JP6172651B2 - Electric gripping device - Google Patents
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Description
本発明は、電動把持装置に関し、特に、切断などによって前腕が欠損した者のための義手や、把持機能が不全となった者のための自助具に適用して好適なものである。 The present invention relates to an electric gripper equipment, in particular, artificial arm or for those who forearm is deficient, such as by cutting, and is preferably applied to the self-help tool for those who gripping function becomes failure.
例えば、前腕切断者が現在選択可能な義手としては、装飾用義手、能動義手および筋電義手などがある。能動義手は、切断された前腕側の肩とは反対側の肩の動きを利用してケーブルを牽引することでフック状の手先の開閉を操作する義手であり、比較的廉価で作業性が高い。しかしながら、ケーブルを牽引するハーネスを体に装着する必要があるために使用者に拘束感を与え、またフックのデザインが大きく外観を損ねるという問題がある。 For example, the prosthetic hands currently selectable by the forearm amputeer include decorative prostheses, active prostheses, and myoelectric prostheses. The active prosthetic hand is a prosthetic hand that operates the opening and closing of the hook-shaped hand by pulling the cable using the movement of the shoulder on the side opposite to the cut forearm side, and is relatively inexpensive and highly workable. . However, since it is necessary to attach the harness for pulling the cable to the body, there is a problem that the user is restrained and the design of the hook is greatly damaged.
一方、筋電義手は人間の手に近い自然な外観を有し、前腕から計測可能な筋電位を信号源として指の動作を行うため、自然な操作性が得られるという利点がある。筋電義手には、3本あるいは5本の指部材を有し、健常者の指と同等の動作を実現しているものもあるが、その分機構が複雑となって高価格化を招いているために、筋電義手を入手することは容易ではない。また、そのような筋電義手は一般に重量が大きいために、ようやく入手してもその重さに慣れず、使用を中止する切断者も多い。さらに、筋電義手は、筋電センサによって表面筋電位を感知することを前提とするものであるが、前腕切断者の皮膚の状態、例えば発汗によって感知動作が不安定となることがある。また、表面筋電位が感知に耐えないほど微弱である場合や、あるいは全く表面筋電位が現れない前腕切断者も存在し、そのような前腕切断者は筋電義手を実際に使用することができない。 On the other hand, the myoelectric prosthetic hand has a natural appearance close to that of a human hand, and has a merit that natural operability can be obtained because the finger movement is performed using a myoelectric potential measurable from the forearm as a signal source. Some myoelectric prostheses have three or five finger members and achieve the same movement as that of a healthy person's finger, but the mechanism is complicated and the price increases. Therefore, it is not easy to obtain a myoelectric prosthesis. In addition, since such myoelectric prostheses are generally heavy, there are many amputees who do not get used to the weight even when they are finally obtained and stop using it. Furthermore, the myoelectric prosthesis is based on the premise that the surface electromyogram is sensed by the myoelectric sensor, but the sensing operation may become unstable due to the skin condition of the forearm amputee, for example, perspiration. Also, there are forearm amputees whose surface myoelectric potential is so weak that they cannot withstand sensing, or there are no forearm amputees, and such forearm amputees cannot actually use myoelectric prosthetic hands. .
これらの課題が障害となり、前腕切断者の多くは作業用義手を使用しておらず、機能性の低い装飾用義手を使用しているのが現状である。 These problems become obstacles, and many forearm amputees do not use work prostheses, and currently use decorative prostheses with low functionality.
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたもので、作業性と操作性とを両立しつつ、軽量且つ低廉にしてしかも安定性に優れた義手や自助具を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a prosthetic hand and a self-helper that are lightweight, inexpensive and excellent in stability while achieving both workability and operability.
そのために、本発明は、前腕上部に装着可能な電動把持装置であって、
前記前腕上部の筋肉の収縮および弛緩に伴って現れる皮膚表面の変化を非接触で検出するセンサと、
当該検出された皮膚表面の変化に応じ、先端部が互いに接触する閉状態と放射状に開いた開状態とを取ることが可能な複数の指部材、および、通電によって駆動される駆動源の駆動に応じ、前記複数の指部材を前記開状態および前記閉状態となるように変位させる開閉機構を有するハンドユニットと、
開放部を介して対向し、前記前腕上部を受容するための一対の基端側部分、開放部を介して対向し、前記ハンドユニットを支持するための一対の末端側部分、および、基端側の位置から末端側に向けて連続した開放部を有するインタフェースユニットと、
を具え、
前記一対の末端側部分は、前記一対の基端側部分に対し、装着対象となる前腕の回内方向に所定角度シフトした位置関係をもって形成されていることを特徴とする。
Therefore, the present invention is an electric gripping device that can be mounted on the upper forearm,
A non-contact sensor that detects changes in the skin surface that appear as the upper forearm muscle contracts and relaxes;
According to the detected skin surface change, a plurality of finger members capable of taking a closed state in which the tips contact each other and an open state in which the tips are radially open, and a drive source driven by energization are driven. In response, a hand unit having an opening and closing mechanism for displacing the plurality of finger members so as to be in the open state and the closed state;
A pair of proximal end portions for receiving the upper portion of the forearm, facing each other through the opening portion, a pair of distal end portions for supporting the hand unit, facing each other through the opening portion, and the proximal end side An interface unit having an open part continuous from the position to the distal side,
The ingredients example,
The pair of distal end portions are formed with a positional relationship shifted by a predetermined angle in the pronation direction of the forearm to be attached to the pair of proximal end portions .
本発明によれば、作業性と操作性とを両立しつつ、軽量且つ低廉にしてしかも安定性に優れた義手や自助具の提供に資することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can contribute to provision of the prosthetic hand and self-help tool which were lightweight and cheap, and was excellent in stability, making workability and operativity compatible.
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。なお、以下の説明においては、左前腕用の電動把持装置ないしはハンドユニットについて例示するが、対称性を適切に変更することで、右前腕への適用も可能であることは勿論である。また、「切断端」とは、切断によって欠損した前腕の残部を言うが、図1等に示す実施形態に係る電動義手は、先天性横軸形成障害によって前腕が欠損している者の前腕の残部にも適用が可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, an electric gripping device or hand unit for the left forearm is illustrated, but it goes without saying that application to the right forearm is possible by appropriately changing the symmetry. In addition, the “cut end” refers to the rest of the forearm that has been lost due to the cut, but the electric prosthetic hand according to the embodiment shown in FIG. It can be applied to the rest.
(1)構成
(1−1)全体構成
図1は、本発明電動把持装置の一実施形態としての電動義手の外観構成例を示す斜視図である。同図に示す電動義手は、インタフェースユニット100と、ハンドユニット200と、ハンドユニット200をインタフェースユニット100に支持するための支持ユニット500とを具える。インタフェースユニット100は、使用者の左前腕の切断端とハンドユニット200とを連結するべく機能する。ハンドユニット200は、複数(本例では3本)の指部材を備えて把持機能を果たす把持機能部300と、把持機能部300を駆動するためのモータおよび制御部等を内蔵した駆動部400とを有する。支持ユニット500はハンドユニット200を駆動部400の部位で支持する支持部501と、インタフェースユニット100の末端側(肩から遠位にある側)に回動軸541を中心として回動可能に支持される被支持部511とを有する。
(1) Configuration (1-1) Overall Configuration FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration example of an electric prosthesis as an embodiment of the electric gripping device of the present invention. The electric prosthetic hand shown in the figure includes an
図2は図1の電動義手を使用者の前腕残部に装着した状態で示す模式図である。本例の電動義手は、同図に示すように、基端側(肩の近位にある側)に画成されるインタフェースユニット100の開放部から切断端1を受容し、その周囲を適宜のバンド部材130で囲繞することによって装着される。なお、符号480で示すものは後述するセンサユニットと駆動部400に内蔵される制御部との間で電気信号を授受するための配線部材である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the electric prosthesis of FIG. 1 mounted on the remaining forearm of the user. As shown in the figure, the electric prosthesis of this example receives the
(1−2)インタフェースユニット
図3は本実施形態に係るインタフェースユニット100を示す斜視図である。本例のインタフェースユニット100は、例えば3Dプリンタを用いて造形されたABS樹脂製の部材であり、両端が開放された中空の略円筒形状を基本形状とし、基端側において切断端を受容し、末端側において支持ユニット500を支持する。基端側の開放端には、対向する一対の略U字形状の切り欠き部121Oおよび121Iが末端方向に向かって形成されている。一方、末端側の開放端には、対向する一対の略U字形状の切り欠き部131Oおよび131Iが、それぞれ切り欠き部121Oおよび121Iに対し、長手軸100Lに関して周方向に所定角度シフトした位置関係をもって、基端側に向かって形成されている。従って、インタフェースユニット100は、対向する一対の基端側部分123Rおよび123Uと、これらに対しそれぞれ周方向にシフトした位置関係をもって対向する一対の末端側部分133Rおよび133Uとを有することになる。当該シフトの方向は、図3における反時計方向C、すなわち使用者から見て時計(回内)方向であり、シフトの角度は0度超90度未満の適切な角度とされる。また、切り欠き部121Oと131Oとは、それぞれのU字形状の底部において、開放部101を介して接続されており、従ってインタフェースユニット100は基端側の開放端部から末端側の開放端部まで、切り欠き部121O、開放部101および切り欠き部131Oで形成される1つの連続した開放部を有することになる。
(1-2) Interface Unit FIG. 3 is a perspective view showing the
従来の義手は、能動義手であっても筋電義手であっても、切断端を挿入するハードソケットを義肢装具士が時間をかけて切断端に適合するように製作する必要があるために、その分製作に時間や費用がかかるものであった。また、ソケットが適合しない場合には切断端に傷が生じ易く、また密閉したソケット内にたまる汗がかぶれなどの皮膚の炎症を引き起こすものであった。これに対し、本実施形態に係るインタフェースユニットは、上述したような開放部を備えることで、汎用性に富み、種々の寸法を有し得る切断端に柔軟に対応して容易に装着が可能であり、しかも傷や炎症の発生を抑制することが可能となる。 Because the conventional prosthetic hand is an active prosthetic hand or a myoelectric prosthetic hand, it is necessary to produce a hard socket for inserting the cutting end so that the prosthetic orthosis fits the cutting end over time, The production was time-consuming and expensive. Further, when the socket does not fit, the cut end is easily damaged, and sweat accumulated in the sealed socket causes skin irritation such as rash. On the other hand, the interface unit according to the present embodiment is provided with an open part as described above, so that it is versatile and can be easily mounted flexibly corresponding to a cut end that may have various dimensions. In addition, it is possible to suppress the occurrence of wounds and inflammation.
(1−3)ハンドユニットの支持角度および掌背屈機能
上述のように、使用者から見て時計方向に0度超90度未満の適切な角度シフトした末端側部分133Rおよび133Uを備えることで、支持ユニット500ないしハンドユニット200は、当該角度だけ回内した位置に支持されることになる。なお、その角度は適宜定めることができるが、人間が通常の生活において机上の物を把持したり離したりする動作を行うことを考慮すれば、好ましくは15度〜75度、より好ましくは30度〜60度、さらに好ましくは40度〜60度、最も好ましくは45度程度とされる。
(1-3) Support angle and palmar dorsiflexion function of the hand unit As described above, by including the
支持ユニット500ないしハンドユニット200は、さらに末端側部分133Rおよび133Uの末端側部分の軸孔141に挿通される回動軸541の周りに回動可能に支持される。ここで、回動軸541を含む被支持部511にフリーストップのヒンジ機構を採用すれば、ハンドユニット200を作業内容に応じた所望の掌屈位置に設定することができる。この設定は、例えば切断されていない腕の手指を用いたり、何らかの静止物にハンドユニット200の指部材を突き当てたりすることで可能となる。このように、作業内容によってハンドユニット200の掌屈角度を好みの角度に変えられるようにすることで、使用者は無理のない姿勢で作業を行うことができるようになる。なお、回動軸541すなわち掌背屈の回動中心の位置は、手首の関節である撓骨手根関節ではなく、健常者の指の付け根の関節(中手指節関節)に相当する位置とすることが好ましい。
The
(1−4)ハンドユニットの把持機能部
図4はハンドユニットの把持機能部の正面図であり、同図を用いて本実施形態に係る指部材の配置を説明する。本例の把持機能部300は3本の指部材311、312および313を有し、これらはそれぞれ、健常者の手の第1指(拇指)、第2指(示指)および第3指(中指)に相当する位置関係をもって駆動部400の末端部に配置されている。すなわち、図のようにこれらの指部材を開いた状態で正面から見たとき、指部材311がY字形の幹部分に、指部材312および313がY字形の左右の枝部分に対応し、従って指部材311と312との間の間隔および指部材311と313との間の間隔は、指部材312と313との間の間隔よりも大となり、健常者が第1指から第3指を使用して物を把持しようとするに近い状態を実現している。また、本例のような指部材の配置を採用することによって、物体を把持する際の物体のエントリ方向が3つ確保されるため、腕の回内外が困難な場合や、把持機能部300のみでは行い得ない動作が必要となる場合でも、肩や腰などの動きを利用した最小限の代償動作で補完させることが可能となる。さらに、3本の指部材を有することで、従来の能動フックのピンチ動作に加えて握力による把持動作が可能となった点も大きな特長である。なお、これらの指部材を互いに区別する必要のないときは、符号310をもって包括的に参照する。
(1-4) Gripping Function Unit of Hand Unit FIG. 4 is a front view of the gripping function unit of the hand unit, and the arrangement of the finger members according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The
図5は、一部の指部材(指部材311)からキャップを取り外した状態でハンドユニット200を下方から示した図である。この図に示すように、各指部材310の先端側延在部には例えばシリコーンゴム製のキャップ350を着脱可能に装着することができ、これにより汚損時のキャップの交換が可能となるほか、物を把持する際の滑り止め機能および指部材先端や把持対象物の保護機能を実現することができる。
FIG. 5 is a view showing the
図6は、一部の指部材から先端部分を取り外した状態でハンドユニットを下方から示した図である。指部材310は、キャップ350が装着されて物を把持する部位となる先端側延在部321と、基端が駆動部400にリンクする基端側延在部323とを有する。先端側延在部321は関節部をなす基端側延在部323の回動軸327に関して回動可能に取り付けられ、その回動軸325には先端側延在部321を基端側延在部323に対して所定角度(例えば135度)屈曲させる方向への回動習性を付与するトーションばね327が配設されている。これにより、把持機能部300を閉じた状態では3本の指部材310の先端を隙間なく且つ柔軟に密着させることが可能となり、小物品の把持性が向上するとともに、把持対象物に過大な力が作用するのを抑制することができる。
FIG. 6 is a view showing the hand unit from below with the tip portion removed from some finger members. The
(1−5)把持機能部の開閉機構
図7〜図9は、指部材ないし把持機能部の開閉機構および開閉動作を説明するために、ハンドユニットの一部を透視した状態で下方から示した図であり、図7は指部材ないし把持機能部が閉じた状態、図9は開いた状態、図8はそれらの中間的な状態を示している。
(1-5) Opening / Closing Mechanism of Gripping Function Unit FIGS. 7 to 9 are shown from below in a state where a part of the hand unit is seen through in order to explain the opening / closing mechanism and opening / closing operation of the finger member or the holding function unit. FIG. 7 shows a state in which the finger member or the gripping function unit is closed, FIG. 9 shows an open state, and FIG. 8 shows an intermediate state therebetween.
これらの図において、符号401で示すものは駆動部400の主要部をなすリニアモータであり、可動子ないしロッド403の突出位置の位置決めが可能である。指部材310の基端側延在部323の基端部はロッド403の先端に設けられた連結部405に連結される一方、基端側延在部323の側部は駆動ユニット400の先端側に配置されたディスク形状の開閉駆動部材411の規制溝413に規制される。また、不図示のトーションばね等により、基端側延在部323にはその側部が規制溝323内に位置づけられる方向への回動習性が付与される。
In these drawings, what is indicated by
従って、ロッド403が完全に後退した図7に示す位置では、基端側延在部323の基端部は駆動ユニット400のハウジング421の内方に引き込まれ、基端側延在部323はロッド403の端部から離隔した側部位置で規制溝413に規制されるために、ロッド403の軸線に対して小角度をなす方向に変位している。このとき、トーションばね327の作用により先端側延在部321は互いに近接するために先端同士が接触する。以下、図7に示す状態を把持機能部300の閉状態とも称する。
Accordingly, in the position shown in FIG. 7 in which the
図7の状態からロッド403を前進すなわち突出させて行くと、図8に示すように、基端側延在部323はハウジング421の外方に向って押し出されて行き、基端側延在部323は、その側部が開閉駆動部材411の規制溝413に規制および案内されながら、駆動ユニット400の軸線に対してなす角度を増して行く。そして、ロッド403が完全に突出した図9に示す位置では、基端側延在部323は、ロッド403の端部に近接した側部の位置で規制溝413に規制され、ロッド403の軸線に対して大きな角度をなす方向に変位するために、基端側延在部323ひいては先端側延在部321が互いに放射状(上述のようにY字状)に離隔する。以下、図9に示す状態を把持機能部300の開状態とも称する。
When the
なお、後述のように、本実施形態は使用者が筋肉を収縮/弛緩させることに伴う皮膚表面形状の変化を検出することでリニアモータ401の可動子すなわちロッド403の位置ないし突出量を制御するものである。リニアモータとしては、例えばFirgelli社のL12 Mini Linear Actuatorを使用することができ、そのリニアモータのロッドの突出量は0〜20mmの範囲で制御可能である。使用者が筋力を発揮する筋収縮時と自然状態である筋弛緩時のいずれでロッド403を最大突出状態とするか非突出状態とするか、すなわち把持機能部300を開状態とするか閉状態とするかは適宜定め得るが、物を把持した状態で作業を行う使用者の負荷を軽減する上では、筋弛緩時に把持機能部300が閉状態となるようにハンドユニット200を構成することが好ましい。
As will be described later, in the present embodiment, the position or protrusion amount of the mover of the
なお、特許文献1には、3本の指部材を開閉させるための駆動源としてリニアアクチュエータを設けた構成が提案されている。しかしながら、同文献には、3本の指部材の配置や指部材を放射状(Y字状)に離隔させる機構、さらには指部材を基本的に2体構造としてそれらの関節部にトーションばね327を配設する構成については何らの開示も示唆もなく、従って上述したような本実施形態の作用効果を達成し得ないものである。
(6)センサユニット
図10(a)および(b)は、それぞれ、皮膚表面形状の変化を検出するセンサユニットの外観構成を示す底面図および検出原理を説明するための模式的側面図である。本実施形態においては、筋収縮に伴う皮膚表面形状の変化(筋弛緩時からの皮膚表面の高さの変化)を非接触で検出するために反射型の光距離センサ470を用いている。すなわち、皮膚表面形状の変化を光距離センサ470と皮膚表面11との距離(以下、センサ・皮膚間距離と称する)の変化として検出する構成としている。光距離センサ470を支持する部材474はスポンジ等軟質な材料で形成されたスペーサ472に担持され、スペーサ472を皮膚表面11に配置することで光距離センサ470が皮膚表面11から距離を置いた位置に保持される。
(6) Sensor Unit FIGS. 10A and 10B are a bottom view showing an external configuration of a sensor unit that detects a change in skin surface shape and a schematic side view for explaining the detection principle. In the present embodiment, the reflection type
光距離センサ470としては、例えば皮膚表面11に向けて赤外光を発光するLED470Eと、皮膚表面11からの反射光を受光するフォトトランジスタ470Pとを有するコーデンシ社製のSG−105を用い、受光量に応じて変化する電圧抵抗値に基づいてセンサ・皮膚間距離を検出することができる。スペーサ472は、センサ・皮膚間距離が筋弛緩時において3mm程度となる位置に光距離センサ470を保持するものとすることができる。また光距離センサ470は、例えば手関節を掌屈させるための筋収縮に応じた皮膚表面の高さの変化が現れやすい部位である前腕尺側手根屈筋の直上の皮膚付近に配置することができる。
As the
以上のように、本実施形態では、光距離センサ470により切断端の皮膚形状変化を検出し、把持機能部300の開閉を行うものである。光距離センサ470は、筋電義手に用いられる筋電センサより構造簡単にして廉価であり、且つ絶縁も容易でしかも発汗による誤動作を起こしにくいものである。また、軟質のスペーサ472のみが皮膚に接触し、固いセンサは皮膚に直接接触しない構造とすることができるため、皮膚を傷つけることがない。
As described above, in this embodiment, the
なお、筋電位センサではなく、皮膚から加えられた力の大きさに応じて生じる変位によって出力信号が線形に変化する感圧センサを用いた電動義手も提案されている(特許文献2)。しかしながら、感圧センサは構成上皮膚に密着して配設されるために、筋電センサと同様に、配設位置の皮膚の状態の影響を受け得るものであるので、本実施形態のように非接触のセンサを用いることは、安定した検出を行う上で有効である。 In addition, an electric prosthetic hand using a pressure-sensitive sensor in which an output signal changes linearly by a displacement generated according to the magnitude of a force applied from the skin is proposed instead of a myoelectric sensor (Patent Document 2). However, since the pressure-sensitive sensor is disposed in close contact with the skin in structure, it can be influenced by the skin state at the position of placement as in the case of the myoelectric sensor. Using a non-contact sensor is effective for stable detection.
2.制御系
(2−1)制御系の構成
図11は本実施形態に係るハンドユニット200の制御系の構成例を示す。図において、符号450で示すものは制御部であり、CPU451、ROM453、RAM455、EEPROM457およびI/O459が実装されている。CPU451はROM453に格納された制御手順に対応するプログラムに従って各部を制御する。ROM453には、図12について後述する制御手順に対応するプログラムのほか、所要の固定データが格納される。RAM455はデータの一時格納領域およびワーク領域として用いられる記憶領域を有する。EEPROM457には制御の過程で使用するパラメータ、例えばリニアモータ401を駆動するためのパラメータを格納することができる。光距離センサ470の検出値(アナログ量)は、A/D変換器461にてデジタル量に変換され、入出力ユニットであるI/O459を介してCPU451に提供される。また、CPU451が生成し、I/O459が出力するリニアモータ401の駆動信号はモータドライバ463を介してリニアモータ401に供給される。
2. Control System (2-1) Configuration of Control System FIG. 11 shows a configuration example of a control system of the
I/O459にはさらに操作・表示部480が接続され、使用者の操作入力を受容するとともに、使用者に対する所要の報知を行うことができる。例えば、操作・表示部480には、電源(不図示)のオン/オフスイッチ、後述するキャリブレーションを起動するためのスイッチ(キャリブレーションスイッチ)、パワーオン状態であることを報知するためのランプ(パワーオンランプ)およびキャリブレーション実行を報知するためのランプ(キャリブレーションランプ)などを設けることができる。表示による報知に代えて、もしくはそれとともに、音声による報知を行うように構成することもできる。
An operation /
なお、例えばA/D変換器461およびモータドライバ463は制御部450とともに駆動ユニット400内に収納することができる。また、操作・表示部480は駆動ユニット400の外装に配置することができる。
For example, the A /
(2−2)制御手順
図12は以上の構成を用いたハンドユニット200の制御手順の一例を示す。本手順は、使用者が本実施形態に係る電動義手を装着し、例えば操作・表示部480に設けられたオン/オフスイッチを用いてパワーオン操作を行うことで起動されるものとすることができる。電源としては例えばリチウムイオン電池を用いることができ、パワーオン操作に応じて所要の各部に電力が供給される。
(2-2) Control Procedure FIG. 12 shows an example of the control procedure of the
図12の手順が起動されると、まずステップS1において、光距離センサ470の検出値のサンプリング開始を含む所要の初期処理を行った後、ステップS3にてキャリブレーション実行が指示されたか否かを判定する。ここで肯定判定された場合にはステップS5〜S9に示すキャリブレーションが行われる。キャリブレーションは使用者の個人差や体調等に応じてリニアモータ401の駆動ないしは把持機能部300の開閉動作を最適化するために行われるもので、特定の個人に特化されない、汎用性に富んだ本実施形態の電動義手の特徴をなすものである。ステップS5およびS7では、それぞれ、キャリブレーションスイッチの操作に応じて筋弛緩時(自然状態)および筋収縮時(筋力発揮状態)でのセンサ・皮膚間距離を検出し、制御の基準となる自然状態パラメータ(Xstate)および筋力発揮状態パラメータ(Xmax)を取得する。ステップS9では、さらにそれらのパラメータに基づいてリニアモータ401の駆動パラメータを演算し、EEPROM457に設定する。
When the procedure of FIG. 12 is started, first, in step S1, after performing necessary initial processing including the start of sampling of the detection value of the
図13はキャリブレーションの態様を説明するための説明図である。本例では、検出のばらつきを考慮し、ステップS5およびS7のいずれにおいても、例えば100Hzのサンプリング周波数で10点の検出値(Xi;i=0〜9)の単純移動平均を演算して行き、100個の移動平均値(Xmi;i=0〜99)の平均値をさらに演算することで、それぞれ、自然状態パラメータ(Xstate)および筋力発揮状態パラメータ(Xmax)としている。さらに、リニアモータ401の可動子ないしはロッドの最大突出量Lmaxをこれらのパラメータの差分の絶対値(Xdifference)で除した値(a)をリニアモータ401の駆動パラメータとしてEEPROM457に設定する。そして、使用時にも同様のサンプリング周期で10点の検出値の移動平均値(Xmi)を演算し、これに駆動パラメータ(a)を乗じることで、使用者の筋収縮状態に応じたロッド突出量を決定してリニアモータ401を駆動することができる。
FIG. 13 is an explanatory diagram for explaining a mode of calibration. In this example, in consideration of the variation in detection, in both steps S5 and S7, for example, a simple moving average of 10 detection values (Xi; i = 0 to 9) is calculated at a sampling frequency of 100 Hz, An average value of 100 moving average values (Xmi; i = 0 to 99) is further calculated to be a natural state parameter (Xstate) and a muscle strength exertion state parameter (Xmax), respectively. Further, a value (a) obtained by dividing the maximum protrusion amount Lmax of the mover or rod of the
なお、使用者がキャリブレーションの実行に際してはキャリブレーションランプを適宜点灯、点滅および消灯させるなどすることができる。例えば、起動直後のキャリブレーションスイッチの操作時および自然状態パラメータの取得中には点灯状態、当該取得の終了後に筋力発揮状態パラメータを取得するためにキャリブレーションスイッチの再度の操作を促すために点滅状態、筋力発揮状態パラメータの取得中には点灯状態、および、一連のキャリブレーションが終了した場合には消灯状態とすることができる。なお、キャリブレーショはキャリブレーションスイッチを2回操作するだけで完了するため、使用者本人だけでも簡単な操作でキャリブレーションを行うことが可能である。 Note that when the user performs calibration, the calibration lamp can be appropriately turned on, blinked, and turned off. For example, when the calibration switch is operated immediately after startup and during acquisition of the natural state parameter, it is lit, and after the acquisition is completed, the blinking state is used to prompt the calibration switch to be operated again in order to acquire the muscle strength state parameter. In addition, the lighting state can be turned on during acquisition of the muscular strength exertion state parameter, and the lighting state can be turned off when a series of calibrations are completed. Since the calibration is completed only by operating the calibration switch twice, it is possible for the user alone to perform the calibration with a simple operation.
再び図12を参照するに、以上のキャリブレーション処理が終了した後、あるいは使用者がキャリブレーションの実行を望まなかった場合にはステップS11に進み、EEPROM457に設定されている駆動パラメータ(a)を、使用時に取得される検出値の移動平均値(Xmi)に乗じることでロッド突出量を決定し、ステップS13にてその突出量が得られるようにリニアモータ401を駆動する。これにより、使用者はその意図に応じて把持機能部300の開きを調節することが可能となる。なお、ステップS11において決定されるロッド突出量がそれまでと変化していなければ、ステップS13の処理をスキップすることができる。
Referring to FIG. 12 again, after the above calibration process is completed or when the user does not want to execute the calibration, the process proceeds to step S11, and the drive parameter (a) set in the
次に、ステップS15ではパワーオフ操作が行われたか否かを判定し、否定判定された場合にはステップS3に復帰し、以降の処理が繰り返される。一方、肯定判定された場合にはステップS17に進み、所要の終了処理(例えばロッドを完全に後退させて把持機能部300を閉状態とする処理)を行った後、電源を遮断して本手順を終了する。
Next, in step S15, it is determined whether or not a power-off operation has been performed. If a negative determination is made, the process returns to step S3, and the subsequent processing is repeated. On the other hand, if an affirmative determination is made, the process proceeds to step S17, where a required end process (for example, a process in which the rod is completely retracted and the
(3)実施形態の効果
本実施形態によれば、本研究では能動義手のような高い作業性と筋電義手のような高い操作性を両立できる。また、汎用性に富み、種々の寸法を有し得る切断端に柔軟に対応して容易に装着が可能であり、しかも傷や炎症の発生を抑制することが可能なインタフェースを構成したことから、能動義手や筋電義手で採用されているソケットに比較して拘束感がなくしかも軽量であり、さらにモータやセンサとして比較的廉価な構成部品を使用可能であることとも相俟って、電動義手の低廉化を実現することができる。さらに、筋電センサによって表面筋電位を感知することを前提とする筋電義手に比較し、非接触のセンサによって皮膚表面の形状変化を検出することで、前腕切断者の皮膚の状態の影響を受けにくく、安定した検出ないしは動作が可能となる。
(3) Effects of the embodiment According to the present embodiment, in this research, both high workability such as an active prosthesis and high operability such as a myoelectric prosthesis can be achieved. In addition, because it is versatile, it can be easily attached in a flexible manner to cut ends that can have various dimensions, and it has an interface that can suppress the occurrence of scratches and inflammation, Compared to sockets used in active prosthetic hands and myoelectric prosthetic hands, there is no sense of restraint and it is lightweight, and in addition, relatively inexpensive components can be used as motors and sensors. Can be realized. Furthermore, compared to myoelectric prosthetic hands, which are based on the assumption that surface myoelectric potential is sensed by an electromyographic sensor, by detecting a change in the shape of the skin surface using a non-contact sensor, the effect of the skin condition of the forearm amputee can be reduced. It is difficult to receive and stable detection or operation becomes possible.
上述した実施形態に係る電動義手を実際に製作して前腕切断者に装着したところ、短時間の訓練で操作が可能になることを確認するとともに、皮膚表面の形状変化の変化に対し把持機能部の開閉が精度高く且つ再現性高く応動することを確認した。さらに、英国で開発された上肢機能の評価テストであるSHAP(Southampton Hand Assessment Procedure)による上肢機能評価を行ったところ、軽量で小さな物体の操作にも十分対応できるなど、日常生活において高い利便性と有用性を持つ可能性が明らかとなった。 When the electric prosthetic hand according to the above-described embodiment is actually manufactured and attached to the forearm amputee, it is confirmed that the operation can be performed in a short time training, and the grasping function unit against the change in the shape change of the skin surface It was confirmed that the opening and closing of the door responded with high accuracy and reproducibility. Furthermore, when we conducted an upper limb function evaluation using SHAP (Southampton Hand Assessment Procedure), an evaluation test of upper limb function developed in the UK, it is lightweight and can handle even small objects sufficiently. The possibility of having utility became clear.
(4)他の実施形態
上述した実施形態では、本発明を電動義手に適用した場合について説明した。しかし本発明は、前腕が欠損した使用者だけでなく、健常者のための自助具に対しても適用が可能である。ここで言う健常者とは、前腕は存在しているものの脳梗塞や神経損傷等によって前腕ないし手指の機能が不全となっている者を言う。
(4) Other Embodiments In the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to an electric prosthesis has been described. However, the present invention can be applied not only to a user who has lost a forearm, but also to a self-help device for a healthy person. A healthy person as used herein refers to a person whose forearm is present but whose forearm or finger function is incomplete due to cerebral infarction or nerve damage.
図14は、本発明電動把持装置の一実施形態としての自助具の外観構成例を示す斜視図であり、図1に示した電動義手と同様に構成できる部分については対応箇所に同一符号を付してある。本実施形態に係る自助具が上述した電動義手と異なるのは、インタフェースユニットの構造である。 FIG. 14 is a perspective view showing an external configuration example of a self-helper as an embodiment of the electric gripping device of the present invention, and parts that can be configured similarly to the electric prosthetic hand shown in FIG. It is. The self-help tool according to this embodiment is different from the above-described electric prosthesis in the structure of the interface unit.
すなわち、本実施形態に係るインタフェースユニット100’は、肩に近い基端側の構造についてはインタフェースユニット100と同様であるが、末端側の構造は健常者の前腕ないし手指を避けるために屈曲して延在する末端側部分133R’および133U’を有している点である。図14においては別体の末端部分がインタフェースユニット100’の本体に接続されて一体化されたものを示しているが、予め一体に成形されたものであってもよい。また、上述と同様、支持ユニット500ないしハンドユニット200が適切な角度だけ回内した位置に支持されるよう、末端側部分133Rおよび133Uをインタフェースユニット100’の本体に対して周方向にシフトさせた構成とすることができるが、しかし健常者自身が回内動作を行うことが可能であれば、そのようなシフトは必ずしも必要ではない。
That is, the
本実施形態によれば、上述した電動義手と同様の作用効果を達成できる自助具を健常者に提供することができる。また、図から明らかなように、ハンドユニット200は、上記電動義手に用いたものと同じ構成を採用でき、その意味において汎用性が高いものである。
According to this embodiment, the self-help tool which can achieve the effect similar to the electric prosthesis mentioned above can be provided to a healthy person. Further, as is apparent from the figure, the
(5)その他
なお、本発明は、上述した実施形態に限られることなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で適宜の変形や変更が可能である。
(5) Others The present invention is not limited to the above-described embodiments, and appropriate modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、上例ではインタフェースユニットをABS樹脂を3Dプリンタで造形したものとして説明したが、比較的重量のある物体を持ち上げるなどを考慮し、より剛性の高い素材を用いることも可能であり、成形方法についても適宜のものを採用できる。また、指部材に採用されているばねについても、トーションばねに限られることなく適宜の部材を採用可能であり、そのばね定数についても適切に選定することができる。さらに、皮膚形状の変化を検出するために、上述した実施形態においては光距離センサを用いたが、超音波センサを用いてセンサ・皮膚間距離を検出することもできるし、また距離を測定するものだけでなく、スリット光を走査することで表面形状の変化自体を検出する構成が採用されてもよい。加えて、上述した実施形態においては、把持機能部を開閉するための駆動源としてリニアモータを用いた構成について説明したが、ソレノイドなどの直線運動機構や、回転式モータとカムとを組み合わせた機構などを用いることも可能である。しかしながら、作業性と操作性とを両立しつつ、軽量且つ低廉にしてしかも安定性に優れた電動把持装置および該装置用ハンドユニットを提供する上では、上述した実施形態で採用した構成要素を用いることが好ましいと言い得る。 For example, in the above example, the interface unit has been described as a 3D printer made of ABS resin, but it is also possible to use a material with higher rigidity in consideration of lifting a relatively heavy object. Appropriate ones can be adopted for. Moreover, about the spring employ | adopted as a finger member, an appropriate member is employable, without being restricted to a torsion spring, The spring constant can also be selected appropriately. Furthermore, in order to detect a change in skin shape, the optical distance sensor is used in the above-described embodiment. However, the distance between the sensor and the skin can be detected using an ultrasonic sensor, and the distance is measured. Not only a thing but the structure which detects the change of surface shape itself by scanning slit light may be employ | adopted. In addition, in the above-described embodiment, the configuration using a linear motor as a drive source for opening and closing the gripping function unit has been described. However, a linear motion mechanism such as a solenoid, or a mechanism in which a rotary motor and a cam are combined. Etc. can also be used. However, in order to provide an electric gripping apparatus and a hand unit for the apparatus that are lightweight, inexpensive and excellent in stability while achieving both workability and operability, the components employed in the above-described embodiments are used. May be preferred.
100、100’ インタフェースユニット
121I、121O、131I、131O インタフェースユニットの切り欠き部
123R、123U インタフェースユニットの基端側部分
133R、133U、133R’、133U’ インタフェースユニットの末端側部分
200 ハンドユニット
300 把持機能部
310、311、312、313 指部材
321 指部材の先端側延在部
323 指部材の基端側延在部
327 トーションばね
400 駆動部
401 リニアモータ
403 可動子(ロッド)
411 開閉駆動部材
413 規制溝
450 制御部
470 光距離センサ
472 スペーサ
480 操作・表示部
500 支持ユニット
541 回動軸
100, 100 'interface unit 121I, 121O, 131I, 131O Notch portion of
411 Opening /
Claims (5)
前記前腕上部の筋肉の収縮および弛緩に伴って現れる皮膚表面の変化を非接触で検出するセンサと、
当該検出された皮膚表面の変化に応じ、先端部が互いに接触する閉状態と放射状に開いた開状態とを取ることが可能な複数の指部材、および、通電によって駆動される駆動源の駆動に応じ、前記複数の指部材を前記開状態および前記閉状態となるように変位させる開閉機構を有するハンドユニットと、
開放部を介して対向し、前記前腕上部を受容するための一対の基端側部分、開放部を介して対向し、前記ハンドユニットを支持するための一対の末端側部分、および、基端側の位置から末端側に向けて連続した開放部を有するインタフェースユニットと、
を具え、
前記一対の末端側部分は、前記一対の基端側部分に対し、装着対象となる前腕の回内方向に所定角度シフトした位置関係をもって形成されていることを特徴とする電動把持装置。 An electric gripping device that can be mounted on the upper forearm,
A non-contact sensor that detects changes in the skin surface that appear as the upper forearm muscle contracts and relaxes;
According to the detected skin surface change, a plurality of finger members capable of taking a closed state in which the tips contact each other and an open state in which the tips are radially open, and a drive source driven by energization are driven. In response, a hand unit having an opening and closing mechanism for displacing the plurality of finger members so as to be in the open state and the closed state;
A pair of proximal end portions for receiving the upper portion of the forearm, facing each other through the opening portion, a pair of distal end portions for supporting the hand unit, facing each other through the opening portion, and the proximal end side An interface unit having an open part continuous from the position to the distal side,
The ingredients example,
The pair of distal side portions is formed with a positional relationship shifted with respect to the pair of proximal side portions by a predetermined angle in the pronation direction of the forearm to be attached .
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