(57)【要約】掌部材（１）と、示指アセンブリ（２１）、中指アセンブリ（２２）、薬指アセンブリ（２３）、小指アセンブリ（２４）及び拇指アセンブリ（２５）を備え、示指アセンブリ（２１）、中指アセンブリ（２２）、薬指アセンブリ（２３）及び小指アセンブリ（２４）が掌部材（１）の上端にそれぞれに開閉可能に接続された指部材（２）と、掌部材（１）の内側に直立回転可能に接続されて、拇指アセンブリ（２５）が開閉可能に接続される第１指間部部材（３）と、を含むバイオニック義手である。バイオニック義手では、拇指アセンブリ（２５）が、内転又は外転することができ、示指アセンブリ（２１）、中指アセンブリ（２２）、薬指アセンブリ（２３）、小指アセンブリ（２４）及び拇指アセンブリ（２５）は、伸展又は屈曲動作を実現できるとともに、重量が軽く、患者（上肢欠損者）による長時間にわたる装着や使用に利便性を図る。【選択図】図１
2019520163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
掌部材と、
示指アセンブリ、中指アセンブリ、薬指アセンブリ、小指アセンブリ及び拇指アセンブリを備え、前記示指アセンブリ、前記中指アセンブリ、前記薬指アセンブリ及び前記小指アセンブリが前記掌部材の上端にそれぞれ開閉可能に接続される指部材と、
前記掌部材の内側に直立回転可能に接続されて、前記拇指アセンブリが開閉可能に接続される第１指間部部材と、
を含む、バイオニック義手。
【請求項２】
前記掌部材内には指駆動モータが設けられており、前記指駆動モータに回転軸が接続され、前記回転軸にその軸方向に複数の環状凹溝が設けられ、
前記示指アセンブリ、前記中指アセンブリ、前記薬指アセンブリ、前記小指アセンブリ及び前記拇指アセンブリが、それぞれに示指駆動ワイヤ、中指駆動ワイヤ、薬指駆動ワイヤ、小指駆動ワイヤ及び拇指駆動ワイヤにより前記回転軸の複数の環状凹溝内に接続される、
請求項１に記載のバイオニック義手。
【請求項３】
前記薬指駆動ワイヤの長さ及び前記小指駆動ワイヤの長さは、ともに前記示指駆動ワイヤの長さ及び前記中指駆動ワイヤの長さよりも長くなる、
請求項２に記載のバイオニック義手。
【請求項４】
前記掌部材内には、キャビティが設けられており、
前記指駆動モータ及び前記回転軸が、ともに前記キャビティ内に位置しており、
前記キャビティ外には、保護カバーが設けられている、
請求項２に記載のバイオニック義手。
【請求項５】
前記掌部材に拇指駆動モータが設けられ、前記拇指駆動モータの回転軸に前記第１指間部部材が接続され、
前記拇指アセンブリの一端が、前記第１指間部部材に枢着されている、
請求項１に記載のバイオニック義手。
【請求項６】
前記拇指アセンブリに第１指間部スライドプレートが接続され、前記第１指間部スライドプレートが前記第１指間部部材内に摺動可能に差し込み接続し、前記第１指間部スライドプレートに摺動溝が設けられ、
前記第１指間部部材には、前記摺動溝内に穿設されたストッパピンが設けられている、
請求項５に記載のバイオニック義手。
【請求項７】
前記示指アセンブリ、前記中指アセンブリ、前記薬指アセンブリ、前記小指アセンブリ及び前記拇指アセンブリの指背に、前記掌部材に接続された弾性バンドがそれぞれに設けられている、
請求項１に記載のバイオニック義手。
【請求項８】
前記示指アセンブリ、前記中指アセンブリ、前記薬指アセンブリ及び前記小指アセンブリは、構造が同じであり、それぞれが順次に接続された近位指節関節部材、中位指節関節部材及び遠位指節関節部材からなり、
前記近位指節関節部材が、前記示指駆動ワイヤ、前記中指駆動ワイヤ、前記薬指駆動ワイヤ又は前記小指駆動ワイヤにより前記回転軸に接続されており、
前記中位指節関節部材が、前記近位指節関節部材の上端に回転可能に接続されており、
前記遠位指節関節部材が、前記中位指節関節部材の上端に接続されている、
請求項２に記載のバイオニック義手。
【請求項９】
前記近位指節関節部材内に弾性部材が設けられ、前記弾性部材の一端が上側ワイヤにより前記中位指節関節部材に接続され、前記弾性部材の他端が下側ワイヤにより前記掌部材に接続される
請求項８に記載のバイオニック義手。
【請求項１０】
前記遠位指節関節部材は、前記中位指節関節部材に一体成型されている、又は、前記遠位指節関節部材は、複数のピンにより前記中位指節関節部材に固定接続されている、
請求項８に記載のバイオニック義手。
【請求項１１】
前記拇指アセンブリは、順次に接続された中手骨手根関節部材、近位指節関節部材及び遠位指節関節部材を含み、
前記中手骨手根関節部材が、前記拇指ワイヤにより前記回転軸に接続されており、前記近位指節関節部材がピンにより前記中手骨手根関節部材に接続されており、前記遠位指節関節部材がピンにより前記近位指節関節部材に接続されている、
請求項２に記載のバイオニック義手。
【請求項１２】
前記遠位指節関節部材は、関節部材骨組体と、前記関節部材骨組体に接続された指腹構造と、を含む
請求項８又は１１に記載のバイオニック義手。
【請求項１３】
前記指腹構造と前記関節部材骨組体は、３Ｄプリンタにより一体成型される、又は、前記指腹構造は、粘着又は嵌め込みの方式で前記関節部材骨組体に接続される、ことを特徴とする
請求項１２に記載のバイオニック義手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、義手に関し、特にリハビリ医療器械分野におけるバイオニック義手に関する。
【背景技術】
【０００２】
筋電義手は、欠損した肢体の代わりに、上肢欠損障害者のため日常生活の利便性を提供することが可能であり、現在のリハビリ工程分野での重要な検討方向の１つとなっている。
【０００３】
従来の製品では、比例制御型筋電義手は、拇指、示指及び中指という三本の指のみを有し、手の開閉という単一モードの動作で掴みを実現することしかできない。また、比例制御型筋電義手の手指は、一体化された構造であり、多関節によるコラボレーション運動を実現できない。そのため、このような製品は、日常生活における実用性が高くないと考えられる。
【０００４】
従来の製品では、五本の手指を有する義手もあり、薬指と小指によるコラボレーション運動が可能であるほか、各本の手指による動きを個別に制御することができ、多くの手部動作を実現することができる。また、拇指以外の四本の手指は、遠位指節関節以外の２関節がコラボレーション運動を行うという特徴を有する。ただし、このような義手の拇指の中手骨手根関節は、独立した自由度を有しないため、拇指による内転又は外転の回転動作には手動による補助が必要となる。また、このような義手によれば、外観や動作上のバイオニック設計が実現されたが、重量が重い（５００ｇ以上）ので、患者に対して大きな負担を与え、長時間にわたる装着に適していない。
【０００５】
目下、従来の多自由度筋電義手では、各関節に自由度を与えることによって、単一の手指及び関節による独立した動きが実現され、実現可能な動作の数が多くなるが、しかし、モータの数が多いので、制御システムが複雑となり、メンテナンスコストが高くなっている。また、重量が重いので、患者は、長時間にわたる装着後、痛み、疲れ等が感じているようになるという問題があり、長時間にわたる装着や使用ができなくなる。そのため、このような義手は、実用性が大きく損なわれただけでなく高い価格が障害となり、普通の患者に向いておらず、一般的な家庭に受け入れられにくいと考えられる。
【０００６】
次に、市販品の筋電義手は、構造上では、本体部分が金属材で製造されたので、重量が重くなるだけでなく、関節にギア等の伝統的な伝動方式が用いられて、複数段の噛合が伝動効率を低下させ、モータのトルクを最大限に発揮させることができなくなり、最終的に、価格が高くて体積が大きい大トルク出力モータを用いて補足しなければならない。ただし、このような対策では、逆にコストを増加し、余計な重量も増加してしまう。
【０００７】
また、既存の筋電義手は、掴み能力がまずまずの程度に過ぎず、物体を掴む時に、他の手指による干渉があるため、利用者が適切な掴み姿勢となるように、上肢の補助運動によって姿勢を変換、調節しなければならない。また、物体を掴む時に、指腹構造は、一定の被覆力及び摩擦力を含有する粘弾性を有しないため、物体の掴みの安定性が不足する。また、手指が横方向（手のひらの平面と平行）の外力の作用を受けた場合に、負荷保護構造が設けられていないため、手指関節が損害されやすく、義手全体の実用性が大きく損なわれる。これも、利用者は筋電義手を用いて細かい動きを行うことができず、利用者は実用性が高くないと認識する要因である。
【０００８】
さらに、従来の筋電義手は、外観からすると、十分にバイオニック化されたものとは思われていない。患者が公共の場で義手を装着、使用している場合、周りから注目されやすく、装着者自身も、心理的な抵抗感が生じてしまい、利用意向が低下する。この場合に、外観が十分にバイオニック化されていない筋電義手を用いるよりも、操作機能がない装飾的な義手を使用したほうがよいと思われることがある。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、拇指アセンブリが内転又は外転することができ、示指アセンブリ、中指アセンブリ、薬指アセンブリ、小指アセンブリ及び拇指アセンブリが伸展又は屈曲動作を実現できるとともに、重量が軽く、外観がバイオニック化されたものであり、患者による長時間にわたる装着や使用に利便性を図るバイオニック義手を提供することを目的としている。
【００１０】
本発明は、
掌部材と、
示指アセンブリ、中指アセンブリ、薬指アセンブリ、小指アセンブリ及び拇指アセンブリを備え、前記示指アセンブリ、前記中指アセンブリ、前記薬指アセンブリ及び前記小指アセンブリが前記掌部材の上端にそれぞれに開閉可能に接続される指部材と、
前記掌部材の内側に回転可能に接続されて、前記拇指アセンブリが開閉可能に接続される第１指間部部材と、
を含むバイオニック義手を提供する。
【００１１】
本発明のバイオニック義手は、下記のような特徴及び利点を有している。
【００１２】
一、本発明において、２つの小型モータ（即ち、指駆動モータ及び拇指駆動モータ）のみを駆動として用いることで、拇指アセンブリ、示指アセンブリ、中指アセンブリ、薬指アセンブリ及び小指アセンブリという五本の手指による伸展又は屈曲動作、並びに、拇指アセンブリの中手骨手根関節部材による内転又は外転動作を、それぞれに駆動するものが設計された。つまり、本発明は、第１指間部部材に接続され拇指の内転又は外転を駆動する拇指駆動モータにより、拇指アセンブリを、他の四本の手指アセンブリと平行又は対向な異なる空間位置で、垂直に回転させることができる。また、指駆動モータの回転軸により、五本の手指アセンブリの屈曲又は伸展を同時に駆動させる。これによって、拇指アセンブリが他の四本手指アセンブリと協働して、各種の姿勢における握力把握、精密把握及び側面把握という３種類の、健常者の日常生活において８５％も占めている主な把握モードを実現した。
【００１３】
二、本発明は、指駆動モータの回転軸により、五本の手指アセンブリの同時の伸展又は屈曲を連動させ、掌部材内に設けられた異なる駆動ワイヤ通路の経路長さを、異なるワイヤ通路に穿設されて長さが異なるワイヤに対応させることを介して、各手指アセンブリの分離運動を実現する。つまり、本発明は、薬指アセンブリと小指アセンブリとの分離遅延運動をさらに派生し、これにより、薬指アセンブリと小指アセンブリは、構造上、示指アセンブリ及び中指アセンブリに対して遅延屈曲を起こすように設計され、ミスタッチ又は干渉の問題を効果的に回避することができる。このように、精密把握時に、薬指アセンブリ及び小指アセンブリが示指アセンブリ及び中指アセンブリよりも先に物体に接触したことによる誤動作又は掴み不可能な状況を回避し、把握能力が向上した。
【００１４】
三、本発明は、各本の手指アセンブリの異なる長さに基づいて、弾性係数が最適な五本の弾性バンドを算出し対応し、各弾性バンドが、各手指アセンブリの指背部分に設けられている。つまり、受動的な動力源としての、五本の手指アセンブリの指背に設けられた弾性バンドの弾性復元力により、各手指アセンブリの伸展動作が実現出来る。具体的には、指駆動モータが回転軸の逆転を駆動し、各手指アセンブリを牽引する駆動ワイヤを緩めるとともに、各手指アセンブリは、その指背での各弾性バンドの復元力により五本の指が開いた状態に戻り、これによって、各手指アセンブリの伸展動作を実現した。
【００１５】
四、本発明における遠位指節関節部材の柔軟な指腹構造と、剛性な関節部材骨組体は、３Ｄプリンタにより一体成型されることができ、取り付けまたは粘着による工程数の増加及びコストの向上を回避できる。又は、柔軟な指腹構造は、さらに、粘着又は嵌め込みの方式で関節部材骨組体に接続されてもよい。当該指腹構造は、柔軟性を有するゴム材料からなる柔軟性構造が用いられたことで、手指アセンブリによる物体掴み時の接触面積を大きくし、表面摩擦性能を強くし、物品掴み時の被覆力及び表面摩擦力を向上し、さらに、物体掴みの安定性を顕著に向上させる。
【００１６】
五、摩擦がない構造部分について、例えば、「また、近位指節関節部材と掌部材との回転中心、及び中位指節関節部材と近位指節関節部材との回転中心は、同じく回転線である。これらの関節部材において、それぞれの回転中心に沿って他の関節との摩擦が生じない線接触構造が形成されているので、伝統的な関節回転ペアが、相互の面接触に起因して、運動時に摩擦作用が生じ、手指出力が弱くなることは避けられる。本発明のこのような摩擦がない線接触構造では、指駆動モータの出力を各手指アセンブリに対して効率最大化するように出力することができる」又は「従来の義手では関節と関節との間に軸接続の方式が採用されたので、互いに接触する面で摩擦力が生じて出力効率が低下する。これに対し、本発明の各手指アセンブリの各関節部材間では、軸接続ではなく、線接触の方式が採用されたので、摩擦力がゼロであり、指駆動モータの出力に対する内部損失を回避した」が引用されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係るバイオニック義手の正面図である。
【図２】図２は、本発明に係るバイオニック義手の背面図である。
【図３】図３は、本発明に係るバイオニック義手の掌部材の構造を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明に係るバイオニック義手の拇指アセンブリの構造を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明に係るバイオニック義手の示指アセンブリの構造を示す模式図（の１）である。
【図６】図６は、本発明に係るバイオニック義手の示指アセンブリの構造を示す模式図（の２）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下は、本発明の実施例の図面を組み合わせて、本発明の実施例に係る技術案を明瞭、完全に記述する。明らかなことに、記述した実施例が、全部の実施例ではなく、本発明の実施例の一部に過ぎない。本発明の実施例に基づいて、当業者が創意工夫をせずに取得した全ての他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に含まれる。
【００１９】
図１及び図２に示されたように、本発明は、掌部材１、指部材２及び第１指間部部材３を含むバイオニック義手を提供する。そのうち、指部材２が、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５を備え、前記示指アセンブリ２１、前記中指アセンブリ２２、前記薬指アセンブリ２３及び前記小指アセンブリ２４が、前記掌部材１の上端にそれぞれに開閉可能に接続されており、第１指間部部材３が、前記掌部材１の内側に直立回転可能に接続されており、前記拇指アセンブリ２５が、前記第１指間部部材３に開閉可能に接続されている。
【００２０】
具体的には、掌部材１は、外観構造が人手の形状と類似した部材であり、本発明において、当該掌部材１の全体形状は、大人の女性の右手の平均的寸法及び大きさに応じてバイオニック設計を行って得られたものである。人手の外観形状をリアルに模倣できるように、当該掌部材１の両側及び、手首に近接する箇所での構造が、いずれも遷移曲面造型に設計される。本実施例において、当該掌部材１の下端（つまり、手首と接続する端部）には、手首関節の拡張可能な連結軸１１が接続されることで、後続の手首機能の拡張や直接的に固定接続端として機能する面に利便性を図る。
【００２１】
指部材２は、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５からなり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４が掌部材１の上端にそれぞれに接続されている。本発明において、掌部材１での当該示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２の位置及び角度は、精密把握時の空間噛合により解析、算出した位置と対応する。掌部材１での薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４の位置及び角度は、人手の不規則曲面分布に合わせる。本実施例において、図３に示されたように、掌部材１内には、回転軸４１が接続された指駆動モータ４が設けられており、当該回転軸４１は、複数のピン４２により指駆動モータ４の回転軸と接続されている。掌部材１の外側には、軸受４３が設けられており、当該軸受４３には、中心軸４４が穿設されており、回転軸４１は、軸受４３及び中心軸４４により位置が決められて支持される。当該回転軸４１には、その軸方向に沿って間隔を空けて複数の環状凹溝４１１が設けられており、当該示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５は、示指駆動ワイヤ２１１、中指駆動ワイヤ２２１、薬指駆動ワイヤ２３１、小指駆動ワイヤ２４１及び拇指駆動ワイヤ２５１により、回転軸４１の複数の環状凹溝４１１内にそれぞれに接続されることで、当該指駆動モータ４は、前述したワイヤ（つまり、示指駆動ワイヤ２１１、中指駆動ワイヤ２２１、薬指駆動ワイヤ２３１、小指駆動ワイヤ２４１及び拇指駆動ワイヤ２５１）により各手指アセンブリ（つまり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５）を駆動して、五本の手指の屈曲動作（つまり、閉動作）を共同で完成することができる。このように、指駆動モータ４は、回転軸４１が正転するよう駆動する場合に、五本の駆動ワイヤを連動して五本の手指アセンブリを駆動することで、閉動作を実現することができる。指駆動モータ４は、回転軸４１が反転するよう駆動する場合に、五本の駆動ワイヤを緩めることに相当し、五本の手指アセンブリの開動作を実現するために、準備する。
【００２２】
本実施例において、図３に示されたように、掌部材１には、示指駆動ワイヤ通路１２、中指駆動ワイヤ通路１３、薬指駆動ワイヤ通路１４、小指駆動ワイヤ通路１５及び拇指駆動ワイヤ通路１６の五本の引き回し通路が設けられており、そのうち、示指駆動ワイヤ２１１が、示指駆動ワイヤ通路１２内に穿設されており、中指駆動ワイヤ２２１が中指駆動ワイヤ通路１３内に穿設されており、薬指駆動ワイヤ２３１が薬指駆動ワイヤ通路１４内に穿設されており、小指駆動ワイヤ２４１が小指駆動ワイヤ通路１５内に穿設されており、拇指駆動ワイヤ２５１が拇指駆動ワイヤ通路１６内に穿設されている。さらに、当該掌部材１内には、前記五本の引き回し通路と連通するキャビティ１７が設けられており、前記キャビティ１７は、掌部材１の上部に設けられ、指駆動モータ４及び回転軸４１は、ともに当該キャビティ１７内に位置している。本実施例において、図２に示されたように、当該キャビティ１７には、保護カバー１８が設けられている。示指駆動ワイヤ２１１、中指駆動ワイヤ２２１、薬指駆動ワイヤ２３１、小指駆動ワイヤ２４１及び拇指駆動ワイヤ２５１は、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５を駆動するための精密的なコア伝動部であり、且つ、不要な空間体積を余計に増加せずに人手の実際な形態をバイオニック化して模倣するように外観を設計しなければならないことを考慮したうえ、キャビティ１７に前記伝動部を内藏させ、さらに保護カバー１８を設けることで、防塵及び異物との接触を回避する保護処理を行う必要がある。
【００２３】
精密把握時に、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４という四本の手指アセンブリが、同じの角速度で同時に屈曲すると、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４が他の三本の手指アセンブリ（つまり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２及び拇指アセンブリ２５）よりも先に掴み対象物に接触するようになり、そこで、ミスタッチ又は干渉等の問題が生じる。例えば、平面に放置された小体積の物体を掴む時に、拇指アセンブリ２５、示指アセンブリ２１及び中指アセンブリ２２が協力して、３点接触による精密な掴みを形成する必要があるが、この時に薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４は、同じ速度で同時に屈曲させ、さらに平面と接触すると、当該バイオニック義手は、三本の手指アセンブリの３点接触による精密な掴み動作が実現できず、精密掴み動作がよく実現できず、又は、掴み動作が失敗になってしまう。
【００２４】
そのため、本発明の一実施形態において、薬指駆動ワイヤ２３１の長さ、小指駆動ワイヤ２４１の長さを、ともに示指駆動ワイヤ２１１の長さ及び中指駆動ワイヤ２２１の長さよりも長くする。
【００２５】
具体的には、前記薬指駆動ワイヤ２３１の長さとは、薬指アセンブリ２３と接続された一端から回転軸４１に接続された他端までの実際の長さであり、当該小指駆動ワイヤ２４１の長さとは、小指アセンブリ２４と接続された一端から回転軸４１に接続された他端までの実際の長さであり、当該示指駆動ワイヤ２１１の長さとは、示指アセンブリ２１と接続された一端から回転軸４１に接続された他端までの実際の長さであり、当該中指駆動ワイヤ２２１の長さとは、中指アセンブリ２２と接続された一端から回転軸４１に接続された他端までの実際の長さである。示指駆動ワイヤ２１１、中指駆動ワイヤ２２１、薬指駆動ワイヤ２３１及び小指駆動ワイヤ２４１は、掌部材１内に位置している示指駆動ワイヤ通路１２、中指駆動ワイヤ通路１３、薬指駆動ワイヤ通路１４、小指駆動ワイヤ通路１５にそれぞれに穿設されたので、本発明には、薬指駆動ワイヤ２３１の長さ、及び小指駆動ワイヤ２４１の長さを、いずれも示指駆動ワイヤ２１１の長さ及び中指駆動ワイヤ２２１の長さよりも長くし、つまり、薬指駆動ワイヤ通路１４の長さ及び小指駆動ワイヤ通路１５の長さを、ともに示指駆動ワイヤ通路１２の長さ及び中指駆動ワイヤ通路１３の長さよりも長くする。
【００２６】
本発明は、掌部材１内に設けられた異なる駆動ワイヤ通路の路径長さにより、異なる駆動ワイヤ通路に穿設された異なる駆動ワイヤの長さと対応して、各手指アセンブリの分離運動を実現し、これにより、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４の屈曲運動が、示指アセンブリ２１及び中指アセンブリ２２の屈曲運動よりも遅くさせられる。このようにすると、拇指アセンブリ２５、示指アセンブリ２１及び中指アセンブリ２２は、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４が同一の屈曲角度に達することよりも先に３点接触による精密な掴み動作を形成し、これによって、前述したミスタッチ又は干渉問題を回避する。
【００２７】
本発明の一実施例において、図１及び図３に示されたように、当該掌部材１には、回転軸５１に第１指間部部材３が接続された拇指駆動モータ５がさらに設けられており、拇指アセンブリ２５の一端は、当該第１指間部部材３に枢着されている。
【００２８】
本実施例において、図４に示されたものを参照して、当該拇指アセンブリ２５は、順次に接続された中手骨手根関節部材２５２、近位指節関節部材２５３及び遠位指節関節部材２５４を含み、中手骨手根関節部材２５２が、拇指駆動ワイヤ２５１により指駆動モータ４の回転軸４１に接続されており、近位指節関節部材２５３がピン２５５により中手骨手根関節部材２５２に接続されており、遠位指節関節部材２５４がピン（図示しない）により近位指節関節部材２５３に接続されている。
【００２９】
当該中手骨手根関節部材２５２は、枢着端２５２１を備え、当該拇指アセンブリ２５は、中手骨手根関節部材２５２の枢着端２５２１により第１指間部部材３の他側に枢着されることで、当該拇指アセンブリ２５が第１指間部部材３に対して屈曲又は伸展動作を実現できる。さらに、当該拇指アセンブリ２５の中手骨手根関節部材２５２には、第１指間部部材３内に摺動可能に差し込み接続する第１指間部スライドプレート２５６が接続されており、第１指間部スライドプレート２５６には、摺動溝２５６１が設けられており、第１指間部部材３には、摺動溝２５６１を通過して第１指間部部材３に固定されたストッパピン３１が設けられている。第１指間部スライドプレート２５６が拇指駆動ワイヤ２５１により第１指間部部材３内で摺動し、つまり、拇指アセンブリ２５が屈曲又は伸展動作を実現する場合に、当該摺動溝２５６１は、ストッパピン３１に対して往復摺動することで、第１指間部部材３での第１指間部スライドプレート２５６の最大限の位置を規制し、拇指アセンブリ２５の中手骨手根関節部材２５２の屈曲又は伸展する時の角度を規制し、これによって、中手骨手根関節部材２５２が摺動中に第１指間部部材３から離脱する状況の発生を防止でき、且つ、角度誤差を解消することと、伸展の最大限の位置における拇指アセンブリ２５の強度の増加とを達成できる。
【００３０】
本発明の第１指間部部材３と拇指駆動モータ５との間は、一端が固定され、他端が浮動している位置決め接続を採用している。具体的には、当該拇指駆動モータ５は、掌部材１の内側の中下部に設けられており、当該第１指間部部材３の上端は、拇指駆動モータ５の回転軸５１と固定接続されており、第１指間部部材３の他端には、接続孔３２が設けられており、接続孔３２は、隙間嵌めの方式で掌部材の下端の短軸１０に接続されることで、回転ペアを形成する。拇指駆動モータ５の回転軸５１がそれに伴って回転するときに、それに接続される第１指間部部材３を駆動することで、拇指アセンブリ２５を連動させて内転又は外転動作を実現する。このような一端が固定され他端が浮動している接続方式は、拇指アセンブリ２５が内転又は外転動作を順調自在に行うことを確保するだけでなく、剛性支持も提供する。
【００３１】
本発明は、拇指駆動モータ５の回転軸５１に接続される第１指間部部材３により、拇指アセンブリ２５を連動させて内転又は外転をすることで、拇指アセンブリ２５が、他の四本の指と平行又は対向の、異なる空間位置で回転させる。また、指駆動モータ４の回転軸４１により、五本の手指アセンブリ（つまり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５）を連動させ屈曲又は伸展を実現するよう駆動する。拇指アセンブリ２５の内転又は外転は、五本の手指アセンブリの屈曲又は伸展と協働して、各種の形態の握力把握、精密把握及び側面把握という３種類の把握モードが完成できる。このような多形態の掴み動作は、普通の人の日常生活に８５％まで占める。
【００３２】
本発明の一実施形態によれば、当該示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４は、構造が同じであり、いずれも順次に接続された近位指節関節部材６１、中位指節関節部材６２及び遠位指節関節部材６３からなり、当該近位指節関節部材６１が、示指駆動ワイヤ２１１、中指駆動ワイヤ２２１、薬指駆動ワイヤ２３１又は小指駆動ワイヤ２４１により回転軸４１に接続されており、中位指節関節部材６２が近位指節関節部材６１の上端に回転可能に接続されており、遠位指節関節部材６３が中位指節関節部材６２の上端に接続されている。
【００３３】
具体的には、当該示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４は、各手指関節の長さが異なる他に、構造では一致しているので、ここで、示指アセンブリ２１のみを例として構造を説明する。図５及び図６に示されたように、当該示指アセンブリ２１は、近位指節関節部材６１、中位指節関節部材６２及び遠位指節関節部材６３という３つの部分からなる。当該示指アセンブリ２１の伝動機構については、掌部材１内に設けられた指駆動モータ４により示指駆動ワイヤ２１１を駆動することで、近位指節関節部材６１を連動させる。ただし、示指駆動ワイヤ２１１の一端が示指駆動ワイヤ通路１２を通って指駆動モータ４の回転軸４１に接続されており、他端が引き回し孔６１１を通って近位指節関節部材６１の内部に固定されている。指駆動モータ４の回転軸４１が近位指節関節部材６１を連動している同時に、第２の示指駆動ワイヤ２１２を連動している。ただし、第２の示指駆動ワイヤ２１２は、両端が固定されて、一端が引き回し孔６２１を通って中位指節関節部材６２内部に固定されて、其他端が引き回し孔６１２を通って近位指節関節部材６１を通過して掌部材１に固定されたものである。
【００３４】
当指駆動モータ４は、示指駆動ワイヤ２１１を回転駆動する場合に、示指駆動ワイヤ２１１と第２の示指駆動ワイヤ２１２との複合連動で、近位指節関節部材６１、中位指節関節部材６２が同時に屈曲させ、また、ワイヤの伝動で、物体に対する自然で、人間のような掴み動作を実現できる。その一方、遠位指節関節部材６３は、ピン６３１により中位指節関節部材６２に固定されているため、個人化を実現するだけでなく、容易に取り外し、メンテナンスすることができる。
【００３５】
また、本発明において、近位指節関節部材６１内部には、キャビティ６１３が設けられており、キャビティ６１３内には、弾性部材６１４が取り付けられてもよく、本実施例において、キャビティ６１３内には、２つの弾性部材６１４が左右対称に取り付けられ、当該弾性部材６１４は、例えば、ばねであってもよい。ここで、キャビティ６１３内の右側に位置している弾性部材６１４のみを例として説明する。図５に示されたように、当該弾性部材６１４の一端は、上側ワイヤによって引き回し孔６１５を通過して中位指節関節部材６２に固定されており、当該弾性部材６１４の他端は、下側ワイヤによって引き回し孔６１６を通過して掌部材１に固定されており、当該上側ワイヤ及び下側ワイヤは、固定長である。このように、示指アセンブリ２１が横方向（掌部材１と平行な平面）の大きな外力を受けた場合に、弾性部材６１４は変形し、これによって、弾性部材６１４は、ダンパとして柔軟性回避の作用を奏することだけでなく、その力を近位指節関節部材６１及び中位指節関節部材６２の２つの固定端に伝達して衝撃力を弱くし、これによって、損害されにくい、受動的に横方向変位可能な示指アセンブリ２１の負荷保護構造を実現し、バイオニック義手の安全性を大きく向上した。
【００３６】
その他に、本発明において、近位指節関節部材６１の両端には、上側内斜面６１７及び下側内斜面６１８がそれぞれに形成されており、近位指節関節部材６１と接続した中位指節関節部材６２の一端には、下側内斜面６２２が形成されており、当該上側内斜面６１７、下側内斜面６１８及び下側内斜面６２２の設置により、掌部材１に対する近位指節関節部材６１の屈曲角度、及び近位指節関節部材６１に対する中位指節関節部材６２の屈曲角度を確保した。また、近位指節関節部材６１と掌部材１との回転中心、及び中位指節関節部材６２と近位指節関節部材６１との回転中心は、同じく回転線である。これらの関節部材において、それぞれの回転中心に沿って他の関節の摩擦が生じない線接触構造が形成するので、伝統な関節回転ペアが、相互の面接触により、運動時に摩擦作用を生じて、手指出力が弱くなる状況は避けられる。本発明のこのような摩擦がない線接触構造によって、指駆動モータ４の出力を各手指アセンブリに対して効率最大化することができる。
【００３７】
また、本発明の一実施例において、当該遠位指節関節部材６３は、中位指節関節部材６２に一体成型されてもよく、または、他の実施例において、当該遠位指節関節部材６３は、複数のピン６３１により中位指節関節部材６２に固定接続されてもよく、このように、取り付けが簡単になるだけでなく、損害された場合に、容易にメンテナンスするように当該遠位指節関節部材６３を直接、容易に置き換えることができる。また、示指アセンブリ２１を３つの部分（つまり、近位指節関節部材６１、中位指節関節部材６２及び遠位指節関節部材６３）に分けて構成するという構造の最も重要な利点としては、各患者の手指乃至関節の異なる長さ及び太さに応じて個人化することができ、異なるユーザに対する当該バイオニック義手の適用範囲を大きく広げる。
【００３８】
本発明の一実施形態において、図２及び図４に示されたように、当該示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５のぞれぞれの指背に、弾性バンド２１３、弾性バンド２２２、弾性バンド２３２、弾性バンド２４２及び弾性バンド２５７がそれぞれに接続されており、弾性バンド２１３、弾性バンド２２２、弾性バンド２３２、弾性バンド２４２及び弾性バンド２５７は、各手指アセンブリを貫通して掌部材１に接続されている。図２に示された弾性バンド２１３、弾性バンド２２２、弾性バンド２３２、弾性バンド２４２は、各手指アセンブリの指背の溝と、該溝内のバンプとの間のスリットに取り付けられた。
【００３９】
具体的には、図３及び図４に示されたように、掌部材１の手の甲側の上端、つまり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４が設けられた掌部材１の位置で、４つの係止爪１９がそれぞれに設けられており、弾性バンド２１３、弾性バンド２２２、弾性バンド２３２及び弾性バンド２４２は、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４の各々の中位指節関節部材６２及び近位指節関節部材６１を貫通し、掌部材１の４つの係止爪１９に接続されている。弾性バンド２５７は、拇指アセンブリ２５の近位指節関節部材２５３及び中手骨手根関節部材２５２を貫通して第１指間部部材３に接続されている。
【００４０】
本発明は、各手指アセンブリの異なる長さに基づいて計算し、弾性係数が最適である五本の弾性バンドを対応させ、また、弾性バンド２１３、弾性バンド２２２、弾性バンド２３２、弾性バンド２４２及び弾性バンド２５７は、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３、小指アセンブリ２４及び拇指アセンブリ２５の指背部分に設けられており、つまり、受動的な動力源として、五本の手指アセンブリの指背にて設けられた弾性バンドは、各手指アセンブリを引っ張り、伸展動作を実現する。具体的には、指駆動モータ４は、回転軸４１が逆転するよう駆動する場合に、各手指アセンブリを牽引する駆動ワイヤが緩められるとともに、各手指アセンブリは、その指背での各弾性バンドの復元力により五本の指が開いた状態に戻り、これによって、各手指アセンブリの伸展動作を実現する。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４の遠位指節関節部材６３と、拇指アセンブリの遠位指節関節部材２５４は、いずれも関節部材骨組体６３２と、当該関節部材骨組体６３２に接続された指腹構造６３３と、を含む。
【００４２】
具体的には、当該指腹構造６３３及び関節部材骨組体６３２は、３Ｄプリンタにより一体成型されることができ、こうすると、取り付け及び粘着による工程の増加及びコストの向上を回避する。又は、他の実施例において、当該指腹構造６３３は、粘着又は嵌め込みの方式で関節部材骨組体６３２に接続されてもよい。当該嵌め込む接続方式とは、関節部材骨組体６３２と指腹構造６３３との間に、例えば、バンプ及び溝の嵌合構造を設けることで、関節部材骨組体６３２が指腹構造６３３と係合させる。本発明において、当該指腹構造６３３は、柔軟性を有するゴム状材料からなる柔軟性構造を採用し、示指アセンブリ２１を例として説明すると、遠位指節関節部材６３にて、柔軟性を有する材料と骨組体とのそれぞれの割合を算出、分析することにより、普通の人の指腹の粘弾特性に近似するように対応させ、ここで、遠位指節関節部材６３の指腹構造６３３と関節部材骨組体６３２との体積比は、０.５４〜０.６６である。これによって、手指アセンブリが物品を掴む時の被覆力を向上するとともに、物体表面と接触する時に生じた表面摩擦力を増加することで、物体を掴む安定性を大きく向上する。
【００４３】
本発明において、２つの小型モータ（つまり、指駆動モータ４及び拇指駆動モータ５）のみを駆動として用いることで、拇指アセンブリ２５、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４という五本の手指の伸展又は屈曲動作、並びに、拇指駆動モータ５の回転軸５１回りの拇指アセンブリ２５の内転又は外転動作を共に駆動するものが設計された。前記動作の組み合わせにより、各種の形態の握力把握、精密把握及び側面把握という３種類の把握モードを形成することができ、このような掴み動作は、日常生活に８５％まで占める。さらに、本発明において、近位指節関節部材６１には、負荷保護装置が設けられることで、手指アセンブリ（つまり、示指アセンブリ２１、中指アセンブリ２２、薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４）が横方向の大きな外力を受けた場合に、柔軟的に回避して、損害されにくい。
【００４４】
また、本発明に係るバイオニック義手在は、患者の実際使用中の詳細に対して、より人間的な設計を行った。薬指アセンブリ２３及び小指アセンブリ２４の遅延運動を設計することで、精密把握時の掴み能力を向上し、柔軟性構造を採用して、人手指腹の粘弾特性を近似にバイオニックな模倣することで、把握能力を向上し、及び個人化に適用する、取り外しやすく、メンテナンスしやすい手指関節部材構造を設計する。
【００４５】
最後に、本発明は、製造及び取り付けプロセスについて、構造の簡素化及び、メンテナンスの便利をできるだけ両立し、また、３Ｄプリント技術を組み合わせて、最終的に軽量化、低コスト及び外観バイオニック設計を実現し、バイオニック義手のコストパフォーマンス及び実用性を顕著に向上した。
【００４６】
本発明に係るバイオニック義手の特徴及び利点としては、
【００４７】
一、シングルモータ制御を用いて、五本の指の主動な屈曲及び伸展動作のみを具備する従来の義手に比べて、本発明に係るバイオニック義手は、掌部材１内の許容範囲に拇指駆動モータ５を追加することにより、拇指アセンブリ２５の内転又は外転動作を制御することを実現し、このように、異なる物体を掴む前に、拇指位置を手動的に調整し、又は、工具で固定、ロックしてから、物体の掴みを開始するという従来の義手の中間ステップを省略した。
【００４８】
二、従来の金属製の義手を採用する場合に、コストが高く、重量が重いだけでなく、患者に負担を加えて、長時間に装着できない問題に対して、本発明は、高強度樹脂材料を採用し、３Ｄプリント技術を組み合わせて、各手指アセンブリの関節部材を加工し、そこで、製造周期を短くして、コストが低く、二次加工の必要がないだけでなく、最も重要なのは、重量を顕著に軽くして、患者が長時間に装着するによる負担が小さくなり、不快感がないという優れた評価及びフィードバックを取得した。
【００４９】
三、五本の指が同時に屈曲又は伸展しなければならず、握力把握という単一の掴みモードのみができる従来の義手に比べて、本発明は、２つの小型モータのみを採用して、拇指アセンブリの内転又は外転動作、及び五本の指部品の伸展又は屈曲動作をそれぞれに駆動し、これらの動作の組み合わせは、実際の日常生活に手動作の８５％まで占める側面把握、精密把握及び握力把握の動作を完成でき、掴み動作の増加だけでなく、実用性も向上した。
【００５０】
四、従来の義手が、指腹による掴み能力をさらに向上していないことに比べて、本発明は、柔軟性を有するゴム状材料の指腹構造６３３を採用し、つまり、人手の指腹の粘弾特性をバイオニックな模倣できる構造を設計し、これによって、物体を掴む時の、物体に対する被覆力及び摩擦力を増加し、また、物体を掴む時の安定性を向上することにより、掴み能力を向上した。また、当該指腹構造６３３と関節部材骨組体６３２とは、３Ｄプリント技術により、一体成形されており、取り付け及び粘着による工程の増加及びコストの向上を回避する。
【００５１】
五、従来の義手は後期メンテナンスが難しく、及び手指負荷保護機構を考慮していないことに対し、本発明は、個人化しただけでなく、容易に取り外し、メンテナンスしやすい手指関節を設計し、手指が横方向（手のひらの平面と平行）の大きな外力を受けた場合に、柔軟的に回避を生じて損害されにくい、受動的に横方向変位可能な近位指節関節部材６１構造を実現する。
【００５２】
六、従来の義手が関節と関節との間で軸接続の方式を採用するので、互いに接触する面で摩擦力を生じることで、出力効率を低下する。これに対し、本発明の各手指アセンブリの各関節部材間で、軸接続ではなく、線接触の方式を採用したので、摩擦力がゼロであり、指駆動モータ４の出力の内部損失を回避した。
【００５３】
また、当業者が分かるように、本発明の前記バイオニック義手は、掌部材１内の許容範囲に、本発明の指駆動モータ４及び拇指駆動モータ５を、他のモータ又は空気圧、油圧等の駆動方式で置き換えることができる。掌部材１及び各手指アセンブリの空間の許容範囲に、各ワイヤを任意にレイアウトすることができ、各手指アセンブリ中のワイヤの複合連動を、ベルト伝動又は他の種別の複合連動に置き換えることができる。複合連動のワイヤの長さ及び位置を調節することにより、手指関節の屈曲の角速度と出力の大きさを任意に調整できるので、当該伝動システムは、バイオニック義手でない任意の機械的伝達に適用されることができる。各関節部材間の全てのピン式固定は、ボルト固定、係止固定等の他の方式の締付け方式に置き換えられることができる。指腹構造６３３の柔軟性構造は、３Ｄプリント技術により一体成形された他に、嵌め込み、粘着等の他の結合形式を採用することができる。各ワイヤの伝動に占める空間は非常に小さいので、掌部材１及び各手指アセンブリの寸法大きさ及び外観を任意に変更することができる。貫通型の各弾性バンドは、ばね、トーションばね又はゴム糸等の固有弾性係数を有する弾性部件に置き換えることができる。バイオニック義手全体の製造に使用された材料及び製造手段は、樹脂、ゴム系材料及び３Ｄプリント技術に限らず、需要に応じて他の材料及び製造方式を選択することができる。各ワイヤは、ＰＥワイヤを用いる他に、その代わりに、他の材質のワイヤ、糸又はベルトを用いることができる。
【００５４】
最後に、以上の実施例は、本発明の技術案を説明するだけであり、本発明に対する限定ではなく、優れた実施例を参照して本発明を詳しく説明したが、当業者が理解すべきことは、本発明の技術案を修正し、又は等同に置き換えることができ、本発明の精神と原理を脱逸しないものは、本発明の請求項の範囲内に含まれる。
【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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【国際調査報告】
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