JP2017525577A - マニピュレータ構造のためのリンク構造およびアセンブリ - Google Patents

Abstract

ロボット型機械的マニピュレータ構造は、第１リンク、第１リンクに回転可能に連結された第２リンク、第１リンクおよび第２リンクの間に接続されるとともに、第１リンクに固定されたバネによって第１リンクに連結された第１ケーブルであって、第１リンクおよび第２リンクのケーブルガイドを通過し、第２リンクに固定される第１ケーブル、および第１リンクおよび第２リンクの間に接続されると共に、第１リンクに固定された第２ケーブルであって、第１リンクおよび第２リンクのケーブルガイドを通過し、アクチュエータに連結された第２ケーブルを含む。ケーブルはそれぞれ、アクチュエータが休止位置の場合に第１リンクに対して選択された角度で第２リンクの間で選択された範囲の動きを提供するような選択された長さを有する。ケーブルガイドは、高硬度材料から形成される。

Description

関連出願の相互参照
この国際特許出願は、２０１４年８月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／０４１，３３２号「Cable Guide System for Robotic Mechanical Manipulator Structure」、２０１４年１２月４日に出願された仮特許出願第６２／０８７，６６４号「Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links,」、２０１５年５月２１日に出願された仮特許出願第６２／１６５，０８０号「Tendon Configuration for Under-Actuated Robotic Manipulator With Progressive Wrapping Links」、および２０１５年５月２１日に出願された仮特許出願第６２／１６５，０７４号「Apparatus and Method for Attaching Apparatus to Robotic Fingers」、２０１５年８月２４日に出願された米国特許出願第１４／８３４，１７８「Link Structure And Assembly Including Cable Guide System For Robotic Mechanical Manipulator Structure」の利益を主張し、これらの内容は全て参照によって本明細書に組み込まれている。

技術分野
本発明は、一般に、ロボット工学用途に使用するための機械的マニピュレータおよび付属物に関する。

産業用ロボットの機械的マニピュレータは、通常回転関節を利用するシリアルリンク構造として実現される。リンクは、ジョイントによって互いに連結された剛性部材である。ジョイント（また軸と呼ばれる）は、隣接するリンク間の相対運動を可能にするロボットの可動部品である。

ジョイントの回転は、通常モーター、油圧または空気圧アクチュエータによって駆動される。大きい機械的マニピュレータにおいては、これらのアクチュエータは、ジョイントに直接接続されるか、またはジョイント内にあり、作動時に直接トルクを与える。機械的な手の「指の」ために使用される場合など、機械的マニピュレータが非常に小さい場合、モーター、油圧および空気圧アクチュエータを直接ジョイントに取り付けるよう設けることは、大きさの制約および慣性モーメントに影響を与える質量により実用的でない。広く利用される代替形は、モーターまたは空気圧アクチュエータなどの遠隔に位置する作動部に回転力を伝える人工的な腱としてケーブルを利用することである。

機械的マニピュレータにおいてケーブルが使用される場合、ケーブルは、遠隔に位置するアクチュエータまでリンクおよびジョイントを通っていく必要がある。機械的マニピュレータが動く場合に、ケーブルがリンクおよびジョイント内で移動することがある。ケーブルがリンクおよびジョイントを通りぬけ、様々な点で方向を変えることがある。磨耗を最小にし、かつケーブルを介して得られる力を最大にするために、ケーブルの方向を変えなければならないこれらの点において、可能な限り摩擦を低減することが重要である。

上述のように機械的マニピュレータにおいて張力ケーブルの配線をすることは、リンクの任意の回転中にケーブル全体の経路を誘導しながら摩擦を克服する必要がある。機械的マニピュレータにおける張力ケーブルの配線において３つの主な解決策がある：プーリーベースシステム、ボーデンケーブルの使用、またはピンおよび軸受上へのケーブルの配線である。

非常に低い摩擦構成は、プーリーを利用してケーブルを配線する。しかし、ケーブルが方向を変えなければならない場所では常にプーリーが必要なため非常に多くのプーリーが必要になり、これは、実行するのに機械的に複雑であり、かつ費用が高く、かなりの体積を消費する。さらに、ケーブルがプーリーから落ちると、システムは故障してしまう。

より一般的な構成は、柔軟な外側ハウジングの内部で移動する細い撚線を用いたケーブル機構であるボーデンケーブルを利用することである。ボーデンケーブルは、位置および障害物をあまり考慮することなく密閉された領域を通ってケーブルを配線するために容易な機構を提供する。しかし、ボーデンケーブルは、比較的摩擦が大きく、その性能は経時的に著しく低下する。

別の一般的な構成は、金属ピンまたは軸受レース上にケーブルを通すことである。この手法は、一般的にケーブルの適切な位置合わせを提供せず、リンク本体に対するケーブルの摩擦を許容する。これにより、性能および運用寿命を低減する機械的マニピュレータにおける高い摩擦および磨耗をもたらす。

多くの他の機械的なシステムは、リンクおよびジョイントに基づく動きとは無関係に可動部品間に張力を伝えるケーブルを利用する。これらのシステムは、摩擦、摩耗、コスト、および重量などを含む上記の問題と同様の問題が発生する可能性がある。

セラミックガイドは、糸および織り糸を機械に通すために繊維産業において広く使用されている。セラミックガイドを使用する主な理由は、繊維工場での糸くずの堆積を減らすためである。

セラミックガイドは、釣り糸と釣竿の摩耗を減らすために釣竿に使用されている。

本発明の第１態様によると、ロボット内で張力を伝達するために使用されるケーブルが、ケーブル経路および力を導くために一連の高硬度ケーブルガイドを通り配線される。

本発明の第２態様によると、ケーブルアセンブリは、高硬度ケーブルガイド、終端リング、バネ、必要であれば他の部品を含む校正済み完成ケーブルに予め組み立てることができる。

本発明の第３態様によると、プリアセンブルケーブルは、ノット、リング、ブロック、または他の方法によって終端させることができ、ケーブルをリンク、アクチュエータ、または他のケーブルに接続することができる。

本発明の第４態様によると、各リンクは、２つ以上の嵌合部品から構成することができる。部品は、ハトメのための予め成形された場所、追加的に必要であればケーブルのための固定点、バネのための場所、およびリンク、軸受などのジョイントハードウェア、およびセンサなどの任意の他のハードウェアを越えるためのケーブル用の経路を有する。結合すると、部品にはハトメ、バネ、固定点、ケーブル、およびジョイントハードウェアがしっかり埋め込まれる。

本発明の第５態様によると、各リンクは、ロッドまたは棒から構成することができ、そこにケーブルガイドおよび終端、およびジョイントを取り付けることができる。

本発明の第６態様によると、ケーブルの中間点で構造に対する移動が予想される任意の２点間に張力を与えるために、ケーブルガイドを有するケーブルを使用することができる。

本発明の第７態様によると、ケーブルの配線は、ケーブルガイドおよび他の方法の組み合わせを利用することができ、ボールベアリングジョイントの外側レース面、ポストまたはピン、プーリーまたは任意の他の手段を含む構造を通りケーブルの張力をルーティングすることができる。

２つのリンクがジョイントを介して共に接続され、ジョイント回りにリンクを回転させるためにケーブルが所定の場所にある、本発明の実施形態を示す略図である。 ２つのケーブルが図１に示す２つのリンクおよびジョイントに嵌合するよう構成された本発明の実施形態を示す略図である。 スタンフォード大学およびジェット推進研究所によって開発されたリンク、ジョイントおよびケーブル構成に適用される本発明の実施形態を示す略図である。 図３の構成に対応する高硬度ケーブルガイドおよび終端点を有する２つのケーブルアセンブリを示す、本発明の実施形態を示す略図である。 単一のリンクアセンブリが部分的に分解されて示される本発明の実施形態を示す略図である。この図ではケーブルが示されていない。 ２つの組み立てられたリンクが示される本発明の実施形態を示す略図である。 シャフトおよび２つの端部部品を含む本発明の実施形態による例示的なリンクの分解等角図を示す略図である。 内部の詳細を示すために端部部品の分解組立図を含む図７のリンクの組立等角図を示す略図である。 中央ジョイントにて共に連結された図７および図８に示すタイプの２つのリンクの等角図を示す略図である。 リンクがシャフト、２つのケーブルガイド保持部、２つの端部部品、およびケーブル固定部品を含む、本発明の例示的な実施形態の組立等角図を示す略図である。 図１０の実施形態の分解等角図を示す略図である。 中央ジョイントにて共に連結された図１０および図１１に示すタイプの２つのリンクの等角図を示す略図である。 ２つのリンクがジョイントによって接続された本発明の異なる例示的な実施形態を示す略図であり、様々な制御および／またはケーブル通過の組み合わせを用いることが示されている。

当業者であれば、本発明の以下の説明は例示に過ぎず、決して限定するものではないことを理解するであろう。本発明の他の実施形態は、そのような当業者には容易に示唆されるであろう。

ここで図１を参照すると、略図は、２つのリンク１０および１２がジョイント１４によって接続され、かつ２つのケーブル１６および１８によって制御される本発明の例示的な実施形態を示している。リンク１０および１２は、ケーブル１６および１８によって生じるトルクによって制御されたジョイント１４回りに回転する。ケーブル１６および１８は、固定点２２においてリンク１０および１２に固定された終端部２０を有する。本発明の一実施形態において、結合点は、リンク１０および１２における固定点２２に入れ子になる結合リングの形である。ケーブル１６および１８は、ケーブル１６および１８がリンク１０および１２を通り誘導される必要のある点、またはリンク１０および１２に力を加える点においてリンク１０および１２に固定されたケーブルガイド２４を通過する。本発明に使用するのに適したケーブル材料の非限定的な例は、オランダのHeerlenのRoyal DSMから入手可能なDyneema（登録商標）として販売されている超強力かつ低伸縮合成材料、およびニュージャージー州モリスタウンのHoneywell International, Inc.から入手可能なＳpectra（登録商標）として販売されている超高分子量ポリエチレン編組線を含む。

本発明の一実施形態において、ケーブルガイド２４は、高硬度ケーブルガイドである。本明細書で使用される「高硬度」という語句は、ブリネル硬度スケールで６００ＨＢ（ＨＢＷ１０／３０００）を超える硬度を有する材料を指す。高硬度ケーブルガイドは、様々な非常に硬い材料を用いて実現される。このような材料の非限定的な例は、酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、多結晶サファイア及び炭化ケイ素を含む超硬質セラミックが含まれる。

本発明の異なる実施形態において、ケーブルガイド２４は、ハトメの形をとることができ、その順序は、非限定的だがスロット付き、溝付き、フランジ付き、二重フランジ付き、チューブ、および他の形態を含む。ケーブルガイド２４はまた、非限定的にトラバース、トラップ、スリット、ローラー、軸受ローラー、ピグテール、フォーラーアイ、および他の形態を含むガイドの他のタイプの形をとることができる。本発明における使用に適した図示されたケーブルガイドは、ウェブページhttp://www.ascotex.com/Binder2.pdfから入手可能なAscotex, Ceramic Yarn Guidesに開示される。

図１に描かれる例示的な実施形態において、ケーブル１８の一方は、インラインバネ２６に取り付けられる。他方のケーブル１６は、ジョイント１４回りのリンク１０および１２の回転運動を生じさせるケーブル１６に張力を加えるアクチュエータ２８に接続される。当業者は、ケーブル１８を省く代わりにバネ２６の端部をリンク１０に固定することができることを理解するだろう。このような当業者はまた、バネ２６を省略することができ、アクチュエータ２８と協働して動作する第２アクチュエータ（図示せず）によってケーブル１８を制御できることを理解するだろう。

ケーブル１６および１８は、リンク１０および１２、バネ２６、アクチュエータ２８、またはケーブル１６および１８の他の受動的または能動的張力源に取り付けられる終端部品２０間で力を伝達する。したがってケーブル１６および１８は、構造を通じて力を伝達し、かつ加えるために、リンク１０および１２、アクチュエータ２８およびバネ２６を含む構造のこれら様々な点に接続するよう構成される。ケーブル１６および１８の力は、終点２２を通りリンク１０および１２およびジョイント１４構造に、およびケーブルがケーブルガイド２４を通り方向転換される場所に適用される。ケーブル１６および１８が方向転換するこれら点は、リンク１０および１２およびジョイント１４を含む構造に対する動的移動のために一般的に必要である。これらの点において、ケーブルガイド２４は、ケーブル１６および１８の方向転換に対する低磨耗および低抵抗な方法を提供するために使用される。ケーブルガイド２４は、リンク１０および１２にしっかり取り付けられる。方向転換のこれらの点において、リンク１０および１２およびジョイント１４を含む構造に対して力がまた加えられる。ケーブル１６および１８に加えられる張力が増加すると、リンク１０および１２およびジョイント１４を含む構造の剛性も増加する。この構成において、アクチュエータ２８がケーブル１６にかかる張力を増やすと、左のリンク１０は、右のリンク１２に対して反時計回りに回転する。アクチュエータ２８によってケーブル１６の張力を減少させると、バネ２６の力が右のリンク１２に対して左のリンク１０を時計回りに回転させる。

特に図１の実施形態において、固定点２２がジョイント１４周りに対称的に配置され、およびケーブルガイド２４がジョイント１４周りに対称であるが、固定点２２およびケーブルガイド２４の配置は、完全に設計に依存し、ジョイント１４の周りで対称であったり、ジョイント１４から同じ距離である必要はない。ケーブル１６および１８のための固定点２２の位置は、リンク１０において互いに隣である必要はない。ケーブル１６および１８リンク１０上の固定点を共有するように実施されてもよい。ジョイント１４は、リンク１０および１２の水平の中心線からオフセットされてもよい。当業者には容易に理解されるように、ジョイント１４に対するケーブルガイド２４の配置は、ケーブル１６および１８によって加えられたトルクに影響を及ぼすものであり、設計に依存する。固定点２２の配置もリンク１０および１２およびジョイント１４に適用されるトルクに影響を及ぼす。

ここで図２を参照すると、略図は、図１に描かれるケーブルがリンクおよびジョイントとともに組み立てられる前に予め組み立てられている本発明の態様を示す。本発明の１つの例示的な実施形態によると、終端部品２０を含むケーブル１６および１８は、ケーブル１６および１８の端部に接続されたリングの形で示されているが、当業者は、幅広い多様な他の終端部品を本発明に用いることができることを理解するだろう。ケーブルガイド２４は、ケーブル１６および１８を通すことによって正しい順序でケーブル１６および１８の上に予め組み立てられる。使用される任意のバネ２６もまたケーブル１６および１８上に予め組み立てられ、ケーブルガイド２４に対して正しい順序で配置される。図２に示す予め組み立てられたケーブル１６および１８は、終端部品２０間で所定の長さを有するように製造される。当業者は、図２に示すアセンブリが特に図１に描かれるリンクアセンブリのために構成されているため、例示的かつ非限定的なものであり、様々なリンク装置のために異なる数のケーブルおよび特定の構成が要求されることを理解するだろう。

ケーブル１２を組み立てる１つの方法は、例えばパロマー結びなどを用いて終端部品２０などの終端部品をケーブル１２に取り付け、ケーブル上で必要なケーブルガイド２４を摺動させ、ケーブルを正しい長さに切断し、ケーブルの第２端部に取り付けられる別の終端リング２０に取り付けることである。パロマー結びは、ケーブル１６および１８の既知の長さの消費量が一定であるように結ぶことができるため、特に有用である。したがって、ケーブルを所望の長さに組み立てることができる。終端部品２０をケーブルに結ぶことは、ケーブルを終端させる１つの方法である。ケーブルを終端させる他の方法は、接着、融着、圧着またはケーブル終端部品２４をケーブル１６および１８の端部に取り付ける任意の他の方法を含むことができる。バネ２６を取り付けることは、ケーブルを予め組み立てるステップの中の１ステップとして含むことができる。予め構成されたケーブルは、個別のステップでケーブルのアセンブリからリンクおよびジョイント構造に組み立てることができる。

ここで図３を参照すると、略図は、スタンフォードＪＰＬケーブル構成（J. K. SalisburyおよびJ. J. Craig. Articulated hands: Force control and kinematic issues, IJRR, 1(1),１９８２年４月）に適用される本発明の実施形態を示しており、ロボットハンド３０において、４つのリンク３２，３４，３６，および３８が３つのジョイント４０，４２，および４４に４本のケーブル４６，４８，５０，および５２によって接続されている。この例示的な構成において、各ケーブル４６，４８，５０，および５２は、個々のアクチュエータ５４，５６，５８，および６０で終端している。リンク３２，３４，３６，および３８，ジョイント４０，４２，および４４およびケーブル４６，４８，５０，および５２を含むこの構成により各リンク間の相対的なジョイント角度のフル制御が可能である。

ここで図４を参照すると、略図は、この構成において多数のケーブルが１または複数のケーブルガイドを共有することを示す。図４は、図３の要求（スタンフォードＪＰＬ腱構成）に対応する構成における予め構成されたケーブルの例を示す本発明の実施形態を示す略図である。ここでは全部で４本のケーブル４６，４８，５０，および５２がある。ここで、１つのケーブルガイド６２を使用し、ケーブルガイドを他のケーブル４６，４８，および５０と共有しないのは１本のケーブル５２のみである。３本のケーブル４６，４８，および５０は、共通のケーブルガイド６４および６６のサブセットを共有する。ケーブル５０は、２つの単一のケーブルガイド６２を含む。

３本のケーブル４６，４８，および５０の１セットを予め組み立てる方法は、１本ケーブル５０を組み立てるステップ、ケーブルガイド６４のいくつかを共有することにより第２ケーブル４８を組み立てるステップ、およびケーブルガイド６４および６６のいくつかを２本のケーブル４８および５０と再度共有して第３ケーブル４６を組み立てるステップを含む。一旦３本のケーブル４６，４８，および５０の組み立てが完了すると、それらは、単一の完成プリアセンブルケーブルアセンブリを構成する。

図５を参照すると、略図は、リンク７０が予め成形された嵌合リンク部分７２および７４からなる本発明の例示的な実施形態を示す。ケーブルガイド７６は、予め成形された場所７８にぴったりと適合する。図５においてケーブルは、図示されていない。図５の例において、ケーブルガイドは、ハトメまたはグロメットの形である。軸受８０がリンク部分７２および７４における適切に形成された凹所８２内に着座する。ボルト８４，８６，および８８がリンク部分７２および７４を貫通し、ナット９０と結合してリンク部分７２および７４を互いに固定する。図５に示すように、ナット９０は、リンク部分７４における予め形成された場所９２にぴったり適合する。ケーブル終端リング９４がケーブルなしで示されている。終端リング９４は、ボルト８６の１つが通ることによってリンク７０に固定されるか、または例えば他の実施形態のいくつかに示すように凹んだ領域に載置することができる。図５に描かれる実施形態において、ジョイントを通るボルト８４の１つは、次のリンク（図示せず）の軸受のための心棒として作用する。リンク、軸受、ケーブルガイド、終端リング、ボルトおよびナットが組み立てられた後にケーブルを組み立てる際に遭遇する困難を回避して、本明細書に開示されるようなケーブルアセンブリを用いてリンクジョイントシステムを組み立てることは簡単である。

ここで図６を参照すると、略図は、図５に示されるタイプの２つのリンクが組み立てられた本発明の実施形態を示す。リンク７０ａおよび７０ｂは、図５に関して上記に示されたように共に結合されて示されている。リンク７０ａおよび７０ｂ間を通るケーブル９４が見えている。見えているケーブルのみが示され、参照符号９６によって特定されている。ケーブル９６が組み込まれたケーブルガイド７６を通り抜け、図６ではその２つのみが見えている。図５に関して上述したように、リンク７０ａおよび７０ｂ間のジョイントの心棒を提供するためにボルト８４を用いることができる。ジョイントにおける軸受９８が見えており、そこでリンク７０ａが他のリンク（図示せず）に取り付けられる。リンク７０ａおよび７０ｂを超えて続くケーブル９６が矢印９９において示されており、アクチュエータ、バネ、他のケーブル、または他の終端（図示せず）に接続する。

ここで図７を参照すると、略図は、リンク１００がシャフト１０２および２つの端部部品１０４および１０６から形成される本発明の実施形態の分解組立図を示す。カバー１０８が端部部品１０４から取り外された状態で示され、カバー１１０も端部部品１０６から取り外された状態で示されている。ケーブルガイド１１２は、予め形成された凹所１１４に着座する（その２つが凹所１１４に配置される前に示されている）。

ボルト１１６および１１８は、ナット１２０および１２２を用いてそれぞれカバー１０８を端部部品１０４に固定するために使用される。ナット１２０および１２２は、カバー１０８に予め形成された凹所（１つが参照符号１２４で示される）に適合する。ボルト１１６はまた、図の左に配置される別のリンクにリンク１００を結合するよう使用される軸受（図示せず）の軸として機能する。ボルト１２６は、ナット１２８を用いてカバー１１０を端部部品１０６に固定するよう使用される。ナット１２８は、カバー１１０に予め形成された凹所１３０に適合することができる。

軸受１３２は、端部部品１０６に形成された軸受座部１３４に着座し、図の右に配置されるリンク１００を別のリンクに結合するよう使用される。このようなリンクは、図６の左側に示されるボルト１１６などのボルトを用いて、肩部１３６と同じ軸受肩部でリンク１００に固定される。

ここで図８を参照すると、略図は、図７に示すリンク１００の組立図を示す。図７で使用される同じ参照符号が図８の対応する構造を示すために使用される。リンクは、接着または既知の締め付け技術を使用して２つの端部部品１０４および１０６に固定されたシャフト１０２を有する状態で示されている。端部部品１０４および１０６は、硬化されたハトメ１１４を固定するために組み立てられた状態で示されている。ジョイント軸受１３２は、最も右の端部部品１０６の成形された肩部１３６に適合する（図８の左側に示されている）。最も左の端部部品１０４は、肩部１３６（図７においてもっとも容易に見える）におけるボルト１１６から形成された軸を有し、その肩部に次のリンク（図示せず）の軸受が適合する。端部部品１０４およびそのカバー（図７参照）は、ボルト１１６および１１８およびナット１２０および１２２によって固定される。最も右の端部部品１０６およびそのカバー（図７参照）は、ボルト１２６およびナット１２８によって固定される。ナット１２０，１２２，および１２８は、予め成形された場所（図７の１２４）に適合する。

図８においてリンク１００を通過する３本のケーブル１３８，１４０，および１４２が示されている。ケーブル１３８は、ボルト１２２によって最も左の端部部品１０４に固定される。ケーブルガイド１１４を通過するケーブル１４０が示されている。ケーブル１４２は、図面には見えないケーブルガイドを通過する。

ここで図９を参照すると、略図は、図７および図８に示すようなタイプの２つのリンクが中央ジョイント１４４において共に組み立てられた本発明の実施形態を示す。参照符号において４本のケーブルが最も右の端部部品１０６ｂから出ている。ケーブルの１つは、ボルト１４６によって最も右の端部部品１０２ｂに固定される。中央ジョイントにおいて、ケーブル（不可視）がボルト１４８によって固定され、ジョイントの軸として機能する。中央ジョイントにおいて、ケーブル１５０は、ジョイントに組み込まれるケーブルガイド１５２間を通過する。２つのケーブルは、参照符号１５４において最も左の端部部品１０４ａから出る。

ここで図１０を参照すると、略図は、リンク１６０がシャフト１６２、２つのケーブルガイド保持部１６４および１６６、２つの端部部品１６８および１７０、およびケーブル固定部品１７２から形成された本発明の実施形態を示す。ケーブル（図示せず）は、リンクを通過する。ケーブルは、ケーブルガイド１７６を通過し、１または複数のケーブルは、ボルト１７４によってケーブル固定部品１７２内に固定される。当業者は、ケーブル固定部品１７２をケーブルガイド保持部１６４の１つおよび端部部品１６８または１７０の１つの間に配置することができることを理解するだろう。

図１１を参照すると、略図は、図１０のリンク１６０の分解組立図を示す。シャフト１６２は、端部部品１６８および１７０における孔にシャフト１６２を挿入することによって端部部品１６８および１７０に接続される。図１０および図１１に示す例示的な実施形態において、端部部品１６８および１７０は相補的である。１つの端部部品１６８は、ナット１８０によって保持されるボルト１７８を受け入れる。ボルト１７８は、他の端部部品１７０に着座する軸受１８２のための軸を提供する。ケーブルガイド保持部１６４および１６６は、取付孔１８４を通るシャフト１６２に嵌合する。ケーブルガイド１７６は、ケーブルガイド保持部１６４および１６６の孔１８６にスナップ嵌めされる。ジョイント軸受１８２は、最も右の端部部品１７０にスナッブ嵌めされる。最も右の端部部品１７０は、ジョイント軸受１８２の外側レースの縁部を保持する成形された肩部１８８を有する。これにより、外側軸受レースを通る場合に中心位置合わせを提供する凹状ジョイント軸受１８２を使用することができる。ケーブルアンカー１７２は、ボルト１９０およびナット１９２によってシャフト１６２に連結されて、ケーブルを固定する。

図１２を参照すると、略図は、図１０および図１１に示すタイプの２つのリンクがジョイント１９４で共に組み立てられる本発明の実施形態を示す。ケーブルは、ケーブルガイド１７６を通過する。ケーブルは、参照符号１９０において固定された状態で示されている。２つのケーブルは、ジョイント軸受外側レース１８８の上を通った状態で示されている。当業者は、ジョイント１９４においてケーブルガイド保持部１６４の１つおよび端部部品１６８または１７０の１つの間にケーブル固定部品１７２が配置されている場合に、固定されたケーブルがシャフト１６２ａに接続されたケーブルガイドを通過する必要がないことを理解するだろう。

ここで図１３Ａ〜図１３を参照すると、略図は、２つのリンクがジョイントによって接続された本発明の異なる例示的な実施形態を示し、様々な制御および／またはケーブルを通す組み合わせを用いることが示されている。

図１３Ａ〜図１３Ｉにおいて、ジョイント２０６によって接続された２つのリンク２０２および２０４が示されている。リンク２０２および２０４は、ジョイント２０６回りに回転し、１つのリンクに固定されたケーブルによって生じるトルクによって制御され得る。

図１３Ａに示す例示的な実施形態において、ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０の端部において小さい正方形として示される固定点２１２および２１４においてそれぞれリンク２０２に固定される。ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０がリンク２０４を通り誘導される必要のある点において、リンク２０４に固定されたケーブルガイド２１６を通過する。固定点２１２および２１４の異なる位置のために、ケーブル２０８および２１０に選択的に張力をかけることによって、リンク２０２を２つの異なる方向に動かすことができる。

図１３Ｂに示す例示的な実施形態において、ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０の端部において小さい正方形として示される固定点２１２および２１４においてそれぞれリンク２０２に固定される。ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０がリンク２０４を通り誘導される必要のある点において、リンク２０４に固定されたケーブルガイド２１６を通過する。図１３Ｂの実施形態において、第３ケーブル２１８は、リンク２０４内のケーブルガイド２１６を通過し、またリンク２０２内のケーブルガイド２２０を通過する。ケーブル２１８は、「パススルー」ケーブルであり、リンク２０２または２０４のいずれにも固定されずに図１３Ｂの左端および右端を過ぎて配置された他のリンク（図示せず）まで続く。

図１３Ｃに示す例示的な実施形態において、単一ケーブル２２２が固定点２２４においてリンク２０２に固定される。ケーブル２２２は、ケーブル２２２がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２２６を通過する。

図１３Ｄに示す例示的な実施形態において、ケーブル２２２は、図１３Ｃのように固定点２２４にてリンク２０２に固定された終端部品（図示せず）を有する。ケーブル２２２は、ケーブル２２２がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２２６を通過する。別のケーブル２２８が固定点２３０にてリンク２０２に固定される。ケーブル２２８は、ケーブル２２８がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２３２を通過する。

図１３Ｅに示す例示的な実施形態において、単一のパススルーケーブル２３４がリンク２０２および２０４を通過する。ケーブル２３４は、ケーブル２３４がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２３６を通過する。ケーブル２３４はまた、ケーブル２３４がリンク２０２を通り誘導される必要のある点においてリンク２０２に固定されたケーブルガイド２３８を通過する。ケーブル２３４は、図１３Ｅの左端および右端を過ぎて配置された他のリンク（図示せず）まで続く。

図１３Ｆに示す例示的な実施形態において、図１３Ｅと同じ１本のパススルーケーブル２３４は、リンク２０２および２０４を通過する。ケーブル２３４は、ケーブル２３４がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２３６を通過する。ケーブル２３４はまた、ケーブル２３４がリンク２０２を通り誘導される必要のある点においてリンク２０２に固定されたケーブルガイド２３８を通過する。別のパススルーケーブル２４０がリンク２０２および２０４を通過する。ケーブル２４０は、ケーブル２３４と同様にリンク２０２内の同じケーブルガイド２３６を通過する。ケーブル２３４および２４０は、図１３Ｆの左端および右端を過ぎて配置された他のリンク（図示せず）まで続く。

図１３Ｇに示す例示的な実施形態において、図１３Ｅおよび図１３Ｆと同じ１本のパススルーケーブル２３４がリンク２０２および２０４を通過する。ケーブル２３４は、ケーブル２３４がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２３６を通過する。ケーブル２３４も、ケーブル２３４がリンク２０２を通り誘導される必要のある点においてリンク２０２に固定されたケーブルガイド２３８を通過する。第２ケーブル２４２は、リンク２０４を通過し、固定点２４４においてリンク２０２に固定される。ケーブル２４２は、ケーブル２３４と同様にリンク２０２内の同じケーブルガイド２３６を通過するが、リンク２０２内のケーブルガイド２３８を通過しない。

図１３Ｈに示す例示的な実施形態において、図１３Ｅ〜図１３Ｇと同じ１本のパススルーケーブル２３４がリンク２０２および２０４を通過する。ケーブル２３４は、ケーブル２３４がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２３６を通過する。ケーブル２３４はまた、ケーブル２３４がリンク２０２を通り誘導される必要のある点においてリンク２０２に固定されたケーブルガイド２３８を通過する。図１３Ｇに示す実施形態と同様に、第２ケーブル２４２は、リンク２０４を通過し固定点２４４においてリンク２０２に固定される。ケーブル２４２は、ケーブル２３４と同様にリンク２０４内の同じケーブルガイド２３６を通過しないがその代りリンク２０２内の第２ケーブルガイド２４６を通過する。

ここで図１３Ｉを参照すると、図１３Ａに示されるものと類似した他の実施形態が示される。図１３Ｉに示す例示的な実施形態と同様に、ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０の端部において小さい正方形として示される固定点２１２および２１４，それぞれにおいてリンク２０２に固定される。ケーブル２０８および２１０は、ケーブル２０８および２１０がリンク２０４を通り誘導される必要のある点においてリンク２０４に固定されたケーブルガイド２１６を通過する。

図１３Ａのケーブル２０８および２１０に加えて、図１３Ｉに示される実施形態は、固定点２５０においてリンク２０２に固定される第３ケーブル２４８を含む。この実施形態の１つの形において、ケーブル２４８は、ケーブルガイド２１６を通過し、この実施形態の別の形では（鎖線で示される）、ケーブル２４８は、ケーブルガイド２１６を通過しない。当業者に理解されるように、ケーブル２４８は、別のケーブルガイド（図示せず）を通過してもよく、または機構のこの位置でケーブルガイドを通過しなくてもよい。当業者に理解されるように、固定点２１２，２１４および２５０の異なる位置により、ケーブル２０８、２１０および２４８に選択的に張力をかけることによって、リンク２０２を３つの異なる方向に動かすことができる。

図１３Ａ〜図１３Ｉに示すすべての実施形態において、すべてのケーブルガイド２１６，２２０，２２６，２３２，２３６，２３８，および２４６は、本明細書で教示されるような好ましくは高硬度ケーブルガイドである。高硬度ケーブルガイドを使用することにより、使用されるロボット型マニピュレータの寿命にわたってケーブルの腱が受ける磨耗が大幅に低減される。

本発明は、従来技術に対して部品コストの低減、組立コストの低減、部品点数の削減、摩擦の低減、摩耗寿命の延長、耐衝撃性の高さ、軽量化および慣性モーメントの低減という利点を有する非常に小型の機械的マニピュレータを構築することを可能にする。

本発明は、「脚」または付属物を有する小型ロボット、ヒューマノイドなどの大型ロボット、ならびに改善された人工器官およびロボット型機械的マニピュレータの構築を可能にする。本発明は、張力を伝達するためにボーデンケーブル、ケーブルまたはロープを使用して遠くに力を加えることができる場所にさらに適用することができる。

高度に研磨された高硬度ケーブルガイドを実現するために超硬質セラミックを使用し、かつ超強力合成編組線を使用することにより、組み立てが容易で優れた磨耗および低摩擦特性を有する安価な部品を使用する非常に費用効果が高く頑丈なケーブル張力システムを作成する。

部品コストの削減は、硬質セラミックガイドとケーブルの組み合わせのコストによるものである。高硬度のケーブルガイドはシンプルな部品であり、プーリーよりも少ない費用で供給することができる。編組ダイニーマ（Dyneema）または類似の材料のようなケーブルは、広く入手可能な安価な商品である。

組み立てコストの削減は、リンクとジョイント構造の組み立てから、ケーブルガイドや終端リングを含む予め構成されたケーブルなどのサブシステムへの組み立てを分離することによって達成される。

本発明は、ケーブルが方向転換される点で摩擦が低減されたシステムを提供する。ボーデンケーブルの解決策と比較して、ケーブルの摩擦が低減される。

本発明は、アクチュエータをリンク及びジョイントから分離し、リンクの質量及び慣性モーメントを最小化し、質量及び慣性モーメントをより良好な位置（例えば、一実施形態では集中体）に移動させる。リンクやジョイントを小さくすることができる。リンクやジョイントはより耐衝撃性に優れている。

様々な実施形態において、ジョイントは、軸受、ブッシング、ロッドまたは類似の要素を使用して実現することができる。本発明は、摺動または転がりジョイントを有する代わりに、ジョイントとしてバネを使用する機械的マニピュレータにおいても使用することができる。例には、金属またはゴム製のバネジョイントが含まれる。

本発明は、ジョイントが多関節ジョイントまたはゴムジョイントのような多次元的である場合に使用することができる。

本発明は、自転車の歯車およびブレーキのケーブル作動システムなどの非ロボット構造、またはボーデンケーブルまたはプーリーを利用する他の用途に適用することができる。

本発明は、例示的な実施形態によって詳細に説明されているが、そのような詳細はその目的のためのみであり、本発明は開示された実施形態に限定されず、逆に、改修および同等の装置をカバーするものとして意図されている。例えば、本発明は、可能な限り、任意の実施形態の１つまたは複数の特徴を任意の他の実施形態の１つまたは複数の特徴と組み合わせることができることを意図することを理解されたい。

１０ リンク
１２ リンク
１４ ジョイント
１６ ケーブル
１８ ケーブル
２０ 終端部品
２２ 固定点
２４ ケーブルガイド
２６ バネ
２８ アクチュエータ
３０ ロボットハンド
７２ 嵌合リンク部分
７４ 嵌合リンク部分
７６ ケーブルガイド
８０ 軸受
８２ 凹所
９４ 終端リング
９４ ケーブル
９６ ケーブル
９８ 軸受

Claims (39)

1. ロボット型機械的マニピュレータ構造であって、
   第１リンクと、
   回転可能なジョイントによって前記第１リンクに回転可能に連結された第２リンクと、
   前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間で接続された第１ケーブルであって、前記第１ケーブルが第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともにケーブルガイドを通り前記第２リンクを通過する、第１ケーブルと、
   を備える、ロボット型機械的マニピュレータ構造。
2. 前記ジョイントの回りの第１方向に前記第１リンクを回転するように前記第１固定点および前記ケーブルガイドが配置される、請求項１に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
3. 前記ジョイントの回りの第２方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために前記第１リンクおよび前記第２リンクの間で接続された第２ケーブルであって、前記第２ケーブルが第２固定点において前記第１リンクに固定されるとともに、前記ケーブルガイドにて前記第２リンクを通過する、第２ケーブルをさらに備える、請求項２に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
4. ロボット型機械的マニピュレータ構造であって、
   第１リンクと、
   回転可能なジョイントによって前記第１リンクに回転可能に連結された第２リンクと、
   前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために前記第１リンクおよび前記第２リンクの間で接続された第１ケーブルであって、前記第１ケーブルが第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともに、第１ケーブルガイドで前記第２リンクを通過する、第１ケーブルと、
   前記ジョイントの回りの第２方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために前記第１リンクおよび前記第２リンクの間で接続された第２ケーブルであって、前記第２ケーブルは、第２固定点において前記第１リンクに固定されると共に、第２ケーブルガイドで前記第２リンクを通過する、第２ケーブルと、
   を備える、ロボット型機械的マニピュレータ構造。
5. 前記第１ケーブルが前記第１リンク上の第１ケーブルガイドを通過し、かつ
   前記第２ケーブルが前記第１リンク上の第２ケーブルガイドを通過する、
   請求項１に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
6. 前記第１ケーブルがバネによって前記第１リンクに接続される、請求項１に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
7. 前記ケーブルが超強力かつ低伸縮合成材料から形成されている、請求項１に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
8. 前記ケーブルが超高分子量ポリエチレン編組線から形成されている、請求項７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
9. 前記ケーブルガイドが超硬質セラミック材料から形成されている、請求項３に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
10. 前記ケーブルガイドが超硬質セラミック材料から形成されている、請求項４に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
11. 前記ケーブルガイドが酸化アルミニウム、二酸化ジルコニウム、二酸化チタン、多結晶サファイア及び炭化ケイ素の１つから形成されている、請求項３に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
12. ロボット型機械的マニピュレータのための組み立て式ケーブルアセンブリであって、
    予め選択された長さを有するケーブルと、
    前記ケーブルの第１端部に接続された第１終端部品と、
    前記ケーブルの第２端部に接続された第２終端部品と、
    前記ケーブルが中を通過する少なくとも１つのケーブルガイドと、
    を備える、組み立て式ケーブルアセンブリ。
13. 前記ケーブルに直列に接続され、前記第１および第２終端部品の間に配置されたバネをさらに備える、請求項１２に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
14. 前記第１および第２終端部品がリングおよびブロックのうちの１つの形である、請求項１２に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
15. 前記第１および第２終端部品は、結び目である、請求項１２に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
16. 前記第１および第２終端部品がパロマー結びである、請求項１５に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
17. ロボット型機械的マニピュレータのための組み立て式ケーブルアセンブリであって、
    予め選択された長さと、第１および第２端部における終端部品とを有する第１ケーブルと、
    予め選択された長さと、第１および第２端部における終端部品とを有する第２ケーブルと、
    前記第１および第２ケーブルが中を通過する第１ケーブルガイドと、
    前記第１ケーブルが中を通過する第２ケーブルガイドと、
    を備える、組み立て式ケーブルアセンブリ。
18. 前記第１ケーブルが中を通過する第３ケーブルガイドと、
    前記第２ケーブルが中を通過する第４ケーブルガイドと、
    をさらに備える、請求項１７に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
19. 予め選択された長さと、第１および第２端部における終端部品とを有する第３ケーブルであって、前記第１ケーブルガイドを通過する第３ケーブルと、
    前記第３ケーブルが中を通過する第５ケーブルガイドと、
    をさらに備える、請求項１８に記載の組み立て式ケーブルアセンブリ。
20. ロボット型機械的マニピュレータのためのリンクであって、
    第１部分と、
    前記第１部分に結合するよう構成された第２部分と、
    前記第１および第２部分の各第１端部に配置され、かつジョイント軸受を所定の場所に保持するよう構成された軸受凹所構造と、
    軸受軸を所定の場所に保持する構成された、前記第１端部と反対の前記第１および第２部分の各第２端部における軸受軸構造と、
    前記第１および第２部分の少なくとも１つに配置された少なくとも１つのケーブルガイド開口部と、
    前記第１および第２部分の少なくとも１つに配置された少なくとも１つのケーブルガイドマウントであって、前記少なくとも１つのケーブルガイド開口部を通るケーブルを受け入れるように位置するケーブルガイドを保持するよう構成された少なくとも１つのケーブルガイドマウントと、
    を備える、リンク。
21. 少なくとも１つのケーブル固定点をさらに備える、請求項２０に記載のリンク。
22. 前記少なくとも１つのケーブルガイドマウントがケーブルガイドを捕捉するような形状の空洞を備える、請求項２０に記載のリンク。
23. 前記少なくとも１つのケーブルガイドがハトメであり、かつ前記少なくとも１つのケーブルガイドマウントが前記ケーブルガイドハトメを捕捉するような形状の空洞を備える、請求項２２に記載のリンク。
24. ロボット型機械的マニピュレータのためのリンクであって、
    細長い部材と、
    前記細長い部材の第１端部に取り付けられるよう構成された軸受支持構造と、
    前記第１端部と反対の前記細長い部材の第２端部に取り付けられるよう構成された軸受軸支持構造と、
    前記細長い部材に取り付けられるよう構成された少なくとも１つのケーブルガイド支持構造と、
    を備える、リンク。
25. 前記細長い部材に取り付けられるよう構成された少なくとも１つのケーブル固定点をさらに備える、請求項２４に記載のリンク。
26. ロボット型機械的マニピュレータ構造であって、
    第１リンクと、
    回転可能なジョイントによって前記第１リンクに回転可能に連結された第２リンクと、
    前記第２リンクに配置された第１高硬度ケーブルガイドと、
    前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第１ケーブルであって、前記第１ケーブルは、第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともに、前記第２リンク内の前記第１高硬度ケーブルガイドを通過する、第１ケーブルと、
    を備える、ロボット型機械的マニピュレータ構造。
27. 前記ジョイントの回りの第２方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第２ケーブルであって、第２固定点において前記第１リンクに接続された第２ケーブルをさらに備える、請求項２６に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
28. 前記第２ケーブルが前記第２リンク内の前記第１高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
29. 前記第２ケーブルが前記第２リンク内の第２高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
30. 前記ジョイントの回りの第３方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第３ケーブルであって、第２固定点において前記第１リンクに接続される第３ケーブルをさらに備える、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
31. 前記第３ケーブルが前記第２リンク内の前記第１高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項３０に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
32. 前記第３ケーブルが前記第２リンク内の第２高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項３０に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
33. 前記第２ケーブルが前記第２リンク内の第３高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
34. 前記第２ケーブルが前記第２リンク内の第２高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
35. 前記第１および第２リンクを通過する第３ケーブルをさらに備え、前記第３ケーブルは、前記第２リンク内の前記第１高硬度ケーブルガイドを通過する、請求項２７に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
36. ロボット型機械的マニピュレータ構造であって、
    第１リンクと、
    回転可能なジョイントによって前記第１リンクに回転可能に連結された第２リンクと、
    前記第１リンク内に配置された第１高硬度ケーブルガイドと、
    前記第２リンク内に配置された第２高硬度ケーブルガイドと、
    前記第１リンク内の第１高硬度ケーブルガイド、および前記第２リンク内の第２高硬度ケーブルガイドを通過する第１ケーブルと、
    を備える、ロボット型機械的マニピュレータ構造。
37. 前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第２ケーブルであって、前記第２ケーブルは、第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともに、前記第２リンク内の前記第２高硬度ケーブルガイドを通過する、第２ケーブルをさらに備える、請求項３６に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
38. 前記第２リンク内の第３高硬度ケーブルガイドと、
    前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第２ケーブルであって、前記第２ケーブルは、第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともに、前記第２リンク内の前記第３第２高硬度ケーブルガイドを通過する、第２ケーブルと、
    をさらに備える請求項３６に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。
39. 前記ジョイントの回りの第１方向に前記第２リンクに対して前記第１リンクを移動するために、前記第１リンクおよび前記第２リンクの間に接続された第２ケーブルであって、前記第２ケーブルは、第１固定点において前記第１リンクに接続されるとともに、前記第１リンク内の前記第１高硬度ケーブルガイドを通過せずに前記第２リンク内の前記第２高硬度ケーブルガイドを通過する、第２ケーブルをさらに備える、請求項３６に記載のロボット型機械的マニピュレータ構造。

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