(57)【要約】      （修正有）【課題】運動検出に基づく多軸運動制御デバイス及び方法を提供する。【解決手段】本発明は、多軸運動制御デバイスであって、可動物の複数の軸方向の動きを検出し、検出結果を出力するために可動物へ取り付けられる運動検出器と、前記検出結果を多軸運動駆動デバイスのための運動制御命令、特にロボットアームの複数のアームセグメントのための運動制御命令へ変換するための制御デバイスとを含む、多軸運動制御デバイスに関する。制御デバイスを使用して、多軸運動駆動デバイス、特にロボットアームの運動を制御する方法も開示される。【選択図】図２
2018024082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多軸運動制御デバイスであって、
可動物の運動量を連続的に検出し、
検出結果を出力するために前記可動物上に取り付けるための運動検出器と、
制御デバイスであって、
前記運動検出器の前記検出結果を受信し、
前記検出結果に基づいて、
前記多軸運動駆動デバイスの運動の各軸方向成分のために設計された複数の運動アクチュエータを含む、多軸運動駆動デバイスのための運動制御命令を生成するための制御デバイスと
を含み、
前記運動検出器が、
多軸運動検出器であって、前記運動検出器の運動を検出し、
少なくとも３つの軸における前記運動の軸方向運動成分を、前記運動検出器の前記検出結果として定義する運動パラメータを生成するための多軸運動検出器を含み、
前記制御デバイスが、
前記運動検出器の一連の連続的運動パラメータを一連の運動制御命令へ変換するための命令解釈回路を含み、
１つの運動制御命令が前記それぞれの運動アクチュエータのための駆動命令を含み、
前記運動アクチュエータが共に、前記多軸運動駆動デバイス上の基準点を実質的に前記運動検出器の運動軌道に沿って動かすように、前記一連の連続的運動制御命令が前記運動アクチュエータを制御する、多軸運動制御デバイス。
【請求項２】
前記多軸運動駆動デバイスが、
複数のアームセグメントを有するロボットアームであって、
前記運動制御命令が、
前記ロボットアームの前記それぞれのアームセグメントを駆動する、
それぞれの運動アクチュエータのための駆動命令を含む、請求項１に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項３】
前記多軸運動駆動デバイスが、
複数の駆動車輪を有する無人搬送車（AGV）であって、
前記運動制御命令が、
前記AGVを平面上で動くように駆動する前記それぞれの駆動車輪のための駆動命令を含む、請求項１に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項４】
前記多軸運動駆動デバイスが、
流体により担持された前記多軸運動駆動デバイスであって、
前記運動制御命令が、
前記多軸運動駆動デバイスを３次元で動くように駆動する複数の運動アクチュエータのための駆動命令を含む、請求項１に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項５】
前記多軸運動駆動デバイスが、
補助要素の運動の駆動において、前記デバイス自体の前記運動と無関係の運動駆動性能を備え、
前記命令解釈回路が、前記運動検出器の運動パラメータを前記補助要素のための運動制御命令へ解釈するように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項６】
前記多軸運動駆動デバイスが、
運動駆動性能以外の補助動作性能を備え、
前記命令解釈回路が、
前記運動検出器の運動パラメータを前記補助動作のための動作命令へ解釈するように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項７】
前記補助動作が、音を発生させること及び光を発することからなる群から選択される少なくとも１つである、請求項６に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項８】
前記運動制御命令が、始動運動、停止運動、加速及び減速からなる群から選択される少なくとも１つを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項９】
前記運動検出器が、３軸運動検出器、６軸運動検出器及び９軸運動検出器からなる群から選択される１つである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項１０】
前記運動検出器により生成された前記運動パラメータが、前記少なくとも３つの軸における前記運動の個々の軸方向成分の代表的な情報を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項１１】
前記運動検出器により生成された一連の運動パラメータが、時系列での３次元空間における運動の運動方向及び運動量の代表的な情報を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項１２】
前記制御デバイスが、前記命令解釈回路により生成された前記運動制御命令に基づき、駆動命令を前記多軸運動駆動デバイスの前記それぞれの運動アクチュエータへ提供するための駆動デバイスを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多軸運動制御デバイス。
【請求項１３】
ロボットアームシステムであって、
ロボットアームであって、
ベースと、
少なくとも第１アームセグメント及び第２アームセグメントと、
前記第１アームセグメント及び前記ベースを動作可能に接続する第１関節部と、
前記第１及び第２アームセグメントを動作可能に接続する第２関節部と、
運動アクチュエータであって、前記第１アームセグメントをそれぞれ前記ベース及び第２運動アクチュエータへ動くように駆動して、前記第２アームセグメントをそれぞれ前記第１アームセグメントへ動くように駆動するための運動アクチュエータと
を含むロボットアームと、
可動物の運動量を連続的に検出し、検出結果を出力するために前記可動物上に取り付けるための運動検出器と、
前記運動検出器の前記検出結果を受信し、前記検出結果に基づいて、前記ロボットアームのための運動制御命令を生成するための制御デバイスと
を含み、
前記運動検出器が、
多軸運動検出器であって、前記運動検出器の運動を検出し、
少なくとも３つの軸における前記運動の軸方向運動成分を前記運動検出器の前記検出結果として定義する運動パラメータを生成するための多軸運動検出器を含み、
前記制御デバイスが、
前記運動検出器の一連の連続的運動パラメータを一連の連続的運動制御命令へ変換するための命令解釈回路を含み、
１つの運動制御命令が前記それぞれの運動アクチュエータのための駆動命令を含み、
前記運動アクチュエータが共に、前記ロボットアーム上の基準点を実質的に前記運動検出器の運動軌道に沿って動かすように、前記一連の連続的運動制御命令が前記運動アクチュエータを制御する、ロボットアームシステム。
【請求項１４】
前記運動検出器が、３軸運動検出器、６軸運動検出器及び９軸運動検出器からなる群から選択される１つである、請求項１３に記載のロボットアームシステム。
【請求項１５】
前記運動検出器により生成された前記運動パラメータが、前記少なくとも３つの軸における前記運動の個々の軸方向成分の代表的な情報を含む、請求項１３に記載のロボットアームシステム。
【請求項１６】
前記運動検出器により生成された一連の運動パラメータが、時系列での３次元空間における運動の運動方向及び運動量の代表的な情報を含む、請求項１３に記載のロボットアームシステム。
【請求項１７】
前記運動検出器により生成された一連の運動パラメータが、時系列での３次元空間における位置の代表的な情報を含む、請求項１３に記載のロボットアームシステム。
【請求項１８】
前記制御デバイスが、前記命令解釈回路により生成された前記運動制御命令に基づき、前記多軸運動駆動デバイスの前記それぞれの運動アクチュエータへ駆動命令を提供するための駆動デバイスを含む、請求項１３に記載のロボットアームシステム。
【請求項１９】
請求項１３に記載の運動検出器を使用して、請求項１３に記載のロボットアームシステムの前記ロボットアームの動きを制御する方法であって、
運動軌道に沿った前記運動検出器の運動を生成するステップと、
前記運動検出器が前記運動を検出し、前記運動を表す運動パラメータを生成するステップと、
前記制御デバイスが前記運動パラメータを受信し、前記運動パラメータを、前記ロボットアームの前記アームセグメントを動かすための複数の運動制御命令へ変換するステップと、
前記制御デバイスが、前記それぞれのアームセグメントを互いに対して及び／又は前記ベースに対して動くように駆動するために、前記運動制御命令を前記それぞれの運動アクチュエータへ提供するステップと
を含み、
前記ベースから離れている前記第２アームセグメントの自由端の基準点が、前記運動検出器の運動軌道に沿って動くように、一連の運動制御命令が、共同して前記アームセグメントを動かすように前記運動アクチュエータを制御する、ロボットアームの動きを制御する方法。
【請求項２０】
前記運動パラメータが、少なくとも３つの軸における前記運動の軸方向成分を表す情報を含む、請求項１９に記載のロボットアームの動きを制御する方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の多軸運動制御デバイスを使用して、請求項１に記載の多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法であって、
運動軌道に沿った前記運動検出器の運動を生成するステップと、
前記運動検出器が前記運動を検出し、少なくとも３つの軸における前記運動の軸方向成分を定義する運動パラメータを生成するステップと、
前記多軸運動制御デバイスの前記制御デバイスが前記運動パラメータを受信し、前記運動パラメータを、前記多軸運動駆動デバイスの前記複数の運動アクチュエータのための運動制御命令へ変換するステップと、
前記制御デバイスが前記運動制御命令を前記それぞれの運動アクチュエータへ供給するステップと
を含み、
それにより、一連の運動制御命令が前記複数の運動アクチュエータを制御し、そのため、前記多軸運動駆動デバイス上の基準点を実質的に前記運動検出器の運動軌道に沿って動くように、前記複数の運動アクチュエータが共に駆動する、多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法。
【請求項２２】
前記運動パラメータが、少なくとも３つの軸における前記運動の軸方向成分を表す情報を含む、請求項２１に記載の多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法。
【請求項２３】
前記運動パラメータが、空間における前記運動の運動軌道を表す情報を含む、請求項２１に記載の多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本非仮特許出願は、２０１６年６月２日に出願された台湾特許出願第１０５１１７４７９号明細書からの優先権の利益を主張し、その開示はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、多軸運動制御デバイス及び方法、並びにより具体的にはロボットアームを制御するための方法及びデバイスに関する。本発明は、運動検出に基づく多軸運動制御デバイス及び方法、並びに制御方法及び制御デバイスを使用する多軸運動駆動システムを開示する。
【背景技術】
【０００３】
多軸運動駆動デバイスは、プラットフォームを備えた搬送機であって、プラットフォームを複数の軸方向に同時に動くように駆動する搬送機を指す。ほとんどの適用では、軸という用語は、通常、空間座標系における複数の軸のうちの１つを指す一方、それは平面座標系における軸のうちの１つであり得る。多軸運動駆動の結果は、通常、３次元の動きであるが、２次元又は更には１次元運動でもあり得る。
【０００４】
業界で最も一般的に使用される多軸運動駆動デバイスは、ロボットアームである。ロボットとしても既知のロボットアームは、製造業で広く使用されている機械である。近年、ロボットアームは、宇宙空間、潜水艦、医療、軍事、農業、警備、サービス、レジャー業界、及び更には日常生活などの様々な領域に参入している。
【０００５】
人型ロボットは、通常、人の行動及び更には人間の生理現象を高度に模倣するロボットを指す。産業用ロボットで使用される人型ロボットの制御は、管理方法論の新興分野となっている。理論上、ロボットアーム又はその指が人の腕又は指の動きと同様の方式で動くことができる場合、より精緻な作業を行うことができる。したがって、人の腕又は指の動きをまねるため、ロボットのアーム又は指の様々な制御又はトレーニング技術が開発されてきた。
【０００６】
中国実用新案第２０３４１８５３９Ｕ号明細書は、画像認識システムを備えたじゃんけん（finger-guessing）ロボットを開示する。ロボットはカメラを備え、且つ画像認識技術を使用して対称物のジェスチャーを識別し、じゃんけんジェスチャーをランダムに生じる。
【０００７】
「Gesture recognition device, robot system including the same and gesture recognition method using the same」という名称の米国特許第９，１２９，１５４号明細書は、ロボットアームであって、顔認識技術を使用してジェスチャー領域を画定するジェスチャー認識デバイスを含むロボットアームを開示する。このシステムは、画像認識技術でジェスチャー領域におけるジェスチャーを識別する。ジェスチャー識別パラメータには位置、運動方向及び形状変化が含まれる。この特許は、この技術を人型ロボットのための制御デバイスとして使用することを提案している。
【０００８】
Sylvain Calinonらは、その刊行物「Stochastic Gesture Production and Recognition Model for a Humanoid Robot」において、人型ロボットを制御するのに使用するためのジェスチャー認識方法を開示している。このシステムは、人間の手と同じように行動するようロボットを訓練するのに光学画像認識技術を使用している。Proceedings of 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems（September 28−October 2,2004,Sendai,Japan）を参照されたい。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１５／１０９２０２号明細書は、限られた計算資源でジェスチャー識別を実行するシステム、物品、及び方法を開示する。システムは、ジェスチャーライブラリを備え、このジェスチャーライブライは、複数のジェスチャーモデルを記憶し、且つ決定木の技術を使用して、検出器により検出されたアームの動きと同じものを見つけ、アームの動きにより表されたジェスチャーを識別する。
【００１０】
韓国特許第２００８−０１１４１９７号明細書は、ウエアラブルロボットアームの位置を計算する方法を開示する。方法は、運動により到達する位置を受信した入力に基づいて推定し、且つロボットアームの自由端をその位置へ動かす。
【００１１】
国際公開第２００９／１２４９５１号は、関節接合肢を使用した可動式ロボットのための制御命令アーキテクチャを開示する。この発明は、人型ロボットのための制御方法に関し、ロボットアームの運動命令を生成し、且つ平滑化技術により正しい運動制御を達成する３つのレベルのコンピュータを備えるアーキテクチャを提供する。
【００１２】
更に、遠隔制御デバイスによるロボットアームの制御も既知である。しかしながら、この制御方法は、ロボットアームのそれぞれのアームセグメントの動きを制御するために、ボタン又はジョイスティックを必要とし、これは直観的ではない。操作者は、運動制御を行えるようになる前に訓練されなければならない。
【００１３】
上記の既知の技術の議論から明らかなとおり、従来のロボットアーム制御技術は、人のジェスチャー又は行動に従って同じジェスチャー又は行動を行うことができている。しかしながら、既知の技術は、人のジェスチャー又は行動の分析に際して主に光学画像認識技術に基づいている。光学検出技術は、基本的に２次元検出技術であるという事実により制限されるため、そのように検出された人のジェスチャー又は行動は正確ではあり得ない。他のタイプの検出器の使用は、検出の精度を向上させ得る一方、それらは、複数の検出器を人の腕などに設置する必要がある。識別又は制御時に複数の検出器の全てのパラメータを計算することが必要である。別の欠点は、操作者が、運動制御ができるようになる前に訓練される必要があることである。
【００１４】
ロボットアームに加えて、他の多軸運動駆動デバイスもある。それらは、例えば無人搬送車（AGV）、遠隔的に制御される航空機又は潜水艦、電子ペットなどである。これらのうち、遠隔的に制御される航空機又は潜水艦は、３次元運動駆動を行うことが可能である必要があり、AGVは、通常、２次元の動きを行えればよい。電子ペット又は他の同様のおもちゃについては、平面又は実質的な平面で動き回ることに加えて、ジャンプ、立ち上がる、及びしゃがむなどの垂直な動きを行う必要がある。しかしながら、業界では、ユーザが学習なしに運動制御を行うことができる多軸運動駆動若しくは制御デバイス又は方法はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
運動検出に基づく多軸運動制御デバイス及び方法を提供することが本発明の目的である。
【００１６】
多軸運動駆動デバイスを、同じ動きを行うように制御するための、人の腕又は指の動きの正しい検出のための多軸運動制御デバイスを提供することも本発明の目的である。
【００１７】
少ない数の検出器のみを使用して、人の腕又は指の動きに従ってロボットアームを駆動する、新規な多軸運動制御デバイスを提供することも本発明の目的である。
【００１８】
多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための直観的アプローチをユーザに提供するための多軸運動制御デバイスを提供することも本発明の目的である。
【００１９】
発明された多軸運動制御デバイスを使用する多軸運動駆動システムを提供することも本発明の目的である。
【００２０】
多軸運動制御デバイスを使用して多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
実施形態によると、本発明の多軸運動制御デバイスは、
可動物の運動量を連続的に検出し、且つ検出結果を出力するために可動物上に取り付けるための運動検出器と、
制御デバイスであって、運動検出器の検出結果を受信し、且つ検出結果に基づいて、多軸運動駆動デバイスであって、多軸運動駆動デバイスの運動の各軸方向成分のために設計された複数の運動アクチュエータを含む多軸運動駆動デバイスのための運動制御命令を生成するための制御デバイスと
を含み、
運動検出器が、多軸運動検出器であって、運動検出器の運動を検出し、且つ少なくとも３つの軸における運動の軸方向運動成分を運動検出器の検出結果として定義する運動パラメータを生成するための多軸運動検出器を含み、
制御デバイスが、運動検出器の一連の連続的運動パラメータを一連の連続的運動制御命令へ変換するための命令解釈回路を含み、１つの運動制御命令がそれぞれの運動アクチュエータのための駆動命令を含み、
運動アクチュエータが共に、多軸運動駆動デバイス上の基準点を実質的に運動検出器の運動軌道に沿って動かすように、一連の連続的運動制御命令が運動アクチュエータを制御する。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態では、多軸運動駆動デバイスは複数のアームセグメントを有するロボットアームであり、及び運動制御命令は、ロボットアームのそれぞれのアームセグメントを駆動するそれぞれの運動アクチュエータのための駆動命令を含む。本発明の他の実施形態では、多軸運動駆動デバイスは複数の駆動車輪を有するAGVであり、及び運動制御命令は、AGVを平面上で動くように駆動するそれぞれの駆動車輪のための駆動命令を含む。多軸運動駆動デバイスはまた、流体により担持された多軸運動駆動デバイスであってもよい。この例では、運動制御命令は、多軸運動駆動デバイスを３次元で動くように駆動する複数の運動アクチュエータのための駆動命令を含む。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態では、運動検出器は、３軸運動検出器、又は好ましくは６軸運動検出器、最も好ましくは９軸運動検出器／磁気探知機である。
【００２４】
本発明の有利な適用例では、可動物は人の腕又は指である。このような例では、運動検出器は、腕又は指の自由端の近傍で取り付けるための運動検出器を含む。
【００２５】
本発明の特定の例では、運動検出器により生成された運動パラメータは、３次元空間における運動方向及び運動量の表示を含み、複数の連続的運動パラメータが運動の空間的運動軌道を形成する。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態では、制御デバイスは、命令解釈回路により生成された運動制御命令に従って、多軸運動駆動デバイスのそれぞれの軸方向成分の運動アクチュエータを駆動する駆動デバイスを含む。本発明の他の実施形態では、制御デバイスは、運動制御命令を多軸運動駆動デバイスへ送るために多軸運動駆動デバイスとの通信チャネルを確立するための無線通信デバイスを含む。このような例では、多軸運動駆動デバイスは、運動制御命令に従って多軸運動駆動デバイスのそれぞれの軸方向成分の運動アクチュエータを駆動するための駆動デバイスを含む。
【００２７】
多軸運動駆動デバイスがロボットアームである場合、ロボットアームは、ベースと、少なくとも２つのアームセグメントと、アームセグメントを動作可能に接続する関節部と、関節部であって、アームセグメントとベースと運動アクチュエータとを、アームセグメントを関節部に対して動くように駆動するように動作可能に接続する関節部とを含んでもよい。少なくとも２つのアームセグメントは、ベースに可動に接続された第１アームセグメントと、第１アームセグメントに可動に接続された第２アームセグメントとを含む。
【００２８】
上記の実施形態では、制御デバイスは、アームセグメントを関節部に対して駆動するための運動制御命令を生成し、それにより、第２アームセグメントの自由端の基準点が運動検出器の運動軌道に従って運動軌道に沿って動く。
【００２９】
多軸運動駆動デバイスはまた、補助要素の運動を駆動するために、デバイス自体の運動と無関係の運動駆動性能を提供してもよい。多軸運動駆動デバイスはまた、駆動される運動と無関係に、すなわち、多軸運動制御デバイスの運動に従って動作を作動させるために補助機能を提供してもよい。
【００３０】
本発明はまた、多軸運動制御デバイスを使用して多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法、特に、多軸運動制御デバイスを使用してロボットアームの動きを制御するための方法を開示する。方法は、以下のステップ、
運動軌道に沿った運動検出器の運動を生成するステップと、
運動検出器が運動を検出し、且つ少なくとも３つの軸における運動の軸方向成分を運動検出器の検出結果として定義する運動パラメータを生成するステップであって、検出結果が動きの空間的運動軌道の記述も含み得る、ステップと、
制御デバイスが運動パラメータを受信し、且つ運動パラメータを、多軸運動駆動デバイスの複数の運動アクチュエータのための駆動命令を含む運動制御命令へ変換するステップと、
駆動デバイスが、駆動命令をそれぞれの運動アクチュエータへ提供するステップであって、それにより、一連の運動制御命令が前記複数の運動アクチュエータを制御し、そのため、前記多軸運動駆動デバイス上の基準点を実質的に前記運動検出器の運動軌道に沿って動くように、前記複数の運動アクチュエータが共に駆動する
ステップと
を含む。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態では、多軸運動駆動デバイスは、複数のアームセグメントを含むロボットアームである。この例では、制御デバイスは、検出結果の運動パラメータを、ロボットアームの複数のアームセグメントを制御するための運動制御命令へ変換し、一連の運動制御命令が、ロボットアーム上の基準点を実質的に運動検出器の運動軌道に沿って動かすようにアームセグメントを駆動するように、運動制御命令は、アームセグメントを互いに対して及び／又はベースに対して動かすようにアームセグメントの各々の運動アクチュエータを駆動する。
【００３２】
本発明の上記及び他の目的及び利点は、以下の図面を参照した以下の詳細な説明からより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の多軸運動制御デバイスの実施形態を使用するロボットアームシステムの概略図を示す。
【図２】図１のロボットアームシステムのブロック図を示す。
【図３】本発明の多軸運動制御デバイスの実施形態により生成された、時系列での３つの軸における運動の運動成分を示す曲線図である。
【図４】ロボットアームの制御で使用されている、多軸運動制御のための発明された方法の一実施形態のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以降、本発明の多軸運動制御デバイス及び方法の実施形態が図面を参照して一例として説明される。最初に、本発明による多軸運動制御デバイス、並びに発明された制御デバイスを含む多軸運動制御システム及び制御デバイスを使用する多軸運動制御方法が、ロボットアームシステム及びロボットアーム制御デバイスを適用例として説明される。
【００３５】
図１は、本発明の多軸運動制御デバイスの実施形態を使用するロボットアームシステムの概略図を示す。ロボットアームシステムは、ユーザの手首へ取り付けられた運動検出器１０と、ロボットアーム２０と、制御デバイス３０とを含む。図１に示されるロボットアームシステムは、単に本発明の多軸運動制御デバイスの適用の一例であり、ロボットアーム制御デバイスは単なる本発明の特定の実施形態であることを理解されたい。ロボットアームシステム及びロボットアーム制御デバイスの両方は、本発明の特徴及び範囲を限定することなく、本発明の実施及び適用を図示することを意図される。
【００３６】
図に示される運動検出器１０は、ユーザの手首に装着される。しかしながら、実際の適用では、運動検出器１０は、人又は動物の体、肢、指など任意の可動物へ保持／取り付けられてもよい。これはまた、車両、航空機、飛行物などの動いている又は前進している可動物へ取り付けられてもよい。ウエアラブルな適用では、運動検出器１０は、リング状ストラップ又は時計バンド１１などの保持部材を含むことができる一方、運動検出器１０を可動物へ取り付けることができ、それにより可動物の動きに沿って動く限り、例えば粘着テープ、バックル、クリップ、鎖、吸着カップ、磁気ホルダなどの他の形態の保持部材も利用可能である。最も容易に考えられる適用例は、ユーザの手首に装着される腕時計の形態又はユーザの指に装着される指輪の形態の運動検出器１０を形成することである。
【００３７】
本発明に好適なロボットアームシステムは、ロボットアーム２０上の特定の基準点（Ｏ）が運動検出器１０の動きに応答して動くように、そのロボットアーム２０の動きを制御するように構成される。図１は、特に、２つのアームセグメント２１及び２２を有するロボットアーム２０を示す。ロボットアーム２０の第１アームセグメント２１は第１関節部２３を通じてベース２４へ可動に接続される。図示のとおり、図１の例では、第１関節部２３は、内部に運動駆動手段、すなわち、回転モータ及び必要な歯車、滑車などの第１運動アクチュエータ２７を備える回転関節部であってもよい。第１アームセグメント２１は、図における二重矢印Ｙにより示されるとおりにベース２４に対して水平に回転する。第１運動アクチュエータ２７は、好ましくは、本発明の制御デバイス３０などの外部コントローラにより、ベース２４に対する第１アームセグメント２１の回転角度を制御し得るステッピングモータである。図示の第１アームセグメント２１は、第１運動アクチュエータ２７により駆動された回転運動を拡大するために特定の傾斜角を有する。
【００３８】
図１の実施形態では、ロボットアーム２０の第２アームセグメント２２は、第２関節部２５を通じて第１アームセグメント２１へ可動に接続される。この例では、第２関節部２５は、内部に運動駆動手段、すなわち、回転モータ及び必要な歯車、滑車などの第２運動アクチュエータ２８を備える回転関節部であってもよい。第２アームセグメント２２は、図において二重矢印Ｘにより示されるとおり、第１アームセグメント２１に対してピッチ方向に回転する。第２運動アクチュエータ２８は、好ましくは、制御デバイス３０などの外部コントローラにより第１アームセグメント２１に対する第２アームセグメント２２のピッチ角度を制御し得るステッピングモータである。図１では、基準点Ｏが特定され、及びそれは第２アームセグメント２２の自由端の終端、すなわち、第１アームセグメント２１へ接続されていない端部に位置する。第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２の動きは協働して、第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２の長さの合計に等しい半径内の空間における実質的にいずれのポイントにも到達するように、共同して基準点Ｏを動かす。
【００３９】
ロボットアーム２０は、可動クランプ２６を更に含んでもよい。可動クランプ２６は、第３関節部を通じて第２アームセグメント２２へ可動に接続される。可動クランプ２６の２つの締付部品にも、締付及び解放のためにアクチュエータが取り付けられてよい。しかしながら、可動クランプ２６は本発明の焦点ではない。したがって、その詳細は省略される。この例では、ロボットアーム２０の基準点Ｏは２つの締付部品の接合部に設定される。
【００４０】
図１に示されるロボットアーム２０は、回転運動のためのアクチュエータを各々備えた２つのアームセグメントを有するが、当業者には、ロボットアーム２０は２つ未満又は３つ以上のアームセグメントを有してもよいことが分かる。同時に、それらのそれぞれのアクチュエータは、ピストン運動、軌道運動のためのものなどの回転駆動手段以外の駆動手段を含んでもよく、各アームセグメントの運動の方法は同じであっても異なっていてもよい。
【００４１】
更に、図１はまた、ロボットアーム２０に接続された制御デバイス３０を示す。制御デバイス３０は、制御／駆動命令を生成し、且つそれを信号線３１を通じて第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８へ提供して、第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２の動きを駆動する際にその動作をそれぞれ制御し、第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２が協働して、必要に応じて基準点を動かす。ロボットアーム２０及び制御デバイス３０により求められる電力は、従来の電源（図示せず）により供給され得る。
【００４２】
上述のとおりの多関節ロボットアーム及びその制御方法は、当該技術分野で周知である。基準点Ｏをロボットアーム２０の到達可能な範囲内の空間における任意のポイントへ動かすための、第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２の相対的な動き、並びに第１アームセグメント２１及びベースの相対的な動きは、第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８へ駆動命令を提供する従来のコントローラにより駆動され得る。その詳細については、多関節ロボットアームの設計及び制御に関する関連技術刊行物が参照され得る。
【００４３】
従来の技術の他に、本発明は、ロボットアーム２０の自由端、すなわち第２アームセグメント２２の自由端の基準点を、図１に示される矢印Ａなどの運動検出器１０の軌道に対応して、運動検出器１０の運動に従って、すなわち、図１の矢印Ｂの基準点Ｏの軌道などの軌道に沿って動かすことを目的として、多軸運動制御デバイス及び方法を提供する。
【００４４】
図２は、本発明で適用可能なロボットアームシステムのブロック図を示す。図２に示されるとおり、ロボットシステムは、運動検出器１０と、ロボットアーム２０と、制御デバイス３０とを含む。また、図示のとおり、制御デバイス３０は、ユーザが運動検出器１０を使用してロボットアーム２０の動きを制御できるように、運動検出器１０へ無線で接続される。図２の例では、制御デバイス３０はロボットアーム２０の側に設けられる。また、制御デバイス３０を運動検出器１０の側に設けることも可能であることが当業者に理解される。この例では、制御デバイス３０及びロボットアーム２０は、データ／情報の交換のために、無線通信デバイス３２及びロボットアーム２０における無線通信デバイス（図示せず）を介して無線で接続される。
【００４５】
図２における運動検出器１０は、運動検出器１０の運動検出要素１２を受け入れるためのハウジング１５と、運動検出器１０をユーザの手首又は他の身体部位へ取り付けるためのハウジング１５へ取り付けられたストラップ１１とを有する。運動検出器１０は、その運動検出要素１２を使用して手首の動きを検出する。制御デバイス３０がロボットアーム２０の側に設けられる場合、運動検出器１０はまた、検出結果を無線通信デバイス３２を介して制御デバイス３０へ伝送するために、無線通信モジュール１３を提供してもよい。
【００４６】
運動検出要素１２は、例えば加速度計、ジャイロスコープなどの任意のタイプの運動検出デバイスであってもよいが、好ましくは多軸運動検出性能を有する。一般に、３軸加速度計が本発明における全ての必要な機能を提供するのに十分であり、一方で本発明の運動検出要素１２として、例えば６軸又は９軸運動検出デバイスを使用することも可能である。米国特許出願第１５／３４１，２９５号明細書「Wrist Watch Embedded with a Wireless Control Module」は、全てある運動に関連する、３方向における加速値、３方向における角速度値、及び３方向における磁場値を検出することのできる運動検出デバイスを提供する。そこで開示された検出器は、本発明に適用され得る。他のタイプ又は同じタイプの運動検出デバイスなども本発明で適用可能である。
【００４７】
当業者には既知のとおり、運動検出デバイスは、一般に、運動を検出し、その電極からのその検出結果を出力する検出器本体と、検出器本体の検出結果を使用して、特定の方向における運動量又は運動成分を計算する演算回路とを含む。この演算回路は、必要なソフトウェアが補充された商業的に利用可能なマイクロプロセッサ回路を使用することにより実現化され得る。関連技術は当業者にとって周知である。本発明の運動検出要素１２は、ある運動の運動パラメータ、すなわち特定の方向における運動量又は運動成分を計算するための性能を有し、且つ結果の運動量又は運動成分を直接出力する演算回路（図示せず）が設けられてもよい。しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、検出結果、すなわち運動パラメータは、必要な前処理を伴った運動検出要素１２の電極の直接出力である。特定の方向又は幾つかの方向における運動量又は運動成分の計算及び後続の処理に関して、それらは制御デバイス３０により実施される。
【００４８】
この理由のため、運動検出要素１２の検出結果は、アナログからデジタルへの変換などの必要な前処理後に制御デバイス３０へ直接供給される。制御デバイス３０がロボットアーム２０の側に設けられる一方、運動検出要素１２の検出結果は第１に無線通信モジュール１３へ供給され、次いで無線通信チャネルを介して制御デバイス３０へ供給される。この例では、運動検出器１０の無線通信モジュール１３は、検出結果、すなわち運動検出要素１２から出力される運動パラメータを受信し、且つ運動パラメータを無線伝送に好適な適切なフォーマットへ変換するために、運動検出要素１２へ接続される。
【００４９】
無線通信モジュール１３は、データ／情報の交換のための制御デバイス３０との通信チャネルを確立するために、任意の商業的に利用可能な無線通信チップ又は回路を含んでもよい。本発明の好ましい実施形態では、無線通信モジュール１３は、運動検出器１０の検出結果を予め決められた伝送速度で連続的に伝送するように構成される。
【００５０】
運動検出要素１２のタイプに依存して、検出結果の内容、すなわち運動パラメータも異なる。本発明の好ましい実施形態では、運動検出要素１２は、上記の米国特許出願第１５／３４１，２９５号明細書のために提供された運動検出器などの９軸運動検出デバイスである。運動検出器は、全てある運動に関係する、３方向における加速値、３方向における角速度値、及び３方向における磁場値を検出可能な運動検出デバイスを含む。このタイプの運動検出デバイスの検出結果は、検出結果を空間における検出器の絶対座標へ変換し、且つそれらを運動パラメータとして出力する演算回路へ提供され得る。関連する操作方法について、その特許明細書の説明を参照することができ、それは参照により本明細書に組み込まれる。そのような実施形態では、無線通信モジュール１３は、計算結果の座標値を制御デバイス３０へ単純に連続的に伝送する。
【００５１】
しかしながら、本発明のほとんどの適用では、そのような精密な運動検出デバイスを使用する必要はない。一般に、検出／サンプリング／伝送サイクルごとの運動量を提供するために、少なくとも３方向におけるある運動の運動成分を提供し得る検出器で十分である。そのような実施形態では、運動検出要素１２はまた、運動検出要素１２の電極により出力された信号を予め決められた３方向における運動成分へ変換し、且つそれらを無線通信モジュール１３へ供給する演算回路を含んでもよい。運動検出要素１２は演算回路を含まなくてもよい。この場合、運動検出要素１２がその検出結果を制御デバイス３０へ直接供給し、必要な結果は、制御デバイス３０の側に設けられた演算回路（図示せず）により計算される。
【００５２】
当業者にとって、少なくとも３方向の運動成分を提供するとき、例えば３方向における運動成分を提供するとき、運動検出要素１２が実際には３セットの運動パラメータを提供する必要がないことは周知である。例えば、２軸加速度計は、２方向における運動の量を表す２セットの運動パラメータのみを生成し得る。しかしながら、変換後、３方向における運動成分は依然として供給され得る。この変換技術は既に既知の技術である。したがって、その詳細は省略される。
【００５３】
上述のとおり、そのような実施形態では、運動検出要素１２はまた、検出器電極出力値を予め決められた３方向における運動成分へ変換し、且つそれらを制御デバイス３０へ提供するための演算回路を含み得る。当然のことながら、２セットのみの運動パラメータを制御デバイス３０へ提供することも可能であり、望ましい結果は、制御デバイス３０の側に提供された命令解釈回路３３により計算される。
【００５４】
運動検出器１０は、一般に、ウエアラブルデバイスの形態であり、且つ可動物へ取り付けられるため、それは可動物と共に動く。運動検出器１０には、好ましくは、電力を運動検出要素１２（及び無線通信モジュール１３）へ供給するための電源１４が設けられる。電源１４は、好ましくは充電バッテリと必要な電力管理回路とを備え、すなわち、使用の際外部電源は必要ではない。一般的な適用では、電源１４は、バッテリと節電回路（両方とも図示せず）とを含む。バッテリは、かなりの電荷を蓄積することができ、且つ例えば無線充電技術により充電され得る。節電回路はまた、バッテリの電源を制御し、使用する必要がない場合にはバッテリ電源を停止させる。節電回路はまた、その運動パラメータの定期的伝送のために無線通信モジュール１３を制御することができる。特定の例では、節電回路は、依然としてバッテリの電源を始動させるために外部ウェイクアップ信号を受信することができる。上述の電源１４の構造、制御、適用及び他の詳細は、全て既知の技術のものである。したがって、その詳細は省略される。
【００５５】
運動検出器１０のハウジング１５は、可動物に装着される時計バンド又は他の形態の指輪、ベルト、バックル、吸着カップ、磁気ホルダなどの保持部材１１へ、運動検出器１０が可動物の動きと共に動くように接続され得る。本発明の好ましい実施形態では、運動検出器１０は、人の腕の手首又は指に装着されてもよく、手首又は指の動きに従って動く。
【００５６】
制御デバイス３０の機能は、運動検出器１０の検出結果を受信することと、検出結果に基づいて、ロボットアームを制御するための運動制御命令を生成及び出力することである。制御デバイス３０がロボットアーム２０の側に設けられる場合、制御デバイス３０には、運動検出器１０により提供された運動パラメータを受信するために無線受信機能が設けられる。図２に示されるとおり、制御デバイス３０は無線通信モジュール３２を有する。無線通信モジュール３２は、運動検出器１０の無線通信モジュール１３と同様の無線通信要素である。本発明のほとんどの適用では、制御デバイス３０の無線通信モジュール３２及び運動検出器１０の無線通信モジュール１３は両方とも、Bluetooth（登録商標）チップなどの短距離無線通信チャネルを支持する要素である。この２つは、情報の交換のために同じ無線通信プロトコルを通じて接続され得る。適用可能な無線通信モジュールは商業的に利用可能な製品を含み、その中で使用される回路はまた、業界にとって周知である。制御デバイス３０が運動検出器１０の側に設けられる場合、無線通信モジュール３２の機能は、制御デバイス３０により生成された運動制御命令をロボットアーム２０へ伝送することである。このような場合、制御デバイス３０の無線通信モジュール３２と通信するために、ロボットアーム２０には同様の無線通信モジュールが設けられ得る。
【００５７】
運動検出器１０の検出パラメータをロボットアームの運動制御命令へ変換するために、制御デバイス３０は、検出結果、すなわち、運動検出器１０の運動パラメータを、ロボットアーム２０の複数のアームセグメントの運動を制御するための制御命令へ変換するための命令解釈回路３３を含む。制御デバイス３０はまた、ロボットアーム２０のアームセグメント２１、２２の運動アクチュエータ２７、２８を命令解釈回路３３により生成された運動制御命令に従って駆動するための命令解釈回路３３へ結合された駆動デバイス３４を含む。
【００５８】
上述のとおり、本発明のほとんどの実施形態では、運動検出器３０は、少なくとも３つの軸におけるある運動のそれぞれの運動成分を表すのに十分な運動パラメータを生成する。更に、適用の際、運動検出器３０は運動パラメータを連続的に、すなわち時間軸に沿ったある順序で生成する。したがって、一連の運動パラメータは、３次元空間における運動検出器１０の運動方向及び運動量を連続的時間で表すデータを含み、一連の運動パラメータは組み合わさって、空間における運動検出器１０の運動の軌道を形成する。本発明の特定の例では、運動パラメータは、本質的に時間における連続的ポイントでの空間における運動検出器１０の位置又は座標であり、運動軌道も連続的位置又は座標の組合せにより形成される。
【００５９】
運動検出器１０により提供された運動パラメータが運動検出要素１２の直接的な検出結果である場合、命令解釈回路３３は、運動パラメータを、ベース平面における第１アームセグメント２１の回転角度Θ、すなわち図１において二重矢印Ｙにより示された円内の角度、及び垂直方向における第２アームセグメント２２のピッチ角度Δ、すなわち図１において二重矢印Ｘにより示される方向のピッチ角度により定義される運動へ変換するように構成されてもよい。ロボットアーム２０上の基準点が、拡大又は縮小された運動を含む対応する運動を生じるように、命令解釈回路３３は、計算された運動を、第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８をそれぞれ第１アームセグメント２１の回転角度Θ及び第２アームセグメント２２のピッチ角度Δを変更するようにそれぞれ駆動するための運動制御命令へ変換するように更に構成される。命令解釈回路３３はまた、運動制御命令を駆動デバイス３４へ提供するように更に構成される。
【００６０】
運動検出要素１２の検出結果が、どのように直交座標系又は軸座標系により定義される運動へ変換され得るかは、当該技術分野で既に周知である。ロボットアームの動きを制御するための、光学画像認識技術により位置又は運動を認識するための上で説明された様々な技術は、必要な小さい修正を伴って本発明に適用することができる。図１の例では、運動は回転角度Θ及びピッチ角度Δにより定義されるが、空間における運動又は位置変更を定義及び制御するための他の方法も本発明に適用され得る。
【００６１】
他方、運動検出器１０により提供された運動パラメータが、ある運動の３軸運動成分又は他の位置変更記述子を表すデータである場合、命令解釈回路３３は、運動成分又は位置変更情報を、第１アームセグメント２１の回転角度Θ及び第２アームセグメント２２のピッチ角度Δにより定義される運動へ変換するように構成されなければならない。命令解釈回路３３は、したがって、第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８による運動の適切な実現のための運動制御命令を生成するよう更に構成され得る。
【００６２】
本発明の好ましい実施形態では、運動検出器１０は運動パラメータを連続的に生成し、それにより、連続的運動パラメータに応答して制御デバイス３０により生成された一連の運動制御命令が、空間における第２アームセグメント２２の基準点Ｏの動きが運動検出器１０の運動軌道に従うように、ロボットアーム２０のアームセグメント２１、２２の相対的な動きを制御する。したがって、この方法により制御されるロボットアーム２０は、例えば人の行動をまねるために可動物の動きを模倣することができる。このような制御方法は、ユーザが制御方法を学んで習熟する必要がないため、極めて価値がある。このようなアプローチは、業界で強い需要があるが、この目的を達成する技術は依然として存在しない。
【００６３】
命令解釈回路３３は、運動制御命令を連続的に生成し、且つそれらを駆動デバイス３４へ供給するように構成されてもよく、それにより駆動デバイス３４が対応する駆動命令を生成して、それらを信号線及び／又は電力線３１を介して第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８へ供給する。そのため、第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８が作動して、第１アームセグメント２１及び第２アームセグメント２２を動くように駆動する。
【００６４】
図３は、発明された多軸運動制御デバイスの実施形態の運動検出器により生成された、時系列での３つの軸における運動の運動成分を示す。この図に示された運動は、人の手の「空中に円を描く」動きである。水平軸はサンプリング時間を表し、サンプリング周波数は４０Ｈｚである。３つの曲線は、それぞれデカルト座標系のＸ、Ｙ及びＺ軸上の運動の運動成分を表す。各サンプリングポイントで得られた成分の値は、グラフの左側に表で示されている。空間における運動検出器の運動量は、各サンプリングポイントで得られた３軸運動成分から計算され得る。
【００６５】
本発明は、本発明の多軸運動制御デバイスを使用して、多軸運動駆動デバイスの動きを制御するための方法を提供する。以下では、本発明の多軸運動制御デバイスを使用して、ロボットアームシステムにおいてロボットアームの動きを制御するための方法が説明される。これは発明された方法を説明するための例として機能する。図４はロボットアーム制御方法のフローチャートを示す。図に示されるとおり、ステップ４０１では、ユーザは、運動検出器１０と制御デバイス３０との間に無線通信チャネルを確立し、運動検出結果、すなわち運動パラメータ、運動検出器１０による出力に基づいて、基準点Ｏの開始位置が設定される。ステップ４０２では、ユーザは、運動検出器１０に対するロボットアーム２０の運動量のスケーリング比を、運動検出器１０の運動量及び第２アームセグメント２２の基準点の対応する運動量に基づいて設定する。初期化はこのようにして完了する。作動開始後、ステップ４０３では、運動検出器１０はそれ自体の運動を検出し、検出結果、すなわち、運動パラメータを連続的に生成する。運動パラメータは、少なくとも３つの軸において検出された運動の運動成分を説明する情報を含む。運動パラメータは、単純に電圧／電流信号、又は運動成分若しくは運動を代表する値、又は位置の空間的座標を代表する値の形態であってもよい。ステップ４０４では、制御デバイス３０は運動パラメータを受信し、且つ運動パラメータを複数のロボットアーム２０のアームセグメント２１、２２に適用可能な運動制御命令へ解釈する。運動制御命令は、一般に、第１アームセグメント２１の回転角度Θ及び第２アームセグメント２２のピッチ角度Δにより定義される運動と、運動の速度、すなわち、第１運動アクチュエータ２７及び第２運動アクチュエータ２８の作動速度、例えばそれらの回転速度とを含む。ステップ４０５では、制御デバイス３０は対応する駆動命令を生成し、且つそれらをロボットアーム２０のそれぞれのアームセグメント２１、２２の運動アクチュエータ２７、２８へ供給して、ロボットアーム２０のそれぞれのアームセグメント２１、２２を動かすように運動アクチュエータ２７、２８を駆動する。それにより、基準点Ｏは、運動の同じ又は拡大された又は縮小された縮尺で運動検出器１０の動きに従って動く。ステップ４０６では、制御デバイス３０は、新たな運動パラメータが受信されたか否かを決定する。受信された場合、ステップは４０４へ戻り、受信されなかった場合、ステップは４０７で終わる。
【００６６】
本発明の好ましい実施形態では、運動アクチュエータは、駆動デバイスにより駆動された際にヒステリシス又はポーズを引き起こし得る。ロボットアーム２０の動きを滑らかにするため、及び運動検出器１０に厳密に従うために、必要な修正又は較正が従来の技術の動力制御方法を使用してなされる。
【００６７】
上述のとおり、本発明の多軸運動制御デバイス及び方法は、ロボットアームに加え、他のタイプの多軸運動駆動デバイスにも適用され得る。本発明で使用される多軸運動検出器は、単に正確な検出結果を達成することに加えて、他の検出機能を提供することも、ロボットアームシステムの適用例の上記説明から明らかとなるであろう。例えば、AGVへ適用されると、車両は平面又は実質的な平面上のみを動くことができ、垂直に動くことはできない。しかしながら、多軸運動検出器により検出可能な運動の残りの方向が、他の運動命令又は非運動命令を生成するために使用され得る。例えば、ユーザは、運動検出器を、「加速」命令を生成するために上方へ動かし、「減速」命令を生成するために下向きに動かすことができる。生成され得る他の命令には、運動検出器を反転させることによる「歩行停止／開始」命令、運動検出器を時計回り又は反時計回りにはじくことによる「右折」又は「左折」命令、又は運動検出器を上下又は左右に揺動させることにより音、光を発生させるなどの他の命令を含む。
【００６８】
本発明の多軸運動制御デバイス及び方法は、上述のとおりの制御方法を使用して、ヘリコプター又は潜水艦などの流体により担持された遠隔制御車両を制御することができる。発明された運動制御デバイス及び方法を使用することにより、ヘリコプター又は潜水艦などは、運動検出器の動きに従って３次元空間内を動く。本発明の多軸運動制御デバイス及び方法はまた、電子おもちゃの犬などの電子ペットを、前述のAGVの制御方法と同様の方法で平面上を動くように制御することができる。更に、発明された多軸運動駆動デバイスは、ジャンプ、起立、スクワット及び他の行動の命令などの追加的な命令を生成し得る。多軸運動検出器は、運動命令と無関係であり、且つ例えば、音を立てる、揺れる、口を開く及び閉じる、眼を開く及び閉じるための命令などの行動の命令として定義される運動動作を検出する。全てのこれらの適用は、命令解釈回路３３における適切な設定により実現され得る。
【００６９】
本発明では、運動の軸若しくは軸方向成分、又は運動検出器により検出可能な軸若しくは軸方向成分の数は、多軸運動駆動デバイスの運動駆動軸又は軸方向成分及びその数に対応する必要がないことも上記開示から既知である。更に、多軸運動駆動デバイスはまた、デバイス自体の運動と無関係の運動駆動性能を提供してもよく、ユーザの運動動作に応答して行動を生じさせてもよい。
【００７０】
本発明の多軸運動駆動デバイス及び方法は、ロボットアームシステムに関する特定の実施形態を参照して説明されたが、この説明は、限定する意味で解釈されることを意味するものではない。開示された実施形態の様々な修正形態及び代替的実施形態が当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の真の範囲にある全ての修正形態に及ぶことが想定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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