JP2004329490A - 指運動機能回復支援具および指運動機能回復支援システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型で軽量で携帯可能であり、動きが自然な指運動機能回復支援具を提供する。
【解決手段】本発明の指運動機能回復支援具１は、訓練者の少なくとも手指を覆う指部８を有する断熱材からなるグローブ６と、指部８の外側の表面に指先に向かって延びるようにグローブ６に固定され、指部８の関節に対応する位置の伸曲角度を形状記憶させた細長い形状記憶材料からなり、指部８を屈曲するための第１アクチュエータ７ａと、指部８を伸長するための第２アクチュエータ７ｂとからなるアクチュエータ７とを備える。アクチュエータ７に電流を印加して、当該アクチュエータ７を伸曲させて指部８に所定の指運動を生じさせる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は指運動機能回復支援具および指運動機能回復支援システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、病気や事故等による後遺症で指等の関節可動範囲が縮小しまたは可動不能になり、物を掴むことができなくなった所謂身体的疾患者に対する指運動機能回復支援装置としては、次のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７９４６２号公報
【特許文献２】
特開２００１−４６４５０号公報
【特許文献３】
特開２００２−２２７０１５号公報
【０００４】
特許文献１には、訓練者の上肢（腕）を吊り下げ支持する上肢吊下支持装置を駆動装置により３次元方向に駆動して、上肢を標準動作軌道に沿って移動させて訓練する生体動作支援システムが開示されている。特許文献２には、手を覆う手袋に各指に沿うように形状記憶材料を設け、該形状記憶材料に通電して指を強制的に屈曲させる指の訓練用手袋が開示されている。特許文献３には、訓練者に装着される本体に、当該本体が手に装着された際に、手の指が曲げられた状態に維持する形状記憶板を設けた握力補助具が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の生体動作支援システムは、大掛かりな支持フレームや、直線駆動装置、回転駆動装置等、機械的に大規模な装置を使用しているので、これを指で物を掴む運動機能回復に適用すると、例えば大きい物から小さい物、固いものから柔かい物まで同じ力で強制的に掴まされることになり、訓練者が苦痛を伴うことがある一方、このような装置を日常生活に持ち込んで訓練するのは適していない。引用文献２の訓練用手袋は、形状記憶材料に通電をすることによって強制的に手指を屈曲運動させ、通電を停止することによって形状記憶材料を復帰させて手指を伸長運動させるので、特に伸長運動させる力が弱く、動きが不自然であるという問題がある。引用文献３の握力保持具は、握力が低下した高齢者等がゴルフクラブや鞄を握る際に握力を長時間維持するものであり、指の運動機能回復には適していない。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、小型で軽量で携帯可能であり、動きが自然な指運動機能回復支援具、および回復訓練が簡単かつ円滑に行なえる指運動機能回復支援システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の構成からなる手段を採用した。
【０００８】
本発明にかかる指運動機能回復支援具は、
訓練者の少なくとも手指を覆う指部を有する断熱材からなるグローブと、
指部の外側の表面に指先に向かって延びるように前記グローブに固定され、指部の関節に対応する位置の伸曲角度を形状記憶させた細長い形状記憶材料からなり、指部を屈曲するための第１アクチュエータと、指部を伸長するための第２アクチュエータとからなるアクチュエータとを備え、
前記アクチュエータに電流を印加して、当該アクチュエータを伸曲させて指部に所定の指運動を生じさせるものである。
【０００９】
前記アクチュエータは、指部の関節に対応する位置以外の場所で前記グローブに固定されている。
【００１０】
前記アクチュエータは、訓練者の指部の基端側から先端側に延びて、先端側で折り返して基端側に戻るように配設されている。
【００１１】
前記アクチュエータは、訓練者の手の甲部から爪部まで延びている。
【００１２】
また、本発明にかかる指運動機能回復支援システムは、
前記構成の指運動機能回復支援具と、
指部に所定の指運動をさせるための前記指運動機能回復支援具のアクチュエータへの電流印加パターンデータを記憶する記憶手段と、
該記憶手段に記憶した電流印加パターンで前記アクチュエータに印加する電流を制御する制御手段とからなるものである。
【００１３】
前記記憶手段で記憶する電流印加パターンデータは、予め用意した複数の物体のそれぞれを掴持するのに必要な前記アクチュエータへの電流印加パターンデータである。
【００１４】
指運動機能回復支援システムはさらに、
前記複数の物体のうち、訓練者が掴持しようとする物体の画像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段で撮像した画像と前記記憶手段で記憶した画像データとを比較し、当該撮像手段で撮像した画像と一致する画像データを選択する選択手段と、
該選択手段で選択された画像データを表示する表示手段と、
該表示手段で表示された画像データを見た訓練者が、当該画像データが自分が掴持しようとした物体であることを確認したことを検出する確認検出手段とを備え、
該確認検出手段が訓練者の確認を検出すると、前記制御手段が、当該画像データに対応する前記記憶手段に記憶した電流印加パターンで、前記アクチュエータに印加する電流を制御する。
【００１５】
前記確認検出手段は訓練者の瞬きを検出する瞬きセンサであり、該瞬きセンサは訓練者が装着する眼鏡形の支持部材に取り付けた。
【００１６】
前記撮像手段はＣＣＤカメラであり、該ＣＣＤカメラは訓練者の頭部に装着した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる指運動機能回復支援システムを使用して回復訓練を行なっている状況を示す。指運動機能回復支援システムは、指運動機能回復支援具１と、コントローラ２と、撮像手段であるＣＣＤカメラ３と、確認検出手段である瞬きセンサ４と、記憶手段、制御手段、表示手段および選択手段を構成するパーソナルコンピュータ５とからなっている。
【００１９】
指運動回復支援具１は、図２に示すように、訓練者の手にはめるグローブ６にアクチュエータ７を取り付けたものである。グローブ６は訓練者の５本の手指を覆う指部８を有し、アクチュエータ７の発熱による火傷を防止するために、アラミド繊維等からなる断熱材からなっている。なお、詳細には図示しないが、アクチュエータ７は断熱材からなる保護材で覆われている。
【００２０】
アクチュエータ７は、グローブ６の各指部８の外側の表面に指先に向かって延びるワイヤ状の形状記憶合金（ＳＭＡ）で形成されている。このアクチュエータ７は、図３に示すように、指部８を屈曲するための第１アクチュエータ７ａと、指部８を伸長するための第２アクチュエータ７ｂとからなっている。第１アクチュエータ７ａと第２アクチュエータ７ｂは、指部８の基端側から先端側に延びて、先端側で折り返して基端側に戻るように配設されている。第１アクチュエータ７ａは第２アクチュエータ７ｂの外側に配設されている。第１アクチュエータ７ａと第２アクチュエータ７ｂは、指部８の第１関節、第２関節、第３関節に対応する位置以外の場所で、絶縁性および断熱性に優れたバルサ材等からなるスペーサ９により一定間隔をおいて支持され、該スペーサ９をマジックテープ等の固定部材１０で前記グローブ６に固定することで取り付けられている。形状記憶合金はスペーサ９で完全に固定せずに、長手方向に多少スライドするようにし、屈曲時と伸長時の形状記憶合金のズレを吸収できるようになっている。
【００２１】
アクチュエータ７は、４５０℃で３０分焼入れした直径１ｍｍの形状記憶合金で、指部８の関節に対応する位置の伸曲角度を形状記憶させたもので、記憶伸曲角度の７０％〜８０％の回復力を有する。形状記憶合金は、Ｎｉ量５５．４５：Ｔｉ量４４．５５のＮｉ−Ｔｉ合金とした。指部８を屈曲させる第１アクチュエータ７ａは、人間の指関節の屈曲角度は９０度程度であるが、形状記憶合金の変形終了後の復元力が小さくなるので、各指関節の屈曲角度を１１０度に設定している。各屈曲点は指に力が入るようにするために曲率半径を大きくしている。また、指部８を伸長させる第２アクチュエータ７ｂは、直線で記憶させている。
【００２２】
コントローラ２は、図５に示すように、マイクロコンピュータ１１、リレー回路１２および電源１３を有する。マイクロコンピュータ１１は、瞬きセンサ４、パーソナルコンピュータ５からの信号に基づいてＣＣＤカメラ３、リレー回路１２を制御するようになっている。リレー回路１２および電源１３は、前記各指部８のアクチュエータ７に並列的に独立して電流を印加するものである。
【００２３】
ＣＣＤカメラ３は、訓練者が頭部に装着するヘッドギヤ１４に取り付けられ、訓練者が掴もうとする物体Ｓ１，Ｓ２を撮像することができるようになっている。ＣＣＤカメラ３はマイクロコンピュータ１１によって撮像タイミングが制御され、撮像された画像はパーソナルコンピュータ５に入力されて画像処理される。
【００２４】
瞬きセンサ４は、訓練者が装着する眼鏡形の支持部材１５に取り付けられ、発光素子や受光素子等からなるセンサ回路１６を有している。この瞬きセンサ４は、訓練者の瞳に向けて発光した光が目蓋で反射して受光するか否かで訓練者の瞬きによる意思確認を検出し、該意思確認検出信号をセンサ回路１６を経てマイクロコンピュータ１１に入力するようになっている。この瞬きセンサ４は、通常の無意識の瞬きは検出せず、意識的に行なった瞬きのみを検出する。
【００２５】
パーソナルコンピュータ５は、記憶手段であるＲＯＭ１７およびＲＡＭ１８、制御手段および選択手段である中央演算処理ユニット１９、表示手段であるディスプレイ２０からなっている。ＲＯＭ１７には、画像処理プログラムが格納され、ＲＡＭ１８には、回復訓練に使用する予め用意した複数の物体Ｓ１，Ｓ２等の画像データと、各物体Ｓ１，Ｓ２等のそれぞれを掴持するのに必要な前記アクチュエータ７への電流印加パターンデータとが関連させて格納されている。
【００２６】
次に、前記構成からなる本発明の指運動機能回復支援システムの動作について図６のフローチャートに従って説明する。
【００２７】
訓練者はまず、テーブルに置かれた物体Ｓ１，Ｓ２等のうち例えば物体Ｓ１を見てゆっくり瞬きをすることで、この物体Ｓ１を選択したという意思確認を行なう。
そうすると、マイクロコンピュータ１１は、ステップＳ１で瞬きセンサ４から物体を選択したとの意思確認信号を受けて、ステップＳ２でＣＣＤカメラ３に物体を撮像させる。撮像された物体の画像はパーソナルコンピュータ５に取り込まれる。パーソナルコンピュータ５は、ステップＳ３で、ＲＡＭ１８に格納された物体の画像データのうち、撮像された物体の画像と一致する画像データの候補テンプレートをパターンマッチング法により選択し、ステップＳ４で候補テンプレートをディスプレイ２０に表示し、その候補テンプレートの物体Ｓ１を掴むのに必要な電流印加パターンデータをマイクロコンピュータ１１に出力する。
【００２８】
ここで、訓練者は、ディスプレイ２０を見てゆっくり瞬きをすることで、表示された物体Ｓ１を今から掴むことの意思確認を行なう。
マイクロコンピュータ１１は、ステップＳ５で瞬きセンサ４からの意思確認信号を受けると、ステップＳ６でパーソナルコンピュータ５から出力された電流印加パターンで各指部８のリレー回路１２を並列に独立して駆動し、第１アクチュエータ７ａに電流を印加する。これにより、各指部８の第１アクチュエータ７ａが駆動し、訓練者は、図７（Ｂ）に示すように、物体Ｓ１を掴むことができる。
【００２９】
訓練者は、物体Ｓ１を掴んだ後、ゆっくり瞬きをすることで、物体Ｓ１を離すことの意思確認を行なう。
マイクロコンピュータ１１は、ステップＳ７で瞬きセンサ４から物体Ｓ１を離す意思確認信号を受けると、ステップＳ８で第１アクチュエータ７ａへの電流印加を停止するとともに、パーソナルコンピュータ５から出力された電流印加パターンでリレー回路１２を駆動し、第２アクチュエータ７ｂに電流を印加する。これにより、第２アクチュエータ７ｂが駆動し、訓練者は、図７（Ａ）に示すように、物体Ｓ１を離すことができる。
【００３０】
訓練者は、物体Ｓ１が離れると、ゆっくり瞬きをすることで、動作が終了したことの意思確認を行なう。
マイクロコンピュータ１１は、ステップＳ９で瞬きセンサ４から動作終了の意思確認信号を受けると、ステップＳ１０で第２アクチュエータ７ｂへの電流印加を停止し、動作を終了する。
【００３１】
訓練者は、訓練を終了するのであれば、そのまま終了し、訓練を継続するのであれば、次の例えば物体Ｓ２を選択する。次の物体Ｓ２に対する訓練は、ステップ１から同様のステップを繰り返す。
【００３２】
以上のように、訓練者が掴もうとする物体Ｓ１，Ｓ２等を選択するとき、掴むとき、離すとき、および訓練を終了するときに瞬きをすることによって制御系に対する意思確認のフィードバックを行なうので、訓練物と協調した指運動を行なうことができる。また、各指部８に対応するアクチュエータ７を独立して並列に制御することができるので、自然な動きで物体Ｓ１，Ｓ２等を掴んだり離すことができる。したがって、５指で物体Ｓ１，Ｓ２等を握る運動だけでなく、親指と人差し指の２指で摘む運動も可能である。
【００３３】
アクチュエータ７に印加する電流を大きくするほどアクチュエータ７の変形速度が速くなり、短時間で所定の変形量（屈曲角度）に達するが、電流を小さくすると、アクチュエータ７の変形速度が遅く、所定の変形量（屈曲角度）に達するのに長時間を要し、場合によっては所定の変形量に達しないことが発明者らの実験により、確認されている。したがって、アクチュエータ７に印加する電流印加パターンにおいて、電流の大きさ、電流を印加するタイミングおよび時間を適宜選択することで、掴む物体Ｓ１，Ｓ２等の形状や重量、固さ柔らかさに応じて、アクチュエータ７の屈曲角度や掴む力を変化させることができる。すなわち、物体Ｓ１，Ｓ２等の形状に応じた屈曲角度にプラスする角度を大きめにすれば掴む力が大きくなり、小さめにすれば掴む力を小さくすることができる。
【００３４】
前記実施形態では、意思確認手段として、瞬きセンサ４を用いたが、これに限らず、訓練者が操作することができる各種のセンサを用いることができる。勿論、片手が健全であれば、手で操作することができるスイッチを用いることができるし、脚で操作するスイッチも用いることもできる。
【００３５】
前記実施形態は、指運動機能として物体Ｓ１，Ｓ２等を掴む運動機能を支援するものであるが、本発明はこれに限らず、以下に示すような指運動機能を支援するのにも適用することができる。例えば、手の開閉運動として、手を同時に開いて閉じる運動、親指から順に閉じて小指から順に開く運動、親指から順に閉じて親指から順に開く運動、小指から順に閉じて親指から順に開く運動、小指から順に閉じて小指から順に開く運動等にも適用することができる。また、手のサインを作る運動として、人差し指と中指を立てるＶサインや、親指と人差し指を立てるサイン、人差し指のみを立てるサイン、ＯＫサイン、親指と小指を立てるサイン等、各種のサインを作る運動にも適用することができる。
【００３６】
また、本発明にかかる指運動機能回復支援具は、握手の運動を行なう義手としても使用することができる。また、身障者が物を掴んで移動するといった単純作業を支援するのにも使用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の指運動機能回復支援具によれば、訓練者の少なくとも手指を覆う指部を有する断熱材からなるグローブと、指部の外側の表面に指先に向かって延びるように前記グローブに固定され、指部の関節に対応する位置の伸曲角度を形状記憶させた細長い形状記憶材料からなるアクチュエータとを備え、アクチュエータに電流を印加して当該アクチュエータを伸曲させて指部に所定の指運動を生じさせるようにしたので、小型軽量で携帯可能であり、通院することなく家庭内で日常的に回復訓練が可能となる。また、アクチュエータは指部を屈曲するための第１アクチュエータと指部を伸長するための第２アクチュエータとからなるので、屈曲時だけでなく伸長時のアクチュエータの動作が迅速になり、自然な動きで指運動機能回復訓練を行なうことができる。
【００３８】
アクチュエータは、指部の関節に対応する位置以外の場所でグローブに固定されているので、アクチュエータの動きを確実に手指に伝えることができる。
【００３９】
アクチュエータは、訓練者の指部の基端側から先端側に延びて、先端側で折り返して基端側に戻るように配設されているので、アクチュエータに接続する配線が容易である。
【００４０】
アクチュエータは、訓練者の手の甲部から爪部まで延びているので、第１関節から第３関節まで、細かい指運動を行なうことができる。
【００４１】
本発明の指運動機能回復支援具によれば、指運動機能回復支援具と、指部に所定の指運動をさせるための指運動機能回復支援具のアクチュエータへの電流印加パターンデータを記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶した電流印加パターンでアクチュエータに印加する電流を制御する制御手段とからなるので、記憶手段と制御手段を構成するコンピュータ以外は、小型軽量で携帯可能であり、通院することなく家庭内で日常的に回復訓練が可能となる。
【００４２】
記憶手段で記憶する電流印加パターンデータは、予め用意した複数の物体のそれぞれを掴持するのに必要なアクチュエータへの電流印加パターンデータであるので、大きい物体から小さい物体、複雑な形状の物体から簡単な形状の物体、重い物体から軽い物体、固い物体から柔らかい物等、種々の物体を掴む訓練を経て指運動機能を回復させることができる。
【００４３】
本発明の指運動機能回復支援システムはさらに、複数の物体のうち訓練者が掴持しようとする物体の画像を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像した画像と記憶手段で記憶した画像データとを比較し、当該撮像手段で撮像した画像と一致する画像データを選択する選択手段と、該選択手段で選択された画像データを表示する表示手段と、該表示手段で表示された画像データを見た訓練者が、当該画像データが自分が掴持しようとした物体であることを確認したことを検出する確認検出手段とを備え、該確認検出手段が訓練者の確認を検出すると、制御手段が、当該画像データに対応する記憶手段に記憶した電流印加パターンで、アクチュエータに印加する電流を制御するようにしたので、訓練物が掴みたい物体の意思確認から、掴む離すの位置確認、訓練開始終了の意思確認等を行なうことができ、訓練者と強調した訓練動作を行なうことができる。
【００４４】
確認検出手段は訓練者の瞬きを検出する瞬きセンサであり、該瞬きセンサは訓練者が装着する眼鏡に取り付けたので、手指に疾患のある訓練物がスイッチを押す等の動作から解放され、単に瞬きをするだけで、意思確認を行なうことができ、疾患者の回復訓練が円滑になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる指運動機能回復支援システムを使用して回復訓練を行なっている状況を示す斜視図。
【図２】本発明にかかる指運動機能回復支援具の正面図。
【図３】アクチュエータの拡大正面図。
【図４】図２の指運動機能回復支援具の斜視図。
【図５】本発明にかかる指運動機能回復支援システムの構成を示すブロック図。
【図６】本発明にかかる指運動機能回復支援システムの動作を示すフローチャート。
【図７】図３のアクチュエータの伸長時（Ａ）および屈曲時（Ｂ）の状態を示す側面図。
【符号の説明】
１ 指運動機能回復支援具
２ コントローラ
３ ＣＣＤカメラ
４ 瞬きセンサ
５ パーソナルコンピュータ
６ グローブ
７ アクチュエータ
８ 指部
９ スペーサ
１０ 固定部材
１１ マイクロコンピュータ
１７ ＲＯＭ
１８ ＴＡＭ
１９ 中央演算処理ユニット
２０ ディスプレイ

Claims (9)

1. 訓練者の少なくとも手指を覆う指部を有する断熱材からなるグローブと、
   指部の外側の表面に指先に向かって延びるように前記グローブに固定され、指部の関節に対応する位置の伸曲角度を形状記憶させた細長い形状記憶材料からなり、指部を屈曲するための第１アクチュエータと、指部を伸長するための第２アクチュエータとからなるアクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータに電流を印加して、当該アクチュエータを伸曲させて指部に所定の指運動を生じさせることを特徴とする指運動機能回復支援具。
2. 前記アクチュエータは、指部の関節に対応する位置以外の場所で前記グローブに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の指運動機能回復支援具。
3. 前記アクチュエータは、訓練者の指部の基端側から先端側に延びて、先端側で折り返して基端側に戻るように配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の指運動機能回復支援具。
4. 前記アクチュエータは、訓練者の手の甲部から爪部まで延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の指運動機能回復支援具。
5. 前記請求項１から４のいずれかに記載の指運動機能回復支援具と、
   指部に所定の指運動をさせるための前記指運動機能回復支援具のアクチュエータへの電流印加パターンデータを記憶する記憶手段と、
   該記憶手段に記憶した電流印加パターンで前記アクチュエータに印加する電流を制御する制御手段とからなることを特徴とする指運動機能回復支援システム。
6. 前記記憶手段で記憶する電流印加パターンデータは、予め用意した複数の物体のそれぞれを掴持するのに必要な前記アクチュエータへの電流印加パターンデータであることを特徴とする請求項５に記載の指運動機能回復支援システム。
7. 前記指運動機能回復支援システムはさらに、
   前記複数の物体のうち訓練者が掴持しようとする物体の画像を撮像する撮像手段と、
   該撮像手段で撮像した画像と前記記憶手段で記憶した画像データとを比較し、当該撮像手段で撮像した画像と一致する画像データを選択する選択手段と、
   該選択手段で選択された画像データを表示する表示手段と、
   該表示手段で表示された画像データを見た訓練者が、当該画像データが自分が掴持しようとした物体であることを確認したことを検出する確認検出手段とを備え、
   該確認検出手段が訓練者の確認を検出すると、前記制御手段が、当該画像データに対応する前記記憶手段に記憶した電流印加パターンで、前記アクチュエータに印加する電流を制御することを特徴とする請求項６に記載の指運動機能回復支援システム。
8. 前記確認検出手段は訓練者の瞬きを検出する瞬きセンサであり、該瞬きセンサは訓練者が装着する眼鏡形の支持部材に取り付けたことを特徴とする請求項７に記載の指運動機能回復支援システム。
9. 前記撮像手段はＣＣＤカメラであり、該ＣＣＤカメラは訓練者の頭部に装着したことを特徴とする請求項７または８に記載の指運動機能回復支援システム。

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