(57)【要約】  本発明は6自由度を有すると共にベース(2)と二つの平行なアーム(B,B')とリストジョイント(P)とを有するロボットまたは触覚インターフェース構造体に関し、アーム(B,B')はベース(2)とリストジョイント(P)との間に回動可能に設けられ、アーム(B,B')は、ショルダージョイント(3,3')とアーム(4,4')とリストジョイント(P)を支持する前腕(6,6')とを具備し、リストジョイント(P)は、それに対してハンドルホルダー(18)が第1の回転軸線(X)を中心として連結される連結セグメント(24)と、第2の回転軸線(Z)を中心としてハンドルホルダー(18)に回動可能に連結されたハンドル(16)であって、第1の軸線(X)、第2の軸線(Z)および第3の軸線(Y)を中心として回動可能なハンドル(16)とを備え、連結セグメント(24)の回転に対する少なくとも第1の回転軸線(X)を中心とするリストジョイント(16)の回転を低速化する手段が連結セグメント(24)に対して、さらにヒンジ結合されている。
2013506564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース(２)と、二つの平行なブランチ(Ｂ,Ｂ')と、リストジョイント(Ｐ)と、を具備してなるロボットあるいは触覚インターフェース用の６自由度を有する構造体であって、前記ブランチ(Ｂ,Ｂ')は、前記ベース(２)に、一端において連結され、かつ前記リストジョイント(Ｐ)に、他端において連結された状態で設けられ、前記ブランチ(Ｂ,Ｂ')はそれぞれ、前記ベース(２)におけるショルダー(３,３')と、アーム(４,４')と、前記リストジョイント(Ｐ)における前腕(６,６')と、を具備してなり、前記前腕(６,６')は前記アーム(４,４')に対して連結されており、前記リストジョイント(Ｐ)は、連結セグメント(２４)であって、この連結セグメント(２４)に対してハンドルホルダー(１８)が第１の回転軸線(Ｘ)を中心として連結された連結セグメント(２４)と、ハンドル(１６)であって、第２の回転軸線(Ｚ)を中心として前記ハンドルホルダー(１８)に回動可能に連結されたハンドル(１６)と、を具備してなり、前記ハンドル(１６)は、前記第１の軸線(Ｘ)、前記第２の軸線(Ｚ)および第３の軸線(Ｙ)を中心として回動させることが可能であり、前記構造体はさらに、前記連結セグメント(２４)の回転に対して、少なくとも前記第１の回転軸線(Ｘ)を中心として、前記ハンドルホルダー(１８)の回転を低速化する手段を備えることを特徴とする構造体。
【請求項２】
(Ｘ),(Ｙ)および(Ｚ)のうちの少なくとも二つの軸線は直交することを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記リストジョイント(Ｐ)はまた、前記連結セグメント(２４)を前記前腕(６,６')に対して連結する二つのセグメント(２０,２２)を具備してなり、前記連結セグメント(２４)は、二つの軸線(Ｘ６,Ｘ６')を中心として前記第１および第２のセグメント(２０,２２)に回動可能に連結されており、前記二つの軸線(Ｘ６,Ｘ６')の一方は前記第１の軸線(Ｘ)と平行であり、前記セグメン(２０,２２)はそれぞれ、前記二つの軸線(Ｘ５,Ｘ５')を中心として前記前腕(６,６')に回動可能に連結されており、前記セグメント(２０,２２)は、概ね前記第２の軸線(Ｚ)上に中心が置かれた湾曲形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記前腕(６,６')の端部に保持セグメント(７,７')を備え、かつ、前記リストジョイント(Ｐ)はまた、前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')を中心として前記保持セグメント(７,７')に回動可能に連結された二つのセグメント(２０,２２)を備え、前記連結セグメント(２４)は、前記第１の軸線(Ｘ)と平行な二つの軸線(Ｘ６,Ｘ６')を中心として前記第１および第２のセグメント(２０,２２)に回動可能に連結され、前記セグメント(２０,２２)は前記第２の軸線(Ｚ)上に概ね中心が置かれた湾曲形状を有し、前記構造体はまた、前記保持セグメント(７,７')上で前記セグメント(２０,２２)の各回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')の向きを保持する手段を備え、これによって、所与の軸線(Ｘ１,Ｘ１')と、前記保持セグメント(７,７')上のセグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')のそれぞれとの間の角度は一定のままであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の構造体。
【請求項５】
前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')は、好ましくは、それぞれ、前記所与の軸線(Ｘ１,Ｘ１')と平行に保持されることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
【請求項６】
前記所与の軸線(Ｘ１,Ｘ１')は互いに平行であり、かつ、前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')は互いに平行であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記回転軸線の向きを保持するための前記手段は、変形可能な平行四辺形を備えたタイプのものであることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項８】
向きを保持するための前記手段は、各アーム(４,４')のための保持連結ロッド(１５ａ,１５ａ')と、各前腕(６,６')のための保持連結ロッド(１５ｂ,１５ｂ')と、を具備してなり、それぞれ、前記アーム(４,４')あるいは前腕(６,６')と共に、変形可能な平行四辺形を形成することを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
前記第１の軸線(Ｘ)は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')を含む平面内に存在することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１０】
前記第１の軸線(Ｘ)は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')から同じ距離にあることを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
前記第２の軸線(Ｚ)は、前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')を含む平面内に存在することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１２】
前記第１の軸線(Ｘ)は、前記保持セグメント(７,７')上の前記連結セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')から同じ距離にあることを特徴とする請求項１１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記第１の軸線(Ｘ)は前記第２の軸線(Ｚ)と一致するかあるいはそれと交差することを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１４】
前記ハンドルの前記基準把持および操作ポジションは、前記ハンドルホルダー(１８)の前記第１の回転軸線(Ｘ)と前記ハンドル(１６)の前記第２の回転軸線(Ｚ)との交点に置かれることを特徴とする請求項１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記第１の軸線(Ｘ)は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')を含む平面内に存在すると共に前記軸線(Ｘ６,Ｘ６')から等しい距離にあり、前記第１の軸線(Ｘ)はまた、前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')から等しい距離にあり、前記第１の軸線(Ｘ)は前記第２の軸線(Ｚ)と一点で交わるか交差し、前記第２の軸線(Ｚ)は、前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５') を含む平面内に存在し、かつ、前記ハンドルの基準把持および操作ポジションは、前記ハンドルホルダー(１８)の前記第１の回転軸線(Ｘ)と前記ハンドル(１６)の前記第２の回転軸線(Ｚ)との交点に存在することを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１６】
前記保持セグメント(７,７')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')および前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')は一致しかつ交差することを特徴とする請求項１５に記載の構造体。
【請求項１７】
前記連結セグメント(２４',２４'',２４''')は、ピボット連結部によって互いに連結された二つの部分へと分割され、各部分はセグメント(２０,２２)に連結されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１８】
前記ピボット連結部(４８)は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４')の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')に対して垂直であり、かつ、前記軸線(Ｘ６,Ｘ６')間に置かれることを特徴とする請求項１７に記載の構造体。
【請求項１９】
前記連結セグメント(２４'',２４''')は、第１の略Ｌ字形要素(５０)であって、その一つのブランチは、前記前腕(６,６')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')の一つと一点で交わる前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４'',２４''')の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')の一つを中心として前記セグメント(２０,２２)の一方に連結されており、かつ、前記他方のブランチは前記ハンドルホルダー(１８)と略平行である第１の略Ｌ字形要素(５０)と、第２のエルボー形状要素(５２)と、を具備してなり、前記第２の要素(５２)は、第１の端部(５２.１)において前記第１の要素(５０)に回動可能に連結され、前記第２の要素(５２)は、前記前腕(６',６)上の前記セグメント(２２,２０)の他方の回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')と一点で交わる軸線を中心として前記他方のセグメント(２２,２０)に回動可能に連結され、前記前腕(６,６')上の前記セグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')と、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４'',２４''')の前記第１の要素(５０)のおよび前記第２の要素(５２)の前記回転軸線(Ｘ６,Ｘ６')とは一点で交わり、かつ、前記第１の要素(５０)と前記第２の要素(５２)との間の前記連結軸線は前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ６)あるいは(Ｘ５',Ｘ６')と一点で交わることを特徴とする請求項１７に記載の構造体。
【請求項２０】
前記第１の軸線(Ｘ)は前記第２の軸線(Ｚ)と一致するかあるいはそれと交差することを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２１】
前記第１および第２の軸線(Ｘ)および(Ｙ)の共点ポイントは、第一に、前記セグメント(２０)に対する前記連結セグメント(２４'')の、そして前記前腕(６)に対する前記セグメント(２０)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ６)の、および、第二に、前記セグメント(２２)に対する前記連結セグメント(５２)の、そして前記前腕(６')に対する前記セグメント(２２)の前記回転軸線(Ｘ５',Ｘ６')の共点ポイントから同じ距離に配置され、かつ、前記ハンドル(１６)の把持および操作のための前記基準ポジションは、前記第１の回転軸線(Ｘ)と前記第２の回転軸線(Ｚ)との交点に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の構造体。
【請求項２２】
前記ハンドル(１６)は、その端部の一方において、前記ハンドルホルダー(１８)に連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項２１のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項２３】
前記ハンドル(１６)は、その端部の一方において、前記ハンドルホルダー(１８)に連結されており、かつ、前記連結セグメント(２４'')の前記第１(５０)および第２(５２)の要素の連結部は前記ハンドル(１６)の前記自由端部に面していることを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２４】
前記ハンドル(１６)は、その端部の一方において前記ハンドルホルダー(１８)に連結され、かつ、前記連結セグメント(２４''')の前記第１(５０)および前記第２(５２)の要素の連結部は、前記ハンドルホルダー(１８)に連結された前記ハンドル(１６)の端部に面していることを特徴とする請求項１９に記載の構造体。
【請求項２５】
前記低速化手段は、キャプスタンおよびケーブルからなることを特徴とする請求項４ないし請求項１６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項２６】
前記キャプスタンおよびケーブルは、前記セグメント(２０,２２)の一方に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された少なくとも一つの第１のプーリー(２８)であって、その軸線は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の連結軸線と一点で交わる第１のプーリー(２８)と、前記ハンドルホルダー(１８)に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第２のプーリー(３２)であって、その軸線は、前記第１の回転軸線と一点で交わる第２のプーリー(３２)と、を備え、ケーブルが前記プーリーの周囲に巻き付けられており、前記二つのプーリー(２８,３２)間の直径の比率およびケーブルウェイが、前記低速化手段の低速化比を決定するようになっていることを特徴とする請求項２５に記載の構造体。
【請求項２７】
前記キャプスタンはまた、それぞれ前記セグメント(２０,２２)の一方に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)に回転可能に設置された二つのプーリーであって、その軸線は前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の連結軸線(Ｘ６,Ｘ６')と一点で交わる二つのプーリーと、前記プーリーのそれぞれを前記ハンドルホルダー(１８)に固定された前記プーリーに結び付けるケーブルと、を具備してなることを特徴とする請求項２６に記載の構造体。
【請求項２８】
前記低速化手段はギアホイールあるいは摩擦ローラーによって形成されることを特徴とする請求項４ないし請求項１６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項２９】
前記ギアホイールあるいは摩擦ローラーは、前記セグメント(２０,２２)の一方に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された少なくとも一つの第１のギアあるいはローラー(２８)であって、その軸線が前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の連結軸線と一点で交わる第１のギアあるいはローラー(２８)と、前記ハンドルホルダー(１８)に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第２のギアあるいはローラー(３２)であって、その軸線が前記第１の回転軸線(Ｘ)と一点で交わる第２のギアあるいはローラー(３２)と、を備え、前記二つのギアあるいはローラー(２８,３２)の直径間の比率が、前記低速化手段の低速化比を決定するようになっていることを特徴とする請求項２８に記載の構造体。
【請求項３０】
前記低速化手段はキャプスタンおよびケーブルからなることを特徴とする請求項１７ないし請求項２１、請求項２３および請求項２４のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３１】
前記キャプスタンおよびケーブルは、少なくとも、前記セグメント(２０,２２)の一方に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第１のプーリー(２８)であって、その軸線は、前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の連結軸線と一点で交わる第１のプーリー(２８)と、前記ハンドルホルダー(１８)に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第２のプーリー(３２)であって、その軸線は、前記第１の回転軸線(Ｘ)と一点で交わる第２のプーリー(３２)と、を備え、ケーブルが前記プーリーの周囲に巻き付けられており、前記二つのプーリー(２８,３２)間の直径の比率およびケーブルウェイが、前記低速化手段の低速化比を決定するようになっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３０のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３２】
前記低速化手段は、ギアあるいは摩擦ローラーからなることを特徴とする請求項１７ないし請求項２１、請求項２３および請求項２４のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３３】
前記ギアあるいは摩擦ローラーは、少なくとも、前記セグメント(２０,２２)の一方に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第１のギアあるいはローラー(２８)であって、その軸線が前記セグメント(２０,２２)上の前記連結セグメント(２４)の連結軸線と一点で交わる第１のギアあるいはローラー(２８)と、前記ハンドルホルダー(１８)に対して固定されかつ前記連結セグメント(２４)上に回転自在に設置された第２のギアあるいはローラー(３２)であって、その軸線が前記第１の回転軸線(Ｘ)と一点で交わる第２のギアあるいはローラー(３２)と、を備え、前記二つのギアあるいはローラー(２８,３２)の直径間の比率が、前記低速化手段の低速化比を決定するようになっていることを特徴とする請求項３２に記載の構造体。
【請求項３４】
前記低速化比は１ないし２であることを特徴とする請求項１ないし請求項３３のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３５】
前記低速化比は、１.５に等しいか、あるいは１.５に概ね等しいことを特徴とする請求項１ないし請求項３４のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３６】
前記低速化比は、２の平方根に等しいことを特徴とする請求項３４に記載の構造体。
【請求項３７】
前記低速化比は、１.４７７１に等しいことを特徴とする請求項３４に記載の構造体。
【請求項３８】
前記第２の軸線(Ｚ)を中心として前記ハンドル(１６)を駆動できるモーター(Ｍ４)が前記ハンドルホルダー(１８)に設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３７のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項３９】
第４の軸線(Ｘ１,Ｘ１')を中心として前記ショルダー(３,３')に作用するよう前記ベース(２)によって支持された二つのモーター(Ｍ１,Ｍ１')と、第５の回転軸線(Ｘ２,Ｘ２')を中心として前記アーム(４,４')に作用するよう前記ショルダー(３,３')によって支持された二つのモーター(Ｍ２,Ｍ２')と、前記アーム(４,４')と平行な駆動連結ロッド(１４,１４')を介して、第６の軸線(Ｘ３,Ｘ３')を中心として前記前腕(６,６')に作用するよう前記ショルダー(３,３')によって支持された二つのモーター(Ｍ３,Ｍ３')と、を具備してなることを特徴とする請求項１ないし請求項３８のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項４０】
第４の軸線(Ｘ１,Ｘ１')を中心として前記ショルダー(３,３')に作用するよう前記ベース(２)によって支持された二つのモーター(Ｍ１,Ｍ１')と、第５の回転軸線(Ｘ２,Ｘ２')を中心として前記アーム(４,４')に作用するよう前記ショルダー(３,３')によって支持された二つのモーター(Ｍ２,Ｍ２')と、前記アーム(４,４')と平行な駆動連結ロッド(１４,１４')を介して、第６の軸線(Ｘ３,Ｘ３')を中心として前記前腕(６,６')に作用するよう前記ショルダー(３,３')によって支持された二つのモーター(Ｍ３,Ｍ３')と、を具備してなり、前記保持セグメント(７,７')上のセグメント(２０,２２)の前記回転軸線(Ｘ５,Ｘ５')は、前記所与の軸線を形成する第４の軸線(Ｘ１,Ｘ１')と平行であることを特徴とする請求項４ないし請求項１６のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項４１】
前記モーターのそれぞれは、そのシャフトの前記端部に慣性フライホイールを備えることを特徴とする請求項３８ないし請求項４０のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項４２】
請求項１ないし請求項４１のいずれか１項に記載の少なくとも一つの構造体を具備してなる触覚インターフェース。
【請求項４３】
請求項１ないし請求項４１のいずれか１項に記載の少なくとも一つの構造体を備えたロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行アームを持つロボットあるいは触覚インターフェース構造体に、そして、少なくともそうした構造体を備えた６自由度を持つロボットおよび触覚インターフェースに関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚インターフェースは、ユーザーに対して反作用を与えることによって、個人がバーチャル環境と相互作用することを、あるいはロボットを遠隔制御することを可能とする。
【０００３】
このインターフェースは、たいてい、手で操作される。
【０００４】
触覚インターフェースを可能な限り一般的なものとするために、全ての方向にバーチャル環境あるいは遠隔ロボットを操作できるように、並進に関する３自由度および回転に関する３自由度を伴う６自由度を与える試みがなされている。
【０００５】
特異点が生じ得る構成を、すなわち自由度の局所的消失あるいは無制御動作の出現を伴う構成を軽減するための試みもなされている。
【０００６】
最終的には、全ての方向に可能な限り最も均一な動作を与えることが望ましい。
【０００７】
ロボットあるいは触覚インターフェースの二つのタイプの構造が存在する。
・固定ベースとユーザーによって把持されるハンドルとの間に配置された複数のボディからなる単一の連結鎖からなる直列構造。この構造は大きな作業領域を提供するが、限定された動特性しか実現しない。なぜなら、各連結ボディは下流側ボディを支持するからである。
・固定ベースと、それ自体がユーザーによって操作されるハンドルを支持する可動プラットフォームとの間に配置された複数の連結ブランチからなる並列構造体。この構造は良好な動特性を実現するが、その作業スペースは制限される。
【０００８】
それぞれ、ショルダー、アームおよび前腕からなる二つの連結ブランチからなる平行構造を備えたステージを含み、これら二つのブランチは固定ベースとリストジョイント(それ自体ユーザーによって操作されるハンドルを支持する)との間に直列に配置された複合構造によって、良好な妥協案が得られる。
【０００９】
この構成は、良好な作業スペースおよび良好な動特性を実現する。
【００１０】
だが、従来技術に基づく平行あるいは複合構造体においては、回転動作は並進動作から十分に切り離されない。すなわち、純粋なあるいはほとんど純粋な回転動作が実現されない。
【００１１】
さらに、ブランチ同士の衝突のリスクによって作業スペースが制限される。
【００１２】
こうした欠点はまた、従来技術に基づくロボット構造体にも存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の一目的は、大きな作業領域を実現するロボットあるいは触覚インターフェース構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的は、ベースに連結され状態で平行に取り付けられかつリストジョイントを支持する二つのブランチを備え、リストジョイントは連結セグメントを備え、それに対してハンドルホルダーが連結され、かつ、それに対してハンドルが連結され、ハンドルは三つの直交する軸線を中心として自由に回動でき、連結セグメントに対するハンドル回転動作の増幅のための手段が設けられ、連結セグメントそれ自体がブランチに連結されている構造を用いて実現される。
【００１５】
言い換えれば、ハンドルの回転は、連結セグメントから選択的に低速化され、この結果、ブランチ同士の衝突のリスクを低減でき、かつ、作業スペースを増大させることができる。
【００１６】
有利なことには、リストジョイントの第１の回転軸線の向きを保持するためのデバイスが、当該デバイスのブランチとリストジョイントとの間に設けられ、この結果、特異点は作業スペースの外側に存在するようになる。
【００１７】
ある有利な実施形態では、回転および並進運動間の結合が低減され、あるいは排除されさえする。
【００１８】
これは、ハンドルの三つの回転軸線が一点で交わることをそれが可能とするように、リストジョイントの構成を実現することによってなされる。
【００１９】
たとえば、リストジョイントは上記構造体のブランチに連結された二つのサポートを備え、これら二つの要素は湾曲形状を有し、したがって、回転軸線の交差ポイントが置かれるゾーンを開放し、この結果、オペレータは、交差ポイントにおいてハンドルを操作することができる。
【００２０】
本発明の対象事項は、したがって、主として、ベースと、平行なブランチと、リストジョイントとを具備してなるロボットあるいは触覚インターフェース用の６自由度を有する構造体であり、ブランチは、ベースに一端において連結され、かつリストジョイントに他端において連結された状態で設けられ、ブランチはそれぞれ、ベースにおけるショルダーと、アームと、リストジョイントにおける前腕とを具備してなり、前腕はアームに対して連結されており、リストジョイントは、連結セグメントであって、この連結セグメントに対してハンドルホルダーが第１の回転軸線を中心として連結された連結セグメントと、ハンドルであって、第２の回転軸線を中心としてハンドルホルダーに回動可能に連結されたハンドルとを具備してなり、ハンドルは、第１の軸線、第２の軸線および第３の軸線を中心として回動させることが可能であり、構造体はさらに、連結セグメントの回転に対して、少なくとも第１の回転軸線を中心として、ハンドルホルダーの回転を低速化する手段を備える。
【００２１】
有利なことには、三つの軸線の少なくとも二つは直交する。
【００２２】
リストジョイントは、有利なことには、連結セグメントを前腕に連結する二つのセグメントを備え、連結セグメントは、二つの軸線を中心として、第１および第２のセグメントに回動可能に連結され、これら二つの軸線の一方は第１の軸線と平行であり、上記セグメントはそれぞれ二つの軸線を中心として前腕に回動可能に連結され、上記セグメントは湾曲形状を有し、この湾曲形状は第２の軸線上に概ね中心が置かれている。
【００２３】
第１の実施形態によれば、上記構造体は、前腕の端部に保持セグメントを備え、かつ、リストジョイントはまた、回転軸線を中心として保持セグメントに回動可能に連結された二つのセグメントを備え、連結セグメントは、第１の軸線と平行な二つの軸線を中心として第１および第２のセグメントに回動可能に連結され、セグメントは湾曲形状を有すると共に、この湾曲部分は第２の軸線上に概ね中心が置かれ、構造体はまた、保持セグメント上でセグメントの各回転軸線の向きを保持する手段を備え、これによって、所与の軸線と、保持セグメント上のセグメントの回転軸線のそれぞれとの間の角度は一定のままである。
【００２４】
保持セグメント上のセグメントの回転軸線は、有利なことには、それぞれ、上記所与の軸線に対して平行に保持される。
【００２５】
その上さらに有利なことには、所与の軸線は互いに平行であり、かつ、保持セグメント上のセグメントの回転軸線は互いに平行である。
【００２６】
回転軸線の向きを保持する上記手段は、たとえば、変形可能な平行四辺形を備えたタイプのものであってもよい。向きを保持する当該手段は、この場合、各アーム用の保持連結ロッドおよび各前腕用の保持連結ロッドを備えてもよく、それぞれ、アームあるいは前腕と共に変形可能な平行四辺形を形成する。
【００２７】
好ましくは、第１の軸線は、セグメント上の連結セグメントの回転軸線を含む平面内に存在する。
【００２８】
その上さらに好ましくは、第１の軸線は、セグメント上の連結セグメントの回転軸線から等距離にある。
【００２９】
第２の軸線は、好ましくは、保持セグメント上のセグメントの回転軸線を含む平面内に存在する。
【００３０】
第１の軸線は、その上さらに好ましくは、保持セグメント上のセグメントの回転軸線から等距離にある。
【００３１】
好ましくは、第１の軸線は第２の軸線と一点で交わり、すなわち交差する。
【００３２】
ハンドルの基準把持および操作ポジションは、有利なことには、ハンドルホルダーの第１の回転軸線とハンドルの第２の回転軸線との交点に配置可能である。
【００３３】
ある好ましい実施形態では、第１の軸線は、セグメント上の連結セグメントの回転軸線を含む平面内にありかつこれら軸線から等距離にあり、第１の軸線はまた保持セグメント上のセグメントの回転軸線から等距離にあり、第１の軸線は第２の軸線と一点で交わるか交差し、第２の軸線は保持セグメント上のセグメントの回転軸線を含む平面内にあり、かつ、ハンドルの基準把持および操作ポジションは、ハンドルホルダーの第１の回転軸線とハンドルの第２の回転軸線との交点にある。
【００３４】
保持セグメント上のセグメントの回転軸線とセグメント上の連結セグメントの回転軸線とは、有利なことには、一点で交わり、かつ、直交する。
【００３５】
第２実施形態によれば、連結セグメントは、ピボット連結部を介して互いに連結された二つの部分へと分割され、各部分はセグメントに連結される。
【００３６】
第２実施形態の第１の例によれば、ピボット連結部は、セグメント上の連結セグメントの回転軸線と直交し、かつ、当該軸線間に配置される。
【００３７】
第２実施形態の第２の例によれば、連結セグメントは、第１の略Ｌ字形要素であって、その一つのブランチは、前腕上のセグメントの回転軸線の一つと一点で交わるセグメント上の連結セグメントの回転軸線の一つを中心としてセグメントの一方に連結されており、かつ、他方のブランチはハンドルホルダーと略平行である第１の略Ｌ字形要素と、第２のエルボー形状要素とを具備してなり、第２の要素は、第１の端部において第１の要素に回動可能に連結され、第２の要素は、前腕上のセグメントの他方の回転軸線と一点で交わる軸線を中心として他方のセグメントに回動可能に連結され、前腕上のセグメントの回転軸線と、セグメント上の連結セグメントの第１の要素のおよび第２の要素の回転軸線とは、一点で交わり、かつ、連結セグメントの第１の要素と第２の要素との間の連結軸線は、前腕上のセグメントの一つの回転軸線およびセグメントの一方の上の連結セグメントの第１あるいは第２の要素の回転軸線と一点で交わる。
【００３８】
有利なことには、第１の軸線は第２の軸線と一点で交わり、すなわち交差する。
【００３９】
ある好ましい変形例では、第１および第２の軸線の共点ポイントは、第一に、セグメントに対する連結セグメントの第１の要素の、そして前腕に対するセグメントの回転軸線の、および、第二に、セグメントに対する連結セグメントの第２の要素の、そして前腕に対するセグメントの回転軸線の共点ポイントから同じ距離に配置され、かつ、ハンドルの把持および操作のための基準ポジションは、第１の回転軸線と第２の回転軸線との交点に配置される。
【００４０】
実施形態に関係なく、ハンドルは、その端部の一方において、ハンドルホルダーに連結されてもよい。
【００４１】
第２実施形態の第２の例によれば、連結セグメントの第１および第２の要素の連結部はハンドルの自由端部に面していてもよい。変形例として、連結セグメントの第１および第２の要素の連結部は、ハンドルホルダーに連結されたハンドルの端部に面していてもよい。
【００４２】
低速化手段は、有利なことには、キャプスタンおよびケーブルからなる。
【００４３】
たとえば、キャプスタンおよびケーブルは、セグメントの一方に対して固定されかつ連結セグメント上に回転自在に設置された少なくとも一つの第１のプーリーであって、その軸線は、セグメント上の連結セグメントの連結軸線と一点で交わる第１のプーリーと、ハンドルホルダーに対して固定されかつ連結セグメント上に回転自在に設置された第２のプーリーであって、その軸線は、第１の回転軸線と一点で交わる第２のプーリーとを備え、ケーブルがプーリーの周囲に巻き付けられており、二つのプーリー間の直径の比率およびケーブルウェイが、低速化手段の低速化比を決定する。
【００４４】
第１実施形態に特に良く適合させられたある変形例においては、キャプスタンはまた、セグメントの一方に対してそれぞれ固定されかつ連結セグメントに回動自在に設置された二つのプーリーを備え、その軸線は上記セグメント上の連結セグメントの連結軸線と一点で交わり、ケーブルが当該プーリーのそれぞれをハンドルホルダーに固定されたプーリーと結び付けている。
【００４５】
別な実施形態においては、低速化手段はギアホイールあるいは摩擦ローラーによって形成される。ギアホイールあるいは摩擦ローラーは、セグメントの一方に対して固定されかつ連結セグメント上に回転自在に設置された少なくとも一つの第１のギアあるいはローラーであって、その軸線がセグメント上の連結セグメントの連結軸線と一点で交わる第１のギアあるいはローラーと、ハンドルホルダーに対して固定されかつ連結セグメント上に回転自在に設置された第２のギアあるいはローラーであって、その軸線が第１の回転軸線と一点で交わる第２のギアあるいはローラーとを備えることができ、二つのギアあるいはローラーの直径間の比率が、低速化手段の低速化比を決定する。
【００４６】
有利なことには、低速化比は１ないし２である。低速化比は１.５に等しいかあるいは概ね１.５に等しい。その上さらに有利なことには、低速化比は２の平方根に等しく、あるいは低速化比は１.４７７１に等しい。
【００４７】
有利なことには、第２の軸線を中心としてハンドルを駆動できるモーターが、ハンドルホルダーに組み込まれる。
【００４８】
本発明に基づく構造体は、第４の軸線を中心としてショルダーに作用するようベースによって支持された二つのモーターと、第５の回転軸線を中心としてアームに作用するようショルダーによって支持された二つのモーターと、アームと平行な駆動連結ロッドを介して第６の軸線を中心として前腕に作用するようショルダーによって支持された二つのモーターとを備えることができる。
【００４９】
モーターのそれぞれは、有利なことには、そのシャフトの端部に慣性フライホイールを備える。
【００５０】
本発明の別な対象事項は、本発明に基づく少なくとも一つの構造体を備えた触覚インターフェースである。
【００５１】
本発明の別な対象事項は、本発明に基づく少なくとも一つの構造体を備えたロボットである。
【００５２】
本発明は、以下の説明ならびに図面から、より明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】本発明に基づく構造体の第１実施形態の斜視図である。
【図１Ｂ】図１におけるそれと同一の図であり、その内部機構が分かるようにロボットのアームおよび前腕は断面で示されている。
【図２Ａ】図１Ａの構造体におけるリストジョイントの拡大図である。
【図２Ａｂｉｓ】図１Ａの構造体のリストジョイントの第１の変形例の斜視図である。
【図２Ａｔｅｒ】図１Ａの構造体におけるリストジョイントの第２の変形例の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのハンドルホルダーおよびハンドルの拡大図であり、ハンドルの内部機構が分かるように、いくつかの部品が断面で示されている。
【図３】本発明に基づく構造体の第２実施形態の斜視図である。
【図４】第２実施形態の変形例の斜視図である。
【図５】第２実施形態の別な変形例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本明細書において、軸線は、それらが交差する場合に、「一点で交わる(共点)」と呼ばれる。
【００５５】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明に基づく触覚インターフェースあるいはロボット構造体１００の好ましい実施形態を示している。
【００５６】
構造体１００は、ベース２と、平行な二つのブランチＢ,Ｂ'と、リストジョイントＰとを備える。
【００５７】
以下の説明では、いくつかの要素を、分かりやすさのために人体に対応する用語によって指し示すが、これらの要素はロボット構造体の場合に概ね同等の機能を発揮する。
【００５８】
図示する実施例における剛体プレートからなるフレームによって形成されたベース２は、たとえば作業テーブルに対して固定されるよう設計される。
【００５９】
二つのブランチは概ね同一あるいは対称であるので、ブランチＢのみを詳しく説明する。
【００６０】
ブランチＢは、軸線Ｘ１を中心としてベース２にその端部３.１の第１のものにおいて連結されたショルダー３と、このショルダー３の第２の端部３.２にその端部４.１の第１のものにおいて軸線Ｘ２を中心に連結されたアーム４と、このアーム４の第２の端部４.２にその端部６.１の第１のものにおいて軸線Ｘ３を中心として連結された前腕６と、この前腕６の第２の端部６.２にその端部７.１の第１のものにおいて軸線Ｘ４を中心として連結された保持セグメント７とを具備してなる。
【００６１】
軸線Ｘ１およびＸ２は非平行であり、直交するのが有利である。Ｘ２,Ｘ３およびＸ４軸線は、平行であるのが有利である。
【００６２】
リストジョイントＰが、保持セグメント７の第２の長手方向端部７.２に連結された状態で設けられる。
【００６３】
構造体１００は、ブランチＢ,Ｂ'を変位させ、かつ、触覚インターフェースの場合には反力を提供するために、ベース２とリストジョイントＰとの間に作動手段８を備える。
【００６４】
これらの手段８は、ブランチＢの連結部とブランチＢ'の連結部との間に割り当てられかつ類似しているので、ブランチＢに設けられた手段８.１についてのみ詳しく説明する。
【００６５】
作動手段８.１は、図１Ａにおいて概ね水平であるＸ１軸線を中心としてベースに対するショルダー３の回転動作を与えるか、あるいはその回転動作に抗することができる第１の電気モーターＭ１を備える。
【００６６】
ショルダー３に対するモーターＭ１のシャフトの回転は、モーターＭ１のシャフトに対して回転方向に固定されたプーリーによってキャプスタンおよびケーブル原理に基づいて駆動される角セクターＳ１を介して伝達され、この角セクターＳ１はショルダー３に対して固定される。
【００６７】
このデバイスは、当業者には公知であり、図を分かりやすくするために、ケーブルは示していない。
【００６８】
有利なことには、モータープーリーは、ロボットあるいは触覚インターフェースの作動中に、ケーブル把持を改善しかつそれを良好にガイドするために螺旋表面を有する。
【００６９】
だが、これらのプーリーは明らかに滑らかであってもよい。
【００７０】
同様に、かつ、有利なことには、たとえばリターンピンおよびスプリングを用いて、ケーブルの遊びを補償する手段を、セクターＳ１に、本明細書の残りの部分において説明する角セクターに組み込むことができる。このタイプのデバイスは当業者には公知であり、詳細な説明は省略する。
【００７１】
作動手段８.１はまた、ショルダー３に対してアーム４を動作させるよう、あるいは軸線Ｘ２を中心とした、その変位に抗するよう設計された第２のモーターＭ２を備える。
【００７２】
モーターＭ２は、ショルダー３の一部を形成するプレート１２上に設置されており、したがってモーターＭ２は、モーターＭ１が作動させられたとき変位させられる。
【００７３】
モーターＭ１と同様、モーターＭ２のシャフトの回転は、キャプスタンおよびケーブル型デバイスを用いて、モーターＭ２のシャフトによって駆動されるセクターＳ２を介してアーム４へと伝達される。
【００７４】
作動手段８.１はまた、Ｘ２軸線と平行なＸ３軸線を中心として、アーム４とは別個に、前腕６を動作させるよう設計された第３のモーターＭ３を備える。モーターＭ１およびＭ２と同様、モーターＭ３のシャフトに連結されたプーリーＭ３.１(図１Ｂにおいて認識可能)の回転動作あるいは抗トルクは、キャプスタンおよびケーブル型デバイスを介して、ショルダー３に対してＸ２軸線を中心として回動可能に連結された角セクターＳ３へと伝達される。図を分かりやすくするために、セクターＳ３およびプーリーＭ３.１を通過するケーブルは示しておらず、別なモーターに接続された別な作動デバイスのケーブルも図示していない。
【００７５】
この回転動作は連結ロッド１４を介して前腕へと伝達されるが、その端部１４.１の一方は、回転連結部Ｓ３.１を介してセクターＳ３に連結され、そして他端１４.２は、回転連結部６.３を介して前腕に連結され、駆動連結ロッド１４はアーム４と平行なままであり、アーム４と共に変形可能な平行四辺形を形成する。
【００７６】
このデバイスは、当業者には公知であり、本明細書では詳しい説明を省略する。
【００７７】
図１Ｂから分かるように、図示する実施形態においては、そして特に有利なことには、ブランチＢは、ベース２とショルダー３との間の回転連結部のＸ１軸線に対して一定の向きで、そして特に有利なことには、この軸線と平行に、セグメント７とリストジョイントＰとの間の回転連結部のＸ５軸線を維持するよう設計された連結ロッド１５ａ,１５ｂのセットを備える。
【００７８】
連結ロッド１５ａの第１の端部１５ａ.１は、一端１２.１においてショルダー３のプレート１２に対してＸ２と平行な軸線を中心として回動可能に連結される。
【００７９】
連結ロッド１５ａの第２の端部１５ａ.２は、アーム４および前腕６に対して、それ自体Ｘ３軸線を中心として連結された伝達部分１１５の第１の端部１１５.１を中心とするＸ３と平行な軸線を中心として回転可能に連結されている。連結ロッド１５ｂの第１の端部１５ｂ.１は、伝達部分１１５の第２の端部１１５.２を中心とするＸ３と平行な軸線を中心として回転可能に連結される。連結ロッド１５ｂの第２の端部１５ｂ.２は、保持セグメント７の一端７.３を中心とするＸ４軸線と平行な軸線を中心として回転可能に連結されている。
【００８０】
したがって、これら連結部の全ての軸線はＸ３軸線と平行であり、かつ、軸線Ｘ４と、セグメント７の端部７.３および連結ロッド１５ｂの１５ｂ.２とをつなぐ連結軸線との間の、Ｘ３軸線と、連結ロッド１５ｂの端部１５ｂ.１と伝達部１１５の１１５.２とをつなぐ連結軸線との間の、Ｘ３軸線と、連結ロッド１５ａの端部１５ａ.２と伝達部１１５の１１５.１とをつなぐ連結軸線との間の、そしてＸ２軸線と、連結ロッド１５ａの端部１５ａ.１とプレート１２の１２.１とをつなぐ連結軸線との間の距離は等しく、これによって、第一には、プレート１２、連結ロッド１５ａ,伝達部１１５およびアーム４から、そして第二には、伝達部１１５、連結ロッド１５ｂ、セグメント７および前腕６からなるアセンブリは、Ｘ５およびＸ１軸線間の角度を一定に維持する二つの平行四辺形を一列に形成する。
【００８１】
有利なことには、Ｘ１およびＸ５軸線は平行状態で維持される。
【００８２】
ブランチＢ'の作動手段８.２は手段８.１と同じものである。
【００８３】
それらは、軸線Ｘ１'を中心としてベース２に対してショルダー３'を動作させるかあるいはその変位に抗するモーターＭ１'と、軸線Ｘ２'を中心としてショルダー３'に対してアーム４'を動作させるかあるいはその変位に抗するモーターＭ２'と、アーム４'、セクターＳ３'、駆動連結ロッド１４'、そして軸線Ｘ３'および連結部６.３'間に配置された前腕６'の一部からなる平行四辺形型デバイスを介して、軸線Ｘ３'を中心としてアーム４'に対して前腕６'を動作させるかあるいはその変位に抗するモーターＭ３'とを備える。
【００８４】
ブランチＢ'の軸線Ｘ１'およびＸ５'間の角度を維持する手段もまた、ブランチＢにおけるそれと同じものである。
【００８５】
第一に、プレート１２'、連結ロッド１５ａ'、伝達部分１１５'およびアーム４'から、そして第二に、伝達部分１１５'、連結ロッド１５ｂ'、セグメント７'および前腕６'からなるアセンブリは、Ｘ５'およびＸ１'軸線間の角度を一定に保持する二つの平行四辺形を直列に形成する。
【００８６】
有利なことには、Ｘ１'およびＸ５'軸線は平行に保持される。
【００８７】
したがって、Ｘ１およびＸ１'軸線は有利なことには平行であるので、Ｘ５およびＸ５'はまた有利なことには平行である。
【００８８】
さらに有利なことに、駆動連結ロッド１４,１４'およびセグメント７,７'の向きを保持する連結ロッド１５ａ,１５ｂ,１５ａ',１５ｂ'は、アームおよび前腕のボディを形成するチューブ４４,４６,４４',４６'内で案内され、これによって、デバイスをより信頼性に優れたものとすることができる。なぜなら、アーム、前腕および連結ロッド間で指を捕らえることによる損傷のリスクが低減されるからである。
【００８９】
さらに、ブランチＢの作動手段Ｍ１,Ｍ２,Ｍ３およびブランチＢ'の作動手段Ｍ１',Ｍ２',Ｍ３'および以下で説明するハンドルのアクチュエータＭ４は、その回転を、したがって、適切な制御応答を実現するために、それらが駆動するか、あるいはそれらが抗するセグメントの動きを計測するよう設計された計測デバイスすなわちセンサーＭ１ｂ,Ｍ２ｂ,Ｍ３ｂ,Ｍ１ｂ',Ｍ２ｂ',Ｍ３ｂ',Ｍ４ｂを備える。
【００９０】
明らかに、ブランチを作動させるセクターへのモーターの回転伝達は、その他の適切な手段、たとえば、ギア、ベルトあるいは摩擦ローラーシステムによって伝達可能である。
【００９１】
明らかに、動作は、たとえば電気ＤＣモーター、オートパイロット同期モーター、非同期モーターといった何らかのタイプの適切なモーターによって、あるいは空気圧または油圧アクチュエータによってさえ実現可能である。
【００９２】
ユーザーの動きに抗するために、たとえばパウダーブレーキ、電気あるいは磁気レオロジー流体ブレーキあるいはディスクブレーキなどの制動システムもまた使用可能である。
【００９３】
モーターはまた、ロボットの異なる軸線上でブレーキと組み合わされてもよい。この種の組み合わせは当業者には公知であり、本明細書では詳しい説明を省略する。
【００９４】
明らかに、モーター動作の計測のためのデバイスは、たとえば、光学コーダー、ポテンショメーター、ホール効果センサー、磁気光学センサーなどの、いかなる好適なタイプのものであってもよい。
【００９５】
これらのタイプのいずれか一つの計測デバイスはまた、ベース２とショルダー３,３'との間のＸ１,Ｘ１'軸線に沿って、ショルダー３,３'とアーム４,４'との間のＸ２,Ｘ２'軸線に沿って、アーム４,４'と前腕６,６'との間のＸ３,Ｘ３'軸線に沿って、連結部に直に組み込むことができ、これら計測デバイスは、モーターＭ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ１',Ｍ２',Ｍ３'のそれに取って代わるか、あるいはそれに対する付加である。
【００９６】
有利なことには、その計測制御の安定性を改善するために、したがってロボットあるいは触覚インターフェースの力の効率を改善するために、フライホイールがモーターシャフトに設けられる。
【００９７】
以下、本発明に基づくリストジョイントＰについて詳しく説明する。
【００９８】
リストジョイントＰは、保持セグメント７および７'の端部７.２および７.２'に連結された状態で設けられる。
【００９９】
さらに詳しくは、リストジョイントＰは、Ｘ４,Ｘ４'軸線それぞれと非平行で、そして有利なことには、それと直交する、軸線Ｘ５,Ｘ５'それぞれを中心として端部７.２および７.２'において回動自在に設けられる。
【０１００】
リストジョイントＰは、触覚インターフェースの場合にそれをオペレータが把持するためのハンドル１６と、その上にハンドル１６が設けられるハンドルホルダー１８と、その上にハンドルホルダー１８が設けられる連結セグメント２４と、保持セグメント７,７'に対して連結セグメント２４を連結するための二つのセグメント２０,２２とを備える。
【０１０１】
ロボットの場合、外界と相互作用する部分、たとえば、クリップあるいは吸引カップなどの把持手段もまたハンドルと呼ばれる。
【０１０２】
ハンドルは、考えられる用途、たとえば、ゲーム、特に、組み立て、メンテナンス、あるいは技術的スキルのあるいはワークステーションにおけるトレーニングのためのシュミレーションデバイス、たとえば原子力分野、航空宇宙分野、あるいは医療分野における遠隔操作、遠隔動作あるいは遠隔移動に依存して、ペン、ジョイスティック、ボール、クリップなどであってもよい。
【０１０３】
ハンドル１６は、三つの軸線Ｘ,ＹおよびＺを中心として自由に回動可能である。
【０１０４】
図示する例では、Ｚ軸線はハンドルの軸線と一致し、かつ、図２Ａにおいては垂直である。
【０１０５】
ＸおよびＹ軸線は、二つのブランチ間の二つの保持セグメント７,７'間に置かれたＺ軸線と有利なことには直交する平面内に含まれる。
【０１０６】
Ｘ軸線は、それを中心として連結セグメント２４がセグメント２０,２２に対して連結される二つの回転軸線Ｘ６,Ｘ６'間の中間ゾーンに配置される。
【０１０７】
Ｙ軸線は、それを中心として各セグメント２０,２２が保持セグメント７,７'に対して連結される二つの軸線Ｘ５,Ｘ５'間の中間ゾーンに配置される。
【０１０８】
図２Ａおよび図２Ｂは、図１のリストジョイントの細部を示している。図２Ａ bisおよび図２Ａ terは、リストジョイントの変形実施形態を示している。
【０１０９】
図２Ａにおいて、保持セグメント２４は、保持セグメント７,７'に連結された端部と対向する、セグメント２０,２２の二つの端部２０.２,２２.２を連結するプレートの形態であり、そしてハンドルホルダーはＬ字形であり、かつ、連結セグメント２４から片持ち状態で突き出して設けられており、そしてハンドルはその端部に搭載されている。
【０１１０】
図２Ａに示す実施形態において、Ｌ字形部分２６は、Ｚ軸線と概ね直交するブランチを備え、かつ、ハンドルは、その長手方向端部１６.１の一つによって、Ｌ字形部分の第２のブランチに連結されている。
【０１１１】
連結セグメント２４は、セグメント２０,２２の端部２０.２,２２.２に対して、二つのピボット連結部によって、二つの回転軸線Ｘ６,Ｘ６'を中心として連結状態で設けられている。
【０１１２】
Ｌ字形部分２６は、Ｘ６およびＸ６'軸線の二つのピボット連結部間で、有利なことには、これらの軸線から中間距離にて、連結セグメントにＸ軸線を中心として回動可能に連結された小ブランチ２６.１を備える。
【０１１３】
有利なことには、ハンドル１６は、Ｌ字形部分の大ブランチ２６.２の自由端部に設けられ、この結果、オペレータは、自身の手全体あるいは指でハンドルを容易に把持できる。
【０１１４】
明らかに、ハンドルおよびハンドルホルダーアセンブリが平坦なＴ部分を形成することが可能であり、このＴのスタンドは連結セグメント２４に対して直交しかつ連結セグメント２４に回動可能に連結される。
【０１１５】
本発明によれば、低速化比は、Ｘ軸線を中心とするハンドルホルダー１８およびハンドル１６アセンブリの回転と、Ｘ６,Ｘ６'軸線を中心とするセグメント２０,２２に対する連結セグメント２４の回転動作との間に導入され、これによって、軸線Ｘを中心とするハンドルの回転は、セグメント２０,２２を連結する連結セグメント２４の回転に対して増幅される。
【０１１６】
回転運動における、この低速化は、互いの端部に接近する二つのブランチＢ,Ｂ'の動作を制限でき、一方、ハンドルの大きな広がりの、さらに詳しくはＸ軸線を中心とする回動を可能とする。
【０１１７】
それゆえ、衝突のリスクは低減され、そして回転動作の広がりが増大するので、作業スペースがより大きなものとなる。
【０１１８】
さらに、制御速度、力および剛性に関する回転特性が改善されかつ均一なものとなる。
【０１１９】
図示する実施形態では、低速化はキャプスタンおよびケーブル型システムによって実現される。
【０１２０】
低速化システムは、その端部２０.２においてセグメント２０に対して固定された第１のプーリー２８を備える。連結セグメント２４はＸ６軸線を中心として自由に回転でき、かつ、それはプーリー２８に対して回転する。第２のプーリー３２がハンドルホルダー１８のＬ字形部分２６に対して固定され、かつ、それは連結セグメント２４に対してＸ軸線を中心としてＬ字形部分２６と共に回転する。ケーブルＣ１はプーリー２８および３２をつなぐ。自由ケーブルＣ１ａの第１の部分は、プーリー３２に対してその端部の一方において固定され、一方、他端はプーリー２８へと延びる。ケーブルは続いて、プーリーとケーブルとの間の滑りを抑えるために、プーリー２８上に数回巻き付けられる。この巻き付けは分かりやすくするために図示していない。プーリー２８は有利なことには、ケーブルの把持を改善するために螺旋面を備える。ケーブル部分Ｃ１ａおよびＣ１ｂは、構造体の例証的実施形態においては交差している。
【０１２１】
最後に、自由ケーブルＣ１ｂの第２の部分は、その端部の一方におけるプーリー２８からプーリー３２へと延び、それは、プーリー３２に対してその他方の端部において取り付けられる。したがって、プーリーの一方に対するケーブルの動きは別なプーリーの回転を引き起こす。
【０１２２】
明らかに、モーターＭ１,Ｍ２,Ｍ３,Ｍ１',Ｍ２',Ｍ３'のプーリーのように、プーリー２８は平滑であってもよく、以下で説明するプーリー３８も同様である。同じように、セクターＳ１,Ｓ２,Ｓ３,Ｓ１',Ｓ２',Ｓ３'におけるように、たとえばリターンピンおよびスプリングを使用する、ケーブルの遊びを補償するための手段は、有利なことには、以下で説明するプーリー３２およびプーリー３６に導入されてもよい。このタイプのデバイスは当業者には公知であり、本明細書では詳しい説明を省略する。
【０１２３】
二つのプーリーの動作の比率は、その直径間の比率に依存する。この場合、連結セグメントがＸ６,Ｘ６'軸線を中心としてセグメント２０,２２に対して回動するとき、ケーブルのストランドの一方はプーリー２８の周囲に巻き付き、他方はそこから巻き戻される。
【０１２４】
ケーブルは、続いて、プーリー３２を、したがってハンドルホルダー１８をＸ軸線を中心として駆動する。同様に、ユーザーがハンドルをＸ軸線を中心として回転させるとき、プーリー３２は連結セグメント２４に対して回転駆動される。この動きはプーリー２８へとケーブルＣ１によって伝達され、そして連結セグメント２４はＸ６,Ｘ６'軸線を中心としてセグメント２０,２２に対して回動させられる。
【０１２５】
部分３０は、その端部２２.２においてセグメント２２に対して固定される。図２Ａに示す実施形態において、この部分は、連結セグメント２４とセグメント２０との間にプーリー２８を導入したことによって生じる、連結セグメント２４とセグメント２２との間のオフセットを埋めるためにのみ使用される。
【０１２６】
ケーブルＣ１をプーリー３２と部分３０との間に配置することも可能であろう。
【０１２７】
この場合、有利なことには、この部分でのケーブルの把持を改善するために、部分３０にネジ山を形成することも可能であろう。
【０１２８】
システムをバランスさせるために、ケーブルＣ１のストランドの一方をプーリー２８とプーリー３２との間に配置し、かつ、他方のストランドをプーリー３２と部分３０との間に配置することも可能であろう。
【０１２９】
最後に、デバイスを強化するために、かつ、ケーブルを二重にすることによって容量および剛性を改善するために、プーリー２８とプーリー３２との間にケーブルを、そしてプーリー３２と部分３０との間の第２のケーブルを配置することが可能であろう。
【０１３０】
低速化比は、有利なことには、ブランチＢ,Ｂ'間の衝突を制限するためにハンドルの動作が連結セグメント２４の動作よりも大きくなるように、かつ、全ての方向に、そして作業スペースの全ての向きに、回転に関するスレービング剛性が可能な限り均一であるように選択される。
【０１３１】
増幅比、すなわちＸ軸線を中心とするハンドルホルダー１８およびハンドル１６の回転角と、Ｘ６,Ｘ６'軸線を中心とする連結セグメント２４の回転角との間の比は、好ましくは１ないし２である。
【０１３２】
増幅比のこうした値は、全ての方向における、そしてまた、作業スペースの全ての向きにおける、回転に関する均一なスレービング剛性に帰着し得る。
【０１３３】
さらに好ましくは、この比は１.５付近であるか、あるいは１.５に等しい。それは、好ましくは、２の平方根すなわち１.４７７１に等しくてもよい。
【０１３４】
増幅比はまた、ケーブルのルートに依存する。図２Ａ bisは、それゆえ、ケーブルの二つのストランドＣ１ａおよびＣ１ｂが交差しないデバイスの変形例を示している。この場合、異なる増幅比が実現される。
【０１３５】
低速化はまた、ベルトあるいはギアシステムによってなされてもよい。図２Ａ terは、ギアあるいは摩擦ローラーを使用する増幅デバイスの変形例を示している。第１のギアあるいはローラー２８は、それが固定されるセグメント２０の端部２０.２に対して固定される。第２のギアあるいはローラー３２は、それが固定されるハンドルホルダー２６のブランチ２６.１に対して固定される。連結セグメント２４は、Ｘ６軸線を中心としてギア２８およびセグメント２０に対して、そしてＸ軸線を中心としてギア３２およびハンドルホルダー２６に対して回転する。ギア２８および３２のハンドルの係合(分かりやすくするために図２Ａ terには示していない)あるいは摩擦によるローラー２８および３２の同調化は増幅動作を生み出す。
【０１３６】
選択された機構のタイプに依存して、プーリーあるいはギアあるいはローラーの半径の比およびケーブルのルートあるいはギア歯の数は、１よりも小さいか、あるいは１よりも大きな、さまざまな増幅比をもたらす。
【０１３７】
図示する例では、回転はＸ軸線を中心として低速化される。Ｙ軸線を中心とした低速化は、Ｘ軸線を中心としたステップダウンギアに対してあるいはＸ軸線を中心とするステップダウンギアの代わりに、Ｙ軸線を中心としたステップダウンギアを付加することによって実現できる。
【０１３８】
たとえば、Ｙ軸線を中心とする回転は、保持セグメント７,７'間にＸ５,Ｘ５'軸線を中心として回動可能に連結セグメント２４を配置することによって、そして連結セグメント２４の中心にセグメント２０に類似したセグメントを設けることによって低速化でき、セグメント２０は、この場合、おそらく、連結セグメント２４に対して、Ｙ軸線を中心として回転する。
【０１３９】
ハンドルホルダー１８は、セグメント２０の自由端部２０.２に続いて設置され、セグメント２２はもはやこの例では存在しない。プーリー２８に類似のプーリーが保持セグメント７に対して固定され、かつ、プーリー３２に類似のプーリーがセグメント２０に対して固定される。ケーブルＣ１に類似のケーブルが、プーリー２８に類似のプーリーとプーリー３２に類似のプーリーとの間に配置され、そして、Ｙ軸線を中心とするセグメント２０の回転動作が、Ｘ５,Ｘ５'軸線を中心とする連結セグメント２４の回転動作に対して増幅されることを確実なものとする。モーターは、セグメント２０の端部２０.２近傍にあるいはそこに設置され、そしてＸ軸線を中心として、プーリー３２を、したがってハンドルホルダー１８およびハンドル１６を直接駆動するが、これは、Ｘ６軸線と一点で交わる。この同調化は、たとえば、キャプスタンおよびケーブル、ギア、ベルトあるいは摩擦ローラーなどの、適切な手段によって実現できる。
【０１４０】
同様に、Ｙ軸線を中心とする増幅動作は、別な適当な手段によって、たとえば、ギア、ベルトあるいは摩擦ローラーなどによって行うことが可能である。
【０１４１】
有利なことに、Ｚ軸線を中心とするハンドル１６の動きは、ハンドルホルダー１８に搭載されたモーターＭ４によって制御可能である。
【０１４２】
図示する例では、モーターＭ４は、小ブランチ２６.１に沿ってＬ字形部分２６内に収容されている。
【０１４３】
モーターＭ４の回転はケーブルＣ２(それを認識できるように断面でＬ字形部分２６が示されている図２Ｂに示す)およびハンドル１６に対して回転方向に固定されたプーリー３６によって、ハンドル１６へと伝達される。
【０１４４】
ケーブルＣ２は、その端部の一方においてプーリー３６に対して固定されかつその他方の端部においてモーターＭ４からの出力シャフトに対して固定されたプーリー３８まで延びている第１の自由部分Ｃ２Ａを備える。ケーブルＣ２は、ケーブルとプーリーとの間のスリップを抑えるために、プーリー３８の周囲で何度か旋回している。最後に、ケーブルＣ２ｂの第２の自由端部は、その他方の端部においてそれが固定されたプーリー３６へとその端部の一方においてプーリー３８から延びている。
【０１４５】
したがって、モーターの動作はハンドルへと伝達され、そしてハンドルの動作はモーターへと伝達される。
【０１４６】
こうした動作は、プーリー３６および３８の直径間の比と等しい比によって増幅される。
【０１４７】
このタイプのキャプスタンおよびケーブルデバイスは当業者には公知であり、本明細書では詳しい説明は省略する。
【０１４８】
モーターＭ４をリストジョイントから距離を置いて設置することが可能であり、この場合、搭載質量が低減されるが、ハンドルの遠隔作動のためにトランスミッションシステムを設ける必要がある。
【０１４９】
特に有利なことには、Ｘ軸線はＸ６およびＸ６'軸線を含む平面内に配置される。さらに好ましくは、Ｘ軸線はＸ６およびＸ６'軸線から等距離にある。その上さらに好ましくは、Ｚ軸線およびＸ軸線は一点で交わる。Ｘに関する分離が改善される。
【０１５０】
やはり有利なことには、Ｚ軸線はＸ５およびＸ５'軸線を含む平面内に配置される。その上さらに好ましくは、Ｘ軸線はＸ５およびＸ５'軸線から等距離にある。Ｙに関する分離が改善される。
【０１５１】
やはり、そしてより好ましくは、ハンドルの把持領域が、Ｘ５およびＸ５'軸線およびＸ６およびＸ６'軸線の両方から等距離で、ＸおよびＺ軸線の交差ポイントに置かれるならば、得られる結果は非常に良好な回転および並進動作間の分離であり、この結果、ほとんど純粋な回転あるいは並進運動を得ることができる。
【０１５２】
有利なことには、Ｘ５'およびＸ６'軸線と同様に、Ｘ５およびＸ６軸線がそれぞれ一点で交わりかつ直交することも可能である。この結果、ハンドルは、図２Ａにおける垂直位置に対応するその基準形態にあるとき、第一に、Ｘ５,Ｘ６およびＺ軸線が、そして第二に、Ｘ５',Ｘ６'およびＺ軸線が一点で交わる。
【０１５３】
さらに有利なことには、ＸおよびＺ軸線は直交する。
【０１５４】
この構造はロボットのモード、特に、これによって計算が簡単かつ素早くなる、直接および逆ジオメトリック、動力学的、静的、および動的モードを簡素化できる。計算の頻度は高いので、モーターを制御するコントローラーの動作およびロボットあるいは触覚インターフェースの性能は改善される。これはまた、構造体における内部動作を簡素化するが、これはユーザーに対する障害を低減する。
【０１５５】
図１Ａおよび１Ｂに示す例では、軸線は、サポートセグメント７,７'の端部７.２,７.２'に対して連結セグメント２４を連結するセグメント２０,２２の特殊な形状によって、一点で交わるようになされる。
【０１５６】
したがって、セグメント２０,２２は９０°で湾曲しており、これは、Ｘ５およびＸ６軸線ならびにＸ５'およびＸ６'軸線がそれぞれ一点で交わりかつ直交状態となることを容易なものとする。
【０１５７】
セグメント２０,２２の湾曲はまた、Ｘ,Ｙ,Ｚの共点ポイントが置かれる保持セグメント７,７'の端部に配置されたゾーンを障害物の存在しない状態とすることができ、この結果、ハンドル１６およびユーザーの手を、この位置に収めることができる。
【０１５８】
図３は、Ｘ５,Ｘ５'軸線の向きは一定に維持されない、本発明に基づく構造体２００の実施形態を示している。
【０１５９】
したがって、図３のデバイスは、平行四辺形型の変形可能な保持手段を含んでいない。他方、モーターＭ３,Ｍ３'による前腕６,６'の動作は、依然として、構造体１００の場合と同様に、かつ、本明細書では説明しない構造体１００と同じ原理に基づいて作動平行四辺形によって実現される。したがって、ブランチの構造は簡素化される。
【０１６０】
Ｘ５およびＸ６軸線ならびにＸ５'およびＸ６'軸線それぞれの相対的な向きの変化を可能とするために、回転自由度が連結セグメント２４において付加される。
【０１６１】
この場合、ハンドル１６の回転軸線Ｘ,Ｙ,Ｚはもはや、ハンドルが並進あるいは回転動作させられたとき、必ずしも、軸線Ｘ５およびＸ６ならびにＸ５'およびＸ６'との共点条件および／または上述したそれらに対する距離とは関係がない。
【０１６２】
図３は、この自由度を生み出すことができる例証的実施形態を示している。
【０１６３】
したがって、ピボット連結部４８が、Ｘ６,Ｘ６'軸線のピボット連結部間に配置された連結セグメント２４'の二つの部分２４ａ'および２４ｂ'間に形成される。
【０１６４】
この場合、連結セグメント２４'の回転に対するハンドルホルダー１８およびハンドル１６アセンブリの回転増幅機構は、連結セグメント２４'(たとえば図３における２４ａ')の唯一つの側に設けられる。ブランチＢ,Ｂ'間の衝突は依然として制限され、そして、特異点は、もはや、より大きな配向値に関して生じない。
【０１６５】
図４は、第２実施形態に基づく構造体３００の有利な変形実施形態を示しており、ここでは、連結セグメント２４''はハンドル１６の下方で湾曲部分５０によって延在させられており、かつ、部分５０の形状に対応する湾曲形状を備えたセグメント５２がセグメント５０の部分の上に載置されている。セグメント５２は、セグメント５０の部分に、その端部５２.１の第１のものにおいて、そしてその端部の他方においてセグメント２２に、Ｘ６'軸線を中心として、回動可能に連結された状態で設置される(回転軸線は、ハンドルが垂直に示されている基準形態においてＺ軸線と一点で交わる)。セグメント２２は、Ｘ５'軸線を中心として、ブランチＢ'の前腕に対して回動自在に連結された状態で設置される。有利なことには、セグメント５２とセグメント２２との間の回転連結軸線Ｘ６'は、Ｘ５'軸線およびグメント５０とセグメント５２との間の連結軸線と一点で交わる。さらに好ましくは、Ｘ５'およびＸ６'軸線は直交し、かつ、Ｘ６'軸線およびセグメント５０の部分とセグメント５２との間の連結軸線もまた直交する。
【０１６６】
図４はまた、連結セグメント２４'が、Ｘ６軸線を中心としてセグメント２０に回動可能に連結され、セグメント２０それ自体はＸ５軸線を中心としてブランチＢの前腕に回動可能に連結されていることを示している。有利なことには、Ｘ５およびＸ６軸線は一点で交わり、かつ、さらに有利なことには直交する。
【０１６７】
したがって、一点で交わりかつ好ましくはＸ５およびＸ６軸線間のユニバーサルジョイント連結部によって、連結セグメント２４''は前腕６に連結され、そしてそれは、Ｘ５',Ｘ６'軸線および部分５０とセグメント５２との間の連結軸線が一点で交わるボールジョイント連結部によって、前腕６'に対して連結される。
【０１６８】
連結セグメント２４''に対するプーリー３２の回転軸線がハンドルのＺ軸線と一点で交わり、かつ、これらの軸線の共点ポイントがＸ５,Ｘ６およびＸ５',Ｘ６'の共点ポイントから等しい距離にあり、かつ、ハンドルの把持および操作の基準ポジションがＸ軸線およびＺ軸線の交点に存在する場合、並進および回転運動間の分離が生じる。
【０１６９】
図５は、図４のそれと類似の第２実施形態に基づく構造体４００の変形例を示しており、ここで、ハンドル１６の自由端部は完全に自由であり、これは、ある用途においては有利となり得る。
【０１７０】
セグメント２２に対する連結セグメント２４'''のＸ６'回転軸線は、依然として、ブランチＢ'の前腕６'に対するセグメント２２のＸ５'回転軸線と一点で交わり、そして有利なことには、それと直交する。
【０１７１】
この変形例において、セグメント５２はセグメント２０に連結される。セグメント２０に対するセグメント５２の回転軸線Ｘ６は、ブランチＢの前腕６に対するセグメント２０の回転軸線Ｘ５と一点で交わり、かつ、有利なことには、それと直交し、そして、これら二つの軸線は部分５０とセグメント５２との間の連結軸線と一点で交わる。さらに有利なことには、Ｘ６軸線は、セグメント５０の一部とセグメント５２との間の連結軸線と直交する。
【０１７２】
セグメント５０およびセグメント５２は、続いて、Ｌ字形部分２６の上に配置され、ハンドル１６の自由端部の周りのスペースを容易にアクセス可能なものとする。
【０１７３】
上記測定デバイスはまた、ハンドルホルダー１８とハンドル１６との間でＺ軸線に沿って連結部に直に組み込むことができ、これら測定デバイスはモーターＭ４のそれと取って代わるか、あるいはそれに対する付加である。
【０１７４】
前腕６,６'と保持セグメント７,７'との間のＸ４,Ｘ４'軸線に沿って、それぞれ、保持セグメント７,７'とセグメント２０,２２との間の、前腕６,６'とセグメント２０,２２との間のＸ５,Ｘ５'軸線に沿って、セグメント２０,２２と連結セグメント２４あるいはその部分２４ａ',２４ｂ',２４'',５２,２４''',５２との間のＸ６,Ｘ６'軸線に沿って、セグメント５０および５２間の連結軸線に沿って、そして保持セグメント２４,２４',２４'',２４'''とハンドルホルダー１８との間のＸ軸線に沿って、上記軸線の全てに沿って、あるいはそのいくつかに沿ってのみ、冗長測定デバイスを配置することもできる。
【０１７５】
触覚インターフェースの場合、モーターは、仮想現実でのシミュレーションにおける相互作用の関数として、あるいは遠隔ロボットとその環境との間の相互作用の関数として力フィードバックを提供するよう制御される。ロボットの場合、モーターは、動作をなすために、あるいはユーザーによってかつ／またはロボットセンサーと外部センサーの測定値の関数としてプログラムされた力を加えるために制御される。
【０１７６】
明らかに、図に示す回転軸線の向きは決して限定ではなく、垂直に示される軸線は、構造体の配置に依存して水平であってもよく、あるいは、ある角度で傾斜していてもよい。このことは、図に垂直ポジションで示すハンドルの基準形態にも当てはまる。
【０１７７】
本発明に基づく構造体を用いた場合、その結果は、ハンドルの変位の制限に対する特異点をシフトさせること、ならびにロボットブランチ間の衝突の制限によって作業スペースを増大させることによって実現される改善された特性を伴う平行な二つのブランチを備えた簡素な触覚インターフェースあるいはロボットである。
【０１７８】
低速化比の適切な選択はまた、制御力の効率および剛性を改善することができる。
【０１７９】
全ての実施形態において、増幅デバイスは、プーリーおよび交差あるいは非交差ケーブル、ギアあるいはベルトを使用してもよく、あるいはその他のいかなる好適なタイプのものであってもよい。
【０１８０】
ある特に有利な実施形態において、本発明に基づく構造体は、回転運動と並進運動との間の分離を可能とする。
【符号の説明】
【０１８１】
２  ベース
３  ショルダー
４  アーム
６  前腕
７  保持セグメント
８  作動手段
１２  プレート
１４  連結ロッド
１６  ハンドル
１８  ハンドルホルダー
２０,２２  セグメント
２４  連結セグメント
２６  Ｌ字形部分
２８,３２  プーリー
４４,４６  チューブ
１００  触覚インターフェースあるいはロボット構造体
Ｂ,Ｂ'  ブランチ
Ｍ１〜Ｍ３  モーター
Ｐ  リストジョイント
Ｓ１〜Ｓ３  セクター
【図１Ａ】
2013506564.tif 000003
【図１Ｂ】
2013506564.tif 000004
【図２Ａ】
2013506564.tif 000005
【図２Ａｂｉｓ】
2013506564.tif 000006
【図２Ａｔｅｒ】
2013506564.tif 000007
【図２Ｂ】
2013506564.tif 000008
【図３】
2013506564.tif 000009
【図４】
2013506564.tif 000010
【図５】
2013506564.tif 000011
【国際調査報告】
2013506564.tif 000012
2013506564.tif 000013
2013506564.tif 000014
2013506564.tif 000015