JP7842632B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本開示は、連続体アームロボット用の汎用アクチュエータに関する。本開示はさらに、交換可能な連続体アームを有する汎用アクチュエータを有する連続体アームロボットに関する。

連続体アームロボットまたはスネークアームロボットは、いくつかの異なり多岐にわたる技術分野において関心が高まっている。それらは、たとえば、ガスタービンエンジンまたは原子炉などの複雑なシステムの検査および修理において使用される場合があり、または代替として、それらは人体に対する外科手術において使用することができる。システムの利益は、硬く柔軟なアームの使用によって実現される制御であり、それは、周辺エリアに対する潜在的に重大な損傷なしに人間が入ることが困難または危険なエリアにアームがアクセスすることができることを意味する。連続体アームロボットは、いくつかの関節から構成されるアームを備え、関節の剛性は、ロボットが組み立てられるときに、ロボットがその所望のタスクを実行するために必須の強度および柔軟性をロボットに提供するように設定することができる。関節は、通常、関節を通り、オペレータによって要求されるように緊張または弛緩することができる腱によって操作される。オペレータは、アクチュエータを使用してアーム内の緊張度を制御する。各連続体アームロボットは、必要に応じて工具および検査機器を提供するために、アームおよびアームに取り付けられたヘッドを制御するためのそれ自体のアクチュエータが設けられる。

そのため、使用する際に、複数の連続体ロボットは、必須のタスクを完了することが必要とされ得る。これは、タスクが複雑なプロセスである場合にロボットが異なるヘッドを必要とする場合があり、または代替としてロボットが異なる剛性の関節を必要とする場合があるからである。複数の異なる連続体アームロボットを有するためのこの要件は、コストおよびプロセスの複雑さを増大させ、各ステップとして、異なる連続体アームロボットを構成する必要があり、プロセスが完了すると、それは取り外される必要があり、次の連続体アームロボットが構成される必要がある。したがって、これにより、いくつかの異なる連続体アームロボットおよびそれらの関連付けられたアクチュエータを処理する要件によるコスト、ならびに異なる連続体アームロボットを変更し設定するオペレータ時間が増大する。したがって、連続体アームロボットおよびそれらのアクチュエータの動作を改善することが望ましい。

本開示は、複数の腱を有する連続体アームロボットを駆動するための汎用アクチュエータを提供し、汎用アクチュエータは、ハウジングと、電源を備える電源パックと、産業用プログラマブルロジックコントローラ、スクリーン、アナログ入力デバイス／デジタル出力デバイスに連結された回転エンコーダ、プログラマブルロジックコントローラをユーザ入力デバイス、回転エンコーダ、および連続体アームロボットの動きを制御するためのアクチュエータパックに接続する複数の電子制御カードを備える制御パックであって、プログラマブルロジックコントローラまたはスクリーンが連続体アームロボットの設定および制御を可能にするコンピュータプログラムを有する、制御パックとを備え、アクチュエータパックは制御パックに連結された電子制御カードに結合され、アクチュエータパックは複数のアクチュエータを備え、各アクチュエータはそれ自体のロードセルおよびサーボドライバに結合され、アクチュエータパックは接続ポートを有し、接続ポートは、連続体アームロボットの腱が連続体アームロボットの確実な取り付けおよび取り外しを可能にするためのそれらの関連付けられたアクチュエータおよびカプラに接続されるために通る穴を有し、複数のアクチュエータの各アクチュエータは、連続体アームロボットの腱の取り外し可能な付属品を有する。

各アクチュエータは、連続体アームロボットの腱に取り付けられた口金と係合するためのスロットを有するコネクタを有してもよい。コネクタは、アクチュエータと係合し、連続体アームロボットの腱を周りに巻き付けるための狭い直径の中心および連続体アームロボットの腱上の口金と係合するためのスロットを特徴付けるスプールであってもよい。

複数のアクチュエータはグループとして取り付けられてもよく、各グループは、アクチュエータの制御用のドライブエレクトロニクスもホストする（または、設けられる）フレームに接続される。

複数のアクチュエータは、ブラシレスサーボモータであってもよい。
各アクチュエータに関連付けられたロードセルは、演算増幅器に結合されてもよく、演算増幅器はサーボドライバに連結され、サーボドライバはアクチュエータに連結される。

位置センサは、連続体アームロボットの位置を特定し、プログラマブルロジックコントローラにフィードバックを提供するために存在してもよい。
アクチュエータはＬＥＤドライバが設けられてもよく、ＬＥＤドライバは、連続体アームロボットの遠位端の周りの所望のエリアの照明を提供するために、連続体アームロボット内に存在するＬＥＤに結合される。

回転エンコーダは、エンコーダインターフェースに連結された回転増分エンコーダであってもよく、エンコーダインターフェースは、アナログ入力デバイスおよびデジタル出力デバイスに直列に連結される。

電子制御カードは、ＥｔｈｅｒＣＡＴカードであってもよい。
アクチュエータは、ツイストアンドフィード機構が設けられてもよい。
スクリーンは、タッチスクリーンデバイスであってもよい。

ユーザ入力デバイスは、ジョイスティックであってもよい。
アクチュエータは、複数の温度センサが設けられてもよい。
アクチュエータは、複数のインジケータＬＥＤが設けられてもよい。

汎用アクチュエータは、換気システムを有してもよい。換気システムは、複数のファンによって実現されてもよい。
汎用アクチュエータは、シャットダウンボタンが設けられてもよい。

本発明の第２の態様によれば、複数の交換可能な連続体アームセクションおよび上記で説明された汎用アクチュエータを備える連続体アームロボットが提供される。
各アームは、長さが０．５ｍと１０ｍとの間であってもよい。

各アームは、３ｍｍと３０ｍｍとの間の厚さを有してもよい。
当業者は、相互排他的な場合を除き、上記の態様のいずれか１つに関して記載された特徴またはパラメータが任意の他の態様に適用されてもよいことを諒解されよう。その上、相互排他的な場合を除き、本明細書に記載された任意の特徴またはパラメータは、任意の態様に適用され、かつ／または本明細書に記載された任意の他の特徴もしくはパラメータと組み合わされてもよい。

次に、図を参照して、実装形態がほんの一例として記載される。

図１ａは従来技術による連続体アームロボット用のアクチュエータの断面図の例を提示する図である。図１ｂは使用中の従来技術の連続体アームロボットの画像を提示する図である。 本開示の連続体アームロボットを有する提案された汎用アクチュエータの一例の概略図である。 本開示のハウジングを有する汎用アクチュエータの概略図である。 本開示のハウジングをもたない汎用アクチュエータの内部構成部品の概略図である。 本開示の汎用アクチュエータの提案された配線図の一例を提示する図である。 本開示の汎用アクチュエータにおいて使用されるアクチュエータモジュール設定の拡大図である。 図７ａは本開示のアクチュエータパックの一例を提示する図である。

図７ｂは本開示のフレームを有するアクチュエータペアの一例を提示する図である。
図８ａは本開示のアクチュエータに結合するサーボドライブの配線概略図である。図８ｂはツイストアクチュエータドライブに結合するサーボドライブの配線概略図である。 本開示のエンコーダモジュールの配線図の一例を提示する図である。 本開示の汎用アクチュエータへの連続体アームロボットの接続の一例を提示する図である。 アクチュエータに腱を接続するためのスプールの一例を提示する図である。

次に、本開示の態様および実施形態が、添付の図を参照して説明される。さらなる態様および実施形態は当業者には明らかである。
図１ａは、連続体アームロボットの断面図の従来の一例を提示する。従来の連続体アームロボットは、アクチュエータパック１０２と恒久的に一体化され、そこから外部に延在する連続体アームロボット部分１０１を備える。アクチュエータパック１０２は、複数の独立したアクチュエータ１０３を含む。これらのアクチュエータは、連続体アーム１０１を通る腱内部の張力を調節するために使用される。腱はアーム内の関節に関連付けられ、これらの関節の各々は、関節に関連付けられた腱の緊張または弛緩に応答して動くように設計される。したがって、腱のこの緊張または弛緩は、関節の収縮または伸展を引き起こし、これにより連続体アームが曲がることが可能になる。アクチュエータパックは、レールまたは支持体１０４上に配置されているように示され、レールまたは支持体１０４は、検査されるべき構成部品の近くに配置される。アクチュエータはまた、アクチュエータに電力供給しアドレス指定するために使用される複数の電力および信号ケーブル１０５が設けられる。アクチュエータの領域にまたがる個別の信号は、連続体アーム１０１を向けることができるような関節の制御を実現する。連続体アームの動きを制御し、所望のタスクを実行するためにアクチュエータに連結されたコンピューティングデバイスを有するオペレータも必要であることが、図１には示されていない。連続体アームはアクチュエータの中に恒久的に一体化されるので、異なる工具が必要とされる場合、それはアクチュエータを含む完全な連続体アームロボットシステムの使用を必要とする。従来技術のアクチュエータに接続されたコンピューティングデバイスは、ロボット用に必須のオペレーティングソフトウェアおよび連続体アームが制御されることを可能にするジョイスティックなどの制御入力を特徴付けるラップトップコンピュータなどの任意の適切なコンピューティングシステムであってもよい。

図１ｂは、連続体アームロボットの関節の一例を示す。アームは複数の関節を備え、関節当たり少なくとも２本のケーブルを必要とする。たとえば、各々が関節当たり４つの腱を有する３つの関節を有するシステムは、駆動するために１２個のアクチュエータを必要とする。関節の数を増やすためには、アクチュエータの数が増やされる必要があるか、または関節当たりの腱の数が削減される必要がある。強調表示された関節１０６、１０７、１０８は、３次元で移動するように操作されることができる。関節は、関節１０６および１０８がアームの中心に対して同じ平面内で収縮することができ、一方で、関節１０７が移動することのできる平面は、関節１０６および１０８に対して９０°オフセットするように構成される。アームを３次元で操作させることを可能にすることは、関節角度を交互にするこの反復構成を介し、関節角度の各々は、異なる直交平面内の移動をもたらす。アーム内の各関節は、収縮することができる量の限界を有し、これは、アームの設計および使用される材料によって定義される。各関節における収縮の限界は、最小屈曲半径などの特性および関節内で結果として生じる変化を引き起こすために必要なトルクに対する要件を設定する。アームの端部に、連続体アームが適切な位置に着くと１つまたは複数の機能を実行するように設計された工具またはプローブが配置される。連続体アームロボットのヘッドは、しばしば、光学システムが設けられ、その結果、オペレータは、ヘッドが構成部品に挿入されているときにヘッドを見ることができ、ヘッドが自分のタスクを実行するときにヘッドを制御することができる。光学システムはまた、しばしば照明システムに結合される。工具用の制御ケーブル、照明システムへの電力コネクタ、および光ケーブルは、通常、連続体アーム内の関節の中心を通ることができる。これにより、いかなる潜在的な損傷からもケーブルを保護する利益が与えられる。これらの構成部品のすべてならびにアーム構造は、恒久的にアクチュエータに結合され、これは、アームが故障するか、または問題を抱えた場合、連続体アームロボット全体が交換される必要があることを意味する。

図２は、本開示による汎用アクチュエータパックの一例を示す。ここでは、アクチュエータパック２００は、ハウジング２０１内に収容されている。この場合、ハウジングはハードプラスチックケースから構築され、ハードプラスチックケースは、アクチュエータパックの重量を過度に増やすことなく、アクチュエータ構成部品の重量を支えることができる。代替のハウジングは、金属または合成物または繊維強化材から構築されてもよい。ハウジング２０１は、互いに対して蝶番で動くよう配置された２つの半分を有するように示され、その結果、ハウジングは、視覚表示装置２０２およびアクチュエータ電気回路２０３にアクセスするために開くことができる。ハウジングの外側の視覚表示装置、およびアクチュエータ電気回路２０３にアクセスするためにオペレータに利用可能な単一または複数のアクセスポートを有することなどの他の代替が使用されてもよい。連続体ロボットアーム２０４は、汎用アクチュエータパックに取り外し可能に結合される。この場合、連続体アームセクションは、連続体アーム付属品のスモールセクション２０５のみを占有する。しかしながら、アームのサイズおよび／または汎用アクチュエータパック内のアクチュエータの数に応じて、連続体アームセクションは、より大きいかまたはより小さい体積の付属品を備えてもよい。図２に示された例では、連続体アームセクションの残りは、柔軟な挿入チューブを備える。挿入チューブ２０６は、それが変形可能であることを可能にするが、関節を制御する腱を保護するには十分剛性であることを可能にする材料から作製され、これらの腱は挿入チューブの芯の中に配置される。挿入チューブの外面は、より変形可能な材料でコーティングされてもよく、その結果、挿入チューブは、それが接触する構成部品のいずれにも損傷を与えない。シリコーンなどの材料がそのような目的に使用されてもよい。視覚表示装置２０２はハウジングに接続される。視覚表示装置は、汎用アクチュエータの動作に関する任意の情報を表示することができるスクリーンを備える。スクリーンは、ユーザ入力デバイスが設けられる。たとえば、スクリーンはタッチスクリーンであってもよい。あるいは、スクリーンは、表示されるものを制御し、ならびにアクチュエータデバイスの動作を制御するコンピュータユニットとインターフェースするためにユーザが使用することができるボタンまたは外部デバイスが設けられてもよい。第２のユーザ入力デバイス２０６は、汎用アクチュエータパック２００に接続される。図２に示された例では、第２のユーザ入力デバイスはジョイスティックである。ツイストアンドフィード機構は、開口部を通して連続体アームを挿入する手段であり、連続体アームロボットの動きを駆動する関連付けられたアクチュエータを備えるフィード部分と、フィード部分に連結し、連続体アームをその軸を中心に回転させる関連付けられたツイストアクチュエータを備えるツイスト部分とを含む機構を備える。

図はまた、アクチュエータシステムに取り付けられ得るいくつかの他の構成部品を示す。これらの構成部品は、連続体アームロボットセクション２０４を通ることができるカメラからの信号のためのデコーダボックス２０７を備える。このデコーダは、連続体アームロボットセクションの先端にあるカメラシステムからの信号を、コンピュータ２０８によって処理され得るデジタル信号に変換することができ、その結果、連続体アームロボットのヘッドの位置決めは、オペレータによって必要とされる場合監視することができる。カメラシステムを使用するために、ラップトップは、デコーダからの信号を読み取ることが可能な互換性がある可視化ソフトウェアを提供される必要がある。

図３は、本開示の汎用アクチュエータ３００のクローズアップを示す。この例では、すべての構成部品は、閉鎖可能なハウジング３０１内に収容されている。ハウジングは蝶番式であり、その結果、ハウジングは、視覚表示装置３０２およびアクチュエータエレクトロニクス３０３へのアクセスを可能にするために開くことができる。アクチュエータエレクトロニクスは、ユーザおよび内部エレクトロニクスを、それぞれ、負傷または損傷から保護するために、取り外し可能なガード３０４によって保護されてもよい。ガードは、ねじ、ボルト、または適切なクリップを使用してハウジングに取り外し可能に取り付けることができる。アクチュエータエレクトロニクスの可視システムの一部は電源パックであり、これは、電源３０５、緊急シャットダウンボタン３０６、および換気システム３０７を備える。この例では、電力は、主電源に結合された電気ケーブルによって供給される。しかしながら、必要に応じて、電気システムはバッテリまたは燃料電池によって電力供給されてもよい。あるいは、それは、発電機または変換システムに結合することができる。電源システムは、適切なヒューズおよび／またはサージプロテクタを供給されてもよく、そのような追加構成部品の使用は、システム故障の場合の回路およびユーザに対するさらなる保護として働く。システムは、緊急シャットダウンボタンが設けられてもよく、これは、連続体アームが損傷を被る可能性もしくは構成部品が修理されるか、または損傷を検査される可能性がある場合にシステムを迅速にシャットダウンするために、デバイスに対するキルスイッチとして働く。シャットダウンボタンは、電源から回路内のスイッチに接続され、押下されると、電気がこれ以上回路に通ることができないように回路を遮断する。電力システムはまた、換気システムを備えている。図３に示された例では、換気システムは少なくとも１つのファンを備える。ガードはまた、制御パックを形成するコンピュータおよび回路板のための換気口３０８を有する。ガードはまた、複数の適切な接続ポート３０９を備えており、それらにより、外部デバイスがアクチュエータパックに結合されることが可能になる。アクチュエータパックはまた、連続体アームロボットの腱の中の張力を制御するために使用されるアクチュエータのバンクへのアクセスを実現する。バンク内のアクチュエータの各々は、それらへの連続体アームロボットの腱の容易な接続を可能にするために、結合機構が設けられる。図３に示された例は、６つのアクチュエータペアの使用を含むが、アクチュエータペアの数は、連続体アームロボットセクションの複雑さに応じて増えても減ってもよい。

図４は、汎用アクチュエータパック内の構成部品の概略図を提示する。汎用アクチュエータエレクトロニクスモジュールは、ハウジング内でシャーシ４０２に取り付けることができる。このシャーシは、電子構成部品のすべてを支えることが可能であり、回路板などの機器がしっかりと取り付けられるための適切な結合点が設けられてもよい。シャーシは、金属またはプラスチックの材料から作製することができる。材料の選択は、サイズ、重量、および強度の考慮事項に依存する。これは、アクチュエータが安全に移送され得るように、シャーシがアクチュエータに対する構造的な支持体および剛性を実現するためにそこにあるからである。表示装置４０３は、図４においてシャーシに接続されていないように示されているが、汎用アクチュエータのサイズおよび構成に応じて、表示装置はガード４０４またはシャーシの任意の他の適切な部分に取り付けられてもよい。シャーシは、ガード４０４が設けられているように示されている。図４では、ガードは一連の穴４０５を有するように示され、ポートおよび結合点はこれらの穴を通って設けられてもよく、その結果、アクチュエータは、ジョイスティックなどの他のユーザ入力デバイスとインターフェースすることができる。コネクタは、ＵＳＢコネクタ、マイクロＵＳＢコネクタ、ＲＪ４５ポート、ＴＦＭコネクタポート、ＥｔｈｅｒＣＡＴ（制御自動化技術用イーサネット）出力ポート、または任意の他の適切な入力コネクタポートであってもよい。あるいは、これらのアクセスポートは、デバイスのハウジング内で提供されてもよい。ガードはまた、ステータスインジケータ用の取り付け点に使用されてもよい。ステータスインジケータは、発光インジケータであり得る。たとえば、これらは、一連の発光ダイオード（ＬＥＤ）であってもよい。ＬＥＤは、障害の存在下でオンまたはオフに切り替えるように、またはある特定の温度などにおける動作パラメータの指示として構成することができる。ガード４０４は、汎用アクチュエータパックの換気手段４０６の一部として穴が設けられてもよい。また、ガードは、図４に示されたように、電源モジュール４０７を収容し、アクチュエータパック４０８のアクチュエータペアのバンクへのアクセスを可能にするように成形されてもよい。シャーシはまた、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）４０９用の取り付け点として示されている。ＰＬＣは、複数の入力デバイスの機能を監視することが可能な産業用コンピュータ制御システムであり、受信された情報から、ＰＬＣは、出力デバイスの機能を制御するカスタムプログラムを介して判断を下すことができる。入出力デバイス４１０も、シャーシに取り付けられてもよい。

図５は、本開示の例示的なアクチュエータの回路図を提示する。本例では、アクチュエータを制御するために中央処理装置（ＣＰＵ）５０１が使用される。ＣＰＵは、スネークアームを制御することができるように、かつデバイスに関連付けられたソフトウェアおよびハードウェアをサポートすることができるように、必須の処理能力およびメモリを有する任意の適切なＣＰＵユニットであり得る。たとえば、これはＢｅｃｋｈｏｆｆからのＣＸ２０３０ ＣＰＵユニットの可能性がある。ＣＰＵは、視覚表示装置５０２に接続される。これは、たとえば、タッチスクリーンが使用される場合、ＣＰＵへの出力リンクおよび入力リンクを有してもよく、このように、タッチスクリーンからの入力コマンドがＣＰＵに送り返されることが可能になる。ネットワーク通信ポート５０３も設けられてもよい。そのようなポートは、アクチュエータが電気通信ネットワークと接続することを可能にする登録ジャックの使用をサポートすることができる。代替または追加として、電気通信ネットワークへのワイヤレスアクセスを可能にするために、ワイヤレスデバイス５０４が設けられてもよい。そのようなデバイスは、ワイヤレスネットワークカードまたはＵＳＢワイヤレスアダプタデバイスであってもよく、それらは、たとえば、Ｄ－ｌｉｎｋ ＡＣ６００ネットワークアダプタであり得る。ＵＳＢデバイスへの接続を可能にするために、ＣＰＵは、任意の適切な数のポートを有するＵＳＢバスに連結することができる。当業者は、そのようなデバイスにおいて適切に利用されるはずのいくつかの異なる構成が存在することを諒解されよう。ＣＰＵは、制御自動化技術（ＥｔｈｅｒＣＡＴ）カード５０７、５０８用の２つのイーサネットカードに直列に結合される。これらのカードを使用すると、アクチュエータの自動化が可能になる。第２のＥｔｈｅｒＣＡＴカード５０８は２つの接続を有する。第１の接続は、増分エンコーダインターフェース５０９に提供される。増分エンコーダインターフェースは、パネルエンコーダ５１０に接続され、直列で、差動ツイストペアドライバ５１１、デジタル入力端子５１２、およびアナログ入力端子５１３に接続される。ツイストペアドライバ５１１は、インジケータＬＥＤ５１４、５１５、５１６に接続される。デジタル入力端子５１２は、（これらの接続は何？それらはＣＯＢＲＡ高水準概略図２０－０４－２０２０上の１２および２３である）に接続される。イーサネットカードからの第２の接続は、ＥｔｈｅｒＣＡＴカードがマイクロコントローラ５１８とインターフェースすることを可能にするモジュール５１７に対してである。これらのモジュールは、たとえば、ＥＡＳＹＣＡＴモジュールであってもよい。マイクロコントローラ５１８は、任意の適切なマイクロコントローラであり得、またＣＰＵ５０１への直接接続を有する。たとえば、マイクロコントローラは、Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラ、すなわち、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ＡＴｍｅｇａ３２８Ｐマイクロコントローラに基づき、Ａｒｄｕｉｎｏ．ｃｃによって開発された、オープンソースマイクロコントローラボードであり得る。このマイクロコントローラは、照明インジケータ５１９、ＬＥＤドライバ５２０、およびさらなるマイクロコントローラ５２１に接続される。さらなるマイクロコントローラは、たとえば、Ａｒｄｕｉｎｏ ｐｒｏ ｍｉｎｉマイクロコントローラであり得る。このマイクロコントローラ５２１はまた、モーションセンサに接続され、これは光センサであり得る。ＬＥＤドライバはさらに、１つまたは複数のＬＥＤに接続される。これらのＬＥＤはスネークアーム内に設けられ、そのため、接続は連続体アームが変更されたときに行われる必要がある。モジュール５１７は、互いに直列に接続された複数のサーボドライブ５１８に接続される。各サーボドライブは、それ自体のそれぞれのアクチュエータ５１９に接続され、また演算増幅器５２０に接続され、演算増幅器５２０はアクチュエータ用のそれぞれのロードセル５２０に接続される。電子阻止５２１も、サーボドライブバンクに連結されてもよい。複数のサーボツイストドライブ５２２も、サーボドライブと直列にモジュールに接続される。ツイストドライブは、それら自体のそれぞれのアクチュエータ５２３に接続される。サーボツイストドライブはまた、ツイストエンコーダに連結される。サーボドライブ５１８および５２２はまた、ユーザ入力デバイスモジュール５２３に結合され、ユーザ入力デバイスモジュール５２３は、ユーザ入力デバイス５２６に連結するのに適したポート５２５を有するマイクロコントローラ５２４のペアに接続される。マイクロコントローラは、Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラであってもよい。ユーザ入力デバイスは、ジョイスティックであってもよい。

図６は、アクチュエータ用の制御モジュールのより詳細な概略図を提示する。第１のインターフェースモジュール６０１は、電気通信ケーブル６０２によってＣＰＵ（図示せず）に連結される。モジュールは、任意の適切なモジュールであり得る。たとえば、これはＥａｓｙｃａｔモジュールであってもよい。モジュールをＣＰＵに連結するケーブルは、任意の適切な通信ケーブルであってもよい。ＥｔｈｅｒＣＡＴモジュールの場合、ＲＪ４５ケーブルが使用されてもよい。インターフェースモジュール６０１は、マイクロコントローラ６０３に接続される。マイクロコントローラは、任意の適切な接続リンクを使用してインターフェースモジュールに接続される。マイクロコントローラは、Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラなどの任意の適切なマイクロコントローラであり得る。マイクロコントローラは、接続ケーブル６０４を有するように示されている。図５では、この接続ケーブルは照明インジケータに接続されているが、これは任意の他の適切なデバイスに接続されてもよい。マイクロコントローラが接続されるデバイスに応じて、接続ケーブル６０４は任意の適切な接続ケーブルであってもよい。マイクロコントローラはＬＥＤドライバ６０５に接続される。ＬＥＤドライバはＬＥＤ６０６の光出力を制御するために使用され、これらのＬＥＤは連続体アーム内に設けられる。ＬＥＤは、加工工具を囲むエリアの照明を可能にするように、連続体アーム内に提示されている。ＬＥＤにより、オペレータは、どの動作をデバイスが実行しなければならないか、およびターゲットエリアを囲むエリアをはっきりと見ることができる。マイクロコントローラ６０３は、さらに第２のマイクロコントローラ６０７に接続されて示されている。マイクロコントローラ６０７は、モーションセンサ６０８に接続される。モーションセンサは、連続体アームヘッドの正確な位置の検出および特定を実現するために使用され、連続体アームの制御に対するフィードバックを提供することができる。このフィードバックは、位置を検出することによって連続体アームの正確な制御を可能にし、位置結果は、任意の適切な補正が適用され得るように、アクチュエータのコントローラにフィードバックすることができる。マイクロコントローラ６０７、モーションセンサ、およびＬＥＤドライバ６０５は、電圧源６０９によって電力供給され、電圧は、電圧調整デバイス６１０および６１１を使用して電圧源から調整される。電圧調整デバイスは、半導体電圧調整デバイスであってもよい。インターフェースモジュール６０１は、接続ケーブル６１３を介して複数のサーボドライブモジュール６１２に接続される。インターフェースモジュールとサーボドライブとの間の接続は、任意の適切な接続ケーブルを介してもよい。サーボドライブの数およびその後のアクチュエータの数は、連続体アームロボットを制御することに対する必要性に応じて変化する可能性がある。サーボドライブはさらに、適切な接続ケーブル６１５を介して第２のインターフェースモジュール６１４に接続される。この第２のインターフェースモジュールは、アクチュエータをユーザ入力デバイスとインターフェースするために設けられる。この目的で、第２のインターフェースデバイスは、マイクロコントローラ６１６に接続される。マイクロコントローラは、任意の適切なマイクロコントローラであってもよい。たとえば、これはＡｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラであってもよい。マイクロコントローラ６１６は、さらなるマイクロコントローラ６１７に連結される。このマイクロコントローラは、任意の適切なマイクロコントローラであってもよく、たとえば、これはＡｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏマイクロコントローラであってもよい。マイクロコントローラ６１６および６１７は、電源６１８に接続される。マイクロコントローラは、マイクロコントローラ６１６がＵＳＢユーザインターフェースデバイス６２０に接続することを可能にするために、ＵＳＢホストシールド６１９が設けられる。この場合、ユーザ入力デバイスはジョイスティックである。

図７ａは、本開示のアクチュエータパックの一例を提示する。この例では、アクチュエータ７０１はペアになっている。例は、６つのペアのアクチュエータ７０１の集合が存在することを示す。（どのタイプのアクチュエータを使用することができるか？）アクチュエータは、連続体アーム内の関節の動きを可能にするために正確な制御された動きおよび十分なトルクを生み出すことが可能でなければならない。アクチュエータは、ブラシレスサーボモータであり得る。そのようなサーボモータは、トルクおよび連続体アームロボットの正確な位置決めに必要とされる動き制御の正確さをさらにもたらしながら、軽量である利益を提供する。あるいは、それらは、当業者に明らかであるはずの任意の他の適切なアクチュエータであり得る。アクチュエータは、モジュール式フレーム７０２に連結されて示されている。モジュール式フレームを使用すると、簡単かつ容易に適合されるために必要とされるアクチュエータの数が、汎用アクチュエータデバイスの異なる必要性に適応することが可能になる。図７ｂは、アクチュエータのペアのクローズアップを提示する。アクチュエータ７０１は、モジュール式フレーム７０２に取り付けられて示されており、モジュール式フレーム７０２は、アクチュエータがアクチュエータパックを形成するためにバンクの中に接続されることを可能にする。モジュール式フレームは、アクチュエータのドライブエレクトロニクス７０３が位置決めされることを可能にする。これは、ドライブエレクトロニクスへのケーブルの結合が簡単に行うことができるように、エレクトロニクスの固定を動かないようにする利点を有する。ロードフレームはまた、フレームに対するアクチュエータ内の動きを可能にするモータピボット７０４を有する。アクチュエータペアはまた、ロードセル７０５が設けられる。ロードセルは、アクチュエータに対する負荷を測定することができ、アクチュエータを制御するサーボドライブに相対負荷の信号を提供する。このように、アクチュエータの正確な制御を手に入れることができる。アクチュエータは、それらに取り付けられたスプール７０６を有するように示されている。スプールを使用すると、アクチュエータが連続体アームロボットのアクチュエータケーブルと結合することが可能にあり、その結果、アクチュエータの動きは連続体アームの関節内の動きに影響を及ぼす可能性がある。とともにモジュール式アクチュエータパック設計を使用することにより、ドライブエレクトロニクス通信プロトコルの選択は拡張が可能になる。詳細には、ＥｔｈｅｒＣＡＴカードを使用すると、汎用アクチュエータのサイズのモジュール増大において有益である。モジュール式アクチュエータパックおよび選択されたエレクトロニクスを使用することにより、その例が図に示されている１２個の腱の連続体ロボットから任意の数の腱になることが可能である。しかしながら、これは、フレームのレイアウトおよび寸法に対して十分な変更が行われることを必要とする場合がある。多数のアクチュエータを組み込むために、アクチュエータがより小さい空間を占めるように交互に配列されることを必要とする場合がある。設定内のアクチュエータの数を増やすための他のオプションは、積み重ねられたペア用の同心シャフトを使用することを要する場合がある。

図８ａは、標準アクチュエータへのサーボドライブの結合の一例を提示する。デジタルサーボドライブ８０１は、ケーブル８０２を使用して接続モジュールまたはさらなるサーボドライブに接続される。サーボドライブアクチュエータは、ボード上に設けられた別のケーブル８０３を有し、その結果、ドライブは別のドライブモジュールまたは接続モジュールに結合することができる。サーボドライブアクチュエータは、アクチュエータ８０４に接続される。サーボドライブとアクチュエータとの間に接続は、３つの別々の接続ケーブルを介して提供される。ケーブル８０５のリンクは、モータ接続ケーブルを提供する。ケーブル８０６は、サーボドライブのエンコーダ接続をアクチュエータのエンコーダ接続と接続する。ケーブル８０７は、サーボドライブとアクチュエータとの間のポールセンサ用の接続を提供する。サーボドライブは、電源８０８に接続される。ターンオフスイッチは、電源とサーボドライブモジュールとの間に設けられる。ターンオフスイッチ８０９は、必要に応じてアクチュエータの迅速なシャットダウンを可能にするために設けられる。図８ｂは、ツイストアクチュエータドライブへのサーボドライブモジュールの結合の一例を提示する。ここでは、サーボドライブ８０１は、同じケーブル８０２および８０３－図８ａと同じを介して、サーボドライブモジュールまたは接続モジュールのいずれかに結合される。サーボドライブモジュールは、ケーブル８０５、８０６、および８０７を使用する図８ａと同じ構成のモータケーブル、エンコーダケーブル、およびホールセンサケーブルを接続する回転アクチュエータに結合される。サーボドライブはまた、増分エンコーダ８１０に結合される。このエンコーダは電源８０８に供給され、電圧調整器８１１は電源とエンコーダとの間に配置される。ツイストアクチュエータドライブはまた、ターンオフスイッチ８０９が設けられる。

図９は、本開示のエンコーダモジュール設定の例示的な配線図を提示する。ここでは、増分エンコーダインターフェース９０１が設けられる。増分エンコーダは、両方とも図示されていないエンコーダをＣＰＵに連結する接続モジュールと結合される。増分エンコーダ９０１は増分エンコーダ９０２に結合され、この接続は、任意の適切なケーブルを使用して行うことができ、ケーブルはそれぞれのボード上の適切な接続点を連結することが可能である。増分エンコーダは、４チャネルデジタル出力９０３、４チャネルデジタル入力９０４、およびアナログ入力９０５に直列に連結される。４チャネルデジタルは、複数のＬＥＤライト９０６に結合され、それらの各々は出力チャネルに連結される。４チャネルデジタル入力チャネル１および２は、ＬＥＤ９０７、電圧調整器９０８、および光電子センサ９０９に結合され、複数のリレーデバイス９１０およびインターロック出力９１１は第２のリレー９１２に結合される。回路はさらに、電子遮断スイッチ９１３が設けられる。入力３および４は、スイッチ９１４およびダイオード９１５のペアに接続される。電源９１６は、リレー回路に結合されたエンコーダ回路および４チャネルデジタル出力の電圧ラインに提供される。温度センサ９１７は、アナログ入力の入力ラインに接続される。温度センサ９１７はまた、デジタル入力デバイスの電圧ラインに接続される。

図１０は、アクチュエータへの連続体アームロボットの接続の一例を提示する。連続体アームを汎用アクチュエータパックに結合するためのプロセスは、連続体アーム部分１００１をハウジング１００２またはシャーシのいずれかに固く接続することである。アーム１００１は、連続体アームベースの上にスタッド１００３を摺動させることによって接続されてもよい。スタッドは、次いで、ハウジング内の適切な空間に配置することができ、ねじ１００４によって固定することができる。図１０に提示された例では、アームに接続されたスタッド１００３は、サーボドライブ間の穴の中に配置され、モジュールフレームのうちの１つに接続される。あるいは、連続体アームセクションは、圧縮金具を介して固定されてもよく、またはアームは、アームがハウジングにボルト留めされることを可能にするトレッド穴付きのカラーなどの係合手段が設けられてもよく、またはアームは、アームが汎用アクチュエータパックのハウジングに銃剣結合することを可能にするピンのペアまたはピン付きのカラーを有してもよい。汎用アクチュエータにしっかりと結合されたアームでは、腱はその関連付けられたアクチュエータに接続することができる。これは、連続体ロボットベースの取り付け中にスプライン結合または固定された穴を係合するスプライン結合または固定されたシャフトによって行われてもよい。あるいは、腱をアクチュエータに結合するプロセスは、腱の端部に接続された口金をアクチュエータ上のスロットの中に固定する手動プロセスを介して行われてもよい。スプライン結合または固定された穴を使用して腱を接続することにより、連続体アームロボットのより簡単で迅速な変更を可能にし、したがってそのような変更の労働コストが削減される。連続体アームはさらに、ハウジング内に配置することができる視覚デコーダユニットに接続されてもよい。これは、デコーダボックスのカプラの端部コネクタを接続し取り付けることによって行うことができる。このコネクタのペアリングは、視覚信号の送信に適した任意のコネクタであり得る。

図１１は、連続体アームロボットの腱をアクチュエータに結合するためにアクチュエータ上に取り付けることができるスプールの一例を提示する。そのようなスプールは、アクチュエータパック内のアクチュエータのすべてに配置されてもよい。スプール１１０１は、アクチュエータの移動可能シャフト上に配置された中央穴１１０２を備える。穴１１０３は、スプールがアクチュエータのシャフトにしっかりと接続することができるように、一組のねじが位置付けられることを可能にするためにスプール内に設けられる。スプールの表面は、スロット１１０４のペアが設けられる。これらのスロットは、腱の端部に接続された口金としっかりと接続するように成形される。したがって、アクチュエータのシャフトが移動するにつれて、結果として生じる緊張または弛緩は腱内部に提供され、したがって、これにより、連続体アームロボット上の関節にわたる正確な制御が可能になる。スプールは、上部１１０６および基部１１０７の部分により狭い中央セクション１１０５を有するように成形される。このより狭い、すなわち、より小さい外周を有するセクションは、腱がこのセクションの周りに巻き付けられることを可能にし、その結果、腱の口金がスロットと接続されると、それは緊張下にある。この緊張手段は、アクチュエータが連続体アームロボットにわたって有する制御の精度を増大させる。

汎用アクチュエータは、複数の連続体アームロボットまたは単一の連続体アームロボットと結合されてもよい。複数の連続体アームロボットが使用される場合、それらは、異なるタスクを実行するためにロボットのヘッドを特徴付けることができる。連続体アームロボットの一例は、１．２ｍｍまでの腱の直径を有してもよい。アクチュエータは、腱当たり５００Ｎまでの駆動力を実現することができる場合がある。アクチュエータは、０．２ｍｍの最大誤差を有する駆動反復性を実現することが望ましい。連続体アームロボットは、４ｍｍの最小直径を有してもよく、最大３０ｍｍまでの直径を有してもよい。そのような設定は、最大３２個の腱をサポートすることができる場合がある。そのため、汎用アクチュエータは、１０個までの別々に駆動可能な連続体セグメントをサポートすることができる。連続体アームロボットは、１０ｍまでの長さを有してもよい。ハウジングのサイズならびに／またはアクチュエータの強度およびサイズの修正により、連続体アームロボットのサイズならびに利用される腱の数およびサイズを増やすことが可能であってもよい。

本発明は上述された実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲内の本明細書に記載された概念から逸脱することなく、様々な修正および改善を行うことができることが理解されよう。

１０１ 連続体アームロボット部分、連続体アーム
１０２ アクチュエータパック
１０３ アクチュエータ
１０４ レールまたは支持体
１０５ 電力および信号ケーブル
１０６ 関節
１０７ 関節
１０８ 関節
２００ 汎用アクチュエータパック
２０１ ハウジング
２０２ 視覚表示装置
２０３ アクチュエータ電気回路
２０４ 連続体ロボットアーム
２０５ スモールセクション
２０６ 挿入チューブ
２０７ デコーダボックス
２０８ コンピュータ
３００ 汎用アクチュエータ
３０１ ハウジング
３０２ 視覚表示装置
３０３ アクチュエータエレクトロニクス
３０４ 取り外し可能なガード
３０５ 電源
３０６ 緊急シャットダウンボタン
３０７ 換気システム
３０８ 換気口
３０９ 接続ポート
４０１ 汎用アクチュエータパック
４０２ シャーシ
４０３ 表示装置
４０４ ガード
４０５ 穴
４０６ 換気手段
４０７ 電源モジュール
４０８ アクチュエータパック
４０９ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
４１０ 入出力デバイス
５０１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
５０２ 視覚表示装置
５０３ ネットワーク通信ポート
５０４ ワイヤレスデバイス
５０７ 制御自動化技術（ＥｔｈｅｒＣＡＴ）カード
５０８ 制御自動化技術（ＥｔｈｅｒＣＡＴ）カード
５０９ 増分エンコーダインターフェース
５１０ パネルエンコーダ
５１１ 差動ツイストペアドライバ
５１２ デジタル入力端子
５１３ アナログ入力端子
５１４ ＬＥＤ
５１５ ＬＥＤ
５１６ ＬＥＤ
５１７ モジュール
５１８ サーボドライブ、マイクロコントローラ
５１９ アクチュエータ、照明インジケータ
５２０ 演算増幅器
５２１ 電子阻止
５２２ サーボツイストドライブ
５２３ ユーザ入力デバイスモジュール
５２４ マイクロコントローラ
５２５ ポート
５２６ ユーザ入力デバイス
６０１ 第１のインターフェースモジュール
６０２ 電気通信ケーブル
６０３ マイクロコントローラ
６０４ 接続ケーブル
６０５ ＬＥＤドライバ
６０６ ＬＥＤ
６０７ マイクロコントローラ
６０８ モーションセンサ
６０９ 電圧源
６１０ 電圧調整デバイス
６１１ 電圧調整デバイス
６１２ サーボドライブモジュール
６１３ 接続ケーブル
６１４ 第２のインターフェースモジュール
６１５ 接続ケーブル
６１６ マイクロコントローラ
６１７ マイクロコントローラ
６１８ 電源
６１９ ＵＳＢホストシールド
６２０ ＵＳＢユーザインターフェースデバイス
７０１ アクチュエータ
７０２ モジュール式フレーム
７０３ ドライブエレクトロニクス
７０４ モータピボット
７０５ ロードセル
７０６ スプール
８０１ デジタルサーボドライブ
８０２ ケーブル
８０３ ケーブル
８０４ アクチュエータ
８０５ ケーブル
８０６ ケーブル
８０７ ケーブル
８０８ 電源
８０９ ターンオフスイッチ
８１０ 増分エンコーダ
８１１ 電圧調整器
９０１ 増分エンコーダインターフェース
９０２ 増分エンコーダ
９０３ ４チャネルデジタル出力
９０４ ４チャネルデジタル入力
９０５ アナログ入力
９０６ ＬＥＤライト
９０７ ＬＥＤ
９０８ 電圧調整器
９０９ 光電子センサ
９１０ リレーデバイス
９１１ インターロック出力
９１２ 第２のリレー
９１３ 電子遮断スイッチ
９１４ スイッチ
９１５ ダイオード
９１６ 電源
９１７ 温度センサ
１００１ 連続体アーム部分
１００２ ハウジング
１００３ スタッド
１００４ ねじ
１１０１ スプール
１１０２ 中央穴
１１０３ 穴
１１０４ スロット
１１０５ 中央セクション
１１０６ 上部
１１０７ 基部

Claims (10)

1. 複数の腱を有する連続体アームロボットを駆動するための汎用アクチュエータであって、前記汎用アクチュエータが、
   ハウジングと、
   電源を備える電源パックと、
   産業用プログラマブルロジックコントローラ、スクリーン、アナログ入力デバイス／デジタル出力デバイスに連結された回転エンコーダ、前記プログラマブルロジックコントローラをユーザ入力デバイス、前記回転エンコーダ、および前記連続体アームロボットの動きを制御するためのアクチュエータパックに接続する複数の電子制御カードを備える制御パックであって、前記プログラマブルロジックコントローラまたは前記スクリーンが前記連続体アームロボットの設定および制御を可能にするコンピュータプログラムを有する、制御パックと
   を備え、
   前記アクチュエータパックが、前記制御パックに連結された電子制御カードに結合され、前記アクチュエータパックが複数のアクチュエータを備え、各アクチュエータがそれ自体のロードセルおよびサーボドライバに結合され、
   前記アクチュエータパックが接続ポートを有し、前記接続ポートが、前記連続体アームロボットの腱がそれらの関連付けられたアクチュエータに接続されるために通る穴と前記連続体アームロボットの前記腱の確実な取り付けおよび取り外しを可能にするためのカプラとを有し、
   前記複数のアクチュエータの各アクチュエータが、前記連続体アームロボットの前記腱の取り外し可能な付属品を有する、
   汎用アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   各アクチュエータが、前記連続体アームロボットの前記腱に取り付けられた口金と係合するためのスロットを有するコネクタを有する、汎用アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の汎用アクチュエータであって、
   前記コネクタが、アクチュエータと係合し、前記連続体アームロボットの前記腱を周りに巻き付けるための狭い直径の中心および前記連続体アームロボットの前記腱上の前記口金と係合するためのスロットを特徴付けるスプールである、汎用アクチュエータ。
4. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   前記複数のアクチュエータがグループとして取り付けられ、各グループが、前記アクチュエータの制御用のドライブエレクトロニクスもホストするフレームに接続される、汎用アクチュエータ。
5. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   前記複数のアクチュエータがブラシレスサーボモータである、汎用アクチュエータ。
6. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   各アクチュエータに関連付けられたロードセルが演算増幅器に結合され、前記演算増幅器が前記サーボドライバに連結され、前記サーボドライバが前記アクチュエータに連結される、汎用アクチュエータ。
7. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   位置センサが、前記連続体アームロボットの位置を特定し、前記プログラマブルロジックコントローラにフィードバックを提供するために存在する、汎用アクチュエータ。
8. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   前記アクチュエータは、ＬＥＤドライバが設けられ、前記ＬＥＤドライバが、前記連続体アームロボットの遠位端の周りの所望のエリアの照明を提供するために、前記連続体アームロボット内に存在するＬＥＤに結合される、汎用アクチュエータ。
9. 請求項１に記載の汎用アクチュエータであって、
   前記回転エンコーダが、エンコーダインターフェースに連結された回転増分エンコーダであり、前記エンコーダインターフェースが、前記アナログ入力デバイスおよび前記デジタル出力デバイスに直列に連結される、汎用アクチュエータ。
10. 複数の交換可能な連続体アームセクションおよび請求項１から９のいずれか１項による汎用アクチュエータを備える、連続体アームロボット。