Module and mechanized movable module structure in order to form a mechanized movable structure

本発明は、機械化された可動構造体を形成するためのモジュール、及び機械化された可動モジュール構造体に関する。

プログラム可能なタイプの産業用ロボットが古くから知られており、物体、工具、或いは機器の取り扱いや移動といった繰り返し行われる複雑な或いは危険な作業や操作を自律して自動的に行う際に、人間に代わるものとして用いられている。
産業用ロボットは、様々な産業分野において、例えば機械加工されている部品の保持、溶接及び／又は切断用ヘッド或いは塗装ガンのような工具の操作、又は製品の組立もしくは分解等に使用され、分析実験室においては、例えば危険な物質の取り扱いに使用され、医療の分野では、例えば診断や外科的な処置に使用されており、その他の分野においても使用されている。

産業用ロボットの主要な機械的構成要素の１つは、いわゆる関節アーム、即ち、移動させる又は取り扱う物体、工具又は機器を把持するためのハンド又はヘッドを備えた操作部材である。

公知のロボットの関節アームには、産業に適用した場合に移動速度が低速であって、例えば処理や生産に時間がかかるという不具合を生じるといった問題がある。
また、従来の関節アームには、複雑な移動経路を規定して制御することができないという問題がある。
更に、従来の関節アームはかさばり、大きな作動領域を必要とするものであって、到達することが困難な狭い限られた空間内で使用することができないという問題がある。

本発明の狙いは、移動速度の速い機械化された可動構造体を得るためのモジュールを提供することにより、公知の産業用ロボットの関節アームが有する上述の問題点を解消することにある。
このような狙いの中で、本発明の目的は、複雑な移動経路であっても正確に規定して制御することが可能な、機械化された可動構造体を形成するためのモジュールを提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、コンパクトに構成されて作動領域を低減することにより、狭い限られた空間或いは到達することが困難な空間であっても作動させることが可能な、機械化された可動構造体を形成するためのモジュールを提供することにある。
また、本発明のもう１つの目的は、順応性があって他の用途にも容易に適用可能な、機械化された可動構造体を形成するためのモジュールを提供することにある。

更に、本発明のもう１つの目的は、簡単で実際に得ることが比較的容易であり、使用上安全で、作動が効率的であって比較的低コストの構成により、上記狙い及び目的を達成することにある。

このような狙い及び目的、並びに後に明らかとなる他の目的はいずれも、第１プレート状部材及び第２プレート状部材からなる、機械化された可動構造体を形成するためのモジュールによって達成され、上記第１プレート状部材及び第２プレート状部材は、互いに対面すると共に、ヒンジ手段と、上記第１プレート状部材及び第２プレート状部材を相対的に揺動させるための駆動手段とを介し、揺動可能に連結されていることを特徴とする。

好ましい実施態様において、上記ヒンジ手段は、上記第１プレート状部材と上記第２プレート状部材との間に設けられて上記第１プレート状部材及び第２プレート状部材の相対的な揺動の軸を定める円柱状のヒンジを備える。
本発明によるモジュールの別の好ましい実施態様において、上記第１プレート状部材及び第２プレート状部材の相対的な揺動の軸は、上記第１プレート状部材及び第２プレート状部材が配置されるそれぞれの平面に実質的に平行である。

また、上記狙い及び目的は、互いに連続的に配列された少なくとも１対の上記モジュールからなる、機械化された可動モジュール構造体によって達成され、上記対をなす一方のモジュールの第２プレート状部材が、上記対をなす他方のモジュールの第１プレート状部材と連結されていることを特徴とする。
好ましい実施態様において、本発明によるモジュール構造体は、連続的に配列された複数の上記モジュールからなり、上記複数のモジュールの１つにおける第２プレート状部材は、当該モジュールに隣接するモジュールの第１プレート状部材と連結されている。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面中の限定されない例によって示された、本発明による機械化された可動構造体を形成するためのモジュール及び機械化された可動モジュール構造体の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明によって、より一層明確になるであろう。

図を参照すると、全般的に符号１は機械化された可動構造体を形成するためのモジュールを示している。
本説明において、形容詞「第１」及び「第２」は、本発明の保護範囲を何ら制限することなく、それらが規定する部材を区別するためだけの目的で使用されるものである。
モジュール１は、第１プレート２によって構成される第１プレート状部材と、第２プレート３によって構成される第２プレート状部材とを備える。

第１プレート２と第２プレート３とは互いに対面しており、ヒンジ手段４を介して揺動するように相互に連結されている。 第１プレート２及び第２プレート３を相対的に揺動させるための駆動手段５が第１プレート２と第２プレート３との間で作動するようになっている。
ヒンジ手段４は、第１プレート２と第２プレート３との間に設けられて両者の相対的な揺動の軸Ａを定める円柱状ヒンジによって構成されており、この相対的な揺動の軸Ａは、第１プレート２及び第２プレート３が配置されるそれぞれの平面に実質的に平行である。

第１プレート２の中心及び第２プレート３の中心に対するヒンジ手段４、即ち相対的な揺動の軸Ａの相対的な距離を変化させることにより、揺動の幅、特にこれら２つのプレートの最大揺動幅が変化するため、これら２つのプレートにおいて対応する位置間の移動の距離、即ち移動の範囲が変化する。
図２及び３に示すように、相対的な揺動の軸Ａが第１プレート２の中央及び第２プレート３の中央から離間するほど、両プレートの各中央部分の相対的な移動可能限度が大きくなる。

例示した実施形態において、円柱状のヒンジは、第２プレート３に対面する第１プレート２の表面から突出した２つの突出部６を備えており、それぞれの突出部はピボット７を支持している。 ピボット７のそれぞれの端部は突出部から片持ち状態で突出しており、第１プレート２に対面する第２プレート３の表面から突出するように設けられた対応するフォーク状部材８と、回転軸受を介して連結されている。

なお、当業者に公知であるような代替の円柱状ヒンジを用いた実施の形態を排除するものではなく、例えば、第１プレート２及び第２プレート３の互いに対向する面から突出すると共に、回転軸受を介して連結ピボット７０を支持する２つのサポート６０及び８０によってヒンジを構成するようにしてもよい。
好ましい実施形態では、駆動手段５が線形のタイプであり、第１プレート２及び第３プレート３が配置されるそれぞれの平面に対して交わる方向Ｂに作動する。 「線形のタイプの駆動手段」という表現は、この駆動手段が作用する２点の間に、相対的に接近及び／又は離間する所定の方向への線形の移動を与えるように構成された駆動手段を示すものである。

駆動手段５が線形のタイプである場合、駆動手段５は第１プレート２及び第２プレート３のそれぞれに対応する２点間で作動し、これら２点間の距離が変化すると、モジュール１の開口角度、即ち第１プレート２及び第２プレート３の互いに対向する面によって形成される角度が変化する。
モジュール１の開口角度の拡大と共に方向Ｂにおける位置も変化するので、このような位置の変化に対応するため、線形のタイプである駆動手段５の両端部は、相対的な揺動の軸Ａと実質的に平行な軸回りに揺動可能に第１プレート２及び第２プレート３にそれぞれ軸支された各支持部材９に連結されている。

第１プレート２及び第２プレート３は、関係する支持部材９の揺動に対応すると共にこれを許容する貫通座１０をそれぞれ備えているのが好ましい。
好ましい実施形態において、線形のタイプである駆動手段５はシャフト１１を備えている。 このシャフト１１は、その両端にねじ部１１ａ及び１１ｂを有し、これらねじ部１１ａ及び１１ｂには、左回りと右回りの互いに逆方向のねじ山が設けられている（図示せず）。 ねじ部１１ａ及び１１ｂは、例えばボールスクリュータイプの対応した雌ねじ部材１２とそれぞれ組み合わされており、雌ねじ部材１２がそれぞれ支持部材９に固着され、シャフト１１が双方向に回転できるようになっている。

これら雌ねじ部材１２はそれぞれの支持部材９に固着されているので、シャフト１１を一方の方向或いは他方の方向に回転させることにより、雌ねじ部材１２がねじ部１１ａ及び１１ｂ上を摺動し、相互に近付いたり離間したりする。 これにより、第１プレート２及び第２プレート３が互いに近付いたり離間したりして、モジュール１の開口角度が変化する。

なお、駆動手段についての別の実施の形態を排除するものではなく、駆動手段を線形のタイプとする場合には、例えば液圧式或いは空気圧式のシリンダのように、流体を媒体として作動するものとすることもできる。
また例えば、駆動手段は、カムを用いたシステムや関節のある平行四辺形のシステムのように、非線形のタイプのものとすることもできる。

第１プレート２及び第２プレート３は実質的に円形であって、例えば光ファイバ、パイプ、ケーブルなどのような付帯システムや部品の収容と通過のための中央開口１３を備えている。
また、第１プレート２及び第２プレート３は、別のモジュール１を連続的に配置するための基準孔１４を少なくとも１つ備えており、第１プレート２及び第２プレート３と実質的に同心状の円周上に等間隔に配列された複数の基準孔１４を備えるのが好ましい。

以下の説明から明らかなように、好ましい実施形態において第１プレート２及び第２プレート３は、動きを駆動手段５に伝達する伝動手段のための通過孔１５を少なくとも１つ備えている。 別の好ましい実施形態では、第１プレート２及び第２プレート３が、第１プレート２及び第２プレート３と実質的に同心状の第２の円周上に等間隔に配列された複数の通過孔１５を備えており、この第２の円周は、基準孔１４が配列される第１の円周の径より短い径を有しているいるのが好ましい。

第１プレート２及び第２プレート３は、支持または据え付け機構を備えている。 この支持または据え付け機構は、多数の部材によって複雑な構造を形成する場合に使用される。 例えば、下水管の検査のために設計された関節構造は主に水平方向に配置されており、自立することができない。 このような場合、重量を支持可能である共に協調して収縮する単純なオン・オフ作動型の複数のアクチュエータに装着された複数対の支持脚部を所定のプレート上に設置するのが好ましく、例えば以下のようにして用いられる。

２対の脚部が静止している間に、持ち上げられた中間の脚部の対が、先行する脊柱状部材を伸張させると共に後続の脊柱状部材を収縮させることによって前進する（毛虫のようにして）。
また、据え付け機構は２通りの機能を有しており、例えば深い深度での水中溶接を行う際に構造体が垂直方向にかなりの長さを有して、十分な剛性を保持することができない場合や、ヘッドに装着された工具によって構造体自体に力が加わる場合に、上述のものと同様に機能すると共に、例えばヘッドと機械加工される部品とを強固に連結するように構成された据え付け機構を有する場合には、ドリルヘッドや切削ヘッドでより正確な機械加工を行うことができる。

更に、モジュール１はモータ手段を備えており、このモータ手段は駆動手段５と連結され、駆動手段５を双方向に動かすことができるようになっている。 駆動手段５が線形のタイプである場合には、第１プレート２及び第２プレート３の相対的な揺動を生じさせるべく、駆動手段５が作動する第１プレート２及び第２プレート３の２点間の相対距離を増減する方向にモータ手段が駆動手段５を動かす。

また、モータ手段から駆動手段５に動きを伝達するための伝動手段が設けられている。
可能な実施形態において、モータ手段は駆動手段５に対して離隔して設けられており、逆転可能なモータ１６によって構成される。 モータ１６はブラケット１７によって支持されており、伝動手段はフレキシブルシャフト１８によって構成される。 フレキシブルシャフト１８は、ベルトドライブ手段１９を介してその一端でモータ１６の動きを受け、その他端は駆動手段５に連結されている。

ブラケット１７は、対応するフレキシブルシャフト１８の長さの変化を相殺することができるように移動可能な図示しないフレームに連結されているのが好ましい。
それぞれのフレキシブルシャフト１８は、第１プレート２及び第２プレート３の対応する通過孔１５内に挿通されている。
別の可能な実施形態では、モータ手段及び伝動手段が駆動手段５に近接して設けられ、第１プレート２及び／又は第２プレート３によって支持されている。

２つ以上のモジュール１を互いに連続して連結することにより、例えば物体、部品、工具或いは機器を操作又は移動するための関節アームのような、機械化された可動モジュール構造体２０が得られる。
可動モジュール構造体２０におけるモジュール１の第２プレート３は、当該モジュール１に隣接するモジュール１の第１プレート２と連結されている。

可動モジュール構造体２０の両端のモジュール１には、それぞれ支持土台及び一般的なグリップヘッドを組み付けることが可能である。
添付の図に示された実施例に基づき、本発明の作用は以下の通りとなる。
単一のモジュール１を構成するため、第１プレート２の突出部６に支持されたピボット７を、第２プレート３から突出するフォーク状部材８と連結することにより、円柱状のヒンジを構成する必要がある。

次に、シャフト１１の２つのねじ部１１ａ及び１１ｂが第１プレート２及び第２プレート３の対応する雌ねじ部材１２内に挿入される。
更に、シャフト１１が対応するフレキシブルシャフト１８の一端に連結され、フレキシブルシャフト１８の他端は、ベルトドライブ手段１９を介してモータ１６に連結される。
モータ１６を作動させることによりフレキシブルシャフト１８を回転させることができるので、シャフト１１を双方向に回転させることができる。 シャフト１１の双方向への回転は、雌ねじ部材１２同士の接近或いは離間を生じ、それにより第１プレート２及び第２プレート３が接近或いは離間する。 このようにして、予め設定可能で調整された動きが得られる。

構造体２０を組み立てるため、直列的に配列された複数のモジュール１を連続的に組み立てる必要がある。
基準孔１４を用いることにより、予め設定可能な基準に従って２つの連続するモジュール１を所定方向に向けることが可能であって、これらモジュール１の相対的な揺動の軸Ａを所定方向に向けることができるので、基準孔１４の組合せを変えることにより、構造体２０の可能な動きを変更することができる。

構造体２０の動きを変更するため、揺動軸Ａと第１プレート２及び第２プレート３のそれぞれの中心との間の距離を異なるものとしたモジュール１を組み合わせることも可能である。
また、各モジュール１の駆動手段５は、対応するフレキシブルシャフト１８を用いてそれぞれのモータ１６に連結され、各モジュール１は自律的に駆動される。

フレキシブルシャフト１８は、各モジュール１の通過孔１５内に挿通されており、それぞれ連続するモジュール１に達している。
個々のモジュール１の駆動用モータ１６を支持するブラケット１７は、構造体２０の様々な動きを相殺するように、移動可能に基盤に支持されているのが好ましい。
構造体２０の自由端には、把持及び保持ヘッドを強固に結合させることができる。

予めセットされたプログラムに従ってモータ１６を作動させることにより、各モジュール１に所定の揺動を生じさせて予め設定された動きを得ることが可能であり、構造体２０の動きは、構造体２０を構成する各モジュール１の揺動及び移動の合成によって定められる。
図４は開状態、即ち最も伸張した状態にある構造体２０の図であり、構造体２０を構成する各モジュール１の開口角度は、可能な最大幅を有している。 一方、図５は閉状態、即ち最も収縮した状態にある構造体２０の図であり、構造体２０を構成する各モジュール１の開口角度は、可能な最少幅を有している。

このように、上述した発明が、意図する狙い及び目的を実際に達成することが確認された。
事実、本発明によるモジュールは、移動速度が極めて速く、複雑な経路であっても正確に規定して制御することが可能な、機械化された可動モジュール構造体の提供を可能とするものである。

本発明による機械化された可動モジュール構造体はコンパクトに構成され、必要となる作動領域は小さくてすみ、狭い限られた空間にも容易に到達可能である。
本発明による機械化された可動モジュール構造体は柔軟性を有し、様々な適用に容易に適合することが可能であって、例えばレーザ或いは水噴射式カッティングヘッドのような工具の移動や、医療分野における機器の操作に適合させることが可能である。

本発明による機械化された可動モジュール構造体は、特に医療分野に適用するべく小型化するのに適している。
このように創出された本発明は様々な変更や変形が可能であり、それらはいずれも本発明の概念の範囲内に含まれるものである。
また、詳細にわたり他の技術的な均等物との置換が可能である。

実際に、形状や寸法に加えて材料についても、添付の請求の範囲による保護の範囲を放棄することなく、必要に応じていかなるものにもすることが可能である。
本出願の優先権主張の基礎となるイタリア国特許出願ＭＩ２００５Ａ００１３９２号において開示するものは、参照によりここに編入されるものである。
請求の範囲において示される技術的特徴が参照符号を伴う場合、これらの符号はいずれも請求の範囲の理解を促進する目的のみに用いられるものであって、そのような参照符号によって例として示される各要素の解釈に制限を加えるものではない。

伝動手段を介してそれぞれのモータ手段と連結された、本発明によるモジュールの斜視図である。

２つの異なる部分にヒンジ手段を有した、本発明による２つのモジュールを図３と共に示す概略斜視図である。

２つの異なる部分にヒンジ手段を有した、本発明による２つのモジュールを図２と共に示す概略斜視図である。

開状態にある、本発明による機械化された可動モジュール構造体の斜視図である。

閉状態にある、本発明による機械化された可動モジュール構造体の斜視図である。