JP2017145879A

JP2017145879A - アクチュエータ及びリハビリテーション機器

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Publication number: JP2017145879A
Application number: JP2016027730A
Authority: JP
Inventors: 裕一中里; Yuichi Nakazato; 高橋　達也; Tatsuya Takahashi; 達也高橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】小型・軽量でシンプルな機構のアクチュエータ、及びこれを利用したリハビリテーション機器の提供。【解決手段】内部に作動流体が注入／排出されることで一部若しくは全体が伸縮する伸縮部１１と、作動流体を伸縮部に注入／排出する作動流体供給部１２と、を備え、伸縮部１１の屈曲部分において、屈曲内側の伸縮率を屈曲外側の伸縮率より小さくすることにより、小型・軽量でシンプルな機構の屈曲動作を行うアクチュエータを提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、屈曲動作を行うアクチュエータ及びこれを用いたリハビリテーション機器に関する。

各種の分野において様々なアクチュエータが利用されており、屈曲や進展を目的としたアクチュエータも多数存在する。
このようなアクチュエータの一例として、内視鏡の先端を屈曲させる屈曲機構に関する技術が特許文献１によって開示されている。

特開平１１−１０４０６７

アクチュエータはその用途に応じて様々なものが存在するが、リハビリ用の持続的他動運動(Continuous Passive Motion)装置（ＣＰＭ装置）においては、関節の屈曲が可能であること、小型・軽量であること、関節の動きにしなやかに対応すること、不快な振動や音がしないこと、安全性が高いこと等が求められる。また、内視鏡のごとく、人体の内部へと挿入されものについても、小型・軽量であることや動作がしなやかであること、安全性が高いこと、多方向への屈曲が可能であること等が求められる。
また、どのような用途においても、機構がシンプルである方が小型化や軽量化が可能となり、且つ、不具合（故障等）の発生の低減若しくは発生した場合の対応の容易化、コスト低減等の効果が得られるため、シンプルな機構のアクチュエータが求められている。

本発明は、上記の点に鑑み、小型・軽量でシンプルな機構のアクチュエータ、及びこれを利用したリハビリテーション機器を提供することを目的とする。

（構成１）
屈曲動作を行うアクチュエータであって、内部に作動流体が注入／排出されることで一部若しくは全体が伸縮する伸縮部と、前記作動流体を前記伸縮部に注入／排出する作動流体供給部と、を備え、前記伸縮部の屈曲部分において、屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とするアクチュエータ。

（構成２）
前記屈曲内側が、前記伸縮部の断面視における外周上の設置角度が異なるように、前記伸縮部の長手方向に複数配されたことを特徴とする構成１に記載のアクチュエータ。

（構成３）
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の全部又は一部が相互に拘束されていることにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする構成１又は構成２に記載のアクチュエータ。

（構成４）
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の高さが屈曲外側における蛇腹の山の高さより低いことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする構成１又は構成２に記載のアクチュエータ。

（構成５）
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の数が屈曲外側における蛇腹の山の数より少ないことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする構成１又は構成２に記載のアクチュエータ。

（構成６）
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の伸縮を拘束する拘束部材を備えることにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする構成１又は構成２に記載のアクチュエータ。

（構成７）
前記伸縮部が弾性部材で形成され、前記伸縮部の屈曲部分において、屈曲内側の弾性率が屈曲外側の弾性率より大きいことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする構成１又は構成２に記載のアクチュエータ。

（構成８）
構成１から構成７の何れかに記載のアクチュエータを、直列に複数接続したことを特徴とするアクチュエータ。

（構成９）
リハビリのために関節の動作を補助若しくは他動運動させるリハビリテーション機器であって、関節の両側の部分において固定される固定部を備え、当該固定部の間に構成１から構成８の何れかに記載のアクチュエータを備えることを特徴とするリハビリテーション機器。

本発明のアクチュエータ及びこれを利用したリハビリテーション機器によれば、蛇腹等の伸縮部において、屈曲内側の伸縮率を屈曲外側の伸縮率より小さくするという非常にシンプルな構成にて、屈曲機構を実現することができる。

本発明に係る実施形態のアクチュエータを示す概略図本発明に係る実施形態のアクチュエータの動作を示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータにおける蛇腹のバリエーションを示す概略図本発明に係るアクチュエータを用いたＣＰＭ装置（リハビリテーション機器）を示す概略図本発明に係るアクチュエータの別の例を示す概略図

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る実施形態のアクチュエータを示す概略図である。
本実施形態のアクチュエータ１は、液体（水）を作動流体として、これが内部に注入／排出されることで伸縮する蛇腹（伸縮部）１１と、作動流体（水）を蛇腹（伸縮部）１１に注入／排出するシリンジ（作動流体供給部）１２と、蛇腹１１とシリンジ１２を接続する接続チューブ１３と、を備える。
蛇腹１１は、前端キャップ１１３と後端キャップ１１２によって両端を閉塞され、後端キャップ１１２には接続チューブ１３を接続するための接続部が形成される。
また、蛇腹１１には、屈曲内側における蛇腹の伸縮を拘束する拘束部材１１１が付加される。ここではクリップによって拘束部材１１１を構成するものを例としている。クリップ（拘束部材１１１）により、蛇腹１１の山同士を拘束することで、その部分における蛇腹１１の伸縮を拘束するものである。これにより、拘束部材１１１が設けられる側（図における上側）において蛇腹１１の伸縮が制限される一方、他方側（図における下側）においては拘束が無いため、拘束部材１１１が設けられる側の伸縮率が、それ以外の箇所の伸縮率より小さくなる。
上記のごとく、本実施形態のアクチュエータ１は、拘束部材１１１が設けられる箇所における蛇腹１１の伸縮率が小さくなるため、図１（ｂ）に示されるように、プランジャー１２１が押込まれることによって蛇腹１１内に作動流体が圧送されると、拘束部材１１１を内側とした屈曲動作が行われる。プランジャー１２１が戻されると、屈曲も戻り、図１（ａ）の状態に戻る。
また、屈曲動作と同時に、拘束部材１１１が設けられる箇所（屈曲部分）以外の部分では、プランジャー１２１の進退（作動流体が圧送、排出）に応じて蛇腹１１が直線的に伸縮運動を行うこととなる。

図２には、屈曲動作が所望の角度となるように制御するため拘束部材１１１の設置数や位置、拘束する山の数を変更した例（作動流体が圧送して屈曲状態となった図）を示した。
図２（ａ）は、前端キャップ１１３と後端キャップ１１２に近い位置の２箇所において、それぞれ蛇腹１１の山を３山拘束したものである。
図２（ｂ）は、図２（ａ）に対してさらに蛇腹１１の中央付近に１つ拘束部材１１１（３山拘束）を追加したもの、図２（ｃ）は、図２（ａ）に対して２つ拘束部材１１１（３山拘束）を追加したものである。図２各図から理解されるように、本実施形態のアクチュエータ１は開閉機構等にも利用でき、所望の角度での開閉を行うことができる。

なお、図２では、拘束部材１１１を、蛇腹１１の長手方向に一直線上に（蛇腹１１の断面視における外周上の設置角度を同じくして）複数設けるもの（即ち、一方向へ屈曲するもの）を例としているが、蛇腹１１の断面視における外周上の設置角度が異なるように拘束部材１１１を設けるようにしてもよい。
例えば、図３（ａ）に示されるように、蛇腹の伸縮を拘束する箇所を、蛇腹の断面視における外周上で設置角度が１８０°異なるように配置する（上下に配置する）ことで、Ｚ状に屈曲させることができるし、図３（ｂ）に示されるように、蛇腹の伸縮を拘束する箇所を、螺旋状に配置することで、螺旋状に屈曲させることも可能である。
以上から理解できるように、拘束する位置やその数、また、拘束する山の数等によって多様な屈曲行わせることができ、且つ、蛇腹の長さや山の高さ等を調節することによって多様な伸縮も同時に行わせることができる。

図４〜８は、蛇腹における伸縮率の変更（即ち屈曲部分の形成）をするための構成の例を示した。
図４は、蛇腹の山の一部を接着や圧着により相互に拘束することで、屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さくなるようにしているものであり、図４（ａ）は自然状態（作動流体未圧送状態）における平面図、図４（ｂ）は作動流体が圧送された状態（屈曲・進展状態）における斜視図である。なお、自然状態における蛇腹の状態が、図１（ａ）に例示されるように各山の間隔がほとんどないようなものについては、山の一部を接着や圧着により相互に拘束しても直線状を維持するが、自然状態で山の間隔が少し開くような蛇腹の場合には、図４（ｃ）に示されるように、蛇腹の山の一部を接着や圧着により相互に拘束することにより、自然状態においても少し屈曲する形態となる。逆に言えば、このことを利用して、自然状態にける蛇腹の形態も所望の形態となるように適宜作製することが可能である。自然状態における蛇腹の形態を適宜調整できる点は、以下の各例においても同様である。
図５は、屈曲内側となる蛇腹の山の高さｙを、屈曲外側における蛇腹の山の高さｘより低くすることで、屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さくなるようにしているものである。図５（ａ）は自然状態（作動流体未圧送状態）における平面図、図５（ｂ）は断面図、図５（ｃ）は作動流体が圧送された状態（屈曲・進展状態）における平面図、図５（ｄ）は同じく作動流体が圧送された状態における斜視図である。
図６は、屈曲内側となる蛇腹の山の高さをゼロと（平坦に）したものである。図６（ａ）は自然状態（作動流体未圧送状態）における平面図、図６（ｂ）は同じく自然状態における斜視図、図６（ｃ）は作動流体が圧送された状態（屈曲・進展状態）における平面図、図５（ｄ）は同じく作動流体が圧送された状態における斜視図である。
図７は、屈曲内側となる蛇腹の山の数を屈曲外側における蛇腹の山の数より少なく形成した蛇腹である。図７（ａ）は自然状態（作動流体未圧送状態）における平面図、図７（ｂ）は作動流体が圧送された状態（屈曲・進展状態）における平面図、図７（ｃ）は同じく作動流体が圧送された状態における斜視図である。
図８は、屈曲内側における蛇腹の伸縮を拘束する拘束部材として、線材１１４を用いたものである。図８（ａ）は自然状態（作動流体未圧送状態）における平面図、図８（ｂ）は作動流体が圧送された状態（屈曲・進展状態）における平面図、図８（ｃ）は同じく作動流体が圧送された状態における斜視図である。線材１１４は、その両端が前端キャップ１１３と後端キャップ１１２に固定されることにより、蛇腹の下側の伸縮を拘束している。なお、線材１１４は糸やゴム、ワイヤ等、蛇腹の伸縮を適宜拘束できるものであればよい。また、線材１１４は、蛇腹（一部または全部）の伸縮を拘束するものであればよく、前端キャップ１１３と後端キャップ１１２に固定されるのではなく、蛇腹の内面や外面に固定（接着）されるもの等であってもよい。

なお、図では省略しているが、本実施形態のアクチュエータ１には、シリンジ１２のプランジャー１２１を駆動するための駆動部が備えられる共に、当該駆動部を制御する制御部（制御用マイコン等）も備えられるものである。駆動部は、例えばモータを駆動源として回転運動を直線運動に変換する機構（ボールネジ等）を備えさせることにより、プランジャーを出没させるものであってもよいし、ソレノイドによってプランジャーを出没させるもの等であってもよい。
また、本実施形態では作動流体が水であるものを例としているが、気体（空気等）や油等を作動流体とするものであってもよく、作動流体供給部やその駆動部はそれぞれの作動流体に適したものを用いればよい。

以上のごとく、本実施形態のアクチュエータ１によれば、屈曲内側の伸縮率を屈曲外側の伸縮率より小さくするという非常にシンプルな構成にて、多種多様な屈曲及び伸縮形態を有する屈曲機構を実現することができる。シンプルな機構であるため、小型化や軽量化が可能となり、且つ、不具合（故障等）の発生の低減若しくは発生した場合の対応の容易化、コスト低減等の優れた効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、伸縮部として蛇腹を用いるものを例として説明したが、本発明を蛇腹に限るものではなく、作動流体に基づいて伸縮をするものであればよい。
例えば、伸縮部をゴム等の弾性部材で形成し（ゴムチューブ等）、屈曲部分において、屈曲内側の弾性率を屈曲外側の弾性率より大きくすることにより、屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さくなるようにしてもよい。弾性率の変更は、その部分の素材を変えることによって実現してもよいし、ゴムに繊維を入れる（その割合を変更する）ことで弾性率を調整してもよい。また、ワイヤ等の拘束部材を付加するもの等であってもよい。

＜実施形態２＞
本発明に係るアクチュエータは、多様な用途に利用することができる。
図９には、応用例の１例として、ＣＰＭ装置（リハビリテーション機器）を示した。
図９のＣＰＭ装置１００は、脳卒中などの後遺症により半身麻痺となった患者を対象として、手指リハビリ（指の屈曲・進展の他動運動）を行う機器である。
ＣＰＭ装置１００は、指関節の屈曲・進展を他動運動させるためのアクチュエータとして、実施形態１のアクチュエータ１を用いるものであり、屈曲動作の邪魔にならないように、屈曲の外側となる位置にアクチュエータ１が配される。
なお、拘束部材１１１としてのクリップが、実施形態１とは異なる形状のものを例としているが、機能としては同様のものであり、蛇腹１１の山を拘束するものである。

ＣＰＭ装置１００は、他動運動の対象となる関節の両側の部分において固定される固定部を備え、その固定部の間にアクチュエータ１を設けることで、アクチュエータ１によって固定部間を屈曲・進展させ、これによって関節の屈曲・進展を他動運動させるものである。
本実施形態のＣＰＭ装置１００では、基本固定部として、アクチュエータ１の後端キャップ１１２を中手骨部分に固定し（グローブ１４に対して固定）、前端キャップ１１３を末節骨部分に固定（固定バンド１５を使用して固定）している。即ち、ＭＰ関節、ＰＩＰ関節、ＤＩＰ関節を対象とし、これらの関節全体の両側となる位置にて、基本固定部として後端キャップ１１２部分と前端キャップ１１３部分を固定している。蛇腹１１や拘束部材１１１の構成によっては、基本固定部のみによって動作させることも可能ではあるが、蛇腹１１が意図しない方向へ撓んでしまい、力が分散されて、うまく指関節の屈曲・進展動作に繋がらない場合がある。そこで、ＣＰＭ装置１００では、蛇腹１１を挿通させる中間リング１１５を設け、この中間リング１１５を基節骨部分に固定（グローブ１４に対して固定）している。これにより、指に沿って蛇腹１１が伸縮し、その力が指関節の屈曲・進展動作にうまく伝わるようにしている。なお、本実施形態では中間リング１１６の固定はしていないが、中間リング１１６を中節骨部分に固定（グローブ１４や固定バンド１５を使用して固定）するものであってもよい。

各関節付近に設けられるそれぞれの拘束部材１１１によって適宜蛇腹１１の山を拘束することにより、各関節を適切な角度にて屈曲・進展させることが可能となる。
図９（ａ）に示されるように、蛇腹１１内に作動流体（水）が圧送されると、蛇腹１１が屈曲、伸長し、指の屈曲動作（把持動作）が行われ、作動流体（水）を抜くと、図９（ｂ）に示されるように蛇腹１１が萎縮し、指の進展動作が行われる。この動作を繰り返すことにより、他動運動によるリハビリ効果が得られるものである。

なお、図面では簡単化のために、指１本分のみの表現としているが、複数若しくは全ての指に対してアクチュエータ１が配されるものであってよい。
また、同様に簡単化のために図示を省略しているが、ＣＰＭ装置１００には、実施形態１で説明した作動流体供給部やその駆動部、制御部が備えられるものである。

以上のごとく、本実施形態のＣＰＭ装置１００によれば、シンプルな構成のアクチュエータによって、各関節を適切な角度にて屈曲・進展させることが可能である。
ＣＰＭ装置のアクチュエータとしては、モータ（リンクや歯車によって機械的に屈曲・進展させるもの）や空気圧アクチュエータが一般的であるが、モータを使用したものは歯車など機械的な要素が多く、可動域・可動数を増やすとモータが多くなり、装置全体が大きくなってしまうという問題があり、このようなやや大げさな装置となると、患者が装置に対する恐怖感を覚えるという問題もある。また、空気圧アクチュエータを使用したものは、騒音の問題や指を曲げるためには大量の空圧をかける必要があり、手全体を覆ってしまい、細かい動きは出来ていないという問題があり、音が大きいことによって患者が恐怖感や不快感を覚えるという問題等もある。
これに対し、本実施形態のＣＰＭ装置１００によれば、小型・軽量で静音のアクチュエータであるため、このような問題が回避され、指の全ての関節の屈曲に対してしなやかに対応することができるため、非常に有用である。また、作動流体に水を使用しているため、油圧式等に比べて、環境汚染が少なく、医療福祉機器に向いている。

なお、本実施形態では、指関節に対するＣＰＭ装置を例として説明しているが、本発明はこれに限られず、各関節に対するＣＰＭ装置として適用することができる。

＜実施形態３＞
図１０は実施形態３のアクチュエータを示す模式図である。
本実施形態のアクチュエータ２は、概念的には実施形態１のアクチュエータを直列に４つ接続したものであり、それぞれの蛇腹の拘束位置を異なる角度とすることにより、上下左右に屈曲可能なアクチュエータとしているものである。

アクチュエータ２は、蛇腹１１Ａ〜Ｄを備え、それぞれの蛇腹の内部はそれぞれに閉塞されており（蛇腹１１Ａ〜Ｄの内部は相互に連通していない）、それぞれに対して作動流体を注入／排出する経路（接続チューブ１３Ａ〜Ｄ）が設けられる。
図示は省略しているが、蛇腹１１Ａは図１０における下側において伸縮が拘束されており、蛇腹１１Ｂは図１０における上側、蛇腹１１Ｃは図１０の紙面における手前側、蛇腹１１Ｄは図１０の紙面における奥側においてそれぞれ伸縮が拘束されている。

このような構成のアクチュエータ２は、各蛇腹１１Ａ〜Ｄへの作動流体の注入を制御することにより、その屈曲方向を制御することができる。
例えば、図１０（ｂ）に示されるように、蛇腹１１Ａに作動流体を注入することで、下側に屈曲させることができ、図１０（ｃ）に示されるように、蛇腹１１Ｂに作動流体を注入することで、上側に屈曲させることができる。同様に、蛇腹１１Ｃに作動流体を注入すれば紙面手前側、蛇腹１１Ｄに作動流体を注入すれば紙面奥側に屈曲させることができ、これら複数を組み合わせることでさらに多彩な屈曲動作をさせることもできる。
なお、各蛇腹の進展に対して、作動流体を注入／排出する経路（接続チューブ１３Ａ〜Ｄ）も追従をする必要があるため、接続チューブ１３Ａ〜Ｄは、伸縮可能な素材（弾性体）にて形成したり、余長をもって配される（各蛇腹１１Ａ〜Ｄ内でたるんだ状態にする等）ものである。
また、簡単化のために図示を省略しているが、アクチュエータ２には、実施形態１で説明した作動流体供給部やその駆動部、制御部が、各蛇腹１１Ａ〜Ｄに対応して備えられるものである。

以上のごとく、本実施形態のアクチュエータ２によれば、比較的シンプルな構造ながら、多方向へ屈曲させることが可能となり、内視鏡等の用途に対しても有用である。

なお、本実施形態では、４方向にそれぞれ屈曲させる蛇腹１１Ａ〜Ｄを備えるものを例としているが、３つ以下または４つ以上を接続するものであってもよい（１２０°ずつずらした３つの蛇腹を設けることで、多彩な屈曲動作をさせることが可能である）。
また、本実施形態では、実施形態１のアクチュエータを直接的に接続するものを例としているが、本発明における“直列に複数接続”とはこれに限られるものではなく、間に他の構成が介在するものであってもよい。例えば、屈曲させる構成のない単なる蛇腹を間に介在させて実施形態１のアクチュエータを接続するものであってもよいし、単なる接続部材（伸縮しない部材）を介して実施形態１のアクチュエータを接続するもの等であってよい。

１．．．アクチュエータ
１１．．．蛇腹（伸縮部）
１２．．．シリンジ（作動流体供給部）
１１１．．．拘束部材
１１２．．．後端キャップ（固定部）
１１３．．．前端キャップ（固定部）
１００．．．ＣＰＭ装置（リハビリテーション機器）

Claims

屈曲動作を行うアクチュエータであって、
内部に作動流体が注入／排出されることで一部若しくは全体が伸縮する伸縮部と、
前記作動流体を前記伸縮部に注入／排出する作動流体供給部と、
を備え、
前記伸縮部の屈曲部分において、屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とするアクチュエータ。
前記屈曲内側が、前記伸縮部の断面視における外周上の設置角度が異なるように、前記伸縮部の長手方向に複数配されたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の全部又は一部が相互に拘束されていることにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の高さが屈曲外側における蛇腹の山の高さより低いことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の山の数が屈曲外側における蛇腹の山の数より少ないことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記伸縮部が蛇腹によって構成され、前記屈曲内側における蛇腹の伸縮を拘束する拘束部材を備えることにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記伸縮部が弾性部材で形成され、前記伸縮部の屈曲部分において、屈曲内側の弾性率が屈曲外側の弾性率より大きいことにより、前記屈曲内側の伸縮率が屈曲外側の伸縮率より小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
請求項１から請求項７の何れかに記載のアクチュエータを、直列に複数接続したことを特徴とするアクチュエータ。
リハビリのために関節の動作を補助若しくは他動運動させるリハビリテーション機器であって、
関節の両側の部分において固定される固定部を備え、当該固定部の間に請求項１から請求項８の何れかに記載のアクチュエータを備えることを特徴とするリハビリテーション機器。