JPH10232601A - 顎運動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 顎モデルの状態が見やすく、観察、保守点
検、調整作業を容易とし、また、アクチュエータ及び全
体フレームと分離結合可能とする。アクチュエータを各
筋モデルに対して同一構成とし全体フレームに集中搭載
して、配置や個数等の変更が容易で、小型、安価とす
る。 【解決手段】 顎モデル部１０は、顎関節部１３によ
り、下顎部１２が上顎部１１対して、開閉口、前後及び
左右移動、すりつぶし運動等の多種の運動が可能であ
る。顎モデル部１０及び結合部２０と収容部６０とは別
体として分離できる。運動伝達部３０は、９本の筋に相
当するワイヤ３１−１〜５等により、生体の筋束を模擬
し、下顎部１２の運動を伝達する。駆動部５０は、非線
形粘弾性特性を有する弾性部４０を介して、運動ワイヤ
３１−１〜５を駆動する。収容部６０には、各筋に対し
て設けられた弾性部４０及び駆動部５０が積載される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、顎運動装置に係
り、特に、顎部の開閉運動、前後左右運動又はこれらの
組合せ運動等の顎運動を行う顎運動ロボットに関する。
本発明の顎運動装置は、例えば、生態を模擬した冗長自
由度を持つ筋・骨格系についての咀嚼運動等の運動解
析、運動再現の研究開発、運動トレーニング、運動補助
等に適用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、人の顎運動の再現を目的として、
いくつかの実験装置の開発が報告されている（例えば、
T.Messerman," A means for studying mandibular move
ments",J. Pros. Dent, Janurary, 1967, Volume 17, N
umber 1 、C. H. Gibbs, etal."Functional movements
of the mandible" J. Pros. Dent. Vol.26. No.6.Dec.
1971,等参照）。これは、人の顎運動の位置及び姿勢デ
ータを電気的信号として記録し、それを６自由度のサー
ボモータによって再現する装置である。この装置では、
アクチュエータの配置及び駆動方法は、顎モデルの運動
について着目しているため、生態の筋・骨格系とは全く
異なっている。

【０００３】また、従来から、様々な顎モデルの咬合状
態を研究する咬合器が使われている。これは、顎運動を
口腔外において再現するものであるが、その操作は手動
で行なわれ、自動制御されるものはない。

【０００４】さらに、顎関節部に作用する力を推定する
ことを目的とした顎関節負荷モデル、ロボット化したシ
ミュレータを目標とする自律顎運動ロボット、また、線
形計画法を利用した顎関節力の軽減を目的とした咀嚼ロ
ボット等が報告されている（例えば、D.C.Hather et a
l."Development of mechanical and mathematic models
to study temporomandibular joint loading" J.Prost
hetic Dent.Vol55,No.3,1986 、青木他「自律顎運動ロ
ボットの顎体と咬合力センサの試作」、信学技報MBE93-
75,1993 、高西、高信、加藤「咀嚼ロボットの開発」日
本咀嚼学会雑誌ｖｏｌ．２、Ｎｏ．１（１９９２）Ｐ
Ｐ．７１−７７等参照）。

【０００５】また、従来、顎運動の測定装置としては、
上顎と下顎にフレームを固定し、６個乃至８個の変位及
び角度を検出するセンサにより額運動を測定していた。
そして、上顎が固定された額運動ロボットにおいても上
顎と下顎の両方にフレームを取り付ける必要があり、装
着が難しかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来におい
ては、実際の生体を模擬した顎運動装置は、装置規模、
動作性能、汎用性、操作性及び外観等において、実用に
乏しいものであった。そこで、本発明においては、以下
のような課題を解決する実用的な顎運動装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】本発明では、顎モデルとアクチュエータと
を分離して、筋の両付着点を結ぶ直線上からアイドルプ
ーリ等を採用して駆動部に導くようにすることにより、
顎モデルの状態が見やすく、観察、保守点検、調整作業
が容易とすることを目的とする。

【０００８】また、本発明において、顎モデルは、結合
部によりアクチュエータ及び全体フレームと分離結合可
能とし、顎モデルの比較実験、観察等のために交換を簡
単とし、また、顎モデルを、小形化及び軽量化すること
を目的とする。

【０００９】また、本発明においては、アクチュエータ
を、各筋モデル部に対して同一構成とすることにより、
安価とし、小形化、軽量化することを目的とする。ま
た、アクチュエータをフレームにビルディングブロック
形式で集中搭載することにより、模擬筋束（筋モデル
部）の配置や個数等の変更が容易とし、さらに、アクチ
ュエータの保守点検、追加削除等が容易とすることを目
的とする。

【００１０】本発明においては、アイドルプーリは、顎
モデルと一体の連結フレームに取りつけることにより、
顎モデルを調整された一体のものとして扱い、顎モデル
の交換後の調整を容易とすることを目的とする。

【００１１】さらに、本発明においては、非線形粘弾性
部を、アクチュエータの直線移動部に受動的に滑動可能
な状態で取りつけることにより、生体の筋束を適切に模
擬し、安定した動作とし、さらに運動を観察・解析する
場合の障害とならないようにすることを目的とする。

【００１２】また、本発明の顎運動装置を、顎運動トレ
ーニング又は顎運動測定装置との関連動作に適用するこ
と等、様々な応用を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の解決手段
によると、上顎部、下顎部、顎関節部、及び取付け及び
取外し可能な支持部を有する顎モデル手段と、生体の下
顎を運動させるための複数の筋束をそれぞれ模擬し、前
記顎モデル手段の前記下顎部を運動させる筋モデル部
と、分離結合部とをそれぞれ有する複数の運動伝達手段
と、各々の前記運動伝達手段が前記分離結合部により分
離可能に取り付けられ、前記筋モデル部を非線形粘弾性
特性に従いそれぞれ駆動する複数の駆動手段と、前記顎
モデル手段が前記支持部により分離可能に取り付けら
れ、前記駆動手段を収容する収容手段と、複数の前記駆
動手段を制御する制御手段とを備えた顎運動装置を提供
する。

【００１４】また、本発明の第２の解決手段によると、
一端を前記上顎部及び前記下顎部に固定し、他端をトレ
ーニング者の上顎及び下顎に固定することにより、前記
顎モデル手段の運動を前記トレーニング者に伝達するイ
ンタフェース手段をさらに備えたことを特徴とする。

【００１５】さらに、本発明の第３の解決手段による
と、前記顎モデル手段又は被測定者の顎運動を検出する
ために前記上顎部又は前記下顎部又はこれら近傍に検出
点が固定され、複数方向に対して前記検出点の位置移動
量をそれぞれ検出する複数の検出部と、複数の前記検出
部の検出結果を演算して、２次元又は３次元的な顎運動
及び／又は顎位置を演算する演算部とを含む顎運動セン
サをさらに備えたことを特徴とする。

【００１６】また、前記運動伝達手段は、左右一対の咬
筋、側頭筋、外側翼突筋、及び／又は、ひとつの開口筋
をそれぞれ模擬して、これら筋の付着点間で弛緩又は収
縮動作を行う咬筋モデル部、側頭筋モデル部、外側翼突
筋モデル部、及び／又は、開口筋モデル部を備えたこと
を特徴とする。

【００１７】さらに、前記運動伝達手段は、プーリ及び
ワイヤ、蛇管、ピストン及びシリンダ、又はロットによ
り構成され、前記結合手段に略垂直に設けられた複数の
軸を備え、それぞれの前記軸の先端両側に前記固定端を
設けるようにしたこと特徴とする。

【００１８】また、前記駆動手段は、前記制御装置の命
令により横方向に移動するリニア駆動部を備え、前記リ
ニア駆動部により前記弾性手段の一端を移動させること
により、前記運動伝達手段に移動運動を伝達することを
特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下順に、１．顎運動ロボットの
ハードウェア構成、２．各種センサ、３．駆動制御系の
構成、４．顎運動ロボットの制御ソフトウェア、５．顎
運動ロボットの応用例、について詳細に説明する。 １．顎運動ロボットのハードウェア構成 図１に、本発明による顎運動ロボットの側面構成図を示
す。また、図２に、本発明による顎運動ロボットの上面
構成図を示す。本発明の顎運動ロボットは、顎モデル部
１０、結合部２０、運動伝達部３０、弾性部４０、駆動
部５０、収容部６０、制御部７０等を含む。

【００２０】顎モデル部１０は、上顎部１１、下顎部１
２、顎関節部１３、頭蓋骨１４を備える。顎関節部１３
により、下顎部１２が上顎部１１対して、開口、前後及
び左右移動、すりつぶし運動等の多種の運動が可能なよ
うに構成されている。頭蓋骨１４は、ここでは、頭蓋骨
上部と下部とが分割式になっている形状のモデルの例を
示しているが、外観形状はどのようなものでもよいし、
また、具備されていなくても良い。

【００２１】ここで、図３に、顎関節部１３の構成図の
一例を示す。このような顎関節機構では、下顎の回転中
心に回転中心軸１３５があり、そこに作業側球１３８及
び平衡側球１３９が回転できるように貫通して取り付け
られている。作業側球１３８は、回転のみ可能で軸方向
は拘束されており、一方、平衡側球１３９は、回転及び
軸方向の移動の両方が可能であるように構成される。

【００２２】下顎部１２が開閉口動作をする場合は、作
業側球１３８及び平衡側球１３９が回転中心軸１３５に
対して回転する。前後方向（Ｘ方向）に併進する場合
は、２つの球１３８及び１３９が、回転しながら作業側
軸受１３６及び平衡側軸受１３７の溝をそれぞれ移動す
る。

【００２３】また、切歯（下顎部１２先端部の前歯）点
が左右に動く動作をする場合は、上下軸（Ｚ軸）回りの
回転運動となる。

【００２４】また、左右方向（Ｙ方向）の回転を伴わな
い併進方向の力が発生した場合は、作業側球１３８が回
転中心軸１３５に対して拘束されているため、動くこと
はなく、作業側軸受１３６で支持される。開口筋以外の
筋に対応するワイヤ３１−１〜４は下顎部１２を上へ引
き上げる方向に張力を発生させるため、軸受にも下方か
ら力がかかる。その反力を受けるために、軸受１３６及
び１３７は、図示のように、溝を下向きにした形で上顎
側のフレームに固定されている。

【００２５】このような顎関節機構によって、下顎１２
は開閉運動の他に前後方向の併進、左右方向の回転（上
下方向を中心とした回転）等の様々な運動を行うことが
できる。

【００２６】つぎに、結合部２０は、顎モデルフレーム
２１、取付部材２２及び軸２３−１〜４を含む。顎モデ
ルフレーム２１の一端は、頭蓋骨１４及び上顎部１１に
固定され、頭蓋骨１４の後方に延びている。また、顎モ
デル部１０は、顎モデルフレーム２１及び取付部材２２
により、収容部６０の全体フレーム６１に取りつけられ
る。このような取付けに用いられる取付部材２２は、例
えば、容易に取外し及び結合可能なように、ネジ、ボル
ト、フック、溝等の周知の手段を備える。また、顎モデ
ルフレーム２１には、４本の軸２３−１〜４が各々垂直
に設けられている。なお、これら軸は、必ずしも垂直に
設けられていなくてもよい。

【００２７】収容部６０は、本体フレーム６１、基板６
２、支持体６３等を備え、駆動部５０を、例えば、ビル
ディングブロック形式に搭載する。収容部６０には、搭
載可能な駆動部５０の個数は適宜可変とできるように十
分な棚が設けられている。さらに、各駆動部５０毎に、
アイドルプーリ６４及び位置調整部６５が設けられ、駆
動引っ張り方向を、上下左右に調整できる。また、アイ
ドルプーリ６４は、ひとつの駆動部５０に対して複数設
けて、上側又は下側のいずれからでも引っ張ることがで
きるようにしたり、角度を変えて構成しても良い。

【００２８】制御部７０は、ＣＰＵ部７１、伝送部７２
及び入出力部７３等を備える。入出力部７３の操作又は
ＣＰＵ部７１の自動制御により、各駆動部５０に所定の
駆動命令等を伝送して顎運動ロボットの動作を制御す
る。

【００２９】つぎに、本発明に係る顎運動ロボットにお
ける、運動伝達部３０、弾性部４０及び駆動部５０に係
る構成を詳細に説明する。運動伝達部３０は、生体を模
擬した複数の各筋モデル部を含む。また、各筋モデル部
の弛緩又は収縮動作を行うアクチュエータが、主に弾性
部４０及び駆動部５０により構成される。

【００３０】運動伝達部３０は、ワイヤ３１−１〜５、
張力センサ３２、連結部材３３、移動端３４−１〜５、
固定端３５−１〜５等を備える。ワイヤ３１−１〜５
は、顎モデル部１０とアクチュエータ（弾性部４０及び
駆動部５０等）とを接続するものであり、ミニチュアワ
イヤー等で構成される。各ワイヤ３１−１〜５には、分
離及び結合できるように、途中に連結部材３３が設けら
れ、また、必要に応じて、ワイヤの途中には張力センサ
３２が取りつけられる。張力センサ３２は、駆動部４０
側又は顎モデル部１０側の適宜の場所に備えることがで
きる。

【００３１】また、ワイヤ３１−１〜５には、一端が下
顎部１２に結合されて移動端３４−１〜５を構成し、そ
の張力方向を調節するための固定端３５−１〜５が設け
られている。移動端３４−１〜５は、下顎部１２の生体
を模擬した適宜の位置に接続される。固定端は、結合部
２０の軸２３−１〜４のそれぞれの先端に、１対のアイ
ドルプーリ３５−１〜４が設けることにより構成され
る。また、収容部６０の基板６２にもアイドルプーリ３
５−５が設けられている。各アイドルプーリ３５−１〜
５は、ワイヤ３１−１〜５の張力方向を考慮して、垂直
及び／又は平面方向に適宜角度をつけて取り付けられて
いる。

【００３２】本発明の顎運動ロボットにおいては、９本
の筋に相当するワイヤ３１−１〜５により、下顎の位置
及び運動等を制御している。すなわち、咬筋に相当する
一対のワイヤ３１−１、側頭筋前部筋束に相当する左右
一対のワイヤ３１−２、側頭筋後部筋束に相当する左右
一対のワイヤ３１−３、外側翼突筋に相当する左右一対
のワイヤ３１−４と、開口筋（開口筋群）に相当する一
本のワイヤ３１−５という、合計９本のワイヤが筋束を
模擬する手段である。主に、各ワイヤ３１−１〜５の移
動端３４−１〜５と固定端３５−１〜５の間が、各筋モ
デル部に相当し、弛緩又は収縮動作を行う。

【００３３】これらの中で、歯列にかかる咬合力の位置
（切歯側、臼歯側等）を制御しない場合には側頭筋前部
筋束ワイヤ３１−２と側頭筋後部筋束ワイヤ３１−３を
まとめることは可能である。また、顎の前後、左右の動
きを省略すれば、外側翼突筋ワイヤ３１−４を省くこと
も可能である。また、開口時の動作あるいは顎運動の剛
性に注目しなければ、開口筋ワイヤ３１−５に対するア
クチュエータを省略して、バネによる張力で置きかえる
ことも可能である。その他、必要に応じて、所望のワイ
ヤを適宜付加又は省略することができる。

【００３４】また、ここでは、移動端３４−１〜５及び
固定端３５−１〜５による筋肉を模擬した構成は、ワイ
ヤとアイドルプーリにより構成されているが、この他に
も、油圧、空圧、水圧等のピストン及びシリンダによる
構成、蛇管又はロットによる構成、又はリニアモータに
よる構成等に適宜置換することができる。アイドルプー
リによる構成では、顎モデル部１０の外側に固定端が突
出してしまうが、これらの構成を採用することにより、
外側に突出しなくでも所定方向に張力を加えることが可
能である。

【００３５】このように、下顎部１２は、ワイヤ３１−
１〜５により顎モデル部１０の後方に設けられたアクチ
ュエータユニットに接続されており、上顎部１２との間
で、回転、併進等の多種の運動が可能となる。

【００３６】つぎに、図４に、弾性部４０の説明図を示
す。図４（ａ）に示すように、弾性部４０は、各ワイヤ
３１毎に設けられ、非線形特性及び粘弾性特性を備え
る。これにより、生体の筋肉収縮を模擬することができ
る。

【００３７】弾性部４０の、非線形粘弾性機構は、粘性
抵抗トルクを発生するダンパ４３と、ねじりコイルバネ
４２と駆動回転軸４５を回転中心として回転する１対の
レバー４１等で構成される。また、１対のレバー４１
は、回動可能なヒンジで一端が連結され駆動回転軸４５
を構成し、他端にはワイヤ３１が取りつけられている。
レバー４１は、ねじりコイルバネ４２で一定の角度に広
げられている。

【００３８】図４（ｂ）に、伸び方向変位に対する張力
の関係を示す特性図を示す。このような非線形粘弾性機
構において、ワイヤ３１と駆動回転軸４５との間を引き
伸す方向に張力がかかると、伸びれば伸びるほどレバー
間の角度θが小さくなり、張力が大きく（剛性が高く）
なる。この例では、角度θが約１８０°のときバネ効果
最大となり、角度θがほぼ０になるとバネとしての作用
がなくなる（バネ効果なし）。

【００３９】このように、１対のレバー４１はダンパー
４３で結合され、バネと下顎によって形成されるバネ・
質点系の振動を防ぎ、より生体に近い特性を得る。な
お、実際のロボットにおいては、ダンパーはレバー間の
回転角速度に比例して減衰力を発生するロータリーダン
パーを使用すると良い。また、コイルバネ４２又はダン
パ４３のいずれか一方のみを備えることにより、非線形
特性又は粘弾性特性のいずれか一方を具備するようにし
ても良い。

【００４０】つぎに、図５に、アクチュエータの機構構
成図を示す。ここで、顎モデル部１０からのワイヤ３１
は、連結部３３及び張力センサ３２が取りつけられ、本
体フレーム側のアイドルプーリ６４を介して弾性部４０
に接続される。弾性部４０のダンパ４３の具体的部材と
しては、ここではロータリーダンパを採用している。弾
性部４０の駆動軸４５は、さらに駆動部５０に接続され
る。また、駆動部５０は、複数個が収容部６０の全体フ
レーム６１の上に並べられている。以下の例では９個の
駆動部５０により、９本のワイヤ３１−１〜５を駆動す
ることにより、顎モデル部１０を運動制御する構成とし
ているが、ワイヤ数を減らすこと、又はアクチュエータ
の代りにバネ等で張力をかけておくことも可能である。

【００４１】図５（ａ）において、駆動部５０は、リニ
ア運動機構を実現し、サーボモータ５１により直線的に
駆動される。すなわち、駆動部５０では、制御用計算機
の指令によってサーボモータ５１が位置制御で駆動さ
れ、減速機５２を介してタイミングベルトプーリ５３が
回転され、タイミングベルト５４に固定された非線形粘
弾性特性を有する弾性部４０を直線的に駆動する。リニ
ア運動機構としては、タイミングベルト５４に固定され
たリニアブシュ５５が、リニアシャフト５６によってガ
イドされ、ワイヤ３１の張力によって発生するモーメン
トが支持されている。図５（ｂ）に、駆動機構の他の構
成図を示す。図５（ｂ）において、非線形粘弾性部４０
は図５（ａ）と同様であるが、リニア機構部としては、
非線形粘弾性部４０の取り付け板である基板部５７、ネ
ジ部５８及びシャフト部５９等により構成したものであ
る。

【００４２】２．各種センサ 図６に、張力センサ及び歯根咬合力センサの構成図の一
例を示す。まず、図６（ａ）に、各ワイヤーに取りつけ
られた張力センサ３２の構成図の一例を示す。張力セン
サ３２は、ワイヤ３１に設けられたもので、張力によっ
て曲げ歪を発生させる金属板６１と、その金属板６１に
貼られた歪ゲージ６２を備えることにより、ワイヤ３１
の張力を測定するものである。

【００４３】また、図６（ｂ）に、歯にかかる咬合力を
測定する歯根咬合力センサの断面図の一例を示す。歯根
咬合力センサは、例えば、上顎部１１又は下顎部１２の
歯根位置に適宜設けることができる。このセンサは、小
型の圧力センサ６８を使用して、これを顎モデル部１０
の上顎部１１又は下顎部１２の骨にあたる部分６６に、
例えば、圧力を検出する部位を上にして固定する。ここ
に硬化すると接着作用のある硬度の低いゴム状材料６７
等を充填して、歯のモデル６５を、これらセンサ６８及
びゴム状材料６７に合わせて、上顎部１１又は下顎部１
２の骨の部分４６の外部に適当な高さに突出するように
加工・接着する。また、歯ぐきと同様の形状をしている
接着作用のないゴム状材料を充填することにより、入れ
歯・差し歯等の挿入及び抜出を可能とすることができ
る。

【００４４】このようにして、歯に加わった力は、微小
な変異は粘性に近い挙動をする低硬度のゴム６７によっ
て圧力センサ６８に伝えられ、圧力として検出すること
ができる。

【００４５】つぎに、図７に、顎関節１３にかかる力を
測定するための顎関節力センサの構成図を示す。これ
は、図３に示した顎関節の構成図において、軸受１３６
又は１３７自体がセンサとなっているものである。

【００４６】図７（ａ）は、作業側軸受１３６にセンサ
を設けたものである。作業側軸受１３６では、顎による
Ｚ方向の咬合力と、回転軸の軸方向に拘束された球のＹ
方向の力を検出する構造となっている。

【００４７】Ｚ方向の外力は取付金具７４と軸受金具７
０によってはさまれた歪発生板７１が外力で曲げられる
ことによって、歪発生板７１に貼られた歪ゲージ７３が
歪を検出するものである。歪発生板７１は中央部を取付
金具７４によって支えられ、両端を軸受金具７０によっ
て押さえられるので、曲げ歪が発生する。また、Ｙ方向
の外力は、軸受金具７０を歪が発生し易い形状にし、歪
ゲージ７５を貼ることによって測定する。

【００４８】図７（ｂ）は、平衡側軸受１３７にセンサ
を設けたものである。平衡側では、Ｚ方向のみの測定の
ため、作業側軸受１３６からＹ方向の力測定部の構成部
を除いた形状であり、軸受金具７６の形状が図示のよう
になっている。Ｚ方向の外力は、歪み発生板７７に貼ら
れた歪ゲージ７８で測定する。

【００４９】３．駆動制御系の構成 図８に、本発明の顎運動ロボットの駆動制御系の構成図
を示す。アクチュエータ回路８０１−１〜ｎは、駆動部
５０に対応し、顎モデル部１０を制御するための各模擬
筋モデル数に対応した所定個数（ｎ個）設けられる。な
お、予備として多めに設けておいても良い。制御部７０
の制御用コンピュータ８０５は、所望のアクチュエータ
回路８０１−１〜ｎに対して、インタフェース部８０４
を介して命令を送信する。各アクチュエータ回路８０１
−１〜ｎは、自己の命令の場合、インタフェース回路８
１５を介してその命令を受信し、サーボドライバ８１１
によりサーボモータ８１２を制御する。エンコーダ８１
３は、その各筋モデル又はアクチュエータ等の位置（角
度）等を検出してコード化し、サーボドライバ８１１に
出力する。サーボドライバ８１１及びカウンタ８１４、
インタフェース回路８１５を介して位置（角度）等の検
出データを制御部７０にフィードバックする。制御部７
０では、インタフェース部８０４を介して制御用コンピ
ュータ８０５でその検出データを受信する。

【００５０】また、各ワイヤーに設けられている張力セ
ンサ８０２−１〜ｎの値も、インタフェース部８０４を
介して制御用コンピュータ８０５に伝送される。また、
検出部８０３は、関節力センサ８３１、歯根咬合力セン
サ８３２等の各種センサを含み、これらの検出値はイン
タフェース部８０４を介して制御用コンピュータ８０５
に伝送される。さらに、操作スイッチ８０６は、コンピ
ュータプログラムの制御のためのキーボード、マウス等
の他に、手元のスイッチによる操作を行なうための入力
機能等を備えている。操作スイッチ８０６による操作命
令等もインタフェース部８０４を介して制御用コンピュ
ータ８０５に伝送される。

【００５１】このような制御系の構成により、制御用コ
ンピュータ８０５は、各アクチュエータ回路８０１−１
〜ｎのサーボドライバ８１１の出力、張力センサ８０２
−１〜ｎ、検出部８０３の出力、及び操作スイッチ８０
６の操作出力等の値により、適宜アクチュエータ回路８
０１−１〜ｎのサーボモータ８１２等を制御する。

【００５２】４．顎運動ロボットの制御ソフトウェア つぎに、本発明の顎運動ロボットの制御動作について述
べる。以下の説明において、図１又は図２に示した構成
との関係については、咬筋アクチュエータはワイヤ３１
−１、弾性部４０−１及び駆動部５０−１等に係る構成
に対応し、それぞれの構成が左右一対設けられている。
同様に、側頭筋前部筋束アクチュエータ、側頭筋後部筋
束アクチュエータ及び外側翼突筋アクチュエータは、そ
れぞれ、添え字「−２」、「−３」及「−４」の各ワイ
ヤ３１、弾性部４０及び駆動部５０等に係る構成に対応
し、それぞれの構成が左右一対設けられている。また、
開口筋アクチュエータは、ワイヤ３１−５、弾性部４０
−５及び駆動部５０−５等に係る構成に対応し、ひとつ
設けられている。

【００５３】側頭筋前部筋束アクチュエータ及び咬筋ア
クチュエータは、下顎部１２を前方外側上方向に張力が
作用するように配置される。一方、開口筋アクチュエー
タは、下顎部１２を後方下方向に張力が作用するように
配置される。

【００５４】また、図９に、下顎部と各アクチュエータ
に関する動作の説明図を示す。咬筋アクチュエータ９５
Ｌ，９５Ｒ及び側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，
９４Ｒ及び側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ、９１
Ｒ及び外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌ、９２Ｒは、下
顎部１２の所定箇所に対して、左右にそれぞれ一対設け
られる。また、開口筋アクチュエータ９６は、下顎部１
２の所定箇所に一個設けられる。側頭筋後部筋束アクチ
ュエータ９１Ｌ、９１Ｒは、下顎部１２を後方上方向に
張力が働くようになっており、一方、外側翼突筋アクチ
ュエータ９２Ｌ、９２Ｒは、下顎部１２の前方内側下方
向に張力が働くようになっている。

【００５５】これら各アクチュエータの張力の組合せに
より、下顎部１２の左右、上下及び前後運動等が実行さ
れる。また、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと側頭
筋前部筋束アクチュータ９４Ｌ，９４Ｒは、下顎部１２
を回転中心軸９３を中心に上方へ引き上げる方向に張力
が働くようになっており、一方、開口筋アクチュエータ
９６は、その反対に下顎部１２を下方へ引き下げる方向
に張力が働くようになっている。これらの各アクチュエ
ータの張力の組合せにより、下顎部１２は開閉口運動、
前後移動運動、左右への運動等や、これらの組合せ運動
など様々な運動を実現することが出来る。 （１）基本的な顎運動の制御動作 顎運動ロボットの顎部分の運動は、主に、３つの基本運
動を含む。すなわち、１）開閉口運動、２）前後移動運
動、３）左右へのすりつぶし運動から構成される。ま
た、これら３つの基本運動を適宜組み合わせることによ
り、任意の顎運動を行うことができる。以下、図９を参
照して、各基本運動の詳細を述べる。 １）開閉口運動 顎運動ロボットによる開閉口運動は、主に咬筋アクチュ
エータ９５Ｌ，９５Ｒと開口筋アクチュエータ９６との
拮抗駆動により実行される。すなわち、開口時は、咬筋
アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒを弛緩させ、開口筋アク
チュエータ９６を収縮させる。一方、閉口時は、逆に、
咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒを収縮させ、開口筋
アクチュエータ９６を弛緩させる。ここで、咬筋アクチ
ュエータ９５Ｌ，９５Ｒと同期・連動して、側頭筋前部
筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒを収縮・弛緩するこ
ともできる。

【００５６】図１０に、開閉口運動の基本的なフローチ
ャートを示す。まず、プログラムがスタートされると、
目標開口角を生成する（Ｓ００１）。次に、この目標開
口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ及び
開口筋アクチュエータ９６の目標位置を算出する（Ｓ０
０３）。算出された値に基づいて、咬筋アクチュエータ
９５Ｌ，９５Ｒの位置制御及び開口筋アクチュエータ９
６の位置制御・力制御を行う（Ｓ００５、Ｓ００７）。
この際、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒと連動し
て、側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒの目
標算出及び位置制御・力制御を行うこともできる。これ
ら複数のアクチュエータの制御、又は、目標値の算出と
制御とは、同時に実行するようにしても良い。これら制
御を目標位置になるまで繰り返し、目標位置に達したら
（Ｓ００９）、終了する。 ２）前後移動運動 顎運動ロボットによる前後移動運動は、主に、左右の側
頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌ，９１Ｒと外側翼突
筋アクチュエータ９２Ｌ，９２Ｒとの拮抗駆動により実
行される。すなわち、前方向移動時は、側頭筋後部筋束
アクチュエータ９１Ｌ，９１Ｒを弛緩させ、外側翼突筋
アクチュエータ９２Ｌ，９２Ｒを収縮させる。一方、後
方向移動時は、逆に、側頭筋後部筋束アクチュエータ９
１Ｌ，９１Ｒを収縮させ、外側翼突筋アクチュエータ９
２Ｌ，９２Ｒを弛緩させる。図１１に、前後移動運動の
基本的なフローチャートを示す。まず、プログラムがス
タートされると、目標前後位置を生成する（Ｓ１０
１）。次に、この目標前後位置に応じて、側頭筋後部筋
束アクチュエータ及び外側翼突筋アクチュエータの目標
位置を算出する（Ｓ１０３）。算出された値に基づい
て、これらアクチュエータの位置制御を行う（Ｓ１０
５、Ｓ１０７）。これら複数のアクチュエータの制御又
は、目標値の算出と制御とは、同時に実行するようにし
ても良い。目標位置になるまで動作を繰り返し、目標位
置に達したら（Ｓ１０９）、終了する。 ３）左右へのすりつぶし運動 すりつぶし運動は、前後移動運動時の左右のアクチュエ
ータの位相をずらすことにより実行する。すなわち、左
方向へのすりつぶし運動時は、左側の側頭筋後部筋束ア
クチュエータ９１Ｌを収縮させ、左側の外側翼突筋アク
チュエータ９２Ｌを弛緩させると同時に、右側の側頭筋
後部筋束アクチュエータ９１Ｒを弛緩させ、右側の外側
翼突筋アクチュエータ９２Ｒを収縮させることにより行
う。一方、右方向へのすりつぶし運動時は、逆に、右側
の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｒを収縮させ、右
側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｒを弛緩させると同
時に、左側の側頭筋後部筋束アクチュエータ９１Ｌを弛
緩させ、左側の外側翼突筋アクチュエータ９２Ｌを収縮
させることにより行う。

【００５７】（２）反射運動 咀嚼運動における反射は、開口反射と脱負荷反射とがあ
る。顎運動ロボットにおけるこれらの各反射運動は以下
のようになる。 １）開口反射運動 開口反射とは、例えば、閉口運動中に異常に堅い食物を
噛みしめた場合、閉口運動を中止して開口動作に移行す
る反射運動である。顎運動ロボットでは、咬合力センサ
の出力が、予め設定された閾値を超えた場合、このよう
な開口反射運動を実行する。 ２）脱負荷反射運動 脱負荷反射運動とは、例えば、煎餅などを噛むときに、
閉口運動中に食物が突然破砕することにより急激な閉口
運動が生じた場合、閉口運動を中止する反射運動であ
る。また、その後開口動作に移行することもできる。顎
運動ロボットでは、アクチュエータの角速度センサの出
力が、予め設定された閾値を超えた場合、このような脱
負荷反射運動を実行する。

【００５８】図１２に、反射運動の動作フローチャート
を示す。まず、プログラムがスタートされると、目標開
口角を生成する（Ｓ２０１）。次に、生成された目標開
口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必
要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４
Ｌ，９４Ｒ）及び開口筋アクチュエータ９６の目標位置
を算出する（Ｓ２０５）。この際、顎運動剛性目標値を
設定することもできる。算出された値に基づいて、咬筋
アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じて、さらに
側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４Ｒ）の位置
制御及び開口筋アクチュエータ９６の位置制御・力制御
を行う（Ｓ２０７、Ｓ２０９）。なお、これらアクチュ
エータの制御、又は、目標値の算出と制御とは、同時に
実行するようにしても良い。

【００５９】次に閉口運動中か否かが判断され（Ｓ２１
１）、該当しないときは、ステップＳ２０１に戻る。一
方、閉口運動中である場合、咬合力センサ出力値と、予
め設定された設定値とを比較する（Ｓ２１３）。咬合力
センサ出力値が設定値以上の場合、開口反射運動と判断
される。一方、咬合力センサ出力値が設定値より小さい
場合、さらに、咬筋アクチュエータ速度を他の予め設定
された設定値と比較する（Ｓ２１５）。咬筋アクチュエ
ータ速度が設定値以上であれば、脱負荷反射運動と判断
される。なお、側頭筋前部筋束アクチュエータ速度に基
づいて、又は、両アクチュエータ速度に基づいて、脱負
荷反射運動を判定することも可能である。閉口運動でな
い場合、または反射運動と判断されない場合、目標値に
なるまでステップＳ２０１に戻り所定の動作を繰り返す
（Ｓ２２５）。

【００６０】ここで、開口反射運動の場合は、まず、目
標開口角が生成される（Ｓ２１７）。次に、生成された
目標開口角に応じて、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５
Ｒ（必要に応じて、さらに側頭筋前部筋束アクチュエー
タ９４Ｌ，９４Ｒ）及び開口筋アクチュエータ９６の目
標位置を算出する（Ｓ２１９）。算出された値に基づい
て、咬筋アクチュエータ９５Ｌ，９５Ｒ（必要に応じ
て、さらに側頭筋前部筋束アクチュエータ９４Ｌ，９４
Ｒ）の位置制御及び開口筋アクチュエータ９６の制御を
行う（Ｓ２２１、Ｓ２２３）。なお、これら複数のアク
チュエータの制御、又は、目標値の算出と制御とは、同
時に実行するようにしても良い。

【００６１】一方、脱負荷反射運動の場合は、全てのア
クチュエータを停止又は弛緩する（Ｓ２２７）。さら
に、その後、前述したように開口運動を実行することも
できる。 （３）非線形アクチュエータを用いた顎剛性の調節 ワイヤにより拮抗駆動される額運動ロボットのアクチュ
エータは、非線形な特性を有する。そこで同じ下額の位
置と姿勢であっても、拮抗するアクチュエータの特性を
変化させることにより、顎の剛性を調節することができ
る。その際には、例えば、開閉口運動におけるステップ
Ｓ００３、前後運動におけるステップＳ１０３、又は反
射運動におけるステップＳ２０５又はＳ２１９等の目標
位置算出の際に、顎運動剛性目標値を設定することがで
きる。このほかにも適宜の動作フローにおいて設定する
ことができる。

【００６２】具体的には、剛性を小さくする場合は、図
４に示したような弾性部４０の非線形粘弾性機構を調整
する。図４（ａ）において、初期状態としてレバー４１
の開き角度を大きくすることにより、張力を小さくする
ことができる。一方、剛性を大きくする場合は、レバー
４１の開き角度を小さくすることにより、張力を大きく
することができる。これらの調整は、所望のアクチュエ
ータを適宜選択して、その弾性部４０、駆動部５０等の
設定位置を変更することにより可能である。例えば、下
顎部１２を所定方向に張力を加えるひとつ又は複数のア
クチュエータと、この所定方向と反対方向に張力を加え
るひとつ又は複数のアクチュエータとを適宜調整するこ
とにより、所望の剛性に調整することができる。

【００６３】５．顎運動ロボットの応用例 （１）顎運動トレーニング 図１３に、本発明を顎運動トレーニングに応用するため
の構成図を示す。下顎シャフト３０１及び上顎シャフト
３０２は、それぞれ、顎運動ロボット３１０とトレーニ
ング者３１１との対応する下顎及び上顎の適宜の箇所に
固定される。固定方法としては、セメント等の歯科治療
的な手段や、顎形状の支持等により、適宜実施しうる。
これら下顎及び上顎シャフト３０１及び３０２は、下顎
連結部３０３及び上顎連結部３０４により支持されてお
り、下顎連結部３０３と上顎連結部３０４は、軸３０５
の周りを回転可能である。下顎シャフト３０１は、下顎
連結部３０３とは回転可能であり、また、フランジ３０
６等が設けられることにより横方向の滑動はできないよ
うに構成される。上顎シャフト３０２は、上顎連結部３
０４とは回転可能であり、また、横方向の滑動可能であ
る。このような構造により、下顎シャフト３０１及び上
顎シャフト３０２は、平行を保ちながら、これらシャフ
トの両端で左右、上下、前後及び左右の軸回転等につい
て、同様の運動を行うことができる。

【００６４】以上のように、このようなインターフェー
ス機構部により、顎運動ロボット３１０と顎運動トレー
ニング者３１１とを連結すると、インターフェース機構
部は、顎運動ロボット３１０の開閉口運動、咀嚼運動等
をそのままトレーニング者３１１に連動することができ
る。これにより、各筋及び歯根等に無理な力を加えるこ
となく、適当な運動トレーニングを実行することができ
る。また、本発明は、歯科模型形の上顎部や下顎部に適
用することができる。入れ歯、差し歯を適宜挿入及び／
又は抜出可能なように構成することにより、運動特性解
析等に利用することができる。さらに、言語学的にも応
用が可能であり、例えば、発声時の運動動作等について
も、適宜プログラムを実行することにより再現すること
ができる。

【００６５】（２）顎運動測定装置 図１４に、顎運動測定装置の構成図を示す。検出装置４
０２は、３次元的に配置され、ワイヤ４０１等で顎運動
ロボット又は被測定者の顎の一部に固定される。固定方
法としては、例えば、歯科医療的なセメント、接着剤等
による固定方法を採用することができる。配置関係とし
ては、顎の移動度及び必要な解析度等を考慮して、所定
の角度を持たせるようにすればよい。検出装置４０２と
しては、例えば、ワイヤー引き出し式エンコーダ等が用
いられ、顎運動によりワイヤーの引き出し及び巻き取り
量を求めることができる。

【００６６】また、各々の検出装置４０２の検出出力
は、必要によりカウンタ４０３等により集計等の処理が
なされ、演算装置４０４で顎運動が解析される。必要に
応じて、中央制御装置へ伝送したり、表示装置４０５に
表示したりする。

【００６７】このような顎運動測定装置を被測定者に適
応して運動データを収集し、その運動データに基づいて
顎運動ロボットを動作させることにより、被測定者の運
動解析、治療への応用等が可能となる。なお、このよう
な顎運動測定装置は、顎運動ロボットと組合わせなくと
も、独立に測定装置として機能することもできる。

【００６８】

【発明の効果】以上のように本発明においては、顎モデ
ルとアクチュエータとを分離して、筋の両付着点を結ぶ
直線上からアイドルプーリ等を採用して駆動部に導くよ
うにしたため、顎モデルの状態が見やすく、観察、保守
点検、調整作業が容易となる。

【００６９】また、顎モデルは、結合部によりアクチュ
エータ及び全体フレームと分離結合可能であるため、顎
モデルの比較実験、観察等のために交換をすることが簡
単となり、また、顎モデルを、小形化及び軽量化するこ
とができる。

【００７０】また、アクチュエータを、各筋モデル部に
対して同一構成とすることができ、安価となり、小形
化、軽量化ができる。そして、アクチュエータをフレー
ムにビルディングブロック形式で集中搭載したため、模
擬筋モデル部の配置や個数等の変更が容易である。さら
に、アクチュエータの保守点検、追加削除等が容易とな
る。

【００７１】また、アイドルプーリは、顎モデルと一体
の顎モデルフレームに取りつけられているため、顎モデ
ルは調整された一体のものとして扱われるため、交換後
の調整はそれほど要しない。

【００７２】さらに、非線形粘弾性部は、アクチュエー
タの直線移動部に受動的に滑動可能な状態で取りつけら
れているため、生体の筋束を適切に模擬することがで
き、安定した動作となり、さらに運動を観察・解析する
場合の障害となることがない。

【００７３】本発明における顎運動トレーニング装置
は、ハードウェア構成が小さく、安価で、かつ装着が容
易であり、適切な顎運動トレーニングを実行することが
できる。

【００７４】本発明における顎運動測定装置は、ハード
ウェア構成が小さく、安価で、かつ、装着が容易で顎運
動が制限されにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による顎運動ロボットの側面構成図。

【図２】本発明による顎運動ロボットの上面構成図。

【図３】顎関節部１３の構成図の一例。

【図４】弾性部４０の説明図。

【図５】アクチュエータの機構構成図。

【図６】張力センサ及び歯根咬合力センサの構成図。

【図７】顎関節力センサの構成図。

【図８】本発明の顎運動ロボットの駆動制御系の構成
図。

【図９】下顎部と各アクチュエータに関する動作の説明
図。

【図１０】開閉口運動の基本的なフローチャート。

【図１１】前後移動運動の基本的なフローチャート。

【図１２】反射運動の動作フローチャート。

【図１３】本発明を顎運動トレーニングに応用するため
の構成図。

【図１４】顎運動測定装置の構成図。

【符号の説明】 １０ 顎モデル部 ２０ 結合部 ３０ 運動伝達部 ４０ 弾性部 ５０ 駆動部 ６０ 収容部 ７０ 制御部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上顎部、下顎部、顎関節部、及び取付け及
   び取外し可能な支持部を有する顎モデル手段と、 生体の下顎を運動させるための複数の筋束をそれぞれ模
   擬し、前記顎モデル手段の前記下顎部を運動させる筋モ
   デル部と、分離結合部とをそれぞれ有する複数の運動伝
   達手段と、 各々の前記運動伝達手段が前記分離結合部により分離可
   能に取り付けられ、前記筋モデル部を非線形粘弾性特性
   に従いそれぞれ駆動する複数の駆動手段と、 前記顎モデル手段が前記支持部により分離可能に取り付
   けられ、前記駆動手段を収容する収容手段と、 複数の前記駆動手段を制御する制御手段とを備えた顎運
   動装置。
2. 【請求項２】上顎部、下顎部、及び前記上顎部及び前記
   下顎部の開閉運動と開閉方向に直交する前後及び左右の
   移動運動が可能な顎関節部を含む顎モデル手段と、 一端が前記顎モデル手段の前記上顎部と固定され、他端
   が取り外し可能な固定部を備えた結合手段と、 生体の下顎を駆動する複数の筋束を模擬して、各々の前
   記筋束に対応して前記下顎部の複数の所定位置に設けら
   れた移動端と、各々の前記筋束の伸縮方向の所定位置に
   設けられた固定端とを有し、複数の前記移動端及び前記
   固定端の間を伸縮させることにより前記下顎部を運動さ
   せ、分離結合部を含む複数の運動伝達手段と、 各々の前記運動伝達手段に対して前記分離結合部を介し
   て設けられ、移動長と張力との関係が非線形特性及び／
   又は粘弾性特性を有するように運動を伝達する複数の弾
   性手段と、 各々の前記弾性手段に対して設けられ、前記弾性手段を
   介して前記運動伝達手段を駆動する複数の駆動手段と、 前記結合手段の前記固定部により前記顎モデル手段が固
   定され、複数の前記駆動手段を追加及び／又は削除可能
   に収容する収容手段と、 複数の前記駆動手段に対して命令して、前記上顎部及び
   下顎部の開閉運動、及び前記上顎及び下顎の開閉方向に
   直交する前後及び左右の移動運動を実行させる制御手段
   とを備えた顎運動装置。
3. 【請求項３】各々の前記運動伝達手段及び前記駆動手段
   は、 左右一対の咬筋、側頭筋、外側翼突筋、及び／又は、ひ
   とつの開口筋をそれぞれ模擬して、咬筋アクチュエー
   タ、側頭筋アクチュエータ、外側翼突筋アクチュエー
   タ、及び／又は、開口筋アクチュエータを構成し、 前記制御手段は、 目標前後位置に応じて、前記咬筋アクチュエータと前記
   開口筋アクチュエータによる弛緩又は収縮動作により実
   行する開閉口運動、側頭筋後部筋束アクチュエータ及び
   外側翼突筋アクチュエータによる弛緩又は収縮動作によ
   り実行する前後移動運動又はすりつぶし運動の内、ひと
   つ又は複数の運動を命令することを特徴とする請求項１
   又は２のいずれかに記載の顎運動装置。
4. 【請求項４】前記上顎部又は前記下顎部に設けられ咬合
   力を検出する咬合力センサ、及び／又は、前記下顎部が
   回転する角速度を検出する角速度センサをさらに備え、 前記制御手段は、 閉口運動の際に、前記咬合力センサの出力値が所定値を
   超えた場合に開口反射運動を実行する反射運動制御、及
   び／又は、前記角速度センサの出力値が所定値を超えた
   場合に脱負荷反射運動を実行することを特徴とする請求
   項１乃至３のいずれかに記載の顎運動装置。
5. 【請求項５】前記駆動手段に設けられた移動距離を検出
   する移動センサ、前記運動伝達手段に設けられ張力を検
   出する張力センサ、前記上顎部又は前記下顎部に設けら
   れ咬合力を検出する咬合力センサ、及び／又は、前記下
   顎部が回転する角速度を検出する角速度センサ、前記顎
   関節に加わる力を検出する顎関節力センサ、又は、前記
   上顎部又は前記下顎部の歯の位置に加わる力を検出する
   歯根力センサの内、所望のひとつ又は複数の各センサを
   さらに備え、 前記制御手段は、前記所望のひとつ又は複数の各センサ
   の出力に応じて前記駆動手段を制御することを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載の顎運動装置。
6. 【請求項６】一端を前記上顎部及び前記下顎部に固定
   し、他端をトレーニング者の上顎及び下顎に固定するこ
   とにより、前記顎モデル手段の運動を前記トレーニング
   者に伝達するインタフェース手段をさらに備えたことを
   特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の顎運動装
   置。
7. 【請求項７】前記顎モデル手段又は被測定者の顎運動を
   検出するために前記上顎部又は前記下顎部又はこれら近
   傍に検出点が固定され、複数方向に対して前記検出点の
   位置移動量をそれぞれ検出する複数の検出部と、 複数の前記検出部の検出結果を演算して、２次元又は３
   次元的な顎運動及び／又は顎位置を演算する演算部とを
   含む顎運動センサをさらに備えたことを特徴とする請求
   項１乃至６のいずれかに記載の顎運動装置。