JP4967007B2 - 導管反力を介した腱張力の感知 - Google Patents

Description

連邦政府により後援された研究又は開発に関する陳述
ここに記述された発明は、米国政府に対して、又はそのために実施料を支払うことなく、米国政府の（つまり非商業的）目的のために、米国政府により、又はそのために製造され、使用される。

本発明は、概して、腱に通る導管にかかる導管反力を使用して腱にかかる張力を測定するための腱張力センサーに関し、特に、センサーが、腱が通る導管の端に搭載され、そのセンサーが導管にかかる導管反力を測定するようなロボットの手内の腱にかかる張力を測定するための腱張力センサーに関する。

各種の機能を実行する器用なロボットシステムというのは当該技術分野では知られている。器用なロボットシステムは、とりわけ、物や、特定の応用のための部品を掴むように動作する指と関連の関節を伴ったロボットの手を有するロボットの腕を備えている。１つの器用なロボットシステムの設計においては、指を操作するために腱が採用されており、それらの腱は、指の関節に接続されている。指を動かすために腱を操作するアクチュエーターは、典型的には、ロボットの腕の前腕領域内に置かれている。腱は、アクチュエーターから指関節に延びて、そこに取り付けられている。とりわけ、指の単一関節を操作するには２本の腱が必要である。つまり、一方の腱は指を閉じるためのものであり、他方の腱は指を開くためのものである。

腱は、しばしば、アクチュエーターと関節の間に生じる構成変更から関節動作を隔離する導管に通される。導管は、腱の力に抵抗する役割を果たす反力をその支持構造で受けている。これにより、各アクチュエーター関節力が、関節からのトルクに応じて上流の各関節を妨害することが抑制されている。更に、導管は、腱の長さを一定に維持する。従って、ロボットの腕の手首が動いたとしても、導管は、腱の長さを一定に保ち、それにより指は動かない。

ロボットの指の力の制御に関するループを閉じたものとするために、腱張力に対してはフィードバックが必要である。腱張力を直接測定することは挑戦的なことであることが分かっている。主要摩擦力の下流位置を示す等のいくつかの因子がこの挑戦に貢献している。しかし、そのような位置において、下流のロボットアセンブリ、特にロボットの掌、での空間は厳しく制限されている。更に、腱は固定されていない。

ロボットの腱における張力を測定するための１つの知られた技法においては、腱の引張り変形を測定するためのひずみゲージセンサーが採用されている。しかしながら、ロボットの応用において生ずる引張り力の範囲は非常に小さいので、ひずみゲージセンサーは、正確な測定値を呈するに十分な感度を有しない。また、ひずみゲージセンサーは、腱の変形を測定するのではなく、腱に曲げを導入するひずみ素子を採用しているので、腱張力がより大きくなれば、その素子におけるひずみもより大きくなる。しかしながら、とりわけ、そのようなセンサーのための十分な空間がない。

当該技術分野において、張力を測定するためのロードセルを使用することも知られている。しかしながら、商業的に利用できるロードセルは、ロボットの応用には大き過ぎるので、それらはロボットの腕の内部に十分に収容できない。

他の知られた設計においては、ひずみゲージが搭載されるＳ形状弾性素子が採用されている。腱の一端がそのＳ形状素子の一端に接続され、他の腱の一端がそのＳ形状素子の他端に接続され、そうすると腱にかかる張力によりＳ形状素子が変形する。この設計によれば、腱を切断することが必要であり、素子の直径も比較的大きくなってしまう。この設計は、また、空間の欠如という問題とともに、動く部材に取り付けられた配線が空間内にぶら下っているという問題を呈している。

本発明の教示によれば、腱が通る導管にかかる導管反力を使用して腱の張力を判定する技法が開示されている。この目的のためには、導管反力を使用する如何なる適式な腱張力センサーも採用できる。非限定的一実施形態においては、腱張力センサーは、円筒形ひずみゲージ素子と、導管の一端に搭載されている力部材とを備えている。力部材は、内腔を有する円筒形部と、プレート部とを備えており、その円筒形部は、ひずみゲージ素子の内腔に挿入される。腱は、ひずみゲージ素子及び力部材を貫通している。ひずみゲージがひずみゲージ素子に搭載されており、腱にかかる張力によりひずみゲージ素子が力部材に対して押されるときの反力を測定する。

本発明の更なる特徴は、添付図面を組み合わせることにより、以下の詳細な説明及び付属の請求の範囲から、明らかになるであろう。

図１は、ロボットの手と手首の斜視図であり、ロボットの手の指を操作する導管に通された腱を示している。 図２は、腱の自由物体図である。 図３は、腱が貫いている導管の自由物体図である。 図４は、導管に貫いている腱にかかる張力に応じて導管にかかる力の平面図である。 図５は、ケーブルに搭載された腱張力センサーの斜視図である。 図６は、図５に示されたセンサーに関連したひずみゲージ素子の斜視図である。 図７は、腱張力センサーのための他のひずみゲージ素子の斜視図である。

腱が通された導管にかかる反力を測定する、ロボットの腕のための腱張力センサーを意図した本発明の実施形態についての以下の議論は、本質的に単なる例示であり、本発明又はその応用もしくは使用を制限しようとするものではない。例えば、本発明には、ロボットの腕内の腱にかかる張力を測定するという応用がある。しかしながら、当業者であれば理解できるように、腱張力センサーは、他にも応用できる。

図１は、旋回関節１６により互いに旋回可能なロボットの手１２及びロボットの手首１４を含むロボットの腕１０の一部の斜視図である。ロボットの手１２は、ロボットの指１８及びロボットの掌２０を有している。ロボットの指１８は、当該分野でよく理解できるように、ロボットの手１２がある構成物を掴めるように操作可能な複数の関節２２を有している。腱２４は、関節２２に結合され、腱２４を動かして関節２２を閉じたり開いたりする、例えばモータのような適当なアクチュエーター（図示せず）により操作される。各腱２４は、示されているように、手首１４及び掌２４を通して延びている上述のようなタイプの導管２６を貫いて延びている。かかる構成のロボットの腕の動作は、当業者にはよく理解できる。

図２は、ケーブル３０の自由物体図であり、図３は、導管３２の自由物体図であり、それぞれ腱２４と導管２６を意図して示されている。これらの自由物体図は、導管３２の端部の局所導管反力Ｐ_ｉは、腱３０上の対応する局所腱張力Ｔ_ｉを方向及び大きさの双方において正確に予測する。この近似は、張力負荷が増すと、正確性が増す。従って、これらの図が示していることや、本発明が提案していることは、腱２４にかかる張力に応じた導管反力Ｐ_ｉが、ロボットの腕１０内の腱張力を測定する技法として使用できる、ということである。

図４は、導管４４に通された腱４２を含む力図４０を示しており、上述の導管反力を描いている。特に、ロボットの関節を動かすような腱４２の操作の結果として腱４２にかかる引張り力により、プレート４６上の導管４４の一端部分に反力が生じる。

本発明は、腱が貫いている導管にかかる導管反力を使用して腱の張力を判定する技法を提案している。この目的のためには、導管反力を使用する如何なる適式な腱張力センサーも採用できる。

図５は、１つの適した非限定的実施形態としての、上で議論した導管反力を使用して、導管に通された腱５２にかかる張力を測定する腱張力センサー５０の斜視図である。張力センサー５０は、導管５４の一端に通された、又は搭載された円筒形力片５６を含んでいる。力片５６は、円筒形部５８及び力プレート６０を含んでいる。内腔６４を有する円筒形ひずみゲージ素子６２が、円筒形部５８を内腔６４内に摺動することにより、力片５６に搭載されている。図６は、センサー５０から分離されたひずみゲージ素子６２の斜視図である。ひずみゲージ素子６２は、円筒形本体部材６６の側面を刻みとって得られた４つの対称スカロップ部６８を有する円筒形本体部６６を備えている。一対のひずみゲージ７０及び７２が、スカロップ部６８の一つに位置付けされており、ひずみゲージ７０は、長手方向のひずみを測定し、ひずみゲージ７２は、横断方向のひずみを測定する。従って、腱５２にかかる張力が、力片５６をひずみゲージ素子６２内に引っ張り、それにより、ひずみゲージ７０及び７２により測定される導管反力に応じてひずみゲージ素子が縮む。ひずみゲージ７０及び７２は、その張力を示す電気信号を配線（図示せず）上に送る。上で議論のように、導管反力は、腱５２の張力を正確に予測したものである。

図７は、他の実施形態による、ひずみゲージ素子６２の代わりのひずみゲージ素子８０の斜視図である。ひずみゲージ素子８０は、上述のように素子５６を受け入れる内腔８２を有している。ひずみゲージ素子８０は、また、内腔８２と連通する対向切欠き部８６及び８８を有する円筒形本体部材８４を備えている。切欠き部８６及び８８は、対向する柱９０及び９２を画定している。ひずみゲージ９４及び９６が、柱９０の各対向面に搭載されている。

腱５２にかかる張力により、軸方向の負荷が与えられ、その負荷は、偏心柱９０を介して曲げモーメントに変換される。その曲げモーメントは、一面を圧縮し、一面を拡張させる。ひずみゲージ９４及び９６は、その圧縮力と伸長力を測定する。これにより信号強度が２倍になり、特別な無アクセスゲージなしに温度補償が行える。両搭載面は、素子８０により提供される円筒形包絡線の内側にあり、それによりゲージ９４及び９６を掌２０の物理的接触から保護している。

以上の議論は、本発明の単なる例示の実施形態を開示し記述するものである。当業者であれば、かかる議論及び添付の図面及び請求の範囲から、各種の変更、修正及び変形態様が、以下の請求の範囲に規定されたような発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形成できることが認識できるであろう。

Claims (20)

1. 導管を貫いてその一端から出るように延びている腱にかかる張力を測定するためのセンサーであって、
   前記導管の前記一端に搭載され、前記腱が貫いて延びている内腔を有する円筒形部と、プレート部とを含む力素子と、
   内腔を有する円筒形本体を含むひずみゲージ素子と、
   を備え、
   前記力素子の前記円筒形部は、前記ひずみゲージ素子の前記円筒形本体の前記内腔に挿入され、前記腱は、前記円筒形本体の前記内腔をも貫いて延び、前記ひずみゲージ素子は、搭載される少なくとも１つのひずみゲージを有し、当該少なくとも１つのひずみゲージは、前記腱にかかる張力に応じて前記プレート部を押す前記ひずみゲージ素子により生じた、前記導管の前記一端における導管反力を測定することを特徴とするセンサー。
2. 前記ひずみゲージ素子は、対向する柱を画定する、前記円筒形本体の切欠き部を備え、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
3. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方の対向面に搭載された２つのひずみゲージであり、前記導管反力による前記ひずみゲージ素子にかかる曲げの動きに応じて、それらのひずみゲージの一方は圧縮を測定し、他方のひずみゲージは伸長を測定することを特徴とする請求項２に記載のセンサー。
4. 前記ひずみゲージ素子は、前記円筒形本体に複数の平坦面を有し、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記円筒形本体の前記平坦面の一面に搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
5. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、平坦面に搭載され、前記ひずみゲージ素子の各対向方向のひずみを測定するように反対に向けられた２つのひずみゲージであることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
6. 前記腱は、ロボットの手において、ロボットの指の関節を動かす腱であることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
7. ロボットの手における導管を貫いてその一端から出て前記ロボットの手の指に入るように延びている腱にかかる張力を測定するためのセンサーであって、
   前記導管の前記一端に搭載され、前記腱が貫いて延びる力素子と、
   前記力素子に搭載されたひずみゲージ素子と、
   を備え、
   前記腱は、前記ひずみゲージ素子を貫いて延び、前記ひずみゲージ素子は、少なくとも１つのひずみゲージを搭載し、当該少なくとも１つのひずみゲージは、前記腱にかかる張力に応じて前記力素子を押す前記ひずみゲージ素子により生じた、前記導管の前記一端における導管反力を測定することを特徴とするセンサー。
8. 前記力素子は、円筒形部及びプレート部を備え、前記円筒形部は、前記腱が貫いて延びる内腔を有することを特徴とする請求項７に記載のセンサー。
9. 前記ひずみゲージ素子は、前記腱が貫いて延びる内腔を有する円筒形本体を備えることを特徴とする請求項７に記載のセンサー。
10. 前記ひずみゲージ素子は、対向する柱を画定する、前記円筒形本体の切欠き部を備え、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方に搭載されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサー。
11. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方の対向面に搭載された２つのひずみゲージであり、前記導管反力による前記ひずみゲージ素子にかかる曲げの動きに応じて、それらのひずみゲージの一方は圧縮を測定し、他方のひずみゲージは伸長を測定することを特徴とする請求項１０に記載のセンサー。
12. 前記ひずみゲージ素子は、前記円筒形本体に複数の平坦面を有し、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記円筒形本体の前記平坦面の一面に搭載されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサー。
13. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、平坦面に搭載され、前記ひずみゲージ素子の各対向方向のひずみを測定するように反対に向けられた２つのひずみゲージであることを特徴とする請求項１２に記載のセンサー。
14. 導管を貫いてその一端から出るように延びている腱にかかる張力を測定するためのセンサーであって、
    前記導管の前記一端に搭載され、前記腱にかかる張力に応じた前記導管の前記一端における導管反力に感応する力素子を備え、前記導管反力を測定することを特徴とするセンサー。
15. 前記力素子に搭載される一方で、少なくとも１つのひずみゲージを搭載するひずみゲージ素子を更に備え、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記腱にかかる張力に応じて前記力素子を押す前記ひずみゲージ素子により生じた、前記導管の前記一端における前記導管反力を測定することを特徴とする請求項１４に記載のセンサー。
16. 前記力素子は、円筒形部及びプレート部を備え、前記円筒形部は、内腔を有し、前記腱は、前記円筒形部の前記内腔を貫いて延びることを特徴とする請求項１５に記載のセンサー。
17. 前記ひずみゲージ素子は、内腔を有する円筒形本体を含み、前記力素子の前記円筒形部は、前記ひずみゲージ素子の前記円筒形本体の前記内腔に挿入され、前記腱は、前記円筒形本体の前記内腔をも貫いて延びていることを特徴とする請求項１６に記載のセンサー。
18. 前記ひずみゲージ素子は、対向する柱を画定する、前記円筒形本体の切欠き部を備え、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方に搭載されていることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。
19. 前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記対向する柱の一方の対向面に搭載された２つのひずみゲージであり、前記導管反力による前記ひずみゲージ素子にかかる曲げの動きに応じて、それらのひずみゲージの一方は圧縮を測定し、他方のひずみゲージは伸長を測定することを特徴とする請求項１８に記載のセンサー。
20. 前記ひずみゲージ素子は、前記円筒形本体に複数の平坦面を有し、前記少なくとも１つのひずみゲージは、前記円筒形本体の前記平坦面の一面に搭載されていることを特徴とする請求項１７に記載のセンサー。

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