JP2024517034A - ジョイントロック機構 - Google Patents

Abstract

ジョイントロック機構は、ラッチアセンブリとギアを含む。ギアは、ラッチアセンブリと相対的に移動可能であり、ギア歯を含む。ラッチアセンブリは、退避位置と展開位置との間で移動可能なアクチュエータと、各々がギア歯とインターロックするように適合化された係合要素を含み、各々がロック解除位置とロック位置との間で移動可能な第１及び第２ラッチと、第１ラッチに結合された第１端、第２ラッチに結合された第２端、及び、アクチュエータに回転可能に結合された第１と第２端の間に配置されたピボットを含む枢動可能なカップリングと、を含む。アクチュエータが退避位置にあるとき、第１及び第２ラッチの両方は、ロック解除位置にある。退避位置から展開位置へのアクチュエータの移動により、第１及び第２ラッチの両方ではなく一方は、ロック位置に移動する。

Description

本発明は、可動ジョイントをその可動域内で固定化するためのジョイントロック機構に関し、より具体的には、排他的ではないが、マスターコントローラーの一部を形成するジョイントロック機構であって、ジョイントロック機構がマスターコントローラーの可動ジョイントをロックし得るジョイントロック機構に関する。

既知の遠隔制御システムは、オペレーターに局所的に位置するマスターコントローラーと、オペレーターに遠隔的に位置するスレーブ装置とを含み、システムは、距離を置いてオペレーターによってスレーブ装置を操縦することを可能にする。このようなシステムは、操縦を指示するバリアがある場合に役立つ可能性がある、例えば、スレーブ装置、患者の内部組織や臓器へのアクセスが制限されているため、外科医が手術用ツールを直接操縦することができない低侵襲外科的処置を行うために使用され得る。その他の例は、爆弾処理などの軍事用途、捜索救助などの緊急サービス用途、直接操縦が危険又は不可能な過酷な環境（真空や高レベルの反応性など）での作業の実行などの科学研究活動などを含む。

実証のために、今後は遠隔制御ロボティック手術システムの分野に焦点を当てる。しかしながら、これは、発明が上記のような他の分野への適用から除外されるものではない。

遠隔ロボティック手術では、外科医の手の動きを遠隔ロボット器具の動きに転送するためのマスターコントローラーが必要である。既知のマスターコントローラーは、それぞれの手で同時にロボット器具を制御することを可能にする双手の（両手の）制御用の２つのマニプレータアームを含む。

外科医は、例えば内視鏡画像を介してロボット器具を監視しながら、指又は手全体で各マニプレータアームの端部でのハンドルを持ち、ロボット器具を制御するようにハンドルを動かす。マニプレータアームは、アクティブとパッシブの２つのカテゴリに分類できる。アクティブマニプレータアームは、各ジョイントを駆動するモーターを有し、これらのモーターは、外科医がマニプレータアームのハンドルを持ち続けるか否かにかかわらず、マニプレータアーム全体のポーズを維持することを可能にする。これは、外科医がマニプレータアームを手放すことができ、重力の影響でマニプレータアームが落下し、対応する動きがロボット器具によって複製されて、患者に危害を与える可能性があるというリスクがないことを意味する。よって、マニプレータアームのハンドルの落下に関連付けられたリスクが軽減され、外科医はロボット器具の制御を簡単に一時停止して別のタスクを行うことができる。

しかしながら、既知のアクティブマニプレータアームは、使用中に常に各ジョイントを駆動するために必要な複雑なコンポーネントのため、かさばる。また、モーターの駆動により、外科医の手の動きが意図した動きから偏り、外科医が達成できる正確さや精度が低下する可能性がある。

一方、パッシブマニプレータアームは、アームにおける各ジョイントの位置を測定するが、各ジョイントを積極的に駆動しない。これは、外科医の手がハンドルを離すとマニプレータアームが「フロッピー」状態に戻り、マニプレータアームが重力の影響で落下することを意味する。

本発明の第１態様によれば、ジョイントロック機構が提供される。このジョイントロック機構は、ギアとラッチアセンブリとを含み、前記ギアは、ラッチアセンブリと相対的に移動可能であり、複数のギア歯を含み、前記ラッチアセンブリは、
退避位置と展開位置との間で移動可能なアクチュエータと、
各々が前記ギア歯とインターロックするように適合化された係合要素を含み、各々が、それぞれのラッチが前記ギアから離間されたロック解除位置と、前記係合要素と前記ギア歯がインターロックするようにそれぞれのラッチが前記ギアと係合されたロック位置との間で移動可能な第１及び第２ラッチと、
第１端、第２端、及び第１と第２端の間に配置されたピボットを含み、それによって、前記第１端が前記第１ラッチに結合され、前記第２端が前記第２ラッチに結合され、前記ピボットが前記アクチュエータに回転可能に結合される枢動可能なカップリングと、を含み、
前記アクチュエータが前記退避位置にあるとき、前記第１及び第２ラッチの両方は、前記ロック解除位置にあり、
前記退避位置から前記展開位置への前記アクチュエータの移動により、前記第１及び第２ラッチの両方ではなく一方は、前記ロック位置に移動する。

パッシブマニプレータアームでは、マニプレータアームの一部を形成する可動ジョイントは、軸を中心とした回転や軸に沿った並進などの自由度を提供する。例えば、マニプレータアームは、可動ジョイントを介して第２リムに結合された第１リムを含んでもよい。ラッチアセンブリは、第１リムに装着され得る一方で、ギアは、第２リムに装着され得る。第２リムは、例えば、第１リムと相対的に回転可能であることができ、その場合、ギアは、略円形断面を有する回転可能なギアである。別の例では、第２リムは、第１リムに対して伸縮自在に並進することができ、その場合、ギアは、ラックアンドピニオン機構のラックと同様の直線ギアである。

本発明により、可動ジョイント（それが回転可能であるか、伸縮自在であるか、それ以外であるか否かを問わず）は、第１及び第２ラッチの両方がロック解除位置にあり、従ってギアから離間されるように、アクチュエータが退避位置にあるとき、それぞれの自由度内で自由に移動可能であり続けることができる。

しかしながら、可動ジョイントをロックする理由がある場合、第１及び第２ラッチのうちの１つをロック位置に移動させ、それぞれのラッチの係合要素をギア歯とインターロックするように、アクチュエータを展開位置に移動させてもよい。従って、可動ジョイントは、複数の構成のいずれか１つにロックされてもよい。ここで、各構成は、ラッチアセンブリに対するギアの位置によって定義される。これにより、例えば、外科医が別のタスクに対応している間、手術用ロボットの制御を一時停止することを可能にする。

第１及び第２ラッチはそれぞれ、シーソー（又はティータートッター）のように機能する枢動可能なカップリングを介してアクチュエータに結合され、アクチュエータは、枢動可能なカップリングが枢動する支点である。アクチュエータが展開位置にあるとき、枢動可能なカップリングは枢動し得るので、１つのラッチだけがギアとの係合に向かって移動する。

例えば、ギアが６０個の歯を有する回転可能なギア（略円形断面を有する）である場合、ラッチあたりのギア分解能は６°（３６０°／６０）である。これは、各ラッチが互いに６°離れた向きでギアをロックし得ることを意味する。しかしながら、第１及び第２ラッチは、一方のラッチの係合要素がギア歯とインターロックされるとき、他方のラッチの係合要素が少なくとも１つのギア歯の最外縁に当接するように、互いに、及びギアと相対的に配置され得る。枢動可能なカップリングにより、第１及び第２ラッチのどちらか一方がギア歯とインターロックするラッチになり、もう一方のラッチが、少なくとも１つのギア歯の最外縁に当接することが可能になる。

第１及び第２ラッチは異なる向きでギアと係合可能であるため、ジョイントロック機構の分解能は、ラッチあたりのギアの分解能の２倍になる。従って、上記の例では、ジョイントロック機構の分解能は、６°ではなく３°になる。言い換えれば、ラッチの１つは、３°の回転ごとにギアと係合されてもよい。例えば、第１ラッチは、０°、６°、１２°などでギアと係合することができ、第２ラッチは、３°、９°、１５°などでギアと係合することができる。

分解能が角度ではなく、直線ギアの全長及びそれに含まれる歯の数に依存する距離として定義されることを除いて、同じ原理は、直線ギアにも当てはまることが理解される。

ジョイントロック機構の分解能がより細かくなればなるほど、可動ジョイントは、アクチュエータが展開される前に最後に移動した位置に、より正確にロックされる。しかしながら、一般に、より細かい分解能はまた、歯がより小さくなるため、ラッチとギアとの間の可能な係合がより弱くなることを意味する。

２つのラッチを設けることによって、ギア歯のサイズを小さくすることなく、ジョイントロック機構の分解能を２倍にする（即ち、２倍細かくする）ことができる。

枢動可能なカップリングにより、同じアクチュエータによって作動するにもかかわらず、２つのラッチは互いに独立して、ギアと係合することが可能になる。従って、単一のモーターを使用して２つのラッチを作動させることができ、それにより、ジョイントロック機構に関連付けられたコスト、重量、かさばりが最小にされる。

２つのラッチを設けることによって、ジョイントロック機構の分解能が２倍になったとしても、どちらの係合要素もギア歯とインターロックするために最適に配置されないようにギアが配置されたときに、アクチュエータを展開位置に移動させることが可能である。これに対する１つの解決策は、鋭利なギア歯と係合要素を設けて、両方の係合要素がそれぞれのギア歯の最外縁に当接することができないようにすることである。しかしながら、これは複雑で高価な機械加工を必要とし、結果として生じる係合要素とギア歯は、関連付けられた加工コストがさらに増加する硬い材料で製造されていない限り、すぐに摩耗しやすくなる。

本発明の実施形態では、枢動可能なカップリングは、弾性変形可能であり得る。

これにより、アクチュエータが展開位置にあるが、両方の係合要素がそれぞれのギア歯の最外縁に当接する状況で、枢動可能なカップリングは弾力的に曲がることが可能になる。このような状況では、両方のラッチは、ロック位置に向かって偏っており、一方のラッチがギアと係合することができ、他方のラッチがアクチュエータを中心として枢動する枢動可能なカップリングによりギアから離間されるように、ギアがラッチアセンブリと相対的に一方向又は他方向にわずかに回転するまで、その状態を続ける。

これにより、ギア歯及び係合要素を、両方の係合要素とそれぞれのギア歯との当接を回避するため十分に鋭利にする必要がなくなる一方、係合要素の１つをギア歯と適切にインターロックし、従って回転可能なジョイントを適切にロックすることも確保される。ギア歯及び対応する係合要素は、そうでなければ必要とされるよりも鈍い可能性があるため、ギアに対して半径方向に加わる圧力が減少し、それに応じてギア歯及び係合要素の摩耗が減少する。従って、弾性変形可能なカップリングは、ラッチとギアとの間の係合の力を犠牲にすることなく、ギア歯及び係合要素の摩耗を減少させる。

本発明の実施形態では、係合要素は、複数のラッチ歯を含んでもよい。ラッチ歯はギア歯と同様の形状にされ得るので、ラッチ歯とギア歯がインターロックされているときに互いに接触する表面積を最大にする密な嵌合でラッチ歯とギア歯がインターロックされ、それによってロックを克服するために必要な力を最大にする。

本発明の実施形態では、ギアは、略円形断面を有し、ジョイント軸を中心として回転可能である。本発明のこのような実施形態では、可動ジョイントは、ジョイント軸を中心とした回転により回転の自由度を可能にする回転可能なジョイントである。

他の実施形態では、ギアは、長手方向にジョイント軸に対して垂直方向に移動可能な直線ギアである。従って、可動ジョイントは、ジョイント軸と相対的なラックの並進を通じて並進の自由度を可能にする伸縮ジョイントである。

本発明の実施形態では、ギアと第１及び第２ラッチはそれぞれ、ギア歯と係合要素がジョイント軸と相対的に傾斜して、各ラッチの傾斜した係合要素が傾斜したギア歯と協働するような形状とされる。

本発明のこのような実施形態では、回転可能なギアは実質的に円錐形又は円錐台形であるが、並進可能な直線ギアは、例えば台形又は直角台形の形状の横断面を有することができる。

互いにインターロックされる係合要素及びギア歯の表面は、ジョイント軸と相対的に傾斜する。これは、ラッチに作用する半径方向力（即ち、ジョイント軸に対して半径方向に作用する力）が部分的にずれて、軸方向力（即ち、ジョイント軸に対して軸方向に作用する力）に変換されるので、枢動可能なカップリングに転送される力が減少し、枢動可能なカップリングが故障する可能性が低くなることを意味する。

また、表面が傾斜しているという事実により、ギア及び／又はラッチのサイズを大きくする必要がなく、係合要素とギア歯がインターロックされるときに互いに接触する表面積のサイズが増加する。より大きな表面積により、ラッチとギアとの間にかかる圧力が減少し、ひいてはラッチとギアとの係合が弱くなる可能性のある材料変形が減少する。

本発明の実施形態では、ラッチアセンブリは、各ラッチを支持し、各ラッチがギアに近づいたり離れたりするときに各ラッチをガイドするためのラッチガイドをさらに含んでもよい。

ラッチの１つがギアと係合すると、ギア歯は、ラッチの係合要素にせん断力を与えることがある。ラッチガイドは、例えばラッチにせん断力が加わったときにラッチがねじれて位置がずれることを防ぐために、ラッチを支持するように構成されてもよい。

ラッチガイドはまた、ラッチがロック解除位置からロック位置に、又はその逆に直接移動するように、ラッチをガイドするように構成されてもよい。これは、枢動可能なカップリングが弾性変形可能で、ラッチがロック位置に向かって偏っている場合に特に有利であり得る。ラッチをガイドするラッチガイドがない場合、係合要素の１つがギア歯と完全にインターロックされる前に、ラッチの一方又は両方は、偏りによりねじれる可能性がある。

本発明の実施形態では、各ラッチはラッチガイドと相対的に、ギアが回転可能（略円形断面を有する）である場合にギアに対して実質的に半径方向に、又は、ギアが並進可能（直線）である場合にギアに対して実質的に垂直方向に、移動可能である。

本発明のこのような実施形態では、ラッチの１つがロック位置にあるときにギアによって該ラッチの１つに与える可能性がある力は、主にそれぞれ接線方向又は長手方向にある。従って、各ラッチは、使用中にギアによって加えられる力に対して実質的に垂直方向に移動可能である。これは、ギアによってラッチの１つに加えられる力により、ラッチがロック位置からロック解除位置に移動する可能性を低下させる。しかしながら、ギア歯及び係合要素は、ラッチの１つがロック位置にあるときにギアによってラッチの１つに加えられる力の一部が、それぞれ半径方向又は横方向にあるように形状にされ得る。半径方向／横方向の力（即ち、ラッチが移動可能な方向の力）の提供は、接線方向／縦方向の力によって発生する摩擦によってラッチがロック位置でスタックすることを防ぐことができるため、望ましい場合もある。

本発明の実施形態では、アクチュエータは、ジョイント軸に対して実質的に垂直方向に移動可能である。

本発明のこのような実施形態では、アクチュエータは、第１及び第２ラッチの間の実質的に中央に配置されてもよい。従って、ジョイント軸に対して実質的に垂直方向のアクチュエータの移動は、各ラッチをギアに向かって均等に移動させる。

アクチュエータがジョイント軸に対して実質的に垂直方向に移動可能であるという事実により、ラッチをロック解除位置とロック位置との間で移動させるためにアクチュエータが移動しなければならない距離を最小にすることもできる。

本発明の実施形態では、枢動可能なカップリングは、第１枢動可能なカップリングであってもよい。前記ラッチアセンブリは、第３及び第４ラッチを含んでもよい。第３及び第４ラッチの各々は、前記ギア歯とインターロックするように適合化された係合要素を含み、それぞれのラッチが前記ギアから離間されたロック解除位置と、前記係合要素と前記ギア歯がインターロックされるようにそれぞれのラッチが前記ギアと係合されたロック位置との間で移動可能である。前記ラッチアセンブリはまた、第２枢動可能なカップリングを含んでもよい。前記２枢動可能なカップリングは、第１端、第２端、及び第１と第２端の間に配置されたピボットを含み、それによって、前記第１端が前記第３ラッチに結合され、前記第２端が前記第４ラッチに結合され、前記ピボットが前記アクチュエータに回転可能に結合される。前記アクチュエータが前記退避位置にあるとき、すべてのラッチは前記ロック解除位置にあってもよい。前記退避位置から前記展開位置への前記アクチュエータの移動により、前記第１、第２、第３及び第４ラッチのうちの１つはロック位置に移動するが、それ以外のラッチは移動しない。

本発明のこのような実施形態では、２つではなく４つのラッチを設けることによって、ジョイントロック機構の分解能をさらに向上させることができる。例えば、ギアが回転可能で（実質的に円形の断面）、ラッチあたりの分解能が６°の場合、ジョイントロック機構全体は、わずか１．５°の分解能を提供し得る。言い換えれば、各ギア歯がギアの６°を占めているにもかかわらず、４つのラッチのうちの１つがギアと係合するギアの各向きの間の角度は、わずか１．５°である。

ギアが並進可能（直線）である場合も同じ原理が適用される。例えば、直線ギアは、ラッチあたりの分解能が２ｍｍであり得る。従って、４つのラッチを設けることによって、ジョイントロック機構の全体的な分解能は、４倍細かくなり、つまり、０．５ｍｍになる。

本発明の実施形態では、各枢動可能なカップリングは、補助カップリングを介してアクチュエータに回転可能に結合され得る。補助カップリングは、第１端、第２端、及び第１と第２端との間に配置されたピボットを含む。第１枢動可能なカップリングは、補助カップリングの第１端に回転可能に結合され、第２枢動可能なカップリングは、補助カップリングの第２端に回転可能に結合され、ピボットは、アクチュエータに回転可能に結合される。

従って、４つのラッチはすべて、単一のアクチュエータによってロック解除位置とロック位置との間で移動し得る。これにより、様々なラッチを移動させるために複数のアクチュエータが必要となることに関連する、追加のかさばり、重量、及び費用が回避される。

本発明の実施形態では、ギアは、第１及び第２ラッチが係合可能な第１部分と、第３及び第４ラッチが係合可能な第２部分と、を含み得る。
第１部分は、第１の複数のギア歯を含み得る。第２部分は、第１の複数のギア歯からオフセットされた第２の複数のギア歯を含み得る。

本発明のこのような実施形態では、第３及び第４ラッチは、ギアの第１部分ではなく第２部分と係合可能であることを除いて、第１及び第２ラッチと同一に構成されてもよい。また、ギアの第２部分は、第１及び第２ラッチがそれぞれギアと係合し得る２つの位置のほぼ中間にギアが向いているときに、第１部分からオフセットされてもよく、第３及び第４ラッチのうちの１つは、代わりにギアと係合してもよい。

これにより、ギアが例えば１．５°などの非常に細かい回転間隔で回転するのと同じ複数のギア歯と各ラッチが係合可能であるように、４つのラッチを十分に正確に離間させる必要がなくなる。

ギアが回転可能なギアである場合、第２の複数のギア歯は、第１の複数のギア歯から接線方向にオフセットされることが理解される。一方、ギアが直線ギアである場合、第２の複数のギア歯は、第１の複数のギア歯から長手方向にオフセットされることが理解される。

本発明の実施形態では、ジョイントロック機構は、退避位置と展開位置との間のアクチュエータの移動を駆動するための駆動モジュールをさらに含んでもよい。駆動モジュールは、モーター又はその他の適切な直線駆動コンポーネントを含んでもよい。

本発明の実施形態では、ジョイントロック機構は、アクチュエータが退避位置又は展開位置にあるときに感知するように適合化されたアクチュエータセンサーをさらに含んでもよい。

本発明のこのような実施形態では、アクチュエータが退避位置又は展開位置のいずれかに到達すると、アクチュエータを駆動するモーターを正確に停止させるために、アクチュエータセンサーによって感知された情報を使用することができる。これにより、モーターがアクチュエータを過小駆動したり、過度に駆動したりして、ジョイントのロックに失敗したり、又は、モーターがギアに向かってアクチュエータを過度の力で駆動する結果として枢動可能なカップリングなどのコンポーネントに過度の力が加わったりすることが防止される。従って、アクチュエータセンサーにより、アクチュエータを駆動するモーターを正確且つ確実に制御することが可能になる。

アクチュエータセンサーによって感知された情報はまた、回転可能なジョイントを含む装置のユーザにアクチュエータの位置を指示するために使用される。それによって、ユーザは、アクチュエータへのコマンドが実行され、回転可能なジョイントがロックされているか、又は自由に回転可能であるかの確認を受けることができる。

本発明の実施形態では、ジョイントロック機構は、ラッチアセンブリと相対的なギアの位置、ひいては可動ジョイントの構成を測定するように適合化されたジョイントセンサーをさらに含んでもよい。この情報は、例えば可動ジョイントを含むマニプレータアームのポーズを決定するために使用することができる。次に、スレーブロボットがユーザの移動に従うように、マニプレータアームのポーズに基づいてコマンドをスレーブロボットに送信することができる。

ギアが回転可能なギアである場合、ジョイントセンサーは、ラッチアセンブリと相対的な円形ギアの向きを感知し得る。ギアが直線ギアである場合、ジョイントセンサーは、ラッチアセンブリと相対的な直線ギアの並進位置を感知し得る。磁気エンコーダや光エンコーダなど、任意の適切なタイプのセンサーを位置センサーとして使用することができる。

本発明の第２態様によれば、ロック可能なジョイントアセンブリが提供される。このロック可能なジョイントアセンブリは、本発明の第１態様によるジョイントロック機構と、第１リムと、第１リムに移動可能に取り付け可能な第２リムと、を含む。
前記ラッチアセンブリは、前記第１リムに装着され、
前記ギアは、前記第２リムに装着され、
前記ラッチの１つが前記ギアと係合するとき、前記第２リムは、前記第１リムと相対的な位置にロックされる。

ギアが回転可能なギアである場合、第１リムは、ローター部分及びステータ部分の一方を含んでもよく、第２リムは、ローター部分及びステータ部分の他方を含んでもよい。ローター部分は、ステータ部分と係合可能であり、ステータ部分内でジョイント軸を中心に回転可能である。

ここでは、添付の図面を参照して、例としてのみ本発明を説明する。
アクチュエータが退避位置にある、本発明の第２態様の一実施形態によるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。 アクチュエータが展開位置にあり、第１及び第２ラッチがロック位置に向かって偏っていることを除いて、図１～３に示されるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。 アクチュエータが展開位置にあり、第１ラッチがロック位置にあることを除いて、図１～３に示されるロック可能なジョイントアセンブリを示す。 アクチュエータが展開位置にあり、第２ラッチがロック位置にあることを除いて、図１～３に示される、ｅｘｃロック可能なジョイントアセンブリを示す。 本発明の第２態様の異なる実施形態によるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。 本発明の第２態様の別の実施形態によるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。 本発明の第２態様の別の実施形態によるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。 本発明の第２態様の更なる実施形態によるロック可能なジョイントアセンブリの模式図を示す。

最初に図１、２及び３を参照すると、本発明の一実施形態によるジョイントロック機構は、一般に参照番号２で指定されている。ジョイントロック機構２は、ジョイント軸６を中心に回転可能で複数のギア歯８を含むギア４（具体的には、略円形断面を有する回転可能なギア４）を含む。

ジョイントロック機構２はまた、アクチュエータ１４、第１ラッチ１６、第２ラッチ１８、ラッチガイド２２及び枢動可能なカップリング２４を含むラッチアセンブリ１２を含む。第１及び第２ラッチ１６、１８はそれぞれ、ギア歯８とインターロックするように適合化された係合要素２０を含む。本発明のこの実施形態では、各係合要素２０は、ギア歯８の間にフィットするような形状にされた３つのラッチ歯２１を含む。

ラッチガイド２２は、各ラッチ１６、１８を支持し、各ラッチ１６、１８がギア４に近づいたり離れたりするときに各ラッチ１６、１８をガイドする。特に、ラッチガイド２２は、各ラッチ１６、１８が通過するためのチャネル２３（図３に示される）を含み、チャネルは、各ラッチ１６、１８がジョイント軸６に対して実質的に垂直なラッチガイド２２と相対的に移動可能であるように、ギア４から実質的に半径方向に延在する。

特に図３を参照すると、枢動可能なカップリング２４は、第１端２６、第２端２８、及び第１と第２端２６、２８の間に配置されたピボット３０を含む。第１端２６は、第１ラッチ１６に結合され、第２端２８は、第２ラッチ１８に結合され、ピボット３０は、アクチュエータ１４に回転可能に結合される。

アクチュエータ１４は、退避位置と展開位置との間でジョイント軸６に対して実質的に垂直方向に移動可能である。

図１～３では、アクチュエータ１４は退避位置にあり、第１及び第２ラッチ１６、１８が枢動可能なカップリング２４を介してアクチュエータ１４に結合されるため、第１及び第２ラッチ１６、１８の両方ともロック解除位置にあり、それぞれのラッチ１６、１８はギア４から離間される。

今、図４を参照すると、アクチュエータ１４は、図１～３に示される退避位置から移動された展開位置にある。展開位置に向かうアクチュエータ１４の移動は、第１及び第２ラッチ１６、１８をギア４に向かって移動させる。しかしながら、図４において、ギア４は、各ラッチ１６、１８の係合要素２０がそれぞれのギア歯８の最外縁に当接するように配向されている。

本発明のこの実施形態では、枢動可能なカップリング２４は、弾性変形可能である。これは、アクチュエータ１４が展開位置にあるが、ラッチ１６、１８がギア４と完全に係合できないこの状況で、枢動可能なカップリングが曲がることができることを意味する。枢動可能なカップリング２４が曲がった結果として、両方のラッチ１６、１８は、ギア４との係合に向かって偏っている。

よって、ジョイントロック機構２が図４に示される構成になる場合、各ラッチ１６、１８は、ギア４のわずかな回転に従ってギア４と係合する。しかしながら、ラッチ１６、１８のうち最大１つがラッチアセンブリに対して特定の向きにある場合にギアと係合できるように、第１及び第２ラッチ１６、１８は、互いに、及びギア４と相対的に配置される。例えば、ギアが一方向にわずかに回動すると、第１ラッチ１６は、ギア４と係合できる可能性があり（図５及び６に示されるように）、ギア４が他方向にわずかに回動すると、第２ラッチ１８は、ギア４と係合できる可能性がある（図７及び８に示されるように）。

今、図５及び６を参照すると、アクチュエータ１４は展開位置にあり、ギア４は、アクチュエータ１４を中心として枢動する枢動可能なカップリング２４により、第１ラッチ１６がロック位置にある一方、第２ラッチ１８がロック解除位置に留まるように、ラッチアセンブリと相対的に配向される。ロック位置では、第１ラッチ１６は、係合要素２０がギア歯８とインターロックされるように、ギア４と係合する。

同様に、図７及び８では、アクチュエータ１４は展開位置にあり、ギア４は、第２ラッチ１８がギア４と係合するロック位置にあり、係合要素２０がギア歯８とインターロックされるように配向される。

枢動可能なカップリング２４により、アクチュエータ１４が展開位置に移動するときに、各ラッチ１６、１８は他のラッチ１６、１８とは独立してロック位置に移動することが可能になり、従って、ラッチ１６、１８の対は単一のアクチュエータによって操作されることが可能になる。

今、図１～８のすべてを参照すると、ジョイントロック機構２は、第１リム３４と第１リム３４に回転可能に取り付け可能な第２リム３６とも含むロック可能なジョイントアセンブリ３２の一部を形成する。

ラッチアセンブリ１２は第１リム３４に装着され、ギア４は第２リム３６に装着されるので、第２リムは、ギア４とともにジョイント軸６を中心に、且つラッチアセンブリ１２及び第１リム３４と相対的に回転可能である。図５～８に示すように、ラッチ１６、１８の１つがギア４と係合するとき、第２リム３６は、第１リム３４と相対的な位置にロックされる。

特に図２を参照すると、第１リム３４はステータ部分３５を含み、第２リム３６はローター部分３７を含む。ローター部分３７は、ステータ部分３５と係合可能であり、ステータ部分３５内でジョイント軸６を中心に回転可能である。

今、図９及び１０を参照すると、ロック可能なジョイントアセンブリ１３２は、ギア１０４が実質的に円錐台形状にされ、各ラッチ１１６、１１８の係合要素１２０がギア１０４の円錐台形状と協働するようにジョイント軸６と相対的に傾斜することを除いて、図１～８に示されるロック可能なジョイントアセンブリ３２と同様である。

ギア歯１０８及び係合要素１２０がジョイント軸に対して傾斜している結果、係合要素１２０の１つがそれぞれのギア歯１０８とインターロックされるときに互いに接触する表面積は、サイズを大きくする必要のあるコンポーネントなしに増加する。従って、これにより、ラッチ１１６、１１８の１つとギア１０４との係合を克服するのに必要な力が大きくなる。

今、図１１、１２及び１３を参照すると、ロック可能なジョイントアセンブリ２３２は、図１～８に示されるロック可能なジョイントアセンブリ３２と同様である。しかしながら、ラッチアセンブリ２１２は第３及び第４ラッチ２４０、２４２をさらに含み、第１及び第２ラッチ２１６、２１８と同様に、第３及び第４ラッチ２４０、２４２はそれぞれ、ギア歯２０８とインターロックするように適合化された係合要素２２０を含む。本発明のこの実施形態では、第３及び第４ラッチ２４０、２４２は、第１と第３ラッチ２１６、２４０が互いに実質的に平行に移動可能であり、第２と第４ラッチ２１８、２４２も互いに実質的に平行に移動可能であるように、第１及び第２ラッチ２１６、２１８の上方に積み重ねられる。

また、本発明のこの実施形態では、第１及び第２ラッチ２１６、２１８をアクチュエータ２１４に結合する枢動可能なカップリングは、第１枢動可能なカップリング２２４であり、ラッチアセンブリ２１２は、第３及び第４ラッチ２４０、２４２をアクチュエータ２１４に結合することを除いて、第１枢動可能なカップリング２２４と同等の第２枢動可能なカップリング２４４をさらに含む。

ラッチアセンブリ２１２はまた、補助カップリング２５０を含む。補助カップリングは、第１端２５２、第２端２５４、及び第１と第２端２５２、２５４の間に配置されたピボット２５６を含む。第１枢動可能なカップリング２２４は、補助カップリング２５０の第１端２５２に回転可能に結合される一方で、第２枢動可能なカップリング２４４は、補助カップリング２５０の第２端２５４に回転可能に結合される。ピボット２５６は、アクチュエータ２１４に回転可能に結合され、よって、各枢動可能なカップリング２２４、２４４は、補助カップリング２５０を介してアクチュエータ２１４に回転可能に結合される。

ギア２０４は、第１部分２４６と第２部分２４８を含む。第１部分２４６は、第１の複数のギア歯２０８を含み、第１及び第２ラッチ２１６、２１８は、それぞれの係合要素２２０が第１の複数のギア歯２０８とインターロックされるように、第１部分２４６と係合可能である。第２部分２４８は、第１の複数のギア歯２０８から半径方向にオフセットされた第２の複数のギア歯２４９を含む。第３及び第４ラッチ２４０、２４２は、それぞれの係合要素２２０が第２の複数のギア歯２４９とインターロックされるように、第２部分２４８と係合可能である。

第１の複数のギア歯２０８と相対的な第２の複数のギア歯２４９の半径方向へのオフセットは、第１及び第３ラッチ２１６、２４０がギア２０４と相対的に実質的に同じ半径方向線に沿って移動可能であるにもかかわらず、第１及び第３ラッチ２１６、２４０が互いに同時にギア２０４と係合可能ではないことを意味する。第２及び第４ラッチ２１８、２４２についても同様である。従って、ギア２０４の所与の向きについては、第１、第２、第３及び第４ラッチ２１６、２１８、２４０、２４２のうちの１つだけがギア２０４と係合可能であり得る。

アクチュエータ２１４が退避位置にあるとき、すべてのラッチ２１６、２１８、２４０、２４２はロック解除位置にある。次に、アクチュエータが展開位置にあるとき、第１及び第２枢動可能なカップリング２２４、２４４と補助カップリング２５０の組み合わせにより、単一の第１、第２、第３及び第４ラッチ２１６、２１８、２４０、２４２は、それぞれのラッチがロック位置にあるように、ギア２０４と係合することが可能になる。

今、図１４及び１５を参照すると、ロック可能なジョイントアセンブリ３３２は、前の図で例示されているタイプの回転可能なギアではなく、並進可能な直線ギア３０４を含むジョイントロック機構４０２を含む。直線ギア３０４は、ジョイント軸６に垂直な長手方向に並進可能であり、複数のギア歯３０８を含む。

ジョイントロック機構３０２はまた、第１及び第２ラッチ１６、１８が直線ギア３０４の移動に対して垂直方向に移動可能であるように第１及び第２ラッチ１６、１８をガイドするために、ラッチガイド３２２ａ、３２２ｂを配置することを除いて、図１～８に示されるラッチアセンブリ１２と同様のラッチアセンブリ３１２を含む。言い換えれば、第１及び第２ラッチ１６、１８は、直線ギア４と相対的に横方向に延在する軸に沿って移動可能である一方で、直線ギア３０４は、直線ギア３０４、ラッチガイド２２及び枢動可能なカップリング２４を介して長手方向に延在する軸に沿って移動可能である。第１及び第２ラッチ１６、１８はそれぞれ、ギア歯８とインターロックするように適合化された係合要素２０を含む。

今、図１６を参照すると、ロック可能なジョイントアセンブリ４３２は、ギア１０４が実質的に円錐台形であるという点で、図９と１０に示されるロック可能なジョイントアセンブリ１３２と同様である。

本発明のこの実施形態では、ジョイントロック機構４０２は、退避位置と展開位置との間のアクチュエータ４１４の移動を駆動するための駆動モジュール４６４をさらに含む。駆動モジュール４６４は、アクチュエータ４１４の直線運動を駆動するように構成されたモーター４６６を含む。

ロック可能なジョイントアセンブリ４３２、特に第１リム４３４及び第２リム４３６は、マニプレータアームの一部を形成し、マニプレータアームはスレーブロボット（図示せず）を制御するためのマスターコントローラー（図示せず）の一部を形成する。

ジョイントロック機構４０２は、アクチュエータ４１４に関連付けられた位置センサー（図示せず）をさらに含む。位置センサーは、アクチュエータが退避位置にあるか又は展開位置にあるかを感知するように適合化されている。

位置センサーによって感知された情報に基づいて、モーター４６６は、正確に制御され得る。言い換えれば、アクチュエータ４１４が退避位置又は展開位置のいずれかに到達すると、モーター４６６は確実に停止され得る。これにより、モーター４６６がアクチュエータ４１４を過小駆動したり、過度に駆動したりして、ロック可能なジョイントアセンブリ４３２のロックに失敗したり、又は、モーター４６６がギア１０４に向かってアクチュエータを過度の力で駆動する結果として枢動可能なカップリング４２４などのコンポーネントに過度の力が加わったりすることが防止される。

位置センサーによって感知された情報は、マスターコントローラーのユーザに、回転可能なジョイントがロックされているか、又は自由に回転可能であるかの指示を提供するために使用することもできる。

ジョイントロック機構４０２はまた、ラッチアセンブリ４１２と相対的にギア１０４がジョイント軸６を中心に回転した角度を測定するように適合化された角度センサー（図示せず）をさらに含む。

マスターコントローラーはプロセッサを含んでもよく、測定された角度は、角度センサーからプロセッサに供給されてもよい。測定された角度は、回転可能なジョイントを含むマニプレータアームのポーズを決定するために処理されてもよく、次に、スレーブロボットがユーザの移動に従うように、マニプレータアームのポーズに基づいてスレーブロボットにコマンドを送信することができる。

本発明の所与の態様、特徴、又はパラメーターの好み及び選択肢は、文脈が別段の指示をしない限り、本発明の他のすべての態様、特徴、及びパラメーターのあらゆる好み及び選択肢と組み合わせて開示されたと見なされるべきである。例えば、図１４及び１５に示される直線ギア３０４と同様の直線ギアは、図１１、１２及び１３に示されるラッチアセンブリ２１２など、第３及び第４ラッチを有するラッチアセンブリと組み合わせて開示されたものとみなす必要がある。

Claims (16)

1. ジョイントロック機構であって、ギアとラッチアセンブリとを含み、前記ギアは、ラッチアセンブリと相対的に移動可能であり、複数のギア歯を含み、前記ラッチアセンブリは、
   退避位置と展開位置との間で移動可能なアクチュエータと、
   各々が前記ギア歯とインターロックするように適合化された係合要素を含み、各々が、それぞれのラッチが前記ギアから離間されたロック解除位置と、前記係合要素と前記ギア歯がインターロックするようにそれぞれのラッチが前記ギアと係合されたロック位置との間で移動可能な第１及び第２ラッチと、
   第１端、第２端、及び第１と第２端の間に配置されたピボットを含み、それによって、前記第１端が前記第１ラッチに結合され、前記第２端が前記第２ラッチに結合され、前記ピボットが前記アクチュエータに回転可能に結合される枢動可能なカップリングと、を含み、
   前記アクチュエータが前記退避位置にあるとき、前記第１及び第２ラッチの両方は、前記ロック解除位置にあり、
   前記退避位置から前記展開位置への前記アクチュエータの移動により、前記第１及び第２ラッチの両方ではなく一方は、前記ロック位置に移動する、ことを特徴とするジョイントロック機構。
2. 前記枢動可能なカップリングは、弾性変形可能である、ことを特徴とする請求項１に記載のジョイントロック機構。
3. 前記係合要素は、複数のラッチ歯を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のジョイントロック機構。
4. 前記ギアは、略円形断面を有し、ジョイント軸を中心として回転可能であるか、又は、前記ギアは、長手方向に前記ジョイント軸に対して垂直方向に移動可能な直線ギアである、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
5. 前記ギアと第１及び第２ラッチはそれぞれ、前記ギア歯と前記係合要素が前記ジョイント軸と相対的に傾斜し、各ラッチの傾斜した係合要素が傾斜したギア歯と協働するような形状とされる、ことを特徴とする請求項４に記載のジョイントロック機構。
6. 前記ラッチアセンブリは、各ラッチを支持し、各ラッチが前記ギアに近づいたり離れたりするときに各ラッチをガイドするためのラッチガイドをさらに含む、ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のジョイントロック機構。
7. 各ラッチは前記ラッチガイドと相対的に、前記ギアが回転可能な場合に前記ギアに対して実質的に半径方向に移動可能であり、又は、前記ギアが並進可能な場合に前記ギアに対して実質的に垂直方向に移動可能である、ことを特徴とする請求項６に記載のジョイントロック機構。
8. 前記アクチュエータは、前記ジョイント軸に対して実質的に垂直方向に移動可能である、ことを特徴とする請求項４～７のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
9. 前記枢動可能なカップリングは、第１枢動可能なカップリングであり、
   前記ラッチアセンブリは第３及び第４ラッチをさらに含み、前記第３及び第４ラッチの各々は、前記ギア歯とインターロックするように適合化された係合要素を含み、それぞれのラッチが前記ギアから離間されたロック解除位置と、前記係合要素と前記ギア歯がインターロックされるようにそれぞれのラッチが前記ギアと係合されたロック位置との間で移動可能である、
   前記ラッチアセンブリはまた、第２枢動可能なカップリングをさらに含み、前記２枢動可能なカップリングは、第１端、第２端、及び第１と第２端の間に配置されたピボットを含み、それによって、前記第１端が前記第３ラッチに結合され、前記第２端が前記第４ラッチに結合され、前記ピボットが前記アクチュエータに回転可能に結合され、
   前記アクチュエータが前記退避位置にあるとき、すべてのラッチは前記ロック解除位置にある、
   前記退避位置から前記展開位置への前記アクチュエータの移動により、前記第１、第２、第３及び第４ラッチのうちの１つはロック位置に移動するが、それ以外のラッチは移動しない、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
10. 各枢動可能なカップリングは、補助カップリングを介して前記アクチュエータに回転可能に結合され、前記補助カップリングは、第１端、第２端、及び前記第１と第２端の間に配置されたピボットを含み、前記第１枢動可能なカップリングは、前記補助カップリングの前記第１端に回転可能に結合され、前記第２枢動可能なカップリングは、前記補助カップリングの前記第２端に回転可能に結合され、前記ピボットは、前記アクチュエータに回転可能に結合される、ことを特徴とする請求項９に記載のジョイントロック機構。
11. 前記ギアは、前記第１及び第２ラッチが係合可能な第１部分と、前記第３及び第４ラッチが係合可能な第２部分と、を含み、
    前記第１部分は、第１の複数のギア歯を含み、
    前記第２部分は、前記第１の複数のギア歯からオフセットされた第２の複数のギア歯を含む、ことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のジョイントロック機構。
12. 前記退避位置と前記展開位置との間で前記アクチュエータの移動を駆動するための駆動モジュールをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
13. 前記駆動モジュールはモーターを含む、ことを特徴とする請求項１２に記載のジョイントロック機構。
14. 前記アクチュエータが前記退避位置又は前記展開位置に位置するときに感知するように適合化されたアクチュエータセンサーをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
15. 前記ラッチアセンブリと相対的な前記ギアの位置を測定するように適合化されたジョイントセンサーをさらに含む、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のジョイントロック機構。
16. ロック可能なジョイントアセンブリであって、請求項１から１５のいずれか一項に記載のジョイントロック機構と、第１リムと、前記第１リムに移動可能に取り付け可能な第２リムと、を含み、
    前記ラッチアセンブリは、前記第１リムに装着され、
    前記ギアは、前記第２リムに装着され、
    前記ラッチの１つが前記ギアと係合するとき、前記第２リムは、前記第１リムと相対的な位置にロックされる、ことを特徴とするロック可能なジョイントアセンブリ。