特開 2024-100537 義手

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024100537

(43)【公開日】2024-07-26

(54)【発明の名称】義手

(51)【国際特許分類】

   A61F 2/54 20060101AFI20240719BHJP

【ＦＩ】

A61F2/54

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023004609

(22)【出願日】2023-01-16

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）ＮＥＤＯ ２０１９ 課題解決型福祉用具実用化開発支援事業「触覚フィードバック付サイボーグ義手の開発」

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】横井 浩史

(72)【発明者】

【氏名】飯塚 達也

(72)【発明者】

【氏名】山野井 佑介

(72)【発明者】

【氏名】矢吹 佳子

(72)【発明者】

【氏名】井上 祐希

【テーマコード（参考）】

4C097

【Ｆターム（参考）】

4C097AA12

4C097BB02

4C097BB09

4C097CC01

4C097CC12

4C097CC16

4C097TA03

4C097TB01

4C097TB05

(57)【要約】

【課題】母指関節が残存しない者に対しても適用可能で、且つ高効率に動作可能な義手を提供する。
【解決手段】リンク機構６は、ベース側リンク１６と第１リンク１７と第２リンク１８とを有する。第１リンク１７と第２リンク１８とは、ベース側リンク１６が一方向Ａへ回転することにより、第１義指１１と第２義指１２とを閉方向へ傾動させ、ベース側リンク１６が他方向へ回転することにより、第１義指１１と第２義指１２とを開方向へ傾動させる。第１義指１１と第２義指１２とが最も閉じた閉状態で、第１義指１１の先端部と第２義指１２の先端部とは近接または接触する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

指が欠損した上肢に装着される義手であって、
前記上肢に移動不能に支持されるベースと、
前記ベースに傾動可能に支持される第１義指と、
前記ベースに傾動可能に支持される第２義指と、
前記第１義指の傾動と前記第２義指の傾動とを連動させて、前記第１義指と前記第２義指とを開閉させるリンク機構と、を備え、
前記リンク機構は、
前記ベースに回転自在に支持されるベース側リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第１義指に回転自在に連結される第１リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される第２リンクと、を有し、
前記第１リンクと前記第２リンクとは、前記ベース側リンクが一方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを閉方向へ傾動させ、前記ベース側リンクが他方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを開方向へ傾動させ、
前記第１義指と前記第２義指とが最も閉じた閉状態で、前記第１義指の先端部と前記第２義指の先端部とは近接または接触する
ことを特徴とする義手。

【請求項2】

請求項１に記載の義手であって、
前記リンク機構は、
前記ベースに回転自在に支持され、アクチュエータによって回転駆動される主動リンクと、
一端側が前記主動リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される従動リンクと、を含み、
前記主動リンクと前記従動リンクとは、前記第２義指の傾動範囲において前記閉状態で特異点に最も近付く倍力機構を構成する
ことを特徴とする義手。

【請求項3】

請求項２に記載の義手であって、
前記主動リンクは、前記ベース側リンクであり、
前記従動リンクは、前記第２リンクである
ことを特徴とする義手。

【請求項4】

請求項２または請求項３に記載の義手であって、
前記従動リンクは、粘弾性を有する
ことを特徴とする義手。

【請求項5】

請求項１に記載の義手であって、
前記リンク機構は、一端側が前記ベースに回転自在に支持され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される形態可変リンクを有し、
前記形態可変リンクの前記一端側は、アクチュエータによって回転駆動され、
前記形態可変リンクは、粘弾性を有し、外力を受けていない無負荷状態で前記一端側と前記他端側との間でＬ状に曲折または湾曲する
ことを特徴とする義手。

【請求項6】

請求項１に記載の義手であって、
前記第１義指は、第１回転軸を中心として傾動可能に前記ベースに支持され、
前記第２義指は、第２回転軸を中心として傾動可能に前記ベースに支持され、
前記第１回転軸と前記第２回転軸とは、ねじれの位置に配置される
ことを特徴とする義手。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、義手に関する。

【背景技術】

【0002】

先天的事由または事故等の後天的事由による手掌部の欠損者や形成不全者に対し、手の形態や機能を復元する手先具を備えた義手を装着することが行われる。

【0003】

例えば特許文献１には、スライダ軸とスライダとからなるスライダ機構を備え、母指ＣＭ関節の内外転および屈伸によって、母指側リンクと４指側リンクを駆動させて摘み動作を行うことが可能な摘まみ機構を有する手先具を備えた義手が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１４６８３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された摘まみ機構を有する義手によれば、義手を装着した者の意図に従い、母指関節を４指側に向かって回動および屈伸させることにより、母指に対して４指を駆動して摘まみ動作を行うことができる。しかしながら、特許文献１の摘まみ機構は、母指関節が残存しない者に対して適用することができない。また、特許文献１の摘まみ機構は、スライダ軸がスライダの長穴に対して摺動する滑り対偶で あることから、摩擦による動作の渋りや摩耗などが生じる恐れがあり、その対策が必要になる。

【0006】

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、母指関節が残存しない者に対しても適用可能で、且つ高効率に動作可能な義手を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、代表的な本発明の義手の一つは、
指が欠損した手に装着される義手であって、
上肢に対して移動不能に支持されるベースと、
前記ベースに傾動可能に支持される第１義指と、
前記ベースに傾動可能に支持される第２義指と、
前記第１義指の傾動と前記第２義指の傾動とを連動させて、前記第１義指と前記第２義指とを開閉させるリンク機構と、を備え、
前記リンク機構は、
前記ベースに回転自在に支持されるベース側リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第１義指に回転自在に連結される第１リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される第２リンクと、を有し、
前記第１リンクと前記第２リンクとは、前記ベース側リンクが一方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを閉方向へ傾動させ、前記ベース側リンクが他方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを開方向へ傾動させ、
前記第１義指と前記第２義指とが最も閉じた閉状態で、前記第１義指の先端部と前記第２義指の先端部とは近接または接触することにより達成される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、母指関節が残存しない者に対しても適用可能で、且つ高効率に動作可能な義手を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態にかかる義手の開状態を模式的に示す斜視図である。

【図2】図２は、図１の義手の閉状態を模式的に示す斜視図である。

【図3】図３は、第１実施形態にかかる義手をモデル化して示す図である。

【図4】図４は、第１実施形態にかかる義手をモデル化して示す他の図である。

【図5】図５は、第２実施形態の変形例にかかる義手の開状態を模式的に示す斜視図である。

【図6】図６は、第３実施形態にかかる義手をモデル化して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる第１実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。
図１は、第１実施形態にかかる義手１の開状態を模式的に示す斜視図、図２は、図１の義手１の閉状態を模式的に示す斜視図、図３は、第１実施形態にかかる義手１をモデル化して示す図、図４は、第１実施形態にかかる義手１をモデル化して示す他の図である。義手１が装着される上肢ＵＬは、左手側であり、全ての指が欠損し、手掌部ＰＭおよび前腕部ＦＡが残存しているものとする。上肢ＵＬは右手側であってもよく、母指および示指以外の一部または全部の指が残存していてもよい。また、手掌部ＰＭが欠損していてもよい。

【0011】

図１に示すように、義手１は、ソケット２と、ソケット２に取り付けられる手先具３とによって構成される。手先具３は、ベース４と、アクチュエータとしての電動モータ５と、リンク機構６と、母指に相当する第１義指１１と、示指に相当する第２義指１２と、中指に相当する第３義指１３と、環指に相当する第４義指１４と、小指に相当する第５義指１５と、カバー部材７とを備える。カバー部材７は、ベース４、電動モータ５、リンク機構６、第１義指１１、第２義指１２、第３義指１３、第４義指１４および第５義指１５を覆う。なお、カバー部材７は、外表面が柔軟であり、リンク機構６および義指１１～１５の移動を阻害せず、且つ手先具３の内部構造を保護する機能を備える。

【0012】

第２義指１２と第３義指１３と第４義指１４と第５義指１５とは、互いに並行し、基端側が連結されて一体化した櫛歯状の部材である。なお、第３義指１３、第４義指１４および第５義指１５の一部または全部を第２義指１２と一体化せず、第２義指１２から分離してもよい。

【0013】

ソケット２は、手掌部ＰＭに対して移動不能に装着される。ソケット２を前腕部ＦＡまで延長し、前腕部ＦＡに対して移動不能に装着してもよい。また、手掌部ＰＭが欠損している場合には、前腕部ＦＡにソケット２を装着すればよい。

【0014】

ベース４は、ソケット２に対して固定される。すなわち、ベース４は、ソケット２を介して上肢ＵＬに移動不能に支持される。

【0015】

第１義指１１の基端側は、第１回転軸８を中心として傾動可能にベース４に支持される。第２義指１２の基端側は、第２回転軸９を中心として傾動可能にベース４に支持される。第１義指１１および第２義指１２の傾動範囲は、各々の開位置と閉位置との間に設定され、第１義指１１および第２義指１２が開方向へ傾動することにより、図１に示すように、両者の先端部が互いに離れて第１義指１１と第２義指１２とが開く。第１義指１１および第２義指１２が閉方向へ傾動することにより、図２に示すように、両者の先端部が互いに近付いて第１義指１１と第２義指１２とが閉じる。第１義指１１と第２義指１２とが最も閉じた閉状態では、第１義指１１の先端部と第２義指１２の先端部とが近接または接触する。第１義指１１および第２義指１２が閉方向へ傾動することにより、第１義指１１の先端部と第２義指１２の先端部との間で物を挟む指尖摘まみ動作を行うことができる。

【0016】

図３に示すように、第１回転軸８と第２回転軸９とはねじれの位置に配置されている（偏心対立配置）。偏心対立配置とすることにより、第１義指１１および第２義指１２が開位置へ傾動した開状態において、第１義指１１と第２義指１２とを同一平面状に配置することが可能となる。これにより、開状態の掌側が平坦となり、掌側で物体を支持する際に第１義指１１が障碍とならず、面積の広い物体を支えることができる。

【0017】

図１～図３に示すように、リンク機構６は、ベース側リンク１６と、第１リンク１７と、第２リンク１８とを有する。ベース側リンク１６の一端側は、ベース４に回転自在に支持される。第１リンク１７の一端側は、第１一端接続部２１を介してベース側リンク１６に回転自在に連結され、他端側は、第１他端接続部２２を介して第１義指１１に回転自在に連結されている。第２リンク１８の一端側は、第２一端接続部２３を介してベース側リンク１６に回転自在に連結され、他端側は、第２他端接続部２４を介して第２義指１２に回転自在に連結されている。これらの接続部２１，２２，２３，２４は、例えば自在継手（ユニバーサルジョイント）のように、連結する２つの部材間において任意な方向への角度変化を許容する構成を有する。なお、図では第１リンク１７および第２リンク１８を直線状に表示しているが、第１リンク１７および第２リンク１８の形状は直線状に限定されず、曲線状であってもよい。また、図３では、第１一端接続部２１を、第１ジョイント２５と第２ジョイント２６とによって示し、第２一端接続部２３を、第１ジョイント２５と第３ジョイント２７とによって示している。

【0018】

電動モータ５は、ベース４に固定され、ベース側リンク１６は、電動モータ５によって回転駆動される。本実施形態では、ベース側リンク１６が主動リンクとして機能し、第２リンク１８が従動リンクとして機能する。第１リンク１７と第２リンク１８とは、ベース側リンク１６が一方向（図１中の矢印Ａ方向）へ回転することにより、第１義指１１と第２義指１２とを閉方向へ傾動させ、ベース側リンク１６が他方向（矢印Ａ方向の逆方向）へ回転することにより、第１義指１１と第２義指１２とを開方向へ傾動させる。

【0019】

ベース側リンク１６と第２リンク１８とは、トグルクランプの原理を引き側で用いた倍力機構を構成する。ピンチ力（第１義指１１の先端部と第２義指１２の先端部との間に挟んだ物体を第２義指１２の先端部が押す力）は、開状態が最も弱く（図３（ａ））、開状態から閉方向へ傾動することによって徐々に増大し（図３（ｂ））、閉状態で最も強くなる（図３（ｃ））。ピンチ力は、第２義指１２が傾動範囲を逸脱し、ベース側リンク１６と第２リンク１８とが閉状態をわずかに超えた特異点において無限大となる。第２義指１２の閉位置は特異点の近傍に設定され、閉状態で特異点に最も近付く。このため、小型で出力トルクが小さい電動モータ５であっても、十分なピンチ力を得ることができる。

【0020】

手掌部ＰＭが残存する手指の形成不全では、リンク機構６や電動モータ５などのリンク機構部品を設置するスペースが大きく制限されるが、電動モータ５を小型化することによって、リンク構成部品の設置スペースが確保し易くなる。また、リンク構成部品を設置してもスペースに余裕がある場合には、第１義指１１および第２義指１２以外の義指を独立して駆動するための部品（例えば他の電動モータ）を設置することが可能となる。

【0021】

本実施形態によれば、リンク機構６を用いて動力伝達を行っているので、滑り対偶に比べ摩擦損失が少なく、高効率の動作を実現できるとともに、摩耗による部品の消耗を抑制することができる。また、母指に相当する第１義指１１がベース４に傾動可能に支持されるので、母指関節が残存しない者に対しても適用することができる。

【0022】

また、第１義指の基端部と第２義指の基端部とに傘歯車をそれぞれ設け、２つの傘歯車を噛合させて第１義指と第２義指とを連動させる歯車機構の場合、第１義指や第２義指に作用する外力の増大により傘歯車同士の噛合位置がずれて、第１義指と第２義指との相対位置が初期状態から変わってしまうおそれがある。一方、本実施形態では、リンク機構６によって第１義指１１と第２義指１２とを連動させるので、第１義指１１と第２義指１２との相対位置が初期状態から変わることがなく、安定した動作を行わせることができる。

【0023】

（第２実施形態）
第２実施形態では、第１実施形態の第２リンク１８を粘弾性を有する材料によって形成する。第２リンク１８が粘性を有しているので、ベース４と第２義指１２との間の振動の伝達を第２リンク１８によって抑制することができる。また、第２リンク１８が弾性を有しているので、摘まみ動作等によって第２義指１２へ入力する外力（衝撃）を第２リンク１８によって吸収することができ、リンク機構６が破損し難い。さらに、第２リンク１８が弾性を有しているので、手掌部ＰＭに残存する機能を有効活用する能動義手に適用することができる。

【0024】

なお、図５は、第２実施形態の変形例にかかる義手１の開状態を模式的に示す斜視図である。この変形例では、ベース側リンク１６を駆動せず、第２リンク１８を粘弾性を有する材料で形成せずに、リンク機構６に主動リンク１９と従動リンク２０を追加している。主動リンク１９は、ベース４に回転自在に支持され、ベース４に固定された電動モータ５によって回転駆動される。従動リンク２０は、一端側がベース側リンク１６に回転自在に連結され、他端側が第２義指１２に回転自在に連結される。主動リンク１９と従動リンク２０とは、第２義指１２の傾動範囲において閉状態で特異点に最も近付く倍力機構を構成し、従動リンク２０は、粘弾性を有する材料によって形成される。

【0025】

（第３実施形態）
図６は、第３実施形態にかかる義手１をモデル化して示す図である。
電動モータ５による駆動トルクを指パーツである第２義指１２にリンク機構６を介して伝達する場合、リンクの配置と材質によってモーメントアームを変更することが可能となるため、これによる倍力機構を構成することが可能である。

【0026】

第３実施形態では、第１実施形態のリンク機構６に、外力に応じてリンク長を拡縮することを可能とする形態可変リンク３０を追加し、指バーツの駆動力を調整する機能を付与している。形態可変リンク３０の一端側は、ベース４に回転自在に支持され、他端側は、第２義指１２に回転自在に連結される。形態可変リンク３０の一端側は、アクチュエータである電動モータ３４によって回転駆動される。形態可変リンク３０は、粘弾性を有し、外力を受けていない無負荷状態で一端側と他端側との間でＬ状に曲折または湾曲する。形態可変リンク３０の基端側（電動モータによる駆動側）は主動リンク部３１として機能し、先端側（第２義指１２に連結される従動側）は従動リンク部３２として機能する。

【0027】

電動モータによる駆動トルクをτ、主動リンク部３１の長さをＲ、従動リンク部３２と第２義指１２との相対角度をθとすると、従動リンク部３２が第２義指１２を引っ張る力（従動リンク力）ｆは、次式（１）によって求められる。
ｆ＝τ／Ｒcosθ・・・（１）
第２義指１２の駆動力は、Ｒとcosθに反比例し、ゼロ～無限大の範囲で値が変わる。

【0028】

図６の（ａ）は、形態可変リンク３０が無負荷状態に近い形状を維持している状態を示している。（ｂ）は、（ａ）の状態のまま第２義指１２の傾動を抑止することにより、形態可変リンク３０が変形し、主動リンク部３１が短縮した状態を示している。（ｃ）は、形態可変リンク３０を支持するベース４側の駆動回転軸３３によって形態可変リンク３０の基端側が巻き取られ、（ｂ）の状態から第２義指１２が閉方向へ傾動した状態を示している。なお、図６では、形態可変リンク３０による第２義指１２の傾動に直接関連しない部材（例えば第１義指１１）の図示を省略している。

【0029】

第２義指１２の長さＬが一定であるため、主動リンク部３１のリンク長Ｒが短縮すると、第２義指１２の先端部のピンチ力（指先ピンチ力）Ｆが増大し、移動速度が遅くなる。逆にリンク長Ｒが伸長すると、指先ピンチ力Ｆが減少し、移動速度が速くなる。従動リンク力ｆおよび指先ピンチ力Ｆは、図６の（ａ）の状態よりも（ｂ）の状態の方が強く、（ｂ）の状態よりも（ｃ）状態の方が強い。また、第２義指１２の先端部（指先）にかかる外力がマイナス方向に作用する場合には、従動リンク部３２が屈曲することにより、外力による衝撃を吸収することができる。

【0030】

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0031】

本明細書は、以下の発明の開示を含む。
（第１の形態）
指が欠損した上肢に装着される義手であって、
前記上肢に移動不能に支持されるベースと、
前記ベースに傾動可能に支持される第１義指と、
前記ベースに傾動可能に支持される第２義指と、
前記第１義指の傾動と前記第２義指の傾動とを連動させて、前記第１義指と前記第２義指とを開閉させるリンク機構と、を備え、
前記リンク機構は、
前記ベースに回転自在に支持されるベース側リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第１義指に回転自在に連結される第１リンクと、
一端側が前記ベース側リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される第２リンクと、を有し、
前記第１リンクと前記第２リンクとは、前記ベース側リンクが一方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを閉方向へ傾動させ、前記ベース側リンクが他方向へ回転することにより、前記第１義指と前記第２義指とを開方向へ傾動させ、
前記第１義指と前記第２義指とが最も閉じた閉状態で、前記第１義指の先端部と前記第２義指の先端部とは近接または接触する
ことを特徴とする義手。

【0032】

（第２の形態）
第１の形態の義手であって、
前記リンク機構は、
前記ベースに回転自在に支持され、アクチュエータによって回転駆動される主動リンクと、
一端側が前記主動リンクに回転自在に連結され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される従動リンクと、を含み、
前記主動リンクと前記従動リンクとは、前記第２義指の傾動範囲において前記閉状態で特異点に最も近付く倍力機構を構成する
ことを特徴とする義手。

【0033】

（第３の形態）
第２の形態の義手であって、
前記主動リンクは、前記ベース側リンクであり、
前記従動リンクは、前記第２リンクである
ことを特徴とする義手。

【0034】

（第４の形態）
第２の形態または第３の形態の義手であって、
前記従動リンクは、粘弾性を有する
ことを特徴とする義手。

【0035】

（第５の形態）
第１の形態～第４の形態のいずれかの義手であって、
前記リンク機構は、一端側が前記ベースに回転自在に支持され、他端側が前記第２義指に回転自在に連結される形態可変リンクを有し、
前記形態可変リンクの前記一端側は、アクチュエータによって回転駆動され、
前記形態可変リンクは、粘弾性を有し、外力を受けていない無負荷状態で前記一端側と前記他端側との間でＬ状に曲折または湾曲する
ことを特徴とする義手。

【0036】

（第６の形態）
第１の形態～第５の形態のいずれかの義手であって、
前記第１義指は、第１回転軸を中心として傾動可能に前記ベースに支持され、
前記第２義指は、第２回転軸を中心として傾動可能に前記ベースに支持され、
前記第１回転軸と前記第２回転軸とは、ねじれの位置に配置される
ことを特徴とする義手。

【符号の説明】

【0037】

１…義手、２…ソケット、３…手先具、４…ベース、５…電動モータ、６…リンク機構、７…カバー部材、８…第１回転軸，９…第２回転軸，１１…第１義指、１２…第２義指、１３…第３義指、１４…第４義指、１５…第５義指、１６…ベース側リンク、１７…第１リンク、１８…第２リンク、１９…主動リンク、２０…従動リンク、２１…第１一端接続部、２２…第１他端接続部、２３…第２一端接続部、２４…第２他端接続部、２５…第１ジョイント、２６…第２ジョイント、２７…第３ジョイント、３０…形態可変リンク、３１…主動リンク部、３２…従動リンク部、３３…駆動回転軸、３４…電動モータ、ＵＬ…上肢、ＰＭ…手掌部、ＦＡ…前腕部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】