JP2011067933A - 器用な人間型ロボットの手首 - Google Patents

器用な人間型ロボットの手首 Download PDF

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Abstract

【課題】器用な人間型ロボットの手首を提供すること。
【解決手段】人間型ロボットが、胴部、一対の腕、首、頭部、手首関節アセンブリ、および制御システムを備える。腕および首は、胴部から可動可能に延在する。腕はそれぞれ、下腕および下腕に対して回転可能である手を備える。手首関節アセンブリは、下腕と手との間で動作可能に画定される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を備える。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係において配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。制御システムは、手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成される。
【選択図】図4

Description

(連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述)
[0001] 本発明は、NASA宇宙活動協定(NASA Space Act Agreement)第SAA−AT−07−003号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
[0002] 本発明は、人間型ロボットの手首に関する。
[0003] ロボットは、関節部またはモータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、自動型デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度(DOF:degree of freedom)とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御(すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力)、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。
[0004] 人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、および/または付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。
[0005] 人間の動作に近づけるために、腰部関節または腕関節などのロボット内の各主要な関節は、DOFごとに少なくとも1つのアクチュエータを要する。しかし、多数の指を有する手においては、共通のアクチュエータから指関節のある組合せを駆動して、それによりアクチュエータを指関節よりも少なくすることが有利である場合がある。しかし、高度に器用な手は、多様な把持構成および把持された物体の微細な操作を可能にするように、おそらく12個またはそれ以上の複数のアクチュエータを有することとなる。さらに、これらのアクチュエータは、人間の構造および外観にほぼ相当する構成体の中にパッケージングされなければならない。
[0006] したがって、本明細書においては、人間型器用ロボットの下腕と手との間で動作可能に画定される手首関節アセンブリが提示される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係で配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。
[0007] 別の態様においては、人間型器用ロボットの腕アセンブリが、下腕、手、手首関節アセンブリ、および制御装置を備える。手は、下腕に対して回転可能である。手首関節アセンブリは、下腕と手との間で動作可能に画定される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係に配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。制御システムは、手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成される。
[0008] さらに別の態様においては、人間型ロボットが、胴部、一対の腕、首、頭部、手首関節アセンブリ、および制御システムを備える。腕は、胴部から可動可能に延在する。腕はそれぞれ、下腕と、下腕に対して回転可能な手とを備える。首は、胴部から可動可能に延在する。頭部は、首から可動可能に延在する。手首関節アセンブリは、下腕と手との間で動作可能に画定される。手首関節アセンブリは、ヨー軸およびピッチ軸を含む。ピッチ軸は、ヨー軸およびピッチ軸が概して垂直になるように、ヨー軸に対して離間された関係に配置される。ピッチ軸は、ヨー軸と下腕との間に延在する。手は、ヨー軸およびピッチ軸のそれぞれを中心として下腕に対して回転可能である。制御システムは、手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成される。
[0009] 添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになる。
[0010]本発明による器用な人間型ロボットの概略斜視図である。 [0011]図1の器用な人間型ロボット用の上腕の概略斜視図である。 [0012]図1および図2の器用な人間型ロボット用の下腕の概略斜視図である。 [0013]手を動かすためのリンクを有する、図1および図3の器用な人間型ロボット用の下腕の概略背面図である。 [0014]図1、図3、および図4の器用な人間型ロボット用の下腕のためのリンクの拡大概略図である。 [0015]図1、図3、および図4の器用な人間型ロボット用の下腕の手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を示す概略的なグラフである。 [0016]手を動かすためのリンクの別の実施形態を有する、図1および図3の器用な人間型ロボット用の下腕の概略背面図である。 [0017]図6の手を動かすためのリンクの別の代替的な実施形態の概略斜視図である。
[0018] 同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図1は、多自由度(DOF)により1つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット10を示す。
[0019] この人間型ロボット10は、頭部12、胴部14、腰部15、腕16、手18、指19、および親指21を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、多様な関節が配置される。例えば胴部14の背の上に担持または着用される再充電式電池パックまたは別の適切なエネルギー供給部などの電源部13が、様々な関節を作動させるように様々な関節に十分な電気エネルギーを供給するために、ロボット10に一体的に設置されてよい。
[0020] 一実施形態によれば、ロボット10は、肩関節アセンブリ(矢印A)、肘関節アセンブリ(矢印B)、手首関節アセンブリ(矢印C)、首関節アセンブリ(矢印D)、および腰部関節アセンブリ(矢印E)、さらには各ロボット10の指19の指骨間に位置する様々な指関節アセンブリ(矢印F)などの(それらに限定されない)、複数の独立的に可動なロボット関節および相互依存的に可動なロボット関節によって、構成される。
[0021] 各ロボット関節は、1つまたは複数のDOFを有し得る。例えば、肩関節アセンブリ(矢印A)および肘関節アセンブリ(矢印B)などのいくつかの関節は、ピッチおよびロールの形式の少なくとも2つのDOFを有し得る。同様に、首関節アセンブリ(矢印D)は、少なくとも3つのDOFを有することができ、腰部アセンブリおよび手首アセンブリ(それぞれ矢印EおよびC)は、1つまたは複数のDOFを有し得る。タスクの複雑性に応じて、ロボット10は、40以上のDOFによる動作が可能である。単純化のため図1には図示されないが、腰部(矢印E)、首(矢印D)、および腕(矢印AおよびB)における各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ38、およびロータリアクチュエータ等の、1つまたは複数のアクチュエータを含み、この1つまたは複数のアクチュエータにより駆動される。さらに、指関節(矢印F)が、アクチュエータ26により駆動されるが、いくつかの指19の動作を機械的に結合させて、ある場合においては、1つのアクチュエータ26が、複数の指関節(矢印F)を駆動させ得るようにすることが、有利な場合がある。指関節(矢印F)が、引くことのみが可能であり押すことが不可能である腱34によって駆動される場合には、戻り動作には、ばね荷重または追加の戻り腱34とそれ自体のアクチュエータ26とが必要になる。
[0022] 腕16は、上腕22および下腕(または前腕)24に区分される。上腕22は、肩関節アセンブリ(矢印A)から肘関節アセンブリ(矢印B)まで延在する。肘関節アセンブリ(矢印B)から延在するのは、下腕24、手18、指19、および親指21である。単純化のため、本明細書において説明されるように、上方は頭部12の方向であり、下方は腰部15の方向である。
[0023] 図2を参照すると、上腕22が図示されている。複数の腕16に対して一方の上腕22のみが図示されているが、左腕および右腕16は共に、以下に説明するように同一の態様で作動する。上腕22は、第1のDOFを実現する第1の肩関節S1、第2のDOFを実現する第2の肩関節S2、および第3の自由度を実現する第3の肩関節S3を含む、肩関節アセンブリ(矢印A)を有する。第1から第3の肩関節S1、S2、S3は共に、人間の肩が行うことが可能な動作に相当する動作を行う。具体的には、第1の肩軸A1を中心とした第1の肩関節S1の回転により、第2の肩関節S2に関する第2の肩軸A2が、所望の位置へと移動する。第1の肩関節S1の位置に基づき、次いで、第2の肩軸A2を中心とする第2の肩関節S2の回転により、腕16が、胴部14に対して上下に、または胴部14に対して前後に移動する。第3の肩関節S3は、第3の肩軸A3を中心として上腕22を回転させる。第3の肩関節S3の回転により、上腕22は、軸方向に回転し、すなわち、第3の肩関節S3の回転により、肘関節アセンブリ(矢印B)が回転されて、上方または下方に向けられる。したがって、第1の肩関節S1、第2の肩関節S2、および第3の肩関節S3が共に、肩関節アセンブリ(矢印A)の動作を形成する。
[0024] さらに、上腕22は、第1の肘関節L1および第2の肘関節L2を含む肘関節アセンブリ(矢印B)を備える。第1の肘関節L1および第2の肘関節L2はそれぞれ、1自由度を実現する。第1の肘関節L1および第2の肘関節L2が共に、人間の肘が行うことが可能な動作に相当する動作を行う。第1の肘軸B1を中心とする第1の肘関節L1の回転により、肘関節アセンブリ(矢印B)の下方の上腕22が、屈曲する、および直線状になる。さらに、第2の肘軸B2を中心とする第2の肘関節L2の回転により、肘関節アセンブリ(矢印B)の下方の上腕22が、軸方向に回転し、すなわち、第2の肘軸B2を中心とする第2の肘関節L2の回転により、下腕24および手18(図1)が回転されて、手のひらが上方または下方に向けられる。
[0025] 図3は、手首関節アセンブリ(矢印C)、手18、指19、および親指21を含む、下腕24を図示する。下腕24は、複数の指19(および親指21)アクチュエータ26と、複数の手首アクチュエータ28とを備える。さらに、指アクチュエータ26および手首アクチュエータ28を制御するために構成された複数の電子機器30が、下腕24上に支持される。下腕24は、下腕24を上腕22に連結するために使用されるロードセル32に装着される。
[0026] 手首関節アセンブリ(矢印C)は、手18と下腕24との間に配置される。手首関節アセンブリ(矢印C)は、典型的にはピッチ軸C1およびヨー軸C2に関して説明される、大きな動作範囲を有して構成される。ピッチ軸C1は、ピッチ軸C1およびヨー軸C2が概して垂直となるように、ヨー軸C2に対して離間された関係において配置される。より具体的には、ピッチ軸C1は、ピッチ軸C1とヨー軸C2とが交差しないように、ヨー軸C2と下腕24との間に位置決めされる。同様に、ヨー軸C2は、ピッチ軸C1と手18との間に位置決めされる。指および親指21は、電力制御および位置制御を与えるために、多数のアクチュエータ(図示せず)を要する。例えば、単一の指が、個別に制御可能であることが必要な4つまたは5つの関節を有する場合がある。いくつかの設計においては、手18の手のひらが、把持される物体の形状に適合するように、さらなる動作能力を有する場合がある。同時に、制限された区域に手18が届くのを容易にするために、手18はスリムな外形を有することが望ましい。これを実現するために、前腕内にアクチュエータを配置すること、および、腱または他のそのような細長伝達要素34を介して手18に機械的動力を伝達することが、好ましい場合がある。かかる手18は、時として、自体のアクチュエータを収容する「内因的に作動される」手18と対照的に、「外因的に作動される」と言われる。それぞれが最大で5自由度を有する、4つまたは5つの指19および親指21に関しては、手18は、12個またはそれ以上のアクチュエータを大抵は要してよい。内因的に作動される手18内に必要な個数のアクチュエータをパッケージングするためには、比較的小さなアクチュエータが使用される。この結果、内因的に作動される手18は、典型的には、必要な器用な作業を実施できないほどにかさばり、動作が遅くなり、および/または弱々しいものとなる。
[0027] 外因的に作動される手18を有する器用なロボット10のための手首関節アセンブリ(矢印C)は、ピッチ軸C1を中心とした大きなピッチ動作範囲と、ヨー軸C2を中心とした幅広いヨー動作範囲とを実現するように構成される。さらに、手首関節アセンブリは、手18および手首関節アセンブリが制限された区域内において器用な作業を行うべく、細長に、すなわちスリムな外形を有するように、構成される。手首関節アセンブリは、貫通部36、すなわち開口スペースを画定し、これは、前腕内においてアクチュエータを手18および/または指の関節に連結させる伝達要素34を収容するように構成される。伝達要素34が、押すことではなく引くことのみを行うように構成された腱である場合には、システム内において張力を維持するために、拮抗するアクチュエータ(図示せず)を設けることが望ましい場合がある。さらに、手首関節アセンブリ(矢印C)は、人間と比較した場合に、有用な作業を行う手18をサポートするように、十分に強靭なものとなるように、および十分な速度で作動するように、構成される必要がある。
[0028] 図4および図4Aを参照すると、さらに、手首関節アセンブリは、ヨー軸C2およびピッチ軸C1のそれぞれを中心としたヨー回転およびピッチ回転を実現するように作動されなければならない。一対の線形アクチュエータ38が、離間された関係において下腕24内に摺動自在に配置され、互いに対して概して平行に位置する。リンク40は、一対の線形アクチュエータ38のそれぞれの一方と手18とを動作可能に相互連結する。リンク40は、玉継手42を介して線形アクチュエータ38および手首に動作可能に相互連結される。リンク40は、離間された関係において延在し、互いに対して概して平行に位置する。線形アクチュエータ38は、手18に対して前腕を動作可能に連結して、下腕24に対するヨー軸C2およびピッチ軸C1を中心とした手18の回転動作を実現する。各線形アクチュエータ38は、十分な速度および力にて、ヨー軸C2および/またはピッチ軸C1を中心として手首を回転させるように、長い線形移動範囲を実現するように構成される。好ましい一実施形態においては、線形アクチュエータ38の線形移動範囲は、約100mmであり、速度は、約80mm/sであり、力は、連続的に約320Nから約1320Nまでの範囲に及ぶ。2つの線形アクチュエータ38は、所望の運動学的構成体と結合されて、ピッチ軸C1およびヨー軸C2を中心とした約120度/秒の手首速度と、ピッチ軸C1を中心とした約200Nmのピークトルクと、ヨー軸C2を中心とした約150Nmのピークトルクと、ピッチ軸C1およびヨー軸C2をそれぞれ中心とした約25Nmの連続手首トルクとをもたらすことができる。
[0029] 手首関節アセンブリは、前腕内の線形アクチュエータ38の変位と、結果的に得られる手首関節アセンブリ(矢印C)のピッチおよびヨーとの関係が、非線形的に結合され、手のひら内の玉継手42の幾何学的配置、前腕内における線形アクチュエータ38の作動ラインの位置、およびピッチ関節およびヨー関節に対する線形アクチュエータ38の幾何学的関係により左右されるように、構成される。図5を参照すると、数学的解析(以下においてより詳細に説明される)から導き出されたヨー関節およびピッチ関節を中心とする回転の角度P、Yのグラフが、43にて示される。これらの幾何学的パラメータ全てを十全に活用することにより、図5は、手首関節アセンブリ(矢印C)が、大きなピッチ動作範囲、すなわち約140度の全移動と、大きなヨー動作範囲、すなわち約60度の全移動とを実現することが可能であることを示す。さらに、手18および/または手首関節アセンブリ(矢印C)の作動ワークスペース全体にわたり略同一の精度および強度を維持するための良好な条件を伴った無特異点作動(singularity−free operation)が、手首関節アセンブリ(矢印C)のこの構成により実現され得る。図5を再度参照すると、ヨー軸C2を中心とする非対称的移動が、すなわち約−15度から約45度までが実現される。この理由は、他の場合であると親指21および手18の親指21用のサポート構造体46の、下腕24との衝突が生じるため、手18の親指側44が、一方向への移動を妨げると共に、手18が手18の小指側48の方にさらに回転することが可能となるようにするためである。この非対称性は、ヨー軸C2を中心とした同一の回転制約条件を受ける人間の手首の動作を模倣することを理解されたい。この結果、細長い手首関節アセンブリ(矢印C)が、実現される。
[0030] 良好な強度を維持しつつ、大きな動作範囲に対応するために、手首関節アセンブリ(矢印C)は、複数の玉継手42を備える。玉継手42はそれぞれ、ソケット部分50およびボール部分52を備える。各リンク40は、ロッド部分54を備え、ボール部分52の1つが、各ロッド部分54の両端部から延在する。ソケット部分50の1つが、それぞれの線形アクチュエータ38から動作可能に延在する。さらに、一対のソケット部分50が、手18から動作可能に延在する。より具体的には、他のソケット部分50の1つが、手18のサポート構造体46から親指側44の付近に延在してよく、他のソケット部分50が、手18から小指側48の付近に延在してよい。各リンク40のボール部分52は、このリンク40が各ソケット部分50に対して関節連結するように、手18のおよび対応する線形アクチュエータ38のソケット部分50の1つと係合状態にある。各ソケット部分50は、ベース部分56および一対のフランジ部分58を備える。この対のフランジ部分58は、離間された関係にてベース部分56から延在して、それらの間にソケット開口60を画定する。ソケット開口60は、各ボール部分52を受容するように構成される。スリット62が、この対のフランジ部分58の端部64間に画定される。スリット62は、手首関節アセンブリ(矢印C)を関節連結する場合に、各リンク40のロッド部分54の一部分がスリット間を可動可能に通るように、構成される。ベース部分56は、線形アクチュエータ38または手18のいずれかから延在するように構成される。玉継手42は、手首関節アセンブリ(矢印C)に対して最適化されてよい。再び図5を参照すると、ピッチ動作の角度Pが、ヨー動作の角度Yの2倍を上回る大きさであるため、玉継手42のソケット部分50のソケット開口60は、ピッチ方向に、すなわち手18がピッチ軸C1を中心として回転するにしたがって、延在されて、玉継手42を組み付ける際の各ボール部分52の挿入を容易化する。さらに、ベース部分56は、接触表面66を有する。接触表面66は、ボール部分52をソケット部分50内に挿入することを可能にするように引き戻るねじの面であってよい。次いで、ねじは、ボール部分52とねじ面との間に遊びのない接触状態になるようにボール部分52を嵌めるために、ボール部分52の方向にねじ込まれてよい。ねじ面の表面およびソケット部分50の任意の内部接触領域は、接触応力を均一に分散させる良好な球状拘束を実現させるために、ボール部分52と同一の球半径となるように機械加工されてよい。ボール部分52とソケット部分50との間の良好な球状拘束を実現することにより、高い作動力を手首関節アセンブリに伝達することが可能となる。本実施形態においては、玉継手42は、リンク40と玉継手42との間の連結を外すことなく、押しまたは引きにおいて530N(120lbf)を超過する力を手首関節アセンブリ(矢印C)に対して加えるように構成されてよい。
[0031] 各線形アクチュエータ38は、下腕24に対して独立した線形動作を行うように構成される。したがって、各線形アクチュエータ38に対応するリンク40もまた、線形アクチュエータ38の移動に応じて動く。リンク40が動くことにより、手18は、ヨー軸C2およびピッチ軸C1の少なくとも一方を中心として動く(すなわち回転する)。線形アクチュエータ38が、独立的に動くように構成される一方で、手18が、ヨー軸C2、ピッチ軸C1、または同時にヨー軸C2およびピッチ軸C1のいずれを中心として回転するかが、線形アクチュエータ38の相対移動により決定される。より具体的には、線形アクチュエータ38は、ピッチ軸C1のみを中心として手18を回転させるために、略同一の速度で同一方向に移動するように構成され、線形アクチュエータ38は、ヨー軸C2のみを中心として手18を回転させるために、略同一の速度で反対方向に移動するように構成される。したがって、これらの線形アクチュエータ38は、両方の線形アクチュエータ38を互いに対して異なる速度で移動させることによって、同時にピッチ軸C1およびヨー軸C2を中心として手18を回転させるように構成される。
[0032] 手首の空間的幾何学的外形によって、およびとりわけその非対称的な幾何学的外形によって、線形アクチュエータ38の速度と、結果的に得られるピッチ角速度およびヨー角速度との間の正確な関係が、非線形となることを理解されたい。図5においてはかかる非線形性を見出すことが可能であり、実線曲線は、一方の線形アクチュエータ38が移動し、他方が静止状態にある動作を示し、破線曲線は、2つの線形アクチュエータ38のロールが逆転する動作を示す。任意の対のピッチ角およびヨー角(P、Y)について、線形アクチュエータ38の対応する変位は、(P、Y)にて図5における実線曲線と破線曲線との交点によって決定される。ピッチ軸およびヨー軸の調整される動作は、非線形運動学的等式を解くことにより、または事前に計算された値の参照表に補間を行うことにより、線形アクチュエータ38の対応する調整された動作を計算することによって達成される。非線形計算手順の詳細が、以下において提示される。
[0033] 図6および図7に図示される代替の一実施形態においては、手首関節アセンブリ(矢印C)は、直列弾性的作動(series−elastic actuation)を実現するように適合化される。直列弾性的作動は、線形アクチュエータ38が、リンク40の代わりにばね要素68を介してその出力を展開する際に、実現される。このばね要素68の反りDを測定し、その剛性を把握することにより、手首関節アセンブリ(矢印C)に対して加えられる力をモニタリングすることが可能となる。ロボット10が物体に接触を行う場合に、ばね要素68はこの接触から生じる衝撃を吸収する。より長い時間スケールにおいては、ロボット10の制御装置70は、この接触の力をモニタリングし、この接触の力を調整するために閉ループ手首関節アセンブリ(矢印C)において線形アクチュエータ38を制御することが可能である。直列弾性作動は、各線形アクチュエータ38と共にばね要素68の1つを使用することによって、実現され得る。図6および図7を参照すると、ばね要素68は、剛性リンク40の代わりに使用され得る。特に図6を参照すると、ばね要素68は、弾性部材である。この実施形態においては、ばね要素68は、低弾性率を有する材料から形成されるコイルばね72である。特に図7を参照すると、ばね要素68は、圧縮可能材料を使用して押し引きリンク40として形成される。代替としては、ばね要素68は、ばね要素68がヘッド部分74と線形アクチュエータ38のソケット部分50とを相互連結させるように、線形アクチュエータ38内に配置されてよい。同様に、ばね要素68は、手のひらリンク76と、対応するソケット部分50との間に配置されてよい。さらに別の実施形態においては、ばね要素68は、前腕のフレーム78に装着されてよい。説明されたこれらの実施形態においては、リンク40は、リンク40の両端部の玉継手42により、純引張/純圧縮において作動する。この純引張/純圧縮により、リンク40の側方への反りモーメントおよび/または屈曲モーメントは、問題とはならない。ばね要素68などの弾性駆動列部材に加えて、直列弾性作動は、ばね要素68の反りの測定を要する。ばね要素68の上述のいずれの配置においても、反りDは、ばね要素68上に設置されるひずみ計などの反り測定デバイス80によって、磁気ホールセンサによって、光学的方法によって、電気抵抗における変化によって、または、当業者には既知である反りDを測定するように構成された任意の他の既知のデバイスによって、測定され得る。ばね要素68の反りDの直接的な測定の1つの代替策は、スライダの位置ならびに手首関節アセンブリの対応するピッチ角Pおよびヨー角Yの両方を測定することによって、間接的に反りDを測定することである。線形アクチュエータ38の位置は、線形アクチュエータ38を駆動するモータ(図示せず)上の光学エンコーダによって測定され得る。さらに、ピッチ角Pおよびヨー角Yは、磁気ホールセンサおよび小型光学エンコーダ等のセンサ(図示せず)によって測定される。ピッチ角Pおよびヨー角Yを測定することにより、手18内のソケット部分50のボール中心の位置が、下腕24に対して計算され得る。線形アクチュエータ38の位置を測定することにより、下腕24内のソケット部分50のボール部分52の対応する中心の位置が、さらに決定され得る。次いで、押し引きリンク40の各端部のボール中心の間の距離が、計算されて、対応するリンク40の反り長さが明らかにされ得る。
[0034] さらに、ピッチ角Pとヨー角Yとの間の入出力関係、および線形アクチュエータ38の変位が、計算され得る。所望のピッチ角Pおよびヨー角Yをもたらすための各線形アクチュエータ38の変位の計算は、以下のステップを用いて決定される。これらの同一のステップは、所与のピッチおよびヨー(P、Y)に対して2つの線形アクチュエータ38のそれぞれについて個別に実施されることが理解される。(ステップ1)ホーム位置(P、Y)=(0、0)にて、線形アクチュエータ38のヘッドのボール中心42に原点を有し、z軸が手18の方向を指すアクチュエータ38の作動ラインに整列される状態において、下腕24において固定される座標系を確立する。手首の任意の構成については、原点からz軸に沿って測定されるアクチュエータ38の変位をqとする。この構築により、手首がホーム位置に位置する場合には、q=0となる。(ステップ2)一般位置(P、Y)について、押し引きリンク40の他方の端部の玉継手42の中心の位置を計算する。この位置をステップ1において確立された座標系において(x、y、z)として表す。(P、Y)に対する(x、y、z)の計算は、この場合には下腕78、介在手首リンク、および、軸C1を中心とする回転角Pおよび軸C2を中心とする回転角Yを有する手のひらリンク76から構成されるチェーンであるシリアルリンクチェーンの前方運動学を計算する標準的手段によってなされることが、理解される。(ステップ3)一方のボール中心42から他方のボール中心まで測定された押し引きリンクの既知の長さをLとする。(ステップ4)次いで、線形アクチュエータの変位qは、
となる。
[0035] 他方の方向、すなわち線形アクチュエータ38の現在の変位を所与としてピッチおよびヨーを計算することは、より困難である。なぜならば、この計算は、最大8乗までを有する多項等式によって支配されるからである。代数的定式化が、ピッチ角Pおよびヨー角Yを求めるために使用され得るが、より計算的に効率的な、2入力2出力参照表を構築する代替案が、同一の代数的定式化に基づいて使用されてもよい。この参照表は、図5に図示されるグラフ43内に補間され形成され得る。この方法は、手首関節アセンブリ(矢印C)に動作可能に連結されるロボット10内の制御システム84内において実行されるように、具現化されてよい。
[0036] 本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
10 人間型ロボット
12 頭部
13 電源部
14 胴部
15 腰部
16 腕
18 手
19 指
20 物体
21 親指
22 上腕
24 下腕
A 肩関節アセンブリ
B 肘関節アセンブリ
C 手首関節アセンブリ
D 首関節アセンブリ
E 腰部関節アセンブリ
F 指関節アセンブリ
A1 第1の肩軸
A2 第2の肩軸
A3 第3の肩軸
S1 第1の肩関節
S2 第2の肩関節
S3 第3の肩関節
B1 第1の肘軸
B2 第2の肘軸
L1 第1の肘関節
L2 第2の肘関節
26 指(親指)アクチュエータ、指アクチュエータアセンブリ
28 手首アクチュエータ
30 電子機器
32 ロードセル
C1 ピッチ軸
C2 ヨー軸
34 腱、細長伝達要素
36 貫通部
38 線形アクチュエータ
40 リンク
42 玉継手
43 グラフ
44 親指側
46 サポート構造体
48 小指側
50 ソケット部分
52 ボール部分
54 ロッド部分
56 ベース部分
58 フランジ部分
60 ソケット開口
62 スリット
64 端部
66 接触表面
68 ばね要素
70 制御装置
72 コイルばね
74 ヘッド部分
76 手のひらリンク
78 フレーム
80 反り測定デバイス
84 制御システム
P ピッチ角
Y ヨー角
D 反り

Claims (20)

  1. 人間型ロボットの下腕と手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリにおいて、
    ヨー軸と、
    ピッチ軸であって、前記ヨー軸に対して、離間されるとともに概して垂直な関係で配置された、ピッチ軸とを備え、
    前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記下腕との間に延在し、
    前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能である、手首関節アセンブリ。
  2. 請求項1に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として約60度、および前記ピッチ軸を中心として約140度、前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
  3. 請求項2に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手は、前記ヨー軸を中心として約−15度から45度の間で前記下腕に対して回転するように構成された、手首関節アセンブリ。
  4. 請求項1に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記下腕および前記手を動作可能に相互連結する一対のリンクをさらに備え、
    前記リンクは、互いに対して、離間しているとともに概して平行の関係で延在している、手首関節アセンブリ。
  5. 請求項4に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記手首関節アセンブリは、前記手および前記指の少なくとも一方における関節に、前記前腕内のアクチュエータを連結する伝達要素を収容するように構成された貫通部を画定する、手首関節アセンブリ。
  6. 請求項4に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記下腕と前記対のリンクのそれぞれとを動作可能に連結する一対の線形アクチュエータをさらに備え、
    前記線形アクチュエータのそれぞれは、前記対のリンクのそれぞれが、前記線形アクチュエータの動作に応じて、前記ヨー軸および前記ピッチ軸の少なくとも一方を中心として前記手を動かすように動くように、前記下腕に対して独立的に線形移動するように構成された、手首関節アセンブリ。
  7. 請求項6に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記対の線形アクチュエータは、前記手が少なくとも前記ピッチ軸を中心として回転するように、同一方向に移動するように構成され、
    前記対の線形アクチュエータは、前記手が少なくとも前記ヨー軸を中心として回転するように、反対方向に移動するように構成された、手首関節アセンブリ。
  8. 請求項7に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記対の線形アクチュエータは、前記手が前記ピッチ軸を中心としてのみ回転するように、略同一の線形速度で同一の方向に同時に移動するように構成され、
    前記対の線形アクチュエータは、前記手が前記ヨー軸を中心としてのみ回転するように、略同一の線形速度で反対方向に同時に移動するように構成され、
    前記対の線形アクチュエータは、前記手が同時に前記ヨー軸および前記ピッチ軸を中心として回転するように、それぞれ異なる線形速度で同時に移動するように構成された、手首関節アセンブリ。
  9. 請求項7に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記リンクのそれぞれは、玉継手で、手と、前記対の線形アクチュエータのそれぞれとに装着された、手首関節アセンブリ。
  10. 請求項9に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記玉継手は、ソケット部分と、前記ソケット部分内に回転自在に配置されたボール部分とを備え、
    前記ボール部分は、それぞれの前記リンクの両端部から延在している、手首関節アセンブリ。
  11. 請求項10に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ソケット部分は、
    ベース部分と、
    離間された関係で前記ベース部分から延在して、間にソケット開口を画定する、一対のフランジと、を備え、
    前記ソケット開口は、間に前記各ボール部分を受容するように構成され、
    スリットが、前記対のフランジ部分の端部間に画定されて、前記手が前記下腕に対して移動したときに、各リンクの一部分が前記スリットを貫通して可動可能に延在している、手首関節アセンブリ。
  12. 請求項11に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ベース部分は、前記ソケット開口に対向する接触表面を有し、
    前記接触表面は、ねじであって、前記ソケット部分内への前記ボール部分の挿入が可能となるように、前記ソケット開口から離れる方向に引き戻るように構成された、ねじを含み、
    前記ねじは、前記ボール部分と接触状態になるように前記ボール部分を嵌めるために、前記ソケット開口の方に延在されるように構成された、手首関節アセンブリ。
  13. 請求項4に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記リンクおよび前記各線形アクチュエータの少なくとも一方が、直列弾性作動を実現するように構成されたばね要素を備えた、手首関節アセンブリ。
  14. 請求項13に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、コイルばねである、手首関節アセンブリ。
  15. 請求項13に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素は、圧縮可能材料から形成された、手首関節アセンブリ。
  16. 請求項13に記載の手首関節アセンブリにおいて、前記ばね要素に動作可能に接続される反り測定デバイスをさらに備え、
    前記反り測定デバイスは、前記ばね要素の反りを測定するように構成された、手首関節アセンブリ。
  17. 人間型ロボットの腕アセンブリにおいて、
    下腕と、
    前記下腕に対して回転可能な手と、
    前記下腕と前記手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリであって、
    ヨー軸、および
    前記ヨー軸に対して、離間しているとともに概して垂直の関係で配置されたピッチ軸を備え、
    前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記下腕との間に延在し、
    前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能である、手首関節アセンブリと、
    制御システムであって、前記手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成された、制御システムとを備えた、人間型ロボットの腕アセンブリ。
  18. 請求項17に記載の腕アセンブリにおいて、リンクを介して前記下腕と前記手とを動作可能に相互連結する一対の線形アクチュエータをさらに備え、
    前記線形アクチュエータはそれぞれ、前記下腕に対する変位距離を独立的に線形移動するように構成され、前記対のリンクのそれぞれが、前記線形アクチュエータの変位距離に応じて動いて、前記ヨー軸および前記ピッチ軸の少なくとも一方を中心として前記手を移動させる、腕アセンブリ。
  19. 請求項18に記載の腕アセンブリにおいて、前記制御システムは、前記手首アセンブリのヨー角およびピッチ角の少なくとも一方と、前記線形アクチュエータの少なくとも一方の変位距離とを決定するように構成された、腕アセンブリ。
  20. 人間型ロボットにおいて、
    胴部と、
    前記胴部から可動可能に延在する一対の腕であって、下腕および前記下腕に対して回転自在である手をそれぞれが備えた、一対の腕と、
    前記胴部から可動可能に延在する首と、
    前記首から可動可能に延在する頭部と、
    前記下腕と前記手との間で動作可能に画定された手首関節アセンブリであって、
    ヨー軸、および
    前記ヨー軸に対して、離間しているとともに概して垂直の関係で配置されたピッチ軸
    を備え、
    前記ピッチ軸は、前記ヨー軸と前記下腕との間に延在し、
    前記手は、前記ヨー軸および前記ピッチ軸のそれぞれを中心として前記下腕に対して回転可能である、手首関節アセンブリと、
    制御システムであって、前記手首関節アセンブリのヨー角およびピッチ角を決定するように構成された、制御システムとを備えた、人間型ロボット。
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