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Timestamp: 2020-08-09 07:09:04
Document Index: 336445309

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J-STORE(～FINGER MOVEMENT ASSISTANCE DEVICE TAKAHASHI, Nobuhiro ～)
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FINGER MOVEMENT ASSISTANCE DEVICE
F200010007
S2018-0322-C0
2019JP008770
WO 2019193905
特願2018-072764 (2018.4.4) JP
Provided is a finger movement assistance device that can assist fine movements and quick gestures by fingers and wrists. This finger movement assistance device comprises: fixed finger parts 10, 11; finger-front and finger-back sleeves 20, 21; a wrist sleeve 30; a fixed elbow part 40; first small-diameter artificial muscles 50, 51; and second small-diameter artificial muscles 60, 61. The first fixed finger part 10 is positioned near a first finger joint, and the second fixed finger part 11 is positioned near a second finger joint. The finger-front and finger-back sleeves 20, 21 are respectively provided to the finger-front and finger-back of the second fixed part. The wrist sleeve 30 is positioned near to the wrist, and the fixed elbow part 40 is positioned near to the elbow. The first finger-front and finger-back small-diameter artificial muscles 50, 51 are connected, from the fixed elbow part 40 via the wrist sleeve 30 and the finger-front and finger-back sleeves 20, 21, to the finger-front and finger-back of the first fixed part. The second finger-front and finger-back small-diameter artificial muscles 60, 61 are connected, from the fixed elbow part 40 via the wrist sleeve 30, to the finger-front and finger-back of the second fixed part.
From the prior art, has a function for motion and reduce the physical burden when used, such as a finger or limb rehabilitation support apparatus for supporting the operation of the power assist apparatus is known (for example such as Patent Document 1 and Patent Document 2). These are, the user operates using any of the actuator is fixed to the support is carried out.
KOIKE, Hideki
A61F 2/58 肘；手首
指動作支援装置
指や手首の繊細な動きや高速な動作を支援可能な指動作支援装置を提供する。　指動作支援装置は、指固定部１０，１１と、指腹側・指背側スリーブ２０，２１と、手首スリーブ３０と、肘固定部４０と、第１細径人工筋肉５０、５１と、第２細径人工筋肉６０、６１とからなる。第１指固定部１０は指の第１関節近傍に位置し、第２指固定部１１は指の第２関節近傍に位置する。指腹側・指背側スリーブ２０，２１は、第２固定部の指腹側・指背側に設けられる。手首スリーブ３０は手首近傍に位置し、肘固定部４０は肘近傍に位置する。第１指腹側・第１指背側細径人工筋肉５０，５１は、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指腹側・指背側スリーブ２０，２１を介して第１固定部の指腹側・指背側に接続される。第２指腹側・第２指背側細径人工筋肉６０，６１は、肘固定部４０から手首スリーブ３０を介して第２固定部の指腹側・指背側に接続される。
指の動作を支援する装置であって、該指動作支援装置は、
指の関節近傍に位置する指固定部と、
手首近傍に位置する手首スリーブと、
肘近傍に位置する肘固定部と、
前記肘固定部から手首スリーブを介して指固定部の指腹側に接続される指腹側細径人工筋肉と、
前記肘固定部から手首スリーブを介して指固定部の指背側に接続される指背側細径人工筋肉と、
を具備することを特徴とする指動作支援装置。
請求項１に記載の指動作支援装置において、前記指固定部、手首スリーブ及び／又は肘固定部は、細径人工筋肉を用いて構成されることを特徴とする指動作支援装置。
請求項２に記載の指動作支援装置において、前記指固定部、手首スリーブ及び／又は肘固定部は、流体圧供給前の細径人工筋肉が軸移動可能であり流体圧供給後の細径人工筋肉がロックされる程度の内径を有する調整用リングを用いて構成されることを特徴とする指動作支援装置。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の指動作支援装置において、
前記指固定部は、
指の第１関節近傍に位置する第１指固定部と、
指の第２関節又は第３関節近傍に位置する第２指固定部と、
を具備し、指動作支援装置は、さらに、
前記第２指固定部の指腹側に設けられる指腹側スリーブと、
前記第２指固定部の指背側に設けられる指背側スリーブと、
前記指腹側細径人工筋肉は、
前記肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介して第１指固定部の指腹側に接続される第１指腹側細径人工筋肉と、
前記肘固定部から手首スリーブを介して第２指固定部の指腹側に接続される第２指腹側細径人工筋肉と、
前記指背側細径人工筋肉は、
前記肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介して第１指固定部の指背側に接続される第１指背側細径人工筋肉と、
前記肘固定部から手首スリーブを介して第２指固定部の指背側に接続される第２指背側細径人工筋肉と、
請求項４に記載の指動作支援装置において、前記第１指固定部及び第２指固定部は、指に巻回可能なリング状であり、
前記第１指腹側細径人工筋肉及び第１指背側細径人工筋肉は、第１指固定部に対してループ状に折り返して接続され、
前記第２指腹側細径人工筋肉及び第２指背側細径人工筋肉は、第２指固定部に対してループ状に折り返して接続される、
ことを特徴とする指動作支援装置。
請求項４に記載の指動作支援装置において、
前記第１指腹側細径人工筋肉及び第１指背側細径人工筋肉は、その端末部に第１取付紐が設けられ、第１指固定部に対して第１取付紐により接続され、
前記第２指腹側細径人工筋肉及び第２指背側細径人工筋肉は、その端末部に第２取付紐が設けられ、第２指固定部に対して第２取付紐により接続される、
請求項４乃至請求項６の何れかに記載の指動作支援装置において、前記第１指固定部は、指の第１関節よりも先端側に装着され、
前記第２指固定部は、指の第１関節と第２関節の間、又は第２関節と第３関節の間に装着される、
請求項４乃至請求項７の何れかに記載の指動作支援装置において、５本指の各指に対して、それぞれ第１指固定部、第２指固定部、指腹側スリーブ、指背側スリーブ、第１指腹側細径人工筋肉、第１指背側細径人工筋肉、第２指腹側細径人工筋肉、及び第２指背側細径人工筋肉が設けられることを特徴とする指動作支援装置。
請求項４乃至請求項８の何れかに記載の指動作支援装置において、前記第１指腹側細径人工筋肉、第１指背側細径人工筋肉、第２指腹側細径人工筋肉、及び第２指背側細径人工筋肉は、それぞれ複数の細径人工筋肉の束からなることを特徴とする指動作支援装置。
請求項４乃至請求項９の何れかに記載の指動作支援装置であって、さらに、
第１指固定部と第２指固定部の間に位置する第３指固定部と、
前記第３指固定部の指腹側に設けられる第２指腹側スリーブと、
前記第３指固定部の指背側に設けられる第２指背側スリーブと、
前記肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介して第３指固定部の指腹側に接続される第３指腹側細径人工筋肉と、
前記肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介して第３指固定部の指背側に接続される第３指背側細径人工筋肉と、
前記第１指腹側細径人工筋肉は、前記肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介しさらに第２指腹側スリーブも介して第１指固定部の指腹側に接続され、
前記第１指背側細径人工筋肉は、前記肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介しさらに第２指背側スリーブも介して第１指固定部の指背側に接続される、
請求項４乃至請求項１０の何れかに記載の指動作支援装置において、
前記手首スリーブは、手側の手首近傍に配置され、さらに、
前記肘固定部から手首スリーブの手首腹側に接続される手首腹側細径人工筋肉と、
前記肘固定部から手首スリーブの手首背側に接続される手首背側細径人工筋肉と、
請求項１乃至請求項１１の何れかに記載の指動作支援装置において、該指動作支援装置は、グローブ状に着用可能に構成されることを特徴とする指動作支援装置。
請求項１乃至請求項１２の何れかに記載の指動作支援装置において、指の動作には、指と同等の機能を有する機器の動作が含まれることを特徴とする指動作支援装置。
本発明は、指動作支援装置に関し、特に、指の動作を高速でコントロール可能な指動作支援装置に関する。
従来から、運動機能に障害を有する場合や肉体的負担を軽減させる場合に用いられる、手足や指等の動作を支援するためのリハビリテーション支援装置やパワーアシスト装置が知られている（例えば特許文献１や特許文献２等）。これらは、何れも使用者に対してアクチュエータを用いて動作支援を行うものである。
特許文献1 : 特開２００６－０００２９４号公報
特許文献2 : 特開２００９－１１２５７８号公報
従来からある装置は、運動機能に障害を有する場合や肉体的負担を軽減させる場合には、一定の有用な効果が得られている。しかしながら、力の出力強度、曲げ姿勢の制御自由度、重量、応答性の観点から、例えば楽器の演奏やスポーツの技能習得等の、より繊細な動作に適用するのは難しかった。さらに、指の曲げ動作と伸ばし動作の双方の力覚を提示しながら、使用者の握ったり叩いたりといった動作を阻害しないように設計することも難しかった。
本発明は、斯かる実情に鑑み、指や手首の繊細な動きや高速な動作を支援可能な指動作支援装置を提供しようとするものである。
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による指動作支援装置は、指の関節近傍に位置する指固定部と、手首近傍に位置する手首スリーブと、肘近傍に位置する肘固定部と、肘固定部から手首スリーブを介して指固定部の指腹側に接続される指腹側細径人工筋肉と、肘固定部から手首スリーブを介して指固定部の指背側に接続される指背側細径人工筋肉と、を具備するものである。
ここで、指固定部、手首スリーブ及び／又は肘固定部は、細径人工筋肉を用いて構成されるものであっても良い。
また、指固定部、手首スリーブ及び／又は肘固定部は、流体圧供給前の細径人工筋肉が軸移動可能であり流体圧供給後の細径人工筋肉がロックされる程度の内径を有する調整用リングを用いて構成されるものであっても良い。
また、指固定部は、指の第１関節近傍に位置する第１指固定部と、指の第２関節又は第３関節近傍に位置する第２指固定部と、を具備するものであっても良い。指動作支援装置は、さらに、第２指固定部の指腹側に設けられる指腹側スリーブと、第２指固定部の指背側に設けられる指背側スリーブと、を具備するものであれば良い。また、指腹側細径人工筋肉は、肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介して第１指固定部の指腹側に接続される第１指腹側細径人工筋肉と、肘固定部から手首スリーブを介して第２指固定部の指腹側に接続される第２指腹側細径人工筋肉と、を具備するものであっても良い。また、指背側細径人工筋肉は、肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介して第１指固定部の指背側に接続される第１指背側細径人工筋肉と、肘固定部から手首スリーブを介して第２指固定部の指背側に接続される第２指背側細径人工筋肉と、を具備するものであれば良い。
また、第１指固定部及び第２指固定部は、指に巻回可能なリング状であり、第１指腹側細径人工筋肉及び第１指背側細径人工筋肉は、第１指固定部に対してループ状に折り返して接続され、第２指腹側細径人工筋肉及び第２指背側細径人工筋肉は、第２指固定部に対してループ状に折り返して接続されるものであれば良い。
また、第１指腹側細径人工筋肉及び第１指背側細径人工筋肉は、その端末部に第１取付紐が設けられ、第１指固定部に対して第１取付紐により接続され、第２指腹側細径人工筋肉及び第２指背側細径人工筋肉は、その端末部に第２取付紐が設けられ、第２指固定部に対して第２取付紐により接続されるものであっても良い。
また、第１指固定部は、指の第１関節よりも先端側に装着され、第２指固定部は、指の第１関節と第２関節の間、又は第２関節と第３関節の間に装着されるものであっても良い。
また、５本指の各指に対して、それぞれ第１指固定部、第２指固定部、指腹側スリーブ、指背側スリーブ、第１指腹側細径人工筋肉、第１指背側細径人工筋肉、第２指腹側細径人工筋肉、及び第２指背側細径人工筋肉が設けられるものであっても良い。
また、第１指腹側細径人工筋肉、第１指背側細径人工筋肉、第２指腹側細径人工筋肉、及び第２指背側細径人工筋肉は、それぞれ複数の細径人工筋肉の束からなるものであっても良い。
さらに、第１指固定部と第２指固定部の間に位置する第３指固定部と、第３指固定部の指腹側に設けられる第２指腹側スリーブと、第３指固定部の指背側に設けられる第２指背側スリーブと、肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介して第３指固定部の指腹側に接続される第３指腹側細径人工筋肉と、肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介して第３指固定部の指背側に接続される第３指背側細径人工筋肉と、を具備し、第１指腹側細径人工筋肉は、肘固定部から手首スリーブ及び指腹側スリーブを介しさらに第２指腹側スリーブも介して第１指固定部の指腹側に接続され、第１指背側細径人工筋肉は、肘固定部から手首スリーブ及び指背側スリーブを介しさらに第２指背側スリーブも介して第１指固定部の指背側に接続されるものであっても良い。
また、手首スリーブは、手側の手首近傍に配置され、さらに、肘固定部から手首スリーブの手首腹側に接続される手首腹側細径人工筋肉と、肘固定部から手首スリーブの手首背側に接続される手首背側細径人工筋肉とを具備するものであっても良い。
また、指動作支援装置は、グローブ状に着用可能に構成されるものであっても良い。
また、指の動作には、指と同等の機能を有する機器の動作が含まれても良い。
本発明の指動作支援装置には、軽量であり指や手首の繊細な動きや高速な動作を支援可能であるという利点がある。
[図1] 図１は、本発明の指動作支援装置を説明するための概略図である。
[図2] 図２は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造の一例を説明するための概略側面斜視図である。
[図3] 図３は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造の他の例を説明するための概略側面斜視図である。
[図4] 図４は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造のさらに他の例を説明するための概略側面斜視図である。
[図5] 図５は、本発明の指動作支援装置の他の例を説明するための概略図である。
[図6] 図６は、本発明の指動作支援装置の指固定部の他の例を説明するための概略側面斜視図である。
[図7] 図７は、本発明の指動作支援装置の手首スリーブの他の例を説明するための概略側面斜視図である。
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の指動作支援装置を説明するための概略図であり、図１（ａ）が指腹側の平面図であり、図１（ｂ）が指背側の平面図である。即ち、図示例では右手用のものを示している。なお、本明細書中では、手の平側を指腹側とし、手の甲側を指背側と称する。本発明の指動作支援装置は、例えば楽器の演奏やスポーツの技能習得等のより繊細な動作に適用可能なものである。また、本明細書中の具体的な説明では人体の手指の動作支援を中心に説明しているが、本発明の指動作支援装置は、例えば人型ロボットやロボットアーム等、関節や骨組み等が身体の指に似た機能を有する機器の動作支援を行うものであっても良い。即ち、本明細書中の「指の動作」とは、人体だけでなく動物やロボット等でも、指動作と同等の機能を有するものであれば対象となるものである。図示の通り、本発明の指動作支援装置は、第１指固定部１０と、第２指固定部１１と、指腹側スリーブ２０と、指背側スリーブ２１と、手首スリーブ３０と、肘固定部４０と、第１指腹側細径人工筋肉５０と、第１指背側細径人工筋肉５１と、第２指腹側細径人工筋肉６０と、第２指背側細径人工筋肉６１とから構成されている。なお、図示例では５本指の各指に対して、それぞれ第１指固定部１０、第２指固定部１１、指腹側スリーブ２０、指背側スリーブ２１、第１指腹側細径人工筋肉５０、第１指背側細径人工筋肉５１、第２指腹側細径人工筋肉６０、及び第２指背側細径人工筋肉６１が設けられる例を示したが、本発明はこれに限定されず、人差し指だけや、親指と人差し指と中指だけ等、所望な指に設けるように構成しても良い。
第１指固定部１０は、指の第１関節近傍に位置するものである。第１指固定部１０は、指の第１関節近傍で留まるようなサイズの指輪等の、指に巻回可能なリング状のものであれば良い。また、指の太さに合わせて装着可能なように、ベルトループ状のものでボタンやフック、面ファスナー等で適宜調整可能なものであっても良い。第１指固定部１０の装着位置は、具体的には、指の第１関節よりも先端側であれば良い。身体における指の深指屈筋の先端は、第１関節の先端側の骨の第１関節側近傍に結合されている。本発明の指動作支援装置では、第１関節の先端側の骨の第１関節側近傍を引くことにより第２関節が動作するように、第１指固定部１０は、第１関節の先端側近傍に配置されれば良い。
また、第２指固定部１１は、図示例では指の第３関節近傍に位置するものを示した。第２指固定部１１は、指の第３関節近傍で留まるようなサイズの指輪等の、指に巻回可能なリング状のものであれば良い。また、指の太さに合わせて装着可能なように、ベルトループ状のものでボタンやフック、面ファスナー等で適宜調整可能なものであっても良い。第２指固定部１１の装着位置は、指の第２関節と第３関節の間であれば良い。具体的には、人差し指、中指、薬指、小指については、第３関節近傍に装着され、親指については、第２関節近傍に装着されている。これにより、第１指固定部１０と第２指固定部１１の配置位置をある程度離すことが可能となるため、これらに接続される後述の細径人工筋肉同士の干渉を防ぐことが可能となる。また、第１指固定部１０及び第２指固定部１１の装着もより容易となる。但し、身体における指の浅指屈筋の先端は、第１関節と第２関節の間の骨の第２関節側近傍に結合されている。したがって、本発明の指動作支援装置でも、第１関節と第２関節の間の骨の第２関節近傍を引くことにより第２関節が動作するように、第２指固定部１１を、指の第２関節近傍に配置しても良い。より具体的には、第１関節と第２関節の間の第２関節側近傍に配置されても良い。
なお、本明細書中では、親指の場合は他の指と異なり、「指の第２関節と第３関節の間」は、適宜「親指の第１関節と第２関節の間」と読み替えるものとする。即ち、親指に関しては、第２指固定部１１は、親指の第１関節と第２関節の間に固定されるものであれば良い。
指腹側スリーブ２０は、第２指固定部１１の指腹側に設けられるものである。指腹側スリーブ２０は、後述の細径人工筋肉を軸移動可能に保持するものである。指腹側スリーブ２０は、例えば後述の細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度の内径を有するリングであれば良い。また、紐状体を細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度のループ状にして、第２指固定部１１に固定したものであっても良い。このように細径人工筋肉を軸移動可能に保持する形状の指腹側スリーブ２０が、第２指固定部１１の指腹側に設けられる。
また、指背側スリーブ２１は、第２指固定部１１の指背側に設けられるものである。指背側スリーブ２１も、後述の細径人工筋肉を軸移動可能に保持するものである。指背側スリーブ２１も、例えば後述の細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度の内径を有するリングであれば良い。また、紐状体を細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度のループ状にして、第２指固定部１１に固定したものであっても良い。このように細径人工筋肉を軸移動可能に保持する形状の指背側スリーブ２１が、第２指固定部１１の指背側に設けられる。
手首スリーブ３０は、手首近傍に位置するものである。手首スリーブ３０は、手首近傍に腕時計のバンドのように腕の太さに合わせて装着可能なものであれば良い。例えば、手首スリーブ３０は、ベルトループ状のものでボタンやフック、面ファスナー等で適宜調整可能に構成され、手首近傍に固定されれば良い。手首スリーブ３０は、後述の細径人工筋肉を軸移動可能に保持するものである。図示の通り、手首スリーブ３０は、例えば後述の細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度の内径を有する管状スリーブが設けられていれば良い。なお、図示例の手首スリーブ３０は、指腹側と指背側の細径人工筋肉に対応して、５×２個の管状スリーブが２セット、指腹側と指背側にそれぞれリストバンド状体に配置された例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、管状スリーブは、２段ではなく１段で１０個並べたものを２セット用意しても良い。また、紐状体を細径人工筋肉が最大収縮時に通る程度のループ状にしたものをリストバンド状体に固定したものであっても良い。
また、肘固定部４０は、肘近傍に位置するものである。肘固定部４０は、肘近傍に腕時計のバンドのように腕の太さに合わせて装着可能なものであれば良い。例えば、肘固定部４０は、ベルトループ状のものでボタンやフック、面ファスナー等で適宜調整可能に構成され、肘近傍に固定されれば良い。肘固定部４０の細径人工筋肉を固定する位置（接続部４１が配置される位置）は、細径人工筋肉により指を効率良く動作可能なように、図１に示されるように、側面側（橈骨や尺骨の外側）であれば良い。そして、肘固定部４０は、後述の細径人工筋肉の端末部を固定するものであれば良い。また、肘固定部４０には、細径人工筋肉の端末部に空電レギュレータ等を介してコンプレッサを接続可能な接続部４１が設けられれば良い。なお、図示例の肘固定部４０は、５×２個の接続部４１が２セット、それぞれリストバンド状体に配置された例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、接続部４１は、２段ではなく１段で１０個並べたものを２セット用意しても良い。
そして、第１指腹側細径人工筋肉５０が、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指腹側スリーブ２０を介して第１指固定部１０の指腹側に接続されている。即ち、第１指腹側細径人工筋肉５０は、肘固定部４０と第１指固定部１０に固定され、指腹側スリーブ２０を介して肘から指先まで配設されるものである。このように細径人工筋肉を長く配設可能であるため、変位を大きくでき大きな力を加えることが可能となる。第１指腹側細径人工筋肉５０は、例えば流体圧アクチュエータであれば良い。より具体的には、マッキベン人工筋肉からなるものであれば良い。マッキベン人工筋肉は、コンプレッサ等からの空気圧等の流体圧により動作する人工筋肉である。マッキベン人工筋肉は、中空の弾性管状体と、弾性管状体を覆う補強層である編組被覆体とを有する構造からなる。マッキベン人工筋肉は、軽量であり且つしなやかであるため、使用者の握ったり叩いたりといった指の動作を阻害しないように本発明の指動作支援装置を軽量に提供するのに有利である。第１指腹側細径人工筋肉５０に用いられるマッキベン人工筋肉は、その外径は１０ｍｍ以下、より具体的には、例えば２ｍｍから５ｍｍ程度の細径のものであれば良い。このように非常に細い細径人工筋肉を用いることで、たとえ手の平側に人工筋肉が配置された場合であっても動作の妨げになり難くなる。なお、本発明の指動作支援装置の第１指腹側細径人工筋肉５０は、マッキベン人工筋肉からなるものには限定されず、伸縮制御可能であり、軽量且つ反応速度の速いものであれば適用可能である。
また、第１指背側細径人工筋肉５１が、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指背側スリーブ２１を介して第１指固定部１０の指背側に接続されている。即ち、第１指背側細径人工筋肉５１は、肘固定部４０と第１指固定部１０に固定され、指背側スリーブ２１を介して肘から指先まで配設されるものである。このように細径人工筋肉を長く配設可能であるため、変位を大きくでき大きな力を加えることが可能となる。第１指背側細径人工筋肉５１も、例えば流体圧アクチュエータであれば良い。より具体的には、マッキベン人工筋肉からなるものであれば良い。第１指背側細径人工筋肉５１に用いられるマッキベン人工筋肉は、その外径は１０ｍｍ以下、より具体的には、例えば２ｍｍから５ｍｍ程度の細径のものであれば良い。なお、本発明の指動作支援装置の第１指背側細径人工筋肉５１は、マッキベン人工筋肉からなるものには限定されず、伸縮制御可能であり、軽量且つ反応速度の速いものであれば適用可能である。
上述のように、指腹側スリーブ２０や指背側スリーブ２１、手首スリーブ３０を用いることで、細径人工筋肉を這わせる配置位置が固定されるため、細径人工筋肉の伸縮動作を確実に指に伝達することが可能となる。
また、第２指腹側細径人工筋肉６０が、肘固定部４０から手首スリーブ３０を介して第２指固定部１１の指腹側に接続されている。即ち、第２指腹側細径人工筋肉６０は、肘固定部４０と第２指固定部１１に固定され、肘から第２関節又は第３関節近傍まで配設されるものである。第２指腹側細径人工筋肉６０も、例えば流体圧アクチュエータであれば良い。より具体的には、マッキベン人工筋肉からなるものであれば良い。また、同様にマッキベン人工筋肉からなるものには限定されず、伸縮制御可能であり、軽量且つ反応速度の速いものであれば適用可能である。第２指腹側細径人工筋肉６０も、細径人工筋肉を長く配設可能であるため、変位を大きくでき大きな力を加えることが可能となる。
また、第２指背側細径人工筋肉６１が、肘固定部４０から手首スリーブ３０を介して第２指固定部１１の指背側に接続されている。即ち、第２指背側細径人工筋肉６１は、肘固定部４０と第２指固定部１１に固定され、肘から第２関節又は第３関節近傍まで配設されるものである。第２指背側細径人工筋肉６１も、例えば流体圧アクチュエータであれば良い。より具体的には、マッキベン人工筋肉からなるものであれば良い。また、同様にマッキベン人工筋肉からなるものには限定されず、伸縮制御可能であり、軽量且つ反応速度の速いものであれば適用可能である。第２指背側細径人工筋肉６１も、細径人工筋肉を長く配設可能であるため、変位を大きくでき大きな力を加えることが可能となる。
なお、腕の長さや指の長さに応じて、肘固定部４０から第１指固定部１０や第２指固定部１１に接続される細径人工筋肉の最適な長さも異なってくる。したがって、細径人工筋肉の長さを可変可能に肘固定部４０に接続するように構成しても良い。例えば、肘固定部４０は、細径人工筋肉を挟み込むようにして固定すれば良い。これにより、肘固定部４０による細径人工筋肉の挟み込む位置を調整することで、細径人工筋肉の長さが調整可能となる。また、肘固定部４０は、一般的なチューブ貫通型継手を用いて細径人工筋肉の長さを調整するように構成しても良い。
ここで、細径人工筋肉５０，５１，６０，６１を手首スリーブ３０の管状スリーブに通す際には、端から近い順番に通しても良い。しかしながら、図１に示されるように、親指からの細径人工筋肉は、手首スリーブ３０の一番遠い管状スリーブ側を通るように構成されても良い。親指は、内転動作が主であるため、図示例のように構成することで、より効率良く内転動作を支援可能となる。
次に、図２を用いて細径人工筋肉の指固定部への固定構造の一例について詳細に説明する。図２は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造の一例を説明するための概略側面斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。また、図１は、図面上、上側が指背側で下側が指腹側となるような側面斜視図である。図示例では、第１指固定部１０や第２指固定部１１が指に巻回可能なリング状のものを示した。そして、第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１が、リング状の第１指固定部１０に対してループ状に折り返して接続されている。具体的には、第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１は、第１指固定部１０のリングを通して１８０度ループ状に折り返されている。そして、細径人工筋肉の端末部は、ボンド等で固定して抜けないように構成されている。なお、細径人工筋肉の端末部は、内部の空気が漏れないように、適宜端末処理が施されていれば良い。具体的には、例えばボンド等の注入による内部圧着や、細径人工筋肉の弾性管状体の小間結び等による封止、端末キャップ等による封止等、従来の又は今後開発され得るあらゆる端末処理が適用可能である。また、細径人工筋肉の指背側及び指腹側の配置位置が移動しないように、第１指固定部１０に対して第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１がボンド等で固定されれば良い。
また、第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１が、第２指固定部１１に対してループ状に折り返して接続されている。第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１は、第２指固定部１１のリングを通して１８０度ループ状に折り返されている。そして、細径人工筋肉の端末部は、ボンド等で固定して抜けないように構成されている。なお、細径人工筋肉の端末部は、内部の空気が漏れないように、適宜端末処理が施されていれば良い。また、細径人工筋肉の指背側及び指腹側の配置位置が移動しないように、第２指固定部１１に対して第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１がボンド等で固定されれば良い。
さらに、図３を用いて細径人工筋肉の指固定部への固定構造の他の例について詳細に説明する。図３は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造の他の例を説明するための概略側面斜視図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。また、図３は、図面上、上側が指背側で下側が指腹側となるような側面斜視図である。図３では、図２と同様、第１指固定部１０や第２指固定部１１が指に巻回可能なリング状のものを示した。そして、第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１が、リング状の第１指固定部１０に対してループ状に折り返して接続されているところまでは図２の例と同様である。図２の例では、細径人工筋肉の端末部はボンド等で固定して抜けないように構成されていたが、図３の例では、折り返してさらに肘固定部４０まで戻らせて肘固定部４０に端末部が固定されるように構成している。同様に、第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１も、リング状の第２指固定部１１に対してループ状に折り返してさらに肘固定部４０まで戻らせて肘固定部４０に端末部が固定されるように構成する。このように構成されることで、細径人工筋肉が２重となり張力が２倍になる。したがって、より強力な力で指の動作支援が可能となる。
また、図４を用いて細径人工筋肉の指固定部への固定構造のさらに他の例を示す。図４は、本発明の指動作支援装置の細径人工筋肉の指固定部への固定構造のさらに他の例を説明するための概略側面斜視図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。また、図４は、図面上、上側が指背側で下側が指腹側となるような側面斜視図である。図４の例では、第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１の端末部には、第１取付紐５５が設けられている。例えば細径人工筋肉の端末部には、内部の空気が漏れないように端末キャップが設けられるが、第１取付紐５５は、この端末キャップに設けられれば良い。そして、第１指固定部１０に対して第１取付紐５５を用いて、第１指腹側細径人工筋肉５０や第１指背側細径人工筋肉５１が接続されている。このように、第１取付紐５５は、細径人工筋肉の端末部に形成されるものであれば良い。そして、例えば第１指固定部１０が面ファスナー等の縫い付け可能な材質からなる場合、第１取付紐５５を面ファスナーに縫い付けることで、第１指固定部１０に細径人工筋肉が固定される。同様に、第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１の端末部には、第２取付紐６５が設けられている。そして、第２指固定部１１に対して第２取付紐６５を用いて、第２指腹側細径人工筋肉６０や第２指背側細径人工筋肉６１が接続されている。第２取付紐６５も、細径人工筋肉の端末部に形成されるものであれば良い。そして、例えば第２指固定部１１も面ファスナー等の縫い付け可能な材質からなる場合、第２取付紐６５を面ファスナーに縫い付けることで、第２指固定部１１に細径人工筋肉が固定される。
本発明の指動作支援装置は、このように構成されることで、激しい動作をさせた場合であっても、細径人工筋肉が指固定部から外れ難くなる。なお、本発明の指動作支援装置では、細径人工筋肉の指固定部への固定構造は図２乃至図４に示される例に限定されるものではない。
また、上述の図示例では、第１指腹側細径人工筋肉５０、第１指背側細径人工筋肉５１、第２指腹側細径人工筋肉６０、及び第２指背側細径人工筋肉６１は、それぞれ複数の細径人工筋肉の束からなるものであっても良い。指の動作速度や力の大きさに応じて、細径人工筋肉を複数本束ねて１つの細径人工筋肉として用いても良い。指の太さに収まる範囲で束にすることで、動作の邪魔にならない一方、本数が増えるほど張力を大きくすることが可能となる。
このように構成された本発明の指動作支援装置では、各細径人工筋肉が肘固定部４０に固定され、各細径人工筋肉の端末部に、肘固定部４０の接続部４１から空電レギュレータ等を介してコンプレッサ等が接続され、空気圧等の流体圧が供給されれば良い。そして、所定の指動作となるように各細径人工筋肉を伸縮制御すれば良い。例えば指を曲げる動作は、第１指腹側細径人工筋肉５０や第２指腹側細径人工筋肉６０を収縮させると、閉じる方向に指が曲がる。また、反対に、第１指背側細径人工筋肉５１や第２指背側細径人工筋肉６１を収縮させると、反る方向に指が曲がる。そして、指背側と指腹側の細径人工筋肉を適宜制御することで、非常に高速な指動作支援が可能となる。本発明の指動作支援装置では、指腹側と指背側にそれぞれ２本ずつ、合計４本の細径人工筋肉を用いて１本の指の動作制御が可能となる。各細径人工筋肉は独立して個々に収縮制御が可能であるため、指や手首の繊細な動きを支援可能となる。また、従来のリハビリテーション支援装置のようなものと比べて、より強くより高速でより自由度の高い姿勢制御が可能となる。
本発明の指動作支援装置の動作の具体的な一例を挙げる。例えば、細径人工筋肉として、直径３ｍｍのマッキベン人工筋肉を用いる。コンプレッサによる圧縮空気は、例えば最大流量２００Ｌ／ｍｉｎの空電レギュレータを用いて制御する。例えばコンプレッサで０．５ＭＰａの供給圧力により圧縮空気をマッキベン人工筋肉に送り込むと、直径３ｍｍのマッキベン人工筋肉では３０Ｎ前後の張力を発生させることができる。このときの最大収縮率は約２７％である。このようなマッキベン人工筋肉を用いて、例えば空電レギュレータにより、圧縮空気を０ＭＰａ－０．４ＭＰａの範囲で無段階に調圧すると、典型的には約０Ｎ－２０Ｎ前後の張力と０％－２５％弱の収縮が得られる。そして、例えば５本指すべてに４本ずつ合計２０本の細径人工筋肉を配置する場合、すべての細径人工筋肉に対してそれぞれ空電レギュレータを実装すれば良い。これによりすべての細径人工筋肉の伸縮制御を独立に制御可能となる。２０本の細径人工筋肉を細かく制御することで、指の曲げ角度や反り角度等を任意に動作支援することが可能である。また、最大流量がより大きい空電レギュレータ、例えば最大流量が１５００Ｌ／ｍｉｎのものを用いることで、マッキベン人工筋肉のさらに高速な動きが可能となる。なお、空電レギュレータの圧力値の制御は、コンピュータ等からマイクロコントローラを介して伝送される例えば１０ｂｉｔのデジタル信号によって行われれば良い。このような構成で指の押下力を計測したところ、最大で約８Ｎを超える力が得られた。この押下力は、例えばピアノの演奏における打鍵を行うのには十分なものである。なお、押下力を制御するマッキベン人工筋肉の出力に関しては、空電レギュレータの供給圧力に依存するため、より強い出力が必要な用途であれば、供給圧力をより高くすれば良い。
指の曲げ伸ばしに対する動作支援の応答性に関しても実証した。最大流量２００Ｌ／ｍｉｎの空電レギュレータを用いて、指の曲げ伸ばし動作１周期として周期的に、例えば０．４ＭＰａの圧縮空気を１０Ｈｚで供給するように空電レギュレータを制御する。そうすると、１秒間に１０回の高速タッピングが行えることが分かった。即ち、本発明の指動作支援装置では、大半の人間の能力を超えるような動作支援も可能である。最大流量をさらに大きくすれば、より高速なタッピングが可能となる。
また、本発明の指動作支援装置においては、指を動かす動作の支援だけでなく、指の動きを拘束させることも可能である。即ち、例えば指の高速な動きを支援することも可能であるし、指を伸ばしたままの状態や指の曲げ角度についても、指腹側と指背側の細径人工筋肉の力のバランスを制御することで、その姿勢を保ったまま動かないように拘束制御も可能である。即ち、指の関節の動きの剛性を制御することが可能となる。
なお、上述の本発明の指動作支援装置は、第１指固定部１０や第２指固定部１１、手首スリーブ３０、肘固定部４０といった、身体の手指や腕に位置が固定される構成要素については、それぞれがベルトループ状のもの等により身体に固定されるように構成した例について説明した。しかしながら、本発明の指動作支援装置はこれに限定されず、グローブ状のものに配置し、これを使用者に装着するように構成しても良い。即ち、本発明の指動作支援装置は、グローブ状に着用可能に構成されても良い。具体的には、第１指固定部１０や第２指固定部１１、手首スリーブ３０、肘固定部４０をそれぞれグローブの所定位置に配置する。その際、指腹側スリーブ２０や指背側スリーブ２１も第２指固定部１１に設けておく。そして、細径人工筋肉をそれぞれこれまで説明したような接続関係で配置する。細径人工筋肉は、グローブの内側に這わされても良いし、外側に這わされても良い。勿論、グローブの内部に配置されるように構成しても良い。なお、グローブ状に着用可能とは、上述のように肘固定部４０も含めて指先から肘まで全体を覆うものだけに限らず、指先だけ覆うもの、手首までを覆うもの等、一部だけ着用可能に構成されるものであっても良い。
また、上述の図示例では、第１指固定部１０は指の第１関節近傍に位置し、第２指固定部１１は指の第２関節側近傍又は第３関節指近傍に位置するものを説明した。本発明はこのような構造でも十分な指動作の支援が可能であるが、これに限定されず、さらに指固定部を増やすと共に、さらに細径人工筋肉を追加しても良い。即ち、第１関節よりも先端側に第１指固定部１０を配置すると共に、第２指固定部１１を第２関節と第３関節の間に配置し、さらに第１関節と第２関節の間に新たに第３指固定部を配置しても良い。そして、第３指固定部の指腹側及び指背側にそれぞれ細径人工筋肉を接続すれば良い。より具体的には、第１指固定部１０と第２指固定部１１の間に第３指固定部を配置する。また、第３指固定部の指腹側に第２指腹側スリーブを設け、第３指固定部の指背側に第２指背側スリーブを設ける。そして、第３指腹側細径人工筋肉は、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指腹側スリーブ２０を介して第３指固定部の指腹側に接続される。また、第３指背側細径人工筋肉は、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指背側スリーブ２１を介して第３指固定部の指背側に接続される。そして、第１指腹側細径人工筋肉５０は、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指腹側スリーブ２０を介し、さらにこの第２指腹側スリーブも介して第１指固定部１０の指腹側に接続されれば良い。また、第１指背側細径人工筋肉５１は、肘固定部４０から手首スリーブ３０及び指背側スリーブ２１を介し、さらにこの第２指背側スリーブも介して第１指固定部１０の指背側に接続されれば良い。なお、親指については、第１指固定部１０が第１関節よりも先端側に配置され、第２指固定部１１が第１関節と第２関節の間に配置されれば良いが、さらに、第３指固定部を親指の根元に配置しても良い。このように指固定部及び細径人工筋肉を増やすことで、さらにより繊細な動きや強く高速な動作を実現可能となる。
また、上述の図示例では、指の曲げ伸ばしの動作支援用の構成について説明したが、本発明の指動作支援装置は、さらに手首の動きを支援するように構成しても良い。即ち、肘固定部４０に細径人工筋肉を接続しても良い。具体的には、まず、手首スリーブ３０を、手側の手首近傍に配置する。そして、手首スリーブ３０に、手首腹側細径人工筋肉と手首背側人工筋肉を接続する。手首腹側人工筋肉は、肘固定部４０から手首スリーブ３０の手首腹側に接続されるものである。また、手首背側人工筋肉は、肘固定部４０から手首スリーブ３０の手首背側に接続されるものである。このような構成とすることで、本発明の指動作支援装置は、手首腹側人工筋肉と手首背側人工筋肉の伸縮制御により、手首の動作支援を行うことも可能となる。
さらに、上述の図示例では、指の第１関節近傍に位置する第１指固定部と、指の第２関節又は第３関節近傍に位置する第２指固定部とを有するものについて説明した。しかしながら、本発明の指動作支援装置はこれに限定されず、簡易的には、指固定部を１つ設ける構成であっても良い。図５は、本発明の指動作支援装置の他の例を説明するための概略図であり、図５（ａ）が指腹側の平面図であり、図５（ｂ）が指背側の平面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示例の指動作支援装置は、指固定部１５が各指の関節近傍に対して１つ配置されるものである。図示例では、具体的には指固定部１５は、指の第２関節又は第３関節近傍に位置するものを示した。しかしながら本発明はこれに限定されず、指固定部１５は、指の第１関節近傍に位置するものであっても良い。そして、指腹側細径人工筋肉６３は、肘固定部４０から手首スリーブ３０を介して指固定部１５の指腹側に接続されている。また、指背側細径人工筋肉６４は、肘固定部１５から手首スリーブ３０を介して指固定部１５の指背側に接続されている。例えば第３関節だけ動作支援させる場合には、図示例のように指固定部１５が１つ、指の第２関節又は第３関節近傍に配置されるものであれば良い。このように構成されても、指腹側細径人工筋肉６３や指背側細径人工筋肉６４は、肘固定部４０と指固定部１５に固定され、手首スリーブ３０を介して肘から指まで配設されるので、細径人工筋肉を長く配設可能であるため、変位を大きくでき大きな力を加えることが可能となる。
次に、図６を用いて本発明の指動作支援装置の指固定部の他の例を説明する。図６は、本発明の指動作支援装置の指固定部の他の例を説明するための概略側面斜視図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表している。上述の図示例では、指固定部１０は、面ファスナー等で適宜調整可能なものを示した。本発明はこれに限定されず、例えば図６に示されるように、指固定部１５を、細径人工筋肉１６を用いて構成しても良い。即ち、指固定部１５は、調整用リング１７を用いて、細径人工筋肉１６を指が通る程度のループ状に構成することで提供されても良い。調整用リング１７は、例えば２つの孔を有する８の字の形状のリングであれば良い。調整用リング１７の孔は、流体圧供給前の細径人工筋肉１６が軸移動可能な程度の内径を有するものである。一方、細径人工筋肉１６に流体圧が供給されると、細径人工筋肉１６が軸移動できず調整用リング１７の孔にロックされる程度の内径を有するものである。そして、細径人工筋肉１６の一方の端末部からコンプレッサ等で空気圧等の流体圧が提供できるように構成されれば良い。また、他方の端末部は、端末キャップ等により封止されれば良い。指固定部１５を指へ装着する際には、細径人工筋肉１６のループをある程度広げて指を通す。その後、調整用リング１７を押さえながら細径人工筋肉１６をある程度締め付ける。そして、細径人工筋肉１６に流体圧を供給すると、細径人工筋肉１６が膨張するため、調整用リング１７の孔に細径人工筋肉１６がロックされることになる。したがって、指固定部１５が指に確実に固定されるようになる。なお、図６を用いた説明では、図５の指固定部１５が細径人工筋肉１６を用いるものについて説明したが、本発明はこれに限定されず、図１等に示される第１指固定部１０や第２指固定部１１が細径人工筋肉を用いて構成されても良い。
また、指固定部だけでなく、手首スリーブや肘固定部も、指固定部と同じように細径人工筋肉を用いて構成しても良い。図７は、本発明の指動作支援装置の手首スリーブの他の例を説明するための概略側面斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。上述の図示例では、手首スリーブ３０は、面ファスナー等で手首近傍に固定されるものを示した。本発明はこれに限定されず、例えば図７に示されるように、手首スリーブ３０を、細径人工筋肉３１を用いて固定しても良い。即ち、手首スリーブ３１は、調整用リング３２を用いて、細径人工筋肉３１を手が通る程度のループ状に構成することで提供されても良い。なお、図示例では、細径人工筋肉３１を二重ループに構成した例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、図６に示されるように一重ループに構成されたものであっても良い。調整用リング３２は、例えば２つの孔を有する８の字の形状のリングであれば良い。なお、図示例では、手首スリーブ３０の両端に調整用リング３２が一対、一体的に構成された例を示した。調整用リング３２の孔は、流体圧供給前の細径人工筋肉３１が軸移動可能な程度の内径を有するものであれば良い。一方、細径人工筋肉３１に流体圧が供給されると、細径人工筋肉３１が軸移動できず調整用リング３２の孔にロックされる程度の内径を有するものである。そして、細径人工筋肉３１の一方の端末部からコンプレッサ等で空気圧等の流体圧が提供できるように構成されれば良い。また、他方の端末部は、端末キャップ等により封止されれば良い。手首スリーブ３０を手首へ装着する際には、細径人工筋肉３１のループをある程度広げて手を通す。その後、調整用リング３２を押さえながら細径人工筋肉３１をある程度締め付ける。そして、細径人工筋肉３１に流体圧を供給すると、細径人工筋肉３１が膨張するため、調整用リング３２の孔に細径人工筋肉３１がロックされることになる。したがって、手首スリーブ３０が手首に確実に固定されるようになる。なお、図７を用いた説明では、図１等の手首スリーブ３０が細径人工筋肉３１を用いるものについて説明したが、本発明はこれに限定されず、図１等に示される肘固定部４０が細径人工筋肉を用いて構成されても良い。
なお、本発明の指動作支援装置は、上述の図示例にのみ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。
符号の説明 [0053]
１０　第１指固定部
１１　第２指固定部
１５　指固定部
１６　細径人工筋肉
１７　調整用リング
２０　指腹側スリーブ
２１　指背側スリーブ
３０　手首スリーブ
３１　細径人工筋肉
３２　調整用リング
４０　肘固定部
５０　第１指腹側細径人工筋肉
５１　第１指背側細径人工筋肉
５５　第１取付紐
６０　第２指腹側細径人工筋肉
６１　第２指背側細径人工筋肉
６３　指腹側細径人工筋肉
６４　指背側細径人工筋肉
６５　第２取付紐
『 FINGER MOVEMENT ASSISTANCE DEVICE 』に関するお問合せ
WO 2019193905(PDF,1504KB)