特開 2024-23597 ねじりシリーズ弾性アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024023597

(43)【公開日】2024-02-21

(54)【発明の名称】ねじりシリーズ弾性アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F16F 1/10 20060101AFI20240214BHJP

   B25J 17/00 20060101ALN20240214BHJP

【ＦＩ】

F16F1/10

B25J17/00 E

【審査請求】有

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023206954

(22)【出願日】2023-12-07

(62)【分割の表示】P 2021502705の分割

【原出願日】2019-03-22

(31)【優先権主張番号】62/649,034

(32)【優先日】2018-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】520373176

【氏名又は名称】ロボリジェント インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ボンス キム

(72)【発明者】

【氏名】ジェームズ ダグラス デバッカー ジュニア

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ロボット応用で使用する回転式シリーズ弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）用のばね組立体の円盤状のねじりばねを提供する。
【解決手段】ＳＥＡは、モータ、ギアトランスミッション組立体、ばね組立体、および、センサを含む。ロボット関節は、ＳＥＡ、ならびに、関節組立体で互いに結合された２つのリンクを含み、それらは、入力リンクおよび出力リンクに指定される。各リンクは、同心的に接続されるジョイントハウジング本体を有し、互いに自由に回転する。ＳＥＡのハウジングフレームは、入力リンクのジョイントハウジング本体に固定され、一方、ばね組立体の出力マウントは、出力リンクのジョイントハウジング本体と同心的に結合される。２つのリンク間に、外力またはトルクが印加されると制御ループの制御動作は、外力／トルクとリンクと一緒に動く体質量からの慣性力に釣り合うように、ばね組立体のたわみにつながるモータの回転と原動力をもたらす。
【選択図】図１１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体の円盤状のねじりばねであって、
円形の内側マウント、
円形の外側マウント、および、
一組の弾性変形可能なスパイラルであって、各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、前記円形の内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記円形の外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記一組の弾性変形可能なスパイラル、を含むことを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項2】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記内側の厚いセグメントの前記中間の薄いセクションに対する相対的な厚さは、１１：１と８：１の間の比であり、前記中間の薄いセクションの前記外側の厚いセグメントに対する相対的な厚さは、１：１０と１：７の間の比であることを特徴とするねじりばね。

【請求項3】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記ねじりばねは、４００Ｎｍ／ｒａｄと１８００Ｎｍ／ｒａｄの間の剛性を有することを特徴とするねじりばね。

【請求項4】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねでわって、前記ねじりばねは、２０Ｎｍと１００Ｎｍの間の最大許容トルクを有することを特徴とするねじりばね。

【請求項5】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記一組の弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも２つの個別のスパイラルを含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項6】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記一組の弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも２つの個別のスパイラルを含み、各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも１つの他の弾性変形可能なスパイラルが使用中に過度の変形を受けるのを防止することを特徴とする円盤状ねじりばね。

【請求項7】

回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体であって、
第１の組の弾性変形可能なスパイラルと、第１の円形の内側マウントと、第１の円形の外側マウントを含む、第１のねじりばね、
第２の組の弾性変形可能なスパイラルと、第２の円形の内側マウントと、第２の円形の外側マウントを含む、第２のねじりばねであって、前記第１の円形の外側マウントは、スペーサを介して、前記第２の円形の外側マウントに結合される、前記第２のねじりばね、および、
前記第１のねじりばねと前記第２のねじりばねとの間に存在する内部機構であって、該内部機構は、前記ばね組立体の回転撓みを検出し、前記回転撓みを、測定されたトルク入力値として、モータコントローラに提供するセンサを含む、前記内部機構、を含むことを特徴とするばね組立体。

【請求項8】

請求項７に記載のばね組立体であって、前記第１のねじりばねは、前記第２のねじりばねと、同心に整列されることを特徴とするばね組立体。

【請求項9】

請求項７に記載のばね組立体であって、前記内部機構は、
第１の端部および第２の端部を含むベースアーム、
第１アームおよび第２アームを含むスイングアームであって、前記第１アームおよび前記第２アームは円弧状に形成された、前記スイングアーム、
前記ベースアームの前記第１の端部に結合され、前記ベースアームに対して自由に回転するように構成された、第１のプーリ、
前記ベースアームの前記第２の端部に結合され、前記ベースアームに対して自由に回転するように構成された、第２のプーリであって、前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に位置する、前記第２のプーリ、および、
前記スイングアームの前記第１アームと前記スイングアームの前記第２アームに連結され、前記第１のプーリ、前記センサのセンサシャフト、および、前記第２のプーリの周りに張力をかける、ストリング、を含むことを特徴とするばね組立体。

【請求項10】

請求項９に記載のばね組立体であって、
前記スイングアームが、前記第１の円形の内側マウントに固定され、
前記ベースアームが、前記第２の円形の内側マウントに固定され、
回転センサが、前記第２の円形の内側マウントに固定された静止部分を有し、センサシャフトが、前記第１のねじりばねと前記第２のねじりばねの間に配置され、前記第１の円形の内側マウントおよび前記第２の円形の内側マウントと同心に整列され、
前記スイングアームと前記ベースアームは、互いに向かい合っており、前記第１の円形の内側マウントと前記第２の円形の内側マウントの間に加えられたトルクに応じて、互いに対して、および、前記第１の円形の内側マウントおよび前記第２の円形の内側マウントと共に、相対的に回転するように構成されることを特徴とするばね組立体。

【請求項11】

請求項９に記載のばね組立体であって、前記ストリングは、最初に、前記第１のプーリの周りに、次に、前記センサの前記センサシャフトの周りに、次に、前記第２のプーリの周りに、張力がかけられることを特徴とするばね組立体。

【請求項12】

ねじりばねであって、
内側マウント、
外側マウント、
第１の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第１の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第１の弾性変形可能なスパイラル、および、
第２の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第２の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第１の弾性変形可能なスパイラル、
を含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項13】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記外側の厚いセグメントと前記円形の外側マウントの間の結合部における、第１の弾性変形可能なスパイラルのコーナの半径は、０．５７ｍｍ以上であることを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項14】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記内側の厚いセグメントと前記円形の内側マウントの間の結合部における、第１の弾性変形可能なスパイラルのコーナの半径は、０．６ｍｍ以上であることを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項15】

請求項１２に記載のねじりばねであって、さらに、第３の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第３の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第３の弾性変形可能なスパイラル、を含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項16】

請求項１５に記載のねじりばねであって、さらに、第４の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第４の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第４の弾性変形可能なスパイラル、を含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項17】

請求項１２に記載のねじりばねであって、一組の弾性変形可能なスパイラルの各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも１つの他の弾性変形可能なスパイラルが使用中に過度の変形を受けるのを防止することを特徴とするねじりばね。

【請求項18】

請求項１２に記載のねじりばねであって、前記内側マウントは、円形であり、前記外側マウントは、円形であることを特徴とするねじりばね。

【請求項19】

請求項１２に記載のねじりばねであって、前記ねじりばねは、円盤状であることを特徴とするねじりばね。

【請求項20】

請求項１２に記載のねじりばねであって、前記ねじりばねは、回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体に関連づけられることを特徴とするねじりばね。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
この出願は、２０１８年３月２８日に出願され、「ねじりシリーズ弾性アクチュエータ」という名称の、米国仮出願第６２／６４９，０３４号の優先権を主張し、参照によって、その全体が、本明細書に組み込まれる。

【0002】

背景
本明細書に別に指示されない限り、このセクションに記載されている題材は、本願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、このセクションに含めることによって先行技術であると認められない。

【背景技術】

【0003】

ロボットは、多くの場合、ＤＣ、ＡＣモータ、油圧アクチュエータ、および、空気圧アクチュエータなどの、アクチュエータで動く可動の本体セグメントからなる、自動化された機械である。多くの応用において、ロボットは、その本体セグメントの位置、軌道、または速度に基づいて、タスクを実行するように設計および制御される。通常、アクチュエータは、ギアトランスミッションを装備され、出力速度を減少させ、特定のタスクに適した出力力を上昇させる。アクチュエータの出力の位置または速度を検出するセンサは、通常、アクチュエータの動きを制御する、コンピューティングデバイスにフィードバック信号を提供するために搭載される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

他の応用において、ロボットは、環境に、正確な力または回転力を加えることを必要とされ、または、より良い安定性、安全性、または、効率のために、力に基づいてタスクを実行することを要望される。例えば、剛体環境に物理的に接触する場合、位置制御ロボットは、不安定になる高い可能性を有し、力制御ロボットは、そのようにならない。人間と相互作用したり衝突したりする場合、力制御ロボットは、それらが、物理的な相互作用に準拠しているため、より安全である。人間の動きを支援する場合、人間の体は、力制御されるアクチュエータである筋肉によって動かされるため、力制御されるロボットは、より自然な相互作用を提供できる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

ギア減速を備えた位置制御指向のアクチュエータは、通常、摩擦やスティクションなどの、ギア減速段階での力の非線形性により、制御ループでの力フィードバックなしに、出力力を正確に制御することを制限される。シリーズ弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）は、力計測用の対応要素を備えたアクチュエータ構成であり、固有の安定性、耐衝撃性、安全性を含む、いくつかの利点を備え、力制御において高性能を実現できる。ＳＥＡは、アクチュエータ、ギアトランスミッション組立体、弾性要素（例えば、ばね、または、一組のばね）、および、センサからなる。ＳＥＡの１つ以上のセンサは、弾性要素のたわみを検出するために使用される。弾性要素は、通常、ばねまたは一組のばねであり、その撓みは、それ自体に加えられる力に比例する。センサを備えた弾性要素またはスプリングは、ＳＥＡの出力に対して、アクチュエータと直列に配置され、力センサとして機能する。力フィードバック信号を使用する制御コンピューターのフィードバック制御ループは、ＳＥＡの出力力を制御する。本発明は、正確な回転力（トルク）を制御できる、回転シリーズ弾性アクチュエータを含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

詳細な説明は、添付の図面を参照して説明される。図では、参照番号の左端の数字（複数の数字）は、参照番号が最初に現れる図を識別する。異なる図での同じ参照番号の使用は、類似または同一の構成部品または構造を示す。

【図1】いくつかの実施態様による、例示的な回転シリーズ弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を示す図である。

【図2】いくつかの実施態様による、ＳＥＡを備えた、例示的なロボット関節組立体を示す図である。

【図3】いくつかの実施態様による、ＳＥＡを除いた、例示的なロボット関節組立体を示す図である。

【図4】いくつかの実施態様による、ロボット関節組立体を備えた、例示的なＳＥＡの断面図を示す図である。

【図5】いくつかの実施態様による、ロボット関節組立体を除いた、例示的なＳＥＡの断面図を示す図である。

【図6】いくつかの実施態様による、取り付けられる関節組立体を除いた、ＳＥＡの別の例示的な断面図を示す図である。

【図7】いくつかの実施態様による、取り付けられる関節組立体を除いた、ＳＥＡのさらに別の例示的な断面図を示す。

【図8】いくつかの実施態様による、ＳＥＡに組み込まれ得る、例示的なばね組立体を示す図である。

【図9】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体内部の内部機構を示す図である。

【図10】いくつかの実施態様による、ばね組立体の内部機構において、ストリングを締めるように設計された、例示的なツールチップを示す図である。

【図11】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、例示的な円盤状ばねを示す図である。

【図12】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、例示的なディスク形状のばねの上面図を示す図である。

【図13】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、別の例示的な円盤状ばねを示す図である。

【図14】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、別の例示的な円盤状ばねを示す図である。

【図15】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、例示的な、内部機構、および、円盤状ばねの底部ねじりばねを示す図である。

【図16】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の例示的な配置を示す図である。

【図17】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、別の例示的な配置を示す図である。

【図18】いくつかの実施態様による、スペーサ３１４が取り外された、ＳＥＡのばね組立体の側面図を示す図である。

【図19】いくつかの実施態様による、ＳＥＡのばね組立体の、例示的な分解図を示す。

【図20】いくつかの実施態様による、応力下の円盤状ばねの、例示的な部分を示す図である。

【図21】いくつかの実施態様による、応力下の円盤状ばねの、例示的な部分を示す図である。

【図22】いくつかの実施態様による、ＳＥＡ１０を備えたロボット関節組立体の、別の例示的な分解図を示す図である。

【図23】いくつかの実施態様による、ばね組立体上に保護カバーを備えた、ＳＥＡの例示的な図を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本明細書に記載されるのは、ロボット応用のための例示的なアクチュエータ組立体の実施態様および実施形態であり、回転タイプのシリーズ弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）を含む。ＳＥＡは、モータ、ギアトランスミッション組立体、ばね組立体、センサを含む。モータとギアトランスミッションの固定部品は、通常、ＳＥＡハウジングフレームに固定される。モータの回転出力は、ギアトランスミッションの入力部に接続され、ギアトランスミッションの出力部は、ばね組立体の入力マウントに連結される。

【0008】

ばね組立体は、２つのディスク形状のばね、内部機構、および、回転位置センサを含み得る。ディスク状ばねは、同心である、円形の内側および外側マウントセグメントと、内側および外側マウントセグメントを接続する、一組の弾性変形可能なスパイラルを含み得る。２つのスプリングの２つの外側マウントセグメントは、スペーサを介して相互に結合され得る。一方のバネともう一方のバネの２つの内側マウントセグメントは、それぞれ、バネ組立体の入力マウントと出力マウントに指定される。内部機構は、２つのばね層の間に配置され、入力マウントと出力マウントとの間のばね組立体の撓みを増幅するように構成され得る。回転位置センサは、増幅されたたわみを読み取るために、内部機構と結合され得る。ばねのたわみのセンサ読み取り値は、トルク値に変換され、制御ループに戻して伝達される。

【0009】

ロボット関節では、関節組立体を介して、互いに結合された２つのリンクが存在し得る。２つのリンクは、入力リンクおよび出力リンクに指定される。各リンクは、ジョイントベアリングを介して同心的に接続され得るジョイントハウジング本体を有し得、それらは、互いに自由に回転する。ＳＥＡのハウジングフレームは、入力リンクのジョイントハウジング本体に固定され得、一方、ＳＥＡのばね組立体の出力マウントは、出力リンクのジョイントハウジング本体と同軸に結合され得る。モータ固定子に対するモータ回転子の回転は、入力リンクに対する出力リンクの回転に加え、もしあれば、ばねのたわみをもたらす。２つのリンク間に、外力またはトルクが印加されると、制御ループの制御動作は、外力／トルクと、リンクと一緒に動く体質量からの慣性力に釣り合うように、ばね組立体のたわみにつながる、モータの回転と原動力をもたらし得る。

【0010】

図面を参照すると、図１は、回転シリーズ弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）１０の例示的な実施形態を示す。回転ＳＥＡは、モータ１００、ギアトランスミッション組立体２００、センサ（例えば、アブソリュートエンコーダ）３３４を備えたばね組立体３００、および、別のセンサ（例えば、アブソリュートエンコーダ）を含む。ＳＥＡ１０の追加の構成部品と詳細な態様は、追加の図に対応づけて、以下の段落でさらに説明される。

【0011】

モータ１００は、他の可能性の中でもとりわけ、回転式直流（ＤＣ）モータ、交流（ＡＣ）モータ、油圧モータ、または、空気圧モータであり得る。例えば、モータタイプは、転流のために追加のセンサ（例えば、ホール効果センサ、または、クワドラチャエンコーダ）を必要とし得るブラシレスＤＣモータであり得る。モータは、静止部分（固定子）、回転部分（回転子）、および、回転子に取り付けられたモータ出力シャフトを含み得る。モータは、モータシャフトに、回転運動と原動力を発生させる。

【0012】

ギアトランスミッション組立体２００は、一組のギアトランスミッション構成部品と、ギアトランスミッションセットの静止部分が固定されるＳＥＡハウジングフレームを含み得る。モータ１００の固定子もまた、ＳＥＡハウジングフレームで共通に固定され得る。１つの例示的なロボット関節組立体において、ＳＥＡハウジングフレームは、１つのロボットリンクで固定され得る。ギアトランスミッションセットは、入力、出力、および静止部品を有し得る。例えば、場合によっては、ギアトランスミッションが、ウェーブジェネレータ、フレクスプライン、および、サーキュラスプラインで構成されるハーモニックドライブ（登録商標）であり得る。本発明の好ましい構成において、ウェーブジェネレータ、フレクスプライン、および、サーキュラスプラインは、ギアトランスミッションセットの入力、出力、および静止部品として、それぞれ割り当てられ得る。モータ出力シャフトは、ギアトランスミッション組立体２００の入力部分に結合され、回転運動および原動力を、ギアトランスミッションに伝達し得る。ギアトランスミッション組立体２００の出力部は、トランスミッション出力部と結合され得る。ギアトランスミッション２００の出力部の回転数は、ギアトランスミッション２００の入力部の回転数から、歯車減速比の係数で減少させられ得るが、モータ１００から、ギアトランスミッション２００の入力部に印加される原動力は、ギアトランスミッション２００の出力部分において、ギア減速比の係数で増幅され得る。

【0013】

センサ２５０は、アブソリュートエンコーダまたはポテンショメータであり得、他の可能性の中でもとりわけ、タイミングベルトを介して、ギアトランスミッション２００のトランスミッション出力部に接続される回転シャフトを含み得る。センサ２５０は、ギアトランスミッション組立体の出力の回転角度を測定し得る。

【0014】

ばね組立体３００は、２つのねじりばね３６０、スペーサ、および、センサ３３４を備えた内部機構を含み得る。２つのねじりばね３６０のそれぞれは、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、および、内側セグメントと外側セグメントを接続する一組の弾性変形可能なスパイラル３６２を含む。２つのスプリングは、スペーサを介して相互に結合され、内部メカニズムは、２つのスプリングの間にある。ばね組立体３００の一方のばねには入力マウントがあり、他方のばねには出力マウントがある。ばね組立体３００の入力マウントは、ギアトランスミッションセット２００のトランスミッション出力部と結合され得、ばね組立体３００の出力マウントは、別のロボットリンクに接続され得る。センサ３３４（例えば、アブソリュートエンコーダ）を備えた内部機構は、入力マウントと出力マウントとの間のばね組立体３００の回転たわみを検出する。ばねのたわみは、ばね組立体の入力マウントと出力マウントとの間に印加された印加トルクに比例し得るため、センサ３３４の測定信号は、ばね組立体に印加された測定トルクに変換され得る。測定されたトルクは、モータ１００を制御し得るフィードバック制御ループにフィードバックされ得、ばね組立体の出力マウントで所望のトルクを生成する。制御ループでの所望のトルクに相当する外部トルクが、ばね組立体の出力マウントに印加されると、ギアトランスミッションの出力の回転運動と力を引き起こすモータの制御動作は、ばね組立体を撓ませ得、外部トルクとバランスのとれた所望のトルクを生成する。一方、ばね組立体の出力マウントの回転位置または速度は、モータ１００の転流センサ、または、センサ２５０からの位置フィードバック信号を使用して、モータ１００の回転運動を制御するフィードバック制御ループによって制御され得る。ばね組立体の出力マウントの角度位置は、ギアトランスミッションの出力部分の角度位置と、ばね組立体３００の偏向角度の合計であり得る。ギアトランスミッションの出力部の角度位置は、センサ２５０によって直接測定され得、また、マルチターンモータ角度から変換され得る。

【0015】

図２は、ＳＥＡ１０、入力リンク４０、および、出力リンク５０を含み得る、ロボット関節組立体の例を示す。ＳＥＡ１０のＳＥＡハウジングフレームは、リンク４０のジョイントハウジング本体４２に取り付けられ得、一方、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントは、ジョイントを介して出力リンク５０のジョイントハウジング本体５２に結合される。ジョイントでは、ジョイントベアリング（例えばクロスローラーベアリング）の外輪が、入力リンクのジョイントハウジング本体４２に固定され得る。ジョイントベアリングの内輪に位置するボアシャフトの一方の側は、出力リンク５０のジョイントハウジング本体５２と結合され得、ボアシャフトの他方の側は、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントと結合され得る。ＳＥＡ１０は、出力リンク５０に伝達する原動トルクを生成する。出力リンクは、軸３０の周りでリンク４０に対して相対的に回転させられ得、環境に力を及ぼし得る。

【0016】

図３は、ＳＥＡ１０を除いたロボット関節組立体の例を示す。ボアシャフト６０は、その外輪が、ジョイントハウジング本体４２に取り付けられた、ジョイントベアリングの内輪に取り付けられる。ボアシャフト６０の上部マウントセクション６４は、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントと結合され得る。ボアシャフト６０の反対側は、リンク５０のジョイントハウジング本体５２に結合される。ボアシャフトは、電力ケーブルまたはセンサラインがジョイントを通って通過するための貫通穴６８を有し得る。ボアシャフト６０の突出部分６６は、リンク４０のジョイントハウジング本体の突出部分４８と共に、ハードストップとして機能し得、リンク４０に対するリンク５０の回転角度を制限する。

【0017】

図４は、関節組立体を備えたＳＥＡ１０の例示的な実施形態の断面図を示す。上述のように、ＳＥＡ１０は、モータ１００、ギアトランスミッション組立体２００、および、ばね組立体３００を含む。ＳＥＡ１０のＳＥＡハウジングフレーム２１１は、ジョイントハウジング本体４２に取り付けられ、ばね組立体３００は、ジョイントハウジング本体４２の内側に配置される。ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントは、その他方の側のマウントが、他方のジョイントハウジング本体５２に結合された、ボアシャフト６０の、図３の上部マウントセクション６４と結合される。ボアシャフト６０の丸い中央部分は、その外輪が、ジョイントハウジング本体４２に固定された、ジョイントベアリング６２の内輪に嵌め込まれる。ジョイントベアリング６２は、好ましくは、図３におけるリンク５０からの全方向荷重を支持する、クロスローラーベアリングであり、図２における軸３０に対してのみ自由回転を可能にする。したがって、ばね組立体３００の出力マウント、ボアシャフト６０、および、ジョイントハウジング本体５２は、しっかりと接続され、ジョイントハウジング４２に対して一緒に回転する。ジョイントハウジング本体４２またはＳＥＡハウジングフレーム２１１に対する、ジョイントハウジング本体５２の回転角度は、トランスミッション出力部２４０と、入力および出力マウントの間のばね組立体３００の回転撓みとの合計である。モータ１００からの適切に制御された原動力により、ばね組立体３００の回転撓みは、ハウジング本体４２に対してジョイントハウジング本体５２に印加されたトルクに比例し得る。

【0018】

より具体的には、図５は、関節組立体を除いた、ＳＥＡ１０の別の平面における断面図を示す。モータ１００の静止部分は、モータベース１０６に取り付けられ得るが、モータシャフト１０４は、シャフトカプラー２３４およびカプラークランプ２３２を介して、ギアトランスミッションの入力部、ハーモニックドライブ（登録商標）のウェーブジェネレータ２２２に、しっかりと結合される。シャフトカプラー２３４は、ウェーブジェネレータ２２２に固定される。モータシャフト１０４上をスライドするシャフトカプラー２３４は、軸方向にいくつかのスロットを備えたテーパ外周を有し、そこに、テーパ外周の雌部分を有するリング型カプラークランプ２３２が着座する。シャフトカプラー２３４とカプラークランプ２３２を軸方向に接続する、一組のねじを締めることは、シャフトカプラー２３４のテーパ外周を収縮させ、シャフトカプラー２３４とモータシャフト１０４の間に強固な接続を形成する。

【0019】

ギアトランスミッションの静止部品である、ハーモニックドライブ（登録商標）のサーキュラスプライン２２６は、ＳＥＡハウジングフレーム２１１に固定される。ギアトランスミッションの出力部であるフレクスプライン２２４は、ベアリング２１２を介してＳＥＡハウジングフレーム２１１で固定されるトランスミッション出力部２４０を介して、ばね組立体３００の入力マウントに取り付けられる。ベアリング２１２は、好ましくは、４点接触薄肉ベアリングまたはクロスローラーベアリングであり、内側ベアリングキャップ２１４によって、トランスミッション出力部２４０に固定され、外側ベアリングキャップ２１６によって、ＳＥＡハウジングフレーム２１１に固定され得る。ハーモニックドライブ（登録商標）の構成部品は、フレクスプライン２２４の歯付き円周部分が、サーキュラスプライン２２６の内周の歯付き部分と噛み合う一方で、ウェーブジェネレータ２２２の外側リングが、フレクスプライン２２４の内周にスライドする、一般的な方法で組み立てられる。

【0020】

引き続き図５を参照すると、トランスミッション出力部２４０は、センサ入力プーリ２５８およびタイミングベルト２４８を介して、センサ２５０と連結され得る、同心的に組み立てられたタイミングベルトプーリ２４４を含み得る。センサ２５０は、センサホルダ２５４を介して、ＳＥＡハウジングフレーム２１１に固定され得る。センサ２５０は、好ましくは、アブソリュートエンコーダまたは電位差計であり、図３のリンク４０に対する、図３のリンク５０の絶対角度位置を読み取るために使用され得る。ばね組立体３００に関する更なる詳細は、図８－１９に関して、以下で説明される。

【0021】

図６は、関節組立体が取り付けられていない、別の例示的なＳＥＡ１０Ａの実施形態の断面図を示す。上述の図４および図５の例のＳＥＡ１０と同様に、ＳＥＡ１０Ａは、モータハウジング１０６Ａに取り付けられた静止部品（固定子）１０２Ａを含み、モータ回転子１０４Ａは、固定子の内側に同心円状に配置され、モータ回転子ホルダ２３２Ａに取り付けられる。モータ回転子ホルダ２３２Ａは、ベアリング１０７Ａを介して、モータハウジングと結合され、それにより、モータ回転子１０４Ａおよび回転子ホルダ２３２Ａは、固定子１０２Ａに対して自由に回転する。回転子ホルダ２３２Ａの一方の側は、ギアトランスミッションの入力部分であるハーモニックドライブ（登録商標）のウェーブジェネレータ２２２Ａと結合された、モータシャフト２３４Ａに固定される。円形ロータおよび静止部品からなる非接触センサ１０５Ａ（例えば、クワドラチャエンコーダまたはアブソリュートエンコーダ）は、回転子ホルダ２３２Ａの反対の側に組み立てられ得る。センサ１０５Ａの静止部分は、モータハウジング１０６Ａの延長部に取り付けられるが、センサ１０５Ａの円形ロータは、回転子ホルダ２３２Ａに同心円状に結合される。センサ１０５Ａは、モータ転流、および／または、モータ回転子１０４Ａおよびトランスミッション出力部２４０Ａの位置の感知のために使用され得る。

【0022】

ギアトランスミッションの静止部品である、ハーモニックドライブ（登録商標）のサーキュラスプライン２２６Ａは、モータハウジング１０６Ａが取り付けられる、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ａに固定される。ギアトランスミッションの出力部品である、フレクスプライン２２４Ａは、ベアリング２１２Ａを介してＳＥＡハウジングフレーム２１１Ａに固定された、トランスミッション出力部２４０Ａを介して、図５のばね組立体３００の入力マウントに取り付けられる。ベアリング２１２Ａは、好ましくは、４点接触薄肉ベアリングまたはクロスローラーベアリングであり、内側ベアリングキャップ２１４Ａによって、トランスミッション出力部２４０Ａに固定され、外側ベアリングキャップ２１６Ａによって、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ａに固定され得る。モータシャフト２３４Ａは、延長され、ベアリング１０９Ａを介して、トランスミッション出力部２４０Ａの中心穴に接続され得、モータ固定子１０２Ａに対して、回転子ホルダ２３２Ａをよりしっかりとサポートする。ハーモニックドライブ（登録商標）の構成部品は、フレクスプライン２２４Ａの歯付き円周部分が、サーキュラスプライン２２６Ａの内周の歯付き部分と噛み合い、ウェーブジェネレータ２２２Ａの外側リングが、フレクスプライン２２４Ａの内周にスライドする、一般的な方法で組み合わせられる。

【0023】

トランスミッション出力部２４０Ａは、センサ入力プーリとタイミングベルトを介して、図５のセンサ２５０と結合され得る、同心的に組み立てられたタイミングベルトプーリ２４４Ａを含み得る。センサ２５０は、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ａに固定され得る。センサ２５０は、アブソリュートエンコーダまたは電位差計であり得、図３のリンク４０に対して、図３のリンク５０の絶対角度位置を読み取るために使用され得る。

【0024】

図７は、関節組立体が取り付けられていない、他の例示的なＳＥＡ１０Ｂの実施形態のさらに別の断面図を示す。モータ１００Ｂの静止部分（固定子）１０２Ｂが、モータハウジング１０６Ｂに取り付けられる一方で、モータ回転子１０４Ｂは、固定子の内側に同心円状に配置され、モータ回転子ホルダ２３２Ｂに取り付けられる。モータ回転子ホルダ２３２Ｂは、２つのベアリング１０７Ｂおよび１０９Ｂを介して、モータハウジングと連結されているので、モータ回転子１０４Ｂおよび回転子ホルダ２３２Ｂは、固定子１０２Ｂに対して自由に回転する。回転子ホルダ２３２Ｂの一端は、ギアトランスミッションの入力部である、ハーモニックドライブ（登録商標）のウェーブジェネレータ２２２Ｂに固定される。ウェーブジェネレータ２２２Ｂの中心穴にスライドする回転子ホルダ２３２Ｂの一端は、軸方向にいくつかのスロットを有するテーパ状円筒穴を有し、テーパ状円筒穴の雄型カウンターパートである、テーパ状円筒２３４Ｂが着座する。回転子ホルダ２３２Ｂとテーパ状円筒２３４Ｂを軸方向に接続する、一組のねじを締めることは、テーパシリンダーの穴を、ウェーブジェネレータ２２２Ｂの中心穴の壁に対して膨らませ、回転子ホルダ２３２Ｂとウェーブジェネレータ２２２Ｂの間の強固な接続を生成する。円形ロータおよび静止部品からなる非接触センサ１０５Ｂ（例えば、クワドラチャエンコーダまたはアブソリュートエンコーダ）は、回転子ホルダ２３２Ｂの反対側に組み立てられ得る。センサ１０５Ｂの静止部分が、モータハウジング１０６Ｂの延長部に取り付けられる一方で、センサ１０５Ｂの円形ロータは、回転子ホルダ２３２Ｂに同心状に結合される。センサ１０５Ｂは、モータ転流、および／または、モータ回転子１０４Ｂおよびトランスミッション出力部２４０Ｂの位置の感知のために使用され得る。

【0025】

ギアトランスミッションの静止部品であるハーモニックドライブ（登録商標）のサーキュラスプライン２２６Ｂは、モータハウジング１０６Ｂが取り付けられる、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ｂに固定される。ギアトランスミッションの出力部分である、フレクスプライン２２４Ｂは、ベアリング２１２Ｂを介してＳＥＡハウジングフレーム２１１Ｂに固定される、トランスミッション出力部２４０Ｂを介して、図５のばね組立体３００の入力マウントに取り付けられる。ベアリング２１２Ｂは、好ましくは、４点接触薄肉ベアリングまたはクロスローラーベアリングであり、内側ベアリングキャップ２１４Ｂによって、トランスミッション出力部２４０Ｂに、および、外側ベアリングキャップ２１６Ｂによって、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ｂに固定され得る。ハーモニックドライブ（登録商標）の構成部品は、フレクスプライン２２４Ｂの歯付き円周部分が、サーキュラスプライン２２６Ｂの内周の歯付き部分と噛み合う一方で、ウェーブジェネレータ２２２Ｂの外側リングが、フレクスプライン２２４Ｂの円周にスライドする、一般的な方法で組み立てられる。

【0026】

トランスミッション出力部２４０Ｂは、センサ入力プーリとタイミングベルトを介して、図５のセンサ２５０と結合され得る、同心的に組み立てられたタイミングベルトプーリ２４４Ｂを含み得る。センサ２５０は、ＳＥＡハウジングフレーム２１１Ｂに固定され得る。センサ２５０は、好ましくは、アブソリュートエンコーダまたは電位差計であり、図３のリンク４０に対する、図３のリンク５０の絶対角度位置を読み取るために使用され得る。

【0027】

図８は、ばねのたわみを検出するセンサ３３４を備えた、２つの平坦かつ円形のねじりばね３６０、スペーサ３１４、および、以下の図９に示される、内部機構３２０を含む、ばね組立体３００の例示的な実施形態を示す。平坦かつ円形のねじりばね３６０は、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、および、内側セグメントと外側セグメントを接続する一組の弾性変形可能なスパイラル３６２からなる。内側マウントセグメント３６４と外側マウントセグメント３６６は、同心である。２つのばねの外側セグメント３６６は、同心円状に重ねられ、スペーサ３１４を介して、互いにしっかりと結合される。ばねの撓みを検出するための、以下の図９に示される内部機構３２０は、２つのばね３６０の間に配置され、センサ３３４と結合される。２つのばね３６０の内側マウントセグメント３６４は、それぞれ、ばね組立体３００の入力および出力マウントに指定される。センサ３３４のケーブル配索の利便性のため、センサ３３４の側面の内側マウントセグメント３６４が、好ましくは、ばね組立体３００の出力マウントであり得る。

【0028】

図９は、ベースアーム３５６、スイングアーム３２２、ストリング３４２、および、プーリ３４４を含み得る、ばね組立体３００の内部機構３２０を示す。例えば、内部機構３２０は、ばね組立体３００内のスペーサ３１４の内部空洞内に配置され得る。ベースアーム３５６の中央部分３５７は、１つのばね３６０の内側マウントセグメント３６４の内面に固定され得る。ベースアーム３５６の２つのアームは、図６のばね３６０の外側マウントセグメント３６６の内径を超えないで、ばね表面上に広がり得る。アームの両端で、２つのプーリ３４４が、自由回転のためのベアリングを介して、ベースアーム３５６に接続され得る。図８に現れる、センサ３３４の静止部分は、図８のばね３６０の内側マウントセグメント３６４と同心円状に、ベースアームの中央部分３５７に取り付けられ得、センサ入力として、ベースアームの外に、センサ３３４の回転シャフト３３６の露出部を有する。スイングアーム３２２の中央部分３２７は、図８の他方のばね上の内側マウントセグメント３６４の内面に固定され得る。スイングアーム３２２の２つのアームは、他のばね３６０の外側マウントセグメント３６６の内径を超えない範囲で、他のスプリングの表面上に広がり得る。スイングアーム３２２の２つのアームの端部部分は、その中心が、ばね３６０の内側マウントセグメント３６４の中心と一致し得る、円弧として形成され得る。ベースアーム３５６およびスイングアーム３２２は、スイングアーム３２２の２つのアームの端部部分が、ベースアームの広がったアームに対して、同じ側に配置され、ベースアーム上の２つのプーリと同じ高さとされるように構成され得、２つのばね３６０の２つの中心点を接続する軸３１０に対するそれらの相対的な回転中に物理的接触を有さない。

【0029】

引き続き図９を参照すると、その一端がスイングアーム３２２の１つのアームの端に取り付けられ得る、ストリング３４２（例えばベクトランまたはケブラーストリング）は、スイングアーム３２２の１つのアームの円弧３２９と、ベースアーム３５６の１つのプーリ３４４を通り過ぎ、センサシャフト３３６の周りを巻き、ベースアーム３５６の他方のプーリ３４４とスイングアームの他方のアームの円弧３２９を通り過ぎ、スイングアーム３２２の他方のアームの端で固定される。スイングアームの両端で、ストリング３４２の各端部は、２本のねじを使用してスイングアーム本体に取り付けられ得る。固定する間、ストリングは、適切に張力をかけられ得る。ばね３６０の弾性撓み中に、スイングアーム３２２（または、ばね３６０の内側マウントセグメント３６４）が、ベースアーム（または、他のばね３６０の内側マウントセグメント３６４）に対して回転すると、スイングアーム３２２の相対的回転は、増幅され、センサ３３４の回転シャフト３３６に伝達され得る。増幅率は、スイングアームでの円弧の半径とセンサシャフト３３６の半径の間の、比率に比例し得る。増幅の比率は、１：５から１：３０の間であり得る。この実施形態では、機構３２０は、約１：１６の比を有し、センサ３３４の１４ビットアブソリュートエンコーダと組み合わされるとき、ばねのたわみを検出する際に、合計約１８ビットの分解能を形成する。ばね組立体３６０が、４００Ｎｍ／ｒａｄの剛性を有する場合、１８ビットの分解能を有する機構３２０は、ばね組立体に印加されるトルクの、約０．０１Ｎｍの変化を検出し得る。他の例では、機構３２０は、約１：８から１：２４の範囲の比を有し得、ばね組立体３６０は、約２００Ｎｍ／ｒａｄから約６００Ｎｍ／ｒａｄの範囲の剛性を有し得る。いくつかの特定の例では、機構３２０は、約２００Ｎｍ／ｒａｄから約９００Ｎｍ／ｒａｄの範囲の剛性を有し得る。

【0030】

ストリングに張力をかけることの詳細な説明として、図１０は、組立工程中、図９のストリング３４２を締めるように設計された、ツールチップ４００を示す。ストリング３４２の一端が、図９のスイングアーム３２２の１つのアームの端部で、２つのねじ３９４で固定され、ストリングの他端は、ツールチップ４００、および、上述の図９に示される、２つのねじ３９４を使用して、締め付けられ、スイングアーム３２２の他のアームの端部に固定され得る。ツールチップ４００は、軸方向に同心状に配置された、一体の小さな円筒部分４１０と大きな円筒部分を有し得る。大きな円筒部分には、六角キーまたは同等物のための開いた穴４２２と、ストリング３４２が引っ掛けられ得る、シリンダーの端の１つ以上のスロット４２６が存在し得る。小さな円筒部分は、ねじ３９４用の同心の貫通穴を有する。上述の図９に示される、機構３２０の周りにストリング３４２を配策するプロセスにおいて、スイングアーム３２２の他方のアームの端部で、円弧３２９に近い方の外側ねじ３９４が、緩く締められ、ねじ頭とスイングアーム本体との間に隙間が存在する。六角穴４２２側から穴４１２に挿入された別のねじ３９４は、スイングアーム本体にわずかに締められ、ツールチップ４００が、内側ねじ３９４の場所でスイングアーム本体に結合される。次に、ストリング３４２は、ねじ頭の下で外側ねじの周り、および、小円筒部分４１０の周りを巻き、スロット４２６に固定される。穴４２２に挿入された六角キーまたは同等物で、ツールチップ４００を回転させることにより、小さな円筒４１０の周りでストリング３４２を巻き込むことが、ストリングに張力をかける。引っ張りプロセスの間、ツールチップとスイングアーム本体との間の合わせ面での摩擦は、ツールチップ４００が巻き戻し方向に回転することを防止する。ストリング３４２が引っ張られると、外側ねじ３９４が、しっかりと締められて、ストリング３４２を、スイングアーム本体３２２に固定する。確実な固定のために、ツールチップ４００が取り外され、別のねじ３９４が、最初の固定後に、吊り下がったストリングの端を再び固定し得る。

【0031】

図６のばね３６０の説明として、図１１～図１４は、ディスク形状のばね３６０の例示的な実施形態の詳細を示す。上述のように、ばね３６０は、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、および内側および外側マウントセグメントを接続する一組の変形可能なスパイラル３６２を含み得る。内側マウントセグメント３６４および外側マウントセグメント３６６は、同心の円形フープとして形作られる。内側３６４と外側３６６のマウントセグメントには、他の部品を接続するためのいくつかの貫通穴とねじ穴が存在する。ばね３６０の直径３７３および厚さ３７１は、意図された回転剛性、最大許容トルク、変形可能なスパイラルの形状、および材料の強度に依存し得る。例えば、変形可能なスパイラル３６２は、鋼合金材料から形成され得る。図１１および図１２において、ばね３６０は、直径が、約７６ミリメートル（ｍｍ）、厚さが、約５ｍｍ、剛性が、約８００Ｎｍ／ｒａｄ、最大許容トルクが、約３５Ｎｍであり、安全係数は、推奨材料（例、マレージング鋼Ｃ３００，または、Ｈ－９００処理状態の１７－４ステンレス鋼）の降伏強さに基づいて２を超える。したがって、２つのばね３６０の直列接続を含む、図８のばね組立体３００は、約４００Ｎｍ／ｒａｄの剛性、および、約３５Ｎｍの最大許容トルクを有する。

【0032】

スパイラルの形状の変化を伴った、ばね３６０の別の例示的な実施形態として、図１３のばね３６０Ａは、同じ外径と厚さを有するが、約１０００Ｎｍ／ｒａｄの剛性と、約５０Ｎｍの最大許容トルクを有し、上記の同じ材料については、２を超える安全係数を有する。したがって、２つのばね３６０Ａとの直列接続を含む、図８のばね組立体３００は、約５００Ｎｍ／ｒａｄの剛性、約５０Ｎｍの最大許容トルクを有する。ばねの設計のもう１つの変更は、同じ構成におけるばねの剛性に比例する厚さである。例えば、ばね３６０Ａと同じ輪郭を有するばねが、約６ミリメートルの厚さを有する場合、ばねは、約１２００Ｎｍ／ｒａｄの剛性と、約６０Ｎｍの最大許容トルクを有し、図８のばね組立体３００に、約６００Ｎｍ／ｒａｄの剛性をもたらす。したがって、いくつかの例では、ばねは、６０ｍｍから９０ｍｍの間の直径、および、２ｍｍから８ｍｍの間の厚さを有し得る。これらの例では、ばねの剛性は、２００Ｎｍ／ｒａｄから１２００Ｎｍ／ｒａｄの間、および、２５Ｎｍから６０Ｎｍの最大許容トルクの間で変化し得る。他の例では、ばねの剛性は、４００Ｎｍ／ｒａｄと１８００Ｎｍ／ｒａｄの間、および、２０Ｎｍと１００Ｎｍの最大許容トルクの間で変化し得る。

【0033】

スパイラル３６２は、内側マウントセグメント３６４に近い、内側の厚いセクション３６３、中間の薄いセクション３６５、および、外側マウントセグメント３６６に近い、外側の厚いセクション３６７を有する。厚さが、スパイラルの２つの境界スプライン間の中心線に垂直に測定されると、内側の厚いセクション３６３の最も厚い部分、中央の薄いセクション３６５の最も薄い部分、および、外側の厚いセクション３６７の最も厚い部分の、厚さの比率は、図１２のばね３６０では、約１０：１：９であり、図１３のばね３６０Ａでは、約９：１：８である。また、中間の薄いセクション３６５の最も薄い厚さは、図１２のばね３６０では、約１．３６ｍｍであり、図１３のばね３６０Ａでは、約１．４７ｍｍである。いくつかの例では、中央の薄い部分は、ばね３６０または３０６Ａのいずれかに対し、１．００ｍｍから１．７０ｍｍの間であり得る。内側マウントセグメント３６４から始まるスパイラル３６２は、外側マウントセグメント３６６に連続的に近づきながら、内側マウントセグメント３６４の周りを回り得る。スパイラルは、互いに接触することなく、可能な限り（ばね３６０と３６０Ａにおいて半円以上）周りを回り、内側３６４と外側３６６のマウントセグメント間の内側領域の大部分を占めるように構成され、所定の剛性と最大許容トルクで、図１３のばね３６０の直径３７３および厚さ３７１を最小限にする。スパイラルのスプラインは、内側３６４と外側３６６のマウントセグメントの間にトルクが作用する際、応力集中することなく、スパイラル本体全体に均等に、スパイラルの変形が生じるように構成される。内側の急なコーナ３７５および外側の急なコーナ３７６の湾曲は、応力集中を回避するように設計され得る。

【0034】

図１４は、いくつかの実施態様による、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の別の例示的な円盤形状のばねを示す。スパイラルの形状、および、スパイラルの数が変化した、ばね３６０Ｂの別の例示的な実施形態として、図１４のばね３６０Ｂは、ばね３６０および／または３６０Ａより外径は小さいが、同じ厚さを有する。例えば、ばね３６０Ｂの直径は、６６ｍｍで、厚さは、５ｍｍであるが、約８２０Ｎｍ／ｒａｄの剛性、約３０Ｎｍの最大許容トルクを有し、上記のばね３６０および／または３６０Ａと同じ材料に対して、２を超える安全係数を有する。

【0035】

上述のばね３６０、３６０Ａ、および３６０Ｂは、ＳＥＡ１０と一体となって使用され得る、３つの例示のばねであるが、ばね３６０の他の配置が、また、使用され得ることが理解されるべきである。例えば、５つ以上の変形可能なスパイラルを有するばねが、使用され得る。

【0036】

図１５は、いくつかの実施態様による、ＳＥＡの例示的な内部機構３２０、および、ばね組立体の円盤状ばねの底部ねじりばね３６０を示す。ばね３６０は、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、および内側および外側マウントセグメントを接続する、一組の変形可能なスパイラル３６２を含み得る。内部機構３２０は、ベースアーム３５６、スイングアーム３２２、ストリング３４２、および、プーリ３４４を含み得る。示されるように、内部機構３２０は、スペーサ３１４によって生成された内部空洞内で、底部ばね３６０上に配置される。現在の例では、アームの両端で、２つのプーリ３４４が自由回転のためのベアリングを介してベースアーム３５６に接続され得る。再び、図１０は、スイングアーム３２２の各アームの端部で、ねじ３９４によって固定されたストリング３４２を締めるように設計された、ツールチップ４００を示す。

【0037】

図１６および図１７は、いくつかの実施態様による、ＳＥＡ１０のばね組立体３００Ａおよび３００Ｂの例示的な配置を示す。ばね組立体３００Ａでは、頂部および底部ばね３６０の両方のスパイラル３６２が、同じ方向に配置される。しかしながら、ばね３６０は、互いに９０度だけオフセットされ、その結果、スパイラル３６２も、また、９０度オフセットされる。ばね組立体３００Ｂでは、頂部および底部ばねは、Ｘ軸およびＹ軸に沿って整列しているが（例えば、互いにオフセットされていない）、スパイラル３６２は、反対方向に配置される。

【0038】

上述のばね組立体３００Ａおよび３００Ｂは、ＳＥＡ１０と一体となって使用され得る、２つの例示の組立体であるが、ばね組立体３００の他の配置も使用され得ることが理解されるべきである。例えば、ばね組立体３００は、同じ方向に配置され得る、一対の調和するばね３６０を有し得、スパイラルは、Ｘ軸およびＹ軸に沿って整列する。別の例では、ばね組立体３００は、ばね３００Ａおよび３００Ｂなどの、２つの異なるばねを利用し得る。

【0039】

図１８は、いくつかの実施態様による、スペーサ３１４が取り外された、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の側面図を示す。現在の例では、ばね組立体３００は、２つの平担な、および、円形のねじりばね３６０と、ばね３６０の撓みを検出するセンサ３３４を備えた内部機構３２０を含む。示されるように、２つのばねは、同心円状に積み重ねられ、Ｚ方向に互いにオフセットしている。２つのばね３６０は、また、以下に、図１９に関して示されるように、ばね３６０およびスペーサ３１４の両方を通って延びる、ファスナ３９３を介して、互いにしっかりと結合される。一般に、２つのばね３６０の間に位置する内部機構３２０は、センサ３３４で、ばね３６０の撓みを検出するように構成される。場合によっては、内部機構３２０のスイングアーム３２２は、スペーサ３１４の内部空洞内に配置され得る。

【0040】

図１９は、いくつかの実施態様による、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の例示的な分解図を示す。ばね組立体３００は、２つの平坦かつ円形のねじりばね３６０、スペーサ３１４、および、ばねの撓みを検出するセンサ３３４を備えた内部機構３２０を含む。平坦かつ円形のねじりばね３６０のそれぞれは、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、および、内側セグメントと外側セグメントを接続する一組の弾性変形可能なスパイラル３６２からなる。２つのばねの外側セグメント３６６は、同心円状に積み重ねられ、スペーサ３１４を介して互いにしっかりと結合される。ばねのたわみを検出するための内部機構３２０は、２つのばね３６０の間に配置され、センサ３３４と結合される。２つのばね３６０の内側マウントセグメント３６４は、それぞれ、ばね組立体３００の入力および出力マウントに指定される。センサ３３４のケーブル配索の利便性のため、センサ３３４の側部の内側マウントセグメント３６４は、好ましくは、ばね組立体３００の出力マウントであり得る。現在の例では、ばね３６０は、弾性変形可能なスパイラル３６２のそれぞれのセットが、反対方向に走るように位置合わせされる。しかしながら、他の実施態様では、ばね３６０は、弾性変形可能なスパイラル３６２のそれぞれのセットが、同じ方向に走るか、または積み重なるように整列される。

【0041】

場合によっては、ばね組立体３００の内部機構３２０は、ベースアーム３５６、スイングアーム３２２、および、プーリ３４４を含み得る。例えば、内部機構３２０は、ばね組立体３００内で、示されるように、スペーサ３１４の内部空洞内に配置され得る。ベースアーム３５６は、ばね３６０の内側マウントセグメントの内面に固定され得る。ベースアーム３５６の２つのアームは、ばね３６０の外側マウントセグメントの内径を超えない範囲で、スプリング表面上に広がり得る。アームの両端で、２つのプーリ３４４が、自由回転のためのベアリングを介して、ベースアーム３５６に接続され得る。センサ３３４の静止部分は、ばね３６０の内側マウントセグメントと同心円状に、ベースアームに取り付けられ得る。

【0042】

ばね３６０の弾性撓み中に、スイングアーム３２２が、ベースアーム３５６に対して回転すると、スイングアーム３２２の相対回転が増幅され得、センサ３３４の回転シャフト３３６に伝達される。増幅率は、スイングアームでの円弧の半径とセンサシャフト３３６の半径の間の比率に、比例し得る。増幅の比率は１：５から１：３０の間であり得る。場合によっては、機構３２０は、約１：１６の比を有し、センサ３３４の１４ビットアブソリュートエンコーダと組み合わされたとき、ばねのたわみを検出する際に、合計約１８ビットの解像度を形成する。例えば、ばね組立体３６０が、４００Ｎｍ／ｒａｄの剛性を有する場合、１８ビットの分解能を有する機構３２０は、ばね組立体に印加されるトルクの約０．０１Ｎｍの変化を検出できる。他の例では、機構３２０は、約１：８から１：２４の範囲の比を有し得、ばね組立体３６０は、約２００Ｎｍ／ｒａｄから約９００Ｎｍ／ｒａｄの範囲の剛性を有し得る。

【0043】

上述のように、ばね３６０は、円形の内側マウントセグメント３６４、円形の外側マウントセグメント３６６、内側および外側マウントセグメントを接続する一組の変形可能なスパイラル３６２を含み得る。内側マウントセグメント３６４および外側マウントセグメント３６６は、同心の円形フープとして形作られる。内側３６４と外側３６６のマウントセグメントには、他の部品を接続するためのいくつかの貫通穴とねじ穴が存在する。ばね３６０の直径３７３および厚さ３７１は、意図された回転剛性、最大許容トルク、変形可能なスパイラルの形状、および材料の強度に依存し得る。

【0044】

図２０および図２１は、いくつかの実施態様による、圧力下にある、ディスク形状のばね３６０の例示的な部分を示す。例えば、図１２の急なコーナ３７５の最小半径３７２は、０．６ｍｍ以上であり得、図１３の急なコーナ３７６の、図２１における最小半径３７４は、０．５７ｍｍ以上であり得る。結果として、スパイラル３６２は、意図された最大許容トルク内でのみ、弾性的に変形し得る。例えば、３０Ｎｍのトルクが印加された場合、図１２のばね３６０と図２０のばね３６０Ａのスパイラルに沿った応力（フォンミーゼス）は、それぞれ約４６０ＭＰａと約４１０ＭＰａを超えない。この特定の例では、４つの変形可能なスパイラルが存在する。異なる数のスパイラルが採用され得るが、特定の剛性と最大許容トルクに応じて、スパイラルの形状を変更し得る。

【0045】

引き続き図１２を参照すると、最大許容トルクが、内側３６４と外側３６６のマウントセグメントの間に印加されると、スパイラル体の複数の点が互いに干渉し、ハードストップとして機能する。過剰なトルクが、内側マウントセグメント３６４を、外側マウントセグメント３６６に対して反時計回りに回転させると、４つの外側の狭いチャネル３８１で、１つのスパイラル３６２の中央の薄いセクション３６５が膨らみ、他のスパイラル３６２の外側の厚いセクション３６７と干渉し得る。外側の狭いチャネルの幅は、図１２のばね３６０に対して、約０．７ｍｍ、図１３のばね３６０Ａに対して、約０．８ｍｍである。同様に、過剰なトルクが、逆方向に印加されると、４つの内側の狭いチャネル３８３で、一方のスパイラル３６２の中央の薄いセクション３６５が内側に収縮し、他方のスパイラル３６２の内側の厚いセクション３６３と干渉し得、スパイラルの過度の変形を防止する。内側の狭いチャネルの幅は、ばね３６０に対して、約０．８ｍｍ、ばね３６０Ａに対して、約０．９ｍｍである。これらの干渉は、ばね３６０の剛性の非線形増加を引き起こし、意図された最大許容トルクを超えて印加された場合に、ばねの過度の変形を防ぐためのハードストップとして機能する。いくつかの例では、ばね３６０または３０６Ａのいずれかに対して、外側の狭いチャネルは０．５ｍｍから０．９ｍｍの間であり得、内側の狭いチャネルは０．６ｍｍから１．１ｍｍの間であり得る。

【0046】

図２２は、いくつかの実施態様による、ＳＥＡ１０を備えたロボット関節組立体の別の例示的な分解図を示す。ＳＥＡ１０のＳＥＡハウジングフレームは、リンク４０のジョイントハウジング本体４２に取り付けられ得、一方、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントは、ジョイントベアリング６２を介して、出力リンク５０のジョイントハウジング本体５２の上部マウントセクション６４に結合される。ジョイントでは、ジョイントベアリング（例えば、クロスローラーベアリング）の外輪が、入力リンクのジョイントハウジング本体４２に固定され得る。ジョイントベアリングの内輪に着座するボアシャフトの一方の側は、出力リンク５０のジョイントハウジング本体５２と結合され得、ボアシャフトの他方の側は、ＳＥＡ１０のばね組立体３００の出力マウントと結合され得る。ＳＥＡ１０は、出力リンク５０に伝達する原動トルクを生成する。出力リンクは、軸３０の周りでリンク４０に対して相対的に回転し得、環境に力を及ぼし得る。

【0047】

図２３は、いくつかの実施態様による、ばね組立体上に保護カバーを備えた、ＳＥＡ１０の例示的な図を示す。現在の例では、回転式ＳＥＡ１０は、モータ１００、ギアトランスミッション組立体２００、および、センサ（例えば、アブソリュートエンコーダ）３３４を備えたばね組立体３００を含む。ＳＥＡ１０の追加の構成部品と詳細な態様は、追加の図に関連して、次の段落でさらに説明される。

【0048】

図１～図２３は、様々な図、実施例、および、実施態様を示すが、図１～２３の特徴は、示されているどの実施態様にも適用され得ることが理解されるべきである。さらに、「約」、「およそ」、「実質的に」などの用語は、相対的な用語であり、２つの値は異なり得るが、それらの違いは、装置または方法が、依然として、指示されたまたは望ましい結果を提供するようなものか、または、器具の操作、または、方法が、意図された目的を実行できない点まで、悪影響を受けないようなものであるということを示す。限定ではなく例として、「約Ｘｍｍ」の高さが記載される場合、目的の機能が実行され得るか、または、目的の結果が達成され得る場合、高さの下限または上限は、なお、「約Ｘｍｍ」である。

【0049】

主題は、構造的特徴に特有の言語で説明されたが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、説明された特定の特徴に必ずしも限定されないことが理解されるべきである。むしろ、特定の特徴は、特許請求の範囲を実施する例示的な形態として開示される。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【手続補正書】

【提出日】2023-12-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体の円盤状のねじりばねであって、
円形の内側マウント、
円形の外側マウント、および、
一組の弾性変形可能なスパイラルであって、各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、前記円形の内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記円形の外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記一組の弾性変形可能なスパイラル、を含み、
前記一組の弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも３つの個別のスパイラルを含むことを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項2】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記内側の厚いセグメントの前記中間の薄いセクションに対する相対的な厚さは、１１：１と８：１の間の比であり、前記中間の薄いセクションの前記外側の厚いセグメントに対する相対的な厚さは、１：１０と１：７の間の比であることを特徴とするねじりばね。

【請求項3】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記ねじりばねは、４００Ｎｍ／ｒａｄと１８００Ｎｍ／ｒａｄの間の剛性を有することを特徴とするねじりばね。

【請求項4】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねでわって、前記ねじりばねは、２０Ｎｍと１００Ｎｍの間の最大許容トルクを有することを特徴とするねじりばね。

【請求項5】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記外側の厚いセグメントと前記円形の外側マウントの間の結合部における、第１の弾性変形可能なスパイラルのコーナの半径は、０．５７ｍｍ以上であることを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項6】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、前記内側の厚いセグメントと前記円形の内側マウントの間の結合部における、第１の弾性変形可能なスパイラルのコーナの半径は、０．６ｍｍ以上であることを特徴とする円盤状のねじりばね。

【請求項7】

請求項１に記載の円盤状のねじりばねであって、各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも１つの他の弾性変形可能なスパイラルが使用中に過度の変形を受けるのを防止することを特徴とする円盤状ねじりばね。

【請求項8】

回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体であって、
第１の組の弾性変形可能なスパイラルと、第１の円形の内側マウントと、第１の円形の外側マウントを含む、第１のねじりばね、
第２の組の弾性変形可能なスパイラルと、第２の円形の内側マウントと、第２の円形の外側マウントを含む、第２のねじりばねであって、前記第１の円形の外側マウントは、スペーサを介して、前記第２の円形の外側マウントに結合される、前記第２のねじりばね、および、
前記第１のねじりばねと前記第２のねじりばねとの間に存在する内部機構であって、該内部機構は、前記ばね組立体の回転撓みを検出し、前記回転撓みを、測定されたトルク入力値として、モータコントローラに提供するセンサを含む、前記内部機構、を含み、
前記第１の組の弾性変形可能なスパイラルと、前記第２の組の弾性変形可能なスパイラルは、それぞれ、少なくとも３つの個別のスパイラルを含むことを特徴とするばね組立体。

【請求項9】

請求項８に記載のばね組立体であって、前記第１のねじりばねは、前記第２のねじりばねと、同心に整列されることを特徴とするばね組立体。

【請求項10】

請求項８に記載のばね組立体であって、前記内部機構は、
第１の端部および第２の端部を含むベースアーム、
第１アームおよび第２アームを含むスイングアームであって、前記第１アームおよび前記第２アームは円弧状に形成された、前記スイングアーム、
前記ベースアームの前記第１の端部に結合され、前記ベースアームに対して自由に回転するように構成された、第１のプーリ、
前記ベースアームの前記第２の端部に結合され、前記ベースアームに対して自由に回転するように構成された、第２のプーリであって、前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に位置する、前記第２のプーリ、および、
前記スイングアームの前記第１アームと前記スイングアームの前記第２アームに連結され、前記第１のプーリ、前記センサのセンサシャフト、および、前記第２のプーリの周りに張力をかける、ストリング、を含むことを特徴とするばね組立体。

【請求項11】

請求項１０に記載のばね組立体であって、
前記スイングアームが、前記第１の円形の内側マウントに固定され、
前記ベースアームが、前記第２の円形の内側マウントに固定され、
回転センサが、前記第２の円形の内側マウントに固定された静止部分を有し、センサシャフトが、前記第１のねじりばねと前記第２のねじりばねの間に配置され、前記第１の円形の内側マウントおよび前記第２の円形の内側マウントと同心に整列され、
前記スイングアームと前記ベースアームは、互いに向かい合っており、前記第１の円形の内側マウントと前記第２の円形の内側マウントの間に加えられたトルクに応じて、互いに対して、および、前記第１の円形の内側マウントおよび前記第２の円形の内側マウントと共に、相対的に回転するように構成されることを特徴とするばね組立体。

【請求項12】

請求項１０に記載のばね組立体であって、前記ストリングは、最初に、前記第１のプーリの周りに、次に、前記センサの前記センサシャフトの周りに、次に、前記第２のプーリの周りに、張力がかけられることを特徴とするばね組立体。

【請求項13】

ねじりばねであって、
内側マウント、
外側マウント、
第１の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第１の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第１の弾性変形可能なスパイラルと、
第２の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第２の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第２の弾性変形可能なスパイラルと、
第３の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第３の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第３の弾性変形可能なスパイラルと、
を含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項14】

請求項１３に記載のねじりばねであって、さらに、第４の弾性変形可能なスパイラルであって、前記第４の弾性変形可能なスパイラルは、前記内側マウントに結合された、内側の厚いセグメント、前記外側マウントに結合された、外側の厚いセグメント、および、前記内側の厚いセグメントと前記外側の厚いセグメントの間に結合された、中間の薄いセクションを含む、前記第４の弾性変形可能なスパイラル、を含むことを特徴とするねじりばね。

【請求項15】

請求項１３に記載のねじりばねであって、一組の弾性変形可能なスパイラルの各々の前記弾性変形可能なスパイラルは、少なくとも１つの他の弾性変形可能なスパイラルが使用中に過度の変形を受けるのを防止することを特徴とするねじりばね。

【請求項16】

請求項１３に記載のねじりばねであって、前記内側マウントは、円形であり、前記外側マウントは、円形であることを特徴とするねじりばね。

【請求項17】

請求項１３に記載のねじりばねであって、前記ねじりばねは、円盤状であることを特徴とするねじりばね。

【請求項18】

請求項１３に記載のねじりばねであって、前記ねじりばねは、回転シリーズ弾性アクチュエータ用のばね組立体に関連づけられることを特徴とするねじりばね。