JP5472680B2 - 装着式動作補助装置 - Google Patents
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- A61H2230/605—Muscle strain, i.e. measured on the user, e.g. Electromyography [EMG] used as a control parameter for the apparatus
Description
(1)本発明は、装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、
伸展動作または屈曲動作に応じて伸縮する凹部と凸部とが交互に連続する蛇腹状部を有する筒状の筒状体と、
該筒状体の中空部に挿通された少なくとも一対のワイヤとを有し、
前記一対のワイヤは、一端が前記駆動部に連結され、他端が前記指挿入部に連結され、前記筒状体に横架された横架部材により仕切られた前記筒状体の上部空間、下部空間に装架され、
前記駆動部は、
前記筒状体の上部空間、下部空間に平行に挿通された前記一対のワイヤの一端が周方向の異なる2点に連結された回動部材と、
前記回動部材を回動させるモータと、を有し、
前記モータは、前記制御部からの駆動制御信号に基づいて前記回動部材を回動させ、前記回動部材の回動方向に応じて前記一対のワイヤの何れか一方を引張ることで前記筒状体を前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする。
(2)本発明は、装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、可撓性を有する筒状体と、該筒状体の中空部に充填され温度に応じて体積を変化させる流動体と、を有し、
前記筒状体に前記流動体を加熱または冷却する温度調整手段を設け、
前記温度調整手段は、前記流動体を加熱または冷却することにより前記流動体の体積を増減させて駆動力を発生させ、
前記駆動部は、前記制御部からの駆動制御信号に基づいて前記線状部材を前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする。
(3)本発明は、装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、平行に配された一対の電極層間に印加された電圧に応じて変形する駆動層を介在させてなり、
前記駆動層は、前記電極層に印加される電圧に応じて直線状態から屈曲状態に駆動する駆動力、または屈曲状態から直線状態に駆動する駆動力を発生させ、
前記駆動部は、前記制御部から出力された駆動制御信号により前記一対の電極層の極性を正または負に切替える印加電圧切替手段を有し、
前記印加電圧切替手段は、供給する印加電圧の極性により前記駆動層を屈曲状態または直線状態に駆動させて前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする。
(4)本発明は、(1)乃至(3)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の前記指挿入部の側部または甲側に沿うように固定され、前記指挿入部に駆動力を伝達することを特徴とする。
(5)本発明は、(1)乃至(4)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の前記指挿入部に沿うように複数本ずつ配され、
前記複数の線状部材の夫々が伸縮して各指の関節の動作方向に駆動力を伝達することを特徴とする。
(6)本発明は、(1)乃至(5)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記生体信号検出部は、前記装着者の手首付近の皮膚に密着するように前記動作補助手袋の内側に設けられたことを特徴とする。
(7)本発明は、(1)乃至(6)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の外側に設けられたことを特徴とする。
(8)本発明は、(1)乃至(6)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の内側に埋め込まれ、且つ少なくとも指接触部分の内側には、内側カバー部材が設けられたことを特徴とする。
(9)本発明は、(1)乃至(6)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の外側補助手袋と内側補助手袋との間に埋め込まれたことを特徴とする。
(10)本発明は、(1)乃至(9)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記指挿入部を曲げた状態から真っ直ぐな状態に戻すように、または前記指挿入部を真っ直ぐな状態から曲げた状態に戻すように、前記指挿入部を付勢する付勢部材を設けたことを特徴とする。
(11)本発明は、(1)乃至(10)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部に被把持部材の存在を検出する検出手段を有することを特徴とする。
(12)本発明は、(1)乃至(11)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部の先端に装着者の指先の一部を露出させる開口を有することを特徴とする。
(13)本発明は、(1)乃至(12)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部に装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサを有することを特徴とする。
(14)本発明は、(1)乃至(13)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記装着者の指を動作させるための信号を、前記生体信号検出部により検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動部に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする。
(15)本発明は、(14)に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
タスクとして分類した装着者の指の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者の指のタスク及びフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする。
(16)本発明は、(14)に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
タスクとして分類した装着者の指の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者の手のタスク及びフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする。
(17)本発明は、(16)に記載の装着式動作補助装置であって、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスク及びフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することを特徴とする。
(18)本発明は、(1)、(14)乃至(17)の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記駆動部から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号検出部によって検出し、当該生体信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする。
(19)本発明は、(18)に記載の装着式動作補助装置であって、
前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助手袋が前記装着者に装着された状態で前記駆動部からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号検出部によって検出し、当該検出信号に基づいて前記生体信号の信号に応じた電流を生成して前記駆動部に供給する前記駆動電流生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、当該パラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えたことを特徴とする。
(20)本発明は、(19)に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記生体信号検出部により検出された前記生体信号と装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度との対応関係のデータが格納されたキャリブレーションデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記キャリブレーションデータベースに格納された前記データに基づき前記パラメータを補正することを特徴とする。
図20は初期設定を行う初回キャリブレーションの制御手順を示すフローチャートである。尚、初回キャリブレーションの場合、前述したように、装着者がモータ負荷に対して関節20の静止状態を保つように筋力を発生させることにより補正値を設定する。
(変形例1)
図23は装着式動作補助装置10の変形例1を示す斜視図である。尚、図23において、前述した図1と同じ部分については、同一符合を付してその説明を省略する。図23に示されるように、変形例1の装着式動作補助装置10Aは、動作補助手袋20Aと、複数の線状部材500と、駆動部510と、生体信号検出部60と、制御ユニット70Aと、充電式バッテリ610が設けられている。充電式バッテリ610は、表面に太陽電池612が配されており、室内の照明光または太陽光を受光して発電を行なう太陽電池612により常時充電されている。
(変形例2)
図26は変形例2の装着式動作補助装置10Bを示す斜視図である。尚、図26において、前述した図23と同じ部分については、同一符合を付してその説明を省略する。図26に示されるように、装着式動作補助装置10Bは、動作補助手袋20Bと、上記変形例1の複数の線状部材500と、駆動部510と、生体信号検出部60と、制御ユニット70Aとが外側動作補助手袋と内側動作補助手袋との間に収容されている。そのため、駆動部510は、各線状部材500を介して駆動力を動作補助手袋20Bの各指挿入部21Bに効率良く伝達することができる。
(変形例3)
図28は変形例3の装着式動作補助装置10Cを示す斜視図である。尚、図28において、前述した図23と同じ部分については、同一符合を付してその説明を省略する。図28に示されるように、装着式動作補助装置10Cは、動作補助手袋20Cと、複数の線状部材700と、駆動部710と、生体信号検出部60と、制御ユニット70Cと、充電式バッテリ610が設けられている。
(変形例4)
図30は変形例4の装着式動作補助装置10Dを示す斜視図である。図30に示されるように、装着式動作補助装置10Dは、動作補助手袋20Dと、複数の線状部材800と、印加電圧切替回路810と、生体信号検出部60と、制御ユニット70Dと、充電式バッテリ610が設けられている。
20、20A〜20D 動作補助手袋
21、21A〜21D 指挿入部
22 開口
24 手首部
30 被駆動部
32、34、36 締結リング
40、510、710 駆動部
40a〜40j 駆動機構
42 回動部材
44 電動モータ
50、50a〜50j、500、700、800 線状部材
51 筒状体
52、53 ワイヤ
54 キャップ
55 中空部
57 上部空間
58 下部空間
59 中部空間
60 生体信号検出部
61〜65 生体電位センサ
70、70A、70C、70D 制御ユニット
80、82 ベルト
84 面ファスナ
90 付勢部材
94 トルクセンサ
96 角度センサ
100、100A〜100F 制御部
102 メモリ
104 表示器
124、610 充電式バッテリ
130 応力センサ
140 充電器
200 生体電位処理手段(生体信号処理手段)
202 増幅器
204 高帯域バンドパスフィルタ
206 中帯域バンドパスフィルタ
212 随意的制御手段
220 駆動電流生成手段
300 データベース
310 自律的制御手段
320 制御信号合成手段
400 キャリブレーションデータベース
410 フェーズ特定手段
420 差分導出手段
430 パラメータ補正手段
440 キャリブレーション制御手段
450 負荷発生手段
502 中空系路
510a〜510j アクチュエータ
520 流動体
530 ハウジング
540 ペルチェ素子
612 太陽電池
600 物体検出センサ
710a〜710j リニアモータ
810 印加電圧切替回路
801,802 電極層
803 駆動層
Claims (20)
- 装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、
伸展動作または屈曲動作に応じて伸縮する凹部と凸部とが交互に連続する蛇腹状部を有する筒状の筒状体と、
該筒状体の中空部に挿通された少なくとも一対のワイヤとを有し、
前記一対のワイヤは、一端が前記駆動部に連結され、他端が前記指挿入部に連結され、前記筒状体に横架された横架部材により仕切られた前記筒状体の上部空間、下部空間に装架され、
前記駆動部は、
前記筒状体の上部空間、下部空間に平行に挿通された前記一対のワイヤの一端が周方向の異なる2点に連結された回動部材と、
前記回動部材を回動させるモータと、を有し、
前記モータは、前記制御部からの駆動制御信号に基づいて前記回動部材を回動させ、前記回動部材の回動方向に応じて前記一対のワイヤの何れか一方を引張ることで前記筒状体を前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、可撓性を有する筒状体と、該筒状体の中空部に充填され温度に応じて体積を変化させる流動体と、を有し、
前記筒状体に前記流動体を加熱または冷却する温度調整手段を設け、
前記温度調整手段は、前記流動体を加熱または冷却することにより前記流動体の体積を増減させて駆動力を発生させ、
前記駆動部は、前記制御部からの駆動制御信号に基づいて前記線状部材を前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 装着者の指が挿入される指挿入部を有する動作補助手袋と、
前記動作補助手袋の甲側に配置され、前記指挿入部を駆動する駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記指挿入部に伝達するように前記指挿入部の延在方向に沿うように配された線状部材と、
前記装着者の皮膚に密着させ、指を動作させるための生体信号を検出する生体信号検出部と、
該生体信号検出部により出力された検出信号に基づいて前記駆動部へ駆動制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記線状部材は、平行に配された一対の電極層間に印加された電圧に応じて変形する駆動層を介在させてなり、
前記駆動層は、前記電極層に印加される電圧に応じて直線状態から屈曲状態に駆動する駆動力、または屈曲状態から直線状態に駆動する駆動力を発生させ、
前記駆動部は、前記制御部から出力された駆動制御信号により前記一対の電極層の極性を正または負に切替える印加電圧切替手段を有し、
前記印加電圧切替手段は、供給する印加電圧の極性により前記駆動層を屈曲状態または直線状態に駆動させて前記指挿入部の伸展方向または屈曲方向に動作させることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至3の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の前記指挿入部の側部または甲側に沿うように固定され、前記指挿入部に駆動力を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至4の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の前記指挿入部に沿うように複数本ずつ配され、
前記複数の線状部材の夫々が伸縮して各指の関節の動作方向に駆動力を伝達することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至5の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記生体信号検出部は、前記装着者の手首付近の皮膚に密着するように前記動作補助手袋の内側に設けられたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至6の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の外側に設けられたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至6の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の内側に埋め込まれ、且つ少なくとも指接触部分の内側には、内側カバー部材が設けられたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至6の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記線状部材は、前記動作補助手袋の外側補助手袋と内側補助手袋との間に埋め込まれたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至9の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記装着者の指の関節を曲げた状態から真っ直ぐな状態に戻すように、または前記装着者の指の関節を真っ直ぐな状態から曲げた状態に戻すように、前記各指挿入部を付勢する付勢部材を設けたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至10の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部に被把持部材の存在を検出する検出手段を有することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至11の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部に装着者の指先の一部を露出させる開口を有することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至12の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記動作補助手袋は、前記指挿入部に装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサを有することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1乃至13の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記装着者の指を動作させるための信号を、前記生体信号検出部により検出された生体信号から取得する生体信号処理手段と、
前記生体信号処理手段により取得された信号を用い、前記装着者の意思に従った動力を前記駆動部に発生させるための随意的制御信号を生成する随意的制御手段と、
前記随意的制御手段により生成された随意的制御信号に基づいて、前記生体信号の信号に応じた電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項14に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
タスクとして分類した装着者の指の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者の指のタスク及びフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記自律的制御信号に応じた電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項14に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
タスクとして分類した装着者の指の動作パターンを構成する一連の最小動作単位(フェーズ)の各々の基準パラメータを格納したデータベースと、
装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度と前記データベースに格納された基準パラメータとを比較することにより、前記装着者の手のタスク及びフェーズを推定し、当該フェーズに応じた動力を前記駆動部に発生させるための自律的制御信号を生成する自律的制御手段と、
前記随意的制御手段からの随意的制御信号および前記自律的制御手段からの自律的制御信号を合成する制御信号合成手段と、
前記制御信号合成手段により合成された総制御信号に応じた総電流を生成し、前記駆動部に供給する駆動電流生成手段と、
を備えることを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項16に記載の装着式動作補助装置であって、
前記データベースは、前記随意的制御信号と前記自律的制御信号との比(ハイブリッド比)を、前記フェーズの基準パラメータと所要の対応関係となるように格納し、
前記制御信号合成手段は、前記自律的制御手段により推定されたタスク及びフェーズに応じ、前記対応関係に基づいて規定されるハイブリッド比となるように、前記随意的制御信号および前記自律的制御信号を合成することを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項1、14乃至17の何れかに記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記駆動部から付与された負荷としての駆動力に対する生体信号を前記生体信号検出部によって検出し、当該生体信号に基づいて補正値を設定するキャリブレーション手段を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項18に記載の装着式動作補助装置であって、
前記キャリブレーション手段は、
前記動作補助手袋が前記装着者に装着された状態で前記駆動部からの所定の駆動力を外的負荷として付与する負荷発生手段と、
該負荷発生手段により付与された駆動力に抗して発生した生体信号を前記生体信号検出部によって検出し、当該検出信号に基づいて前記生体信号の信号に応じた電流を生成して前記駆動部に供給する駆動電流生成手段が行う演算処理のパラメータを生成し、当該パラメータを当該装着者固有の補正値として設定する補正値設定手段と、
を備えたことを特徴とする装着式動作補助装置。 - 請求項19に記載の装着式動作補助装置であって、
前記制御部は、
前記生体信号検出部により検出された前記生体信号と装着者の指関節の曲げ角度を検出する指関節角度センサにより検出された指曲げ角度との対応関係のデータが格納されたキャリブレーションデータベースを有し、
前記補正値設定手段は、前記キャリブレーションデータベースに格納された前記データに基づき前記パラメータを補正することを特徴とする装着式動作補助装置。
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