(57)【要約】  本発明は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体からなる少なくとも１本のワイヤ（２）を備えるロボット肢（１）に関する。このワイヤ（２）は、同時にケーブルとしてかつ電流線路として使用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体からなる、少なくとも１本のワイヤ（２，２ａ，２ｂ，２ｃ）を備える、ロボット肢（１，８）。
【請求項２】
少なくとも１本の前記ワイヤ（２，２ａ，２ｂ，２ｃ）は、同時にボーデンケーブルとしてかつ電流線路として機能するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載のロボット肢（１，８）。
【請求項３】
少なくとも１本の前記ワイヤ（２，２ａ，２ｂ）は、前記ロボット肢（１）の駆動ローラ（３１，３１ａ，３１ｂ）に取り付けられていることを特徴とする、請求項２記載のロボット肢（１）。
【請求項４】
少なくとも１本の前記ワイヤ（２，２ａ，２ｂ，２ｃ）は、電気エネルギ供給部として機能するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のロボット肢（１，８）。
【請求項５】
少なくとも１本の前記のワイヤ（２，２ａ，２ｂ，２ｃ）は、電気信号線路として機能するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のロボット肢（１，８）。
【請求項６】
少なくとも１本の前記ワイヤ（２ｃ）は、前記ロボット肢（８）の回転運動によってねじられるように構成されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のロボット肢（８）。
【請求項７】
前記ロボット肢（１）は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体からなる複数のワイヤ（２ａ，２ｂ）を備え、前記複数のワイヤ（２ａ，２ｂ）は、前記ロボット肢（１）の回転運動によって相互にねじることが可能であることを特徴とする、請求項６記載のロボット肢（１）。
【請求項８】
前記ロボット肢（１，８）は、回転可能に構成されていて、スリップディスクを有しないことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のロボット肢（１，８）。
【請求項９】
前記ロボット肢（１）は、リボンケーブル（６１，６２）として構成された、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体からなる複数のワイヤ（２）を備え、各前記ワイヤは、前記リボンケーブル（６１，６２）の他の前記ワイヤに対して電気絶縁体（２１）を有し、すべての前記ワイヤ（２）は、共通の別の電気絶縁体（６１１）によって包囲されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のロボット肢（１）。
【請求項１０】
前記リボンケーブル（６２）は、共通の電気絶縁体（６２１）によって包囲された、前記リボンケーブル（６２）内に含まれる複数のリボンケーブル（６１）を有することを特徴とする、請求項９記載のロボット肢（１）。
【請求項１１】
前記ロボット肢（１，８）のすべての導電体が、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体を有することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のロボット肢（１，８）。
【請求項１２】
前記ロボット肢（１，８）のすべての構成要素が、少なくとも６００℃の耐熱性を有する材料からなることを特徴とする、請求項１１記載のロボット肢（１，８）。
【請求項１３】
前記ロボット肢（１，８）は、液体または液化ガス混合物に使用するように構成されていて、前記ロボット肢（１，８）のすべての構成要素が、液体または液化ガス混合物に対して化学耐性を有することを特徴とする、請求項１１または１２記載のロボット肢（１，８）。
【請求項１４】
ボーデンケーブルとしてかつ同時に電流線路としての、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造の導体からなるワイヤ（２，２ａ，２ｂ，２ｃ）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばロボットアームまたはロボットベースなどのロボット肢に関する。さらに本発明は、特にロボット肢における、ボーデンケーブルとしてかつ同時に電流線路としての、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体の使用に関する。
【０００２】
従来技術
ロボットアームなどのアクチュエータ系要素では、運動を転換するための力がたとえばボーデンケーブルを介して伝達される。同時に、電気駆動装置に給電するためまたは信号を伝送するための電気線路が、システム内に実装される。配線は、可動の要素の一部であるので、線路の重量は、可動総重量に影響を与える。追加的に連動されるべき重量によって、ロボットアームの移動速度が制限され、運動ごとのエネルギ消費量が増加する。
【０００３】
運動させられるまたは回動する要素への信号伝送およびエネルギ伝達に際して、スリップリングが使用されることが多い。スリップリングを使用しないと、ケーブルは、柔軟性および頑丈性が不足することによって損傷し得る、またはロボットアームの運動性および回動性が制限される。ロボット全体の任意の数の回動を可能にするには、たとえば、電流伝達および信号伝送のためにロボットの関節にスリップリングを使用しなければならない。
【０００４】
発明の開示
ロボット肢とは、たとえば可動のまたは位置固定のロボットのアームおよび可動のロボットの脚部などのロボットの可動部分と解される。ロボットの前進は不可能であるが回転は可能であるロボット基部も、ロボット肢と解される。
【０００５】
ロボット肢は、カーボンナノチューブ（Carbon Nanotubes；ＣＮＴ）またはカーボンナノ構造ベースの導体からなる少なくとも１本のワイヤ、たとえばグラフェンベースのワイヤなどを有する。このワイヤは、僅かな重量で、良好な導電性と極めて高い機械強度とを兼ね備える。従来のロボット肢と比べて可動重量が減少することによって、共動するモータの駆動出力の減少ひいてはモータの小型化が可能となる。その結果、移動速度が大幅に上昇し、これに対応して肢の到達距離を延長することができる。慣性質量がより小さいことに基づいて、動作時の制動動作および加速動作を短縮することができ、ロボットは、カーボンナノチューブからなるワイヤを有するロボット肢をもって、従来のロボット肢を用いるよりも、同時により多くの操作を実行することができる。同時に、ロボット制御ユニットおよび制御ボックスも軽量化され、より簡単に、ロボットにより支持することができる。このことは、非位置固定のロボットまたは人型ロボットにとって特に有利である。
【０００６】
たとえばエネルギ供給線路および信号線路などの、ロボット肢のすべての導電体は、カーボンナノチューブまたはカーボンナノ構造ベースの導体を有することが好ましい。さらに特に好ましくは、ロボット肢のすべての構成要素は、少なくとも６００℃、その上特に好ましくは少なくとも７００℃の耐熱性を有する材料からなる。カーボンナノチューブおよびカーボンナノ構造ベースの導体は、従来の導体、たとえば銅ベースのまたはアルミニウムベースの導体よりも大幅に高い耐熱性を有する。これによって、ロボット肢は、６００℃超のみならず７００℃超の範囲の温度でも依然として作動することができる。このロボット肢は、従来のロボット肢のようにすでに１００℃の温度から線路抵抗が激しく増加し、ひいてはエネルギ消費量が増加する、ということがない。カーボンナノチューブおよびカーボンナノ構造ベースの導体の電気抵抗は温度とともにほとんど増加することがないからである。カーボンナノチューブで巻線およびアクチュエータの構成要素を構成しても、長時間、高温でエネルギ効率的に作動することができる高温室内ロボット肢を構成することができ、その際、極めて大きな冷却コストを想定しなくてよい。
【０００７】
さらに、ロボット肢は、液体または液化ガス混合物において使用するように構成されており、ロボット肢のすべての構成要素は、液体または液化ガス混合物に対して化学耐性を有することが好ましい。カーボンナノチューブおよびカーボンナノ構造ベースの導体の化学的に高い耐性は、液体または液化ガス混合物おいて使用されるロボット肢であって、化学的な理由から銅ベースのまたはアルミニウムベースの導体には適していない、または追加的な保護層を必要とし、スリップコンタクトを有してはならないロボット肢にとって有利である。このロボット肢は、たとえば、石油／天然ガス産業および燃料産業または化学／製薬産業に関する管路検査用ロボットに用いられる肢である。
【０００８】
好ましくは、少なくとも１本のワイヤは、同時にボーデンケーブルとしてかつ電流線路として機能するように構成されている。従来の電流ケーブルは、ロボット肢における引張荷重に耐えられないので、これらの２つの機能は、従来慣用のロボットアームでは、別個の要素により満たさなければならないが、その一方で、カーボンナノチューブの高い引張強度は、これらの２つの機能をロボット肢のワイヤにまとめることができる。これによって、ロボット肢を、コンパクトでかつ僅かな重量で実現することができる。電流線路としての機能において、損失出力が減少され、負荷変動数が増加される。カーボンナノチューブからなる柔軟なワイヤが、金属の導体と比べて、より高いねじり負荷耐性および折れ負荷耐性を有し、曲げ箇所で劣化しないからである。総線路長さを減少させることができる。カーボンナノチューブの低い曲げ剛性によって、間接部での長さの貯えをより小さくすればよいからである。さらに、カーボンナノチューブの低い熱膨張係数によって、温度変動による長さの貯えも、より小さく設定すればよい。
【０００９】
ボーデンケーブルとしてのワイヤの機能において、ワイヤは、好ましくは、ロボット肢の駆動ローラに取り付けられる。取付けは、特に結び付けることによって行うことができる。駆動ローラが動くと、ワイヤが巻き取られかつ繰り出され、これによってロボット肢が動く。この場合、駆動ローラにおける取付け部は、同時に、ワイヤの電気的な接点接続部として機能することができる。そのために、ワイヤは、駆動ローラとの接点接続状態で、電気絶縁体を有しない。ワイヤを適切にガイドすると、ワイヤは、完全に電気絶縁体なしで構成することさえできる。
【００１０】
ロボット肢の１形態では、少なくとも１本のワイヤが、電気エネルギ供給部として機能するように構成されている。このようにすると、ロボット肢のアクチュエータに電気エネルギを供給することができる。
【００１１】
ロボット肢の別の１形態では、少なくとも１本のワイヤが、電気信号線路として機能するように構成されている。このようにすると、センサの信号を、ワイヤを介して伝送することができる。
【００１２】
さらに好ましくは、少なくとも１本のワイヤが、ロボット肢の回転運動によってねじられるように構成されている。この場合、カーボンナノチューブが銅ケーブルよりも大幅に大きなねじれを可能にするという事象が利用される。ねじれによってワイヤの短縮が生じるようにするだけでよい。
【００１３】
ロボット肢が、カーボンナノチューブからなる相互に平行に延在する複数のワイヤを有するとき、ワイヤは、ロボット肢の回転運動によって相互にねじることができるように配置することができる。
【００１４】
ロボット肢が回転可能に構成されていると、ロボット肢は、カーボンナノチューブからなる少なくとも１本のワイヤを使用して、スリップディスクを有しないが、それにもかかわらず複数回の回転が可能であるように構成することができる。この場合、ロボット肢は、好ましくは、７２０°まで、特に好ましくは１０８０°までの回転を可能にするように構成されているので、ロボット肢の動作時に必要な複数の回転を実現することができ、その際、そのために追加の構成部材としてスリップディスクを設けなくてよい。
【００１５】
ロボット肢が、たとえばエネルギ線路および信号線路の複数の機能を満たすために、カーボンナノチューブからなる相互に平行に延在する複数のワイヤを必要とするとき、好ましくは、ワイヤは、リボンケーブルとして構成されている。この場合、各ワイヤは、リボンケーブルの他のワイヤに対して電気絶縁体を有する。すべてのワイヤは、さらに別の共通の電気絶縁体により包囲されている。
【００１６】
リボンケーブルが、その中に含まれる複数のリボンケーブルを有し、これらのリボンケーブルが共通の電気絶縁体により包囲されているとき、カーボンナノチューブからなる特に多数のワイヤを極めて狭いスペースに使用することができる。
【００１７】
カーボンナノチューブからなるワイヤの、ケーブルとしてのかつ同時に電流線路としての使用は、ロボット肢内で実施可能であるだけではなく、その使用は、アクチュエータ系の別の領域でも考えられる。
【００１８】
本発明の実施の形態を図示し、以下の説明にて詳説する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の１実施の形態によるロボットアームの等角透視図を示す。
【図２】本発明の別の１実施の形態によるロボットアームの等角透視図を示す。
【図３ａ】図２によるロボットアームに使用されるリボンケーブルの概略断面図を示す。
【図３ｂ】図２によるロボットアームに使用される別のリボンケーブルの概略断面図を示す。
【図４】本発明のさらに別の１実施の形態によるロボットアームの部分断面側面図を示す。
【図５ａ】本発明の１実施の形態によるロボットベースの断面側面図を示す。
【図５ｂ】７２０°の回転後の図５ａのロボットベースを示す。
【００２０】
発明の実施の形態
本発明の第１の実施の形態によるロボット肢１が図１に示されている。ロボット肢１は、上部アーム１１と下部アーム１２とを有するロボットアームとして構成されている。上部アーム１１の、下部アーム１２から離反する側の端部に、つまり肩領域に、駆動ローラ３１が配置されている。ガイド３２が、上部アーム１１を下部アーム１２と結合する関節領域に配置されている。カーボンナノチューブからなるワイヤ２が、駆動ローラ３１に結び付けられている。ワイヤ２は、ガイド３２を越えて、下部アーム１２の端部にまで延びている。そこでワイヤ２は、機械式に取り付けられているとともに、センサ４と電気的に接続されている。ワイヤ２は、電気絶縁体を有しない。駆動ローラ３１を回動させることにより、ロボットアームを曲げることができる。センサ４の電気信号は、ワイヤを通って駆動ローラ３１に流れ、駆動ローラ３１を介してさらに伝送することができる。
【００２１】
図２に示されたロボット肢１の第２の実施の形態では、ロボット肢１は、人型ロボットのアームとして構成されている。ロボット肢１は、上部アーム１１と下部アーム１２とハンド１３とを有する。上部アーム１１は、ロボット胴体５と可動に結合されている。上部アーム１１をロボット胴体５と結合する肩領域には、第１の駆動ローラ３１ａが配置されている。上部アーム１１を下部アーム１２と結合する肘領域には、第２の駆動ローラ３１ｂが配置されている。
【００２２】
各駆動ローラは、駆動ローラに対応付けられた電動モータ３０ａ，３０ｂによって駆動される。別の電動モータ３０ｃが、ハンド１３内に配置されており、これによってハンド１３が動かされる。第１のリボンケーブル６１が、第１の駆動ローラ３１ａに取り付けられていて、ロボットアームの肘領域で終端している。第２のリボンケーブル６２が、第２の駆動ローラ３０ｂに取り付けられていて、第３の電動モータ３０ｃで終端している。第１の電気接続部７１が、第１の電動モータ３０ａを、ロボット胴体５におけるエネルギ源と接続する。第２の電気接続部７２は、第１のリボンケーブル６１を第２の電動モータ３０ｂと接続する。両方のリボンケーブル６１，６２は、それぞれカーボンナノチューブからなる複数のワイヤを有する。これらのワイヤは、ロボット胴体５のエネルギ源から、第１の電気接続部７１と第１のリボンケーブル６１と第２の電気接続部７２とを介して、第２の電動モータ３０ｂへ電気エネルギを後続伝達することを可能にする。さらに、電気エネルギを、第２の電動モータ３０ｂから、第２のリボンケーブル６２を介して、第３の電動モータ３０ｃへ後続伝達することができる。エネルギ伝達には必要とされない、リボンケーブル６１，６２内のワイヤは、信号線路として、制御信号を第２の電動モータ３０ｂおよび第３の電動モータ３０ｃへ送信することができる。さらに、ワイヤは、ロボットアーム内の図示されていないセンサの信号を、ロボット胴体５内の電子制御機器へ返送することができる。
【００２３】
図３ａには、カーボンナノチューブからなる複数のワイヤ２が、それぞれ、互いに対して絶縁するために、どのように電気絶縁体２１によって包囲されているのか描画されている。電気絶縁体２１は、相並んで配置されていて、別の共通の１つの電気絶縁体６１１によって包囲されている。ゆえに、これらが協動して、本発明の第２の実施の形態において第１のリボンケーブル６１として使用可能なリボンケーブルを形成する。
【００２４】
このような複数の第１のリボンケーブル６１は、別の共通の絶縁体６２１によって包囲することができ、ゆえに、これらがまとめられてより大きなリボンケーブルを形成することができる。このことは、図３ｂに示されていて、たとえば第２の実施の形態における第２のリボンケーブル６２として使用されてもよい。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態によるロボット肢１が、図４に示されている。このロボット肢１は、ロボットアームとして構成されていて、その下部アーム１２は、グリッパ１４で終端するハンド１３と結合されている。ハンド１３は、軸受を介して、下部アーム１２に対して回転可能に構成されている。カーボンナノチューブからなる２本のワイヤ２ａ，２ｂは、下部アーム１２を通ってハンド１３の中へ相互に平行に延在しているので、ワイヤ２ａ，２ｂは、グリッパ１４に対する電気接続部として機能することができる。図４に示されているように、ハンド１３を回動させるとき、ワイヤ２ａ，２ｂを互いに対してねじることができる。これによって、１０８０°までハンド１３の回動が可能となる。そのために、ワイヤ２ａ，２ｂの相応の長さの貯えが設けられている。
【００２６】
ロボットベースの形態のロボット肢８の第４の実施の形態が、図５ａに示されている。ロボットベースは、電動モータ８２を制御する電子制御機器８１を有する。電動モータ８２は、平歯車装置８３と結合されている。平歯車装置８３を介して、ロボットベースの、軸受系８４によって回動可能に構成された部分が、１０８０°まで回動可能である。カーボンナノチューブからなる２本のワイヤ２ａ，２ｂは、ロボットベースの外側から、電子制御機器８１と接続されており、これによって、制御信号が送信され、かつ電子制御機器８１、電動モータ８２および他のロボット構成要素に電気エネルギが供給される。制御信号および電気エネルギをさらにロボットの中へ送信するために、第３のワイヤ２ｃが、ロボットベースを通って延在し、さらにロボットの、図示されていない部分の中へ延在している。図５ａの描画は、ロボットベースが回転する前の、この第３のワイヤ２ｃの長さの貯えを示している。図５ｂは、ロボットベースを７２０°回動させるときのねじれによる、この第３のワイヤ２ｃの短縮を示している。しかし、ロボットベースをさらに回転させるための、さらなる長さの貯えが依然として存在する。
【００２７】
ロボット肢の前述のすべての実施の形態は、ロボット肢のすべての電気線路がアクチュエータ内であっても専らカーボンナノチューブからなるように構成されてもよい。さらに、第５の実施の形態では、すべての機械構成要素が、８００℃までの温度でも、耐高温ロボット肢としての動作を可能にする耐高温材料で構成されている。第６の実施の形態では、すべての機械構成要素は、液化ガス混合物に対して耐性を有して構成されている。これらのロボット肢は、天然ガス産業で使用するように設定されている。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【国際調査報告】
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