| 【発明の名称】 |
移搬支援ロボット |
| 【発明者】 |
【氏名】戸塚 忠男
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| 【要約】 |
【課題】熟練した操作者を必要とすることなく比較的簡単に操作可能とする。
【解決手段】リフト４により上下動自在に吊り下げられた胴部１に、操作者の上膊に装着される上側アーム２の一端を少なくとも上下回動自在に支持するとともに、その他端に操作者の下膊に装着される下側アーム３の一端を少なくとも上下回動自在に支持し、胴部１と上側アーム２との間、および上側アーム２と下側アーム３との間に、被移搬物の荷重を支援するシリンダ１Ｓ，２Ｓを設けて、センサにより検出された操作者の上膊および下膊の上下変位に基づいてシリンダ１Ｓ，２Ｓを制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被移搬物を移搬する場合の作業を支援する移搬支援ロボットにおいて、上方から吊り下げ支持され作業時に操作者の胸部に装着される胴部と、一端が胴部に上下回動自在に支持され作業時には操作者の上膊に装着されるとともに、この上膊の上下変位を検出する第１のセンサを有する上側アームと、一端が上側アームの他端に上下回動自在に支持され作業時には操作者の下膊に装着されるとともに、この下膊の上下変位を検出する第２のセンサを有する下側アームと、胴部と上側アームとの間に設けられ第１のセンサの検出出力に応じて上側アームを上下に回動させることにより上膊への荷重を支援する第１の支援手段と、上側アームと下側アームとの間に設けられ第２のセンサの検出出力に応じて下側アームを上下に回動させることにより下膊への荷重を支援する第２の支援手段とを備えることを特徴とする移搬支援ロボット。
【請求項２】 請求項１記載の移搬支援ロボットにおいて、胴部は、操作者の上体の上下変位を検出する第３のセンサを有し、第３のセンサの検出出力に応じて上下に伸縮するリフトを介して上方から吊り下げ支持されていることを特徴とする移搬支援ロボット。
【請求項３】 請求項１および２の移搬支援ロボットにおいて、胴部下方床面上部を包囲する位置に設けられ、床面を遊動自在な転がり手段を有する脚部と、脚部から上方に立設され、その上端から胴部を吊り下げ支持する柱部とを備えることを特徴とする移搬支援ロボット。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移搬支援ロボットに関し、特に老人や患者を移搬する場合の作業を支援する移搬支援ロボットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】看護人が体が不自由な老人や患者を移動させる場合、看護人に対して予想以上に大きな作業負担がかかり、看護人不足の原因とも云われている。特に、近年では、老人や患者の体重も増す傾向にあり、ベットの敷布を交換する場合、あるいは老人や患者をベットから移動させる場合には、２人以上の看護婦が必要となる。
【０００３】このような作業負担を軽減するため、看護人の作業を支援するロボットを用いることが考えられる。従来、この種のロボットでは、クレーン型のアームを設け、これをレバーやスイッチなどにより遠隔操作するものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のロボットでは、アームの操作が難しく、特に体の不自由な老人や患者をアームで移搬する場合には、熟練した操作者が必要となり、不特定多数の人が簡単に操作できないという問題点があった。本発明はこのような課題を解決するためのものであり、熟練した操作者を必要とすることなく比較的簡単に操作できる移搬支援ロボットを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、本発明による移搬支援ロボットは、上方から吊り下げ支持され作業時に操作者の胸部に装着される胴部と、一端が胴部に上下回動自在に支持され作業時には操作者の上膊に装着されるとともに、この上膊の上下変位を検出する第１のセンサを有する上側アームと、一端が上側アームの他端に上下回動自在に支持され作業時には操作者の下膊に装着されるとともに、この下膊の上下変位を検出する第２のセンサを有する下側アームと、胴部と上側アームとの間に設けられ第１のセンサの検出出力に応じて上側アームを上下に回動させることにより上膊への荷重を支援する第１の支援手段と、上側アームと下側アームとの間に設けられ第２のセンサの検出出力に応じて下側アームを上下に回動させることにより下膊への荷重を支援する第２の支援手段とを備えるものである。したがって、操作者の上膊の上下変位が第１のセンサで検出されて第１の支援手段により上膊への荷重が支援されるとともに、下膊の上下変位が第２のセンサで検出されて第２の支援手段により下膊への荷重が支援される。
【０００６】また、胴部は、操作者の上体の上下変位を検出する第３のセンサを有し、第３のセンサの検出出力に応じて上下に伸縮するリフトを介して上方から吊り下げ支持されているものである。したがって、操作者の上体の上下変位が第３のセンサにより検出され、被移搬物の荷重が掛かる上側および下側アームを支持する胴部がリフトにより上下に移動する。また、胴部下方床面上部を包囲する位置に設けられ、床面を遊動自在な転がり手段を有する脚部と、脚部から上方に立設され、その上端から胴部を吊り下げ支持する柱部とを備えるものである。したがって、上側および下側アームを支持する胴部が安定して床面に支持されるとともに、前後左右および斜め方向に自由に移動できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、本発明について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態である移搬支援ロボットの外観図であり、同図において、１は操作者がエプロンのように胸部に装着するための開口部を有する半楕円筒状の胴部、２は操作者の左右の上膊（じょうはく）に対応して胴部１に設けられた上側アーム、３は操作者の左右の下膊（かはく）に対応して上側アーム２の先端にそれぞれ設けられた下側アームである。
【０００８】各アーム２，３は、筒状の金属または硬質プラスチック材などからなり、作業時には操作者の腕が胴部１側から内部に挿入される。このとき、下側アーム３先端から操作者の手のひらが露出する。これにより、被移搬物をアーム２，３で抱きかかえるときの細かな作業が可能となる。
【０００９】上側アーム２は、一般的な関節機構を介して、その一端が胴部１に少なくとも上下に回動自在に支持されている。なお、上側アーム２を左右にも回動自在に支持してもよく、移搬時の作業性が向上する。また、胴部１と上側アーム２との間には、上側アーム２に掛かる荷重を支援するため、後述するシリンダなどの支援手段が設けられている。
【００１０】同様に、下端アーム３は、一般的な関節構造を介して、その一端が上側アーム２の他端に、少なくとも上下に回動自在に支持されている。なお、上側アーム２を左右にも回動自在に支持してもよく、移搬時の作業性が向上する。また、上側アーム２と下側アーム３との間には、下側アーム３に掛かる荷重を支援するため、後述するシリンダなどの支援手段が設けられている。
【００１１】これら各アームを支持する胴部１は、上下に伸縮する左右のリフト４を介して、動力制御部５に吊り下げられている。動力制御部５には、上記各支援手段で用いる動力を供給するオイルポンプなどの動力供給手段が設けられている。また、各アームの筒内側および胴部には、操作者の腕の上下変位動、および上体の上下変位動をそれぞれ検出するために後述するセンサが設けられており、動力制御部５には、各センサの検出出力に応じて、リフト４および各アーム２，３の支援手段への動力供給を制御する制御部が設けられている。
【００１２】動力制御部５は、脚部７に立設された柱部６の上端に固定支持されている。脚部７は、胴部１の下方床面上部を包囲するように、平面Ｕ字形状をなしており、床面側下部には、複数の台車８が設けられている。これにより、被移搬物の荷重が掛かる胴部１を安定支持できる。作業時には、脚部７のＵ字形の中心に操作者が立って、胴部１を装着し、脚部７に支持されている動力制御部５および胴部１を任意の方向に回転あるいは移動させることができる。
【００１３】そして、操作者は、上膊，下膊あるいは上体を上下させることにより、各アーム２，３の上下位置や胴部１の高さを制御して、移搬する老人や患者をアーム２，３で抱える。このとき、アーム２，３に掛かる荷重がセンサにて検出され、制御部により動力が各支援手段に供給されて、操作者に掛かる荷重が軽減されるため、僅かな作業負担で、しかも簡単な操作により移搬できる。
【００１４】次に、図２を参照して、本発明の動作を説明する。図２は、リフト、胴部およびアームを示す説明図である。左右のリフト４は、それぞれ動力制御部５に支持された上側リフト４Ｕと胴部１に支持された下側リフト４Ｌからなる。上側リフト４Ｕおよび下側リフト４Ｌ間には、上側リフト４Ｕに対して下側リフト４Ｌを上下させるシリンダ４Ｓが設けられている。
【００１５】上側アーム２の支持部内側の上下（上膊付け根部分に対応する位置）には、操作者の脇または肩の上下変位を検出するセンサ１１，１２（第３のセンサ）が設けられており、操作者の上体の上下動が検出される。したがって、センサ１２の検出出力に応じて、シリンダ４Ｓが下方へ伸びるように動力が供給され、胴部１全体が下方へ下がる。
【００１６】また、センサ１１の検出出力に応じて、シリンダ４Ｓが上方へ縮むように動力が供給され、胴部１全体が上方へ上がる。なお、センサ１１，１２の検出出力がない場合には、シリンダ４Ｓの位置が保持される。
【００１７】胴部１と上側アーム２との間には、上側アーム２に掛かる荷重を支援するシリンダ１Ｓ（第１の支援手段）が設けられている。上側アーム２の中程の筒内側の上下には、操作者の上膊の上下変位を検出するセンサ２１，２２（第１のセンサ）が設けられており、操作者の上膊の上下回動が検出される。
【００１８】したがって、センサ２１の検出出力に応じて、シリンダ１Ｓが前方へ伸びるように動力が供給され、胴部１に対して上側アーム２が上方へ回動する。また、センサ２２の検出出力に応じて、シリンダ１Ｓが後方へ縮むように動力が供給され、胴部１に対して上側アーム２が下方へ回動する。なお、センサ２１，２２の検出出力がない場合には、シリンダ１Ｓの位置が保持される。
【００１９】同様に、上側アーム２と下側アーム３との間には、下側アーム３に掛かる荷重を支援するシリンダ２Ｓ（第２の支援手段）が設けられている。下側アーム３の中程の筒内側の上下には、操作者の上膊の上下変位を検出するセンサ３１，３２（第２のセンサ）が設けられており、操作者の上膊の上下回動が検出される。
【００２０】したがって、センサ３１の検出出力に応じて、シリンダ２Ｓが前方へ伸びるように動力が供給され、上側アーム２に対して下側アーム３が上方へ回動する。また、センサ３２の検出出力に応じて、シリンダ２Ｓが後方へ縮むように動力が供給され、上側アーム２に対して下側アーム３が下方へ回動する。なお、センサ３１，３２の検出出力がない場合には、シリンダ２Ｓの位置が維持される。
【００２１】図３は、アームの制御ループを示す説明図、図４は制御部のフローチャートである。シリンダ１Ｓの内部には、後室１Ａおよび前室１Ｂを密閉遮断するピストン１Ｐが設けられており、後室１Ａおよび前室１Ｂの内圧差により、ピストン１Ｐがシリンダ１Ｓ内部を前後に移動する。一方、タンク５４にはオイルや空気などの流動体が蓄液されており、常にポンプ５２により比較的高圧の一次圧として電磁弁５３に供給されている。
【００２２】電磁弁５３は、ポンプ５２から供給された１次圧を、シリンダ１Ｐの後室１Ａまたは前室１Ｂのいずれかに切り替え供給する弁であり、１次圧供給側とは反対側の室からの余圧をタンク５４に還元する。制御部５１は、センサ２１，２２からの検出出力に基づき、いずれかの室へ１次圧を供給すべきかを電磁弁５３に指示する。
【００２３】例えば、操作者の上膊の上方への変位がセンサ２１で検出された場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、電磁弁５３から後室１Ａへ１次圧が供給され、前室１Ｂの余圧がタンクに還元される。これにより、ピストン１Ｐに設けられた軸１Ｊが前方に移動し、軸２０を中心として上下に回動自在に支持されている上側アーム２が、所定の支援力を維持しつつ上方に回動する（ステップＳ１２）。
【００２４】一方、操作者の上膊の下方への変位がセンサ３２で検出された場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、電磁弁５３から前室１Ｂへ１次圧が供給され、後室１Ａの余圧がタンクに還元される。これにより、ピストン１Ｐの軸１Ｊが後方に移動し、軸２０を中心として上下に回動自在に支持されている上側アーム２が、所定の支援力を維持しつつ下方に回動する（ステップＳ１４）。
【００２５】また、センサ２１，２２から検出出力が得られない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、電磁弁５３から後室１Ａおよび前室１Ｂへの供給路の弁が閉じられる。これにより、ピストン１Ｐの軸１Ｊの位置が保持され、軸２０を中心として上下に回動自在に支持されている上側アーム２が、所定の支援力を維持しつつ固定保持される（ステップＳ１５）。
【００２６】なお、図３ではシリンダ１Ｓを例に説明したが、上側アーム２と下側アーム３との間に設けられたシリンダ２Ｓでも同様の動作を行う。また、制御部５１、ポンプ５２、電磁弁５３およびタンク５４は、動力制御部５に配置されるが、制御部５１および電磁弁５３の軽量小型化が実現できれば、各シリンダ付近に配置してもよい。
【００２７】これにより、各電磁弁５３からシリンダまでの供給路を短くできるとともに、ポンプ５２およびタンク５４との供給路を各電磁弁で共用でき、供給路およびその配設に必要なスペースを削減できる。また、以上の説明では、動力を伝達する媒体として流動体を用いた場合を例に説明したが、金属線などのワイヤを用いて動力を伝達してもよい。
【００２８】なお、以上で説明したセンサ１１，１２，２１，２２，３１，３２については、操作者の肩や腕の上下変位を検出できるものであれば、いずれの種類のセンサを用いてもよい。例えば、肩や腕の接触を検出する接触センサ、僅かな変位で作動するマイクロスイッチなど、変位の有無のみを検出するセンサであってもよい。また、操作者の肩や腕の上下変位の度合いを、接触の程度として検出できる圧力センサなどが考えられる。
【００２９】図５は、アームの他の制御ループを示す説明図である。上側アーム２には、支点２０を中心として、その上下にワイヤ２４Ａ，２４Ｂがそれぞ接続されており、モータ５Ａ，５Ｂにより回転するロータ２３Ａ，２３Ｂにより巻引される。したがって、センサ２１の検出出力に応じてモータ５Ａが正回転してワイヤ２４Ａが僅かに巻引され、支点２０を軸として上側アーム２が所定の支援力を維持しつつ上方に回動する。
【００３０】この場合、制御部５１は、モータ５Ａを正回転する直前に、モータ５Ｂを逆回転させてワイヤ２４Ｂを僅かに巻き戻しておく。また、センサ２２の検出出力に応じてモータ５Ａが逆回転してワイヤ２４Ａが僅かに巻き戻され、支点２０を軸として上側アーム２が所定の支援力を維持しつつ下方に回動する。この場合、モータ５Ａを逆回転した直後に、モータ５Ｂを正回転させてワイヤ２４Ａを僅かに巻引しておく。
【００３１】なお、センサ２１，２２から検出出力が得られない場合には、モータ５Ａ，５Ｂの両方を停止あるいは駆動させる。これにより、上側アーム２が所定の支援力を維持しつつ固定保持される。また、上側アーム２へのワイヤ２４Ａの接続点は、ワイヤ２４Ｂに比較して支点２０より遠い距離に接続されている。これにより、上側アーム２への荷重が掛かるワイヤ２４Ａを巻引するトルクを軽減でき、モータ５Ａを小型化できる。
【００３２】なお、以上の説明において、各アームが円筒形状をなしている場合を例に説明したが、他の構造も考えられる。図６はアームの断面図を示す説明図であり、以下、上側アーム２を例に説明する。図６（ａ）は、前述した円筒形状の場合であり、その内側上部にセンサ２１が配置され、内側下部にセンサ２２が配置されており、操作者の上膊９Ａの上下の変位がそれぞれ検出され、被移搬物９Ｂが支援支持される。
【００３３】図６（ｂ）は、四角筒形状の場合であり、センサ２１，２２の配置は図６（ａ）と同様である。なお、上側アーム２の角部には、湾曲部が設けられており、操作者の上膊９Ａおよび移搬される老人または患者に対する接触が和らげられる。また、図６（ａ），（ｂ）の筒体に通気孔を設けることにより、作業時の発汗を低減できる。
【００３４】図６（ｃ）では、開口部を有する部分円筒形状であり、上膊９Ａの一部が外部に露出している。これにより、図６（ａ），（ｂ）で筒体に通気孔を設けた場合と比較して、上側アーム２内部での通気性が各段に改善され、作業時の発汗を大幅に低減できる。
【００３５】なお、他の例でも適用できるが、センサ２１，２２は、上側アーム２内部の上方あるいは下方、であれば、最上端あるいは最下端でなく、図６（ｃ）に示すように少し斜めの位置でも十分機能する。また、開口部が大きい場合には、上側アーム２と上膊９Ａとの連動性を良くするため、ベルトなどの支持部材９Ｃを開口部に設けてもよい。
【００３６】図６（ｄ）は、半円筒形状の場合であり、その下側半分が開口している。これにより、図６（ｃ）と同様に通気性が各段に改善され、作業時の発汗を低減できる。この場合、上側アーム２でセンサ２２を支持できないことから、上側アーム２の開口端から針金状の支持部材２５によりセンサ２２が支持されている。
【００３７】図６（ｅ）は半円筒形状の場合、図６（ｆ）はＬ字形状の場合であるが、いずれの場合もセンサ２２が設けられていない。これは、センサ２１として、圧力センサなど操作者の上膊９Ａの変位の度合いを検出できるセンサを用い、図７に示すような制御フローに基づいて制御することにより実現される。
【００３８】図７は制御部の他のフローチャートであり、センサ２１の検出出力に対して、上限および下限のしきい値が設けられている。上膊が上方に大きく変位した場合、例えば圧力センサ２１に対して強く押し当てられ、センサ２１からの検出出力が上限しきい値以上となった場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、制御部５１（図３参照）は、アームを上方へ回動するように電磁弁５３を制御する（ステップＳ２２）。
【００３９】また、上膊が下方に大きく変位した場合、例えば圧力センサ２１に対して僅かしか接触しておらず、センサ２１からの検出出力が下限しきい値以下となった場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、制御部５１は、アームを下方へ回動するように電磁弁５３を制御する（ステップＳ２４）。
【００４０】さらに、上膊への支持力の変位が僅かな場合、例えば圧力センサ２１に対してある程度押し当てられており、センサ２１からの検出出力が上限と下限のしきい値の中間にある場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、制御部５１はアームの回動を停止保持するように電磁弁５３を制御する（ステップＳ２５）。これにより、センサ２２が不要となるとともに、操作者に対して常にある程度の荷重を与えることができ、実際と近い感覚で作業を行うことができ、初心者でも容易に操作できる。
【００４１】なお、図６（ｅ），（ｆ）の場合には、常に上膊９Ａに対してある程度の荷重がかかるため、上膊９Ａと上側アーム２との連動性は良い。また、上側アーム２を左右方向に回動自在とした場合には、図６（ｅ）のように、上膊９Ａの左右側面と接触する位置まで上側アーム２を設けることにより、左右方向への回動を上膊により簡単に操作できる。なお、図６（ｆ）のように、ベルトなどの支持部材９Ｃを設けることにより、上膊９Ａと上側アーム２との連動性を改善できる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、上方から吊り下げ支持され作業時に操作者の胸部に装着される胴部と、一端が胴部に上下回動自在に支持され作業時には操作者の上膊に装着されるとともに、この上膊の上下変位を検出する第１のセンサを有する上側アームと、一端が上側アームの他端に上下回動自在に支持され作業時には操作者の下膊に装着されるとともに、この下膊の上下変位を検出する第２のセンサを有する下側アームとを設け、第１のセンサの検出出力に応じて第１の支援手段により上側アームを上下に回動させることにより上膊への荷重を支援し、第２のセンサの検出出力に応じて第２の支援手段により下側アームを上下に回動させることにより下膊への荷重を支援するようにしたものである。
【００４３】したがって、従来ように、クレーン型のアームをレバーやスイッチで遠隔操作するものと比較して、熟練した操作者を必要とすることなく比較的簡単に操作でき、特に移搬時に注意が必要な、体の不自由な老人や患者を移搬する場合でも、不特定多数の人が簡単に操作できる。また、操作者の腕に装着したアームにより、被移搬物を抱きかかえるようにして移搬でき、移搬される体の不自由な老人や患者を物扱いせず、暖かく接することができる。
【００４４】また、胴部に、操作者の上体の上下変位を検出する第３のセンサを設けて、第３のセンサの検出出力に応じて上下に伸縮するリフトを介して上方から吊り下げ支持するようにしたので、高低差が比較的大きな位置へも容易に移搬できる。また、胴部下方床面上部を包囲する位置に脚部を設けて、転がり手段により床面を遊動自在とし、脚部から上方に柱部を立設して、その上端から胴部を吊り下げ支持するようにしたので、上側および下側アームを支持する胴部が安定して床面に支持されるとともに、前後左右および斜め方向に自由に移動できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１６６３７３
【氏名又は名称】戸塚 忠男
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）８月２１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
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| 【公開番号】 |
特開平１１−５６９３１ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）３月２日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２２４６８５ |
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