(57)【要約】【課題】表面に凹凸のある対象物、例えば人間等６０の皮膚に薬剤を塗布する専用の塗布機構を実現する場合、高価なシステムを用いて対象物の形状を事前に高い精度で測定する必要がなく、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対し、安価で素早い応答特性を有する塗布システムを提供する。【解決手段】塗布システム１は塗布機構１０ａ等と駆動部２０とを備えており、塗布機構１０ａ等は、人間等６０の背中等の外部との接触部分ｔｏｐを有する塗布部１２と、接触部分ｔｏｐの反対側（内側）に片側が接続され、接触部分ｔｏｐの外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部１４と、伸縮部１４の他の片側と接続され、伸縮部１４の伸縮量を測定する測定部１６とを備えている。駆動部２０は、測定部１６により測定された伸縮部１４の伸縮量に応じて塗布機構１０ａ等の運動を変化させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部との接触により塗布を行う塗布機構と、該塗布機構を支え駆動する駆動部とを備えた塗布システムであって、
前記塗布機構は、
外部との接触部分を有する塗布部と、
前記接触部分の反対側に片側が接続され、該接触部分の外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部と、
前記伸縮部の他の片側と接続され、該伸縮部の伸縮量を測定する測定部と
を備え、
前記駆動部は、前記測定部により測定された前記伸縮部の伸縮量に応じて前記塗布機構の運動を変化させることを特徴とする塗布システム。
【請求項２】
請求項１記載の塗布システムにおいて、前記塗布機構を３台備え、前記駆動部は、各測定部により測定された各伸縮部の伸縮量に基づき各接触部分により形成される外部との接平面を求め、該接平面の傾きに応じて前記塗布機構の運動を変化させることを特徴とする塗布システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の塗布システムにおいて、前記伸縮部をバネとすることにより、前記測定部により測定された伸縮量に基づき力を計測し、該計測された力に基づき前記駆動部をコンプライアンス制御又は力制御することを特徴とする塗布システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の塗布システムにおいて、前記測定部はポテンショメータであることを特徴とする塗布システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の塗布システムにおいて、前記駆動部は３自由度の空間並進パラレル機構であることを特徴とする塗布システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の塗布システムにおいて、前記駆動部に接続された所定の広さの作業領域を有する多自由度機構部をさらに備えたことを特徴とする塗布システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部との接触により塗布を行う塗布機構と、当該塗布機構を支え駆動する駆動部とを備えた塗布システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面に凹凸のある対象物、例えば人間等の皮膚にスキンケア等のため薬剤を塗布する専用の塗布機構は、現在のところ見受けられていない。このような塗布機構を従来のロボット技術を利用して実現しようとする場合、対象物の形状を事前に高い精度で測定し取得しておく必要がある。このため、対象物までの距離をレーザで計測するレーザレンジセンサ（非特許文献１参照）またはステレオ視のためのステレオカメラ等のシステムが必要となる。
【０００３】
一方、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対応するためには、接触して塗布を行う部分にかかる力を検出するための力・トルクセンサが必要となる。
【０００４】
【非特許文献１】三浦宏文監修、「ハンディブック  メカトロニクス」、改訂２版、株式会社オーム社、平成１７年１１月２５日発行。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、表面に凹凸のある対象物、例えば人間等の皮膚に薬剤を塗布する専用の塗布機構を従来のロボット技術を利用して実現しようとする場合、対象物の形状を事前に高い精度で測定するために、レーザレンジセンサまたはステレオカメラ等のシステムが必要となる。しかし、これらのシステムは測定精度に応じて極めて高価なシステムとなってしまうという問題があった。上述のように、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対応するためには力・トルクセンサが必要となる。しかし、力・トルクセンサは高価であり、その上、力・トルクセンサを用いた力制御は応答特性が悪く、対象物の素早い変化に対応することは困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記問題を解決するためになされたものであり、表面に凹凸のある対象物、例えば人間等の皮膚に薬剤を塗布する専用の塗布機構を実現する場合、高価なシステムを用いて対象物の形状を事前に高い精度で測定する必要がなく、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対し、安価で素早い応答特性を有する塗布システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の塗布システムは、外部との接触により塗布を行う塗布機構と、該塗布機構を支え駆動する駆動部とを備えた塗布システムであって、前記塗布機構は、外部との接触部分を有する塗布部と、前記接触部分の反対側に片側が接続され、該接触部分の外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部と、前記伸縮部の他の片側と接続され、該伸縮部の伸縮量を測定する測定部とを備え、前記駆動部は、前記測定部により測定された前記伸縮部の伸縮量に応じて前記塗布機構の運動を変化させることを特徴とする。
【０００８】
ここで、この発明の塗布システムにおいて、前記塗布機構を３台備え、前記駆動部は、各測定部により測定された各伸縮部の伸縮量に基づき各接触部分により形成される外部との接平面を求め、該接平面の傾きに応じて前記塗布機構の運動を変化させることができる。
【０００９】
ここで、この発明の塗布システムにおいて、前記伸縮部をバネとすることにより、前記測定部により測定された伸縮量に基づき力を計測し、該計測された力に基づき前記駆動部をコンプライアンス制御又は力制御することができる。
【００１０】
ここで、この発明の塗布システムにおいて、前記測定部はポテンショメータとすることができる。
【００１１】
ここで、この発明の塗布システムにおいて、前記駆動部は３自由度の空間並進パラレル機構とすることができる。
【００１２】
ここで、この発明の塗布システムにおいて、前記駆動部に接続された所定の広さの作業領域を有する多自由度機構部をさらに備えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の塗布システムは塗布機構と駆動部とを備えており、塗布機構は、人間等の背中等の外部との接触部分を有する塗布部と、接触部分の反対側（内側）に片側が接続され、接触部分の外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部と、伸縮部の他の片側と接続され、伸縮部の伸縮量を測定する測定部とを備えている。駆動部は、測定部により測定された伸縮部の伸縮量に応じて塗布機構の運動を変化させることができる。伸縮部としてはバネを用い、測定部としてはポテンショメータを用いることができる。接触部分を有する塗布部をバネで保持することにより塗布部の質量を軽量にしたため、素早い応答特性を備えることができる。バネの長さを測定できるポテンショメータを導入することにより、接触部分の位置と力を測定できるため、バネの伸縮量の時間履歴から人間等のような対象物の形状や剛性を測定することも可能である。駆動部は、塗布機構の各測定部により測定された各伸縮部の伸縮量に基づき、各接触部分により形成される外部との接平面を求め、接平面の傾きに応じて塗布機構を駆動し、土台の位置および姿勢を最適なものへと制御することができる。測定部により計測された力に応じて駆動部をコンプライアンス制御または力制御することにより、事前の形状測定の精度を下げることが可能となり、コストダウンを実現することができる。さらに、塗布部のバネの持つ機械的ストロークを超えるコンプライアンス性を持たせることができるため、広い適応性を付加できる。また、塗布機構に接続された広い作業領域を保有する多自由度機構を用いることにより、広範囲の塗布を実現できる。測定部より得られたデータにより、適応的動作を行うことも可能である。また、このため、表面に凹凸のある対象物、例えば人間等の皮膚に薬剤を塗布する専用の塗布機構を実現する場合、高価なシステムを用いて対象物の形状を事前に高い精度で測定する必要がなく、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対し、安価で素早い応答特性を有する塗布システムを提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施例１における塗布システム１を示す。図１において、符号１０は外部との接触により塗布を行う塗布機構、２０は塗布機構１０を支え駆動する駆動部、４０は駆動部２０に接続された広い作業領域を持つ多自由度機構であるロボット・アーム部、５０は２眼ディジタルステレオビジョンシステム、６０は表面に凹凸のある対象物、例えば人間等、６２は人間等６０の（背中の）皮膚である。本発明の塗布システム１（狭義）の構成要素は塗布機構１０および駆動部２０であり、測定された力に応じてコンプライアンス制御または力制御が行われる。当該構成（狭義）に接続された多自由度機構であるロボット・アーム部４０を加えることにより、塗布機構１０により広範囲の塗布を実現する塗布システム１（広義）とすることができる。塗布システム１（広義）に２眼ディジタルステレオビジョンシステム５０を付加することにより、人間等６０の動きを検出することも可能である。
【００１６】
図２は、塗布システム１（狭義）の詳細を示す。図２で図１と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図２に示されるように、塗布機構１０を３台（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）備えることができ、駆動部２０は３台の塗布機構１０ａ、１０ｂおよび１０ｃ（以下、「塗布機構１０ａ等」と略す。）を支え駆動することができる。図２では、駆動部２０の例としてコンピュータ（不図示）により制御される３自由度の空間並進パラレル機構を示している。シリアル機構よりも素早い応答が可能なパラレル機構の特性を活用したものであるが、これはあくまでも一例であって塗布機構１０（または１０ａ等）を支え駆動することができるものであれば他の装置であってもよいことは勿論である。塗布機構１０ａ等の先端部が外部との接触部分であり、この先端部に薬剤を塗っておく。塗布機構１０ａ等の土台１８が、３自由度の空間並進パラレル機構２０およびロボット・アーム部４０により人間等６０の背中形状に合わせて移動することによって、薬剤が人間等６０の背中に塗布される。
【００１７】
図３は、３自由度の空間並進パラレル機構２０の詳細を示す。図３において、符号２１ａ、２１ｂおよび２１ｃはそれらの上部に設けられる塗布機構１０ａ等を支えるための部分、２７は土台部、２６は土台部２７に固定されたモータ、２９はモータ２６のモータ軸２６’（不図示）に接続されたリンク、２４ａはリンク２９をリンク２５ａ（不図示）側に接続するためリンク２５ａに設けられたジョイント、２８ａはリンク２５ａの一端にジョイント２４ｃにより取付けられたリンク、２８ｂはリンク２５ａの他端にジョイント２４ｄにより取付けられたリンク、２５ｂはリンク２８ａをジョイント２４ｅにより一端に取付け且つリンク２８ｂをジョイント２４ｆにより他端に取付けたリンク、２４ｂはリンク２５ｂに設けられたジョイント、２２は手先部（点線で示される三角形状のプレート）、２３は手先部２２とジョイント２４ｂとを繋ぐ固定部である。
【００１８】
図３に示されるように、リンク２５ａ、リンク２８ａ、リンク２８ｂおよびリンク２５ｂにより平行リンク機構Ａが構成されている。他の２つの平行リンク機構Ｂ（図３左側）およびＣ（図３右後方）も同様に構成されている。モータ２６が回転しモータ軸２６’を介してリンク２９が駆動されると、平行リンク機構Ａが動作し、この動作により他の２つの平行リンク機構ＢおよびＣも動作する。つまり、一つのモータ２６が回転すると、全部の平行リンク機構Ａ、ＢおよびＣが動作する。この場合、平行リンク機構ＢおよびＣのリンク２９に対応する部分は駆動していないため、手先部２２は土台部２７に対し常に平行を保ちながら１自由度の並進運動を行う。従って、各平行リンク機構Ａ、ＢおよびＣの３つのモータを回転させることにより、手先部２２は土台部２７に対し常に平行を保ちながら３自由度の並進運動を行うことができる。
【００１９】
図４は、塗布システム１（狭義）の組立図を示す。図４で図２および図３と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図４に示されるように、塗布機構１０ａ等は、人間等６０の背中等の外部との接触部分ｔｏｐを有する塗布部１２（１２（ｏｕｔ）は塗布部１２の外側、１２（ｉｎ）は塗布部１２の内側を示す。）と、接触部分ｔｏｐの反対側（内側）に片側が接続され、接触部分ｔｏｐの外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部１４と、伸縮部１４の他の片側と接続され、伸縮部１４の伸縮量を測定する測定部１６とを備えている。接触部分ｔｏｐが人間等６０の背中等に接触すると、塗布部１２の全体が図４上で下方へ押され、伸縮部１４が縮む。駆動部２０は、測定部１６により測定された伸縮部１４の伸縮量に応じて塗布機構１０ａ等の運動を変化させることができる。伸縮部１４としてはバネを用いることが好適である。バネ１４のバネ定数として人間等６０に損傷を与えない程度のものを選択することにより、適度の力で接触部分ｔｏｐに塗布された薬剤を人間等６０に塗布することができる。測定部１６としてはリニア型のポテンショメータを用いることができる。図４に示されるように、中空構造の塗布機構１０ａ等はその内部にバネ１４が設置され、ポテンショメータ１６によりバネ１４の伸縮量（長さ）が計測できるようになっている。この結果、測定された伸縮量から塗布部１２の位置が測定されると同時に、既知であるバネ係数からその時に発生する力を測定することができる。塗布システム１（狭義）は、ポテンショメータ１６により測定されたバネ１４の伸縮量に基づき、人間等６０の背中等に対する過大な力が発生しないように土台１８の動きを決定することができる。以上のように、接触部分ｔｏｐを有する塗布部１２をバネ１４で保持することにより塗布部１２の質量を軽量にしたため、素早い応答特性を備えることができる。バネ１４の長さを測定できるポテンショメータ１６を導入することにより、接触部分ｔｏｐにかかる力を測定できるため、バネ１４の伸縮量の時間履歴から人間等６０のような対象物の形状と剛性を測定することも可能である。上述の説明では、塗布部１２の先端の伸縮量を測定する方法としてリニア型のポテンショメータを使用したが、伸縮量を測定できるものであれば他の方法を用いてもよい。例えば、発光ダイオードと光センサ（ＰＳＤ：Position Sensitive Detector）とを組合せものを内部に置き、伸縮量によって変化する光の強度から長さ（伸縮量）を類推する方法を用いることもできる。
【００２０】
図４に例示されるように、リンク２９の長さは６０ｍｍ、リンク２８ａおよび２８ｂの長さは６０ｍｍ、手先部２２の中心Ｏ１とジョイント２４ｂとの間の長さは２４ｍｍ、土台部２７の中心Ｏ２とジョイントｊとの間の長さは２４ｍｍとした。これらの長さは例示的なものであって、対象物等に応じて適宜変更することができることは勿論である。図４では塗布部１２として指サック状の中空構造を示したが、接触部分ｔｏｐの反対側にバネ１４が接続されている構造であれば指サック状の構造に限定されるものではない。
【００２１】
図５は、塗布部１２ａ等により形成される接平面を示す。図５で図４と同じ符号を付した箇所は同じ要素を示すため説明は省略する。図５で、符号１２ａ、１２ｂ、１２ｃは各々塗布機構１０ａ、１０ｂ、１０ｃの塗布部、ｔｏｐａ、ｔｏｐｂ、ｔｏｐｃは各々塗布部１２ａ、１２ｂ、１２ｃの接触部分、Ｓは各接触部分ｔｏｐａ、ｔｏｐｂ、ｔｏｐｃにより形成される外部との接平面、Ｓｖは接平面Ｓの法線ベクトル、Ｌはｔｏｐａ、ｔｏｐｂ、ｔｏｐｃと土台１８との間の距離である。駆動部２０は、塗布機構１０ａ等の各測定部１６により測定された各伸縮部１４の伸縮量に基づき、各接触部分ｔｏｐａ、ｔｏｐｂ、ｔｏｐｃにより形成される外部との接平面Ｓを求め、接平面Ｓの傾き（法線ベクトルＳｖの水平面に対する傾き）に応じて塗布機構１０ａ等を駆動し、土台１８の位置および姿勢を最適なものへと制御することができる。
【００２２】
以上より、本発明の実施例１によれば、塗布システム１は塗布機構１０ａ等と駆動部２０とを備えており、塗布機構１０ａ等は、人間等６０の背中等の外部との接触部分ｔｏｐを有する塗布部１２と、接触部分ｔｏｐの反対側（内側）に片側が接続され、接触部分ｔｏｐの外部との接触に応じて伸縮可能な伸縮部１４と、伸縮部１４の他の片側と接続され、伸縮部１４の伸縮量を測定する測定部１６とを備えている。駆動部２０は、測定部１６により測定された伸縮部１４の伸縮量に応じて塗布機構１０ａ等の運動を変化させることができる。伸縮部１４としてはバネを用い、測定部１６としてはポテンショメータを用いることができる。接触部分ｔｏｐを有する塗布部１２をバネ１４で保持することにより塗布部１２の質量を軽量にしたため、素早い応答特性を備えることができる。バネ１４の長さを測定できるポテンショメータ１６を導入することにより、接触部分ｔｏｐの位置とこれにかかる力を測定できるため、バネ１４の伸縮量の時間履歴から人間等６０のような対象物の形状と剛性を測定することも可能である。駆動部２０は、塗布機構１０ａ等の各測定部１６により測定された各伸縮部１４の伸縮量に基づき、各接触部分ｔｏｐａ、ｔｏｐｂ、ｔｏｐｃにより形成される外部との接平面Ｓを求め、接平面Ｓの傾きに応じて塗布機構１０ａ等を駆動し、土台１８の位置および姿勢を最適なものへと制御することができる。塗布機構に接続された広い作業領域（所定の広さの作業領域。空間並進パラレル機構２０だけでは対応できないさらに広い作業領域）を持つロボット・アーム部４０を用いることにより、広範囲での塗布を実現することができる。また、測定部により計測された力データに基づき、駆動部２０およびロボット・アーム部４０においてコンプライアンス制御または力制御を行なうことができるため、事前の形状測定の精度を下げることが可能となり、コストダウンを実現することができる。さらに、塗布部のバネの持つ機械的ストロークを超えるコンプライアンス性を持たせることができるため、広い適応性を付加できる。このため、表面に凹凸のある対象物、例えば人間等６０の皮膚に薬剤を塗布する専用の塗布機構を実現する場合、高価なシステムを用いて対象物の形状を事前に高い精度で測定する必要がなく、対象物の動きおよび事前に検出できないような微細な凹凸に対し、安価で素早い応答特性を有する塗布システムを提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の活用例として、人間のスキンケア等のために薬剤を塗布する専用の塗布システムとして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１における塗布システム１を示す図である。
【図２】塗布システム１（狭義）の詳細を示す図である。
【図３】３自由度の空間並進パラレル機構２０の詳細を示す図である。
【図４】塗布システム１（狭義）の組立図である。
【図５】塗布部１２ａ等により形成される接平面を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  塗布システム、  １０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  塗布機構、  １２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  塗布部、  １４  伸縮部、  １６  測定部、  １８  土台、  ２０  ３自由度の空間並進パラレル機構、  ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  塗布機構１０を支えるための部分、  ２２  手先部、  ２３  固定部、  ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ  ジョイント、  ２５ａ、２５ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９  リンク、  ２６  モータ、  ２６’  モータ軸（またはジョイント）、  ２７  土台部、  ４０  ロボット・アーム部、  ５０  ２眼ディジタルステレオビジョンシステム。
【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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