機械式アーム

機械アームは、通常、人間の腕の動作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しっかりとしたベースに取り付けられ、もう一方の端にはツールがあります。人間が直接または離れた場所から制御できます。コンピューター制御の機械アームはロボットアームと呼ばれます。ただし、ロボットアームは、さまざまな種類の機械アームの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あります。言い換えれば、人間の腕のように物体をつかみ、保持し、移動させることができる機構であれば、それは機械腕として分類できます。^[2]

最近の進歩は、義肢や一般的な機械腕の医療分野における将来の改善につながるものである。機械技術者が複雑な機械腕を製作する際の目標は、その腕が通常の人間の腕では達成できないタスクを実行することである。^[2]

研究者は、ロボットアームを産業用途、医療用途、技術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、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。ポラードのものは「第一位置制御装置」と呼ばれていました。ウィリアム・ポラードはアームを設計したり作ったりすることはありませんでしたが、それは将来の他の発明家にとっての基礎となりました。^[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設計されました。ジョセフ・エンゲルバーガーがユニメイトを販売しましたが、ロボットアームを発明したのはジョージ・デボルでした。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焦点を当てました。1959年、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、ダイカスト用に最初に製造されたロボットアームとなりました。非常に短い期間に、少なくとも450台のロボットアームが製造され、使用されていました。これは、過去100年間で最も重要な貢献の1つであり続けています。年月が経つにつれて、テクノロジーは進化し、より優れたロボットアームの構築に貢献しました。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た。MITのマービン・ミンスキーは、おそらく水中探査用として海軍研究局向けにロボットアームを製作した。このアームは、電動油圧式高器用アームで、12個の自由度ジョイントを備えていた。ロボットは当初、人間が退屈で、有害で、面倒だと感じる一連の作業を実行するために作られた。^{[3] [4] [5]}

義肢の歴史は、このような偉大な発明家たちによって築かれた。世界初かつ最古の機能する義肢は、古代エジプトの2本の足指である。そのユニークな機能から、これらの足指は真の義肢の一例である。これらの足指は、少なくとも体重の40％を支えている。ほとんどの義肢は、現代の機器を使用して人間の形状を徹底的に研究した後に生産される。義肢は、1480年代後半を含む戦争中にも使用された。神聖ローマ皇帝カール5世に仕えたドイツ人騎士が、戦争中に負傷した。義肢は高価であったが、この特定の義肢は鎧の専門家によって製造された。兵士たちは義肢のおかげでキャリアを続けることができた。指は盾をつかむことも、馬の手綱を握ることも、重要な文書を作成するときに羽ペンを持つことさえできた。^[6]

時が経つにつれ、手足のデザイン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腕を必要とします。ピアニストの手足は広く、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腕のデザインにより、ピアニストは楽器を演奏しながら一連の音符を演奏できるようになります。^[6]

第一次世界大戦後も義肢の技術は進化を続けた。戦後、労働者は物を掴む能力があるため、足か腕を使って仕事に復帰した。これは過去1世紀にわたって変わらないデザインの1つである。このような義肢をつけた人々は、車の運転、食事など、日常的な活動を行った。^[6]

機械アームがなければ、自動車の生産は極めて困難になります。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ときに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して、エンジニアは困難な溶接作業を達成することができました。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もう1つの重要なステップでした。このような技術により、エンジニアは金型のキャビティの下の不要な金属を簡単に除去することができました。これらの用途から、溶接は機械アームでますます人気が高まり始めました。^[5]

1979年、ナチはスポット溶接を行う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、別々の表面を接合するために自動車の製造に使用される非常に重要なプロセスです。すぐに、機械式アームは他の自動車会社にも引き継がれました。^[7]

絶え間ない改良が続けられる中、シンガポール国立大学（NUS）は、元の重量の80倍まで持ち上げることができる機械式アームを発明することで、さらなる進歩を遂げることに決めました。このアームは持ち上げる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できます。これらの進歩は2012年に初めて導入され、自動車会社はこの新しい科学的知識から大きな恩恵を受けることができます。^[7]

手術用アームが初めて使用されたのは、1985 年に脳神経外科の生検が行われた時でした。1990 年、FDA は内視鏡手術を自動教育代替オペレーター ( AESOP ) システムで行うことを許可しました。ただし、FDA が行った改善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 によって承認された最初のロボット手術システムとなりました。

義手は機械の腕のようには見えないかもしれないが、そうである。義手はヒンジとワイヤーハーネスを使用して、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、見た目は骨格の金属腕のようだが、通常の腕や手のように動く。この腕は2015年にジョンズ・ホプキンス大学によって作られた。関節は26個（旧式の腕よりもはるかに多い）あり、最大45ポンドを持ち上げることができる。この腕には、人間の心とつながる100個のセンサーがある。これらのセンサーにより、腕を持つ人は腕を自分の体の一部であるかのように動かすことができる。この新しい義手を使用した人は、実際にその質感を感じることができたと言い、最終的に義手は機械の腕のカテゴリーの大きな部分を占めるようになった。^[7]

宇宙では、NASA は新しい惑星の発見に機械アームを使用しました。これらの発見の 1 つは、別の惑星に探査車を送り、その惑星からサンプルを収集することでした。探査車があれば、NASA は探査車を指定された惑星に留めておき、好きなだけ探索することができます。機械アームは、地球の大気圏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破片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行かなければならないとき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、爆弾を解除したり、爆弾を仕掛けたり、車両を修理したりするために、建物や危険なエリアに入るためにこれらの探査車を使用しています。^[8]

毎日、人は何らかの機械式アームを使っているかもしれません。多くの機械式アームは、ピンセット式アームで手の届かない物をつかむなど、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、動きを圧迫したり解放したりすることで、ピンセットが閉じ、最終的に目的の物をつかみます。ピンセットのように非常に単純に見える物も、機械式アームに分類できます。このシンプルな物体は、シンプルだが優れた設計を行うエンジニアのおかげで、毎日何百万回も使用されています。^[9]

シンガポール国立大学は、機械の腕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る。エンジニアが機械の腕にどれだけの組織を組み込むかによって、腕の持ち上げ力は大きくなる。成人の体重は、通常 160 ～ 180 ポンドである。この体重の人なら、約 80,000 ポンドの物を持ち上げることができる。これにより、建設現場は、厳しい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行くことができるため、はるかに安全になる。まもなく、建設用のユーティリティ車両は過去のものになるかもしれない。^[10]

義肢に使用されている新しい機械式腕には、脊髄に取り付けられたチップの助けを借りて腕を動かすことができるセンサーが取り付けられ始めています。センサーは、センサーが触れるものに対して感度が高くなるように簡単にプログラムできるため、義肢をつけた人は触れている物体を感じることもできます。これにより、人はわずかな振動さえも感じることができます。これは危険であると同時に良いことでもあります。義肢をつけた人は、圧力が大きすぎると激しい痛みを感じる可能性があるため、人間にとって危険です。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することもできます。^{[11] [12]}

本物のような機械の腕は、普通の人間の腕と非常によく似ているため、両者を区別するのは難しいかもしれません。その理由は、義手にスプレーを塗ると、腕が本物のように見えるからです。この未来的なファンタジーは、現実になりつつあります。科学者は、義手を通常の腕のように見えるようにするために、スリーブタイプの人工皮膚を作成し始めています。これにより、義手を持つ人々は、ロボットの腕を気にする必要がなくなります。^[4]

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