JP2006340854A

JP2006340854A - 着用形関節駆動装置

Info

Publication number: JP2006340854A
Application number: JP2005168567A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kobayashi; 宏小林; Yutaka Sato; 佐藤　　裕
Original assignee: Tokyo University of Science; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Tokyo University of Science; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】本発明は、より高い自由度で関節部を駆動することができる着用形関節駆動装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】体幹側フレーム１と上腕フレーム２の接続板４との間には、第１及び第２のリンク部材５，６が互いに交差するように配置されている。第１及び第２のリンク部材５，６は、肩関節部の外側へ凸となるように円弧状に湾曲されている。第１及び第２のリンク部材５，６と体幹側フレーム１との間、第１及び第２のリンク部材５，６と接続板４との間には、第１ないし第４の連結体７〜１０が設けられている。連結体７〜１０としては、それぞれユニバーサルジョイントが用いられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば人体やロボット等の被駆動体に着用させて被駆動体の関節部を駆動する着用形関節駆動装置に関するものである。

従来の着用形関節駆動装置では、肩フレームは、リング状の肩フレーム本体と、肩フレーム本体内に回動可能に嵌合されたリング状の肩フレーム回動部とを有している。肩フレーム回動部には、一対の上腕フレーム接続ベルトを介して筒状の上腕フレームが接続されている（例えば、特許文献１参照）。

ＷＯ２００４／０８７０３３Ａ１

上記のような従来の着用形関節駆動装置では、肩フレーム本体に対する肩フレーム回動部の回動と、上腕フレーム及び接続ベルトの上記肩フレーム回動部に対する回動との２自由度のみを持つ構造であるため、２つの回転軸に直交する回転軸を中心とした回転方向へは肩関節部を動かすことができなかった。これに対して、従来の産業用ロボットのような３自由度を持つ構造は、被駆動体の内部にフレームを食い込ませる必要があり、着用形関節駆動装置への適用は困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、より高い自由度で関節部を駆動することができる着用形関節駆動装置を得ることを目的とする。

この発明に係る着用形関節駆動装置は、第１の被装着部に装着される第１のフレーム、第２の被装着部に装着される第２のフレーム、それぞれ第１及び第２の端部を有し、互いに交差するように第１及び第２のフレーム間に配置された第１及び第２のリンク部材、第１の端部と第１のフレームとの間、及び第２の端部と第２のフレームとの間にそれぞれ設けられ、第１及び第２のリンク部材を第１及び第２のフレームに所定の自由度で連結する第１ないし第４の連結体、及び第１のフレームに対して第２のフレームを駆動する駆動手段を備えている。
また、この発明に係る着用形関節駆動装置は、第１ないし第３の位置測定基準点を有し、第１の被装着部に装着される第１のフレーム、第１のフレームに連結され、かつ位置測定目標点を有し、第２の被装着部に装着される第２のフレーム、第１のフレームに対して第２のフレームを駆動する駆動手段、第１ないし第３の位置測定基準点と位置測定目標点との間に張設されているとともに、第１ないし第３の位置測定基準点と位置測定目標点との間の距離の変化に応じて引出量が変化される第１ないし第３の測定ワイヤを有し、第１ないし第３の測定ワイヤの引出量の変化に応じた信号を発生する距離センサ部、及び距離センサ部からの情報に基づいて位置測定目標点の三次元的な位置を測定する位置測定部を備えている。

この発明の着用形関節駆動装置は、第１及び第２のフレーム間に互いに交差する第１及び第２のリンク部材を配置し、第１及び第２のリンク部材と第１及び第２のフレームとを第１ないし第４の連結体により所定の自由度で接続したので、より高い自由度で肩関節部を駆動することができる。
また、この発明の着用形関節駆動装置は、距離センサ部及び位置測定部を用いて位置測定目標点の三次元的な位置を測定するようにしたので、第１及び第２のフレームが第１及び第２のリンク部材を介して連結されている構造であっても、第１のフレームに対する第２のフレームの位置変化をより正確にモニタリングすることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による着用形関節駆動装置の肩部を示す斜視図、図２は図１の肩部を示す側面図、図３は図１の肩部を示す正面図、図４は図１の肩部を示す平面図である。なお、この着用形関節駆動装置を着用する被駆動体（図示せず）は、第１の被装着部である体幹と、第２の被装着部である上腕と、体幹と上腕とを連結する肩関節部とを有している。

図において、体幹には、第１のフレームである体幹側フレーム１が装着される。上腕（この例では左上腕）には、第２のフレームである上腕フレーム２が装着される。上腕フレーム２は、円筒状の上腕フレーム本体３と、上腕フレーム本体３の上端部に接続された一対の帯状の接続板４とを有している。

体幹側フレーム１と接続板４との間には、第１及び第２のリンク部材５，６が互いに交差するように配置されている。第１及び第２のリンク部材５，６は、リンク部材５，６間の干渉及び被駆動体との干渉を避けるため、肩関節部の外側へ凸となるように円弧状に湾曲されている。また、第１及び第２のリンク部材５，６は、第１の端部（体幹側端部）５ａ，６ａと第２の端部（上腕側端部）５ｂ，６ｂとを有している。

第１の端部５ａ，６ａと体幹側フレーム１との間、及び第２の端部５ｂ，６ｂと接続板４との間には、第１及び第２のリンク部材５，６を体幹側フレーム１及び上腕フレーム２に所定の自由度で連結する第１ないし第４の連結体７〜１０が設けられている。連結体７〜１０としては、それぞれユニバーサルジョイントが用いられている。これにより、第１及び第２のリンク部材５，６と体幹側フレーム１及び上腕フレーム２との４箇所の接続部には、それぞれジンバル機構が構成されている。

体幹側フレーム１と上腕フレーム２との間には、体幹側フレーム１に対して上腕フレーム２を駆動する駆動手段としての複数のアクチュエータ１１が設けられている。アクチュエータ１１の本数や配置は、肩関節部をどのように動かしたいかによって適宜決められている。

アクチュエータ１１としては、空気圧式アクチュエータ（流体圧式アクチュエータ）が用いられている。空気圧式アクチュエータは、膨張収縮体としてのインナチューブと、インナチューブを覆う網状の被覆体であるメッシュスリーブとを有している。メッシュスリーブは、例えば伸縮性を持たない高張力繊維等の線材により構成されている。メッシュスリーブの長さ方向の両端部は、インナチューブの両端部に対して固定されている。

インナチューブは、内部に空気が供給されることにより膨張する。そして、インナチューブの膨張はアクチュエータ１１全体の長さの縮小に変換される。即ち、アクチュエータ１１は、空気が供給されると、径が拡大されつつ長さが縮小される。この長さの縮小により、アクチュエータ１１は駆動力（引張力）を発生する。

アクチュエータ１１には、電空レギュレータ（図示せず）を介してコンプレッサ（図示せず）が接続されている。電空レギュレータは、制御コンピュータ（図示せず）からの制御信号によって制御される。

なお、図５は図１の体幹側フレーム１に対する上腕フレーム２の動きの自由度を模式的に示す説明図、図６は図１の体幹側フレーム１に対する上腕フレーム２の一平面内における動きの一例を示す説明図である。但し、具体的には、図６は図１と対称の構造（右上腕用）の動きを示している。

上記のような着用形関節駆動装置では、体幹側フレーム１と上腕フレーム２との間に互いに交差する第１及び第２のリンク部材５，６を配置し、第１及び第２のリンク部材５，６と体幹側フレーム１及び上腕フレーム２とを第１ないし第４の連結体７〜１０により接続したので、より高い自由度で肩関節部を駆動することができる。即ち、前と横に腕を上げる動作が可能であるとともに、腕を上げた状態のまま前から横、横から前へ動かす動作も可能であり、三次元的に広い可動範囲を得ることができる。しかも、フレーム１，２やリンク部材５，６が被駆動体に干渉することもない。

なお、上記の例では、第１ないし第４の連結体７〜１０としてユニバーサルジョイントを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、繰り返しの屈曲に対する十分な耐久性を持つゴム等の弾性体を用いることも可能である。
また、第１ないし第４の連結体は、全て同様の構造とする必要はなく、位置によって異なる構造としてもよい。従って、第１ないし第４の連結体が許容する自由度も位置によって異なっていてもよい。
さらに、上記の例では、図２に示すように、体幹側フレーム１及び上腕フレーム２の中心線上で第１及び第２のリンク部材５，６を交差させたが、必要に応じて中心線からオフセットした位置で交差させてもよい。

実施の形態２．
次に、図７はこの発明の実施の形態２による着用形関節駆動装置の肩部を示す側面図である。図において、体幹側フレーム１には、第１ないし第３の位置測定基準点２１ａ〜２１ｃが設定されている。第１の位置測定基準点２１ａに対する第２及び第３の位置測定基準点２１ｂ，２１ｃの位置関係は予め求められている。上腕フレーム２には、位置測定目標点２２が設定されている。

位置測定基準点２１ａ〜２１ｃから位置測定目標点２２までの距離は、距離センサ部２３により検出される。距離センサ部２３は、第１ないし第３の測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃ、第１ないし第３のセンサ本体２５ａ〜２５ｃ、及び第１ないし第３のガイドチューブ２６ａ〜２６ｃを有している。

測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃの先端部は、位置測定目標点２２に接続されている。測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃの基端部は、センサ本体２５ａ〜２５ｃ内に巻き取られている。これにより、測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃは、位置測定基準点２１ａ〜２１ｃと位置測定目標点２２との間に張設されている。また、測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃのセンサ本体２５ａ〜２５ｃからの引出量は、位置測定基準点２１ａ〜２１ｃと位置測定目標点２２との間の距離の変化に応じてそれぞれ独立して変化される。

センサ本体２５ａ〜２５ｃは、測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃの引出量の変化に応じた信号を発生する。また、センサ本体２５ａ〜２５ｃは、例えば体幹側フレーム１に搭載されている。ガイドチューブ２６ａ〜２６ｃは、センサ本体２５ａ〜２５ｃから位置測定基準点２１ａ〜２１ｃまで測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃを導く。即ち、測定ワイヤ２４ａ〜２４ｃは、ガイドチューブ２６ａ〜２６ｃ内に挿通されている。

センサ本体２５ａ〜２５ｃからの信号は、位置測定部（位置測定コンピュータ）２７に入力される。位置測定部２７は、距離センサ部２３からの信号に基づいて、体幹側フレーム１上の原点（例えば第１の位置測定基準点２１ａ）からの位置測定目標点２２の三次元的な位置（座標）を測定する。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような着用形関節駆動装置によれば、距離センサ部２３及び位置測定部２７を用いて位置測定目標点２２の三次元的な位置を測定するようにしたので、体幹側フレーム１と上腕フレーム２とがリンク部材５，６を介して連結されている構造であっても、体幹側フレーム１に対する上腕フレーム２の位置変化をより正確にモニタリングすることができる。

なお、２つのフレームが１つの軸で回動可能に連結されている場合であれば、軸の回動角度をポテンショメータ等で検出することによりフレームの角度変化を検出することができる。
また、実施の形態１、２では、肩関節部を駆動するための装置を示したが、他の関節部を駆動する装置にもこの発明の構造を適用できる。
さらに、被駆動体は人体であっても、人形やロボット等であってもよい。
さらにまた、実施の形態１、２では、駆動手段として空気圧式アクチュエータを示したが、駆動手段は、例えば、空気以外の気体や液体を用いた流体圧式アクチュエータや、電動モータ等であってもよい。

この発明の実施の形態１による着用形関節駆動装置の肩部を示す斜視図である。図１の肩部を示す側面図である。図１の肩部を示す正面図である。図１の肩部を示す平面図である。図１の体幹側フレームに対する上腕フレームの動きの自由度を模式的に示す説明図である。図１の体幹側フレームに対する上腕フレームの一平面内における動きの一例を示す説明図である。この発明の実施の形態２による着用形関節駆動装置の肩部を示す側面図である。

符号の説明

１体幹側フレーム（第１のフレーム）、２上腕フレーム（第２のフレーム）、５第１のリンク部材、５ａ第１の端部、５ｂ第２の端部、６第２のリンク部材、６ａ第１の端部、６ｂ第２の端部、７第１の連結体、８第２の連結体、９第３の連結体、１０第４の連結体、１１アクチュエータ（駆動手段）、２１ａ第１の位置測定基準点、２１ｂ第２の位置測定基準点、２１ｃ第３の位置測定基準点、２２位置測定目標点、２３距離センサ部、２４ａ第１の測定ワイヤ、２４ｂ第２の測定ワイヤ、２４ｃ第３の測定ワイヤ、２７位置測定部。

Claims

第１及び第２の被装着部と、上記第１及び第２の被装着部間を連結する関節部とを有する被駆動体に着用させ、上記関節部を駆動する着用形関節駆動装置であって、
上記第１の被装着部に装着される第１のフレーム、
上記第２の被装着部に装着される第２のフレーム、
それぞれ第１及び第２の端部を有し、互いに交差するように上記第１及び第２のフレーム間に配置された第１及び第２のリンク部材、
上記第１の端部と上記第１のフレームとの間、及び上記第２の端部と上記第２のフレームとの間にそれぞれ設けられ、上記第１及び第２のリンク部材を上記第１及び第２のフレームに所定の自由度で連結する第１ないし第４の連結体、及び
上記第１のフレームに対して上記第２のフレームを駆動する駆動手段
を備えていることを特徴とする着用形関節駆動装置。
上記関節部は上記被駆動体の肩関節部であり、上記第１及び第２のリンク部材は、上記肩関節部の外側へ凸となるように円弧状に湾曲されていることを特徴とする請求項１記載の着用形関節駆動装置。
上記第１ないし第４の連結体は、ユニバーサルジョイントであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の着用形関節駆動装置。
第１及び第２の被装着部と、上記第１及び第２の被装着部間を連結する関節部とを有する被駆動体に着用させ、上記関節部を駆動する着用形関節駆動装置であって、
第１ないし第３の位置測定基準点を有し、上記第１の被装着部に装着される第１のフレーム、
上記第１のフレームに連結され、かつ位置測定目標点を有し、上記第２の被装着部に装着される第２のフレーム、
上記第１のフレームに対して上記第２のフレームを駆動する駆動手段、
上記第１ないし第３の位置測定基準点と上記位置測定目標点との間に張設されているとともに、上記第１ないし第３の位置測定基準点と上記位置測定目標点との間の距離の変化に応じて引出量が変化される第１ないし第３の測定ワイヤを有し、上記第１ないし第３の測定ワイヤの引出量の変化に応じた信号を発生する距離センサ部、及び
上記距離センサ部からの情報に基づいて上記位置測定目標点の三次元的な位置を測定する位置測定部
を備えていることを特徴とする着用形関節駆動装置。