JP2018134732A - ロボットアーム - Google Patents
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Abstract
Description
1.アーム、特にリストが位置する遠位部分が小型であることが望ましい。これにより、複数のこのようなロボットアームが近接して動作することが可能になり、それゆえアームが行うことができる外科手術の範囲をより広げる。
2.アームの遠位部の外形は、アームの長さに対して円対称であることが望ましい。これにより、遠位部は、別のロボットや他のいくつかの機器や患者に近接している場合に、再配置する必要なく長手方向に回転させることができる。
3.ジョイントは、高いトルクを伝達可能であることが望ましいことから、より重いツールを運搬し、高い加速度をツールの先端に伝達することができる。
4.ジョイントは硬く、殆んどあるいは全く遊びや弾性がないことが望ましいことから、ツールの先端が位置決めされた際にはそこに固定されるであろう。遊びを最小化するための従来のやり方は、1つ以上のギアエレメントを犠牲として指定することであるが、このことは高いレベルのメンテナンスを必要とし、アーム内に磨耗したギアの小片が放たれる可能性がある。
5.全ての関節接合は位置および力/トルクセンサを有することが望ましいことから、制御機構は、これらのセンサからデータを取り込むことができる。
6.ロボットアームの遠位部は、ロボットアームのより近位のジョイントによって及ぼされるべき力を低減するために、可能な限り軽量であることが望ましい。
7.一般的なロボットアームは、その駆動モータおよび恐らくはツールに電力を供給するケーブルを有しており、位置センサやトルクセンサや撮像センサのようなセンサからの信号をフィードバックする。アームは、そのようなケーブルがアームの内部を通過する経路を含んでいることが望ましい。
8.ロボットアームおよびペイロードまたはツールの遠位ジョイントを駆動するモータの冷却方法が存在することが望ましい。
1.べベルギア33は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア33は、270°未満であってもよいし、180°未満であってもよいし、あるいは90°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア37の少なくとも一部が、ギア33の軸の周りでギア33の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア33と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ/ヨージョイントを備えた、図2に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ/ヨージョイント間に冗長度があるので、軸20周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。
2.部品ギア33が、軸21を中心とした回転とは反対に、キャリア28が最近接アーム部位310に対して回動する際の軸20を中心として回転する方が都合がよい、それは、前述の円と交差するシャフト40を収容するように部品ギアを切断することもできるからである。これにより、ギア列35に対してべベルギア33の反対側にウォームギア36を位置させることで省スペース化を図ることができる。しかしながら、他の設計では、部品ギアは軸21周りに回転することができることから、ギア37は部分円形の形状とすることができる。
3.ウォームギア32,34がべベルギア37に対して軸20の反対側に位置している方が都合がよい。すなわち、片側にウォームギア32,34が配置され、反対側にべベルギア37が配置された、軸20を含む平面があるのである。このことは、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。したがって、両方のウォームギア32および34は、アーム部位310の長手方向に平行な軸20を含む平面の片側に配置される。
4.ウォームギア34がウォームギア36から離れてべベルギア33の反対側に位置し、および/またはギア列35がウォームギア36から離れてべベルギア33の反対側のみに配置されている方が都合がよい。このことはまた、コンパクトな包装配置を提供する手助けとなる。すなわち、ギア列35(ギア38,39のような全ての連結ギアを含む)は、ギア33の一方の側に位置してもよい。言い換えれば、ギア列35(連結されたギアを含む)およびギア33は、軸21およびアーム部位310の長手方向の両方に平行な平面の両側に配置される。その平面は軸21を含んでもよい。
5.好都合なことに、ギア33および/またはギア37は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア32,34または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
6.好都合なことに、べベルギア33は、ウォームギア32,34間に介在するように配置されている。このことは、モータ24,25のコンパクトな包装の手助けとなる。
7.好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、ハイポイドや斜行軸、例えば、スピロイド(登録商標)、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
1.べベルギア74は、部分円形、すなわちその歯が完全な円を含まない、方が都合がよい。例えば、ギア74は、270°未満であってもよいし、180°未満であってもよいし、あるいは90°未満であってもよい。このことは、もう一方のべベルギア75の少なくとも一部が、ギア74の軸の周りでギア74の最も外側の部分と同じ半径を有する、ギア74と一致する円と交差するように配置されることを許容している。かかる特徴は、複合ジョイントの広がりの規模を減少させるのに役立つと同時に、一対のロールジョイントと共にそれらの間に一対のピッチ/ヨージョイントを備えた、図2に示されるタイプのリストにおいて特に重要である、それは、このタイプのジョイントでは、ピッチ/ヨージョイント間に冗長度があるので、軸62周りの運動が制限されたとしても、アームの遠位端の広範囲の位置に到達することができるからである。図6に示すように、べベルギア74は、その歯に含まれない領域では半径が小さくなっている。他の実施形態の部分円形べベルギアも同様にして形成されてもよい。
2.好都合なことに、ギア74および/またはギア75は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、ウォームギア76,79または径方向に歯が付けられたギアによってそれら外面に係合された外歯ギアであってもよい。
3.好都合なことに、べベルギアおよびそれらに結合するウォームギアは、斜行軸、例えば、スピロイド(登録商標)、とすることができる。これらのギアは、比較的コンパクトな形態で比較的高いトルク容量を可能にする。
言い換えれば、べベルギア107は、ウォームギア113および118との間に介在されてもよい。これは、コンパクトなパッケージ構成を提供するのに役立ち得る。好都合なことに、ギア107および/またはギア108は、それぞれの外形半径の平面内に配置されたウォームギアから離れるような駆動が可能であることから、べベルギアとして提供されている。しかし、それらは、シャフト111,112に取り付けられたウォームギアまたは外面に歯が付けられたギアによってそれらの外面に係合された外歯ギアであってもよい。
−軸305,306に対応する軸は交差する必要もないし、直交する必要もない。
一般に、軸305および306に対応する軸は、2本の非平行な回転軸である。これらは、ジョイント301および302の全ての構成において互いに実質的に垂直であってもよい。各軸は、ジョイント301および302の少なくとも1つの構成において、アーム部位310の長手方向を実質的に横断してもよい。そのような構成の1つは、アーム部位311がアーム部位310に対してピッチングまたはヨーイングしていない場合である。
−軸305および306に対応する軸は非平行であるが、互いに直交する必要はない。軸305は、軸304に対して平行ではないが、直交である必要はない。軸306は、軸307に対して平行ではないが、直交である必要はない。
−軸304と軸307に対応する軸は、平行かつ同一線上にある必要はない。それらは平行であってもよいが、同一線上にある必要はない。
例えば、アーム部位3bは、アーム部位3cに対してクランクされ得る。
−べベルギアまたはそれらの外歯ギアの同等のものは、ウォームギアによって駆動される必要はない。それらは、他のギアによって駆動され得る。例えば、ピニオンで駆動することができる。
−したがって、駆動ギアは、ベベルギアであってもよいし、外歯ギア、すなわち半径方向に延びる歯を有するギアのような他の種類のリングギアであってもよい。
シャフトギアは、ウォームギアであってもよいし、ピニオンのような他の種類のギア、例えばベベルギアであってもよい。
−いずれか一方または両方のべベルギアは、部品ギアであってもよい。より一般的には、いずれか一方または両方の駆動ギアが部分ギアであってもよい。
−上記実施形態では、機構は、ロボットアーム用のリストの一部を構成している。かかる機構は、他の用途、例えばロボットアームの他の部分や、ロボットツールや、カメラ用の制御ヘッドのような非ロボット用途、に用いられてもよい。
Claims (13)
- アームの一番目の肢をアームの二番目の肢に対して2本の非平行な回転軸周りで関節運動させるジョイント機構を含んで構成されたロボットアームであって、該ジョイント機構が、
第一の回転軸を有する第一の回転ジョイントによって前記一番目の肢に取り付けられて、第二の回転軸を有する第二の回転ジョイントによって前記二番目の肢に取り付けられた中間キャリアと、
前記第一の回転軸周りに配置されて、前記中間キャリアに固定された第一の駆動ギアと、
前記第二の回転軸周りに配置されて、前記二番目の肢に固定された第二の駆動ギアと、
前記第一の駆動ギアを駆動して前記第一の回転軸周りで回転させる第一の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第一のシャフトギアを有しており、該第一のシャフトギアが該第一の駆動ギアと係合するようになっている第一の駆動シャフトと、
前記第二の駆動ギアを駆動して前記第二の回転軸周りで回転させる第二の駆動シャフトであって、前記一番目の肢に沿って延びると共に第二のシャフトギアを有しており、該第二のシャフトギアが該第二の駆動ギアと係合するようになっている第二の駆動シャフトと、
を含んで構成されており、
前記第二の駆動シャフトが、前記中間キャリアの前記第一の回転軸周りの動きに応じて該シャフトの長さを変化させることができる直進ジョイントを含んで構成されていることを特徴とするロボットアーム。 - 前記直進ジョイントが摺動スプライン結合である請求項1に記載のロボットアーム。
- 前記第二の駆動シャフトが、前記直進ジョイントの一方の側の第一の可撓性ジョイントと該直進ジョイントの他方の側の第二の可撓性ジョイントを含んで構成されている請求項1または2に記載のロボットアーム。
- 前記第二の駆動シャフトが、前記直進ジョイントに対して前記第二の可撓性ジョイントの反対側で回転ジョイントによって前記中間キャリアに接続されている請求項3に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二のシャフトギアの一方または両方がウォームギアである請求項1〜4の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方がべベルギアである請求項1〜5の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の駆動ギアの一方または両方が斜行軸ギアである請求項6に記載のロボットアーム。
- 前記第一の駆動ギアが部分円形ギアである請求項1〜7の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第二の駆動ギアの少なくとも一部が、前記第一の駆動ギアの半径方向最外側部分と一致する前記第一の回転軸周りの円と交差している請求項8に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の回転軸が直交している請求項1〜9の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の回転軸が互いに交差している請求項1〜10の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の駆動シャフトを駆動して回転させることによって、前記ロボットアームの回転を命令するコマンド信号に応答するようになっている制御ユニットを更に含んで構成されており、該制御ユニットが、該ロボットアームが前記第二の回転軸周りで関節運動することなく前記第一の回転軸周りで関節運動するように命令されたときに、該第一の駆動シャフトを駆動して回転させ、該第一の回転軸周りの関節運動を引き起こすと共に該第二の駆動シャフトを駆動して、該第二の回転軸周りの寄生関節運動を打ち消すように回転させるように構成されている請求項1〜11の何れか1項に記載のロボットアーム。
- 前記第一および第二の駆動シャフトを駆動して回転させることによって、前記ロボットアームの回転を命令するコマンド信号に応答するようになっている制御ユニットを更に含んで構成されており、該制御ユニットが、前記二番目の肢が前記一番目の肢に対して前記第一の回転軸周りで関節運動している際に、該ロボットアームが前記第二の回転軸周りで関節運動するよう命令されたとき、該第二の駆動シャフトを駆動して回転させ、該第二の回転軸周りの滑らかな回転を供給するように、該第二の回転軸周りの関節運動を引き起こすように構成されている請求項1〜12の何れか1項に記載のロボットアーム。
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