(57)【要約】  第１の回転軸を有する第１の回転ジョイントおよび、前記第１の回転軸に非平行な第２の回転軸を有する第２の回転ジョイントによって相互に連結されている、第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントと、該第１の回転軸および前記第２の回転軸周りで前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに対して関節式に連結するジョイント機構と、を含んで構成されているロボットアームであって、前記ジョイント機構が、前記第１の回転軸と一致する車軸であり、前記ロボットアームの該第１のアームセグメントに固定されている車軸周りに配置されている第１の従動ギアと、該ロボットアームの該第２のアームセグメントに固定されて、該第２の回転軸周りに配置され、該第１の回転軸周りで前記第１の従動ギアに固定される第２の従動ギアと、該第１の従動ギアを前記車軸周りで回転させるように構成されている第１の駆動ギアであり、前記第１の従動ギアと係合するように配置された前記第１の駆動ギアと、前記第２の回転軸周りで前記第２の従動ギアを回転させる第２の駆動ギアと、前記第２の駆動ギアと該第２の従動ギアを係合させるように配置されている中間ギア装置で、前記第１の回転軸周りに配置されており、それによって、該第１の回転軸周りの前記第１のアームセグメントに対する前記中間ギア装置の相対回転が駆動され得る該中間ギア装置と、を含んで構成されている。【選択図】図３
2019524259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回転軸を有する第１の回転ジョイントおよび、前記第１の回転軸に非平行な第２の回転軸を有する第２の回転ジョイントによって相互に連結されている、第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントと、
該第１の回転軸および前記第２の回転軸周りで前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに対して関節式に連結するジョイント機構と、を含んで構成されているロボットアームであって、
前記ジョイント機構が、
前記第１の回転軸と一致する車軸であり、前記ロボットアームの該第１のアームセグメントに固定されている車軸周りに配置されている第１の従動ギアと、
該ロボットアームの該第２のアームセグメントに固定されて、該第２の回転軸周りに配置され、該第１の回転軸周りで前記第１の従動ギアに固定される第２の従動ギアと、
該第１の従動ギアを前記車軸周りで回転させるように構成されている第１の駆動ギアであり、前記第１の従動ギアと係合するように配置された前記第１の駆動ギアと、
前記第２の回転軸周りで前記第２の従動ギアを回転させる第２の駆動ギアと、
前記第２の駆動ギアと該第２の従動ギアを係合させるように配置されている中間ギア装置で、前記第１の回転軸周りに配置されており、それによって、該第１の回転軸周りの前記第１のアームセグメントに対する前記中間ギア装置の相対回転が駆動され得る該中間ギア装置で、該第２の駆動ギアと係合するように配置された第１の中間ギアと、前記第２の従動ギアと係合するように配置された第２の中間ギアと、を含んで構成されている前記中間ギア装置と、を含んで構成されており、
該第１の従動ギアと前記第１の中間ギアの少なくとも一方がセクターであることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記第１の回転軸が前記第２の回転軸を横切っている請求項１に記載されているロボットアーム。
【請求項３】
前記第１の回転軸が前記第２の回転軸と交差する請求項１または２に記載されているロボットアーム。
【請求項４】
前記第１の駆動ギアが、前記第１のアームセグメントに沿って延びる第１の駆動シャフトに取り付けられている請求項１〜３の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項５】
前記第２の駆動ギアが、該第１のアームセグメントに沿って延びる第２の駆動シャフトに取り付けられている請求項４に記載されているロボットアーム。
【請求項６】
前記第１および第２の駆動シャフトが、前記車軸が存在する平面の一方の側に存在する請求項５に記載されているロボットアーム。
【請求項７】
前記第１の従動ギアがリングギアまたはハイポイドギアである請求項１〜６の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項８】
前記中間ギア装置が前記車軸に取り付けられ、該車軸がその各端部において前記第１のアームセグメントに対して取り付けられている請求項１〜７の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項９】
前記第１の中間ギアが前記第２の中間ギアに固定されている請求項１〜８の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１０】
前記第１の従動ギアのみがセクターである請求項１〜９の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１１】
前記セクターの動作円弧が５０度以下である請求項１〜１０の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１２】
前記第１の中間ギアがリングギアまたはハイポイドギアである請求項１〜１１の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１３】
前記第１の駆動ギアおよび前記第１の従動ギアが第１のハイポイドギアセットを形成し、前記第２の駆動ギアおよび前記第１の中間ギアが第２のハイポイドギアセットを形成し、前記第１と第２のハイポイドギアセットが同じスキューオフセットを有している請求項１〜１２の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１４】
前記第２の中間ギアと前記第２の従動ギアがベベルギアまたはマイターギアである請求項１〜１３の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１５】
前記ジョイント機構が、前記第１の回転ジョイントによって前記第１のアームセグメントに、前記第２の回転ジョイントによって前記第２のアームセグメントに取り付けられているキャリアを更に含み、前記キャリアが前記第１の従動ギアに固定されている請求項１〜１４の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１６】
前記第１および第２の回転ジョイントが前記ロボットアームのリストジョイントである請求項１〜１５の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１７】
前記ロボットアームが外科用ロボットアームである請求項１〜１６の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１８】
前記ロボットアームが、前記第１および第２の回転軸周りで前記第２のアームセグメントに固定されているツールまたはツールアタッチメントを含んでいる請求項１７に記載されているロボットアーム。
【請求項１９】
前記ロボットアームが、前記第２のアームセグメントに隣接し、前記ジョイント機構に対して該第２のアームセグメントの反対側に位置する第３のアームセグメントと、前記第３のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに取り付ける第３の回転ジョイントとを含み、該第３のアームセグメントがツールまたはツールアタッチメントを含んでいる請求項１８に記載されているロボットアーム。
【請求項２０】
前記第１および第２の駆動シャフトを回転させることによって、前記ロボットアームの運動指令を出すコマンド信号に応答するように構成されているコントロールユニットを更に含み、前記コントロールユニットが、該ロボットアームに前記第２軸の周りで関節運動することなく前記第１軸の周りで関節運動するようにとの指令が出される場合に、前記第１シャフトを回転させて該第１軸回りの関節運動を生じさせ、また、前記第２シャフトを、該第２軸周りの寄生関節運動を取り消すような方法で回転させるように構成されている請求項１〜１９の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットジョイント用の駆動装置に関するものである。特に、いくつかの実施形態は、ロボット式リスト内の駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば産業用または外科用ロボットのような、物を巧みに扱うために必要とされるロボットは、多数の可撓性ジョイントによって直列に連結された剛性エレメントからなるアームを有していることが多い。かかるジョイントは任意のタイプのものであってもよいが、一般的には回転ジョイントや、あるいは回転ジョイントと直進ジョイントの組み合わせである。アームは、位置が固定されているあるいは移動可能とされているベースから延び出して、ツールまたはツール用のアタッチメントで終わる。ツールは、例えば、把持する、切断する、照らす、照射するまたは撮像するツールであってもよい。アーム内の最終ジョイントを、リストと呼んでもよい。かかるリストは単一の軸周りのみの運動を可能としてもよいし、あるいは複数の軸周りの回転を可能にする複雑なまたは複合的な関節であってもよい。
【０００３】
外科用ロボットの場合、アームの遠位ジョイントの設計に影響を与える多くの重要な基準が存在する。
１．アーム、特にリストが位置するその遠位部分が小型であることが望ましい。これにより、複数のこのようなロボットアームが近接して動作することが可能になり、それ故、アームが実行することができる外科手術の範囲が広がる。
２．ジョイントが高いトルクを伝達できて、それにより、より重いツールを運搬し、ツール先端に高い加速度を伝達できるのが望ましい。
３．全ての関節部が位置および力／トルクセンサを有し、これにより、制御機構が、センサからデータを取得することができ、それらのセンサが正確な測定値を取得できることが望ましい。
４．ロボットアームのより近位側のジョイントによって及ぼされるべき力を低減させるために、ロボットアームの遠位部分をできるだけ軽くすることが望ましい。
５．ジョイント周りの動きは滑らかであることが望ましい。これは、運動の制御を改善することにつながるものであり、外科手術中のように高度な位置制御が必要な場合に、特に重要になり得る。
６．ロボットアームのより近位側のジョイントによって及ぼされるべき力を低減させるために、ロボットアームの遠位部分をできるだけ軽くすることが望ましい。
【０００４】
多数の重要な基準があるため、全ての要件を最良にバランスさせるアームを設計することが困難になっている。
【０００５】
特に問題となるのは、モータとギア装備をロボットアームのリストに収める方法である。配置はコンパクトでありながら、高い剛性およびトルク伝達を可能にするべきである。多くの既存の設計はこれらの基準の１つを妥協する。
【０００６】
ロボットアームのジョイント用の改良された駆動装置が必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の第１の態様は、第１の回転軸を有する第１の回転ジョイントおよび、前記第１の回転軸に非平行な第２の回転軸を有する第２の回転ジョイントによって相互に連結されている、第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントと、該第１の回転軸および前記第２の回転軸周りで前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに対して関節式に連結するジョイント機構と、を含んで構成されているロボットアームであって、前記ジョイント機構が、前記第１の回転軸と一致する車軸であり、前記ロボットアームの該第１のアームセグメントに固定されている車軸周りに配置されている第１の従動ギアと、該ロボットアームの該第２のアームセグメントに固定されて、該第２の回転軸周りに配置され、該第１の回転軸周りで前記第１の従動ギアに固定される第２の従動ギアと、該第１の従動ギアを前記車軸周りで回転させるように構成されている第１の駆動ギアであり、前記第１の従動ギアと係合するように配置された前記第１の駆動ギアと、前記第２の回転軸周りで前記第２の従動ギアを回転させる第２の駆動ギアと、前記第２の駆動ギアと該第２の従動ギアを係合させるように配置されている中間ギア装置で、前記第１の回転軸周りに配置されており、それによって、該第１の回転軸周りの前記第１のアームセグメントに対する前記中間ギア装置の相対回転が駆動され得る該中間ギア装置と、を含んで構成されている。
【０００８】
第１の回転軸は第２の回転軸を横切ってもよい。
【０００９】
第１の回転軸は第２の回転軸と交差してもよい。
【００１０】
第１の駆動ギアは、第１のアームセグメントに沿って延びる第１の駆動シャフトに取り付けられてもよい。
【００１１】
第２の駆動ギアは、第１のアームセグメントに沿って延びる第２の駆動シャフトに取り付けられてもよい。
【００１２】
第１および第２の駆動シャフトは、車軸が存在する平面の一方の側に位置してもよい。
【００１３】
第１の従動ギアはリングギアでもよい。
【００１４】
第１の従動ギアはハイポイドギアでもよい。
【００１５】
中間ギア装置が車軸に取り付けられ、車軸がその各端部において第１のアームセグメントに対して取り付けられていてもよい。
【００１６】
中間ギア装置は、第２の駆動ギアと係合するように配置された第１の中間ギアおよび、第２の従動ギアと係合するように配置された第２の中間ギアを含んでもよい。
【００１７】
第１の中間ギアは第２の中間ギアに固定されてもよい。
【００１８】
第１の従動ギアおよび第１の中間ギアの少なくとも一方はセクターであってもよい。
【００１９】
第１の従動ギアのみがセクターであってもよい。
【００２０】
セクターの動作円弧が５０度以下であってもよい。
【００２１】
第１の中間ギアは、リングギアであってもよい。
【００２２】
第１の中間ギアは、ハイポイドギアであってもよい。
【００２３】
第１の駆動ギアおよび第１の従動ギアが第１のハイポイドギアセットを形成して、第２の駆動ギアおよび第１の中間ギアが第２のハイポイドギアセットを形成して、第１と第２のハイポイドギアセットが同じスキューオフセットを有していてもよい。
【００２４】
第２の中間ギアおよび第２の従動ギアはベベルギアであってもよい。
【００２５】
第２の中間ギアおよび第２の従動ギアはマイターギアであってもよい。
【００２６】
ジョイント機構が、第１の回転ジョイントによって第１のアームセグメントに、第２の回転ジョイントによって第２のアームセグメントに取り付けられているキャリアを更に含み、キャリアが第１の従動ギアに固定されていてもよい。
【００２７】
第１および第２の回転ジョイントはロボットアームのリストジョイントであってもよい。
【００２８】
ロボットアームは外科用ロボットアームとすることができる。
【００２９】
ロボットアームは、第１および第２の回転軸の周りで第２のアームセグメントに固定されたツールまたはツールアタッチメントを含むことができる。
【００３０】
ロボットアームが、第２のアームセグメントに隣接し、ジョイント機構に対して第２のアームセグメントの反対側に位置する第３のアームセグメントと、第３のアームセグメントを第２のアームセグメントに取り付ける第３の回転ジョイントとをさらに含み、第３のアームセグメントがツールまたはツールアタッチメントを含んでいてもよい。
【００３１】
ロボットアームは、第１および第２の駆動シャフトを回転させることによって、ロボットアームの運動指令を出すコマンド信号に応答するように構成されているコントロールユニットを更に含み、該コントロールユニットが、ロボットアームに第２軸の周りで関節運動することなく第１軸の周りで関節運動するようにとの指令が出される場合に、第１シャフトを回転させて第１軸回りの関節運動を生じさせ、また、第２シャフトを、第２軸周りの寄生関節運動を打ち消すような方法で回転させるように構成されていてもよい。
【００３２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】外科用ロボットアームの概略図。
【図２】外科用ロボットアームのリストをより詳細に示す図。
【図３】リストのジョイント機構の一部を遠位位置および片側から見た図。
【図４】明瞭にするためにロボットアームの残りの部分を省略したジョイント機構の拡大図。
【図５Ａ】ジョイント機構の一例の二次元図。
【図５Ｂ】ジョイント機構の別の例の二次元図。
【図５Ｃ】ジョイント機構の更に別の例の二次元図。
【図６】近位方向における長手方向平面上の断面におけるジョイント機構を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、ベース２から延びるアーム１を有する外科用ロボットを示している。アーム１は、多数の剛性アームセグメント、すなわち肢３を含んでいる。肢３は回転ジョイント４によって連結されている。最近位肢３ａは、ジョイント４ａによってベース２に連結されている。かかる肢３と他の肢３は、さらなるジョイント４によって直列に連結されている。リスト５は、４つの個別の回転ジョイントから構成されている。リスト５は、アーム１の最遠位肢（３ｃ）に対して一つの肢（３ｂ）を連結している。最遠位肢３ｃは、外科用器具またはツール９用のアタッチメント８を有している。肢３ｂは「前腕」と呼ばれることがある。アーム１の各ジョイント４は、それぞれのジョイント４で回転運動を生じさせるように操作可能とされた１つ以上のモータ６と、現在のコンフィギュレーションおよび／またはそのジョイントにおける負荷に関する情報を提供する、１つ以上の位置および／またはトルクセンサ７と、を有している。明瞭化のために、モータおよびセンサの一部のみが図１に示されている。ツール用のアタッチメントポイント８は、（ｉ）ツールをアームに対して機械的に取り付けることを可能にする構成と、（ｉｉ）ツールとの間で電気的および／または光学的な出力および／またはデータを通信するためのインターフェースと、（ｉｉｉ）ツールの一部の動きを駆動するための機械的駆動装置、の任意の１つ以上のものを適宜含むことができる。一般に、モータは、重量分布を改善するように、駆動するジョイントの近位に配置されていることが好ましい。モータやトルクセンサやエンコーダ用のコントローラは、アームと一緒に配置されていてもよい。コントローラは、通信バスを介して制御ユニット１０に接続されている。
【００３５】
制御ユニット１０は、プロセッサ１１とメモリ１２を備えている。メモリ１２は、モータ６の動作を制御してアーム１をここに記載されているように動作させる、プロセッサによって実行可能なソフトウェアを非過渡的に記憶している。特に、ソフトウェアは、プロセッサ１１を制御して、モータを（例えば、配置されたコントローラを介して）センサ７からの入力および外科医コマンドインターフェース１３からの入力に応じて駆動することができる。制御ユニット１０は、ソフトウェアの実行により生成された出力に応じてそれらを駆動するために、モータ６に接続されている。制御ユニット１０は、センサからの検知された入力を受け取るためにセンサ７に接続されていると共に、コマンドインターフェース１３からの入力を受け取るためにコマンドインターフェース１３に接続されている。それぞれの接続は、例えば、それぞれが電気ケーブルまたは光ケーブルであってもよいし、無線接続であってもよい。コマンドインターフェース１３は、ユーザが所望の方法でアームの動きを要請できる１つ以上の入力装置を備えている。入力装置は、例えば、コントロールハンドルやジョイスティック、光学式ジェスチャーセンサのような非接触入力装置などの、手動で操作可能な機械式入力装置であってもよい。メモリ１２に記憶されたソフトウェアは、これらの入力に応答し、それに応じて所定の制御手順に従って、アームのジョイントを移動させるように構成されている。制御手順は、コマンド入力に応答してアームの動きを加減する安全機能を含んでいてもよい。したがって、要約すると、外科医は、コマンドインターフェース１３でロボットアーム１を制御して、所望の外科手術を実行するように動かすことができる。制御ユニット１０および／またはコマンドインターフェース１３は、アーム１から離れていてもよい。
【００３６】
図２には、ロボットのリスト５がより詳細に示されている。リスト５は、４つの回転リストジョイント３００、３０１、３０２、３０３とアームセグメント３１０、３１１からなる。ジョイントは直列に配置され、アームの剛性部分は各ジョイントから次のジョイントへと延びている。リストの最も近位のジョイント３００は、アームセグメント３ｂをアームセグメント３１０に接合する。ジョイント３００は、“ロール”回転軸３０４を有し、これはほぼリストの関節の直近の近位側にあるアームの肢３ｂに沿うように方向づけられている。リストの次に最も遠位のジョイント３０１は、アームセグメント３１０をアームセグメント３１１に接合している。ジョイント３０１は、ジョイント３００および３０１の全てのコンフィギュレーションにおいて軸３０４に対して垂直な、“ピッチ”回転軸３０５を有する。リストの次に最も遠位のジョイント３０２は、アーム部３１０をアーム部３１１に接合する。ジョイント３０２は、“ヨー”回転軸３０６を有する。軸３０５および３０６は、一般に、ジョイント３０１および３０２の全てのコンフィギュレーションにおいて、平行にならない回転軸である。この例では、軸３０５と３０６は、ジョイント３０１と３０２の全てのコンフィギュレーションにおいて、互いに垂直である。リストのいくつかのコンフィギュレーションでは、軸３０６は軸３０４に対してもまた垂直である。リストの次に最も遠位のジョイント３０３は、アームセグメント３１１をアームセグメント３ｃに接合している。したがって、アームセグメント３ｃは、ジョイント３０１および３０２に対してアームセグメント３１１の反対側に配置されている。ジョイント３０３は、ジョイント３０２および３０３の全てのコンフィギュレーションにおいて軸３０６に対して垂直な、“ロール”回転軸３０７を有する。リストのいくつかのコンフィギュレーションでは、軸３０７も軸３０５に対して垂直であり、軸３０４と平行（好ましくは同一線上）である。アームセグメント３ｃをアームセグメント３１１に接続する他のジョイントは存在し得ない。したがって、アームセグメント３ｃ（ひいてはツールアタッチメントポイント８）は、アームセグメント３１１とアタッチメントポイント８との間にこれらの軸の周りの相対運動が起こらないように、軸３０５および３０６の周りでアームセグメント３１１に固定されてもよい。
【００３７】
軸３０５および３０６が互いに交差することは、特にコンフィギュレーションをコンパクトにするので、好ましい。ジョイント３００および３０３は、リストのいくつかのコンフィギュレーションにおいて、軸３０４および３０７が軸３０５、３０６の交点を通過できるように配置されてもよい。
【００３８】
このリストのデザインは、リストが比較的コンパクトな形状で組み立てられることが可能であり、個々のジョイントに過度に高い速度を要求することができる運動範囲の特定の部分に特異点を有していないが、アームセグメント３ｃの遠位端のアタッチメントポイント８に取り付けられたツールから広範囲の移動を可能にするという点で有利である。
【００３９】
リスト５を実施するための例示的なジョイント機構の様々な図が、図３〜６に示されている。図３〜６は、図２のジョイント３０１および３０２に関連する機構に焦点を合わせている。図３は、明瞭さのために第２のアームセグメント３１１を省略した、第１のアームセグメント３１０に対するジョイント機構を示す。図４は、明瞭にするためにアームセグメント３１０および３１１を省略した、ジョイント機構の拡大図を示す。図５Ａ〜５Ｃは、ジョイント機構の様々な二次元図を示し、図６は、セグメント３１０の長さを横切る平面におけるアームセグメント３１０の遠位端の断面図を示す。
【００４０】
図３および図４を参照すると、ジョイント機構は全体として３０で示されている。ジョイント機構３０は、アームセグメント３１０がアームセグメント３１１（明確にするためにこれらの図では省略されている）に対して、非平行な回転軸３０５および３０６の周りで関節運動することを可能にするように構成される。アームセグメント３１０は、外側ケーシング３２３を有する。外側ケーシング３２３は剛性であってもよく、アームセグメント３１０の外面を画定する。外側ケーシング３２３は、モータ、センサ（例えば位置センサおよび／またはトルクセンサ）、ケーブルなどのロボットアームの構成要素を収容することができる内部容積を画定する。アームセグメント３１１はまた、アームの構成要素を収容するための内部容積を同様に画定する外側ケーシングを備えるが、わかりやすくするために図３から省略されている。
【００４１】
アームセグメント３１０および３１１（それらに関連する外側ケーシングを含む）は、軸３０５および３０６周りで相対移動可能である。軸３０５および３０６は一般に非平行軸である。この例では、軸３０５と３０６は互いに垂直であり、さらに交差している。
【００４２】
ジョイント機構３０は、第１の従動ギア３１２と、第２の従動ギア３１３と、第１の駆動ギア３１４と、第２の駆動ギア３１５とを備える。第１および第２の駆動ギア３１４および３１５は、入力ギアと称されることがあり、第１および第２の従動ギア３１２および３１３は、出力ギアと称されることがある。ジョイント機構は、第２の駆動ギア３１５を第２の従動ギア３１３に結合する中間ギア装置（全体として３１６で示す）をさらに含む。
【００４３】
図６を参照すると、第１の従動ギア３１２がキャリア３２２を介して第１のアームセグメント３１０に連結されていることがわかる。キャリア３２２は、車軸３１７の周りに配置されているか、またはその上に取り付けられている。車軸３１７は回転軸３０５と一致している。車軸３１７は、アームセグメント３１０に取り付けられて、固定されている。車軸３１７（ひいては軸３０５）周りの、アームセグメント３１０に対するキャリア３２２の相対回転を可能にする、横方向に間隔を置いて配置されたベアリング３２４および３２５を介して、キャリア３２２はアームセグメント３１０に取り付けられる。これにより、回転ジョイント３０１が画定される。第１の従動ギア３１２はキャリア３２２に固定されている。すなわち、ギア３１２とキャリア３２２とは互いに固定されている。ギア３１２はキャリア３２２に固定的に取り付けられている。ギア３１２はキャリア３２２に当接していてもよい。すなわち、キャリア３２２はギア３１２に接触させられたり、繋げられたりしてもよい。他の例では、キャリア３２２は、ギア３１２に固定されていながら、スペーサ、ワッシャなどの１つ以上の中間構成要素によって物理的に分離されてもよい。この特定の例では、ギア３１２は、軸３０５の周りに加えられたトルクを測定するトルクセンサ３３１を介してキャリア３２２に連結されている。
【００４４】
キャリア３２２はまた、第２の従動ギア３１３を支持する。キャリア３２２は、ベアリング３２６を介して第２の従動ギア３１３に結合されて、回転軸３０６周りのキャリア３２２とギア３１３との相対回転を可能にする。ギア３１３は、別の方法でキャリア３２２に固定されて、特に、軸３０５の周りでギア３１３とキャリア３２２との間に相対回転または移動が生じないように、回転軸３０５の周りでは固定されている。ベアリング３２６を介して第２の従動ギア３１３へキャリア３２２が連結されることにより、回転ジョイント３０２が画定される。ギア３１３はアームセグメント３１１に固定されている。
【００４５】
第１の従動ギア３１２および第２の従動ギア３１３を支持するキャリア３２２の機能ゆえに、キャリア３２２が、シャーシやハブと呼ばれることもある。
【００４６】
アームは（図示されるように）ジョイント３０１および３０２の周りのトルクを測定するためのトルクセンサ３３１および３３２をさらに含んでもよい。トルクセンサ３３１は回転軸３０５の周りのトルクを測定し、トルクセンサ３３２は回転軸３０６の周りのトルクを測定する。センサは、外側ケーシング３２３によって画定された内部容積内に収容されている。両センサは、スリーブの形態の管状構成要素を含む。トルクセンサ３３１は車軸３１７の周りに置かれ、トルクセンサ３３２は軸３０６の周りに配置される。両センサ３３１および３３２は制御ユニット１０に結合され、感知されたトルク読み取り値を制御ユニットに提供するように構成されてもよい。
【００４７】
図４を参照して、ジョイント機構の構造をより詳細に記載する。
【００４８】
第１の従動ギア３１２は、リングギアまたはクラウンホイールである。加えて、それはセクターとして形成される。つまり、その歯によって形成される円弧は３６０度未満である。セクターは、３６０度未満の動作円弧、つまりそれを駆動することができる回転運動の範囲を有する。セクターの歯の円弧は、その動作円弧よりも大きくてもよい。これは、ピニオン３１４がギア３１２と点接触しておらず、それを駆動するためにその歯のサブセットと係合するからである。したがって、ピニオン３１４は、その歯の円弧に等しい運動範囲にわたってギア３１２を駆動することはできない。
【００４９】
ギア３１２は、回転軸３０５の周りに配置されている。したがって、ギア３１２はその回転軸として、軸３０５を有する。具体的には、第１の従動ギア３１２が、軸３０５の周りでアームセグメント３１０に対して回転することができるように、（図５Ａおよび図５Ｃにおいてより明確にわかるように）車軸３１７に回転可能に取り付けられる。
【００５０】
従動ギア３１２は、この例ではピニオンである第１の駆動ギア３１４に係合されている。「係合する」という用語は、本明細書において１対のギアについて使用される場合、一方のギアの歯が他方のギアの歯と噛み合う、すなわち接合することを意味する。
【００５１】
ピニオン３１４は、（図示されない）アームセグメント３１０に取り付けられた第１の電気モータによって駆動される第１の駆動シャフト３１８に固定されている。駆動シャフト３１８は、（図５Ｃに最も明確に示されているように）シャフトがその長手方向軸３２９周りでアームセグメント３１０に対して相対回転できるように、ベアリング３２７によってアームセグメント３１０に取り付けられている。駆動シャフト３１８は、アームセグメント３１０に沿って延び、その（遠位）末端でピニオン３１４に取り付けられている。ピニオン３１４は、駆動シャフト３１８に固定されてもよい。駆動シャフト３１８は、ジョイント３０１および３０２の全てのコンフィギュレーションにおいて回転軸３０５に垂直な方向に延びる。言い換えれば、駆動シャフトの長手方向軸３２９は、ジョイント３０１および３０２の全てのコンフィギュレーションにおいて、回転軸３０５に対して垂直である。
【００５２】
以下により詳細に説明するように、駆動ギア３１４は、軸３０５周りの、従動ギア３１２の回転を駆動する。
【００５３】
図５Ａおよび図５Ｂに最も明確に示されるように、第１の駆動ギア３１４の回転軸（軸３２９）および第１の従動ギア３１２の回転軸（軸３０５）は、非平行（特記すると、それらは互いに垂直である）および非交差である。したがって、第１の従動ギア３１２はスキューギアである。この特定の例では、第１の従動ギア３１２はハイポイドギアであり、駆動ギア３１４はハイポイドピニオンである。それらは併せてハイポイドギアセットと称されることがある。スキューオフセット、すなわち軸３２９と３０５との間の垂直距離はｄで示される。
【００５４】
第２の従動ギア３１３は、軸３０６の周りに配置されたベベルギアである。それは回転軸３０６の周りに配置され、第１のアームセグメント３１０および第１の従動ギア３１２に対してこの軸の周りで相対回転させられるように配置されている。第２の従動ギア３１３はアームセグメント３１１に固定されている。第２の従動ギア３１３はアームセグメント３１１に取り付けられてもよい。従動ギア３１３およびアームセグメント３１１は、ギア３１３がアームセグメント３１１に当接するように配置されてもよい。第２の従動ギア３１３もまた、回転軸３０５の周りにおいて、第１の従動ギア３１２に固定される。すなわち、ギア３１２および３１３は、軸３０５を中心に相対回転や運動をすることができない。言い換えれば、ギア３１２および３１３は、ギア３１３が軸３０６を中心にギア３１２に対して回転することが可能であれば、互いに固定されてもよい。これは、軸３０５を中心とする第１の従動ギア３１２の回転が、軸３０５を中心とする第２の従動ギア３１３の対応する回転を引き起こすことを意味する。
【００５５】
ギア３１３，３１２が（図６に示す）キャリア３２２へ連結されているために、第２の従動ギア３１３が、回転軸３０５の周りで第１の従動ギア３１２に固定されている。これは、以下の理由による。ｉ）第１の従動ギア３１２は、キャリア３２２に固定されている。ｉｉ）第２の従動ギア３１３は、回転軸３０６を中心としたギア３１３とキャリアとの相対回転を可能にするように、ベアリング３２６を介してキャリア３２２に取り付けられるが、別のやり方でそのキャリアに固定されている。したがって、第２の従動ギア３１３は、回転軸３０５の周りで、第１の従動ギア３１２に固定されている。
【００５６】
別の構成では、回転軸３０６を中心に２つの従動ギアが相対回転できるように、第２の従動ギア３１３が、ベアリングを介して第１の従動ギア３１２に固定されて、取り付けられていてもよい。そのような配置では、第２の従動ギア３１３がキャリア３２２に取り付けられていない状態で２つの従動ギアを軸３０５の周りで互いに固定できる。
【００５７】
第１の従動ギア３１２は部分円形であるので、第２の従動ギア３１３は、軸３０５の周りでギア３１２と一致する、ギア３１２の最も外側の部分に等しい半径を有する円と交差するように配置されてもよい。これは図５Ａおよび５Ｂに最も明確に示されている。この構成は、ジョイント機構を小型化するのに特に有用である。
【００５８】
第２の従動ギア３１３は、第２の駆動ギア３１５によって駆動され、軸３０６を中心に回転する。この例では、第２の駆動ギア３１５はピニオンである。ピニオンは、（図示しない）アームセグメント３１０内に取り付けられた第２の電気モータによって駆動される第２の駆動シャフト３１９に固定されている。第２の駆動シャフト３１９は、アームセグメント３１０の長さに沿って延びており、その遠位末端で駆動ギア３１５に取り付けられている。駆動シャフト３１９は、シャフトがアームセグメント３１０に対してその長手方向軸３３０を中心に回転することを可能にするベアリング３２８によってアームセグメント３１０に取り付けられている。
【００５９】
駆動シャフト３１９、ひいてはその長手方向軸３３０は、ジョイント３０１および３０２の全てのコンフィギュレーションにおいて回転軸３０５に垂直な方向に延びる。したがって、駆動シャフト３１９は駆動シャフト３１８に平行である。駆動シャフト３１９はまた、回転軸３０６を含みかつ軸３０５に対して垂直である第１の面に関して駆動シャフト３１８と対称である（図５Ａに最も明瞭に見られる）。したがって、第１の平面は回転軸３０６とアームセグメント３１０の中心線とを含む。図５Ａからさらに分かるように、両方の駆動シャフト３１８および３１９は、車軸３１７（および回転軸３０５）を含む第２の平面の同じ側にある。その第２の平面はアーム部３１０の長手方向または軸に平行である。したがって、第２の平面は、駆動シャフト３１８および３１９の各長手方向軸３２９および３３０に対して平行である。第２の平面は、ジョイント３０１および３０２の少なくとも１つのコンフィギュレーションにおいて、軸３０６に対して垂直である。図示の構成では、そのコンフィギュレーションは、アーム部３１０の長手方向軸がアーム部３１１の長手方向軸と平行であるとき（すなわち、アーム部３１１がアーム部３１０に対してピッチまたはヨーでないとき）のものである。
【００６０】
図示の構成では、駆動ギア３１４および３１５はまた、軸３０５を含み、アーム部３１０の長手方向軸に対して垂直な第３の平面の同じ側にある（図５Ｂおよび５Ｃに最も明確に示されている）。第３の平面は、ジョイント３０１および３０２の少なくとも１つのコンフィギュレーションにおいて、両方の軸３０５および３０６を含む。そのコンフィギュレーションは、アーム部３１０の長手方向軸がアーム部３１１の長手方向軸と平行であるとき（すなわち、アーム部３１１がアーム部３１０に対してピッチまたはヨーでないとき）のものである。
【００６１】
第２の駆動ギア３１５および第２の従動ギア３１３は、駆動ギア３１５の回転を従動ギア３１３に伝達するために、中間ギア装置３１６によって結合されている。具体的には、中間ギア装置３１６は、駆動ギア３１５と従動ギア３１３の両方と係合する。この例における中間ギア装置は、駆動ギア３１５と係合する第１の中間ギア３２０と、従動ギア３１３と係合する第２の中間ギア３２１とを含む。第１および第２の中間ギアは互いに固定されている。図５Ａおよび図５Ｃにより明確に示されるように、中間ギア３２０および３２１は互いに固定され、取り付けられている。特に、ギア３２０はギア３２１と当接する。
【００６２】
第１の中間ギア３２０は、リングギア、またはクラウンホイールである。第２の中間ギア３２１はベベルギアである。両方のギアは、第１の従動ギア３１２と同じ車軸３１７に回転可能に取り付けられているので、軸３０５の周りに配置されている。従って、中間ギア装置３１６は軸３０５の周りに配置されている。すなわち、中間ギア装置はその回転軸として軸３０５を有する。中間ギア装置３１６は、軸３０５の周りでアームセグメント３１０に対して相対回転することができるように、車軸３１７の周りで回転可能である。図５Ａに見られるように、中間ギア装置３１６および第１の従動ギア３１２は、それらが回転軸３０６の反対側にあるように車軸３１７上に配置されている。したがって、中間ギア装置３１６および第１の従動ギア３１２は、軸３０６を含みかつ軸３０５に対して垂直である平面の両側にある。したがって、中間ギア装置は、回転軸３０５に沿った方向において第１の従動ギア３１２の片側に配置されている。
【００６３】
第２の駆動ギア３１５の回転軸（軸３３０）および中間ギア３２０の回転軸（軸３０５）は、非平行かつ非交差である。したがって、第１の従動ギア３１２と同様に、第１の中間ギア３２０はスキューギアである。この例では、第１の中間ギア３２０はハイポイドギアであり、駆動ギア３１５はハイポイドピニオンである。したがって、駆動ギア３１５および第１の中間ギア３２０は、ハイポイドギアセットを形成する。
【００６４】
第１の中間ギア３２０および第１の従動ギア３１２は、同じ半径および歯密度（すなわち、単位円周の歯数）を有する。それらはまた同じ歯形を有してもよい。この構成では（図５Ａおよび図５Ｃに示すように）断面図で見たときギア３２０および３１２は異なる幅を有するが、他の構成ではギア３２０および３１２はギア３１２がセクターであることを除いて同一であり得る。第１の中間ギア３２０および第１の従動ギア３１２はまた、等しいスキューオフセットを有する。すなわち、駆動ギア３１４の回転軸３２９と従動ギア３１２の回転軸３０５との間のオフセットｄは、駆動ギア３１５の回転軸３３０とギア３２０の回転軸３０５との間のオフセットｄに等しい。これは図５Ａおよび５Ｂに最も明確に示されている。したがって、ギア３１２および３２０は、ギア３１２がセクターであることを除いて、同一のハイポイドギアである。同様に、駆動ギア３１４は駆動ギア３１５と同一である。
【００６５】
第２の中間ギア３２１と第２の従動ギア３１３は、歯数が等しく、駆動比が１：１である。したがって、ギア３２１および３１３はマイターギアである。マイターギアは、直歯または螺旋歯であり得る。
【００６６】
次に、ジョイント機構３０の働きについて説明する。
【００６７】
軸３０５を中心に運動させるために、第１のモータが動かされて駆動シャフト３１８が駆動され、長手方向軸３２９周りでアームセグメント３１０に対して相対回転する。駆動シャフト３１８が回転すると、従動ギア３１４が軸３２９周りで回転する。駆動ギア３１４の歯が従動ギア３１２の歯と噛み合っているので、駆動ギア３１４が回転すると従動ギア３１２もアームセグメント３１０に対してその回転軸３０５周りで回転する。これにより、ジョイント３０１を介して、アームセグメント３１０に対して、軸３０５を中心とする第２の従動ギア３１３（ひいてはアームセグメント３１１）の回転が駆動される。図６を簡単に参照すると、軸３０５を中心とした第１の従動ギア３１２の回転が、その軸を中心とした（ギア３１２に固定されている）キャリア３２２の回転をどのように引き起こすかがわかる。これにより、（軸３０５の周りでキャリア３１２に固定されている）第２の従動ギア３１３も同様に軸３０５の周りで回転する。
【００６８】
第１の従動ギア３１２は、軸３０５を中心としていずれの角度方向にも回転することができる。軸３０５を中心とした回転方向は、駆動ギア３１４の回転方向に依存する。すなわち、駆動シャフト３１８の長手方向軸３２９を中心とする第１の方向への駆動ギア３１４の回転は、軸３０５を中心とする第１の方向へのアームセグメント３１０に対するアームセグメント３１１の回転を引き起こす。第１の方向とは反対の第２の方向へ、軸３２９を中心として駆動ギア３１４が回転すると、第１の方向とは反対の、軸３０５を中心とする第２の方向へ、アームセグメント３１０に対してアームセグメント３１１が回転する。
【００６９】
駆動シャフト３１９が静止したままで、軸３０５を中心として第２の従動ギア３１３が回転すると、第２の従動ギア３１３は第１の従動ギア３１２（ひいてはキャリア３２２およびアームセグメント３１０）に対しても軸３０６周りで相対回転する。これにより、軸３０６を中心としたアームセグメント３１０に対するアームセグメント３１１の寄生運動が生じる。軸３０５の周りの孤立した回転が望ましい場合、軸３０５の周りの回転を軸３０６の周りの回転から隔離するために、制御システム１０は、駆動シャフト３１９を駆動シャフト３１８と直列に駆動するように働いてもよい。図示の構成では、駆動シャフト３１９は駆動シャフト３１８と同じ角度方向に駆動されて、軸３０５の周りの回転を分離する。したがって、制御システム１０は、ギア３１３が回転軸３０６を中心にギア３１２に対して回転するのを防止するように駆動シャフト３１８が駆動されるときに、駆動シャフト３１９を駆動するように構成されてもよい。
【００７０】
軸３０６を中心にして運動を駆動するために、第２のモータが動かされて、駆動シャフト３１９は、長手方向軸３３０を中心にアームセグメント３１０に対して回転させられる。駆動シャフト３１９が回転すると、取り付けられた第２の駆動ギア３１５もまた、アームセグメント３１０に対して軸３３０の周りで相対回転する。第２の駆動ギア３１５の歯が第１の中間ギア３２０の歯と噛み合っているので、第２の駆動ギア３１５の回転は、回転軸３０５を中心とした第１の中間ギア３２０の回転を駆動する。第１の中間ギア３２０は第２の中間ギア３２１に固定されており、したがって第２の駆動ギア３１５の回転によって、第２の中間ギア３２１も、その回転軸３０５の周りで回転する。第２の中間ギア３２１は第２の従動ギア３１３と係合しているので、ギア３２１が回転すると、その回転軸３０６を中心としてギア３１３が回転する。したがって、（この例では一対のマイターギアを形成する）第２の中間ギア３２１および第２の従動ギア３１３は、中間ギア装置の回転軸３０５を中心とした回転を、第２の従動ギア３１３の軸３０６を中心とした回転に伝達するように働く。したがって、中間ギア装置３１６は、その固定された駆動シャフト３１９の長手方向軸３３０の周りの、第２の駆動ギア３１５の回転を、非交差軸３０６の周りの回転に伝達するように働く。
【００７１】
中間ギア装置３１６は軸３０５を中心にしていずれかの角度方向に回転することができ、第２の従動ギア３１３は軸３０６を中心にしていずれかの角度方向に回転することができる。軸３０５を中心とした中間ギア装置３１６の回転方向―ひいては軸３０６を中心とした第２の従動ギア３１３の回転方向―は、駆動シャフト３１９の長手方向軸３３０を中心とした、第２の駆動ギア３１５の回転方向に依存する。すなわち、軸３３０を中心とする第１の方向に第２の駆動ギア３１５が回転すると、軸３０６を中心とする第１の方向に、アームセグメント３１０に対してアームセグメント３１１が回転する。第２の駆動ギア３１５が第１の方向とは反対側の軸３３０を中心とする第２の方向に回転すると、アームセグメント３１０に対してアームセグメント３１１が第１の方向とは反対側の、軸３０６を中心とする第２の方向に回転する。
【００７２】
中間ギア装置３１６は、第１の従動ギア３１２と同じ車軸３１７に取り付けられているが、それに固定されてはいない。例えば、図５Ａおよび図５Ｃにおいて、中間ギア装置３１６と第１の従動ギア３１２とが車軸３１７上に横方向に間隔を置いて配置されていることがわかる。結果として、中間ギア装置３１６および従動ギア３１２は、軸３０５を中心にして互いに対して回転することができる。これは、（第２の従動ギア３１３を軸３０６の周りで回転させる）駆動シャフト３１９の回転が、軸３０５の周りにギア３１３の寄生運動を引き起こさないことを意味する。したがって、ジョイント機構３０は、駆動ギア３１８の補償運動を必要とせずに、軸３０６を中心にした、アームセグメント３１０に対する第２の従動ギア３１３（ひいてはアームセグメント３１１）の独立した回転を可能にする。
【００７３】
ジョイント機構３０はまた、軸３０５および３０６の両方の周りでアームセグメント３１０に対するアームセグメント３１１の複合運動を駆動することができる。両方の軸を中心に回転を同時に駆動する１つの方法は、上述のように、駆動シャフト３１９を固定したまま駆動シャフト３１８を駆動することである。特定の状況では、軸３０５を中心とする第２の従動ギア３１３の、結果として生じる回転が望まれるが、寄生的ではない可能性がある。他の状況では、両方の駆動シャフト３１８および３１９を直列に駆動することによって、両方のジョイント３０１および３０２の複合関節運動を達成することができる。制御ユニット１０は、それらに関連する電気モータを制御することによって各駆動シャフト３１８および３１９の回転速度および方向を独立して制御することができる。このようにして、制御ユニット１０は、それぞれ軸３０５と３０６の周りの回転方向と、軸３０６に対する軸３０５周りの回転速度の比（またはその逆）を制御することができる。軸３０５、３０６の周りの回転速度の比率は、それぞれ駆動ギア３１４、３１５の回転速度の比率に依存し得る。例えば、第２の駆動ギア３１５に対する第１の駆動ギア３１４の回転速度が高くなると、駆動ギア３１５に対する駆動ギア３１４の回転速度が遅い場合と比べて、軸３０６に対する軸３０５の周りの回転量が比較的大きくなる。
【００７４】
上述の例示的なジョイント機構３０の様々な態様は、１つのロボットアームセグメントを他のロボットアームセグメントに対して関節式に連結させるための有利な機構を提供することに寄与し得る。
【００７５】
機構３０により、運動を行うためにいずれかのアームセグメントにおいてユニバーサルジョイントを必要とすることなく、２つの平行でない交差回転軸を有する一対のジョイントによって、１つのロボットアームセグメントを別の１つのロボットアームセグメントに対して関節式に連結させることが可能になる。結果として、関節運動中にユニバーサルジョイントまたはそれらの動きのための空間を収容する必要がないので、アームセグメントの長さを縮めることができる。また、運動を行うためのユニバーサルジョイントを回避することによって、ジョイントの動きがより滑らかになり得る。
【００７６】
この機構は、（図５に示すように）両方の駆動ギア３１４および３１５ならびにそれらの関連する駆動シャフト３１８および３１９が、軸３０５を含む平面の一方の側にあるように都合よく配置することができる。これにより、電気ケーブル、センサなどのロボットアームの他の構成要素を収容するために外側ケーシングの内部容積内の空間を解放することによって、アームセグメント３１０の外側ケーシング３２３内に効率的なパッキング配置を提供する。
【００７７】
中間ギア装置３１６の設計および、それが単一の回転軸３０５を有していることにより、中間ギア装置３１６を第１の従動ギアと同じ車軸３１７に取り付けられる。両方の終端部において固定された単一の車軸を、中間ギア装置３１６と第１の従動ギア３１２の両方を支持するために使用することによって、車軸の曲がりを低減できる見込みのある、剛性のある配置を実現する。車軸の曲がりを減少させることは、その車軸の周りのトルクを測定するトルクセンサ３３１からの読み取り値の精度を向上させるのに役立ち得る。
【００７８】
また、中間ギア装置３１６と第１の従動ギア３１２の両方を共通の車軸３１７に取り付けると、センサをジョイントの外側から所定の位置に挿入できるようになり、それによって、トルクセンサ３３２の設置および／または保守を簡略化できる。
【００７９】
ジョイント機構３０の配置により、多数の同様の構成要素を使用できるようになる。例えば、第１の従動ギア３１２および第１の中間ギア３２０は、同一の半径および歯形を有してもよく、つまり、それらは共通の設備を使用して製造され得る。言い換えると、駆動ギア３１４が駆動ギア３１５と等しい歯形を有することができて、それらも共通の設備を使用して製造することができる。また、関連する駆動シャフト３１８および３１９も同一であり得る。さらに、第２の中間ギア３２１および第２の従動ギア３１３は、等しい歯数ならびに等しいピッチおよび圧力角を有する一対のマイターギアを形成することができる。さらにマイターギアが直歯である場合、ギア３２１および３１３は同一であり得る。機械的に区別可能な部品の削減は、機構の設計・製造の試行錯誤およびコストを低減させる可能性がある。
【００８０】
上記の開示は、図３〜図６に示された特定の例を参照して行われたが、ジョイント機構に対して様々な改良がなされてもよいことが理解されるであろう。
【００８１】
例えば、上述の実施形態では、第１の従動ギア３１２がセクターであるが、他の例では、第１の中間ギア３２０がセクターであり、第１の従動ギア３１２はセクターではなくてもよい（すなわち、第１の従動ギア３１２が３６０度の動作円弧を有してもよい）。あるいは、第１の従動ギア３１２と第１の中間ギア３２０の両方がセクターであってもよい。両方のギアをセクターとして有することは、ジョイントの動作角度を小さくすることのみが要求される特定の実施形態では許容可能であり、ジョイント機構を軽量にし、潜在的に小型にすることを可能にする。
【００８２】
セクターの動作円弧は、ジョイント機構３０の機械的実施態様に応じて変化し得る。動作円弧は、例えば、２７０°未満、または１８０°未満または９０°未満、または６０°未満であり得る。図３〜図６に示されるジョイント機構３０の具体的な実施形態（すなわちロボットアームのリスト内）では、セクター３１２の動作円弧は、機構が軸３０５を中心とした±２５°の回転を提供するように、５０°まで小さくされてもよい。これは、ジョイント３００、３０１、３０２、３０３（すなわち、間にピッチおよびヨージョイントを有する一対のロールジョイント）の配置が、ある程度の機械的冗長性を提供するためである。換言すると、軸３０５を中心とした運動の範囲が制限されていても、ロボットアームの遠位端の位置範囲を広くできる。セクター３１２の動作円弧を５０°にまで小さくすることは、ジョイント機構のさらなる小型化および軽量化につながる可能性がある。例えば、±２５°の回転運動範囲を得るためには、セクターが９０°にわたる円弧を画定する歯を有していればよい。
【００８３】
上記の例では、第１の従動ギア３１２および第１の中間ギア３２０をハイポイドギアとして説明した。ハイポイドギアを使用することにより、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を実現できる。しかしながら、これらのギアは、一般に、任意の適切な種類のリングギアであり得る。例えば、第１の従動ギア３１２および第１の中間ギア３２０の一方または両方は、Ｓｐｉｒｏｉｄ（登録商標）ギア、またはウォームギアなどの他のタイプのスキュー軸ギアであってもよい。したがって、駆動ギア３１４および３１５の一方または両方は、必要に応じて、スピロイドピニオンまたはウォームであり得る。別の例として、第１の従動ギア３１２および第１の中間ギア３２０の一方または両方は、関連する駆動ギア３１４および３１５の回転軸が回転軸３０５と交差するようなベベルギアであってもよい。ベベルギアは、直歯または螺旋歯であってもよい。
【００８４】
第２の中間ギア３２１および第２の従動ギア３１３は、上記の例のようにマイターギアである必要はなく、一般的にはベベルギアであってもよい。すなわち、ギア３２１とギア３１３の駆動比は１：１である必要はなく、ギアの歯数が同じである必要もない。
【００８５】
中間ギア装置３１６および第１の従動ギアは、共通の車軸３１７に取り付けられていると説明した。別の配置では、中間ギア装置３１６および第１の従動ギア３１２をそれぞれの片持ち車軸に取り付けることができる。そのような配置は、ギア装置と従動ギアとの間に、センサや電子機器等のロボットアームの他の構成要素を収容するために使用され得る容積を提供するために有用であり得る。
【００８６】
上述の実施例では、ジョイント機構３０は、２つの回転軸３０５と３０６が直交するように配置されている。しかしながら、軸３０５および３０６は直交する必要はなく、一般に２つの平行でない交差軸である。それらは実質的に互いに直交していてもよい。軸３０５と３０６との間の角度は、第２の中間ギア３２１と第２の従動ギア３１３の配置によって設定することができる。すなわち、第２の従動ギア３１３および第２の中間ギア３２１は、第２の従動ギア３１３の回転軸（軸３０６）が第２の中間ギア３２１の回転軸（軸３０５）に対して垂直にならないように配置されてもよい。加えて、軸３０５はアーム部３１０の長手方向に対して垂直である必要はない。例えば、ジョイント機構は、軸３０５がアームセグメント３１０の長手方向軸に対して傾斜するように配置されてもよい。
【００８７】
中間ギア装置３１６は、２つの中間ギア３２０および３２１を含んでいるとして説明されてきた。しかしながら、中間ギア装置は、軸３０５の周りに配置されたただ１つのギアを含むものであってもよい。例えば、中間ギア装置３１６は、駆動ギア３１５と第２の従動ギア３１３の両方と係合する単一のベベルギアを含むことができる。あるいは、中間ギア装置は、それぞれ軸３０５の周りに配置された３つ以上の中間ギアを含むことができる。第１の中間ギアが駆動ギア３１５と係合し、第２の中間ギアが従動ギア３１３と係合してもよい。残りの中間ギアは、ロボットアームのさらなる構成要素を駆動するために、または駆動ギア３１５と従動ギア３１３との間のギアボックストランスミッションの一部を形成するために使用され得る。
【００８８】
ジョイント機構は、ロボットアームのリストに実装されるものとして説明されてきた。しかしながら、この機構は、ロボットアームの１つのアームセグメントをロボットアームの別の１つのアームセグメントに連結する任意の適切なジョイントにおいて実装できることが理解されるだろう。ジョイントは、ロボットアームのより近位端にある別のジョイント、例えば肘ジョイントまたは運動連鎖の近位端にある他のジョイントとすることができる。さらに、ジョイント機構は外科用ロボットに実装される必要はないが、産業用ロボットなどの他の種類のロボットに実装されてもよい。
【００８９】
出願人はこれによって、ここに記載の各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを別々に開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示している。なお、そのような特徴または特徴の組み合わせが本明細書に開示される問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。
【図１】
2019524259.tif 000003
【図２】
2019524259.tif 000004
【図３】
2019524259.tif 000005
【図４】
2019524259.tif 000006
【図５Ａ】
2019524259.tif 000007
【図５Ｂ】
2019524259.tif 000008
【図５Ｃ】
2019524259.tif 000009
【図６】
2019524259.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月26日(2019.3.26)
【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】
第１の回転軸を有する第１の回転ジョイントおよび、前記第１の回転軸に非平行な第２の回転軸を有する第２の回転ジョイントによって相互に連結されている、第１のアームセグメントおよび第２のアームセグメントと、
該第１の回転軸および前記第２の回転軸周りで前記第１のアームセグメントを前記第２のアームセグメントに対して関節式に連結するジョイント機構と、を含んで構成されているロボットアームであって、
前記ジョイント機構が、
前記第１の回転軸と一致する車軸であり、前記ロボットアームの該第１のアームセグメントに固定されている車軸周りに配置されている第１の従動ギアと、
該ロボットアームの該第２のアームセグメントに固定されて、該第２の回転軸周りに配置され、該第１の回転軸周りで前記第１の従動ギアに固定される第２の従動ギアと、
該第１の従動ギアを前記車軸周りで回転させるように構成されている第１の駆動ギアであり、前記第１の従動ギアと係合するように配置された前記第１の駆動ギアと、
前記第２の回転軸周りで前記第２の従動ギアを回転させる第２の駆動ギアと、
前記第２の駆動ギアと該第２の従動ギアを係合させるように配置されている中間ギア装置で、前記第１の回転軸周りに配置されており、それによって、該第１の回転軸周りの前記第１のアームセグメントに対する前記中間ギア装置の相対回転が駆動され得る該中間ギア装置で、該第２の駆動ギアと係合するように配置された第１の中間ギアと、前記第２の従動ギアと係合するように配置された第２の中間ギアと、を含んで構成されている前記中間ギア装置と、を含んで構成されており、
該第１の従動ギアと前記第１の中間ギアの少なくとも一方がセクターであることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記第１の回転軸が前記第２の回転軸を横切っている請求項１に記載されているロボットアーム。
【請求項３】
前記第１の回転軸が前記第２の回転軸と交差する請求項１または２に記載されているロボットアーム。
【請求項４】
前記第１の駆動ギアが、前記第１のアームセグメントに沿って延びる第１の駆動シャフトに取り付けられており、前記第２の駆動ギアが、該第１のアームセグメントに沿って延びる第２の駆動シャフトに取り付けられている請求項１〜３の何れか１項に記載されているロボットアーム。  
【請求項５】
前記第１および第２の駆動シャフトが、前記車軸が存在する平面の一方の側に存在する請求項４に記載されているロボットアーム。
【請求項６】
前記第１の従動ギアがリングギアまたはハイポイドギアである請求項１〜５の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項７】
前記中間ギア装置が前記車軸に取り付けられ、該車軸がその各端部において前記第１のアームセグメントに対して取り付けられている請求項１〜６の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項８】
前記第１の中間ギアが前記第２の中間ギアに固定されている請求項１〜７の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項９】
前記第１の従動ギアのみがセクターである請求項１〜８の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１０】
前記セクターの動作円弧が５０度以下である請求項１〜９の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１１】
前記第１の中間ギアがリングギアまたはハイポイドギアである請求項１〜１０の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１２】
前記第１の駆動ギアおよび前記第１の従動ギアが第１のハイポイドギアセットを形成し、前記第２の駆動ギアおよび前記第１の中間ギアが第２のハイポイドギアセットを形成し、前記第１と第２のハイポイドギアセットが同じスキューオフセットを有している請求項１〜１１の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１３】
前記第２の中間ギアと前記第２の従動ギアがベベルギアまたはマイターギアである請求項１〜１２の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【請求項１４】
前記ジョイント機構が、前記第１の回転ジョイントによって前記第１のアームセグメントに、前記第２の回転ジョイントによって前記第２のアームセグメントに取り付けられているキャリアを更に含み、前記キャリアが前記第１の従動ギアに固定されている請求項１〜１３の何れか１項に記載されているロボットアーム。  
【請求項１５】
前記第１および第２の駆動シャフトを回転させることによって、前記ロボットアームの運動指令を出すコマンド信号に応答するように構成されているコントロールユニットを更に含み、前記コントロールユニットが、該ロボットアームに前記第２軸の周りで関節運動することなく前記第１軸の周りで関節運動するようにとの指令が出される場合に、前記第１シャフトを回転させて該第１軸回りの関節運動を生じさせ、また、前記第２シャフトを、該第２軸周りの寄生関節運動を取り消すような方法で回転させるように構成されている請求項１〜１４の何れか１項に記載されているロボットアーム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
中間ギア装置３１６は、第１の従動ギア３１２と同じ車軸３１７に取り付けられているが、それに固定されてはいない。例えば、図５Ａおよび図５Ｃにおいて、中間ギア装置３１６と第１の従動ギア３１２とが車軸３１７上に横方向に間隔を置いて配置されていることがわかる。結果として、中間ギア装置３１６および従動ギア３１２は、軸３０５を中心にして互いに対して回転することができる。これは、（第２の従動ギア３１３を軸３０６の周りで回転させる）駆動シャフト３１９の回転が、軸３０５の周りにギア３１３の寄生運動を引き起こさないことを意味する。したがって、ジョイント機構３０は、駆動シャフト３１８の補償運動を必要とせずに、軸３０６を中心にした、アームセグメント３１０に対する第２の従動ギア３１３（ひいてはアームセグメント３１１）の独立した回転を可能にする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｃ】
2019524259.tif 000011
【国際調査報告】
2019524259.tif 000012
2019524259.tif 000013
2019524259.tif 000014