(57)【要約】      （修正有）【課題】コンパクトで高い剛性を持ったリストを提供する。【解決手段】アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、ピッチ回転軸２０を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、ヨー回転軸２１を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリア２８と、前記ピッチ回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、前記ヨー回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギア３７と、前記第一の駆動ギアを駆動して前記ピッチ回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフト２６とを、含んで構成されていることを特徴とする。【選択図】図３
2018149675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、
第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリアと、
前記第一の回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、
前記第二の回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギアと、
前記第一の駆動ギアを駆動して前記第一の回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第一のシャフトギアを有しており、該第一のシャフトギアが該第一の駆動ギアと係合するようになっている第一の駆動シャフトと、
前記第二の駆動ギアを駆動して前記第二の回転軸周りで回転させる第二の駆動シャフトであって、前記第二の回転軸を含む平面の一方の側で前記一番目の肢に沿って延びると共に該平面を通過して該平面の他方の側へ延びる第二の駆動シャフトと、
前記平面の前記他方の側で前記第二の駆動シャフトと噛合すると共に第二のシャフトギアを前記第二の駆動ギアに連結する中間連結部と
を、含んで構成されていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記第二の駆動シャフトが可撓性エレメントを含んで構成されている請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記可撓性エレメントが前記第一の回転軸上に配置される請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記可撓性エレメントがユニバーサルジョイントである請求項２または３に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記第二の駆動シャフトが、前記平面の前記他方の側で回転ジョイントによって前記中間キャリアに連結されている請求項１〜４の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記第二の駆動シャフトが前記平面の前記他方の側に第二のシャフトギアを有していると共に、前記中間連結部が中間シャフトを含んで構成されており、該中間シャフトが、該第二のシャフトギアと噛合する第一の中間ギアと、前記第二の駆動ギアと噛合する第二の中間ギアとを有している一方、該第二の駆動シャフトが前記第二の回転軸に垂直な軸周りで回転するようになっている請求項１〜４の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記第二の中間ギアがウォームギアである請求項１〜６の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記第一のシャフトギアがウォームギアである請求項１〜７の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方がべベルギアである請求項１〜８の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアである請求項１〜９の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記第一の駆動ギアが部分円形ギアである請求項１〜１０の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記第二の駆動ギアの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差している請求項１１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記第一および第二の回転軸が直交していると共に互いに交差している請求項１〜１２の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記第一および第二の駆動シャフトを駆動して回転させることによって、前記ロボットアームの回転を命令するコマンド信号に応答するようになっている制御ユニットを更に含んで構成されており、該制御ユニットが、該ロボットアームが前記第二の回転軸周りで関節運動することなく前記第一の回転軸周りで関節運動するように命令されたときに、該第一の駆動シャフトを駆動して回転させ、該第一の回転軸周りの関節運動を引き起こすと共に該第二の駆動シャフトを駆動して、該第二の回転軸周りの寄生関節運動を打ち消すように回転させるように構成されている請求項１〜１３の何れか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記第一および第二の駆動シャフトを駆動して回転させることによって、前記ロボットアームの回転を命令するコマンド信号に応答するようになっている制御ユニットを更に含んで構成されており、該制御ユニットが、前記二番目の肢が前記一番目の肢に対して前記第一の回転軸周りで関節運動している際に、該ロボットアームが前記第二の回転軸周りで関節運動するよう命令されたとき、該第二の駆動シャフトを駆動して回転させ、該第二の回転軸周りの滑らかな回転を供給するように、該第二の回転軸周りの関節運動を引き起こすように構成されている請求項１〜１４の何れか１項に記載のロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【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り、特にロボットのリストに関連する発明である。
【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互いに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であってもよいし、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ってもよい。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。本発明者らの同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３に開示されているように、リストは、軸がアームに対してほぼ長手方向に延びる２つのロールジョイントを備えていてもよいし、軸がアームをほぼ横断する２つのピッチ／ヨージョイントによって分離されていてもよい。
【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、それゆえアームが行うことができる外科手術の範囲をより広げる。
２．アームの遠位部の外形は、アームの長さに対して円対称であることが望ましい。これにより、遠位部は、別のロボットや他のいくつかの機器や患者に近接している場合に、再配置する必要なく長手方向に回転させることができる。
３．ジョイントは、高いトルクを伝達可能であることが望ましいことから、より重いツールを運搬し、高い加速度をツールの先端に伝達することができる。
４．ジョイントは硬く、殆んどあるいは全く遊びや弾性がないことが望ましいことから、ツールの先端が位置決めされた際にはそこに固定されるであろう。遊びを最小化するための従来のやり方は、１つ以上のギアエレメントを犠牲として指定することであるが、このことは高いレベルのメンテナンスを必要とし、アーム内に磨耗したギアの小片が放たれる可能性がある。
５．全ての関節接合は位置および力／トルクセンサを有することが望ましいことから、制御機構は、これらのセンサからデータを取り込むことができる。
６．ロボットアームの遠位部は、ロボットアームのより近位のジョイントによって及ぼされるべき力を低減するために、可能な限り軽量であることが望ましい。
７．一般的なロボットアームは、その駆動モータおよび恐らくはツールに電力を供給するケーブルを有しており、位置センサやトルクセンサや撮像センサのようなセンサからの信号をフィードバックする。アームは、そのようなケーブルがアームの内部を通過する経路を含んでいることが望ましい。
８．ロボットアームおよびペイロードまたはツールの遠位ジョイントを駆動するモータの冷却方法が存在することが望ましい。
【０００４】
多数の重要な基準は、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を困難にしている。
【０００５】
１つの特有の問題は、ロボットアームのリストにどのようにモータおよびギアを取り付けるかである。かかる配置はコンパクトであるべきであるが、また高い剛性およびトルク伝達を許容すべきである。多くの既存の設計は、これらの基準のうちの１つを妥協している。
【０００６】
ロボットアームのリスト用に改良された駆動装置の必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明によれば、アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリアと、前記第一の回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、前記第二の回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギアと、前記第一の駆動ギアを駆動して前記第一の回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第一のシャフトギアを有しており、該第一のシャフトギアが該第一の駆動ギアと係合するようになっている第一の駆動シャフトと、前記第二の駆動ギアを駆動して前記第二の回転軸周りで回転させる第二の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第二のシャフトギアを有する第二の駆動シャフトと、前記中間キャリアによって支持され、前記第二のシャフトギアを前記第二の駆動ギアに連結する中間ギア列とを、含んで構成されていることを特徴とするロボットアームが提供される。
【０００８】
前記中間ギア列は、前記第一の回転軸周りに配置された第一の中間ギアを含んで構成されて、該第一の中間ギアが該第二のシャフトギアと係合するようになっていてもよい。該第一の中間ギアは、該第一の回転軸周りで回転可能とされていてもよい。
【０００９】
前記ロボットアームは、前記第一および第二の駆動シャフトを駆動して回転させることによって、前記ロボットアームの動きを命令するコマンド信号に応答するようになっている制御ユニットを更に含んで構成されていてもよい。該制御ユニットは、該ロボットアームが前記第二の回転軸周りで関節運動することなく前記第一の回転軸周りで関節運動するように命令されたときに、該第一の駆動シャフトを駆動して回転させ、該第一の回転軸周りの関節運動を引き起こすと共に該第二の駆動シャフトを駆動して、該第二の回転軸周りの寄生関節運動を打ち消すように回転させるように構成されていてもよい。該制御ユニットは、その動作を自動的に実行するように構成することができる。
【００１０】
前記中間ギア列は、前記第一の回転軸と平行な軸周りで回転するようになっている複数の連結ギアを含んで構成されていてもよい。
【００１１】
前記中間ギア列は、前記第一の回転軸と平行な軸周りで回転するようになっている中間シャフトを含んで構成されていてもよい。該中間シャフトは、第三のシャフトギアを有し、該第三のシャフトギアが前記第二の駆動ギアと係合するようになっていてもよい。
【００１２】
前記連結ギアは、前記第一の回転軸に垂直で前記第一の駆動ギアの歯を含む平面の一方の側にあると共に、前記第三のシャフトギアの少なくとも一部は該平面の他方の側にある。
【００１３】
前記第三のシャフトギアがウォームギア、すなわち、歯が螺旋状の経路に従う歯車であってもよい。前記第一および第二のシャフトギアの一方または両方がウォームギアであってもよい。
【００１４】
前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方がべベルギア、すなわち、ピッチ面がまっすぐな側面の、もしくは湾曲した円錐であり、および／又は歯がそのような円錐上に配置される歯車であってもよい。歯すじは直線状でも、曲線状でもよい。前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアであってもよい。
【００１５】
前記第一の駆動ギアが部分円形ギアであってもよい。前記第二の駆動ギアの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差していてもよい。前記中間シャフトの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差していてもよい。
【００１６】
本発明の第２の態様によれば、アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリアと、前記第一の回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、前記第二の回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギアと、前記第一の駆動ギアを駆動して前記第一の回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第一のシャフトギアを有しており、該第一のシャフトギアが該第一の駆動ギアと係合するようになっている第一の駆動シャフトと、前記第二の駆動ギアを駆動して前記第二の回転軸周りで回転させる第二の駆動シャフトであって、前記第二の回転軸を含む平面の一方の側で前記一番目の肢に沿って延びると共に該平面を通過して該平面の他方の側へ延びる第二の駆動シャフトと、前記平面の前記他方の側で前記第二の駆動シャフトと噛合すると共に第二のシャフトギアを前記第二の駆動ギアに連結する中間連結部とを、含んで構成されていることを特徴とするロボットアームが提供される。
【００１７】
前記第二の駆動シャフトが可撓性エレメントを含んで構成されていてもよい。前記可撓性エレメントは前記第一の回転軸上に配置される。前記可撓性エレメントがユニバーサルジョイントであってもよい。
【００１８】
前記第二の駆動シャフトは、前記平面の前記他方の側で回転ジョイントによって前記中間キャリアに連結されている。
【００１９】
前記第二の駆動シャフトが前記平面の前記他方の側に第二のシャフトギアを有していてもよい。前記中間連結部が中間シャフトを含んで構成されて、該中間シャフトが、該第二のシャフトギアと噛合する第一の中間ギアと、前記第二の駆動ギアと噛合する第二の中間ギアとを有していてもよい。
【００２０】
前記第二の駆動シャフトが前記第二の回転軸に垂直な軸周りで回転するようになっていてもよい。
【００２１】
前記第二の中間ギアがウォームギアであってもよい。前記第一のシャフトギアがウォームギアであってもよい。
【００２２】
前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方がべベルギアであってもよい。前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアであってもよい。
【００２３】
前記第一の駆動ギアが部分円形ギアであってもよい。前記第二の駆動ギアの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差していてもよい。
【００２４】
本発明の第３の態様によれば、アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリアと、前記第一の回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、前記第二の回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギアと、前記第一の駆動ギアを駆動して前記第一の回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第一のシャフトギアを有しており、該第一のシャフトギアが該第一の駆動ギアと係合するようになっている第一の駆動シャフトと、前記第二の駆動ギアを駆動して前記第二の回転軸周りで回転させる第二の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第二のシャフトギアを有しており、該第二のシャフトギアが該第二の駆動ギアと係合するようになっている第二の駆動シャフトと、を含んで構成されており、前記第二の駆動シャフトが、前記中間キャリアの前記第一の回転軸周りの動きに応じて該シャフトの長さを変化させることができる直進ジョイントを含んで構成されていることを特徴とするロボットアームが提供される。
【００２５】
前記直進ジョイントが摺動スプライン結合であってもよい。
【００２６】
前記第二の駆動シャフトが、前記直進ジョイントの一方の側の第一の可撓性ジョイントと該直進ジョイントの他方の側の第二の可撓性ジョイントを含んで構成されていてもよい。
【００２７】
前記第二の駆動シャフトが、前記直進ジョイントに対して前記第二の可撓性ジョイントの反対側で回転ジョイントによって前記中間キャリアに接続されていてもよい。
【００２８】
前記第一および第二のシャフトギアの一方または両方がウォームギアであってもよい。
【００２９】
前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方がべベルギアであってもよい。前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアであってもよい。前記第一の駆動ギアが部分円形ギアであってもよい。
【００３０】
前記第二の駆動ギアの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差していてもよい。
【００３１】
前記第一および第二の回転軸が直交していてもよい。前記第一および第二の回転軸が互いに交差していてもよい。
【００３２】
本発明を、添付図面を参照して説明する。
【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】図１のアームのリストにおける回転軸をより詳細に示す図。
【図３】遠位側および片側から見た第１のリスト機構の一部を示す図。
【図４】遠位側および反対側から見た第１のリスト機構の一部を示す図。
【図５】近位側および片側から見た第２のリスト機構の一部を示す図。
【図６】遠位側および片側から見た第２のリスト機構の一部を示す図。
【図７】遠位側および片側から見た第３のリスト機構の一部を示す図。
【図８】遠位側および反対側から見た第３のリスト機構の一部を示す図。
【図９】片側から見た中央の長手方向断面における第３のリスト機構を示す図。
【図１０】反対側から見た中央の長手方向断面における第３のリスト機構を示す図。
【図１１】ロボットアームにおける通信経路を示す図。
【図１２】長手方向断面におけるロボットアーム用の端子モジュールを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に説明するリスト機構は、ロボットのリストのジョイントの少なくともいくつか、あるいは他のアプリケーションに対して、コンパクトで機械的に有利な構成を提供することが判明している。
【００３５】
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、多数の剛体肢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１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。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つまたは複数のモータ６と、現在の構成および／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つまたは複数の位置および／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いくつかのみが図１に示されている。アーム１は、一般に、本発明者らの同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３に記載されているものであってもよい。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つまたは複数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。以下に説明するように、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る。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。
【００３６】
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するように、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（例えば、配置されたコントローラを介して）をセンサ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、それ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や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。
【００３７】
図２は、ロボットのリスト５をより詳細に示している。リスト５は、４つの回転ジョイント３００，３０１，３０２，３０３を備えている。かかるジョイントは、各ジョイントから次のジョイントに延びるアームの剛性部位を含んで、直列に配置されている。リストの最も近位側のジョイント３００は、アーム部位４ｂをアーム部位３１０に結合している。ジョイント３００は、リストの関節のすぐ近位にあるアームの肢部４ｂにほぼ沿って指向されている、“ロール”回転軸３０４を有している。リストの次の最も近位側のジョイント３０１は、アーム部位３１０をアーム部位３１１に結合している。ジョイント３０１は、ジョイント３００とジョイント３０１の全ての構成において軸３０４に垂直な“ピッチ”回転軸３０５を有している。リストの次の最も近位側のジョイント３０２は、アーム部位３１０をアーム部位３１１に結合している。ジョイント３０２は、ジョイント３０１，３０２の全ての構成において軸３０５に垂直な“ヨー”回転軸３０６を有している。リストのいくつかの構成では、軸３０６は、軸３０４に対しても垂直である。リストの次の最も近位側のジョイント３０３は、アーム部位３１１をアーム部位４ｃに結合している。ジョイント３０３は、ジョイント３０２，３０３の全ての構成において軸３０６に垂直な“ロール”回転軸３０７を有している。リストのいくつかの構成では、軸３０７は、軸３０５に対しても垂直であると共に、軸３０４と平行である（好ましくは同一直線上にあることが望ましい）。このことが特にコンパクトな構成を提供するために、軸３０５，３０６が互いに交差していることが望ましい。ジョイント３００，３０３は、リストのいくつかの構成において、軸３０４，３０７が軸３０５，３０６の交点を通過できるように配置されていてもよい。
【００３８】
このリストのデザインは、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、かつ、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こと以外には、アーム部位４ｃの先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】
図３および図４は、図１のアーム１のリスト５の一部を実現するのに適した機構の一例を示している。図３および図４は、図２に３０１，３０２で示すジョイントに対応する機構に的を絞っている（図５〜１０のように）。
【００４０】
リスト５の領域において、剛性アーム部位３１０，３１１は、中空の外側のシェルまたはケース３１０’，３１０”，３１１’を有している。かかるシェルは、アームの外面の大部分を画定していると共に、各シェルの外壁に部分的または完全に包囲され、その内部にモータやセンサやケーブルやアームの他のコンポーネントが収容される空隙を含んでいる。シェルは、金属、例えばアルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば炭素繊維強化樹脂のような繊維強化樹脂複合体、から形成されていてもよい。シェルは、各ジョイント間に取り付けられるアーム部位の剛性構造の一部を構成している。シェルは、図７の実施形態に関して後述するような構造骨組を含んでいてもよい。
【００４１】
図３および図４に、明確化のために、アーム部位３１０のシェルが、２つの部位３１０’と３１０”で示されており、両者はアウトラインで描画されていると共に互いに分解されている。アーム部位４ｂ、４ｃのシェルは、ジョイント３００，３０３に関連する機構と同様に、省略されている。アーム部位３１１のシェルは、部分的すなわち平部位３１１’から延び出す大部分、が示されている。
【００４２】
アーム部位３１０（シェル部位３１０’と３１０”で構成されている）のシェルと、アーム部位３１１（平部位３１１’から延び出している）のシェルが、２０と２１で示されている２つの回転軸周りに互いに移動可能である。これらは、図２の軸３０５，３０６に対応している。軸２０，２１は直交している。軸２０，２１は交差している。中央カプラ２８は、ベアリング２９，３０によってアーム部位３１０に取り付けられている。かかるカプラは、ベアリング２９，３０間に延び出している。ベアリング２９，３０は、軸２０周りのカプラとアーム部位の相対的な回転を可能にすることを除いては、カプラをアーム部位３１０に固定的に保持しており、したがって、図２のジョイント３０１に対応する回転ジョイントを規定している。さらにベアリング３１は、遠位側のシェルコネクタ平部位３１１’をカプラ２８に取り付けている。ベアリング３１は、軸２１周りの平部位とカプラの相対運動を許容することを除いて、遠位側シェルコネクタ平部位３１１’をカプラ２８に固定的に保持しており、したがって、図２のジョイント３０２に対応する回転ジョイントを規定している。
【００４３】
したがって、カプラ２８は、軸２１周りでアーム部位３１０に固定されている。カプラ２８はまた、軸２０周りでアーム部分３１１にも固定されている。すなわち、この機構は、カプラ２８およびアーム部位３１０が軸２１周りで相対的な回転または運動ができないように、また、カプラ２８およびアーム部３１１が軸２０周りで相対的な回転または運動ができないように構成されている。
【００４４】
２つの電動モータ２４，２５（図４参照）がアーム部位３１０に装着されている。かかるモータは、リスト機構の途中に延びる各駆動シャフト２６，２７を駆動している。シャフト２６は、軸２０周りの回転を駆動する。シャフト２７は、軸２１周りの回転を駆動する。駆動シャフト２６は、ウォームギア３２の遠位端で終わっている。ウォームギア３２は、カプラ２８に固定されているべベルギア３３に係合している。駆動シャフト２７は、ウォームギア３４の遠位端で終わっている。ウォームギア３４は、さらにウォームギア３６で終端する一般に３５で示されるギア列に係合している。ウォーム形ピニオンギア３６は、遠位側シェルコネクタ３１１’に固定されているハイポイドべベルギア３７と係合している。
【００４５】
本実施例においては、ギア３３はカプラ２８に直接取り付けられている。すなわち、カプラ２８はギア３３に当接している。したがって、ギア３３はカプラ２８に取り付けられている。遠位側シェルコネクタ平部位３１１’もギア３７に直接取り付けられている。したがって、ギア３７は、コネクタ平部位３１１’に当接してもよい。
【００４６】
シャフト２６および２７は平行であり、共にアーム部位３１０に沿って延びている。特に、シャフト２６，２７は、アーム部位３１０の長手方向と実質的に平行な方向に延びている。シャフト２６，２７は、アーム部３１０の長手方向に平行であってもよいし、アーム部位３１０の全体的な長手方向に対してある角度をなして取り付けられてもよい。例えば、アーム部位３１０は、近位端から遠位端に向かってテーパ状に形成されていてもよく、シャフト２６，２７は、アーム部位３１０のテーパ角度に平行な方向に延びていてもよい。
【００４７】
ウォームギア３２，３４は、駆動シャフト２６，２７にそれぞれ取り付けられているので、シャフトギアと呼ぶことができる。ギア３３の回転は、アーム部位３１０に対するアーム部分３１１の軸２０周りの回転を駆動することから、ギア３３は駆動ギアと呼ぶことができる。同様に、ギア３７の回転は、アーム部位３１０に対するアーム部分３１１の軸２１周りの回転を駆動することから、ギア３７もまた駆動ギアと呼ぶことができる。
【００４８】
ギア３３は、セクターギアとして形成されている。すなわち、動作円弧（その歯の円弧によって図３および図４の例で定義されている）が３６０°未満である。
【００４９】
ギア列３５は、カプラ２８によって支持されている。ギア列３５は、ウォームギア３４に係合する入力ギア３８を備えている。入力ギア３８は、カプラ２８に対するその回転軸が軸２０と一致するように配置されている。このことは、軸２０周りのアーム部位３１０に対するカプラ２８の構成にかかわらず、入力ギアがウォームギア３４と係合し続けることができることを意味している。軸２０と平行な軸を有する一連のさらなるギアは、キャリア２８に対する回転軸と平行であるが軸２０からオフセットしているシャフト４０上において入力ギア３８から出力ギア３９に駆動を伝達する。シャフト４０はウォームギア３６で終わっている。シャフト４０は軸２０に平行に延びている。ギア列３５のギアは、シャフト４０と共に、カプラ２８によって支持されている。
【００５０】
次に、リスト機構の動作について説明する。軸２０周りの動きに対しては、モータ２４がシャフト２６を駆動して、アーム部位３１０に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア３３が駆動され、したがって、カプラ２８および遠位側シェル平部位３１１’は、アーム部位３１０に対して軸２０周りに回転する。軸２１周りの動きに対しては、モータ２５がシャフト２７を駆動して、アーム部位３１０に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア３７が駆動され、したがって、遠位側シェルコネクタ平部位３１１’は、アーム部位３１０に対して軸２１周りに回転する。駆動シャフト２６が回転されると、カプラ２８を回転駆動して、駆動シャフト２７が静止している間、軸２１周りに遠位側シェルコネクタ平部位３１１’の寄生運動を生じさせるように、ギア３８もカプラ２８に対して回転する、ことが確認されるであろう。これを防止するために、アームの制御システム１０は、必要に応じて、駆動シャフト２６の動きに連動して駆動シャフト２７の補償動作を行い、軸２０周りの動きから軸２１周りの動きを分離するように構成されている、例えば、シェル３１０，３１１を軸２０周りだけで相対運動させる必要がある場合には、モータ２４を作動させてその運動を生じさせる一方、同時にモータ２５は、入力ギア３８がキャリア２８に対して回転するのを防止するように操作される。
【００５１】
図３および図４に示される機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
１．べベルギア３３は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア３３は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア３７の少なくとも一部が、ギア３３の軸の周りでギア３３の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア３３と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸２０周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。
２．部品ギア３３が、軸２１を中心とした回転とは反対に、キャリア２８が最近接アーム部位３１０に対して回動する際の軸２０を中心として回転する方が都合がよい、それは、前述の円と交差するシャフト４０を収容するように部品ギアを切断することもできるからである。これにより、ギア列３５に対してべベルギア３３の反対側にウォームギア３６を位置させることで省スペース化を図ることができる。しかしながら、他の設計では、部品ギアは軸２１周りに回転することができることから、ギア３７は部分円形の形状とすることができる。
３．ウォームギア３２，３４がべベルギア３７に対して軸２０の反対側に位置している方が都合がよい。すなわち、片側にウォームギア３２，３４が配置され、反対側にべベルギア３７が配置された、軸２０を含む平面があるのである。このことは、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。したがって、両方のウォームギア３２および３４は、アーム部位３１０の長手方向に平行な軸２０を含む平面の片側に配置される。
４．ウォームギア３４がウォームギア３６から離れてべベルギア３３の反対側に位置し、および／またはギア列３５がウォームギア３６から離れてべベルギア３３の反対側のみに配置されている方が都合がよい。このことはまた、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。すなわち、ギア列３５（ギア３８，３９のような全ての連結ギアを含む）は、ギア３３の一方の側に位置してもよい。言い換えれば、ギア列３５（連結されたギアを含む）およびギア３３は、軸２１およびアーム部位３１０の長手方向の両方に平行な平面の両側に配置される。その平面は軸２１を含んでもよい。
５．好都合なことに、ギア３３および／またはギア３７は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア３２，３４または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
６．好都合なことに、べベルギア３３は、ウォームギア３２，３４間に介在するように配置されている。このことは、モータ２４，２５のコンパクトな包装の手助けとなる。
７．好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、ハイポイドや斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
【００５２】
図５および図６は、図２に示すタイプのリスト内のジョイント３０１，３０２を提供するのに適したリスト機構の第２の形態を示している。
【００５３】
図５に示すように、リストは、図２のアーム部位３１０，３１１のそれぞれの外面を規定する一対の剛性の外側のシェル３１０’、３１１’を備えている。３１０’は、シェルの中でより近位にある。シェル３１０’、３１１’によって形成されたアーム部位は、図２の軸３０５，３０６にそれぞれ対応する、軸６２、６３を中心として互いに相対的に回動できる。軸６２，６３は直交している。軸６２，６３は交差している。シェル３１０’、３１１’は、リストの領域におけるアームの外側を規定しており、以下に詳細に説明するように、回転機構を収容するためや、ケーブル等を通すためのスペース確保のために中空とされている。シェルは、金属、例えば、アルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば、炭素繊維のような繊維強化樹脂複合体から製造することができる。シェルは、各ジョイントの間に取り付けられるアーム部位の主要な剛体構造を構成している。
【００５４】
図６は、明確化のためにシェル３１１’が取り外された状態で、遠位側および片側から見た同じ機構を示している。
【００５５】
シェル３１０’は、十字型カプラ６４によってシェル３１１’に連結されている。カプラは、ほぼアームの長さ方向に延びて、その中心を通るダクトを画定する中央チューブ６５を有している。第１アーム６６，６７および第２アーム６８，６９は、チューブから延び出している。各シェル３１０’、３１１’は、単一の軸を中心として回転するだけでカプラに対する移動に限定されるように、回転ジョイントによってカプラ６４に取り付けられている。第１アーム６６，６７は、軸６２を中心とする第１アームとシェル３１０’間の回転を許容する、ベアリング７０，７１によってシェル３１０’に取り付けられている。第２アーム６８，６９は、軸６３を中心とする第２アームとシェル３１１’間の回転を許容する、ベアリング７２，７３によってシェル３１１’に取り付けられている。第１べベルギア７４は、第１アーム６６，６７と同心である。第１べベルギア７４は、カプラ６４に固定されており、２つのシェルの近位側の一方３１０’に対して回転自在とされている。第２べベルギア７５は、第２アーム６８，６９と同心である。第２べベルギアは、２つのシェルの遠位側の一方３１１’に固定されており、カプラ６４に対して回転自在とされている。
【００５６】
カプラの一対のアーム６６，６７は、一対のアーム６８，６９に対して垂直である。アーム６６，６７は、回転軸６２上に位置しており、アーム６８，６９は回転軸６３上に位置している。カプラ６４はギア７４に直接取り付けられている。したがって、カプラ６４はギア７４に当接している。カプラ６４（ひいてはギア７４）は、軸６２周りでアーム部位３１０に対して回転可能とされている。しかしながら、カプラ６４とギア７４は、アーム部位３１０に対して軸６３周りで固定されており、それによって、カプラ６４とアーム部位３１０との間に軸６３周りの相対的な運動または回転が生じ得ないようになっている。
【００５７】
ベベルギア７５は、アーム部位３１１に直接取り付けられていてもよい。ベベルギア７５は、カプラ６４（ひいてはアーム部３１０）に対して軸６３周りで回転可能とされている。しかしながら、ギア７５はカプラ６４に対して軸６２周りで固定されている。すなわち、カプラ６４とギア７５との間に軸６２周りの相対的な回転または運動が生じ得ないようになっている。
【００５８】
２つのシャフト７６，７７は、複合ジョイントの動きを操作している。かかるシャフトは、シェル３１０’の近位側の一方からジョイントの中央領域に延びている。各シャフトは、その近位端において、それぞれの電気モータ（図示せず）のシャフトに取り付けられており、かかるモータのハウジングは、近位側シェル３１０’内に固定されている。このようにして、シャフト７６，７７は、モータによって駆動されて、近位側シェル３１０’に対して回転可能となっている。
【００５９】
シャフト７６およびそれに関連するモータは、軸６２を中心とする動きを操作する。シャフト７６は、べベルギア７４と係合するウォームギア７８の遠位端で終端する。シャフト７６の回転は、軸６２を中心として、シェル３１０’に対してべベルギア７４を回転させる。べベルギア７４は、遠位側シェル３１１’を順番に有しているカプラ６４に固定されている。したがって、シャフト７６の回転により、軸６２を中心としてシェル３１０’，３１１’が相対的に回転する。
【００６０】
シャフト７７およびそれに関連するモータは、軸６３を中心とする動きを操作する。これを行うために、カプラ６４によって携帯されるウォームギア７９を用いて最終的にべベルギア７５を駆動しなければならない。かかるウォームギア７９の回転により、カプラと遠位側シェル３１１’との相対的な回転を生じさせることができる。これを達成するために、駆動は、カプラ６４によって支持された一対のギア８０，８１を介してシャフト７７からウォームギア７９を軸支するシャフトに伝達されている。シャフト７７は、近位側からキャリア６４に接近している。ギア８０，８１は、カプラの遠位側に配置されている。したがって、ギア８０，８１および７９は、軸６２および６３周りでカプラ６４に固定されている。シャフト７７は、カプラの中心においてチューブ６５によって画成されたダクトを通過する。第１シェル３１０’に対するカプラ６４の動きに適応するために、シャフト７７は、その長さに沿ってユニバーサルまたはフックジョイント８２を有する。ユニバーサルジョイント８２は、軸６２上に位置している。フックジョイントの代わりに、シャフトは、別の形態の可撓性結合、例えば、弾性結合（シャフトと一体であってもよい）または等速ジョイントの形態、を有していてもよい。
【００６１】
ウォームギア７８は、駆動シャフト７６に取り付けられていることから、シャフトギアと呼ぶことができる。ギア７４の回転は、アーム部位３１０に対するアーム部位３１１の軸６２周りの回転を駆動することから、ギア７４は駆動ギアと呼ぶことができる。同様に、ギア７５の回転は、アーム部位３１０に対するアーム部位３１１の軸６３周りの回転を駆動することから、ギア７５もまた駆動ギアと呼ぶことができる。
【００６２】
シャフト７７は、回転軸６３を含む平面を横断する。この平面はさらに、回転軸６２を含む。したがって、シャフト７７は、その平面の近位にある近位部分と、その平面の遠位にある遠位部分とを含む。シャフト７７の近位部分は、モータに取り付けられているか、そうでなければ連結されている。シャフトの遠位部分はギア８０に取り付けられている。したがって、ギア８０は、その平面の遠位側に配置される。ギア８０は、シャフトギアと呼ぶこともできる。シャフト７７の近位部分および遠位部分は、フックジョイント８２によって分離されてもよい。フックジョイントにより、シャフト７７の近位部分および遠位部分が互いに回転して、近位部分の回転が遠位部分に連結されるようになっている。シャフト７７の遠位部分がギア８０に取り付けられていることから、ギア８０はシャフト７７と回転的に固定される。
【００６３】
ギア８０は、ギア８１と係合する、または噛合する。本実施例では、ギア８０および８１は平歯車である。ギア８０および８１は、平行であるがオフセットされた回転軸を有する。ギア８０の回転軸は、シャフト７７の遠位部分の回転軸と同一線上にある。ウォームギア７９は、ギア８１の回転に応じて回転するように構成されている。ウォームギア７９は、ギア８１の回転がウォームギア７９の対応する回転を引き起こすように、ギア８１と回転的に固定されていてもよい。ウォームギア７９は、ギア８１の回転軸と同一線上にある回転軸を有していてもよい。したがって、ギア８０および８１は、シャフト７７の回転を、シャフト７７の遠位部分の回転軸に平行な回転軸の周りでギア７９の回転に連結するよう作動する。
【００６４】
ウォームギア７９の回転軸は、ギア７５の回転軸（軸６３）と平行ではなく、交差しない。したがって、ギア７５は斜行軸ギアである。同様に、ウォームギア７８およびギア７４の回転軸は、非平行かつ非交差である。したがって、ギア７４も斜行軸ギアである。
【００６５】
カプラ６４を軸６２周りで回転させるシャフト７６の回転は、シャフト７７が静止しているときにギア８０，８１（ひいてはウォームギア７９）を回転させ、シェル３１０’に対する遠位側シェル３１１’の回転軸６３周りの寄生運動を引き起こす場合があることが確認されている。これは、シャフト７７の回転によって駆動される軸６２周りのカプラ６４の回転がフックジョイント８２によって調整される必要があり、そのカプラ６４の回転がフックジョイントの、シャフト７７の長手方向の軸周りの寄生回転を引き起こす場合があるからである。このようなフックジョイントの寄生回転は、結果として、ギア８０，８１の回転、ひいてはべベルギア７５の回転を引き起こす可能性がある。このような寄生運動は、フックジョイントのヒンジ軸が互いに垂直でない場合、および／またはヒンジ軸の１つが回転軸６２と平行でなく一致もしていない場合には一般的である。
【００６６】
この寄生運動を防止するために、制御システム１０は、シャフト７６の運動に連動してシャフト７７の補償運動を駆動し軸６３周りの運動から軸６２周りの運動を分離させるように構成されていてもよい。このように、制御システム１０は、モータを作動させてシャフト７６の回転を駆動して、アーム部位３１０’に対するアーム部位３１１’の軸６２周りの回転を引き起こすと同時に、モータを作動させてシャフト７７を駆動して、軸６３周りの寄生回転を防止するようにシャフト７７を回転させるように構成されていてもよい。制御システム１０は、ロボットアームが軸６３周りで関節運動することなく軸６２周りで関節運動するように命令されたときにこのように作動するように構成することができる。
【００６７】
制御システム１０はまた、フックジョイント８２の回転における不規則性を減少させる（すなわち滑らかさを増加させる）ようにシャフト７６および／又は７７の回転を駆動するように構成されてもよい。フックジョイントは、軸から外れているとき、すなわち、アーム部位３１１’が軸６２周りでアーム部位３１０’に対してピッチングされているとき、回転が不規則になることがある。したがって、アーム部位３１１’が軸６２周りでアーム部位３１０’に対してピッチングされているときに、アーム部位３１１’がアーム部位３１０’に対して軸６３周りで関節運動するように命令されると、制御システムは、シャフト７７の回転を駆動して、フックジョイント８２の滑らかなまたは一定した回転速度を維持するように作動してもよい。これは、軸６３周りの滑らかな、および／又は一定した回転を供給するのに役立ち得る。
【００６８】
この機構は、機構の構成要素がシェルの動きを過度に制限することなく、軸６２および軸６３の周りで回転するための特にコンパクトかつ軽量かつ剛性の駆動装置の提供を可能にしていることが判明した。これにより、両モータを近位側シェル内に収容することが可能となり、遠位側の重量を低減できる。
【００６９】
図５および図６に示されている機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
１．べベルギア７４は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア７４は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア７５の少なくとも一部が、ギア７４の軸の周りでギア７４の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア７４と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸６２周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。図６に示すように、べベルギア７４は、その歯に含まれない領域では半径が小さくなっている。他の実施形態の部分円形べベルギアも同様にして形成されてもよい。
２．好都合なことに、ギア７４および／またはギア７５は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア７６，７９または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
３．好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
【００７０】
図７〜１０は、リスト機構の別の形態を示す。これらの図において、アーム部位３１０，３１１のシェルは省略され、アーム部位内の構造が露出されている。近位側アーム部位３１０は、構造骨組１００を有し、この構造骨組１００は、いくつかの図面において概略的に示されている。遠位側アーム部位３１１は、構造骨組１０１を有している。アーム部位３１０，３１１は、図２の軸３０５，３０６にそれぞれ対応する、軸１０２，１０３を中心として互いに相対回転可能である。キャリア１０４は、アーム部位３１０，３１１を共に連結している。キャリア１０４は、ベアリング１０５，１９０によってアーム部位３１０に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位３１０とキャリア１０４の間の軸１０２周りの回転ジョイントを規定している。キャリア１０４は、ベアリング１０６によってアーム部位３１１に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位３１１とキャリア１０４の間の軸１０３周りの回転ジョイントを規定している。軸１０２を中心とする第１べベルギア１０７は、キャリア１０４に固定されている。軸１０３の周りの第２べベルギア１０８は、アーム部位３１１に固定されている。
【００７１】
したがって、キャリア１０４は、アーム部位３１０に対して軸１０２周りで回転することができる。しかし、キャリア１０４は、それ以外においてはアーム部位３１０に固定されており、特に、軸１０３周りで固定されている。したがって、キャリア１０４は、アーム部位３１０に対して軸１０３周りの相対回転を許容されていない。第２ベベルギア１０８は、キャリア１０４に対して軸１０３周りで回転することができる。第２ベベルギア１０８（ひいてはアーム部位３１１）は、軸１０２周りでキャリアに固定されていてもよい。したがって、第２ベベルギア１０８は、キャリア１０４に対して軸１０３周りの相対回転を許容されているが、キャリアに対する軸１０２周りの相対回転は許容されていない。
【００７２】
軸１０２および１０３は、本実施例では直交しているが、一般には、２本の非平行な軸である。それらは、互いに実質的に直交していてもよい。これらの軸は、ジョイント３０１および３０２の少なくとも１つの構成において、アーム部位３１０の長手方向を実質的に横断している。示された装置では、そのような構成の１つは、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対して関節運動していない場合である。デカルト座標系のコンテキストでは、軸１０２は「ピッチ」回転軸であり、軸１０３は「ヨー」回転軸であると考えることができる。
【００７３】
この中で説明した他の機構と同様に、キャリア１０４は、肢３１０，３１１の内側に配置されている。
【００７４】
２つのモータ１０９，１１０が、アーム部位３１０の骨組１００に固定されている。モータ１０９はシャフト１１１を駆動する。シャフト１１１は剛体であり、べベルギア１０７と係合するウォームギア１１８で終端している。モータ１０９が操作されると、シャフト１１１は、近位側アーム部位３１０に対して回転して、べベルギア１０７、それゆえカプラ１０４とアーム部位３１１を駆動して、軸１０２を中心にアーム部位３１０に対して回転する。モータ１１０は、シャフト１１２を駆動する。シャフト１１２は、べベルギア１０８に係合する遠位端部近傍にウォームギア１１３を有している。カプラ１０４が軸１０２周りに移動する際にモータ１１０に対するべベルギア１０８の運動を収容するために、シャフト１１２は、一対のユニバーサルジョイント１１４，１１５と、シャフト１１２の軸方向の伸縮を収容するスプライン結合されたカプラ１１６を備えている。シャフト１１２の最終部位は、ベアリング１１７によってカプラ１０４に取り付けられている。
【００７５】
スプライン結合されたカプラ１１６は、直進ジョイントの例である。
【００７６】
ベアリング１１７によってキャリア１０４に取り付けられたシャフト１１２の遠位部分は、ウォームギア１１３（図１０に最も明瞭に示されている）に固定されている。ベアリング１１７は、カプラ１１６に対してユニバーサルジョイント１１５の反対側に位置する回転ジョイントを画定する。この回転ジョイントは、シャフト１１２の遠位部分がキャリア１０４に対して回転することを許容する。シャフト１１２の遠位部分は、キャリアの全ての回転位置において軸１０２に垂直な方向に延びており、軸１０２に垂直な軸周りでキャリア１０４に対して回転可能である。図７を参照すると、シャフト１１２は、アーム部位３１０の長手方向を横断する軸１０２を含む平面を横断することが分かる。本実施例では、シャフト１１２の遠位部分は、ウォームギア１１３に直接取り付けられているので、ウォームギアとキャリア１０４との間を延びている。シャフト１１２の遠位部分は、キャリア１０４が軸１０２周りで関節運動する際に、ウォームギア１１３をベベルギア１０８と確実に係合させるようにキャリア１０４に取り付けられている。
【００７７】
シャフト１１２のユニバーサルジョイント１１４および１１５は、カプラ１１６の両側に配置されている。両方のユニバーサルジョイントは、回転軸１０２および１０３よりも近位に配置されている。ユニバーサルジョイント１１４，１１５およびカプラ１１６は、キャリア１０４が軸１０２周りでアーム部位３１０に対して回転可能となるように配置される。
【００７８】
ベベルギア１０７は、軸１０２周りに配置される。すなわち、ギア１０７はその回転軸として軸１０２を有する。ギア１０７の軸１０２周りの回転は、アーム部位３１０に対するアーム部位３１１の回転を駆動する。したがって、ギア１０７は、駆動ギアと呼ぶことができる。
【００７９】
べベルギア１０８は、軸１０３周りに配置される。したがって、べベルギア１０８はその回転軸として軸１０３を有する。ギア１０８の軸１０３周りの回転は、アーム部位３１１のアーム部位３１０に対する軸３１０周りの回転を駆動する。したがって、ギア１０８もまた、駆動ギアと呼ぶことができる。
【００８０】
シャフト１１１は、アーム部位３１０の長手方向に沿って延びている。シャフト１１１の長手方向の軸は、軸１０２および１０３周りのキャリア１０４の全ての回転位置において、軸１０２と垂直であってもよい。シャフト１１１（および取り付けられたウォームギア１１８）は、シャフト１１１の長手方向の軸周りで回転する。この回転軸は、ギア１０７の回転軸１０２と非平行かつ非交差である。したがって、ギア１０７は斜行軸ギアである。
【００８１】
両方のウォームギア１１３および１１８は、アーム部位３１１が軸１０３周りでアーム部位３１０と整列したとき、換言すれば、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対してヨーイングしていないとき、アーム部位３１１の長手方向を横断する、軸１０３を含む平面の一方の側に位置していてもよい。特に、両方のウォームギアがその平面の近位側に位置していてもよい。しかし、ウォームギア１１３および１１８は、アーム部位３１１の長手方向に平行な軸１０２を含む平面の両側に位置していてもよい。
【００８２】
キャリア１０４が軸１０２周りで関節運動するとき、ユニバーサルジョイント１１４および１１５ならびにカプラ１１６の作動により、ウォームギア１１３および１１８は軸１０２周りで互いに回転する。アーム部位３１０が軸１０２周りでアーム部位３１１と整列したとき（すなわち、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対してピッチングしていないとき）、ウォームギア１１３およびシャフト１１２の遠位部分はウォームギア１１８およびシャフト１１１と平行である。アーム部位の軸１０２周りの他の全ての構成においては、ウォームギア１１３およびシャフト１１２の遠位部分はウォームギア１１８およびシャフト１１１と非平行である。
【００８３】
ウォームギア１１３および１１８は、それぞれ対応する駆動シャフト１１２および１１１に取り付けられていることから、シャフトギアと呼ぶことができる。
【００８４】
次に、ジョイント機構の作動について説明する。
【００８５】
軸１０２周りの関節運動を駆動するために、モータ１０９が操作され、駆動シャフト１１１をその長手方向の軸周りに回転させる。シャフトギア１１８がシャフト１１１に取り付けられていることから、シャフト１１１の回転により、シャフトギア１１８もシャフト１１１の長手方向の軸周りで回転する。シャフトギア１１８は、駆動ギア１０７と係合し、駆動ギア１０７を軸１０２周りでアーム部位３１０に対して回転させる。キャリア１０４は駆動ギア１０７に固定されていることから、駆動ギア１０７の回転はキャリア１０４のアーム部位３１０に対する軸１０２周りの回転を引き起こす。キャリア１０４の軸１０２周りの回転は、アーム部位３１１のアーム部位３１０に対する軸１０２周りの関節運動を駆動する。キャリア１０４が軸１０２周りで回転することにより、ユニバーサルジョイント１１４および１１５ならびに直進ジョイント１１６が関節運動して、シャフトギア１１８に対するシャフトギア１１３の軸１０２周りの回転を調節する。
【００８６】
軸１０３周りの関節運動を駆動するために、モータ１１０が操作され、駆動シャフト１１２を回転させる。駆動シャフト１１２の近位端の回転は、ユニバーサルジョイント１１４および１１５（およびカプラ１１６）を介してシャフトギア１１３の回転に連結される。シャフトギア１１３がべベルギア１０８に係合する。したがって、シャフトギア１１３の回転は、ギア１０８のキャリア１０４に対する軸１０３周りの回転を駆動する。べベルギア１０８はアーム部分３１１に固定されていることから、ギア１０８の回転はアーム部位３１１を軸１０３周りでアーム部位３１０に対して関節運動させる。
【００８７】
シャフト１１２が静止したままである間に駆動シャフト１１１が回転すると、アーム部位３１１の軸１０３周りの寄生運動を引き起こす場合がある。これは、キャリア１０４が軸１０２周りで回転することにより、ユニバーサルジョイント１１４および１１５が回転し、ウォームギア１１３ひいてはベベルギア１０８の回転を駆動する場合があるからである。この寄生運動を防止するために、制御システム１０は、モータ１０９を操作してシャフト１１１の回転を駆動し、アーム部位３１０に対してアーム部位３１１を軸１０２周りで回転させると同時に、モータ１１０を操作して、軸１０３周りの寄生回転を防止するようにシャフト１１２の回転を駆動するように構成されていてもよい。制御システム１０は、ロボットアームが軸１０３周りで関節運動することなく軸１０２周りで関節運動するように命令されたときにこのように作動するように構成することができる。
【００８８】
制御システム１０はまた、ユニバーサルジョイント１１４および１１５の回転における不規則性を減少させるように、シャフト１１２の回転を駆動するように構成されてもよい。フックジョイントは、それらが軸から外れているとき、すなわち、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対してピッチングしているとき、回転が不規則または一貫性のないものになることがある。したがって、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対してピッチングしているとき、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対して軸１０３周りで関節運動するように命令されると、制御システム１０は、シャフト１１２の回転を駆動して、フックジョイント１１４および１１５の滑らかなまたは一定した回転速度を維持するように作動してもよい。これは、軸１０３周りの滑らかな、および／又は一定した回転を供給するのに役立ち得る。
【００８９】
図７〜１０に示す機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにするのに役立つという点で有利である。例えば以下のようなことである。
【００９０】
べベルギア１０７は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア１０７は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア１０８の少なくとも一部が、ギア１０７の軸の周りでギア１０７の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア１０７と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸１０２周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。
【００９１】
ウォームギア１１８および１１３がべベルギア１０７の両側に位置していると都合がよい。
言い換えれば、べベルギア１０７は、ウォームギア１１３および１１８との間に介在されてもよい。これは、コンパクトなパッケージ構成を提供するのに役立ち得る。好都合なことに、ギア１０７および／またはギア１０８は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、シャフト１１１，１１２に取り付けられたウォームギアまたは外面に歯が付けられたギアによってそれらの外面に係合された外歯ギアであってもよい。
【００９２】
好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）形状、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
【００９３】
上述したメカニズムに対しては、様々な変更を行うことができる。以下のものは、例示であって、限定するものではない。
−軸３０５，３０６に対応する軸は交差する必要もないし、直交する必要もない。
一般に、軸３０５および３０６に対応する軸は、２本の非平行な回転軸である。これらは、ジョイント３０１および３０２の全ての構成において互いに実質的に垂直であってもよい。各軸は、ジョイント３０１および３０２の少なくとも１つの構成において、アーム部位３１０の長手方向を実質的に横断してもよい。そのような構成の１つは、アーム部位３１１がアーム部位３１０に対してピッチングまたはヨーイングしていない場合である。
−軸３０５および３０６に対応する軸は非平行であるが、互いに直交する必要はない。軸３０５は、軸３０４に対して平行ではないが、直交である必要はない。軸３０６は、軸３０７に対して平行ではないが、直交である必要はない。
−軸３０４と軸３０７に対応する軸は、平行かつ同一線上にある必要はない。それらは平行であってもよいが、同一線上にある必要はない。
例えば、アーム部位３ｂは、アーム部位３ｃに対してクランクされ得る。
−べベルギアまたはそれらの外歯ギアの同等のものは、ウォームギアによって駆動される必要はない。それらは、他のギアによって駆動され得る。例えば、ピニオンで駆動することができる。
−したがって、駆動ギアは、ベベルギアであってもよいし、外歯ギア、すなわち半径方向に延びる歯を有するギアのような他の種類のリングギアであってもよい。
シャフトギアは、ウォームギアであってもよいし、ピニオンのような他の種類のギア、例えばベベルギアであってもよい。
−いずれか一方または両方のべベルギアは、部品ギアであってもよい。より一般的には、いずれか一方または両方の駆動ギアが部分ギアであってもよい。
−上記実施形態では、機構は、ロボットアーム用のリストの一部を構成している。かかる機構は、他の用途、例えばロボットアームの他の部分や、ロボットツールや、カメラ用の制御ヘッドのような非ロボット用途、に用いられてもよい。
【００９４】
図１を参照して説明したように、各ジョイントには、そのジョイントの軸にかかるトルクを感知するトルクセンサが備えられている。トルクセンサからのデータは、アームの操作を制御するのに使用するために制御ユニット１０に提供される。
【００９５】
図９および図１０は、トルクセンサの１つとその取り付け配置を断面で示している。トルクセンサ１５０は、キャリア１０４から遠位側アームフレーム１０１まで延びる軸１０３にかかるトルクを測定する。上述したように、べベルギア１０８は、フレーム１０１に固定されており、キャリア１０４に対して軸１０３周りに回転可能とされている。べベルギア１０８は、径方向に延びるギア部１５１と軸方向に延びるネック部１５３を備えており、ギア部１５１からはそのギア歯１５２が軸方向に延び出している。ネック１５３と、径方向に延びるギア部１５１と、ギア歯１５２は互いに一体化されている。ネック１５３の内壁および外壁は、円筒形状である。一対のローラまたはボールベアリング類１０６，１５４は、ネックの外壁周りにぴったりとフィットしている。ベアリングは、キャリア１０４のカップ内に位置し、軸１０３を中心にキャリアに対してべベルギア１０８の回転を許容しながら、キャリアに対して適切な位置にネック１５３を保持している。
【００９６】
トルクセンサ１５０は、径方向に延びるトップフランジ１５５と、トップフランジ１５５から軸方向に延びるねじれチューブ１５６と、ねじれチューブ１５６のトップフランジ１５５とは反対側の端部に雌ねじが形成されたベース１５７と、を備えている。トップフランジ１５５は、べベルギア１０８のギア部１５１に接している。トップフランジはボルト１５８によってギア部に固定的に保持されている。ねじれチューブ１５６は、べベルギア１０８のネック１５３の内側に延び出している。ねじれチューブの外壁は、円筒形状である。ベース１５７の外側は、軸１０３に対してかかる２つを固定的に保持するように、フレーム１０１内の対応する構造と確実に係合するスプライン構造で構成されている。ボルト１５９は、フレーム１０１を貫通してベース１５７に延び、それらを一緒にクランプする。したがって、それは、べベルギア１０８をアームフレーム１０１に取り付けるトルクセンサ１５０であり、軸１０３にかかるトルクがトルクセンサを介して印加されている。ねじれチューブは、中空内部と、そのねじれチューブ１５０に比べて薄肉の壁と、を有している。トルクセンサを介してトルクが印加されると、ねじれチューブのわずかなねじれ歪みが生じる。ねじれチューブのゆがみは、ねじれチューブの内壁に固定された歪みゲージ１６０によって測定される。歪みゲージは、軸１０３に対するトルクを表す、ねじれを示す電気出力を形成する。歪みゲージは、例えば光出力を提供する光干渉歪み計のような、別の形態であってもよい。
【００９７】
トルクセンサから最も正確な出力を得るためには、ねじれチューブ１５６を迂回するようなべベルギア１０８からフレーム１０１へのトルク伝達は回避すべきである。そのため、べベルギア１０８のネック１５３とトルクセンサのベース１５７間の摩擦を低減することが好ましい。１つの可能性は、べベルギアのネックと、トルクセンサのベースおよびねじれチューブの両方との間に隙間を設けることである。しかしながら、このことは、軸１０３を横断する方向にねじれチューブに剪断力を加えることを可能にし、歪みゲージ１６０をねじれ力以外にさらすことによりトルクセンサの精度を低下させる。もう１つの選択肢は、ベベルギア１０８のネックの内部とトルクセンサのベース１５７の外部の間にベアリング類を導入することである。しかし、このことは、機構によって占有される体積を実質的に増加させる。代わりに、図８に示された構成は、良好な結果を与えることが示されている。スリーブまたはブッシング１６１は、ねじれチューブ１５６の周りの、べベルギア１０８のネック１５３内に設けられている。スリーブは、ネック１５３の内壁とねじれチューブ１５６の外壁に切れ目なく接触するような大きさとされており、また円筒形状とされている。スリーブの内面全体が、ねじれチューブ１５６の外側と接触している。スリーブの外面全体が、ネック１５３の内面と接触している。スリーブは、ネックとねじれチューブ間に比較的小さな摩擦を加えるように構成されており、例えば、スリーブは低摩擦または自己潤滑材料で形成または被覆されていてもよい。スリーブは、軸１０３を横断するせん断力の下でトルクセンサの変形を防止できるように、実質的に非圧縮性の材料で形成されている。例えば、スリーブは、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリエチレン（ＰＥ）やアセタール（例えばデルリン（登録商標））などのプラスチック材料で形成されていてもよいし、被覆されていてもよいし、あるいはグラファイトや滑剤を含浸させた金属で形成されてもよい。
【００９８】
機構の組み立てを容易にすると共に、スリーブ１６１を所定の位置に保持するために、べベルギア１０８のネック１５３の内壁は、径方向に延びるギア部１５１から離隔する端部近傍で、１６２で内側に階段状に段付されている。スリーブ１６１がネック１５３とねじれチューブ１５６間に配置され、トルクセンサのヘッド１５５がギア部１５１にボルト止めされている時には、スリーブは、（ねじれチューブとネック間の）半径方向および、（トルクセンサのヘッド１５５とべベルギアのネック１５３の内面のステップ１６２間の）軸方向、の両方につながれた状態で保持されている。ステップ１６２を超えた領域１６３におけるネック１５３の内径は、その領域におけるネックの内面がトルクセンサ１５０から離間しており、かかる２つの間の摩擦トルク伝達を防止するように構成されていることが好ましい。
【００９９】
図７〜１０に示す実施形態の他の軸１０２に対するトルクセンサや、他の図に示す実施形態のトルクセンサ、にも同様の構成を使用することができる。
【０１００】
ホール効果センサは、ジョイントの回転位置を感知するために使用されている。各位置センサは、回転軸の１つの周りに配置された生地のリングを備えている。リングは、規則的に間隔を置いて交互に配置された一連の南北磁極を有している。リングに隣接した位置に、磁場を検出して、相対的な位置を示すマルチビット出力を提供するためにセンサアレイに対するリング上の磁極の位置を測定することができる、複数のホール効果デバイスを備えたセンサアレイを有するセンサチップがある。磁極のリングは、３６０°の範囲内で各ジョイントの各位置が、一対の磁気センサからの固有のセットの出力に関連付けられるように配置されている。これは、各リング上に異なる数の極を設けて、リングが互いに素である数の極を作ることによって達成されていてもよい。この一般原理を用いたホール効果位置センサが、ロボット工学および他の用途に使用されていることが知られている。
【０１０１】
より具体的には、各ジョイントには、交互に磁化された一対のリングと、関連するセンサとが関連付けられている。各リングは、それぞれのジョイントの軸の周りに同心に配置されている。リングが、ジョイントの一方の側のエレメントに固定されている一方、センサは、ジョイントの他方の側のエレメントに固定されており、その結果、各ジョイントの周りにロボットアームが回転した際には、各リングとそのそれぞれのセンサとの相対的な回転運動が生じる。各個別のセンサは、一対の磁極の間で、関連するリングがセンサに対して配置されている位置を測定する。リング上の一対の磁極における個々のセンサのどちらがセンサの上にあるかは、個々のセンサの出力から決定することはできない。したがって、個々のセンサは、相対的なやり方でのみ使用することができ、ジョイントの絶対位置を知るために電源投入時に較正を必要とする。しかしながら、各リング内の磁極の対の数が共通因子を持たないように設計された一対のリングを用いることにより、両センサからの一対の磁極間の測定を組み合わせることができ、較正を行うことなく、ジョイントの絶対位置を演算することができる。
【０１０２】
磁気リングおよびセンサは、図７〜図１０に示されている。軸１０２周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング２００，２０１とセンサ２０２，２０３を用いて、位置が検知される。軸１０３周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング２１０，２１１とセンサ２１２と図示しないさらなるセンサを用いて、位置が検知される。磁気リング２００は、キャリア１０４に固定され、キャリアの一方の側に取り付けられている。磁気リング２０１は、キャリア１０４に固定され、磁気リング２００に対してキャリア１０４の他方の側に取り付けられている。磁気リング２００，２０１は平らであって、軸１０２に垂直に配置されていると共に、軸１０２を中心にしている。センサ２０２，２０３は、アーム部位３１０のフレーム１００に固定されている。センサ２０２は、リング２００の側面に隣接するように取り付けられている。センサ２０３は、リング２０１の側面に隣接するように取り付けられている。ケーブル２０４，２０５は、センサ２０２，２０３からの信号を搬送する。磁気リング２１０は、キャリア１０４に固定され、キャリアのフランジ２２０の一方の側に取り付けられている。磁気リング２１１は、キャリア１０４に固定され、磁気リング２００に対してキャリアのフランジ２２０の他方の側に取り付けられている。磁気リング２１０，２１１は平らであって、軸１０３に垂直に配置されていると共に、軸１０３を中心にしている。軸１０３周りの回転用の、センサ２１２と別のセンサが、アーム部位３１１のフレーム１０１に固定されている。センサ２１２は、リング２１０の側面に隣接するように取り付けられている。別のセンサは、リング２１１の側面に隣接するように取り付けられている。
【０１０３】
それゆえ、図７〜１０の配置では、各軸１０２，１０３周りの回転は、それぞれ対応するセンサを備えた２つの多重極磁気リングによって検知されている。各センサは、センサに対する各リング上の最も近い極の相対位置を表すマルチビット信号を生成する。２つのリング上の極数が互いに素となるように配置することにより、センサの出力は、３６０°の範囲内のジョイントの構成を示す組合せである。これにより、ジョイントの回転位置をその範囲内で検出することができる。さらに、図７〜１０に示す配置では、各ジョイントに関連する２つのリング（すなわち、一方ではリング２００，２０１、他方ではリング２１０，２１１）が、それぞれのジョイントの軸に沿って互いに実質的にオフセットするように配置されている。リング２００は、キャリア１０４の本体の一方の側のベアリング１９０近傍に配置されている一方、リング２０１は、キャリア１０４の反対側のベアリング１０５近傍に配置されている。リング２１０は、フランジ２２０の一方の側に配置されている一方、リング２１１は、フランジ２２０の他方の側に配置されている。各リングは、リングが配置される軸に垂直な平面において平坦である生地のシートで形成されている。各対の磁気リング（すなわち、一方ではリング２００，２０１、他方ではリング２１０，２１１）は、一対のリングの厚さの５倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されており、より好ましくは一対のリングの厚さの１０倍あるいは２０倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されていることが望ましい。都合が良いことに、一対のリングは、リング２００，２０１と同様に、それぞれのジョイントの反対側にあってもよい。都合が良いことに、一対の両リングが取り付けられたキャリア１０４は、それぞれの回転軸を含む平面で見たときにリング間にある径方向配置に位置するように、径方向外側に延び出している。したがって、例えば、フランジ２２０は、リング２１０とリング２１１との間の径方向に位置している。都合が良いことに、それぞれのジョイントは２つのベアリングによって支持または規定されていてもよく、ベアリングは、各軸に沿ったジョイントの両側であって、ジョイント上の末端位置に配置されている。ジョイントの各リングは、軸に垂直な平面内で、対応するベアリングと重なっていてもよい。都合が良いことに、リング用のセンサは、ジョイントによって関節接続されたアーム部位上に取り付けられていてもよい。センサは、アーム部位の反対側に取り付けられていてもよい。
【０１０４】
リングを離間させることにより、関連するセンサが取り付けられるジョイントおよび／またはアーム部位のパッケージングを大幅に改善することができる。リングを離間させることにより、リングを便利な位置に配置する機会をより多くすることができると共に、センサを離間させることができること自体が、パッケージングの利点を提供できる。ジョイントは、荷重下のジョイントのねじれが測定に悪影響を及ぼさないように、リング上の磁極の数と比して十分に硬いことが好ましい。例えば、ジョイントは、たとえジョイントのエレメントが間隔を置いて配置されていたとしてもその最大定格運転負荷の下でセンサにおける磁気遷移の変化を生じ得るほどねじれないように十分に堅固であることが好ましい。これにより、全ての負荷状態において、動きに加えて、方向を検出することが可能となる。
【０１０５】
アーム部位３１１は、アーム部位３１０の遠位側である。アーム部位３１０は、図７〜１０に示す軸１０２，１０３周りのジョイントの近位側である。図１に関連して説明したように、トルクセンサと位置センサからのデータは、制御ユニット１０にフィードバックされる。かかるデータは、アーム自体を通る有線接続によって渡されていることが望ましい。
【０１０６】
各アーム部位は、回路基板を備えている。図７〜１０は、アーム部位３１１によって搬送される回路基板２５０を示している。各回路基板は、データのエンコーダ／デコーダ（例えば、集積回路２５１）を含んでいる。エンコーダ／デコーダは、それぞれのアーム部位に局所的に使われているフォーマットと、アームに沿ったデータ伝送に使われているフォーマット間で信号を変換する。例えば、（ａ）アーム部位に対して局所的に、位置センサは、磁極遷移によって通過するときに位置読み取り値を返してもよく、トルクセンサは、現在感知されているトルクを示すアナログまたはデジタル信号を返してもよく、駆動モータは、パルス幅変調された駆動信号を要求していてもよい。一方、（ｂ）アームに沿ったデータ伝送のために、イーサネット（登録商標）のようなパケットデータプロトコルである一般的なデータ伝送プロトコルが用いられてもよい。したがって、エンコーダ／デコーダは、アームに沿って搬送されたデータパケットを制御ユニット１０から受け取ってそれらのデータを解釈して任意のローカルモータのための制御信号を形成すると共に、ローカルに検知されたデータを受け取ってそれをパケット化された形式に変換して制御ユニットに送ることができる。アームに沿って設けられた回路基板は、多数の近位側の回路基板を介して比較的遠位側の回路基板からの通信を可能にするように、通信ケーブルによって互いに連結されていてもよい。
【０１０７】
一般に、アームの１つのコンポーネントからアームのより遠位側のコンポーネントにデータを送らないことが望ましい。そうしてしまうと、アーム内で不必要に遠位側を走るケーブルが含まれて、遠位側に分配された重量が増加してしまう。そして、回路基板は互いに連結されているので、一旦データが比較的遠位側の回路基板に送信されると、次の最も近位側の回路基板が、それを転送するためにどんな方法でもデータを処理する。
【０１０８】
軸１０２，１０３周りの複合ジョイントは、回転位置センサ２０２，２０３（軸１０２を中心とする回転用）と、回転位置センサ２１２（軸１０３を中心とする回転用）を有している。センサ２０２，２０３は、センサによって動きが測定されるジョイントの近位側にある、アーム部位３１０のフレーム１００に取り付けられている。位置センサ２０２，２０３からのデータは、センサの近位側にあるアーム部位３１０に沿って延びるケーブル２０４，２０５に沿って送られている。センサ２０２は、アーム部位３１１のフレーム１０１に取り付けられている。位置センサ２０２からのデータは、ケーブルに沿って同じアーム部位上の回路基板２５０に送られている。いずれの場合にも、データが収集された場所よりも遠位側のアームのエレメントにはデータは渡されない。
【０１０９】
軸１０２，１０３周りの複合ジョイントは、トルクセンサ１５０（軸１０３を中心とする回転用）と、トルクセンサ１９１（軸１０２を中心とする回転用）を有している。トルクセンサ１５０，１９１によって検知されたデータは、可撓性ケーブルによって回路基板２５０にそのままの形で搬送される。回路ボード２５０において、エンコーダ／デコーダ２５１は、検知されたデータを、例えばイーサネット（登録商標）パケットに符号化して、制御ユニット１０に伝達する。したがって、符号化のためにより近位側のアーム部位３１０の回路基板に送られるよりむしろ、トルクセンサからのデータは、符号化のためにより遠位側のアーム部位の回路基板に渡されて、その後その回路基板からアームに沿った遠位方向に向かってケーブルを介して渡される。
【０１１０】
このような配置は、図１１に示されている。アーム部位３１０は、位置センサ２０２からデータを受け取り、コマンドデータをモータ１０９，１１０に提供する回路基板１９５を備えている。アーム部位３１１は、位置センサ２１２とトルクセンサ１５０，１９１からのデータを受け取る回路基板２５０を備えている。回路基板２５０は、検出されたデータを符号化してデータバス１９６を介して回路基板１９５に渡し、回路基板１９５はそれをリンク１９７を介して制御ユニット１０の方へ転送する。位置センサ２０２は、回路基板１９５に対してケーブルによって直接接続されている。位置センサ２１２およびトルクセンサ１５０，１９１は、回路基板１９５に対してケーブルによって直接接続されている。
【０１１１】
図２に示されているように、アーム部位４ｃは、アーム部位３１１によって支持され、軸３０７周りにアーム部位４ｃに対して回動可能とされている。図１２は、アーム部位４ｃを含むモジュールを貫通する断面を示している。かかるモジュールは、ベース４００と、ベースに固定された側壁４４０を有している。ベース４００は、アーム部位３１１の先端の端面４０１に取り付けられている（図７参照）。アーム部位４ｃは、一般に４０３で示されている。アーム部位４ｃは、図２の軸３０７に対応する軸４０２を中心としてベース４００に対して回転可能である。そのため、アーム部位４ｃは、軸４０２を中心に側壁４４０とアーム部位４ｃの間に回転ジョイントを規定するベアリング４３０，４３１によって側壁４４０に取り付けられている。
【０１１２】
アーム部位４ｃは、その内部コンポーネントを収容するハウジング４０４を有している。これらのコンポーネントは、回路基板４０５とモータ４０６，４０７を含んでいる。モータ４０６，４０７は、ハウジング４０４に対して回転不能に固定されている。ハウジング４０４は、ベアリング４３０，４３１によってベース４００に対して自由に回転自在とされている。溝４０８は、回路基板２５０から回路基板４０５まで走る（図示しない）通信ケーブルを収容するために、モジュールの内部を走っている。かかる通信ケーブルは信号を搬送しており、かかる信号が回路基板４０５のエンコーダ／デコーダによって復号化されたときに、かかる信号によってモータ４０６，４０７の動作を制御するための制御信号が出される。
【０１１３】
モータ４０６は、アーム部位３１１に対するアーム部位４ｃの回転を駆動する。したがって、モータ４０６は、ベース４００に対するハウジング４０４の回転を駆動する。ベース４００は、中央のボス４１０を有している。図９および図１０に関連して説明したタイプのトルクセンサは一般に、ボス４１０に取り付けられている。かかるトルクセンサは、ベース４１１とねじれチューブ４１２と径方向に延びるヘッド４１３を備える一体部材を有している。トルクセンサのベース４１１は、ベース４００のボス４１０に固定されている。図９および図１０のトルクセンサと同様に、スリーブ４２１は、トルクセンサを剪断力から保護すると共に、周囲のコンポーネント、即ちベース４００とトルクセンサの間の摩擦を低減するために、トルクセンサのねじれチューブの周りに延び出している。
【０１１４】
内歯ギア４２０は、トルクセンサのヘッド４１３に固定されている。モータ４０６は、ピニオンギア４１５を有するシャフト４１４を駆動している。ピニオンギア４１５は、内歯ギア４２０に係合している。したがって、モータ４０６が操作されると、ピニオンギア４１５が回転駆動され、これによりモータ４０６がその一部を構成するアーム部位４ｃを軸４０２周りに回転する。結果として生じる軸４０２周りのトルクは、トルクセンサのねじれチューブ４１２を介してベース４００に伝達され、ねじれチューブに取り付けられた歪みゲージによってトルクが測定されることを可能にする。
【０１１５】
器具に取り付けるためのインターフェース８を図１２に示す。モータ４０７のシャフト４４０は、器具に駆動を提供するためのインターフェースにおいて露出されている。
【０１１６】
トルクセンサ４１１，４１２，４１３からのトルクデータは、符号化のためにアーム部位３１１の回路基板２５０に渡される。アーム部位４ｃの回転位置は、アーム部位４ｃに携帯されたセンサ４４５により検知可能であり、かかるセンサ４４５は、ハウジング４０４の内部に取り付けられたリング４４６，４４７上の磁極間の遷移を検出する。センサ４４５からのデータは、符号化のためにアーム部位４ｃの回路基板４０５に渡される。
【０１１７】
ジョイント１０２，１０３周りの回転を駆動するモータは、アーム部位３１０においてそれらのジョイントの近位側に取り付けられている。上述したように、これにより、アームの先端寄りの重量を回避して、重量分布を改善することができる。これに対し、アーム部位４ｃの回転を駆動するモータは、アーム部位３１１よりむしろアーム部位４ｃに取り付けられている。このことは、モータ４０６をより遠位に取り付ける必要があるため不利となる可能性があるが、これによりアーム部位３１１をとりわけコンパクトできることが判明した。モータ４０６は、器具に駆動を提供するモータ（例えば、４０７）と平行に、すなわち軸４０２に垂直な共通の平面を横切るように、アーム部位４ｃ内にパッケージされ得る。このことは、アーム部位４ｃ内へのモータ４０６の組み込みが、アーム部位４ｃを実質的に長くする必要がないことを意味している。
【０１１８】
歯付ギアの代わりに、ジョイントの駆動は、摩擦手段によって行ってもよい。
【０１１９】
出願人はこれによって、ここに記載の分離した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されている。なお、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書に開示される任意の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】
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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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