(57)【要約】  ロボットアーム及びロボットアームを制御する方法。ある例では、ハンドコントロールはロボットアーム上に位置し、例えば同調して回転し得る、アクチュエータの並進及び／又は回転制御を提供する。別の例では、ロボットアーム上のハンドコントロールはまた、エンドエフェクタに設けられ、例えば、アクチュエータを同調して共に回転させる、又は逆方向に回転させることによってロボットアーム内のアクチュエータを制御してよい。更なる例では、アクチュエータ間のロボットアーム上に位置するハンドコントロールは、異なる制御戦略で上流アクチュエータ及び下流アクチュエータを制御する。マスタースレーブの例では、マスターロボット内のアクチュエータはスレーブロボット内のアクチュエータを制御し、これらのアクチュエータはある角度で設けられてよく、電源が投入されていないときには、通常操作の位置を保持するように構成されてよい。ロボットアームのアクチュエータ内のステータとロータとの間に十分な摩擦を提供することによって、逆駆動不能性も提供される。Ｓｃａｒａロボットでは、基部の固定部分は床に固定され、その一方、可動端は軸受要素によって支持される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドエフェクタと基部との間のロボットアームに取り付けられたハンドコントロールを介してロボットアームを操作する方法であって、
コントローラにおいてハンドコントロールから並進制御信号を受信することと、
前記並進制御信号に応答して、前記ロボットアーム上の第１のアクチュエータセットの各アクチュエータを、前記ハンドコントロールの操作に比例する速度、又は反比例する速度で同調して駆動することと、
前記コントローラにおいてハンドコントロールから回転制御信号を受信することと、
前記回転制御信号に応答して、前記ロボットアーム上の角度制御アクチュエータを駆動して、前記ハンドコントロールの前記回転に比例する角度を回転させることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータセットは、前記ハンドコントロールと前記基部との間にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記角度制御アクチュエータは、前記ハンドコントロールと前記エフェクタ端との間にある、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ハンドコントロールの回転に対応する更なる回転信号に応答して、前記ハンドコントロールと前記エンドエフェクタとの間に取り付けられた、前記第１のアクチュエータセットに含まれない更なるアクチュエータに、前記更なる回転信号に比例する角度を駆動させることを更に含む、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記ロボットアームはエンドエフェクタを備え、前記ハンドコントロールと前記基部との間の前記ロボットアーム上に位置するアクチュエータの回転と同調して、前記角度制御アクチュエータを用いて前記エンドエフェクタを回転させることを更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のアクチュエータセットは、垂直軸を伴って方向付けられた回転アクチュエータを有するＳｃａｒａアームと、前記ハンドコントロールの並進動作に反応して逆方向に回転して、前記Ｓｃａｒａアーム上のアクチュエータに前記Ｓｃａｒａアーム上の基準点から離れる方向に並進させる、前記Ｓｃａｒａアームの１個おきのアクチュエータと、を備える、請求項１〜５に記載の方法。
【請求項７】
時計回りに回転する前記第１のアクチュエータセットのアクチュエータは、電源導体によって直列又は並列に接続され、反時計回りに回転する前記第１のアクチュエータセットのアクチュエータは、電力導体によって直列又は並列に接続される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のアクチュエータセットは、前記基部に第１のＳｃａｒａアクチュエータと、前記基部から離れたＳｃａｒａ端部アクチュエータと、を備えるＳｃａｒａアームを形成し、制御信号を提供して、前記Ｓｃａｒａ端部アクチュエータの垂直上方に取り付けられる肩アクチュエータを回転させることを更に含み、前記肩アクチュエータは、前記Ｓｃａｒａアームの軸に垂直な面内で軸を中心として回転する、請求項１〜７に記載の方法。
【請求項９】
前記（垂直軸）肩アクチュエータを回転させる前記制御信号は、前記前腕受けレバーの回転に応答し、前記制御信号に応答して、前記肩アクチュエータに前記ハンドコントロールの前記回転に比例する角度を駆動させることを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記Ｓｃａｒａ端部アクチュエータは、前記第１のアクチュエータセットの一員であり、前記第１のアクチュエータセットを駆動することにより、前記Ｓｃａｒａ端部アクチュエータを前記第１のＳｃａｒａアクチュエータから離れる方向にほぼ並進させる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記肩アクチュエータは前記第１のアクチュエータセットの一員である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
１個以上のアクチュエータで形成される肘関節を更に備え、前記肘関節は、前記ハンドコントロールのｚ軸並進に応答して駆動される、請求項１〜１１に記載の方法。
【請求項１３】
略水平軸を中心とした前記肘関節の回転が、前記ハンドコントロールの垂直変位に応答して駆動される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記肘関節は、互いに角度をなすアクチュエータで形成されて、ウェッジを形成する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のアクチュエータセット内の前記アクチュエータは回転アクチュエータを含み、前記ハンドコントロールの操作は、前記ハンドコントロールの並進又は前記ハンドコントロールへの力の印加を含む、請求項１〜８に記載の方法。
【請求項１６】
前記ロボットアームは肩関節と、手首関節と、を備え、前記ハンドコントローラの角変位が前記手首関節の角変位をもたらす、かつ／又は前記手首関節は、前記ハンドコントロールの下流である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ロボットアームは肩関節を備え、前記肩関節は１個以上の肩アクチュエータを備え、垂直並進又は前記ハンドコントロールへの垂直力の印加を感知して、肩制御信号を生成することと、前記肩制御信号に応答して、前記肩アクチュエータを駆動して同調して回転させて、前記エンドエフェクタを持ち上げさせることと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ロボットアームは肘関節を備え、前記肘関節は１個以上の肘アクチュエータを備え、垂直並進又は前記ハンドコントロールへの垂直力の印加を感知して、肘制御信号を生成することと、前記肘制御信号に応答して、前記肘アクチュエータを駆動して同調して回転させて、前記エンドエフェクタを持ち上げさせることと、を更に含む、請求項１又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
エフェクタ端と、基部と、を有するロボットアームの操作方法であって、
前記エフェクタ端におけるハンドコントロールの動作を感知して、制御信号を生成することと、
前記制御信号に応答して、制御システムが、前記ロボットアーム内の選択されたアクチュエータに作動信号を送信して、等回転速度又は逆回転速度で前記選択されたアクチュエータを同調して回転させることと、を含む方法。
【請求項２０】
前記選択されたアクチュエータは、平行軸を有し、前記平行軸に対して半径方向に延在するリンクによって接続される、少なくとも第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータ、及び第３のアクチュエータを含み、前記第２のアクチュエータは、前記第１のアクチュエータ及び前記第３のアクチュエータに対して逆方向に回転し、感知動作が、前記ハンドコントロールの変位を感知することを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記選択されたアクチュエータの各アクチュエータはステッピングモータを含み、前記作動信号は、前記選択されたアクチュエータに対する命令に対応し、予め選択された期間内に予め選択された数のステップを回転させる、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ロボットアームは、前記平行軸に平行な軸を有する第４のアクチュエータを含み、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータの互いに対する前記回転の比例性が、前記第４のアクチュエータを並進させるように選択される、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ロボットアーム内の部材が、前記第４のアクチュエータの前記軸に平行に延在する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ハンドコントロールの回転を感知することに応答して、前記エンドエフェクタを前記エフェクタ端で回転させることを更に含む、請求項１〜５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ロボットアーム上に手首関節を更に備え、前記手首関節はウェッジを備え、前記ｘ軸の周りでの前記ハンドコントロールの回転が感知され、前記手首関節内の１個おきのウェッジを駆動して逆回転させるために使用される、請求項１又は１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記ロボットアーム上にエンドエフェクタを更に備え、前記手首関節は前記ハンドコントロールと前記エンドエフェクタとの間にある、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ｘ軸の周囲での前記ハンドコントロールの回転は、前記エンドエフェクタによって運搬される荷物を前記ｘ軸の周りで回転させる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
垂直ｚ軸を中心とした前記ハンドコントロールの回転が感知され、垂直軸又は略垂直軸を用いてアクチュエータを駆動するために使用される、請求項１又は１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記アクチュエータの駆動により、前記ｚ軸を中心として手首関節を回転させる、請求項１又は１９に記載の方法。
【請求項３０】
ｙ軸を中心とした前記ハンドコントロールの回転が感知され、手首関節内のアクチュエータを駆動するために使用される、請求項１又は１９に記載の方法。
【請求項３１】
前記アクチュエータの一部又は全てがウェッジ関節によって分離される、請求項１〜６に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１のアクチュエータは１回転当たり第１の数のステップを有し、前記第２のアクチュエータは１回転当たり第２の数のステップを有し、前記第１の数は前記第２の数とは異なる、請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
ロボットアームであって、
エンドエフェクタと、
関節によって前記エンドエフェクタに接続されている基部と、
前記関節を接続する部材であって、各関節はアクチュエータによって形成される、部材と、
前記エンドエフェクタにおけるハンドコントロールと、
前記ハンドコントロールの動作に応答して前記アクチュエータのうちの選択されたアクチュエータに信号を送信し、前記アクチュエータを回転させる、コントローラと、を備える、ロボットアーム。
【請求項３４】
ロボットアームであって、
エンドエフェクタと基部との間に延在するリンクであって、アクチュエータが前記リンクを接続する、リンクと、
前記リンクのうちの１つの上にあるハンドコントロールと、
前記ハンドコントロールに応答するコントローラであって、前記コントローラは、第１の操作モードで前記基部と前記ハンドコントロールとの間のアクチュエータを回転させ、第２の操作モードで前記ハンドコントロールと前記エンドエフェクタとの間のアクチュエータを回転させるように構成されている、コントローラと、を備える、ロボットアーム。
【請求項３５】
前記第１の操作モードは、変位又は前記ハンドコントロールに印加される力に比例する速度での回転である、請求項３４に記載のロボットアーム。
【請求項３６】
前記第２の操作モードは、前記ハンドコントロールの回転角に比例する角度の回転である、請求項３４又は３５に記載のロボットアーム。
【請求項３７】
ロボットアームであって、
制御システムと、
少なくとも１つのリンクによって分離された、少なくとも第１の関節及び第２の関節と、を備え、各関節は、ウェッジのスタックで形成され、各ウェッジはウェッジ端部の間に延在し、ウェッジの各端部上の対応のアクチュエータのステータ又はロータによって境界され、各アクチュエータは回転軸を有し、各ウェッジの前記端部にあるアクチュエータの軸は、同一平面内にあり、前記ウェッジのウェッジ角を画定する角度を互いになし、
前記制御システムは、各ウェッジの動作を制御するように構成されている、ロボットアーム。
【請求項３８】
ウェッジのスタックで形成され、前記第１の関節と前記第２の関節との間にある第３の関節を更に備える、請求項３７に記載のロボットアーム。
【請求項３９】
ウェッジの各スタックは、第１のウェッジと、最後のウェッジと、前記第１のウェッジと前記最後のウェッジとの間の少なくとも１つのウェッジと、を備え、前記第１のウェッジと前記最後のウェッジとの間の各ウェッジは等しいウェッジ角を有し、前記第１のウェッジ及び前記最後のウェッジはそれぞれ、前記第１のウェッジと前記最後のウェッジとの間の前記少なくとも１つのウェッジの前記ウェッジ角の半分であるウェッジ角を有する、請求項３７又は３８に記載のロボットアーム。
【請求項４０】
前記第１のウェッジと前記最後のウェッジとの間の前記少なくとも１つのウェッジの前記ウェッジ角は、１０°未満である、請求項３９に記載のロボットアーム。
【請求項４１】
ウェッジの各スタックは４個以上のウェッジを備える、請求項３７〜４０に記載のロボットアーム。
【請求項４２】
ウェッジの各スタックのうちの少なくとも１つのスタックは、１０個以上のウェッジを備える、請求項４１に記載のロボットアーム。
【請求項４３】
前記制御システムは、各関節を別個に制御するように構成されている、請求項４３に記載のロボットアーム。
【請求項４４】
前記制御システムは、各関節の各ウェッジを同調して制御するように構成されている、請求項３７〜４３に記載のロボットアーム。
【請求項４５】
前記第１の関節は基部に接続され、肩関節を形成する、請求項３７〜４４に記載のロボットアーム。
【請求項４６】
前記ロボットアームは、前記ロボットアーム上にハンドコントロールを備える、請求項３７〜４５に記載のロボットアーム。
【請求項４７】
ロボットがエフェクタ端を有し、前記ハンドコントロールは前記エフェクタ端にある、請求項４６に記載のロボットアーム。
【請求項４８】
前記第２の関節は手首関節を備え、前記ハンドコントロールは、前記手首関節に接続されているリンク上にある、請求項４７に記載のロボットアーム。
【請求項４９】
前記第２の関節はエンドエフェクタに接続され、第１の手首関節を備える、請求項３７〜４５に記載のロボットアーム。
【請求項５０】
前記ロボットアーム内の前記第１の手首関節と前記第１の関節との間に第２の手首関節を更に備える、請求項４９に記載のロボットアーム。
【請求項５１】
前記ハンドコントロールは、リンク上の前記第１の手首関節と前記第２の手首関節との間に位置する、請求項４９又は５０に記載のロボットアーム。
【請求項５２】
前記第１の手首関節と前記第２の手首関節との間の前記リンクは、前記第１の手首関節及び前記第２の手首関節とは別個に操作されるアクチュエータを備える、請求項５１に記載のロボットアーム。
【請求項５３】
前記第１の関節は、Ｓｃａｒａに接続されている、請求項３７〜５３に記載のロボットアーム。
【請求項５４】
前記第１の関節と前記Ｓｃａｒａとの間に垂直軸アクチュエータを更に備える、請求項５３に記載のロボットアーム。
【請求項５５】
前記少なくとも１つのリンクは直線リンクを含む、請求項３７〜５４に記載のロボットアーム。
【請求項５６】
前記少なくとも１つのリンクは前記直線リンクからなる、請求項５５に記載のロボットアーム。
【請求項５７】
前記少なくとも１つのリンクはインラインリンクを含む、請求項５５又は５６に記載のロボットアーム。
【請求項５８】
前記第１の関節は第１の手首関節を備え、前記第２の関節は第２の手首関節を備え、前記第２の手首関節はエンドエフェクタの動作を制御するために接続されている、請求項３７〜４４に記載のロボットアーム。
【請求項５９】
前記ロボットアーム上の前記第１の関節と前記第２の関節との間にハンドコントロールが設けられる、請求項５８に記載のロボットアーム。
【請求項６０】
前記第１の手首関節と前記第２の手首関節との間にアクチュエータを更に備え、前記アクチュエータは、前記第１の手首関節及び前記第２の手首関節から独立して操作可能である、請求項５９に記載のロボットアーム。
【請求項６１】
前記ロボットアーム上に手動で操作されるウェッジを更に備える、請求項３７〜６０に記載のロボットアーム。
【請求項６２】
前記アクチュエータのうちの少なくとも１つのアクチュエータは垂直位置に維持される、請求項３７〜６１に記載のロボットアーム。
【請求項６３】
ロボットシステムであって、
マスターロボットアーム及びスレーブロボットアームであって、
前記マスターロボットアームは、少なくとも第１の平面内で回転する第１のアクチュエータ、第２の平面内で回転する第２のアクチュエータ、及び第３の平面内で回転する第３のアクチュエータを含み、前記第１の平面は、前記第２の平面から０〜９０度の第１の角度Ａ１にあり、前記第２の平面は、前記第３の平面から０〜９０度の第２の角度Ａ２にあり、
前記スレーブロボットアームは、少なくとも第４の平面内で回転する第４のアクチュエータ、第５の平面内で回転する第５のアクチュエータ、及び第６の平面内で回転する第６のアクチュエータを含み、前記第４の平面は、前記第５の平面から０〜９０度の第３の角度Ａ３にあり、前記第５の平面は、前記第６の平面から０〜９０度の第４の角度Ａ４にあり、
前記第４のアクチュエータ、前記第５のアクチュエータ、及び前記第６のアクチュエータのそれぞれは、対応するステータ及びロータの対で構成され、各ステータ及びロータの対には、前記ステータと前記ロータとの間に十分な摩擦が備わっており、前記ステータ及び前記ロータは、エネルギー印加されることなく、通常の操作負荷下で互いに対して動かない、マスターロボットアーム及びスレーブロボットアームと、
前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータのうちの１つの位置決めに応答して、少なくとも前記第４のアクチュエータ、前記第５のアクチュエータ、及び前記第６のアクチュエータの位置を制御する、ロボットコントローラと、を備える、ロボットシステム。
【請求項６４】
前記ロボットコントローラは、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータのうちの１つの駆動に応答して、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータのうちの他方を駆動する、請求項６３に記載のロボットシステム。
【請求項６５】
Ａ３＝Ｒ１×Ａ１であり、Ｒ１は０〜１の比率である、請求項６３又は６４に記載のロボットシステム。
【請求項６６】
Ａ４＝Ｒ２×Ａ２であり、Ｒ２は０〜１の比率である、請求項６３、６４、又は６５に記載のロボットシステム。
【請求項６７】
ある自然数Ｎ１についてＲ１＝１／Ｎ１である、請求項６５又は６６に記載のロボットシステム。
【請求項６８】
ある自然数Ｎ２についてＲ２＝１／Ｎ２である、請求項６５、６６、又は６７に記載のロボットシステム。
【請求項６９】
Ａ１＝Ａ２、Ａ３＝Ａ４、かつＮ１＝Ｎ２である、請求項６８に記載のロボットシステム。
【請求項７０】
前記スレーブロボットアーム上のウェッジは、前記マスターロボットアーム上のウェッジよりも大きいウェッジ角を有する、請求項６３に記載のロボットシステム。
【請求項７１】
前記スレーブロボットアームは、前記マスターロボットアームよりも各関節により多数のウェッジを有する、請求項６３に記載のロボットシステム。
【請求項７２】
前記スレーブロボットアームのウェッジは、前記マスターロボットアームの前記ウェッジに対して等しい角度量を回転させる、請求項６３、７０、又は７１に記載のロボットシステム。
【請求項７３】
エンドエフェクタ上にロードセルを更に備えて、前記エンドエフェクタ上の荷物の接触圧を感知し、前記ロボットコントローラは、前記感知された接触圧に応答して前記マスターロボットアームの動作に抵抗するトルクを前記マスターロボットアームに印加するように構成されている、請求項６３〜７２に記載のロボットシステム。
【請求項７４】
前記トルクは、前記感知された圧力に比例する、請求項７３に記載のロボットシステム。
【請求項７５】
前記マスターロボットアーム内のアクチュエータは、前記スレーブロボットアーム内のアクチュエータよりも低い、前記アクチュエータの回転に抵抗する摩擦を有し、前記マスターロボットアームの前記アクチュエータは逆駆動可能である、請求項６３〜７４に記載のロボットシステム。
【請求項７６】
各アクチュエータは中空の軸方向磁束型アクチュエータを備える、請求項７３〜７５に記載のロボットシステム。
【請求項７７】
前記ロボットコントローラは前記第２のアクチュエータの位置決めに応答する、請求項６３〜７６に記載のロボットシステム。
【請求項７８】
前記ロボットコントローラからの駆動信号は、前記第４のアクチュエータ、前記第５のアクチュエータ、及び第６のアクチュエータに順次提供される、請求項６３〜７７に記載のロボットシステム。
【請求項７９】
前記ロボットコントローラは、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータのうちの他方を駆動し、その結果、前記第１のアクチュエータ及び前記第３のアクチュエータは第１の方向に回転し、前記第２のアクチュエータは前記第１の方向と逆方向に回転するように構成されている、請求項６３〜７８に記載のロボットシステム。
【請求項８０】
前記ロボットコントローラは、前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、及び前記第３のアクチュエータのうちの他方を駆動し、その結果、前記第１のアクチュエータ及び前記第３のアクチュエータは第１の方向に第１の量だけ回転し、前記第２のアクチュエータは前記第１の方向と逆方向に第２の量だけ回転するように構成されており、前記第１の量は前記第２の量の半分である、請求項７９に記載のロボットシステム。
【請求項８１】
前記ロボットコントローラは、前記第４のアクチュエータ、前記第５のアクチュエータ、及び前記第６のアクチュエータを駆動し、その結果、前記第４のアクチュエータ及び前記第６のアクチュエータは第１の方向に回転し、前記第５のアクチュエータは前記第１の方向と逆方向に回転するように構成されている、請求項６３〜８０に記載のロボットシステム。
【請求項８２】
前記ロボットコントローラは、前記第４のアクチュエータ、前記第５のアクチュエータ、及び前記第６のアクチュエータを駆動し、その結果、前記第４のアクチュエータ及び前記第６のアクチュエータは第１の方向に第３の量だけ回転し、前記第５のアクチュエータは前記第１の方向と逆方向に第４の量だけ回転するように構成されており、前記第３の量は前記第４の量の半分である、請求項８１に記載のロボットシステム。
【請求項８３】
前記ロボットコントローラに、肩関節において垂直軸アクチュエータを駆動させるように操作可能な前腕受け部材を更に備える、請求項１〜３２に記載の方法又は請求項３３若しくは３４に記載のロボットアーム。
【請求項８４】
前記前腕受け部材の回転は、Ｓｃａｒａアームのベースアクチュエータの対応する回転及び前記Ｓｃａｒａアームの伸展を生じさせる、請求項８３に記載の方法又はロボットアーム。
【請求項８５】
前記対応する回転はルックアップテーブルから決定される、請求項８４に記載の方法又はロボットアーム。
【請求項８６】
前記ハンドコントロールは前記前腕受け部材と共に回転するが、並進位置を維持する、請求項８５に記載の方法又はロボットアーム。
【請求項８７】
アクチュエータによってそれぞれ分離されるロボットアーム内のウェッジセットを操作することを含み、各ウェッジは、隣接するウェッジに対して逆方向に動く、方法。
【請求項８８】
各ウェッジが隣接するウェッジ部に対して回転し、前記アクチュエータは回転アクチュエータである、請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
第１の動作段階及び第２の動作段階において前記ロボットアームを操作することを更に含み、前記第１の動作段階よりも前記第２の動作段階中に、より少ないウェッジが作動している、請求項８７又は８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記第２の動作段階中に、前記ウェッジセットのうちの１つのウェッジ対のみが作動している、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
Ｓｃａｒａアームとして構成されているロボットアームであって、
物体の平面に固定されるように適合されている基部を有するベースアクチュエータと、
前記基部から離れる方向に延在する第１のリンクであって、前記第１のリンクは、前記第１のリンクに垂直な第１の軸を有するアクチュエータによって前記基部に接続されており、
前記第１のリンクは、前記第１の軸に平行な第２の軸を有する第２のアクチュエータを含む、第１のリンクと、
前記第２のアクチュエータによって、又は１つ以上の介在リンク及び対応する介在アクチュエータを介して前記第１のリンクに接続される端部リンクであって、前記対応するアクチュエータのそれぞれは、存在する場合、前記第１の軸に平行な軸を有する、端部リンクと、を備え、
前記第１のリンク、前記端部リンク、又は前記介在リンクのうちの１つ以上は、操作中に前記平面に沿って動く軸受要素を含む、ロボットアーム。
【請求項９２】
少なくとも１つの介在リンクが存在し、前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に第２のリンクを含む、請求項９１に記載のロボットアーム。
【請求項９３】
前記軸が軸方向を画定し、前記第１のリンク、前記第２のリンク、及び前記端部リンクは、前記軸方向に積層され、前記第１のリンクは前記軸受要素を含む、請求項９２に記載のロボットアーム。
【請求項９４】
前記端部リンクは前記軸受要素を含む、請求項９２に記載のロボットアーム。
【請求項９５】
前記第１のリンクは第２の軸受要素を含む、請求項９４に記載のロボットアーム。
【請求項９６】
前記ロボットアーム内の前記アクチュエータを１個おきに逆方向に回転させ、前記端部リンクを並進させるように構成されているコントローラを更に備える、請求項９１〜９５に記載のロボットアーム。
【請求項９７】
操作荷重を用いてロボットを操作する方法であって、前記ロボットは、内部にアクチュエータを備えるロボットアームを有し、各アクチュエータはロータと、ステータと、を含み、前記方法は、各ステータ及びロータの対が、前記ステータと前記ロータとの間に十分な摩擦を提供されて、前記ステータ及び前記ロータは、エネルギー印加されることなく、前記操作荷重下で互いに対して動かない、方法。
【請求項９８】
前記ロボットアームは、前記特許請求されるロボットアームのうちのいずれかを備える、請求項９７に記載の方法。
【請求項９９】
各ステータ及びロータの対は十分な摩擦が提供されて、その結果、前記ステータ及び前記ロータは、エネルギー印加されることなく、前記操作荷重下で互いに対して動かない、請求項９７又は９８に記載の方法。
【請求項１００】
前記摩擦は、少なくとも前記ステータ及び前記ロータの対の軸受構造内で提供される、請求項９９に記載の方法。
【請求項１０１】
前記摩擦は、摺動軸受表面によって提供される、請求項１００に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ロボットアーム。
【背景技術】
【０００２】
互いに対してある角度をなし、回転軸を有するアクチュエータによって接続される複数のリンクを有するロボットアームは、米国特許第７８３６７８８号（Ｋａｍｏｎ）及び同第９１２６３３２号（Ｌ’Ｅｃｕｙｅｒ）から既知である。
【発明の概要】
【０００３】
新型のロボットアーム及びロボットアームを制御する方法が開示されている。ある例では、ハンドコントロールはロボットアーム上に位置し、例えば同調して回転し得る、アクチュエータの並進及び／又は回転制御を提供する。別の例では、ロボットアーム上のハンドコントロールはまた、エンドエフェクタに設けられ、例えば、アクチュエータを同調して共に回転させる、又は逆方向に回転させることによってロボットアーム内のアクチュエータを制御してよい。更なる例では、アクチュエータ間のロボットアーム上に位置するハンドコントロールは、異なる制御戦略で上流アクチュエータ及び下流アクチュエータを制御する。マスタースレーブの例では、マスターロボット内のアクチュエータはスレーブロボット内のアクチュエータを制御し、これらのアクチュエータはある角度で設けられてよく、電源が投入されていないときには、通常操作の位置を保持するように構成されてよい。ロボットアームのアクチュエータ内のステータとロータとの間に十分な摩擦を提供することによって、逆駆動不能性も提供される。Ｓｃａｒａロボットでは、基部の固定部分は床に固定され、その一方、可動端は軸受要素によって支持される。
【０００４】
次に例として、添付の図を参照しながら実施形態を説明するが、図中の同様の参照文字は同様の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】例示的なロボットアームを示す。
【図２】図１のロボットアームの制御図を示す。
【図３】図１のロボットアームと共に使用するための例示的なＳｃａｒａ基部を示す。
【図４Ａ】図１のロボットアームの関節を形成するアクチュエータのスタックを示す。
【図４Ｂ】図１のロボットアームの関節を形成するアクチュエータのスタックを示す。
【図５】図１のロボットアームで使用され得る例示的なアクチュエータを示す。
【図６】図１のロボットアームで使用され得る例示的なアクチュエータを示す。
【図７】図１のロボットアームで使用され得るハンドコントロール及びアームコントロールの詳細を示す。
【図８Ａ】図１のロボットアームで使用され得るＳｃａｒａ構成を示す。
【図８Ｂ】図１のロボットアームで使用され得るＳｃａｒａ構成を示す。
【図９Ａ】図１のロボットアームの変形で手動アクチュエータが使用され得る方法を示す。
【図９Ｂ】図１のロボットアームの変形で手動アクチュエータが使用され得る方法を示す。
【図１０Ａ】図１のロボットアーム用の第１の例示的なウェッジ設計を示す。
【図１０Ｂ】図１のロボットアーム用の第１の例示的なウェッジ設計を示す。
【図１１Ａ】図１のロボットアーム用の第２の例示的なウェッジ設計を示す。
【図１１Ｂ】図１のロボットアーム用の第２の例示的なウェッジ設計を示す。
【図１２】図１に示すロボットアームを使用し得る、ロボットアームのマスタースレーブ構成を示す。
【図１３】ウェッジ内のアクチュエータ間の角度を示す。
【図１４】摩擦を生成してアクチュエータの逆駆動可能性を阻止する摺動面を使用するアクチュエータを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本明細書に記載の実施形態には、「特許請求の範囲」で言及される内容から逸脱しない軽微な変更がなされてよい。「特許請求の範囲」では、用語「含む、備える（comprising）」は、その包含的意味で使用されており、他の要素の存在を除外するものではない。請求特徴の前の不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、複数の特徴の存在を除外するものではない。本明細書に記載されている個々の特徴のそれぞれは、１つ以上の実施形態で使用されてもよく、本明細書に記載されているという理由だけで、「特許請求の範囲」に定義される全ての実施形態に必須であると解釈されるべきではない。「特許請求の範囲」において、請求項ｘ〜ｙへの言及は、請求項ｘ〜ｙに記載のいずれか一項を意味するものであり、ｘ及びｙは、ｘ＜ｙの正の整数である。
【０００７】
定義
【０００８】
ロボットアームは、アクチュエータによって接続される複数のリンクを備え、エンドエフェクタ及び基部など端部間に延在する。ロボットアーム上の要素の上流とは、要素よりも基部に近いことを意味する。ロボットアーム上の要素の下流とは、要素よりもエンドエフェクタに近いことを意味する。
【０００９】
リンクは、アクチュエータ間又はアクチュエータとロボットアームの端部との間に延在するロボットアームの一部である。ロボットアームは、ロボットアームの操作を制御するものの、荷重は受けないオペレータと協働してよい。全ての荷重はロボットアームが受けてよい。ロボットアームは、エンドエフェクタに最も近い関節であり得る手首関節を含んでよい。ロボットアームは肩関節を含んでよく、この関節は、ロボットアームにおける持ち上げを可能にし、ロボットアームの基部に最も近い第１の関節であってよい。肘関節は、肩関節と手首関節との間の関節であってよい。前腕又はリンクは、手首関節と肘関節との間、又は手首関節と肩関節との間のロボットアームの一部であってよい。前腕は、手首関節に最も近いロボットアームの部分であってもよい。
【００１０】
アクチュエータは、軸方向磁束型電気機械など電気機械によって形成されてよい。アクチュエータは中空であってよい。アクチュエータは、ロボットアームの隣接するリンクと一体化される、又はこれらに直接取り付けられる、ステータ及びロータをそれぞれ有してよい。
【００１１】
ロボットアームのリンクは中空であってよく、任意の好適な形状を有してよい。リンクのうちの少なくとも１つがアクチュエータのうちの少なくとも１つによって接続される場合、アクチュエータのステータ又はロータは第１のリンクに接続されてよく、ステータ又はロータの他方は第２のリンクに接続されてよい。直線リンクは、平行軸又は共線軸を有するアクチュエータ間に延在するリンクである。インラインリンクは、同軸アクチュエータ間に延在するリンクである。
【００１２】
ロボットアームの端部は、エンドエフェクタを含んでよい。エンドエフェクタとしては、物体を把持するための３本指を有するエンドエフェクタが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１３】
ロボットアームの別の端部は、基部又は他の基準点を備える。基部は、物体の表面に固定されてよい。物体は、壁、屋根、床若しくは別の構造要素、又は車輪付き車両を含むが、これらに限定されない、固定物体又は移動物体であってもよい。
【００１４】
ロボットアームは、ハンドコントロールなどの制御装置によって人間のオペレータによって操作されてよい。ハンドコントロールは、個人の手によって操作されて、ロボットアームの動作に対応する制御信号を生成し得る装置である。ハンドコントロールは、ボール、ディスク、ハンドル、ロッド、台座、又は人間の手によって把持され得る他の形状の物体を含むが、これらに限定されない、人間の手によって把持されるように成形された物体である。ハンドコントロールは、多自由度を有してよく、ｘ−ｙ−ｚ並進及びｘ−ｙ−ｚ軸を中心とする回転を含んでよい。ｘ−ｙ−ｚ並進が存在する場合、ｘ−ｙは水平面を画定し得、ｚ軸は垂直である。ｘ軸は、オペレータに対する前進及び後退に対応してよく、ｙ軸は、オペレータに対する左右の動作に対応してよい。ハンドコントロールにおける持ち上げは、垂直軸に沿った動作に対応してよい。ｘ−ｙ−ｚ軸を中心とする回転は、ハンドコントロールの中心を通過する仮想ｘ−ｙ−ｚ軸を中心とする回転に対応してよい。ハンドコントロールは、ハンドコントロールの基部を包囲し、追加の回転信号を提供する回転要素など追加制御部を含んでよい。ハンドコントロールは、分離され、異なる手で操作されるデュアルコントロールによって提供されてよい。例えば、ハンドコントロールを形成するデュアルコントロールの一方は、並進に対応する信号を提供してよく、他方は、回転に対応する信号を提供してよい。追加機能を提供するために、ボタン及びレバーなど追加コントロールが、ハンドコントロール上に設けられてよい。ハンドコントロール及び追加コントロールは、ロボットアームに取り付けられるコンソール上に設けられてよい。ハンドコントロールは、３ＤＣｏｎｎｅｘｉｏｎ（ＢＯＳＴＯＮ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ＵＳＡ）製の３Ｄマウスを備えてよいが、他のハンドコントロールが用いられてよい。かかるハンドコントロールは、仮想オブジェクトの３Ｄ操作の技術分野において既知であるため、ハンドコントロールの詳細は本明細書に記載しない。
【００１５】
頭字語のＳＣＡＲＡ又はＳｃａｒａは、Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｒｍ又はＳｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ  Ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｒｍを意味する。ＳｃａｒａはＺ軸において剛性であり、ＸＹ軸内で柔軟性である。平行軸関節レイアウトのおかげで、Ｓｃａｒａは、Ｘ−Ｙ方向にわずかなコンプライアンスを有するが、「Ｚ」方向においては剛性であり、したがって、「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ（選択的コンプライアンス）」という用語が用いられる。
【００１６】
ロボットアームの端部は、基部又はエンドエフェクタを備えてよい。ウェッジは、対向する端部が回転アクチュエータで終端するロボットアームの一部として画定され、回転アクチュエータは、共線ではない回転軸を有する。いくつかの実施形態では、回転アクチュエータの回転軸は、同一平面内にない。いくつかの実施形態では、回転軸は同一平面内にあり、０度〜９０度オフセットされる。いくつかの実施形態では、オフセットは、１〜１０度、又は１〜５度、又は１〜２度であってよい。各ウェッジはウェッジの端部間に延在し、ウェッジの各端部上のそれぞれのアクチュエータのステータ又はロータによって境界される。各アクチュエータは回転軸を有し、各ウェッジの端部にあるアクチュエータの軸は、互いに対して角度をなして、ウェッジのウェッジ角を画定する。アクチュエータのスタックは、関節を形成してよい。各関節は、他の関節から独立して操作されてよく、又は同調して操作されてよい。
【００１７】
ロボット制御システムは、制御入力を受け入れ、制御出力を提供し得るコンピューティング装置など１個以上のコントローラと、１個以上のドライバと、を備えてよい。制御システムは、ハンドコントロールから制御信号を受信する。例えば、ハンドコントロールからの制御信号と、アクチュエータ又は単一のドライバによって駆動されるアクチュエータセットとの間に１対１の対応が存在するいくつかの実施形態では、コントローラは、ルート信号及び条件信号のみを必要とし、したがって、これらの信号はドライバによって読み取られ、制御される直列のアクチュエータに比例信号を提供してよい。直列のアクチュエータの比率は、高速応答のためにルックアップテーブルに記憶されてよい。コントローラは、メモリ、ヒューマンインターフェース、及び１つ以上のディスプレイを有する汎用プロセッサ又は特定用途プロセッサを備えてよい。
【００１８】
力変換器によってフィードバックが提供されるいくつかの実施形態では、例えば、コンパレータを用いて力が閾値を超えるかどうかを判定し、全アクチュエータに対して停止コマンドを生成するなど、いくつかのより複雑な機能が提供されてよい。安全機構が定位置にある他の実施形態では、コントローラはまた、閾値を超える動きを感知して、アクチュエータを停止又は減速させてよい。安全規制は、ロボットアームの操作を考慮に入れるべきである。例えば、ロボットエンベロープ内に人間が存在しない特定タイプのロボットのみが操作され得る管轄区では、ロボットアーム上でハンドコントロールを使用することは不可能であり、マスタースレーブ制御又は遠隔制御が必要であり、場合によってはオペレータ向けの触覚フィードバックも必要である。
【００１９】
ドライバは、対応するアクチュエータに好適な任意のドライバである。ドライバは、電気機械の技術分野において周知である。
【００２０】
図１を参照すると、ロボットアーム１０の簡略図が示される。ロボットアームは、固定基部Ｂ１を有するＳｃａｒａユニット１２と、肩関節Ｓ１によってＳｃａｒａユニット１２の可動端Ｂ３に固定されたアーム１４と、を含む。各関節Ｓ１、Ｅ１及びＷ１は、複数のウェッジ１８を備える。ウェッジ１８はロボットアームの一部をそれぞれ含み、ウェッジ１８間の線で表されるアクチュエータ４８の一部の各端部で終端する。各アクチュエータ４８は、あるウェッジ１８上の部分（ロータ又はステータ）及び隣接するウェッジ上の別の部分（ロータ又はステータ、又はロボットアームの他の部分を含む。
【００２１】
この例では、アーム１４は、肘Ｅ１、第１の手首Ｗ１を含み、位置２１にある第２の手首及びエンドエフェクタ１６も存在してよい。ハンドコントロール２０は、手首Ｗ１の上流であるが、位置２１の下流、したがって、第２の手首（ただし、存在する場合）の下流に位置してよい。アームコントロール２２はまた、ハンドコントロール２０と共に配置されてよい。ハンドコントロール２０及びアームコントロール２２は、オペレータによって同時に使用されてロボットアームを制御してよい。ハンドコントロール２０がアクチュエータ間に位置するとき、ハンドコントロール２０と基部Ｂ１との間のアクチュエータは、上流アクチュエータと称されてよく、ハンドコントロール２０とエンドエフェクタ１６との間のアクチュエータは、下流アクチュエータと称されてよい。ある例では、上流アクチュエータはハンドコントロール２０又はアームコントロール２２によって全て制御されて、上流アクチュエータの回転速度を変更してよく（速度制御）、下流アクチュエータは、ハンドコントロール又はアームコントロール操作による角度間制御によって全て制御されてよい。Ｓｃａｒａアーム１２は、１個以上のリニアアクチュエータ、又は伸縮式アームに置き換えられてよい。リニアアクチュエータが使用される場合、装置が回転式ではなく線形であることを除いて、図５又は図６に示す設計に従ってよい。
【００２２】
速度制御では、ハンドコントロール２０又はアームコントロール２２の操作の程度により、対応するアクチュエータを操作の程度に比例する速度で回転させる。角度制御では、ハンドコントロール２０又はアームコントロール２２の操作の程度により、対応するアクチュエータをハンドコントロールの操作の程度に比例する角度で動かす。ハンドコントロール２０又はアームコントロール２２の操作は、ハンドコントロール２０の変位、ハンドコントロール２２への力の印加、又はハンドコントロール２０の回転を含み得る。ハンドコントロール２０の操作と、ハンドコントロール２０によって制御されるアクチュエータの回転速度又は回転角との比例関係は、コントローラ２４上のコントロールを使用するユーザによって設定されてよい。比例動作の決定のために、コントローラ２４に記憶されたルックアップテーブルが使用され得る。
【００２３】
図２を参照すると、図１のロボットアームの制御図が示される。実際には、ハンドコントロール２０は、ロボットアーム上、例えば手首間に取り付けられてよく、ハンドコントロールに印加される動作又は力に対応する制御信号を生成してよい。例えば、ｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸に沿った並進は、並進制御信号Ｔｘ、Ｔｙ、及びＴｚを生成し得、ｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸を中心とするハンドコントロールの回転は、回転制御信号Ｒｘ、Ｒｙ、及びＲｚを生成し得る。一部の用途では、並進のみが必要とされる場合、並進信号のみが使用される。同様に、回転のみが必要とされる場合、回転信号のみが使用される。制御信号は、コントローラ２４に至る線２６によって示される、従来の通信チャネルに沿って提供される。通信チャネルは、有線、光、無線、又は任意の他の好適な通信チャネルであってよく、その全体がロボットアームの中空内部に物理的に配置されてもよい。ハンドコントロールの基部の周囲のリングなど追加のダイヤル、ボタン、レバー、又は他の制御要素が使用されて補助信号を提供してよく、この補助信号は、コントローラ２４に送信するための補助制御信号を生成するために使用されてよい。かかる追加の制御要素は、対応する追加の補助制御信号と共に存在してよい。例えば、アームコントロール２２はまた、ピボット又はジンバルによってロボットアームの手首間に固定されてよい。アームコントロール２２は、ジンバルにおいてｘ軸及びｙ軸を中心として旋回してよい。オペレータがハンドコントロール２０も保持している間、オペレータの腕はアームコントロール２２上に載置されてよい。オペレータの肘が上下する動作は、ｙ軸を中心とするアームコントロールの旋回を引き起こし得、一方では、オペレータの肘の横方向の動作は、ｘ軸を中心とするアームコントロールの旋回を引き起こし得る。例えば、エンドエフェクタ１６に制御信号を送信して開閉する装置など、更なる補助コントロールが含まれてよい。
【００２４】
コントローラ２４は信号を調節し、ドライバ１〜Ｎとラベル付けされたドライバ２８、並びに、例えば、制御信号とドライバとの間に１対１対応で存在し得る任意の他のドライバに信号をルーティングする。場合によっては、制御信号とドライバとの間には多対１対応が存在し得るが、コントローラは、多くの制御信号を積分（減算又は加算）して、それぞれのドライバに対して単一の制御信号を生成する。
【００２５】
コントローラ２４への入力は、オペレータが把持する多軸入力装置であってよい。以下では、入力装置が６個の軸、３種類の並進（ｘ、ｙ、ｚ）、及び３種類の回転（ロール、ピッチ、ヨー）を有する実施形態について説明する。この実施形態では、入力装置は、６軸ジョイスティックなどハンドコントロール２０であってよい。他の実施形態は、異なる数の軸を有してよい（例えば、３種類の平行移動＋１種類の回転）。多軸ジョイスティックなど入力装置は周知であり、市販されている。入力装置は、ロボット自体に取り付けられてよい。この実施形態における取り付け位置は、エンドエフェクタの近くであるが、手首Ｗ１の上流、つまり後方である。
【００２６】
オペレータが入力装置を偏向させると、入力装置の上流のロボット関節は、同調して作動して、ある速度でエンドエフェクタを動かす。この速度は、動作の大きさ（速度）及び方向によって特徴付けられる。アクチュエータによって生成される速度は、入力装置のゼロ位置からの偏向の大きさに比例して増加する。アクチュエータによって生成される速度の方向は、入力装置が入力装置の取り付けに対して偏向する方向に（概ね）対応する。
【００２７】
ユーザが入力装置を回転させると、入力装置の下流のロボット関節は協調して作動してエンドエフェクタを方向付けてよく、その結果、エンドエフェクタの方向は、入力装置の方向との直接的な１対１関係、つまり比例角度関係を有する。すなわち、ハンドルの１度の角度変化は、１対１モードのときにエンドエフェクタの平行軸を中心とする１度の回転をもたらす。オペレータによる選択のとおりに比例モードである場合、エンドエフェクタは、より大きく又はより小さく回転するが、ハンドルが回転を停止すると回転を停止する。
【００２８】
入力装置２０の基部は（ロボットに取り付けられているために）ロボットと共に動き、オペレータは地面に立っているため、ロボットが動くにつれて入力装置の偏向及び回転は動的に変化する。ロボットの並進は入力装置の偏向方向であるため、オペレータが入力装置を更にその方向に動かさない限り、ロボットの動きは入力装置の偏向を低減させる傾向にある。これは、オペレータが所望する任意の方向にロボットを動かし、入力装置がそのゼロ位置に戻されるとロボットを停止するフィードバックループを本質的に生成する。
【００２９】
ロボットの動作は、前段落で説明したように入力装置の偏向及び回転に関連する。その関係をもたらすために、制御システムは、入力装置信号を、アクチュエータ４８を動かす電流に変換する。
【００３０】
制御システムは、コントローラ２４を備える。コントローラ２４は、入力装置２０からの入力を有する。これらは、入力装置に応じてアナログ入力又はデジタル入力であってよい。コントローラ２４は、アクチュエータ４８の位置及び／又は速度を読み取る入力３４を有する。図示の実施形態では、これらの入力は、サーボドライバ２８からのものである。代替的な実施形態（図示せず）では、入力は、ロボット上又はアクチュエータ４８上に取り付けられた関節センサから直接到着し得る。
【００３１】
コントローラ２４は、内部回路を有する。アクチュエータ位置からの入力３４に基づいて、内部回路は、その瞬間におけるロボット関節の角度を判定する。次いで、内部回路は、入力装置の偏向及び回転並びに関節の角度に基づいて、所望のアクチュエータの位置及び速度を判定する。本明細書に記載の内部回路の実施形態は、入力装置の単純な並進入力をロボット動作に組み入れてよく、例えば、入力によって、アクチュエータの同等で逆の動作を生じさせる。この実施形態は、入力装置の偏向とほぼ同じ（ただし全く同じではない）方向でのエンドエフェクタの動作をもたらす。代替的な実施形態では、内部回路は、ロボットの逆運動学に基づいたアルゴリズムを含んでよく、この場合、エンドエフェクタの動作は、より高い精度で入力装置の偏向に追従してよい。コントローラの内部回路は周知である。例えば、米国特許第６１４０７８７号は、内部回路の一実施態様を提供する。
【００３２】
コントローラ２４は、アクチュエータ４８ごとに１つの出力３６を有する。出力は、各アクチュエータ４８の所望の位置及び速度を示す信号である。
【００３３】
サーボドライバは周知であり、多くのベンダーから市販されている（例えば、Ｅｌｍｏから市販されているＥｌｍｏ  Ｇｏｌｄサーボ製品ライン）。制御システムは、複数のサーボドライバ２８をアクチュエータ４８ごとに１つ備える：
【００３４】
各サーボドライバは、アクチュエータ４８の所望の速度及び位置を設定する、コントローラからの入力３６を有する。各サーボドライバは、実際のアクチュエータの位置を示す、アクチュエータからの入力３７を有する。
【００３５】
各サーボドライバは、実際の関節位置及び速度をコントローラ２４に伝達する出力３４を有する。概して、ロボットの動作中、関節の実際の位置及び速度は、所望の位置及び速度と同一ではない。
【００３６】
各サーボドライバ２８は、周知のＰＩＤ（位置積分及び微分）ループを使用して電流３８を生成し、アクチュエータを駆動する、サーボ制御回路を有する。代替的な実施形態では、サーボドライバ２８は、他のタイプのサーボ制御アルゴリズムを実施する論理及びソフトウェアを含んでよい。サーボドライバの設計及び実施は周知であり、多くの代替的な実施形態がこの構成要素を実施するために利用可能である。
【００３７】
代替的な実施形態（図示せず）では、コントローラ２４は、例えば、一方のコントローラはＳＣＡＲＡ用であり、他方はウェッジアクチュエータ用であるなど前述の機能のサブセットをそれぞれ提供する、いくつかのより単純なコントローラに分割される。別の実施形態（図示せず）では、ドライバ２８の機能はコントローラ自体に組み込まれ、コントローラの出力は、アクチュエータ４８を直接作動させてよい。別の実施形態（図示せず）では、アクチュエータは、ステッピングモータであってよく、この場合、アクチュエータからサーボドライバへのフィードバックがなくされてよい。代替的な制御システムのアーキテクチャ及び設計は、当該技術分野において周知であり、制御システムを実施する方法は多数存在する。
【００３８】
アクチュエータ４８が回転アクチュエータである場合、それらは全て同じ方向に回転してよい、又は１個おきのアクチュエータが逆方向に回転してよい。そのため、関節内のウェッジのスタックの第１のアクチュエータは時計回りに回転してよく、次いで、第２のアクチュエータは反時計回りに回転してよく、次いで、第３のアクチュエータは時計回りに回転することができる、などのように続く。同調して動く、４個以上のアクチュエータの任意のアレイ内の第１のウェッジ（互いにある角度をなす２つのアクチュエータ間にあるロボットアームの部分）及び最後のウェッジは、隣接するウェッジに対するそれらの回転面の角度に関して、好ましくは残りのウェッジの角度の半分であって、ロボットアーム１０が動いて面外に出ないようにする。一対のウェッジが逆回転すると、３個のアクチュエータが動いて、ロボットアーム１０の不要な回転を阻止する必要があり得る。
【００３９】
アクチュエータ４８は、速度制御又は角度制御のいずれかに関して、制御信号の大きさに比例して駆動されてよい。ドライバ１〜４は、速度制御によって、Ｓｃａｒａ１２内のアクチュエータＡ１〜Ａ４を駆動するように接続されてよい。図３に示すように、Ｓｃａｒａ１２では、アクチュエータＡ１は、任意の好適な手段を介して物体、例えば床、壁、若しくは天井など構造物、又は任意の種類の地面若しくは車両の表面に接続されるパッドなど構造物接触要素、つまり基部Ｂ１の上方に位置する。第１のリンクＬ１は、アクチュエータＡ１によって垂直軸を中心として回転される。アクチュエータＡ１への第１のリンクＬ１の反対端において、アクチュエータＡ２は、アクチュエータＡ２の垂直軸の周りを回転する第２のリンクＬ２に接続する。第１のリンクＬ１はまた、パッド、つまり基部要素Ｂ２を介して物体の表面によって支持されてよい。同様に、第２のリンクＬ２はアクチュエータＡ３によって第３のリンクＬ３に接続され、第３のリンクＬ３は、アクチュエータＡ３の垂直軸を中心として第２のリンクＬ２に対して回転する。Ｓｃａｒａアームには、２個以上のリンクＬ１などが存在してよい。この場合、３個のリンクが存在し、第３のリンクＬ３は、アクチュエータＡ４を介して肩Ｓ１に接続する。肩Ｓ１は、アクチュエータＡ４の垂直軸を中心として第３のリンクＬ３に対して回転してよい。第３のリンクＬ３はまた、基部Ｂ３によってオブジェクトの表面で支持されてよい。
【００４０】
基部Ｂ１は、物体、例えば床の表面に固定されてよい。基部Ｂ２及びＢ３は、例えば、摺動面であり得る低摩擦表面又はローラ軸受など転動要素の表面によって形成される、軸受要素を備えてよい。アクチュエータＡ１、Ａ２、Ａ３の軸などは全て平行であり、このため、軸に垂直な面内でリンクＬ１、Ｌ２、Ｌ３を動かし、軸受要素を表面に沿って動かす。アクチュエータＡ１、Ａ２、Ａ３などの動作に応じて、Ｓｃａｒａ１２の端部は、並進してよい、又は弧を描いて回転してよい。並進の場合、アクチュエータＡ１、Ａ２、Ａ３などは１個おきに逆方向に回転する。基部Ｂ２、Ｂ３は、ロボットの支持を助ける。概して、リンクＬ１はベースリンクを形成し、リンクＬ３又は一連のリンクのうちの１つは、端部リンクを形成する。ベースリンクと端部リンクとの間のリンクは、介在リンクを形成する。隣接するリンクは、平行軸を有するアクチュエータによって接続される。アクチュエータの動作により、リンクは、基部から離れる方向に延在する平面内で動される。軸受要素は、第１のリンク、端部リンク、又は介在リンクのうちの１つにあってよい。
【００４１】
ドライバ２８は、アクチュエータＡ１〜Ａ３又はアクチュエータＡ１〜Ａ４を駆動して、一方向、例えば時計回りに回転するアクチュエータＡ１及びアクチュエータＡ３、並びに逆方向、つまり反時計回りに回転するアクチュエータＡ２又はアクチュエータＡ２及びアクチュエータＡ４と同調して回転させてよい。アクチュエータＡ１〜Ａ４がステッピングモータである場合、電力コマンドは、一定時間にステッピングモータごとに設定されたステップ数のための電力を含んでよい。これにより、アクチュエータＡ１〜Ａ４は同一速度で回転する。ステッピングモータの速度が異なることが望ましく、しがって、ステッピングモータは一定期間に異なる量を回転する場合、各アクチュエータは、異なるサイズであってよい、又は異なる数のステップを有してよく、特定の数ステップを回転させる所与のコマンドは、異なる回転角をもたらす。アクチュエータＡ１〜Ａ４は、ハンドコントロールがコントローラ２４を介してドライバ２８に制御信号を提供する限り、回転する。電動アクチュエータでは、ハンドコントロール２０の位置によって設定された速度にアクチュエータが到達する時間は、オペレータがハンドコントロール２０を動かすために要する時間に関連して、通常は短いため、速度応答は、原則的に瞬時である。オペレータは加速度に気付かない場合がある。
【００４２】
ハンドコントロール２０は、ハンドコントロールを中立（制御信号を発信しない）に戻すバネ（図示せず、ただし３Ｄコントローラでは一般的）を備えてよい。ハンドコントロール２０が中立に戻ると、全アクチュエータが停止する。ハンドコントロール２０のある例は、並進軸を含む全ての軸上にバネを有する垂直管の中心にあるボールに対して回転し、並進する、垂直管で形成されてよい。
【００４３】
ハンドコントロール２０が並進する、又はｙ方向に力が与えられると、ドライバ２８は、アクチュエータＡ１〜Ａ４が時計回り又は反時計回りのいずれかで更に回転するように、異なる速度制御電力コマンドセットをアクチュエータＡ１〜Ａ４に提供してよく、それにより、Ｓｃａｒａ１２の端部にあるアクチュエータＡ４は、Ｓｃａｒａ１２に沿って外方にＳｃａｒａ１２の基部Ｂ１から外向きの視点に対して左右に動く傾向がある。肩Ｓ１、肘Ｅ１、及び手首Ｗ１又は手首Ｗ２ごとに、任意の数のアクチュエータ、例えば４〜１０個が存在してよいが、それ以上であってもよい。
【００４４】
ハンドコントロール２０が並進する、又は力がｚ方向（垂直）に印加されると、ハンドコントロールはコントローラ２４を介してドライバ２８に対するｚ並進制御信号を生成し、ドライバ２８は、駆動信号を肩関節Ｓ１又は肘関節Ｅ１（ただし、存在する場合）、及び手首関節Ｗ１に送信する。肩関節Ｓ１又は肘関節Ｅ１（ただし、存在する場合）、及び手首関節Ｗ１のそれぞれは、アクチュエータのうちの１つ又はアクチュエータセットのうちの１つを有し、その効果は、水平軸を中心とした回転を生じさせ、したがって、ｚ面内のロボットアームＡのエンドエフェクタ端１６を昇降させることである。肩関節Ｓ１又は肘関節Ｅ１は、水平軸を有する単一のアクチュエータを備えてよく、又は複数のアクチュエータで形成されてよい。
【００４５】
肩関節Ｓ１が複数のアクチュエータを備える場合、アクチュエータは互いに角度をなしてよい。この角度は、例えば、０以外、かつ４５°未満であってよい。したがって、関節Ｓ！内のアクチュエータ４８間の各リンクは、短辺及び長辺を有するウェッジ関節となる。全ての短辺が同じ側になるようにアクチュエータが回転すると、ロボットアーム１０は短辺方向に凹状に湾曲する。逆方向に回転する１個おきのアクチュエータ４８と同調して、全てのアクチュエータ４８を最大１８０°回転させることにより、肩関節Ｓ１は、全てのアクチュエータ４８が９０°回転し、関節が垂直である点を通って、アクチュエータ４８が全て最大１８０°回転した点まで進む。この回転の効果は、ｚ方向におけるハンドコントロールの動作の程度又は印加された力に応じて、肩関節Ｓ１内の第１のアクチュエータ（つまりＳｃａｒａ１２内のアクチュエータＡ４）に対するロボットアーム１０のエフェクタ端１６を昇降させることである。同調して動く、４個以上のアクチュエータの任意のアレイ内の第１ウェッジ及び最後のウェッジは、残りのウェッジの角度の半分であって、アームが動いて面外に出ないようにしてよい。
【００４６】
例えば、図４Ａ及び図４Ｂには、基部プレート４０を有し、この例では１０個のウェッジ４２で形成されている、ロボットアームの一部（ウェッジボット）が示される。ロボットアームを面内に維持するために、下ウェッジ４４及び上ウェッジ４６は、他のウェッジの角度の半分である必要がある。示す例では、１０個のウェッジはそれぞれ１０°で使用される。第１のウェッジ及び最後のウェッジは、５°である。各ウェッジ４２、４４、及び４６は、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、及び図１１Ｂに示すように形成されてよい。
【００４７】
上ウェッジ及び下ウェッジが半角ではない場合、ロボットアーム１０は歪んで立つ。以下の表は、ロボットアームの例示的操作に対する、各ウェッジの回転方向及び回転角を示す。
【表１】
2020512206.tif 000003
【００４８】
図４Ａでは、ウェッジ４２の薄端は全て整列されており、ウェッジスタックは一方向に最大限に湾曲される。第１のウェッジび最後のウェッジは、中間ウェッジのウェッジ角の半分を有する。全てのウェッジ４２が１８０度回転し、１個おきのウェッジは逆方向に回転する場合、ウェッジスタックは、全てのウェッジ４２が対ごとに９０度逆回転し（例えば、それぞれ奇数は時計回りに回転し、偶数のウェッジのそれぞれは反時計回りに回転する）、スタックは垂直である、図４Ｂに示す中間位置を通過して、全てのウェッジ４２が１８０度回転し、ウェッジの薄端が図４Ｂに示す位置と逆方向に方向付けられ、その結果、スタックは逆方向に最大限に湾曲する位置に至る。
【００４９】
関節内のアクチュエータのそれぞれが低角度、例えば隣接するアクチュエータに対して１度である場合、アクチュエータが１８０°回転すると、アクチュエータはロボットアームをわずかに持ち上げるだけで、機械的利点を提供する。アクチュエータの数が多くなるほど、角度は小さくなり、機械的利点が大きくなる。この利点は、ロボットアームが整列された最短辺（０°点）及び整列された最長辺（１８０°点）によって画定される平面内に位置する場合に、最も効果的に適用される。この平面からのロボットアームのずれが大きいほど、機械的利点の損失が大きくなる。追加の手調節可能なウェッジ関節１２０、１２２が、ロボットアーム内、例えば、アクチュエータセット、肘Ｅ１、又は手首のいずれかの両側に設けられてよく、オペレータは、非効率的な角度で電動アクチュエータを使用せずに、図９Ａ及び図９Ｂに示すようにロボットアームを手動で位置付けることができる。
【００５０】
肘Ｅ１は、肩Ｓ１と同様の方法でドライバ２８によって制御されてよく、同調して最大１８０°回転する、肘Ｅ１内の全てのアクチュエータ４８は、コントローラ２４からの電力コマンドに応答して持ち上げ動作をもたらす。肘Ｅ１内のアクチュエータ４８は、回転方向が交互であってよい。回転度は、昇降量を制御する。同調して動く、４個以上のアクチュエータの任意のアレイ内の第１のウェッジ及び最後のウェッジは、残りのウェッジの角度の半分であって、ロボットアームが動いて面外に出ないようする必要がある。
【００５１】
手首Ｗ１は、肩Ｓ１と同様の方法で制御されてよく、同調して最大１８０°回転するアクチュエータ４８の全ては、コントローラ２４からの電力コマンドに応答して持ち上げ動作をもたらす。肘２８内のアクチュエータ４８は、回転方向が交互であってよい。回転度は、昇降量を制御する。手首Ｗ１には任意の数のアクチュエータが存在してよい。一実施形態では、ハンドコントロール２０は、手首Ｗ１と第２の手首関節との間に位置する。
【００５２】
ｘ軸、ｙ軸、又はｚ軸を中心とする回転制御のために、角度間制御が使用されてよい。角度間制御では、ハンドコントロール２０の回転により、ハンドコントロール２０によって回転された角度に比例する回転制御信号が生成される。ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸ごとに、この信号は、ドライバ２８の制御信号をルーティングし、調節するコントローラ２４に提供される。ドライバ２８のうちの１つは、ハンドコントロール２０のｘ軸回転（錠で鍵を回すように手をひねる）に応答し、手首Ｗ１の端部にある水平軸アクチュエータに電力コマンドを送り、手首Ｗ１の端部でロボットアームの水平軸を中心とした角度間回転を生じさせ、したがってエンドエフェクタ１６を回転させてよい。コントローラ２４は、ｙ軸制御信号（オートバイのスロットル動作）に応答して、手首Ｗ１のアクチュエータ４８に角度間駆動信号を送信して、水平方向の左右軸を中心とした手首Ｗ１の有効な回転をもたらす。この動作は、エンドエフェクタ１６を持ち上げ、上昇させる傾向がある。このｙ軸角度回転コマンドは、手首Ｗ１内のそれぞれ第２のアクチュエータを同一方向に回転させる得るが、１個おきのアクチュエータ４８のそれぞれは、同じ量だけ反対方向に回転させ得る。同量の回転を有することにより、アクチュエータ４８及びペイロードは面上に留まり、アクチュエータ上のトルクを低減させる。
【００５３】
オペレータがハンドコントロール２０を使用し、そうすることでハンドコントロール２０におけるロボットアーム１０を垂直に維持する場合、手首Ｗ１にあるハンドコントロールからの第１の下流アクチュエータを使用して、垂直軸の周りでエンドエフェクタを回転させてよい。
【００５４】
ｘ軸を中心としたエンドエフェクタの回転の場合、水平に方向付けられたアクチュエータ４８は、それぞれのドライバ２８によって駆動されて、特定の角度を回転し得る。ｚ軸を中心とした回転の場合、垂直に方向付けられたアクチュエータ４８は、特定の角度を中心に回転するように駆動され得る。ｙ軸を中心とした回転の場合、手首Ｗ１の複数のアクチュエータ４８は、同調して最大１８０°回転させられ得る。
【００５５】
改善された敏捷性及び持ち上げ能力を得るために、肩Ｓ１は、図１に示すように水平軸を中心として動いてよい（この図では、水平は、ページに対して垂直に延在するアクチュエータスタックの中心を通る線に相当する）。すなわち、Ｓ１内のアクチュエータは、同調して、１個おきに交互に時計回り及び反時計回りに１８０°回転して、水平軸を中心としたアームの有効な回転を生じさせ、したがってロボットアームを持ち上げてよい。同調して動く、４個以上のアクチュエータの任意のアレイ内の第１のウェッジ及び最後のウェッジは、残りのウェッジの角度の半分であって、ロボットアームが動いて面外に出ないようする必要がある。改善された敏捷性及び持ち上げ能力を得るために、肘Ｅ１は、図１に示すように水平軸を中心として動いてよい（この図では、水平は、ページに対して垂直に延在するアクチュエータスタックの中心を通る線に相当する）。すなわち、肘Ｅ１内のアクチュエータは、同調して、１個おきに時計回り及び反時計回りに１８０°回転して、水平軸を中心としたアームの有効な回転を生じさせ、したがってロボットアームを持ち上げてよい。ハンドコントロールにおけるロボットアームは常に垂直に維持されて、操作の複雑性を低減してよい。手首Ｗ１は肘Ｅ１及び肩Ｓ１に比例して動いてよく、したがって、手首Ｗ１におけるアクチュエータ４８の軸は、ほぼ垂直に留まる。
【００５６】
ユーザ前腕取り付け具２２を使用して、垂直ｚ軸、及び水平ｙ（オートバイのスロットル）軸を中心とした前腕３２の角度を制御できる。この場合、角変位＝角速度応答であってよく、前腕置き２２の（垂直軸を中心とした）横向き角度が一方向に回転する肩垂直軸をもたらし（好ましくは、反対方向に回転する、１つ又は２つ以上の他のＳｃａｒａ軸）、したがって、非Ｓｃａｒａアームはユーザの周りを回転して、ペイロードへのアプローチの（垂直軸を中心とした）異なる角度を達成する。
【００５７】
スロットル軸を中心としたユーザ前腕置き２２の回転は、水平軸を中心として回転する肘Ｅ１及び肩Ｓ１をもたらし得るが、ロボット前腕（肘Ｅ１と手首Ｗ１との間のアーム）は、オペレータによってより垂直又はより水平に制御され得る。このようにして、ロボット前腕の角度は、オペレータの前腕の角度に追従する。手首Ｗ１の角度は、上述のように、手首の頂部を垂直軸姿勢に維持するという仕事を行うことになる。
【００５８】
ロボットアーム内のアクチュエータが、例えば、肩Ｓ１、肘Ｅ１、及び手首Ｗ１について示したようウェッジによって分離されるスタックアクチュエータを制御する１つの方法は以下のとおりである。連続するアクチュエータのそれぞれの軸は、互いに対して１°〜１０°、１０°〜２０°、又は２０°〜３０°など数度オフセットされてよい。したがって、ウェッジは、同角度で回転する。アクチュエータは、対で操作される。この対は、連続したアクチュエータを含んでよく、又は分離されていてもよい。アクチュエータの初期位置は、ゼロ位置とされてよく、ウェッジの全ての最短辺は、図４Ａに示すように整列される。回転度は、ゼロ位置から測定される。１８０°の回転は、アクチュエータうちのいずれか１つの半回転に対応する。アクチュエータの全てが１８０°回転する場合、全てのアクチュエータは、１８０°で整列されたウェッジの最短辺と整列される。アクチュエータは、ほぼ０°若しくは１８０°、例えば０°〜２０°回転する（初期回転と呼ばれる）、又は１６０°若しくは１８０°回転する（最終回転と呼ばれる）ときに、最大の機械的利点を有する。
【００５９】
持ち上げ運動をもたらすために、関節内のアクチュエータの全ては、最初に、例えば図４Ａに示すように０°であってもよい。このプロセスでは、全ての対が、反対方向に回転する対のアクチュエータと共に動かされる。アクチュエータの全ては、初期回転を経て位置Ｉまで回転してよく、任意の対のアクチュエータは逆方向に回転し、その結果、ロボットアームはほぼ面上に留まる。次いで、アクチュエータは、同時に１対又は数対が位置Ｉから位置Ｆまで回転し、位置Ｆは最終回転が開始する場所に対応する。同時に１対又は数対がＩからＦまで回転する間、残りのアクチュエータは回転してゼロ度又はほぼゼロ度に戻る。次に、残りのアクチュエータは、対ごとに回転して位置Ｉに戻る。このプロセス（１対以上のアクチュエータがＩからＦに動かされ、ＩからＦに動かされなかった残りはゼロ又はほぼゼロへと動き、次いで残りの対は回転して位置Ｉに戻る）は、全てのアクチュエータが位置Ｆになるまで繰り返され、次いで、全てのアクチュエータは、対ごとに位置Ｆから１８０度又はほぼ１８０度回転させられてよい。
【００６０】
図５は、Ｓｃａｒａ構成で使用するのに有用な構成の例示的な軸方向磁束型アクチュエータ５２を示しており、具体的には、アクチュエータ５２は、アーム５４及び５６に垂直な軸を有する。アーム５４及び５６は、いくつかの実施形態ではロボットアームのアームのいずれかであってよい。ロボットアームに垂直な回転軸を備えるアクチュエータを有する関節の一実施形態では、互いに同軸である、１個以上のアクチュエータ５２が使用されてよい。実施形態に応じて、アクチュエータ５２は、開示されたＳｃａｒａ、肩関節、肘関節、又は手首関節のいずれかに使用されてよい。具体的には、下流アクチュエータとは異なる方法で上流アクチュエータを制御する（例えば、上流アクチュエータが、ハンドコントロールの位置を使用してアクチュエータコントロールの速度に対して制御され、下流アクチュエータが、ハンドコントロールの位置を使用してアクチュエータコントロールの角度に対して制御される）ようにハンドコントロールが動作するロボットアームの操作モードにおいて、制御されるアクチュエータは、図５の構成を有し得る。
【００６１】
図５は、軸方向磁束型アクチュエータ５２などロボットアーム内のアクチュエータのいずれかに使用され得る軸方向磁束型アクチュエータ６２の例示的な設計の更なる詳細を示す。図６Ｂでは、２つのアーム部材又はリンク６４及び６６が軸方向磁束型モータ６２によって接続されている。アーム部材又はリンク６４、６６は、いずれかのウェッジの一部、ロボットアーム１０の他の部分、又はＳｃａｒａ１２内のリンクの一部であってよい。アクチュエータ６２は、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合により、又はアームと一体的に形成されるなどによって、リンク又はアーム６６に取り付けられているステータ７２を有してよい。ロータ７４は、ボルト及び／若しくは接着剤及び／若しくは熱嵌合により、又はアームと一体的に形成されるなどによって、リンク又はアーム６４に取り付けられている。外側軸受７６及び内側軸受７８は、ステータ７２及びロータ７４の相対回転を可能にし、ステータポスト８０と、磁石８２を保持し、かつ磁石８２によってもたらされる磁界用の磁路を提供するロータポストとの間に、所望の空隙を維持するように、ステータ７２及びロータ７４の精密な相対軸方向配置を提供する。ロータ７４は、磁束絞り孔８４を有してよい。空隙の内径の内側にある内側軸受７８及び空隙の外径の外側にある外側軸受７６を使用することにより、ステータ７２とロータ７４との間の引力を２つの軸受に分散させ、有効寿命を延長し、かつ／又は軸受を軽量化する。内径軸受７８及び外径軸受７６を使用することにより、また、例えば、本装置の実施形態の、多数極で可能であるように、ステータ７２及びロータ７４に対する機械的応力を減少させて、より薄い断面及びより軽い重量が可能になる。
【００６２】
ロータ７４内の永久磁石磁束によって生じる、ステータ７２とロータ７４との間の軸方向磁気引力は、軸受７６、７８に軸方向予圧を与える。ネオジムＮ５２磁石などが挙げられるが、これに限定されない高強度磁石を用いた場合、ステータ７２及びロータ７４で軸受７６、７８が予圧されている状態を維持し、かつ、リンク６４、６６が全ての方向において、実用的な荷重を支持することができる十分な軸力を提供するのに、この軸力が十分であることは、解析及び実験によって明らかになっている。この荷重は、アームの重量及び加速力並びに任意の方向のペイロードとの組み合わせであってよい。軸受着座力及び軸受に対する軸方向予圧を提供するための磁力を使用すると、軸方向の軸受遊びを取り除くために、ステータ及びロータの磁気引力によって予圧されることができる、スラスト荷重及び／又はアンギュラ接触軸受を使用できる。半径方向配置及び軸方向配置の軸受の組み合わせを使用することにより、半径方向及び軸方向において軸受を磁気引力で予圧すること、並びに軸受レース８８が磁気引力の逆方向に移動することを防ぐための、軸受レースを追加で機械的に保持する必要性をなくすことが可能である。この予圧は、軸受遊びをなくし、軸受剛性を増加させることができ、その結果、アセンブリの動きが非常に精密になる。これは、ロボット工学などの精密な用途に対する利点を有する。また、ロータの半径方向変位が原因で生じ得る、一貫性のないコギング効果を低減する利点も有する。これは、本装置の実施形態を用いた場合など、装置が非常に小さいコギングステップを多く含む場合、特に重要である。
【００６３】
アクチュエータ６２内の巻線９０は、任意の好適な設計であってよい。多数のステータポスト８０及びロータ極（磁石）８２を使用して、所望の数のコギングステップを提供してよい。例えば、９６個のステータポスト８０及び９２個のロータ極８２が存在する場合、２０００を超えるのコギングステップが提供されてもよい（９６及び９２の最小公倍数。加えて、負荷は軸受７６、７８に均等に分散させることが望ましく、これは、９６個のステータポスト２４１０及び９２個のロータ極２３１０を使用することによって提供されるなど、ピーク磁気引力の４領域以上を有することによって提供され得る。この例では、ピーク磁気引力の領域数は、９６及び９２の最大公約数、すなわち４である。
【００６４】
軸受７６、７８上でのレース８８の機械的保持を必要としない、軸方向に与圧されたレースの非限定的な例が図６に示されており、内側ローラ軸受７８（この非限定的な例では、クロスローラ軸受）は、ステータ７２とロータ７４との間の軸方向磁気引力が軸受７８内の軸方向及び半径方向の遊びをなくすように、２つの軸受溝間に挟まれる。この非限定的な、例示的実施形態では、軸受７８は、軸方向及び半径方向の配置剛性を有するクロスローラ軸受である。結果として、ロータ７４内の磁石８２によって提供されるロータ及びステータの軸方向予圧は、軸方向及び半径方向においてステータ７２及びロータ７４の精密な相対配置をもたらす。この精密な配置は、ステータとロータとの間の軸方向の磁気引力の逆方向において、機械的な又は接着性の軸受レース保持を必要とせずに達成される。カウンター軸受９０を使用して、荷重下でロータ７４とステータ７２との望ましくない分離を防止してよい。軸受９０は、ステータ及びロータの一方に固定され、他方のうちの１つの一部に重複し、この重複部は、例えば、可動部間の接触点でブッシングを使用して軸受を形成してよい。
【００６５】
制御動作の実施例：
【００６６】
これらの動作は、図１、図２、及び図７に関連して説明する。図７は、図２のアームコントロール２２の実施例の詳細を示す。オペレータの腕９２は、湾曲した腕置き９４内に置かれる。腕置き９４は、ジンバル９８にて手首Ｗ１と手首Ｗ２との間のロボットアームに取り付けるレバー９６に取り付けられる。アーム９２、結果としてアーム９２の肘の上下動は、水平軸（オートバイのスロットル）周りでのジンバル９８を中心とした回転、及びアーム９２の横方向（ユーザに対して左右）の動作は、垂直ｘ軸を中心としたジンバル９８に対するレバー９７の回転を引き起こす。旋回軸又はジンバル９９を中心としたレバー９６に対するレバー９７の補正回転も生じる。制御信号は、ジンバル９８から図１のコントローラ２４に送信されて、対応するアクチュエータを駆動する。例えば、アーム９２を右に動かすと、アクチュエータＡ４は反時計回り（ｃｃ）に進み、アクチュエータＡ１は時計回り（ｃｗ）に回転する。操作がオペレータの手首の動きを補正できるため、ハンドコントロール２０は動作中に動く必要はない。したがって、オペレータがアーム９２を左右に動かすと、ジンバル９８を中心とした時計回りの動きを生じさせ、コントローラ２４内のルックアップテーブルによって提供される比率で、アクチュエータＡ４は角度対速度の制御下で反時計回りに動き、アクチュエータＡ１は時計回りに動き、アクチュエータＡ２は反時計回りに動き、アクチュエータＡ３は時計回りに動く。アクチュエータは、ハンドコントロール２０が動かないように動く。全体的な効果は、ロボットアームが腕９２の動きに追従することである。そのため、肘アームの右への動きは、Ｓｃａｒａを右に回転させ、ロボットアームの前腕を右に引き寄せる。この動作を行うために、コントローラ２４は、いくつかの計算を行う必要がある。コントローラ２４は、Ｓｃａｒａの基部Ｂ１からの半径に対するアクチュエータＡ４の角度を知る必要があり、同様に、全アームについて知る必要があり、角度情報は、エンコーダによって、又はステッピングモータ制御信号を記憶することによって提供されてよい。最終結果は、手入力と上腕面が常にほぼ整列することである。人間の肘９２の上下動は、水平軸上で前腕ジンバル９９を回転させ、肘Ｅ１は伸展し、Ｗ１とＥ１との間の前腕を水平にさせる、又は傾斜させ、肩Ｓ１は伸展し、Ｓｃａｒａは後退し、肘Ｅ１は下がり、アクチュエータＡ１−Ａ２−Ａ３−Ａ４は、Ｓｃａｒａが後退回転するように回転する。
【００６７】
図７の前腕コントロールなどコントロールのうちの１つが、コントローラ２４を介してアクチュエータを駆動する信号を提供し、この信号はまた、ハンドコントロール２０など別のコントロールによって提供された信号であり、コントローラ２４は制御信号を合計する。同じことは、ハンドコントロール２０などの単一のコントロールが、同一アクチュエータに対して２つの異なる制御信号を提供する場合にも該当する。したがって、ハンドコントロール２０の横向き並進（通常のｙ軸制御）は、例えばｘ軸制御のように、異なるコマンドを生じさせ得る。したがって、例えば、手が４５°で前方方向に動かされる場合、これにより、等しいｘ、ｙ軸動作が生じ得る。制御入力は、ハンドコントロール２０及び前腕からの反応入力のために、加算又は減算され、厳密に正確である必要はない。
【００６８】
図８Ａに示すように、Ｓｃａｒａ基部１１２は、真空吸着又は任意の好適な締結装置によって表面に固定されてよく、アクチュエータＡ１０１、Ａ１０２、Ａ１０３、及びＡ１０４によって接続されたリンクＬ１０１、Ｌ１０２、及びＬ１０３を備えてよい。ロボットアーム１１０は、図１に示すように設計されてよく、肩Ｓ１の基部は、垂直に対する角度で方向付けられてよく、例えば、後方に（図の右に向かって）１０度〜３０度傾斜してよい。第１のリンクＬ１０１は、Ｓｃａｒａ基部１１２を物体の表面に固定するための基部Ｂ１０１と、表面上で転動又は摺動するための軸受要素１０６とを備えてよい。軸受要素１０６は、低摩擦表面又は玉軸受などの転動要素を備えてよい。
【００６９】
本特許文献に開示される全てのアクチュエータは、図５又は図６に示す中空設計を有する軸方向磁束型モータであってよいが、例えば、２０１７年２月１６日に公開された国際公開第２０１７０２４４０９号に開示されている他のアクチュエータを使用してもよい。電力及び制御信号を送るためのケーブル及び他の構成要素、又は冷却流体（ただし、存在する場合）は、中空アクチュエータを通過してよい。各軸方向磁束型モータは、ステータと、ロータと、を備える。モータ又はアクチュエータの任意の実施形態におけるステータ及びロータの順序は、問われない。アクチュエータの設計では、ポストの高さ、ポストの数、及び極密度の選択は、２０１７年２月１６日に公開された国際公開第２０１７０２４４０９号の説明に追従し得る。短いポスト及び多数の極が存在してよい。極及びポストの数は、意図される用途のサイズ及びトルク要件に基づいて決定されてよい。
【００７０】
図８Ａ及び図８Ｂは、Ｓｃａｒａの２つの実施形態を示す。図８Ａでは、Ｓｃａｒａの各リンクＬ１０２、Ｌ１０３は前述のリンクの上にあり、リンクはアクチュエータの軸方向に積層される。図８Ｂでは、第１のリンクＬ１及び第３のリンクＬ３は、Ｓｃａｒａの第２のリンクＬ２の下にある。様々なＳｃａｒａ設計が使用されてよい。
【００７１】
コントローラ２４によって受信されたハンドコントロール２０からの信号は、並進制御信号又は回転制御信号であってよい。ハンドコントロール２０の上流の全ては、速度制御のための位置であってよい。全ての下流アクチュエータは、角度制御によって制御されてよい。上流アクチュエータは、エンドエフェクタ１６の回転に同調して制御されてよい。ｘ−ｙ変位は、選択された点から離れる方向に半径方向外向きの動作を引き起こし得る。肩Ｓ１、肘Ｅ１、及び手首Ｗ１が存在する場合、ハンドコントロール２０の垂直変位は、肘の高速回転を引き起こして、ハンドコントロール２０を半径に沿って弧を描いて外向きに動かし、肩Ｓ１の回転によって上腕（肩Ｓ１と肘Ｅ１との間）を上方に動かす。動作は、ハンドコントロールの垂直変位（例えば１ｍｍ）が、肘を１０％上方かつ半径方向外向きに動かすようにスケーリングされてよい。ハンドコントロール２０及び制御システムを使用することにより、オペレータによる反応動作が可能となり、ロボットアームの動きを補正する。これは、ハンドコントロール２０がアームの並進時に動作に抵抗し、その結果、オペレータがハンドコントロール２０を引き戻すために生じる。オペレータは、ハンドコントロールのアーム上の位置まで実行する際に、アームの動きに常に合わせることができる。
【００７２】
コントローラ２４は、１つ以上のコントローラで構成されてよい。便宜上、単一の装置を示す。一定の速度又は回転角を生じさせるステップの数は、変更されてよい。例えば、肘Ｅ１が存在する場合、ハンドコントロール２０の垂直変位は、肘角度を増加させる。次いで、ハンドコントロール２０は、肘Ｅ１におけるアームの動作によって弧を描いて前方に動かされ、基部に向かって相対変位を生じさせ、Ｓｃａｒａ及び肩Ｓ１は後退して、ハンドコントロール２０の概ね垂直な動作をもたらす。別の例では、肩Ｓ１が存在し、作動した肘Ｅ１が存在しない場合、ハンドコントロール２０の垂直並進により、肩Ｓ１に対するの回転速度コマンドが生成され、水平並進は肩を回転させない。減衰、加速度及び減速度、速度制御、並びに安全停止用に追加コントロールが提供されてよい。ハンドコントロールの下のダイヤルなどの別個のコントロールは信号を供給して、アクチュエータＡ４を制御してよい、ないしは別の方法で肩Ｓ１を回転させてよい。
【００７３】
手首にある垂直軸アクチュエータは、手首内の他のアクチュエータとは独立して操作されてよい。このアクチュエータは、アクチュエータＡ４による肩回転と協働してよく、又は遅れて開始し、比例であってよく、どちらもユーザ設定であり得る。エンドエフェクタ１６は、ロボットアームと同一面内で、特に手首Ｗ１及び肘Ｅ１と同一面内で操作されてよい。ペイロードの量に応じて、面外に多少湾曲してよい。対応するドライバにおける電流センサ、又はエンドエフェクタ１６と手首Ｗ１との間の多次元ロードセルが使用され得る。電流センサ又はロードセルからのフィードバックは、面外での負荷時のアクチュエータの既知のエネルギー消費に基づいた閾値又は基準と比較されてよく、エンドエフェクタ１６が面外である期間は、限定的であり得る。負荷が高くなるほど、一定期間に許容される面外角度は低くなる。より短時間の面外負荷については、より高い面外負荷が許容され得る。
【００７４】
アクチュエータＡ４はまた、角度間モードで操作されてよい。作動した肘Ｅ１が存在する場合、肩Ｓ１は、Ｓｃａｒａ軸に比例して垂直軸を中心として回転して、最後のＳｃａｒａリンクの回転に適応してよい。Ｓｃａｒａの作動時に、肩Ｓ１は、ほぼ半径に沿って並進してよい。アクチュエータＡ１〜Ａ５のうちの全ての最初の５個は、一緒に回転してよい。しかしながら、肘が存在しない場合、肩Ｓ１は、Ｓｃａｒａアクチュエータとは独立して作動してよい。肩Ｓ１のアクチュエータが回転すると、エンドエフェクタ１６の高さｚを変化させる。肩Ｓ１、肘Ｅ１、並びに手首Ｗ１及び／又はＷ２が存在する場合、垂直変位は、肘の高速回転を引き起こして、ハンドコントロール２０を半径に沿って弧を描いて外向きに動かし、肩Ｓ１の回転によって上アームを上方に動かす。これによりハンドコントロール２０が上方及び／又は前方に変位する。オペレータにとって自然な動作は、ハンドコントロール２０上のバネによって提供される抵抗に立ち向かうことであり、したがって、オペレータはハンドコントロールを引き戻す。
【００７５】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、アクチュエータがロボットアーム１０の肩、肘、又は手首に積層される前後に手動で作動される関節１２０、１２２が存在してよい。比例回転では、スタック内の後続のアクチュエータは、第１のアクチュエータに対する所定の角度に一致し、例えば、３個のＳｃａｒａアクチュエータ及び１個の肩アクチュエータは、第１のＳｃａｒａアクチュエータの回転角と一致し得る。角度を制御するために、各アクチュエータ、例えば、最初の４個のアクチュエータはサイズが異なり、極数又はステップ数が異なる。第１のアクチュエータＡ１に必要とされる１秒当たりのステップ数がいかなる数であっても、同じ数のステップが他のアクチュエータＡ２〜Ａ５に順次送信される。アクチュエータＡ２〜Ａ５の異なるサイズ又は極数は、異なる回転又は回転速度をもたらす。代わりに、異なるステップ数が使用され、異なるモータコントローラが必要とされる。オペレータは、ハンドコントロール２０と共に前方に動いて、アームが伸展する程度を調整できる。
【００７６】
以下の動作制御層が存在し得る。
【００７７】
層Ｃ１は、ＳｃａｒａアクチュエータＡ１〜Ａ４の比例角回転である。層Ｃ２ａは、オペレータが、Ｓｃａｒａアームの端部での動作の非線形性を調節でき、それにより、ロボットが遅れている場合、オペレータは更に後押しする。層Ｃ２ｂは、速度応答が、第１のアクチュエータ、例えば、ＳｃａｒａのアクチュエータＡ１の角度に応じて変化することである。ロボットアームが伸展されると、ハンドコントロール２０の同一の変位は、アクチュエータのより高速の回転速度をもたらす。フィードバックループは、人間によって操作され、学習可能である。層Ｃ３は、オペレータがハンドコントロール２０を左右に動かすときに左右への並進である。変位距離は、ベースアクチュエータＡ１のみ又は４個のＳｃａｒａ垂直軸アクチュエータのいずれかの速度を制御する。この層の操作は、コントローラ２４内のルックアップテーブルを使用して、ドライバに対して信号を調節してよい。例えば、完全に伸展されたＳｃａｒａの場合、アクチュエータＡ１は２０°回転してよく、アクチュエータＡ２は−３０°回転してよく、アクチュエータＡ３は４０°回転してよく、アクチュエータＡ４は、ハンドコントロール２０が左右に押される量に応じて、ある度数までプログラムされる。このプロセスは、予めプログラムされた比例性を使用してよく、割合値はコントローラ２４内のルックアップテーブルに記憶される。層Ｃ１〜Ｃ３では、ハンドコントロールは遠隔であってよい。
【００７８】
層Ｃ４では、垂直動作、オペレータは、ハンドコントロール２０を真っ直ぐに持ち上げ、肘Ｅ１は、逆方向に回転する複数のウェッジアクチュエータを使用して、又は水平軸を有するアクチュエータを使用して伸展する。肘Ｅ１が伸展するにつれて、ハンドコントロールは自然に後方に引かれ、Ｓｃａｒａアームをわずかに後退させる。ハンドコントロール２０は、ロボットアームに強固に固定されてよい、又はバネによって取り付けられてよい。コントローラ２４は、ロボットアームに対するハンドコントロールの角度を把握して、例えば、センサを使用して、可能な垂直動作を識別する必要があり得る。層Ｃ５では、手首Ｗ１は、角変位又はハンドコントロール２０の自体の軸を中心とした回転によって制御される。ハンドコントロール２０（例えば、バネなし）の動作は、エンドエフェクタ１６の比例角変位を引き起こし得る。エンドエフェクタ１６は真っ直ぐを指してよく、次いで、ハンドコントロール２０が左に回転すると、エンドエフェクタは、例えば、手首Ｗ１を形成するアクチュエータのスタックのエンドエフェクタに最も近いアクチュエータを形成するステッピングモータを使用して、同一の速度で同一の量だけ左に動く。ハンドコントロール２０の角度移動は、手首Ｗ１の角度移動に比例してよく、したがって、ハンドコントロール２０のＮ度の回転がエンドエフェクタ１６のＫＮ度の移動に対応するように調節可能であり得る。Ｋは、オンザフライで事前設定され得る、又はその場で調整され得る因子である。Ｋは、コントローラ２４に記憶されてよい。
【００７９】
層Ｃ６はオーバーライドである。オーバーライドは、方向、角度回転、又はハンドコントロール若しくは前腕コントロールの速度の突然の変化、又はペイロード変位、角度回転、若しくは速度の突然の変化に起因して生じ得る。オーバーライド状態が発生する場合、コントローラによって割り込みが送信されて、ドライバからの全ての信号がアクチュエータに到達しないようにしてよい。加えて、操作がハンドコントロールから手を放すと、システムは割り込みを行うことができる。負荷の振動が高すぎる場合、エンドエフェクタ１６上の負荷センサによって検出され得、全てのアクチュエータは、振動が予め設定されたレベルを下回るまで停止される。
【００８０】
層Ｃ７では、手首の回転に対するハンドコントロール２０の比率は、オペレータボタンによって予め設定されてよい、又は設定されてよい。例えば、ハンドコントロール４５°を回転させると、手首は、例えば２２．５°回転し、アクチュエータＡ４も２２．５°回転させる。コントローラ２４は、Ａ１、Ａ２、及びＡ３を回転させるための計算をいくつか行って、手首における並進を回避してよい。これは標準的な逆運動学によって行うことができる。
【００８１】
肩Ｓ１は、水平軸アクチュエータ又は回転ウェッジのスタックであってもよく、開示されるスタックのそれぞれと同様に操作されてよい。肩Ｓ１は、ロボットアームの垂直運動を引き起こす。肩Ｓ１の端位置では、肩が９０°の位置にあるときのように所与の垂直動作を達成するためには、スタック内のアクチュエータのより多くの回転ステップが必要である。初期位置において、肩Ｓ１は完全に後退しており、アクチュエータの全ては１８０°であり、各ウェッジの薄端は、Ｓｃａｒａ１２の基部に対して後ろ向きである。全てのアクチュエータがゼロ度（０°）であるとき、全ての薄縁部は反対方向にあり、完全に伸展している。９０°において、肩Ｓ１は、半分伸展している。各アクチュエータが反対方向に等しく回転する限り、アームは面外になることはない。隣接するアクチュエータに対するアクチュエータ軸の角度に起因する増力装置の場合、アクチュエータは薄くてよく、例えば１６ミリメートル（１６ｍｍ）であってよい。アクチュエータが異なる方法で回転する場合、アームは軸から外れる。これは敏捷性の面では好都合であるが、関節内のウェッジの機械的利点を損なう。
【００８２】
層Ｃ９では、手首Ｗ１は、第２の手首と共に設けられる。これにより、垂直軸アクチュエータのみを回転させることにより、エンドエフェクタ１６の回転が可能になる。手首Ｗ１は、第２の手首のウェッジを面内に維持して、過剰な電力消費を回避できる。アクチュエータを垂直に維持するために、一定の位置に対して各アクチュエータによって回転されるステップの数に基づいたコンピュータ計算が必要とされ得る。この計算は、アクチュエータを垂直に保つのに十分である。追加の前腕アクチュエータセットが設けられて、ロボットアームを固定してよい。図９Ａ及び図９Ｂに示すような固定可能なアクチュエータ１２０、１２２は軸受上で回転して、ブレーキで設定され、好ましい位置でロックされてよい。手動アクチュエータは、ユーザ調節可能であってよく、これを使用して、例えば、ロボットアームを軸外で回転させて、手首が軸上に留まるようにしてよい。手動アクチュエータは、ロボットアーム内の任意の位置で使用されてよい。図９Ａ及び図９Ｂでは、手動アクチュエータ１２０、１２２は、手首Ｗ１の上部又はＳｃａｒａに最も近い肩Ｓ１の底部に位置する。手動アクチュエータはまた、エンドエフェクタ１６よりも前方において手首Ｗ２に設けられてよい。エンドエフェクタはまた、ブラケットと手首Ｗ２との間の一連の固定関節の端部に配置され得る、簡易着脱ブラケットで置き換えられてよい。
【００８３】
いくつかの実施形態では、肘Ｅ１及び肩Ｓ１は、ウェッジだけではなく、任意の関節を用いて操作できる。
【００８４】
最大限の持ち上げのために、Ｗ１の形をなす手首アレイを面内に維持することが望ましい場合、ハンドコントロール２０を左右にねじることにより、肩（オペレータの後方にある）を回転角対比例回転角モードで回転させ得る。これにより、肩、肘、及び手首の理想的な面内整列が維持される。上流Ｓｃａｒａ関節は、任意選択的に、しかし好ましくは、逆回転するように命令されて、ハンドコントロールからの追加入力が最小化されるようにし得る。任意選択的に、手首には、関節と共に面外へと動く能力がある程度あるため、ハンドコントロールが垂直軸を中心として回転し、肩が同調して回転するときに、手首は側方にわずかに湾曲できる。いくつかの用途では、サーボモードが提供されてよい。
【００８５】
力変換器は、エンドエフェクタ１６に設けられてよい。オペレータがペイロードを動かそうとしている場合、オペレータは全ての動作を止め、力変換器をゼロにし得る。センサがエンドエフェクタと本体との接触を感じる場合、コントローラ２４は、アクチュエータの速度に対する並進量の関係の感度を変更するように構成されてよい。例えば、初期状態の１ｍｍがＸ速度に対応する場合、５ｍｍがＸ速度に対応するように感度を変更してよい。この感度の修正は、全てのドライバ及びアクチュエータに適用されてよく、センサが所与の上限を上回る接触を感じる場合、全てのドライバ及びアクチュエータが停止されてよい。
【００８６】
図９Ａ及び図９Ｂの固定ウェッジ１２０、１２２は、手首及び肩の上下で使用されてよい。かかるウェッジの利点は、特に高いペイロードでの電力消費を低減することである。増加したペイロードのために、高負荷の反復動作が主に肩、手首、又は肘の回転限界付近で行われ、アクチュエータがほぼ０°又は１８０°であるようにウェッジが調整されて、最大の機械的利点を提供してよい。手動ウェッジ１２０、１２２はまた、任意の関節の底部アクチュエータ及び上部アクチュエータの側方角度を変更するために使用されてよく、これにより、敏捷性及びロボットアームとオペレータとの間隔の増加に役立つ。複数のダイヤル又は手動操作のウェッジが存在してよく、それぞれ肩Ｓ１の縦軸を独立して回転する。肩関節の手動操作ウェッジのうちの１つの手動操作は、Ｓｃａｒａ１２の回転と反対であってよい。
【００８７】
前腕の軸を中心とした捻りに対応する、ｘ軸を中心としたオペレータの手首の動きは、手首アレイＷ２内の最後のアクチュエータを回転させてよい。ロードセルは、最後のアクチュエータの前後であってよい。手首Ｗ２のアクチュエータの角度間操作は、オペレータの動作制限に限定されてよく、所与の動作範囲内でロボットの操作モードが変更される。オペレータが、例えばオペレータの近くに物体が存在し、任意の軸で９０°限界を有する空間にいる場合、コントローラ２４は、手首が一定量、例えば、８０°回転すると、ハンドコントロール２０の角度の更なる変化が、アクチュエータ内での速度応答を生じさせるように構成されてよい。制御モードの変更が生じる領域は、オペレータによって、例えば１０°〜２０°に設定されてよい。積み込み操作モードは、オペレータはハンドコントロールを動かしてエンドエフェクタ１６を一方向に動かしてよく、次いで、オペレータがハンドコントロールを放すと、コントローラは、手を放したことを示す信号がハンドコントロールから提供され、次いで、全てのアクチュエータを減速させる信号を送信してよい。
【００８８】
関節Ｓ１、Ｅ１、Ｗ１、又はＷ２のいずれかに使用され得るウェッジ関節の例示的な設計を図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。より多くのウェッジが存在すると、ウェッジ角度はより小さくなり、機械的な利点はより多くなる。機械的利点は、１８０°回転する１０個のアクチュエータから得られ、結果として９０°又は４５°のみの出力が得られる。個々のアクチュエータへのトルクは比較的低く保たれてよい。例えば、ロボットが１５０ｌｂｓを持ち上げる場合、各アクチュエータへのトルクは、受動的冷却電力の半分であってよい。
【００８９】
一般に、オペレータは、ロボット全体の動きを制御する並進力又は回転力を印加してよい。回転力又は動作は手首を制御する、又は主として制御する。上下、左右への並進力は、Ｓｃａｒａの基部から手首までのアクチュエータの動作を制御してよい。アクチュエータは、非常に素早く作用し得る。ハンドコントロールの感度は、オペレータによって設定されてよい。安全モードでは、動作コントローラ２４は、エンドエフェクタ１６又はハンドコントロール位置にあるロボットアームが反転動作コマンドを受信するといつでも、ロボットはゼロ速度位置ですぐに停止（一時停止）するいうプログラム命令を有してよい。これにより、瞬間的な反転が阻止される。停止時の一時停止の期間は制御されてよい。反転動作が存在する場合、動作コントローラ２４は、全ての動きを停止してよい、又は現在の動作方向での動きを停止してよい、又は反対方向での動きを停止してよい。一時停止の設定の代わりに、コントローラ２４は、ハンドコントロールがコントローラに対していずれのコマンドも生成しない位置において、オペレータがハンドコントロールを中立位置に戻すまで、全ての動作を停止してよい。
【００９０】
並進方向及び回転方向の両方においてハンドコントロールを中立位置へと付勢するバネがハンドコントロールに存在するバネが存在する場合、オペレータは、中立位置を中心とした力から識別できる。オペレータはまた、ハンドコントロールが自動的に中立位置に移動するように、ハンドコントロール内にバネが存在するときにハンドコントロールを解放してよい。別のフェイルセーフ操作モードでは、ロボットアーム上のセンサが、過度の力、速度変化、又は方向の急速な変化を検出する場合、コントローラ２４は、全てのアクチュエータを停止するように構成されてよい。操作中、オペレータは、コントロールアームを動かす技能を得て、意図しない動きを回避する方法を習得する。オペレータがアーム及びペイロードを加速させ、エンドエフェクタ１６の方向を逆転させるように減速する場合、コントローラ２４は、全ての動作を停止するコマンドを送信するように構成されてよく、オペレータはハンドコントロールから手を放す必要がある。バネによってハンドコントロールが中立位置に戻り、ロボットが動作を停止する、又は十分に低い振動レベルに達すると、インジケータライト又は可聴信号により、オペレータはハンドコントロールを持ち続けることができる。概して、特定の位置、例えば中立位置に接近するとき、コントローラ２４及びオペレータは、動きを減速させて通り過ぎないようするべきである。
【００９１】
制御線及び電源線は、ロボットアームの中心を通ってよい。冷却のために、空気がアームの中空中心を通って引き込まれてもよく、基部を通って大気に放出されてよい。空気は、加圧空気システムを用いて送出されてよい、又はロボットの任意の位置にある真空で引き込まれてよい。基部は、簡略化するために真空によって表面に固定され、Ｓｃａｒａの上にはポンプが備わっていてよい。ロボットの持ち上げアームがＳｃａｒａに対して９０°であり得るため、Ｓｃａｒａは、ねじりに関して比較的剛性である必要がある。Ｓｃａｒａには任意の数のアームが存在してよい。ロボットの持ち上げアームの基部は、構造物（図８Ａ）から離れるように角度付けされてよく、これにより水平の場合とは異なる可動域が可能になる。
【００９２】
アクチュエータコントロールは、サーボフィードバックコントロール若しくは閉ループ、又は開ループコントロールを有するステッピングモータであってもよい。閉ループは、より高価で複雑であるが、より正確な制御及びより高い効率をもたらすエンコーダを使用したフィードバックを必要とする。左右の動作は、ＳｃａｒａアームアクチュエータＡ１〜Ａ４によって制御され、これらは、通常、肩Ｓ１、肘Ｅ１又は手首Ｗ１のアクチュエータよりも大きい。より大きいアクチュエータではより高いステップ数が可能となるため、９２個のポストを有する９６極の組み合わせよりも多い。ステッピングモータのステップは、必ずしも別個ではないが、従来のステッピングモータで既知のようにマイクロステップを使用してよい。ステップ間の電流制御は、ハンドコントロールの動作に比例してよい。
【００９３】
システムは、負荷の重量又は慣性をオペレータが感じるように、質量及び慣性が補正されてよい。システムは、負荷に対するオペレータのスケーリング動作を行う。ハンドコントロール上のバネ力（ただし、存在する場合）は、コントローラ２４に対する触覚フィードバックによって変化し得る。ペイロードが何かに接続されている場合、コントローラ２４は、接触を感知し、ハンドコントロールに信号を送信してよい。ハンドコントロールが手首に又は手首付近に位置する場合、オペレータがペイロードの機械的振動を受けることが予想される。例えば、オペレータが、例えば、図７の腕置きにおいてロボットに前腕を置くことは有益であり得る。腕の残りの部分は、ロボットアームにしっかり固定されてよい、又はバネ及びダンパーを用いて若しくは用いずに回転可能に固定されてよい。したがって、オペレータは手首だけを制御する必要があり、腕を制御する必要はない。前腕置きは、安全及び快適性のために、例えば上面が開口している湾曲した又はカップ形状の置台９４を使用して、置台から腕を容易に取り外すことができるように構成されてよい。ハンドコントロールにフィードバックを送信する、又はイヤホンに可聴信号を供給する（これは、雑音が多い環境で有用であり得る）振動センサが、エンドエフェクタ１６又はその付近に存在してよい。周囲に対する損傷、例えば自動停止機構による損傷を回避することが重要であるが、特定の速度を上回る場合に限り励起防止戦略が適用されてよい。
【００９４】
アクチュエータセットのうちのいずれか１つのベースアクチュエータは、垂直方向を有してよく、又はそれに対して作用する主力に対して平行であってよい。ｙ軸を中心とした回転の場合、単純化された制御操作モードでは、手首Ｗ２内のウェッジのアレイは、ハンドコントロールの下流の垂直軸から開始されてよい。第１のアクチュエータ３０は、ハンドコントロールのｙ軸を中心とする回転に応答する唯一のアクチュエータであってよい。この場合、手首Ｗ２のアクチュエータスタックは面内に留まり、１個おきのアクチュエータが一方向に回転し、アクチュエータ３０を除いて１個おきのアクチュエータが逆方向に回転する。この結果、ｙ軸を中心とした近回転（near rotation）が生じ、同時にエンドエフェクタ１６が持ち上げられ、それによって肘Ｅ１又は肩Ｓ１の変更が必要となる。オペレータは、手を前方に動かし、高さを多少変更することによってこれを自然に行い、肩及び肘を調整する。例えば、（１）ベースアクチュエータＡ１のみの回転（例えば、オペレータが円筒内で塗っているとき）（２）ベースアクチュエータＡ１が一方向に回転し、肩のベースアクチュエータＡ４が反対方向に回転すること、又は（３）ベースアクチュエータＡ１が一方向に回転し、肩アクチュエータＡ４が同一方向に回転することなど、ｙ軸を中心とする制御方法は、オペレータによって選択されてよい。これらの制御は速度制御であってよく、各アクチュエータの応答は先行するアクチュエータとの関連で予め設定されており、全てのアクチュエータは、マスタースレーブ関係にある互いに比例して回転する。この比率は、単純なアルゴリズムを用いてプログラムされ得る、又はコントローラ２４は、ロボットアームの位置に基づいて比率を修正するように設定され得る。
【００９５】
例えば、ハンドコントロールを垂直に持ち上げると、肘Ｅ１は伸展し、手首Ｗ１は肘に比例して回転して垂直アクチュエータが垂直に留まるようにし、ユーザは、Ｓｃａｒａが動作するために肩Ｓ１が動作するように、ハンドコントロールを自然に動かし（ハンドコントロールの反応並進）、これにより肘Ｅ１の角度が変化する。垂直軸アクチュエータを垂直に保つための手首Ｗ１の理想的な回転が存在する。アクチュエータは完全に垂直である必要はなく、場合によっては、肩Ｓ１を動かす必要がない場合がある。肩Ｓ１の水平軸アクチュエータスタック又は相当する水平軸アクチュエータが存在しない場合、用途に応じて、肘Ｅ１及び手首Ｗ１が必要であり得る。いくつかの実施形態では、肩Ｓ１の垂直持ち上げ機能は不要であり得る。
【００９６】
エンドエフェクタ１６の把持及び把持解除は、例えばドライバ２８を使用して、ハンドコントロール上のトリガによって制御されてもよい。関節の回転ウェッジが完全に同調して回転していないときに、エンドエフェクタ１６の意図しない左右の動作をもたらす場合、回転ウェッジ関節に閉ループフィードバックが必要となり得る。別の実施形態は、閉ループであり得る１つ以上のウェッジセットを使用し得、このウェッジセットは、非常に微細な動作のために単独で使用され得る。ステッピングモータ制御が使用されるとき、２個又は３個のウェッジの個々のセットは、ウェッジのアレイ又はスタックから増減され得、したがって、より微細な動きが必要とされると、より多くのセットが作動する。
【００９７】
一実施形態では、ハンドコントロール角度の変化は、手首の端部の角度の比例変化をもたらす。ある方向で所定のハンドコントロール角度を超えると（異なる方向では、人間のオペレータの角動作範囲の上限に対応する異なる上限を有し得る）、手首の端部は、所定の上限を超えて角変位モードから角速度モードに変化し得る。ハンドコントロールは、手首Ｗ１の端部と同一の速度及び角度で回転し得、したがって、速度回転コマンドが終了し、ハンドコントロールがオペレータによって中立位置に戻されると、ハンドコントロールは、ロボットの手首の中立位置に整列される。
【００９８】
３セットのウェッジが使用される場合、アレイは、任意の時点で任意の方向に回転できる。中立位置では、各セットが互いに１２０°である。次いで、１つ以上のアクチュエータセットを回転させて、アセンブリ全体を任意の方向に曲げることができる。ウェッジがアセンブリの所望の動作範囲に必要な角度よりも大きい場合、ウェッジは、１８０°未満の回転で使用され得る。ウェッジは、ウェッジ間でハードストップ、又は場合によってはバネ止めを有するように制御されて、ペイロードでの面外動作をサポートするときに、バネ力を使用してアクチュエータトルクを低減するなど様々な効果を得てよい。
【００９９】
アクチュエータのいずれか１つでは、一定の摩擦がステッピングモータ制御に有利であり得る。これは、ステップ間でのアクチュエータの移動を阻止するためである。摩擦のない状態では、ある別個のステップから次のステップへのアクチュエータの移動を阻止するために慣性のみが存在する。一定の非スティックスリップ摩擦（与圧ローラ軸受、又はＴｅｆｌｏｎ（商標）上のＴｅｆｌｏｎ（商標）摺動接点などに共通）が存在すると、この摩擦を克服するために必要な一定の電流が存在する。このアクチュエータの実施形態は磁気的に予圧された軸受を使用し、これにより、必要な非付着性摩擦がアクチュエータに提供されて、ステップ間の滑らかな移行をもたらし得る。
【０１００】
別の実施形態では、図６に示すように、軸受７６及び７８は、空隙が挙げられるが、これに限定されない、ステータ７２とロータ７４との間の低摩擦面と組み合わせて使用されてよい。例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）上のＴｅｆｌｏｎ（商標）は、非常にスティックスリップ摩擦が低いものとして、この摩擦を克服するためにアクチュエータからの高レベルのトルクを必要とすることによって、ステッピングモードにおけるアクチュエータの円滑な操作を可能にする。Ｔｅｆｌｏｎ（商標）のような材料は、固定部材に回転可能に、ないしは別の方法で動作可能に取り付けられる可動構造物に対する力の変動によって微動を実現できるようにする、固有の特性を有する。
【０１０１】
肘関節Ｅ１及び肩関節Ｓ１を有するロボットアームでは、両関節がハンドコントロール２０の垂直並進に応答してよい。より単純な操作モードでは、肘Ｅ１のみが垂直並進に応答する。肩Ｓ１はまた、垂直並進に応答し得るが、これは二次的、つまり反応効果であり、この場合、肘軸の周りでの前腕の弧を描く動作から生じる垂直動作の水平構成要素が、ハンドコントロールブラケットをオペレータから半径方向に離れる方向に動かし、オペレータがハンドコントロールの半径方向の動作に抵抗する結果として、ハンドコントロールの水平（及び半径方向）変位が、アームに対して生じる。ハンドコントロールのこの相対的な水平動作は、予め設定された応答を有する。
【０１０２】
換言すれば、ハンドコントロールの垂直変位は、肘Ｅ１のみの伸展をもたらす。肘Ｅ１の伸展は、ロボットアーム（ハンドコントロール基部）へのハンドコントロール接続部の水平動作をもたらし得る。ハンドコントロール基部がロボットアームと共に水平に動くと、ハンドコントロール基部に対するハンドコントロールの変位が生じる。この二次的効果は、例えば、Ｓｃａｒａ及び／又は肩Ｓ１を後退させる後退コマンドを異なるアクチュエータセットに送信してよい。
【０１０３】
あるいは、換言すれば、肘関節Ｅ１は、誤差を補正するまで伸展することによって、ハンドコントロールの垂直変位に応答してよい。すなわち、肘Ｅ１の伸展は、ハンドコントロールの垂直方向変位をゼロに戻すように作用する。ハンド基部でのロボットアームの水平動作（オペレータに対する）は、水平方向に二次誤差を生じさせ、水平誤差を補正するために所定の関係に従って応答する１個以上のアクチュエータに対して後退コマンドをもたらす。他の三次誤差、四次誤差などは、他の方向で生じ得るが、１個以上の作動関節に接続されている、考えられる並進面の全てでは、様々なアクチュエータセットが、互いに独立しつつも同調して動いて、ハンドコントロールの軌道に近似させる。この例では、アームは、ハンドコントロール２０及びコントローラ２４で水平誤差が検出される前に、望ましくない方向に当初変位しているが、オペレータは、この不完全な動作経路を補正することを学習し、更にはそれを予測して全く発生しないようにすることを学習し得ると考えられる。
【０１０４】
アクチュエータのコギングステップは、電磁石の整流から生じる電動ステップと必ずしも同じではない。
【０１０５】
図１０Ａは、ウェッジスタック内の例示的なウェッジ１４２のスタックを示しており、３個のアクチュエータ及び４個のウェッジ１４２が含まれる。各アクチュエータは、ステータ１４４と、ロータ１４６と、を備え、これらは、それぞれ、本特許文献に開示されている設計に従って作製され得、好ましくは、軸方向磁束型中空内部アクチュエータが、予圧軸受１４８（レースのみが示されており、玉軸受は図示されていない）を使用する磁気引力、及びアクチュエータの外周又は内周上の固定リング又は安全リング１５０と共に保持される。図１０Ｂは図１０Ａの詳細図であり、コイルを示すステータ１４４と、磁石を有するロータ１４６と、を含む。
【０１０６】
図１１Ａは、安全リング１５０によっても合わせて保持され、ステータ１４４及びロータ１４６を組み合わせて形成されたアクチュエータを有する、２個の隣接するウェッジ１４２の断面を示す。したがって、各対向面上のステータとロータとの組み合わせは、ウェッジの角度に対応する角度である。各対向面は、ステータとロータとの組み合わせが回転する平面を画定する。ロータ１４６は、ロータ内に磁石を保持するポストと、一体型のバックアイアンと、を有する。ステータ１４４は、ポストの周囲のコイルと、一体型のバックアイロンと、有する。
【０１０７】
図１１Ｂは、２つのウェッジハウジング１４３の分解組み立て図であり、ステータ１４４、ロータ１４６、及び安全リング１５０で形成されたアクチュエータ１４５を示す。各ハウジング１４３は、一体型要素であってよい。ウェッジハウジング１４３の角度は、図１１Ａ及び図１１Ｂに見ることができる。
【０１０８】
図１２を参照すると、スレーブロボットアーム１６２と、マスターロボットアーム１６４と、を備えるロボットシステム１６０が示されている。スレーブロボットアーム１６２は、少なくとも第１の平面内で回転する第１のアクチュエータ１６８、第２の平面内で回転する第２のアクチュエータ１７０、及び第３の平面内で回転する第３のアクチュエータ１７２を含むアクチュエータを備える。各平面は、図の平面に対して垂直であり、各アクチュエータを表す図の線は、アクチュエータに対応する平面内にある。図１３に示すように、アクチュエータ１６８及び１７０の場合、第１の平面は、第２の平面から０〜９０度の間の第１の角度Ａ１にある。同様に、第２の平面は、第３の平面から０〜９０度の間の第２の角度Ａ２にある。
【０１０９】
マスターロボットアーム１６４は、少なくとも第４の平面内で回転する第４のアクチュエータ１７４、第５の平面内で回転する第５のアクチュエータ１７６、及び第６の平面内で回転する第６のアクチュエータ１７８を含むアクチュエータを備える。各平面は、図の平面に対して垂直であり、各アクチュエータを表す図の線は、アクチュエータに対応する平面内にある。図１３に示すように、アクチュエータ１６８及び１７０の場合、第４の平面は、第５の平面から０〜９０度の間の第３の角度Ａ３にあり、第５の平面は、第６の平面から０〜９０度の間の第４の角度Ａ４にある。
【０１１０】
各アクチュエータは、本明細書に記載のアクチュエータに従って、又は米国特許出願公開第２０１７０３３８７０５号に記載のように、又は同第２０１７０１８７２５４号に記載のように作製されてよく、これらの両方は、法律によって許容される参照により本明細書に組み込まれる。
【０１１１】
アクチュエータ１６８、１７０、１７２のそれぞれは、対応するステータ及びロータの対で構成されてよく、各ステータ及びロータ対には、ステータとロータとの間に十分な摩擦が備わっており、ステータ及びロータは、エネルギー印加されることなく、通常の動作負荷下で互いに対して動かない。ステータ及びロータの各対間での摩擦は、例えば、予圧軸受又は摺動ブッシング面によって、例えば安全リング１２１とロータ２０１との間の摩擦によって提供されてよい。マスターロボットアームのステータとロータとの間の摩擦は、そのように限定される必要はない。
【０１１２】
ロボットコントローラ１６６は、アクチュエータ１７４、１７６、及び１７８のうちの１つの位置決めに応答して、少なくともアクチュエータ１７４、１７６、及び１７８の位置を制御する。ロボットコントローラ１６６をスレーブロボットアーム１６２及びマスターロボットアーム１６４に接続する線は、無線、光、及び有線など任意の従来の通信チャネルであり得る一方向又は双方向通信チャネルを示す。アクチュエータは、アクチュエータの位置を示す信号をロボットコントローラに提供するエンコーダ（図示せず）を含んでよい。ロボットコントローラは、メモリ、マイクロプロセッサ、アクチュエータ用ドライバ及びエンコーダ用インターフェース、並びにユーザインターフェースを含む。これらの要素は、ロボットコントローラにおいて従来のものであり、別個には説明しない。
【０１１３】
ある操作モードでは、ロボットコントローラ１６６は、アクチュエータ１７６の位置決めに応答する。この操作モードでは、アクチュエータ１７６はロボットコントローラ１６６によって駆動されないが、例えば、オペレータ（外科医であり得る）によるロボットアーム１６４の動作に応答し、ロボットアーム１６４の端部においてエンドエフェクタ１８２を操作する。エンドエフェクタ１８２は、外科用器具を含んでよい。エンドエフェクタ１８２が動くと、アクチュエータ１７４、１７６４、及び１７８は互いに対する動作を開始する。ロボットコントローラ１６６は、この例では、第２のアクチュエータ１７６の位置決めに応答して、アクチュエータ１７４及び１７８を駆動する。加えて、ロボットコントローラ１６６は、対応する方法でアクチュエータ１６８、１７０、１７２を駆動する。ある操作モードでは、対応する方法は、エンドエフェクタ１８２の動作でエンドエフェクタ１８０の動きのスケーリングをもたらすことである。したがって、例えば、エンドエフェクタ１８２が一定量動く場合、エンドエフェクタ１８０は、一定量の比率で駆動されてよい。したがって、オペレータは、エンドエフェクタ１８２におけるより粗大な動作を使用して、エンドエフェクタ１８０におけるより微細な動きを生じさせてよい。このスケーリング効果は、制御システムにおける非線形性を円滑にしてよい。
【０１１４】
このスケーリング機能は、マスターロボットアームのアクチュエータの平面間の角度を、スレーブロボットアームのアクチュエータの平面の角度の分画に選択することによって提供されてよい。したがって、Ａ３はＲ１×Ａ１に等しくてよく（式中、Ｒ１は０〜１の比率である）、Ａ４はＲ２×Ａ２に等しくてよい（式中、Ｒ２は０〜１の比率である）。Ｒ１は、いくつかの自然数Ｎ１（例えば、Ｎ１＝１０）について１／Ｎ１に等しくてよく、Ｒ２は、いくつかの自然数Ｎ２（例えば、Ｎ２＝１０）について１／Ｎ２に等しくてよい。ある例では、Ａ１＝Ａ２、Ａ３＝Ａ４、かつＮ１＝Ｎ２である。更なる例では、Ａ１＝Ａ２＝３０度、Ａ３＝Ａ４＝３度であり、マスターロボットアーム１６４に対するスレーブロボットアーム１６２の１０：１スケーリングをもたらす。
【０１１５】
各アクチュエータは、中空の軸方向磁束型アクチュエータを備えてよく、ロボットコントローラ１６６からの駆動信号は、アクチュエータ１６８、１７０、及び１７２に提供されてよい。
【０１１６】
ロボットコントローラは、アクチュエータを１個ごとに逆方向に駆動するように構成されてよい。
【０１１７】
隣接するアクチュエータに対するアクチュエータの角度は、ウェッジ角と呼ばれることがある。アクチュエータ間のアームは、効果的にウェッジを形成する。アクチュエータは、１度以下と低いウェッジ角を有してよい。各スレーブアクチュエータ内の軸受摩擦は、スレーブアクチュエータをウェッジの任意の位置で耐荷重方向に逆駆動不能にするように設定されてよい。摩擦は、非スティックスリップ摩擦であるべきである。平滑な電流プロファイリングを用いたアクチュエータ内の電磁石の整流により、摩擦に対する円滑なランプアップ力を可能にする。
【０１１８】
アクチュエータの摩擦は、例えば、軸受上の軸方向磁気引力から生じる玉軸受摩擦から生じ得る。この目的のために、磁気引力によって軸方向及び半径方向に予圧された、半径方向に剛性のローラ軸受を使用してよい。摩擦はまた、外側軸受のための摺動接点若しくはブッシングによって生成されてよく、又はステータとロータポストとの間の摺動接点であってよく、又はある実施形態は、ロータ及びステータ上にＴｅｆｌｏｎ（商標）などコーティングの層を有してよく、例えば、炭素コーティング、又は平滑面に当接する他の平滑面が存在してよい。動的摩擦よりも低い静的摩擦を有するＴｅｆｌｏｎ（商標）などの材料は、ロータとステータとの平滑面接触に使用されてよい。ロータとステータとの間の接触材料として考えられる別の材料はスピノーダル青銅であるが、これは、赤色であるため、医療目的にはあまり理想的ではない。対向面は、青銅コーティング外に移動するニッケルでコーティングされる。摺動接触軸受面を有するアクチュエータの例を図１４に示す。一方がステータであり、他方がロータであるキャリア１９０及び１９２は、ステータに対してロータを電磁駆動するために互いに対向してそれぞれ取り付けられた電磁素子１９４及び１９６を有する。電磁素子１９４及び１９６のセットのうちの少なくとも１つは、電気的に整流される。図面は縮尺どおりではない。実際には、空隙１９８は非常に小さい場合がある。図面は、中空の環状軸方向磁束型電気機械の片側のみの断面である。ここで論じるように、摺動軸受面２００、２０２、２０４、及び２０６は、互いに接触し、スレーブロボットアーム１６２内のアクチュエータに摩擦をもたらし得る。
【０１１９】
軸受摩擦の決定では、設計者は最大ペイロードを計算し、摩擦係数及び軸方向ペイロードが最大ペイロードから生じるトルクよりも高い抵抗をもたらすように、アクチュエータを設計する。摩擦要件は、回転ウェッジ構成を使用することによって低減され得る。したがって、例えば、１度の角度のウェッジは、電力喪失時に剛性を確保するために非常に低い摩擦力を必要とする。ウェッジの角度は、摩擦係数及びアクチュエータ上の軸力に一致してよい。
【０１２０】
例えばテーブルなど支持体１８６上にある肩１８４を含む設計が図１２に設計が示されているが、本明細書に開示されるロボットアームの他の実施形態に示すように、肘又は手首も存在してよい。
【０１２１】
ウェッジセットは、２個を超えるウェッジ、したがって３個を超えるアクチュエータを有してよい。スタック内のウェッジは逆方向に回転し、その結果、対の最初のウェッジが時計回りに回転すると、対の２番目のウェッジは反時計回りに回転する。マスターロボットアーム１６４がＮ個のウェッジを有する場合、奇数の各ウェッジは時計回りに回転してよく、偶数の各ウェッジは反時計回りに回転してよい。偶数のウェッジは、互いに同じ量回転してよく、奇数ウェッジは互いに同じ量回転してよい。量とは、角度である。マスターロボットアームでは、１個のアクチュエータのみが駆動される必要はなく、マスターロボットアーム内の他のアクチュエータは、この１個のアクチュエータに追従してよい。オペレータは、エンドエフェクタのみを動かし、追従しないアクチュエータを知る必要はない。オペレータにはまた、１個以上のアクチュエータを無効化し、特定のアクチュエータのみを動かすスイッチが提供されてよい。例えば、オペレータはアクチュエータ１７４及び１７６を無効にし、アクチュエータ１７８のみを回転させてよい。次いで、アクチュエータ１７８からの信号を使用して、対応するアクチュエータ１７２を駆動してよい。この場合、アクチュエータ１６８及び１７４が支持体１８６に平行であり、この支持体が水平である場合、この動作は、それぞれのロボットアーム全体の垂直軸を中心とした回転に対応する。ウェッジススタック内のアクチュエータは全て、同調して回転してよい。
【０１２２】
アクチュエータ１６８〜１７８の動作は、全てのアクチュエータが荷重と同一面内の全てのウェッジ（０度又は１８０度の回転位置、すなわち２つの異なる位置に対応する、上死点のウェッジ）の最薄部と整列されるときに妨げられてよい。したがって、アクチュエータ１６８〜１７８は、物理的停止又はソフトウェア停止によって、上死点、例えば上死点から約５度において静止することが制限されてよい。アクチュエータスタック内のアクチュエータ、例えばアクチュエータ１６８〜１７８、及び対応するウェッジは、最大約１８０度回転してもよいが、約１６０度又は１７０度、例えば、上死点から５度〜上死点から約１７５度外れて動くことに制限されてよい。制限された角運動により、電力及び駆動コマンドを搬送するケーブル、並びにセンサ又はエンコード信号は、ロボットアームの中空内部を通ってあるアクチュエータから別のアクチュエータに提供されてよい。
【０１２３】
力センサ又はトランスデューサ（図示せず）が、マスターロボットアーム１６４のエンドエフェクタに設けられて、ペイロード力を検出し、ロボットコントローラ１６６に信号を送り返してよい。ロボットコントローラ１６６は、力センサ信号を感知し、アクチュエータ１７４〜１７８を駆動して、制御されたフィードバック又は触覚力をオペレータに提供するように構成されてよい。力変換器は、ロボットコントローラに信号を送信し、ロボットコントローラは、ペイロード力を再現するためにエネルギー印加の必要があるスレーブアクチュエータを決定する。
【０１２４】
このシステムによれば、オペレータによるＸ度の角動作は、Ｘ／Ｒ度の角動作に対応してよく、ここで、Ｒは、自然数、例えば、１０であってよく、スレーブのウェッジ角は、マスター上のウェッジ角の１０倍である。別の可能性は、スレーブロボットアームにおける１０ステップがマスターにおける１ステップに等しい、アクチュエータ用ステッピングモータを使用することである。しかしながら、角度変化間制御が望ましい。スレーブアーム関節は、マスター関節と同じ可動域及び軸を有してよい。したがって、スレーブロボットアーム１６２内のアクチュエータは、マスターロボットアーム１６４内のアクチュエータと同じ度数を回転し得る。スケーリング効果は、異なるウェッジ角によって提供される。
【０１２５】
ある例では、スレーブロボットアーム１６２は、３個のアクチュエータを備える、３０度の角度の２個のウェッジ、及びマスターロボットアーム１６４上にある３度の１０個のウェッジを有してよい。設計者は、駆動されるウェッジの数を選択してよい。したがって、オペレータは、エンドエフェクタを保持し、アームは伸展し、角度はエンコーダによって検出され、ロボットコントローラ１６６に送信される。
【０１２６】
一連の３個のアクチュエータにおいて、第１及び第３のアクチュエータは、第２のアクチュエータの角度の半分を回転するが、逆方向に回転してよい。第２のアクチュエータからの回転コマンドは、第２のマスターアクチュエータで同じ角度の回転を生じさせてよい。
【０１２７】
アーム内のアクチュエータが直列に配線されて、端部アクチュエータには半回転のみさせる場合、端部アクチュエータ用の別個のモータコントローラが使用されてよい、又は駆動信号は、端部アクチュエータにある装置によって調節されてよい。
【０１２８】
３セットのウェッジが使用される場合、アレイは、任意の時点で任意の方向に回転できる。中立位置では、各セットが互いに１２０度に設定される。次いで、１つ以上のアクチュエータセットを回転させて、アセンブリ全体を任意の方向に曲げることができる。
【０１２９】
ウェッジがアセンブリの所望の動作範囲に必要な角度よりも大きい場合、ウェッジは、１８０度未満の回転で使用され得る。これらは、ウェッジ間でハードストップ、又は場合によってはバネ止めを使用して、ペイロードでの面外の動きをサポートするときに、バネ力を使用してアクチュエータトルクを低減するなど様々な効果を得ることができる。
【０１３０】
一定の摩擦は、ステッピングモータ制御に有利であり得る。これは、ステップ間でのアクチュエータの移動を阻止するためである。摩擦のない状態では、ある別個のステップから次のステップへのアクチュエータの移動を阻止するために慣性のみが存在する。一定の非スティックスリップ摩擦（与圧ローラ軸受、又はＴｅｆｌｏｎ（商標）上のＴｅｆｌｏｎ（商標）摺動接点など摺動接点に共通）が存在すると、この摩擦を克服するために必要な一定の電流が存在する。これらのアクチュエータの実施形態は磁気的に予圧された軸受を使用し、これにより、必要な非付着性摩擦がアクチュエータに提供されて、ステップ間の滑らかな移行をもたらす。
【０１３１】
別の実施形態では、玉軸受は、空隙が挙げられるが、これに限定されない、ステータとロータとの間の低摩擦面と組み合わせて使用され得る。例えば、Ｔｅｆｌｏｎ上のＴｅｆｌｏｎは、非常にスティックスリップ摩擦が低いものとして、この摩擦を克服するためにアクチュエータからの高レベルのトルクを必要とすることによって、ステッピングモードにおけるアクチュエータの円滑な操作を可能にする。Ｔｅｆｌｏｎ材料は、固定部材に回転可能に、ないしは別の方法で動作可能に取り付けられる可動構造物に対する力の変動によって微動を実現できるようにする、固有の特性を有する。方向を変化させてロボットを停止する代わりに、アクチュエータに対して方向コマンドを変更することで、全てのアクチュエータは瞬間的に停止してよい。
【０１３２】
本特許文献に開示されるアクチュエータ及びウェッジの任意のスタックにおいて、ロボットアーム動作の所与のセットにおいて、第１の動作段階は、第１のウェッジセットの回転を伴ってよく、第２の動作段階は、第１のウェッジセットの一部又は全ての回転を伴ってよい。ウェッジは、第１の動作段階及び第２の動作段階の両方において作動している逆回転対であってよい。特定の実施例では、第２の動作段階は、単一のウェッジ対など、より少数のアクチュエータ及びウェッジを伴ってよい。例えば、第１の動作段階が６、８、１０又は１２個のウェッジの回転を伴う場合、第２の動作段階は、互いに対して逆回転する単一のウェッジ対を伴い得る。各アクチュエータの関与はロボットアーム動作の精度の低下をもたらし得るため、この方法は、第２の動作段階における精度の向上を可能にし得る。一般に、任意の動作段階に続いて追加の動作段階が続くことができ、各動作段階は異なる数のアクチュエータを伴い、対応するより低い精度又はより高い精度を有する。動作段階は、物体に向かうロボットアームの特定の動作に対応してよく、その後の動作段階は、物体の把持又は位置決めなど後続の動作に対応してよい。動作段階はある期間に対応してよく、特定の時間区間中に異なる動作段階が生じる。ウェッジの反対方向の動作は、等しい角度量若しくは速度、又は異なる角度量若しくは速度であってよい。
【０１３３】
回転アクチュエータを制御するハンドコントロールの原理と同一の原理が、リニアアクチュエータに適用されてよい。例えば、ハンドコントロールの回転角が感知されて、ハンドコントロールの下流の任意のリニアアクチュエータの比例変位を駆動してよく、例えば、ハンドコントロールの変位が感知されて、ハンドコントロールの上流の任意のリニアアクチュエータの比例速度を駆動してよい。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、任意の数のウェッジが使用され得、例えば、特に頂部及び底部に半角ウェッジが存在する場合、奇数が有効であり得る。そのため、例えば、底部の５度ウェッジ、中間部の１０度ウェッジ、及び頂部の５度ウェッジは有効であり、機械的利点を増加させ、制御された動作を提供する。任意の他の数のウェッジも同様に有効である。
【０１３５】
「特許請求の範囲」では、請求項１〜Ｎへの言及は、請求項１〜Ｎのいずれか１つを意味し、Ｎは正の自然数である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月27日(2019.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スカラアームとして構成されているロボットアームであって、
平面に固定されるように適合されている基部を有するベースアクチュエータと、
前記基部から離れる方向に延在する第１のリンクであって、前記第１のリンクは、前記第１のリンクに垂直な第１の軸を有するアクチュエータによって前記基部に接続されており、前記第１のリンクは、前記第１の軸に平行な第２の軸を有する第２のアクチュエータを含む、第１のリンクと、
前記第２のアクチュエータに連結された第２のリンクと、を備え、
前記第１のリンク又は前記第２のリンクは、前記ベースアクチュエータが前記平面に固定されるときに前記平面に沿って動くように構成されている軸受要素を含む、ロボットアーム。
【請求項２】
前記アクチュエータの前記軸は垂直である、請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記平面は水平である、請求項１又は２に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記アクチュエータは軸方向磁束型アクチュエータである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記アクチュエータは、ワイヤを通過させることができる中空設計を有する、請求項５に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記第２のリンクは端部リンクである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記ベースアクチュエータは、真空を介して前記平面に固定されるように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記軸受要素は、前記平面上で転動するように配置されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記第１のリンクと前記第２のリンクとの間に介在リンクを更に備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記軸が軸方向を画定し、前記第１のリンク、前記第２のリンク、及び前記介在リンクは、前記軸方向に積層され、前記第１のリンクは前記軸受要素を含む、請求項９に記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記第１のリンク及び前記第２のリンクは、前記介在リンクと同じ側に配置される、請求項９に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記第１のリンク及び前記第２のリンクは、前記ベースアクチュエータが前記平面表面に固定されるときに前記介在リンクと前記平面との間に配置される、請求項１１に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記第２のリンクは前記軸受要素を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記第１のリンクは第２の軸受要素を含む、請求項１３に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記ロボットアーム内の前記アクチュエータを１個おきに逆方向に回転させ、前記端部リンクを並進させるように構成されているコントローラを更に備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のロボットアーム。
【国際調査報告】
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