JP6180618B2

JP6180618B2 - マニピュレータ機構

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Publication number: JP6180618B2
Application number: JP2016505752A
Authority: JP
Inventors: ムールマンヨス
Original assignee: Moog BV
Current assignee: Moog BV
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: US10449669B2; CA2906261C; JP2016522090A; EP2981396B1; WO2014161726A1; KR20150139505A; CN105121101B; AU2014247305A1; CA2906261A1; CN105121101A; EP2981396A1; GB201305989D0; US20160031079A1; AU2014247305B2

Description

本発明はマニピュレータに関する。より詳細には、本発明は、平面作業領域で２つのほぼ垂直な直線方向に分離された向きに移動できるエンドエフェクタを備える、２自由度マニピュレータに関する。

２自由度のマニピュレータには多くの用途がある。例えば、これらは物体のピックアンドプレース又は構成部品の製造操作を行なうために、ロボットアームやマシンツールなどのエンドエフェクタの操作で使用することができる。

２自由度マニピュレータの別の用途は、リハビリを受けている患者へ支持及び／又は補助力を提供するための、リハビリテーション用ロボットでの使用である。このようなマニピュレータは対象者の体の一部に取り付け、歩行訓練などのリハビリテーション運動中、補助力や支持を提供するために使用することができる。

例えば、２ＤＯＦマニピュレータを対象者の骨盤に接続して彼らの体重を支持し、所定の歩行合図を提供して歩行を補助することができる。このようなマニピュレータは特許文献１に示されている。この文献では、一対の空気圧で駆動されるマニピュレータが、シリンダの配置によって対象者の骨盤に力を与える。具体的には、対象者の前後運動は前後方向に設置された空気圧シリンダによって提供され、横運動は横方向に配列された空気圧シリンダによって提供される。この配置の問題は、横方向のシリンダということは、マニピュレータが非常に広幅になるということである。このため取り付けがより困難となり、横方向に延在する空気圧シリンダは通常の歩行動作中、対象者の腕とぶつかる可能性がある。また、マニピュレータの大きさと比べて作業領域は極めて小さい。

別の周知の２ＤＯＦマニピュレータは、キャリッジが第１レール上を第１の方向に摺動可能な２Ｄカルテシアン摺動路配置を備えたものであり、第１レールは２本の追加の平行なレール間で、第１の方向に垂直な第２の方向に摺動可能である。

米国特許出願公開第2007/0016116号明細書

１つの欠点は、作業領域を取り囲む装置や作業領域内にある装置の数が多いことである。これは一般に多くの用途において望ましくない、というのも、マニピュレータとワーク又は対象物とが衝突する可能性があり、また、マニピュレータが歩行訓練に使用される場合、レールが対象者の腕に衝突する可能性があるからである。

このようなシステムのもう１つの欠点は、構成部品間を摺動する継手は、汚れやすく、摩耗しやすいため、一般的に望ましくないということである。

また、このようなシステムにおいて、キャリッジを第１レール上で移動させるためにモータが設けられる。第１レールに取り付けられ、キャリッジを動かすように配置されたモータを設けるということは、第１レールが高い慣性を持つということであり、これは平行なレール上で移動させる際には望ましくない。

本発明の目的は、上述の問題を克服する、又は少なくとも軽減することである。

本発明の第１の態様によれば、
フレームと、
第１リンクと、
第２リンクと、
第１カプラとを備え、
第１カプラ上の端点が、その軌跡の一部に実質的な直線を第１の方向に描くよう、エヴァンス直線機構を形成するように配置されるマニピュレータが提供され、
第２リンクが、クランクを介して、このクランクの作動によって第１カプラ上の端点が第１の方向に垂直な第２の方向に実質的に直線状に動くように、フレームに取り付けられる。

本発明は、ドライバーアームの中の１つの設置端に追加の自由度を提供するエヴァンス機構を提供する。追加のクランクの作動によって、エヴァンス機構の通常の直線自由度に垂直な自由度の動作が提供される。この配置には多くの利点がある。先ず、機構の大部分は作業領域の外側且つ後方に配置される。次に、この配置では回転継手のみが使用されるため、先行技術による直線継手の欠点による影響はない。

好適には、
Ｌ１は、第１カプラ（１１８；２１８）の回転軸とクランク（１４４；２４８）の回転軸との間の、第２リンク（１２２；２２２）に沿った距離であり；
Ｌ２は、第１リンク（１１４；２１４）の回転軸の間の、第１カプラ（１１８；２１８）に沿った距離であり；
Ｌ３は、第１カプラ（１１８；２１８）の回転軸と端点（１２８；２２８）との間の、第１カプラ（１１８；２１８）に沿った距離であり；
マニピュレータは、Ｌ２がＬ２²＝Ｌ１*Ｌ３によって決定される値の１０％以内となるように構成される。

これによって、直線への良好な近似が、端点の走行の大部分にわたって提供される。

好適には、本機構は、第１カプラ上の端点を第１の方向に移動させるためにマニピュレータを連結するように構成された、第１モータを有する第１作動アセンブリを備える。好適には、第１作動アセンブリは、第１モータによって駆動される第１作動アセンブリクランクによって駆動される第３リンクを備え、この第３リンクは第１カプラを駆動するように配置される。

好適には、第３リンクは第１リンクと第２リンクとの間で第１カプラに取り付けられる。

好適には、マニピュレータは、
第１カプラに接続され、該第１カプラと共に動くように構成された第２カプラと、
第１カプラと第２カプラとを接続するエンドエフェクタとを備える。

これによってより安定した機構が提供され、エンドエフェクタをトルクや並進力の伝達に使用することが可能となる。好適には、第１及び第２カプラは、エンドエフェクタから離間したカプラコネクタによって接続される。好適には、第１及び第２カプラは、エンドエフェクタ及びカプラコネクタによって、平行リンク機構の２つの平行な辺を形成するように接続される。

マニピュレータは第２カプラに接続される追加の第２リンクを備え、この追加の第２リンクが追加のクランクを介して、クランクの作動によって第２カプラ上の点が第２の方向に実質的に直線状に動くように、フレームに取り付けられる。

好適には、クランク及び追加のクランクは、同期運動するように配置される。クランク及び追加のクランクは共通の作動アセンブリによって駆動され、例えば、第２モータは共通のプッシュロッドを介してクランク及び追加のクランクを駆動することができる。

本発明によるマニピュレータの例を、下記の図を参照して説明する。

周知のエヴァンス機構の略側面図である。本発明による第１機構の略側面図である。図２の機構における可動域の略図である。図２の機構における可動域の略図である。図２の機構における可動域の略図である。図２の機構における可動域の略図である。図２の機構における可動域の略図である。本発明による第２機構の略側面図である。図４に示す機構の用途の略側面図である。

図１を見ると、周知のエヴァンス機構１０が概略的に示されている。エヴァンス機構１０は使用時に固定されるフレーム１２を備える。図１において、フレーム１２の様々な領域は相互に堅固に取り付けられている。

第１リンク１４が設けられ、これは、第１リンク１４の第１端に位置する第１継手１６によってフレーム１２に枢動可能に接続される。

カプラ１８が設けられ、これは、第１リンク１４の第２端及びカプラ１８の第１端において、第２回転継手２０を介して第１リンク１４に枢動可能に接続される。

第２リンク２２はその第１端で、第３回転継手２４を介してフレーム１２に枢動可能に接続される。第２リンク２２の第２端は、第４回転継手２６を介してカプラ１８に枢動可能に接続される。

図１において、Ｌ１は、第２リンク２２の第３継手２４と第４継手２６との間の距離である。Ｌ２は、カプラ１８の第２継手２０から第４継手２６までの距離であり、Ｌ３は、第４継手２６と端点２８（すなわち操作される点）との間の距離である。この機構は、端点２８に対して最も正確な直線運動を提供するＬ２²＝Ｌ１*Ｌ３となるように構成される。

リンク１４、２２をフレーム１２と接続させる第１回転継手１６及び第３回転継手２４は離間している。尚、回転継手１６、２０、２４、２６は、第１及び第２リンク１４、２２が互いに約９０°となるように配置される。

フレーム１２、第１及び第２リンク１４、２２並びにカプラ１８は、当技術分野においてエヴァンス機構として知られる４バーリンク機構を形成する。カプラ１８は、第１回転継手２０から第４回転継手２６を通って端点２８へと延在する。第１リンク１４が第１回転継手１４の周りを時計回りに回転し、第２リンク２２が第３回転継手２４の周りを回転すると、端点２８のＤ１の方向への直線運動が生じる。

機構のジオメトリ（Ｌ２²＝Ｌ１*Ｌ３で表される）により、端点２８の軌跡の大部分に、作動中、実質的直線運動又は直線運動の近似が見られる。この機構が図１に示す位置をはるかに超えて作動されると、端点２８の経路は直線方向Ｄ１から外れて曲線を描くが、機構の動きのかなりの部分において経路は直線である。このように、エヴァンス機構は「直線機構」としても知られる。

エヴァンス機構はいくつかの方法で作動させることができる。図１に示す実施形態において、エヴァンス機構１０は別個の作動アセンブリ３０によって作動される。

作動アセンブリ３０はフレーム１２に取り付けられた第１モータ３２を備える。モータ３２は第５回転継手３６を形成し、その周りをクランク３４が駆動される。第３リンク３８は第６回転継手４０を介してクランク３４の自由端に、そして第７回転継手４２でカプラに取り付けられる。第７回転継手４２はカプラ１８の第２回転継手２０と第４回転継手２６との間に位置する。作動アセンブリ３０を使用して、モータ３２はクランク３４を駆動することができ、このクランクは第３リンク３８を介してカプラ１８を押したり引いたりしてエヴァンス機構を作動させ、Ｄ１の方向に沿って端点２８を駆動することができる。

尚、他の種類の作動アセンブリも可能である。例えば、第１回転継手１６又は第３回転継手２４にモータを設けることにより、第１リンク１４又は第２リンク２２の回転を達成することができる。継手１６にモータを設けることは、使用される可動域によっては問題となる場合がある、というのも、カプラ１８と第２リンク２２とが平行となる位置では、トルクを介して継手１６を継手の回転中心周りで回転させることができないからである。

図１のエヴァンス機構は１自由度マニピュレータとして使用することができる。本発明は２自由度の機構を提供する。これは図２に示される配置によって達成される。図２に示される参照符号は共通する機能に関して図１に示す符号と同様であるが、１００を加えたものである。

本発明による２自由度の機構１１０は、フレーム１１２と、第１回転継手１１６を介してフレーム１１２に接続され、第２回転継手１２０を介してカプラ１１８に接続される第１リンク１１４とを備える。第２リンク１２２は第４回転継手１２６を介してカプラ１１８に接続されて提供される。作動アセンブリ１３０は作動アセンブリ３０とほぼ同じ様に提供され、第５回転継手１３６を画定する第１モータ１３２と、このモータによって駆動される第１クランク１３４と、クランクの第６回転継手１４０とカプラ１１８の第７回転継手１４２とを接続する第３リンク１３８とを有する。

第２回転リンク１２２は、フレーム１１２に直接取り付けられる代わりに、第３回転継手１２４で第２クランク１４４に接続され、このクランクはフレーム１１２に取り付けられた第２モータ１４６によって駆動され、この第２モータは第８回転継手１２５を形成する。

第２クランク１４４が静止位置の状態で、機構１１０は図１のエヴァンス機構とほぼ同じ様に作動する。カプラ１１８の端点１２８は、機構が第１モータ１３２によって作動されると、Ｄ１の方向に移動する。

図１に示すように、Ｌ１は第２リンク１２２の第３継手１２４と第４継手１２６との間の距離であり、Ｌ２はカプラ１１８の第２継手１２０から第４継手１２６への距離であり、Ｌ３は第４継手１２６と端点１２８（すなわち操作される点）との間の距離である。機構は端点１２８に対して最も正確な直線運動を提供する、Ｌ２²＝Ｌ１*Ｌ３となるように構成される。

尚、しかしながら、第２クランク１４４は、カプラ１１８の端点１２８がＤ１の方向とほぼ垂直なＤ２の方向に動くように駆動させることができる。このように、端点１２８が２つの法線方向に直線的に動かされる、２次元の作業領域Ｗが形成される。

尚、図２に示す位置の周りの可動域に関して、Ｄ１及びＤ２はほぼ真直ぐ且つ垂直である。作業領域Ｗの外側への動きによって次第に直線挙動が失われていく。

図３ａを見ると、図２の機構と類似する機構が、第１及び第２クランク１３４、１４４の両方の自由度の角度の有限数によるその可動域によって示されている。尚、図３ａにおいて、第１クランク１３４は第１リンク１１４と同じ点でフレームに取り付けられるが、これは機構の運動学に大きく影響するものではない。

角度Φ１は、図３ａに示される中心位置からの、第１クランク１３４の角度を表し、角度Φ２は、図３ａに示される中心位置の周りの、第２クランク１４４の角度を表している。

図３ａは作業領域Ｗ内の位置での機構１１０を示す。図３ｂを見ると、機構１１０が示されおり、作業領域Ｗの第１角は、その点を越えると端点１２８の動作が直線状でなくなる点である。図３ｂにおいてその位置は、Φ１が−３０°、Φ２が４０°である。同様に、図３ｃ（Φ１＝−３０、Φ２＝−４０）、３ｄ（Φ１＝３０、Φ２＝４０）及び３ｅ（Φ１＝３０、Φ２＝−４０）において、機構１１０は、その後でその動作の直線性がかなり失われる、すなわち画定された作業領域Ｗの外に出る、動きの極限にあることが示されている。

図３ａ〜３ｅの各々にグリッド線で示されるように、端点１２８の動作は比較的直線状であり、先述のカルテシアン摺動マニピュレータのような２自由度のマニピュレータに、良好な近似を提供する。

図２及び図３ａ〜３ｅの実施形態において、プッシュロッドを端点１２８に、Ｄ１の方向（機構１１０から離れる）に取り付けることが望ましい。例えば歩行リハビリテーション用ロボットにおいて、プッシュロッドを対象者の腰部に取り付けてもよい。上述のように、このようなロボットは対象者を誘導する必要があるため、対象者からの機構に対する力に抵抗しなければならない。

このようなプッシュロッドを提供するには、端点の回転をロックする、又は機構の外側に有効点を設けることが望ましい。この目的のため、図４には、エンドエフェクタの回転をロックすることによって、対象者からの力にプッシュロッドを介して反応するのにより適した機構２１０が示されている。この機構は図２に示す機構１１０と共通の構成部品をいくつか有する。これらは１００を加えた数字で表される。

機構２１０はフレーム２１２を備え、これには第１リンク２１４が第１端で第１回転継手２１６を介して枢動可能に取り付けられ、第１リンクは第２端で第２回転継手２２０を介して第１カプラ２１８に枢動可能に取り付けられる。

第２リンク２２２は、第３回転継手２２４を介して第１ロッカー２４８（以下に詳細を記載する）と、第４回転継手２２６を介して第１カプラ２１８とに接続される。機構１１０と同様に、作動アセンブリ２３０は、第５回転継手２３６を画定する第１モータ２３２と、第１モータ２３２によって駆動される第１クランク２３４と、第６回転継手２４０を介してクランク２３４に、そして第７回転継手２４２を介してカプラ２１８に接続される第３リンク２３８とを備える。

フレーム２１２に接続され、第８回転継手２２５を画定するモータ２５４を備える第２作動アセンブリ２５２が提供される。アセンブリ２５２は、クランク２５６と、第９回転継手２５９を介してクランク２５６に接続されるプッシュロッド２５８とを備える。

第１ロッカー２４８は、第１０回転継手２５０を介してフレーム２１２に回転するために取り付けられる部材である。ロッカー２４８は、第１１回転継手２６０を介してロッカー２４８に接続されるプッシュロッド２５８によって、第１０回転継手２５０の周りを回転するように駆動される。第１ロッカー２４８の継手２２４、２５０、２６０の各々は、三角形の頂点を画定するように離間している。

第２ロッカー２６２は第１ロッカーと全く同じように設けられるが、第１ロッカーから離間しており、第１２回転継手２６４を介してフレーム２１２に取り付けられる。プッシュロッド２５８は、第１３回転継手２６５によって第２ロッカー２６２を駆動させるために、第１ロッカー２４８を越えて延在する。第２ロッカーは以下に記載するように、第１４回転継手２７６も備える。

第２カプラ２６６は、第１カプラ２１８に対して通常はオフセットして、平行に設けられる。第２カプラ２６６は、第１中間リンク２６８及びエンドエフェクタ２８４（すなわちプッシュロッド）を介して第１カプラ２１８に接続され、平行リンク機構を形成する（すなわち、対向する部材は常に平行する）。第１中間リンク２６８は、継手２２０に近接する第１５回転継手２７０を介して第１ロッカー２１８に、そして第１６回転継手２７２を介して第２ロッカー２６２に接続される。第２カプラ２６６は第４リンク２７４によって駆動され、このリンクは第１４回転継手２７６を介して第２ロッカー２６２に、そして第１７回転継手２７８を介して第２カプラ２６６に接合される。

エンドエフェクタ２８４は、第１８回転継手２２８を介して第１カプラ２１８に、そして第１９回転継手２８０を介して第２カプラ２６６に接続される。

使用中、機構２１０は図２の機構とほぼ同様に駆動させることができる。第２モータ２５４が静止した状態で、第１モータ２３２は通常のエヴァンス機構に従って、すなわち直線方向Ｄ１に、エンドエフェクタ２８４を駆動させる。尚、２つのカプラ２１８、２６６は第１中間部材２６８及びエンドエフェクタ２８４によって拘束されるので、可動域全体で平行のままである。

Ｄ２の方向の動きはモータ２５４によって提供される。このモータはロッカー２４８、２６２を駆動し、第２及び第４リンク２２２、２７４を通して垂直力を提供する。この特別な配置による恩恵は、エンドエフェクタ２８４が水平、且つＤ１の方向に対して平行に保たれ、必要に応じて任意の回転動作に抵抗できることである。換言すれば、機構２１０はエンドエフェクタ２８４の全体及び任意の点に力を与えることができる。この機構は、所望の位置に作動点を提供するために、任意の適切な形状にすることができる。またこのシステムは本質的に堅固であり、これは利点である。

尚、ロッカー２４８、２６２の代わりに、一対の同期するモータ／クランクアセンブリを使用してもよい。

図５を見ると、リハビリ患者用のハーネス３００に接続された機構２１０が示されている。機構２１０は図に示すように、対象者又は患者の背丈が紙面に対して垂直な方向となるよう、水平面に配置される。よって、Ｄ１は対象者の前後方向でＤ２は左右方向である。尚、フレーム２１２は、対象者がトレッドミルを歩く場合には静止の状態で設け、患者又は対象者に歩く能力を提供する場合には移動可能に設けることができる。具体的には、歩行リハビリ中、本システムは必要に応じて患者の支持及び／又はインプット力を提供するように使用することができる。具体的には、本発明の機構は、アドミタンスコントロールを利用するシステムでの使用に特に適合するため、効果的に「透明」であるか、又は必要に応じて復元力若しくはインプット力を提供するように構成することができる。

Claims

フレーム（１１２；２１２）と、
第１リンク（１１４；２１４）と、
第２リンク（１２２；２２２）と、
第１カプラ（１１８；２１８）とを備え、
前記第１カプラ上の端点（１２８；２２８）が、その軌跡の一部に実質的な直線を第１の方向（Ｄ１）に描くよう、エヴァンス直線機構を形成するように配置されるマニピュレータ（１１０；２１０）であって、
前記第２リンク（１２２；２２２）が、クランク（１４４；２４８）を介して、該クランクの作動によって前記第１カプラ上の前記端点が前記第１の方向に垂直な第２の方向（Ｄ２）に実質的に直線状に動くように、前記フレームに取り付けられるマニピュレータ。
請求項１に記載のマニピュレータ（１１０；２１０）において、
Ｌ１は、前記第１カプラ（１１８；２１８）の回転軸と前記クランク（１４４；２４８）の回転軸との間の前記第２リンク（１２２；２２２）に沿った距離であり；
Ｌ２は、前記第１リンク（１１４；２１４）の回転軸の間の、前記第１カプラ（１１８；２１８）に沿った距離であり；
Ｌ３は、前記第１カプラ（１１８；２１８）の前記回転軸と前記端点（１２８；２２８）との間の、前記第１カプラ（１１８；２１８）に沿った距離であり；
前記マニピュレータが、Ｌ２がＬ２²＝Ｌ１*Ｌ３によって決定される値の１０％以内となるように構成されるマニピュレータ。
請求項１又は２に記載のマニピュレータ（１１０；２１０）において、前記第１カプラの前記端点を前記第１の方向に動かすために前記マニピュレータを連結するように構成された、第１モータ（１３２；２３２）を有する第１作動アセンブリを備えるマニピュレータ。
請求項３に記載のマニピュレータ（１１０；２１０）において、前記第１作動アセンブリが、前記第１モータ（１３２；２３２）によって駆動される第１作動アセンブリクランク（１３４；２３４）によって駆動される第３リンク（１３８；２３８）を備え、該第３リンクが前記第１カプラを駆動するように配置されるマニピュレータ。
請求項４に記載のマニピュレータ（１１０；２１０）において、前記第３リンクが前記第１リンク（１１４；２１４）と前記第２リンク（１２２；２２２）との間で前記第１カプラ（１１８；２１８）に取り付けられるマニピュレータ。
請求項１〜５の何れか一項に記載のマニピュレータ（１１０；２１０）において、
前記第１カプラ（２１８）に接続され、該第１カプラと共に動くように構成される第２カプラ（２６６）と、
前記第１カプラと前記第２カプラとを接続するエンドエフェクタ（２８４）とを備えるマニピュレータ。
請求項６に記載のマニピュレータ（２１０）において、前記第１カプラ及び第２カプラが前記エンドエフェクタから離間したカプラコネクタ（２６８）によって接続されるマニピュレータ。
請求項７に記載のマニピュレータ（２１０）において、前記第１カプラ及び第２カプラ（２１８，２６６）が、平行リンク機構の２つの平行な辺を形成するように、前記エンドエフェクタ（２８４）及び前記カプラコネクタ（２６８）によって接続されるマニピュレータ。
請求項６〜８の何れか一項に記載のマニピュレータ（２１０）において、前記第２カプラ（２６６）に接続される追加の第２リンク（２７４）を備え、該追加の第２リンク（２７４）が追加のクランク（２６２）を介して、該クランクの作動によって前記第２カプラ上の点が前記第２の方向（Ｄ２）に実質的に直線状に動くように、前記フレームに取り付けられるマニピュレータ。
請求項９に記載のマニピュレータ（２１０）において、前記クランク（２４８）及び前記追加のクランク（２６２）が同期運動するように配置されるマニピュレータ。
請求項９又は１０に記載のマニピュレータ（２１０）において、前記クランク（２４８）及び前記追加のクランク（２６２）が共通の作動アセンブリによって駆動されるマニピュレータ。
請求項４に従属する場合の請求項１１に記載のマニピュレータ（２１０）において、第２モータが共通のプッシュロッド（２５８）を介して前記クランク（２４８）及び前記追加のクランク（２６２）を駆動するマニピュレータ。
請求項１〜１２の何れか一項に記載のマニピュレータを備えるリハビリ装置。
請求項１〜１２の何れか一項に記載のマニピュレータを備える歩行訓練装置。