(57)【要約】【課題】屈曲アームロボットを提供する。【解決手段】基部要素（１）と、少なくとも２つのジョイントブロック（５、１１）と、少なくとも３つの支持管（９、１６、１６’）と、動作手段（３０）と、機械式および電気式駆動手段と、電源（２８）の手段と、外部コンピュータ性能の手段（３２）とを含む屈曲アームロボットが記載される。パワーエレクトロニクスは屈曲アームロボット内に完全に統合される。各モータギヤユニットには、位置調整のためのマイクロコントローラが割り当てられ、各ギヤユニットの近傍に位置する。この配列によって、内部コンピュータ性能が得られ、この出力部は、機械式駆動手段および動作手段（３０）の側に局所的に分布して存在し、これによって局所的知能を形成する。外部インタフェース（２６）を介して、電源（２８）の手段および外部コンピュータ性能（３２）の手段へのアクセスが形成される。動作手段（３０）としてのセンサは、外部コンピュータ性能（３２）の手段の利用の下に学習能力を可能にする。屈曲アームロボットは、約０．５ｃｍの作用半径で僅かな重量（５．０ｋｇ未満、好ましくは３．０ｋｇ未満）、モジュール構造の高いフレキシビリティ、および自重に対する使用荷重の有利な比率を特徴とする。レール案内されるロボットまたは移動ロボットとして、このような屈曲アームロボットを静止して使用することが記載されている。【選択図】図１
2004520953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部要素（１）と、少なくとも２つのジョイントブロック（５、１１）と、少なくとも３つの支持管（９、１６、１６’）と、動作手段（３０）と、機械式および電気式駆動手段と、電源（２８）の手段とを含む屈曲アームロボットにおいて、
前記機械式駆動手段が、基部要素（１）内に、ジョイントブロック（５、１１）内に、および支持管（１６、１６’）内に存在する少なくとも４つのモータギヤユニット（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）から構成されることと、前記電気式駆動手段が、基部要素（１）内におよび支持管（９）内に存在する少なくともの４つのマイクロコントローラ（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５）から構成され、マイクロコントローラが前記各モータギヤユニットの駆動および調整のために割り当てられ、また前記各ギヤユニットに結合されかつ近傍に配列されることと、デジタルバスシステム（１５０）が前記電気式駆動手段と動作手段（３０）とを基部要素（１）内に存在する外部インタフェース（２６）で結合することと、前記インタフェース（２６）が、結合ケーブル（２７）を介して電源（２８）の手段と、第２の結合ケーブル（３１）を介して外部コンピュータ性能（３２）の手段と結合されることと、前記マイクロコントローラ（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５）の配列によって内部コンピュータ性能が付与され、前記内部コンピュータ性能が、前記機械式駆動手段および動作手段（３０）に局所的に分布して存在し、これによって局所的知能を形成することと、前記機械式駆動手段が、ジョイントブロック（５、１１）と、支持管（９、１６、１６’）と、動作手段（３０）とを移動するために設けられ、このために、前記電気式駆動手段の前記局所的知能と、前記外部コンピュータ性能（３２）の手段の外部知能とが利用可能であることと、パワーエレクトロニクス全体が統合されることと、を特徴とする屈曲アームロボット。
【請求項２】
前記対応するマイクロコントローラ（２０１）を有する第１のモータギヤユニット（１０１）が、基部要素（１）内にあり、また第１の軸（６）を中心とする運動のために約３６０°の回転角α（１）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の屈曲アームロボット。
【請求項３】
第２のモータギヤユニット（１０２）がジョイントブロック（５）内で前記ジョイント軸または第２の軸（７）内に軸方向に位置し、前記対応するマイクロコントローラ（２０２）が支持管（９）内にあり、かつ第２の軸（７）を中心とする運動のために約１５０°の回転角α（２）が設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載の屈曲アームロボット。
【請求項４】
第３のモータギヤユニット（１０３）が、第２のジョイントブロック（１１）内で前記ジョイント軸または第３の軸（１２）内に軸方向に位置し、対応するマイクロコントローラ（２０３）が支持管（９）内にあり、また第３の軸（１２）を中心とする運動のために約２４０°の回転角α（３）が設けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項５】
第４のモータギヤユニット（１０４）が支持管（１６’）内に、また前記対応するマイクロコントローラ（２０４）が支持管（９）内にあり、第４の軸（１９）を中心とする運動のために約２４０°の回転角α（４）が設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項６】
第５のモータギヤユニット（１０５）が支持管（１６’）内に、また前記対応するマイクロコントローラ（２０５）が支持管（９）内にあり、第５の軸（２３）を中心とする動作手段（３０）の運動のために設けられることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項７】
前記支持管（９、１６’）が、前記ジョイントブロック（５，１１）または動作手段（３０）から簡単に分解可能、交換可能、および用途に合わせて適合可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項８】
前記支持管（１６’）がテレスコープ状に形成されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項９】
位置検出のための前記機械式駆動手段が、位置調整のために設けられる増分エンコーダを備え、信号処理が、前記電気式駆動手段の対応するマイクロコントローラによって直接、または軸毎に局所的に行われることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１０】
前記増分エンコーダが、前記対応するモータギヤユニット（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）のモータブロック内に統合されて存在することを特徴とする、請求項９に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１１】
前記動作手段（３０）がセンサを含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１２】
センサとして、ＩＲセンサ、ローカル力センサ、導電率センサ、伸長センサ、超音波センサ、レーザおよび小型カメラが設けられることを特徴とする、請求項１１に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１３】
学習能力を高める冗長センサを形成する種々の方式のセンサが存在することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１４】
前記動作手段（３０）が、それに回転可能に支持された能動ジョイント（３４、３５）を有するグリップアーム（３３）として形成され、前記能動ジョイントは、重力を利用して垂直の配向に常に留まることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１５】
前記ジョイントブロック（５、１１）と前記支持管（９、１６、１６’）と前記動作手段（３０）とを移動するために、適応調整部およびフィードフォワード回路パラメータが設けられ、その操作、またはその算出のために、外部コンピュータ性能（３２）のその手段が利用可能であり、また人工知能のアルゴリズムによって学習能力が付与されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１６】
操作が保護格子なしに行われることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１７】
前記屈曲アームロボットの重量が５．０ｋｇ未満、好ましくは３．０ｋｇ未満であることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１８】
最大使用荷重に対する自重の比率が、最小５．０であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項１９】
前記屈曲アームロボットが、静止位置において１０．５ｃｍ×３３ｃｍ×３３ｃｍの最大寸法を有することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２０】
前記支持管（１６’）がフランジ（２２）を備え、前記フランジにおいて、前記デジタルバスシステム（１５０）が、前記動作手段（３０）に至る前記インタフェースで利用可能であることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２１】
前記電気式駆動手段（２００）が、機械的な干渉、または構成要素の交換を必要とすることなしにファームウェア更新を可能にするインサーキットプログラミング可能なフラッシュメモリを備えることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２２】
前記電源（２８）の手段が１２Ｖの蓄電池から構成されることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２３】
前記最大消費電力が３０ワットであることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２４】
前記基部要素（１）、前記ジョイントブロック（５、１１）、および前記動作手段（３０）が面取りしたエッジを備えることを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２５】
回転軸のための留めボルトによって、過度の力作用に対する保護を保証する保護箇所がモータ軸からアルミニウム構造の移行部に存在することを特徴とする、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２６】
軸受用に玉軸受または平軸受が設けられることを特徴とする、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２７】
前記ケーブル配線が内部で行われることを特徴とする、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項２８】
静止台の上に固定取り付けされる請求項１〜２７のいずれか１項に記載の屈曲アームロボットの使用。
【請求項２９】
レールによって案内されるロボットとしての移動式の台（５０）上の請求項１〜２７のいずれか１項に記載の屈曲アームロボットの使用。
【請求項３０】
移動ロボットとしての移動式の台（５０）上の請求項１〜２７のいずれか１項に記載の屈曲アームロボットの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の屈曲アームロボットおよび請求項２８〜３０に記載の屈曲アームロボットの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動ロボットは、今日、ますます大きな役割を果たしつつある。しかし、大部分のマニピュレータは、その実用的な有用性を欠いているか（（例えば、非特許文献１）メラー（Ｍｏｅｌｌｅｒ）ら、１９９８）、あるいはこれらのマニピュレータは特定の用途のみに使用できる（非特許文献２：トッピングとスミス（Ｔｏｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｍｉｔｈ）、（２０００））。産業用ロボットアームおよび移動プラットフォームとの組み合わせもほとんど不可能であるが、この理由は、固定、エネルギ供給、コンピュータ性能および空間需要における前提条件が互いにくい違うからである。（非特許文献３：オノリ（Ｏｎｏｒｉ）等（２０００））は、ハイパフレキシブル自動組立システムを記載している。このコンセプトは、小さなフレキシブルユニットで動作ステップを次第に自動化するように、手動組立から自動組立への移行を意図している。この場合、手動および自動操作の共存が強調されている。種々の標準化された構成要素からそれぞれの自動化システムを組み立てることが、提案されている。しかし、この原則は、標準化手順の理由から今日まで貫徹できていない。
【０００３】
（特許文献１）において、予想外の障害から保護するための機構が記載されている。このために、プログラミングされた運動または予想されるセンサ信号から偏差するアームセンサおよびアーム運動を記録する付属制御システムが使用される。このシステムは、非常に様々な種類の不都合に対して使用することができる。
【０００４】
（特許文献２）によれば、上下運動および互いに垂直に位置する２つの水平方向を有する運搬可能なロボットのために設計されるフレキシブルロボットアームが公知である。このアームは、移動プラットフォームのために構想されている。このロボットは、特定の産業分野の大きな荷重のために構想されている。その重量および多分野に使用できないことは不都合である。
【０００５】
（特許文献３）によれば、ハンドとリストジョイントとアームとを有する擬人化ロボットアームが公知である。ハンドは、基部プレートと、それぞれ複数のジョイントおよび一方向に回転できる反対側の親指を有する複数のフレキシブルフィンガと、を含む。アーム内部のアクチュエータは、各自由度を独立して駆動するので、人間の腕と同一の運動が可能である。
【０００６】
さらに、（特許文献４）には、産業用ロボット用のティーチング方法が記載されている。位置エンコーダは、アームの現在位置を示す信号を発生し、これに対し、手動制御の位置決めシステムは取るべき位置を記憶する。サーボ制御システムがこの信号に応答し、この結果、アームの現在位置はプレーバックの間に所望の位置を走行する。アームは、トレーニング中に所望の位置に手動で移動することができる。
【０００７】
（特許文献５）によれば、医学用途のための小型ロボットが公知である。この小型ロボットは、ロボットの小型化において大きな進歩を示し、またロボットによって潜在的に引き起こされる損傷が最小のまま維持されるように、小型化を計ることができるかを示している。
【０００８】
上記システムの不都合は、
ａ）相互の信頼性の理由から、作業を実施するための人間とロボットとの協働の機能がなお劣っていること、
ｂ）工業的な取扱い業務を引き受ける屈曲アームロボットは、中型から小型の可動システムに取り付けるには余りに重すぎること、
ｃ）パワーエレクトロニクスが別個のボックスに格納され、このボックス自体が、その大きな寸法およびその重量によってロボットの移動使用を制限すること、
ｄ）ロボットが中央ユニットで計算を行い、これによってアクチュエータおよびセンサの領域に「局所的知能」が存在せず、このことが不必要に長いケーブル配線を必要とし、またロボットの学習能力の可能性を制限すること、
ｅ）工業的な要件を満たし、かつ家内部門ならびにサービス部門の業務のために簡単に使用できる屈曲アームロボットを利用できないこと、
ｆ）ロボットの動作手段が、異なる状況および条件において業務の実施を可能にするセンサを利用できないこと、および
ｇ）最大使用荷重に対する自重の比率が高すぎることである。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，６４１，２５１号明細書
【特許文献２】ＥＰ０６１６８７４号明細書
【特許文献３】米国特許第４，９８６，７２３号明細書
【特許文献４】米国特許第４，７３７，６９７号明細書
【特許文献５】ＣＮ１，２２５，５２３号明細書
【非特許文献１】メラー（Ｍｏｅｌｌｅｒ），Ｒ．，ランブリノス（Ｌａｍｂｒｉｎｏｓ），Ｄ．，プファイファー（Ｐｆｅｉｆｅｒ），Ｒ．，ヴェーナー（Ｗｅｈｎｅｒ），Ｒ．（１９９８）：移動式ロボットのビジュアルホーミングのインセクト方式（Ｉｎｓｅｃｔ  ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ  ｏｆ  ｖｉｓｕａｌ  ｈｏｍｉｎｇ  ｉｎ  ｍｏｂｉｌｅ  ｒｏｂｏｔｓ）。プロセスコンピュータビジョンおよび移動ロボットワークショップ（Ｐｒｏｃ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｏｂｉｌｅ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ＣＶＭＲ’９８，３７−４５，ＦＯＲＴＨ，ヘラクリオン（Ｈｅｒａｋｌｉｏｎ），ギリシャ，１９９８。
【非特許文献２】マイク・トッピング（Ｍｉｋｅ  Ｔｏｐｐｉｎｇ），ジェーン・スミス（Ｊａｎｅ  Ｓｍｉｔｈ）（２０００）：Ｈａｎｄ１−重度身体障害者用のリハビリテーションロボットシステム（Ａ  Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓｅｖｅｒｅｌｙ  Ｄｉｓａｂｌｅｄ）。ロボットに関する第３１回国際シンポジウム議事録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３１ｓｔ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ），Ｍａｙ  １４−１７，２０００，モントリオール、カナダ；ｐｐ．２５４−２５７。
【非特許文献３】オノリ（Ｏｎｏｒｉ），Ｍ．，アルステマン（Ａｌｓｔｅｒｍａｎ），Ｈ．，ベルクダール（Ｂｅｒｇｄａｈｌ），Ａ．，ヨハンソン（Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ），Ｒ．（２０００）：ハイパフレキシブル自動組立、標準組立解決法の必要性と可能性（Ｈｙｐｅｒ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ，Ｎｅｅｄｓ  ａｎｄ  Ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）。ロボットに関する第３１回国際シンポジウム議事録（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ３１ｓｔ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ），Ｍａｙ  １４−１７，２０００，モントリオール、カナダ；ｐｐ．２６５−２７０。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、パワーエレクトロニクスが完全に統合され、僅かな重量および局所的に分布された内部コンピュータ性能を備え、外部コンピュータ性能の利用の下に学習能力を有し、これによって前述の不都合が除去される屈曲アームロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、上記課題は、請求項１に記載の趣旨による屈曲アームロボットによって解決される。
【００１２】
本発明について、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、屈曲アームロボットの基部構造の概略図である。基部要素１はその下側に固定要素２を備え、この固定要素の上方で基部要素が基部プレート３の上に固定される。基部要素の上側は水平面４を備え、この水平面にジョイントブロック５が面一に位置し、かつ軸６を中心に回転可能に支持される。ジョイントブロック５および基部要素は、約３６０°の回転角α（１）（図示せず）を有する軸６を中心とする運動のために第１の自由度を規定する。
【００１４】
軸は、基部要素１およびジョイントブロック５の中心に本質的に延在する。ジョイントブロック５の上部には、第２の軸７が軸６に対し垂直に配列される。この第２の軸７を中心にジョイント８が移動され、このジョイントは、「上方アーム」とも呼ばれる円筒状の支持管９により囲まれかつこれと固定結合される。支持管９およびジョイントブロック５は、回転角α（２）で示されている軸７を中心とする約１５０°の運動のために第２の自由度を規定する。支持管９の他方の端部には第２のジョイントブロック１１が取り付けられ、このジョイントブロックの中心を通して第３の軸１２が第２の軸７に対し平行に延在する。
【００１５】
上記の第３の軸１２を中心にジョイント１３が移動され、このジョイントは、「前方アーム」とも呼ばれる円筒状の支持管１６により囲まれかつこれと固定結合される。支持管１６および第２のジョイントブロック１１は、回転角α（３）で示されている軸１２を中心とする約２４０°の運動のために第３の自由度を規定する。
【００１６】
支持管１６は、第２のジョイントブロック１１の近傍に位置する、支持ロールの軸に対し垂直に位置するフランジ状の閉鎖部１８を備え、この閉鎖部の中心を通して第４の軸１９が支持ロールの軸に対し平行に延在する。
【００１７】
ジョイント１３と反対側の閉鎖部１８の側面は平面２１を備え、この平面に支持管１６の部分１６’が面一に位置し、かつ第４の軸１９を中心に回転可能に支持される。支持管１６の部分１６’および支持管１６は、軸１９を中心とする約２４０°の運動のために第４の自由度を規定し、これによって、回転角α（４）（図示せず）が形成される。
【００１８】
支持管１６’の他方の端部にはフランジ２２が取り付けられ、このフランジの中心を通して第５の軸２３が第４の軸１９に対し平行に延在する。
【００１９】
支持管１６’と反対側のフランジ２２の側面は平面２５を備え、この平面に、動作手段３０または別の自由度５〜７がその動作手段と面一に位置し、かつ第５の軸２３を中心に回転可能に支持または配列される。
【００２０】
基部要素、支持管、ジョイントブロックおよび動作手段はフライスおよび旋盤部として製造され、したがって、簡単に分解可能、交換可能、および用途に合わせて適合可能である。
【００２１】
基部要素１には、電気供給を含むシリアルデータ転送用の外部インタフェース２６が取り付けられる。このインタフェースから、結合ケーブル２７が電源２８の手段に至り、また第２の結合ケーブル３１が外部コンピュータ性能３２の手段に通じる。
【００２２】
動作手段３０は、問題解決に必要なグリップおよび他の工具であると理解されうる。形状および自由度の追加の数は、解決すべき課題に関係する。複数のセンサが重要な位置に存在することにより、操作すべき対象物のセンタリング、その検知および分類が可能になる。
【００２３】
センサとして、ＩＲセンサ、局所的な力センサ、導電性センサ、伸長センサ、超音波センサ、レーザおよび小型カメラが使用される。種々の方式のセンサが存在することにより、学習能力を高めるセンサの冗長性が形成される。
【００２４】
電源２８の手段として、１２Ｖの電源または１２Ｖの蓄電池が設けられる。１２Ｖの蓄電池によって、移動ロボットとしての使用が可能である。
【００２５】
外部コンピュータ性能３２の手段として、ＰＣ、ラップトップ、または他のロボットのプロセッサが設けられ、これらのすべては高いコンピュータ性能を利用できる。これによって、人工知能の領域からの複数の高価なアルゴリズム（ニューロンネットワーク、遺伝アルゴリズム、タブーサーチによって学習）、運動学等が平行して展開し、またマイクロコントローラのプロセッサの値をオンラインで変更できる。屈曲アームロボット上のファームウェアは、フィードフォワード回路およびメイン制御のために使用されるすべてのパラメータのオンライン修正を可能にするため、屈曲アームロボットは学習能力がある。ソフトウェアは内部データバンクを利用でき、学習能力のあるアルゴリズムを操作できる。
【００２６】
図２は駆動手段の構造および配列を示している。機械式駆動手段には、５つのモータギヤユニット１０１、１０２、１０３、１０４および１０５が含まれ、第１の機械式駆動手段は基部要素１に、第２の機械式駆動手段はジョイントブロック５に、第３の機械式駆動手段はジョイントブロック１１に、また第４および第５の機械式駆動手段は支持管１６’にある。モータギヤユニットには、位置検出用に増分エンコーダが設けられる。この場合、モータおよびエンコーダの共通に敷設できる不可欠な配線が有利であり、すなわち、モータのために唯一の接続箇所のみで済む。信号評価は電気式駆動手段の対応するマイクロコントローラによって直接行われる。位置調整の選択の際には、過負荷の場合のステップモータで知られているようないわゆる「電気的スリップ」がなくなる。
【００２７】
モータギヤユニットは、５つのマイクロコントローラ（モータコントローラとも呼ばれる）２０１、２０２、２０３、２０４および２０５から構成される電気式駆動手段によって制御され、これらのマイクロコントローラの内のそれぞれ１つがモータギヤユニット１０１、１０２、１０３、１０４および１０５に割り当てられる。第１のマイクロコントローラ２０１は固定要素２内にあり、別の４つのマイクロコントローラ２０２、２０３、２０４および２０５のすべては支持管９内にある。
【００２８】
マイクロコントローラは各モータギヤユニットと結合され（図示せず）、またその駆動および調整に使用される。同様に、固定要素２内にメインボードがあり、このメインボード上にマイクロコントローラの結合部が集約され、またこのメインボード上で外部インタフェースの管理が行われる。パワーエレクトロニクス全体はメインボード上にあり、またロボット内に完全に統合され、これは特に有利であることが明らかである。
【００２９】
デジタルバスシステムは電気式駆動手段と動作手段３０とを外部インタフェース２６とを結合する。これによって、長い距離にわたる例えば磁場に対するような敏感なアナログ信号がなくなる。この結果、干渉のない作動が得られ、これによって運動の精度が向上する。さらに、追加ラインなしに追加のコントローラによる拡張を行うことが有利である。
【００３０】
電気式駆動手段は、機械的な干渉または構成部品の交換を必要とすることなく、ファームウェア更新を可能にする「インサーキット」プログラミング可能なフラッシュメモリを備えることができる。
【００３１】
モータギヤユニット１０２および１０３をそれぞれのジョイント内に配列することによって、駆動部全体は、ジョイント軸に、すなわち第２の軸７または第３の軸１２に軸方向に位置する。これによって、他のジョイントによる遊び伝達が省略され、さらに、このことにより、組立およびメンテナンスの単純化が行われる。高価な外部伝動装置を回避しつつ、市販のモータギヤユニットが使用される。
【００３２】
ジョイントを支持するために、玉軸受または平軸受が使用されるが、この理由は、これらの軸受が、より大きな摩擦で正確な案内を可能にするからである。このことは、荷重分布が非対称の場合に最適な圧力調整が保証されるために、４自由度の懸架（「前方アーム」または支持管１６’の回転）にとって特に重要である。
【００３３】
パワーエレクトロニクスを屈曲アームロボットの内部に配列することによって、外部機器およびケーブルがより少なくて済む。ケーブル配線は内部で行われ、これによって機械的な不都合が最小化される。
【００３４】
マイクロコントローラを可能な限りモータギヤユニットの近くに配列することによって、短いケーブル長さが特に有利に得られ、この内最も長いケーブルがせいぜいジョイント上方に案内されるに過ぎない。さらに、この配列によって、機械式駆動手段および動作手段３０に局所的に分布して存在する内部コンピュータ性能が総括的に画定され、これによって局所的な知能が形成される。
【００３５】
各モータギヤユニットに駆動および調整用のマイクロコントローラが割り当てられるので、この解決方法の取り組みは、全体の運動が共通の外部レギュレータによってしばしば実施される通常のロボットとは区別される。本解決方法の利点は、機能信頼性の向上を提供する種々のモータ軸のソフトウェアの非依存性、チップ当たりまたはマイクロコントローラ当たりの必要なコンピュータ性能の低減、および周辺接続部の減少である。このことによって、いわゆる「ローコストのマイクロコントローラ」が得られる。
【００３６】
位置調整は軸毎に局所的に行われるので、デジタルバスを介した中央コンピュータによる調整と対照的に非常に短い応答時間が得られる。調整パラメータは上位の制御ユニット（メインボード、外部コンピュータ）によってオンラインで変更可能である。
【００３７】
機械的構成要素、特にジョイントブロック５および１１の設計、同時に、エッジを面取りした基部要素１および動作手段３０は、負傷の危険の低減を保証する。
【００３８】
所望の用途に応じて、単に４つのモータギヤユニットおよびマイクロコントローラを有する屈曲アームロボットも考えられる。
【００３９】
屈曲アームロボットはごく低い電圧で操作され、そのエネルギ消費は非常に少ない。最大消費電力は３０ワットである。発生する力は限定されるので、特別な安全規則を遵守する必要はない。一般の産業用ロボットで通常見られるような各種類の保護格子を省略できる。これによって、人間が直接アクセスを行うはるかに小さな空間における使用が可能になる。
【００４０】
支持管または動作手段、例えばグリップ上に力が突然作用した場合、意味に即して規定破壊点の場合に当てはまるように、規定の構造位置は降伏できなければならない。この位置は、アルミニウム構造への移行部に位置する。モータ軸とアルミニウム構造とを結合する固定ボルトは、あまりにも大きな圧力に対し降伏し、過度の力作用の後に外側から迅速に交換可能である。
【００４１】
図３Ａおよび図３Ｂは、グリップアーム上に回転可能に支持された受動ジョイントを動作手段として有するグリップアームを示している。支持管１６’のフランジ２２には、グリップアーム３３と受動ジョイント３４とから構成される動作手段３０が取り付けられる。グリップジョーとして形成された受動ジョイントは位置３５で回転可能に支持され、また重力を利用して、リフト物品４０、例えば金属対象物が常に垂直に保持される。これによって、能動ジョイントまたはパラレログラムガイドによる解決方法と較べて計算費用の低減および構造の単純化が得られる。
【００４２】
本発明による屈曲アームロボットは、小型であり、あるいは構造がコンパクトであるため、狭い空間における動作を可能にする。すなわち、屈曲アームロボットは、静止位置で、約０．５ｍの作用半径の場合に１０．５ｃｍ×３３ｃｍ×３３ｃｍの最大寸法を有する。静止位置は、回転角α（２）＝１５０°およびα（３）＝０°を有する位置を意味する。これによって、屈曲アームロボットは同様に簡単に運搬可能になる。
【００４３】
このような構造により、５．０ｋｇ未満、好ましくは３．０ｋｇ未満の自重が得られる。この自重では、電気供給のための手段および外部コンピュータ性能の手段は考慮されない。小型にもかかわらず、２．５ｋｇの自重および０．５ｋｇの使用荷重の場合、使用荷重に対する自重の比率は約５．０に等しいことが示されており、このことは非常に有利である。この比率は、公知のすべての屈曲アームロボットでははるかに劣る。
【００４４】
屈曲アームロボットは、人間の作業力との対話式の作業に特に適切であり、いわゆる「ハンドインハンド」作業を可能にする。
【００４５】
モジュール構造のおかげで、例えば、支持管１６’の位置のテレスコープ部材によって作業領域を簡単に拡張することができ、この場合、コンパクトな構造は維持されたままである。
【００４６】
実施例として、図１と図２による屈曲アームロボットを記載する。動作手段は、２つのフィンガと、それに取り付けられて回転可能に支持された図３Ａと図３Ｂによる受動ジョイントとを有するグリップに対応する。
【００４７】
駆動要素、すなわちモータギヤユニットとして、すべてのジョイント用に、Ｍａｘｏｎ  ＤＣモータおよび遊星歯車装置が使用される。例えば、第１のモータギヤユニットのために、ＤＣ１．６ワット、外径１５ｍｍ、トルク０．５Ｎｍ、遊星歯車装置４５５：１のタイプＭａｘｏｎ  ＲＥ１５が使用される。エンコーダＲＥ１６は０．０５度の分解能である。
【００４８】
マスタおよびスレーブボード用の局所的なプロセッサとして、ＰＩＣ（マイクロチップエンベディッドコントロールソリューションズカンパニー（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  Ｃｏｍｐａｎｙ））が使用される。ボードまたはセンサとアクチュエータとの間の結合は、一部はフラットケーブルによって、一部はフレキシブルプリントによって行われる。遊びの低減のために、渦巻ばねが組み込まれる。
【００４９】
屈曲アームロボットは、静止台上で操作されることが好ましい。
【００５０】
図４は、移動ロボットとして屈曲アームロボットを使用することを示している。図１と図２による屈曲アームロボット１００は、その固定要素２を介して、ホイール５１、５２、５３を有する移動式の台５０上に取り付けられる。電源２８の手段は１２Ｖの蓄電池として形成され、台５０上にある。基部要素１の外部インタフェース２６への結合ケーブル２７を介して、屈曲アームロボットの電気供給が確保される。外部コンピュータ性能の手段として、同様に台５０上にあるコンピュータ３２’（例えばモトローラ）と結合されたＰＣ３２が用意される。ＰＣ３２は結合ケーブル３１を介して外部インタフェース２６と結合される。簡単な用途では、ＰＣ３２を省略できる。
【００５１】
図５は、レール案内されるリニア軸上で屈曲アームロボットを使用することを示している。この案内は、屈曲アームロボット１００が懸架式に取り付けられるように行うことができる。固定要素２はリニア駆動部に取り付けられ、この駆動部は、ローラ６０〜６３によってリニア軸２８上の案内、同時に電気供給を行う。外部コンピュータ性能３２として、無線ユニット６６を介してリニア駆動部５６または屈曲アームロボット１００に通信するＰＣまたはラップトップが使用される。このために、リニア駆動部５６には別の無線ユニット６６’が設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】屈曲アームロボットの基部構造の概略図。
【図２】駆動手段の構造および配列。
【図３Ａ】回転可能に支持された受動ジョイントを有するグリップアーム。
【図３Ｂ】回転可能に支持された受動ジョイントを有するグリップアーム。
【図４】移動式の台上の屈曲アームロボットの使用。
【図５】リニア軸上の屈曲アームロボットの使用。
【符号の説明】
【００５３】
１  基部要素
２  固定要素
３  基部プレート
４  水平面
５  ジョイントブロック
６  軸
７  第２の軸
８  ジョイント
９  支持管
１１  第２のジョイントブロック
１２  第３の軸
１３  ジョイント
１６  支持管
１６’  支持管１６の部分
１８  閉鎖部
１９  第４の軸
２１  平面
２２  フランジ
２３  第５の軸
２５  平面
２６  外部インタフェース
２７  結合ケーブル
２８  電源
３０  動作手段
３１  第２の結合ケーブル
３２  外部コンピュータ性能
３２’  コンピュータ
３３  グリップアーム
３４  受動ジョイント
３５  位置
４０  リフト物品
５０  台
５１、５２、５３  ホイール
５６  リニア駆動部
６０〜６３  ローラ
６６  無線ユニット
６６’  別の無線ユニット
１００  屈曲アームロボット
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  モータギヤユニット
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５  マイクロコントローラ
【国際公開パンフレット】
2004520953.tif 000003
2004520953.tif 000004
2004520953.tif 000005
2004520953.tif 000006
2004520953.tif 000007
2004520953.tif 000008
2004520953.tif 000009
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2004520953.tif 000013
2004520953.tif 000014
2004520953.tif 000015
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2004520953.tif 000017
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2004520953.tif 000019
2004520953.tif 000020
2004520953.tif 000021
2004520953.tif 000022
2004520953.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月18日(2003.12.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部要素（１）と、少なくとも２つのジョイントブロック（５、１１）と、少なくとも３つの支持管（９、１６、１６’）と、動作手段（３０）と、機械式および電気式駆動手段と、電源（２８）の手段とを含む屈曲アームロボットであって、前記機械式駆動手段が、前記基部要素（１）内に、前記ジョイントブロック（５、１１）内に、および前記支持管（１６、１６’）内に存在する少なくとも４つのモータギヤユニット（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５）から構成され、前記電気式駆動手段が、前記基部要素（１）内におよび前記支持管（９）内に存在する少なくともの４つのマイクロコントローラ（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５）から構成され、マイクロコントローラが前記各モータギヤユニットの駆動および調整のために割り当てられ、前記各ギヤユニットに結合されかつ近傍に配列される、屈曲アームロボットにおいて、
前記マイクロコントローラ（２０１、２０２、２０３、２０４、２０５）の配列によって内部コンピュータ性能が付与され、前記内部コンピュータ性能が、前記機械式駆動手段および動作手段（３０）に局所的に分布して存在し、これによって局所的知能を形成することと、外部コンピュータ性能（３２）の前記手段の外部知能が利用可能であることと、および回転軸のための留めボルトによって、過度の力作用に対する保護を保証する保護箇所が前記電気式駆動手段のモータ軸からアルミニウム構造への移行部に存在することを特徴とする屈曲アームロボット。
【請求項２】
前記固定ボルトが、あまりにも大きな圧力に対し降伏し、過度の力作用の後に外側から迅速に交換可能であることを特徴とする、請求項１に記載の屈曲アームロボット。
【請求項３】
前記屈曲アームロボットが３０ワットの最大消費電力を有し、また発生する力が限定されるため、前記屈曲アームロボットが、人間が直接アクセスを行う空間において使用可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の屈曲アームロボット。
【請求項４】
前記動作手段（３０）が、センサとして、ＩＲセンサ、ローカル力センサ、導電率センサ、伸長センサ、超音波センサおよび／またはレーザを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【請求項５】
学習能力を高める冗長センサを形成する種々の方式のセンサが存在することを特徴とする、請求項４に記載の屈曲アームロボット。
【請求項６】
前記ジョイントブロック（５、１１）と、前記支持管（９、１６、１６’）と、前記動作手段（３０）とを移動するために、適応調整部およびフィードフォワード回路パラメータが設けられ、その操作、またはその算出のために、外部コンピュータ性能（３２）の手段が利用可能であり、また人工知能のアルゴリズムによって学習能力が付与されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の屈曲アームロボット。
【国際調査報告】
2004520953.tif 000024
2004520953.tif 000025
2004520953.tif 000026
2004520953.tif 000027
2004520953.tif 000028
2004520953.tif 000029