(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステム内のアクチュエータであって、前記アクチュエータは、
負荷を駆動するためのモータと、
第１の端部および第２の端部を有する弧状金属要素であって、前記第１の端部は、前記負荷に結合されている、弧状金属要素と、
前記弧状金属要素の前記第２の端部に結合されたギア列であって、前記ギア列は、前記弧状金属要素を介して力を前記モータから前記負荷に伝達するように構成されている、ギア列と
を備え、
前記弧状金属要素は、前記力を検出し、前記力に応答した変形を被り、前記弧状金属要素が変形するときに前記力が前記モータから前記負荷に伝達され、
前記弧状金属要素は、長さと断面幅と断面厚とを備え、前記弧状金属要素の断面幅は、前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記弧状金属要素の前記第１の端部と前記第２の端部との間の中間点まで単調に減少する、または、前記弧状金属要素の断面厚は、前記弧状金属要素の長さに沿って前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記中間点まで単調に減少する、アクチュエータ。
【請求項２】
関節部を画定する構成要素をさらに備え、前記関節部は、曲げ関節部またはねじり関節部である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記弧状金属要素は、１８０°を上回る角度に対するＣ形状開放リングを備える、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記力の印加に応じた前記弧状金属要素の変形は、前記弧状金属要素の長さに沿って均一である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記弧状金属要素の断面幅および前記弧状金属要素の断面厚の両方は、前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記弧状金属要素の前記第１の端部と前記第２の端部との間の中間点まで単調に減少する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記弧状金属要素は、第１の端部および第２の端部で終端し、前記端部のそれぞれは、前記弧状金属要素の固定を容易にするための手段を備える、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記弧状金属要素は、前記第１の端部および第２の端部の間の区画が、任意の他の構成要素と接触せずに懸架されるように構成されている、請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記弧状金属要素は、第１の弧状金属要素であり、前記アクチュエータは、前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る第２の弧状金属要素をさらに備え、前記第１の弧状金属要素および前記第２の弧状金属要素は、積層されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記第２の弧状金属要素は、その長さに沿って変化する断面幅またはその長さに沿って変化する断面厚を有し、さらに、前記力に応答して均一な変形を被る、請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記弧状金属要素は、第１の端部および第２の端部で終端して開放リングを画定する単一平面弧状区画を備える湾曲要素であり、前記弧状金属要素は、前記端部のうちの少なくとも１つに対して印加される面内回転力に応答した実質的に面内の変位のために構成されている、請求項１または請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記開放リングは、１８０°を上回る角度に対する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記端部のそれぞれは、前記湾曲要素の固定を容易にするための手段を備える、請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記単一平面弧状区画は、長さを有し、前記単一平面弧状区画の断面幅および前記単一平面弧状区画の断面厚は、前記長さにわたって不均一であることにより、変位の間に応力集中を排除する、請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記単調減少は、６０％である、請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
厚さの前記単調減少は、６０％である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
幅の前記単調減少は、６０％である、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記湾曲要素は、本質的に、ばね鋼から成る、請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
ロボットシステム内において、モータから負荷に伝達される力を検出する方法であって、前記方法は、
前記力に応答して、前記負荷に結合された弧状金属要素上に変形を生成することであって、前記弧状金属要素は、第１の端部および第２の端部を有し、前記弧状金属要素が変形するときに前記力が前記モータから前記負荷に伝達され、前記弧状金属要素は、長さと断面幅と断面厚とを備え、前記弧状金属要素の断面幅は、前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記弧状金属要素の前記第１の端部と前記第２の端部との間の中間点まで単調に減少する、または、前記弧状金属要素の断面厚は、前記弧状金属要素の長さに沿って前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記中間点まで単調に減少する、ことと、
前記変形に少なくとも部分的に基づいて、前記力を算出することと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記弧状金属要素の変形は、その長さに沿って均一である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記弧状金属要素の断面幅および前記弧状金属要素の断面厚の両方は、前記弧状金属要素の前記第１の端部および前記第２の端部から前記弧状金属要素の前記第１の端部と前記第２の端部との間の中間点まで単調に減少する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記力による変位の間、応力集中が排除される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記単調減少は、６０％である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
厚さの前記単調減少は、６０％である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
幅の前記単調減少は、６０％である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国特許出願第１３／４４６，５６４号（２０１２年４月１３日出願）の利益、および、それに基づく優先権を主張し、それによって、その各々の開示全体が、本明細書中に参照によって援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明の実施形態は、概して、直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）に関し、特に、低い製造コストを有し、ロボット動作中のエネルギー損失を最小限にするＳＥＡに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
ロボットは、物体を操作し、環境と相互作用するように設計される。ロボットアクチュエータがロボット要素および／または環境に印加される力を安全に検出および制御することは、不必要な危険を防止する。従来、硬いアクチュエータが、力センサによって測定され得る大きな力／トルクを生成するために利用されていた。しかしながら、硬いアクチュエータによって及ぼされる力は、正確に測定することが困難である。検出されるセンサたわみにおけるわずかな誤差は、大きな力の誤差をもたらし得る。したがって、高価な高精度力センサが、硬いアクチュエータと協働的に作用することが要求され得る。加えて、硬いアクチュエータは、概して、衝撃負荷を吸収することが不可能であり、それによって、ロボットシステムにおけるその用途を制限する。
【０００４】
ＳＥＡは、ロボット力をより正確に検出および制御するための、経済的に実行可能なアプローチを提供する。ＳＥＡは、典型的には、図１に示されるように、ロボットギアボックスと駆動される負荷との間に順応な要素を採用することにより、アクチュエータの剛性を低減させる。ＳＥＡは、比較的に高い順応性を有するため、力／トルクに応答したそのたわみは、大きく、したがって、測定が容易である。例えば、フックの法則を使用した位置のたわみに基づく力計算は、したがって、高い正確度を有する。高度に順応なＳＥＡは、ＳＥＡの位置のたわみにおけるわずかな変化に対するアクチュエータの感度を低減させる。フィードバックループが、アクチュエータを所望の出力力／トルクに対して正確に制御するように実施されることができる。
【０００５】
ねじりばね、引張ばね、平面湾曲要素、および他の弾性要素を含む、いくつかの構成が、ＳＥＡにおける順応な要素として使用されている。ねじりばねは、一般に、十分な剛性を提供しない。ねじりばねのたわみは、大きくあり得、力と大きなたわみに対する変形との間の非線形関係により、力測定に誤差をもたらし得る。加えて、大きな変形は、クーロン摩擦および／または他の非保存力を有意に増加させ、それによって、余分なエネルギーを消費し得る。引張ばねは、典型的には、ばねの端部領域の摺動運動により、有意な摩擦を生成する。平面湾曲要素は、所望の剛性および要素のたわみを提供し得る。しかしながら、これらの要素のための加工方法は、通常、高価であり、印加される力は、その上に不均質に分散され、要素の一部の恒久的変形または疲労破壊をもたらし得る。
【０００６】
その結果、安価に製造され、（例えば、摩擦による）エネルギー損失を制限し、かつ、所望の剛性と検出可能な位置のたわみとの間に最適な均衡を保つと同時に、材料の疲労限界（または、線形力領域）を超えない、順応なＳＥＡを設計する課題が残る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（概要）
種々の実施形態では、本発明は、例えば、ロボット要素（関節部等）間および／またはロボットと環境との間の力を検出するために、ロボット用途に非常に好適な弧状金属湾曲要素に関する。弧状湾曲要素は、印加された力に応じて、均一な応力または変形を生成し得、低エネルギー損失を呈する。本明細書による湾曲要素は、印加された力が湾曲要素上に均質に分散されるように、長さにわたって不均一な断面寸法（典型的には、幅）を有し得る。より具体的には、湾曲要素の２つの終端端部は、より広い断面幅を有し得る一方、湾曲要素の中間部分は、より狭い断面幅を有し得る。２つの端部領域は、回転式ロボット要素（例えば、ギアボックスアームまたは関節部出力）上にしっかりと固定され得る。その結果、湾曲要素の端部領域における摺動運動は存在せず、それによって、運動摩擦は、有意に低減される。加えて、湾曲部上の２つの端部領域のみがロボット要素に取り付けられるため、摩擦は存在せず、したがって、その他の部分におけるエネルギー消費は存在しない。「単一スタンピング」技法が使用されることにより、本明細書に説明されるような湾曲要素を生産してもよく、それによって、製造コストを低減させてもよい。代替として、湾曲要素は、製造効率および経済性を増加させるために、複数の製造プロセス（例えば、穴あけ、圧印、および切断）を組み合わせる「順送り型スタンピング」技法を使用して生産されてもよい。
【０００８】
故に、一側面では、本発明は、ロボットシステム内のアクチュエータに関する。種々の実施形態では、アクチュエータは、負荷を駆動するためのモータと、力をモータから負荷に伝達するためのギア列と、力を検出し、その力に応答した変形を被る弧状金属要素とを含む。力の印加に応じた弧状金属要素の変形は、その長さに沿って、均一であってもよい。アクチュエータは、関節部、例えば、曲げ関節部またはねじり関節部を画定する構成要素をさらに含んでもよい。弧状金属要素は、１８０°を上回る角度に対するＣ形状開放リングであってもよく、またはそれを含んでもよい。種々の実施形態では、弧状金属要素は、変化する断面寸法を有し、弧状要素は、第１の端部および第２の端部で終端し、そのそれぞれは、要素の固定を容易にするための手段（例えば、貫通孔）を含む。加えて、弧状要素は、第１の端部および第２の端部の間の区画が、任意の他の構成要素と接触せずに懸架されるように構成されてもよい。
【０００９】
ロボットシステム内のアクチュエータは、力を検出し、その力に応答した変形を被る第２の弧状金属要素をさらに含んでもよく、それらの要素は、積層されてもよい。いくつかの実施形態では、第２の要素は、その長さに沿って変化する断面寸法を有し、さらに、力に応答して均一な変形を被る。
【００１０】
第２の側面では、本発明は、第１の端部および第２の端部で終端して開放リングを画定する単一平面弧状区画を含む湾曲要素に関する。要素は、それらの端部のうちの少なくとも１つに対して印加された面内回転力に応答した実質的に面内の変位のために構成される。端部のそれぞれは、湾曲要素の固定を容易にするための手段（例えば、貫通孔）を含んでもよい。要素の開放リングは、１８０°を上回る角度に対してもよい。種々の実施形態では、湾曲要素は、本質的に、ばね鋼から成る。いくつかの実施形態では、湾曲要素の断面寸法は、その長さにわたって不均一であることにより、変位の間、応力集中を排除する。断面寸法は、第１の端部および第２の端部からその間の中間部まで単調に減少してもよい。一実施形態では、単調減少は、６０％である。
【００１１】
第３の側面では、本発明は、ロボットシステム内において、モータから負荷に伝達される力を検出する方法に関する。本方法は、（ｉ）力に応答して、弧状要素上に変形を生成することと、（ｉｉ）その変形に少なくとも部分的に基づいて、力を算出することとを含む。種々の実施形態では、弧状要素の変形は、その長さに沿って均一である。いくつかの実施形態では、弧状要素は、長さを有し、断面寸法は、その長さにわたって不均一であり、それによって、応力集中は、力による変位の間、排除される。断面寸法は、弧状要素の第１の端部および第２の端部からその間の中間部まで単調に減少してもよい。一実施形態では、単調減少は、６０％である。
【００１２】
本明細書で使用される場合、用語「実質的に」および「約」は、±１０％または±１０°、いくつかの実施形態では、±５％または±５°を意味する。本明細書を通して、「一例」、「ある例」、「一実施形態」、または「ある実施形態」への言及は、例に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本技術の少なくとも一例に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通した種々の場所における、語句「一例では」、「ある例では」、「一実施形態」、または「ある実施形態」の表出は、必ずしも、全て同一の例を参照するわけではない。さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特性は、本技術の１つ以上の例において、任意の好適な様式で組み合わせられてもよい。本明細書に提供される表題は、便宜のためだけのものであり、請求される技術の範囲または意味に限定および理解されることを意図していない。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
ロボットシステム内のアクチュエータであって、前記アクチュエータは、
負荷を駆動するためのモータと、
力を前記モータから前記負荷に伝達するためのギア列と、
前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る弧状金属要素と
を備える、アクチュエータ。
（項目２）
関節部を画定する構成要素をさらに備え、前記関節部は、曲げ関節部またはねじり関節部である、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目３）
前記弧状金属要素は、１８０°を上回る角度に対するＣ形状開放リングを備える、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目４）
前記力の印加に応じた前記弧状金属要素の変形は、前記弧状金属要素の長さに沿って均一である、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目５）
前記弧状金属要素は、変化する断面寸法を備える、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目６）
前記弧状要素は、第１の端部および第２の端部で終端し、前記端部のそれぞれは、前記要素の固定を容易にするための手段を備える、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目７）
前記弧状要素は、前記第１の端部および第２の端部の間の区画が、任意の他の構成要素と接触せずに懸架されるように構成されている、項目６に記載のアクチュエータ。
（項目８）
前記力を検出し、前記力に応答した変形を被る第２の弧状金属要素をさらに備え、前記要素は、積層される、項目１に記載のアクチュエータ。
（項目９）
前記第２の要素は、その長さに沿って変化する断面寸法を有し、さらに、前記力に応答して均一な変形を被る、項目８に記載のアクチュエータ。
（項目１０）
第１の端部および第２の端部で終端して開放リングを画定する単一平面弧状区画を備える湾曲要素であって、前記端部のうちの少なくとも１つに対して印加される面内回転力に応答した実質的に面内の変位のために構成されている湾曲要素。
（項目１１）
前記開放リングは、１８０°を上回る角度に対する、項目１０に記載の湾曲要素。
（項目１２）
前記端部のそれぞれは、前記湾曲要素の固定を容易にするための手段を備える、項目１０に記載の湾曲要素。
（項目１３）
前記弧状区画は、長さを有し、断面寸法は、前記長さにわたって不均一であることにより、変位の間に応力集中を排除する、項目１０に記載の湾曲要素。
（項目１４）
前記断面寸法は、前記第１の端部および第２の端部からその間の中間部まで単調に減少する、項目１３に記載の湾曲要素。
（項目１５）
前記単調減少は、６０％である、項目１４に
記載の湾曲要素。
（項目１６）
前記湾曲要素は、本質的に、ばね鋼から成る、項目１０に記載の湾曲要素。
（項目１７）
ロボットシステム内において、モータから負荷に伝達される力を検出する方法であって、前記方法は、
前記力に応答して、弧状要素上に変形を生成することと、
前記変形に少なくとも部分的に基づいて、前記力を算出することと
を含む、方法。
（項目１８）
前記弧状要素の変形は、その長さに沿って均一である、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
前記弧状要素は、長さを有し、断面寸法は、前記長さにわたって不均一であり、それによって、応力集中は、前記力による変位の間、排除される、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
前記断面寸法は、前記弧状要素の第１の端部および第２の端部からその間の中間部まで単調に減少する、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記単調減少は、６０％である、項目２０に記載の方法。
【００１３】
図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して、同一の部分を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理を図示する際、概して、強調されている。以下の説明では、本発明の種々の実施形態は、以下の図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、ロボットシステムのアクチュエータ内に実装される順応な要素を概略的に図示する。
【図２Ａ】図２Ａは、曲げ関節部内に配置されるＳＥＡ湾曲部の実施形態の斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、力／トルクの印加に応じて減少させられる、ＳＥＡ湾曲部における開口部を図示する平面図であり、図２Ｃは、力／トルクの印加に応じて増加させられる、ＳＥＡ湾曲部における開口部を図示する平面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂは、力／トルクの印加に応じて減少させられる、ＳＥＡ湾曲部における開口部を図示する平面図であり、図２Ｃは、力／トルクの印加に応じて増加させられる、ＳＥＡ湾曲部における開口部を図示する平面図である。
【図３】図３は、長さに沿って変化するＳＥＡ湾曲部の断面幅を描写する斜視図である。
【図４】図４は、長さに沿って変化するＳＥＡ湾曲部の断面厚を描写する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（詳細な説明）
モータ１０２と、ギアボックス１０４と、順応な要素（例えば、ＳＥＡ）１０６と、出力負荷１０８とが直列に連結されたロボットアクチュエータ１００を図示する図１を再び参照する。ギアボックス１０４は、関連付けられたモータ１０２からの運動を、順応な要素１０６を介して、出力負荷１０８の運動に伝達するように構成される。負荷１０８は、ロボットリンクまたは関節部等の任意の好適な負荷であってもよい。順応な要素１０６の位置のたわみは、位置センサ１１０によって測定されてもよい。剛性定数（例えば、ばね定数またはヤング率）が既知である場合、モータ１０２の印加された力／トルクは、決定され得る。フィードバック力／トルクループ１１２は、所望の力／トルクがモータ１０２によって生成されて順応な要素１０６を通して伝達されるように、実施されてもよい。
【００１６】
図２Ａは、本発明の実施形態による、曲げ関節部２１０を含むロボットシステムの部分２００を描写する。図示される構成では、ギアボックス出力シャフト２１２は、モータ（図示せず）から、順応な要素（例えば、ＳＥＡ湾曲部）２１６を介して、曲げ関節部出力２１４に力／トルクを伝達する。ＳＥＡ湾曲部２１６は、２つの端部領域２１８、２２０で終端する平面弧状要素として構成され得、曲げ関節部２１０に対応してもよい。２つの端部領域２１８、２２０は、相互に接触するか、またはその間に開口部２２２を有してもよい。端部領域２１８は、ギアボックス−ＳＥＡアーム２２４の貫通孔と整合される２つの貫通孔を含み、その間の係合を容易にする。ギアボックス−ＳＥＡアームの他方の端部は、ギアボックスシャフト２１２に添着される。同様に、ＳＥＡ湾曲部２１６の端部領域２２０は、貫通孔を有し、曲げ関節部出力２１４への係合を容易にする。ギアボックス−ＳＥＡアーム２２４および曲げ関節部出力２１４は、ＳＥＡ湾曲部２１６を固定することを容易にする手段によって、ＳＥＡ湾曲部２１６に係合してもよい。容易にする手段は、例えば、止めねじ、ピンチドッグ、および／またはしっかりとした確実な機械的連結を容易にする他の締結デバイスであってもよい。ＳＥＡ湾曲部２１６は、２つの端部領域２１８、２２０においてしっかりと固定されるので、係合領域内に有意な摺動運動はない。その結果、固着されたＳＥＡ湾曲部２１６とギアボックス−ＳＥＡアーム２２４および／または曲げ関節部出力２１４との間の摩擦は、無視でき、曲げ関節部２１０内のエネルギー損失は、最小限にされる。ＳＥＡ湾曲部２１６はさらに、図示されるように、ＳＥＡ湾曲部２１６の区画２２６（望ましくは、その長さの大部分）が、他のロボット構成要素と接触せず、したがって、曲げの間、摩擦を生成しないように構成されてもよい。故に、ＳＥＡ湾曲部２１６は、モータから負荷（すなわち、曲げ関節部２１０）へ力／トルクを伝達することと関連付けられたエネルギー消費を最小限にする。ＳＥＡ湾曲部２１６は、１８０°を上回る角度に対するＣ形状開放リングであってもよい。一実施形態では、Ｃ形状開放リングの中心角は、２７０°〜３００°である。
【００１７】
モータから、しっかりと固定された端部領域２１８、２２０を介して、曲げ関節部出力２１４へ力／トルクを伝達することは、ＳＥＡ湾曲部２１６の実質的に面内のたわみをもたらす。例えば、関節部２１０の曲げの度合を増加させる時計回りトルク２２８が印加されると、ＳＥＡ湾曲部２１６は、図２Ｂに描写されるように、開口部２２２が減少させられるようにたわませられる。同様に、反時計回りトルク２３０は、図２Ｃに図示されるように、ＳＥＡ湾曲部２１６の開口部２２２を増加させる。ＳＥＡ湾曲部２１６の位置のたわみは、位置センサ（図示せず）によって測定されてもよい。ＳＥＡ湾曲部２１６の剛性が材料によってのみ決定されるため、印加されたトルクは、次いで、測定された位置のたわみに基づいて算出されることができる。ＳＥＡ湾曲部２１６が硬い材料（例えば、大きなヤング率を有する）から作製される場合、高分解能位置センサが、たわみを正確に検出する必要がある一方、より硬くない材料のより大きなたわみを測定するために、感度のより低い位置センサが、要求される。硬い材料は、フックの法則が適用可能である、比較的に限定された線形領域を有し得る。線形領域を超えると、非線形の力−変形関係は、印加された力／トルクを決定するために複雑な計算を要求し得、さらに、湾曲部への恒久的損傷をもたらし得る。一実施形態では、ＳＥＡ湾曲部２１６は、種々の炭素濃度を組み込むことにより高い降伏強度（典型的には、６０ｋｓｉを上回る）をもたらすばね鋼から作製される。これは、有意な曲げにかかわらず、印加された力／トルクの除去に応じて、ＳＥＡ湾曲部２１６がその元の形状に復帰するように、その材料強度（すなわち、線形領域）を超えずに、ＳＥＡ湾曲部２１６の大きな位置のたわみを可能にする。すなわち、ＳＥＡ湾曲部２１６は、小さなヒステリシス（例えば、約２％またはそれよりも小さい）を呈する。ＳＥＡ湾曲部２１６は、したがって、材料の疲労限界（または、線形の力−変形関係を有する領域）を超えずに、容易に測定され得る湾曲たわみ（例えば、５°）と所望の剛性（例えば、３Ｎｍ／度）との間の均衡を保つ。ロボット用途のために好適な剛性を有し、実質的に、測定可能な位置のたわみを生成する、炭素繊維等の他の材料が、ＳＥＡ湾曲部２１６のために使用されてもよく、本発明の範囲内である。
【００１８】
図３を参照すると、ＳＥＡ湾曲部３００は、印加された力／トルクに応答して、ＳＥＡ湾曲部３００に沿って均一に分散される応力を生成するために、湾曲長さＬにわたって、不均一な断面幅Ｗを有してもよい。応力分散は、図２Ｂおよび図２Ｃ内の２５０に概略的に図示され、示されるように、応力は、湾曲部２１６の周囲の任意の点に集中されない。例えば、２つの端部領域３１４、３１６近傍のそれぞれの断面幅Ｗ１およびＷ２は、ＳＥＡ湾曲部３００の中間部における断面幅Ｗ３より大きくてもよい。一実施形態では、２つの端部領域の断面幅Ｗ１およびＷ２は、同一である。いくつかの実施形態では、断面幅Ｗは、２つの端部領域３１４、３１６からその間の中間点まで単調に減少する。単調減少は、実質的に、対称であり、例えば、厚さＷにおいて約６０％の減少を表してもよい（すなわち、Ｗ３／Ｗ１＝Ｗ３／Ｗ２＝０．６）。２つの固定された端部領域３１４、３１６は、最大力を受け、この力は、ＳＥＡ湾曲部３００の長さに沿って減少するため、中間区画３１８は、最小印加力を被る。したがって、端部領域３１４、３１６におけるより広い断面幅および中間部３１８におけるより狭い断面幅を有するＳＥＡ湾曲部３３０の構造設計は、ＳＥＡ湾曲部３００の全長Ｌに沿って、均一な歪み（したがって、応力）を生成する。ＳＥＡ湾曲部３００の長さに沿って断面幅Ｗを変化させることは、有利には、ＳＥＡ湾曲部３００の上の特定の弱点における応力集中を排除し、したがって、ＳＥＡ湾曲部３００の寿命を効果的に最大限にする。中間区画内の断面幅を減少させることは、ＳＥＡ湾曲部３００の剛性を低減させ、それによって、その大きな位置のたわみ（または、低感度）を可能にする。加えて、ＳＥＡ湾曲部３００の減少断面幅は、システムサイズ、重量、およびコストを削減する。
【００１９】
ＳＥＡ湾曲部がその長さに沿って変化する断面幅Ｗを有し得るが、本発明は、任意の特定の設計に限定されない。当業者は、断面幅が、ＳＥＡ湾曲部の全長に沿って、均一な変形または応力を生成するための任意の様式において修正されてもよいことを理解する。例えば、断面幅は、２つの端部領域３１４、３１６から中間点３１８へと非線形に減少してもよく、減少は、両端から非対称であってもよく、端部領域３１４の断面幅Ｗ１は、端部領域３１６の断面幅Ｗ２と異なってもよい。
【００２０】
図４に描写されるように、２つの端部領域４１４、４１６のそれぞれの断面厚Ｄ１およびＤ２は、ＳＥＡ湾曲部４００の中間区画内の断面厚Ｄ３４１８より厚くてもよい。ＳＥＡ湾曲部４００の断面厚Ｄは、単調または非線形に、２つの端部領域４１４、４１６からその間の中間区画４１８まで減少してもよい。減少は、対称または非対称であってもよく、断面厚Ｄ１およびＤ２は、同一または異なってもよい。ＳＥＡ湾曲部４００は、結合されたロボット構成要素（例えば、曲げ関節部出力）に力／トルクを伝達し、印加された力／トルクに応答して、長さＬに沿って、均一に分散された応力または変形を生成してもよい。他の実施形態では、ＳＥＡ湾曲部の長さに沿った断面幅Ｗおよび厚さＤは両方とも、変化する。２つの端部領域からの変化は、対称または非対称であってもよい。２つの固定された端部領域上へ力／トルクを及ぼすと、ＳＥＡ湾曲部の全湾曲長さＬに沿って均質に分散された歪みまたは応力が、変化する断面幅Ｗおよび厚さＤの任意の組み合わせを使用して達成され得る。ＳＥＡ湾曲部内の応力集中を効果的に排除し、それによって、均一な変形を生成し得る任意の構造設計は、本発明の範囲内である。
【００２１】
いくつかの実施形態では、複数のＳＥＡ湾曲部２１６は、駆動力／トルクを協働的に伝達するために、相互の上部に積層されてもよい。各層の変化する断面幅は、同一または異なってもよい。複数のＳＥＡ層を利用する利点として、例えば、複数層ＳＥＡ湾曲部の全体的な剛性を低下させ、したがって、各ＳＥＡ湾曲部２１６の剛性を保持しながら、検出可能な湾曲変形を増加させることが挙げられ得る。いくつかの実施形態では、ＳＥＡ湾曲部２１６は、「単一スタンピング」技法を使用して製造され、それによって、ＳＥＡ湾曲部２１６の設計された寸法を１つのシート金属上にスタンピングする単一のステップが、スタンピングプレスを使用して行われる。本製造アプローチは、容易、高速、かつコスト効果的である。他の実施形態では、一連のスタンピングステーションを利用して、穴あけ、圧印、曲げ、および切断等の同時動作をシート金属上で行う「順送り型スタンピング」技法が使用され、効率的かつ経済的にＳＥＡ湾曲部２１６を形成する。
【００２２】
本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語および表現として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部のいかなる均等物も排除することを意図しない。加えて、本発明の特定の実施形態が説明されたが、本明細書に開示される概念を組み込む、他の実施形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用されてもよいことは、当業者に明白である。故に、説明される実施形態は、あらゆる観点において、例証にすぎず、限定ではないと見なされるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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