JP6681203B2 - ロボット装置およびロボット装置を備えるラボラトリーオートメーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボット装置に関する。本発明は、さらに、実験装置を備えるラボラトリーオートメーションシステムに関する。

ラボラトリーオートメーションシステムは、多数の解析前、解析中、および／または、解析後のステーションを備え、そこでは、試料、例えば人体から採取した血液、唾液、拭き取り検体、および他の試験片が処理される。試料を収容する試験管を用意することが一般的に周知されている。試験管は、試料管とも呼ばれる。効率的に取り扱うために、複数の試験管が、いわゆるラックに置かれ得る。ラボラトリーオートメーションシステムは、個々の試験管またはラックを取り扱うために、１つまたは複数のロボット装置を含むことができる。ラックを取り扱うロボット装置は、例えば欧州特許出願公開第２１４８２０６Ａ１号に開示される。欧州特許出願公開第２１４８２０６Ａ１号に示されるロボット装置は、２本の平行な軸を中心に旋回可能な２つの腕状部または連節部（ｌｉｎｋｓ）を備えるＳＣＡＲＡ型ロボット装置である。

ＳＣＡＲＡ型のロボット装置は、例えば米国特許第７，３４７，１２０（Ｂ２）号に記載される。このロボット装置は、据置型の基台と、第１の軸を中心に旋回可能に基台に取り付けられた第１の腕状部と、第２の軸を中心に旋回可能に第１の腕状部に取り付けられた第２の腕状部と、腕状部を駆動する原動機とを備える。基台に対して両方の腕状部を駆動する第１の原動機は、基台内に配置される。第１の腕状部に関連して第２の腕状部を駆動する第２の原動機は、第２の腕状部内に受容される。第２の腕状部の遠位端部に作業機が備えられ、この作業機は、その長手方向に移動可能な、対象物を垂直方向に動かすスピンドルを備える。腕状部に配置された第２の原動機は負荷となり、両方の腕状部を駆動する第１の原動機により動かされなければならない。したがって、強力な原動機が必要とされ、腕状部は大きな空間要件を有する。

米国特許第５，７４１，１１３号は、基台に配置された２つの同心の原動機と、この２つの同心の原動機により、２つの腕状部のうちの一方または両方を選択的に駆動する、複雑な伝達システムとを有するＳＣＡＲＡ型ロボット装置を記載する。

欧州特許出願公開第２１４８２０６Ａ１号 米国特許第７，３４７，１２０（Ｂ１、Ｂ２）号 米国特許第５，７４１，１１３号

本発明の目的は、軽量のロボット装置、詳細にはラボラトリーオートメーションシステムにおいて使用するための、空間要件の小さいロボット装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、軽量のロボット装置を有するラボラトリーオートメーションシステムを提供することである。

第１の態様によれば、据置型の基台と、第１の軸を中心に回転するために、基台に回転式に取り付けられた第１の腕状部と、第１の軸に平行な第２の軸を中心に回転するために、第１の腕状部に回転式に取り付けられた第２の腕状部と、第１の腕状部を第１の軸を中心に回転するように駆動する第１の駆動装置と、第２の腕状部を第２の軸を中心に回転するように駆動する第２の駆動装置を有する第２の腕状部駆動機と、第１および第２の軸に平行な方向へ、第１の腕状部および第２の腕状部を動かす直線駆動機とを備えるロボット装置であって、第１の駆動装置および第２の駆動装置が、基台に据え付けられ、直線駆動機が、基台に据え付けられた第３の駆動装置を備える、ロボット装置が提供される。

言い換えれば、ロボット装置、詳細には第２の腕状部の遠位端部を、３次元空間において、すなわち直交座標空間のＸ、Ｙ、Ｚ方向において位置決めするために、３つの駆動装置が設けられる。好ましくは、第１および第２の軸が垂直軸となるように据置型の基台が配向され、直線駆動機が、第１および第２の腕状部を昇降させるように設計される。

第１、第２、および第３の駆動装置は全て基台に据え付けられ、腕状部により担持されないため、ロボット装置を位置決めするために加速される質量は、例えば米国特許第７，３４７，１２０（Ｂ１）号に示される従来技術の装置よりも小さくなる。とりわけ駆動装置は、加速される質量に基づき寸法設定されるため、より小さい駆動装置が使用され得る。さらに、腕状部が駆動装置を担持しないため、あまり大きくない腕状部が使用され得る。

一実施形態では、直線駆動機は、単動または複動型の、空圧または油圧気筒を備える。好ましい実施形態では、第３の駆動装置は、容易な制御および精度の高い位置決めを可能にする電動機、詳細にはサーボモーターである。一実施形態では、電動機は、第１の腕状部を動かすために、第１の腕状部に取り付けられたラックと係合する小歯車を駆動する。

好ましい実施形態では、直線駆動機は、固定された第３の軸を中心に回転するねじ山付きロッドと、ねじ山付きロッドと係合する少なくとも１つのナットとを備え、この少なくとも１つのナットは第１の腕状部に取り付けられる。固定された軸を中心に回転するねじ山付きロッドを設けることで、第３の軸の方向へのロボット装置の空間要件が最小化される。詳細には、第１の軸、典型的には垂直軸の方向への空間要件は、例えば、第２の腕状部の遠位端部にねじ山付きロッドが設けられ、このねじ山付きロッドが把持部を昇降させるために軸方向に可動である米国特許第７，３４７，１２０（Ｂ１）号で示される装置のものよりも小さい。

好ましくは、第３の軸は、第１の軸と同軸である。これにより小型の設計が可能となる。
好ましい実施形態では、第１の軸を中心に回転するように駆動される第１の支柱により、第１の腕状部が基台に取り付けられ、第１の腕状部は、回転不能に、しかし、軸方向に移動可能に第１の支柱に結合される。一実施形態では、第１の軸の方向に延びる第１の支柱の案内溝に摺動自在に取り付けられ、第１の支柱とともに回転するように第１の支柱に確実に連結された摺動要素を、第１の腕状部が備える。摺動要素があることで、第１の腕状部と支柱との蟻継ぎ様の連結が、摺動要素に隣接するくびれ（ｎｅｃｋｉｎｇ）領域によりもたらされ、くびれ領域の斜面でトルクが伝達される。案内溝に沿って詰まらずに摺動要素が動くことを可能にするために、好ましい実施形態では、摺動要素は実質的に円形断面を有する。

好ましい実施形態では、第１の支柱は中空形状である。好ましくは、第１の支柱は中空形状であり、直線駆動機のねじ山付きロッドは、第１の支柱の内側に、好ましくは第１の支柱と同軸に配置される。

好ましい実施形態によれば、第２の駆動機は、第１の軸を中心に回転するように駆動される第２の支柱を備える。好ましくは、第２の支柱は中空形状であり、第２の支柱が第１の支柱を中心に回転可能となるように、第１の支柱が第２の支柱の内側に配置される。第１および第２の支柱の一方または両方の動きにより、ロボット装置の腕状部は第１および第２の軸に直角な面において位置決めされる。

一実施形態では、ベルトシステムにより、第２の支柱の動きが第２の腕状部に伝達される。
好ましい実施形態では、第１の軸に平行なロッド軸を中心に回転可能に、かつ軸方向に移動可能に第２の支柱に取り付けられる少なくとも１つのロッドを備える連係システムにより、第２の腕状部が第２の支柱に接続される。かかる連係システムは、第２の腕状部へ確実に回転を伝達することが可能で、エラーを起こしにくい。

一実施形態では、少なくとも１つのロッドは、第２の支柱へ直接結合され、例えば、第１の軸に平行に延びるブラケットが設けられ、ロッドは、摺動自在に、かつ回転可能にブラケットに結合される。好ましくは、回転不能に、しかし第２の支柱の軸方向に移動可能に第２の支柱に結合された少なくとも１つの片持ち梁を、連係システムがさらに備え、少なくとも１つのロッドが、ロッド軸を中心に回転可能に、かつ軸方向に固定されて片持ち梁に結合される。片持ち梁は、第２の支柱から半径方向に突出し、第２の支柱の全体的な空間要件を著しく増加させることなく、第１の軸から距離をおいて、ロッド軸を位置決めすることを可能にする。

好ましくは、第１の軸に平行に延びる少なくとも１つの案内軌条が、第２の支柱の外面に設けられ、少なくとも１つの片持ち梁が、少なくとも１つの案内軌条に摺動自在に結合される。

説明したように、３つの駆動装置により、ロボット装置、詳細には第２の腕状部の遠位端部が、３次元空間において位置決めされる。好ましくは、少なくとも１つの制御装置が設けられ、直交座標空間においてロボット装置を位置決めするように、第１の駆動装置、第２の駆動装置、および第３の駆動装置が、制御装置により調整される。

好ましい実施形態では、作業機、詳細には把持部が、第２の腕状部に装着される。この場合、制御装置は、直交座標空間において第２の腕状部に装着された作業機を位置決めするように、駆動装置を制御する。

好ましい実施形態における作業機は、第２の腕状部に可動的に、詳細には第２の腕状部に対して旋回可能に取り付けられる。
第２の態様によれば、多数の解析前、解析中、および／または、解析後のステーションを有し、かつロボット装置を有するラボラトリーオートメーションシステムが提供され、ロボット装置は、据置型の基台と、第１の軸を中心に回転するために、基台に回転式に取り付けられた第１の腕状部と、第１の軸に平行な第２の軸を中心に回転するために、第１の腕状部に回転式に取り付けられた第２の腕状部と、第１の腕状部を第１の軸を中心に回転するように駆動する第１の駆動装置と、第２の腕状部を第２の軸を中心に回転するように駆動する第２の駆動装置を有する、第２の腕状部駆動機と、第１および第２の軸に平行な方向へ、第１の腕状部および第２の腕状部を動かす直線駆動機とを備えており、第１の駆動装置および第２の駆動装置は、基台に据え付けられ、直線駆動機は、基台に据え付けられた第３の駆動装置を備える。

好ましくは、ロボット装置は、２つの入れ子状態の支柱と、支柱の内側に、支柱と同軸に配置されたねじ山付きロッドとを備え、直交座標空間においてロボット装置を位置決めするために、２つの入れ子状態の支柱およびねじ山付きロッドが、第１、第２、および第３の駆動装置によりそれぞれ駆動される。

ロボット装置の一実施形態の斜視図である。 ９０°回転された図１のロボット装置の斜視図である。 図１のロボット装置の上面図である。 図１の装置の水平断面図である。 図３の線Ｖ−Ｖに沿った垂直断面図である。 図３の線ＶＩ−ＶＩに沿った垂直断面図である。

これ以降、本発明の一実施形態が図を参照し詳細に記載される。可能な限り、図を通して同一の参照番号が同一または類似の部品を指すために使用される。
図１から図６は、例えば、試験管（図示せず）を取り扱うためのラボラトリーオートメーションシステムにおいて使用される、ロボット装置１の一実施形態を概略図で示す。

ロボット装置１は、据置型の基台１０（図５および６に示す）と、第１の軸Ｉを中心に回転するために基台１０に回転式に取り付けられた第１の腕状部１１と、第１の軸Ｉに平行な第２の軸ＩＩを中心に回転するために第１の腕状部１１に回転式に取り付けられた第２の腕状部１２とを備える。第２の腕状部１２の遠位端部には、作業機、すなわち把持部１３が設けられる。応用分野により必要であれば、把持部１３は、第２の腕状部１２に回転可能に取り付けられ得る。

示される実施形態では、基台１０は、作業台２の下に据え付けられて配置される。他の実施形態では、基台１０は、作業台２の上に設けられる、または、ロボット装置１は作業台なしで使用される。一実施形態では、基台１０は筺体を備える。他の実施形態では、基台１０は周囲環境と一体的に存在する。

第１の腕状部１１は、第１の支柱１４により基台１０に取り付けられ、この第１の支柱１４は、第１の駆動装置３０により、第１の軸Ｉを中心に回転するように駆動される。示される実施形態では、第１の駆動装置３０は電動機である。第１の駆動装置３０と第１の支柱１４との間には、図には示されない伝動システムが設けられる。

第１の腕状部１１は、回転不能に、しかし、第１の軸Ｉに沿って軸方向に移動可能に第１の支柱１４に結合される。
図４の水平断面図において最もよく確認できるように、第１の支柱１４は、第１の軸Ｉの方向に延びる案内溝１５が設けられた中空形状である。第１の腕状部１１は、第１の支柱の案内溝１５に摺動自在に取り付けられた摺動要素１６を備える。案内溝１５は、アンダーカット形状であり、すなわち、その開口は最大幅よりも小さく、摺動要素１６は半径方向に案内溝１５に保持される。摺動要素１６に隣接する第１の腕状部１１には、くびれが形成される。くびれの斜面が第１の支柱１４の斜面に当接し、第１の支柱１４とともに回転するために、第１の腕状部１１を第１の支柱１４に確実に連結する。

第２の軸ＩＩを中心に第１の腕状部１１に対して回転するように、第２の腕状部１２を駆動するために、第２の駆動装置４０を有する第２の腕状部駆動機４が設けられる。示される実施形態では、第２の腕状部駆動機４は、第２の支柱４１を備える。第２の支柱４１は中空形状である。第１の支柱１４および第２の支柱４１は同軸に配置され、第２の支柱４１が第１の支柱１４を中心に回転可能となるように、第１の支柱１４が第２の支柱４１の内側に配置される。第２の支柱４１には、第２の支柱４１と第１の腕状部１１とが干渉せずに第２の支柱４１が第１の支柱１４に対して回転することが可能となるように設計された、第１の腕状部１１用の切り抜きが設けられる。

第２の支柱４１は、第２の駆動装置４０により、第１の軸Ｉを中心に回転するように駆動される。示される実施形態では、第２の駆動装置４０は電動機である。第２の駆動装置４０と第２の支柱４１との間には、図には示されない伝動システムが設けられる。第２の支柱４１の回転は、連係システムにより第２の腕状部１２に伝えられる。図では、第２の腕状部１２は、第１の軸Ｉに平行な共通平面において平行に配置された２本のロッド４２を備える連係システムにより、第２の支柱４１に接続される。ロッド４２は、第１の軸Ｉに平行なロッド軸ＩＩＩを中心に回転可能に、かつ軸方向に移動可能に第２の支柱４１に取り付けられる。この目的のため、連係システムは、片持ち梁４３をさらに備えて示される。片持ち梁４３は、回転不能に、しかし、第２の支柱４１の外面に第１の軸Ｉに平行に延びる案内軌条４４により軸方向に移動可能に第２の支柱４１に結合される。２本のロッド４２は、ロッド軸ＩＩＩを中心に回転可能に、かつ軸方向に固定されて片持ち梁４３に結合される。

制御装置６が設けられ、制御装置６により、第１の軸Ｉおよび第２の軸ＩＩに直角な面において把持部１３を位置決めするように、第１の駆動装置３０および第２の駆動装置４０が連帯的にまたは別々に駆動される。言い換えれば、作業台２と、第１の軸Ｉおよび垂直Ｚ軸との交点を起点とする直交座標系を選択する場合、把持部１３は、Ｘ軸およびＹ軸に対して位置決めされる。

ロボット装置１は、第１の軸Ｉおよび第２の軸ＩＩに平行な方向へ、すなわち直交座標空間のＺ軸に沿って第１の腕状部１１および第２の腕状部１２を動かす、直線駆動機５をさらに備える。

直線駆動機５は、軸を中心に回転するように定位置に配置されたねじ山付きロッド５１を駆動する、第３の駆動装置５０を備える。示される実施形態では、ねじ山付きロッド５１は、第１の支柱１４の内側に、第１の軸Ｉと同軸に配置される。したがって、ねじ山付きロッド５１は、第１の軸Ｉを中心に回転するように駆動される。

第１の腕状部１１、より詳細には第１の腕状部１１の摺動要素１６には、ねじ山付きロッド５１に係合する２つのナット５２が設けられる。
制御装置６は、第１の駆動装置３０および第３の駆動装置５０を制御し、ねじ山付きロッド５１および／または第１の支柱が、第１の軸Ｉを中心に回転するように駆動する。

第１の軸Ｉを中心に回転するようにねじ山付きロッド５１を駆動し、第１の支柱１４、したがって第１の支柱１４に回転不能に結合された摺動要素１６の回転を制止する場合、摺動要素１６、よって第１の腕状部１１は、ねじ山付きロッド５１に沿って走行する。第１の腕状部１１に取り付けられた第２の腕状部１２は、第１の腕状部１１とともに動くように引かれ、片持ち梁４３は、案内軌条４４に沿って走行する。

ねじ山付きロッド５１に沿った第１の腕状部１１の最大走行距離は、案内溝１５の長さによって規定される。図では、案内溝１５は、第１の支柱１４の全長には至っていない。その結果、作業台２に向かう把持部１３の動きを制限し、把持部１３が作業台２と衝突することを防止する実質的な制限停止（ｌｉｍｉｔ ｓｔｏｐ）が設けられる。

ねじ山付きロッド５１および第１の支柱１４を、調整された角速度で第１の軸Ｉを中心に回転するように駆動する場合、第１の腕状部１１を昇降させずに第１の腕状部１１を回転式に位置決めするために、ねじ山付きロッド５１および第１の腕状部１１は、第１の軸Ｉを中心に連帯的に回転する。

３つの駆動装置３０、４０、５０は全て、基台１０に据え付けられる。したがって、腕状部１１、１２は、駆動装置３０、４０、５０の負荷を担持する必要がない。これにより、例えば図に示される中空形状のような、腕状部１１、１２の軽量構造が可能となる。把持部１３を第２の腕状部１２に対して回転するように駆動するため、別の駆動装置が設けられてもよい。

ねじ山付きロッド５１、第１の支柱１４、および第２の支柱４１は、同軸に配置され、軸方向に少なくとも実質的に整列される。この目的のために、第１の支柱１４および第２の支柱４１は中空形状に設計され、ねじ山付きロッド５１は、第１の支柱１４により回転可能に受容され、第１の支柱１４は、第２の支柱４１により回転可能に受容される。第１の支柱１４および第２の支柱４１はともに円形断面を有し、最低限の空間要件で互いに対し回転することが可能である。

一実施形態におけるロボット装置１は、試験管（図示せず）を取り扱うためのラボラトリーオートメーションシステムで使用される。ロボット装置１の軽量設計は、高速および高加速で、かつ高精度に、そして誘発するのはわずかな振動のみで試験管を取り扱うことを可能にする。

もちろん、ロボット装置１の使用は、ピック・アンド・プレース作業にも、ラボラトリーオートメーションシステムにおける使用にも限定されるものではない。ロボット装置１を別の作業へ適合するために、把持部１３以外の作業機が第２の腕状部１２の遠位端部に装着されてもよい。

Claims (14)

1. 据置型の基台（１０）と、第１の軸（Ｉ）を中心に回転するために、前記基台（１０）に回転式に取り付けられた第１の腕状部（１１）と、前記第１の軸（Ｉ）に平行な第２の軸（ＩＩ）を中心に回転するために、前記第１の腕状部（１１）に回転式に取り付けられた第２の腕状部（１２）と、前記第１の腕状部（１１）を前記第１の軸（Ｉ）を中心に回転するように駆動する第１の駆動装置（３０）と、前記第２の腕状部（１２）を前記第２の軸（ＩＩ）を中心に回転するように駆動する第２の駆動装置（４０）を有する第２の腕状部駆動機（４）とを備え、前記第１の駆動装置（３０）および前記第２の駆動装置（４０）が、前記基台（１０）に据え付けられたロボット装置において、
   前記第１の軸（Ｉ）および前記第２の軸（ＩＩ）に平行な方向へ、前記第１の腕状部（１１）および前記第２の腕状部（１２）を動かすために直線駆動機（５）が設けられ、前記直線駆動機（５）が、前記基台（１０）に据え付けられた第３の駆動装置（５０）を備え、
   前記第１の軸（Ｉ）を中心に回転するように駆動される第１の支柱（１４）により、前記第１の腕状部（１１）が前記基台（１０）に取り付けられ、前記第１の腕状部（１１）は、回転不能に、しかし、前記第１の軸（Ｉ）に沿って軸方向に移動可能に前記第１の支柱（１４）に結合されることを特徴とする、ロボット装置。
2. 前記直線駆動機（５）が、固定された第３の軸を中心に回転するねじ山付きロッド（５１）と、前記ねじ山付きロッド（５１）と係合する少なくとも１つのナット（５２）とを備え、前記少なくとも１つのナットが前記第１の腕状部（１１）に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記第３の軸が、前記第１の軸（Ｉ）と同軸であることを特徴とする、請求項２に記載のロボット装置。
4. 前記第１の軸（Ｉ）の方向に延びる前記第１の支柱（１４）の案内溝（１５）に摺動自在に取り付けられ、前記第１の支柱（１４）とともに回転するように前記第１の支柱（１４）に確実に連結された摺動要素（１６）を、前記第１の腕状部（１１）が備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のロボット装置。
5. 前記第１の支柱（１４）が中空形状であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のロボット装置。
6. 前記第２の腕状部駆動機（４）が、前記第１の軸（Ｉ）を中心に回転するように駆動される第２の支柱（４１）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のロボット装置。
7. 前記第２の支柱（４１）が中空形状であり、前記第２の支柱（４１）が前記第１の支柱（１４）を中心に回転可能となるように、前記第１の支柱（１４）が前記第２の支柱（４１）の内側に配置されることを特徴とする、請求項６に記載のロボット装置。
8. 前記第１の軸（Ｉ）に平行なロッド軸（ＩＩＩ）を中心に回転可能に、かつ軸方向に移動可能に前記第２の支柱（４１）に取り付けられる少なくとも１つのロッド（４２）を備える連係システムにより、前記第２の腕状部（１２）が前記第２の支柱（４１）に接続されることを特徴とする、請求項７に記載のロボット装置。
9. 回転不能に、しかし前記第２の支柱（４１）の軸方向に移動可能に前記第２の支柱（４１）に結合された少なくとも１つの片持ち梁（４３）を、前記連係システムが備え、前記少なくとも１つのロッド（４２）が、前記ロッド軸（ＩＩＩ）を中心に回転可能に、かつ軸方向に固定されて前記片持ち梁（４３）に結合されることを特徴とする、請求項８に記載のロボット装置。
10. 前記第１の軸（Ｉ）に平行に延びる少なくとも１つの案内軌条（４４）が、前記第２の支柱（４１）の外面に設けられ、前記少なくとも１つの片持ち梁（４３）が、前記少なくとも１つの案内軌条（４４）に摺動自在に結合されることを特徴とする、請求項９に記載のロボット装置。
11. 少なくとも１つの制御装置（６）が設けられ、直交座標空間において前記ロボット装置（１）を位置決めするように、前記第１の駆動装置（３０）、前記第２の駆動装置（４０）、および前記第３の駆動装置（５０）が、前記制御装置（６）により調整されることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のロボット装置。
12. 作業機、詳細には把持部（１３）が、前記第２の腕状部（１２）に装着されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のロボット装置。
13. 前記作業機が、前記第２の腕状部（１２）に可動的に、詳細には前記第２の腕状部（１２）に対して旋回可能に取り付けられることを特徴とする、請求項１２に記載のロボット装置。
14. 多数の解析前、解析中、および／または、解析後のステーションを有し、かつ請求項１から１３のいずれか一項に記載のロボット装置（１）を有するラボラトリーオートメーションシステム。

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