JP2019530586A - 把持を可能にする６段階の自由度を有するロボット構造体 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転または並進することができる可動基部（２、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２１’、２２’、２３’、２４’、２５’、２６’、２７、２８’）と、可動要素によって可動基部に連結されたプラットフォーム（３）とを含む６段階の自由度を有するパラレルロボット構造体（１）に関し、プラットフォーム（３）は、単一の関節によって互いに接続された２つの剛性要素からなることを特徴とする。この新規な解決策は、追加のツールを必要とせずに、切断、把持および６段階でのマニピュレーション動作を同時に実行することを可能にする独自かつ革新的なパラレルロボット構造体（１）である。把持機能は、機械的構造の不可欠な部分であり、かつ固定基部に配置されたオフセットアクチュエータによって完全に制御可能な関節式プラットフォームによって提供される。【選択図】図３

Description

本発明は、特にマイクロナノマニピュレーションのための把持およびマニピュレーションを可能にする少なくとも６段階の自由度を有するパラレルロボット構造体に関する。

構造的な観点から、産業用マニピュレータロボットは、シリアルロボットとパラレルロボットの２つのカテゴリに分類することができる。マニピュレータアームと呼ばれるシリアルロボットは、業界で最も広く普及しており、ロボットの基部から手首にわたるオープンキネマティックチェーン（一連のアクチュエータ、接続部、およびアーム）を特徴としている。パラレルロボットは、基部からプラットフォームにまで接続された、いくつかのパラレルキネマティックチェーンを特徴としている。

シリアルロボットに対するパラレルロボットの利点は、それらがより大きな剛性を有すること、およびアクチュエータをロボットの基部に固定することが可能であり、それによって運動中の部分を軽くすることが可能になることである。その結果、ロボットによって運ばれ得る質量がより大きくなり、加速度がより大きくなる。好ましい用途は、国際公開第８７／０３５２８号に記載されているような迅速な取得および移動、あるいは米国特許第３２９５２２４号に記載されているような飛行シミュレータにおけるコックピットなどの重い荷物の移動のためのものである。

ほとんどのパラレルロボットでは、プラットフォームは剛体で構成されている。しかしながら、いくつかの特定のロボットは関節式プラットフォームを有する。米国特許第６５１６６８１号は、最大で４つの自由度を有し、そのうち３つが並進で１つが回転であるこのタイプのロボットを記載している。ツールの回転は、ピボットリンクで連結された３つの要素で構成されたプラットフォームを再構成することによって得られる。同じ自由度に制限されているがプラットフォームとして平行四辺形を有する同様のロボットが、欧州特許出願公開第１８７０２１４号に記載されている。上述の特許に記載されているロボットは大きな成功をおさめたものであり、広く商品化されていることに留意されたい。

本出願によれば、ロボットによって実行される動作は、シリアルロボットの手首に、またはパラレルロボット（上述のロボットを含む）のプラットフォームに取り付けられた適切な電気式、油圧式または空気圧式ツール（クランプなど）の使用を必要とする。この構成はいくつかの用途には十分であるが、サイズ、小型化の必要性、および／またはできるだけ多くの質量を移動させるという点で大きな制約を有する用途には特に制限がある。

本発明では、例えば把持、空間の６段階の自由度でのマニピュレーションおよび切断などの機能は、追加の作動ツールを追加することなくパラレルロボット機構によって提供され、これは関節式プラットフォームによるものである。したがって、本発明によるロボット構造体は、一方ではツールの作動に必要とされる電気的、空気圧的または油圧的接続を克服することを可能にし、他方ではロボットのプラットフォーム上のサイズおよび質量を減少させることを可能にし、これにより小型化が容易になる。さらに、ロボットの構造体は、特にケーブルを使用することによって、アクチュエータをプラットフォームから離して配置することを可能にし、それより構造体がさらにコンパクトになる。

好ましい用途は、ロボットがチューブまたは内視鏡を介して人体に挿入されなければならない生物医学分野におけるミニ侵襲手術のように、サイズに関して大きな制約がある用
途である。さらに、本発明によるロボット構造体の小型化の能力（マイクロメートルスケールで構造体を製造できること）は、特にミリメートル部品（時計部品、電子部品）のための高精度および高速マニピュレーションに特に適しており、したがって、マイクロメートル部品（マイクロエレクトロメカトロニックシステムすなわちＭＯＥＭＳなど）、さらにはナノメートル部品（ナノワイヤ、ナノチューブなど）でさえも、既存のシステムのマニピュレーション精度および製造速度を上回ることができる。最後に、追加の自由度を提供する設定可能なプラットフォームに加えて並進および回転における６段階の自由度を特徴とするロボットは、特に非常に小さいサイズの部品を操作するための、現在までに存在する最も多用途で最も器用なロボットの１つになる。したがって、本発明の目的は、例えば把持部または追加の作動ツールを使用することなく、例えば把持および６段階の自由度でのマニピュレーションならびに切断を同時に可能にする新規なロボット構造体を提案することである。

本発明による６段階の自由度を有するパラレルロボット構造体は、回転または並進することができる可動基部と、可動要素によって可動基部に連結されたプラットフォームとを含み、プラットフォームは、単一のリンクによって互いに接続された２つの剛性要素からなることを特徴とする。この新規な解決策は、追加の作動ツールを必要とせずに、切断、把持および６段階の自由度でのマニピュレーション動作を同時に実行することを可能にする独自かつ革新的なパラレルロボット構造体である。把持機能は、それ自体が機械的構造の不可欠な部分であり、かつ固定基部に配置されたオフセットアクチュエータによって完全に制御可能な関節式プラットフォームによって提供される。

この構造により、２つの可動剛性要素からなるプラットフォームの空間における６段階の自由度による位置決めが可能になる。これら２つの可動剛性要素は、様々なタスク（把持、マニピュレーション、切断など）を実行するために使用することができる１つまたはいくつかの軸を中心にまたはそれに沿って一方の可動要素を他方に対して回転および／または並進できるように単一のリンクによって互いに接続される。プラットフォームの２つの可動要素は、いくつかの、例えば７つの、第３スペーサに堅固に接続されている。第３のスペーサの各々は、他端で第２スペーサに堅固に、またはボールジョイント、ピボットもしくはユニバーサルジョイントによって接続されている。第２スペーサの各々は、他端で第１スペーサに堅固に、またはボールジョイント、ピボットもしくはユニバーサルジョイントによって接続されている。第１スペーサの各々は可動基部に接続されており、少なくとも１つの軸に沿って並進するか、または軸の周りを旋回することができる。第１スペーサの動きに対する設定は、可動基部に堅固に、または受動接続部および／または可撓性接続部および／またはケーブルを介して連結された１つまたはいくつかのアクチュエータによって実行することができる。アクチュエータの固定部分は、剛性または受動的または可撓性接続部によって基部要素に接続されている。全体は、空間内のプラットフォームの可動要素の位置および向き、ならびに２つの可動要素間の距離および／または角度が、管理コンピュータによって制御されるアクチュエータの動きによって制御され得るように配置される。把持、切断などの特定の作業を実行するために、６を超える自由度が使用される。アームの数が７よりも多い場合、これはプラットフォーム上でより多くの自由度を得ること、および／または冗長性を機能させること、および／または追加の測定値を得ることを可能にする。他方では、作動に関して冗長な装置は、作業領域を増大させ、運動学的特異点の存在を制限し、装置のキネマティックチェーンにおける内部制約を制御し、その速度および加速度ならびに可動要素に伝達される力およびトルクを増大させることを可能にする。

有利には、リンクはピボットリンクである。

有利には、可動基部は対称的に配置されている。対称ロボットは、部品の寸法を均一に
し、装置の設計、モデリング、製造および制御の単純化を可能にする。

特定の構成によれば、一方では関節式プラットフォームに、他方では可動基部に受動関節によって連結されたスペーサの可動要素は、線形アクチュエータである。アクチュエータの固定部分は、例えば、基部要素にしっかりと接続されており、これにより装置の可動部分を軽くすることが可能になる。これは、適用可能な速度、加速度および力の増加を介して可動要素に伝えられる（特に相当な荷物を輸送することが可能になる）。受動リンクは可撓性接続部に置き換えることができ、これにより装置を小型の規模（ミリメートル、マイクロメートル）で製造することが可能になる。実際、これにより、従来の接続部（ピボット、ボールジョイント、カルダンなど）に存在する可能性があり、性能（再現性、精度など）の低下の原因となる間隙を排除することが可能になる。

有利には、受動関節はボールジョイント、ピボットまたはユニバーサルジョイントである。可動要素の並進および回転は、コンパクトさおよび精度の向上を可能にするアクチュエータの並進からのみ得ることができる。サイズに大きな制約を伴う用途（医療用、原子力用、航空宇宙用など）に有用な非常にコンパクトなシステムを得るために、アクチュエータを（例えばケーブルまたはバーによって）可動要素から遠くにずらすことができる。

有利には、構造体は可動基部上に配置された力センサを含む。これにより、構造体が取り付けられているロボットを自己較正し、可動要素の位置および向きの計算を単純化し、その動きの精度を向上させることが可能になる。力は、アクチュエータから可動要素に伝達され、それにより、可動要素によってその環境に加えられる力およびトルクを測定および／または制御することが可能になる。

有利には、構造体はアクチュエータ上に配置された位置センサを含む。

有利には、構造体はサブミリメートルサイズのものである。したがって、この構造体は、マイクロナノマニピュレーションおよびマイクロナノアセンブリ、ならびに限られた領域（内視鏡、ミニ侵襲手術）でのマニピュレーションに使用することができる。構造体は、マクロメートルスケール（従来のロボットのサイズよりも大きい）、小型スケール（例えば内視鏡検査）、またはマイクロメートルスケール（例えばマイクロナノマニピュレーション）で製造することができる。ミリメートル構造体は、マイクロメートル要素から構成することができ、センチメートルサイズまたはそれより大きいものとすることもでき、マイクロナノマニピュレーション作業を実行することができる。構造体は例えば、以下に適用できる：
・ナノセンサ、光ファイバ、半導体の組立て
・マイクロナノ物体の試験、制御および特性評価
・干渉計などの光学系の正確な組立て
・生体細胞のマニピュレーション
・時計産業における組立て
・ミニ侵襲手術（６段階の自由度のクランプを装備した内視鏡）

有利には、構造体は並進（リニアモータ、電気または油圧シリンダなど）、回転（電気モータなど）、またはいくつかの自由度を有するあまり一般的でないアクチュエータ（圧電、静電、熱など）によって作動される（テーブルＸＹ、ピエゾチューブなど）。

既存のロボット構造と比較して、本発明は以下の特徴を有する：
・把持または切断の機能性が構造体に統合され、作動は基部要素に配置されたアクチュエータから実行される。
・マイクロメートルスケールでの構造体の質量および慣性が非常に小さいため、現行シ
ステムよりもはるかに短いサイクルタイムが可能である。
・精度はマイクロメートル（現在のパラレル構造体の限界）より高く、さらにはナノメートルスケールまで可能である。
・システムの製造コストが既存のシステムのそれよりもはるかに少ない。
・制限された場所（人体、走査型電子顕微鏡など）の中で、６段階の自由度でマイクロナノマニピュレーションや組立ておよび操作が可能である。
・受動関節は、構造体の高い再現性および／または生体適合性を保証する可撓性接続部に置き換えることができる。
・可動基部に力センサを統合することにより、端子部材にかかる力をプラットフォーム上の接続部（ワイヤ、ホースなど）を使用せずに測定することができる。
・様々なアクチュエータの位置センサの統合によってロボットの自己較正を実行することができる。
・構造体の操作部分に電気コネクタがないため、電子部品の使用が制限／禁止されている制約のある環境（液体、人体など）でのマニピュレーションが可能である。
・要約すると、システムは既存の解決策よりも正確、高速、そして安価になる。

この解決策は非常に少量の材料を必要とし、付加価値の高い大量生産が可能である。このシステムは標準的な方法で製造され、危険な物質の使用を必要としない。

例として与えられる、添付の図に示される以下の例を読めば、他の利点もまた当業者に明らかとなる。

第１の構造体の配置図である。 第２の構造体の配置図を示す。 図１の第１のロボット構造体の一例である。 図２の第２のロボット構造体の一例である。 アームごとに４つのスペーサを有する構造体の別の例である。 いくつかの分岐を有する１つのスペーサを有する構造体の別の例である。 アクチュエータが２つのリンクの間に配置されている図２の代替形態である。

図１および図２は、２つの異なるロボット構造体の配置図を示す。これらの図は、ロボットの構造ならびに様々な運動学的分岐およびループのトポロジーを明らかにする。これらの図に使用される規則は、以下のとおりである：
−Ａ：ユニバーサル（カルダン）または球形（ボールジョイント）タイプの受動リンク
−Ｒ：回転（ピボット）タイプの受動リンク
−Ｑｉ：自由度１のアクチュエータ

構造体のこれらの例は、６段階の自由度を有するマニピュレータのファミリーの一部であり、そのうちのいくつかは作動に関して冗長である。

図３に示す例は、７つの可動基部２と、受動接続部３２によって接続された２つの部分３０および３１にある関節式プラットフォーム３とを有するロボット構造体１を示す。２つの部分３０、３１のそれぞれは把持部３３によって伸張されており、この把持部ははさみ、クランプなどと置き換えることができる。３つの可動基部２１、２２、２３はアーム４によって関節式プラットフォーム３の部分３１に接続され、同様に、３つの基部２４、２５、２６はアーム４によって関節式プラットフォーム３の部分３２に接続されている。

各アーム４は３つのスペーサ４０、４１、４２からなり、第１スペーサ４０は受動リンク４００によって第２スペーサ４１に接続され、第２スペーサ４１は受動リンク４１０によって第３スペーサ４２に接続されている。受動リンク４００は球形タイプとすることができ、接続部４１０はユニバーサルタイプとすることができる。
Ｑｉアクチュエータは、スペーサ４０上に配置されている。

関節式プラットフォーム３の部分３０および３１の動き、ならびにプラットフォームの２つの部分間の相対的な動きは、様々なアーム４の動きによって制御される。把持部３３の開閉は、アームの変位ならびにそれらの位置および向きによって得られる。

図４に示す例は、７つではなく８つの可動基部２を備えていることを除いて前述のものと実質的に同一であるロボット構造体１を示しており、これは作動において冗長なロボットになる。

ここでは、４つの基部２１’、２２’、２３’、２４’はアーム４によって関節式プラットフォーム３の部分３１に接続され、同様に、４つの基部２５’、２６’、２７’、２８’はアーム４によって関節式プラットフォーム３の部分３２に接続されている。

各アーム４は３つのスペーサ４０、４１および４２から形成され、第１スペーサ４０は受動接続部４００によって第２スペーサ４１に接続され、第２スペーサ４１は受動接続部４１０によって第３スペーサ４２に接続されている。受動接続部４００は球形タイプとすることができ、接続部４１０はユニバーサルタイプとすることができる。
Ｑｉアクチュエータは、スペーサ４０上に配置されている。

関節式プラットフォーム３の部分３０および３１の動き、ならびにプラットフォームの２つの部分間の相対的な動きは、様々なアーム４の動きによって制御される。図５に示す例では、各アーム４は、３つの関節４００、４１０、４３０によって接続された４つのスペーサ４０、４１、４２、４３を含む。アクチュエータは制御装置６によって制御される。この構造体により、実行するのがより簡単でそれゆえより安価でありながら、より高精度でより広い範囲の変位を提供する接続部を使用することができる。

図６は、アーム４がいくつかの分岐４４０、４４１、４４２を有するスペーサ４４を含む構造を示す。ここでは、スペーサ４４は３つの分岐を有するが、スペーサ４４はそれらのうちの２つ以上を有することができる。この構造体は、より少ないアクチュエータを必要とするためより単純であり、ここでは３段階の自由度を有する少なくともＱ１、Ｑ２の２つのアクチュエータ、および少なくとも１段階の自由度を有するアクチュエータＱ７となっている。

図７の代替形態では、アクチュエータＱｉは、２つの受動リンク４００と４１０との間に配置されている。

Claims (9)

1. 回転または並進することができる可動基部（２、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２１’、２２’、２３’、２４’、２５’、２６’、２７、２８’）と、
   スペーサ（４０、４１、４２）からなるアーム（４）によって、および、前記スペーサ（４０、４１、４２）の可動要素によって前記可動基部に連結されたプラットフォームと、
   を有する、６段階の自由度を有するパラレルロボット構造体（１）であって、
   前記プラットフォーム（３）が単一のリンクによって互いに接続された２つの剛性要素からなる
   ことを特徴とする、構造体（１）。
2. 前記リンクがピボットリンク（３２）である
   ことを特徴とする、請求項１に記載の構造体（１）。
3. 前記可動基部（２、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２１’、２２’、２３’、２４’、２５’、２６’、２７’、２８’）が対称的に配置されている
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の構造体（１）。
4. 一方では関節式の前記プラットフォーム（３）に、他方では可動基部（２、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２１’、２２’、２３’、２４’、２５’、２６’、２７’、２８’）に、受動関節（４００、４１０）によって連結された前記スペーサ（４０、４１、４２）の前記可動要素が線形アクチュエータである
   ことを特徴とする、請求項の１から３のいずれか一項に記載の構造体（１）。
5. 前記受動関節（４００、４１０）がボールジョイントまた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４に記載の構造体（１）。
6. 前記可動基部上に配置された力センサを含む
   ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の構造体（１）。
7. サブミリメートルサイズである
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の構造体（１）。
8. 圧電Ｑｉアクチュエータによって作動される
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の構造体（１）。
9. 前記アクチュエータ上に配置された位置センサを有する
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の構造体（１）。

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