(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関節を併用する複数支点を有し屈曲又は伸展を可能とする少なくとも１本以上の指に於いて、指先端付近と指中央部付近に固着するワイヤー又はロープ又は屈曲自在蛇管によって保護されたワイヤーを該指の内側と外側に各々配し、その配された該ワイヤー又はロープ又は屈曲自在蛇管によって保護されたワイヤーをそれぞれ２台のモーターを用いて同時に引く事で２台分の引き力による倍力化された力により連動又は反対象に作動させる事で成る、把持力の倍力化を行う機構を有する少なくとも１本以上の指の指関節の単独回転及び該指毎の屈曲と伸展動作を可能にした指が稼動出来る義手であってロボットハンドへの転用も可能な可動型義手。
【請求項２】
拇指関節と手首関節に於いて、対角対象に配した該ワイヤー又はロープ又は屈曲自在蛇管によって保護されたワイヤーをそれぞれ２台のモーターを用いて同時に引く事で２台分の引き力による倍力化された力により、右若しくは左への回転を可能とし、同様に平行対象に配した該ワイヤー又はロープ又は屈曲自在蛇管によって保護されたワイヤーを同時に引く事で倍力による前後屈曰くは掌背屈を可能とした機構によって成る回転と前後屈を自由とする拇指と掌屈、背屈、回内、回外を自由とする手首部を有する請求項１に記載の可動型義手。
【請求項３】
単指欠損を補う為に供される請求項１または請求項２に記載の義手若しくはロボットハンドとして供される可動型義手。
【請求項４】
各可動部に於いて、回転及び曲げを検出するセンサー及び／若しくは把持感覚フィードバックセンサーシステムを包含した請求項１乃至３のいずれかに記載の義手若しくはロボットハンドとして供される可動型義手。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、五指並びに手首を自分の意思のまま自由に動かす事の出来る、ロボットハンドへの転用可能な機能を有する筋電位制御も可能とした、義手として用いるロボットハンドに関する。
詳しくは、前腕切断者及び指等の欠損者に於いて、脳からの指令により身体の各部位を動作させようとする時に発生する当該筋肉の電位を計測し、その電位を解析したデーターに基づきモーターを作動させ、該当部位例えば指及び手首等を含む屈曲、伸展、掌屈、背屈、回内、回外等動作に付いてその各指及び手首等がモーター等の動力により、自分の意思のままに動作させる事が出来る義手に関する。
【背景技術】
【０００２】従来の電動による義手は可動部が拇指と示指と中指の開閉と手首の回転のみであり、曰くは、大勢として３本の指を動かす物しかなく、更に人の腕の重さは凡そ１．２〜２ｋｇ程度で有るにも係わらず、従来義手の重量は約３ｋｇ超程度と非常に重く、又意匠的にも人の手の形状とはほど遠いカギ爪形状等の外観形状を呈しているものも有り、仕事を持っている女性とか子供等が装着するには耐え難い形状のものが主流であり、尚且つ、手首の掌屈、背屈も行う事が出来ない機構であった。これ等より特に小児とか女性にとって軽く意匠的に優れ、五指総てが自分の意のままに動く義手の早期開発が強く求められていたものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】本発明は、従来技術の有する此の様な各種問題に鑑み、その問題を解決する為に成されたものである。しかしてその目的とする所は、次の様な構造により問題の解決を図るものである。
詳しくは、指に於いて基節骨・中節骨・末節骨からなる四指と基節骨・末節骨から成る拇指と此れ等を支える掌部と手首部を有し、手首部に於いては回内・回外及び掌背屈が可能な機構を有するもの。各関節相当部を可動自由化なピン支点とし、形状を人の手に求め材質をエンジニアプラスティック並びにアルミニウム等として構成し義手の軽量化を図る。此れ等により、全指を単独に動作させ尚、関節部での屈伸が出来、人の手と同様の意匠を持つ、重量１．２Ｋｇ程度迄重量軽減を行った義手の提供を可能とした、本発明による義手として用いるロボットハンドにより課題の解決を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】上記目的を達成する為に本発明は下記の様に構成するものである。
すなわち、
本願請求項１の発明は、四指に於いては、基節骨・中節骨・末節骨から構成し本願請求項２の発明は、拇指に於いて基節骨・末節骨と水平旋回と前後屈を行う基部と掌背屈と回内・回外を行う手首部より構成するものである。
本願請求項１及び２の発明による各々の動作形態は、屈曲自在外皮管に包含されるワイヤー若しくは非包含ワイヤー等をもって動作制御を行い、そのワイヤー等の一端を当該部位へ取付け他端を当該部位対応専用モーターに連結したワイヤー等により駆動する。此れにより、各指及び手首等を含む総ての関節部が単独での可動を実現する事が出来るものである。同様に概形状は第１図又は第２図に示すが如く人の手状を模し、各関節部に於いては関節の動作を可能とするピン類で連結する事により、拇指を含む五指とその手首部を形成するものである。【０００５】形成する四指に於いては指取付け座１１へボルトにて連結された各指毎に専用モーターを配し、第９図に示す手の甲側と手のひら側へ各々系統別に分離配置したワイヤーの片端を末節骨に締結されている指先端ロープ固定座１９へ屈曲動作用ワイヤー３２と伸展動作用ワイヤー３３を緊結又は締結固定し、次に第１０図に示す屈曲動作用ワイヤー３４と伸展動作用ワイヤー３５を基節骨へ締結設置せらるる指中間ロープ固定座２０へ末節骨と同様方式により緊結又は締結固定を行い各々末節骨専用及び基節骨専用モーターへ当該ワイヤーの残端を系統毎に緊結又は締結固定を行う。動作に応じ各指毎に配置した２台のモーターの同期作動により、人の手の指様の微細な動作を再現出来るものであり、動作に対する確実性の向上と把持力の倍化を実現しているものである。【０００６】同様に、拇指に於いては第６図に示す指取付け座１１へボルトにて連結し手の甲側と手のひら側へ各々系統別に分離配置したワイヤーの片端を第１１図に示す末節骨に締結されている指先端ロープ固定座１９へ屈曲動作用ワイヤー３６と伸展動作用ワイヤー３７を緊結又は締結固定を行い、拇指屈伸専用モーターへ当該ワイヤーの残端を系統毎に緊結又は締結固定をする事で他の四指と同様の動作を実現したものである。【０００７】又手首部に於いては、モーター２台によって掌背屈動作と回内、回外動作を併合して受け持ち、第１２図及び第１３図に示す基礎座１４の取り付け孔３８へ緊結固定したワイヤー４２を回転軸１６へ勘着した手首関節１３の垂直円筒部に凡そ一周させ。その後水平円筒部を凡そ半周し掌背屈座１２を介しその一端をモーターに連結する。同様に、ワイヤー４４は取り付け孔４０へ、同じくワイヤー４３は取り付け孔３９へ、同じくワイヤー４５は取り付け孔４１へ、緊結又は締結固定するワイヤー４２と同様方式による取り付けにより動作力、曰くは、掌背屈と回内及び回外の為の作用に対する確実性の向上と動作力の倍化を実現する。本願請求項２の発明に於いて、本願請求項１及び本願請求項３の発明に対応する機構を有する。【０００８】詳しくは、第１２図及び第１３図に示す、基礎座１４に設けられた、他の取り付け孔３９と取り付け孔４０と取付け孔４１に各々ワイヤー４３とワイヤー４４とワイヤー４５の各一端を緊結固定する。それにより、ワイヤー４２とワイヤー４４を各々２台のモーターにより同時に引く事で回転軸１６を中心に手首関節１３に回転する為の２台分のモータートルクを与え、回転動作を行う。同様にワイヤー４３とワイヤー４５を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより手首の回内と回外の動作が実現出来るものである。
更に手首の掌背屈動作に於いては、ワイヤー４２とワイヤー４５を各々２台のモーターにより同時に引く事で掌屈を行う事が出来。更にワイヤー４３とワイヤー４４を同時に引く事で逆回転動作曰くは、背屈動作を実現し、その動作は２台のモーターによって成される事で動作力が倍化されるものである。【０００９】同様に拇指の前後屈と旋回に付いても、手首部に於ける掌背屈と回内、回外動作機構と同機構により、前後屈と旋回を行うものである。詳しくは、第７図及び第８図に示す拇指関節２８に於いて、手首と同様の機構による構成により、前後屈と水平回転を行うものである。詳しくは、モーター２台によって前後屈動作と水平正逆旋回動作をそれぞれ併合して受け持ち、拇指基礎座２９の取り付け孔４６へ緊結固定したワイヤー５０を拇指回転軸３１に勘着した拇指関節２８の垂直円筒部に凡そ一周させ、その後水平円筒部を凡そ半周し拇指前後屈座２７を介しその一端をモーターに連結するものである。【００１０】同様に、拇指基礎座２９に設けられた他の取り付け孔に対し次のように構成する。
ワイヤー５１は取り付け孔４７へ、同じくワイヤー５２は取り付け孔４８へ、同じくワイヤー５３は取り付け孔４９へ、緊結又は締結固定するワイヤー４２と同様に各々ワイヤーの一端を緊結固定する。それにより、ワイヤー５０とワイヤー５２を２台のモーターにより同時に引く事で拇指回転軸３１を中心に拇指関節２８を回転させる為のトルクを発生させることが出来。同様にワイヤー５１とワイヤー５３を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより拇指の水平旋回動作が手首の回内・回外動作と同様可能となる。【００１１】更に、拇指の前後屈動作に於いては、第７図及び第８図に示すワイヤー５０とワイヤー５３をワイヤー端へ連接した各々のモーターにより同時に引く事で前屈を行う事が出来。更にワイヤー５１とワイヤー５２を同時に引く事で逆動作、曰くは、後屈動作が出来るものである。此の時、一方を緊張させる時相対する他方が緩み側になる特性が優位に作用し、動作を阻害する事は無くむしろ制御補助並びに確実性の高い動作が得られるもので有る。これ等の結果より各関節部が自由に作動し、尚各指が単独で可動できる義手であって、例えば筋電義手、例えばロボットハンドへの転用も可能とした本発明による全指可動型義手により解決を計るものである。【００１２】四指及び手首部並びに拇指の各動作に於ける各ワイヤーとモーター等駆動機器の接続に付いては、同一系統の当該ワイヤーを末節骨端ロープ固定座１９並びに手首部基礎座１４に於ける取り付け孔３８等に示される当該部位へ緊結又は締結固定したワイヤーの反対端をモーターの連結部へ正面対称に連結し、同期運転又は緩衝運転等により、当該部位を作動させるものである。【００１３】本願請求項３の発明に於いては、本願請求項１及び本願請求項２と基本構造を同一とする単指欠損対応指であって、一指若しくは、ＰＭＰ又はＤＩＰ関節以降等々欠損指部位に合わせた構成を持って取付ける方式により実施されるものである。【００１４】本願請求項４の発明に於いては、本願請求項１乃至本願請求項３の発明に対応する各指の各指の各関節及び回転部へ回転角度計並びに曲げ角度計を設置しその電気的信号により回転及び屈伸等の度合いを計測し、本発明による義手若しくはロボットハンドの動作を制御する事も可能である。例として単指欠損対応時に於いて近接した指の屈伸度を測り、欠損指の動作を近接残指に倣わせる制御を行う事を目的として成し、欠損指対応義手等の動作制御に供する事により、単指欠損であっても残指と同様の動作が出来違和感の無い単指欠損対応義手の提供も出来るものである。同様に此の制御によりマニピュレーター制御のロボットハンドとしても緻密な動作を可能とするものである。
【発明実施の形態】
【００１５】本願請求項１の発明に於いて、第１図に基づき説明を行う。示指２と中指３と環指４と小指５の四指は末節骨６と中節骨７と基節骨８から形成される。その関節となる支点には屈曲又は伸展を可能とする目的を持って、先端関節ピン２１と中間関節ピン２２と根元関節ピン２３により屈曲、伸展が自在となる嵌合による接合を行い、その動作は示指２、中指３、環指４、小指５の各指単独末端動作専用モーターにより、第３図及び第９図に示す如く、末節骨に締結されている指先端ロープ固定座１９へ屈曲動作用ワイヤー３２を緊結固定し、同時に伸展動作用ワイヤー３３も固定する。このときワイヤー３２とワイヤー３３は、その一端を各々の指の動作を専用とする１台のモーターに連結する。それにより、モーターの正回転時を指の屈曲とした場合、モーターの動作により、屈曲側はワイヤー３２が引き側となり、物を握りこむ方向へ屈曲しワイヤー３３は屈曲側へ指が不必要に倒れこむ事を防止する役目をも負担しているものである。又モーターを逆回転させた時は、指の伸展が行われワイヤー３３が引き側となり指が開く。その時ワイヤー３２は、緩み側となり指が不要に伸展する事を防止する役目をも負担している。
【００１６】又把持力の増加と把持の確実性の向上を目的として、更に基節骨８に設けた第１０図に示す如く、指中間ロープ固定座２０へ新たにワイヤー３４とワイヤー３５を侠持固定しその一端は各指毎の指先端ロープ固定座１９及び指中間ロープ固定座２０用として各々専用に設けられたモーターに連結する、そのモーターは前記、末節骨にワイヤーを介し締結されている指先端動作用モーターに同期する動作を行い、指が行う屈曲及び伸展動作を補助する。同様に第１１図に示す拇指に付いても末節骨６と中節骨７と拇指基節骨１０より形成され四指同様その関節となる支点には屈曲、伸展を可能とする目的を持って、先端関節ピン２４と中間関節ピン２５により屈曲、伸展が自在となる嵌合接合を行う。その動作は拇指屈伸用モーターにより末節骨に締結されている指先端ロープ固定座１９へ屈曲動作用ワイヤー３６と伸展動作用ワイヤー３７を緊結固定する事で四指と同様の動作を行わせようとするものである。
【００１７】更に、各五指に於ける中節骨部に於いて屈曲用ワイヤー３２及び３６を規制している、押えピン５４の作用により指の屈曲時に於いて握りこみ等による抵抗の増加に合わせ自然に屈曲支点から指に接していたワイヤーが離れ指先端への曲げモーメントを増加させ使用動力の省力化を行う事も可能な構造特性を包含している義手である。
【００１８】又手首部に於いては、モーター２台で掌背屈動作と回内、回外動作をそれぞれ併合して受け持ち、第１２図に示す基礎座１４の取り付け孔３８へ緊結固定したワイヤー４２を回転軸１６の垂直円筒部に凡そ一周させ。その後水平円筒部を凡そ半周し掌背屈座１２を介しその一端をモーターに連結する。同様の取付け方法により、基礎座１４に設けられた他の取り付け孔３９と取り付け孔４０と取付け孔４１に各々ワイヤー４３とワイヤー４４とワイヤー４５の各々の一端を緊結固定する。
【００１９】それにより第１２図に示すワイヤー４２とワイヤー４４を各々のモーターによりワイヤーを同時に引く事で回転軸１６を中心に手首関節１３に右回転を与えるモーター２台分のトルクが発生し、回転動作を行う。その時、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー４３、ワイヤー４５、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。同様にワイヤー４３とワイヤー４５を各々のモーターによりワイヤーを同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより手首の回内と回外並びに掌背屈に於いてモーター２台の同期作動と成り確実な動作と倍力化が可能となる。
更に、ワイヤー４２とワイヤー４５を各々のモーターにより同時に引く事で掌屈を行い、更にワイヤー４３とワイヤー４４を同時に引く事で逆回転動作、曰くは、背屈動作が出来るものである。
【００２０】同様に、本願請求項２による発明の拇指間接２８に於いても、第５図及び第６図に示すが如く、手首と同様の機構による構成により、前後屈と水平回転を行うものである。詳しくは、モーター２台によって前後屈動作と水平正逆回転動作をそれぞれ共有負担し、拇指基礎座２９の取り付け孔４６へ緊結固定したワイヤー５０を拇指関節２８の垂直円筒部に凡そ半周させ、その後水平円筒部を凡そ半周し拇指前後屈座２７を介しその一端をモーターに連結する。同様の取付け方法により、拇指基礎座２９に設けられた他の取り付け孔４７と取り付け孔４８と取り付け孔４９に各々ワイヤー５１とワイヤー５２とワイヤー５３の各々の一端を緊結固定する。
【００２１】それにより、第７図及び第８図に示すワイヤー５０とワイヤー５２を２台のモーターにより同時に引く事で拇指回転軸３１を中心に拇指関節２８を回転させる為の２台分の発生トルクが得られるものである。その時、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー５１、ワイヤー５３、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。同様にワイヤー５１とワイヤー５３を各々のモーターにより同時に引く事で逆の方向への回転力を生じさせる事が出来る。此れにより拇指の水平回転動作が可能となる。更に、ワイヤー５０とワイヤー５３を各々のモーターにより同時に引く事で同期した２台分のモータートルクが得られ掌屈を行う事が出来る。その時、前記同様、同一系統の他方のワイヤー曰くは、ワイヤー５１、ワイヤー５２、は緩み側となり回転動作を阻害する事は無い。更にワイヤー５１とワイヤー５２を同時に引く事で逆動作、曰くは、背屈動作が出来るものである。これ等の結果より各関節部が自由に作動する構造となり、尚且つ各指単独動作が行える、ロボットハンドへの転用も可能とした本発明による全指可動型義手である。
【作用と効果】
【００２２】本願請求項１による発明のものは、各関節部に関節ピンを嵌合設置したことで、人の手を模した形状で軽量自由な関節動作性が実現できた。更に指先端付近と同じく指中間付近へロープ端部を固定しその他端をそれぞれの専用モーターへ連結したことで人の手様の動作が出来る様に成った。更に指先端部付近と指中間部付近に配したワイヤーを２台のモーターを制御し同時に引いている事と、それにより発生する指の屈曲により自然にワイヤーが関節支点より遠くへ移動し把持力が増す事の併合による把持力の倍化が確認された。これ等に本願請求項２及び本願請求項３による
発明を付加した結果、鉛筆を持って文字を書く事、物をつまむ事、握る事等、曰くは人の手の動作として必要な、握る・掴む・摘む・はさむ等一連の繊細な動作が出来ながら尚且つ飲料水用アルミ缶を潰す迄の握力を発生させる事が実験結果により実証された。
【図面の簡単な説明】
【第一図】
全体正面図である。
【第二図】
左側面図である。
【第三図】
指側面図である。
【第四図】
指正面図である。
【第五図】
拇指正面図である。
【第六図】
拇指側面図である。
【第七図】
拇指根元関節右旋回用ワイヤー取り付け図である。
【第八図】
拇指根元関節左旋回用ワイヤー取り付け図である。
【第九図】
指先端部用ワイヤー取り付け図である。
【第十図】
指中間部用ワイヤー取り付け図である。
【第十一図】
拇指ワイヤー取り付け図である。
【第十二図】
手首部右旋回用ワイヤー取り付け図である。
【第十三図】
手首部左旋回用ワイヤー取り付け図である。
【第十四図】
基礎座断面Ａ矢視図である
【第十五図】
拇指基礎座断面Ｂ矢視図である。
【符号の説明】１、  拇指
２、  示指
３、  中指
４、  環指
５、  小指
６、  末節骨（五指共通）
７、  中節骨（五指共通）
８、  基節骨（四指共通）
９、  中手骨（四指共通）
１０、拇指基節骨
１１、指取付け座
１２、掌背屈座
１３、手首関節
１４、基礎座
１５、掌背屈ピン
１６、回転軸
１７、連結環
１８、取付け座
１９、指先端ロープ固定座
２０、指中間ロープ固定座
２１、先端関節ピン（四指共通）
２２、中間関節ピン（四指共通）
２３、根元関節ピン（四指共通）
２４、拇指先端関節ピン
２５、拇指中間関節ピン
２６、拇指連結ピン
２７、拇指前後屈座
２８、拇指関節
２９、拇指基礎座
３０、拇指前後屈ピン
３１、拇指回転軸
３２〜３５、四指制御ワイヤー
３６〜３７、拇指制御ワイヤー
３８〜４１、基礎座ワイヤー取付け孔
４２〜４５、手首制御ワイヤー
４６〜４９、拇指基礎座取付け孔
５０〜５３、拇指前後屈・水平回転制御ワイヤー
５４、押えピン
【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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【図１５】
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