JP5871283B2

JP5871283B2 - 義手

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Publication number: JP5871283B2
Application number: JP2013169685A
Authority: JP
Inventors: 喜雄井上; 京子芝田
Original assignee: Kochi Prefectural University Corp
Current assignee: Kochi Prefectural University Corp
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2033-08-19
Also published as: JP2015037498A

Description

本発明は、義手に関する。さらに詳しくは、モータなどの機器を作動させて物体を把持したり物体を操作したりすることができる義手に関する。

物体を把持することができる義手には、モータなどの電動機器を備えたもの（電動義手）や、電気は使わず、体の他の部分の動きをケーブルで伝えるもの（能動義手）がある。このうち、電動義手では、電動機器の駆動力によって、物体を把持するための部分（人の手の指に相当する部分、以下把持部という）を作動させて、物体を把持する構造となっている。

かかる電動義手において、電動機器の作動を操作するために、筋電位を使用する方法が開発されている（特許文献１、２）。この方法では、電極によって測定された筋電位を制御回路に供給し、この制御回路において筋電位に基づく制御信号を作成し、この制御信号に基づいて電動機器を作動させるようになっている。

しかるに、特許文献１、２の方法では、電動義手を操作するために、使用者がかなり学習する必要がある。つまり、使用者は、発生させる筋電位を調整して電動機器に所望の動作をさせるために、訓練が必要である。とくに、壊れやすいものを把持する場合のように、繊細な動作を行えるようになるには、かなりの努力が必要である。

また、特許文献１、２の方法では、電動機器の電力にはバッテリーが用いられているが、義手は人間が身に付けて使用するものであり身に付けたまま移動する場合もある。このため、大型のバッテリーを設けることは難しく、小型のバッテリーを使用しなければならず、電動義手を長時間使用することは難しい。そして、バッテリーの電力を消費してしまえば、バッテリーの充電または交換が必要となる。これらの事情があり、現状の電動義手は使い勝手が悪く、義手を使用する人の生活レベルが低いという問題も生じている。

一方、片麻痺の患者のリハビリ用装置として、バッテリーが不要またはバッテリーを小型化できる技術が開発されている（特許文献３）。この技術では、患者の健常部に操作部を装着する一方、作業部を患者の障害部（リハビリする部位）に装着するようになっている。そして、操作部には機械エネルギーを電気エネルギーに変換する変換機を備えており、作業部には電気エネルギーを機械エネルギーに変換する変換機を備えている。このため、患者が健常部を動かして操作部を操作すれば、その動作で発生する電力を作業部を作動させる電力として使用できるから、バッテリーが不要またはバッテリーを小型化できるのである。

特開２００５−３３４６７５号公報特開２００８−２６６９０９号公報特開２０１２−３５０９５号公報

たしかに、特許文献３の技術は、バッテリーを不要としたりまたはバッテリーを小型化したりできるという点で望ましい。しかし、特許文献３の技術は、あくまでも片麻痺の患者の障害部を、障害部と同じ機能を有する健常部によって動かすものであり、物体を把持等する義手にそのまま適用することは難しい。

本発明は上記事情に鑑み、使用者の生活レベルを格段に向上することができる義手を提供することを目的とする。

第１発明の義手は、ＤＣモータの回転によって作動する把持部を有する義手であって、前記把持部と、該把持部を作動する従動側ＤＣモータと、を備えた義手本体と、該義手本体を使用する使用者の体における可動部位に取り付けられる入力部と、前記入力部と前記義手本体とを電気的に接続する接続回路と、を備えており、前記入力部は、駆動側ＤＣモータと、使用者の体の可動部位が動くと、該可動部位の動きを駆動側ＤＣモータに入力する駆動部と、を備えており、前記接続回路は、前記従動側ＤＣモータと、前記駆動側ＤＣモータと、余剰電力を蓄積する蓄電部と、を構成要素として含んでおり、前記従動側ＤＣモータは、前記駆動側ＤＣモータと異なる特性を有するものであって、電流が供給された際に発生するトルクが、同じ電流が供給された際に前記駆動側ＤＣモータが発生するトルクよりも小さいものであり、前記駆動側ＤＣモータおよび前記従動側ＤＣモータのアクチュエータ係数をそれぞれＡ _１、Ａ _２とした場合において、Ａ _１＝ｎＡ _２（ｎ＞０）関係が成立し、該義手の作動時間において、該義手全体の仕事率ΔＷが、以下の式の関係を満たすことを特徴とする。

Ｆ_２は前記義手本体から外部に出力されるトルク、Ｒは前記接続回路の電気抵抗、θは従動側ＤＣモータの回転角変位、Ｗ_１２は入力部の仕事率Ｗ_１と義手本体の仕事率Ｗ_２の差、Ｄ_Ｒは前記接続回路の電気抵抗Ｒで消費される単位時間当たりのエネルギーである。

第１発明によれば、入力部が取り付けられた可動部位を動かすと、駆動部と駆動側ＤＣモータによって、可動部位の運動エネルギーが電気的エネルギーに変換される。この電気的エネルギーが接続回路を通して従動側ＤＣモータに供給されると、供給される電気的エネルギー（つまり電流量）に応じて従動側ＤＣモータが作動するので、把持部によって物体を掴んだり操作したりすることができる。つまり、駆動側ＤＣモータで発生する電気的エネルギーによって従動側ＤＣモータを作動させることができるので、特別な電源を設けなくても、把持部を作動させることができる。しかも、従動側ＤＣモータと駆動側ＤＣモータが同じ接続回路の構成要素となっているので、２つのモータを流れる電流は共通である。そして、モータトルクは電流に比例するので、特性が同じ２つのモータを用いる場合には、把持部が物体を掴んだり操作したりする際の把持力に対応する従動側ＤＣモータのトルクが駆動側ＤＣモータのトルクと一致し、可動部位を動かすトルク、すなわち駆動側が直接感じる反力となる。このため、特別なセンサーを設けなくても、一対の部材が物体を掴んだり操作したりする際の反力を、可動部位に加わるトルクとして使用者が把握することができる。したがって、特別な電源やセンサーが不要となるので、装置を軽量かつ簡単な構造とできメンテナンスも容易になる。
また、入力部による入力を増速または減速して把持部を作動することができるので、入力部が設けられる可動部位に係わらず、使用者が把持部を操作しやすくなる。
さらに、駆動側ＤＣモータで発生するエネルギーが従動側ＤＣモータで消費されるエネルギーよりも大きい場合には、外部から電力を供給しなくても、把持部を作動させることができる。また、駆動側ＤＣモータで発生するエネルギーが従動側ＤＣモータの仕事と電気回路内で消費されるエネルギーの和よりも大きい場合には、余ったエネルギーを蓄電部に回収することができる。すると、従動側ＤＣモータの仕事と電気回路内で消費されるエネルギーの和が急に大きくなり、駆動側モータから供給されるエネルギーだけでは従動側ＤＣモータに所定の動作をさせることができなくなった場合でも、蓄電部の電力を補充すれば、負荷が大きくなる前と同様に従動側ＤＣモータを作動させることができるので、把持部の作動を安定化させることができる。このことにより、バッテリー交換なしでも義手を長時間使用することが可能となる。また、適切な使い方をすることが前提であれば、充電式バッテリーが劣化するまではバッテリー交換や部からの充電をしなくても、義手を連続して使用することが可能となる。
そして、充電式バッテリーが劣化するまではバッテリー交換や部からの充電をしなくても、義手を連続して使用することが可能となる。

（Ａ）本実施形態の義手１の使用状況の概略説明図であり、（Ｂ）本実施形態の義手１の作動概念図である。（Ａ）本実施形態の義手１のモデル図であり、（Ｂ）本実施形態の義手１と等価な機械モデル図である。（Ａ）他の実施形態の義手１の使用状況の概略説明図であり、（Ｂ）蓄電部を備えた義手１のモデル図である。実施例の結果を示した図である。

本発明の義手は、ＤＣモータ（直流モータ）を駆動源とする電動機器によって作動される指などを有する義手であって、使用者の生活レベルを格段に向上することができるようにしたことに特徴を有している。

とくに、本発明の義手は、指によって物体を適切に把持できるようにしつつ、指などに加わる力を検出する力覚センサーなどを不要としたこと、および、小型の充電式バッテリーのみで長時間連続して使用することが可能となるようにしたこと、に特徴を有している。とくに、適切な使用を前提とすれば、バッテリーが劣化するまではバッテリー交換や外部からの充電をすることなく連続して使用できるようにしたことに特徴を有している。このため、本発明の義手では、装置の構造を簡単にでき、装置を軽量にでき、しかも、メンテナンスを簡単にできるので、本発明の義手を使用する人の生活レベルを格段に向上することができるのである。

以下、本実施形態の義手１を図面に基づいて説明する。
本実施形態の義手１は、義手本体１０と、この義手本体１０を操作する入力部２０と、義手本体１０と入力部２０を電気的に接続する配線３５と、を備えている。

（義手本体１０）
まず、義手本体１０を説明する。
図１に示すように、義手本体１０は、本体部１１と、本体部１１に設けられた一対の把持アーム１３，１３と、を備えている。なお、一対の把持アーム１３，１３が特許請求の範囲にいう把持部に相当する。

本体部１１は、使用者の腕に取り付けられるものである。例えば、使用者の不自由な腕に取り付けることができる構成になっていればよく、その形状や構造はとくに限定されない。

一対の把持アーム１３，１３は、本体部１１の先端に設けられており、互いに接近離間することによって、物体を把持したり離したりすることができるようになっている。例えば、図１に示すように、各把持アーム１３をそれぞれ略棒状（または長尺な板状）の部材で形成し、各把持アーム１３の基端を本体部１１の先端に揺動可能に取り付ける。すると、両把持アーム１３または一方の把持アーム１３を、その基端を支点としてその先端を揺動させることができる。かかる構造とすれば、両把持アーム１２の先端を接近させれば物体を把持できるし、両把持アーム１３の先端を離間させれば把持していた物体を離すことができる。

また、本体部１１には、従動側ＤＣモータ１２が設けられている。この従動側ＤＣモータ１２は、一対の把持アーム１３，１３を揺動させるものであり、一対の把持アーム１３，１３と伝達機構によって連結されている。

したがって、従動側ＤＣモータ１２が作動すると、伝達機構を介して、従動側ＤＣモータ１２の駆動力が一対の把持アーム１３，１３に供給され、その駆動力によって一対の把持アーム１３，１３を揺動させることができるのである。

（入力部２０）
つぎに、入力部２０を説明する。
図１に示すように、入力部２０は、使用者の腕に取り付けられるものである。具体的には、義手本体１０が取り付けられた腕（図１では右腕）と逆の腕（図１では左腕）に取り付けられるものである。

図１に示すように、入力部２０は、使用者の腕に取り付けられる駆動部２１を備えている。この駆動部２１は、使用者の上腕に取り付けられるベース部２１ａを備えている。このベース部２１ａは、例えば、板状または棒状の固定部ｃと固定バンドｂとから構成されたものを使用することができる。

また、駆動部２１は、使用者の前腕に取り付けられる可動部２１ｂを備えている。この可動部２１ｂは、ベース部２１ａと実質的に同等の構造のものを使用することができる。例えば、可動部２１ｂも、板状または棒状の固定部ｃと固定バンドｂとから構成されたものを使用することができる。

この可動部２１ｂは、その固定部ｃの基端がベース部２１ａの固定部ｃの先端に揺動可能に連結されている。このため、ベース部２１ａと可動部２１ｂの連結部分が腕の肘に位置するように駆動部２１を腕に取り付ければ、腕を曲げ伸ばしすると、可動部２１ｂをベース部２１ａに対して相対的に揺動させることができるのである。
以下、可動部２１ｂの固定部ｃの基端とベース部２１ａの固定部ｃの先端とが連結された部分を、駆動部２１の関節部２１ｊという。また、可動部２１ｂがベース部２１ａに対して相対的に揺動する状態を、以下では、関節部２１ｊが作動するという。

図１に示すように、駆動部２１の関節部２１ｊには、駆動側ＤＣモータ２２が設けられている。この駆動側ＤＣモータ２２は、関節部２１ｊが作動すると、その主軸が回転するように設けられている。

したがって、駆動部２１が取り付けられている腕を曲げ伸ばしすると、関節部２１ｊが作動され、駆動側ＤＣモータ２２の主軸が回転するのである。すると、駆動側ＤＣモータ２２は発電機として機能し、主軸の回転に対応した電力を発生するのである。

（配線３５）
そして、図１に示すように、本実施形態の義手１は、入力部２０と本体部１１とを電気的に接続する配線３５を備えている。具体的には、配線３５は、入力部２０の駆動側ＤＣモータ２２と本体部１１の従動側ＤＣモータ１２とを、電気的に接続している。つまり、配線３５は、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２と配線３５とによって、一つの閉回路が形成されるように設けられているのである。

以上のごとき構造であるので、入力部２０が取り付けられた腕（図１では左腕）を動かして関節部２１ｊが作動すると、駆動側ＤＣモータ２２の主軸が回転し、駆動側ＤＣモータ２２によって腕の運動エネルギーが電気的エネルギーに変換される。この電気的エネルギー、つまり、電流が配線３５を通して本体部１１の従動側ＤＣモータ１２に供給される。

すると、従動側ＤＣモータ１２が作動するので、一対の把持アーム１３，１３を作動させることができる。つまり、一対の把持アーム１３，１３によって、物体を把持したり把持していた物体を離したりすることができる。

そして、駆動側ＤＣモータ２２で発生した電気的エネルギーによって従動側ＤＣモータ１２を作動させているので、外部から電力を供給しなくても、従動側ＤＣモータ１２、つまり、一対の把持アーム１３，１３を作動させることができる。
詳細は後述するが、本実施形態の義手１では、基本的には、従動側ＤＣモータ１２は駆動側ＤＣモータ２２と同一の角度（あるいは比例する角度）となるように２つのモータの回転角、あるいは回転角速度をフィードバックして制御している。角度をフィードバックする場合はＰＤ制御、角速度をフィードバックする場合にはＰＩ制御が行われる。そして、本実施形態の義手１を一つの機械系システムとすると、ＰＤ制御の場合には、比例ゲイン（Ｐゲイン）がばね定数、微分ゲイン（Ｄゲイン）が減衰定数に対応する。また、ＰＩ制御の場合は、積分ゲイン（Ｉゲイン）がばね定数、Ｐゲインが減衰定数に対応する。したがって、これらのゲインを調整すれば、一対の把持アーム１３，１３によって物体を把持する場合のばね定数など（本実施形態の義手１を一つの機械系システムとみなした場合）を調節することが可能となるので、柔軟なものや壊れやすいものを把持しやすい条件を選ぶこともできる。なお、フィードバックして制御するには電力が必要であるが、必要な電力は少ないので、小型バッテリ―、とくに小型の充電式バッテリ−で対応可能である。

以上のごとく、本実施形態の義手１は、駆動側ＤＣモータ２２で発生した電気的エネルギーによって従動側ＤＣモータ１２を作動させているので、外部電源を必ずしも設ける必要がない。そして、電源を設ける場合でも、充電式の小型バッテリーを内蔵するだけでよいので、装置を軽量かつ簡単な構造とすることができる。

そして、本実施形態の義手１を適切に使用すれば、充電式バッテリ―が劣化するまではバッテリーの交換や充電等の作業が不要になるので、本実施形態の義手１はメンテナンスも容易になる。適切ではない使用とは、例えば、非常に重いものを一対の把持アーム１３，１３によって把持したり、非常に速く一対の把持アーム１３，１３を動かしたりする場合などのように、通常の使用状況を越えるような使用する場合を意味している。

また、一対の把持アーム１３，１３が物体に接触すると、一対の把持アーム１３，１３は物体から反力を受ける。このため、物体を把持する場合には、従動側ＤＣモータ１２は、一対の把持アーム１３，１３を移動させる場合よりも大きな駆動力（回転トルク）を発生する必要がある。従動側ＤＣモータ１２の主軸の回転トルクは従動側ＤＣモータ１２に供給される電流量に比例するので、従動側ＤＣモータ１２を回転させるために必要な電流量が大きくなる。

ここで、従動側ＤＣモータ１２と駆動側ＤＣモータ２２は、配線３５によって接続されており、これらによって実質的に一つの閉回路が形成されている。このため、従動側ＤＣモータ１２を回転させるために必要な電流量が大きくなると、駆動側ＤＣモータ２２に要求される電流量が大きくなる。言い換えれば、駆動側ＤＣモータ２２を回転させるために必要な回転トルクが大きくなり、関節部２１ｊを作動させるために必要な力が大きくなる。

つまり、一対の把持アーム１３，１３が物体を掴む際の反力が、駆動側ＤＣモータ２２のトルクとなり、腕を動かすために必要な駆動力となる。すると、一対の把持アーム１３，１３が物体を掴んだり操作したりする際の反力が、駆動側ＤＣモータ２２のトルクとして腕に加わるので、前記反力を使用者が把握することができる。

したがって、特別なセンサーを設けなくても、一対の把持アーム１３，１３が物体を掴んだり操作したりする際の反力を使用者が把握することができるので、装置を軽量かつ簡単な構造とできる。

（駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２が異なる場合）
ところで、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２は、同じ特性を有するモータ（つまり同じＤＣモータ）を使用してもよいし、異なる特性を有するモータを使用してもよい。

同じモータを使用した場合には、回路内での電力ロスがなければ、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２を同じ回転速度で作動させることができる。つまり、入力部２０の駆動部２１とほぼ同じ動き（つまり同じ角度および同じ速度）で、義手本体１０の一対の把持アーム１３，１３を動かすことができる。

なお、実際には、回路内の抵抗を電流が流れるときには必ず電力ロスが発生するので、従動側ＤＣモータ１２の回転速度は駆動側ＤＣモータ２２よりも低下する。従動側ＤＣモータ１２と駆動側ＤＣモータ２２を同一の回転角度、同一の角速度にするためにはフィードバック制御が必要である。そして、フィードバック制御の際に、従動側ＤＣモータ１２と駆動側ＤＣモータ２２を同一の回転角度、同一の角速度とするためには、ＰＷＭ制御により、電力不足分を補うために、バッテリー（後述する蓄電部）からエネルギー供給を行うことが必要である。

一方、異なる特性を有するモータを使用した場合には、回路内での電力ロスによる減速を考慮する必要はあるが、基本的には、従動側ＤＣモータ１２の回転速度を入力駆動側ＤＣモータ２２の回転速度に対して増速または減速することができる。言い換えれば、義手本体１０の一対の把持アーム１３，１３を、入力部２０の駆動部２１と異なる作動量または作動速度で動かすことができる。

例えば、従動側ＤＣモータ１２として、同じ電流が供給された際に、駆動側ＤＣモータ２２よりも発生するトルクが小さいものを使用する。つまり、従動側ＤＣモータ１２のトルク係数が駆動側ＤＣモータ２２のトルク係数よりも小さいものを使用すれば、駆動部２１の作動量または作動速度よりも、一対の把持アーム１３，１３の作動量や作動速度を大きくすることができる。

回路内の電力消費による従動側ＤＣモータ１２の速度低下を考慮しても、従動側ＤＣモータ１２の速度が駆動側ＤＣモータ２２の速度よりも大きくなれば、上述したように、両者の速度を同一にするためには、エネルギーを供給するのではなく、ブレーキをかけることになる。すると、チョッパ回路を用いれば、ブレーキをかけるときにエネルギーを充電式バッテリー（後述する蓄電部）に蓄えることができる。

エネルギーを充電式バッテリーに蓄える原理を説明すると、以下のようになる。
なお、以下では、簡単化のためにメカロスの影響と慣性力を無視して説明している。

回路の電流ｉは、従動側ＤＣモータ１２のトルクＴ_２（近似的にＴ_２＝把持トルクＦ_２）とトルク定数Ａ_２よりｉ＝Ｔ_２／Ａ_２となる。従動側（つまり一対の把持アーム１３，１３）の仕事のパワーＰ_２は、両モータ１２，２２の回転速度（従動側ＤＣモータ１２と駆動側ＤＣモータ２２の速度は制御されて等しいとする）を用いて、以下の数１のよう表すことができる。

電気抵抗での損失パワーＰ_Ｒは、Ｐ_Ｒ＝Ｒｉ^２となる。駆動側ＤＣモータ２２のトルク定数Ａ_１＝ｎＡ_２とすれば、駆動側のトルクはＴ_１＝Ａ_１＝ｎＴ_２となるので、駆動側での入力パワーＰ_１は以下の数２のようになる。

両モータ１２，２２の回転速度、把持トルクは使用条件により異なるが、入力パワーＰ_１が、出力パワーＰ_２と回路の損失パワーの和よりも大きければ、エネルギーをバッテリーに充電でき、逆であれば、バッテリーからエネルギーが放出されることになる。

したがって、義手の使用パターンを考慮し、２つのモータのトルク定数を、一連の動作により、上記のエネルギー収支がマイナスにならない（放出にならない）ように選定すれば、エネルギーを充電式バッテリーに蓄えることができる。

一般的に、手の把持力は肘や足首、膝などと比べて小さい。すなわち、手では、肘や足首、膝などと比べてより繊細な力で物を把持している。したがって、本実施形態の義手１において、入力部２０を肘や足首、膝などに取り付けて一対の把持アーム１３，１３を作動させるようにすれば、肘や、足首、膝の力を縮小して手の把持力とすることになり、理にかなっている。そして、入力部２０では手の把持力（つまり反力）が拡大されて感じることになり、手よりも力に対する感受性の粗い入力部２０でも、手の反力を感覚として捉えやすくなる。

（減速機および増速機を設ける場合）
なお、駆動部２１を動かす人の動作は、一般的に、駆動側ＤＣモータ２２が力を発揮しやすい回転数よりも遅い。逆に、一対の把持アーム１３，１３を動かす速度は、一般的に、義手本体１０を作動させる従動側ＤＣモータ１２が力を発揮しやすい回転数よりも遅いほうが望ましい。

したがって、駆動側ＤＣモータ２２によって効果的に発電を行うには、駆動部２１と駆動側ＤＣモータ２２との間に増速機を設けることが望ましい。
また、従動側ＤＣモータ１２によって適切に義手本体１０を作動させるには、従動側ＤＣモータ１２と一対の把持アーム１３，１３の間に減速機を設けることが望ましい。

（蓄電部）
そして、各ＤＣモータ１２，２２は、電流が供給されると、その電流に応じてトルクを発生するが、従動側ＤＣモータ１２として、駆動側ＤＣモータ２２よりも発生するトルクが小さいものを使用する場合には、上述したように、回路に蓄電部（例えば充電式バッテリー）を設けておくことが望ましい。つまり、同じ電流が供給された際に、従動側ＤＣモータ１２のほうが駆動側ＤＣモータ２２よりも発生するトルクが小さい場合には、回路に蓄電部を設けておくことが望ましい。

この場合、通常、駆動側ＤＣモータ２２で発生するエネルギー（入力パワー）が従動側ＤＣモータ１２において仕事として消費される単位時間当たりのエネルギー（出力パワー）よりも大きくなる。条件により異なるが、入力パワーが出力パワーと回路内抵抗での損失パワーの和よりも大きい場合には、その差だけエネルギーが余る。余ったエネルギーは、抵抗等を利用して熱エネルギーなどとして消費させる必要がある。しかし、蓄電部を設けておけば、余ったエネルギーを蓄電部に回収することができる。すると、上述の場合とは逆に、入力パワーが、出力パワーと回路内抵抗での損失パワーの和よりも小さい場合には、その差だけエネルギーが不足するので、そのような場合に蓄電部から電力を補充することができる。例えば、静止した状態で把持している場合には、入力パワー、出力パワーともゼロであるが、回路内には把持トルクに比例する電流が流れるので回路内の損失パワーが発生する。したがって、入力パワーが、出力パワーと回路内抵抗での損失パワーの和よりも小さくなるが、そのような場合でも、蓄電部から電力を補充すれば、義手本体１０の作動を安定化させることができる。
そして、一連の動作で、トータルのエネルギー収支がプラス（余る側）であれば、蓄電部を交換したり、外部から充電する必要がなく、快適に、長時間の安定した義手１の使用が可能となる。

蓄電部への電力の回収や蓄電部から回路への電力の補充は、蓄電部に制御部を設けて、その制御部によって制御すればよい（図３（Ｂ）参照）。制御部が充放電を制御する方法はとくに限定されず、種々の方法を採用することができる。

例えば、制御部として、Ｈブリッジ回路と昇圧チョッパを利用して、充放電を制御するものを使用することができる。蓄電部から回路に電力を補充する際には、Ｈブリッジ回路と昇圧チョッパを用いてＰＩ制御を行えば、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ２１の相対角速度および角変位を一致させることができる。また、昇圧チョッパでは、Ｈ／Ｖ車などで用いられている場合と同様に、回路内のインダクタンスＬの大きさに対応した十分短い周期で回路の切換えを行えば、蓄電部へのエネルギーを適切に回収することができる。

なお、昇圧チョッパを用いて充電する場合には、蓄電部からの放電を防ぐ上では、相対速度制御のために回路に与える電圧（具体的には、デューティー比により決まる平均電圧）が駆動側ＤＣモータ２２の誘導電圧と従動側ＤＣモータ２１の誘導電圧の差よりも小さくなる範囲で制御する必要がある。

（義手本体１０の他の例）
なお、義手本体１０の本体部１１に設けられる伝達機構は、従動側ＤＣモータ１２の主軸の回転運動を一対の把持アーム１３，１３の揺動運動に変換できるものであればよく、歯車伝達機構やリンク機構等を採用することができるが、とくに限定されない。例えば、従動側ＤＣモータ１２の主軸に駆動ギアを設け、一対の把持アーム１３，１３の基端に従動ギアを設け、両ギア間に伝達ギアを設ければ、従動側ＤＣモータ１２の主軸が回転させると、一対の把持アーム１３，１３を揺動させることができる。

また、一対の把持アーム１３，１３は、上述したように両方が揺動するようにしてもよいが、一方の把持アーム１３は移動を固定し、他方の把持アーム１３のみが揺動するようにしてもよい。

さらに、義手本体１０において、物体を把持したり離したりする機構は、従動側ＤＣモータ１２によって駆動させることができる構造であればよく、上述したような機構に限られず、一対のアームが同時に開閉するような機構等を採用してもよい。

（駆動部２１の他の例）
上述した例では、腕が、特許請求の範囲にいう可動部位に相当する。可動部位は、腕に限らず、駆動側ＤＣモータの主軸を回転させることができるような動きをする部位であればよい。例えば、脚や顎などを可動部位とすることができる。

例えば、膝より下の脚を使用する場合には、駆動部２１を以下のような構造とすることができる。
図３（Ａ）に示すように、可動部位として、膝より下の脚を使用する場合には、駆動部２１の可動部２１ｂを靴などのように足に固定できるものとし、ベース部２１ａを下腿に固定できる構造とする。かかる駆動部２１とすれば、足首を曲げ伸ばしすることによって、駆動側ＤＣモータ２２の主軸を回転させることができるから、義手本体１０を作動することができる。

そして、図３（Ａ）に示すような駆動部２１を採用した場合には、両足に駆動部２１を取り付けることができる。例えば、両手に義手本体１０を設けて、各義手本体１０を両足に取り付けた駆動部２１とそれぞれ配線３５によって電気的に接続すれば、両足によって両手の義手本体１０をそれぞれ別々に作動することができる。すると、両手が不自由な人でも、両手に取り付けた義手本体１０によって物体を掴んだり離したりできるようになる。

（本実施形態の義手１を作動させる基本原理）
つぎに、従動側ＤＣモータ１２と駆動側ＤＣモータ２２を有する本実施形態の義手１の基本メカニズムを図１（Ｂ）および図２（Ａ）に基づいて詳しく説明する。

図１（Ｂ）に示すように、入力部２０の駆動側ＤＣモータ２２と義手本体１０の従動側ＤＣモータ１２は配線３５で接続されており、駆動側ＤＣモータ２２に力学的エネルギーである仕事が加えられると、駆動側ＤＣモータ２２は発電機として働き、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する。その電気エネルギーで従動側ＤＣモータ１２が駆動されて、電気エネルギーは再び力学的エネルギーに変換される。

なお、図１（Ｂ）では、駆動側ＤＣモータ２２は発電機、従動側ＤＣモータ１２はアクチュエータとして機能するが、逆に従動側ＤＣモータ１２に仕事が加えられれば、両者の立場は逆転する。つまり、図１（Ｂ）の基本メカニズムの場合、双方向のマスタースレーブとして使用することが可能である。つまり、義手本体１０に力を入力し、入力部１０の駆動部２１を作動させることも可能である。

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の義手１（マスタースレーブ）の基本原理は、図２（Ａ）のような形で表現することができる。つまり、系全体の挙動は、駆動側ＤＣモータ２２を含む入力部２０の力学系の運動方程式、従動側ＤＣモータ１２を含む義手本体１０の力学系の運動方程式、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２と配線３５を構成要素とする電気回路の微分方程式、からなる連立微分方程式により以下のように表現することができる。

まず、外部電源がなければ入力部２０の運動方程式は数３のように表すことができ、義手本体１０の運動方程式は数４のように表すことができる。
なお、数３および数４において、Jは各モータの慣性モーメント、θは各モータの回転角変位、Ｔは各モータトルク、Ｆは外力トルク、Ａはアクチュエータ係数（各モータのトルク係数に相当する）であり、添え字１は入力部２０側、添え字２は義手本体１０側であることを示している。また、ｉは電気回路を流れる電流である。なお、外力トルクとは、外部から（つまり腕などの可動部位）から加わるトルクである。

また、電気回路の微分方程式は、以下の数５のように表すことができる。なお、ｅは、各モータの誘導電圧、Ｌは回路のインダクタンス、Ｒは回路の抵抗である。

電動義手は人間が操作する機器であるので、十分おそい現象として左辺第一項の影響を無視すれば、数５は以下の数６のように表現される。

ここで、説明を簡単にするために、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２が同じ特性と仮定して、Ａ_１＝Ａ_２＝Ａとすると、数６は以下の数７のように表現される。

上式の関係を用いて、３変数の連立微分方程式より電流ｉを消去すれば、数８のような機械系２変数のみの運動方程式となる。

数８より、本実施形態の義手１の基本メカニズムは、図２（Ｂ）に示すような２つの慣性モーメントが減衰定数Ｃ_０で結合された等価な力学系のみのモデルに置き換えることができることが確認される。

簡単のために、メカロスの影響を無視し、入力部２０と義手本体１０の慣性力が十分に小さい場合であれば、近似的に、Ｆ１＝Ｆ２、となる。つまり、義手本体１０に加わる反力と入力部２０で加える力が等しくなる。

以上より、加速度のない定常状態や緩やかな現象でメカロスや慣性力が無視できる場合、つまり、本実施形態の義手１において駆動部２１が取り付けられている可動部位をゆっくりと等速度で動かした場合には、力センサーを用いなくても入力部２０（言い換えれば可動部位）で、義手本体１０に加わる反力を直接感じながら（言い換えれば、力覚を有した状態で）、入力部２０によって義手本体１０を操作することが可能となるのである。

（駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の動作を一致させる制御）
一方、数８で示すように、入力部２０と義手本体１０の間が減衰で結合されるため、入力部２０の駆動側ＤＣモータ２２にトルクが加われば、駆動側ＤＣモータ２２と義手本体１０の従動側ＤＣモータ１２の回転速度にずれが生じ、電気回路の電気抵抗によりエネルギーが消費される。つまり、電気系の抵抗におけるエネルギー消費は、等価な機械系では減衰による消費エネルギ―に対応する。

また、数８に示されるように、減衰定数Ｃ_０は電気系の抵抗Ｒに反比例している。したがって、抵抗Ｒが大きくなれば減衰が低下し、アクチュエータ係数Ａが大きいほど減衰は大きくなる。つまり、抵抗Ｒが大きくなれば駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の間の速度差が大きくなり、アクチュエータ係数Ａが大きくなれば駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の間の速度差は小さくなる。

そして、義手本体１０に負荷が加わった場合にも、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の間の速度差が大きくなる。

本実施形態の義手１のようなマスタースレーブでは、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２が同一の動作をすること、すなわち、両者の速度や変位に差がないことが望ましい。

したがって、両者の速度や変位に差をなくすために、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の相対速度のＰＩ制御（あるいは相対変位のＰＤ制御）を行うことが望ましい。具体的には、図３（Ｂ）のようなＨブリッジ回路とＰＷＭ制御を行うことによって、回路内の電気抵抗Ｒで消費するエネルギー分を、蓄電部から回路に補充すれば、両者の速度や変位に差を小さくすることができる。

例えば、相対速度フィードバックのＰＩ制御を行う場合には、数５に示した電気回路の微分方程式は数９のようになる。なお、数７において、ＰおよびＩは、ＰＩ制御における比例ゲインおよび積分ゲインをそれぞれ示している。

上式の比例ゲインは機械系としての減衰の負荷、積分ゲインはばねの負荷としての効果を発揮するので、これらのパラメータを調整すれば、把持しやすいようにばね定数の調整が可能となる。
また、相対速度をフィードバックするかわりに相対角度をフィードバックし、ＰＤ制御とすれば、同様の効果が得られる．

ここで、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２のモータの特性が等しい場合において、上述したような制御を行い、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の速度が等しい状態で、速度一定でかつメカロスの影響を無視した場合を例にとり、系のエネルギー収支について調べてみる。

上述したような仮定をおけば、Ｆ_１＝Ｆ_２＝Ｔ_１＝Ｔ_２＝Ｆ＝Ａ_ｉとなる。このため、抵抗で消費される単位時間当たりのエネルギーＤ_Ｒは回転速度に無関係で、負荷Ｆにより決まる（数１１）。

一方、有効な仕事である義手本体１０での単位時間あたりの負荷への仕事（義手本体１０の仕事率Ｗ_２）、操作者が入力部２０対して加える単位時間当たりの仕事（入力部２０の仕事率Ｗ_１）は等しくなる（数１２）。

そして、系全体のエネルギー収支から、蓄電部（図３（Ｂ）のＤＣバッテリー）から補充される単位時間当たりのエネルギー（蓄電部の仕事率ＷＥ）は、抵抗で消費される仕事率ＷＲに等しいことがわかる。ここで有効な仕事率Ｐに対する補充エネルギーの仕事率ＰＥあるいは消費エネルギーＤＲをエネルギー消費率εとして定義すれば以下の数１３のようになる。

数１３より、エネルギー消費率εは負荷が大きいほど、角速度が小さいほど大きくなることがわかる。つまり、負荷が大きくなったり、角速度が小さくなったりすれば、蓄電部から電気回路に供給するエネルギーを増やさなければならないことがわかる。例えば、極端な場合として、停止中で負荷が加わっている状態では、回生エネルギーも有効仕事もないが、エネルギーは消費される。このため、数１３より、エネルギー消費率εの大きさは無限大となり、蓄電部のエネルギーだけが消費される状況となる。

（モータ特性が異なる場合）
つぎに、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２のアクチュエータ係数が異なる場合に、蓄電部を設けておけば、蓄電部の交換が不要になることを確認する。

駆動側ＤＣモータ２２および従動側ＤＣモータ１２のアクチュエータ係数をそれぞれＡ_１、Ａ_２とし、Ａ_１＝ｎＡ_２となる関係があるとする。定常状態を考えメカロスは無視し、また従動側ＤＣモータ１２のトルクは駆動側ＤＣモータ２２のトルクと比例するが小さくてもよいとして、ｎ＞１とする。すると、電流と外部トルクの関係は以下の数１４のようになる。

すると、Ｆ_２はＦ_１の１／ｎになる。したがって、したがって、回路内にエネルギーロスがなければ、外部からエネルギーを補充しなくても、あたかも増速機が挿入されたような働きをすることになる（数１５）。

ただし、実際には、電気回路内には電気抵抗が存在し、エネルギー補充を行わなければ、負荷が大きくなるに従って、従動側ＤＣモータ１２の速度は低下する。
ここで、相対速度フィードバックにより、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の速度が等しく定常回転している状態におけるエネルギー収支を確認する。

入力部２０の仕事率Ｗ_１、義手本体１０の仕事率Ｗ_２の間には数１６の関係があるので、入出力の仕事率の差Ｗ_１２は数１７のようになる。

一方、電気回路内での単位時間当たりの消散エネルギーＤ_Ｒは数１８のようになるので、両者を加えた総合的なエネルギー収支は数１９のようになる。

もし、ΔＷ≧０、すなわち以下の数２０を満たす場合には、エネルギーは余っているので、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の速度を一致させる制御を行う場合、蓄電部から電気回路にエネルギーを補充する必要はなく、逆にエネルギーをさらに消費する必要がある。

一方、ΔＷ≦０ならば、駆動側ＤＣモータ２２と従動側ＤＣモータ１２の速度を一致させるには、駆動側ＤＣモータ２２で発生させるエネルギーが不足しているので、電気回路にエネルギーを補充する必要がある。

したがって、駆動側ＤＣモータ２２で発生したエネルギーが余っている条件のときに、エネルギーを蓄電部に回収し、不足する場合に蓄電部からエネルギーを放出させて、トータルとして収支がマイナスにならなければ、蓄電部の交換は不要になる。

例えば、ｔ＝０〜ｔ_０の間、本実施形態の義手１が一連の作業を行った結果、以下の数２１を満たせば理論上は蓄電部の交換なしで連続使用できることになる。

そして、数２０に基づけば、使用条件から義手本体１０の負荷トルクと従動側ＤＣモータ１２の回転速度が条件として与えられた場合には、義手１は、ｎが大きいほど、アクチュエータ係数Ａ_２が大きいほど、また、Ｒが小さいほど、エネルギーが余りやすくなる。
逆に、ｎ、Ａ_２、Ｒが与えられている場合には、従動側ＤＣモータ１２に加わる負荷トルクが小さいほど、従動側ＤＣモータ１２の回転速度が大きいほどエネルギーが余りやすくなる。

（減速機および増速機を設ける場合）
ところで、駆動部２１を動かす人の動作は、一般的に、駆動側ＤＣモータ２２が力を発揮しやすい回転数よりも遅い。逆に、一対の把持アーム１３，１３を動かす速度は、一般的に、義手本体１０を作動させる従動側ＤＣモータ１２が力を発揮しやすい回転数よりも遅いほうが望ましい。

かかる増速機や減速機を設けた場合でも、以下に示すように、駆動部２１や一対の把持アーム１３，１３の慣性モーメントの値は変化するだけであり、上述した機能は維持される。
以下、上述した機能が維持されることを説明する。

駆動側ＤＣモータ２２と駆動部２１の間に増速比ｎ_１（ｎ_１≧１）の増速機を設け、従動側ＤＣモータ１２と一対の把持アーム１３，１３の間に減速比ｎ_２（ｎ_２≧１）の減速機を設けたと仮定する。そして、増速機から駆動側ＤＣモータ２２に加わるトルクをτ_１、減速機から一対の把持アーム１３，１３に加わるトルクをτ_２とすると、以下の数２２関係が成り立ち、運動方程式は数２３のようになる。

また、駆動側ＤＣモータ２２の誘導電圧ｅ_１、従動側ＤＣモータ１２の誘導電圧ｅ_２は以下の数２４ようになる。

そして、Ａ_１’＝ｎ_１Ａ_１、Ａ_２’＝ｎ_２Ａ_２と定義すれば、数２４は、以下の数２５ようになり、誘導電圧ｅ_１，ｅ_２は以下の数２６のようになる。

そして、上記数２６において、θのかわりにφ、Ａ_ｉのかわりにＡ_ｉ’を用いて、数２５、数２６の関係を電気回路の微分方程式に適用すれば、増速機および減速機のない系で、アクチュエータ係数Ａ_１’の駆動側ＤＣモータ２２、および、アクチュエータ係数Ａ_２’の従動側ＤＣモータ１２を用いた場合の式と同形となる。
したがって、増速機や減速機を設けた場合でも、上述した機能は維持されるのである。

本発明の義手に採用したシステムについて、基礎的な実験を行って、従動側ＤＣモータのアクチュエータ係数を駆動側ＤＣモータのアクチュエータ係数よりも小さくすれば増速効果があるかどうか、また、充電式バッテリーを電源として用い、従動側ＤＣモータの速度を駆動側ＤＣモータの速度と一致させる制御が可能かどうか、さらに、駆動側ＤＣモータに不規則な動きをさせても従動側ＤＣモータが追従できるか否か、を確認した。

実験では、一対のＤＣモータをＰＩ制御が可能な回路を介して接続した装置を用い、一方のＤＣモータ（駆動側ＤＣモータ）を回転させたときに、一方のＤＣモータの回転数と、他方のＤＣモータ（従動側ＤＣモータ）の回転数を測定した。

以下、実験結果を説明する。
図４（Ａ）には、増速機・減速機を使用せず相対速度制御を行わない状態で同一のモータを使用した場合と、従動側ＤＣモータのアクチュエータ係数が駆動側ＤＣモータのアクチュエータ係数の１／２の場合の実験結果を示している。
なお、図４（Ａ）では、横軸は駆動側ＤＣモータの回転数であり、縦軸は従動側ＤＣモータの回転数である。

無負荷で駆動側ＤＣモータの速度を数種類変化させて実験を行ったが、同じアクチュエータ係数の場合には、無負荷でもメカロスなどの影響で、従動側ＤＣモータの速度が駆動側ＤＣモータよりも若干低めになっている。
一方、異なったアクチュエータ係数の場合には、従動側ＤＣモータの速度のほうが駆動側ＤＣモータの速度よりも大きくなっていることがわかる。
したがって、従動側ＤＣモータのアクチュエータ係数を駆動側ＤＣモータのアクチュエータ係数よりも小さくすれば、従動側ＤＣモータを増速する効果が得られることが確認できる。

また、図４（Ｂ）は、相対速度フィードバック（ＰＩ制御）を行った状態で、駆動側ＤＣモータを動かした場合において、駆動側ＤＣモータの主軸および従動側ＤＣモータの主軸の角変位を示している。
図４（Ｂ）に示すように、両者の波形はよく一致し、従動側ＤＣモータが駆動側ＤＣモータに良好な精度で追従していることがわかる。
つまり、相対速度フィードバック（ＰＩ制御）により、従動側ＤＣモータの速度を駆動側ＤＣモータの速度と一致させることができ、しかも、駆動側ＤＣモータの速度変化に追従して従動側ＤＣモータの速度も変化することが確認できた。

本発明の義手は、物体を把持したり操作したりするための義手に適している。

１義手
１０把持部
１１義手本体
１２従動側ＤＣモータ
１３把持アーム
２０入力部
２１駆動部
２２駆動側ＤＣモータ
３０接続回路
３５配線

Claims

ＤＣモータの回転によって作動する把持部を有する義手であって、
前記把持部と、該把持部を作動する従動側ＤＣモータと、を備えた義手本体と、
該義手本体を使用する使用者の体における可動部位に取り付けられる入力部と、
前記入力部と前記義手本体とを電気的に接続する接続回路と、を備えており、
前記入力部は、
駆動側ＤＣモータと、
使用者の体の可動部位が動くと、該可動部位の動きを駆動側ＤＣモータに入力する駆動部と、を備えており、
前記接続回路は、
前記従動側ＤＣモータと、前記駆動側ＤＣモータと、余剰電力を蓄積する蓄電部と、を構成要素として含んでおり、
前記従動側ＤＣモータは、
前記駆動側ＤＣモータと異なる特性を有するものであって、電流が供給された際に発生するトルクが、同じ電流が供給された際に前記駆動側ＤＣモータが発生するトルクよりも小さいものであり、
前記駆動側ＤＣモータおよび前記従動側ＤＣモータのアクチュエータ係数をそれぞれＡ _１、Ａ _２とした場合において、Ａ _１＝ｎＡ _２（ｎ＞０）関係が成立し、
該義手の作動時間において、該義手全体の仕事率ΔＷが、以下の式の関係を満たす
ことを特徴とする義手。

Ｆ _２は前記義手本体から外部に出力されるトルク、Ｒは前記接続回路の電気抵抗、θは従動側ＤＣモータの回転角変位、Ｗ _１２は入力部の仕事率Ｗ _１と義手本体の仕事率Ｗ _２の差、Ｄ _Ｒは前記接続回路の電気抵抗Ｒで消費される単位時間当たりのエネルギーである。