JPS61501892A - 電動義肢、マニピユレ−タ等の構成部品を操作しロツクするための方法および駆動組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電動義肢、マニピュレータ等の構成部品を操作しロックするための方法および駆 動組立体発明の分野 本発明は、電動義肢、マニピュレータ等の構成部材、例えば、駆動モータの運動 を伝動手段を介して伝達されることによって動かされる人工腕やロボットの把持 部品を操作しロックする方法に関する。

本発明は、また、上記方法を実施するときに使用するための駆動組立体に関する 。

義肢は、いわゆる筋肉信号に基いて操作されることが多い。その場合、義肢の所 定の運動を行うのに使用すべき筋肉の領域内に電極を設置することを必要とする 。筋肉を励起させると、電気信号が創生され、電極がその信号をとらえて使用し 、義肢の駆動ユニットを付勢する。

上肢および下肢のための整形具・義肢のいろいろな運動部品が筋肉信号によって 制御される。そのような運動部品の例としては、ノーンドフックや、エルボ等が ある。

しかしながら、本発明は、筋肉信号以外の制御信号が用いられる、例えばロボッ トの把持手段などのいろいろな型式のマニピュレータ等にも適用することができ る。

技術背景 当該分野においてはいろいろな型式の駆動装置が知られている。例えば、オース トリア特許第５５ａ４１０号には、左ねじおよび右ねじを用いて駆動運動を行う ようＫする、整形具、義肢等のための歯車機構が開示されている。また、ドイツ 特許２４　２６　７８７号には、義肢の指を閉じた位置に保持するための別個の 掛金手段と共に使用される、人工手のための安全装置が開示されている。駆動モ ータを制御して人工部品に運動を起させるようＫしたこの種の既知の義肢の重大 な欠点の１つは、運動部品の画然とした位置ぎめを行うことができないことであ る０その原因は、運動部品が適正位置に正確に停止するのを妨げる物体の固有の 慣性に関連している。もう１つの欠点は、従来の義肢では遊び（かた）を排除す ることができないことである。また、義肢が偶発的に詰まシを生じてしまった場 合それを強制的に押進めることができることが、大抵の型式の義肢にとって極め て重要であるが、既知の義肢では、一般Ｋ、偶発的に詰まシを生じた場合、容易 には押進めることができない。義肢°がある位置で詰まって容易に動かせなくな ってしまったとき、義肢を無理に動かそうとすれば、義肢に大きな損傷を起す結 果となる。

大部分の従来の義肢に随伴する更に別の欠点は、良好に機能するようにするため には櫃めて厳密な公差に製造しなければならないことである。

発明の目的 従って、本発明の目的は、既知の駆動系に随伴する上述の欠点を回避し、義肢等 に存在する遊びの故に義肢の運動部品の例えば把持力などを失うことなく、義肢 の運動部品を正確に位置ぎめすることを可能にする方法を提供することである。

本発明の他の目的は、運動部品をたとえそれが詰まったときでも容易に押進める ことを可能にする上記型式の駆動装置を提供することである。

本発明の他の目的は、単純で信頼性の高い態様で電子的に制御することができ、 ある糧の状況において必要とされるいろいろな要件、例えば患者の障害の種類や 、ロボットが作動すべき環境によシよ〈適応することができる、義肢、マニピュ レータ等のための駆動装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、各部品に関して精密な製造公差を必要とすることなく 製造することができる作動上の信頼性の高い駆動・制御装置を提供することでお る。

発明の概要 上記およびその他の目的は、駆動モータに加えてブレーキモータを使用し、部品 の運動の最終段階においてブレーキモータを付勢し、該部品をそれが移動せしめ られた位置に、またはその運動の完了後にロックすることを特徴とする本発明の 方法によって達成さ孔る。

運動部品をその移動された位置に正確にロックすることができる別個のブレーキ モータを使用することによシ運動部品を画然とした（的確な）遊びのない態様で 位置ぎめまたは方向ぎめすることかできる。このブレーキモータは、また、運動 部品を必要ならば強制的に押進め、詰まシ（固着）を解除することもできる。こ のように駆動とロックを行うためのそれぞれ別個の電気モータを設けることＫよ シ装置全体を簡単で堅固な形態することができ、その結果、厳密な製造公差を必 要とすることなく、信頼性の高い機能を達成することができる。

通常、駆動運動は、直巻モータを介して得られ、従って、運動部品の運動が抵抗 を受けたとき、例えば運動部品が物体を把持したときなどＫＦｉ印加電流が増大 する。

本発明の好ましい実施例では、この原理を利用し、駆動モータに供給される電流 の強さが所定値を越えたときブレーキモータが付勢されるように構成することに よってブレーキモータを制御する。

あるいは別法として、運動部品が、例えば物体を把持する場合その把持運動を停 止または停止し始めたときブレーキモータ始動信号が伝送されるようＫしてもよ い。

駆動モータの運動を制御するために周知の態様で筋肉信号を用いるようになされ た義肢を案内し制御するのに適用する本発明の特定の用途においては、そのよう な筋肉信号をブレーキモータの制御のためにも使用することができる。この構成 は、運動部品を詰まった位置から解放するためにブレーキモータを付勢するため に、即ち、ブレーキモータを詰まった状態になったときの回転方向とは反対の方 向に回転させる場合に％に有利である。

本発明は、また、電動義肢またはマニピュレータ等、例えば人工腕やロボットの 把持部材を操作するためのものであって、出力軸を有する電気駆動モータと、該 出力軸の運動を運動部品、例えば把持具に連結された駆動軸へ伝達するための伝 動手段とを含む駆動組立体において、前記駆動モータの出力軸に作動的に連結さ れた部材と係合することによシ前記運動部品をそれが採った位置にロックするよ うになされたブレーキ手段と、該ブレーキ手段と協同する出力軸を有する電気ブ レーキモータとを設け、前記運動部品の運動の終シ段階において、または該運動 が完了した後に前記ブレーキモータを付勢するための制御手段を設けたことを特 徴とする駆動組立体く関する。

実用上好ましい実施例においては、ブレーキモータの出力軸には、シューのよう な第１ブレーキ手段と自己制動係合する右巻き螺条を有する第１部分と、シュー のような第２ブレーキ手段と自己制動係合する左巻き螺条を有する第２部分とを 備えたスリーブを担持させる。

これＫよって、強力な制動（ブレーキ）力を急激Ｋかけることができる、構造が 簡単で、作動上の信頼性の高い構成が得られる〇 前記スリーブの螺条付部分が自己制動性であること、即ち、不可逆性でおること は、前記ブレーキ手段が作動された後直ちにブレーキモータへの駆動電流を遮断 しても、制動力が維持されるので、駆動・ブレーキユニットによって消費される 電流を最少限にすることを意味する。

しかしながら、上述した構成の１つの問題点は、ブレーキモータによって創生さ れるトルクが、通常、回転方向を逆転させる場合にシ二一のようなブレーキ手段 を解放するのに十分ではないことである。

しかしながら、この問題は、前記ブレーキモータの出力軸に偏心当接部材を設け 、該偏心当接部材は、ブレーキモータの出力軸を反対方向に回転させたとき、は ぼｉ回転に相当するデッドスペースを通って移動し前記スリーブに組合わされた 部材に衝撃力を及ぼすように構成する本発明の好ましい実施例によって解決され る。この衝撃力は、前記自己制動作用を打破るのに十分な大きさとし、それによ って前記ブレーキ手段を困難なく解放位置へ移動させることができる。

本発明の別の実施例によれば、駆動モータの出力軸には、ブレーキシューが係合 するブレーキディスクを有するブレーキドラムを同心的に取付ける。、この種の ディスクブレーキは、構造が簡単であるにもかかわらず、優れたブレーキ効果を 発揮する。

更に、前記ブレーキドラムは、駆動モータの一部分を囲包するようにすることが できる。その場合、実用化に当っては、２つのモータ即ち駆動モータとブレーキ モータとを互いに近接させて配置し、それによって、この種の義肢においては通 常制限される利用可能なスペースをできるだけ有効に活用する。換言すれば、本 発明は、特にコンパクトな駆動・ブレーキ組立体を提供する。

駆動モータとブレーキモータの両方を効果的に制御することを可能にするために １制御手段は、所望の時点でブレーキをかけ、解放するための２つまたはそれ以 上の微分ユニットを有するシーケンス制御部と、ブレーキが解放される前に駆動 モータの運動を防止し、ブレーキがかけられる前に遊びを防止するようになされ た１つまたはそれ以上の遅延回路を含む本のとすることができる。

上記のような微分ユニットおよび遅延回路は、本発明による駆動・ブレーキ組立 体に有利に使用することができる簡単で安価な電子部品を構成する。

本発明による駆動・ブレーキ組立体は、義肢の他に１例えばロボット等のいろい ろな型式のマニピュレータなどの多くの用途に使用することができる。この場合 、２つのモータを作動させるのく用いられる制御信号は、通常、それらのモータ の制御のために筋肉信号が使用されない限シ、異る源から発生される。

以下に添付図に示された実施例に関係して本発明の詳細な説明する。

第１図は、例えば人工腕または手と組合わせて使用するための本発明の駆動組立 体またはユニットの断面図である。

第２図は、第１図の線■−■に沿ってみた断面図でろる。

第３図は、第２図に示された駆動ユニットの一部の端面図である。

第４図は、本発明による駆動ユニットを組入れた剛的３点保合型人工手の概略図 である。

第５図は、第４図に示された人工手の側面図である。

第６図は、本発明による駆動ユニットのための電子部品の一例を示すブロック図 である。

第７図は、駆動ユニットを制御するために用いられる制御信号の例を示す説明図 である。

好ましい実施例の説明 第１〜３図は、例えば人工手や産業用ロボットのような電動人工瑞末装置に使用 することができる駆動組立体またはユニット１を示す。

この駆動ユニットは、出力軸２ａを有する電気駆動モータ２を含む。駆動モータ は、６ボルト電池によって駆動される慣用のものであってよい。

出力軸２ａは、遊星歯車箱４の入方軸４ａＫ固定されたベルトホイール４ｂＫ架 は渡されたベルト３を含む歯車ベルト駆動機構２ｂを担持している。遊星歯車箱 ４の出力軸４ｄは、歯車ベルト５を含む歯車ベルト駆動機構を担持している。

駆動モータの出力軸２ａ［は、該モーでの一部分を囲包するブレーキドラム６が 装着されている。ドラム６の中央外周面には半径方向く突出したブレーキディス ク６ａが設けられている。

駆動モータ２の下にはブレーキモータ７が配置されておシ、ブレーキモータの出 力軸７ａは、左巻き螺条を有する第１部分と右巻き螺条を有する第２部分を有す る軸スリーブ７ｂを担持している。スリーブの第１部分および第２部分は、それ ぞれ、ブレーキモータが第１方向に回転したときドラム６のブレーキディスク６ ａに係合するようになされたブレーキシュー８および９に自己保持係合している 。

第３図にみられるように、ブレーキモータの軸７ａには、また、偏心当接部材ま たは）〜ンマ一部材７Ｃが取付けられている。部材７Ｃは、軸７ａがブレーキシ ュー８゜９を解放するために反対方向に回転されるときほぼ７回転に相当するデ ッドスペースを通して回転した時点で軸スリーブ７ｂに取付けられた部材７ｂ’ に衝撃力を及ぼす。

第４および５図は、剛的３点グリップを有する電動義手を示す。歯車箱４の出力 軸４Ｃ上の歯車ベルト５は、義手の可動指１３に連結した歯車またはスプロケッ ト１１０周シに架は渡されている。この構成においては、指１３を移動自在に連 結された親指１４と係合するようＫ　ＩＪンク１５を介して移動させることがで きる。

親指１４ｉＣ向っての指１３の運動（駆動モータ２を作動させることによって行 われる）が完了すると、ブレーキモータ７が作動され、ブレーキシュー８と９を 互いに接近する方向に急激に移動させてドラム６のブレーキディスクｂａＫ係合 させ、それによって指１３および親指１４を少しの遊びもなしＫそれらの移動さ れた位置に正確にロックする。

次いで直ちにブレーキモータ７および駆動モータ２が両方共不作動くされ、この ロック係合は、ブレーキシュー８・　９とそれらに対応する軸スリーブ７ｂの螺 条付部分との螺合による自己保持作用にょシ維持される。

指のグリップ（把持係合）ｔ−解放したいときは、ブレーキモータが、筋肉イン パルスを用いて反対方向く回転するように作動され、それによって、第３図に示 された偏心ハンマ一部材７ｃが軸スリーブの部材７ｂ’に上述した衝撃力を及ぼ す。

ブレーキシュー８，９をブレーキディスク６ａから解放した後、駆動モータ２が 反対方向に作動され、指１３および親指１４の移動を逆転させる。

第６図に示されたブロック図から分るようＫ、制御手段は、把持運動の初期段階 および最終段階を検出するための４つの微分ユニットから成るシーケンス制御部 を備えている。

第７図に示された説明図では、これらの４つの信号は、Ｂのライン上に示されて いる。これらの信号の機能は、ブレーキを適正な時点でかけ、解放することであ る。原則として、ブレーキは、駆動モータ２が運動信号を受ける前に、そして運 動部品が作動されるときに解放され、筋肉信号の負の微分値が検出されたときに かけられる。

ブレーキモータへの電流供給は、筋肉信号の時間微分値の増幅を行う。

第６図のブロック図から分るように１駆動モータ２は、ブレーキが解放される前 に運動するのを防止し、ブレーキが作動される前に遊びが生じるのを防止する働 きをする遅延回路を備えている。

義肢を用いて物体を把持したいときは、患者は、どちらかの真の上ｇＡまたは下 側の筋肉を緊張（゛収量）させる。

この筋肉収縮が筋肉信号を発生し、それＫよって駆動モータを作動させる。患者 がその義肢が物体を把持したこと（即ち、力が増大したこと）を感じとったなら ば、上述の筋肉を弛緩させ、短いパルスをブレーキモータへ送らせる。かくして 、ブレーキモータへ印加された電流は、筋肉信号の時間微分値の増幅を行う。ブ レーキシューがブレーキディスクに係合するので、義肢のグリップ（把持）には 遊びが生じない。駆動モータへの電流は、ブレーキモータへの短いパルスが停止 するまでは遮断されない。

制御エレクトロニクスは、駆動モータ２のための最終段階ユニットおよびブレー キモータ７のための最終段階ユニットを備えている。駆動モータの最終段階ユニ ットは、筋肉が収縮したとき不必要な電流消費が行われるのを防止する、いわゆ る電池節約回路を補足的に備えている。電池節約回路は、駆動モータが所定時間 、例えば１．５秒以上は作動されないようＫする。

これらの回路の、それらに組込まれたコンデンサ等を含む各作動素子は、実用化 に当っては、微小化され、より明確に個別化されたものであることが好ましい。

この種の回路は、ハイブリッド回路と称される。

なお、駆動モータへ供給される電流は、所定の時間遅延をもって行われる筋肉信 号の増幅によって与えられる。

筋肉信号は、常に１筋肉の収縮に対応する。即ち、筋肉の収縮は、それが患者の 腕の上側の筋肉か、下側の筋肉かくよって正または負の筋肉信号を発生し、それ によってモータを一方または他方の方向へ駆動するための電流を供給する。

上述した実施例に代る別法として、ブレーキディスク６ａに多数の穴（図示せず ）を設け、ディスクに係合するブレーキシューを用いずに１ビン部材（図示せず ）が穴の１つに挿入する位置へもたらされ、それＫよってブレーキ作用を達成す るように構成することができる。その場合ピン部材は、螺条などの適当な手段を 介してブレーキモータによって操作される。

産業上の用途 ブレーキモータを備えた上記駆動組立体またはユニットは、例えば産業用ロボッ ト等の各種のマニピュレータなどとの他の多くの関連において適用することがで きる。

その場合も、実際の案内信号は、使用環境や状況に応じているいろな方法で発生 させることができるが、２つのモータを作動させ、不作動くさせるために用いら れる原理は実質的に同じである。

■ 微分ユニット Ｆｉｇ、７ 国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．部品の運動を行わせるために駆動モータを使用して駆動モータの運動を伝動 手段を介して該部品に伝達するようになされた人工腕やロボットの把持手段のよ うな、電動義肢またはマニピュレータ等の部品を操作し、ロツクする方法におい て、ブレーキモータを使用し、前記部品の運動の最終段階において該ブレーキモ ータを作動させ、該部品をそれが移動せしめられた位置に、または該運動の完了 後にロックすることを特徴とする操作およびロック方法。
2. ２．前記駆動モータヘ供給される電流の強度が所定値を越えたとき前記ブレーキ モータを作動させることを特徴とする請求の範囲第１項記載の操作およびロック 方法。
3. ３．駆動モータの運動を制御するために筋肉信号が使用される義肢の操作におい て、前記ブレーキモータを制御するのにも筋肉信号を使用することを特徴とする 請求の範囲第１項または２項記載の操作およびロック方法。
4. ４．人工腕やロボツトの把持部品のような、電動義肢またはマニピュレータ等の ためのものであって、出力軸（２ａ）を有する電気駆動モータ（２）と、該出力 軸の運動を把持手段（１３）のような運動部品の駆動軸へ伝達するための伝動手 段（４）とを含む駆動組立体において、前記駆動モータの出力軸（２ａ）に作動 的に連結された部材（６ａ）と係合することにより前記運動部品をそれが移動さ れた位置にロックするようになされたブレーキ手段（８，９）と、該ブレーキ手 段と協同する出力軸（７ａ）を有する電気ブレーキモータ（７）と、前記運動部 品の運動の終り段階において、または該運動が完了した後に前記ブレーキモータ を作動させるための制御手段を設けたことを特徴とする駆動組立体。
5. ５．前記ブレーキモータの出力軸（７ａ）には、シュー（８）のような第１ブレ ーキ手段と自己保持係合する右巻き螺条を有する第１部分と、シューのような第 ２ブレーキ手段と自己保持係合する左巻き螺条を有する第２部分とを備えたスリ ーブ（７ｂ）を担持させたことを特徴とする請求の範囲第４項記載の駆動組立体 。
6. ６．前記ブレーキ手段（８，９）を解放するためにブレーキモータ（７）の出力 軸（７ａ）には、該ブレーキモータの出力１ 軸を反対方向に回転させたとき、ほぼ一回転に相当する２ デッドスペースを通って移動して前記スリーブ（７ｂ）に設けられた部材（７ｂ ）に衝撃力を及ぼすようになされた偏心当接部材（７ｃ）が取付けられているこ とを特徴とする請求の範囲第５項記載の駆動組立体。
7. ７．前記駆動モータ（２）の出力軸（２３）には、ブレーキドラム（６）に対し て同心的に配設され、前記ブレーキ手段（８，９）によつて係合されるブレーキ デイスク（６ａ）が取付けられていることを特徴とする請求の範囲第４〜６項の いずれかに記載の駆動組立体。
8. ８．前記ブレーキドラム（６）は前記駆動モータ（２）の一部分を囲包している ことを特徴とする請求の範囲第７項記載の駆動組立体。
9. ９．前記制御手段は、所望の時点でブレーキをかけ、ブレーキを解放するための ２つまたはそれ以上の微分ユニットと、ブレーキが解放される前に前記駆動モー タの運動を防止し、ブレーキがかけられる前に遊びが生じるのを防止するための １つまたはそれ以上の遅延回路とを有するシーケンス制御部を含むことを特徴と する請求の範囲第４〜８項のいずれかに記載の駆動組立体。