(57)【要約】  ロボットアームは、先端追従運動でアームが蛇様の形状を取れるように、複数の関節要素（１２）と、さまざまな要素（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）の位置を制御するための制御手段（６）からなる。要素の少なくともいくつかの相対位置を直接測定するための手段（２）は、理論上の形状からの逸脱を計算し、アーム制御手段に補正値を与えるために設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の関節要素を有するセグメントと、前記セグメントの制御要素に作用することでアームの位置を制御するための制御手段と、制御手段と関連し、且つアームの実際の形状を特定するためにアーム内の少なくとも１つの他の要素に対する前記または各セグメント内の少なくとも１つの要素の相対位置を測定するように配置された測定手段からなるロボットアーム。
【請求項２】
ロボットアームの実際の形状と所望の形状との間の差異を計算するための、制御手段および測定手段と関連した計算手段と、前記差異に対応して制御手段に補正値を与えるための手段を含む請求項１記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記測定手段は、隣接する要素の各ペアの相対位置、あるいは前記または各セグメントの端部における要素の相対位置を測定するように配置されている請求項１または２記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記測定手段は、要素の横断面間の角度関係を測定するように配置されている請求項１、２、または３記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記測定手段は、要素の相対姿勢を測定するように配置されている請求項１、２、３、または４記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記測定手段は、１つの要素によって支持されたエネルギービームを発生するための発生手段と、他方の要素によって支持されたエネルギービーム検出用のエネルギ検出手段のアレイからなる請求項１〜５のいずれかに記載のロボットアーム。
【請求項７】
エネルギービームは、電磁エネルギ、好ましくは光であり、検出手段は、ビームの動きの予想経路に沿って延びるセンサの細長いアレイからなる請求項６記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記測定手段は、複数の相隔たるポーズを取る前記発生手段および検出手段からなる請求項６または７記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記測定手段は、複数の相隔たる位置において隣接する要素間の距離を測定するための手段からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記測定手段は、その外周部または外周部近傍において要素間に配置された複数のリニアポテンショメータからなる請求項９記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記制御手段は、関連する制御要素へと取り付けられた少なくとも１組の制御ワイヤからなり、各制御ワイヤは、ワイヤの長さを変えるための動作手段を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記測定手段は、各制御ワイヤの長さを直接測定するように配置されたワイヤ変位測定手段からなる請求項１１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記測定手段は、その位置が測定される前記または各要素と関連する１組の測定ワイヤの変位を測定するように配置されたワイヤ変位測定手段からなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記ワイヤ変位測定手段は、一方が各ワイヤのいずれかの側に配置された１対のピンチローラと、前記ピンチローラの角変位を検出するように配置されたセンサからなる請求項１２または１３に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記ワイヤ変位測定手段は、ワイヤのマークの位置を検出するための手段からなる請求項１２または１３に記載のロボットアーム。
【請求項１６】
前記ワイヤ変位測定手段は、光学または磁気センサからなる請求項１３に記載のロボットアーム。
【請求項１７】
ロボットアームの操作方法であって、アームは複数の関節要素を有する少なくとも１つのセグメントからなり、
制御手段を用いて前記または各セグメント内の制御要素の位置を制御し、
測定手段を用いてアーム内の少なくとも１つの他の要素に対する前記または各セグメント内の少なくとも１つの要素の相対位置を測定し、
測定手段によって測定された相対位置と所定の位置との間の差異を計算し、
差異を補正するために制御手段に補正値を与えることからなるロボットアームの操作方法。
【請求項１８】
アームに沿って順次配置された複数の長手セグメントからなり、蛇様の経路または形状をなすようにセグメントのそれぞれが他のものに対して運動可能であり、前記セグメントは複数のリンクからなり、各リンクはその隣に対して少なくとも２次元で相対運動可能であり、さらには、外部要因の影響によるアーム形状の理論からの変動を検知するための手段と、アームの制御手段と関連し、前記外部要因によるアーム形状の変化を補正するために制御手段へと少なくともいくつかの補正値を計算するための補正手段からなるロボットアーム装置。
【請求項１９】
それぞれ一方が他方に対して運動可能である２つの要素間の相対位置を決定するための装置であり、第１の要素によって支持されたエネルギービームを発生するための手段と、第２の要素によって支持された前記エネルギービーム検出用のエネルギ検出手段のアレイからなるロボットアーム装置において、前記アレイはビームよりも寸法範囲が大きいものであり、第２の要素に対する第１の要素の動きが前記アレイに対するビームの動きとなり、それによって前記相対移動の程度を示すか、あるいは、アレイに対するビームの位置が前記要素の１つの他方に対する位置を示すことを特徴とするロボットアーム装置。
【請求項２０】
ワイヤによって各セグメントが制御されている、１つ以上のセグメントを有するロボットアームにおいて、各ワイヤの張力および／または動きが巻き取りキャプスタンによって生じ、且つ各ワイヤの動きの制御が、各ワイヤの直線的動きを直接およびキャプスタンの動きと無関係に検出するための検出手段によって決定されることを特徴とするロボットアーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームに関し、とりわけ“先端追従(tip following)”能力を有するロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボット分野では、先端追従能力を有するロボットアーム、すなわち、その長手方向に蛇様の動きで前進が可能なアームが大いに開発されつつある。こうしたアームは作業負荷に耐えたり工具を支えることが可能であり、ジェットエンジンの内部部品など、近づくことの難しい装置の検査に利用可能である。
【０００３】
一般に先端追従装置は、医療分野において広く内視鏡の形態で、そして産業界ではボロスコープ（boroscopes）としてある程度、用いられている。しかしこれらの装置は、所与の作業を実行すべき適切な位置へとワークヘッドまたは検査機構を誘導するのに、外部環境に依存している。内視鏡は通常、身体の開口によって誘導されるものであり、内視鏡先端部である程度の制御は可能であるものの、内視鏡の大部分は本質的に受動的であって、内部を装置が移動する開口すなわち導管によってのみ誘導が行われるという事実に変わりはない。
【０００４】
ロボットアームの先端追従技術における大きな進歩が、我々の同時係属中の特許文献１に開示されている。この出願は、それぞれが複数の受動リンクからなる複数の長手セグメントからなるロボットアームを開示およびクレームしている。各セグメントの端部はワイヤによって“誘導”され、よってワイヤの長さを変えることでアームに曲げを生じることができる。典型的なアームには、多数のセグメント、例えば４〜２０を持たせ、それぞれに例えば１０〜２０のリンクを含ませることが可能である。各セグメントの制御ワイヤの張力を調整することで、アームが動き、さまざまな空間形状および配置を取り得る。これは例えば、モータを用いて各制御ワイヤを軸に巻いたり戻したりすることで行い得る。モータは例えば、コンピュータ制御システムによって制御される。
【０００５】
アームは基台に取り付けられ、目標に向かって前進させられるが、この間その形状は先端に“追従”して連続的に変化する。
【０００６】
このようなアームでは、リンクの関節は、各関節を“強張らせる”ため、圧縮状態に、すなわち制御ワイヤのそれぞれに張力を掛けることで維持される。これはアームに空間的確定性(spatial determinacy)を与え、アームの空間的位置決めが制御し易くなることにつながる。このように、リンクデザインの固さを利用することで、各リンク個別にではなく、セグメント内のリンク群を制御し、セグメント内のリンク間で運動および／または荷重変化またはモーメント変化が分散されるように荷重を伝達することが可能である。我々の同時係属中の特許文献２もまたロボットアームに関するものであり、ここでは、セグメント内の隣接リンク間の関節を構成する２つの部材へと接着またはキー止めされたゴムまたはエラストマの層を間置することで、ゴム層が関節部材間の固定接触面を構成し、また同時に、継ぎ手の“強張り”を生じるのに必要な弾性せん断耐力をもたらす。
【０００７】
所定の経路との不一致すなわち逸脱を許す余地がほとんど存在しない空間において所定の経路に沿って先端追従が可能なアームを提供するには、アームの多数の要素すなわち構成部品の正確な位置および配置を一対一で知る必要がある。摩擦のない“理念的”セグメントにおいて、且つ、荷重や重力、摩擦などの外力が掛かっていない場合、各セグメントはその全長にわたって、実質的に一定の曲率半径を有する円の弧の形となる。さらに、ワイヤドラムすなわちキャプスタンの角変位の測定が、制御ワイヤの長さの正確な測定を可能とする。
【０００８】
しかし実際には、各セグメントには外的要因が作用し、これが形状を変化させ、もはや真の円弧ではなくしてしまう。またアームへの荷重が変化するとワイヤがドラム上でスリップすることもある。これは所定の経路に従うようにアームを制御することをより困難とするが、なぜならアームの姿勢変化は、荷重、重量／摩擦分布、およびこれによってアーム自体の形状を変化させ、少なくとも部分的に所望の経路からの逸脱を生じせしめるためだ。所望の経路からのある程度の逸脱も状況によっては許されるが、それ他の逸脱は確実に許されない。
【特許文献１】国際公開第０２／０１６９９５号パンフレット
【特許文献２】国際公開第０２／１００６０８号パンフレット
【発明の開示】
【０００９】
本発明はこれらの問題の軽減を目的とする。
【００１０】
本発明によれば、複数の関節要素を有する少なくとも１つのセグメントと、前記または各セグメントの制御要素に作用することでアームの位置を制御するための制御手段と、制御手段と関連し、且つアームの実際の形状を特定するためにアーム内の少なくとも１つの他の要素に対する前記または各セグメント内の少なくとも１つの要素の相対位置を測定するように配置された測定手段からなるロボットアームが提供される。
【００１１】
よって測定手段は、外部要因による所定のまたは理論上の形状からのアーム形状の変化を補正すべくアーム制御を調節できるように、実際のアーム形状に関する情報を供給する。例えばアームは、実際のアーム形状と所定のアーム形状の間の差異を計算し制御手段に補正値を与えるための、制御手段および測定手段と関連した計算手段を含むものとできる。
【００１２】
好ましくは、測定手段は、隣接する要素の各ペアの相対位置、あるいは少なくとも前記または各セグメントの端部における要素の相対位置を測定する。よってアームの実際形状の正確な状況が得られ、必要とされるいかなる補正動作の計算も可能となる。
【００１３】
例えば相対位置は、アームの外部マークの位置の観察および測定によって測定される。他の例では、測定手段は、要素またはリンクの横断面間の角度関係を測定するように配置されている。
【００１４】
２つの物体の空間的関係を完全に表現するには、６つの独立した記述子が必要とされる。もっとも単純な形態では、これらをＸ、Ｙ、Ｚ（translation）、アルファ、ベータ、ガンマ（orientations）で記述する。位置と姿勢は一般的に“ポーズ(pose)”と呼ばれる。よって本発明に基づくより正確なアームでは、測定手段は、要素の相対ポーズを測定することができる。
【００１５】
例えば、測定手段は、１つの要素によって支持されたエネルギービームを発生するための手段と、他方の要素によって支持されたエネルギービーム検出用のエネルギ検出手段のアレイ（array）からなるものとできる。このアレイは、好ましくは、ビームよりも寸法範囲が大きいものであり、他方の要素に対する１つの要素の動きがこのアレイに対するビームの動きとなり、これにより要素の１つの他方に対する位置を示す。
【００１６】
ビームとアレイのペアを複数、要素上の異なる位置に設け、他のものに対する１つの要素の空間位置を計算可能としてもよい。理論上、６種類の情報を得るには３組あれば十分であるが、こうしたものを１平面に４組設置するのが望ましいことがわかっている。ビームとアレイの組はそれぞれ２種類の測定データをもたらす。そしてこれら８種類の測定データはアルゴリズム内で利用され、６つの独立した記述子を導き出し、こうして形状情報をすべて揃える。エネルギービームは適当ないかなるエネルギービームであってもよく、より詳しくは一般的に電磁エネルギ、通常、光であり、例えばＬＥＤを用いて発せられる。検出手段は、ビームの動きの予想経路に沿って延びる検出ピクセルの細長いアレイとすることができる。
【００１７】
ビームの性質および形状は、スリットを介して光を投じることで制御できる。光発生手段とスリットの離間距離を制御することで、ビームの形状および性質は微細な範囲で制御可能である。ビームは、アレイをわたっての潜在的運動の方向で考えた場合のそれぞれの側に半暗部を有するよう生じせしめてもよい。半暗部はアレイの少なくとも３つのピクセルをカバーし、レセプタのピクセルアレイに対するビームの位置および運動方向の両方について明示が得られるように、光の等級付けが検出されることが好ましい。この方法の場合、エネルギ源は、光または独特な強度を有するエネルギの“カーテン（curtain）”を生じる。
【００１８】
あるいは、測定手段は、さまざまな位置で隣接する要素間の距離を直接測定するものであってもよい。これを少なくとも３箇所で行えば、要素の横断面の相対位置が特定できる。例えば、測定手段は、その外周部または外周部近傍において要素間に配置された３つのリニアポテンショメータでもよい。ポテンショメータはほとんど場所を取らず、素早く値が得られる。
【００１９】
この測定手段は、自由度が減じられた状態（完全６自由度未満）でのみ要素間の相対運動を可能とするタイプのロボットアーム、または先端追従装置に好適である。よって１つの要素の他のものに対する空間姿勢を完全に明示するのに、必要な測定値の数が少ない。例えばこれは、ねじれ変位やせん断がごくわずかであるかあるいは効果的に排除されており、よって要素間のねじれあるいはせん断運動がほとんどあるいは全く存在しない場合である。
【００２０】
要素の横断面の傾きを測定する別の方法は、要素上に加速度計を設置することである。要素の各回転軸に１つずつ、合計３つの加速度計を用いることが好ましい。
【００２１】
各セグメント内の要素のうち少なくともいくつか、好ましくは全てに測定手段を設けることで、アームの基準に対する要素それぞれの相対位置の連続モニタを行うことが可能である。重量のオーバーヘッドは最小であり、各測定手段によって送信された信号はアームの制御手段と関連するコンピュータへと伝達され、要素または要素の組の、所定の経路、形状または配置からの許されざる逸脱を補正するようにワイヤの張力が調整される。これは言い換えれば、アームの経路追従特性をずっと制御し易くし、また、荷重、位置、またはアーム遠位端でワークヘッドによって生じたワーク力における変化の作用を考慮に入れるため、セグメントのいくつかあるいは全てに関して制御ワイヤの張力を微調整可能とする。
【００２２】
制御手段が制御ワイヤからなる場合、それぞれがアームの近位端の近傍で、軸、すなわち直径が一定あるいは変化するキャプスタンに巻きつけられていてもよい。各セグメントの端部位置は、各軸のモータを用いてワイヤを巻き取ったり繰り出したりすることで制御される。この構成では、ワイヤ巻き取りの張力が変動し、時間とともにモータのエンコーダがワイヤの長さを正確に追跡できなくなるものであってもよい。よって測定手段は、各ワイヤの長さ、そしてそのワイヤによって制御されている要素の位置を正確に測定するため、ワイヤ変位測定手段からなるものとできる。
【００２３】
ワイヤ変位測定手段は、例えば、その周囲をワイヤが斜めに通る測定ローラからなり、より好ましくは、一方が各ワイヤのいずれかの側に配置された１対のピンチローラからなり、ローラの少なくとも１つの角変位を検出するセンサを有する。ピンチローラの接触力は、ワイヤの変位が測定ローラの対応する角変位をもたらすことを確実なものとするのに十分であるべきである。実際のワイヤ変位のこの直接的測定値は、軸モータエンコーダの位置特定を補正するのに用いられる。
【００２４】
しかしながらこれは、ワイヤの張力が一定、もしくは、計算可能なように少なくともワイヤ変位の関数であることを前提とする。ワイヤの張力は、ワイヤの弾性に基づき、ワイヤの長さに影響を及ぼす。よって、より正確なワイヤ運動測定手段は、２対のピンチローラのからなる。ローラから得られた２つの角変位測定値は、ワイヤ変位とワイヤ張力の両方を計算し、よってより正確にワイヤの長さを決定することに用いることができる。
【００２５】
別の例では、ワイヤ変位測定手段は光学または磁気センサからなる。例えば、各制御ワイヤには、光学センサの近傍においてワイヤに沿って間隔を置いて配置された複数のマークが設けられ、これによってマーク、よっては制御ワイヤの動きが、光学センサによって容易に検出されるものとできる。マークは、ワイヤの外面に単純に付されてもよいし、あるいはワイヤのより糸の１本が残りと違う色彩を持ち、そのコントラストがより糸の通過の検出、よってはワイヤ自体の動きの検出を可能とするに十分であってもよい。
【００２６】
磁気検出手段は、１つ以上のホール効果センサからなり、センサ近傍において磁気手段が、制御ワイヤに沿って間隔を置いてマークを備えるものとできる。磁気マークは、制御ワイヤ内に一定間隔を置いて埋め込まれた複数の磁石からなるものでよい。あるいは、ワイヤ集合体内のキングワイヤの磁化や、キングワイヤを別形態の磁気細片で置き換えることで磁気マークを実現し、これによりホール効果センサが、センサとの関連で制御ワイヤの逐次変位を特定する役目を果たすものであってもよい。
【００２７】
上述のように、ワイヤの変位を正確に測定するには、こうした光学または磁気手段を用いて制御ワイヤの変位と伸びの両方を測定する必要があるが、測定ワイヤの場合には変位だけで十分である。
【００２８】
光学、磁気、あるいは加速度検出手段の利点の１つは、こうした手段がいかなる物理的力も影響もワイヤに及ぼさないということである。
【００２９】
制御ワイヤの変位を測定するための代案として、制御ワイヤとは別に、アームに沿って延びる追加の測定ワイヤを設けることが可能である。これらのワイヤの変位は、上述のように測定可能である。これには、ワイヤに負荷が掛からず、よってワイヤの張力が変化しないという利点がある。しかしながらこれは、より大きなスペースとより複雑な構造を必要とし、よってより大型のアームに最適である。
【００３０】
本発明をより理解し易くするため、以下、一例として添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１を参照すると、ロボットアーム１０は、関節継ぎ手１４によって連結されたリンク１２の形態の複数の要素からなる。アームは、近位端において基板１６上に取り付けられている。複数の制御ワイヤ１８は、コントローラ６から延び、基板１６および各リンク１２の外周部において開口３８を通り抜けている。制御ワイヤ１８は、図２に示すように、円周方向に間隔を置いた３本の組として配置され、各組は、リンクへと結合されることで、アームに沿う特定のリンク１２ａ、１２ｂ、または１２ｃで終わっている。ワイヤの組が終わる所の、このリンクは制御リンクであり、セグメント２０の端部を画定する。コントローラによる制御ワイヤ１８の組の動きが、特定の制御リンク１２ａ、１２ｂ、または１２ｃの位置、よっては関連するセグメント２０の位置を制御する。
【００３２】
測定手段２は、上述のように、例えば各セグメントの制御リンクから位置データを集める。計算手段４は、位置データを加工し、アームの実際の測定位置を理論上または所定の位置と比較するために設けられている。差異は、必要とされる補償動作の計算をもたらし、そしてこれがコントローラ６へと伝達され、制御要素１２ａ、１２ｂ、１２ｃの動作に置き換えられる。
【００３３】
図３および図４を参照すると、各リンク１２は、一対の外方円板２２からなり、各関節は、一対の内方円板２４からなる。内方円板２４は、弧状の凸状外面２６をもたらす形状であり、外方円板はそれぞれ、対応する弧状の凹状内面２８を有する。これらの対応する面２６、２８は、それぞれの面に接着された薄いゴムまたはエラストマの層３０によって互いに連結されている。内方および外方円板２２、２４にはそれぞれ、電源、情報バス、あるいはアーム端部に取り付けられるワークヘッド用の制御機構を収納するための、アーム中央に沿って延びる導管を画定する中央孔３２が設けられている。
【００３４】
また図５を参照すると、各外方円板２２および各内方円板２４はそれぞれ、相隔たる複数のだぼ穴３４、３６を有する。よって一つの外方円板２２と一つの内方円板２４からなる組立体が他のものと隣り合わせに配置され、だぼピンが穴３４、３６内にあれば、アーム組立体は、制御ワイヤによる張力の下、一体に保たれるものとできる。各外方円板は、制御ワイヤ１８を収納するための複数の導管３８を有する。
【００３５】
セグメントの端部において、３本の制御ワイヤ１８ａ、１８ｂ、１８ｃが終わり、セグメントの端部を画定するリンクの外方円板２２の１つにおいて、拡大凹部４０内へ固定されている（図６参照）。こうしたセグメントをいくつか端部同士で結合し、制御ワイヤのさらなる組が導管３８を通ってさらなるセグメントへと伝わった、適当な長さのアームを作ることができる。制御ワイヤ１８には、基板に向けて張力が加えられ、リンク組立体を一体に保つ圧縮荷重下にリンクを保持する。
【００３６】
図７を参照すると、ワイヤ１８は基板を通過し、それぞれが個々のキャプスタン４２に巻きつけられている。よって各キャプスタン４２の回転運動は、コンピュータ制御システム（図示せず）を用いて、アーム位置の制御に利用される。
【００３７】
図８には制御原理が示されている。制御ワイヤの動きが、セグメントの末端におけるリンクの横断板４４の位置を決定する。そして近位端リンク４６と末端リンク４４の間の“受動”リンク４５はアームに、セグメント全体にわたって弓形形状を取らしめる。理想的セグメントにおいては、これは正確な円弧となる。しかし現実には、図９に示すように、重力および荷重が、アームをこの形状から逸脱せしめる。
【００３８】
図１０は、隣接リンクの相対位置を測定し、この影響の程度を特定するための手段を示す。図１０の組立体は、各ペアの内方円板２４の間に取り付け板４８を有し、これはその外周部近傍にＬＥＤ５０を保持している。この組立体では、外方円板５４、５６がその外周部間に空間５７を有する形状となっている。ＬＥＤ５０からの光は、各ペアの外方円板５４の１つの外周部に設けられたスロット５２を通過する向きとされる。ペアの他方の外方円板５６は、外周部の内面上にスロット５２と同心とされた光センサのアレイ５８を有する。アレイ５８は、実質的に円板５６の接線方向に配置され、１つのリンクの他のものに対する相対運動中にスロット５２から出てくるＬＥＤの光がアレイ５８上に広がるようになっている。こうした装置が４つ、円周方向に間隔を置いてリンク組立体の周囲に配置されれば、隣接する外方円板のポーズ、よってはアームの正確な形状を特定することが可能である。
【００３９】
図１６を参照すると、装置がより詳細に示されている。ＬＥＤのビーム源５０は、スロット５２に隣り合うディフューザ５１の背後に設置されている。スロット５２は、光源５０から離れる方向に広がっている。グラフ５３は、センサのアレイ５８の平面において位置に対して得られるビーム強度を示しており、それぞれの側に半暗部６５がある。図１７からわかるように、配置としては、半暗部５５がアレイ５８のピクセル５９を少なくとも２と１／２カバーするようになっている。ピクセル値の柱状グラフ６１は、“ベストフィット”ライン６３を作り、よって半暗部５５の縁を推定するのに利用できる。こうして半暗部の中央の方が、ピクセル５９の幅よりも明確さに勝ることが確かめられる。したがってビームアレイ装置からは２種類の情報が得られる。
【００４０】
隣接する外方円板の相対位置を特定する他の方法が図１１に示されている。この例では、リンク間にポテンショメータが設けられている。ポテンショメータ本体６９は、隣接するリンクの外方円板６２、６４間に延設されている。各リンクの一対の円板６０、６２間では、前もって負荷を掛けたバネ７２が、平滑な反応面６８に対してパッド７０を押しつけている。パッド７０は、ポテンショメータ軸６９の端部においてボール・ソケット７３上に設置されており、パッドが回転できるようになっている。こうしてリンクの相対運動が、ポテンショメータで測定可能な直線運動を生じる。したがって各ポテンショメータの目盛りが、設置箇所での隣接リンク間の距離を示す。
【００４１】
当然のことながら、リンク組立体の円周方向に間隔を置いて配置されたこのようなポテンショメータ３つで、隣接するリンクの横断面の相対角度位置（すなわち、隣接リンクまでの距離と隣接リンクの平面の向き）を特定するのに十分な情報がもたらされる。こうして、リンク間にねじれやせん断運動がごくわずか、もしくは全く存在しないこうしたタイプの装置において、実際のアーム形状を特定することができる。
【００４２】
この装置は、ポテンショメータを密封可能であるという利点があり、よって汚れることなく制御ワイヤを潤滑させることができる。ポテンショメータはまた、ほとんどスペースを必要とせず、また図１０に示す光学センサよりも素早く値が得られる。
【００４３】
アームの実際の形状を特定する他の方法は、制御ワイヤ同様、リンク組立体の外周部に測定ワイヤを通し、そしてこのワイヤの長さを測定することである。このような測定ワイヤは基板から延び、その位置が測定されるべきリンクで終わるか、あるいはそのリンクで輪をなし、基板まで戻るものとできる。測定ワイヤは、図１３に示すようにドラム７４に巻きつけ可能である。ワイヤ７６は、１対のピンチローラ７８を通過するものでもよい。ピンチローラの角度変化の測定値は、測定ワイヤの長さを正確に表示することができる。こうしてリンクまでの距離が正確に特定可能であり、こうした、リンクの周囲に円周方向に間隔を置いて配置された３本の測定ワイヤ７６を用いれば、リンクの横断面の角度もまた特定可能である。
【００４４】
測定ワイヤ７６の長さを特定する他の方法は、図１４に示すように、ワイヤに光学式マーク８０を備え、測定ワイヤ７６に隣接して光学センサ８２を配置することによる。測定ワイヤ７６の長さを特定するさらに他の方法は、そこに磁石８４を埋め込むことである。そして測定ワイヤに隣接して配置されたホール効果センサ８６が、ワイヤの動きを測定するのに用いられる。
【００４５】
制御ワイヤがキャプスタンに巻きつけられる場合、各キャプスタンは一般的に、モータとその制御用のエンコーダを有している。だが当然なことながら、キャプスタンの角運動は、キャプスタンから繰り出され、あるいは巻きつけられるワイヤの量を常に正確に示すものではない。これはワイヤの弾性、ドラム接触時の摩擦などのせいである。よって上述のワイヤ測定技術が、各キャプスタンに隣接するワイヤの移動を測定するのにも利用できる。これによって各制御ワイヤの長さのより正確な測定が可能となり、言い換えれば、アームの形状のより正確な測定が可能となる。したがってキャプスタンの制御調整に、これらのワイヤ測定技術からの情報を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明によるロボットアームの概略図である。
【図２】制御ワイヤの配置を示す、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】本発明によるアームの一実施例の部分切り取り斜視図である。
【図４】図３のアームの一部の分解図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明によるアームのセグメント端部を示す斜視図である。
【図７】本発明によるアームの斜視図である。
【図８】本発明の一実施例によるアームセグメントの概略図である。
【図９】アームに掛かる力の図である。
【図１０】本発明の他の実施例によるロボットアームの斜視図である。
【図１１】本発明のさらなる実施例によるロボットアームの斜視図である。
【図１２】図１１のアームの一部の拡大図である。
【図１３】本発明によるアームに用いられる種々の測定手段の図である。
【図１４】本発明によるアームに用いられる種々の測定手段の図である。
【図１５】本発明によるアームに用いられる種々の測定手段の図である。
【図１６】図１０のアームの測定手段の図である。
【図１７】図１６の測定手段から得られる情報を示す一連のグラフである。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年1月26日(2007.1.26)
【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】
制御要素と少なくとも１個の受動要素とからなる複数の関節要素を有するセグメントと、前記セグメントの制御要素に作用することでアームの位置を制御するための制御手段と、制御手段と関連し、且つアームの実際の形状を特定するためにアーム内の少なくとも１つの他の要素に対する前記または各セグメント内の少なくとも１つの要素の相対位置を測定するように配置された測定手段からなるロボットアーム。
【請求項２】
ロボットアームの実際の形状と所望の形状との間の差異を計算するための、制御手段および測定手段と関連した計算手段と、前記差異に対応して制御手段に補正値を与えるための手段を含む請求項１記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記測定手段は、隣接する要素の各ペアの相対位置、あるいは前記または各セグメントの端部における要素の相対位置を測定するように配置されている請求項１または２記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記測定手段は、要素の横断面間の角度関係を測定するように配置されている請求項１、２、または３記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記測定手段は、要素の相対姿勢を測定するように配置されている請求項１、２、３、または４記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記測定手段は、１つの要素によって支持されたエネルギービームを発生するための発生手段と、他方の要素によって支持されたエネルギービーム検出用のエネルギ検出手段のアレイからなる請求項１〜５のいずれかに記載のロボットアーム。
【請求項７】
エネルギービームは、電磁エネルギ、好ましくは光であり、検出手段は、ビームの動きの予想経路に沿って延びるセンサの細長いアレイからなる請求項６記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記測定手段は、複数の相隔たるポーズを取る前記発生手段および検出手段からなる請求項６または７記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記測定手段は、複数の相隔たる位置において隣接する要素間の距離を測定するための手段からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記測定手段は、その外周部または外周部近傍において要素間に配置された複数のリニアポテンショメータからなる請求項９記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記制御手段は、関連する制御要素へと取り付けられた少なくとも１組の制御ワイヤからなり、各制御ワイヤは、ワイヤの長さを変えるための動作手段を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記測定手段は、各制御ワイヤの長さを直接測定するように配置されたワイヤ変位測定手段からなる請求項１１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記測定手段は、その位置が測定される前記または各要素と関連する１組の測定ワイヤの変位を測定するように配置されたワイヤ変位測定手段からなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記ワイヤ変位測定手段は、一方が各ワイヤのいずれかの側に配置された１対のピンチローラと、前記ピンチローラの角変位を検出するように配置されたセンサからなる請求項１２または１３に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記ワイヤ変位測定手段は、ワイヤのマークの位置を検出するための手段からなる請求項１２または１３に記載のロボットアーム。
【請求項１６】
前記ワイヤ変位測定手段は、光学または磁気センサからなる請求項１３に記載のロボットアーム。
【請求項１７】
ロボットアームの操作方法であって、アームは複数の関節要素を有する少なくとも１つのセグメントからなり、
制御手段を用いて前記または各セグメント内の制御要素の位置を制御し、
測定手段を用いてアーム内の少なくとも１つの他の要素に対する前記または各セグメント内の少なくとも１つの要素の相対位置を測定し、
測定手段によって測定された相対位置と所定の位置との間の差異を計算し、
差異を補正するために制御手段に補正値を与えることからなるロボットアームの操作方法。
【請求項１８】
アームに沿って順次配置された複数の長手セグメントからなり、蛇様の経路または形状をなすようにセグメントのそれぞれが他のものに対して運動可能であり、前記セグメントは複数のリンクからなり、各リンクはその隣に対して少なくとも２次元で相対運動可能であり、さらには、外部要因の影響によるアーム形状の理論からの変動を検知するための手段と、アームの制御手段と関連し、前記外部要因によるアーム形状の変化を補正するために制御手段へと少なくともいくつかの補正値を計算するための補正手段からなるロボットアーム装置。
【請求項１９】
それぞれ一方が他方に対して運動可能である２つの要素間の相対位置を決定するための装置であり、第１の要素によって支持されたエネルギービームを発生するための手段と、第２の要素によって支持された前記エネルギービーム検出用のエネルギ検出手段のアレイからなるロボットアーム装置において、前記アレイはビームよりも寸法範囲が大きいものであり、第２の要素に対する第１の要素の動きが前記アレイに対するビームの動きとなり、それによって前記相対移動の程度を示すか、あるいは、アレイに対するビームの位置が前記要素の１つの他方に対する位置を示すことを特徴とするロボットアーム装置。
【請求項２０】
ワイヤによって各セグメントが制御されている、１つ以上のセグメントを有するロボットアームにおいて、各ワイヤの張力および／または動きが巻き取りキャプスタンによって生じ、且つ各ワイヤの動きの制御が、各ワイヤの直線的動きを直接およびキャプスタンの動きと無関係に検出するための検出手段によって決定されることを特徴とするロボットアーム。
【国際調査報告】
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