JP2006504082A - ３次元の力およびトルクの変換器 - Google Patents

Abstract

装置に掛かる外力またはトルクを測定し、これを信号に変換する３次元の力およびトルクの変換器であって、この信号は、この変換器を含むシステムまたは装置を制御するために利用可能である。この変換器は、４本の離隔した足アームを有し、６つ以上の拘束度を有する。外力またはトルクは、把持手段を介して各アームの先端部に掛かる。アームの変位を測定するためにセンサが用いられており、出力信号が発生される。

Description

［発明の分野］
本発明は、制御装置に関し、より詳細には、３次元の加えられた力またはトルクに応答し、かつ制御信号を導出して例えばコンピュータ制御システム等の機械を制御することができる、かかる装置に関する。しかしながら、本発明を具現する装置は他の用途にも適用することができる。

［発明の背景］
本発明者は、米国特許４，８１１，６０８号、同第５，２２２，４００号、同第５，７０６，０２７号、および同第５，７９８，７４８号の主題である３次元の力およびトルク感知装置に関するこの分野の発明の発明者でもある。

当該分野における他の従来の公開された提案は、米国第４，５８９，８１０号（Heindl他）である。

この他の従来の公開資料に関して、本発明者は、これらの他の提案のいずれもが当業者またはいかなる特定国の共通の通常の知識を有する者にとって必然的に既知であるとは認めていない。

本発明者の以前の特許第４，８１１，６０８号は、アームが直交に配置され、３次元のいずれもの軸に関する力またはトルクに対するアームの応動（response：応答）がセンサを用いて監視される、６アーム装置を開示している。

本発明者は、目下、上記で開示した本発明者自身の従来技術および他の従来技術事項に対し新規で有用な代替物が非常に有利であろうことを理解しており、本発明は、かかる代替物に関する。

[発明の概要]
要するに、本発明は、本体から延びる、装置を支持するようになっている４本のみのアームを有するコントローラであって、アームは３次元で互いに離隔し、装置は６つ以上の拘束度（degrees of constraint）を有し、アームのそれぞれの先端部は制限された相対移動を与える連結手段と係合し、この連結手段は、３次元方向に力および／またはトルクを加えることができる把持手段に取り付けられ、装置は、４本のアームのうち少なくとも３本のアームの応動を監視して、把持手段に加えられた力および／またはトルクを表す出力信号を供給するようにする応動検出手段を有する、コントローラとして説明することができる。

いくつかの実施形態では、当該装置は信号によりシステムを制御するように構成されている。

アームは、四面体状包絡面を形成するように構成され、任意選択的に、約１０９°の挟角で対称方向にほぼ等しく互いに離隔している。しかしながら、摩擦問題に対処するが、その一方、コンピュータベースのシステムが正確な出力信号を導出する関連計算を迅速に行うことができる装置を提供する、機械的な何らかの予荷重（preloading）が掛けられることを保証するには、わずかに非対称であることが有利である。

最も有用なことに、アームは、装置が８つの拘束度を有することで拘束される。

このことは、連結手段に関連した円筒孔に沿って摺動可能であり、かつ適当な制限内で該孔の内側で回転可能なボール要素を有する各アームの先端により達成されることができる。したがって、かかる連結はそれぞれ、孔の軸に沿った並進移動には自由に関わることができるが、自由な回転は制限されている。よって、ボールジョイントは、孔の軸に対し直角に平面を画定する２つの方向に拘束され、各ジョイントには、総じて自由な４つの次元と２つの拘束がある。

任意選択的に、アームの応動を監視するセンサは平面内の円形路の周りに配設される。このセンサは、光学ベースのシステムであることが有利であり得る。

光学システムは、加えられる力またはトルクに応じたアームにおける非常に厳密で極小さな撓みを検出することができる。

別の実施形態は、４本のアームのそれぞれのＸ−Ｙの組の方向における変位が行われ、要求されている出力信号を与えるように分解する（resolve）ことができる８つの読み取り値を得るよう、６つのセンサがアレイで提供される実施形態である。

本発明の別の有利な実施形態は、応動検出手段の構成部品として複数の光学センサを備える。これらの光学センサは同心であり、同一面上に配設される。

６つのセンサは、任意選択的に、４本のアームのうち３本のアームの周りに対になって構成されることができる。

本発明の実施形態を上述してきたが、本発明は、外部機構として組み込まれるかまたは一体形サブシステムとして組み込まれるかにかかわらず、コンピュータシステムのコンポーネントとして構成されることが有用であり得る。

技術的背景として、本発明または本発明の実施形態のいくつかをさらに説明し得る原理の説明をこれから行うが、本出願人は、この説明の完全性または正確性に束縛されるものではない。好適な一実施形態のさらなる特徴も説明する。

２つの本体間の拘束関係は、特定の幾何学アラインメントを有する機構なしで、２つの本体間のジョイント（単数または複数）の拘束を合わせることにより求めることができる。完全拘束装置は、ちょうど６つの拘束度を有するであろう。完全拘束設計には、ジョイントのクリアランスによるがたつきを回避するか、または干渉によるジョイントの過剰な摩擦を回避するために高いジョイント許容差を必要とする。実際には、わずかな干渉により製品が使用に適さなくなるため、完全拘束設計は、ジョイントのクリアランスにより少量のがたつきを呈する可能性が高い。また、ジョイントの何らかの摩擦により少量の減衰がなされることが望ましい。

変位可能なグリップを有する制御装置が設計される場合、グリップが開放されると減衰により振動問題が回避され、また、グリップが非常に軽量である必要性がなくなる（単なるばね付勢式設計の場合でも同様である）ことを理解することが有用である。グリップが開放される場合、完全拘束設計の摩擦は、グリップの重量および材料の摩擦特性によってのみ決まり、したがって、通常の設計では調整可能ではない。

過拘束設計は、ジョイントの各側をわずかにずらすことによって容易に予荷重を掛けることができる。任意選択的に、許容問題を回避するためにほんのわずか過拘束を用いる。本発明の好適な一実施形態は、８つの拘束度により若干過拘束される。これにより、管状突起のアームが円筒孔等の連結手段に対しわずかにずらされ、装置が停止しているときにわずかな予荷重が掛けられるようになっている。

設計上の耐久性は、ジョイントの摩耗特性により著しく影響を受ける。点接触による完全拘束設計では、少量の摩耗でジョイントのずれ落ちが増す結果、装置のがたつきが増すことになる。好適な本実施形態は、点接触よりも摩耗がはるかに遅い線接触のジョイントを有する。少量の予荷重が掛かる場合、装置にはずれ落ちが見られない。

好適な実施形態は、４アーム式の、本明細書において便宜上「テトラスター（tetra star）」として知られるほぼ星形の本体を形成するように、単一ユニットとして成形された中央本体およびアームを有することで、アームとその星形の本体との強固な取り付けを提供し、コストが低減される。中央の星部分を成形するには複雑な工具が必要とされ、各アームは、工具の３つのセクションにより形成される。好適な実施形態は、グリップを形成する外側ボールすなわちシェルの孔と係合する球状先端を有する。金型は３つのパーティングラインを有する。いかなるばり（flash）もボールインホール（ball-in-hole）ジョイントの動作に影響を及ぼすことを回避するために、理想球面が円筒面を有するパーティングラインに沿って任意選択的に削減され、ばりが外側ボールに関連した円筒孔の表面に触れないようにする。

好適な実施形態では、テトラスターを取り付けるために内側ボール構造があり、この構造は下部および上部からなる。内側ボールには４つの穴が設けられ、外側ボールからの円筒状に穿孔された延部がテトラスターアームに通されて該アームと係合するようになっている。また、これらの穴は、この延部の移動範囲を制限するとともに、アームに過度に応力がかからないようにする。衝撃荷重が延部から内側ボール構造へ直接伝わることで、テトラスターアームの損傷が回避され、ロバストな設計が達成されるようになっている。

好適な実施形態は、赤外線ＬＥＤおよびフォトダイオードを用いて、テトラスターアームの変位を検出する。完全な３Ｄ（次元）力および３Ｄ（次元）トルクの計算にはたった６つの組のセンサが必要なだけである。これらは、センサを有さない１本のアームを有する３つの対として任意選択的に構成されている。２つのアームが２対ずつおよび残りの他の２つのアームが単一のセンサを有することも可能であるが、望ましくはない。同様に、８つの組のセンサを、各アームについて１対ずつ用いることもできるであろう。各アームは、任意選択的に互いに対し垂直な光軸を有する。

好適な実施形態では、赤外線ＬＥＤおよび赤外線フォトダイオードを用いて変位を感知するのにシャドウマスク技術が用いられる。赤外線の使用により、測定に影響を及ぼす周囲光からかなり免れる（immunity）。ＬＥＤからのフォトダイオードに当たる光により小電流が生成される。アームが撓む際、光量が変わり、電流量も変わる。線形性をより大きくすることは、適当な回路を用いてフォトダイオードの両端の電圧を一定に保つことによって達成される。各ＬＥＤ／フォトダイオード対は、シャドウを用いずにＬＥＤ駆動電流対フォトダイオード出力電流の比として測定される特徴的な損失係数を有する。これは通常、約２００：１である。優れた精度のため、損失係数のばらつきを補償するには駆動回路および／または計算が必要である。

好適な実施形態は、２拘束度ジョイントであるボールインホールジョイントを有する。これらは、球状ボールチップ面と全面との線接触を有する。

例示のみのため、本発明を以下の例示的な図面を参照しながら説明する。

［好適な実施の形態の詳細な説明］
当該装置の主要な構成要素は、テトラスター本体１０ベースと、碗形内側キャップ１２と、複数のセグメント（図４にそのうち１つを示す）から形成されるおよび外側キャップ１３とからなる。

テトラスター１０は、中央本体１５から各軸（互いに対しほぼ均一に幾何学的に配置されている）に沿って延びる４本のアーム１４を有する。各アーム１４は、横断面が小さい細長い円筒部１４Ａを有し、この円筒部は、テーパ状基部１６から延びるとともに、拡大頭部を有する先端１７につながっており、その表面プロファイルは、扁平な端面１９を有するほぼ球状の部分１８を含む。一連の構造ウェブ２０が、テトラスター本体に個別に形成される。

内側キャップ１２が、外側キャップ１３に付随した管状リテーナ２４を受け入れるアパーチャ３０を有していることで、キャップ１３の変位が制限される（これはグリップとして作用する）。

図２に最も明示するように、アームの１本がほぼ垂直方向に上向きに延び、上述したように、好適な一実施形態は、アームの屈曲を検出する光学センサを有する。図２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）２２および光検出器２３を有する光検出器ユニット２１を概略的に示す。アーム１４のそれぞれは、キャップ１３の各キャップセグメントと一体形成されているとともに該セグメントから内側に突出して先端１７と係合するようになっている各管状リテーナ２４内で線接触により拘束される。

次に図５および図６を参照すると、下部の３つの印刷回路基板（ＰＣＢ）３２のそれぞれにある小さなカットアウト３１が、光検出器ユニット２１を内側キャップ１２内に組み立てるためのクリアランスを提供する。下部の３つのＰＣＢ３２のそれぞれには、印刷回路基板インターフェース３４が装備されている。ＰＣＢ３２および２つの光検出器ユニット２１を備える各光学サブアセンブリ３６を容易にかつ正確に取り付けるために、３つの３つ組光学サブアセンブリ支持体３５が構造ウェブ２０から突出している。

ＰＣＢインターフェース３４は、光学サブアセンブリ３６のために相互接続を行い、インタフェース電極（図示せず）が装備されている。リボンケーブル（図示せず）がＰＣＢインターフェース３４に半田付けされ、外部電子機器（図示せず）との接続のためにステム１１の内側に延びる。

内側キャップ１２の上部および下部はそれぞれ、相互係合のために３対のクリップ３７および３対のクリップ穴３８を有する。ステム１１は、ベース（図示せず）に装置を取り付けるための３つのねじボス（図示せず）、リボンケーブル出口スロット、および装置を正確に取り付けることを確実にするキースロットを有する。外側キャップ１３のセグメントの縁は、相互の取り付けおよび組み立てのためにインターロックタブ３９を有する。これらのタブ３９は、外側キャップ１３の４つの部分全てが同時に組み立てられることを必須とする。タブ３９のインターロック設計には、製造のために単純な２部成形工具が必要とされる。外側キャップ１３のセグメントは、機械的に係合するが、強度のため接着される。

図６は、アーム１４を発光ダイオード２２および対応する光検出器２３からずらして、アーム１４の撓みによる光の変化を容易に測定することができるようにする方法を明示している。

テトラスター１０は、プラスチック射出成形用に設計されている。なお、各アーム１４の球状部１８は、厳密である必要があり、いかなる成形ばりも球状部１８の下になる外郭をした部分を有する。プラスチックのタイプは、アーム１４にかかる繰り返し曲げ応力に対処するために優れた疲労寿命(fatigue life：耐用年数）を有する必要があり、外側キャップ材料による摩擦が低いべきである。Ｄｅｌｒｉｎ（商標）は、テトラスター１０に適した材料である。

この構成は、いずれもの軸に関して外側キャップ１３を介しての力およびトルクを付与がアームにおける特徴的な屈曲により検出されるようなものとなっている。この屈曲は検出されることができ、計算により、コンピュータ等の装置に送られるべき適切な信号が求められる。

外側キャップ１３が動く際、４つの管状リテーナ２４が４本のアーム１４を押さえ付け、外側キャップ１３の変位に抗するようにそれらアームを撓ませる。非常に小さく、したがってとるにたらない摩擦成分は無視すると、各アームの先端１７の力ベクトルは、管状リテーナ２４の対応する軸に対して垂直な平面にある２Ｄ力ベクトルとしてみなすことができる。外側キャップ１３が動く際、各平面は固定状態のままであるとの単純な仮定がたてられる。この仮定による非常に小さな誤差はとるにたらないものである。各アームの先端１７の撓みは比例し、２Ｄ力ベクトルと同じ方向である。標準工学数学を用いて、アームの先端１７に作用する各２Ｄ力ベクトルは、装置の中央に作用する３Ｄ力ベクトルおよび３Ｄトルクベクトルに変換される。よって、外側キャップ１３に作用する３Ｄ力ベクトルおよび３Ｄトルクベクトルはそれぞれ、４つの３Ｄ力ベクトルを加算する、および４つの３Ｄトルクベクトルを加算することにより計算される。

アームの先端１７へ作用する力ベクトル１３は、アーム１４の長さの下方に一部が位置する光検出器ユニット２１（すなわちセンサ２１）により測定される撓みに比例する。アームの先端１７にかかる力と測定された撓みに対する力との比は一定であり、実験により測定されることができるか、または撓んだアーム１４の形状の幾何学的計算と合わせてアームのばね定数から計算することができる。一定の比率が与えられると、力は、乗算により撓みから容易に計算される。

工学理論より、同時に３Ｄ力ベクトルおよび３Ｄトルクベクトルを測定するには最低６つの単一値センサが必要とされる。４対のセンサ（すなわち各アームに１対ずつ）を有する１つの装置が機能的であることは明らかである。４つ目の２Ｄ力ベクトルが他の３つの２Ｄ力ベクトルから計算することができる場合、３対のセンサを有する装置を用いることもできる。下方の３つのアーム１４はセンサ２１を有するが、頂部アーム１４はセンサ２１を有していない、図５の装置を考慮されたい。３つの測定された２Ｄ力ベクトルのそれぞれを用いて、装置の中央にくるようにするとともに頂部アームの先端１７の中央を通過する、円に対し接線方向にある力成分が計算される。次に、これらの３つの力ベクトル成分は、頂部アームの先端１７の中央に作用するように数学的に回転する。次に、これら３つの力ベクトルが加算されて、４本目のアーム１４に関連する２Ｄ力ベクトルを計算する。

外側キャップ１３が装置の中央に作用する力により下方に押されるという単純な状況を考慮することが有用である。頂部アーム１４は撓まないが、下方の３本のアーム１４は下に撓み、負荷を均等に担う。必要とされる接線方向成分は折りよく各２Ｄ力ベクトルと同じであるようになっている。これら力ベクトルを頂部アーム１４の中央に作用するように回転させると、互いに対し１２０°作用する３つの等しい力ベクトルが得られ、よって、予測されるようにゼロに加えられる。

また、理論上、２本のアーム１４に２対のセンサ２１、および残りの他の２本のアーム１４に適切な向きの２つの単一センサ２１を有する装置を有することも可能である。

本明細書では、「備えること（含むこと）（comprising）」、およびその変形「備える（含む）（comprises）」などという語は、この語が、明記されている要素、材料、または方法ステップのほかに、付加的なまたは言及していない要素、材料、または方法ステップを排除しないという意味合いを持つ。したがって、説明した装置、材料、または方法は、本発明の種々の実施形態において他の要素、材料、またはステップを有してもよい。特許請求の範囲の目的は、本発明を構成する特徴を定義することであって、本発明が定義する装置、材料、または方法の実施形態が有することができる特徴のすべてであるというわけではない。したがって、特許請求の範囲に定義されている装置、材料、または方法は、他の要素、ステップ、または材料、ならびに本発明を構成するとともに特許請求の範囲に明記されている発明的（進歩的）な要素、ステップ、または材料を含む。

コンピュータを制御するための、３次元制御装置のベースユニットの概略的な構成を例示的に示す３次元図である。 ３次元制御装置内の概略的な垂直方向断面図であり、この３次元制御装置を動作させるための手動操作のためにほぼ球状の把持キャップを有する構成を示す図である。 ３次元制御装置において使用されるテトラスター部品の構成を概略的に示す３次元図である。 ３次元制御装置の、把持目的で用いるためのキャップのセグメントの１つの内側からの構成を概略的に示す３次元図である。 図１〜図４に示す３次元制御装置を分解した状態を３次元的に示す図である。 図３の図面と同様に３次元制御装置において使用されるテトラスター部品の構成を概略的に示す３次元図であり、テトラスター部品がアームの１つの軸に沿って示されている。また、光学サブアセンブリの１つも示す。アームの先端は光学サブアセンブリの構成を説明するために省いてある。

Claims (18)

1. 本体部、およびこの本体部から延びる、コントローラを支持する４本のみのアームを有する装置を備えるコントローラであって、前記アームは３次元で互いに離隔し、前記装置は６つ以上の拘束度を有し、前記アームのそれぞれの先端部は制限された相対移動を与える連結手段と係合し、この連結手段は、３次元方向に加えられた力および／またはトルクを受け、かつ伝達することができる把持手段に取り付けられ、このコントローラは、前記４本のアームのうち少なくとも３本のアームの応動を監視して、前記把持手段に加えられた３次元力および／または３次元トルクを表す出力信号を供給するようにする応動検出手段を有する、コントローラ。
2. 前記応動検出手段は、前記４本のアームのうち３本のみのアームの応動を直接監視する手段を有し、前記装置は、前記３本のアームの監視された応動を表すデータから前記４本目のアームの応動の値を計算する手段をさらに備える、請求項１に記載のコントローラ。
3. 前記出力信号によりシステムを制御するように構成される、請求項１に記載のコントローラ。
4. 前記アームは、四面体状包絡面を形成するように構成され、対称方向にほぼ等しく互いに離隔しているが、前記連結手段にて予荷重が掛かるようにわずかに非対称となっている、請求項１または２に記載のコントローラ。
5. 前記アームは、前記装置が８つの拘束度を有することで拘束される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコントローラ。
6. 各アームの先端は、部分球状プロファイルを有する部分を有し、前記連結手段に関連した円筒孔に沿って摺動可能であり、この円筒孔の軸に関して回転可能に構成された、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のコントローラ。
7. 前記応動検出手段のそれぞれは、エミッタおよび検出器をそれぞれが有する複数の光学センサを有し、この光学センサは、実質的に同一平面に配置され、前記関連するアームの軸に対し横断方向に各光学軸を有する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のコントローラ。
8. 前記４本のアームのうち３本のアームの周りに対になって配置された全部で６つの光学センサを備える、請求項７に記載のコントローラ。
9. 前記４本のアームのそれぞれの応動のＸ−Ｙの組の変位が行われ、必要とされる出力信号を与えるように分解することができる８つの読み取り値を与えるよう、アレイで提供される全部で８つのセンサを備える、請求項１に記載のコントローラ。
10. 本体部から延びる、前記装置を支持するようになっている４本のみのアームを有するコントローラを備えるコンピュータシステムであって、前記アームは３次元で互いに離隔し、前記装置は６つ以上の拘束度を有し、前記アームのそれぞれの先端部は制限された相対移動を与える連結手段と係合し、該連結手段は、３次元方向に加えられた力および／またはトルクを受け、かつ伝達することができる把持手段に取り付けられ、前記装置は、前記４本のアームのうち少なくとも３本のアームの応動を監視して、前記把持手段に対する３次元力および／または３次元トルクを表す出力信号を提供するようにする応動検出手段を有し、該出力信号は、該コンピュータシステムを制御するようになっている、コンピュータシステム。
11. 前記応動検出手段は、前記４本のアームのうち３本のみのアームの応動を直接監視する手段を有し、前記装置は、前記３本のアームの監視された応動を表すデータから前記４本目のアームの応動の値を計算する手段をさらに備える、請求項１０に記載のコンピュータシステム。
12. 前記アームは、四面体状包絡面を形成するように構成され、対称方向にほぼ等しく互いに離隔しているが、前記連結手段にて予荷重が掛かるようにわずかに非対称となっている、請求項１０または１１に記載のコンピュータシステム。
13. 前記アームは、前記装置が８つの拘束度を有することで拘束される、請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載のコンピュータシステム。
14. 各アームの先端は、部分球状プロファイルを有する部分を有し、前記連結手段に関連した円筒孔に沿って摺動可能であり、該孔の軸に関して回転可能である、請求項１３に記載のコンピュータシステム。
15. 前記応動検出手段のそれぞれは、同心上かつ同一平面上に配設される複数の光学センサを有する、請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載のコンピュータシステム。
16. 前記４本のアームのうち３本のアームの周りに対になって配設される全部で６つの光学センサを組み込む、請求項１５に記載のコンピュータシステム。
17. 本体部から延びる、コントローラを支持するようになっている４本のみのアームを備えるコントローラであって、前記アームは３次元で互いに離隔し、前記装置は、６つ以上の拘束度を有し、前記アームのそれぞれの先端部は、制限された相対移動を与える連結手段と係合し、該連結手段は、３次元方向に加えられた力および／またはトルクを受け、かつ伝達することができる把持手段に取り付けられ、該コントローラは、前記４本のアームのうち３本のアームの応動を監視して、前記把持手段に加えられた３次元力および／または３次元トルクを表す出力信号を供給するようにする応動検出手段を有し、前記装置は、前記３本のアームの監視された応動を表すデータから前記４本目のアームの応動の値を計算する手段をさらに備え、該コントローラは、出力信号によりシステムを制御するように構成され、前記アームは、四面体状包絡面を形成するように構成され、対称方向にほぼ等しく互いに離隔しているが、前記連結手段にて予荷重が掛かるようにわずかに非対称となっており、前記装置が８つの拘束度を有することで拘束される、コントローラ。
18. 本体部から延びる、コントローラを支持するようになっている４本のみのアームを備えるコントローラであって、前記アームは３次元で互いに離隔し、前記装置は、６つ以上の拘束度を有し、前記アームのそれぞれの先端部は、制限された相対移動を与える連結手段と係合し、該連結手段は、３次元方向に加えられた力および／またはトルクを受け、かつ伝達することができる把持手段に取り付けられ、このコントローラは、前記４本のアームのうち３本のアームの応動を監視して、前記把持手段に加えられた３次元力および／または３次元トルクを表す出力信号を供給するようにする応動検出手段を有し、前記装置は、前記３本のアームの監視された応動を表すデータから前記４本目のアームの応動の値を計算する手段をさらに備え、該コントローラは、出力信号によりシステムを制御するように構成され、前記アームは、四面体状包絡面を形成するように構成され、対称方向にほぼ等しく互いに離隔しているが、前記連結手段にて予荷重が掛かるようにわずかに非対称となっており、前記アームは、前記装置が８つの拘束度を有することで拘束される、コントローラ。
    

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