JP2021515680A - デカップリング足関節介護ロボット、及び、完全なデカップリング並列接続機構 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、胴体、駆動機構、及び、検知システムを含む、三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボットであって、前記胴体は、ベース、可動プラットフォーム、前記ベースと前記可動プラットフォームとを接続する三つの分枝、及び、前記可動プラットフォームに直列接続されるフットペダルを含む、対称な直並列接続機構であり、前記ベースの底部には、Y軸に対して対称分布すると共に、Y軸方向と一致するスライドレールが二つ設置され、Y軸に対して対称するホルダーが二つ設けられ、前記可動プラットフォームは、首尾が順次に接続される第一ホルダー、第二ホルダー、第三ホルダー及び第四ホルダーを含む、フレーム構成であり、前記直並列接続機構における並列接続部分は、デカップリングされた二回転一移動式とされる2−CPRR−PRRの並列接続機構であり、前記三つの分枝は、第一分枝がPRR分枝であり、第二分枝及び第三分枝がいずれも、YOZ平面に対して対称分布する初期姿勢のCPRR分枝であり、前記第一分枝は、第一リンク及び第二リンクを含み、前記第一リンクは、第一端が前記スライドレールに移動対偶を介して接続され、第二端が前記第二リンクの第一端に、軸線が前記ベースの底部と垂直する回転対偶を介して接続され、前記第二リンクは、第二端が、前記可動プラットフォームの第一ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、前記第二分枝は、第一リンク、第二リンク及び第三リンクを含み、前記第一リンクは、第一端が前記ベースの第二ホルダーに軸線がベースと垂直する円柱対偶を介して接続され、第二端が前記第二リンクの第一端に前記ベースの底部と平行する移動対偶を介して接続され、前記第二リンクは、第二端が、軸線がベースの底部と垂直する回転対偶を介して、前記第三リンクの第一端に接続され、前記第三リンクは、第二端が前記可動プラットフォームの第二ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、前記第三分枝は、第一リンク、第二リンク及び第三リンクを含み、前記第一リンクは、第一端が、前記ベースの第三ホルダーに、軸線がベースと垂直する円柱対偶を介して接続され、第二端が、前記第二リンクの第一端に、前記ベースの底部と平行する移動対偶を介して接続され、前記第二リンクは、第二端が、軸線が前記ベースの底部と垂直する回転対偶を介して、前記第三リンクの第一端に接続され、前記第三リンクは、第二端が、前記可動プラットフォームの第三ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、前記直並列接続機構における直列接続部分は、前記可動プラットフォーム及び前記フットペダルを含み、前記フットペダルは、フットペダルリンクの第一端に固定接続され、前記フットペダルリンクの第二端と、前記可動プラットフォームの第四ホルダーとは、軸線が可動プラットフォームのy軸を通過する回転対偶を介して接続される三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボットを提供する。
(1)ロボット機構の分枝に含まれている運動対偶は、その数が少なく、運動対偶が簡単になり、制御が簡易となる。
(2)ロボット機構のデカップリングについて、各入力量は、唯一に特定された運動と対応することができる。
(3)ロボット機構の分枝は、対称分布し、そのうち二つの分枝の構成が同じであるため、製造のコストや時間を省くことができる。
(4)機構を取り付けることが簡易であり、足関節の可動空間が大きく、可動度が多く、すべての足関節の運動要求が満たされている。
(5)ロボットの三次元回転中心は、リンクの長さを調節することにより、異なる人間の実際の足関節の回転中心に一致するようにすることができる。
(6)ロボットの三次元回転中心は、可動プラットフォームの固定位置に位置し、好ましくは、実際操作時に足の重心が、常に第一分枝における二つのスライドレール間に位置していることから、運動の安定性やロボットの剛性を保証することができる。
(7)ロボットは、医療介護のみならず、フットペダルに他の補助施設を取り付けることにより、多くの機能へのニーズに応じて、在宅保健にも適用されえる。
(8)本発明に係る対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構は、並列接続機構の強度が高く、構成がコンパクトとなり、安定性がよいなどの利点をそのまま維持できる上で、運動学に、空間xとz軸方向に沿う二回転と、Y軸に沿ってベースと平行する一移動という三自由度の完全なデカップリングを実現でき、各入力量がいずれも、唯一に特定された運動と対応でき、また、機構に対称性を有し、そのうち二つの分枝の構成が同じであり、製造のコストや時間を省くことができ、しかも分枝に含まれている運動対偶が少なく、運動対偶が簡易となり、制御に精確性を向上させ、制御の複雑性を低減し、取り付けの精度に対する要求が他の並列接続機構よりも低く、機構を便宜に取り付け、可動空間が大きく、従来の対称並列接続機構にその制御が複雑であり、整合性が強いなどの欠点を克服することができる。
図1に示されるロボット全体の構成の模式図には、胴体が、対称な直並列接続機構で構成され、ベース6、可動プラットフォーム4、ベース6と可動プラットフォーム4とを接続する三つの分枝1、2、3及び可動プラットフォーム4に直列接続されるフットペダル5を含み、直並列接続機構における並列接続部分は、2−CPRR−PRRという並列接続機構であり、ただし、Cが円柱対偶を示し、Pが移動対偶を示し、Rが一つの回転対偶を示し、円柱対偶が一つの移動対偶と一つの回転対偶との組み合わせであり、2−CPRRが、円柱対偶、移動対偶、回転対偶及び回転対偶を順次に接続させた分枝を両組含むことを示し、PRRが、移動対偶、回転対偶及び回転対偶を順次に接続して構成された分枝を示す。並列接続機構は、三つの分枝により組み合わせられたものである。接続ベース6及び可動プラットフォーム4の三つの分枝には、第一分枝1がPRR分枝であり、第二分枝及び第三分枝2、3は、いずれも、対称分布するCPRR分枝である。従って、機構運動の等方性と共に取り付けの簡易性を保証することができる。ベース6の底部に、Y軸方向に沿うと共にY軸の両側に対称分布する二つのスライドレール61を設置することにより、機構運転に安定性が向上する。ベース6の底部には、Y軸の両側に、それぞれ、第二分枝と第三分枝に接続される二つのホルダー62、63が、対称設置されている。可動プラットフォーム4は、フレームであり、可動プラットフォームの第一ホルダー、第二ホルダー、第三ホルダー、第四ホルダーが共にフレームに設置されている。図4に示されるように、第一ホルダー41、第二ホルダー42、第三ホルダー43、第四ホルダー44は、それぞれ、第一分枝1、第二分枝2、第三分枝3及びフットペダルリンク51に接続される。
図6に示されているように、ベース104は、空間の直角座標系O0−X0Y0Z0に固定され、ベース104の固定座標系O−XYZには、XY平面がZ0軸と垂直し、ベース104におけるX及びY軸が、それぞれ、空間直角座標系におけるX0軸及びY0軸方向と平行し、可動プラットフォーム105の可動座標系o1−xyzには、o1点がR3対偶及びR4対偶の軸線の結び線に位置し、z軸が可動プラットフォーム105と垂直し、y軸がR3対偶及びR4対偶の軸線の結び線に垂直し、x軸がR3対偶及びR4対偶の軸線の結び線に平行する。
1 第一移動対偶
R12 分枝
1 第二回転対偶
R13 分枝
1 第三回転対偶
C21 分枝
2 第一円柱対偶
P22 分枝
2 第二移動対偶
R23 分枝
2 第三回転対偶
R24 分枝
2 第四回転対偶
C31 分枝
3 第一円柱対偶
P32 分枝
3 第二移動対偶
R33 分枝
3 第三回転対偶
R34 分枝
3 第四回転対偶
R51 直列接続回転対偶
1 第一分枝
11 第一リンク
12 第二リンク
2 第二分枝
21 第一リンク
22 第二リンク
23 第三リンク
3 第三分枝
31 第一リンク
32 第二リンク
33 第三リンク
6 ベース
61 スライドレール
62 第二ホルダー
63 第三ホルダー
4 可動プラットフォーム
41 第一ホルダー
42 第二ホルダー
43 第三ホルダー
44 第四ホルダー
5 フットペダル
51 フットペダルリンク
101 第一分枝
111 第一リンク
112 第二リンク
102 第二分枝
121 第一リンク
122 第二リンク
103 第三分枝
131 第一リンク
132 第二リンク
104 ベース
141 第一スライドレール
142 第二スライドレール
143 ホルダー
105 可動プラットフォーム
151 第一ホルダー
152 第二ホルダー
153 第三ホルダー
P1 第一移動対偶
P2 第二移動対偶
P3 第三移動対偶
C 円柱対偶
R1 第一回転対偶
R2 第二回転対偶
R3 第三回転対偶
R4 第四回転対偶
U フック継手副
Claims (9)
- 胴体、駆動機構、及び、検知システムを含む、三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボットであって、
前記胴体は、ベース、可動プラットフォーム、前記ベースと前記可動プラットフォームとを接続する三つの分枝、及び、前記可動プラットフォームに直列接続されるフットペダルを含む、対称な直並列接続機構であり、
前記ベースの底部には、Y軸に対して対称分布すると共に、Y軸方向と一致するスライドレールが二つ設置され、Y軸に対して対称するホルダーが二つ設けられ、
前記可動プラットフォームは、首尾が順次に接続される第一ホルダー、第二ホルダー、第三ホルダー及び第四ホルダーを含む、フレーム構成であり、
前記直並列接続機構における並列接続部分は、デカップリングされた二回転一移動式とされる2−CPRR−PRRの並列接続機構であり、前記三つの分枝は、第一分枝がPRR分枝であり、第二分枝及び第三分枝がいずれも、YOZ平面に対して対称分布する初期姿勢のCPRR分枝であり、
前記第一分枝は、第一リンク及び第二リンクを含み、
前記第一リンクは、第一端が前記スライドレールに移動対偶を介して接続され、第二端が前記第二リンクの第一端に、軸線が前記ベースの底部と垂直する回転対偶を介して接続され、
前記第二リンクは、第二端が、前記可動プラットフォームの第一ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、
前記第二分枝は、第一リンク、第二リンク及び第三リンクを含み、
前記第一リンクは、第一端が前記ベースの第二ホルダーに軸線がベースと垂直する円柱対偶を介して接続され、第二端が前記第二リンクの第一端に前記ベースの底部と平行する移動対偶を介して接続され、
前記第二リンクは、第二端が、軸線がベースの底部と垂直する回転対偶を介して、前記第三リンクの第一端に接続され、
前記第三リンクは、第二端が前記可動プラットフォームの第二ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、
前記第三分枝は、第一リンク、第二リンク及び第三リンクを含み、
前記第一リンクは、第一端が、前記ベースの第三ホルダーに、軸線がベースと垂直する円柱対偶を介して接続され、第二端が、前記第二リンクの第一端に、前記ベースの底部と平行する移動対偶を介して接続され、
前記第二リンクは、第二端が、軸線が前記ベースの底部と垂直する回転対偶を介して、前記第三リンクの第一端に接続され、
前記第三リンクは、第二端が、前記可動プラットフォームの第三ホルダーに、軸線が可動プラットフォームのx軸と平行する回転対偶を介して接続され、
前記直並列接続機構における直列接続部分は、前記可動プラットフォーム及び前記フットペダルを含み、
前記フットペダルは、フットペダルリンクの第一端に固定接続され、
前記フットペダルリンクの第二端と、前記可動プラットフォームの第四ホルダーとは、軸線が可動プラットフォームのy軸を通過する回転対偶を介して接続される、ことを特徴とする三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボット。 - 前記駆動機構は、介護ロボットに対して三つの回転自由度及び一つの移動自由度をそれぞれ、実現する四つの駆動モータを含み、
前記第一分枝の第一移動対偶には、運動量がこの機構の第一移動自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられ、
前記第二分枝の第一円柱対偶に含まれているP対偶には、運動量がこの機構の第一回転自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられ、
前記第三分枝の第一円柱対偶のR対偶には、運動量がこの機構の第二回転自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられ、
前記フットペダルにおける固定接続リンクと前記可動プラットフォームにおける第四ホルダーとが接続される回転対偶には、運動量がこの機構の第三回転自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられる、ことを特徴とする、請求項1に記載の三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボット。 - 前記検知システムは、角変位センサ、リニア変位センサ、位置制限スイッチ、及び、力センサを含み、
前記角変位センサは、駆動対偶が回転対偶である位置に取り付けられ、
前記リニア変位センサは、駆動対偶が移動対偶である位置に取り付けられ、
前記位置制限スイッチは、各駆動対偶の限界位置に分布され、
前記力センサは、前記フットペダルに取り付けられ、
前記フットペダルに、加熱装置又はマッサージ装置を取り付けることにより、介護ロボットの機能を増加させるためのアダプターアセンブリが設けられる、ことを特徴とする、請求項2に記載の三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボット。 - 前記足関節介護ロボットは、運動学にデカップリング機構であり、足関節の運動における背屈・足指屈、内反・外反、内旋・外旋、及び、牽引運動を対応して実現するように、異なる分枝を制御することにより、三つの回転及び一つの移動を個別に実現する、ことを特徴とする、請求項3に記載の三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボット。
- ロボットの三つの回転中心が一点に一致しており、
フットペダルを接続するリンクの長さが調節可能であり、前記リンクの長さを調整することにより、異なる高さの足首を持つ人間が介護のトレーニングを行っている際に、足関節の中心とロボットの実際の回転中心とが一致し、より良い介護効果が達成できるようにする、ことを特徴とする、請求項1に記載の三回転一移動式のデカップリング足関節介護ロボット。 - ベース、可動プラットフォーム、及び、前記ベースと前記可動プラットフォームとを接続する第一分枝、第二分枝及び第三分枝を含む、対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構であって、
前記ベースは、平行する二つのスライドレール及び一つのホルダーを含み、
前記可動プラットフォームは、正三角形状を有し、第一ホルダー、第二ホルダー及び第三ホルダーが、三つの頂点にそれぞれ設けられ、前記第一分枝及び前記第二分枝が、いずれも、リンク、移動対偶のP対偶及び回転対偶のR対偶を含むPRR分枝であり、前記第三分枝が、リンク、円柱対偶のC対偶、移動対偶のP対偶及びフック継手のU対偶を含むCPU分枝であり、前記第一分枝、第二分枝及び第三分枝は、運動対偶により、完全なデカップリングが実現可能であり、
前記第一分枝及び前記第二分枝は、それぞれ、第一リンク及び第二リンクを含み、
前記第一分枝の第一リンクの第一端は、前記ベースの第一スライドレールに接続されて、P1対偶を形成し、
前記第二分枝の第一リンクの第一端は、前記ベースの第二スライドレールに接続されて、P2対偶を形成し、
前記第一分枝におけるP1対偶の移動方向と、前記第二分枝におけるP2対偶の移動方向とは、いずれも、前記ベースの固定座標系のY軸方向に沿う同じ方向であり、
前記第一分枝の第一リンクの第二端は、前記第一分枝の第二リンクの第一端に接続されて、R1対偶を形成し、
前記R1対偶の軸線方向と、前記ベースの固定座標系でのZ軸方向とは、可動プラットフォームのo1点を通過する同じ方向であり、
前記第二分枝の第一リンクの第二端は、前記第二分枝の第二リンクの第一端に接続されて、R2対偶を形成し、
前記第二分枝のR2対偶は、前記第一分枝におけるR1対偶と共線し、
前記第一分枝の第二リンクの第二端は、前記可動プラットフォームの第一ホルダーに接続されて、R3対偶を形成し、
前記第二分枝の第二リンクの第二端は、前記可動プラットフォームの第二ホルダーに接続されて、R4対偶を形成し、
前記第二分枝のR4対偶の軸線は、前記第一分枝におけるR3対偶の軸線と常に共線し、可動プラットフォーム上のo1点を常に通過し、
前記第三分枝は、第三リンク及び第四リンクを含み、
前記第三リンクの第一端は、前記ベースのホルダーにC対偶を介して接続され、前記円柱対偶の軸線が常に前記ベース平面と垂直し、
前記第三リンクの第二端は、前記第四リンクの第一端にP3対偶を介して接続され、前記P3対偶の方向は、前記ベース平面と常に平行し、
前記第四リンクの第二端は、U対偶を介して前記可動プラットフォームの第三ホルダーに接続され、
前記第三分枝のU対偶は、二つの回転対偶からなり、二つの方向に互いに垂直する回転軸線を有し、前記U対偶の第一回転軸線は、前記ベースの平面と常に垂直し、前記U対偶の第二回転軸線は、前記ベースのプラットフォームと平行し、前記第一分枝のR3対偶の軸線及び前記第二分枝のR4対偶の軸線と常に平行する、ことを特徴とする対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構。 - 前記第一分枝及び前記第二分枝は、前記可動プラットフォームの両側に対称分布し、
前記第一分枝の第一リンク及び前記第二分枝の第一リンクは、全体として一体化とされ、前記全体の幅と前記ベースにおける二つのスライドレール間の距離とが等しく、
前記第一分枝の第二リンク及び前記第二分枝の第二リンクは、L字形であり、前記可動プラットフォームの辺の長さが前記ベースにおける二つのスライドレール間の距離よりも長い、ことを特徴とする請求項6に記載の対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構。 - 前記第一分枝の移動対偶には、運動量がこの並列接続機構の第一移動自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられ、
前記第二分枝の回転対偶には、運動量がこの並列接続機構の第一回転自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられ、
前記第三分枝の円柱対偶のC対偶に含まれるP対偶には、運動量がこの並列接続機構の第二回転自由度の出力パラメータを示す駆動モータが設けられる、ことを特徴とする請求項7に記載の対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構。 - 前記並列接続機構の可動プラットフォームは、前記三つの分枝にそれぞれ設けられる三つの駆動モータにより、可動プラットフォームのo1点を中心として可動プラットフォームの座標系におけるx軸及びz軸の軸周りに回転すると共に、固定プラットフォームの固定座標系におけるY軸方向に沿って移動することを実現する、ことを特徴とする請求項8に記載の対称な二回転一移動式の完全なデカップリング並列接続機構。
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