JP2015027729A - 連結された可膨張性構造及びその構造を具備するロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】運動性能に優れた可膨張性構造の関節を持つロボットアームを提供すること。
【解決手段】連結構造は、加圧された流体を含むと共に中心軸線であって当該中心軸線に沿って少なくとも１つの固定された形状部１．１と１つの可変形状部１．２とが定義される中心軸線２を有する可膨張性の管形状のケーシング１と、可変形状部を変形するための手段を有するアームと、を具備し、そのケーシング及びその変形手段は、可変形状部が略一定の体積を維持するように可変形状部において湾曲を生じさせるべく構成されている。ロボットアームはこのような構造を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、可膨張性の連結構造と、その連結構造を有するロボットアームと、を提供する。

従って本発明は、例えば、特に遮断され、アクセス困難であり、又は、特に化学的危険性若しくは放射線の危険性のため人間にとって有害な検査部のために設計された高いスレンダネス比（slenderness ratio）を有するロボットアームを提供する。

本発明は、より詳細には、可膨張性構造を有するアームに関する。

剛体の可膨張性構造は、軽量であり、展開及び収容が容易であるという利点を示し、高いスレンダネス比を有することができ、比較的衝撃に対して感度が高いという点で公知である。可膨張性構造の利点からそのアームの便益を享受するため、ロボットアームにおいてこうした構造の使用が想定されてきた。

従って、こうしたアームは、概して、枢動接続、滑り面接続及び／又は滑り枢動接続を実装する中実の機械部品を具備するヒンジによって底部及び／又は別の膨張された剛体区分に接続された少なくとも１つの膨張された剛体区分を具備する。もっとも先進的なアームは、それぞれのヒンジによって共に対として接続された複数の膨張された剛体区分を具備する。

それらのアームの欠点は、主に、その重さにあり、主にヒンジがその原因である。その比較的大きな重量はこうしたアームの最大スレンダネスを制限する。

本発明に係る目的は、角運動を可能とするために設計された可膨張性構造の全ての又はいくつかの欠点を解決することにある。

この目的を達成するため、本発明は、加圧された流体を含むと共に少なくとも１つの可変形状区分を有した管形状の可膨張性のケーシングと、可変形状区分を変形するための変形手段と、を具備する連結構造であって、ケーシング及び変形手段は、可変形状区分が略一定の体積を保持するように可変形状区分の湾曲を生じさせるべく構成される連結構造を提供する。変形手段は、ケーブルのけん引力が可変形状区分の湾曲を生じさせるように当該連結構造の一部と接続された端部を有する少なくとも１つのケーブルに連結された少なくとも１つのアクチュエーターを具備する。

従って、連結構造は、一定の体積で湾曲すると共にその形状を変形させるための必要エネルギーを制限する可変形状区分によって構成されたヒンジを具備する。可変形状区分は、変形面の外側の力に耐えるために実質的に比較的良好な特性を保持し、従って変形手段は簡易な構造である。

好適には、その構造は、その構造のスタンドにおいて共に組み込まれた複数のアクチュエーターを含む。

スタンドにおけるアクチュエーターの組み込みは、その構造の可動部の最大の軽量化を可能とする。

特定の実施形態において、ケーシングが、可変形状区分において当該ケーシングの中心軸線に対して略垂直な折りたたみ部を有することによって、可変形状区分がその可変形状区分の断面を一定に維持しながら、中心軸線の両側において長さの差を有することが可能となる。

従って、可変形状区分は簡易な構造となる。断面を一定に維持することによりその体積の保持を確実とする。

従って好適には、折りたたみ部は、円環形状であると共に、中心軸線の両側において対称に延在する縫い目の２つの線に沿って共に縫い合わされた部分と、中心軸線の両側において対称に延在する自由部と、を具備する。

２つの対称な対向する線に沿った折りたたみ部の折りたたみを防ぐことによって、縫い目はケーシングの中間面を定義するために中心軸線と一致することを可能とし、その縫い目に沿ってケーシングは可変形状区分の形状にかかわらず一定の長さを有する。それらの縫い目線の間において、縫い目線は、ケーシングがその中間表面に垂直な平面において短縮される又は伸張されることを可能とするために自由に変形されることを可能とする。

好適には、変形手段はその区分を形成する全ての折りたたみ部のため、一様な折りたたみを生じるように構成されている。

これは、滑らかな湾曲を生じさせることを可能とする。

特定の実施形態において、ケーブルの端部は、ケーブルにおけるアクチュエーターによるけん引力がケーブルが接続された折りたたみ部分に折りたたみを生じさせるように折りたたみ部の自由部に接続されている。

好適には、ケーブルがそれぞれの折りたたみ部に接続され、ケーブルが折りたたみ部の自由部に固定されたリングに接続された端部を有し、且つ、少なくとも１つのケーブルがプーリーシステムを形成するために２つの隣接したリングに係合され、更に好適には、可変形状区分がｎ個の折りたたみ部を有し、可変形状区分に連結された変形手段が、折りたたみ部にそれぞれ接続されているケーブルに接続された１つのアクチュエーターを具備し、アクチュエーターから最も遠い折りたたみ部が、ｋ本のより線プーリーシステムによって対応するケーブルに接続され、その他の折りたたみ部のそれぞれが、折りたたみ部のためのｎ＋ｋ本のより線とするために可変形状区分の第１の端部に隣接した折りたたみ部から可変形状区分の第２の端部に隣接した折りたたみ部へと１つずつ増加して当該折りたたみ部用のｎ＋ｋ本のより線となる多数のより線を有するそれぞれのプーリーシステムによって対応するケーブルに接続されている。

従って、可変形状区分を湾曲させるために必要な全てのケーブルにおいて駆動するための１つのアクチュエーターのみの使用が可能となる。リングはケーブル偏向ピンを形成するが、この機能を実行可能な任意の要素が使用されてもよい。

好適には、その構造は、１つの可変形状区分の湾曲を検知するための少なくとも１つの装置を有し、更に好適には、検知のための前記装置が、少なくとも、可変形状区分の中間線に対して平行して延在すると共に、光ビームを送信する送信器に接続された一端と、前記光ビームの少なくとも１つの特性を計測するために計測ユニットに接続されている光検知器に接続された他端とを有する光ファイバーとを具備する。

これは、リアルタイムでの可変形状区分の湾曲の計測と、ロボット部を構成する構造の変形の監視及び制御と、を可能とする。

好適には、ケーシングは少なくとも１つの固定された形状区分及び可変形状区分が画成された中心軸線を呈する。

可変形状区分及び固定された形状区分は、可変形状区分が連結構造の全体の剛性に影響しないため変形面の外側の力に耐えるための同等の機能を有する。

特定の特徴部によれば、可変形状区分は、少なくとも１つの分岐部を有する。

従って、複数の分岐部構造が他方に対してヒンジ連結された分岐部を有して作られ得る。

更に好適には、固定された形状区分は閉じた環状を形成する。

従って環状部は、「スチュワート」台のような膨張された可動な台を構成するために形成される。

本発明は、こうした少なくとも１つの連結式の可膨張性構造を有するロボットアームも提供する。

本発明に係る他の特性及び利点は、特に限定するものではない本発明に係る実施形態の以下の説明を参照にしつつ示される。

以下で添付の図面について説明する。

本発明に係るロボットアームの概略的部分斜視図である。 アームの可変形状区分を示す図１の平面IIに沿った断面の斜視図である。 直線的な形状における図２の可変形状区分の上面図である。 湾曲された形状における図２の可変形状区分の上面図である。 ケーブルの経路を示すと共に縫い目線の１つを示す図１のアームの部分上図面である。 アームの可変形状区分の概略的部分上面図である。 特定の変形実施形態に係る図１に類似した図である。 特定の変形実施形態に係る図１に類似した図である。 第１実施形態のより改良された変形例を構成するロボットアームの部分側面図である。 本発明よりも、より基本的形式を形成する手動操作可能な連結構造のアクチュエーターの詳細斜視図である。

図１から図６を参照すると、本発明に係るロボットアームは、この例示において全体が参照符号１で示されると共に中心軸線２を有する管形状であるケーシングによって構成された可膨張性構造を有する。好適には、ケーシング１は、内部チャンバー４を覆う外部繊維材３を具備する。本実施形態において、繊維材３は、可撓性材料で作られているが、略伸張性はなく、チャンバー４は、気密性材料で作られており、本実施形態においては、エラストマーで作られている。ケーシング１は、封止された端部と、圧力によって流体、本実施形態においては空気を供給するための供給手段を有する対向する端部と、を有する。供給手段はそれ自体公知であり、本実施形態において、加圧された流体のため、バルブ及びポンプ又はタンクを具備すると共に、バルブに適合される外部オリフィスを有する。当然のことながら、ケーシングを膨張させるために他の手段も使用され得る。

ケーシング１は、中心軸線２に沿って交互に画成された固定された形状区分１．１及び可変形状区分１．２を具備する。可変形状区分１．２において繊維材３が折りたたみ部５を有する一方で、固定された形状区分１．１において、繊維材３は伸張されている。折りたたみ部５は、円環形状であると共に、中心軸線２の両側において対称に延在する縫い目６の２つの線に沿って共に縫い合わされた部分５．１と、中心軸線２の両側において対称に延在する自由部５．２と、を具備する。この構成を使用することによって、縫い目６の線は、ケーシング１の２つの対向する対称性の長手方向領域において可変形状区分１．２が伸張性のないものであることを確実とすると共に、折りたたみ部５は、それぞれの可変形状区分１．２が、形状にかかわらず一定の可変形状区分１．２の体積を保持するように可変形状区分１．２の断面を一定に維持しながら中心軸線２の両側の区分長さの差を生じさせることによって湾曲されることを可能とする。自由部は、可変形状区分１．２が約９０°以上の最大角まで湾曲することを可能とするように構成されている。可変形状区分１．２の湾曲の最大角は、特にその長さに依存し、様々な最大値とすることが非常に容易である。

変形手段は、可変形状区分のそれぞれと連結されている。一様な湾曲部とする場合、可変形状区分を形成する折りたたみ部のそれぞれが等しく折りたたまれるように設計される。

可変形状区分１．２のそれぞれのため、可変形状区分１．２の変形手段は、基本ケーブル９の中心部を巻き上げるための巻き線プーリー８を駆動する外部シャフトを有した位置制御された電気モーター７を具備する。この設置の結果として、モーターが基本ケーブル９の一方のより線において（ひいては取付けられた２次ケーブル１０の束において）けん引力を働かせたとき、基本ケーブル９の（ひいては取り付けられた２次ケーブル１０の束の）他方のより線を解放することに留意されたい。ケーブル９は、ケーシング１に沿って配置されると共に、ケーシング１に沿って一定間隔で固定されると共にスライド可能に基本ケーブル９を受容する（例えば被覆管又はこの例示においてリング１１）案内手段１１によって案内される。

基本ケーブル９は、対応した可変形状区分１．２の折りたたみ部５の自由部５．２に略面するケーシング１の両側において延在するそれぞれ２次ケーブル１０の束に接続された２つの対向する端部を有する。それぞれの２次ケーブル１０は、基本ケーブル９に固定された１つの端部と、アクチュエーターによって２次ケーブル１０に働かされるけん引力が２次ケーブル１０が接続された折りたたみ部５の自由部５．２の折りたたみを生じさせるように折りたたみ部５の自由部５．２に固定されたリング１２に固定された対向する端部と、を有する。

従って、それぞれの可変形状区分１．２は、ｎ個の折りたたみ部を有し、可変形状区分１．２に連結された変形手段は、ｎ個のケーブル区分１．２の両側でｎ個の２次ケーブル１０に接続された１つのアクチュエーター７を具備し、そのｎ個の２次ケーブル１０は、それぞれ折りたたみ部５の変形可能な部分５．２のそれぞれに接続される。アクチュエーターから最も遠い折りたたみ部５の変形可能な部分５．２が、対応する２次ケーブル１０に直接接続されており、他の折りたたみ部５のそれぞれの変形可能な部分５．２は、それに対応した２次ケーブル１０に、多数のより線であって、アクチュエーターから最も遠い折りたたみ部５からアクチュエーターに最も近い折りたたみ部５のためのｎ本のより線があるアクチュエーターに最も近い折りたたみ部５まで１から増加する多数のより線を具備するプーリーシステム１３を介して接続されている。図６は、４つのｎ個の折りたたみ部を具備する可変形状区分を示す。

特定のリング１２は、１又は複数の２次ケーブル１０をスライド可能に受容することに留意されたい。

供給手段及び変形手段は、ロボットを支持するために使用される底部（図示せず）において共に組み込まれており、供給手段に連結されたケーシング１の端部は、その底部に固定されている。

ケーシング１及び変形手段は、可変形状区分１．２がいかなる湾曲であれ一定の体積を保持するように可変形状区分１．２の湾曲を生じさせるべく構成されている。

ケーシングの中心軸線に対して略垂直な折りたたみ部５は、可変形状区分１．２の断面を一定に維持しつつ、可変形状区分の中心軸線２の反対側において長さの差を生じさせる。

専用のアクチュエーター７を使用することによって、区分を共に結合することなく、他の区分の形状にかかわらずそれぞれの可変形状区分１．２の形状変形が可能となる。

図７は、スタンド１００に固定された端部と、固定された形状区分１．１及び１．１１と、可変形状区分１．２と、を有する上述されたように構成されたケーシング１を示す。

区分１．１及び１．２は、上述したものと同等である。

区分１．１１は、区分１．２及び区分１．１を介してスタンド１００に接続されたメインの分岐部を有するＹ形状であり、２つの分岐している分岐部は、区分１．２を介してそれぞれ区分１．１に接続されている。

従って、構造は、上述したようなアクチュエーター及びケーブルによって互いに独立して変形可能な２つの分岐している分岐部を有する。

変形例において、固定された形状区分１．１は、２以上の分岐部を具備してもよい。

図８は、可動な台１．１１１を具備する構造を示す。

その構造は、３つのアームが突出するスタンド１００を有し、それぞれのアームは、スタンド１００から台１．１１１まで、第１の固定された形状区分１．１と、第１の可変形状区分１．２と、第２の固定された形状区分１．１と、第２の可変形状区分１．２と、第３の固定された形状区分１．１と、第３の可変形状区分１．２と、を具備する。

第１．１１１は、アームと連通した膨張されたケーシング部で形成されている。

好適には、アームの回転軸線は、台の操縦可能性を向上させるため他方に対して平行ではない。

図９は、スタンド１００と自由な対向する端部とに接続されると共に２つの区分１．１間で延在し且つスタンド１００に取り付けられた１又は複数のアクチュエーター８によってケーブル９、１０によって制御される（変形される）区分１．２を具備する図１の構造のような構造を示す。本実施形態において、アクチュエーター９はケーブル９を巻き上げるためのプーリーを有する外部シャフトをそれぞれ有する電気モーターである。電気モーターは、制御ユニット１００によって制御されるため制御ユニット１１０に接続されている。

構造は、可変形状区分１.２の湾曲を検知するための装置１４を有する。

この装置は、可変形状区分１．２の中心線に対して並行して延在すると共に制御ユニット１１０に接続されている光検知器１７に接続された端部を有する光ファイバー１５を具備する。送信器１６及び光検知器１７は、区分１．２の両側に延在する一方の区分１．１にそれぞれ固定されている。

制御ユニット１１０は、光検知器１７によって識別された光ビームの輝度の計測のための計測モジュールを組み込んでおり、計測された輝度と設定点とに応じてモーターを制御するためにプログラムされている。

複数の可変形状区分１．２がある場合、同数の装置１４が提供される。

変形例において、例えば光ビームの複数の特性（輝度、伝搬時間）に応じて複数の可変形状区分１．２の湾曲を計測するために複数の可変形状区分１．２によって共有された光ファイバーを設けることが可能である。

図１０は、構造の可動部を軽量化するためにアクチュエーター８が共に組み込まれたスタンド１００を具備する図１の構造のような構造を示し、それによって区分１．２の遠隔制御が可能となる。

当然のことながら、本発明は、説明された本実施形態に限定されるものではなく、特許請求項によって定義された本発明の範囲内の任意の変形例を包含する。

特に、ケーシングは、その全体表面領域に亘り選択的に共に結合された１又は複数の層を具備する。例示によれば、ケーシングは、被覆された繊維材によって形成されてもよい。ケーシングは、可変形状区分又は可変形状区分の一部において様々な材料を有してもよい。ケーシングは、可変形状区分が線６に沿って伸張性がないことを確実とされた状態の折りたたみ部から自由となり得るようにアームの中心軸線に沿った伸張性材料で作られてもよい。

ロボットアームのケーシングを膨張させるために使用される流体は、空気、不活性ガスのような他のガス、又は液体であってもよい。

変形手段は、一本のケーブルのみを有してもよく、プーリーシステムによらずケーブルと同じ数のアクチュエーターを具備してもよい。

変形手段は、非対称な湾曲を可能とするように構成されてもよい。

特に、アクチュエーターは回転式アクチュエーターであってもよく、又は、直線的に往復運動するアクチュエーターであってもよい。

可変形状区分は、９０°よりも大きな又は小さな湾曲の最大角を可能とするように構成されてもよい。その区分が、折りたたみ部を有するとき、折りたたみ部の数及び深さは制御され得る。

リング１１、１２は、金属、プラスチック、繊維等といった任意の材料で作られ得る。しかしながら、プーリーシステムを構成するリング１２には硬質の材料が好適である。リングの代わりに軸線可動機能を提供する任意の要素が使用されてもよい。それによって、摩擦を低減するためのプーリー車輪の使用が可能となる。

連結構造はアクチュエーターなしでもよい。

本発明は、上述した変形手段の反対方向の運動によっても実現され得る。

Claims (18)

1. 加圧された流体を含むと共に少なくとも１つの可変形状区分（１．２）を有した管形状の可膨張性のケーシング（１）と、前記可変形状区分（１．２）を変形するための変形手段（７、８、９、１０）と、を具備する連結構造において、
   前記ケーシング及び前記変形手段は、前記可変形状区分が略一定の体積を保持するように前記可変形状区分の湾曲を生じさせるべく構成されると共に、前記変形手段は、ケーブル（９、１０）のけん引力が前記可変形状区分の湾曲を生じさせるように当該連結構造の一部と接続された端部を有する少なくとも１つの前記ケーブル（９、１０）に連結された少なくとも１つのアクチュエーター（７）を具備することを特徴とする連結構造。
2. 当該連結構造のスタンドに共に組み込まれた複数のアクチュエーターを有する請求項１に記載の連結構造。
3. 前記ケーシング（１）が、前記可変形状区分（１．２）において当該ケーシング（１）の中心軸線（２）に対して略垂直な折りたたみ部（５）を有することによって、前記可変形状区分（１．２）が該可変形状区分（１．２）の断面を一定に維持しながら、前記中心軸線（２）の両側において長さの差を有することが可能となる請求項１に記載の連結構造。
4. 前記折りたたみ部（５）が、円環形状であると共に、前記中心軸線（２）の両側において対称に延在する縫い目（６）の２つの線に沿って共に縫い合わされた部分（５．１）と、前記中心軸線（２）の両側において対称に延在する自由部（５．２）と、を具備する請求項３に記載の連結構造。
5. 前記ケーブル（９、１０）の前記端部は、前記ケーブル（９、１０）における前記アクチュエーターによるけん引力が前記ケーブル（９、１０）が接続された前記折りたたみ部分に折りたたみを生じさせるように前記折りたたみ部（５）の前記自由部（５．２）に接続された請求項４に記載の連結構造。
6. 前記ケーブル（９）が、前記ケーシング（１）に沿って配置されると共に、前記ケーブル（９）を案内するための少なくとも１つの案内要素（１１）が、前記ケーシング（１）に固定された請求項１に記載の連結構造。
7. 前記ケーブル（１０）がそれぞれの前記折りたたみ部（５）に接続され、前記ケーブル（１０）が前記折りたたみ部（５）の前記自由部（５．２）に固定されたリング（１２）に接続された端部を有し、且つ、少なくとも１つの前記ケーブル（１０）がプーリーシステム（１３）を形成するために２つの隣接したリングに係合された請求項５に記載の連結構造。
8. 少なくとも１つの前記リング（１２）がスライド可能に少なくとも別の前記ケーブル（１０）を受容する請求項７に記載の連結構造。
9. 前記可変形状区分（１．２）がｎ個の折りたたみ部を有し、前記可変形状区分に連結された前記変形手段が、前記折りたたみ部（５）にそれぞれ接続されているｎ本の前記ケーブル（１０）に接続された１つの前記アクチュエーター（７）を具備し、前記アクチュエーターから最も遠い前記折りたたみ部が、ｋ個のより線プーリーシステムによって対応するケーブルに接続され、その他の前記折りたたみ部のそれぞれが、前記可変形状区分の第１の端部に隣接した前記折りたたみ部から前記可変形状区分の第２の端部に隣接した前記折りたたみ部へと１つずつ増加して当該折りたたみ部用のｎ＋ｋ本のより線となる多数のより線を有するそれぞれのプーリーシステム（１３）によって前記対応するケーブルに接続された請求項７に記載の連結構造。
10. 少なくとも１つの前記可変形状区分の前記湾曲を検知するための少なくとも１つの装置を有する請求項１に記載の連結構造。
11. 検知のための前記装置が、前記可変形状区分の中間線に対して平行して延在すると共に、光ビームを送信する送信器に接続された一端と、前記光ビームの少なくとも１つの特性を計測するために計測ユニットに接続されている光検知器に接続された他端とを有する光ファイバーを少なくとも具備する請求項１０に記載の連結構造。
12. 前記光ビームの前記特性が輝度である請求項１１に記載の連結構造。
13. 前記ケーシングが、少なくとも１つの固定された形状区分（１．１）及び前記可変形状区分（１．２）がそれに沿って画成された中心軸線（２）を呈する請求項１に記載の連結構造。
14. 前記固定された形状区分が少なくとも１つの分岐部を具備する請求項１３に記載の連結構造。
15. 前記固定された形状区分が閉じた環状を形成する請求項１４に記載の連結構造。
16. 前記可変形状区分（１．２）が約９０°以上の最大角まで湾曲するように構成された請求項１に記載の連結構造。
17. 前記ケーシング（１）が、伸張性のない繊維材（３）によって覆われた漏れ防止の内部チャンバー（４）を具備する請求項１に記載の連結構造。
18. 少なくとも請求項１から請求項１７のいずれか１つに記載の連結構造を具備するロボットアーム。

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