(57)【要約】  エンドエフェクタ動作用のロボットアーム（５００）である。このロボットアームは、第１のアクチュエータ（４）と、第１のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンとを含み、それによりエンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第１の自由度が与えられる。また、ロボットアームは、第２のアクチュエータ（５；５ｂ）と、第２のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第２のキネマティックチェーンと備え、それによりエンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第２の自由度が与えられる。さらに、ロボットアームは、第３のアクチュエータ（６；６ｂ、５１２）と、第３のアクチュエータ（６；６ｂ）からエンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンを備え、それによりエンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第３の自由度が与えられる。また、ロボットアームは、第４のアクチュエータ（５０；１５０）と、第４のアクチュエータの動きをエンドエフェクタ（２８）の対応する方向付け軸（６５）に伝達するように構成された第４のキネマティックチェーンとを備える。第４のキネマティックチェーンは、少なくとも１のベアリング（５３、５５；２０６）を介して内側アームアセンブリに取り付けられた方向付けリンケージ（５２、５７、５９；２０２、２０４、２０７、２０９；２８４、２８６；２５１、２５６、２５８）と、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた方向付けトランスミッション（６４Ｂ、６４Ａ、２１６；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２８１、２７９、２７５；２６０、２６２、２６４、２６６、２７１、２７０）とを含み、方向付けリンケージが、エンドエフェクタ回転リンク（５９；２０９；２５８；２８１）と、エンドエフェクタ回転リンクの各端部ジョイントに少なくとも２の自由度を提供する継手（５８、６０；２０８、２１０；２５７、２５９；２５７、２５９；２８２、２８０）とを含む。【選択図】図１
2021506612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクタ動作用のロボットアーム（５００）であって、
−第１の回転軸（２９、２９Ａ）を中心に内側アームアセンブリ（１）を回転させるように構成された第１のアクチュエータ（４）であって、前記内側アームアセンブリが、第２の回転軸（４０）を中心に回動可能に構成された外側アームリンケージ（１７、１８；１８）に接続され、前記外側アームリンケージがエンドエフェクタプラットフォーム（４１）に接続され、それにより前記第１のアクチュエータから前記エンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンが形成され、それにより前記エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第１の自由度が与えられる、第１のアクチュエータと、
−第２のアクチュエータ（５；５ｂ）であって、前記第２の回転軸（４０）を中心に前記外側アームリンケージ（１７、１８；１８）を回転させるように構成され、それにより前記第２のアクチュエータから前記エンドエフェクタプラットフォームまでの第２のキネマティックチェーンが形成され、それにより前記エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第２の自由度が与えられる、第２のアクチュエータと、
−第３のアクチュエータ（６；６ｂ、５１２）であって、第３の回転軸（３３；９９）を中心にシャフト（３）を回転させるように構成され、その回転により、前記外側アームリンケージ（１７、１８；１８）が継手（１６；１６１）を介して回転し、それにより前記第３のアクチュエータ（６；６ｂ）から前記エンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンが形成され、それにより前記エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第３の自由度が与えられる、第３のアクチュエータと、
−第４のアクチュエータ（５０；１５０）と、前記第４のアクチュエータの動作を前記エンドエフェクタ（２８）の対応する方向付け軸（６５）に伝達するように構成された第４のキネマティックチェーンとを備え、
前記第４のキネマティックチェーンが、
少なくとも１のベアリング（５３、５５；２０６）を介して前記内側アームアセンブリに取り付けられた方向付けリンケージ（５２、５７、５９；２０２、２０４、２０７、２０９；２８４、２８６；２５１、２５６、２５８）と、
前記エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた方向付けトランスミッション（６４Ｂ、６４Ａ、２１６；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２８１、２７９、２７５：２６０、２６２、２６４、２６６、２７１、２７０）とを含み、
前記方向付けリンケージが、エンドエフェクタ回転リンク（５９；２０９；２５８；２８１）と、前記エンドエフェクタ回転リンクの各端部ジョイントに少なくとも２の自由度を提供する継手（５８、６０；２０８、２１０；２５７、２５９；２５７、２５９；２８２、２８０）とを含むことを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットアームにおいて、
前記方向付けトランスミッションが、エンドエフェクタへの接続部（６５；６５、２１６、２７；２１６、５１４、２７；６５Ａ；６５Ｃ；６５Ｂ；６５Ｃ；６５、３９０）を含み、それにより、前記エンドエフェクタの動作に対して少なくとも４の自由度を与えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のロボットアームにおいて、
前記方向付けトランスミッション（６４Ｂ、６４Ａ、２１６；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２６０、２６２、２６４、２６６、２７１、２７０）が、少なくとも１の外側ギアリング機構（６４Ｂ、６４Ａ；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２７１、２７０）を含み、前記外側ギアリング機構が、前記外側ギアリング機構のギア比によって決定される角度範囲内で前記エンドエフェクタ（２８）を回転させるように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４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記方向付けリンケージ（５２、５７、５９；２０２、２０４、２０７、２０９；２５１、２５６、２５８）が、少なくとも１の内側ギアリング機構（５０１、５０２、５０３、５０４、５０５）を含み、前記内側ギアリング機構が、前記外側アームリンケージ（１７、１８；１８）の回転に制限されることなく、前記内側ギアリング機構のギア比によって決定される角度範囲内で前記エンドエフェクタ（２８）を回転させるように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５】
請求項１に記載のロボットアームにおいて、
前記方向付けリンケージ（２８４、２８６）および前記方向付けトランスミッション（２８１、２７９、２７５）が、回転角度制限なしに、方向付け軸（７１）を中心に前記エンドエフェクタを回転させるように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６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記第２のキネマティックチェーンが、接続ベアリング（１４；２１、２２）を介して前記外側アームリンケージ（１７、１８；１８）に接続されている少なくとも１のリンク（１１、１２；１２）を含む前記内側アームリンケージを含み、前記第２のアクチュエータ（５）が、前記少なくとも１のリンク（１１、１２；１２）に接続された少なくとも１の内側接続継手（１０；９、１０）を介して前記少なくとも１のリンク（１１、１２；１２）を移動させるように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７】
請求項６に記載のロボットアームにおいて、
前記外側アームリンケージが、前記エンドエフェクタプラットフォーム（４１）に接続された外側の一対の平行リンク（１７、１８）を含み、前記内側アームリンケージが、前記外側アームリンケージの外側の一対の平行リンク（１７、１８）に接続された内側の一対の平行リンク（１１、１２）を含み、前記第２のキネマティックチェーンが、レバー（２）の回転を前記エンドエフェクタプラットフォームの対応する動作に伝達するように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８】
請求項７に記載のロボットアームにおいて、
前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）および前記内側の一対の平行リンク（１１、１２）が、それぞれのリンク（１１、１７；１２、１８）のリンク接続毎に、１つの接続ベアリング（２１、２２）によって接続され、前記接続ベアリング（２１、２２）の回転軸（３４、３５；３１）が、前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）のそれぞれのリンクの各々の軸方向中心線に対して直角であることを特徴とするロボットアーム。
【請求項９】
請求項８に記載のロボットアームにおいて、
前記接続ベアリング（２１、２２）を互いに機械的に接続する剛性ビーム（２５）を備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１０】
請求項９に記載のロボットアームにおいて、
前記内側の一対の平行リンク（１１、１２）が、玉継手（１３、１４）を介して、前記剛性ビーム（２５）に対するオフセットビーム（２３、２４）に取り付けられていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１１】
請求項７乃至１０の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記第３のキネマティックチェーンが、前記第３のアクチュエータ（６）と前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）の作動リンク（１８）との間に接続された内側トランスミッション（３；３６２、３６０、３５３）を備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１２】
請求項７乃至１１の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）の作動リンク（１８）に沿って取り付けられたリンクベアリング（１６Ｃ）を備え、前記リンクベアリング（１６Ｃ）の回転軸が、前記外側の一対の平行リンクの作動リンク（１８）の中心と一致していることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１３】
請求項７乃至１２の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）と前記エンドエフェクタプラットフォーム（４１）とを接続するエンドエフェクタベアリング（１９、２０）を含み、前記エンドエフェクタベアリングの回転軸（３６、３７）が、前記外側の一対の平行リンクの中心に対して垂直であることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のロボットアームにおいて、
前記エンドエフェクタベアリング（１９、２０）の回転軸（３６、３７）が、前記接続ベアリング（２１、２２）の回転軸（３４、３５）と平行であることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１５】
請求項７乃至１４の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）のリンクと前記内側の一対の平行リンク（１１、１２）のリンクとを接続する接続ベアリング（２１Ａ、２２Ａ）を備え、各接続ベアリング（２１Ａ、２２Ａ）の回転軸が、前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）のそれぞれのリンクの中心と一致することを特徴とするロボットアーム。
【請求項１６】
請求項７乃至１５の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記内側の一対の平行リンク（１１、１２）のリンクが、平行リンクペア（１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂ）を含み、それら平行リンクペア（１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂ）が、前記外側の一対の平行リンク（１７、１８）のリンクの両側に玉継手で取り付けられていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記内側アームアセンブリ（１）が、中空のアームリンク（１ａ）を含み、前記シャフト（３）が中空のアームリンク（１ａ）の内側にベアリングで軸方向に取り付けられ、前記シャフト（３）が、前記第３のアクチュエータ（６）によって回転するように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１８】
請求項５乃至１６の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
複数の方向付けリンケージ（２８４、２８６）を含み、前記方向付けリンケージの各々が、方向付けトランスミッション（２８１、２７９、２７５）を含み、前記複数の方向付けリンケージは、対応する複数の同心の出力シャフト（２７５）が前記エンドエフェクタプラットフォーム上に配置された１または複数のエンドエフェクタのためにいくつかのエンドエフェクタの方向付けを働かせることができるように、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１９】
請求項３、４、６乃至１７の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
複数の方向付けリンケージ（５２、５７、５９；２０２、２０４、２０７、２０９；２５１、２５６、２５８）を含み、各々が、接続された方向付けトランスミッション（６４Ｂ、６４Ａ、２１６；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２６０、２６２、２６４、２６６、２７１、２７０）によって、対応する各エンドエフェクタの方向付けを、前記エンドエフェクタプラットフォーム上に配置された１または複数のエンドエフェクタのために達成するように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２０】
請求項１乃至１９の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
前記エンドエフェクタプラットフォーム（４１）に取り付けられた少なくとも２の方向付けトランスミッション（６４Ａ、６４Ｂ；２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３）を含み、少なくとも２の方向付けトランスミッションのうちの一つの外側ギアリング機構（６４Ｂ、６４Ａ；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２７１、２７０）が、少なくとも２の方向付けトランスミッション（２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３）のうちの少なくとも他の一つを回転するように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２１】
請求項２乃至２０の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
第５のアクチュエータ（２５０）と、前記第５のアクチュエータ（２５０）の動作を、少なくとも１の他の方向付けトランスミッションを介して、前記エンドエフェクタプラットフォーム上に配置された前記エンドエフェクタ（１８）の対応する動作に伝達するように構成された第５のキネマティックチェーンとを備えることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２２】
請求項２乃至２１の何れか一項に記載のロボットアームにおいて、
少なくとも１の更なるアクチュエータ（５０；１５０；２５０；２８５）と、前記少なくとも１の更なるアクチュエータの動作を、前記エンドエフェクタプラットフォーム上に配置された前記エンドエフェクタのそれぞれの動作に伝達するように構成された少なくとも１の更なるキネマティックチェーンとを備え、それにより、前記エンドエフェクタの動作に少なくとも６の自由度が与えら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】
本開示は、産業用ロボットアームの技術分野に属し、特に、非常に高速のプロセス、物体の非常に速い動き、および高安全のロボット設備のための軽量ロボットアームに属するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、人間とロボットが直接連携する場合や、フェンスのないロボット設備を使用することが利点であるときは、安全性の高い設備が必要である。先行技術を見ると、パラレルキネマティックロボット（国際公開第１９８７／００３５２８号に記載されているＤｅｌｔａロボットなど）があり、そのようなロボットにおいては、すべてのアクチュエータが固定スタンドに取り付けられ、それにより軽量構造を得ることができる。しかしながら、それらのパラレルキネマティックロボットには、アームシステムが非常に大きなスペースを占有し、ワークスペースがアームシステムに必要なスペースと比べて非常に小さいという欠点がある。このため、それらのロボットは、アームシステムに利用できる大きなスペースがあり、特に垂直方向に、非常に制限されたワークスペースを確保するのに十分な用途のみに使用することができる。このため、Ｄｅｌｔａロボットは主に、ロボットアーム構造のための十分なスペースがあるコンベヤベルトなどの平面上のピックアンドプレース操作に使用されている。
【０００３】
国際公開第２０１４／１８７４８６号では、スリムな平行構造が提案されており、例えばＤｅｌｔａロボットと比較して、アームシステムに必要なスペースと比べてより大きなワークスペースを可能にする。このロボット構造では、第１のアクチュエータが第１の軸を中心に第１のアームを駆動し、第１のキネマティックチェーンが、第１のアームの回転をエンドエフェクタの運動に伝達するように構成され、第１のキネマティックチェーンが、第１のロッドと、第１のアームと第１のロッドの間の第１の継手とを有する。第１の継手は、少なくとも２の自由度（ＤＯＦ）を持ち、第２の継手は、第１のロッドとエンドエフェクタの間に取り付けられている。エンドエフェクタの６の自由度の制約を失うことなく機能するために、国際公開第２０１４／１８７４８６号による設計は、第１のロッドのねじり剛性に依存している。しかしながら、これは、第１のロッドの第１の継手と第２の継手の両方に２のＤＯＦが必要であることを意味し、それは、ワークスペースの中央のように、エンドエフェクタの傾斜角度を一定に保つことができないことを意味する。したがって、国際公開第２０１４／１８７４８６号によるスリムなロボットのコンセプトでは、水平面上の単純なピックアンドプレース操作でも、２のＤＯＦのリストが必要である。しかしながら、そのようなリストはかなりの重量を追加し、ロボットは、例えばＤｅｌｔａロボットほど軽量のアームシステムを持つことはないであろう。さらに、電力を伝達して、リストのアクチュエータを制御するために、ケーブルが必要になる。
【０００４】
国際公開第２０１５／１８８８４３号では、パラレルキネマティックロボットが、ベースと、ベースに対して移動可能なエンドエフェクタとを備える。第１のアクチュエータは、ベースに取り付けられるとともに、第１のキネマティックチェーンを介してエンドエフェクタに接続され、第１のキネマティックチェーンが、第１のアームと、第１のロッドと、第１のアームと第１のロッド間の第１の継手と、第１のロッドとエンドエフェクタ間の第２の継手とを含む。第２のアクチュエータは、ベースに取り付けられるとともに、第２のキネマティックチェーンを介してエンドエフェクタに接続され、第２のキネマティックチェーンが、第２のアームと、第２のロッドと、第２のアームと第２のロッド間の第３の継手と、第２のロッドとエンドエフェクタ間の第４の継手とを含む。第３のアクチュエータは、ベースまたは第１のアームに取り付けられるとともに、第３のキネマティックチェーンを介してエンドエフェクタに接続され、第３のキネマティックチェーンが、第１の歯車と第２の歯車を含み、それら第１のおよび第２の歯車が、ベアリングでエンドエフェクタに軸支され、互いに噛み合っている。第３のキネマティックチェーンの少なくとも１の要素は、第１のキネマティックチェーンの少なくとも１の要素とキネマティックペアを構成する。これにより、エンドエフェクタの並進運動に関与するキネマティックチェーンが、エンドエフェクタの回転運動に関与するキネマティックチェーンの支持構造として利用される。
【０００５】
国際公開第２０１４／１８７４８６号のスリムな構造とは対照的に、国際公開第２０１５／１８８８４３号は、アームシステムのために非常に大きなスペースを必要とするロボット構造を記載している。これには、移動されるエンドエフェクタプラットフォームに３つのアクチュエータを直接接続する３つの独立したキネマティックチェーンが含まれるため、３つの異なる方向にスイングする３本のアームに、大きなスペースが必要となる。さらに、国際公開第２０１５／１８８８４３号のロボット構造のワークスペースは、本発明のロボット構造の場合よりも遙かに小さい。
【０００６】
国際公開第２０１５／１８８８４３号は、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられたツールを回転させるための構成を含む。国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１の構成は、直列に作動するリンクとギアからなる。それらのリンクは、アクチュエータをエンドエフェクタプラットフォームに接続する３つの独立したキネマティックチェーンのうちの２つに取り付けられており、既に限定されている位置決め機能を制限する。これらの制限は、リンクが２つの別々のキネマティックチェーンに取り付けられているという事実、直列に作動するリンクの接続がどのように行われるかという事実、そしてアームがゼロポジションから離れて回転するとリンクの動作範囲が大幅に減少するという事実によるものである。国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１では、第１の軸を中心にツールが回転すると、同時に第２の軸を中心にツールが回転し、これを補うために、第２の軸についての回転範囲が失われる。さらに、エンドエフェクタプラットフォームがワークスペースの中心から離れるほど、回転能力が大幅に低下し、大きなオフセットがもたらされる。しかしながら、国際公開第２０１５／１８８８４３号の図２の構成では、回転範囲が大きくなるが、国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１に記載の概念よりも限られたワークスペースが削減される。この理由の１つは、アームとエンドエフェクタプラットフォーム間のリンクにカルダン継手が必要なことである。さらに、ツールの回転に使用されるキネマティックチェーンには、直列に接続された複数のギアステップが必要である。これにより、アームとエンドエフェクタプラットフォームの重量が増加し、バックラッシュと摩擦が増加し、メンテナンスの要件が増加する。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の目的は、従来技術の問題点の少なくとも一部を軽減することである。更なる目的は、非常に速いプロセス、物体の非常に速い動き、および／または高安全のロボット設備に適した軽量ロボットアームを提供することである。これらの目的および他の目的は、独立請求項に係るロボットアームによって、また、従属請求項に係る実施形態によって少なくとも部分的に達成される。
【０００８】
第１の態様によれば、本開示は、エンドエフェクタ動作用のロボットアームに関する。このロボットアームは、第１の回転軸を中心に内側アームアセンブリを回転させるように構成された第１のアクチュエータを備える。内側アームアセンブリは、第２の回転軸を中心に回動可能に構成された外側アームリンケージに接続され、外側アームリンケージは、エンドエフェクタプラットフォームに接続され、それにより、第１のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンが形成されて、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第１の自由度が与えられる。ロボットアームは、第２の回転軸を中心に外側アームリンケージを回転させるように構成された第２のアクチュエータを備え、それにより、第２のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第２のキネマティックチェーンが形成されて、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第２の自由度が与えられる。さらに、ロボットアームは、外側アームリンケージが継手を介して回転するように、第３の回転軸を中心にシャフトを回転させるように構成された第３のアクチュエータを備え、それにより、第３のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンが形成されて、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第３の自由度が与えられる。また、ロボットアームは、第４のアクチュエータと、第４のアクチュエータの動きをエンドエフェクタの対応する方向付け軸に伝達するように構成された第４のキネマティックチェーンとを備える。第４のキネマティックチェーンは、少なくとも１のベアリングを介して内側アームアセンブリに取り付けられた方向リンケージと、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた方向付けトランスミッションとを備える。方向付けリンケージは、エンドエフェクタ回転リンクと、エンドエフェクタ回転リンクの各端部ジョイントに少なくとも２の自由度を提供する継手とを備える。
【０００９】
このため、開示のロボットアームは、何れもアーム構造にアクチュエータを含むことなく、エンドエフェクタの傾斜角度を一定に保ち、エンドエフェクタの傾斜角度を制御し、エンドエフェクタの傾斜角度を一定にして回転角度を制御し、かつエンドエフェクタの傾斜角度と回転の両方を制御する能力を有するため、産業上利用可能である。これらの重要な特徴は、非常にスリムなロボット構造と同時に、非常に大きなワークスペースを得ることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、方向付けトランスミッションが、エンドエフェクタへの接続部を含み、この接続部が、エンドエフェクタの動きに少なくとも４の自由度を与える。このため、エンドエフェクタは、アーム構造内にアクチュエータを有することなく、少なくとも４の自由度で移動することができる。
【００１１】
いくつかの実施形態によれば、方向付けトランスミッションが、外側ギアリング機構のギア比によって決定される角度範囲内でエンドエフェクタを回転させるように構成された少なくとも１の外側ギアリング機構を備える。エンドエフェクタは、内側アームアセンブリが鉛直軸を中心に回転するように構成されている場合はプログラムされた回転角度を得るように、また内側アームアセンブリが水平軸を中心に回転するように構成されている場合はプログラムされた傾斜角度を得るように、制御される。
【００１２】
いくつかの実施形態によれば、方向付けリンケージは、外側アームリンケージの回転によって制限されることなく、内側ギアリング機構のギア比によって決定される角度範囲内でエンドエフェクタを回転させるように構成された少なくとも１の内側ギアリング機構を備える。このため、大きなワークスペースのすべてにおいて、エンドエフェクタの大きな再方向付けを与えることができる。
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、方向付けリンケージおよび方向付けトランスミッションが、回転角制限なしに、方向付け軸を中心にエンドエフェクタを回転させるように構成されている。これにより、可能な最短の経路（および最小のサイクルタイム）を選択することができるように、いつでもエンドエフェクタを回転させることができる。
【００１４】
いくつかの実施形態によれば、第２のキネマティックチェーンは、接続ベアリングを介して外側アームリンケージに接続されている少なくとも１のリンクを含む内側アームリンケージを含み、第２のアクチュエータが、少なくとも１のリンクに接続された少なくとも１の内側接続継手を介して少なくとも１のリンクを動かすように構成されている。このため、第２のアクチュエータは、アーム構造と一緒に移動するのではなく、ロボットスタンドに配置することができる。
【００１５】
いくつかの実施形態によれば、外側アームリンケージは、エンドエフェクタプラットフォームに接続された外側の一対の平行リンクを含む。内側アームリンケージは、外側アームリンケージの外側の一対の平行リンクに接続された内側の一対の平行リンクを含む。また、第２のキネマティックチェーンは、レバーの回転をエンドエフェクタプラットフォームの対応する動きに伝達するように構成されている。外側の一対の平行リンクは、エンドエフェクタプラットフォームの望ましくない回転を防止するため、例えば、ピックアンドプレース操作のために４自由度の産業上重要なケースにおいて、追加のリストの動き（コストと重量を追加するアクチュエータおよびトランスミッション）が不要となる。
【００１６】
いくつかの実施形態によれば、外側の一対の平行リンクおよび内側の一対の平行リンクが、それぞれのリンクのリンク接続毎に、１つの接続ベアリングによって接続され、接続ベアリングの回転軸が、外側の一対の平行リンクの各リンクの軸方向中心線に対して直角である。これにより、外側アームリンケージは、内側アームリンケージと外側アームリンケージのリンク間の接続点のキネマティックスに関する不確実性なしに、内側アームリンケージによって正確に制御される。外側アームリンケージは、２つの継手を介して内側アームアセンブリに接続され、それにより、それら２つの継手の中心を通る回転線が、位置決め時に鉛直（またはアームの向きに応じて水平）のまま維持される。
【００１７】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、接続ベアリングを機械的に互いに接続する剛性ビームを含む。これにより、直列接続された内側および外側アームリンケージを介して、内側アームアセンブリの回転軸の方向をエンドエフェクタの回転軸に伝達する、より正確な機械的解決策が得られる。代替的な実施形態では、ビームがエンドエフェクタビームと平行な状態で、第２のベアリング対のベアリングが互いに接続される。
【００１８】
いくつかの実施形態によれば、内側の一対の平行リンクは、オフセットビーム上の玉継手を介して剛性ビームに取り付けられる。玉継手の形状は高精度に容易に作成できるため、直列接続された内側および外側アームリンケージを介して、内側アームアセンブリの回転軸の方向をエンドエフェクタの回転軸に伝達する精度をさらに向上させることができる。  
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、第３のキネマティックチェーンが、第３のアクチュエータと外側の一対の平行リンクの作動リンクとの間に接続された内側トランスミッションを含む。このため、第３のキネマティックチェーンの内側部分が十分に保護された状態で、ロボットアームの内側で最も負荷のかかる部分を丈夫であるがスリムに形成することができる。
【００２０】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、外側の一対の平行リンクの作動リンクに沿って取り付けられたリンクベアリングを含む。リンクベアリングの回転軸は、外側の一対の平行リンクの作動リンクの中心と一致する。リンクベアリングは、内側トランスミッションの回転によって引き起こされるエンドエフェクタの望ましくない傾斜角度エラーを回避するために使用される。このため、リンクベアリングにより、エンドリンクの傾斜角度を一定にして、いつでも内側リンクペアを２方向にスイングさせることが可能になる。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、外側の一対の平行リンクとエンドエフェクタプラットフォームを接続するエンドエフェクタベアリングを含み、エンドエフェクタベアリングの回転軸が、外側の一対の平行リンクの中心に対して垂直である。これにより、軽量のエンドエフェクタプラットフォームを有する、非常にスリムなロボットアーム構造が可能になる。エンドエフェクタのベアリングにより、外側アームリンケージはエンドエフェクタプラットフォームの６ＤＯＦをすべて拘束し、ロボット構造の残りの部分とエンドエフェクタプラットフォームとの間にこれ以上のリンクが不要となる。
【００２２】
いくつかの実施形態によれば、エンドエフェクタベアリングの回転軸が、接続ベアリングの回転軸と平行である。これにより、ツール軸を回転させるための正確な制御が得られる。
【００２３】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、外側の一対の平行リンクのリンクと内側の一対の平行リンクのリンクとを接続する接続ベアリングを含み、各接続ベアリングの回転軸が、外側の一対の平行リンクのそれぞれのリンクの中心と一致する。それにより、小さいＤＯＦとそれによる低い製造コストが、外側アームリンケージと内側アームリンケージとの間の継手接続について得られる。
【００２４】
いくつかの実施形態によれば、内側の一対の平行リンクのリンクは、複数対の平行リンクを含み、それらの複数対の平行リンクが、外側の一対の平行リンクのリンクの両側に玉継手で取り付けられる。これにより、外側アームリンケージと内側アームリンケージとの間の接続の精度をさらに高めることが可能になる。さらに、より単純なリンクおよび継手の解決策が、ソケットのペアで使用することができる。
【００２５】
いくつかの実施形態によれば、内側アームアセンブリが、中空アームリンクと、中空アームリンクの内側にベアリングで軸方向に取り付けられたシャフトとを備える。シャフトは、第３のアクチュエータによって回転するように構成される。これにより、外側アームリンケージと係合する内部の内側トランスミッションで、非常にコンパクトな内側アームの解決策が得られる。さらに、２つのベアリングを含む内側トランスミッションは、環境から完全に保護される。いくつかの実施形態では、ベアリング対の回転線または軸を、回転線または軸に垂直な軸を中心に回転させるために、ベアリング対をシャフトに取り付けて、そのシャフトを、中空アームリンク内で回転させるとともに、９０度のギアを介して回転アクチュエータによって作動させることができる。
【００２６】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、それぞれが方向付けトランスミッションを含む複数の方向付けリンケージを含む。複数の方向付けリンケージは、対応する複数の同心出力シャフトが、エンドエフェクタプラットフォーム上に配置された１または複数のエンドエフェクタのためにいくつかのエンドエフェクタ方向付けを働かせることができるように構成される。このため、第４および第６のキネマティックチェーンによって作動されるような複数のエンドエフェクタ方向付けは、非常に大きな方向付けを働かせることができる。
【００２７】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが複数の方向付けリンケージを含み、各々が、接続された方向付けトランスミッションにより、対応する各エンドエフェクタ方向付けがエンドエフェクタプラットフォーム上に配置される１または複数のエンドエフェクタに対して達成されるように構成されている。これにより、従来の多関節ロボット用の典型的な既存のロボットリスト（通常ロボットエルボーにあるモータからの回転シャフトを有する）は、そのような重い設計が用途に適合する場合に使用することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた少なくとも２の方向付けトランスミッションを含み、少なくとも２の方向付けトランスミッションのうちの１つの外側ギアリング機構が、少なくとも２の方向付けトランスミッションのうちの他の少なくとも１つを回転させるように構成されている。このため、第２のリストの動きを、分離したモジュール方式で追加できる。
【００２９】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、第５のアクチュエータと、第５のアクチュエータの動きを、少なくとも１の他の方向付けトランスミッションを介してエンドエフェクタプラットフォーム上に配置されたエンドエフェクタの対応する動きに伝達するように構成された第５のキネマティックチェーンとを備える。このようにして、ロボットアームのワークスペース全体でツールの回転と傾斜を同時に行うことができる。第５のキネマティックチェーンは、指定されたエンドエフェクタの回転または傾斜を得るために、接続されたトランスミッションの必要な運動を伝えるのに常に効果的である。
【００３０】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、少なくとも１の更なるアクチュエータと、少なくとも１の更なるアクチュエータの動きをエンドエフェクタプラットフォーム上に配置されたエンドエフェクタの対応する動きに伝達するように構成された少なくとも１の更なるキネマティックチェーンとを備え、それにより、エンドエフェクタの動きに少なくとも６の自由度が与えられる。
【００３１】
いくつかの実施形態によれば、外側ギアリング機構が、１自由度でツールを回転させるように構成された第１の歯車を含む。
【００３２】
いくつかの実施形態によれば、第１の歯車は、第１の歯車の回転軸が第１の回転軸と平行になるように、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられる。内側アームアセンブリが鉛直軸を中心に回転するように構成されている場合に、エンドエフェクタは常にワークスペースにおける水平面に対して垂直になり、内側アームアセンブリが水平軸を中心に回転すると、エンドエフェクタは常に水平軸を中心に傾斜する。これらの特徴により、ロボットアームは、ピッキング、プレーシング、パッケージングおよびパレタイジングの用途に非常に有用となる。
【００３３】
いくつかの実施形態によれば、外側ギアリング機構は第２の歯車を含み、第１の歯車が第２の歯車と係合し、第２の歯車が、第２の歯車に接続されたレバーを介して、ギアリンクによって回転するように構成されている。歯車、レバーおよびギアリンクはすべて炭素強化エポキシまたは複合材で製造することができるため、ツールを回転させるための軽量な構成が得られる。この伝動の解決策は、ツールの所定の回転範囲または傾斜範囲を得ることも可能にし、それが第２の歯車と第１の歯車の半径の適切な比率を選択することによって得られ、通常は、その比率が１よりも大きくなるように選択される。エンドエフェクタプラットフォームのエンドエフェクタビームが鉛直の場合にツールの回転を制御するために、また、エンドエフェクタビームが水平の場合にツールの１つの傾斜角度を制御するために、ギアトランスミッションなどの外側ギアリング機構が使用され、それには、回転ギアトランスミッションまたは線形ギアトランスミッションの何れかが含まれる。ギアトランスミッションはエンドエフェクタプラットフォームに取り付けられており、エンドエフェクタプラットフォームは、第１のエンドエフェクタビームと、第１のエンドエフェクタビームと平行な別のエンドエフェクタビームを有する任意選択的な構造とを含む。どちらの場合も、第１の回転歯車は、１または複数のベアリングを介して他のエンドエフェクタビームに取り付けられ、回転軸が別のエンドエフェクタビームの中心と一致する。第１の回転歯車は、シャフトを介してツールに機械的に接続される。例示的な一実施形態では、ギアリンクが、各端部にある少なくとも２のＤＯＦの継手により実現され、キネマティックチェーンを介してギアトランスミッションをアクチュエータに接続する。回転ギアトランスミッションの場合、第２の回転歯車は、その回転軸がエンドエフェクタビームの中心と平行または一致しており、レバーを介してギアリンクに接続され、それによりギアリンクの動きが回転ギアトランスミッションの第２の回転歯車の回転に変換される。第１の回転歯車は、第２の回転歯車によって強制的に回転する。第１の回転歯車の直径は、第２の回転歯車の直径よりも小さくてもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態によれば、第１の歯車はラックに係合し、ラックが、ラックに接続されたギアリンクによって動かされるように構成されている。このようにして、２つの歯車を有するトランスミッションを使用することと比較して、より空間効率の良いギアトランスミッションが得られる。これは、第２の歯車に取り付けられるレバーが不要であり、線形ラックを円形の歯車よりも細くすることができるためである。線形ギアトランスミッションの場合、線形ギア（すなわち、ピニオンホイールのサイズによってギア比が決定されるラック）は、少なくとも２のＤＯＦを有する継手を介してギアリンクに接続され、それにより、ギア作動リンクの動きが線形ギアトランスミッションの第１の回転歯車の回転に変換される。第１の回転歯車（ピニオンとして機能する）は、ラックの線形運動によって強制的に回転する。好ましくは、第１の回転歯車の円周は、線形ギアの長さよりも短い。
【００３５】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた少なくとも２のギアトランスミッションを含み、第１のギアトランスミッションの第１の歯車が、少なくとも１の第２のギアトランスミッションを回転させるように構成される。エンドエフェクタの傾斜角度と回転角度の両方を制御することが可能になり、それは多くの用途において重要である。
【００３６】
いくつかの実施形態によれば、少なくとも１の第２のギアトランスミッションは、ラックアンドピニオン型のギアトランスミッションであり、ラックは、その回転軸がラックの移動方向と平行になるようにラックベアリングに接続される。このようにして、第１のギアトランスミッションの制御は、第２のギアトランスミッションの制御から独立する。すなわち、エンドエフェクタの傾斜角度が第１のギアトランスミッションによって変更されても、回転角度は変更されることはなく、その逆もまた同様である。２ＤＯＦでエンドエフェクタの回転を制御するために、第１のラックアンドピニオン型のトランスミッションが第１の回転歯車に取り付けられる。線形ギア（すなわち、ラック）は、ラックベアリングとレバー構成を介して第２のギアリンクに接続される。
【００３７】
いくつかの実施形態によれば、少なくとも１の第２のギアトランスミッションの少なくとも１のピニオンは、ツールの回転を得るようにエンドエフェクタに接続される。これにより、第１のギアトランスミッションがツールの傾斜を実行することとは独立して、第２のギアトランスミッションを用いてエンドエフェクタを回転させることが可能になり、逆もまた同様である。すなわち、第１のラックアンドピニオン型のトランスミッションのピニオンは、エンドエフェクタが傾斜または回転することができるように接続される。
【００３８】
いくつかの実施形態によれば、少なくとも１のラックベアリングは、第１の歯車の回転軸と一致する回転軸を有する。ここでは、ラックベアリングは、エンドエフェクタの回転制御を傾斜制御から独立させるために不可欠であり、第１の歯車の回転軸と一致するラックベアリングの回転軸を取り付けることにより、第２のギアトランスミッションへのより正確な機械的伝動が得られる。すなわち、ラックベアリングの回転中心は、第１のラックアンドピニオン型のトランスミッションを保持する回転歯車の回転中心と一致する。
【００３９】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、直角ギアを介してエンドエフェクタに接続された少なくとも１の第２のギアトランスミッションの１つのピニオンを備える。それにより、エンドエフェクタの２つの傾斜角度および１つの回転角度の制御を得ることが可能になる。これにより、アーム構造にアクチュエータを有することなく、すべてのアクチュエータがロボットスタンドに固定して取り付けられた６軸ロボットアームが実現される。
【００４０】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、エンドエフェクタシャフトに接続された少なくとも１の第２のギアトランスミッションの１つのピニオンを備え、エンドエフェクタシャフト上には、ベアリングを介してエンドエフェクタが取り付けられ、ベアリングの回転軸がエンドエフェクタシャフトの回転軸と一致している。直角ギアを介して回転角度と同時に傾斜角度を得るために、エンドエフェクタシャフトは、第２のギアトランスミッションのピニオンに接続されたベアリングに取り付けられる。第２のギアトランスミッションのピニオンを回転させると、エンドエフェクタシャフトが取り付けられたベアリングが傾斜することとなる。
【００４１】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、共通のピニオンを介して接続された２つのラックを含む１つのラックアンドピニオン型のギアトランスミッションを含み、２つのラックが互いに対して直角に動くように構成される。これにより、２つの傾斜角度と１つの回転角度を互いに独立して作動させることができる。すなわち、傾斜角度または回転角度の何れかを作動しても、他の角度は変わらない。これは、傾斜角度と回転角度の制限された角度の作業範囲が、ロボットアームのワークスペースのあらゆる場所で、エンドエフェクタの実際の傾斜角度と回転角度とは無関係に、完全に使用することができることを意味する。
【００４２】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、ラックシャフトおよびラックベアリングを介して互いに接続される２つのラックを備える。第３のラックは、第１のラックに接続されている間、第２のラックピニオンによって回転することができ、それにより、エンドエフェクタの回転角度が、エンドエフェクタの傾斜角度の１つから独立したものとなる。
【００４３】
いくつかの実施形態によれば、ラックシャフトは、別のラックアンドピニオン型のトランスミッションに属するピニオンの軸方向貫通穴内を自由に動くように構成される。それにより、第３のラックは、第１のラックに接続されている間、第２のラックピニオンによって回転され、それにより、エンドエフェクタの回転角度が、エンドエフェクタの傾斜角度の１つから独立したものとなる。
【００４４】
いくつかの実施形態によれば、ロボットアームは、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた固定ラックアンドピニオン型のトランスミッションを介して第５のアクチュエータに接続された少なくとも１のラックベアリングを含む。これにより、第５のキネマティックチェーンのリンク構造が簡素化される。
【００４５】
いくつかの実施形態によれば、ラックベアリングは、固定ラックアンドピニオン型のトランスミッションのラックに接続される。このように、固定ラックアンドピニオンを使用して第５のキネマティックチェーンを簡略化することにより、傾斜角度と回転角度の独立した制御を実行することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態によれば、固定ラックアンドピニオン型のトランスミッションのピニオンは、少なくとも２のＤＯＦの継手を介してギアリンクが取り付けられたレバーを含む。これにより、第５のキネマティックチェーンの効率的な動力伝達が得られ、エンドエフェクタの回転の動作範囲または回転角度を、固定ラックアンドピニオン型のトランスミッションのピニオンの直径によって規定することができる。
【００４７】
いくつかの実施形態によれば、外側アームリンケージの作動リンクは、一対のベアリングを介して第３のアクチュエータに接続され、一対のベアリングの共通の回転軸が、内側アームアセンブリの中心軸と平行な軸を中心に回転可能となっている。このロボットアームは、第１の軸の回転軸の方向にエンドエフェクタを移動させるために高剛性伝動が必要な用途に特に適している。別の実施形態では、ギアリンクが、一端がレバーに接続され、レバーが、その回転軸がエンドエフェクタビームと平行になるようにベアリングに取り付けられる。レバーは、さらに２つのレバーとリンクを介して回転アクチュエータに接続される。ベアリングペアの回転線または軸を、回転線または軸に垂直な軸を中心に回転させるために、ベアリングペアは、回転軸が内側アームリンケージの中空リンクの中心軸と平行になるようにベアリングに取り付けられた設計になっており、ベアリングペアが取り付けられているベアリングの回転軸を中心にベアリングペアを回転させるために、レバーが使用される。レバーは、両端部に継手があるリンクを介してアクチュエータに接続される。
【００４８】
いくつかの実施形態によれば、リンクトランスミッションは、一端にレバーを備えた回転シャフトを含み、レバーが、少なくとも２のＤＯＦの継手を介してギアリンクに接続される。この実施形態は、スリムな内側アームアセンブリが必要とされる用途で特に有用であり、これは、ロボットアームが制限された環境で動作する必要があることを意味する。さらに、この解決策は、エンドエフェクタの回転角度または傾斜角度の何れかを制御するための最高の伝動効率を備えるものとなる。例示的な一実施形態では、ギアトランスミッションがキネマティックチェーンを介してアクチュエータに接続され、ギアリンクは、一端が、第２の回転シャフトに取り付けられたレバーに接続され、その回転軸が内側アームアセンブリの中空リンクと平行である。
【００４９】
第２の態様によれば、本開示は、一定の傾斜角度で、エンドエフェクタを３自由度で位置決めするためのロボットアームに関する。ロボットアームは、エンドエフェクタを受け入れるように構成されたエンドエフェクタプラットフォームを備える。ロボットアームは、第１の回転軸を中心に内側アームアセンブリを回転させるように構成された第１のアクチュエータを備える。内側アームアセンブリは、第２の回転軸を中心に回動可能に構成された外側アームリンケージに接続される。外側アームリンケージは、エンドエフェクタベアリングを介してエンドエフェクタプラットフォームに接続された外側の一対の平行リンクを含み、それにより、第１のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンを形成する。ロボットアームは、第２の回転軸を中心に外側アームリンケージを回転させるように構成された第２のアクチュエータを備える。外側アームリンケージは、接続ベアリングを含む自在継手を介して、内側の一対の平行リンクを含む内側アームリンケージに接続され、それにより、第２のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第２のキネマティックチェーンを形成する。ロボットアームは、エルボー継手を介して外側アームリンケージが第３の回転軸を中心に回転するように、第３の回転軸を中心にシャフトを回転させるように構成された第３のアクチュエータも備え、これにより、第３のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンを形成する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、水平面に垂直な軸の周りを回転するようにエンドエフェクタを作動させることを可能にする、いくつかの実施形態に係るロボットアーム構造を示している。
【図２】図２Ａは、いくつかの他の実施形態に係るロボットアーム構造を示している。図２Ｂは、図２Ａの内側トランスミッションの回転シャフトに取り付けられた自在継手の一タイプの詳細を示している。
【図３】図３Ａは、水平面に垂直な軸の周りを回転するようにエンドエフェクタを作動させることを可能にする第１の実施形態に係る産業用ロボットアームを示している。図３Ｂは、エンドエフェクタを回転させるための代替的なギアトランスミッションを含む、第２の実施形態に係る産業用ロボットアームを示している。図３Ｃは、いくつかの実施形態に係る方向付けリンケージを示している。図３Ｄは、いくつかの実施形態に係る自在継手を示している。
【図４】図４Ａは、第３の実施形態に係る産業用ロボットアームを示しており、主要構造が、回転アクチュエータの水平な共通回転軸を備えて構成されている。図４Ｂは、第３の実施形態の変形例に係る産業用ロボットアームを示している。図４Ｃは、第３の実施形態の別の変形例に係る産業用ロボットアームを示している。図４Ｄは、ベルトドライブを備えた代替的な実施形態を示している。
【図５】図５Ａは、第４の実施形態に係る産業用ロボットアームを示しており、エンドエフェクタが回転および傾斜するように制御され得る。図５Ｂは、２ＤＯＦでエンドエフェクタを傾けるためのラックの代替的な実施形態を示している。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、ロボットスタンドにすべてのアクチュエータが固定された６ＤＯＦのロボットアームを得るために、図５Ａおよび図５Ｂのラックアンドピニオンの概念と、直角ギアとカルダン継手を含むトランスミッションとの組合せを含む、第５の実施形態に係る産業用ロボットアームを示している。
【図７】図７は、カルダン継手無しで、直角ギア１つのみで６ＤＯＦを得るために歯車によって回転される２つのラックアンドピニオン構成を有する一実施形態を示している。
【図８】図８は、６ＤＯＦのロボットアームにおいて直角ギアおよびカルダン継手を回避するために歯車によって回転される３つのラックアンドピニオン構成を有する一実施形態を示している。
【図９】図９Ａは、図５のラックアンドピニオン構成に対する代替的なトランスミッションを備えた第６の実施形態に係る産業用ロボットアームを示している。図９Ｂは、いくつかの実施形態に係る代替的な方向付けリンケージを示している。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、回転アクチュエータの水平な共通回転軸を有する第７および第８の実施形態に係る産業用ロボットアームを示している。
【図１１】図１１は、図１〜図６に示されるような中空シャフトモータを使用することなく、共通の回転軸を得るために回転アクチュエータが配置された一実施形態を示している。
【図１２】図１２Ａは、図２Ａの産業用ロボットアームの代替的な主要構造を示している。図１２Ｂは、図１２Ａのようにレバーが存在しないリンケージにおいて、線形アクチュエータがどのように使用されるのかを示している。
【図１３】図１３は、代替的なトランスミッションを示している。
【図１４】図１４Ａは、第２のキネマティックチェーンの一部として、継手の種類の変形例、許容される継手のオフセットおよびバックホウ機構を示している。図１４Ｂは、ロボットアームのワークスペースを大幅に増加させる代替的なバックホウ構成を示している。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
産業用ロボットの軽量ロボット構造を得るために、本発明は、パラレルロボット構造とトランスミッションの新しい組合せを利用する。ロボットアームのアクチュエータは、固定されたロボットスタンドに取り付けることができ、重量のあるアクチュエータをアーム構造で動かす必要はない。この場合、ロボットのアーム構造は、カーボンチューブ、カーボンギア、カーボンベアリングなどの軽量コンポーネントのみで実現することができる。これにより、高い速度、加速度、加速度導関数のために、慣性を最小限に抑えたロボットの設計が可能になる。さらに、アーム構造自体にアクチュエータが無いか、または少ない場合、石油やガスのプラットフォームなどの爆発の危険がある環境や、爆発物が処理される産業において動作するロボットを構築するのが遙かに容易となる。また、屋外処理装置、トンネル検査、車両洗浄システムなど、過酷な環境で動作するロボットを構築するのが容易となる。
【００５２】
開示の産業用ロボットアームは、産業用ロボットアームのエンドエフェクタの一定の傾斜角を得る方法に関する問題を解決し、同時にロボットアームのスリムな設計を得るものである。これにより、ロボットアームは、エンドエフェクタの傾斜エラーを補うためにリストを追加することなく、水平面上の限られた空間条件でピックアンドプレース操作を実行できる。さらに、本発明に係るロボットアームは、すべてのアクチュエータがスタンドに固定された状態で、最大６自由度（ＤＯＦ）を含むことができる。エンドエフェクタをツールと称することもある。
【００５３】
以下の説明を明確にするために、エンドエフェクタプラットフォームのロボットスタンド（図示省略）に対してｘ、ｙ、ｚ方向に位置決めする通常の好ましい構成を参照し、それにより、１または複数のＤＯＦにおいてツールを方向付けるベースを提供する。ツールの方向付けには、５自由度の場合、エンドエフェクタプラットフォームのツール接続シャフトの周りか、またはツール接続シャフトに垂直ないくつかの軸の周りか、あるいはそれら両方の周りの、いくつかのツールトランスミッションにより作動されるツール回転が含まれる。６自由度の場合、傾斜ツールの回転が追加されるか、または、所望のツール傾斜により、第４の軸または第５の軸の一方が形成されるようにしてもよい。いずれにせよ、（この場合は望ましくない）傾斜動作なしに、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めし、それによりツールの位置決めをツールの方向付けから分離することが非常に望ましい。原則として、ただし明確にするために省略しているが、いくつかのエンドエフェクタとツールの方向付け機構／トランスミッションを、例えば異なる方向を向きかつ異なるタイプのツールが取り付けられる、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けることができ、それにより、様々な目的で様々なツールを搭載することができ、ツール交換器を使用する必要性をなくすことができる。以下の説明から明らかなように、すべてのアクチュエータをロボットスタンドに固定したままにすることができるように、ツールの方向付けのための様々なトランスミッションを組み合わせることができる。このため、６を超えるＤＯＦが可能であるが、簡潔にするためにここでは詳細は説明しない。
【００５４】
本明細書に開示の産業用ロボットアームは、いくつかの実施形態では、常に互いに平行である４軸または５軸のスキームを組み込んでいる。この構造は、以下の１または複数を含む、すべての軸が鉛直または水平（または他の角度）の何れかになるように取り付けることができる。
・軸が鉛直である例示的な一実施形態では、エンドエフェクタがワークスペース全体における水平面に対して常に垂直になるように、エンドエフェクタの動きが得られる。
・軸が鉛直である例示的な一実施形態では、鉛直軸を中心とするエンドエフェクタの回転が、追加のリンクトランスミッションおよびギアを介して制御され、それにより、エンドエフェクタの回転を制御するためのアクチュエータをロボットスタンドに固定することができる。
・軸が第５の軸とともに水平である例示的な一実施形態では、本構造が、ワークスペース全体における水平面に対して垂直にエンドエフェクタを保つギアとともに、追加のリンクトランスミッションを含む。
・軸が第５の軸とともに水平である例示的な一実施形態では、ギアとともに追加されたリンクトランスミッションを使用して、ワークスペース全体においてエンドエフェクタの１つの傾斜角度を制御することができる。エンドエフェクタの傾斜角度を制御するためのアクチュエータは、ロボットスタンドに固定することができる。
・軸が第５の軸とともに水平である例示的な一実施形態では、ラックアンドピニオンギアとともに第２の追加リンクトランスミッションを使用して、エンドエフェクタの傾斜と同時にエンドエフェクタの回転を制御することができる。エンドエフェクタの傾斜角度および回転角度を制御するためのアクチュエータは、ロボットスタンドに固定することができる。また、第３のリンクを使用することにより、３ＤＯＦで回転するようにエンドエフェクタを制御することができる。
【００５５】
さらに、本開示の実施形態に係るロボットアームは、国際公開第２０１４／１８７４８６号および国際公開第２０１５／１８８８４３号に係るロボット設計と比較してよりスリムな設計を可能にする。何故なら、エンドエフェクタプラットフォームを内側アームアセンブリと接続するリンク構造において２つの平行リンクのみが必要であるからである。
【００５６】
本開示では、ロボットが、ロボットアームおよびロボットコントローラを備えるように規定される。ロボットアームは、エンドエフェクタの動きを実現するためのアクチュエータを含む。ロボットコントローラ、またはロボットコントローラに接続されたコンピュータは、プログラムに従ってエンドエフェクタを動かすための命令を有するプログラムを含むことができる。ロボットコントローラおよび／またはコンピュータはメモリおよびプロセッサを含み、プログラムはメモリに保存される。すなわち、ロボットアームはプログラム可能なロボットである。しかしながら、ロボットは、様々な種類、例えば産業用ロボットまたはサービスロボットであってよい。
【００５７】
図１は、ツールの回転を得るためのいくつかの実施形態に係る構造を含むが、ツールを傾ける構造を除外した、ロボットアーム５００の基本的な実施形態を示している。
【００５８】
ロボットアームは、第１の回転軸２９の周りで内側アームアセンブリ１を回転させるように構成された第１のアクチュエータ４を備えている。内側アームアセンブリ１は、ここでは作動リンク１８を含む外側アームリンケージに接続されている。外側アームリンケージは、第２の回転軸４０を中心に回動可能に構成されている。外側アームリンケージは、エンドエフェクタプラットフォーム４１に接続され、それにより、第１のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンを形成する。これにより、エンドエフェクタプラットフォーム、ひいてはエンドエフェクタの動作を位置決めするための第１の自由度が得られる。
【００５９】
また、図１のロボットアーム５００は、第２の回転軸４０を中心に外側アームリンケージを回転させるように構成された第２のアクチュエータ５も有し、それにより第２のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまで第２のキネマティックチェーンを形成する。これにより、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第２の自由度が得られる。第２のキネマティックチェーンは、様々な方法で設計することができる。１つの可能性は、第２のアクチュエータ５と作動リンク１８の間にリンクの第２のキネマティックチェーンを持つことである。この可能性は、図１に例示されており、作動リンクが、継手１６の一部である（第２の回転軸４０を中心に回転する）ベアリングのペアにより内側アームアセンブリ１に連結され、レバー２が、第１の回転軸２９を中心に回転するために、第２のアクチュエータ５の出力シャフトに取り付けられている。レバー２は、各端部に継手１０、１４を備えたリンク１２を含む内側アームリンケージによって、作動リンクに接続されている。
【００６０】
継手１０、１４は、少なくとも２の自由度の玉継手として描かれているが、当然のことながら、エンドエフェクタ回転リンク（および図３Ｃ）について後述するように、他の運動学的に等価な実施形態も可能である。
【００６１】
すなわち、第２のキネマティックチェーンは、レバー２と、外側アームリンケージに接続するリンク１２とを含む内側アームリンケージと、ここでは（図１では）エンドエフェクタプラットフォーム４１およびビーム４１Ａにしっかりと接続された作動リンク１８を含む外側アームリンケージとにより構成されている。すなわち、第２のキネマティックチェーンは、接続ベアリング１４を介して外側アームリンケージに接続されている少なくとも１のリンク１２を含む内側アームリンケージを含む。第２のアクチュエータは、少なくとも１のリンク１２に接続された少なくとも１の内側接続継手１０を介して、少なくとも１のリンク１２を動かすように構成されている。第２の自由度を作動させるための別の代替例は、第２のアクチュエータを内側アームアセンブリ１の端部で取り付けて、第２のアクチュエータの回転シャフトを第２の回転軸４０と平行にするというものである。５ｂで引用される第２のアクチュエータを備えたこの代替的な構成は、斜線で示されており、これは、アクチュエータがアーム構造とともに移動することから、好ましい実施形態ではないが、内側アームリンケージが不要となり、よりコンパクトな内側アーム設計を提供することができる。この代替例では、第２のキネマティックチェーンが、回転する第２のアクチュエータ５ｂと作動リンク１８との間の任意選択的なトランスミッションとの機械的接続を含む。このため、第２のアクチュエータ５、５ｂは、エンドエフェクタプラットフォーム４１を一方向に動かし、第１のキネマティックチェーンとともに、エンドエフェクタプラットフォーム、ひいてはエンドエフェクタの動作を位置決めするための第２の自由度を提供する。
【００６２】
図１のロボットアーム５００は、第３の回転軸３３を中心にシャフト３を回転させるように構成された第３のアクチュエータ６も備える。第３のアクチュエータ６は、第３の回転軸を中心にシャフト３を回転させて、外側アームリンケージが継手１６１を介して回転されるように構成され、それにより第３のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンが形成される。これにより、エンドエフェクタプラットフォームを位置決めするための第３の自由度が得られる。
【００６３】
第３のキネマティックチェーンは、様々な方法で設計することができる。例示的な一実施形態によれば、第３のアクチュエータ６の出力シャフトと内側アームアセンブリ１内の回転シャフト３との間に９０度の角度ホイール（図１には現れないが、以下の第４のＤＯＦを働かせるための符号５１で示されるのと同じ概念のもの）がある。この場合、このシャフト３は、作動リンク１８を回転軸３３の周りで上下に回転させ、それにより、エンドエフェクタプラットフォーム４１が上下に移動する。別の代替的な実施形態は、第３のアクチュエータ（この場合は６ｂ、ロボットスタンドに固定され、好ましい代替例ではないため斜線で示される）を使用して、第１の回転軸２９に垂直な回転軸９９を中心に、他のアクチュエータ（シェルフ６ｃに取り付けられる他のアクチュエータ、代替的には内側アームアセンブリ１にある第２のアクチュエータ５ｂ）を回転させることである。回転軸９９は規定により回転軸２９に垂直であるため、２つの異なる構成が可能になり、おそらく、デュアルアクチュエータ６ｂが（軸２９がｚ方向を指していると仮定すると）ｘ軸およびｙ軸を中心にそれぞれ回転するように構成され、外側アームリンケージが内外に完全に（好ましい実施形態では許容されないが、近接して、または単一に）延ばされたときにエンドエフェクタの操作性を維持するために使用される。何れの場合も、第３のキネマティックチェーンは、エンドエフェクタビーム４１Ａに取り付けられた作動リンク１８のみからなる外側アームリンケージおよび内側アームアセンブリ１を含む。全体として、図１に示す実施形態は、最大限に無駄のないアーム設計を可能にするが、ワークスペースの殆どの部分で望ましくない傾斜を示すため、産業上利用するには更なる実施形態（図２以降）が必要である。
【００６４】
また、図１のロボットアーム５００は、第４のアクチュエータ５０および第４のキネマティックチェーンも備える。第４のキネマティックチェーンは、第４のアクチュエータの動きをエンドエフェクタ２８の対応する方向付け軸に伝達するように構成される。方向付け軸は、シャフト６５によって規定される。第４のキネマティックチェーンは、少なくとも１のベアリング５３を介して内側アームアセンブリに取り付けられた方向付けリンケージ５２、５７、５９を備える。第４のキネマティックチェーンは、エンドエフェクタプラットフォームに取り付けられた方向付けトランスミッション６４Ｂ、６４Ａも含む。方向付けリンケージは、エンドエフェクタ回転リンク５９と、エンドエフェクタ回転リンクの各端部ジョイントに少なくとも２の自由度を提供する継手５８、６０とを含む。一実施形態では、エンドエフェクタ回転リンク５９が、エンドエフェクタ回転リンク５９の各端部で継手５８、６０にそれぞれ接続される。当然のことながら、継手５８、６０は、例えば図３Ｃに示されるように、少なくとも２の自由度を有する少なくとも２の自由度と運動学的に同等であるいくつかの方法で達成することができる。
【００６５】
方向付けリンケージは、様々なリンク構造で実現することができる。図１では、第４のアクチュエータ５０が、シャフト５２を駆動する９０度の角度ギア５１に接続され、シャフト上にはレバー５７が取り付けられている。
【００６６】
方向付けトランスミッションは、例えばラックアンドピニオンギアによって、またはバックホウリンケージによって、様々な方法で実現することもできる。図１では、方向付けトランスミッションが、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられた歯車６４Ａ、６４Ｂを含む方向付けトランスミッションを用いて実現されている。図１に示される方向付けリンケージおよび方向付けトランスミッションの実施例では、方向付けリンケージがレバーアーム５７で継手５８に取り付けられ、方向付けトランスミッションが、歯車６４Ｂに取り付けられたレバーアーム６１を介して、継手６０に取り付けられている。このため、第４のアクチュエータ５０は、第２のキネマティックチェーンにより、歯車６４Ａを回転させることができる。これは、第１、第２および第３のアクチュエータがエンドエフェクタプラットフォームをｘ、ｙ、ｚの３つの異なる方向に動かす場合でも可能である。歯車６４Ａは、ベアリング６７内で回転するシャフト６５に接続されている。方向付けトランスミッションは、この実施形態ではシャフト６５として引用される、エンドエフェクタ２８への接続を含み、これにより、エンドエフェクタの動きに少なくとも４の自由度が与えられる。
【００６７】
図２Ａは、本開示のいくつかの実施形態に含まれるロボットアーム５００の一構成を示し、望ましい一定のツールの傾斜角度を含むが、ツール回転のための第４のキネマティックチェーンを除外している。すなわち、この構成は、一定の傾斜角度を維持しながら、ツール２８をｘ、ｙおよびｚ方向に移動させることを可能にする。３つのアクチュエータ４、５、６は、共通の鉛直回転軸を有し、ここでは第１の回転軸２９と一致する。３つのアクチュエータは、エンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａがアクチュエータの共通の回転軸と常に平行なまま、ツール２８を動かすように構成されている。より詳細には、ロボットアーム５００が、第１の回転軸２９を中心に内側アームアセンブリ１を回転させるように構成された第１のアクチュエータ４を備える。ここで、第１のキネマティックチェーンは、内側アームアセンブリ１の回転をエンドエフェクタプラットフォーム４１の対応する動きに伝達するように構成され、図２Ａでは、エンドエフェクタプラットフォームがエンドエフェクタビーム４１Ａのみを含む。したがって、本発明によれば、エンドエフェクタプラットフォームは、より複雑なエンドエフェクタプラットフォームの代わりにビームのみを含み、引用した従来技術よりも遙かに単純に作ることができる。
【００６８】
第１のキネマティックチェーンは、外側の平行リンク１７、１８のペアを含む外側アームリンケージを含み、それぞれの一端がエンドエフェクタプラットフォーム４１に接続されている。外側の一対の平行リンク１７、１８のうちの第１のリンク１７は、その他端が内側アームアセンブリ１に連結されている。ここで、内側アームアセンブリ１は、水平面内でスイングするように設計されており、鉛直な第１の軸または回転２９に位置合わせされた第１のアクチュエータ４によって作動する。内側アームアセンブリ１は、２本の平行リンク１７、１８を保持する。２本の平行リンク１７、１８は、それらの外側端部で、エンドエフェクタプラットフォーム４１の鉛直エンドエフェクタビーム４１Ａに接続されており、この鉛直エンドエフェクタビームは、エンドエフェクタプラットフォーム４１、ここではエンドエフェクタビーム４１Ａから突出するシャフト２７を介して、図面では真空グリッパとして、ツール２８を支持している。外側の一対のリンクのうちの第１のリンク１７は、取付部品７Ａ、７Ｂを介して、玉継手１５によって内側アームアセンブリ１に接続されている。取付部品７Ａ、７Ｂは、例えば、継手１５のボールを内側アームアセンブリ１にしっかりと接続する、例えばカーボンロッドのような剛性機械部品である。また、継手１５は、３ＤＯＦを有する自在継手としても実現することができる。いくつかの実施形態では、継手９、１０、１３、１４、１５のうちの１つ、いくつかまたはすべてが、玉継手、カルダン継手または自在継手である。いくつかの実施形態では、継手１６が自在継手である。いくつかの実施形態では、継手１９、２０の一方または両方がヒンジ継手である。
【００６９】
図２Ａのロボットアーム５００は、第１の回転軸２９を中心にレバー２を回転させるように構成された第２のアクチュエータ５も備える。第２のキネマティックチェーンは、レバー２の回転をエンドエフェクタプラットフォーム４１の対応する動きに伝達するように構成される。第２のキネマティックチェーンは、内側の一対の平行リンク１１、１２を含む内側アームリンケージを含み、内側アームリンケージが、外側アームリンケージに接続され、例えば、外側の一対の平行リンク１７、１８の端部間に接続されている。すなわち、第２のキネマティックチェーンは、内側の一対の平行リンク１１、１２とレバー２を含む内側アームリンケージを備えている。内側の一対の平行リンクは、レバーと、外側の一対の平行リンク１７、１８を含む外側アームリンケージに接続されている。第２のアクチュエータ５は、第１の回転軸２９を中心にレバーを回転させるように構成されている。また、いくつかの実施形態では、外側アームリンケージが、エンドエフェクタプラットフォーム４１に接続された外側の一対の平行リンク１７、１８を備える。第２のキネマティックチェーンは、レバー２の回転をエンドエフェクタプラットフォームの対応する動きに伝達するように構成される。
【００７０】
ロボットアーム５００は、第３のアクチュエータ６をさらに含む。第３のキネマティックチェーンは、第３のアクチュエータ６の動きをエンドエフェクタプラットフォーム４１の対応する動きに伝達するように構成される。第３のキネマティックチェーンは、第３のアクチュエータ６と外側アームリンケージの作動リンク１８の他端との間に内側トランスミッション３、１６、（１６１、図１）を含む。すなわち、第３のキネマティックチェーンは、第３のアクチュエータと外側の一対の平行リンクの作動リンクとの間に接続された内側トランスミッションを含む。外側アームリンケージの作動リンク１８は、ここでは一種の自在継手１６によって内側トランスミッションの回転シャフト３に接続されている。回転シャフト３は、内側アームアセンブリ１の中空リンク１Ａの内部で回転するように配置され、各端部が１つのベアリングによって支持されている（図示省略）。回転シャフト３は、中空リンク１Ａの内側端部で９０度の角度ギア（図示省略）を介して第３のアクチュエータ６に接続されている。第３のアクチュエータ６からの出力シャフトは、第２のアクチュエータ５の中空シャフトを通るように組み立てられて、９０度のギアに到達する。すなわち、ロボットアーム５００は、中空の１つのリンク１Ａを含む内側アームアセンブリを含み、第３のキネマティックチェーンの内側トランスミッションが、中空リンク１Ａの内部にベアリングで軸方向に取り付けられたシャフト３を含む。シャフト３は、第３のアクチュエータ６によって回転するように構成されている。回転シャフト３を回転させると、平行リンク１７、１８が上下にスイングして、ツール２８の鉛直方向の動きが得られる。水平面内で外側アームリンケージをスイングさせるために、レバー２が内側アームリンケージを介して外側アームリンケージに接続されている。レバー２は、第２のアクチュエータ５によって作動されるように構成され、ビーム８および玉継手９、１０を介してリンク１１、１２に接続されている。継手９、１０は、内側接続継手とも呼ばれる。内側アームリンケージは、継手１３、１４、ビーム２３、２４および接続ベアリング２１、２２によって、外側アームリンケージに接続されている。例示的な一実施形態では、内側の一対の平行リンク１１、１２が、オフセットビーム２３、２４上の玉継手１３、１４を介して、剛性ビーム２５に取り付けられている。ベアリング２１、２２の間で、ビーム２５がベアリング２１、２２に接続され、エンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａを常に鉛直に拘束する。同時に、ビーム２５を使用して、外側アームリンケージのリンク１７、１８への接続にプレストレスを与えることができ、これは、ベアリング１９、２０、２１、２２と継手１５、１６のバックラッシュの低減を意味する。すなわち、ベアリングは、外側アームリンケージのリンク１７、１８の端部で接続する。このため、例示的な一実施形態では、ロボットアーム５００が、接続ベアリング２１、２２を互いに機械的に接続する剛性ビーム２５を備える。
【００７１】
外側アームリンケージは、エンドエフェクタベアリング１９、２０によってエンドエフェクタビーム４１Ａに接続されている。さらに、エンドエフェクタベアリング１９、２０は、外側の一対の平行リンク１７、１８とエンドエフェクタプラットフォーム４１を接続し、エンドエフェクタベアリング１９、２０の回転軸３６、３７が、外側の一対の平行リンク１７、１８の中心に対して垂直となっている。
【００７２】
ツール２８、例えば、真空グリッパが、常に水平面に対して垂直な角度でアイテムをピックアンドプレースすることができるように、エンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａが一定の傾斜角度を有することを保証するために、ロボットアーム５００の設計には、以下のうちの１または複数が含まれる。
・第１のアクチュエータ４、第２のアクチュエータ５および第３のアクチュエータ６の共通の第１の回転軸２９は鉛直である。
・ビーム８および継手９、１０の取り付けは、継手９、１０の中心を通る軸３０が常に第１の回転軸２９と平行になるように組み立てられる。
・リンク１１、１２は同じ長さである。すなわち、継手９、１３の間の距離と、継手１０、１４間の距離は同じである。
・継手１３、１４間の距離は、継手９、１０間の距離と同じである。
・継手１５、１６の中心間の距離は、ベアリング１９の回転中心３６とベアリング２０の回転中心３７との間の距離と同じである。
・ベアリング２１、２２の回転中心３４、３５間の距離は、ベアリング１９、２０の回転中心３６、３７間の距離と同じである。
・ベアリング２１、２２の回転中心３４、３５間の距離は、継手１５、１６の回転中心間の距離と同じである。
・リンク１７の長さはリンク１８の長さと同じである。すなわち、継手１５の回転中心とベアリング１９の回転中心３６との間の距離は、回転シャフト３の回転中心３３とベアリング２０の回転中心３７との間の距離と同じでなければならない。
・ベアリング１９の回転中心３６とベアリング２１の回転中心３４との間の距離は、ベアリング２０の回転中心３７とベアリング２２の回転中心３５との間の距離と同じである。
・ベアリング１９、２０、２１、２２は、それらの回転軸３６、３７、３４、３５が平行で、かつ軸２９、３０、４０に平行な軸３１、３２に対して直角になるように取り付けられている。したがって、エンドエフェクタベアリング１９、２０の回転軸３６、３７は、接続ベアリング２１、２２の回転軸３４、３５と平行である。
・軸４０は、継手１５、１６の中心を通る。また、軸４０は、リンク１８が水平であるときのベアリング１６Ａ、１６Ｂの中心によって規定される。また、軸３４、３５は、外側アームリンケージのリンク１７、１８に対しても垂直である。すなわち、外側アームリンケージ（外側の一対の平行リンク１７、１８）と内側アームリンケージ（内側の一対の平行リンク１１、１２）は、それぞれのリンク１１、１２、１７、１８の各リンク接続について、１つの接続ベアリング２１、２２によって接続され、接続ベアリング２１、２２の回転軸３４、３５が、外側アームリンケージの各リンク１７、１８の軸方向中心線に対して直角である。
【００７３】
図２Ｂは、第１のトランスミッションの回転シャフト３に取り付けられた自在継手１６の一タイプの詳細を示している。この継手１６は、回転シャフト３を外側アームリンケージの作動リンク１８に接続し、エンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａを鉛直に移動させる。ベアリング１６Ａ、１６Ｂは、ピン１６Ｄ、１６Ｅによって回転シャフト３に対称的に取り付けられている。回転軸４０は、ベアリング１６Ａ、１６Ｂの共通の回転軸によって規定されるため、作動リンク１８が軸３３を中心に回転し、回転軸４０も軸３３を中心に回転する。さらに詳細には、外側アームリンケージの作動リンク１８は、一対のベアリング１６Ａ、１６Ｂを介して第３のアクチュエータ６に接続され、その共通の回転軸３２が、内側アームアセンブリ１の中空リンクの中心軸と平行な軸を中心に回転可能となっている。ベアリング１６Ａ、１６Ｂの回転する外側部分は、アタッチメント１６Ｆ、１６Ｇによってビーム１６Ｈに接続される。アタッチメント１６Ｆ、１６Ｇは、ロッドなどの剛性の機械的構造体である。アタッチメント１６Ｆ、１６Ｇおよびビーム１６Ｈは、炭素強化エポキシで作られた中実フォークとして実現されるものであってもよい。作動リンク１８は、ベアリング１６Ｃを介してビーム１６Ｈに接続されており、これにより、作動リンク１８がそれ自体の軸の周りを回転することが可能となっている。ここでは、ベアリング１６Ｃをリンクベアリング１６Ｃと呼ぶ。このリンクベアリング１６Ｃは、作動リンク１８がそれ自体の軸の周りを回転することを可能にするため、ツール２８の全ワークスペースで軸３１、３２を鉛直に保つことが可能となる。リンクベアリング１６Ｃは、継手１６と、外側アームリンケージの作動リンク１８へのベアリング２２の取付位置との間の任意の位置に配置することができる。すなわち、ロボットアームは、外側の一対の平行リンク１７、１８のうちの作動リンク１８に沿って取り付けられたリンクベアリング１６Ｃを含み、このリンクベアリング１６Ｃの回転軸が、外側の一対の平行リンクの作動リンク１８の中心と一致する。このリンクベアリング１６Ｃは、国際公開第２０１４／１８７４８６号と区別する特徴である。このため、ロボットアーム５００は、例示的な一実施形態では、接続ベアリング２２と内側トランスミッション３への作動リンク１８の接続部との間で外側アームリンケージの作動リンク１８に取り付けられたリンクベアリング１６Ｃを備え、リンクベアリング１６Ｃの回転軸が、外側アームリンケージの作動リンク１８の中心と一致している。別の特徴は、エンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａにベアリング１９、２０でリンク１７、１８を取り付けることである。これは、国際公開第２０１４／１８７４８６号に記載されているよりも遙かにスリムなロボットを構築することを可能にする。何故なら、内側アームアセンブリ１とエンドエフェクタープラットフォーム４１との間に２つのリンク１７、１８しか必要ないからである。エンドエフェクタープラットフォーム４１は、ここではエンドエフェクタビーム４１Ａを含む。エンドエフェクタプラットフォームは、５または６自由度のロボットアームに使用することができる。国際公開第２０１４／１８７４８６号に記載のロボットは、その第１のアームとエンドエフェクタの間に３つのリンクが必要である。国際公開第２０１４／１８７４８６号との更なる違いの一つは、リンク１７、１８にプレストレスを与えるためにビーム２５を使用していることである。これにより、外側の一対のリンク１７、１８と内側の一対のリンク１１、１２との間に玉継手を使用することも可能になる。さらに、国際公開第２０１４／１８７４８６号の図４の提案は、１つのアームだけでなく、２つのアーム（リンケージ）を必要とし、よって、本開示のような内側アームアセンブリ１を必要とする。すなわち、国際公開第２０１４／１８７４８６号に係るロボットは、アームシステムのためにより多くのスペースを必要とする。本発明のロボット構造は、国際公開第２０１４／１８７４８６号の第１のアームに対応する１つの（そして唯一の）内側アームアセンブリ（中空リンク１Ａ）を、国際公開第２０１４／１８７４８６号の第１のロッドに対応する外側アームリンクに接続する継手で３自由度で動作することができるため、国際公開第２０１４／１８７４８６号のこれらの欠点を有していない。そのような解決策は、国際公開第２０１４／１８７４８６号のスリムな構造では不可能である。何故なら、エンドエフェクタが１つの制約を失い、第１のアームと第１のロッドとの間の追加の自由度で制御することができないためである。国際公開第２０１４／１８７４８６号の図４では、スリムではなく、アームシステムに大きなスペースを必要とする構造があるが、第１のアームと第１のロッドの間に３自由度を持つ継手を有し得る。しかしながら、国際公開第２０１４／１８７４８６号の図４で提案されている解決策では、鉛直移動が、ｄｅｌｔａロボットの場合のようにエンドエフェクタプラットフォームに直接接続された別のキネマティックチェーンによってのみ実行され、それによりアーム構造のために多くのスペースを必要とするため、スリムなコンパクトロボット構造を得ることはできない。したがって、国際公開第２０１４／１８７４８６号に係るロボット構造は、スタンドに固定されたアクチュエータで３自由度しか制御することができない。
【００７４】
なお、図２Ａのベアリング１９、２０、２１、２２は、図２Ｂのベアリング１６Ａ、１６Ｂのアセンブリに従って、一対のベアリングによって置き換えることができることに留意されたい。逆に、一対のベアリング１６Ａ、１６Ｂを、単一のベアリングに置き換えることもできる。一対のベアリングを使用すると、剛性が高くなるか、より軽量なベアリングを使用できるようになる。ボールベアリングの他に、例えばカーボンなどのスライドベアリングも使用することができる。
【００７５】
上記の設計により、内側アームアセンブリ１と作動リンク１８の間の角度が９０度の場合、第１のアクチュエータ４の出力シャフトの微小回転により、ツール２８が水平面内で横方向に移動し、第２のアクチュエータ５の出力シャフトの微小回転により、ツール２８が水平面内にまたは内外に移動する。第３のアクチュエータ６の出力シャフトの微小回転は、ツール２８を上下に移動させる。さらに、ワークスペース全体のすべての移動は、軸３２を鉛直にして行われ、ツール２８が一定の傾斜角度を有する。このため、ロボットアーム５００は、いわゆるスカラロボットの３つの主軸と同じ動きの特徴を有する。しかしながら、スカラロボットとは対照的に、すべてのアクチュエータ４、５、６をロボットスタンド（図示省略）に固定することができるため、非常に軽量なロボットアームを実現することができる。ロボットスタンドは剛性の高い機械構造であり、その上にアクチュエータがしっかりと取り付けられている。この場合、ロボットスタンドは、一部分が第１のアクチュエータ４を保持し、別の部分が第２および第３のアクチュエータ５、６を保持するフォークとして作ることができる。ロボットスタンドは、床、壁または天井に、あるいは別のロボットアームにしっかりと取り付けることができる。
【００７６】
このように、本開示は、一定の傾斜角度で、エンドエフェクタ２８を３自由度で位置決めするためのロボットアーム５００を含む。本開示のこの第２の態様は、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図４Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１４Ａ、図１４Ｂ、およびこれらの図面またはこれらの図面の少なくとも態様を説明する記載に少なくとも開示されている。ロボットアームは、エンドエフェクタを受け入れるように構成されたエンドエフェクタプラットフォーム４１を含む。ロボットアームは、第１の回転軸２９、２９Ａを中心に内側アームアセンブリ１を回転させるように構成された第１のアクチュエータ４を備える。内側アームアセンブリ１は、第２の回転軸４０を中心に回動可能に構成された外側アームリンケージ１７、１８に接続されている。外側アームリンケージは、エンドエフェクタベアリング１９、２０を介してエンドエフェクタプラットフォーム４１に接続された外側の一対の平行リンク１７、１８を含み、それにより第１のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第１のキネマティックチェーンを形成する。また、ロボットアーム５００は、第２の回転軸４０を中心に外側アームリンケージ１７、１８を回転させるように構成された第２のアクチュエータ５を含み、外側アームリンケージ１７、１８が、接続ベアリング２１、２２を含む自在継手を介して、内側の一対の平行リンク１１、１２；８１１、８１２（８１１、８１２は図１２Ｂを参照）を含む内側アームリンケージに接続され、それにより、第２のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第２のキネマティックチェーンを形成する。また、ロボットアーム５００は、外側アームリンケージ１７、１８がエルボー継手１６１を介して第３の回転軸を中心に回転するように、第３の回転軸３３を中心にシャフト３を回転させるように構成された第３のアクチュエータ６も含み、それにより第３のアクチュエータからエンドエフェクタプラットフォームまでの第３のキネマティックチェーンを形成する。
【００７７】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、エンドエフェクタベアリング１９、２０が、互いに平行な回転軸３６、３７を有するヒンジ継手である。
【００７８】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、エルボー継手１６１が、第２の回転軸および第３の回転軸と交差するエルボー回転軸を備えたヒンジ継手を備える。
【００７９】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、エルボー継手１６１が、エルボー継手１６１に接続された、外側の一対の平行リンク１７、１８のうちのリンクの一方である作動リンク１８に接続されている。
【００８０】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、作動リンク１８が、作動リンク端部の互いに対する回転を受け入れるために作動リンクに沿って取り付けられた少なくとも１のリンクベアリング１６Ｃを備える。
【００８１】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、リンクベアリング１６Ｃの回転軸が、作動リンク１８の回転中心線と一致する。
【００８２】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、第２のアクチュエータ５が、内側の一対の平行リンク１１、１２に接続された内側接続継手９、１０を介して内側の一対の平行リンク１１、１２を動かすように構成されている。
【００８３】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、第２のキネマティックチェーンが、レバー２の回転をエンドエフェクタプラットフォーム４１の対応する動きに伝達するように構成されている。
【００８４】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、外側の一対の平行リンク１７、１８および内側の一対の平行リンク１１、１２が、それぞれのリンク１１、１７；１２、１８の各リンク接続について１つの接続ベアリング２１、２２によって接続される。接続ベアリング２１、２２の回転軸３４、３５；３１は、外側の一対の平行リンク１７、１８のそれぞれのリンクについて、リンクに沿った回転中心線に対して直角である。
【００８５】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、ロボットアーム５００が、接続ベアリング２１，２２を互いに機械的に接続する剛性ビーム２５を備える。
【００８６】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、内側の一対の平行リンク１１、１２が、オフセットビーム２３、２４上の玉継手１３、１４を介して、剛性ビーム２５に取り付けられる。
【００８７】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、シャフト３が、エルボー継手１６１を介して、第３のアクチュエータ６と、外側の一対の平行リンク１７、１８のうちの作動リンク１８との間に接続されている。
【００８８】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、外側の一対の平行リンク１７、１８およびエンドエフェクタプラットフォーム４１を接続するエンドエフェクタベアリング１９、２０を備える。エンドエフェクタベアリングの回転軸３６、３７は、外側の一対の平行リンクの各リンクの回転中心線に対して垂直である。
【００８９】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、エンドエフェクタベアリング１９、２０の回転軸３６、３７が、接続ベアリング２１、２２の回転軸３４、３５と平行である。
【００９０】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、ロボットアームが、外側の一対の平行リンク１７、１８のリンクおよび内側の一対の平行リンク１１、１２のリンクを接続する接続ベアリング２１Ａ、２２Ａ（図３Ｄの２１Ａ、２１Ａに対応する接続ベアリング２２内の２２Ａ）を備える。各接続ベアリング２１Ａ、２２Ａの回転軸は、外側の一対の平行リンク１７、１８のそれぞれのリンクの回転中心線と一致する。
【００９１】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、内側アームリンケージが、第２の軸４０を中心に外側アームリンケージ８０４、１７、１８を回転させるバックホウ機構８０３、１０Ｂ、８０２、８、９Ｃ／１０Ｃ、８０５／８０６を備え、バックホウ機構が、第２の回転軸４０と平行な軸３１を中心とする回転を可能にする接続ベアリング２１、２１を介した平行な一対の外側リンク１７、１８に接続する（８０３、１０Ｂ、８０２、８、９Ｃ／１０Ｃ、８０５／８０６については図１４Ａ、図１４Ｂを参照）。当業者が図１４Ｂから分かる適切な寸法により、外側の一対の平行リンクの２つのリンクの回転軸の何れとも交差しないように、回転軸３１を配置することができる。バックホウ機構は、第２のキネマティックチェーンの動作範囲を１８０度を超えて大幅に拡大するように構成することができ（図１４Ａおよび図１４Ｂを参照）、これにより、特異点のない大きなワークスペースを提供できる。
【００９２】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、内側の一対の平行リンク１１、１２のリンクが、一対の平行リンク１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂを含む。これらの一対の平行リンク１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂは、外側の一対の平行リンク１７、１８のリンクの各側の玉継手で取り付けられている。
【００９３】
第２の態様のいくつかの実施形態によれば、内側アームアセンブリ１が、中空のアームリンク１Ａと、中空のアームリンク１Ａの内側にベアリングで軸方向に取り付けられたシャフト３とを備える。シャフト３は、第３のアクチュエータ６によって回転するように構成されている。
【００９４】
図３Ａは、ツール２８を作動させて水平面に垂直な軸の周りを回転させることを可能にするロボットアーム５００の第１の実施形態を示している。異なる実施形態の中で共通の特徴に対する符号は同じであり、よってそれらの説明のために他の図面、例えば図１、図２Ａおよび図２Ｂも参照する。この第１の実施形態では、目標のツール回転を得るための、１より大きい歯車係数を有する回転ギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂが概説されている。また、回転ギアトランスミッションが、第４の回転式アクチュエータ５０から回転ギアトランスミッションの最大の歯車６４Ｂ上のレバー６１までの機械的トランスミッションを介してどのように作動するのかも示されている。図３Ａのロボットアーム５００は、第４のアクチュエータ５０を備える。第４のキネマティックチェーンは、第４のアクチュエータ５０の動きを、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられたツール２８の対応する動きに伝達するように構成され、エンドエフェクタプラットフォームは、ここでは部分４１Ａ、６８、６９、７０を備える。第４のキネマティックチェーンは、少なくとも１のベアリング５３、５５を介して内側アームアセンブリ１に取り付けられた方向付けリンケージ５２、５７を備える。方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂは、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられ、方向付けリンケージは、各端部にある少なくとも２ＤＯＦの継手５８、６０でエンドエフェクタ回転リンク５９を介して方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂに接続されている。図３Ａは、すべてのアクチュエータがロボットスタンドに固定された状態でスカラロボットの第４の軸を得るための１つのオプションを示している。４つのアクチュエータ４、５、６、５０は、鉛直な第１の回転軸２９に沿った一致する回転シャフトを備えている。第４のアクチュエータ５０の出力シャフトは、中空シャフトアクチュエータ５０を通過し、内側アームアセンブリ１に接続されており、同様に、第３のアクチュエータ６の出力シャフトは、第２のアクチュエータ５を通過し、９０度の角度ギア（図示省略）を介してシャフト３の回転を制御している。第２のアクチュエータ５は、レバー２を制御し、鉛直軸７１を中心にツール２８を回転させるために使用される第４のアクチュエータ５０は、９０度の角度ギア５１（第３のアクチュエータ６とシャフト３との間で使用されるものと同じタイプ）によってシャフト５２と係合する。図２Ａに関連して、ロボットアームのこの実現には以下の新しい特徴があり、一部は図１の実施形態も参照する。
【００９５】
・外側アームリンケージのリンク１７、１８は、自在継手を接続ベアリング２１、２２として使用して、内側アームリンケージのリンク１１、１２に直接接続されている。これらの継手は同一で、図３Ｄに詳細に示されている。符号２１で示す自在継手に関して、図３Ｄに示すように、ベアリング２１Ａは、第１のリンク１７の周りに取り付けられ、その回転軸がリンクの中心と一致している。ベアリング２１Ｂ、２１Ｃは、その一致する回転軸がベアリング２１Ａの回転軸に対して垂直であり、シャフト２１Ｄ、２１Ｅによってベアリング２１Ａの外側リングに取り付けられている。すなわち、外側アームリンケージと内側アームリンケージは、それぞれのリンク１１、１２、１７、１８のリンク接続ごとに、１つの接続ベアリング２１、２２、ここでは自在継手によって接続されている。これらの接続ベアリング２１、２２の回転軸３４、３５は、外側アームリンケージのそれぞれのリンク１７、１８に対して直角である。
【００９６】
・ベアリング２１Ｂ、２１Ｃの外側リングが、ロッド２１Ｆ、２１Ｇを使用してビーム２１Ｈに取り付けられる。この場合、ロッド２１Ｈが第１のリンク１１に取り付けられる。ビーム２１Ｈと第１のリンク１１との間に、回転中心が第１のリンク１１の中心軸と一致するベアリングを追加することも可能であるが、これは必須ではない。符号２２で示す自在継手に関して、ベアリング２１Ａは、作動リンク１８の周りに取り付けられ、リンクの中心と一致するその軸または回転を有する。すなわち、接続ベアリング２１Ａ、２２Ａが、外側アームリンケージのリンク１７、１８と内側アームリンケージのリンク１１、１２を接続し、各接続ベアリング２１Ａ、２２Ａの回転軸が、外側アームリンケージのそれぞれのリンク１７、１８の中心と一致する。
【００９７】
・この場合、ロッド２１Ｈが第２のリンク１２に取り付けられる。ビーム２１Ｈとリンク１２との間に、回転中心が第２のリンク１２の中心軸と一致するリンクベアリングを追加することも可能であるが、これは必須ではない。継手２１、２２は、継手１５、２１の中心間の距離が継手１６、２２の中心間の距離と同じになるように、リンク１７、１８に取り付ける必要がある。この解決策は、内側の一対のリンク１１、１２を外側の一対のリンク１７、１８に接続する図１の解決策と比較すると、機械システムが冗長ではなく、組み立てを容易にするという利点を有する。しかしながら、同時に、大径のリンクが使用される場合、ベアリング２１Ａが大径になり、故障時にベアリング２１Ａを交換することがより困難になる。その場合、当然のことながら、リンク１７、１８のプレストレスは発生しない。当然のことながら、ビーム２５とベアリング２１，２２との接続は、図３Ａの４軸ロボットアームでも使用することができる。
【００９８】
・継手２２のベアリング構成により、作動リンク１８は継手２２の右側へもその中心軸を中心に回転することができ、リンクベアリング１６Ｃは作動リンク１８に沿った作動軸の中心線に沿ってどこにでも、例えば、ここでは図３Ａに具体的に示されているように、継手２０上の作動リンク１８の端部に、配置させることができる。より一般的には、この作動軸の中心線は、理論上、中心線またはベアリング２２Ａと平行である場合（継手２２についてであるが、ベアリング２１Ａと同様に、図３Ｄを参照）、作動リンク１８から逸脱する可能性があるが、実際には、動的力を考慮すると、それは回転軸３３とも交差する必要がある。すなわち、図３Ａではそうであるが、作動軸の中心線は必ずしも回転軸４０と交差するわけではない。
【００９９】
・ツール２８の鉛直軸である軸７１を中心にツール２８を回転させるために、レバーアーム５７は、鉛直面内で揺動するようにシャフト５２に取り付けられている。エンドエフェクタ回転リンク５９は、レバー６１によって歯車６４Ｂを回転させる。次いで、歯車６４Ｂは、歯車６４Ａ（すなわち、歯車またはギアホイール）を回転させ、例えば３よりも大きい歯車係数で、ツールを３６０度以上回転させることが可能になる。このため、ギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂは、ツール２８を１自由度で回転させるように構成された第１の歯車６４Ａを含むことができる。シャフト５２は、ベアリング５３、５５を介して取り付けられ、それらベアリングは、ロッド５４、５６によって内側アームアセンブリ１に取り付けられている。レバーアーム５７は、シャフト５２に直角に取り付けられていることが好ましく、エンドエフェクタ回転リンク５９は、玉継手５８を用いてアーム５７に取り付けられている。エンドエフェクタ回転リンク５９は、その他端でも、玉継手６０を用いてレバー６１に取り付けられている。すなわち、ロボットアーム５００は、第２の歯車６４Ｂを含む方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂ、１００、２７０、２７１を含み、第１の歯車６４Ａが、第２の歯車６４Ｂに接続されたレバー６１を介してエンドエフェクタリンク５９により回転するように構成された第２の歯車６４Ｂによって係合されている。当然のことながら、図面中のすべての玉継手は、たとえより大きなスペースおよび重量を必要とすることが多くとも、２または３のＤＯＦの自在継手に置き換えることができる。第２の歯車６４Ｂは、ベアリング６３の外側リングに取り付けられ、ベアリングは、その内側リングが、エンドエフェクタビーム４１Ａに取り付けられる鉛直シャフト６２に取り付けられている。第２の歯車６４Ｂは、より小さい第１の歯車６４Ａと係合し、この第１の歯車は、中空であるビーム６８を介して軸方向に配置された、鉛直シャフト６５に取り付けられている。こうして、シャフト６５は、中空ビーム６８の内部に回転可能に構成されている。すなわち、第１の歯車６４Ａの回転軸７１が第１の回転軸２９と平行になるように、第１の歯車６４Ａがエンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられている。シャフト６５は、ベアリング６６、６７によって支持され、それらベアリングは、ビーム６８に取り付けられている。ビーム６８は、ロッド６９、７０によってエンドエフェクタビーム４１Ａに取り付けられている。回転シャフト６５の端部には、手動で（シャフト６５上の）端部フランジ（図示省略）にねじ込まれるか、またはツール交換を自動化する端部フランジ上のツール交換器によって、ツール２８が取り付けられている。
【０１００】
図３Ａに適用可能である場合、図１〜図２Ｂと同じキネマティック要件が有効である。例えば、すべての軸２９、３０、３１、３２、４０は平行かつ鉛直である必要があり、これは、図３Ａの場合、シャフト６５の回転中心によって規定される軸７１についても必要である。外側の一対のリンクのリンク１７、１８は、平行で同じ長さでり、同じことが、内側の一対のリンクのリンク１１、１２についてもいえる。なお、図３Ａでは、継手９（図２Ａ）および第１のリンク１１の一部が内側アームアセンブリ１の後ろに隠れていることに留意されたい。国際公開第２０１４／１８７４８号では、ツールの回転を得る解決策はない。国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１は、３つのアームを有するロボットのエンドエフェクタプラットフォームに取り付けられたツールを回転させるための構成を含む。このロボットアームシステムには大きなスペースが必要であり、ツールを傾けるために第４の軸が実装されている。ツールの回転は、リストに取り付けられた別個の回転アクチュエータで行われる。さらに、ロボットのワークスペースは非常に小さく、リスト軸への伝動によってさらに削減される。本開示の図１および図３Ａの解決策では、エンドエフェクタ回転リンク５９を介してレバーアーム６１に接続されたレバーアーム５７を有する回転シャフト３が、ロボットアームの位置決めワークスペース全体において、第４の軸の完全な作動領域を有することを可能にする。これは、国際公開第２０１５／１８８８４３号の第４の軸のためのトランスミッションタイプでは不可能である。何故なら、トランスミッションの作動範囲が、リストがワークスペースの中心から離れるほどオフセットが増加するためである。国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１のトランスミッション解決策のもう１つの問題は、リストに必要なギアが第６の軸のモータに近く、よってツールに近いため、エンドエフェクタプラットフォームを扱い難く、アクセシビリティの問題を生じる。図１および図３から分かるように、ビーム６８が常に鉛直でギア側をツール側から分離しているロボットアームの設計のおかげで、ベアリングはツールから遠く離れている。
【０１０１】
このため、本開示において、国際公開第２０１５／１８８８４３号の制限は、ツールの回転のために２つの直列に作動するトランスミッション、よって方向付けリンケージと方向付けトランスミッションを１つのキネマティックチェーンのみに取り付けるとともに、例えば各端部に少なくとも２のＤＯＦの継手を有するエンドエフェクタ回転リンク５９を介してギアトランスミッションに接続されたレバーアーム５７により第２の回転シャフト５２を介してエンドエフェクタプラットフォーム４１上のギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂに接続された第４のアクチュエータ５０を使用することによって、回避され、それにより、第４のアクチュエータ５０と方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂとの間で最適なトランスミッション効率が得られる。さらに、２つのバージョンの方向付けトランスミッションが導入され、一方が歯車、もう一方がラックアンドピニオンを有し、ともに＋／−１８０度のツール回転能力を得ることができる。
【０１０２】
図３Ｂは、第２の実施形態に係るロボットアーム５００を示し、図１および図３Ａのトランスミッションと比較して、ツール２８を回転させるための代替的な方向付けトランスミッションを含む。この実施形態では、ピニオンの形状の歯車６４Ａがツール２８を回転させるラックアンドピニオン型のトランスミッション１００、６４Ａが使用されている。トランスミッション１００、６４Ａのラック１００は、エンドエフェクタ回転リンク５９によって移動され、エンドエフェクタ回転リンクは、機械的トランスミッションを介して第４のアクチュエータ５０に接続されている。すなわち、第１の歯車６４Ａは、ラック１００に接続され、ラック１００は、当該ラックに接続されたエンドエフェクタ回転リンク５９によって移動するように構成されている。ビーム２５とベアリング２１、２２を備えた基本的な３自由度ロボット構造は図１と同じであり、シャフト５２、レバーアーム５７およびエンドエフェクタ回転リンク５９を備えたツール回転用のトランスミッションは、図１および図３Ａと同じである。この実施例における新しい部分は、図１および図３Ａの回転歯車６４Ｂが、ラックアンドピニオン型のトランスミッションを得るために、線形ギアであるラック１００によって置き換えられていることである。線形ギアは、玉継手６０を介してエンドエフェクタ回転リンク５９により移動する。ラックギアは、符号１０１、１０２で示すリニアベアリング内を移動し、このベアリングは、ロッド１０３を介してロッド６９に取り付けられている。図１および図３Ａに示すように、ロッド６９は、ロッド７０とともに、ビーム６８をエンドエフェクタプラットフォーム４１のエンドエフェクタビーム４１Ａに取り付けるために使用される。また、ピニオン歯車６４Ａは、ツール２８を回転させるために回転シャフト６５に取り付けられている。
【０１０３】
図１および図３Ａの歯車解決策に関連して図３Ｂのラックアンドピニオン解決策を使用することの利点は、ワークスペースにおいて、外側の一対のリンクの平行リンク１７、１８によって規定される鉛直面に対して、エンドエフェクタ回転リンク５９をより近くに保つことが可能であることである。これにより、シャフト６５およびシャフト５２の回転間の伝達効率がさらに向上する。さらに、この解決策は、ややスリムなエンドエフェクタプラットフォーム構成を提供する。
【０１０４】
図３Ｃは、いくつかの実施形態に係る方向付けリンケージを示している。この方向付けリンケージは、継手５８、６０の自由度をレバー５７、リンク５９およびレバー６１に分配することが可能であることを示している。このため、ベアリング５８Ａは、回転軸がレバー５７の中心軸と一致するようにレバー５７に取り付けられ、ベアリング５８Ｂはその回転軸がベアリング５８Ａの回転軸に対して垂直に取り付けられ、ベアリング５８Ｃはその回転軸がリンク５９の中心軸と一致するように取り付けられている。ベアリング６０Ａはリンク５９の中心軸に対して垂直であり、ベアリング６０Ｂはレバー５７の中心軸と一致する。
【０１０５】
図１〜図３Ｄは、スカラロボットと同じ動作機能を得るようにロボットアーム５００をどのように設計できるかを示しているが、すべてのアクチュエータがロボットスタンドに固定されているため、アーム構造の慣性が遙かに低い。
【０１０６】
図４Ａは、ロボットアーム５００の第３の実施形態を示しており、ロボットアームが、上から物体に到達する関節式ロボットアームとしても実施できることを示している。すなわち、ロボットアームの構造は、水平面ではなく鉛直面でスイングする。これは、図１〜図３において鉛直である必要があったすべての軸が、ここでは水平でなければならないことを意味している。しかしながら、図１〜図３の設計の特徴の殆どを引き続き使用することができる。図４Ａを見ると、鉛直軸２９、３０、３１、３２、４０、７１の代わりに水平で作動する以外に例示される新しい唯一の設計原理は、歯車６４Ｂへの伝達に関するものだけである。当然のことながら、この場合も、図１および図３Ａと同じ伝達原理を使用することができ、図４Ａの伝達原理を図１および図３Ａでも使用することができる。
【０１０７】
アクチュエータを見ると、図４Ａの中空シャフトアクチュエータ、すなわち第２のアクチュエータ５が、レバー２をスイングさせて外側の一対のリンク１７、１８を内外にスイングさせるように構成され、出力シャフトが第２のアクチュエータ５を通り抜ける第３のアクチュエータ６は、９０度のギアを介してシャフト３を回転させて、外側の一対のリンク１７、１８を横方向にスイングさせるように構成されている。第４のアクチュエータ１５０を通過する出力シャフトを備えた第１のアクチュエータ４は、内側アームアセンブリ１と、よって外側の一対のリンク１７、１８を上下にスイングさせるように構成されている。図４Ａのロボットアーム５００のこの実施形態の新しい特徴は、代替的な第４のアクチュエータ１５０、すなわち第１のレバー２００をスイングさせるように構成された中空シャフトアクチュエータである。この第１のレバー２００は、方向付けリンケージに含まれる２つのリンク２０２、２０９によって回転歯車６４Ｂに接続されている。一方のリンク２０２は、一端が、レバー２００上のベアリング２０１に取り付けられ、第２のレバー２０４上の別のベアリング２０３に取り付けられている。第２のレバー２０４は、ベアリング２０６の外側リングに取り付けられ、このベアリングは、その内側リングが突起２０５を介して内側アームアセンブリ１上に取り付けられている。ベアリング２０６の外側リングには、第２のレバー２０４の先端が水平方向に移動するときに第３のレバー２０７の先端が鉛直方向に移動するように、第３のレバー２０７も取り付けられている。ベアリング２０６の回転軸は軸４０と一致し、これは歯車６４Ｂへの伝達のためのより単純なキネマティックを与える。第３のレバー２０７の先端は、玉継手２０８を介して他のリンク２０９に接続され、他のリンク２０９の他端は、玉継手２１０を介して第４のレバー２１１に接続されている。なお、ベアリング２０１、２０３は玉継手に置き換えることが可能である。ここで、第１のレバー２００をスイングさせると、第４のレバー２１１が上下に（鉛直方向に）スイングし、第４のレバー２１１の鉛直方向のスイングとともに、歯車６４Ａ、６４Ｂが回転軸を中心に前後に回転する。この図面では、第２の歯車６４Ｂが、シャフト２１３およびベアリング２１４を介してエンドエフェクタビーム４１Ａに取り付けられている。ツール２８の傾斜角度を一定に保つため、またはツール２８の傾斜角度を目標角度に制御するために、図１および図３Ａと同様に、ここでもエンドエフェクタプラットフォーム４１上の回転ギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂが使用されている。しかしながら、ここでは、トランスミッションの歯車は、図１および図３Ａのように水平ではなく鉛直に配置されている。回転ギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂは、リンク２０２、２０９およびレバー２００、２０４、２０７の構成を介して第４の回転式アクチュエータ１５０によって制御されている。図１および図３Ａのように、第２の歯車６４Ｂを回転させると、第１の歯車６４Ａがギア倍率比で回転する。第１の歯車６４Ａは、シャフト６５とベアリング６６を介してビーム６８に取り付けられている。第１の歯車６４Ａを回転させると、歯車６４Ａを保持するシャフト２１６が回転し、シャフト２１６に配置されたツール２７、２８がその傾斜角度を変える（シャフト２１６は、ここではエンドエフェクタへの接続部である）。これは、例えば、物体を様々な傾斜条件でピックアンドプレースする場合に有用である。また、コンベアから物体を取り上げる場合など、ワークスペース全体で傾斜角度を一定に保つためにも使用される。
【０１０８】
図４Ｂは、第３の実施形態の変形例に係るロボットアームを示している。この変形例では、図４Ａに示す実施形態と比較して、レバー２００、２１１間のトランスミッションの作動範囲を増大させることが可能である。図４Ｂの解決策を使用すると、ギアトランスミッション６４Ｂ−６４Ａのギア比を減少させることができ、歯車６４Ｂの回転能力が、ロボットアームのワークスペースの内側および外側部分で増加する。ここでは、レバー２０４より長い追加のレバー５０１を含む、バックホウリンケージを含む内側ギアリング機構が導入されている。レバー５０１、２０４は、リンク５０５によってその端部でベアリング５０３、２０３に接続されている。アクチュエータ１５０がレバー２００をスイングすると、その端部にベアリング２０１、５０６を有するリンク２０２が、ビーム５０４に取り付けられたベアリング５０２を中心にレバー５０１をスイングさせる。バックホウの原理により、レバー２０４の角回転はレバー５０１のそれよりも大きく、歯車６４Ｂは図４Ａの直接伝達よりも大きな回転を得ることとなる。すなわち、内側ギアリング機構は、バックホウ原理に従って構成されて、外側アームリンケージの回転によって制限されることなく、内側ギアリング機構のギア比によって決定される角度範囲内でエンドエフェクタ２８を回転させる。すなわち、バックホウなしで、第２の自由度の大きな角度範囲を可能にすると、軸４０を中心とする大きな向きの第４の自由度の動作範囲の望ましくない制限が簡単にもたらされる。これは、掘削機や様々なタイプのクレーンでよく知られている機構であるバックホウで回避される。このため、標準的なバックホウの原理は、本発明内の殆どすべてのレバーとロッドのリンケージに適用することができ、簡潔化のため、これについては更なる言及または説明はしない。図４Ａと比較して、図４Ｂのベアリング２０６は軸４０からのオフセットを有し、これは当然のことながら必須ではないが、力および／またはワークスペースに関して機械的設計をより効率的にすることができる。
【０１０９】
図４Ｂでは、アクチュエータ１５０と歯車６４Ａとの間の回転比の倍率を増加させるために、異なる原理の２つのステップが存在する。当然のことながら、レバー２１１および歯車６４Ａ、６４Ｂを備えた方向付けトランスミッションは、バックホウが図４Ｂに実装されている場合にも使用でき、その逆も同様である。図５Ａのアクチュエータ１５０と歯車６４Ａとの間の動力伝達、および図１０Ｂ（図３Ｄのような表記）のレバー３５１とレバー３６２との間の動力伝達にも、同じ概念を使用することができる。
【０１１０】
図４Ｃは、第３の実施形態の別の変形例に係るロボットアームを示している。この別の変形例によれば、アクチュエータ４、５、６、１５０がブラケット５１０に取り付けられ、このブラケットを、シャフト５１１によってブラケット５１０に接続されたアクチュエータ５１２によって回転させることができる。シャフト５１１の中心線は、アクチュエータ４、５、６、１５０の中心線に対して直角である。アクチュエータ５１１を使用すると、ロボットアームのアジリティが向上し、また、ロボットアームの制御用のアクチュエータ４、５、６、１５０がすべて互いに近接して配置されているため、アクチュエータ５１２によって回転される質量慣性が小さくなる。このため、アクチュエータ５１２に必要なトルクと電力は、アクチュエータがロボットアームに分散されている従来のシリアルロボットよりも遙かに低くなる。また、一実施形態によれば、ブラケット５１０を線形アクチュエータに取り付けてワークスペースを増やすことも可能である。図４Ｃは、ツール２８の回転にアクチュエータ５１４を使用するオプションも示している。ロボットアームが質量慣性の非常に小さい小物体を取り扱う場合、アクチュエータ５１４は軽量になり、また機械的に複雑ではないため、この解決策は、ツールの回転に関して、図８の解決策よりも有利である場合がある。
【０１１１】
図４Ｄは、ツール２８に運動を伝達するためのベルトドライブを備えた代替的な解決策を示し、図４Ｃの歯車６４Ｂがベルトホイール６４Ｃによって置き換えられ、歯車６Ａが別のより小さなベルトホイール６４Ｅによって置き換えられている。ベルト６４Ｄは、２つのベルトホイールを接続する。このようなベルト伝動は、バックホウ機構を置き換えることもできる。ベルトの代わりに、２つのホイール間にワイヤを使用することもできる。
【０１１２】
通常、リンクは力を伝達するために使用され、レバーはトルクを伝達するために使用される。
【０１１３】
歯車トランスミッション６４Ａ、６４Ｂの代わりに、当然のことながら、図３Ｂのようなラックアンドピニオンの解決策を使用することができる。その場合、ラックの取り付け方向は、図３Ｂのようであってもよく、あるいは外側の一対のリンク１７、１８によって形成される平面に対して直角にするようにしてもよい。
【０１１４】
国際公開第２０１４／１８７４８号では、上から物体に到達する多関節ロボットを得るための解決策はなく、ツールを傾けることができるか、またはツールの傾斜角度を一定に保つことができる第４の軸を得るための解決策は示されていない。
【０１１５】
いくつかの用途では、ツール２８を傾斜および回転させる必要がある。これに対する１つの可能性は、例えば図４Ａのツール２８に接続されたシャフト２７に、ツール２８を回転させる小さなアクチュエータを取り付けることである。これにより、アーム構造に慣性と電気配線が追加されることとなる。これを回避するには、図５Ａに示すように、ラックアンドピニオンによるトランスミッション解決策が使用される。その場合、シャフト２７は、エンドエフェクタへの接続部である。図５Ａは、第４の実施形態に係るロボットアーム５００を示し、この実施形態では、ツール２８が、回転および傾斜するように制御されるか、または２ＤＯＦで傾くように制御される。図５Ａでは、２ＤＯＦによる効率的なツール回転のために、ラックアンドピニオン構成２７０、２７１が回転する第１の歯車６４Ａに取り付けられ、ラック２７１が、ベアリング２６７を介してトランスミッション構成２６４、２６６に接続され、ベアリングの回転中心が、ラックアンドピニオン構成２７０、２７１を保持する第１の歯車６４Ａの回転中心と一致する。これらの機能を実装すると、２本の軸を中心にツールを９０度、互いに対して＋／−１８０度、回転させることができる。これは、国際公開第２０１５／１８８８４３号の図１に記載の構成では不可能である。より詳細には、ラックアンドピニオンギア２７０は、ツール２８に接続され、回転ギアトランスミッション６４Ａ、６４Ｂによって回転するように構成され、ラックアンドピニオンギアのラック２７１が、ベアリング２６７およびリンク２５８、２６４、２６６およびレバー２５６、２６０、２６２の構成を介して動かされる。
【０１１６】
第１の歯車６４Ａは、図４Ａについて説明したのと同じ方法で作動するが、第１の歯車６４Ａは、ここでは、線形ベアリングアセンブリ２７０、２７１を回転させており、ラック２７１が歯車６４Ａの回転軸に平行にスライドする。このため、ロボットアーム５００は、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられた少なくとも２の方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂ；２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３（他の図面も参照）を含み、エンドエフェクタプラットフォームが、方向付けの実施形態に応じて、部分４１Ａ、６８、６９、７０などを含む。方向付けトランスミッションの第１の歯車６４Ａは、少なくとも１の他の方向付けトランスミッション２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３（他の図面も参照）を回転させるように構成されている。図３Ｂのように、ラックはピニオンギア（この場合は２７０で示される）を回転させ、シャフト６５Ａ（図３Ｂの符号６５に対応する）を介してツール２８を回転させる。すなわち、少なくとも１の他の方向付けトランスミッション２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３の少なくとも１のピニオン２７０、２９４、３１６は、ツールの回転を得るためにツール２８に接続されている。いくつかの実施形態では、ロボットアームが、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられた少なくとも２の方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂ；２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３を含み、少なくとも２の方向付けトランスミッションのうちの一つの外側ギアリング機構６４Ｂ、６４Ａ；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２７１、２７０が、少なくとも２の方向付けトランスミッション２７０、２７１；２９３、２９４；３１５、３１６；３１１、３１２、３１３の他の少なくとも一つを回転させるように構成されている。
【０１１７】
ラック２７１のスライド動作は、ベアリング２６７を介して湾曲ロッド２６６によって達成される。ベアリング２６７は、歯車６４Ａの回転軸と一致する回転軸を有することが好ましい。この場合、線形ベアリングアセンブリ２７０、２７１は、湾曲ロッド２６６の回転または並進なしに、歯車６４Ａによって回転することができる。すなわち、少なくとも１のラックベアリング２６７は、第１の歯車６４Ａの回転軸７１と一致する回転軸７１を有する。
【０１１８】
湾曲ロッド２６６は、玉継手２６５を介してリンク２６４によって動かされる。リンク２６４は、ベアリング２６３を介してレバー２６２に取り付けられている。ベアリング２６１は、その内側リングがビーム２６９に取り付けられ、このビームは、歯車６４Ｂのベアリング６３の内側リングから出るシャフト６２に取り付けられている。シャフト６２は、エンドエフェクタビーム４１に取り付けられている。レバー２６０は、レバー２６２と同様に、ベアリング２６１の外側リングに取り付けられている。レバー２６０の先端が鉛直方向に移動したときに、前述したレバー２０４、２０７を有する構成と比較すると、レバー２６３の先端が水平方向に移動する。レバー２６０の先端の鉛直方向の移動は、ギアリンク２５８を介してレバー２５６の先端の鉛直方向の動きから得られる。ギアリンク２５８は、玉継手２５７、２５９によりレバー２５６、２６０の先端に取り付けられている。レバー２５６は、図１および図３Ｂのレバー５７の構成と比べると、回転シャフト２６１に約９０度の角度で取り付けられている。したがって、シャフト２５１を回転させると、レバー２５６が上下に、ギアリンク２５８、２つのレバー２６０、２６２、リンク２６４、ロッド２６６およびベアリング２６７を介してスイングするとともに、ラックギア２７１が前後に移動し、それにより、歯車６４Ａの回転角度によって決定される傾き方向でのツール２８の回転を与える。すなわち、ロボットアーム５００は、一端にレバー２５６を備えた回転シャフト２５１を含む方向付けリンケージ２５１、２５８、２６４を含み、レバー２５６が、少なくとも２のＤＯＦの継手２５７を介してギアリンク２５８に接続されている。シャフト２５１は、ベアリング２５３Ａ、２５３Ｂに取り付けられている。ベアリング２５３Ａは、ビーム２５５を介して内側アームアセンブリ１に取り付けられ、ベアリング２５３Ｂは、ベアリング２０６のシャフト２６９を介して内側アームアセンブリに取り付けられている。ベアリング２５３Ｂ用のシャフト２６９は、突起２０５を介して内側アームアセンブリ１に取り付けられている。図面においては、シャフト２５１が、第５のアクチュエータ２５０によって回転するように構成されている。このため、ロボットアーム５００は、第５のアクチュエータ２５０の動きを、ここでは第１の歯車６４Ａを含む外側ギアリング機構を介して、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられたツール２８の対応する動きに伝達するように構成された第５のキネマティックチェーンを備える。第５のキネマティックチェーンは、方向付けリンケージ２５１、２５８、２６４を介して第５のアクチュエータ２５０に接続された少なくとも１のラックベアリング２６７、２９７を含む。しかしながら、第１の回転軸２９と一致する回転軸を有する第５のアクチュエータを使用して、図１および図３Ｂに示すように９０度の角度ギアを介してシャフト２５１を第５のアクチュエータに接続することも可能である。当然のことながら、第４のアクチュエータ１５０による歯車６４Ｂの回転に使用されるトランスミッションチェーン構成を、レバー２６０を上下に動かすために使用することも可能である。ツール２８を回転するためのリンクチェーン構成は、当然のことながら、内側アームアセンブリ１の反対側に配置することも可能であり、その場合、線形ベアリング構成２７０、２７１が、代わりに、ベアリング６６の左側のシャフト６５に取り付けられ、それにより、よりコンパクトな解決策を設計することが可能になる。さらに、ラックアンドピニオン構成全体を歯車６４Ａの左側に配置することができるが、図面を明瞭にするために、よりコンパクトなこの解決策を示していない。図３Ｂのように、歯車トランスミッション６４Ａ、６４Ｂをラックアンドピニオン構成で置き換えることも可能である。
【０１１９】
アクチュエータ１５０から、歯車６４Ｂに取り付けられたレバーへの動力伝達は、アクチュエータ２５０からレバー２６０への動力伝達とは異なる。しかしながら、両方の場合において同じ動力伝達の概念を使用することが可能である。アクチュエータ１５０と歯車６４Ｂに取り付けられたレバーとの間で使用される動力伝達の概念を使用する場合、バックホウリンケージを含むことができる。図５Ａのアクチュエータ２５０とレバー２６０との間で使用されるのと同じ動力伝達の概念が、後述するように、図６Ａ、図９、図１０Ａでも使用される。当然のことながら、これらの動力伝達は、図５Ａのアクチュエータ１５０から歯車６４Ｂに取り付けられたレバーへと使用される種類の動力伝達に置き換えることができ、図４Ｂに記載のバックホウリンケージを含むことができる。
【０１２０】
図５Ｂはラック２７１の代替的な実施形態を示しているが、この実施形態では、ラック２７１が９０度回転されており、歯が下向きとなっている。接続されたピニオン２７０は水平回転軸を有し、シャフト６５は水平である。ツール２８は、シャフト６５Ａに対して直角に取り付けられている。図５Ａのように、ラック２７０のための線形ベアリングアセンブリ２７３は、歯車６４Ａに取り付けられ、ラック２７１と動力伝達部２６６との間のベアリング２６７が、歯車６４Ａの回転中心と一致する回転中心を有する。このラックアンドピニオンの取付により、ツール２８の両方の傾斜角度を制御することが可能になる。
【０１２１】
これまでのところ、すべてのアクチュエータをロボットスタンドに固定した５軸ロボット制御の解決策が示されている。６ＤＯＦを得るための１つの解決策は、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、回転シャフト、カルダン継手および９０度ギアを備えたトランスミッションを使用することである
【０１２２】
図６Ａおよび図６Ｂは、図５Ａおよび図５Ｂに係るラックアンドピニオンの概念と、１つの更なるキネマティックチェーンを達成するために使用される直角ギアおよびカルダン継手２８２、２８０を含むトランスミッションとの組合せを含む第５の実施形態に係るロボットアーム５００を例示している。すなわち、このもう１つのキネマティックチェーンは、アクチュエータ２８５からの動作エンドエフェクタプラットフォームに配置されたエンドエフェクタのそれぞれの動作に伝達するように構成され、エンドエフェクタプラットフォームが、エンドエフェクタの動きに少なくとも６自由度を与え、この場合も、すべてのアクチュエータがロボットスタンドに固定されている。
【０１２３】
ロボットアーム５００は、より詳細に例示することができるように、ここでは２つの図面に分割されている。図６Ａは、直角ギアトランスミッション２９９を備えた回転アクチュエータ２８５からエンドエフェクタプラットフォーム４１上の水平回転シャフト２７５への動力伝達を示している。これを可能にするために、直角ギアトランスミッション２９９からの出力が、内側アームアセンブリ１に取り付けられたシャフト２８４（取付は図示省略）を回転させる。シャフト２８４は直角ギア２８３と係合し、その出力がリンク２８６を介して第１のカルダン継手２８２に接続され、第１のカルダン継手はその中心がライン４０上にあるように取り付けられている。カルダン継手２８２の出力はシャフト２８１を回転させ、シャフトは、リンク２７９を介して、その他端が第２のカルダン継手２８０に接続され、第２のカルダン継手が、その中心を軸３２上に有する。第２のカルダンジョイント２８０の出力は、直角ギア２７８を駆動し、これによりシャフト２７５が回転する。シャフト２７５は、ビーム６８の内側にベアリングで取り付けられており、中空シャフト６５を介して第１の歯車６４Ａを支持するベアリング６６の内部で自由に回転することができる。シャフト２７５は、シャフト６５および第１の歯車６４Ａの内部で自由に回転するように構成されている。このため、２８４、２８６を含む方向付けリンケージ、および２８１、２７９、２７５を含む方向付けトランスミッションは、方向付け軸７１を中心にエンドエフェクタを回転させるように構成され、これは、シャフト６５内部の自由回転により回転角制限がなく、他では停止することがない。
【０１２４】
図６Ｂは、シャフト２７５が直角ギア２７７に接続され、その出力でシャフト６５Ｂを回転させ、このシャフトが、ピニオン２９０のベアリング内部で自由に回転することができることを示している。シャフト６５Ｂは、最後の直角ギア２８８に接続され、この直角ギアは、その出力がツール２８を回転させるシャフト６５Ｃに接続されている。このため、エンドエフェクタへの接続部が、ここではシャフト６５Ｃを含む。また、少なくとも１の第２のギアトランスミッション２７０／２７１の１つのピニオン２７０は、直角ギア２８８を介してツール２８に接続されている。シャフト６５Ｃは、ベアリング２９１およびビーム２９０を介してピニオン２７０に接続されている。図５Ａおよび図５Ｂと同様に、ラックアンドピニオン２７０、２７１は、第１の歯車６４Ａによって回転するように構成されている。直角ギア２７８の出力歯車、シャフト２７５および直角ギア２７７の入力歯車の回転中心は、共通の軸７１上にある。ラック２７１は、ビーム２６６、ラックベアリング２６７およびラックアタッチメント２８７を介してラック２７１に連結されたリンク２６４によって動かされる。図５Ａと同様に、リンク２６４は、レバー２６２を介してリンク構成に接続されている。
【０１２５】
図６Ａから分かるように、ロボットスタンドに固定されたアクチュエータ２８５からツール２８の回転を得るには、５つの直角ギアと２つのカルダン継手が必要である。この解決策の利点は、無限のツール回転角度を取得できることであり、欠点は、カルダン継手２８０、２８２の作動範囲の制限により、位置決めのワークスペースが失われることである。
【０１２６】
図６Ａにおいてシャフト２７５が両端の開いた（何れかのタイプのベアリング６６を有する）直線シャフトであることを観察することにより、当業者は、多くの既存の製品によるロボットの外側ロボットアームセグメントとの類似性に気付くであろう。これは、シャフト２７５を他のベアリング６６および別のシャフト２７５を内部に有する中空とすることを直接指し、複数の同心シャフトの場合も同様である。当技術においては、そのような同心軸を３つ有することが一般的である。図６Ｂに示す例示的なリスト機構に入るそのような複数の同心シャフト２７５は、その機構を（ここでは検討しないが、様々な方法で）拡張／修正するか、または既存の標準ロボットリストを本開示に係る新しいエンドエフェクタプラットフォームの配置に取り付けるために使用することができる。内側シャフトがさらに外側（図６Ｂの中心線７１に沿って左）に突き出ており、各シャフトに別の直角ギア２７８を追加する、同心シャフト２７５の他端を考慮すると、第６のキネマティックチェーンの残りの部分（直角ギア２７８からアクチュエータ２８５まで）は、重複が可能であり、よって複数のキネマティックチェーンを追加することが可能である。その場合、ロボットアームは、複数の方向付けリンケージ２８４、２８６を備え、各々が方向付けトランスミッション２８１、２７９、２７５を備える。
【０１２７】
さらに、当業者が見出すであろう別の変形例として、対応する複数の同心出力シャフト２７５が、例えば異なる方向に又は互いに隣接してエンドエフェクタプラットフォーム上に配置された、１つのエンドエフェクタだけでなく、いくつかのエンドエフェクタについても、複数のエンドエフェクタ方向付けを働かせることができるように、複数の方向付けリンケージを構成することができる。上述したように、多くの標準的な多関節ロボットは、外側アームリンクの後方に配置されたリストモータを有し、シャフトが平行であるか、２または３ＤＯＦで同心状にリストまで外側アームリンクを通過するため、図２Ａに係る３ＤＯＦのスカラのような動きを、（既存のコンポーネント／インターフェースを使用する、図６Ｂに示す機構の代わりに）すべてがロボットスタンドに固定された複数のモータ２８５によって駆動される複数のシャフト２７５によって作動される標準の３ＤＯＦロボットのリストと組み合わせるオプションが本発明には存在する。標準的なスカラロボットにシャフト２７５を配置するには、リストの鉛直配置に対処するために高価で重い伸縮シャフトが必要であり（かつ有用な６ＤＯＦのスカラは存在しないことから）、これは、第３のキネマティックチェーンの特性がよりスリムな解決策を可能にする本発明とは対照的である。
【０１２８】
図７は、カルダン継手を使用せずに６ＤＯＦを得る可能性を与える、図６Ｂに示すラックアンドピニオン構成の代替的な実施形態を示している。ここでは、第２のまたは追加のラックアンドピニオン構成２９３、２９４が導入され、ピニオン２９４が直角ギア２８８を介してツール２８を回転させるために使用されている。また、少なくとも１の第２の方向付けトランスミッション２９３／２９４の１つのピニオン２９４が、直角ギア２８８を介してツール２８に接続されている。ラックアンドピニオン構成２７０、２７１と同じ原理を使用してラック２９３をスライドさせることができるが、ロボットスタンド（図示省略）上のアクチュエータへのトランスミッションへの接続は、代わりに第１の歯車６４Ａを介して行われる。リンクは、ベアリング２９６を介してシャフト２７５を前後に平行移動することによって動くビーム２９７に接続されている。シャフト２７５は、ベアリング６６、シャフト６５および第１の歯車６４Ａの内部で自由に移動し、ビーム２９５を介してラック２９３に繋がっている。ラックアンドピニオン構成はともに、第１の歯車６４Ａに取り付けられ、図６Ｂのように、シャフト６５Ｃはベアリング２９１とビーム２９０を介してピニオン２７０に取り付けられている。明瞭にするために、ラック２７１、２９３の線形ベアリングは示していないが、それらは、第１の歯車６４Ａによって回転されるようにプラットフォーム（図示省略）に取り付けられている。ピニオン２７０、２９４は、同じプラットフォーム上にベアリングで取り付けられ、シャフト６５は、ピニオン２７０を支持するベアリング内で自由に回転することができる。直角ギアアセンブリ２８８は、ピニオン２７０に取り付けられている（図示省略）。このため、歯車６４Ａが回転すると、軸７１を中心にツール（およびラックアンドピニオン型のトランスミッション全体）が回転し、ビーム２６６が動くと、軸７１に直角なシャフト６５の中心の周りをツール２８が回転し、ビーム２９７が動くと、シャフト６５Ｃの回転中心の周りをツール２８が回転することとなる。
【０１２９】
図７の構成の１つの欠点は、直角ギア２８８の機能のために、シャフト６５の中心の周りのツール２８の回転が同時にシャフト６５Ｃの中心の周りにツール２８を回転させることである。これを回避するために、図８に従って第３のラックアンドピニオン構成を導入することができる。
【０１３０】
図８は、６ＤＯＦロボットにおける直角ギアおよびカルダン継手を完全に回避するために、歯車６４Ａによって回転される３つのラックアンドピニオン構成を有する一実施形態を示している。ラックアンドピニオン構成のうちの１つは、共通のピニオンを有する２つのラックを備え、それらラックが互いに直角に取り付けられている。ここでは、図７の直角ギア２８８が、ラックアンドピニオン構成３１５、３１６によって置き換えられている。ピニオン３１６は、シャフト６５Ｃを介してツールを回転させ、ラック３１５は、シャフト６５およびベアリング３１４を介してラック３１３に接続される。ラック３１３は、ピニオン３１２をラック３１１と共有し、このラックは、ビーム３１０を介してシャフト２７５に接続されている。このため、ビーム２９７が移動すると、ベアリング２９６を介してシャフト２７５が移動し、次にラック３１１が移動する。ラック３１１が移動すると、ピニオン３１２を介してラック３１３が、ラック３１１の移動に対して直角に移動する。すなわち、１つのラックアンドピニオン型のギアトランスミッション３１１、３１２、３１３は、共通ピニオン３１２を介して接続された２つのラック３１１、３１３を備え、２つのラック３１１、３１３が、互いに対して直角に動くように構成されている。この場合、ラック３１５は、ラックベアリング３１４を介して自由に移動するシャフト６５によって移動される。すなわち、ラックシャフト６５は、別のラックアンドピニオン型のトランスミッション２７０、２７１に属するピニオン２７０の軸方向貫通穴内を自由に移動するように構成されている。ラック２７１は、図６Ｂと同様に、ラックアタッチメント２８７およびラックベアリング２６７を介して移動される。２つのラック３１３、３１５は、ラックシャフト６５およびラックベアリング３１４を介して互いに接続されるものであってもよい。この解決策により、ロボットスタンド上のすべてのアクチュエータによって、ツールの回転軸間のカップリングなしで、ロボットアーム５００の６自由度の動きを得ることができる。すなわち、ロボットアームは、少なくとも１の更なるアクチュエータと、少なくとも１の更なるアクチュエータの動きをエンドエフェクタプラットフォーム上に配置されたエンドエフェクタの対応する動きに伝達するように構成された少なくとも１の更なるキネマティックチェーンを備え、それによりエンドエフェクタの動きに少なくとも６の自由度が与えられる。図示のように、ツール２８を回転させるシャフト６５Ｃは、ピニオン歯車３１６の下側に取り付けられている。しかしながら、それをピニオン３１６の上側に取り付けることもでき、また、１つのツールをピニオン３１６の上側にあるシャフトで取り付け、同時に別のツールをピニオン３１６の下側に取り付けることも可能である。軸１〜３のための主要構造に取り付けられ、方向付けトランスミッション６４Ａ、６４Ｂを有し、軸４〜６のための３つの平行リンクトランスミッションおよびアクチュエータを有する図８の構成は、軸１〜６のアクチュエータとともにベースを回転させるアクチュエータによって、７自由度のロボットにさらに発展させることができる。衛生条件または汚れた環境を含む用途では、回転シールのみを使用する場合、リスト軸４、５、６のアセンブリを保護するのがより容易となる。例えば図５の構成をシールするには、ロッド２６６に直線運動用のシールが必要である。図９Ａは、第６の実施形態に係るロボットアーム５００を示しており、ここでは回転シールのみが必要とされるため、この問題を回避する方法を示している。この機能を実現する方法は、第２のラックアンドピニオン構成を実装することであり、ここでは、ラックが接続され、ピニオンの直径が異なるため、ギア係数が１より大きくなる。第５のアクチュエータ２５０からリンク２５８の鉛直運動までの図５と同じ動力伝達設計により、ピニオンギア３０２は、先端が玉継手２５９を介してリンク２５８に取り付けられたレバー３００によって、シャフト３０１を介して回転される。このため、固定されたラックアンドピニオン型のトランスミッション３０２、３０７のピニオン３０２は、レバー３００を含み、このレバー上に、少なくとも２の自由度の継手２５９を介してギアリンク２５８が取り付けられている。
【０１３１】
ピニオン歯車３０２は、シャフト３０１に取り付けられ、シャフトは、ベアリング３０３の内側リングに取り付けられている。ベアリング３０３の外側リングは、ビーム３０４によって線形ベアリングアセンブリ部分３０５上に取り付けられており、線形ベアリングアセンブリ部分は、シャフト６３に取り付けられ、よってエンドエフェクタビーム４１にしっかりと固定されている。このため、少なくとも１のラックベアリング２６７、２９７は、エンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられた固定ラックアンドピニオン型のトランスミッション３０２、３０７を介して第５のアクチュエータ２５０に接続されている。ピニオン歯車３０２が回転すると、ラックギアが水平に移動し、ビーム３０８によって得られる堅固な結合のために、ラックギア２７１も水平に移動する。ビーム３０８は、シャフト３０９およびベアリング２６７を介してラックギア２７１に接続されている。また、ラックベアリング２６７、２９７は、固定ラックアンドピニオン型のトランスミッション３０２、３０７のラック３０７に接続されている。シャフト３０９は、ベアリング２６７の内側リングに取り付けられ、ベアリング２６７の外側リングは、ラックギア２７１に取り付けられている。一実施形態では、ピニオン歯車３０２の直径は、ピニオン歯車２７０の直径の約３倍であり、それによりツール２８の少なくとも３６０度の回転を得ることができる。図９Ａは、図５のリンクおよびレバー構成２６０、２６２、２６４への代替的なトランスミッションを示している。ここでは、第２のラックアンドピニオンギアが、図５に示すラックアンドピニオンギアと直列に接続されている。このようにして、リンクとレバーのより簡素な構成を、１つのリンク２５８と２つのレバー２５６、３００で使用することができる。このため、ロボットアーム５００は、第５のアクチュエータ２５０と、第５のアクチュエータ２５０の動きを、第１の歯車６４Ａを介してエンドエフェクタプラットフォーム４１に取り付けられたツールの対応する動きに伝達するように構成された第５のキネマティックチェーンとを備える。ここで、第５のキネマティックチェーンは、リンクトランスミッション２５１、２５８、２６４を介して第５のアクチュエータ２５０に接続された少なくとも１のラックベアリング２６７、２９７を含む。
【０１３２】
図９Ｂは、いくつかの実施形態に係る代替的な方向付けリンケージを示している。方向付けリンケージは、９０度ギア２５６Ａを使用して、内側アームアセンブリ１の中心軸に垂直な軸を中心に軸２５６Ｂおよびレバー２５６を回転させるオプションを提供する。これにより、レバー２５６とギアトランスミッションとの間の動力伝達の作動範囲が拡大する。
【０１３３】
本開示から理解されるように、いくつかの実施形態では、ロボットアームが、複数の方向付けリンケージ５２、５７、５９；２０２、２０４、２０７、２０９；２５１、２５６、２５８を含む。各方向付けリンケージは、接続された方向付けトランスミッション６４Ｂ、６４Ａ、２１６；６４Ｃ、６４Ｄ、６４Ｅ；１００、６４Ａ；２６０、２６２、２６４、２６６、２７１、２７０をそれぞれ有する。複数の方向付けリンケージは、それぞれの対応するエンドエフェクタの方向付けが、エンドエフェクタプラットフォーム上に配置される１または複数のエンドエフェクタに対して達成されるように構成されている。
【０１３４】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、第７の実施形態に係るロボットアーム５００を示し、このロボットアームは、回転アクチュエータの水平の共通の第１の回転軸２９を有する。ロボットアーム５００は、キネマティック構造の理解を容易にするために、図１０Ａおよび図１０Ｂに分けられている。図１０Ａは、ツール２８の傾斜角度を制御するためのキネマティックチェーンを備えたロボット構造全体を示している。この場合、ツール２８は、歯車６１Ｂに接続された水平シャフト６５に取り付けられた軽量回転アクチュエータ３９０によって回転される。歯車６１Ｂは、シャフト２１３に取り付けられた歯車６４Ｂと係合し、シャフトは、ベアリング２１４を介してエンドエフェクタビーム４１Ａに接続されている。エンドエフェクタビーム４１Ａは、この場合、中空のビーム６８とともに要素３６６を含むエンドエフェクタプラットフォーム４１の一部であり、シャフト６５が、中空ビーム６８の各端部に１つのベアリングで取り付けられている。要素３６６を含むエンドエフェクタプラットフォーム４１は、一緒に取り付けられたロッドとともに剛性フレームワークを形成し、継手３６７、３６８、３６９、ベアリング２１４およびシャフト６５を支持する。シャフト２１３は、レバー６１によって回転され、レバーは、玉継手６０によってエンドエフェクタ回転リンク５９に接続されている。エンドエフェクタ回転リンク５９は、レバー２５７によって上下に移動するように構成され、レバーは、玉継手５８を介してエンドエフェクタ回転リンク５９に接続されている。レバー２５７は、シャフト５２によって回転して上下にスイングするように構成され、シャフトは、ベアリング５３、５５に取り付けられ、それらベアリングは、ビーム５３、５６によって内側アームアセンブリ１に取り付けられている。シャフト５２は、９０度の角度ギア５１を介して回転アクチュエータ５０によって回転されるように構成されている。
【０１３５】
図１０Ａおよび図１０Ｂに示す設計では、エンドエフェクタビーム４１Ａの軸中心の周りの傾斜の自由度に関する制約が、玉継手３６７Ａによりエンドエフェクタプラットフォーム４１に接続されるとともに、玉継手３６７Ｂにより内側アームアセンブリ１に接続された第３のリンク３６５によって得られる。第１のリンク１７は、継手３６８によりエンドエフェクタプラットフォーム４１に接続されるとともに、継手１５により内側アームアセンブリ１に接続され、リンク１８は、継手３６９によりエンドエフェクタプラットフォーム４１に接続されている。明確にするために傾斜角度を制御するためのトランスミッションが取り除かれた図７Ｂに示すように、外側の一対のリンクの作動リンク１８の上端が、ベアリング１６Ｃを介してベアリング対１６Ａ、１６Ｂに接続されている。ベアリング１６Ｃの回転中心は、作動リンク１８の軸中心と一致する。ベアリング１６Ａ、１６Ｂは、ベアリング１６Ａ、１６Ｂの回転軸が一致しかつベアリング３６３の回転角度に対して直角になるように、ベアリング３６４に取り付けられている。ベアリング３６３は、シャフト３６３に取り付けられ、シャフトは、ビーム３６４を介して内側アームアセンブリ１に取り付けられている。ここでは、ベアリング１６Ａの中心にあるレバー３６２が、ベアリング３６３の外側リングに接続され、ベアリング対１６Ａ、１６Ｂをベアリング３６３の周りでスイングさせるために使用され、その結果、作動リンク１８が、内側アームアセンブリ１の中空リンクの中心と平行なレバー３６２の周りでスイングする。シャフト３６３は、各端部に玉継手３５９、３６１を有するリンク３６０によって上下にスイングするように作動される。継手３５９は、ベアリング３５６の外側リングに取り付けられたレバー３５８に接続されている。ベアリング３５６の内側リングは、ビーム３５７に取り付けられ、ビームは、内側アームアセンブリ１に取り付けられている。別のレバー３５５が、レバー３５８に対して約９０度の方向で、ベアリング３５６の外側リング上に取り付けられている。レバー３５５は、ベアリング３５４を介してリンク３５３に接続され、ベアリングは、実際には玉継手でもある。リンク３５３の他端は、ベアリング３５２を介してレバー３５１に接続されている。ベアリング３５２は、玉継手によって置き換えることもできる。レバー３５１は、回転アクチュエータ３５０によって強制的にスイングさせられる。いくつかの用途では、リンク１８をスイングするこの動力伝達が、前図のように第１の回転シャフト３を使用するよりも優れている。例えば、内側アームアセンブリ１が非常に長く、回転トルクを有するシャフト３の代わりに、軸力のみを有するリンク３５３に剛性を得ることがより容易である場合である。
【０１３６】
これらの図面において導入した別の新しい特徴は、前図のような単一のリンク１１、１２の代わりに、リンク１１Ａ、１１Ｂのペアおよびリンク１２Ａ、１２Ｂのペアを使用することである。これにより、リンクペアのリンク間でバネと一緒に保持される玉継手の単純なペアを使用することが可能になる。リンクシステムは、ここでは第３のリンク３６５を含み、内側アームリンケージが、平行リンク１１Ａ、１１Ｂおよび平行リンク１２Ａ、１２Ｂの一対の平行ペアを含み、ツール２８の傾斜角度の作動が、軸力のみをとるリンク３５３を介して行われる。すなわち、内側アームリンケージのリンク（内側の一対の平行リンク１１、１２）は、平行リンク１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂのペアを含み、これらの平行リンク１１Ａ、１１Ｂ；１２Ａ、１２Ｂのペアが、玉継手により外側アームリンケージのリンクの両側に取り付けられている。
【０１３７】
前図では、図面を理解し易くするために、中空シャフトアクチュエータの概要が示されている。図１１は、中空シャフトのない標準的なモータを使用して、代わりに作動を行う方法を示している。図１１は、中空リンク１Ａおよび回転シャフト３を駆動する２つのアクチュエータの断面図である。中空リンク１Ａおよびシャフト３はともに、例えば炭素強化エポキシで製造された管である。中空リンク１Ａは、リング４２４の外側に取り付けられ、リングは、ハウジング４１７とともに組み立てられている。このハウジングは、シャフト４１６に取り付けられ、このシャフトは、シャフト４１３および歯車４１４、４１５を介してモータ４１２によって回転される。歯車４１５は、シャフト４１６の外面に直接取り付けられ、歯車４１４は、シャフト４１３の端部に取り付けられている。シャフト４１３は、歯車ハウジング４３０とシャフト４１３との間にベアリング対４２８を備える。同様に、シャフト４１６は、歯車ハウジング４３０とシャフト４１６との間にベアリング対４２６を備える。
【０１３８】
シャフト３は、内側の短いシャフト４２２と外側リング４２３との間に取り付けられている。外側リングは、ベアリング４２５を介してハウジング４１７に取り付けられ、シャフト３の回転を支持する。他端では、シャフト３が、内側アームアセンブリ１の中空リンク１Ａの内部に、対応するベアリングによって取り付けられている。９０度の歯車４２１が、短いシャフト４２２に取り付けられている。歯車４２１は、シャフト４１９に取り付けられた９０度の歯車４２０によって駆動され、シャフトは、モータ４１８によって駆動される。シャフト４１９は、シャフト４１６、４１９間のベアリング対４２７によって支持されている。第１の回転軸２９（前図と比較）は、ベアリング４２５の回転中心と、シャフト３の他端にあるベアリングの対応する回転中心とによって規定されている。第１の回転軸２９（前図にも示される）は、シャフト４１９の回転中心によって規定されている。図１１は、図１〜図６に示す中空シャフトモータを使用せずに、共通の回転軸を得るように回転アクチュエータが配置された一実施形態を示している。モータ４１２、４１８は互いに並んで取り付けられ、中空シャフト４１６、ギア４１４、４１５が使用されている。
【０１３９】
図１２Ａは、図１の代替バージョンを示しており、アクチュエータの第１の回転軸２９が、２つの異なる平行な回転軸２９Ａ、２９Ｂに分割されている。このようにして、中空シャフトアクチュエータが必要なくなる。ここで、第２のアクチュエータ５は、それ自体の回転軸２９Ｂを有するように移動され、以前と同様に、レバー２を揺動して平行リンク１１、１２を移動させるように構成されている。第１のアクチュエータ４および第３のアクチュエータ６は、共通の回転軸２９Ａを有する。第１のアクチュエータ４は、内側アームアセンブリ１に直接取り付けられ、第３のアクチュエータ６は、シャフト３を回転させるために、図面には現れない直角ギアに接続されている。アクチュエータの構成が簡素化されるという利点と同時に、ワークスペースが幾分か減少し、リンク１１、１２における力の伝達が内側アームアセンブリ１の回転角度に依存するという欠点がある。３を超えるアクチュエータを含む図面では、異なるアクチュエータ間で回転軸を平行にすることも可能である。図１２Ａの更なる説明のために、図１の説明を参照する。
【０１４０】
図１２Ｂは、回転モータで構成されるアクチュエータ（ここではアクチュエータ５）と、出力モータシャフト上のギアボックスと、図１２Ａのような各キネマティックチェーンを作動させるための所望の運動を伝えるレバー（ここではレバー２）の代わりに、リンク端部の所望の運動が線形アクチュエータによって直接達成できることを示している。図１２Ａの２つのリンク１１、１２の（継手１３、１４を動かす）機能は、それぞれ継手１３、１４で終わる２つのボールねじ８１１、８１２によって達成され、それによりリンク１１、１２の機能を提供する。ボールねじ８１１、８１２は、他端が自在継手８０９、８１０によりビーム８に接続され、それら自在継手は、継手９、１０と同じ機能を有しているが、ボールねじの最良の機能のために、それぞれのリンク８１１、８１２の周りの回転を許容していない。各ボールねじは、その基端部８０９、８１０に回転可能に固定されたボールナット部分８１１Ａ、８１２Ａを備え、必要に応じて、ねじ部分８１１Ｂ、８１２Ｂに対して回転可能にも固定され、それによりボールねじ部分８１１Ａ、８１２Ａから伸びるねじ８１１Ｂ、８１２Ｂからの直線運動を達成して、リンク８１１、８１２を短くまたは長くする。ここで、アクチュエータ５は、二重化されるとともに、ねじ８１１Ｂ、８１２Ｂが回転するように８１１Ａ、８１２Ａの両方に組み込まれるか、または取り付けられる。ここでは、アクチュエータ５（図１２Ａ）が８１１Ａ、８１２Ａに統合されているため、図面には現れない。図１２Ａでは、単一のアクチュエータ５とレバー２がビーム８を移動させるが、図１２Ｂでは、２つのボールねじにそれぞれ１つのアクチュエータがあるため、それらは、軸３０、３１を平行に保つために（前述した制御システムによって）同期して動く必要がある。代替的な実施形態では、軸２９Ｂを中心にレバー２を回転させるが、アクチュエータ５を使用せずに、代わりに、中心線２９Ａの近くの位置からビーム８まで作動するボールねじを備えることになる。このように、一つのボールねじのみが必要とされる。ボールねじは、中空リンク１Ａ上のある位置（図示省略）からも作動することができ、その場合、ロボットスタンドに力を伝達しない。
【０１４１】
一般に、線形アクチュエータを使用する別の方法は、それらをレバーと一緒に使用して、範囲が限定された回転を生み出す。具体的には、既存のロボットのプラクティスによれば、通常は無制限の回転能力を有する回転アクチュエータによって運動がもたらされる、図６Ａ、図６Ｂ、図１２Ｂを除くすべて図面のすべてのアクチュエータによって示されるすべての回転に適用される。しかしながら、開示のロボットアームでは、図６Ａおよび図６Ｂにおける複数のリストの動きを除いて、広い範囲のアクチュエータを有する必要はない。代わりに、本発明によれば、各アクチュエータは線形であり、適切なレバーとともに配置される。このため、非常に低いロボットコストまたは非常に高いエンドエフェクタ力のために、ボールネジとは別に、アクチュエータも空気圧式または液圧式にすることができる。
【０１４２】
本明細書で使用されるトランスミッションは、実際のギアを備えた従来のピニオン・ピニオンまたはラック・ピニオンなどのギアトランスミッションであるが、ピニオン・ピニオンまたはラック・ピニオンのギアトランスミッションのいずれかと同等の機能のワイヤまたはベルトに基づく他のトランスミッションによって置き換えることもできる。本明細書で使用される「トランスミッション」という用語は、上述したギアトランスミッションのタイプと同様の機能のあらゆるトランスミッション／伝動装置を意味する。
【０１４３】
図１３は、図１および図３Ａのエンドエフェクタ回転のためのトランスミッションの部分を示しているが、ここでは、歯車６４Ａ、６４Ｂが、ベルト６４Ｅに接続されたベルトホイール６４Ｃ、６４Ｄに置き換えられている。図１３の構成要素の更なる説明については、図１、図３〜図３Ｄの説明を参照する。ベルトトランスミッションは、ギアトランスミッションよりも簡素な機構で作ることができる。さらに、トランスミッションがプラスチック製の場合、安価なベルトトランスミッションが、プラスチック製の歯車よりも寿命が長くなることがある。
【０１４４】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、いくつかの実施形態に係る、第２のキネマティックチェーンのためのバックホウ機構（図４Ｂを参照）の使用を説明する。図１４Ａは、バックホウ自体を示し、接続ベアリングが、外側の一対の平行リンク１７、１８の２つのリンクの回転中心線の周りに配置されている。バックホウのベースベアリング８０３は、内側アームアセンブリ１の部分１Ａに配置され、これは、バックホウが、図３Ａのように２本のリンク８０５、８０６および自在継手２１、２２を介して作動できることを意味している。接続ベアリングに対する力のより好ましい方向のためにシャフト３にベアリング８０３を配置するには、例えば８と８０２の間の追加の継手および８と７Ｃの間の追加のリンク（図示省略）を導入することによって、回転軸３１、３２を軸３３に平行に保つ別の方法が必要になる。バックホウの動機付けは、第２のキネマティックチェーンの動作範囲を増やし、それによってロボットアーム５００のワークスペースを増やすことである。特に、殆どのスカラロボットは、第２のＤＯＦに対して１８０度を超える動作範囲を有している。一方、国際公開第２０１４／１８７４８６号に係るロボット設計は、内側および外側アームリンケージに基づく平行四辺形によって制限されており、望ましい１８０度の範囲内で動作することはできない。バックホウ（図４Ｂで紹介）はこの問題を解決し、国際公開第２０１４／１８７４８６号と区別する特徴を形成する。
【０１４５】
図１４Ａのように適用されたバックホウは、ビーム８がエルボーの近くに配置されて、ベアリング８０３の周りにレバー８０２とともに回転し、それにより、エルボー継手１６１と交差する第２の回転軸４０の周りの角度の増加とともにアームが伸ばされるに連れて、継手９Ｃ、１０Ｃに対する作動力がより適切に向けられる、基本的な原理を示している。これにより、軸３３の方向のエンドエフェクタ力の特性を少なくとも考慮すると、ワークスペースがいくらか増加するが、伸長されたアームが特異点に達して、ベアリング１５Ｃ、１６Ｃによって許容されるように、外側の一対の平行リンクが回転軸を中心に反転するため、競合し得る作動範囲にまで達することはない。ベアリング１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃはともに、先の図面における継手１５と同等であることに留意されたい。すなわち、リンク部分８０４は、反転に関する問題ではなく、図１４Ｂに示すように、解決策の例示的な備えとして、継手１５が複数の１ＤＯＦ継手に分離される。
【０１４６】
図１４Ｂでは、バックホウは、外側アームリンケージのオフセット部分に配置されている接続ベアリング２１，２２を介して、外側の一対の平行リンクに作用するように構成されている。すなわち、共通の回転軸３１を持つ接続ベアリングは、外側の一対の平行リンク１７、１８の回転軸と交差しなくなる。代わりに、接続ベアリングは、それぞれの内側ベアリングが（図３Ｄのベアリング２１Ａの内側のように）第２の回転軸４０と交差する軸の周りを回転するように配置される。この設計では、当業者によって容易に決定されるように、リンク長と比較して上述したオフセットの適切な寸法がある（作動リンク１８の回転軸と交差するまでの軸３３に沿った軸４０間の距離であるオフセットは、少なくとも作動リンクの長さと、軸４０に平行な法線方向を持つ平面に対する外側アームリンケージの最大角度の正弦の積でなければならないことを見い出すであろう）。適切なオフセットにより（例えば、軸４０に平行な法線方向を有する平面に対する外側アームリンケージの最大許容回転をｘとした場合に、作動リンク１８の長さ×ｓｉｎ（ｘ）により）、特異点はワークスペースの外側になり（ｚ方向の許容範囲が、制御システムで構成されている最大許容ｘと一致し）、第２のキネマティックチェーンが、外側アームリンケージの最も外側に伸長された位置を超えて動作することができる。
【０１４７】
本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。様々な代替例、変形例および均等物を使用することができる。当然のことながら、当業者にとって適用可能かつ明らかな場合はいつでも、具体的に示したキネマティックチェーンまたは実施形態だけでなく、アーム構造の他の部分にあっても、様々な図面に示す原理を組み合わせることが可能である。したがって、上述した実施形態は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【国際調査報告】
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