JP2017522197A - 人間型特性のロボットの組立に対する改善 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの要素と、軸を中心として２つの要素をリンクする少なくとも１つの回転自由度を有する関節接続と、を有する人間型のロボットの組立の改善に関し、関節接続は、２つの要素を結合及び分離するべく、取付及び取外しが可能である。本発明によれば、ロボットは、・２つの要素のうちの第１の要素に固定されると共に関節接続の回転軸に対して実質的に平行な軸（３５）に沿って延在する円形セクションを有するボックス（３０）と、・その第１の端部（３６）が第１要素に接続されると共に第２の端部（３７）が第２要素に接続される２つの端部（３６、３７）を有するケーブルと、を更に有する。ケーブルは、ボックス（３０）の軸（３５）を中心としてボックス（３０）内において部分的に巻回され、且つ、ボックス（３０）から外部に、その第２端部（３７）まで延在している。２つの要素の分離型構成と２つの要素の結合型構成の間において、ケーブルの弾性は、ケーブルがボックス（３０）内において巻回されることを許容している。ロボットは、まず、ケーブル（３０）をその２つの端部において接続し、且つ、次いで、関節接続を機械的に取り付けることにより、組み立てられる。

Description

本発明は、人間型のロボットの組立の改善に関する。

ロボットは、例えば、頭、胴体、２本の腕、２つの手、２本の脚、又は二つの足などの人間の外観及び機能の特定の属性を有した瞬間に人間型としての条件を満たす。また、身体の上半身のみを有するいくつかのロボットも、人間型であると見なすことができる。歩行するか、車輪が設けられたプラットフォームにおいて運動するか、或いは、四肢によって又は頭によってジェスチャを実行する能力を有する人間型ロボットが存在している。彼らが実行しうるジェスチャの複雑さは、絶えることなく増大している。

これを実現するべく、ロボットは、多数の相互に関節接続された要素を有する。機械的に、関節接続は、多数の自由度を有しており、更には、様々な関節接続された要素の間において信号及び電力を伝達する必要がある。換言すれば、ロボットが組み立てられる際には、ロボットの動作に必要とされる信号及び電力を伝達するように、ロボットの様々な要素を機械的にリンクすると共にそれらを接続する必要がある。信号及び電力は、例えば、電気的、光学的、又は液圧的な形態などのように、様々な形態を有することができる。

周知のように、ロボットを組み立てる際には、その他の接続に先立って、まずは、機械的な組立が実施されている。この順序によれば、接続されるケーブルの長さを制限することができる。但し、この組立の方法は、機械的な組立の後に、コネクタへのアクセスのためのコネクタの良好なアクセス性が必要とされるという事実などのいくつかの欠点を有する。このアクセス性は、望ましくない運動に起因して、或いは、接続要素を損傷しうる外部要素に起因して、ロボットの使用の際に、ケーブル及びコネクタが損傷する可能性をもたらす。ケーブルの接続の後に、これらのケーブルの保護を保証することは、可能であろう。但し、その結果、ロボットの複雑性を増大させる更なる機械的な部分がもたらされることになろう。

本発明は、主に、ロボットの関節接続のために、関節接続の機械的な組立の前にケーブルを接続することを提案することにより、この欠陥を軽減することを目的としている。この結果、関節接続の内部においてケーブル及びコネクタを保護することができる。

これを目的として、本発明の主題は、人間型のロボットを組み立てる方法であって、ロボットは、
・２つの要素と、
・軸を中心として２つの要素をリンクする少なくとも１つの回転自由度を有する関節接続であって、２つの要素を結合及び分離するべく取付及び取外しが可能である関節接続と、
・２つの要素のうちの第１要素に固定されると共に関節接続の回転軸に対して実質的に平行な軸に沿って延在する円形セクションを有するボックスと、
・第１の端部が第１要素に接続されると共に第２の端部が第２要素に接続される２つの端部を有するケーブルと、
を有し、
ケーブルは、ボックスの軸を中心としてボックス内において部分的に巻回され、且つ、ボックスから外部に、その第２端部まで延在しており、２つの要素の分離型構成と２つの要素の結合型構成の間において、ケーブルの弾性が、ケーブルがボックス内において巻回されることを許容しており、方法は、
・ケーブルをその２つの端部において、それぞれ、２つの要素のうちの第１の要素及び第２の要素に接続する動作と、
・関節接続を機械的に取り付ける動作と、
という動作を順番に有するステップから構成されることを特徴とする。

本発明によれば、関節接続によって２つの要素を結合する前に、ケーブルを接続することができる。この結果、例えば、２つの要素が分離された状態において、電気的な動作試験などの動作試験を実行することができる。

本発明については、人間型のロボットの頭及び胴体の関節接続との関係において説明する。当然のことながら、本発明は、例えば、腕を胴体に結合する肩の関節接続、前腕を腕に結合する肘の関節接続、脚を胴体に結合する尻の関節接続などのようなロボットのすべてのその他の関節接続の場合に実装することができる。

更に詳しくは、本発明は、ロボットの２つの要素をリンクする異なるタイプの２つの接続に対処しており、これらのタイプのうちの１つは、機械的なものである。多くのロボットは、そのアクチュエータ、特に、関節接続のアクチュエータのために、且つ、例えば、任意の種類のセンサにリンクされた電子基板によって実行されるその駆動のために、電気エネルギーを使用しており、これにより、ロボットの外部へのリンクを許容すると共に、アクチュエータを駆動している。電力及び電気信号は、ロボットの様々な関節接続を通過する必要がある。記述されている例においては、首の関節接続は、胴体を頭に対して機械的に且つ曲がりやすいケーブルによって電気的に接続している。当然のことながら、電気エネルギーの代わりに又はこれに加えて、その他の形態のエネルギーにより、本発明を実装することもできる。特に、ケーブルによれば、電力並びに／或いは液圧信号又は光学信号を伝達することができる。換言すれば、ケーブルは、少なくとも１つの電気的且つ／又は光学的且つ／又は液圧的な導体を有する。

本発明については、一例として付与されている実施形態の添付図面を参照した詳細な説明を参照することにより、更に十分に理解され、且つ、その他の利点が明らかとなろう。

本発明を実装しうるロボットの２つの例を示す。 本発明を実装しうるロボットの２つの例を示す。 図１ｂのロボットの頭及び胴体を矢状面における断面において示す。 ロボットの頭及び胴体の接続を可能にするケーブルがその内部において部分的に巻回されているボックスを示す。 巻き出された状態のケーブルを示す。 ロボットの頭及び胴体の組立のいくつかのステップを示す。 ロボットの頭及び胴体の組立のいくつかのステップを示す。 ロボットの頭及び胴体の組立のいくつかのステップを示す。 ロボットの頭及び胴体の組立のいくつかのステップを示す。

わかりやすさを目的として、様々な図において、同一の要素には、同一の参照符号を付与することとする。

図１ａ及び図１ｂは、ＡＬＤＥＢＡＲＡＮ ＲＯＢＯＴＩＣＳＴＭ（商標）社によって開発された人間型のロボットの２つの例を示している。図１ａに示されている人間型ロボット１０は、頭１と、胴体２と、２本の腕３と、２つの手４と、２本の脚５と、２つの足６と、を有する。図１ｂに示されている人間型ロボット１０’は、頭１と、胴体２と、２本の腕３と、２つの手４と、スカート７と、を有する。これらの２つのロボットは、人間の形態及びその運動を再現するべく、ロボットの異なる四肢の相対運動を許容するいくつかの関節接続を有する。ロボット１０及び１０’は、例えば、胴体２とそれぞれの腕３の間において関節接続１１を有する。ロボットの肩を形成している関節接続１１は、人間の肩による可能な運動の方式によって胴体２との関係において腕３を運動させることができるように、２つの回転軸を中心としてモーター駆動されている。

また、人間型のロボット１０は、ロボットの脚を運動させると共に歩行運動を再現するべく、いくつかの関節接続をも有し、具体的には、胴体とそれぞれの太腿の間における尻に、太腿と脚の間における膝に、且つ、脚と足の間における足首に、なぞらえうる関節接続をも有する。モーター駆動される関節接続のいくつかの形態は、１つ又は複数の回転自由度に従って１つの四肢運動を駆動するように実装されている。

人間型のロボット１０’は、異なるアーキテクチャを有している。安定性を改善すると共にロボットの重心を引き下げるべく、ロボットは、その基部において、脚ではなく、ロボットを運動させる能力を有する三脚１４を有するスカート７を有する。また、スカート７は、脚７ａと太腿７ｂの間における膝になぞらえうる第１関節接続１２をも有する。尻になぞらえうる第２関節接続１３が胴体２と太腿７ｂをリンクしている。これら２つの関節接続１２及び１３は、回転軸を中心としてモーター駆動される回動リンクである。関節接続１２の回転軸Ｘａ及び関節接続の回転軸Ｘｂは、ロボットの２つの肩をリンクする軸に対して実質的に平行であり、これにより、ロボットの前方及び後方の傾斜を可能にしている。

図２は、図１ｂのロボット１０’の頭１及び胴体２を矢状面における断面において示している。頭１及び胴体２は、首２０によってリンクされ、これにより、３つの回転自由度を有する関節接続を形成している。まず、ここで注目すべきは、首２０がロボットの矢状面に対して直角に、即ち、図２の面に対して直角に、軸２１を中心として許容している回転である。首２０は、胴体２との関係において頭１の回転を許容している。図２において、頭１は、その角度範囲の一方の端部の近傍に位置している。

頭１の回転は、首２０の関節接続のモーター駆動を可能にするアクチュエータにより、或いは、例えば、外部力が頭１に作用した際の外部的な動きにより、或いは、頭を慣性によって駆動する頭１の迅速な運動の際に、得ることができる。

図３は、ケーブル３１がその内部において部分的に巻回されているボックス３０を示している。ボックス３０は、例えば、２つの突起３２及び３３によって実行される挟持動作によって頭１に固定されるように意図されている。例えば、ねじによるなどのように、ボックス３０を頭１に固定するための任意のその他の取外し可能な固定手段が可能である。ボックス３０は、図３の面に対して直角の軸３５に中心を有する円形セクションを有する。関節接続の組立が完了したら、軸３５は、首２０の回転軸２１に対して平行である。

ケーブル３１は、２つの端部３６及び３７を有する。第１端部３６は、コネクタ３８によって頭１に接続されており、且つ、第２端部３７は、コネクタ３９によって胴体２に接続されている。ケーブル３１は、その第１端部３６から、ボックス１３の軸３５を中心にして、ボックス３０内において部分的に巻回されている。ケーブル３１は、ボックス３０から外部に、その第２端部３７まで延在している。

ボックス３０は、ケーブル３１が通過する開口部４０を有する。開口部４０から、且つ、少なくともボックス３０の外部のその延長部の一部分にわたって、ケーブル３１は、軸３５に対して直角の直線方向４１に延在している。ボックス３０からのケーブルの脱出を促進するべく、開口部４０は、ボックス３０から外部に延在するケーブル３１の方向４１に対して実質的に直角のセクション４２を有する。

ケーブル３１は、その第１端部３６を中心としてボックス３０内において巻回されている。この巻回は、第１端部３６を中心として、開口部４０を通じたボックス３０からのケーブル３１の脱出地点まで、螺旋方式によって実行されている。

ケーブル３１により、頭１と胴体２を電気的にリンクすることができる。本発明によれば、関節接続の機械的取付は、その電気的接続の後に実行することができる。関節接続の２つの機械的構成が定義され、一方は、頭１と胴体２が互いから所定の距離に位置しており、且つ、その間に６つの自由度を有する分離型と呼称され、且つ、他方は、関節接続２０が機能可能である結合型と呼称される。換言すれば、結合型構成においては、関節接続が機械的に接続されており、且つ、頭１及び胴体２が、その間に、関節接続によって定義されたいくつかの自由度を、即ち、少なくとも１つの回転自由度を、有する。２つの構成の間において、ケーブル３１は、ある程度、ボックス３０内に巻回される。更に詳しくは、分離型構成においては、ケーブル３１は、結合型構成におけるよりも少なく巻回される。ケーブルの巻回及び巻出しは、ケーブル３１の弾性によって得られる。更に詳しくは、ボックス３０からケーブル３１を部分的に巻き出すべく、方向４１においてケーブル３１の端部３７を引っ張ることができる。巻出しの際には、ボックス３０内において形成されているケーブル３１の様々な巻回が、ボックス３０の軸３５に向かって締め付けられる傾向を有する。巻出しによれば、その分離型構成における接続を促進するべく、ボックス３０からコネクタ３９を遠ざけることができる。

その端部３７によるケーブル３１上の引っ張り力が緩和された際に、ケーブル３１は、その弾性により、ボックス３０内に自然に巻回される。ケーブル３１の巻回は、その曲率半径を増大させる傾向を有する。ケーブルの弾性は、その曲率半径を増大させる傾向を有する。

図４は、本発明において実装しうるフラットセクションを有するケーブル３１の一例を示している。図４において、ケーブル３１は、ボックス３０内へのその導入に先立って、完全に巻き出された状態において示されている。巻き出された状態において、ケーブル３１は、図３の面内において延在している。電気的接続を保証するべく、ケーブル３１は、フレキシブル印刷回路の形態で製造することができる。導体は、例えば、ポリイミドなどのプラスチック支持部上においてエッチングされた銅として製造される。ケーブル３１は、主に、方向４１において延在している。フラットなセクションが、方向４１に対して直角に定義されており、且つ、図４のプレーン内において延在している。ボックス３０の外部におけるコネクタ３８の接続を促進するべく、端部３６において、ケーブル３１を折り曲げることができる。示されている例において、ケーブル３１は、ケーブル３１の一部分４３においては、端部３６の近傍において方向４１に対して直角の方向４２に延在している。

換言すれば、ケーブル３１は、そのフラットなセクションに直角に、即ち、方向４１に対して平行に、延在する少なくとも１つの導体を有する。少なくとも１つの導体は、ケーブル３１がその第１端部３６においてボックス３０から脱出することを許容するべく、折り曲げられている。

ボックス３０は、コネクタ３８が固定されうる中央コア４５を有しうる。ボックス３０内においてケーブル３１を取り付ける際には、コネクタ３８が、存在する場合に、中央コア４５との関係において、或いは、ボックス３０の中心との関係において、固定された位置に保持され、次いで、ケーブル３１が、その端部３６を中心として螺旋方式で巻回され、次いで、開口部を通じて外部に引き出される。端部３６の近傍におけるケーブル３１の折り曲げられた部分４３は、巻回の際のボックス３０内におけるケーブルの保持を促進している。

ボックス３０内において定位置に配置される前に、ケーブル３１は、方向４１において、自然に、即ち、外部応力を伴うことなしに、延在しているまっすぐな部分４７を有する。端部３６を中心として巻回されるのは、この部分である。更に一般的には、ケーブル３１は、応力を伴うことなしに直線的に延在しうる部分４７を有する。直線部分４７がボックス３０内において巻回される。

ケーブル３１のフラットなセクションは、ボックス３０内において巻回されたケーブル３１の部分に沿ってずっと延在している。ケーブル３１のフラットセクションは、ボックス３０の軸３５に対して平行な軸に沿って延在している。

フラットなケーブルは、１つの回転自由度を有する関節接続２０に非常に好適である。結合型構成においては、即ち、関節接続が機能可能である際には、ボックス３０の外部に位置したその部分において、ケーブルは、ボックス３０の軸３５に平行な軸を中心として容易に曲がることが可能であり、即ち、関節接続２０の回転軸を中心として曲がることができる。頭１が、２つ又は３つの回転自由度を伴って、胴体２との関係において関節接続される必要がある場合には、それらの自由度をそれぞれの自由度の間における中間部分と直列に組み合わせることにより、これらの自由度を分離することができる。本明細書において記述されているように、それぞれの自由度により、ボックス３０とケーブル３１を関連付けることができる。この結果、相互に独立的に関節接続のそれぞれの部分を結合又は分離することができる。また、そのボックス３０及びそのケーブル３１を有する単一の自由度を提供することもできる。その他の１つ又は複数の自由度の場合には、例えば、本出願人企業の名義で出願されている国際特許出願公開第２０１０／０５７９５０号パンフレットに記述されているように、可能な分離を伴うことなしに、配線を提供することが可能であり、且つ、この特許文献は、引用により、本明細書に包含される。

或いは、この代わりに、ケーブル３１は、丸いセクションを有することもできる。フラットなセクションを有するケーブルとの関連において、丸いセクションを有するケーブルは、方向４１において、応力を伴うことなしに直線的に延在しうる部分を有する。この直線部分が、ボックス３０内において巻回される。丸いセクションを有するケーブルは、ボックス３０の外部に位置するその部分において、軸４１に対して直角の２つの軸に従って、曲がることが可能であり、且つ、恐らくは、軸４１を中心としてねじることもできる。丸いセクションを有するケーブルは、いくつかの自由度を有する関節接続に非常に好適であり、この場合に、ケーブル３１の第１端部３６は、記述されている例においては頭である第１要素にリンクされ、且つ、ケーブル３１の第２部分３７は、記述されている例においては胴体２である第２要素にリンクされる。

図５ａ〜図５ｄは、頭１及び胴体２の組立のいくつかのステップを示している。組立を実行するべく、ロボットの皮膚を形成しているすべてのキャップが除去された状態にある。頭１及び胴体２について、頭及び胴体の内部の構造が基本的に弁別されている。胴体２内においては、関節接続２０が弁別されている。図５ａにおいては、ケーブル３１が胴体２に接続され、且つ、ボックス３０が胴体に直接近接した状態において位置している。図５ｂの位置においては、胴体２から遠ざかり、且つ、頭１の近傍に移動するように、ボックス３０が引っ張られている。ボックス３０を引っ張ることにより、ケーブル３１がボックス３０から部分的に巻き出される。図５ｃの位置においては、ボックス３０が頭１に固定され、且つ、ケーブル３１の接続が頭１の内部において実施されている。図５ｃの位置においては、関節接続２０は、機械的に定位置に配置されてはいないが、ケーブル３１が２つの要素１及び２を接続していることから、胴体２との関係において頭１を電気的に動作させることができる。この結果、特に、ロボットの組立の完了の前に、正しい動作についての電気試験を実行することができる。関節接続の電気的接続の後に、且つ、機械的な取付の前に、２つの要素は、相互の関係においてその運動の６つの自由度を保持している。相互の関係における２つの要素１及び２の運動における唯一の制限は、接続されたケーブル３１の存在によって付与されている。ケーブル３１の曲がりやすさは、相互の関係における２つの要素１及び２の相対運動を許容している。

図５ｄの位置において、頭１は、関節接続２０の機械的な取付を許容するように、胴体２の近傍に移動されている。身体との関係において頭１を近づけた際に、ケーブル３１は、その弾性により、ボックス３０内において巻回される。更に詳しくは、関節接続を機械的に取り付ける動作は、
・２つの要素１及び２を近づけるステップであって、この近づけるステップにおいて、ケーブル３１は、その弾性により、ボックス３０内において巻回される、ステップと、
・２つの要素１及び２の機械的な装着ステップと、
という２つのステップを順番に有するステップを有する。

また、まず、電気的接続を実施し、且つ、次いで、関節接続の機械的な接続を実施するというステップを有する２つの連続的な動作におけるこの組立の方法によれば、関節接続２０の電気的接続を保護することもできる。これらの接続は、関節接続２０の機械的な組立が完了したら、明らかではない。これらの接続を許容している接続及びケーブル３１は、関節接続の内部において完全に保護されている。

関節接続の取外しは、まず、関節接続２０を機械的に取り外した後に、ケーブルを電気的に接続切断することにより、実行される。関節接続２０が組み立てられた状態に留まっている限り、ケーブルを接続切断することはできない。

Claims (12)

1. 人間型のロボット（１０、１０’）を組み立てる方法であって、
   前記人間型ロボットは、
   ・２つの要素（１、２）と、
   ・軸（２１）を中心として前記２つの要素（１、２）をリンクする少なくとも１つの回転自由度を有する関節接続（２０）であって、前記２つの要素（１、２）を結合及び分離するべく、取付及び取外しが可能な関節接続と、
   ・前記２つの要素のうちの第１の要素（１）に固定されると共に前記関節接続（２０）の前記回転軸（２１）に対して実質的に平行な軸（３５）に沿って延在する円形セクションを有するボックス（３０）と、
   ・第１の端部（３６）が前記第１要素（１）に接続されると共に第２の端部（３７）が前記第２要素（２）に接続される２つの端部（３６、３７）を有するケーブル（３１）と、
   を有し、
   前記ケーブル（３１）は、前記ボックス（３０）の前記軸（３５）を中心として前記ボックス（３０）内において部分的に巻回され、且つ、前記ボックス（３０）から外部に、その第２端部（３７）まで延在しており、前記２つの要素（１、２）の分離型構成と前記２つの要素（１、２）の結合型構成の間において、前記ケーブル（３１）の弾性は、前記ケーブルがボックス（３０）内において巻回されることを許容しており、且つ、
   前記方法は、
   ・前記ケーブル（３１）を、その２つの端部（３６、３７）において、それぞれ、前記２つの要素（１、２）のうちの前記第１要素及び前記第２要素に接続する動作と、
   ・前記関節接続（２０）を機械的に取り付ける動作と、
   を順番に有することを特徴とする、方法。
2. 前記関節接続を機械的に取り付ける前記動作は、
   ・前記２つの要素（１、２）を近づけるステップであって、前記近づけるステップにおいて、前記ケーブル（３１）は、その弾性に起因して、前記ボックス（３０）内において巻回されるステップと、
   ・前記２つの要素（１、２）の機械的な装着ステップ、
   という２つのステップを順番に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ケーブル（３１）は、応力を伴うことなしに直線的に延在しうる一部分（４７）を有し、且つ、前記直線部分（４７）は、前記２つの要素（１、２）を近づけるステップにおいて、前記ボックス（３０）内において巻回されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ケーブル（３１）は、前記ボックス（３０）内において巻回される前記ケーブルの前記部分に沿ってずっと、フラットなセクションを有しており、且つ、前記フラットなセクションは、前記ボックス（３０）の前記軸（３５）に対して平行な軸に沿って延在していることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記ケーブル（３１）は、前記フラットなセクションに対して直角に延在する少なくとも１つの導体を有し、且つ、前記少なくとも１つの導体は、前記ケーブル（３１）が前記ケーブル（３１）の前記第１端部（３６）において前記ボックスから脱出することを許容するべく、折り曲げられていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記関節接続（２０）は、取付の後に、いくつかの回転自由度を有し、且つ、前記ケーブル（３１）は、丸いセクションを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ケーブル（３１）は、その第１端部（３６）を中心として前記ボックス（３０）内において巻回されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ボックス（３０）は、前記ケーブル（３１）によって通過される開口部（４１）を有し、前記開口部（４０）は、前記ボックス（３０）から外部に延在する前記ケーブル（３１）の方向（４１）に対して実質的に直角のセクション（４２）を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記ケーブル（３１）は、少なくとも１つの電気導体を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記ケーブル（３１）は、少なくとも１つの光学導体を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ケーブル（３１）は、少なくとも１つの液圧導体を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１要素は、前記ロボット（１０、１０’）の頭（１）であり、且つ、前記第２要素は、前記ロボット（１０、１０’）の胴体（２）であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。

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