(57)【要約】  本発明は、伸展曲線（１０）に沿って積み重ねて配置された、複数のマニピュレータ分節（５；７０；８０）であって、マニピュレータ分節（５；７０；８０）の各々が、少なくとも１つの連結プレート（１９；７３）と、連結プレート（１９；７３）上に、伸展曲線（１０）に対して横方向に離間して配置され、流体的に隔てられるように設計された少なくとも２つの流体室（２０；３７；７１）とを含む複数のマニピュレータ分節（５；７０；８０）を備える流体動作式マニピュレータに関する。流体室（２０；３７；７１）の各々は、少なくとも１つの弾性変形可能な壁部（２５；７２）を有し、この壁部（２５；７２）は、各流体室 （２０；３７；７１）に流体が適用されると、流体室（２０；３７；７１）の容積を変化させて、伸展曲線（１０）に実質的に平行な直線運動を可能にするように設計され、連結プレート（１９；７３）の主拡張面（２６）は、伸展曲線（１０）に対して少なくとも実質的に直角に配置されるように設けられている。本発明によれば、少なくとも２つの流体室（２０；３７；７１）は、少なくとも１つの連結プレート（１９；７３）と一体となるように設計されている。
2013513490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸展曲線（１０）に沿って積み重ねられた複数のマニピュレータ分節（５；７０；８０）であって、各マニピュレータ分節が、少なくとも１つの連結プレート（１９；７３）と、前記連結プレート（１９；７３）上で前記伸展曲線（１０）に対して直角に離間された、少なくとも２つの流体的に隔てられた流体室（２０；７１；８１）とを備え、前記流体室（２０；３７；７１）の各々が、少なくとも１つの弾性変形可能な壁部（２５；７２）を有し、該壁部が、前記流体室（２０；３７；７１）の各々が流体により加圧されると、前記流体室（２０；３７；７１）の容積を変化させて、前記伸展曲線（１０）に実質的に平行な直線運動を可能にするように設計され、前記連結プレート（１９；７３）の主拡張面（２６）が、前記伸展曲線（１０）に対して少なくとも実質的に直角に配置されるように設けられた、複数のマニピュレータ分節（５；７０；８０）から構成される、流体的に動作可能なマニピュレータであって、
前記少なくとも２つの流体室（２０；３７；７１）は、前記少なくとも１つの連結プレート（１９；７３）と一体化されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２】
請求項１に記載のマニピュレータであって、
隣接する連結プレート（１９；７３）間の連結、具体的には一体化のために、前記流体室（２０；３７；７１）の好適に弾性変形可能な壁部（２５；７２）が設けられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマニピュレータであって、
前記伸展曲線（１０）に沿って配置された、隣接するマニピュレータ分節（５；７０；８０）の流体室（２０；３７；７１）は、相互に連通するように連結されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項４】
請求項１または２に記載のマニピュレータであって、
前記伸展曲線（１０）に沿って配置された、隣接するマニピュレータ分節（５；７０；８０）の流体室（２０；３７；７１）が流体的に隔てられ、個別に制御可能である
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
曲率センサ（８）のセンサ部品（７）を保持するための、少なくとも１つのガイド手段（６）が、前記連結プレート（１９；７３）の半径方向外面上に設けられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項６】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記マニピュレータ分節（５；７０；８０）は、生成的製造方法によって、具体的には選択的レーザー焼結を用いて、製造される
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項７】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記流体室（２０；３７；７１）と前記連結プレート（１９；７３）とによって定められる前記マニピュレータ分節（５；７０；８０）の複数の横断面は、前記伸展曲線（１０）に対して直角に並んだ複数の横断面において、前記伸展曲線（１０）に沿って先細になっている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記連結プレート（１９；７３）は、前記伸展曲線（１０）に沿って供給ライン（１７）を送り込むように好適に設計された凹部（１８）を、前記流体室（２０；３７；７１）の間に有する
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
隣接する連結プレート（１９；７３）の間にある、前記流体室（２０；３７；７１）の前記少なくとも１つの弾性変形可能な壁部（２５；７２）は、好ましくは回転対称な、具体的には二重S字外形を有する、蛇腹状である
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１０】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記流体室（２０；３７；７１）は、前記伸展曲線（１０）に平行に調整された力については、前記伸展曲線（１０）に対して直角に調整された力についての線形変形抵抗よりも、大幅に小さい線形変形抵抗を有するように設計されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
複数のマニピュレータ分節（５；７０；８０）が結合してマニピュレータ部（２）を形成し、該マニピュレータ部（２）は、別のマニピュレータ部（２）の対応する継手（３２）が取り付けられるように設計された継手（３１）を、少なくとも１つの端部（３）に有する
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１２】
請求項１０に記載のマニピュレータであって、
隣接するマニピュレータ部（２）は、いずれの場合にも、少なくとも２つの個別制御可能な流体室（２０）を好適に有する
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１３】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記流体的に連結された流体室（２０）は、少なくとも１つのバルブ装置（１５）を割り当てられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のマニピュレータであって、
前記バルブ装置（１５）は、制御ユニット（１２）に電気的に接続され、該制御ユニット（１２）は、前記バルブ装置（１５）を制御するように設計され、かつ、少なくとも１つのマニピュレータ部（２）に割り当てられた少なくとも１つの曲率センサ（８）を用いて、前記マニピュレータ部の端部を位置制御するように設定されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１５】
前記請求項のいずれかに記載のマニピュレータであって、
少なくとも１つの流体室（２０；３７；７１）は、加圧に起因するフレキシブルな前記壁部（３８；７２）の伸長運動に対抗する、前記流体室（２０；３７；７１）の復元運動を補助するように設計された、復元手段（７５；８５；９０）を割り当てられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のマニピュレータであって、
前記復元手段（７５；８５；９０）は、前記流体室（２０；３７；７１）内および／または隣接する流体室（２０；３７；７１）の間で作用する、復元力をもたらすように設計されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載のマニピュレータであって、
前記復元手段（７５；８５；９０）は、少なくとも１つのばね装置を含み、該少なくとも１つのばね装置は、前記流体室（２０；３７；７１）内部において、隣接する壁部、具体的には対向する壁部（２５；３８；７２）に、好適に取り付けられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１８】
請求項１５、１６または１７に記載のマニピュレータであって、
前記復元手段（７５；８５；９０）は、隣接する、 具体的には直接隣接する、流体室（２０；３７；７１）および／または連結プレート（１９；７３）を相互に連結する、少なくとも１つのばね装置を備えている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項１９】
請求項１７または１８に記載のマニピュレータであって、
前記ばね装置（７５；８５）は、前記伸展曲線（１０）の対応する部分と幾何学的に相似になる中立ファイバー（９８）を備えた、包絡面形状（９７）を有している
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２０】
請求項１７、１８または１９に記載のマニピュレータであって、
前記流体室（２０；３７；７１）および／または前記連結プレート（１９；７３）に、前記ばね装置（８５）の取付けのための、具体的には一体成形された取付け領域（９６）が設けられている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２１】
請求項１７、１８または１９に記載のマニピュレータであって、
前記ばね装置（７５）は、少なくとも１つの流体室（２０；３７；７１）および／または連結プレート（１９；７３）と一体化している
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２２】
請求項１５〜２１のいずれかに記載のマニピュレータであって、
前記復元手段は、部分真空装置（９０）を含み、該部分真空装置（９０）は、前記流体室（２０；３７；７１）の１つまたは複数において、部分真空をもたらすように設計されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のマニピュレータであって、
前記部分真空装置（９０）は、前記バルブ装置（１５）と、具体的には前記バルブ装置（１５）の排気ダクトと、流体接続していることで、バルブ位置に応じて前記流体室（２０；３７；７１）の部分真空加圧を可能にしている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【請求項２４】
請求項２２または２３に記載のマニピュレータであって、
前記部分真空装置（９０）は、前記各バルブ装置（１５）の作動状態に応じて部分真空をもたらすことができるように、前記制御ユニット（１２）によって制御されるように設計されている
ことを特徴とするマニピュレータ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、伸展曲線に沿って積み重ねられた複数のマニピュレータ分節であって、各マニピュレータ分節が、少なくとも１つの連結プレートと、連結プレート上で伸展曲線に対して直角に離間された、少なくとも２つの流体的に隔てられた流体室とを備える複数のマニピュレータ分節で構成された流体的に動作可能なマニピュレータであって、流体室の各々が、少なくとも１つの弾性変形可能な壁部を有し、この壁部が、各流体室が流体により加圧されると、流体室の容積を変化させて、伸展曲線に実質的に平行な直線運動を可能にするように設計され、連結プレートの主拡張面が、伸展曲線に対して少なくとも実質的に直角に配置されるように設けられている、マニピュレータに関する。
【０００２】
ＤＥ１９８  ３３  ３４０  Ａ１号から周知であるのは、枢動可能かつ長さ調節可能である蠕虫状の作動機構である。この作動機構は、３つのアクチュエータを備え、各アクチュエータは、気体状または液体状の圧媒体で充填され得る、一列の隣接するポケットまたはクッションで構成されている。フレキシブルで柔軟な材質で構成されるアクチュエータは、寸法安定性のある支持構造に取り付けられ、この支持構造は、アクチュエータ間の間隔を維持する働きをするとともに、上記作動機構の外部形状を定める一助となる。
【０００３】
ＷＯ９６／３５８７７号は、隣り合って並べられた寸法安定性のある多数の支持要素から構成される作動機構、および、フレキシブルな材質から構成され、上記支持要素の積み重ね方向に沿って形成されたポンプ機構を開示している。加圧された流体からポンプ要素の少なくとも１つに圧力を加えることにより、作動機構が湾曲され得る。
【０００４】
本発明の課題は、簡素な組み立て方法を有する、流体的に動作可能なマニピュレータを提供することである。
上述したタイプの流体式マニピュレータの上記課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。本明細書では、２つ以上の流体室が、１つまたは複数の連結プレートと一体化している態様が提供される。
【０００５】
流体室と連結プレートとが一体的に設計されるため、流体室の弾性変形可能な壁部と、寸法安定性のある連結プレートとの間の力の流れは、弾性変形可能な壁部における応力のピークが避けられるように構成されることが可能であり、その結果、多数の負荷サイクルを経た後でさえも、マニピュレータの疲労強度が確保される。一方が弾性変形可能な壁部の変形特性、他方が寸法安定性のある連結プレートの変形特性である、これらの変形特性は、材料厚を変化させることによって予め設定されることが好ましい。さらに、重量および材料消費量が小さくても高い剛性を得るために、３次元支持構造、具体的には格子型構造を、寸法安定性のある連結プレートに設けることも可能である。流体室と連結プレートとを一体的に設計することのさらなる有益な効果は、一体構造であるがゆえに、具体的には流体室と連結プレートとの間の移行部において、追加的な封止処置が不要であるため、流体室を容易に封止し得るという事実にある。流体室と連結プレートとは、具体的には当該流体室と当該連結プレートとが共通の製造過程で標準的な材料から製造される場合に、一体的であると記述される。
【０００６】
本発明の有利な展開が、従属請求項の主題である。
隣接する連結プレートの間の連結、具体的には一体的な連結のために、流体室の好適に弾性変形可能な壁部が設けられていると、好都合である。このような壁部が設けられていることにより、流体室に二重の機能が付与される。その理由は、流体室は、流体によって加圧された際に、少なくとも実質的に直線状である伸長運動を引き起こすことに加えて、隣接する連結プレートの物理的連結にも用いられるからである。流体室に二重の機能が付与されることにより、追加的な外部および／または内部の構造を省くことが可能になり、その結果、本発明に係るマニピュレータの簡素な設計が実現される。流体室の壁部は、少なくともほぼ完全に弾性変形可能であることが好ましく、その結果、流体室の少なくとも大部分が、液体状または気体状の流体からの加圧によって変形可能になり、流体室の容積に変化が得られる。対照的に、連結プレートは、流体室の加圧中に著しい形状変化を受けないように設計されており、それゆえに寸法安定性があると記述され得る。特に有利であるのは、流体室が隣接する連結プレートと一体になっている設計である。流体室が隣接する連結プレートと一体になっていることにより、流体室と連結プレートとの間の、コストのかかる封止処置を省くことが可能になる。さらに、このような一体設計により、流体室と連結プレートとの間での容易な力の伝達が実現される。
【０００７】
伸展曲線に沿って配置された、隣接するマニピュレータ分節の流体室が、相互に連通するように連結されていると有利である。伸展曲線に沿って配置された、隣接するマニピュレータ分節の流体室が、相互に連通するように連結されていることにより、共通の供給ラインを介して加圧用流体を用いて複数の流体室を共同で加圧することが、簡単な方法で可能になる。このような流体加圧は、流体室の膨張および収縮と表現される、各流体室の容積変化を引き起こし得る。各流体室の容積変化により、伸展曲線に少なくとも実質的に平行に、流体室の長さ変化が生じ得る。
【０００８】
本発明の１つの展開では、伸展曲線に沿って配置された、隣接するマニピュレータ分節の流体室が、流体的に隔てられ、個別制御され得る態様が提供される。流体的に隔てられた流体室を選択的に制御することにより、マニピュレータの特に微妙な撓みが得られ得る。さらに、一定の圧力を加えることにより、マニピュレータの個々の流体室は、予め設定された容積膨張度または長さ伸長度に保たれ得る。このような手法により、マニピュレータは、空間における事前設定可能な方向に例えば偏向され得る。
【０００９】
曲率センサのセンサ部品を保持するための、少なくとも１つのガイド手段が、連結プレートの半径方向外面に設けられていると有利である。少なくとも１つのガイド手段が連結プレートの半径方向外面に設けられていることより、簡素で、コスト効率よく、少なくとも１つの曲率センサをマニピュレータに取り付けることが容易になる。曲率センサを用いることで、例えば、２つの連結プレートの間におけるマニピュレータの局所的曲率、または、マニピュレータの全体の長さもしくはマニピュレータの一部の長さにわたるマニピュレータの大域的曲率を測定することが可能である。例えば、歪みゲージ、線形ポテンショメータ、ソレノイドアセンブリ、または、長さ測定装置に接続されるコントロールケーブル等の、長さ測定のためのセンサ部品を保持するために、ガイド手段が設けられることが好ましい。
【００１０】
本発明のさらなる展開では、マニピュレータ分節が、生成的製造方法によって、具体的には選択的レーザー焼結を用いて、製造される態様が提供される。生成的製造プロセスは、例えば反応性樹脂またはプラスチックもしくは金属の粉末などの無定形な化合物にエネルギーを与えることによって、マニピュレータ分節が、工作機械を用いることなく、具体的には層状に、直接製造される形成方法を伴う。このようなプロセスの一例は、選択的レーザー焼結であり、選択的レーザー焼結では、レーザー光線が、薄い粉体層を局在的融合によって凝固させて、凝集構造にする。生成的製造方法を用いることの利点は、製造プロセスに用いられる、例えばＣＡＤデータといったデータセットを変更することによって、マニピュレータ分節のジオメトリを容易に変化させ得ることである。マニピュレータ分節のジオメトリを容易に変化させ得ることは、マニピュレータ分節の用途に特有な変更に、高い柔軟性をもたらす。生成的製造方法を用いれば、アンダーカット形状を作ることも容易である。
【００１１】
流体室と連結プレートとによって定められるマニピュレータ分節の横断面が、伸展曲線に対して直角に並んだ横断面において、伸展曲線に沿って先細になっていると、好都合である。１列に並んだマニピュレータ分節が伸展曲線に沿って先細になっていることは、マニピュレータの最適重量を実現する一助となる。マニピュレータの遠位部において、すなわち、マニピュレータの固定点から離間した、具体的には工具または工具ホルダが取り付けられる部分において、マニピュレータ分節は、固定点に直接隣接したマニピュレータの近位部におけるよりも小さい断面を有していることが好ましい。マニピュレータの遠位部において近位部におけるよりも小さい断面を有していることが好ましいということは、マニピュレータから工具または加工対象物に伝達される力に加え、遠位部の重量も、近位部において支持されなければならない、という事実に関連する。
【００１２】
連結プレートは、伸展曲線に沿って供給ラインを送り込むように好適に設計された凹部を、流体室の間に有していると有利である。この凹部は、マニピュレータの中立ファイバー付近での、供給ライン、具体的には流体供給ラインおよび／または給電ラインの配設を容易にする。中立ファイバーは、マニピュレータが湾曲した際に、長さの変化を受けないマニピュレータの伸展曲線のことである。中立ファイバー付近に供給ラインを配設することによって、マニピュレータが湾曲した際に、供給ラインと、上記凹部の境界をなす連結プレートとの間に、最小限の相対運動しか生じないので、運動に対するマニピュレータの抵抗、および、供給ラインの磨耗に有利な効果をもたらす。
【００１３】
隣接する連結プレートの間にある、流体室の上述の１つまたは複数の弾性変形可能な壁部は、好ましくは回転対称な、具体的には二重S字外形を有する、蛇腹状であることが好ましい。このような手段により、各連結プレートの最小膨張と最大膨張との間の有利な関係を、具体的には長手膨張方向に、得ることが可能である。流体室の弾性変形可能な壁部は、例えば中立位置としての役割も果たし得る最小膨張の間は、面法線が好適な鋭角を囲む、隣接部分を有する。流体室の長さ変化をもたらす、流体室のあらゆる容積変化においても、最小膨張に始まって、弾性変形可能な壁部の隣接部分は、互いに対して傾いている。最大膨張に達すると、隣接部分の面法線は少なくとも略平行に並ぶ。
【００１４】
本発明の１つの展開では、流体室が、伸展曲線に平行に調整された力については、伸展曲線に対して直角に調整された力についての線形変形抵抗よりも、大幅に小さい線形変形抵抗を有するように設計される態様が提供される。この展開は、具体的には流体室の弾性変形可能な壁部の、材料および形状的寸法を適切に選択することによって実現される。流体室は、加圧下での最大の形状変化が伸展曲線に平行に調整されるように設計されることが好ましく、また、流体室は、伸展曲線方向の線形変形抵抗が、伸展曲線に直角な線形変形抵抗の、好ましくは５０パーセント未満、具体的には２０パーセント未満の割合となるように設計されることが好ましい。こうすることにより、マニピュレータが、伸展曲線の周囲におけるトルクについて高いねじれ強さを有することが実現される。このようなトルクは、流体室に対するスラスト荷重をもたらす。しかしながら、流体室の、荷重方向の高い線形変形抵抗により、これらのスラスト荷重は、流体室にわずかな変形を生じさせるにすぎない。
【００１５】
本発明の１つの展開では、複数のマニピュレータ分節が結合してマニピュレータ部を形成し、このマニピュレータ部は、別のマニピュレータ部の対応する継手が取り付けられるように設計された継手を、少なくとも１つの端部に有する態様が提供される。マニピュレータは、少なくとも２つのマニピュレータ部から形成されることが好ましく、各マニピュレータ部は、互いに独立して流体加圧され得る。したがって、マニピュレータのS字型曲線を生み出すことが可能である。
【００１６】
隣接するマニピュレータ部は、いずれの場合にも、少なくとも２つの個別制御可能な流体室を有することが好ましい。このような手法により、いずれの場合にも、少なくとも１つ、好ましくは２つの運動面において、具体的には互いに対して直角に配列された運動面において、各マニピュレータ部の撓みを実現することが可能である。特に好ましいのは、具体的には、一定の分角で配置され、個別制御可能であり、球形運動空間におけるマニピュレータ部の端部の撓みを容易にする、３つの流体室からなる少なくとも１つのマニピュレータ部を備えることである。
【００１７】
流体的に連結された流体室は、少なくとも１つのバルブ装置を割り当てられていると、好都合である。バルブ装置は、マニピュレータ部の側面に取り付けられることが好ましく、また、少なくとも１つの流体ラインを介して各流体室と連通連結していることが好ましい。少なくとも１つの流体ラインは、例えば別個のホース、あるいは、流体室および連結プレートと一体化したダクトの形態であってもよい。
【００１８】
本発明の１つの展開では、バルブ装置は制御ユニットに電気的に接続され、この制御ユニットは、バルブ装置を制御するように設計され、かつ、少なくとも１つのマニピュレータ部に割り当てられた少なくとも１つの曲率センサを用いて、マニピュレータ部の端部を位置制御するように設定されている態様が提供される。バルブ装置と接続していることにより、制御ユニットは、バルブ装置によって実行される流体室への選択的加圧によって、１つまたは複数のマニピュレータ部を目標通りに変形させることができる。３次元空間における事前設定可能な地点に、マニピュレータの遠位端部を可能な限り正確に位置決めし易くするために、端部の位置制御が提供される。この位置制御では、制御ユニットは、１つまたは複数の曲率センサによって供給される曲率信号を利用する。バルブ装置と制御ユニットとの間の通信は、例えば無線リンクを通じるように、無線であることが好ましい。
【００１９】
少なくとも１つの流体室は、加圧に起因するフレキシブルな壁部の伸長運動に対抗する、流体室の復元運動を補助するように設計された、復元手段を割り当てられていると有利である。復元手段を用いることで、マニピュレータの運動原動力は高まり得る。その理由は、復元運動は、流体室への加圧による各流体室の膨張位置から、流体室が内部加圧のない状態で取る中立位置に至るまで、加速されるからである。この復元運動の加速は、流体室の弾性変形によってフレキシブルな壁部に蓄えられた復元エネルギーに加えて、さらなる復元エネルギーも復元手段によって与えられる、という事実に具体的には起因する。したがって、復元運動中に実現される弾性壁部の弾性復元は、適切な復元手段を用いない弾性復元に比べて、より短い時間で実現可能であり、その結果、原動力に所望の改善が実現され得る。このことは、具体的には、マニピュレータの運動速度がより高速化することに現れている。さらに、例えばマニピュレータが天井から吊るされている場合のように、圧力を加えなくても流体室の固有重量が流体室の少なくとも部分的な膨張をもたらすように、マニピュレータが使用される場合には、復元手段は、適切に設計されれば、マニピュレータの固有重量の少なくとも部分的な補償にも用いられ得る。
【００２０】
復元手段が、流体室内および／または隣接する流体室の間で作用する、復元力をもたらすように設計されることは、特に好ましい。復元手段は、対向するフレキシブルな壁部の間、またはフレキシブルな壁部と、一定形状の壁部との間で、力の伝達が行われるように、例えば設計されてもよい。復元手段はまた、２つまたはそれ以上の流体室にわたって延在してもよい。流体室は、それぞれの端部の流体室に復元手段が連結された状態で、互いに並んで伸展曲線に沿って整列していることが好ましい。復元手段は、端部の流体室の間に隣接して並べられた流体室にも連結されていることが好ましい。復元手段の復元力は、各流体室内部の内力、または、隣接する流体室の間の内力もしくは外力、のいずれかとして作用し得る。
【００２１】
本発明の１つの有利な展開では、復元手段は、少なくとも１つのばね装置を含み、この少なくとも１つのばね装置は、流体室内部において、隣接する壁部、具体的には対向する壁部に、取り付けられている態様が提供される。所望の復元力は、例えばコイルばねまたは螺旋ばねのような、ばね装置によって、簡単な態様でもたらされ得る。各流体室の内部に取り付けられていることによって、ばね装置のために追加的な空間が必要になることはないので、線形で次第に減少または次第に増大して作用するばねが対象となり得る。
【００２２】
復元手段は、隣接する、具体的には直接隣接する、流体室および／または連結プレートを相互に連結する、少なくとも１つのばね装置を備えていることが好ましい。このことは、例えば、ばね装置のばね特性をマニピュレータの別の用途に適用可能にするために、ばね装置が交換可能に設計されている場合に有利である。
【００２３】
ばね装置は、伸展曲線の対応する部分と幾何学的に相似な中立ファイバーを備えた、包絡面形状を有していると有利である。このようにすれば、マニピュレータの少なくともほぼ全ての動作状態において、ばね装置がマニピュレータに対して密に備え付けられていることが実現されるため、マニピュレータの空間的伸長に何ら悪影響を及ぼすことはない。
【００２４】
流体室および／または連結プレートに、ばね装置を取り付けるための、具体的には一体成形された取付け領域が設けられていると、好都合である。取付け領域は、ばね装置が好適にぴったり合うように取り付けられるように設計されており、隣接する、具体的には直接隣接する、流体室の間または連結プレートの間での、有利な力の伝達を可能にする。取付け領域は、ばね装置のばね端部、具体的には螺旋ばねのばね端部が掛けられ得る、例えば鳩目の形状であってもよい。
【００２５】
本発明の１つの展開では、ばね装置は、少なくとも１つの流体室および／または連結プレートと一体化している。対応するばね装置は、流体室の外面に取り付けられてよく、追加または代替として、流体室に境界を定められる容積部に設けられてもよい。ばね装置は、生成的製造プロセス、具体的にはレーザー焼結プロセスにおいて、各流体室とともに、または、流体室および連結プレートの組立体とともに、製造されることが好ましい。特に好適であるのは、ばね装置が各流体室または流体室群の弾性特性に非常に適合しているために、流体室の無加圧静止位置の方に向けてばね装置が付勢され、流体室の好ましい位置に至ることである。
【００２６】
復元手段は、部分真空装置を含んでいると有利である。この部分真空装置は、流体室の１つまたは複数において、部分真空をもたらすように設計されている。部分真空装置を用いることで、ばね装置の作用に加えて、または、ばね装置の作用に代わって、流体室または流体室群の部分真空加圧を介して、復元力が得られ得る。さらに、流体室によって取り込まれた流体量が、マニピュレータ部からより迅速に引き出され得るように、流体室の部分真空加圧中に強制通気が発生し、その結果、流体室はより迅速に中立位置に復元することになる。事前設定可能で優先的な流体室の設定を生成するために、より迅速な流体室の通気と、流体室に部分真空をもたらすという追加的選択肢との複合作用を介して、マニピュレータの原動力は、有利な態様で増大され得る。
【００２７】
部分真空装置は、バルブ装置と、具体的にはバルブ装置の排気ダクトと、流体接続しており、バルブ位置に応じて、割り当てられた流体室の部分真空加圧を可能にすることが好ましい。このようにして、部分真空装置と、各流体室または流体室群との間に有利な流体接続が得られる。流体室または流体室群に部分真空をもたらすための追加的な流体ラインは不要であり、それどころか、流体室への流体供給および流体室からの流体除去の全般を、単一の流体ラインを介して実現することが可能である。
【００２８】
部分真空装置は、各バルブ装置の作動状態に応じて部分真空をもたらすことができるように、制御ユニットによって制御されるように設計されていると有利である。このような手法によって、それぞれ割り当てられた流体室または流体室群の再設定が必要となった時点で、いずれの場合にも、目標とする部分真空がもたらされ得る。これは、部分真空要件に従って部分真空装置を作動させる、制御ユニットによって調整される。部分真空装置は、例えば、排出装置の原理に基づいて動作する部分真空を伴い得る。この排出装置の原理は、加圧された流体の貫流中に、各流体室または流体室群に部分真空をもたらす。この場合、部分真空装置への加圧された流体の供給は、制御ユニットと連動して作動するバルブ手段によって制御され、その結果、全体的にみて、よりエネルギー効率のよいマニピュレータの動作が実現され得ることが好ましい。
【００２９】
本発明の有利な実施形態が、以下の図面に図示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】機能的位置にある、３つのマニピュレータ部から構成されたマニピュレータの概略図である。
【図２】一列に並べられた、複数の一体型マニピュレータ分節から構成された、マニピュレータ部の斜視図である。
【図３】図２に記載のマニピュレータ部の断面図である。
【図４】隣接するマニピュレータ部を連結するための、継手の断面詳細図である。
【図５】マニピュレータ部の第２実施形態の断面図である。
【図６】マニピュレータ部の第３実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１に示されたマニピュレータ１は、形状が象の鼻状または蠕虫状であり、一例として、直列に配置された３つのマニピュレータ部２で形成される。マニピュレータ１は、図示されていない工具ホルダ、工具保持具、または工具を位置決めするために用いられ、これらの工具ホルダ、工具保持具、または工具は、遠位端部３に取り付けられ得る。マニピュレータ部２の各々は、以下に詳細に説明する流体室の加圧によって、互いに直角に配列された２つの運動軸を中心として湾曲し得る。さらに、適切に制御すれば、伸長の軸方向に各マニピュレータ部２を伸縮させることが可能である。よって、マニピュレータ部２の各々は、互いに同心状に配列された２つの球殻部によって境界を定められる運動空間において、各遠位端部を運動させる。マニピュレータ１の本実施形態における３つのマニピュレータ部２を連結することにより、３次元空間における地点は、マニピュレータ１の遠位端部３の互いに異なる方向性によって駆動され得る。このようにして、様々な処理動作にマニピュレータ１を柔軟に使用することが実現される。
【００３２】
図１に概略的にのみ示されるように、また、図２および３を参照してより詳細に以下に説明されるように、マニピュレータ部２の各々は、単一のユニットを形成するために相互に並べられ連結された、複数のマニピュレータ分節５から構成されている。マニピュレータ分節５の半径方向外面領域に設けられているのは、ガイド手段６であり、一例として、具体的には一体的なガイド鳩目として図示されている。ガイド手段６は、一例として制御ケーブルの形状を有するセンサ部品７をガイドする働きをする。センサ部品７は、マニピュレータ１の近位端部４に位置する曲率センサ８に接続され、また、遠位端部３の継手プレート９に固定されている。
【００３３】
曲率センサ８は、位置センサの形態であることが好ましく、位置データを生成するために、マニピュレータ１の運動中、曲率によって特定される各センサ部品７の相対運動を特定する。マニピュレータ１の例示された実施形態では、２つの曲率センサ８が設けられており、同じ分角で、また、伸展曲線１０から半径方向に同じ距離を隔てて、配置されることが好ましい。伸展曲線１０は、マニピュレータ１の中立ファイバーと一致することが好ましく、マニピュレータ１の中立ファイバーは、マニピュレータ部２の湾曲中に長さ変化を受けないマニピュレータ１内部の空間直線を含む。中立ファイバーの形状および伸展曲線１０は、マニピュレータ部２の湾曲に伴って変化する。全てのマニピュレータ部２が非湾曲状態である、マニピュレータ１の、図示されていない中立位置では、中立ファイバーおよび伸展曲線１０は一直線になっている。
【００３４】
曲率センサ８は、曲率センサ８からの長さデータを処理する制御ユニット１２に、接続ライン１１によって電気的に接続されている。この長さデータから、制御ユニット１２は、空間における遠位端部３の位置に基づいた遠位端部３の位置調整を参照して、３次元空間における遠位端部３の位置に関する位置データを特定する。この位置データは、制御ユニット１２によって、詳細には図示されていない圧力センサにより提供される圧力値と比較され得る。圧力センサは、各マニピュレータ部２の流体室に割り当てられ、制御ユニットによる位置調整データの特定を可能にする。
【００３５】
割り当てられたマニピュレータ部２の各々の曲率を大まかに特定したものに対応する位置調整データを、位置データと比較することによって、妥当性試験を行うことが可能である。この手法により、制御ユニットによって特定された位置データは、例えば遠位端部を現在位置から新しい位置に移動させるために、マニピュレータ１の軌道を計画する上での信頼できる基準として、保存および使用され得る。この目的のために、制御ユニット１２は、複数のバルブ装置１５を利用する。複数のバルブ装置１５は、接続ラインを介して制御ユニット１２に電気的に接続され、また、加圧された流体、具体的には圧縮空気を、マニピュレータ部２の流体室において遮断または放出するように設計されている。これについては、後に詳述する。
【００３６】
バルブ装置１５の各々は、入力側において圧縮空気源１６に接続され、 出力側において圧縮空気ホース１７に接続されている。一例として、圧縮空気ホース１７が、図２に見られる中央凹部１８を通って各流体室に導かれる態様が提供される。流体ホース１７をマニピュレータの中立ファイバー付近に配置することによって、マニピュレータ部２が急激に湾曲したとしても、マニピュレータ１のあらゆる長さ変化を補償するために流体ホース１７の位置を変える必要は、全くないか、あるいは、ほんのわずかしかない。
【００３７】
図１〜３から、マニピュレータ１が伸展曲線１０に沿って先細になっていることが明らかである。これにより、マニピュレータ１の最適重量が得られる。その理由は、遠位端部３において吸収されるべきものは、主として、図示されていない工具または加工対象物の反作用である一方で、近位端部４においても、遠位端部３の重量によって生じる力を吸収することが必要だからである。
【００３８】
図２および３により開示されるように、図示されているマニピュレータ部２は、伸展曲線１０に沿って並べられた複数のマニピュレータ分節５から一体的に構成されている。例示的なマニピュレータ部２の中立位置では、図２および３に示されるように、伸展曲線１０は直線に沿って延在している。図示されていないマニピュレータ部の一実施形態では、中立位置の伸展曲線は、空間において、１方向または２方向に湾曲していてもよい。
【００３９】
マニピュレータ部２の構成について引き続き説明するには、マニピュレータ分節５が、３つの流体室２０が取り付けられた連結プレート１９をそれぞれ備えていることが前提となる。そのように定められたマニピュレータ分節５の境界線は、図３において破線２１および２２によって示されている。しかしながら、これは、マニピュレータ分節５の複数考えられる境界設定のうちの１つを意味しているにすぎない。マニピュレータ部２の図示された実施形態では、連結プレート１９は、本明細書では環状である３つの支持リング２３と、支持リング２３を連結するウェブ２４と、によって実質的に定められる。半径方向に内側の部分では、ウェブ２４は、中央凹部１８の境界をなしており、この中央凹部１８を通って、例えば図１に概略的に示される圧縮空気ホース１７が、中立ファイバー付近に送り込まれ得る。支持リング２３およびウェブ２４は、マニピュレータ１が意図した通りに使用される際に、使用時に生じる力によって、まったく変形されないか、あるいは、非常に限られた程度にしか変形されないような大きさにされている。その結果、明確に予測可能なマニピュレータ１の形状が、常に実現され得る。本件の場合、支持リング２３およびウェブ２４は固体材料で作られている。一体的に成形された流体室２０に面する支持リング２３およびウェブ２４の表面は、主拡張面２６を形成し、主拡張面２６の面法線は、伸展曲線１０に平行に配列される。
【００４０】
より迅速な製造、および、実質的に同じ安定性を保ちながらの軽量化を実現するために、マニピュレータ部２の製造方法に応じて、具体的には、選択的レーザー焼結などのような生成的製造方法を用いる場合には、支持リング２３および／またはウェブ２４もまた、例えばハニカム構造状に、特定の領域に凹部を有してもよい。
【００４１】
図３の断面図により開示されるように、連結プレート１９に一体的に取り付けられた流体室２０は、支持リング２３およびウェブ２４より大幅に小さい壁厚を有する。一例として、流体室２０は、その全長にわたって壁厚が一定となるように作られているため、弾性変形可能な連続的な壁部２５を有する。例示的な壁部２５は、蛇腹の形状で実施され、図示されているような中立位置では、二重S字外形を有する回転対称となっている。このようにして、加圧された流体、具体的には圧縮空気が流体室２０に供給されると、流体室２０の大きな容積変化が得られ得る。容積変化の間、壁部２５の弾性変形が起こり、関係する流体室２０の長さ変化が引き起こされる。各マニピュレータ分節５の例えば３つの流体室２０が、連結プレート１９によって運動学的に連結されているため、流体室２０の端部の境界をなすマニピュレータ分節５の連結プレート１９の傾斜、または、連結プレート１９の直線運動が得られ得る。１つまたは２つの流体室２０が均一な圧力を受けた場合、１つまたは２つの流体室２０は長さ変化を受ける一方で、残り２つの流体室２０、または残り１つの流体室２０は、壁部２５の弾性特性によって、少なくとも実質的には長さ変化を受けない。このことにより、連結プレート１９は、隣接する連結プレート１９に対して傾斜する。３つの流体室２０の全てが同じ流体圧力を受けた場合、３つの流体室２０の全てが、同一の長さ変化も受けることになり、その結果、隣接する連結プレート１９の直線相対運動が生じる。
【００４２】
マニピュレータ部２の本実施形態では、伸展曲線１０に沿って連続して配置された、隣接するマニピュレータ分節５の流体室２０は、相互に連通するように連結され、その結果、共通する圧力室２８が形成される。図示されていないマニピュレータ部の一実施形態では、１つのマニピュレータ分節の例えば３つの流体室は、それぞれ流体的に隔てられており、隣接するマニピュレータ分節の流体室から個別に流体圧力を受け得る。
【００４３】
図２および３に示されるマニピュレータ部２は、図１に示されるマニピュレータ１の近位端部を形成し、この目的のために、アンカープレート２９を有する。アンカープレート２９は、マニピュレータ分節５の形状を有し、３つの流体室２０を同様に備えている。外側に向いている一端面において、アンカープレート２９は、図示されていない固着面に取り付けられるように設計されている。固着面は、例えば、産業用ロボットもしくは剛体の機械フレームの端部、または、車両の表面であってもよい。圧力室２８の各々についてアンカープレート２９に形成されているのは、流体連結部３０である。流体連結部３０は、本明細書ではドリル穴の形状を有し、流体連結部３０には、圧縮空気ホース１７（図示せず）が接続され得る。
【００４４】
図２および３に示される、マニピュレータ部２の、アンカープレート２９の反対側の端部に形成されているのは、詳細として図４に示される第２継手３２に連結されるために設けられた、第１継手３１である。第１継手３１は、連結プレート１９と同様の外形を有し、支持リング２３に代わってカバーディスク３３が設けられている。これらのカバーディスクは、隣接する流体室２０をそれぞれ密封する。第１継手３１の外向きの上面に設けられているのは、連結リング３４である。連結リング３４は、例えば、流体室２０と同心状に配置されており、また、本明細書ではそれぞれ半径方向に延在するとともに、一例として同じ分角で配置される、４つのねじ穴３５を有する。半径方向外側を通り、本明細書では流体室２０と同心状である、連続的なセンタリングカラー３６と共に、連結リング３４は、位置決め溝３７の境界をなしている。
【００４５】
図示されていないマニピュレータ分節の第２継手３２は、図２および３に示されるマニピュレータ部２との連結のために設けられており、図４に記載の断面図に示されるように、位置決めスロット３７に位置決めされるために設けられたセンタリングリング３８を備えている。センタリングリング３８は、ねじ穴３５と同軸状に通じて２つの継手３１と３２との螺合連結を可能にする、図示されていない貫通孔を有する。継手３１と３２との連結に用いられる、図示されていないねじのねじ頭に接触できるように、半円筒形の凹部３９がセンタリングカラー３６に設けられており、第２継手３２の図示されていない端面にも、同様に設けられている。第１継手に形成されているのは、センタリングカラー３６および連結リング３４を貫通する、半円筒形のホースダクト４０であって、ホースダクト４０は、第２継手３２にも、図示されていない態様で同様に設けられている。ホースダクト４０は、図４において破線で示されている圧縮空気ホースを、第２継手３２の入口穴４１を通してマニピュレータ分節２の圧力室２８の中に送り込むことを可能にする。同時に、圧縮空気ホース１７は、ホースダクト４０と入口穴４１との間での強制湾曲によって、安全に固定される。
【００４６】
図５および６に断面の形で示されるマニピュレータ分節７０および８０は、図１〜３に示されるマニピュレータ部２および３４と同じ態様で、並べられた一体型の流体室７１および８１から構成されている。マニピュレータ分節７０の場合には、流体室７１にばね装置７５が設けられている。ばね装置７５は、それぞれ連結プレート７３の間に延伸しており、例えば、連結プレート７３およびフレキシブル壁部７２と一体的に構成される。ばね装置７５は、例えば、らせん引張ばねの形状を有し、それぞれ隣接する連結プレート７３に引張力を伝える。ばね装置７５は、図示されている流体室７１の静止位置においてさえ、流体室７１への加圧によって発生する伸長運動とは正反対の、予張力を有するように設計されていることが好ましい。流体室７１がそのように加圧されている間、後者は伸展曲線１０に沿って軸方向に伸長し、それがばね装置７５の伸長をも引き起こす。ばね装置７５の内部張力は、それにより増大し、その結果、隣接する連結プレート７３の間の引張力も、具体的には直線的に、増大する。このようにして、所望の復元力が各流体室７１に対して作用する。
【００４７】
流体室７１への流体供給は、図１に関連して既に述べられた構成、すなわち、制御ユニット１２、バルブ装置１５、圧縮空気源１６、および圧縮空気ホース１７を備える構成によって、実現される。図５に示される実施形態では、部分真空装置９０も設けられているが、部分真空装置９０は、例えば排出装置の原理に従って構成されてもよい。バルブ装置１５と同様に、部分真空装置９０は、接続ライン１１によって制御ユニット１２に電気的に接続され、また、圧縮空気源１６から延びている供給ライン９１に接続される。部分真空装置９０には、供給ライン９１を介して利用可能となる圧縮空気を遮断または放出するための、図示されていない内部バルブが備えられることが好ましい。その結果、制御ユニット１２から部分真空装置９０への切替信号に応じて、部分真空ライン８２を介してバルブ装置１５の空気出口連結部に、部分真空がもたらされ得る。
【００４８】
例えば、部分真空装置９０は制御ユニット１２によって作動され、図示されていない伸長長さ位置から図５に示される静止位置に戻るために、バルブ装置１５に流体的に接続された流体室７１が通気された場合に、部分真空がもたらされる。部分真空装置９０は、流体室７１のより迅速な通気に寄与する。より迅速に中立位置をとるために、部分真空装置９０によって、流体室７１に、マニピュレータ分節７０を取り巻く大気の圧力より低い、部分真空をもたらすこともまた可能である。このようにして、マニピュレータの特に高い運動原動力が得られ得る。図５に示されるばね装置７５および部分真空装置９０は、併用する形で、または個別に、関係のあるマニピュレータ分節７０に取り付けられ得る。図５に示される併用例は、これら２つの異なる復元手段が必ず共に設けられなければならないことを示唆していると解釈されるべきではない。
【００４９】
図６に示されるマニピュレータ分節８０の第３実施形態は、図５に示されるようなマニピュレータ分節７０の第２実施形態とは対照的に、外部に取り付けられたばね装置８５および８６を有する。これらのばね装置８５および８６は、互い違いに使用されることが好ましいが、図６に示されるように、混合された態様で設けられてもよい。図５に記載のマニピュレータ分節７０のばね装置７５が、連結プレート７３および壁部７２と一体的に構成されているのに対し、図６に記載の実施形態では、ばね装置８５および８６の個別に構成されたタイプが提供されている。ばね装置８５および８６を有利に取り付けるために、伸展曲線１０に対して直角に突出する鳩目８６が連結プレート８３に設けられている。鳩目８６の各々は、ばね装置８５および８６の各々の端部を、ぴったり合うように保持するためのドリル穴を有する。ばね装置８５および８６は、その中立ファイバー８８が伸展曲線１０と相似の幾何学的経路を有する、例えば円筒形の包絡曲線８７を有するらせんばねである。図５に記載の実施形態にもあるように、図６に記載の実施形態における流体室８１への流体供給は、部分真空装置９０によって補完されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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