WO2022004810A1 - 装着式手指動作支援装置 - Google Patents

Abstract

信号検出部による検出結果に基づいて、装着者によって母指の対立運動、内転運動、屈曲運動または伸展運動のいずれかを判定し、当該判定された運動に必要な母指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、線材駆動部を制御して当該運動に対応する各線材部材を引っ張りまたは弛緩させるようにした。

Description

装着式手指動作支援装置

　本発明は、装着式手指動作支援装置に関し、特に上肢機能障害のうち手指麻痺者に対して日常動作の支援を行う動作支援装置に適用して好適なものである。

　上肢機能障害の中でも、特に手指麻痺は日用品の把持などの日常生活動作を困難とさせ、手指麻痺者のＱＯＬ(Quality of Life)を大きく低下させてしまう。物体を把持するためには、母指（親指）の運動が非常に重要である。

　しかし、脳血管障害や脊髄損傷により手指の運動機能が低下して手指の麻痺が起こると、指を曲げ伸ばししたり、母指を反対の位置に移動させたりすることができなくなり、日常生活では物体を把持することが困難になる。

　このため、手指麻痺者の手指動作を支援することにより、日用品の把持などの日常生活動作を支援する手指動作支援機器が提案され、開発されている。例えば、屈曲動作時の多関節構造体の保持力を実用上十分に付与するとともに、簡易な構成で実用十分な屈曲動作及び伸展動作を支援することが可能な動作支援装置が、本願発明者から提案されている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１８／０５５８１２号

　この特許文献１のような動作補助装置は、装着者の意思にしたがって線状部材の引張りまたは弛緩させて多関節構造体を屈折動作または伸展動作させるものであり、硬い円柱物体の把持動作を支援するには有用である。

　しかし、把持対象となる日用品には様々な形状・材質のものがあり、人間は、単純な動作や力の情報だけでなく、皮膚の変形・指紋などの機械的特性、材質を知る触覚情報、多様な手指形状によって日用品の把持を実現している。

　そのため、把持動作支援において指腹が直接物体に接触することや手指形状も含めた複数の感覚情報は重要である。特に母指は他の４本の指とは独立しており、物体の把持に非常に重要な役割を果たしている。

　物体を握るためには、指を曲げて物体の表面に触れて力を加える必要がある。パワーグリップやピンチなどの多くのグリッピングは、母指を他の４本の指の反対側に開き、母指と他の指で対象物を固定することで実現している。また、鍵などの薄い物体を握るときに用いられる横方向のグリップは、母指と人差し指の側面を母指の内転で行うことで実現されている。

　このように多くの把持に関わる母指の運動は、人間の把持運動に欠かせないものであるが、脳血管障害や脊髄損傷により運動機能障害や感覚障害などの手指の麻痺が起こると、指の屈伸運動や母指の反対運動などの基本的な動作ができず、日常生活の中で物を握ることが困難になる。

　実際に母指の機能低下は、手の機能の約40％の低下に相当する。このため従来の動作支援装置のように母指の屈曲・伸展を補助するだけであったり、母指を反対位置に固定してグリップの種類を狭めたり、リンクやフレームを使用して重量を増加させたりするものでは、日常生活での使用には効果が得られず、手指運動機能を有する手指麻痺者のＱＯＬ（Quality of Life）は著しく低下するおそれがある。

　本発明は以上の点を考慮してなされたもので、日常生活において対象物を把持する際に母指の自由度を妨げることなく母指運動をアシストすることが可能な装着式手指動作支援装置を提案しようとするものである。

　かかる課題を解決するために本発明においては、装着者の母指の先端を包み込むように装着される第１保持部材と、母指の基節を巻回するように装着される第２保持部材と、母指の根元および当該根元につながる手首を密着保持するように装着される第３保持部材と、一端が第１または第２保持部材のいずれかに固定され、母指の表面に沿って第３保持部材を中継してそれぞれ延伸された複数の線状部材と、各線状部材の延伸部分を引っ張りまたは弛緩させるように駆動する線材駆動部と、装着者の母指の内在筋および／または外在筋に相当する体表面に配置され、当該母指を動作させるための筋電位信号または生体信号を検出する信号検出部と、信号検出部による検出結果に基づいて、装着者によって母指の対立運動、内転運動、屈曲運動または伸展運動のいずれかを判定する運動判定部と、運動判定部により判定された運動に必要な母指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、線材駆動部を制御して当該運動に対応する各線材部材を引っ張りまたは弛緩させる駆動制御部とを備えるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、日常生活における対象物を把持するに際して、母指の屈曲運動および伸展運動のみならず、母指の対立運動および内転運動も動作アシストすることができる。

　また本発明においては、複数の線状部材は、第２保持部材に固定され、母指の基節から当該母指を含む手のひらにある母指対立筋および母指内転筋に沿った方向にそれぞれ第３保持部材を中継して引き出された対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤを有し、信号検出部は、母指の内在筋のうち母指対立筋および母指内転筋に相当する体表面からの筋電位信号または生体信号を検出し、運動判定部は、信号検出部による検出結果に基づいて、装着者によって母指の対立運動または内転運動を判定し、駆動制御部は、運動判定部により判定された母指の対立運動または内転運動の開始タイミングに同期して、対立移動用ワイヤまたは内転用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように線材駆動部を制御するようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、線材駆動部を母指の対立運動または内転運動の開始タイミングに同期して、対立移動用ワイヤまたは内転用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように制御することにより、装着者の母指の対立運動または内転運動を働かせる筋肉の収縮方向に沿って動作アシストをすることが可能となる。

　さらに本発明においては、線材駆動部は、第１～第３保持部材と別体に設けられ、第２保持部材を基点として引き出される対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤの延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第１プーリと、第１プーリが出力軸に係合された第１アクチュエータとを備え、第１アクチュエータの出力軸の回転力を、第１プーリを介して対立移動用ワイヤまたは内転用ワイヤに伝達させるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、線材駆動部をアクチュエータによるワイヤ駆動構成にしたことにより、対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤの巻き取りがアクチュエータの出力軸の回転駆動のみで瞬時に行うことができるとともに、対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤを介して第１～第３保持部材から離れた位置に線材駆動部および駆動制御部等を設置することができる。

　さらに本発明においては、線材駆動部は、第１プーリおよび第１アクチュエータを一体としてスライド自在に保持するスライド保持部を有し、スライド保持部は、対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤがそれぞれ挿通される固定長チューブを介して第３保持部材と接続され、スライド保持部に対して第１プーリおよび第１アクチュエータをスライドさせるようにして、第１および第２保持部材の間における対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤの長さを調整可能とするようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、スライド保持部に保持された第１プーリおよび第１アクチュエータをスライドさせるだけで、装着者の母指の長さに合わせて自由に第１および第２保持部材の間の距離を調節することが可能となる。

　さらに本発明においては、複数の線状部材は、第１保持部材に固定され、母指の先端から腹側および背側に沿った方向に第２保持部材を介してそれぞれ第３保持部材を中継して引き出された屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤを有し、信号検出部は、母指の外在筋のうち当該母指から腱を介した上腕部にある長母指屈筋および長母指伸筋に相当する体表面からの筋電位信号または生体信号を検出し、運動判定部は、信号検出部による検出結果に基づいて、装着者によって母指の屈曲運動または伸展運動を判定し、駆動制御部は、運動判定部により判定された母指の屈曲運動または伸展運動の開始タイミングに同期して、屈曲用ワイヤまたは伸展用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように線材駆動部を制御するようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、線材駆動部を母指の屈曲運動または伸展運動の開始タイミングに同期して、屈曲用ワイヤまたは伸展用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように制御することにより、装着者の母指の屈曲運動または伸展運動を働かせる筋肉の収縮方向に沿って動作アシストをすることが可能となる。

　さらに本発明においては、線材駆動部は、第１～第３保持部材と別体に設けられ、第１保持部材を基点として第２保持部材を介して引き出される屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤの延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第２プーリと、第２プーリが出力軸に係合された第２アクチュエータとを備え、第２アクチュエータの出力軸の回転力を、第２プーリを介して屈曲用ワイヤまたは伸展用ワイヤに伝達させるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、線材駆動部をアクチュエータによるワイヤ駆動構成にしたことにより、屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤの巻き取りがアクチュエータの出力軸の回転駆動のみで瞬時に行うことができるとともに、屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤを介して第１～第３保持部材から離れた位置に線材駆動部および駆動制御部等を設置することができる。

　さらに本発明においては、線材駆動部は、第２プーリおよび第２アクチュエータを一体としてスライド自在に保持するスライド保持部を有し、スライド保持部は、屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤがそれぞれ挿通される固定長チューブを介して第３保持部材と接続され、スライド保持部に対して第２プーリおよび第２アクチュエータをスライドさせるようにして、第１および第２保持部材の間における屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤの長さを調整可能とする。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、スライド保持部に保持された第２プーリおよび第２アクチュエータをスライドさせるだけで、装着者の母指の長さに合わせて自由に第１および第２保持部材の間の距離を調節することが可能となる。

　さらに本発明においては、直列するリンク同士が相対的に回転可能に連結され、全てのリンクが一体となって湾曲自在に変形可能な多関節構造体をさらに備え、多関節構造体は、すべての各リンクの内部に伸展用ワイヤが挿通された状態で、当該伸展用ワイヤの一端が固定される第１保持部材から第２保持部材を経由して第３保持部材までに沿って設けられている。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、装着者の母指に装着された第１～第３保持部材に沿って多関節構造体を設けることにより、母指の伸展運動時に当該母指が伸び過ぎないためのリミッタとしての機能を果たすとともに、伸展用ワイヤが母指の皮膚表面に直接接触することを防止する安全保護部材としての役割を果たすことができる。

　さらに本発明においては、多関節構造体は、各リンク同士が分離自在に連結され、所望数のリンクを挿入又は抜去することにより、先頭のリンクから後尾のリンクまでの長さが調整可能であるようにした。この結果、装着式手指動作支援装置では、装着者の母指の関節長に合わせて容易に長さ調整することができる。

　さらに本発明においては、装着者の母指の腹部が露出するように開口が形成された第１保持部材に設けられ、当該開口を介した物体接触時における母指の腹部の変形状態に基づいて、当該母指の腹部への押圧力を推定する押圧力推定部と、押圧力推定部により推定された押圧力を、装着者の母指の腹部への感覚としてフィードバック伝達させる感覚伝達部とを備えるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、装着者の母指の腹部を妨げることなく、把持対象である物体に当該腹部を直接接触させながら、当該物体に対する押圧力を計測することができる。このように装着者が母指の腹部で直接物体に接触押圧することで、物体形状に合わせた変形や滑りを防止する皮膚の機械的特性を阻害されることなく、当該物体に対する触力覚情報を取得することが可能となる。特に装着者が手指麻痺者の場合、母指の触力覚情報をもとにして把持動作補助を実現することが可能となるため非常に有用である。

　さらに本発明においては、押圧力推定部は、装着時に母指の両側面と当接するように第１保持部材に設けられ、当該母指の両側面から印加される押圧力をそれぞれ検出する一対の感圧センサと、母指の腹部に対する複数レベルの印加荷重の実測値をそれぞれ測定しておき、当該実測値ごとに得られる一対の感圧センサの検出結果に基づいて、母指の腹部に加わる荷重と一対の感圧センサの検出結果との関係特性を導き出す関係特性導出部と、関係特性導出部により算出された関係特性に基づいて、物体接触時における母指の腹部への押圧力を算出して推定する算出推定部とを備えるようにした。

　このように装着式手指動作支援装置では、装着者の母指の水平方向変形に伴う指側面の力を計測することにより、母指を用いた把持力を推定することが可能となる。

　さらに本発明においては、感覚伝達部は、装着者の所定の体表に対して物理的な刺激を与えるための端子群を有する刺激付与部と、算出推定部から得られる母指の腹部への押圧力に応じて、装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンを設定する伝達設定部と、伝達設定部による設定内容に従って、刺激付与部の端子群をそれぞれ制御する刺激制御部とを備えるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、装着者が母指の腹部への押圧力に応じた刺激を所定の体表を介して感覚として認識することが可能となる。

　さらに本発明においては、押圧力推定部は、装着時に母指の背部に位置するように第１保持部材に設けられ、当該母指の把持方向への加速度を検出する加速度センサと、一対の感圧センサの検出結果と加速度センサによる検出結果とに基づいて、母指の腹部に接触する物体の剛軟度を推定する剛軟度推定部とをさらに備え、感覚伝達部における伝達設定部は、算出推定部により推定された押圧力を、剛軟度推定部により推定された物体の剛難度を併せた状態で、装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンとして設定するようにした。

　このように装着式手指動作支援装置では、一対の感圧センサの検出開始タイミングからどれだけ母指の把持方向の加速度が反応するか否かに応じて、母指の腹部に接触する物体の剛軟度を推定することが可能となる。そして装着者に対して母指の腹部への押圧力を把持対象となる物体の剛軟度と併せた感覚としてフィードバック伝達することができる。

　さらに本発明における装着式手指動作支援装置は、装着者の母指以外の少なくとも１本以上の指（示指、中指、環指、小指）にも同様に適用され、駆動制御部は、第１保持部材が装着される母指以外の各指の屈曲運動または伸展運動に必要な当該各指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、線材駆動部を制御して当該運動に対応する屈曲用ワイヤまたは伸展用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるようにした。

　この結果、装着式手指動作支援装置では、装着車の母指以外の少なくとも１本以上の指にも、腹部の皮膚特性や感覚入力を阻害することなく、触力覚情報の取得および把持動作補助を行うシステムを構築することが可能となる。

　本発明によれば、日常生活において対象物を把持する際に母指の自由度を妨げることなく母指運動をアシストすることが可能な装着式手指動作支援装置を実現することができる。

人間の手指における骨格および関節の構造説明に供する概念図である。 人間の手および前腕における筋肉の構造説明に供する概念図である。 母指および示指を用いて対象物を把持する際の持ち上げ力の説明に関する略線図である。 本発明の実施形態に係る装着式手指動作支援装置の構成を示す略線図である。 本発明の実施形態に係る装着式手指動作支援装置の構成を示す略線図である。 補助リング部の構成の説明に供する斜視図である。 装着式手指動作支援装置の制御系の説明に供する概念図である。 線材駆動部におけるワイヤ長さ調整機構の説明に供する概念図である。 伸展用ワイヤ向けの多関節構造体によるリミッタ機能の説明図である。 母指の対立運動および内転運動の実験を表す図である。 図１０の実験結果を表すグラフである。 母指の屈曲運動および伸展運動の実験を表す図である。 図１２の実験結果を表すグラフである。 母指の指先力測定実験を表す概念図である。 把持動作実験の説明に供する図である。 本発明の別実施形態に係る装着式手指動作支援装置の構成を示す略線図である。 図１６に示す装着式手指動作支援装置を装着した際の運動状態を表す略線図である。 図１６に示す装着式手指動作支援装置の制御系の一部を表すブロック図である。 図１６に示す装着式手指動作支援装置の指先端保持部におけるセンサ配置状態を表す略線図である。 指腹への印加荷重と感圧センサの出力との関係を表すグラフである。 ロードセルを用いたキャリブレーション装置の外観校正を示す略線図である。 三次の多項式を用いた場合の指先の力を推定することを表すグラフである。 推定値とロードセルの計測値のＲＭＳＥの平均および標準誤差を表すグラフである。 多指装着向けの装着式手指動作支援装置の構成を示す略線図である。 多指装着向けの装着式手指動作支援装置の構成を示す略線図である。 円柱状物体に対する把持動作支援を行う状態を表す略線図、および時間と把持力との関係を表すグラフである。 目標把持力に対する計測把持力の関係を表すグラフ、および目標把持力に対する誤差を表すグラフである。 把持対象の種類を表す略線図である。 図２８における試験結果を表す把持状態の略線図およびグラフである。

　以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）人間の手における母指の運動機能
（１－１）手指の筋骨格系
　人間の手における母指の対立は、人間が物を扱う上で重要な機能であり、様々なグリップを可能にしている。図１に左手側の母指の骨格および関節を示す。図１に示すように、母指には、手のひらの付け根に位置し、主に母指の対立に関与する手根中手関節（ＣＭ）と、中手指節間関節（ＭＰ）、指節間関節（ＩＰ）の３つの関節があり、このうち手根中手関節（ＣＭ）は、手のひらの付け根に位置し、主に母指の対立に関与する。手根中手関節（ＣＭ）は、２つの自由度を持つ鞍状の関節であり、人間が幅広い母指の動きを獲得することを可能とする。

　図２（Ａ）～（Ｃ）に母指の運動に関わる筋肉を示す。母指の運動は、腱を介した４つの外在筋（ＦＰＬ、ＡＰＬ、ＥＰＬ、ＥＰＢ）と、手のひらにある４つの内在筋（ＯＰ、ＡＰＢ、ＦＰＢ、ＡＤＰ）によって制御される。なお図２（Ａ）は母指の根元中心の深層筋を表し、図２（Ｂ）は左手の手のひら側の表層筋を表し、図２（Ｃ）は母指の前腕の深層筋を手の甲側から表したものである。

　まず「母指の対立運動」は、内在筋である母指対立筋（ＯＰ）、短母指外転筋（ＡＰＢ）、短母指屈筋（ＦＰＢ）の３つの筋肉が協調して動くことで実現できる。また「母指の内転運動」は、内転筋である母指内転筋（ＡＤＰ）が関わる。さらに「母指の外転運動」は、短母指外転筋（ＡＰＢ）および長母指外転筋（ＡＰＬ）が関わる。

　さらに「母指の屈曲運動」は、短母指屈筋（ＦＰＢ）および長母指屈筋（ＦＰＬ）が関わる。この短母指屈筋（ＦＰＢ）は、中手指節間関節（ＭＰ）を屈曲させる筋肉である。また長母指屈筋（ＦＰＬ）は、母指の中手指節間関節（ＭＰ）および指節間関節（ＩＰ）を屈曲させる筋肉である。

　さらに「母指の伸展運動」は、外転筋である短母指伸筋（ＥＰＢ）および長母指伸筋（ＥＰＬ）が関わる。この短母指伸筋（ＥＰＢ）は、母指の中手指節間関節（ＭＰ）を伸展させて母指を外転させるための筋肉であり、長母指伸筋（ＥＰＬ）は、母指の中手指節間関節（ＭＰ）および指節間関節（ＩＰ）を伸展させて母指を外転させるための筋肉である。

　本発明は、手指の麻痺によりこれらの筋肉（母指の内在筋および外在筋）の機能が低下しているため、これらの筋肉の収縮方向に沿って補助を行うことにより、筋肉の代替が可能である点から考案したものである。

（１－２）母指の運動の必須機能
　母指の運動にはそれぞれ以下のような必要性が求められている。「母指の対立運動」においては、円柱状や球状のものを握るなど、日常生活でよく使われるグリップを実現するためには、母指を他の４本の指と対向する位置に移動させる必要がある。また「母指の内転運動」においては、側方把持を実現するためには、母指の内転を補助して人差し指に近づける必要がある。

　さらに「母指の屈曲運動」においては、基本動作として物体を握るためには、母指を手のひらに近づけ、物体に接触させ、力を加える屈伸運動を行う必要がある。さらに「母指の伸展運動」においては、母指を伸ばして対象物を離すことも必要である。

　ここで、国際機能障害者健康分類（ＩＣＦ）データを用いた日常生活動作の分析によると、人間の持ち上げる動作は全動作の約40〔％〕を占めている。また、その中でも重量が0.5〔kg〕の物を持つ動作は、人間の持ち上げ動作の約90〔％〕を占めている。そこで、持ち上げることができる対象物の最大質量を0.5〔kg〕とした。

　図３に示すように、母指および示指（人差し指）を用いて物体を把持する場合、持ち上げに必要な最小力の約 1.4 倍の力で物体を把持することが過去の実験から報告されており、必要な力は次式（１）のように計算することが可能である。ここで、母指および示指による把持力をＦ、物体の質量をｍ、動摩擦係数をμとする。

（２）本実施の形態による装着式手指動作支援装置の構成
　図４および図５は本実施の形態による装着式手指動作支援装置１を示し、装着者の手（図では左手）に装着して、当該手の解剖学的構造に基づく腱駆動により母指の２つの自由度に応じた運動をアシストするようになされている。

　この装着式手指動作支援装置１は、装着者の母指の先端を包み込むように装着される指先端保持部（第１保持部材）１０と、母指の基節を巻回するように装着される補助リング部（第２保持部材）１１と、母指の根元および当該根元につながる手首を密着保持するように装着されるベルクロ（登録商標）グローブ１２の誘導接続部（第３保持部材）１３とを有する。

　指先端保持部１０は、全体としてポリウレタン素材からなり、装着者の母指の末節骨を巻回するリング部材１０Ａと当該リング部材１０Ａを基準に母指の先端を橋架する橋架部材１０Ｂとが一体形成された構造を有する。リング部材１０Ａおよび橋架部材１０Ｂともに所定位置にそれぞれ後述するワイヤ（線状部材）を引っ掛けて固定することが可能な切欠き溝が形成されている。

　補助リング部１１は、ともにポリウレタン素材からなり、互いに分離可能な外輪および内輪が一体となって構成されている。内輪は装着者の母指の基節に密着して巻回されるとともに、外輪はワイヤ等の誘導や引っ掛けのための種々の構造を有している。

　なお上述の式（１）において、動摩擦係数μをポリウレタン素材の最小値である0.8とすることにより、指先端保持部１０および補助リング部１１を介して母指が発揮する必要な力Ｆは4.29〔N〕となる。

　図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、補助リング部１１は、母指の基節に合わせた内径を有するリング状の内輪１１Ａと、当該内輪１１Ａの外径とほぼ同一の内径を有する外輪１１Ｂとが嵌合自在に取り付けられた構造を有する。内輪１１Ａおよび外輪１１Ｂのサイズ径は、装着者の母指サイズに適応可能なものを用意すればよい。

　内輪１１Ａには、中央の外周に沿って環状の切欠き溝１１ＡＳが形成されている。外輪１１Ｂには、所定位置に引っ掛け溝１１ＢＰが形成されるとともに、所定位置に誘導用のガイド溝１１ＢＱが形成されている。後述するように、ワイヤ端点が円形状になるように内輪１１Ａの切欠き溝１１ＡＳに巻き付けた状態で、当該内輪１１Ａを外輪１１Ｂに差し込んで嵌合させることにより、ワイヤを外輪１１Ｂの引っ掛け溝１１ＢＰを介して固定保持することが可能となる。

　このように補助リング部１１の外輪１１Ｂには、２つの環状の切欠き溝１１ＢＰと２つのワイヤ誘導用のガイド溝１１ＢＱと１つの多関節構造体誘導用のガイド溝１１ＢＲが形成されている。

　ここで本発明のワイヤによる腱駆動方式について説明する。装着式手指動作支援装置１では、筋肉の収縮や腱の牽引を模倣し、筋肉や腱を外付けのワイヤ（線状部材）に置き換える発想を取り入れるようにした。

　ワイヤ（線状部材）は、直径0.5〔mm〕の高強度ポリエチレン繊維（商標名：ダイニーマ）からなり、ワイヤ自体が非常に細くて軽いため、グリップ操作の妨げにならない。

　複数のワイヤは、一端が指先端保持部または補助リング部のいずれかに固定され、母指の表面に沿ってベルクロ（登録商標）グローブの誘導接続部を中継してそれぞれ延伸されている。

　上述した図４および図５において、ベルクロ（登録商標）グローブ１２は、手のひらと手の甲を分離したマジックテープ（登録商標）素材の手袋からなり、手の大きさの違いに応じて停止位置を調整し得るようになされている。ベルクロ（登録商標）グローブ１２には、誘導接続部（第３保持部材）１３として、手首の内側中央に対応する表面に当該手首固定用のマジックテープ（登録商標）バンドに固定された２つの手首側保持部材１３Ａ、１３Ｂと、手の甲の所定位置に対応する表面にマジックテープ（登録商標）による着脱可能に固定された２つの甲側保持部材１３Ｃ、１３Ｄとが取り付けられている。

　このようにベルクロ（登録商標）グローブ１２には、誘導接続部１３として２つの手首側保持部材１３Ａ、１３Ｂと２つの甲側保持部材１３Ｃ、１３Ｄとを固定保持する構造にしたことにより、装着者の手の大きさに応じてワイヤの引っ張り方向を適切な筋方向に調整するように微調整を行うことができる。この結果、手の大きさに応じてワイヤの引っ張り方向を適切な筋方向に調整することができる。

　誘導接続部１３においては、母指の基節にある補助リング部１１から母指対立筋に沿った２本のワイヤが手首側保持部材１３Ａを介して１本の対立移動用ワイヤＷ１として引き出されるとともに（図４）、当該補助リング部１１から母指内転筋に沿った２本のワイヤが甲側保持部材１３Ｃを介して１本の内転用ワイヤＷ２として引き出されている（図５）。

　また誘導接続部１３においては、母指の先端にある指先端保持部１０から母指の腹側に沿った２本のワイヤが手首側保持部材１３Ｂを介して１本の屈曲用ワイヤＷ３として引き出されるとともに（図４）、当該指先端保持部１０から母指の背側に沿った２本のワイヤが甲側保持部材１３Ｄを介して１本の伸展用ワイヤＷ４として引き出されている（図５）。

　対立移動用ワイヤＷ１、内転用ワイヤＷ２、屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４は、外筒としての比較的低摩擦なポリテトラフルオロエチレンからなる保護チューブＰＴにそれぞれ内挿され、ワイヤ駆動時における各ワイヤの長さ方向の移動による装着者の手および手首への皮膚への摩擦による怪我等を防止するようになされている。各保護チューブＰＴは、誘導接続部１３から線材駆動部２０（図７）まで、対立移動用ワイヤＷ１、内転用ワイヤＷ２、屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４を被覆するようになされている。

（３）装着式手指動作支援装置の制御系構成
　図７に本実施の形態における装着式手指動作支援装置１の制御系の構成を示す。装着式手指動作支援装置１は、装着者の手指に装着される指先端保持部１０、補助リング部１１および誘導接続部１３と、装着者の体表面に配置される信号検出部２１と、装着者に装着せずにワイヤ群Ｗ１～Ｗ４を介して設置された外部駆動ユニット２２とを有する。

　信号検出部２１は、装着者の母指の内在筋および／または外在筋に相当する体表面に配置された電極を通じて、装着者の脳から母指に伝達された神経伝達信号を生体信号として検出する。また信号検出部は、生体信号とともに、またはこれに代えて、装着者の母指の動作に応じた筋電信号を検出するようにしてもよい。

　具体的に信号検出部２１は、母指の内在筋のうち母指対立筋および母指内転筋に相当する体表面からの生体信号を検出するとともに、母指の外在筋のうち当該母指から腱を介した上腕部にある長母指屈筋および長母指伸筋に相当する体表面からの筋電位信号または生体信号を検出する。

　外部駆動ユニット２２は、線材駆動部２０、運動判定部２３および駆動制御部２４を有する。線材駆動部２０は、ワイヤ群（対立移動用ワイヤ、内転用ワイヤ、屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤ）Ｗ１～Ｗ４の延伸部分を引っ張りまたは弛緩させるようにそれぞれ駆動する。

　線材駆動部２０は、補助リング部１１を基点として引き出される対立移動用ワイヤＷ１および内転用ワイヤＷ２の延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第１プーリＰ１と、第１プーリＰ１が出力軸に係合された第１アクチュエータ２０Ａとを有し、第１アクチュエータ２０Ａの出力軸の回転力を、第1プーリＰ１を介して対立移動用ワイヤＷ１または内転用ワイヤＷ２に伝達させる。

　さらに線材駆動部２０は、指先端保持部１０を基点として補助リング部１１を介して引き出される屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４の延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第２プーリＰ２と、第２プーリＰ２が出力軸に係合された第２アクチュエータ２０Ｂとを有し、第２アクチュエータ２０Ｂの出力軸の回転力を、第２プーリＰ２を介して屈曲用ワイヤＷ３または伸展用ワイヤＷ４に伝達させる。

　なお、第１および第２アクチュエータ２０Ａ、２０Ｂは、ともにトルク制御が可能なサーボモータからなり、モータの回転方向を変更することによってアシスト方向を瞬時に切り替えることができるようになされている。

　運動判定部２３および駆動制御部２４は、それぞれＣＰＵ（Central Processing Unit）構成からなる。運動判定部２３は、信号検出部２１による検出結果に基づいて、装着者によって母指の対立運動、内転運動、屈曲運動または伸展運動のいずれかを判定する。

　運動判定部２３は、信号検出部２１による検出結果に基づいて、装着者によって母指の対立運動または内転運動を判定するとともに、装着者によって母指の屈曲運動または伸展運動を判定する。

　駆動制御部２４は、運動判定部２３により判定された運動に必要な母指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、線材駆動部２０を制御して当該運動に対応する各ワイヤ（対立移動用ワイヤ、内転用ワイヤ、屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤ）Ｗ１～Ｗ４を引っ張りまたは弛緩させる。

　すなわち駆動制御部２４は、運動判定部２３により判定された母指の対立運動または内転運動の開始タイミングに同期して、対立移動用ワイヤＷ１または内転用ワイヤＷ２を交互に引っ張りまたは弛緩させるように線材駆動部２０を制御する。

　一方、駆動制御部２４は、運動判定部２３により判定された母指の屈曲運動または伸展運動の開始タイミングに同期して、屈曲用ワイヤＷ３または伸展用ワイヤＷ４を交互に引っ張りまたは弛緩させるように線材駆動部２０を制御する。

　このように装着式手指動作支援装置１では、線材駆動部２０を母指の対立運動または内転運動の開始タイミングに同期して、対立移動用ワイヤＷ１または内転用ワイヤＷ２を交互に引っ張りまたは弛緩させるように制御することにより、装着者の母指の対立運動または内転運動を働かせる筋肉の収縮方向に沿って動作アシストをすることが可能となる。

　また、装着式手指動作支援装置１では、線材駆動部２０を母指の屈曲運動または伸展運動の開始タイミングに同期して、屈曲用ワイヤＷ３または伸展用ワイヤＷ４を交互に引っ張りまたは弛緩させるように制御することにより、装着者の母指の屈曲運動または伸展運動を働かせる筋肉の収縮方向に沿って動作アシストをすることが可能となる。

（４）線材駆動部におけるワイヤ長さ調整機構
　図８（Ａ）～（Ｃ）に示すように、線材駆動部２０は、第１プーリＰ１および第１アクチュエータ２０Ａを一体としてスライド自在に保持する第１スライド保持部３０と、第２プーリＰ２および第２アクチュエータ２０Ｂを一体としてスライド自在に保持する第２スライド保持部３１とを有する。

　第１スライド保持部３０は、対立移動用ワイヤＷ１および内転用ワイヤＷ２がそれぞれ挿通される固定長の保護チューブＰＴを介して誘導接続部１３と接続され、当該第１スライド保持部３０に対して第１プーリＰ１および第１アクチュエータ２０Ａをスライドさせるようにして、指先端保持部１０および補助リング部１１の間における対立移動用ワイヤＷ１および内転用ワイヤＷ２の長さを調整可能とする。

　第２スライド保持部３１は、屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４がそれぞれ挿通される固定長の保護チューブＰＴを介して誘導接続部１３と接続され、当該第２スライド保持部３１に対して第２プーリＰ２および第２アクチュエータ２０Ｂをスライドさせるようにして、指先端保持部１０および補助リング部１１の間における屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４の長さを調整可能とする。

　この結果、装着式手指動作支援装置１では、第１スライド保持部２０に保持された第１プーリＰ１および第１アクチュエータ２０Ａをスライドさせるだけで、装着者の母指の長さに合わせて自由に指先端保持部１０および補助リング部１１の間の距離を調節することが可能となる。同様に第２スライド保持部３１に保持された第２プーリＰ２および第２アクチュエータ２０Ｂをスライドさせるだけで、装着者の母指の長さに合わせて自由に指先端保持部１０および補助リング部１１の間の距離を調節することが可能となる。

（５）伸展用ワイヤ向けの多関節構造体によるリミッタ機能
　ここで伸展用ワイヤＷ４について、指先端保持部１０から補助リング部１１を経由して誘導接続部１３までを多関節構造体４０（図９）を用いて被覆させることにより、装着者の母指をワイヤ摺動による怪我等から保護するようになされている。

　すなわち、図９（Ａ）および（Ｂ）に示すように、多関節構造体４０は、直列するリンクＬＫ同士が相対的に回転可能に連結され、全てのリンクＬＫが一体となって湾曲自在に変形可能に構成されている。図９（Ｃ）に示すように、各リンクＬＫは、ポリウレタン等のクッション部材からなり、伸展用ワイヤＷ４を挿通するための穴ＬＫＨが形成されるとともに、当該穴ＬＫＨにはワイヤ着脱用の切り欠きが形成されている。

　この多関節構造体４０は、すべての各リンクＬＫの内部に伸展用ワイヤＷ４が挿通された状態で、当該伸展用ワイヤＷ４の一端が固定される指先端保持部１０から補助リング部１１を経由して誘導接続部１３までに沿って設けられている。

　この結果、装着式手指動作支援装置１では、装着者の母指に装着された指先端保持部１０、補助リング部１１および誘導接続部１３に沿って多関節構造体４０を設けることにより、母指の伸展運動時に当該母指が伸び過ぎないためのリミッタとしての機能を果たすとともに、伸展用ワイヤＷ４が母指の皮膚表面に直接接触することを防止する安全保護部材としての役割を果たすことができる。

　実際に装着者が母指を外転させると、母指の軸が手根中手関節（ＣＭ）を中心に回転する。この母指の軸の角度変化に多関節構造体４０を適応させるために、各リンクＬＫの円形の突出部と引っ込み部を組み合わせて１自由度のジョイントを構成し、母指が伸展したときの物理的リミッタの機能を残したまま、内転や外転時の横方向の変化に追従することにより、多関節構造体の軸の向きを変えることが可能となる。

　さらに多関節構造体４０は、各リンクＬＫ同士が分離自在に連結され、所望数のリンクＬＫを挿入又は抜去することにより、先頭のリンクから後尾のリンクまでの長さが調整可能であるようになされている。この結果、装着式手指動作支援装置１では、装着者の母指の関節長に合わせて容易に長さ調整することができる。

（６）母指運動による基礎実験およびその実験結果
（６－１）母指の対立運動および内転運動
　本実施の形態における装着式手指動作支援装置１を装着者の左手（利き手よりも弱い側の手）に装着して、母指の対立運動を補助することが可能か否かを実験により確認する。

　図１０（Ａ）に示すように、まず装着者は左手の甲を机の上に当接するように置き、母指の対立運動に応じて対立移動用ワイヤＷ１を引っ張ることにより、装着式手指動作支援装置１が母指の対立運動を補助する。

　装着式手指動作支援装置１による支援開始から10秒後、母指が対立状態になった後、対立移動用ワイヤＷ１を弛緩させる（必要に応じて内転用ワイヤＷ２を引っ張る）ことにより、再度元の配置に戻らせる。母指が他の４本の指に顔を向けたときに、対立運動が可能であると判断する。

　同時に、母指の内在筋のうち母指対立筋（ＯＰ）および母指内転筋（ＡＤＰ）に相当する位置に電極を取り付けておき、信号検出部２１は、安静時のＢＥＳ(Bio Electric Signal)を測定する。そして装着式手指動作支援装置１のサポートのみで母指の対立運動が可能か否かを確認する（サンプリング周波数：1,000〔Hz〕、増幅回数：200回）。この試験は、上肢に障害等の問題がない健康な男性を対象に５回実施した。

　上述の実験結果として、図１０（Ｂ）に示すように、母指を他の４本の指と対立する位置に移動させることが可能であると確認された。また、対立位置の母指を背側に設置した内転用ワイヤＷ２により誘導することができ、全ての試行において再び元の配置までアシストすることが可能であった。

　このときのＢＥＳの代表的な例を図１１（Ａ）に示す。安静時に本装置による動作支援ありの場合において、動作支援開始５秒後から10秒後までの５秒間の平均ＢＥＳを算出している。５試行の平均ＢＥＳの平均値は、安静時（1/3.3スケール）で0.0691±0.0108〔Ｖ〕である。そして、５回の試行における平均ＢＥＳの平均値は、本装置による動作支援ありの場合（1/3.3.3スケール）で 0.0615±0.00412〔Ｖ〕である。図１１（Ｂ）は、装着式手指動作支援装置１を用いることなく、母指を対立側に移動させた場合のＢＥＳの代表的な例を示している。

（６－２）母指の屈曲運動および伸展運動
　本実施の形態における装着式手指動作支援装置１を装着者の左手（利き手よりも弱い側の手）に装着して、母指の屈曲運動および伸展運動を補助することが可能か否かを実験により確認する。

　図１２（Ａ）に示すように、まず装着者は左手の甲を机の上に当接するように置き、母指の屈曲運動または伸展運動に応じて屈曲用ワイヤまたは伸展用ワイヤを引っ張ることにより、装着式手指動作支援装置１が母指の屈曲運動または伸展運動を補助する。

　装着式手指動作支援装置１による支援開始から10秒後、母指が屈曲姿勢になった後、伸展姿勢に戻す。同時に、図１２（Ａ）に示すように母指から腱を介した上腕部にある長母指屈筋（ＦＰＬ）および長母指伸筋（ＥＰＬ）に相当する体表面に電極を取り付けておき、信号検出部２１は、安静時のＢＥＳを測定する。そして装着式手指動作支援装置１のサポートのみで母指の屈曲運動または伸展運動が可能か否かを確認する（サンプリング周波数：1,000〔Hz〕、増幅回数：200回）。この試験は、上肢に障害等の問題がない健康な男性を対象に５回実施した。

　なお、母指の屈曲運動については、手根中手関節（ＣＭ）を屈曲させるための短母指屈筋（ＦＰＢ）が手のひらに存在するが、今回は屈曲運動自体に電極が干渉するため、長母指屈筋（ＦＰＬ）の位置に電極を配置した。

　上述の実験結果として、図１２（Ｂ）に示すように、全ての試行で母指を手のひらに近づける屈伸運動が補助させることが可能であると確認された。図１３（Ａ）は、そのときのＢＥＳの代表的な例を示している。動作支援開始５秒後から10秒後までの５秒間の平均ＢＥＳを算出している。５試行の平均ＢＥＳの平均値は、安静時（1/3.3スケール）で0.0640±0.0442〔Ｖ〕である。そして、５回の試行における平均 ＢＥＳの平均値は、本装置による動作支援ありの場合（1/3.3.3 スケール）で 0.0562±0.00145 〔Ｖ〕である。図１３（Ｂ）は、装着式手指動作支援装置を用いることなく、母指を屈曲させた場合のＢＥＳの代表的な例を示している。

（６－３）母指の指先力測定実験
　本実施の形態による装着式手指動作支援装置１を用いて、装着者が0.5〔kg〕の物体を保持するための力である4.29〔Ｎ〕以上の支援力を発揮することが可能か否かを確認すべく、母指の屈曲方向のアシスト力を測定した。

　本装置のようなワイヤによる腱駆動系では、指関節軸からワイヤへの直角が大きくなると、指先に発生するモーメントとアシスト力が大きくなる。この装着式手指動作支援装置１では、母指を曲げると、指先端保持部１０および補助リング部１１の最小距離をワイヤが通過するため、母指の関節軸からワイヤへの直角が大きくなる。この力は、母指を伸ばしたときに最も弱くなる。

　このため図１４に示すように、装着式手指動作支援装置１を装着した装着者の左手を手のひらが接触するようにブロック材に乗せる。そして机の上に固定されたフォースゲージ（例えば、株式会社イマダ製の商品であるデジタルフォースゲージＺＰ-５００Ｎ）を用いて、伸展した母指の指先端保持部にワイヤ接続する。この状態で母指の屈曲方向に補助力を発生させて、そのときの力を５回測定した。

　上述の測定結果によれば、指先の力の平均は6.34±0.413〔Ｎ〕であり、すべての試行で4.29〔Ｎ〕以上の力を測定することが確認できた。

（６－４）把持動作実験
　母指の動きのみでの把持動作が可能であることを確認するために、装着者として脳卒中患者を想定し、当該装着者が手を握りしめた状態で左腕に装着式手指動作支援装置１を装着し、側方把持を行った。その際、装着式手指動作支援装置１は、装着者の母指の伸展・屈曲を補助させるようにした。また、把持対象は、鍵やペンのような細い円筒状のもの、筒状のものなど、細くて小さなものを選定した。

　実験結果を図１５（Ａ）～（Ｃ）に示す。図１５（Ａ）は、比較的細くて小さい鍵を把持した場合、図１５（Ｂ）は、比較的細長いペンを把持した場合、図１５（Ｃ）は、比較的細い筒状のものを把持した場合を示す。このように装着式手指動作支援装置１を用いて、装着者の母指の動きをアシストするだけで、比較的厚みの薄い物体を把持することが可能であることが確認された。

（７）把持動作補助および感覚機能補助の同時機能
（７－１）母指の動作補助
　図４および図５との対応部分に同一符号を付して示す図１６において、装着式手指動作支援装置５０は、上述した装着式手指動作支援装置１とは、指先端保持部（第１保持部材）１０および補助リング部（第２保持部材）１１の構造が異なるとともに、把持動作補助および感覚機能補助の同時機能を実行するための制御回路（後述する押圧推定部６０および感覚伝達部７０）が設けられていることを除いて、ほぼ同一構成からなる。

　指先端保持部（第１保持部材）５１には、装着者の母指の腹部が露出するように開口５１Ｘが形成されており、補助リング部（第２保持部材）５２には、母指の基節における掌側が露出するように開口５２Ｘが形成されている。

　この装着式手指動作支援装置では、指先端保持部５１および補助リング部５２にそれぞれ開口５１Ｘ、５２Ｘを形成したことにより、図１７に示すように、装着者の母指の屈曲運動または伸展運動のみならず、当該母指の対立運動または内転運動においても、常に母指の腹部が露出した状態のまま把持対象となる物体に直接接触することが可能となる。

　図１８に示すように、装着式手指動作支援装置５０において、指先端保持部５１および外部駆動ユニット２２に含まれるように、押圧力推定部６０が設けられている。押圧力推定部６０は、装着者が物体を把持する際、指先端保持部５１の開口５１Ｘを介した物体接触時における母指の腹部の変形状態に基づいて、当該母指の腹部への押圧力を推定するようになされている。

　押圧力推定部６０は、指先端保持部５１に設けられた一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂと、外部駆動ユニット２２に設けられた関係特性導出部６２および算出推定部６３とを有する。

　一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂは、図１９（Ａ）に示すように、装着時に母指の両側面と当接するように指先端保持部５１に設けられ、当該母指の両側面から印加される押圧力をそれぞれ検出する。例えば、感圧センサ６１Ａ、６１Ｂは、歪みゲージからなり、外力に応じた機械的歪み量を電気量に変換する。なお、後述するように指先端保持部５１には一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂのみならず、母指の背部側に加速度センサ８０が埋設されている。

　すなわち、図１９（Ｂ）に示すように、指先端保持部５１が装着された母指の指先が物体に接触した時点で当該物体への押圧力に対する反力が、母指の腹部に付勢されると当該母指の指先両側方向への変形力として、一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂへのセンサ面に印加される。

　関係特性導出部６２は、母指の腹部に対する複数レベルの印加荷重の実測値をそれぞれ測定しておき、当該実測値ごとに得られる一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの検出結果に基づいて、母指の腹部に加わる荷重と一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの検出結果との関係特性を導き出す。

　実際に、関係特性導出部６２による関係特性を導き出すために、物体接触時の指の水平方向変形に伴う側面の力の特性を計測する試験を実施した。この試験方法は、感圧センサ（歪みゲージ）６１Ａ、６１Ｂを装着した指を治具上に静置し、上から印荷装置（図示せず）を用いて１～６〔Ｎ〕の印加荷重を指先の腹部に加え、当該感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの出力値を３回ずつ計測する方法である。

　指腹への印加荷重と感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの出力との関係は、図２０に示すグラフで表される。感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの出力をｘ、指腹への印加荷重をｙとすると、次の（２）式および（３）式のような多項式からなる関係式にて推定可能であることが示された。

　なお、感圧センサ６１Ａ、６１Ｂについては、図２１に示すようなマイクロロードセル１００Ａを用いたキャリブレーション装置１００により、装着者個人ごとにセンサ出力値を校正するようになされている。

　続いて感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの計測性能評価試験を実施した。すなわち、感圧センサ６１Ａ、６１Ｂが指の腹を阻害することなく力を計測可能であることの基本性能を確認する試験を実施した。

　具体的には、試験者の示指の両側に一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂを装着した状態で、上述のキャリブレーション装置１００（図２１）を用いて、校正後に30秒間、ロードセル１００Ａに当該示指を押し当てる動作と離す動作とを交互に繰り返す。５回計測し、推定値とロードセル１００Ａの計測値との二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ：Root Mean Square Error）の平均を算出する。

　左右の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの出力値ｆ_Ｒ、f_Ｌと指先の力Ｆ_{ｆｉｎｇｅｒｔｉｐ}の関係式を、次式（３）および（４）のような多項式で表し、それぞれに対して５回計測を実施する。

　上述の式（３）および（４）において、ａ、ｂ、ｃ、dはそれぞれ実測値のプロット間をつなぐことにより得られる係数であり、例えば二次の多項式である式（３）は、式（１）のような具体的関係式として得ることができ、三次の多項式である式（４）は、式（２）のような具体的関係式として得ることができる。

　ここで、人間の指は１～２〔Ｎ〕の低荷重時とそれ以上の荷重時で柔らかさが変化することが知られているため、１～２〔Ｎ〕の範囲に変曲点をもつ三次の多項式の方が、指の性質をより良く表現することができ、誤差が小さくなると考えられる。

　実際に式（４）のような三次の多項式を用いた場合の指先の力を推定するグラフを図２２に示す。図２２のグラフは、横軸に時間〔ｓ〕を縦軸に指先の力〔Ｎ〕を表しており、ロードセル１００Ａの計測値である波形Ｆ１に対して、推定値である波形Ｆ２はほぼ同様の波形を示すことから、指先の力が推定可能であることがわかる。感圧センサ６１Ａ、６１Ｂは０～５〔Ｎ〕の指先の力に対して単調性を有するため、感覚フィードバックの情報として用いるには実用上十分である。

　なお、図２３に示すように、三次の多項式である式（４）において、推定値とロードセル１００Ａの計測値の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）の平均および標準誤差は、0.201±0.0382〔Ｎ〕であった。これに対して、二次の多項式である式（３）において、推定値とロードセル１００Ａの計測値の二乗平均平方根誤差（ＲＭＳＥ）の平均および標準誤差は、0.307±0.0270〔Ｎ〕であった。

　そして、算出推定部６３（図１８）は、関係特性導出部６２により算出された関係特性（上述の三次の多項式）に基づいて、物体接触時における母指の腹部への押圧力を算出して推定する。

　この結果、装着式手指動作支援装置５０では、装着者の母指の腹部を妨げることなく、把持対象である物体に当該腹部を直接接触させながら、当該物体に対する押圧力を計測することができる。

　このように装着者が母指の腹部で直接物体に接触押圧することで、物体形状に合わせた変形や滑りを防止する皮膚の機械的特性を阻害されることなく、当該物体に対する触力覚情報を取得することが可能となる。特に装着者が手指麻痺者の場合、母指の触力覚情報をもとにして把持動作補助を実現することが可能となるため非常に有用である。

　このように装着式手指動作支援装置５０では、装着者の母指の水平方向変形に伴う指側面の力を計測することにより、母指を用いた把持力を推定することが可能となる。

（７－２）母指の感覚伝達フィードバック
　この装着式手指動作支援装置５０には、さらに感覚伝達部７０が設けられ（図１８）、押圧力推定部６０の算出推定部６３により推定された押圧力を、装着者の母指の腹部への感覚としてフィードバック伝達させるようになされている。

　この感覚伝達部７０は、装着者の所定の体表（例えば非麻痺腕側の腕表面や肩表面）に対して物理的（力学的、電気的および熱的など）な刺激を与えるための端子群を有する刺激付与部７１を有する。

　また感覚伝達部７０は、伝達設定部７２および刺激制御部７３を有する。伝達設定部７２は、押圧力推定部６０の算出推定部６３から得られる母指の腹部への押圧力に応じて、装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンを設定する。刺激制御部７３は、伝達設定部７２による設定内容に従って、刺激付与部７１の端子群をそれぞれ制御する。

　この結果、装着式手指動作支援装置５０では、装着者が母指の腹部への押圧力に応じた刺激を所定の体表を介して感覚として認識することが可能となる。

　なお、刺激制御部７３には、刺激付与部７１による物理的な刺激の状態に応じた情報を表示する刺激情報表示部７４を設けるようにしてもよい。この刺激情報表示部７４は、伝達設定部７２による設定内容に応じて輝度が変化するＬＥＤ素子などから構成されている。これにより刺激付与部７１により装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンを刺激情報表示部７４を介して外部から視認することが可能となる。

（７－３）物体の剛軟度推定
　また装着式手指動作支援装置５０では、把持対象となる物体が硬くない柔軟なものである場合に、当該物体の剛軟度を推定することにより、母指の腹部への押圧力と同時に物体の剛難度も装着者にフィードバック伝達するようになされている。

　この装着式手指動作支援装置５０における押圧推定部６０には、さらに加速度センサ８０および剛軟度推定部８１が設けられる（図１８）。加速度センサ８０は、上述した図１９（Ａ）に示すように、装着時に母指の背部に位置するように指先端保持部５１に設けられ、当該母指の把持方向への加速度を検出する。

　また剛軟度推定部８１は、一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの検出結果と加速度センサ８０による検出結果とに基づいて、母指の腹部に接触する物体の剛軟度を推定する。

　感覚伝達部７０は、押圧力推定部６０の算出推定部６３により推定された押圧力を、剛軟度推定部８１により推定された物体の剛難度を併せた状態で、装着者の母指の腹部への感覚としてフィードバック伝達させる。

　このように装着式手指動作支援装置５０では、一対の感圧センサ６１Ａ、６１Ｂの検出開始タイミングから加速度センサ８０による母指の把持方向の加速度がどれだけ反応するか否かに応じて、母指の腹部に接触する物体の剛軟度を推定することが可能となる。

（７－４）母指を含む他の指も加えた把持動作補助
　さらに装着式手指動作支援装置５０は、装着者の母指以外の少なくとも１本以上の指（示指、中指、環指、小指）にも同様に適用されるようにしてもよい。

　図２４および図２５に示す装着式手指動作支援装置９０では、装着者の母指に加えて、示指および中指の指先にそれぞれ指先端保持部（第１保持部材）５１が装着されるとともに、当該指先端保持部からワイヤガイド９１を経由して指背側に沿って屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４が引き出されている。

　駆動制御部２４は、指先端保持部５１が装着される人差し指および中指の屈曲運動または伸展運動に必要な当該各指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、線材駆動部２０を制御して、当該運動に対応する屈曲用ワイヤＷ３または伸展用ワイヤＷ４を交互に引っ張りまたは弛緩させる。

　この結果、装着式手指動作支援装置９０では、装着車の母指以外の少なくとも１本以上の指にも、腹部の皮膚特性や感覚入力を阻害することなく、触力覚情報の取得および把持動作補助を行うシステムを構築することが可能となる。

　ここで、母指、示指および中指に指先端保持部５１の装着対象とする装着式手指動作支援装置９０を用いて、物体の把持力制御の性能を確認する試験を実施した。

　まず脱力した装着者の左手に装着式手指動作支援装置９０を装着した後、母指のみならず示指および中指について、上述したようなマイクロロードセル１００Ａを用いたキャリブレーション装置１００（図２１）により、感圧センサ６１Ａ、６１Ｂのセンサ出力値を校正する。

　そして図２６（Ａ）に示すように、円柱状物体ＣＯに対して把持動作支援を行い、10～15〔ｓ〕の把持力について目標把持力に対する誤差を算出する。図２６（Ｂ）に目標把持力３〔Ｎ〕の場合における時間と把持力との関係を表すグラフを示す。このグラフにおいて、装着者が物体を把持し始める開始５〔ｓ〕から把持状態が安定する10～15〔ｓ〕までの力を計測した。このグラフにおいて、点線Ｆ１である目標把持力に対して、計測把持力は実線Ｆ２にて表される。

　図２７（Ａ）に目標把持力に対する計測把持力の関係を示し、図２７（Ｂ）に目標把持力に対する誤差を示す。誤差の平均が標準偏差を含めて±0.11〔Ｎ〕の範囲内であることが確認できた。また、目標値に対する誤差の最大値は、目標把持力1.0〔Ｎ〕のとき4.81％であることが確認できた。

　このように目標値に対して５％の誤差を考慮しても、人間の把持力として必要最低限の力の約1.33倍の力を発揮できるため、物体を落下させない把持力の発揮が十分可能であることが確認できた。

　さらに、把持対象となる物体が異なる形状のものである場合、それぞれ設定した目標把持力で物体把持が可能であることと、把持対象の物体の形状に応じた把持が可能であることを確認する試験を実施した。

　試験方法としては、脱力した左手の装着式手指動作支援装置９０を装着した状態で、手指動作を補助するとともに、物体の把持、空中での維持および解放を行う。把持対象の物体の形状に応じて母指の内転と外転とを切り替えて把持を行う。５〔ｓ〕間、把持物体を空中に維持した場合に把持可能であったとみなす。

　図２８に示すように、把持対象として、500mlペットボトル（重量538〔ｇ〕）、内容入り魔法瓶（重量300〔ｇ〕）、上肢麻痺用スプーン（重量78〔ｇ〕）、テニスボール（重量58〔ｇ〕）、鍵（重量16〔ｇ〕）の５種類の物体を選定し、それぞれ目標把持力を4.5〔Ｎ〕、2.5〔Ｎ〕、1.0〔Ｎ〕、1.0〔Ｎ〕、1.0〔Ｎ〕と設定して試験を行った。

　試験結果は、図２９（Ａ）～（Ｅ）における目標把持力に対する計測把持力を比較するグラフとしてそれぞれ表された。各グラフから、把持対象が径の異なる円柱状物体や球状物体（母指を対立させて行う把持）と薄型物体（母指を内転させて行う把持）といずれも、目標把持力にて把持することが可能であることが実証された。

　このように装着式手指動作支援装置９０によれば、手指の屈曲および伸展運動に加えて、母指の内転および外転運動の補助も行い、様々な形状の物体を把持することが可能とすることが確認できた。

（８）他の実施の形態
　なお上述のように本実施の形態においては、装着式手指動作支援装置１として、装着者の母指の先端を包み込むように装着される指先端保持部１０と、母指の基節を巻回するように装着される補助リング部１１と、母指の根元および当該根元につながる手首を密着保持するように装着されるベルクロ（登録商標）グローブ１２の誘導接続部１３とを備える構成のものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、日常生活において対象物を把持する際に母指の自由度を妨げることなく母指運動をアシストすることができれば、その他種々の構成のものを適用するようにしてもよい。

　また本実施の形態においては、線材駆動部２０において、補助リング部１１を基点として引き出される対立移動用ワイヤＷ１および内転用ワイヤＷ２の延伸部分がそれぞれ第１プーリＰ１に固定接続される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、対立移動用ワイヤＷ１および内転用ワイヤＷ２は一続きの同一ワイヤから構成するようにしてもよい。

　同様に線材駆動部２０において、指先端保持部１０を基点として補助リング部１１を介して引き出される屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４の延伸部分がそれぞれ第２プーリＰ２に固定接続される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、屈曲用ワイヤＷ３および伸展用ワイヤＷ４は一続きの同一ワイヤから構成するようにしてもよい。

　１、５０、９０…装着式手指動作支援装置、１０、５１…指先端保持部、１１、５２…補助リング部、１２…ベルクロ（登録商標）グローブ、１３…誘導接続部、２０…線材駆動部、２０Ａ…第１アクチュエータ、２０Ｂ…第２アクチュエータ、２１…信号検出部、２２…外部駆動ユニット、２３…運動判定部、２４…駆動制御部、３０…第１スライド保持部、３１…第２スライド保持部、４０…多関節構造体、６０…押圧力推定部、６１Ａ、６１Ｂ…感圧センサ、６２…関係特性導出部、６３…算出推定部、７０…感覚伝達部、７１…刺激付与部、７２…伝達設定部、７３…刺激制御部、７４…刺激情報表示部、８０…加速度センサ、８１…剛軟度推定部、９１…ワイヤガイド、Ｗ１…対立移動用ワイヤ、Ｗ２…内転用ワイヤ、Ｗ３…屈曲用ワイヤ、Ｗ４…伸展用ワイヤ、ＰＴ…保護チューブ、Ｐ１…第１プーリ、Ｐ２…第２プーリ。

Claims (14)

1. 　装着者の母指の先端を包み込むように装着される第１保持部材と、
   　前記母指の基節を巻回するように装着される第２保持部材と、
   　前記母指の根元および当該根元につながる手首を密着保持するように装着される第３保持部材と、
   　一端が前記第１または第２保持部材のいずれかに固定され、前記母指の表面に沿って前記第３保持部材を中継してそれぞれ延伸された複数の線状部材と、
   　前記各線状部材の延伸部分を引っ張りまたは弛緩させるように駆動する線材駆動部と、
   　前記装着者の母指の内在筋および／または外在筋に相当する体表面に配置され、当該母指を動作させるための筋電位信号または生体信号を検出する信号検出部と、
   　前記信号検出部による検出結果に基づいて、前記装着者によって前記母指の対立運動、内転運動、屈曲運動または伸展運動のいずれかを判定する運動判定部と、
   　前記運動判定部により判定された運動に必要な前記母指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、前記線材駆動部を制御して当該運動に対応する前記各線材部材を引っ張りまたは弛緩させる駆動制御部と
   　を備えることを特徴とする装着式手指動作支援装置。
2. 　前記複数の線状部材は、前記第２保持部材に固定され、前記母指の基節から当該母指を含む手のひらにある母指対立筋および母指内転筋に沿った方向にそれぞれ前記第３保持部材を中継して引き出された対立移動用ワイヤおよび内転用ワイヤを有し、
   　前記信号検出部は、前記母指の内在筋のうち母指対立筋および母指内転筋に相当する体表面からの筋電位信号または生体信号を検出し、
   　前記運動判定部は、前記信号検出部による検出結果に基づいて、前記装着者によって前記母指の対立運動または内転運動を判定し、
   　前記駆動制御部は、前記運動判定部により判定された前記母指の対立運動または内転運動の開始タイミングに同期して、前記対立移動用ワイヤまたは前記内転用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように前記線材駆動部を制御する
   　ことを特徴とする請求項１に記載の装着式手指動作支援装置。
3. 　前記線材駆動部は、前記第１～第３保持部材と別体に設けられ、
   　前記第２保持部材を基点として引き出される前記対立移動用ワイヤおよび前記内転用ワイヤの延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第１プーリと、
   　前記第１プーリが出力軸に係合された第１アクチュエータと
   　を備え、前記第１アクチュエータの前記出力軸の回転力を、前記第１プーリを介して前記対立移動用ワイヤまたは前記内転用ワイヤに伝達させる
   　ことを特徴とする請求項２に記載の装着式手指動作支援装置。
4. 　前記線材駆動部は、前記第１プーリおよび前記第１アクチュエータを一体としてスライド自在に保持する第１スライド保持部を有し、
   　前記第１スライド保持部は、前記対立移動用ワイヤおよび前記内転用ワイヤがそれぞれ挿通される固定長チューブを介して前記第３保持部材と接続され、
   　前記第１スライド保持部に対して前記第１プーリおよび前記第１アクチュエータをスライドさせるようにして、前記第１および第２保持部材の間における前記対立移動用ワイヤおよび前記内転用ワイヤの長さを調整可能とする
   　ことを特徴とする請求項３に記載の装着式手指動作支援装置。
5. 　前記複数の線状部材は、前記第１保持部材に固定され、前記母指の先端から腹側および背側に沿った方向に前記第２保持部材を介してそれぞれ前記第３保持部材を中継して引き出された屈曲用ワイヤおよび伸展用ワイヤを有し、
   　前記信号検出部は、前記母指の外在筋のうち当該母指から腱を介した上腕部にある長母指屈筋および長母指伸筋に相当する体表面からの筋電位信号または生体信号を検出し、
   　前記運動判定部は、前記信号検出部による検出結果に基づいて、前記装着者によって前記母指の屈曲運動または伸展運動を判定し、
   　前記駆動制御部は、前記運動判定部により判定された前記母指の屈曲運動または伸展運動の開始タイミングに同期して、前記屈曲用ワイヤまたは前記伸展用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させるように前記線材駆動部を制御する
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の装着式手指動作支援装置。
6. 　前記線材駆動部は、前記第１～第３保持部材と別体に設けられ、
   　前記第１保持部材を基点として前記第２保持部材を介して引き出される前記屈曲用ワイヤおよび前記伸展用ワイヤの延伸部分がそれぞれ固定接続された所定径の第２プーリと、
   　前記第２プーリが出力軸に係合された第２アクチュエータと
   　を備え、前記第２アクチュエータの前記出力軸の回転力を、前記第２プーリを介して前記屈曲用ワイヤまたは前記伸展用ワイヤに伝達させる
   　ことを特徴とする請求項５に記載の装着式手指動作支援装置。
7. 　前記線材駆動部は、前記第２プーリおよび前記第２アクチュエータを一体としてスライド自在に保持する第２スライド保持部を有し、
   　前記第２スライド保持部は、前記屈曲用ワイヤおよび前記伸展用ワイヤがそれぞれ挿通される固定長チューブを介して前記第３保持部材と接続され、
   　前記第２スライド保持部に対して前記第２プーリおよび前記第２アクチュエータをスライドさせるようにして、前記第１および第２保持部材の間における前記屈曲用ワイヤおよび前記伸展用ワイヤの長さを調整可能とする
   　ことを特徴とする請求項６に記載の装着式手指動作支援装置。
8. 　直列するリンク同士が相対的に回転可能に連結され、全ての前記リンクが一体となって湾曲自在に変形可能な多関節構造体をさらに備え、
   　前記多関節構造体は、すべての前記各リンクの内部に前記伸展用ワイヤが挿通された状態で、当該伸展用ワイヤの一端が固定される前記第１保持部材から前記第２保持部材を経由して前記第３保持部材までに沿って設けられている
   　ことを特徴とする請求項７に記載の装着式手指動作支援装置。
9. 　前記多関節構造体は、前記各リンク同士が分離自在に連結され、所望数の前記リンクを挿入又は抜去することにより、先頭の前記リンクから後尾の前記リンクまでの長さが調整可能である
   　ことを特徴とする請求項８に記載の装着式手指動作支援装置。
10. 　前記第１保持部材は、前記装着者の母指の腹部が露出するように開口が形成され、
    　前記第１保持部材に設けられ、前記開口を介した物体接触時における前記母指の腹部の変形状態に基づいて、当該母指の腹部への押圧力を推定する押圧力推定部と、
    　前記押圧力推定部により推定された押圧力を、前記装着者の母指の腹部への感覚としてフィードバック伝達させる感覚伝達部と
    　を備えることを特徴とする請求項１から９までのいずれかに記載の装着式手指動作支援装置。
11. 　前記押圧力推定部は、
    　装着時に前記母指の両側面と当接するように前記第１保持部材に設けられ、当該母指の両側面から印加される押圧力をそれぞれ検出する一対の感圧センサと、
    　前記母指の腹部に対する複数レベルの印加荷重の実測値をそれぞれ測定しておき、当該実測値ごとに得られる前記一対の感圧センサの検出結果に基づいて、前記母指の腹部に加わる荷重と前記一対の感圧センサの検出結果との関係特性を導き出す関係特性導出部と、
    　前記関係特性導出部により算出された前記関係特性に基づいて、前記物体接触時における前記母指の腹部への押圧力を算出して推定する算出推定部と
    　を備えることを特徴とする請求項１０に記載の装着式手指動作支援装置。
12. 　前記感覚伝達部は、
    　前記装着者の所定の体表に対して物理的な刺激を与えるための端子群を有する刺激付与部と、
    　前記算出推定部から得られる前記母指の腹部への押圧力に応じて、前記装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンを設定する伝達設定部と、
    　前記伝達設定部による設定内容に従って、前記刺激付与部の端子群をそれぞれ制御する刺激制御部と
    　を備えることを特徴とする請求項１１に記載の装着式手指動作支援装置。
13. 　前記押圧力推定部は、
    　装着時に前記母指の背部に位置するように前記第１保持部材に設けられ、当該母指の把持方向への加速度を検出する加速度センサと、
    　前記一対の感圧センサの検出結果と前記加速度センサによる検出結果とに基づいて、前記母指の腹部に接触する前記物体の剛軟度を推定する剛軟度推定部とをさらに備え、
    　前記感覚伝達部における前記伝達設定部は、
    　前記算出推定部により推定された押圧力を、前記剛軟度推定部により推定された前記物体の剛難度を併せた状態で、前記装着者に伝達させる感覚の大きさおよび伝達パターンとして設定する
    　ことを特徴とする請求項１２に記載の装着式手指動作支援装置。
14. 　前記請求項５から１３までに記載の装着式手指動作支援装置は、前記装着者の母指以外の少なくとも１本以上の指（示指、中指、環指、小指）にも同様に適用され、
    　前記駆動制御部は、前記第１保持部材が装着される前記母指以外の各指の屈曲運動または伸展運動に必要な当該各指の内在筋および／または外在筋に補助力を発生させるように、前記線材駆動部を制御して当該運動に対応する前記屈曲用ワイヤまたは前記伸展用ワイヤを交互に引っ張りまたは弛緩させる
    　ことを特徴とする装着式手指動作支援装置。
     

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