(57)【要約】【課題】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。【解決手段】義手や自助具に適用可能な電動把持装置を、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３本の指部材、および、リニアモータの駆動に応じ、３本の指部材を開状態および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、で構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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第１、第２および第３の指部材であって、前記開状態では、前記第１の指部材と前記第２の指部材との間隔および前記第１の指部材と前記第３の指部材との間隔が、前記第２の指部材と前記第２の指部材との間隔より大となるＹ字形をなすように配置された第１、第２および第３の指部材と、
該第１、第２および第３の指部材の基端部が回動可能に連結され、通電によって駆動される駆動源の駆動に応じて前進位置と後退位置との間で直線運動が可能なロッド、および、前記ロッドの前進および後退に応じて前記第１、第２および第３の指部材がそれぞれ前記開状態および前記閉状態に向けて回動するように前記第１、第２および第３の指部材を規制する規制部を有する開閉機構と、
を具えたことを特徴とするハンドユニット。
【請求項２】
前記指部材は、一端部が前記ロッドに連結された基端側延在部と、該基端側延在部の他端部に回動可能に取り付けられる先端側延在部と、該先端側延在部を前記基端側延在部に対して所定角度屈曲させる方向への回動習性を付与するばねと、を有することを特徴とする請求項１に記載のハンドユニット。
【請求項３】
前記先端側延在部にはキャップが着脱可能に装着されることを特徴とする請求項２に記載のハンドユニット。
【請求項４】
前記駆動源はリニアモータであり、前記ロッドは前記リニアモータの可動子であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のハンドユニット。
【請求項５】
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と、
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と、
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検出するセンサによって検出された変化に応じて前記駆動源を駆動することで、前記開閉機構を介して前記複数の指部材が前記開状態および前記閉状態に向けて変位するように制御する制御部と、
を具えたことを特徴とするハンドユニット。
【請求項６】
前記センサは、皮膚表面の変位を、前記筋肉の収縮時と弛緩時とにおける前記皮膚表面の高さの変化として非接触で検出する光距離センサを有することを特徴とする請求項５に記載のハンドユニット。
【請求項７】
前記制御部は、前記センサによって前記筋肉が弛緩していることが検出された場合には、前記複数の指部材を前記閉状態に向けて変位させるように制御を行うことを特徴とする請求項５または６に記載のハンドユニット。
【請求項８】
前記制御部は、前記筋肉を収縮させた状態で得た前記センサの検出値および前記筋肉を弛緩時させた状態で得た前記センサの検出値を、それぞれ、前記複数の指部材の前記開状態および前記閉状態に対応付けるキャリブレーションを実行することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のハンドユニット。
【請求項９】
前記制御部は、前記筋肉を収縮させた状態で得た前記センサの検出値および前記筋肉を弛緩時させた状態で得た前記センサの検出値の差分に基づいて前記複数の指部材の変位を制御することを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載のハンドユニット。
【請求項１０】
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、
を具えたことを特徴とする電動把持装置。
【請求項１１】
前記ハンドユニットが請求項１ないし９のいずれかに記載のハンドユニットであることを特徴とする請求項１０に記載の電動把持装置。
【請求項１２】
前記インタフェースユニットは、両端が開放された中空の略円筒形状を基本形状とする部材であって、基端側の開放端に対向する一対の略Ｕ字形状の切り欠き部を有することで前記一対の基端側部分が形成され、末端側の開放端に対向する一対の略Ｕ字形状の切り欠き部を有することで前記一対の基端側部分が形成されるとともに、前記基端側の一対の切り欠き部の一方および前記末端側の一対の切り欠き部の一方が接続されていることで、前記連続した開放部が形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電動把持装置。
【請求項１３】
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請求項１０ないし１２のいずれかに記載の電動把持装置。
【請求項１４】
前腕欠損者のための義手として機能することを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載の電動把持装置。
【請求項１５】
手指の機能不全者の自助具として機能し、前記末端側部分が前記手指を避けるよう屈曲して形成されていることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載の電動把持装置。
【請求項１６】
前記ハンドユニットを支持する支持部と、前記一対の末端側部分間に挿通される回動軸の周りに回動可能且つ回動位置で係止可能に支持される被支持部と、を有する支持ユニットを具えたことを特徴とする請求項１０ないし１５のいずれかに記載の電動把持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動把持装置および該装置に適用可能なハンドユニットに関し、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−５６８８５号公報
【特許文献２】特開平１０−２０１７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのために、本発明の第１の形態に係るハンドユニットは、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第１、第２および第３の指部材であって、前記開状態では、前記第１の指部材と前記第２の指部材との間隔および前記第１の指部材と前記第３の指部材との間隔が、前記第２の指部材と前記第２の指部材との間隔より大となるＹ字形をなすように配置された第１、第２および第３の指部材と、
該第１、第２および第３の指部材の基端部が回動可能に連結され、通電によって駆動される駆動源の駆動に応じて前進位置と後退位置との間で直線運動が可能なロッド、および、前記ロッドの前進および後退に応じて前記第１、第２および第３の指部材がそれぞれ前記開状態および前記閉状態に向けて回動するように前記第１、第２および第３の指部材を規制する規制部を有する開閉機構と、
を具えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の形態に係るハンドユニットは、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と、
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と、
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検出するセンサによって検出された変化に応じて前記駆動源を駆動することで、前記開閉機構を介して前記複数の指部材が前記開状態および前記閉状態に向けて変位するように制御する制御部と、
を具えたことを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の第３の形態は、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、
を具えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】図１の電動義手を前腕欠損者の前腕部に装着した状態で示す模式図である。
【図３】図１の電動義手の構成要素であるインタフェースユニットの実施形態を示す斜視図である。
【図４】図１の電動義手の構成要素であるハンドユニットの把持機能部の正面図である。
【図５】一部の指部材からキャップ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。
【図６】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。
【図７】指部材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破断した状態で下方から示した図である。
【図８】指部材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破断した状態で下方から示した図である。
【図９】指部材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破断した状態で下方から示した図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１の電動義手の構成要素としたフォトリフレクタの形態の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。
【図１１】図１に示した電動義手に採用可能な制御系の構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１１の制御系による制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図１３】電動義手の使用に先立って行われる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。
【図１４】本発明電動把持装置の他の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る。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
（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。
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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