JP3759916B2

JP3759916B2 - 電動義手

Info

Publication number: JP3759916B2
Application number: JP2002199593A
Authority: JP
Inventors: 信行清水; 種雄村田; 鋼一小金澤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2022-07-09
Also published as: JP2004041279A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、物を掴むことができる握り構造体、特に手を失った人々、或いは手の機能が損なわれた人々の補助用具としての電動義手に関するもので、複合４節リンクと遊星歯車機構を応用した電動義手を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
手は手首関節より指先に向けての範囲を云い、更に、手は手掌部と指部にわかれ、指は母指と４指（示指、中指、環指、小指）に大別される。
人間が物を把握する際、母指と４指で物を挟むように把握するが、４指は把持体を落とさないように、各関節は把持体の形に倣った形で屈曲する。
図１に人間の手の構造を示す。
前記したように手は、手掌部と母指、４指に大別される。指は、中手骨、基節骨、中節骨、末節骨から構成されている。
関節は、中手骨と基節骨との接触部を中手指節関節といい（以下ＭＰ関節という）、基節骨と中節骨との接触部を近位指節関節といい（以下ＰＩＰ関節という）、中節骨と末節骨との接触部を遠位指節関節（以下ＤＩＰ関節という）という。指は屈曲・伸展動作をし、ＭＰ関節では横に動く動作（内転・外転側屈動作）が可能で、指全体の動作は４自由度である。
人間のように器用に動く指の研究は多くの研究機関、大学、福祉機器メ−カ−で行われているが、義手は肩、又は腕に装着するものであるから、軽くなければならない。
従来、義手（ロボットハンド）の研究は下記の３方向で行われている。
（１）リンクおよび歯車等の機構を応用した義手。
（２）人間の腱に相当する索条を用いた駆動方式の義手。
（３）超小型の電動モータを各指関節に埋め込み、それぞれのモータをコントロールして屈曲させる超小型電動モータ指埋込み方式の義手。
上記のように、指の屈曲伸展構造として、前腕等に設置した動力源から数本の索条をもって行う方法、または各指の関節間に小型電動モーター等を取り付けて行う方法が取られていたが、索条３自由度の屈曲伸展に６本の索条を必要とし、その本数に対応した動力源が必要であり、また、いずれの方法も多数の動力源を必要とするので、代替義手としては重すぎるという欠点があった。
図２に従来の義手を示しており、これは指１本当たり小型電動モータ１個で駆動する構造のものである。各関節はレバー比により屈曲角度を設定できるが、屈曲角度は比例的であり、指の動作は把持体の形状に倣うような屈曲は困難である。また、人間が物を握るときは、母指と示指との間にある水かきに物を押し付けるような姿勢で行うが、従来のものは先端摘みは可能であるが、腹で摘む動作は困難であり、また、把持体の大きさによる位置の変化に対応が困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来の欠点を克服したもので、把持体の形状に倣うように屈曲が可能で確実な把持姿勢ができる義手を提供する。また、本発明の義手は、指の腹で摘む動作が可能であり、また、指１本につき小型電動モータで人間の手と同等の器用に動き、しっかりと物を把握でき、しかも軽量な義手を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術手段は、
複合４節リンクと、複合４節リンクと連結した遊星歯車装置と、遊星歯車を駆動する駆動装置とからなり、前記駆動装置の駆動によって、遊星歯車、複合４節リンクが作動し、複合４節リンクにより物を把持できるようにした電動義手であって、前記複合４節リンクは、第１リンク、第２リンク、第３リンクと順次連結し、鉤形の第４リンクの前部と第３リンクとを、第２リンクと第３リンクとの連結点よりも前側において連結し、第４リンクの他方を第５リンクの一方に、また、第４リンクの他方を前記第１リンクに回転可能に連結して複合４節リンクが構成されており、さらに前記遊星歯車装置の遊星歯車に第５リンクを、遊星歯車装置の太陽歯車に第１リンクを、それぞれ連結し、遊星歯車と太陽歯車は回転ア−ムを介して連結されたことを特徴とする電動義手である。
また、太陽歯車取付台に回転自在に支持された下軸には、コの字形の回転アームと、第１リンクの取付金具と、アイドルプ−リと、太陽歯車が支持され、また、コの字形の回転アームの上方に支持された上軸には、回転受動プ−リと、遊星歯車を前記太陽歯車を噛み合うように支持して遊星歯車装置とし、そして、駆動装置からの撚り線スチ−ルワイヤをアイドルプ−リと回転受動プ−リに懸架させ、駆動装置からの駆動力を遊星歯車装置に伝達できるようにしたことを特徴とする電動義手である。
また、遊星歯車装置と駆動装置との間に懸架した撚り線スチ−ルワイヤにコイルスプリングを設けたことを特徴とする電動義手である。
また、ウオ−ムとウオ−ムホイ−ルからなる減速機構と駆動プ−リを有する動力伝達変換部を有する駆動装置としたことを特徴とする電動義手である。
また、第１リンクを基節骨、第２リンクを中節骨、第３リンクを末節骨として指を構成し、指１本につき小型電動モータを設け、この小型電動モータの駆動力で基節骨、中節骨、末節骨を駆動し、物を把握できるようにしたことを特徴とする電動義手である。
また、末節骨腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付けたことを特徴とする電動義手である。
また、小型電動モータをパソコンで操作し、指の動作を制御するようにしたことを特徴とする電動義手である。
【０００５】
【実施例】
本発明の概略を図３、４に基づいて説明する。図３は指の屈曲伸展動作する全体構成図を示し、図４は複合４節リンクの説明図である。
図３に示すように、本発明の指の屈曲伸展動作をする構成は、動力源部と、動力伝達変換部と、ＭＰ関節部と、指骨部とからなる。また、前記動力源部は小型電動モータを有し、また、前記動力伝達変換部は減速機構と駆動プ−リからなり、前記ＭＰ関節部は遊星歯車装置からなり、指骨部は複合４節リンク機構からなるものである。そして、小型電動モータからの駆動力は、動力伝達軸、減速機構・駆動プ−リ、撚り線スチ−ルワイヤ、遊星歯車機装置、複合４節リンク機構と順次伝わり、複合４節リンク機構によって物の把持を行うものである。
次に、複合４節リンク機構を図４に基づいて説明する。複合４リンク機構は基節骨に該当する第１リンク１Ａと、中節骨に該当する第２リンク２Ａ、末節骨に該当する第３リンク３Ａおよびこれら３種類のリンクに連結する補助リンクＢ（第４リンク４Ａ）と補助リンクＡ（第５リンク５Ａ）よりなっている。これらは２組の４節リンクを組み合わせた構造で複合４節と呼ぶ。
図４に示すように、４節リンク機構は、太陽歯車と遊星歯車と第６リンクからなる遊星歯車機構に連結されている。
これら各リンクと遊星歯車装置との結合関係を説明すると、第１リンク１Ａは回転ジョイントａを介して第２リンク２Ａに、第２リンク２Ａは回転ジョイントｂを介して第３リンク３Ａに、第３リンク３Ａは回転ジョイントｃを介して鉤型の第４リンク４Ａに、第４リンク４Ａは回転ジョイントｄを介して第１リンク１Ａと、回転ジョイントｅを介して第５リンク５Ａに、また、第１リンク１Ａは回転ジョイントｆを介して太陽歯車７Ａに、第５リンク５Ａは回転ジョイントｇを介して遊星歯車８Ａに、それぞれ回転可能に連結され、そして、太陽歯車７Ａと遊星歯車８Ａ間には第６リンク６Ａが回転可能に連結されている。さらに具体的には、図４に示すように、鉤形の第４リンク４Ａの前部（指先側）と第３リンク３Ａとを、第２リンク２Ａと第３リンク３Ａとの連結点よりも前側（指先側）において連結し、第４リンク４Ａの他方を第５リンク５Ａの一方に、また、第４リンク４Ａの他方を前記第１リンクに回転可能に連結している。
【０００６】
上記リンク機構等を人間の手に適用した具体的な構成を図５以下に基づいて説明する。
図５（ａ）は、電動義手全体の平面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。本発明は、示指、中指、環指、小指の４指に装備されているものである。手掌部は、指骨部とＭＰ関節部と撚線ワイヤと動力変換部からなり、動力変換部には動力伝達軸と動力源部が順次連結されている。
指骨部は、基節骨と中節骨と末節骨とからなり、基節骨と中節骨との間には、ＰＩＰ関節、中節骨と末節骨との間には、ＤＩＰ関節が設けられている。
次に、上記各部材の関連構成を図６（ａ）（ｂ）に基づいて詳説する。図６（ａ）は１本の指部の平面図で、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
指骨部を構成する基節骨１の後部には、取付金具２がネジ等により固着され、前記基節骨１の前部には、中節骨３の後部が軸４により回転可能に連結されている。中節骨３の前部には末節骨５が軸６により回転可能に連結されている。また、末節骨５に軸７により回転可能に連結された鉤状の補助リンクＢの曲部８は基節骨１の前部に軸９により回転可能に連結され、更に、前記補助リンクＢの端部には補助リンクＡの前部を軸１０により回転可能に連結されている。末節骨５腹面には把握力コントロール用感圧センサ（不図）が取り付けてある。上記４節リンク機構を構成する各リンクの形状は図７に示す。基節骨１は後方に取付金具２を溶接、ネジ等の固着手段により取付け、また、基節骨１の前部には中節骨３を取り付けるための穴１１と補助リンクＢを取り付けるための穴１２の２個を穿設する。中節骨３には、前部に末節骨５を取り付けるための穴１３、後部に基節骨１を取り付けるための穴１４を設け、中間には指の太さに相当する肉盛りをつけている。末節骨５には、前部に補助リンクＢを取り付けるための穴１５、後部に中節骨３を取り付けるための穴１６を設け、更に、末節骨５腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付け、物に当たった時に感知し、把握力をコントロールするようにしてある。補助リンクＡの前部には、補助リンクＢの末端に取り付けるための穴１７と、後部に遊星歯車に取り付けるための穴１８をそれぞれ穿設する。補助リンクＢは鉤状の形状になっており、短寸法側には補助リンクＡと連結するための穴１９、他の長寸法側には末節骨５に取り付けるための穴２０、曲部には基節骨１に取り付けるための穴２１を穿設する。これらのリンクは一枚板に穴を穿設し、これを左右に設けて組み立ててもよいが、コ字状の角形に形成して組み立てて、軸を挿入して図６のように組み立ててもよいものである。
上記のように構成された指骨部の補助リンクＡと取付け金具２は、ＭＰ関節部を構成する遊星歯車装置に連結される。
【０００７】
次に、ＭＰ関節部の構成を図８（ａ) （ｂ) に基づいて説明する。図８（ａ) は、ＭＰ関節部の正面図、図８（ｂ) は、図８（ａ) のＣ−Ｃの矢視図である。
ＭＰ関節部は図８（ａ) （ｂ) に示すように遊星歯車装置になっており、その構成は、太陽歯車取付台２２、太陽歯車２３、遊星歯車２４、回転ア−ム２５、アイドルプ−リ（２個）２６、回転受動プ−リ２７、太陽歯車軸２８、遊星歯車軸２９からなっている。太陽歯車取付台２２は、手掌部に相当するベ−ス盤３０に固定され太陽歯車軸２８を支持している。太陽歯車軸２８には、コの字形の回転アーム２５と、基節骨１の取付金具２と、アイドルプ−リ２６と、太陽歯車２３が支持され、太陽歯車２３には基節骨１に固定された取付金具２がキ−等により同軸的に固定されていて、基節骨１を回転させる役割を持つ。また、前記回転アーム２５の上方に支持された遊星歯車軸２９には、回転受動プ−リ２７と、遊星歯車２４とが支持され、遊星歯車２４は太陽歯車２３と噛み合うように配置する。遊星歯車２４には回転受動プ−リ２７が同軸的に固定され、動力伝達変換部からの動力が撚り線スチ−ルワイヤ３０に伝達され、その撚り線スチ−ルワイヤ３０が動くことにより回転受動プ−リ２７が回転する。回転受動プ−リ２７が回転すると遊星歯車２４は回転し、自転し太陽歯車２３に回転を与えたりまた太陽歯車２３の周囲を公転する（図６）。遊星歯車装置は２つの役割をもっていて１つは自転し太陽歯車２３を回転させる役割と、太陽歯車２３の回転が止まると、太陽歯車２３の周囲を公転し、補助リンクＡを引張る役割である。回転ア−ム２５はコ字形をしていて、遊星歯車２４の回転軸受であり、また、太陽歯車２３の回転軸を中心に回転するためのア−ムでもある。側面から見た形状は図９のようになっており、一方の端は角形に角張っていて遊星歯車２４が反時計方向に回転しないように、太陽歯車取付け台２２に接触しストッパ−になっている。アイドルプ−リ２６は遊星歯車装置に巻かれた撚り線スチ−ルワイヤ３０の方向転換のための滑車で回転の中心は太陽歯車２３の太陽歯車軸２８である。回転受動プ−リ２７は遊星歯車２４に回転を与えるためのもので遊星歯車２４と遊星歯車軸２９で連結されている。
【０００８】
次に、回転受動プ−リ２７に後述の駆動プーリの回転を伝達させ、遊星歯車２４を回転させる役割を持つ撚り線スチ−ルワイヤ３０を図６、１０に基づいて説明する。
太さは約 0．5 ｍｍで、動力伝達変換部からアイドルプ−リ２６を経て遊星歯車２４の回転受動プーリ２７に達してベルト掛けになっている。そして、撚り線スチ−ルワイヤ３０は動力伝達変換部の駆動プーリに固定されていて、駆動プーリ３４との間で滑らないようになっており、また回転受動プ−リ２７とも滑らないように固定されている。更に撚り線スチ−ルワイヤ３０の中間にはコイルスプリング３１、３２の２種類が連結されており、遊星歯車２４を回転させるために駆動プーリ３４の回転を伝達させる役割をもち、コイルスプリング３２は遊星歯車２４の自転をさせるためのものであり、コイルスプリング３３は把握力をコントロールするためのものである。
【０００９】
次に、動力伝達変換部を図６、１１に基づいて説明する。
動力伝達変換部は減速機構と駆動プーリ３４からなっている。減速機構は小型電動モータの回転数を小さくするためのもので、ウォーム３５とウォームホイール３６との組み合わせで、ウォームホイール３６と駆動プーリ３４は同軸に連結されていてウォームホイール３６の回転が駆動プーリ３４に伝達される。駆動プーリ３４は撚り線スチ−ルワイヤ３０が巻かれ、且つ固定されているのでウォームホイール３６の回転が駆動プーリ３４に伝達される。
動力源部は小型電動モータ、例えば小型直流サーボモータを用い図５に示すように指１本に１個用い動力伝達軸を介してその動力はウォーム３５に入力される。
【００１０】
次に、指が物の形状に倣って指先が屈曲する状態を図１２に基づいて説明する。この動作は２段階の運動をするものである。
（１）第１段階
動力源部からの動力が動力伝達軸を介してウォーム３５に入力され、駆動プーリ３４が回転され、駆動プーリ３４の回転が撚り線スチ−ルワイヤ３０により遊星歯車２４に回転が伝達されると、遊星歯車は２４は自転し、太陽歯車２３の回転を与える。太陽歯車２３が回転すると、太陽歯車２３に固定されている基節骨１が把持体に接触するまで回転する。この時複合４節リンクの構造から補助リンクＡ、補助リンクＢの作用により、中節骨３と末節骨５が把持体に向かって屈曲する。（図１２（ａ）（ｂ））この段階から第２段階に移る。
（２）第２段階
基節骨が把持体に接触し回転が止まり太陽歯車２３の回転が止まっても、なお駆動プーリ３４の回転を続行すると遊星歯車２４の回転は太陽歯車２３のまわりを公転するようになる。この公転が時計方向にまわると補助リンクＡは基点より右に移る。補助リンクＡが右方向に移動すると、補助リンクＢは軸９を中心に反時計方向に回転すると末節骨５は軸６を中心に反時計方向に回転する。そうすると４節リンク作用により、中節骨３も反時計方向に回転し把持体を把握する方向に中節骨３、末節骨５が回転する。（図１２（ｃ））
末節骨５に取り付けた感圧センサが把持体に接触し、感圧センサが働くと把握終了の信号となり、把握動作は終了する。
復帰はこの逆で、遊星歯車は２４が反時計方向に公転し、末節骨５、中節骨３が把持体から離れる。次に遊星歯車は２４が自転し基節骨１を初期状態に戻る。
戻り動作の終了は回転ア−ム２５が太陽歯車取付台２２に接触し、その信号により小型電動モータの回転が止まる。
上記の構成の義手全体の操作は、「把握せよ」という信号をパソコンに入力する事により、先ず、母指が把持体の大きさに従った姿勢を形成する。次に４指が動作を開始し、母指の上にのせられた把持体を握ることができる。
上記実施例では人間の指に倣って用いたが、物を掴むものであれば如何なる物にも使用できるものである。
【００１１】
【発明の効果】
本発明により、小型電動モータの動力が、動力伝達装置を介して遊星歯車装置に伝達され、遊星歯車装置は連結された複合４節リンクを動かし、複合４節リンクが把持体に倣って屈曲し把持体を保持するので、把持体の形状に倣うように屈曲が可能となり、確実な把持姿勢が形成できる。また、３自由度の指の屈曲・伸展動作を（イ）複合４リンク、（ロ）遊星歯車装置、（ハ）索条による動力伝達装置、（ニ）把持力制御センサ、の４要素により１個のモータ、特に指１本当たり小型電動モータ１個で可能にしたので軽量化が計れる。更に、上記構成によって、把持体の大きさによる位置の変化にも対応が容易であり、指の腹で摘む動作も可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】手の構造図である。
【図２】従来の全電動式ハンドの図である。
【図３】本発明の指の屈曲伸展動作をする全体構成図である。
【図４】本発明の複合４節リンク説明図である。
【図５】本発明の義手の全体図で（ａ）は平面図で、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図である。
【図６】本発明の指部詳細図で（ａ）は平面図で、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視図である。
【図７】本発明の複合４節リンクの構成部品図である。
【図８】本発明のＭＰ関節部を示す図で、（ａ）は正面図で、（ｂ）はＣ−Ｃ矢視図である。
【図９】本発明の回転アーム逆転防止機構説明図である。
【図１０】本発明の撚り線スチールワイヤ引き回し説明図である。
【図１１】本発明の動力伝達変換部（減速機構、駆動プーリ）を示す図で、（ａ）は側面図で、（ｂ）はＤ−Ｄ矢視図である。
【図１２】本発明の物を把握する把握姿勢図で、（ａ）は動作前姿勢、（ｂ）は第１段階（基節骨が把持体に接触）、（ｃ）は第二段階（把握姿勢）の図である。
【符号の説明】
１基節骨
２取付金具
３中節骨
４軸
５末節骨
６軸
７軸
８曲部
９軸
１０軸
１１穴
〜
２１穴
２２太陽歯車取付台
２３太陽歯車
２４遊星歯車
２５回転アーム
２６アイドルプーリ
２７回転受動プーリ
２８太陽歯車軸
２９遊星歯車車軸
３０撚り線スチールワイヤ
３１ベース盤
３２コイルスプリング
３３コイルスプリング
３４駆動プーリ
３５ウオーム
３６ウオームホィール
３７補助リンクＡ
３８補助リンクＢ

Claims

複合４節リンクと、複合４節リンクと連結した遊星歯車装置と、遊星歯車を駆動する駆動装置とからなり、前記駆動装置の駆動によって、遊星歯車、複合４節リンクが作動し、複合４節リンクにより物を把持できるようにした電動義手であって、前記複合４節リンクは、第１リンク、第２リンク、第３リンクと順次連結し、鉤形の第４リンクの前部と第３リンクとを、第２リンクと第３リンクとの連結点よりも前側において連結し、第４リンクの他方を第５リンクの一方に、また、第４リンクの他方を前記第１リンクに回転可能に連結して複合４節リンクが構成されており、さらに前記遊星歯車装置の遊星歯車に第５リンクを、遊星歯車装置の太陽歯車に第１リンクを、それぞれ連結し、遊星歯車と太陽歯車は回転ア−ムを介して連結されたことを特徴とする電動義手。
太陽歯車取付台に回転自在に支持された下軸には、コの字形の回転アームと、第１リンクの取付金具と、アイドルプ−リと、太陽歯車が支持され、また、コの字形の回転アームの上方に支持された上軸には、回転受動プ−リと、遊星歯車を前記太陽歯車を噛み合うように支持して遊星歯車装置とし、そして、駆動装置からの撚り線スチ−ルワイヤをアイドルプ−リと回転受動プ−リに懸架させ、駆動装置からの駆動力を遊星歯車装置に伝達できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動義手。
遊星歯車装置と駆動装置との間に懸架した撚り線スチ−ルワイヤにコイルスプリングを設けたことを特徴とする請求項２の電動義手。
ウオ−ムとウオ−ムホイ−ルからなる減速機構と駆動プ−リを有する動力伝達変換部を有する駆動装置としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動義手。
第１リンクを基節骨、第２リンクを中節骨、第３リンクを末節骨として指を構成し、指１本につき小型電動モータを設け、この小型電動モータの駆動力で基節骨、中節骨、末節骨を駆動し、物を把握できるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動義手。
末節骨腹面には把握力コントロール用感圧センサを取り付けたことを特徴とする請求項５記載の電動義手。
小型電動モータをパソコンで操作し、指の動作を制御するようにしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動義手。