JPH0694111B2 - マスタアーム装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、左右２本のアームを持つ看護介助ロボット
のスレーブアームの制御のために用いられるマスタアー
ム装置に関する。

［従来の技術］ 寝たきり患者等の重度の身体障害者を浴室やトイレ、病
室などに移動し、入浴、ベットからの抱き上げ、体位の
変換、車椅子への移動などの介助作業を行ない、看護婦
などの介助者の負担を軽減することを目的とする看護介
助ロボットとしては、従来通産省工業技術院では試作さ
れた通称「メルコング」というロボットが知られてい
る。

ところがこの看護介助ロボットの場合には、オペレータ
がロボットそのものの動きを見ながら操作盤でロボット
のアームの動きや、位置の移動を行うようにしたもので
ある。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、その看護ロボットの操作には、熟練を要し、医
療に従事する通常の看護婦のような人々がそのロボット
を自在に使いこなすという点で問題があった。

この発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたもの
であって、マスタ・スレーブ方式を採用した看護介助ロ
ボットにして、オペレータがマスタアーム装置を自分の
腕に装着し、患者の世話をしたい姿勢をとるだけでその
動きに追従してスレーブアームが患者を抱き上げたり起
こしたりすることができるようにし、スレーブロボット
の簡単な操作が行なえるマスタアーム装置を提供しよう
とするものである。

［課題を解決するための手段］ 前述のごとき従来の問題に鑑みて、本発明は、スレーブ
アームを備えてなるスレーブロボットの上記スレーブア
ームを操作するためのマスタアーム装置にして、前記ス
レーブアームに相似形に構成したマスタアームを支持し
たマスタ支持パイプを、オペレータの背中に当てる本体
部に固定して設け、この本体部を上記オペレータに固定
するための胴ベルトを、オペレータの背丈に応じてマス
タアームの高さ位置を調節すべく前記本体部に上下調節
自在に装着して設け、上記マスタアームにおける上腕シ
ャフトおよび下腕シャフトの長さを前記オペレータの上
腕及び下腕の長さに対応して調節すべく上記上腕シャフ
ト及び下腕シャフトを長さ調整可能に設けてなるもので
ある。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図に基づいて詳説する。第１
図はマスタ・スレーブ方式の看護介助ロボットの全体を
示すものであり、スレーブロボット１は、全方向走行可
能な台車３上に設けられたロボット本体５に左右のスレ
ーブアーム7,9を上下駆動可能に取付け、また同じ台車
３上にスレーブアーム7,9の駆動制御を行なう制御盤11
を設置した一体構造のものである。

またマスタアーム13はオペレータ15の左右の腕17にそれ
ぞれ装着し、そのオペレータ15の腕17の動きを関節部の
回転の度合によって検知し、スレーブロボット１の制御
盤11にその信号を与え、スレーブアーム7,9にオペレー
タ15の腕17の動きと同じ動きをとらせるようにする。

第２図、第３図及び第６図はスレーブロボット１の全体
を示すものである。ロボット本体５の左右に設けられた
上下用ボールねじ19に上下用ナット21を噛合せ、このッ
ト21にそれぞれ左右のスレーブアーム7,9のブラケット2
3が取付けられている。従ってボールねじ19の回転によ
ってナット21が上下し、ブラケット23を介して左右のア
ーム7,9が上下動する。上下用ブラケット23には水平回
転用軸（R₁軸）用モータ25が取付けられており、ハーモ
ニツクドライブのような減速機27を介して水平回転用出
力軸（R₁軸）29が連動連結されている。

このR₁軸29にはフレーム31が水平回転可能に取付けられ
ており、このフレーム31内に捻転用軸（R₂軸）用モータ
33が設けられている。このR₂軸用モータ33は減速機35を
介して捻転用出力軸（R₂軸）37に連動連結されており、
R₂軸用モータ33の回転によりR₂軸37が捻転（腕を捻るよ
うな回転）を行なう。上記R₂軸37には捻転用フレーム39
が取付けらており、このフレーム39内に前後回転用軸
（Ｈ軸）駆動モータ41が設けられている。そしてこのＨ
軸駆動モータ41を減速機43を介して前後回転用出力軸
（Ｈ軸）45に連動連結されており、このＨ軸45を前後方
向に回転させる。

このＨ軸45には上腕アーム47が取付けられている。そし
てこの上腕アーム47の内側には前後回転用軸（Ｖ軸）駆
動モータ49が設けられており、このＶ軸駆動モータ49は
ベベルギアボックス51、減速機53を介して前後回転用出
力軸（Ｖ軸）55に連動連結している。従ってＶ軸駆動モ
ータ49の回転によりこのＶ軸55は前後方向に回転する。

上記Ｖ軸55には下腕アーム57が連結されており、この下
腕アーム57の内側に前後回転用軸（Ｗ軸）駆動モータ59
が設けられている。このＶ軸駆動モータ59はベベルギア
ボックス61、減速機63を介して前後回転用出力軸（Ｗ
軸）65と連動連結されている。従ってこのＷ軸65はＷ軸
駆動用モータ59の回転により減速された前後方向の回転
を行なう。このＷ軸65にはハンド67が取付けられてい
る。

またこのスレーブロボット１の台車３は、第４図及び第
５図に示すようにその底面４隅にそれぞれ全方向走行可
能なボールキャスタ69が設けられている。またこの台車
３の底面中央部には旋回プレート71が旋回用ベアリング
73を介して回転自在に取付けられている。そしてこの旋
回用プレート71の左右両翼にそれぞれ駆動モータ75,77
が取付けられており、各駆動モータ75,77それぞれに駆
動タイヤ79,81が設けられている。また旋回プレート71
の中央部には大ギア83が取付けられており、この大ギヤ
83は台車３の底面に取付けられた小ギア85と噛合ってい
る。この小ギヤ85にはブレーキ装置87が取付けられてお
り、ブレーキ装置87の作動により小ギ85を介して大ギア
83を固定し、旋回プレート71の方向性を固定することが
できる。

こうして上記構成のスレーブロボット１は、第６図に示
すように台車３によって前後左右全方向走行可能とな
り、所望の位置にこの台車３を移動させ、左右のスレー
ブアーム7,9を人の腕のように動作させることにより、
患者の介護を行なうのである。

第７図乃至第10図はマスタアーム13を示すものである。
このマスタアーム13は、オペレータ15の左右の腕17に取
付けてその左右の腕の動きを検知し、スレーブロボット
１のスレーブアーム7,9を追従させるものである。左右
のマスタアーム13は、前記スレーブアーム7,9と相似形
に構成してあり、左右のマスタアーム13にはそれぞれ前
記スレーブアーム7,9の各駆動部と対応する位置にエン
コーダを設け、オペレータ15の腕17の各関節部の動きの
度合を検知する。そのために肩関節部においては水平回
転（R₁）検知用エンコーダ89、捻転（R₂）検知用エンコ
ーダ91、前後回転（Ｈ）検知用エンコーダ93を設け、肘
関節部には垂直回転（Ｖ）検知用エンコーダ95を備え、
手首関節部にも垂直回転（Ｗ）検知用エンコーダ97を備
えている。そしてこれらの肩関節部と肘関節部との間に
はターンバックルのように伸縮調整可能な上腕シャフト
99が設けられており、肘関節部と手首関節部との間には
伸縮調整可能な下腕シャフト101が設けられている。ま
た手首関節部にはグリップ103が設けられている。そし
てこのグリップ103にはスレーブアーム7,9を上下動させ
るためめの上下駆動（Ｚ軸）用スイッチSW₁、さらにマ
スタアーム13の作動を有効とするための動作有効スイッ
チSW₂が設けられている。

従ってオペレータ15がその左右の腕17を動かして患者の
介護がしたい姿勢に移動させると、その左右の腕の動き
を各エンコーダが肩関節部、肘関節部、手首関節部の各
軸R₁,R₂,H,V,Wの回転角度として回転角度に応じた出力
パルスを発生する。

ここで各エンコーダの部分は、第８図に詳しく示されて
いるように、共通して軸105（ここではR₁軸が示されて
いるが、他のR₂,H,V,W軸についても同じ。）をベアリン
グ107によって支持し、その軸105の回転を大ギヤ109と
小ギヤ111との噛合せにより例えば２倍程度に増幅して
エンコーダ89に入力する。この構成によりマスタアーム
13の微小な動きに対しても適確な動きの把握ができ、正
確にスレーブアーム7,9を追従させることができるので
ある。また小パルスのエンコーダを用いることができ、
マスタアーム13の軽量化を図ることもできる。

なお上記マスタアーム13はその材質にアルミニウムを採
用することにより全体の軽量化が可能である。さらにシ
ャフト99,101は中空材を用いることにより、より一層の
軽量化が可能となる。

上記構成のマスタアーム13はオペレータ15の左右の腕７
に取付けなければならないのであるが、そのために第11
図及び第12図に示すような背負装置113を用いる。この
背負装置113はオペレータの背中に当てる本体部115と胴
ベルト117とで成る。この胴ベルト117にはバックル119
によって胴ベルト前部121が取外し自在に係合されてい
る。また肩当前部123はバックル125によって本体部115
に繋がれている。前記本体部115にはマスタアーム支持
パイプ127が固定されており、この支持パイプ127によっ
て左右のマスタアーム13がそれぞれ支持されるのであ
る。

またオペレータが交替すれば、その背丈に応じてマスタ
アーム13の取付け高さも調整する必要があるため、本体
部115に対して胴ベルト117は上下調節が可能な構造とし
てある。つまり胴ベルト117にスライドガイド129が設け
られており、本体部115をこのスライドガイド129に対し
てスライドさせ、オペレータ各自が自分のウエストの位
置に胴ベルト117がくるように両者の高さを調整する。
その時、把手131とその把手131に設けられたピン133は
本体部115の側面に上下方向に複数個開けられている係
合孔135の１つに挿入され、固定されるのである。そし
てこのピン133が係合孔135に確実に押し込まれるよう
に、押えばね137がピン133を本体部115の方向に押すよ
うに設けられている。従って、把手131を引き、ピン133
を係合孔135から外し、本体部115をスライドガイド129
に対して上下にスライドさせて適当な位置まで移動さ
せ、その状態で把手131を離せば、押えばね137によって
ピン133は係合孔135の別の１つに係合し、本体部115と
胴ベルト117の高さ位置が調整できるのである。

上記の構成を備えるマスタ・スレーブ方式の看護介助ロ
ボットの動作について次に説明する。

上記構成のマスタ・スレーブ方式の看護介助ロボットは
スレーブロボット１をその台車３の左右のモータ75,77
を動作させて所望の位置まで移動させる。

患者を看護する場合には、オペレータ15が第７図に示す
ように左右にそれぞれマスタアーム13を装着し、グリッ
プ103を握り、動作有効スイッチSW₂を押しながら看護し
たい姿勢を取るように左右の腕を動かし、マスタアーム
13を操作する。このオペレータ15の操作により、マスタ
アーム13はオペレータ15の腕の動きに応じて、その肩関
節部の動きをR₁軸、R₂軸、Ｈ軸それぞれのエンコーダ8
9、91、93によって把握し、また肘関節部の動きはＶ軸
エンコーダ95によって把握し、さらに手首関節部の動き
はＷ軸エンコーダ97によって把握し、それぞれのエンコ
ーダがオペレータ15の腕17のきに応じた回転角度をパル
ス出力として出力する。

この各エンコーダのパルス出力は第８図に示したように
大ギア109と小ギヤ111との噛合せにより約２倍に増幅さ
れた状態でエンコーダに与えられるため、ギヤ比補正を
した状態でスレーブアーム7,9の対応する各駆動モータ2
5,33,41,49,59に与えられ、スレーブアーム7,9に所望の
動きを与える。

また左右のスレーブアーム7,9の上下の調整はオペレー
タ15が左右のマスタアーム13それぞれのグリップ103の
上下駆動用スイッチSW₁を操作することによって行な
う。上記の動作によってマスタ・スレーブ方式の看護介
助ロボットは操作されるのであるが、このような看護介
助ロボットを用いた病人看護の具体的な例を次に第13図
及び第14図をもとに説明する。

オペレータ15は上記背負装置113を用いて第７図に示し
たように左右の腕17に対してそれぞれマスタアーム13を
取付ける。そしてスレーブロボット１の台車３を第13図
に示すように患者139の伏しているベット141に近付け
る。つづいてマスタアーム13の動作有効スイッチSW₂を
押しながら、介護者であるオペレータが患者139を介護
したいと思う姿勢をとるように左右の腕17を動かす。

このオペレータ15の動作によりマスタアーム13はオペレ
ータ15の左右の腕17の動きを検知し、それに追従してス
レーブロボット１の左右のスレーブアーム7,9を動作さ
せ、患者139をベット141から抱え上げることができる。
つづいてこの患者を台車３の移動により例えば浴室に運
ばせる。

浴室に到着したならば、第14図に示すように浴室のバス
タブ143内に患者139を抱えたまま入れるように、オペレ
ータ15はマスタアーム13のグリップにある上下駆動用ス
イッチSW₁を操作して左右のスレーブアーム7,9の上下位
置を調整し、同時に動作スイッチSW₂を操作しながら患
者の背中を起こすような形に左右のマスタアーム13を移
動させる。この操作によってスレーブアーム7,9はそれ
ぞれマスタアーム13の動きに追従し、バスタブ143内に
おいて患者139を抱き起こした形において潰らせること
ができる。

［発明の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるように、要す
るに本発明は、スレーブアーム（7,9）を備えてなるス
レーブロボット（１）の上記スレーブアーム（7,9）を
操作するためのマスタアーム装置にして、前記スレーブ
アーム（7,9）に相似形に構成したマスタアーム（13）
を支持したマスタ支持パイプ（127）を、オペレータの
背中に当てる本体部（115）に固定して設け、この本体
部（115）を上記オペレータに固定するための胴ベルト
（117）を、オペレータの背丈に応じてマスタアーム装
置（13）の高さ位置を調節すべく前記本体部（115）に
上下調節自在に装着して設け、上記マスタアーム（13）
における上腕シャフト（99）および下腕シャフト（10
1）の長さを前記オペレータの上腕及び下腕の長さに対
応して調節すべく上記上腕シャフト（99）及び下腕シャ
フト（101）を長さ調整可能に設けてなるものである。

上記構成より明らかなように、本発明においては、マス
タアーム13を支持した支持パイプ127はオペレータの背
中に当てる本体部115に固定してあり、この本体部115を
オペレータに固定するための胴ベルト117は、オペレー
タの背丈に応じてマスタアーム13の高さ位置を調節すべ
く前記本体部115に上下位置調節自在に装着してある。

またマスタアーム13における上腕シャフト99および下腕
シャフト101は、オペレータの上腕及び下腕の長さに対
応して調節すべく長さ調整可能に設けてある。

したがって、本発明によれば、オペレータの背丈が異な
る場合であっても、マスタアーム13がオペレータの肩部
より高すぎたり低すぎたりすることのないように最適な
高さ位置に調節でき、かつマスタアーム13における上腕
シャフト99及び下腕シャフト101をオペレータの上腕及
び下腕の長さに調節することができ、オペレータの上腕
及び下腕の動きに正確に追従して上腕シャフト99及び下
腕シャフト101が動作することとなり、オペレータの上
腕及び下腕の動きに対応してスレーブアーム7,9を正確
に追従させることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の全体図、第２図は上記実
施例のスレーブロボットの斜視図、第３図は上記スレー
ブロボットのスレーブアームの断面図、第４図は上記ス
レーブロボットの台車の底面図、第５図は上記台車の側
面図、第６図は上記スレーブロボットの機構図、第７図
は上記実施例のマスタアームの装着状態を示す斜視図、
第８図は上記マスタアームの側面図、第９図は上記マス
タアームの手先部の平面図、第10図は上記マスタアーム
の機構図、第11図は上記マスタアームの背負装置の背面
図、第12図は第11図におけるXII−XII線断面図、第13図
は上記実施例の患者抱え上げ状態を示す側面図、第14図
は上記実施例のスレーブロボットによる患者入浴介助動
作を示す側面図である。 １……スレーブロボット、7,9……スレーブアーム 13……マスタアーム、15……オペレータ 17……腕、89……水平回転検知用エンコーダ 91……捻転検知用エンコーダ、93……前後回転検知用エ
ンコーダ 95……垂直回転検知用エンコーダ、97……垂直回転検知
用エンコーダ 99……上腕シャフト、101……下腕シャフト 103……グリップ、113……背負装置 115……本体部、117……胴ベルト 127……マスタアーム支持パイプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スレーブアーム（7,9）を備てなるスレー
   ブロボット（１）の上記スレーブアーム（7,9）を操作
   するためのマスタアーム装置にして、前記スレーブアー
   ム（7,9）に相似形に構成したマスタアーム（13）を支
   持したマスタ支持パイプ（127）を、オペレータの背中
   に当てる本体部（115）に固定して設け、この本体部（1
   15）を上記オペレータに固定するための胴ベルト（11
   7）を、オペレータの背丈に応じてマスタアーム（13）
   の高さ位置を調節すべく前記本体部（115）に上下調節
   自在に装着して設け、上記マスタアーム（13）における
   上腕シャフト（99）および下腕シャフト（101）の長さ
   を前記オペレータの上腕及び下腕の長さに対応して調節
   すべく上記上腕シャフト（99）及び下腕シャフト（10
   1）を長さ調整可能に設けてなることを特徴とするマス
   タアーム装置。