JP2005536703A - パラレルマニピュレータ - Google Patents
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Abstract
Description
ロボット適用またはテレオペレータ適用の分野において使用される多自由度機構の大部分は、いわゆる直列機構である。直列機構とは、複数のリンクが共に連結されて開連鎖を形成し、リンク間に連結されたアクチュエータによって互いに相対的に動かされ、リンクの連鎖の遠端部に支持された対象物を操作するようになっているものである。この形式の機械的機構は、大きな作業空間にアクセスする能力があり、かつ設計と幾何学的解析が簡単であるという利点を有する。順運動学的(forward kinematic)問題は、直列機構に対しては、常に直接解決可能であることがわかっている。順運動学的問題とは、リンクのすべての長さと相接するリンク間の角度とが与えられていることを条件に、工具が取り付けられている機構の遠端部の位置と方向とを解くという課題として定義される。
本発明によるパラレル機構を、組み立てようとする部品、加工しようとする被加工物、製作工具(切削工具、溶接工具、センサ、塗装具など)、および画像を形成するため、またはマニピュレータが位置する作業環境に関する情報を集めるためのセンサ(カメラ、距離センサ、移動センサ、温度センサなど)を含む、産業上の適用においてあらゆる所望の装置を操作するための汎用マニピュレータまたはロボットアームとして使用することができる。マニピュレータが回転工具プレートを装備すると、工具プレートを、穴あけ、ねじ締め、固着、フライス加工、ばり取り、および締付けを含むさまざまな目的のために、被加工物または工具を回転させるために使用することができる。マニピュレータを小型化することも、また望みに応じて大型化することも可能であるから、これを重工業から超小型組立てまたは超小型切削までにわたる適用分野で使用することができる。
本発明によるマニピュレータの端部プラットフォームを、診断装置または手術用器具などの医療装置を支えるために使用することができる。リンクおよび端部プラットフォームは極めて小さくすることができるので、マニピュレータを大きな手術用開口部を通じて行う外科手術、または小さな手術用開口部もしくは身体の孔部を通じて行う腹腔鏡もしくは内視鏡下手術のいずれにも使用することができる。端部プラットフォームは高い精度と器用さで操作可能であり、かつ使用者に力フィードバックを提供することができるので、パラレルマニピュレータは遠隔制御による手術における使用に特に適している。ミクロン単位の分解能で単部プラットフォームの位置を調節するマニピュレータの能力は、マニピュレータを、精確で微細な動きを必要とする医療適用に、また特に、眼科手術、耳鼻咽喉科手術、神経科手術、マイクロハンドまたは微小整形外科手術を含む顕微鏡を用いて行う微小手術に適したものにする。
パラレルマニピュレータは剛性および負荷の位置を力学的に調節するための能力を有しているので、これを汎用支持物として使用することができる。例えば、これをカメラ、測量計器、または望遠鏡を支持するために使用することができる。
本発明によるパラレルマニピュレータを、マスタスレーブシステムにおいて6自由度までのマスタ制御装置として使用することができる。端部プラットフォームを負荷の支持に使用するのではなく、端部プラットフォームまたは端部プラットフォームに取り付けられたハンドルを使用者が握ることができ、使用者は端部プラットフォームをジョイスティックのように望みの方式で操作する。端部プラットフォームから遠いリンクの端部の移動、または端部プラットフォームの移動によって生ずるリンクの長さの変化を検知して、マスタの端部プラットフォームの移動を決定することができ、マスタの検知された移動に基づいて、スレーブマニピュレータを制御するための指令を発生させることができる。本発明によるパラレルマニピュレータは、制御されるべきスレーブ装置が本発明による別のパラレルマニピュレータである場合に、マスタ制御装置として特に適している。
本発明によるパラレルマニピュレータを、機器、材料、または作業者を支えるための従来型のクレーンまたは「チェリーピッカー」に似た方法で使用することができる。
Claims (52)
- 空間において対象物を操作するためのパラレル機構であって、
操作しようとする対象物を支持するための端部プラットフォームと、
前記端部プラットフォームから離隔して配置され、連結要素によって前記端部プラットフォームに連結された中間プラットフォームと、
各々が第1回転可能継ぎ手によって前記端部プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第1リンクと、
各々が第2回転可能継ぎ手によって中間プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第2リンクと、
前記第1および第2リンクの端部を並進させて、前記端部および中間プラットフォームを移動させるための、各第1リンクおよび各第2リンクに関連づけられている線形アクチュエータとを備え、
前記第1および第2継ぎ手の各々が回転中心を有し、前記第1継ぎ手のそれぞれの前記回転中心は、第1軸の周りに実質的に同じ角度間隔で互いに離隔し、前記第2継ぎ手のそれぞれの前記回転中心は、第2軸の周りに実質的に同じ角度間隔で互いに離隔し、前記第1継ぎ手の前記回転中心は第1平面内にあり、前記第2継ぎ手の前記回転中心は前記第1平面に平行な第2平面内にある、
パラレル機構。 - 前記第1リンクの各々と前記第2リンクの各々が実質的に真っ直ぐである、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記第1軸と第2軸とが同軸である請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記端部プラットフォームによって回転可能に支持された回転可能支持部材をさらに含む、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記端部プラットフォームから離隔した前記回転可能支持部材を回転するための、前記回転可能支持部材に駆動式に連結された駆動部材をさらに含む、請求項4に記載のパラレル機構。
- 前記駆動部材が前記回転可能支持部材を、前記端部プラットフォームの前記駆動部材に対するさまざまに変化する角度と位置とで回転させることができるように、前記駆動部材が前記回転可能支持部材に連結されている、請求項5に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの各々が、前記第1および第2のリンクの1つにおける、対向する第2端部に連結されている、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの各々が支持される基部をさらに含む、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記基部が一対の線形アクチュエータを有する複数のポスト要素を含み、一対の線形アクチュエータは各ポスト要素に取り付けられている、請求項8に記載のパラレル機構。
- 前記各ポスト要素に取り付けられた線形アクチュエータの前記対が、第1リンクに関連づけられている1つの線形アクチュエータと、第2リンクに関連づけられている1つの線形アクチュエータとを含む、請求項9に記載のパラレル機構。
- 前記ポストのそれぞれが第3軸の周りに等角度の間隔で離隔している、請求項9に記載のパラレル機構。
- 前記各ポストが前記第3軸の上に中心を置く円の上にある、請求項11に記載のパラレル機構。
- 前記基部が複数の第3リンクによって支持された移動プラットフォームを含み、各第3リンクは前記移動プラットフォームに連結された第1端部を有し、さらに複数の第2アクチュエータを含み、各アクチュエータは、前記第3リンクの前記第1端部を並進させて前記移動プラットフォームを動かすために前記複数の第3リンクのそれぞれ1つに関連づけられている、請求項8に記載のパラレル機構。
- 前記中間プラットフォームが前記端部プラットフォームよりも比較的小さい、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記複数の第1リンクが3本の第1リンクからなり、前記複数の第2リンクが3本の第2リンクからなる、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの動作を指示するコントローラと交信する触覚インタフェースをさらに含む、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記触覚インタフェースは、操作者から手動入力位置情報を受けとって、前記位置情報に基づく位置信号を前記コントローラに連絡するようになされており、前記コントローラは、前記線形アクチュエータの動作を指示する前に前記位置信号に所定の調整を行うようになされている、請求項16に記載のパラレル機構。
- 前記第1軸と第2軸とは同軸であり、前記第1軸に対する前記第1継ぎ手の前記回転中心は、前記第2軸に対する前記第2継ぎ手の前記回転中心からある角度だけずれている、請求項1に記載のパラレル機構。
- 前記第1および第2リンクに関連づけられている前記線形アクチュエータがリニアモータを備えている、請求項1に記載のパラレル機構。
- 空間において対象物を操作するためのパラレル機構であって、
操作しようとする対象物を支持するための端部プラットフォームと、
前記第1プラットフォームから離隔して配置され、連結要素によって前記第1プラットフォームに連結された中間プラットフォームと、
各々が前記端部プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第1リンクと、
各々が前記中間プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第2リンクと、
第1アクチュエータのそれぞれ1つが、前記第1および第2リンクの前記端部を並進させて前記端部および前記中間プラットフォームを移動させるための、各第1リンクおよび各第2リンクに関連づけられている、複数の第1アクチュエータと、
前記第1アクチュエータの各々を支持するための基部プラットフォームと、
各々が前記基部プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第3リンクと、
第2アクチュエータのそれぞれ1つが、前記第3リンクの前記端部を並進させて前記基部プラットフォームを移動させるための、前記第3リンクの各々に関連づけられている、複数の第2アクチュエータと
を備えたパラレル機構。 - 前記第1リンクの各々と前記第2リンクの各々が実質的に真っ直ぐである、請求項20に記載のパラレル機構。
- 前記端部プラットフォームによって回転可能に支持された回転可能支持部材をさらに含む、請求項20に記載のパラレル機構。
- 前記端部プラットフォームから離隔した前記回転可能支持部材を回転するための、前記回転可能支持部材に駆動式に連結された駆動部材をさらに含む、請求項22に記載のパラレル機構。
- 前記駆動部材が前記回転可能支持部材を、前記端部プラットフォームの前記駆動部材に対するさまざまに変化する角度と位置とで回転させることができるように、前記駆動部材が前記回転可能支持部材に連結されている、請求項23に記載のパラレル機構。
- 前記基部プラットフォームによって支持された複数のポスト要素をさらに含み、一対の前記第1アクチュエータは各ポスト要素に取り付けられている、請求項20に記載のパラレル機構。
- 前記各ポスト要素に取り付けられた第1アクチュエータの前記対が、第1リンクに関連づけられている1つの第1アクチュエータと第2リンクに関連づけられている1つの第1アクチュエータとを含む、請求項25に記載のパラレル機構。
- 前記ポストのそれぞれが第1軸の周りに等角度の間隔で互いに離隔している、請求項26に記載のパラレル機構。
- 前記各ポストが前記第1軸の上に中心を置く円の上にある、請求項27に記載のパラレル機構。
- 前記複数の第1リンクが3本の第1リンクからなり、前記複数の第2リンクが3本の第2リンクからなる、請求項20に記載のパラレル機構。
- 前記第1アクチュエータおよび前記第2アクチュエータの動作を指示するコントローラと交信する触覚インタフェースをさらに含む、請求項20に記載のパラレル機構。
- 前記触覚インタフェースは、操作者から手動入力位置情報を受けとって、前記位置情報に基づく位置信号を前記コントローラに連絡するようになされており、前記コントローラは、前記第1および第2アクチュエータの動作を指示する前に前記位置信号に所定の調整を行うようになされている、請求項30に記載のパラレル機構。
- 空間において対象物を操作するためのパラレル機構であって、
操作しようとする対象物を支持するための端部プラットフォームと、
前記端部プラットフォームから離隔して配置され、連結要素によって前記端部プラットフォームに連結された中間プラットフォームと、
各々が前記端部プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第1リンクと、
各々が前記中間プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第2リンクと、
前記第1および第2リンクの前記端部を並進させて前記端部および中間プラットフォームを移動させるための、各第1リンクおよび各第2リンクに関連づけられている複数の線形アクチュエータと、
前記端部プラットフォームによって支持され、前記端部プラットフォームに対して固定された回転軸を有する回転可能支持部材と、
前記回転可能支持部材を回転させるための駆動部材と、
を備えたパラレル機構。 - 前記第1リンクの各々と前記第2リンクの各々が実質的に真っ直ぐである、請求項32に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの各々が支持される基部をさらに含む、請求項32に記載のパラレル機構。
- 前記基部が複数のポスト要素を含み、一対の線形アクチュエータが各ポスト要素に取り付けられている、請求項34に記載のパラレル機構。
- 前記各ポスト要素に取り付けられた線形アクチュエータの前記対が、第1リンクに関連づけられている1つの線形アクチュエータと第2リンクに関連づけられている1つの線形アクチュエータとを含む、請求項35に記載のパラレル機構。
- 前記ポストのそれぞれが第3軸の周りに等角度の間隔で互いに離隔している、請求項36に記載のパラレル機構。
- 前記各ポストが前記第3軸の上に中心を置く円の上にある、請求項37に記載のパラレル機構。
- 前記基部が複数の第3リンクによって支持された移動プラットフォームを含み、各第3リンクは前記移動プラットフォームに連結された第1端部を有し、さらに複数の第2アクチュエータを含み、各アクチュエータは、前記第3リンクの前記第1端部を並進させて前記移動プラットフォームを動かすために前記複数の第3リンクのそれぞれ1つずつに関連づけられている、請求項34に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの動作を指示するコントローラと交信する触覚インタフェースをさらに含む、請求項32に記載のパラレル機構。
- 前記触覚インタフェースは、操作者から手動入力位置情報を受けとって、前記位置情報に基づく位置信号を前記コントローラに連絡するようになされており、前記コントローラは、前記線形アクチュエータの動作を指示する前に前記位置信号に所定の調整を行うようになされている、請求項40に記載のパラレル機構。
- 前記回転可能支持部材を回転させるための前記駆動部材が、前記端部プラットフォームから離隔しており、前記回転可能支持部材に駆動式に連結されている、請求項32に記載のパラレル機構。
- 前記駆動部材が前記回転可能支持部材を、前記端部プラットフォームの前記駆動部材に対するさまざまに変化する角度と位置で回転させることができるように、前記駆動部材が前記回転可能支持部材に連結されている、請求項42に記載のパラレル機構。
- 空間において対象物を操作するためのパラレル機構であって、
操作しようとする対象物を支持するための端部プラットフォームと、
前記端部プラットフォームから離隔して配置され、連結要素によって前記端部プラットフォームに連結された中間プラットフォームと、
各々が前記端部プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第1リンクと、
各々が前記中間プラットフォームに連結された端部を有する、複数の第2リンクと、
前記第1および第2リンクの前記端部を並進させて前記端部および中間プラットフォームを移動させるための、各第1リンクおよび各第2リンクに関連づけられているリニアモータと
を備えたパラレル機構。 - 前記第1リンクの各々と前記第2リンクの各々が実質的に真っ直ぐである、請求項44に記載のパラレル機構。
- 前記リニアモータの各々が支持される基部をさらに含む、請求項44に記載のパラレル機構。
- 前記基部が複数のポスト要素を含み、一対のリニアモータが各ポスト要素に取り付けられている、請求項46に記載のパラレル機構。
- 前記各ポスト要素に取り付けられたリニアモータの対が、第1リンクに関連づけられている1つのリニアモータと第2リンクに関連づけられている1つのリニアモータとを含む、請求項47に記載のパラレル機構。
- 前記ポストのそれぞれが第3軸の周りに等角度の間隔で互いに離隔している、請求項48に記載のパラレル機構。
- 前記各ポストが前記第3軸の上に中心を置く円の上にある、請求項49に記載のパラレル機構。
- 前記線形アクチュエータの動作を指示するコントローラと交信する触覚インタフェースをさらに含む、請求項44に記載のパラレル機構。
- 前記触覚インタフェースは、操作者から手動入力位置情報を受けとって、前記位置情報に基づく位置信号を前記コントローラに連絡するようになされており、前記コントローラは、前記線形アクチュエータの動作を指示する前に前記位置信号に所定の調整を行うようになsれている、請求項51に記載のパラレル機構。
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