特許 6875440 トルクセンサ装置およびロボットアーム

(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】6875440

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月26日

(54)【発明の名称】トルクセンサ装置およびロボットアーム

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/02 20060101AFI20210517BHJP

   F16C 17/02 20060101ALI20210517BHJP

   F16C 33/20 20060101ALI20210517BHJP

   A61B 34/35 20160101ALI20210517BHJP

【ＦＩ】

   B25J17/02 A

   F16C17/02 Z

   F16C33/20 Z

   A61B34/35

【請求項の数】13

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2019-67651(P2019-67651)

(22)【出願日】2019年3月29日

(62)【分割の表示】特願2018-502792(P2018-502792)の分割

【原出願日】2016年7月22日

(65)【公開番号】特開2019-141996(P2019-141996A)

(43)【公開日】2019年8月29日

【審査請求日】2019年7月18日

(31)【優先権主張番号】1512960.4

(32)【優先日】2015年7月22日

(33)【優先権主張国】GB

(31)【優先権主張番号】1512962.0

(32)【優先日】2015年7月22日

(33)【優先権主張国】GB

(31)【優先権主張番号】1512963.8

(32)【優先日】2015年7月22日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】516263638

【氏名又は名称】シーエムアール サージカル リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＭＲ ＳＵＲＧＩＣＡＬ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001966

【氏名又は名称】特許業務法人笠井中根国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100147717

【弁理士】

【氏名又は名称】中根 美枝

(74)【代理人】

【識別番号】100103252

【弁理士】

【氏名又は名称】笠井 美孝

(72)【発明者】

【氏名】マーシャル，キース

(72)【発明者】

【氏名】ジャクソン，トーマス ベイツ

【審査官】 岩▲崎▼ 優

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０７２２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２５０３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２２３６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１０９１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７２４７１０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２３０５７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ １／００−２１／０２

Ｆ１６Ｃ １７／００−１７／２６

Ｆ１６Ｃ ３３／００−３３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一の部分と第二の部分との間に取り付けられて、それらの間のトルクを検知するように構成されたトルクセンサ装置であって、該トルクセンサ装置が、
前記第一の部分と回転的に係合するように構成された係合構成を外面に有するインターフェース部材と、
ねじれ部材であって、ゆがみ可能な本体を含んで構成されており、該ゆがみ可能な本体が、一方の端部を前記インターフェース部材に取り付けられると共に、他方の端部に前記第二の部分と固定的に係合するように構成された係合構成を備えているねじれ部材と、
前記ゆがみ可能な本体に取り付けられたゆがみセンサと、
を含んで構成されており、
前記インターフェース部材が、前記ゆがみ可能な本体の周りを延びる剛性のネックを画定していると共に、前記トルクセンサ装置が、該ネックと該ゆがみ可能な本体の間に配置されてその両方と接触しているブッシングを更に含んで構成されていることを特徴とするトルクセンサ装置。

【請求項2】

前記ブッシングが固体ブッシングである請求項１に記載のトルクセンサ装置。

【請求項3】

前記ブッシングが材料の単体筒である請求項２に記載のトルクセンサ装置。

【請求項4】

前記ブッシングがプラスチック材料で形成されている請求項１〜３の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項5】

前記第一の部分および前記第二の部分が回転軸周りで相互に回転するように構成されており、前記ブッシングが該回転軸周りで前記ゆがみ可能な本体を取り囲んでいる請求項１〜４の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項6】

前記ブッシングが剛性のブッシングである請求項１〜５の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項7】

前記インターフェース部材が、前記ネックの、前記ねじれ部材が該インターフェース部材に取り付けられている側とは反対側に段差を含んで構成されており、該ねじれ部材は、該ねじれ部材が該インターフェース部材に取り付けられたときに、前記ブッシングを該段差に対してつながれた状態で保持するように構成されている請求項１〜６の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項8】

前記ゆがみ可能な本体が中空の本体である請求項１〜７の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項9】

前記ゆがみ可能な本体が中空円筒である請求項８に記載のトルクセンサ装置。

【請求項10】

前記ゆがみセンサが歪みゲージである請求項１〜９の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項11】

前記第一の部分と回転的に係合するように構成された前記係合構成が一式のギア歯である請求項１〜１０の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項12】

前記インターフェース部材が前記第一の部分と回転的に係合していると共に、前記ねじれ部材が前記第二の部分と固定的に係合している請求項１〜１１の何れか１項に記載のトルクセンサ装置。

【請求項13】

ロボットアームであって、２つの肢と、該アームの該２つの肢の間のトルクを検知するように構成されている請求項１〜１２の何れか１項に記載のトルクセンサ装置とを含んで構成されているロボットアーム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、ロボットジョイント用の駆動装置、特に、ロボットリストに関するものである。

【0002】

例えば産業用または外科用ロボットのような、物を巧みに扱うために必要とされるロボットは、多数の可撓性ジョイントによって互いに直列に連結された剛性エレメントからなるアームを有していることが多い。かかるジョイントは、任意のタイプのものであってもよいが、一般的には回転ジョイントであってもよいし、あるいは回転ジョイントと直進ジョイントの組み合わせであってもよい。アームは、位置が固定されているあるいは移動可能とされているベースから延び出して、ツールまたはツール用のアタッチメントで終わる。ツールは、例えば、把持する、切断する、照らす、照射するまたは撮像するツールであってもよい。アーム内の最終ジョイントを、リストと呼んでもよい。かかるリストは、単一の軸周りのみの運動を可能としてもよいし、あるいは複数の軸周りの回転を可能にする複雑なまたは複合的な関節であってもよい。本発明者らの同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３に開示されているように、リストは、軸がアームに対してほぼ長手方向に延びる２つのロールジョイントを備えていてもよいし、軸がアームをほぼ横断する２つのピッチ／ヨージョイントによって分離されていてもよい。

【0003】

外科用ロボットの場合、アームの遠位ジョイントの設計に影響を与える多くの重要な基準が存在する。
１．アーム、特にリストが位置する遠位部分が小型であることが望ましい。これにより、複数のこのようなロボットアームが近接して動作することが可能になり、それゆえアームが行うことができる外科手術の範囲をより広げる。
２．アームの遠位部の外形は、アームの長さに対して円対称であることが望ましい。これにより、遠位部は、別のロボットや他のいくつかの機器や患者に近接している場合に、再配置する必要なく長手方向に回転させることができる。
３．ジョイントは、高いトルクを伝達可能であることが望ましいことから、より重いツールを運搬し、高い加速度をツールの先端に伝達することができる。
４．ジョイントは硬く、殆んどあるいは全く遊びや弾性がないことが望ましいことから、ツールの先端が位置決めされた際にはそこに固定されるであろう。遊びを最小化するための従来のやり方は、１つ以上のギアエレメントを犠牲として指定することであるが、このことは高いレベルのメンテナンスを必要とし、アーム内に磨耗したギアの小片が放たれる可能性がある。
５．全ての関節接合は位置および力／トルクセンサを有することが望ましいことから、制御機構は、これらのセンサからデータを取り込むことができる。
６．ロボットアームの遠位部は、ロボットアームのより近位のジョイントによって及ぼされるべき力を低減するために、可能な限り軽量であることが望ましい。
７．一般的なロボットアームは、その駆動モータおよび恐らくはツールに電力を供給するケーブルを有しており、位置センサやトルクセンサや撮像センサのようなセンサからの信号をフィードバックする。アームは、そのようなケーブルがアームの内部を通過する経路を含んでいることが望ましい。

【0004】

多数の重要な基準は、全ての要件を最良にバランスさせるアームを設計することを困難にしている。

【0005】

１つの特有の問題は、ロボットアームのリストにどのようにモータおよびギアを取り付けるかである。かかる配置はコンパクトであるべきであるが、また高い剛性およびトルク伝達を許容すべきである。多くの既存の設計は、これらの基準のうちの１つを妥協している。

【0006】

ロボットアームのジョイント用に改良された駆動装置の必要性が存在する。

【0007】

別の特有の問題は、ロボットアームのリストにどのようにトルクセンサを取り付けるかである。かかる配置はコンパクトであるべきであるが、トルク測定の高い精度も許容すべきである。

【0008】

ロボットアームのジョイント用に改良されたトルクセンサ配置の必要性が存在する。

【0009】

別の特有の問題は、ロボットアームのリストにどのように位置センサモータを取り付けるかである。かかる配置はコンパクトであるべきであるが、高い精度も許容すべきである。

【0010】

ロボットアームのジョイント用および他の用途に改良された位置センサ配置の必要性が存在する。

【発明の概要】

【0011】

本発明によれば、アームの第一の肢をアームの第二の肢に対して２本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記第一の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記第二の肢に取り付けられた中間キャリアと、前記第一の回転軸周りに配置されると共に前記中間キャリアに固定されることによって該中間キャリアの前記第一の肢に対する該第一の回転軸周りの回転を駆動可能な第一の駆動ギアと、前記第二の回転軸周りに配置されると共に前記第二の肢に固定されることによって該第二の肢の前記中間キャリアに対する該第二の回転軸周りの回転を駆動可能な第二の駆動ギアと、を含んで構成されており、前記第一および第二駆動ギアの少なくとも一方がセクターギアとされており、前記セクターギアはべベルギアであることを特徴とするロボットアームが提供される。

【0012】

前記第一および第二駆動ギアのうち一番目の駆動ギアがセクターギアとされていてもよい。前記第一および第二駆動ギアの一方のみがセクターギアとされていてもよい。セクターギアとされるのは第一または第二駆動ギアのいずれでもよい。

【0013】

前記または各セクターギアが歯付ギアであってもよい。

【0014】

前記または各セクターギアがべベルギア、すなわち、ピッチ面がまっすぐな側面の、もしくは湾曲した円錐であり、および／又は歯がそのような円錐上に配置される歯車であってもよい。

【0015】

前記または各セクターギアの有効セクターが１８０°未満であってもよい。

【0016】

前記第一および第二駆動ギアの一方の少なくとも一部が、該第一および第二駆動ギアの他方の半径方向最外側部分と一致する、該第一および第二駆動ギアの他方の軸周りの円と交差していてもよい。

【0017】

前記中間キャリアが、前記第一および第二駆動ギアの一方に駆動を伝達するための中間連結部を有していると共に、該中間連結部の少なくとも一部が、該第一および第二駆動ギアの他方の半径方向最外側部分と一致する、該第一および第二駆動ギアの他方の軸周りの円と交差していてもよい。

【0018】

第一駆動ギアの一方または両方がべベルギアであってもよい。

【0019】

第一駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアであってもよい。

【0020】

前記第一および第二の回転軸が直交していてもよい。前記第一および第二の回転軸が互いに交差していてもよい。

【0021】

前記または各セクターギアが、無効セクターにおいて有効セクターよりも小さな外径を有していてもよい。

【0022】

前記アームが、前記第一の肢に隣接し、カプラに対して該第一の肢の反対側にある第三の肢と、前記第二の肢に隣接し、カプラに対して該第二の肢の反対側にある第四の肢と、前記第三の肢と前記第一の肢とを一緒に取り付ける第三の回転ジョイントであって、前記第一の回転軸と直交する第三の回転軸を有する第三の回転ジョイントと、前記第四の肢と前記第二の肢とを一緒に取り付ける第四の回転ジョイントであって、前記第二の回転軸と直交する第四の回転軸を有する第四の回転ジョイントと、を含んで構成されていてもよい。

【0023】

前記第一および第三の回転軸が、前記ジョイントの全ての構成において直交していてもよい。

【0024】

前記第二および第四の回転軸が、前記ジョイントの全ての構成において直交していてもよい。

【0025】

前記第三および第四の肢のうち、より遠位の肢がツールまたはツールアタッチメントを含んで構成されていてもよい。

【0026】

前記第三および第四の肢の一方が前記アームの最遠位肢とされていてもよい。

【0027】

前記第三および第四の回転軸が、前記ジョイントの少なくとも一つの構成において一致していてもよい。

【0028】

本発明の別の態様によれば、第一の部分と第二の部分との間に取り付けられて、それらの間のトルクを検知するためのトルクセンサ装置であって、該トルクセンサ装置が、前記第一の部分と回転的に係合するための係合構成を外面に有するインターフェース部材と、ねじれ部材であって、ゆがみ可能な本体を含んで構成されており、該ゆがみ可能な本体が、一方の端部を前記インターフェース部材に取り付けられると共に、他方の端部に前記第二の部分と固定的に係合するための係合構成を備えているねじれ部材と、前記ゆがみ可能な本体に取り付けられたゆがみセンサと、を含んで構成されており、前記インターフェース部材が、前記ゆがみ可能な本体の周りを延びる剛性のネックを画定していると共に、前記トルクセンサ装置が、該ネックと該ゆがみ可能な本体の間に配置されてその両方と接触しているブッシングを更に含んで構成されていることを特徴とするトルクセンサ装置が提供される。

【0029】

前記ブッシングが固体ブッシングであってもよい。前記ブッシングが材料の単体筒であってもよい。前記ブッシングがプラスチック材料で形成されていてもよい。

【0030】

前記第一の部分および前記第二の部分が回転軸周りで相互に回転するように構成されていてもよい。前記ブッシングが該回転軸周りで前記ゆがみ可能な本体を取り囲んでいてもよい。

【0031】

前記ブッシングが剛性のブッシングであってもよい。

【0032】

前記第一の部分および前記第二の部分が、回転軸を中心に相互に回転するように構成されていてもよい。前記ブッシングの素材が、該回転軸周りのせん断荷重を前記ゆがみ可能な本体から前記ネックへ実質的に伝達するようなものであって、該ゆがみ可能な本体のねじれを該ネックから実質的に分離するようなものであってもよい。

【0033】

前記インターフェース部材が、前記ネックの、前記ねじれ部材が該インターフェース部材に取り付けられている側とは反対側に段差を含んで構成されていてもよい。該ねじれ部材は、該ねじれ部材が該インターフェース部材に取り付けられたときに、前記ブッシングを該段差に対してつながれた状態で保持するように構成されていてもよい。

【0034】

前記ゆがみ可能な本体は中空の本体である。前記ゆがみ可能な本体が中空円筒であってもよい。該ゆがみ可能な本体は、該円筒の軸周りでねじりゆがみ、および／又は曲げゆがみ可能とされていてもよい。

【0035】

前記ゆがみセンサが歪みゲージであってもよい。

【0036】

前記第一の部分と回転的に係合するための前記係合構成が一式のギア歯であってもよい。該ギア歯は、べベルギア、すなわち、ピッチ面がまっすぐな側面の、もしくは湾曲した円錐であり、および／又は歯がそのような円錐上に配置される歯車、のギア歯であってもよい。

【0037】

前記第二の部分と固定的に係合するための前記係合構成がスプライン結合であってもよい。

【0038】

前記インターフェース部材が前記第一の部分と回転的に係合していてもよい。前記ねじれ部材が前記第二の部分と固定的に係合していてもよい。

【0039】

前記トルクセンサ装置が、ロボットアームの２つの肢の間のトルクを検知するようになっていてもよい。

【0040】

本発明の別の態様によれば、第一の部分と第二の部分の間の第一の回転軸周りの回転運動を検知する回転位置センサであって、複数の磁極を画定すると共に前記第一の部分に取り付けられた第一のリングと、複数の磁極を画定すると共に前記第一の部分に取り付けられた第二のリングと、第一のセンサであって、該第一のセンサを通過した前記第一のリングの前記磁極の運動を検知するために前記第二の部分に取り付けられた第一のセンサと、第二のセンサであって、該第二のセンサを通過した前記第二のリングの前記磁極の運動を検知するために前記第二の部分に取り付けられた第二のセンサと、を含んで構成されており、前記第一のリングおよび前記第二のリングが、前記第一の回転軸に沿って、前記回転ジョイントの両側に離間されていることを特徴とする回転位置センサ装置が提供される。

【0041】

前記第一の部分が、前記第一および第二のリングの前記磁極の間に介在された素材を含んで構成されていてもよい。該素材は金属材料であってもよい。該素材は非磁気的に影響を受けやすい素材であってもよい。

【0042】

前記第一および第二の部分が、前記第一の回転軸周りで前記回転ジョイントを画定する一対のベアリングによって取り付けられていてもよい。該ベアリングが該第一の回転軸に沿って該前記第一および第二の部分の間のインターフェースの端に配置されていてもよい。前記第一のリングが一方の該ベアリングに配置されていると共に前記第二のリングが他方の該ベアリングに配置されていてもよい。

【0043】

前記第一のリングが、前記第一の回転軸に垂直な、前記一方のベアリングと共通の平面内に位置するように配置されていてもよい。前記第二のリングが、前記第一の回転軸に垂直な、前記他方のベアリングと共通の平面内に位置するように配置されていてもよい。

【0044】

前記第一のリングが前記一方のベアリング周りに配置されていてもよい。前記第二のリングが前記他方のベアリング周りに配置されていてもよい。

【0045】

前記第一の回転軸に沿った前記第一および第二のリングの間の間隔が、前記第一の回転軸に沿った方向の該第一および第二のリングの厚さの５倍よりも大きくされていてもよい。該第一および第二のリングが異なる厚さを有している場合は、該間隔は、より薄い方のリングの厚さの５倍よりも大きくされていてもよい。

【0046】

前記第二の部分が前記ロボットアームの前記第一の肢であってもよい。前記第一の部分が、該第一の肢を前記ロボットアームの前記第二の肢に取り付けるカプラとされていてもよい。該カプラは剛性エレメントであってもよい。

【0047】

前記第一の回転軸に対して傾斜した、特に直交した、第二の回転軸を有する回転ジョイントによって前記カプラが前記第二の肢に取り付けられていてもよい。

【0048】

第一および第二のセンサは、センサに対するリングの極の相対位置を２ビット以上の分解能で検出することが可能とされていてもよい。リングは異なる数の極を有していてもよい。極数は互いに素とされていてもよい。

【0049】

本発明を、添付図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】外科用ロボットアームの概略図。

【図2】図１のアームのリストにおける回転軸をより詳細に示す図。

【図3】遠位側および片側から見た第１のリスト機構の一部を示す図。

【図4】遠位側および反対側から見た第１のリスト機構の一部を示す図。

【図5】近位側および片側から見た第２のリスト機構の一部を示す図。

【図6】遠位側および片側から見た第２のリスト機構の一部を示す図。

【図7】遠位側および片側から見た第３のリスト機構の一部を示す図。

【図8】遠位側および反対側から見た第３のリスト機構の一部を示す図。

【図9】片側から見た中央の長手方向断面における第３のリスト機構を示す図。

【図10】反対側から見た中央の長手方向断面における第３のリスト機構を示す図。

【図11】ロボットアームにおける通信経路を示す図。

【図12】長手方向断面におけるロボットアーム用の端子モジュールを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0051】

以下に説明するリスト機構は、ロボットのリストのジョイントの少なくともいくつか、あるいは他のアプリケーションに対して、コンパクトで機械的に有利な構成を提供することが判明している。

【0052】

図１は、ベース２から延びるアーム１を有する外科用ロボットを示している。アーム１は、多数の剛体肢３を含んでいる。肢３は、回転ジョイント４によって連結されている。最近位肢３ａは、ジョイント４ａによってベースに連結されている。かかる肢３と他の肢３は、さらなるジョイント４によって直列に連結されている。リスト５は、４つの個別の回転ジョイントから構成されている。リスト５は、アーム１の最遠位肢３ｃに対して１つの肢３ｂを連結している。最遠位肢３ｃは、外科用器具またはツール９用のアタッチメント８を有している。アーム１の各ジョイント４は、それぞれのジョイント４で回転運動を生じさせるように操作可能とされた１つまたは複数のモータ６と、現在の構成および／またはそのジョイントにおける負荷に関する情報を提供する、１つまたは複数の位置および／またはトルクセンサ７と、を有している。明瞭化のために、モータおよびセンサのいくつかのみが図１に示されている。アーム１は、一般に、本発明者らの同時係属中の特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０５３５２３に記載されているものであってもよい。ツール用のアタッチメントポイント８は、（ｉ）ツールをアームに対して機械的に取り付けることを可能にする構成と、（ｉｉ）ツールとの間で電気的および／または光学的な出力および／またはデータを通信するためのインターフェースと、（ｉｉｉ）ツールの一部の動きを駆動するための機械的駆動装置、の任意の１つまたは複数のものを適宜含むことができる。一般に、モータは、重量分布を改善するように、駆動するジョイントの近位に配置されていることが好ましい。以下に説明するように、モータやトルクセンサやエンコーダ用のコントローラは、アームと一緒に配置される。コントローラは、通信バスを介して制御ユニット１０に接続されている。

【0053】

制御ユニット１０は、プロセッサ１１とメモリ１２を備えている。メモリ１２は、モータ６の動作を制御してアーム１をここに記載されているように動作するように、プロセッサによって実行可能なソフトウェアを非過渡的に記憶している。特に、ソフトウェアは、プロセッサ１１を制御して、モータ（例えば、配置されたコントローラを介して）をセンサ７からの入力および外科医コマンドインターフェース１３からの入力に応じて駆動することができる。制御ユニット１０は、ソフトウェアの実行により生成された出力に応じてそれらを駆動するために、モータ６に接続されている。制御ユニット１０は、センサからの検知された入力を受け取るためにセンサ７に接続されていると共に、それからの入力を受け取るためにコマンドインターフェース１３に接続されている。それぞれの接続は、例えば、それぞれが電気ケーブルまたは光ケーブルであってもよいし、無線接続であってもよい。コマンドインターフェース１３は、ユーザが所望の方法でアームの動きを要請できる１つ以上の入力装置を備えている。入力装置は、例えば、コントロールハンドルやジョイスティックや光学式ジェスチャーセンサのような非接触入力装置などの手動で操作可能な機械式入力装置であってもよい。メモリ１２に記憶されたソフトウェアは、これらの入力に応答し、それに応じて所定の制御手順に従ってアームのジョイントを移動させるように構成されている。制御手順は、コマンド入力に応答してアームの動きを加減する安全機能を含んでいてもよい。したがって、要約すると、外科医は、コマンドインターフェース１３でロボットアーム１を制御して、所望の外科手術を実行するように動かすことができる。制御ユニット１０および／またはコマンドインターフェース１３は、アーム１から離れていてもよい。

【0054】

図２は、ロボットのリスト５をより詳細に示している。リスト５は、４つの回転ジョイント３００，３０１，３０２，３０３を備えている。かかるジョイントは、各ジョイントから次のジョイントに延びるアームの剛性部位を含んで、直列に配置されている。リストの最も近位側のジョイント３００は、アーム部位４ｂをアーム部位３１０に結合している。ジョイント３００は、リストの関節のすぐ近位にあるアームの肢部４ｂにほぼ沿って指向されている、“ロール”回転軸３０４を有している。リストの次の最も近位側のジョイント３０１は、アーム部位３１０をアーム部位３１１に結合している。ジョイント３０１は、ジョイント３００とジョイント３０１の全ての構成において軸３０４に垂直な“ピッチ”回転軸３０５を有している。リストの次の最も近位側のジョイント３０２は、アーム部位３１０をアーム部位３１１に結合している。ジョイント３０２は、ジョイント３０１，３０２の全ての構成において軸３０５に垂直な“ヨー”回転軸３０６を有している。リストのいくつかの構成では、軸３０６は、軸３０４に対しても垂直である。リストの次の最も近位側のジョイント３０３は、アーム部位３１１をアーム部位４ｃに結合している。ジョイント３０３は、ジョイント３０２，３０３の全ての構成において軸３０６に垂直な“ロール”回転軸３０７を有している。リストのいくつかの構成では、軸３０７は、軸３０５に対しても垂直であると共に、軸３０４と平行である（好ましくは同一直線上にあることが望ましい）。このことが特にコンパクトな構成を提供するために、軸３０５，３０６が互いに交差していることが望ましい。ジョイント３００，３０３は、リストのいくつかの構成において、軸３０４，３０７が軸３０５，３０６の交点を通過できるように配置されていてもよい。

【0055】

このリストのデザインは、比較的コンパクトな形状で組み立てられることが可能であり、かつ、個々のジョイントに過度に高い速度を要求することができる運動範囲の特定の部分に特異点を有していないこと以外には、アーム部位４ｃの先端のアタッチメントポイント８に取り付けられたツールから広範囲の移動を可能にするという点で有利である。

【0056】

図３および図４は、図１のアーム１のリスト５の一部を実現するのに適した機構の一例を示している。図３および図４は、図２に３０１，３０２で示すジョイントに対応する機構に的を絞っている（図５〜１０のように）。

【0057】

リスト５の領域において、剛性アーム部位３１０，３１１は、中空の外側のシェルまたはケース３１０’，３１０”，３１１’を有している。かかるシェルは、アームの外面の大部分を画定していると共に、各シェルの外壁に部分的または完全に包囲され、その内部にモータやセンサやケーブルやアームの他のコンポーネントが収容される空隙を含んでいる。シェルは、金属、例えばアルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば樹脂強化炭素繊維のような繊維強化樹脂複合体、から形成されていてもよい。シェルは、各ジョイント間に取り付けられるアーム部位の剛性構造の一部を構成している。シェルは、図７の実施形態に関して後述するような構造骨組を含んでいてもよい。

【0058】

図３および図４に、明確化のために、アーム部位３１０のシェルが、２つの部位３１０’と３１０”で示されており、両者はアウトラインで描画されていると共に互いに分解されている。アーム部位４ｂ、４ｃのシェルは、ジョイント３００，３０３に関連する機構と同様に、省略されている。アーム部位３１１のシェルは、部分的すなわち平部位３１１’から延び出す大部分、が示されている。

【0059】

アーム部位３１０（シェル部位３１０’と３１０”で構成されている）のシェルと、アーム部位３１１（平部位３１１’から延び出している）のシェルが、２０と２１で示されている２つの回転軸周りに互いに移動可能である。これらは、図２の軸３０５，３０６に対応している。軸２０，２１は直交している。軸２０，２１は交差している。中央カプラ２８は、ベアリング２９，３０によってアーム部位３１０に取り付けられている。かかるカプラは、ベアリング２９，３０間に延び出している。ベアリング２９，３０は、軸２０周りのカプラとアーム部位の相対的な回転を可能にすることを除いては、カプラをアーム部位３１０に固定的に保持しており、したがって、図２のジョイント３０１に対応する回転ジョイントを規定している。さらにベアリング３１は、遠位側のシェルコネクタ平部位３１１’をカプラ２８に取り付けている。ベアリング３１は、軸２１周りの平部位とカプラの相対運動を許容することを除いて、遠位側シェルコネクタ平部位３１１’をカプラ２８に固定的に保持しており、したがって、図２のジョイント３０２に対応する回転ジョイントを規定している。

【0060】

２つの電動モータ２４，２５（図４参照）がアーム部位３１０に装着されている。かかるモータは、リスト機構の途中に延びる各駆動シャフト２６，２７を駆動している。シャフト２６は、軸２０周りの回転を駆動する。シャフト２７は、軸２１周りの回転を駆動する。駆動シャフト２６は、ウォームギア３２の遠位端で終わっている。ウォームギア３２は、カプラ２８に固定されているべベルギア３３に係合している。駆動シャフト２７は、ウォームギア３４の遠位端で終わっている。ウォームギア３４は、さらにウォームギア３６で終端する一般に３５で示されるギア列に係合している。ウォーム形ピニオンギア３６は、遠位側シェルコネクタ３１１’に固定されているハイポイドべベルギア３７と係合している。

【0061】

ギア３３は、セクターギアとして形成されている。すなわち、動作円弧（その歯の円弧によって図３および図４の例で定義されている）が３６０°未満である。

【0062】

ギア列３５は、カプラ２８によって支持されている。ギア列３５は、ウォームギア３４に係合する入力ギア３８を備えている。入力ギア３８は、カプラ２８に対するその回転軸が軸２０と一致するように配置されている。このことは、軸２０周りのアーム部位３１０に対するカプラ２８の構成にかかわらず、入力ギアがウォームギア３４と係合し続けることができることを意味している。軸２０と平行な軸を有する一連のさらなるギアは、キャリア２８に対する回転軸と平行であるが軸２０からオフセットしているシャフト４０上において入力ギア３８から出力ギア３９に駆動を伝達する。シャフト４０はウォームギア３６で終わっている。シャフト４０は軸２０に平行に延びている。ギア列３５のギアは、シャフト４０と共に、カプラ２８によって支持されている。

【0063】

次に、リスト機構の動作について説明する。軸２０周りの動きに対しては、モータ２４がシャフト２６を駆動して、アーム部位３１０に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア３３が駆動され、したがって、カプラ２８および遠位側シェル平部位３１１’は、アーム部位３１０に対して軸２０周りに回転する。軸２１周りの動きに対しては、モータ２５がシャフト２７を駆動して、アーム部位３１０に対して回転するように操作される。これにより、べベルギア３７が駆動され、したがって、遠位側シェルコネクタ平部位３１１’は、アーム部位３１０に対して軸２１周りに回転する。駆動シャフト２６が回転されると、カプラ２８を回転駆動して、駆動シャフト２７が静止している間、軸２１周りに遠位側シェルコネクタ平部位３１１’の寄生運動を生じさせるように、ギア３８もカプラ２８に対して回転する、ことが確認されるであろう。これを防止するために、アームの制御システム１０は、必要に応じて、駆動シャフト２６の動きに連動して駆動シャフト２７の補償動作を行い、軸２０周りの動きから軸２１周りの動きを分離するように構成されている、例えば、シェル３１０，３１１を軸２０周りだけで相対運動させる必要がある場合には、モータ２４を作動させてその運動を生じさせる一方、同時にモータ２５は、入力ギア３８がキャリア２８に対して回転するのを防止するように操作される。

【0064】

図３および図４に示される機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
１．べベルギア３３は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア３３は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア３７の少なくとも一部が、ギア３３の軸の周りでギア３３の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア３３と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸２０周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。
２．部品ギア３３が、軸２１を中心とした回転とは反対に、キャリア２８が最近接アーム部位３１０に対して回動する際の軸２０を中心として回転する方が都合がよい、それは、前述の円と交差するシャフト４０を収容するように部品ギアを切断することもできるからである。これにより、ギア列３５に対してべベルギア３３の反対側にウォームギア３６を位置させることで省スペース化を図ることができる。しかしながら、他の設計では、部品ギアは軸２１周りに回転することができることから、ギア３７は部分円形の形状とすることができる。
３．ウォームギア３２，３４がべベルギア３７に対して軸２０の反対側に位置している方が都合がよい。すなわち、片側にウォームギア３２，３４が配置され、反対側にべベルギア３７が配置された、軸２０を含む平面があるのである。このことは、コンパクトなパッケージング配置を提供する手助けとなる。
４．ウォームギア３４がウォームギア３６から離れてべベルギア３３の反対側に位置し、および／またはギア列３５がウォームギア３６から離れてべベルギア３３の反対側のみに配置されている方が都合がよい。このことはまた、コンパクトなパッケージング配置を提供する手助けとなる。
５．好都合なことに、ギア３３および／またはギア３７は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア３２，３４または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
６．好都合なことに、べベルギア３３は、ウォームギア３２，３４間に介在するように配置されている。このことは、モータ２４，２５のコンパクトなパッケージングの手助けとなる。
７．好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、ハイポイドや斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。

【0065】

図５および図６は、図２に示すタイプのリスト内のジョイント３０１，３０２を提供するのに適したリスト機構の第２の形態を示している。

【0066】

図５に示すように、リストは、図２のアーム部位３１０，３１１のそれぞれの外面を規定する一対の剛性の外側のシェル３１０’、３１１’を備えている。３１０’は、シェルの中でより近位にある。シェル３１０’、３１１’によって形成されたアーム部位は、図２の軸３０５，３０６にそれぞれ対応する、軸６２、６３を中心として互いに相対的に回動できる。軸６２，６３は直交している。軸６２，６３は交差している。シェル３１０’、３１１’は、リストの領域におけるアームの外側を規定しており、以下に詳細に説明するように、回転機構を収容するためや、ケーブル等を通すためのスペース確保のために中空とされている。シェルは、金属、例えば、アルミニウム合金や鋼、または複合体、例えば、樹脂強化炭素繊維のような繊維強化樹脂複合体から製造することができる。シェルは、各ジョイントの間に取り付けられるアーム部位の主要な剛体構造を構成している。

【0067】

図６は、明確化のためにシェル３１１’が取り外された状態で、遠位側および片側から見た同じ機構を示している。

【0068】

シェル３１０’は、十字型カプラ６４によってシェル３１１’に連結されている。カプラは、ほぼアームの長さ方向に延びて、その中心を通るダクトを画定する中央チューブ６５を有している。第１アーム６６，６７および第２アーム６８，６９は、チューブから延び出している。各シェル３１０’、３１１’は、単一の軸を中心として回転するだけでカプラに対する移動に限定されるように、回転ジョイントによってカプラ６４に取り付けられている。第１アーム６６，６７は、軸６２を中心とする第１アームとシェル３１０’間の回転を許容する、ベアリング７０，７１によってシェル３１０’に取り付けられている。第２アーム６８，６９は、軸６３を中心とする第２アームとシェル３１１’間の回転を許容する、ベアリング７２，７３によってシェル３１１’に取り付けられている。第１べベルギア７４は、第１アーム６６，６７と同心である。第１べベルギア７４は、カプラ６４に固定されており、２つのシェルの近位側の一方３１０’に対して回転自在とされている。第２べベルギア７５は、第２アーム６８，６９と同心である。第２べベルギアは、２つのシェルの遠位側の一方３１１’に固定されており、カプラ６４に対して回転自在とされている。

【0069】

２つのシャフト７６，７７は、複合ジョイントの動きを操作している。かかるシャフトは、シェル３１０’の近位側の一方からジョイントの中央領域に延びている。各シャフトは、その近位端において、それぞれの電気モータ（図示せず）のシャフトに取り付けられており、かかるモータのハウジングは、近位側シェル３１０’内に固定されている。このようにして、シャフト７６，７７は、モータによって駆動されて、近位側シェル３１０’に対して回転可能となっている。

【0070】

シャフト７６およびそれに関連するモータは、軸６２を中心とする動きを操作する。シャフト７６は、べベルギア７４と係合するウォームギア７８の遠位端で終端する。シャフト７６の回転は、軸６２を中心として、シェル３１０’に対してべベルギア７４を回転させる。べベルギア７４は、遠位側シェル３１１’を順番に有しているカプラ６４に固定されている。したがって、シャフト７６の回転により、軸６２を中心としてシェル３１０’，３１１’が相対的に回転する。

【0071】

シャフト７７およびそれに関連するモータは、軸６３を中心とする動きを操作する。これを行うために、カプラ６４によって携帯されるウォームギア７９を用いて最終的にべベルギア７５を駆動しなければならない。かかるウォームギア７９の回転により、カプラと遠位側シェル３１１’との相対的な回転を生じさせることができる。これを達成するために、駆動は、カプラ６４によって支持された一対のギア８０，８１を介してシャフト７７からウォームギア７９を軸支するシャフトに伝達されている。シャフト７７は、近位側からキャリア６４に接近している。ギア８０，８１は、カプラの遠位側に配置されている。シャフト７７は、カプラの中心においてチューブ６５によって画成されたダクトを通過する。第１シェル３１０’に対するカプラ６４の動きに適応するために、シャフト７７は、その長さに沿ってユニバーサルまたはフックジョイント８２を有する。ユニバーサルジョイント８２は、軸６２上に位置している。フックジョイントの代わりに、シャフトは、別の形態の可撓性結合、例えば、弾性結合（シャフトと一体であってもよい）または等速ジョイントの形態、を有していてもよい。

【0072】

この機構は、機構の構成要素がシェルの動きを過度に制限することなく、軸６２および軸６３の周りで回転するための特にコンパクトかつ軽量かつ剛性の駆動装置の提供を可能にしていることが判明した。これにより、両モータを近位側シェル内に収容することが可能となり、遠位側の重量を低減できる。

【0073】

図５および図６に示されている機構の様々な態様は、機構を特にコンパクトにする手助けをするのに有利である。
１．べベルギア７４は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア７４は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア７５の少なくとも一部が、ギア７４の軸の周りでギア７４の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア７４と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸６２周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。図６に示すように、べベルギア７４は、その歯に含まれない領域では半径が小さくなっている。他の実施形態の部分円形べベルギアも同様にして形成されてもよい。
２．好都合なことに、ギア７４および／またはギア７５は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア７６，７９または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
３．好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。

【0074】

図７〜１０は、リスト機構の別の形態を示す。これらの図において、アーム部位３１０，３１１のシェルは省略され、アーム部位内の構造が露出されている。近位側アーム部位３１０は、構造骨組１００を有し、この構造骨組１００は、いくつかの図面において概略的に示されている。遠位側アーム部位３１１は、構造骨組１０１を有している。アーム部位３１０，３１１は、図２の軸３０５，３０６にそれぞれ対応する、軸１０２，１０３を中心として互いに相対回転可能である。キャリア１０４は、アーム部位３１０，３１１を共に連結している。キャリア１０４は、ベアリング１０５，１９０によってアーム部位３１０に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位３１０とキャリア１０４の間の軸１０２周りの回転ジョイントを規定している。キャリア１０４は、ベアリング１０６によってアーム部位３１１に取り付けられている。これらのベアリングは、アーム部位３１１とキャリア１０４の間の軸１０３周りの回転ジョイントを規定している。軸１０２を中心とする第１べベルギア１０７は、キャリア１０４に固定されている。軸１０３の周りの第２べベルギア１０８は、アーム部位３１１に固定されている。

【0075】

この中で説明した他の機構と同様に、キャリア１０４は、肢３１０，３１１の内側に配置されている。

【0076】

２つのモータ１０９，１１０が、アーム部位３１０の骨組１００に固定されている。モータ１０９はシャフト１１１を駆動する。シャフト１１１は剛体であり、べベルギア１０７と係合するウォームギア１１８で終端している。モータ１０９が操作されると、シャフト１１１は、近位側アーム部位３１０に対して回転して、べベルギア１０７、それゆえカプラ１０４とアーム部位３１１を駆動して、軸１０２を中心にアーム部位３１０に対して回転する。モータ１１０は、シャフト１１２を駆動する。シャフト１１２は、べベルギア１０８に係合する遠位端部近傍にウォームギア１１３を有している。カプラ１０４が軸１０２周りに移動する際にモータ１１０に対するべベルギア１０８の運動を収容するために、シャフト１１２は、一対のユニバーサルジョイント１１４，１１５と、シャフト１１２の軸方向の伸縮を収容するスプライン結合されたカプラ１１６を備えている。シャフト１１２の最終部位は、ベアリング１１７によってカプラ１０４に取り付けられている。

【0077】

べベルギア１０７は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア１０７は、２７０°未満であってもよいし、１８０°未満であってもよいし、あるいは９０°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア１０８の少なくとも一部が、ギア１０７の軸の周りでギア１０７の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア１０７と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ／ヨージョイントを備えた、図２に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ／ヨージョイント間に冗長度があるので、軸１０２周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。

【0078】

好都合なことに、ギア１０７および／またはギア１０８は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、シャフト１１１，１１２に取り付けられたウォームギアまたは外面に歯が付けられたギアによってそれらの外面に係合された外歯ギアであってもよい。

【0079】

好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド（登録商標）形状、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。

【0080】

上述したメカニズムに対しては、様々な変更を行うことができる。以下のものは、例示であって、限定するものではない。
−軸３０５，３０６に対応する軸は交差する必要もないし、直交する必要もない。
−べベルギアまたはそれらの外歯ギアの同等のものは、ウォームギアによって駆動される必要はない。それらは、他のギアによって駆動され得る。
−いずれか一方または両方のべベルギアは、部品ギアであってもよい。
−上記実施形態では、機構は、ロボットアーム用のリストの一部を構成している。かかる機構は、他の用途、例えばロボットアームの他の部分や、ロボットツールや、カメラ用の制御ヘッドのような非ロボット用途、に用いられてもよい。

【0081】

図１を参照して説明したように、各ジョイントには、そのジョイントの軸にかかるトルクを感知するトルクセンサが備えられている。トルクセンサからのデータは、アームの操作を制御するのに使用するために制御ユニット１０に提供される。

【0082】

図９および図１０は、トルクセンサの１つとその取り付け配置を断面で示している。トルクセンサ１５０は、キャリア１０４から遠位側アームフレーム１０１まで延びる軸１０３にかかるトルクを測定する。上述したように、べベルギア１０８は、フレーム１０１に固定されており、キャリア１０４に対して軸１０３周りに回転可能とされている。べベルギア１０８は、径方向に延びるギア部１５１と軸方向に延びるネック部１５３を備えており、ギア部１５１からはそのギア歯１５２が軸方向に延び出している。ネック１５３と、径方向に延びるギア部１５１と、ギア歯１５２は互いに一体化されている。ネック１５３の内壁および外壁は、円筒形状である。一対のローラまたはボールベアリング類１０６，１５４は、ネックの外壁周りにぴったりとフィットしている。ベアリングは、キャリア１０４のカップ内に位置し、軸１０３を中心にキャリアに対してべベルギア１０８の回転を許容しながら、キャリアに対して適切な位置にネック１５３を保持している。

【0083】

トルクセンサ１５０は、径方向に延びるトップフランジ１５５と、トップフランジ１５５から軸方向に延びるねじれチューブ１５６と、ねじれチューブ１５６のトップフランジ１５５とは反対側の端部に雌ねじが形成されたベース１５７と、を備えている。トップフランジ１５５は、べベルギア１０８のギア部１５１に接している。トップフランジはボルト１５８によってギア部に固定的に保持されている。ねじれチューブ１５６は、べベルギア１０８のネック１５３の内側に延び出している。ねじれチューブの外壁は、円筒形状である。ベース１５７の外側は、軸１０３に対してかかる２つを固定的に保持するように、フレーム１０１内の対応する構造と確実に係合するスプライン構造で構成されている。ボルト１５９は、フレーム１０１を貫通してベース１５７に延び、それらを一緒にクランプする。したがって、それは、べベルギア１０８をアームフレーム１０１に取り付けるトルクセンサ１５０であり、軸１０３にかかるトルクがトルクセンサを介して印加されている。ねじれチューブは、中空内部と、そのねじれチューブ１５０に比べて薄肉の壁と、を有している。トルクセンサを介してトルクが印加されると、ねじれチューブのわずかなねじれ歪みが生じる。ねじれチューブのゆがみは、ねじれチューブの内壁に固定された歪みゲージ１６０によって測定される。歪みゲージは、軸１０３に対するトルクを表す、ねじれを示す電気出力を形成する。歪みゲージは、例えば光出力を提供する光干渉歪み計のような、別の形態であってもよい。

【0084】

トルクセンサから最も正確な出力を得るためには、ねじれチューブ１５６を迂回するようなべベルギア１０８からフレーム１０１へのトルク伝達は回避すべきである。そのため、べベルギア１０８のネック１５３とトルクセンサのベース１５７間の摩擦を低減することが好ましい。１つの可能性は、べベルギアのネックと、トルクセンサのベースおよびねじれチューブの両方との間に隙間を設けることである。しかしながら、このことは、軸１０３を横断する方向にねじれチューブに剪断力を加えることを可能にし、歪みゲージ１６０をねじれ力以外にさらすことによりトルクセンサの精度を低下させる。もう１つの選択肢は、ベベルギア１０８のネックの内部とトルクセンサのベース１５７の外部の間にベアリング類を導入することである。しかし、このことは、機構によって占有される体積を実質的に増加させる。代わりに、図８に示された構成は、良好な結果を与えることが示されている。ブッシング１６１は、ねじれチューブ１５６の周りの、べベルギア１０８のネック１５３内に設けられている。ブッシングは、ネック１５３の内壁とねじれチューブ１５６の外壁に切れ目なく接触するような大きさとされており、また円筒形状とされている。ブッシングの内面全体が、ねじれチューブ１５６の外側と接触している。ブッシングの外面全体が、ネック１５３の内面と接触している。ブッシングは、ネックとねじれチューブ間に比較的小さな摩擦を加えるように構成されており、例えば、ブッシングは低摩擦または自己潤滑材料で形成または被覆されていてもよい。ブッシングは、軸１０３を横断するせん断力の下でトルクセンサの変形を防止できるように、実質的に非圧縮性の材料で形成されている。例えば、ブッシングは、ナイロンやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリエチレン（ＰＥ）やアセタール（例えばデルリン（登録商標））などのプラスチック材料で形成されていてもよいし、被覆されていてもよいし、あるいはグラファイトや滑剤を含浸させた金属で形成されてもよい。

【0085】

機構の組み立てを容易にすると共に、ブッシング１６１を所定の位置に保持するために、べベルギア１０８のネック１５３の内壁は、径方向に延びるギア部１５１から離隔する端部近傍で、１６２で内側に階段状に段付されている。ブッシング１６１がネック１５３とねじれチューブ１５６間に配置され、トルクセンサのヘッド１５５がギア部１５１にボルト止めされている時には、ブッシングは、（ねじれチューブとネック間の）半径方向および、（トルクセンサのヘッド１５５とべベルギアのネック１５３の内面のステップ１６２間の）軸方向、の両方につながれた状態で保持されている。ステップ１６２を超えた領域１６３におけるネック１５３の内径は、その領域におけるネックの内面がトルクセンサ１５０から離間しており、かかる２つの間の摩擦トルク伝達を防止するように構成されていることが好ましい。

【0086】

図７〜図１０に示す実施形態の他の軸１０２に対するトルクセンサや、他の図に示す実施形態のトルクセンサ、にも同様の構成を使用することができる。

【0087】

ホール効果センサは、ジョイントの回転位置を感知するために使用されている。各位置センサは、回転軸の１つの周りに配置された生地のリングを備えている。リングは、規則的に間隔を置いて交互に配置された一連の南北磁極を有している。リングに隣接した位置に、磁場を検出して、相対的な位置を示すマルチビット出力を提供するためにセンサアレイに対するリング上の磁極の位置を測定することができる、複数のホール効果デバイスを備えたセンサアレイを有するセンサチップがある。磁極のリングは、３６０°の範囲内で各ジョイントの各位置が、一対の磁気センサからの固有のセットの出力に関連付けられるように配置されている。これは、各リング上に異なる数の極を設けて、リングが互いに素である数の極を作ることによって達成されていてもよい。この一般原理を用いたホール効果位置センサが、ロボット工学および他の用途に使用されていることが知られている。

【0088】

より具体的には、各ジョイントには、交互に磁化された一対のリングと、関連するセンサとが関連付けられている。各リングは、それぞれのジョイントの軸の周りに同心に配置されている。リングが、ジョイントの一方の側のエレメントに固定されている一方、センサは、ジョイントの他方の側のエレメントに固定されており、その結果、各ジョイントの周りにロボットアームが回転した際には、各リングとそのそれぞれのセンサとの相対的な回転運動が生じる。各個別のセンサは、一対の磁極の間で、関連するリングがセンサに対して配置されている位置を測定する。リング上の一対の磁極における個々のセンサのどちらがセンサの上にあるかは、個々のセンサの出力から決定することはできない。したがって、個々のセンサは、相対的なやり方でのみ使用することができ、ジョイントの絶対位置を知るために電源投入時に較正を必要とする。しかしながら、各リング内の磁極の対の数が共通因子を持たないように設計された一対のリングを用いることにより、両センサからの一対の磁極間の測定を組み合わせることができ、較正を行うことなく、ジョイントの絶対位置を演算することができる。

【0089】

磁気リングおよびセンサは、図７〜図１０に示されている。軸１０２周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング２００，２０１とセンサ２０２，２０３を用いて、位置が検知される。軸１０３周りの回転を提供するジョイントに対して、磁気リング２１０，２１１とセンサ２１２と図示しないさらなるセンサを用いて、位置が検知される。磁気リング２００は、キャリア１０４に固定され、キャリアの一方の側に取り付けられている。磁気リング２０１は、キャリア１０４に固定され、磁気リング２００に対してキャリア１０４の他方の側に取り付けられている。磁気リング２００，２０１は平らであって、軸１０２に垂直に配置されていると共に、軸１０２を中心にしている。センサ２０２，２０３は、アーム部位３１０のフレーム１００に固定されている。センサ２０２は、リング２００の側面に隣接するように取り付けられている。センサ２０３は、リング２０１の側面に隣接するように取り付けられている。ケーブル２０４，２０５は、センサ２０２，２０３からの信号を搬送する。磁気リング２１０は、キャリア１０４に固定され、キャリアのフランジ２２０の一方の側に取り付けられている。磁気リング２１１は、キャリア１０４に固定され、磁気リング２００に対してキャリアのフランジ２２０の他方の側に取り付けられている。磁気リング２１０，２１１は平らであって、軸１０３に垂直に配置されていると共に、軸１０３を中心にしている。軸１０３周りの回転用の、センサ２１２と別のセンサが、アーム部位３１１のフレーム１０１に固定されている。センサ２１２は、リング２１０の側面に隣接するように取り付けられている。別のセンサは、リング２１１の側面に隣接するように取り付けられている。

【0090】

それゆえ、図７〜１０の配置では、各軸１０２，１０３周りの回転は、それぞれ対応するセンサを備えた２つの多重極磁気リングによって検知されている。各センサは、センサに対する各リング上の最も近い極の相対位置を表すマルチビット信号を生成する。２つのリング上の極数が互いに素となるように配置することにより、センサの出力は、３６０°の範囲内のジョイントの構成を示す組合せである。これにより、ジョイントの回転位置をその範囲内で検出することができる。さらに、図７〜１０に示す配置では、各ジョイントに関連する２つのリング（すなわち、一方ではリング２００，２０１、他方ではリング２１０，２１１）が、それぞれのジョイントの軸に沿って互いに実質的にオフセットするように配置されている。リング２００は、キャリア１０４の本体の一方の側のベアリング１９０近傍に配置されている一方、リング２０１は、キャリア１０４の反対側のベアリング１０５近傍に配置されている。リング２１０は、フランジ２２０の一方の側に配置されている一方、リング２１１は、フランジ２２０の他方の側に配置されている。各リングは、リングが配置される軸に垂直な平面において平坦である生地のシートで形成されている。各対の磁気リング（すなわち、一方ではリング２００，２０１、他方ではリング２１０，２１１）は、一対のリングの厚さの５倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されており、より好ましくは一対のリングの厚さの１０倍あるいは２０倍より大きい距離だけそれぞれの軸に沿った方向に互いに間隔を置いて配置されていることが望ましい。都合が良いことに、一対のリングは、リング２００，２０１と同様に、それぞれのジョイントの両側にあってもよい。都合が良いことに、一対の両リングが取り付けられたキャリア１０４は、それぞれの回転軸を含む平面で見たときにリング間にある径方向配置に位置するように、径方向外側に延び出している。したがって、例えば、フランジ２２０は、リング２１０とリング２１１との間の径方向に位置している。都合が良いことに、それぞれのジョイントは２つのベアリングによって支持または規定されていてもよく、ベアリングは、各軸に沿ったジョイントの両側であって、ジョイント上の末端位置に配置されている。ジョイントの各リングは、軸に垂直な平面内で、対応するベアリングと重なっていてもよい。都合が良いことに、リング用のセンサは、ジョイントによって関節接続されたアーム部位上に取り付けられていてもよい。センサは、アーム部位の両側に取り付けられていてもよい。

【0091】

リングを離間させることにより、関連するセンサが取り付けられるジョイントおよび／またはアーム部位のパッケージングを大幅に改善することができる。リングを離間させることにより、リングを便利な位置に配置する機会をより多くすることができると共に、センサを離間させることができること自体が、パッケージングの利点を提供できる。ジョイントは、荷重下のジョイントのねじれが測定に悪影響を及ぼさないように、リング上の磁極の数と比して十分に硬いことが好ましい。例えば、ジョイントは、たとえジョイントのエレメントが間隔を置いて配置されていたとしてもその最大定格運転負荷の下でセンサにおける磁気遷移の変化を生じ得るほどねじれないように十分に堅固であることが好ましい。これにより、全ての負荷状態において、動きに加えて、方向を検出することが可能となる。

【0092】

アーム部位３１１は、アーム部位３１０の遠位側である。アーム部位３１０は、図７〜１０に示す軸１０２，１０３周りのジョイントの近位側である。
図１に関連して説明したように、トルクセンサと位置センサからのデータは、制御ユニット１０にフィードバックされる。かかるデータは、アーム自体を通る有線接続によって渡されていることが望ましい。

【0093】

各アーム部位は、回路基板を備えている。図７〜１０は、アーム部位３１１によって搬送される回路基板２５０を示している。各回路基板は、データのエンコーダ／デコーダ（例えば、集積回路２５１）を含んでいる。エンコーダ／デコーダは、それぞれのアーム部位に局所的に使われているフォーマットと、アームに沿ったデータ伝送に使われているフォーマット間で信号を変換する。例えば、（ａ）アーム部位に対して局所的に、位置センサは、磁極遷移によって通過するときに位置読み取り値を返してもよく、トルクセンサは、現在感知されているトルクを示すアナログまたはデジタル信号を返してもよく、駆動モータは、パルス幅変調された駆動信号を要求していてもよい。一方、（ｂ）アームに沿ったデータ伝送のために、イーサネット（登録商標）のようなパケットデータプロトコルである一般的なデータ伝送プロトコルが用いられてもよい。したがって、エンコーダ／デコーダは、アームに沿って搬送されたデータパケットを制御ユニット１０から受け取ってそれらのデータを解釈して任意のローカルモータのための制御信号を形成すると共に、ローカルに検知されたデータを受け取ってそれをパケット化された形式に変換して制御ユニットに送ることができる。アームに沿って設けられた回路基板は、多数の近位側の回路基板を介して比較的遠位側の回路基板からの通信を可能にするように、通信ケーブルによって互いに連結されていてもよい。

【0094】

一般に、アームの１つのコンポーネントからアームのより遠位側のコンポーネントにデータを送らないことが望ましい。そうしてしまうと、アーム内で不必要に遠位側を走るケーブルが含まれて、遠位側に分配された重量が増加してしまう。そして、回路基板は互いに連結されているので、一旦データが比較的遠位側の回路基板に送信されると、次の最も近位側の回路基板が、それを転送するためにどんな方法でもデータを処理する。

【0095】

軸１０２，１０３周りの複合ジョイントは、回転位置センサ２０２，２０３（軸１０２を中心とする回転用）と、回転位置センサ２１２（軸１０３を中心とする回転用）を有している。センサ２０２，２０３は、センサによって動きが測定されるジョイントの近位側にある、アーム部位３１０のフレーム１００に取り付けられている。位置センサ２０２，２０３からのデータは、センサの近位側にあるアーム部位３１０に沿って延びるケーブル２０４，２０５に沿って送られている。センサ２０２は、アーム部位３１１のフレーム１０１に取り付けられている。位置センサ２０２からのデータは、ケーブルに沿って同じアーム部位上の回路基板２５０に送られている。いずれの場合にも、データが収集された場所よりも遠位側のアームのエレメントにはデータは渡されない。

【0096】

軸１０２，１０３周りの複合ジョイントは、トルクセンサ１５０（軸１０３を中心とする回転用）と、トルクセンサ１９１（軸１０２を中心とする回転用）を有している。トルクセンサ１５０，１９１によって検知されたデータは、可撓性ケーブルによって回路基板２５０にそのままの形で搬送される。回路ボード２５０において、エンコーダ／デコーダ２５１は、検知されたデータを、例えばイーサネット（登録商標）パケットに符号化して、制御ユニット１０に伝達する。したがって、符号化のためにより近位側のアーム部位３１０の回路基板に送られるよりむしろ、トルクセンサからのデータは、符号化のためにより遠位側のアーム部位の回路基板に渡されて、その後その回路基板からアームに沿った遠位方向に向かってケーブルを介して渡される。

【0097】

このような配置は、図１１に示されている。アーム部位３１０は、位置センサ２０２からデータを受け取り、コマンドデータをモータ１０９，１１０に提供する回路基板１９５を備えている。アーム部位３１１は、位置センサ２１２とトルクセンサ１５０，１９１からのデータを受け取る回路基板２５０を備えている。回路基板２５０は、検出されたデータを符号化してデータバス１９６を介して回路基板１９５に渡し、回路基板１９５はそれをリンク１９７を介して制御ユニット１０の方へ転送する。位置センサ２０２は、回路基板１９５に対してケーブルによって直接接続されている。位置センサ２１２およびトルクセンサ１５０，１９１は、回路基板１９５に対してケーブルによって直接接続されている。

【0098】

図２に示されているように、アーム部位４ｃは、アーム部位３１１によって支持され、軸３０７周りにアーム部位４ｃに対して回動可能とされている。図１２は、アーム部位４ｃを含むモジュールを貫通する断面を示している。かかるモジュールは、ベース４００と、ベースに固定された側壁４４０を有している。ベース４００は、アーム部位３１１の先端の端面４０１に取り付けられている（図７参照）。アーム部位４ｃは、一般に４０３で示されている。アーム部位４ｃは、図２の軸３０７に対応する軸４０２を中心としてベース４００に対して回転可能である。そのため、アーム部位４ｃは、軸４０２を中心に側壁４４０とアーム部位４ｃの間に回転ジョイントを規定するベアリング４３０，４３１によって側壁４４０に取り付けられている。

【0099】

アーム部位４ｃは、その内部コンポーネントを収容するハウジング４０４を有している。これらのコンポーネントは、回路基板４０５とモータ４０６，４０７を含んでいる。モータ４０６，４０７は、ハウジング４０４に対して回転不能に固定されている。ハウジング４０４は、ベアリング４３０，４３１によってベース４００に対して自由に回転自在とされている。溝４０８は、回路基板２５０から回路基板４０５まで走る（図示しない）通信ケーブルを収容するために、モジュールの内部を走っている。かかる通信ケーブルは信号を搬送しており、かかる信号が回路基板４０５のエンコーダ／デコーダによって復号化されたときに、かかる信号によってモータ４０６，４０７の動作を制御するための制御信号が出される。

【0100】

モータ４０６は、アーム部位３１１に対するアーム部位４ｃの回転を駆動する。したがって、モータ４０６は、ベース４００に対するハウジング４０４の回転を駆動する。ベース４００は、中央のボス４１０を有している。図９および図１０に関連して説明したタイプのトルクセンサは一般に、ボス４１０に取り付けられている。かかるトルクセンサは、ベース４１１とねじれチューブ４１２と径方向に延びるヘッド４１３を備える一体部材を有している。トルクセンサのベース４１１は、ベース４００のボス４１０に固定されている。図９および図１０のトルクセンサと同様に、ブッシング４２１は、トルクセンサを剪断力から保護すると共に、周囲のコンポーネント、即ちベース４００とトルクセンサの間の摩擦を低減するために、トルクセンサのねじれチューブの周りに延び出している。

【0101】

内歯ギア４２０は、トルクセンサのヘッド４１３に固定されている。モータ４０６は、ピニオンギア４１５を有するシャフト４１４を駆動している。ピニオンギア４１５は、内歯ギア４２０に係合している。したがって、モータ４０６が操作されると、ピニオンギア４１５が回転駆動され、これによりモータ４０６がその一部を構成するアーム部位４ｃを軸４０２周りに回転する。結果として生じる軸４０２周りのトルクは、トルクセンサのねじれチューブ４１２を介してベース４００に伝達され、ねじれチューブに取り付けられた歪みゲージによってトルクが測定されることを可能にする。

【0102】

器具に取り付けるためのインターフェース８を図１２に示す。モータ４０７のシャフト４４０は、器具に駆動を提供するためのインターフェースにおいて露出されている。

【0103】

トルクセンサ４１１，４１２，４１３からのトルクデータは、符号化のためにアーム部位３１１の回路基板２５０に渡される。アーム部位４ｃの回転位置は、アーム部位４ｃに携帯されたセンサ４４５により検知可能であり、かかるセンサ４４５は、ハウジング４０４の内部に取り付けられたリング４４６，４４７上の磁極間の遷移を検出する。センサ４４５からのデータは、符号化のためにアーム部位４ｃの回路基板４０５に渡される。

【0104】

ジョイント１０２，１０３周りの回転を駆動するモータは、アーム部位３１０においてそれらのジョイントの近位側に取り付けられている。上述したように、これにより、アームの先端寄りの重量を回避して、重量分布を改善することができる。これに対し、アーム部位４ｃの回転を駆動するモータは、アーム部位３１１よりむしろアーム部位４ｃに取り付けられている。このことは、モータ４０６をより遠位に取り付ける必要があるため不利となる可能性があるが、これによりアーム部位３１１をとりわけコンパクトできることが判明した。モータ４０６は、器具に駆動を提供するモータ（例えば、４０７）と平行に、すなわち軸４０２に垂直な共通の平面を横切るように、アーム部位４ｃ内にパッケージされ得る。このことは、アーム部位４ｃ内へのモータ４０６の組み込みが、アーム部位４ｃを実質的に長くする必要がないことを意味している。

【0105】

歯付ギアの代わりに、ジョイントの駆動は、摩擦手段によって行ってもよい。

【0106】

出願人はこれによって、ここに記載の分離した各個別の特徴および２つ以上のそのような特徴の任意の組み合わせを開示しており、そのような特徴または特徴の組み合わせが当業者の共通の一般的な知識に照らして全体として本明細書に基づいて実施されることが可能な程度に開示されている。なお、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書に開示される任意の問題を解決するかどうかは関係がなく、またかかる具体的記載が特許請求の範囲を限定するものでもない。出願人は、本発明の態様は、このような個々の特徴または特徴の組み合わせから成ってもよいことを示している。以上の説明に鑑みて、種々の改変が本発明の範囲内でなされ得ることは当業者にとって明らかであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】