特許 6771533 抵抗ベースのジョイント拘束を用いるロボットシステム、同ロボットシステムのためのブレーキジョイントアセンブリ、および関連する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6771533

(24)【登録日】2020年10月1日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】抵抗ベースのジョイント拘束を用いるロボットシステム、同ロボットシステムのためのブレーキジョイントアセンブリ、および関連する方法

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/00 20060101AFI20201012BHJP

   B25J 3/00 20060101ALI20201012BHJP

   F16D 55/36 20060101ALI20201012BHJP

   F16D 65/16 20060101ALI20201012BHJP

   F16D 121/24 20120101ALN20201012BHJP

   F16D 125/28 20120101ALN20201012BHJP

【ＦＩ】

   B25J17/00 D

   B25J3/00 A

   F16D55/36 A

   F16D65/16

   F16D121:24

   F16D125:28

【請求項の数】47

【外国語出願】

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2018-226301(P2018-226301)

(22)【出願日】2018年12月3日

(65)【公開番号】特開2019-98520(P2019-98520A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2018年12月3日

(31)【優先権主張番号】15/835280

(32)【優先日】2017年12月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】518429137

【氏名又は名称】サ−コス コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】フレイザー エム．スミス

(72)【発明者】

【氏名】マーク エックス．オリバー

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５２−１３４９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５３９０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４２４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／１４８４９９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２

Ｆ１６Ｄ ４９／００−７１／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

スレーブロボットシステムにおける力をマスタロボットシステムに移すための力逆送マスタロボットブレーキジョイントアセンブリであって：
前記マスタロボットシステムの第１のロボットリンクに関連付けられる第１のブレーキ構成要素と；
前記マスタロボットシステムの第２のロボットリンクに関連付けられる第２のブレーキ構成要素であって、前記第２のブレーキ構成要素は、前記第１のブレーキ構成要素に対して回転可能である、第２のブレーキ構成要素と；
前記スレーブロボットシステムによって感知された力に対応する制御信号に応じて、前記第１のブレーキ構成要素と前記第２のブレーキ構成要素との間にブレーキ力を発生するように、前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素に作用するように動作可能なアクチュエータと；
を有し、
前記第１のブレーキ構成要素は、上側圧縮ディスクのペアおよび下側圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの間に位置する上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのペアの間に位置する下側圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置され、これらに作用して、前記ブレーキ力を発生するよう前記第２のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのそれぞれを圧縮するように構成される、
ブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項2】

前記ブレーキ力は可変である、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項3】

前記ブレーキ力は可変ではない、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項4】

前記ブレーキ力の大きさは可変であり、前記感知された力に対する前記ブレーキ力の比率は動的に制御可能である、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項5】

前記アクチュエータは、モータおよび作動部材を有し、前記作動部材は、前記ブレーキ力を発生させるために前記第１のブレーキ構成要素または前記第２のブレーキ構成要素の少なくとも１つに力を加えるように前記モータによって回転可能である、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項6】

前記作動部材は、反対方向に延びるアームを有する剛性ボディを有し、第１のローラが、前記アームの一方に回転可能に結合され、第２のローラが、前記アームの他方に回転可能に結合され、前記ローラは、前記作動部材と前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素との間の摩擦を減らすように動作可能である、
請求項５に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項7】

前記アクチュエータは、前記ブレーキ力を発生するように動作可能な誘電アクチュエータを含み、前記誘電アクチュエータは、電圧源に結合された電極のペアの間に配置された誘電材料を有する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項8】

前記アクチュエータは、ブレーキ力を発生するように動作可能な圧電アクチュエータを含み、前記圧電アクチュエータは、圧電構成要素のスタックを変位させるよう動作可能な電圧源に結合されるように構成された前記圧電構成要素のスタックを有する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項9】

前記アクチュエータは、ブレーキ力を発生するように動作可能な流体アクチュエータを含み、前記流体アクチュエータは、流体作動構成要素と、前記作動構成要素に流体結合された少なくとも１つのピストンとを有し、前記作動構成要素は、前記少なくとも１つのピストンから遠位に配置されるとともに前記少なくとも１つの流体ピストンを作動させて前記ブレーキ力を発生するように構成される、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項10】

前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素は、前記ブレーキ力を発生するために圧縮可能な交互配置されたマルチディスク構成を有する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項11】

前記アクチュエータは、第１のバイアス構成要素および反対側の第２のバイアス構成要素を有し、前記第１のバイアス構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの内側ディスクを選択的に付勢し、前記第２のバイアス構成要素は、前記下側圧縮ディスクのペアの反対側の内側ディスクを選択的に付勢する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項12】

前記アクチュエータは、前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間で前記第１のブレーキ構成要素の支持部分に取り付けられる、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項13】

前記アクチュエータは、前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置される、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項14】

前記アクチュエータは、アクチュエータシャフトに固定して取り付けられたカム部材を有し、前記カム部材は、前記カム部材の回転運動を前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素内の並進運動に変換するように動作可能な偏心構成を有し、それによって前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素を一緒に圧縮する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項15】

前記制御信号を処理するプロセッサをさらに有する、
請求項１に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項16】

スレーブロボットシステムの力をマスタロボットシステムに移すための力逆送ロボットシステムであって：
複数のスレーブジョイントを含むスレーブロボットシステムと、
複数のマスタブレーキジョイントを有するマスタロボットシステムであって、それぞれが前記マスタロボットシステムによって制御可能な前記スレーブジョイントのそれぞれ１つに対応する、マスタロボットシステムと、
を有し、
それぞれの前記マスタブレーキジョイントは、上側圧縮ディスクのペアおよび下側圧縮ディスクのペアを有する第１のブレーキ構成要素と、前記上側圧縮ディスクのペアの間に位置する上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのペアの間に位置する下側圧縮ディスクを有する第２のブレーキ構成要素と、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置されるアクチュエータと、を有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアおよび前記下側圧縮ディスクのペアに作用して、前記スレーブロボットシステムによって感知された力に対応する制御信号に応じてブレーキ力を発生するために前記ブレーキ力を発生するよう前記第２のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのそれぞれを圧縮するように構成される、
システム。

【請求項17】

前記マスタロボットシステムは、人間型ロボットアセンブリ、外骨格ロボットアセンブリ、および人間が操作するロボットアセンブリのうちの１つを含む、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記マスタロボットシステムは、上半身外骨格および下半身外骨格の少なくとも１つを含み、それぞれは前記マスタブレーキジョイントの１つによって回転可能に一緒に結合された複数の外骨格リンクを有する、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

前記マスタロボットシステムは、前記マスタブレーキジョイントのぞれぞれに動作可能なコントローラを有し、前記コントローラは、それぞれの前記マスタブレーキジョイントに関連付けられる前記ブレーキ力を動的に制御するように動作可能なコンピュータを有する、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項20】

それぞれの前記スレーブジョイントは、前記スレーブジョイントに関連付けられる位置データ、速度データ、力データ、または位置データ及び力データ両方を提供するように動作可能な１つまたは複数のセンサを有する、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項21】

前記アクチュエータは、前記マスタロボットシステムによって動的に制御可能であるとともに、二方向アクチュエータ、誘電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、カムアクチュエータ、ボールランプアクチュエータ、電磁アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、または油圧アクチュエータを含む、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項22】

前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスク及び前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクは、それぞれの前記マスタブレーキジョイントの回転の軸周りに互いに対して回転可能である、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項23】

スレーブロボットシステムの力をマスタロボットシステムに移す方法であって、前記マスタロボットシステムは、前記スレーブロボットシステムのスレーブジョイントに対応するマスタブレーキジョイントを有し、前記方法は：
力データ信号を前記スレーブロボットシステムから前記マスタロボットシステムに送信するステップと；
前記マスタブレーキジョイント内で前記力データ信号に対応するブレーキ力を発生させるステップと；
を含み、
前記マスタブレーキジョイントは、第１のブレーキ構成要素、第２のブレーキ構成要素、及びアクチュエータを有し、前記第１のブレーキ構成要素は、上側圧縮ディスクのペアおよび下側圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの間に位置する上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのペアの間に位置する下側圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、
前記アクチュエータは、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置され、前記第２のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのそれぞれを圧縮することによって前記ブレーキ力を発生するよう構成される、
方法。

【請求項24】

変化する大きさのブレーキ力を提供するように前記ブレーキ力を動的に制御するステップをさらに含む、
請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

前記ブレーキ力を発生させるステップは、前記ブレーキ力を発生させるように前記マスタブレーキジョイント内で動作可能なアクチュエータを制御するステップを含む、
請求項２４に記載の方法。

【請求項26】

前記マスタロボットシステムに送信されることになる力データを得るために前記スレーブジョイントの位置および力の一方または両方を感知するステップをさらに含む、
請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

前記マスタブレーキジョイントの位置および力の一方または両方を感知するステップをさらに含む、
請求項２５に記載の方法。

【請求項28】

コンピュータシステムを介して前記マスタロボットシステムで送信された前記力データを受信するステップをさらに含み、前記力データは処理され、対応するブレーキ力が前記マスタロボットシステム内で発生する、
請求項２６に記載の方法。

【請求項29】

スレーブロボットシステムにおける力をマスタロボットシステムに移す前記マスタロボットシステムであって：
複数のロボットリンクと；
前記複数のロボットリンクを回転可能に結合する複数のマスタブレーキジョイントであって、それぞれの前記マスタブレーキジョイントは、前記マスタロボットシステムによって制御可能な前記スレーブロボットシステムのそれぞれのスレーブジョイントに対応し、それぞれの前記マスタブレーキジョイントは：
前記複数のロボットリンクの第１のロボットリンクに結合される第１のブレーキ構成要素；
前記複数のロボットリンクの第２のロボットリンクに結合される第２のブレーキ構成要素であって、前記第２のブレーキ構成要素は、前記第１のブレーキ構成要素に対して回転可能である、第２のブレーキ構成要素；並びに
前記スレーブロボットシステムによって感知された力に対応する制御信号に応じて、前記第１のブレーキ構成要素と前記第２のブレーキ構成要素との間にブレーキ力を発生するように、前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素に作用するように動作可能なアクチュエータ；
を有する、マスタブレーキジョイントと；
を有し、
前記第１のブレーキ構成要素は、上側圧縮ディスクのペアおよび下側圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの間に位置する上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのペアの間に位置する下側圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置され、これらに作用して、前記ブレーキ力を発生するよう前記第２のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのそれぞれを圧縮するように構成される、
マスタロボットシステム。

【請求項30】

前記ブレーキ力は可変である、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項31】

前記ブレーキ力は第１の大きさのみを有する、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項32】

前記ブレーキ力の大きさは可変であり、前記感知された力に対する前記ブレーキ力の比率は動的に制御可能である、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項33】

前記アクチュエータは、モータおよび作動部材を有し、前記作動部材は、前記ブレーキ力を発生させるために前記第１のブレーキ構成要素または前記第２のブレーキ構成要素の少なくとも１つに力を加えるように前記モータによって回転可能である、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項34】

前記アクチュエータは：
前記ブレーキ力を発生するように動作可能な誘電アクチュエータであって、前記誘電アクチュエータは、電圧源に結合された電極のペアの間に配置された誘電材料を有する、誘電アクチュエータ；
前記ブレーキ力を発生するように動作可能な圧電アクチュエータであって、前記圧電アクチュエータは、圧電構成要素のスタックを変位させるよう動作可能な電圧源に結合されるように構成された前記圧電構成要素のスタックを有する、圧電アクチュエータ；または
前記ブレーキ力を発生するように動作可能な油圧アクチュエータであって、前記油圧アクチュエータは、油圧作動構成要素と、前記油圧作動構成要素に流体結合された少なくとも１つの油圧ピストンとを有し、前記油圧作動構成要素は、前記少なくとも１つの油圧ピストンから遠位に配置されるとともに前記少なくとも１つの油圧流体ピストンを作動させて前記ブレーキ力を発生するように構成される、油圧アクチュエータ；
のうちの１つを含む、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項35】

前記第１のブレーキ構成要素は、上側圧縮ディスクのペアおよび下側圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの間に位置する上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのペアの間に位置する下側圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記第１のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置され、これらに作用して、前記ブレーキ力を発生するよう前記第２のブレーキ構成要素の前記上側圧縮ディスクおよび前記下側圧縮ディスクのそれぞれを圧縮するように構成される、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項36】

前記アクチュエータは、第１のバイアス構成要素および反対側の第２のバイアス構成要素を有し、前記第１のバイアス構成要素は、前記上側圧縮ディスクのペアの内側ディスクを選択的に付勢し、前記第２のバイアス構成要素は、前記下側圧縮ディスクのペアの反対側の内側ディスクを選択的に付勢する、
請求項３５に記載のマスタロボットシステム。

【請求項37】

前記アクチュエータは、前記上側圧縮ディスクのペアと前記下側圧縮ディスクのペアとの間に配置される、
請求項３５に記載のマスタロボットシステム。

【請求項38】

前記アクチュエータは、アクチュエータシャフトに固定して取り付けられたカム部材を有し、前記カム部材は、前記カム部材の回転運動を前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素内の並進運動に変換するように動作可能な偏心構成を有し、それによって前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素を一緒に圧縮する、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項39】

前記マスタロボットシステムは、人間型ロボットアセンブリ、外骨格ロボットアセンブリ、および人間が操作するロボットアセンブリのうちの１つを含む、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項40】

前記マスタロボットシステムは、前記マスタブレーキジョイントのぞれぞれに動作可能なコントローラを有し、前記コントローラは、それぞれの前記マスタブレーキジョイントに関連付けられる前記ブレーキ力を動的に制御するように動作可能なコンピュータを有する、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項41】

前記マスタロボットシステムは：手；腕；腕と手；腕と胴；腕と手と胴；脚；複数の脚；複数の脚と胴；複数の脚と複数の腕と胴；複数の脚と複数の腕；もしくは胴と複数の手；又はこれらの任意の組み合わせ；のうちの少なくとも１つと関連付けられる、
請求項２９に記載のマスタロボットシステム。

【請求項42】

スレーブロボットシステムにおける力をマスタロボットシステムに移すための力逆送マスタロボットブレーキジョイントアセンブリであって：
前記マスタロボットシステムの第１のロボットリンクに関連付けられる第１のブレーキ構成要素と；
前記マスタロボットシステムの第２のロボットリンクに関連付けられる第２のブレーキ構成要素であって、前記第２のブレーキ構成要素は、前記第１のブレーキ構成要素に対して回転可能である、第２のブレーキ構成要素と；
前記スレーブロボットシステムによって感知された力に対応する制御信号に応じて、前記第１のブレーキ構成要素と前記第２のブレーキ構成要素との間にブレーキ力を発生するように、前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素に対して回転するように動作可能な回転アクチュエータと；
を有する、
ブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項43】

前記第１のブレーキ構成要素及び前記第２のブレーキ構成要素は、前記ブレーキ力を発生するように圧縮可能な交互配置されたマルチディスク構成を有する、
請求項４２に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項44】

前記第１のブレーキ構成要素は、圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記圧縮ディスクのペアの間に位置する圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記ブレーキ力を発生するよう前記圧縮ディスクのペアによって前記圧縮ディスクを圧縮するように構成される、
請求項４２に記載のブレーキジョイントアセンブリ。

【請求項45】

スレーブロボットシステムの力をマスタロボットシステムに移すための力逆送マスタロボットシステムであって：
複数のスレーブジョイントを有するスレーブロボットシステムと、
それぞれが前記マスタロボットシステムによって制御可能な前記スレーブジョイントのそれぞれ１つに対応する複数のマスタブレーキジョイントを有するマスタロボットシステムと、
を有し、
それぞれの前記マスタブレーキジョイントは、第１のブレーキ構成要素と、前記第１のブレーキ構成要素に対して回転可能である第２のブレーキ構成要素と、前記スレーブロボットシステムによって感知された力に対応する制御信号に応じて、前記第１のブレーキ構成要素と前記第２のブレーキ構成要素との間にブレーキ力を発生するように、前記第１のブレーキ構成要素および前記第２のブレーキ構成要素に対して回転するように動作可能な回転アクチュエータと、を有する、
力逆送マスタロボットシステム。

【請求項46】

前記第１のブレーキ構成要素及び前記第２のブレーキ構成要素は、前記ブレーキ力を発生するように圧縮可能な交互配置されたマルチディスク構成を有する、
請求項４５に記載の力逆送マスタロボットシステム。

【請求項47】

前記第１のブレーキ構成要素は、圧縮ディスクのペアを有し、前記第２のブレーキ構成要素は、前記圧縮ディスクのペアの間に位置する圧縮ディスクを有し、前記第１のブレーキ構成要素の前記ディスクは、前記第２のブレーキ構成要素の前記ディスクに対して回転可能であり、前記アクチュエータは、前記ブレーキ力を発生するよう
前記第１のブレーキ構成要素の前記圧縮ディスクのペアの間の前記第２のブレーキ構成要素の前記圧縮ディスクを圧縮するように構成される、
請求項４５に記載の力逆送マスタロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

遠隔操作アプリケーションにおいてマスタ制御システムを利用することは、様々な課題を提起する。例えば、人間のオペレータがマスタ制御システム（例えば、外骨格、バーチャルリアリティコントロールなど）を用いてスレーブシステム（例えば、非人間型（non-humanoid）ロボット、人間型（humanoid）ロボット、ハンドロボット、仮想アバター／ロボットなど）を遠隔制御するとき、人間の運動学的構成へのマスタ制御システムの非擬人的運動学的構成（non-anthropomorphic kinematic arrangement）の運動学的マッピングを考慮する必要がある。さらに、スレーブシステムが、例えば、質量を押すこと又は物体にぶつかることに起因して様々な力を受けるとき、特定の作業のためにスレーブシステムをより良く制御するために、人間のオペレータがこれらの力を知覚できることがしばしば望ましい。したがって、ロボットシステムは、スレーブが受けた力がマスタ制御装置を介してユーザによって本質的に「感じられる」「力逆送（force-reflection）」と呼ばれるものを利用するように構成されることができる。

【0002】

力逆送を達成するために使用される従来の解決策は、大きい空気圧式または油圧式のアクチュエータを、ロボットシステムのマスタ制御装置に組み込むことを含み、これらのアクチュエータは、マスタ制御装置のジョイントを介して、人間のオペレータに力逆送値を提供するように制御され、このマスタ制御装置は、ある場合には、例えば、オペレータが着用する上側ロボット外骨格を含むことができる。しかし、そのような解決策は、コスト、複雑さ、重量、制御性の悪さなどの様々な欠点を有する。

【発明の概要】

【0003】

本明細書で開示されるのは、スレーブロボットシステムにおける力をマスタロボットシステムに移す（translating）ためのマスタロボットシステムである。マスタロボットシステムは、複数のロボットリンクと、複数のロボットリンクを回転可能に結合する複数のマスタブレーキジョイントとを有する。各マスタブレーキジョイントは、マスタロボットシステムによって制御可能なスレーブロボットシステムのそれぞれのスレーブジョイントに対応する。各マスタブレーキジョイントは、複数のロボットリンクの第１のロボットリンクに結合された第１のブレーキ構成要素と、複数のロボットリンクの第２のロボットリンクに結合された第２のブレーキ構成要素とを有し、第２のブレーキ構成要素は、第１のブレーキ構成要素に対して回転可能である。各マスタブレーキジョイントは、スレーブロボットシステムによって感知された感知力（sensed force）に対応する制御信号に応じて、第１のブレーキ構成要素と第２のブレーキ構成要素との間にブレーキ力（braking force）を発生するように、第１のブレーキ構成要素および第２のブレーキ構成要素に作用するように動作可能なアクチュエータをさらに有する。

【0004】

いくつかの例では、ブレーキ力は可変である。いくつかの例では、ブレーキ力は第１の大きさのみを有するか、言い換えれば、可変ではない。いくつかの例では、ブレーキ力の大きさは可変であり、感知力に対するブレーキ力の比率（proportionality）は動的に制御可能である。

【0005】

いくつかの例では、アクチュエータは、モータおよび作動部材を有する双方向アクチュエータを有し、作動部材は、ブレーキ力を発生させるために第１のブレーキ構成要素または第２のブレーキ構成要素の少なくとも１つに双方向力（bi-directional force）を加えるようにモータによって回転可能である。

【0006】

いくつかの例では、アクチュエータは：ブレーキ力を発生するように動作可能な誘電アクチュエータであって、誘電アクチュエータは電圧源に結合された電極のペアの間に配置された誘電材料を有する、誘電アクチュエータ；ブレーキ力を発生するように動作可能な圧電アクチュエータであって、圧電アクチュエータは、圧電構成要素のスタックを変位させるよう動作可能な電圧源に結合されるように構成された圧電構成要素のスタックを有する、圧電アクチュエータ；またはブレーキ力を発生するように動作可能な流体もしくは油圧アクチュエータであって、流体もしくは油圧アクチュエータは、作動構成要素と、流体もしくは油圧作動構成要素に流体結合された（fluidly coupled）少なくとも１つの流体ピストンとを有し、作動構成要素は、少なくとも１つの流体ピストンから遠位に配置されるとともに少なくとも１つの流体ピストンを作動させてブレーキ力を発生するように構成される、流体もしくは油圧アクチュエータ；のうちの１つを有する。

【0007】

いくつかの例では、第１のブレーキ構成要素および第２のブレーキ構成要素は、ブレーキ力を発生するために圧縮可能な交互配置されたマルチディスク構成（interleaved multi-disk configuration）を有する。

【0008】

本明細書で開示されるのは、スレーブロボットシステムの力をマスタロボットシステムに移すための力逆送ロボットシステムであって、力逆送ロボットシステムは、複数のスレーブジョイントを含むスレーブロボットシステムと、複数のマスタブレーキジョイントを有するマスタロボットシステムであって、それぞれがマスタロボットシステムによって制御可能なスレーブジョイントのそれぞれ１つに対応する、マスタロボットシステムとを有する。各マスタブレーキジョイントは、スレーブロボットシステムによって感知された感知力に対応する制御信号に応じてブレーキ力を発生するように動作可能なアクチュエータを有する。

【0009】

本明細書で開示されるのは、スレーブロボットシステムの力をマスタロボットシステムに移す方法であって、方法は：マスタロボットシステムおよびスレーブロボットシステムを動作させるステップであって、マスタロボットシステムは、スレーブロボットシステムのスレーブジョイントに対応するマスタブレーキジョイントを有する、ステップと；力データ信号をスレーブロボットシステムからマスタロボットシステムに送信するステップと；力データ信号に対応するマスタブレーキジョイント内のブレーキ力を発生させるステップと；を含む。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本発明の特徴および利点は、例として本発明の特徴を一緒に説明する添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

【0011】

【図1A】本開示の例による少なくとも１つのマスタブレーキジョイントを有するマスタロボットシステムの斜視図を示す。

【図1B】本開示の例による図１Ａのマスタロボットシステムによって制御可能なスレーブロボットシステムの斜視図を示す。

【図2】本開示の例によるマスタブレーキジョイントの等角図を示す。

【図3A】係合した構成の図２のマスタブレーキジョイントの側面図を示す。

【図3B】係合解除した構成の図３Ａのマスタブレーキジョイントの側面図を示す。

【図4】本開示の例によるマスタブレーキジョイントの側面図を示す。

【図5】本開示の例によるマスタブレーキジョイントの側面図を示す。

【図6】本開示の例によるマスタブレーキジョイントの側面図を示す。

【図7A】本開示の例によるマスタブレーキジョイントの等角図を示す。

【図7B】係合解除した状態の図７Ａのマスタブレーキジョイントの概略側面図を示す。

【図7C】係合した状態の図７Ａのマスタブレーキジョイントの概略側面図を示す。

【図8】本開示の例による少なくとも１つのマスタブレーキジョイントを有する協調マスタロボットシステムを概略的に示す。

【図9】本開示の例によるモバイルロボットリフト支援システムのための例示のオペレータ制御スキームの図形表現を示す。

【図10】本開示の例によるマスタロボットシステムにスレーブロボットシステムの抵抗力を移す方法の図形表現を示す。

【0012】

ここで、図示された例示的な実施形態を参照し、特定の言語を用いてこれを説明する。それにもかかわらず、本発明の範囲の限定がそれによって意図されるものではないことを理解されたい。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本明細書で使用される場合、用語「実質的に」は、動作、特徴、特性、状態、構造、アイテム、または結果の完全またはほぼ完全な範囲または程度を指す。例えば、「実質的に」囲まれた物体は、物体が完全に囲まれているかまたはほぼ完全に囲まれていることを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の正確な許容可能な程度は、特定の状況に依存する場合もある。しかし、一般的に言えば、完了の近さは、絶対且つ完全な完了が得られたかのように（構造的および／または機能的に）同じ全体的結果を有するようになるものである。「実質的に」の使用は、動作、特徴、特性、状態、構造、アイテム、または結果の完全またはほぼ完全な欠如を指すために否定的な意味で使用される場合にも同様に適用可能である。

【0014】

本明細書で使用される場合、「隣接する」とは、２つの構造または要素の近接を指す。特に、「隣接する」と識別される要素は、当接または接続されていてもよい。このような要素は、必ずしもお互いに接触することなく互いに近くにあるまたは接近していてもよい。近接の正確な程度は、特定の状況に依存する場合もある。

【0015】

技術の実施形態の最初の要約が上記で提供され、次に特定の技術の実施形態が以下でさらに詳細に説明される。この最初の要約は、読者が技術をより迅速に理解するのを助けることを意図しているが、技術の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、また、請求項に記載される主題の範囲を限定することを意図するものではない。

【0016】

当業者であれば、ブレーキ力が、本明細書で説明するブレーキジョイントの任意の回転方向に加えられ得るまたは除去され得ることを理解するであろう。言い換えれば、各ブレーキジョイントは双方向に動くことができ、ブレーキ力はいずれの方向にも加えられることができる。

【0017】

図１Ａおよび１Ｂは、マスタロボットシステム１０４にスレーブロボットシステム１０２の力逆送を移すためのシステム１００を示す。一般に、マスタロボットシステム１０４は、スレーブジョイント１０８で受ける力をマスタブレーキジョイント１０６に反映する（reflecting）ためにスレーブロボットシステム１０２の対応するスレーブジョイント１０８に関連付けられた少なくとも１つのマスタブレーキジョイント１０６を有することができる。例えば、マスタブレーキジョイント１０６ａは、人間の肘に対応する自由度（ＤＯＦ）（屈曲／伸展）を有し、これは、制御されるスレーブジョイント１０８ａ（スレーブエルボジョイント）に対応し、スレーブジョイント１０８ａ内で受けた力は所望の比率でマスタブレーキジョイント１０６に反映されることができる。この例では、人間のオペレータは、外骨格ロボットアセンブリ（例えば、上側および／または下側外骨格）としてマスタロボットシステム１０４を装着することができる。マスタロボットシステムは、人間によって操作される（例えば、いくつかの例では持ち運び、装着される）システムまたはインタフェースを有することができることに留意されたい。例えば、マスタロボットシステムは、外骨格ロボットシステム、非人間型ロボットシステム（例えば、マスタコントロールアーム）、バーチャルリアリティマスタロボットシステム（ヘッドセットまたは他のユーザが装着した周辺機器とペアにされていてもよい）、および当業者には明らかである他のものを含むことができる。スレーブロボットシステムは、当業者には明らかであるように、任意のタイプの遠隔操作ロボット、無人地上ロボット、空中ロボット、人間型ロボット、ロボット脚、アームまたはハンド、仮想ロボット、仮想アバターロボット、その他を含むことができることにさらに留意されたい。

【0018】

本明細書で提供される例では、論じられるブレーキベースのジョイントは、スレーブロボットシステムを制御するように動作可能なマスタロボットシステムの一部としての入力装置に設けられる。任意の特定のマスタブレーキベースジョイントアセンブリは、以下でさらに論じるように、ブレーキベースのジョイントの１又は複数の自由度（ＤＯＦ（ｓ））に関連付けられ、スレーブロボットシステムのスレーブジョイントの対応するＤＯＦを制御するのに使用される、位置センサおよび荷重センサを有することができる。

【0019】

具体的には、力逆送に関して、スレーブジョイント１０８ａが抵抗力を受けるか、または制限された移動ゾーンを突破する若しくは突破しようとするとき（例えば、右のスレーブアームが壁に接触するか、質量を持ち上げるか、所与のポイントを超えて延びるなど）、抵抗力が、スレーブジョイント１０８ａに関連付けられる荷重および／または位置センサ（例えば、図９参照）によって感知される。感知された抵抗力は、例えば、質量を保持または持ち上げることによってスレーブジョイントに加えられる重力の結果であり得る。いくつかの例では、抵抗力は、推進力のある物体、戦う兵士、落下する物体などのような、外力がスレーブロボットシステム１０２に作用するときのような衝撃力であり得る。いずれのシナリオにおいても、スレーブロボットシステム１０２は、スレーブロボットシステム１０２によって感知された力に対応する力逆送データ（例えば、制御信号）をマスタロボットシステム１０４（または他の制御システム）に送信する。次に、マスタロボットシステム１０４は、ブレーキジョイント１０６ａに、スレーブジョイント１０８ａを介してスレーブロボットシステム１０２が受ける抵抗力に対応する力逆送としてブレーキ力を発生させる（加えるまたは解放する）（すなわちコントローラを介して）。この力逆送は、比例するように構成されてもよいし、そうでなくてもよい。したがって、マスタロボットシステム１０４は、少なくともある程度、スレーブロボットが「感じる」ことを「感じる」ことができ、そのような力逆送は、（外骨格の例では）オペレータまたは例えば人間型ロボットに対する抵抗力として移動または移されることができる。マスタロボットシステム内で発生するブレーキ力は、以下にさらに説明される。特に、当業者には明らかであるように、図１Ａのマスタブレーキジョイント１０６は、以下に論じられ且つ図２−７Ｂに示される例示のブレーキジョイントのいずれか、それらのいずれかの均等物、または当業者に明らかであろう他の任意のものを含み得る。

【0020】

一般に、外骨格タイプのマスタ制御装置のように、力逆送では、オペレータは、例えば（例えば、右の）マスタ制御アーム（図１Ａ）により、（例えば、右）スレーブアームを操作するための感覚入力（sensory input）を提供される。スレーブアームがスレーブアームの経路にある可能性がある障害物に関係なくマスタアームからの位置指令を実行するように動作する位置制御とは異なり、力逆送は、スレーブアームが受けている荷重を示すために、マスタ制御アームを介してオペレータに比例フォースフィードバック（proportional force feedback）を提供する。例えば、スレーブアームが、マスタアームからの位置指令を実行している間に障害物に直面する場合、スレーブアーム上の荷重センサは、マスタ制御アームに伝達される荷重情報を提供することができ、マスタ制御アーム内で動作可能なブレーキジョイント（複数可）は、受信した荷重情報に基づいてオペレータに比例荷重を適用することができる。そのような比例荷重は、特定の動作環境およびオペレータに適用されることが望まれるものに応じて、変化してもよいし、異なっていてもよい。このようなフォースフィードバックによって、オペレータは、それが日常生活の中でオペレータ自身の体を操作するオペレータの経験により近く似ているので、動作環境においてスレーブアームをより直感的に制御することができる。例えば、物体の重さが５００ポンド（２２７ｋｇ）である場合（それによって、重力のためにスレーブジョイントに力を加える）、オペレータが受ける比例力逆送荷重（proportional force reflected load）（すなわちブレーキ力を介して）は１０ポンド（４．５ｋｇ）になる可能性がある。

【0021】

特定の態様では、力逆送の実施は、スレーブアームが衝撃事象を受けた、マスタ制御アームによってオペレータに生成される負荷の増大を含むことができる。言い換えれば、荷重センサによって感知された衝撃は、力逆送のための通常の比例設定に不相応な荷重の過渡スパイクとしてマスタ制御アームを介してユーザに反映されることができる。例えば、スレーブアームが壁に衝突するとき、スレーブアームの荷重センサが衝撃を感知する。作業者に衝撃が発生したことを警告するために、マスタ制御アームは、オペレータに衝撃を効果的に示すことができる短期間の現在の比例力逆送設定に対して、不釣合いに大きい荷重をユーザに生じさせることができる。例えば、衝撃時に生成されたオペレータへの力は、オペレータがマスタアームをさらに動かすことができないほど不釣合いに大きくなるので、ユーザの強さや既存の勢いに関係なく、マスタ制御アームのハードストップ（hard stop）を効果的に生成する。したがって、力逆送は、ロボットシステムの安全機能を提供することができる。このような動作を達成する例は、図２−９の例に関して以下でさらに論じられる。

【0022】

図１Ａの外骨格の例では、マスタロボットシステム１００は、各ブレーキジョイント１０６のセンサおよびアクチュエータのような様々な構成要素に電力を供給するように構成されたエネルギ貯蔵装置（例えば、バッテリ）を有するバックパック１２０を有することができる。エネルギ貯蔵装置は、一次電源、または（バックパックが外部電源に接続されている）バックアップ電源としての機能を果たすことができる。バーチャルヘッドセット１２２は、バックパック１２０に電気的に結合されることができる（または外部コンピュータシステムに通信可能に結合されることができる）。ヘッドセット１２２は、例えば、スレーブロボットシステム１０２上のカメラおよび他のセンサから送信されたリアルタイムビデオおよび他の情報を表示するように構成されることができる。代替的にまたは同時に、ヘッドセット１２２は、拡張現実世界または環境内で動作する特定のスレーブロボットシステムのレンダリングを含む拡張現実または仮想３次元環境を表示することができる。この方法では、スレーブロボットまたはスレーブインタフェースに関連する位置および力データが仮想世界内で決定され、次に関連したマスタブレーキジョイントの力逆送の目的でマスタロボットシステムに送信される。バックパック１２０は、以下にさらに説明するように、信号を受信し、処理し、送信するための様々な電気部品を有するマスタコンピュータを有することができる。

【0023】

本明細書で論じたブレーキベースのジョイント拘束機構およびシステムは、人間型ロボットのような任意のロボットアセンブリ、システム若しくは装置、または本明細書に参照による援用される２０１１年１２月２０日に出願された米国特許出願第１３／３３２，１６５号に記載されたロボットアセンブリのジョイントに組み込まれることができ、この場合、オペレータに着用される外骨格は必ずしも必要ではなく、むしろオペレータはその中で教示されるように１つまたは複数のマスタ制御コントロールを操作することができるとともに、１つまたは複数のマスタ制御アームに設けられた１つまたは複数のブレーキジョイントを介してスレーブアームからの力逆送を受けることができる。基本的には、本開示は、本明細書で教示するように、抵抗またはブレーキベースのジョイント拘束機構またはシステムが、１つのロボット装置（例えば、スレーブ）からの力逆送がある割合でオペレータ（例えば、マスタ制御装置を操作するオペレータ）に転送されることを所望される、あらゆるタイプのロボットまたはロボット装置で用いられることができることを想定している。

【0024】

図２、３Ａ、および３Ｂは、上で説明され、図１Ａおよび１Ｂに示されるような、マスタロボットシステムを通じてオペレータに抵抗力を伝達するように動作可能なマスタブレーキジョイント２００（または「ブレーキアセンブリ」）の一例を示し、力はスレーブロボットシステムからの力逆送に対応する。図２はマスタブレーキジョイント２００を示しており、図３Ａは、係合構成Ｅのブレーキジョイント２００の側面図を示し、図３Ｂは、非係合構成Ｄを示す。

【0025】

ブレーキジョイント２００は、第１のロボットリンク２０３ａ（例えば、ジョイントを介して移動可能な第１の支持部材）と関連付けられ且つ動作可能な第１のブレーキ構成要素２０２ａと、第２のロボットリンク２０３ｂ（例えば、ジョイントを介して第１の支持部材に対して移動可能な第２の支持部材）に関連付けられ且つ動作可能な第２のブレーキ構成要素２０２ｂを有することができる。第１および第２のロボットリンク２０３ａおよび２０３ｂは、図１Ａの外骨格タイプのマスタロボットシステムの支持部材のような、マスタロボットアセンブリの剛性支持部材（例えば、アルミニウム、鋼など）または他のタイプの支持部材（例えば、ばねタイプ）であることができる。第１および第２のロボットリンク２０３ａおよび２０３ｂは、それぞれ第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂに堅固に取り付けられているものとして一般的に示されている。当業者であれば、様々な中間のまたはアダプタロボット支持部材インタフェース構成要素のような追加構成要素、または（例えば、以下に論じられる図７Ａと同様の）ブレーキジョイント２００を収容するハウジングを介するなどの任意の適切な手段を使用して結合または接合されることができることを認識するであろう。

【0026】

上述したように、本明細書で論じられる例示的なブレーキジョイントは、入力マスタブレーキジョイントを含むことができ、これは、それらが、抵抗ベースのブレーキ機構を介してマスタロボットシステム内にジョイント拘束機能を提供することができるとともに、マスタスレーブシステムのための入力機能を（同時に）提供することができることを意味する。したがって、ブレーキジョイント２００は、ブレーキジョイント２００および／またはそれと共に動作可能な支持部材もしくはリンク内で動作可能な位置センサおよび／または荷重センサを有することができる。

【0027】

第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂは、並行してトルクをもたらすマルチディスク構成（例えば、一種の交互配置されたシートブレーキ構成（interleaved sheet brake configuration）を形成する複数のディスク）を有することができる。より具体的には、第１のブレーキ構成要素２０２ａは、内側ｃチャネル部材２０４ａおよび外側ｃチャネル部材２０４ｂ（各々がｃチャネル構成を有する）を有することができる。内側のｃチャネル部材２０４ａは、上側圧縮ディスク２０６ａと下側圧縮ディスク２０６ｂとの間に延びる内側中央支持部２０９の周りに一緒に形成された、上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂを有することができる。同様に、外側ｃチャネル部材２０４ｂは、上側圧縮ディスク２１０ａと下側圧縮ディスク２１０ｂとの間に延びる外側中央支持部２１１の周りに一緒に形成された上側圧縮ディスク２１０ａおよび下側圧縮ディスク２１０ｂを有することができる。内側中央支持部２０９および外側中央支持部２１１は、内側ｃチャネル部材２０４ａと外側ｃチャネル部材２０４ｂとが固定され且つ互いに対して移動不能であるように、（例えば、接着剤または他の固定手段によって）一緒にしっかりと固定されることができる。図示されているように、圧縮ディスク２０６ａ、２０６ｂ、２１０ａおよび２１０ｂが、それらの外周輪郭に沿っておよび軸Ａの周りに互いに実質的に整列するように、内側ｃチャネル部材２０４ａは外側ｃチャネル部材２０４ｂ内に入れ子にされることができ、圧縮ディスク２０６ａ、２０６ｂ、２１０ａおよび２１０ｂは、同様のサイズおよび構成である。

【0028】

圧縮ディスク２０６ａおよび２１０ａは、一対の上側圧縮ディスク２１４ａ（上側圧縮ディスク２１４ａのペア）を集合的に有し、圧縮ディスク２０６ｂおよび２１０ｂは一対の下側圧縮ディスク２１４ｂ（下側圧縮ディスク２１４ｂのペア）を集合的に有する。内側及び外側ｃチャネル部材２０４ａ及び２０４ｂは、一対の上側圧縮ディスク２１４ａが上側ギャップ２１６ａ（図３Ａ）を画定し、一対の下側圧縮ディスク２１４ｂが下側ギャップ２１６ｂを画定するように、寸法決めされるとともに構成される。上側および下側ギャップ２１６ａおよび２１６ｂは、互いに実質的に平行であることができる（例えば、ギャップは、図３Ａに見られるようにそれぞれの平行な水平面の周りに位置する）。

【0029】

第２のブレーキ構成要素２０２ｂは、それぞれが中央支持部２１３の周りに支持された、空間的に分離され互いに平行な上側圧縮ディスク２０８ａおよび下側圧縮ディスク２０８ｂを有する単一のｃチャネル部材を有することができ、ロボットリンケージ２０３ｂは、中央支持部２１３に結合されるか、さもなければ接合される。

【0030】

第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂのそれぞれは、（商標名Ｔｕｆｒａｍ（登録商標）またはＴｉｏｄｉｚｅ（登録商標）またはＨａｒｄｔｕｆの下で提供されるような）テフロン（登録商標）含浸アルミニウム（Teflon impregnated aluminum）で構成されることができる。複合材（例えば、ＰＴＦＥ−ＰＴＦＥ、ＦＥＰ−ＦＥＰ、ＰＦＡ−ＰＦＡ、ＰＴＦＥ−ＰＥＥＫ）のような他の材料を使用することができる。荷重下の摩耗速度、摩擦係数対荷重、静止摩擦係数と動摩擦係数との間の相対的な差、およびコスト節減の最良の全体的な組み合わせを有する材料が望ましい。

【0031】

第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂは、ブレーキジョイント２００を形成するために互いに嵌合するように、およびブレーキジョイント２００とともに動作可能な第１および第２のロボットリンク２０３ａ、２０３ｂの相対的な動きを拘束するブレーキ機能を提供するよう一緒に機能するように、寸法決めされるとともに構成される。具体的には、第２のブレーキ構成要素２０２ｂの上側圧縮ディスク２０８ａは、上側平行ギャップ２１６ａ内に摩擦的に（frictionally）および（回転軸Ａの周りに）回転可能に配置され、第２のブレーキ構成要素２０２ｂの下側圧縮ディスク２０８ｂは、下側平行ギャップ２１６ｂ内に摩擦的におよび（回転軸Ａの周りに）回転可能に配置される。以下でさらに説明するように、第１の方向（図３Ａ）のアクチュエータ２１８の作動時に、第１のブレーキ構成要素２０２ａの一対の上側圧縮ディスク２１４ａは、第２のブレーキ構成要素２０２ｂの上側圧縮ディスク２０８ａを「はさむ（pinch）」または圧縮させられ、同時に第１のブレーキ構成要素２０２ａの一対の下側圧縮ディスク２１４ｂは、第２のブレーキ構成要素の下側圧縮ディスク２０８ｂをはさむまたは圧縮させられ、これは、（ブレーキジョイント２００の回転方向に関係なく）ブレーキジョイント２００内に抵抗ベースのブレーキ力を共同で発生させ、ブレーキ力は、第２のロボットリンク２０３ｂに対する第１のロボットリンク２０３ａの動きを拘束する。特に、図示の例のように、第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂの圧縮ディスクは、それぞれの大きさに対して比較的薄い（すなわち、薄型（thin profile）設計を有することができる）ｃチャネル部材を有することができ、それぞれは丸みを帯びたコーナ移行部を有する単一のアルミニウム片から形成される。したがって、圧縮ディスクは、抵抗ベースのブレーキ力を容易にもたらす（facilitate）ために（作動時に）僅かに屈曲（flex）または反る（deflect）ことができる。もちろん、当業者であれば、第２のブレーキ構成要素が第１および第２のｃチャネル部材を有し、第１のブレーキ構成要素が、第２のブレーキ構成要素の第１および第２のｃチャネル部材によって形成される上側および下側ギャップ内に嵌合するように動作可能な単一のｃチャネル部材を有するように、第１および第２のブレーキ構成要素を逆の態様で構成することができることを認識するであろう。加えて、当業者であれば、圧縮ディスクは様々な異なる方法で構成されることができ、これらを様々な異なる方法で互いに支持されることができることを認識するであろう。このように、図面に示され、本明細書で論じられるそれらの特定の例は、決して限定することを意図しない。

【0032】

一例では、アクチュエータ２１８は、支持ハウジング２２２に結合された電気モータ２２０を有することができる。モータ２２０はまた、第１のブレーキ構成要素２０２ａの上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂのいずれかから離れて（すなわち、接触していない）モータ２２０およびハウジング２２２を空間的に位置決めする方法で、第１のブレーキ構成要素の内側ｃチャネル部材２０４ａの内側中央支持部２０９に固く結合されることができる（図３Ａ参照）。支持ハウジング２２２は、電気モータ２２０によって提供される回転運動を減速する伝動部品（図示せず）を収容することができる。アクチュエータは、電気モータ２２０（または伝動装置）がアクチュエータシャフト２２４に回転運動を伝達するように構成されることができる。アクチュエータシャフト２２４は、ブレーキ力の発生を容易にする（すなわち、発生するブレーキ力の量を増減させる）とともに、ブレーキ力の除去を容易にするように、アクチュエータシャフト２２４の中心軸Ｘ周りに電気モータ２２０により双方向に回転されることができる。アクチュエータシャフト２２４の双方向回転は、ブレーキジョイントがジョイントの任意の回転方向にブレーキ力を適用／除去するように任意の方向に回転されることに適用されることができる。別の例では、バネのような弾性要素が、アクチュエータシャフト２２４を時計方向（すなわち、「オフ」位置）に回転付勢する（rotatably biases）よう方法でアクチュエータシャフト２２４に結合されることができるので、電気モータ２２０が作動力を解放または除去するとき、弾性要素はそれに応じてアクチュエータシャフト２２４を自動的に付勢または移動させる。

【0033】

作動部材２２６は、アクチュエータシャフト２２４に固定して取り付けられることができる。作動部材２２６は、アクチュエータシャフト２２４の少なくとも一部を受け入れるための開口を内部に有するブロック状または他の剛性ボディ構造２２８を有することができ、それによって、アクチュエータシャフト２２４への作動部材２２６の結合を容易にする。作動部材２２６の剛性ボディ（rigid body）２２８は、開口部およびアクチュエータシャフト２２４から反対方向に伸びる第１および第２のアームをさらに有することができ、アームの各々は、第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａ、２０２ｂの一方または両方と解放可能に係合する（すなわち係合および解放する）とともにその一方または両方と相互作用する（interface with）ように構成された端部を有する。動作中、アクチュエータシャフト２２４の第１の方向（例えば反時計回り方向（図３Ａの矢印Ｂ））の回転は、作動部材２２６を同様に回転させる。十分に回転すると、作動部材２２６の剛性ボディ２２８のアームは、第１のブレーキ構成要素２０２ａの上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂに同時に係合し、力を加える。このような回転作動は、第２のブレーキ構成要素２０２ｂの上側および下側圧縮ディスク２０８ａおよび２０８ｂを、圧縮ディスクの上側および下側の対２１４ａ、２１４ｂそれぞれの間で圧縮することによってジョイントブレーキ力を発生させる。この圧縮ブレーキ構成は、図３Ａに示され、ブレーキジョイント２００は係合した構成にある。係合した構成では、ブレーキジョイント２００は、少なくとも部分的にブレーキを掛けられ、対応する力をオペレータに伝達することができ、オペレータは、操作されるマスタロボットシステムが動作される中である程度の抵抗を経験することができる。

【0034】

逆に、図３Ｂに示すように、作動部材２２６を第２の反対方向（例えば、矢印Ｃで示す時計回り方向）に回転させることは、作動部材２２６が第１のブレーキ構成要素２０２ａの上側および下側圧縮ディスク２０６ａおよび２０６ｂを解放または係合解除しその圧縮ディスク２０６ａおよび２０６ｂから離れて回転するにつれて加えられるブレーキ力を減少させ、最終的に除去する方向に作動部材２２６の剛性ボディ２２８のアームを移動させる。言い換えれば、この方向の回転は、第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａ、２０２ｂの様々な圧縮ディスクが、作動部材２２６の回転の程度に応じて実質的に圧縮を減らされる（decompressed）ようにする。図３Ｂの圧縮ディスクは例示の目的で互いに分離して示されているが、実際には、隣接するディスクは互いに摺動可能に係合されることができ、ブレーキ力が作用しない場合やロックブレーキ力が作用しない場合のような、それらの間に摺動可能な回転を提供する。様々な圧縮ディスクは、ブレーキジョイントを通常のジョイントとして機能することを可能にするために、互いに対して摺動可能であることが意図されている。一態様では、圧縮ディスクは、例えばテフロン含浸アルミニウムから形成される結果として、比較的低い摩擦係数を有することができる。したがって、隣接するディスクは、互いにある程度の接触を有する可能性が高いため、アクチュエータ２１８は、ブレーキ力を加える／増加させるおよび／または低減／除去するために作動部材２２６がディスクを非常に遠くに（例えば、直線的に数ミリメートル）移動させることを必要としないように構成されることができる。例えば、圧縮ディスク２０６ａと２０６ｂとの間の距離、および作動部材２２６のアームの長さは、作動部材２２６が比較的大きいブレーキ力を与えるよう数度以上だけ回転される必要があるように、設計され且つ調整されることができる。この１つの利点は、作動部材２２６を作動させ、ブレーキジョイント２００内に十分なまたは所望のブレーキ力を加えるために、少量の電気エネルギしか必要とされないので、電力要求が最小にされることができることである。この構成は、各ブレーキジョイントの消費電力を最小化するのに貢献し、これは、マスタロボットシステム全体の電力要件を最小限に抑え、これにより、たとえばバッテリまたは別の減少型の電源で動いている場合に、モバイルマスタロボット外骨格が操作されることができる時間が増加する。

【0035】

モータ２２０は、モータ２２０およびブレーキジョイント２００のオペレータ制御を容易にするために、マスタロボットシステム（例えば、図１および９）のコンピュータまたはプロセッサに電気的におよび通信可能に（無線でまたは直接有線で）結合されることができる。例えば、オペレータは、上述のようにアクチュエータシャフト２２４および作動部材２２６の回転方向、トルク、および速度を制御して、対応するスレーブジョイントが受ける力逆送に対応する特定の可変のブレーキ力を達成することができる。さらに、作動部材２２６の回転の程度、速度および大きさを制御することによって、ブレーキジョイント２００は、スレーブジョイントにおける力およびマスタロボットシステムが受けるその結果生じた力逆送が、スレーブジョイントのマスタ制御中に、または必要に応じて若しくは要望通りに、変化するときのように、動的ブレーキ力を発生するように動的に制御されることができる。換言すれば、スレーブジョイントにおける所与の力に対して、ブレーキジョイント内で発生するブレーキ力の大きさは、オペレータが異なる程度の抵抗を経験することができるように、制御および変更されることができる。ブレーキジョイント内で発生することができるブレーキ力は、ブレーキ力が印加されていない状態と、ブレーキジョイントがある程度の抵抗で依然として回転することが許容される抵抗ブレーキ力と、ブレーキジョイントに完全にブレーキをかけそれをロックする間の範囲であることができる。

【0036】

いくつかの例では、「可変」ブレーキ力は、バイナリのブレーキ力の適用および除去（すなわち、「オン」または「オフ」のいずれか）を効果的に含むことができることが理解されるべきである。言い換えれば、可変ブレーキ力を加えることができるシステムでは、単一のまたは第１の大きさを有するブレーキ力のみが加えられ、その後除去されることができることを必要とされない。具体的には、ゼロブレーキ力が特定のブレーキジョイントによって達成されることができ（すなわち、ゼロの力がアクチュエータによって加えられる）、またはフル／最大ブレーキ力が前記ブレーキジョイントによって経験される（すなわち、アクチュエータが動作又は出力の最大範囲まで完全にかけられ、ブレーキジョイントが完全にロックされる）。したがって、ブレーキ力は、第１の大きさを有することができる、または、可変でないことができる。他の例では（または同じバイナリの例と併せて）、「可変」ブレーキ力を有する特定のブレーキジョイントは、ブレーキ力がゼロブレーキ力から最大ブレーキ力まで（ゼロブレーキ力と最大ブレーキ力を含む）の範囲内で変化することができることを意味する、このようなブレーキ力は、スレーブロボットシステムの動作中に特定のスレーブジョイントが変わる／変化する力を受けるようにリアルタイムで変化することができる。ブレーキ力を変化させることにより、達成可能な複数の大きさのブレーキ力をブレーキジョイントに与えることができる。

【0037】

一態様では、作動部材２２６は、上述したような剛性ボディ２２８を有することができ、さらに、剛性ボディ２２８の反対に延びるアームのそれぞれの端部に回転可能に結合または他の方法で支持される第１または上側ローラ２３０ａおよび第２または下側ローラ２３０ｂを有することができる。剛性ボディ２２８は、スチール、アルミニウム、チタンなどのような金属からなる細長い丸い矩形形状のボディとして構成されることができる。各ローラ２３０ａおよび２３０ｂは、作動部材２２６をモータ２２０により回転させると、ローラ２３０ａおよび２３０ｂが、それらがそれぞれ上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂと接触するときそれぞれ上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂの表面の周りを自由に転がるまたは回転するように、ピン留め具（図示せず）によってアクチュエータボディ２２８の端部に回転可能に結合されることができる。この「転がり（rolling）」構成は、ブレーキジョイント２００が操作されるときに、作動部材２２６と第１および第２のブレーキ構成要素のディスク２０６ａ、２０６ｂとの間の摩擦を低減するという利点を提供し、この低減された摩擦は、作動部材２２６（およびディスク）の摩耗を最小にするようにも機能する。この摩擦の減少は、第１および第２のブレーキ構成要素の周りに接触して摺動するが、ローラを全く伴わない、同様に反対に延びるアームを有する作動部材によって生成される摩擦に対する減少を示す。

【0038】

別の態様では、作動部材２２６はローラなしで構成され得る。実際には、ローラ２３０ａ、２３０ｂは必要ではないが、これらがなければ、作動された作動部材２２６は、同じディスク表面の周りを摺動するようにされ、増加した量の表面摩擦が発生し得る。作動部材２２６の時間および繰り返された作動により、ローラを組み込んだ作動部材と比較して、様々な部品の摩耗がより大きくなる可能性がある。これはまた、ローラを有する作動部材の使用と比較して、存在しないか、または低減され得るいくつかの非効率をもたらす可能性がある。

【0039】

さらに別の態様では、他のタイプの摩擦低減部材が、作動部材２２６のアームの端部の周りに形成または結合されることができ、これは、作動部材２２６とディスクとの間の低減された摩擦を提供または促進する。例えば、これは、作動部材２２６の剛性ボディ２２８を構成する材料の静止摩擦係数より小さい静止摩擦係数を有する材料で形成された静止摩擦低減インサートを含むことができる。したがって、ローラまたは他の何らかの摩擦低減部材を使用することによって、作動部材２２６の寿命を最大にすることができ、これによりブレーキジョイント２００の寿命を延ばすことができる。１つのテストでは、ブレーキジョイント２００の動作寿命は全負荷で１０，０００サイクル以上であった。特に、アクチュエータシャフト２２４の中心軸Ｘは、ブレーキジョイント２００の中心線に沿って近接して配置され、これは、モータの軸受荷重を低減するのに役立つ。

【0040】

ブレーキジョイント２００は、ローラ２３０ａおよび２３０ｂが、ブレーキジョイント２００の回転軸Ａに近接してまたはその回転軸Ａに、上側圧縮ディスク２０６ａおよび下側圧縮ディスク２０６ｂそれぞれの特定の表面位置に接触するように構成されることができる。言い換えると、そのような面接触位置は、第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂの外周部分より回転軸Ａに近くなるようにされることができる。しかし、ブレーキジョイントがオペレータの手に関連付けられている場合、ブレーキジョイントは、指の間の限られたスペースのために、指（digits）／指（fingers）の周りまたは上に配置されることができる。本明細書で説明する他のアクチュエータのそれぞれは、それぞれのブレーキジョイントの回転軸に近接してまたは回転軸に配置されることもできる。

【0041】

図２に示すように、合計６つのディスクがブレーキジョイント２００に組み込まれ、各ディスクの表面積は比較的大きい（実際上、ブレーキジョイント全体の外側境界を画定する）。この構成では、アクチュエータ２２０によってディスクに加えられる圧縮荷重は、ディスクの各表面の広い領域にわたって分散させることができる。また、テフロン含浸アルミニウムまたはＰＴＦＥグラファイト複合材からなるブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂを実施する場合、一例では、摩耗指数は約５×１０^−９から１０^−８ｍｍ^２／Ｎであり、１０ブレーキディスクについては約５マイクロメートル／ディスクのオーダーである。

【0042】

第１および第２のブレーキ構成要素２０２ａおよび２０２ｂが低摩擦材料からなる場合、ブレーキジョイントは、発生するブレーキ力の量に対して非常に軽量であることができる。さらに、作動部材２２６によって与えられる複動（double acting）または双方向（bi-directional）の並列ブレーキ力（parallel braking force）は、一方向アクチュエータに比べて総ブレーキ力およびトルクを２倍（またはそれより多く）だけ効果的に増加させることができる。例えば、肩屈曲／伸展ＤＯＦ用のマスタブレーキジョイントでは、可動域（ＲＯＭ）は約２４０−２７０度を目標とすることができる。肩ブレーキジョイント（例えば、ブレーキジョイント２００に類似するジョイント）は、テフロン含浸アルミニウム（または複合材）で形成することができ、直径約２インチ（５センチ）、高さ１インチ（２．５センチ）であり、約６０グラムの重さとすることができる。ブレーキトルクの最大値は約３０Ｎ−ｍであり、ブレーキトルクの最小値（例えば、ブレーキ力が加えられていないジョイントが「フリースイング（free swing）」モードにある状態）は、約０．２−０．４Ｎ−ｍであることができる。閉ループトルク帯域幅は、−３ｄＢで約２０から３０Ｈｚであることができる。最終的に、トルク対重量比は約５００Ｎ−ｍ／ｋｇであることができ、これはわずか６０グラムの重さの直径２インチのマスタ入力ブレーキジョイントにとって非常に大きい。理解されるように、ブレーキジョイント２００（および本明細書で論じられる他のもの）は、コンパクトで低コストで低出力のパッケージにおいて非常に高いトルク対重量比を有することができる。

【0043】

図４、５および６は、図２−３Ｂの一対の上側および下側圧縮ディスク２１４ａと２１４ｂとの間に配置することができる動的制御アクチュエータの他の例示的なタイプを示す。

【0044】

例えば、図４を参照すると（及び図２−３Ｂに示される特徴を同時に参照すると）、圧電アクチュエータ４００が、ブレーキジョイント４０２に関してブレーキ力を発生するように動作可能である。圧電アクチュエータ４００は、図２−３Ｂの作動部材２２６を効果的に置換することができる。図２−３Ｂに示すブレーキジョイント２０２の他の同様のまたは類似の構成要素および要素の多くは、図示されているように、この例に含まれており、圧電アクチュエータ４００と共に動作可能であるが同様の方法で機能することができる。このように、ブレーキジョイント４０２は、本明細書では、図５、並びに圧電アクチュエータ４００および圧電アクチュエータ４００を作動させるためのソースは別として同様の構成要素および要素を含む図５の例とともに、図２−３Ｂを参照して論じられる。圧電部材４０４は、第１のブレーキ構成要素２０２ａによってしっかりと支持されているハウジング４２２によって構造的に支持されることができる（ハウジング４２２は全体的な支持ハウジングであるが、ハウジング２２２と形状および機能が類似し得る）。他の適切な支持構造手段が実装されることができる。圧電部材４０４は、圧電部品４０６のスタックと、上側バイアス部品４０８ａおよび下側バイアス部品４０８ｂとを有することができる。

【0045】

圧電部品４０６のスタックは、電圧源４０７に電気的に結合された複数のセラミック圧電デバイスであることができ、この電圧源は、ブレーキジョイント４０２によって支持された局所バッテリまたは、マスタロボットシステムのもののような遠位に配置された電源のいずれかであることができる。スタック４０６に電界が印加されると、それは印加された電界にほぼ比例した変形を受けることができる。ブレーキジョイント４０２に実装されることができる様々なタイプの圧電アクチュエータがある。例えば、決して限定することを意図するものではなく、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電セラミックをベースとする圧電アクチュエータは、大きな応力性能（stress capabilities）（約４０ＭＰａ）を有し、高周波（１００ｋＨｚ以上）で動作可能であり、誘発された応力に耐えるために無視できるまたは最小限の電力しか必要としない。それらはまた、低い最大歪み（〜１０^−３）を有しながらナノ変位位置ステージに非常に適するようにする、非常に高い変位分解能を有する。いくつかの利用可能な圧電アクチュエータは、ピエゾスタック増幅機構を提供するＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ ＣｏｍｐａｎｙおよびＣｅｄｒａｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって製造されるもののような、低歪みおよび高いブロッキング力を有する。したがって、圧電アクチュエータ４００は、低減された力能力（force capability）を有するそのような運動増幅機構をさらに有することができる。他のタイプの圧電アクチュエータは、電界によって作動されるときディスク間の摩擦力を増加させる１つまたは複数のディスクを変形させるように動作されることができる表面実装圧電アクチュエータを含むことができる。他の構成は、材料片をより厚くするように締め付け、それによってディスクに対してブレーキ力を発生するように動作可能な圧電アクチュエータの組み込みを含む。例えば、ゴムのシートが、圧電アクチュエータに結合され、圧電アクチュエータの作動時にその平面に沿って収縮するような方法で、対向するディスクの近くにまたはそれに接して配置され、この圧電アクチュエータは、平面に垂直にゴムシートを変形させ、それによって、このように収縮するときより厚くなる。別の例では、圧電素子のスタックが、対向するディスクの間に螺旋状に配置されることができ、その全長は、その螺旋形状の固有の機械的利点によって変化し得るので、スタックが生成する小さい変形は、ディスクの圧縮を引き起こすように機械的に効果的に増幅される。

【0046】

図４に示すように、スタック４０６に所定の電界が印加されると、上側バイアス部品４０８ａは、上側圧縮ディスク２０６ａに力を加えるように（例えば、電界に比例する距離）変位する一方、下側バイアス部品４０８ｂは、下側圧縮ディスク２０６ｂに力を加えるように反対方向に同時に（例えば、電界に比例した距離）変位する。図２−３Ｂに関して説明したように、そのような複動または双方向の並列作動は、圧縮ディスクの上側の対２１４ａに上側圧縮ディスク２０６ａを摩擦圧縮させ、圧縮ディスクの下側の対２１４ｂに下側圧縮ディスク２０６ｂを摩擦圧縮させるので、回転に際し、この動作がブレーキジョイント４０２内にブレーキ力を発生させ、このブレーキジョイントは、ブレーキ力が、第１のロボットリンク２０３ａと第２のロボットリンク２０３ｂ（例えば、図２）との間に加えられるように、ロボットジョイントに組み込まれることができ、このブレーキ力は、対応するスレーブジョイントから発生し反映（逆送）される力に対応することができる。

【0047】

逆に、電界を所定量減少／切替え（または除去）することは、スタック４０６を、印加された電界の量に比例して互いの方向に縮めさせるまたは「収縮」させる。その結果、上側および下側バイアス部品４０８ａおよび４０８ｂは互いに向かって移動し、それによって、ブレーキジョイント４０２に関するブレーキ力が低減または除去する。

【0048】

図５は、ブレーキジョイント５０２に関してブレーキ力を発生するように動作可能な誘電アクチュエータ５００を有するブレーキジョイント５０２のためのアクチュエータの別の例を示している。誘電アクチュエータ５００は、図２−３Ｂのアクチュエータ２１８を効果的に置換することができる。図２−３Ｂに示すブレーキジョイント２０２の他の同様のまたは類似の構成要素および要素の多くは、図示されているように、この例に含まれており、誘電アクチュエータ５００と共に動作可能であるが同様の方法で機能することができる。このように、ブレーキジョイント５０２は、本明細書では、図５、並びに誘電アクチュエータ５００および誘電アクチュエータ５００を作動させるためのソースは別として同様の構成要素および要素を含む図５の例とともに、図２−３Ｂを参照して論じられる。

【0049】

誘電アクチュエータ５００は、第１のブレーキ構成要素２０２ａの中央支持部分２０９によってしっかりと支持されることができるハウジング５２２によって構造的に支持される誘電部材５０４を有することができる（ハウジング５２２は、全体的な支持ハウジングであるが、形状および機能はハウジング２２２と同様であり得る）。誘電部材５０４は、図示のように、第１の可撓性電極５０７ａと第２の可撓性電極５０７ｂとの間に配置された誘電性エラストマー部材５０６（例えば、カーボンブラックとグラファイト材料で形成されたもの）を含むことができる。第１のバイアス部品５０８ａおよび第２のバイアス部品５０８ｂはそれぞれ、パッケージ化された誘電性エラストマー部材５０６並びに電極５０７ａおよび５０７ｂの端部に固定されることができる。第１および第２のバイアス部品５０８ａおよび５０８ｂは、例えば、摩擦を低減し、重量を低減する異なる適切な形状および形態のような、様々な異なる構成を有することができる。

【0050】

誘電アクチュエータ５００は、誘電アクチュエータ５００を作動させるように動作可能な電圧源５０５をさらに有する。第１と第２の電極５０７ａと５０７ｂとの間に電界が印加されるとき、それらは互いに引き付けられ、印加された電界の電圧に比例する内方へ横方向の距離（すなわち、互いに向かって）動かされる。このような内方への移動は、誘電性エラストマー部材５０６を伸張させて膨張させ、それにより上側バイアス部品５０８ａを（電界に比例した距離）変位させて、上側の圧縮ディスク２０６ａに力を加えて付勢させる一方、下側バイアス部品５０８ｂは、同時に、反対方向に（電場に比例した距離）変位して、下側圧縮ディスク２０６ｂに力を加えて付勢する。具体的には、図２−３Ｂに関して同様に説明したように、このような複動または双方向の作動は、圧縮ディスク２１４ａの上側の対に上側圧縮ディスク２０６ａを摩擦圧縮させ、圧縮ディスク２１４ｂの下側の対に下側圧縮ディスク２０６ｂを摩擦圧縮させるので、回転に際し、この動作は、ブレーキジョイント５０２内にブレーキ力を集合的に発生させ、このブレーキジョイントは、ブレーキ力が、対応するスレーブジョイント（例えば、図１Ｂのスレーブジョイント１０８を参照）から発生し反映（逆送）される力に対応するように第２のロボットリンク（例えば、図２の第２のロボットリンク２０３ｂを参照）に対して第１のロボットリンク（例えば、図２の第１のロボットリンク２０３ａを参照）の間に加えられるように、ロボットジョイントに組み込まれることができる。

【0051】

逆に、電界を所定量減少／切替えまたは除去することは、誘電アクチュエータ５００を、印加電界に比例して、またはその非存在下で、縮めさせるまたは「収縮」させる。その結果、第１および第２のバイアス部品５０８ａおよび５０８ｂは、互いに向かって移動し、それによって、ブレーキジョイント５０２内に存在するブレーキ力を低減または除去する。

【0052】

誘電アクチュエータは、ストローク当たりの単位体積当たりの大きな仕事（式Ｗ_ｃ、Ｖによって提供されるような〜３．４ＭＪ／ｍ^３）が可能となり、歪みが１００％を超える可能性があるため、有利であり得る。すなわち、歪みは、基準長さに対するボディ内の粒子間の変位を表す変形の尺度であるため、誘電アクチュエータは、元の１００％の基準長さを超えて歪むことができる。さらに、所与の荷重を支えるためには無視できる電力が必要である。例えば、Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、この例に従うブレーキジョイントを提供するのに適した誘電アクチュエータを市販している。

【0053】

別の例は、電気の供給に際し、それらがより厚くなり、それによって対向するディスクを付勢してディスクの周りにブレーキ力を発生させるように、シート状構成に一緒に配置された誘電体材料の複数のシートまたは層を有する誘電アクチュエータである。

【0054】

図６は、ブレーキジョイント６０２に関してブレーキ力を発生するように動作可能な油圧アクチュエータ６００（または空気圧ガスアクチュエータのような他の流体アクチュエータ）の形態のアクチュエータの別の例を示す。油圧アクチュエータ６００は、図２−３Ｂの作動部材２２６を効果的に置換することができる。図２−３Ｂに示すブレーキジョイント２０２の他の同様のまたは類似の構成要素および要素の多くは、図示されているように、この例には含まれており、油圧アクチュエータ６００と共に動作可能であるが同様の方法で機能することができる。このように、ブレーキジョイント６０２を図６、並びに油圧アクチュエータ６００および油圧アクチュエータ６００を作動させるためのソースは別として同様の構成要素および要素を含む図６の例とともに、図２−３Ｂを参照して論じられる。一例では、油圧アセンブリ６０４は、第１のブレーキ構成要素２０２ａの中央支持部分２０９によってしっかりと支持されることができるハウジング６２２によって構造的に支持されることができる。油圧アセンブリ６０４は、作動油圧流体（または空気流体）を収容するハウジング６０５を有することができる。上側ピストン６０８ａおよび下側ピストン６０８ｂは、（図示のように）ハウジング６０５の対向する端部またはその周りに移動可能に支持され、位置決めされることができる。

【0055】

油圧作動機構６２０（または、空気圧ガス機構のような他の流体作動機構）は、圧力ライン６２２を介してハウジング６０５に作動流体を供給するために、ハウジング６０５に流体的に結合されることができる。油圧作動機構６２０は、コンパクトなマスタシリンダ構成を有することができる。したがって、油圧作動機構６２０のボールネジとともに動作可能なコンパクトな電気モータがハウジング６０５内の液圧を制御するために操作されることができる。例えば、油圧作動機構６２０は、ハウジング６０５に所定の流体圧を加えるように構成されることができ、ハウジング６０５内の流体圧力は、上側ピストン６０８ａを（加えられた流体圧力に比例した距離）変位させて、上側圧縮ディスク２０６ａに力を加えるとともに付勢する一方、下側ピストン６０８ｂを（加えられた流体圧力に比例した距離）変位させて、下側圧縮ディスク２０６ｂに力を加えるとともに付勢する。

【0056】

図２−３Ｂに関して説明したように、このような双方向作動は、圧縮ディスク２１４ａの上側の対に上側圧縮ディスク２０６ａを摩擦圧縮させ、圧縮ディスク２１４ｂの下側の対に下側圧縮ディスク２０６ｂを摩擦圧縮させるので、回転に際し、この動作は、ブレーキジョイント６０２内にブレーキ力を集合的に発生させ、このブレーキジョイントは、ブレーキ力が、（例えば、図１Ａおよび図１Ｂのように）対応するスレーブジョイントに発生し、スレーブジョイントから逆送（反映）される力に対応するように、第２のロボットリンク２０３ｂ（図2）に対する第１のロボットリンク２０３ａに関して印加されるように、ロボットジョイントに組み込まれることができる。逆に、流体圧を所定量減少または除去することは、ピストン６０８ａおよび６０８ｂを、減少または除去される流体圧力に比例して互いに近づくように後退させ、それによってブレーキジョイント６０２内に存在するブレーキ力を低減または除去する。

【0057】

一例では、油圧作動機構６２０は、ブレーキジョイント６０２から遠位にまたは離れて配置されることができる。例えば、マスタロボット外骨格の中央制御領域または他の構造のように、ロボットアセンブリ上の異なる位置に離れて配置されることができる。この配置は、オペレータによって操作されるマスタアーム上の遠位重量を非常に低く保ちながら、比較的大きな力を発生する手段を提供することができる。

【0058】

アクチュエータのいくつかの例が上に開示され議論されているが、これらは決して限定することを意図するものではない。実際、さらに他のタイプのアクチュエータが、圧縮ディスクの上側および下側の対２１４ａおよび２１４ｂの間に配置されることができ、図２−６を参照して上で論じられた例と同様の適切に構成されたブレーキジョイント内でブレーキ力を発生するように、構造的に支持されて作動されることができることが想定される。これらは、本明細書で詳述されていないが、当業者であれば、このようなアクチュエータのタイプがブレーキジョイント内にブレーキ力を加えるために実現されることができることを認識するであろう。いくつかの例が以下に示される。

【0059】

一例では、磁歪材料のロッドの周りに巻かれたコイルのようなデバイスによって発生する印加磁場にさらされたときに形状が変化する磁歪アクチュエータが実施されることができる。例えば、ＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄ（Ｔｂ_０．３Ｄｙ_０．７Ｆｅ_１．９２）は、すべての合金の最も高い報告された歪み（〜２×１０^−３）を有することで注目に値する。磁歪アクチュエータは、比較的低い電圧で動作することができるという点で、圧電アクチュエータに優る利点を有する。

【0060】

別の例では、形状記憶合金（ＳＭＡ）がアクチュエータとして組み込まれることができ、ＳＭＡは、高温相（オーステナイト相）と低温相（マルテンサイト相）の２つの安定相の間で熱誘起相転移を受けると形状を変える。妥当なコスト、非毒性、非常に大きな発生応力（〜２００ＭＰａ）、および無負荷歪み（〜０．０４）のために、ニッケルチタン合金ＮｉＴｉ合金を使用することができる。

【0061】

さらに別の例では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ合金のような磁気形状記憶合金（ＭＳＭＡ）が、アクチュエータとして組み込まれることができる。これらは、適度に高い応力、動作周波数、および長いサイクル寿命で、大きな可逆磁場誘起歪みを提供する。

【0062】

さらに別の例では、コイルを形成するようにねじられた導電性ナイロン縫い糸を含む様々な材料から製造することができるアクチュエータとして超螺旋（super-coiled）ポリマー（ＳＣＰ）が組み込まれることができる。コイルの長さは、加熱および冷却によって制御されることができる。いったん（繰り返される加熱と冷却サイクルにより）適切に前処理されれば、ＳＣＰアクチュエータは、ねじられた糸を流れる電流（したがって熱）を制御することによって、制御された方法で収縮および伸張させることができる。

【0063】

図７Ａ−７Ｃは、図１Ａおよび１Ｂに関して説明したようなスレーブロボット装置又はシステムで発生した力に対応するように、マスタロボットシステム（例えば、オペレータが着用するか、またはその他の方法でオペレータとインタフェースする）に力逆送を提供するように動作可能なブレーキジョイント７００（または「ブレーキアセンブリ」）の別の例を示す。図７Ａは、ブレーキジョイント７００の等角図を示す。図７Ｂは、係合した構成または状態のブレーキジョイント７００の一部の側面図を示し、図７Ｃは、係合解除された構成または状態のブレーキジョイント７００の一部を示す。

【0064】

ブレーキジョイント７００は、第１のロボットリンク７０３ａに関連付けられる第１のブレーキ構成要素７０２ａと、第２のロボットリンク７０３ｂに関連付けられる第２のブレーキ構成要素７０２ｂとを有することができる。第１および第２のロボットリンク７０３ａおよび７０３ｂ（一般に示されている）は、図１Ａのマスタロボット装置（例えば、外骨格タイプのロボット装置）内のオペレータの腕の周りの上側および下側支持部材のような、ロボットアセンブリの剛性支持部材（例えば、アルミニウム、鋼、複合材など）であることができる。ロボットリンク７０３ａおよび７０３ｂは、代わりに、第１および第２のロボットリンク７０３ａ、７０３ｂがジョイントの周りに互いに回転可能である任意の考えられるタイプのロボット装置内の支持部材を有することができる。

【0065】

図７Ａに示すように、第１および第２のロボットリンク７０３ａおよび７０３ｂは、それぞれ上側ハウジング７０５ａおよび下側ハウジング７０５ｂに堅固に取り付けられ、結合され、接合されまたは一体的に形成されることができ、第１および第２のロボットリンク７０３ａおよび７０３ｂは、ブレーキジョイント７００の軸Ｙの周りに互いに相対的に回転するように構成されるとともに動作可能である（例えば、第１および第２のロボットリンク７０３ａ、７０３ｂのうちの一方または両方は回転することができ、回転は相対的である）。第１のブレーキ構成要素７０２ａは上側ハウジング７０５ａに堅固に取り付けられることができ、第２のブレーキ構成要素７０２ｂは下側ハウジング７０５ｂに堅固に取り付けられることができる。上側および下側ハウジング７０５ａおよび７０５ｂは、以下でさらに説明するように、ブレーキジョイント７００の構成要素を収容するブレーキジョイントハウジングを集合的に形成することができる。

【0066】

第１のブレーキ構成要素７０２ａおよび第２のブレーキ構成要素７０２ｂは、交互配置されたマルチディスク構成を有することができ、これらは、ブレーキジョイント７００内でブレーキ力を発生するように圧縮されることができる。より具体的には、第１のブレーキ構成要素７０２ａは、図７Ａおよび７Ｂに示されるように、平面状の平行な構成で互いに空間的に分離されている３つの圧縮ディスク７０８ａ、７０８ｂ、７０８ｃのセットを有することができる。第２のブレーキ構成要素７０２ｂは、３つの圧縮ディスク７０８ａ−ｃの空間的分離によって画定されるとともにそれらの圧縮ディスクの間に形成されたそれぞれのギャップ内にそれぞれ入れ子状にされた（nested）圧縮ディスク７１０ａおよび７１０ｂの対を有することができる。したがって、圧縮ディスク７０８ａ、７０８ｂ、７０８ｃに対して配置されるとき、圧縮ディスク７１０ａおよび７１０ｂのそれぞれは、圧縮ディスク７０８ａ−ｃによって画定されるそれぞれの平行な隙間内でおよびそれらの圧縮ディスク７０８ａ−ｃに対して（Ｙ軸まわりに）回転するように構成されるとともに動作可能である。言い換えれば、圧縮ディスク７０８ａ−ｃ（これらは上側ハウジング７０５ａによっておよびそれの周りに支持されている）と圧縮ディスク７１０ａ−ｂ（これらは下側ハウジング７０５ｂによって及びそれの周りに支持されている）は、ブレーキジョイント７００の回転可能な作動によって互いに対して回転可能である。圧縮ディスク７０８ａ−ｃおよび７１０ａ−ｂは、当業者によって認識される任意の適切な材料から構成されることができる。例えば、決して限定することを意図するものではないが、圧縮ディスクは、（Ｔｕｆｒａｍ（登録商標）またはＴｉｏｄｉｚｅ（登録商標）またはＨａｒｄｔｕｆの商品名で提供されるような）テフロン含浸アルミニウムから構成されることができる。複合材料（例えば、ＰＴＦＥ−ＰＴＦＥ、ＦＥＰ−ＦＥＰ、ＰＦＡ−ＰＦＡ、ＰＴＦＥ−ＰＥＥＫ）のような他の材料もまた使用が想定される。圧縮ディスクを形成するために使用できるさらに他のタイプの材料は、当業者には明らかであろう。

【0067】

支持ベースまたはブロック７１１が、アクチュエータによって加えられるブレーキ力（アクチュエータおよびブレーキ力以下で説明する）に対する反作用付勢力（counter-acting biasing force）を提供するために、圧縮ディスク７０８ａ−ｃの下のようなブレーキジョイントハウジングの内側に配置されることができる。支持ブロック７１１は、圧縮ディスク７０８ｃ、下側ハウジング７０５ｂ、またはこれらの両方に取り付けられることができる。図２−３Ｂの例と同様に、アクチュエータ７１８の作動に際し、圧縮ディスク７０８ａ−ｃは、圧縮ディスク７１０ａおよび７１０ｂを「挟む（pinch）」または圧縮することを引き起こされることができ、それにより、それが動くとき（例えば、図７Ｃ参照）ブレーキジョイント７００内でブレーキ力を発生させブレーキ力を掛ける（例えば、対応する力逆送（例えば、スレーブロボット装置で発生した力に比例するもの）が、オペレータが感じられるようにするためにマスタロボット装置で発生させられるように、ブレーキ力は、スレーブロボット装置で発生した力に応じて加えられる）。反対に、圧縮ディスクは、スレーブロボット装置から反映（逆送）された力に基づいてブレーキ力を減少／解放するように操作されることができる（図７Ｂ参照）。上述したように、ブレーキジョイント７００内で加えられるブレーキ力は、第２のロボットリンク７０３ｂに対する第１のロボットリンク７０３ａの間の回転を拘束または抵抗（または完全にロック）させ、したがって、オペレータがそのような力を経験することができるようにそのような力をオペレータに伝える（transferring）。

【0068】

一例では、アクチュエータ７１８は、ブレーキジョイントハウジングに取り付けられたまたはブレーキジョイントハウジング内にその他の方法で支持された、電気モータ７２０を有することができる。一態様では、電動モータ７２０は、上側ハウジング７０５ａの周りに支持される（例えば、結合される）ことができる。別の態様では、モータ７２０は、圧縮ディスク７０８Ａの周りに支持される（例えば、結合される）ことができる。モータ７２０は、アクチュエータシャフト７２４を双方向に回転させて、ブレーキジョイント７００内でブレーキ力を発生させるとともにこれを低減／除去するように構成されるとともに動作可能であることができる。双方向動作は、任意の方向に回転するブレーキジョイントに適用されることができる。このように、アクチュエータ７１８は、スレーブロボット装置内で発生する力又は複数の力に対応するとともにそれに基づく信号を処理するように動作可能な１つまたは複数の信号プロセッサまたはコンピュータと通信することができ、モータ７２０は、動作コマンドを受信する。いくつかの例では、モータは、伝動構成要素を伴って動作可能であることができる。別の例では、バネのような弾性要素が、アクチュエータシャフト７２４を時計方向（すなわち、「オフ」位置）に回転可能に付勢する方法でアクチュエータシャフト７２４に結合することができるので、電動モータ７２０が作動力を解放または除去するとき、弾性要素はアクチュエータシャフト７２４をそれに応じて自動的に付勢または移動させる。

【0069】

アクチュエータは、アクチュエータシャフト７２４に固定して取り付けられたカム部材７２６をさらに有することができる。カム部材７２６は、カム部材７２６の回転運動を第１および第２のブレーキ構成要素７０２ａおよび７０２ｂ内の並進運動に変換するように動作可能な偏心構成を有するカムを有することができ、これは回転に際し可変制御されるブレーキ力を発生するのを助ける。実際、第１の方向（例えば、図７Ｃに示すように時計回り方向）のアクチュエータシャフト７２４の回転は、カム部材７２６を回転させて圧縮ディスク７０８ａ−ｃを圧縮ディスク７１０ａ、７１０ｂに係合させる力をかけるような方向への圧縮ディスク７０８ａの並進移動を容易にし、これにより、ブレーキディスク７００の内部に回転に際しブレーキ力を発生させ、ブレーキ力は、図７Ｃに示されるように、圧縮ディスク間に発生する摩擦力の結果である。

【0070】

逆に、図７Ｂに示すように、アクチュエータシャフト７２４を反対方向に（例えば、反時計回りの方向に）回転させることは、カム部材７２６を回転させて、（カム部材７２６の制御された回転運動の量に依存して）ブレーキを低減（または除去）するような方向の圧縮ディスク７０８ａの並進移動を容易にする。

【0071】

一例では、カム部材７２６は、ブレーキジョイント７００の回転軸Ｙまたはその近くで圧縮ディスク７０８ａに接触するように配置されることができる。すなわち、このような接触位置は、第１および第２のブレーキ構成要素７０２ａおよび７０２ｂの外周部分より回転軸Ｙに近い。この配置構成の１つの利点は、人間の運動学的構成への非擬人的（non-anthropomorphic）運動学的構成の運動学的マッピングの必要の排除である。オペレータの手に関連付けられるブレーキジョイントのような他の例では、ブレーキジョイントは、指の間の限られたスペースのために、指（digits）／指（fingers）の頂部に配置されることができる。

【0072】

モータ７２０は、マスタロボットシステムで動作可能なもののようなコンピュータシステムのコントローラ７２１に通信可能に（無線でまたは直接有線で）結合されることができる。したがって、アクチュエータシャフト７２４の回転方向、トルク、および速度は、本明細書で説明するように、対応するスレーブジョイントの力逆送に対応する特定のブレーキ力をもたらすように制御されることができる。さらに、コントローラを介してカム部材７２６の回転特性を制御することにより、ブレーキジョイント７００は、スレーブジョイントの力逆送が動的に変化する場合や、必要に応じて動的なブレーキ力を発生させるように動的に制御されることができる。

【0073】

本明細書では、図４−６に関して上述したアクチュエータのいずれかが、図７Ａ−７Ｃのハウジングおよび圧縮ディスクの配置内に組み込まれることができる。例えば、圧電アクチュエータは、図７Ａのモータの位置と同様に、圧縮ディスク７０８ａ（または上側ハウジング７０５ａ）に取り付けられた支持ベースを有することができる。そのような圧電アクチュエータは、カム部材７２６の動作および位置と同様に、可変制御されたブレーキ力を発生するように圧縮ディスク７０８ａを下方に付勢する単一の作動部材を有することができる。

【0074】

本明細書で論じられるブレーキジョイントアクチュエータは、（ポリマーアクチュエータを除いて）約１０^−５から１０^−１の最大歪みを有することができ、これは、伝統的な力逆送作動技術（例えば、油圧アクチュエータ、サーボ空気圧アクチュエータなど）の歪みよりはるかに小さい。例えば、空気圧および油圧アクチュエータは、約１０^−１から１０^−０の最大作動歪みを有することができる。本開示で達成される最大歪みの例として、本明細書で論じられる圧電アクチュエータは、１０^−５から１０^−１、または約０．１％（または１，０００マイクロ歪み）の最大歪みを有することができる。したがって、圧電アクチュエータを本明細書の例示的なブレーキジョイントアクチュエータに組み込むことの前述の機械的増幅の利点のため、最大歪みは約１ｍｍに過ぎない。これは、圧電アクチュエータが対向するディスクに隣接して配置されており、上下のディスクの配置が互いに摩擦係合しているためであるので、比較的小さい作動力（例えば、１ｍｍの歪みに起因する）は、ディスクを圧縮させることができる。

【0075】

また、本明細書で説明するブレーキジョイントアクチュエータは、非常に高い動作周波数を有することができる。例えば、圧電及び磁歪アクチュエータは、ある用途では０から１００ｋＨｚ及びさらに高い範囲で動作することができる一方、他のものは非常に高い最大応力を有する（例えば、形状記憶合金及び磁歪アクチュエータに関して、これは約９０から７００ＭＰａであることができる）。このような動作周波数範囲および応力範囲は、従来の力逆送作動技術の最大動作周波数および応力値よりも相対的に大きい。例えば、従来の空気圧アクチュエータは、５０から３００Ｈｚの最大動作周波数、および０．５から０．９ＭＰａの最大応力で動作することができる（一方、油圧アクチュエータは２０から７０ＭＰａの最大応力で動作する）。

【0076】

力逆送入力ブレーキジョイントに組み込まれることができるブレーキジョイントアクチュエータの他の例は：圧電ポリマーデバイス；熱膨張デバイス；磁歪デバイス；形状記憶合金デバイス；可動コイルトランスデューサ；ソレノイドデバイス；ボールランプ（ball ramp）デバイス；電磁アクチュエータ；オフセットカムアクチュエータ；および空気圧デバイス；を含む。例えば、プレートの１つまたは複数が強磁性材料で構成されてもよく、電磁アクチュエータがプレートに隣接して結合されることができるので、電磁アクチュエータへの電界の印加に際し、電界は、強磁性プレートを移動させ、隣接するプレートを圧縮させ、それによってブレーキ力を発生させる。

【0077】

図８は、複数の力逆送入力ブレーキジョイント８０４ａ−ｋを有するロボットシステム８０２を示す。図示のいくつかのブレーキジョイントは、本明細書で論じた例示的なタイプのブレーキジョイントのいずれか１つで構成されることができることに留意されたい。実際、ロボットシステム８０２は、同一または異なるタイプのブレーキジョイントを有することができる。図８は、オペレータの腕、手首および指の自由度の１つまたは複数に対応する１つまたは複数の自由度を有するロボットシステム８０２を示す。一態様では、ロボットシステム８０２は、（図１Ａに示すような）右腕／肩上に人間のオペレータによって装着可能な外骨格マスタロボット装置の右腕部分を表すことができる。別の態様では、遠隔操作ロボットシステムの一部としてのオペレータ制御ロボット装置を表すことができる。さらに別の態様では、それは人間型ロボットの一部を表すことができる。

【0078】

ロボットシステム８０２内で、固定ベース８０６は、（例えば、図１Ａの外骨格の例のように）オペレータが装着するバックパック制御モジュールのような支持構造に結合されることができる。肩甲骨ブレーキジョイント８０４ａが、固定ベース８０６に回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、１２０度までの可動域）を有することができる。屈曲／伸展ブレーキジョイント８０４ｂが、肩甲骨ブレーキジョイント８０４ａに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、２１０度までの可動域）を有することができる。外転／内転ブレーキジョイント８０４ｃが、屈曲／伸展ブレーキジョイント８０４ｂに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば１８０度までの可動域）を有することができる。上腕骨回転ブレーキジョイント８０４ｄが、外転／内転ブレーキジョイント８０４ｃに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、１８０度までの可動域）を有することができる。上側長さ調整部８０８が、右腕ロボットアセンブリの長さを調整するために、上腕骨回転ブレーキジョイント８０４ｄと共に動作可能であることができる（例えば、３インチ（７．６センチ）までの調整長さを提供する）。肘ブレーキジョイント８０４ｅが、上腕骨回転ブレーキジョイント８０４ｄに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、１３５度までの可動域）を有することができる。第１の下部パッシブジョイント８１０ａが、肘ブレーキジョイント８０４ｅ及びオペレータ前腕インタフェース８１２に回転可能に結合されることができ、第２の下部パッシブジョイント８１０ｂが、第１の下部パッシブジョイント８１０ａに回転可能に結合されることができる。手首回転ブレーキジョイント８０４ｆが、第２の下部パッシブジョイント８１０ｂに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、１８０度までの可動域）を有することができる。手首外転／内転ブレーキジョイント８０４ｇが、手首回転ブレーキジョイント８０４ｆに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、９０度までの可動域）を有することができる。手首屈曲／伸展ブレーキジョイント８０４ｈが、手首外転／内転ブレーキジョイント８０４ｇに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、１３５度までの可動域）を有することができる。親指展開ブレーキジョイント８０４ｉが、手首屈曲／伸展ブレーキジョイント８０４ｈに回転可能に結合されることができ、ある可動域（例えば、３８度までの可動域）を有することができる。親指ブレーキジョイント８０４ｊが、親指展開ブレーキジョイント８０４ｉに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、６０度までの可動域）を有することができる。両方の親指ジョイントは、ブレーキジョイントを含んでも、含まなくてもよいし、ブレーキ構成要素と関連づけられても、関連付けられなくてもよい。親指リング８１４が、親指ブレーキジョイント８０４ｊに結合されることができ、親指で操作可能に構成されることができる。フィンガブレーキジョイント８０４ｋは、手首屈曲／伸展ブレーキジョイント８０４ｈに回転可能に結合されることができ、所与の可動域（例えば、９０度までの可動域）を有することができる。フィンガリング８１６が、フィンガブレーキジョイント８０４ｋに結合されることができ、指で操作可能に構成されることができる。ブレーキジョイント８０４ａ−ｋのそれぞれは、全ての自由度またはいくつかの自由度で動作可能であり得る。

【0079】

手首及びフィンガジョイントは、参照により本明細書に組み込まれる、２０１２年１０月２１日に出願された米国特許出願第１３／６６５，６９７号の「Hand Control Device for Controlling a Peripheral System」内に具体化することができる。すなわち、このようなハンド制御装置は、図１Ａの外骨格および本明細書で論じられているブレーキジョイントのいずれかと共に使用するために組み込まれることができる。

【0080】

本明細書で論じるマスタブレーキジョイントは、接触がスレーブロボットシステムによって物体となされる（トルク過渡現象＋振動）ときのような、触覚フィードバックをオペレータに提供するために使用される振動発生器をさらに有することができる。いくつかの例では、ハンドの各マスタブレーキジョイントに関連付けられたまたは結合された振動発生器は、スレーブロボットが物体に衝突したり、物体をつかんだりするなどの現実的な模倣を提供することができ、なぜなら、振動発生器は、オペレータに、スレーブロボットが経験するイベントに依存する可変の振動感覚を感じさせるこおができるからである。例えば、スレーブロボットフィンガまたはグリッパが壁のような物体に沿って滑っているとき、対応する振動刺激が、マスタロボットシステムを装着しているオペレータの手によって感じられる。これは、オペレータが物体に（例えば、スレーブロボットのハンド／グリッパによって発動可能な最大の力よりも大きい）過大な力を及ぼしていることのオペレータへの有効な触覚指示として、または物体がスレーブロボットのハンド／グリッパから抜け出していることを指示するために使用されることができる。

【0081】

いくつかの例では、本開示は、マスタロボットシステムまたはインタフェースのオペレータとの運動学的等価物（kinematic equivalence to the operator）、およびマスタロボットシステムまたはインタフェースとスレーブロボットシステムの運動学的等価物を提供することに留意されたい。いくつかの例では、マスタロボットシステムおよびスレーブロボットシステムは両方、手のみ、腕、腕および手、腕および胴、腕／手／胴、脚、複数の脚、複数の脚および胴、複数の脚／複数の腕／胴、複数の脚及び複数の腕、並びに胴及び複数の手、又はこれらの任意の組み合わせに関連付けられ得る。

【0082】

図９は、スレーブロボットシステム９０２（例えば図１Ｂにおけるような、スレーブロボット装置を含む）の制御における（例えば図１Ａにおけるようなマスタリング装置を含む）マスタロボットシステム９００の例示的な制御システムの図形表示を示す。一態様では、上述したように、マスタロボットシステム９００は、マスタブレーキジョイント９０４ａおよび９０４ｂのような１つまたは複数のマスタブレーキジョイントを有することができる。各ブレーキジョイントは、本明細書で説明するように構成することができ、ブレーキ構成要素およびアクチュエータのような、本明細書で説明する様々な構成要素または要素を有することができる。ブレーキジョイントは、１つまたは複数の位置センサおよび／または１つまたは複数の力／荷重センサをさらに有することができる。マスタロボットシステム９００は、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）を有するマスタコンピュータ９０６を有することができる。代替的には、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または他のタイプのプロセッサが使用されてもよい。マスタコンピュータ９０６は、有線または無線技術または手段を使用して、各マスタブレーキジョイント９０４ａおよび９０４ｂのアクチュエータ、位置センサ、および力センサと通信することができる。

【0083】

スレーブロボットシステム９０２は、（破線で示すように）それぞれのマスタジョイント９０４ａおよび９０４ｂに対応するスレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂのような１つまたは複数のスレーブジョイントを有することができる。各スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂは、図示のように、アクチュエータ、位置センサ、および力／荷重センサを有することができる。スレーブロボットシステム９０２は、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）を含むスレーブコンピュータ９１０を有することができる。代替的には、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または他のタイプのプロセッサが使用されてもよい。スレーブコンピュータ９１０は、有線または無線技術または手段を使用して、各スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂのアクチュエータ、位置センサ、および力センサと通信することができる。スレーブロボットシステム９０２は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年１２月２０日に出願された米国特許出願第１３／３３２，１６５号のスレーブロボットに関して論じられた特徴のいくつかまたはすべてを有することができる。

【0084】

代替的には、スレーブコンピュータは、各スレーブジョイントがマスタコンピュータと直接通信する例では、必要ない場合がある。例えば、各スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂの位置センサ及び力センサは、それぞれのスレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂに関連付けられるデータを処理するためにマスタコンピュータ９０６に直接（無線送信機を介して）信号を送信することができる。別の例では、各スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂの位置センサおよび力センサは、マスタコンピュータ９０６にデータを送受信する外部またはリモートコンピュータに通信可能に結合される。

【0085】

上述したように、マスタロボットシステム９００は、マスタロボットシステムの様々なＤＯＦ内でユーザ／オペレータから加えられた荷重を（位置センサおよび／または荷重センサを介して）感知することができ、次にマスタロボットシステム９００の動きに対応するスレーブロボットシステム９０２（例えば、１つまたは複数のスレーブアーム）の動きを制御するために、スレーブロボットシステム９０２にそのような加えられた荷重に関連付けられる対応するデータを送信することができる。本明細書で使用するとき、「荷重」は、力および／またはモーメントを含むことができる。したがって、荷重センサは、力および／またはモーメントを感知することができる。荷重センサは、特定のジョイント（マスタおよび／またはスレーブ）の複数のＤＯＦにおける荷重を感知し、荷重値の出力をもたらすように構成されることができる。荷重センサは、例えば、スレーブロボットアームに作用するリニア荷重および／または回転荷重を検出することができる。例えば、６自由度の荷重センサのような多軸荷重センサは、センサのｘ、ｙ、ｚ軸に沿った３つの力成分、および軸の周りに作用する３つのモーメント成分を測定することができる。したがって、スレーブジョイントに関連付けられる荷重センサは、スレーブアームが障害物に強く接触しているか、または物体を持ち上げることによって力を受けているかを検出することができる。そうである場合、スレーブコンピュータは、スレーブジョイントに関連付けられる力逆送データ（例えば、制御信号）をマスタコンピュータ（または中央制御システム）に送信するように構成されることができる。したがって、マスタコンピュータは、スレーブジョイントが受ける力に対応するブレーキ力データとしてマスタブレーキジョイントのアクチュエータに力逆送データを送信するように構成されることができる（例えば、マスタ肘ジョイントはスレーブ肘ジョイントに対応する）。ブレーキ力データは、スレーブジョイントが受ける力に比例し得るブレーキジョイントへの発生ブレーキ力の量を制御するために、特定の印加電圧として（例えば、電気アクチュエータに）伝達されることができる（図１Ａおよび図１Ｂの「持ち上げる」例を参照）。

【0086】

荷重センサは、ひずみゲージ、薄膜センサ、圧電センサ、抵抗負荷センサなどを含むが、これに限定されない任意のタイプの適切な荷重センサを含むことができる。例えば、使用され得る荷重センサは、Sensotecによって製造されたロードセル、P/N AL311CRまたはP/N AL31DR-1A-2U-6E-15C、Futekによって製造されたロードセル、P/N LCM375-FSSH00675、またはP/N LCM325-FSH00672を含む。

【0087】

一態様では、図９に示すように、各マスタブレーキジョイント９０４ａおよび９０４ｂに関連付けられる各ＤＯＦならびにスレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂの各ＤＯＦのための１つの位置センサがある。各位置センサは、ジョイントの各々またはその近傍に配置されることができ、角度位置を測定するように構成されることができる。一態様では、位置センサは、マスタロボットシステム９００の様々なジョイントおよび支持部材の位置の変化を検出し、位置値の出力をもたらすことができる。この位置の変化は、スレーブロボットシステム９０２の対応するＤＯＦの位置に比例した変化を生じさせるために使用されることができる。位置センサは、各ジョイント（マスタまたはスレーブ）の絶対位置がいつでも決定されることを可能にする絶対位置センサであることができる。代替的には、位置センサは、相対位置センサであってもよい。位置センサは、エンコーダ、回転ポテンショメータ、および他のタイプの回転位置センサを含むがこれに限定されない、各ジョイントの回転を測定するための任意のタイプの適切な位置センサを含むことができる。使用できる位置センサの一例は、Gurley Precision Instrumentによって製造された、製造業者モデル番号P/N AX09178のエンコーダディスクである。このようなエンコーダディスクは、マスタおよびスレーブロボットアセンブリの各ジョイントに結合されることができる。Gurley Precision Instrumentによって製造されたエンコーダリーダ、モデル番号P/N 7700A01024R12U0130Nが、エンコーダディスクを読み取り、各ジョイントで絶対位置読み取り値を提供するために使用されることができる。

【0088】

マスタロボットシステム９００は、各マスタブレーキジョイントの各ＤＯＦに関連付けられる汎用ＤＯＦコントローラ（ＧＤＣ）（図示せず）を含むことができる。一例では、別個のＧＤＣが各マスタブレーキジョイントで動作可能であり得る。ＧＤＣは、各ブレーキジョイントに配置された荷重センサおよび位置センサのようなセンサと通信することができ、センサはブレーキインターフェイスを含むブレーキジョイントのどこかに含めることができる。ＧＤＣは、各マスタブレーキジョイントにおけるアクチュエータと通信することもできる。各ＧＤＣは、選択したブレーキジョイントの位置とトルクを監視および調整するために使用されることができる。関連付けられるまたは対応するスレーブジョイントの位置、トルク、および力逆送に関して、ＧＤＣで情報が受信されることもできる。各スレーブジョイントでのトルク測定に関する情報は、関連付けられるまたは対応するマスタブレーキジョイントのＧＤＣに伝達されることができる。次いで、ＧＤＣは、スレーブロボットシステムとその環境および／またはスレーブロボットシステムによって持ち上げられる荷重との相互作用に関する力フィードバックを提供するためにブレーキ力を発生するようにアクチュエータにコマンド（または電圧）を出力することができる。

【0089】

一例では、マスタロボットシステム９００上の各ＤＯＦのＧＤＣは、対応するスレーブジョイントに関してスレーブロボットシステム９０２の動きを制御するために使用される計算を実行するために、所望のセンサと通信するように構成された１つまたは複数のマイクロプロセッサを含むコンピュータカードであることができる。例えば、ＧＤＣは、汎用中央処理装置（ＣＰＵ）を含むことができる。代替機には、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、または他のタイプのプロセッサが使用されてもよい。ＧＤＣは、有線または無線技術または手段を使用してセンサと通信することができる。ＧＤＣは、特定のジョイントのハウジング内に配置され得る。

【0090】

スレーブロボットシステム９０２はまた、スレーブジョイントの各ＤＯＦに関連付けられるＧＤＣを含むことができる。一例では、別々のＧＤＣが、スレーブロボットシステム９０２のＤＯＦのそれぞれに関して動作可能であり得る。スレーブロボットシステム９０２のＧＤＣは、マスタロボットシステム９００のＧＤＣと同様であり、同じ目的を果たすことができる。

【0091】

図９を続けて参照すると、スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂの各アクチュエータは、位置および／またはスレーブジョイントに作用する力（またはトルク）の両方を決定することができる対応する位置センサおよび／または荷重センサを有することができ、スレーブジョイントのそれぞれはＤＯＦを有することができる。スレーブロボットシステム９０２の各ＧＤＣは、例えば、信号に変換されてマスタロボットシステムに送信される力を計算するために、関連付けられるＤＯＦにおいて特定のトルクを加えるように対応するブレーキジョイントのアクチュエータを特定のブレーキ力で作動させるために、各スレーブジョイント９０８ａおよび９０８ｂに関連付けられた位置センサおよび荷重センサからの入力を使用することができる。加速度計または他の速度検出装置が、速度データを測定し、送信するために、各スレーブジョイント（および／またはマスタジョイント）に関連付けられ得る。

【0092】

ユーザがマスタ制御アームのマスタブレーキジョイントを動かす度（degree）毎に、マスタ位置コマンドが、スレーブアーム内の対応する動きを所望の比率で提供するように設定されることができる。典型的な比は１：１であることができ、スレーブアームがマスタ制御アームと同じ速度で動くことを可能にする。しかし、２：１、３：１またはそれより大きい比率が、スレーブアームに２から３倍さらに動かすように命令しながら、ユーザがマスタアームにおいて比較的小さな動きを行うことを可能にするために、選択されることができる。これは、ユーザの疲労を軽減するためにユーザの動きの量を制限することによって、繰り返しの動きを実行するときにユーザにとって有用となり得る。逆に、ユーザが繊細な作業を行っているときは、比率を１:２、１:３またはそれより低く設定されることができる。比率を減らし、スレーブアームの対応する動きよりもユーザがさらに動かすことを要求することにより、ユーザは細かい作業に対してより細かいモータ制御を行うことができる。実際の比率は、システムおよびシステムオペレータのニーズと用途に基づいてマスタ位置コマンドを調整することによって設定されることができる。

【0093】

上述したように、スレーブロボットシステムは、非人間型ロボット、人間型ロボット、ハンドロボット、仮想ロボット、仮想アバターロボットなどであることができ、一方、ブレーキジョイント（複数可）を有するマスタ制御システムは、外骨格ロボットアセンブリ、非人間型ロボット、人間型ロボット、仮想現実制御システムなどであることができる。したがって、本明細書で論じるマスタブレーキジョイント構成は、幅広い産業上、軍事上、物流上、ファーストレスポンダ、消費者および他の用途を有する。

【0094】

例えば、ＶＲヘッドセット及び上側外骨格を装着したオペレータは、例えば、外骨格内の複数のブレーキジョイントを介して、それらの仮想ロボットがリアルタイムで感じることを感じることができる。このタイプの仮想プラットフォーム制御は、オペレータが仮想プラットフォームに表示された特定の動作を制限されている場合、トレーニング、ゲームプレイ、運動／カルー、ウェイトリフティングなどのようなさまざまな目的に有用であることができる。例えば、ボディビルダーは、ボディビルダーが装着した外骨格のブレーキジョイントが、カールを実行しながらボディビルダーへの調整され且つ比例する力逆送を提供することができるので、典型的にはダンベルで行われるカールを、ダンベルを所有／使用する必要なしに行うことができる。

【0095】

本明細書に記載されたブレーキジョイントは、シミュレートされた環境における戦闘訓練のための重要な追加物であり得る。例えば、Virtual Battlespace 2（ＶＢＳ２）のようなＶＲのシミュレートされた環境では、戦闘チームが迅速かつコスト効率良く、装甲車両、ＵＡＶ、回転翼航空機、降りた兵士のような複数の資産を含む協調行動を必要とする複雑なミッションを計画し、予行演習し、訓練し、事後検討を行うことを可能にする。実際、複数の兵士が徒歩でこのような仮想世界に物理的に没頭することができ、そこでは、彼らは、都市環境、ジャングル、その他の複雑な地形で、模擬ミッションを行うことができる。

【0096】

図１０は、図１Ａ−９のシステムを参照して説明したような、マスタロボットシステムにスレーブロボットシステムの力を移す方法９５０を示す。動作９５２は、マスタロボットシステムおよびスレーブロボットシステムを提供することを含み、マスタロボットシステムは、スレーブロボットシステムのスレーブジョイントに対応するマスタブレーキジョイントを含む（例えば、図１Ａおよび図１Ｂ）。動作９５４は、図９に関してさらに説明されたように、力データを決定するためにスレーブジョイントの位置および／または力を感知することを含む。動作９５６は、図９に関してさらに説明されたように、スレーブロボットシステムからマスタロボットシステムに力データ信号（例えば、制御信号）を送信することを含む。動作９５８は、図１Ａ−９に関してさらに説明されたように、力データ信号に対応するマスタブレーキジョイント内のブレーキ力を発生させることを含む。動作９６０は、スレーブジョイントが受ける変化する力に応じて、または必要に応じて、または所望に応じて、ブレーキ力を動的に制御することを含む。例えば、（図２−９の）アクチュエータに印加される電気入力は、変えられることができ、それによってブレーキジョイント内のブレーキ力を変化させる。

【0097】

図面に示されている例が参照され、特定の言葉を用いてこれを説明した。それにもかかわらず、技術の範囲の限定はそれによって意図されないことが理解されるであろう。本明細書に例示される特徴の変更およびさらなる修正、並びに本明細書で示される例のさらなる適用は、説明の範囲内にあるとみなされるべきである。

【0098】

さらに、記載された特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の例において任意の適切な方法で組み合わせることができる。前述の説明では、記載された技術の例の完全な理解を提供するための様々な構成の例のような、多くの特定の詳細が提供された。しかし、この技術は、特定の詳細の１つ若しくは複数なしに、または他の方法、コンポーネント、デバイス用いて実施され得ることが認識されるであろう。他の例では、良く知られた構造または動作は、技術の態様を不明瞭にすることを避けるために詳細には図示または記載されていない。

【0099】

本主題は、構造的特徴および／または動作に特有の言語で記載されているが、添付の特許請求の範囲に定義された主題は、必ずしも上記の特定の特徴および動作に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、上記の特定の特徴および動作は、請求項を実施する例示的な形態として開示されている。記載された技術の精神および範囲から逸脱することなく、多数の修正および代替の構成が考え出されることができる。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】