JP5925221B2 - 感応式力フィードバック装置 - Google Patents

Description

本発明は、健康回復補助具に関し、特に、感応式力フィードバック装置に関する。

脳卒中、脳損傷またはその他の神経障害を受けた患者にとって、今後筋萎縮および関節退化の問題が発生しないように、通常は、長時間の健康回復過程を経て、本来の筋肉と関節の機能を取り戻す。

患者が他人の協力に頼らずに、自分で回復を進行させるために、現在すでに数多くの患者向けの健康回復補助具が研究開発されている。例えば、特許文献１に記載の発明では、磁性レオロジーダンパと摩擦ブレーキの組み合わせによって、健康回復または義肢の関節と同じような効果を果たす。しかしながら、前述特許文献に示された慣用技術は、駆動源の設計が欠けているため、使用者が実際に獲得された効果は限られている。この他に、特許文献２に記載の発明では、筋電センサの判断により駆動装置が駆動力を提供する拠り所としている。しかしながら、駆動力の大きさは、仮想弾性係数と仮想減衰係数間の数学演算によりコントロールされるため、シグナル伝達に時間の遅延が生じやすいほか、外部要素の干渉を受けやすいので、シグナル処理上の精度に影響する。

米国特許第８，２１１，０４２号明細書 米国特許第２００８／００７１３８６号明細

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、操作が便利で、反応が迅速であり、並びに良好な安定性を有する感応式力フィードバック装置を提供することにある。

上述の目的を実現するために、本発明の感応式力フィードバック装置は、固定座、駆動ユニット、関節支持部、弾性ユニット、第一肢体載置ユニット、および第二肢体載置ユニットを備える。駆動ユニットは、固定座に設けられているモータ、固定座に設けられ且つモータを連接する減速機、および、減速機に接続されている出力軸を有する。関節支持部は、ケーシングリング部と支持部を有する。ケーシングリング部は、駆動ユニットの減速機に回転可能に設けられ、且つ駆動ユニットの出力軸に嵌め込まれている。支持部は、ケーシングリング部の外輪面からラジアル方向の外側へ延伸する。弾性ユニットは、取り付け座と取り付け座に設けられている複数の弾性部材を有する。取り付け座は、駆動ユニットの出力軸に嵌め込まれ、且つ関節支持部におけるケーシングリング部の内輪面に接続されている。よって、弾性ユニットが、出力軸の駆動を受けらせることにより、関節支持部と同時に回転させる。第一肢体載置ユニットは、固定座に設けられている第一載置部材と第一載置部材に設けられている第一筋電センサとを有する。第二肢体載置ユニットは、第二載置部材と第二筋電センサとを有する。第二載置部材は、関節支持部の支持部に設けられており、第二筋電センサは、第二載置部材に設けられている。

上述のように、第一筋電センサおよび第二筋電センサが感応したシグナルにより筋肉の動作を判断する。ことによって、モータが適切な補助動力を弾性ユニットに出力する。
次いで、弾性ユニットの取り付け座は、関節支持部を同期作動させると同時に、弾性ユニットの各弾性部品は、変形を生じることにより力コントロールの効果を果たす。よって、第二載置部材が、第一載置部材に対して、確実かつ安定に相対作動することにより、使用者の健康回復効果を高めることができる。

関節支持部のケーシングリング部の端面に回転ダンパを設けることが望ましい。回転ダンパは、連接軸により固定座に接続されており、関節支持部に制動作用を与えることで、作動の安定性が高まる。

駆動ユニットのモータに回転エンコーダを設けることが望まししい。回転エンコーダは、モータにおける駆動軸の回転量を測定するのに用いられる。また、駆動ユニットの出力軸内に回転角センサが貫通されており、回転角センサは、一端が減速機の回転軸内に固定されており、他端が連接軸内に固定されており、回転軸と連接軸との間の角度変化量を測定するのに用いられる。

第一載置部材は、第一載置架台と第一環状グリップを有することが望ましい。第一載置架台は、固定座に設けられており、且つ実際の需要に合わせ、固定座に対して、三軸式の位置調整を行うことができる。第一環状グリップの外輪面は、第一載置架台に設けられており、第一環状グリップの内輪面には、第一筋電センサが設けられている。

第二載置部材は、第二載置架台と第二環状グリップを有することが望ましい。第二載置架台は、関節支持部の支持部に設けられており、且つ実際の需要に合わせ、固定座に対して三軸式の位置調整を行うことができる。第二環状グリップの外輪面は、第二載置架台に設けられており、第二環状グリップの内輪面には、第二筋電センサが設けられている。

本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置の一部を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置の関節支持部と弾性ユニットの組立状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置の第一載置ユニットを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置の第二載置ユニットを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置を示す側面図である。 図６の７−７線断面図である。 本発明の一実施形態による感応式力フィードバック装置を示す模式図である。

（一実施形態）
図１および図２に示すように、本発明の感応式力フィードバック装置１０は、固定座２０、駆動ユニット３０、関節支持部４０、弾性ユニット５０、第一肢体載置ユニット６０、および第二肢体載置ユニット７０を備える。

固定座２０は、第一固定板２１と第二固定板２２を有する。第二固定板２２の頂部には二つの平行なＸ軸調整溝２３を有する。第二固定板２２の底部には矩形孔２４を有する。組立するとき、第一固定板２１および第二固定板２２は、三本の棒部材２５により接続される。

駆動ユニット３０は、モータ３１と減速機３２を有する。モータ３１は、固定座２０における第一固定板２１の内側面に固定され、且つ駆動軸３１２を有する。駆動軸３１２は、第一固定板２１を貫通することで第一回転リング３３と接続する。減速機３２は、回転軸３４により固定座における第一固定板２１の内側面に設けられている。回転軸３４の一端は、第一固定板２１を貫通することで第二回転リング３５と接続する。第一回転リング３３と第二回転リング３５の間に、伝動ベルト３６が巻設されている。この他に、駆動ユニット３０はさらに出力軸３７を有し、出力軸３７の一端が減速機３２に接続することにより減速機３２と同期作動が可能である。よって、モータ３１を起動しはじめる際、モータ３１の駆動軸３１２は、まず、第一回転リング３３を回転させ、次いで第一回転リング３３は、伝動ベルト３６により第二回転リング３５を回転させ、次いで第二回転リング３５は、さらに回転軸３４により減速機３２を駆動することで出力軸３７が減速機３２と共に作動する。

関節支持部４０は、ケーシングリング部４１と支持部４２を有しする。ケーシングリング部４１は、減速機３２の一端に回転可能に接続されており、且つ出力軸３７が内側に設けられている。支持部４２は、ケーシングリング部４１の外輪面からラジアル方向の外側へ延出している。

図２および３に示すように、弾性ユニット５０は、取り付け座５１を有する。取り付け座５１は、二つの第一架体５２と一つの第二架体５３を有する。各第一架体５２は、関節支持部４０におけるケーシングリング部４１の内輪面に固定されており、第二架体５３は、二つの第一架体５２の間に位置し、且つ出力軸３７を収容する軸孔５３２を有する。この他に、第二架体５３は、各第一架体５２より高い高さを有する。また、第二架体５３の頂部と各第一架体５２の頂部との間に弾性部材５４が接続されており、第二架体５３の底部と各第一架体５２の底部との間に弾性部材５４が接続されている。よって、取り付け座５１の第二架体５３は、出力軸３７の駆動を受けることにより回転しはじめる。並びに回転過程において、弾性部材５４により取り付け座５１の第一架体５２を動かす。よって、関節支持部４０が取り付け座５１と共に回転する。

関節支持部４０の回転中の安定性を維持するために、本発明は、さらに回転ダンパ８０を備える。回転ダンパ８０は、周知技術であるので、本明細書では、その細部構造と動作原理の詳細な説明を省略する。また、図２および図７に示すように、回転ダンパ８０は、取り付ける際に、関節支持部４０におけるケーシングリング部４１の端面に固設され、且つ連接軸８２により固定座２０における第二固定板２２の矩形孔２４内に挿設されている。取り付けが完成することで関節支持部４０に制動作用を与えることができる。連接軸８２は、減速機３２の回転軸３４と同軸に対応している。

図２および図４に示すように、第一肢体載置ユニット６０は、第一載置部材６１を有する。第一載置部材６１は、第一載置架台６２を有しており、第一載置架台６２は、第一横板６３、二つの第一横板固定部材６４、第一立板６５、および第一立板固定部材６６を有する。第一横板６３は第一Ｙ軸調整溝６３２を有しており、第一横板固定部材６４は、滑動可能に固定座２０における第二固定板２２のＸ軸調整溝２３内に設けられ、且つ第一横板６３の一端に固定されていることにより、第一横板６３による前後方向の位置調整を行うことができる。第一立板６５は、交錯して配列されている複数のＺ軸定位孔６５２と複数の第一固定孔６５４とを有する。第一立板固定部材６６は、滑動可能に第一横板６３の第一Ｙ軸調整溝６３２内に設けられ、且つ第一立板６５におけるいずれか一つのＺ軸定位孔６５２内に選択的に固定されていることにより、第一立板６５による左右方向と上下方向の位置調整を行うことができる。また、第一載置部材６１は、さらに上腕寄り用の第一環状グリップ６７を有する。第一環状グリップ６７の内輪面に複数の第一筋電センサ８４が並設されている。各第一筋電センサ８４の一端は、第一環状グリップ６７を貫通することにより第一立板６５の第一固定孔６５４内に固定されている。よって、第一環状グリップ６７と第一立板６５間の固定が完成する。これによって、第一環状グリップ６７は、使用者の需要に合わせて三軸式の位置調整が可能となる。

図２および図５に示すように、第二肢体載置ユニット７０は、第二載置部材７１を有する。第二載置部材７１は、第二載置架台７２を有する。第二載置架台７２は、延伸部７３、握り部７４、Ｌ型立板７５、二つの第二立板固定部材７６、第二横板７７、および第二横板固定部材７８を有する。延伸部７３の一端は、関節支持部４０における支持部４２の末端に接続されており、延伸部７３の他端には、握り部７４が接続されている。Ｌ型立板７５は第二Ｙ軸調整溝７５２と二つのＺ軸調整溝７５４を有し、各第二立板固定部材７６は、Ｌ型立板７５のＺ軸調整溝７５４内に滑動可能に設けられており、且つ延伸部７３に固定されることにより、Ｌ型立板７５による上下方向の位置調整を行うことができる。第二横板７７は、交錯に配列している複数のＸ軸定位孔７７２と複数の第二固定孔７７４を有し、第二横板固定部材７８は、Ｌ型立板７５の第二Ｙ軸調整溝７５２内に滑動可能に設けられており、且つ第二横板７７におけるいずれか一つの定位孔７７２内に選択的に固定されていることにより、第二横板７７による前後方向と左右方向の位置調整を行うことができる。第二載置部材７１は、さらに前腕部寄り用の第二環状グリップ７９を有する。第二環状グリップ７９の内輪面には、複数の第二筋電センサ８６が並設されており、各第二筋電センサ８６の一端は、第二環状グリップ７９を貫通して、第二横板７７の第二固定孔７７４内に固定されることにより、第二環状グリップ７９と第二横板７７との間の固定が完成する。よって、第二環状グリップ７９は、使用者の需要に合わせて三軸式の位置調整を行うことができる。

前腕部の機能が完全に喪失された使用者にとって、図６から図８に示すように、まず、コントローラ１２によりモータ３１をコントロールして正転を行うことができる。このとき、モータ３１の動力は、減速機３２を経由して出力軸３７まで伝達されてから、出力軸３７より弾性ユニット５０の取り付け座５１まで伝達されることにより、関節支持部４０が弾性ユニット５０に駆動され第二肢体載置ユニット７０を動かし、第一肢体載置ユニット６０に対して第二肢体載置ユニット７０を上昇させる。第二肢体載置ユニット７０が前腕をある程度の高さまで上昇させてから、モータ３１をコントロールして逆転を行うことにより、第二肢体載置ユニット７０が前腕を下ろす。よって、モータ３１をコントロールして、連続的な正逆転を行うことにより、機能が喪失された前腕に対する健康回復の効果を果たすことができる。

前腕が少しの運動能力を有する場合、使用者は、コントローラ１２の助力モードまたは抗力モードを選択可能である。助力モードにおいて、使用者は、自らの力を入れることにより、第二肢体載置ユニット７０を持ち上げることができる。このときの第一筋電センサ８４、第二筋電センサ８６は、上腕および前腕の筋電シグナルを取得しはじめ、並びに取得した筋電シグナルをコントローラ１２内に伝達し、判断が行われる。コントローラ１２は、使用者の前腕に力が不足していると判断した場合、モータ３１をコントロールして正転を行うことによりモータ３１の動力が弾性ユニット５０の弾性部材５４により、使用者の前腕を助けて、第二肢体載置ユニット７０を順調に上昇させる。上述のような操作を繰り返すことにより前腕の運動機能を改善することができる。

また、抗力モードにおいて、コントローラ１２は、モータ３１をコントロールして、逆転を行う。よって、モータ３１の出力動力が弾性ユニット５０の弾性部材５４により第二肢体載置ユニット７０にある程度の抗力を与える。このときに、使用者は、必ずこの抗力を克服することで、前腕を順調に持ち上げることができる。よって、健康回復の効果を果たすことができる。コントローラ１２は、随時に第一筋電センサ８４、第二筋電センサ８６が取得しているシグナルによりモータ３１の出力動力を調整することで、適切な抗力を提供している。

補充説明すべきことは、モータ３１の出力動力を、正確に関節支持部まで伝達させるために、本発明は、さらに回転エンコーダ９０と回転角センサ９２を備える。図２および図７に示すように、その中の回転エンコーダ９０は、モータ３１に取り付けられており、モータ３１における駆動軸３１２の回転量を測定することに用いられる。回転角センサ９２は、出力軸３７を貫通している。また、回転角センサ９２の一端は、回転軸３４内に固定されている。回転角センサ９２の他端は、連接軸８２内に固定されており、回転軸３４と連接軸８２との間の角度変化量を測定するのに用いられる。よって、コントローラ１２は、回転エンコーダ９０の測定結果と回転角センサ９２の測定結果との比較を行い、両者の間の差異に基づき、モータ３１における駆動軸３１２の回転量に対して調整を行うことにより、機構全体の動作精度を高める。

上述したように、本発明の感応式力フィードバック装置１０は、モータ３１が出力する補助動力が弾性ユニット５０に伝達され、各弾性部材５４が、弾性部材自体の変形により力をコントロールする効果を果たす。また、第一筋電センサ８４、第二筋電センサ８６により感応されている筋電シグナルと合わせて筋肉の動作を判断すると同時に、回転ダンパ８０の制動作用を調整することにより健康回復効果を高め、作動の安定性を維持する。

１０ 感応式力フィードバック装置、
２０ 固定座、
２１ 第一固定板、
２２ 第二固定板、
２３ Ｘ軸調整溝、
２４ 矩形孔、
２５ 棒部材、
３０ 駆動ユニット、
３１ モータ、
３１２ 駆動軸、
３２ 減速機、
３３ 第一回転リング、
３４ 回転軸、
３５ 第二回転リング、
３６ 伝動ベルト、
３７ 出力軸、
４０ 関節支持部、
４１ ケーシングリング部、
４２ 支持部、
５０ 弾性ユニット、
５１ 取り付け座、
５２ 第一架体、
５３ 第二架体、
５３２ 軸孔、
５４ 弾性部材、
６０ 第一肢体載置ユニット、
６１ 第一載置部材、
６２ 第一載置架台、
６３ 第一横板、
６３２ 第一Ｙ軸調整溝、
６４ 第一横板固定部材、
６５ 第一立板、
６５２ Ｚ軸定位孔、
６５４ 第一固定孔、
６６ 第一立板固定部材、
６７ 第一環状グリップ、
７０ 第二肢体載置ユニット、
７１ 第二載置部材、
７２ 第二載置架台、
７３ 延伸部、
７４ 握り部、
７５ Ｌ型立板、
７５２ 第二Ｙ軸調整溝、
７５４ Ｚ軸調整溝、
７６ 第二立板固定部材、
７７ 第二横板、
７７２ Ｘ軸定位孔、
７７４ 第二固定孔、
７８ 第二横板固定部材、
７９ 第二環状グリップ、
８０ 回転ダンパ、
８２ 連接軸、
８４ 第一筋電センサ、
８６ 第二筋電センサ、
９０ 回転エンコーダ、
９２ 回転角センサ。

Claims (5)

1. 固定座と、
   前記固定座に設けられているモータ、前記固定座に設けられ且つ前記モータに接続されている減速機、および、前記減速機に接続されている出力軸を有する駆動ユニットと、
   前記駆動ユニットの前記減速機に回転可能に設けられ且つ前記駆動ユニットの前記出力軸を取り囲むケーシングリング部と、前記ケーシングリング部の外輪面からラジアル方向の外側へ延伸する支持部とを有する関節支持部と、
   前記駆動ユニットの前記出力軸に嵌め込まれ且つ前記関節支持部におけるケーシングリング部の内輪面に接続されている取り付け座と、前記取り付け座に設けられている複数の弾性部材とを有する弾性ユニットと、
   前記固定座に設けられている第一載置部材と、前記第一載置部材に設けられている少なくとも一つの第一筋電センサとを有する第一肢体載置ユニットと、
   前記関節支持部の前記支持部に設けられている第二載置部材と、前記第二載置部材に設けられている少なくとも一つの第二筋電センサとを有する第二肢体載置ユニットと、を備えることを特徴とする感応式力フィードバック装置。
2. 前記モータは、駆動軸を有し、
   前記減速機は、前記固定座に設けられ、
   前記駆動ユニットは、前記モータの前記駆動軸に接続されている第一回転リング、前記減速機を駆動する回転軸の一端に接続されている第二回転リング、並びに、前記第一回転リングおよび前記第二回転リングに回転可能に設けられている伝動ベルトをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の感応式力フィードバック装置。
   
3. 前記駆動ユニットの前記出力軸を貫通し、一端が前記減速機の前記回転軸内に固定されており、他端が前記連接軸内に固定されている回転角センサをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の感応式力フィードバック装置。
4. 前記弾性ユニットの前記取り付け座は、二つの第一架体および一つの第二架体を有し、
   各前記第一架体は、前記関節支持部における前記ケーシングリング部の内輪面に固定されており、
   前記第二架体は、二つの前記第一架体の間に位置し、且つ前記出力軸を収容する軸孔を有し、
   前記第二架体は、各前記第一架体の高さより高い高さを有し、
   前記第二架体の頂部と各前記第一架体の頂部の間、および、前記第二架台の底部と各前記第一架台の底部の間には、前記弾性部材が連接されていることを特徴とする請求項１に記載の感応式力フィードバック装置。
5. 前記第一載置部材は、第一載置架台と第一環状グリップとを有し、
   前記第一載置架台は、前記固定座に設けられており、
   前記第一環状グリップは、外輪面が前記第一載置架台に設けられており、内輪面に前記第一筋電センサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の感応式力フィードバック装置。

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