(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット（３００）であって、
前記ロボット（３００）の部材の動きを制御するように構成された、関節（４０３）に配置されたモーター（１３００）と、
前記モーター（１３００）に結合され、前記モーター（１３００）と共に回転するように構成された入力部材（１３１２）、中間部材（１３１４）、および出力部材（１３１８）を含む伝動装置（１２００）であって、前記入力部材（１３１２）は、前記中間部材（１３１４）と係合し、前記中間部材（１３１４）によって画定された開いた環状空間内で回転するように構成され、前記中間部材（１３１４）は、前記出力部材（１３１８）と係合し、前記中間部材（１３１４）は、前記入力部材（１３１２）が回転する時に、前記出力部材（１３１８）がそれと共に異なる速度で回転するように固定される、伝動装置（１２００）と、
前記伝動装置（１２００）の前記出力部材（１３１８）の側面表面に摩擦によって結合され、前記ロボット（３００）の前記部材に結合されたパッド（１３２０）と、
前記パッドに軸方向予荷重を印加するように構成されたばね（１３２８）であって、前記軸方向予荷重は、前記ロボット（３００）の前記部材に対するトルク荷重によって超えられる時に、前記伝動装置（１２００）の前記出力部材（１３１８）が前記パッドに対して相対的に滑るトルク限界を定義する、ばね（１３２８）と、
前記パッドと前記ばねとの間に配置され、これらとインターフェースする出力湾曲部部材であって、前記出力湾曲部部材は、前記ロボットの前記部材に結合され、前記出力湾曲部は、ねじれ方向に堅く、軸方向に柔軟である、出力湾曲部部材と
を含むロボット（３００）。
【請求項２】
前記パッド（１３２０）は、前記伝動装置の前記出力部材（１３１８）の遠位側表面に摩擦によって結合された第１のパッド（１３２０）であり、前記ロボット（３００）は、前記出力部材（１３１８）の近位側表面に摩擦によって結合された第２のパッド（１３２２）をさらに含む、請求項１に記載のロボット（３００）。
【請求項３】
前記第２のパッド（１３２２）は、前記ロボット（３００）の前記部材に結合された押さえ板（１３２４）に結合される、請求項２に記載のロボット（３００）。
【請求項４】
前記ロボット（３００）の前記部材に結合された拘束リング（１３３４）をさらに含み、前記伝動装置（１２００）の前記出力部材（１３１８）は、前記拘束リング（１３３４）によって画定される開いた環状空間内に取り付けられる、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のロボット（３００）。
【請求項５】
前記拘束リング（１３３４）と前記伝動装置（１２００）の前記出力部材（１３１８）との間に取り付けられた拘束ブッシング（１３４０）をさらに含み、前記拘束ブッシング（１３４０）の外側周縁部表面は、前記拘束リング（１３３４）の内側周縁部表面とインターフェースし、前記拘束ブッシング（１３４０）の内側周縁部表面は、前記伝動装置（１２００）の前記出力部材（１３１８）の外側周縁部表面とインターフェースするようになっている、請求項４に記載のロボット（３００）。
【請求項６】
前記拘束ブッシング（１３４０）は、プラスティック材料から作られる、請求項５に記載のロボット（３００）。
【請求項７】
前記パッド（１３２０）は、開いた環状空間を画定し、前記ロボット（３００）は、前記パッド（１３２０）によって画定された開いた環状空間内に取り付けられたＯリング（１３３８Ａ）をさらに含む、請求項１〜請求項６のいずれかに記載のロボット（３００）。
【請求項８】
ロボットであって、
前記ロボットの部材の動きを制御するように構成された、関節に配置されたモーターと、
前記モーターのハウジングに取り付けられたトルク・センサと、
前記モーターに結合され、前記モーターと共に回転するように構成された入力部材、中間部材、および出力部材を含む伝動装置であって、前記入力部材は、前記中間部材と係合し、前記中間部材によって画定された開いた環状空間内で回転するように構成され、前記中間部材は、前記出力部材と係合し、前記中間部材は、前記入力部材が回転する時に、前記出力部材がそれと共に異なる速度で回転するように固定される、伝動装置と、
前記伝動装置の前記出力部材の側面表面に摩擦によって結合され、前記ロボットの前記部材に結合されたパッドと、
前記パッドに軸方向予荷重を印加するように構成されたばねであって、前記軸方向予荷重は、前記ロボットの前記部材に対するトルク荷重によって超えられる時に、前記伝動装置の前記出力部材が前記パッドに対して相対的に滑るトルク限界を定義する、ばねと、
前記入力部材は、長円型であり、前記入力部材（１３１２）が回転する時に前記中間部材（１３１４）を変形させるように構成され、前記中間部材（１３１４）は、その外側周縁部表面上に配置された外歯（１２１２）を有するように構成され、前記出力部材（１３１８）は、その内側周縁部表面上に配置され、前記中間部材（１３１４）の前記外歯（１２１２）と係合するように構成された内歯（１２１４）を有するように構成され、
前記中間部材（１３１４）は、薄肉シリンダを含み、前記外歯（１２１２）は、前記薄肉シリンダの外側表面の第１の部分上に円周方向に形成され、前記薄肉シリンダの第２の部分は、前記トルク・センサ（１３１６）に結合される、ロボット。
【請求項９】
ロボット（３００）の部材の動きを制御するように構成された、関節（４０３）に配置されたモーター（１３００）と、
前記モーター（１３００）に結合され、前記モーター（１３００）と共に回転するように構成されたウェーブ・ジェネレータ（１３１２）、フレクスプライン（１３１４）、およびサーキュラ・スプライン（１３１８）を含む波動歯車装置（１２００）であって、前記フレクスプライン（１３１４）は、前記ウェーブ・ジェネレータ（１３１２）が回転する時に、前記サーキュラ・スプライン（１３１８）がそれと共に異なる速度で回転するように固定される、波動歯車装置（１２００）と、
前記サーキュラ・スプライン（１３１８）の遠位側表面に摩擦によって結合され、前記ロボット（３００）の前記部材に結合された第１のパッド（１３２０）と、
前記サーキュラ・スプライン（１３１８）の近位側表面に摩擦によって結合された第２のパッド（１３２２）と、
前記第１および第２のパッドに軸方向予荷重を印加するように構成されたコンプライアンスのある部材であって、前記軸方向予荷重は、前記ロボット（３００）の前記部材に対するトルク荷重によって超えられる時に、前記サーキュラ・スプライン（１３１８）が前記第１または第２のパッド（１３２０、１３２２）のうちの少なくとも１つに対して相対的に滑るトルク限界を定義する、コンプライアンスのある部材と、
前記第１のパッド（１３２０）と前記コンプライアンスのある部材との間に配置され、これらとインターフェースする出力湾曲部（１３２６）部材であって、前記出力湾曲部（１３２６）部材は、前記ロボット（３００）の前記部材に結合される、出力湾曲部（１３２６）部材と
を含むアセンブリ（１５００）。
【請求項１０】
前記第２のパッド（１３２２）は、前記ロボット（３００）の前記部材に結合された押さえ板（１３２４）に結合される、請求項９に記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１１】
前記ロボット（３００）の前記部材に結合された拘束リング（１３３４）をさらに含み、前記サーキュラ・スプライン（１３１８）ならびにこれに摩擦によって結合された前記第１および第２のパッド（１３２０、１３２２）は、前記拘束リング（１３３４）によって画定される開いた環状空間内に取り付けられ、前記押さえ板（１３２４）は、前記拘束リング（１３３４）に前記押さえ板（１３２４）を結合するボルト（１３３５Ａ、１３３５Ｂ）の放射状配列によって前記ロボット（３００）の前記部材に結合される、請求項１０に記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１２】
前記拘束リング（１３３４）と前記サーキュラ・スプライン（１３１８）との間に取り付けられた拘束ブッシング（１３４０）をさらに含み、前記拘束ブッシング（１３４０）
の外側周縁部表面は、前記拘束リング（１３３４）の内側周縁部表面とインターフェースし、前記拘束ブッシング（１３４０）の内側周縁部表面は、前記サーキュラ・スプライン（１３１８）の外側周縁部表面とインターフェースするようになっている、請求項１１に記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１３】
前記拘束ブッシング（１３４０）は、プラスティック材料から作られる、請求項１２に記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１４】
前記拘束リング（１３３４）の外側周縁部表面と前記モーター（１３００）のハウジング（１３０２）の内側表面との間に取り付けられたクロス・ローラー・ベアリング（１３３６）をさらに含む、請求項１１〜請求項１３のいずれかに記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１５】
前記第１のパッド（１３２０）は、第１の開いた環状空間を画定し、前記第２のパッド（１３２２）は、第２の開いた環状空間を画定し、前記ロボット（３００）は、
前記第１のパッド（１３２０）によって画定された前記第１の開いた環状空間内に取り付けられた第１のＯリング（１３３８Ａ）と、
前記第２のパッド（１３２２）によって画定された前記第２の開いた環状空間内に取り付けられた第２のＯリング（１３３８Ｂ）と
をさらに含む、請求項９〜請求項１４のいずれかに記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１６】
前記モーター（１３００）のハウジング（１３０２）に取り付けられたトルク・センサ（１３１６）をさらに含み、前記フレクスプライン（１３１４）は、薄肉シリンダを含み、前記フレクスプライン（１３１４）の外歯（１２１２）は、前記薄肉シリンダの外側表面の一部上に円周方向に形成され、前記薄肉シリンダの別の一部は、前記トルク・センサ（１３１６）に結合される、請求項９〜請求項１５のいずれかに記載のアセンブリ（１５００）。
【請求項１７】
前記コンプライアンスのある部材は、皿ばね（１３２８）を含む、請求項９〜請求項１６のいずれかに記載のアセンブリ（１５００）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
［0001］  例のロボットは、ロボットの脚および腕を形成する複数の部材を有することができる。これらの部材の動きは、油圧シリンダおよびモーターなどのアクチュエータによって制御され得る。これらのアクチュエータの設計は、ロボットがコマンドおよび外部擾乱にどれほど高速に応答できるのかなど、ロボットの性能特性を決定する。ロボットの性能に影響する設計要因は、いくつかある要因の中でも特に、アクチュエータの回転慣性およびこれに結合された伝動装置のギア比を含むことができる。
【発明の概要】
【０００２】
［0002］  本開示は、脚付きロボット用の一体化された過負荷保護を有する伝動装置に関する実施態様を説明する。第１の例の実施態様では、本開示は、ロボットを説明する。このロボットは、（ｉ）ロボットの部材の動きを制御するように構成された、関節に配置されたモーターと、（ｉｉ）モーターに結合され、モーターと共に回転するように構成された入力部材、中間部材、および出力部材を含む伝動装置であって、入力部材は、中間部材と係合し、中間部材によって画定された開いた環状空間内で回転するように構成され、中間部材は、出力部材と係合し、中間部材は、入力部材が回転する時に、出力部材がそれと共に異なる速度で回転するように固定される、伝動装置と、（ｉｉｉ）伝動装置の出力部材の側面表面に摩擦によって結合され、ロボットの部材に結合されたパッドと、（ｉｖ）パッドに軸方向予荷重を印加するように構成されたばねであって、軸方向予荷重は、ロボットの部材に対するトルク荷重によって超えられる時に、伝動装置の出力部材がパッドに対して相対的に滑るトルク限界を定義する、ばねとを含む。
【０００３】
［0003］  第２の例の実施態様では、本開示は、アセンブリを説明する。このアセンブリは、（ｉ）ロボットの部材の動きを制御するように構成された、関節に配置されたモーターと、（ｉｉ）モーターに結合され、モーターと共に回転するように構成されたウェーブ・ジェネレータ、フレクスプライン、およびサーキュラ・スプラインを含むハーモニック・ドライブであって、フレクスプラインは、ウェーブ・ジェネレータが回転する時に、サーキュラ・スプラインがそれと共に異なる速度で回転するように固定される、ハーモニック・ドライブと、（ｉｉｉ）サーキュラ・スプラインの遠位側表面に摩擦によって結合され、ロボットの部材に結合された第１のパッドと、（ｉｖ）サーキュラ・スプラインの近位側表面に摩擦によって、結合された第２のパッドと、（ｖ）第１および第２のパッドに軸方向予荷重を印加するように構成されたコンプライアンスのある部材であって、軸方向予荷重は、ロボットの部材に対するトルク荷重によって超えられる時に、サーキュラ・スプラインが第１または第２のパッドのうちの少なくとも１つに対して相対的に滑るトルク限界を定義する、コンプライアンスのある部材とを含む。
【０００４】
［0004］  前述の要約は、例示的であるのみであって、いかなる形でも限定的であることは意図されていない。上で説明された例示的な態様、実施態様、および特徴に加えて、さらなる態様、実施態様、および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照することによって明白になる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】［0005］例の実施態様によるロボット・システムの構成を示す図である。
【図２】［0006］例の実施態様による四足ロボットを示す図である。
【図３】［0007］別の例の実施態様による二足ロボットを示す図である。
【図４Ａ】［0008］例の実施態様によるねじアクチュエータを有するロボット脚の断面を示す図である。
【図４Ｂ】［0009］例の実施態様による上脚部材の断面を示す図である。
【図５Ａ】［0010］例の実施態様によるキャリアの外側表面上に配置された少なくとも１つの縦溝を有するキャリアを示す図である。
【図５Ｂ】［0011］例の実施態様による回転防止要素を示す図である。
【図５Ｃ】［0012］例の実施態様による、上脚部材およびこれに結合された回転防止要素の透視図を示す図である。
【図６Ａ】［0013］例の実施態様による、ローラーを結合されたキャリアを示す図である。
【図６Ｂ】［0014］例の実施態様による、その中にキャリアおよびレールを受けるように構成された上脚部材を示す図である。
【図６Ｃ】［0015］例の実施態様による、上脚部材およびその中に配置された構成要素の上面断面を示す図である。
【図７】［0016］例の実施態様による、圧縮力を受けるねじ軸を有する構成を示す図である。
【図８】［0017］例の実施態様による、張力を受けるねじ軸を有する構成を示す図である。
【図９】［0018］例の実施態様による、股関節に対して相対的にオフセットされた上脚部材を示す図である。
【図１０】［0019］例の実施態様による、上脚部材からオフセットされたモーターを示す図である。
【図１１】［0020］例の実施態様による、ロボット脚を示す図である。
【図１２Ａ】［0021］例の実施態様による、ハーモニック・ドライブの動作を示す図を示す図である。
【図１２Ｂ】［0022］例の実施態様による、図１２Ａのハーモニック・ドライブの組立分解図を示す図である。
【図１３Ａ】［0023］例の実施態様による、一体化された過負荷保護システムを有する例のドライブ・システムを示す図である。
【図１３Ｂ】［0024］例の実施態様による、図１３Ａのドライブ・システムの拡大図を示す図である。
【図１３Ｃ】［0025］例の実施態様による、図１３Ａのドライブ・システムの組立分解図を示す図である。
【図１４】［0026］例の実施態様による、ロボット部材のドライブ・システムの代替構成を示す図である。
【図１５Ａ】［0027］例の実施態様による、一体化されたモーター・コントローラー・アセンブリを示す図である。
【図１５Ｂ】［0028］例の実施態様による、コントローラへのトルク・センサおよび出力エンコーダの接続を示す図である。
【図１５Ｃ】［0029］例の実施態様による、図１５Ａに示されたアセンブリの温度管理を示す図である。
【図１５Ｄ】［0030］例の実施態様による、電力段プリント回路基板の底面図を示す図である。
【図１５Ｅ】［0031］例の実施態様による、モーターの固定子から発する１２本のワイヤを示す図である。
【図１５Ｆ】［0032］例の実施態様による、固定子とインターフェースするように構成された位相板を示す図である。
【図１５Ｇ】［0033］例の実施態様による、図１５Ａに示されたアセンブリの組立分解図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
［0034］  以下の詳細な説明は、添付図面を参照して、開示されるシステムの様々な特徴および動作を説明する。本明細書で説明される例示的な実施態様は、限定的であることを意図されたものではない。開示されるシステムのある種の態様が、様々な異なる構成で配置され、組み合わされ得、そのすべてが本明細書で企図されている。
【０００７】
［0035］  さらに、文脈がそうではないことを暗示しない限り、図目のそれぞれに示された特徴は、お互いと組み合わせて使用され得る。したがって、図示された特徴のすべてが実施態様ごとに必要とは限らないことを理解して、図面は、全般的に１つまたは複数の全体的な実施態様の構成要素態様と見なされなければならない。
【０００８】
［0036］  さらに、本明細書または特許請求の範囲での要素、ブロック、またはステップのすべての列挙は、明瞭さのためのものである。したがって、そのような列挙を、これらの要素、ブロック、またはステップが特定の配置に一致することまたは特定の順序で実行されることを要求しまたは暗示すると解釈してはならない。
【０００９】
［0037］  用語「実質的に」は、列挙された特性、パラメータ、または値が正確に達成される必要があるのではなく、たとえば公差、測定誤差、測定精度限界、および当業者に既知の他の要因を含む逸脱または変動が、その特性がもたらすことを意図された効果を除外しない量で発生し得ることを意味する。
【００１０】
Ｉ．例のロボット・システム
［0038］  図１は、本明細書で説明される実施態様に関連して使用され得るロボット・システムの例の構成を示す。ロボット・システム１００は、自律的に、半自律的に、および／またはユーザ（１つまたは複数）によって供給される指示を使用して動作するように構成され得る。ロボット・システム１００は、二足ロボット、四足ロボット、またはなんらかの他の配置など、様々な形で実施され得る。さらに、ロボット・システム１００は、他の指定の中で、ロボット、ロボット・デバイス、またはモバイル・ロボットと呼ばれる場合もあり、外骨格デバイスまたは人間補助デバイスの一部とされ得る。
【００１１】
［0039］  図１に示されているように、ロボット・システム１００は、プロセッサ（１つまたは複数）１０２、データ・ストレージ１０４、およびコントローラ（１つまたは複数）１０８を含むことができ、これらは、一緒に制御システム１１８の一部になることができる。ロボット・システム１００は、センサ（１つまたは複数）１１２、動力源（１つまたは複数）１１４、機械構成要素１１０、および電気構成要素１１６をも含むことができる。それでも、ロボット・システム１００は、例示のために示されており、より多数またはより少数の構成要素を含むことができる。ロボット・システム１００の様々な構成要素は、有線接続または無線接続を含む任意の形で接続され得る。さらに、いくつかの例では、ロボット・システム１００の構成要素は、単一の物理エンティティではなく複数の物理エンティティの間で分散され得る。ロボット・システム１００の他の例の実例も存在することができる。
【００１２】
［0040］  プロセッサ（１つまたは複数）１０２は、１つまたは複数の汎用ハードウェア・プロセッサまたは特殊目的ハードウェア・プロセッサ（たとえば、デジタル信号プロセッサ、特定用途向け集積回路など）として動作することができる。プロセッサ（１つまたは複数）１０２は、両方がデータ・ストレージ１０４内に記憶されるコンピュータ可読プログラム命令１０６と操作データ１０７とを実行するように構成され得る。プロセッサ（１つまたは複数）１０２は、センサ（１つまたは複数）１１２、動力源（１つまたは複数）１１４、機械構成要素１１０、および／または電気構成要素１１６など、ロボット・システム１００の他の構成要素と直接にまたは間接に相互作用することもできる。
【００１３】
［0041］  データ・ストレージ１０４は、１つまたは複数のタイプのハードウェア・メモリとすることができる。たとえば、データ・ストレージ１０４は、プロセッサ（１つまたは複数）１０２によって読み取られまたはアクセスされ得る１つまたは複数のコンピュータ可読記憶媒体を含み、またはその形をとることができる。１つまたは複数のコンピュータ可読記憶媒体は、全体的にまたは部分的にプロセッサ（１つまたは複数）１０２と一体化され得る、光、磁気、有機、または別のタイプのメモリまたはストレージなど、揮発性および／または不揮発性のストレージ構成要素を含むことができる。いくつかの実施態様では、データ・ストレージ１０４は、単一の物理デバイスとすることができる。他の実施態様では、データ・ストレージ１０４は、有線通信または無線通信を介してお互いと通信することのできる２つ以上の物理デバイスを使用して実施され得る。前に注記したように、データ・ストレージ１０４は、コンピュータ可読プログラム命令１０６およびデータ１０７を含むことができる。データ１０７は、他の可能性の中で、構成データ、センサ・データ、および／または診断データなど、任意のタイプのデータとすることができる。
【００１４】
［0042］  コントローラ１０８は、（おそらくいくつかる仕事の中でも特に）機械構成要素１１０、センサ（１つまたは複数）１１２、動力源（１つまたは複数）１１４、電気構成要素１１６、制御システム１１８、および／またはロボット・システム１００のユーザの間でインターフェースするように構成された、１つまたは複数の電気回路、デジタル論理のユニット、コンピュータ・チップ、および／またはマイクロプロセッサを含むことができる。いくつかの実施態様では、コントローラ１０８は、ロボット・システム１００の１つまたは複数のサブシステムと共に特定の動作を実行する、専用の組込みデバイスとすることができる。
【００１５】
［0043］  制御システム１１８は、ロボット・システム１００の動作条件を監視し、物理的に変更することができる。それを行う際に、制御システム１１８は、機械構成要素１１０および／または電気構成要素１１６の間など、ロボット・システム１００の諸部分の間のリンクとして働くことができる。いくつかの場合に、制御システム１１８は、ロボット・システム１００と別のコンピューティング・デバイスとの間のインターフェースとして働くことができる。さらに、制御システム１１８は、ロボット・システム１００とユーザとの間のインターフェースとして働くことができる。実例、制御システム１１８は、ジョイスティック、ボタン、および／またはポートなどを含む、ロボット・システム１００と通信する様々な構成要素を含むことができる。上で言及した例のインターフェースおよび通信は、有線接続もしくは無線接続またはその両方を介して実施され得る。制御システム１１８は、ロボット・システム１００の他の動作を実行することもできる。
【００１６】
［0044］  動作中に、制御システム１１８は、有線接続または無線接続を介してロボット・システム１００の他のシステムと通信することができ、ロボットの１つまたは複数のユーザと通信するようにさらに構成され得る。１つの可能な実例として、制御システム１１８は、特定の方向で特定の速度での特定の歩行を実行する命令を示す入力（たとえば、ユーザからまたは別のロボットからの）を受信することができる。歩行は、動物、ロボット、または他の機械構造の肢の移動のパターンである。
【００１７】
［0045］  この入力に基づいて、制御システム１１８は、ロボット・システム１００に、要求された歩行に従って移動させる動作を実行することができる。別の実例として、制御システムは、特定の地理的位置に移動する命令を示す入力を受信することができる。これに応答して、制御システム１１８は（おそらくは他の構成要素またはシステムの援助によって）、ロボット・システム１００が地理的位置への途上でそれを介して移動しつつある環境に基づいて、方向、速度、および／または歩行を判定することができる。
【００１８】
［0046］  制御システム１１８の動作は、プロセッサ（１つまたは複数）１０２によって実行され得る。代替案では、これらの動作は、コントローラ１０８またはプロセッサ（１つまたは複数）１０２とコントローラ１０８との組合せによって実行され得る。いくつかの実施態様では、制御システム１１８は、ロボット・システム１００以外のデバイス上に部分的にまたは完全に存在することができ、したがって、ロボット・システム１００を少なくとも部分的にリモートに制御することができる。
【００１９】
［0047］  機械構成要素１１０は、ロボット・システム１００が物理的動作を実行することを可能にすることのできるロボット・システム１００のハードウェアを表す。少数の例として、ロボット・システム１００は、脚（１つまたは複数）、腕（１つまたは複数）、および／または車輪（１つまたは複数）などの物理的部材を含むことができる。ロボット・システム１００の物理的部材または他の部分は、物理的部材をお互いに関して移動するように配置されたアクチュエータをさらに含むことができる。ロボット・システム１００は、制御システム１１８および／または他の構成要素を収容する１つまたは複数の構造化された本体をも含むことができ、他のタイプの機械構成要素をさらに含むことができる。所与のロボット内で使用される特定の機械構成要素１１０は、ロボットの設計に基づいて変化することができ、ロボットが実行するように構成され得る動作および／または仕事に基づく場合もある。
【００２０】
［0048］  いくつかの例では、機械構成要素１１０は、１つまたは複数の取り外し可能な構成要素を含むことができる。ロボット・システム１００は、そのような取り外し可能な構成要素を追加し、かつ／または取り外すように構成され得、これは、ユーザおよび／または別のロボットからの援助を含むことができる。たとえば、ロボット・システム１００は、取り外し可能な腕、手、足、および／または脚を伴って構成され得、その結果、これらの付加物は、必要または望みに応じて交換されまたは変更され得るようになる。いくつかの実施態様では、ロボット・システム１００は、１つまたは複数の取り外し可能なかつ／または交換可能なバッテリ・ユニットまたはセンサを含むことができる。他のタイプの取り外し可能構成要素が、いくつかの実施態様内に含められ得る。
【００２１】
［0049］  ロボット・システム１００は、ロボット・システム１００の諸態様を感知するように配置されたセンサ（１つまたは複数）１１２を含むことができる。センサ（１つまたは複数）１１２は、いくつかある可能性の中でも特に、１つまたは複数の力センサ、トルク・センサ、速度センサ、加速度センサ、ポジション・センサ、近接センサ、動きセンサ、ロケーション・センサ、荷重センサ、温度センサ、タッチ・センサ、奥行きセンサ、超音波距離センサ、赤外線センサ、物体センサ、および／またはカメラを含むことができる。いくつかの例において、ロボット・システム１００は、ロボットから物理的に分離されたセンサ（たとえば、他のロボット上に位置決めされたセンサまたはロボットが動作している環境内に配置されたセンサ）からセンサ・データを受信するように構成され得る。
【００２２】
［0050］  センサ（１つまたは複数）１１２は、その環境とのロボット・システム１００の相互作用ならびにロボット・システム１００の動作の監視を可能にするために、プロセッサ（１つまたは複数）１０２にセンサ・データを供給することができる（おそらくはデータ１０７によって）。センサ・データは、制御システム１１８による機械構成要素１１０および電気構成要素１１６のアクティブ化、移動、および非アクティブ化に関する様々な要因の評価の際に使用され得る。たとえば、センサ（１つまたは複数）１１２は、環境の認識およびナビゲーションを手助けすることのできる、環境の地形または近くの物体の位置に対応するデータを取り込むことができる。例の構成では、センサ（１つまたは複数）１１２は、レーダー（たとえば、長距離物体検出、距離判定、および／または速度判定用）、ライダ（たとえば、短距離物体検出、距離判定、および／または速度判定用）、ソナー（たとえば、水中物体検出、距離判定、および／または速度判定用）、ＶＩＣＯＮ（登録商標）（たとえば、動き取込用）、１つまたは複数のカメラ（たとえば、３Ｄビジョン用の立体カメラ）、全地球測位システム（ＧＰＳ）トランシーバ、および／またはロボット・システム１００が動作している環境の情報を取り込むための他のセンサを含むことができる。センサ（１つまたは複数）１１２は、環境をリアル・タイムで監視し、障害物、地形の要素、気象条件、温度、および／または環境の他の態様を検出することができる。
【００２３】
［0051］  さらに、ロボット・システム１００は、ロボット・システム１００の様々な構成要素の状態を監視することのできるセンサ（１つまたは複数）１１２を含む、ロボット・システム１００の状態を示す情報を受信するように構成されたセンサ（１つまたは複数）１１２を含むことができる。センサ（１つまたは複数）１１２は、ロボット・システム１００のシステムのアクティビティを測定し、ロボット・システム１００の様々な特徴の動作、伸長可能な脚、腕、またはロボット・システム１００の他の機械的特徴および／もしくは電気的特徴のそのような動作に基づく情報を受信することができる。センサ（１つまたは複数）１１２によって供給されるデータは、制御システム１１８が、動作の誤差を判定すると同時に、ロボット・システム１００の構成要素の全体的な動作を監視することを可能にすることができる。
【００２４】
［0052］  一例として、ロボット・システム１００は、ロボット・システム１００の様々な構成要素への荷重を測定するのに力センサを使用することができる。いくつかの実施態様では、ロボット・システム１００は、腕または脚の１つまたは複数の部材を移動するアクチュエータに対する荷重を測定するために、腕または脚上の１つまたは複数の力センサを含むことができる。別の例として、ロボット・システム１００は、ロボット・システムのアクチュエータの位置を感知するのに１つまたは複数のポジション・センサを使用することができる。たとえば、そのようなポジション・センサは、腕または脚上のアクチュエータの伸長、収縮、または回転の状態を感知することができる。
【００２５】
［0053］  別の例として、センサ（１つまたは複数）１１２は、１つまたは複数の速度センサおよび／または加速度センサを含むことができる。たとえば、センサ（１つまたは複数）１１２は、慣性計測装置（ＩＭＵ）を含むことができる。ＩＭＵは、重力ベクタに関する、ワールド・フレーム内の速度および加速度を感知することができる。ＩＭＵによって感知された速度および加速度は、その後、ロボット・システム１００内のＩＭＵの位置およびロボット・システム１００の運動学に基づいてロボット・システム１００の速度および加速度に変換され得る。
【００２６】
［0054］  ロボット・システム１００は、本明細書で明示的には議論されない他のタイプのセンサを含むことができる。それに加えてまたはその代わりに、ロボット・システムは、本明細書では列挙されない目的のために特定のセンサを使用することができる。
【００２７】
［0055］  ロボット・システム１００は、ロボット・システム１００の様々な構成要素に動力を供給するように構成された１つまたは複数の動力源１１４をも含むことができる。いくつかある可能な動力系統の中でも特に、ロボット・システム１００は、油圧系統、電気系統、バッテリ、および／または他のタイプの動力系統を含むことができる。例の実例として、ロボット・システム１００は、ロボット・システム１００の構成要素に電荷を供給するように構成された１つまたは複数のバッテリを含むことができる。機械構成要素１１０および／または電気構成要素１１６の一部は、それぞれ、異なる動力源に接続することができ、同一の動力源によって動力を供給され得、または複数の動力源によって動力を供給され得る。
【００２８】
［0056］  電力またはガソリン・エンジンなど、任意のタイプの動力源が、ロボット・システム１００に動力を供給するのに使用され得る。それに加えてまたはその代わりに、ロボット・システム１００は、流体動力を使用して機械構成要素１１０に動力を供給するように構成された油圧系統を含むことができる。動力源（１つまたは複数）１１４は、外部電源への有線接続、無線充電、燃焼、または他の例など、様々なタイプの充電を使用して充電することができる。
【００２９】
［0057］  電気構成要素１１６は、電荷または電気信号の処理、伝達、および／または供給が可能な様々な機構を含むことができる。可能な例の中で、電気構成要素１１６は、ロボット・システム１００の動作を可能にするために電気ワイヤ、回路網、ならびに／または無線通信送信器および受信器を含むことができる。電気構成要素１１６は、ロボット・システム１００が様々な動作を実行することを可能にするために、機械構成要素１１０と相互に作用することができる。電気構成要素１１６は、たとえば動力源（１つまたは複数）１１４から様々な機械構成要素１１０に動力を供給するように構成され得る。さらに、ロボット・システム１００は、電気モーターを含むことができる。電気構成要素１１６の他の例も、存在することができる。
【００３０】
［0058］  図１には図示されていないが、ロボット・システム１００は、ロボット・システムの付加物および構成要素に接続しまたはこれを収容することのできる本体を含むことができる。したがって、本体の構造は、例の中で変化する可能性があり、さらに、所与のロボットが実行するように設計された可能性がある特定の動作に依存する可能性がある。たとえば、重い荷重を保持するために開発されるロボットは、荷重の配置を可能にする幅広い本体を有する場合がある。同様に、高速に達するように設計されるロボットは、かなりの重量を有しない狭く小さい本体を有する場合がある。さらに、本体および／または他の構成要素は、金属またはプラスティックなど、様々なタイプの材料を使用して開発され得る。他の例の中で、ロボットは、異なる構造を有する本体または様々なタイプの材料から作られた本体を有する場合がある。
【００３１】
［0059］  本体および／または他の構成要素は、センサ（１つまたは複数）１１２を含みまたは担持することができる。これらのセンサは、いくつかある例の中でも特に、本体上および／または付加物のうちの１つまたは複数の上など、ロボット・システム１００上の様々な位置に位置決めされ得る。
【００３２】
［0060］  その本体上に、ロボット・システム１００は、搬送されるべきタイプの積荷など、荷重を担持することができる。荷重は、ロボット・システム１００が利用できる外部バッテリまたは他のタイプの動力源（たとえば、太陽電池パネル）を表すこともできる。荷重の担持は、ロボット・システム１００がそのために構成され得る１つの例の使用を表すが、ロボット・システム１００は、他の動作をも実行するように構成され得る。
【００３３】
［0061］  上で注記したように、ロボット・システム１００は、様々なタイプの脚、腕、車輪などを含むことができる。一般に、ロボット・システム１００は、０個以上の脚を有して構成され得る。０個の脚を有するロボット・システムの実施態様は、車輪、接地面、または移動のなんらかの他の形を含むことができる。２つの脚を有するロボット・システムの実施態様は、二足と呼ばれる場合があり、４つの脚を有する実施態様は、四足と呼ばれる場合がある。６つまたは８つの脚を有する実施態様も可能である。例示のために、ロボット・システム１００の二足実施態様および四足実施態様が、下で説明される。
【００３４】
［0062］  図２は、例の実施態様による四足ロボット２００を示す。いくつかある可能な特徴の中でも特に、ロボット２００は、本明細書で説明される動作の一部を実行するように構成され得る。ロボット２００は、制御システムと、本体２０８に接続された脚２０４Ａ、２０４Ｂ、２０４Ｃ、および２０４Ｄとを含む。各脚は、表面（たとえば、地面）と接触することのできるそれぞれの足２０６Ａ、２０６Ｂ、２０６Ｃ、および２０６Ｄを含むことができる。さらに、ロボット２００は、センサ（１つまたは複数）２１０を有して図示され、本体２０８上で荷重を担持できる場合がある。他の例の中で、ロボット２００は、より多数またはより少数の構成要素を含むことができ、したがって、図２に示されていない構成要素を含むことができる。
【００３５】
［0063］  ロボット２００は、図１に示されたロボット・システム１００の物理表現とすることができ、あるいは、他の構成に基づくものとすることができる。したがって、ロボット２００は、いくつかある可能な構成要素またはシステムの中でも特に、機械構成要素１１０、センサ（１つまたは複数）１１２、動力源（１つまたは複数）１１４、電気構成要素１１６、および／または制御システム１１８のうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００３６】
［0064］  脚２０４Ａ〜２０４Ｄの構成、位置、および／または構造は、例の実施態様で変化する可能性がある。脚２０４Ａ〜２０４Ｄは、ロボット２００がその環境に対して相対的に移動することを可能にし、移動の異なる技法を可能にするために複数の自由度で動作するように構成され得る。具体的には、脚２０４Ａ〜２０４Ｄは、ロボット２００が、異なる歩行内で示される力学に従って様々な速度で移動することを可能にすることができる。ロボット２００は、環境内で移動するために１つまたは複数の歩行を使用することができ、これは、速度、地形、操縦の必要、および／またはエネルギ効率に基づいて歩行を選択することを含むことができる。
【００３７】
［0065］  さらに、異なるタイプのロボットは、設計の変動に起因して異なる歩行を使用する場合がある。一部の歩行が、特定の名前（たとえば、徒歩、早足、走行、跳躍、ギャロップなど）を有する場合があるが、歩行の間の区別が、オーバーラップする場合がある。歩行は、足取りパターンすなわち、置く  足２０６Ａ〜２０６Ｄ  ための表面上の位置に基づいて分類され得る。同様に、歩行は、歩行力学に基づいても分類され得る。
【００３８】
［0066］  ロボット２００の本体２０８は、脚２０４Ａ〜２０４Ｄに接続し、ロボット２００の様々な構成要素を収容することができる。たとえば、本体２０８は、センサ（１つまたは複数）２１０を含みまたは担持することができる。これらのセンサは、カメラ、ライダ、または赤外線センサなど、センサ（１つまたは複数）１１２の文脈で議論したセンサのいずれかとすることができる。さらに、センサ（１つまたは複数）２１０の位置は、図２に示された位置に限定されない。したがって、センサ（１つまたは複数）２１０は、いくつかある例の中でも特に、本体２０８上および／または脚２０４Ａ〜２０４Ｄのうちの１つまたは複数の上など、ロボット２００上の様々な位置に位置決めされ得る。
【００３９】
［0067］  図３は、別の例の実施態様による二足ロボット３００を示す。ロボット２００と同様に、ロボット３００は、図１に示されたロボット・システム１００に対応することができ、本明細書で説明される実施態様の一部を実行するように構成され得る。したがって、ロボット２００と同様に、ロボット３００は、機械構成要素１１０、センサ（１つまたは複数）１１２、動力源（１つまたは複数）１１４、電気構成要素１１６、および／または制御システム１１８のうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００４０】
［0068］  たとえば、ロボット３００は、本体３０８に接続された脚３０４および３０６を含むことができる。各脚は、関節によって接続され、お互いに関して様々な自由度で動作するように構成された、１つまたは複数の部材からなるものとすることができる。各脚は、表面（たとえば、地面）と接触することのできるそれぞれの足３１０および３１２をも含むことができる。ロボット２００と同様に、脚３０４および３０６は、ロボット３００が、歩行内で示される力学に従って様々な速度で移動することを可能にすることができる。しかし、ロボット３００は、少なくとも部分的に二足能力と四足能力との間の差に起因して、ロボット２００の歩行とは異なる歩行を利用する可能性がある。
【００４１】
［0069］  ロボット３００は、腕３１８および３２０をも含むことができる。これらの腕は、物体操作、荷重担持、および／またはロボット３００のバランシングを容易にすることができる。脚３０４および３０６と同様に、各腕は、関節によって接続され、お互いに関して様々な自由度で動作するように構成された、１つまたは複数の部材からなるものとすることができる。各腕は、それぞれの手３２２および３２４をも含むことができる。ロボット３００は、物体をつかみ、回し、引き、かつ／または押すのに手３２２および３２４（またはエンドエフェクタ）を使用することができる。手３２２および３２４は、指、グリッパ、溶接工具、切断工具、その他など、様々なタイプの付加物またはアタッチメントを含むことができる。
【００４２】
［0070］  ロボット３００は、センサ（１つまたは複数）１１２に対応し、その制御システムにセンサ・データを供給するように構成されたセンサ（１つまたは複数）３１４をも含むことができる。いくつかの場合に、これらのセンサの位置は、ロボット３００の擬人化された構造を暗示するために選択され得る。したがって、図３に示されているように、ロボット３００は、その頭３１６内に視覚センサ（たとえば、カメラ、赤外線センサ、物体センサ、距離センサなど）を含むことができる。
【００４３】
ＩＩ．ロボットの例の電気機械アクチュエータ
［0071］  例では、油圧アクチュエータが、ロボットの部材を作動させるのに使用され得る。油圧系統は、ロボットの中央位置にあるポンプおよびアクチュエータを含み、パイプおよび／またはホースを介して、ロボットの部材に結合された油圧アクチュエータに加圧された作動液を供給するように構成され得る。この構成では、ポンプおよびアクチュエータの作動慣性は、ロボットが移動する時に地面に与えられる慣性から切り離される。慣性の切離しに起因して、油圧ロボット・システムは、位置および力の制御応答性に関する高い帯域幅を特徴とする。しかし、油圧系統は、潜在的な作動液漏れ、配管の複雑さ、およびより小さいロボットに対する既存の油圧動力装置の不適当などの不利益を有する。
【００４４】
［0072］  電気機械アクチュエータの作動に関係する漏れまたは複雑な配管がないので、電気機械アクチュエータは、油圧アクチュエータの不利益の少なくとも一部を軽減する。さらに、電気機械システムは、油圧系統より効率的である場合がある。しかし、電気機械アクチュエータは、油圧系統と比較して不利益を有する可能性がある。たとえば、油圧アクチュエータによって駆動されるロボット部材の回転慣性は、所与の強さのアクチュエータの直径との線形関係を有することができるが、電気機械アクチュエータによって駆動されるロボット部材の回転慣性は、アクチュエータの回転するアセンブリの直径の二乗に比例する可能性があり、所与の強さの伝動装置のギア比によって影響される。さらに、油圧アクチュエータの反射慣性は、ロボットの部材（たとえば、脚）の慣性と比較して無視できる場合があるが、電気機械の反射慣性は、伝動装置のギア比の二乗を乗算されたモーターおよび伝動装置の慣性に依存する可能性がある。したがって、大型ロボットに関して、電気機械アクチュエータは、ロボットの応答性特性および性能特性を制限する大きい慣性を有する可能性がある。
【００４５】
［0073］  サイズのより小さいロボットに関して、電気機械アクチュエータは、本開示で説明されるように、対応する油圧アクチュエータと比較して高い性能特性を達成するように設計され得る。本明細書で開示されるのは、高性能ロボットに適する十分に高い加速度を提供できる高いピーク・トルクの達成を可能にするためにロボット部材の回転慣性を減らすシステム、アクチュエータ、構成、および装置である。
【００４６】
ａ．ロボットの関節用の例のねじアクチュエータ
［0074］  例では、ロボットの膝関節は、たとえば高速で移動する（たとえば、走るかジョギングする）ためにロボットを作動させることから生じる、高い加速度を経験する場合がある。高い加速度は、ロボットがその脚に擾乱を受け、ロボットがバランスを維持するために高い加速度で脚、特に膝関節を動かすことによって応答する時にも生じる可能性がある。いくつかの例では、電気モーターが、ロボットの膝間接に結合され得、モーターの回転運動が、膝関節で下脚部材に結合された上脚部材に対して相対的にロボットの下脚部材を回転させるようになっている。この構成では、モーターの回転慣性は、ロボットの応答性を制限する可能性があり、したがって、下脚部材の力制御方策の有効性を低下させる可能性がある。
【００４７】
［0075］  さらに、伝動装置がモーターに結合され、その伝動装置が、減速およびトルク増幅を可能にする特定のギア比を有する場合に、膝関節での回転慣性は、ギア比の二乗に比例する。したがって、より大きいトルクを可能にする、より高いギア比は、より大きい回転慣性につながり、したがってロボットの応答性を低下させる可能性がある。
【００４８】
［0076］  膝関節での回転慣性の低減は、ロボットの応答性を改善することができる。一例では、ねじアクチュエータが、軽く、細長く、したがって他のアクチュエータ構成と比較して小さい慣性を有するので、ねじアクチュエータが、ロボットの膝関節を駆動するのに使用され得る。さらに、ねじアクチュエータの使用は、膝での低減された遠位質量（ｄｉｓｔａｌ  ｍａｓｓ）を可能にし、これは、より高い加速能力を可能にする。
【００４９】
［0077］  図４Ａは、例の実施態様による、ねじアクチュエータ４００を有するロボット脚の断面を示す。電気モーター４０２が、ロボットの股関節４０３またはその付近に配置される。他の例では、電気モーター４０２は、ロボットの上脚部分に配置され得る。電気モーター４０２が、上脚部分または股関節４０３のどちらに配置されようとも、モーター４０２の質量は、膝関節４０４から離れてシフトされる。したがって、これらの構成は、ロボットの膝関節４０４での遠位質量を減らすことができ、したがって、股関節４０３での回転慣性が減らされる。
【００５０】
［0078］  ねじアクチュエータ４００は、摩擦をほとんど伴わずに回転運動を直線運動に変換する機械式線形アクチュエータである。一例では、ねじアクチュエータ４００は、遊星ローラーねじタイプとすることができ、ねじ軸４０６およびナット４０８を含むことができる。ねじ軸４０６は、その周縁部に多条Ｖ型ねじ山を有することができる。Ｖ型ねじ山は、ねじ軸４０６の周囲に半径方向に配列され、ナット４０８によって封入される複数のローラーのための螺旋形のレースウェイをもたらす。ローラーは、図内の視覚的な混乱を低減するために、図４Ａには図示されていない。
【００５１】
［0079］  ナット４０８は、ねじ軸４０６のＶ型ねじ山とインターフェースするためにその内側周縁部表面にねじ山を切られる。ねじ軸４０６のねじ山のピッチは、ナット４０８の内側ねじ山のピッチと同一とすることができる。ローラーは、ねじ軸４０６およびナット４０８と接触して回り、ねじ軸４０６とナット４０８との間の低摩擦伝動装置要素として働く。ローラーは、ねじ軸４０６およびナット４０８とのローラーの接触での摩擦を制限する凸型フランクを有する一条ねじ山を有することができる。ローラーは、回る時にねじ軸４０６を周回することができ（太陽歯車に対する遊星歯車の形で）、したがって、遊星ローラーまたは衛星ローラーと呼ばれ得る。
【００５２】
［0080］  モーター４０２は、ねじ軸４０６に結合され、したがって、モーター４０２が回転する時に、ねじ軸４０６は、これと共に回転する。ねじ軸４０６の回転は、ナット４０８の軸方向移動または縦移動をもたらす。
【００５３】
［0081］  モーター４０２およびねじアクチュエータ４００は、ロボットの上脚部材４１０の本体（たとえば、機械加工されたアルミニウム本体）内に収容される。上脚部材４１０は、膝関節４０４で下脚部材４１２に結合される。
【００５４】
［0082］  ナット４０８は、キャリア４１４の近位端４１３内に収容され、ナット４０８がねじ軸４０６に沿って移動する時にキャリア４１４も上脚部材４１０内で直線的に移動するように、肩４１６でキャリア４１４とインターフェースする。本明細書では、用語「近位端」は、キャリア４１４の、モーター４０２により近い端を指す。
【００５５】
［0083］  ナット４０８は、肩４１６とキャリア４１４内でナット４０８を軸方向に拘束するナット４１７とによって、キャリア４１４の近位端４１３内で軸方向に制約される。さらに、ナット４０８は、キャリア４１４に対する相対的なナット４０８の回転を阻むために、キャリア４１４に回転方向に制約され得る。たとえば、ナット４０８は、キー−キー溝構成を介してキャリア４１４に結合され得る。
【００５６】
［0084］  リンケージ機構が、膝関節４０４の回りでの上脚部材４１０に対する相対的な下脚部材４１２の回転運動へのキャリア４１４の直線運動の変換を容易にするためにキャリア４１４に結合される。一例として、リンケージ機構は、キャリア４１４の遠位端４２０に結合される第１のリンク４１８（たとえば、連結棒）を含むことができる。本明細書では、用語「遠位端」は、キャリア４１４の、モーター４０２から最も遠い端を指す。別の例では、第１のリンク４１８は、モーター４０２により近い他の位置でキャリア４１４にトラニオンマウントされ得る。
【００５７】
［0085］  第１のリンク４１８は、関節４２４で第２のリンク４２２に結合され得、第２のリンクは、膝ピボット４２６で膝関節４０４に結合され得る。下脚部材４１２も、膝ピボット４２６で膝関節４０４に結合される。この構成では、キャリア４１４の直線運動は、第１のリンク４１８に移動させ、これによって、第２のリンク４２２および下脚部材４１２に、膝ピボット４２６の回りで回転させる。他のリンケージ構成が使用され得る。たとえば、４節リンク機構が、異なる伝動装置曲線形状を達成するのに使用され得る。
【００５８】
［0086］  モーター４０２の回転方向は、上脚部材４１０に対する相対的な下脚部材４１２の回転方向を決定する。たとえば、モーター４０２が、所与の方向（たとえば、時計回り）に回転する場合に、ナット４０８およびキャリア４１４は、延び、第１のリンク４１８を押すことができる。その結果、第２のリンク４２２は、膝ピボット４２６の回りで、図４Ａを見る人の視点から時計回りの方向に回転する。その結果、下脚部材４１２も、図４Ａを見る人の視点から時計回りの方向に回転し、したがって、たとえば、表面４３０に足４２８を押し付けることができる。
【００５９】
［0087］  逆に、モーター４０２が反対方向（たとえば、反時計回り）に回転する場合には、ナット４０８およびキャリア４１４は、収縮し、第１のリンク４１８を引っ張ることができる。その結果、第２のリンク４２２は、膝ピボット４２６の回りで、図４Ａを見る人の展望から反時計回りの方向に回転する。したがって、時計回りと反時計回りとの間でのモーター４０２の回転の交番が、ロボットを数歩進ませる（たとえば、特定のペースで歩かせまたは走らせる）。
【００６０】
［0088］  一例では、モーター４０２は、エンコーダ４３１を含むことができる。エンコーダ４３１は、モーター４０２の回転子の回転位置を示す信号を生成するように構成される。エンコーダ４３１は、回転子の回転位置を示す情報をロボットのコントローラに供給することができる。コントローラは、上脚部材４１０内のナット４０８を正確に位置決めするためにモーター４０２の回転位置に対する閉ループ・フィードバック制御を実施することができる。
【００６１】
［0089］  モーター４０２を股関節４０３のより近くに配置し、ねじアクチュエータ４００を使用することによって、膝関節４０４の遠位質量が減らされる。さらに、減速機として回転ギアボックスではなくねじアクチュエータ４００を使用することは、ねじアクチュエータ４００が回転ギアボックスと比較して減らされた回転慣性を有するので、有効回転慣性を減らすことができる。
【００６２】
［0090］  図４Ｂは、例の実施態様による上脚部材４１０の断面を示す。図４Ｂに示されているように、上脚部材４１０は、ベアリング・キャリア４３２を収容することができる。ベアリング・キャリア４３２は、上脚部材４１０の内側表面から内向きに突き出す円錐座４３４に沿って着座され得る。
【００６３】
［0091］  ベアリング・キャリア４３２は、ねじ軸４０６が自由に回転することを可能にするように構成されたベアリング４３５を収容する。ベアリング４３５の外レースの外径は、ベアリング・キャリア４３２の内側周縁部表面とインターフェースする。ベアリング４３５の外レースは、ベアリング・キャリア４３２の内側周縁部表面上の段付き表面から形成された肩４３６に接して保持される。
【００６４】
［0092］  さらに、ねじ軸４０６は、ねじ軸４０６の外側周縁部表面上の段付き表面から形成された肩４３８を含む。肩４３８は、ベアリング４３５の内レースとインターフェースする。この形で、ベアリング４３５は、肩４３８と肩４３６との間で軸方向に拘束される。
【００６５】
［0093］  図４Ｂに示されているように、第１のリンク４１８は、ピン４４０を介してキャリア４１４の遠位端４２０に結合される。第１のリンク４１８は、ねじ軸４０６の縦軸４４２に対して相対的に角度θを形成する。したがって、ねじ軸４０６が回転し、ナット４０８およびキャリア４１４に、第１のリンク４１８を押させる時に、第１のリンク４１８は、キャリア４１４に反力を与えることができ、この反力は、ナット４０８およびねじ軸４０６に伝達される。この反力は、縦軸４４２に沿って作用する縦軸力成分４４４と、縦軸４４２および上脚部材４１０の内側表面に垂直に作用する半径方向または軸はずれ力成分４４６とに分解され得る。
【００６６】
［0094］  軸はずれ力成分４４６およびそれが生じる摩擦の影響を減らすために、スライダ・ベアリング４４８が、遠位端４２０にあるキャリア４１４の外側周縁部表面と上脚部材４１０の内側周縁部表面との間に取り付けられる。スライダ・ベアリング４４８は、摩擦を減らし、上脚部材４１０内のキャリア４１４の軸方向運動を容易にするように構成され得る。具体的には、スライダ・ベアリング４４８は、上脚部材４１０へのナット４０８に対する軸はずれ力成分４４６に反作用し、第１のリンク４１８とキャリア４１４との間の相互作用から生じる軸４４２に沿った力を拘束するように構成され得る。一例では、スライダ・ベアリング４４８は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）から作られ得る。
【００６７】
［0095］  一例では、別のスライダ・ベアリング４５０が、近位端４１３のキャリア４１４の外側周縁部表面と上脚部材４１０の内側周縁部表面との間に取り付けられ得る。この例では、スライダ・ベアリング４４８および４５０は、キャリア４１４が、軸はずれ力成分４４６に反作用し、摩擦を減らすと同時に、軸力成分４４４を受けることを可能にするガイド・ブッシュとして動作することができる。
【００６８】
［0096］  上で言及したように、キャリア４１４に作用する軸力成分４４４は、ナット４０８およびねじ軸４０６に伝達される。ねじ軸４０６は、肩４３８でベアリング４３５とインターフェースし、したがって、ベアリング４３２は、軸力成分４４４を受ける。その後、軸力成分４４４は、ベアリング４３５から肩４３６を介してベアリング・キャリア４３２に伝達される。
【００６９】
［0097］  軸ロード・セル４４０が、ベアリング・キャリア４３２の外側周縁部表面上に配置され得る。したがって、軸ロード・セル４４０も、軸力成分４４４を受け、この軸力成分４４４は、ロボット脚の動作中にキャリア４１４およびねじ軸４０６に与えられる。軸ロード・セル４４０は、ねじ軸４０６に与えられた軸力成分４４４に比例する電気信号を生成することができる。この電気信号は、ロボットのコントローラまたはロボットの脚部材に供給され得る。
【００７０】
［0098］  一例では、コントローラは、ロボットの状態、ロボットの環境、および指令された加速度に基づいて様々な制御戦略を実施するのに、エンコーダ４３１および軸ロード・セル４４０を使用することができる。たとえば、第１の制御方策では、コントローラは、上で言及したようにモーター４０２の回転位置に対する閉ループ位置制御を実施することができる。第２の制御方策では、コントローラは、表面４３０に対して足４２８が働かせる力に関する閉ループ力制御を実施することができる。この制御方策は、ロボット脚に関する高い加速能力を可能にすることができる。第３の制御方策では、コントローラは、閉ループ位置および力制御を実施することができ、力制御ループは、ロボット脚の動きを減衰させるのに使用され得る。これらの制御方策は、例示のための例であり、他の制御方策が実施され得る。
【００７１】
［0099］  例では、キャリア４１４および、ナット４０８などのこれに結合された構成要素は、回転防止機構または回転防止構成を介して、縦軸４４２の回りでの回転を阻まれ得る。図５Ａ〜図５Ｃは、例の実施態様によるキャリア４１４の回転防止構成を示す。具体的には、図５Ａは、例の実施態様による、キャリア４１４の外側表面上に配置された少なくとも１つの縦溝５００を有するキャリア４１４を示す。図５Ａに示されているように、縦溝５００は、キャリア４１４の近位端４１３と遠位端４２０との間に配置される。例では、縦溝５００は、キャリア４１４の外側表面上で縦に機械加工された溝穴の形をとることができる。
【００７２】
［0100］  図５Ｂは、例の実施態様による回転防止要素５０２を示す。回転防止要素５０２は、曲がった板５０４と、曲がった板５０４の凹面から突き出す突起５０６とを含む。回転防止要素５０２は、突起５０６が上脚部材４１０内で半径方向に内向きに突き出し、縦溝５００と係合するように、上脚部材４１０の外側表面に結合されるように構成される。
【００７３】
［0101］  一例として、曲がった板５０４は、穴５０８などの穴を有することができる。上脚部材４１０の外側表面は、対応する穴を有することができる。留め具が、曲がった板５０４内の穴および上脚部材４１０内の対応する穴を介して曲がった板５０４を上脚部材４１０に結合するのに使用され得る。さらに、上脚部材４１０は、突起５０６に対応し、それを介して突起５０６を受けるように構成された中央穴を有することができる。
【００７４】
［0102］  図５Ｃは、例の実施態様による、上脚部材４１０およびこれに結合された回転防止要素５０２の透視図を示す。上脚部材４１０の外側表面またはその一部は、曲がった板５０４の凹面の曲率と一致するように曲げられ得る。この形で、曲がった板５０４の凹面は、上脚部材４１０に結合された時に、上脚部材４１０の外側表面のプロファイルまたは輪郭に一致することができる。
【００７５】
［0103］  突起５０６は、上脚部材４１０の外側表面を介して突き出し、キャリア４１４の縦溝５００と係合する。この構成を用いると、キャリア４１４が上脚部材４１０内で軸方向に動く時に、突起５０６は、キャリア４１４が縦軸４４２の回りで回転するのを阻む。例では、突起５０６は、キャリア４１０が上脚部材４１０内で動く時の縦溝５００との摩擦を減らす材料（たとえば、Ｔｅｆｌｏｎ）から作られ得る。
【００７６】
［0104］  他の回転防止機構が実施され得る。図６Ａ〜図６Ｃは、例の実施態様による別の回転防止機構を示す。具体的には、図６Ａは、例の実施態様による、ローラー（１つまたは複数）６０２を結合されたキャリア６００を示す。図６Ａは、キャリア６００の一方の側面上の１つのローラー６０２を示す。別のローラーが、キャリア６００の他方の側面でキャリア６００に結合され得る。例では、ローラー６０２に似たより多数のローラーが、キャリア６００に結合され得る。ローラー６０２は、レール６０４内で転がるように構成され、キャリア６００の他方の側面上のローラー６０２に対応するローラーは、レール６０４に平行なレール６０６内で転がるように構成される。両方のローラーが、集合的にローラー（１つまたは複数）６０２と呼ばれる。
【００７７】
［0105］  レール６０４および６０６は、ローラー（１つまたは複数）６０２をその中に拘束するように構成される。この形で、レール６０４および６０６は、レール６０４および６０６とローラー（１つまたは複数）６０２とがローラー要素ベアリング構成を形成するように、ローラー（１つまたは複数）６０２のトラックとして動作することができる。この構成は、キャリア６００がロボット脚内で移動する時の摩擦を減らす。さらに、一例では、たとえばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）から作られたスライダ・ベアリング６０７が、摩擦をさらに減らすために、ロボット脚の内側表面とインターフェースするためにキャリア６００の外側表面の回りに配置され得る。
【００７８】
［0106］  両方のレール６０４および６０６は、下で図６Ｂに関して説明されるようにレール６０４および６０６をロボット脚に固定して取り付けるために留め具を受けるように構成され得る、その中に形成された穴６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、６０８Ｄ、および６０８Ｅなどの穴を有する。レール６０４および６０６が、ロボット脚に固定して取り付けられると同時に、ローラー（１つまたは複数）６０２の動きをその中に拘束するので、キャリア６００は、その縦軸６０９の回りの回転を阻まれる。
【００７９】
［0107］  図６Ｂは、例の実施態様による、その中にキャリア６００とレール６０４および６０６とを受けるように構成された上脚部材６１０を示す。上脚部材６１０は、上脚部材４１０に類似するが、その外側表面上に穴のパターン６１２をさらに有することができる。穴のパターン６１２は、レール６０４および６０６内に配置された穴に対応する。たとえば、穴のパターン６１２の穴６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｃ、および６１４Ｄは、それぞれレール６０４の穴６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、６０８Ｄに対応することができる。次に、留め具が、レール６０４および６０６を上脚部材６１０内に固定して取り付けるのに使用され得る。
【００８０】
［0108］  図６Ｃは、例の実施態様による、上脚部材６１０およびその中に配置された構成要素の上面断面を示す。図６Ｃに示されているように、ローラー・キャリッジ６１６が、キャリア６００の遠位端に結合され、縦軸６０９に垂直に配置される。ローラー（１つまたは複数）６０２は、ローラー・キャリッジ６１６に結合され、レール６０４および６０６内で転がりながらその中に拘束されるように構成される。具体的には、少なくとも１つのローラー６０２が、ローラー・キャリッジ６１６の第１の端およびレール６０４内のローラーに結合され、別のローラー６０２が、ローラー・キャリッジ６１６の第１の端と反対の第２の端に結合され、レール６０６内で転がるように構成される。図６Ａおよび図６Ｃは、上脚部材６１０とは別々の構成要素としてレール６０４および６０６を図示するが、いくつかの例では、レール６０４および６０６は、その代わりに、上脚部材６１０の内側表面と一体化されまたはこれに組み込まれ得る。
【００８１】
［0109］  軸ロード・セル６１８が、上で説明した軸ロード・セル４４０と比較して、モーター４０２のより近くに配置される。軸ロード・セル６１８は、異なるタイプのものとすることもできる。たとえば、軸ロード・セル４４０は、円柱型ロード・セルとして図示されているが、軸ロード・セル６１８は、曲がり梁型ロード・セルである。ロード・セルの他の型および位置も使用され得る。
【００８２】
［0110］  ロボットが移動し、図４Ａに示された下脚部材４１２が、上脚部材４１０または６１０に対して相対的に回転する時に、ねじ軸４０６は、交番する圧縮力および引張力を受ける。たとえば、ねじ軸４０６が、ナット４０６を収縮させ、したがってキャリア４１４および第１のリンク４１８を引っ張る方向（たとえば、反時計回り）に回転している場合に、ねじ軸４０６は、張力を受けている。ところが、ねじ軸４０６が、ナット４０６を延ばし、キャリア４１４および第１のリンク４１８を押す反対方向（たとえば、時計回り）に回転している場合には、ねじ軸４０６は、圧縮力を受けている。
【００８３】
［0111］  さらに、ロボットが移動するために、地面（たとえば、表面４３０）と接触している可能性がある下脚部材４１２は、地面を押す。ロボットが定位置に立っている時であっても、下脚部材４１２は、ロボットの起立とバランスとを維持するために、押す力を地面に働かせる。ロボットが移動していようと立っていようと、地面に対する押す力は、膝ピボット４２６に対する相対的な第１のリンク４１８の幾何構成に基づく、ねじ軸４０６内の引張力または圧縮力のいずれかを引き起こすことができる。
【００８４】
［0112］  図７は、例の実施態様による、圧縮力を受けるねじ軸４０６を有する構成を示す図である。図７に示された構成は、図４Ａの構成に類似する。この構成では、第１のリンク４１８は、関節４２４で下脚部材４１２に結合され、関節４２４は、膝ピボット４２６と足４２８との間に配置される。その結果、下脚部材４１２が表面４３０を押す時に、圧縮力が、第１のリンク４１８の長さに沿って矢印７００の方向に印加される。この圧縮力は、キャリア４１４におよびナット４０８を介してねじ軸４０６伝えられる。したがって、この構成では、ねじ軸４０６は、圧縮力を受けている。
【００８５】
［0113］  図８は、例の実施態様による、張力を受けるねじ軸４０６を有する構成を示す。この構成では、第１のリンク４１８は、膝ピボット８０２が関節８００と足４２８との間に配置されるように、関節８００で下脚部材４１２に結合される。その結果、下脚部材４１２が表面４３０を押す時には、引張力が、第１のリンク４１８の長さに沿って矢印８０４の方向に印加される。この引張力は、キャリア４１４に  ナット４０８を介してねじ軸４０６に伝えられる。したがって、この構成では、ねじ軸４０６は、張力を受けている。
【００８６】
［0114］  図７または図８の構成のいずれもが、使用され得る。しかし、いくつかの例では、ロボットは、ねじ軸４０６の座屈を引き起こすのに十分に大きくなる可能性がある力をねじ軸４０６内に引き起こす可能性がある環境条件を受ける場合がある。これらの例では、図８の構成が、ねじ軸４０６の座屈を阻むために使用され得る。ロボットの脚のピーク伸長力は、通常はピーク収縮力より大きく、図８の構成は、大伸長力イベント中にねじ軸４０６を張力を受ける状態にする。
【００８７】
［0115］  ロボット脚の他の構成が、実施され得る。図９は、例の実施態様による、股関節４０３に対して相対的にオフセットされた上脚部材４１０を示す。図示されているように、上脚部材４１０およびその中の構成要素を含むアセンブリは、股関節４０３に対して相対的にオフセットされている。この構成は、股関節４０３の位置に基づいて上脚部材４１０の長さを制限することによって課せられるパッケージング拘束を軽減することができる。言い換えると、上脚部材４１０の長さは、たとえば図４Ａの構成に対して相対的に、図９の構成において増やされ得る。その代わりに、他の例では、股関節４０３に対して相対的に上脚部材４１０をオフセットすることは、膝ピボット４２６から股関節４０３までの全長の短縮を容易にすることができる。
【００８８】
［0116］  さらに、上で議論した構成では、モーター４０２は、ねじ軸４０６と直列に配置される。いくつかの例では、これらの構成は、上脚部材４１０または６１０を相対的に長くすることができる。他の構成が、上脚部材４１０または６１０を短縮するのに使用され得る。
【００８９】
［0117］  図１０は、例の実施態様による、上脚部材４１０からオフセットされたモーター４０２を示す。図示されているように、モーター４０２を上脚部材４１０から取り外し、上脚部材４１０に対して相対的にオフセットすることによって、上脚部材４１０が短縮され得る。この構成では、ベルト・ドライブが、モーター４０２とねじ軸４０６との間の減速プレステージとして配置され得る。この減速プレステージは、ねじアクチュエータ４００の減速比を下げることを可能にする。ねじアクチュエータ４００の減速比の低下は、回転慣性を減らし、下で説明するように、より高い性能特性につなげることができる。
【００９０】
［0118］  一般に、ローラーねじは、所与の体積内でボールねじより多数のベアリング点またはより広いベアリング面積をもたらすことができ、したがって、接触応力を下げることができる。また、ローラーねじは、所与の荷重容量に関してよりコンパクトであると同時に、低速から中速でボールねじに類似する効率（たとえば、７５％〜９０％）を実現し、高速で相対的に高い効率を維持することができる。ローラーねじは、さらに、ボールねじと比較して、よりよい位置決め精度、定格荷重、剛性、速度、加速度、および寿命を達成することができる。しかし、ボールねじは、ローラーねじより安価になる可能性があり、したがって、いくつかの応用例に関して、ボールねじの使用が望ましい場合がある。
【００９１】
ｂ．過負荷保護用の一体化されたクラッチを有する例の伝動装置
［0119］  回転慣性は、ロボットの位置および力の制御応答性に影響する。ロボットの関節での有効回転慣性は、関節に結合されたモーターの回転慣性およびモーターに結合された伝動装置の回転慣性に依存する可能性がある。伝動装置は、減速およびトルク増幅を可能にする特定のギア比を有することができ、関節での有効回転慣性は、ギア比の二乗に比例する。したがって、より大きいトルクを可能にする、より高いギア比は、より大きい回転慣性につながり、したがって、ロボットの応答性を低下させる可能性がある。
【００９２】
［0120］  通常、大きいモーターおよび低いギア比は、小さいモーターおよび高いギア比と比較して、より大きい質量を犠牲にして、より低い出力慣性をもたらすことができる。したがって、より大きいトルクを達成するための大きいモーターの使用は、大きい回転慣性につながる可能性があり、これがロボットの応答性を低下させる。小さいモーターが使用される場合であっても、高いギア減速比を有する伝動装置は、やはり大きい有効回転慣性につながる可能性がある。
【００９３】
［0121］  ロボットの関節用のモーターを選択する際に、１つの手法は、関節が受けると期待される最大トルクを判定することを必要とし、その最大トルクを達成できるモーターを選択することができる。しかし、この手法は、大きい有効回転慣性につながる可能性がある。たとえば、ロボットの脚が予期されずに地面を打つ時または脚が物体による突然の衝撃を受ける時などの衝撃状況では、衝撃は、衝撃に応答し、ロボットのバランスを維持するために、モーターに高速で回転させる場合がある。具体的には、衝撃は、モーターおよび伝動装置の入力側に素早く加速させる。結果の慣性トルクは、ギア比によって増幅され、関節での大きいトルクを引き起こし、このトルクが、伝動装置および／または脚構造に損傷を与える可能性がある。この状況での反射慣性は、モーターおよび伝動装置の回転慣性の和に伝動装置の減速比の二乗を乗じたものに基づいて決定され得る。そのような衝撃状況で発生する最大トルクを達成できるモーターの選択は、対応する大きい回転慣性を有する大きいモーターにつながる可能性がある。
【００９４】
［0122］  別の手法は、インピーダンス整合を必要とする可能性がある。具体的には、関節にあるモーターおよび伝動装置は、関節によって制御されるロボット部材の慣性と等しい反射慣性または出力慣性を有するように選択される。この手法は、関節の加速能力を高めることができる。
【００９５】
［0123］  別の例では、モーターが、それに結合された伝動装置なしで、部材を直接に駆動するのに使用され得る。この形で、反射慣性が減らされ得る。しかし、伝動装置がないと、トルク増幅がなく、最大トルクは、モーターが達成できるトルクによって制限される。下げられたギア比を有する伝動装置が使用される場合であっても、モーターは、伝動装置での下げられたトルク増幅を補償するために、より大きいサイズを有し、したがって、過剰な重量およびサイズにつながる可能性がある。
【００９６】
［0124］  本明細書で提示される改善された手法は、モーター内または伝動装置内で過負荷保護システムを一体化することを必要とする可能性がある。過負荷保護システムは、衝撃状況で遭遇する大トルクから伝動装置を分離することができる。この形で、適当なトルクおよび加速度を達成できる、サイズを縮小された伝動装置が選択され得る。より小さい伝動装置は、より小さい慣性を有し、したがって、全体的な慣性が減らされるので、より小さいモーターが所望の加速度を達成することを可能にすることができる。
【００９７】
［0125］  本明細書で開示されるのは、ロボットの応答性を改善するためにモーターおよび伝動装置のサイズを減らし、したがって質量および慣性を減らすことを可能にするために、ハーモニック・ドライブ伝動装置にクラッチを一体化することを含むシステムおよび装置である。下で説明される一体化されたクラッチ・システムは、たとえば、ロボットの股関節または他の関節で使用され得る。
【００９８】
［0126］  図１１は、例の実施態様による、ロボット脚を示す。上で言及したように、ねじアクチュエータ４００などのねじアクチュエータが、膝関節４０４を駆動するために、回転ギアボックスの代わりに使用され得る。ねじアクチュエータ４００は、膝関節４０４での遠位質量の低下を可能にすることができる。遠位質量は、脚の慣性に影響し、尻のより近くに質量を配置することは、股関節で要求される慣性トルクを減らす。ねじアクチュエータ４００は、ねじアクチュエータ４００が回転ギアボックスと比較して減らされた回転慣性を有するので、有効回転慣性を減らすこともできる。
【００９９】
［0127］  さらに、本明細書で説明される過負荷保護システムを有するモーターおよび伝動装置は、股関節４０３での回転慣性を下げるために股関節４０３に結合され得る。たとえば、モーターおよび伝動装置は、股関節４０３のｘ軸１１００およびｙ軸１１０２の一方または両方に沿って設置され得る。
【０１００】
［0128］  図１２Ａは、例の実施態様による、ハーモニック・ドライブ１２００の動作を示す図を示し、図１２Ｂは、ハーモニック・ドライブ１２００の組立分解図を示す。ハーモニック・ドライブ１２００は、本明細書では、減速機およびトルク増幅器として動作する例の伝動装置システムとして使用される。ハーモニック・ドライブは、０バックラッシュ特性、広範囲の減速比、他の伝動装置システムと比較した重量および空間の節約、高い位置精度、および再現性の特徴がある。しかし、サイクロイド伝動装置（ｃｙｃｌｏｉｄａｌ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）などの他の伝動装置システムが使用され得る。なお、本出願において「ハーモニック・ドライブ」とは、減速歯車装置の一例である「波動歯車装置」を指し、例えば、ハーモニック・ドライブＬＬＣ社製のハーモニック・ドライブ（登録商標）等が含まれる。
【０１０１】
［0129］  図１２Ａに示されているように、ハーモニック・ドライブ１２００は、３つの主要構成要素すなわち、ウェーブ・ジェネレータ１２０２と呼ばれる場合がある入力部材と、フレクスプライン１２０４と呼ばれる場合がある中間部材と、サーキュラ・スプライン１２０６と呼ばれる場合がある出力部材とを含む。図１２Ｂに示されているように、ウェーブ・ジェネレータ１２０２は、長円形ハブ１２１０にはめられた薄肉ボール・ベアリング１２０８を含むことができる。長円形ハブ１２１０は、その長軸と短軸との間の寸法差が小さいので、図１２Ｂでは長円に見えない可能性がある。ウェーブ・ジェネレータ１２０２は、トルク・コンバータとして動作し、モーターからの入力軸に接続され、したがって、ハーモニック・ドライブ１２００への入力として動作する。
【０１０２】
［0130］  フレクスプライン１２０４は、たとえば、カップの開放端の外側周縁部表面上に外歯１２１２を有する合金鋼から作られた薄い円筒形のカップである。フレクスプライン１２０４は、半径方向にはコンプライアンスがありまたは柔軟であるが、ねじれ方向には堅い。ウェーブ・ジェネレータ１２０２がフレクスプライン１２０４に挿入される時に、ウェーブ・ジェネレータ１２０２は、その開放端でフレクスプライン１２０４の外歯１２１２とインターフェースする。したがって、フレクスプライン１２０４の開放端は、ウェーブ・ジェネレータ１２０２の長円形形状を帯びる。
【０１０３】
［0131］  サーキュラ・スプライン１２０６は、内歯１２１４を有する剛体のリングである。ハーモニック・ドライブ１２００が組み立てられる時に、サーキュラ・スプライン１２０６の内歯１２１４は、長円形形状のウェーブ・ジェネレータ１２０２の長軸１２１６にまたがってフレクスプライン１２０４の外歯１２１２と係合する。サーキュラ・スプライン１２０６は、フレクスプライン１２０４より多数の歯を有することができる。たとえば、サーキュラ・スプライン１２０６は、フレクスプライン１２０４より２つ多い歯を有することができる。
【０１０４】
［0132］  例では、フレクスプライン１２０４は、出力として使用され、したがって、出力フランジに接続され得るが、サーキュラ・スプライン１２０６は、固定して取り付けられる。他の例では、サーキュラ・スプライン１２０６が、出力として使用され、したがって、出力フランジに接続され得るが、フレクスプライン１２０４は、固定して取り付けられる。下で提供される例の説明では、サーキュラ・スプライン１２０６は、回転することを許され、出力に接続され得るが、フレクスプライン１２０４は、固定して取り付けられる。しかし、他の構成が使用され得る。
【０１０５】
［0133］  ウェーブ・ジェネレータ１２０２の長円形ハブ１２１０が回転される時に、フレクスプライン１２０４は、長円形ハブ１２１０の形状に変形し、ボール・ベアリング１２０８の外側周縁部表面上で滑らない。その結果、フレクスプライン１２０２の外歯１２１２は、ウェーブ・ジェネレータ１２０２の長軸１２１６にまたがる２つの対向する領域でサーキュラ・スプライン１２０６の内歯１２１４と係合する。ウェーブ・ジェネレータ１２０２の１８０度回転ごとに、サーキュラ・スプライン１２０６の内歯１２１４は、フレクスプライン１２０４の外歯１２１２に関して１歯だけ進められる。したがって、ウェーブ・ジェネレータ１２０２の各完全な回転は、サーキュラ・スプライン１２０６がフレクスプライン１２０４に対して相対的にその元の位置から２歯だけ移動することをもたらすことができる。
【０１０６】
［0134］  ハーモニック・ドライブ１２００などのハーモニック・ドライブを用いると、広範囲のギア減速比が、小さい体積内で可能である（たとえば、３０：１から３２０：１までの比）。上で言及したように、低い比を有することは、ロボットの高い性能能力を容易にするために、伝動装置すなわちハーモニック・ドライブ１２００の反射慣性または出力慣性を下げることができる。強い衝撃状況でハーモニック・ドライブ１２００を保護するために、過負荷保護システムが、下で説明するようにその中に一体化される。
【０１０７】
［0135］  図１３Ａは、例の実施態様による、一体化された過負荷防止システムを有する例のドライブ・システムを示し、図１３Ｂは、図１３Ａのドライブ・システムの拡大図を示し、図１３Ｃは、図１３Ａのドライブ・システムの組立分解図を示す。図１３Ａ〜図１３Ｅは、一緒に説明される。図１３Ａ〜図１３Ｃのドライブ・システムは、股関節４０３またはロボットの任意の他の関節の軸１１００および１１０２のいずれかまたは両方に結合され得る。下の説明は、ロボット脚を駆動するための股関節４０３にあるモーターおよび伝動装置に言及する。しかし、本明細書で説明されるシステムは、ロボットの任意の他の部材（たとえば、腕）を駆動するために、任意の他の関節で使用され得る。
【０１０８】
［0136］  モーター１３００は、ロボットの股関節４０３にあるハウジング１３０２内に取り付けられる。ハウジング１３０２は、フランジ１３０６および留め具１３０８Ａおよび１３０８Ｂなどの留め具を介してロボットに結合される。
【０１０９】
［0137］  モーター１３００の回転子は、回転子と共に回転するように構成されたシャフト１３１０に結合される。ウェーブ・ジェネレータ１２０２に類似するものとすることができるウェーブ・ジェネレータ１３１２が、シャフト１３１０に結合され、これと共に回転するように構成される。ウェーブ・ジェネレータ１３１２は、フレクスプライン１２０４に類似するものとすることができるフレクスプライン１３１４の歯付き部分とインターフェースする。フレクスプライン１３１４は、留め具１３１５Ａおよび１３１５Ｂなどの留め具を介してロード・セルまたはトルク・センサ１３１６に固定して取り付けられ、トルク・センサ１３１６は、ハウジング１３０２に固定して取り付けられる。フレクスプライン１３１４の歯付き部分の外歯は、サーキュラ・スプライン１２０６に類似するものとすることができるサーキュラ・スプライン１３１８の内歯と係合する。フレクスプライン１３１４およびサーキュラ・スプライン１３１８の歯は、図の視覚的混乱を減らすために、図１３Ａ〜図１３Ｃには図示されていない。
【０１１０】
［0138］  この構成を用いると、ウェーブ・ジェネレータ１３１２がシャフト１３１０を回転する時に、サーキュラ・スプライン１３１８は、フレクスプライン１３１４が固定されているので、縦軸１３１９の回りで回転する。サーキュラ・スプライン１３１８の近位側表面は、第１のクラッチ・パッド１３２０とインターフェースし、サーキュラ・スプライン１３１８の遠位側表面は、第２のクラッチ・パッド１３２２とインターフェースする。本明細書では、近位側は、モーター１３００により近い側を指し、遠位側は、モーター１３００からより遠い側を指す。
【０１１１】
［0139］  クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、サーキュラ・スプライン１３１８のそれぞれの表面とインターフェースする表面に取り付けられた摩擦材料を有する。したがって、クラッチ・パッド１３２０および１３２２が、サーキュラ・スプライン１３１８のそれぞれの表面に対してまたはこれに向かって偏って十分に予荷重を与えられる限り、クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、サーキュラ・スプライン１３１８と共に回転する。
【０１１２】
［0140］  クラッチ・パッド１３２０は、押さえ板１３２４にもインターフェースし、結合される。同様に、クラッチ・パッド１３２２は、出力湾曲部１３２６にもインターフェースし、結合される。一例では、クラッチ・パッド１３２０は、任意の種類の接着剤を介して押さえ板１３２４に接着され得、クラッチ・パッド１３２２は、任意の種類の接着剤を介して出力湾曲部１３２６に接着される得る。他の締結手段が、クラッチ・パッド１３２０を押さえ板１３２４におよびクラッチ・パッド１３２２を出力湾曲部１３２６に結合するのに使用され得る。一例では、押さえ板１３２４は、アルミニウムから作られ得る。しかし、他の材料も可能である。また、別の例では、クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、サーキュラ・スプライン１３１８に接着され、押さえ板１３２４および出力湾曲部１３２６に対して相対的に滑ることを可能にされ得る。さらに別の例では、クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、他のいかなる構成要素にも接着されないものとされ得、４つの表面（クラッチ・パッドごとに２つの表面）のいずれかに沿って滑ることを可能にされ得る。
【０１１３】
［0141］  皿ばね１３２８が、ロボット部材１３３０（たとえば、脚部材）と出力湾曲部１３２６との間に配置される。皿ばね１３２８は、クラッチ・パッド１３２２に軸方向予荷重を印加するために、出力湾曲部１３２６に軸歩行の偏らせる力を働かせる。クラッチ・パッド１３２２への軸方向予荷重は、軸方向予荷重がサーキュラ・スプライン１３１８を介してクラッチ・パッド１３２０に伝達され、クラッチ・パッド１３２０が押さえ板１３２４によって拘束されているので、クラッチ・パッド１３２０にも同様に予荷重を与える。
【０１１４】
［0142］  軸方向予荷重は、所定のトルク限界を超えるまで、クラッチ・パッド１３２０および１３２２をサーキュラ・スプライン１３１８に摩擦によって結合された状態に保つことができる。トルク限界を超える場合には、クラッチ・パッド１３２０および１３２２の静的摩擦限界を超えることができ、サーキュラ・スプライン１３１８は、クラッチ・パッド１３２０および１３２２に対して相対的に滑ることができる。したがって、トルク限界は、スリップ・トルクと呼ばれる場合がある。
【０１１５】
［0143］  トルク限界は、皿ばね１３２８のばね定数に基づく。シム１３３２などのシムが、クラッチ・パッド１３２０および１３２２への軸方向予荷重を変更し、したがってトルク限界を変更するために、皿ばね１３２８とロボット部材１３３０との間に追加され得る。
【０１１６】
［0144］  出力湾曲部１３２６は、ねじれ方向には堅いが、軸方向には柔軟とすることができる。たとえば、出力湾曲部は、チタニウムなどの柔軟な材料から作られ得る。一例では、出力湾曲部１３２６は、皿ばね１３２８と比較して、より柔らかい材料から作られ得る。たとえば、出力湾曲部１３２６は、皿ばね１３２８のばね定数のより低い（たとえば、１０％）ばね定数を有することができる。この例では、皿ばね１３２８は、出力湾曲部１３２６によってクラッチ・パッド１３２２に印加される力と比較して、支配的な軸方向予荷重力を提供する。しかし、他の構成が可能である。出力湾曲部１３２６は、クラッチ・パッド１３２２にロボット部材１３３０をねじれ方向で接続すると同時に、摩耗に対処するためにその軸方向の動きを可能にし、皿ばね１３２８がサーキュラ・スプライン１３１８に反してクラッチ・パッド１３２２に予荷重を与えることをも可能にするように構成される。
【０１１７】
［0145］  一例では、拘束リング１３３４が、押さえ板１３２４とロボット部材１３３０との間に配置され得る。拘束リング１３３４は、サーキュラ・スプライン１３１８とクラッチ・パッド１３２０および１３２２とがその中に配置され、拘束される、開いた環状空間を有する。一例では、拘束リング１３３４はアルミニウムから作られ得るが、他の材料も可能である。
【０１１８】
［0146］  ボルト１３３５Ａおよび１３３５Ｂなどの留め具またはボルトの放射状配列が、押さえ板１３２４、拘束リング１３３４、出力湾曲部１３２６、およびロボット部材１３３０を一緒に含むアセンブリを保持するように構成され得る。皿ばね１３２８によって印加される軸方向予荷重に起因して、クラッチ・パッド１３２０および１３２２ならびにサーキュラ・スプライン１３１８は、出力湾曲部１３２６と押さえ板１３２４との間で圧迫される。したがって、クラッチ・パッド１３２０および１３２２ならびにサーキュラ・スプライン１３１８も、ボルト１３３５Ａおよび１３３５Ｂを含むボルトの放射状配列によって一緒に保持されるアセンブリの一部である。
【０１１９】
［0147］  上で言及したように、ウェーブ・ジェネレータ１３１２が回転する時に、サーキュラ・スプライン１３１８は、フレクスプライン１３１４が固定されているので回転する。サーキュラ・スプライン１３１８は、ウェーブ・ジェネレータ１３１２に対して相対的に下げられた回転速度で回転するが、ウェーブ・ジェネレータ１３１２によって印加されるトルクに対して相対的に増幅されたトルクを印加することができる。サーキュラ・スプライン１３１８が回転する時に、摩擦によってこれに結合されたクラッチ・パッド１３２０および１３２２も回転し、サーキュラ・スプライン１３１８からクラッチ・パッド１３２０および１３２２に伝達されたトルクは、２つの経路を介してロボット部材１３３０に伝達される。第１の経路は、サーキュラ・スプライン１３１８からクラッチ・パッド１３２２を介する出力湾曲部１３２６へのトルクの伝達を含み、出力湾曲部１３２６は、ボルトの配列を介してロボット部材１３３０に結合されている。第２の経路は、サーキュラ・スプライン１３１８からクラッチ・パッド１３２０を介する押さえ板１３２４へのトルクの伝達を含み、押さえ板１３２４は、ボルトの配列を介してロボット部材１３３０に結合されている。
【０１２０】
［0148］  クロス・ローラー・ベアリング１３３６が、拘束リング１３３４とハウジング１３０２の内側表面との間で拘束リング１３３４の外側周縁部表面に取り付けられ得る。クロス・ローラー・ベアリング１３３６は、ハウジング１３０２に対する相対的なロボット部材１３３０の回転を容易にし、ロボット部材１３３０に印加される、半径方向荷重、スラスト荷重、およびモーメント反作用荷重を処理するように構成され得る。
【０１２１】
［0149］  上で説明したシステムは、モーター１３０２およびハーモニック・ドライブの過負荷保護を容易にすると同時に、ハーモニック・ドライブの減速比を下げ、したがってその回転慣性を減らすことを可能にする。一例として、モーター１３０２は、ロボット部材１３３０を特定の位置に移動することを試みて高速で回転している可能性がある。ロボット部材１３３０が移動する時に、ロボット部材１３３０は、予期されない物体または未検出の物体を打ち、またはこれに衝突する場合がある。その結果、過負荷保護システムがなければ、モーター１３０２は、短い時間期間（たとえば、１ミリ秒）内に強制的に停止される可能性がある。ハーモニック・ドライブのトルク容量の４倍に達する可能性があるトルクが、印加されて、これを停止させる可能性がある。ハーモニック・ドライブが、そのような大きいトルクに耐えるかこれを印加することができるように設計される場合に、ハーモニック・ドライブは、より大きくなり、より大きい回転慣性を示すはずである。
【０１２２】
［0150］  別の例として、ロボットは、物体に衝突する場合があり、たとえば、ロボットは、特定の高さから地面に落ちる場合があり、その衝撃は、大きいトルクをハーモニック・ドライブに印加させる可能性があり、これが損傷を引き起こす可能性がある。別の例では、ロボットは、非アクティブ状態である場合がある（たとえば、たとえばバッテリを介するロボットへの電力がシャット・ダウンされ、ケーブルが破壊され、またはコントローラ誤動作が発生した）。物体が、そのような状態のロボットに衝突する場合に、ロボットのコントローラは、電力を有しない可能性があり、したがって、ロボットを保護するために、電気的に操作される安全性構成要素に信号を送らない可能性がある。これらすべての例において、ハーモニック・ドライブおよびモーター１３０２は、その構成要素への損傷を引き起こし得る大きいトルクを受ける可能性がある。
【０１２３】
［0151］  図１３Ａ〜図１３Ｃで説明した過負荷保護システムを用いると、ロボット部材１３３０に対する負荷トルクが皿ばね１３３２の軸方向予荷重によって指定されるトルク限界を超える場合に、サーキュラ・スプライン１３１８は、クラッチ・パッド１３２０および１３２２に対して相対的に滑る。この形で、ハーモニック・ドライブ（すなわち、サーキュラ・スプライン１３１８）は、ロボット部材１３３０からある時間期間の間切り離され、したがって、大きい負荷トルクから保護される。さらに、サーキュラ・スプライン１３１８が、クラッチ・パッド１３２０および１３２２に対して相対的に滑る時に、ロボット部材１３３０の運動エネルギは、サーキュラ・スプライン１３１８とクラッチ・パッド１３２０および１３２２との間の摩擦に起因して消散される。負荷トルクがトルク限界未満になった後に、ハーモニック・ドライブは、ロボット部材１３３０と再係合する。
【０１２４】
［0152］  過負荷保護システムの利点は、クラッチ・パッド１３２０および１３２０が、ハーモニック・ドライブ内に一体化され、その構成要素（すなわち、サーキュラ・スプライン１３１８）とインターフェースすることである。この一体化は、ハーモニック・ドライブと直列にクラッチ・システムを追加すること（より多くの縦空間を必要とするはずである）とは対照的に、コンパクトな設計を可能にする。
【０１２５】
［0153］  別の利点は、出力湾曲部１３２６が、ロボット部材１３３０が０バックラッシュを伴ってその運動方向を逆転することを可能にするように構成されることである。ロボット部材１３３０などのほとんどのロボット部材は、２つの方向で動作する。たとえば、ロボット部材１３３０がロボットの脚である場合に、モーター１３０２は、ある方向に脚をスイングするために、対応する方向に回り、その後、脚を停止し、反対方向に脚をスイングするために逆方向に回ることができる。脚によって印加される力の制御に加えて、脚の位置、速度、および加速度の正確な制御は、運動方向を逆転する時の０バックラッシュを含む複数の要因に依存する可能性がある。
【０１２６】
［0154］  バックラッシュがある場合に、２つのクラッチ・パッド１３２０および１３２２のうちの一方のクラッチ・パッドは、方向を逆転する際にサーキュラ・スプライン１３１８に係合され得、他方のクラッチ・パッドは、係合されないものとすることができる。したがって、係合されたクラッチ・パッドは、サーキュラ・スプライン１３１８に対して相対的に滑り始めることができ、その後、ある時間期間の後に、他方のクラッチ・パッドが、荷重をかけられ始め、その後、両方のクラッチ・パッド１３２０および１３２２が、サーキュラ・スプライン１３１８に対して相対的に滑るはずである。
【０１２７】
［0155］  出力湾曲部１３２６および皿ばね１３２８の柔軟性のゆえに、これらは、お互いに対する相対的なドライブ・システムの構成要素の軸方向移動に対処することができる。たとえば、これらは、構成要素に弾性限界まで圧力を加えることなく、クラッチ・パッド１３２０および１３２２の摩耗、ハーモニック・ドライブに対する相対的なロボット部材１３３０の軸方向移動などに対処することができる。したがって、出力湾曲部１３２６および皿ばね１３２８は、様々な構成要素の製造公差を補償することができる。
【０１２８】
［0156］  それと同時に、出力湾曲部１３２６は、クラッチ・パッド１３２２を押し、クラッチ・パッド１３２０および１３２２をサーキュラ・スプライン１３１８に接触したままにし、したがってバックラッシュを除去する。したがって、モーター１３０２およびサーキュラ・スプライン１３１８が停止し、その後、その回転方向が逆転される場合であっても、出力湾曲部１３２６は、ロボット部材１３３０の滑らかな移動を保証することができる。
【０１２９】
［0157］  さらに、出力湾曲部１３２６は、トルク荷重を２つのクラッチ・パッド１３２０および１３２２の間で均等に共有させることができる。出力湾曲部１３２６によって印加される力は、サーキュラ・スプライン１３１８に対するクラッチ・パッド１３２２の間の接触を維持する。出力湾曲部１３２６によって印加される同一の力は、さらに、押さえ板１３２４に対してクラッチ・パッド１３２０を圧迫するのと一緒にサーキュラ・スプライン１３１８に対してクラッチ・パッド１３２２を圧迫する。この形で、クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、サーキュラ・スプライン１３１８が回転する時に等しく荷重を与えられる。
【０１３０】
［0158］  いくつかの例では、グリスまたは他の潤滑油が、ハーモニック・ドライブの構成要素または図１２Ａ〜図１３Ｂに示されたドライブ・システム内のベアリングに塗布され得る。潤滑油は、ドライブ・システムの噛み合う構成要素の摩耗およびその間の摩擦を減らす。これらの例では、Ｏリング１３３８Ａおよび１３３８Ｂが、グリスをクラッチ・パッド１３２０および１３２２から離れた状態に保つのに使用され得る。具体的には、Ｏリング１３３８Ａは、クラッチ・パッド１３２０とサーキュラ・スプライン１３１８の近位面との間のクラッチ・インターフェースから離れた状態にグリスを保つことができる。また、Ｏリング１３３８Ｂは、クラッチ・パッド１３２２とサーキュラ・スプライン１３１８の遠位面との間のクラッチ・インターフェースから離れた状態にグリスを保つことができる。この形で、グリスは、皿ばね１３２８のばね定数によって少なくとも部分的に決定されるトルク限界（すなわち、スリップ・トルク）に影響しないものとすることができる。
【０１３１】
［0159］  しかし、他の例の実施態様では、Ｏリング１３３８Ａおよび１３３８Ｂが使用されない場合がある。皿ばね１３２８によって課される軸方向予荷重は、たとえば、グリスの存在に対処するために、異なるばね定数を有する皿ばねを選択することによって、調整され得る。皿ばねのばね定数の変更は、グリスの存在から生じる低下した摩擦係数で動作するようにクラッチ・パッド１３２０および１３２２の性能を調整することができる。
【０１３２】
［0160］  上で言及したように、ウェーブ・ジェネレータ１３１２がモーター１３０２のシャフト１３１０と共に回転する時に、サーキュラ・スプライン１３１８も、フレクスプライン１３１４が固定されていることに起因して回転する。サーキュラ・スプライン１３１８が回転する時に、クラッチ・パッド１３２０〜１３２２、押さえ板１３２４、および拘束リング１３３４を含むアセンブリも回転する。ロボット部材１３３０も、ボルト（たとえばボルト１３３５Ａ〜１３３５Ｂ）の放射状配列を介して回転する。ロボット部材１３３０によって印加される負荷トルクがトルク限界を超えない限り、アセンブリおよびロボット部材１３３０は、サーキュラ・スプライン１３１８と共に回転する。負荷トルクがトルク限界を超える場合には、サーキュラ・スプライン１３１８は、クラッチ・パッド１３２０および１３２０に対して相対的に滑る。
【０１３３】
［0161］  トルク過負荷状況では、ウェーブ・ジェネレータ１３１２の楕円形状は、サーキュラ・スプライン１３１８をも楕円形状に歪ませる場合がある。トルクがトルク限界未満になる時に、クラッチ・パッド１３２０および１３２２は、サーキュラ・スプライン１３１８と再係合し、したがって、その形状を楕円化されたままにすることができる。サーキュラ・スプライン１３１８のそのような歪んだ楕円形状は、ロボット部材１３３０でのトルク脈動をもたらす可能性がある。
【０１３４】
［0162］  サーキュラ・スプライン１３１８を歪んだ楕円形状に保つことを阻むために、拘束ブッシング１３４０が、サーキュラ・スプライン１３１８の外側周縁部表面と拘束リング１３３４の内側周縁部表面との間に挿入され得る。サーキュラ・スプライン１３１８の外側周縁部表面と拘束リング１３３４の内側周縁部表面との間の隙間、したがって拘束ブッシング１３４０の厚さは、小さい。たとえば、干渉は、１インチの１／１０００とすることができる。
【０１３５】
［0163］  例では、拘束ブッシング１３４０は、プラスティック材料、たとえばポリエステル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）材料または他の高分子材料から作られ得る。拘束ブッシング１３４０の可塑性は、これに相対的に低い剛性を与え、したがって、干渉内の軽い圧入を用いる拘束ブッシング１３４０の挿入を容易にする。この構成は、サーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４の寸法および同心性における生産変動に対処する。
【０１３６】
［0164］  ロボットの動作中に、拘束ブッシング１３４０、サーキュラ・スプライン１３１８、および拘束リング１３３４のそれぞれの温度が、上昇する場合がある。サーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４は、異なる熱膨張係数を有する異なる材料から作られる可能性があるので、異なる速度で膨張し、収縮する可能性がある。しかし、拘束ブッシング１３４０のプラスティック材料は、より柔らかくなり、したがって、温度変化に起因するサーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４の寸法変動に対処することができる。
【０１３７】
［0165］  さらに、拘束ブッシング１３４０は、サーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４が１つのアセンブリとして移動するように、これらを結合する。したがって、サーキュラ・スプライン１３１８の形状が、トルク荷重の下で変化する（たとえば、楕円化される）時に、サーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４は、拘束ブッシング１３４０と共に一緒に歪まされ得る。この形で、トルク荷重がトルク限界未満になる時に、サーキュラ・スプライン１３１８、拘束ブッシング１３４０、および拘束リング１３３４は、歪まされない形状に一緒に跳ね返ることができる。また、サーキュラ・スプライン１３１８、拘束ブッシング１３４０、および拘束リング１３３４は、ギャップまたは隙間を有することとは対照的に、拘束ブッシング１３４０の存在のゆえに、より少なく変形する可能性がある。したがって、拘束ブッシング１３４０の存在は、トルク変動を防ぐことができる。
【０１３８】
［0166］  サーキュラ・スプライン１３１８および拘束リング１３３４は、異なる材料から作られ得る。たとえば、サーキュラ・スプライン１３１８は、鋳鉄から作られ得、拘束リング１３３４は、チタニウムから作られ得る。サーキュラ・スプライン１３１８が拘束リング１３３４と接触することを可能にすることは、その間の束縛および磨滅を引き起こす可能性がある。拘束ブッシング１３４０は、そのような束縛および磨滅を阻むと同時に上で説明したトルク脈動を防ぐために、サーキュラ・スプライン１３１８と拘束リング１３３４との間のインターフェースとして動作する。
【０１３９】
［0167］  図１２Ａ〜図１３Ｃに関して上で説明した構成要素および構成は、例の構成要素および構成であり、限定的であることは意図されていない。他の構成要素および構成が使用され得る。たとえば、２つのクラッチ・パッドの使用ではなく、１つのクラッチ・パッドを使用することができる。別の例では、クラッチ・パッドが、サーキュラ・スプライン１３１８の片側で使用され得、金属接触上の地金を含む任意のタイプの摩擦材料が、その反対側で使用され得る。
【０１４０】
［0168］  上で説明した構成では、過負荷から保護するクラッチ動作は、クラッチ・パッド１３２０および１３２２とサーキュラ・スプライン１３１８との間のインターフェースで行われる。別の例の実施態様では、クラッチ動作は、クラッチ・パッド１３２０と出力湾曲部１３２６との間およびクラッチ・パッド１３２２と押さえ板１３２４との間のインターフェースで行われ得る。この例では、クラッチ・パッド１３２０および１３２０は、サーキュラ・スプライン１３１８に一体化され得る。言い換えると、サーキュラ・スプラインの近位面および遠位面は、摩擦材料をその上に配置され得る。さらに、他の例では、他の構成要素が、サーキュラ・スプライン１３１８とクラッチ・パッド１３２０および１３２２との間に追加され得る。別の例の変形形態では、出力湾曲部１４０４および皿ばね１３２８は、１つの柔軟な構成要素に一体化され得る。また、皿ばねは、本明細書では例として使用され、他の実施態様では、任意の他のタイプのばねまたは柔軟でコンプライアンスのある要素が使用され得る。
【０１４１】
［0169］  図１４は、例の実施態様による、ロボット部材１４００のドライブ・システムの代替構成を示す。図１４に示されているように、ボルト・リング１４０２が、押さえ板１３２４および拘束リング１３３４を置換する。言い換えると、押さえ板１３２４および拘束リング１３３４は、図１４にボルト・リング１４０２として図示された単一の構成要素に一体化され得る。
【０１４２】
［0170］  出力湾曲部１４０４は、出力湾曲部１３２６と同様の動作を実行することができるが、ボルト１４０８などのボルトを含むボルト配列を介して中央領域１４０６でロボット部材１４００に結合される。ボルト１３３５Ａ〜１３３５Ｂとは対照的に、図１４のボルト１４１０などのボルトは、ロボット部材１４００に出力湾曲部１４０２を結合することなく、ロボット部材１４００にボルト・リング１４０２を結合する。
【０１４３】
［0171］  これらの変形形態は、例示のみのための例であり、当業者は、他の配置および他の要素（たとえば、構成要素、インターフェース、順序、および構成要素のグループ化など）が、その代わりに使用され得、いくつかの要素が、所望の結果に従って完全に省略され得ることを了解する。
【０１４４】
ｃ．例のモーター−コントローラ一体化構成
［0172］  例のロボットは、ロボットの対応する部材の動きを制御するために複数の関節を含むことができる。一例として、四足ロボットは、ロボットの部材（たとえば、腕、脚など）を接続し、制御する１７個の関節を有することができる。例では、これらの関節の多くが、ロボットの部材を動かすように構成されたそれぞれのモーターを有することができる。モーターのそれぞれは、複数の入力を受け取り（たとえば、センサから）、それに応じて、ロボットの関節および部材を制御するために制御信号をモーターに供給するコントローラによって制御される。
【０１４５】
［0173］  一例では、コントローラは、ロボットの中央位置に配置され得、ワイヤが、コントローラと様々なモーターおよびセンサとの間に接続され得る。この構成は、ロボットの信頼性を下げ、故障の確率を高める可能性がある複雑な配線および長いワイヤを含む場合がある。
【０１４６】
［0174］  他の例では、各関節が、それぞれのモーターおよびそのモーター用のコントローラを有することができる。モーターおよびそのコントローラを一体化し、同一位置に配置することは、ロボットの信頼性を改善することができる。そのような一体化は、配線構成の複雑さを下げることができる。
【０１４７】
［0175］  本明細書で開示されるのは、ロボットの複雑さを下げ、信頼性を高めるために一体化されたモーターおよびコントローラ・アセンブリを有するシステムおよび装置である。具体的には、モーターおよびそのコントローラは、センサおよび温度管理構成要素の共有を容易にするために、お互いに近接したコンパクトなパッケージに一体化され得る。本明細書で開示される構成を用いると、ワイヤの個数および長さが減らされ、したがって、潜在的な故障点を減らすことによってロボットの信頼性を強化する。したがって、これらの構成は、ロボットの故障の尤度および休止時間を減らし、ロボットの保守コストを下げることができる。
【０１４８】
［0176］  図１５Ａは、例の実施態様による、一体化されたモーター・コントローラー・アセンブリ１５００を示す。図示されているように、アセンブリ１５００は、ハウジング１５０４内に配置されたモーター１５０２を含む。ハウジング１５０４は、ハウジング１５０４の外側表面の回りに円形配列で円周方向に離隔されたヒートシンク・フィン１５０６を含む。
【０１４９】
［0177］  アセンブリ１５００は、１つまたは複数のプリント回路基板（ＰＣＢ）を含むことができるコントローラ１５０８を含む。たとえば、コントローラ１５０８は、電力段ＰＣＢ  １５１０および論理段ＰＣＢ  １５１２を含むことができる。電力段ＰＣＢ  １５１０は、たとえば、モーター１５０２の固定子の巻線に供給される電力の制御および変換のために構成されたソリッド・ステート・エレクトロニクスを含むことができるパワー・エレクトロニクスを含むことができる。たとえば、電力段ＰＣＢ  １５１０は、複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を含むことができる。
【０１５０】
［0178］  論理段ＰＣＢ  １５１２は、たとえば、１つまたは複数のマイクロプロセッサと、モーター１５０２に関する様々な制御動作を実行するために１つまたは複数のマイクロプロセッサによって実行される命令を含むデータ・ストレージとを含むことができる。電力段ＰＣＢ  １５１０および論理段ＰＣＢ  １５１２は、お互いと通信している。図１５Ａに示された例の実施態様では、電力段ＰＣＢ  １５１０および論理段ＰＣＢ  １５１２は、それぞれの軸方向に間隔を置かれた平面上に並置されまたは配置される。しかし、他の例では、これらは、異なる構成で配置され得、いくつかの例では、電力段ＰＣＢ  １５１０の構成要素および論理段ＰＣＢ  １５１２の構成要素が、単一のＰＣＢ内に一体化され得る。
【０１５１】
［0179］  モーター１５０２の回転子は、回転子の回転運動をハーモニック・ドライブ１５１６などの伝動装置に伝えるシャフト１５１４に結合される。一例では、シャフト１５１４は、中空とされ得、磁石１５１８が、その近位端に配置され得る。本明細書では、用語「近位端」は、シャフト１５１４の、コントローラ１５０８により近い端を指し、シャフト１５１４の「遠位端」は、ハーモニック・ドライブ１５１６に結合された端を指す。
【０１５２】
［0180］  図示されているように、シャフト１５１４は、磁石１５１８が論理段ＰＣＢ  １５１２のより近くに、これに面して配置されるように、電力段ＰＣＢ  １５１０を通って延びる。さらに、論理段ＰＣＢ  １５１２は、その上に配置され、磁石１５１８に面する回転位置センサ１５２０（たとえば、磁気抵抗センサまたはホール効果センサ）を含むことができる。
【０１５３】
［0181］  磁石１５１８は、シャフト１５１４およびそれに結合された磁石１５１８が回転する時に、センサ１５２０がシャフト１５１４の回転位置を示す情報をコントローラ１５０８に供給するように、直径方向に磁化され得る。この情報は、コントローラ１５０８によって、モーター１５０２の整流を制御するのに使用される。この構成を用いると、モーター１５０２の回転位置センサ１５２０は、モーター・コントローラ１５０８に一体化される。この構成は、モーターの回転位置センサがモーターのより近くに配置され、ワイヤがセンサをコントローラに接続し、したがってワイヤ破損および故障の尤度を高める他の構成と対照をなす。
【０１５４】
［0182］  アセンブリ１５００は、ロボット部材１５２４の回転位置を示す情報を論理段ＰＣＢ  １５１２に供給するように構成された別の回転位置センサまたは出力エンコーダ１５２２をさらに含むことができる。たとえば、出力エンコーダ１５２２は、押さえ板１５２６に結合され得、押さえ板１５２６は、ロボット部材１５２４に結合され得る。押さえ板１５２６の回転位置を測定することによって、出力エンコーダ１５２２は、ロボット部材１５２４の回転位置の測定値を供給する。
【０１５５】
［0183］  この形で、コントローラ１５０８は、モーター１５０２およびロボット部材１５２４の回転位置を示す情報を受け取る。したがって、コントローラ１５０８は、ハーモニック・ドライブ１５１６のサーキュラ・スプライン１５２８が、図１３Ａ〜図１４に関して上で説明したように過負荷に起因して滑ったかどうかを判定することができる。アセンブリ１５００は、ハーモニック・ドライブ１５１６に対するトルク荷重を測定するように構成されたトルク・ロード・セルまたはトルク・センサ１５３０をさらに含む。
【０１５６】
［0184］  図１５Ｂは、例の実施態様による、コントローラ１５０８へのトルク・センサ１５３０および出力エンコーダ１５２２の接続を示す。トルク・センサ１５３０および出力エンコーダ１５２２からのワイヤは、トルク・センサ１５３０に固定された接続部１５３２にルーティングされ、そこで組み合わされ、トルク・センサ１５３０は、モーターの固定子のハウジングに固定される。次に、ワイヤは、柔軟なＰＣＢ  １５３４に接続され得、柔軟なＰＣＢ  １５３４は、トルク・センサ１５３０および出力エンコーダ１５２２からの信号に対して予備処理（たとえば、信号増幅、フィルタリングなど）を実行するように構成され得る。
【０１５７】
［0185］  次に、柔軟なＰＣＢ  １５３４からのワイヤは、ハウジング１５０４を介して１つまたは複数のコネクタ１５３６にルーティングされ得る。コネクタ１５３６は、シーリング・グロメット（ｓｅａｌｉｎｇ  ｇｒｏｍｍｅｔ）１５３８を介してコントローラ１５０８に（たとえば、電力段ＰＣＢ  １５１０に）結合された対応するコネクタ１５３７（図１５Ｄおよび図１５Ｇに図示）と嵌合するように構成され得る。この構成を用いると、コントローラ１５０８に近い出力エンコーダ１５２２およびトルク・センサ１５３０を有することが、一体化およびワイヤの短縮を容易にし、したがって、ロボットの信頼性を改善する。
【０１５８】
［0186］  図１５Ａ〜図１５Ｂに示された構成は、モーター１５０２とコントローラ１５０８との間での温度管理構成要素の共有をも可能にすることができる。図１５Ｃは、例の実施態様による、アセンブリ１５００の温度管理を示し、図１５Ｄは、電力段ＰＣＢ  １５１０の底面図を示す。
【０１５９】
［0187］  ＦＥＴ  １５４０が、論理段ＰＣＢ  １５１２とは反対に面する電力段ＰＣＢ  １５１０の表面上に配置され得る。また、熱センサ１５４２が、電力段ＰＣＢ  １５１０の、ＦＥＴ  １５４０をその上に配置された表面と同一の表面上に配置される。熱界面材料（ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ  ｍａｔｅｒｉａｌ）１５４４が、ハウジング１５０４の内側周縁部表面から半径方向に内向きに突き出すリブ１５４６から電力段ＰＣＢ  １５１０およびその上に取り付けられた構成要素（たとえば、ＦＥＴ  １５４０および熱センサ１５４２）を分離する。他の例の実施態様では、任意の他の熱結合する表面または熱伝導構造が、リブ１５４６の代わりにまたはこれに加えて使用され得る。たとえば、別個のリブではなく、固体表面が使用され得る。他の例が可能である。
【０１６０】
［0188］  熱界面材料１５４４は、電力段ＰＣＢ  １５１０に取り付けられた構成要素の高さ変動を補償することができる、柔軟でコンプライアンスのある材料とすることができる。熱界面材料１５４４は、熱伝導効率を高めるために関節でつながれた固体表面にまたがる熱接触伝導を高めることができる熱伝導材料を含む。電力段ＰＣＢ  １５１０とリブ１５４６との間のギャップを、悪い熱導体である空気で充填されたままにするのではなく、熱界面材料１５４４は、強化された熱効率および熱伝導をもたらす。具体的には、電力段ＰＣＢ  １５１０とリブ１５４６との間の熱伝導が、強化される。
【０１６１】
［0189］  熱界面材料１５４４は、シリコン・ベースの材料または非シリコン・ベースの材料を含むことができ、複数の形をとることができる。たとえば、熱界面材料１５４４は、たとえば酸化アルミニウム、酸化亜鉛、または窒化ホウ素を充填されたシリコン油から作られたペーストまたは放熱グリスを含むことができる。熱界面材料１５４４は、微粒化された銀または微粉化された銀を使用することもできる。例では、熱界面材料１５４４は、強化のためのガラス繊維を含むことができる。
【０１６２】
［0190］  リブ１５４６は、モーター１５０２によって、具体的にはその固定子巻線によって生成された熱のヒート・パスを提供するようにも構成される。この構成を用いると、コントローラ１５０８およびモーター１５０２は、共通の温度管理および熱散逸配置を共有する。図１５Ｄ内の矢印は、モーター１５０２とコントローラ１５０８との両方の例のヒート・パスを示す。モーター１５０２およびコントローラ１５０８から生成された熱は、リブ１５４６を介して、ハウジング１５０４上に配置されたフィン１５０６に伝導される。
【０１６３】
［0191］  シュラウド１５４８がファン１５５０を囲み、ファン１５５０は、アクティブ化された時に、空気を引き出し、フィン１５０６に向かって空気を向ける。この形で、ファン１５５０は、フィン１５０６での熱散逸を強化し、モーター１５０２とコントローラ１５０８との両方を冷却することができる。
【０１６４】
［0192］  熱センサ１５４２は、電力段ＰＣＢ  １５１０上で、上で言及したＦＥＴ  １５４０を有する表面と同一の表面に配置され、したがって、ＦＥＴ  １５４０およびコントローラ１５０８の他の構成要素の温度を示す情報を供給する。熱センサ１５４２は、リブ１５４６と接触し、またはこれに近接することもできる。したがって、熱センサ１５４２は、リブ１５４６に隣接する、モーター１５０２の固定子の温度を示す情報をも供給する。この構成を用いると、モーター１５０２とコントローラ１５０８との両方が、共通の熱センサを共有する。熱センサ１５４２によってコントローラ１５０８に供給されるセンサ情報は、ファン１５５０をいつどの速度で動作させるべきかを制御するのに使用され得る。
【０１６５】
［0193］  熱センサ１５４２は、モーター１５０２およびハーモニック・ドライブ１５１６（図１５Ａに図示）の安全性監視にも使用され得る。たとえば、熱センサ１５４２は、固定子の温度がしきい温度を超えることを示すことができ、これは、モーター１５０２またはハーモニック・ドライブ１５１６が過負荷を受けていることを示すことができる。代替案では、高温は、ハーモニック・ドライブ１５１６の構成要素が正しく整列されていない可能性があることと、保守の期限が来ている可能性があることとを示すことができる。
【０１６６】
［0194］  この形で、熱センサ１５４２は、コントローラ１５０８自体の様々な構成要素およびモーター１５０２の状態をコントローラ１５０８に示すことができる。その後、コントローラ１５０８は、関節の動作を継続すべきか、安全性のためにこれを停止すべきかを判定することができる。したがって、図１５Ａ〜図１５Ｄに示されたモーター１５０２およびコントローラ１５０８の一体化は、これらの両方のための共通の熱センサを有することを可能にし、これによって、温度管理に関連する配線の長さおよび範囲を減らす。
【０１６７】
［0195］  モーター１５０２およびコントローラ１５０８のそれぞれが、それ自体の熱センサを有する場合には、センサの個数を２倍にせよ、配線がロボットに追加されるはずである。１７個の関節を有する四足ロボットに関して、配線の量および範囲は、大幅に増加し、したがって、全体としてのロボットの信頼性を下げる。一体化は、構成要素個数および配線複雑さの減少につながり、これがロボットの全体的な信頼性を有する  強化する可能性がある。
【０１６８】
［0196］  例では、図１５Ｃに示されているように、スタンドオフ１５５１Ａなどの論理段スタンドオフが、論理段ＰＣＢ  １５１２と電力段ＰＣＢ  １５１０との間の一貫した距離を実現するのに使用され得る。これらのスタンドオフは、両方のＰＣＢの構成要素がお互いに接触しないことを保証することができる。
【０１６９】
［0197］  さらに、スタンドオフ１５５１Ｂなどの電力段スタンドオフが、ＦＥＴ  １５４０とリブ１５４６との間の一貫したギャップまたは距離を実現するのに使用され得る。ＦＥＴ  １５４０は、「通電状態」である場合があり、したがって、他の構成要素に伝導された場合にその構成要素に損傷を与える可能性がある高電圧を有する場合がある。電力段スタンドオフは、ＦＥＴ  １５４０が任意の他の構成要素に接触するのを阻む。さらに、ＦＥＴ  １５４０とリブ１５４６との間の一貫した距離の実現は、その間に配置される熱界面材料１５４４の量および厚さの推定を容易にする。
【０１７０】
［0198］  例では、モーター１５０２は、電気的に１２０°離れて位置決めされた３つの巻線または相を有する３相モーターとすることができる。モーター１５０２の固定子は、１２スロットの巻線を含むことができ、したがって、そこから出る１２本のワイヤを有することができる。これらの１２本のワイヤは、デルタ構成、スター構成、並列構成、または直列構成など、複数の構成に配置され得る。構成は、モーター１５０２の性能およびトルク出力に影響する可能性がある。
【０１７１】
［0199］  １２本のワイヤが固定子から出るが、ワイヤをスター構成、並列構成、または直列構成に構成した後に、ワイヤの数は、コントローラ１５０８で受け取られる３本または６本に減らされる。固定子から出る１２本のワイヤとコントローラ１５０８との間のインターフェースを容易にするために、位相板１５５２が、その間に配置され得る。位相板１５５２は、モーター１５０２の固定子とコントローラ１５０８との間の中間基板または移行基板として動作する。
【０１７２】
［0200］  図１５Ｅは、例の実施態様による、モーター１５０２の固定子１５５４から発する１２本のワイヤを示し、図１５Ｆは、固定子１５５４とインターフェースするように構成された位相板１５５２を示す。固定子１５５４は、ワイヤ１５５５Ａおよび１５５５Ｂなど、１２本の個々の巻線ワイヤを示す。位相板１５５２は、固定子１５５４から１２本のワイヤを受け取るように構成され、スター、デルタ、並列、または直列の所望の構成への最終的な接続を行う導電線をその中に含む。次に、位相板１５５２は、コントローラ１５０８へのすなわち電力段ＰＣＢ  １５１０への、ピン１５５６Ａおよび１５５６Ｂなど、３本または６本のピンを示す。この構成を用いると、位相板１５５２は、固定子１５５４から出るワイヤを、電力段ＰＣＢ  １５１０のコネクタで受けられる頑健なピンに移行させる。この構成は、配線の複雑さを下げ、信頼性を高め、アセンブリ１５００を修復する能力を強化する。
【０１７３】
［0201］  例では、位相板１５５２は、固定子１５５４に結合され（たとえば、任意のタイプの接着剤を介して接着され）得る。配線構成を変更する（たとえば、スターからデルタに）ために、位相板１５５２が、取り外され得、所望の配線構成を実現する異なる位相板が、固定子１５５４に対する変更なしで固定子１５５４に結合され得る。この形で、最小限の変更が、固定子１５５４に対して実行され、固定子１５５４に損傷を与える危険性が、減らされる。
【０１７４】
［0202］  同様に、無変更または最小限の変更が、コントローラ１５０８に対して実行される。交換位相板は、コントローラ１５０８への同一本数のピンを提供するはずである。この形で、高価である可能性があるコントローラ１５０８に損傷を与える危険性が、減らされる。
【０１７５】
［0203］  図１５Ｇは、例の実施態様による、アセンブリ１５００の組立分解図を示す。図１５Ｇの組立分解図は、アセンブリ１５００の様々な構成要素の関係および組立の順序をさらに示す。一例では、図１５Ｇに示されているように、電気絶縁シート１５５８が、位相板１５５２とハウジング１５０４との間の電気絶縁を保証するために、その間に配置され得る。
【０１７６】
［0204］  したがって、一体化  モーター１５０２およびコントローラ１５０８ならびに構成要素の共有は、アセンブリ１５００のサイズおよび複雑さの低減を可能にする。さらに、ワイヤ損傷の尤度が下げられ、アセンブリ１５００の信頼性が高められる。信頼性の向上は、ロボットがアセンブリ１５００に類似する多数のアセンブリを含む可能性があることを考慮すると、全体としてのロボットに関して拡大される。
【０１７７】
ＩＩＩ．結論
［0205］  本明細書で説明された配置は、例のみのためのものである。したがって、当業者は、他の配置および他の要素（たとえば、機械、インターフェース、動作、順序、および動作のグループ化など）が、その代わりに使用され得、一部の要素が、所望の結果に従って完全に省略され得ることを了解する。さらに、説明された要素の多数が、別個の構成要素または分散された構成要素としてまたは他の構成要素に関連して、任意の適切な組合せおよび位置で実施され得る機能的実体である。
【０１７８】
［0206］  様々な態様および実施態様が本明細書で開示されたが、他の態様および実施態様が、当業者に明白になろう。本明細書で開示された様々な態様および実施態様は、例示のためのものであって限定的であることは意図されておらず、真の範囲は、以下の特許請求の範囲が権利を与えられる同等物の全範囲と一緒に、そのような特許請求の範囲によって示される。また、本明細書で使用される用語法は、特定の実施態様を説明するためのみのものであって、限定的であることは意図されていない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１５Ｇ】
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