JP5614788B1 - 力学試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に力学試験することのできる力学試験装置を提供する。【解決手段】第１把持機構（２０）は、試験対象をＸＹＺ直交座標空間のＸ軸方向に変位させるＸ軸機構（２２）と、Ｙ軸方向に変位させるＹ軸機構（２３）と、Ｚ軸方向に変位させるＺ軸機構（２４）とを備える。第２把持機構（４０）は、試験対象をＸ軸回りのＷ軸方向に変位させるＷ軸機構（４４）と、Ｙ軸回りのＶ軸方向に変位させるＶ軸機構（４３）と、Ｚ軸回りのＵ軸方向に変位させるＵ軸機構（４２）とを備える。Ｕ軸機構（４２）の回転軸、Ｖ軸機構（４３）の回転軸およびＷ軸機構（４４）の回転軸が、ＸＹＺ直交座標空間の交点Ｏで交わる。【選択図】図１

Description

本発明は、力学試験装置に適用して有効な技術に関する。

特開２００２−２８６６０８号公報（以下、特許文献１という。）には、人工関節摩擦摩耗試験機に関する技術が記載されている。

特開２００６−７１６０５号公報（以下、特許文献２という。）には、６軸材料試験機に関する技術が記載されている。

特開２００２−２８６６０８号公報 特開２００６−７１６０５号公報

ＸＹＺ直交座標空間（三次元空間）中の物体の運動（各軸に対して並進と回転の運動）は６自由度で表すことができ、その場合に発生する６軸の力成分（力およびトルク）はＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の力および各軸回りのモーメントで表すことができる。このため、力学試験装置では、試験対象（物体）に加える力と変位（速度）の関係に基づき、試験対象の力学的特性を評価することができる。

特許文献１，２に記載の技術は、６自由度のパラレルリンク機構を用いて力学的特性を評価するものである。このため、ある１自由度の機構が動くとそれに連動して他の自由度の機構の動きに影響を与えてしまい、各機構が互いに独立した動きを取ることができない。したがって、特許文献１，２に記載の技術では、試験対象に力を加えて試験した結果を高精度に得ることができないものと考えられる。

本発明の目的は、高精度に力学試験することのできる力学試験装置を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の一実施形態に係る力学試験装置は、第１把持機構および第２把持機構を備え、前記第１把持機構と前記第２把持機構とで試験対象を把持して該試験対象に力を加えて試験する力学試験装置であって、前記第１把持機構は、ＸＹＺ直交座標空間のＸ軸方向に前記試験対象を変位させるＸ軸機構と、Ｙ軸方向に前記試験対象を変位させるＹ軸機構と、Ｚ軸方向に前記試験対象を変位させるＺ軸機構とを備え、前記第２把持機構は、前記Ｘ軸回りのＷ軸方向に前記試験対象を変位させるＷ軸機構と、前記Ｙ軸回りのＶ軸方向に前記試験対象を変位させるＶ軸機構と、前記Ｚ軸回りのＵ軸方向に前記試験対象を変位させるＵ軸機構とを備え、前記Ｕ軸機構の回転軸、前記Ｖ軸機構の回転軸および前記Ｗ軸機構の回転軸が、前記ＸＹＺ直交座標空間の一点で交わることを特徴とする。

このように、第１把持機構に直動機構を持たせ、第２把持機構に回動機構を持たせることで、直動系（直交系）と回動系（回転系）とがそれぞれ独立（分離）した構成となる。そして、回動系の各回転軸が交わる交点がＸＹＺ直交座標空間で固定された構成となる。このため、直動系の動き（変位）が回動系の姿勢に影響を与えることはなく、また回動系の動き（変位）が直動系の位置に影響を与えることはない。したがって、高精度に力学試験することができる。

また、前記一実施形態に係る力学試験装置において、前記第１把持機構および第２把持機構を搭載する架台を更に備え、前記第２把持機構は、一端部、他端部および中途部を有する第１アーム部および第２アーム部を備え、前記第１アーム部は、該第１アーム部の中途部で直角となるように曲げられ、該第１アーム部の一端部で前記Ｖ軸機構が設けられ、該第１アーム部の他端部で前記Ｕ軸機構が設けられ、前記第２アーム部は、該第２アーム部の中途部で直角となるように曲げられ、該第２アーム部の一端部で前記Ｕ軸機構が設けられ、該第２アーム部の他端部で前記Ｗ軸機構が設けられ、前記第２把持機構は、前記Ｖ軸機構、前記Ｕ軸機構および前記Ｗ軸機構が前記第１アーム部および第２アーム部を介して前記架台上に搭載され、前記第１把持機構は、前記Ｘ軸機構、前記Ｙ軸機構および前記Ｚ軸機構が前記架台上にＸＹＺステージとして搭載されることが好ましい。

これによれば、力学試験装置がいわゆる卓上型となって、例えば、試験対象の交換や、試験対象への処置などの作業性を向上させることができる。

また、前記一実施形態に係る力学試験装置において、前記第１アーム部の一端部を中心とし、該第１アーム部の中途部を支持しながら該第１アーム部を回動させるガイド部を更に備えることが好ましい。

これによれば、第１アーム部がその中途部で撓んでしまうのを防止し、第２把持機構の剛性を高めることによって、より高精度に力学試験することができる。

また、前記一実施形態に係る力学試験装置において、前記試験対象として生体関節に力を加えて試験することが好ましい。

生体関節の場合、靱帯などの軟部組織により制限を受けるものの、おおむね６自由度で運動する。回動系の各回転軸が交わる交点が固定された力学試験装置を用いることで、生体関節であってもそれ自体がぶれるのを防止して、高精度に力学試験することができる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。

前記一実施形態によれば、高精度に力学試験することのできる力学試験装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る力学試験装置の模式的正面図である。 図１に示す力学試験装置の模式的左側面図である。 図１に示す力学試験装置の模式的上面図である。 図１に示す力学試験装置の制御関係を説明するためのブロック図である。

以下の本発明における実施形態では、必要な場合に複数のセクションなどに分けて説明するが、原則、それらはお互いに無関係ではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細などの関係にある。このため、全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

また、構成要素の数（個数、数値、量、範囲などを含む）については、特に明示した場合や原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、構成要素などの形状に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合などを除き、実質的にその形状などに近似または類似するものなどを含むものとする。

（力学試験装置の構成）
本発明の実施形態に係る力学試験装置１０の構成について、主に図１〜図３を参照して説明する。図１〜図３はそれぞれ力学試験装置１０の模式的な正面図、左側面図および上面図である。図１〜図３ではＸＹＺ直交座標空間における力学試験装置１０を示している。なお、図２では一部（Ｙ軸機構２３）を切り欠いた状態、図３では一部（ガイド部１２）を透視した状態で示している。

力学試験装置１０は、架台１１（ベースフレームともいう。）と、架台１１に搭載される第１把持機構２０および第２把持機構４０（ロボットアームともいう。）とを備える。力学試験装置１０は、第１把持機構２０と第２把持機構４０とで試験対象１００（ワークともいう。）を把持して試験対象１００に力を加えて試験するものである。なお、力学試験装置１０を運搬するためのキャスター１１Ａや、設置時（試験時）に固定するための脚１１Ｂが架台１１下に設けられる。

本実施形態では、試験対象１００として骨が付いた状態の生体関節（骨と骨とを連結する可動性を有する結合部）を用いる（図３参照）。生体関節は、靱帯などの軟部組織により制限を受けるものの、おおむね６自由度（３つの直交方向の変位および３つの回転方向の変位）で運動する。第１把持機構２０では一方の骨側で試験対象１００を把持し、第２把持機構４０では他方の骨側で試験対象１００を把持することとなる。具体的に、第１把持機構２０および第２把持機構４０は、それぞれ試験対象１００を例えば締め付けして把持する把持部２１および把持部４１（ワークアダプタともいう。）を備える。

第１把持機構２０は、Ｘ軸機構２２（Ｘ軸アクチュエータともいう。）と、Ｙ軸機構２３（Ｙ軸アクチュエータともいう。）と、Ｚ軸機構２４（Ｚ軸アクチュエータともいう。）とを備える。Ｘ軸機構２２、Ｙ軸機構２３およびＺ軸機構２４はそれぞれＸＹＺ直交座標空間のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向（各軸に平行な方向も含む。）に試験対象１００を変位させて位置決めする直動機構である。直動機構は、例えば、サーボモータ（エンコーダを含む）と、このサーボモータの回転運動を軸方向の往復運動へ変換するボールねじとを備えていわゆるＸＹＺステージに構成される。

第２把持機構４０は、Ｕ軸機構４２（Ｕ軸アクチュエータともいう。）と、Ｖ軸機構４３（Ｖ軸アクチュエータともいう。）と、Ｗ軸機構４４（Ｗ軸アクチュエータともいう。）とを備える。Ｕ軸機構４２、Ｖ軸機構４３およびＷ軸機構４４はそれぞれＺ軸回りのＵ軸、Ｙ軸回りのＶ軸、Ｘ軸回りのＷ軸方向に試験対象１００を変位させて姿勢決めする回動機構である。回動機構は、例えば、サーボモータ（エンコーダを含む）を備えて構成される。ここで、本実施形態では、Ｕ軸機構４２の回転軸、Ｖ軸機構４３の回転軸およびＷ軸機構４４の回転軸を、ＸＹＺ直交座標空間の一点（交点Ｏ）で交わらせている。

このように、第１把持機構２０に直動機構を持たせ、第２把持機構４０に回動機構を持たせることで、直動系（直交系）と回動系（回転系）とがそれぞれ独立（分離）した構成となる。そして、回動系の各回転軸が交わる交点ＯがＸＹＺ直交座標空間で固定された構成となる。すなわち、力学試験装置１０は、交点Ｏを基準として動きが制約された回動系に、その交点Ｏ（試験対象１００）で直動系を連結させた構成となる。言い換えると、力学試験装置１０は、交点Ｏを基準として動きが制約された直動系に、その交点Ｏ（試験対象１００）で回動系を連結させた構成となる。このため、直動系の動き（変位）が回動系の姿勢に影響を与えることはなく、また回動系の動き（変位）が直動系の位置に影響を与えることはない。したがって、試験対象１００に対して高精度に力学試験することができる。また、第１把持機構２０と第２把持機構４０とを分離し、第１把持機構２０として直動系をまとめ、第２把持機構４０として回動系をまとめることで、力学試験装置１０全体としてコンパクト化することができる。

ところで、特許文献１に記載のような６自由度のパラレルリンク機構では、各機構が独立した動きを取ることができないため、可動範囲が限られてしまう。特に回動機構は直動機構（伸縮機構）同士が干渉しないところまでという制約を受けてしまう。この制約を考慮して、特許文献１に記載の技術では、付加回転機構を設けている。さらに、特許文献１に記載の技術では、試験対象に力を滑らかに加えるために、空圧シリンダによるサーボ加圧機構を設けて、空気のクッション作用を利用している。すなわち、特許文献１に記載の技術は、複雑な８軸機構で実現されていることとなる。なお、特許文献１には、サーボ加圧機構の駆動源として油圧シリンダやサーボモータを用いると不具合が生じてしまうことが記載されている。

この点、本実施形態に係る力学試験装置１０では、直動系（３軸）と回動系（３軸）とがそれぞれ第１把持機構２０と第２把持機構４０とで独立（分離）とされ、回動系の各回転軸が交わる交点Ｏが固定された構成となっている。この力学試験装置１０では、試験対象１００としての生体関節の関節角度を大きく変化させて試験を行うことができるが、そのとき関節にかかる力を所定の値に制御（すなわち、力制御）しながら各機構を動かすこととなる。各機構が動いて変位が生じれば当然に力が生じるが、特に生体関節に対しては、その変位は僅かであるので、力の変化も少なく力制御を滑らかに行うことができる。すなわち、試験対象１００が生体関節であっても、それ自体がぶれるのを防止して、高精度に力学試験を行うことができる。

また、力学試験においては、試験を繰り返しても同じ結果を得る再現性が重要であるが、再現性を確保するためには自由度が制約されている方がより精度の高い再現試験を行うことができる。この点、本実施形態に係る力学試験装置１０では、直動系（３軸）の中で動きが制約され、また回動系（３軸）の中でも動きが制約された構成となっている。すなわち、力学試験装置１０によれば、パラレルリンク機構のように６軸で自由度が制約されているものよりも、精度の高い再現試験を行うことができる。

このような力学試験装置１０において、第１把持機構２０は、Ｚ軸機構２４、Ｘ軸機構２２およびＹ軸機構２３が架台１１上にＸＹＺステージとして搭載されている。また、第２把持機構４０は、Ｖ軸機構４３、Ｕ軸機構４２およびＷ軸機構４４が第１アーム部４５および第２アーム部４６を介して架台１１上に搭載されている。以下では、第２把持機構４０の構成について具体的に説明する。

第２把持機構４０は、一端部４５ａ、他端部４５ｂおよび中途部４５ｃを有する第１アーム部４５と、一端部４６ａ、他端部４６ｂおよび中途部４６ｃを有する第２アーム部４６とを備える。第１アーム部４５は、図１に示すように、中途部４５ｃで直角となるように曲げられ、一端部４５ａでＶ軸機構４３が設けられ、他端部４５ｂでＵ軸機構４２が設けられる。第２アーム部４６は、図３に示すように、中途部４６ｃで直角となるように曲げられ、一端部４６ａでＵ軸機構４２が設けられ、他端部４６ｂでＷ軸機構４４が設けられる。

このように、架台１１上に第１把持機構２０および第２把持機構４０を搭載させることで、力学試験装置１０がいわゆる卓上型となって、例えば、試験対象１００の交換や、試験対象１００への処置などの作業性を向上させることができる。

更に、力学試験装置１０は、第１アーム部４５の一端部４５ａ（すなわち、Ｖ軸機構４３の回転軸）を中心とし、中途部４５ｃを支持しながら第１アーム部４５を回動させるガイド部１２を備える。本実施形態では、ガイド部１２は、図３に示すように、レール１２Ａ，１２Ｂと、ブロック１２Ｃ，１２Ｄとを備え、ブロック内の無限循環する鋼球がレールの転動面を挟みながらスライドし曲げモーメントＭ（図１参照）に対する剛性を高める。レール１２Ａ，１２Ｂは、Ｖ軸機構４３の回転軸を中心に並んで弧を描くように架台１１上に設けられ、内側がレール１２Ａとなり、外側がレール１２Ｂとなる。レール１２Ａ，１２Ｂと対をなすブロック１２Ｃ，１２Ｄは、第１アーム部４５の中途部４５ｃ下に設けられ、レール１２上をブロック１２Ｃがスライドし、レール１２Ｂ上をブロック１２Ｄがスライドする。

このガイド部１２によれば、Ｖ軸機構４３の回動を確保しながら第１アーム部４５がその中途部４５ｃで撓んでしまうのを防止することができる。すなわち、第１アーム部４５を備える第２把持機構４０であっても、剛性を高めることができ、より高精度に力学試験することができる。

（力学試験装置の制御方法）
本発明の実施形態に係る力学試験装置１０の制御方法について、主に図４を参照して説明する。図４は力学試験装置１０の制御関係を説明するためのブロック図である。

力学試験装置１０は、パソコン６０と、リアルタイムコントローラ６１と、サーボドライバ６２と、サーボモータ６３と、６軸センサ６４とを備える。パソコン６０、リアルタイムコントローラ６１、およびサーボドライバ６２は、例えば、架台１１の内部に設けられる。また、サーボモータ６３は、第１把持機構２０（Ｘ軸機構２２、Ｙ軸機構２３、Ｚ軸機構２４）および第２把持機構４０（Ｕ軸機構４２、Ｖ軸機構４３、Ｗ軸機構４４）の駆動源として設けられる。また、６軸センサ６４（例えば、半導体ひずみゲージ）は、図３に示すように、第２把持機構４０の把持部４１に設けられる。具体的には、把持部４１と第２アーム部４６の他端部４６ｂに設けられたＷ軸機構４４との間に、６軸センサ６４が設けられる。なお、６軸センサ６４は、第１把持機構２０の把持部２１に設けられてもよい。

パソコン６０とリアルタイムコントローラ６１とは電気的に接続される。また、リアルタイムコントローラ６１とサーボドライバ６２とは電気的に接続される。また、サーボドライバ６２とサーボモータ６３とは電気的に接続される。また、サーボモータ６３の駆動により第１把持機構２０および第２把持機構４０から試験対象１００へ力が加えられる。また、試験対象１００に加わる力は６軸センサ６４で検出される。そして、６軸センサ６４とリアルタイムコントローラ６１とは電気的に接続される。

パソコン６０は、ユーザインターフェース処理を行い、リアルタイムコントローラ６１との間でデータのやり取りを行う。また、リアルタイムコントローラ６１は、試験対象１００に加わる力と試験対象１００の姿勢を制御し、サーボドライバ６２に対して速度指令や位置指令を行う。また、リアルタイムコントローラ６１は、６軸センサ６４から試験対象１００に加わっている力（アナログ値）を計算し制御を行う。また、リアルタイムコントローラ６１は、サーボモータ６３の位置により試験対象１００の姿勢を計算し制御を行う。サーボドライバ６２は、リアルタイムコントローラ６１からの指令に従い、サーボモータ６３の位置と速度の制御を行う。また、サーボモータ６３は、サーボドライバ６２の指令に従い、第１把持機構２０および第２把持機構４０（ロボットアーム）を動かす。そして、６軸センサ６４は、試験対象１００に加わる力を検出する。

前述したように、力学試験装置１０は、位置決めを行う直動系の第１把持機構２０と、姿勢決めを行う回動系の第２把持機構４０とを独立（分離）させた構成である。このため、第１把持機構２０は、第２把持機構４０の動きの影響を受けずに試験対象１００に力を加えることができる。また、第２把持機構４０は、第１把持機構２０の動きの影響を受けずに試験対象１００に力を加えることができる。このため、力学試験装置１０は、６軸センサ６４を介して試験対象１００に加えられた力を高精度に検出することができる。すなわち、力学試験装置１０は、高精度に力学試験することができる。

また、力学試験装置１０では、回動系の第２把持機構４０の各回転軸が交わる交点Ｏが固定されるため、計算処理が容易となり、また処理速度が高速となる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施形態では、第１把持機構および第２把持機構を架台上に設けて卓上型とした場合について説明した。これに限らず、第１把持機構および第２把持機構を剛性が確保されたフレーム内に設けることができる。

また、他の実施形態として、中途部が架台に接することなく、Ｖ軸機構の回転軸で第１アーム部を回転させる構成も考えられる。この点、前記実施形態のように、第１アーム部の中途部がガイド部で支持される構成とすることで、第１アーム部がその中途部で撓んでしまうのを防止し、第２把持機構の剛性を高めることができる。

また、例えば、前記実施形態では、試験対象として生体関節に適用した場合について説明した。これに限らず、脊髄などの生体材料やその人工材料、および６軸の力と変位の関係に基づいて強度などの力学的特性（機械的特性）で評価を受ける材料（構造物）にも適用することができる。

１０：力学試験装置、 １１：架台、 １１Ａ：キャスター、 １１Ｂ：脚、
１２：ガイド部、 １２Ａ，１２Ｂ：レール、 １２Ｃ，１２Ｄ：ブロック、
２０：第１把持機構、 ２１：把持部、 ２２：Ｘ軸機構、 ２３：Ｙ軸機構、
２４：Ｚ軸機構、 ４０：第２把持機構、 ４１：把持部、 ４２：Ｕ軸機構、
４３：Ｖ軸機構、 ４４：Ｗ軸機構、 ４５：第１アーム部、 ４５ａ：一端部、
４５ｂ：他端部、 ４５ｃ：中途部、 ４６：第２アーム部、 ４６ａ：一端部、
４６ｂ：他端部、 ４６ｃ：中途部、 ６０：パソコン、
６１：リアルタイムコントローラ、 ６２：サーボドライバ、 ６３：サーボモータ、
６４：６軸センサ、 １００：試験対象。

Claims (3)

1. 第１把持機構および第２把持機構を備え、前記第１把持機構と前記第２把持機構とで試験対象を把持して該試験対象に力を加えて試験する力学試験装置であって、
   前記第１把持機構は、
   ＸＹＺ直交座標空間のＸ軸方向に前記試験対象を変位させるＸ軸機構と、
   Ｙ軸方向に前記試験対象を変位させるＹ軸機構と、
   Ｚ軸方向に前記試験対象を変位させるＺ軸機構とを備え、
   前記第２把持機構は、
   前記Ｘ軸回りのＷ軸方向に前記試験対象を変位させるＷ軸機構と、
   前記Ｙ軸回りのＶ軸方向に前記試験対象を変位させるＶ軸機構と、
   前記Ｚ軸回りのＵ軸方向に前記試験対象を変位させるＵ軸機構とを備え、
   前記Ｕ軸機構の回転軸、前記Ｖ軸機構の回転軸および前記Ｗ軸機構の回転軸が、前記ＸＹＺ直交座標空間の一点で交わり、
   前記第１把持機構および第２把持機構を搭載する架台を更に備え、
   前記第２把持機構は、一端部、他端部および中途部を有する第１アーム部および第２アーム部を備え、
   前記第１アーム部は、該第１アーム部の中途部で直角となるように曲げられ、該第１アーム部の一端部で前記Ｖ軸機構が設けられ、該第１アーム部の他端部で前記Ｕ軸機構が設けられ、
   前記第２アーム部は、該第２アーム部の中途部で直角となるように曲げられ、該第２アーム部の一端部で前記Ｕ軸機構が設けられ、該第２アーム部の他端部で前記Ｗ軸機構が設けられ、
   前記第２把持機構は、前記Ｖ軸機構、前記Ｕ軸機構および前記Ｗ軸機構が前記第１アーム部および第２アーム部を介して前記架台上に搭載され、
   前記第１把持機構は、前記Ｘ軸機構、前記Ｙ軸機構および前記Ｚ軸機構が前記架台上にＸＹＺステージとして搭載されることを特徴とする力学試験装置。
2. 請求項１記載の力学試験装置において、
   前記第１アーム部の一端部を中心とし、該第１アーム部の中途部を支持しながら該第１アーム部を回動させるガイド部を更に備えることを特徴とする力学試験装置。
3. 請求項１または２記載の力学試験装置において、
   前記試験対象として生体関節に力を加えて試験することを特徴とする力学試験装置。

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