JP2009527366A - ロボットアーム - Google Patents

Abstract

本発明にかかるロボットアームの代表的な構成は、必要に応じて連結される１つまたは複数の枢動式レバーから形成されるロボットアームであって、枢動式レバーが、支持材、基部、枢動可能な部品および複数の空気圧人工筋を備え、基部が、支持材の一方の端部に強固に接続され、枢動可能な部品が、支持材の長手方向から発散するように位置合わせされる１つまたは２つの軸を中心にして枢動可能である支持材の第２の端部上に装着され、空気圧人工筋が、基部から枢動可能な部品まで伸張し、個別の空気圧人工筋が、枢動可能な部品の枢軸の対向する側で枢動可能な部品に係合し、連結される枢動式レバーの場合には、１つの枢動式レバーの基部が、このように連結される次の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続され、
コントローラが、個別の枢動式レバーの位置および個別の空気圧人工筋に印加される圧力を測定して、個別の空気圧人工筋の圧力−変位図と、空気圧人工筋に設けられるすべての枢動式レバーに関する幾何的なレバー比を含むことによって、外部から作用される力を計算し、これらの力を制限することを特徴とする。

Description

本発明は、空気圧人工筋によって駆動される可撓性ロボットアームに関する。

独国特許第３６３０８２２Ｃ２号（Ｂｒｉｄｇｅｓｔｏｎｅ）は、産業ロボット用の正確に１軸を中心にして枢動可能なアームについて記載している。アームは、ケーブルによって取り囲まれる回転可能に装着されたベルトプーリに取り付けられ、いわゆる空気圧人工筋が、ベルトプーリから案内している両端部に位置している。空気圧人工筋は、管状の中心部分および２つの板状の端部部品から構成され、板状の端部部品の少なくとも一方には、空気通路が設けられている。管状の中心部分が膨張する場合には、その周縁部が広がり、その長さが短くなる。長さにおけるこの短縮は、外部張力を克服することにより生じることができる。独国特許第３６３０８２２号に対応する使用事例において、空気圧人工筋がぴんと張る場合には、アームは回転方向に枢動される。この空気圧人工筋が緩められ、第２の空気圧人工筋がぴんと張る場合には、アームは逆方向に枢動される。アームは、外力が印加される場合には、それ自体の軟性に応じて、弾性的に生じ、位置センサを用い、空気圧人工筋に存在する圧力を考慮して外力の大きさを推測することが可能であるという意味で「接触可能」である。産業ロボット用の記載されたアームは、賛同を得られていない。弾性の発生がこの場合には制御されていないため、例えば、電動モータまたは油圧シリンダを用いた駆動原理を強化することの方が好まれ、必要であれば、「ソフトグリップ」が個別の把持部品を用いて実現されている。

米国特許第４９８４５６８号は、複数の相互的に枢動可能な油圧シリンダによって駆動される背中マッサージ用に用いられるロボットアームについて記載している。ロボットアームは、ベッドフレームの側部フレーム部品に固着され、ベッドの表面の上に突出し、ベッド上にうつぶせの姿勢で横たわっている人の背中に圧力を印加する。ロボットアームは、制御ユニットを用いることによって、ベッドの上に横たわっている人によって制御され得る。このタイプのマッサージロボットには、多数の欠点がある。油圧システムは、高価で、重く、油圧油の臭気を撒き散らすことが多く、油圧流体が漏れることによって汚染の危険を引き起こす。また、油圧システムにおけるエラーが、きわめて急速に危険なほど高い力を、処置を受けている人に印加させる事態を引き起こすため、マッサージロボットして危険でもある。

独国特許第１９５２４６６６Ｃ１号は、これもベッドの側部に装着されるマッサージロボットについて記載している。リニアドライブを介して３つの空間座標において移動可能なツールホルダは、種々のマッサージデバイスを保持することができ、したがって、マッサージ対象の人に作用することができる。多数のプログラムは、コントローラ用に利用可能である。人に対する作用は、力が調整される。空気圧シリンダまたは電動モータが、ドライブ用に設けられる。コントローラにおけるエラーの場合に、マッサージ対象の人にとっての危険を不可能にするために、許容可能な力を超えた場合には遮断する所定の制動点が、システムに設けられる。

きわめて類似の設計のマッサージロボットもまた、米国特許第５０８３５５２号および米国特許第２００１／００１４７８１Ａ１号において記載されている。適切に制御される場合には、これらのマッサージロボットは、すぐれたマッサージを提供することができる。しかし、それらのすべては、きわめて高い購入価格を有し、大量の空間を必要として、脅威的な外観を有する。さらに、カスケード状の方式に配置される線状ガイドのために、マッサージに使用する人によって移動されるときに生じ得る多数の力に対して損傷をきわめて受けやすい。

独国特許第１０１３９８０７Ａ１号は、複数の連結された枢動可能なレバーから構築される産業用途向けのロボットアームについて記載している。２つのレバー間の継手は、特定の利点からなる方式に設計される。個別のレバー用の駆動要素は、レバー上に直接的に位置する電子作動式、油圧作動式または空気圧作動式巻上げロッドユニットである。これらの駆動要素は、比較的重く、空間を占領し、高価であるという欠点がある。

ブラジル特許第９３０３６９５Ａ号は、互いに連結された複数の枢動可能なレバーから構築されるロボットアームについて記載している。枢動レバーのそれぞれは、支持材および２つの空気圧人工筋に基づく枢動可能な部品から構成されており、１つの枢動レバーの基部および枢動可能な部品は、支持材の対向する端部に固着されており、枢動可能な部品は、それに対して垂直に置かれる軸上の支持材に関して回転可能に支持され、２つの空気圧人工筋は、基部と枢動可能な部品との間に延在し、枢軸の異なる側で枢動可能な部品に係合し、レバーの枢動可能な部品は第２のレバーの基部に強固に接続される。簡素かつ堅牢な構造にもかかわらず、この設計は、これまで賛同が得られていない。これは、不正確さおよび危険の過度に大きな原因が、空気圧人工筋のある程度困難な作動において見られるためであると推測可能である。

国際公開第２００３０８０２９７Ａ１号は、連結され、相互的に枢動可能な部品を用いて、人間の手および人間のアームの再現について記載している。枢動可能な部品の互いに対する動きは、空気圧人工筋によって駆動され、その機能が人間の腱の機能に類似であるケーブルを介して動かされる個別の部分に作用する。空気圧人工筋の利点は、他の駆動手段に比べて必要な空間が小さくて済むという点に見られる。しかし、国際公開第２００３０８０２９７Ａ１号による設計は、それにもかかわらずきわめて複雑であるため、過度に高いコストを結果として生じることは避けられず、したがって、かなりの適用範囲においてほとんど用いることができない。

米国特許第５，４１７，６４３号および独国特許第２９９２２６５１Ｕ１号は、受動的な可動性を有する人用の治療用デバイスとして設計された多要素アームレストを装備したチェアについて記載している。個別の要素は、互いに対して移動可能に案内されるように取り付けられる。制御可能なドライブは、個別の要素間で動作する。チェアに座っている患者は、アームレストの上に一方の腕を置く。制御プログラムによれば、アームレストは次に、移動され、アームレストと共に患者の腕も移動される。アームレストの制御された動きが、動きに対する患者の能力によって異なり、したがって、患者に対して、痛みあるいはけがさえも生じる恐れがある場合に起こることについては、独国特許第２９９２２６５１Ｕ１号には言及されていない。米国特許第５，４１７，６４３号によれば、この場合には、急速な遮断が行われる。このことにおける欠点は、この遮断が実施され、したがって処置が中止される場合に、既に危険なほど高い力が、患者に影響を及ぼしている可能性があることである。

欧州特許第１６０９４５１Ａ１号によれば、受動的な理学療法用のデバイスについて、騎士の兜に類似である患者によって着用される剛性のシェル状の部分から構成され、継手によって互いに接続されることが記載されている。空気圧人工筋は、互いに対して動かされる個別のシェル部品間の制御可能なアクチュエータとして作用する。アクチュエータの作動のタイプに関しては何も述べられていない。シェル状の部品から構成される設計は、デバイスを比較的重く構成し、着脱の過程をある程度困難にしている。

米国特許第２００３／０２２３８４４Ａ１号はまた、騎士の兜に類似である患者によって着用される複数の剛性のシェル状の要素から構成され、継手によって互いに接続されるデバイスについて記載している。デバイスは、例えば、空間に位置している遠隔ロボットを制御するために用いられる。弾性的に予め張力を加えられたボーデンケーブルが、重力に逆らって個別の要素を持ち上げるのを支援し、互いに対して個別の要素の位置を測定するために用いられる。測定結果に応じて、遠隔ロボットは動かされる。有利な改良において、制御された力はまた、ロボットに作用する力に応じてデバイスの個別のシェル間に印加される。

本発明者の目的は、多数の個人の家庭、産業および医療技術において用いられ得るロボットアームを提供することである。コスト、堅牢性、重量および空間のために、駆動要素として空気圧人工筋を有するブラジル特許第９３０３６９５号に対応する設計を考案しなければならない。対照的に、ロボットアームが高速で高い力または衝撃によって全く損傷を受けず、誰もけがをしないようにするために、主に安全性は、増大されなければならず、ロボットアームは、動作がより簡単であり、かつ多数の異なる用途向けに使用可能でなければならない。特に、ロボットアームはまた、受動的および能動的な可動性を有する人の肢のための治療デバイスとして使用可能でなければならない。

本目的を達成するために、以下の特徴を有するロボットアームが、記載されている。

ロボットアームは、少なくとも１つの枢動可能なレバーとして設計される。好ましくは、ロボットアームは、少なくとも２つの連結された枢動式レバーから構成される。

各枢動式レバーは、一定の長さを有し、支持材から構成され、その一方の端部に基部が強固に接続され、枢動可能な部品がその他方の端部に位置している。

第２の枢動式レバーの基部は、第１の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続される。次の枢動式レバーの基部は、前の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続される。

空気圧人工筋は、１つの枢動式レバーの基部と枢動可能な部品との間に位置決めされ、特定の枢動位置を能動的に設定するために用いられてもよい。

ロボットアームが外部に印加する力は、ロボットアームのコントローラによって検出および制限される。この検出および制限は、ツールが位置決めされ得るロボットアームの端部に関してだけでなく、アームの取り付け点と端部との間に置かれるすべての枢動式レバーに関しても行われる。

ツールホルダは、最後の枢動式レバーの枢動可能な部品に位置し、その上に異なるツールが位置してもよく、および／またはロボットアームの１つまたは２つの枢動式レバーが、これらの肢に略平行にそれらを位置決めすることによって、治療されるこれらの人の前腕および上腕または他の肢用の接触面を提供してもよい。

ロボットアームが印加され得る力はまた、好ましくは圧力逃し弁を用いて、好ましくは空気圧人工筋における気圧を上向き方向において制限することによって、機械的に制限されてもよい。

ロボットアームの一部が動かされてもよい速度は、コントローラによって、および／または受動的減衰要素による閉ループ制御によって制限される。

ロボットアームが独立に行うことを意図した動きは、ティーチイン手順を用いてプログラムされてよい。

枢動式レバーの少なくとも１つの場合において、枢動可能な部品は、２つの非平行な軸を中心にして基部に対して枢動してもよい。

ロボットアームの制御のために設けられる機械的構造および有利な特性のさらに有利な詳細は、図面を参照して記載される。

図１および図２において略記される多様なツールの動きに関する本発明によるロボットアームの実施形態は、最初に、以下にさらに詳細に記載される。受動的および能動的な可動性を有する肢用の治療デバイスとして本発明によるロボットアームの実施形態が、さらに以下にさらに詳細に記載される。

第１の枢動式レバー１の基部１．１は、全体的なロボットアームを支持する。基部は、直接的に部屋の床に直立してもよく、またはロッキングキャスタ上に直立してもよい。しかし、基部はまた、壁上のブラケット、機械または固定具に取り付けられてもよい。基部はまた、プラットフォーム上に位置してもよく、プラットフォームは、室内において制御可能に動かされるか、または室内で固定して直立している別の基部に関して垂直軸を中心にして機械的に枢動可能である。基部１．１から、基部１．１に強固に接合される支持材１．２は、上向きに突出し、ボールソケット型継手のボール１．２．１で終端する。このボールソケット型継手のソケットは、第１の枢動式レバー１の枢動可能な部品１．４を形成する。支持材１．２に平行に位置合わせされる３つの空気圧人工筋１．３は、基部１．１と枢動可能な部品１．４との間に位置している。枢動可能な部品１．４上の取り付け点は、ボール１．２．１がその中心に位置する三角形の隅を形成する。１つまたは２つの空気圧人工筋１．３を短縮し、２つの他の空気圧人工筋または第３の空気圧人工筋を延ばすことにより、ボール１．２．１の中心点を通過し、空気圧人工筋の向きに対して垂直に置かれる軸のすべてを中心して、枢動可能な部品１．４をボール１．２．１の中心点の上で枢動させる。このように可能な枢動の動きのそれぞれは、正確に２つの軸を中心とする枢動の動きから組み合わせられように考えられてもよく、このことは、ロボットアームに関する慣例的な説明の方式において、枢動可能な部品１．４は、２つの軸を中心にして枢動可能であることを意味する。ストップは、枢動可能な部品１．４が第３の軸、すなわち空気圧人工筋に平行に置かれる軸を中心にした枢動の動きを行わないようにする。このストップは、ボール１．２．１の面上の溝の中に突出する枢動可能な部品１．４に強固に接合されるピン１．４．１によって形成される。ボール１．２．１の面上のこの溝は、空気圧人工筋１．３の向きに平行に置かれるボールの対称平面に置かれる。この第３の軸を中心とした回転の動きは、平行に位置合わせされた状態にある空気圧人工筋１．３によって適切に制御されることは可能ではなく、したがって、記載されたストップによって完全に回避される。枢動式レバー１の長手軸において、ボールは、ケーブルおよびホース通路として孔を有する。

記載されたボールソケット型継手の代わりに、自在継手を用いることも可能であり、２軸ボルトが、ボールの代わりに用いられる。第１の軸ボルトは通常、支持材と位置合わせされる。第２の軸ボルトは通常、第１の軸ボルトと位置合わせされ、その軸を中心として枢動するように支持される。枢動可能な部品は、第２の軸ボルトに固着され、その軸を中心にして枢動する。自在継手はまた、ケーブル通路を有してもよい。

第２の枢動式レバー２の基部２．１は、中間部品１．４．２および２．１．１を介して第１の枢動式レバー１の枢動可能な部品１．４に強固に接合される。中間部品１．４．２および２．１．１は、複数の異なる位置において互いに隣接して装着されてもよく、第１の枢動式レバー１の枢動可能な部品１．４と第２の枢動式レバー２の基部２．１との間の角度位置、したがって特定の用途向けの２つの枢動式レバーの最適な開始位置を適応することを可能にする。

第２の枢動式レバー２の枢動可能な部品２．４が、基部２．１に関して１軸のみを中心にして回転可能である必要がある場合には、前述のボールの代わりにその枢動式レバーの支持材２．２に対して垂直に位置合わせされる円筒の軸ボルト上に支持されてもよい。この場合には、２つの空気圧人工筋のみが用いられる。

第３の枢動式レバー３は、第１の枢動式レバー１と本質的に同一の方式で設計される。したがって、その枢動可能な部品３．４は、基部３．１に対して２軸を中心にして枢動可能である。

第３の枢動式レバーの基部３．１は、第２の枢動式レバーの枢動可能な部品２．４に直接的に接続される。

図１による実施例において、第３の枢動式レバーの枢動可能な部品３．４は、最適には種々のツールに関して掛止可能なプラグおよびソケットデバイスの形態においてツール端部４を備える。この意味におけるツールは、種々の電気または空気圧によって制御可能な把持部であってもよく、または、プラグおよびソケットデバイス、フック、レバー、へら、金てこ、レンチなどの剛性物体であってもよい。把持部は、今度は、種々のマッサージ機器、洗浄用ぼろ、通常の手動ツール、電話受話器、食事用器具類などのツールを保持してもよい。

予想されたトルク負荷に対する適合として、枢動式レバー１は、枢動式レバー２より強く、枢動式レバー２は、枢動式レバー３より強いように設計されるべきである。したがって、枢動式レバー１はまた、最も重く、枢動式レバー３は、最も軽い。異なる重量の分配に比べて、これはまた、所望であればツール端部４のより高い加速が可能であり、障害物とツール端部の起こり得る衝突の衝撃があまり強くないという利点ももたらす。

記載される順序「２軸継手−一定の長さのレバー−１軸継手−一定の長さのレバー−２軸継手」は、人間の腕の順序「肩関節−上腕−肘関節−前腕−手関節」に大まかに対応している。そのために、この方式において設計されたロボットアームの動きに関する実現性は、それを用いる人によって急速かつ直観的に十分によく理解され、それにより、長い習熟時間をかけなくても最適に用いられることを可能にする。したがって、本質的にその長さを変更することができない枢動式レバーの記載された連結は、それらの間に２軸継手および１軸継手を含み、一方ではツール端部の多数の動きの実現性と他方では低コストとの間で、きわめて良好な妥協を行う。

流体駆動式シリンダまたは電動モータなどのアクチュエータに比べて、空気圧人工筋は、１方向にのみ目標とされる制御可能な力を印加することができるという欠点と、したがって、著しく低下した位置決め精度だけが、略同一の必要経費で実現可能であるという欠点を有する。主にこれらの欠点のうち第２の欠点に起因して、ロボット用途向けの空気圧人工筋の利点は、到底適切に認識されず、したがってほとんど用いられない。

特に人の個人的需要のために用いられ、簡単な作業を実行することを意図したロボットアームに関する用途の場合には、空気圧人工筋によって実現され得る位置決め精度は、完全に適切である。考慮される作業としては、例えば、マッサージ機器の案内、電話受話器の保持、真空クリーナの案内、窓の洗浄、所定の位置におけるツールラックなどの物体の研磨、塗装および保持などが挙げられる。このタイプの用途において、空気圧人工筋の比較的芳しくない位置決め精度は、全く欠点がない。これに反して、位置ではなく、代わりにここでは重要である接触圧力であるという事実のために、妥協は、表面接触による活動において最大の利点を表す。

ロボットアームに関するアクチュエータとしての空気圧人工筋の使用は、多数の重要な利点を提供する。

（ソフトタッチ）
ロボットアームの動きが、体積弾性媒体の空気によって生じるため、力−変位特性は、柔軟性があり、外部物体における作用は、小さな力から大きな力まで急激に変化するように用いることが可能である。

（極端な堅牢性（受動的安全性、自己保護））
電動モータおよび剛性の動きを有する広範囲の産業ロボットに比べて、柔軟性の空気圧人工筋は、ロボット自体における衝撃を吸収して減衰することができる。その軽量の構成にもかかわらず、これは、ロボットをピーク負荷および振動に対してきわめて堅牢に構成する。ピストン−シリンダ式アクチュエータに比べて、部分が互いに摺動し、密封する面を有しておらず、管のようなそれらの柔軟性は、物体との衝突によって損傷されることを実際に不可能にするため、空気圧人工筋自体もまた、きわめて堅牢である。

（力の制御された動き（能動的安全性、他のものの保護））
個別の枢動式レバーの位置および個別の空気圧人工筋に存在する圧力を測定することにより、制御ユニットにとってツール端部４における外力を計算することを可能にすると同時に、個別の空気圧人工筋および最も一般的なレバー比の圧力−変位図を考慮する。このことは、追加の力センサを必要とすることなく、外部に作用する力を決定することを可能にすることを意味する。コントローラは、実現される動きに逆らい、圧力によって印加され得る外部抵抗に逆らう最大力を指定することを可能にする。ロボットアームの変形特性が「柔軟性」であり、したがって外側から課せられる小さな動きの混乱は、ロボットアームにおける力の急激な変化において生じないために、この最大力を比較的十分かつ確実に調整することが可能である。これはまた、この物体が特定の制限内で動く場合には、この物体に圧力を印加している間、ロボットアームを物体の後に続かせることを容易に可能にする。ロボットアームの個別の部分が軽量であるために、よほど高速でない限り、人との衝突の危険を示すことはない。

例えば、力の線形関数である直線においてひずみ計を用いた印加された筋力の測定は、精度における別の向上を可能にする。

（安全性（機能不良の場合における受動的な安全性））
ロボットアームにおける所定の断線点を設けない場合であっても、空気圧人工筋における圧力が、例えば、圧力逃し弁によって制限されるか、または受動的減衰要素によって制限されるという事実に起因する不正確な制御の場合においても、その領域に位置している人に危険なほど高い力が印加されないことを保証することが可能である。そのような減衰要素は、例えば、気体が空気圧人工筋に流れ込むか、または空気圧人工筋から流れ出す管路の領域において、狭窄を設けることによって、または気体の流れを制限することによって、作製されてもよい。同様に、例えば、流体が動きの場合における狭い領域を介してポンプによって送り込まれるピストン−シリンダシステムなどの追加の減衰要素が、互いに対して動く枢動式レバーの間に位置決めされてもよい。同様に、遠心ブレーキの原理に基づいて機能し、それに基づいて、遠心力に起因して互いに対して押し付けられた結果として、互いに対して動く２つの部分の間に摩擦が生成される枢動式レバーの相対的な枢動の動きの間の制動システムを用いることも考えられる。

（経済性）
簡素な設計は、空気圧人工筋を油圧シリンダまたは空気圧シリンダまたは匹敵する使用可能な電動ドライブより経済的にする。

（軽さ）
空気圧人工筋は、現在製品における類似の作用の匹敵するアクチュエータより著しく小さい重量を有する。

通常の場合には、空気圧人工筋は、枢動式レバーの基部に直接的に接続されるか、または接続の最も直接的な経路において、鋼ケーブル、鎖、ベルトまたは接続ロッドなどの剛性の引張部材を介して接続される。空気圧人工筋は、例えば、一方では空気圧人工筋に取り付けられ、他方では枢動式レバーの基部または枢動可能な部品に取り付けられるケーブルなどの引張部材を専ら介して、問題の枢動式レバーの具体的な枢動可能な部品への直接経路を確立すべきである。枢動式レバー、歯付き車、偏向ローラなどの他の可能な伝達機構のすべては、さらなる購入費用だけでなく、不適切な処理またはわずかな保守に起因する損傷に対する感受性も伴う。特に、このタイプの部分はまた、それらと接触し得る人にとって危険でもあり、安全カバーを必要とする。このことは再び費用を伴い、損傷を受けやすい。

ロボットアームは、予め規定されたような継手における回転および空気圧人工筋の伸張によって、ほとんどいずれの方向からの著しい負荷にも従うことができるという事実によって、記載された順序の、例えば、３つの枢動式レバーと空気圧人工筋の組み合わせはまた、堅牢性および安全性を実現する。この設計は、きわめて鋭敏に把持することができるロボットアームを構成することを容易に可能にし、一方では、葡萄の木から個別の葡萄をつかんで摘むことができ、他方では結果としてロボットアームを損傷することなく、重いハンマによって打たれるのみなどの鋼の物体を保持することができる。

ロボットアームの個別の枢動式レバーの長さを変更することができないため、ツール端部に保持される任意の電気ツール用の圧縮空気の供給、センサ信号および電気のための必要な管路は、基部および枢動可能な部品に簡単に取り付けられてもよい。個別の継手間で短く残した長さによって、ロボットアームが動くが、直線方向にさらに動かない場合には、ある程度枢動されるだけである。特に簡潔な管路案内のバージョンにおいて、管路は、継手のボール内または継手のボルト内の孔を介して継手の中で経路指定される。

起動のための性能は、あらゆるロボットアームに関して言えることだが、ロボットアームの実際的な使用に関してきわめて重要である。記載された設計において門外漢の使用者による実際の使用のために所望かつ完全に実現可能な設計の実施例としては、以下のものが挙げられる。

準備された変位−時間−力の分布。

ティーチイン、すなわち、動きの同時記録を用いて、アームの動きの１回の手動制御によって、後でロボットアームによって実行される動きのプログラミング。

ティーチイン、すなわち、動きの同時記録を用いて、可視的に認識可能なマーカを用いたアームの動きの１回の指定によって、後でロボットアームによって実行される動きのプログラミング。マーカが人によって保持され、動かされてもよいため、記録中、ロボットアームは静止していてもよい。他のプログラミング方法のほか、他のティーチイン方法に比べて、この方法は、比較的不正確である。しかし、力が調整された方式において予めプログラムされた動きが従う用途と組み合わせると、精度は、十分に足りる。

対応するモードにおける任意の点でプログラマによって把持され、後に実行される所望の順序で手動によって動かされるロボットアームに起因するティーチイン。

幾何的な変化、速度の変化、印加される力に関する変化に対するプログラムされた動きの編集可能性。

最大速度、最大加速度、最大力などの安全性に関連する制限の適応可能性。

アームが対象物体と接触している限り、一定の接触力での広範囲の位置の許容差の適応可能性。したがって、物体自体が一定の制限内で動く場合であっても、アームは、力が制御された方式で、物体に「従う」。

ロボットアームが、例えば、その可動部分の１つに対する衝撃などの外部作用の結果として、この位置から動かされる場合には、ロボットアームの適応された位置が自動的に再起動される効果に対する調整。

空気圧人工筋が外部から印加される振動を強く減衰するため、ロボットアームはまた、振動するデバイスの中または上に利益をもたらすために用いられてもよい。例えば、本発明によるロボットアームはまた、自動車において用いられてもよい。

主にロボットアームが手によって案内されるティーチインおよび接触における力の調整のために、ロボットの記載された設計は、きわめて有利である。ロボットアームはきわめて軽量であるために、動きを妨害する摩擦がほとんどなく、柔軟な動きの特性は、輪郭の追跡を著しく簡単にするためである。

ロボットアームの特徴の記載された組み合わせは、これまで得られなかった数々の利点、すなわち、経済性、堅牢性、可能な用途に対する柔軟性、無害さ、安全性および可能な動きの直観的な理解という結果を生じる。したがって、初めて、販売数量の増大に起因して、実際的に有用なロボットアームが可能となり、より小さい簡単な産業動作にも用いられる可能があり、個人家庭用にも相当販売される可能性がある。

患者の受動的および能動的な理学治療、これらの枢動式レバーの少なくとも１つに取り付けられ、動かされる患者の身体の部位用の接触面、枢動式レバーに関連して制御ユニットにおいて予めプログラム可能である接触面の動きのために、本発明によるロボットアームの使用は、この目的のために用いられる他のデバイスに比べて、以下の改善を実現することが可能である。

ロボットアームは、設定の軌跡、すなわち、患者の反応の結果として、所望の変位−時間曲線からのずれに対して優しく反応することができ、したがって患者が決してけがしない。

ロボットアームは、患者の反応から結果として生じる設定の軌跡からのずれを調整して記録することができる。したがって、治療の成果の文書化および評価を改善し、したがって、治療によりよく適合することが可能である。

座っている人のアームの治療用の通常の用途において、デバイスは、複数の連結された互いに制御可能な枢動式レバーから構成され、治療を施される人が座っているチェアの側部に位置決めされてもよいことを記載している。デバイスの１つまたは２つの枢動式レバーは、脇の下および上腕、脚または治療される人の他の肢用の接触面をこれらの肢の下に肢に対して略平行に位置決めされることによって提供する。デバイスの個別のレバー間で、位置決め部材として用いられる空気圧人工筋の場合には、空気圧人工筋の長さおよび空気圧人工筋内の圧力の検出は、いずれの場合であっても空気圧人工筋を作動させるために必要である。この検出はまた、実際に従う軌跡を検出するためにも用いられる。弾性範囲において設定の軌跡からのずれに対するデバイスのきわめて優しい反応の適応は、いずれの場合であっても空気圧人工筋の制御された動作のために必要な調整の対応する適応によって行われる。

最も簡単な実施形態において、この目的のために用いられ得るロボットアームは、１つの枢動式レバーのみを有する。ロボットアームは、例えば、肩関節の可動性のために用いられてもよい。

空気圧人工筋が静止摩擦を有していない場合には、小さな遅い動きにおいても筋反射を回避することが可能である。力が制御された動きはまた、最小の力によって可能である。空気圧人工筋の長さにおける変化は、体積弾性媒体である空気の圧力に起因するため、力−変位の特性は、既に本質的に柔軟である。したがって、空気圧人工筋は、油圧シリンダまたは電動モータなどの慣例的な位置決め部材を用いる場合より設定の軌跡からのずれに対する弾性挙動を実現することをより簡単にする。空気圧シリンダに比べて、空気圧人工筋は、停止後に起動抵抗（ｂｒｅａｋａｗａｙ ｆｏｒｃｅ）を有していない。したがって、最小の係合力の場合であっても、筋反射のない弾性（ｅｌａｓｔｉｃ ｙｉｅｌｄ）を生じる。安全性におけるさらなる向上は、外部物体上に空気圧人工筋によって印加される力が、物理的要因に起因して急激に増大され得ないという事実から結果として生じる。

基部０および治療される人の動かされる肢用の柔軟性要素５．１を備えた接触面５に加えて、図３に略記された本発明による例示のロボットアームは、３つの連結枢動式レバー１、２、３から構成される。第１の枢動式レバー１の一方の側部は、治療される人が位置しているチェアまたはベッドに関する基部１を介して静止した状態で保持される。各枢動式レバーは、一定の長さを有し、支持材１．２、２．２、３．２から構成され、その一方の端部に基部１．１、２．１、３．１が強固に接続され、枢動可能な部品１．４、２．４、３．４が他方の端部に位置している。第３の枢動式レバーの基部は、第２の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続される。第２の枢動式レバーの基部は、第１の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続される。空気圧人工筋１，３、２．３、３．３は、基部と枢動式レバーの枢動可能な部品との間に位置決めされ、具体的な枢動位置を能動的に設定するために用いられてもよい。接触面５は、枢動式レバーの長手方向にわたって延在し、枢動式レバーに接続される。個別の枢動式レバーの枢動可能な部品は、例えば、ボールソケット型継手、自在継手または単なるボルト−シリンダ継手を介して、関連する支持材に固着される。したがって、複数の非平行に位置する軸の１つを中心とした動きが、必要に応じて形成されてもよい。枢動式レバーの空気圧人工筋は、支持材に平行に位置決めされ、特定の継手軸の種々の側に位置決めされる。枢動式レバーの１つの空気圧人工筋を収縮し、１つまたは複数の他の空気圧人工筋を伸張することにより、この枢動式レバーの枢動可能な部品を１つまたは複数の特定の軸を中心にして能動的に回転させる。簡略化した実施形態において、１つの能動的枢動式レバーを用いることもまた、十分である。さらなる受動的枢動式レバーを隣接してもよい。

個別の枢動式レバーおよびその間の接続部品を設計する際に、長さおよび動きの自由度に関して人間の腕の個別の部分を概ね模倣することが可能である。しかし、複数のさらに長い枢動式レバーのより短い連結またはより長い連結を提供し、機械的な設計に関して可能な実質的により大きな動き許容度を実現することも可能である。これは、デバイスを異なるサイズおよびより大きな範囲の可能な動きを有する人により多く使用可能にする。特に、枢動可能な部品が基部に対して１つのみの軸を中心にして枢動する場合には、枢動式レバーのより短い連結の使用が十分に足りる。これは、コストを回避し、堅牢性を得ることを可能にする。

予想されるトルクの負荷に適合させることによって、動作中、質量慣性力を可能な限り低く維持するために、枢動式レバーは、基部０から順に連続的により薄く、かつより弱くして、したがって、単位長さ当たりの重量をより軽くするように設計されるべきである。

図４のフローチャートにおいて、ボックス内の文字の通過は、作業を表している。間にある矢印点を備えた線は、作業の順序のみを識別しているか、または次の作業へと流れる作業の結果における情報もまた表している。

曲線状の括弧ｂの領域にある作業は、制御された空気圧人工筋の動作の通常モードに関連している。実際の長さは、個別の空気圧人工筋の長さに関する設定値に供給され、調整された方式において、個別の空気圧人工筋における圧力を対応して変化させることによって、コンピュータに格納される表または曲線の群を用いて実際に測定された長さおよび実際に測定された圧力を考慮する。

曲線状の括弧ａの領域にある作業は、簡単なデータ処理システムにおいて実行され得るデータ処理ステップに関連している。一方では、これらの作業は、上位プログラムに関連しており、他方では個別の空気圧人工筋１．３、２．３、３．３の長さと接触面５の位置データとの間のほか、個別の空気圧人工筋における力と接触面上の力との間の双方向の変換に関連している。

上位プログラムは、いずれの変位−時間曲線が接触面を通過するかを表し、外力が接触面に反応する方式もまた、表している。この反応は、例えば、弾性反応、すなわち、リセット効果を有する反応力が設定位置からの偏差に比例する反応を多少優しく適応させ得る。しかし、適応はまた、例えば、反応力が偏差に関係なく一定の低い値であるように行われてもよい。当然のことながら、この組み合わせ、例えば、「特定の（低い）最大力に至るまでに限った弾性反応」が実現可能かつ実際的であることも多いほか、対応するプログラムの適応に起因する任意の他の適応も実現可能かつ実際的である。

例えば、接触面の指定された変位−時間曲線からのずれがある場合の反応力は、調整能力の訓練を完全に省略し得る。この代わりに、時間に関する変位の設定曲線のほか、ずれは、可視信号および／または音声信号を通じて報告されてもよい。調整能力に関連する情報は、測定、例えば、時間に関するずれの積分によって得られる。

実際の変位−時間曲線が、測定に含まれているだけでなく、設定曲線からの実際のずれを記録して評価可能であることもまた、本質的である。これから、治療のコースおよび治療のさらなる設計に関連する重要な情報を推測することが可能である。

当然のことながら、多くの安全性に関連する制限は、上位プログラムにおいて提供されてもよい。例えば、プログラムルーチンは、生理学的に不可能な位置を最初から自動的に完全に回避するために用いられてもよい。加速度制限、速度制限および力制限が、組み込まれてもよい。実際の変位−時間曲線のずれの評価を用いて、患者がますます緊張またはリラックスするようになるかどうか、または患者が疲労し過ぎないかどうかを評価することも可能であり、それに応じて、さらなるコースが調整されてもよく、または治療が中断または完全に中止されてもよい。

変位−時間曲線の代わりに、指定の速度制限および位置制限に準拠している間の力−時間曲線を予めプログラムすることも当然のことながら可能である。

受動的および能動的な理学療法のための本発明によるロボットアームの実施形態において、アクチュエータとして制御された空気圧人工筋の使用は既に、いずれの場合であっても本質的な情報および制御手段を提供する。さらに、治療デバイスとしての有利な使用に関して、本質的に、比較的簡単にプログラム可能なデータ処理ユニットのみが、データ処理領域において必要である。このデータ処理ユニットは、例えば、慣例的なワークステーションコンピュータに比べて、計算能力の低い共通の携帯可能なコンピュータの形態において実現されてもよい。

データ処理システムは、当然のことながら、入力面を用いたキーボードによって、設定変位−時間曲線を入力することが可能であるようにプログラムされなければならない。いずれの場合においても、動作中の実際の変位−時間曲線を記録するように設計されるため、この方式において、新たな設定曲線として記録される曲線を用いるために、小さな追加ステップに過ぎない。このことは、対応するモードにおいて接触面を把持し、後に自動的に実行する所望の順序でそれを手動で動かすことによるティーチイン方法を用いて、簡単にシステムをプログラムすることが可能であることを意味している。

実際の用途において、このことは、ロボットアームが後に自動的に辿る経路は、患者が接触面の上に自分の腕を置き、治療専門家が適切であると考えるように、腕と共に接触面を慎重に動かすようにプログラムされてもよいことを意味している。

適切に熟達している場合には、患者は、当然のことながら、ロボットアームが記録モードに切り替えられる特に、接触面を適切に動かすことによって、このように経路を自らプログラムすることができる。

このように実現することが簡単である有利な治療において、接触面が患者の腕と共に辿ることができると最終的に予想されるが、最初は辿ることができない動きの範囲が指定される。ロボットアームは、所定の経路を辿ろうとする。例えば、痛みの恐怖、動かせない関節、調整の欠如または筋力の欠如のために、患者は、あまりきつくない経路を強制的に進む。ロボットアームは、患者によって引き起こされた偏向に対してきわめて従順に反応するため、この強制は、患者にとって痛みがない。ロボットアームは、この第２の経路を「認識」し、この経路を何度も辿って、患者がこの可能な動きによってリラックスするようにする。徐々にロボットアームは、元の設定経路に沿って経路を再び辿らせようと「試みる」。そのために、個別の通過における特定の時間段階で、元の設定経路からの個別の設定経路の位置ずれが、あまり頻繁ではなく適応させられる。

受動的および能動的な理学療法用のデバイスとしての本発明によるロボットアームの使用のために、上位制御データ処理システムをプログラムするためのさらに本質的なキーワードは、以下の通りである。

準備された変位−時間−力の分布。

幾何的な変化、速度の変化、印加される力に関する変化に対するプログラムされた動きの編集可能性。

最大速度、最大加速度、最大力などの安全性に関連する制限の適応可能性。

接触面が対象物体と接触している限り、一定の接触力での広範囲の位置の許容差の適応可能性。したがって、物体自体が一定の制限内で動く場合であっても、接触面は、力が制御された方式で、物体に「従う」。

ロボットアームが、例えば、その可動部分の１つに対する衝撃などの外部作用の結果として、この位置から動かされる場合には、ロボットアームの適応された位置が自動的に再起動される効果に対する調整。

これらの機能のすべては、当業者によって通常行われるプログラミング作業による記載された設計を用いて容易に形成され得る。したがって、これは、ここではさらに詳細に記載しない。本発明者の手柄は、そのような機能が治療にとってきわめて有益である可能性があることと、そのような機能が、本発明の設計を用いて簡単かつ経済的かつ安全に実現し得ることを認識した点にある。

受動的および能動的な理学療法用のロボットアームのアクチュエータとして制御された空気圧人工筋を用いることによって得られるさらなる利点は、以下の通りである。

（極端な堅牢性）
他の手段によって駆動されるロボットアームに比べて、柔軟性の空気圧人工筋は、アーム自体に対する衝撃を吸収して減衰することができる。その軽量の構成にもかかわらず、これは、ロボットアームをピーク負荷および振動に対してきわめて堅牢にする。ピストン−シリンダ式アクチュエータに比べて、部分が互いに摺動し、密封する面を有しておらず、管のようなそれらの柔軟性は、物体との衝突によって損傷されることを実際に不可能にするため、空気圧人工筋自体もまた、きわめて堅牢である。

この極端な堅牢性は、簡単な適合によって、水中治療デバイス、例えば、適応可能な軌跡に対応する周期的なサイクルで、水中で患者の脚を動かす治療デバイスとして、本発明によるロボットアームを用いることを可能にする。そのような適合は、水面下に突出しているロボットアームの部分が、一方の端部で閉鎖した耐水性の柔軟性のある薄い材料から構成される靴下状の管によって包囲されるようにしてもよい。そのような管が用いられる場合には、したがって、ロボットアームの個別の部分は、水によって直接的に洗われる。これは、材料が適切に選択される場合には問題ではない。すなわち、圧力に対して放たれる流体圧力および力に関する個別の空気圧人工筋の特性が、水の重量の結果として、空気中のシステムに比べて、圧力のさらなる影響を考慮するように変えられなければならない。気泡による外乱を回避するために、空気圧人工筋からの空気出口管路は、水面の上に経路指定されるべきである。

（安全性）
デバイスのコントローラの故障の場合であっても、人に対する危険性が有利に回避され得る。このために、例えば、圧力逃し弁を介して、または中央制御ユニットに関係なく動作するさらなる制御ユニットによって、空気圧人工筋における圧力を制限することを必要とするだけである。他の設計では、所定の断線点が、この目的のために必要であろう。

同様に、ツールホルダとして本発明によるロボットアームの使用に関して上記で既にさらに詳細に記載したように、互いに対して移動可能なロボットアームの個別の部品間の相対的な速度は、受動的に直接的に機械的に作用する減衰要素、例えば、気体管路における狭窄、遠心ブレーキまたは圧力媒体によって作動するさらなる衝撃緩衝器などによって、コンピュータ制御に関係なく制限されてもよい。

（経済性）
簡素な設計は、空気圧人工筋を油圧シリンダまたは空気圧シリンダまたは匹敵する使用可能な電動ドライブより経済的にする。標準的な作動に必要な制御要素のほかに、本発明によるデバイスは、中央データ処理システムに加えて、さらに特殊な制御要素を必要としない。

（軽さ）
空気圧人工筋は、現在製品における類似の作用の匹敵するアクチュエータより著しく小さい重量を有する。動かされる質量がより軽いために、可動性における利点に加えて、安全性の利点もまた実現される。

記載された設計は、受動的および能動的な理学療法用の治療デバイスに関してこれまで実現可能でなかった数々の利点、すなわち、安全性、経済性および結果の値という結果を生じる。本発明による設計は、受動的および能動的な理学療法を通じた効果的な治療を、現在当てはまるより潜在的な恩恵を有する患者の著しく大きな割合に対して利用可能にすると予想され得る。

接触面が患者における純粋な圧縮力以外を訓練するようにするために、接触面によって動かされる患者の肢用の除去可能な固定具手段を備えるべきである。これらの固定具手段は、例えば、バックルのついたベルトまたはベルクロ固着具または折り畳み式締め具などであってもよい。

本発明は、主に治療対象の座っている人の腕または肩の領域における受動的および能動的な理学療法の目的に関してここでは記載してきた。しかし、基本的には、本発明はまた、例えば、胴体に関する脚または頭などの他の身体の部位の受動的および能動的な理学療法による動きにも適しており、治療される人は、必ずしも座る位置である必要はなく、例えば、直立していてもよく、またはベッドに横たわっていてもよい。

側面図において３つの枢動式レバーおよび１つのツールホルダを有する本発明によって設計される例示のロボットアームの基本図である。個別の詳細は、断面図において示される。 図１による実施形態において移動されるツールホルダの実際の位置を設定位置に適合するように可能な一連の情報処理を示している。情報処理の暫定的な結果は、個別の分野において示されている。矢印点を備えた線は、センサからのデータの受信または計算作業を示す。 例えば、側面図において、３つの枢動式レバーおよび人の腕に関する接触面を有する本発明によって設計される例示のロボットアームの基本図である。 図３のデバイスの可能な情報処理および制御順序を示している。

Claims (19)

1. 必要に応じて連結される１つまたは複数の枢動式レバーから形成されるロボットアームであって、枢動式レバーが、支持材、基部、枢動可能な部品および複数の空気圧人工筋を備え、基部が、支持材の一方の端部に強固に接続され、枢動可能な部品が、支持材の長手方向から発散するように位置合わせされる１つまたは２つの軸を中心にして枢動可能である支持材の第２の端部上に装着され、空気圧人工筋が、基部から枢動可能な部品まで伸張し、個別の空気圧人工筋が、枢動可能な部品の枢軸の対向する側で枢動可能な部品に係合し、連結される枢動式レバーの場合には、１つの枢動式レバーの基部が、このように連結される次の枢動式レバーの枢動可能な部品に強固に接続され、
   コントローラが、個別の枢動式レバーの位置および個別の空気圧人工筋に印加される圧力を測定して、個別の空気圧人工筋の圧力−変位図と、空気圧人工筋に設けられるすべての枢動式レバーに関する幾何的なレバー比を含むことによって、外部から作用される力を計算し、これらの力を制限することを特徴とする、ロボットアーム。
2. 個別の枢動式レバーによって印加される力が、閉ループ制御によって制限されることを特徴とする、請求項１に記載のロボットアーム。
3. 空気圧人工筋における気体圧力が、圧力逃し弁によって、上向き方向に制限されることを特徴とする、請求項２に記載のロボットアーム。
4. 個別の空気圧人工筋によって印加される力はまた、それらに印加される圧力を介してではなく、さらに直接的に測定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットアーム。
5. 個別の枢動式レバーの間の相対的な速度は、受動的な減衰要素によって機械的に制限されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットアーム。
6. ロボットアームに接続され、ロボットアームによって動かされる部分（４、５）の動きの設定曲線が、ロボットアーム自体によって自動的に監視される所定の力の制限を満たしている間、可能な範囲で反復されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットアーム。
7. 設定位置からの部分（４、５）の位置にずれがある場合には、コントローラが、個別の空気圧人工筋における反応力を設定してずれを相殺し、編集可能な方式で設定位置からのずれの程度に応じたこの反応力の依存性を予め設定することが可能であることを特徴とする、請求項６に記載のロボットアーム。
8. 個別の変動または変動の組み合わせは、反応力に関して、
   反応力のサイズが、ずれに比例し、比例定数が適応可能であり、反応力の上限が適応可能であることと、
   最小のずれを超える場合には、反応力のサイズが、適応可能なレベルで一定であり、それ以外の場合には、反応力がないことと、
   反応力がない場合には、ずれの可視表示または音響表示が提供されることと、を提供することを特徴とする、請求項７に記載のロボットアーム。
9. コントローラは、任意の位置で把持され、外力によって動かされるロボットアームによって引き起こされたロボットアームの動きが、記録され、新たに予めプログラムされた設定動きとして別のステップにおいて取って代わるモードに切り替え可能であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のロボットアーム。
10. コントローラは、光学マーカの位置または動きがカメラによって検出され、辿る軌跡が、コンピュータによって処理され、新たに予めプログラムされたロボットアームの設定動きとして別のステップにおいて取って代わるようにするモードに切り替え可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のロボットアーム。
11. 枢動式レバー（２、３）の基部の位置が、種々の向きにおいて先行する枢動式レバー（１、２）の枢動可能な部品に装着され得ることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のロボットアーム。
12. ２つの枢動式アーム間の継手における管路が、そこに位置している継手ボール内またはそこに位置している継手ボルト内の孔を通って経路指定されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のロボットアーム。
13. ２軸枢動移動用継手が、ボールソケット型継手として設計され、溝が、ボール（１．２．１）の表面に延び、その溝の中でボルト（１．４．１）がソケット突出部に強固に接続され、溝が、ソケットを係合する空気圧人工筋（１．３）の向きに対して平行な対称平面に位置していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のロボットアーム。
14. 治療される人の肢のための接触面（５）が、１つまたは２つの枢動式レバー（２、３）に固着され、これらの肢が、ロボットアームによって受動的または能動的に動かされることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のロボットアーム。
15. 個別の空気圧人工筋（１．３、２．３、３．３）における長さおよび圧力が、自動的に測定されることと、
    個別の空気圧人工筋に印加される力が、個別の空気圧人工筋に関する特徴の表または曲線の群を格納したコンピュータを用いて、この情報から自動的に決定されることと、
    個別の枢動式レバー（１、２、３）および接触面（５）の位置が、個別の空気圧人工筋の測定された長さからの幾何的な変換によるか、または互いに対して移動可能な部分の直接的な位置測定によるかのいずれかによって、自動的に計算されることと、
    個別の枢動式レバーにおける力および接触面における力が、幾何的な変換によって、個別の空気圧人工筋における力から自動的に計算されることと、を特徴とする、請求項１４に記載のロボットアーム。
16. 接触面（５）の実際の位置が、プログラム可能な制御ユニットによって直接的に検出されることを特徴とする、請求項１４または１５に記載のロボットアーム。
17. 作業セッション中に、個別の動きが、類似の方式で反復されることが多く、個別の通過における同一の時間段階中に第２の所定の形態の位置に対する各通過の個別の時間段階中の個別の設定曲線の位置の差を区分的に減少させることによって、特定の設定曲線が徐々に、通過するごとに第１の所定の形態から第２の他の所定の形態に変更されることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のロボットアーム。
18. 設備の部品の一方の側に取り付けられ、設備の部品に位置している人の先端部に関して接触面を提供することを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のロボットアーム。
19. 少なくとも部分的に水中にあることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のロボットアーム。

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