82 show an example in which the present invention is applied to an apparatus that presents a force-tactile sensation together with presentation of video and audio information.
[0084]
In addition, there are two worlds that are preconditions for force / tactile sense presentation, one of which is the “virtual reality” world and the other is the “virtual illusion” world.
[0085]
FIG. 28 is a conceptual diagram for comparing and explaining the difference between the two, and in the “virtual reality” world, the phenomenon that a person is experiencing in real life is made full use of the presentation of video, audio, haptic sensation, and the like. By doing so, the purpose is to imitate virtually and to show the effect that a person receives by the phenomenon with the same sense. For example, as shown in the figure, when thinking about a situation where “a person starts reading a book in the real world”, in addition to visual information from the book, the person feels the weight of the book or touches the book. You can feel the texture. In the virtual reality world, in order to make an environment equivalent to this situation appear, for example, a virtual display VB (head-mounted display) is provided to the subject in order to provide the subject with a virtual book VB having no substance as video information. Etc.) is provided, and visual information is provided by using the force / tactile sensation presentation apparatus, and force information caused by gravity applied to the book and tactile information received from a book cover or paper are provided. In other words, the virtual experience in this world is of a nature that can always be compared with or contrasted with the real-world experience.
[0086]
On the other hand, in the world of virtual illusion, a phenomenon that humans cannot actually experience in the real world is presented as an unexperienced sensation by making full use of video, audio, force-tactile sensation, and the like. For example, as shown in the figure, when a person starts to read a book in the virtual world, a snowman who breaks out of the book and comes out of it speaks to the person. Such as unrealistic situations, such as the haptic sense of the arm received from the weight of the snowman, the tactile information such as the touch, and the temperature information can be provided using the force / tactile sense presentation device. . In other words, the experience in this world cannot occur in the real world and is not compared with the experience in the real world.
[0087]
In presenting a force / tactile sensation, it is necessary to configure and control the force / tactile sensation presentation device with sufficient consideration of these two worlds.
[0088]
FIG. 29 shows an example of the hardware configuration of the entire apparatus. The equipment 108 used by being attached to the subject, the central control unit 109 that controls the equipment, and the detection information interposed between them. And an input / output interface unit 110 that relays transmission of output information.
[0089]
First, the appliances 108 include, for example, those shown below.
[0090]
(I) Visual display and audio output device (head mounted display, etc.) that can be worn on the head
(Ii) Force / tactile sensation and motion capture devices worn on both hands
(Iii) A brace worn on the chest or waist.
[0091]
In this example, devices for presenting tactile sensations and force sensations to the left and right hands, forearms, and upper arms and for motion recognition are used. Of course, it is also possible to perform the operation recognition. Moreover, when the structure which can be controlled separately about each brace is employ | adopted rather than integrally forming the whole brace and controlling this collectively, the advantage shown below is acquired, for example.
[0092]
・ It is easy to change the equipment according to your needs and add the equipment.
・ It can flexibly cope with wiring reduction and wiring change.
[0093]
The visual display and audio output device 111 of (i) displays the video information sent from the central control unit 109 through the input / output interface unit 110 in front of the subject's eyes. Voice output means (headphones, speakers, etc.) for outputting voice information (music, voice, etc.) sent through the unit 110 is incorporated. As a result, video and audio information can be simultaneously transferred to the apparatus. This device is provided with a magnetic sensor, a polhe-mus sensor, or the like, so that detection information relating to the position and posture (tilt, etc.) of the subject's head can be obtained. The detection information is sent to the central control unit 109 through the input / output interface unit 110.
[0094]
The appliance (ii) has a function for presenting a force-tactile sensation to a hand or an arm and recognition of these motions, and adopts a method using a wire. Since information exchanged between the present brace and the input / output interface unit 110 is diverse, it will be described in detail after explanation of the brace mechanism.
[0095]
The device (iii) is a device for the thoracic vertebra, the lumbar vertebra and the like, and a gyro sensor is attached thereto. That is, the gyro sensor obtains detection information related to the position and posture (tilt, etc.) of the appliance, and the detection information is sent to the central control unit 109 through the input / output interface unit 110.
[0096]
As described above, the appliance 108 is configured by a plurality of parts, and the appliance (ii) will be described below.
[0097]
30 to 32 schematically show examples of the configuration of the brace. The brace 112 includes a brace portion 112H (hereinafter referred to as “hand supporter”) to be attached to the hand and wrist, and an elbow of the forearm. A brace part 112A (hereinafter referred to as “forearm supporter”) to be attached to the close part and a brace part 112B (hereinafter referred to as “elbow joint supporter”) required for coupling at the elbow part. ) And a brace part 112U (hereinafter referred to as “upper arm supporter”) attached to the upper arm.
[0098]
When mounting these supporters, for example, as shown in FIG. 30, the hand supporter 112H is mounted from the back side of the hand, that is, the lower side in the state where the hand is horizontally extended and the palm is directed upward. The supporter 112A is similarly worn from the lower side of the forearm. The elbow supporter 112B and the upper arm supporter 112U are attached to the elbow and upper arm from above. The elbow supporter 112B is connected to the forearm supporter 112A (see the two-dot chain line in the figure). The upper arm supporter 112U has a shape that can be used by being wound around the upper arm. For example, a pair of ring-shaped portions 112Ur and 112Ur are connected by connecting portions 112Uc and 112Uc (only one of them is shown in the figure), and each ring-shaped portion is wound with a belt-shaped member around the upper arm. The ring-shaped portion 112Ur becomes an annular shape by joining the end portions (the portion corresponding to the triceps surae, the split position of which is indicated by a broken-line circle in the figure) using a planar fastener or the like. It will be in a state wrapped around the upper arm.
[0099]
In consideration of ease of mounting, it is preferable that each supporter can be mounted on the hand or arm from the same direction. For example, as shown in FIG. 31, the elbow supporter 112B is connected to the forearm supporter 112A (both supporters are connected by a button stop, etc.) so that the elbow supporter 112B can be mounted from below the elbow. As for the upper arm supporter 112U, the belt-shaped member constituting each ring-shaped portion 112Ur is wound around the upper arm, and the ends thereof are portions corresponding to the biceps brachii muscles. (Indicated by a circle.) Are coupled with a planar fastener or the like so that it can be wound around the upper arm. Thus, after all the supporters are assembled and joined in advance, they can be easily attached to the hands and arms from the same direction (the direction from the bottom to the top in the figure). In addition, when the elbow supporter 112B is connected to the forearm supporter 112A, it may be difficult to attach the elbow supporter 112B depending on the shape of the elbow supporter 112B. It is preferable to form slits, cuts or the like extending in the length direction.
[0100]
FIG. 32 shows a state in which mounting to the upper limbs of all supporters is completed.
[0101]
Next, the structure of each supporter will be described step by step.
[0102]
FIG. 33 to FIG. 35 are diagrams for explaining a configuration example of the left hand supporter.
[0103]
FIG. 33 is a perspective view of the hand supporter 112H, FIG. 34 is a plan view, and FIG. 35 is a schematic side view. In these figures, portions corresponding to human hands and arms are indicated by two-dot chain lines. ing.
[0104]
The hand supporter 112H is configured to have the following parts.
[0105]
Supporters 112HA mounted on the first to fifth fingers from the back side (hereinafter referred to as “hand supporters”).
・ Supporter 112HB attached to the back of the hand (hereinafter referred to as “back supporter”)
Supporter 112HC for wrapping around the wrist (hereinafter referred to as “wrist supporter”)
A supporter 112HD (hereinafter referred to as “drive base supporter”) provided in a fin shape for mounting a wire drive unit (not shown in FIG. 33, but this configuration will be described later).
[0106]
In addition, as a material used for these supporters, for example, a splint material (thermoplastic plastic) and the like can be mentioned, but a material that is as thin and light as possible is preferable.
[0107]
Each finger supporter 112HA is basically formed to resemble the shape of a medical finger sac, and a covering portion corresponding to the bone of each finger so that the entire back surface of the extended finger can be covered. Are connected on the side of the finger using a spring member. That is, for the second to fifth fingers, the covering portions 112HA1, 112HA2, 112HA3 corresponding to the proximal phalanx, the middle phalanx, and the distal phalanx of each finger are respectively provided, and the distal phalanx is provided for the thumb Covering portions 112HA1 and 112HA2 respectively corresponding to the proximal phalanx and the proximal phalanx are provided. These covering portions are fixed to the finger using a planar fastener or the like.
[0108]
33 to 35, members indicated by multiple circles represent spiral springs for connecting adjacent covering portions on the side surfaces of the fingers. It should be noted that adopting a structure in which various spring members are provided at locations corresponding to joints in fingers having a high degree of freedom is effective in reducing the power unit, saving space, and reducing weight. In other words, the joint of the human body is not a simple axis motion, but the instantaneous center (position that becomes the center of the instantaneous axis) fluctuates due to the connection between curved surfaces. To eliminate this effect, the position corresponding to the joint It is necessary to use an appropriate spring.
[0109]
FIG. 36 shows an example of the shape of the spiral spring 113. The two end portions 113b extending from the central portion 113a of the vortex as the starting point gradually increase in radius and finally protrude to the opposite sides. 113b is formed, and these end portions are respectively fixed to the covering portions adjacent to each other, so that a spiral spring is spanned between both the covering portions. In addition, as a material of this spiral spring, SWPB (piano wire rod) and the like can be cited.
[0110]
The spiral spring 113 is arranged at positions on both sides of the finger corresponding to each finger joint. For example, in the case of the second to fifth fingers, the DIP joint (between the distal phalanges) The spiral springs are arranged on the finger side surfaces corresponding to the joint) and the PIP joint (proximal interphalangeal joint).
[0111]
As for the spiral spring, as shown in an enlarged view in the great circle of FIG. 37, a double structure, a triple structure in which a spiral spring is arranged and connected to each vertex of the triangle, etc. As a result, even if the winding diameter of each spiral spring is small, the spring can be sufficiently bent along the longitudinal direction of the finger, and the restriction on the bending angle caused by the contact between the wires is relaxed. be able to. In the example shown in the figure, spiral springs 113 and 113 having a dual structure are provided between a covering portion 112HA1 attached from the back to the last node of the finger and a covering portion 112HA2 attached from the back to the middle clause. A spiral spring 113, 113, 113 having a triple structure is bridged on the side surface of the finger between the covering portion 112HA2 and the covering portion 112HA3 attached to the base joint. Has been passed.
[0112]
Employing such a spiral spring is effective in reducing the sense of incongruity during operation caused by a displacement of the supporter. In order to prevent the wires from contacting each other in the spiral spring, it is necessary to devise measures to prevent interference, for example, the spiral shape is not a circular shape but a fan shape.
[0113]
Moreover, in order to reduce the variation regarding the reaction force of each spiral spring, it is desirable to provide a mechanism for finely adjusting the reaction force.
[0114]
FIG. 38 to FIG. 40 show configuration examples using tension springs for the spring strength adjusting mechanism.
[0115]
As shown in FIG. 38, the adjusting mechanism 114 is attached to both members in such a manner as to straddle the covering portion 112HA1 with respect to the terminal node of the finger and the covering portion 112HA2 with respect to the middle node.
[0116]
FIG. 39 shows a winding-type mechanism example 114A. In addition, the figure shown to (A) and (B) of the figure each shows the top view in a different state, respectively, The figure shown to (C) is sectional drawing which follows the CC line of (A), (D) The figure shown to has shown sectional drawing which follows the DD line | wire of (A).
[0117]
As shown in the figure, two tension springs (or tension coil springs) 117 and 117 are stretched between the two members 115 and 116. One member 115 is fixed to the covering portion 112HA1, and the other member 116 is fixed to the covering portion 112HA2.
[0118]
Guide passages 118 and 118 into which two tension springs 117 and 117 are partially inserted are formed inside the casing 116a constituting the member 116, and one end portion of each tension spring 117 is a wire. 119 and 119 are connected to one end, and the other end 119a of each wire is fixed in a state of being wound around a winding shaft 120 (cylindrical shaft). The other end of each tension spring 117 is fixed to the member 115, and the length of the tension spring 117 can be adjusted between the member and the winding shaft 120 (see “ See ΔL ”).
[0119]
The winding shaft 120 is supported in a rotatable state by inserting both ends of the winding shaft 120 into support holes 121 and 121 formed on the side surface of the housing 116a, respectively, as shown in FIGS. As shown, two disk portions 122, 122 that are coaxial with the rotation center axis of the winding shaft 120 and have a larger diameter than that are integrally formed in the middle portion thereof. A tooth-like portion 123 having a smaller diameter than both the disc portions 122 is formed between the disc portions 122 and 122, and the recess portion 124 is formed so as to be positioned between the passages 118 and 118. The stopper 125 and the compression coil spring 126 that obtains an urging force for pressing the claw portion (tip portion) 125a of the stopper 125 between the teeth of the tooth-like portion 123 are accommodated. The claw portion 125a and the tooth-like portion 123 of the stopper 125 constitute a ratchet mechanism in the engagement relationship therebetween, and the disk portions 122 and 122 are rotated clockwise in FIG. Even if the spring 117 can be extended (spring winding operation), the reverse, that is, the disk portions 122 and 122 cannot be rotated counterclockwise in FIG. (The description of the release mechanism of the claw portion 125a of the stopper 125 is omitted).
[0120]
In this configuration, the lengths of the tension springs 117 and 117 can be adjusted by operating the disk portions 122 and 122 and rotating them, so that the spiral spring 113 and the adjustment mechanism 114A are combined. Thus, the reaction force can be finely adjusted to reduce the variation.
[0121]
FIG. 40 shows a slide-type mechanism example 114B. The drawing shown in FIG. 40A is a plan view, and the drawing shown in FIG. 40B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[0122]
A slider 127 is slidably accommodated in the housing 116Ba of the member 116B fixed to the covering portion 112HA2, and one end of each tension spring 117 is fixed to the slider 127. That is, a portion of each tension spring 117 opposite to the end fixed to the member 115 is introduced into the housing 116Ba through the two insertion holes 128 and 128 formed in the housing 116Ba. It is fixed to the slider 127.
[0123]
The slider 127 is formed with an operation portion 127a for operating when the slider 127 is moved along the longitudinal direction of the tension spring 117, and in order to maintain the position, the slider 127 faces upward in FIG. The triangular claw 127b is formed, and as shown in the figure, the triangular claw 127b has projections 129 and 129 protruding laterally on the upper surface of the housing 116Ba (only two pairs are shown in the figure for simplification). Engaged). That is, the position of the slider 127 is determined by the engagement position of the triangular claw 127b with the protrusions 129 and 129. As shown in FIG. 5B, a slit 127c is formed at a position slightly below the triangular claw 127b. When the triangular claw 127b is disengaged from the protrusions 129 and 129, the triangular claw 127b is removed. Consideration is given to easily distort the formed portion.
[0124]
Thus, in this configuration, the slider 127 is positioned by operating the slider 127 to define the positional relationship at the time of engagement between the triangular claw 127b and the protruding portion 129. The length of the tension springs 117 and 117 stretched between the member 115 can be adjusted. Accordingly, the reaction force can be finely adjusted by combining the spiral spring 113 and the adjusting mechanism 114B, and the variation can be reduced.
[0125]
FIG. 41 shows a configuration example in which an adjusting mechanism 130 for adjusting the spring strength of the spiral spring 113 is provided at the base of the spiral spring.
[0126]
In this case, one end 113b of the spiral spring 113 is fixed to the slider 132 constituting the slide mechanism 131, and the spring strength can be adjusted by defining the position of the slider 132.
[0127]
That is, in the slider 132 received in a slidable state in the accommodating portion 133, the cross-sectional shape of the portion where the slit 132a is formed is substantially U-shaped, and the locking claw 132b is formed at one end portion thereof. Is formed. The engaging claw 132b is engaged with any one of the plurality of locking holes 133a, 133a,... Formed in the accommodating portion 133. By fixing the slider 132 by screwing or the like through the fixing pin 134 in the hole 133b, the movement of the slider 132 can be prevented, and the position can be defined in the length direction of the finger. The other end 113 b of the spiral spring 113 may be directly fixed to the covering portion, or may be fixed to the covering portion via an adjustment mechanism similar to the adjustment mechanism 130.
[0128]
FIG. 42 schematically shows an example of an adjustment mechanism for the covering portion in accordance with the size (width) of the finger. (A) The attached state to the small finger in the figure, (B) To the finger in the large figure. Each attached state is shown.
[0129]
In this example, the covering portion 112HA is composed of three portions 112HA_α, 112HA_β, and 112HA_γ, which are connected by rotating shafts 135 and 135 formed by a hinge spring or the like. The adjusting mechanisms 130 and 130 are coupled to the ends of the three portions located at both ends via rotating shafts 135 and 135, respectively.
[0130]
In the example described above, the spiral spring is arranged on the side surface of the finger corresponding to the joint. However, instead of the spiral spring, a configuration using a hinged coil spring on the back surface of the covering portion may be adopted. An example is shown in FIG.
[0131]
Back springs 136 and 136 for connecting these members are attached between 112HA1 and 112HA2 and 112HA2 and 112HA3 on the back surface of each covering portion, and the back spring 136 has a cross-sectional shape. A coil spring portion 136a, 136a having a quadrangular shape (such as a square or a rectangle) and a hinge portion 136b connecting the portions are configured.
[0132]
As shown in FIG. 43 (B), these back springs 136 are installed so as to be bent in the initial state, and a tensile force of a wire member (arranged along the back surface of the covering portion) described later. Thus, as shown in FIG. 43A, it can be operated to be in the extended position. At that time, the interference of the coil spring does not hinder the bending and extension of the finger, so that the operation does not become awkward. It should be noted that the initial state of the spring may be the finger extended position (that is, the state shown in FIG. 5A), but in that case, the wire member must be routed to the palm surface side.
[0133]
As shown in FIGS. 44 and 45, the finger supporter 112HA of each finger is provided with two wire members 137 and 137 (silicone tubes passed through tungsten wires). It extends along the length of the finger on the back surface of each covering portion, and extends to the drive base supporter 112HD through the upper supporter 112HB and the wrist supporter 112HC (the extension of these wires is attached to the drive base supporter 112HD). This is controlled by a drive mechanism (not shown), which will be described in detail later).
[0134]
A configuration in which a V-shaped spring is arranged between the covering members attached to the base portions of the fingers and the spring hooks are respectively fixed to the adjacent covering members is used. For example, as shown in FIG. As described above, V-shaped springs 138, 138, and 138 are attached in the vicinity of the MP joint (metacarpal joint) between the second to fifth finger supporters. That is, these V-shaped springs are disposed between the second finger and the third finger, between the third finger and the fourth finger, and between the fourth finger and the fifth finger, and the side surface of the covering portion with respect to the base joint. The initial state of the spring is based on the abduction of the fingers and the back of the hand being flat. This is in order to perform the adduction operation in the initial state of the abduction and the opposition movement of the hand, and to improve the strength by connecting each finger supporter, but the adduction to the V-shaped spring, When the function of abduction is not given, the internal dislocation of the spring may be set to the initial state. In addition, when a mechanism for an opposing operation described later is employed, the V-shaped spring can be eliminated.
[0135]
47A and 47B show examples of the shape of the V-shaped spring 138. FIG. 47A is a side view, and FIG. 47B is a view seen from the direction of arrow B in FIG.
[0136]
The V-shaped spring 138 includes a coil portion 139 having a circular cross-sectional shape and two spring hook portions protruding from the coil portion. The spring hook portion is formed from the coil portion 139. The extended straight portions 140 and 140 extend in a C shape when viewed from the side. That is, the end portions 140a and 140a are bent in a U shape as spring hanging pieces, and these are attached to the covering portion.
[0137]
The upper supporter 112HB as a covering member to be mounted on the back of the back of the hand is composed of a plurality of constituent members, each constituent member is connected by a hinge member, and the interval between the connected members is determined. A structure in which a sliding mechanism for freely changing is provided for each hinge member is desirable. For example, as shown in FIG. 48, a plane that passes between the third finger and the fourth finger and extends perpendicular to the paper surface is used. The covering portions 112HBa and 112HBa are divided into two, and both the covering portions are around an axis “RR” indicated by a one-dot chain line in FIG. It is connected in a rotatable state.
[0138]
In the example shown in the figure, the members that connect the covering portions 112HBa and 112HBa support the three hinge springs 141, 141, and 141 so that each of the hinge springs can slide in a direction perpendicular to the axis RR. Support mechanisms 142, 142, 142 are provided. In other words, in the structure in which the covering portions are simply joined by the hinge spring 141, the abduction position is a state in which the palm surface is flattened (the palm surface is in a substantially flat state. The covering portions 112HBa and 112HBa can be brought into close contact with the surface of the hand only in the "flat position"), and the hand is crushed and curved (the palm surface is curved in a concave shape. This is because it is difficult to sufficiently adhere the covering portions 112HBa and 112HBa to the surface of the back of the hand in the “curved position”).
[0139]
FIG. 49 shows an example of the shape of the hinge spring 141. The figure shown in (A) is a side view seen from the axial direction of the coil part 141a, (B) is a figure seen from the arrow B direction, and (C) is It is the figure seen from the arrow C direction.
[0140]
The pair of bent pieces 141b and 141b that protrude from both end portions of the coil portion 141a and are bent in a U shape form an angle “φ” in the state shown in FIG. In the natural state (no load state) of the hinge spring 141, this angle φ is set to a value that is slightly smaller than 180 degrees, so that the state of the hinge spring 141 when viewed from the axial direction of the coil portion 141a becomes a letter-shape. (This is due to the fact that the back of the back of the hand in a flat position is not at all flat.)
[0141]
FIG. 50 shows only the main part of an example of the support mechanism 142 of the hinge spring 141, (A) shows the accommodated state of the spring, and (B) shows the state seen from the axial direction of the coil part 141a. It shows a change.
[0142]
The accommodating portions (or housings) 143 and 143 respectively accommodate the bent pieces 141b and 141b of the hinge spring (only the accommodating portion 143 with the one bent piece 141b is shown in the figure), and the opening 144 is shown. 144 are formed. That is, a part of the bent piece 141b that protrudes from one end of the coil portion 141a is received in the housing portion 143 through one opening 144, and the bent piece 141b is between the openings 144 and 144. A stopper projection 145 is formed to prevent the removal. As shown in FIG. 5B, the hinge spring 141 is between the state in which the bent piece 141b is almost accommodated in the accommodating portion 143 and the state in which the majority of the bent piece 141b has come out of the accommodating portion 143. (See “Δx” in the figure).
[0143]
In FIG. 50, only one bent piece 141b is shown for convenience, but the other bent piece 141b is similarly received in a slidable state in the accommodating portion 143.
[0144]
Further, in order to more reliably define the moving direction of the hinge spring 141 when sliding, a guide means (guide groove or the like) for guiding the hinge spring is provided in the accommodating portion 143, and this is supported. Although it is preferable to use a configuration in which the guided portion is formed at the bent portion of the hinge spring, only the basic configuration is shown in FIG. 50, and further detailed description of the mechanism and the like is omitted.
[0145]
When the covering portions 112HBa and 112HBa are connected by one cylindrical shaft 146 formed of an elastic member such as rubber, the shaft RR is supported on the side surface of the cylindrical shaft 146 as shown in FIG. The mechanisms 142, 142,... May be attached (in the figure, the members fitted to the both ends and the center of the cylindrical shaft 146 are supported by the support mechanisms 142 in a slidable state). .
[0146]
48 and 51, the upper supporter 112HB is divided into two parts. However, the present invention is not limited to this, and the second finger and the third finger between the fourth finger and the fifth finger are not limited thereto. Similarly, it is desirable to divide the covering portion in the same manner so that they can be rotated and slid in a direction perpendicular to the rotation axis.
[0147]
Regarding the connection structure between the covering portions 112HBa and 112HBa constituting the upper surface supporter 112HB and each finger supporter 112HA, for example, by attaching the slide mechanism 142 shown in FIG. 50 to the back surface of each covering portion, the hinge spring 141 is used. There is a method of connecting the covering portions 112HBa, 112HBa and the covering portion 112HA3 of the finger supporter. As shown in FIG. 48 and FIG. Are provided with operating mechanisms (or rotating mechanisms) 147, 147,... For outer rotation (only two of them are shown in the figure), and the rotations constituting the mechanism are shown. It is preferable that a spiral spring (113, 113, 113) is attached to the tip of the moving member and connected to the finger supporter (112HA3).
[0148]
Each operation mechanism 147 is attached to each finger in order to enable operation in the inward and outward rotation directions by axial movement when driving a pair of wire members provided for each finger separately. Yes, both have the same configuration except for the difference in orientation related to adduction / exversion, and only one of them will be described below.
[0149]
In FIG. 52, the rotation member 147a constituting the operation mechanism 147 is in a state in which most of the rotation member 147a is received in the housing portion 148 formed in the covering portion 112HBa, and the point “RC” shown in the figure is the rotation center. , And can be rotated in the direction of the arrow “R”. A spiral spring (113, 113, 113) is fixed to the end of the rotating member 147a opposite to the point RC, and the configuration thereof will be described in detail later.
[0150]
As for the space in the accommodating portion 148, the gap between the rotation member 147a and the rotation member 147a is small in the vicinity of the rotation center point RC of the rotation member 147a, but the gap gradually increases as the distance from the rotation center point RC increases. In the illustrated example, a leaf spring 149 is attached near the opening of the accommodating portion 148. One end of the leaf spring 149 is attached to the side wall of the accommodating portion 148 so that the leaf spring 149 can rotate, and applies a biasing force in a fixed direction (clockwise direction in the drawing) to the rotating member 147a. It is.
[0151]
That is, in the initial state, as shown in FIG. (A), the rotating member 147a is pressed against the side wall of the accommodating portion 148 located on the opposite side of the leaf spring 149 by the urging force of the leaf spring 149. However, at the time of abduction, the rotating member 147a rotates in a direction against the force of the leaf spring 149 as shown in FIG. It becomes a state where it cannot be rotated any more (in the case of internal rotation, on the contrary, it changes from the state (B) to the state (A)).
[0152]
In the example shown in the operation mechanism 147A in FIG. 53, two magnets (permanent magnets or electromagnets) 150 and 151 are used instead of the leaf spring 149, and one of the magnets 150 is placed on the inner wall near the opening of the housing portion 148. The other magnet 151 is fixed to the side surface of the rotating member 147a facing the magnet 151. Therefore, in this configuration, in the initial state, the rotating member 147a is pressed against the side wall (the side wall located in the upper part of the drawing) of the housing portion 148 by the repulsive force acting between the magnets 150 and 151. However, at the time of outer rotation, the rotating member 147a rotates counterclockwise in the figure against the repulsive force between the magnets.
[0153]
In the example shown in FIG. 52, the gap between the rotating member 147a and the accommodating portion 148 is narrow in the vicinity of the rotation center RC, but not limited to this, as shown in the operation mechanism 147B in FIG. The rotation center RC is set in the vicinity of the opening of the housing portion 148B, and the clearance from the rotation member 147a is gradually increased toward the back of the housing portion 148B away from the rotation center RC, and the rotation member 147a. Alternatively, a configuration in which the leaf spring 152 is disposed between the end of the housing and the side wall of the housing portion 143 may be used.
[0154]
In short, the rotation member 147a can rotate in the direction approaching the first finger for the second finger and the third finger, and the rotation member in the direction away from the third finger for the fourth finger and the fifth finger. What is necessary is just to ensure the movable range of a rotation member in each accommodating part so that 147a can rotate.
[0155]
A connecting portion using a spiral spring is provided at an end portion of the rotating member 147a protruding from the accommodating portion 148, and is fixed to the finger supporter.
[0156]
FIG. 55 partially shows the main part of the configuration example. Three spiral springs shown in FIG. 36 are prepared, and these are arranged in a horizontal line, and each central part is formed by a shaft member 153. (For example, as shown in the enlarged circle in the figure, the center part of each spiral spring is sandwiched between two semi-cylindrical members 153a and 153a, and an annular shape is formed at both ends of the semi-cylindrical member 153a. The members 154 and 154 are attached (ringed), etc.), one end of each spiral spring 113 is fixed to the rotating member 147a, and the other end is fixed to the finger supporter covering portion 112HA3. The reason why the plurality of spiral springs are arranged side by side is to reduce the deflection of the spring during the inward / outward motion, and the deflection can be further reduced by providing the shaft member 153.
[0157]
The initial state of these spiral springs is based on the bending position of the MP joint, but in order to smoothly bend and extend the MP joint, it is preferable to provide a sliding reaction force adjusting mechanism.
[0158]
FIG. 56 shows a configuration example 155 of the sliding reaction force adjusting mechanism. FIG. 56 (A) is a plan view, and FIG. 56 (B) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. One of the pair of slide mechanisms 155a and 155b is attached to the covering part on the finger supporter side, and the other 155b is attached to the covering part on the upper surface supporter 112HB side.
[0159]
Each spiral spring 113 is sandwiched between the slide mechanisms 155a and 155b, and both ends thereof are fixed to the slide members 156a and 156b of the respective slide mechanisms. That is, the end of each spiral spring 113 is fixed to one end of the slide member 156a constituting the slide mechanism 155a, and the two coil springs 158a and 158a are fixed in a state where the other end is received in the housing member 157a. ing.
[0160]
The coil springs 158a and 158a are disposed in the housing member 157a in a positional relationship parallel to each other, and the end of each coil spring opposite to the side fixed to the slide member 156a is fixed to the operation member 159a. The reaction force of the coil spring in the sliding direction can be adjusted by defining the position of the operation member 159a. The engaging portion 160a formed on the operation member 159a is engaged with one of a plurality of stopper grooves (not shown) formed on the housing member 157a, thereby positioning the operation member 159a in the sliding direction. Further, a portion 161 formed on the housing member 157a and extending to the vicinity of the spiral spring is a protrusion corresponding to the MP joint (there is a risk that the wire member may come into contact with the skin without this).
[0161]
The other slide mechanism 155b has the same configuration as the slide mechanism 155a, and the end of each spiral spring 113 is fixed to one end of the slide member 156b, and the other end is received in the housing member 157b. In this state, the two coil springs 158b and 158b are fixed. That is, the operation member 159b is fixed to the end of the coil springs 158b and 158b arranged in the housing member 157b in parallel with each other on the side opposite to the side fixed to the slide member 156b. The engaging portion 160b formed on the member 159a is engaged with one of a plurality of stopper grooves (not shown) formed on the housing member 157b, thereby positioning the operation member 159b in the sliding direction. The reaction force of the coil spring can be adjusted.
[0162]
As the adjusting mechanism of the spiral spring itself, for example, the above-described mechanism 114 (see FIGS. 39 and 40) can be used, and as shown in the drawing, the accommodating portion (116, 116B) is one slide member. The member (115) is attached to a position shifted slightly to the slide member 156b side from the center of the spiral spring 113, and the member is mounted on the other slide member 156a via the wire 162. It is attached via a fixing member 163. The installation location of the adjustment mechanism is preferably selected on the back side of the shaft member 153 to which the spiral spring 113 is coupled in order to avoid the problem of contact between the mechanism and the finger.
[0163]
As described above, when the reaction force adjustment in the sliding direction of the coil springs (158a, 158b) and the reaction force adjustment in the rotation direction of the spiral spring (113) can be performed independently, the operation of the MP joint is further improved. It is effective in that it can be made smooth.
[0164]
56, when the pair of slide members 156a and 156b are connected by a hinge, a rotation mechanism, or the like without using the spiral spring 113, this mechanism is used for all finger joints. It can be arranged on the back surface, and in this case, it can be seen that this is another embodiment of the mechanism using the back spring 136 shown in FIG.
[0165]
As for the confronting movement of the thumb in the CM joint, as shown in FIGS. 57 and 58, a rotation mechanism 164 is attached to the upper supporter 112HB. That is, the rotating mechanism 164 is an application of the above-described abduction / inversion operation mechanism (see FIGS. 52 to 54), and the rotating member 164a constituting the mechanism has a hinge spring. It is connected to the side surface of the covering portion 112HBa of the upper surface supporter 112HB through the used rotating shaft 165. In addition, about a hinge spring, the state when squeezing and curving a hand is made into an initial state (refer the broken line of FIG. 58).
[0166]
The rotation member 164a is supported so as to be able to rotate around a rotation center indicated by a point “RC” in the drawing with a predetermined angle range. In this example, the rotation member 164a is rotated using two magnets 166 and 167. A biasing force in the clockwise direction in the figure is applied to the member 147a. That is, the repulsive force generated by the repulsive force acting between the magnet 166 attached to the position near the rotation shaft 165 and the magnet 167 attached to the side surface position of the corresponding rotation member 164a corresponds to the rotation member 164a. Is moved away from the rotation shaft 165. Of course, a leaf spring or the like may be used as an alternative to these magnets (see FIGS. 52 and 54).
[0167]
A mechanism using the slide spring shown in FIGS. 49 and 50, the spiral spring shown in FIG. 55, or the like is disposed between the end of the rotating member 164a and the cover portion of the thumb joint. However, the initial state of the spring is also in the bent position in this case.
[0168]
In addition, the upper supporter 112HB requires a mechanism related to the bending / extending operation of the MP joint and the confronting operation. For the arrangement and driving control of the wires involved in the operation of each mechanism, Further details will be described in connection with
[0169]
Next, the wrist supporter 112HC will be described.
[0170]
The wrist supporter 112HC is wound around the wrist like a watch hand and then fixed using a surface fastener or the like, but care should be taken not to apply local compression to the wrist when driving the wire.
[0171]
For this purpose, a buffer member is installed on the surface of the wrist supporter 112HC that comes into contact with the wrist, or the buffer member 168 is wrapped around the wrist as shown in FIG. Thus, it is desirable to wear the wrist supporter 112HC. That is, the buffer member 168 plays a role of preventing the skin from being caught by the wire drive. In the figure, two hinge portions 169 and 169 are formed in the wrist supporter 112HC, and the buffering members 170 and 171 for preventing entrainment are interposed between the supporter and the buffering member 168 as intermediate members. ing.
[0172]
A part of the drive base supporter 112HD (or the wrist supporter when integrated with the wrist supporter) is wound around the wrist 170 and then fixed by using a surface fastener or the like. It is necessary to provide a flat area to mount the device, and the drive mechanism should not come into contact with the forearm supporter 112A during pronation / extraction. In addition, although the structure which provided wrist supporter 112HC and drive base supporter 112HD separately, and the structure which produced both integrally are mentioned, the latter is more preferable from a viewpoint of mounting | wearing ease.
[0173]
Examples of the drive mechanism include the following configurations, but a configuration suitable for downsizing and thinning is preferable.
[0174]
・ Mechanism to slide the film to which the wire is connected
・ Mechanism using electromagnetic clutch means and sliding drive.
[0175]
An example of a mechanism for sliding a film is as described above, and a driving roller that is rotationally driven by a motor and a pressure roller for energizing a predetermined pressure force are provided, and the film is sandwiched between both rollers. The wire is driven by sliding.
[0176]
FIG. 60 shows a configuration example 174 in which an electromagnetic clutch mechanism is interposed between the two without connecting the wire directly to the motor unit. This mechanism is required to control the target so that no greater force is applied to the object by releasing the connection between the wire member and its driving means when the tension applied to the wire member exceeds a threshold value. .
[0177]
A permanent magnet 176 (or a magnetic material such as iron) is fixed to the end of the wire 173 passed through the flexible tubular member 175 such as a silicone tube. Of the permanent magnet 176, the wire 173 and A contact detection sensor 177 is attached to the opposite position. In addition, an electromagnet 179 that is paired with the permanent magnet 176 is provided, and a contact detection sensor 178 facing the sensor 177 is attached thereto. The electromagnet 179 is fixed to a wire portion 181 a coupled to the output shaft of the sliding drive unit 181 via a tension sensor 180. Note that a linear motor or the like is used for the slide type drive unit 181, and a detection means (encoder or the like) for detecting the position of the output shaft or the wire unit 181 a is provided therein. Further, the permanent magnet 176, the electromagnet 179, the tension sensor 180, and the wire portion 181a are disposed in the tubular member 175.
[0178]
In this configuration, the permanent magnet 176 and the electromagnet 179 constitute an electromagnetic clutch mechanism, and an attractive force is generated between the electromagnet 179 and the permanent magnet 176 by excitation of the electromagnet 179, so that both are attracted. This is detected by the contact detection sensors 177 and 178. In this state, when the wire portion 181a is driven by the slide type drive unit 181, the force acting on the right side of the drawing (direction approaching the slide type drive unit 181) The tension sensor 180 detects the tension of the wire at this time. Thereafter, when the driving force to the wire 173 is increased, the tension of the wire gradually increases up to a certain range, but the tension is determined by a certain threshold value (determined by the attractive force between the electromagnet 179 and the permanent magnet 176). If the value exceeds the value, the electromagnet 179 and the permanent magnet 176 are separated from each other (this separated state is detected by the contact detection sensors 177 and 178), so that no further force is applied to the wire. . That is, when an excessive force acts on the wire and the wire is pulled, an undesired force outside the allowable range may be applied to the member (supporter) connected to the tip of the wire. In the above configuration, the separation of the electromagnet 179 and the permanent magnet 176 ensures that the wire is not subjected to excessive force. When the tension of the wire detected by the tension sensor 180 exceeds a predetermined reference value, the electromagnet 179 and the permanent magnet 176 are reversed by changing the excitation state of the electromagnet 179 and reversing the magnetic poles. It is also possible to adopt a method in which the two are positively separated by controlling so as to repel each other.
[0179]
FIG. 61 is a schematic view of another example 182 of the electromagnetic clutch mechanism, in which only the connecting portion with the wire end is partially extracted, and FIG. 61 (A) is a cross-sectional view of the main part, and FIG. The drive side members are shown, (C) shows the wire attachment side members, and (D) shows the side walls that support these members in a slidable state.
[0180]
Two members 184 and 185 are supported in the housing portion 183 in a slidable state, and one of the members 185 is a connecting member to the wire 173, and the end of the wire 173 is the housing portion. The other member 184 functions as a slide member for sliding the member in a predetermined direction in a state where the member 184 is engaged with the connecting member 185. That is, the connecting member 185 formed of a magnetic material has a substantially L-shape when viewed from the side, as shown in FIG. (A), and both sides of the connecting member 185 as shown in FIG. Two shaft end portions 185a and 185a respectively protruding from the surface are inserted into guide long holes 183c and 183c (only one of them is shown in the figure) formed in the side wall of the accommodating portion 183. That is, the connecting member 185 is supported on the side wall of the housing portion 183 in a state that it can slide along the guide long holes 183c and 183c and can rotate around the shaft end portions 185a and 185a. .
[0181]
Further, an electromagnet 186 having a substantially rectangular parallelepiped shape is attached to the distal end portion of the slide member 184, and protrusions 184a and 184a (see FIG. (B)) formed on both side surfaces of the distal end portion, respectively. The guide long holes 183b and 183b (only one of them is shown in the drawing) are formed on the side wall of the housing portion 183 so as to extend in parallel with the guide long holes 183c and 183c. The slide member 184 is linearly moved by being guided by the guide long holes 183b and 183b by a drive mechanism (not shown) (for example, the above-described film drive mechanism or a slide-type drive mechanism using a linear motor).
[0182]
In the mechanism 182, the coupling member 185 is formed of a ferromagnetic material, or a permanent magnet is attached to a position corresponding to the electromagnet 186 of the slide member 184 in the coupling member 185 to constitute an electromagnetic clutch mechanism. . That is, as shown by a two-dot chain line in FIG. 61A, when the electromagnet 186 of the slide member 184 is excited from the state where the coupling member 185 and the end of the slide member 184 are disengaged, both are engaged. When the slide member 184 is moved in the direction indicated by the arrow S in the drawing, the end of the slide member 184 is engaged with the connection member 185, so that the connection member 185 and the wire 173 are pulled. It will be. And when tension | tensile_strength of the wire 173 becomes large and the attraction | suction force of the electromagnet 186 with respect to the connection member 185 is exceeded, both engagement will be cancelled | released. Therefore, the energy required for exciting the electromagnet 186 is sufficient to engage the electromagnet 186 and the connecting member 185, and the allowable upper limit value of the tension applied to the wire 173 can be determined by the attractive force at this time.
[0183]
For detecting whether or not the connecting member 185 and the end of the slide member 184 are in an engaged state, for example, a detection terminal is attached to both members to detect contact or non-contact of both terminals. And a method of detecting whether the two members are in contact or in proximity with a light detection means such as a photocoupler (for example, an optical sensor or a photocoupler is attached to the connecting member 185 side, and light is applied to the slide member 184. A light shielding part is formed to block the light, and when the light from the optical sensor is blocked by the light blocking part, it is determined that the connecting member 185 and the slide member 184 are engaged. It is determined that the members are not engaged with each other.
[0184]
In addition, there is a method of separating the wire drive source and the drive mechanism. For example, a drive source having a large capacity is shared among a plurality of wires, and this is attached to, for example, a device for lumbar spine so that a person can carry it, and an electromagnetic clutch or ER fluid is used. Only a lightweight driving mechanism using (electrorheological fluid) or the like may be installed on the driving base supporter 112HD. Further, the drive source is not limited to a motor, and various forms such as a cylinder part can be installed on the drive base supporter 112HD using an air pressure source are naturally possible.
[0185]
Next, the arrangement of each wire controlled by the drive mechanism arranged on the drive base supporter 112HD will be described.
[0186]
The wire is a replica of the function of the human muscle as a medium for transmitting power, but the material is coated with tungsten wire or wear-resistant polymer on the surface of the thread for sewing the brace. And the like. Moreover, in order to prevent damage to the skin when the wire is in direct contact with the skin, the wire is used while being inserted into a tubular member such as a silicone tube (wiring with the tubular member embedded in the supporter) Etc.) from the viewpoint of safety. For example, in the case of a silicone tube, the shape is kept tubular in the initial state when a wire is passed through it, but the silicone tube contracts when the wire is pulled, so there is a risk of damaging the skin surface There is no.
[0187]
First, for the wires attached to the finger supporter 112HA, as shown in FIG. 44, there are two wires 137 and 137 attached to the back of each covering portion starting from the covering portion of the terminal node of each finger. The upper surface supporter 112HB is connected to a wire drive mechanism (not shown) on the drive base supporter 112HD via the covering portion 112HBa of the upper surface supporter 112HB and the wrist supporter 112HC.
[0188]
62 and 63 illustrate a state in which a wire member is attached to the second to fifth finger supporters, and wire pairs 137 and 137 are respectively attached along the back surface of each covering portion.
[0189]
If the stress tends to concentrate on the wire portion located between the adjacent covering portions or at the edge portion of the covering portion, etc., as shown in FIG. 64, small support members 187 and 187 are formed at predetermined positions of the covering portion. ,... (Ball bearings, pulleys, etc.) are preferably provided and wired through the wire member 137 to improve the durability. In this case, it is desirable to reduce the inner diameter of the support member 187 by using a wire formed of yarn, synthetic fiber, or the like.
[0190]
Regarding the operations of the second to fifth fingers in the finger supporter 112HA, the function of each wire shown in FIGS. 62 and 63 is as follows.
[0191]
・ At the time of transition from flexion position to extension position, the above-mentioned drive mechanism pulls the wire pair placed on the back of each finger at the same time.
・ At the time of transition from the extended position to the bent position, the wire pairs placed on the back of each finger are simultaneously loosened by the above drive mechanism.
-During the transition from adduction to abduction, the wire member farther than this with respect to the central axis of the opposing movement passing between the third and fourth fingers (the first finger for the second and third fingers) The wire member 137A closer to the wire 137, the wire member 137B far from the first finger for the fourth finger and the fifth finger are simultaneously pulled, and the other wire is loosened simultaneously.
・ When shifting from abduction to adduction, the reverse is true. That is, with respect to the reference axis of the opposing movement that passes between the third finger and the fourth finger, the wire closer to this is simultaneously pulled and the other wire is simultaneously loosened.
[0192]
As for the operation of the thumb, a wire member is arranged as shown in FIG. 57, and two wire members 137 and 137 attached along the back surface of the finger covering portion (only one of them is shown in the figure). ) Is connected to the wire driving mechanism on the driving base supporter 112HD via the members constituting the rotating mechanism 164 and the wrist supporter 112HC. Further, two wire members 137C and 137C originating from the rotation member 164a constituting the rotation mechanism 164 are connected to the wire on the drive base supporter 112HD via the covering portion 112HBa of the upper supporter 112HB and the wrist supporter 112HC. Connected to the drive mechanism.
[0193]
Therefore, the function of each wire for the operation of the thumb in the finger supporter 112HA is as shown below.
[0194]
・ At the time of transition from flexion position to extension position, pull the wire pair (137, 137) placed on the back of the thumb at the same time.
・ When moving from the extended position to the bent position, simultaneously loosen the wire pair (137, 137) placed on the back of the thumb.
・ At the time of transition from the curved position to the flat position, pull the wire pair (137C, 137C) via the upper supporter at the same time.
-At the time of transition from the flat position to the curved position, simultaneously loosen the wire pair (137C, 137C) that passes through the upper supporter.
[0195]
In order to realize the internal rotation / external rotation operation as well as the conflicting operation, as shown in FIG. 65, two wires are arranged on the palm surface side (front side of the MP joint) of the second to fifth fingers. (A) shows the initial state (external rotation / flat position), and (B) shows the state of internal rotation / curved position against the reaction force of the V-shaped spring 138, respectively.
[0196]
As shown in FIG. 65, the covering portions 112HA3, 112HA3,... Covering the base joint portions of the second to fifth fingers are provided with members 188, 188,. The wire members 137D1 and 137D2 are attached so as to straddle these members. For example, with respect to one wire member 137D1, starting from the fifth finger and passing through the fourth finger, the third finger, and the second finger, as shown in FIG. 66, the covering portion 112HBa ′ of the upper supporter 112HB The wire drive mechanism on the drive base supporter 112HD passes through the inner surface (skin-side surface) of the covering portion 112HBa and then comes out of the back surface of the covering portion and passes through the wrist supporter 112HC. (Not shown). Further, as shown in FIG. 65, the other wire 137D2 starts from the second finger, passes through the third finger, the fourth finger, and the fifth finger, and as shown in FIG. 66, the upper supporter After being routed along the back surface of the covering portion 112HBa of 112HB, it passes through the inner surface (skin-side surface) of the covering portion 112HBa 'and then comes out of the back surface of the covering portion, and is driven via the wrist supporter 112HC. It is connected to a wire drive mechanism (not shown) on 112HD. Incidentally, the reason why the two wires are partially arranged on the inner surface side of the upper surface supporter 112HB is to drive the covering portions 112HBa and 112HBa ′ of the upper surface supporter 112HB to assist the opposing operation. It is. Further, when arranging the wires so as to straddle on the palm surface side of the second to fifth fingers, when viewed from the palm surface, these wires pass as close to the center of the coil portion 139 of the V-shaped spring 138 as possible. It is preferable to do.
[0197]
The function of the wire in the conflict operation is as shown below.
[0198]
-Pull the wires 137D1 and 137D2 at the same time when shifting from the flat position to the curved position.
-During the transition from the curved position to the flat position, the wires 137D1 and 137D2 are loosened simultaneously.
[0199]
About movement of a wrist joint, wire arrangement | positioning is shown in FIG. (A) is a view from the back, (B) is a view from the rib side, and (C) is a view from the palm.
[0200]
As shown in FIG. 67 (A), the wire members 137E1 and 137E1 ′ starting from the positions near the periphery of the covering portions 112HBa and 112HBa ′ of the upper surface supporter 112HB pass through the back surface of the wrist supporter 112HC. Thereafter, they are connected to a wire drive mechanism (not shown) on the drive base supporter 112HD. The end of the wire member 137E1 is fixed to the covering portion 112HBa, and the end of the wire member 137E1 ′ is fixed to the covering portion 112HBa ′.
[0201]
Further, as shown in FIG. 67 (C), the wire 137E2 is located near the MP joint in the upper supporter 112HB and is located inside the peripheral edge (between the thumb and second finger and the side of the fifth finger). (It is routed between the thumb and the back supporter.) 137E2 'passes through the palm side of the wrist supporter 112HC and is connected to a wire drive mechanism (not shown) on the drive base supporter 112HD. Yes. And about wire member 137E3, 137E3 'of arrangement | positioning which cross | intersected on the palm surface from the coating | coated part 112HA3, 112HA3 attached to the palm surface side of the 3rd finger | toe and the 4th finger | toe joint part, respectively, about wrist supporter 112HC After passing through the palm surface side, each is connected to a wire drive mechanism (not shown) on the drive base supporter 112HD. One end of the wire member 137E3 is fixed to the covering portion of the fourth finger and is drawn around the palm surface so as to gradually approach the thumb, and the other wire 137E3 ' The end portion is fixed to the covering portion of the third finger and is routed so as to gradually move away from the thumb on the palm surface.
[0202]
The role of each wire member in the movement of the wrist joint is as follows.
[0203]
・ At the time of transition from dorsiflexion to palm flexion, simultaneously pull the two wire members 137E2 and 137E2 ′ arranged on the palm surface side of the back supporter (or two wire members for the third and fourth fingers) 137E3 and 137E3 'are simultaneously pulled), and the two wire members 137E1 and 137E1' disposed on the back side of the upper supporter are simultaneously loosened.
[0204]
・ At the time of transition from palm flexion to dorsiflexion, the two wire members 137E1, 137E1 'arranged on the back side of the back supporter are pulled simultaneously, and the two wires arranged on the palm side of the back supporter The members 137E2, 137E2 'are simultaneously loosened (or the two wires 137E3, 137E3' for the third and fourth fingers are simultaneously loosened).
[0205]
-At the time of transition from crooked to buckled, the wire member 137E1 'arranged on the back side of the back supporter and the wire members 137E2, 137E3 on the palm side are pulled at the same time and arranged on the back side of the back supporter. The wire member 137E1 and the palm surface side wire members 137E2 'and 137E3' are loosened simultaneously.
[0206]
・ At the time of the transition from buckling to crouching, the wire 137E1 placed on the back side of the back supporter and the wire members 137E2 'and 137E3' on the palm side are pulled simultaneously and placed on the back side of the back supporter. The wire member 137E1 ′ and the palm surface side wire members 137E2 and 137E3 are simultaneously loosened.
[0207]
In addition, the mounting position of the driving mechanism for driving the wire of the wrist joint and the driving source (motor, etc.) is ideally the place corresponding to the starting position of the ulnar carpal flexor and the heel carpal flexor in the drive base supporter 112HD. However, if this requirement is too strict, there is a risk that the degree of freedom of arrangement of the drive source may be lost, so care must be taken with respect to the arrangement of the drive mechanism and the like on the drive base supporter.
[0208]
In addition, with regard to the finger supporter 112HA and the upper supporter 112HB, when the biasing position of the spring member is set with the finger bent position as an initial state, the wire member is pulled when the supporter is mounted to be in the extended position state. In this case, it is preferable to attach a mechanism for maintaining the state to the wrist supporter 112HC. That is, in order to facilitate attachment / detachment of the brace, it is preferable to provide a holding mechanism for temporarily holding / fixing the paired state during attachment / detachment.
[0209]
68 and 69 show an example of such a mechanism.
[0210]
The slider mechanism 189 attached to the back surface of the wrist supporter 112HC has a slide member 190 and its accommodating portion 191, and the end portion of the slide member 190 is located at a position facing the slider mechanism 189 in the upper surface supporter 112HB. A recess 192 having a shape corresponding to the shape is formed.
[0211]
Therefore, when mounting the hand supporter 112H, first, as shown in FIG. 68, the slide member 190 is pulled out and accommodated in the recess 192 so that the wrist is fixed and does not bend. Be regulated. After that, as shown in FIG. 69, it is easier to work by attaching the hand to the brace after putting each supporter in the extended position by pulling the drive wire group of the fingers. When the supporter is used, if the slide member 190 is returned into the accommodating portion 191, it will not hinder the subsequent operation.
[0212]
Next, the forearm supporter 112A will be described.
[0213]
This supporter has a role of covering the vicinity of the elbow part, and becomes a base part of the finger supporter 112HA and the drive base supporter 112HD during the pronation / extraction operation. This is attached from the back side of the forearm using a planar fastener or the like, and is necessary for the arrangement of the wire and the drive mechanism for the pronation / extraction of the forearm. In order to prevent interference with the rotation of the ulna caused by the pronation / extraction operation, the supporter is arranged within a range of about one third from the elbow when worn. In addition, on the side surface of the supporter that is closer to the elbow joint, two protrusions project in opposite directions to each other, and an elbow joint operation wire can be attached to them as described later. .
[0214]
FIG. 70 shows the wire arrangement in the pronation state from the back side. The two wire members 193 and 193 ′ have one end fixed to the wrist supporter 112HC and the other end to the forearm supporter 112A. It is connected to the attached wire drive mechanism 194. The wire member 193 corresponds to the wire member WA described above, and the wire member 193 ′ corresponds to the wire member WB described above, and their roles are as described above.
[0215]
FIG. 71 shows the motion of the forearm, where (A) shows the pronation state, (B) shows the standing state, and (C) shows the pronation state.
[0216]
As for the pair of wire members 193 and 193 ′, when one wire member is tensioned and pulled, the other wire member is relaxed to perform the pronation / extraction of the joint. It is.
[0217]
At the time of transition from pronation to pronation, the wire member 193 is pulled and the wire member 193 ′ is loosened.
[0218]
-At the time of transition from pronation to pronation, the wire member 193 'is pulled contrary to the above and the wire member 193 is loosened.
[0219]
72. A C-shaped guide member 195 as shown in FIG. 72 is attached to the side surface of the forearm supporter 112A, and the rear end of the drive base supporter 112HD is formed in a gap formed between the member 195 and the forearm supporter 112A. You may comprise so that a pronation / extraction operation | movement can be confirmed in the state which pinched | interposed the part. That is, in this case, the drive base supporter 112HD is guided by the curved surface (inner surface) of the guide member 195 and rotates about the longitudinal axis of the forearm during the inward / outward operation.
[0220]
FIG. 73 shows a configuration example of the elbow joint supporter 112B.
[0221]
This supporter is provided to be coupled to the forearm supporter 112A at the elbow part so that the wire provided between the forearm supporter 112A and the upper arm supporter 112U can be attached and detached. That is, as shown in FIG. (A), in the mounted state, the elbow supporter 112B has a substantially crescent shape and covers the portion near the elbow of the forearm supporter 112A. In addition, regarding the attachment method to the forearm supporter 112A, as shown in FIG. 5B, the elbow supporter 112B and the forearm supporter 112A are provided with point fasteners 196, 196,. Attached so that it can be easily attached and detached. In addition, a slit 197 (indicated by a one-dot chain line in the figure) is formed in advance in the central portion of the elbow supporter 112B so that it does not take time to mount the upper arm supporter 112U. It is desirable to keep it.
[0222]
FIG. 74 schematically shows a configuration example of the upper arm supporter 112U, and has a shape in which a portion to be covered with a region of biceps and triceps is cut. This is because it is necessary to avoid interference with the supporters by these muscles as much as possible because shape changes of the biceps and triceps are remarkably observed during forearm flexion and extension. In addition, the median nerve is arranged in the center of the biceps brachii, and excessive pressure on the nerve is paralyzed in the back sensory area of the first to fourth fingers and the movement area of the first and second fingers. Since the biceps brachii muscle is not covered from the skin surface, it is also suitable for the purpose of preventing pressure on the median nerve.
[0223]
A ring-shaped part wound around the forearm of the upper arm (lower support part in the basic standing position) 112Ur1 and a ring-shaped part wound around the shoulder joint (basic standing position) The connecting portions 112Uc and 112Uc connecting the upper support portion 112Ur2 in the upper arm side surface extend in the longitudinal direction on the side surface of the upper arm, and this portion is bent during the bending operation of the elbow joint, and corresponds to the shape change of the biceps brachii muscle. Then, the ring-shaped portions 112Ur1 and 112Ur2 are displaced in the contraction direction of the biceps brachii.
[0224]
Further, where the biceps path intersects the ring-shaped portions 112Ur1 and 112Ur2, the portions are slightly lifted from the skin surface. This is to avoid compression due to muscle deformation that occurs during the bending operation.
[0225]
In addition, about these ring-shaped parts, since it is only wound around the upper arm part using the planar fastener, attachment / detachment is easy.
[0226]
In order to realize the flexion and extension movements at the elbow joint by wire driving, it is necessary to arrange wires that imitate the biceps brachii and triceps brachii.
[0227]
That is, as shown in the figure, a total of four wire members are attached, each including two protrusions 198 and 198 protruding from the side surface of the forearm supporter 112A, and the wire members 199a, 199a, 199a is drawn from the upper part of the base of the protrusions 198 and 198 to the side surface of the upper arm, and then connected to the drive mechanisms 200a and 200a of the wire members respectively attached to the connecting parts 112Uc and 112Uc. Further, the wire members 199b and 199b are respectively routed from the lower part of the tip of the protrusions 198 and 198 to the side surface of the upper arm, and then the wire drive mechanisms 200b and 200b respectively attached to the connecting parts 112Uc and 112Uc. It is connected to the. In addition, when not attaching the drive mechanism of a wire to the connection parts 112Uc and 112Uc, various embodiments, such as attaching to the supporter attached to a shoulder joint, a thoracic vertebra, etc., are mentioned, for example.
[0228]
In the movement of the elbow joint, when one of the pair of wire members is tensioned and pulled, the other wire member is relaxed to control the bending or extension of the joint, and the movement of each wire member Is as follows.
[0229]
At the time of transition from extension to bending, the wire members 199a and 199a are pulled and the wires 199b and 199b are loosened.
[0230]
At the time of transition from bending to extension, the wire members 199b and 199b are pulled and the wire members 199a and 199a are loosened.
[0231]
Now, when the arrangement of each supporter and the wires has been clarified, returning to FIG. 29, the control elements necessary for force sense presentation are summarized as follows.
[0232]
A) Elements for detection
・ Sensor for wire length or position detection
・ Sensor for wire tension detection
B) Elements for drive control
・ Wire drive source and drive mechanism
・ Safety protection mechanism such as electromagnetic clutch
・ Mechanism for maintaining the state of the even number.
[0233]
First, among the detection means shown in A), the sensor for detecting the wire length or position includes, for example, a position detecting sensor provided in the drive mechanism of the wire member.
[0234]
As a sensor for detecting the tension of the wire, for example, a tension sensor 180 in the drive mechanism shown in FIG.
[0235]
The detection information acquired by these sensors is sent to the central control unit 109 via the input / output interface unit 110.
[0236]
Next, for the wire drive source and drive mechanism in B), drive control of each wire is performed by a control signal sent from the central control unit 109 via the input / output interface unit 110.
[0237]
Moreover, about the protection mechanism using an electromagnetic clutch, before an excessive force is applied to a wire, a wire and a drive mechanism (or drive source) are cut off. For example, as shown in FIGS. The structure which combined the electromagnet is mentioned.
[0238]
A mechanism for holding the pair is required when attaching or detaching the brace. For example, as shown in FIGS. 68 and 69, the pair is temporarily held using the slider mechanism 189. Although there is a method of operating this mechanism manually, it is preferable to control the drive source of the slider mechanism 189 by a control signal sent from the central control unit 109 via the input / output interface unit 110.
[0239]
When presenting tactile sensation or thermal sensation (or thermal sensation) in addition to the force sensation, a tactile sensation presentation mechanism and a heat generation / heat absorption device are attached to the finger supporter 112HA.
[0240]
FIG. 75 shows a configuration example for presenting a click feeling to the fingertip.
[0241]
A tactile presentation plate 202 is provided at the tip of the covering portion 112HA1 that covers the back surface of the fingertip via a rotation shaft 201, and the tactile presentation plate 202 is driven around the rotation shaft 201 by the driving means 203. It has a configuration. That is, as indicated by an arrow R in the figure, the tactile sense presentation board 202 is brought into contact with the fingertip portion so as to wrap around the palm surface side of the fingertip, and the pressing force at that time (strength related to tactile sense) or the presence or absence of the contact is driven Defined by means 203. In addition, about this drive means 203, the structure which rotates the tactile sense presentation board 202 with power transmission mechanisms, electromagnetic plungers, etc. attached to the back surface of a coating | coated part, or a tactile sense presentation board 202 is provided. An urging means for urging the finger side is attached to the rotating shaft, and a force transmission member such as a wire fixed to the tactile presentation plate 202 after passing through the back surface of the covering portion is moved to a remote position (drive base supporter). For example, the mechanism is not particularly limited as long as it is a mechanism for bringing the tactile sense presentation board into contact with the palm surface side of the fingertip. In addition, in order to detect the degree of pressing force applied to the fingertip by the tactile presentation board, various sensors such as a sensor for detecting the state of the tactile presentation board, or a pressure sensor arranged at the place where the finger touches the tactile presentation board, etc. The method is mentioned.
[0242]
In order to present a temperature sensation to the fingertip, for example, a heat generation / heat absorption device 204 using a Peltier element or the like is arranged at a place where the finger touches the tactile presentation board 202 and the temperature at that place is detected. A temperature detection sensor may be provided, and feedback control may be performed on the heat generation / heat absorption device 204 so that a detection value obtained by the sensor becomes a command value.
[0243]
FIG. 76 shows a configuration example for presenting the touch of the material to the fingertip.
[0244]
In this example, a driving roller 206 is provided at a location near the rotating shaft 201 in the tactile sense presentation plate 205, and a driven roller 207 is provided at an end portion far from the rotating shaft 201 (the driving roller and the driven roller). The endless belt-like member 208 (for example, a cloth formed of silk, hemp, cotton, wool, chemical fiber, etc.) is stretched across both rollers. That is, the belt-like member 208 is transported and driven in the direction indicated by the arrow K in FIG. In that case, a sensor for detecting the rotation of the driving roller 206 or the driven roller 207 is attached and monitored so that the feeding speed of the band member 208 does not become too fast (excessive friction between the band member and the finger). It is preferable that heat is not generated.
[0245]
Further, when the belt-like member 208 is driven, a frictional heat generating member 209 (formed of a material having a high friction coefficient such as a rubber material) for generating frictional heat by contacting the belt-like member 208 is used. For example, it is attached to the rotation shaft 201 of the tactile sense presentation plate 205 and is in contact with the vicinity of the driving roller 206 in the belt-like member 208. That is, the heating device is configured by the driving mechanism of the belt-shaped member 208 by the rollers 206 and 207 and the frictional heat generating member 209. Note that frictional heat is always generated when the frictional heat generating member 209 is always in contact with the belt-shaped member 208 while the driving roller 206 is rotating. It is preferable to provide a mechanism for releasing the contact between the heat generating member 209 and the belt-like member 208 (this mechanism controls the amount of heat generated by adjusting the contact state between the frictional heat generating member 209 and the belt-like member 208. Can also be used in cases.)
[0246]
In the above configuration, the touch-sensitive presentation plate 205 is rotated so that the band-shaped member 208 is brought into contact with the palm surface of the finger, so that the touch of the material can be presented to the finger. By performing the feed control of the belt-shaped member 208 by rotating 206, a tactile sensation accompanied by the movement of the object can be presented to the fingertip. Further, the thermal sensation can be presented by transmitting the frictional heat generated when the frictional heat generating member 209 is brought into contact with the band-shaped member 208 from the band-shaped member 208 to the fingertip.
[0247]
The control elements necessary for presenting the tactile sensation and the temperature sensation described above are summarized as follows.
[0248]
C) Elements for detection
・ Sensors required for tactile presentation (pressure sensors, roller rotation detection sensors, etc.)
・ Sensors for detecting heat and temperature necessary for presenting warm sense
D) Elements for drive control
・ A mechanism for presenting a click to the fingertip
・ Mechanism for presenting material feeling to fingertips
-Exothermic / endothermic device.
[0249]
First, for the sensor necessary for the tactile presentation of C), for example, the tactile presentation plate 202 is controlled to come into contact with a predetermined pressing force on the fingertip, or the feeding speed of the belt-like member 208 is controlled. Used to control. The sensor for detecting heat and temperature is used not only for temperature control in the case of performing temperature sensing, but also for preventing excessive heat from being performed. All detection signals obtained by these sensors are sent to the central control unit 109 via the input / output interface unit 110 (see FIG. 29).
[0250]
Examples of the presentation mechanism of D) include a drive mechanism of the tactile presentation plates 202 and 205 and a feeding mechanism of the belt-like member 208. As for the heat generation / heat absorption device, as described above, heating / cooling is applied to the tactile presentation plate 202. Examples include a structure provided with an element (204) and a mechanism for generating frictional heat by contact with the belt-like member 208. Control signals for these are sent from the central control unit 109 to the respective mechanisms via the input / output interface unit 110. Sent out.
[0251]
Note that information transmission between the above-described appliance 108 and the input / output interface unit 110 may be performed by wired communication or wireless communication, but the degree of freedom of movement and movement of the target person. Wireless communication is more preferable from the viewpoint of not limiting (for example, an input / output interface using infrared rays or wireless conforming to the IEEE 1934 standard).
[0252]
Next, the configuration of the central control unit 109 will be described.
[0253]
FIG. 77 mainly shows a configuration example of an information processing part related to visual / auditory information in the central control unit 109, and includes a video / sound synthesis unit 210 and an overall control unit 211.
[0254]
The video / audio synthesis unit 210 generates video (stereo video, etc.) signals and audio signals based on shape data such as polygon data and texture data in accordance with rules defined for the virtual space by the overall control unit 211, and Is output to a visual display and audio output device such as a head-mounted display, or information such as weight, force sense, touch sense, and temperature sense included in texture data is integrated and provided to a position and force sense control unit described later. Have a role. The reason why information such as weight, force sense, tactile sense, and temperature sense is included in the texture data representing the texture of the material is that it can reduce the amount of data.
[0255]
As described above, in the force / tactile sense presentation, it is necessary to distinguish between virtual reality and virtual illusion. Therefore, in this example, the virtual reality database unit 210a and the virtual illusion database unit 210b are provided independently.
[0256]
The constructed database constituting the virtual reality database unit 210a is as follows (indicated by reference numerals in parentheses).
[0257]
a) Environmental database (210a_1)
b) Human body database (210a_2)
c) Clothing database (210a_3)
d) Tool database (210a_4).
[0258]
First, the environment database 210a_1 is a data group that provides an environment for a subject (a pseudo image) experiencing the virtual reality world to exist in the virtual reality space, for example, image data such as an infinite plane or a room. . However, since data such as objects (virtual objects) that can be virtually influenced by touching or moving by the subject, such as jars, chairs, windows, and weapons, are included in the tool database 210a_4, walls and ceilings Things that cannot be moved, such as scenery, are the environmental database data.
[0259]
The human body database 210a_2 is a database including video and audio data of a subject who experiences a virtual world or a character (virtual person).
[0260]
The clothing database 210a_3 is a database for configuring the clothing of the subject and the clothing of the characters, and includes, for example, configuration data such as armor and dresses.
[0261]
The tool database 210a_4 is a database for configuring an object (virtual object) that can be moved by applying a mechanical action to the subject, and includes, for example, configuration data such as a cup and a chair.
[0262]
For the virtual illusion database unit 210b, a database for virtually creating and configuring phenomena that humans cannot actually experience is used. For example, a wall that melts and softens when touched, a person that melts when shaken, Includes all the data to virtually create a fantasy world, such as armor made of water, a book that smashes when touched and a snowman comes out and speaks. This database is also constituted by databases corresponding to the databases a) to d) as in the case of the virtual reality database described above, but the classification of each database is as strict as in the case of the virtual reality database. Is not required. For example, in the case of a virtual reality database, regarding the distinction between the environment database and the tool database, whether or not the subject can touch and move is a criterion for determination, but in the case of the virtual illusion database, the subject does not touch it. However, there is no problem even if this is included in the tool database, and if the wall changes to clothes, it may be included in the clothes database.
[0263]
These databases are all used for visual presentation based on video information, and are referenced by the polygon (data) generation unit 210c. The polygon generation unit 210c is required to generate various polygon data based on the above-described various databases. The generation unit (environment polygon generation unit 210c_1 for the environment database 210a_1 and the human body database 210a_2) corresponding to each database. A human body polygon generation unit 210c_2, a clothing polygon generation unit 210c_3 for the clothing database 210a_3, and a tool polygon generation unit 210c_4 for the tool database 210a_4) are provided. The human body polygon generation unit 210c_2 generates the polygon data of the subject based on data from a current motion generation unit described later.
[0264]
Similarly to the virtual reality database, the virtual illusion database unit 210b is provided with a polygon (data) generation unit 210d.
[0265]
The virtual polygon synthesizer 210e is a part that synthesizes and outputs the data generated by the polygon generators 210c and 210d described above, and information (stereo video or the like) obtained by image synthesis is displayed on the visual display and audio output device 111 (head). (Stereo) video output device 212 of a mount display or the like.
[0266]
The information integration unit (210f to 210h) extracts the data of gravity, force sense, tactile sense, and temperature sense from the texture data obtained from each polygon generation unit and puts them together, and then positions and force control described later for each data group. Send to the department. That is, the gravity information is extracted by the gravity information integration unit 210f and then sent to the gravity recognition unit, which will be described later, and the haptic information is extracted by the force information integration unit 210g, and then the force sense recognition unit, which will be described later. Sent. Further, after the information about the tactile sense and the temperature sense is extracted by the tactile sense and heat information integration unit 210h, both are sent to the tactile sense recognition unit and the heat recognition unit described later.
[0267]
The interference comparison unit 210i is provided, for example, for determining whether or not there is interference between the subject and the virtual object based on all the data obtained by each polygon generation unit. In some cases, that is, when it is determined that there is a possibility that a contact with a virtual object, a force sense received from a virtual object, or presentation of a temperature sensation may be required, an interrupt (INT) shown below is generated.
[0268]
INT for position or force control (for example, a value “0” indicates “position control”, and a value “1” indicates “force control”)
INT for tactile control (for example, “0” indicates “no control”, and “1” indicates “control”)
INT for temperature control (for example, “0” indicates “no control”, and “1” indicates “control”).
[0269]
The control contents by these will be described later.
[0270]
Input information to the video / speech synthesis processing unit 210 is detection information obtained by the magnetic sensor or gyro sensor, and detection information of the magnetic sensor (“MGS” in the figure) is the audio signal processing unit 210j or virtual polygon synthesis. The detection information of the gyro sensor (“JYS” in the drawing) is sent to the polygon generation unit 210c.
[0271]
The audio signal processing unit 210j generates audio information based on a sound source database in the virtual reality world and the virtual illusion world, and sends the audio information to the audio output unit 213 of the visual display and audio output device 111. The audio signal processing unit 210j can be shared between virtual reality and virtual illusion.
[0272]
The overall control unit 211 selects whether or not to make the virtual reality or virtual illusion world appear through the visual display / sound output device 111 or the force / tactile / temperature-sensing equipment, and the protection mechanism (danger avoidance mechanism). ) Is the central part that makes recovery decisions after the operation and governs closed rules in the world of virtual reality and virtual illusion. The overall control unit 211 also controls the kinematic pair holding mechanism 214 used to temporarily hold the paired state in order to improve the detachability of the appliance (the slider mechanism shown in FIGS. 68 and 69). In 189, the slide member 190 is moved when wearing or removing the brace.)
[0273]
Next, position, force sense, tactile sense, and temperature sense control will be described.
[0274]
FIG. 78 shows a configuration example of the position / force control unit 215 and the tactile sense / temperature control unit 216 constituting the central control unit 109.
[0275]
The position and force control unit 215 includes the following components (indicated by reference numerals in parentheses).
[0276]
-Position recognition unit (215a)
Based on the data acquired by the initial calibration (described later), a process for obtaining the angle of the joint from each wire length is performed. For this purpose, detection information is received from a sensor ("WLS" in the figure) that detects the wire length, and the recognition result is sent to the subsequent real gravity recognition unit.
[0277]
・ Real gravity recognition unit (215b)
Data indicating the total weight of the appliance is added to the weight data of the subject obtained from the gravity information integration unit 210f, and the actual weight data is added to the information obtained by the position recognition unit 215a. That is, this determines the weight of the subject wearing the brace.
[0278]
・ Virtual gravity recognition unit (215c)
Weight is given to the virtual object from the gravity information integration unit 210f, and virtual weight data is added to the data obtained by the real gravity recognition unit 215b. For example, when a subject holds a book that is a virtual object, it is necessary to consider the virtual weight (weight assumed for the virtual object) given to the book.
[0279]
-Force recognition unit (215d)
How much force is obtained based on the information from the tension sensor ("TTS" in the figure), the force information by the virtual object from the force information integration unit 210g and the virtual weight from the virtual gravity recognition unit 215c Calculate whether the subject will receive sensation. For example, when it is assumed that the subject holds a virtual object, the force that the hand or arm will receive when the virtual object is a real object is recognized by calculation. However, when the interruption (INT) for the position or force sense control from the interference comparison unit 210i occurs and the value at that time is “0”, the operation is not performed.
[0280]
・ Current motion generator (215e)
It is a part that constitutes a motion generation unit together with a predicted motion generation unit, which will be described later, and acquires the current motion of the subject as wire frame data based on the data from the real gravity recognition unit 215b and the wire frame data of the human body database 210a_2. This is sent to the human body polygon generation unit 210c_2 and the danger avoidance control unit described later. However, when the interruption (INT) for the position or force sense control from the interference comparison unit 210i occurs and the value at that time is “1”, the operation is not performed.
[0281]
-Predictive motion generator (215f)
Based on the data from the force recognition and the wire frame data of the human body database 210a_2, the motion predicted for the subject is acquired as the wire frame data, and this is sent to the wire length control unit described later. However, when the interruption (INT) for the position or force sense control from the interference comparison unit 210i occurs and the value at that time is “0”, the operation is not performed.
[0282]
・ Danger avoidance control unit (215g)
When trying to take a dangerous posture by the human body based on the wire frame obtained by the current motion generation unit 215e or when a posture that deviates from the allowable angle of the joint is predicted, the wire and its drive source are separated. Is to prevent. For example, the electromagnetic clutch mechanism 217 using a permanent magnet and an electromagnet separates the two to prohibit the driving of the wire.
[0283]
FIG. 79 is a flowchart showing an example of the control operation when the electromagnetic clutch mechanism is used.
[0284]
First, after obtaining a detection signal from the contact detection sensor in step S1, it is determined in next step S2 whether or not the electromagnetic clutch mechanism is in a coupled state. For example, in the example shown in FIG. 60, whether or not the permanent magnet 176 fixed to the wire 173 and the electromagnet 179 fixed to the wire portion 181a of the sliding drive unit 181 are combined is used for contact detection. If it is determined based on the detection signals from the sensors 177 and 178 and the wire 173 can be pulled by the sliding drive unit 181 due to the combination of the two, the process proceeds to step S4. If not, the process proceeds to step S3. Then, the slide type driving unit 181 is controlled to move the wire unit 181a so as to approach the wire 173, and then the process returns to step S1.
[0285]
After acquiring the detection signal from the tension sensor (TTS) in step S4, in next step S5, it is asked whether or not the traction force of the wire is in a dangerous state. If this is within the safe range, the process returns to step S4. However, when that is not right, it progresses to following step S6, and an electromagnetic clutch mechanism will be in a non-engagement state (for example, a permanent magnet and an electromagnet isolate | separate).
[0286]
When a mechanical interruption occurs in step S7, for example, if the traction force on the wire suddenly rises and a dangerous state occurs and it is necessary to deal with this urgently, the process proceeds to the next step S8. When the traction force of the wire exceeds the attractive force of the permanent magnet, the process proceeds to step S6. If the traction force of the wire is less than or equal to the attractive force of the permanent magnet, the process proceeds to step S4.
[0287]
・ Wire length controller (215b)
The length of each wire is controlled based on the data from the predicted motion generation unit 215f, and a control signal is sent to the wire drive unit 218. When an interruption (INT) to the position or force sense control from the interference comparison unit 210i is generated and the value at that time is “0”, the current motion generation unit 215e is set so that the wire tension is constant. The wire length is controlled so as to shift to the body posture from the predicted motion generation unit 215f with the body posture as a reference. When the value is “1”, the wire length is controlled so as to present only the sense of force obtained from the predicted motion generation unit 215f while maintaining the posture by the current motion generation unit 215e.
[0288]
The tactile and temperature control unit 216 includes the following components (reference numerals are shown in parentheses).
[0289]
・ Heat recognition unit (216a)
The temperature information of the fingertip of the subject is acquired and monitored by a heat or temperature detection sensor (“THS” in the figure). When the information deviates from the allowable range, for example, when the temperature reaches a dangerous temperature exceeding the upper limit temperature, the power supply to the heat generation / heat absorption device 219 is stopped or the control is reversed. A signal for generating (shifting from heat generation to heat absorption or vice versa) is generated and sent to a heat control unit described later.
[0290]
・ Tactile recognition unit (216b)
The pressure sensor ("PSS" in the figure) detects the pressure state of the fingertip, or the rotation number of the roller (see 206 and 207 in FIG. 76) is detected by the rotation detection sensor ("RLS" in the figure). Monitoring. When it is determined that the detected pressure has deviated from the allowable range, or when it is determined that the number of rotations of the roller is too high, a message to that effect is sent to the tactile control unit described later, Prevent from touching your finger.
[0291]
-Thermal pattern generation unit (216c)
A pattern generation unit is configured together with a tactile pattern generation unit to be described later, and a temperature sensation to be presented to the fingertip based on the information from the motion generation unit, the tactile and thermal information integration unit 210h, and the information from the heat recognition unit 216a. Generate a presentation pattern. The above-described position and force sense interruption (INT) is generated, the value at that time is set to “1”, and the operation is performed only when the value at the time of occurrence of the interruption for temperature control is “1”.
[0292]
-Tactile pattern generator (216d)
Based on the information from the motion generation unit, the tactile and thermal information integration unit 210h, and the information from the tactile recognition unit 216b, a tactile presentation pattern to be presented to the fingertip is generated. Note that the operation (INT) for the position and force sense described above occurs, the value at that time is “1”, and the operation is performed only when the value at the time of occurrence of the interrupt for tactile control is “1”.
[0293]
・ Thermal control unit (216e)
This is a part that receives a command from the thermal pattern generation unit 216 c and sends a control signal to a heat generation / heat absorption device (Peltier element or the like) 219.
[0294]
・ Tactile control unit (216f)
This is a part that receives a command from the tactile pattern generation unit 216d and sends a control signal to the drive mechanism 220 or the roller drive unit 221 of the tactile sense presentation board (202, 205) to perform control.
[0295]
For tactile control, the timing for applying finger pressure is set in advance, and the input device (keyboard, mouse, jog dial, trackball, etc.) is displayed on the visual display device when the timing is reached. Thus, command input, data input, and the like can be performed by keystrokes or button operations on a virtual input device.
[0296]
Next, calibration processing performed at the time of initial setting regarding the brace will be described with reference to FIGS.
[0297]
FIG. 80 is a flowchart showing an example of processing for acquiring the joint range of motion (the range in which the joint operates), the wire length, and the maximum value of the position control speed.
[0298]
First, in step S1, after the appliance is mounted on the subject, the wire driving unit 218 is controlled so that the tension of each wire is in a constant state, and in the next step S2, the subject (subject) is controlled. Then, voice information (visual display and voice guide through the voice output device 213 in the voice output device 111) is transmitted to promote imitation of the operation.
[0299]
For example, an operation shown below is given as an operation to be imitated by the subject.
[0300]
・ Elbow extension, pronation, 2nd to 5th finger DIP, PIP, MP flexion, 1st finger IP, MP flexion with hand in front and fist
・ Hand gripping the iron array and raising it, elbow flexion, wrist flexion during finger flexion
-Opposed flat position, MP abduction of 2nd to 5th fingers, CM buckling abduction of 1st finger in the state where the palm is flattened with the hand in front
・ Palm flexion of wrist during finger extension from bent wrist
-Wrist dorsiflexion from a state where the wrist is bent upward
・ DIP, PIP, MP extension and MP adduction of 2nd to 5th fingers in hand
・ Converse bending position with the thumb placed on the base of the little finger, CM finger flexion inversion of the first finger.
[0301]
In the next step S3, the information is sent to the visual display and audio output device 111 in order to provide the subject with the operation to be imitated as video information. Then, the subject imitates the motion so that the image showing the motion of the hand or arm (exemplary motion) projected on the device and the image obtained by photographing the hand or arm of the subject almost overlap. In addition, in order to synthesize the video of the exemplary action and the video of the subject and display them on the video output device 212 of the visual display and audio output device 111, for example, the visual display and audio output device 111 such as a head-mounted display has an imaging means. (The solid-state image sensor such as a CCD-type or MOS-type area image sensor, etc.) is added to the video signal of the subject once taken into the central control unit 109 via the input / output interface unit 110, and then the image coordinate system The output signal may be sent to the visual display and audio output device 111 after performing the image correction processing with the image indicating the position correction and the exemplary operation in FIG.
[0302]
In next step S4, each wire length is detected, and the position recognition unit 215a determines whether or not the length variation is within a predetermined reference range. If the fluctuation is equal to or greater than the reference value, the process returns to step S3 to re-execute the operation. If not, the process proceeds to the next step S5.
[0303]
In step S5, time is measured according to a predetermined time interval (sampling period) determined in advance, and the displacement amount of each wire length with the passage of time (the wire detected at each sampling time with reference to the wire length at the start of operation) After obtaining the data indicating the length displacement), the process proceeds to step S6.
[0304]
For example, as shown in the graph of FIG. 81, the horizontal axis represents time “t”, the vertical axis represents a certain wire length “L”, and the graph curve gy (for young people) and the graph curve go ( The case of elderly people) is schematically shown. In the figure, “t0” indicates the operation start time, and “ΔTs” indicates the sampling (time) interval. “L0” indicates the wire length immediately before the subject's movement, and “L1” indicates the wire length at the end of the subject's movement. That is, the displacement amount of the wire length is represented by “ΔL = L−L0”, and the maximum value (joint range of motion) is “ΔLmax = L1−L0”.
[0305]
As can be seen from the figure, in the case of young people, ΔL immediately rises immediately after the start of operation and asymptotically approaches L = L1, and in the case of elderly people, ΔL slowly rises immediately after the start of operation. Eventually, saturation is observed at L = L1.
[0306]
Therefore, the displacement amount ΔL (corresponding to the joint angle, pronation / extraction angle, etc.) can be obtained from the wire length L at a certain time t (= t0 + n · ΔTs, where n is a natural number). Is stored in the storage means together with the time information, so that the movement of the subject can be acquired as the time change of the wire length (this process is step S6 in FIG. 80). At that time, a human body structure model of a subject (a numerical model indicating a mechanical structure related to a human body, for example, see Japanese Patent Application No. 10-266 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-192214)) in a database. Can be used, for example, whether or not excessive force is applied to the subject's muscles, etc. by comparing and contrasting the movable range and operating time of each joint obtained from the model with the above detection data Can be determined.
[0307]
In subsequent step S7 (see FIG. 80), it is determined whether or not the data acquisition in step S6 has been completed for all the operations, and when finished, the process proceeds to step S8, but when not completed, the process returns to step S2.
[0308]
In step S8, the maximum speed (Vmax) in the position control (or wire length control) of each wire is calculated.
[0309]
That is, when the slope (or slope) in the graph curve shown in FIG. 81 is calculated, the maximum value is Vmax, which prohibits the wire from being pulled at a speed exceeding Vmax in the control of the wire length. Is necessary to do. “Vmax = max (ΔLi / ΔTs)” where “ΔLi” is the wire length L (i) at time t = t0 + i · ΔTs and time t = when the integer variable is “i”. The difference from the wire length L (i + 1) at t0 + (i + 1) · ΔTs, “L (i + 1) −L (i)”, and max (X) indicates the maximum value in the domain of the variable X It is a function.
[0310]
Thus, while acquiring the t (time) -L (wire length or position displacement) characteristic which shows the time change of the wire length accompanying the operation | movement change of object, driving of a wire member is calculated by calculating the gradient in the said change. The maximum value of the control speed allowed for the control or the upper limit value in consideration of the safety factor can be obtained.
[0311]
FIG. 82 is a flowchart showing an example of processing for acquiring the maximum value of the force / tactile sense presentation amount and the maximum value of the force sense presentation speed.
[0312]
First, in step S1, after the appliance is mounted, the wire length is kept constant so that the length of the wire member becomes constant by the control of the wire driving unit 218, and the tactile sensation is presented to the fingertip. After the tactile sense presentation board (see FIGS. 75 and 76) is brought into contact with the finger and this state is maintained, the process proceeds to the next step S2.
[0313]
Step S2 and next step S3 are the same as steps S2 and S3 in FIG. 80, and the operation is explained by voice guidance to the subject, and the operation displayed on the visual display and voice output device 111 is imitated.
[0314]
In subsequent step S4, the tension of each wire is detected by a tension sensor, and the force sense recognition unit 215d determines whether or not the fluctuation rate is equal to or less than a predetermined reference value. If so, the process proceeds to next step S5. If not, return to step S3 to have the operation re-executed.
[0315]
In step S5, time is measured according to a predetermined time interval (sampling cycle) determined in advance, and the tension change of each wire with the passage of time (the wire tension detected at each sampling time with reference to the tension value at the start of operation) After the data indicating the amount of change) is acquired and the pressure value applied to the finger at each time is detected by the pressure sensor, the process proceeds to step S6. That is, in the graph with the horizontal axis as the time axis and the vertical axis as the wire tension or finger pressure, detection data is obtained for each sampling time in the same procedure as described in FIG. In addition, by storing it in the storage means, changes in wire tension based on the movement of the subject (indicating the degree of force sense applied to the subject corresponding to the movement of the hand or arm) and changes in pressure on the finger ( It shows the degree of tactile sensation given to the subject corresponding to the movement of the finger.).
[0316]
In step S7, it is determined whether or not the data acquisition for all the operations has been completed, and the process proceeds to step S8 when completed, but returns to step S2 when not completed.
[0317]
In step S8, the maximum speed in tension control of each wire and the maximum applied pressure (maximum presentation pressure) in tactile sense presentation control are calculated. In other words, for the former maximum speed, the t (time) -TS (wire tension) characteristic indicating the temporal change of the wire tension accompanying the movement change of the target is obtained, and the gradient in the change is calculated for the target. It is possible to obtain the maximum value of the haptic speed permissible speed or an upper limit value including the safety factor, and this is necessary to prohibit the haptics corresponding to the tension exceeding this value from being presented to the subject. is there. Further, the latter maximum applied pressure is the maximum value of the detected pressure value, and is necessary for restricting the pressure exceeding this value from being applied to the finger.
[0318]
Examples of application of the force / tactile sensation presentation apparatus described above include the following fields.
[0319]
・ Various simulators using virtual reality and force / tactile sense presentation device for remote operation in the field of telereality
・ Game devices using virtual illusion
・ Equipment for driving and power assistance for even number in medical field
-Manipulators and robot arms that imitate the degree of freedom of joints of the human body.
[0320]
As for the last example, the above-mentioned orthosis and wires are attached to the skeletal structure created by copying the joint structure of the human hand and arm, and the wire drive mechanism and drive source are built into the skeleton structure. It is possible to create a manipulator or a hand having the configuration described above. And if you attach a device or wire that is exactly the same as those attached to these manipulators to the subject's hands and arms, copy the force and sensation when touching or lifting an object with the manipulator as they are on the subject's hands and arms. Be able to present.
[0321]
Therefore, according to the force / tactile sense presentation device according to the present embodiment, the following advantages can be obtained.
[0322]
-Since only the joints of the human body are used, there is no need to attach an exoskeleton mechanism with a joint structure or shaft structure to the human body. Therefore, it is suitable for reducing the weight and thickness of the mechanism part, and is easy to mount and easy to move.
[0323]
-Space saving can be realized by realizing wire drive control that imitates the arrangement of muscles in the human body and efficiently arranging the wire drive section on the brace. Moreover, a power source and a wire drive mechanism can be reduced by combining a wire and its drive mechanism, and the mechanism using a spring member.
[0324]
-Basically, it is only necessary to attach a supporter to the back of the hand, so there will be no problem when a temperature or tactile sense presentation mechanism is provided on the palm.
[0325]
・ Safety measures are taken against pressure from supporters and damage from wires.
[0326]
・ It is possible to present a tactile sensation when a hard object is touched, such as when a key or button is touched.
[0327]
-Touching a material with a fingertip or presenting a tactile sensation as if the material flowed in one direction is possible.
[0328]
・ Present warmth at your fingertips.
[0329]
-The function of motion capture can be realized by using a wire member for force sense presentation as detection means for motion recognition.
[0330]
【The invention's effect】
  As apparent from the above description, according to the invention according to claim 1, the driving mechanism of the wire member is simplified by transporting the film to which the wire member is connected by the power roller and the compression roller, and the entire apparatus. Can be made compact.Moreover, accidental power transmission from the power roller to the film can be prevented by utilizing the action of electrostatic attraction caused by charging of the film and the compression roller.
[0331]
  Claim 2 or claim5According to the invention which concerns on this, the frequency of generation | occurrence | production of the unexpected operation | movement by accidentally contacting a power roller can be reduced by devising the shape of a film.
[0333]
  Claim3And claims6According to the invention which concerns on this, space (volume) for film accommodation can be decreased by winding up except a film part which a compression roller and a power roller contact by a winding mechanism.
[0334]
  Claim4According to the invention, it is possible to present a force / tactile sensation only by driving control of the wire member without mounting a heavy mechanical component on the object, and to achieve miniaturization and space saving of the wire driving unit. Therefore, it is suitable for reducing the weight of the apparatus and has little influence on the deterioration of the operation and the exhaustion of physical strength.Moreover, accidental power transmission from the power roller to the film can be prevented by utilizing the action of electrostatic attraction caused by charging of the film and the compression roller.
[0335]
  Claim7According to the invention according to the present invention, the number of wire members attached to the covering member can be reduced by using an elastic member for obtaining an urging force in the direction of bending or extending the finger. The mechanism can be simplified.
[0336]
  Claim8According to the invention, the spiral member is used as the elastic member, and the covering member is connected on the side surface thereof, thereby reducing the uncomfortable feeling during operation caused by the instantaneous center movement of the joint portion or the displacement of the covering member. be able to.
[0337]
  Claim9According to the invention, the coil spring is used as the elastic member, and this is attached to the back surface of the covering member, whereby the interference of the spring during the bending operation can be prevented.
[0338]
  Claim10According to the invention according to the above, by using a configuration in which a wire member is passed through a flexible tubular member, it is possible to prevent damage to an object during driving of the wire and to increase the strength of the wire member. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a wire driving device according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for adsorbing a film to a compression roller.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a charging mechanism.
FIG. 4 is a diagram for explaining a recognition method using a pair of wire members together with FIGS. 5 to 9, and this figure shows an arrangement of one wire member WA in a forearm swung state.
FIG. 5 is a view showing the arrangement of the other wire member WB in the gyrus state.
6 is a view showing the arrangement of the wire members in the standing state of the forearm together with FIG. 7, and this figure shows the arrangement of one of the wire members WA.
FIG. 7 is a view showing the arrangement of the other wire member WB in the standing state.
8 is a view showing the arrangement of the wire members in the forearm pronation state together with FIG. 9, and this figure shows the arrangement of one of the wire members WA.
FIG. 9 is a diagram showing an arrangement of the other wire member WB in the pronation state.
FIG. 10 is a diagram illustrating an arrangement example of a drive mechanism of a wire member in an elbow supporter.
FIG. 11 is a diagram showing an example in which a wire member is connected to a drive mechanism via a pulley.
FIG. 12 is a view showing an example in which a drive mechanism of a wire member is arranged at the bottom of an elbow supporter.
FIG. 13 shows a method for fixing a wire end to a film together with FIG. 14, and this figure shows the processing of the wire end.
FIG. 14 is a diagram for explaining an engagement hole formed in a film and attachment / fixation of a wire end to the engagement hole.
FIG. 15 shows a configuration example of a wire driving device together with FIGS. 16 to 18, and this figure is a perspective view with a part removed.
FIG. 16 is a side view.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a main part of the configuration.
FIG. 18 is a plan view showing a state where a presser plate and a slider are removed.
FIG. 19 is a perspective view of a slider.
FIG. 20 is an explanatory view of the operation of the crimping mechanism.
FIG. 21 is a diagram showing an example of the shape of a film.
FIG. 22 is a diagram illustrating an example of arrangement of constituent members of the charging mechanism.
FIG. 23 is an explanatory diagram for setting an angle of a film transport path.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration example in which a plurality of pressure-bonding rollers are provided and a film is sandwiched between driving rollers.
FIG. 25 is a diagram illustrating a configuration example in which a plurality of films are driven using one driving mechanism.
FIG. 26 is a side view schematically showing a muscle arrangement in a finger part.
FIG. 27 is a diagram illustrating a basic configuration example of a force / tactile sensation presentation apparatus;
FIG. 28 shows an example of implementation of the present invention together with FIG. 29 to FIG. 82, and is an explanatory diagram regarding the concept of virtual reality and virtual illusion.
FIG. 29 is a diagram showing an outline of a device configuration.
FIG. 30 is a view for explaining the mounting of the brace on the subject together with FIGS. 31 and 32, and this figure shows the human body of the upper arm supporter with respect to the mounting direction of the finger supporter and the forearm supporter to the human body. An example is shown in which the mounting direction is opposite.
FIG. 31 is a diagram showing an example in which the mounting directions of the supporters to the human body are unified.
FIG. 32 is a diagram showing a state in which each supporter is mounted on a human body.
FIG. 33 is a diagram schematically showing the entire hand supporter.
FIG. 34 is a diagram schematically showing a hand supporter as seen from the back side.
FIG. 35 is a diagram schematically showing a hand supporter as seen from the side.
FIG. 36 is a diagram showing an example of the shape of a spiral spring.
FIG. 37 is a view showing a spiral spring group having a multiple structure and an example of its use.
FIG. 38 is a side view of the finger portion showing a state in which a spring strength adjusting mechanism is attached to the covering portion.
FIG. 39 is a diagram showing a configuration example of a spring strength adjusting mechanism.
FIG. 40 is a view showing another example of a spring strength adjusting mechanism.
FIG. 41 is a diagram showing a configuration example in which an adjustment mechanism is provided at the base of the spiral spring.
FIG. 42 is a diagram schematically showing an example of a mechanism for adjusting a covering portion in accordance with the size of a finger.
FIG. 43 is a diagram showing a configuration example in which a hinge type coil spring is used on the back surface of the covering portion.
44 is a view of the wire arrangement in the hand supporter as seen from the back side. FIG.
45 is a view of the wire arrangement in the hand supporter as seen from the thumb side. FIG.
FIG. 46 is a diagram showing the arrangement of V-shaped springs provided in the covering portion near the MP joint.
FIG. 47 is a diagram showing a shape example of a V-shaped spring.
FIG. 48 is a diagram showing a configuration example of an upper supporter.
FIG. 49 is a diagram showing a shape example of a hinge spring.
FIG. 50 is a view showing a main part of a hinge spring support mechanism.
FIG. 51 is a diagram showing another example of the upper supporter.
FIG. 52 is a diagram showing an example of an operation mechanism for internal rotation / external rotation.
FIG. 53 is a diagram showing an example in which a magnet is used as an operation mechanism for internal rotation / external rotation.
FIG. 54 is a diagram showing another example of an operation mechanism for internal rotation / external rotation.
FIG. 55 is a view showing a main part of a connection structure in which three spiral springs are arranged in parallel.
FIG. 56 is a diagram showing a configuration example of a slide type reaction force adjusting mechanism.
FIG. 57 is a view for explaining the opposing movement mechanism in the CM joint of the thumb with FIG. 58, and is a view seen from the back side.
FIG. 58 is a diagram viewed from a direction orthogonal to the operation axis of the thumb.
FIG. 59 is an explanatory diagram for wearing a wrist supporter.
FIG. 60 is a diagram showing an example of a wire driving mechanism.
FIG. 61 is a diagram showing an example of an electromagnetic clutch mechanism.
62 is a view showing the hand supporter together with FIG. 63, and is a view seen from the back side.
FIG. 63 is a diagram showing only the wire members extracted and their arrangement.
FIG. 64 is a diagram showing a support example of a wire in a finger supporter.
FIG. 65 is a diagram showing an initial state (external rotation / flat position) and a state of internal rotation / curved position of the finger part, respectively.
FIG. 66 is a diagram showing the arrangement of wire members in the upper surface supporter.
FIG. 67 is a diagram for explaining the arrangement of the wire members related to the movement of the wrist joint.
FIG. 68 is a view showing an example of a state support mechanism of the wrist supporter together with FIG.
FIG. 69 is a diagram illustrating a finger joint extension state;
FIG. 70 is a diagram showing the arrangement of wire members related to the pronation / extraction operation.
FIG. 71 is an explanatory view showing a pronation state, a standing position, and a pronation state.
72 is a view showing a configuration example in which a C-shaped guide member is attached to a side surface of a forearm supporter. FIG.
FIG. 73 is a diagram showing a configuration example of an elbow joint supporter.
FIG. 74 is a diagram illustrating a configuration example of a forearm supporter and an upper arm supporter.
FIG. 75 is a diagram showing an example of a tactile sense presentation mechanism.
FIG. 76 is a diagram showing another example of a tactile sense presentation mechanism.
FIG. 77 is a diagram illustrating a configuration example of an information processing portion related to visual / auditory information.
FIG. 78 is a diagram illustrating a configuration example of a position and force sense control unit and a tactile sense and temperature sense control unit.
FIG. 79 is a flowchart showing an example of a control operation using an electromagnetic clutch mechanism.
FIG. 80 is a flowchart showing an example of processing for acquiring a joint movable range, a change in wire length with time, and a maximum value of a position control speed;
FIG. 81 is a graph showing temporal changes in wire length.
FIG. 82 is a flowchart showing an example of processing for acquiring the maximum value of the force / tactile sense presentation amount and the maximum value of the force sense presentation speed.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Wire drive device, 2 ... Wire member, 3 ... Film, 4 ... Power roller, 5 ... Compression roller, 14 ... Winding mechanism, 101 ... Force / tactile sense presentation device, 102 ... Cover member, 104, 105 ... Drive means, 108, 112 ... orthosis, 113 ... spiral spring, 136 ... coil spring

Claims (10)

ワイヤー部材が接続されたフィルムと、該フィルムを挟み込むための動力ローラー及び圧迫ローラーとを備え、
上記フィルムを動かす際に、圧迫ローラーによって当該フィルムを動力ローラーに押し付けて動力を伝達するための伝達機構を有し、
フィルムのうち圧迫ローラーに当接する面側が帯電しており、これと逆極性をもって帯電した圧迫ローラーとの間に静電的な引力が作用することにより、動力ローラーからフィルムへの動力伝達が行われない状態では当該フィルムが圧迫ローラーに吸着されるように構成されている
ことを特徴とするワイヤー駆動装置。
A film having a wire member connected thereto, and a power roller and a compression roller for sandwiching the film,
In moving the film, the film have a transmission mechanism for transmitting power against the power rollers by pressure rollers,
The surface of the film that comes into contact with the compression roller is charged, and an electrostatic attraction acts between this film and the compression roller charged with the opposite polarity, so that power is transmitted from the power roller to the film. A wire driving device characterized in that the film is configured to be adsorbed by a compression roller in the absence of the film .
請求項1に記載したワイヤー駆動装置において、
フィルムの搬送方向に対して直交する面での当該フィルムの断面形状が弧状に湾曲されており、その凸面側が圧迫ローラーに当接されるように構成されている
ことを特徴とするワイヤー駆動装置。
In the wire drive device according to claim 1,
A wire driving device characterized in that the cross-sectional shape of the film on a surface orthogonal to the film conveyance direction is curved in an arc shape, and the convex surface side is in contact with a compression roller.
請求項1に記載したワイヤー駆動装置において、
搬送方向に沿うフィルムの端部のうち、ワイヤー部材が接続された方と反対側の端部が巻取機構に接続されている
ことを特徴とするワイヤー駆動装置。
In the wire drive device according to claim 1,
Of the end portions of the film along the transport direction, the end portion on the opposite side to the side to which the wire member is connected is connected to the winding mechanism.
対象者に装着して使用する複数の装具と、該装具を構成する被覆部材のうち、対をなす被覆部材に亘って架け渡された複数対のワイヤー部材と、該ワイヤー部材を駆動する駆動手段とを備え、ワイヤー部材を介して駆動手段の力を装具に伝達することで対象者に力触覚を提示する力触覚提示装置において、
上記駆動手段が、ワイヤー部材が接続されたフィルムと、該フィルムを挟み込むための動力ローラー及び圧迫ローラーと、フィルムを動かす際に圧迫ローラーによって当該フィルムを動力ローラーに押し付けて動力を伝達するための伝達機構とを有し、
フィルムのうち圧迫ローラーに当接する面側が帯電しており、これと逆極性をもって帯電した圧迫ローラーとの間に静電的な引力が作用することにより、動力ローラーからフィルムへの動力伝達が行われない状態では当該フィルムが圧迫ローラーに吸着されるように構成されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
A plurality of appliances used by being attached to a subject, a plurality of pairs of wire members spanned across a pair of covering members among the covering members constituting the appliances, and drive means for driving the wire members A force / tactile sensation presentation device that presents a force / tactile sensation to the subject by transmitting the force of the driving means to the brace via the wire member,
The driving means includes a film to which the wire member is connected, a power roller and a compression roller for sandwiching the film, and a transmission for transmitting the power by pressing the film against the power roller by the compression roller when moving the film. have a mechanism and,
The surface of the film that comes into contact with the compression roller is charged, and an electrostatic attraction acts between this film and the compression roller charged with the opposite polarity, so that power is transmitted from the power roller to the film. A force / tactile sensation presentation device, wherein the film is configured to be attracted to a compression roller in a state where there is no force.
請求項に記載した力触覚提示装置において、
フィルムの搬送方向に対して直交する面での当該フィルムの断面形状が弧状に湾曲されており、その凸面側が圧迫ローラーに当接されるように構成されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 4 ,
A force / tactile sensation presentation device characterized in that the cross-sectional shape of the film on a surface orthogonal to the film conveyance direction is curved in an arc shape, and the convex surface side is in contact with a compression roller. .
請求項に記載した力触覚提示装置において、
搬送方向に沿うフィルムの端部のうち、ワイヤー部材が接続された方と反対側の端部が巻取機構に接続されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 4 ,
Of the end portions of the film along the transport direction, the end portion on the opposite side to the side to which the wire member is connected is connected to the winding mechanism.
請求項に記載した力触覚提示装置において、
手や指の背面に装着される複数の被覆部材と、
上記被覆部材のうちの隣り合う部材同士を連結するとともに、手指の屈曲位又は伸展位の方向に力を付勢するための弾性部材と、
上記被覆部材にそれぞれ付設された複数対のワイヤー部材とを有し、
手指の屈曲又は伸展時には、駆動手段が、複数対のワイヤー部材を上記弾性部材による付勢力に抗して引っ張る
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 4 ,
A plurality of covering members mounted on the back of the hand or finger;
While connecting adjacent members among the covering members, an elastic member for biasing a force in the direction of bending or extending the fingers;
A plurality of pairs of wire members attached to the covering member,
A force / tactile sensation presentation device, wherein at the time of bending or extending a finger, the driving means pulls the plurality of pairs of wire members against the urging force of the elastic member.
請求項に記載した力触覚提示装置において、
弾性部材が渦巻バネを用いて構成され、隣り合う被覆部材同士がそれらの側面において一対の渦巻バネで連結されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 7 ,
The force-tactile sensation presentation apparatus, wherein the elastic member is configured using a spiral spring, and adjacent covering members are connected to each other by a pair of spiral springs on their side surfaces.
請求項に記載した力触覚提示装置において、
弾性部材がコイルバネを用いて構成され、隣り合う被覆部材同士がそれらの背面においてコイルバネで連結されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 7 ,
The elastic tactile sense presentation device, wherein the elastic member is configured by using a coil spring, and adjacent covering members are connected to each other by a coil spring on the back surface thereof.
請求項に記載した力触覚提示装置において、
可撓性を有する管状部材にワイヤー線材を通すことによってワイヤー部材が構成されている
ことを特徴とする力触覚提示装置。
In the force tactile sense presentation device according to claim 7 ,
A force / tactile sensation presentation apparatus, wherein a wire member is formed by passing a wire wire through a flexible tubular member.
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