(57)【要約】【課題】手足の関節の可動を円滑にアシストすると共に、装置をコンパクト化する。【解決手段】  関節駆動装置２０において、手の甲側に第１保持部材２２、第２保持部材２４、第３保持部材２６を配置し、この第１又は第２保持部材２２、２４には、第１保持部材２２に対して第２保持部材２４を可動させる第１駆動体４０を配置し、第２又は第３保持部材２４、２６には、第２保持部材２４に対して第３保持部材２６を可動させる第２駆動体５０を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
手の甲側に配置される第１保持部材と、
手の甲側に配置される第２保持部材と、
手の甲側に配置される第３保持部材と、
前記第１又は第２保持部材に設置され、前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を可動させる第１駆動体と、
前記第２又は第３保持部材に設置され、前記第２保持部材に対して前記第３保持部材を可動させる第２駆動体と、
を備える事を特徴とする関節駆動装置。
【請求項２】
前記第１保持部材と前記第２保持部材の間にＭＰ関節が位置すると共に、前記第２保持部材と前記第３保持部材の間にＰＩＰ関節が位置していることを特徴とする請求項１記載の関節駆動装置。
【請求項３】
前記第１駆動体が、前記第１保持部材と前記第２保持部材を接続する第１アーム、及び該第１アームを利用して前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を回転させる第１回動軸を備えると共に、
前記第２駆動体が、前記第２保持部材と前記第３保持部材を接続する第２アーム、及び該第２アームを利用して前記第２保持部材に対する前記第３保持部材を回転させる第２回動軸を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の関節駆動装置。
【請求項４】
前記第１駆動体が、前記第１保持部材と前記第２保持部材の距離を変化させる第１スライド機構を備えることを特徴とする請求項１、２又は３記載の関節駆動装置。
【請求項５】
手首に配置される手首保持部材を更に備えることで、前記手首保持部材と前記第１保持部材の角度を調整可能となっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の関節駆動装置。
【請求項６】
前記第２保持部材における手首側端縁が凹状態で湾曲していると共に、前記第２保持部材の指先側端縁が凸状態で湾曲していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の関節駆動装置。
【請求項７】
前記第２保持部材が、少なくとも人差指、中指、薬指を同時に保持することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の関節駆動装置。
【請求項８】
前記第３保持部材に、手の指先を収納可能な保持カバーが設置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の関節駆動装置。
【請求項９】
前記第１駆動体又は第２駆動体の可動力発生方向が、中指の延在方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか記載の関節駆動装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の関節駆動装置において、前記手に代えて足に設置されることを特徴とする関節駆動装置。
【請求項１１】
手の甲側に配置される第１保持部材と、
手の甲側に配置される第２保持部材と、
前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を回動させる回動機構と、
前記回動機構による初期回動時に、前記第１保持部材と前記第２保持部材の距離を変化させるスライド機構と、を備えることを特徴とする関節駆動装置。
【請求項１２】
手の甲側に配置される第１保持部材と、
手の甲側に配置される第２保持部材と、
前記第１保持部材に設置されるモータと、
前記モータによって回動駆動される回動軸と、
前記回動軸に接続されて揺動する動力側アームと、
前記第２保持部材に設置される部材側アームと、
前記動力側アームと前記部材側アームを、相対角度を可変に接続するジョイントと
前記ジョイントに設けられ、前記動力側アームと前記部材側アームの相対角度を所定範囲に制限する角度制限機構と、
を備えることを特徴とする関節駆動装置。
【請求項１３】
前記モータ又は前記回動軸にトルクリミッタが設置されていることを特徴とする請求項１２記載の関節駆動装置。
【請求項１４】
前記第２保持部材が前記第１保持部材よりも指先側に配置されており、前記部材側アームの一端が、前記第２保持部材に配置される揺動軸に揺動自在に保持されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の関節駆動装置。
【請求項１５】
前記揺動軸が、前記第２保持部材の指先側近傍に配置されていることを特徴とする請求項１２、１３又は１４記載の関節駆動装置。
【請求項１６】
前記回動軸が、前記第１保持部材の指先側近傍に配置されていることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか記載の関節駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、手足の指関節を動かす関節駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、手の動きに障害がある人を対象とした手のリハビリ装置が提案されている。例えば、特許文献１のリハビリ装置では、手首に駆動装置を設置し、この駆動装置から指先にかけてワイヤーを架け、このワイヤーを駆動装置によって出し入れさせて指先を強制的に動かすようになっている。
【０００３】
また例えば、特許文献２のリハビリ装置では、風船状の可動袋をエアーポンプを用いて伸縮させ、この可動袋の伸縮動作に指を連動させることで、指を強制的に動かすようになっている。
【特許文献１】特開２００４−２９８５７３号公報
【特許文献２】特開平１０−３３６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これらのリハビリ装置では、手首側に設置された駆動装置や、外部に配置されたエアーポンプによって、指全体を動かそうとする為、駆動装置や動力の伝達機構が大型化し、持ち運びが困難であるという問題もあった。また更に、これらのリハビリ装置では、一箇所の動力源によって、指全体を動かそうとするものであるため、指の個々の関節（ＭＰ関節やＰＩＰ関節等）毎に独立して動かす事が難しく、本来トレーニングすべき関節を集中的に動かす事が困難であるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型、軽量構造でありながら、十分な関節運動を実現可能な関節駆動装置を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、以下の手段によって達成されるものである。
【０００７】
（１）手の甲側に配置される第１保持部材と、手の甲側に配置される第２保持部材と、手の甲側に配置される第３保持部材と、前記第１又は第２保持部材に設置され、前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を可動させる第１駆動体と、前記第２又は第３保持部材に設置され、前記第２保持部材に対して前記第３保持部材を可動させる第２駆動体と、を備える事を特徴とする関節駆動装置。
【０００８】
（２）前記第１保持部材と前記第２保持部材の間にＭＰ関節が位置すると共に、前記第２保持部材と前記第３保持部材の間にＰＩＰ関節が位置していることを特徴とする上記（１）記載の関節駆動装置。
【０００９】
（３）前記第１駆動体が、前記第１保持部材と前記第２保持部材を接続する第１アーム、及び該第１アームを利用して前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を回転させる第１回動軸を備えると共に、前記第２駆動体が、前記第２保持部材と前記第３保持部材を接続する第２アーム、及び該第２アームを利用して前記第２保持部材に対する前記第３保持部材を回転させる第２回動軸を備えることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の関節駆動装置。
（４）前記第１駆動体が、前記第１保持部材と前記第２保持部材の距離を変化させる第１スライド機構を備えることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）記載の関節駆動装置。
（５）手首に配置される手首保持部材を更に備えることで、前記手首保持部材と前記第１保持部材の角度を調整可能となっていることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか記載の関節駆動装置。
（６）前記第２保持部材における手首側端縁が凹状態で湾曲していると共に、前記第２保持部材の指先側端縁が凸状態で湾曲していることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか記載の関節駆動装置。
（７）前記第２保持部材が、少なくとも人差指、中指、薬指を同時に保持することを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれか記載の関節駆動装置。
（８）前記第３保持部材に、手の指先を収納可能な保持カバーが設置されていることを特徴とする上記（１）乃至（７）のいずれか記載の関節駆動装置。
（９）前記第１駆動体又は第２駆動体の可動力発生方向が、中指の延在方向に対して傾斜していることを特徴とする上記（１）乃至（８）のいずれか記載の関節駆動装置。
（１０）上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の関節駆動装置において、前記手に代えて足に設置されることを特徴とする関節駆動装置。
（１１）手の甲側に配置される第１保持部材と、手の甲側に配置される第２保持部材と、前記第１保持部材に対して前記第２保持部材を回動させる回動機構と、前記回動機構による初期回動時に、前記第１保持部材と前記第２保持部材の距離を変化させるスライド機構と、を備えることを特徴とする関節駆動装置。
（１２）手の甲側に配置される第１保持部材と、手の甲側に配置される第２保持部材と、前記第１保持部材に設置されるモータと、前記モータによって回動駆動される回動軸と、前記回動軸に接続されて揺動する動力側アームと、前記第２保持部材に設置される部材側アームと、前記動力側アームと前記部材側アームを、相対角度を可変に接続するジョイントと前記ジョイントに設けられ、前記動力側アームと前記部材側アームの相対角度を所定範囲に制限する角度制限機構と、を備えることを特徴とする関節駆動装置。
（１３）前記モータ又は前記回動軸にトルクリミッタが設置されていることを特徴とする上記（１２）記載の関節駆動装置。
（１４）前記第２保持部材が前記第１保持部材よりも指先側に配置されており、前記部材側アームの一端が、前記第２保持部材に配置される揺動軸に揺動自在に保持されていることを特徴とする上記（１２）又は（１３）記載の関節駆動装置。
（１５）前記揺動軸が、前記第２保持部材の指先側近傍に配置されていることを特徴とする上記（１２）、（１３）又は（１４）記載の関節駆動装置。
（１６）前記回動軸が、前記第１保持部材の指先側近傍に配置されていることを特徴とする上記（１２）乃至（１５）のいずれか記載の関節駆動装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の関節駆動装置によれば、手足の関節の可動を円滑にアシストすることが可能になると共に装置を軽量化でき、コンパクトな指のリハビリ装置や指の補助ロボットを得られるという優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
まず、図１を参照して、手１の骨、関節等の名称について説明する。手の骨は、指先から、末節骨２、中節骨４、基節骨６、中手骨８を備える。また間接は、末節骨２と中節骨４の間に位置するＤＩＰ間接１０、中節骨４と基節骨６の間に位置するＰＩＰ間接１２、基節骨６と中手骨８の間に位置するＭＰ間接１４、中手骨８の付根に位置するＣＭ間接１６を備える。なお、親指に関しては、関節が一つ少ないことから、ＭＰ関節よりも先端側の関節はＩＰ関節１８と呼ばれている。
【００１２】
次に、図２の上面図、図３の側面図、図４の底面図を参照して、本発明の第１実施形態に係る関節駆動装置２０について詳細に説明する。この関節駆動装置２０は、手の甲側に配置される第１保持部材２２、第２保持部材２４、第３保持部材２６を備える。第１保持部材２２は、手の中手骨８に相当する位置に固定され、第２保持部材２４は基節骨６に相当する位置に固定され、第３保持部材２６は中節骨４及び末節骨２に相当する位置に固定される。この結果、第１保持部材２２と第２保持部材２４の間には、ＭＰ関節１４が位置すると共に、第２保持部材２４と第３保持部材２６の間には、ＰＩＰ関節１２が位置するようになっている。
【００１３】
第１〜第３保持部材２２〜２６には、夫々、手に固定するためのベルト２８Ａ〜２８Ｄが配置されており、各ベルト２８Ａ〜２８Ｄに形成されるベロクロファスナーによって長さを調整することができるようになっている。従って、各ベルト２８Ａ〜２８Ｄを利用して、第１〜第３保持部材２２〜２６が手に固定される。なお、第３保持部材２６には、２本のベルト２８Ｃ、２８Ｄが設置されており、この第３保持部材２６の先端側に配置されるベルト２８Ｄによって、人差指、中指、薬指を固定し、関節側に配置されるベルト２８Ｃによって小指を固定する。小指は他の指と比較して長さが短いため、このように独立して固定することで、小指を確実に動かすことが可能になり、指の動きの補助やリハビリ効果を高めることが出来る。
【００１４】
この関節駆動装置２０は、更に、手首に固定される手首保持部材３０、手首保持部材３０と第１保持部材２２を角度可変に連結する手首角度調整機構３２、第１及び第２保持部材２２、２４に跨って配置される第１駆動体４０、第２及び第３保持部材２４、２６を跨って配置される第２駆動体５０を備える。
【００１５】
手首保持部材３０は、手首に沿った湾曲形状のプレート部材であり、手首保持ベルト３１が設置されている。この手首保持ベルト３１にはベロクロファスナーが形成されており、この手首保持ベルト３１によって手首保持部材３０を手首に固定できる。また、手首保持部材３０には制御ボックス３６が設置されており、この制御ボックス３６が備えている緊急ボタン３８を押すことで、関節駆動装置１の動作を急停止できるようになっている。また、制御ボックス３６内には後述する制御装置７０が収納されている。
【００１６】
手首角度調整機構３２は、手首保持部材３０に設置されるガイド部３３Ａ、第１保持部材２２に設置されるスライダ部３３Ｃ、ガイド部３３Ａとスライダ部３３Ｃの位置を固定する固定ネジ３４を備える。ガイド部３３Ａは、手首の外側に凸となる部分円弧形状の案内溝３３Ｂを有する筒状部材である。スライダ部３３Ｃも同様に手首の外側に凸となる部分円弧形状の柱状部材であり、一端が第１保持部材２２に固定されると共に他端はガイド部３３Ａの案内溝３３Ｂに挿入される。また、スライダ部３３Ｃには、複数の位置決め孔３３Ｄが形成されており、案内溝３３Ｂを貫通する固定ネジ３４が挿入されることで、ガイド部３３Ａとスライダ部３３Ｃを固定できる。従って、スライダ部３３Ｃを案内溝３３Ｂに沿って自在にスライドさせた後、適宜、固定ネジ３４によって固定すれば、手首保持部材３０と第１保持部材２２の角度を調整することが出来る。上記のように、ガイド部３３Ａとスライダ部３３Ｃが外側に湾曲しているので、手首から離れた状態で位置決めでき、手首の動きを阻害しないようになっている。
【００１７】
第１駆動体４０は、第１保持部材２２に対して第２保持部材２４を可動させるものである。具体的に第１駆動体４０は、サーボモータ４１、回動軸４２、動力側アーム４３、部材側アーム４４、ジョイント４５、角度制限カム４６を備えている。サーボモータ４１は、第１保持部材２２上に固定配置されており、回動軸４２を一定の角度範囲内で往復回転させる。動力側アーム４３は、この回動軸４２に一体的に接続されており、回動軸４２の往復回転によって揺動する。部材側アーム４４は、手の甲の外側に凸状態で湾曲した部材であり、この一端が、第２保持部材２４の配置された揺動軸４４Ａに揺動自在に保持されている。部材側アーム４４の他端は、ジョイント４５を介して動力側アーム４３と連結されている。ジョイント４５は、ピンによって動力側アーム４３と部材側アーム４４の相対角度を可変に接続しており、動力側アーム４３と部材側アーム４４の間で力を伝達する。角度制限カム４６は、部材側アーム４４及び動力側アーム４３におけるジョイント４５側端部に形成されたカム機構であり、カムの係合と非係合の状態を利用して、動力側アーム４３と部材側アーム４４の相対角度を所定範囲内に制限するようになっている。
【００１８】
第２駆動体５０は、第１駆動体４０と略同構造であり、第２保持部材２４に対して第３保持部材２６と可動させるものである。具体的に第２駆動体５０は、サーボモータ５１、回動軸５２、動力側アーム５３、部材側アーム５４、ジョイント５５、角度制限カム５６を備えている。サーボモータ５１は、第２保持部材２４上に固定配置されており、回動軸５２を一定の角度範囲内で往復回転させる。動力側アーム５３は、この回動軸５２に一体的に接続されており、回動軸５２の往復回転によって揺動する。部材側アーム５４は、手の甲の外側に凸状態で湾曲した部材であり、一端が、第３保持部材２６に配置される揺動軸５４Ａに揺動自在に保持されている。部材側アーム５４の他端は、ジョイント５５を介して動力側アーム５３と連結されている。ジョイント５５は、ピンによって動力側アーム５３と部材側アーム５４の相対角度を可変に接続しており、動力側アーム５３と部材側アーム５４の間で力を伝達する。角度制限カム５６は、部材側アーム５４及び動力側アーム５３におけるジョイント５５側端部に形成されたカム機構であり、カムの係合と非係合の状態を利用して、動力側アーム５３と部材側アーム５４の相対角度を所定範囲内に制限するようになっている。
【００１９】
次に、第１駆動体４０の動作について説明する。なお、第２駆動体５０の動作は第１駆動体４０と略同様であるので、重複説明を避けるためにここでは説明を省略する。
【００２０】
図２〜図４で示したように、動力側アーム４３が最も引き側の状態、即ち動力側アーム４３が手首側に傾倒した状態の場合、ジョイント４５も第１保持部材２２上の手首側に位置し、部材側アーム４４が手首側に引き寄せられる。この結果、第１保持部材２２と第２保持部材２４が極めて接近した状態となる。この状態では、角度制限カム４６は開放状態となっており、ジョイント４５において動力側アーム４３と部材側アーム４４の角度は可変である。
【００２１】
次に、動力側アーム４３が指先側に多少揺動すると、図５に示されるように、動力側アーム４３、ジョイント４５、部材側アーム４４、手１、ＭＰ関節１４の組み合わせがスライダ・リンク機構として機能し、その中でも手１が固定リンクとなって、第１保持部材２２に対して第２保持部材２４が前方にスライドする。これによりＭＰ関節１４の領域に余裕空間Ｓが生まれて屈曲しやすい状態となる。一方で、第１及び第２保持部材２２、２４は手１に固定されているので、第２保持部材２４の前方へのスライド距離には限界がある。この結果、第２保持部材２４のスライドが固定されると、図６に示されるように、動力側アーム４３、ジョイント４５、部材側アーム４４、手１、ＭＰ関節の組み合わせが、てこクランク機構として機能し、ＭＰ関節１４を中心として第２保持部材２４（手の基節骨６）が下方側（関節の屈曲側）に自然と押し込まれて、ＭＰ関節１４の屈曲が開始する。屈曲の開始状態ではサーボモータ４１にもあまり負荷がかからない。
【００２２】
その後、更に動力側アーム４３が指先側に傾倒すると、てこクランク機構における死点に近づいてしまい、第２保持部材２４が基節骨６部分を更に押し込もうとするものの、次第に手の反発が強まる。しかし、図７に示されるように、てこクランク機構が死点近傍に達すると、略同じタイミングで、ジョイント４５に形成されている角度制限カム４６が係合状態となり、ジョイント４５における動力側アーム４３と部材側アーム４４の相対角度が固定されて一体となる。従って、角度制限カム４６がロックされた段階で、動力側アーム及び部材側アーム４４が一体となったＬ字形状のアームが、回動軸４２を中心として単純な回転運動を行うので、第２保持部材２４が更に手首側に押し込まれる。この結果、動力側アーム４３が指先側に傾倒するに伴って、動力側アーム４３の端部に配置されるジョイント４５が、第１保持部材２２の指先側端縁よりも前方側に突出して、部材側アーム４４を図７の下方側（関節の屈曲側）に押し込む。ここでは、ＭＰ関節１４が略９０度まで屈曲されている。この動作を往復させることで、ＭＰ関節１４を曲げ伸ばしするようなリハビリ運動を得ることが出来る。なお、サーボモータ４１の回動範囲を制御すれば、ＭＰ関節１４の屈曲角度は自在に調整することも可能である。
【００２３】
なお、角度制限カム４６の係合タイミング（動力側アーム４３と部材側アーム４４のロック角度）は、各関節で実現するべき最大の屈曲状態を想定し、その最大屈曲状態において、動力側アーム４３と部材側アーム４４の角度が固定される（関節が開放されない）角度に設定すればよいことになる。また別の観点から考えると、回動軸４１、ジョイント４５、揺動軸４４Ａ、ＭＰ関節１４を４点とした「てこクランク機構」を仮定した場合に、揺動軸４４Ａ、ＭＰ関節１４、回動軸４１が略直線状に位置する死点近傍で角度制限カム４６がロックされるようすることが好ましいといえる。
【００２４】
次に、第１保持部材２２、第２保持部材２４、第３保持部材２６の形状について説明する。図２又は図４に戻って、この第１、第２、第３保持部材２２、２４、２６はプレート状の部材であり、人差指から小指までを覆うことが可能な幅を有している。また、第１保持部材２２は、手首側端縁２２Ａが凹状態で湾曲していると共に、指先側端縁２２Ｂが凸状態で湾曲した形状となっている。同様に第２保持部材２４は、手首側端縁２４Ａが凹状態で湾曲していると共に、指先側端縁２４Ｂは凸状態で湾曲した形状となっている。手首側端縁２４Ａの凹状態の湾曲形状は、第１保持部材２２の指先側端縁２２Ｂの湾曲形状と略一致するようになっている。同様に第３保持部材２６は、手首側端縁２６Ａが凹状態で湾曲していると共に、指先側端縁２６Ｂは凸状態で湾曲した形状となっている。手首側端縁２６Ａの凹状態の湾曲形状は、第２保持部材２４の指先側端縁２４Ｂの湾曲形状と略一致する。
【００２５】
更に詳細に、第１保持部材２２と第２保持部材の指先側端縁２２Ｂ、２４Ｂの湾曲形状は、中指近傍が最も突出するように設定されており、中指近傍を基準にして、人差指側が多少引っ込んでおり、小指側は人差指側よりも大きく引っ込んだ形状となっている。このようにすることで、関節駆動装置２０を実際の手の形状に合わせることが容易になる。例えば、第１保持部材２２に関しては、人差指から小指までの中手骨８をまとめて覆うことが可能になり、第２保持部材２４に関しては、人差指から小指までの基節骨６をまとめて覆うことが可能になる。第３保持部材２６に関しても、人差指から小指までの中節骨４及び末節骨２をまとめて覆うことが可能になる。この結果、本第１実施形態の関節駆動装置２０を用いれば、人差指から小指までの合計４本の指を同時に握ったり開いたりする、いわゆるグー・パー運動をすることができるようになる。
【００２６】
次に、この関節駆動装置２０による手のリハビリ運動について説明する。
【００２７】
図８に示されるように、ここではまず、開いた状態の手１に対して、関節駆動装置２０をベルト２８Ａ〜２８Ｄで固定する。ベルト２８Ａは、人差指から小指までの中手骨８に巻きつけられ、ベルト２８Ｂは人差指から小指までの基節骨６に巻きつけられ、ベルト２８Ｄは人差指から薬指までの末節骨２又は中節骨４に巻きつけられ、ベルト２８Ｃは小指の末節骨２又は中節骨４に巻きつけられるようにする。その後、手首保持ベルト３１を手首に巻きつけることで、手首保持部材３０を手首に固定し、手首角度調整機構３２によって、手首の角度を適した状態に調整する。
【００２８】
次に、関節駆動装置２０を動かして、リハビリを行う。具体的には図９及び図１０に示されるように、第１駆動体４０と第２駆動体５０を同時に動作させて、第１保持部材２２に対して第２保持部材２４を屈曲させながら、更に、第２保持部材２４に対して第３保持部材２６を屈曲させる。既に説明したように、第１・第２駆動体４０、５０の動力伝達機構によって、各保持部材２２、２４、２６の間に空間Ｓを確保しながら、同時に屈曲させるようにしているので、ＭＰ関節１４及びＰＩＰ関節１２を滑らかに屈曲させることが可能になる。なお、ここでは、ＭＰ関節の最大屈曲角度を９０度、ＰＩＰ関節の最大屈曲角度を１００度に設定している。
【００２９】
ここではリハビリ運動について示したが、関節駆動装置２０は、手が不自由な状態でも、自分の手で物を握ったりする場合にも利用できる。例えば、図１１には、本関節駆動装置２０を搭載して、手摺６０を握った状態を示す。この場合、ＭＰ関節１４及びＰＩＰ関節１２の屈曲角度を調整することによって、手摺６０を適度な強さで握ることが可能になる。また、第１駆動体４０及び第２駆動体５０にトルクリミッタ機構又はトルクリミッタ制御を設けることで、指先に所定の圧力が作用した時に自動的に屈曲作業を停止させ、各種サイズの対象物を自在に把持できるようにしてもよい。特に手の日常動作の補助装置として本関節駆動装置２０を利用する場合、手首角度調整機構３２を利用して、手首保持部材３０と第１保持部材２２の角度を屈曲させるようにする。日常生活では、手首を曲げている状態が多いからである。
【００３０】
次に、この関節駆動装置２０で用いられる制御装置について説明する。
【００３１】
図１２には、この関節駆動装置２０で用いられる制御装置７０が示されている。この制御装置７０は、カウント手段７２、カウントリセット手段７４、トルク制御手段７６、速度制御手段７８、原点復帰手段８０、原点設定手段８２、可動範囲設定手段８４を備えている。カウント手段７２は、リハビリ運動の回数をカウントすると共に、予め設定された目標回数に到達したら本装置２０を停止させる。カウントリセット手段７４は、カウント手段７２の数値をゼロに戻す。トルク制御手段７６は、サーボモータ４１、５１のトルクを制御するものであり、手に与える負荷を調整することが出来る。また、このトルク制御手段７６はトルク検出機能も兼ね備えており、サーボモータ４１の発生トルクが、設定値の上限に達した時点でサーボモータ４１の回転を停止するようにしている。速度制御手段７８は、サーボモータ４１の回動スピードを調整するものであり、利用者が好みのスピードに調整することが出来る。原点調整手段８０は、サーボモータ４１、５１の原点を初期設定するものであり、例えば、指が曲がった状態で戻らない人が利用する場合は、関節駆動装置２０の原点を屈曲状態に設定し、ＭＰ関節１４やＰＩＰ関節１２を伸ばす動作のリハビリテーションを行うようにする。一方、指が伸びた状態で十分に曲がらない人が利用する場合には、原点を非屈曲状態に設定して曲げる動作のリハビリテーションを行うようにする。原点復帰手段８２は、緊急ボタン３８が利用者によって押された際に、上記原点に復帰させるものである。
【００３２】
可動範囲設定手段８４は、上記原点を基準として、両方向にどの程度の角度範囲でサーボモータ４１、５１を回動させるかを予め設定するものである。例えば、手の関節の可動範囲が小さい人は、このサーボモータ４１、５１の可動範囲も小さく設定する必要がある。一方で、リハビリが進み、手の関節の可動範囲が大きくなった場合には、サーボモータ４１、５１の可動範囲も大きくする。このようにすることで、リハビリのレベルに応じた利用が可能になる。
【００３３】
この制御装置７０の具体的なハード構成は様々なものが利用できるが、その一例として、汎用コンピュータを利用する場合を図１３に示す。この制御装置７０では、記憶装置９０、中央演算装置９１、伝送回路９２、入出力手段９３、モータインターフェース９４等を備える。記憶装置９０には、上記制御装置７０が実現すべきソフトウエアプログラムが格納されている。中央演算装置９１は、このソフトウエアプログラムを読み込んで実行し、情報処理によって図１２の機能を実現するものである。伝送回路９２は、記憶装置９０や中央演算装置９１、入出力手段９３、モータインターフェース９４等を接続してデータの通信するための通信バスである。入出力手段９３は、例えばタッチパネル式ディスプレイであり、トルク（強、中、弱）、速度（速、中、遅）、カウント、回転範囲等を表示すると共に、手のタッチ入力を促して、各種設定を実行可能にする。モータインターフェース９４は、各サーボモータ４１、５１に接続されて、これらに対して各種運動を指示・制御する。
【００３４】
以上、本第１実施形態の関節駆動装置２０は、第１〜第３保持部材２２、２４、２６を手に配置し、第１駆動体４０を利用して第１保持部材２２と第２保持部材２４間で屈曲運動を行うと共に、第２駆動体５０を利用して第２保持部材２４と第３保持部材２６の間で屈曲運動をするという分散動力構造であるので、各動力源（ここではサーボモータ４１、５１）をコンパクトにすることが可能になる。また、手首等の一箇所に配置される駆動源から全ての関節を操るのではなく、第１保持部材２２によって駆動されている第２保持部材２４を基台として、第３保持部材を駆動しているので、簡潔な構造でありながらも、動作角度や動作トルクを大きくすることが可能になる。また、第１〜第３保持部材２２、２４、２６の間にＭＰ関節１４とＰＭＰ関節１２を配置しているので、重要な関節を集中的に運動させることができる。
【００３５】
また、この関節駆動装置２０では、第１駆動体４０には（第１の）回動軸４２が設置されており、各アーム４３、４４を利用して、第１保持部材２２に対して第２保持部材２４を回転させるようになっているので、この回転運動を利用してＭＰ関節１４を屈曲させることが出来る。同様に、第２駆動体５０には（第２の）回動軸４２が設置され、各アーム５３、５４を利用した回転運動により、ＰＩＰ関節１２を屈曲させることが出来る。また、動力側アーム４３と部材側アーム４４がカム機構によってロックされることで、Ｌ字形状に一体化されるので、ＭＰ関節１４の周囲に余裕空間を確保しながら、中手骨８側に位置する回動軸４２の動力を基節骨６の先端側に伝達することができる。
【００３６】
また、指の関節は、その屈曲点が手の内部にあることから、関節の外側に位置する手の甲側の皮膚が大きく伸びるという特徴がある。そこで本関節駆動装置２０では、第１及び第２駆動体４０、５０が、部分的にスライダ機構として機能すると共に、回動機構としても機能するので、第１保持部材２２と第２保持部材２４の間隔、及び第２保持部材２４と第３保持部材２６の間隔を同時に離反させて皮膚の伸びに追従させ、それと更に屈曲動作を行うようになっている。従って、このＭＰ関節１４やＰＩＰ関節１２では極めて自然な屈曲運動を行うことができる。また、本関節駆動装置２０では、２つのアーム４３、４４と、このアーム４３、４４を接続するジョイント４５、このジョイント４５に形成される角度制限カム４６を利用することで、１つのサーボモータ４１でスライダ機構と回動機構を両立させているので、関節駆動装置２０を極めてコンパクトにすることが可能となっている。
【００３７】
また、回動軸４２側を第１保持部材２２の指先側に配置することで、動力側アーム４３の回転角度、特に屈曲側の回転角度を大きく確保できるようにし、更に、揺動軸４４Ａを第２保持部材２４の指先側に配置することで、ＭＰ関節１４から離れた部位を押すことが可能となり、より大きなトルクを手に伝達できる。これは、第２駆動体５０でも全く同様である。
【００３８】
更に、この関節駆動装置２０では、手首保持部材３０と第１保持部材２２の角度を自在に調整可能となっているので、個人にとって利用しやすい角度を適宜選択できるようになる。特に、リハビリ装置としてではなく、日常生活をアシストする装置として利用する際に利便性が向上する。
【００３９】
また、第１〜第３保持部材２２、２４、２６、とりわけ第２保持部材２４については、手首側端縁２４Ａが凹状態で湾曲していると共に、指先側端縁２４Ｂが凸状態で湾曲しているので、少なくとも人差指、中指、薬指を同時に固定する際に、全ての指の基節骨６に第２保持部材２４をフィットさせることができる。この結果、複数の指のリハビリを同時に実行できるようになる。
【００４０】
なお、この第１実施形態の関節駆動装置２０では、指の先端側をベルト２８Ｃ、２８Ｄで固定する場合を示したが、本発明はそれに限定されない。例えば図１４に示されるように、第３保持部材２６の指先側に指先収納カバー５８を設置しておき、この指先収納カバー５８に指先を収納することで、第３保持部材２６と指を固定するようにしてもよい。このようにすると、ベルトを巻きつける作業が軽減されるので、特に、手先が不自由な人にとって利便性が向上する。
【００４１】
次に、図１５を参照して、第２実施形態に係る関節駆動装置１２０について説明する。なお、この関節駆動装置１２０について、第１実施形態の関節駆動装置２０と同一又は類似する部材については、図中の符号の下二桁を一致させることで詳細な説明を省略し、第１実施形態と相違する点を主に説明する。
【００４２】
この関節駆動装置１２０は、第１駆動体１４０と第２駆動体１５０の回動軸１４２、１５２の角度が可変となっている。具体的には、サーボモータ１４１、１５１が、位置決め固定可能な回転テーブル（図示省略）上に配置されており、全体が手の面方向に回転できるようになっている。また、第２保持部材１２４、第３保持部材１２６の指先側端縁１２４Ｂ、１２６Ｂ近傍には、手の幅方向に延在する円弧状のスライド溝１２４Ｃ、１２６Ｃが形成されており、このスライド溝１２４Ｃ、１２６Ｃに沿って揺動軸１４４Ａ、１５４Ａが移動可能となっている。従って、サーボモータ１４１、１５１を中心として、この揺動軸１４４Ａ、１５４Ａをスライド溝１２４Ｃ、１２６Ｃに沿って移動させると、第１駆動体１４０と第２駆動体１５０の駆動方向Ｓ（関節の曲げ力の発生方向）を、手の中心方向Ｔ（中指の延在方向）に対して斜めにすることが可能になる。特に本第２実施形態のように、関節の曲げ力の発生方向Ｓを、指先に向かって小指側に傾斜させることで、小指を親指側に向かって屈曲させる動作が可能になる。日常活動において、小指は、中心方向Ｔに直線的に曲げる場合より、親指側に向き合うようにして屈曲させて対象物を握る機会が多いので、より実践的なリハビリや運動補助を実現できることになる。
【００４３】
以上、上記実施形態に係る関節駆動装置２０、１２０では、制御装置にトルク制御手段７６が設けられている場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、サーボモータの回動軸に摩擦を利用したスリップ機構を設置して、一定のトルクに達したらスリップ機構が空転することでトルク制御することも可能である。また、動力側アームや部材側アーム等にバネ等を利用した弾性領域を形成しておき、一定のトルクに達したらアームが曲がることでトルクを吸収しても良い。
【００４４】
更に本実施形態では、関節駆動装置を手の人差指から小指に亘って配置する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されない。例えば、親指に設置するようにして、親指の各関節を個別に駆動させるようにしてもよい。特に、実施形態で示した関節駆動装置２０、１２０と、親指用の関節駆動装置を組み合わせることで、親指と他の指の動きによって様々な物を掴むことが可能になる。このようにすると、日常生活をアシストする道具として、更に利便性を高めることができる。
また、本実施形態では、関節駆動装置を手に設置する場合に限って示したが、本発明はそれに限定されず、足の指に利用することも可能である。また、本実施形態では１つのサーボモータでスライド運動と回転運動を実現するようにしているが、本発明はそれに限定されず、回転動力源とスライド動力源を別々に用意して、組み合わせるようにしても良い。
【００４５】
尚、本発明の関節駆動装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の関節駆動装置は、小型軽量でコンパクトな指のリハビリ装置や指の補助ロボットとして利用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】手の関節等の名称を説明する透視図
【図２】第１実施形態に係る関節駆動装置の上面図
【図３】同関節駆動装置の側面図
【図４】同関節駆動装置の底面図
【図５】同関節駆動装置の駆動体の駆動状況を説明する部分拡大図
【図６】同関節駆動装置の駆動体の駆動状況を説明する部分拡大図
【図７】同関節駆動装置の駆動体の駆動状況を説明する部分拡大図
【図８】同関節駆動装置を手に設置した状態を示す側面図
【図９】同関節駆動装置を用いて手の指関節を屈曲させた状態を示す側面図
【図１０】同関節駆動装置を用いて手の指関節を屈曲させた状態を示す側面図
【図１１】同関節駆動装置を用いて手摺を握った状態を示す側面図
【図１２】同関節駆動装置の制御装置を示すブロック図
【図１３】同関節駆動装置の制御装置の部材構成を示すブロック図
【図１４】同関節駆動装置の他の例を示す側面図
【図１５】第２実施形態に係る同関節駆動装置を示す上面図
【符号の説明】
【００４８】
１            ・・・手
２０、１２０        ・・・関節駆動装置
２２、１２２        ・・・第１保持部材
２４、１２４        ・・・第２保持部材
２６、１２６        ・・・第３保持部材
３０、１３０        ・・・手首保持部材
３２、１３２        ・・・手首角度調節機構
４０、１４０        ・・・第１駆動体
５０、１５０        ・・・第２駆動体
【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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