能動把持装具
【課題】手指麻痺者が装着する把持装具において、軽量でコンパクトな能動把持装具を提供する。
【解決手段】親指が固定される第１部材と、親指以外の他の指が固定される第２部材と、第１部材と前記第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸１７と、第１部材又は第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部６とし、いずれか他方を可動部５として可動部５を固定部６に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材７と、第１の弾性部材７の偏倚力に抗して可動部５を固定部６に対して閉じる方向に可動させる、第１の弾性部材７の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材８が接続された操作部材９とを有してなることを特徴とする。
【解決手段】親指が固定される第１部材と、親指以外の他の指が固定される第２部材と、第１部材と前記第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸１７と、第１部材又は第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部６とし、いずれか他方を可動部５として可動部５を固定部６に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材７と、第１の弾性部材７の偏倚力に抗して可動部５を固定部６に対して閉じる方向に可動させる、第１の弾性部材７の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材８が接続された操作部材９とを有してなることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手指麻痺者の機能代替手段として使用される能動把持装具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手指麻痺者の機能代替手段として、エンゲン型把持装具が広く使用されている。このエンゲン型把持装具を手指麻痺者が手に装着することで、手指麻痺者は、指の屈曲を実現することができ、これにより、対象物を把持することができるようになる。そして、このエンゲン型把持装具は、使用者の手首関節の背屈に連動した指の屈曲を実現するものであり、その把持力は手首背屈のための力の加減で調節可能である。
このように、エンゲン型把持装具は、手指麻痺者の把持行為を補助し、手指麻痺者の機能代替手段となる。
【０００３】
しかしながら、このエンゲン型把持装具は、動力を持たず、軽量で手軽に使用できる反面、指の動作に必ず手首の屈伸運動が求められ、腕の姿勢により把持動作の制限があった。すなわち、対象物を把持する際に、手首の自由度が制限されてしまう。これを解決すべく、小型電気モータ等を搭載した能動把持装具の開発が試みられている。しかし、重量の増加など、使い勝手の面で十分ではなく、未だ、広く実用される技術は実現されていない。
【非特許文献１】社団法人 日本義肢協会、［online］、［平成１９年７月１２日検索］、インターネット ＜ＵＲＬ：http://www.j-opa.or.jp/＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の点に鑑み、軽量でコンパクトな能動把持装具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の能動把持装具は、親指が固定される第１部材と、親指以外の他の指が固定される第２部材と、第１部材と第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸と、第１部材又は第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部とし、いずれか他方を可動部として、可動部を固定部に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、第１の弾性部材の偏倚力に抗して可動部を固定部に対して閉じる方向に可動させる、第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の能動把持装具では、操作部材を操作することにより、可動部が固定部に対して回動されるので、使用者は対象物を把持することができる。そして、操作部材に、第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続されているので、第２の弾性部材に弾性力が発生し、それに伴い対象物を把持するための握力を調整することができる。
【０００７】
また、本発明の能動把持装具は、親指が固定される第１部材と、親指意外の他の指が固定され、軸を介して第１部材に対して回動自在に連結された第２部材と、第２部材を第１部材に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、第１の弾性部材の偏倚力に抗して第２部材を第１部材に対して閉じる方向に回動させる、一部に第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の能動把持装具では、操作部材を操作することにより、親指側の第１部材に対して回動自在に連結された親指以外の指側の第２部材が、閉じる方向に回動されるので、使用者は対象物を把持することができる。そして、操作部材に第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続されているので、第２の弾性部材に弾性力が発生し、それに伴い対象物を把持するための握力を調整することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の能動把持装具によれば、軽量コンパクト及び簡素な構成で、指の開閉動作と握力の調整が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１Ａ，Ｂに本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具の概略構成を示す。本実施形態の能動把持装具１は、指の第三関節による開閉動作を補助することにより、使用者が対象物を安定して把持することができるようにするものである。
図１Ａは、能動把持装具１を使用者の手に装着したときの概略構成であり、図１Ｂは、能動把持装具１を装着面側から見たときの概略構成である。
【００１２】
本実施形態の能動把持装具１は、使用者の手に装着される把持装具部分２と、把持装具部分２を、張力伝達機構３を介して駆動操作する駆動装置４から構成される。
【００１３】
まず、把持装具部分２は、親指と掌部に装着される第１部材である固定部６と、親指以外の指、例えば人差指及び中指に装着される第２部材である可動部５が、人差指における第三関節の、親指側の側面位置の軸１７において連結されてなる。固定部６には、親指を固定するためのベルト１１及び、手首を固定するためのベルト１６が備えられており、親指の第一関節付近及び手首がそれぞれベルト１１，１６により固定される。固定部６におけるベルト１１の内側には、固定部６と一体に形成された補助支持部２１が形成されており、親指を下側から支持する。また、固定部６には、親指と人差指の指間から掌に沿って掌側へ伸びる補助支持部１４と、手の甲に沿って、手の甲側へ伸びる補助支持部１３が固定部６に一体に形成されている。親指及び手首が固定部６の補助支持部２１及びベルト１１、１６により固定され、さらに、掌側の補助支持部１４と手の甲側の補助支持部１３により手が両面から挟まれるので、使用者の手が固定部６に安定に固定される。
【００１４】
また、可動部５は、人差指の親指側側面に沿うような形状とされ、人差指及び中指を第一関節付近で可動部５に固定するためのベルト１２を備えている。可動部５において、ベルト１２の内側には可動部５と一体に形成された補助支持部２０が形成されており、人差指と中指を安定に支持している。また、人差指及び中指の背側を支持する補助支持部１５が、可動部５と一体に形成されている。人差指と中指が補助支持部２０及びベルト１２により固定され、補助支持部１５により支持されるので、使用者の手が可動部５に安定に固定される。
【００１５】
そして、固定部６と可動部５は、人差指の第三関節の親指側側面における軸１７により連結され、連結部分の軸１７を支点に、可動部５は固定部６に対して回動自在になるように構成される。このとき、可動部５の回動平面は、人差指及び中指の開閉において、指の第三関節を軸に開閉する平面とされ、後述するように、この可動部５の回動が人差指及び中指の開閉動作を補助する。
【００１６】
また、可動部５の軸１７よりも手の甲側には、第１の弾性部材７の一方の端部７ａが取り付けられ、第１の弾性部材７の他方の端部７ｂは固定部６の甲側に取り付けられる。この第１の弾性部材７は、人差指と中指を、親指に対して定常的に開いている状態で保持されるように構成される。すなわち、第１の弾性部材７の弾性力により、手が開いた状態を保つことのできるような弾性定数を有する弾性部材を選択的に利用する。本実施形態において、第１の弾性部材７の弾性定数をｋ１とする。本実施形態では、手が開いた状態を初期状態とする。
【００１７】
そして、可動部５の軸１７よりも掌側には、第２の弾性部材８の一方の端部８ａが取り付けられており、第２の弾性部材８の他方の端部８ｂには、操作部材９が接続されている。操作部材９としては、例えばワイヤ等の張力に強い部材が用いられる。本実施形態において、第２の弾性部材８の弾性定数ｋ２は、第１の弾性部材７の弾性定数ｋ１よりも大きく、ｋ２＞ｋ１である。
また、第２の弾性部材８に接続される操作部材９は手首方向に沿って、チューブからなる案内管１０の中を通り駆動装置４に案内接続されている。本実施形態においては、案内管１０となるチューブは、固定部６に固定され、固定部６のベルト１６近辺及び駆動装置４間に渡り構成されている。
本実施形態において、第２の弾性部材８及び、第２の弾性部材８に接続される操作部材９及び案内管１０により張力伝達機構３が構成される。そして、この張力伝達機構３を介して、駆動装置４からの駆動力が可動部５に伝達され、可動部５の回動が操作される。
【００１８】
本実施形態に用いられる駆動装置４は、使用者の把持操作意思を検出する操作部１９と、操作部１９からの操作信号に応じて駆動制御されるモータ１８から構成される。本実施形態においては、操作部１９は、例えばペダル式の操作部１９とし、使用者が足でペダルを踏むことにより、モータ１８の駆動を制御できるものとする。このモータ１８の駆動力により、把持装具部品２が操作されることとなる。
【００１９】
本実施形態においては、軸１７と、第１の弾性部材７の一方の端部７ａと、第２の弾性部材８の一方の端部８ａは、可動部５上に一直線上になるように構成されている。また、力のモーメントの関係により、初期状態において、軸１７と、第１の弾性部材７の一方の端部７ａと、第２の弾性部材８の一方の端部８ａとを結ぶ直線と、操作部材９の伸びる方向とのなす角度が９０°に近い角度となるように構成されていることが好ましい。
【００２０】
以上のように構成された能動把持装具１を手指麻痺者などが装着して操作することにより、指に適当な握力を生じさせて対象物を把持することができる。
次に、使用者の把持行為に照らし合わせながら、能動把持装具の操作方法について詳述する。
【００２１】
図２Ａに、能動把持装具１を装着し、何も操作していない状態、即ち、初期状態を示す。初期状態においては、駆動装置が駆動されていないため、操作部材９に張力は発生していないが、可動部５に固定された人差指及び中指は、第１の弾性部材７の弾性力Ｆ０により、親指に対して十分開いた状態に保持されている。すなわち、本実施形態における第１の弾性部材７は、定常的に指を開いた状態である初期状態を保持できるような弾性定数ｋ１を有する弾性部材が用いられる。
【００２２】
次に、操作部１９を操作して、駆動装置４を駆動させることにより、操作部材９を引いて、操作部材９に張力Ｆ１を発生させる。そうすると、第１の弾性部材７の弾性定数ｋ１が、第２の弾性部材８の弾性定数ｋ２よりも小さい為、図２Ｂに示すように、第１の弾性部材７が矢印ａで示すように伸び、可動部５が第１の弾性部材７の弾性偏倚力に抗して、軸１７を中心に矢印ｂ方向に回動する。これに伴い可動部５に固定された人差指及び中指が親指側に閉じる。このとき、第１の弾性部材７は可動部の回動に応じて延ばされているのに対し、第２の弾性部材８は、第１の弾性部材７よりも弾性定数ｋ２が充分大きい為、依然としてほぼ自然長を維持した状態である。
【００２３】
次に、図３Ｃに示すように、更に操作部材９に接続された駆動装置４を駆動させ、操作部材９を引くことにより、第１の弾性部材７を矢印ａ’方向に伸ばし、可動部５に固定された人差指、中指そして固定部６に固定された親指が対象物２０に接触するまで操作する。人差指及び中指、親指が対象物２０に接触した後は、可動部５がこれ以上親指方向に回動することは無く、第１の弾性部材７はこれ以上伸びることはない。ここで、指が対象物２０に接触したときの操作部材９を引く力、即ち操作部材９にかかる張力をＦ２とする。
【００２４】
次に、図３Ｄに示すように、指が対象物２０に接触して以降、更に駆動装置４を駆動させると、前述したように第１の弾性部材７はこれ以上伸びることが無いため、第２の弾性部材８のみが伸びる。第２の弾性部材８が自然長からｘだけ矢印ｃ方向に伸びたときに、操作部材に係る張力Ｆ３は、第２の弾性部材８にかかる弾性力と釣り合う為、ｋ２ｘで表される。このとき、ｋ２ｘは、指が対象物２０に接触する位置を保持する為に用いられていた力Ｆ２よりも大きくなり、ｋ２ｘとＦ２の差が、指が対象物２０を把持するための握力ｇが発生する。すなわち、握力ｇは、指先が対象物２０に接触して以降の第２の弾性部材８による弾性力ｋ２ｘの増加量に比例して発生する。そして、弾性力ｋ２ｘはｘの関数である為、第２の弾性部材８の自然長からの伸びｘに比例する。この関係により、握力ｇは、指先が対象物に接触して以降の第２の弾性部材の伸びΔｘに比例して大きくなる。
【００２５】
ところで、第２の弾性部材８を用いずに操作部材９を引いて握力ｇを発生させようとすると、握力ｇの発生は、駆動装置４による操作部材９を引っ張る力に直接依存してしまう為、対象物に対して急激な握力が発生してしまう。また、急激な握力の発生を回避し、微妙な握力を調整する為には、駆動装置４に別途、握力検出機構や操作部材９の張力調整機構等を設ける必要があり、装置が大掛かりである。
【００２６】
本実施形態によれば、第２の弾性部材８を設けることにより、操作部材９に係る張力Ｆ３が、前述の第２の弾性部材８の伸びΔｘに比例する弾性力ｋ２Δｘとされるので、駆動装置４からの駆動力によって操作部材９への急激な張力発生を防ぎ、それに伴う急激な握力ｇの発生を回避することができる。さらに、第２の弾性部材８を用いることにより、駆動装置４には特別な機構を設ける必要がない。このため、握力ｇの微妙な調整も簡単に行うことができ、壊れ易いものを把持する場合でも、握力ｇを微妙に調整しながら繊細に扱うことが可能となる。
また、本実施形態では、把持動作は、操作部材９を駆動装置４により引くことで操作されるので、従来のエンゲン型把持装具のような手首の自由度の制限が無く、対象物２０を把持しながら手首も自由に動かすことができる。従って、対象物を手で把持できる状況が増え、使用者の活動範囲の拡大が図られる。
【００２７】
そして、本実施形態において、把持したものを離す際は、駆動装置４により、引いていた操作部材９を戻すようにすることで、操作部材９に係る張力が無くなり、第１の弾性部材７の弾性力Ｆ０により、手の状態が図２Ａで示した初期状態に戻される。
【００２８】
ところで、力のモーメントの関係により、軸１７と、第１及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとのそれぞれの距離が大きいほうがよく、さらには、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線と操作部材９を引く方向、すなわち作用線の発生する方向が９０°の関係にあることが好ましい。軸１７と第１及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとのそれぞれの距離が大きいほうが操作部材９を引っ張ったときに軸１７に対する力のモーメントを大きくすることができる。また、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線と操作部材９を引く方向が９０°の関係にあるときに、操作部材９を引く力の軸１７に対する力のモーメントを大きくすることができる。しかしながら、手のスペースには限界があり、また、軸１７は指の第三関節に位置するような構成としなければならないので、可能な構成には制限がある。
さらに、操作部材９を引く方向、すなわち作用線と、軸１７と第２の弾性部材８の端部８ａを結ぶ方向とが一致すると、回転モーメントが０となり、可動部５が回転しない。使用者の利便性に合わせて、操作部材９を引く方向が手首に沿うようにして駆動装置４に接続されるのが好ましいが、回転モーメントが０となるような特異点を避けなければならないという要求もある。
以上を踏まえて、次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００２９】
図４に、本発明の第２の実施形態に係る能動把持装具の概略構成を示す。図４において、図１に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の能動把持装具３５において、可動部３４が、固定部６との連結する軸１７側の、甲側に位置する部分を突出させて形成した突出部３１を設け、その突出部３１に第１の弾性部材７の一方の端部７ａを取り付ける構成とする。また、第２の弾性部材８の一方の端部８ａは、可動部３４の軸１７よりも人差指側の位置に取り付ける。このような構成とすることにより、軸１７から第１、及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａの距離が第１の実施形態よりも大きくすることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、固定部６に第１のプーリ３２及び第２のプーリ３３が配設されている。第１のプーリ３２は、固定部６上において、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線ｌ１と、第２の弾性部材８の一方の端部８ａと第１のプーリ３２とを結ぶ直線ｌ２とのなす角度が、把持装具部品３０のスペース内でできるだけ９０°に近くなるように設けられている。また、第２のプーリ３３は、固定部６上で、手首方向の延長線に設けられている。張力伝達機構３を構成する第２の弾性部材８に接続された操作部材９は、第１のプーリ３２を通り、その後、第２のプーリ３３によって、操作部材９を引っ張る方向が、手首方向に沿うように補正される。
【００３１】
以上の構成により、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に操作部材を操作することにより、人差指及び中指に固定された可動部を親指に固定された固定部側に回動させることにより、対象物を把持することができ、それと共に、握力の微妙な調整をすることが可能となる。
【００３２】
本実施形態では、軸１７と第１、及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとの距離がそれぞれ大きくなるので、可動部３４の回転モーメントが大きくなり、操作部材９を引く力、すなわち駆動力を低減することができる。また、突出部３１が設けられることにより、第１の弾性部材７の一方の端部７ａが軸から離れて設けられるので、第１の弾性部材７の弾性力が回転力を生じさせやすい状態である。このため、引いていた操作部材９を戻すようにして操作部材９に係る張力を無くした場合、第１の弾性部材７の弾性力により、手が初期状態、即ち、図２Ａのような状態に戻りやすい。
【００３３】
また、本実施形態では、第１のプーリ３２を設けることにより、第２の弾性部材８に接続された操作部材９を、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部を結ぶ直線から外れた方向に引くことができる。さらに、第２のプーリ３３により、操作部材９は手首方向に沿うように案内されるので、操作部材９が使用者の邪魔になるのを防ぐ。このような第１及び第２のプーリ３２，３３を用いて、操作部材９を引く角度を調整することができるので、可動部３４の回転モーメントが０となるような特異点を避けて操作部材９を引くことができる。
【００３４】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、可動部に突出部を設け、第１のプーリ及び第２のプーリを設けることにより、コンパクトな能動把持装具であっても十分に把持機能を発揮することが可能となる。
【００３５】
第１及び第２の実施形態において、駆動装置４を操作する操作部１９は、たとえば、センサにより腕等の筋肉の動きを検出し、その検出信号を利用する構成や、センサにより首の動きを検出し、その検出信号を利用する構成とすることもできる。すなわち、使用者の残存した機能を用いて駆動装置４を操作することができればよく、様々な構成が可能である。
【００３６】
また、第１及び第２の実施形態においては、親指が固定される第１部材を固定部６とし、親指以外の指が固定される第２部材を可動部５（３４）とする構成としたが、逆の構成であってもよい。すなわち、親指が固定される第１部材を可動部とし、親指以外の指が固定される第２部材を固定部とし、親指が固定された可動部を固定部側に可動させて、対象物を把持するような構成とすることもできる。さらに、第２の弾性部材は操作部材に接続されていれば良く、操作部材中に介挿された構成あるいは駆動装置４の内部に設置する構成とすることも可能である。
【００３７】
以上のように、本発明では、操作部材に張力を発生させることにより、第１の弾性部材の弾性力に逆らって、指の屈曲が行われる。そして、指が対象物に接触した位置において、さらに操作部材に張力を発生させることにより、今度は第２の弾性部材の弾性力に逆らって握力が生じる。そして、操作部材の押し引きにより、第２の弾性部材の弾性力が調整され、それにより、対象物を把持するための握力が微細に調整される。すなわち、本発明によれば、操作部材の押し引きにより、使用者の指の開閉動作と握力の調整の両方が可能となる。本発明の能動把持装具を使用することにより、手指麻痺者が腕の姿勢と関係なく自由に対象物の把持することができ、また、壊れ易いものでも力を調整しながら繊細に扱うことができるようになるなど、障害者の生活支援や社会復帰に貢献が期待される。
【００３８】
そして、本発明によれば、第１の弾性部材及び第２の弾性部材を設けるとういう能動把持装置により、使用者の指の開閉動作と握力の調整が行われるので、特別な駆動装置を設けるなどの必要がなく、軽量コンパクトな構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】Ａ，Ｂ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具の概略構成図および、装着面側から見た概略構成図である。
【図２】Ａ，Ｂ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具を用いて対象物を把持する際の操作工程（その１）を示す。
【図３】Ｃ，Ｄ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具を用いて対象物を把持する際の操作工程（その２）を示す。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る能動把持装具の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，３５・・能動把持装具、２・・把持装具部品、３・・張力伝達機構、４・・駆動装置、５・・可動部、６・・固定部、７・・第１の弾性部材、８・・第２の弾性部材、９・・操作部材、１０・・案内管、１１，１２，１６・・ベルト、１３，１４，１５，２０，２１・・補助支持部、１８・・モータ、１９・・操作部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手指麻痺者の機能代替手段として使用される能動把持装具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手指麻痺者の機能代替手段として、エンゲン型把持装具が広く使用されている。このエンゲン型把持装具を手指麻痺者が手に装着することで、手指麻痺者は、指の屈曲を実現することができ、これにより、対象物を把持することができるようになる。そして、このエンゲン型把持装具は、使用者の手首関節の背屈に連動した指の屈曲を実現するものであり、その把持力は手首背屈のための力の加減で調節可能である。
このように、エンゲン型把持装具は、手指麻痺者の把持行為を補助し、手指麻痺者の機能代替手段となる。
【０００３】
しかしながら、このエンゲン型把持装具は、動力を持たず、軽量で手軽に使用できる反面、指の動作に必ず手首の屈伸運動が求められ、腕の姿勢により把持動作の制限があった。すなわち、対象物を把持する際に、手首の自由度が制限されてしまう。これを解決すべく、小型電気モータ等を搭載した能動把持装具の開発が試みられている。しかし、重量の増加など、使い勝手の面で十分ではなく、未だ、広く実用される技術は実現されていない。
【非特許文献１】社団法人 日本義肢協会、［online］、［平成１９年７月１２日検索］、インターネット ＜ＵＲＬ：http://www.j-opa.or.jp/＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述の点に鑑み、軽量でコンパクトな能動把持装具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の能動把持装具は、親指が固定される第１部材と、親指以外の他の指が固定される第２部材と、第１部材と第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸と、第１部材又は第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部とし、いずれか他方を可動部として、可動部を固定部に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、第１の弾性部材の偏倚力に抗して可動部を固定部に対して閉じる方向に可動させる、第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなることを特徴とする。
【０００６】
本発明の能動把持装具では、操作部材を操作することにより、可動部が固定部に対して回動されるので、使用者は対象物を把持することができる。そして、操作部材に、第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続されているので、第２の弾性部材に弾性力が発生し、それに伴い対象物を把持するための握力を調整することができる。
【０００７】
また、本発明の能動把持装具は、親指が固定される第１部材と、親指意外の他の指が固定され、軸を介して第１部材に対して回動自在に連結された第２部材と、第２部材を第１部材に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、第１の弾性部材の偏倚力に抗して第２部材を第１部材に対して閉じる方向に回動させる、一部に第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の能動把持装具では、操作部材を操作することにより、親指側の第１部材に対して回動自在に連結された親指以外の指側の第２部材が、閉じる方向に回動されるので、使用者は対象物を把持することができる。そして、操作部材に第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続されているので、第２の弾性部材に弾性力が発生し、それに伴い対象物を把持するための握力を調整することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の能動把持装具によれば、軽量コンパクト及び簡素な構成で、指の開閉動作と握力の調整が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
図１Ａ，Ｂに本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具の概略構成を示す。本実施形態の能動把持装具１は、指の第三関節による開閉動作を補助することにより、使用者が対象物を安定して把持することができるようにするものである。
図１Ａは、能動把持装具１を使用者の手に装着したときの概略構成であり、図１Ｂは、能動把持装具１を装着面側から見たときの概略構成である。
【００１２】
本実施形態の能動把持装具１は、使用者の手に装着される把持装具部分２と、把持装具部分２を、張力伝達機構３を介して駆動操作する駆動装置４から構成される。
【００１３】
まず、把持装具部分２は、親指と掌部に装着される第１部材である固定部６と、親指以外の指、例えば人差指及び中指に装着される第２部材である可動部５が、人差指における第三関節の、親指側の側面位置の軸１７において連結されてなる。固定部６には、親指を固定するためのベルト１１及び、手首を固定するためのベルト１６が備えられており、親指の第一関節付近及び手首がそれぞれベルト１１，１６により固定される。固定部６におけるベルト１１の内側には、固定部６と一体に形成された補助支持部２１が形成されており、親指を下側から支持する。また、固定部６には、親指と人差指の指間から掌に沿って掌側へ伸びる補助支持部１４と、手の甲に沿って、手の甲側へ伸びる補助支持部１３が固定部６に一体に形成されている。親指及び手首が固定部６の補助支持部２１及びベルト１１、１６により固定され、さらに、掌側の補助支持部１４と手の甲側の補助支持部１３により手が両面から挟まれるので、使用者の手が固定部６に安定に固定される。
【００１４】
また、可動部５は、人差指の親指側側面に沿うような形状とされ、人差指及び中指を第一関節付近で可動部５に固定するためのベルト１２を備えている。可動部５において、ベルト１２の内側には可動部５と一体に形成された補助支持部２０が形成されており、人差指と中指を安定に支持している。また、人差指及び中指の背側を支持する補助支持部１５が、可動部５と一体に形成されている。人差指と中指が補助支持部２０及びベルト１２により固定され、補助支持部１５により支持されるので、使用者の手が可動部５に安定に固定される。
【００１５】
そして、固定部６と可動部５は、人差指の第三関節の親指側側面における軸１７により連結され、連結部分の軸１７を支点に、可動部５は固定部６に対して回動自在になるように構成される。このとき、可動部５の回動平面は、人差指及び中指の開閉において、指の第三関節を軸に開閉する平面とされ、後述するように、この可動部５の回動が人差指及び中指の開閉動作を補助する。
【００１６】
また、可動部５の軸１７よりも手の甲側には、第１の弾性部材７の一方の端部７ａが取り付けられ、第１の弾性部材７の他方の端部７ｂは固定部６の甲側に取り付けられる。この第１の弾性部材７は、人差指と中指を、親指に対して定常的に開いている状態で保持されるように構成される。すなわち、第１の弾性部材７の弾性力により、手が開いた状態を保つことのできるような弾性定数を有する弾性部材を選択的に利用する。本実施形態において、第１の弾性部材７の弾性定数をｋ１とする。本実施形態では、手が開いた状態を初期状態とする。
【００１７】
そして、可動部５の軸１７よりも掌側には、第２の弾性部材８の一方の端部８ａが取り付けられており、第２の弾性部材８の他方の端部８ｂには、操作部材９が接続されている。操作部材９としては、例えばワイヤ等の張力に強い部材が用いられる。本実施形態において、第２の弾性部材８の弾性定数ｋ２は、第１の弾性部材７の弾性定数ｋ１よりも大きく、ｋ２＞ｋ１である。
また、第２の弾性部材８に接続される操作部材９は手首方向に沿って、チューブからなる案内管１０の中を通り駆動装置４に案内接続されている。本実施形態においては、案内管１０となるチューブは、固定部６に固定され、固定部６のベルト１６近辺及び駆動装置４間に渡り構成されている。
本実施形態において、第２の弾性部材８及び、第２の弾性部材８に接続される操作部材９及び案内管１０により張力伝達機構３が構成される。そして、この張力伝達機構３を介して、駆動装置４からの駆動力が可動部５に伝達され、可動部５の回動が操作される。
【００１８】
本実施形態に用いられる駆動装置４は、使用者の把持操作意思を検出する操作部１９と、操作部１９からの操作信号に応じて駆動制御されるモータ１８から構成される。本実施形態においては、操作部１９は、例えばペダル式の操作部１９とし、使用者が足でペダルを踏むことにより、モータ１８の駆動を制御できるものとする。このモータ１８の駆動力により、把持装具部品２が操作されることとなる。
【００１９】
本実施形態においては、軸１７と、第１の弾性部材７の一方の端部７ａと、第２の弾性部材８の一方の端部８ａは、可動部５上に一直線上になるように構成されている。また、力のモーメントの関係により、初期状態において、軸１７と、第１の弾性部材７の一方の端部７ａと、第２の弾性部材８の一方の端部８ａとを結ぶ直線と、操作部材９の伸びる方向とのなす角度が９０°に近い角度となるように構成されていることが好ましい。
【００２０】
以上のように構成された能動把持装具１を手指麻痺者などが装着して操作することにより、指に適当な握力を生じさせて対象物を把持することができる。
次に、使用者の把持行為に照らし合わせながら、能動把持装具の操作方法について詳述する。
【００２１】
図２Ａに、能動把持装具１を装着し、何も操作していない状態、即ち、初期状態を示す。初期状態においては、駆動装置が駆動されていないため、操作部材９に張力は発生していないが、可動部５に固定された人差指及び中指は、第１の弾性部材７の弾性力Ｆ０により、親指に対して十分開いた状態に保持されている。すなわち、本実施形態における第１の弾性部材７は、定常的に指を開いた状態である初期状態を保持できるような弾性定数ｋ１を有する弾性部材が用いられる。
【００２２】
次に、操作部１９を操作して、駆動装置４を駆動させることにより、操作部材９を引いて、操作部材９に張力Ｆ１を発生させる。そうすると、第１の弾性部材７の弾性定数ｋ１が、第２の弾性部材８の弾性定数ｋ２よりも小さい為、図２Ｂに示すように、第１の弾性部材７が矢印ａで示すように伸び、可動部５が第１の弾性部材７の弾性偏倚力に抗して、軸１７を中心に矢印ｂ方向に回動する。これに伴い可動部５に固定された人差指及び中指が親指側に閉じる。このとき、第１の弾性部材７は可動部の回動に応じて延ばされているのに対し、第２の弾性部材８は、第１の弾性部材７よりも弾性定数ｋ２が充分大きい為、依然としてほぼ自然長を維持した状態である。
【００２３】
次に、図３Ｃに示すように、更に操作部材９に接続された駆動装置４を駆動させ、操作部材９を引くことにより、第１の弾性部材７を矢印ａ’方向に伸ばし、可動部５に固定された人差指、中指そして固定部６に固定された親指が対象物２０に接触するまで操作する。人差指及び中指、親指が対象物２０に接触した後は、可動部５がこれ以上親指方向に回動することは無く、第１の弾性部材７はこれ以上伸びることはない。ここで、指が対象物２０に接触したときの操作部材９を引く力、即ち操作部材９にかかる張力をＦ２とする。
【００２４】
次に、図３Ｄに示すように、指が対象物２０に接触して以降、更に駆動装置４を駆動させると、前述したように第１の弾性部材７はこれ以上伸びることが無いため、第２の弾性部材８のみが伸びる。第２の弾性部材８が自然長からｘだけ矢印ｃ方向に伸びたときに、操作部材に係る張力Ｆ３は、第２の弾性部材８にかかる弾性力と釣り合う為、ｋ２ｘで表される。このとき、ｋ２ｘは、指が対象物２０に接触する位置を保持する為に用いられていた力Ｆ２よりも大きくなり、ｋ２ｘとＦ２の差が、指が対象物２０を把持するための握力ｇが発生する。すなわち、握力ｇは、指先が対象物２０に接触して以降の第２の弾性部材８による弾性力ｋ２ｘの増加量に比例して発生する。そして、弾性力ｋ２ｘはｘの関数である為、第２の弾性部材８の自然長からの伸びｘに比例する。この関係により、握力ｇは、指先が対象物に接触して以降の第２の弾性部材の伸びΔｘに比例して大きくなる。
【００２５】
ところで、第２の弾性部材８を用いずに操作部材９を引いて握力ｇを発生させようとすると、握力ｇの発生は、駆動装置４による操作部材９を引っ張る力に直接依存してしまう為、対象物に対して急激な握力が発生してしまう。また、急激な握力の発生を回避し、微妙な握力を調整する為には、駆動装置４に別途、握力検出機構や操作部材９の張力調整機構等を設ける必要があり、装置が大掛かりである。
【００２６】
本実施形態によれば、第２の弾性部材８を設けることにより、操作部材９に係る張力Ｆ３が、前述の第２の弾性部材８の伸びΔｘに比例する弾性力ｋ２Δｘとされるので、駆動装置４からの駆動力によって操作部材９への急激な張力発生を防ぎ、それに伴う急激な握力ｇの発生を回避することができる。さらに、第２の弾性部材８を用いることにより、駆動装置４には特別な機構を設ける必要がない。このため、握力ｇの微妙な調整も簡単に行うことができ、壊れ易いものを把持する場合でも、握力ｇを微妙に調整しながら繊細に扱うことが可能となる。
また、本実施形態では、把持動作は、操作部材９を駆動装置４により引くことで操作されるので、従来のエンゲン型把持装具のような手首の自由度の制限が無く、対象物２０を把持しながら手首も自由に動かすことができる。従って、対象物を手で把持できる状況が増え、使用者の活動範囲の拡大が図られる。
【００２７】
そして、本実施形態において、把持したものを離す際は、駆動装置４により、引いていた操作部材９を戻すようにすることで、操作部材９に係る張力が無くなり、第１の弾性部材７の弾性力Ｆ０により、手の状態が図２Ａで示した初期状態に戻される。
【００２８】
ところで、力のモーメントの関係により、軸１７と、第１及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとのそれぞれの距離が大きいほうがよく、さらには、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線と操作部材９を引く方向、すなわち作用線の発生する方向が９０°の関係にあることが好ましい。軸１７と第１及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとのそれぞれの距離が大きいほうが操作部材９を引っ張ったときに軸１７に対する力のモーメントを大きくすることができる。また、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線と操作部材９を引く方向が９０°の関係にあるときに、操作部材９を引く力の軸１７に対する力のモーメントを大きくすることができる。しかしながら、手のスペースには限界があり、また、軸１７は指の第三関節に位置するような構成としなければならないので、可能な構成には制限がある。
さらに、操作部材９を引く方向、すなわち作用線と、軸１７と第２の弾性部材８の端部８ａを結ぶ方向とが一致すると、回転モーメントが０となり、可動部５が回転しない。使用者の利便性に合わせて、操作部材９を引く方向が手首に沿うようにして駆動装置４に接続されるのが好ましいが、回転モーメントが０となるような特異点を避けなければならないという要求もある。
以上を踏まえて、次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００２９】
図４に、本発明の第２の実施形態に係る能動把持装具の概略構成を示す。図４において、図１に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
本実施形態の能動把持装具３５において、可動部３４が、固定部６との連結する軸１７側の、甲側に位置する部分を突出させて形成した突出部３１を設け、その突出部３１に第１の弾性部材７の一方の端部７ａを取り付ける構成とする。また、第２の弾性部材８の一方の端部８ａは、可動部３４の軸１７よりも人差指側の位置に取り付ける。このような構成とすることにより、軸１７から第１、及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａの距離が第１の実施形態よりも大きくすることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、固定部６に第１のプーリ３２及び第２のプーリ３３が配設されている。第１のプーリ３２は、固定部６上において、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部８ａを結ぶ線ｌ１と、第２の弾性部材８の一方の端部８ａと第１のプーリ３２とを結ぶ直線ｌ２とのなす角度が、把持装具部品３０のスペース内でできるだけ９０°に近くなるように設けられている。また、第２のプーリ３３は、固定部６上で、手首方向の延長線に設けられている。張力伝達機構３を構成する第２の弾性部材８に接続された操作部材９は、第１のプーリ３２を通り、その後、第２のプーリ３３によって、操作部材９を引っ張る方向が、手首方向に沿うように補正される。
【００３１】
以上の構成により、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に操作部材を操作することにより、人差指及び中指に固定された可動部を親指に固定された固定部側に回動させることにより、対象物を把持することができ、それと共に、握力の微妙な調整をすることが可能となる。
【００３２】
本実施形態では、軸１７と第１、及び第２の弾性部材７，８の一方の端部７ａ，８ａとの距離がそれぞれ大きくなるので、可動部３４の回転モーメントが大きくなり、操作部材９を引く力、すなわち駆動力を低減することができる。また、突出部３１が設けられることにより、第１の弾性部材７の一方の端部７ａが軸から離れて設けられるので、第１の弾性部材７の弾性力が回転力を生じさせやすい状態である。このため、引いていた操作部材９を戻すようにして操作部材９に係る張力を無くした場合、第１の弾性部材７の弾性力により、手が初期状態、即ち、図２Ａのような状態に戻りやすい。
【００３３】
また、本実施形態では、第１のプーリ３２を設けることにより、第２の弾性部材８に接続された操作部材９を、軸１７と第２の弾性部材８の一方の端部を結ぶ直線から外れた方向に引くことができる。さらに、第２のプーリ３３により、操作部材９は手首方向に沿うように案内されるので、操作部材９が使用者の邪魔になるのを防ぐ。このような第１及び第２のプーリ３２，３３を用いて、操作部材９を引く角度を調整することができるので、可動部３４の回転モーメントが０となるような特異点を避けて操作部材９を引くことができる。
【００３４】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態によれば、可動部に突出部を設け、第１のプーリ及び第２のプーリを設けることにより、コンパクトな能動把持装具であっても十分に把持機能を発揮することが可能となる。
【００３５】
第１及び第２の実施形態において、駆動装置４を操作する操作部１９は、たとえば、センサにより腕等の筋肉の動きを検出し、その検出信号を利用する構成や、センサにより首の動きを検出し、その検出信号を利用する構成とすることもできる。すなわち、使用者の残存した機能を用いて駆動装置４を操作することができればよく、様々な構成が可能である。
【００３６】
また、第１及び第２の実施形態においては、親指が固定される第１部材を固定部６とし、親指以外の指が固定される第２部材を可動部５（３４）とする構成としたが、逆の構成であってもよい。すなわち、親指が固定される第１部材を可動部とし、親指以外の指が固定される第２部材を固定部とし、親指が固定された可動部を固定部側に可動させて、対象物を把持するような構成とすることもできる。さらに、第２の弾性部材は操作部材に接続されていれば良く、操作部材中に介挿された構成あるいは駆動装置４の内部に設置する構成とすることも可能である。
【００３７】
以上のように、本発明では、操作部材に張力を発生させることにより、第１の弾性部材の弾性力に逆らって、指の屈曲が行われる。そして、指が対象物に接触した位置において、さらに操作部材に張力を発生させることにより、今度は第２の弾性部材の弾性力に逆らって握力が生じる。そして、操作部材の押し引きにより、第２の弾性部材の弾性力が調整され、それにより、対象物を把持するための握力が微細に調整される。すなわち、本発明によれば、操作部材の押し引きにより、使用者の指の開閉動作と握力の調整の両方が可能となる。本発明の能動把持装具を使用することにより、手指麻痺者が腕の姿勢と関係なく自由に対象物の把持することができ、また、壊れ易いものでも力を調整しながら繊細に扱うことができるようになるなど、障害者の生活支援や社会復帰に貢献が期待される。
【００３８】
そして、本発明によれば、第１の弾性部材及び第２の弾性部材を設けるとういう能動把持装置により、使用者の指の開閉動作と握力の調整が行われるので、特別な駆動装置を設けるなどの必要がなく、軽量コンパクトな構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】Ａ，Ｂ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具の概略構成図および、装着面側から見た概略構成図である。
【図２】Ａ，Ｂ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具を用いて対象物を把持する際の操作工程（その１）を示す。
【図３】Ｃ，Ｄ本発明の第１の実施形態に係る能動把持装具を用いて対象物を把持する際の操作工程（その２）を示す。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る能動把持装具の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，３５・・能動把持装具、２・・把持装具部品、３・・張力伝達機構、４・・駆動装置、５・・可動部、６・・固定部、７・・第１の弾性部材、８・・第２の弾性部材、９・・操作部材、１０・・案内管、１１，１２，１６・・ベルト、１３，１４，１５，２０，２１・・補助支持部、１８・・モータ、１９・・操作部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
親指が固定される第１部材と、
前記親指以外の他の指が固定される第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸と、
前記第１部材又は前記第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部とし、いずれか他方を可動部として、前記可動部を前記固定部に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の偏倚力に抗して前記可動部を前記固定部に対して閉じる方向に可動させる、前記第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなる
ことを特徴とする能動把持装具。
【請求項２】
親指に固定される第１部材と、
前記親指意外の他の指が固定され、軸を介して前記第１部材に対して回動自在に連結された第２部材と、
前記第２部材を前記第１部材に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の偏倚力に抗して前記第２部材を前記第１部材に対して閉じる方向に回動させる、前記第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなる
ことを特徴とする能動把持装具。
【請求項３】
前記操作部材は、操作部を有する駆動装置に接続されてなることを特徴とする請求項２記載の能動把持装具。
【請求項４】
前記第２の弾性部材が接続された前記操作部材に働く作用線が
前記操作部材の取付け部と、前記軸とを結ぶ直線上から外れるように前記操作部材が配置されることを特徴とする請求項２記載の能動把持装具。
【請求項５】
前記操作部材は、案内管を通って前記駆動装置に案内接続されることを特徴とする請求項３記載の能動把持装具。
【請求項１】
親指が固定される第１部材と、
前記親指以外の他の指が固定される第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材を連結して互いに相対的に回動させる軸と、
前記第１部材又は前記第２部材のいずれか一方を掌部に固定される固定部とし、いずれか他方を可動部として、前記可動部を前記固定部に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の偏倚力に抗して前記可動部を前記固定部に対して閉じる方向に可動させる、前記第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなる
ことを特徴とする能動把持装具。
【請求項２】
親指に固定される第１部材と、
前記親指意外の他の指が固定され、軸を介して前記第１部材に対して回動自在に連結された第２部材と、
前記第２部材を前記第１部材に対して開く方向に偏倚させる第１の弾性部材と、
前記第１の弾性部材の偏倚力に抗して前記第２部材を前記第１部材に対して閉じる方向に回動させる、前記第１の弾性部材の弾性定数よりも大きな弾性定数を有する第２の弾性部材が接続された操作部材とを有してなる
ことを特徴とする能動把持装具。
【請求項３】
前記操作部材は、操作部を有する駆動装置に接続されてなることを特徴とする請求項２記載の能動把持装具。
【請求項４】
前記第２の弾性部材が接続された前記操作部材に働く作用線が
前記操作部材の取付け部と、前記軸とを結ぶ直線上から外れるように前記操作部材が配置されることを特徴とする請求項２記載の能動把持装具。
【請求項５】
前記操作部材は、案内管を通って前記駆動装置に案内接続されることを特徴とする請求項３記載の能動把持装具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−２２５７７（Ｐ２００９−２２５７７Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８９７１２（Ｐ２００７−１８９７１２）
【出願日】平成１９年７月２０日（２００７．７．２０）
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２０日（２００７．７．２０）
【出願人】（５０４２０５５２１）国立大学法人 長崎大学 (226)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]