リハビリテーション支援装置
【課題】急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供する。
【解決手段】ＦＭＡベースリンク３１１と、そのＦＭＡベースリンク３１１に基端が、指の第三指節に固定される第１指固定部３１５に先端がそれぞれ回動可能に連結されたＦＭＡ第１リンク３１２と、第１指固定部３１５にその基端が回動可能に連結されたＦＭＡ第２リンク３１３と、そのＦＭＡ第２リンク３１３の先端に基端が、指の第二指節に固定される第２指固定部３１６に先端がそれぞれ回動可能に連結されたＦＭＡ第３リンク３１４との４つのリンクからなるリンク機構、及びＦＭＡ第１リンク３１２及びＦＭＡ第２リンク３１３を第１指固定部３１５に対してそれぞれ回動させるモーター３１７により、患者の指の屈曲／伸展運動を支援する４指屈曲／伸展支援機構３１０を構成した。
【解決手段】ＦＭＡベースリンク３１１と、そのＦＭＡベースリンク３１１に基端が、指の第三指節に固定される第１指固定部３１５に先端がそれぞれ回動可能に連結されたＦＭＡ第１リンク３１２と、第１指固定部３１５にその基端が回動可能に連結されたＦＭＡ第２リンク３１３と、そのＦＭＡ第２リンク３１３の先端に基端が、指の第二指節に固定される第２指固定部３１６に先端がそれぞれ回動可能に連結されたＦＭＡ第３リンク３１４との４つのリンクからなるリンク機構、及びＦＭＡ第１リンク３１２及びＦＭＡ第２リンク３１３を第１指固定部３１５に対してそれぞれ回動させるモーター３１７により、患者の指の屈曲／伸展運動を支援する４指屈曲／伸展支援機構３１０を構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中などの脳外科系疾患や脊髄損傷などにより、人体の運動機能が著しく低下したり、麻痺などによって損なわれたりすることがある。通常、こうした運動機能の回復訓練は、リハビリテーション専門医や理学療法士などの専門的な技術を有する医療スタッフの在籍する医療施設で行われる。こうした医療施設では、患者の運動機能の回復状況に応じたリハビリテーションプログラムに沿って、最適なリハビリテーションを実施する。
【０００３】
こうした場合、患者は、リハビリテーションを受けるため、医療スタッフの常駐する専用の医療施設に通院する必要があり、またそのリハビリテーションには、専門の医療スタッフの補助が必要である。そのため、患者が１日に何回もリハビリテーションを受けることは難しく、運動機能の回復が遅れたり、回復し得なくなったりすることがある。したがって、患者が自宅において一人で手軽に、１日に何回でも、リハビリテーションを行うことを可能とするリハビリテーション支援装置の実用化が要望されている。
【０００４】
上肢運動、すなわち肩や肘、手首関節の運動を補助するリハビリテーション支援装置は、数多くの開発例があり、製品化もなされている。一方、手指の運動機能のリハビリテーション支援装置としては、５本の指の全ての関節を同時に屈曲、伸展させるＣＰＭ（持続的他動運動：Continuous Passive Motion ）装置しか製品化されていないのが現状である。ただし、こうしたＣＰＭ装置では、手指の運動と同時に、手首の屈曲、伸展や腕の内外転（捻り）といった運動を複合させるような複雑な運動の訓練までは行えない。一方、字を書いたり、箸でものを摘んだりといった日常動作には、各指の独立した動きと、それに協調した手首の運動が必要であり、患者の手指の運動機能を、日常生活に支障がないレベルまで回復させるには、個々の指、手首並びに腕の運動を、それぞれ独立して細やかに補助することが可能なリハビリテーション支援装置が必要となる。
【０００５】
ところで、脳卒中では、左右のいずれか一方の半身にのみ、運動機能の低下や喪失が現れることが多い。また手指の運動機能に損傷を受けた整形外科の患者でも、損傷は片側の腕のみで、もう一方の腕の運動機能は維持されているケースがほとんどである。
【０００６】
そこで従来、健側、すなわち正常な運動機能を有する半身側の運動をもとに、患側、すなわち運動機能が低下して機能回復訓練が必要な半身側の訓練運動を教示する、左右対称マスタースレーブ型の機能回復訓練装置が提案されている。こうした機能回復訓練装置としては、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載のものが知られている。
【０００７】
これら従来の機能回復訓練装置では、患側の指の屈曲／伸展運動の補助を行う指屈曲／伸展支援機構として、２つのモーターを用いた機構が採用されている。そして、それらモーターの一つにより、指の中手指節間関節の屈曲／伸展運動を、もう一つにより、指の近位指節間関節の屈曲／伸展運動を、それぞれ支援するようにしている。
【０００８】
なお、指の各部位の名称は、次の通りとなっている。拇指以外の４本の指、すなわち示指、中指、薬指及び小指は、３つの指節骨からなり、各指節骨の付け根部分にそれぞれ関節を有している。これら関節は、指の先端側から順に、遠位指節間関節（ＤＩＰ関節：distal interphalangeal joint）、近位指節間関節（ＰＩＰ関節：proximal interphalangeal joint）、中手指節間関節（ＭＰ関節：metacarpophalangeal joint ）と呼ばれている。また、これらの指のＤＩＰ関節よりも先端側の部分は第一指節と、ＤＩＰ関節からＰＩＰ関節までの部分は第二指節と、ＰＩＰ関節からＭＰ関節までの部分は第三指節と呼ばれている。
【０００９】
一方、拇指は、２つの指節骨からなり、それらの付け根部分にそれぞれ関節を有している。これらの関節は、指の先端側から順に、指節間関節（ＩＰ関節：interphalangeal joint ）、中手指節間関節（ＭＰ関節）と呼ばれている。なお、拇指の指節骨に繋がる、手のひら内の中手骨は、手首に位置する手根骨に対して可動となっており、手根骨と中手骨と間には、拇指手根中手関節（ＣＭ関節：trapeziometacarpal joint）と呼ばれる関節が存在している。なお、このＣＭ関節は、屈曲／伸展運動と内転／外転運動とを許容する２自由度の関節となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２６７２５４号公報
【特許文献２】特開２００８−０６７８５２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１９８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
こうした２つのモーターを備える指屈曲／伸展支援機構では、指のＭＰ関節とＰＩＰ関節とを、それぞれ個別に屈曲／伸展させることが可能である。一方、リハビリテーションプログラムは、単純な運動のリハビリテーションから開始され、運動機能の回復に応じて次第に複雑な運動のリハビリテーションへと進むように計画されている。そのため、リハビリテーションの初期段階では、ＭＰ関節とＰＩＰ関節とを個別に屈曲／伸展させるような巧緻な運動までは不要であり、上記従来の機能回復訓練装置に採用された指屈曲／伸展支援機構は、急性期患者のリハビリテーション用は、聊かオーバースペックなものとなっている。そしてそうした複雑な運動の実現が、モーター等の部品点数の増加を招き、装置を高価格とする要因となっている。
【００１２】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置において、前記患者の指の屈曲／伸展運動を支援する機構であって、前記患者の手を保持する手保持部材にその基端が回動可能に連結されたベースリンクと、前記ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第三指節に固定される第１指固定部にその先端が回動可能に連結される第１リンクと、前記第１指固定部にその基端が回動可能に連結された第２リンクと、前記第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第二指節に固定される第２指固定部がその先端に回動可能に連結された第３リンクと、前記第１指固定部に対して前記第１リンク及び前記第２リンクをそれぞれ回動させるモーターと、を有した指屈曲／伸展支援機構を備えている。
【００１４】
上記構成では、１つのモーターによって、指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（拇指の場合にはＩＰ関節）とが同時に屈曲／伸展されるようになる。そのため、１本の指にそれぞれ一つのモーターを設けるだけで、各指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（ＩＰ関節）の屈曲／伸展運動の支援が可能となり、装置の部品点数を抑えることができる。したがって、上記構成によれば、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することができる。
【００１５】
なお、上記のように構成された指屈曲／伸展支援機構では、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節／ＩＰ関節の屈曲／伸展に際してそれら関節の屈曲角度が不一致となる場合がある。これら関節の屈曲角度の一致を保証したい場合には、請求項２によるように、各リンクの連結位置が、前記第１指固定部の中心線を軸とする軸対称を維持するように指屈曲／伸展支援機構を構成すると良い。そうした指屈曲／伸展支援機構の具体的な構成態様としては、例えば請求項３によるように、手保持部材にその基端が回動可能に連結された、ベースリンクと同長の副ベースリンクと、その副ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結された、第１リンクと同長の副第１リンクと、第２リンクと同長の副第２リンクと、その副第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、第２指固定部にその先端が回動可能に連結された副第３リンクと、ベースリンクの先端と副ベースリンクの先端とを連結する第４リンクと、１リンクの先端と副第１リンクの先端とを連結する第５リンクと、第２リンクの基端と副第２リンクの基端とを連結する第６リンクと、第２リンクの先端と副第２リンクの先端とを連結する第７リンクと、を備えるとともに、第４、第５、第６及び第７リンクの長さを、手保持部材におけるベースリンクの連結位置から副ベースリンクの連結位置までの長さ、及び第２指固定部における第３リンクの連結位置から副第３リンクの連結位置までの長さと同じとすること、ベースリンクの長さと第３リンクの長さとが同じとされていること、第１リンクの長さと第２リンクの長さとが同じとされていること、第１指固定部の中心線からの回動角度が等しくなるように、第１指固定部に対して第５リンク及び第６リンクを前記モーターが回動させること、を満すものなどが考えられる。
【００１６】
一方、こうしたリハビリテーション支援装置は、患者の体格や姿勢に応じて、手保持部材の床面からの高さを調整可能とすることが望ましい。そうした高さの調整は、先端に手保持部材が設けられたアームと、そのアームを上下方向に回動可能に支持する支持部とを備える腕支持機構を設けることで行うことができる。
【００１７】
こうした腕支持機構において、手保持部材の高さ調整の都度、アームの回動軸を固定しないのであれば、アーム自身や手保持部材、患者の手指等の重量に抗するだけの補償トルクをアームの回転軸に付与する必要がある。こうした補償トルクの付与は、例えば、支持部にその一端が固定された引張ばねと、アームの回動軸に固定されるとともに、位置により外径が変化する外周を有した偏心カムと、引張ばねの自由端と偏心カムとを連結し、かつその一部が偏心カムの外周に巻き掛けられたワイヤーと、を設けることで行うことができる。すなわち、引張ばねのばね力がアームの上方への回動方向に作用するように、引張ばねと偏心カムとをワイヤーを介して連結すれば、引張ばねのばね力により、手保持部材を上昇させる側にアームを回動させる方向のトルクを、すなわち支持する部材等の重量に抗するための補償トルクをアームの回転軸に付与することができる。
【００１８】
ただし、こうした場合にも、アームの回動角度によってカムに対するワイヤーの巻き掛け長が変化して、その分、引張ばねの伸び量が変化するようになる。そしてその結果、アームの回動角度に応じてその回転軸に付与される補償トルクの大きさが変化してしまうようになる。その点、請求項４によるように、アームの回動軸を中心とした外周の外径が位置により変化する偏心カムを用いれば、アームの回動角度の変化に伴う引張ばねの伸び量の変化を、ひいてはアームの回動軸に付与される補償トルクの変化を抑えることが可能となる。
【００１９】
ちなみに、請求項５によるように、偏心カムの取付時の初期角度を「θ０」、アームに付与する補償トルクを「τ」、引張ばねのばね定数を「Ｋ」としたとき、偏心カムのカム角度が「θ」となる位置の偏心カムの外周の前記アームの回動軸中心の外径「ｒ（θ）」が下式（２）となるように偏心カムを形成すれば、アームの回動角度に拘わらず、補償トルクを一定とすることができる。
【００２０】
【数２】
また、上述の指屈曲／伸展支援機構による各指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（ＩＰ関節）の屈曲／伸展運動の支援では、指に加えられる負荷を計測し、その計測結果に基づいてモーターの出力制御を行うことが望ましい。そうした場合の負荷の計測は、例えば請求項６によるような、モーターの回転軸の周りに配設されて、同モーターの本体に固定される部分と、同モーターにより回動される部材に固定される部分とを有する略環状のフレームと、そのフレームのモーターの本体に固定される部分と同モーターにより回動される部分とを繋ぐ部分に貼り付けられた歪みゲージと、を有したトルクセンサーを備えることで行うことができる。
【００２１】
また、請求項７によるように、指屈曲／伸展支援機構の基部に一体回転可能に連結され、かつ手保持部材に回動可能に軸支されたピニオンと、手保持部材に往復直線動可能に設置されたガイドに設けられたラックと、により構成されたラック・アンド・ピニオン機構と、手保持部材に対してガイドを往復直線動させる内転／外転用のモーターと、を備えれば、指の内転／外転運動の支援を行うことが可能となる。また請求項８によるように、ラック・アンド・ピニオン機構を、示指、薬指及び小指の指屈曲／伸展支援機構に設けるとともに、手保持部材に対するガイドの直線運動に対しての示指用のピニオンの回転方向が、薬指及び小指用のピニオンの回転方向と逆となるようにすれば、１つのモーターのみにより、指先を広げたり、狭めたりするように、４指の内転／外転運動を連動して行わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るリハビリテーション支援装置の全体構造を示す斜視図。
【図２】同リハビリテーション支援装置における患者の手指の装着態様を示す斜視図。
【図３】同リハビリテーション支援装置の腕支持機構に設けられた保障トルク発生に係る機構の構成を模式的に示す略図。
【図４】同リハビリテーション支援装置の腕支持機構に設けられた偏心カムの形状を示す斜視図。
【図５】同リハビリテーション支援装置の手支援機構の構成を示す斜視図。
【図６】同手支援機構の回内／回外運動支援部の構成を示す斜視図。
【図７】同手支援機構の掌屈／背屈運動支援部の構成を示す斜視図。
【図８】同リハビリテーション支援装置の４指屈曲／伸展支援機構の構成を示す斜視図。
【図９】同４指屈曲／伸展支援機構の構成を、一部を透過して示す斜視図。
【図１０】同４指屈曲／伸展支援機構の構成をモデル化して示した略図。
【図１１】同リハビリテーション支援装置の４指内転／外転支援機構の構成を示す斜視図。
【図１２】同リハビリテーション支援装置の拇指支援機構の構成を示す斜視図。
【図１３】同リハビリテーション支援装置の拇指支援機構の構成を示す斜視図。
【図１４】同リハビリテーション支援装置のトルクセンサーの設置態様を示す斜視図。
【図１５】同トルクセンサーの構成を示す平面図。
【図１６】表側から見たときの同トルクセンサーの正面側から見た斜視構造を示す斜視図。
【図１７】裏側から見たときの同トルクセンサーの背面側から見た斜視構造を示す斜視図。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係るリハビリテーション支援装置の４指屈曲／伸展支援機構の構成を示す平面図。
【図１９】同４指屈曲／伸展支援機構の駆動部の構成を模式的に示す斜視図。
【図２０】同４指屈曲／伸展支援機構をモデル化して示した略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施の形態）
以下、本発明のリハビリテーション支援装置を具体化した第１の実施の形態を、図１〜図１５を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態のリハビリテーション支援装置は、手指の運動機能障害の発症後の早期段階におけるリハビリテーションでの使用を想定したものとなっている。このリハビリテーション支援装置は、健側の手指に装着された計測グローブにより計測された健側の手指の各部の動きをトレースするように患側の手指の各部を動作させる、左右対称マスタースレーブ型の機能回復訓練装置として構成されている。そして本実施の形態のリハビリテーション支援システムは、次の特徴を有したものとなっている。
・患者の手指のリハビリテーション支援を行う手指支援機構の位置及び姿勢を任意に調整可能な腕支持機構を備えており、ベッド上での使用も可能である。
・拇指の屈曲／伸展運動、拇指の内転／外転運動、拇指以外の４指の屈曲／伸展運動、同４指の内転／外転運動、手首の掌屈／背屈運動、及び手首の回内／回外運動のリハビリテーションの支援が可能である。
・指に作用する負荷を計測するトルクセンサーを備える。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態のリハビリテーション支援装置は、当該支援装置の土台となる台座１０と、その台座１０上に設けられた腕支持機構２０と、その腕支持機構２０に支持された手指支援機構１００とを備えている。こうしたリハビリテーション支援装置は、図２に示されるように、運動機能の回復訓練を行う患者の手指Ｈをその手指支援機構１００に保持した状態で使用される。
【００２５】
なお、台座１０の下面には、キャスター１１が取り付けられ、台座１０の上面には、装置の移動時に掴み手となるハンドル１２が取り付けられている。
＜腕支持機構＞
次に、こうした台座１０上に設けられた腕支持機構２０の詳細を、図１〜図４を併せ参照して説明する。
【００２６】
図１及び図２に示すように、台座１０の上面には、腕支持機構２０の基部２１が固定されている。基部２１には、中空円筒形状の支持柱２２が、鉛直方向に伸びる自身の中心軸を中心として回動可能に支持されている。支持柱２２には、アーム２５が取り付けられている。アーム２５は、アーム第１リンク２３と、そのアーム第１リンク２３の先端に連結されたアーム第２リンク２４の２つのリンクによって構成されている。
【００２７】
アーム第１リンク２３は、長さの等しい、上下２つのリンク部材、すなわちアーム第１リンク部材２６とアーム第２リンク部材２７とを備えている。アーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７はそれらの基端において、支持柱２２の側周にそれぞれ連結されている。これらアーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７の先端には、アーム第３リンク部材４３の上端及び下端がそれぞれ回動可能に連結されている。アーム第３リンク部材４３におけるアーム第１リンク部材２６の連結位置からアーム第２リンク部材２７の連結位置までの距離は、支持柱２２の側周におけるアーム第１リンク部材２６の連結位置からアーム第２リンク部材２７の連結位置までの距離と等しくされている。そのため、アーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７は、それらの回動に拘わらず、互いの平行が維持されるようになっている。
【００２８】
こうしたアーム第１リンク２３の先端部には、アーム第２リンク２４が連結されている。アーム第２リンク２４は、アーム第１リンク２３に固定された第１軸部材３０を備えている。第１軸部材３０の上端及び下端には、アーム第４リンク部材３２及びアーム第５リンク部材３３が、第１軸部材３０の中心を通る鉛直方向の軸を中心として回動可能にそれぞれ連結されている。アーム第４リンク部材３２及びアーム第５リンク部材３３は、互いに平行に配設され、それらの先端には、第２軸部材４５の上端及び下端がそれぞれ固定されている。そして第２軸部材４５の下端には、回動可能に軸支された状態で手指支援機構１００が取り付けられている。
【００２９】
なお、腕支持機構２０には、そのアーム２５の先端に支持された手指支援機構１００等の自重に抗して、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動角度を保持するための機構が設けられている。図３に示すように、この機構は、支持柱２２の内部に設置された引張ばね３６、アーム第１リンク部材２６の基端に固定された偏心カム３８等により構成されている。
【００３０】
引張ばね３６は、支持柱２２の内部において、その自然長よりも伸長した状態で配設されている。引張ばね３６の上端の固定位置は、支持柱２２の上端に設けられた可変ノブ４０を回転することで上下に変位されるようになっている。引張ばね３６の下端には、ワイヤー４１が連結されており、このワイヤー４１は、支持柱２２の下部に設けられた滑車３７を介して偏心カム３８に連結されている。
【００３１】
図４に示すように、偏心カム３８は、ワイヤー４１が巻き掛けられる外周４２を有した略扇型形状に形成されている。この外周４２は、その外径、すなわちアーム第１リンク部材２６の回動軸Ａ１から外周４２までの距離が、位置により変化するように形成されている。
【００３２】
次に、以上のように構成された腕支持機構２０の動作を説明する。この腕支持機構２０では、支持柱２２に対してアーム第１リンク２３が上下方向に回動すると、アーム第２リンク２４の先端に設けられた手指支援機構１００が上下に変位される。またアーム第１リンク２３の先端部に設けられた第１軸部材３０に対してアーム第２リンク２４が回動すると、手指支援機構１００が水平方向に変位される。このようにこの腕支持機構２０は、アーム２５を動かすことで、手指支援機構１００の位置及び姿勢を任意に調整可能となっている。
【００３３】
なお、偏心カム３８の外周４２に巻き掛けられたワイヤー４１は、引張ばね３６のばね力で引かれており、偏心カム３８が固定されたアーム第１リンク部材２６の基端には、そうしたワイヤー４１の張力に由来する、トルクが作用している。このトルクは、アーム第１リンク部材２６を上方に回動させる方向に作用し、手指支援機構１００等の自重に抗して、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動角度を保持するための補償トルクとなる。
【００３４】
アーム第１リンク部材２６が上下方向に回動されると、偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け長が変化するようになる。ここで、偏心カム３８の外周４２の外径が一定であれば、巻き掛け長の変化分、引張ばね３６の伸び量が変化して、アーム２５に付与される補償トルクの大きさが変化してしまう。その点、本実施の形態では、外周４２の外径が位置により変化する偏心カム３８を採用することで、アーム第１リンク部材２６の回動角度によらず、補償トルクを一定に保っている。
【００３５】
ちなみに、補償トルクを一定に保つには、偏心カム３８のカム角度が「θ」となる位置の外周４２のアーム回動軸中心の外径ｒ（θ）が下式（３）となるように、偏心カム３８を形成する必要がある。下式（３）において、「θ０」は、偏心カム３８の取付時の初期角度を、「τ」は、アーム２５に付与する補償トルクを、「Ｋ」は、引張ばね３６のばね定数をそれぞれ示している。なお、偏心カム３８の取付時の初期角度とは、アーム第１リンク部材２６の回動角度が初期角度にあるときの偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け開始位置Ｏから巻き掛け終了位置Ｐまでのアーム回動軸中心の角度を示している。ちなみに、ここでは、アーム第１リンク部材２６が水平となっているときの同アーム第１リンク部材２６の回動角度を初期角度としている。また、偏心カム３８のカム角度θは、アーム第１リンク部材２６の回動角度が初期角度にあるときの偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け終了位置Ｐからのアーム回動軸中心の角度を示している。
【００３６】
【数３】
なお、この腕支持機構２０では、支持柱２２の上端に設けられた可変ノブ４０を回転して引張ばね３６の固定端の位置を上下に変位させて引張ばね３６の伸び量を変更することで、補償トルクτの大きさを任意に調整可能となっている。
【００３７】
＜手指支援機構＞
次に、こうした腕支持機構２０によって変位可能に支持された手指支援機構１００の詳細を、図５を参照して説明する。
【００３８】
図５に示すように、手指支援機構１００は、患者の手首の回内／回外運動、及びその掌屈／背屈運動を支援する手支援機構２００、拇指以外の４指の屈曲／伸展運動、及びそれらの内転／外転運動を支援する４指支援機構３００、患者の拇指の屈曲／伸展運動、及びその内転／外転運動を支援する拇指支援機構４００を備えている。なお、患者の手は、手指支援機構１００を通して挿入した後、４指支援機構３００に拇指以外の４指を、拇指支援機構４００に拇指をそれぞれ固定することで、手指支援機構１００に保持される。
【００３９】
＜手支援機構＞
ここでは、まず手支援機構２００の詳細を、図６及び図７を参照して説明する。手支援機構２００は、図６に示す回内／回外運動支援部２１０と、図７に示す掌屈／背屈運動支援部２５０とを備えている。
【００４０】
図６に示すように、回内／回外運動支援部２１０は、アーム２５の先端の第２軸部材４５の基端に連結されるフレーム２１１を備えている。フレーム２１１には、半円環形状のリング２１２がその中心軸Ａ２回りに回動可能に取り付けられている。なお、図６では、省略されているが、リング２１２の内周には、クッションとなる緩衝材が取り付けられている。
【００４１】
リング２１２の外周には、２連の歯車２１３が取り付けられている。またフレーム２１１のリング２１２の側方には、モーター２１４が固定されており、その回転軸には、リング２１２の外周の２連の歯車２１３にそれぞれ噛み合わされる２連の歯車２１５が固定されている。
【００４２】
一方、図７に示すように、掌屈／背屈運動支援部２５０には、基部２５２と、その基部２５２の両端より前方（図中右下方向）に突き出した２つのアーム部２５３とからなる、略コの字型の手支援機構第１リンク２５１が設けられている。この手支援機構第１リンク２５１は、その基部２５２において回内／回外運動支援部２１０のリング２１２に固定されている。
【００４３】
手支援機構第１リンク２５１の２つのアーム部２５３の先端には、手支援機構第２リンク２５４が、回動可能に連結されている。手支援機構第２リンク２５４は、アーム部２５３の先端にその基端がそれぞれ連結される２つのアーム部２５５と、それら２つのアーム部２５５の先端にその両端がそれぞれ固定された取付部２５６とからなる、略コの字型に形成されている。なお、取付部２５６には、上述の４指支援機構３００と拇指支援機構４００（図７では図示略）とがそれぞれ取り付けられる。また、取付部２５６には、患者の手の甲が押し当てられるパッド２６０が設置されている。
【００４４】
こうした手支援機構第２リンク２５４のアーム部２５５の一方には、モーター２５７がその先端に固定されている。このモーター２５７の回転軸には、傘歯歯車２５８が固定されている。そしてその傘歯歯車２５８は、手支援機構第１リンク２５１のアーム部２５３の一方の先端に固定された傘歯歯車２５９に噛み合わされている。
【００４５】
次に、以上のように構成された手支援機構２００の動作を説明する。こうした手支援機構２００において、患者の手は、回内／回外運動支援部２１０のリング２１２を通して挿入され、掌屈／背屈運動支援部２５０の手支援機構第２リンク２５４に取り付けられた拇指支援機構４００にその拇指を、４指支援機構３００にその４指をそれぞれ固定することで、手支援機構第２リンク２５４に保持される。
【００４６】
ここで、回内／回外運動支援部２１０のモーター２１４が回転されると、そのフレーム２１１に対してリング２１２がその中心軸Ａ２回りに回動し、そのリング２１２と共に掌屈／背屈運動支援部２５０が回動される。そしてそれにより、掌屈／背屈運動支援部２５０の手支援機構第２リンク２５４にその手が保持された患者の手首が回内／回外運動されるようになる。
【００４７】
一方、掌屈／背屈運動支援部２５０のモーター２５７が回転されると、手支援機構第１リンク２５１に対して手支援機構第２リンク２５４が軸Ａ３回りに回動される。そしてこれにより、手支援機構第１リンク２５１が固定された回内／回外運動支援部２１０のリング２１２に通された患者の腕に対して、手支援機構第２リンク２５４に保持された患者の手がその甲側、あるいは手のひら側に屈曲され、患者の手首が掌屈／背屈運動されるようになる。
【００４８】
＜４指支援機構＞
続いて、４指支援機構３００の詳細を説明する。４指支援機構３００は、拇指以外の４つの指、すなわち示指、中指、薬指及び小指の屈曲／伸展運動を支援する４指屈曲／伸展支援機構３１０と、それら４指の内転／外転運動を支援する４指内転／外転支援機構３５０とを備えている。なお、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、上記４指に対してそれぞれ一つずつ設けられている。
【００４９】
＜４指屈曲／伸展支援機構＞
ここではまず、４指屈曲／伸展支援機構（ＦＭＡ機構）３１０の詳細を、図８〜図１０を参照して説明する。
【００５０】
図８に示すように、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、ＦＭＡベースリンク３１１、ＦＭＡ第１リンク３１２、ＦＭＡ第２リンク３１３、及びＦＭＡ第３リンク３１４の４つのリンクからなるリンク機構を有している。ＦＭＡベースリンク３１１の基端は、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４に回動可能に連結され、またその先端には、ＦＭＡ第１リンク３１２の基端が回動可能に連結されている。そうしたＦＭＡ第１リンク３１２の先端には、指の第三指節に固定される第１指固定部３１５が回動可能に連結され、またその第１指固定部３１５には、ＦＭＡ第２リンク３１３の基端が回動可能に連結されている。そして更に、ＦＭＡ第２リンク３１３の先端には、ＦＭＡ第３リンク３１４の基端が回動可能に連結され、またそのＦＭＡ第３リンク３１４の先端には、指の第二指節に固定される第２指固定部３１６が回動可能に連結されている。
【００５１】
第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６には、指の第三指節及び第二指節にそれぞれ巻き掛けられるバンド状の固定具がそれぞれ取り付けられる。第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６には磁石が設けられ、固定具に設けられた鉄片がこの磁石に吸着することで、第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６への固定具の取付けが行われる。
【００５２】
一方、図９に示すように、ＦＭＡ第１リンク３１２には、モーター３１７が取り付けられている。このモーター３１７の回転軸には、ＦＭＡ第１歯車３１８が固定され、そのＦＭＡ第１歯車３１８は、ＦＭＡ第１リンク３１２の先端に固定されたＦＭＡ第２歯車３１９に噛み合わされている。そしてそのＦＭＡ第２歯車３１９は、ＦＭＡ第２リンク３１３の基端に固定されたＦＭＡ第３歯車３２０に噛み合わされている。
【００５３】
続いて、以上のように構成された４指屈曲／伸展支援機構３１０の動作を説明する。
４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７が回転されると、その回転軸に設けられたＦＭＡ第１歯車３１８を介して、ＦＭＡ第１リンク３１２の先端に固定されたＦＭＡ第２歯車３１９が回転される。そしてその回転により、ＦＭＡ第１リンク３１２が、第１指固定部３１５に対して、その先端の回転軸回りに回動されるようになる。
【００５４】
またＦＭＡ第２歯車３１９が回転されると、これに噛み合されたＦＭＡ第３歯車３２０も回転するようになる。そしてそのＦＭＡ第３歯車３２０がその基端に固定されたＦＭＡ第２リンク３１３が、第１指固定部３１５に対して、その基端の回動軸回りに回動されるようになる。そして、こうしたＦＭＡ第１リンク３１２及びＦＭＡ第２リンク３１３の回動により、指のＭＰ関節及びＰＩＰ関節が屈曲／伸展運動される。
【００５５】
図１０は、４指屈曲／伸展支援機構３１０及びこれに装着される指をモデル化して示したものである。同図に示すように、指は、手のひら３３０側から順に、ＭＰ関節３３１、ＰＩＰ関節３３２、ＤＩＰ関節３３３の３つの関節を備えている。そして指は、ＤＩＰ関節３３３よりも先の第一指節３３４、ＤＩＰ関節３３３とＰＩＰ関節３３２との間の第二指節３３５、ＰＩＰ関節３３２とＭＰ関節３３１との間の第三指節３３６の３つの指節によって構成されている。
【００５６】
ここで、ＭＰ関節３３１の屈曲角度θＭＰは、下式（４）により計算される。
【００５７】
【数４】
なお、上式（４）における「Ａ」は下式（５）により、また上式（４）における「Ｂ」は下式（６）によりそれぞれ求められる。
【００５８】
【数５】
更に、上式（４）における「Ｌ１」は、下式（７）により算出され、上式（４）における「φ１」は、下式（８）により算出される。
【００５９】
【数６】
一方、ＦＭＡ第３歯車３２０の回転角度θ１とＦＭＡ第２歯車３１９の回転角度θ２との間には、下式（９）の関係が成立する。なお、「θ２０」は、これら歯車の初期取付角度である。
【００６０】
【数７】
一方、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、第１指固定部３１５を軸として軸対称となっており、ＦＭＡ第３歯車３２０の回転角度θ２とＰＩＰ関節３３２の屈曲角度θＰＩＰとの間にも同様の幾何学的関係が成立する。また、ＦＭＡ第２歯車３１９の回転角度θ１は、ＦＭＡ第１歯車３１８との減速比からモーター３１７の回転軸の回転角度から計測することができる。そのため、モーター３１７の回転軸の回転角度を制御することで、ＭＰ関節３３１及びＰＩＰ関節３３２の屈曲角度を任意に制御することが可能となる。
【００６１】
＜４指内転／外転支援機構＞
続いて、４指内転／外転支援機構３５０の詳細を、図１１を参照して説明する。
図１１に示すように、４指内転／外転支援機構３５０は、ガイド３５１を備えている。このガイド３５１は、上述した手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に、指先方向及びその逆方向に進退可能に取り付けられている。ガイド３５１の図中右側の端には、回転を直線の動きに変換するラック・アンド・ピニオン機構のラック３５２が固定され、そのラック３５２には、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に回転可能に連結された、上記ラック・アンド・ピニオン機構のピニオン３５４が噛み合わされている。このピニオン３５４は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に設けられたモーター３５３により回転される。
【００６２】
一方、ガイド３５１には、更に３つのラック３５５，３５６，３５７が固定されている。これらのうち、図中最右側に配設されたラック３５５には、小指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８の基端に固定されたピニオン３５９が噛み合わされている。図中におけるその左隣りに配設されたラック３５６には、薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３６０の基端に固定されたピニオン３６１が噛み合わされている。更に、ガイド３５１の残りのラック３５７には、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の基端に固定されたピニオン３６３が噛み合わされている。各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２の基端及び各ピニオン３５９，３６１，３６３は、それらピニオン３５９，３６１，３６３の回転軸回りに回動可能に手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に軸支されている。なお、小指及び薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０の基端に固定されたピニオン３５９，３６１に噛み合わされたラック３５５，３５６には、その図中左側に歯が設けられている。これに対して、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の基端に固定されたピニオン３６３に噛み合わされたラック３５７には、その図中右側に歯が設けられている。ちなみに、中指用の４指屈曲／伸展支援機構３６４の基端は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に回動不能に固定されている。
【００６３】
次に、以上のように構成された４指内転／外転支援機構３５０の動作を説明する。
手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に設けられたピニオン３５４がモーター３５３により回転されると、そのピニオン３５４とラック３５２とによりその回転が直線運動に変換され、ラック３５２が固定されたガイド３５１が指先方向又はその逆方向に前進又は後退する。
【００６４】
こうしてガイド３５１が移動すると、そのガイド３５１に設けられた３つのラック３５５，３５６，３５７にそれぞれ噛み合わされた３つのピニオン３５９，３６１，３６３が回動して、それらが固定された基端を中心に小指用、薬指用、示指用の各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２が回動される。このとき、小指用及び薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０の回動方向と、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の回動方向とは、ラックの歯の向きの違いにより、逆方向となる。そして、こうした各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２の回動により、中指を中心として指先を広げたり、狭めたりするように、４指が内転／外転運動される。
【００６５】
＜拇指支援機構＞
次に、拇指支援機構４００の詳細を、図１２及び図１３を参照して説明する。
図１２に示すように、拇指支援機構４００の支持部４０１には、平行に置かれた２つのリンク機構が取り付けられている。このうちの一つは、その基端が支持部４０１に回動可能に連結された拇指第１リンク４０２と、その拇指第１リンク４０２の先端にその基端が回動可能に連結された拇指第２リンク４０３とからなるリンク機構となっている。もう一つは、拇指第１リンク４０２の基端とは異なる位置においてその基端が支持部４０１に回動可能に連結された拇指第３リンク４０４と、その拇指第３リンク４０４の先端にその基端が回動可能に連結された拇指第４リンク４０５とからなるリンク機構となっている。なお、支持部４０１は、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に固定されている。
【００６６】
拇指第２リンク４０３の先端には、上述の４指屈曲／伸展支援機構３１０と同様の構成の拇指屈曲／伸展支援機構４０６の基端が取り付けられた基部４０７が回動可能に連結されている。また拇指第４リンク４０５の先端には、拇指第２リンク４０３の先端とは異なる位置において、そうした基部４０７が回動可能に連結されている。
【００６７】
一方、支持部４０１には、モーター４０８が設けられ、そのモーター４０８の回転軸には、拇指第１歯車４０９が設けられている。この拇指第１歯車４０９は、拇指第１リンク４０２の基端に固定された拇指第２歯車４１０に噛み合わされている。
【００６８】
続いて、以上のように構成された拇指支援機構４００の動作を説明する。
モーター４０８が回転されると、拇指第１歯車４０９及び拇指第２歯車４１０を介して、支持部４０１に対して拇指第１リンク４０２が回動する。こうして拇指第１リンク４０２が回動すると、両リンク機構の連結位置の違いにより、例えば図１３に示すように、拇指屈曲／伸展支援機構４０６の基端が取り付けられた基部４０７が、患者の手首内に頂点を有する円錐の弧に沿って回動される。そしてこの回動により、ＣＭ関節を中心とした拇指の内転／外転運動が行われる。
【００６９】
一方、拇指屈曲／伸展支援機構４０６によっては、４指屈曲／伸展支援機構３１０と同様にして、拇指のＣＭ関節及びＭＰ関節の屈曲／伸展運動が行われる。
＜トルクセンサー＞
ところで、上述の４指屈曲／伸展支援機構３１０による指の屈曲／伸展運動の支援では、指に加えられる負荷を計測し、その計測結果に基づいてモーター３１７の出力制御を行うことが望ましい。そこで、本実施の形態のリハビリテーション支援装置では、そうした負荷を計測するためのトルクセンサーを設けるようにしている。
【００７０】
図１４に示すように、トルクセンサー５００は、ＦＭＡ第１リンク３１２に配設されたモーター３１７の回転軸周りに配設されており、そのモーター３１７の先端に固定されたブラケット５０８に対して取り付けられる。
【００７１】
図１５〜１７に示すように、トルクセンサー５００は、略環状のフレーム５０１を備えている。フレーム５０１の中央には、モーター３１７の回転軸が挿通される円形の孔５０２が形成されており、その図中左右側方には、モーター３１７の回転軸側の端部に固定されたブラケット５０８（図１４）にフレーム５０１を固定するためのボルト穴５０４が形成されている。
【００７２】
一方、フレーム５０１の図中上下には、図中左右方向に直線状に延伸されたリンク取付部５０５がそれぞれ形成されている。これらリンク取付部５０５には、フレーム５０１をＦＭＡ第１リンク３１２に固定するための２つのボルト穴５０６がそれぞれ形成されている。そしてこうしたフレーム５０１を介して、モーター３１７がＦＭＡ第１リンク３１２に固定されるようになっている。
【００７３】
こうしたフレーム５０１のボルト穴５０４が形成された部分とリンク取付部５０５が形成された部分とを繋ぐ部分、すなわち図中における孔５０２の右斜め上、右斜め下、左斜め上及び左斜め下の部分の外周には、歪みゲージ５０７がそれぞれ貼り付けられている。これらの歪みゲージ５０７は、貼り付けられた部分の歪みに応じてその電気抵抗が変化するように構成されている。
【００７４】
次にこうしたトルクセンサー５００の作用を説明する。
モーター３１７の回転による屈曲／伸展運動により指に負荷が加わると、モーター３１７の回転軸が抵抗を受け、モーター３１７の本体に回転軸周りのトルクが加わるようになる。こうしたトルクが加わると、モーター３１７は、ＦＭＡ第１リンク３１２に対して回転しようとする。そして、その結果、トルクセンサー５００のフレーム５０１の歪みゲージ５０７が貼られた部分に歪みが生じるようになり、その歪みの大きさは、歪みゲージ５０７に通電される電流やこれに印加される電圧の変化として表れる。そのため、そうした電流や電圧の変化を計測することで、フレーム５０１に生じた歪みの大きさを、そしてひいてはそうした歪みを生じさせたモーター３１７の回転抵抗、すなわち指に加わる負荷の大きさを求めることが可能となる。
【００７５】
なお、こうした本実施の形態では、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４が、患者の手を保持する手保持部材に相当する構成となっている。また台座１０、並びに腕支持機構２０の基部２１及び支持柱２２が、床面に載置される支持部に相当する構成となっている。
【００７６】
以上説明した本実施の形態のリハビリテーション支援システムによれば、次の効果を奏することができる。
（１）指の屈曲／伸展運動の支援を、一つのモーター３１７のみで行うことができるため、部品点数の増加を抑え、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することができる。
【００７７】
（２）手指支援機構１００の高さが変わっても、それを支持するアーム２５に付与される補償トルクが一定に保たれるため、手指支援機構１００の高さ調節を容易かつ的確に行うことができる。
【００７８】
（３）トルクセンサー５００により、指に加わる負荷の精密な計測が可能なため、指の屈曲／伸展運動の支援を適切に行うことが可能となる。
（４）手指支援機構１００の位置や姿勢を任意に調整でき、患者がベッドに臥したまま、リハビリテーション支援を行うことができるため、障害発症の早期からリハビリテーションを開始することができる。
【００７９】
（５）台座１０にキャスター１１及びハンドル１２が設けられているため、装置の移動が容易となる。
（６）指に装着される固定具が磁石を用いて第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定されていて、容易にその着脱が可能なため、手指支援機構１００への手の固定を容易とすることができる。
【００８０】
（７）ラック・アンド・ピニオン機構と、モーター３５３と、により構成された４指内転／外転支援機構３５０により、４指の内転／外転運動の支援も可能である。しかも、ガイド３５１の直線運動に対しての示指用のピニオン３６３の回転方向が、薬指及び示指用のピニオン３５９，３６１の回転方向と逆としているため、１つのモーター３５３のみにより、指先を広げたり、狭めたりするように、４指の内転／外転運動を連動して行わせることが可能である。
【００８１】
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、指に装着される固定具を磁力によって第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定することで、その着脱を可能としていたが、その固定を面ファスナー等により行うようにしても良い。
【００８２】
・上記実施の形態では、第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に対して、指に固定される固定具を着脱可能としていたが、それら第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定具を完全に固定するようにしても良い。
【００８３】
・上記実施の形態では、４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７にトルクセンサー５００を設けるようにしていたが、他の支援機構のモーターにも、同様のトルクセンサーを設けるようにしても良い。
【００８４】
・指に作用する負荷の計測結果に基づくフォースフィードバックを行わない場合には、トルクセンサー５００を割愛するようにしても良い。
・上記実施の形態では、４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７を、ＦＭＡ第１リンク３１２に設けていたが、設置スペースの確保が可能であれば、ＦＭＡ第２リンク３１３や第１指固定部３１５にモーター３１７を設けるようにしても良い。
【００８５】
・上記実施の形態では、台座１０にキャスター１１及びハンドル１２を設け、装置の移動を容易としていたが、装置の設置位置が固定されている場合などには、それらを割愛するようにしても良い。
【００８６】
・上記実施の形態では、可変ノブ４０を回転させて引張ばね３６の固定端の位置を変更することで、アーム２５に付与される補償トルクを調節可能としていたが、補償トルクの調整が不要な場合には、引張ばね３６の固定端の位置の調整機構を割愛するようにしても良い。
【００８７】
・上記実施の形態では、引張ばね３６、偏心カム３８、ワイヤー４１等により構成された機構により、手指支援機構１００の高さの変化に拘わらず、補償トルクが一定に保たれるようにしていたが、手指支援機構１００の高さの変化に伴う補償トルクの変化が無視できる場合には、そうした機構を割愛するようにしても良い。
【００８８】
・上記実施の形態では、引張ばね３６のばね力で、アーム２５に付与される補償トルクを発生させていたが、トーションバーのような引張ばね３６以外の弾性部材の弾性力で補償トルクを発生させるなど、別の方法で補償トルクを発生させるようにしても良い。
【００８９】
・補償トルクを作用させなくても、アーム２５の回動軸の摩擦などで手指支援機構１００の位置や姿勢の保持が可能であれば、補償トルクの発生に係る構成を割愛するようにしても良い。
【００９０】
・上記実施の形態では、基部２１に対する支持柱２２の回動、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動、アーム第１リンク２３に対するアーム第２リンク２４の回動、第２軸部材４５に対する２つの軸回りの回動による５自由度の機構として、腕支持機構２０が構成されていた。手指支援機構１００の位置や姿勢の変更範囲が限定されている場合には、腕支持機構２０の自由度を４以下としても良い。
【００９１】
・手指支援機構１００が固定されている場合など、その位置や姿勢の変更が不要な場合には、腕支持機構２０を割愛するようにしても良い。
・上記実施の形態では、拇指以外の４指の屈曲／伸展に加え、拇指の屈曲／伸展、拇指の内転／外転、拇指以外の４指の屈曲／伸展、同４指の内転／外転、手首の掌屈／背屈、及び手首の回内／回外のリハビリテーション運動の支援を行うようにしていた。４指の屈曲／伸展運動を除く、それらの運動のうちの一部のリハビリテーション運動の支援が不要な場合には、その支援に係る機構の機能の一部、あるいはその機構全体を割愛するようにしても良い。
【００９２】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明のリハビリテーション支援装置を具体化した第２の実施の形態を、図１８〜図２０を併せ参照して説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態のものと機能や構成を同様とする部材については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
第１の実施の形態のリハビリテーション支援装置に採用される４指屈曲／伸展支援機構６００は、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲／伸展に際してそれら関節の屈曲角度が不一致となる場合がある。そこで、本実施の形態では、下記のように構成された４指屈曲／伸展支援機構を採用することで、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲角度の一致を保証するようにしている。
【００９４】
図１８に示すように、本実施の形態に採用される４指屈曲／伸展支援機構６００も、第１の実施の形態のものと同様に、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に取り付けられている。また、この４指屈曲／伸展支援機構６００も、第１の実施の形態のものと同様、ＦＭＡベースリンク６０１、ＦＭＡ第１リンク６０２、ＦＭＡ第２リンク６０４及びＦＭＡ第３リンク６０５の４つのリンクを備えている。
【００９５】
ＦＭＡベースリンク６０１は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に取り付けられた当該４指屈曲／伸展支援機構６００の基部６２０にその基端が回動可能に連結され、その先端にはＦＭＡ第１リンク６０２の基端が回動可能に連結されている。またＦＭＡ第１リンク６０２の先端は、指の第三指節に固定される第１指固定部６０３がその先端に回動可能に連結され、その第１指固定部６０３には、ＦＭＡ第２リンク６０４の基端が回動可能に連結されている。そしてＦＭＡ第２リンク６０４の先端には、ＦＭＡ第３リンク６０５の基端が回動可能に連結され、そのＦＭＡ第３リンク６０５の先端には、指の第二指節に固定される第２指固定部６０６が回動可能に連結されている。なお、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＦＭＡベースリンク６０１とＦＭＡ第３リンク６０５とが同じ長さに形成され、ＦＭＡ第２リンク６０４とＦＭＡ第３リンク６０５とが同じ長さに形成されている。
【００９６】
一方、本実施の形態の４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＦＭＡベースリンク６０１の図中上方に、ＦＭＡ副ベースリンク６０７が配設されている。このＦＭＡ副ベースリンク６０７は、ＦＭＡベースリンク６０１と同長に形成され、その基端は、手支援機構第２リンク２５４に回動可能に連結されている。
【００９７】
また、ＦＭＡベースリンク６０１の先端とＦＭＡ副ベースリンク６０７の先端とは、ＦＭＡ第４リンク６０８を介して連結されている。なお、ＦＭＡ第４リンク６０８の長さは、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１の連結位置からＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結位置までの長さと同じとされている。
【００９８】
こうしたＦＭＡ副ベースリンク６０７の先端には、ＦＭＡ副第１リンク６０９の基端が回動可能に連結されている。ＦＭＡ副第１リンク６０９は、ＦＭＡ第１リンク６０２と同長に形成されている。そしてＦＭＡ第１リンク６０２の先端とＦＭＡ副第１リンク６０９の先端とは、ＦＭＡ第５リンク６１０を介して互いに連結されている。なお、ＦＭＡ第５リンク６１０は、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同長に形成されている。
【００９９】
また、ＦＭＡ第２リンク６０４の図中上方には、ＦＭＡ副第２リンク６１１が配設されている。このＦＭＡ副第２リンク６１１は、ＦＭＡ第２リンク６０４と同長に形成されている。ＦＭＡ第２リンク６０４の基端とＦＭＡ副第２リンク６１１の基端とは、ＦＭＡ第６リンク６１２を介して連結されている。またＦＭＡ第２リンク６０４の先端とＦＭＡ副第２リンク６１１の先端とは、ＦＭＡ第７リンク６１３を介して連結されている。これらＦＭＡ第６リンク６１２及びＦＭＡ第７リンク６１３は、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同長に形成されている。
【０１００】
更に、こうしたＦＭＡ副第２リンク６１１の先端には、ＦＭＡ副第３リンク６１４の基端が回動可能に連結されている。ＦＭＡ副第３リンク６１４は、ＦＭＡ第３リンク６０５と同長に形成されている。そしてＦＭＡ副第３リンク６１４の先端は、第２指固定部６０６に回動可能に連結されている。なお、第２指固定部６０６に対するＦＭＡ第３リンク６０５の連結位置からＦＭＡ副第３リンク６１４の連結位置までの長さは、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同じ長さとされている。
【０１０１】
なお、こうした４指屈曲／伸展支援機構６００では、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１及びＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結部が、当該４指屈曲／伸展支援機構６００の運動支援対象となる指の中手骨の中心線に対してそれらを結ぶ直線が直交するように配設されている。一方、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線Ｌと、指の第三指節の指節骨の中心線とが直交するように、第１指固定部６０３での指の第三指節の固定が行われる。更に、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第２指固定部６０６におけるＦＭＡ第３リンク６０５の連結部とＦＭＡ副第３リンク６１４の連結部とを結ぶ直線と、指の第二指節の指節骨の中心線とが直交するように、同第２指固定部６０６での指の第二指節の固定が行われる。
【０１０２】
以上のようにリンク機構が構成された４指屈曲／伸展支援機構６００の第１指固定部６０３には、モーター６１５が設置されている。図１９に示すように、このモーター６１５の回転軸には、平歯車として構成されたＦＭＡ第１歯車６１６が固定されており、このＦＭＡ第１歯車６１６は、フェースギヤとして構成されたＦＭＡ第２歯車６１７に噛み合わされている。このＦＭＡ第２歯車６１７は、ＦＭＡ第５リンク６１０の回動軸に固定されている。また、ＦＭＡ第５リンク６１０の回動軸には、平歯車として構成されたＦＭＡ第３歯車６１８が固定され、このＦＭＡ第３歯車６１８は、ＦＭＡ第６リンク６１２の回動軸に固定されたＦＭＡ第４歯車６１９に噛み合わされている。なお、ＦＭＡ第３歯車６１８及びＦＭＡ第４歯車６１９は、径及び歯数が同じとなっている。そしてこれらＦＭＡ第３歯車６１８及びＦＭＡ第４歯車６１９がそれぞれ設けられたＦＭＡ第５リンク６１０及びＦＭＡ第６リンク６１２は、第１指固定部６０３の中心線Ｌからの角度が等しくなるように第１指固定部６０３に組み付けられている。
【０１０３】
次に、以上のように構成された４指屈曲／伸展支援機構６００の動作を、図２０を参照して説明する。
モーターにより、ＦＭＡ第５リンク６１０とＦＭＡ第６リンク６１２とが第１指固定部６０３に対して回動されると、それに連動して４指屈曲／伸展支援機構６００の各リンクが動いて、患者の指のＭＰ関節及びＰＩＰ関節が屈曲／伸展運動される。このとき、４指屈曲／伸展支援機構６００では、各リンクの連結位置が、常時、第１指固定部６０３の中心線Ｌを軸とする軸対称に維持される。
【０１０４】
また、このときのＦＭＡ第５リンク６１０の回動に対して、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１及びＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結部を結ぶ直線は、ＦＭＡ第５リンク６１０との平行が維持される。そして、その直線は、中手骨の中心線に直交している。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第５リンク６１０の回動角度θ４と指のＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとが等しくなるように、同ＭＰ関節の屈曲／伸展が行われる。
【０１０５】
一方、このときのＦＭＡ第６リンク６１２の回動に対しては、第２指固定部６０６におけるＦＭＡ第３リンク６０５の連結部とＦＭＡ副第３リンク６１４の連結部とを結ぶ直線は、ＦＭＡ第６リンク６１２との平行が維持される。また、その直線は、指の第二指節の指節骨の中心線と直交している。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第６リンク６１２の回動角度θ５と指のＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが等しくなるように、同ＰＩＰ関節の屈曲／伸展が行われる。
【０１０６】
更に、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第５リンク６１０の回動角度θ４及びＦＭＡ第６リンク６１２の回動角度θ５が等しくなるように、それらの回動が行われる。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが常に等しくなるように、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲／伸展運動が行われることになる。
【０１０７】
なお、第１指固定部６０３の中心線Ｌを軸とする軸対称を維持するようにリンク機構が構成されていれば、屈曲／伸展運動時に、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが等しい状態を維持できる。したがって、リンク機構が上記以外の構成とされた４指屈曲／伸展支援機構でも、第１指固定部の中心線Ｌを軸とする軸対称を維持するようにリンク機構が構成されたものであれば、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとを等しくすることが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…台座、１１…キャスター、１２…ハンドル、２０…腕支持機構、２１…基部（支持部）、２２…支持柱（支持部）、２３…アーム第１リンク、２４…アーム第２リンク、２５…アーム、２６…アーム第１リンク部材、２７…アーム第２リンク部材、３０…第１軸部材、３２…アーム第４リンク部材、３３…アーム第５リンク部材、３６…引張ばね、３７…滑車、３８…偏心カム、４０…可変ノブ、４１…ワイヤー、４２…外周、４３…アーム第３リンク部材、４５…第２軸部材、１００…手指支援機構、１００…手指支援機構、２００…手支援機構、２１０…回内／回外運動支援部、２１１…フレーム、２１２…リング、２１３…歯車、２１４…モーター、２１５…歯車、２５０…掌屈／背屈運動支援部、２５１…手支援機構第１リンク、２５２…基部、２５３…アーム部、２５４…手支援機構第２リンク（手保持部材）、２５５…アーム部、２５６…取付部、２５７…モーター、２５８…傘歯歯車、２５９…傘歯歯車、２６０…パッド、３００…４指支援機構、３１０…４指屈曲／伸展支援機構、３１１…ＦＭＡベースリンク（ベースリンク）、３１２…ＦＭＡ第１リンク（第１リンク）、３１３…ＦＭＡ第２リンク（第２リンク）、３１４…ＦＭＡ第３リンク（第３リンク）、３１５…第１指固定部、３１６…第２指固定部、３１７…モーター、３１８…ＦＭＡ第１歯車、３１９…ＦＭＡ第２歯車、３２０…ＦＭＡ第３歯車、３３０…手のひら、３３１…ＭＰ関節、３３２…ＰＩＰ関節、３３３…ＤＩＰ関節、３３４…第一指節、３３５…第二指節、３３６…第三指節、３５０…４指内転／外転支援機構、３５１…ガイド、３５２…ラック、３５３…モーター、３５４…ピニオン、３５５…ラック、３５６…ラック、３５７…ラック、３５８…小指用の４指屈曲／伸展支援機構、３５９…ピニオン、３６０…薬指用の４指屈曲／伸展支援機構、３６１…ピニオン、３６２…示指用の４指屈曲／伸展支援機構、３６３…ピニオン、３６４…中指用の４指屈曲／伸展支援機構、４００…拇指支援機構、４０１…支持部、４０２…拇指第１リンク、４０３…拇指第２リンク、４０４…拇指第３リンク、４０５…拇指第４リンク、４０６…拇指屈曲／伸展支援機構、４０７…基部、４０８…モーター、４０９…拇指第１歯車、４１０…拇指第２歯車、５００…トルクセンサー、５０１…フレーム、５０２…孔、５０４…ボルト穴、５０５…リンク取付部、５０６…ボルト穴、５０７…歪みゲージ、５０８…ブラケット、６００…４指屈曲／伸展支援機構、６０１…ＦＭＡベースリンク（ベースリンク）、６０２…ＦＭＡ第１リンク（第１リンク）、６０３…第１指固定部、６０４…ＦＭＡ第２リンク（第２リンク）、６０５…ＦＭＡ第３リンク（第３リンク）、６０６…第２指固定部、６０７…ＦＭＡ副ベースリンク（副ベースリンク）、６０８…ＦＭＡ第４リンク（第４リンク）、６０９…ＦＭＡ副第１リンク（副第１リンク）、６１０…ＦＭＡ第５リンク（第５リンク）、６１１…ＦＭＡ副第２リンク（副第２リンク）、６１２…ＦＭＡ第６リンク（第６リンク）、６１３…ＦＭＡ第７リンク（第７リンク）、６１４…ＦＭＡ副第３リンク（副第３リンク）、６１５…モーター、６１６…ＦＭＡ第１歯車、６１７…ＦＭＡ第２歯車、６１８…ＦＭＡ第３歯車、６１９…ＦＭＡ第４歯車、６２０…基部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳卒中などの脳外科系疾患や脊髄損傷などにより、人体の運動機能が著しく低下したり、麻痺などによって損なわれたりすることがある。通常、こうした運動機能の回復訓練は、リハビリテーション専門医や理学療法士などの専門的な技術を有する医療スタッフの在籍する医療施設で行われる。こうした医療施設では、患者の運動機能の回復状況に応じたリハビリテーションプログラムに沿って、最適なリハビリテーションを実施する。
【０００３】
こうした場合、患者は、リハビリテーションを受けるため、医療スタッフの常駐する専用の医療施設に通院する必要があり、またそのリハビリテーションには、専門の医療スタッフの補助が必要である。そのため、患者が１日に何回もリハビリテーションを受けることは難しく、運動機能の回復が遅れたり、回復し得なくなったりすることがある。したがって、患者が自宅において一人で手軽に、１日に何回でも、リハビリテーションを行うことを可能とするリハビリテーション支援装置の実用化が要望されている。
【０００４】
上肢運動、すなわち肩や肘、手首関節の運動を補助するリハビリテーション支援装置は、数多くの開発例があり、製品化もなされている。一方、手指の運動機能のリハビリテーション支援装置としては、５本の指の全ての関節を同時に屈曲、伸展させるＣＰＭ（持続的他動運動：Continuous Passive Motion ）装置しか製品化されていないのが現状である。ただし、こうしたＣＰＭ装置では、手指の運動と同時に、手首の屈曲、伸展や腕の内外転（捻り）といった運動を複合させるような複雑な運動の訓練までは行えない。一方、字を書いたり、箸でものを摘んだりといった日常動作には、各指の独立した動きと、それに協調した手首の運動が必要であり、患者の手指の運動機能を、日常生活に支障がないレベルまで回復させるには、個々の指、手首並びに腕の運動を、それぞれ独立して細やかに補助することが可能なリハビリテーション支援装置が必要となる。
【０００５】
ところで、脳卒中では、左右のいずれか一方の半身にのみ、運動機能の低下や喪失が現れることが多い。また手指の運動機能に損傷を受けた整形外科の患者でも、損傷は片側の腕のみで、もう一方の腕の運動機能は維持されているケースがほとんどである。
【０００６】
そこで従来、健側、すなわち正常な運動機能を有する半身側の運動をもとに、患側、すなわち運動機能が低下して機能回復訓練が必要な半身側の訓練運動を教示する、左右対称マスタースレーブ型の機能回復訓練装置が提案されている。こうした機能回復訓練装置としては、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載のものが知られている。
【０００７】
これら従来の機能回復訓練装置では、患側の指の屈曲／伸展運動の補助を行う指屈曲／伸展支援機構として、２つのモーターを用いた機構が採用されている。そして、それらモーターの一つにより、指の中手指節間関節の屈曲／伸展運動を、もう一つにより、指の近位指節間関節の屈曲／伸展運動を、それぞれ支援するようにしている。
【０００８】
なお、指の各部位の名称は、次の通りとなっている。拇指以外の４本の指、すなわち示指、中指、薬指及び小指は、３つの指節骨からなり、各指節骨の付け根部分にそれぞれ関節を有している。これら関節は、指の先端側から順に、遠位指節間関節（ＤＩＰ関節：distal interphalangeal joint）、近位指節間関節（ＰＩＰ関節：proximal interphalangeal joint）、中手指節間関節（ＭＰ関節：metacarpophalangeal joint ）と呼ばれている。また、これらの指のＤＩＰ関節よりも先端側の部分は第一指節と、ＤＩＰ関節からＰＩＰ関節までの部分は第二指節と、ＰＩＰ関節からＭＰ関節までの部分は第三指節と呼ばれている。
【０００９】
一方、拇指は、２つの指節骨からなり、それらの付け根部分にそれぞれ関節を有している。これらの関節は、指の先端側から順に、指節間関節（ＩＰ関節：interphalangeal joint ）、中手指節間関節（ＭＰ関節）と呼ばれている。なお、拇指の指節骨に繋がる、手のひら内の中手骨は、手首に位置する手根骨に対して可動となっており、手根骨と中手骨と間には、拇指手根中手関節（ＣＭ関節：trapeziometacarpal joint）と呼ばれる関節が存在している。なお、このＣＭ関節は、屈曲／伸展運動と内転／外転運動とを許容する２自由度の関節となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−２６７２５４号公報
【特許文献２】特開２００８−０６７８５２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１９８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
こうした２つのモーターを備える指屈曲／伸展支援機構では、指のＭＰ関節とＰＩＰ関節とを、それぞれ個別に屈曲／伸展させることが可能である。一方、リハビリテーションプログラムは、単純な運動のリハビリテーションから開始され、運動機能の回復に応じて次第に複雑な運動のリハビリテーションへと進むように計画されている。そのため、リハビリテーションの初期段階では、ＭＰ関節とＰＩＰ関節とを個別に屈曲／伸展させるような巧緻な運動までは不要であり、上記従来の機能回復訓練装置に採用された指屈曲／伸展支援機構は、急性期患者のリハビリテーション用は、聊かオーバースペックなものとなっている。そしてそうした複雑な運動の実現が、モーター等の部品点数の増加を招き、装置を高価格とする要因となっている。
【００１２】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置において、前記患者の指の屈曲／伸展運動を支援する機構であって、前記患者の手を保持する手保持部材にその基端が回動可能に連結されたベースリンクと、前記ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第三指節に固定される第１指固定部にその先端が回動可能に連結される第１リンクと、前記第１指固定部にその基端が回動可能に連結された第２リンクと、前記第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第二指節に固定される第２指固定部がその先端に回動可能に連結された第３リンクと、前記第１指固定部に対して前記第１リンク及び前記第２リンクをそれぞれ回動させるモーターと、を有した指屈曲／伸展支援機構を備えている。
【００１４】
上記構成では、１つのモーターによって、指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（拇指の場合にはＩＰ関節）とが同時に屈曲／伸展されるようになる。そのため、１本の指にそれぞれ一つのモーターを設けるだけで、各指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（ＩＰ関節）の屈曲／伸展運動の支援が可能となり、装置の部品点数を抑えることができる。したがって、上記構成によれば、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することができる。
【００１５】
なお、上記のように構成された指屈曲／伸展支援機構では、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節／ＩＰ関節の屈曲／伸展に際してそれら関節の屈曲角度が不一致となる場合がある。これら関節の屈曲角度の一致を保証したい場合には、請求項２によるように、各リンクの連結位置が、前記第１指固定部の中心線を軸とする軸対称を維持するように指屈曲／伸展支援機構を構成すると良い。そうした指屈曲／伸展支援機構の具体的な構成態様としては、例えば請求項３によるように、手保持部材にその基端が回動可能に連結された、ベースリンクと同長の副ベースリンクと、その副ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結された、第１リンクと同長の副第１リンクと、第２リンクと同長の副第２リンクと、その副第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、第２指固定部にその先端が回動可能に連結された副第３リンクと、ベースリンクの先端と副ベースリンクの先端とを連結する第４リンクと、１リンクの先端と副第１リンクの先端とを連結する第５リンクと、第２リンクの基端と副第２リンクの基端とを連結する第６リンクと、第２リンクの先端と副第２リンクの先端とを連結する第７リンクと、を備えるとともに、第４、第５、第６及び第７リンクの長さを、手保持部材におけるベースリンクの連結位置から副ベースリンクの連結位置までの長さ、及び第２指固定部における第３リンクの連結位置から副第３リンクの連結位置までの長さと同じとすること、ベースリンクの長さと第３リンクの長さとが同じとされていること、第１リンクの長さと第２リンクの長さとが同じとされていること、第１指固定部の中心線からの回動角度が等しくなるように、第１指固定部に対して第５リンク及び第６リンクを前記モーターが回動させること、を満すものなどが考えられる。
【００１６】
一方、こうしたリハビリテーション支援装置は、患者の体格や姿勢に応じて、手保持部材の床面からの高さを調整可能とすることが望ましい。そうした高さの調整は、先端に手保持部材が設けられたアームと、そのアームを上下方向に回動可能に支持する支持部とを備える腕支持機構を設けることで行うことができる。
【００１７】
こうした腕支持機構において、手保持部材の高さ調整の都度、アームの回動軸を固定しないのであれば、アーム自身や手保持部材、患者の手指等の重量に抗するだけの補償トルクをアームの回転軸に付与する必要がある。こうした補償トルクの付与は、例えば、支持部にその一端が固定された引張ばねと、アームの回動軸に固定されるとともに、位置により外径が変化する外周を有した偏心カムと、引張ばねの自由端と偏心カムとを連結し、かつその一部が偏心カムの外周に巻き掛けられたワイヤーと、を設けることで行うことができる。すなわち、引張ばねのばね力がアームの上方への回動方向に作用するように、引張ばねと偏心カムとをワイヤーを介して連結すれば、引張ばねのばね力により、手保持部材を上昇させる側にアームを回動させる方向のトルクを、すなわち支持する部材等の重量に抗するための補償トルクをアームの回転軸に付与することができる。
【００１８】
ただし、こうした場合にも、アームの回動角度によってカムに対するワイヤーの巻き掛け長が変化して、その分、引張ばねの伸び量が変化するようになる。そしてその結果、アームの回動角度に応じてその回転軸に付与される補償トルクの大きさが変化してしまうようになる。その点、請求項４によるように、アームの回動軸を中心とした外周の外径が位置により変化する偏心カムを用いれば、アームの回動角度の変化に伴う引張ばねの伸び量の変化を、ひいてはアームの回動軸に付与される補償トルクの変化を抑えることが可能となる。
【００１９】
ちなみに、請求項５によるように、偏心カムの取付時の初期角度を「θ０」、アームに付与する補償トルクを「τ」、引張ばねのばね定数を「Ｋ」としたとき、偏心カムのカム角度が「θ」となる位置の偏心カムの外周の前記アームの回動軸中心の外径「ｒ（θ）」が下式（２）となるように偏心カムを形成すれば、アームの回動角度に拘わらず、補償トルクを一定とすることができる。
【００２０】
【数２】
また、上述の指屈曲／伸展支援機構による各指のＭＰ関節とＰＩＰ関節（ＩＰ関節）の屈曲／伸展運動の支援では、指に加えられる負荷を計測し、その計測結果に基づいてモーターの出力制御を行うことが望ましい。そうした場合の負荷の計測は、例えば請求項６によるような、モーターの回転軸の周りに配設されて、同モーターの本体に固定される部分と、同モーターにより回動される部材に固定される部分とを有する略環状のフレームと、そのフレームのモーターの本体に固定される部分と同モーターにより回動される部分とを繋ぐ部分に貼り付けられた歪みゲージと、を有したトルクセンサーを備えることで行うことができる。
【００２１】
また、請求項７によるように、指屈曲／伸展支援機構の基部に一体回転可能に連結され、かつ手保持部材に回動可能に軸支されたピニオンと、手保持部材に往復直線動可能に設置されたガイドに設けられたラックと、により構成されたラック・アンド・ピニオン機構と、手保持部材に対してガイドを往復直線動させる内転／外転用のモーターと、を備えれば、指の内転／外転運動の支援を行うことが可能となる。また請求項８によるように、ラック・アンド・ピニオン機構を、示指、薬指及び小指の指屈曲／伸展支援機構に設けるとともに、手保持部材に対するガイドの直線運動に対しての示指用のピニオンの回転方向が、薬指及び小指用のピニオンの回転方向と逆となるようにすれば、１つのモーターのみにより、指先を広げたり、狭めたりするように、４指の内転／外転運動を連動して行わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るリハビリテーション支援装置の全体構造を示す斜視図。
【図２】同リハビリテーション支援装置における患者の手指の装着態様を示す斜視図。
【図３】同リハビリテーション支援装置の腕支持機構に設けられた保障トルク発生に係る機構の構成を模式的に示す略図。
【図４】同リハビリテーション支援装置の腕支持機構に設けられた偏心カムの形状を示す斜視図。
【図５】同リハビリテーション支援装置の手支援機構の構成を示す斜視図。
【図６】同手支援機構の回内／回外運動支援部の構成を示す斜視図。
【図７】同手支援機構の掌屈／背屈運動支援部の構成を示す斜視図。
【図８】同リハビリテーション支援装置の４指屈曲／伸展支援機構の構成を示す斜視図。
【図９】同４指屈曲／伸展支援機構の構成を、一部を透過して示す斜視図。
【図１０】同４指屈曲／伸展支援機構の構成をモデル化して示した略図。
【図１１】同リハビリテーション支援装置の４指内転／外転支援機構の構成を示す斜視図。
【図１２】同リハビリテーション支援装置の拇指支援機構の構成を示す斜視図。
【図１３】同リハビリテーション支援装置の拇指支援機構の構成を示す斜視図。
【図１４】同リハビリテーション支援装置のトルクセンサーの設置態様を示す斜視図。
【図１５】同トルクセンサーの構成を示す平面図。
【図１６】表側から見たときの同トルクセンサーの正面側から見た斜視構造を示す斜視図。
【図１７】裏側から見たときの同トルクセンサーの背面側から見た斜視構造を示す斜視図。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係るリハビリテーション支援装置の４指屈曲／伸展支援機構の構成を示す平面図。
【図１９】同４指屈曲／伸展支援機構の駆動部の構成を模式的に示す斜視図。
【図２０】同４指屈曲／伸展支援機構をモデル化して示した略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施の形態）
以下、本発明のリハビリテーション支援装置を具体化した第１の実施の形態を、図１〜図１５を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態のリハビリテーション支援装置は、手指の運動機能障害の発症後の早期段階におけるリハビリテーションでの使用を想定したものとなっている。このリハビリテーション支援装置は、健側の手指に装着された計測グローブにより計測された健側の手指の各部の動きをトレースするように患側の手指の各部を動作させる、左右対称マスタースレーブ型の機能回復訓練装置として構成されている。そして本実施の形態のリハビリテーション支援システムは、次の特徴を有したものとなっている。
・患者の手指のリハビリテーション支援を行う手指支援機構の位置及び姿勢を任意に調整可能な腕支持機構を備えており、ベッド上での使用も可能である。
・拇指の屈曲／伸展運動、拇指の内転／外転運動、拇指以外の４指の屈曲／伸展運動、同４指の内転／外転運動、手首の掌屈／背屈運動、及び手首の回内／回外運動のリハビリテーションの支援が可能である。
・指に作用する負荷を計測するトルクセンサーを備える。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態のリハビリテーション支援装置は、当該支援装置の土台となる台座１０と、その台座１０上に設けられた腕支持機構２０と、その腕支持機構２０に支持された手指支援機構１００とを備えている。こうしたリハビリテーション支援装置は、図２に示されるように、運動機能の回復訓練を行う患者の手指Ｈをその手指支援機構１００に保持した状態で使用される。
【００２５】
なお、台座１０の下面には、キャスター１１が取り付けられ、台座１０の上面には、装置の移動時に掴み手となるハンドル１２が取り付けられている。
＜腕支持機構＞
次に、こうした台座１０上に設けられた腕支持機構２０の詳細を、図１〜図４を併せ参照して説明する。
【００２６】
図１及び図２に示すように、台座１０の上面には、腕支持機構２０の基部２１が固定されている。基部２１には、中空円筒形状の支持柱２２が、鉛直方向に伸びる自身の中心軸を中心として回動可能に支持されている。支持柱２２には、アーム２５が取り付けられている。アーム２５は、アーム第１リンク２３と、そのアーム第１リンク２３の先端に連結されたアーム第２リンク２４の２つのリンクによって構成されている。
【００２７】
アーム第１リンク２３は、長さの等しい、上下２つのリンク部材、すなわちアーム第１リンク部材２６とアーム第２リンク部材２７とを備えている。アーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７はそれらの基端において、支持柱２２の側周にそれぞれ連結されている。これらアーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７の先端には、アーム第３リンク部材４３の上端及び下端がそれぞれ回動可能に連結されている。アーム第３リンク部材４３におけるアーム第１リンク部材２６の連結位置からアーム第２リンク部材２７の連結位置までの距離は、支持柱２２の側周におけるアーム第１リンク部材２６の連結位置からアーム第２リンク部材２７の連結位置までの距離と等しくされている。そのため、アーム第１リンク部材２６及びアーム第２リンク部材２７は、それらの回動に拘わらず、互いの平行が維持されるようになっている。
【００２８】
こうしたアーム第１リンク２３の先端部には、アーム第２リンク２４が連結されている。アーム第２リンク２４は、アーム第１リンク２３に固定された第１軸部材３０を備えている。第１軸部材３０の上端及び下端には、アーム第４リンク部材３２及びアーム第５リンク部材３３が、第１軸部材３０の中心を通る鉛直方向の軸を中心として回動可能にそれぞれ連結されている。アーム第４リンク部材３２及びアーム第５リンク部材３３は、互いに平行に配設され、それらの先端には、第２軸部材４５の上端及び下端がそれぞれ固定されている。そして第２軸部材４５の下端には、回動可能に軸支された状態で手指支援機構１００が取り付けられている。
【００２９】
なお、腕支持機構２０には、そのアーム２５の先端に支持された手指支援機構１００等の自重に抗して、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動角度を保持するための機構が設けられている。図３に示すように、この機構は、支持柱２２の内部に設置された引張ばね３６、アーム第１リンク部材２６の基端に固定された偏心カム３８等により構成されている。
【００３０】
引張ばね３６は、支持柱２２の内部において、その自然長よりも伸長した状態で配設されている。引張ばね３６の上端の固定位置は、支持柱２２の上端に設けられた可変ノブ４０を回転することで上下に変位されるようになっている。引張ばね３６の下端には、ワイヤー４１が連結されており、このワイヤー４１は、支持柱２２の下部に設けられた滑車３７を介して偏心カム３８に連結されている。
【００３１】
図４に示すように、偏心カム３８は、ワイヤー４１が巻き掛けられる外周４２を有した略扇型形状に形成されている。この外周４２は、その外径、すなわちアーム第１リンク部材２６の回動軸Ａ１から外周４２までの距離が、位置により変化するように形成されている。
【００３２】
次に、以上のように構成された腕支持機構２０の動作を説明する。この腕支持機構２０では、支持柱２２に対してアーム第１リンク２３が上下方向に回動すると、アーム第２リンク２４の先端に設けられた手指支援機構１００が上下に変位される。またアーム第１リンク２３の先端部に設けられた第１軸部材３０に対してアーム第２リンク２４が回動すると、手指支援機構１００が水平方向に変位される。このようにこの腕支持機構２０は、アーム２５を動かすことで、手指支援機構１００の位置及び姿勢を任意に調整可能となっている。
【００３３】
なお、偏心カム３８の外周４２に巻き掛けられたワイヤー４１は、引張ばね３６のばね力で引かれており、偏心カム３８が固定されたアーム第１リンク部材２６の基端には、そうしたワイヤー４１の張力に由来する、トルクが作用している。このトルクは、アーム第１リンク部材２６を上方に回動させる方向に作用し、手指支援機構１００等の自重に抗して、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動角度を保持するための補償トルクとなる。
【００３４】
アーム第１リンク部材２６が上下方向に回動されると、偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け長が変化するようになる。ここで、偏心カム３８の外周４２の外径が一定であれば、巻き掛け長の変化分、引張ばね３６の伸び量が変化して、アーム２５に付与される補償トルクの大きさが変化してしまう。その点、本実施の形態では、外周４２の外径が位置により変化する偏心カム３８を採用することで、アーム第１リンク部材２６の回動角度によらず、補償トルクを一定に保っている。
【００３５】
ちなみに、補償トルクを一定に保つには、偏心カム３８のカム角度が「θ」となる位置の外周４２のアーム回動軸中心の外径ｒ（θ）が下式（３）となるように、偏心カム３８を形成する必要がある。下式（３）において、「θ０」は、偏心カム３８の取付時の初期角度を、「τ」は、アーム２５に付与する補償トルクを、「Ｋ」は、引張ばね３６のばね定数をそれぞれ示している。なお、偏心カム３８の取付時の初期角度とは、アーム第１リンク部材２６の回動角度が初期角度にあるときの偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け開始位置Ｏから巻き掛け終了位置Ｐまでのアーム回動軸中心の角度を示している。ちなみに、ここでは、アーム第１リンク部材２６が水平となっているときの同アーム第１リンク部材２６の回動角度を初期角度としている。また、偏心カム３８のカム角度θは、アーム第１リンク部材２６の回動角度が初期角度にあるときの偏心カム３８の外周４２におけるワイヤー４１の巻き掛け終了位置Ｐからのアーム回動軸中心の角度を示している。
【００３６】
【数３】
なお、この腕支持機構２０では、支持柱２２の上端に設けられた可変ノブ４０を回転して引張ばね３６の固定端の位置を上下に変位させて引張ばね３６の伸び量を変更することで、補償トルクτの大きさを任意に調整可能となっている。
【００３７】
＜手指支援機構＞
次に、こうした腕支持機構２０によって変位可能に支持された手指支援機構１００の詳細を、図５を参照して説明する。
【００３８】
図５に示すように、手指支援機構１００は、患者の手首の回内／回外運動、及びその掌屈／背屈運動を支援する手支援機構２００、拇指以外の４指の屈曲／伸展運動、及びそれらの内転／外転運動を支援する４指支援機構３００、患者の拇指の屈曲／伸展運動、及びその内転／外転運動を支援する拇指支援機構４００を備えている。なお、患者の手は、手指支援機構１００を通して挿入した後、４指支援機構３００に拇指以外の４指を、拇指支援機構４００に拇指をそれぞれ固定することで、手指支援機構１００に保持される。
【００３９】
＜手支援機構＞
ここでは、まず手支援機構２００の詳細を、図６及び図７を参照して説明する。手支援機構２００は、図６に示す回内／回外運動支援部２１０と、図７に示す掌屈／背屈運動支援部２５０とを備えている。
【００４０】
図６に示すように、回内／回外運動支援部２１０は、アーム２５の先端の第２軸部材４５の基端に連結されるフレーム２１１を備えている。フレーム２１１には、半円環形状のリング２１２がその中心軸Ａ２回りに回動可能に取り付けられている。なお、図６では、省略されているが、リング２１２の内周には、クッションとなる緩衝材が取り付けられている。
【００４１】
リング２１２の外周には、２連の歯車２１３が取り付けられている。またフレーム２１１のリング２１２の側方には、モーター２１４が固定されており、その回転軸には、リング２１２の外周の２連の歯車２１３にそれぞれ噛み合わされる２連の歯車２１５が固定されている。
【００４２】
一方、図７に示すように、掌屈／背屈運動支援部２５０には、基部２５２と、その基部２５２の両端より前方（図中右下方向）に突き出した２つのアーム部２５３とからなる、略コの字型の手支援機構第１リンク２５１が設けられている。この手支援機構第１リンク２５１は、その基部２５２において回内／回外運動支援部２１０のリング２１２に固定されている。
【００４３】
手支援機構第１リンク２５１の２つのアーム部２５３の先端には、手支援機構第２リンク２５４が、回動可能に連結されている。手支援機構第２リンク２５４は、アーム部２５３の先端にその基端がそれぞれ連結される２つのアーム部２５５と、それら２つのアーム部２５５の先端にその両端がそれぞれ固定された取付部２５６とからなる、略コの字型に形成されている。なお、取付部２５６には、上述の４指支援機構３００と拇指支援機構４００（図７では図示略）とがそれぞれ取り付けられる。また、取付部２５６には、患者の手の甲が押し当てられるパッド２６０が設置されている。
【００４４】
こうした手支援機構第２リンク２５４のアーム部２５５の一方には、モーター２５７がその先端に固定されている。このモーター２５７の回転軸には、傘歯歯車２５８が固定されている。そしてその傘歯歯車２５８は、手支援機構第１リンク２５１のアーム部２５３の一方の先端に固定された傘歯歯車２５９に噛み合わされている。
【００４５】
次に、以上のように構成された手支援機構２００の動作を説明する。こうした手支援機構２００において、患者の手は、回内／回外運動支援部２１０のリング２１２を通して挿入され、掌屈／背屈運動支援部２５０の手支援機構第２リンク２５４に取り付けられた拇指支援機構４００にその拇指を、４指支援機構３００にその４指をそれぞれ固定することで、手支援機構第２リンク２５４に保持される。
【００４６】
ここで、回内／回外運動支援部２１０のモーター２１４が回転されると、そのフレーム２１１に対してリング２１２がその中心軸Ａ２回りに回動し、そのリング２１２と共に掌屈／背屈運動支援部２５０が回動される。そしてそれにより、掌屈／背屈運動支援部２５０の手支援機構第２リンク２５４にその手が保持された患者の手首が回内／回外運動されるようになる。
【００４７】
一方、掌屈／背屈運動支援部２５０のモーター２５７が回転されると、手支援機構第１リンク２５１に対して手支援機構第２リンク２５４が軸Ａ３回りに回動される。そしてこれにより、手支援機構第１リンク２５１が固定された回内／回外運動支援部２１０のリング２１２に通された患者の腕に対して、手支援機構第２リンク２５４に保持された患者の手がその甲側、あるいは手のひら側に屈曲され、患者の手首が掌屈／背屈運動されるようになる。
【００４８】
＜４指支援機構＞
続いて、４指支援機構３００の詳細を説明する。４指支援機構３００は、拇指以外の４つの指、すなわち示指、中指、薬指及び小指の屈曲／伸展運動を支援する４指屈曲／伸展支援機構３１０と、それら４指の内転／外転運動を支援する４指内転／外転支援機構３５０とを備えている。なお、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、上記４指に対してそれぞれ一つずつ設けられている。
【００４９】
＜４指屈曲／伸展支援機構＞
ここではまず、４指屈曲／伸展支援機構（ＦＭＡ機構）３１０の詳細を、図８〜図１０を参照して説明する。
【００５０】
図８に示すように、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、ＦＭＡベースリンク３１１、ＦＭＡ第１リンク３１２、ＦＭＡ第２リンク３１３、及びＦＭＡ第３リンク３１４の４つのリンクからなるリンク機構を有している。ＦＭＡベースリンク３１１の基端は、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４に回動可能に連結され、またその先端には、ＦＭＡ第１リンク３１２の基端が回動可能に連結されている。そうしたＦＭＡ第１リンク３１２の先端には、指の第三指節に固定される第１指固定部３１５が回動可能に連結され、またその第１指固定部３１５には、ＦＭＡ第２リンク３１３の基端が回動可能に連結されている。そして更に、ＦＭＡ第２リンク３１３の先端には、ＦＭＡ第３リンク３１４の基端が回動可能に連結され、またそのＦＭＡ第３リンク３１４の先端には、指の第二指節に固定される第２指固定部３１６が回動可能に連結されている。
【００５１】
第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６には、指の第三指節及び第二指節にそれぞれ巻き掛けられるバンド状の固定具がそれぞれ取り付けられる。第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６には磁石が設けられ、固定具に設けられた鉄片がこの磁石に吸着することで、第１指固定部３１５及び第２指固定部３１６への固定具の取付けが行われる。
【００５２】
一方、図９に示すように、ＦＭＡ第１リンク３１２には、モーター３１７が取り付けられている。このモーター３１７の回転軸には、ＦＭＡ第１歯車３１８が固定され、そのＦＭＡ第１歯車３１８は、ＦＭＡ第１リンク３１２の先端に固定されたＦＭＡ第２歯車３１９に噛み合わされている。そしてそのＦＭＡ第２歯車３１９は、ＦＭＡ第２リンク３１３の基端に固定されたＦＭＡ第３歯車３２０に噛み合わされている。
【００５３】
続いて、以上のように構成された４指屈曲／伸展支援機構３１０の動作を説明する。
４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７が回転されると、その回転軸に設けられたＦＭＡ第１歯車３１８を介して、ＦＭＡ第１リンク３１２の先端に固定されたＦＭＡ第２歯車３１９が回転される。そしてその回転により、ＦＭＡ第１リンク３１２が、第１指固定部３１５に対して、その先端の回転軸回りに回動されるようになる。
【００５４】
またＦＭＡ第２歯車３１９が回転されると、これに噛み合されたＦＭＡ第３歯車３２０も回転するようになる。そしてそのＦＭＡ第３歯車３２０がその基端に固定されたＦＭＡ第２リンク３１３が、第１指固定部３１５に対して、その基端の回動軸回りに回動されるようになる。そして、こうしたＦＭＡ第１リンク３１２及びＦＭＡ第２リンク３１３の回動により、指のＭＰ関節及びＰＩＰ関節が屈曲／伸展運動される。
【００５５】
図１０は、４指屈曲／伸展支援機構３１０及びこれに装着される指をモデル化して示したものである。同図に示すように、指は、手のひら３３０側から順に、ＭＰ関節３３１、ＰＩＰ関節３３２、ＤＩＰ関節３３３の３つの関節を備えている。そして指は、ＤＩＰ関節３３３よりも先の第一指節３３４、ＤＩＰ関節３３３とＰＩＰ関節３３２との間の第二指節３３５、ＰＩＰ関節３３２とＭＰ関節３３１との間の第三指節３３６の３つの指節によって構成されている。
【００５６】
ここで、ＭＰ関節３３１の屈曲角度θＭＰは、下式（４）により計算される。
【００５７】
【数４】
なお、上式（４）における「Ａ」は下式（５）により、また上式（４）における「Ｂ」は下式（６）によりそれぞれ求められる。
【００５８】
【数５】
更に、上式（４）における「Ｌ１」は、下式（７）により算出され、上式（４）における「φ１」は、下式（８）により算出される。
【００５９】
【数６】
一方、ＦＭＡ第３歯車３２０の回転角度θ１とＦＭＡ第２歯車３１９の回転角度θ２との間には、下式（９）の関係が成立する。なお、「θ２０」は、これら歯車の初期取付角度である。
【００６０】
【数７】
一方、４指屈曲／伸展支援機構３１０は、第１指固定部３１５を軸として軸対称となっており、ＦＭＡ第３歯車３２０の回転角度θ２とＰＩＰ関節３３２の屈曲角度θＰＩＰとの間にも同様の幾何学的関係が成立する。また、ＦＭＡ第２歯車３１９の回転角度θ１は、ＦＭＡ第１歯車３１８との減速比からモーター３１７の回転軸の回転角度から計測することができる。そのため、モーター３１７の回転軸の回転角度を制御することで、ＭＰ関節３３１及びＰＩＰ関節３３２の屈曲角度を任意に制御することが可能となる。
【００６１】
＜４指内転／外転支援機構＞
続いて、４指内転／外転支援機構３５０の詳細を、図１１を参照して説明する。
図１１に示すように、４指内転／外転支援機構３５０は、ガイド３５１を備えている。このガイド３５１は、上述した手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に、指先方向及びその逆方向に進退可能に取り付けられている。ガイド３５１の図中右側の端には、回転を直線の動きに変換するラック・アンド・ピニオン機構のラック３５２が固定され、そのラック３５２には、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に回転可能に連結された、上記ラック・アンド・ピニオン機構のピニオン３５４が噛み合わされている。このピニオン３５４は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に設けられたモーター３５３により回転される。
【００６２】
一方、ガイド３５１には、更に３つのラック３５５，３５６，３５７が固定されている。これらのうち、図中最右側に配設されたラック３５５には、小指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８の基端に固定されたピニオン３５９が噛み合わされている。図中におけるその左隣りに配設されたラック３５６には、薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３６０の基端に固定されたピニオン３６１が噛み合わされている。更に、ガイド３５１の残りのラック３５７には、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の基端に固定されたピニオン３６３が噛み合わされている。各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２の基端及び各ピニオン３５９，３６１，３６３は、それらピニオン３５９，３６１，３６３の回転軸回りに回動可能に手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に軸支されている。なお、小指及び薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０の基端に固定されたピニオン３５９，３６１に噛み合わされたラック３５５，３５６には、その図中左側に歯が設けられている。これに対して、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の基端に固定されたピニオン３６３に噛み合わされたラック３５７には、その図中右側に歯が設けられている。ちなみに、中指用の４指屈曲／伸展支援機構３６４の基端は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に回動不能に固定されている。
【００６３】
次に、以上のように構成された４指内転／外転支援機構３５０の動作を説明する。
手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に設けられたピニオン３５４がモーター３５３により回転されると、そのピニオン３５４とラック３５２とによりその回転が直線運動に変換され、ラック３５２が固定されたガイド３５１が指先方向又はその逆方向に前進又は後退する。
【００６４】
こうしてガイド３５１が移動すると、そのガイド３５１に設けられた３つのラック３５５，３５６，３５７にそれぞれ噛み合わされた３つのピニオン３５９，３６１，３６３が回動して、それらが固定された基端を中心に小指用、薬指用、示指用の各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２が回動される。このとき、小指用及び薬指用の４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０の回動方向と、示指用の４指屈曲／伸展支援機構３６２の回動方向とは、ラックの歯の向きの違いにより、逆方向となる。そして、こうした各４指屈曲／伸展支援機構３５８，３６０，３６２の回動により、中指を中心として指先を広げたり、狭めたりするように、４指が内転／外転運動される。
【００６５】
＜拇指支援機構＞
次に、拇指支援機構４００の詳細を、図１２及び図１３を参照して説明する。
図１２に示すように、拇指支援機構４００の支持部４０１には、平行に置かれた２つのリンク機構が取り付けられている。このうちの一つは、その基端が支持部４０１に回動可能に連結された拇指第１リンク４０２と、その拇指第１リンク４０２の先端にその基端が回動可能に連結された拇指第２リンク４０３とからなるリンク機構となっている。もう一つは、拇指第１リンク４０２の基端とは異なる位置においてその基端が支持部４０１に回動可能に連結された拇指第３リンク４０４と、その拇指第３リンク４０４の先端にその基端が回動可能に連結された拇指第４リンク４０５とからなるリンク機構となっている。なお、支持部４０１は、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に固定されている。
【００６６】
拇指第２リンク４０３の先端には、上述の４指屈曲／伸展支援機構３１０と同様の構成の拇指屈曲／伸展支援機構４０６の基端が取り付けられた基部４０７が回動可能に連結されている。また拇指第４リンク４０５の先端には、拇指第２リンク４０３の先端とは異なる位置において、そうした基部４０７が回動可能に連結されている。
【００６７】
一方、支持部４０１には、モーター４０８が設けられ、そのモーター４０８の回転軸には、拇指第１歯車４０９が設けられている。この拇指第１歯車４０９は、拇指第１リンク４０２の基端に固定された拇指第２歯車４１０に噛み合わされている。
【００６８】
続いて、以上のように構成された拇指支援機構４００の動作を説明する。
モーター４０８が回転されると、拇指第１歯車４０９及び拇指第２歯車４１０を介して、支持部４０１に対して拇指第１リンク４０２が回動する。こうして拇指第１リンク４０２が回動すると、両リンク機構の連結位置の違いにより、例えば図１３に示すように、拇指屈曲／伸展支援機構４０６の基端が取り付けられた基部４０７が、患者の手首内に頂点を有する円錐の弧に沿って回動される。そしてこの回動により、ＣＭ関節を中心とした拇指の内転／外転運動が行われる。
【００６９】
一方、拇指屈曲／伸展支援機構４０６によっては、４指屈曲／伸展支援機構３１０と同様にして、拇指のＣＭ関節及びＭＰ関節の屈曲／伸展運動が行われる。
＜トルクセンサー＞
ところで、上述の４指屈曲／伸展支援機構３１０による指の屈曲／伸展運動の支援では、指に加えられる負荷を計測し、その計測結果に基づいてモーター３１７の出力制御を行うことが望ましい。そこで、本実施の形態のリハビリテーション支援装置では、そうした負荷を計測するためのトルクセンサーを設けるようにしている。
【００７０】
図１４に示すように、トルクセンサー５００は、ＦＭＡ第１リンク３１２に配設されたモーター３１７の回転軸周りに配設されており、そのモーター３１７の先端に固定されたブラケット５０８に対して取り付けられる。
【００７１】
図１５〜１７に示すように、トルクセンサー５００は、略環状のフレーム５０１を備えている。フレーム５０１の中央には、モーター３１７の回転軸が挿通される円形の孔５０２が形成されており、その図中左右側方には、モーター３１７の回転軸側の端部に固定されたブラケット５０８（図１４）にフレーム５０１を固定するためのボルト穴５０４が形成されている。
【００７２】
一方、フレーム５０１の図中上下には、図中左右方向に直線状に延伸されたリンク取付部５０５がそれぞれ形成されている。これらリンク取付部５０５には、フレーム５０１をＦＭＡ第１リンク３１２に固定するための２つのボルト穴５０６がそれぞれ形成されている。そしてこうしたフレーム５０１を介して、モーター３１７がＦＭＡ第１リンク３１２に固定されるようになっている。
【００７３】
こうしたフレーム５０１のボルト穴５０４が形成された部分とリンク取付部５０５が形成された部分とを繋ぐ部分、すなわち図中における孔５０２の右斜め上、右斜め下、左斜め上及び左斜め下の部分の外周には、歪みゲージ５０７がそれぞれ貼り付けられている。これらの歪みゲージ５０７は、貼り付けられた部分の歪みに応じてその電気抵抗が変化するように構成されている。
【００７４】
次にこうしたトルクセンサー５００の作用を説明する。
モーター３１７の回転による屈曲／伸展運動により指に負荷が加わると、モーター３１７の回転軸が抵抗を受け、モーター３１７の本体に回転軸周りのトルクが加わるようになる。こうしたトルクが加わると、モーター３１７は、ＦＭＡ第１リンク３１２に対して回転しようとする。そして、その結果、トルクセンサー５００のフレーム５０１の歪みゲージ５０７が貼られた部分に歪みが生じるようになり、その歪みの大きさは、歪みゲージ５０７に通電される電流やこれに印加される電圧の変化として表れる。そのため、そうした電流や電圧の変化を計測することで、フレーム５０１に生じた歪みの大きさを、そしてひいてはそうした歪みを生じさせたモーター３１７の回転抵抗、すなわち指に加わる負荷の大きさを求めることが可能となる。
【００７５】
なお、こうした本実施の形態では、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４が、患者の手を保持する手保持部材に相当する構成となっている。また台座１０、並びに腕支持機構２０の基部２１及び支持柱２２が、床面に載置される支持部に相当する構成となっている。
【００７６】
以上説明した本実施の形態のリハビリテーション支援システムによれば、次の効果を奏することができる。
（１）指の屈曲／伸展運動の支援を、一つのモーター３１７のみで行うことができるため、部品点数の増加を抑え、急性期患者の手指の運動機能の回復訓練に適したリハビリテーション支援装置をより低価格で提供することができる。
【００７７】
（２）手指支援機構１００の高さが変わっても、それを支持するアーム２５に付与される補償トルクが一定に保たれるため、手指支援機構１００の高さ調節を容易かつ的確に行うことができる。
【００７８】
（３）トルクセンサー５００により、指に加わる負荷の精密な計測が可能なため、指の屈曲／伸展運動の支援を適切に行うことが可能となる。
（４）手指支援機構１００の位置や姿勢を任意に調整でき、患者がベッドに臥したまま、リハビリテーション支援を行うことができるため、障害発症の早期からリハビリテーションを開始することができる。
【００７９】
（５）台座１０にキャスター１１及びハンドル１２が設けられているため、装置の移動が容易となる。
（６）指に装着される固定具が磁石を用いて第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定されていて、容易にその着脱が可能なため、手指支援機構１００への手の固定を容易とすることができる。
【００８０】
（７）ラック・アンド・ピニオン機構と、モーター３５３と、により構成された４指内転／外転支援機構３５０により、４指の内転／外転運動の支援も可能である。しかも、ガイド３５１の直線運動に対しての示指用のピニオン３６３の回転方向が、薬指及び示指用のピニオン３５９，３６１の回転方向と逆としているため、１つのモーター３５３のみにより、指先を広げたり、狭めたりするように、４指の内転／外転運動を連動して行わせることが可能である。
【００８１】
なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施の形態では、指に装着される固定具を磁力によって第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定することで、その着脱を可能としていたが、その固定を面ファスナー等により行うようにしても良い。
【００８２】
・上記実施の形態では、第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に対して、指に固定される固定具を着脱可能としていたが、それら第１指固定部３１５や第２指固定部３１６に固定具を完全に固定するようにしても良い。
【００８３】
・上記実施の形態では、４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７にトルクセンサー５００を設けるようにしていたが、他の支援機構のモーターにも、同様のトルクセンサーを設けるようにしても良い。
【００８４】
・指に作用する負荷の計測結果に基づくフォースフィードバックを行わない場合には、トルクセンサー５００を割愛するようにしても良い。
・上記実施の形態では、４指屈曲／伸展支援機構３１０のモーター３１７を、ＦＭＡ第１リンク３１２に設けていたが、設置スペースの確保が可能であれば、ＦＭＡ第２リンク３１３や第１指固定部３１５にモーター３１７を設けるようにしても良い。
【００８５】
・上記実施の形態では、台座１０にキャスター１１及びハンドル１２を設け、装置の移動を容易としていたが、装置の設置位置が固定されている場合などには、それらを割愛するようにしても良い。
【００８６】
・上記実施の形態では、可変ノブ４０を回転させて引張ばね３６の固定端の位置を変更することで、アーム２５に付与される補償トルクを調節可能としていたが、補償トルクの調整が不要な場合には、引張ばね３６の固定端の位置の調整機構を割愛するようにしても良い。
【００８７】
・上記実施の形態では、引張ばね３６、偏心カム３８、ワイヤー４１等により構成された機構により、手指支援機構１００の高さの変化に拘わらず、補償トルクが一定に保たれるようにしていたが、手指支援機構１００の高さの変化に伴う補償トルクの変化が無視できる場合には、そうした機構を割愛するようにしても良い。
【００８８】
・上記実施の形態では、引張ばね３６のばね力で、アーム２５に付与される補償トルクを発生させていたが、トーションバーのような引張ばね３６以外の弾性部材の弾性力で補償トルクを発生させるなど、別の方法で補償トルクを発生させるようにしても良い。
【００８９】
・補償トルクを作用させなくても、アーム２５の回動軸の摩擦などで手指支援機構１００の位置や姿勢の保持が可能であれば、補償トルクの発生に係る構成を割愛するようにしても良い。
【００９０】
・上記実施の形態では、基部２１に対する支持柱２２の回動、支持柱２２に対するアーム第１リンク２３の回動、アーム第１リンク２３に対するアーム第２リンク２４の回動、第２軸部材４５に対する２つの軸回りの回動による５自由度の機構として、腕支持機構２０が構成されていた。手指支援機構１００の位置や姿勢の変更範囲が限定されている場合には、腕支持機構２０の自由度を４以下としても良い。
【００９１】
・手指支援機構１００が固定されている場合など、その位置や姿勢の変更が不要な場合には、腕支持機構２０を割愛するようにしても良い。
・上記実施の形態では、拇指以外の４指の屈曲／伸展に加え、拇指の屈曲／伸展、拇指の内転／外転、拇指以外の４指の屈曲／伸展、同４指の内転／外転、手首の掌屈／背屈、及び手首の回内／回外のリハビリテーション運動の支援を行うようにしていた。４指の屈曲／伸展運動を除く、それらの運動のうちの一部のリハビリテーション運動の支援が不要な場合には、その支援に係る機構の機能の一部、あるいはその機構全体を割愛するようにしても良い。
【００９２】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明のリハビリテーション支援装置を具体化した第２の実施の形態を、図１８〜図２０を併せ参照して説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態のものと機能や構成を同様とする部材については、同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
第１の実施の形態のリハビリテーション支援装置に採用される４指屈曲／伸展支援機構６００は、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲／伸展に際してそれら関節の屈曲角度が不一致となる場合がある。そこで、本実施の形態では、下記のように構成された４指屈曲／伸展支援機構を採用することで、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲角度の一致を保証するようにしている。
【００９４】
図１８に示すように、本実施の形態に採用される４指屈曲／伸展支援機構６００も、第１の実施の形態のものと同様に、手支援機構２００の手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に取り付けられている。また、この４指屈曲／伸展支援機構６００も、第１の実施の形態のものと同様、ＦＭＡベースリンク６０１、ＦＭＡ第１リンク６０２、ＦＭＡ第２リンク６０４及びＦＭＡ第３リンク６０５の４つのリンクを備えている。
【００９５】
ＦＭＡベースリンク６０１は、手支援機構第２リンク２５４の取付部２５６に取り付けられた当該４指屈曲／伸展支援機構６００の基部６２０にその基端が回動可能に連結され、その先端にはＦＭＡ第１リンク６０２の基端が回動可能に連結されている。またＦＭＡ第１リンク６０２の先端は、指の第三指節に固定される第１指固定部６０３がその先端に回動可能に連結され、その第１指固定部６０３には、ＦＭＡ第２リンク６０４の基端が回動可能に連結されている。そしてＦＭＡ第２リンク６０４の先端には、ＦＭＡ第３リンク６０５の基端が回動可能に連結され、そのＦＭＡ第３リンク６０５の先端には、指の第二指節に固定される第２指固定部６０６が回動可能に連結されている。なお、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＦＭＡベースリンク６０１とＦＭＡ第３リンク６０５とが同じ長さに形成され、ＦＭＡ第２リンク６０４とＦＭＡ第３リンク６０５とが同じ長さに形成されている。
【００９６】
一方、本実施の形態の４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＦＭＡベースリンク６０１の図中上方に、ＦＭＡ副ベースリンク６０７が配設されている。このＦＭＡ副ベースリンク６０７は、ＦＭＡベースリンク６０１と同長に形成され、その基端は、手支援機構第２リンク２５４に回動可能に連結されている。
【００９７】
また、ＦＭＡベースリンク６０１の先端とＦＭＡ副ベースリンク６０７の先端とは、ＦＭＡ第４リンク６０８を介して連結されている。なお、ＦＭＡ第４リンク６０８の長さは、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１の連結位置からＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結位置までの長さと同じとされている。
【００９８】
こうしたＦＭＡ副ベースリンク６０７の先端には、ＦＭＡ副第１リンク６０９の基端が回動可能に連結されている。ＦＭＡ副第１リンク６０９は、ＦＭＡ第１リンク６０２と同長に形成されている。そしてＦＭＡ第１リンク６０２の先端とＦＭＡ副第１リンク６０９の先端とは、ＦＭＡ第５リンク６１０を介して互いに連結されている。なお、ＦＭＡ第５リンク６１０は、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同長に形成されている。
【００９９】
また、ＦＭＡ第２リンク６０４の図中上方には、ＦＭＡ副第２リンク６１１が配設されている。このＦＭＡ副第２リンク６１１は、ＦＭＡ第２リンク６０４と同長に形成されている。ＦＭＡ第２リンク６０４の基端とＦＭＡ副第２リンク６１１の基端とは、ＦＭＡ第６リンク６１２を介して連結されている。またＦＭＡ第２リンク６０４の先端とＦＭＡ副第２リンク６１１の先端とは、ＦＭＡ第７リンク６１３を介して連結されている。これらＦＭＡ第６リンク６１２及びＦＭＡ第７リンク６１３は、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同長に形成されている。
【０１００】
更に、こうしたＦＭＡ副第２リンク６１１の先端には、ＦＭＡ副第３リンク６１４の基端が回動可能に連結されている。ＦＭＡ副第３リンク６１４は、ＦＭＡ第３リンク６０５と同長に形成されている。そしてＦＭＡ副第３リンク６１４の先端は、第２指固定部６０６に回動可能に連結されている。なお、第２指固定部６０６に対するＦＭＡ第３リンク６０５の連結位置からＦＭＡ副第３リンク６１４の連結位置までの長さは、上記ＦＭＡ第４リンク６０８と同じ長さとされている。
【０１０１】
なお、こうした４指屈曲／伸展支援機構６００では、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１及びＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結部が、当該４指屈曲／伸展支援機構６００の運動支援対象となる指の中手骨の中心線に対してそれらを結ぶ直線が直交するように配設されている。一方、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線Ｌと、指の第三指節の指節骨の中心線とが直交するように、第１指固定部６０３での指の第三指節の固定が行われる。更に、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第２指固定部６０６におけるＦＭＡ第３リンク６０５の連結部とＦＭＡ副第３リンク６１４の連結部とを結ぶ直線と、指の第二指節の指節骨の中心線とが直交するように、同第２指固定部６０６での指の第二指節の固定が行われる。
【０１０２】
以上のようにリンク機構が構成された４指屈曲／伸展支援機構６００の第１指固定部６０３には、モーター６１５が設置されている。図１９に示すように、このモーター６１５の回転軸には、平歯車として構成されたＦＭＡ第１歯車６１６が固定されており、このＦＭＡ第１歯車６１６は、フェースギヤとして構成されたＦＭＡ第２歯車６１７に噛み合わされている。このＦＭＡ第２歯車６１７は、ＦＭＡ第５リンク６１０の回動軸に固定されている。また、ＦＭＡ第５リンク６１０の回動軸には、平歯車として構成されたＦＭＡ第３歯車６１８が固定され、このＦＭＡ第３歯車６１８は、ＦＭＡ第６リンク６１２の回動軸に固定されたＦＭＡ第４歯車６１９に噛み合わされている。なお、ＦＭＡ第３歯車６１８及びＦＭＡ第４歯車６１９は、径及び歯数が同じとなっている。そしてこれらＦＭＡ第３歯車６１８及びＦＭＡ第４歯車６１９がそれぞれ設けられたＦＭＡ第５リンク６１０及びＦＭＡ第６リンク６１２は、第１指固定部６０３の中心線Ｌからの角度が等しくなるように第１指固定部６０３に組み付けられている。
【０１０３】
次に、以上のように構成された４指屈曲／伸展支援機構６００の動作を、図２０を参照して説明する。
モーターにより、ＦＭＡ第５リンク６１０とＦＭＡ第６リンク６１２とが第１指固定部６０３に対して回動されると、それに連動して４指屈曲／伸展支援機構６００の各リンクが動いて、患者の指のＭＰ関節及びＰＩＰ関節が屈曲／伸展運動される。このとき、４指屈曲／伸展支援機構６００では、各リンクの連結位置が、常時、第１指固定部６０３の中心線Ｌを軸とする軸対称に維持される。
【０１０４】
また、このときのＦＭＡ第５リンク６１０の回動に対して、手支援機構第２リンク２５４におけるＦＭＡベースリンク６０１及びＦＭＡ副ベースリンク６０７の連結部を結ぶ直線は、ＦＭＡ第５リンク６１０との平行が維持される。そして、その直線は、中手骨の中心線に直交している。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第５リンク６１０の回動角度θ４と指のＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとが等しくなるように、同ＭＰ関節の屈曲／伸展が行われる。
【０１０５】
一方、このときのＦＭＡ第６リンク６１２の回動に対しては、第２指固定部６０６におけるＦＭＡ第３リンク６０５の連結部とＦＭＡ副第３リンク６１４の連結部とを結ぶ直線は、ＦＭＡ第６リンク６１２との平行が維持される。また、その直線は、指の第二指節の指節骨の中心線と直交している。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第６リンク６１２の回動角度θ５と指のＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが等しくなるように、同ＰＩＰ関節の屈曲／伸展が行われる。
【０１０６】
更に、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、第１指固定部６０３の中心線ＬからのＦＭＡ第５リンク６１０の回動角度θ４及びＦＭＡ第６リンク６１２の回動角度θ５が等しくなるように、それらの回動が行われる。そのため、この４指屈曲／伸展支援機構６００では、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが常に等しくなるように、ＭＰ関節及びＰＩＰ関節の屈曲／伸展運動が行われることになる。
【０１０７】
なお、第１指固定部６０３の中心線Ｌを軸とする軸対称を維持するようにリンク機構が構成されていれば、屈曲／伸展運動時に、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとが等しい状態を維持できる。したがって、リンク機構が上記以外の構成とされた４指屈曲／伸展支援機構でも、第１指固定部の中心線Ｌを軸とする軸対称を維持するようにリンク機構が構成されたものであれば、ＭＰ関節の屈曲角度θＭＰとＰＩＰ関節の屈曲角度θＰＩＰとを等しくすることが可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０…台座、１１…キャスター、１２…ハンドル、２０…腕支持機構、２１…基部（支持部）、２２…支持柱（支持部）、２３…アーム第１リンク、２４…アーム第２リンク、２５…アーム、２６…アーム第１リンク部材、２７…アーム第２リンク部材、３０…第１軸部材、３２…アーム第４リンク部材、３３…アーム第５リンク部材、３６…引張ばね、３７…滑車、３８…偏心カム、４０…可変ノブ、４１…ワイヤー、４２…外周、４３…アーム第３リンク部材、４５…第２軸部材、１００…手指支援機構、１００…手指支援機構、２００…手支援機構、２１０…回内／回外運動支援部、２１１…フレーム、２１２…リング、２１３…歯車、２１４…モーター、２１５…歯車、２５０…掌屈／背屈運動支援部、２５１…手支援機構第１リンク、２５２…基部、２５３…アーム部、２５４…手支援機構第２リンク（手保持部材）、２５５…アーム部、２５６…取付部、２５７…モーター、２５８…傘歯歯車、２５９…傘歯歯車、２６０…パッド、３００…４指支援機構、３１０…４指屈曲／伸展支援機構、３１１…ＦＭＡベースリンク（ベースリンク）、３１２…ＦＭＡ第１リンク（第１リンク）、３１３…ＦＭＡ第２リンク（第２リンク）、３１４…ＦＭＡ第３リンク（第３リンク）、３１５…第１指固定部、３１６…第２指固定部、３１７…モーター、３１８…ＦＭＡ第１歯車、３１９…ＦＭＡ第２歯車、３２０…ＦＭＡ第３歯車、３３０…手のひら、３３１…ＭＰ関節、３３２…ＰＩＰ関節、３３３…ＤＩＰ関節、３３４…第一指節、３３５…第二指節、３３６…第三指節、３５０…４指内転／外転支援機構、３５１…ガイド、３５２…ラック、３５３…モーター、３５４…ピニオン、３５５…ラック、３５６…ラック、３５７…ラック、３５８…小指用の４指屈曲／伸展支援機構、３５９…ピニオン、３６０…薬指用の４指屈曲／伸展支援機構、３６１…ピニオン、３６２…示指用の４指屈曲／伸展支援機構、３６３…ピニオン、３６４…中指用の４指屈曲／伸展支援機構、４００…拇指支援機構、４０１…支持部、４０２…拇指第１リンク、４０３…拇指第２リンク、４０４…拇指第３リンク、４０５…拇指第４リンク、４０６…拇指屈曲／伸展支援機構、４０７…基部、４０８…モーター、４０９…拇指第１歯車、４１０…拇指第２歯車、５００…トルクセンサー、５０１…フレーム、５０２…孔、５０４…ボルト穴、５０５…リンク取付部、５０６…ボルト穴、５０７…歪みゲージ、５０８…ブラケット、６００…４指屈曲／伸展支援機構、６０１…ＦＭＡベースリンク（ベースリンク）、６０２…ＦＭＡ第１リンク（第１リンク）、６０３…第１指固定部、６０４…ＦＭＡ第２リンク（第２リンク）、６０５…ＦＭＡ第３リンク（第３リンク）、６０６…第２指固定部、６０７…ＦＭＡ副ベースリンク（副ベースリンク）、６０８…ＦＭＡ第４リンク（第４リンク）、６０９…ＦＭＡ副第１リンク（副第１リンク）、６１０…ＦＭＡ第５リンク（第５リンク）、６１１…ＦＭＡ副第２リンク（副第２リンク）、６１２…ＦＭＡ第６リンク（第６リンク）、６１３…ＦＭＡ第７リンク（第７リンク）、６１４…ＦＭＡ副第３リンク（副第３リンク）、６１５…モーター、６１６…ＦＭＡ第１歯車、６１７…ＦＭＡ第２歯車、６１８…ＦＭＡ第３歯車、６１９…ＦＭＡ第４歯車、６２０…基部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置において、
前記患者の指の屈曲／伸展運動を支援する機構であって、
前記患者の手を保持する手保持部材にその基端が回動可能に連結されたベースリンクと、
前記ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第三指節に固定される第１指固定部にその先端が回動可能に連結される第１リンクと、
前記第１指固定部にその基端が回動可能に連結された第２リンクと、
前記第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第二指節に固定される第２指固定部がその先端に回動可能に連結された第３リンクと、
前記第１指固定部に対して前記第１リンク及び前記第２リンクをそれぞれ回動させるモーターと、
を有した指屈曲／伸展支援機構を備える
ことを特徴とするリハビリテーション支援装置。
【請求項２】
各リンクの連結位置が、前記第１指固定部の中心線を軸とする軸対称を維持するように前記指屈曲／伸展支援機構が構成されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項３】
前記手保持部材にその基端が回動可能に連結された、前記ベースリンクと同長の副ベースリンクと、
その副ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結された、前記第１リンクと同長の副第１リンクと、
前記第２リンクと同長の副第２リンクと、
その副第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記第２指固定部にその先端が回動可能に連結された副第３リンクと、
前記ベースリンクの先端と前記副ベースリンクの先端とを連結する第４リンクと、
前記第１リンクの先端と前記副第１リンクの先端とを連結する第５リンクと、
前記第２リンクの基端と前記副第２リンクの基端とを連結する第６リンクと、
前記第２リンクの先端と前記副第２リンクの先端とを連結する第７リンクと、
を備えるとともに、
前記第４、第５、第６及び第７リンクの長さを、前記手保持部材における前記ベースリンクの連結位置から前記副ベースリンクの連結位置までの長さ、及び前記第２指固定部における前記第３リンクの連結位置から前記副第３リンクの連結位置までの長さと同じとすること、
前記ベースリンクの長さと前記第３リンクの長さとが同じとされていること、
前記第１リンクの長さと前記第２リンクの長さとが同じとされていること、
前記第１指固定部の中心線からの回動角度が等しくなるように、前記第１指固定部に対して前記第５リンク及び前記第６リンクを前記モーターが回動させること、
を特徴とする請求項２に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項４】
先端に前記手保持部材が設けられたアームと、
そのアームを上下方向に回動可能に支持する支持部と、
前記支持部にその一端が固定された引張ばねと、
前記アームの回動軸に固定され、位置により外径が変化する外周を有した偏心カムと、
前記引張ばねの自由端と前記偏心カムとを連結し、かつその一部が前記偏心カムの外周に巻き掛けられたワイヤーと、
を有した腕支持機構を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項５】
前記偏心カムの取付時の初期角度を「θ０」、前記アームに付与する補償トルクを「τ」、前記引張ばねのばね定数を「Ｋ」としたとき、前記偏心カムのカム角度が「θ」となる位置の前記偏心カムの外周の前記アームの回動軸中心の外径「ｒ（θ）」が下式（１）となるように前記偏心カムが形成されてなる
ことを特徴とする請求項４に記載のリハビリテーション支援装置。
【数１】
【請求項６】
前記モーターの回転軸の周りに配設されて、同モーターの本体に固定される部分と、同モーターにより回動される部材に固定される部分とを有する略環状のフレームと、
前記フレームの前記モーターの本体に固定される部分と同モーターにより回動される部分とを繋ぐ部分に貼り付けられた歪みゲージと、
を有したトルクセンサーを備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項７】
前記指屈曲／伸展支援機構の基部に一体回転可能に連結され、かつ前記手保持部材に回動可能に軸支されたピニオンと、前記手保持部材に往復直線動可能に設置されたガイドに設けられたラックと、により構成されたラック・アンド・ピニオン機構と、
前記手保持部材に対して前記ガイドを往復直線動させる内転／外転用のモーターと、
を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項８】
前記ラック・アンド・ピニオン機構を、示指、薬指及び示指の前記指屈曲／伸展支援機構に設けるとともに、
前記手保持部材に対する前記ガイドの直線運動に対しての示指用の前記ピニオンの回転方向が、前記薬指及び示指用の前記ピニオンの回転方向と逆とされてなる
ことを特徴とする請求項７に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項１】
患者の手指の運動機能の回復訓練に用いられるリハビリテーション支援装置において、
前記患者の指の屈曲／伸展運動を支援する機構であって、
前記患者の手を保持する手保持部材にその基端が回動可能に連結されたベースリンクと、
前記ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第三指節に固定される第１指固定部にその先端が回動可能に連結される第１リンクと、
前記第１指固定部にその基端が回動可能に連結された第２リンクと、
前記第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記指の第二指節に固定される第２指固定部がその先端に回動可能に連結された第３リンクと、
前記第１指固定部に対して前記第１リンク及び前記第２リンクをそれぞれ回動させるモーターと、
を有した指屈曲／伸展支援機構を備える
ことを特徴とするリハビリテーション支援装置。
【請求項２】
各リンクの連結位置が、前記第１指固定部の中心線を軸とする軸対称を維持するように前記指屈曲／伸展支援機構が構成されてなる
ことを特徴とする請求項１に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項３】
前記手保持部材にその基端が回動可能に連結された、前記ベースリンクと同長の副ベースリンクと、
その副ベースリンクの先端にその基端が回動可能に連結された、前記第１リンクと同長の副第１リンクと、
前記第２リンクと同長の副第２リンクと、
その副第２リンクの先端にその基端が回動可能に連結され、前記第２指固定部にその先端が回動可能に連結された副第３リンクと、
前記ベースリンクの先端と前記副ベースリンクの先端とを連結する第４リンクと、
前記第１リンクの先端と前記副第１リンクの先端とを連結する第５リンクと、
前記第２リンクの基端と前記副第２リンクの基端とを連結する第６リンクと、
前記第２リンクの先端と前記副第２リンクの先端とを連結する第７リンクと、
を備えるとともに、
前記第４、第５、第６及び第７リンクの長さを、前記手保持部材における前記ベースリンクの連結位置から前記副ベースリンクの連結位置までの長さ、及び前記第２指固定部における前記第３リンクの連結位置から前記副第３リンクの連結位置までの長さと同じとすること、
前記ベースリンクの長さと前記第３リンクの長さとが同じとされていること、
前記第１リンクの長さと前記第２リンクの長さとが同じとされていること、
前記第１指固定部の中心線からの回動角度が等しくなるように、前記第１指固定部に対して前記第５リンク及び前記第６リンクを前記モーターが回動させること、
を特徴とする請求項２に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項４】
先端に前記手保持部材が設けられたアームと、
そのアームを上下方向に回動可能に支持する支持部と、
前記支持部にその一端が固定された引張ばねと、
前記アームの回動軸に固定され、位置により外径が変化する外周を有した偏心カムと、
前記引張ばねの自由端と前記偏心カムとを連結し、かつその一部が前記偏心カムの外周に巻き掛けられたワイヤーと、
を有した腕支持機構を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項５】
前記偏心カムの取付時の初期角度を「θ０」、前記アームに付与する補償トルクを「τ」、前記引張ばねのばね定数を「Ｋ」としたとき、前記偏心カムのカム角度が「θ」となる位置の前記偏心カムの外周の前記アームの回動軸中心の外径「ｒ（θ）」が下式（１）となるように前記偏心カムが形成されてなる
ことを特徴とする請求項４に記載のリハビリテーション支援装置。
【数１】
【請求項６】
前記モーターの回転軸の周りに配設されて、同モーターの本体に固定される部分と、同モーターにより回動される部材に固定される部分とを有する略環状のフレームと、
前記フレームの前記モーターの本体に固定される部分と同モーターにより回動される部分とを繋ぐ部分に貼り付けられた歪みゲージと、
を有したトルクセンサーを備える
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項７】
前記指屈曲／伸展支援機構の基部に一体回転可能に連結され、かつ前記手保持部材に回動可能に軸支されたピニオンと、前記手保持部材に往復直線動可能に設置されたガイドに設けられたラックと、により構成されたラック・アンド・ピニオン機構と、
前記手保持部材に対して前記ガイドを往復直線動させる内転／外転用のモーターと、
を備える請求項１〜６のいずれか１項に記載のリハビリテーション支援装置。
【請求項８】
前記ラック・アンド・ピニオン機構を、示指、薬指及び示指の前記指屈曲／伸展支援機構に設けるとともに、
前記手保持部材に対する前記ガイドの直線運動に対しての示指用の前記ピニオンの回転方向が、前記薬指及び示指用の前記ピニオンの回転方向と逆とされてなる
ことを特徴とする請求項７に記載のリハビリテーション支援装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１３−１０６７０６（Ｐ２０１３−１０６７０６Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５２８１７（Ｐ２０１１−２５２８１７）
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（５０４３３１３９２）株式会社丸富精工 (11)
【出願人】（５０２０００５９５）株式会社 ダイニチ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１８日（２０１１．１１．１８）
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（５０４３３１３９２）株式会社丸富精工 (11)
【出願人】（５０２０００５９５）株式会社 ダイニチ (4)
【Ｆターム（参考）】
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