(57)【要約】  ロボットアームは、複数のセグメント（１０）を含み、各セグメントは、関節リンク（１１）と、各セグメントを湾曲させる手段（２４）とを含み、それによって、該アームは、蛇行経路を追従できるようになる。らせんばね（３７）が、該アームと同軸状に設けられ、該リンクを初期基準位置に向かわせ、各セグメントのリンクにわたって曲げを分布する。
2009522121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームの長手方向軸線を画定するように縦列に延在し、
各リンクの一方が他方に対して関節結合可能である複数のリンクを含む長手方向セグメントと、
前記長手方向セグメントのリンク間の関節結合によって前記セグメントを積極的あるいは消極的に湾曲させることによって、前記セグメントの形状を制御するセグメント用の駆動手段と、
前記ロボットアームに沿ったさまざまなセグメントを異なった、または関連した形状に積極的あるいは消極的にさせ、
前記ロボットアームの所望の空間姿勢を画定する前記セグメントの駆動手段を制御する制御手段と、
を備えたロボットアームであって、
前記ロボットアームと同軸状に取り付けられ、および前記リンクを初期基準位置に向かわせ、かつセグメントのリンク間に前記関節結合を分布させるように、前記セグメント内に前記リンクと係合するらせんばね手段を備えたことを特徴付けられるロボットアーム。
【請求項２】
前記駆動手段は、セグメント内で前記リンクに圧縮力を加えるように配置され、前記ばね手段がセグメントのねじり剛性を保持するとともに、前記セグメント内で前記リンクに張力を加え、前記セグメント内でリンク間の摩擦を減らすように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記ばね手段は、単一ばねを備え、前記単一ばねがセグメント内で各リンクに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記ばね手段は、複数のばねを備え、前記複数のばねのそれぞれが前記セグメント内で前記リンクのそれぞれに機能的に相互連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記リンクのそれぞれが、前記ばね手段に対して固定され、前記ばね手段が曲げによって変形できるよう配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記ばね手段がらせん経路に沿って前記リンクと係合することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記リンクは、前記リンクが前記ばねと連続的に回転して係合できる係合手段を備えていることを特徴とする請求項６に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記セグメントの最初と最後のリンクと前記ばねとに係合し、前記リンクの前記ばねに対する回転を阻止する端部キャップを備えたことを特徴とする請求項７に記載のロボットアーム。
【請求項９】
各リンクが、前記ばね手段と係合するために、らせん状に配置された溝または歯列を備えたことを特徴とする請求項６、７、または８に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記無負荷ばねのピッチは、前記リンク上の前記係合手段のピッチより長くまたは短く、それによって、前記リンクが前記ばねと逐次的に回転して係合されるにつれて、前記ばねは、隣接するリンクをそれぞれ引き離す方向またはくっつける方向に付勢するので、それぞれ事前引張（プレテンション）または事前圧縮（プレコンプレッション）されることを特徴とする請求項８または９に記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記ばね手段は、前記ばね内の前記事前引張または事前圧縮を変えるために、前記ばね手段の全長に沿ってさまざまな位置でさまざまなピッチを有することを特徴とする請求項１０に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記事前引張または事前圧縮を変えるために、前記さまざまなリンク上の前記係合手段のピッチが異なることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記ばね手段が、前記セグメントに対する前記リンク組立品の周りで外側に配置されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記ばね手段が、前記リンク組立品の内側に配置されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記ばね手段が、複数のばねを備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１６】
リンクの配置およびリンクの連結によって、前記ばねが拘束され、それによって、前記ばねは円弧を形成するようにしか曲がることができないことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１７】
前記リンクが、接着剤によって、またはクランプまたはピンによって、または溶接によって、または機械式キー手段によって前記ばねに取り付けられることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１８】
前記駆動手段の動作に応じて前記セグメントの変形モードを円弧状の湾曲のみに制限するために、隣接するリンク間の自由度を拘束するように配置された関節結合手段を前記リンクが備えたことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１９】
前記関節結合手段は、球体とソケットの継手であることを特徴とする請求項１８に記載のロボットアーム。
【請求項２０】
前記関節結合手段が、一方のリンクを他方のリンクに対して固定する手段を内蔵していることを特徴とする請求項１８または１９に記載のロボットアーム。
【請求項２１】
隣接するリンク間の前記関節結合手段は、曲げ運動が蝶番式に一平面のみで可能になるように配置されていることを特徴とする請求項１８、１９、または２０に記載のロボットアーム。
【請求項２２】
互い違いの関節結合手段が、直角など、互いにある角度の傾斜をもって配置されていることを特徴とする請求項２１に記載のロボットアーム。
【請求項２３】
前記関節結合手段が、前記隣接するリンクの表面上にある対応するくぼみと係合するように配置された突起を一方のリンクの表面上に備えたことを特徴とする請求項２１または２２に記載のロボットアーム。
【請求項２４】
隣接するリンク上の係合ポイント間には、前記ばね手段のらせんの少なくとも１つの完全な巻き、すなわちコイルが存在することを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２５】
前記駆動手段が、各セグメントの制御用に３本の制御ワイヤを備えたことを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２６】
前記制御ワイヤが駆動手段に取り付けられ、かつ前記セグメントの一端から他端へ延在し、それによって、前記ワイヤ間の張力が、一方が他方に比例して変わるように前記駆動手段を動かすと、前記リンクを湾曲させることができ、その結果、前記セグメントの動きおよび形状が制御されることを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２７】
前記ばね手段が、前記アームの全長に沿って１本の連続したばねを備えたことを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２８】
各セグメントが個別のばねを有し、前記個別のばねが異なる特性のものであることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２９】
前記ばね手段が、第１ばねと第１ばねに対して同心状に配置された第２ばねとを有し、引張りまたは圧縮状態を保持し、それによって、前記リンクが、前記第１ばねと前記第２ばねとの両方によって拘束されるようになることを特徴とする請求項１〜２８のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項３０】
前記ばね手段が、同一直径の３本のばねを備え、各リンクが、３本のばねすべてと係合することを特徴とする請求項１〜２９のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項３１】
前記ばね手段が、複数の異なる巻き方向のばねまたは組になった等しい直径のばねの組み合わせを備え、その結果、各リンクがすべての前記ばねに取り付けられ、それによって、一方のばねに対するリンクの回転運動が、他方のばねの引張または圧縮状態に変化を引き起こし、前記引張状態の変化は、一方が他方に対して前記リンクの更なる回転運動を拘束する役割を果たすことになることを特徴とする請求項１〜３０のいずれか１に記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームに関し、特に、複数のリンクを備え、該リンクのそれぞれが、該隣接するリンクに対して関節結合され、それによって、各セグメントを曲げることができるロボットアームの１つ以上の制御可能なセグメントを有するロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願の出願人の同時係属中の出願国際公開第０２／０１６９９５号は、そのようなアームを記載しクレームするものであり、該出願の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。該アームは、現場における作業または検査用のツールまたは検査要素、およびワークヘッドの動作制御用操作手段を保持するように構成されたワークヘッドを有する。該アームは、先端追従式に現場に達し、ワークヘッドを任意の動作位置に位置付けることができるように構成されている。この制御は、基準点に対して各アームセグメントの位置および／または姿勢を制御する制御手段によって達成され、それによって、アームを所定経路に追従させかつ適応させることが可能になる。
【０００３】
この形式のロボットアームは、その全長に沿って長手方向に進む能力を有し、したがって、蛇行経路をなぞることができるので、「スネークアーム」と呼んでもよい。この形式のアームは、作業現場へのアクセスが極度に制限されている環境で使用できるという利点を有する。
【０００４】
たとえば、所定のそのようなスネークアームにおいては、各セグメント内のリンクの関節結合によって、精密な制御が可能になり、アームを複雑な経路に追従させることができ、ワークツールを、たとえば、機械内または人体の管腔内の制限されたアクセス経路の中に誘導することが可能になる。
【０００５】
しかし、そのような構成には、各対になったリンク間の関節結合のポイントにおいて摩擦損失を最小にするために各構成部品の精密工学技術が必要になる。多重リンクセグメントアームにおいては、これら摩擦損失が蓄積され、アーム操作の間に克服されるべき総摩擦損失は、相当な量になる可能性がある。したがって、構成部品の製造が比較的簡単明瞭であり、かつ摩擦損失が著しく低減されるデバイスが求められている。
【０００６】
国際公開第０２／０１６９９５号の主題を形成するアームにおいて、各セグメントは、セグメントの遠位端部で終端する被駆動ケーブルによって制御される。摩擦を減らすために、制御ケーブルによってかけられる圧縮力に対抗してリンクのそれぞれにバイアスをかけるように、ばねが設けられている。このばねによって、該ばねの目的は首尾よく達成されるとはいえ、システムの複雑性とそれゆえの製造の複雑性およびコストがさらに増加する。
【０００７】
別の手法が、本願の出願人の同時係属中の出願国際公開第０２／１００６０８号に詳述されており、この出願の開示もまた、参照することにより本明細書に組み込まれる。該出願では、ばねが省かれ、代わりに、セグメント内の隣接するリンク間で関節結合を構成する２つの部材に接着またはキー締めされたゴムすなわちエラストマー材料の層が挿入され、該ゴムが、継手の「剛性」を作り出すのに必要な弾力性のあるせん断容量を備えている。この装置は著しく良好であるとはいえ、繰り返すが、構成に複雑性が増す。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
セグメント内の一連の個別リンクに相互連結されている少なくとも１つのばねを使用することによって、製造性の面に著しい利点がもたらされ、軸方向荷重およびねじり剛性が増加し、結果として得られたアームの特性に選択肢が確実に増加することを、本出願者らは発見した。
【０００９】
したがって、本発明によれば、アームの長手方向軸線を画定するように縦列に延在する複数の長手方向セグメントであって、各セグメントが複数のリンクを備え、各リンクが、一方が他方に対して関節結合できる該複数の長手方向セグメントと、該セグメントのリンク間の関節結合によって、該セグメントを湾曲させるすなわち湾曲できることによって、該セグメントの形状を制御できる該セグメント用の駆動手段と、該アームに沿ったさまざまなセグメントをさまざまなまたは関連した形状にさせ、すなわちさまざまなまたは関連した形状にでき、該アームの任意の空間姿勢を画定する該セグメント駆動手段を制御する制御手段と、を含む該ロボットアームであって、該アームと同軸状に取り付けられ、および該リンクを初期基準位置に向かわせる、すなわち向けることができるように、かつセグメントのリンク間に関節結合を分布させるように、該セグメント内に該リンクを係合するらせんばね手段によって特徴付けられる該ロボットアームが提供される。
【００１０】
セグメント内のリンクが、制御ケーブルなどのセグメント駆動手段によって、圧縮下で保持される場合、該セグメント内の該リンクに張力を加えて該セグメントのねじり剛性を保持すると同時に該リンク間の摩擦を低減させるように、ばね手段を配置するとよい。
【００１１】
あるいは、セグメント駆動手段内の負荷を減らし、かつアームをくっつける方向に保持するために、圧縮下でリンクを保持するように、ばね手段を配置してもよい。この場合、該セグメント駆動手段が該リンク上に負荷をかけないときでも、該アームは、該アームの形状を保持できる。
【００１２】
ばね手段は、単一ばねを含んでもよく、該単一ばねは、セグメント内で個々のリンクのそれぞれに相互連結される。あるいは、複数のばねを採用してもよく、該ばねのそれぞれは、該セグメント内の該リンクのそれぞれと機能的に相互連結される。
【００１３】
本発明のさらなる態様によれば、ロボットアームすなわちスネークアームのセグメント用リンク組立品が提供される。該リンク組立品は、該アームの長手方向に配置された複数のリンクを備え、各リンクは、一方が他方に対して運動を制限するように構成され、該リンクのそれぞれは、該ばね手段に対して固定されており、該配置は、該ばね手段が曲げによって変形できるようになっている。
【００１４】
本発明の別の態様において、ばね手段は、各リンクが任意に固定して取り付けられているセグメントの全長に延在する単一ばねであってもよい。より具体的で明確な態様においては、該ばね手段はらせんばねであるとよい。各リンクを該ばねのらせんに取り付けるとよい。離れる方向のバイアスが、隣接するリンクにかかるように、該ばねに各リンクを取り付けるとよい。らせんばねは、該セグメント用リンク組立品のまわりで外側に配置されるとよい。
【００１５】
別の好ましい実施形態においては、ばね手段をリンク組立品の内側に配置してもよい。当業者には明らかなとおり、ばねは、さまざまな組み合わせの使用が可能であり、たとえば、複数のばねを該リンクの外側に備えて、該アームに有効な外装を設けてもよい、または内側ばねと外側ばねとの組み合わせを設け、該アーム上に所定の特性を与えるように、各ばねの特性を選択するとよい。したがって、たとえば、ばねすなわち複数のばねの好適な組み合わせを選択すれば、該アームが最終的に採用されることになる特定の目的に対してより容易に該アームを適合させることができる。
【００１６】
ばねは、通常、引張りまたは圧縮で使用する。本発明の一態様において、リンクの配置および該リンクの連結によって、ばねは、ばねが湾曲して円弧しか形成できないように拘束されている。該リンクは、たとえば、接着剤を使って、またはクランプやピンによって、または溶接によって、または機械式キー手段によるなどの好適な手段によって、ばねに取り付けることができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、リンクは、該リンクがばねと逐次的に回転して係合できるように係合手段を備えることができる。さらに、リンクは、ばねと係合するためにらせん上に配置された歯列または溝を備えた設計にしてもよい。
【００１８】
本発明の別の態様において、無負荷時のばねのピッチは、リンク上の係合手段のピッチより若干長いか短いとよく、それによって、該リンクを該ばねと逐次的に回転して係合させるにつれて、該配置によって、該ばねが隣接するリンクを引き離す方向またはくっつける方向に向けるようになる。該リンクが引き離される方向に向けられる場合、隣接するリンク間の境界面に加えられるあらゆる圧縮力は、このばねによって低減される。該リンクがくっつけられる方向に向けられる場合、このばねの助けによって、使用中該リンクは正確な係合を実現する。過度の力によってリンクが外れた場合、ばねは、該力が除去されるとすぐ再びリンクを係合させることになり、したがって、該アームは、障害に対して許容力がある。
【００１９】
セグメントの最初と最後のリンクとばねとに係合し、該リンクが該ばねに対して回転できないことを保証するために、端部キャップ手段を設けてもよい。
【００２０】
本発明の好ましい一実施形態において、セグメント内で隣接するリンクは、一方が他方に対して関節結合されるとよく、それによって、該セグメントは、むしろ糸をきつく張った数珠のように曲げることができるようになる。関節結合手段は、当業者に既知のどんな好適な技術であってもよい。しかし、そのような関節結合手段には、望ましくは、セグメントに沿った保守を行うための備え、およびセグメントに対する制御手段および関節結合のための備えをする必要がある。
【００２１】
セグメントの変形モードが、関節結合手段の動作に応じた円弧状の湾曲のみに限定されるように、関節結合手段によって、隣接するリンク間の自由度がさらに拘束されるとよい。
【００２２】
本発明の一態様において、関節結合は、一方が他方に対して曲がることができる単純な球体とソケットの継手であってもよい。関節結合には、一方のリンクを他方のリンクに対して固定するための手段を組み込んでもよい。別の好ましい実施形態においては、この固定装備を省いてもよく、セグメント構造内のリンクは、該ばね手段によって、および／または引張手段によって保持されてもよい。
【００２３】
ばねのらせんに沿った隣接するリンクの取り付けポイントの間隔は、完成アームの自由度に明らかに影響を及ぼすことになる。当業者には明らかなとおり、セグメントの長手方向軸線に対するらせんの勾配と完成アームの結果として得られる自由度との間には関連性がある。
【００２４】
全体として、好ましくは、隣接するリンク上の取り付けポイント間には、ばねのらせんの約１つ以上の完全な巻きすなわちコイルがなければならない。このコイルを短くすると、結果として曲げ機能が低減されたアームとなる一方、このコイルを長くすると、潜在的自由度が増大することになる。当業者にはさらに明らかであるとおり、実質的には完全な１コイルすなわち１巻きより少ないばねが、隣接するリンク間で自由に動く場合、らせんは、過拘束される可能性があり、少なくとも完全な１コイルのばねが隣接するリンク上の取り付けポイント間で自由に動く場合より実質的に高い応力に遭遇する可能性がある。
【００２５】
リンクを挿入した後は、ばね内の事前張力または事前圧縮を変更するために、ばねの全長に沿ってさまざまなピッチを有するばね手段を採用することによって、さまざまな引張または圧縮特性をセグメントに与えることができる。あるいは、ばねは、一定ピッチのものであってもよく、リンクを挿入した後は、ばね内の事前張力を変更するために、該リンク上の係合手段のピッチを変えてもよい。そのような事前張力または事前圧縮の変化量を、隣接するリンク間の関節結合の設計に効果的に利用するとよい。
【００２６】
本発明は、上述の本願の出願人の先行出願で説明したようなアーム用制御手段を備え、該先行出願の明細書の開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【００２７】
好ましい典型的な実施形態においては、３本ワイヤを、各セグメントの制御用に設けるとよい。各ワイヤを、駆動手段に取り付け、セグメントの一端から他端へ延在させ、それによって、駆動手段を操作してワイヤの張力を一方を他方に対して変更すると、リンクを湾曲させすなわち湾曲でき、それによって、セグメントの動きおよび形状が制御される。ワイヤ間の張力差を利用すれば、セグメントを動かせるまたは湾曲させる、すなわち動かすまたは曲げることができる。駆動手段用制御手段は、ソフトウエアを備え、アームを所定の方法で動かせるすなわち動かすことができる。
【００２８】
本発明の別の態様において、ロボットアームは、１つの連続ばねを有してもよい。あるいは、各セグメントが、異なる特性の別個のばねを有してもよい。
【００２９】
本発明の別の機能においては、第１ばねに同軸の第２ばねを備え、引張りまたは圧縮状態を保持するとよい、それによって、リンクは、第１ばねと第２ばねとの両方によって拘束されるようになる。
【００３０】
本発明のさらに別の好ましい実施形態においては、複数のばねを使用するとよい。特定の態様においては、同一直径のばねを３本使用してもよく、その結果、各リンクが、たとえば、ばね内の穴を通る単純なピンによって、３本すべてのばねに取り付けられることになる。
【００３１】
別の好ましい実施形態においては、３本以上の同一直径のばねを使用してもよく、その結果、各リンクは、本明細書で説明した手段の中のいずれかによって、すべてのばねに取り付けられることになる。別の好ましい実施形態においては、複数の巻き方向の異なるばねまたは組になった等しい直径のばねの組み合わせを使用してもよく、その結果、各リンクは、すべてのばねに取り付けられることになり、それによって、一方のばねに対するリンクの回転運動は、他方のばねの引張または圧縮状態に変化をもたらすことになり、該引張状態の変化は、一方が他方に対してリンクのさらなる回転運動を拘束する役割を果たすことになる。
【００３２】
本発明によって、「スネークアーム」の真の利益を非常に小さいデバイス内に組み込むことが可能になり、したがって、該デバイスは、より一層制限された環境内で作業ができるようになる。さらに、本発明によるアーム構成によって、従来のものより単純化された構造が可能になり、したがって、より迅速かつ単純化された組み立ておよびそれゆえの著しいコスト削減が可能になる。
【００３３】
別の利点は、デバイス用被覆すなわち外装用支持物を形成するばねの機能、またはデバイスの中央を通って固定されるケーブルまたは保守用の内部コンジットの基礎を形成するばねの機能である。アームが動作する環境からアーム構造を隔離するために、本発明によるアーム用被覆を備えることがますます求められている。そのような被覆すなわち「皮膚」の特質は、アームが使用される環境に依存することになる。本発明のさらなる好ましい実施形態においては、上述の通りばね自体を取り換えるためか、ばねの作用を補強するためかで、該皮膚には、ばね手段が内蔵されてもよい。
【００３４】
本発明のさらなる好ましい実施形態では、樹脂材料製など、さまざまな非金属からなるばねが可能であるはずである。このことによって、非金属構造のアームが可能になるはずである。
【００３５】
以下に、本発明を実施する方法を添付の略図を参照しながら、単なる例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１および図２を参照すると、例示のアームは、３つのセグメント１０を備え、各セグメント１０は、複数のリンク要素１１を含む。各セグメント１０は、その隣接するセグメントに関節継手１２によって連結されている。該アームの遠位端部１３は、ツール１５を搭載するワークヘッド１４を保持する。
【００３７】
各個別リンク１１は、関節継手２１（図２参照）によってその隣接するリンクに対して制限された動きができ、セグメント１０は、全体として、制御ワイヤ２２および２３によって制御され、該制御ワイヤは、中間リンク１１のそれぞれを通って延在しかつセグメント１０の終端要素２５に固定して取り付けられている。該制御ワイヤのそれぞれは、図２内において概して２４で示した駆動手段に延在し、該駆動手段を制御すれば、該制御ワイヤのそれぞれにさまざまな張力を与えることができる。通常動作においては、制御ワイヤ２２および２３のそれぞれは、関節リンク継手２１に若干の圧縮力が加わるように、若干の張力下で保持されている。該セグメントを動かすために、適切な駆動手段によって、上側の制御ワイヤ２２にさらに高い張力を加えると、さらに高い力が、終端要素２５の上側取り付けポイント２６に加えられ、該上側取り付けポイントによって、該終端要素は上方へ動かされ、したがって、該アームはその初期位置に対して上方へ曲げられる。当業者には明らかなとおり、関節リンク継手２１による動きに好適な自由度があるという前提で、３本の制御ワイヤを設けることによって、３次元のどの方向にも該アームの動きを得ることができることになる。
【００３８】
ここで、図３〜図６に示した簡単な変形で示した本発明に目を向けると、個別リンク１１は、前述のように制御ワイヤ２３および２２がリンクを貫通している状態で、単一連続ワイヤらせん３０によって取り囲まれている。各リンク１１は、一般に、凸状の上部表面３２、同様に凸状の下部表面３３、およびらせん状溝３５が組み込まれた一般に円筒状の縁端部３４を有するディスク３１の形状をしている。
【００３９】
図６ａから明らかなとおり、ディスク３１は、円周方向に間隔をおいて配置され軸方向に位置合わせされた穴３６を備えており、各穴は、制御ワイヤを収容するように構成されている。これらの穴には、上部および下部端部に向けて縦溝が彫られており、それによって、各穴は、出口に向けて若干直径が大きくなっている。例示の特定例においては、４セグメントアームに対して制御ワイヤを受け入れる穴３６が１２ある。
【００４０】
図４から見ることができる通り、凸状表面３２および３３は、隣接するリンクの対応する表面と境を接するように構成されており、かつリンク間隔を保持するように軸受表面が構成されている。そのようなリンク間の軸受配置は、まったくねじり拘束を有していない。この場合、ワイヤ２３、２４の張力が増加することによって、高いねじり剛性が形成されることになる。
【００４１】
外側らせん溝３５は、らせんばね３７を収容するように構成されており、該らせんばねは、必要に応じてピン、接着剤、または他の適切な手段によってリンク１１に固定して取り付けるとよい。ディスク１１の外側表面へのらせんばね３７の取り付けは、制御ワイヤに張力がまったく加わらない状態のアームの静止位置において、隣接するディスク１１間に若干の間隔を設けるような方法で行うとよい、それによって、張力が制御ワイヤ２２，２３に加わったとき、外側らせんばね３７によって、隣接するリンク１１は離れる方向へバイアスがかけられるようになる。
【００４２】
別の好ましい実施形態においては、らせんばね３７が、静止位置において、すでに張力下にあって、リンク１１をくっつける方向に向け、かつ該リンクを圧縮力下で保持するように、該リンクを該らせんばねに取り付けるとよい。
【００４３】
図３〜図６の好ましい特定の実施形態においては、制御ワイヤ２２，２３の張力によって加えられる拘束を除いて、セグメント内でリンクに加えられるせん断力に拘束はまったくない、そのため、該リンクは、該せん断片寄を回復する迅速な手段がまったくない状態で、互いに対して横方向に移動される可能性がある。さらに、該ディスクの凸状表面全体が軸受として使用されるので、中央内腔の備えは実際には役立てることができない。
【００４４】
改良型リンクを図７に示す。この改良型リンクが、上部凸状表面３２内に球状の突起部分４０を備え、および隣接するリンク要素１１ａの球状部分４０を受け入れるように構成されたソケット４１を表面３３の下側に備えていることを除けば、該改良型リンクは、図４〜図６のリンクとほぼ同等である。この場合、各リンク要素１１は、ソケット４１の基部から球体４０の先端まで延在する中央内腔４２を備えている。図８ｂから明らかなとおり、セグメント内で隣接するリンク１１の内腔４２は、アームの全長に沿った保守用設備として連続したコンジットすなわちダクトを形成することになる。
【００４５】
球体およびソケット装置のサイズおよび、したがって、中央コンジット４２のサイズは、１つのリンクとその隣接するリンクとの間の相対的動きの望ましい角度と、アームの全長を制御するために設けられるべきワイヤの数とによって、大部分は決定されることになる。繰り返すが、リンク間の軸受は、ねじり拘束をまったく有していない。これは、ワイヤ張力を増加させることによって、デバイスのねじり剛性が増加することになる別の例である。
【００４６】
上の図５の例と比較して、せん断拘束の問題は、球体とソケットによって形成される横方向拘束によって克服されている。比較的大きい直径のアームを考えた場合、そのような球体とソケットの装置の摩擦力は、増加しがちであり、この摩擦力の増加によって、使用中のセグメントの正確な円弧形状を取る傾向が低減される。なお、駆動手段ワイヤまたはロープ２３、２４を収容する穴３６には、リンク１１が一方が他方に対してある角度傾斜しているとき、該内腔内にワイヤが容易に通過できるように、各端部に向けて４３に縦溝が彫られている。
【００４７】
各リンク要素１１のさらなる変更を図９および図１０に示す。該図においては、各リンク要素は、前に説明したとおり中央内腔４２を備え、かつ下部凸状表面３３は、直径方向に間隔をおいて配置された一対の球体５０を備えている。上部凸状表面３２は、下部凸状表面３３上の球体５０を含む直径に実質的に直角をなす直径上に配置された一対の対応するくぼみ５１を備えている。図１０ｂに示すとおり組み立てたとき、１つのリンク１１上の球体５０は、隣接するリンクの上部表面上のくぼみ５１と係合する。前述のとおり、中央内腔４２は、一直線に並びすなわち一致し、中央コンジットを形成する。しかし、この場合、球体とくぼみ軸受との相対角度によって、蝶番風になっている一平面でのみ、隣接するリンクとの間で移動すなわち湾曲運動が可能になるはずである。図１０ｂ内の隣のリンク１１ａは、リンク１１、１１ｂの蝶番を含む平面に直角を成す蝶番であるはずである。この方法で、アームの完全自由度が維持されると同時に、球体とソケットとの装置が、ねじり拘束を形成し、それによって、この組立品のねじり剛性は、ワイヤ張力によって影響されないようになる。言うまでもなく、この場合の中央内腔の大きさは、球体５０と対応するくぼみ５１との間の離隔距離によってのみ制限される。さらに、蝶番位置における摩擦を最小にする効果を有する球体５０およびそれらに対応するくぼみすなわちソケット５１は、（それら球体およびソケットが対応する必要がある負荷にもよるが）できるだけ小さくなるように選択するとよい。例示の通り該組立品内のリンク間継手は、該継手が蝶番であり、そこで互い違いの継手が互いにある角度の傾斜をもって配置されているので、たった１自由度しか有していない。この角度配置は、必ずしも直角である必要はない。この方法で角度間隔を設けることによって、セグメントは、いくつかの自由度で曲げることが可能になる。本発明の別の好ましい実施形態において、蝶番継手は、平面用途のみに好適であると思われるたった１自由度しか備えていないセグメントを得るように位置合わせしてもよい。
【００４８】
図１１に示した好ましい実施形態は、図１０に対して説明したものの変形である。この好ましい実施形態において、ディスク３１の円筒形表面すなわち縁端部３４は、円周方向に間隔をおいて配置された複数の耳６０を備え、該耳のそれぞれは、らせんばね３７を受け入れるための経路を画定するために棚すなわち係合を形成するように構成されている。耳６０は、下向きの棚６２から円周方向に間隔をおいて配置されかつ並置されている上向きの棚６１を備え、該上向き棚の表面は、らせんばね３７の一部の表面を支えるように構成されている。耳と棚の配置は、ディスク３１の外側円周表面３４の周りにらせん経路を画定するようになっており、それによって、ばね３７を耳６０と棚６１および６２との間にパチンとはめることができるようになる。もう一度繰り返すが、該ばねは、必要に応じてピン、接着剤、またはあらゆる他の好適な締結手段によってディスク３１に確実に固定できる。
【００４９】
この好ましい実施形態において、中央内腔４２は、一般に正方形断面のものであり、該正方形断面の大きさは、球体とくぼみとの間の離隔距離によってのみ制限され、前述のとおり、隣接するリンク間の継手は、１自由度しか有していない。この装置によれば、成形を容易にでき、要素を樹脂材料からの射出成形によって迅速に製造できる。
【００５０】
図１２について説明した好ましい実施形態は、この場合のばねが内側ばね７０であるから前述のものの変形である。この内側ばねを収容するために、中央内腔４２は、一般に円形断面のものであり、内側ばね７０を受け入れ配置するために内側溝７１が設けられている。中央内腔４２には、該内腔の各端部においてより広い直径７２の部分が各端部に向けてさらに設けられており、リンク１１が一方が他方に対して曲がるにつれて、該ばねの動きすなわち曲げが可能になる。単一内側ばね７１は、複合鋳造または射出成形によって機械加工すなわち製造してもよい。前述のとおり、各リンク要素１１は、上述の方法で該ばねに固定されるとよい。
【００５１】
図１３は、複数ばねを採用するとよい好ましい実施形態を示す。この場合、ディスク３１の円筒形縁端部３４は、複数の溝すなわちランド７５を備え、該ランドのそれぞれは、らせんばね３７のらせんを受け入れるように構成されている。示した例においては、３本の同一らせんばね３７を採用し、それぞれを上述のとおり溝７５の中に固定している。あるいは、該ばねが、さまざまな特性を有する場合、セグメントにさまざまな性質を与えることができる。本発明の態様によれば、複数のセグメントを有し、該セグメントのそれぞれが、隣接するセグメントとは異なる特性を有するアーム構成が考えられる。
【００５２】
さて、図１４の好ましい実施形態に目を向けると、この構成は、内側ばね７０と複数の外側らせんばね３７との組み合わせを有する。リンク要素１１のそれぞれの基本構成は、上記図１２に対して概略説明したとおり、中央内腔４２がらせん溝を有する状態で同一である。ここで利点は、らせんばねの向きを別々にすることができ、左巻きと右巻きばねセットの組み合わせが、使用中組立品の保持に役立つ。たとえば、動作中、一方のばねセットが「巻き上げ」を開始すると、この動きは、他方のばね（単数または複数）によって、対抗されることになる。
【００５３】
図１４のデバイスの組立品においては、リンクを先ず内側ばね７０の上にねじ込み、その後、外側ばねすなわちばね３７を引き続き取り付けることが必須である。
【００５４】
当業者には明らかなとおり、各セグメント内の個々のリンクは、同一であるはずである。隣接するリンク間に１自由度のみを備えることによって、さらなる可動部品はまったく不要となるはずであり、必要な張力は、操作用ワイヤまたはロープの張力とばね（単数または複数）との組み合わせによって、加えることができる。したがって、この方法のアーム構成は、比較的単純になり、構成部品の大規模な機械加工を最小に低減できる。さらに、リンク要素１１が樹脂材料であってもよい動作においては、この構成は、射出成形構成部品を使用できることになると考えられる。
【００５５】
したがって、本発明は、従来より著しく安価な「スネークアーム」の製造方法を提供するものであり、その上、あらゆる任意の駆動手段アレイおよび制御システムに対して容易に交換がきく多様な特性のアームの製造を可能にするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に関連する先行技術のセグメント化されたアームの略図である。
【図２】図１のアームのセグメントの略図である。
【図３】本発明によるアームのセグメントの部分の側面図である。
【図４】図３の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図５】図３の斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、図３、図４、および図５のアームのリンクの詳細図、図６（ｂ）は、図３、図４、および図５のアームのリンクの詳細図、図６（ｃ）は、図３、図４、および図５のアームのリンクの詳細図、図６（ｄ）は、図３、図４、および図５のアームのリンクの詳細図である。
【図７】図３のアームに対して変更されたリンクの側面図である。
【図８】図８（ａ）は、図７のリンクを使用したアームのセグメントの部分の側面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明による別のリンク構造の詳細図、図９（ｂ）は、本発明による別のリンク構造の詳細図、図９（ｃ）は、本発明による別のリンク構造の詳細図、図９（ｄ）は、本発明による別のリンク構造の詳細図である。
【図１０】図１０（ａ）は、図９のリンクを組み込んだセグメントの部分側面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は、本発明のさらなる好ましい実施形態のセグメントの部分斜視図、図１１（ｂ）は、図１１ａの部分セグメントのリンクの斜視図、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の側面図、図１１（ｄ）は、図１１（ｃ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、リンク組立品の内側にばねの組み込みを示した部分セグメントの斜視図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）内で使用されているリンクの２つの斜視図、図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の側面図、図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図１３】図１３（ａ）は、多重ばね組立品の斜視図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に使用されているリンクの側面図、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）の側面図、図１３（ｄ）は、図１３（ｃ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、内側および外側ばね組立品の両方の使用を示す部分セグメントの斜視図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の部分セグメントに使用されているリンクの斜視図、図１４（ｃ）は、図１４（ａ）の側面図、図１４（ｄ）は、図１４（ｃ）の線Ａ〜Ａに沿って切った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年12月21日(2007.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームの長手方向軸線を画定するように縦列に延在し、
各リンクの一方が他方に対して関節結合可能である複数のリンクを含む長手方向セグメントと、
前記長手方向セグメントのリンク間の関節結合によって前記セグメントを積極的あるいは消極的に湾曲させることによって、前記セグメントの形状を制御するセグメント用の駆動手段と、
前記ロボットアームに沿ったさまざまなセグメントを異なった、または関連した形状に積極的あるいは消極的にさせ、
前記ロボットアームの所望の空間姿勢を画定する前記セグメントの駆動手段を制御する制御手段と、
を備えたロボットアームであって、
前記ロボットアームと同軸状に取り付けられ、および前記リンクを初期基準位置に向かわせ、かつセグメントのリンク間に前記関節結合を分布させるように、前記セグメント内に前記リンクと係合するらせんばね手段を備えるとともに、前記リンクのそれぞれが、前記ばね手段に対して固定され、前記ばね手段が曲げによって変形できるよう配置されていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記駆動手段は、セグメント内で前記リンクに圧縮力を加えるように配置され、前記ばね手段がセグメントのねじり剛性を保持するとともに、前記セグメント内で前記リンクに張力を加え、前記セグメント内でリンク間の摩擦を減らすように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記ばね手段は、単一ばねを備え、前記単一ばねがセグメント内で各リンクに連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記ばね手段は、複数のばねを備え、前記複数のばねのそれぞれが前記セグメント内で前記リンクのそれぞれに機能的に相互連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記ばね手段がらせん経路に沿って前記リンクと係合することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記リンクは、前記リンクが前記ばねと連続的に回転して係合できる係合手段を備えていることを特徴とする請求項５に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記セグメントの最初と最後のリンクと前記ばねとに係合し、前記リンクの前記ばねに対する回転を阻止する端部キャップを備えたことを特徴とする請求項６に記載のロボットアーム。
【請求項８】
各リンクが、前記ばね手段と係合するために、らせん状に配置された溝または歯列を備えたことを特徴とする請求項５、６、または７に記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記無負荷ばねのピッチは、前記リンク上の前記係合手段のピッチより長くまたは短く、それによって、前記リンクが前記ばねと逐次的に回転して係合されるにつれて、前記ばねは、隣接するリンクをそれぞれ引き離す方向またはくっつける方向に付勢するので、それぞれ事前引張（プレテンション）または事前圧縮（プレコンプレッション）されることを特徴とする請求項７または８に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記ばね手段は、前記ばね内の前記事前引張または事前圧縮を変えるために、前記ばね手段の全長に沿ってさまざまな位置でさまざまなピッチを有することを特徴とする請求項９に記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記事前引張または事前圧縮を変えるために、前記さまざまなリンク上の前記係合手段のピッチが異なることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記ばね手段が、前記セグメントに対する前記リンク組立品の周りで外側に配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記ばね手段が、前記リンク組立品の内側に配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記ばね手段が、複数のばねを備えたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
リンクの配置およびリンクの連結によって、前記ばねが拘束され、それによって、前記ばねは円弧を形成するようにしか曲がることができないことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１６】
前記リンクが、接着剤によって、またはクランプまたはピンによって、または溶接によって、または機械式キー手段によって前記ばねに取り付けられることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１７】
前記駆動手段の動作に応じて前記セグメントの変形モードを円弧状の湾曲のみに制限するために、隣接するリンク間の自由度を拘束するように配置された関節結合手段を前記リンクが備えたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項１８】
前記関節結合手段は、球体とソケットの継手であることを特徴とする請求項１７に記載のロボットアーム。
【請求項１９】
前記関節結合手段が、一方のリンクを他方のリンクに対して固定する手段を内蔵していることを特徴とする請求項１７または１８に記載のロボットアーム。
【請求項２０】
隣接するリンク間の前記関節結合手段は、曲げ運動が蝶番式に一平面のみで可能になるように配置されていることを特徴とする請求項１７、１８、または１９に記載のロボットアーム。
【請求項２１】
互い違いの関節結合手段が、直角など、互いにある角度の傾斜をもって配置されていることを特徴とする請求項２０に記載のロボットアーム。
【請求項２２】
前記関節結合手段が、前記隣接するリンクの表面上にある対応するくぼみと係合するように配置された突起を一方のリンクの表面上に備えたことを特徴とする請求項２０または２１に記載のロボットアーム。
【請求項２３】
隣接するリンク上の係合ポイント間には、前記ばね手段のらせんの少なくとも１つの完全な巻き、すなわちコイルが存在することを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２４】
前記駆動手段が、各セグメントの制御用に３本の制御ワイヤを備えたことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２５】
前記制御ワイヤが駆動手段に取り付けられ、かつ前記セグメントの一端から他端へ延在し、それによって、前記ワイヤ間の張力が、一方が他方に比例して変わるように前記駆動手段を動かすと、前記リンクを湾曲させることができ、その結果、前記セグメントの動きおよび形状が制御されることを特徴とする請求項２４に記載のロボットアーム。
【請求項２６】
前記ばね手段が、前記アームの全長に沿って１本の連続したばねを備えたことを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２７】
各セグメントが個別のばねを有し、前記個別のばねが異なる特性のものであることを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２８】
前記ばね手段が、第１ばねと第１ばねに対して同心状に配置された第２ばねとを有し、引張りまたは圧縮状態を保持し、それによって、前記リンクが、前記第１ばねと前記第２ばねとの両方によって拘束されるようになることを特徴とする請求項１〜２７のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項２９】
前記ばね手段が、同一直径の３本のばねを備え、各リンクが、３本のばねすべてと係合することを特徴とする請求項１〜２８のいずれか１に記載のロボットアーム。
【請求項３０】
前記ばね手段が、複数の異なる巻き方向のばねまたは組になった等しい直径のばねの組み合わせを備え、その結果、各リンクがすべての前記ばねに取り付けられ、それによって、一方のばねに対するリンクの回転運動が、他方のばねの引張または圧縮状態に変化を引き起こし、前記引張状態の変化は、一方が他方に対して前記リンクの更なる回転運動を拘束する役割を果たすことになることを特徴とする請求項１〜２９のいずれか１に記載のロボットアーム。
【国際調査報告】
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