特許 6960900 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】6960900

(24)【登録日】2021年10月14日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】ロボットアーム

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/00 20060101AFI20211025BHJP

【ＦＩ】

   B25J19/00 J

【請求項の数】15

【全頁数】29

(21)【出願番号】特願2018-502801(P2018-502801)

(86)(22)【出願日】2016年7月22日

(65)【公表番号】特表2018-520015(P2018-520015A)

(43)【公表日】2018年7月26日

(86)【国際出願番号】GB2016052261

(87)【国際公開番号】WO2017013450

(87)【国際公開日】20170126

【審査請求日】2019年7月18日

(31)【優先権主張番号】1512964.6

(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】ロバーツ，ポール クリストファー

(72)【発明者】

【氏名】モットラム，エドワード ジョン

(72)【発明者】

【氏名】スコーラン，アンドリュー マリー

【審査官】 杉山 悟史

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−１９６１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８８５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０００９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０２５８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１７−５１２６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３４５７１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／０５１２４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 欧州特許出願公開第０２８６８４４６（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ １／００ − ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１肢と第２肢の間に、第１回転ジョイントと第２回転ジョイントからなる複合ジョイントを有し、前記第２肢が前記第１肢の遠位側にあるロボットアームであって、
第１回転軸を有する前記第１回転ジョイントによって前記ロボットアームの該第１肢に対して連結され、第２回転軸を有する前記第２回転ジョイントによって該ロボットアームの該第２肢に対して連結されているカプラエレメントと、
前記第１および第２回転ジョイントのそれぞれの周りで前記ロボットアームの構成を検知するための第１および第２回転位置センサと、
前記第１および第２回転ジョイントのそれぞれの周りにかかるトルクを検知するための第１および第２トルクセンサと、
前記ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、
前記第１肢によって支持されて前記カプラエレメントの近位側に配置される第１通信ユニットと、該第２肢によって支持されて該カプラエレメントの遠位側に配置される第２通信ユニットであり、各前記第１および第２通信ユニットがひとつ以上の前記第１および第２回転位置センサおよび第１および第２トルクセンサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第２通信ユニットと、を含み、
前記第１回転位置センサが前記第１通信ユニットに対して、前記第１肢の外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第１回転ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第１通信ユニットに送られる一方、該第１トルクセンサが前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、該第１回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られる
ロボットアーム。

【請求項2】

前記第２回転位置センサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第２回転ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られる請求項１に記載のロボットアーム。

【請求項3】

前記第２回転位置センサが、前記第１通信ユニットに対して、前記第１肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第２回転ジョイント周りで検知された位置データを表すデータがエンコード用に該第１通信ユニットに送られる請求項１に記載のロボットアーム。

【請求項4】

前記第２トルクセンサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第２回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られる請求項１〜３に記載のロボットアーム。

【請求項5】

前記第２トルクセンサが、前記第１通信ユニットに対して、前記第１肢の前記外壁部内を走るデータケーブルによって連結されており、前記第２回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第１通信ユニットに送られる請求項１〜４に記載のロボットアーム。

【請求項6】

前記第１通信ユニットに対する、前記第１肢の前記外壁部内を走るデータケーブルおよび／または前記第２通信ユニットに対する、前記第２肢の前記外壁部内を走るデータケーブルが電気ケーブルである請求項１〜５の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項7】

各前記第１および第２通信ユニットが、ひとつ以上の前記第１および第２回転位置センサおよび第１および第２トルクセンサから受け取った前記データを前記第１データ形式でバッファーに保留して、次に該データパケットを前記制御ユニットに転送することができる請求項１〜６の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項8】

前記第２通信ユニットが、前記制御ユニットに対して、前記第１通信ユニットを通って連結されている請求項１〜７の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項9】

前記第１肢が前記第１および第２回転ジョイント周りの動きを駆動するためのモータを有し、該モータがデータケーブルによって、前記第１通信ユニットからコマンドシグナルを受け取るために、該第１通信ユニットに対して連結される請求項１〜８の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項10】

前記第１および第２回転軸が互いに直交する請求項１〜９の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項11】

前記第１および回転第２軸が互いに交差している請求項１〜１０の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項12】

前記第１および第２回転ジョイントが、前記ロボットのリストの一部である請求項１〜１１の何れか１項に記載のロボットアーム。

【請求項13】

第１肢と、前記第１肢の遠位側にあり、回転軸周りで該第１肢と第２肢を互いに関節式に連結するための単体の回転ジョイントによって前記第１肢に対して連結されている前記第２肢とを含むロボットアームであって、
前記単体の回転ジョイント周りのトルクを検知するためのトルクセンサと、
該ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、
前記第２肢に支持されて該単体の回転ジョイントの遠位側に配置された第１通信ユニットで、前記トルクセンサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる前記第１通信ユニットと、を含み、
該トルクセンサが、該第１通信ユニットに対して、該第２肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、前記単体の回転ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に前記第１通信ユニットに送られることを特徴とするロボットアーム。

【請求項14】

前記回転軸周りで前記ロボットアームの構成を検知するための回転位置センサと、
該ロボットアームに支持されて前記単体の回転ジョイントの近位側に配置される前記第２通信ユニットで、前記回転位置センサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第２通信ユニットと、を更に含む、
該回転位置センサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第１肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、該回転軸周りの前記ロボットアームの構成を表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られる請求項１３に記載のロボットアーム。

【請求項15】

前記回転軸周りで前記ロボットアームの構成を検知するための前記回転位置センサを更に含む、
前記第１通信ユニットが該回転位置センサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送することが更に可能であり、
前記回転位置センサが、該第１通信ユニットに対して、前記第２肢に沿って走るデータケーブルによって連結されており、該回転軸周りの該ロボットアームの構成を表すデータがエンコード用に前記第１通信ユニットに送られる請求項１３に記載のロボットアーム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本発明は、ロボットアーム内部の通信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、アームのセンサとモータを、例えばアームから離隔しているかもしれない中央制御コントローラに連絡させる方法である。アームの大きさが最小化されると、利用可能な空間を効率的に使用するように、通信経路が配置される必要がある。

【0006】

ロボットアーム用に改良された通信装置の必要性が存在する。

【発明の概要】

【0007】

本発明によれば、第１肢と第２肢の間に複合ジョイントを有し、前記第２肢が前記第１肢の遠位側にあるロボットアームであって、第１回転軸を有する第１回転ジョイントによって前記アームの該第１肢に対して、また、第２回転軸を有する第２回転ジョイントによって該アームの該第２肢に対して連結されているカプラエレメントと、前記第１および第２ジョイントのそれぞれの周りで前記アームの構成を検知するための第１および第２回転位置センサと、前記第１および第２ジョイントのそれぞれの周りにかかるトルクを検知するための第１および第２トルクセンサと、前記アームの運転を制御するための制御ユニットと、前記アームによって支持されて前記カプラの近位側に配置される第１通信ユニットと、該アームによって支持されて該カプラの遠位側に配置される第２通信ユニットであり、各前記通信ユニットがひとつ以上の前記位置センサおよび／またはトルクセンサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記パケットを前記制御ユニットに転送できる該通信ユニットと、を含み、前記第１位置センサが前記第１通信ユニットに対して、前記第１肢の外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されており、前記第１ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第１通信ユニットに送られる一方、該第１トルクセンサが前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されており、該第１ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られる。

【0008】

前記第２位置センサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の前記外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されて、前記第２ジョイント周りで検知された位置を表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られてもよい。

【0009】

前記第２トルクセンサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第２肢の前記外壁部内を走る物理的データリンクによって連結されて、前記第２ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られてもよい。

【0010】

前記または各物理的データリンクが電気ケーブルであってもよい。

【0011】

各通信ユニットが、前記位置センサおよび／またはトルクセンサから受け取った前記データをバッファーに保留して、次に該データを前記制御ユニットに転送することができてもよい。

【0012】

前記第２通信ユニットが、前記制御ユニットに対して、前記第１通信ユニットを通って連結されてもよい。

【0013】

前記第１肢が前記第１および第２ジョイント周りの動きを駆動するためのモータを有してもよい。該モータが物理的データリンクによって、前記第１通信ユニットからコマンドシグナルを受け取るために、該第１通信ユニットに対して連結されてもよい。

【0014】

前記第１および第２軸が互いに垂直であってもよい。前記第１および第２軸が互いに交差していてもよい。

【0015】

前記第１および第２ジョイントが、前記ロボットのリストの一部であってもよい。

【0016】

本発明の第２の態様によれば、第１肢と、前記第１肢の遠位側にあり、回転軸周りで該第１肢と第２肢を互いに関節式に連結するための単体の回転ジョイントによって前記第１肢に対して連結されている前記第２肢とを含むロボットアームであり、前記アームが、前記ジョイント周りのトルクを検知するためのトルクセンサと、該ロボットアームの運転を制御するための制御ユニットと、前記アームに支持されて該回転ジョイントの遠位側に配置された第１通信ユニットで、前記トルクセンサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる前記通信ユニットと、を含み、該トルクセンサが、該第１通信ユニットに対して、該第２肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されており、前記ジョイント周りで検知されたトルクを表すデータがエンコード用に前記第１通信ユニットに送られることを特徴とする。

【0017】

前記回転軸周りで前記アームの構成を検知するための回転位置センサと、該アームに支持されて前記回転ジョイントの近位側に配置される前記第２通信ユニットで、前記位置センサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って前記データパケットを前記制御ユニットに転送できる該第２通信ユニットと、を更に含んでもよい。該回転位置センサが、前記第２通信ユニットに対して、前記第１肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されており、該回転軸周りの前記アームの構成を表すデータがエンコード用に該第２通信ユニットに送られてもよい。

【0018】

前記第２通信ユニットが前記第１肢に支持されてもよい。

【0019】

前記第２肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて、前記第１肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記位置センサが該第１肢に固定されて、該第２肢に固定された位置スケールに関連付けられてもよい。

【0020】

前記位置センサが前記第１肢に取り付けられて、位置スケールが前記回転軸周りに配置されてもよい。

【0021】

前記第１通信ユニットが前記制御ユニットに対して前記第２通信ユニットを経由して連結されてもよい。

【0022】

前記回転軸周りで前記アームの構成を検知するための前記回転位置センサを更に含んでもよい。前記第１通信ユニットが該位置センサから受け取った第１データ形式のデータをデータパケットへとエンコードして、前記第１データ形式とは異なるパケットベースのデータプロトコルに従って、前記データパケットを前記制御ユニットに転送することが更に可能であってもよい。前記回転位置センサが、該第１通信ユニットに対して、前記第２肢に沿って走る物理的データリンクによって連結されて、該回転軸周りの該アームの構成を表すデータがエンコード用に前記第１通信ユニットに送られてもよい。

【0023】

前記第２肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて前記第１肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記位置センサが前記ドライブギアに固定されて、該第１肢に固定されている位置スケールに関連付けられてもよい。

【0024】

前記位置スケールが前記回転軸周りに配置されてもよい。

【0025】

前記第１通信ユニットが前記第２肢に支持されてもよい。

【0026】

前記第２肢に固定されて前記回転軸周りに回転可能に取り付けられて前記第１肢に対して回転するドライブギアを更に含んでもよい。前記トルクセンサが前記ドライブギアを該第２肢に連結してもよい。

【0027】

各物理的データリンクが電気ケーブルであってもよい。

【0028】

各通信ユニットが、前記位置センサおよび／またはトルクセンサから受け取ったデータをバッファーに保留して、次にデータを前記制御ユニットに転送することができてもよい。

【0029】

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】

【0030】

【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】ロボットアームにおける通信経路の別の配置を示す図。

【図13】回転ジョイントによって離隔されたロボットアームの肢における通信経路を示す図。

【図14】長手方向断面におけるロボットアームのための末端のモジュールを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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に連結している。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に連結している。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に連結している。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に連結している。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。

【0035】

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。

【0036】

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）。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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２８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２８とアーム部位３１０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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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、軸２０と完全に一致したカプラ２８に対するその回転軸に配置されている。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３８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。

【0043】

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。

【0044】

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と一致する円と交差するように配置され、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、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、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、コンパクトな包装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、コンパクトな包装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のコンパクトな包装の手助けとなる。
７．好都合なことに、べベルギアおよびそれらに連結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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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７５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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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、別の形態の可撓性連結、例えば、弾性連結（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。

【0052】

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。

【0053】

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と一致する円と交差するように配置され、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、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連結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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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連結されたカプラ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。

【0057】

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と一致する円と交差するように配置され、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、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。

【0058】

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。

【0059】

好都合なことに、べベルギアおよびそれらに連結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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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、キャリアに関連する位置にネック１５３を保持している。

【0063】

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。

【0064】

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。スリーブまたはブッシング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。スリーブは、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。スリーブの内面全体が、ねじれチューブ１５６の外側と接触している。スリーブの外面全体が、ネック１５３の内面と接触している。スリーブは、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、スリーブ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。スリーブは、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、スリーブは、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。

【0065】

機構の組み立てを容易にすると共に、スリーブ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。スリーブ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、スリーブは、（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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

したがって、磁気リングは位置スケールとして作動し、回転軸周りのアーム部位３１０および３１１の間の回転位置を決定する。各センサは、各位置スケールに対応していてもよい。任意の回転軸周りのアーム部位３１０に対するアーム部位３１１の回転位置を測定するためのセンサが、その軸周りに配置された位置スケールに対応していてもよい。関連ジョイントを中心にアームが関節式に連結されている時に、センサとそれに対応する位置スケールの間に相対回転が生じるように、センサとスケールが、それらの関連ジョイントにおいて、反対側に配置されてもよい。これによって、ジョイントによって連結された２つのアーム部位間の相対移動の測定が可能になる。

【0070】

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。

【0071】

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反対側にあってもよい。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、各軸に沿ったジョイントの一方の側に配置されていてもよいし、ジョイント上の極端な位置に配置されていてもよいし、ジョイントの特定のあるいは各リングは、軸に垂直な平面内で、ベアリングのそれぞれの１つ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、アーム部位の反対側に取り付けられていてもよい。

【0072】

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。

【0073】

したがって、図７〜１０に示されている装置において、関連する回転軸周りに配置される対応するスケールに対する各センサの位置を測定することによって、センサ２０２，２０３，２１２は、それぞれ軸１０２および１０３周りのアーム部位３１０に対するアーム部位３１１の回転位置を検知する。上記の例において、スケールは、磁気リングあるいはトラック２００，２０１，および２０２，２０３の形状をしている。換言すれば、センサ２０２および２０３は軸１０２周りのアーム部位３１０に対するアーム部位３１１の回転位置を測定する。両スケール２１０および２１１が軸１０２周りに配置されているところの、対応するスケール２１０および２１１に対するそれらセンサの位置を測定することによって、それは行われる。センサ２１２は、軸１０３周りに配置された対応するスケール２１１に対するセンサ位置を測定することによって、軸１０３周りのアーム部位３１０に対するアーム部３１１の回転位置を測定する。

【0074】

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にある。
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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

しかしながら、ジョイントを通るケーブル数を小さくすることもまた望ましい可能性がある。ケーブルがジョイントの関節運動によって損傷するのを防ぎ、および／またはケーブルがジョイントの関節運動を妨害するのを防ぐように、そのようなケーブルを適切に配置することが難しい可能性があるからである。ある状況では、これらの２つの要求は対立する場合があるが、ケーブルを適切に配置するとは、この対立をうまく処理するということである。

【0078】

下記において、ロボットアームの別の実施形態のための、多数のケーブル配置と、この対立をうまく処理するのに適切である可能性がある位置センサおよびトルクセンサに対するそれらの連結を説明する。

【0079】

記述する最初の配置は、図７〜１０に示されるものである。

【0080】

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２１２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２１２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。

【0081】

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。回路基板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。

【0082】

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２５０に対してケーブルによって直接接続されている。回路基板２５０および回路基板１９５は、データバス１９６によって連結されている。位置センサ２１２およびトルクセンサ１５０，１９１は、回路基板２５０（およびデータバス１９６）を経由して回路基板１９５に連結されている。

【0083】

したがって、図１１に示されている配置において、両トルクセンサ１５０および１９１は、各データケーブルによって、遠位側アーム部位３１１に配置されている回路基板２５０に対して連結されている。ひとつの位置センサ（センサ２１２）はまた、データケーブルによって回路基板２５０に連結されている。そして、ひとつの位置センサ（センサ２０２）は、データケーブルによって、近位側アーム部位３１０において配置されている回路基板１９５に対して連結されている。

【0084】

この配置の様々な態様は、アームにおいて遠位側に配置されたコンポーネントの数を最小化しながら、ジョイントを横切るケーブルの数を最小化するのに有利である可能性がある。

【0085】

例えば、‘入力’トルク（ジョイントに対して印加される前の、ジョイントアクチュエータ（例えばモータ）によってもたらされるトルク）ではなく、‘出力’トルク（ジョイント全体に実際に印加されるトルク）を測定することがしばしば望まれる。なぜなら、これによって、ロボットアームの動作のより正確な制御が提供される可能性があるからである。ゆえに、図７〜１０に示される配置において、トルクセンサ１９１はドライブギア１０７をキャリア１０４に連結し、トルクセンサ１５０はドライブギア１０８を遠位側アーム部位３１１に連結する。トルクセンサ１９１は、ドライブギア１０７とキャリア１０４の両方に取り付けられてもよい。トルクセンサ１９１は、ドライブギア１０８と遠位側アーム部位３１１の両方に取り付けられてもよい。したがって、トルクセンサ１９１はギア１０７の下流に配置される。即ち、トルクは、ギア１０７からドライブトレインを通って、トルクセンサ１９１へ、そしてキャリア１０４へ順次転送される。同様に、トルクセンサ１５０はギア１０８の下流に配置される。したがって、トルクはギア１０８からドライブトレインを通って、トルクセンサ１５０へ、そしてアーム部位３１１へ順次転送される。トルクセンサ１５０はドライブギア１０８の遠位側に配置されるため、このトルクセンサが遠位側アーム部位３１１に保有された回路基板２５０に対してデータケーブルを通って連結されるのに便利である。これによって、トルクセンサ１５０のデータケーブルが複合ジョイントを横切ることが防止される。

【0086】

また、位置センサが、ジョイントアクチュエータの出力（例えばシャフト１１１および／または１１２の回転位置）ではなく、ジョイントの動作の実際の出力（例えばジョイント周りのアーム部位３１０と３１１間の相対位置）を測定することがしばしば望まれる。これは、測定されたジョイント位置が、ジョイントを駆動するために使用される駆動アクチュエータの測定された位置よりも、より正確な制御システムのための入力データを提供するかもしれないからである。ジョイントの位置を直接測定するために、各センサはジョイントの一方の側に配置されて、ジョイントの他方の側に配置される各磁気トラックもしくはスケールに対応する。アームがジョイント周りで関節式連結されている場合の、センサとそれに対応するスケールの間の相対的回転動作は、そのジョイント周りで相互に対するアーム部位の位置を測定するのに使用される。それらセンサは、ジョイント周りの検知された位置を表すデータをデータケーブル経由で通信する。即ち、センサは、そこにおいてデータケーブルに取り付けられている、有線接続されたコンポーネントである。位置スケールは、例えばスケールが磁気リングである場合、無線コンポーネントであってもよい。

【0087】

したがって、（軸１０２周りでアーム部位３１０とキャリア１０４間の位置を測定する）センサ２０２がアーム部位３１０内に配置され、また、（キャリア１０４とアーム部位３１１の間の位置を測定する）センサ２１２がアーム部位３１１内に配置されていると便利である。言い換えれば、センサ２０２はジョイントの近位側に配置され、センサ２１２はジョイントの遠位側に配置され、対応するスケール２００，２１０の両方がキャリア１０４に配置される。つまり、有線コンポーネントはジョイントにおける反対側に配置され、無線コンポーネントは有線コンポーネントの間に介在するキャリアに配置される。このように、センサ２０２はデータケーブルを経由して局所的回路基板１９５に対して連結され得る。また、センサ２１２はデータケーブルを経由して局所的回路基板２５０に連結されて、いずれかのデータケーブルがジョイントを通らないようにすることができる。

【0088】

図１１で示されている配置において、トルクセンサ１９１は遠位側アーム部位３１１内に配置されている回路基板２５０に連結される。ある装備において、これは最も便利な配置であるかもしれない。しかしながら、他の装備において、センサ１９１が近位側アーム部位３１０に配置された回路基板１９５に対してデータケーブルを経由して連結されている方が、（設計や製造の観点からは）より便利であるかもしれない。このことによって、データケーブルが回転軸１０２を有するジョイントを横切ることが必要になるだろうが、それでも、センサとケーブルをこのように配置してロボット設計に適応させ、または製造中に組み立ててロボットにする方が物理的に容易である可能性がある。

【0089】

図１２によって、この代替の装置の例が示されている。

【0090】

近位側アーム部位３１０が、遠位側アーム部位３１１に対してリスト５を通じて連結された状態で示されている。近位側アーム部位３１０はまた、ジョイントの近位側に配置された回路基板１９５を含む。位置センサ２０２とトルクセンサ１９１の双方がそれぞれのケーブル経由で回路基板１９５に対して直接連結されており、データがセンサから回路基板へ転送される。回路基板１９５は、センサ２０２および１９１から検知されたデータを符号化し、それを制御ユニット１０に対してデータリンク１９７を通じて伝達する。アーム部位３１１は、ジョイントの遠位側に配置された回路基板２５０を含む。位置センサ２１２およびトルクセンサ１５０は、回路基板２５０に対して各データケーブル経由で直接連結される。回路基板２５０は、センサ１５０および２１２から検知されたデータを符号化し、回路基板１９５に対してデータバス１９６を通じて伝達する。データバス１９６は、したがってジョイントを通る。また、センサ２０２および２１２は、リスト５の複合ジョイントにおいて互いに反対側に配置されて、センサ２０２および２１２は複合ジョイント（およびキャリア１０４）によって離隔されている。

【0091】

ロボットアーム内の、位置センサとトルクセンサと、それらのデータケーブルの配置は、これまで複合ジョイントに関して検討されてきた。しかしながら、データセンサの通信ユニットに対する位置と連結は、また、回転ジョイント（１自由度を有するジョイント）に関して考慮すべき事柄である。

【0092】

図１３によって、２つの隣接する肢、あるいはアーム部位を連結する回転ジョイント用のロボットアーム内の位置センサおよびトルクセンサの配置が示されている。

【0093】

特に、アーム部位５０１が、単体のジョイント５０３を通じてアーム部位５０２に対して連結される。アーム部位５０２は、アーム部位５０１の遠位側にある。ジョイント５０３は、（この図のページ内へ指向されている）単体の回転軸５０４を有する回転ジョイントである。このジョイントによって、アーム部位５０２はアーム部位５０１に対して関節式連結されることができる。アーム部位５０１および５０２を互いに連結するジョイントは他にはない。モータ５０５は、駆動シャフト５０６を駆動して縦方向の軸周りで回転させる。駆動シャフト５０６は、その末端部に、この例ではピニオン形状のシャフトギア５０７を添付している。ギア５０７は、（本例においてベベルギアとして示されている）ドライブギア５０８に係合する。ギア５０８は、軸５０４周りに配置され、この軸に合致する（図示されない）回転軸に回転可能に取り付けられている。ギア５０８は、遠位側アーム部位５０２に固定されている。モータ５０５がシャフト５０６を駆動する時、シャフトギア５０７の回転がギア５０８を駆動し、回転軸５０４周りで回転させて、順番に軸５０４周りでアーム部位５０２をアーム部位５０１に対して関節式連結させる。

【0094】

（全体が５１１で示されている）位置センサユニットは、ジョイント５０３の回転位置を測定する。位置センサユニットは、センサ５１２および対応する位置スケール５１３を含んでいる。センサ５１２は、近位側アーム部位５０１内に配置される。それは、アーム部位５０１内のエレメント（例えば、枠組）に取り付けられてもよい。位置スケール５１３は、ドライブギア５０８に固定され、回転軸５０４周りに配置される（図１３においては、明確にするためにスケール５１３の一部のみ示されている）。ゆえに、センサ５１２およびスケール５１３はジョイント５０３において互いに反対側に配置され、アーム部位５０１および５０２が軸５０４周りで互いに関節式連結されている場合（つまりはジョイント５０３が関節式連結されている場合）、相対的回転移動されるようになっている。位置スケール５１３は、図７〜１０に関連して上記で記載されているように、磁気トラックまたはリングの形状であってもよい。位置スケールは、上記磁気リング２００，２０１，２１０，２１２と同様に働いてもよい。

【0095】

位置センサおよび位置スケールは、ジョイントにおいて互いに反対側に配置される。その結果、（駆動シャフト５０６の位置などの）ジョイントアクチュエータ出力の位置の測定とは対照的に、ジョイント位置を直接測定することが可能になる。測定されたジョイント位置が、ジョイントアクチュエータの出力に比べて、制御ユニット１０に対するより便利な入力である可能性があるため、これは有利である。

【0096】

トルクセンサユニット５１４は、ジョイント５０３周りに印加されるトルクを測定する。トルクセンサは、ドライブギア５０８の回転軸に設置されていてもよい。トルクセンサ５１４は、トルクセンサ１５０および１９１と同じ配置にされて、同様の方法で働いてもよい。トルクセンサ５１４は、ドライブギア５０８をアーム部位５０２に連結する。トルクセンサ５１４は、ギア５０８およびアーム部位５０２の両方に接続されてもよい。したがって、トルクセンサ５１４は、ドライブギア５０８およびアーム部位５０２の間に配置されてもよい。トルクセンサ５１４は、したがって、ジョイント５０３が関節式に連結されている場合、トルクが連続してギア５０８からセンサ５１４を通ってアーム部位５０２に転送されるように、ギア５０８の下流、もしくは遠位側に配置される。上記のように、そのような配置によって、ジョイントアクチュエータの出力トルクとは対照的に、センサ５１４がジョイント５０３全体に印加されるトルクを測定することが可能になる。ジョイント全体に印加されたトルクの感知された値が、ロボットアームの制御ユニットに対するより正確な入力を提供する可能性があるため、これは有利である。

【0097】

ロボットアームは、回路基板の形状を有する通信ユニット５０９および５１０を含んでいる。通信ユニット５０９は、アーム部位５０１において配置され、通信ユニット５１０は、アーム部位５０２において配置される。通信ユニット５０９は、したがって、ジョイント５０３の近位側にあり、通信ユニット５１０は、ジョイント５０３の遠位側にある。通信ユニット５０９および５１０は、データバス５１７によって相互に連結されている。

【0098】

通信ユニット５０９は、近位側アーム部位５０１に沿って延びるデータケーブル５１５によって、センサ５１２に連結されている。ケーブル５１５は、センサ５１２を通信ユニット５０９に直接連結してもよい。データケーブル５１５は、ジョイント５０３の検知された位置データを、通信ユニット５０９に対して伝達する。そのデータは、生データと称されてもよい。通信ユニット５０９は、検知されたデータを符号化して、コミュニケーションズリンク５１６を通って制御ユニット１０に対して伝達する。コミュニケーションズリンク５１６は、ケーブル等の物理的リンクであってもよいし、あるいはデータバスであってもよい。通信ユニット５０９は、上記回路基板１９５と同様の方法で働いてもよい。特に、通信ユニット５０９は、センサ５１２から感知されたデータを（例えばイーサネット（登録商標）パケットへと）パケット化してもよい。そして、それらのパケットを制御ユニットに対して伝達してもよい。通信ユニット５０９はまた、モータ５０５に対するコマンドデータを提供してもよい。コマンドデータは、通信ユニット５０９およびモータ５０５を相互に連結する物理的リンク（例えばケーブル）を通ってもたらされてもよい。

【0099】

通信ユニット５１０は、遠位側アーム部位５０２に沿って延びるデータケーブル５１８によってトルクセンサ５１４に対して連結される。ケーブル５１８は、トルクセンサ５１４と通信ユニット５１０を直接接続してもよい。ケーブル５１８は、ジョイント５０３の全体に印加されたトルクの検知されたデータ（生データと称してもよい）を通信ユニット５１０に伝達する。通信ユニット５１０は、上記回路基板２５０と同様に、検知されたトルクデータを符号化するために働いてもよい。通信ユニット５１０は、検知されたトルクデータを符号化した上で、通信ユニット５０９に対してデータバス５１７を経由して伝達する。符号化された検知されたトルクデータは、したがって、遠位方向へアームに沿って、通信ユニット５１０から通信ユニット５０９へ伝達される。トルクセンサ５１４は、したがって、遠位側通信ユニット５１０を通って、近位側通信ユニット５０９に連結される。

【0100】

このように、図１３に示される配置において、感知された位置データは、ジョイント５０３の上流に、つまり近位側に（ジョイント５０３に対する近位方向に）伝達される。感知されたトルクデータは一方、ジョイント５０３の下流へ、つまり遠位側へ（ジョイント５０３に対する遠位方向へ）伝達される。

【0101】

この配置によって、データをジョイント５０３を通って運ぶデータケーブルがなくても、位置センサおよびトルクセンサから検知されたデータを通信ユニットに伝達することができる。この観点において、この配置は有利である。結果として、バス５１７経由の、ジョイント５０３を通るそれに対してのみのデータの伝達は制限される。

【0102】

図１１〜１３において示された実施形態に対する、様々な改良案や代替案が実行可能である。例を示す。

【0103】

図１３において、位置センサ５１２はデータケーブルによって、近位側アーム部位５０１によって支持される通信ユニット５０９に対して連結される。これは、センサ５１２が近位側アーム部位５０１によって支持され、対応する位置スケール５１３が遠位側アーム部位５０２によって支持されるからである。結果として、センサ５１２とスケール５１３はジョイント５１３において互いに反対側に位置する。代替的配置において、センサ５１２が遠位側アーム部位５０２によって支持され、対応する位置スケール５１３が近位側アーム部位５０１によって支持されてもよい。例えば、位置スケールは（前と同じように）回転軸５０４周りに配置されながらも、アーム部位５０１に固定されて、アーム部位５０２（ひいてはドライブギア５０８）に対して軸５０４周りで回転できるようにされてもよい。センサ５１２は、ドライブギア５０８およびアーム部位５０２に固定されてもよい。ゆえに、それらセンサとアーム部位は、ジョイント５０３が関節式に連結されている場合であっても相対的に移動する。センサ５１２が遠位側アーム部位５０２によって支持されている場合、センサが、通信ユニット５０９ではなく、アーム部位５０２に沿って走るデータケーブルによって、通信ユニット５１０に対して連結されるのが便利である。結果として、また、センサ５１２から感知されたデータを伝達するデータケーブルが、ジョイントを通ることが防止される。

【0104】

図１３の配置において回路基板にセンサを連結するケーブルが、データケーブルとして説明されてきた。データケーブルは電気ケーブルであってもよい。また、センサおよび回路基板は、光学ファイバー等の他のタイプの物理的データリンクによって連結されてもよい。

【0105】

図１１〜１３の各配置に対する物理的データリンクは、ロボットアーム内の様々な位置に配置され得る。例のひとつのセットにおいて、各アーム部位、または肢は、アーム部位の外面、または壁部を形成するケースを含む。物理的データリンクは、外壁部内を走ってもよい。例の別のセットにおいて、物理的データリンクは外壁部の外側に取り付けられてもよい。例えば、それらはそれぞれ外壁部の外面に取り付けられてもよい。

【0106】

図１３の配置は、ひとつの位置センサ５１２と対応する位置スケール５１３のみを含むものとして記述されてきた。その配置は、回転軸５０４の方向に沿ってセンサ５１２およびスケール５１３に対して横方向に離隔する第２のセンサと対応する位置スケールを含んでもよい。これによって、較正段階を行う必要なしに、ジョイント５０４の角位置を決定することが可能になる。

【0107】

図１３における位置スケールは、磁気トラックまたはリングとして記述されてきた。リングは、軸５０４周りに配置される。別の例において、位置スケールは、軸５０４周りに配置される、抵抗性あるいは導電性のトラックの形状であってもよい。この場合、センサ５１２は、トラックに取り付けられた導電性のワイパーを含んでもよい。ジョイント５０３が関節式に連結されている場合、そのワイパーは、トラックに対して相対的に移動する。その結果、トラック上の一点とワイパーの間の抵抗が、その抵抗がワイパー位置の関数であるかのように変化する。それから、センサは計測された抵抗を使用して、ワイパー（そしてひいてはジョイント５０３）の位置を決定する。

【0108】

図１３のドライブギア５０８およびシャフトギア５０７は、単に回転ジョイントの説明のための一例として選ばれていたに過ぎない。図１３におけるセンサおよびデータケーブルの配置が、回転ジョイントを関節式に連結するために使用される他のタイプのギアリングに適用可能であることは、理解されるであろう。例えば、ドライブギア５０８は、平部位ギアやベベルギア、ハイポイドギア等であってもよい。シャフトギア５０７は、平部位ギアやベベルギア、ウォーム等であってもよい。

【0109】

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周りでアーム部位４ｃに対して回動可能とされている。図１４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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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、スリーブ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。

【0113】

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。

【0114】

器具に対するアタッチメント用のインターフェース８が、図１４において示されている。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している。

【0115】

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。

【0116】

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に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。

【0117】

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。

【0118】

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】

【図13】

【図14】