JP5224227B2 - All-finger movable prosthesis - Google Patents
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Description
本発明は、五指並びに手首を自分の意思のまま自由に動かす事の出来る、ロボットハンドへの転用可能な機能を有する筋電位制御も可能とした、義手として用いるロボットハンドに関する。
詳しくは、前腕切断者及び指等の欠損者に於いて、脳からの指令により身体の各部位を動作させようとする時に発生する当該筋肉の電位を計測し、その電位を解析したデーターに基づきモーターを作動させ、該当部位例えば指及び手首等を含む屈曲、伸展、掌屈、背屈、回内、回外等動作に付いてその各指及び手首等がモーター等の動力により、自分の意思のままに動作させる事が出来る義手に関する。The present invention relates to a robot hand that can be used as a prosthetic hand that can move my five fingers and a wrist as desired and can also control myoelectric potential having a function that can be transferred to a robot hand.
Specifically, in forearm amputees and fingers and other deficient persons, the potential of the muscles generated when trying to move each part of the body according to instructions from the brain is measured, and based on data obtained by analyzing the potential Actuate the motor, and bend, extend, palm flexion, dorsiflexion, pronation, pronation, etc. including the relevant part such as fingers and wrists. It is related to a prosthetic hand that can be operated as it is.
従来の電動による義手は可動部が拇指と示指と中指の開閉と手首の回転のみであり、曰くは、大勢として3本の指を動かす物しかなく、更に人の腕の重さは凡そ1.2〜2kg程度で有るにも係わらず、従来義手の重量は約3kg超程度と非常に重く、又意匠的にも人の手の形状とはほど遠いカギ爪形状等の外観形状を呈しているものも有り、仕事を持っている女性とか子供等が装着するには耐え難い形状のものが主流であり、尚且つ、手首の掌屈、背屈も行う事が出来ない機構であった。これ等より特に小児とか女性にとって軽く意匠的に優れ、五指総てが自分の意のままに動く義手の早期開発が強く求められていたものである。In the conventional electric prosthetic hand, the movable part is only opening and closing of the thumb, index finger, and middle finger, and the rotation of the wrist. As a matter of fact, there are many things that move three fingers, and the weight of a person's arm is about 1. Despite being about 2 to 2 kg, the weight of a conventional artificial hand is very heavy, about 3 kg or more, and it has an external appearance such as a key nail shape that is far from the shape of a human hand in design. The mainstream is a shape that cannot be worn by women or children who have a job, and the wrist cannot be bent or bent back. In particular, early development of a prosthetic hand that is light and excellent for children and women and that moves all five fingers to their own will was strongly demanded.
本発明は、従来技術の有する此の様な各種問題に鑑み、その問題を解決する為に成されたものである。しかしてその目的とする所は、次の様な構造により問題の解決を図るものである。
詳しくは、指に於いて基節骨・中節骨・末節骨からなる四指と基節骨・末節骨から成る拇指と此れ等を支える掌部と手首部を有し、手首部に於いては回内・回外及び掌背屈が可能な機構を有するもの。各関節相当部を可動自由化なピン支点とし、形状を人の手に求め材質をエンジニアプラスティック並びにアルミニウム等として構成し義手の軽量化を図る。此れ等により、全指を単独に動作させ尚、関節部での屈伸が出来、人の手と同様の意匠を持つ、重量1.2Kg程度迄重量軽減を行った義手の提供を可能とした、本発明による義手として用いるロボットハンドにより課題の解決を図るものである。The present invention has been made in order to solve these problems in view of such various problems of the prior art. The purpose is to solve the problem with the following structure.
Specifically, the finger has four fingers composed of the proximal phalanx, middle phalanx, and distal phalanx, and the thumb and phalanx composed of the proximal phalanx and distal phalanx, and the palm and wrist that support them. It has a mechanism capable of pronation / extroversion and palmar dorsiflexion. Each joint equivalent part is a pin fulcrum that can be freely moved, and the shape is determined by a human hand, and the material is configured as engineer plastic and aluminum to reduce the weight of the artificial hand. With these, it is possible to provide a prosthetic hand that can bend and stretch at the joint part, has the same design as a human hand, and has a weight reduced to about 1.2 kg, by operating all fingers independently. The problem is solved by the robot hand used as a prosthetic hand according to the present invention.
上記目的を達成する為に本発明は下記の様に構成するものである。
すなわち、
本願請求項1の発明は、四指に於いては、基節骨・中節骨・末節骨から構成し本願請求項2の発明は、拇指に於いて基節骨・末節骨と水平旋回と前後屈を行う基部と掌背屈と回内・回外を行う手首部より構成するものである。
本願請求項1及び2の発明による各々の動作形態は、屈曲自在外皮管に包含されるワイヤー若しくは非包含ワイヤー等をもって動作制御を行い、そのワイヤー等の一端を当該部位へ取付け他端を当該部位対応専用モーターに連結したワイヤー等により駆動する。此れにより、各指及び手首等を含む総ての関節部が単独での可動を実現する事が出来るものである。同様に概形状は第1図又は第2図に示すが如く人の手状を模し、各関節部に於いては関節の動作を可能とするピン類で連結する事により、拇指を含む五指とその手首部を形成するものである。In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is,
The invention of
Each operation mode according to the first and second aspects of the present invention controls the operation with a wire or a non-included wire included in the bendable envelope tube, and attaches one end of the wire or the like to the part and attaches the other end to the part. It is driven by a wire connected to a dedicated motor. As a result, all the joints including each finger and wrist can be moved independently. Similarly, as shown in FIG. 1 or FIG. 2, the approximate shape is similar to that of a human hand. At each joint, five fingers including the thumb are connected by pins that enable joint movement. And its wrist part.
形成する四指に於いては指取付け座11へボルトにて連結された各指毎に専用モーターを配し、第9図に示す手の甲側と手のひら側へ各々系統別に分離配置したワイヤーの片端を末節骨に締結されている指先端ロープ固定座19へ屈曲動作用ワイヤー32と伸展動作用ワイヤー33を緊結又は締結固定し、次に第10図に示す屈曲動作用ワイヤー34と伸展動作用ワイヤー35を基節骨へ締結設置せらるる指中間ロープ固定座20へ末節骨と同様方式により緊結又は締結固定を行い各々末節骨専用及び基節骨専用モーターへ当該ワイヤーの残端を系統毎に緊結又は締結固定を行う。動作に応じ各指毎に配置した2台のモーターの同期作動により、人の手の指様の微細な動作を再現出来るものであり、動作に対する確実性の向上と把持力の倍化を実現しているものである。In the four fingers to be formed, a dedicated motor is arranged for each finger connected to the finger mounting seat 11 by bolts , and one end of the wire arranged separately for each system on the back side and palm side shown in FIG. The
同様に、拇指に於いては第6図に示す指取付け座11へボルトにて連結し手の甲側と手のひら側へ各々系統別に分離配置したワイヤーの片端を第11図に示す末節骨に締結されている指先端ロープ固定座19へ屈曲動作用ワイヤー36と伸展動作用ワイヤー37を緊結又は締結固定を行い、拇指屈伸専用モーターへ当該ワイヤーの残端を系統毎に緊結又は締結固定をする事で他の四指と同様の動作を実現したものである。Similarly, in the thumb finger, one end of a wire connected to the finger mounting seat 11 shown in FIG. 6 with a bolt and separately arranged on the back side and the palm side for each system is fastened to the distal phalanx shown in FIG. The wire 36 for bending operation and the
又手首部に於いては、モーター2台によって掌背屈動作と回内、回外動作を併合して受け持ち、第12図及び第13図に示す基礎座14の取り付け孔38へ緊結固定したワイヤー42を回転軸16へ勘着した手首関節13の垂直円筒部に凡そ一周させ。その後水平円筒部を凡そ半周し掌背屈座12を介しその一端をモーターに連結する。同様に、ワイヤー44は取り付け孔40へ、同じくワイヤー43は取り付け孔39へ、同じくワイヤー45は取り付け孔41へ、緊結又は締結固定するワイヤー42と同様方式による取り付けにより動作力、曰くは、掌背屈と回内及び回外の為の作用に対する確実性の向上と動作力の倍化を実現する。本願請求項2の発明に於いて、本願請求項1及び本願請求項3の発明に対応する機構を有する。In addition, at the wrist part, the wire is fixedly attached to the
詳しくは、第12図及び第13図に示す、基礎座14に設けられた、他の取り付け孔39と取り付け孔40と取付け孔41に各々ワイヤー43とワイヤー44とワイヤー45の各一端を緊結固定する。それにより、ワイヤー42とワイヤー44を各々2台のモーターにより同時に引く事で回転軸16を中心に手首関節13に回転する為の2台分のモータートルクを与え、回転動作を行う。同様にワイヤー43とワイヤー45を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより手首の回内と回外の動作が実現出来るものである。
更に手首の掌背屈動作に於いては、ワイヤー42とワイヤー45を各々2台のモーターにより同時に引く事で掌屈を行う事が出来。更にワイヤー43とワイヤー44を同時に引く事で逆回転動作曰くは、背屈動作を実現し、その動作は2台のモーターによって成される事で動作力が倍化されるものである。More specifically, one end of each of the wire 43, the wire 44, and the wire 45 is tightly fixed to the
Furthermore, in the palm dorsiflexion movement of the wrist, it is possible to perform palm flexion by pulling the wire 42 and the wire 45 simultaneously by two motors. Further, pulling the wire 43 and the wire 44 at the same time reverse-rotation operation, the dorsiflexion operation is realized, the operation force is doubled by the two motors.
同様に拇指の前後屈と旋回に付いても、手首部に於ける掌背屈と回内、回外動作機構と同機構により、前後屈と旋回を行うものである。詳しくは、第7図及び第8図に示す拇指関節28に於いて、手首と同様の機構による構成により、前後屈と水平回転を行うものである。詳しくは、モーター2台によって前後屈動作と水平正逆旋回動作をそれぞれ併合して受け持ち、拇指基礎座29の取り付け孔46へ緊結固定したワイヤー50を拇指回転軸31に勘着した拇指関節28の垂直円筒部に凡そ一周させ、その後水平円筒部を凡そ半周し拇指前後屈座27を介しその一端をモーターに連結するものである。 Similarly, attached to pivoted bending around the thumb, the in palm dorsiflexion and times on the wrist unit, the supination operation mechanism and the same mechanism, and performs turning and bending back and forth. Specifically, the
同様に、拇指基礎座29に設けられた他の取り付け孔に対し次のように構成する。
ワイヤー51は取り付け孔47へ、同じくワイヤー52は取り付け孔48へ、同じくワイヤー53は取り付け孔49へ、緊結又は締結固定するワイヤー42と同様に各々ワイヤーの一端を緊結固定する。それにより、ワイヤー50とワイヤー52を2台のモーターにより同時に引く事で拇指回転軸31を中心に拇指関節28を回転させる為のトルクを発生させることが出来。同様にワイヤー51とワイヤー53を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより拇指の水平旋回動作が手首の回内・回外動作と同様可能となる。Similarly, it constitutes as follows with respect to other attachment holes provided in the thumb
The wire 51 is fastened to the
更に、拇指の前後屈動作に於いては、第7図及び第8図に示すワイヤー50とワイヤー53をワイヤー端へ連接した各々のモーターにより同時に引く事で前屈を行う事が出来。更にワイヤー51とワイヤー52を同時に引く事で逆動作、曰くは、後屈動作が出来るものである。此の時、一方を緊張させる時相対する他方が緩み側になる特性が優位に作用し、動作を阻害する事は無くむしろ制御補助並びに確実性の高い動作が得られるもので有る。これ等の結果より各関節部が自由に作動し、尚各指が単独で可動できる義手であって、例えば筋電義手、例えばロボットハンドへの転用も可能とした本発明による全指可動型義手により解決を計るものである。Furthermore, in the forward / backward bending operation of the thumb, it is possible to perform forward bending by simultaneously pulling the
四指及び手首部並びに拇指の各動作に於ける各ワイヤーとモーター等駆動機器の接続に付いては、同一系統の当該ワイヤーを末節骨端ロープ固定座19並びに手首部基礎座14に於ける取り付け孔38等に示される当該部位へ緊結又は締結固定したワイヤーの反対端をモーターの連結部へ正面対称に連結し、同期運転又は緩衝運転等により、当該部位を作動させるものである。For the connection of each wire and motor and other driving devices in the movements of the four fingers, wrists, and thumbs, the wires of the same system are attached to the distal phalanx
本願請求項3の発明に於いては、本願請求項1及び本願請求項2と基本構造を同一とする単指欠損対応指であって、一指若しくは、PMP又はDIP関節以降等々欠損指部位に合わせた構成を持って取付ける方式により実施されるものである。In the invention of
本願請求項4の発明に於いては、本願請求項1乃至本願請求項3の発明に対応する各指の各指の各関節及び回転部へ回転角度計並びに曲げ角度計を設置しその電気的信号により回転及び屈伸等の度合いを計測し、本発明による義手若しくはロボットハンドの動作を制御する事も可能である。例として単指欠損対応時に於いて近接した指の屈伸度を測り、欠損指の動作を近接残指に倣わせる制御を行う事を目的として成し、欠損指対応義手等の動作制御に供する事により、単指欠損であっても残指と同様の動作が出来違和感の無い単指欠損対応義手の提供も出来るものである。同様に此の制御によりマニピュレーター制御のロボットハンドとしても緻密な動作を可能とするものである。 In the invention of
本願請求項1の発明に於いて、第1図に基づき説明を行う。示指2と中指3と環指4と小指5の四指は末節骨6と中節骨7と基節骨8から形成される。その関節となる支点には屈曲又は伸展を可能とする目的を持って、先端関節ピン21と中間関節ピン22と根元関節ピン23により屈曲、伸展が自在となる嵌合による接合を行い、その動作は示指2、中指3、環指4、小指5の各指単独末端動作専用モーターにより、第3図及び第9図に示す如く、末節骨に締結されている指先端ロープ固定座19へ屈曲動作用ワイヤー32を緊結固定し、同時に伸展動作用ワイヤー33も固定する。このときワイヤー32とワイヤー33は、その一端を各々の指の動作を専用とする1台のモーターに連結する。それにより、モーターの正回転時を指の屈曲とした場合、モーターの動作により、屈曲側はワイヤー32が引き側となり、物を握りこむ方向へ屈曲しワイヤー33は屈曲側へ指が不必要に倒れこむ事を防止する役目をも負担しているものである。又モーターを逆回転させた時は、指の伸展が行われワイヤー33が引き側となり指が開く。その時ワイヤー32は、緩み側となり指が不要に伸展する事を防止する役目をも負担している。In the invention of
又把持力の増加と把持の確実性の向上を目的として、更に基節骨8に設けた第10図に示す如く、指中間ロープ固定座20へ新たにワイヤー34とワイヤー35を侠持固定しその一端は各指毎の指先端ロープ固定座19及び指中間ロープ固定座20用として各々専用に設けられたモーターに連結する、そのモーターは前記、末節骨にワイヤーを介し締結されている指先端動作用モーターに同期する動作を行い、指が行う屈曲及び伸展動作を補助する。同様に第11図に示す拇指に付いても末節骨6と中節骨7と拇指基節骨10より形成され四指同様その関節となる支点には屈曲、伸展を可能とする目的を持って、先端関節ピン24と中間関節ピン25により屈曲、伸展が自在となる嵌合接合を行う。その動作は拇指屈伸用モーターにより末節骨に締結されている指先端ロープ固定座19へ屈曲動作用ワイヤー36と伸展動作用ワイヤー37を緊結固定する事で四指と同様の動作を行わせようとするものである。Further, for the purpose of increasing the gripping force and improving the certainty of gripping, a wire 34 and a wire 35 are newly held and fixed to the finger intermediate
更に、各五指に於ける中節骨部に於いて屈曲用ワイヤー32及び36を規制している、押えピン54の作用により指の屈曲時に於いて握りこみ等による抵抗の増加に合わせ自然に屈曲支点から指に接していたワイヤーが離れ指先端への曲げモーメントを増加させ使用動力の省力化を行う事も可能な構造特性を包含している義手である。Further, the bending
又手首部に於いては、モーター2台で掌背屈動作と回内、回外動作をそれぞれ併合して受け持ち、第12図に示す基礎座14の取り付け孔38へ緊結固定したワイヤー42を回転軸16の垂直円筒部に凡そ一周させ。その後水平円筒部を凡そ半周し掌背屈座12を介しその一端をモーターに連結する。同様の取付け方法により、基礎座14に設けられた他の取り付け孔39と取り付け孔40と取付け孔41に各々ワイヤー43とワイヤー44とワイヤー45の各々の一端を緊結固定する。At the wrist, the two motors are used to handle the dorsiflexion operation, pronation and supination operation, and rotate the wire 42 tightly fixed to the mounting
それにより第12図に示すワイヤー42とワイヤー44を各々のモーターによりワイヤーを同時に引く事で回転軸16を中心に手首関節13に右回転を与えるモーター2台分のトルクが発生し、回転動作を行う。その時、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー43、ワイヤー45、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。同様にワイヤー43とワイヤー45を各々のモーターによりワイヤーを同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより手首の回内と回外並びに掌背屈に於いてモーター2台の同期作動と成り確実な動作と倍力化が可能となる。
更に、ワイヤー42とワイヤー45を各々のモーターにより同時に引く事で掌屈を行い、更にワイヤー43とワイヤー44を同時に引く事で逆回転動作、曰くは、背屈動作が出来るものである。As a result, the wire 42 and the wire 44 shown in FIG. 12 are pulled simultaneously by the respective motors to generate torque for two motors that rotate the wrist joint 13 clockwise around the rotating
Further, palm bending is performed by simultaneously pulling the wire 42 and the wire 45 by each motor, and further reverse rotation operation, that is, dorsiflexion operation can be performed by simultaneously pulling the wire 43 and the wire 44.
同様に、本願請求項2による発明の拇指間接28に於いても、第5図及び第6図に示すが如く、手首と同様の機構による構成により、前後屈と水平回転を行うものである。詳しくは、モーター2台によって前後屈動作と水平正逆回転動作をそれぞれ共有負担し、拇指基礎座29の取り付け孔46へ緊結固定したワイヤー50を拇指関節28の垂直円筒部に凡そ半周させ、その後水平円筒部を凡そ半周し拇指前後屈座27を介しその一端をモーターに連結する。同様の取付け方法により、拇指基礎座29に設けられた他の取り付け孔47と取り付け孔48と取り付け孔49に各々ワイヤー51とワイヤー52とワイヤー53の各々の一端を緊結固定する。Similarly, in the thumb indirect 28 according to the second aspect of the present invention, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, as shown in FIG. 5 and FIG. Specifically, the two motors share the forward / backward bending operation and the horizontal forward / reverse rotation operation, respectively, and the
それにより、第7図及び第8図に示すワイヤー50とワイヤー52を2台のモーターにより同時に引く事で拇指回転軸31を中心に拇指関節28を回転させる為の2台分の発生トルクが得られるものである。その時、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー51、ワイヤー53、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。同様にワイヤー51とワイヤー53を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより拇指の水平回転動作が可能となる。更に、ワイヤー50とワイヤー53を各々のモーターにより同時に引く事で同期した2台分のモータートルクが得られ掌屈を行う事が出来る。その時、前記同様、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー51、ワイヤー52、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。更にワイヤー51とワイヤー52を同時に引く事で逆動作、曰くは、背屈動作が出来るものである。これ等の結果より各関節部が自由に作動する構造となり、尚且つ各指単独動作が行える、ロボットハンドへの転用も可能とした本発明による全指可動型義手である。As a result, the generated torque for rotating the thumb joint 28 about the thumb rotation shaft 31 is obtained by pulling the
本願請求項1による発明のものは、各関節部に関節ピンを嵌合設置したことで、人の手を模した形状で軽量自由な関節動作性が実現できた。更に指先端付近と同じく指中間付近へロープ端部を固定しその他端をそれぞれの専用モーターへ連結したことで人の手様の動作が出来る様に成った。更に指先端部付近と指中間部付近に配したワイヤーを2台のモーターを制御し同時に引いている事と、それにより発生する指の屈曲により自然にワイヤーが関節支点より遠くへ移動し把持力が増す事の併合による把持力の倍化が確認された。これ等に本願請求項2及び本願請求項3による
発明を付加した結果、鉛筆を持って文字を書く事、物をつまむ事、握る事等、曰くは人の手の動作として必要な、握る・掴む・摘む・はさむ等一連の繊細な動作が出来ながら尚且つ飲料水用アルミ缶を潰す迄の握力を発生させる事が実験結果により実証された。In the invention according to
全体正面図である。It is a whole front view.
左側面図である。It is a left side view.
指側面図である。It is a finger | toe side view.
指正面図である。It is a finger front view.
拇指正面図である。FIG.
拇指側面図である。FIG.
拇指根元関節右旋回用ワイヤー取り付け図である。FIG. 10 is a wire attachment diagram for turning the thumb root joint right.
拇指根元関節左旋回用ワイヤー取り付け図である。FIG. 6 is a wire attachment diagram for the left thumb joint joint left turn.
指先端部用ワイヤー取り付け図である。It is a wire attachment figure for finger tip parts.
指中間部用ワイヤー取り付け図である。It is a wire attachment figure for finger middle parts.
拇指ワイヤー取り付け図である。It is a thumb wire attachment figure.
手首部右旋回用ワイヤー取り付け図である。It is a wire attachment figure for wrist part right turning.
手首部左旋回用ワイヤー取り付け図である。It is a wrist part left turn wire attachment figure.
基礎座断面A矢視図であるIt is a basic seat section A arrow view
拇指基礎座断面B矢視図である。It is a thumb basic seat cross section B arrow view.
1、 拇指
2、 示指
3、 中指
4、 環指
5、 小指
6、 末節骨(五指共通)
7、 中節骨(五指共通)
8、 基節骨(四指共通)
9、 中手骨(四指共通)
10、拇指基節骨
11、指取付け座
12、掌背屈座
13、手首関節
14、基礎座
15、掌背屈ピン
16、回転軸
17、連結環
18、取付け座
19、指先端ロープ固定座
20、指中間ロープ固定座
21、先端関節ピン(四指共通)
22、中間関節ピン(四指共通)
23、根元関節ピン(四指共通)
24、拇指先端関節ピン
25、拇指中間関節ピン
26、拇指連結ピン
27、拇指前後屈座
28、拇指関節
29、拇指基礎座
30、拇指前後屈ピン
31、拇指回転軸
32〜35、四指制御ワイヤー
36〜37、拇指制御ワイヤー
38〜41、基礎座ワイヤー取付け孔
42〜45、手首制御ワイヤー
46〜49、拇指基礎座取付け孔
50〜53、拇指前後屈・水平回転制御ワイヤー
54、押えピン1,
7. Middle phalanx (five fingers common)
8. The proximal phalanx (common to all four fingers)
9. Metacarpal bone (common to all four fingers)
10, thumb proximal phalanx 11, finger attachment seat 12, palm dorsal flexion seat 13, wrist joint 14, base seat 15, palm
22. Intermediate joint pin (common to all four fingers)
23, root joint pin (common to all four fingers)
24, thumb tip
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