JP2006509173A - 特にロボットで使用する装置および眼鏡フレームのためのヒンジシステム - Google Patents

特にロボットで使用する装置および眼鏡フレームのためのヒンジシステム Download PDF

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Abstract

本発明は、第1の剛性要素(7)に属する一端(1)、および第2の剛性要素(8)に属する一端(3)を備えるヒンジシステムであって、前記端部が互いに一致可能な支持面を有するものに関する。本発明によれば、前記の表面間の圧接を維持するために弾性手段(18)が設けられている。本発明のシステムは、案内手段(6)よって許される範囲内で、2つの直交平面内において移動可能な少なくとも1つの実体のない旋回点、および1つの平面、または決定された向きを有するいくつかの数の平面においてのみ旋回を許可する手段(19a〜19c)も備える。

Description

本発明の主題は、特にロボットで使用する装置および眼鏡フレームのための関節システムである。
より詳細には、本発明は、第1の剛性要素の一端と第2の剛性要素の一端との間の関節システムであって、前記端部がそれぞれ互いに上下で対をなすのに適した支持面を有し、前記表面間の軸受の接触を維持するために弾性手段が設けられたタイプのものに関する。
ロボット(歩行ロボット、モジュール型ロボット、製造ロボット、医療用ロボット、マイクロロボットなど)で使用される装置の大部分は、連続的な角度範囲にわたって、またしばしば多数の平面内で旋回することができる関節を備えている。こうした関節によって装置は、到達可能な範囲内で様々な動作および変位を行うことができる。しかし、こうした関節の機構は、元来、静止位置において不安定または単安定であり、その静止位置がもはや適切ではなくなるとすぐに、この装置は、それを選択された位置に恒久的に保持するようにその作動ギア(作動シリンダなど)に要求することになる。
現在、ある範囲にわたる旋回は、必要ではなく、それどころか望ましくもない可能性がある。
したがって、医療用ロボットでは、可変式光学装置(variable-pointing optics)の連続的な範囲にわたる使用は、外科医にとってまったく興味はない。同様に、実際に使用されているものなど、多関節化された内視鏡の偏向はほとんど「全か無か」に近い。
製造ロボットでは、さらに、旋回の範囲の連続性は、長時間の稼働では、位置決め精度および反復性を低下させる。
歩行ロボットに関する限り、歩行ロボットは、連続的に到達可能なスペースを備える脚は必ずしも必要ない。
簡単に言えば、不連続な関節の概念は、コストを低減し、作動ギアに対する圧力を限定し、製造ロボットの場合、経時的に位置決め精度を保証する。
眼鏡の製造その他(車両のドア、家具の蝶番式の天板など)の分野では、時として、例えば眼鏡の側部の閉位置および開位置など、1つまたは2つの安定した位置に可動部を保持するのに適した、いわゆる「弾性」ヒンジが活用されている。
こうした「弾性」ヒンジは、ほとんどの部分では、可動部の変位を所与の平面内での変位に限定する回転軸を備える。
特許文献1から眼鏡ヒンジも知られており、その可動部および固定部は、弾性リンクによって接続されており、それによって可動部は、固定された範囲の間でどんな平面においても移動することができ、さらにそれ自体を支点にして旋回することさえできる。これらのヒンジは、確かに興味をひくが、生産し、小型化するには複雑であり、相対的な脆弱性は、側部をいじる傾向のあるユーザによって厳しく試されている。これらのヒンジは、複数の平面内の複数の安定した位置に保ち、かつ/または1つの安定位置から別の安定位置への通過を可能にする作動装置を備えるのに適していない。
特許文献2から、ロボットによって操作することができる連結式のガントリも知られている。関節システムは、ガントリの端部ができるだけ自由に移動するように、またこの端部がそれ自体を支点にして旋回することができるように設計されている。
EP-A-0 886 712 US-A-4 785 528
本発明の目的は、2つの剛性要素(それぞれ固定および可動)が様々な安定した、および/または不安定な、正確に決定された、相対角度位置を占めることができる関節を提供することであって、関節に対向する可動要素の端部は、関節に提供され得る任意の作動装置を必要とすることなく、反復線形軌道に沿って移動する。
この目的は、前記のタイプの関節システムが、案内手段によって許される範囲内で、2つの直交平面内において移動可能な少なくとも1つの実体のない旋回点、およびその数および向きが定義された1つまたは複数の平面においてのみ旋回を可能にする手段を備えるというこの意味で達成される。
本発明の特定の一実施形態では、関節は、異なる2つの実質的に直交する平面上にある2つのこうした実体のない旋回点を備える。
より正確には、関節システムは、それぞれ少なくとも部分的に湾曲した表面によって限定される凹区域を有する2つの旋回部分を備え、前記旋回部分のそれぞれは、前記剛性要素の一方にそれぞれ依存し、前記旋回部分は実質的に互いに直交し、それぞれの凹区域の連結を介して互いに係合され、鎖のリンクのように互いに対して旋回することができる。
実際には、旋回部分は、例えば少なくとも部分的に湾曲した平面によって限定される凹部を有する輪、環、フック、または多角形の平面の形状をとることができる。
組み立てまたは分解を容易にすることができるため、旋回部分の一方が閉じており(輪、環など)、また他方が開いている(フック)ことが有利であるが、2つの閉じた要素を使用する解決策も同様に可能である。
旋回部分のそれぞれの凹区域を限定する少なくとも部分的に湾曲した表面は、ほとんどの場合、円形である。しかし、旋回をカムの影響にさらしたい一部の用途では、この表面を、楕円形、または異形形状を含む他の任意の湾曲した形状のものとすることができる。
2つの実体のない旋回点は、互いに係合しており、また「凹区域の湾曲した表面」と「凹区域の湾曲した表面」とが接する前記旋回部分のそれぞれの材料の厚さの平均に実質的に対応する距離によって分けられることを理解されたい。
したがって、この厚さを利用することによって、2つの旋回点をさらに離したり、近づけたりすることができる。
本発明の特定の一実施形態では、前記剛性要素の端部の少なくとも一方は、関節側で開いた、タイロッドを備えるレセプタクルを含み、タイロッドの一端は前記レセプタクル内に留められたまま保持され、その他端は前記旋回点の一方を構成し、前記弾性手段は、前記タイロッドと協働して前記剛性要素の軸受面を互いに接触させたままにする。
問題の弾性手段は、つる巻バネによって構成することができ、つる巻バネは、タイロッドにかけられて、一方では、レセプタクルに設けられ、タイロッドがスライドする通路を提供する肩、および一方では、前記通路より断面が大きく、前記レセプタクル内に留められているタイロッドを保持する端板にもたれている。
システムは、剛性要素の一方のみに、または両方に、このタイプのバネ付きタイロッドを含み得る。システムがその一方のみを含む場合、2つの旋回部分がそれぞれの機能を実行できるようにするために、それらの間に十分な遊びが設けられていなければならない。
旋回を可能にする平面の向きおよび/または数を決定するために、前記剛性要素の端部の少なくとも一方は、関節側で開いたレセプタクルを含み、前記レセプタクルの壁は、少なくとも1つの点方向の切欠きを有し、その形状およびサイズによって、旋回部分が前記レセプタクルの開いた端部から前記切欠きに貫通できるようにする。
考え得る第1の実施形態では、単一の切欠きのみが設けられている。
考え得る第2の実施形態では、レセプタクルの対向する壁の同じ平面に2つの切欠きが設けられている。
切欠きの数および相対位置は、求められる安定位置の数およびそれらの向きに応じて選択される。
可動要素の変位を伝える前記案内要素は、少なくとも安定した位置を占めていない限り、前記可動要素がそれ自体を支点にして旋回することを防ぐことが望ましい。
このために、回転防止リリーフ(relief)を旋回部分の一方に設けることができ、この回転防止リリーフは、切欠きに貫通することができる旋回部分を構成することができる。
この貫通を容易にするために、レセプタクルの壁は、剛性要素の外側から前記切欠きへの傾斜通路を有することが有利である。
別の実施形態では、レセプタクルの壁の外面、および後者の開いた端部の反対側にある前記切欠きは、凹(または凸)の回転面をなすように開き、他方の剛性要素の端部は、相補的なサイズおよび形状の凸(または凹)の回転面を備え、それによって要素の一方は、安定した角度位置で、他方に対してその縦軸の周りを回転することができる。
関節を安定位置に固定するために、2つの剛性要素の軸受面が、選択された相対角度位置に係合するのに適した相補的なリリーフの少なくとも1対を有することが有利である。
本発明の特定の一用途では、前記剛性要素はそれぞれ眼鏡の側部および表面である。
本発明の特定の一実施形態では、剛性要素のうちの少なくとも一方は、関節に対向するその端部に、別の要素に設けられた相補的な接合手段と一時的に係合することができる接合手段を備える。したがって、ロボットで使用する多関節系(articulated train)を実現することができる。
次に、添付の図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
図1は、本発明が基にしている原理を示す図である。
この図では、輪2にフック1を滑り込ませており、一方は図面用紙の平面にあり、他方は前記用紙に直交する平面にあることがわかる。
輪2は、点P2が図面用紙の平面に留まったままの状態で、フック1を支点に点P2の周りを旋回することができる。その際、輪2は、例えば位置2'または2''になり、点P2は、最終的にそれぞれP2'およびP2''のところにいく。輪2がフック1に押し付けられたまま保持される限り、輪2の変位は、フック1の内側曲率(inner curvature)によって「伝え」られる。同一の結果で、フック1は、点P1が図面用紙の平面内に留まったままの状態で、輪2を支点に点P1の周りを旋回することができる。
さらに輪2は、図面用紙の平面に直交し、P2'やP2''など、点P2によって前もって占められている考え得る様々な位置を通過する全部の一連の平面においてフック1を支点に旋回することもでき、フック1が輪2に押し付けられたまま保持される限り、フック1の変位は、輪2の内側曲率dによって伝えられる。
したがってP1およびP2は、リンク2およびフック1の内側曲率によって構成される案内手段によってそれぞれ可能になる範囲内で移動可能であり、接触区域におけるフック1の厚さe1およびこの同じ区域における輪2の厚さe2の平均に等しい距離Dによって分けられる。
図2a、図2b、および図2cは、円環状リング2、開口部を有する多角形(正方形)の平面3、および逆D字4の形をした旋回部分の考え得る非限定の実施形態を示している。旋回部分は、同様に、図1のようにフック1の形をとることもできる。問題は、この部分は、少なくとも一部湾曲面6によって縁取られた凹部5を有することである。凹部は、円形(図2aおよび図2b)、部分的に円形(図1および図2c)、または非円形でよい。
図3a、図3b、および図3cはそれぞれ、フック1の平面において観察される、本発明の第1の実施形態の第1の安定位置、不安定位置、および第2の安定位置を示している。
図3a〜図3cから明らかなように、関節システムは、部分的に第1の剛性要素、いわゆる「固定」要素7、および部分的に第2の剛性要素、いわゆる「可動」要素8に設けられている。いくつかの状況で、要素のそれぞれが他方に対して「可動」と見なされ得る限り、「可動」要素と「固定」要素との間のこの区別は、主観的なものであり得ることは明らかである。
固定要素7は、仕切10によって近接部分11(関節に対して近接)および遠位部分12に分けられたレセプタクル9を画定する。タイロッド14のための通路13が仕切10内に設けられている。タイロッド14はロッド15からなり、その近接端はフック1を形成し、その遠位端には留め具16が備えられる。この留め具16は、ロッド15にねじ込まれたネジの頭とすることができ、このネジおよびネジ回しの端部を導入するために、通路(図示せず)がレセプタクル9の底部17に設けられている。つる巻バネ18は、ロッド15にかけられ、一方では留め具16に、他方では仕切10にもたれている。レセプタクル9の近接部分11の壁にはフック1の平面に2つの切欠き19aおよび19bがあり、そのそれぞれは傾斜路20a,20bに通じる。
可動要素8は、同様に、仕切26によって近接部分24および遠位部分25に分けられたレセプタクル23を備え、タイロッド28のための通路27が設けられている。タイロッド28はロッド29からなり、その近接端は、レセプタクル23の近接部分24の寸法に実質的に近い寸法の、円形穴を有する正方形平面3を通って延びる回転防止部材を形成している平行6面体ブロック32に固定的に接合される。簡潔にするために、問題の正方形平面は、以下リンク3と呼ぶ。ロッド29の遠位端には留め具30が備えられ、留め具30は、留め具16のように、ネジ頭とすることができる。つる巻バネ31は、ロッド29にかけられ、一方では留め具30に、他方では仕切26にもたれている。
固定要素7の近接端は、3つの軸受面33,34,35を有し、可動要素8の近接端は、軸受面36を有する。固定要素7および可動要素8の近接端の縁39および40は、2つの要素の間の相対的な移動を容易にするために丸められている。
バネの張力は、安定位置において、バネ18によって軸受面33から後退するフック1を保持するように、またバネ31によってその近接面が軸受面36と同一平面になるようにブロック32を保持するように選択される。
図3a〜図3cから明らかなように、フック1はリンク3に通されている。
図3aでは、ユニットは、固定要素7および可動要素8が互いに一直線上に配置される第1の安定位置を占め、可動要素8の軸受面36は、固定要素の軸受面33に押し付けられている。この位置で、フック1は、軸受面33から後退し、リンク3は、固定要素7のレセプタクル9の近接位置11で受け取られる。
図3bでは、可動要素8は、矢印F1に従って旋回することができるように、それが図3aで占めていた位置に対して「ずれ」ている。このずれは、それによって圧縮されてしまうバネ18および31の力に反する、フック1に対してリンク3によって及ぼされる牽引力によって可能となる。フック1は、現在軸受面33と同一平面にあり、ブロック32は、可動要素8からわずかに突出していることがわかる。また、旋回は、リンク3およびブロック32の通過を可能にする切欠き19aの存在によって可能となる。
図3cでは、可動要素8の軸受面36は、現在固定要素7の軸受面34に押し付けられている。フック1およびブロック32は、図3aのそれぞれの位置に戻っており、バネ18および31も最初の張力度に戻っている。リンク3は、傾斜路20aの図示していない縁と接しており、その図示した縁は、傾斜路20aと対称の別の傾斜路(図示せず)と接している。
固定要素7が切欠き19aに対向する第2の切欠き19bを備えている場合、可動要素8は第3の安定位置に配置されることになり、つまり、その軸受面36が固定要素7の軸受面35に押し付けられることになることは理解されよう。
図5に、タイロッド28と類似のタイロッド28'を離して示している。そこには、ロッド29、回転防止ブロック32、わずかにリンク3と異なるリンク3'、およびネジ頭30が表示されている。
図4a、図4b、および図4cはそれぞれ、リンク3の平面においてこの時点で観察される本発明の第2の実施形態の第1の安定位置、不安定位置、および第2の安定位置を示している。
図4a〜図4cの実施形態は、固定要素7'が5つの軸受面、つまり前の実施形態のような端部の軸受面33、および側方の4つの軸受面を備えているという点で図3a〜図3cのものと異なる。側方の4つの軸受面のうちの2つ、37,38のみが図示されている。他の2つは、要素7の軸受面34および35のように配置されている。剛性要素7'は、4つの切欠きを備えていることになり、そのうちの3つは、図示した19a,19cおよび19dの切欠きであり、20cや20dなどの傾斜路に通じる。
固定要素7'の構成は、図6からさらに明確にわかる。固定要素7'は、端部の軸受面33、および側方の4つの軸受面を備えており、側方の4つの軸受面のうちの2つ、37および38のみが図示されていることがわかる。他の2つの軸受面はそれぞれ、面37および38に対向している。側方の各軸受面には19a,19dなどの切欠きが設けられており、2つの対向する面の切欠きが同じ平面に配置されている。したがってこの実施形態は、2つの偏向面、および5つの安定位置、つまり要素7'および8が一列に並ぶ位置、または考え得る4つの位置のうちの1つにおいて、要素7'と8とが90度となる位置を提供する。
図7は、図6の実施形態の構成の変形を示しており、そこには固定要素7''および可動要素8'が表示されており、しかし41などの傾斜路は、前記切欠きへのリンク3の貫通および案内を容易にするために、19bなどの切欠きの縁に沿って設けられている。
図8は、別の変形を示しており、固定要素7'''の端部の軸受面33は、可動要素8'''の軸受面36'に設けられている凸形リリーフ43のサイズおよび形状に対応するサイズおよび形状の凹形リリーフ42を有している。同様に、19bなどの各切欠きは、凸形リリーフ43のサイズおよび形状に対応するサイズおよび形状の凹形リリーフ44をなすように開いている。図9から明らかなように、この構成によって、可動要素8'''は、その縦軸の周りを回転して、その安定位置のいずれか1つになることができる。この場合、当然、要素8'''に含まれるタイロッドには回転防止ブロックは無い。こうした実施形態は、例えば内視鏡の生産で使用することができる。
図10は、本発明の1つの考え得る用途、つまり要素の多関節「系」の実現を示している。要素70および80は、本発明によってAで連結されており、例えば70などの一方は雄ネジ71,80などの他方は雌ネジ81を有する。雄ネジ71は、要素80に類似の、または本質的に異なる、例えばカメラ、変換器などへのリンクなど、別の要素80'に設けられた雌ネジ81'と係合することができる。こうした要素の多関節系は、例えば医療用ロボットに使用することができる。
本発明は、説明し、示してきた実施形態に限定されるものではないことは明らかである。特に、こうした実施形態は、安定した配列位置に加えて2つまたは4つの安定した角(側)位置を有することができる間接を示しているが、例えば眼鏡フレームに対する関節の用途では、そのうちの1つのみを有することができる。
さらに、バネの力を調節して、剛性要素の軸受面がバラバラになるのを防ぐことができる手段を提供することができ、バネの圧縮力は、所望の構成において関節を固定するためのブレーキ手段として働くことができる。
最後に、特定の一実施形態では、ミリロボットまたはマイクロロボットの開発を可能にするために、位置測定、および情報伝送の制御装置を、剛性要素のうちの一方の本体の限定されたスペースに組み込むことができる。
本発明が基にしている原理を示す図である。 旋回部分の考え得る形状を示す図である。 旋回部分の考え得る形状を示す図である。 旋回部分の考え得る形状を示す図である。 第1の安定位置にある本発明の第1の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 不安定位置にある本発明の第1の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 第2の安定位置にある本発明の第1の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 第1の安定位置にある本発明の第2の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 不安定位置にある本発明の第2の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 第2の安定位置にある本発明の第2の実施形態を、部分的に断面で、また部分的に遠近法で示す図である。 タイロッドの一例を示す分解透視図である。 図4a〜図4cの実施形態の剛性要素の端部を示す透視図である。 変形形態を示す図6に類似の図である。 別の変形形態を示す剛性要素の端部を、要素が分解された状態で示す透視図である。 図8の要素を組み立てられた状態で示す図である。 本発明を使用する多関節「系」を示す透視図である。
符号の説明
1 旋回部分
2 旋回部分
3 多角形の平面
5 凹部
6 凹区域
7 剛性要素
8 剛性要素
9 レセプタクル
14 タイロッド
16 一端
18 弾性手段
19 切欠き
23 レセプタクル
28 タイロッド
30 一端
31 弾性手段
32 回転防止リリーフ
33 軸受面
34 軸受面
35 軸受面
36 軸受面
41 傾斜通路
43 回転面
44 回転面
70 剛性要素
71 接合手段
80 別の要素
81 接合手段

Claims (13)

  1. 第1の剛性要素(7)の一端と第2の剛性要素(8)の一端との間に少なくとも1つの旋回点を備え、前記端部がそれぞれ互いに上下で対をなすのに適した軸受面を有し、前記面の間の前記軸受の接触を維持するために弾性手段が設けられている関節システムであって、それぞれ少なくとも部分的に湾曲した表面(6)によって限定される凹区域を有する2つの旋回部分(1,2)を備え、前記旋回部分のそれぞれは、前記剛性要素の一方にそれぞれ依存し、前記旋回部分は実質的に互いに直交し、それぞれの凹区域の連結を介して互いに係合され、鎖のリンクのように互いに対して旋回することができ、その結果、システムは、前記凹区域(6)によって許される範囲内で、前記旋回部分(1,2)の2つの直交平面内において移動可能な2つの実体のない旋回点(P1,P2)を備え、さらに、その数および向きが定義された1つまたは複数の平面においてのみ旋回可能な手段(19a〜19c)を備えることを特徴とする関節システム。
  2. 前記旋回部分が、少なくとも部分的に湾曲した平面(6)によって限定された凹部(5)を有する輪(2)、環、フック(1)、または多角形の平面(3)の形状をとることを特徴とする請求項1に記載の関節システム。
  3. 前記旋回部分のそれぞれの前記凹区域を限定する前記少なくとも部分的に湾曲した表面(6)が円形であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の関節システム。
  4. 前記剛性要素(7,8)の前記端部のうちの少なくとも一方が、前記関節側で開いた、タイロッド(14,28)を備えるレセプタクル(9,23)を含み、タイロッドの一端(16,30)は前記レセプタクル内に留められたまま保持され、その他端(1,2)は前記旋回部分の一方を構成し、前記弾性手段(18,31)は、前記タイロッドと協働して前記剛性要素の軸受面(33,36;34,36;35,36)を互いに接触させたままにすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の関節システム。
  5. 前記剛性要素(1,2)の前記端部の少なくとも一方は、前記関節側で開いたレセプタクルを含み、前記レセプタクルの壁は、少なくとも1つの点方向の切欠き(19a,19b)を有し、その形状およびサイズによって、旋回部分(32)が前記レセプタクルの開いた端部から前記切欠きに貫通できるようにすることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の関節システム。
  6. 回転防止リリーフ(32)が前記旋回部分のうちの1つに設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の関節システム。
  7. 前記回転防止リリーフ(32)が前記切欠きに貫通することができる前記旋回部分を構成することを特徴とする請求項6に記載の関節システム。
  8. 前記壁が前記剛性要素の外側から前記切欠きへの傾斜通路(41)を有することを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の関節システム。
  9. 前記壁の外面および前記レセプタクルの開いた端部の反対側にある前記切欠きは、凹(または凸)の回転面(44)をなすように開き、前記他の剛性要素の端部は、相補的なサイズおよび形状の凸(または凹)の回転面(43)を備えることを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか1項に記載の関節システム。
  10. 前記軸受面が、前記2つの剛性要素(7,8)の選択された相対角度位置に係合するのに適した相補的なリリーフの少なくとも1対を有することを特徴とする請求項1ないし請求項9のいずれか1項に記載の関節システム。
  11. 前記剛性要素(7,8)がそれぞれ眼鏡の側部および眼鏡面であることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の関節システム。
  12. 前記剛性要素(70)のうちの少なくとも1つが、前記関節(A)に対向するその端部に、別の要素(80')に設けられた相補的な接合手段(81')と一時的に係合することができる接合手段(71)を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の関節システム。
  13. 前記剛性要素がロボットで使用するための多関節系に属することを特徴とする請求項1ないし請求項10および請求項12のいずれか1項に記載の関節システム。

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