６軸材料試験機
【課題】 材料試料、特に脊椎などの生体試料に対し６軸の試験力を負荷し、その機械的強度などを精度よく測定することのできる６軸材料試験機を提供する。
【解決手段】 試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサおよび試料の一端部を把持する試料上部把持具と、静止状態で試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、上記６軸並列機構により、試料上部把持具と試料下部把持具とにより固定把持された試料に対し力または変位等を与えたときに、６軸力センサおよび駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力または変位などを計測することで試料の機械的特性を試験することを特徴とする。
【解決手段】 試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサおよび試料の一端部を把持する試料上部把持具と、静止状態で試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、上記６軸並列機構により、試料上部把持具と試料下部把持具とにより固定把持された試料に対し力または変位等を与えたときに、６軸力センサおよび駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力または変位などを計測することで試料の機械的特性を試験することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は６軸材料試験機に関し、特に脊椎などの生体材料や、複数方向からの負荷を受ける構造物などに対して６軸力の試験を行なう６軸材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状の物体に外力が加わる時には、物体の空間座標のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の並進３自由度とそれぞれ各軸周りの回転３自由度の合計６自由度（６軸）の運動による変形が発生し、それに伴う内部応力が発生する。従来、機械的強度の測定などを行なう材料試験機としては、１軸方向の引張・圧縮、またはねじり等の２軸目を負荷した材料試験機が一般的であり、３軸以上の多軸な力学特性を同時に測定する試験機は特殊な専用機のみしか存在しなかった。従来６軸の材料試験機としては、６軸モーション機構などを利用して、人工関節の動作を再現し、その摩擦、摩耗状態の試験をするもの（特許文献１参照）などがある。
【０００３】
一方、人間の脊椎（首から腰に至る背骨）は、硬い骨（椎）と柔らかい椎間板が層状に積層した円柱状の構造物であり、６軸の運動自由度を持つことが知られている。また、脊椎は、その形状の影響からある方向に曲げモーメントを負荷すると、入力した以外の方向への曲げ負荷が発生するカップリング現象が生ずることが知られている。
人間は加齢や外的衝撃により、脊椎に変形や損傷を生じ、社会的生活が著しく困難になる場合などの問題があり、上述のような脊椎の多軸力学特性を知ることは医学的に重要な課題であるにもかかわらず、従来、定量的な解析ができないという問題があった。
【０００４】
前述のように生体材料や構造物の材料試験機は、１軸または２軸の材料試験機が一般的であり、上記特許文献１に示す人工関節用などの特定専用機を除いては、多軸な力学特性を同時に測定する汎用的な試験機は存在しなかった。このため、６軸の運動自由度を持つ脊椎についても、一方向の圧縮負荷やモーメント負荷など、１軸の試験による強度評価しかされていなかった。
また、６軸の力を負荷する装置として考えられる、位置制御、力制御が可能な６軸ロボットは多く存在する。例えば垂直多関節型ロボットなどが該当するものの、これは、片持ち梁構造のため出力が小さく、また負荷位置において等方的な出力特性が得られない。これを材料試験機として用いるためには、試料に加わる力の検出、および試料に６軸の力が適切に加わるような制御方法および把持方法を開発する必要があり、材料試験機への適用は容易ではなかった。
【特許文献１】特開２００２−２８６６０８号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、材料試料、特に脊椎などの生体試料に対し６軸の試験力を負荷し、その機械的強度などを精度よく測定することのできる６軸材料試験機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の６軸材料試験機は、試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し該試料の機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、上記エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサと、上記エンドエフェクタ部に付設され試料の一端部を把持する試料上部把持具と、上記６軸並列機構とは独立して静止状態で試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、該６軸材料試験機は、上記６軸並列機構により、上記試料上部把持具と上記試料下部把持具とにより固定把持された試料に対し力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を与えたときに、上記６軸力センサおよび上記駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測することで該試料の機械的特性を試験することを特徴とする。
【０００７】
なお本発明において、試験力を負荷するとは、所定の力および／またはモーメント、または所定の変位および／または回転角を与えることをいう。ここで、力および／またはモーメントとは、力のみ、モーメントのみ、および力とモーメントの両方、のいずれかであることを意味し、変位および／または回転角とは、変位のみ、回転角のみ、および変位と回転角の両方、のいずれかであることを意味する。
また、上記６軸力センサおよび上記駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測するとは、６軸力センサにより該センサ位置での力および／またはモーメントを、試料に発生する力として計測し、駆動源に付属するエンコーダから求められるエンドエフェクタ部の変位および／または回転角を、試料に発生する変位および／または回転角として計測するものである。
【０００８】
上記６軸並列機構は、各軸ごとに、上記駆動源によりエンドエフェクタ部に所定の力および／またはモーメントを指令値として与えたときに、発生するエンドエフェクタ部の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう力制御と、エンドエフェクタ部に所定の変位および／または回転角を指令値として与えたときに、該エンドエフェクタ部で発生する力および／またはモーメントを計測することで制御する位置制御とのいずれかを選択して用いて、または両制御を用いて制御されることを特徴とする。
【０００９】
上記試料上部把持具および試料下部把持具は、その把持部形状が６軸並列機構により試料に負荷される力方向に対して非対称形状であることを特徴とする。これは、試料と試料把持具との界面において、あらゆる方向に発生が想定される負荷によっても、すべりが生じないようするためである
【００１０】
上記試料が生体試料であることを特徴とする。特に、該生体試料が脊椎であることを特徴とする。また、生体試料以外にもあらゆる構造物に利用ができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の６軸材料試験機は、試験空間中で等方性に優れた特性をもつ６軸並列機構を備えるので、試料に対し６軸の試験力を負荷し試験を行なうことができる。また、試料に対し任意に６軸の試験力を発生させることができ、該力および／またはモーメントと変位および／または回転角の関係を測定することができる。
この時、試料の把持部形状が、負荷される力方向に対して非対称形状であるので、負荷時に把持部での滑りなどが生じず機械的特性を正確に測定できる。
また、生体試料として６軸の運動が知られているものの、従来その計測が困難であった脊椎の６軸の運動特性を評価でき、脊椎の変形や損傷による程度や、治療に用いるインプラント器具がもたらす補強効果の程度などが、脊椎の運動機能にどのような影響を与えるかを試験できる。この試験から得られる情報は、脊椎すべり症などの脊椎の変形、損傷に起因する疾患を治療する上で極めて効果の高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の６軸材料試験機は、脊椎のような生体材料や構造物の多軸力学的特性を測定するために、６軸の並進運動及び回転運動を与え、該材料にかかる力またはモーメントを検出する試験機である。
本発明の６軸材料試験機を図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は、直動型並列機構を用いた６軸材料試験機の模式図を、図１（ｂ）は図１（ａ）において試料に負荷がかかった状態の図をそれぞれ示す。また、図２（ａ）は、本発明の一実施例に係る６軸並列機構の斜視図を、図２（ｂ）は、図２（ａ）においてエンドエフェクタの位置と姿勢を与えた状態の図をそれぞれ示す。
図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、６軸の運動自由度を持つ６軸並列機構２は、並列に垂直で配置された６個の駆動源３と、該駆動源３とリンク４および回転対偶を介して連結されたエンドエフェクタ部５とを備えてなる。該並列機構とすることにより、力およびモーメントの測定位置であるエンドエフェクタ部５で、発生できる力やモーメントが極力等方的となる。６軸並列機構２は、最大で６軸の運動自由度の負荷を発生させることができ、設定により１〜６軸の運動自由度の負荷も発生させることができる。
６軸並列機構は、駆動源を傾斜配置することを特徴とした工作機械（例えば、特開平８−１５０５２６公報など）が知られているが、本発明では図２（ａ）に示すように駆動源を垂直に配置することを特徴とする。駆動源を垂直に配置することにより、装置の設置面積を小さくすることができ、各駆動源の動きが平行になるため制御計算が容易になるなどの効果がある。
また、実際の６軸材料試験機のグレースケール写真図を図３および図４に示す。
【００１３】
６軸材料試験機１は、上記６軸並列機構２と、エンドエフェクタ部５に付設される６軸力センサ６と、エンドエフェクタ部５に付設され試料７の上端部を把持する試料上部把持具８と、６軸並列機構２とは独立した固定台９に付設され、試料７の下端部を把持する試料下部把持具１０とを備えてなる。図１および図３に示すように、試料７は、試料上部把持具８と試料下部把持具１０とにより固定把持される。また試料上部把持具８はエンドエフェクタ部側に付設されていればよく、エンドエフェクタ部５に直接付設、または図１および図４に示すようにエンドエフェクタ部５に６軸力センサ６を介して付設されていてもよい。
６軸力センサ６は、６軸力（力および／またはモーメント）を検出できるものであればよく、市販品を用いることができる。また、並列構造の各リンク４の内部に発生する力および駆動源３に要求されるモーメントを数学的に変換してエンドエフェクタ部５の６軸の試験力に変換する手法も用いることができる。
【００１４】
６軸並列機構２を用いて試料７に、任意方向へ変位および／または回転角、または力および／またはモーメントなどの試験力を負荷した（図１（ｂ））ときに、該試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測する。６軸力センサにより力および／またはモーメントの計測を行ない、駆動源に付属するエンコーダにより、変位および／または回転角の計測を行なう。なお、上記６軸センサ以外に、レーザー変位計などの任意の外部センサを用いて変位などを計測してもよい。
試験時においては、駆動源３のエンコーダおよび６軸力センサ６に接続された測定装置（図示省略）により表示、記録を行なう。測定装置としては、通常のパーソナルコンピューターなどを用いた６軸力センサや変位センサの出力を記録するものや、ビデオカメラ等による画像を記録するものが該当する。計測および記録した結果より、その多軸変位−力関係などを解析する。
【００１５】
次に本発明の６軸並列機構２の制御方法を説明する。制御方法としては、（１）駆動源３によりエンドエフェクタ部５に所定の力および／またはモーメントを負荷したときに発生するエンドエフェクタ部５の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう方法（力制御）、（２）エンドエフェクタ部５に所定の変位および／または回転角を与えたときに該エンドエフェクタ部５で発生する力および／またはモーメントを６軸力センサ６により測定することで制御する方法（位置制御）、（３）各軸ごとに力制御と位置制御のいずれかを行なうかを選択して用いる方法（ハイブリッド制御：中村達也、ロボットの基礎工学、コロナ社、P.172-175、(2000)；日本ロボット学会編、ロボット工学ハンドブック、コロナ社、P.249-258、(1990) など参考）がある。脊椎の強度評価を行なう場合では、（１）〜（３）を適宜選択して用いる。
【００１６】
ハイブリッド制御方法の手順を以下に説明する。構築した制御系の内、力制御手法に関しては、下記式（１）で示すように、発生する抗力に応じて物体の速度を修正するダンピング制御を用いる。
【数１】
エンドエフェクタが自由空間中を移動している場合、エンドエフェクタに作用する抗力 F=0 なのでこれを式（１）に代入すると、エンドエフェクタの速度は V=Vd となる。
エンドエフェクタが外部環境に接触した場合、６軸力センサが抗力を検出する。抗力が F= -Vd/B になったときに、これを式（１）に代入するとエンドエフェクタの速度 V=0となり、エンドエフェクタは静止する。
Vd および B は機構の動作前に設定するので、この設定により、外部環境に設定した場合の押しつけ力を任意に設定できる。
【００１７】
多自由度系を用いた制御では、全ての自由度（軸）に対して力制御が必要とされることは少なく、ある方向には力制御を行ない、他の方向に対しては位置制御を行なうことが多い。本発明では、ダンピング制御を多自由度系に拡張し、さらにSelection Matrixを導入してハイブリッド制御系としている。
具体的には、６軸並列機構２の各軸方向、各軸周りの速度ベクトルＶについて式（１）を適用して、下記式（２）で表わされる制御系とする。なお、本制御系におけるベースは、並列に配置した駆動源３の上部保持枠１１である。
【数２】
ここで、Fx 、Fy 、Fz はベース座標系の各軸方向の力を、Mx 、My 、Mz はベース座標系の各軸周りのモーメントを、Vx 、Vy 、Vz はエンドエフェクタ部の各軸方向の速度指令値（ベース座標系）を表わす。また、Selection Matrix（Ｓ）は、力制御を行なう座標系を選択するために導入した行列である。Ｓの各要素Ｓi（i=fx,fy,fz,mx,my,mz）について対応する座標軸ｉが力制御を行なう場合は、Ｓi=1 、それ以外の場合には Ｓi=0 とする。
エンドエフェクタ部５の姿勢を変えると、エンドエフェクタ座標系とベース座標系の軸方向が一致しなくなる。６軸力センサ６で検出する各軸方向の力、各軸周りのモーメントはエンドエフェクタ座標系のものなので、これらをベース座標系の各軸方向の力、各軸周りのモーメントに変換して用いる。
なお、力制御方法に関しては、ダンピング制御以外にも、インピーダンス制御などいくつかの手法が提案されており、本発明ではそれらを用いることも可能である。
【００１８】
本発明では、逆運動学計算が容易であるという並列機構の利点を生かし、ヤコビ行列を用いずに制御系を構築した。制御手順を図５を参照して説明する。図５は、本発明の６軸並列機構２の制御フローチャート図を示す。
式（１）において、所定方向に適当な力およびモーメントを与えることにより、エンドエフェクタ部の各軸方向の速度（Vx 、Vy 、Vz）および各軸周りの速度（Rx 、Ry 、Rz ）が算出される（Ｓ１、Ｓ２）。ここで、各軸周りの速度については、オイラー角の微小変動量（δRoll,δPitch,δYaw）に変換する（Ｓ３）。
機構の操作時間をＴとして、得られた各軸方向の速度（Vx 、Vy 、Vz）およびオイラー角の微小変動量（δRoll,δPitch,δYaw）より位置変動量を算出し、該位置変動量を元のエンドエフェクタ位置に加算することで、エンドエフェクタ部５の新位置を算出する（Ｓ４）。
以上より所定の力およびモーメントを与えた場合のエンドエフェクタ部５の位置（x,y,z,Roll,Pitch,Yaw）が決定されるので、該位置より駆動源３の制御量を逆運動学計算により算出する。
算出される制御量は、上記逆運動学計算により求められた６つの駆動源３の位置（c1,c2,c3,c4,c5,c6）（Ｓ５）と、該位置と機構の操作時間Ｔから求められる駆動源３の速度である（Ｓ６）。
【００１９】
次に、上記６軸並列機構２を用いた６軸材料試験機１の試験手順を図６を参照して説明する。図６は、本発明の６軸材料試験機１の制御および計測フローチャート図を示す。
Selection Matrix（Ｓ）、目標の力および／またはモーメント（Ft）、目標の変位および／または回転角（Pt）を入力制御値として付与する（Ｓ７）。また、初期速度（Vd）、アドミッタンス行列（Ｂ）を動作前設定パラメータとして付与する（Ｓ８）。
次に、エンドエフェクタ運動の計算を行なう。式（１）における力および／またはモーメントの値は、６軸力センサより計測された値を用いる。図４の（Ｓ１）〜（Ｓ６）の手順に従って、駆動源への速度指令値を算出する（Ｓ９、１０）。 該速度指令に基づき駆動源を駆動させると、６軸力センサから力データ（ F ）が、駆動源に付属するエンコーダより位置データ（ P ）が得られるので、これをフィードバックし、再度エンドエフェクタ運動の計算を行なう。最終的に、F または P が、（Ｓ７）で設定した目標値（ Ft または Pt ）となるまで反復して（Ｓ９）および（Ｓ１０）の計算が行なわれる。
上記６軸力センサにより得られる試料に発生する力情報、駆動源に付属するエンコーダより得られるエンドエフェクタの位置姿勢情報、およびカメラ等の外部センサより得られる画像情報から試料の力学的特性を調べることができる（Ｓ１１）。
【００２０】
本発明の試験機は、前述した脊椎などの生体材料以外にも、工業材料、構造物製品などの材料試料の試験が可能である。
これらの試料に、任意の変位またはモーメントなどを発生させるには、その両端で加わる力方向に対して滑りなどが生じないように把持する必要がある。よって、試料上部把持具８と試料下部把持具１０に把持部形状が、６軸並列機構により負荷される力方向に対し非対称形状であることが好ましい。これは、試料と試料把持具との界面において、あらゆる方向に発生が想定される負荷によっても、すべりが生じないようにするためである。
通常の１軸の材料試験機では、くさび式の把持具を用い、引張試験で嵌め合う構造となっているが、この方式は圧縮力が加わった時には試料把持ができない。また、脊椎のような生体材料は外形が自由曲面で構成されており、機械的な嵌め合いは困難と思われる。
本発明での把持方式としては、例えば、ねじやクランプで試料を固定するなどの方法が挙げられる。
【００２１】
把持部形状の具体例を図７を参照して説明する。図７は試料として脊椎を用いた場合の把持部形状を示す図である。
図７に示すように把持具１２ａは、試料として脊椎７ａを、基礎台またはエンドエフェクタに直接ネジ等で締結するものである。把持具１２ｂは、幾何的に６軸に対して非対称なカップ状の型に、液相から固相に相変態する石膏や硬化性樹脂などを流し込み固定したものである。これらの把持具は、試料上部把持具および試料下部把持具のいずれとしても用いることができる。また、試料上部把持具と試料下部把持具とで同じ形態の把持具を用いても、異なる形態の把持具を用いてもよい。
【００２２】
脊椎の運動機能の特徴的な現象の一つに上述したカップリング現象がある。脊椎のカップリング現象とは、脊椎にある方向への変位や負荷を与えた時に、椎間に構造上の干渉が起こり、別の方向への負荷や変位が発生する状態である。具体的な現象として、人間は、体躯を横方向に曲げる側屈ときに、自然に体をひねったり回転させたりすることで発生する内部負荷を緩和する動作をとることが知られている。病気により脊椎に変形が生じたり、手術により脊椎の一部を削除したり、また埋め込み器具を装着したりした場合、脊椎の運動機能は当然変化すると考えられる。
以前より、このカップリング現象は、生ずることは知られていても変形や加工の程度に応じたその力学的な特性を定量的に把握することは困難であった。それは、脊椎が６自由度の運動自由度を持つため、同時多軸の強度評価が必要となり、そのような試験機が存在しなかったためである。
【００２３】
本装置では、６軸並列機構を用い、位置制御と力制御を軸ごとに選択できる上記のハイブリッド制御手法を使い、上記カップリング現象を定量的に計測することができる。具体的には、図７に示すように、試料の上下端をどの方向にもすべることなく把持し、下側を固定し、上側に６自由度運動を与えるような６軸材料試験を実施する。この時、試料に与える指令値は、行列成分表記で、｛ X 軸方向の並進成分の変位または力、Y軸方向の並進成分の変位または力、Z 軸方向の並進成分の変位または力、X 軸周りの回転成分の回転またはモーメント、Y 軸周りの回転成分の回転またはモーメント、Z 軸周りの回転成分の回転またはモーメント｝を各軸それぞれ選択するものである。各軸ごとの制御方法の選択は、SelectionMatrix（ S ＝（ X 軸方向 Y 軸方向 Z 軸方向 X 軸周り Y 軸周り Z 軸周り））で選択する。
以下に具体的にカップリング現象を計測する例を示す。
【００２４】
参考例１
（カップリング現象で生ずる変位を測定する方法）
試験条件：Ｘ軸周りのモーメントだけに任意のモーメント（トルク）を与え、それ以外の軸は力を 0 N （軸方向）または 0 N・m （軸周り）に制御する。ここで、Selection Matrixは S = (111111) である。
結果：エンドエフェクタの位置と姿勢の情報や、外部ステレオカメラなどにより画像処理で得られる立体形状の変形情報から、カップリング現象で生ずる変位が測定される。
【００２５】
参考例２
（カップリング現象で生ずる負荷を測定する方法）
試験条件：Ｘ軸周りのモーメントだけに任意のモーメント（トルク）を与え、Ｘ軸方向の変位を 0 mm に拘束し、Ｙ、Ｚ軸は並進力を 0 N にし、軸周りの回転角を 0 rad に制御する。ここで、Selection Matrixは S = (011100) である。
結果：カップリング現象で生した負荷であるＸ軸方向、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りに発生した力が、６軸力センサにより測定される。
【００２６】
上記参考例２の具体的な試験手順を以下に説明する。
（１）Vd = [0 0 0 5 0 0]Tに設定。自由空間中での速度を指定。
x軸方向の速度：0[mm/s]，y軸方向の速度：0[mm/s]，z軸方向の速度：0[mm/s]
x軸周りの角速度：5[rad/s]，y軸周りの角速度：0[rad/s]，z軸周りの角速度：0[rad/s]
（２）S = diag[0 1 1 1 0 0 ]に設定。各軸の制御方法を指定。
X軸方向：位置制御，Y軸方向：力制御，Z軸方向：力制御，
X軸周り：トルク制御，Y軸周り：姿勢制御，Z軸周り：姿勢制御
（３）B = [0 1 1 1 0 0]に設定。B（mm/s/N）とVd，S の関係により、静止時の力とトルクが決定される。
X軸方向：位置制御なのでBfxの値は無視される。
Y軸方向：Fy=-Vdy/Bfy=0[N]になったときにVy=0となる。
Z軸方向：Fz=-Vdz/Bfz=0[N]になったときにVz=0となる。
X軸周り：Mx=-Rdx/Bmx=-5[N・m]になったときにRx=0となる。
Y軸周り：姿勢制御なのでBmyの値は無視される。
z軸周り：姿勢制御なのでBmzの値は無視される。
（４）以上を設定した後、試料の一端を固定、もう一端をエンドエフェクタの把持部で固定する。機構を動作させ、エンドエフェクタの位置および姿勢と、力センサに検出される力およびトルクを計測。
（５）計測される結果
静止したときのエンドエフェクタの位置及び姿勢
X座標：位置制御なので、初期座標と変わらず。
Y座標：力制御なので、動作前に指定した力(0N)になった位置で静止。
Z座標：力制御なので、動作前に指定した力(0N)になった位置で静止。
X軸周りの角度：トルク制御なので、動作前に指定したトルク(5N・m)になった角度で静止。
Y軸周りの角度：姿勢制御なので、初期角度と変わらず。
Z軸周りの角度：姿勢制御なので、初期角度と変わらず。
静止したときに力センサに検出される力及びトルク
X軸方向の力：脊椎のように非等方的な材料の場合、力が検出される場合がある。
Y軸方向の力：動作前に指定した力( 0 N)。
Z軸方向の力：動作前に指定した力( 0 N)。
X軸周りのトルク：動作前に指定したトルク(5 N・m)。
Y軸周りのトルク：非等方的な材料の場合、トルクが検出される場合がある。
Z軸周りのトルク：非等方的な材料の場合、トルクが検出される場合がある。
【００２７】
本発明では、上述のように６軸の運動を生成することができる６軸並列機構によるメカニズム機能と、６軸に発生する力を測定する６軸力センサなどによるセンシング機能と、試料を両端２ヶ所で安定して固定保持できる構造とを持つことから、脊椎の６軸の運動特性を正確に測定することができる。よって、医学的に重要な課題である脊椎の変形や損傷による程度が、脊椎の運動機能にどのような影響を与えるかを定量的に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の６軸材料試験機は、工業材料、構造物製品などの材料試料、脊椎などの生体試料など任意の試料に対し、６軸の運動自由度を負荷する試験が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の直動型６軸並列機構を用いた６軸材料試験機の模式図である。
【図２】本発明の一実施例に係る直動型６軸並列機構の模式図である。
【図３】本発明の６軸材料試験機のグレースケール写真図である。
【図４】本発明の６軸材料試験機のグレースケール写真図である。
【図５】本発明の６軸並列機構の制御フローチャート図である。
【図６】本発明の６軸材料試験機の制御および計測フローチャート図である。
【図７】試料として脊椎を用いた場合の把持部形状を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ ６軸材料試験機
２ ６軸並列機構
３ 駆動源
４ リンク
５ エンドエフェクタ部
６ ６軸力センサ
７ 試料
８ 試料上部把持具
９ 固定台
１０ 試料下部把持具
１１ 上部保持枠
【技術分野】
【０００１】
本発明は６軸材料試験機に関し、特に脊椎などの生体材料や、複数方向からの負荷を受ける構造物などに対して６軸力の試験を行なう６軸材料試験機に関する。
【背景技術】
【０００２】
３次元形状の物体に外力が加わる時には、物体の空間座標のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の並進３自由度とそれぞれ各軸周りの回転３自由度の合計６自由度（６軸）の運動による変形が発生し、それに伴う内部応力が発生する。従来、機械的強度の測定などを行なう材料試験機としては、１軸方向の引張・圧縮、またはねじり等の２軸目を負荷した材料試験機が一般的であり、３軸以上の多軸な力学特性を同時に測定する試験機は特殊な専用機のみしか存在しなかった。従来６軸の材料試験機としては、６軸モーション機構などを利用して、人工関節の動作を再現し、その摩擦、摩耗状態の試験をするもの（特許文献１参照）などがある。
【０００３】
一方、人間の脊椎（首から腰に至る背骨）は、硬い骨（椎）と柔らかい椎間板が層状に積層した円柱状の構造物であり、６軸の運動自由度を持つことが知られている。また、脊椎は、その形状の影響からある方向に曲げモーメントを負荷すると、入力した以外の方向への曲げ負荷が発生するカップリング現象が生ずることが知られている。
人間は加齢や外的衝撃により、脊椎に変形や損傷を生じ、社会的生活が著しく困難になる場合などの問題があり、上述のような脊椎の多軸力学特性を知ることは医学的に重要な課題であるにもかかわらず、従来、定量的な解析ができないという問題があった。
【０００４】
前述のように生体材料や構造物の材料試験機は、１軸または２軸の材料試験機が一般的であり、上記特許文献１に示す人工関節用などの特定専用機を除いては、多軸な力学特性を同時に測定する汎用的な試験機は存在しなかった。このため、６軸の運動自由度を持つ脊椎についても、一方向の圧縮負荷やモーメント負荷など、１軸の試験による強度評価しかされていなかった。
また、６軸の力を負荷する装置として考えられる、位置制御、力制御が可能な６軸ロボットは多く存在する。例えば垂直多関節型ロボットなどが該当するものの、これは、片持ち梁構造のため出力が小さく、また負荷位置において等方的な出力特性が得られない。これを材料試験機として用いるためには、試料に加わる力の検出、および試料に６軸の力が適切に加わるような制御方法および把持方法を開発する必要があり、材料試験機への適用は容易ではなかった。
【特許文献１】特開２００２−２８６６０８号公報（特許請求の範囲）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、材料試料、特に脊椎などの生体試料に対し６軸の試験力を負荷し、その機械的強度などを精度よく測定することのできる６軸材料試験機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の６軸材料試験機は、試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し該試料の機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、上記エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサと、上記エンドエフェクタ部に付設され試料の一端部を把持する試料上部把持具と、上記６軸並列機構とは独立して静止状態で試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、該６軸材料試験機は、上記６軸並列機構により、上記試料上部把持具と上記試料下部把持具とにより固定把持された試料に対し力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を与えたときに、上記６軸力センサおよび上記駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測することで該試料の機械的特性を試験することを特徴とする。
【０００７】
なお本発明において、試験力を負荷するとは、所定の力および／またはモーメント、または所定の変位および／または回転角を与えることをいう。ここで、力および／またはモーメントとは、力のみ、モーメントのみ、および力とモーメントの両方、のいずれかであることを意味し、変位および／または回転角とは、変位のみ、回転角のみ、および変位と回転角の両方、のいずれかであることを意味する。
また、上記６軸力センサおよび上記駆動源に付属するエンコーダにより、試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測するとは、６軸力センサにより該センサ位置での力および／またはモーメントを、試料に発生する力として計測し、駆動源に付属するエンコーダから求められるエンドエフェクタ部の変位および／または回転角を、試料に発生する変位および／または回転角として計測するものである。
【０００８】
上記６軸並列機構は、各軸ごとに、上記駆動源によりエンドエフェクタ部に所定の力および／またはモーメントを指令値として与えたときに、発生するエンドエフェクタ部の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう力制御と、エンドエフェクタ部に所定の変位および／または回転角を指令値として与えたときに、該エンドエフェクタ部で発生する力および／またはモーメントを計測することで制御する位置制御とのいずれかを選択して用いて、または両制御を用いて制御されることを特徴とする。
【０００９】
上記試料上部把持具および試料下部把持具は、その把持部形状が６軸並列機構により試料に負荷される力方向に対して非対称形状であることを特徴とする。これは、試料と試料把持具との界面において、あらゆる方向に発生が想定される負荷によっても、すべりが生じないようするためである
【００１０】
上記試料が生体試料であることを特徴とする。特に、該生体試料が脊椎であることを特徴とする。また、生体試料以外にもあらゆる構造物に利用ができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の６軸材料試験機は、試験空間中で等方性に優れた特性をもつ６軸並列機構を備えるので、試料に対し６軸の試験力を負荷し試験を行なうことができる。また、試料に対し任意に６軸の試験力を発生させることができ、該力および／またはモーメントと変位および／または回転角の関係を測定することができる。
この時、試料の把持部形状が、負荷される力方向に対して非対称形状であるので、負荷時に把持部での滑りなどが生じず機械的特性を正確に測定できる。
また、生体試料として６軸の運動が知られているものの、従来その計測が困難であった脊椎の６軸の運動特性を評価でき、脊椎の変形や損傷による程度や、治療に用いるインプラント器具がもたらす補強効果の程度などが、脊椎の運動機能にどのような影響を与えるかを試験できる。この試験から得られる情報は、脊椎すべり症などの脊椎の変形、損傷に起因する疾患を治療する上で極めて効果の高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の６軸材料試験機は、脊椎のような生体材料や構造物の多軸力学的特性を測定するために、６軸の並進運動及び回転運動を与え、該材料にかかる力またはモーメントを検出する試験機である。
本発明の６軸材料試験機を図１および図２を参照して説明する。図１（ａ）は、直動型並列機構を用いた６軸材料試験機の模式図を、図１（ｂ）は図１（ａ）において試料に負荷がかかった状態の図をそれぞれ示す。また、図２（ａ）は、本発明の一実施例に係る６軸並列機構の斜視図を、図２（ｂ）は、図２（ａ）においてエンドエフェクタの位置と姿勢を与えた状態の図をそれぞれ示す。
図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、６軸の運動自由度を持つ６軸並列機構２は、並列に垂直で配置された６個の駆動源３と、該駆動源３とリンク４および回転対偶を介して連結されたエンドエフェクタ部５とを備えてなる。該並列機構とすることにより、力およびモーメントの測定位置であるエンドエフェクタ部５で、発生できる力やモーメントが極力等方的となる。６軸並列機構２は、最大で６軸の運動自由度の負荷を発生させることができ、設定により１〜６軸の運動自由度の負荷も発生させることができる。
６軸並列機構は、駆動源を傾斜配置することを特徴とした工作機械（例えば、特開平８−１５０５２６公報など）が知られているが、本発明では図２（ａ）に示すように駆動源を垂直に配置することを特徴とする。駆動源を垂直に配置することにより、装置の設置面積を小さくすることができ、各駆動源の動きが平行になるため制御計算が容易になるなどの効果がある。
また、実際の６軸材料試験機のグレースケール写真図を図３および図４に示す。
【００１３】
６軸材料試験機１は、上記６軸並列機構２と、エンドエフェクタ部５に付設される６軸力センサ６と、エンドエフェクタ部５に付設され試料７の上端部を把持する試料上部把持具８と、６軸並列機構２とは独立した固定台９に付設され、試料７の下端部を把持する試料下部把持具１０とを備えてなる。図１および図３に示すように、試料７は、試料上部把持具８と試料下部把持具１０とにより固定把持される。また試料上部把持具８はエンドエフェクタ部側に付設されていればよく、エンドエフェクタ部５に直接付設、または図１および図４に示すようにエンドエフェクタ部５に６軸力センサ６を介して付設されていてもよい。
６軸力センサ６は、６軸力（力および／またはモーメント）を検出できるものであればよく、市販品を用いることができる。また、並列構造の各リンク４の内部に発生する力および駆動源３に要求されるモーメントを数学的に変換してエンドエフェクタ部５の６軸の試験力に変換する手法も用いることができる。
【００１４】
６軸並列機構２を用いて試料７に、任意方向へ変位および／または回転角、または力および／またはモーメントなどの試験力を負荷した（図１（ｂ））ときに、該試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測する。６軸力センサにより力および／またはモーメントの計測を行ない、駆動源に付属するエンコーダにより、変位および／または回転角の計測を行なう。なお、上記６軸センサ以外に、レーザー変位計などの任意の外部センサを用いて変位などを計測してもよい。
試験時においては、駆動源３のエンコーダおよび６軸力センサ６に接続された測定装置（図示省略）により表示、記録を行なう。測定装置としては、通常のパーソナルコンピューターなどを用いた６軸力センサや変位センサの出力を記録するものや、ビデオカメラ等による画像を記録するものが該当する。計測および記録した結果より、その多軸変位−力関係などを解析する。
【００１５】
次に本発明の６軸並列機構２の制御方法を説明する。制御方法としては、（１）駆動源３によりエンドエフェクタ部５に所定の力および／またはモーメントを負荷したときに発生するエンドエフェクタ部５の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう方法（力制御）、（２）エンドエフェクタ部５に所定の変位および／または回転角を与えたときに該エンドエフェクタ部５で発生する力および／またはモーメントを６軸力センサ６により測定することで制御する方法（位置制御）、（３）各軸ごとに力制御と位置制御のいずれかを行なうかを選択して用いる方法（ハイブリッド制御：中村達也、ロボットの基礎工学、コロナ社、P.172-175、(2000)；日本ロボット学会編、ロボット工学ハンドブック、コロナ社、P.249-258、(1990) など参考）がある。脊椎の強度評価を行なう場合では、（１）〜（３）を適宜選択して用いる。
【００１６】
ハイブリッド制御方法の手順を以下に説明する。構築した制御系の内、力制御手法に関しては、下記式（１）で示すように、発生する抗力に応じて物体の速度を修正するダンピング制御を用いる。
【数１】
エンドエフェクタが自由空間中を移動している場合、エンドエフェクタに作用する抗力 F=0 なのでこれを式（１）に代入すると、エンドエフェクタの速度は V=Vd となる。
エンドエフェクタが外部環境に接触した場合、６軸力センサが抗力を検出する。抗力が F= -Vd/B になったときに、これを式（１）に代入するとエンドエフェクタの速度 V=0となり、エンドエフェクタは静止する。
Vd および B は機構の動作前に設定するので、この設定により、外部環境に設定した場合の押しつけ力を任意に設定できる。
【００１７】
多自由度系を用いた制御では、全ての自由度（軸）に対して力制御が必要とされることは少なく、ある方向には力制御を行ない、他の方向に対しては位置制御を行なうことが多い。本発明では、ダンピング制御を多自由度系に拡張し、さらにSelection Matrixを導入してハイブリッド制御系としている。
具体的には、６軸並列機構２の各軸方向、各軸周りの速度ベクトルＶについて式（１）を適用して、下記式（２）で表わされる制御系とする。なお、本制御系におけるベースは、並列に配置した駆動源３の上部保持枠１１である。
【数２】
ここで、Fx 、Fy 、Fz はベース座標系の各軸方向の力を、Mx 、My 、Mz はベース座標系の各軸周りのモーメントを、Vx 、Vy 、Vz はエンドエフェクタ部の各軸方向の速度指令値（ベース座標系）を表わす。また、Selection Matrix（Ｓ）は、力制御を行なう座標系を選択するために導入した行列である。Ｓの各要素Ｓi（i=fx,fy,fz,mx,my,mz）について対応する座標軸ｉが力制御を行なう場合は、Ｓi=1 、それ以外の場合には Ｓi=0 とする。
エンドエフェクタ部５の姿勢を変えると、エンドエフェクタ座標系とベース座標系の軸方向が一致しなくなる。６軸力センサ６で検出する各軸方向の力、各軸周りのモーメントはエンドエフェクタ座標系のものなので、これらをベース座標系の各軸方向の力、各軸周りのモーメントに変換して用いる。
なお、力制御方法に関しては、ダンピング制御以外にも、インピーダンス制御などいくつかの手法が提案されており、本発明ではそれらを用いることも可能である。
【００１８】
本発明では、逆運動学計算が容易であるという並列機構の利点を生かし、ヤコビ行列を用いずに制御系を構築した。制御手順を図５を参照して説明する。図５は、本発明の６軸並列機構２の制御フローチャート図を示す。
式（１）において、所定方向に適当な力およびモーメントを与えることにより、エンドエフェクタ部の各軸方向の速度（Vx 、Vy 、Vz）および各軸周りの速度（Rx 、Ry 、Rz ）が算出される（Ｓ１、Ｓ２）。ここで、各軸周りの速度については、オイラー角の微小変動量（δRoll,δPitch,δYaw）に変換する（Ｓ３）。
機構の操作時間をＴとして、得られた各軸方向の速度（Vx 、Vy 、Vz）およびオイラー角の微小変動量（δRoll,δPitch,δYaw）より位置変動量を算出し、該位置変動量を元のエンドエフェクタ位置に加算することで、エンドエフェクタ部５の新位置を算出する（Ｓ４）。
以上より所定の力およびモーメントを与えた場合のエンドエフェクタ部５の位置（x,y,z,Roll,Pitch,Yaw）が決定されるので、該位置より駆動源３の制御量を逆運動学計算により算出する。
算出される制御量は、上記逆運動学計算により求められた６つの駆動源３の位置（c1,c2,c3,c4,c5,c6）（Ｓ５）と、該位置と機構の操作時間Ｔから求められる駆動源３の速度である（Ｓ６）。
【００１９】
次に、上記６軸並列機構２を用いた６軸材料試験機１の試験手順を図６を参照して説明する。図６は、本発明の６軸材料試験機１の制御および計測フローチャート図を示す。
Selection Matrix（Ｓ）、目標の力および／またはモーメント（Ft）、目標の変位および／または回転角（Pt）を入力制御値として付与する（Ｓ７）。また、初期速度（Vd）、アドミッタンス行列（Ｂ）を動作前設定パラメータとして付与する（Ｓ８）。
次に、エンドエフェクタ運動の計算を行なう。式（１）における力および／またはモーメントの値は、６軸力センサより計測された値を用いる。図４の（Ｓ１）〜（Ｓ６）の手順に従って、駆動源への速度指令値を算出する（Ｓ９、１０）。 該速度指令に基づき駆動源を駆動させると、６軸力センサから力データ（ F ）が、駆動源に付属するエンコーダより位置データ（ P ）が得られるので、これをフィードバックし、再度エンドエフェクタ運動の計算を行なう。最終的に、F または P が、（Ｓ７）で設定した目標値（ Ft または Pt ）となるまで反復して（Ｓ９）および（Ｓ１０）の計算が行なわれる。
上記６軸力センサにより得られる試料に発生する力情報、駆動源に付属するエンコーダより得られるエンドエフェクタの位置姿勢情報、およびカメラ等の外部センサより得られる画像情報から試料の力学的特性を調べることができる（Ｓ１１）。
【００２０】
本発明の試験機は、前述した脊椎などの生体材料以外にも、工業材料、構造物製品などの材料試料の試験が可能である。
これらの試料に、任意の変位またはモーメントなどを発生させるには、その両端で加わる力方向に対して滑りなどが生じないように把持する必要がある。よって、試料上部把持具８と試料下部把持具１０に把持部形状が、６軸並列機構により負荷される力方向に対し非対称形状であることが好ましい。これは、試料と試料把持具との界面において、あらゆる方向に発生が想定される負荷によっても、すべりが生じないようにするためである。
通常の１軸の材料試験機では、くさび式の把持具を用い、引張試験で嵌め合う構造となっているが、この方式は圧縮力が加わった時には試料把持ができない。また、脊椎のような生体材料は外形が自由曲面で構成されており、機械的な嵌め合いは困難と思われる。
本発明での把持方式としては、例えば、ねじやクランプで試料を固定するなどの方法が挙げられる。
【００２１】
把持部形状の具体例を図７を参照して説明する。図７は試料として脊椎を用いた場合の把持部形状を示す図である。
図７に示すように把持具１２ａは、試料として脊椎７ａを、基礎台またはエンドエフェクタに直接ネジ等で締結するものである。把持具１２ｂは、幾何的に６軸に対して非対称なカップ状の型に、液相から固相に相変態する石膏や硬化性樹脂などを流し込み固定したものである。これらの把持具は、試料上部把持具および試料下部把持具のいずれとしても用いることができる。また、試料上部把持具と試料下部把持具とで同じ形態の把持具を用いても、異なる形態の把持具を用いてもよい。
【００２２】
脊椎の運動機能の特徴的な現象の一つに上述したカップリング現象がある。脊椎のカップリング現象とは、脊椎にある方向への変位や負荷を与えた時に、椎間に構造上の干渉が起こり、別の方向への負荷や変位が発生する状態である。具体的な現象として、人間は、体躯を横方向に曲げる側屈ときに、自然に体をひねったり回転させたりすることで発生する内部負荷を緩和する動作をとることが知られている。病気により脊椎に変形が生じたり、手術により脊椎の一部を削除したり、また埋め込み器具を装着したりした場合、脊椎の運動機能は当然変化すると考えられる。
以前より、このカップリング現象は、生ずることは知られていても変形や加工の程度に応じたその力学的な特性を定量的に把握することは困難であった。それは、脊椎が６自由度の運動自由度を持つため、同時多軸の強度評価が必要となり、そのような試験機が存在しなかったためである。
【００２３】
本装置では、６軸並列機構を用い、位置制御と力制御を軸ごとに選択できる上記のハイブリッド制御手法を使い、上記カップリング現象を定量的に計測することができる。具体的には、図７に示すように、試料の上下端をどの方向にもすべることなく把持し、下側を固定し、上側に６自由度運動を与えるような６軸材料試験を実施する。この時、試料に与える指令値は、行列成分表記で、｛ X 軸方向の並進成分の変位または力、Y軸方向の並進成分の変位または力、Z 軸方向の並進成分の変位または力、X 軸周りの回転成分の回転またはモーメント、Y 軸周りの回転成分の回転またはモーメント、Z 軸周りの回転成分の回転またはモーメント｝を各軸それぞれ選択するものである。各軸ごとの制御方法の選択は、SelectionMatrix（ S ＝（ X 軸方向 Y 軸方向 Z 軸方向 X 軸周り Y 軸周り Z 軸周り））で選択する。
以下に具体的にカップリング現象を計測する例を示す。
【００２４】
参考例１
（カップリング現象で生ずる変位を測定する方法）
試験条件：Ｘ軸周りのモーメントだけに任意のモーメント（トルク）を与え、それ以外の軸は力を 0 N （軸方向）または 0 N・m （軸周り）に制御する。ここで、Selection Matrixは S = (111111) である。
結果：エンドエフェクタの位置と姿勢の情報や、外部ステレオカメラなどにより画像処理で得られる立体形状の変形情報から、カップリング現象で生ずる変位が測定される。
【００２５】
参考例２
（カップリング現象で生ずる負荷を測定する方法）
試験条件：Ｘ軸周りのモーメントだけに任意のモーメント（トルク）を与え、Ｘ軸方向の変位を 0 mm に拘束し、Ｙ、Ｚ軸は並進力を 0 N にし、軸周りの回転角を 0 rad に制御する。ここで、Selection Matrixは S = (011100) である。
結果：カップリング現象で生した負荷であるＸ軸方向、Ｙ軸周り、Ｚ軸周りに発生した力が、６軸力センサにより測定される。
【００２６】
上記参考例２の具体的な試験手順を以下に説明する。
（１）Vd = [0 0 0 5 0 0]Tに設定。自由空間中での速度を指定。
x軸方向の速度：0[mm/s]，y軸方向の速度：0[mm/s]，z軸方向の速度：0[mm/s]
x軸周りの角速度：5[rad/s]，y軸周りの角速度：0[rad/s]，z軸周りの角速度：0[rad/s]
（２）S = diag[0 1 1 1 0 0 ]に設定。各軸の制御方法を指定。
X軸方向：位置制御，Y軸方向：力制御，Z軸方向：力制御，
X軸周り：トルク制御，Y軸周り：姿勢制御，Z軸周り：姿勢制御
（３）B = [0 1 1 1 0 0]に設定。B（mm/s/N）とVd，S の関係により、静止時の力とトルクが決定される。
X軸方向：位置制御なのでBfxの値は無視される。
Y軸方向：Fy=-Vdy/Bfy=0[N]になったときにVy=0となる。
Z軸方向：Fz=-Vdz/Bfz=0[N]になったときにVz=0となる。
X軸周り：Mx=-Rdx/Bmx=-5[N・m]になったときにRx=0となる。
Y軸周り：姿勢制御なのでBmyの値は無視される。
z軸周り：姿勢制御なのでBmzの値は無視される。
（４）以上を設定した後、試料の一端を固定、もう一端をエンドエフェクタの把持部で固定する。機構を動作させ、エンドエフェクタの位置および姿勢と、力センサに検出される力およびトルクを計測。
（５）計測される結果
静止したときのエンドエフェクタの位置及び姿勢
X座標：位置制御なので、初期座標と変わらず。
Y座標：力制御なので、動作前に指定した力(0N)になった位置で静止。
Z座標：力制御なので、動作前に指定した力(0N)になった位置で静止。
X軸周りの角度：トルク制御なので、動作前に指定したトルク(5N・m)になった角度で静止。
Y軸周りの角度：姿勢制御なので、初期角度と変わらず。
Z軸周りの角度：姿勢制御なので、初期角度と変わらず。
静止したときに力センサに検出される力及びトルク
X軸方向の力：脊椎のように非等方的な材料の場合、力が検出される場合がある。
Y軸方向の力：動作前に指定した力( 0 N)。
Z軸方向の力：動作前に指定した力( 0 N)。
X軸周りのトルク：動作前に指定したトルク(5 N・m)。
Y軸周りのトルク：非等方的な材料の場合、トルクが検出される場合がある。
Z軸周りのトルク：非等方的な材料の場合、トルクが検出される場合がある。
【００２７】
本発明では、上述のように６軸の運動を生成することができる６軸並列機構によるメカニズム機能と、６軸に発生する力を測定する６軸力センサなどによるセンシング機能と、試料を両端２ヶ所で安定して固定保持できる構造とを持つことから、脊椎の６軸の運動特性を正確に測定することができる。よって、医学的に重要な課題である脊椎の変形や損傷による程度が、脊椎の運動機能にどのような影響を与えるかを定量的に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の６軸材料試験機は、工業材料、構造物製品などの材料試料、脊椎などの生体試料など任意の試料に対し、６軸の運動自由度を負荷する試験が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の直動型６軸並列機構を用いた６軸材料試験機の模式図である。
【図２】本発明の一実施例に係る直動型６軸並列機構の模式図である。
【図３】本発明の６軸材料試験機のグレースケール写真図である。
【図４】本発明の６軸材料試験機のグレースケール写真図である。
【図５】本発明の６軸並列機構の制御フローチャート図である。
【図６】本発明の６軸材料試験機の制御および計測フローチャート図である。
【図７】試料として脊椎を用いた場合の把持部形状を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ ６軸材料試験機
２ ６軸並列機構
３ 駆動源
４ リンク
５ エンドエフェクタ部
６ ６軸力センサ
７ 試料
８ 試料上部把持具
９ 固定台
１０ 試料下部把持具
１１ 上部保持枠
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し該試料の機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、
該６軸材料試験機は、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、前記エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサと、前記エンドエフェクタ部に付設され前記試料の一端部を把持する試料上部把持具と、前記６軸並列機構とは独立して静止状態で前記試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、
前記６軸材料試験機は、前記６軸並列機構により、前記試料上部把持具と前記試料下部把持具とにより固定把持された前記試料に対し力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を与えたときに、前記６軸力センサおよび前記駆動源に付属するエンコーダにより、前記試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測することで該試料の機械的特性を試験することを特徴とする６軸材料試験機。
【請求項２】
前記６軸並列機構は、各軸ごとに、前記駆動源により前記エンドエフェクタ部に所定の力および／またはモーメントを指令値として与えたときに、発生する前記エンドエフェクタ部の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう力制御と、前記エンドエフェクタ部に所定の変位および／または回転角を指令値として与えたときに、該エンドエフェクタ部で発生する力および／またはモーメントを計測することで制御する位置制御とのいずれかを選択して用いて、または両制御を用いて制御されることを特徴とする請求項１記載の６軸材料試験機。
【請求項３】
前記試料上部把持具および前記試料下部把持具は、その把持部形状が前記６軸並列機構により前記試料に負荷される力方向に対して非対称形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の６軸材料試験機。
【請求項４】
前記試料が脊椎であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の６軸材料試験機。
【請求項１】
試料に対し最大で６軸の試験力を負荷し該試料の機械的特性を試験する６軸材料試験機であって、
該６軸材料試験機は、並列に配置された６個の駆動源をそれぞれ独立に駆動させ、該駆動源とリンクを介して連結されたエンドエフェクタ部の運動を制御する６軸並列機構と、前記エンドエフェクタ部に付設される６軸力センサと、前記エンドエフェクタ部に付設され前記試料の一端部を把持する試料上部把持具と、前記６軸並列機構とは独立して静止状態で前記試料の他端部を把持する試料下部把持具とを備えてなり、
前記６軸材料試験機は、前記６軸並列機構により、前記試料上部把持具と前記試料下部把持具とにより固定把持された前記試料に対し力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を与えたときに、前記６軸力センサおよび前記駆動源に付属するエンコーダにより、前記試料に発生する力および／またはモーメント、または変位および／または回転角を計測することで該試料の機械的特性を試験することを特徴とする６軸材料試験機。
【請求項２】
前記６軸並列機構は、各軸ごとに、前記駆動源により前記エンドエフェクタ部に所定の力および／またはモーメントを指令値として与えたときに、発生する前記エンドエフェクタ部の変位および／または回転角を測定することで制御を行なう力制御と、前記エンドエフェクタ部に所定の変位および／または回転角を指令値として与えたときに、該エンドエフェクタ部で発生する力および／またはモーメントを計測することで制御する位置制御とのいずれかを選択して用いて、または両制御を用いて制御されることを特徴とする請求項１記載の６軸材料試験機。
【請求項３】
前記試料上部把持具および前記試料下部把持具は、その把持部形状が前記６軸並列機構により前記試料に負荷される力方向に対して非対称形状であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の６軸材料試験機。
【請求項４】
前記試料が脊椎であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の６軸材料試験機。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【図２】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−７１６０５（Ｐ２００６−７１６０５Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５８７８３（Ｐ２００４−２５８７８３）
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（５９４１５６８８０）三重県 (58)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月６日（２００４．９．６）
【出願人】（５９４１５６８８０）三重県 (58)
【Ｆターム（参考）】
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