(57)【要約】本開示は、モータ（１００）、特に小型、軽量、かつ高トルクのモータ（１００）に関する。ロータ（２００）はハルバッハ配列（２１０）磁石構造を備え、そこでは放射磁場がモータ（１００）の回転軸方向を向き、ステータ（３００）はハルバッハ配列（２１０）内に複数の磁極（３２０）を備える。ハルバッハ配列（２１０）を構成する個々の磁石（２２２）が、回転軸に対する半径方向に厚さを有し、これは、モータ（１００）が使用される予想最高温度において、モータ（１００）のピークトルク出力を発生させるための最大電流がステータ（３００）を通して流れるときに、磁石（２２２）の減磁を止めるのに必要な最小厚さに決定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ（１００）、特に小型、軽量かつ高トルクのモータ（１００）であって、
ロータ（２００）が、放射される磁場が前記モータ（１００）の回転軸方向に向く、ハルバッハ配列（２１０）磁石構造を備え、
ステータ（３００）が、前記ハルバッハ配列（２１０）内に複数の磁極（３２０）を備え、
さらには、前記ハルバッハ配列（２１０）を構成する個々の磁石（２２２）が、前記回転軸に関する前記半径方向に厚さを有し、前記厚さは、前記モータ（１００）が使用される予想最高温度において、前記モータ（１００）のピークトルク出力を発生させるための最大電流が前記ステータ（３００）を通して流れるときに、前記磁石（２２２）の減磁を止めるのに必要な最小厚さに決定される、モータ（１００）。
【請求項２】
前記ハルバッハ配列（２１０）は、好ましくは鋼又は鉄の高磁化率材料（２０５）の外側バンド内に配置され、その厚さは、ａ）前記ハルバッハ配列（２１０）からの外側磁場を完全に閉じ込め、かつｂ）前記ロータ（２００）に完全な機械的安定性を与えつつ、可能な限り薄くなるように選択される、請求項１に記載のモータ（１００）。
【請求項３】
前記磁石（２２２）は、高磁界強度を有するが、減磁に対する温度抵抗が小さい磁性材料から形成され、それによって前記モータ（１００）の狭い可用温度域という犠牲のもとに、高いトルクを提供する磁性材料で作られている、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項４】
前記ハルバッハ配列（２１０）は、素数の極対を備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項５】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数とは異なり、かつ前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、好ましくはこれもまた素数であることと、前記ステータの前記磁極（３２０）の数は前記ハルバッハ配列（２１０）の磁極対の数の整数倍ではないこととの少なくともいずれかである、請求項１〜請求項４のいずれか一項、特に請求項４に記載のモータ（１００）。
【請求項６】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数を考慮して、高いか、好ましくは最も高い巻線係数を確保するように選択される、請求項１〜請求項５のいずれか一項、特に請求項４又は請求項５のいずれかに記載のモータ（１００）。
【請求項７】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数を考慮して、前記モータ（１００）のコギングトルク及び／又はリラクタンストルクを減らすように選択される、請求項１〜請求項６のいずれか一項、特に請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項８】
前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数は、１１、１３又は１７のうちの１つである、請求項１〜請求項７のいずれか一項、特に請求項４〜請求項７のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項９】
前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数は、前記モータ（１００）の物理的寸法に基づいて選択及び／又は決定される、請求項１〜請求項８のいずれか一項、特に請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１０】
前記ハルバッハ配列（２１０）の各磁極における個別磁石（２２２）の数は４、すなわち各磁極対は８個の個別磁石（２２２）を含み、かつ前記個別磁石（２２２）の磁場の向きは、隣接する前記個別磁石（２２２）に対して４５°ずれている、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１１】
前記ステータ（３００）の各磁極（３２０）は、周囲に導電コイルが巻かれた、高磁化率材料、好ましくは鋼又は鉄で形成された少なくとも１つの歯を備え、
各歯の寸法及び形状は、ａ）使用時に前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに印加するように設計された最大印加電流に対して磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、の両方となるように選択される、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１２】
前記ステータ（３００）は、好ましくは鉄又は鋼でできた複数の積層された高磁化率層を備え、各積層は前記モータ（１００）の前記回転軸に垂直な面内にある、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１３】
各歯は個別に形成され、完全なステータリング（３３０）を形成するために、前記ステータ内部リング（３２８）上の整合構造と機械的に相互作用するように設計された機械的固定構造を有する、請求項１〜請求項１２のいずれか一項、特に請求項１１又は請求項１２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１４】
前記ステータ（３００）は、前記モータ（１００）の前記回転軸に中心を有する環状構造であるステータ内部リング（３２８）を含み、前記ステータ内部リング（３２８）は、前記モータ（１００）の前記回転軸から決定される半径方向厚さを有し、これは前記ステータ（３００）により生成される最大磁場の収容及び封じ込めに十分な厚さであることと、前記ステータ内部リング（３２８）は前記最大磁場の収容及び封じ込めに必要な厚さよりも厚くないことと、を確保するための最小厚さである、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１５】
前記ステータ（３００）の導電性コイルは、オルソサイクリック巻きによって各歯の周りに巻きつけられた、一つ又は複数の導電性ワイヤを備える、請求項１〜請求項１４のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１４のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１６】
前記一つ又は複数の導電性ワイヤは前記歯の周りに巻かれた後で更なるプレスはされず、前記ワイヤは、前記モータ（１００）が構築されたときに前記ハルバッハ配列（２１０）とは重複しない前記コイルの領域である各歯の外端部領域で蜜に巻かれていない、及び／又は高い構造的秩序で巻かれていない、請求項１〜請求項１５のいずれか一項、特に請求項１５に記載のモータ（１００）。
【請求項１７】
前記導電性コイルは、幅が０．４ｍｍ〜０．８ｍｍ，、好ましくは０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍの導電性ワイヤを備え、さらには、前記導電性ワイヤは前記歯の周りに、４０〜５５回、好ましくは４３〜５２回、より好ましくは４５〜５０回、さらにより好ましくは４７〜５０回巻かれている、請求項１〜請求項１６のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１８】
前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数は１３であり、かつ前記ステータ（３００）の磁極（３２０）の数は２７である、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１９】
前記ステータコア（３１２）の周方向に測った、前記ステータコア（３１２）の隣接する導電性歯の端部同士の間のエアギャップは、前記ステータコア（３１２）の前記導電性歯の前記端部と、前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁石（２２２）との間の、前記回転軸に関して前記ステータコア（３１２）の半径方向への前記エアギャップよりもはるかに大きく、特に、前記歯同士の間のエアギャップは、前記歯と前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁石（２２２）との間のエアギャップよりも１０倍、好ましくは８倍、より好ましくは６倍大きい、請求項１〜請求項１８のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１８のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２０】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸から前記半径方向に沿った直立部分の幅は、ａ）前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに使用時に印加するように設計された最大印加電流に対して、前記歯のこの部分に磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯のこの部分の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、を確保するように選択される、請求項１〜請求項１９のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１９のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２１】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸の周りの前記周方向に沿う前記断面の幅は、前記ハルバッハ配列（２１０）と重複しない前記コイルの湾曲領域を無視して、前記「Ｔ」の交差部が、前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の少なくとも７０％の間に、好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の８０％の間に、より好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の９０％の間に、最も好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の１００％の間にあることが確保されるように選択される、請求項１〜請求項２０のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２０のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２２】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸の周りの前記周方向に沿う前記断面の厚さは、ａ）前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに使用時に印加するように設計された最大印加電流に対して、前記歯の前記「Ｔ」の交差部に磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯の前記「Ｔ」の交差部の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、を確保するように選択される、請求項１〜請求項２１のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２１のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２３】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸から半径方向に延在する前記直立部分の長さは、前記ステータ（３００）からの前記最大磁場の改善が、前記コイル長の追加による重量増加によって相殺されることがない様に選択される、請求項１〜請求項２２のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２３】
前記ステータ（３００）の周りの前記コイルの巻線パターンはスター巻線パターンである、請求項１〜請求項２３のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１８のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２４】
請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の前記モータ（１００）を含む、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）。
【請求項２５】
請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載の前記モータ（１００）を含む、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）であって、
前記関節（４０２）の最終的寸法が十分に小さくて、前記ロボット肢部（４０４）が人間のように動作できることを確保するために、寸法、具体的には前記モータ（１００）の直径が選択され、そうしてその中に適切に嵌合するように前記ハルバッハ配列（２１０）の磁極対の数が決定される、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）。
【請求項２６】
前記肢部（４０４）は請求項２４又は請求項２５のいずれかによる一つ又は複数の関節（４０２）を備える、ロボット（４００）の肢部（４０４）。
【請求項２７】
ロボット（４００）の肢部（４０４）であって、
関節（４０２）で相互に回転可能に取り付けられた、複数の肢部セクション（４０６）と、
一つ又は複数の前記肢部セクション（４０６）を駆動するように適合された一つ又は複数のモータ（１００）と、
一つ又は複数の前記モータ（１００）と、一つ又は複数の関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）との間に接続された一つ又は複数の駆動ケーブル（４３０）であって、前記一つ又は複数のモータ（１００）の回転が、前記一つ又は複数の駆動ケーブル（４３０）のそれぞれに掛かる力をもたらし、これが前記関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）のそれぞれに伝達され、前記肢部セクション（４０６）を前記関節（４０２）の周りで回転させるようにする、駆動ケーブル（４３０）と、
を備え、
一つ又は複数の前記関節（４０２）は、人間の肢部のそれぞれの関節を模倣するために、そこに回転可能に取り付けられた肢部セクション（４０６）を２つの別々の軸の周りで回転可能とする差動装置（４３２）を備え、
前記駆動ケーブル（４３０）は前記モータ（１００）から前記従動関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）に、中間シャフトを介在させずに直接延在する、肢部（４０４）。
【請求項２８】
６自由度、好ましくは７自由度を有し、人間の腕の動きを模倣するように動作可能な、ケーブル駆動ロボットアーム（４２０）である、請求項２７に記載の肢部（４０４）。
【請求項２９】
前記一つ又は複数のモータ（１００）と前記従動関節４０２及び／又は肢部セクション４０６との間の最大ギヤ比は、１：１０、好ましくは１：８、好ましくは１：６、好ましくは１：５、好ましくは１：４、好ましくは１：３、好ましくは１：２、そして最も好ましくは１：１である、請求項２７又は請求項２８のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３０】
前記差動装置（４３２）のそれぞれは、前記関節（４０２）内に回転可能に保持された２つのサイドドラム（４３４）を備え、各サイドドラム（４３４）は、前記肢部（４０４）の異なる関節（４０２）に位置する別々のモータ（１００）により回転駆動される、請求項２７〜請求項２９のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３１】
前記サイドドラム（４３４）を駆動する前記モータ（１００）は、前記サイドドラム（４３４）がある前記関節（４０２）よりも、前記肢部（４０４）が取り付けられる前記ロボット（４００）の前記胴体（４１０）により近い関節（４０２）内に配置される、請求項２７〜請求項３０のいずれか一項、特に請求項３０に記載の肢部（４０４）。
【請求項３２】
前記関節（４０２）を駆動する前記モータ（１００）は、前記一つ又は複数のモータ（１００）で駆動される前記関節（４０２）よりも、前記肢部（４０４）が取り付けられる前記ロボット（４００）の前記胴体（４１０）により近い別の関節（４０２）内に配置される、請求項２７〜請求項３１のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３３】
前記一つ又は複数のモータ（１００）からの前記トルクは、駆動ケーブル（４３０）巻取りシステムによって、前記従動関節（４０２）又は差動装置（４３２）に伝達され、
前記駆動ケーブル巻取りシステムは、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の、前記肢部（４０４）の長手回転軸の周り及び前記一つ又は複数のモータ（１００）に対する長手方向回転が、差動装置回転軸の周りの前記差動装置（４３２）の回転をもたらさないような構造になっている、請求項２７〜請求項３２のいずれか一項、特に請求項３１又は請求項３２のいずれか一項に記載の、肢部（４０４）。
【請求項３４】
前記駆動ケーブル（４３０）巻取りシステムは、それぞれが１つのモータ（１００）の駆動軸から、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の従動軸へ延在する２つの駆動ケーブル（４３０）を備え、
前記駆動ケーブル（４３０）は、
前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）よりも前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸から更に離れた位置で、前記モータ（１００）の駆動軸上に巻きつけられ、
前記モータ（１００）の駆動軸の回転軸に沿ってみたときに、前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記モータ（１００）の駆動軸上に、時計方向又は反時計方向のいずれかに巻きつけられ、かつ前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）が、前記モータ（１００）の駆動軸の周りに、もう一方の、反時計方向又は時計方向に巻きつけられ、
さらに、前記第２の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記第１の駆動ケーブル（４３０ｂ）よりも前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸から更に離れた位置で、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸に巻きつけられ、
前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸の回転軸に沿って見たときに、前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸の周りに、前記モータ（１００）の駆動軸の周りと同じ時計方向又は反時計方向に巻きつけられ、かつ前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）が、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の従動軸の周りに、前記モータ（１００）の駆動軸の周りと同じ時計方向又は反時計方向に巻きつけられ、
前記ケーブルは、前記モータ（１００）と前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）との間で交差し、また前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸の周りの前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の回転は、前記駆動ケーブル（４３０）が同じ張力をもたらして、前記差動装置（４３２）が前記差動装置の回転軸の周りで不意に回転することを防ぐようになっている、請求項２７〜請求項３２のいずれか一項、特に請求項３３に記載の肢部（４０４）。
【請求項３５】
前記一つ又は複数のモータ（１００）は、前記差動装置（４３２）及び／又は関節（４０２）を駆動するために対としてグループ化され、長手方向回転時に前記肢部（４０４）にかかる重力の影響をなくすために、肢部（４０４）に沿う長手方向回転軸の両側に対称的に配置される、請求項２７〜請求項３４のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３６】
前記肢部セクション（４０６）は中空であり、前記駆動ケーブル（４３０）が前記肢部セクション（４０６）の前記中空部分を貫通して延在する、請求項２７〜請求項３５のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３７】
前記モータ（１００）は請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載のものである、請求項２７〜請求項３６のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３８】
駆動ケーブル（４３０）のための終端ハウジング（４４４）であって、
前記駆動ケーブル（４３０）は、合成材料（４４２）製の中空のチューブ又はスリーブを備え、ボールベアリング（４４０）が合成材料（４４２）の前記中空のチューブ又はスリーブ内部に配置可能であり、
前記終端ハウジング（４４４）は、貫通した狭いスロット（４４６）を備え、前記狭スロット（４４６）の一端には拡大セクション（４４８）が設けられて、合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブは前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）へ通じることができ、かつ合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブ内に位置する前記ボールベアリング（４４０）が前記拡大セクション（４４８）に嵌まっているが前記狭スロット（４４６）内へは入ることができず、したがって合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）から離れる方向へ動くことを阻止する、駆動ケーブル（４３０）のための終端ハウジング（４４４）。
【請求項３９】
請求項３８に記載の終端ハウジング（４４４）を含む終端構造であって、合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）及び拡大セクション（４４８）を貫通し、前記合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブ内に保持されて前記拡大セクション（４４８）に配置されたボールベアリング（４４０）が、前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）から離れる方向への合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブの移動を阻止する、終端構造。
【請求項４０】
終端ハウジング（４４４）は第１の終端ハウジング（４４４ａ）であり、前記拡大セクション（４４８）は前記ボールベアリング（４４０）の一部のみを収納するような大きさであり、前記終端構造は第２の終端ハウジング（４４４ｂ）を更に備え、前記拡大セクション（４４８）が前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）により露出された前記ボールベアリング（４４０）の残りの部分を収納可能であり、
前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）と第２の終端ハウジング（４４４ｂ）は、機械的に相互作用して前記ボールベアリング（４４０）のための空洞を形成して、前記合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）を通っていずれの方向にも移動することを阻止する、請求項３９に記載の終端構造。
【請求項４１】
接着剤（４５０）が提供されて前記ボールベアリングを前記拡大セクション（４４８）に固定し、かつ前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）と第２の終端ハウジング（４４４ｂ）を一体保持する、請求項３９又は請求項４０のいずれか一項に記載の終端構造。
【請求項４２】
前記駆動ケーブル（４３０）は合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブを含み、これが請求項３８〜請求項４１のいずれか一項に記載の終端ハウジング（４４４）又は終端構造によって終端する、請求項２７〜請求項３７のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項４３】
請求項２７〜請求項４２のいずれか一項に記載の肢部（４０４）を駆動する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載のモータを備える、人型ロボット（４００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ロボットは何十年もの間、人間の行動を模倣して、家庭、オフィス又は産業での支援を提供可能であるという一般的な筋立ての空想科学小説の産物であった。しかしながらよくあるように、ロボット工学及びロボット一般の分野の現実は、空想科学作家の想像とは異なっている。ロボット工学分野で莫大な進歩がなされてきており、多くの工業環境において高精度かつ高速度で仕事をこなす完全自動化システムが普通に見られることは否定できない。今日のロボットの多くは、限られた範囲のタスクを想定して設計され、特定の分野の工業の自動化におけるスペシャリストである。それに対し、広範なタスクにおいて人間に置き換わるロボット工学及びロボット設計分野はまだそのようなペースで発展しておらず、現在のところ家庭用の実際的なロボットは多くが未だに科学小説の題材の域にある。
【背景技術】
【０００２】
人間が共存する環境でのロボット工学設計に関する問題点の１つは、ロボットがもたらす重大な安全性の問題及びリスクである。特に、あらかじめプログラムされた一連のタスクを遂行するロボットは、タスクとロボットの動作の間に何も予期せぬことが起きない限り、そのタスクを容易に繰り返すことができる。工場で１つのコンベヤから別のコンベヤに品物を移動させるようにプログラムされたロボットを考えると、そのロボットは、１つのコンベヤベルトから１つの品物を取ってこれを別のコンベヤベルトに置く。そのようなロボットは完全に既知で制御された環境において動作する。したがって、ロボットの運動及びタスクに干渉する予期せぬ偶発事象に備える必要はない。しかしながらそのようなロボットの作業環境における人間の不運な状況も想像され得る。そこでは、ロボットは計画された任務の遂行を継続しようとして、そのロボットの運動経路内に不注意で侵入した人間に重大な被害を与える可能性がある。実際に、多くのロボットは、予期しない環境又はそのような環境内にいる人に対して調整するようには設計もプログラムもされていないので、その近傍に入り、プログラムされた移動経路内に立つ人間に対して重大な被害を与えるという、非常に現実的な可能性を持っている。
【０００３】
非標準環境との相互作用を意図するロボット工学の分野では、明らかにロボットが多数のセンサを装備することを要求する。このセンサが、ロボット近傍の予期しない物体又は異物、及び人間の全てを検出可能であり、人間への被害を回避するための適切な動作を取れるようにする。ロボットが一連の近接センサや光学システムを装備して、その環境を積極的に監視可能とし、所望のタスクを遂行するときに適切な注意を払って、ロボット環境における人間や物に対する害を回避するようにすることは容易に想像される。しかし、人間と人型ロボットとの本当の相互作用としては、ロボットが人間と同様の方法でタスクを遂行できるばかりでなく、変化する環境に対しても同じ様に対応できることが望ましい。さらに、人間と人型ロボットとの物理的な相互作用が、人間が別の人間と相互作用する際に予想されるものに近くなることが望まれる。特にこれはロボット及びロボットの肢部との実際の物理的相互作用に関する。人間のいる環境で人間と相互作用する人型ロボットに関しては、人間が人型ロボットと能動的に相互作用することができないこと、特にその肢部と物理的に相互作用することができないことは、最も望ましくないことである。
【０００４】
現在のロボット設計、特に人型ロボットの設計分野は、基本的に工業ロボット環境に起源を有する。上記のように、工業ロボットはその環境に定期的な注意を払う必要がなく、人に対して迅速に適応することも、物理的に相互作用できることも必要ではない。さらに、ロボットが人間に類似した形状および寸法を有することが、人型ロボット設計分野の一部である。この意味で、人型ロボットの物理的寸法は望ましくは人間と同じようであり、このことがロボットの機構系及び駆動システムに大きな制約をもたらす。
【０００５】
ロボット、特にその肢部を動かすためには、何らかの種類の駆動機構が必要なことは明らかである。ほとんどのロボット設計は、適切な駆動トレインを駆動する電気モータの使用に基づき、可能な限り人間の行動に近い形でロボットの肢部をさらに駆動することを目的としている。さらに、モータは適切な寸法であって、得られる人型ロボットがほぼ人間の大きさと形を有することが望ましい。このことは勿論これらのモータの力の出力を制限し、結果としてロボットそのものを運転するために必要な出力の量も制限する。最大のモータ寸法と限られた出力の問題を克服するために、機械分野では周知の、適切なギヤ比を利用することは極く一般的である。直接駆動の場合には、特定のトルク出力を有する小型モータを備えることによってのみ、ロボットの全ての部分に対して同じ回転力を提供することができる。そうして、そのようなモータを高い比の駆動システムを介して提供して、より小さなモータがロボットの肢部を動かすことができ、かつ有効荷重を比較的容易に搬送することができるようにすることが一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのようなシステムは良好に機能する一方で、高い比の駆動トレインを使用することが、そのようなロボットの制御及びその近傍で人間と相互作用できる容易さとに関して重大な欠点をもたらす。前述したように、ロボットアームがフィードバック制御なしに駆動されることは最も望ましくないことである。それはたとえ比較的小さい出力のモータであったとしても、高ギヤ比によってロボットの肢部を大きなエネルギで駆動可能であって、アームの運動経路内に予期せずに入った人間に対して潜在的に重大な害を与える可能性がある。人型ロボットの近傍でのそのような人を害する機会を最小化するために、ロボットに過剰なセンサを装備してロボットの運動時に予期しない物体との相互作用に迅速に応答して、システムに適切な行動をとらせることができる。人型ロボットのアームに一連の触覚センサ又は圧力センサがあることを想像されたい。ロボットアームの運動時に、いずれかのセンサが正の圧力を示したとすると、システムは予期せぬ物体がアーム経路にあると予想する。そしてこれにより、アームを人体に向けて駆動して危害を及ぼすことを回避するために、システムを停止させる。しかしながら極めて明らかなことに、ロボットアームの運動からの潜在的な損傷を軽減するために、多数のセンサを装備することは、システムの複雑さを大幅に増やすばかりでなく、人型ロボットの製造に莫大な費用を追加する。実際、人型ロボットの設計の、最も大きなコスト要素の１つは、ロボット近傍の人に予期せぬ危害を生じることのできないロボットアーム運動を確保するために、多くのセンサを必要とすることである。
【０００７】
非常に高いギヤ比の駆動トレインを有することからも更なる問題を生じる。これはロボットを適切に制御し、また人間と安全かつ現実的にかかわることを更に困難にする。ロボットアームを駆動するためのロボットのギヤ比が約１：２００である場合、これは当分野においては珍しいギヤ比ではないが、アームが邪魔である場合、あるいは人間がロボットと相互作用しようとする場合に、人間が実際にこのロボットアームを動かすことは、不可能でないとしても非常に困難である。ギヤ比が１：２００ということは、ロボットアームを少しだけでも動かそうとすると、モータそのものからの抵抗は非常に大きくなり、多くの場合ロボットアームは本質的に移動不可能であり、人間とロボットアーム間の現実的な相互作用は不可能である。ロボット設計のこの特性は、逆駆動性（ｂａｃｋ−ｄｒｉｖａｂｉｌｉｔｙ）として知られ、人型ロボット設計の分野で直面する重要な課題の１つである。いくつかの設計では、システムの逆駆動性はロボットアームにばねと減衰器と追加することにより模擬することができる。これはシステムの制御を非常に難しくすると同時に、複雑さとコストを追加するという重大な欠点を有する。ロボット部品が、付近にいる人間から与えられる力に物理的に応答する能力、例えば人間がロボットやその肢部の位置に能動的に影響することができることなどは、非常に望まれることであるが、高ギヤ比の駆動トレインでは極めて困難である。人間とロボットアームの相互作用の感知に圧力センサを使用し、感知された印加圧力に応答してロボットアームを能動的に動かす、という概念は、極めて複雑で、そのような人型ロボットのコストを大幅に追加する。さらに、そのようなシステムは応答及び動作が遅いことが多く、人間−ロボットの相互作用に違和感をもたらす。
【０００８】
高ギヤ比であって、ロボットの肢部を動かすための複雑な一連の駆動要素に依存するロボットの別の重要な欠点は、摩擦とバックラッシュの問題にある。歯車駆動の駆動トレインにおいては、ロボット肢部を駆動するモータと肢部そのものとの間に、多数の個別要素が存在する可能性が非常に高い。歯車の相互作用のそれぞれは、システムにバックラッシュの可能性を付加する。ここでバックラッシュは、駆動ギヤの非線形運動をもたらす駆動トレインでの力の印加、と定義可能である。駆動歯車と従動歯車の歯の間に小さい隙間が存在すれば、２つの歯が係合して従動ギヤが運動する前に駆動歯車の小さい動きがあることは明らかである。この特性はバックラッシュとして知られ、高度の非線形問題であり、ロボット制御環境においてモデル化することは極めて難しい。バックラッシュに関する問題は知られているが、歯車駆動の駆動トレインシステムにおいてはこれらの問題を軽減することは困難である。ロボットの制御において、ロボット肢部及びロボットそのものの適切な運動を遂行するために、ロボット胴体に対するロボット肢部の位置を正確に知る必要があることが多い。制御システムが任意の与えられた時間においてアームの正確な位置について確かでない場合、アームをその位置から別の場所へ移動するための適切な運動を行うことは非常に困難である。さらに、ロボットの部品の実際の駆動がバックラッシュを含む複数のシステムの影響を受ける場合、バックラッシュが非線形問題であって、適応するために多くの計算を必要とするので、ロボットの新しい所望位置への正確な移動はプログラムすることが大変困難になる。ロボットを「トルク制御」−すなわち、所定時間の間、特定のトルクを加えることで制御しようとする場合、更なる重大な困難が生じる。システムの非線形性の結果として、最終的な位置と移動の速度が不明（あるいはよくても計算的に決定することが非常に困難）である。
【０００９】
非常に高精度のベアリングと精密な歯車設計であっても、システムには何らかの摩擦が存在することになる。摩擦は、ロボットの一部の動きを開始するための最小限の力を与える必要性、としてうまく説明される。摩擦とバックラッシュが組み合わされた問題は、ロボットの部品の位置及び動きを積極的に計算可能とするために困難をもたらすことがある。一般的に、システムにおいてバックラッシュと摩擦の間にはトレードオフがある。高いバックラッシュの犠牲のもとに低摩擦が達成され、その逆も同様である。モータの運動が、バックラッシュ問題によって、従動ギヤの適切な運動をもたらさない場合、システムは、駆動されるロボットの部品の最終的な位置を正しく計算しなくなる可能性がある。同じ問題が摩擦に対しても生じる可能性があり、システムはロボットの部品に適切な運動をもたらさない、特定の最小力があることを考慮に入れる必要があり、ここでもロボット要素の実際の位置を慎重にモデル化する必要がある。そのようなモデルは、もしも加えられたトルクと力の信号が、ロボット自体の終点位置を完全に示すという知見にのみ依拠する場合には非常に不正確となるであろう。
【００１０】
したがって、本開示は人型ロボットの設計に対して非常に異なった手法を取る。問題の多くは、環境及びそこにいる人間との相互作用をするために、ロボットの部品を実際に動かす高ギヤ比を使用する必要性から生じる。そのような高ギヤ比を用いれば、上述したようにそのようなロボットと物理的に相互作用することは非常に困難であり、さらには、その近傍にいる人間に対して重大な危害を生じる可能性を持つロボットの動きに関する問題を考慮しなければならない。しかしながら、いわゆる「直接駆動」の人型ロボットを設計及び構築することに集中すれば、これらの問題の大部分は消失する。直接駆動システムは、ロボットの環境を正確にモデル化し、それに従ってロボットの肢部を用いて所望のタスクを達成するためにロボットの要素を駆動することができる、ロボット及び制御システムに関する。トルク制御システムを提供することもまた本シナリオにおいては望ましい。そこでは、ロボット及びロボットの肢部の適切な運動を導くために、特定のトルクが特定の時間の間モータによって提供されるように、ロボットをプログラムすることで、ロボットの運動及び相互作用を制御可能である。制御システムでは速度と力をはっきりと制御することも望まれる。これにより、ロボットアームとその環境内の任意の物との間の接触力の、安定した高帯域幅制御が可能となる。さらに、システムには望ましくは、最大１：５、理想的には１：３、１：２に近く、あるいは究極的な目標はギヤ比１：１である、ギヤ比が提供される。モータからロボット肢部へトルクを直接伝達するギヤ比１：１を有することにより、ロボットの直接かつはるかに正確な運動を、ロボット肢部の運動を導く各モータの運動によって制御することが可能である。さらに、そのような低ギヤ比は、人間が力を加えることによる肢部又はモータのいかなる運動にもモータは抵抗しないので、人間がロボット及びロボットの肢部と適切に相互作用することが可能となる。そのようなシステムにおいては、人間がロボットの肢部とより実際的に相互作用することが本当に可能であり、人間がかける力によってロボット及び肢部に適切な運動がもたらされる。最終的な事項として、この直接駆動手法は、モータ自体がロボットに印加された力を感知することを大いに可能とし、このことがロボットの周りの環境をより正確にモデル化して、そこに適切に適応することが可能である。このことがそのようなロボットのコストを劇的に低減する。それは、複雑な一連のセンサ、及び各センサ信号に応じた制御アルゴリズムの提供の必要性が大幅に低減できるからである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の問題は、本開示において特定の小型の高トルクモータ設計によって対処される。このモータは極めて高いトルクを駆動システムに提供可能である。そうして、ロボット自体の肢部を動かすのに必要なギヤ比を劇的に低減させる。さらに、モータからロボットの肢部へのトルク伝達のためにケーブル駆動システムを提供することにより、バックラッシュ及び摩擦に関する問題の多くを実効的に排除することが可能である。そのようなケーブル駆動の使用により、モータと動かされるロボット部品との間の直接接続が可能となり、ロボット自体はモデル化がはるかに容易となり、モータの運動が、ケーブルと最終的にはロボットそのものの動きを既知で予測可能な動きにする。そのような手法が、以下で説明するような、所望の目的である直接駆動ロボット制御システムに密接に通じる。
【００１２】
本出願は上記の問題点に対処するために開発された。具体的には、以下で概略を述べるように、要素は独立請求項で提供され、更なる詳細はその従属請求項で与えられる。
【００１３】
本開示は、モータ、特に小型、軽量、かつ高トルクのモータを提供する。ロータがハルバッハ配列磁石構造を備え、そこでは放射磁場がモータの回転軸方向に向く。ステータが、ハルバッハ配列内に複数の磁極を備える。ハルバッハ配列を構成する個々の磁石が、回転軸に関する半径方向に厚さを有し、これは、モータが使用される予想最高温度において、モータのピークトルク出力を発生させるための最大電流がステータを通して流れるときに、磁石の減磁を止めるのに必要な最小厚さに決定される。
【００１４】
さらに、本開示は、少なくとも上記で説明されたようなモータを備えるロボット肢部の関節の提供に関する。
【００１５】
さらに、ロボットのための肢部が開示され、その肢部は一つ又は複数の上記関節を備える。
【００１６】
さらに、ロボットの肢部が議論される。肢部は関節で相互に回転可能に取り付けられた、複数の肢部セクションを備える。一つ又は複数の肢部セクションを駆動するように適合された一つ又は複数のモータが提供される。一つ又は複数のモータと、一つ又は複数の関節及び／又は肢部セクションの間に接続された一つ又は複数の駆動ケーブル（４３０）が与えられ、一つ又は複数のモータの回転が、一つ又は複数の駆動ケーブルのそれぞれに掛かる力をもたらし、これが関節及び／又は肢部セクションのそれぞれに伝達されて、肢部セクションの関節の周りでの回転をもたらす。一つ又は複数の関節は差動装置を備え、これが人間の肢部のそれぞれの関節を模倣するために、回転可能に取り付けられた肢部セクションを２つの別々の軸の周りで回転可能とする。駆動ケーブルがモータから駆動される関節及び／又は肢部セクションに、中間シャフトを介在させないで直接延在する。
【００１７】
駆動ケーブル用の終端ハウジングも説明される。駆動ケーブルは、合成材料製の中空のチューブ又はスリーブを含み、ボールベアリングが合成材料の中空のチューブ又はスリーブ内部に配置可能である。終端ハウジングは貫通する狭いスロットを含み、この狭スロットの一端には拡大セクションが設けられて、合成材料の中空チューブ又はスリーブが狭スロットを通って拡大セクションへ通じることができ、かつ合成材料の中空チューブ又はスリーブ内に位置するボールベアリングが拡大セクション内に嵌まり込むようになっている。ボールベアリングは狭スロット内へは入ることができず、したがって、合成材料の中空チューブ又はスリーブの拡大セクションから離れる方向への移動が阻止される。
【００１８】
上でそれぞれ概略を説明した、肢部を駆動するモータを備える人型ロボットもまた記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】本開示による、小型、高トルクモータの拡大図である。
【図１Ｂ】多くの要素に関して一連の可能な寸法を示す、図１Ａによるモータの図である。
【図２Ａ】ステータの歯の断面図である。
【図２Ｂ】寸法の可能範囲を示す、図２Ａの概略図である。
【図３】ロボット肢部、この場合にはロボットアームの概略図である。
【図４】モータからロボットアームの差動装置へのトルク伝達の概略図である。
【図５】駆動システムにおけるケーブルの終端ハウジングの例である。
【図６】人型ロボットの概略図である。
【図７】ロータ用のハルバッハ磁石配列に使用される磁石配列である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図６は、本出願の一般原理によるロボット４００の概略図を示す。上で述べたように、多くのロボット設計は長年にわたり同じ技術の流れをたどり、次第に高くなるギヤ比でロボット４００の要素を駆動するモータを用いた、ロボット４００及びその肢部４０４の駆動運動に重点を置いてきた。実際に、多くのロボット設計において、１：５０以上の値のギヤ比にすることが珍しくはなかった。以下においては、「高ギヤ比」というのは一般的に１：３０以上に関し、典型的には１：５０から最大１：２００の比はロボット肢部４０４の設計においては全く一般的である。そのような高ギヤ比トレインを組み込んだ機械システムは、小型モータによるロボット４００の肢部４０４の駆動を可能とするが、システムが複雑になればなるほど、結果的にロボット４００の制御が難しくなる。高ギヤ比を使用することによって生じる複雑さの一例として、そのようなシステムのモデル化及び計算機制御がある。現在のロボット４００の多くは、ロボット４００の様々な場所に多数の位置センサ及び接触センサを装備しており、これらはロボット４００の部品の位置、及びさらにはロボット４００又はその肢部４０４が環境に接触しているか否かの両方に関する情報を制御システムに提供するために使用される。
【００２１】
変化する環境に対して相互作用するように意図されたロボット４００を設計する場合、これらの全ての要素を前もってロボットにプログラムして、既知の物体及び環境内の危険因子に対してロボット４００に自分の位置を常に知らしめることは不可能であるので、高ギヤ比で駆動するロボット４００の部品を有することでは制御の助けとならない。駆動モータにおけるシステムの無感応度がギヤ比の二乗となるので、高ギヤ比モータ駆動システムで制御されるロボットの肢部４０４の逆駆動性は極めて乏しい。ロボット４００が人間と相互作用するように設計されている場合には、この問題は特に厄介となる。そのようなロボット−人間の相互作用に関する１つの特定の要求は、変化する環境、特にこの変化する環境が実際に生きた人間を含み、ロボット４００がその動きを理想的に調整して、近傍にいる人間に対する潜在的危害を回避しなければならない場合に、ロボット４００が迅速に適応できることである。１：５０から１：２００の間の高ギヤ比ということは、ロボット４００の肢部４０４と相互作用するどの人間も、通常、この肢部４０４又はロボット４００の動き又は位置に、影響を与えることは実効的に不可能であるということである。ロボット４００の肢部４０４又は他の部分の動きは、高ギヤ比を介してモータへ戻らなければならないので、ドライブトレインはロボット４００及びそのすべての肢部４０４を実効的に動けなくする。ロボット４００の肢部４０４又は他の要素のどんなに小さな動きも高回転速度でのモータの駆動を必要とする。これはシステム自体が、外部ソースにより与えられる動きに対して内在するブレーキ又は停止をかけることを意味する。このことは、ロボット４００が実際に自分自身又はその肢部４０４を駆動するときに特に問題となる。それは、もちろんモータが感じる反力としてのいかなるフィードバック信号も、無感応をもたらす同じ高ギヤ比を通らなければならないからである。さらに、高ギヤ比を介して駆動することは、たとえ相対的に小さな低出力モータであっても、ロボット４００又はその肢部４０４の移動通路内に不注意に入った人間に対してかなりの害を与える強度を有するということである。
【００２２】
上記のように、高ギヤ比ロボット設計に関するこの重大な問題は、まさに上記の問題の回避のためにロボット４００に過剰なセンサを設けさせることである。ロボット４００及びその肢部４０４の様々な部位に複数のセンサを使用すれば、さらに、ロボット環境にある物体や人に対する危害を最小化若しくは回避するために、システムの駆動を非常に迅速に停止させるようにできれば、安全装置がロボット４００とその環境との間の予期せぬ接触を監視可能である。ただし、そのようなロボット４００へセンサの数を増すことは、経済的なコストと、ロボット４００の物理設計及びロボットの駆動制御システムの両方の複雑さとを増加させる。「ヒトに安全」なロボット４００は、何ダースものそのような位置センサ及び接触センサの装備を必要とすることになりがちであり、その結果ロボット４００のコストと複雑さを飛躍的に増加させ、かつそのロボット４００の多くの潜在的顧客及び潜在的用途に対する価格の範囲外に追いやってしまう。この問題は、以下で議論する、ロボット要素の設計で対処される。
【００２３】
他の態様は、これも既に述べたが、高ギヤ比で動作するロボット４００の正確なモデル化と制御に関する。高精度の要素相互作用を有する最高品質のギヤシステムでさえも、バックラッシュや摩擦などの問題がある。例えば、バックラッシュは、２つの歯車の間で生じ、従動歯車の回転が始まる前に駆動歯車に特定の移動を必要とする。これは適切にモデル化することが不可能であるか、モデル化するのに必要な計算が（不可能でないとしても）現実的ではない、非常に複雑な非線形相互作用であるかのいずれかである。他の問題はギヤチェーン等の要素間の単純な摩擦に関係する。ここで摩擦は別の非線形系であって、これも正確にモデル化することが困難であるか、あるいは不可能である。これらの２つの問題はいずれもシステムの複雑さ、並びに駆動トレインのギヤ比の増加に対して非線形性を示す。この観点で、高ギヤ比がロボット設計、特に主として人型であって人間との相互作用を意図したロボット設計に組み込むのに実用的なモータ寸法を可能とする一方で、必然的な高ギヤ比と駆動システムの複雑さは、非常に多数のセンサを設けない限りは、ロボット４００及びその肢部４０４からの感知作用を介してロボット４００を直接制御するためのコンピュータモデル化がほぼ不可能であることを意味する。
【００２４】
この問題に対処するために、本出願はロボット４００、特にロボットの肢部４０４の設計に異なるアプローチを取る。制御の複雑さとセンサの増加を伴う、高ギヤ比駆動システムの道を追求するのではなく、本出願は、ロボット４００の要素を駆動可能とするために十分なトルクを生成可能な、モータ１００の設計及び実装から始める。これまでのシステムは、小型モータを高ギヤ比で使用してロボット４００の要素の駆動に必要な力及び出力を生成する。方向を変えて、モータ１００から非常に高いトルクを提供すれば、高ギヤ比を完全になしで済ませることができ、実効的に「直接駆動」であるロボット４００に向けて前進可能となる。後でより詳細を述べるように、更なる利点は、ロボット４００のモータ１００を可能な限りロボット胴体４１０に近づけて配置することに関する。モータ１００を肢部４０４の運動連鎖にまで移すことで、システムの負荷が大幅に低減しかつ動作が改善される。
【００２５】
「直接駆動」は当分野で使用される用語であって、モータ１００とロボット４００の従動部分との間のギヤ比が１：１であるロボットシステムに主として関係する。これは、モータ１００の全ての運動がロボット４００又は肢部４０４の運動に正確に反映されることを表す。重要なことに、ロボット４００及び肢部４０４の運動はほとんどがモータ１００で等しく表現されるので、これは肢部４０４及びロボット４００の逆駆動性が一般的に非常に高いことも意味する。さらに、ロボット４００及び肢部４０４の運動に対する抵抗が駆動モータ１００で直接表現される。つまり、上で開示した最小フィードバックと、ロボット環境、特に重要なことには近辺にいる人間に対する潜在的な損傷の問題が、完全に回避されないにしても軽減されることを意味する。残念なことに、「直接駆動」という用語は当分野では間違って使用されることが多く、約１：５０未満のギヤ比を備えるロボット４００を指すことがある。本出願の場合には、用語「直接駆動」は最大ギヤ比が約１：１０のシステムを意味するように使用され、主としてギヤ比は１：５から１：１の間にある。
【００２６】
モータのトルクは、モータ自体の半径に比例する。電気モータ１００の寸法が単純に増加すると、明らかに生成されるトルクの増加をもたらす。そのようなトルクの増加はモータ１００がより大きな荷重を動かすことを可能とし、モータ１００と、ロボット４００及びロボット肢部４０４の間のギヤ比を低減する助けとなる。当然ながら、ロボット４００内のモータ１００は、任意の寸法を取ることはできない。モータ１００の寸法を増加させると、結果としてのロボット４００の寸法と、ロボット４００の肢部４０４の動きの制限との両方に重大な影響を及ぼす。さらには、大きいモータ１００ほど大きな重量を有し、一般的にロボット４００内のモータ１００のあるものの重量は他のモータ１００によって持ち上げられなければならない。トルクを増加させるためにモータ１００を大きくして重量を追加することは、全体として利点とはならないことがある。これは荷重を増加させることを意味し、それがロボット４００性能の低下を意味するからである。本出願の全体的なアプローチは、ほぼ人型の均整をしたロボットであり、また人間の肢部の行動をよく模倣することのできる肢部４０４も提供するロボット４００を提供することである。この更なる要件が最終的なモータの直接的な寸法制限を提示する。それは大き過ぎて扱い難く、人間の行動を模倣することのできない、過度に大きなロボット400又はロボット肢部404をもたらすようなモータ100を設計することは勿論できないからである。これに留意して、本出願の第１の態様は、小型、軽量かつ高トルクの電気モータ１００に関係する。
【００２７】
図１は、ロボット４００の要素の駆動に十分なトルク出力を提供するために使用可能な電気モータ１００の要素を概略的に示す。後で述べるように、ロボット４００と、特に関節４０２と肢部４０４には電気モータ１００が設けられ、それが十分なトルク出力を提供してアーム（又は他の関節）を、典型的には１：１０未満の低ギヤ比で駆動可能とする。さらに重要な態様は、電気モータ１００が、ケーブル駆動システムによってロボット４００の要素の駆動を提供可能であることである。ロボット４００におけるケーブル駆動システムの利点は知られているが、そのようなシステムはそれを駆動する電気モータ１００からのトルク出力によって制限される。図１に見られるようにモータ１００からの高トルク出力を提供することで、１０：１を超えるギヤ比への再配列なしに、ケーブル駆動システムを動作させ、また駆動システムを５：１以下、理想的には３：１又は２：１、さらには１：１にまで近づけることを可能とする。
【００２８】
図１からわかるように、電気モータ１００はいわゆるアウトライダーモータ（ｏｕｔｒｉｄｅｒ  ｍｏｔｏｒ）であり、ロータ２００が電気モータ１００の回転軸に沿って回転可能に保持された、概ね円形の要素として設けられる。ステータ３００はロータ２００の内部に配置され、ステータ３００はその周りをロータ２００が回転するとき静止状態に保持される。この電気モータ１００は、一般に、最も小型で最高のトルク出力を提供するように設計され、実際に以下の議論においては、最も小型の設計で最高のトルク出力を提供するために最適化された各設計事項を強調する。前述したように、電気モータ１００の高トルク出力は、モータ１００を単純に大きくすれば入手可能であるが、大型の電気モータ１００は、単純に寸法の観点からロボット４００には現実的ではない。本電気モータ１００は、新規の設計であって、縮小した寸法と増加したトルク出力に対して完全に最適化されており、高ギヤ比を必要とせず、かつ人型ロボットが不適切な寸法となることを回避して、人型ロボット４００内に組み込むことが可能なようになっている。
【００２９】
電気モータ１００のトルクを増加するための第１の設計因子は、ステータ３００及びロータ２００で生成される磁場の大きさに関係する。ステータ３００とロータ２００の間で相互作用する磁場の大きさを増加させることにより、電気モータ１００のトルクを増加させることができる。ロータ２００又はステータ３００のいずれかから生成される磁場の増加は、単純に磁石配列、又は電気コイルのそれぞれの構成を、より大きく、より強くすることで達成可能である。ただし、これもまた電気モータ１００の寸法と重量を損なうものであり、特に、人型ロボット４００へのそのような使用を無効にする。電気モータ１００内の磁場を増加させるために、図１による設計では磁石のハルバッハ配列２１０を利用する。ハルバッハ配列２１０は磁石の既知の構成であり、磁場の大きさを増大させることと、磁石２２２のハルバッハ配列２１０から特定の方向へ磁場を提供することの両方のために、配列内の各磁石２２２からの磁場を注意深く調整可能である。本設計は、ハルバッハ配列２１０に一連の個別磁石２２２を利用し、既知のハルバッハ配列２１０構造の要件を満たすために、各磁石２２２が適切に整列された磁場を有する。
【００３０】
本開示においては、ハルバッハ配列２１０から発生する、より滑らかな磁場を与えるときに、電気モータ１００の出力が改善されることが分かった。ハルバッハ配列２１０において、各ハルバッハ配列セグメント２２０は、８個の個別の磁石２２２から構成される。図７は、各個別磁石２２２における磁場の理想的配向を示し、このように各ハルバッハ配列セグメント２２０に対する既知の磁石構成を形成する。図７に示すように、８個の個別磁石２２２ａ−２２２ｈを利用することにより、合成磁場が図７に示すようにハルバッハ配列２１０から下向きに出るように提供されるばかりでなく、この磁場の形状が正弦波形状に最も近くなる。各個別磁石２２２は、その磁場が、配列セグメント２２０内の隣接磁石２２２に関して４５°だけ傾いた状態でハルバッハ配列２１０内に配置される。この結果、配列セグメント２２０内に追加の磁石２２２を必要とすることなく、正弦波形に非常に近い磁場出力が提供されること、また、磁石２２２の追加は、コストや複雑さが増し、かつ結果として磁場形状に最小の改善しか見られないこと、がわかった。
【００３１】
図１からわかるように、完全に円形の外側ロータ２００を形成するために、ハルバッハ配列２１０は、個別磁石２２２の円形配列として提供される。ハルバッハ配列２１０における、そのような個別磁石２２２の円形配列は、結果として得られる磁場内に、複数の個別のハルバッハ配列セグメント２２０と、複数の磁極及び勿論磁極対を可能とする。さらに、ハルバッハ配列２１０を使用することで、個別の磁石２２２からの磁場の大部分は配列を介してロータ２００の内部に導かれるために、ロータ２００の重量当たりではるかに強い磁場をロータ２００の中心内に提供することが可能である。もちろん与えられた寸法、重量及び磁石２２２の数に対して、ロータ２００を形成する完全なハルバッハ配列２１０から生じる磁場が、「普通の」モータ設計によって達成されるよりもはるかに高くなるであろうことから、このことはこのモータ１００設計において特に有利である。
【００３２】
ロータ２００及びハルバッハ配列２１０内の磁界強度の更なる改善のために、ハルバッハ配列２１０は、高磁化率を有する材料で形成された外側シェル又はバンドで囲まれる。磁性分野においては、鉄又は鋼のコア、あるいは少なくとも鉄又は鋼の素子を設けると磁場が適切に閉じ込められ、かつ多くの場合にはその磁界強度の顕著な増加をもたらすことがよく知られている。本モータ１００において、ハルバッハ配列２１０が鉄又は鋼の外側バンド２０５で囲まれ、これを利用して個別のハルバッハ配列セグメント２２０の外側から出る磁力線を適切に閉じ込めて、内部磁場を増大させるためにこれらの磁力線をハルバッハ配列２１０内に導いて戻す。このことを図７に示す。ロータ２００の回転軸からの半径方向外側を考慮して、セグメント２２０の各磁石２２２は、外側を外側バンド２０５で囲まれる。これが、ハルバッハ配列２１０に機械的安定性と、また、重大なことに、磁場の全体強度を改善するために磁力線を配列２１０に戻す閉じ込め作用の両方を与える。
【００３３】
上で強調したように、磁場をハルバッハ配列２１０に適切に案内するための高磁化率材料でできた外側バンド２０５の厚さは、特に電気モータ１００の重量を最小化するように選択される。外側バンド２０５の厚さは、磁力線をハルバッハ配列２１０に適切に導いて戻すような厚さでさえあればよく、さらには、電気モータ１００の使用時に配列２１０内の磁石２２２を物理的に保持できるだけの安定性があればよい。それより厚い外側バンド２０５を与えることは、ロータ２００内の磁場の強度の追加改善とはならず、ロータ２００とモータ１００の安定性も改善されず、そして何よりもロボット４００の使用に対して不要かつ有害である。電気モータ１００の目的の１つは、その重量を軽減することである。これが勿論、そのモータ１００の重量に対するトルク出力を改善し、ロボット４００のよりよい動作を可能とする。この目的のために設計で考慮すべき項目の１つは、磁場を閉じ込めるのに十分であると同時に、磁石２２２の物理的拘束、及び機械的安定性に必要とする以上の余分の重量を追加しない、外側バンド２０５の使用である。
【００３４】
外側バンド２０５を機械的安定性のためだけに設けることも可能である。ハルバッハ配列２１０を構成する少し厚い磁石２２２を選んだとしたら、配列２１０から生じる磁場は増加し、さらにハルバッハ配列の外側の漂遊磁場のモータ１００の最終動作への害はより小さいであろう。例えば、外側リング２０５を、モータ１００の重量を大幅に低減し得ることから、カーボン複合材料で作ることが可能である。この組み合わせは、外側リング２０５が配列２１０の外部の漂遊磁場を磁気的に導かないとしても、モータ１００に対するトルク対重量比を同等以上にする可能性がある。ただし、外側バンド２０５に鉄又は鋼を選択することは、カーボン複合材料を使用することに比べてこれらの材料での外側バンド２０５の製造がはるかに簡単なので利点がある。勿論このような構造に関してはこの選択肢は存在して、モータ１００がより軽くなるので、磁場の減少が受け入れられる。
【００３５】
モータ１００の更なる設計上の制約は、回転軸の半径方向での個々の磁石２２２の厚さである。周知のように、勿論ステータ３００から生成される逆磁場の作用が、特定の環境下においては磁石の磁化に負の影響を及ぼす。磁石に対して非常に大きな逆磁場が作用すると、磁石の実際の磁化が永続的に損なわれて、その磁石全体の磁界強度を減ずることになる。これらの減磁効果は、温度及び磁性材料に大きく固有ものであるが、適切な寸法と重量に対して高いトルクを与える電気モータ１００を考える場合には考慮に入れるべきである。さらに注目すべきは、高磁場の磁性材料はよく知られているが、これらは与えられた温度に対して減磁に対する抵抗が低い傾向にある。このために、モータ１００の使用時にハルバッハ配列２１０の個々の磁石２２２の減磁に関する心配なしに最高の磁場を生成できることを確保するために、磁性材料は電気モータ１００の予想温度範囲を基に選択される。
【００３６】
モータ１００を設計するときは、ステータ３００の要素、特に、モータ１００から最大トルクを生成するためにステータから生成される最大磁場は知られている。ステータ３００から予想される最大磁場を考慮して、ハルバッハ配列２１０を構成する磁石２２２の半径方向の厚さを適切に調整することができる。ここでも、ハルバッハ配列２１０からのより高い（あるいは重量当たりで最高の）磁場をもたらしつつ、電気モータ１００の重量と寸法を最小化することが望まれる。磁石の減磁特性は、磁石２２２の特性そのもの、磁石が動作する温度、及び各個別磁石２２２の半径方向の厚さによって与えられる。各個別磁石２２２の半径方向の厚さの設計及び選択は、ステータ３００から生成される最大磁場から生じるモータ１００の最大トルク出力においても、配列内の個別の磁石２２２が減磁されず、かつロータ２００からの磁場が所望通りに残ることを確保するようになされる。ただしここでも、過度に磁石を厚くすると、これがモータ１００の複雑さを増加させ、かつ決定的に寸法／直径及び重量の増加をもたらすので、戻り磁場の減少が始まる。したがって、半径方向の個別磁石２２２の厚さは、増加させた磁場のために結果的に追加された余分の重量と、磁性材料の減磁なしで最大トルク出力を可能とするのに十分な磁石２２２の厚さであることを確保することとのトレードオフである。
【００３７】
モータ１００は規定された既知の温度環境で使用される。一般的には過度の熱の下では使用されない。磁性材料の選択は、減磁に対する高温耐性よりもむしろ、そこから生成可能な高い磁場によって左右される。モータ１００は過度の駆動を含む状態で使用されることはほとんどなく、またロボット４００を動かすために多数の回転の結果として極端なレベルの熱を発生することもない。このために、モータ１００の使用で予想される最高温度から、たとえ減磁に対する温度抵抗が小さいとしても、高磁場を発生する磁性材料の使用が可能となる。すなわち、モータ１００は、磁石が高温での効果に対してあまり耐性を持たない材料から選択されるために、狭い、あるいは少なくともより狭い使用温度範囲が特に選択される。他の環境では、この温度範囲の狭さは大きな欠点となる可能性があるが、ロボット４００のための特定の設計及びモータ１００の使い方によって、そのような（かつてはそう理解されていた）不利益な設計選択を可能とする。
【００３８】
電気モータ１００の最終的な寸法は、ロボット４００内でモータ１００が配置される関節４０２によってある程度決定される。上で述べたように、肢部４０４に過度の寸法のモータ１００を有することは不適切である。これはまず過度の重量を加え、モータ１００はロボットの肢部４０４や運ぶ荷重のみならず、重いモータ１００までも持ち上げねばならないので望ましくない。さらに、肢部４０４が人間のように動作可能であるためには、関節４０２がモータ１００そのものによって邪魔されずに、実際的な動きを達成できるように、モータ１００に最大寸法がなければならない。この点から、モータ１００の最終的な寸法により、ロータ２００の寸法、具体的には直径が決まる。次に、ロータ２００の寸法によって、ハルバッハ配列２１０内に信頼性良く組み込むことのできる個々の磁石２２２の実効的な最大数が決まる。含まれる磁極対の数を決定するとき、ステータ３００との結果的な相互作用の特定の特徴を考慮に入れて、モータ１００の望ましい最終機能を確保することができる。
【００３９】
望ましくはハルバッハ配列２１０内の磁極対の数は、素数であるように選択される。そのような選択をする理由の１つは、使用時にモータ１００のコギングトルクを減らすためにモータ１００の全体設計をする助けとなるからである。知られているように、ハルバッハ配列２１０からの磁場は、ステータ３００により生成される磁場と相互作用し、ハルバッハ配列２１０からの磁場とステータ３００により生成される磁場との間に多数の対称性が存在すれば２つの磁場は１回転ごとにより頻繁に重なる。モータ１００の現在の設計は、ステータ３００の磁極数を設計する際にコギングトルクを容易に減らすことが可能なために、ハルバッハ配列２１０内の磁極対に対して素数を意図的に選択する。磁極対の数が素数であるので、ハルバッハ配列２１０の極と、ステータ３００で生成される極との間の可能な共通因数の数が劇的に減る。さらに、上で議論したように、ハルバッハセグメント２２０ごとの８個の個別磁石２２２からの単純な正弦波形の磁場を提供することで、ハルバッハ配列２１０とステータ３００からの磁場形状の重複から生じる、リラクタンストルクリップルの減少を可能とする。
【００４０】
具体的にはモータ１００の設計では、ハルバッハ配列２１０内に１１，１３、又は１７の磁極対を持つことが期待される。これらの数字の利点は、第１にこれらが素数であって、上記のモータ動作の改善をもたらすことであり、第２に、周方向への個別磁石２２２の寸法が製造公差に対して妥当であることを意味する。ただし、ハルバッハ配列２１０は、モータ１００がロボット４００の関節４０２に適切に嵌合するために適切な寸法である。本開示のロボット４００のモータ１００の実際の物理的回転速度が使用時にかなり低いので、コギングトルクを減少する利点は明らかである。ロボット４００全体がそれにかかわる低ギヤ比を有する場合には、コギングトルクの問題は特に顕著になる。高回転モータに対するコギングトルクはあまり重要ではない。それはモータが速く回転するので、コギングトルクを与える２つの磁場の間の重なりは実効的に弱められるからである。ただし、このような低ギヤ比を有する本開示の場合には、ロボット４００の肢部４０４の動きはむしろモータ１００の低速回転をもたらし、したがってコギングトルクの問題はかなり顕著となる。これはそのような高い磁場の組み合わせを使用することで勿論明らかに悪化する。したがって、ハルバッハ配列２１０に素数の磁極対を使用することが、モータ１００のコギングトルクを非常に小さくするので、特に有効である。
【００４１】
ただし、ハルバッハ配列２１０内で素数の磁極対を使用することは、もちろんハルバッハ配列２１０内に不均衡な磁気吸引力を生じる。通常は、電気モータ１００を設計する場合、磁場内の不均衡な磁極は、回転と共に要素に顕著な振動をもたらすので望ましくない。ただし本開示の場合、モータ１００の要素の回転速度は非常に小さく、結果的に不均衡な磁気吸引力は回転に対してはるかに小さい効果しか持たない。実際に、磁極対に素数を選ぶことはコギングトルクを減少させ、モータ１００の要素の滑らかな回転を改善するためになされるものであり、不均衡な磁気吸引力に関するマイナスの効果は、モータ要素の低回転速度の結果として許容することができる。ロータ２００がはるかに高速で回転するように意図される場合、そのような不均衡な磁気吸引力はモータ設計にとって顕著な損失となるであろう。それはハルバッハ配列２１０内の素数の磁極対の結果としての不均衡な磁気吸引力にかかわる問題を誘起し、それがコギングトルクの改善によって相殺されるからである。
【００４２】
図２に注目すると、図１に示すステータ３００に関する要素が示されている。ステータ３００は複数の磁極３２０で構成され、それが円形状に配置されてハルバッハ配列２１０内に嵌まり込む。ハルバッハ配列２１０の設計と同様に、ステータ３００の設計は、モータ１００のトルク対重量比をさらに改善するための追加重量を最小となるようにしつつ、モータ１００のトルク出力を改善するために最適化されている。ここでも、ステータ３００の重量を低減することでモータ１００の全体重量の低下をもたらし、モータを最終のロボット４００内で適切に使用可能とすることができる。
【００４３】
ステータ３００の設計において行うことができる第１の選択の１つは、個別磁極３２０の実際の数に関する。上で強調したように、モータ１００の回転速度がかなり低く意図されることにより、コギングトルクの低減は、回転時に滑らかな動作をもたらすので、本モータ１００における特に有利な点である。上に開示したハルバッハ配列２１０との組み合わせでコギングトルクを改善するために、ステータ３００の極数は、重なりを最小化するように選択される。具体的には、ステータの極数３２０は、ステータ３００とロータ２００との間の、高い、特に可能な限り最も高い巻線係数を確実に使用しつつ、コギングトルクを最小化することを考慮して選択されるべきである。巻線係数の生成に関する計算は一般に知られており、さらに最終的なステータ３００のステータ極３２０の適切な数の選択に使用可能である。モータ設計における特に効果的な、１つの特定の組み合わせは、ハルバッハ配列２１０中の１３個の極対を２７個のステータ極３２０に組み合わせることである。この組み合わせで巻線係数が高くなり、２組の極の間に共通因子がないので、またコギングトルクも非常に低くなる。
【００４４】
図２には、ステータ３００内の１つのステータ極３２０の概略設計を示す。図からわかるように、ステータ極３２０は主に、中央のＴ字型コアの周りに配置されたコイル巻線３２２として設計される。知られているように、コイル３２２から生成される磁場は、磁性材料のコアを付与することで著しく増強される。この場合、鉄又は鋼のコアを使用することが普通であり、これにより、コイル３２２への通電の結果として生成される磁場の顕著な増加がもたらされる。コイル３２２は図２には、中央の歯、すなわちステータの極３２０の周りのワイヤのコイル巻線から構成されるようになっているが、他の「コイル」の設計も可能であり、ワイヤを用いる方法はその非制限的な例である。図２に示す巻線数は概略を示すだけであり、実際に、コア３２０の周りのワイヤのターン数は、適切な大きさの所望の磁場を生成するための任意の適切な数であってよい。知られているように、歯と歯の間のコイル材料の断面が大きいほど、歯の飽和はないものとして、モータ１００から生じるトルクは大きい。したがって、（選択されたワイヤ直径に関する）コイル巻き数、又はより正確にはコイル材料の断面、並びにＴ字型歯の物理形状を、ステータ３００の最終の重量と得られる適切な磁場とをバランスするように選択して、モータ１００に高トルク及び究極的に適切なトルク対重量比を与え、具体的にはロボット４００での使用に適切となるようにする。課題は、最大トルクを与えるために最大量のコイル材料を提供しつつ、いわば歯の厚さと形状を適切にバランスさせて、コイル材料を流れる最大電流において飽和しないようすることである。１つの具体的な例は、コイル３２２のワイヤ直径が０．４ｍｍ〜０．８ｍｍの間であり、好ましくは０．６ｍｍである。さらに、歯の周りのターン数は、４０〜５５、好ましくは４３〜５２、より好ましくは４５〜５０、より好ましくは４８〜５０の間の任意の値であってよい。
【００４５】
コイル巻線３２２の巻線間にエアギャップを設けることは望ましくない。そこでコイル３２２はオルソサイクリック巻きパターンに従って巻かれる。これによれば、コイル３２２内のワイヤ間のエアギャップの数が最小化され、ステータ３００からの確実な磁場を与える密な均一コイルが提供される。コイル巻線３２２の密度をさらに増すために、歯及びステータコア３１２の周りでコイル巻線３２２を既知の方法で加圧することも可能である。ただし、この設計においてはほとんどの場合、そのような追加の努力は、モータ１００の結果的な磁場発生及びトルク生成に大きな改善をもたらさない。ハルバッハ配列２１０から生成される磁場と、ステータ３００のコイル巻線３２２が重なる点においてのみ、全ての磁場相互作用がトルクを発生させる。一般的に、ハルバッハ配列２１０の軸方向の幅は、ステータ３００の個々の歯の上部表面すなわち極面３２４の軸方向幅に一致するように選択される。このために、ステータ３００内にあって、ハルバッハ配列２１０の磁石と半径方向に重なる、コイル巻線３２２の部分のみが増加されたトルクをもたらす。そうして、歯の軸方向の端部の周りの高密度コイルは結果として生じるトルクに何ら大きな改善はもたらさない。勿論、ステータ３００のコイル巻線３２２との重なりを提供するために、ハルバッハ配列２１０を軸方向に広げることも可能であるが、より大きくなった磁石２２２から生じる顕著な重量増加を考えると、磁場の結合及びトルク生成での改善はここでも大きくはない。そのために、Ｔ字型の歯の軸方向端部の周りの巻線は、相互作用も磁場の結合もないので、あまり密である必要はない。
【００４６】
当分野で知られているように、ステータのコア３１２は磁気効果の高い材料の積層シートで構成される。具体的には鋼又は鉄が選択される。コアを積層することで、当分野で知られているようにコア材料内に誘導される渦電流効果を低減できる。さらに、ステータ３００全体は、ステータ中央リング３３０で作製されることが考えられる。これには、ステータ極３２０の歯を嵌合構造により設けることが可能なように、その外周の周りに一連の耳又は溝が設けられて、歯を別途製造してステータリング３３０に組み込む前に巻き線をすることができるようにする。これによりステータ３００の製造が飛躍的に改善される。また、コイル巻線３２２の均等な巻き上げも改善される。
【００４７】
各ステータ極３２０を構成する個別の歯の寸法、体積、外観、外形は、各コイル巻線３２２から作られる最大磁場を確保しつつ、ステータ３００の最小重量を確保するように特に調整される。上に述べたように、ステータ極３２０内に歯を使用することで、既知の方法で磁場がかなり拡大される。ただし、これも知られているように、磁場の拡大は、ステータコア３２０を構成する材料の飽和までしか作用しない。ステータコア３２０の飽和が起きた瞬間に、拡大効果はなくなり、ステータコア３２０を構成する歯の部分はもはや磁場の改善に寄与しない。このために、ステータコイル３２２に対する大きなコアが磁場生成に大きな改善をもたらし、コイル３２２を通過する最大電流に対しても飽和しないことが明らかである。勿論このコア材料の体積の増加はステータ３００の重量の増加を招き、トルク対重量比が大きく影響されるので、最終的にモータ１００の出力に損失を与える。このために、モータ１００の最大トルク出力における飽和のリスクをなくし、かつステータ３００の重量の望ましくない増加につながるコア材料の追加のない様にして、コイル巻線３２２からの磁場を最適に拡大するために、各ステータ極３２０の寸法を調整することが望ましい。さらに、ステータ極３２０の歯の間の空隙３２６を完全に充填することが常に目指される。さもなければモータ１００に無駄な容量となる。歯は、飽和を回避し、ただし、通常銅であるが勿論任意の良好な導体が適する、コイル巻線３２２の断面は、ジュール熱に起因するシステムの電力損失を最小化するために増加するようにも設計される。歯の設計は、この組み合わせ−すなわち最小化された電力損失に対する飽和なし−も保証する。
【００４８】
図２ｂは、ステータ極３２０を構成する歯の特定の一連の寸法を示す。これは、唯一の可能な構造への限定を意図するものでは全くなく、１３個の磁極対と２７個のステータ極３２０から成るモータ１００内に嵌合する、既知の特定の歯の設計に関する一説明を与えるものである。図２ｂの歯に示す各要素は、適切に選択され、かつ磁場の最大拡大を保証するように調整することが可能である。このことは一般的に、歯の厚さの増加、並びに、歯の極面３２４の増加及びＴ字形形状の水平の上部フラック（ｆｌａｃｋ）要素に対する適切な厚さから生じる。同じように、これらの数はまた、最大電流がコイル巻線３２２のワイヤを流れるとき、歯はどの部分でも飽和せず、常に最大磁場拡大の発生が確保されることを保証するように選択される。
【００４９】
任意のモータ設計において、ステータコア３２０を構成する歯の特定の最終形状は、大いに異なりかつ個別的であり得る。任意のモータ１００に関し、ステータコア３２０の歯の体積と形状は、ステータ３００の重量を減らすために、また上で議論したように、コイル巻線３２２用のスペースを増やすために最小であり、かつ同時に最大電流においてすべての可能な飽和効果をなくすために適切な形態及び体積であることを確保することが重要な点である。ステータ３００の仕様が寄与するのはこの点である。ステータ３００における適切な設計の別の側面は、中央ステータリング３３０の寸法である。明らかなように、ステータ極３２０の各歯の周りにコイルを配することで、磁場は極面３２４から出るが、また歯の半径方向の長さを経てステータリング３３０にも入る。発生した磁場が任意の点に向かってコア材料から出ることは、これもまたステータ３００から得られる磁場の減少となるので、最も望ましくないことである。したがって、ステータリング３３０は、ステータ３００により生成され得る最大磁場が、半径方向の中央部から磁束漏れを生じないように適切に設計される。ステータリング３３０はこうして適切に設計され、半径方向の幅は、ステータ極３２０で生成されたすべての可能な磁場がステータリング３３０内に閉じ込められて、磁束漏れの生じないことを確保するように選択される。
【００５０】
ステータリング３３０は磁束漏れを生じないようにするために非常に厚い材料で作られてもよい−そうするとこれはモータ１００の重量を犠牲とする。モータのトルク対重量比を改善するために、ステータリング３３０が最大厚さを有するように設計される。この厚さは、ステータ３００の半径方向のより内部に磁場を閉じ込めるのに十分な厚さである。ステータリング３３０の幅を拡大することは、余分の重量をもたらすだけであって設計上不要である。したがってそれは回避される。このために、ステータコア３１２は最小重量であるが、磁場の損失がなくかつモータ１００からの最大トルク生成時にステータコア３１２に飽和が生じないことを保証する適切な寸法と形態であるように、ステータ３００全体が設計される。さらには、コイル３２２の実際の巻線パターンがスター巻線パターンとなるようにすることが好ましい。これはモータ１００の磁場及びトルク出力を増加させることが更に知られている。
【００５１】
図３からわかるように、ロボット４００の肢部４０４の概略設計が提供される。図３では、示されている肢部４０４はアームである。ただし、本開示はロボットアームの製造に限られるものではなく、むしろ本開示は人間の肢部の行動を模倣可能な、肢部４０４の製造に関する。このために、人間の腕はその動きに７自由度があることが注目される。そして、図３に示すロボットアームの概略設計もまた７自由度の動きが可能であることも理解される。同様に、本明細書に開示の技術に従って設計される他の任意の肢部４０４も、人間の同じ肢部４０４の動きを模倣可能であるように、適切な範囲の動きを提供する。理解されるように、肢部４０４は好ましくは、複数の上記のモータ１００によって動力を得る。さらに、肢部４０４はケーブル駆動システムであって、モータ１００の回転運動を肢部４０４の関節４０２の適切な運動に変えるためにモータ１００は駆動ケーブ４３０のそれぞれに力をかける役割をする。肢部４０４の駆動にケーブル駆動システムを使用することは一般に知られており、米国特許第５，２０７，１１４号明細書に多くの原理が示されている。この先行米国特許の開示はその全体を本出願に援用する。そしてこの米国文書からの教示及び要素は必要に応じて本開示に均等に含まれるものとみなされるべきである。
【００５２】
モータ１００の軸の回転が、肢部４０４の関節４０２の駆動軸の回転に変換可能であり、軸の回転が軸の周りに巻かれたケーブルへ伝わり、ケーブルがその軸に巻きつけられるときに、ケーブル４３０上に長手方向の牽引力が作られる。駆動軸の周りに巻かれるケーブルの適切な運動は勿論関節４０２の駆動軸の周りに適切に巻かれたケーブルに伝わって、駆動軸から巻き戻し、この巻き戻しが自動的に駆動軸の回転をもたらす。このように、モータ１００の回転が適切な軸を駆動し、従動軸の回転を与えるのに使用可能であることは明白である。従動軸を双方向に回転可能とするために、駆動軸から従動軸へ伝わる、２つの駆動ケーブル４３０が必要であることが理解されるであろう。駆動軸の中央回転軸に沿って一方向に見たときに、ケーブル４３０の第１が駆動軸の周りに時計方向に巻かれている場合、第２のケーブルは逆巻きのパターン、すなわち反時計方向の巻きパターンとなっているべきである。そのように、モータ１００を駆動することで、軸の回転をもたらし、１つの場合には、駆動ケーブル４３０が駆動軸上により密に巻かれ、そうして従動軸に関して駆動ケーブルを牽引する。同様に、他方の巻線の第２の駆動ケーブル４３０が、一般的に駆動ケーブル４３０を駆動軸から巻き戻すようにする。この状況は、駆動軸が反対方向に回転するときには逆転する。
【００５３】
従動軸が両方向に回転可能であることを保証するために、各駆動ケーブル４３０の他端を従動軸の周りに巻きつける。ここで、上で説明した駆動軸の場合と同様に、従動軸の周りの各回転が、１つのケーブルに対して時計方向であり、他方のケーブルに対して反時計方向である。こうして理解されるように、モータ１００の回転により、駆動軸の周りにケーブル４３０を巻くことにより、第１のケーブルを従動軸に関して引っ張ると、ケーブル４３０が従動軸から巻き戻されて、従動軸も回転させる。同様にして、第２のケーブル４３０の他端がモータ１００の回転により駆動軸から引き取られると、第２のケーブル４３０が引っ張られてさらに従動軸上に巻き取られる。こうして、駆動軸の回転が、それに関連する駆動ケーブル４３０の巻取り又は巻き戻しのいずれかをもたらし、もう一方の駆動ケーブル４３０に張力をかけることにより駆動軸が回転させられるので、巻き戻された１つのケーブルが駆動軸上に巻かれる。この手法は米国特許第５，２０７，１１４号明細書に記載の通りである。
【００５４】
人間の肘に効果的に備わっている、傾斜とねじりの両方を、関節４０２に要求する場合には、差動装置４３２を備える必要がある。差動装置４３２の使用もまた周知であり、米国特許第５，２０７，１１４号明細書に明記されている。原理は、２つの電気モータ１００を備え、差動装置４３２が駆動軸を効果的に分離する。各電気モータは、差動装置４３２を構成するサイドドラム４３４の１つを駆動し、かつ前述したのと同様に２つの駆動ケーブル４３０が備えられて、それがサイドドラム４３４を各方向に回転させる。差動装置４３２に２つの別々のサイドドラム４３４を備え、サイドドラム４３４が、動かそうとする肢部の部分又はセクション４０６適切にとりつけられることにより、関連する関節４０２において傾斜運動を付与し、その肢部セクション４０６を肢部４０４の長手軸外に動かすことが可能である。ねじり、すなわち肢部４０４の長手軸の周りでの肢部セクション４０６の回転運動もまた可能である。差動装置４３２のサイドドラム４３４を適切に駆動することにより、従動肢部の部分４０６の傾斜運動又はねじり運動を達成可能である。
【００５５】
差動装置４３２で駆動されている関節４０２を曲げるために、各サイドドラム４３４を同じ方向に回転させなければならない。差動装置４３２の両サイドドラム４３４を同じ方向に回転させると、関節４０２での曲げとなり、肢部セクション４０６が肢部４０４の長手軸外に曲げられる。対照的に、サイドドラム４３４を１つだけ回転させると、あるいはより望ましくは、各サイドドラム４３４を互いに反対方向に回転させると、肢部部分４０６は肢部４０４の長手軸外に動くのではなく、むしろ肢部部分４０６が中央長手軸の周りで回転又は捩じれを起こす。このシステムは、ケーブル駆動肢部４０４が人間の腕を模倣することを可能とし、またさらに人間の腕の肘に与えられる可動範囲を提供可能とする。既知のように、前腕は腕の長手軸外に曲げることが可能であり、これは両方のサイドドラム４３４を同じ方向に同じだけ回転させることにより達成される。さらに前腕を、肘から先の腕の長手軸の周りで捩じることも可能である。これは手も捩じる。この動きは、例えば手を使ってねじを廻す動作をするとき、あるいは栓を開いたり閉じたりするときに使用される。このようにして、サイドドラム４３４と差動装置４３２は、互いに対して反対方向に駆動される場合があり、それが下肢部分４０６のねじりをもたらす。ここで再び、このシステムの詳細を与える米国特許第５，２０７，１１４号明細書を参照する。
【００５６】
本発明のケースは米国特許文書とはいくつかの重要な点で異なっている。その第１は、モータ１００と従動軸又は差動装置との間のギヤ比が１：１に近く、望ましくは１：１であることである。これを達成できるのは、有利なことに上記のモータ１００による。このモータが十分なトルク出力を提供して、差動装置４３２又は従動軸を適切に駆動し、肢部４０４に回転を与える。上記のようにピークトルクが２５Ｎｍにも達する、モータからの高トルク出力を有することで、肢部４０４は適切に動作可能である。本発明における別の重要な点は、駆動ケーブル４３０が関連するモータ１００から差動装置４３２のサイドドラム４３４か、適切な従動軸のいずれかへ、その間に中間シャフトを設けることなしに繋がることである。モータ１００と、サイドドラム４３４又は従動軸との間を直接接続する利点は大きく、本明細書に記載の改良されたロボット肢部４０４に関係する。具体的には、システムは明らかに複雑さが低減されており、部品数が明確に減少している。これは製造を改善するとともに、ロボット肢部４０４の要素間での軸の不整合を回避する。
【００５７】
各駆動ケーブル４３０の関連する動きがサイドドラム４３４又は従動軸を直接かつ適切に動かすことを保証するために、駆動ケーブル４３０はかなりの張力がかかった状態で保持されなければならないことも理解されたい。モータ１００とロボット４００の従動ポイントとの間のステージ数を最小化することにより、張力は直接的にかかり、かつ駆動ケーブル４３０の接続と終端の数を最小化することができる。さらに、駆動ケーブル４３０と、サイドドラム４３４又は従動軸のいずれかとの間のそれぞれの相互作用は、システムに摩擦を導入する。したがって、モータ１００と従動ポイント４０２との間のステージ数を減らすことにより、ロボット全体の摩擦が減少する。さらに、モータ１００と駆動される関節との間が直接接続されれば、関節４０２での肢部４０４の直接運動が、モータ１００への駆動ケーブル４３０を介して置き換えられるので、肢部４０４の透明性が増す。このシステムの別の利点は、より短い駆動ケーブル４３０が提供されることである。これはそのようなケーブルの伸びが減少するという重大な利点を有する。駆動ケーブル４３０は、張力下での伸びに公差を有し、ケーブルが短いほど使用時の実際の伸びは小さく、それがシステムの明らかな改善をもたらす。最後に、このシステムにおける重大かつ重要な点は、関節４０２内の部品点数の低減により、関節４０２を小さくすることが可能であり、肢部セクション４０６の曲げ及び回転を物理的に阻止する部品が少ないので、より高い可動域が可能になることである。
【００５８】
肢部４０４の設計において、モータ１００の配置が極めて重要である。重要なことに、肢部４０４によりなされるすべての動きは、重力の影響を受ける。さらに、肢部４０４の各動きは特定の材料の質量を移動させなければならない。そこでは肢部４０４または肢部セクション４０６の関節４０２において適切な運動を与えるためには、単純な質量の慣性と重力も克服しなければならない。肢部４０４の運動に対する重力の影響を最小化するか、さらには除去するために、モータ１００の配置が肢部４０４の長手軸の周りに対称的な形で行われる。図３に示すように、アームの上部右側が肩関節として作用し、さらに理解されるように、各モータ１００は、肢部４０４に沿う長手軸の両側の対称位置に設けられる。勿論、肢部４０４の上げ下げには、肢部セクション４０６及び、この場合には肘関節であるが関節４０２を持ち上げる必要がある。そしてこの時点においては重力の影響は完全に回避することはできない。重力は予想の通り、アームに作用する。したがってアームは通常下向きに引っ張られる。ただし、肢部４０４の長手軸の両側に対称的に設けられているモータ１００が、そのように配置されていれば、肢部４０４の長手軸の周りの肢部４０４及び肢部セクション４０６の回転は、重力に関しては互いに相殺されることが理解されるであろう。アームが垂直の下向き以外の任意の位置に保持される場合、その長手軸の周りの肢部４０４の回転は、モータ１００の１つを地面に対して上方向に移動させ、もう一方のモータを対応する量だけ下向きに地面に向けて移動させることは明らかである。モータ１００のこれら２つの運動は互いに相対立し、そのような回転に対する重力の影響を相殺する。このために、モータを肢部４０４の回転長手軸の両側の対称位置に設けることが最も望ましい。
【００５９】
肢部４０４の他の１つの特徴は、関節４０２を駆動するモータ１００、特に差動装置４３２を駆動するモータ１００が肢部４０４内の、駆動される関節４０２から物理的に離れた場所に配置されることである。図３では、図の上部右側に設けられた２つのモータ１００が、駆動ケーブル４３０を介して肢部４０４の中央に位置する肘関節を駆動するために実際に使用されている。肘関節は、図中には４０８として示されている。同様に図３において、２つのモータ１００が肘関節４０８に設けられて手首４０９の駆動に使用されている。これは制限を意図するものではなく、実際に、手首４０９の駆動するモータ１００が肢部４０４の上部分の、アームに対する肩となるところに容易に設けられてもよい。肢部４０４のさらに下流の関節４０２を駆動するモータ１００を、肢部４０４がロボット４００の胴体４１０に取り付けられる位置に最も近い点に設置すれば、肢部４０４の動作に顕著な改善がもたらされる。ロボットの肢部４０４の運動における主要な問題の１つは、肢部に常にかかかる重力の引力である。肢部４０４の駆動に使用される要素が、肢部４０４そのもののに配置され、かつロボットの胴体４１０への固定点からはるかに離れている場合、アームの各運動は、モータの運動ももたらす筈である。モータは質量を有するので、これは肢部４０４の持ち上げに更なるトルクを必要とすることを意味し、肢部４０４が持ち上げ可能な最終的な揚力が減ることを意味する。モータ１００を可能な限りロボット胴体４１０の近くに配置し、そして理想的にはすべてのモータ１００をロボット胴体４１０へ取り付けられた固定点に置けば、肢部４０４は大幅に重量が減ることになる。したがってこのことは、モータ１００からのトルクが、肢部４０４を用いた最大揚力を大幅に改善可能とするか、又は肢部４０４が軽くなるのでモータ１００に要求される最大トルクが低くなり、モータ１００自体を小さく設計可能であることを意味するかの、いずれかを意味する。
【００６０】
これまで議論したように、モータ１００の寸法の減少は、はるかに小さい関節４０２をもたらし、これは関節４０２が人間の行動を模倣できるようにし、したがって人型の肢部４０４の構築を可能とする。実際に、ケーブル駆動システムにより、特に図４に関連して議論するトルク伝達駆動システムにより、肢部４０４がロボット４００の胴体４１０に物理的に取り付けられるポイントにすべてのモータ１００を配置することが可能となることが予想される。そのように配置すれば、動かす必要のある要素は、肢部４０４の差動装置と肢部セクション４０６のみであることになる。これにより、動かさなければならない物質の質量が大幅に改善されることになり、それ自体によって最大持ち上げ量かモータ１００の必要寸法のいずれかにおいて大きな改善がもたらされることが理解されよう。
【００６１】
図４は、モータ１００が駆動する関節４０２から並進的に離間した肢部４０４の関節に配置されたモータ１００からのトルク輸送の問題の解決策を示す。上で議論したように、本開示で企図する特定の改善の１つが、ロボット４００の胴体４１０の近くにモータ１００を配置することである。駆動モータ１００を胴体４１０に近い領域に配置すれば、肢部４０４を動かすときの重力の影響が減少する。モータ１００を肢部４０４の前の関節４０２に配置することも利点がある。それはこれが小型の設計とモータ１００の対称配置を可能とする容易な機構との両方を可能とするからである。ロボットの肢部４０４には関節４０２があり、関節４０２はモータ１００を安定して収容する理想的な場所を提供する。勿論、モータ１００を関節４０２に配置することは制限的な選択肢ではなく、モータ１００をロボット胴体４１０の近くの肢部４０４に単純に配置することも可能である。これらの状況においても、トルクをモータから当該の関節に適切に伝達し、関節４０２の適切な動きを与えることができることが必要である。
【００６２】
図４では、モータ１００から差動装置４３２へのトルクの送達を可能とする駆動ケーブル４３０のためのワイヤリング設計が提供されている。ここで、モータ１００は差動装置４３２と共に動くようにはなっていない。図３に示す肢部４０４からわかるように、肢部４０４の肩に見えるところに設けられたモータ１００が肘４０８にある関節を駆動する。肢部４０４の長手軸の周りで肘４０８を捩じるように肢部４０４が制御されると、差動装置４３２の軸は駆動モータ１００の軸を捩じることは明らかである。さらに、このシステムの駆動ケーブル４３０の位置は、肢部４０４の回転軸沿いにはなく、この場合肘４０８における差動装置４３２の捩じれはモータ１００と差動装置４３２との間にあるケーブルの長さに伸び又は予期せぬ変化をもたらすことは明らかである。その上、駆動ケーブル４３０が望まない余分の張力又は張力の減少を経験して、捩じれた差動装置４３２の制御を失うこともあり得る。図４のワイヤリング設計は、差動装置４３２での回転ポイントが肘４０８における回転の長手軸から僅かにずれさせて、モータ１００の軸と差動装置４３２の軸の間における回転アライメントにこの変化に吸収する。２つの駆動ケーブル４３０は、モータ１００の駆動軸に関して上述したのと同様にみなされる。これらの駆動ケーブルは図４に示すようにモータ１００と差動装置４３２の間に延在する。
【００６３】
具体的には、第１の駆動ケーブル４３０がモータ１００から差動装置４３２へ、モータ１００と差動装置４３２の間の軸経路から少し外れて延在する。肢部４０４には中央を通る長手軸があり、差動装置４３２は通常、図３からわかるように肘４０８での前腕の捩じれのような、捩じれが導入されるとき、この中心軸の周りを回転する。第１のケーブル４３０はモータ１００から差動装置４３２へ、モータ１００における肢部４０４の回転の中心軸から半径方向に少し離れた位置から、差動装置４３２の軸における肢部４０４の回転軸により近い位置へ通じている。第２のケーブル４３０は、基本的に逆の形態で配置され、肢部４０４の回転ポイントにより近いモータ１００の軸上のポイントから、肢部４０４の回転ポイントから少し遠くへ離れた差動装置４３２上の位置へ移動する。このことは、図４からわかるように、平面図において一般に交差した一連の駆動ケーブル４３０となる。
【００６４】
図４に示す、駆動ケーブル４３０のためのワイヤリング設計の別の重要ポイントは、モータ１００又は差動装置４３２においてそれぞれの軸の周りに各ケーブル４３０を巻くことが、図４に示すように２つの軸の前面側又は２つの軸の背面側のいずれかにそのケーブル４３０が留まることを意味することである。すなわち、それぞれの駆動ケーブル４３０はモータ１００において回転軸の軸方向に沿って見たときに交差しない。モータ１００の左側から差動装置４３２の右側に示すような、第１のケーブルは各軸の周りを、モータ１００の軸の前面側から差動装置４３２の軸の前面側に延在するように各軸の周りを通るように示されており、またモータ１００の回転が差動装置４３２の回転となるようにそれぞれの軸に適切に巻き付けられている。第２のケーブル４３０は、ケーブル４３０がモータ軸の背面側から差動装置４３２の軸の背面側に延在するように各軸の周りを通る。すなわち、ケーブルはモータ１００と差動装置４３２のそれぞれの軸のいずれかの側にある。
【００６５】
モータ１００と差動装置４３２の間を上記のようにそれぞれワイヤ接続することで、図４に示すように回転軸の周りの差動装置４３２の回転により、各ケーブル４３０のモータ１００と差動装置４３２における２つの固定点の間の長さに実効的に同一の長さ変化がもたらされる。ケーブル４３０がモータ１００の軸を離れるポイントは、モータ１００はロボット胴体４１０に対して回転も移動もしないので、一次的には固定されており、モータ１００に対して移動するのはむしろ差動装置４３２である。このために、モータ軸におけるケーブル４３０の位置は固定されていると考えられ、差動装置４３２におけるケーブル４３０の位置が、差動装置４３２がモータ１００に対して捩じれるときに部分的に説明される円錐の外表面のような、円形通路に沿って移動するように考えることができる。第２のケーブル４３０は、第１のケーブル４３０と同様に動作し、差動装置４３２の捩じれが、上記の円錐の断面の経路と同様の経路をもたらす。こうして、モータ１００に対する差動装置４３２の捩じれは各ケーブル４３０に同様の効果を有し、各ケーブルは同じように影響を受けて、各ケーブル内に適切かつ僅かな張力の増加をもたらす。ただし、差動装置４３２での回転が各ケーブル４３０に及ぼす影響は、一般的には相殺され、差動装置４３２における予期せぬ運動や捩じれは起こらない。このワイヤリングパターンは、モータ１００の軸に対する差動装置４３２における相対的運動の結果として、差動装置４３２の予期せぬ運動やケーブル４３０の張力の喪失を伴わずに、モータ１００におけるトルクを差動装置４３２に首尾よく伝達させることを明らかに可能とする。
【００６６】
本開示に対する重要な態様の最後の１つは、駆動ケーブル４３０の終端に関するものである。ケーブル４３０は、予期せずにスリップしたり、モータ１００や差動装置４３２のいずれからもほどけたりしないように、高い張力の状態に保持されなければならないことは理解されるであろう。これを達成するために、本開示では、米国特許第５，２０７，１１４号明細書に記載の金属ケーブルではなく、合成材料を取り込んだ駆動ケーブル４３０の方式を利用する。合成駆動ケーブル４３０を使用する利点は沢山あり、特に重量の軽減並びにこのようなケーブル４３０で達成可能な最小曲げ半径の改善がある。鋼ケーブルは、与えられたワイヤ径及び強度仕様に対して、軸の周りに取り付けるための最小曲げ半径を有する。小型ロボット４００を提供するためには、そして特に肢部４０４用の小型関節４０２を提供するためには、小さい軸の提供を必要とすることが多く、それは小さい曲げ半径に対処するために小径の鋼ケーブルを必要とする。しかしそのような鋼ケーブルは、モータ１００が生成可能な高トルクを伝達するための適切な強度を提供できず、モータ１００と駆動軸又は差動装置４３２の間に複数の金属ケーブルを必要とすることが想定される。トルク信号を伝達するために複数の金属ケーブルを使用することは、非常に煩わしい。鋼ケーブル間の１つにおけるごく僅かな長さの違いでも、このケーブルがトルクを伝達せず、残りのケーブルでそのトルクを分担することになることがある。このことはそのようなロボット４００の設計及び製造にかなりのレベルの複雑さを追加する。本開示において、モータ１００と差動装置４３２の間のトルク伝達に合成ケーブルの使用を想定するのは、少なくともこれらの理由による。
【００６７】
適切な特性を有することが示された、１つの特定の合成繊維はベクトラン（登録商標）合成繊維である。ベクトラン（登録商標）は既知の繊維であり、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｖｅｃｔｒａｎｆｉｂｅｒ．ｃｏｍ／で見つけることができる。この繊維は既知の構造を有し、これはモータ１００と差動装置４３２の間の両方のトルク伝達に合格であることが示されており、またさらには、適切な曲げ半径と、ケーブル４３０と駆動される軸との間の低摩擦を提供する。勿論、ベクトラン（登録商標）の使用は、１つの可能な例であって、最大で２５Ｎｍに達し得る高トルクを、顕著な伸びがなく、かつ小さい曲率半径で伝達可能ないかなる駆動ケーブル４３０も同様に適用可能である。したがって、ベクトラン（登録商標）の使用は、本発明に使用可能なそのような合成繊維の一例である。
【００６８】
合成繊維の使用は、この材料からロープ状の構造ばかりでなく、チューブ状のスリーブ構造も織ることができるという利点をもたらす。チューブ状のスリーブの詳細は、少なくとも上記のウェブアドレスのベクトラン（登録商標）に関して見ることができ、合成繊維のチューブ状スリーブ構造の製造は当分野で広く知られている。そのようなスリーブ構造から本駆動ケーブル４３０を提供する利点は、駆動ケーブル４３０の端部の固定が強化されることである。ベクトランスリーブ４４２の一端を固定する可能な２つの方法を図５に示す。この方法は、ベクトラン（登録商標）スリーブ、あるいは他の合成材料のスリーブ４４２の中央腔内にボールベアリング４４０を導入することに関連する。
【００６９】
図５に２つの異なる終端ハウジング４４４を示す。ただしそれぞれの場合において原理的動作は同じである。図５Ａにおいては、一方向性の終端ハウジング４４４ａが示されている。ここで、スリーブ４４２の形状をした駆動ケーブル４３０は、図５Ａの右から左方向への移動が阻止される。関連する張力を駆動ケーブル４３０にかけることが可能であり、ケーブルの終端が終端ハウジング４４４内の狭いスロット４４６を通過する。合成スリーブ４４２の内腔内にボールベアリング４４０を配置することで、このボールベアリング４４０を狭いスロット４４６の一端の拡大セクション４４８内に嵌め込むことができる。ボールベアリング４４０が大きすぎて狭いスロット４４６内には嵌まらないことを確保することにより、拡大スロット４４８から離れる方向にこれを引っ張ろうとする張力がかけられても、合成スリーブ４４２はその位置に保持されることが理解されるであろう。図５Ａに示す概略左方向への合成スリーブ４４２の移動は、これは狭いスロット４４６を通してスリーブ４４２を引っ張ろうとすることであるが、ボールベアリング４４０が引っ張られて、狭いスロット４４６に交わる拡大スロット４４８の端部に当たることになり、狭いスロット４４６を通してのスリーブ４４２のそれ以上の引き出しに対して摩擦が確実に抵抗する。ケーブル４３０への張力の維持を保証するために、ケーブルに張力が適切にかけられると、ボールベアリング４４０を内腔と拡大スロット４４８内に配置して、最終的にこれら２つの相対位置を適切な接着剤４５０によって固定することができる。そうして、これにより、ケーブル４３０が狭いスロット４４６を通過して左へ抜けることが阻止され、ケーブル４３０に適切な張力を維持させる。
【００７０】
同じ原理が図５Ｂに示すように終端ハウジング４４４ｂに適用される。ただし図５Ｂの方法ではケーブル４３０の位置は両方の張力の方向に固定される。この場合、終端ハウジング４４４は２つの別々の部品から構成され、そのそれぞれが、そこを貫通する狭いスロット４４６を有し、その中へ合成繊維スリーブ４４２が通される。ボールベアリング４４０がスリーブ４４２の内腔内の関連地点に配置され、スリーブ４４２内のボールベアリング４４０の一部が終端ハウジング４４４の一部の拡大スロット内に保持される。次いで、第２の終端ハウジングが合成チューブ４４２の反対側に沿って通され、ボールベアリング４４０の残りの部分を、そこに形成された拡大スロット４４８内に収容する。ケーブル４３０に張力がかけられると、接着剤４５０が終端ハウジング４４４のそれぞれの部分の幅広スロット４４８内に再び配置されて、スリーブ４４２の位置が維持されて、張力がケーブル４３０上に維持される。これらの２つの方法は、トルクがモータ１００から関連する関節４０２及び差動装置４３２に直接転換されることを保証するために、張力ケーブル４３０の端部を固定するスマートな方法を提供する。
【図１Ａ】
2020508035.tif 000003
【図１Ｂ】
2020508035.tif 000004
【図２Ａ】
2020508035.tif 000005
【図２Ｂ】
2020508035.tif 000006
【図３】
2020508035.tif 000007
【図４】
2020508035.tif 000008
【図５ａ】
2020508035.tif 000009
【図５ｂ】
2020508035.tif 000010
【図６】
2020508035.tif 000011
【図７】
2020508035.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月9日(2019.10.9)
【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】
モータ（１００）、特に小型、軽量かつ高トルクのモータ（１００）であって、
ロータ（２００）が、放射される磁場が前記モータ（１００）の回転軸方向に向く、ハルバッハ配列（２１０）磁石構造を備え、
ステータ（３００）が、前記ハルバッハ配列（２１０）内に複数の磁極（３２０）を備え、
さらには、前記ハルバッハ配列（２１０）を構成する個々の磁石（２２２）が、前記回転軸に関する前記半径方向に厚さを有し、前記厚さは、前記モータ（１００）が使用される予想最高温度において、前記モータ（１００）のピークトルク出力を発生させるための最大電流が前記ステータ（３００）を通して流れるときに、前記磁石（２２２）の減磁を止めるのに必要な最小厚さに決定される、モータ（１００）。
【請求項２】
前記ハルバッハ配列（２１０）は、好ましくは鋼又は鉄の高磁化率材料（２０５）の外側バンド内に配置され、その厚さは、ａ）前記ハルバッハ配列（２１０）からの外側磁場を完全に閉じ込め、かつｂ）前記ロータ（２００）に完全な機械的安定性を与えつつ、可能な限り薄くなるように選択される、請求項１に記載のモータ（１００）。
【請求項３】
前記磁石（２２２）は、高磁界強度を有するが、減磁に対する温度抵抗が小さい磁性材料から形成され、それによって前記モータ（１００）の狭い可用温度域という犠牲のもとに、高いトルクを提供する磁性材料で作られている、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項４】
前記ハルバッハ配列（２１０）は、素数の極対を備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項５】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数とは異なり、かつ前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、好ましくはこれもまた素数であることと、前記ステータの前記磁極（３２０）の数は前記ハルバッハ配列（２１０）の磁極対の数の整数倍ではないこととの少なくともいずれかである、請求項１〜請求項４のいずれか一項、特に請求項４に記載のモータ（１００）。
【請求項６】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数を考慮して、高いか、好ましくは最も高い巻線係数を確保するように選択される、請求項１〜請求項５のいずれか一項、特に請求項４又は請求項５のいずれかに記載のモータ（１００）。
【請求項７】
前記ステータ（３００）の前記磁極（３２０）の数は、前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数を考慮して、前記モータ（１００）のコギングトルク及び／又はリラクタンストルクを減らすように選択される、請求項１〜請求項６のいずれか一項、特に請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項８】
前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数は、１１、１３又は１７のうちの１つである、請求項１〜請求項７のいずれか一項、特に請求項４〜請求項７のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項９】
前記ハルバッハ配列の前記磁極対の数は、前記モータ（１００）の物理的寸法に基づいて選択及び／又は決定される、請求項１〜請求項８のいずれか一項、特に請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１０】
前記ハルバッハ配列（２１０）の各磁極における個別磁石（２２２）の数は４、すなわち各磁極対は８個の個別磁石（２２２）を含み、かつ前記個別磁石（２２２）の磁場の向きは、隣接する前記個別磁石（２２２）に対して４５°ずれている、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１１】
前記ステータ（３００）の各磁極（３２０）は、周囲に導電コイルが巻かれた、高磁化率材料、好ましくは鋼又は鉄で形成された少なくとも１つの歯を備え、
各歯の寸法及び形状は、ａ）使用時に前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに印加するように設計された最大印加電流に対して磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、の両方となるように選択される、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１２】
前記ステータ（３００）は、好ましくは鉄又は鋼でできた複数の積層された高磁化率層を備え、各積層は前記モータ（１００）の前記回転軸に垂直な面内にある、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１３】
各歯は個別に形成され、完全なステータリング（３３０）を形成するために、前記ステータ内部リング（３２８）上の整合構造と機械的に相互作用するように設計された機械的固定構造を有する、請求項１〜請求項１２のいずれか一項、特に請求項１１又は請求項１２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１４】
前記ステータ（３００）は、前記モータ（１００）の前記回転軸に中心を有する環状構造であるステータ内部リング（３２８）を含み、前記ステータ内部リング（３２８）は、前記モータ（１００）の前記回転軸から決定される半径方向厚さを有し、これは前記ステータ（３００）により生成される最大磁場の収容及び封じ込めに十分な厚さであることと、前記ステータ内部リング（３２８）は前記最大磁場の収容及び封じ込めに必要な厚さよりも厚くないことと、を確保するための最小厚さである、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１５】
前記ステータ（３００）の導電性コイルは、オルソサイクリック巻きによって各歯の周りに巻きつけられた、一つ又は複数の導電性ワイヤを備える、請求項１〜請求項１４のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１４のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１６】
前記一つ又は複数の導電性ワイヤは前記歯の周りに巻かれた後で更なるプレスはされず、前記ワイヤは、前記モータ（１００）が構築されたときに前記ハルバッハ配列（２１０）とは重複しない前記コイルの領域である各歯の外端部領域で蜜に巻かれていない、及び／又は高い構造的秩序で巻かれていない、請求項１〜請求項１５のいずれか一項、特に請求項１５に記載のモータ（１００）。
【請求項１７】
前記導電性コイルは、幅が０．４ｍｍ〜０．８ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ、より好ましくは０．６ｍｍの導電性ワイヤを備え、さらには、前記導電性ワイヤは前記歯の周りに、４０〜５５回、好ましくは４３〜５２回、より好ましくは４５〜５０回、さらにより好ましくは４７〜５０回巻かれている、請求項１〜請求項１６のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１８】
前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁極対の数は１３であり、かつ前記ステータ（３００）の磁極（３２０）の数は２７である、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項１９】
前記ステータコア（３１２）の周方向に測った、前記ステータコア（３１２）の隣接する導電性歯の端部同士の間のエアギャップは、前記ステータコア（３１２）の前記導電性歯の前記端部と、前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁石（２２２）との間の、前記回転軸に関して前記ステータコア（３１２）の半径方向への前記エアギャップよりもはるかに大きく、特に、前記歯同士の間のエアギャップは、前記歯と前記ハルバッハ配列（２１０）の前記磁石（２２２）との間のエアギャップよりも１０倍、好ましくは８倍、より好ましくは６倍大きい、請求項１〜請求項１８のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１８のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２０】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸から前記半径方向に沿った直立部分の幅は、ａ）前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに使用時に印加するように設計された最大印加電流に対して、前記歯のこの部分に磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯のこの部分の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、を確保するように選択される、請求項１〜請求項１９のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項１９のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２１】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸の周りの前記周方向に沿う前記断面の幅は、前記ハルバッハ配列（２１０）と重複しない前記コイルの湾曲領域を無視して、前記「Ｔ」の交差部が、前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の少なくとも７０％の間に、好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の８０％の間に、より好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の９０％の間に、最も好ましくは前記コイルと前記ハルバッハ配列（２１０）の１００％の間にあることが確保されるように選択される、請求項１〜請求項２０のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２０のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２２】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸の周りの前記周方向に沿う前記断面の厚さは、ａ）前記コイルに最大の磁場、したがって前記モータ（１００）の最大トルクを生成するために前記コイルに使用時に印加するように設計された最大印加電流に対して、前記歯の前記「Ｔ」の交差部に磁気飽和を生じないこと、及びｂ）前記歯の前記「Ｔ」の交差部の体積、寸法及び／又は質量は、要件ａ）を充たしつつ、可能な限り小さいこと、を確保するように選択される、請求項１〜請求項２１のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２１のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２３】
前記ステータコア（３１２）の前記歯は概ね「Ｔ」字形であり、前記回転軸から半径方向に延在する前記直立部分の長さは、前記ステータ（３００）からの前記最大磁場の改善が、前記コイル長の追加による重量増加によって相殺されることがない様に選択される、請求項１〜請求項２２のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２２のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２４】
前記ステータ（３００）の周りの前記コイルの巻線パターンはスター巻線パターンである、請求項１〜請求項２３のいずれか一項、特に請求項１１〜請求項２３のいずれか一項に記載のモータ（１００）。
【請求項２５】
請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載の前記モータ（１００）を含む、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）。
【請求項２６】
請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載の前記モータ（１００）を含む、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）であって、
前記関節（４０２）の最終的寸法が十分に小さくて、前記ロボット肢部（４０４）が人間のように動作できることを確保するために、寸法、具体的には前記モータ（１００）の直径が選択され、そうしてその中に適切に嵌合するように前記ハルバッハ配列（２１０）の磁極対の数が決定される、ロボット肢部（４０４）の関節（４０２）。
【請求項２７】
前記肢部（４０４）は請求項２５又は請求項２６のいずれかによる一つ又は複数の関節（４０２）を備える、ロボット（４００）の肢部（４０４）。
【請求項２８】
ロボット（４００）の肢部（４０４）であって、
関節（４０２）で相互に回転可能に取り付けられた、複数の肢部セクション（４０６）と、
一つ又は複数の前記肢部セクション（４０６）を駆動するように適合された一つ又は複数のモータ（１００）と、
一つ又は複数の前記モータ（１００）と、一つ又は複数の関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）との間に接続された一つ又は複数の駆動ケーブル（４３０）であって、前記一つ又は複数のモータ（１００）の回転が、前記一つ又は複数の駆動ケーブル（４３０）のそれぞれに掛かる力をもたらし、これが前記関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）のそれぞれに伝達され、前記肢部セクション（４０６）を前記関節（４０２）の周りで回転させるようにする、駆動ケーブル（４３０）と、
を備え、
一つ又は複数の前記関節（４０２）は、人間の肢部のそれぞれの関節を模倣するために、そこに回転可能に取り付けられた肢部セクション（４０６）を２つの別々の軸の周りで回転可能とする差動装置（４３２）を備え、
前記駆動ケーブル（４３０）は前記モータ（１００）から前記従動関節（４０２）及び／又は肢部セクション（４０６）に、中間シャフトを介在させずに直接延在する、肢部（４０４）。
【請求項２９】
６自由度、好ましくは７自由度を有し、人間の腕の動きを模倣するように動作可能な、ケーブル駆動ロボットアーム（４２０）である、請求項２８に記載の肢部（４０４）。
【請求項３０】
前記一つ又は複数のモータ（１００）と前記従動関節４０２及び／又は肢部セクション４０６との間の最大ギヤ比は、１：１０、好ましくは１：８、好ましくは１：６、好ましくは１：５、好ましくは１：４、好ましくは１：３、好ましくは１：２、そして最も好ましくは１：１である、請求項２８又は請求項２９のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３１】
前記差動装置（４３２）のそれぞれは、前記関節（４０２）内に回転可能に保持された２つのサイドドラム（４３４）を備え、各サイドドラム（４３４）は、前記肢部（４０４）の異なる関節（４０２）に位置する別々のモータ（１００）により回転駆動される、請求項２８〜請求項３０のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３２】
前記サイドドラム（４３４）を駆動する前記モータ（１００）は、前記サイドドラム（４３４）がある前記関節（４０２）よりも、前記肢部（４０４）が取り付けられる前記ロボット（４００）の前記胴体（４１０）により近い関節（４０２）内に配置される、請求項２８〜請求項３１のいずれか一項、特に請求項３１に記載の肢部（４０４）。
【請求項３３】
前記関節（４０２）を駆動する前記モータ（１００）は、前記一つ又は複数のモータ（１００）で駆動される前記関節（４０２）よりも、前記肢部（４０４）が取り付けられる前記ロボット（４００）の前記胴体（４１０）により近い別の関節（４０２）内に配置される、請求項２８〜請求項３２のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３４】
前記一つ又は複数のモータ（１００）からの前記トルクは、駆動ケーブル（４３０）巻取りシステムによって、前記従動関節（４０２）又は差動装置（４３２）に伝達され、
前記駆動ケーブル巻取りシステムは、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の、前記肢部（４０４）の長手回転軸の周り及び前記一つ又は複数のモータ（１００）に対する長手方向回転が、差動装置回転軸の周りの前記差動装置（４３２）の回転をもたらさないような構造になっている、請求項２８〜請求項３３のいずれか一項、特に請求項３２又は請求項３３のいずれか一項に記載の、肢部（４０４）。
【請求項３５】
前記駆動ケーブル（４３０）巻取りシステムは、それぞれが１つのモータ（１００）の駆動軸から、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の従動軸へ延在する２つの駆動ケーブル（４３０）を備え、
前記駆動ケーブル（４３０）は、
前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）よりも前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸から更に離れた位置で、前記モータ（１００）の駆動軸上に巻きつけられ、
前記モータ（１００）の駆動軸の回転軸に沿ってみたときに、前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記モータ（１００）の駆動軸上に、時計方向又は反時計方向のいずれかに巻きつけられ、かつ前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）が、前記モータ（１００）の駆動軸の周りに、もう一方の、反時計方向又は時計方向に巻きつけられ、
さらに、前記第２の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記第１の駆動ケーブル（４３０ｂ）よりも前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸から更に離れた位置で、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸に巻きつけられ、
前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸の回転軸に沿って見たときに、前記第１の駆動ケーブル（４３０ａ）が、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の駆動軸の周りに、前記モータ（１００）の駆動軸の周りと同じ時計方向又は反時計方向に巻きつけられ、かつ前記第２の駆動ケーブル（４３０ｂ）が、前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の従動軸の周りに、前記モータ（１００）の駆動軸の周りと同じ時計方向又は反時計方向に巻きつけられ、
前記ケーブルは、前記モータ（１００）と前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）との間で交差し、また前記肢部（４０４）の前記長手方向回転軸の周りの前記関節（４０２）又は差動装置（４３２）の回転は、前記駆動ケーブル（４３０）が同じ張力をもたらして、前記差動装置（４３２）が前記差動装置の回転軸の周りで不意に回転することを防ぐようになっている、請求項２８〜請求項３３のいずれか一項、特に請求項３４に記載の肢部（４０４）。
【請求項３６】
前記一つ又は複数のモータ（１００）は、前記差動装置（４３２）及び／又は関節（４０２）を駆動するために対としてグループ化され、長手方向回転時に前記肢部（４０４）にかかる重力の影響をなくすために、肢部（４０４）に沿う長手方向回転軸の両側に対称的に配置される、請求項２８〜請求項３５のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３７】
前記肢部セクション（４０６）は中空であり、前記駆動ケーブル（４３０）が前記肢部セクション（４０６）の前記中空部分を貫通して延在する、請求項２８〜請求項３６のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３８】
前記モータ（１００）は請求項１〜請求項２４のいずれか一項に記載のものである、請求項２８〜請求項３７のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項３９】
駆動ケーブル（４３０）のための終端ハウジング（４４４）であって、
前記駆動ケーブル（４３０）は、合成材料（４４２）製の中空のチューブ又はスリーブを備え、ボールベアリング（４４０）が合成材料（４４２）の前記中空のチューブ又はスリーブ内部に配置可能であり、
前記終端ハウジング（４４４）は、貫通した狭いスロット（４４６）を備え、前記狭スロット（４４６）の一端には拡大セクション（４４８）が設けられて、合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブは前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）へ通じることができ、かつ合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブ内に位置する前記ボールベアリング（４４０）が前記拡大セクション（４４８）に嵌まっているが前記狭スロット（４４６）内へは入ることができず、したがって合成材料（４４２）の前記中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）から離れる方向へ動くことを阻止する、駆動ケーブル（４３０）のための終端ハウジング（４４４）。
【請求項４０】
請求項３９に記載の終端ハウジング（４４４）を含む終端構造であって、合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）及び拡大セクション（４４８）を貫通し、前記合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブ内に保持されて前記拡大セクション（４４８）に配置されたボールベアリング（４４０）が、前記狭スロット（４４６）を通って前記拡大セクション（４４８）から離れる方向への合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブの移動を阻止する、終端構造。
【請求項４１】
終端ハウジング（４４４）は第１の終端ハウジング（４４４ａ）であり、前記拡大セクション（４４８）は前記ボールベアリング（４４０）の一部のみを収納するような大きさであり、前記終端構造は第２の終端ハウジング（４４４ｂ）を更に備え、前記拡大セクション（４４８）が前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）により露出された前記ボールベアリング（４４０）の残りの部分を収納可能であり、
前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）と第２の終端ハウジング（４４４ｂ）は、機械的に相互作用して前記ボールベアリング（４４０）のための空洞を形成して、前記合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブが前記狭スロット（４４６）を通っていずれの方向にも移動することを阻止する、請求項４０に記載の終端構造。
【請求項４２】
接着剤（４５０）が提供されて前記ボールベアリングを前記拡大セクション（４４８）に固定し、かつ前記第１の終端ハウジング（４４４ａ）と第２の終端ハウジング（４４４ｂ）を一体保持する、請求項４０又は請求項４１のいずれか一項に記載の終端構造。
【請求項４３】
前記駆動ケーブル（４３０）は合成材料（４４２）の中空チューブ又はスリーブを含み、これが請求項３９〜請求項４２のいずれか一項に記載の終端ハウジング（４４４）又は終端構造によって終端する、請求項２８〜請求項３８のいずれか一項に記載の肢部（４０４）。
【請求項４４】
請求項２８〜請求項４３のいずれか一項に記載の肢部（４０４）を駆動する、請求項１〜請求項２３のいずれか一項に記載のモータを備える、人型ロボット（４００）。
【国際調査報告】
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