JP2008530459A - 運動伝達装置およびその部品 - Google Patents

Abstract

運動伝達装置であって、対称軸に関して１以上の自由度を提供する平行運動伝達構造を具え、前記平行運動伝達構造がベース部材と、可動部材と、当該ベース部材および可動部材を連結する１以上の平行運動チェーンとを具え、各平行運動チェーンが１の運動面内で動く第１アームを具え、前記運動面が対称軸から離れている装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、運動伝達装置およびその部品に関する。

人とコンピュータの相互作用（ＨＣＩ）の拡大への増大する要求により、人と機械が幅広い情報を交換できる新規なインタフェースが押し進められている。このような新規なインタフェースの例として、触覚装置と呼ばれる、触覚を適用しコンピュータアプリケーションとの相互作用を制御するアクティブインターフェース装置が、有望な選択肢とされている。触覚装置はユーザに動きのフォースフィードバック情報および／または自身で生成する力を提供する。触覚インタラクションは困難な操作タスクを実現または容易にするばかりでなく、シミュレーションや人間のオペレータの補助の分野で幅広い新規な応用への扉を開くものである。

テレオペレーション（teleoperation）から拡大操作（scaled manipulation）まで、多くの応用例が触覚テクノロジーから利益を受けており、シミュレータや医療補助も同様である。さらに、フォースフィードバック装置は消費者マーケットに移行しており、ゲーム産業や他の予期しない領域に浸透しつつある。

ユーザにバーチャルモデルや遠隔ロボット位置環境の詳細な感触を与えるには、触覚装置の機械構造は、慣性が低く（low inertia）、高強度で摩擦が少なくバックラッシュがないものがよい。平行な運動メカニズムが高強度と低慣性で知られており、これは広い帯域で動力伝達が可能である。しかしながら既存の装置は複雑で、高価で、デザインが大きく、同時に信頼に欠け、機能が正確でない問題がある。

単純で、コンパクトで、および/または低価格の運動伝達装置またはアセンブリと、例えば触覚装置、測定装置などに用いるような当該装置の部品を提供する要求があった。

本発明の第１の態様は、運動伝達装置に関する。この装置は、１以上の自由度を提供する平行運動伝達構造を具える。この平行運動伝達構造は、ベース部材と、可動部材と、前記ベース部材と可動部材とを連結する１以上の平行運動チェーンとを具える。この平行運動チェーンは、長さ方向に延在する動作面内で可動であるか、対称軸に対して離れている第１アームを具える。

本発明の別の態様は、並進３自由度を含む３以上の自由度を提供するよう構成された平行運動伝達構造を具える運動伝達装置に関し、前記平行運動伝達構造がさらに、ベース部材と、可動部材と、前記ベース部材と可動部材とを連結する平行運動チェーンとを具える。各平行運動チェーンは、１の動作面内で可動の第１アームを具え、これらの運動面が対称軸に所定距離離れている。さらに、各平行運動チェーンは、前記可動部材に連結された第２アームを具え、当該第２アームの第１の端部は前記第１アームに連結可能に構成され、前記第２アームの第２の端部は前記可動部材に連結可能に構成される。

本発明の別の態様は、本発明の第１の態様に係る装置を具え、ユーザにフォースフィードバック情報を提供する触覚装置に関する。

本発明の別の態様は、本発明の第１の態様に係る装置を具え、操作部材に１以上の自由度の動作を提供するマニピュレータに関する。

本発明の別の態様は、本発明の第１の態様に係る装置を具え、センサ素子に１以上の自由度を提供する測定システムに関する。

本発明のさらなる態様は、１以上の自由度を提供する平行運動伝達構造を具える運動伝達装置用の運動チェーンに関する。この平行運動伝達構造は、ベース部材と可動部材とを具える。前記運動チェーンは、前記ベース部材に連結可能に構成され湾曲部分を具える第１アームを具える。

本発明のさらなる別の態様は、対称軸に対して１以上の自由度を提供する平行運動伝達構造を具える運動伝達装置に関し、前記平行運動伝達構造がベース部材と、可動部材と、当該ベース部材と可動部材とを連結する１以上の平行運動チェーンとを具え、各平行運動チェーンは本発明の第２の態様に係る平行チェーンであり、各平行チェーンの第１アームは１の動作面内で可動であり、これらの動作面の１以上が対称軸に対して離れて延在している。

本発明のさらなる態様は、伝達される運動を生成するアクチュエータとベース部材とを具える運動伝達装置用の伝達部材に関する。この伝達部材は、前記ベース部材に連結されるよう構成されベース部分と湾曲部分とを有する第１アームと、前記装置のアクチュエータと係合して前記アクチュエータから伝達部材へ動きを伝達する１以上の係合手段とを具える。

本発明の別の態様は、対称軸に対して１以上の自由度を提供する平行運動伝達構造を有する運動伝達装置に関し、前記平行運動伝達構造はベース部材と、可動部材と、前記ベース部材および可動部材を連結する平行運動チェーンとを具え、各平行運動チェーンは、第１アームとして、前記本発明の第２の態様に係る伝達部材を具え、各第１アームは１の動作面内で可動であり、これらの動作面の１以上が前記対称軸に対して離れて延在している。

他の構成は、開示された方法や製品に内在するものであり、後述する実施例の詳細な説明や添付図面から当業者にとって明確になる。

図１、図２は、本発明の好適な実施例にかかる、触覚装置と呼ばれる運動伝達装置を示す図である。図１、２の詳細な構成の説明に進む前に、好適な実施例のいくつかのアイテムを説明する。

一実施例によると、本発明は、特に、例えばコンピュータ用のハンドコントローラ、ゲームコンソール、シミュレータまたは他のシステムのような、触覚装置またはフォースリフレクティング制御インタフェースシステムと呼ばれる装置用、および平行運動操作または平行運動測定システム用の運動伝達装置用の、平行運動構造を具える運動伝達装置の基礎を提供または基礎としての役割を果たす。

以下に、本発明にかかる運動伝達装置の好適な実施例を簡単に説明する。

各運動面は、対称軸に対して距離を開けて延在してもよい。

各平行運動チェーンは、ベース部材に連結され各運動面内で可動な第１アームを具えてもよい。

前記第１アームは、回転軸を中心に回転可能でもよい。

前記第１アームは、湾曲部分を具えてもよい。

前記湾曲部分は環の一部を構成しており、中央で各第１アームの回転軸と交差してもよい。

前記第１アームは、前記湾曲部分の第１の端部から延在する基部を有してもよい。

前記基部は、前記湾曲部分の第１の端部から前記湾曲部分に対して放射状に延在してもよい。

前記第１アームは、前記ベース部材から延在するマウント部材に回転可能に装着された第１の端部を有してもよい。

前記第１アームの回転軸は、前記第１アームの第１の端部を通って延在してもよい。

前記第１アームの第１の端部は、前記第１アームの基部の自由端部により提供されてもよい。

各平行運動チェーンに付属して、補助の平行運動チェーンを各運動面内で動かすためのアクチュエータが設けられてもよい。

前記アクチュエータと第１アームは、前記第１アームを動かすべく接続されてもよい。

前記アクチュエータは、前記第１アームにその湾曲部分で連結されてもよい。

前記アクチュエータは、前記付属の平行運動チェーンの運動面に垂直に延在するアクチュエータ回転軸を有してもよい。

前記アクチュエータは、当該アクチュエータの本体から延在し第１アームに１以上の摩擦係合により連結される出力シャフトと、１以上のケーブル配線とを具えてもよい。

前記アクチュエータは、各平行運動チェーンのマウント部材に装着されてもよい。

各平行運動チェーンは、前記可動部材に連結された第２アームを具えてもよい。

前記第２アームは、２以上の平行リンクバーを具えてもよい。

前記第２アームの第１の端部は前記第１アームに連結され、前記第２アームの第２の端部は前記可動部材に連結されてもよい。

前記装置はさらに、各平行運動チェーンが通って移動する各平行運動チェーン用の開口を具え各平行運動チェーンの第１アームの断面に合った寸法のハウジングを具えてもよい。

前記平行運動チェーンの１以上が、フレキシブルヒンジを具えてもよい。

前記第１アームと前記ベース部材は、フレキシブルヒンジで連結されてもよい。

前記第２アームと前記可動部材はフレキシブルヒンジで連結されてもよい。

前記第１アームと前記第２アームは、フレキシブルヒンジで連結されてもよい。

前記フレキシブルヒンジは１ピースでなるか、前記フレキシブルヒンジと１以上のベース部材、各第１アーム、各第２アーム、および可動部材が１ピースでなってもよい。

一実施例において、本発明にかかる運動伝達装置は、ユーザにフォースフィードバック情報を提供すべく触覚装置に組み込まれてもよい。

一実施例において、前記触覚は、各第１アームの穴の角度を測定するセンサを具え、前記可動部材の位置がこの測定結果に基づき算出されてもよい。

前記触覚装置はさらに、前記平行伝達構造に直列的に配列され１以上の回転自由度を提供する関節モジュールを具えてもよい。

前記関節モジュールは、触覚フィードバックを提供するよう構成されていてもよい。

前記触覚装置はさらに、人間コンピュータインタフェースに用いられる制御キー、制御ホイール、フォースグリッパ、または他の要素を具えてもよい。

前記触覚装置はさらに、可動部材の好適には関節モジュールの下に設けられたフォースセンサを具えてもよい。

一実施例において、本発明にかかる運動伝達装置は、操作部材に３以上の自由度の動きを提供するマニピュレータに組み込まれてもよい。

一実施例において、本発明にかかる運動装置は、センサ素子に３以上の自由度を提供する測定システムに組み込まれてもよい。

図１、２を参照すると、本発明の好適な実施例にかかる、触覚装置と呼ばれる形態の運動伝達装置が開示されている。説明目的のためだけに、この触覚装置は、コンピュータ用のハンドコントローラなどのフォースリフレクティング制御インタフェースとして用いられるものとする。さらに、考えられる応用例は、ゲームコンソール、シミュレータその他の同等システム、平行運動マニピュレータまたは平行運動測定システム用のフォースリフレクティング制御インタフェースがある。

この好適な実施例に係る装置は、ベース部材またはベースプレート２と、可動部材４とを備える。ベース部材２と可動部材４とは、３つの運動チェーン６で連結されている。

各運動チェーン６は、第１アームまたは主アーム８と、第２アームまたは従属アーム１０とを具える。第１アーム８のさらなる詳細な説明として、その動作および機能が図６、７を参照して説明されている。

第２アーム１０はそれぞれ、２本のリンクバー１２を具える平行四辺形として把握しうる。一端１４にて、各リンクバー１２は可動部材４にジョイントまたはヒンジ１６で連結されている。反対の端部１８にて、各リンクバー１２は付属する第１アーム８の端部２０にジョイントまたはヒンジ２２で連結されている。

第２アームはそれぞれ、特に各リンクバー１２は、両端に２の回転自由度を有する。この機能を得るために、第２アーム１０と稼働部材４および付随する第１アーム８との連結は、例えばボールベアリング、すべり軸受け、フレキシブルヒンジなどのカルダニック要素または非平行な連結または結合により実現する。一実施例では、非平行回転連結または結合の場合、それぞれの軸が垂直に交差するが、これら２軸のオフセット距離は許容しうる（図１２参照）。各リンクバーの最も外側の回転結合、すなわちバーを片側で可動部材に連結し、このバーの他方の側を第１アームに連結するものでは、互いに平行かつ第１アームとの回転連結軸に平行な軸を持つ必要がある。一実施例では、各リンクバーの最も内側の回転結合は、好適には最も外側の回転結合に垂直な、互いに平行な軸を有する必要がある。各リンクバーがこれらの条件を満たす必要があるため、与えられた側の各リンクバーの最も外側の回転結合の軸は一致して同じ回転する必要がある。したがって、この実施例では、この最も外側の連結が、図１２に示すように共通して２以上のバーから作成される。

代替的に、第２のアーム１０、特に各リングバー１２は、片側に２の回転自由度を有し、反対側に３の回転自由度を有する。この機能を実現するには、第２アーム１０と可動部材４および付属する第１アーム８との結合を、一端または両端で球形ボールジョイントで実現する。これにより、リンクバー１２が自身の軸を中心に回転可能となり、この装置の動作においてさらなる自由度は不要となる。

第２アーム１０と可動部材４および付属する第１アーム８との結合は、第２アーム１０の側の共通ベースと、可動部材４および／または第１アーム８側の２以上のベースを有する連結部を具えてもよい。

しかしながら、いずれの場合でも、第２アーム１０を可動部材４および付属する第１アーム８に結合するジョイント２２として、例えばＥＰ１１１３１９１Ａ１にあるように、フレキシブルヒンジまたはヒンジ関節を用いることが好ましい。

第１アーム８、第２アーム１０、ベース部材２、可動部材４のフレキシブル結合の好適な実施例が、図１２を参照して後述される。

付随する第２アーム１０に連結された端部２０と反対の端部２４にて、各第１アーム８はマウント部材２６に連結され、これがベース部材２に固定的に装着され、これによりベース部材２に連結される。このマウント部材２６とベース部材２もまた、１ピースとして形成されてもよい。

各第１アーム８は、各第１アーム８が対応するマウント部材２６すなわちベース部材２に対して回転または回動可能なように、対応するマウント部材２６と連結されている。好適な実施例において、各第１アーム８は、対応するマウント部材２６とそれぞれの端部２４を通って延在する回動シャフトによって、対応するマウント部材２６に連結されている。

マウント部材２６はベース部材２から、当該ベース部材の面にほぼ垂直方向に延在する。部分２８がベース部材２に取り付けられている部分２８と反対側の自由端部２０の間の部分は、第１アームが連結されており、各いマウント部材２６に回転アクチュエータ３２が取り付けられている。

回転アクチュエータ３２は、例えば、標準的なＤＣモータまたはブラシレスモータである。トルク出力や運動チェーン６の所望の動作に必要な電力消費を低減させるべく、本発明は図６乃至１２により詳細に開示するシングルステージ伝導装置を用いる。

各アクチュエータ３２は、各マウント部材２６を通って延びる回転出力シャフト３４を具えている。各出力シャフト３４はそれぞれ第１アーム８に連結され同じ動きをする。出力シャフト３４と第１アーム８の連結部の好適な実施例が、図８乃至１０に開示されている。

例えば電位差計、光学エンコーダ、磁気エンコーダなどの第１アームの角度位置を検出する手段またはユニットが、出力シャフト３４または角度情報を提供するのに適したアクチュエータ３２の他の部分（例えばロータ）に好適に設けられている。

図１から看取できるように、好適な実施例はハウジング３５を具える。ハウジング３５はベース部材２に取り付けられているか、下側にベース部材２を具えている。

このハウジング３５は、第１アームを案内する３つの開口３６を具える。第１アームの設計と動作のために、後に詳細に説明するが、各開口３６は、各第１アームが通って案内される方向で見た場合に、通って案内する第１アームの部分の断面より僅かに大きな断面を有する。動作時に第１アーム８の動きが事実上真っ直ぐに開口３６の領域を占めるため、開口３６がこのように設計されている。したがって、開口３６の断面は、可能な限り第１アーム８の断面に近いように設計される。ここで、「可能な限り近い」とは、第１アーム８が実質的に嵌合したり開口の縁（すなわち、開口３６を規定するハウジング３５の部分）の全部に接触したりして第１アーム８の動作が例えば摩擦により影響を受けないということである。

例えば、第１アームの断面が四角または円形である場合、開口３６の断面もそれぞれ少し大きな四角または円形である。これにより、ハウジング３５内の部品のカバーが向上し、装置全体の内部要素の故障の原因となる異物（例えば埃、水滴、湿気、小片等）がハウジング３５に入るのを防ぐか低減される。さらに、ユーザが負傷するリスク（例えば、指を挟んだり捻ること）が低減される。

図示しないさらに好適な実施例では、開口３６に弾性の従順な（compliant）リングまたはコーティングが設けられ、これらがそれぞれ、アームの動きに（実質的に）影響を及ぼさないが第１アーム８とハウジング３５間の液体シーリングが達成されるように第１アーム８と接触する。液体シーリングは、以下の方法により実現してもよい（図示せず）。

図３乃至５を参照すると、本発明の好適な実施例に係る構成であって、本発明に係る第１アーム、マウント部材２６、アクチュエータ３２が説明されている。

ここで、理解を進めるべくある注意点を述べる。本発明の装置や従来の運動伝達装置は、その可動部材の可能な動きや可動部材の自由度に関し、それぞれ対称中心を有する。

ベース部材と可動部材間に連結された運動チェーンは、ある動作面内で動く。特に、通常は運動チェーンの第１または主アーム、すなわちベース部材に連結された運動チェーンの部分は、各運動面内で動作する。

運動チェーンの第２アーム、すなわち運動チェーンの可動部材に連結された部分の動きは、通常は異なる面または運動空間内で生じる。

対称中心は、一実施例では、ベース部材の中心を通る垂直線が対象中心と交差するように配置される。説明のためだけに、以下の好適な実施例ではこの関係が成立するものとする。しかしながら、対称軸の他の関係または位置もまた可能である。

図３は、本発明では用いないが従来例で公知の構成の第１アームを示す。この図３は従来例の構成であり、第１アームの空間配置を示すものである。しかしながら、本発明の第１アーム８は従来技術で公知のものではないことを理解されたい。

各第１アーム８は、図３にてそれぞれ点線で示す運動面３８内で動く。図示するように、第１アームは、各動作面３８が、ベース部材を通って、ここではベース部材の中心を通り垂直に延在する共通の線または軸４０（「対称軸」と称す）に交差する。本実施例では、交差または対称軸は、可動部材４が取り得る動作（図示せず）または可動部材の自由度に関する対称の中心を通り右へ延びる。

従来技術の構成は、本発明では用いられない。むしろ、本発明によると、第１アームと、これに沿って、対応するマウント部材２６とアクチュエータ３２が図４に示す構成で配置されている。

特に、１以上の第１アーム８が、その運動面が、図３に示す動作面３８と比較すると、垂直方向にオフセットしており運動面４４となっている。これが図４に矢印４６で示されている。

さらに、第１アーム８は、それぞれの回転軸が運動面４４内で内側またはベース部材２の中心４２の方へ移動されて配置されている。これが図４に矢印５０で示されている。

各第１アーム８を上述のように配置すると、図５に示す好適な実施例のようになる。

結果として、本発明により位置決めされる各アームの運動面４４は、運動面の共通の対称軸と交差しないが、これに関連する空間に延在し、すなわち運動面４４と対称軸の間には距離ｄ＞０がある。

換言すれば、本発明において運動面４４に第１アームが交差する場所、および本発明の方法または別の方法で配置される別の第１アームの運動面３８／４４は、これらの共通の対称軸と交差しない線を形成するが、これに対し離れるように延在し、面と交差する線と対称軸との間の距離がｄ＞０となる。したがって、図５の実施例では、各運動面４４はすべて、本発明により間隔を開けて配置されている。

これにより、特に第１アーム８の回転軸とベース部材２または対称軸の中心との間が狭まるため、よりコンパクトな設計となる。結果として、本発明に係る装置が占める横方向の空間は従来技術に比べて少なくなり、例えば小さなハウジングに適用可能となる。

第１アームの動作の有効半径が当該第１アームの半径長さと等しい典型的な触覚デスクトップ装置では、本発明により横方向の空間が直径で２割ほど小さくなり、表面に関すると、本発明により４割ほど小さくなる。

本発明に係る第１アーム８および装置内での構成の好適な実施例を、図６、７を用いて説明する。

第１アーム８は、ここでは環の一部をなす湾曲部分５２を有する。この湾曲部分５２の曲率に拘わらず、第１アーム８の回転中心は湾曲部分５２の端部を接続する仮想の線の中心と一致するかほぼ一致することが望ましい。図６、７の実施例では、湾曲部分５２の中心はさらに、この湾曲部分５２の曲率を有する仮想の環の中心（中央）に対応し、この環形が湾曲部分５２の異なる曲率の部分にも存在する。

第１アーム８の基部５６は、湾曲部分５２の第１の端部５８から延在し、回転可能にマウント部材２６に連結されており、基部５６と基部上のマウント部材２６との連結箇所は、第１アーム８の回転中心５４を規定する。好適な実施例では、基部５６は真っ直ぐな部分となっている。しかしながら、この基部５６は湾曲部分を具えてもよい。

図６、７の実施例は、任意に、湾曲部分５２の第２の端部６２から延在する第１アーム８の端部６０を具えてもよい。この端部６０は、湾曲部分５２と各第２アーム１０を例えばヒンジで連結する。特に、フレキシブリヒンジの場合、ヒンジの端部５８は１ピースとして形成され、あるいは一体的に形成される部材として製造される。さらなる好適な実施例では端部６０がなく、湾曲部分５２と第２アーム１０が直接連結されている。ここで、この連結にヒンジを用いる場合はヒンジと湾曲部分５２の第２の端部６２、および／またはヒンジと第２アーム１０とは、１ピースから形成してもよい。

図６は、第１の端部位置にある第１アーム８を示し、図７は第２の端部位置にある第１アームを示す。これらの端部間の移動は、第１アーム８の回転により達成される。これらの図から分かるように、第１アーム８の移動は、湾曲部分５２の部分がハウジング３４の領域をこの位置では線形移動と考えられるように通るように移動する。このため、ハウジング３４の開口３６は湾曲部分５２の（最大）断面に適合する大きさを有する。

いくつかの応用例では、第１アームの好適な実施例は、特に湾曲部分５２により、第１アーム８の最適以下（sub-optimal）のトーションと曲げ強さを有する。この場合、湾曲部分５２の適切な断面は補償に利用される。さらに、第１アーム８と第２アーム１０の距離を回転中心５４より狭めたり、等しくしたり、広げたりして連結して、第２アームの可動範囲への影響を測定する。これは端部６０の適切な設計、すなわち湾曲部５４の第２の端部６２から回転中心５４または反対方向へ延在させることにより達成される。

第１アーム８を移動させる好適な実施例が、図８乃至１０を参照して以下に開示されている。

図示しない好適な実施例では、アクチュエータ３２の出力シャフト３４と湾曲部分５２とは摩擦接触または嵌合している。好適には、出力シャフト３４と湾曲部分５２との摩擦により、出力シャフト３４の回転が十分に（望ましくは常に）湾曲部分５２に伝達され、したがって第１アーム８に伝達される。出力シャフト３４の回転により第１アーム８が動作し、これにより運動チェーン６全体が動く。出力シャフト３４と第１アーム８の係合を向上すべく、出力シャフト３４自体またはその上に形成されたコーティングが高い摩擦係数を有するようにする。追加的あるいは代替的に、湾曲部分５２の一部が出力シャフト３４またはその上に形成されたコーティングと接触し、高い摩擦係数を有するようにしてもよい。

さらに、出力シャフト３４と第１アーム８が互いに付勢するようにしてもよい。これはモータの重力によるトルク損失を補償し、例えば、さらにこれらの摩擦係合を向上する。この付勢は、例えば、出力シャフト３４に第１アーム８の方向に作用する力をかけ、および／または逆も同様にして実現する。これは例えばフレキシブルベアリングおよび／または弾性バネ部材で達成できる。したがって、これは本発明の他の様々な実施例に適用してもよい。

さらなる図示しない実施例では、アクチュエータ３２の出力シャフト３４が歯車、ギヤ、ギヤホイールとして形成されるか波形面を有し、他方で湾曲部分５２の部分はこの出力シャフトと係合する補完的な面が形成されている。これにより、第１アーム８と出力シャフト３４の滑りが防止あるいは低減される。

図８乃至１０に示す好適な実施例では、出力シャフト３４と第１アーム８の連結が、ケーブルまたはワイヤを用いている。

図８の好適な実施例では、第１のアーム８にケーブル６４が設けられている。このケーブル６４や後述するさらなるケーブルをそれぞれ用いる代わりに、歯付のベルトやギヤ伝達部を用いてもよい。

ケーブル６４は、基部５６から湾曲部５２の外側面から第２の端部６２の方を見た場合に、出力シャフト３４を越えて基部５６から湾曲部分５２に沿って湾曲部分５２の位置まで延在する。ケーブル６４の両端部６６，６８は第１アーム８に固定的に取り付けられている。

第１アームと出力シャフト３４を連結するには、図８の右側に示すように、ケーブル６４を少なくとも出力シャフト３４の周囲に巻く。

ケーブル６４と出力シャフト３４間で十分な摩擦を得るには、ケーブル６４を締めるか緊張させる必要がある。このため、クランプ７０、７２を用いて、ケーブル６４の端部６６，６８をそれぞれ第１アーム８に取り付ける。

出力シャフト３４と第１アーム８の係合を向上すべく、出力シャフト３４自身またはその上に形成されたコーティングが、高い摩擦係数を有する。追加的または代替的に、ケーブル６４の出力シャフト３４と接触する部品またはその上のコーティングが、高い摩擦係数を有してもよい。

図９の好適な実施例は、本質的に図８の実施例に対応し、以下の差異以外や類似点などは再び説明されない。

図９に示すように、スプリング７４が、ケーブル６４の端部６６と、第１アーム８の基部５６に設けられたサポート７６との間に設けられている。このスプリング７４は、ケーブル６４が確実に出力シャフト３４に取り付けられるようにケーブル６４を常に付勢または緊張させている。これにより一方で出力シャフト３４を、他方でケーブル６４すなわち第１アーム８の係合を確実にしている。弾性緊張手段は図９に示すように螺旋牽引スプリングであってもよいが、他の弾性部材（例えば螺旋圧縮スプリング、梁要素、膜組織等）を用いてもよい。

図１０に示す好適な実施例は、本質的に図８、９の実施例に対応しており、以下の差異以外や類似点などは再び説明されない。

図１０（右側）に示すように、ケーブル６４は出力シャフト３４に、例えば半田付け、溶接、接着剤、クランプ等により固定されている。これによりさらに、出力シャフト３４とケーブル６４すなわち出力シャフト３４と第１アーム８が確実に固く連結される。

図１１に示す好適な実施例は本質的に図８乃至１０の実施例に対応するが、以下の差異以外や類似点などは再び説明されない。

ケーブル６４ａの一端６６ａは、第１アーム８の基部５６に連結されており、これは図１０、１１の実施例におけるケーブル６４の端部６６と同様であり、すなわちスプリング７４がケーブル６４の端部６６ａと第１アーム８の基部に設けられたサポート７６との間に設けられている。さらに、ケーブル６４ａはスリッピングキャプスタン７７の周囲に１回以上巻かれている。これにより、キャプスタンの摩擦によりアクチュエータから見た場合にケーブル強度が高くなり、小さな張力が（したがって小さな弾性要素も）可能となる。

図１１のようにキャプスタンを用いることは、図８乃至１０の実施例にも適用可能である。

代替的に、端部６６ａは、図８乃至１０と同じような方法で基部に取り付けられてもよい。

ケーブル６４ａの別の端部７８は、例えば半田付け、溶接、接着、クランプなどにより、出力シャフト３４に固定的に取り付けられている。

ケーブル６４ａは、出力シャフト３４の周りに巻き取り方向に巻かれている。

図９，１０の実施例のケーブル６４の端部６８が第１アーム８に取り付けられているのと同じように、ケーブル６４ｂの一端６８ａは、第１アーム８の湾曲部分５２に取り付けられている。

ケーブル６４ｂの他方の端部８０は、例えば半田付け、溶接、クランプなどにより、出力シャフト３４に固定的に取り付けられている。

ケーブル６４ｂもまた出力シャフト３４に巻かれているが、同じ巻き取り方向の反対側から開始している。

結果として、出力シャフト３４の回転により、ケーブル６４ａが出力シャフト３４から解かれて、ケーブル６４ｂが出力シャフト３４に巻かれ、逆もまた同様である。これにより本発明の装置をいくぶんか細くすることができる。

ケーブル６４ａ、６４ｂと出力シャフト３４との結合は、特にすべりの危険性と改良された摩擦により、第１アーム８と出力シャフト３４の結合品質を向上させる。

代替的に、ケーブル６４ａ、６４ｂの端部７８、８０は、端部７８、８９を出力シャフト３４に固定するのではなく、上述したようにケーブル６４ａ、６４ｂを出力シャフト３４に巻き付けることにより出力シャフト３４に取り付けて、少なくともケーブル６４ａ、６４ｂの一方をシャフト３４を通る通路をその長軸に垂直に通しその端部７８、７８を互いに結合させてもよい。

上記の実施例はすべて、基部を湾曲部分に付ける上記構成へと結合手段を変更してもよく、湾曲部を基部に付ける上記構成へと結合手段を変更してもよい。

図８乃至１１に記載の原理は、しかしながら、本発明の種類の運動伝達装置に適用可能であるだけではない。むしろ、この原理と基礎をなす教示は、一般用語で、基部と湾曲部と端部を具える運動伝達部材の運動伝達を提供するものである。上述した第１アームの基部、湾曲部、端部に関する詳細はここでも適用される。

この運動伝達部材は、基部を通って延びる回転軸を有する一方、前記端部は例えば第２アーム１０などのさらなる部材に伝達される運動を提供するよう構成されている。

湾曲部分は、運動伝達部材の回転軸から離れており、基部を介して回転軸とリンクされている。したがって、運動伝達部材がその回転軸の周りで回転すると、湾曲部材が回転し、逆もまた同様である。

この湾曲部分は回転アクチュエータ、電気モータ、出力シャフトなどの回転生成装置またはユニットに連結されるよう構成されている。この湾曲部分と、第１アーム８とアクチュエータ３２を組み合わせた上述したいずれかの実施例に組み込まれた装置と組合せるのが望ましい。

好適な実施例は触覚装置、マニピュレータ、測定システムの形態をとる。

触覚装置の場合、可動部材４はハンドルと連結される。マニピュレータの場合、可動部材４は操作部材と連結される。測定システムの場合、第１アームはセンサ素子に取り付けられ、可動部材の位置が測定結果に基づいて算出される。図１において、ハンドルと、操作部材と、センサエレメントが符号８２が指定された要素により描かれている。

本発明にかかる触覚装置の実施例は、上述した実施例のいずれかの本発明にかかる装置を備えている。このような触覚装置は、触覚の検知とコンピュータアプリケーション等の相互作用を制御するアクティブインタフェースとして用いることができる。触覚装置は、動作中にユーザにフォースフィードバック情報および／または生成する力を提供する。本発明にかかる触覚またはフォースフィードバック装置は、並進３自由度（three translational degrees of freedom）を実現する。さらに、本発明の運動伝達装置に連続的に結合された回転型関節モジュール８２により３までの回転自由度が実現される。回転は、関節モジュール８２と可動部材の回転結合８２により実現されてもよい。ユーザは、関節モジュール８２または関節モジュール８２の頂部に設けられたハンドルの手段により触覚装置と相互作用を行う。好適には、関節モジュールは触覚フィードバックを行うよう構成されている。

本発明の触覚装置はさらに、各第１アーム８の開口角度を測定するセンサと、この測定結果に基づいて可動部材４の位置を算出するプロセッサとを具える。また、制御キー、制御ホイール、フォースグリッパまたは人間とコンピュータのインタフェースに用いる他の要素、および／または可動部材の好適には関節モジュール８２の下に設けられたフォースセンサとを具える。

本発明の運動伝達装置の実施例を組み込んだ、本発明に係るマニピュレータは、グリッパに並進３自由度と１の回転自由度を提供する。平行運動チェーン６は、並進３自由度を可動部材４に提供する。グリッパアセンブリなどの操作部材８２は、この操作部材８２がベース部材２に対して回転可能なように、可動部材４に直列的に連結されている。これは、回転結合８４および／または可動部材４の回転軸が構造全体の垂直軸の回転を可能とすることにより実現する。

さらなる実施例では、本発明にかかるマニピュレータはまた、各方向への力またはトルクを検出するフォースセンサを具える。明確に、本発明のマニピュレータは他の種類のグリッパ、部品または他のエンドエフェクタを具えてもよい。

本発明にかかる例えば座標を測定する測定システムは、プローブまたはセンサ素子８２に並進３自由度を提供する本発明に係る運動伝達装置が組み込まれている。ここで、回転結合８４は省略してもよい。

図１２は、第１と第２のアーム８、１０および／または第２アーム１０と可動部材４との弾性結合の実施例を示す図である。ここで、第２アーム１０は３本のリンクバー１２を具え、その端部が図１４に示されている。リンクバー１２の端部は、第１アーム８または可動部材４に３つの弾性ヒンジまたは弾性ヒンジ関節８６で連結されている。これらの弾性ヒンジ８６は、個別の部材として構成してもよいし、リンクバー１２とともに１ピースで構成してもよい。１ピースで構成する実施例の場合、弾性ヒンジ８６は材料のテーパリングで形成してもよい。

本発明を特定の実施例を参照して説明したが、添付のクレームはこれらの実施例に限定されるものではなく、むしろこの分野の当業者が公正にその範囲内にあるとする本発明の様々な変形例や変更例が含まれると解すべきである。

図１−１２は、本発明の好適な実施例を示す図である。

Claims (30)

1. 運動伝達装置であって：
   並進３自由度を含む３以上の自由度を提供するよう構成された平行運動伝達構造であって、さらにベース部材と、可動部材と、当該ベース部材および可動部材を連結する１以上の平行運動チェーンとを具える前記平行運動伝達構造を具え、
   各平行運動チェーンが１の運動面内で動く第１アームを具え、前記運動面が対称軸から離れており、
   各平行運動チェーンが、前記可動部材に連結された第２アームを具え、当該第２アームの第１の端部は前記第１アームに連結するよう構成され、前記第２アームの第２の端部は前記可動部材に連結するよう構成されていることを特徴とする運動伝達装置。
2. 請求項１の装置において、前記第２アームが、２以上の平行なリンクバーを具えることを特徴とする運動伝達装置。
3. 請求項１の装置において、前記第１アームが前記ベース部材に連結されており、それぞれの運動面内で可動であることを特徴とする運動伝達装置。
4. 請求項３の装置において、前記第１アームは、回転軸に対して回転可能であることを特徴とする運動伝達装置。
5. 請求項３の装置において、前記第１アームは湾曲部分を有することを特徴とする運動伝達装置。
6. 請求項５の装置において、前記湾曲部分は環の一部をなし、その中央に各第１アームの回転軸が交差することを特徴とする運動伝達装置。
7. 請求項５の装置において、前記第１アームが前記湾曲部分の第１の端部から延びる基部を具えることを特徴とする運動伝達装置。
8. 請求項７の装置において、前記基部は、前記湾曲部分の第１の端部から前記湾曲部分に対し半径方向に延びることを特徴とする運動伝達装置。
9. 請求項８の装置において、前記第１アームが、前記ベース部材から延びるマウント部材に回転可能に連結された第１の端部を具えることを特徴とする運動伝達装置。
10. 請求項１の装置において、各平行運動チェーンに付随して、対応する平行運動チェーンをそれぞれその第１アームの運動面内で動かすアクチュエータが設けられていることを特徴とする運動伝達装置。
11. 請求項１０の装置において、前記アクチュエータと第１アームが、前記第１アームを動かすべく連結されていることを特徴とする運動伝達装置。
12. 請求項１０の装置において、前記アクチュエータが前記第１アームにその湾曲部分で連結されていることを特徴とする運動伝達装置。
13. 請求項１０の装置において、前記アクチュエータが、対応する平行運動チェーンの運動面に垂直に延びるアクチュエータ回転軸を有することを特徴とする運動伝達装置。
14. 請求項１０の装置において、前記アクチュエータが、当該アクチュエータの本体から延びて前記第１アームに１以上の摩擦係合または１以上のケーブルまたはワイヤ構成により連結された出力シャフトを具えることを特徴とする運動伝達装置。
15. 請求項１０の装置において、前記アクチュエータは、対応する平行運動チェーンのマウント部材に装着されていることを特徴とする運動伝達装置。
16. 請求項５の装置がさらにハウジングを具え、前記第１アームの湾曲部分が前記ハウジングの開口を通って動作可能に構成されていることを特徴とする運動伝達装置。
17. 請求項１６の装置において、前記ハウジングが、各平行運動チェーン用に、各平行運動チェーンが通って動作可能であり各平行運動チェーンの第１アームの断面に適合する直径を有する開口を具えることを特徴とする運動伝達装置。
18. 請求項１の装置において、１以上の前記平行運動チェーンが、フレキシブルヒンジを具えることを特徴とする運動伝達装置。
19. 請求項１の装置において、前記第１アームとベース部材が、１以上のフレキシブルヒンジで連結されていることを特徴とする運動伝達装置。
20. 請求項１の装置において、前記第２アームと可動部材が、１以上のフレキシブルヒンジで連結されていることを特徴とする運動伝達装置。
21. 請求項１の装置において、前記第１アームと第２アームが、１以上のフレキシブルヒンジで連結されていることを特徴とする運動伝達装置。
22. 請求項１８の装置において、前記フレキシブルヒンジが１ピースで構成されているか、前記フレキシブルヒンジと、各第１アーム、各第２アーム、可動部材のいずれか１以上が１ピースで構成されていることを特徴とする運動伝達装置。
23. ユーザにフォースフィードバック情報を提供する触覚装置であって、請求項１乃至２３のいずれか１項の装置を具えることを特徴とする触覚装置。
24. 請求項２３の触覚装置において、さらに、各第１アームの開口角度を測定するセンサを具え、この測定結果に基づいて前記可動部材の位置が算出されることを特徴とする触覚装置。
25. 請求項２３の触覚装置において、さらに、前記平行伝達構造に直列的に設けられ１以上の回転自由度を提供するよう構成された関節モジュールを具えることを特徴とする触覚装置。
26. 請求項２５の触覚装置において、前記関節モジュールが触覚フィードバックを提供するよう構成されていることを特徴とする触覚装置。
27. 請求項２３の触覚装置において、さらに、制御キー、制御ホイール、フォースグリッパ、または人間とコンピュータのインタフェースに用いる他の要素を具えることを特徴とする触覚装置。
28. 請求項２３の触覚装置において、前記可動部材に連結されたフォースセンサを具えることを特徴とする触覚装置。
29. 操作部材に１以上の自由度の動作を提供するマニピュレータであって、請求項１乃至２２のいずれか１項の装置を具えることを特徴とするマニピュレータ。
30. センサ素子に１以上の自由度の動作を提供する測定システムであって、請求項１乃至２２のいずれか１項の装置を具えることを特徴とする測定システム。

Images