(57)【要約】  コンパクトで軽量のロボットエンドエフェクタは、広範囲の可能な印加力を有する。上記エンドエフェクタは、１つ以上の劣駆動付属肢を含み、各劣駆動付属肢は、上記付属肢全体に巻き付けられた駆動ケーブルに接続された単一モータによって駆動される。上記駆動ケーブルは、フラットケーブル又は別の非円形断面を有するケーブルであってよい。上記駆動ケーブルは、上記付属肢内で一連のプーリ及び／又は軸受に巻き付けてこれらの間を通過させることができ、これにより摩擦損失を低減する。プーリの経路の設計により、上記付属肢による所望の機械的応答を可能とし得、上記機械的応答は、把持プロセスのために最適化できる。
2019501030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部；
前記基部から延在する第１の付属肢であって、
第１のジョイントでハウジングに結合された第１の付属肢リンクと
前記第１のジョイントに回転可能に結合された第１のジョイントプーリであって、第１の外径を有する接触部を含む、第１のジョイントプーリと
第２のジョイントによって第前記１の付属肢リンクに結合された第２の付属肢リンクと
前記第２のジョイントに回転可能に結合された第２のジョイントプーリであって、前記第１のジョイントプーリの接触部の第１の外径とは異なる第２の外径を有する接触部を含む、第２のジョイントプーリと
を備える、第１の付属肢；
前記基部内に配置されたモータ；
前記基部内に配置され、前記モータに回転可能に結合されたハブ；並びに
第１の端部で前記ハブに結合され、第２の端部で前記第１の付属肢に結合された駆動ケーブルであって、前記ハブの回転が前記駆動ケーブルの張力を変化させて前記第１の付属肢リンク又は前記第２の付属肢リンクのうちの少なくとも一方の回転を引き起こすように、前記第１のジョイントプーリ及び前記第２のジョイントプーリの接触部と接触する駆動ケーブル
を備える、ロボットエンドエフェクタ。
【請求項２】
前記第１の付属肢リンク内、かつ前記第１のジョイントプーリと前記第２のジョイントプーリとの間に配置された、第１の中間プーリを更に備え、
前記駆動ケーブルは、前記第１のジョイントプーリ、前記第１の中間プーリ、及び前記第２のジョイントプーリの互い違いの側部に沿って順に巻き付けられる、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項３】
第１の端部で前記基部内に、及び第２の端部で前記第１の付属肢内に固定された、リターンケーブルを更に備え、
前記リターンケーブルは、前記第１のジョイントプーリ、前記第１の中間プーリ、及び前記第２のジョイントプーリの、前記駆動ケーブルとは反対側の互い違いの側部の周囲に順に巻き付けられる、請求項２に記載のエンドエフェクタ。
【請求項４】
前記第１のジョイントプーリは、１対のアンギュラ軸受によって支持され、
前記第１の中間プーリは、ニードル軸受によって支持される、請求項２に記載のエンドエフェクタ。
【請求項５】
前記第１の付属肢は、
第３のジョイントによって前記第２の付属肢リンクに結合された第３の付属肢リンクと、
前記第３のジョイントに回転可能に結合された第３のジョイントプーリであって、前記第１のジョイントプーリの前記接触部の前記第１の外径及び前記第２のジョイントプーリの前記接触部の前記第２の外径とは異なる第３の外径を有する接触部を含む、第３のジョイントプーリと
を更に備え、
前記駆動ケーブルは、前記第３のジョイントプーリの接触領域と接触する、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項６】
前記エンドエフェクタは：
前記基部から延在する第２の付属肢であって、
第１のジョイントで前記ハウジングに結合された第１の付属肢リンクと、
前記第１のジョイントに回転可能に結合された第１のジョイントプーリであって、第１の外径を有する接触部を含む第１のジョイントプーリと、
第２のジョイントによって前記第１の付属肢リンクに結合された第２の付属肢リンクと、
第２のジョイントに回転可能に結合された第２のジョイントプーリであって、前記第１のジョイントプーリの前記接触部の前記第１の外径とは異なる第２の外径を有する接触部を含む、第２のジョイントプーリと
を備える、第２の付属肢；
前記基部内に配置されたモータ；
前記基部内に配置され、前記モータに回転可能に結合された第２のハブ；並びに
第１の端部で前記第２のハブに結合され、第２の端部で前記第１の付属肢に結合された第２の駆動ケーブルであって、前記第２のハブの回転が前記第２の駆動ケーブルの張力を変化させて前記第２の付属肢の前記第１の付属肢リンク又は前記第２の付属肢リンクのうちの少なくとも一方の回転を引き起こすように、前記第１のジョイントプーリ及び前記第２のジョイントプーリの前記接触部と接触する、第２の駆動ケーブル
を更に備える、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項７】
前記駆動ケーブルは、非円形断面を有する、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項８】
前記駆動ケーブルは、前記ハブの周りに少なくとも１周巻き付けられる、請求項６に記載のエンドエフェクタ。
【請求項９】
前記第１のジョイントに隣接して配置された位置センサを更に備え、
前記第１のジョイントは、位置センサに係合するように構成された第１のピンを備える、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項１０】
前記ハブと前記第１のジョイントとの間に延在する前記駆動ケーブルの一部分に対して付勢される張力感知構造を更に備え、
前記駆動ケーブルと接触する前記張力感知構造の前記一部分の位置は、前記駆動ケーブルの張力に応じて決まる、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項１１】
前記駆動ケーブルは、少なくとも５０重量ポンド（２２２Ｎ）の引張荷重に耐えることができる、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項１２】
前記駆動ケーブルは、少なくとも１５０重量ポンド（６６７Ｎ）の引張荷重に耐えることができる、請求項１１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項１３】
前記駆動ケーブルは、少なくとも５０ｋｍの自己支持長（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔ  ｌｅｎｇｔｈ）を有する材料を含む、請求項１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項１４】
第１のジョイントの周りで回転するように構成された近位付属肢リンク；
前記第１のジョイントに結合され、第１の外径を有する第１のジョイントプーリ；
第２のジョイントによって前記近位リンクに結合された遠位付属肢リンク；
前記第２のジョイントに結合され、前記第１のジョイントプーリの前記第１の外径とは異なる第２の外径を有する、第２のジョイントプーリ；
モータ；並びに
前記モータに結合された駆動ケーブルであって、ハブの回転が駆動ケーブルの張力を変化させて第１の付属肢リンク又は第２の付属肢リンクの少なくとも一方の回転を引き起こすように、前記第１のジョイントプーリ及び前記第２のジョイントプーリの接触部と接触し、また非円形断面を有する、駆動ケーブル
を備える、ロボットフィンガアセンブリ。
【請求項１５】
前記モータに結合されたハブを更に備え、
前記駆動ケーブルの第１の端部は、前記ハブ内で摩擦保持され、
前記駆動ケーブルは、前記ハブの外周の周囲に少なくとも１周巻き付けられる、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
加重センサ；及び
前記加重センサに結合され、前記駆動ケーブルと接触するセンサプーリ
を更に備え、
前記駆動ケーブルの張力変化が前記センサプーリの偏向を引き起こす、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
前記第１のジョイント及び前記第２のジョイントそれぞれに隣接して配置された絶対位置センサを更に備える、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１８】
リターンスプリングから少なくとも前記第１の付属肢リンク及び前記第２の付属肢リンクを通って延在するリターンケーブルを更に備え、
前記リターンケーブルは、前記第１のジョイントプーリ及び前記第２のジョイントプーリの、前記駆動ケーブルとは反対側の側部に沿って延在する、請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１９】
基部；
複数の劣駆動付属肢であって、近位端に位置するジョイントに対して回転するように構成された複数の付属肢セグメントをそれぞれ含む、複数の劣駆動付属肢；
前記基部内に配置された複数のモータ：及び
複数の駆動ケーブルであって、それぞれが１つの前記モータに接続され、１つの前記劣駆動付属肢の前記複数の付属肢セグメントを経由し、前記駆動ケーブルの張力変化に応答して前記複数の付属肢セグメントそれぞれの回転を引き起こすように構成された、複数の駆動ケーブル
を備える、ロボットハンドエンドエフェクタ。
【請求項２０】
前記劣駆動付属肢内の各前記ジョイントは、ジョイントプーリに結合され、前記劣駆動付属肢内の前記ジョイントプーリの直径は、前記基部からの距離が増加するにつれて減少する、請求項１９に記載のエンドエフェクタ。
【請求項２１】
前記劣駆動付属肢は：
第１の直径を有する第１のジョイントプーリに結合された第１のジョイントによって基部に接続された、近位付属肢セグメント；
前記第１のジョイントプーリの前記第１の直径より小さい第２の直径を有する第２のジョイントプーリに結合された第２のジョイントによって近位付属肢セグメントに接続された、中間付属肢セグメント；
前記第２のジョイントプーリの前記第２の直径より小さい第３の直径を有する第３のジョイントプーリに結合された第３のジョイントによって前記中間付属肢セグメントに接続された、遠位付属肢セグメント；
を備える、請求項２０に記載のエンドエフェクタ。
【請求項２２】
前記近位付属肢セグメント内に配置された第１のニードル軸受：及び
前記中間付属肢セグメント内に配置された第２のニードル軸受
を更に備える、請求項２１に記載のエンドエフェクタ。
【請求項２３】
前記駆動ケーブルは、前記第１のジョイントプーリ、前記第１のニードル軸受、前記第２のジョイントプーリ、前記第２のニードル軸受、及び前記第３のジョイントプーリへと順番にサーペンタイン式に巻き付けられ、
前記駆動ケーブルの遠位端は、前記遠位付属肢セグメント内で固定される、請求項２２に記載のエンドエフェクタ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、「ＲＯＢＯＴ  ＧＲＩＰＰＥＲ」と題された、２０１５年１２月３日に出願された米国仮特許出願第６２／２６２，４４６号の優先権を主張するものであり、この開示の内容全体を参照によって本願明細書に援用する。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米陸軍契約司令部によって授与された契約番号Ｗ３１Ｐ４Ｑ−１３−Ｃ−００４６の下に、政府支援を受けてなされたものである。合衆国政府は、本発明に対して一定の権利を有する。
【技術分野】
【０００３】
本明細書に記載されている実施形態は、ロボット部品及びロボット部品の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
様々なタスクを実行するためにロボットを使用することは、ますます一般的になりつつある。ロボットは、製造、医薬、兵器システムを含む多くの分野や家庭で使用されている。ロボットには、多くのサイズ、形状、及び形態がある。典型的には、ロボットは１つ又は複数のアームを有し、各アームはアームの遠位端にエンドエフェクタを有する。エンドエフェクタは、把持する、すくう、仕分ける、移動させる等の様々なタスクを実行できる機械的又は電気機械的装置と考えられ得る。場合によっては、完全にエンドエフェクタのみによってロボットがその環境と相互作用するため、ロボットの有用性は、エンドエフェクタの設計及び能力によって実現される。
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では：基部；上記基部から延在する第１の付属肢であって、第１のジョイントでハウジングに結合された第１の付属肢リンクと、上記第１のジョイントに回転可能に結合された第１のジョイントプーリであって、第１の外径を有する接触部を含む第１のジョイントプーリと、第２のジョイントによって第上記１の付属肢リンクに結合された第２の付属肢リンクと、上記第２のジョイントに回転可能に結合された第２のジョイントプーリであって、上記第１のジョイントプーリの接触部の第１の外径とは異なる第２の外径を有する接触部を含む、第２のジョイントプーリとを含む、第１の付属肢；上記基部内に配置されたモータ；上記基部内に配置され、上記モータに回転可能に結合されたハブ；並びに第１の端部で上記ハブに結合され、第２の端部で上記第１の付属肢に結合された駆動ケーブルであって、上記ハブの回転が上記駆動ケーブルの張力を変化させて上記第１の付属肢リンク又は上記第２の付属肢リンクのうちの少なくとも一方の回転を引き起こすように、上記第１のジョイントプーリ及び上記第２のジョイントプーリの接触部と接触する、駆動ケーブルを含む、ロボットエンドエフェクタが提供される。
【０００６】
上記エンドエフェクタは更に、上記第１の付属肢リンク内、かつ上記第１のジョイントプーリと上記第２のジョイントプーリとの間に配置された第１の中間プーリを含んでよく、ここで上記駆動ケーブルは、上記第１のジョイントプーリ、上記第１の中間プーリ、及び上記第２のジョイントプーリの互い違いの側部に沿って順に巻き付けられる。上記エンドエフェクタは更に、第１の端部で上記基部内に、及び第２の端部で上記第１の付属肢内に固定されたリターンケーブルを含んでよく、ここで上記リターンケーブルは、上記第１のジョイントプーリ、上記第１の中間プーリ、及び上記第２のジョイントプーリの、上記駆動ケーブルとは反対側の互い違いの側部の周囲に順に巻き付けられる。上記第１のジョイントプーリは、１対のアンギュラ軸受によって支持してよく、上記第１の中間プーリは、ニードル軸受によって支持してよい。
【０００７】
上記第１の付属肢は更に、第３のジョイントによって上記第２の付属肢リンクに結合された第３の付属肢リンクと、上記第３のジョイントに回転可能に結合された第３のジョイントプーリであって、上記第１のジョイントプーリの接触部の上記第１の外径及び上記第２のジョイントプーリの接触部の上記第２の外径とは異なる第３の外径を有する接触部を含む第３のジョイントプーリとを含んでよく、ここで上記駆動ケーブルは、上記第３のジョイントプーリの接触領域と接触する。
【０００８】
上記エンドエフェクタは更に：上記基部から延在する第２の付属肢であって、第１のジョイントで上記ハウジングに結合された第１の付属肢リンクと、上記第１のジョイントに回転可能に結合された第１のジョイントプーリであって、第１の外径を有する接触部を含む第１のジョイントプーリと、第２のジョイントによって上記第１の付属肢リンクに結合された第２の付属肢リンクと、第２のジョイントに回転可能に結合された第２のジョイントプーリであって、上記第１のジョイントプーリの上記接触部の上記第１の外径とは異なる第２の外径を有する接触部を含む第２のジョイントプーリとを含む、第２の付属肢；上記基部内に配置されたモータ；上記基部内に配置され、上記モータに回転可能に結合された第２のハブ；並びに第１の端部で上記第２のハブに結合され、第２の端部で上記第１の付属肢に結合された第２の駆動ケーブルであって、上記第２のハブの回転が上記第２の駆動ケーブルの張力を変化させて上記第２の付属肢の上記第１の付属肢リンク又は上記第２の付属肢リンクのうちの少なくとも一方の回転を引き起こすように、上記第１のジョイントプーリ及び上記第２のジョイントプーリの上記接触部と接触する、第２の駆動ケーブルを含んでよい。
【０００９】
上記駆動ケーブルは、非円形断面を有してよい。上記駆動ケーブルは、上記ハブの周りに少なくとも１周巻き付けてよい。上記駆動ケーブルは、少なくとも５０重量ポンド（２２２Ｎ）、又は少なくとも１５０重量ポンド（６６７Ｎ）の引張荷重に耐えることができる。上記駆動ケーブルは、少なくとも５０ｋｍの自己支持長（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔ  ｌｅｎｇｔｈ）を有する材料を含んでよい。
【００１０】
上記エンドエフェクタは更に、上記第１のジョイントに隣接して配置された位置センサを含んでよく、ここで上記第１のジョイントは、位置センサに係合ように構成された第１のピンを含む。上記エンドエフェクタは更に、上記ハブと上記第１のジョイントとの間に延在する上記駆動ケーブルの一部分に対して付勢される張力感知構造を含んでよく、ここで上記駆動ケーブルと接触する上記張力感知構造の一部分の位置は、上記駆動ケーブルの張力に応じて決まる。
【００１１】
一実施形態では：第１のジョイントの周りで回転するように構成された近位付属肢リンク；上記第１のジョイントに結合され、第１の外径を有する第１のジョイントプーリ；第２のジョイントによって近位リンクに結合された遠位付属肢リンク；上記第２のジョイントに結合され、上記第１のジョイントプーリの上記第１の外径とは異なる第２の外径を有する第２のジョイントプーリ；モータ；並びに上記モータに結合された駆動ケーブルであって、ハブの回転が駆動ケーブルの張力を変化させて第１の付属肢リンク又は第２の付属肢リンクの少なくとも一方の回転を引き起こすように上記第１のジョイントプーリ及び上記第２のジョイントプーリの接触部と接触し、また非円形断面を有する駆動ケーブルを含む、ロボットフィンガアセンブリが提供される。
【００１２】
上記アセンブリは更に、上記モータに結合されたハブを含んでよく、ここで上記駆動ケーブルの第１の端部は、上記ハブ内で摩擦保持され、上記駆動ケーブルは、上記ハブの外周の周囲に少なくとも１周巻き付けられる。上記アセンブリは更に、加重センサと、上記加重センサに結合され、上記駆動ケーブルと接触するセンサプーリとを含んでよく、ここで上記駆動ケーブルの張力変化が上記センサプーリの偏向を引き起こす。上記アセンブリは更に、上記第１のジョイント及び上記第２のジョイントそれぞれに隣接して配置された絶対位置センサを含んでよい。上記アセンブリは更に、リターンスプリングから少なくとも上記第１の付属肢リンク及び上記第２の付属肢リンクを通って延在するリターンケーブルを含んでよく、上記リターンケーブルは、上記第１のジョイントプーリ及び上記第２のジョイントプーリの、上記駆動ケーブルとは反対側の側部に沿って延在する。
【００１３】
一実施形態では：基部；複数の劣駆動付属肢であって、近位端に位置するジョイントに対して回転するように構成された複数の付属肢セグメントをそれぞれ含む、複数の劣駆動付属肢；上記基部内に配置された複数のモータ；及び複数の駆動ケーブルであって、それぞれが１つの上記モータに接続され、１つの上記劣駆動付属肢の上記複数の付属肢セグメントを経由し、上記駆動ケーブルの張力変化に応答して上記複数の付属肢セグメントそれぞれの回転を引き起こすように構成された、複数の駆動ケーブルを含む、ロボットハンドエンドエフェクタが提供される。
【００１４】
上記劣駆動付属肢内の各上記ジョイントは、ジョイントプーリに結合してよく、上記劣駆動付属肢内のジョイントプーリの直径は、上記基部からの距離が増加するにつれて減少する。上記劣駆動付属肢は：第１の直径を有する第１のジョイントプーリに結合された第１のジョイントによって基部に接続された、近位付属肢セグメント；上記第１のジョイントプーリの上記第１の直径より小さい第２の直径を有する第２のジョイントプーリに結合された第２のジョイントによって近位付属肢セグメントに接続された、中間付属肢セグメント；及び上記第２のジョイントプーリの上記第２の直径より小さい第３の直径を有する第３のジョイントプーリに結合された第３のジョイントによって上記中間付属肢セグメントに接続された、遠位付属肢セグメントを含んでよい。上記エンドエフェクタは更に：上記近位付属肢セグメント内に配置された第１のニードル軸受；及び上記中間付属肢セグメント内に配置された第２のニードル軸受を含んでよい。上記駆動ケーブルは、上記第１のジョイントプーリ、上記第１のニードル軸受、上記第２のジョイントプーリ、上記第２のニードル軸受、及び上記第３のジョイントプーリへと順番にサーペンタイン式に巻き付けられ、ここで上記駆動ケーブルの遠位端は、上記遠位付属肢セグメント内で固定される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ハンド・エンドエフェクタの一実施形態の斜視図
【図２】３つのフィンガのうちの２つが作動された状態の図１のハンド・エンドエフェクタの斜視図
【図３Ａ】図１のハンド・エンドエフェクタのフィンガアセンブリのような例示的なフィンガアセンブリの斜視図
【図３Ｂ】図３Ａのフィンガアセンブリのジョイント内で使用されるピンの斜視図
【図４Ａ】図３のフィンガアセンブリと同様のフィンガアセンブリの平面図
【図４Ｂ】駆動ケーブルが設置されていない状態で示された、面Ｂ−Ｂ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図４Ｃ】駆動ケーブルが設置された状態で示された、面Ｂ−Ｂ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図４Ｄ】図４Ａのフィンガアセンブリのフィンガ基部の斜視断面詳細図
【図４Ｅ】図４Ｄの断面詳細斜視図とは異なる断面に沿った、図４Ａのフィンガアセンブリのフィンガ基部の別の斜視断面詳細図
【図４Ｆ】駆動ケーブルが設置されていない状態で示された、面Ａ−Ａ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図４Ｇ】リターンケーブルが設置された状態で示された、面Ａ−Ａ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図４Ｈ】電気ケーブルが設置されていない状態で示された、面Ｃ−Ｃ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図４Ｉ】電気ケーブルが設置された状態で示された、面Ｃ−Ｃ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図
【図５】制御システムを含む、ハンド・エンドエフェクタの電気アーキテクチャの一実施形態を概略的に示したブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
非常に特殊なタスク又は特殊なタスクセット用に設計されるロボットは、エンドエフェクタの特殊な設計につながる。ロボットの能力を拡大させると、サイズ又は重量又はコストの増大といった設計の妥協点につながる場合がある。多くのロボットでは、エンドエフェクタは、典型的な環境における汎用性を高めるために、人間の手のように成形され得る。汎用性を高めるために、ハンド・エンドエフェクタは、広範囲の把持力を有するように設計してよく、従って、ハンド・エンドエフェクタ自体が損傷することなく重い物体と相互作用できることに加えて、繊細な物体を壊さずに繊細な物体と相互作用できる。ハンド・エンドエフェクタは、広範な可能な把持力を有することに加えて、コンパクトで軽量なものとすることもできる。ハンド・エンドエフェクタは更に、ハンド・エンドエフェクタが別の物体と衝突した際の損傷を防ぐ、又は最小限に抑えるように、耐久性のあるものとすることもできる。
【００１７】
広範囲の載荷能力を有するコンパクトで軽量のハンド・エンドエフェクタは、有意な有益性を提供できる。このようなコンパクトで軽量のエンドエフェクタの使用は、エンドエフェクタが取り付けられるロボットアームの設計要件を緩和し得、ひいては、ロボット全体の設計要件を緩和し得る。一例として、重いエンドエフェクタは、エンドエフェクタの重量に適応するように、適切な重さ及び強度が必要である。逆に、軽いエンドエフェクタは、結果として、より小型でコンパクトなアームになり得、そのアーム自体はロボットの設計全体をより小型でコンパクトにし得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ロボットエンドエフェクタのフィンガ等の付属肢は、単一の駆動ケーブルにおいて所望量の張力を引き起こすように構成された単一モータによって駆動される劣駆動システムとすることができる。駆動ケーブル及び駆動ケーブルが巻き付けられる付属肢部品の設計により、駆動ケーブルの緊張に応答して所定の機械的反応が発生し得る。付属肢は、把持力の範囲の上限が人間の手の把持力の少なくとも１０倍である広範囲の可能な把持力を提供するために高トルク生成構造を含んでよい。一連のプーリを用いて、駆動機構から付属肢のリンクにトルクを伝達でき、これにより劣駆動システム内の不必要な摩擦力が減少する。
【００１９】
図１は、ハンド・エンドエフェクタの一実施形態の斜視図である。ハンド・エンドエフェクタ１０は、広範囲の把持力を有するコンパクトで軽量のハンド・エンドエフェクタを提供できる。図示されている実施形態では、ハンド・エンドエフェクタ１０は、基部アセンブリ２０によって支持された、３つのフィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃを含む。他の実施形態では、それより多い又は少ないフィンガを所定の基部アセンブリに結合してよい。
【００２０】
ハンド・エンドエフェクタ１０が加えることができる広範囲の可能な把持力により、いくつかある特徴の中でも特に、ハンド・エンドエフェクタ１０を用いて、繊細な物体及び重い物体の両方と相互作用できる。以下でより詳細に説明するように、ハンド・エンドエフェクタ１０の各フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃは、フィンガによって加えられた力を変調するためのトランスミッション、位置制御システム、及び位置センサや荷重センサといったセンサを含み得る高トルク駆動機構の一部又は全てを含んでよい。いくつかの実施形態では、以下でより詳細に説明するように、フィンガは、運動面内の複数の関節点を形成してよい。図示されている実施形態では、各フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃの運動面は、互いに略平行であるが、他の実施形態では、フィンガのうちの少なくともいくつかは、別のフィンガの運動面に対して所定の角度を成して配向された運動面を有する場合がある。他の実施形態では、フィンガのいくつか又は全ては、運動面の向きを変更するように可動であってよく、これにより外転運動及び内転運動を実施できる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、フィンガはモジュール部品であってよく、各フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃは、同様の又は同一の設計及び構造を有してよい。フィンガの設計及び構造間の差異は、基部アセンブリ上又は基部アセンブリ内のフィンガの配置の結果として生じ得る。例えば、フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃの動作を制御する特定の部品が基部アセンブリ２０内に配置される。コンパクトな基部アセンブリを提供するために、これらのフィンガに関連付けられた特定の部品を、基部アセンブリ２０内に配置してよく、またフィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃの運動面から横方向に少なくとも部分的にオフセットしてよい。いくつかの実施形態では、任意の好適な配置を提供してよいが、外縁のフィンガ３０Ｂ及び３０Ｃに関連付けられた基部アセンブリ２０内の横方向にオフセットされた部品は、フィンガ３０Ｂ及び３０Ｃの運動面の内側に配置してよく、そして基部アセンブリ２０の設計は所定の配置に適応するように所望に応じて調整してよい。
【００２２】
各フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃに関連付けられた部品と共に、基部アセンブリは更に、総合制御システム、電子装置、電源、及び通信ポートを含むがこれらに限定されない追加部品を有してよい。更なる詳細は、本明細書の他の箇所で述べる。
【００２３】
図２は、３つのフィンガのうちの２つが作動された状態の図１のハンド・エンドエフェクタの斜視図である。図２において、フィンガ３０Ａ及び３０Ｂは、基部アセンブリ２０に向かって内側に折り畳まれた状態で示されており、フィンガ３０Ｃは、フィンガのリンクが基部アセンブリ２０から離れるように伸長した直線非作動位置で示されている。基部アセンブリ２０の両側に配置されたフィンガ３０Ａ及び３０Ｂの対向する配向により、フィンガ３０Ａ及び３０Ｂは作動時に反対方向に内側に折り畳まれる。このような構成を、フィンガ３０Ａ及び３０Ｂを使用して物体をつかむために使用してよいが、フィンガ３０Ｃは、つかむ動作で使用される必要はない。フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃは、独立して制御可能であり得るため、フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃの任意の組み合わせを作動でき、作動量もフィンガ間で異なり得る。
【００２４】
各フィンガ３０Ａ、３０Ｂ、及び３０Ｃは、独立した運動制御に加えて、独立した力制御システムを有してよい。各フィンガによって加えられる力の大きさを独立して制御することによって、多種多様な動作がハンド・エンドエフェクタ１０によって実施され得る。例えば、ハンド・エンドエフェクタ１０を用いてハンドル等の物体をハンドルの周縁を握ることにより回転させる場合、フィンガの全て又は一部は、最初は、同様の量の力でハンドルを握ることができる。しかしながら、ハンドルが回転するにつれて、各フィンガは、徐々にグリップを緩めてハンドルの回転に適応できる。各フィンガの独立制御及び各フィンガの力の独立した測定により、この種の器用さを備えたハンド・エンドエフェクタ１０が実現される。
【００２５】
図３Ａは、図１のハンド・エンドエフェクタのフィンガアセンブリ等の例示的なフィンガアセンブリの斜視図である。フィンガアセンブリ３０は、フィンガ基部１１０と複数のリンクとを含む。図示されている実施形態では、フィンガアセンブリ３０は、３つのリンクを含み、近位リンク１７０、中間リンク１７５、及び遠位リンク１８０が図示されている。これらの各リンク１７０、１７５、及び１８０の近位端は、軸受と共にジョイントを形成するピンに結合してよい。図３Ａにおいて、ピン及び軸受によって形成されたジョイントの位置は、矢印１６０、１６２、及び１６４でそれぞれ示されている。
【００２６】
図３Ｂは、図３Ａのフィンガアセンブリのジョイント内で使用されるピンの斜視図である。図示されている実施形態のピン１７１の全体の形状が図３Ｂに示されている。いくつかの実施形態では、ピン１７１は、図示されているように、２つの肩部１６６、１７２と、幅広の中央部１６８とを有し得る。軸受は、肩部１６６及び１７２とフィンガアセンブリのハウジングとの間に配置してよく、その後、ピンをハウジングに対して回転させることができる。以下でより詳細に説明するように、肩部１６６及び１７２とフィンガのハウジング又は他の部品との間の軸受は、アンギュラ軸受であってよい。
【００２７】
肩部１６６及び１７２の少なくとも一方は、非円形断面を有する部分を含んでよい。図示されている実施形態では、非円形断面を有する部分は、肩部１７２の外側端部から延在する非円筒状突起１７４の形態を取るが、非円形断面を有する部分の他の形状及び配置も使用してよい。本明細書の他の箇所でより詳細に説明するように、非円筒状突起１７４は、位置センサと相互作用して関連ジョイントの位置に関する情報を提供してよい。
【００２８】
また、図３Ａに示されているように、フィンガアセンブリ３０の基部は、フィンガアセンブリ３０を作動させるための駆動機構を内包してよい。いくつかの実施形態では、駆動機構は、トルク生成部品に結合されたモータ１４０を備えてよい。特定の一実施形態では、モータ１４０は、ブラシレスＤＣモータを備えてよく、トルク生成部品１３０は、ハーモニックドライブ（登録商標）又は同様の構造のような高ギア比・高トルク生成部品を備えてよい。他の実施形態では、他の機構を使用してもよい。
【００２９】
ブラシレスＤＣモータ及び「ハーモニックドライブ」の使用の組み合わせによりコンパクトパッケージが形成され、これは、フィンガアセンブリの重量として測定されるか、ハンド・エンドエフェクタ全体の重量として測定されるかに関係なく、把持力の重量に対する比を高くすることができる。一実施形態では、図１のハンド・エンドエフェクタ等のハンド・エンドエフェクタの重量は、２ｋｇであり得、各フィンガは、約１００重量ポンド（４４４Ｎ）の把持力を有し得る。ハンド・エンドエフェクタが３つのフィンガを含む一実施形態では、３つ全てのフィンガが作動されたときの全把持力は、３００重量ポンド（１３３４Ｎ）まで上昇し得る。一方で、典型的な人間の指は、約１２重量ポンド（５３Ｎ）の把持力を有し得、典型的な市販のシステムは、２ｋｇの重量を有し、約４５重量ポンド（２００Ｎ）の把持力を示し得る。ブラシレスＤＣモータ及び「ハーモニックドライブ」の使用により、人間の手又は典型的な市販のシステムの１０倍の最大把持力を提供できる。
【００３０】
更に図３Ａに示されているように、フィンガ基部はまた、１つ以上のホール効果センサ１５０及び荷重センサ１２０等の他の部品を含んでよい。ホール効果センサ１５０は、モータ１４０の速度及び方向を制御するモータコントローラと共に使用できる。荷重センサ１２０は、本明細書の他の箇所で更に詳細に述べるように、フィンガアセンブリ３０の制御において使用できる。
【００３１】
図４Ａは、図３のフィンガアセンブリと同様のフィンガアセンブリの平面図である。図４Ｂは、駆動ケーブルが設置されていない状態で示された、面Ｂ−Ｂ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。図４Ｃは、駆動ケーブルが設置された状態で示された、面Ｂ−Ｂ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。
【００３２】
図４Ｂは、フィンガ３０の関節に使用できるフィンガ基部１１０並びにリンク１７０、１７５、及び１８０全体に配置された様々な機構を示している。図４Ｃは、駆動ケーブル２７５の緊張によってフィンガの関節運動を可能にするための、これらの機構間駆動ケーブル２７５が通る経路を示している。
【００３３】
ケーブル２７５は、高い張力に耐えることができる高強度のケーブルであってよい。いくつかの実施形態では、ケーブル２７５はフラットケーブルであってよいが、他の実施形態では、円形断面又は他の断面を有するケーブルが使用してもよい。フラットケーブル又は非円形断面を有するケーブルは、フィンガアセンブリの厚みを低減するために使用できる。というのは、より厚いケーブルをフィンガアセンブリにルーティングするには追加の間隙が必要になり、フィンガアセンブリのサイズを増大させるためである。
【００３４】
駆動ケーブル２７５は、高引張荷重を受け得るため、大幅に変形することなく高引張荷重に耐えることができる材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、駆動ケーブル２７５は、液晶ポリマー製の、クラレアメリカ（Ｋｕｒａｒａｙ  Ａｍｅｒｉｃａ）社から市販されているマルチフィラメント糸、ＶＥＣＴＲＡＮ（商標）等の非金属材料を含んでよい。いくつかの実施形態では、駆動ケーブルは、ＶＥＣＴＲＡＮ又は同様の材料を含む平編ケーブルを含んでよい。いくつかの実施形態では、駆動ケーブルは、およそ９〜１０ｍｍの幅、およそ１ｍｍの厚さを有してよく、６つ又は７つのＶＥＣＴＲＡＮ繊維織物を含んでよい。しかしながら、これらの寸法は単なる例に過ぎず、他の実施形態では、広範囲の他の寸法及び組成を使用してもよい。
【００３５】
他の実施形態では、他の好適な材料を使用してよく、これらの材料は、材料の引張強度、重量、及び耐クリープ・摩耗性といった特徴に基づいて選択してよい。十分に高い引張強度を提供する任意の材料を使用してよく、特定の実施形態では、高い強度‐重量比を有する材料を使用してよい。一部のＶＥＣＴＲＡＮ材料は、７９ｋｍを超える自己支持長又は破壊長を有し、一部の特定のＶＥＣＴＲＡＮ材料は、２００ｋｍを超える自己支持長を有する。一方、チタンの自己支持長は２９ｋｍである。いくつかの実施形態では、３０ｋｍ、５０ｋｍ、７５ｋｍ、又は２００ｋｍより長い自己支持長を有する材料を使用してよい。いくつかの実施形態では、駆動ケーブルの材料は、強度のみに基づいて選択してよく、重量はあまり重要でない場合がある。いくつかの実施形態では、ＶＥＣＴＲＡＮ材料の引張強度は、１ＧＰａ超であり得、一部の特定のＶＥＣＴＲＡＮ材料の引張強度は、３ＧＰａ超であり得る。いくつかの実施形態では、ケーブル材料の引張強度は、１ＧＰａ超、２ＧＰａ超、又は３ＧＰａ超であり得る。いくつかの実施形態では、駆動ケーブルは、少なくとも５０重量ポンド（２２２Ｎ）の引張荷重に耐えるように設計してよいが、他の実施形態では、駆動ケーブルは、少なくとも１００重量ポンド（４４４Ｎ）、１５０重量ポンド（６６７Ｎ）、２００重量ポンド（８８９Ｎ）、３００重量ポンド（１３３４Ｎ）、４００重量ポンド（１７７９Ｎ）、５００重量ポンド（２２２４Ｎ）又はそれ以上の引張荷重に耐えるように設計してよい。
【００３６】
図４Ｂに示されているように、フィンガ基部は、対向面を備えるハブ２１０とハブキャップ２０５とを含む。図４Ｃに示されているように、ケーブル２７５の近位端又は近位端近くのケーブル２７５の一部は、ハブ２１０の対向面とハブキャップ２０５の対向面との間で固定される。ねじ又は他の締結具を用いて、ハブキャップ２０５をハブ２１０に締め付けてよく、がこれによりケーブル２７５の保持される部分がその間に固定される。
【００３７】
図４Ｄは、図４Ａのフィンガアセンブリのフィンガ基部の斜視断面詳細図である。図４Ｅは、図４Ｄの断面詳細斜視図とは異なる断面に沿った、図４Ａのフィンガアセンブリのフィンガ基部の別の断面詳細斜視図である。図４Ｅに示されているように、ハブキャップ２０５及びハブ２１０の一部を通って延在するねじ２０７を用いて、ハブキャップ２０５をハブ２１０に対して定位置で固定できる。駆動ケーブル２７５は、少なくとも一部はハブキャップ２０５の対向面とハブ２１０の対向面との間の摩擦嵌合によって、又は任意の他の好適な固定方法によって定位置で保持され得る。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ハブ２１０は、ブラシレスＤＣモータの軸に結合してよいが、ハブキャップ２１５は、図４Ｅに示されているように、ハブ２１０に締め付けられ得る別個の部品であってよい。従って、駆動ケーブル２７５をキャップとハブとの間に位置決めして、ねじを用いてキャップをハブに締め付けることによって、駆動ケーブル２７５を終端させてよい。
【００３９】
駆動ケーブル２７５をキャップ２０５とハブ２１０との間で締め付けることに加えて、ケーブルを、キャップ２０５とハブ２１０の総外径の周囲に１回又は複数回巻き付けてよい。複数回巻き付けることで、キャプスタン効果によりケーブル内の保持力が高まる。駆動ケーブル２７５を１回又は複数回巻き付けることによって増大したケーブル内の保持力により、非常に高い荷重を受けた状態でも駆動ケーブル２７５の端部を定位置で保持できる。更に、駆動ケーブル２７５がフラットケーブルである実施形態では、ケーブルを複数回巻き付けることでより安定とすることができ、ケーブルに幅があることで互いに接触するケーブル巻き付け部分の表面積が大きくなることにより、駆動ケーブル２７５の端部を保持する保持力が更に高まる。
【００４０】
ハブ２１０とキャップ２０５の総外径、及びハブ２１０及びキャップ２０５の周囲にケーブルを巻き付ける回数は、モータの速度によるフィンガの適切な範囲の動作を達成するように選択してよい。
【００４１】
図４Ｂ及び図４Ｃに示されているように、ハブ２１０は、レース軸受２１５内に配置してよい。ハブ２１０をレース軸受２１５内に配置することによって、フラットケーブルによって加えられた径方向荷重によるハブの運動を最小化、又は除去してよい。ケーブル２１５は、ハブ２１０から、荷重センサ１２０に結合され得るプーリ２２０の側を通る。図４Ｄ及び図４Ｅは、プーリ２２０及び荷重センサ１２０の斜視図である。ケーブル２７５はプーリ２２０と接触してよく、これによりプーリ２２０の位置を関係する公称位置から偏向させることができ、ここでプーリ２２０の偏向はケーブル２７５の張力に依存する。
【００４２】
一実施形態では、プーリ２２０の公称位置は、荷重センサ１２０上の力がゼロである又はゼロに近い位置として定義してよい。このような位置は、図４Ｃに示されている。ケーブルは更に、この公称位置でもプーリ２２０と接触し得るが、プーリにゼロ又は最小の力を印加する。ケーブルの張力が増大すると、ケーブルはプーリ２２０に矢印２２２の方向に力を印加する。従って、プーリ２２０に結合され得る荷重センサは、この力を受けて、フラットケーブルの張力を測定する。
【００４３】
図４Ｂに示されているように、近位リンク１７０は、近位リンク１７０とフィンガ基部１１０との間のジョイントに位置決めされたプーリ２２５と、遠位のプーリ２２５を収容する近位リンク１７０内に配置されたプーリ２３０とを含む。いくつかの実施形態では、プーリ２２５は、ピン１７１の幅広の中央部１７８に結合してよく、ピン１７１の肩部１６６及び１７２は、フィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されたアンギュラ軸受に結合してよい。プーリ２３０は、フィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されるニードル軸受であってよいか、又はフィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されたニードル軸受に結合してよい。
【００４４】
特に、図３Ａ、図４Ａ、及び図４Ｄに示されているように、プーリ２２５及び他のプーリは、駆動ケーブル２７５がプーリと接触できる中央接触領域を含んでよく、上記プーリは中央接触領域の両側のわずかな縁又は隆起によって囲まれる。プーリ２２５の中央接触領域が駆動ケーブル２７５の幅と同様の幅を有する場合、中央接触領域の両側で径方向に延在する縁によって囲まれた中央接触領域の凹部は、駆動ケーブル２７５がプーリ２２５に定位置で置かれた状態で保持するのを補助できる。中央接触領域は、第１の断面直径を有する略円筒形状とすることができ、中央接触領域の両側のプーリ２２５の断面直径は中央接触領域の断面直径より大きくすることもできる。中央接触領域として記載されているが、プーリ２２５の両側の縁は同じ幅である必要はなく、接触領域を、プーリ２２５の幅の中間点にセンタリングする必要はない。
【００４５】
同様に、中間リンク１７５は、中間リンク１７５と近位リンク１７０との間のジョイントに位置決めされたプーリ２３５と、遠位のプーリ２３５を収容する中間リンク１７０内に配置されたプーリ２４０とを含む。プーリ２２５と同様に、プーリ２３５は、ピン１７１の幅広の中央部１７８に結合してよく、ピン１７１の肩部１６６及び１７２は、フィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されたアンギュラ軸受に結合してよい。プーリ２２０と同様に、プーリ２３０は、フィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されるニードル軸受であってよいか、又はフィンガアセンブリ３０のハウジングに結合されたニードル軸受に結合してよい。プーリ２３０、２３５、及び２４０のいくつか又は全ての外表面は、接触領域の両側の縁より小さい断面直径を有する接触領域を有してよい。
【００４６】
アンギュラ軸受は、回転軸から径方向外側に作用する径方向荷重及び回転軸に沿って作用する軸方向荷重の両方に耐える。ニードル軸受は、高い径方向荷重のみに耐え、軸方向荷重に対して大きな抵抗性を提供できない。アンギュラ軸受とニードル軸受とを組み合わせることにより、フィンガ及び各リンクが径方向荷重及び軸方向荷重の両方に耐えることができる。図示されている例と同様の特定の実施形態では、フィンガアセンブリは、アンギュラ軸受とニードル軸受との組み合わせにより、５０ポンド（２２ｋｇ）の横方向の力と１００ポンド（４５ｋｇ）の径方向の力に耐えることができる。アンギュラ軸受によって得られる横方向荷重に対する抵抗性は、ハンド・エンドエフェクタ又は他のエンドエフェクタが、把持された物体が横方向荷重を生成するように配向されたときに有用であり得る。更に、横方向荷重に対する抵抗性は、ハンド・エンドエフェクタが地面又は別の物体に衝突した場合に、フィンガアセンブリ３０に与えられる損傷を防ぐことができ、これによりハンド・エンドエフェクタの耐久性を高めることができる。
【００４７】
遠位リンク１８０は、少なくとも１対の湾曲特徴部分２５０及び２６０と、ケーブル終端特徴部分２５５とを含む。近位湾曲特徴部分２５０は、遠位湾曲特徴部分２６０と中間リンク１７５内のプーリ２４０との間に位置する。近位湾曲特徴部分の一部の曲率半径は、遠位湾曲特徴部分２６０の曲率半径より大きいが、図示されている実施形態では、プーリ２３５の曲率半径より小さい。
【００４８】
図４Ｃに示されているように、ケーブル２７５は、ハブ２１０から、プーリ２２０に接触し、プーリ２２５の一部の周囲へとルーティングされる。ケーブル２７５は、その後、近位リンク１７０内でプーリ２３０の一部の周囲へとルーティングされる。ケーブル２７５は、一般に、ケーブル２７５がルーティングされたプーリ２２５と反対側のプーリ２３０の片側へとルーティングされる。ケーブル２７５は、その後、プーリ２３５の一部の周囲にルーティングされ、中間リンク１７５内でプーリ２４０の一部の周囲へとルーティングされる。ケーブル２７５は、その後、近位湾曲特徴部分２５０の一部に沿ってルーティングされ、そして終端特徴部分２５５に達して終端させる前に遠位湾曲特徴部分２６０の一部に沿ってルーティングされる。
【００４９】
遠位湾曲特徴部分２６０及び終端特徴部分２５５は共に、遠位リンク１８０の構造の一部であってよい。ケーブルの経路と共に、遠位リンク内のこれらの特徴部分の湾曲は、ケーブルが遠位リンク内で弛む状況を最小限に抑える、又は解消する。遠位リンク１８０の終端特徴部分２５５の終端は、いくつかの実施形態では、特徴部分２５５の周囲にケーブル２７５を複数回巻き付けることによって達成してよい。複数回巻き付けることで、キャプスタン効果により締付力が高まる。いくつかの実施形態では、ハブ２１０に対して特徴部分２５５のサイズが小さいことにより、ハブ２１０の周囲よりも特徴部分２５５の周囲で使用される巻き付け回数の方が多くなり得る。ケーブル２７５を終端させる他の方法、又はケーブル２７５の一部を終端特徴部分２５５若しくは遠位リンク１８０のハウジング内にある、若しくはハウジングに結合される別の特徴部分に固定する他の方法を利用してもよい。
【００５０】
各フィンガアセンブリ３０はまた、駆動ケーブル２７５と共に、リターンケーブルを含んでよい。図４Ｆは、リターンケーブルが設置されていない状態で示された、面Ａ−Ａ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。図４Ｇは、リターンケーブルが設置された状態で示された、面Ａ−Ａ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。リターンケーブル２８５の機能及びルーティングについて、図４Ｆ及び図４Ｇを参照しながら説明する。図４Ｆは、リターンケーブル２８５に関連付けられたプーリ及びスプリングを示しており、図４Ｇは、リターンケーブル自体を示している。
【００５１】
図４Ｇに示されているように、リターンケーブル２８５は、受動的リターンスプリング３１０の位置で終端する。リターンケーブルは、その後、従動プーリ３２０の一部の周囲、プーリ２２５の下、プーリ２３０の上、プーリ２３５の下、プーリ２４０の上を通過し、最後に、あり溝状部分を利用した、より小さなキャプスタン効果によって遠位リンク１８０で終端する。しかしながら、遠位リンク１８０でリターンケーブル２８５の遠位端を終端させる、又は他の形で固定する任意の他の好適な手段。いくつかの実施形態では、最大負荷又は高い負荷下にある駆動ケーブル２７５に比べてリターンケーブル２８５の張力が小さいために、構造的特徴部分の周囲に巻き付けられたケーブルのキャプスタン効果によって得られる追加の保持力が必要になる場合がある。
【００５２】
図４Ｃと図４Ｇを比較すると、プーリ２２５、２３０、２３５、及び２４０の周囲のフィンガアセンブリのリンク内で駆動ケーブル２７５及びリターンケーブル２８５は相補的な方向に進むことがわかる。従って、２つのケーブルは、名目上は反対方向にリンク１７０、１７５、及び１８０に力を及ぼす。リターンケーブル２８５は、必ずしも駆動ケーブル２７５と同じように高い張力に耐える必要がない場合がある。従って、いくつかの実施形態では、リターンケーブルは円形断面を有してよい。というのは、いくつかの実施形態では、駆動ケーブル２７５と同様の厚さを有するＶＥＣＴＲＡＮ又は同様の材料の丸形ケーブルは、リターンケーブル２８５の必要な荷重を支持するのに十分であり得るためである。
【００５３】
しかしながら、リターンケーブル２８５用に任意の他の好適な断面形状又は材料を使用することは排除されない。リターンケーブル２８５は、駆動ケーブル２７５がリンク１７０、１７５、及び１８０に力を印加しない場合に、フィンガアセンブリ３０を公称位置に戻す均一な戻し力を提供する。フィンガアセンブリの公称位置は、フィンガアセンブリの部品の重量によるフィンガアセンブリの配向に基づいて変化し得る。
【００５４】
フィンガアセンブリ３０がその把持動作を完了するときに、戻し力の大きさは、戻し力の公称初期大きさより大きくなる。この例では、初期又は公称戻し力は２重量ポンド（８．９Ｎ）であるが、任意の他の好適な大きさの初期戻し力を用いてよく、受動的リターンスプリング３１０の特性を用いて、初期戻し力を定義してよい。初期戻し力は、フィンガが図４Ｆ及び図４Ｇに示されているフィンガ位置に対して上下逆に配置された場合、フィンガアセンブリ３０が重力の影響下で移動するのを防ぐ。一例では、戻し力は、フィンガアセンブリ３０の最大変位において８重量ポンド（３５Ｎ）の最大値に達し得るが、最大戻し力の他の大きさが使用される場合もある。
【００５５】
駆動ケーブル並びにリターンケーブル、軸受、及びプーリの構成により、フィンガアセンブリ３０のリンクの位置は、モータ１４０を制御することによって制御してよい。モータの回転は、キャップ２０５及びハブ２１０の回転に変換できる。図４Ｂに示されているように、ハブ２１０の右回りの回転をもたらすモータ１４０の回転は、駆動ケーブル２７５の張力を増加させることができる。駆動ケーブル２７５の張力が増加は、リンクの回転及び把持プロセスの開始をもたらし得る。
【００５６】
リンクが駆動ケーブル２７５の張力増加に応答して回転する特異的な方法は、は駆動ケーブル２７５が通過する部品の設計によって部分的に制御できる。フィンガアセンブリ３０等のフィンガを含むハンドが物体を把持するプロセスを開始したときに、最初に近位リンク１７０を回転させ、続いて中間リンク１７５、そして最後に遠位リンク１８０を回転させることができることが有利であり得る。この順序は、１以上の近位リンクが把持される物体と接触するまで最初に近位リンク又は（他のフィンガの）近位リンクを回転させることで、物体を把持する前に遠位リンク又は中間リンクを折り畳まずに最大把持表面積が得られるので、有利であり得る。
【００５７】
リンクの運動の順序は、軸受の直径及びリンクの長さを適切に選択することにより達成できる。図４Ｂ及び図４Ｃに示されているように、プーリ２２５の直径はプーリ２３５の直径より大きく、プーリ２３５の直径は湾曲特徴部分２５０の直径より大きい。特に、プーリ２２５の接触領域の直径は、プーリ２３５の接触領域の直径より大きい。駆動ケーブル２７５が緊張状態であるとき、ケーブルの長さ全体が実質的に均一な張力を受ける。従って、直径の差により、プーリは異なる大きさの回転モーメントを受ける。これらのモーメントは、その後、それぞれのリンクに伝達されて、リンクを回転軸の周りで回転させる。
【００５８】
従って、近位リンク１７０のプーリ２２５がリンクのうちのいずれの最大プーリ又は湾曲面である図示されている実施形態等の一実施形態では、駆動ケーブル２７５の張力増加は、リンク１７５及び１８０がそれぞれのプーリの周りで回転するよりも多く、リンク１７０を近位プーリ２２５の周りで回転させることができる。中間リンク１７５のプーリ２３５は次に大きいプーリであり得るため、近位リンク１７０がその移動端部に到達するか、又は近位リンク１７０が物体（例えば、ハンドが把持しようとしている物体）と接触すると、中間リンク１７５は遠位リンク１８０よりも多く回転する。その後、中間リンク１７５が移動端部に到達するか、又は把持される物体と接触すると、駆動ケーブル２７５の張力増加により、遠位リンク１８０は物体と接触する移動端部に到達するまで移動する。このようにして、最大把持領域を提供できる。
【００５９】
一実施形態では、図４Ｂを参照すると、湾曲特徴部分２５０及びニードル軸受２４０及び２３０の接触領域の直径は１０ｍｍである。プーリ２３５及び２２５の接触領域の直径はそれぞれ、１６．５ｍｍ及び２２ｍｍである。また、この実施形態では、遠位リンク、中間リンク、及び近位リンクの長さはそれぞれ、３０ｍｍ、３８ｍｍ、及び５０ｍｍである。上で指定した値は、劣駆動パッケージ内で大きな把持力を生成できる一実施形態の一例を提供するが、広範囲の他の寸法を使用してもよい。
【００６０】
従って、単一のモータ１４０の回転を制御することによって、複数のリンクを有するフィンガの動作は、ケーブルのシステムを使用する劣駆動システムを介して制御できることがわかる。更に、適切なケーブルの張力を測定することによって、フィンガアセンブリ３０と接触する外部物体に加えられる力を制御してよい。ここで、電子サブシステムについて説明する。
【００６１】
図４Ｈは、電気ケーブルが設置されていない状態で示された、面Ｃ−Ｃ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。図４Ｉは、電気ケーブルが設置された状態で示された、面Ｃ−Ｃ’に沿った図４Ａのフィンガアセンブリの垂直断面図である。
【００６２】
図４Ｈ及び４Ｉに示されているように、フィンガアセンブリ３０は、リンクに結合された電気サブシステムを含む。この電気サブシステムは、複数のプリント基板（ＰＣＢ）を含む。図示されている実施形態では、ＰＣＢは、フィンガアセンブリ３０内の各ジョイントに隣接して配置される。第１のＰＣＢ３４５は、近位リンクとフィンガ基部との間のジョイントに隣接してフィンガ基部内に位置決めされる。第２のＰＣＢ３４０は、近位リンク１７０と中間リンク１７５との間のジョイントに隣接して近位リンク１７０内に位置決めされる。第３のＰＣＢ３３０は、遠位リンク１８０と中間リンク１７５との間のジョイントに隣接して中間リンク１７５内に位置決めされる。ＰＣＢ３３０、３４０、及び３４５はそれぞれ、各絶対角度位置センサ又はポテンショメータ３５０、３６０、及び３７０に結合される。ポテンショメータ３５０、３６０、及び３７０は、ピン１７１の肩部１７２の一部を受承するか、又はそれ以外の形でこれと係合するように構成された、ポテンショメータ３５０の特徴部分３５２等の特徴部分を有する。図示されている実施形態では、特徴部分３５２は、ピン１７１の肩部１７２の外側端部から延在する非円筒状突起１７４と相補的な断面形状を有する。他の実施形態では、形状又は他の係合機構の任意の他の好適な組み合わせを使用して、ポテンショメータ特徴部分をピン１７１と共に回転させてよい。
【００６３】
ピン１７１は回転するため、ピンの角度位置はポテンショメータ特徴部分３５２がピン１７１と共に回転したときに測定できる。これにより、角度位置センサ３７０は近位リンク１７０の角度位置の測定を行うことができる。角度位置センサ３７０は更に、位置の中心がフィンガ基部に近いため、他の角度位置センサ３６０及び３５０の角度位置の基準座標系として使用してよい。角度位置センサ３６０は、近位リンクに対する中間リンクの角度位置を測定するために使用してよく、角度位置センサ３５０は、中間リンクに対する遠位リンクの位置を測定するために使用してよい。各ジョイントにおける角度位置センサのこの組み合わせにより、フィンガの各リンクの絶対角度位置を測定できる。
【００６４】
角度位置センサに加えて、各ＰＣＢ３３０、３４０、及び３４５は、限定するものではないが、マイクロコントローラ、ＬＥＤ、コンデンサ、及びセンサインターフェースを含む、本明細書には詳細に示されていない他の部品を含んでよい。ＰＣＢ用の電力、及び信号、及びＰＣＢ間の制御経路は、電気ケーブル３８０及び３８５によって供給される。いくつかの実施形態では、各電気ケーブルは、電力用、接地用及び信号用にそれぞれ１本の３本の電線を有してよいが、他の配線配置を使用してもよい。図示されている実施形態では、ケーブルは、電力及び信号を各リンクに伝達するために、ジョイント回転点を越えてルーティングされる。これらのケーブル３８０及び３８５は、図４Ｉに示されているようなサービスループで配置して、リンクが回転したときのケーブル上の応力を防いでよい。サービスループは、電気ケーブルをフィンガアセンブリのハウジング上の特徴部分の周りに巻き付けることによって形成してよい。
【００６５】
ＰＣＢ３３０、３４０、及び３４５を接続する電気ケーブル３８０及び３８５のこのシステムはデータバスを形成し、このデータバスを通して、各センサからの角度位置データ等のデータをバスに結合された他の部材に通信できる。しかしながら、広範囲の代替の配置を用いて、フィンガアセンブリ全体にわたってデータ及び電力をルーティングしてもよい。いくつかの実施形態では、フィンガアセンブリ全体にわたってデータ及び電力をルーティングするために、貫通孔及び／又はフレックスケーブルを使用してよいが、ジョイントに貫通孔を形成することにより、フィンガアセンブリが高荷重に耐えることがより難しくなる場合がある。別の実施形態では、リターンケーブル２８５は、電力及び信号情報を搬送してよく、フレームの金属部分は地帰路としての機能を果たし得る。
【００６６】
各フィンガの電気サブシステムはまた、電力、接地、制御データ及びセンサデータをマザーボードにルーティングするためのインターフェースを含み得るドーターボードを含んでよい。ドーターボードは明確に図示されていないが、図４Ｈ及び４Ｉにドーターボードの単一の可能な位置が矢印３９０で示されている。
【００６７】
いくつかの実施形態では、各フィンガはモジュール式であり、複数のフィンガの構造は同様又は同一であってよい。各フィンガのドーターボードは全て、ハンドの基部アセンブリ２０の底部に配置してよいマザーボードに差し込むことができるか、又はそれ以外の形でマザーボードと通信できる（図２参照）。ドーターボードはまた、インターフェースコネクタを介して、モータ１４０及びホール効果センサ１５０等の他のセンサの電力及び制御をマザーボードにルーティングできる。マザーボード（図示せず）は、限定するものではないが、マイクロコントローラ、電源、及び通信インターフェースを含む様々な部品を含んでよい。ドーターボードと様々なフィンガアセンブリの他の部品との間の接続により、必要に応じて、３つのフィンガの動作を調整できる。
【００６８】
図５は、制御システムを含む、ハンド・エンドエフェクタシステムの電気アーキテクチャのある実施形態を概略的に示したブロック図である。いくつかの実施形態では、破線ボックス４００内の部品は、各フィンガアセンブリ内に物理的に配置される。このような実施形態では、フィンガアセンブリは、上述したように、モジュール式であってよい。破線ボックスの外側の部品は、ハンド基部アセンブリ内又は他の場所に配置される。
【００６９】
上述したように、各フィンガアセンブリは、好適なブラシレスＤＣモータコントローラによって制御できるブラシレスＤＣモータを含んでよいが、他の好適なモータを使用さしてもよい。更に、各フィンガアセンブリは、ＤＣモータを整流するためのホール効果センサ、力センサ、及び各リンクに結合された角度ジョイントセンサといった様々なセンサを含んでよい。図示されている実施形態では、図面内のリンク１、リンク２、リンク３は、近位リンク、中間リンク、及び遠位リンクを指すが、他の実施形態では、これより多い又は少ない数のリンクを設けてよい。
【００７０】
ボックス４００の外側では、ＡＲＭマイクロコントローラ等のマイクロコントローラが複数のフィンガの動作を調整できる。更に図示されているように、マイクロコントローラは、有線又は無線接続を含む好適な通信インターフェースによって外部のコンピュータを介して通信できる。図５に示されている例示的なシステムアーキテクチャを用いて、１つ又は複数のロボットハンドの１つ又は複数のフィンガを制御して調整できる。
【００７１】
本開示で説明されている概念は、広範囲の把持力を加えるロボットハンドに関して説明されているが、ロボット工学の分野の範囲内の様々な他の好適な状況で一般的に適用可能であり得る。一例として、この概念は、ロボット移動に適用してよく、より一般には、大きな力を発生させ、コンパクトな伝達システムを用いてロボットの単一の部分から別の部分へと伝達するために適用してよい。
【００７２】
本明細書内で使用されている用語「結合する、結合される（ｃｏｕｐｌｅ）、ｃｏｕｐｌｉｎｇ、ｃｏｕｐｌｅｄ」」又は単語「結合する（ｃｏｕｐｌｅ）」の他の語形変化は、間接的な接続又は直接接続のいずれかを指す場合があることに留意されたい。例えば、第１の部品が第２の部品に「結合される」場合、第１の部品は第２の部品に間接的に接続してもよいし、直接接続してもよい。本明細書内で使用される場合、用語「複数」は、２つ以上を指す。例えば、複数の部品は、２つ以上の部品を意味する。
【００７３】
以上の説明では、実施例を十分に理解できるように具体的詳細が示されている。しかしながら、当業者は、実施例がこれらの具体的詳細なしに実践できることは、理解するであろう。本明細書内で別個に説明されている特定の実施形態は、単一の実施形態において組み合わせることができ、また、所定の実施形態に関して説明した特徴は、複数の実施形態の中で別個に、又は任意の好適な部分的組み合わせで実装できる。例えば、電気部品／装置は、不必要な詳細で実施例を不明瞭にしないように、ブロック図で示す場合がある。他の例では、実施例を更に詳細に説明するために、このような部品、他の構造及び技術を詳細に示す場合がある。
【００７４】
開示されている実施形態の上記説明は、当業者が本発明を製造する、又は使用できるように提示されている。これらの実施形態の様々な修正は、当業者には容易に明らかになるであろう。また本明細書内で定義されている一般原理は、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用してよい。従って、本発明は、本明細書に示した実施形態に限定されることを意図したものでなく、本明細書内で開示した原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲が付与されるものとする。
【符号の説明】
【００７５】
１０  ハンド・エンドエフェクタ
２０  基部アセンブリ
３０  フィンガアセンブリ
３０Ａ  フィンガ
３０Ｂ  フィンガ
３０Ｃ  フィンガ
１１０  フィンガ基部
１２０  荷重センサ
１３０  トルク生成部品
１４０  モータ
１５０  ホール効果センサ
１６０  矢印（ジョイントの位置）
１６２  矢印（ジョイントの位置）
１６４  矢印（ジョイントの位置）
１６６  ピン１７１の肩部
１７０  近位リンク
１７１  ピン
１７２  ピン１７１の肩部
１７４  非円筒状突起
１７５  中間リンク
１８０  遠位リンク
２０５  ハブキャップ、キャップ
２０７  ねじ
２１０  ハブ
２１５  レース軸受
２２０  プーリ
２２２  矢印（ケーブルがプーリ２２０に印加する力）
２２５  プーリ
２３０  プーリ
２３５  遠位のプーリ、プーリ
２４０  プーリ
２５０  近位湾曲特徴部分、湾曲特徴部分
２５５  ケーブル終端特徴部分
２６０  遠位湾曲特徴部分、湾曲特徴部分
２７０  プーリ
２７５  駆動ケーブル
２８５  リターンケーブル
３１０  受動的リターンスプリング
３２０  従動プーリ
３３０  第３のＰＣＢ
３４０  第２のＰＣＢ
３４５  第１のＰＣＢ
３５０  絶対角度位置センサ又はポテンショメータ
３５２  特徴部分
３６０  絶対角度位置センサ又はポテンショメータ
３７０  絶対角度位置センサ又はポテンショメータ
３８０  電気ケーブル
３８５  電気ケーブル
３９０  矢印（ドーターボードの可能な位置）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019501030.tif 000008
【図４Ｃ】
2019501030.tif 000009
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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