(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間型ロボットの下腕と手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリにおいて、
前記下腕および前記手を動作可能に相互連結する一対のリンクであって、互いに対して、離間しているとともに概して平行の関係で延在している、一対のリンクと、
前記下腕と前記一対のリンクのそれぞれとを動作可能に相互連結する一対の線形アクチュエータと、
ヨー軸と、
ピッチ軸であって、前記ヨー軸に対して、離間されるとともに概して垂直な関係で配置された、ピッチ軸とを備え、
前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記ピッチ軸とが互いに交差しないように前記ヨー軸と前記下腕との間に配置され、
前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能であり、
前記線形アクチュエータのそれぞれは、前記対のリンクのそれぞれが、前記線形アクチュエータのそれぞれの動作に応じて、前記ヨー軸および前記ピッチ軸の少なくとも一方を中心として前記手を動かすように動くように、前記下腕に対して独立的に線形移動するように構成され、
前記対の線形アクチュエータの各々は、前記手が少なくとも前記ピッチ軸を中心として回転するように、同一方向に移動するように構成され、
前記対の線形アクチュエータの各々は、前記手が少なくとも前記ヨー軸を中心として回転するように、反対方向に移動するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として６０度、および前記ピッチ軸を中心として１４０度、前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として−１５度から４５度の間で前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手首関節アセンブリは、前記手の少なくとも一方に、前記下腕を連結する伝達要素を収容するように構成された貫通部を画定する、手首関節アセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記対の線形アクチュエータは、前記手が前記ピッチ軸を中心としてのみ回転するように、同一の線形速度で同一の方向に同時に移動するように構成され、
前記対の線形アクチュエータは、前記手が前記ヨー軸を中心としてのみ回転するように、略同一の線形速度で反対方向に同時に移動するように構成され、
前記対の線形アクチュエータは、前記手が同時に前記ヨー軸および前記ピッチ軸を中心として回転するように、それぞれ異なる線形速度で同時に移動するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記リンクのそれぞれは、玉継手で、手と、前記対の線形アクチュエータのそれぞれとに装着された、手首関節アセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記玉継手は、ソケット部分と、前記ソケット部分内に回転自在に配置されたボール部分とを備え、
前記ボール部分は、それぞれの前記リンクの両端部から延在している、手首関節アセンブリ。
【請求項８】
請求項７に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ソケット部分は、
ベース部分と、
離間された関係で前記ベース部分から延在して、間にソケット開口を画定する、一対のフランジと、を備え、
前記ソケット開口は、間に前記各ボール部分を受容するように構成され、
スリットが、前記対のフランジ部分の端部間に画定されて、前記手が前記下腕に対して移動したときに、各リンクの一部分が前記スリットを貫通して可動可能に延在している、手首関節アセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ベース部分は、前記ソケット開口に対向する接触表面を有し、
前記接触表面は、ねじであって、前記ソケット部分内への前記ボール部分の挿入が可能となるように、前記ソケット開口から離れる方向に引き戻るように構成された、ねじを含み、
前記ねじは、前記ボール部分と接触状態になるように前記ボール部分を嵌めるために、前記ソケット開口の方に延在されるように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記リンクおよび前記各線形アクチュエータの少なくとも一方が、直列弾性作動を実現するように構成されたばね要素を備えた、手首関節アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、コイルばねである、手首関節アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１０に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、圧縮可能材料から形成された、手首関節アセンブリ。
【請求項１３】
請求項１０に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素に動作可能に接続される反り測定デバイスをさらに備え、
前記反り測定デバイスは、前記ばね要素の反りを測定するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項１４】
人間型ロボットにおいて、
胴部と、
前記胴部から可動可能に延在する一対の腕であって、下腕および前記下腕に対して回転自在である手をそれぞれが備えた、一対の腕と、
前記胴部から可動可能に延在する首と、
前記首から可動可能に延在する頭部と、
前記下腕と前記手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリであって、
ヨー軸、および
前記ヨー軸に対して、離間しているとともに概して垂直の関係で配置されたピッチ軸
を備え、
前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記ピッチ軸とが互いに交差しないように前記ヨー軸と前記下腕との間に配置され、
前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能である、手首関節アセンブリと、
制御システムであって、前記手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成された、制御システムとを備えた、人間型ロボット。
【請求項１５】
人間型ロボットの下腕と手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリにおいて、
前記下腕および前記手を動作可能に相互連結する一対のリンクであって、互いに対して、離間しているとともに概して平行の関係で延在している、一対のリンクと、
前記下腕と前記一対のリンクのそれぞれとを動作可能に相互連結する一対の線形アクチュエータと、
ヨー軸と、
ピッチ軸であって、前記ヨー軸に対して、離間されるとともに概して垂直な関係で配置された、ピッチ軸と、を備え、
前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記ピッチ軸とが互いに交差しないように前記ヨー軸と前記下腕との間に配置され、
前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能であり、
前記線形アクチュエータのそれぞれは、前記対のリンクのそれぞれが、前記線形アクチュエータのそれぞれの動作に応じて、前記ヨー軸および前記ピッチ軸の少なくとも一方を中心として前記手を動かすように動くように、前記下腕に対して独立的に線形移動するように構成され、
前記リンクおよび前記各線形アクチュエータの少なくとも一方が、直列弾性作動を実現するように構成されたばね要素を備え、
前記ばね要素に動作可能に接続される反り測定デバイスであって、前記ばね要素の反りを測定するように構成された、反り測定デバイスを備えた、手首関節アセンブリ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として６０度、および前記ピッチ軸を中心として１４０度、前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として−１５度から４５度の間で前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
【請求項１８】
請求項１５に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、コイルばねである、手首関節アセンブリ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、圧縮可能材料から形成された、手首関節アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述）
[0001]  本発明は、ＮＡＳＡ宇宙活動協定（ＮＡＳＡ  Ｓｐａｃｅ  Ａｃｔ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）第ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
[0002]  本発明は、人間型ロボットの手首に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]  ロボットは、関節部またはモータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、自動型デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度（ＤＯＦ：ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｆｒｅｅｄｏｍ）とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御（すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力）、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。
【０００４】
[0004]  人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、および／または付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。
【０００５】
[0005]  人間の動作に近づけるために、腰部関節または腕関節などのロボット内の各主要な関節は、ＤＯＦごとに少なくとも１つのアクチュエータを要する。しかし、多数の指を有する手においては、共通のアクチュエータから指関節のある組合せを駆動して、それによりアクチュエータを指関節よりも少なくすることが有利である場合がある。しかし、高度に器用な手は、多様な把持構成および把持された物体の微細な操作を可能にするように、おそらく１２個またはそれ以上の複数のアクチュエータを有することとなる。さらに、これらのアクチュエータは、人間の構造および外観にほぼ相当する構成体の中にパッケージングされなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]  したがって、本明細書においては、人間型器用ロボットの下腕と手との間で動作可能に画定される手首関節アセンブリが提示される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係で配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。
【０００７】
[0007]  別の態様においては、人間型器用ロボットの腕アセンブリが、下腕、手、手首関節アセンブリ、および制御装置を備える。手は、下腕に対して回転可能である。手首関節アセンブリは、下腕と手との間で動作可能に画定される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係に配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。制御システムは、手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成される。
【０００８】
[0008]  さらに別の態様においては、人間型ロボットが、胴部、一対の腕、首、頭部、手首関節アセンブリ、および制御システムを備える。腕は、胴部から可動可能に延在する。腕はそれぞれ、下腕と、下腕に対して回転可能な手とを備える。首は、胴部から可動可能に延在する。頭部は、首から可動可能に延在する。手首関節アセンブリは、下腕と手との間で動作可能に画定される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係に配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。制御システムは、手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成される。
【０００９】
[0009]  添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]本発明による器用な人間型ロボットの概略斜視図である。
【図２】[0011]図１の器用な人間型ロボット用の上腕の概略斜視図である。
【図３】[0012]図１および図２の器用な人間型ロボット用の下腕の概略斜視図である。
【図４】[0013]手を動かすためのリンクを有する、図１および図３の器用な人間型ロボット用の下腕の概略背面図である。
【図４Ａ】[0014]図１、図３、および図４の器用な人間型ロボット用の下腕のためのリンクの拡大概略図である。
【図５】[0015]図１、図３、および図４の器用な人間型ロボット用の下腕の手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を示す概略的なグラフである。
【図６】[0016]手を動かすためのリンクの別の実施形態を有する、図１および図３の器用な人間型ロボット用の下腕の概略背面図である。
【図７】[0017]図６の手を動かすためのリンクの別の代替的な実施形態の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0018]  同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図１は、多自由度（ＤＯＦ）により１つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット１０を示す。
【００１２】
[0019]  この人間型ロボット１０は、頭部１２、胴部１４、腰部１５、腕１６、手１８、指１９、および親指２１を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、多様な関節が配置される。例えば胴部１４の背の上に担持または着用される再充電式電池パックまたは別の適切なエネルギー供給部などの電源部１３が、様々な関節を作動させるように様々な関節に十分な電気エネルギーを供給するために、ロボット１０に一体的に設置されてよい。
【００１３】
[0020]  一実施形態によれば、ロボット１０は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）、および腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）、さらには各ロボット１０の指１９の指骨間に位置する様々な指関節アセンブリ（矢印Ｆ）などの（それらに限定されない）、複数の独立的に可動なロボット関節および相互依存的に可動なロボット関節によって、構成される。
【００１４】
[0021]  各ロボット関節は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。例えば、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）および肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）などのいくつかの関節は、ピッチおよびロールの形式の少なくとも２つのＤＯＦを有し得る。同様に、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）は、少なくとも３つのＤＯＦを有することができ、腰部アセンブリおよび手首アセンブリ（それぞれ矢印ＥおよびＣ）は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。タスクの複雑性に応じて、ロボット１０は、４０以上のＤＯＦによる動作が可能である。単純化のため図１には図示されないが、腰部（矢印Ｅ）、首（矢印Ｄ）、および腕（矢印ＡおよびＢ）における各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ３８、およびロータリアクチュエータ等の、１つまたは複数のアクチュエータを含み、この１つまたは複数のアクチュエータにより駆動される。さらに、指関節（矢印Ｆ）が、アクチュエータ２６により駆動されるが、いくつかの指１９の動作を機械的に結合させて、ある場合においては、１つのアクチュエータ２６が、複数の指関節（矢印Ｆ）を駆動させ得るようにすることが、有利な場合がある。指関節（矢印Ｆ）が、引くことのみが可能であり押すことが不可能である腱３４によって駆動される場合には、戻り動作には、ばね荷重または追加の戻り腱３４とそれ自体のアクチュエータ２６とが必要になる。
【００１５】
[0022]  腕１６は、上腕２２および下腕（または前腕）２４に区分される。上腕２２は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）から肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）まで延在する。肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）から延在するのは、下腕２４、手１８、指１９、および親指２１である。単純化のため、本明細書において説明されるように、上方は頭部１２の方向であり、下方は腰部１５の方向である。
【００１６】
[0023]  図２を参照すると、上腕２２が図示されている。複数の腕１６に対して一方の上腕２２のみが図示されているが、左腕および右腕１６は共に、以下に説明するように同一の態様で作動する。上腕２２は、第１のＤＯＦを実現する第１の肩関節Ｓ１、第２のＤＯＦを実現する第２の肩関節Ｓ２、および第３の自由度を実現する第３の肩関節Ｓ３を含む、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）を有する。第１から第３の肩関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は共に、人間の肩が行うことが可能な動作に相当する動作を行う。具体的には、第１の肩軸Ａ１を中心とした第１の肩関節Ｓ１の回転により、第２の肩関節Ｓ２に関する第２の肩軸Ａ２が、所望の位置へと移動する。第１の肩関節Ｓ１の位置に基づき、次いで、第２の肩軸Ａ２を中心とする第２の肩関節Ｓ２の回転により、腕１６が、胴部１４に対して上下に、または胴部１４に対して前後に移動する。第３の肩関節Ｓ３は、第３の肩軸Ａ３を中心として上腕２２を回転させる。第３の肩関節Ｓ３の回転により、上腕２２は、軸方向に回転し、すなわち、第３の肩関節Ｓ３の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）が回転されて、上方または下方に向けられる。したがって、第１の肩関節Ｓ１、第２の肩関節Ｓ２、および第３の肩関節Ｓ３が共に、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）の動作を形成する。
【００１７】
[0024]  さらに、上腕２２は、第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２を含む肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を備える。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２はそれぞれ、１自由度を実現する。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２が共に、人間の肘が行うことが可能な動作に相当する動作を行う。第１の肘軸Ｂ１を中心とする第１の肘関節Ｌ１の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、屈曲する、および直線状になる。さらに、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、軸方向に回転し、すなわち、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、下腕２４および手１８（図１）が回転されて、手のひらが上方または下方に向けられる。
【００１８】
[0025]  図３は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、手１８、指１９、および親指２１を含む、下腕２４を図示する。下腕２４は、複数の指１９（および親指２１）アクチュエータ２６と、複数の手首アクチュエータ２８とを備える。さらに、指アクチュエータ２６および手首アクチュエータ２８を制御するために構成された複数の電子機器３０が、下腕２４上に支持される。下腕２４は、下腕２４を上腕２２に連結するために使用されるロードセル３２に装着される。
【００１９】
[0026]  手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、手１８と下腕２４との間に配置される。手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、典型的にはピッチ軸Ｃ１およびヨー軸Ｃ２に関して説明される、大きな動作範囲を有して構成される。ピッチ軸Ｃ１は、ピッチ軸Ｃ１およびヨー軸Ｃ２が概して垂直となるように、ヨー軸Ｃ２に対して離間された関係において配置される。より具体的には、ピッチ軸Ｃ１は、ピッチ軸Ｃ１とヨー軸Ｃ２とが交差しないように、ヨー軸Ｃ２と下腕２４との間に位置決めされる。同様に、ヨー軸Ｃ２は、ピッチ軸Ｃ１と手１８との間に位置決めされる。指および親指２１は、電力制御および位置制御を与えるために、多数のアクチュエータ（図示せず）を要する。例えば、単一の指が、個別に制御可能であることが必要な４つまたは５つの関節を有する場合がある。いくつかの設計においては、手１８の手のひらが、把持される物体の形状に適合するように、さらなる動作能力を有する場合がある。同時に、制限された区域に手１８が届くのを容易にするために、手１８はスリムな外形を有することが望ましい。これを実現するために、前腕内にアクチュエータを配置すること、および、腱または他のそのような細長伝達要素３４を介して手１８に機械的動力を伝達することが、好ましい場合がある。かかる手１８は、時として、自体のアクチュエータを収容する「内因的に作動される」手１８と対照的に、「外因的に作動される」と言われる。それぞれが最大で５自由度を有する、４つまたは５つの指１９および親指２１に関しては、手１８は、１２個またはそれ以上のアクチュエータを大抵は要してよい。内因的に作動される手１８内に必要な個数のアクチュエータをパッケージングするためには、比較的小さなアクチュエータが使用される。この結果、内因的に作動される手１８は、典型的には、必要な器用な作業を実施できないほどにかさばり、動作が遅くなり、および／または弱々しいものとなる。
【００２０】
[0027]  外因的に作動される手１８を有する器用なロボット１０のための手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、ピッチ軸Ｃ１を中心とした大きなピッチ動作範囲と、ヨー軸Ｃ２を中心とした幅広いヨー動作範囲とを実現するように構成される。さらに、手首関節アセンブリは、手１８および手首関節アセンブリが制限された区域内において器用な作業を行うべく、細長に、すなわちスリムな外形を有するように、構成される。手首関節アセンブリは、貫通部３６、すなわち開口スペースを画定し、これは、前腕内においてアクチュエータを手１８および／または指の関節に連結させる伝達要素３４を収容するように構成される。伝達要素３４が、押すことではなく引くことのみを行うように構成された腱である場合には、システム内において張力を維持するために、拮抗するアクチュエータ（図示せず）を設けることが望ましい場合がある。さらに、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、人間と比較した場合に、有用な作業を行う手１８をサポートするように、十分に強靭なものとなるように、および十分な速度で作動するように、構成される必要がある。
【００２１】
[0028]  図４および図４Ａを参照すると、さらに、手首関節アセンブリは、ヨー軸Ｃ２およびピッチ軸Ｃ１のそれぞれを中心としたヨー回転およびピッチ回転を実現するように作動されなければならない。一対の線形アクチュエータ３８が、離間された関係において下腕２４内に摺動自在に配置され、互いに対して概して平行に位置する。リンク４０は、一対の線形アクチュエータ３８のそれぞれの一方と手１８とを動作可能に相互連結する。リンク４０は、玉継手４２を介して線形アクチュエータ３８および手首に動作可能に相互連結される。リンク４０は、離間された関係において延在し、互いに対して概して平行に位置する。線形アクチュエータ３８は、手１８に対して前腕を動作可能に連結して、下腕２４に対するヨー軸Ｃ２およびピッチ軸Ｃ１を中心とした手１８の回転動作を実現する。各線形アクチュエータ３８は、十分な速度および力にて、ヨー軸Ｃ２および／またはピッチ軸Ｃ１を中心として手首を回転させるように、長い線形移動範囲を実現するように構成される。好ましい一実施形態においては、線形アクチュエータ３８の線形移動範囲は、約１００ｍｍであり、速度は、約８０ｍｍ／ｓであり、力は、連続的に約３２０Ｎから約１３２０Ｎまでの範囲に及ぶ。２つの線形アクチュエータ３８は、所望の運動学的構成体と結合されて、ピッチ軸Ｃ１およびヨー軸Ｃ２を中心とした約１２０度／秒の手首速度と、ピッチ軸Ｃ１を中心とした約２００Ｎｍのピークトルクと、ヨー軸Ｃ２を中心とした約１５０Ｎｍのピークトルクと、ピッチ軸Ｃ１およびヨー軸Ｃ２をそれぞれ中心とした約２５Ｎｍの連続手首トルクとをもたらすことができる。
【００２２】
[0029]  手首関節アセンブリは、前腕内の線形アクチュエータ３８の変位と、結果的に得られる手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）のピッチおよびヨーとの関係が、非線形的に結合され、手のひら内の玉継手４２の幾何学的配置、前腕内における線形アクチュエータ３８の作動ラインの位置、およびピッチ関節およびヨー関節に対する線形アクチュエータ３８の幾何学的関係により左右されるように、構成される。図５を参照すると、数学的解析（以下においてより詳細に説明される）から導き出されたヨー関節およびピッチ関節を中心とする回転の角度Ｐ、Ｙのグラフが、４３にて示される。これらの幾何学的パラメータ全てを十全に活用することにより、図５は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）が、大きなピッチ動作範囲、すなわち約１４０度の全移動と、大きなヨー動作範囲、すなわち約６０度の全移動とを実現することが可能であることを示す。さらに、手１８および／または手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）の作動ワークスペース全体にわたり略同一の精度および強度を維持するための良好な条件を伴った無特異点作動（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ−ｆｒｅｅ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）が、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）のこの構成により実現され得る。図５を再度参照すると、ヨー軸Ｃ２を中心とする非対称的移動が、すなわち約−１５度から約４５度までが実現される。この理由は、他の場合であると親指２１および手１８の親指２１用のサポート構造体４６の、下腕２４との衝突が生じるため、手１８の親指側４４が、一方向への移動を妨げると共に、手１８が手１８の小指側４８の方にさらに回転することが可能となるようにするためである。この非対称性は、ヨー軸Ｃ２を中心とした同一の回転制約条件を受ける人間の手首の動作を模倣することを理解されたい。この結果、細長い手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）が、実現される。
【００２３】
[0030]  良好な強度を維持しつつ、大きな動作範囲に対応するために、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、複数の玉継手４２を備える。玉継手４２はそれぞれ、ソケット部分５０およびボール部分５２を備える。各リンク４０は、ロッド部分５４を備え、ボール部分５２の１つが、各ロッド部分５４の両端部から延在する。ソケット部分５０の１つが、それぞれの線形アクチュエータ３８から動作可能に延在する。さらに、一対のソケット部分５０が、手１８から動作可能に延在する。より具体的には、他のソケット部分５０の１つが、手１８のサポート構造体４６から親指側４４の付近に延在してよく、他のソケット部分５０が、手１８から小指側４８の付近に延在してよい。各リンク４０のボール部分５２は、このリンク４０が各ソケット部分５０に対して関節連結するように、手１８のおよび対応する線形アクチュエータ３８のソケット部分５０の１つと係合状態にある。各ソケット部分５０は、ベース部分５６および一対のフランジ部分５８を備える。この対のフランジ部分５８は、離間された関係にてベース部分５６から延在して、それらの間にソケット開口６０を画定する。ソケット開口６０は、各ボール部分５２を受容するように構成される。スリット６２が、この対のフランジ部分５８の端部６４間に画定される。スリット６２は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）を関節連結する場合に、各リンク４０のロッド部分５４の一部分がスリット間を可動可能に通るように、構成される。ベース部分５６は、線形アクチュエータ３８または手１８のいずれかから延在するように構成される。玉継手４２は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）に対して最適化されてよい。再び図５を参照すると、ピッチ動作の角度Ｐが、ヨー動作の角度Ｙの２倍を上回る大きさであるため、玉継手４２のソケット部分５０のソケット開口６０は、ピッチ方向に、すなわち手１８がピッチ軸Ｃ１を中心として回転するにしたがって、延在されて、玉継手４２を組み付ける際の各ボール部分５２の挿入を容易化する。さらに、ベース部分５６は、接触表面６６を有する。接触表面６６は、ボール部分５２をソケット部分５０内に挿入することを可能にするように引き戻るねじの面であってよい。次いで、ねじは、ボール部分５２とねじ面との間に遊びのない接触状態になるようにボール部分５２を嵌めるために、ボール部分５２の方向にねじ込まれてよい。ねじ面の表面およびソケット部分５０の任意の内部接触領域は、接触応力を均一に分散させる良好な球状拘束を実現させるために、ボール部分５２と同一の球半径となるように機械加工されてよい。ボール部分５２とソケット部分５０との間の良好な球状拘束を実現することにより、高い作動力を手首関節アセンブリに伝達することが可能となる。本実施形態においては、玉継手４２は、リンク４０と玉継手４２との間の連結を外すことなく、押しまたは引きにおいて５３０Ｎ（１２０ｌｂｆ）を超過する力を手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）に対して加えるように構成されてよい。
【００２４】
[0031]  各線形アクチュエータ３８は、下腕２４に対して独立した線形動作を行うように構成される。したがって、各線形アクチュエータ３８に対応するリンク４０もまた、線形アクチュエータ３８の移動に応じて動く。リンク４０が動くことにより、手１８は、ヨー軸Ｃ２およびピッチ軸Ｃ１の少なくとも一方を中心として動く（すなわち回転する）。線形アクチュエータ３８が、独立的に動くように構成される一方で、手１８が、ヨー軸Ｃ２、ピッチ軸Ｃ１、または同時にヨー軸Ｃ２およびピッチ軸Ｃ１のいずれを中心として回転するかが、線形アクチュエータ３８の相対移動により決定される。より具体的には、線形アクチュエータ３８は、ピッチ軸Ｃ１のみを中心として手１８を回転させるために、略同一の速度で同一方向に移動するように構成され、線形アクチュエータ３８は、ヨー軸Ｃ２のみを中心として手１８を回転させるために、略同一の速度で反対方向に移動するように構成される。したがって、これらの線形アクチュエータ３８は、両方の線形アクチュエータ３８を互いに対して異なる速度で移動させることによって、同時にピッチ軸Ｃ１およびヨー軸Ｃ２を中心として手１８を回転させるように構成される。
【００２５】
[0032]  手首の空間的幾何学的外形によって、およびとりわけその非対称的な幾何学的外形によって、線形アクチュエータ３８の速度と、結果的に得られるピッチ角速度およびヨー角速度との間の正確な関係が、非線形となることを理解されたい。図５においてはかかる非線形性を見出すことが可能であり、実線曲線は、一方の線形アクチュエータ３８が移動し、他方が静止状態にある動作を示し、破線曲線は、２つの線形アクチュエータ３８のロールが逆転する動作を示す。任意の対のピッチ角およびヨー角（Ｐ、Ｙ）について、線形アクチュエータ３８の対応する変位は、（Ｐ、Ｙ）にて図５における実線曲線と破線曲線との交点によって決定される。ピッチ軸およびヨー軸の調整される動作は、非線形運動学的等式を解くことにより、または事前に計算された値の参照表に補間を行うことにより、線形アクチュエータ３８の対応する調整された動作を計算することによって達成される。非線形計算手順の詳細が、以下において提示される。
【００２６】
[0033]  図６および図７に図示される代替の一実施形態においては、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）は、直列弾性的作動（ｓｅｒｉｅｓ−ｅｌａｓｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ）を実現するように適合化される。直列弾性的作動は、線形アクチュエータ３８が、リンク４０の代わりにばね要素６８を介してその出力を展開する際に、実現される。このばね要素６８の反りＤを測定し、その剛性を把握することにより、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）に対して加えられる力をモニタリングすることが可能となる。ロボット１０が物体に接触を行う場合に、ばね要素６８はこの接触から生じる衝撃を吸収する。より長い時間スケールにおいては、ロボット１０の制御装置７０は、この接触の力をモニタリングし、この接触の力を調整するために閉ループ手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）において線形アクチュエータ３８を制御することが可能である。直列弾性作動は、各線形アクチュエータ３８と共にばね要素６８の１つを使用することによって、実現され得る。図６および図７を参照すると、ばね要素６８は、剛性リンク４０の代わりに使用され得る。特に図６を参照すると、ばね要素６８は、弾性部材である。この実施形態においては、ばね要素６８は、低弾性率を有する材料から形成されるコイルばね７２である。特に図７を参照すると、ばね要素６８は、圧縮可能材料を使用して押し引きリンク４０として形成される。代替としては、ばね要素６８は、ばね要素６８がヘッド部分７４と線形アクチュエータ３８のソケット部分５０とを相互連結させるように、線形アクチュエータ３８内に配置されてよい。同様に、ばね要素６８は、手のひらリンク７６と、対応するソケット部分５０との間に配置されてよい。さらに別の実施形態においては、ばね要素６８は、前腕のフレーム７８に装着されてよい。説明されたこれらの実施形態においては、リンク４０は、リンク４０の両端部の玉継手４２により、純引張／純圧縮において作動する。この純引張／純圧縮により、リンク４０の側方への反りモーメントおよび／または屈曲モーメントは、問題とはならない。ばね要素６８などの弾性駆動列部材に加えて、直列弾性作動は、ばね要素６８の反りの測定を要する。ばね要素６８の上述のいずれの配置においても、反りＤは、ばね要素６８上に設置されるひずみ計などの反り測定デバイス８０によって、磁気ホールセンサによって、光学的方法によって、電気抵抗における変化によって、または、当業者には既知である反りＤを測定するように構成された任意の他の既知のデバイスによって、測定され得る。ばね要素６８の反りＤの直接的な測定の１つの代替策は、スライダの位置ならびに手首関節アセンブリの対応するピッチ角Ｐおよびヨー角Ｙの両方を測定することによって、間接的に反りＤを測定することである。線形アクチュエータ３８の位置は、線形アクチュエータ３８を駆動するモータ（図示せず）上の光学エンコーダによって測定され得る。さらに、ピッチ角Ｐおよびヨー角Ｙは、磁気ホールセンサおよび小型光学エンコーダ等のセンサ（図示せず）によって測定される。ピッチ角Ｐおよびヨー角Ｙを測定することにより、手１８内のソケット部分５０のボール中心の位置が、下腕２４に対して計算され得る。線形アクチュ��ータ３８の位置を測定することにより、下腕２４内のソケット部分５０のボール部分５２の対応する中心の位置が、さらに決定され得る。次いで、押し引きリンク４０の各端部のボール中心の間の距離が、計算されて、対応するリンク４０の反り長さが明らかにされ得る。
【００２７】
[0034]  さらに、ピッチ角Ｐとヨー角Ｙとの間の入出力関係、および線形アクチュエータ３８の変位が、計算され得る。所望のピッチ角Ｐおよびヨー角Ｙをもたらすための各線形アクチュエータ３８の変位の計算は、以下のステップを用いて決定される。これらの同一のステップは、所与のピッチおよびヨー（Ｐ、Ｙ）に対して２つの線形アクチュエータ３８のそれぞれについて個別に実施されることが理解される。（ステップ１）ホーム位置（Ｐ、Ｙ）＝（０、０）にて、線形アクチュエータ３８のヘッドのボール中心４２に原点を有し、ｚ軸が手１８の方向を指すアクチュエータ３８の作動ラインに整列される状態において、下腕２４において固定される座標系を確立する。手首の任意の構成については、原点からｚ軸に沿って測定されるアクチュエータ３８の変位をｑとする。この構築により、手首がホーム位置に位置する場合には、ｑ＝０となる。（ステップ２）一般位置（Ｐ、Ｙ）について、押し引きリンク４０の他方の端部の玉継手４２の中心の位置を計算する。この位置をステップ１において確立された座標系において（ｘ、ｙ、ｚ）として表す。（Ｐ、Ｙ）に対する（ｘ、ｙ、ｚ）の計算は、この場合には下腕７８、介在手首リンク、および、軸Ｃ１を中心とする回転角Ｐおよび軸Ｃ２を中心とする回転角Ｙを有する手のひらリンク７６から構成されるチェーンであるシリアルリンクチェーンの前方運動学を計算する標準的手段によってなされることが、理解される。（ステップ３）一方のボール中心４２から他方のボール中心まで測定された押し引きリンクの既知の長さをＬとする。（ステップ４）次いで、線形アクチュエータの変位ｑは、
【００２８】
【数１】
0005388966.tif 000002
【００２９】
となる。
[0035]  他方の方向、すなわち線形アクチュエータ３８の現在の変位を所与としてピッチおよびヨーを計算することは、より困難である。なぜならば、この計算は、最大８乗までを有する多項等式によって支配されるからである。代数的定式化が、ピッチ角Ｐおよびヨー角Ｙを求めるために使用され得るが、より計算的に効率的な、２入力２出力参照表を構築する代替案が、同一の代数的定式化に基づいて使用されてもよい。この参照表は、図５に図示されるグラフ４３内に補間され形成され得る。この方法は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）に動作可能に連結されるロボット１０内の制御システム８４内において実行されるように、具現化されてよい。
【００３０】
[0036]  本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
【符号の説明】
【００３１】
１０  人間型ロボット
１２  頭部
１３  電源部
１４  胴部
１５  腰部
１６  腕
１８  手
１９  指
２０  物体
２１  親指
２２  上腕
２４  下腕
Ａ  肩関節アセンブリ
Ｂ  肘関節アセンブリ
Ｃ  手首関節アセンブリ
Ｄ  首関節アセンブリ
Ｅ  腰部関節アセンブリ
Ｆ  指関節アセンブリ
Ａ１  第１の肩軸
Ａ２  第２の肩軸
Ａ３  第３の肩軸
Ｓ１  第１の肩関節
Ｓ２  第２の肩関節
Ｓ３  第３の肩関節
Ｂ１  第１の肘軸
Ｂ２  第２の肘軸
Ｌ１  第１の肘関節
Ｌ２  第２の肘関節
２６  指（親指）アクチュエータ、指アクチュエータアセンブリ
２８  手首アクチュエータ
３０  電子機器
３２  ロードセル
Ｃ１  ピッチ軸
Ｃ２  ヨー軸
３４  腱、細長伝達要素
３６  貫通部
３８  線形アクチュエータ
４０  リンク
４２  玉継手
４３  グラフ
４４  親指側
４６  サポート構造体
４８  小指側
５０  ソケット部分
５２  ボール部分
５４  ロッド部分
５６  ベース部分
５８  フランジ部分
６０  ソケット開口
６２  スリット
６４  端部
６６  接触表面
６８  ばね要素
７０  制御装置
７２  コイルばね
７４  ヘッド部分
７６  手のひらリンク
７８  フレーム
８０  反り測定デバイス
８４  制御システム
Ｐ  ピッチ角
Ｙ  ヨー角
Ｄ  反り
【図１】
0005388966.tif 000003
【図２】
0005388966.tif 000004
【図３】
0005388966.tif 000005
【図４】
0005388966.tif 000006
【図４Ａ】
0005388966.tif 000007
【図５】
0005388966.tif 000008
【図６】
0005388966.tif 000009
【図７】
0005388966.tif 000010