(57)【要約】【課題】  構造簡単にして安価、且つ使用者の身体的条件にあった高さ、操作力及びストロークに容易に設定する事が出来る力覚コントローラ型ジョイスティックを提供する。【解決手段】  所定の断面形状を持った細長い弾性体の両端を球状の支点で、該弾性体の長手方向に摺動自在に支持された２本の弾性体を各々の長手方向の中心位置で相互に直交するように連結又は一体化し、一端を該２本の弾性体の交点で該２本の弾性体に垂直に固定し、他端にホルダを設けた支柱とにより構成し、前記弾性体の前記交点より所定の位置に於ける前記弾性体の長手方向の表面曲げ歪み成分を操作信号として検出するようにしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の断面形状を持った細長い弾性体の両端を球状の支点で、該弾性体の長手方向に摺動自在に支持された２本の弾性体を各々の長手方向の中心位置で相互に直交するように連結又は一体化し、一端を該２本の弾性体の交点で該２本の弾性体に垂直に固定し、他端に操作部を設けた支柱とにより構成し、前記弾性体の前記交点より所定の位置に於ける前記弾性体の長手方向の表面曲げ歪み成分を操作信号として検出することを特徴とするジョイスティック装置。
【請求項２】
断面形状が長辺を上下辺とする矩形断面であり、操作信号は該弾性体の上面及び下面の曲げ歪みを検出することを特徴とする請求項１に記載のジョイスティック装置。
【請求項３】
球状の支点は弾性体に固定され、該球状の支点が支持体中を該弾性体の長手方向にのみ摺動する事を特徴とする請求項１及び請求項２に記載のジョイスティック装置。
【請求項４】
球状の支点は、該球状の支点の中心を通る弾性体の挿通穴に該弾性体をその長手方向にのみ摺動自在に挿通固定され、支持体中に揺動自在に保持されていることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載のジョイスティック装置。
【請求項５】
弾性体の長手方向の表面曲げ歪み成分を操作信号として検出発信する手段が抵抗線歪みゲージであり且つ抵抗線歪み計であることを特徴とするジョイティック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は主として機能回復訓練に供するジョイスティックの改良に関するものであるがその用途は標記用途に限らず広く多くの目的に適用できる。
【背景技術】
【０００２】  頸椎損傷により上肢機能に障害を持った人の、リハビリテーションによる失われた機能の回復効果が高い事は既に知られている。しかし、長期のリハビリテーションが必要なことや、国立重度障害センター等の特別施設に受け入れが限定されていること、若い障害者がリハビリ効果に有利なこと等、これまでの手法は可能性が前記のように限られているのが現状である。【０００３】  一方頸椎損傷者に対する技術支援をより広い観点より、目的を自分で食事が出来る上肢動力装具を有効に利用出来る処に据え、その前段階としてＣ６レベルの寝たきりの頸椎障害者に対する上肢機能回復訓練用装置として、ジョイスティック、コントロ−ラ、パソコン及びその表示装置を用いた装置により、機能回復に効果を挙げるものとして特許文献１，非特許文献１等が挙げられている。
【特許文献１】特開２００４−８６０５
【非特許文献１】頸椎損傷者に対するジョイスティック操作訓練とその評価について。大会名：日本機械学会関東支部ブロック合同講演会（２００１年９月７日）場所東京電機大学鳩山キャンパス。
【０００４】  このジョイスティック型上肢機能訓練装置は、リハビリテーションと言う用途のため、一般的に市販されているジョイスティックのように傾斜量を出力にするものではなく、どの程度力が掛かっているかを出力する力覚コントローラ型のジョイスティックでなくてはならない。このようなジョイスティックの一例を図６乃至図８に示す。
図６は公知の力覚コントローラ型ジョイスティックの正面一部断面図である。図７は図６のＣ−Ｃ断面図である。又図８は図６のＤ矢視図である。【０００５】  図６において３１は公知の力覚コントローラである。３２はベースである。３３はケースである。前記ベース３２及びケース３３は組み立てられ、ベース３２とケース３３の下部の接合部は、図示しないビスにより固定され容器を構成している。３４はボスである。該ボス３４の上面には図示しないネジ孔が旋設されている。又その下側は図７に示す如く四角断面に加工され、各面の上下方向中心線上には、上下方向成分の曲げ歪みを検出するセンサ３９，４０，４１，４２が貼付されている。３５は前記ボス３４、センサ３９、４０、４１、４２を含む曲げ感応ユニットであり、その下端は座面３５ａを成している。３６は上下荷重感応ユニットである。該上下荷重感応ユニット３６は、円形のリングを上下方向に切断して左右に移動しその間を接線で結んだ形状をなし、該接線部分は上下の取り付け座をなしている。該上下荷重感応ユニット３６の左右のリング部の幅方向中心線上には上下方向成分を検出するセンサ４３，４４が貼付されている。該上下荷重センサユニット３６の下側の取り付け座はボルト３６ａによりベースの中心位置に固定されている。又上側の座は前記曲げ感応ユニット３５の座面３５ａとスタッド３６ｃ及びナット３６ｂにより固定されている。【０００６】  前記ボス３４の図示しないネジ孔にはスティック３７の下端の図示しないネジ部が螺合され、該スティック３７の上端にはホルダー３８が取り付けられている。
前記ベース３２の上面には４本のスペーサ４５が配置されている。４６は回路基板である。該回路基板４６は前記４本のスペーサの上端にその４隅を支えられ且つビス４５ａにより固定されている。【０００７】  前記する構成になるジョイスティック３１の作動について説明する。
図６に於いてホルダ３８に手を置いて本ジョイスティック３１を操作すると、手の上下方向の荷重は、上下荷重感応ユニット３６の半円部分を上下方向に歪ませる。センサ４３，４４により、此の歪みが検出される。
又ホルダ３８を前後・左右に操作する操作力によりスティック３７は曲げ荷重を受ける。此の曲げ荷重は主として曲げ感応ユニット３５に設けられたセンサ３９，４０，４１，４２により検出され電気信号となる。
前記曲げ荷重は、上下荷重感応ユニット３６にも作用するが、センサ４３，４４の結線回路によって、上下方向成分以外は電気的に相殺される様になっている。
曲げ感応ユニット３８に作用する曲げ荷重以外の成分も同様に相殺される様になっている。【０００８】  これら検出された歪みによる信号は回路基板上４６に構成された電子回路により増幅及び修飾されて前後・左右方向の操作出力信号及び上下方向の荷重信号に仕分けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  本装置に於いては、荷重を受けるセンサが曲げ感応ユニット３５と上下荷重感応ユニット３６の２種類の感応ユニットが必要であり、且つこれら２つの感応ユニットにセンサーが分散して装着されている。此の各々が精密な加工を要するユニットであるために高価である。然もこれら２つの感応ユニットは共に上下方向と、前後、左右方向の成分の荷重を受けており、上述の通りこれら混合した荷重成分を上下荷重、前後、左右荷重成分に正確に分離する電子回路を必要とするため回路が複雑になると言う問題がある。【００１０】  更に曲げ感応ユニット３５及び上下荷重感応ユニット３６が上下方向に連結されているために必然的に感応部の高さが高くなりこれを収容するケースは背が高くなってしまい、デッドスペースが多い構造となるばかりでなく、不安定な構造になってしまう。又出来るだけ高さを低く抑えるために基板を収容しようとうすると図５に示す如く基板の中央部に曲げ感応ユニットが通る穴を開ける必要があり、回路配置設計上極めて融通の乏しい制約となる。更に感応ユニットは共にセンサが適切に感応するために要する歪み量と被験者が適切に操作するために必要とするジョイスティック先端の動きと言う物理的に全く異なった要請を満たす必要から極めて難しい諸元設計を求められている。
以上のように従来技術は、解決すべき多くの課題を抱えている。【００１１】  発明が解決しようとする問題点は、前述の如くセンサユニットが高価で構造が複雑で、センサ組立体の背が高く、然も各センサの諸元設計が極めて困難であるという諸点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明の第１の手段は請求項１に該当し、所定の断面形状を持った細長い弾性体の両端を球状の支点で、該弾性体の長手方向に摺動自在に支持された２本の弾性体を各々の長手方向の中心位置で相互に直交するように連結又は一体化し、一端を前記弾性体の交点で前記２本の弾性体に垂直に固定し、他端に操作部を設けた支柱とにより構成し、前記弾性体の前記交点より所定の位置に於ける前記弾性体の長手方向の表面曲げひずみ成分を操作信号として検出するセンサを設けるようにしている。【００１３】  本発明の第２の手段は請求項２に該当し、本発明の第１の手段に於いて断面形状が長辺を上下辺とする矩形断面であるようにしている。【００１４】  本発明の第３の手段は請求項３に該当し、本発明の第１及び第２の手段において球状の支点は弾性体に固定され、該球状の支点が支持体中を前記弾性体の長手方向に摺動自在に支持されるようにしている。【００１５】  本発明の第４の手段は請求項４に該当し、球状の支点は、該球状の支点の中心を通る弾性体の挿通穴に該弾性体をその長手方向にのみ摺動自在に挿通固定され、支持体中に揺動自在に保持されるようにしている。【００１６】  本発明の第５の手段は請求項５に該当し、弾性体表面の曲げ歪みの該弾性体の長手方向成分を操作信号として検出する手段が抵抗線歪みゲージであり且つ抵抗線歪み計の出力回路を用いるようにしている。
【発明の効果】
【００１７】  本発明の第１の手段によれば、センサユニットは、所定断面の細長い弾性体の両端を球状の支点で、その長手方向に摺動自在に支持された２本の弾性体を各々の中心で直交するように連結したものであり、操作部はその一端を前記弾性体の直交する交点でこれら２本の弾性体に垂直に固定され、他端にホルダーを設けたものである。従ってセンサユニットは極めて安価な材料で精度の良いセンサユニットが構成できる。
然も感応部は材料の断面形状の設計により適宜設定が可能であり、ホルダ先端の動きは該弾性体の交差点から前記球状の支点までの長さ、断面寸法の設計で対応が可能であるから、各患者の条件に合わせた自由度の高い設計が出来るという効果がある。然もセンサ部の厚みは実質的に弾性体の断面形状と撓み代のスペースがあればよいので背が低いケースに収容することが出来る。という効果もある。【００１８】  本発明の第２の手段によれば、センサユニットは厚みよりも幅が大きい帯状の弾性体で構成されている。従って各弾性体は上下方向の荷重及びモーメントに対して柔軟に弾性変形するが、水平方向に対しては十分な剛性を示すという特性を有する。更に弾性体の両端は球体で且つ各弾性体の長手方向に摺動自在に支持されているため球体の支点では自由端の支持条件を満足している。従って２本の弾性体には端部支持による拘束荷重の発生はなく且つ前記弾性体にはねじれの発生もない。従ってセンサを上下同じ位置に貼ることにより、垂直方向の上下荷重と、水平面内の前後、左右の合成荷重を上下方向の荷重と該直交する２本の弾性体の長手方向の直交する成分として容易に取り出すことが出来る。という効果を奏する。【００１９】本発明の第３の手段によれば、第１の手段の具体的な実現の手段となる。【００２０】本発明の第４の手段によれば、本発明の第１の手段の具体的実現手段となる、【００２１】本発明の第５の手段によれば本発明の第１乃至４の手段に於いて、センサーとして公知の抵抗線歪みゲージ及びその計測器を使用することにより容易に且つ信頼性の高いジョイスティックを安価で市場に提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００２２】  本発明を実施するための最良の形態の例を図１乃至図４により詳細に説明する。図１は本発明になるジョイスティックの正面１部断面図である。図２は図１に於けるＡ−Ａ断面図である。図３は図１のＢ矢視図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明になる感応ユニットの作用を説明する図である。【００２３】  図１乃至図３に於いて１は本発明になるジョイスティックである。該ジョイスティック１に於いて２はベースであり、３はケースである。前記ベース２と前記ケース３は該ケース３の下部でベース２と図示しないビスにより固定されて容器を構成する。【００２４】  ４はボスである。該ボス４は略垂直に位置し垂直方向の中心線を中心に上面より下方に向かって図示しないネジ孔が旋設されている。該ボス４の下端側は、前記中心線を中心とするほぼ水平方向に広がる円形のフランジ５をなしている。【００２５】  ６及び７は板バネである。該板バネ６及び７は夫々の長手方向の中心位置を前記フランジ５の中心に位置させ且つ相互に直交するように前記フランジ５の厚み中に含まれる水平面に含まれるように固定されている。図２に於いて６ａ、６ｂは前記板バネ６の長手方向の中心からの右側及び左側である。同様に７ａ、７ｂは板バネ７の上側及び下側である。【００２６】  ８は球体である。該球体８は前記板バネ６ａ、７ａ、６ｂ、７ｂの外側の端に前記フランジ５の上下方向の中心から等距離となるように固定されている。９は球体受けである、該球体受け９は前記ケース３の上下方向の中心線を中心として前記水平面内の４カ所に等距離・等間隔に配置されており、前記板バネ６ａ、７ａ、６ｂ、７ｂ各先端の各球体８を前記各板バネの長手方向に摺動自在で、且つ該水平面内に支持するように前記ケース３の円周部内面に配置されている。【００２７】  １０は感応ユニットである。該感応ユニット１０はボス４以降球体受け９の構成部品を以て構成されており、且つフランジ５の上下方向の中心軸から等距離の各板バネの上下面の長手方向の中心位置に抵抗線歪みゲージ１３，１４，１５，１６、１７，１８，１９，２０が貼付されている。【００２８】  １１はスティックである。該スティック１１の下端外周にはネジが螺設してあり、該ネジは前記ボス４のネジ孔に螺合して固定されている。１２はホルダである。該ホルダ１２は、前記スティック１１の上方に、図１及び図３に示す如く装着されている。該ホルダ１２の上面は、操作者の手が軽く挿入できるように、上方が開いた形状をなしている。
ホルダ１２の正確な形状は、それぞれの訓練者の状態に合わせて、作ることが好ましい。
２２は電子回路基板である。該電子回路基板２２はスペーサ２１を介してベース２にビス２１ａで固定されている。【００２９】  以上の構成になる本発明のジョイスティックの作用を説明する。図１及び図２に示す十字感応ユニット１０及び抵抗線歪みゲージの配置を、計算の説明のために図４のように書き換えて示す。
図４に示す如く板バネ６ａ、６ｂの長手方向の中心軸をＸ軸、７ａ、７ｂの長手方向の中心軸をＹ軸にセットし、スティック１１の長手方向の中心軸をＺ軸とし、前記Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の交点を原点とする。【００３０】  Ｚ軸から各球体８の中心軸までの距離をＬｂ、各球体８から当該板バネのゲージの中心位置までの距離をＬｇ、Ｘ−Ｙ平面からスティック１１の力の作用点までの距離をｈとする。なおゲージ１７，１８をＧ１、同様にしてゲージ１３，１４をＧ２，げーじ１９，２０をＧ３，ゲージ１５，１６をＧ４とする。
４個の球体８を更に図４示す通り、８１はＸ軸マイナス側球体、８２はＸ軸プラス側球体，８３はＹ軸マイナス側球体，８４はＹ軸プラス側球体に識別して説明する。
Ｐ点に任意の力Ｆが作用した時を考える。
Ｆは垂直成分Ｆｚと水平成分Ｆｘ、Ｆｙの３成分に分解して扱うことが出来る。
これら３つの作用力成分に対して各支点では図４（ｃ）に示すような反力Ｒｎａ（ｎ＝１、２、３、４  ａ＝ｘ，ｙ，ｚ）が発生する。ここで各成分の矢印の向きは正の向きを定義するものとする。【００３１】  支点の構造上、８１，８２にはｘ方向及びｘ周りには拘束されず、８３，８４は、ｙ方向及びｙ軸周りには拘束されない、従って次の関係式が成り立つ。
【数１】
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【００３２】一方、各板バネのＧ１乃至Ｇ４点に於ける曲げモーメントは、下側に湾曲する作用を正とすると、抗力を用いて数式２の様に簡単に表せる。
なお、Ｇ１点は、センサー１７，１８の位置を言い、同様にＧ２点はセンサー１３，１４、Ｇ３点はセンサー１９，２０、Ｇ４点はセンサー１５，１６にそれぞれ対応する。
【数２】
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ｘｙ平面に平行な抗力成分Ｒ１ｙ、Ｒ２ｙ、Ｒ３ｘ、Ｒ４ｘによる曲げモーメントはセンサーに感知されないから考慮しなくても良い。【００３３】  数式１及び数式２の（１）〜（７）の関係から容易に次の式が導かれる。
【数３】
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上記より各板バネのモーメントＭ１〜Ｍ４を測定することにより（８）〜（１０）式を用いて、Ｐ点に作用する任意の力のｘ、ｙ、ｚ方向の成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを知ることが出来る。【００３４】  尚特許請求の範囲記載した弾性体の所定の断面形状とは、断面形状として丸、正方形又は矩形の他多角形も含む。又弾性体とはバネ鋼、樹脂、非金属繊維細線又は金属細線と樹脂の複合材も含む。
「所定の断面形状を持った細長い弾性体の両端を球状の支点で、該弾性体の長手方向に摺動自在に支持された。」とは図５（ａ）に示す如く、板バネ（弾性体）６又は７の端に球８が固定されており、該球体８が弾性体の撓みに伴う伸縮により球体受け９内を該弾性体の長手方向に摺動する場合と、図５（ｂ）に示す如く弾性体が該球体８をその挿通孔８ａで貫通しており、該球体８は球体受け９の所定位置に揺動自在に固定されており、該弾性体の撓みに伴い、弾性体が該球体８の挿通孔８ａで摺動する場合を含む。
【産業上の利用可能性】
【００３５】１．  リハビリテーション用訓練装置の加重をパラメターとするジョイスティック装置。
２．  操作部の変異をパラメターとするジョイスティック装置
３．  荷重の所定座標上の三次元方向成分計測器
４．  変異の所定座標上の三方向成分計測器
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明になるジョイスティックの正面１部破断図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ矢視図である
【図４】（ａ）本発明の十字形感応ユニットの上面図で計算式の説明図である。（ｂ）図４（ａ）の側面図で計算式の説明図である。（ｃ）図４（ａ）のジョイスティック先端部に力Ｆが作用したとき支点部に発生する反力の状況を示す計算式の説明図である。
【図５】（ａ）板バネ６，７の先端に固定された球体８が板バネ６，７の撓みに応じて球体受け９内を摺動しつつ前記板バネ６，７を支持する状況を示す図である。（ｂ）球体受け９内に揺動自在に固定された球体８が板バネ６，７の撓みに応じて揺動し、かつ該板バネの長手方向の中心軸方向に板バネを摺動させつつ支持する状況を示す。
【図６】従来技術のジョイスティックを示す正面１部破断図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ断面図である。
【図８】図６Ｄ矢視図である。
【符号の説明】
【００３７】  １  ３１  ジョイスティック
２  ３２  ベース
３、３３  ケース
４、３４  ボス
５  フランジ
６、７  板バネ
８  球体
８ａ  板バネ挿通孔
９  球体受け
１０  十字型感応ユニット
１１、３７  スティック
１２、３８  ホルダー
１３、１４、Ｇ２、１５、１６、Ｇ４、１７、１８、Ｇ１、１９、２０  Ｇ３  抵抗線歪みゲージ
２１、４５  スペーサ
２１ａ，４５ａ  ビス
２２、４６  回路基板
３５  曲げ感応ユニット
３５ａ  座面
３６  上下荷重感応ユニット
３６ａ  ボルト
３６ｂ  ナット
３６ｃ  スタッド
３９，４０，４１，４２、４３，４４  センサ
８１  Ｘ軸マイナス側球体
８２  Ｘ軸プラス側球体
８３  Ｙ軸マイナス側球体
８４  Ｙ軸プラス側球体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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