ロボット駆動テンドンに張力を付与するためのシステムおよび方法
【課題】ワイア駆動において、高張力を少ない電力で実現すること。
【解決手段】テンドン張力付与システムは、近位端および遠位端を備えるテンドンと、アクチュエータと、モーターコントローラとを含む。アクチュエータは、ドライブスクリューおよびモーターを含むことができ、また、テンドンの近位端に連結され、電流に応答してテンドンに張力を付与するように構成される。モーターコントローラは、アクチュエータに電気的に連結され、テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさを備える電流をアクチュエータに提供するように構成される。また、モーターコントローラは、ストール張力の達成に続いてアクチュエータにパルス電流を提供するように構成される。パルス電流の大きさは、第１の大きさよりも大きい。モーターコントローラはさらに、パルス電流の終了に続いて、モーターを安定状態保持電流に戻すように構成される。
【解決手段】テンドン張力付与システムは、近位端および遠位端を備えるテンドンと、アクチュエータと、モーターコントローラとを含む。アクチュエータは、ドライブスクリューおよびモーターを含むことができ、また、テンドンの近位端に連結され、電流に応答してテンドンに張力を付与するように構成される。モーターコントローラは、アクチュエータに電気的に連結され、テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさを備える電流をアクチュエータに提供するように構成される。また、モーターコントローラは、ストール張力の達成に続いてアクチュエータにパルス電流を提供するように構成される。パルス電流の大きさは、第１の大きさよりも大きい。モーターコントローラはさらに、パルス電流の終了に続いて、モーターを安定状態保持電流に戻すように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、NASA Space Act Agreement Number SAA-AT-07-003による政府の支援によりなされた。本稿で説明される発明は、米国政府により、または米国政府（すなわち非商業的）の目的のために、実施料の支払いなく製造および使用することができることがある。
【０００２】
[0001]本発明は、一般に、ロボット駆動されるテンドン上の張力を維持するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0002]ロボットは、一連のリンクを使用して物体を操作することができる自動化された装置である。リンクは、１つ以上のアクチュエータ駆動のロボットジョイントにより相互接続される。典型的なロボット内の各ジョイントは、少なくとも１つの独立制御変数、または自由度を備える。エンドエフェクタは、作業ツールを把持するなどのタスクをハンドで行うために使用される特定のマニピュレータである。それゆえ、様々なロボットマニピュレータの正確な運動制御は、必要な運動性、器用さ、および作業課題に関連する機能性を達成するのを助ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0003]器用なロボットは、特に人間のために設計された装置またはシステム、すなわち適切な操作に人間のようなレベルの器用さが必要とされる装置、に直接的な相互作用が必要とされる場合に用いられることがある。ロボットの運動を人間の動作に近似するようにプログラムすることができるので、器用なロボットの使用は、人間のオペレータとの直接的な相互作用が必要とされる場合にも好まれる。そのようなロボットは、テンドンを用いて遠隔的に駆動できる複数のフィンガを含むことができ、ロボットの全体のサイズおよび重量を軽減する。そのようなテンドンは、常に較正された張力レベル内に緊張状態を維持する必要があるが、フィンガを駆動するために、テンドンはより高い張力レベルに移行しなければならない。たとえば、フィンガを用いて把持力を維持するために、テンドンは、弛緩するように命令されるまで、より高い張力レベルを維持しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]テンドン張力付与システムは、近位端および遠位端を備えるテンドンと、アクチュエータと、モーターコントローラと、を含む。アクチュエータは、ドライブスクリューおよびモーターを含むことができ、また、テンドンの近位端に連結することができ、電流に応答してテンドンに張力を付与するように構成される。
【０００６】
[0005]モーターコントローラは電気的にアクチュエータに連結することができ、また、テンドンを通してストール張力が達成されるまで、第１の大きさの電流をアクチュエータに提供するように構成することができる。コントローラは、ストールに続いてアクチュエータにパルス電流を提供することができ、このパルス電流の大きさは第１の大きさよりも大いく、その後、パルス電流の終結に続いて、モーターを安定状態保持電流に戻す。一実施形態において、モーターコントローラは、アクチュエータにパルス電流が提供される前の時間期間において、テンドンに維持される張力がストール張力に維持されることを可能にするように構成することができる。
【０００７】
[0006]アクチュエータに提供される保持電流は、システムの最大安定状態電流レベルよりも小さくすることができ、パルス電流の大きさは、システムの最大瞬間電流レベルよりも小さくすることができる。追加的に、アクチュエータに提供されるパルス電流は、テンドンを通して提供される張力を増加させて張力レベルを増幅させ、増幅された張力レベルはストール張力よりも上である。アクチュエータは、パルス電流の結果に続いて、テンドンを通して増幅された張力レベルを維持するように構成することができる。
【０００８】
[0007]一構成において、テンドンの遠位端は、器用なロボットのフィンガに連結することができる。その場合、アクチュエータはフィンガアクチュエータとすることができる。追加的に、アクチュエータのドライブスクリューは、ボールスクリューを含むことができ、これは、ボールスクリューを中心に配置され、また、テンドンに連結されるボールナットを備える。アクチュエータは、動作中、常に少なくともテンドン上の最小張力を維持するように構成することができ、最小張力はストール張力よりも小さい。
【０００９】
[0008]テンドンに張力を付与するためにアクチュエータを制御する方法は、テンドンおよびアクチュエータを提供することを含み、アクチュエータは、電流に応答してテンドンを通じて張力を付与するように構成される。テンドンは近位端および遠位端を備えることができ、テンドンの近位端はアクチュエータに連結される。本方法はさらに、テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさの初期電流によりアクチュエータを駆動することを含み、また、ストールに続いて第１の大きさよりも大きなパルス電流をアクチュエータに伝達し、パルス電流の結果に続いて、モーターに伝達される電流レベルを安定状態を保持する大きさに戻すことを含む。
【００１０】
[0009]本発明の上述の特徴および利点、また他の特徴および利点は、添付図面とともに本発明を実施する形態の以下の詳細な説明から容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書で説明されるように駆動することができるテンドン駆動フィンガを備えるロボットを備えるロボットシステムを示す概略図である。
【図２】図１に示されるロボットの下アームアセンブリの概略斜視図である、アームアセンブリは複数のテンドン駆動ロボットフィンガを備える状態を示す図である。
【図３】器用なロボットフィンガを制御するのに使用するテンドンおよびアクチュエータのアセンブリの概略斜視図である。
【図４】図３に示される、テンドンおよびアクチュエータアセンブリの斜視部分断面図である。
【図５】テンドンアクチュエータに提供されるモーター電流の概略グラフであり、把持ルーチンの間にわたる対応するテンドン張力を共に示すグラフである。
【図６】ロボット式に駆動されるテンドンに張力を付与するための方法のフローダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0016]図面を参照し、いくつかの図面を通じて同様の参照符号は同一または類似の要素を示す。図１において、器用なロボット１１およびコントローラ１２を含むロボットシステム１０が示される。ロボット１１は、様々なマニピュレータを含むことができ、これは、複数のテンドン駆動フィンガ１４を含む。コントローラ１２は、プロセッサおよび／または関連するハードウェア装置として実施化することができ、または、代替的に、単一のまたは分散ハードウェア装置内にネストされたソフトウェアベースの制御ループとして実施化することができ、１つまたはそれ以上のプロセッサにより自動的に実行される。さらに、コントローラ１２は、１つ以上の制御ルーチンを実行するコントロールシステム２５を含むことができる。
【００１３】
[0017] 物体３０を把持する場合などに、器用なロボット１１のフィンガ１４を操作するために、コントローラ１２は、図３に概略的に示されるように、１つ以上のテンドン５０を通して付与される張力を変化させるように動作することができる。制御システム２５は、たとえば、非限定的に、テンドン内に維持される張力を調節するために、力ベース制御および／または位置ベース制御を採用することができる。そのような制御は、さらに、制御性を向上させるために、閉ループの力および／または位置フィードバックを含むことができる。制御システム２５内で、適用される特定の制御法則、すなわち、力または位置による制御法則は、与えられたフィンガ１４のために利用可能な張力センサの数に応じて選択することができる。
【００１４】
[0018]一実施形態において、図１に示されるロボット１１は、人間のような外観を備えるように構成することができ、また、与えられた作業課題を実行するのに必要な程度に人間のようなレベルの器用さを備えるように構成することができる。人間型ロボットおよび他の器用なロボットは、特に人間が使用するように設計された装置またはシステムと直接的な相互作用が必要とされる場面において使用することができ、たとえば、物体３０を適切に操作するのに人間のようなレベルの器用さが必要とされる装置などである。図１に示されるロボット１１のような人間型ロボットの使用は、ロボットの運動を人間の運動に緊密に近似するようにプログラムすることができるので、ロボットと人間のオペレータとの間の直接的な相互作用が必要とされる場合に好ましい。ロボット１１のフィンガ１４は、たとえば、ホストマシン、サーバー、またはそのような装置のネットワークのような、コントローラ１２のハードウェア要素により直接的に制御することができ、ロボットが物体３０に対して行う任意の操作または作業課題の実行の間に制御信号５５のセットを介して制御される。
【００１５】
[0019]図１に示されるロボット１１は、複数の自由度（ＤＯＦ）で自動化された作業を実行するようにプログラムでき、また、他の相互に作用する作業を実行するようにプログラムでき、または、たとえば、クランプ、照明、リレーなどの他の統合されたシステムコンポーネントを制御するようにプログラムすることができる。可能な一実施形態によれば、ロボット１１は、複数の独立する、および相互依存する、移動可能なアクチュエータ駆動のロボットジョイントを備えることができ、これらのいくつかは運動範囲が重なる。様々な指関節を分離および移動させるフィンガ１４の様々なジョイント２３に加えて、ロボット１１のロボットジョイントは肩ジョイントを含むことができ、この位置は、全体として図１に矢印１３で示され、また、ロボットジョイントは、肘ジョイント（矢印１５）、手首ジョイント（矢印１７）、首ジョイント（矢印１９）、および腰ジョイント（矢印２１）を含むことができる。
【００１６】
[0020]図１を参照すると、各ロボットジョイントは、１つ以上のＤＯＦを備えることができる。たとえば、肩ジョイント（矢印１４）および肘ジョイント（矢印１５）のような従順なジョイントは、ピッチおよびロールの形態で少なくとも２のＤＯＦを備えることができる。同様に、首ジョイント（矢印１９）は少なくとも３のＤＯＦを備えることができ、腰ジョイント（矢印２１）および手首ジョイント（矢印１７）は、１以上のＤＯＦを備えることができる。作業の複雑さに依存して、ロボット１１は、４２以上のＤＯＦで運動することができる。各ロボットジョイントは、たとえば、ジョイントモーター、リニアアクチュエータ、ロータリーアクチュエータ等の１つ以上のアクチュエータを含み、また、これにより内部的に駆動される。
【００１７】
[0021]一実施形態において、ロボット１１は図２に示される下アームアセンブリ７５を含むことができる。他の実施形態において、ロボット１１は、ヘッド１６、トルソ１８、腰２０、アーム２２、ハンド２４、フィンガ１４、および親指２６のような追加の人間のようなコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネント内またはそれらの間に上述の様々なジョイントが備えられる。人間のように、両方のアーム２２および他のコンポーネントは、ある程度重なる運動範囲を備えることができる。また、ロボット１１は、ロボットの具体的な用途または意図している使用に応じて、レッグ、トレド、または他の移動可能なまたは固定のベースのような作業に適した固定部またはベース（図示せず）を備えることができる。電源２８は、ロボット１１に一体的に搭載することができ、たとえば、トルソ１８の背後に保持または装着される充電式バッテリパックまたは他の好適なエネルギー供給部であり、または、テザリングケーブルを通して遠隔的に取り付けられ、様々なジョイントに運動のための十分な電気エネルギーを供給する電源を備えることができる。
【００１８】
[0022]コントローラ１２は、上述したように、サーバーまたはホストマシン、すなわち、１つ以上のディジタルコンピュータまたはデータ処理装置として実施化することができ、それぞれは１つ以上のマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）回路、ディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）回路、任意の必要な入出力（Ｉ／Ｏ）回路および装置、および信号調整およびバッファ機器を備える。
【００１９】
[0023] 単純さおよび明確さのために図１において単一の装置として示されているが、制御システム１２の様々な要素は、ロボット１１を最適に制御するのに必要な数の多くの異なるハードウェアおよびソフトウェアコンポーネントとして分散させることができる。コントローラ１２またはコントローラ１２で容易にアクセス可能な個別の制御ルーチン／システム２５は、ＲＯＭまたは他の好適な実体的なメモリ位置および／またはメモリ装置内に記憶させることができ、制御システムの関連するハードウェハコンポーネントにより自動的に実行され、それぞれの制御機能を提供する。
【００２０】
[0024]図２を参照すると、下アームアセンブリ７５は、図１のロボット１１の部品として使用することができる。各下アームアセンブリ７５は、複数のテンドン駆動フィンガ１４およびテンドン駆動親指２６を備えるハンド２４を含むことができる。「テンドン駆動」との語は、図３を用いて以下で説明する。下アームアセンブリ７５は、複数のフィンガアクチュエータ４０を含むことができ、各々は、それぞれ、フィンガ１４または親指２６内の１つ以上のテンドン５０（図３参照）を選択的に引っ張るおよび解放するように構成することができる。下アームアセンブリ７５はさらに、手首ジョイント（矢印１７）を動かすための複数の手首アクチュエータ３８を含む。フィンガアクチュエータ４０および／または手首アクチュエータ３８のためのプリント回路板アセンブリ（ＰＣＢＡ）３９は、パッキングの効率のために、図示のような下アームアセンブリ７５上またはその中に位置決めすることができる。下アームアセンブリ７５は、ロードセル３２に取り付けることができ、これは、下アームアセンブリを図１のロボット１１のアーム２２の残りに接続するのに用いられる。
【００２１】
[0025]複数のフィンガアクチュエータ４０は、各フィンガ１４および親指２６に対応するようにすることができる。一般に、１つのフィンガアクチュエータ４０は、各利用可能なＤＯＦプラス１の追加のフィンガアクチュエータを使用することができる。それゆえ、３のＤＯＦを備える各フィンガ１４は、４つのフィンガアクチュエータ４０を必要とし、２のＤＯＦを備える各フィンガは、３つのフィンガアクチュエータを必要とする、等々である。
【００２２】
[0026]図３を参照すると、フィンガアクチュエータ４０の可能な実施形態の概略斜視図が提供されている。図示のように、フィンガアクチュエータ４０は、近位端５１および遠位端５３を備えるテンドン５０を備えることができ、フィンガアクチュエータ４０は、テンドン５０の近位端５１に連結することができる。追加的に、テンドン終端部５２は、テンドン５０の遠位端５３に連結することができ、これは、テンドン５０を器用なロボットのフィンガ１４に連結させるように動作することができる。フィンガアクチュエータ４０は、モーター４４、ギアドライブ４６、およびリニアアクチュエータ４８を含むことができ、これは、電流に応答して、テンドン５０を通して張力を付与するように協働することができる。テンドン５０は、フィンガ１４内の中心外の位置に示されており、与えられたフィンガ内により多くのテンドンを配置することができる。モーター４４、ギアドライブ４６、リニアアクチュエータ４８は、フィンガ１４および親指２６内に必要とされるパッケージ空間を最小化するために、下アームアセンブリ７５内に配置することができ、リニアアクチュエータ４８のようなフィンガアクチュエータ４０のより大きなコンポーネントがフィンガおよび親指に対して遠隔的にパッケージされることを可能にする。
【００２３】
[0027]テンドン５０は、保護外側導管５６内に配置されるシースまたは導管ライン５４により保護することができる。張力センサ５８は、導管５６上の圧縮力を測定し、テンドン５０上に付与される張力の大きさを決定する。テンドン５０内の張力は、図１に示されるコントローラ１２により使用され、与えられたフィンガの様々なジョイントにおいて発生したまたはそこで受けているジョイントトルクを形成し、これはモーターコントローラ９０に使用されて与えられたハンド２４のフィンガおよび親指２６の駆動を制御することができる。
【００２４】
[0028]フィンガアクチュエータ４０はテンドン５０を移動させるとき、テンドン５０は、張力センサ５８に対してスライドする。テンドン５０は、テンドン終端部５２においてフィンガ１４ないで終端する。テンドン５０の運動は、テンドン終端部５２の相対的な運動を生じさせることができ、テンドン終端部５２は、上述のように、フィンガ１４の一部に固定することができる。力は、内部的に、すなわちフィンガアクチュエータ４０の運動により、テンドン終端部５２上に付与され、または、外部的に、すなわち、図１の物体３０によりフィンガ１４に力が付与される。
【００２５】
[0029]図４は、図３に示されるもののようなフィンガアクチュエータアセンブリ４０の部分断面の斜視図である。図示のように、モーター４４は、ギアドライブ４６を駆動するように動力を与え、ギアドライブ４６は、ボールスクリュー６０の回転を生じさせることができる。ボールナット６２は、ボールスクリュー６０とのネジ付き係合部を中心に、および／またはこれを備えるように配置することができ、また、ガイドピン６４は、ボールナット６２から延び、ボールスクリュー６０の運動に応じてボールナット６２の回転を防止することができる。他の実施形態において、他のリニアアクチュエータ技術を採用することもでき、たとえば、ローラースクリューまたはバックドライブ可能なリードスクリューなどを採用することができる。一実施形態において、ガイドピン６４は、リニアアクチュエータ４８のハウジング６８により画定されるスロット６６の少なくとも一部を通って延びることができる。ガイドピン６４とリニアアクチュエータハウジング６８との間の相互作用は、ガイドピン６４そしてボールナット６２の回転運動を抑止することができる。それゆえ、ギアドライブ４６がボールスクリュー６０を回転させるとき、ボールナット６２は、ボールスクリュー６０に沿って軸方向に並進することができる。モーター４４、ギアドライブ４６、およびボールスクリュー６０は、フィンガアクチュエータ軸Ｆを画定し、これに沿ってボールナット６２が移動するように構成される。
【００２６】
[0030]ギアドライブ４６は、連結部７０を介してボールスクリュー６０に接続され、これにより、連結部７０がギアドライブ４６のトルクを伝達することを可能にし、一方で、軸方向の負荷の伝達を最小化する。追加的に、ベアリング７２を連結部７０とボールスクリュー６０との間に配置することができ、アクチュエータハウジング６８とボールスクリュー６０との間の摩擦を低減し、また、テンドン５０から伝達された軸方向の負荷をボールスクリューへ伝達する。
【００２７】
[0031]位置センサ７４は、フィンガアクチュエータハウジング６８に搭載することができ、ボールナット６２のボールスクリュー６０に沿う軸方向の位置を検出する。図示のように、位置センサ７４は、ボールナット６２に取り付けられた磁石７６を備えるホール効果センサを含むことができる。代替的に、位置センサ７４はリニアエンコーを含むことができ、あるいは他の連続的なまたは離散的な形態の位置検出を採用することができる。
【００２８】
[0032]テンドン５０は、ボールナット６２の運動がテンドン５０の対応する運動を生じさせるように、適当な方法でボールナット６２に取り付けることができる。テンドン５０の運動は、テンドンが配置されているフィンガの側に応じて、フィンガ１４をまっすぐにし、または曲げる。反対の、まっすぐにする動作または曲げ動作を実行するために、追加的なフィンガアクチュエータ４０を用いることができる。それゆえ、（図３に示される）各フィンガ１４は、各自由度のために少なくとも１つのフィンガアクチュエータ４０を備えることができる。一般に、各フィンガ１４は、自由度につき１つのアクチュエータにもう一つ追加のアクチュエータを備えることができる。たとえば、３ＤＯＦのフィンガは４つのアクチュエータを備え、４ＤＯＦのフィンガは５つのアクチュエータを備えることができる。
【００２９】
[0033]各フィンガアクチュエータ４０は、モーター４０に電気的に連結されるそれぞれのモーターコントローラ９０により制御することができる。複数のモーターコントローラ９０は、より大きなコントローラ（たとえば図１に示されるコントローラ１２）内に含まれるようにすることができ、または、互いに別個にすることもできる。モーターコントローラ９０は、モーター４４に直接的に動作電流９１を提供するように構成することができ、あるいは、単に、モーターを通って流れる電流を制御する高レベル命令を提供するようにすることもできる。たとえば、一実施形態において、モーターコントローラ９０は、モーターに０から２５５までのディジタル値を提供するようにすることができ、これは、モーターで電流またはトルクに変換される。
【００３０】
[0034]動作中、各テンドン５０により最小の張力が維持されるようにすることができ、および／または各フィンガアクチュエータにより常に提供されるようにすることができる。各テンドン５０は、望ましくは、ただ引っ張るように構成されるので、最小の張力は、フィンガアクチュエータ４０が、テンドン５０にいかなる緩みも発生しない「準備」状態に維持されるようにすることを可能にする。ボールナット６２の、軸Ｆに沿う遠位方向８０の運動は、テンドン５０に付与される張力を弛緩し、逆に、ボールナット６２の近位方向への運動は、テンドン５０に付与される張力を大きくすることができる。ナット６２が軸Ｆに沿って移動するスピードを大きくするために、そして、フィンガアクチュエータ４０の応答スピードを速くするために、フィンガアクチュエータ４０は、ギアドライブ４６における相対的に低いギア比を備えるようにすることができ、および／またはボールスクリュー６０内における相対的に低いギア比を備えるようにすることができる。一実施形態において、たとえば、非限定的に、ギア比は約１４：１とすることができる。しかし、他のギア比も同様に使用することができる。しかし、アクチュエータ４０の低トルク減少とのトレードオフは、テンドン５０を通して維持される張力がボールスクリュー６０に沿うボールナットをバックドライブする可能性を増加させる。これは、本来的にバックドライブがより困難なシステムダイナミクスを備える高いギア比のシステムとは対照的である。テンドン５０に大きな張力を維持することができるシステムを提供し、ボールナット６２のボールスクリュー６０に沿うバックドライブの可能性を減少させるために、モーター４４は、ギアドライブ４６およびボールスクリュー６０のシステムダイナミクスを増加させるように構成することができる。
【００３１】
[0035]図５は、電流プロット１００および張力プロット１０２を示し、これは、把持ルーチンの継続時間にわたるフィンガアクチュエータ４０のものである（すなわち、電流プロット１００は、モーター４４に提供される電流１０１を時間１０４の関数として示し、張力プロット１０２は、テンドン５０に提供される張力１０３を時間の関数として示している。）。図示のように、把持手順は、たとえば、６つの異なる過程（すなわち、過程１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６）に分割することができ、これらはそれぞれ、手順内でのアクチュエータ４０および／またはコントローラ９０の異なる動作を示している。これらの過程は、単に例示的なものであり、本発明を限定するものではない。
【００３２】
[0036]第１過程１０６内で、フィンガアクチュエータ４０は、テンドン５０に維持される最小張力１１８となる「準備」状態に維持される。この最小張力１１８は、部分的に、モーター４４を通る最小電流により生成することができる。時間１２２において駆動命令が提供されると、電流１０１は増加し、これは、フィンガ１４が物体３０に向かって加速するようにする。フィンガ１４が移動している間、テンドン５０の張力１０３は、過程１０８で示されるように徐々に大きくなる。
【００３３】
[0037]時間１２４において、フィンガ１４は物体３０に係合し、テンドン５０の張力１０３は、安定状態レベル１２５（すなわち、ストール張力１２５）まで急速に増加する。張力１０３の増加は、張力プロット１０２の過程１１０において見られる。時間１２４において、張力１０３は、フィンガ１４上への物体３０の外部的な影響により不連続になる。物体３０のコンプライアンスに応じて、テンドン５０の張力１０３は、異なる速度で増加する。しかし、必然的に、把持される物体３０は、モーターをストールさせるのに十分な抵抗を提供し、張力をこれ以上増加させない（すなわち時間１２６）。これが生じたら、モーターコントローラ９０は、モーター４４に提供される電流１０１をより低い電流レベル１２８に減少させるように構成することができ、またこれは、安定状態保持電流１２８と言及される。一実施形態において、安定状態保持電流１２８は、最大安定状態電流レベル１２９であるか、またはそれよりもわずかに低い電流とすることができる。そのような最大レベルは、モーター４４および／またはコントローラ９０が不確定な時間期間にわたって作動的に維持できる最大の電流量を示すものとすることができる。
【００３４】
[0038]ストール張力１２５に到達したら、コントローラ９０は、過程１１４で示されるようにパルス電流１３０をモーター４４に提供し、時間１３２において開始される。パルス電流１３０は、相対的に短い期間１３４とすることができ、相対的に高い大きさ１３６を備えるようにすることができる（保持電流１２８と比較した場合）。一実施形態において、パルス電流１３０の存続期間１３４は、たとえば、非限定的に、約１０−５０ミリ秒とすることができる。追加的に、パルス電流１３０の大きさ１３６は、コントローラ９０により提供される、またはモーター４４が受け取る、可能な最大瞬間電流１３７とすることができ、またはそれよりもわずかに低い電流とすることができる。一実施形態において、図５に示されるように、システムは時間期間１１２だけストール張力１２５にある。他の実施形態において、システムは、パルス電流１３０を提供する前に、延長された時間期間にストール張力１２５を維持する必要はない。その場合、過程１１２の時間期間は、単一の瞬間に減少される。
【００３５】
[0039]パルス電流１３０は、高振幅のサージでモーター４４を強制的に駆動させることにより、テンドン５０内の張力を、低いストール張力１２５から高い張力レベル１３８まで増加させる。パルス１３０が時間１４２において保持電流１２８戻ると、張力プロット１０２の過程１１６に示されるように、テンドン５０およびフィンガアクチュエータ４０内でより高い張力レベル１３８を維持することができる。一実施形態において、高い張力を低い電流で維持する能力は、部分的に、ボールスクリュー６０および／またはギアドライブ４６の摩擦ダイナミクスによるものであり、また、部分的に、モーター４４に付与される保持電流１２８によるものである。保持電流１２８は、フィンガアクチュエータ４０の摩擦ダイナミクスを増大させ、モーター４４をバックドライブしないようにする。保持電流を低くすることにより、高い保持トルク／張力を単にモーターだけで維持することに依存する場合よりも相当な電力を抑えることができる。
【００３６】
[0040]図６は、把持ルーチンの間にロボット式に駆動されるフィンガテンドン５０に張力付与を行う方法１５０を示している。図示のように把持命令が１６０において提供されると、フィンガアクチュエータモーター４４は第１電流で駆動され、第１電流は、フィンガが物体３０に接触するように運動させる（ステップ１６２）。図５に関して上述したように、接触の際に、テンドン５０に付与される張力１０３は、モーター４４により生成される力が、物体３０の反発力とバランスするまで増加し、このときモーター４４はストールする。ストールが検出されると、「張力ブースト」命令がステップ１６４において提供される。張力ブースト命令により、コントローラ９０はパルス電流１３０をモーター４４に提供する。パルス電流１３０は、強制的にモーター４４がテンドン５０に、ステップ１６２において最初に平衡状態に維持されているときよりも高い張力を付与するようにする。
【００３７】
[0041]ステップ１６４におけるパルス電流１３０の伝達に続いて、モーター４４に提供される電流レベルは、ステップ１６６において到達する最初のストール電流１２８に戻る。この電流１２８は、フィンガアクチュエータ４０の摩擦ダイナミクスとともに、テンドン５０に上昇した張力（パルス電流を介して付与される）が維持されるようにする。ステップ１６８は、低い電流命令により維持される高い張力１３８のルーチンを含む。
【００３８】
[0042]本発明を実施する形態が詳細に説明されたが、当業者は、本発明を添付の特許請求の範囲で示される範囲内で本発明を実施する様々な代替設計および実施形態を認識するであろう。あらゆる方向に関する記載（たとえば、上、下、上方、下方、左、右、左方、右方、上側、下側、垂直、水平など）は、読み手による本願発明の理解を助けるために単に特定する目的において使用されており、とくに本発明の姿勢、向き、用途など限定するものではない。上述の説明または添付図面に含まれるあらゆる事項は、限定的なものではなく例示的なものであることを意図している。
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、NASA Space Act Agreement Number SAA-AT-07-003による政府の支援によりなされた。本稿で説明される発明は、米国政府により、または米国政府（すなわち非商業的）の目的のために、実施料の支払いなく製造および使用することができることがある。
【０００２】
[0001]本発明は、一般に、ロボット駆動されるテンドン上の張力を維持するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0002]ロボットは、一連のリンクを使用して物体を操作することができる自動化された装置である。リンクは、１つ以上のアクチュエータ駆動のロボットジョイントにより相互接続される。典型的なロボット内の各ジョイントは、少なくとも１つの独立制御変数、または自由度を備える。エンドエフェクタは、作業ツールを把持するなどのタスクをハンドで行うために使用される特定のマニピュレータである。それゆえ、様々なロボットマニピュレータの正確な運動制御は、必要な運動性、器用さ、および作業課題に関連する機能性を達成するのを助ける。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0003]器用なロボットは、特に人間のために設計された装置またはシステム、すなわち適切な操作に人間のようなレベルの器用さが必要とされる装置、に直接的な相互作用が必要とされる場合に用いられることがある。ロボットの運動を人間の動作に近似するようにプログラムすることができるので、器用なロボットの使用は、人間のオペレータとの直接的な相互作用が必要とされる場合にも好まれる。そのようなロボットは、テンドンを用いて遠隔的に駆動できる複数のフィンガを含むことができ、ロボットの全体のサイズおよび重量を軽減する。そのようなテンドンは、常に較正された張力レベル内に緊張状態を維持する必要があるが、フィンガを駆動するために、テンドンはより高い張力レベルに移行しなければならない。たとえば、フィンガを用いて把持力を維持するために、テンドンは、弛緩するように命令されるまで、より高い張力レベルを維持しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]テンドン張力付与システムは、近位端および遠位端を備えるテンドンと、アクチュエータと、モーターコントローラと、を含む。アクチュエータは、ドライブスクリューおよびモーターを含むことができ、また、テンドンの近位端に連結することができ、電流に応答してテンドンに張力を付与するように構成される。
【０００６】
[0005]モーターコントローラは電気的にアクチュエータに連結することができ、また、テンドンを通してストール張力が達成されるまで、第１の大きさの電流をアクチュエータに提供するように構成することができる。コントローラは、ストールに続いてアクチュエータにパルス電流を提供することができ、このパルス電流の大きさは第１の大きさよりも大いく、その後、パルス電流の終結に続いて、モーターを安定状態保持電流に戻す。一実施形態において、モーターコントローラは、アクチュエータにパルス電流が提供される前の時間期間において、テンドンに維持される張力がストール張力に維持されることを可能にするように構成することができる。
【０００７】
[0006]アクチュエータに提供される保持電流は、システムの最大安定状態電流レベルよりも小さくすることができ、パルス電流の大きさは、システムの最大瞬間電流レベルよりも小さくすることができる。追加的に、アクチュエータに提供されるパルス電流は、テンドンを通して提供される張力を増加させて張力レベルを増幅させ、増幅された張力レベルはストール張力よりも上である。アクチュエータは、パルス電流の結果に続いて、テンドンを通して増幅された張力レベルを維持するように構成することができる。
【０００８】
[0007]一構成において、テンドンの遠位端は、器用なロボットのフィンガに連結することができる。その場合、アクチュエータはフィンガアクチュエータとすることができる。追加的に、アクチュエータのドライブスクリューは、ボールスクリューを含むことができ、これは、ボールスクリューを中心に配置され、また、テンドンに連結されるボールナットを備える。アクチュエータは、動作中、常に少なくともテンドン上の最小張力を維持するように構成することができ、最小張力はストール張力よりも小さい。
【０００９】
[0008]テンドンに張力を付与するためにアクチュエータを制御する方法は、テンドンおよびアクチュエータを提供することを含み、アクチュエータは、電流に応答してテンドンを通じて張力を付与するように構成される。テンドンは近位端および遠位端を備えることができ、テンドンの近位端はアクチュエータに連結される。本方法はさらに、テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさの初期電流によりアクチュエータを駆動することを含み、また、ストールに続いて第１の大きさよりも大きなパルス電流をアクチュエータに伝達し、パルス電流の結果に続いて、モーターに伝達される電流レベルを安定状態を保持する大きさに戻すことを含む。
【００１０】
[0009]本発明の上述の特徴および利点、また他の特徴および利点は、添付図面とともに本発明を実施する形態の以下の詳細な説明から容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本明細書で説明されるように駆動することができるテンドン駆動フィンガを備えるロボットを備えるロボットシステムを示す概略図である。
【図２】図１に示されるロボットの下アームアセンブリの概略斜視図である、アームアセンブリは複数のテンドン駆動ロボットフィンガを備える状態を示す図である。
【図３】器用なロボットフィンガを制御するのに使用するテンドンおよびアクチュエータのアセンブリの概略斜視図である。
【図４】図３に示される、テンドンおよびアクチュエータアセンブリの斜視部分断面図である。
【図５】テンドンアクチュエータに提供されるモーター電流の概略グラフであり、把持ルーチンの間にわたる対応するテンドン張力を共に示すグラフである。
【図６】ロボット式に駆動されるテンドンに張力を付与するための方法のフローダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[0016]図面を参照し、いくつかの図面を通じて同様の参照符号は同一または類似の要素を示す。図１において、器用なロボット１１およびコントローラ１２を含むロボットシステム１０が示される。ロボット１１は、様々なマニピュレータを含むことができ、これは、複数のテンドン駆動フィンガ１４を含む。コントローラ１２は、プロセッサおよび／または関連するハードウェア装置として実施化することができ、または、代替的に、単一のまたは分散ハードウェア装置内にネストされたソフトウェアベースの制御ループとして実施化することができ、１つまたはそれ以上のプロセッサにより自動的に実行される。さらに、コントローラ１２は、１つ以上の制御ルーチンを実行するコントロールシステム２５を含むことができる。
【００１３】
[0017] 物体３０を把持する場合などに、器用なロボット１１のフィンガ１４を操作するために、コントローラ１２は、図３に概略的に示されるように、１つ以上のテンドン５０を通して付与される張力を変化させるように動作することができる。制御システム２５は、たとえば、非限定的に、テンドン内に維持される張力を調節するために、力ベース制御および／または位置ベース制御を採用することができる。そのような制御は、さらに、制御性を向上させるために、閉ループの力および／または位置フィードバックを含むことができる。制御システム２５内で、適用される特定の制御法則、すなわち、力または位置による制御法則は、与えられたフィンガ１４のために利用可能な張力センサの数に応じて選択することができる。
【００１４】
[0018]一実施形態において、図１に示されるロボット１１は、人間のような外観を備えるように構成することができ、また、与えられた作業課題を実行するのに必要な程度に人間のようなレベルの器用さを備えるように構成することができる。人間型ロボットおよび他の器用なロボットは、特に人間が使用するように設計された装置またはシステムと直接的な相互作用が必要とされる場面において使用することができ、たとえば、物体３０を適切に操作するのに人間のようなレベルの器用さが必要とされる装置などである。図１に示されるロボット１１のような人間型ロボットの使用は、ロボットの運動を人間の運動に緊密に近似するようにプログラムすることができるので、ロボットと人間のオペレータとの間の直接的な相互作用が必要とされる場合に好ましい。ロボット１１のフィンガ１４は、たとえば、ホストマシン、サーバー、またはそのような装置のネットワークのような、コントローラ１２のハードウェア要素により直接的に制御することができ、ロボットが物体３０に対して行う任意の操作または作業課題の実行の間に制御信号５５のセットを介して制御される。
【００１５】
[0019]図１に示されるロボット１１は、複数の自由度（ＤＯＦ）で自動化された作業を実行するようにプログラムでき、また、他の相互に作用する作業を実行するようにプログラムでき、または、たとえば、クランプ、照明、リレーなどの他の統合されたシステムコンポーネントを制御するようにプログラムすることができる。可能な一実施形態によれば、ロボット１１は、複数の独立する、および相互依存する、移動可能なアクチュエータ駆動のロボットジョイントを備えることができ、これらのいくつかは運動範囲が重なる。様々な指関節を分離および移動させるフィンガ１４の様々なジョイント２３に加えて、ロボット１１のロボットジョイントは肩ジョイントを含むことができ、この位置は、全体として図１に矢印１３で示され、また、ロボットジョイントは、肘ジョイント（矢印１５）、手首ジョイント（矢印１７）、首ジョイント（矢印１９）、および腰ジョイント（矢印２１）を含むことができる。
【００１６】
[0020]図１を参照すると、各ロボットジョイントは、１つ以上のＤＯＦを備えることができる。たとえば、肩ジョイント（矢印１４）および肘ジョイント（矢印１５）のような従順なジョイントは、ピッチおよびロールの形態で少なくとも２のＤＯＦを備えることができる。同様に、首ジョイント（矢印１９）は少なくとも３のＤＯＦを備えることができ、腰ジョイント（矢印２１）および手首ジョイント（矢印１７）は、１以上のＤＯＦを備えることができる。作業の複雑さに依存して、ロボット１１は、４２以上のＤＯＦで運動することができる。各ロボットジョイントは、たとえば、ジョイントモーター、リニアアクチュエータ、ロータリーアクチュエータ等の１つ以上のアクチュエータを含み、また、これにより内部的に駆動される。
【００１７】
[0021]一実施形態において、ロボット１１は図２に示される下アームアセンブリ７５を含むことができる。他の実施形態において、ロボット１１は、ヘッド１６、トルソ１８、腰２０、アーム２２、ハンド２４、フィンガ１４、および親指２６のような追加の人間のようなコンポーネントを含むことができ、これらのコンポーネント内またはそれらの間に上述の様々なジョイントが備えられる。人間のように、両方のアーム２２および他のコンポーネントは、ある程度重なる運動範囲を備えることができる。また、ロボット１１は、ロボットの具体的な用途または意図している使用に応じて、レッグ、トレド、または他の移動可能なまたは固定のベースのような作業に適した固定部またはベース（図示せず）を備えることができる。電源２８は、ロボット１１に一体的に搭載することができ、たとえば、トルソ１８の背後に保持または装着される充電式バッテリパックまたは他の好適なエネルギー供給部であり、または、テザリングケーブルを通して遠隔的に取り付けられ、様々なジョイントに運動のための十分な電気エネルギーを供給する電源を備えることができる。
【００１８】
[0022]コントローラ１２は、上述したように、サーバーまたはホストマシン、すなわち、１つ以上のディジタルコンピュータまたはデータ処理装置として実施化することができ、それぞれは１つ以上のマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）回路、ディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）回路、任意の必要な入出力（Ｉ／Ｏ）回路および装置、および信号調整およびバッファ機器を備える。
【００１９】
[0023] 単純さおよび明確さのために図１において単一の装置として示されているが、制御システム１２の様々な要素は、ロボット１１を最適に制御するのに必要な数の多くの異なるハードウェアおよびソフトウェアコンポーネントとして分散させることができる。コントローラ１２またはコントローラ１２で容易にアクセス可能な個別の制御ルーチン／システム２５は、ＲＯＭまたは他の好適な実体的なメモリ位置および／またはメモリ装置内に記憶させることができ、制御システムの関連するハードウェハコンポーネントにより自動的に実行され、それぞれの制御機能を提供する。
【００２０】
[0024]図２を参照すると、下アームアセンブリ７５は、図１のロボット１１の部品として使用することができる。各下アームアセンブリ７５は、複数のテンドン駆動フィンガ１４およびテンドン駆動親指２６を備えるハンド２４を含むことができる。「テンドン駆動」との語は、図３を用いて以下で説明する。下アームアセンブリ７５は、複数のフィンガアクチュエータ４０を含むことができ、各々は、それぞれ、フィンガ１４または親指２６内の１つ以上のテンドン５０（図３参照）を選択的に引っ張るおよび解放するように構成することができる。下アームアセンブリ７５はさらに、手首ジョイント（矢印１７）を動かすための複数の手首アクチュエータ３８を含む。フィンガアクチュエータ４０および／または手首アクチュエータ３８のためのプリント回路板アセンブリ（ＰＣＢＡ）３９は、パッキングの効率のために、図示のような下アームアセンブリ７５上またはその中に位置決めすることができる。下アームアセンブリ７５は、ロードセル３２に取り付けることができ、これは、下アームアセンブリを図１のロボット１１のアーム２２の残りに接続するのに用いられる。
【００２１】
[0025]複数のフィンガアクチュエータ４０は、各フィンガ１４および親指２６に対応するようにすることができる。一般に、１つのフィンガアクチュエータ４０は、各利用可能なＤＯＦプラス１の追加のフィンガアクチュエータを使用することができる。それゆえ、３のＤＯＦを備える各フィンガ１４は、４つのフィンガアクチュエータ４０を必要とし、２のＤＯＦを備える各フィンガは、３つのフィンガアクチュエータを必要とする、等々である。
【００２２】
[0026]図３を参照すると、フィンガアクチュエータ４０の可能な実施形態の概略斜視図が提供されている。図示のように、フィンガアクチュエータ４０は、近位端５１および遠位端５３を備えるテンドン５０を備えることができ、フィンガアクチュエータ４０は、テンドン５０の近位端５１に連結することができる。追加的に、テンドン終端部５２は、テンドン５０の遠位端５３に連結することができ、これは、テンドン５０を器用なロボットのフィンガ１４に連結させるように動作することができる。フィンガアクチュエータ４０は、モーター４４、ギアドライブ４６、およびリニアアクチュエータ４８を含むことができ、これは、電流に応答して、テンドン５０を通して張力を付与するように協働することができる。テンドン５０は、フィンガ１４内の中心外の位置に示されており、与えられたフィンガ内により多くのテンドンを配置することができる。モーター４４、ギアドライブ４６、リニアアクチュエータ４８は、フィンガ１４および親指２６内に必要とされるパッケージ空間を最小化するために、下アームアセンブリ７５内に配置することができ、リニアアクチュエータ４８のようなフィンガアクチュエータ４０のより大きなコンポーネントがフィンガおよび親指に対して遠隔的にパッケージされることを可能にする。
【００２３】
[0027]テンドン５０は、保護外側導管５６内に配置されるシースまたは導管ライン５４により保護することができる。張力センサ５８は、導管５６上の圧縮力を測定し、テンドン５０上に付与される張力の大きさを決定する。テンドン５０内の張力は、図１に示されるコントローラ１２により使用され、与えられたフィンガの様々なジョイントにおいて発生したまたはそこで受けているジョイントトルクを形成し、これはモーターコントローラ９０に使用されて与えられたハンド２４のフィンガおよび親指２６の駆動を制御することができる。
【００２４】
[0028]フィンガアクチュエータ４０はテンドン５０を移動させるとき、テンドン５０は、張力センサ５８に対してスライドする。テンドン５０は、テンドン終端部５２においてフィンガ１４ないで終端する。テンドン５０の運動は、テンドン終端部５２の相対的な運動を生じさせることができ、テンドン終端部５２は、上述のように、フィンガ１４の一部に固定することができる。力は、内部的に、すなわちフィンガアクチュエータ４０の運動により、テンドン終端部５２上に付与され、または、外部的に、すなわち、図１の物体３０によりフィンガ１４に力が付与される。
【００２５】
[0029]図４は、図３に示されるもののようなフィンガアクチュエータアセンブリ４０の部分断面の斜視図である。図示のように、モーター４４は、ギアドライブ４６を駆動するように動力を与え、ギアドライブ４６は、ボールスクリュー６０の回転を生じさせることができる。ボールナット６２は、ボールスクリュー６０とのネジ付き係合部を中心に、および／またはこれを備えるように配置することができ、また、ガイドピン６４は、ボールナット６２から延び、ボールスクリュー６０の運動に応じてボールナット６２の回転を防止することができる。他の実施形態において、他のリニアアクチュエータ技術を採用することもでき、たとえば、ローラースクリューまたはバックドライブ可能なリードスクリューなどを採用することができる。一実施形態において、ガイドピン６４は、リニアアクチュエータ４８のハウジング６８により画定されるスロット６６の少なくとも一部を通って延びることができる。ガイドピン６４とリニアアクチュエータハウジング６８との間の相互作用は、ガイドピン６４そしてボールナット６２の回転運動を抑止することができる。それゆえ、ギアドライブ４６がボールスクリュー６０を回転させるとき、ボールナット６２は、ボールスクリュー６０に沿って軸方向に並進することができる。モーター４４、ギアドライブ４６、およびボールスクリュー６０は、フィンガアクチュエータ軸Ｆを画定し、これに沿ってボールナット６２が移動するように構成される。
【００２６】
[0030]ギアドライブ４６は、連結部７０を介してボールスクリュー６０に接続され、これにより、連結部７０がギアドライブ４６のトルクを伝達することを可能にし、一方で、軸方向の負荷の伝達を最小化する。追加的に、ベアリング７２を連結部７０とボールスクリュー６０との間に配置することができ、アクチュエータハウジング６８とボールスクリュー６０との間の摩擦を低減し、また、テンドン５０から伝達された軸方向の負荷をボールスクリューへ伝達する。
【００２７】
[0031]位置センサ７４は、フィンガアクチュエータハウジング６８に搭載することができ、ボールナット６２のボールスクリュー６０に沿う軸方向の位置を検出する。図示のように、位置センサ７４は、ボールナット６２に取り付けられた磁石７６を備えるホール効果センサを含むことができる。代替的に、位置センサ７４はリニアエンコーを含むことができ、あるいは他の連続的なまたは離散的な形態の位置検出を採用することができる。
【００２８】
[0032]テンドン５０は、ボールナット６２の運動がテンドン５０の対応する運動を生じさせるように、適当な方法でボールナット６２に取り付けることができる。テンドン５０の運動は、テンドンが配置されているフィンガの側に応じて、フィンガ１４をまっすぐにし、または曲げる。反対の、まっすぐにする動作または曲げ動作を実行するために、追加的なフィンガアクチュエータ４０を用いることができる。それゆえ、（図３に示される）各フィンガ１４は、各自由度のために少なくとも１つのフィンガアクチュエータ４０を備えることができる。一般に、各フィンガ１４は、自由度につき１つのアクチュエータにもう一つ追加のアクチュエータを備えることができる。たとえば、３ＤＯＦのフィンガは４つのアクチュエータを備え、４ＤＯＦのフィンガは５つのアクチュエータを備えることができる。
【００２９】
[0033]各フィンガアクチュエータ４０は、モーター４０に電気的に連結されるそれぞれのモーターコントローラ９０により制御することができる。複数のモーターコントローラ９０は、より大きなコントローラ（たとえば図１に示されるコントローラ１２）内に含まれるようにすることができ、または、互いに別個にすることもできる。モーターコントローラ９０は、モーター４４に直接的に動作電流９１を提供するように構成することができ、あるいは、単に、モーターを通って流れる電流を制御する高レベル命令を提供するようにすることもできる。たとえば、一実施形態において、モーターコントローラ９０は、モーターに０から２５５までのディジタル値を提供するようにすることができ、これは、モーターで電流またはトルクに変換される。
【００３０】
[0034]動作中、各テンドン５０により最小の張力が維持されるようにすることができ、および／または各フィンガアクチュエータにより常に提供されるようにすることができる。各テンドン５０は、望ましくは、ただ引っ張るように構成されるので、最小の張力は、フィンガアクチュエータ４０が、テンドン５０にいかなる緩みも発生しない「準備」状態に維持されるようにすることを可能にする。ボールナット６２の、軸Ｆに沿う遠位方向８０の運動は、テンドン５０に付与される張力を弛緩し、逆に、ボールナット６２の近位方向への運動は、テンドン５０に付与される張力を大きくすることができる。ナット６２が軸Ｆに沿って移動するスピードを大きくするために、そして、フィンガアクチュエータ４０の応答スピードを速くするために、フィンガアクチュエータ４０は、ギアドライブ４６における相対的に低いギア比を備えるようにすることができ、および／またはボールスクリュー６０内における相対的に低いギア比を備えるようにすることができる。一実施形態において、たとえば、非限定的に、ギア比は約１４：１とすることができる。しかし、他のギア比も同様に使用することができる。しかし、アクチュエータ４０の低トルク減少とのトレードオフは、テンドン５０を通して維持される張力がボールスクリュー６０に沿うボールナットをバックドライブする可能性を増加させる。これは、本来的にバックドライブがより困難なシステムダイナミクスを備える高いギア比のシステムとは対照的である。テンドン５０に大きな張力を維持することができるシステムを提供し、ボールナット６２のボールスクリュー６０に沿うバックドライブの可能性を減少させるために、モーター４４は、ギアドライブ４６およびボールスクリュー６０のシステムダイナミクスを増加させるように構成することができる。
【００３１】
[0035]図５は、電流プロット１００および張力プロット１０２を示し、これは、把持ルーチンの継続時間にわたるフィンガアクチュエータ４０のものである（すなわち、電流プロット１００は、モーター４４に提供される電流１０１を時間１０４の関数として示し、張力プロット１０２は、テンドン５０に提供される張力１０３を時間の関数として示している。）。図示のように、把持手順は、たとえば、６つの異なる過程（すなわち、過程１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、１１６）に分割することができ、これらはそれぞれ、手順内でのアクチュエータ４０および／またはコントローラ９０の異なる動作を示している。これらの過程は、単に例示的なものであり、本発明を限定するものではない。
【００３２】
[0036]第１過程１０６内で、フィンガアクチュエータ４０は、テンドン５０に維持される最小張力１１８となる「準備」状態に維持される。この最小張力１１８は、部分的に、モーター４４を通る最小電流により生成することができる。時間１２２において駆動命令が提供されると、電流１０１は増加し、これは、フィンガ１４が物体３０に向かって加速するようにする。フィンガ１４が移動している間、テンドン５０の張力１０３は、過程１０８で示されるように徐々に大きくなる。
【００３３】
[0037]時間１２４において、フィンガ１４は物体３０に係合し、テンドン５０の張力１０３は、安定状態レベル１２５（すなわち、ストール張力１２５）まで急速に増加する。張力１０３の増加は、張力プロット１０２の過程１１０において見られる。時間１２４において、張力１０３は、フィンガ１４上への物体３０の外部的な影響により不連続になる。物体３０のコンプライアンスに応じて、テンドン５０の張力１０３は、異なる速度で増加する。しかし、必然的に、把持される物体３０は、モーターをストールさせるのに十分な抵抗を提供し、張力をこれ以上増加させない（すなわち時間１２６）。これが生じたら、モーターコントローラ９０は、モーター４４に提供される電流１０１をより低い電流レベル１２８に減少させるように構成することができ、またこれは、安定状態保持電流１２８と言及される。一実施形態において、安定状態保持電流１２８は、最大安定状態電流レベル１２９であるか、またはそれよりもわずかに低い電流とすることができる。そのような最大レベルは、モーター４４および／またはコントローラ９０が不確定な時間期間にわたって作動的に維持できる最大の電流量を示すものとすることができる。
【００３４】
[0038]ストール張力１２５に到達したら、コントローラ９０は、過程１１４で示されるようにパルス電流１３０をモーター４４に提供し、時間１３２において開始される。パルス電流１３０は、相対的に短い期間１３４とすることができ、相対的に高い大きさ１３６を備えるようにすることができる（保持電流１２８と比較した場合）。一実施形態において、パルス電流１３０の存続期間１３４は、たとえば、非限定的に、約１０−５０ミリ秒とすることができる。追加的に、パルス電流１３０の大きさ１３６は、コントローラ９０により提供される、またはモーター４４が受け取る、可能な最大瞬間電流１３７とすることができ、またはそれよりもわずかに低い電流とすることができる。一実施形態において、図５に示されるように、システムは時間期間１１２だけストール張力１２５にある。他の実施形態において、システムは、パルス電流１３０を提供する前に、延長された時間期間にストール張力１２５を維持する必要はない。その場合、過程１１２の時間期間は、単一の瞬間に減少される。
【００３５】
[0039]パルス電流１３０は、高振幅のサージでモーター４４を強制的に駆動させることにより、テンドン５０内の張力を、低いストール張力１２５から高い張力レベル１３８まで増加させる。パルス１３０が時間１４２において保持電流１２８戻ると、張力プロット１０２の過程１１６に示されるように、テンドン５０およびフィンガアクチュエータ４０内でより高い張力レベル１３８を維持することができる。一実施形態において、高い張力を低い電流で維持する能力は、部分的に、ボールスクリュー６０および／またはギアドライブ４６の摩擦ダイナミクスによるものであり、また、部分的に、モーター４４に付与される保持電流１２８によるものである。保持電流１２８は、フィンガアクチュエータ４０の摩擦ダイナミクスを増大させ、モーター４４をバックドライブしないようにする。保持電流を低くすることにより、高い保持トルク／張力を単にモーターだけで維持することに依存する場合よりも相当な電力を抑えることができる。
【００３６】
[0040]図６は、把持ルーチンの間にロボット式に駆動されるフィンガテンドン５０に張力付与を行う方法１５０を示している。図示のように把持命令が１６０において提供されると、フィンガアクチュエータモーター４４は第１電流で駆動され、第１電流は、フィンガが物体３０に接触するように運動させる（ステップ１６２）。図５に関して上述したように、接触の際に、テンドン５０に付与される張力１０３は、モーター４４により生成される力が、物体３０の反発力とバランスするまで増加し、このときモーター４４はストールする。ストールが検出されると、「張力ブースト」命令がステップ１６４において提供される。張力ブースト命令により、コントローラ９０はパルス電流１３０をモーター４４に提供する。パルス電流１３０は、強制的にモーター４４がテンドン５０に、ステップ１６２において最初に平衡状態に維持されているときよりも高い張力を付与するようにする。
【００３７】
[0041]ステップ１６４におけるパルス電流１３０の伝達に続いて、モーター４４に提供される電流レベルは、ステップ１６６において到達する最初のストール電流１２８に戻る。この電流１２８は、フィンガアクチュエータ４０の摩擦ダイナミクスとともに、テンドン５０に上昇した張力（パルス電流を介して付与される）が維持されるようにする。ステップ１６８は、低い電流命令により維持される高い張力１３８のルーチンを含む。
【００３８】
[0042]本発明を実施する形態が詳細に説明されたが、当業者は、本発明を添付の特許請求の範囲で示される範囲内で本発明を実施する様々な代替設計および実施形態を認識するであろう。あらゆる方向に関する記載（たとえば、上、下、上方、下方、左、右、左方、右方、上側、下側、垂直、水平など）は、読み手による本願発明の理解を助けるために単に特定する目的において使用されており、とくに本発明の姿勢、向き、用途など限定するものではない。上述の説明または添付図面に含まれるあらゆる事項は、限定的なものではなく例示的なものであることを意図している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テンドン張力付与システムであって、
近位端および遠位端を備えるテンドンと、
前記テンドンの前記近位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成されるアクチュエータと、を有し、前記アクチュエータはドライブスクリューおよびモーターを含み、
前記システムはさらに、前記アクチュエータに電気的に連結されるモーターコントローラを有し、前記モーターコントローラは、
前記テンドンにストール張力が達成させるまで、第１の大きさを備える電流を前記アクチュエータに提供し、
前記ストール電流の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を提供し、前記パルス電流の大きさは前記第１の大きさよりも大きく、
前記パルス電流の終結に続いて、前記モーターを安定状態保持電流に戻す、ように構成される、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記テンドンの前記遠位端は器用なロボットのフィンガに連結される、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記ドライブスクリューはボールスクリューであり、前記アクチュエータはさらに、前記ボールスクリューを中心に配置され、且つ、前記テンドンに連結されるボールナットを含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記モーターコントローラは、前記アクチュエータに前記パルス電流を提供する前に、所定時間ストール張力にあるように前記テンドン内に張力を維持できるように構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記保持電流は、前記システムの最大安定状態電流レベルよりも小さい大きさを備え、前記パルス電流の大きさは、前記システムの最大瞬間電流レベルよりも小さい大きさである、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力を、ブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、前記パルス電流の終了に続いて前記テンドンを前記ブースト張力レベルに維持するように構成される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、動作中に前記テンドンに少なくとも最小張力を維持するように構成され、前記最小張力は、前記ストール張力よりも小さい、システム。
【請求項９】
把持ルーチンの間、器用なロボットのフィンガを通じて増加した把持力を提供するシステムであって、前記システムは、
近位端および遠位端を備え、前記器用なロボットのフィンガの長さに沿って延びるテンドンを有し、前記テンドンの前記遠位端は前記フィンガに連結され、
前記システムはさらに、ドライブスクリューおよびおモーターを含むフィンガアクチュエータを有し、前記フィンガアクチュエータは、前記器用なロボットの下アームアセンブリ内に前記フィンガから離間して配置され、前記フィンガアクチュエータは、前記テンドンの前記近位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成され、
前記システムはさらに、前記フィンガアクチュエータに電気的に連結されるモーターコントローラを有し、前記モーターコントローラは、
前記テンドンにストール張力が達成されるまで、前記フィンガアクチュエータに、第１の大きさの電流を提供し、
前記ストール張力の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を提供するように構成され、前記パルス電流の大きさは、前記第１の大きさよりも大きく、
前記モーターコントローラはさらに、前記パルス電流の終了に続いて、前記モーターを安定状態保持電流に戻すように構成される、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記ドライブスクリューはボールスクリューであり、前記アクチュエータは、前記ボールスクリューを中心に配置され、前記テンドンに連結されるボールナットを含む、システム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムであって、前記モーターコントローラは、前記アクチュエータに前記パルス電流を提供する前に、前記テンドン内に維持される張力が所定期間にわたりストール張力であることを可能にするように構成される、システム。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムであって、前記保持電流は、前記システムの最大安定状態電流レベルよりも小さい大きさを備え、前記パルス電流の大きさは、前記システムの最大瞬間電流レベルよりも小さい、システム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシステムであって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力をブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、前記パルス電流の終了に続いて、前記テンドンを前記ブースト張力レベルに維持するように構成される、システム。
【請求項１５】
テンドンに張力を付与するようにアクチュエータを制御する方法であって、前記方法は、
近位端および遠位端を備えるテンドンを提供するステップと、
前記テンドンの前記遠位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成されるアクチュエータを提供するステップと、を有し、前記アクチュエータはドライブスクリューおよびモーターを含み、
前記方法はさらに、前記テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさを備える電流で前記アクチュエータを駆動するステップと、
前記ストール張力の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を伝達するステップと、を有し、前記パルス電流の大きさは、前記第１の大きさよりも大きく、
前記方法はさらに、前記パルス電流の終了に続いて、前記モーターに伝達される電流を、安定状態に保持する大きさに戻すステップを有する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力をブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
複数のフィンガを備える器用なロボットを提供するステップを有し、
前記テンドンの前記遠位端は、前記器用なロボットのフィンガに連結される、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記器用なロボットは、４２の自由度を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、前記電流により前記アクチュエータは前記フィンガに力を付与する、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、安定状態に保持する大きさの前記電流は、前記モーターのバックドライブを防止する、方法。
【請求項１】
テンドン張力付与システムであって、
近位端および遠位端を備えるテンドンと、
前記テンドンの前記近位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成されるアクチュエータと、を有し、前記アクチュエータはドライブスクリューおよびモーターを含み、
前記システムはさらに、前記アクチュエータに電気的に連結されるモーターコントローラを有し、前記モーターコントローラは、
前記テンドンにストール張力が達成させるまで、第１の大きさを備える電流を前記アクチュエータに提供し、
前記ストール電流の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を提供し、前記パルス電流の大きさは前記第１の大きさよりも大きく、
前記パルス電流の終結に続いて、前記モーターを安定状態保持電流に戻す、ように構成される、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記テンドンの前記遠位端は器用なロボットのフィンガに連結される、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記ドライブスクリューはボールスクリューであり、前記アクチュエータはさらに、前記ボールスクリューを中心に配置され、且つ、前記テンドンに連結されるボールナットを含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記モーターコントローラは、前記アクチュエータに前記パルス電流を提供する前に、所定時間ストール張力にあるように前記テンドン内に張力を維持できるように構成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記保持電流は、前記システムの最大安定状態電流レベルよりも小さい大きさを備え、前記パルス電流の大きさは、前記システムの最大瞬間電流レベルよりも小さい大きさである、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力を、ブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、前記パルス電流の終了に続いて前記テンドンを前記ブースト張力レベルに維持するように構成される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、動作中に前記テンドンに少なくとも最小張力を維持するように構成され、前記最小張力は、前記ストール張力よりも小さい、システム。
【請求項９】
把持ルーチンの間、器用なロボットのフィンガを通じて増加した把持力を提供するシステムであって、前記システムは、
近位端および遠位端を備え、前記器用なロボットのフィンガの長さに沿って延びるテンドンを有し、前記テンドンの前記遠位端は前記フィンガに連結され、
前記システムはさらに、ドライブスクリューおよびおモーターを含むフィンガアクチュエータを有し、前記フィンガアクチュエータは、前記器用なロボットの下アームアセンブリ内に前記フィンガから離間して配置され、前記フィンガアクチュエータは、前記テンドンの前記近位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成され、
前記システムはさらに、前記フィンガアクチュエータに電気的に連結されるモーターコントローラを有し、前記モーターコントローラは、
前記テンドンにストール張力が達成されるまで、前記フィンガアクチュエータに、第１の大きさの電流を提供し、
前記ストール張力の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を提供するように構成され、前記パルス電流の大きさは、前記第１の大きさよりも大きく、
前記モーターコントローラはさらに、前記パルス電流の終了に続いて、前記モーターを安定状態保持電流に戻すように構成される、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記ドライブスクリューはボールスクリューであり、前記アクチュエータは、前記ボールスクリューを中心に配置され、前記テンドンに連結されるボールナットを含む、システム。
【請求項１１】
請求項９に記載のシステムであって、前記モーターコントローラは、前記アクチュエータに前記パルス電流を提供する前に、前記テンドン内に維持される張力が所定期間にわたりストール張力であることを可能にするように構成される、システム。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムであって、前記保持電流は、前記システムの最大安定状態電流レベルよりも小さい大きさを備え、前記パルス電流の大きさは、前記システムの最大瞬間電流レベルよりも小さい、システム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシステムであって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力をブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記アクチュエータは、前記パルス電流の終了に続いて、前記テンドンを前記ブースト張力レベルに維持するように構成される、システム。
【請求項１５】
テンドンに張力を付与するようにアクチュエータを制御する方法であって、前記方法は、
近位端および遠位端を備えるテンドンを提供するステップと、
前記テンドンの前記遠位端に連結され、電流に応答して前記テンドンに張力を付与するように構成されるアクチュエータを提供するステップと、を有し、前記アクチュエータはドライブスクリューおよびモーターを含み、
前記方法はさらに、前記テンドンにストール張力が達成されるまで、第１の大きさを備える電流で前記アクチュエータを駆動するステップと、
前記ストール張力の達成に続いて、前記アクチュエータにパルス電流を伝達するステップと、を有し、前記パルス電流の大きさは、前記第１の大きさよりも大きく、
前記方法はさらに、前記パルス電流の終了に続いて、前記モーターに伝達される電流を、安定状態に保持する大きさに戻すステップを有する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記アクチュエータに提供される前記パルス電流は、前記テンドンに提供される張力をブースト張力レベルに増加させるように動作可能であり、前記ブースト張力レベルは前記ストール張力よりも大きい、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
複数のフィンガを備える器用なロボットを提供するステップを有し、
前記テンドンの前記遠位端は、前記器用なロボットのフィンガに連結される、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記器用なロボットは、４２の自由度を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、前記電流により前記アクチュエータは前記フィンガに力を付与する、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、安定状態に保持する大きさの前記電流は、前記モーターのバックドライブを防止する、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５２８８９（Ｐ２０１２−１５２８８９Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２３７６５９（Ｐ２０１１−２３７６５９）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（５１１０９５９８６）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・エルエルシー (14)
【出願人】（５１０１４９５６３）ザ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ・アズ・リプレゼンテッド・バイ・ジ・アドミニストレーター・オブ・ザ・ナショナル・エアロノーティクス・アンド・スペース・アドミニストレーション (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７６５９（Ｐ２０１１−２３７６５９）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（５１１０９５９８６）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・エルエルシー (14)
【出願人】（５１０１４９５６３）ザ・ユナイテッド・ステイツ・オブ・アメリカ・アズ・リプレゼンテッド・バイ・ジ・アドミニストレーター・オブ・ザ・ナショナル・エアロノーティクス・アンド・スペース・アドミニストレーション (27)
【Ｆターム（参考）】
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