(57)【要約】【課題】ロボット手アセンブリのための改良されたロボット親指を提供すること。【解決手段】本開示の第１の態様によれば、ロボット親指中の改善された腱ルーティングにより、５つの腱のみによる４自由度の制御が実現される。本開示の別の態様によれば、人間の親指の５自由度の中の１つが、ロボット親指においては、指骨の形状の永久ねじりと置換される。本開示のさらに別の態様によれば、位置センサが、異なる中心点を有する円セグメントとして形状設定された２つの部分を有する磁石を含む。この磁石は、ホール効果センサから線形出力を生成する。【選択図】図６
2011067936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース構造体と、
第１、第２、第３、および第４の指骨と、
前記第１の指骨が第１の軸を中心として前記ベース構造体に関して選択的に回転可能となるように、前記ベース構造体に前記第１の指骨を作動的に連結する、第１の関節と、
前記第２の指骨が第２の軸を中心として前記第１の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第１の指骨に前記第２の指骨を作動的に連結する、第２の関節と、
前記第３の指骨が第３の軸を中心として前記第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第２の指骨に前記第３の指骨を作動的に連結する、第３の関節と、
前記第４の指骨が第４の軸を中心として前記第３の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第３の指骨に前記第４の指骨を作動的に連結する、第４の関節と、
前記指骨に対して力を選択的に加え、それにより前記関節にてトルクを生成するように、前記指骨に作動的に連結される５つの腱であって、前記関節のそれぞれにおけるトルクがこの５つの腱により独立的に制御可能となるように構成される５つの腱と
を備える、ロボット手アセンブリ。
【請求項２】
前記５つの腱は、第１、第２、第３、第４、および第５の腱を含み、
前記第１の腱は、前記第１の腱における張力により前記第４の指骨が第１の方向に前記第４の軸を中心として回転されるように、前記第４の指骨に作動的に連結され、
前記第２の腱は、前記第２の腱における張力により前記第４の指骨が第２の方向に前記第４の軸を中心として回転されるように、前記第４の指骨に作動的に連結され、
前記第３の腱は、前記第３の腱における張力により前記第３の指骨が第１の方向に前記第３の軸を中心として回転されるように、前記第３の指骨に作動的に連結され、
前記第４の腱は、前記第４の腱における張力により前記第３の指骨が前記第２の方向に前記第３の軸を中心として回転されるように、前記第３の指骨に作動的に連結され、
前記第５の腱は、前記第５の腱における張力により前記第２の指骨が前記第２の軸を中心として回転されるように、前記第２の指骨に作動的に連結される、請求項１に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項３】
前記第１、第２、第３、および第４の腱は、軸Ａ２の第１の側にルーティングされる、請求項２に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項４】
前記第５の腱は、軸Ａ２の前記第１の側の反対側の軸Ａ２の第２の側にルーティングされる、請求項３に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項５】
前記第１の腱および前記第２の腱は、前記第１の軸の第１の側にルーティングされ、前記第２の腱および前記第３の腱は、前記第１の軸の前記第１の側の反対側の前記第１の軸の第２の側にルーティングされる、請求項２に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項６】
前記第５の腱は、前記第１の軸と交差する、請求項５に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項７】
第１の指骨および第２の指骨を含むロボット親指と、
前記第１の指骨が前記第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第１の指骨と前記第２の指骨とを相互連結させる関節と、
前記第１の指骨に対して設置され、第１の中心点により特徴付けされる第１の円セグメントを形成する第１の部分を有し、第２の中心点により特徴付けされる第２の円セグメントを形成する第２の部分を有する、磁石と、
前記第１の指骨に関して前記第２の指骨と共に回転するように前記第２の指骨に対して設置された、ホール効果センサと
を備える、ロボット手アセンブリ。
【請求項８】
前記ホール効果センサおよび前記磁石は、前記ホール効果センサが前記第２の指骨の回転範囲にわたって前記第１の部分から一定距離を維持するように、配設される、請求項７に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項９】
前記回転範囲は、少なくとも１５０度である、請求項８に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１０】
前記磁石は、前記第１の中心点および前記第２の中心点の周囲を囲む、請求項７に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の円セグメントは、第１の交差点および第２の交差点にて第２の円セグメントと交差し、
前記磁石の北磁極が、前記第１の交差点に位置し、
前記磁石の南磁極が、前記第２の交差点に位置する、請求項７に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１２】
前記第１の円セグメントの半径が、前記第２の円セグメントの半径と均等である、請求項１１に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１３】
ベース構造体と、
第１、第２、第３、および第４の指骨を有する親指と、
前記第１の指骨が第１の軸を中心として前記ベース構造体に関して選択的に回転可能となるように、前記ベース構造体に前記第１の指骨を作動的に連結する、第１の関節と、
前記第２の指骨が第２の軸を中心として前記第１の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第１の指骨に前記第２の指骨を作動的に連結する、第２の関節と、
前記第３の指骨が第３の軸を中心として前記第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第２の指骨に前記第３の指骨を作動的に連結する、第３の関節と、
前記第４の指骨が第４の軸を中心として前記第３の指骨に関して選択的に回転可能となるように、前記第３の指骨に前記第４の指骨を作動的に連結する、第４の関節と
を備え、
前記第３の軸および前記第４の軸は、互いに対して実質的に平行であり、
前記第２の指骨は、前記第２の軸が前記第３の軸および前記第４の軸に対して平行にならないように、ねじりによって特徴付けられる、ロボット手アセンブリ。
【請求項１４】
前記第２の指骨は、複数の湾曲したガイドチャネルを画成する、請求項１３に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１５】
複数の可撓性部材をさらに備え、前記複数の可撓性部材はそれぞれ、前記湾曲したガイドチャネルのそれぞれを貫通し延在する、請求項１４に記載のロボット手アセンブリ。
【請求項１６】
前記複数の可撓性部材は、第１の可撓性部材を含み、前記第１の可撓性部材は、前記第１の可撓性部材に対する張力により前記第３の指骨が前記第３の軸を中心として回転されるように、前記第３の指骨に作動的に連結され、前記複数の可撓性部材は、第２の可撓性部材を含み、前記第２の可撓性部材は、前記第２の可撓性部材に対する張力により前記第４の指骨が前記第４の軸を中心として回転されるように、前記第４の指骨に作動的に連結される、請求項１５に記載のロボット手アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述）
[0001]  本発明は、ＮＡＳＡ宇宙活動協定（ＮＡＳＡ  Ｓｐａｃｅ  Ａｃｔ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）第ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
[0002]  本発明は、ロボット手に関し、より詳細には、ロボット親指に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]  典型的なロボットは、関節部またはモータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、自動型デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度（ＤＯＦ：  ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  ｆｒｅｅｄｏｍ）とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御（すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力）、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。
【０００４】
[0004]  人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、およびまたは付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]  本開示の第１の態様によれば、ロボット手アセンブリは、ベース構造体、第１、第２、第３、および第４の指骨、ならびに第１、第２、第３、および第４の関節を含む。第１の関節は、第１の指骨が第１の軸を中心としてベース構造体に関して選択的に回転可能となるように、ベース構造体に第１の指骨を作動的に連結する。第２の関節は、第２の指骨が第２の軸を中心として第１の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第１の指骨に第２の指骨を作動的に連結する。第３の関節は、第３の指骨が第３の軸を中心として第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第２の指骨に第３の指骨を作動的に連結する。第４の関節は、第４の指骨が第４の軸を中心として第３の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第３の指骨に対して第４の指骨を作動的に連結する。
【０００６】
[0006]  ５つの腱が、指骨に対して選択的に力を加え、それにより関節にてトルクを生成するように、指骨に対して作動的に連結される。これらの腱は、第１、第２、第３、および第４の関節のそれぞれにおけるトルクがこれら５つの腱によって独立的に制御可能となるように、構成される。
【０００７】
[0007]  本開示の第２の態様によれば、ロボット手アセンブリは、第１の指骨および第２の指骨を含むロボット親指と、第１の指骨が第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第１の指骨と第２の指骨とを相互連結させる関節とを含む。磁石が、第１の指骨に対して設置され、第１の中心点により特徴付けされる第１の円セグメントを形成する第１の部分と、第２の中心点により特徴付けされる第２の円セグメントを形成する第２の部分とを有する。ホール効果センサが、第１の指骨に関して第２の指骨と共に回転するように、第２の指骨に対して設置される。この磁石の形状により、ホール効果センサの線形出力が生成され、それにより、ロボット手のための制御システムに正確な位置データが供給される。
【０００８】
[0008]  本発明の第３の態様によれば、ロボット手アセンブリは、ベース構造体、第１、第２、第３、および第４の指骨、ならびに第１、第２、第３、および第４の関節を含む。第１の関節は、第１の指骨が第１の軸を中心としてベース構造体に関して選択的に回転可能となるように、ベース構造体に第１の指骨を作動的に連結させる。第２の関節は、第２の指骨が第２の軸を中心として第１の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第１の指骨に第２の指骨を作動的に連結させる。第３の関節は、第３の指骨が第３の軸を中心として第２の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第２の指骨に第３の指骨を作動的に連結させる。第４の関節は、第４の指骨が第４の軸を中心として第３の指骨に関して選択的に回転可能となるように、第３の指骨に対して第４の指骨を選択的に連結させる。第３の軸および第４の軸は、互いに対して実質的に平行である。第２の指骨は、第２の軸が第３の軸および第４の軸に対して平行とはならないように、ねじりにより特徴付けされる。このねじりは、人間の手の５自由度の中の１つを、第２の指骨の形状におけるねじりと置換する。
【０００９】
[0009]  添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]２つの手を有する器用な人間型ロボットの概略斜視図である。
【図２】[0011]図１の器用な人間型ロボット用の上腕の概略斜視図である。
【図３】[0012]図１および図２の器用な人間型ロボット用の下腕の概略斜視図である。
【図４】[0013]図１の手の一方の概略上面図である。
【図５】[0014]図４の手の概略底面図である。
【図６】[0015]図４および図５の親指の概略斜視図である。
【図７】[0016]図４および図５の手の親指の別の概略斜視図である。
【図８】[0017]図４および図５の手の親指のさらに別の概略斜視図である。
【図９】[0018]図６から図８の親指の一関節のセンサアセンブリの概略側面図である。
【図１０】[0019]この関節の回転位置に対する図９のセンサアセンブリの反応を表すグラフである。
【図１１】[0020]腱ルーティングを表す図６から図８の概略側面図である。
【図１２】[0021]腱ルーティングを表す図６から図８の親指の概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0022]  同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図１は、多自由度（ＤＯＦ）により１つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット１０を示す。
【００１２】
[0023]  この人間型ロボット１０は、頭部１２、胴部１４、腰部１５、腕１６、手１８、指１９、および親指２１を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、多様な関節が配設される。さらに、ロボット１０は、脚部、トレッド、または、ロボットの特定の用途もしくは意図される用途に応じた別の可動式または固定式ベースなどの、タスクに適した固定具またはベース（図示せず）を備えてもよい。例えば胴部１４の背の上に担持または着用される再充電式電池パックまたは別の適切なエネルギー供給部などの電源部１３が、ロボット１０に一体的に設置されてよい。
【００１３】
[0024]  一実施形態によれば、ロボット１０は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）、および腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）、さらには各ロボット指１９および親指２１の指骨間に位置する様々な指関節アセンブリおよび親指関節アセンブリ（矢印Ｆ）などの（それらに限定されない）、複数の独立的に可動なロボット関節および相互依存的に可動なロボット関節によって、構成される。
【００１４】
[0025]  アーム１６は、上腕２２および下腕（または前腕）２４に区分される。上腕２２は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）から肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）まで延在する。肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）から延在するのは、下腕２４、手１８、指１９、および親指２１である。単純化のため、本明細書において説明されるように、上方は頭部１２の方向であり、下方は腰部１５の方向である。ロボット１０は、人間の形を模するように意図されるため、このロボットは、胴部および頭部を二分する垂直平面に関して実質的に対称的であり、左側および右側の両側に同一の対称的な構造を基本的に備えることが、当業者には理解されよう。
【００１５】
[0026]  図２を参照すると、上腕２２が図示されている。複数の腕１６に対して一方の上腕２２のみが図示されているが、左腕および右腕１６は共に、以下に説明するように同一の態様で作動する。上腕２２は、第１のＤＯＦを実現する第１の肩関節Ｓ１、第２のＤＯＦを実現する第２の肩関節Ｓ２、および第３の自由度を実現する第３の肩関節Ｓ３を含む、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）を有する。第１から第３の肩関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は共に、人間の肩が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。具体的には、第１の肩軸ＳＡ１を中心とした第１の肩関節Ｓ１の回転により、第２の肩関節Ｓ２に関する第２の肩軸ＳＡ２が、所望の位置へと移動する。第１の肩関節Ｓ１の位置に基づき、次いで、第２の肩軸ＳＡ２を中心とする第２の肩関節Ｓ２の回転により、腕１６が、胴部１４に対して上下に、または胴部１４に対して前後に移動する。第３の肩関節Ｓ３は、第３の肩軸ＳＡ３を中心として上腕２２を回転させる。第３の肩関節Ｓ３の回転により、上腕２２は、軸方向に回転し、すなわち、第３の肩関節Ｓ３の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）が回転されて、上方または下方に向けられる。したがって、第１の肩関節Ｓ１、第２の肩関節Ｓ２、および第３の肩関節Ｓ３が共に、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）の動作を形成する。
【００１６】
[0027]  さらに、上腕２２は、第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２を含む肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を備える。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２はそれぞれ、１自由度を実現する。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２が共に、人間の肘が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。第１の肘軸Ｂ１を中心とする第１の肘関節Ｌ１の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２の部分が、屈曲する、および直線状になる。さらに、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、軸方向に回転し、すなわち、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、下腕２４および手１８（図１）が回転されて、手のひらが上方または下方に向けられる。
【００１７】
[0028]  図３は、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、手１８、指１９、および親指２１を含む、下腕２４を図示する。下腕２４は、複数の指（および親指）アクチュエータ２６と、複数の手首アクチュエータ２８とを備える。さらに、指アクチュエータ２６および手首アクチュエータ２８のための複数の制御部３０が、下腕２４上に支持される。下腕２４は、下腕２４を上腕２２に連結するために使用されるロードセル３２に装着される。手１８は、手１８の手のひら３６を画成するベース構造体３４を備える。指１９および親指２１は、手のひら構造体３４に可動式に設置され、図１において２０で示されるものなどの物体を把持するために手のひら３６の方向に選択的にカールする。
【００１８】
[0029]  図示される実施形態においては、親指２１は、６０から８５パーセンタイルの人間の男性の手のサイズに相当するサイズの手１８に、比例的に組み込まれる。より具体的には、図示される実施形態においては、手１８の長さは２０．１ｃｍ（７．９インチ）（人間の８０パーセンタイル）であり、手１８の広さまたは幅は、９．１４ｃｍ（３．６インチ）（人間の６０パーセンタイル）であり、手の周囲（ベース構造体の周り）は、２２．４ｃｍ（８．８インチ）（人間の８５パーセンタイル）である。
【００１９】
[0030]  図４および図５を参照すると、親指２１は、複数の剛体リンクまたは指骨３８Ａ〜Ｄと、複数の関節４２Ａ〜Ｄとを含む。関節４２Ａは、指骨３８Ａが軸Ａ１を中心として構造体３４に関して選択的に回転可能となるように、ベース構造体３４に指骨３８Ａを回転可能に設置する。関節４２Ｂは、指骨３８Ｂが軸Ａ２を中心として指骨３８Ａに関して選択的に回転可能となるように、指骨３８Ａに指骨３８Ｂを回転可能に設置する。関節４２Ｃは、指骨３８Ｃが軸Ａ３を中心として指骨３８Ｂに関して選択的に回転可能となるように、指骨３８Ｂに対して指骨３８Ｃを回転可能に設置する。関節４２Ｄは、指骨３８Ｄが軸Ａ４を中心として指骨３８Ｃに関して選択的に回転可能となるように、指骨３８Ｃに指骨３８Ｄを回転可能に設置する。
【００２０】
[0031]  したがって、４つの指骨３８Ａ〜３８Ｄおよび４つの独立的に制御可能な関節４２Ａ〜４２Ｄを有する親指２１は、４自由度により特徴付けられる。人間の親指は、最も正確には、５つの独立的に制御可能な関節または自由度を有するようにモデル化される。図示される実施形態における親指２１は、４自由度のみにより、人間の親指によって達成される姿勢に近づくように構成され、したがって、手１８のコンパクト性に寄与する。
【００２１】
[0032]  より具体的には、人間の親指における５自由度の中の１つ、すなわち軸Ａ２と軸Ａ３との間の動的ねじりが、ロボット親指２１においては、指骨３８Ｂの形状に形成された永久角度ねじりに置換されている。すなわち、指骨３８Ｂは、軸Ａ３が、線形に変位され、軸Ａ２に対して約４０度回転されるように、構成され形状設定される。軸Ａ４およびＡ３は、互いに対して平行である。図５および図７に図示されるように、軸Ａ１と軸Ａ２とは交差しないが、軸Ａ２は、軸Ａ１が延在する方向に対して直交となる方向に延在する。軸Ａ２は、軸Ａ３および軸Ａ４に対して平行でも垂直でもない。
【００２２】
[0033]  図６から図８を参照すると、親指２１は、少なくとも２つのタイプのセンサを備え、さらにこれらのセンサを読み込み、センサデータを上流に伝達する、コンパクト電子機器４６を備える。この電子機器４６の機能には、電力をセンサに供給すること、アナログセンサデータを収集すること、デジタル信号にアナログ信号を変換すること、デジタル信号を多重送信すること、および、上流の電子機器にデータを通信することが含まれる。より具体的には、親指２１のセンサは、触覚ロードセル５０Ａ、５０Ｂを含み、これらはそれぞれ、各指骨３８Ｃ、３８Ｄに設置される。さらに、親指２１は、複数の関節位置センサアセンブリ５４Ａ〜５４Ｄを備え、これらはそれぞれ、関節４２Ａ〜４２Ｄのそれぞれの絶対角度位置と、連結指骨に対する指骨角度位置とを測定するように構成される。
【００２３】
[0034]  関節位置センサアセンブリ５４Ａ〜５４Ｄはそれぞれ、各磁石５８Ａ〜５８Ｄおよび各ホール効果センサ６２Ａ〜６２Ｄを含む（ホール効果センサ６２Ａは図４に図示される）。図９を参照すると、センサアセンブリ５４Ｄは、センサアセンブリ５４Ａ〜５４Ｃに相当し、したがって、磁石５８Ｄおよびセンサ６２Ｄは、それぞれ、磁石５８Ａ〜５８Ｃおよびセンサ６２Ａ〜６２Ｃに相当する。磁石５８Ｄは、指骨３８Ｃに対して剛体的に設置され、センサ６２Ｄは、指骨３８Ｄに対して剛体的に設置される。磁石５８Ｄは、２つの部分６６、７０によって特徴付けされる。部分６６は、軸Ａ４に中心点７４を有する円のセグメントである。部分７０は、７８に中心点を有する円のセグメントである。磁石５８Ｄの北磁極Ｎは、部分６６、７０の一方の交差部に配設され、磁石５８Ｄの南磁極Ｓは、部分６６、７０の他方の交差部に配設される。図示される実施形態においては、部分６６は、部分７０と同一の半径を有し、部分６６、７０の凹部側は、互いに対面する。磁石５４Ｄは、両中心点７４、７８の周囲を囲む。
【００２４】
[0035]  センサ６２Ｄは、指骨３８Ｄが軸Ａ４を中心として指骨３８Ｃに関して回転される際に、センサ６２Ｄが磁石５８Ｄの部分６６から一定距離を維持するように、指骨３８Ｄの上に配置される。磁石５８Ｄの形状およびセンサ６２Ｄの配置により、指骨３８Ｃに対する指骨３８Ｄの角度位置と、センサ６２Ｄにより読み込まれる磁場における変化との間に一次関係がもたらされる。より具体的には、および図１０を参照すると、ライン８２は、従来の円形磁石（図示せず）に関する角度位置に対する、ホール効果センサにより生成された信号を示す。ライン８２により図示されるように、この信号は、正弦波形状である。ライン８６は、磁石５８Ｄに関する角度位置に対する、ホール効果センサ６２Ｄにより生成された信号を示す。ライン８６により図示されるように、センサアセンブリ５４Ｄは、１５０度の使用可能な角度位置範囲にわたりほぼ直線の信号を生成する。
【００２５】
[0036]  磁石５８Ａは、指骨３８Ａに対して設置され、センサ６２Ａは、ベース構造体３４に対して設置され、したがって、センサアセンブリ５４Ａは、ベース構造体３４に対する指骨３８Ａの回転位置を測定する。磁石５８Ｂは、指骨３８Ａに対して設置され、センサ６２Ｂは、指骨３８Ｂに対して設置され、したがって、センサアセンブリ５４Ｂは、指骨３８Ａに対する指骨３８Ｂの回転位置を測定する。磁石５８Ｃは、指骨３８Ｂに対して設置され、センサ６２Ｃは、指骨３８Ｃに対して設置され、したがって、センサアセンブリ５４Ｃは、指骨３８Ｂに対する指骨３８Ｃの回転位置を測定する。磁石５８Ｄは、指骨３８Ｃに対して設置され、センサ６２Ｄは、指骨３８Ｄに対して設置され、したがってセンサアセンブリ５４Ｄは、指骨３８Ｃに対する指骨３８Ｄの回転位置を測定する。
【００２６】
[0037]  同様の参照番号が図１〜図１０からの同様の構成要素を指す図１１を参照すると、関節４２Ａ〜４２Ｄを中心とする指骨３８Ａ〜３８Ｄの動作は、ロボット腱９０Ａ〜９０Ｅによって達成され、すなわち、ケーブルなどの可撓性部材によって達成される。腱９０Ａ〜９０Ｅはそれぞれ、前腕（図３において２４で示される）において各アクチュエータ（図３において２６で示される）に作動的に連結される。例示の一実施形態においては、アクチュエータ２６は、腱９０Ａ〜９０Ｅを駆動するためにモータの回転運動を線形運動に変換するように構成された駆動機構によって腱９０Ａ〜９０Ｅに作動的に連結される、電気モータである。アクチュエータおよび駆動機構を前腕２４およびまたは手首内に配置することは、手１８のコンパクト性に寄与する。
【００２７】
[0038]  関節４２Ａ〜Ｄおよび軸Ａ１〜Ａ４に対する腱９０Ａ〜９０Ｅのルーティングにより、５つの腱９０Ａ〜９０Ｅのみを使用して４自由度によって親指２１を完全に制御することが可能となる。２つの対向する腱９０Ａ、９０Ｂが、遠位ピッチ関節４２Ｄを制御し、２つの対向する腱９０Ｃ、９０Ｄが、中間ピッチ関節４２Ｃを制御する。腱９０Ａの一方の端部は、腱９０Ａにおける張力により第１の方向９４に軸Ａ４を中心として指骨３８Ｃに関して指骨３８Ｄが回転されるように、関節４２Ｄおよび軸Ａ４の一方の側において、指骨３８Ｄに作動的に連結される。腱９０Ｂの一方の端部は、腱９０Ｂにおける張力により第１の方向９４とは逆の第２の方向９８に軸Ａ４を中心として指骨３８Ｃに関して指骨３８Ｄが回転されるように、腱９０Ａからは関節４２Ｄおよび軸Ａ４の逆の側において、指骨３８Ｄに作動的に連結される。
【００２８】
[0039]  腱９０Ｃの一方の端部は、腱９０Ｃにおける張力により第１の方向９４に軸Ａ３を中心として指骨３８Ｂに関して指骨３８Ｃが回転されるように、関節４２Ｃおよび軸Ａ３の一方の端部の側において、指骨３８Ｃに作動的に連結される。腱９０Ｄの一方の端部は、腱９０Ｄにおける張力により第２の方向９８に軸Ａ３を中心として指骨３８Ｂに関して指骨３８Ｃが回転されるように、腱９０Ｃからは関節４２Ｃおよび軸Ａ３の逆の端部の側において、指骨３８Ｃに作動的に連結される。第１の方向９４への指骨の回転により、指骨は手のひら３６の方向に回転され、したがって、第１の方向９４への指骨の回転により、手１８が物体を把持することが可能となる。第２の方向９８への指骨の回転により、手のひら３６から離れるような指骨の回転が生じ、したがって、親指２１は、物体に対する把持を放す。
【００２９】
[0040]  腱９０Ａは、関節４２Ｂ〜Ｄおよび軸Ａ２〜Ａ４の手のひら側にルーティングされる。腱９０Ｂは、関節４２Ｂおよび軸Ａ２の手のひら側に位置し、関節４２Ｃおよび４２Ｄならびに軸Ａ３およびＡ４の非手のひら側に位置する。腱９０Ｃは、関節４２Ｂおよび４２Ｃならびに軸Ａ２およびＡ３の手のひら側にルーティングされる。腱９０Ｄは、関節４２Ｂおよび軸Ａ２の手のひら側にルーティングされる。腱９０Ｅは、軸Ａ２の非手のひら側にルーティングされる。
【００３０】
[0041]  近位ピッチ関節４２Ｂの軸Ａ２の手のひら側の腱９０Ａ〜９０Ｄのルーティングにより、関節４２Ｂを閉じるために、すなわち、軸Ａ２を中心として指骨３８Ａに関して指骨３８Ｂを回転させるために、腱９０Ａ〜９０Ｄを使用することが可能となる。これらの腱９０Ａ〜９０Ｄのそれぞれにおける張力は、合計されて、近位ピッチ関節４２Ｂに加えられる把持トルクを最大化する。近位ピッチ関節４２Ｂを開くことは、腱９０Ｅによって制御され、この腱９０Ｅは、軸Ａ２の逆側において他の４つの腱９０Ａ〜９０Ｄと対向するようにルーティングされる。
【００３１】
[0042]  同様の参照番号が図１〜図１１からの同様の構成要素を指す図１２を参照すると、ベースロール関節４２Ａの位置の制御に寄与する腱は存在しない。代替として、５つの腱のうちの４つ９０Ａ〜９０Ｄが、ベースロール関節４２Ａの軸Ａ１の両側にルーティングされ、これら４つの腱９０Ａ〜９０Ｄにおける張力のバランスが、関節４２Ａの位置を制御するように、およびこれに対応してベース構造体３４に対する指骨３８Ａの角度位置を制御するように、操作される。より具体的には、腱９０Ａおよび９０Ｂは、関節４２Ａおよび軸Ａ１の一方の側にルーティングされ、腱９０Ｃおよび９０Ｄは、関節４２Ａおよび軸Ａ１の別の側にルーティングされる。腱９０Ａおよび９０Ｂと、腱９０Ｃおよび９０Ｄとの間の張力のバランスにより、ベース部材（図４〜図５において３４で示される）に関する指骨３８Ａの角度位置が制御される。
【００３２】
[0043]  図１１および図１２に図示される腱ルーティングを前提とすると、内部張力全体と同様に、どのように４つの関節トルクが独立的に制御可能となるかを示すことが可能となる。全てのモーメントアームが均一であると前提すると、
Ｔ１＝Ａ−Ｂ＋Ｃ＋Ｄ
Ｔ２＝Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ−Ｅ
Ｔ３＝Ａ−Ｂ＋Ｃ−Ｄ
Ｔ４＝Ａ−Ｂ
となる。ここで、Ａは、腱９０Ａにおける張力であり、Ｂは、腱９０Ｂにおける張力であり、Ｃは、腱９０Ｃにおける張力であり、Ｄは、腱９０Ｄにおける張力であり、Ｅは、腱９０Ｅにおける張力であり、Ｔ１は、関節４２Ａでのトルクであり、Ｔ２は、関節４２Ｂでのトルクであり、Ｔ３は、関節４２Ｃでのトルクであり、Ｔ４は、関節４２Ｄでのトルクである。関節トルクのコマンドセットを得るためには、以下の等式が適用される。
【００３３】
Ａ＝−Ｔ１／４＋Ｔ２／５＋Ｔ４／２＋ｔ／４
Ｂ＝−Ｔ１／４＋Ｔ２／５−Ｔ４／２＋ｔ／４
Ｃ＝Ｔ１／４＋Ｔ２／５＋Ｔ３／２−Ｔ４／２＋ｔ／４
Ｄ＝Ｔ１／４＋Ｔ２／５−Ｔ３／２−Ｔ４／２＋ｔ／４
Ｅ＝−Ｔ２／５＋ｔ
ここで、ｔは、全ての張力を正に保つために十分な大きさの内部張力因数である。モーメントアームが均一でない場合に、またはモーメントアームが関節の回転角度と共に変化する場合に、これらの等式を修正する方法は、当業者には認識されよう。
【００３４】
[0044]  腱９０Ａ〜Ｅは、図１１および図１２においては指骨３８Ａ〜３８Ｄの外部に位置するものとして図示されるが、腱はそれぞれ、指骨３８Ａ〜３８Ｄ内に形成された各内部ガイドチャネルを介してルーティングされることに留意されたい。指骨３８Ｂ内の内部ガイドチャネルの部分が、図７において１０２Ａ〜１０２Ｅで図示される。図７および図１１〜図１２を参照すると、腱９０Ａは、ガイドチャネル１０２Ａを介してルーティングされ、腱９０Ｂは、ガイドチャネル１０２Ｂを介してルーティングされ、腱９０Ｃは、ガイドチャネル１０２Ｃを介してルーティングされ、腱９０Ｄは、ガイドチャネル１０２Ｄを介してルーティングされ、腱９０Ｅは、ガイドチャネル１０２Ｅを介してルーティングされる。指骨３８Ｂの形状における角度ねじりにより、湾曲したガイドチャネル１０２Ａ〜１０２Ｄがもたらされ、ガイドチャネル１０２Ａ〜１０２Ｄを形成する例示の方法には、鋳造と、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）とが含まれる。
【００３５】
[0045]  さらに、軸Ａ２は、図１１および図１２においては軸Ａ３および軸Ａ４に対して平行に示されるが、軸Ａ２は、図４および図５に図示されるように、軸Ａ３および軸Ａ４に対してねじりを与えられることに留意されたい。
【００３６】
[0046]  図示される実施形態においては、関節４２Ａ（ベースロール）の作動範囲は、０°から８０°までであり、関節４２Ｂ（近位ピッチ）の作動範囲は、０°から１００°までであり、関節４２Ｃ（中間ピッチ）の作動範囲は、０°から８０°までであり、関節４２Ｄ（遠位ピッチ）の作動範囲は、−３０°から９０°までである。
【００３７】
[0047]  本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
【符号の説明】
【００３８】
１０  人間型ロボット
１２  頭部
１３  電源部
１４  胴部
１５  腰部
１６  腕
１８  手
１９  指
２０  物体
２１  親指
２２  上腕
２４  下腕
Ａ  肩関節アセンブリ
Ｂ  肘関節アセンブリ
Ｃ  手首関節アセンブリ
Ｄ  首関節アセンブリ
Ｅ  腰部関節アセンブリ
Ｆ  指および親指関節アセンブリ
ＳＡ１  第１の肩軸
ＳＡ２  第２の肩軸
ＳＡ３  第３の肩軸
Ｓ１  第１の肩関節
Ｓ２  第２の肩関節
Ｓ３  第３の肩関節
Ｂ１  第１の肘軸
Ｂ２  第２の肘軸
Ｌ１  第１の肘関節
Ｌ２  第２の肘関節
２６  指（および親指）アクチュエータ
２８  手首アクチュエータ
３０  制御部、作動システム
３２  ロードセル
３４  ベース構造体、手のひら構造体
３６  手のひら
３８Ａ  剛体リンク、指骨
３８Ｂ  剛体リンク、指骨
３８Ｃ  剛体リンク、指骨
３８Ｄ  剛体リンク、指骨
４２Ａ  関節、ベースロール関節
４２Ｂ  関節
４２Ｃ  関節
４２Ｄ  関節
Ａ１  軸
Ａ２  軸
Ａ３  軸
Ａ４  軸
４６  コンパクト電子機器
５０Ａ  触覚ロードセル
５０Ｂ  触覚ロードセル
５４Ａ  関節位置アセンブリ
５４Ｂ  関節位置アセンブリ
５４Ｃ  関節位置アセンブリ
５４Ｄ  関節位置アセンブリ
５８Ａ  磁石
５８Ｂ  磁石
５８Ｃ  磁石
５８Ｄ  磁石
６２Ａ  ホール効果センサ
６２Ｂ  ホール効果センサ
６２Ｃ  ホール効果センサ
６２Ｄ  ホール効果センサ
１０２Ａ  ガイドチャネル
１０２Ｂ  ガイドチャネル
１０２Ｃ  ガイドチャネル
１０２Ｄ  ガイドチャネル
１０２Ｅ  ガイドチャネル
８２  ライン
８６  ライン
６６  部分
７０  部分
７４  中心点
７８  中心点
Ｎ  北磁極
Ｓ  南磁極
９０Ａ  ロボット腱
９０Ｂ  ロボット腱
９０Ｃ  ロボット腱
９０Ｄ  ロボット腱
９０Ｅ  ロボット腱
９４  第１の方向
９８  第２の方向
【図１】
2011067936.tif 000003
【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】
2011067936.tif 000012
【図１１】
2011067936.tif 000013
【図１２】
2011067936.tif 000014
【外国語明細書】
2011067936000001.pdf