(57)【要約】  伝達運動を提供するアクチュエータとベース部材とを具備する運動伝達装置用の伝動部材であって、ベース部材に連結されるように構成され、かつベース部と湾曲部とを具備する第１のアームと、アクチュエータから伝動部材に運動を伝達する装置のアクチュエータに連結する少なくとも１つの連結手段とを具備する伝動部材。【選択図】図６
2008531931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、伝達すべき運動を可動部材に提供するためのアクチュエータとを具備する運動伝達装置用の伝動部材において、当該伝動部材が、
回転軸に関して回転可能であり、ベース部と、環体の弧を形成する湾曲部とを具備する第１のアームであって、前記ベース部が前記湾曲部の第１の端部から広がり、前記湾曲部の第２の端部が運動を前記可動部材に伝達するための第２のアームに連結されるように構成された第１のアームと、
前記アクチュエータから前記伝動部材に運動を伝達するために、前記装置の前記アクチュエータと連結する少なくとも１つの連結手段とを具備することを特徴とする伝動部材。
【請求項２】
前記少なくとも１つの連結手段は、前記湾曲部の外面を含むことを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項３】
前記湾曲部の前記外面は、歯状面として形成され、あるいは波状面を有することを特徴とする請求項２に記載の伝動部材。
【請求項４】
前記少なくとも１つの連結手段は、少なくとも１本のケーブルまたはワイヤを具備することを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項５】
前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤの一方の端部が前記ベース部に取り付けられ、前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤの他方の端部が前記湾曲部に取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の伝動部材。
【請求項６】
前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤは、弾性引張手段によって張力がかけられることを特徴とする請求項４に記載の伝動部材。
【請求項７】
前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤが、スリップキャプスタンの周りに巻きつけられることを特徴とする請求項４に記載の伝動部材。
【請求項８】
前記少なくとも１つの連結手段は、第１のケーブルまたはワイヤと、第２のケーブルまたはワイヤとを具備することを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項９】
前記第１のケーブルまたはワイヤの一方の端部が前記ベース部に取り付けられ、前記第１のケーブルまたはワイヤの他方の端部が、前記アクチュエータと連結されることを特徴とする請求項８に記載の伝動部材。
【請求項１０】
前記第２のケーブルまたはワイヤの一方の端部が、前記湾曲部に取り付けられ、前記第２のケーブルまたはワイヤの他方の端部が、前記アクチュエータと連結されることを特徴とする請求項８に記載の伝動部材。
【請求項１１】
前記ベース部は、前記湾曲部の前記第１の端部から、前記湾曲部に関して半径方向に延在することを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１２】
前記ベース部は、前記運動伝達装置の取付部材に回転取付するための第１の端部を具備することを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１３】
前記湾曲部は、環体の弧を形成し、その中心は、前記各第１のアームの前記回転軸に位置することを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１４】
前記第１のアームは、前記アクチュエータの回転軸と摩擦接触するように構成され、この回転軸は、前記アクチュエータの本体から延在し、前記第１のアームと摩擦接触するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１５】
前記第２のアームは、前記可動部材と結合するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１６】
前記第２のアームは、少なくとも２本の平行な連結棒を具備することを特徴とする請求項１５に記載の伝動部材。
【請求項１７】
前記第１のアームの前記湾曲部は、運動を伝達するための前記装置の筐体の開口部を通して移動可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の伝動部材。
【請求項１８】
少なくとも１自由度を提供し、ベース部材と可動部材とを有する平行運動伝達構造を具備する運動伝達装置用の運動鎖において、当該運動鎖が、
回転軸に関して回転可能であり、ベース部と、環体の弧を形成する湾曲部とを具備する第１のアームを具え、前記ベース部が前記湾曲部の第１の端部から延在し、前記湾曲部の第２の端部が、運動を前記可動部材に伝達する第２のアームに連結されるように構成されていることを特徴とする運動鎖。
【請求項１９】
前記第１のアームは、前記ベース部材から延在する取付部材に回転取付するための第１の端部を具備することを特徴とする請求項１８に記載の運動鎖。
【請求項２０】
前記第１のアームは、運動を伝達するための前記装置が具える、前記第１のアームを動かすために設けられたアクチュエータと連結するように構成されていることを特徴とする請求項１８に記載の運動鎖。
【請求項２１】
前記第１のアームの前記湾曲部は、前記アクチュエータと連結するように構成されていることを特徴とする請求項２０に記載の運動鎖。
【請求項２２】
前記可動部材と連結するように構成された前記第２のアームを具備することを特徴とする請求項１８に記載の運動鎖。
【請求項２３】
前記第２のアームは、少なくとも２本の平行な連結棒を具備することを特徴とする請求項２２に記載の運動鎖。
【請求項２４】
前記第２のアームの第１の端部は、前記第１のアームに連結され、前記第２のアームの第２の端部は、前記可動部材に連結されるように構成されていることを特徴とする請求項２２に記載の運動鎖。
【請求項２５】
少なくとも１自由度を提供する平行運動伝達構造を具備する運動伝達装置において、前記平行運動伝達構造が、
ベース部材と、
可動部材と、
前記ベース部材と前記可動部材とを連結する少なくとも１つの平行運動鎖とを具え、各平行運動鎖が、回転軸に関して回転可能な第１のアームを有し、かつベース部と、環体の弧を形成する湾曲部とを具備し、前記ベース部が、前記湾曲部の第１の端部から延在し、前記湾曲部の第２の端部が、前記可動部材に運動を伝達する第２のアームに連結されるように構成され、前記第１のアームが、対称軸から所定の距離の範囲内で運動面上で移動可能であることを特徴とする装置。
【請求項２６】
各平行運動鎖と関連して、アクチュエータが、この関連する平行運動鎖を前記各運動面内で動かすために設けられることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記アクチュエータおよび前記第１のアームは、前記第１のアームを動かすための前記少なくとも１つの連結手段によって連結されることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記アクチュエータは、当該アクチュエータの本体から延在する出力軸であって前記第１のアームの前記少なくとも１つの連結手段と摩擦接触する出力軸を具備することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤが、前記出力軸の周りに少なくとも１周巻きつけられることを特徴とする請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記少なくとも１本のケーブルまたはワイヤおよび前記出力軸が、固定して連結されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記平行運動鎖のそれぞれに対して、前記平行運動鎖の前記第１のアームの前記湾曲部が通過できる開口部を有する筐体をさらに具備することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、運動伝達装置、およびその構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間とコンピュータとの対話（ＨＣＩ）をより良くしようという一層のニーズのために、人間と機械との間の広範な情報交換を可能にする新たなインタフェースが強く求められている。このような新たなインタフェースの一例として、いわゆるハプティックデバイス、すなわち触感および制御をコンピュータアプリケーションとの対話に適用するアクティブなインタフェース装置が、選択肢のひとつとして期待されている。ハプティックデバイスは、そのデバイスが発生させる運動および／または力に関するフォースフィードバック情報をユーザに提供する。ハプティックインタラクションは、難しい操作タスクを可能に、またはより容易にするばかりではなく、シミュレーションおよび人間オペレータへの支援といった分野での広範な新しいアプリケーションへの道も開く。
【０００３】
遠隔操作からスケール操作、およびシミュレータや外科支援に至る非常に多くのアプリケーションが、ハプティック技術から恩恵を受ける可能性がある。また、フォースフィードバックデバイスは、消費者市場に移行しつつあり、ゲーム産業や予期しない他の分野にも広がりつつある。
【０００４】
ユーザに、仮想モデルや遠隔ロボットの位置環境に関する正確な感覚を与えるためには、ハプティックデバイスの機械構造は、低慣性、低摩擦を備えた高剛性、およびバックラッシュのないことが必要である。平行運動機構は、その高剛性、および低慣性で知られており、それによって、力を広帯域で伝達することが可能になる。
【０００５】
しかし、既知の装置は、その複雑さ、高価さ、および大型設計であること、かつ場合によっては、信頼性のない不正確な性能に悩まされる。
【０００６】
したがって、例えば、ハプティックデバイス、マニピュレータ、測定装置などに使用する単純、小型、および／または低価格の運動伝達装置またはアセンブリ、およびそのような装置に用いる構成部品を提供するニーズがある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、伝達すべき運動を提供するためのアクチュエータと、ベース部材とを具備する、運動伝達装置用の伝動部材に関する。この伝動部材は、ベース部材と結合するように構成され、かつベース部と湾曲部とを具備する第１のアームと、アクチュエータから伝動部材に運動伝達装置のアクチュエータと連結するための少なくとも１つの連結手段とを具備する。
【０００８】
本発明の別の態様は、運動伝達装置に関する。この装置は、対称軸に関して少なくとも１自由度を提供する平行運動伝達構造を具備する。この平行運動伝達構造は、ベース部材と、可動部材と、ベース部材および可動部材を結合する少なくとも１つの平行運動鎖とを具備する。この平行運動鎖は、対称軸まである距離を置いて広がる運動面内で移動可能な第１のアームを有する。
【０００９】
本発明の別の態様は、ユーザにフォースフィードバック情報を提供するためのハプティックデバイスであって、本発明の第１の態様による装置を具備するハプティックデバイスに関する。
【００１０】
本発明の別の態様は、少なくとも１自由度の運動を操作部材に提供するためのマニピュレータであって、本発明の第１の態様による装置を具備するマニピュレータに関する。
【００１１】
本発明の別の態様は、少なくとも１自由度をセンサ素子に提供するための測定システムであって、本発明の第１の態様による装置を具備する測定システムに関する。
【００１２】
本発明の別の態様は、少なくとも１自由度を提供する平行運動伝達構造を具備する運動伝達装置用の運動鎖に関する。平行運動伝達構造は、ベース部材と可動部材とを具備する。この運動鎖は、ベース部材と結合するように構成され、かつ湾曲部を具備する第１のアームを具備する。
【００１３】
本発明の別の態様は、並進３自由度を含む少なくとも３自由度を提供する平行運動伝達構造を具備する運動伝達装置であって、平行運動伝達構造は、ベース部材と、可動部材と、ベース部材と可動部材とを結合する少なくとも１つの平行運動鎖であって、各平行運動鎖は、第１のアームとして本発明の第３の態様による伝動部材を具備し、各第１のアームは、運動面内で移動可能であり、少なくとも運動面のうちの１つは、対称軸と空間を隔てた関係で広がる平行運動鎖とを具備する装置に関する。
【００１４】
他の特徴は、開示した方法および製品に内在しており、以下に示す実施例の詳細な説明、および添付図面から当業者には明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１および２に、本発明の好適な実施例による運動伝達装置を、いわゆるハプティックデバイスの形態で示す。ただし、図１および２の詳細な説明をさらに進める前に、好適な実施例の２〜３の事項について説明する。
【００１６】
実施例によれば、本発明は、好適には平行運動伝達構造を具備する運動伝達装置の基礎を提供し、あるいは基礎となるものであり、具体的には、平行運動マニピュレータまたは平行運動測定システム用の運動伝達装置と、コンピュータ、ゲーム機、シミュレータ、または他のシステムに用いる手元コントローラ等のいわゆるハプティックデバイスまたは力反映制御インタフェースシステムの形態をした運動伝達装置の基礎を提供し、あるいは基礎となるものである。
【００１７】
以下、本発明による伝動部材の好適な実施例を簡単に説明する。
【００１８】
少なくとも１つの連結手段は、湾曲部の外面を含んでもよい。
【００１９】
この湾曲部の外面は、歯状面として形成してもよいし、波状面を有してもよい。
【００２０】
また、１つの連結手段は、少なくとも１本のケーブルまたはワイヤを具備してもよい。
【００２１】
この少なくとも１本のケーブルまたはワイヤの一方の端部は、ベース部に取り付けてもよく、少なくとも１本のケーブルまたはワイヤの他方の端部は、湾曲部に取り付けてもよい。
【００２２】
また、この少なくとも１本のケーブルまたはワイヤには、弾性引張手段で張力をかけてもよい。
【００２３】
さらに、この少なくとも１本のケーブルまたはワイヤを、スリップキャプスタンの周りに巻きつけてもよい。
【００２４】
少なくとも１つの連結手段は、第１のケーブルまたはワイヤ、および第２のケーブルまたはワイヤを具備してもよい。
【００２５】
この第１のケーブルまたはワイヤの一方の端部は、ベース部に取り付けてもよく、第１のケーブルまたはワイヤの他方の端部は、アクチュエータと結合するようにしてもよい。
【００２６】
この第２のケーブルまたはワイヤの一方の端部は、湾曲部に取り付けてもよく、第２のケーブルまたはワイヤの他方の端部は、アクチュエータと結合するようにしてもよい。
【００２７】
湾曲部は、環体の弧を形成してもよく、その中心は、伝動部材の回転軸と交差する。
【００２８】
ベース部は、湾曲部の第１の端部から延在してもよい。
【００２９】
また、このベース部は、湾曲部の第１の端部から、湾曲部の半径方向に延在してもよい。
【００３０】
さらに、このベース部は、運動伝達装置の取付部材に回転取付するための第１の端部を具備してもよい。
【００３１】
第１のアームの回転軸は、この第１のアームの第１の端部を通って延在してもよい。
【００３２】
実施例では、本発明による伝動部材は、第１のアームとして、上記の運動鎖に組み込んでもよい。
【００３３】
また、実施例では、本発明による伝動部材は、第１のアームとして、上記の運動伝達装置に組み込んでもよい。
【００３４】
次に、図１および２を参照して、本発明の好適な実施例によるいわゆるハプティックデバイスの形態をした運動伝達装置について説明する。説明のためにのみ、このハプティックデバイスは、コンピュータ用手元コントローラなどの力反映制御インタフェースとして使用すると仮定する。さらに、可能な用途としては、ゲーム機、シミュレータ、または他の類似システム用、および平行運動マニピュレータまたは平行運動測定システム用の力反映制御インタフェースも含む。
【００３５】
好適な実施例による本装置は、ベース部材またはベースプレート２および可動部材４を含む。このベース部材２および可動部材４は、３つの運動鎖６を介して接続される。
【００３６】
各運動鎖６は、第１のアームまたは主アーム８および第２のアームまたは２次アーム１０を含む。この第１のアーム８や当該アームの動作、機能についての詳細は、図６および７を参照して以下に説明する。
【００３７】
各第２のアーム１０は、２本の連結棒１２を含む平行四辺形と見なしてもよい。その一端１４で、各連結棒１２は、ジョイントまたはヒンジ１６によって可動部材４に結合する。また、その反対側の端部１８で、各連結棒１２を、それと対応する第１のアーム８の端部２０と、ジョイントまたはヒンジ２２によって結合する。
【００３８】
各第２のアーム１０、具体的には、各連結棒１２は両端に回転２自由度を有する。この機能を実現するには、可動部材４および対応する第１のアーム８と第２のアーム１０の結合は、玉軸受、滑り軸受、または可撓性ヒンジなどのカルダン部品、または一対の非平行で回転可能な接続または接合によって実現してもよい。一実施例では、非平行で回転可能な接続または接合の場合、それぞれの軸が垂直であり、かつ交差するのが好ましいが、２軸間のオフセット距離は許容できる（図１２も参照）。各連結棒の最も外側の回転可能な接続、つまり、一方の側で連結棒を可動部材に接続し、他方の側で連結棒を第１のアームに接続する回転可能な接続は、互いに平行で、かつ第１のアームの回転可能な接続の軸と平行な軸を持つ必要がある。また、実施例では、各連結棒の最も内側の回転可能な接続は、互いに平行な軸を有する必要があり、また、好適には、その軸は、最も外側の回転可能な接続と垂直である。連結棒のそれぞれが、これらの条件を満たさなければならないので、任意の側にある各連結棒の最も外側の回転可能な接続は、一致軸を持ち、同じ回転を行わなければならない。したがって、本実施例では、図１２に示すように、この最も外側の連結は、少なくとも２本の棒と共通にしてもよい。
【００３９】
代替的に、各第２のアーム１０、具体的には、各連結棒１２は一方の側に回転２自由度を有し、他方の側に回転３自由度を有する。この機能を実現するには、可動部材４および対応する第１のアーム８と第２のアーム１０の結合は、一端または両端の球状ボールジョイントで実現してもよい。したがって、連結棒１２は、それ自身の軸の周りに回転してもよいが、この付加的な自由度は、本装置の動作には必ずしも必要ではない。
【００４０】
可動部材４および対応する第１のアーム８と第２のアーム１０の結合は、第２のアーム１０側に共通ベースを持ち、可動部材４および／または第１のアーム８側に少なくとも２つのベースを持つ連結を含んでもよい。
【００４１】
しかし、いずれの場合でも、例えば、ＥＰ１１１３１９１Ａ１で知られているような、第２のアーム１０を可動部材４および対応する第１のアーム８に結合させるためのジョイント２２として、可撓性ヒンジ、またはヒンジ接合を用いるのが好ましい。
【００４２】
第１のアーム８、第２のアーム１０、ベース部材２、および可動部材４をフレキシブルカップリングで結合させる好適な実施例を、図１２を参照して以下に説明する。
【００４３】
各第１のアーム８は、対応する第２のアーム１０と結合した端部２０とは反対側の端部２４で、取付部材２６と結合し、その取付部材２６は、ベース部材２に固定して取り付けられ、つまり、各第１のアーム８はベース部材２と結合する。この取付部材２６およびベース部材２は、一体で形成してもよい。
【００４４】
各第１のアーム８は、各第１のアーム８がそれに対応する取付部材２６に対して、つまりベース部材２に対して回転または旋回できるように、対応する取付部材２６と結合する。好適な実施例では、各第１のアーム８は、それに対応する取付部材２６および端部２４を通って伸びる回転軸２８によって対応する取付部材２６と結合する。
【００４５】
取付部材２６は、ベース部材２から、ベース部材の面と実質的に垂直な方向に伸びている。第１のアーム８が結合する個所であって、ベース部材２に取り付けられた部分２８と、反対側の自由端２０との間の個所で、回転アクチュエータ３２が各取付部材２６に取り付けられる。
【００４６】
回転アクチュエータ３２は、例えば、標準的な直流モータ、またはブラシレスモータでもよい。トルク出力、および消費電力を低減するために、運動鎖６の所望の運動へ供給する必要がある。本発明は、図６乃至１２を参照して以下に詳しく説明する新しい一段式伝動装置を利用する。
【００４７】
各アクチュエータ３２は、各取付部材２６を通って伸びる回転出力軸３４を具備する。この出力軸３４それぞれは、第１のアーム８を動かすために、その第１のアーム８に結合する。出力軸３４および第１のアーム８の結合に関する好適な実施例を、図８乃至１０を参照して以下に説明する。
【００４８】
ポテンショメータ、光学エンコーダ、磁気エンコーダなどの、１つまたは複数の第１のアームの角度位置を検出する手段またはユニットを、好適には、出力軸３４、または角度情報を提供するのに適したアクチュエータ３２の他の部分（例えば、ロータ）に連動させる。
【００４９】
図１から分かるように、好適な実施例は筐体３５を具備する。筐体３５は、ベース部材２に取り付けてもよいし、あるいはその下側にベース部材２を含んでもよい。
【００５０】
この筐体３５には、３つの開口部３６があり、そこを通して、第１のアーム８は誘導される。以下に詳細に記載するように、第１のアーム８の設計および動作のために、各開口部３６は、第１のアームが誘導される方向に見て、第１のアーム８の誘導される部分の断面よりもやや大きめの断面を持つ。動作中は、開口部３６領域で、事実上直線に沿って第１のアーム８の運動が生じるために、このように開口部３６を設計してもよい。したがって、開口部３６の断面積は、第１のアーム８の断面積とできるだけ近くなるように設計してもよい。ここで、「できるだけ近く」とは、第１のアーム８の運動が、例えば、摩擦によって影響を受けることがないように、第１のアーム８が開口部のすべての端部（つまり、開口部３６を画定する筐体３５の各部）と実質的にかみ合ったり接触したりしないことを意味する。
【００５１】
例えば、第１のアーム８が矩形または円形の断面を持つ場合、開口部３６もまた、やや大きめの矩形または円形の断面を持ってもよい。これによって、内部の構成部品および装置全体の故障につながる可能性がある異物（例えば、ほこり、水分、湿度、微粒子など）が全く、あるいは少なくともほとんど筐体３５に侵入できないように、筐体３５内部の構成部品の保護をよりしっかりと行うことができる。さらに、これによって、ユーザが負傷（例えば、指を挟んだり、指を巻き込んだり）する危険を低減できる。
【００５２】
図面には示していないさらに好適な実施例では、開口部３６は、弾性リングまたは被覆を備えており、そのリングまたは被覆は、アームの運動が（実質的に）影響を受けず、かつ第１のアーム８と筐体３５との間に液体封止が行えるように、その第１のアーム８と接触する。また、この液体封止は、ベローズ（図示せず）で行ってもよい。
【００５３】
図３乃至５を参照して、本発明による第１のアーム８、取付部材２６、およびアクチュエータ３２の、本発明の好適な実施例による配置を説明する。
【００５４】
ここで、理解を助けるために、いくつかの事項を事前に説明する。本発明が係る装置、および運動を伝達するための従来技術によるいくつかの装置には、その可動部材にとって可能な運動、または可動部材の自由度に関して対称中心がある。
【００５５】
ベース部材と可動部材との間に接続された各運動鎖は、運動面内で運動することができる。具体的には、運動鎖の第１のアーム、または主アーム、つまり、ベース部材に接続された運動鎖の一部は、通常、その運動面内で運動することができる。
【００５６】
運動鎖の第２のアームの運動、つまり、可動部材に接続された運動鎖の一部の運動は、通常、異なった面内、または運動空間内で生じることができる。
【００５７】
一実施例では、対称中心は、ベース部材の中心を通って垂直に伸びる線がこの対称中心と交差するように位置する。以下、簡単にするのみの目的で、この関係を好適な実施例に適用するものと仮定する。ただし、対称軸に関するそれ以外の関係または位置もまた可能である。
【００５８】
図３に、それ自体は本発明では用いないが、従来技術による装置では一般的な配置における第１のアーム８を示す。図３は、第１のアームの空間的配置に関してのみ、従来技術による配置と見なすことがあることに留意されたい。ただし、本発明の第１のアーム８は、従来技術では知られていないということはよく理解されるべきである。
【００５９】
各第１のアーム８は、図３の破線で示すアームの運動面３８内で運動可能である。知られているように、複数の第１のアームは、それらの運動面３８が、ベース部材を通って、ここではベース部材の中心４２を通って、垂直に伸びる共通線または軸４０（「対称軸」という）で交差するように配置される。本実施例では、交差する軸、または対称軸は、可動部材４（図示せず）の可能な運動、または可動部材の自由度に対してそれぞれ対象の中心を貫通する。
【００６０】
この従来技術による配置は、本発明では用いない。代わりに、本発明では、第１のアーム８およびそれに対応する取付部材２６とアクチュエータ３２を図４に示す方法で配置する。
【００６１】
具体的には、少なくとも１つの第１のアーム８は、その運動面が、図３の運動面３８と比較すると垂直方向にオフセットするように位置し、その結果、運動面４４となる。これを、図４の矢印４６で示す。
【００６２】
さらに、１つまたは複数の第１のアーム８は、それぞれの回転軸が運動面４４内で内側方向またはベース部材２の中心４２に向かって移動するように位置する。これを、図４の矢印５０で示す。
【００６３】
上記の方法で各第１のアーム８の位置を決めると、図５に示す好適な実施例となる。
【００６４】
その結果、本発明に従って位置を決めた各アームの運動面４４は、運動面の共通対称軸とは交差せず、それに対して空間を空けた関係で広がり、つまり、運動面４４と対称軸との間には距離ｄ＞０が存在する。
【００６５】
言い換えれば、本発明に従って位置を決めた第１のアーム８の運動面４４と、本発明に従って位置を決めても決めなくてもよい別の第１のアームの運動面３８／４４との交差部分は、それらの共通対称軸とは交差せず、それに対して空間を空けた関係で伸びる直線を形成し、つまり、面と面との交線と、対称軸との間には距離ｄ＞０が存在する。したがって、図５の実施例では、各運動面４４、つまり本発明に従って位置を決めたそのすべては、空間を空けた関係で広がる。
【００６６】
これによって、具体的には、第１のアーム８の回転軸と、ベース部材２の中心または対称軸との間の距離を短くすることができるために、より小型の設計が可能になる。その結果、本発明による装置が占める左右の間隔が、従来技術による装置と比較して狭くなり、例えば、より小型の筐体を使用することが可能になる。
【００６７】
第１のアームの運動の有効半径が第１のアームの半径とほぼ等しい卓上型ハプティックデバイス典型例において、本発明により実現する左右の空間の減少は、直径で、約１／２に達し、表面積については、本発明により実現する減少は約１／４に達する。
【００６８】
次に、図６および７を参照して、本発明による装置内部での第１のアーム８およびその配置の好適な実施例を説明する。
【００６９】
第１のアーム８は、湾曲部５２を含み、ここでは、環体の弧の形態を取る。この湾曲部５２の曲率にかかわらず、第１のアーム８の回転中心５４が、湾曲部５２の両端を結ぶ仮想線の中心と一致、またはほぼ一致することが好ましい。図６および７に示す実施例では、湾曲部５２の中心は、さらに、湾曲部５２の曲率を持つ仮想環体の中心（中央）と一致し、この関係は、湾曲部５２が異なる曲率を持っていても存在できる。
【００７０】
第１のアーム８のベース部５６は、湾曲部５２の第１の端部５８から伸びており、回転できるように取付部材２６と結合し、ここで、ベース部５６と取付部材２６とのベース部上での結合位置により、第１のアーム８の回転中心５４が決まる。好適な実施例では、ベース部５６は、直線部である。ただし、ベース部５６は、湾曲部であってもよい。
【００７１】
図６および７の実施例は、湾曲部５２の第２の端部６２から伸びる第１のアーム８の追加端部６０を含む。この端部６０で、例えば、ヒンジにより、湾曲部５２と対応する第２のアーム１０とが結合する。具体的には、可撓性ヒンジの場合、端部５８とヒンジは、一体で形成してもよいし、一体的に形成した部材として設けてもよい。端部６０を含まないさらに好適な実施例では、湾曲部５２と第２のアーム１０とは、直接結合してもよい。この結合用のヒンジの場合、ここでは、ヒンジと湾曲部５２の第２の端部６２、および／またはヒンジと第２のアーム１０は、一体で形成してもよい。
【００７２】
図６は、第１の終端位置にある第１のアーム８を示し、図７は、第２の終端位置にある第１のアーム８を示す。この終端位置間の移行は、第１のアーム８が回転することによって実現する。これらの図から分かるように、第１のアーム８の運動は、筐体通過領域３４を通過する湾曲部５２の各部の運動が、その位置で直線運動と見なすことができるような運動である。したがって、筐体３４の開口部３６は、湾曲部５２の（最大）断面に対応する寸法を有してもよい。
【００７３】
同じ用途において、第１のアーム８の好適な実施例、具体的には、湾曲部５２の好適な実施例によって、第１のアーム８の準最適なねじれ、および結合剛性が得られる。この場合には、湾曲部５２の適切な断面を補償に用いてもよい。第２のアームの運動範囲に影響を及ぼすその他の措置としては、第１のアーム８と第２のアーム１０との結合位置を回転中心５４に近づけ、あるいは遠ざけることが含まれる。これは、例えば、湾曲部５４の第２の端部６２から回転中心５４に向けて、あるいはその反対方向に伸ばすなど、端部６０を適切に設計することによって実現してもよい。
【００７４】
以下、第１のアーム８を動かすための好適な実施例を説明し、そのうちの一部は、図８乃至１０を参照して説明する。
【００７５】
図示していない好適な実施例では、アクチュエータ３２の出力軸３４と湾曲部５２とは、摩擦接触または摩擦係合する。好ましくは、出力軸３４と湾曲部５２との間の摩擦により、出力軸３４の回転が、湾曲部５２、つまり第１のアーム８に十分に（好ましくは、常時）伝達されることが保証される。出力軸３４の回転により、第１のアーム８の運動、つまり運動鎖６全体の運動を生じる。出力軸３４と第１のアーム８との連結を改善するために、出力軸３４そのもの、またはその上に形成した被覆は、高摩擦係数を有してもよい。加えて、あるいはその代わりとして、出力軸３４、またはその上に形成した被覆との接触のために設けられる湾曲部５２の各部が、高摩擦係数を有してもよい。
【００７６】
さらに、出力軸３４および第１のアーム８を、互いに付勢することも考えられる。これにより、重力によるモータのトルク損失が補償され、また、例えば、それらの摩擦接触も強められる。この付勢は、例えば、第１のアーム８の方向に作用する力を出力軸３４にかけることによって実現してもよいし、逆でもよい。これは、例えば、フレキシブル軸受、および／または弾性バネ要素で実現してもよい。したがって、このことは、本発明による他の実施例に対しても考えられる。
【００７７】
図示していないさらに好適な実施例では、アクチュエータ３２の出力軸３４は、歯車として形成してもよいし、波状面を有してもよいが、出力軸３４との接触のために設けられる湾曲部５２の各部は、それと補完する面を持つように形成する。これにより、第１のアーム８と出力軸３４との間の滑りが回避され、あるいは最小化される。
【００７８】
図８乃至１０に示す好適な実施例では、出力軸３４と第１のアーム８との結合は、ケーブルまたはワイヤを用いて行う。
【００７９】
図８の好適な実施例では、第１のアーム８は、ケーブル６４を備える。あるいは、ケーブル６４および以下で説明する他のケーブルの代わりに、それぞれ歯付きベルトまたは歯車による伝動機構を用いることも考えられる。
【００８０】
ケーブル６４は、ベース部５６から湾曲部５２の外面に沿って第２の端部６２に至る方向で見て、ベース部５６から湾曲部５２に沿って出力軸３４を越えた湾曲部５２のある位置まで伸びる。このケーブル６４の両端６６および６８は、第１のアーム８に固定して取り付けられる。
【００８１】
第１のアーム８と出力軸３４とを結合させるために、図８の右側部分に示すように、ケーブル６４を、出力軸３４の周りに、少なくとも一周巻きつける。
【００８２】
ケーブル６４と出力軸３４の外面との間での十分な摩擦を得るために、ケーブル６４を締め付ける、またはケーブル６４に張力を加える。そのために、ケーブル６４の両端６６および６８を第１のアーム８にそれぞれ接続するためのクランプ７０および７２を用いることが好ましい。
【００８３】
出力軸３４と第１のアーム８との連結を改善するために、出力軸３４そのもの、またはその上に形成する被覆は、高摩擦係数を有してもよい。加えて、あるいはその代わりとして、出力軸３４、またはその上に形成する被覆との接触のために設けられるケーブル６４の各部が、高摩擦係数を有してもよい。
【００８４】
図９に示す好適な実施例は、基本的に、以下の差異を除いて図８の実施例と一致するため、同じような特徴についての説明は省略する。
【００８５】
図９に示すように、バネ７４が、ケーブル６４の端部６６と、第１のアーム８のベース部５６上に設けた支持体７６との間に設けられる。このバネ７４は、恒久的に、ケーブル６４が出力軸３４と確実に連結する程度までケーブル６４を付勢し、またはケーブル６４に張力を加える。これにより、一方では出力軸３４と、他方ではケーブル６４、つまり第１のアーム８との確実な結合が保証される。この弾性引張手段は、図９に示すように、牽引コイルバネでもよいが、他の弾性要素を使うこともできる（例えば、圧縮コイルバネ、梁要素、メンブレン等）。
【００８６】
図１０に示す好適な実施例は、基本的に、以下の差異を除いて図８および９の実施例と一致するため、同じような特徴についての説明は省略する。
【００８７】
図１０（右側）に示すように、ケーブル６４は、例えば、はんだ、溶接、接着剤、クランプなどで出力軸３４に固定される。これが、出力軸３４とケーブル６４、つまり出力軸３４と第１のアーム８との確実な結合を保証する追加的な措置である。
【００８８】
図１１に示す好適な実施例は、基本的に、以下の差異を除いて図８〜１０の実施例と一致するため、同じような特徴についての説明は省略する。
【００８９】
図１１に示す（具体的には、図１１の右側部分に示す）好適な実施例では、ケーブル６４の代わりに２本のケーブル６４ａおよび６４ｂを用いる。
【００９０】
ケーブル６４ａの一方の端部６６ａが、図１０および１１の実施例におけるケーブル６４の端部６６のように、第１のアーム８のベース部５６と結合し、つまり、バネ７４が、ケーブル６４の端部６６ａと、第１のアーム８のベース部５６上に設けた支持体７６との間に設けられる。さらに、ケーブル６４ａを、スリップキャプスタン７７の周りに少なくとも一周巻きつける。これにより、キャプスタンの摩擦のため、アクチュエータから見たとき、高いケーブル剛性が明らかに可能になり、より小さな張力（つまり、より小さな弾性要素）ですむ。
【００９１】
図１１に示すキャプスタンの使用は、図８乃至１０の実施例に対しても考えられる。
【００９２】
代替的に、端部６６ａは、図８乃至１０の実施例と同様の方法でベース部に取り付けてもよい。
【００９３】
ケーブル６４ａの他方の端部７８を、例えば、はんだ、溶接、接着剤、クランプなどで出力軸３４に固定して取り付ける。
【００９４】
このケーブル６４ａを、出力軸３４の周りに、巻きつけ方向に巻きつける。
【００９５】
ケーブル６４ｂの一方の端部６８ａは、図９および１０の実施例におけるケーブル６４の端部６８が第１のアーム８に取り付けられるように、第１のアーム８の湾曲部５２に取り付ける。
【００９６】
ケーブル６４ｂの他方の端部８０を、例えば、はんだ、溶接、クランプなどで出力軸３４に固定して取り付ける。
【００９７】
このケーブル６４ｂも、出力軸３４の周りに巻きつけられるが、同じ巻きつけ方向に反対側から巻きつけられる。
【００９８】
その結果、出力軸３４の回転により、ケーブル６４ａは、出力軸から巻き戻され、ケーブル６４ｂは、出力軸３４に巻き上げられる、あるいはその逆も生じる。これにより、本発明による装置は、より狭い設計でも可能となる。
【００９９】
ケーブル６４ａおよび６４ｂと、出力軸３４とのこのような結合により、具体的には、滑りの恐れが減り、摩擦状態が改善されるために、第１のアーム８と出力軸３４との間の結合の質が向上する。
【０１００】
また、代替案としては、ケーブル６４ａおよび６４ｂの端部７８および８０を、出力軸３４にその端部７８および８０を固定する代わりに、上記のように、ケーブル６４ａおよび６４ｂを出力軸３４に巻きつけることによって出力軸３４と結合させ、ケーブル６４ａおよび６４ｂのうちの少なくとも一方を出力軸３４を通ってその長手方向軸と垂直な方向に伸びる経路に導き、端部７８および８０を互いに接続してもよい。
【０１０１】
上記すべての実施例に対して、ベース部上に配置するように記載された結合手段を湾曲部上に、および湾曲部上に配置するように記載された結合手段をベース部上に配置することも考えられる。
【０１０２】
図８乃至１１を参照して説明した原理は、本発明が係る種類の運動伝達装置において適用できるばかりではない。それどころか、この原理、および基礎となる教示は、一般論として、ベース部、湾曲部、および端部を具備する運動を伝達するための運動伝達部材を実現する。第１のアームのベース部、湾曲部、および端部に関する上記の詳細は、ここにも適用する。
【０１０３】
運動伝達部材には、ベース部材を通して伸びる回転軸があり、一方、端部は、例えば、第２のアーム１０である他の部材に伝達すべき運動を提供するように構成される。
【０１０４】
湾曲部は、運動伝達部材の回転軸から離れており、ベース部を介して回転軸と連結する。したがって、回転軸周りの運動伝達部材の回転によって、湾曲部の回転が生じ、また逆も同様である。
【０１０５】
湾曲部は、回転アクチュエータ、電気モータ、出力軸などのように回転運動を提供する装置またはユニットと連結するように構成される。湾曲部と、そのような装置との連結は、第１のアーム８およびアクチュエータ３２の結合に係る上記の実施例のうちの１つを組み込むのが好ましい。
【０１０６】
好適な実施例は、ハプティックデバイス、マニピュレータ、または測定システムの形態をとってもよい。
【０１０７】
ハプティックデバイスの場合は、可動部材４はハンドルと結合する。マニピュレータの場合は、可動部材４は操作部材と結合する。測定システムの場合は、第１のアームはセンサ素子と結合し、可動部材の位置が測定結果に基づき計算される。図１に、ハンドル、操作部材、およびセンサ素子を、参照番号８２で指定した構成部品で示す。
【０１０８】
本発明によるハプティックデバイスの実施例は、上記の実施例のうちの１つにおける本発明による装置を具備する。このようなハプティックデバイスは、触感および制御をコンピュータアプリケーションなどとの対話に適用するアクティブインタフェースとして使用してもよい。ハプティックデバイスは、ユーザに、その装置が発生させる運動および／または力に関するフォースフィードバック情報を提供する。本発明によるハプティックデバイスまたはフォースフィードバック装置は、並進３自由度を提供する。さらに、本発明による運動伝達装置と直列に結合した回転手首モジュール８２によって、最大３つの回転自由度を提供してもよい。回転は、手首モジュール８２と可動部材との回転継手８４によって実現してもよい。ユーザは、手首モジュール８２、または手首モジュール８２の上部にあるハンドルによって、ハプティックデバイスと対話してもよい。好適には、手首モジュールは、触覚フィードバックを実現するように構成される。
【０１０９】
本発明によるハプティックデバイスは、各第１のアーム８の開口角を測定するためのセンサと、可動部材４の位置を測定結果に基づき計算するためのプロセッサとをさらに具備してもよい。
【０１１０】
また、好ましくは手首モジュール８２の下にある可動部材に配置した人間／コンピュータ・インタフェースおよび／または力センサに用いるコントロールキー、制御車、力グリッパ、または他の素子を設けることも考えられる。
【０１１１】
本発明による動作伝達装置の実施例を組み込む本発明によるマニピュレータは、並進３自由度および回転１自由度の運動を、グリッパに提供する。平行運動鎖６は、並進３自由度を可動部材４に提供する。グリッパアセンブリなどの操作部材８２は、操作部材８２がベース部材２と関連して回転できるように、可動部材４と直列に結合する。これは、回転継手８４によって、および／または構造全体の垂直軸周りでの回転を可能にする回転軸を可動部材４に設けることによって実現してもよい。
【０１１２】
他の実施例では、本発明によるマニピュレータは、各方向への力またはトルクを検出するような力センサを具備してもよい。当然のことながら、本発明によるマニピュレータは、他の種類のグリッパ、ツール、または他の先端部を具備してもよい。
【０１１３】
例えば、座標を測定するための本発明による測定システムは、並進３自由度の運動をプローブまたはセンサ素子８２に提供する本発明による運動伝達装置を組み込む。ここでは、回転継手８４を省略することが可能である。
【０１１４】
図１２に、第１および第２のアーム８および１０の弾性結合、および／または第２のアーム１０と可動部材４との弾性結合に関する好適な実施例を示す。ここでは、第２のアーム１０は、図１２に示す端部を持つ３本の連結棒１２を具備する。この連結棒１２の端部は、３つの弾性ヒンジまたは弾性ヒンジ接合８６によって、第１のアーム１０または可動部材４と結合する。この弾性ヒンジ８６は、個別部品として構成してもよいし、連結棒１２と一体で形成してもよい。また、第２のアーム１０、および第１のアーム８、および／または可動部材４を一体で形成することも可能である。一体の場合の実施例では、弾性ヒンジ８６は、材料をテーパ加工したものとして形成してもよい。
【０１１５】
本発明の具体的な実施例に関して、本発明を本明細書中で説明したが、添付の請求項は、これらの実施例に限定するものと解釈してはならず、むしろ、本発明の目的の範囲内で、当業者にとって明らかである本発明のあらゆる修正例および変更例を含むと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
添付図面を参照に、一例として、本発明の実施例を説明する。
【図１】図１は、本発明の好適な実施例を示している。
【図２】図２は、本発明の好適な実施例を示している。
【図３】図３は、本発明の好適な実施例を示している。
【図４】図４は、本発明の好適な実施例を示している。
【図５】図５は、本発明の好適な実施例を示している。
【図６】図６は、本発明の好適な実施例を示している。
【図７】図７は、本発明の好適な実施例を示している。
【図８】図８は、本発明の好適な実施例を示している。
【図９】図９は、本発明の好適な実施例を示している。
【図１０】図１０は、本発明の好適な実施例を示している。
【図１１】図１１は、本発明の好適な実施例を示している。
【図１２】図１２は、本発明の好適な実施例を示している。
【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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【国際調査報告】
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2008531931.tif 000016
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