JP6016453B2 - 三層の連結ばねスライド機構によるハンドエグゾスケルトン装置 - Google Patents

Description

本発明は、人体に装着し、手指動作を支援するための、三層の連結ばねスライド機構による、ハンドエグゾスケルトン装置に関するものである。

身体的機能に関する医療リハビリテーションは、病気または外傷によって低下した身体機能の回復のため、病院等で施される。近年、より有効な機能回復手法の提供、機能回復の定量的評価、またはリハビリテーション従事者の負担軽減等を目的として、ロボット技術がリハビリテーションへ応用される試みがなされている。特に、ロボットを装着することにより低下した身体機能を支援する、また日常生活動作を支援するロボット等の試みも活発に行われている。

本発明では、三層の連結スライドばね機構により、小型で持ち運びが容易なハンドエグゾスケルトン装置を構成する。本装置によって、まず他動的に動作を繰り返し行う手指のCPM （Continuous Passive Motion）訓練への応用が期待される。さらに、本装置は小型、軽量であることから、装着可能な装置構成とし、例えば末梢神経障害患者の筋電計信号を用いてロボットを動作させることで、日常生活動作を支援することが可能である。

従来のハンドエグゾスケルトン装置として、リンク機構を応用したものは、非特許文献１、非特許文献２などが知られている。ワイヤ機構を応用したものとして、非特許文献３、非特許文献４などが知られている。流体駆動を応用したものとして、非特許文献５、非特許文献６などが知られている。

B. L. Shields, J. A. Main, S. W. Peterson, A. M. Strauss，"An Anthropomorphic Hand Exoskeleton to Prevent Astronaut Hand Fatigue During Extravehicular Activities," IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Part A: Systems and Humans, 27(5) , 1997. S. Ito, H. Kawasaki, Y. Ishigure, M. Natsume, T. Mouri, Y. Nishimoto，"A design of fine motion assist equipment for disabled hand in robotic rehabilitation system," Journal of the Franklin Institute, 2009. T.T. Worsnopp, M.A. Peshkin, J.E. Colgate, and D.G. Kamper, "An Actuated Finger Exoskeleton for Hand Rehabilitation Following Stroke," IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, pp.896-901, 2007. Y. Hasegawa, Y. Mikami, K. Watanabe, Y. Sankai, "Five-Fingered Assistive Hand with Mechanical Compliance of Human Finger," 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.718-724, 2008. L. Connelly, Y. Jia, M. L. Toro, M. E. Stoykov, R. V. Kenyon, D. G. Kamper, "A Pneumatic Glove and Immersive Virtual Reality Environment for Hand Rehabilitative Training After Stroke," IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 18(5), pp.551-559, 2010. 只野耕太郎, 赤井正雄, 門田和雄, 川嶋健嗣, "空気圧ゴム人工筋を用いた外骨格型握力増幅グローブの開発," ロボティクス・メカトロニクス講演会, 1P1-E15, 2009.

人体に装着し、手指の日常生活動作を支援するための装置の要件として、小型、軽量である点、人体に装着可能であり自然な動作が可能である点、動作支援に十分な力を発生可能である点、安全に駆動可能である点、などが挙げられる。

このような装置を構成するための駆動手段として、従来では、リンク駆動、ワイヤ駆動、流体駆動、が挙げられる。

リンク駆動は、手指の動作をリンクを介して先端まで伝達し、各手指関節を駆動する機構である。リンク駆動の特色として、比較的大きな出力を得やすい特徴があるが、一方で装置が大型になりやすい問題点がある。また、リンク駆動部にガタなどが発生しやすい問題がある。

ワイヤ駆動は、ワイヤを用いて関節部を駆動する機構で、ワイヤにより伝達経路を小型、細径とすることで、機構全体を小型にすることが可能である。一方で、ワイヤは引張力方向のみに動力伝達可能であるため、動力部機構が複雑になりがちである。また、ワイヤの伸び、縮みの問題が生ずる。

流体駆動は、機構内部に流体を充填し、その圧力変化により駆動動力を発生させる手法である。身体に装着する装置は小型に実装可能である一方、流体の圧縮等のためのアクチュエータが必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型、軽量な装置構成で、人体の手指動作を支援するための手法を提供することにある。

本 発明は、駆動手段によって駆動される三層の連結スライドばね機構であり、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３と、これら外装部内の空洞に、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、内装部１、内装部２、内装部３、から構成され、外装部ｔと外装部１、外装部1と外装部２、外装部２と外装部３は、それぞれ上下方向を柔軟なばね要素により連結され、それぞれの外装部上部を固定するばねは、一端をスライド機構により、ある一定の距離を自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるため，可変長であり、それぞれの外装部下部を固定するばねは、それぞれの両端に固定され、外装部ｔと内装部１、内装部１と内装部２、内装部２と内装部３は、それぞれ上部を柔軟なばね要素により連結され、内装部の上部を固定するばねは、それぞれ両端の内装部に対して固定され、よって、外装部を連結する上下のばねと、内装部の上部を連結するばねは、上下方向に三層を構成し、人体の手指に装着する際には、DIP関節より末端部の部位について外装部ｔを、DIP関節とPIP関節間の部位に外装部１を、PIP関節とMP関節間の部位に外装部２を、手掌部に外装部３を、それぞれ固定し、人体に装着した状態で、内装部３を人体手指に対して長手方向に駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、把持動作の支援をするハンドエグゾスケルトン装置である。
また、本発明は、前記三層の連結スライドばね機構において、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３、内装部１、内装部２、内装部３、外装部を連結するそれぞれ上下のばね、内装部を連結するばね、の長さは装着する人体の大きさ、また各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標であり、これらを変更することで動作を調整可能なハンドエグゾスケルトン装置である。

上記したように本発明は、人体に装着し、手指動作を支援するための、ハンドエグゾスケルトン装置であり、三層の連結スライドばね機構により、ひとつの駆動手段のみにより、一本の手指動作に対して、装置本体が人体の自然な動作に沿うように動作する。

本発明によるハンドエグゾスケルトン装置は、三層の連結スライドバネ機構により、中手指節間関節（MP関節）、近位指節間関節（PIP関節）、遠位指節間関節（DIP関節）について、モータなどのひとつの駆動手段により駆動し、日常生活動作を行うことができる。

本装置は、人体の手指に沿うように手指の上方である爪側に配置される。よって、装置から手指側を下方、その逆方向を上方とする。

本発明における三層の連結スライドばね機構は、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３と、これら外装部内の空洞内に、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、内装部１、内装部２、内装部３、から構成される。

外装部ｔと外装部１、外装部1と外装部２、外装部２と外装部３は、それぞれ上下方向を柔軟なばね要素により連結される。外装部の下部を固定するばねは、それぞれ両端の外装部に対して固定される。

それぞれの外装部上部を固定するばねは、一端をスライダ機構により自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるため，可変長である。

外装部ｔと内装部１、内装部１と内装部２、内装部２と内装部３は、それぞれ上部を柔軟なばね要素により連結される。内装部の上部を固定するばねは、それぞれ両端の内装部に対して固定される。

よって、それぞれの外装部を連結する上部のばねと、それぞれの外装部を連結する下部のばねと、それぞれの内装部の上部を連結するばねは、上下方向に三層を構成する。

それぞれの外装部は、装着対象である指の各部位に柔軟なベルトなどを用いて固定される。このとき、DIP関節より末端部の部位について外装部ｔを、DIP関節とPIP関節間の部位に外装部１を、PIP関節とMP関節間の部位に外装部２を、手掌部に外装部３を、それぞれ固定する。

外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３、内装部１、内装部２、内装部３、はそれぞれを連結するばねに対して、十分な強度をもつ素材で構成する。

本構成により、人体に装着した状態で、内装部３を人体手指に対して長手方向に駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、手指の自然な把持動作を支援する装置として応用することが可能となる。

本装置は、人体手指の屈曲進展を行うため、各関節の上部に配置される三層のばねの装置長手方向についての長さは、人体の手指関節中心に合わせて配置されるように決定する。

スライダ機構の動作距離は、各関節の屈曲、伸展の角度によって決定する。また、スライダ機構は、ある一定以上の移動量を制限するストッパを有する。

各ばねの幅と厚みは、ばねを構成する材質を鑑み、それぞれの関節間でのバランスを考慮して決定する。ある関節のばねの幅と、厚みと、を小さくした場合は関節が柔らかくなり、最初に屈曲しやすくなる。なお、各関節のばねの幅と、厚みと、を全体として大きく設定した場合には、装置全体の剛性が高くなり、関節部により高いトルクを発生することが可能となる。しかしながら、この場合は駆動に必要な力が増加する。

最大に屈曲した場合において、ばね材質の降伏応力に満たない範囲で使用することがばねの破断を回避する点から好ましい。

なお、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３、内装部１、内装部２、内装部３、外装部を連結するそれぞれ上下のばね、内装部を連結するばね、の寸法、また外装部を連結するそれぞれ上下のばね、内装部を連結するばね、のかたさは、装着する人体手指の寸法、関節の硬さ，支援動作などを鑑みて設計する必要がある。

本発明の駆動手段には、直線運動を出力する出力軸を具備する駆動装置、例えばモータとボールネジを組み合わせたアクチュエータを用いることができる。

本発明によれば、小型、軽量に人体の手指の把持動作を支援する装置を実現できる。また、本発明はひとつの駆動手段により手指の三関節について屈曲・伸展を駆動できる点と、大きな駆動力を伝達できることに特徴がある。さらに、装置本体に柔軟性を有するため，安全に駆動できる。

本発明の一実施形態に係る三層の連結ばねスライド機構によるハンドエグゾスケルトン装置システムを示す図である。 本発明の一実施形態に係る三層の連結ばねスライド機構モデルの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る三層の連結ばねスライド機構モデルの一部透視図である。 本発明の一実施形態に係る三層の連結ばねスライド機構によるハンドエグゾスケルトン装置のアクチュエータ実装例を示す図である。

本発明のハンドエグゾスケルトン装置は、人体に容易に装着可能であり、ひとつの直動アクチュエータを用いて、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して駆動力を与える動作変換機構である三層の連結ばねスライド機構により、装着した人体の把持動作を支援することができる。

以下、図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる三層の連結ばねスライド機構によるハンドエグゾスケルトン装置システムを示している。

本発明は、三層の連結ばねスライド機構１と、三層の連結ばねスライド機構１の駆動手段２を制御するコントロール部３と、から構成される。このシステムは、人体の手指部に装着し、動作を支援する、またリハビリテーションでの他動的な繰り返し動作のために用いられる。

次に、図２から図３を参照して、三層の連結ばねスライド機構１の構成について詳しく説明する。図２は本実施形態における機構モデルの斜視図、図３は本実施形態の機構モデルの一部である外装部を透視した斜視図である。

三層の連結ばねスライド機構１は、内部に空洞を有する第ｔ外装部４と、第１外装部５と、これら外装部内に配置された第２外装部６と、第３外装部７と、第１内装部８と、第２内装部９と、第３内装部１０と、から構成される。それぞれの外装部、内装部は直列に柔軟なばね要素１１〜１９により連結される。

第1外装上部ばね１１、第２外装上部ばね１２、第３外装上部ばね１３、はそれぞれ外装部の上部を連結しており、第１スライダ機構２０、第２スライダ機構２１、第３スライダ機構２２、それぞれにより機構長手方向について自在にスライドする。よって、第1外装上部ばね１１、第２外装上部ばね１２、第３外装上部ばね１３、は可変長である。ただし、それぞれのスライダ機構内のストッパにより、スライド距離は制限可能である。

第1外装下部ばね１４、第２外装下部ばね１５、第３外装下部ばね１６、はそれぞれ外装部の下部を連結しており、それぞれの両端部に固定されている。

第１内装部ばね１７、第２内装部ばね１８、第３内装部ばね１９は、それぞれの内装部の上部を連結しており、それぞれの両端部に固定されている。

このとき、それぞれの外装部と内装部を連結する、外装部上部ばね１１〜１３、外装部下部ばね１４〜１６、内装部ばね１７〜１９は、それぞれ機構上下方向へ三層を構成する。

本装置を人体の手指部に固定する場合、DIP関節より末端部の部位について第ｔ外装部４を、DIP関節とPIP関節間の部位に第１外装部５を、PIP関節とMP関節間の部位に第２外装部６を、手掌部に第３外装部７を、それぞれ固定する。なお、それぞれの外装部は、装着対象である指の各部位に柔軟なベルトなどを用いて固定可能である。

第３内装部１０を機構長手方向へ駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、手指の自然な把持動作を支援する装置として応用することが可能となる。

図４は、直動アクチュエータ２を装着したときの三層の連結ばねスライド機構１の実装形態の一例である。

より具体的には、第３内装部１０を機構本体へ近づける方向へ駆動した場合、第１内装部ばね１７、第２内装部ばね１８、第３内装部ばね１９によって、それぞれ連結された第１内装部８と、第２内装部９と、第３内装部１０と、は同方向へ機構内部を移動する。

第３内装部ばね１９は、この移動とともに第３外装下部ばね１６が固定長であることから、外装部下部ばねと、内装ばねとの間の上下方向に関する距離の差異から、曲げ方向への動作変換を生ずる。その結果として、機構は第３外装上部ばね１３のスライダ機構２２によるばね長の伸展にともない屈曲運動を行う。このように、第３内装部１０の機構長手方向への動作は、各関節部のばねにより回転方向への動作変換を同時に行う。
スライダ機構２０〜２２は、ばねの一部を自由端とし、外装部内の溝を自由にスライドしてばね長を可変とすることが簡便に実現できる。また、ばねの一端をＴ字型に構成し、外装部へ切り欠きを設けることで、ストッパが構成される。

スライダ機構２０〜２２内のストッパは、一定以上のスライド運動は抑制され、よって回転運動は抑制される。このとき、駆動力はより末端側の関節へ伝達するため、結果として末端側のDIP関節、PIP関節の駆動が促進される。

第１外装下部ばね１４と、第２外装下部ばね１５と，第３外装下部ばね１６と，は一本の連続したばねで構成し、それぞれの外装部を接着して装置を構成可能である。また、第１内装部ばね１７と、第２内装部ばね１８と、第３内装部ばね１９と、は一本の連続したばねで構成し、それぞれの外装部を接着して装置を構成可能である。

本装置では、それぞれのばねと、外装部と、内装部と、のそれぞれの寸法と、それぞれのばねのかたさは、装着する人体の大きさ、また各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標であり、これらを変更することで動作を調整可能である。

以上に述べた構成によれば、図１で述べた同様の構成により、三層の連結ばねスライド機構１を人体の手指へ装着することにより、手指の把持動作を支援するための動力伝達が可能である。

以上に述べた構成によれば、本装置は人体の拇指を除く手指へ装着可能であるが、実装を簡易的に２関節として構成することで、拇指への適用も可能である。

なお、本装置装着者の人体へ筋電センサを別途装着し、コントロール部３へ入力することで、筋電計信号に応じて支援動作を行うことが可能である。

以上において、本発明を実施形態に則して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明の三層の連結ばねスライド機構によるハンドエグゾスケルトン装置は、日常生活動作支援用の装置として、リハビリテーションにおける他動的の繰り返し動作装置等に利用可能である。

１ 三層の連結ばねスライド機構
２ 駆動手段
３ コントロール部
４ 第ｔ外装部
５ 第１外装部
６ 第２外装部
７ 第３外装部
８ 第１内装部
９ 第２内装部
１０ 第３内装部
１１ 第1外装上部ばね
１２ 第２外装上部ばね
１３ 第３外装上部ばね
１４ 第1外装下部ばね
１５ 第２外装下部ばね
１６ 第３外装下部ばね
１７ 第1内装部ばね
１８ 第２内装部ばね
１９ 第３内装部ばね
２０ 第１スライダ機構
２１ 第２スライダ機構
２２ 第３スライダ機構
２３ 人体手指のおおよその遠位指節間関節動作中心位置
２４ 人体手指のおおよその近位指節間関節動作中心位置
２５ 人体手指のおおよその中手指節間関節動作中心位置

Claims (3)

1. 駆動手段によって駆動される三層の連結スライドばね機構であり、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３と、これら外装部内の空洞に、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された、内装部１、内装部２、内装部３、から構成され、外装部ｔと外装部１、外装部1と外装部２、外装部２と外装部３は、それぞれ上下方向を柔軟なばね要素により連結され、それぞれの外装部上部を固定するばねは、一端をスライド機構により、ある一定の距離を自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるため，可変長であり、それぞれの外装部下部を固定するばねは、それぞれの両端に固定され、外装部ｔと内装部１、内装部１と内装部２、内装部２と内装部３は、それぞれ上部を柔軟なばね要素により連結され、内装部の上部を固定するばねは、それぞれ両端の内装部に対して固定され、よって、外装部を連結する上下のばねと、内装部の上部を連結するばねは、上下方向に三層を構成し、人体の手指に装着する際には、DIP関節より末端部の部位について外装部ｔを、DIP関節とPIP関節間の部位に外装部１を、PIP関節とMP関節間の部位に外装部２を、手掌部に外装部３を、それぞれ固定し、人体に装着した状態で、内装部３を人体手指に対して長手方向に駆動することにより、DIP関節と、PIP関節と、MP関節に対して回転力を供給し、把持動作の支援をするハンドエグゾスケルトン装置。
2. 請求項１に記載のハンドエグゾスケルトン装置であって、
   前記三層の連結スライドばね機構において、外装部ｔ、外装部１、外装部２、外装部３、内装部１、内装部２、内装部３、外装部を連結するそれぞれ上下のばね、前記内装部を連結するばね、の長さは装着する人体の大きさ、また各関節を屈曲させるタイミングを変化させる指標であり、これらを変更することで動作を調整可能なハンドエグゾスケルトン装置。
3. 駆動手段によって駆動される三層の連結スライドばね機構であり、
   手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された複数の外装部と、これら外装部内の空洞に、手指の長手方向に沿って先端より直列に配置された複数の内装部から構成され、
   隣り合う２つの外装部は、それぞれ上下方向を柔軟なばね要素により連結され、
   それぞれの前記外装部の上部を固定するばねは、一端をスライド機構により、ある一定の距離を自在に手指長手方向に対して固定端を移動することができるため，可変長であり、
   それぞれの前記外装部の下部を固定するばねは、それぞれの両端の外装部に対して固定され、
   前記駆動手段が接続される一端とは反対側の他端に位置する外装部と当該外装部と隣り合う内装部、及び隣り合う２つの内装部は、それぞれ上部を柔軟なばね要素により連結され、
   前記内装部の上部を固定するばねは、それぞれ両端の内装部に対して固定され、
   よって、前記外装部を連結する上下のばねと、前記内装部の上部を連結するばねは、上下方向に三層を構成し、
   人体に装着した状態で、前記駆動手段が接続される一端に位置する内装部を人体手指に対して長手方向に駆動することにより、手指の２つ又は３つの関節に対して回転力を供給し、把持動作の支援をするハンドエグゾスケルトン装置。