JP5242409B2 - 義手 - Google Patents

Description

本発明は、本体を有する義手に関する。この本体には、複数の義指が関節式に取り付けられており、これらの義指は、駆動装置によって、本体の方へおよび互いに向かって、少なくとも１つの回動軸を中心として可動である。

義手の課題は、代替されねばならない手の外観および機能を、出来る限り自然に忠実に代替することである。この目的のために、義手は、指の模造として形成されている複数の把持手段を、物体を把持することができるように、互いに向かって動かすことが可能である。

US 2004/00195638 A1からは、２指グリッパが公知である。２指グリッパでは、２つの把持手段を開いた位置から閉じた位置へ動かすことができる。この閉じた位置では、把持手段は、直に、互いに向かい合っている。これらの把持手段の間にある物体を、かくして、保持することができる。把持を解除するために、駆動装置の回転方向の逆転を導入することができる。

WO 03/017880 A1からは、本体に取り付けられている各々の義指には、別個の駆動装置が設けられていてなる義手が公知である。このような義手によって、種々の把持状況、例えば、指先での把持または側方での把持を実現することが可能である。各々の指のための高い制御コスト、指に組み込まれた複数の駆動装置を有するコストのかかる技術ならびに構造の複雑な型による故障し易さの増加は不都合である。

従来の技術を前提として、簡単な制御手段を有し、信頼性をもって作動し、安価に製造されることができる義手を提供するという課題が、本発明の基礎になっている。

本発明に基づき、上記課題は、請求項１の特徴を有する義手によって解決される。本発明の好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

本体を有する、本発明に係わる義手であって、この本体には、複数の義指が関節式に取り付けられており、これらの義指は、駆動装置によって、本体の方へおよび互いに向かって、少なくとも１つの回動軸を中心として可動であってなる義手は、共通の駆動装置に設けられた力伝達手段が、義指に連結されていて、かくして、義指の静止位置から始まって、駆動装置の回転方向に従って、少なくとも２本の義指が、本体に対する異なった調整角度を通過することを提案する。駆動装置が一方の方向に作動されるとき、静止位置から、例えば、まず、人差し指および中指が掌の方向に動き、これに対し、親指は、これらの指よりも遅いかまたは緩慢に作動される。次に、これらの３本の指によって、いわゆる「側方での把持」を実現することができる。他方の回転方向の場合、義手が、開いた姿勢をとってなる静止位置から始まって、まず、親指が作動され、あるいは、他の指より速く掌の方向に動かされる。それ故に、これらの義指の指先を集めて、「指先での把持」を実現する。従って、動きの、異なった時間的な順番が、駆動装置の回転方向に従って生じる。義指が機械的に駆動装置に連結されており、それ故に、低い制御コストによって、すなわち、回転方向の簡単な逆転によって、２つの異なった把持状態を調整することができる。このような把持状態によって、最も頻繁な把持機能を実行することができる。

指先での把持または側方での把持を実現する異なった調整角度のほかに、機構のしかるべき調整の際に、指先での把持の種々の位置も実現することができる。機械的な連結手段を非常に安価に製造することができる。更に、ただ１つの、共通の駆動装置を必要とするのみである。この駆動装置が義手の本体に収容されていることは好ましい。本体は、義指に比較して大きな占有面積状況の故に、従来の技術よりも著しく性能よく設計されていることができる。

本発明の実施の形態は、剛性の構造の場合に材料の湾曲から生じる最小限の副力によって、所望の力を伝達することができるために、力伝達手段が、回動可能な結合要素、例えば回転ディスクに回転自在に取り付けられていることを提案する。結合要素自体は、回転自在にまたは回動可能に形成されていることが可能である。特に簡単な実施の形態は、回転ディスクが本体内部に設けられており、この結合要素の回転軸が本体の掌の表面に対し実質的に直交していることにある。駆動装置と結合要素との間には、歯車装置が設けられていることが可能である。その目的は、場合によっては、必要な減速を提供するためである。駆動装置の出力軸が、同様に、本体の掌の表面に対し実質的に直交方向に位置していることは好ましい。それ故に、複数の互いに平行な回転軸を常に有する、場合によっては必要な複数の歯車装置段を、作動することができる。駆動装置または本体の形状に基づいて、回転方向の変化または回転軸の方向づけが万一必要であるときは、このことを、例えば、マイタ歯車装置によって実現することが可能である。

異なった調整角度の特に簡単な実現化を達成するのは、力伝達手段の、駆動装置側の取付点が、異なった死点位置を有するように、力伝達手段が結合要素と連結されていることによってである。力伝達手段を回転ディスクに取り付ける場合には、回転ディスクの回転運動の経過中に、正弦曲線の形態をとる運動成分で動きが実現される。回転角度の進み具合に従って、方向成分での種々の動きが引き起こされる。力伝達手段を結合要素に回転自在に取り付けることによって、或る方向成分での動きのみが作用する。力伝達手段の、結合要素または回転ディスクでの取付点が、第１の回転方向での作動の際にまず親指が死点位置を通過するように、選択されているとき、まず、残りの義指、例えば、人差し指および中指が動かされ、逆の回転方向の場合には、人差し指および中指のための調整距離が、親指のための調整距離よりも短い。この代わりに、異なった調整角度の実現化を、力伝達手段をカムディスク上で上方に回転させることによって、行なうこともできる。カムディスクの半径は各々の回転方向に対して異なっている。静止位置から始まって、カムディスクが第１の回転方向に動かされるとき、例えば引っ張り棒の形態をとる力伝達手段が、親指のための力伝達手段よりも大きな半径を有するカムディスク上で上方に回転される。このことによって、まず、人差し指および中指が掌側で動かされ、親指が追従する。逆の回転方向では、このことは、相応して逆になされる。戻り運動は、義指のばねの予圧によって行なうことができる。カムディスクによって、個々の義指の種々の動きの推移も、例えば、まず、義指の回動角度の増大に伴って減少する高い回動速度を引き起こすように、あるいは、回転角度の増大に伴って増大する低い回動速度を引き起こすように、調整することができる。

高い力を伝達することができるためには、駆動装置がパンケーキモータとして形成されていることは好ましい。パンケーキモータを、掌部の形態で形成されていることができる本体に簡単に収容することができることは好ましい。好ましくは緩慢に走行するモータとして形成されているパンケーキモータは、構造の比較的コンパクトな型および少ない回転数にも拘わらず、高いモーメントを発生することができる。回転数は、サイクロイド歯車装置または調和駆動型歯車装置によって、所望の回転数に更に減じられる。

本発明の実施の形態は、力伝達手段が、引っ張り強くおよび圧縮撓み性をもってまたは曲げ弾性をもって形成されていることを提案する。それ故に、掌側での義指への力の伝達の際には、弾性が、限定された程度で可能であり、逆に、義手の開きは、駆動装置の解除または回転方向の逆転なしには不可能である。このことによって、確実な把持が保証される。力伝達手段は、所定の程度に、圧縮安定的であることが可能である。その目的は、場合によっては、開き運動を支持するために、圧縮力を供給することができるためである。

引っ張り力を安定的に伝達するためには、力伝達手段が、ロープ構成要素、ストランド構成要素または繊維構成要素を有することが提案されている。簡単にするために、以下に、ロープ構成要素のみを述べる。従って、ロープ構成要素には、他の構成要素も含まれている。

ロープ構成要素は、開いた、閉じたまたはねじれたループとして形成されており、エラストマ構成要素を有することができる。その目的は、例えば誤り軸位置（Achsfehlstellungen）の場合に、全方向の動きを可能にするためである。更に、エラストマ構成要素がロープ構成要素を外側からの影響に対し保護するのは、エラストマ構成要素がロープ構成要素を少なくとも部分的に取り囲んでいる場合である。

力伝達手段では、本体または駆動装置および義指に関連して設けられている軸を保持するための軸受ブシュが、設けられていることができる。力伝達手段をばね弾性的に構成する際には、ばね定数が、力伝達手段に圧縮力を負荷する際に、義指の、出発位置への戻りが引き起こされるように、定められていることは好ましい。

以下、図面を参照して本発明の実施に形態を詳述する。図１には、手の本体２と、この本体２に関節式に取り付けられている少なくとも３つの義指３，４，５とからなる義手１が示されている。義指３，４，５は、自然の手の親指、人差し指および中指に対応する。これらの３本の義指３，４，５の、共通の駆動装置６によって作動可能なかつ可動な取着は、手の、多数の把持機能を実行することができるためには、十分である。２本の残りの指、薬指および小指は、パッシブに共に動かされ、エラストマ材料からなることができる。その目的は、出来る限り自然な感じを得るためである。手の本体２の内部には、関連の歯車装置を有する電動機の形態をとる駆動装置６が取り付けられている。同様に、駆動装置６のための図示しないエネルギ源が、手の本体２の内部に設けられていてもよい。駆動装置６の制御は、手の本体２に設けられていることができる制御装置によってなされる。適切な信号は、遠隔制御によって発生され、あるいは、筋電信号として形成されていてもよい。

図２には、義手１の機能方法の略図が示されている。手の本体２には、３本の義指３，４，５が、関節軸１５を中心として回動可能に取り付けられている。義指３，４，５は、下記に詳述する構造を有する力伝達手段１０によって、回転ディスク７に結合されている。回転ディスクは、前記駆動装置（電動機）６によって駆動される。力伝達手段１０は、軸１６により、回転ディスク７に直接またはロッカー８を介して取り付けられ得る。この実施の形態では、人差し指（義指）４および中指（義指）５は、回転自在に回転ディスク７に取り付けられているロッカー８によって、互いに連結され、親指（義指）３は、回転ディスク７に直接接続されている。回転ディスク７自体は、駆動装置６の出力軸にまたは歯車装置の出力軸に直接に取り付けられている。駆動装置６が作動されるとき、回転ディスク７は相応の回転角度だけ回転される。このことによって、軸１６が、義指３，４，５の回動軸１５に対し動かされる。このことは、力伝達手段１０の引っ張り強い構造の故におよび力伝達手段１０を、回転軸１５から間隔をあけて、義指３，４，５に関節結合することの故に、義指３，４，５の回動をもたらす。駆動装置６が逆転され、回転ディスク７が、軸１６が義指３，４，５の回動軸１５への最小限の距離を有するときの位置へ、動かされるとき、開いた出発位置、即ち停止位置が得られる。この場合、最終では、力伝達手段１０の弾性特性によって、義指３，４，５が、義指の開いた出発位置に動かされる。この場合、力伝達手段１０が、圧縮力より著しく高い引っ張り力を伝達することが意図されている。このことは、手を閉じる際には開く際よりも著しく大きな力を加えることができる自然な手の、身体的な条件（physiologische Gegebenheiten）に対応する。

明瞭さという理由から、薬指および小指に対応する義指は示されていない。これらの指は、パッシブに中指５に関節結合されて、このことによって、共に動かされることができる。代わって、薬指および小指に対応する義指は、拡大されたロッカー８に力伝達手段を介して関節結合されることができる。このロッカーには、他の義指３，４，５をアクティブに関節結合している他の力伝達手段１０が連結されている。

図３には、静止位置にある義手が、図２の側面図で示されている。この側面図では、親指３と、人差し指４と、中指５は、僅かに開いた、手の自然の姿勢に近い静止位置で示されている。前者の図からは、力伝達手段１０が、義指４，５の取付点１６´に関節結合されており、取付点が義指４，５の回転軸１５から間隔をあけていることが見て取れる。回転軸１６を連結要素７上で動かすことによって、義指４，５の屈曲が、伝達された引っ張り力の故に引き起こされる。図２および３に示す静止位置から始まって、図４ａに示すように、回転ディスク７が、時計回りに回転されるとき、まず、人差し指および中指４，５が掌の方向に動き、そのあと初めて、親指の義指３が掌の方向に動かされる。何故ならば、親指の義指３に関連して設けられている力伝達手段１０が、まず、死点を、すなわち、駆動装置側の回転軸１６と、回動軸１５との間の最短の距離を通過しなければならないからである。人差し指および中指４，５の力伝達手段１０を特別に設けることによって、これらの指は、設けられない場合より迅速に、または更なる角度範囲に亘って、掌の方向に動かされる。それ故に、親指の義指３が、人差し指の義指４の橈骨側に接触している。このことによって、図示した側方での把持が可能となる。

図５ａ，５ｂには、回転ディスク７が時計と逆回りの回転方向に回転された場合の、義指３，４，５の位置が示されている。

この場合では、親指の義指３が、回動軸１５を中心として、掌方向におよび尺骨方向に動かされ、他方、義指４，５は、まず、自らの死点を通過しなければならず、あるいは、相応の回転角度の際に、より僅かな角度移動が実現されるように、回転ディスク７に関節結合されている。かくして、親指の義指３がまず内側に案内され、義指３，４，５の指先は、最終位置で互いに接触している。それ故に、いわゆる「指先での把持」が実現される。

更なる把持可能性を提供することができるために、図６に示すように、親指の義指３に、追加の駆動装置が、設けられていてもよい。図６には、更に、親指の義指３が、第１の回動軸１５のほかに、第２の回動軸３１を有し、親指の義指３の少なくとも末端部が、この第２の回動軸を中心として回動自在に取り付けられていることが認められる。第２の駆動装置３０および傾斜ねじ歯車装置３２または多条のウォーム歯車装置によって、出力ウォーム３３が動かされる。この出力ウォームは、セグメント歯車３４と噛み合い、かくて、駆動装置３０および歯車装置３２を有する義指３を回動軸３１を中心として回動させる。２つの駆動装置６,３０が同時に作動されるとき、回動速度に応じて、掌側および尺骨側での親指の義指３の連係運動が、実行される。このことは、親指の自然の動きに対応している。

この図では、自然の親指の輪郭に倣っている被成形体３６を有する、親指の義指３の、その機能が詳細に示されている。中空体として形成されている被成形体３６の内部には、自由空間がある。自由空間には、第２の駆動装置３０が設けられておりかつ取着されている。従って、被成形体３６は、駆動装置３０に結合、例えば貼着、緊締されまたは形状によって結合されている。駆動装置３０は、傾斜ねじ歯車装置３２のおよび図２に示したウォーム３３の形態のマイタ歯車によって、セグメント歯車３４と連結されている。

駆動装置３０の作動の最中に、ウォーム３３は、一方の方向または他方の方向に回転される。セグメント歯車３４の回動軸３１を中心とした回動可能な取着に基づいて、回動軸３１を中心とした、二重矢印の方向における回動が可能である。この場合、橈骨方向または尺骨方向の動きを実行することができる。セグメント歯車３４自体は、第１の回動軸１５を中心として回動可能に取り付けられており、回転ディスク７の回転と、これによって引き起こされる、力伝達手段１０の動きとによって、掌方向にまたは背部方向に回動されることができる。この回動運動は、同様に、回動軸１５を中心として二重矢印によって示されている。

第２の駆動装置３０は、同様に電動機であり、鞍関節と指節間関節との間の縦軸にあるのは好ましい。小型の構造および場合によっては必要な高い駆動モーメントの故に、駆動装置３０は、高速機械として形成されている。増速歯車装置３２は、傾斜ねじ歯車装置として形成されていてもよく、第２の駆動装置３０の縦軸に対して、４５°ないし１３５°の角度範囲で出力軸を転向させる。出力軸をこのように傾けることの故に、セグメント歯車３４と噛み合うウォーム３３が、親指の、適切な動きを引き起こすことが可能である。

手の本体２に設けられた第１の駆動装置６が、高い回転トルクを有する、緩慢に走行するパンケーキモータであることは好ましい。このパンケーキモータは、非常に減速された歯車装置と結合されている。その目的は、相応に緩慢なかつ強力な把持運動を実行することができるためである。制御信号は、遠隔制御または筋電信号によっておよび制御装置によって発生されることができる。この第１の駆動装置６および回転ディスク７によって、セグメント歯車３４が、ウォーム３３と、歯車装置３２と、被成形体３６によって被覆されている駆動装置３０と共に、回動可能である。

義手の略図を示す。 義手の機能構成の略図を掌側の平面図で示す。 図２の側面図を示す。 側方での把持における閉じた手を示す。 側方での把持における閉じた手を示す。 指先での把持における閉じた手を示す。 指先での把持における閉じた手を示す。 親指の義指の単独図を示す。

Claims (17)

1. 手のひらを有する本体（２）と、
   この本体に関節式にまたは弾性的に、夫々の回動軸（１５）を中心として回動可能に取り付けられた複数の義指（３，４，５）と、
   第１の方向と、第１の方向とは反対方向の第２の方向とに回転可能な単一の駆動装置（６）と、
   前記単一の駆動装置（６）の回転を前記複数の義指（３，４，５）の各々に伝えて、複数の義指（３，４，５）の各々の前記回動を果たさせる複数の力伝達手段（１０）とを具備し、
   前記単一の駆動装置（６）が第１の方向に回転されると、前記力伝達手段（１０）を介して、前記複数の義指のうちの少なくとも第１並びに第２の義指が、第１の把持位置へと前記回動軸を中心として手のひらに対して回動され、
   前記単一の駆動装置（６）が、第２の方向に回転されると、前記力伝達手段（１０）を介して、前記少なくとも第１並びに第２の義指が、第２の把持位置へと前記回動軸を中心として手のひらに対して回動され、
   前記第１の方向の回転時には、第１の義指が第２の義指よりも先に回動を開始し、前記第２の方向の回転時には、第２義指が第１の義指よりも先に回動を開始し、この結果、前記単一の駆動装置が第１の方向と第２の方向とに同じ角度回転されると、手のひらの表面に対する第１の義指の回動角度が異なると供に、手のひらの表面に対する第２の義指の回動角度が異なる、ことを特徴とする義手。
2. 前記単一の駆動装置（６）により、回転軸を中心として回転可能な結合要素（７）を更に具備し、前記複数の力伝達手段（１０）が、この結合要素（７）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の義手。
3. 前記結合要素（７）は、回転ディスクとして形成されていることを特徴とする請求項２に記載の義手。
4. 前記結合要素（７）の回転軸は、前記本体（２）の手のひらの表面に対し実質的に直交方向に向けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の義手。
5. 前記複数の力伝達手段（１０）は、これら力伝達手段の、駆動装置側の取付点が、異なった死点位置を有するように、前記結合要素（７）と連結されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１に記載の義手。
6. 前記駆動装置（６）は、サイクロイド歯車装置または調和駆動型歯車装置と連結されており、この調和駆動型歯車装置には結合要素（７）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の義手。
7. 前記駆動装置（６）の出力軸は、前記本体（２）の手のひらの表面に対し実質的に直交方向に向けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載の義手。
8. 前記駆動装置（６）は、パンケーキモータとして形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載の義手。
9. 前記複数の力伝達手段（１０）の各々は、引張り強くおよび圧縮撓み性をもってまたは曲げ弾性をもって形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１に記載の義手。
10. 前記複数の力伝達手段（１０）の各々は、ロープ構成要素、ストランド構成要素または繊維構成要素（１１）を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載の義手。
11. 前記ロープ構成要素、ストランド構成要素または繊維構成要素は、閉じたループとして形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の義手。
12. 前記複数の力伝達手段（１０）の各々は、エラストマ構成要素を有することを特徴とする請求項１１に記載の義手。
13. 前記エラストマ構成要素は、前記ロープ構成要素、ストランド構成要素または繊維構成要素を少なくとも部分的に取り囲んでいることを特徴とする請求項１２に記載の義手。
14. 前記複数の力伝達手段（１０）の各々は、エラストマ構成要素を有することを特徴とする請求項１に記載の義手。
15. 前記力伝達手段（１０）の各々は、回動軸（１５）と各力伝達手段（１０）を前記駆動装置（６）に対して回動可能に接続する回動軸（１６）とを夫々保持する軸受ブシュを有することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１に記載の義手。
16. 前記力伝達手段（１０）の各々は、ばね弾性をもって形成されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１に記載の義手。
17. 前記力伝達手段（１０）の各々のばね定数は、前記力伝達手段（１０）に圧縮力を負荷する際に、前記複数の義指（３，４，５）の、出発位置への戻りが引き起こされるように、定められていることを特徴とする請求項１６に記載の義手。

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