JP5567646B2 - 外骨格を備えた人間の把持補助デバイス - Google Patents

Description

連邦支援研究または開発に関する供述
[0001]本発明は、ＮＡＳＡ Ｓｐａｃｅ Ａｃｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３の下に、政府の支援によってなされたものである。本明細書において説明されている本発明は、米国政府（つまり非商用）の目的のために、それらに対し、またはそのために特許権使用料を支払うことなく米国政府によってまたは米国政府のために製造し、かつ、使用することができる。

[0002]本開示は、外骨格を有する人間の把持補助デバイスに関する。

[0003]人間工学は、作業環境で使用される設備の様々な一部分、例えばキーボード、ワークステーション、トルクレンチ、制御入力デバイス、等々と人間とのやり取りを理解し改善することを最終的に探求する、発展しつつある科学的分野である。物理的作業環境のあらゆる側面はそこで働いている人間のオペレータに関わるため、優れた人間工学設計は、これらの物理的作業環境態様の側面を最適化することを求める。しかしながら、特定の作業タスクは、最適な人間工学の作業現場構成によってでも小さくすることができない態様においてオペレータにストレスを与えることがある。

[0004]例えば反復または持続して物を把持することを必要とする手作業は、オペレータの手、手指および前腕にストレスを与えることがある。その結果、時間の経過とともにオペレータの握力および生産性が次第に低下することになる。また、握力は、物理的な身長の差、傷害および／または筋肉疲労のために、オペレータ間で広く異なることがある。オペレータの握力の可変的な性質は、特定の把持関連作業タスクの実施を比較的非効率なものにしてしまうことがある。リストストラップおよびブレースなどの従来のデバイスは、オペレータにかかるストレスの一部を軽減するために存在しているが、このようなデバイスは、総合的な握力を改善するためには場合によっては最適とはいえない状態が続いている。

[0005]本明細書においては、握力を増強させるために人間のオペレータが使用することができる把持補助デバイスが開示される。本発明によるデバイスには、オペレータの手に装着される手袋、およびオペレータの前腕に装着されるスリーブが含まれている。オペレータの対応する手指または親指から手袋の構造支持エレメントへ力をオフロードするため、およびオペレータの手指の運動の範囲を安全に制限し、過伸展を防止するために、外骨格が手袋の指すなわち手指および／または親指に使用されている。

[0006]外骨格に加えて、本発明による把持補助デバイスは、複数の可撓性腱を含むことができる。これらの腱には、対応するアクチュエータアセンブリによって、計算された張力で選択的に張力が加えられる。アクチュエータアセンブリは、オペレータが手を所望の把持状態に握ることを補助するために、必要に応じて、外骨格に接続されている指骨リングを介して１つまたは複数の腱を引っ張る。他の実施形態では、把持の解放を補助するために、手袋の背面にこれらの腱を経路化することも可能である。手袋に配置された力センサは、スリーブに含まれているコントローラに力フィードバック信号を提供する。コントローラは、腱を張力が加えられた状態にするために、計算された張力をアクチュエータアセンブリから指令する。

[0007]詳細には、把持補助システムには、手袋、アクチュエータアセンブリおよびコントローラが含まれている。手袋には、力センサ、指骨リング、腱および外骨格が含まれている。力センサは、手袋を装着したオペレータによって対象に加えられる把持力を測定する。指骨リングは、手袋の指すなわち手指または親指に対して配置されている。腱は、その一方の端部が複数の指骨リングのうちの１つに接続されており、その指の残りの指骨リングを通して経路化されている。

[0008]外骨格は指に対して配置されている。隣接する指骨リングにはヒンジ式互接続部材が接続されている。アクチュエータアセンブリは、腱のもう一方の端部に接続されている。コントローラは、力センサと連通しており、測定された把持力に応答して張力を計算し、かつ、アクチュエータアセンブリからその計算された張力を指令し、それにより腱を引っ張って指を移動させる。外骨格は、張力の一部をオペレータの手指から手袋の構造支持エレメントへオフロードする。

[0009]本発明の上記特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付の図面に関連して説明される、本発明を実施するための最良モードについての以下の詳細な説明から容易に明らかになる。

[0010]外骨格を備えた手袋、可撓性スリーブおよびコントローラを有する把持補助デバイスの一例を示す略図である。 [0011]図１に示されている把持補助デバイスと共に使用することができる蝶番式外骨格および隣接する指骨リングの一例を示す略図である。 [0012]一可能実施形態によるヒンジ式外骨格を示す略図である。 [0013]一代替実施形態による他のヒンジ式外骨格を示す略図である。 [0014]一代替セグメント化外骨格を示す略図である。

[0015]同様の参照番号が同じ構成要素または同様の構成要素を指す図面を参照すると、把持補助デバイス１０の一例が図１に示されている。デバイス１０には手袋１２および可撓性スリーブ１８が含まれている。また、手袋１２には、手袋１２の少なくとも１本の指、すなわち手指１５または親指１４に対して配置された外骨格３７が含まれている。デバイス１０は、オペレータが装着すると、１つまたは複数の外骨格３７が力の一部をオペレータの１本または複数本の手指または親指から手袋１２の十分に剛直な構造支持エレメント、例えば以下で説明するコンジットアンカ６２または図３に概略的に示されているようなアンカ１６２へオフロードしている間、オペレータが対象を把持することを補助する。外骨格３７の実施形態例については、図２〜５を参照して以下でさらに詳細に説明する。

[0016]図１に示されている把持補助デバイス１０は、一組のアクチュエータを含むことができ、例えば一可能実施形態では電動腱駆動システム（ＴＤＳ）１６を含むことができる。ＴＤＳ１６は、スリーブ１８の中に完全に囲むことも、または少なくとも部分的にスリーブ１８の中に入れることも可能である。ＴＤＳ１６は、コンジット３０の中に少なくとも部分的に含まれている１つまたは複数の可撓性腱２０を介して手袋１２にリンクさせることができる。

[0017]一実施形態では、腱２０の各々は、編組ポリマとして構成することができ、この編組ポリマは、個々の腱の摩耗寿命を長くする適切なフッ化炭化水素を含むことができる。しかしながら、本発明の意図されている範囲を逸脱することなく、可撓性で、かつ、十分に頑丈な他の材料を使用することも可能である。増大張力（矢印２２）はコントローラ３８によって計算され、１つまたは複数の力センサ２８からコントローラ３８が受け取るフィードバック信号（矢印２４）に応答して、ＴＤＳ１６を介して一部またはすべての腱２０に加えることができる。

[0018]図１の手袋１２は、親指１４および１つまたは複数の手指１５を含むことができ、例えば図に示されているように４本の完全な手指／１本の親指の手袋であり、または手袋１２は、他の実施形態ではより少ない手指１５を使用することができ、および／または親指１４がなくてもよい。オペレータは、従来の手袋の方法で手袋１２を装着することができる。指骨リング２６は、手袋１２の素材部１７に接続されるか、もしくは手指１５および／または親指１４の外側に装着される。指骨リング２６は、剛直な例えばアルミニウムまたはプラスチックであってもよく、外骨格３７は、図に示されているように同じ指の隣接する指骨リング２６の間にわたって存在している。このような実施形態では、外骨格３７は、指骨リング２６に溶接し、リベットで固定し、またはさもなければ締め付けて固定することができ、必要に応じてヒンジ４５を介して湾曲または回動させることができる。

[0019]図１の手袋１２がオペレータの手に装着されると、指骨リング２６の各々は、手袋１２の親指１４または手指１５に外接し、したがってオペレータ自身の親指および手指に外接することができ、または実施形態に応じて、親指１４／手指１５を画定している素材部１７の中に指骨リング２６を配置することも可能である。このように、手袋１２の様々な指骨リング２６を通して経路化された一部またはすべての腱２０によって加えられるいかなる張力（矢印２２）も、すべて指骨リング２６および接続外骨格３７に作用することができ、したがって力の一部を手袋１２内のオペレータの手指／親指からオフロードする。

[0020]一般に、オペレータの把持によって保持されている対象に対して加えられる閾値把持力によって、その対象と直接接触している１つまたは複数の力センサ２８のうちのいずれかが起動する。力センサ２８は、手袋上の任意の位置に配置することができ、例えば図に示されているように手指１５および親指１４のうちの１つまたは複数、手袋の手掌、等々に配置することができる。指骨リング２６は、それらの指骨リング２６を通じている腱２０に接続されているか、または接触しており、したがってこれらの指骨リング２６の少なくとも一部が腱２０のためのガイドとして作用する。

[0021]図１の指骨リング２６は、遠位（矢印Ｄ）、即ち手指１５または親指１４の遠位指骨に配置されていても、中間（矢印Ｍ）即ち手指１５または親指１４の中間指骨に配置されていても、または近位（矢印Ｐ）即ち手指１５または親指１４の近位指節に配置されていてもよい。腱２０の各々は、図１に示されているように遠位（矢印Ｄ）指骨リング２６、または代わりとして中間（矢印Ｍ）指骨リング２６などの特定の指骨リング２６で終わっている。

[0022] 図１に示されている例であるＴＤＳ１６は、複数の腱２０のうちの対応する腱２０の一方の端部に接続することができる。個々の腱２０は、対応するコンジット３０の中に配置され、かつ、その中を自由に動くことができる。コンジット３０は、圧縮方向に実質的に剛直であり、また、他の方向に可撓性である例えばステンレス鋼コイルであってもよい。硬質プラスチック片などのコンジットアンカ６２を手袋１２に確実に固定し、このコンジットアンカ６２を使用して、張力が加えられた場合の手指１５に向かうコンジット３０の運動を防止することができる。例えばコンジットアンカ６２は、コンジット３０を受け取る円形の通路（図示せず）を画定することができ、腱２０は、コンジットアンカ６２から手指１５に向かって延在する。

[0023]図１の腱２０は、図１に概略的に示されているように任意選択の腱コンセントレータ２１を貫通することができる。腱コンセントレータ２１は、オペレータの手掌の付根または手首領域の上、もしくはその近傍に配置することができる。仮想線で示されているように、複数のアクチュエータアセンブリ３２、例えば腱２０が取り付けられる電動機付ボールねじデバイス、または線形アクチュエータは、ＴＤＳ１６の中にアレイ状に構成することができる。個々のアクチュエータアセンブリ３２は、対応する腱２０に対して作用している。１つのＴＤＳ１６のみが使用される場合、腱コンセントレータ２１を使用して、親指１４および個々の手指１５から導かれる腱２０を単一のアクチュエータ腱、つまり図１に実線で示されている腱２０に接続することができる。この場合、腱コンセントレータ２１は、単一の腱２０につながる複数の腱２０のための領域を提供する。

[0024]さらに図１を参照すると、特定の実施形態によるＴＤＳ１６の個々のアクチュエータアセンブリ３２は、一実施形態によれば、対応するサーボモータ３４および対応する駆動アセンブリ３６、例えばボールおよびねじタイプのデバイスを含むことができる。線形アクチュエータ、電動機付スプール、等々などの他の実施形態も可能である。ＴＤＳ１６の動作制御はコントローラ３８を介して提供される。

[0025]コントローラ３８は、必要な全ての電力をエネルギー源４０から供給することができる。エネルギー源４０は、スリーブ１８の一部、またはスリーブ１８の外部の、例えば仮想線で示されている任意に選択されるベルトパック３９に装着される、図１にエネルギー源１４０として示されている、より大きいユニットであってもよい。エネルギー源４０は、電池パック、例えば１つまたは複数のリチウムイオン電池、または任意の他の比較的軽い、つまり低質量エネルギー蓄積デバイスとして構成することができる。

[0026]ユーザインタフェース４２は、コントローラ３８と連通するスリーブ１８に接続することができ、またはユーザインタフェース４２は、コントローラ３８と一体にすることができる。ユーザインタフェース４２は、所望の動作モードの選択を容易にするために使用することができ、したがってコントローラ３８とのインタフェースをオペレータに許容するオペレータアクセス可能制御パネル、タッチパッドまたはタッチスクリーンとして構成することができる。図１のコントローラ３８は、一組の力フィードバック信号（矢印２４）を処理している。コンピュータ実行可能コード１００は、コントローラ３８の有形で、非一時的なメモリ４３に記録され、これにより実行することができ、フィードバック信号（矢印２４）を介して中継される値およびユーザが選択した動作モードに応答して、最適な増大張力（矢印２２）を計算し、かつ、選択し、さらに、図３を参照して以下で説明する他の制御アクションを提供することができる。次に、把持補助デバイス１０を装着したオペレータの把持を補助するために、駆動アセンブリ３６を使用して一部またはすべての腱２０にこの増大張力（矢印２２）が加えられる。

[0027]図１のコントローラ３８は、１つまたは複数の集積回路を含むことができ、この集積回路は、電圧調整器、コンデンサ、ドライバ、タイミング水晶、通信ポート、等々などの様々な電子デバイスによって改良することができる。コントローラ３８は、一実施形態では、限られた電力およびメモリ４３、例えばリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／または電気的プログラム可能リードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、ならびに任意の必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路デバイス、ならびに信号調整およびバッファ電子機器を使用したマイクロコントローラであってもよい。プロセッサは、必要な処理能力を提供するために使用される。コントローラ３８の中に常駐している、またはコントローラ３８が容易にアクセスすることができる個々の制御アルゴリズムは、例えばＲＯＭに記憶し、かつ、１つまたは複数の異なる制御レベルで自動的に実行することができ、それにより個々の制御機能を提供することができる。

[0028]図２を参照すると、外骨格アセンブリ５８の一例には、図１にも示されている一対の隣接する指骨リング２６および外骨格３７が含まれている。外骨格３７は、例えば金属棒またはプラスチック棒である剛直な相互接続部材４７を含むことができ、これらの各々は、指骨リング２６の外部表面４１に溶接され、リベットで固定され、またはさもなければ締め付けて固定されている。指骨リング２６の共通面の相互接続部材４７は、手袋１２を装着したオペレータが手袋１２の指、例えば手指１５を曲げた場合に、相互接続部材４７がヒンジ４５に対して自由に回動することができるよう、対応するヒンジ４５を介して結合することができる。

[0029]ヒンジ４５は、オペレータの手指関節の側面に配置することができる。図１の個々の腱２０は、複数の指骨リング２６のうちの対応する指骨リング２６に接続することができ、かつ、他の指骨リング２６、例えば中間（矢印Ｍ）リング２６または近位（矢印Ｐ）リング２６、手袋１２の手掌に対してその背面、例えば図３のアンカ１６２に対して、および／またはコンジットアンカ６２に対してその背面を通して経路化することができる。図１のコンジットアンカ６２は、同じ図に示されている１つまたは複数のコンジット３０を受け取るように配置することができ、かつ、１つまたは複数のコンジット３０の望ましくない軸方向の運動を防止するために手袋１２に確実に取り付けることができる。把持の解放を補助するために使用される場合、当分野で理解されるように手袋１２の背面にコンジットアンカ６２および腱２０を配置することになる。この方法で図２の外骨格３７を使用することにより、外骨格アセンブリ５８を使用していない場合にオペレータの手指／親指に直接作用することになる張力（図１の矢印２２）の一部をオフロードするのを補助することができる。

[0030]図３を参照すると、手袋１２を装着し、一対象例５０を把持しているオペレータの手が示されている。一実施形態では、手袋１２の指、例えば手指１５または親指１４の３つの隣接する指骨リング２６の間に複数の外骨格３７を接続することができる。手袋１２の１つまたは複数の指からアンカ１６２または他の適切な負荷支持構造へ力をオフロードするために、近位指骨からアンカ１６２まで他の相互接続部材４７を延在させることも可能である。このような実施形態では、他のヒンジ４５またはスロットおよびピンなどの他の適切な構造を使用して相互接続部材４７をアンカ１６２に接続することができる。

[0031]任意選択で、図３に概略的に示されているように指の屈筋側および伸筋側の両方に経路化された腱２０を同時に駆動することにより、把持補助デバイス１０は、指を硬直させる、つまり剛直にする働きをすることができる。図解を分かり易くするために省略されているが、個々の腱２０は、上で説明したように対応するアクチュエータアセンブリ３２（図１参照）に向かって延在している。このような手法は、手指１５の先端で対象を押す必要のあるタスク、例えば押しボタン操作には場合によっては有用である。つまり、複数の腱２０がアクチュエータアセンブリ３２によって駆動されると、手指１５を硬直させるために複数の手指１５のうちの１本の手指に複数の腱２０を接続することができる。

[0032]図４を参照すると、図２の外骨格３７は、別法として、範囲制限特徴５２を有する外骨格１３７として具体化することができる。分かり易くするために図３の腱２０は省略されているが、存在しており、図１に示されているようにアクチュエータアセンブリ３２に向かって延在している。相互接続部材４７とヒンジ４５の間の直線的な接続ではなく、隣接する相互接続部材４７は、その代わりにＶ字形輪郭を形成することができる。したがってオペレータが手指をまっすぐにすると、個々の範囲制限特徴５２が自ら閉じてオペレータの手指の過伸展を防止する。このような実施形態は、例えばオペレータが手指を比較的硬直した状態で保持し、かつ、反復してボタンを押さなければならない特定の操作では、場合によってはとりわけ有用である。

[0033]図５を参照すると、一代替実施形態または相補実施形態では、他の外骨格２３７を使用してオペレータの手指を受動的に拘束することができる。外骨格２３７は、手袋１２の手指１５または親指１４の材料の内側に縫い付けることができ、また、運動を制限し／オペレータの手指または親指の過伸展を防止するために使用することができる。図２〜４の実施形態とは異なり、図５の実施形態は腱駆動型ではないが、上で説明した外骨格３７および１３７と共に使用することができ、それにより追加利点が得られる。

[0034]図４の実施形態の場合と同様、図５の外骨格２３７も、オペレータの手指の過伸展を防止するために自ら閉じる範囲制限特徴１５２を含むことができる。特定の実施形態では、外骨格２３７の範囲制限特徴１５２は、材料の単一シート、例えば積層されたプラスチックに部分的に刻み目をつけ、隣接するセグメント４９間にスロット６０を形成することによって構築することができる。積層されたプラスチックを使用する場合、表面５１は可撓性を維持することができ、刻み目はつけられない。他の手法を使用して外骨格２３７を形成することも可能である。

[0035]外骨格２３７のスロット６０は他の範囲制限特徴を提供している。したがって手袋１２の手指１５が完全にまっすぐになった場合の隣接するセグメント４９間の干渉により、オペレータの手指の過伸展を防止することができる。外骨格の材料および厚さ、ならびにスロット６０の深さ／幅／断面は、過伸展に対する必要なレベルの抵抗が提供されるように構成することができる。

[0036]以上、本発明を実施するための最良のモードについて詳細に説明したが、本発明に関連する当業者には、特許請求の範囲内で本発明を実践するための様々な代替設計および実施形態が認識されよう。

Claims (10)

1. 手袋であって、
   手指および親指のうちのいずれかである指と、
   前記手袋に対して配置され、かつ、前記手袋を装着したオペレータによって対象に加えられる把持力を測定するように構成された力センサと、
   前記指に対して配置された複数の指骨リングと、
   一方の端部が前記複数の指骨リングのうちの１つに接続され、かつ、残りの指骨リングを通して経路化された可撓性腱と、
   前記複数の指骨リングに接続された外骨格であって、前記複数の指骨リングのうちの対応する指骨リングにそれぞれ接続された複数のヒンジ式相互接続部材を含んだ外骨格と
   を有する手袋と、
   前記腱のもう一方の端部に接続されたアクチュエータアセンブリと、
   前記力センサと連通しているコントローラであって、前記測定された把持力に応答して張力を計算し、かつ、前記張力を前記アクチュエータアセンブリから指令して前記腱を引っ張り、それにより前記指を移動させるように構成されるコントローラと
   を備え、前記外骨格が前記張力の一部を前記オペレータの手指から前記手袋へオフロードする把持補助システム。
2. 前記外骨格が前記オペレータの手指の過伸展を防止する範囲制限特徴を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記範囲制限特徴が、前記ヒンジの近傍の隣接する相互接続部材によって画定されるＶ字形輪郭である、請求項２に記載のシステム。
4. スロットを備えた材料の単一片によって画定される追加外骨格をさらに備え、前記スロットを備えた材料の前記スロットの各々が前記追加外骨格の隣接するセグメントを画定する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記手袋に対して配置されたアンカをさらに備え、前記外骨格が、前記アンカと、前記複数の指骨リングのうちの前記手袋の手掌に対して近位の指骨リングとの間を延在する、請求項１に記載のシステム。
6. 手袋であって、
   手指および親指のうちのいずれかである指と、
   前記手袋に対して配置され、かつ、前記手袋を装着したオペレータによって対象に加えられる把持力を測定するように構成された力センサと、
   前記指に対して配置された複数の指骨リングと、
   一方の端部が前記複数の指骨リングのうちの１つに接続され、かつ、残りの指骨リングを通して経路化された可撓性腱と、
   前記指に対して配置された外骨格であって、前記外骨格がスロットを備えた材料の単一片であり、前記スロットを備えた材料の前記スロットが、前記指に配置されたオペレータの手指の過伸展を防止する範囲制限特徴を前記指に提供する隣接するセグメントを画定する外骨格と
   を有する手袋と、
   前記腱のもう一方の端部に接続されるアクチュエータアセンブリと、
   前記力センサと連通しているコントローラであって、前記測定された把持力に応答して張力を計算し、かつ、前記張力を前記アクチュエータアセンブリから指令して前記腱を引っ張り、それにより前記指を移動させるように構成されるコントローラと
   を備える把持補助システム。
7. 前記複数の指骨リングに接続された追加外骨格をさらに備え、前記追加外骨格が複数のヒンジ式相互接続部材を含み、前記ヒンジ式相互接続部材の各々が前記複数の指骨リングのうちの対応する指骨リングに接続され、それにより前記張力の一部を前記オペレータの手指から前記手袋へオフロードする、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数の指骨リングが前記手袋の４本の指の各々に２つの指骨リングを含み、前記ヒンジ式相互接続部材の各々が前記４本の指のうちの対応する指の前記２つの指骨リングに接続される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記追加外骨格が、隣接する相互接続部材の間の前記ヒンジの近傍の前記隣接する相互接続部材によって画定されるＶ字形輪郭を有する範囲制限特徴を含む、請求項７に記載のシステム。
10. 前記腱が、それぞれ前記指に接続された複数の腱を含み、それにより前記腱が前記アクチュエータアセンブリによって張力が加えられた状態に置かれると前記指が硬直する、請求項６に記載のシステム。

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