機械アーム

機械アームは、通常、人間の腕の動きを模倣する機械です。機械アームは、アクチュエータによって駆動されるヒンジで接続された複数の梁で構成されています。アームの一方の端は堅固なベースに固定され、もう一方の端にはツールが取り付けられています。人間が直接または遠隔操作で操作できます。コンピュータ制御の機械アームはロボットアームと呼ばれます。しかし、ロボットアームは、多種多様な機械アームの1つにすぎません。[ 1 ]

機械腕は、ピンセットのように単純なものから義手のように複雑なものまで様々です。つまり、人間の腕のように物体を掴み、保持し、移動させることができる機構であれば、それは機械腕に分類されます。[ 2 ]

近年の進歩は、義肢や機械腕全般において、医療分野の将来的な発展を牽引するものです。機械エンジニアが複雑な機械腕を開発する際の目標は、通常の人間の腕では不可能なタスクをその腕で実行できるようにすることです。[ 2 ]

アンブロワーズ・パレ：義肢、機械の腕（出版：1564年）

歴史

ロボットアーム

研究者たちは、ロボットアームを産業用途、医療用途、技術用途などによって分類しています。ロボットアームは1930年代後半にウィリアム・ポラードとハロルド・A・ローズランドによって初めて導入されました。彼らは約5つの自由度と電気制御システムを備えた「スプレー」を開発しました。ポラードのアームは「最初の位置制御装置」と呼ばれました。ウィリアム・ポラードはアームを設計・製作することはありませんでしたが、それは後の発明家たちの基盤となりました。[ 3 ]

1961年にユニメイトが発明され、PUMAアームへと進化しました。1963年にはランチョアームが設計され、その後多くのアームが開発されました。ユニメイトはジョセフ・エンゲルバーガーが販売しましたが、ロボットアームを発明したのはジョージ・デボルです。デボルは、人間に危害を与える作業にユニメイトを使用することに重点を置きました。1959年には、ニュージャージー州トレントンのゼネラルモーターズのダイカスト工場に2,700ポンドのユニメイトのプロトタイプが設置されました。ユニメイト1900シリーズは、ダイカスト用に初めて製造されたロボットアームとなりました。非常に短期間のうちに、少なくとも450台のロボットアームが製造され、使用されてきました。これは、過去100年間で最も重要な貢献の1つとして今でも残っています。年月が経つにつれて、技術は進化し、より優れたロボットアームの製造に貢献しました。企業がさまざまなロボットアームを発明しただけでなく、大学もさまざまなロボットアームを発明しました。 1969年、スタンフォード大学のビクター・シャインマンは、6軸で動く電動アームを備えたスタンフォードアームを発明しました。MITのマービン・ミンスキーは、海軍研究所向けに、おそらく水中探査用と思われるロボットアームを開発しました。このアームは、電動・油圧・高器用性を備えた12個の単自由度関節を備えていました。ロボットは当初、人間が退屈で、有害で、単調だと感じる一連の作業を実行するために作られました。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

義肢

近代以前

義手のレプリカ。オリジナルはおそらく1550年から1600年の間に作られたものと思われる。

義肢の歴史は、こうした偉大な発明家たちによって築かれました。世界初かつ最古の機能を持つ義肢は、古代エジプトの2本の足指です。その独特な機能性から、これらの足指は真の義肢と言えるでしょう。これらの足指は、体重の少なくとも40%を支えています。ほとんどの義肢は、現代の機器を用いて人間の形態を徹底的に研究した後に製作されます。義肢は戦争にも使用され、1480年代後半にもその例が見られます。神聖ローマ皇帝カール5世に仕えたあるドイツ人騎士が、戦争中に負傷しました。義肢は高価でしたが、この義肢は甲冑の専門家によって製作されました。兵士たちは義肢のおかげで職務を続けることができました。義肢は盾を掴み、馬の手綱を握り、重要な文書を作成する際に羽ペンを使うことさえできました。[ 6 ]

現代

人工左腕、イギリス、ロンドン、ウェルカム。

時が経つにつれ、手足の設計は人々の専門性にも焦点を当てるようになりました。例えば、ピアニストは他の人とは異なるタイプの機械式アームを必要としました。彼らの手足は広く、中指と薬指は通常よりも小さくなります。さらに、親指と小指の先端にパッドが付いたアームの設計により、ピアニストは楽器を演奏しながら複数の音符を繋ぐことができます。[ 6 ]

第一次世界大戦後も義肢の技術は進化を続けました。戦後、労働者は物を掴む能力を活かして、脚か腕のどちらかを使って仕事に戻りました。これは過去1世紀にわたって変わらないデザインの一つです。このような義肢を装着した人々は、車の運転、食事など、日常生活の様々な場面で活躍しました。[ 6 ]

自動車製造用武器

6軸多関節ロボット

機械アームがなければ、自動車の生産は極めて困難になるでしょう。この問題は、1962年にゼネラルモーターズの工場で最初の機械アームが使用されたことで初めて解決されました。産業用ロボットとしても知られるこの機械アームを使用することで、技術者は困難な溶接作業を達成できるようになりました。さらに、ダイカストの除去は、機械アームの能力を向上させるためのもう一つの重要なステップでした。この技術により、技術者は金型のキャビティの下の不要な金属を容易に除去できるようになりました。これらの用途から、溶接は機械アームにおいてますます普及し始めました。[ 5 ]

1979年、ナチはスポット溶接を行うための最初のモーター駆動ロボットを改良しました。スポット溶接は、自動車の製造において、異なる表面を接合する非常に重要な工程です。その後まもなく、機械式アームは他の自動車メーカーにも引き継がれていきました。[ 7 ]

継続的な改良が重ねられる中、シンガポール国立大学（NUS）はさらなる進歩を目指し、元の重量の80倍まで持ち上げられる機械式アームを発明しました。このアームは持ち上げ力を強化しただけでなく、元の長さの5倍まで伸ばすことも可能でした。これらの進歩は2012年に初めて導入され、自動車メーカーはこの新たな科学的知見から大きな恩恵を受けることができます。[ 7 ]

外科用アーム

腹腔鏡手術ロボット（2006年）

手術用アームは1985年、脳神経外科生検の際に初めて使用されました。1990年、FDAは内視鏡下手術を自動教育代替手術システム（AESOP）によって行うことを承認しました。しかし、FDAが行った改良はこれだけではありません。AESOPシステムはコンピューターモーションシステムに近いものでしたが、最初の手術システムは2000年に登場し、ダヴィンチ手術システムがFDAに承認された最初のロボット手術システムとなりました。

種類

義手

義手は機械の腕のようには見えないかもしれないが、実は機械の腕なのだ。義手はヒンジとワイヤーハーネスを使って、身体に障害のある人が日常的な機能を行えるようにする。人間の腕の構造を取り入れた腕が作られ始めており、見た目は骨組みだけの金属製の腕だが、普通の腕や手のように動く。この腕は2015年にジョンズ・ホプキンス大学で作られた。関節が26個（旧式の腕よりはるかに多い）あり、最大45ポンド（約20kg）の重量を持ち上げることができる。この腕には人間の脳につながるセンサーが100個搭載されている。これらのセンサーにより、腕をつけた人は自分の体の一部であるかのように腕を動かすことができる。この新しい義手を使った人は、実際にその質感を感じることができたと語っており、最終的に義手は機械の腕のカテゴリーにおいて大きな位置を占めることになる。[ 7 ]

ローバーアームズ

3世代の火星探査車

宇宙では、NASAは機械アームを新たな惑星の発見に使用しました。これらの発見の一つは、探査車（ローバー）を別の惑星に送り、その惑星からサンプルを採取することで得られました。探査車があれば、NASAは指定された惑星に探査車を留めておき、好きなだけ探査することができます。機械アームは、地球の大気圏内で衛星ステーションとして機能している宇宙船にも取り付けられています。これは、他の衛星に損傷を与える可能性のあるゴミを拾い上げるのに役立つためです。それだけでなく、宇宙船や衛星の修理に出かける際に宇宙飛行士の安全を守る役割も果たしています。機械アームを備えた探査車はすべて宇宙にあるわけではありません。SWATチームやその他の特殊部隊も、建物や危険な地域に入り、爆弾を解除したり、設置したり、乗り物を修理したりするために、これらの探査車を使用しています。[ 8 ]

日常の機械式アーム

人は毎日、何らかの機械アームを使用しているかもしれません。多くの機械アームは、ピンセット型機械アームのように手の届かない物を掴むといった、ごく普通の用途に使用されています。3つの関節からなるシンプルなシステムが、握ったり離したりすることでピンセットが閉じ、最終的に目的の物を掴みます。ピンセットのように非常にシンプルに見えるものも、機械アームに分類できます。このシンプルな物体が、シンプルながらも優れた設計を生み出すエンジニアのおかげで、毎日何百万回も利用されているのです。[ 9 ]

改良と進歩

機械の腕のための筋肉組織

シンガポール国立大学は、機械アームに取り付けて重い荷物を持ち上げられるよう、人工筋肉組織の製造を開始しました。この人工組織は、自重の500倍まで持ち上げることができます。エンジニアが機械アームに組み込む組織量に応じて、アームの持ち上げ力は大きくなります。成人の一般的な成人の体重は約160～180ポンドです。この体重の人が約80,000ポンドの物体を持ち上げられるようになると、建設現場ははるかに安全になり、悪天候で倒壊する可能性のあるクレーンを使用する代わりに、建設資材を持って歩いて現場に行けるようになります。まもなく、建設用ユーティリティビークルは過去のものになるかもしれません。[ 10 ]

センサーメカニカルアーム

義肢に用いられる新しい機械の腕には、脊髄に埋め込まれたチップの助けを借りて腕を動かすことを可能にするセンサーが搭載され始めている。センサーは、触れるものに対してより高い感度を持つように簡単にプログラムできるため、義手を装着した人は触れている物体を感じることもできる。これにより、人はわずかな振動さえも感じることができるようになる。これは危険であると同時に良いことでもある。過度の圧力がかかると義手を装着した人は激しい痛みを感じる可能性があるため、人間にとって危険となる可能性がある。実際に触覚を取り戻すだけでなく、迫り来る危険をより意識できるようになるだろう。[ 11 ] [ 12 ]

リアルな機械腕

まるで本物のような機械の腕は、普通の人間の腕とあまりにも似ているため、見分けがつかないかもしれません。これは、義手にスプレーを塗布することで、腕が本物のように見えるようになるためです。この未来的なファンタジーは、現実味を帯び始めています。科学者たちは、義手を普通の腕のように見せるためのスリーブ型の人工皮膚の開発にも取り組んでいます。これにより、義手を使う人はロボットアームを気にしなくて済むようになるでしょう。[ 4 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「機械工学とは何か？」機械工学コロンビア大学2017年2月13日閲覧。
  2. ^ a b Harris, Tom (2002). 「ロボットの仕組み」 HowStuffWorks Science . HowStuffWorks . 2017年2月13日閲覧。
  3. ^ a bヘファーナン、ジェイコブ。「ロボットアームの歴史」 IPT主要プロジェクト。Weebly 。 2017年2月13日閲覧。
  4. ^ a b Scheinman, Victor. 「ロボットとその腕」 Stanford.edu 2017年2月13日閲覧。
  5. ^ a b「Unimate - The First Industrial Robot」 . Robotics Online . 2017年2月13日閲覧。
  6. ^ a b cパーク、ウィリアム (2015). 「BBC - 未来 - 義肢を発明した天才たち」 . BBCニュース. BBC . 2017年2月13日閲覧。
  7. ^ a b c「ロボット工学第一：エンジニアリングチームが自重の80倍の荷物を持ち上げられる人工筋肉を開発」 Phys.org 2013年。 2017年2月13日閲覧。
  8. ^メイ、サンドラ (2015). 「ロボットアーム」 NASA . 2017年3月1日閲覧。
  9. ^ Moran, Michael E. (2007). 「ロボットアームの進化」 . Journal of Robotic Surgery . 1 (2): 103– 111. doi : 10.1007/s11701-006-0002-x . PMC 4247431. PMID 25484945 .  
  10. ^マーフィー、マイク (2015). 「このマインドコントロール義手ロボットアームは、触れたものを実際に感じることができる」 . Quartz . 2017年2月13日閲覧。
  11. ^ 「思考で制御される義肢」ニューヨーク・タイムズ、2015年。 2017年2月13日閲覧。
  12. ^ Regalado, Antonio (2014). 「思考実験」 . MITテクノロジーレビュー. MITテクノロジー. 2017年2月13日閲覧。
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