ロータリ直列型弾性アクチュエータ
【課題】器用な人間型ロボット用の上腕アセンブリを作動させるためのロータリアクチュエータアセンブリを提供すること。
【解決手段】人間型ロボットのための上腕アセンブリは、それぞれが軸を画定する複数の腕サポートフレームを備える。複数のロータリアクチュエータアセンブリがそれぞれ、各軸を中心として複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される。各ロータリアクチュエータアセンブリは、各軸を中心として設置されたモータと、モータに回転可能に連結されたギアドライブと、ねじりばねとを備える。ねじりばねは、ギアドライブの出力部に回転可能に連結されたばね入力部と、関節のための出力部に連結されたばね出力部とを有する。
【解決手段】人間型ロボットのための上腕アセンブリは、それぞれが軸を画定する複数の腕サポートフレームを備える。複数のロータリアクチュエータアセンブリがそれぞれ、各軸を中心として複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される。各ロータリアクチュエータアセンブリは、各軸を中心として設置されたモータと、モータに回転可能に連結されたギアドライブと、ねじりばねとを備える。ねじりばねは、ギアドライブの出力部に回転可能に連結されたばね入力部と、関節のための出力部に連結されたばね出力部とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述）
[0001] 本発明は、ＮＡＳＡ宇宙活動協定（ＮＡＳＡ Ｓｐａｃｅ Ａｃｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）第ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
[0002] 本発明は、人間型ロボットの動作制御に関し、より詳細には、人間型ロボットの上腕のための作動システムおよびパッケージングに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003] ロボットは、関節部またはモータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、自動型デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度（ＤＯＦ： ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御（すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力）、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。
【０００４】
[0004] 人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、および／または付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。
【０００５】
[0005] 人間の動作に近づけるために、ロボット内の各関節は、ＤＯＦごとに少なくとも１つのアクチュエータを要する。さらに、これらのアクチュエータは、人間の構造および外観にほぼ相当する構成体の中にパッケージングされなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006] したがって、本明細書においては、器用な人間型ロボット用の上腕アセンブリを作動させるためのロータリアクチュエータアセンブリが、提示される。このロータリアクチュエータアセンブリは、軸を画定するサポートフレームと、サポートフレーム内においてこの軸を中心として設置されるモータとを備える。ギアドライブが、モータに回転可能に連結され、さらに、軸を中心としてサポートフレーム内に設置される。ねじりばねが、ばね入力部とばね出力部とを備える。ばね入力部は、ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、ばね出力部は、関節出力部に連結される。ねじりばねは、サポートフレーム内に設置される。
【０００７】
[0007] 人間型ロボットのための上腕アセンブリは、それぞれが軸を画定する複数の腕サポートフレームを備える。複数のロータリアクチュエータアセンブリがそれぞれ、各軸を中心として複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される。各ロータリアクチュエータアセンブリは、モータと、モータに回転可能に連結されたギアドライブと、ねじりばねとを備える。ねじりばねは、ギアドライブの出力部に回転可能に連結されたばね入力部と、アクチュエータアセンブリのための出力部に連結されたばね出力部とを有する。
【０００８】
[0008] 添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
[0009]
【図１】本発明による器用な人間型ロボットの概略斜視図である。 [0010]
【図２】図１の器用な人間型ロボット用の上腕の概略斜視図である。 [0011]
【図３】図１および図２の器用な人間型ロボット用の上腕の１つの関節のためのサポートフレームおよびロータリアクチュエータアセンブリの概略斜視図である。 [0012]
【図４】図１から図３の器用な人間型ロボットの上腕のためのロータリアクチュエータアセンブリの概略斜視図である。 [0013]
【図５】図１から図４の器用な人間型ロボットのためのロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリの概略断面図である。 [0014]
【図６】図１から図５の器用な人間型ロボット用のロータリアクチュエータアセンブリのためのモータおよびブレーキの概略断面図である。 [0015]
【図７】図１から図６の器用な人間型ロボット用のロータリアクチュエータアセンブリのための回転位置センサの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0016] 同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図１は、多自由度（ＤＯＦ）により１つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット１０を示す。
【００１１】
[0017] この人間型ロボット１０は、頭部１２、胴部１４、腰部１５、腕１６、手１８、指１９、および親指２１を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、多様な関節が配設される。さらに、ロボット１０は、脚部、トレッド、または、ロボットの特定の用途もしくは意図される用途に応じた別の可動式または固定式ベースなどの、タスクに適した固定具またはベース（図示せず）を備えてもよい。例えば胴部１４の背の上に担持または着用される再充電式電池パックまたは別の適切なエネルギー供給部などの電源部１３が、様々な関節を作動させるように様々な関節に十分な電気エネルギーを供給するために、ロボット１０に一体的に設置されてよい。
【００１２】
[0018] 一実施形態によれば、ロボット１０は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）、および腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）、さらには各ロボット指１９の指骨間に位置する様々な指関節アセンブリ（番号を付されず）などの（それらに限定されない）、複数の独立的に可動なロボット関節および相互依存的に可動なロボット関節によって、構成される。
【００１３】
[0019] 各ロボット関節は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。例えば、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）および肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）などのいくつかの関節は、ピッチおよびロールの形式の少なくとも２つのＤＯＦを有し得る。同様に、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）は、少なくとも３つのＤＯＦを有することができ、腰部アセンブリおよび手首アセンブリ（それぞれ矢印ＥおよびＣ）は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。タスクの複雑性に応じて、ロボット１０は、４０以上のＤＯＦによる動作が可能である。単純化のため図１には図示されないが、各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ、およびロータリアクチュエータ等々の、１つまたは複数のアクチュエータを含み、この１つまたは複数のアクチュエータにより駆動される。
【００１４】
[0020] 腕１６は、上腕２２および下腕（または前腕）２４に区分される。上腕２２は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）から肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）まで延在する。肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）から延在するのは、下腕２４、手１８、指１９、および親指２１である。単純化のため、本明細書において説明されるように、上方は頭部１２の方向であり、下方は腰部１５の方向である。ロボット１０は、人間の形を模するように意図されるため、例えば上腕２２、下腕２４、および手１８等々を含む腕１６などの様々な四肢は、対称的であり、左側および右側の両側に同一の対称的な骨格構造を基本的に備えることが、当業者には理解されよう。したがって、図１のように正面から見た場合に、右腕１６および右手１８は、実際には図面の左側に位置することになる。
【００１５】
[0021] 図２を参照すると、上腕２２が図示されている。複数の腕１６に対して一方の上腕２２のみが図示されているが、左腕および右腕１６は共に、以下に説明するように同一の態様で作動する。上腕２２は、第１のＤＯＦを実現する第１の肩関節Ｓ１、第２のＤＯＦを実現する第２の肩関節Ｓ２、および第３の自由度を実現する第３の肩関節Ｓ３を含む、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）を有する。第１から第３の肩関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は共に、人間の肩が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。具体的には、第１の肩軸Ａ１を中心とした第１の肩関節Ｓ１の回転により、第２の肩関節Ｓ２に関する第２の肩軸Ａ２が、所望の位置へと移動する。第１の肩関節Ｓ１の位置に基づき、次いで、第２の肩軸Ａ２を中心とする第２の肩関節Ｓ２の回転により、腕１６が、胴部１４に対して上下に、または胴部１４もしくはそのある組合せに対して前後に移動する。第３の肩関節Ｓ３は、第３の肩軸Ａ３を中心として上腕２２を回転させる。第３の肩関節Ｓ３の回転により、上腕２２は、軸方向に回転し、すなわち、第３の肩関節Ｓ３の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）が回転されて、上方または下方に向けられる。したがって、第１の肩関節Ｓ１、第２の肩関節Ｓ２、および第３の肩関節Ｓ３が共に、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）の動作を形成する。
【００１６】
[0022] さらに、上腕２２は、第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２を含む肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を備える。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２はそれぞれ、１自由度を実現する。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２が共に、人間の肘および前腕が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。第１の肘軸Ｂ１を中心とする第１の肘関節Ｌ１の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、屈曲する、および直線状になる。さらに、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、軸方向に回転し、すなわち、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、下腕２４および手１８（図１）が回転されて、手のひらが上方または下方に向けられる。
【００１７】
[0023] 上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、同様の態様にて作動するが、図示されるように異なる方向に配向されて、それぞれそれらの特定の軸Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２を中心として回転する。上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６を備える。上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれのためのロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６は、その関節におけるパッケージング、トルク、および動力要件にしたがって寸法設定され得る。図示される実施形態においては、第１の肩関節Ｓ１および第２の肩関節Ｓ２は、互いに同一のサイズおよび性能であり、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１は、互いに同一のサイズおよび性能であり、第２の肘関節Ｌ２は、別のサイズおよび性能である。アクチュエータアセンブリ２６を含む腕１６のためのパッケージングは、腕の重量全体が、腕が対応し得るペイロード未満となるようなものとなされる。
【００１８】
[0024] 以下において説明されるように、上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、それらの各軸Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２を中心として時計回り方向または反時計回り方向のいずれかの方向に回転することによって、作動することが可能である。さらに、腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）が、ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６を備えてもよく、本明細書において説明されるのと同一の態様において作動してよい。
【００１９】
[0025] 図３および図４を参照すると、第３の肩関節Ｓ３のためのアクチュエータアセンブリ２６が、図示されている。アクチュエータ２６の作動が、第３の肩関節Ｓ３に関連して説明されるが、他の上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれおよび腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）のためのアクチュエータ２６が、同様の態様において作動する。
【００２０】
[0026] アクチュエータアセンブリ２６は、モータ２８、ギアドライブ３０、およびばね３２を備える。第１の絶対位置センサ（ＡＰＳ： ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）３４および第２のＡＰＳ３６が、ギアドライブ３０とばね３２との間に配置される。アクチュエータアセンブリ２６は、第１の腕サポートフレーム４０の上に支持される。トルクは、アクチュエータアセンブリ２６を介していずれかの方向に伝達され得る。したがって、説明のために、関節「出力部」を、アクチュエータアセンブリ２６のばね３２の端部と呼ぶ。第１の腕サポートフレーム４０が、関節の「固定」部分として説明され、ばね３２における関節「出力部」が、アクチュエータアセンブリ２６の「回転」部分として説明される。しかし、実際には、関節「出力部」を固定的に保持することが可能であり、アクチュエータアセンブリ２６による相対回転により関節「入力部」を回転させることが可能である。図示される実施形態においては、第３の肩関節について関節「出力部」を固定的に保持することにより、第１の腕サポートフレーム４０は、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を回転および移動させて、上方または下方に向かせる。
【００２１】
[0027] 第１の腕サポートフレーム４０は、アクチュエータアセンブリ２６の入力部側３８に対して剛体的に固定される。第２の腕サポートフレーム４４は、アクチュエータアセンブリ２６の出力部側４２に対して回転可能に連結される。第１の腕サポートフレーム４０および第２の腕サポートフレーム４４は、第３の肩関節Ｓ３が作動する際に互いに対して回転する。第３の肩関節Ｓ３のための入力部側３８を支持することに加えて、第１の腕サポートフレーム４０は、さらに、第１の肘関節Ｌ１のための入力部４６を支持し、回転可能な第２の腕フレーム部分４４は、第２の肩関節Ｓ２のための出力部４８に連結される。
【００２２】
[0028] 空洞部５０が、第１の腕サポートフレーム４０によって画成される。この空洞部５０は、回路基板と、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１のための配線（図示せず）とのために使用される。トルクは、いずれかの方向（入力部から出力部へ、または出力部から入力部へ）にアクチュエータ２６を介して伝達され得るため、アクチュエータアセンブリ２６の配向は、いずれかの方向になされ得る。したがって、隣同士に配置される関節（図示される実施形態においては、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１）は、対向する関節入力部３８および４６を有するように構成されてよい。この態様においては、回路、および多数の関節（第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１）のための配線は、１つの空洞部５０内に容易に配置され得る。同様に、第２の肩関節Ｓ２は、第３の肩関節Ｓ３に対向する出力部分（すなわち関節のばね３２端部）と、第１の肩関節Ｓ１に対向する入力部分とを有することになる。回路と、第１の肩関節Ｓ１および第２の肩関節Ｓ２のための配線とは、第２の腕サポートフレーム４４（図２に図示される）によって画成される空洞部５１内に配置される。
【００２３】
[0029] ばね３２は、少なくとも１つのハードストップ３３を含む平坦状ねじりばねである。ハードストップ３３は、ばね３２の可能な反りを制限して、ばね３２の塑性変形を防ぐ。図示される実施形態においては、ハードストップ３３により最大で５度のばねの反りが可能となる。ばねの反りは、腕１６の重量、または環境内の物体２０（図１に図示される）から入力される力によって、生じ得る。ばね入力部７６が、ばね３２のための内方ボルト穴に位置し、ばね出力部７８が、ばね３２のための外方ボルト穴に位置する。
【００２４】
[0030] 図５は、アクチュエータアセンブリ２６の断面概略図である。アクチュエータアセンブリ２６は、第３の肩軸Ａ３の周囲に設置される。チューブ５３が、第３の肩軸Ａ３を中心として同心状に配置される内部ワイヤチャネル５２を画成する。内部ワイヤチャネル５２により、肩関節Ｓ３およびそれに続く関節のための配線が、アクチュエータアセンブリ２６を貫通して空洞部５０（図３に図示される）内に送られることが可能となる。
【００２５】
[0031] 上述のように、アクチュエータアセンブリ２６は、モータ２８、ギアドライブ３０、およびばね３２を備える。モータ２８は、アクチュエータアセンブリ２６およびモータ２８のために必要なパッケージング区域を縮小するためにモータ２８内に配置されたブレーキ５４を有する。モータ２８は、ステータ５６およびロータ５８を備える。ステータは、固定式モータサポート６０により第１の腕サポートフレーム４０に固定される。ロータ５８は、ロータサポート６２により回転可能に支持され、中心に配置される。モータ出力部６４は、ロータ５８を、ギアドライブ３０のためのギアドライブ入力部６６に連結させる。複数のモータ軸受６８が、第１の腕サポートフレーム４０に対するロータ５８、ロータサポート６２、モータ出力部６４、およびギアドライブ入力部６６の回転を補助する。
【００２６】
[0032] ギアドライブ３０は、好ましくは、ハーモニックドライブギアセットである。ギアドライブ３０は、ギアドライブ入力部６６、ギアドライブ出力部７０、および固定スプライン７２を備える。ギアドライブの固定スプライン７２は、第１の腕サポートフレーム４０に剛体的に固定される。ギアドライブ出力部７０は、ばね入力部７６に固定されるギアドライブ出力シャフト７４に固定される。ギアドライブ出力シャフト７４からのトルクは、ばね入力部７６を介してばね出力部７８に伝達される。ばね出力部７８は、関節出力部８０に装着される。関節出力部８０は、第２の肩関節Ｓ２のための出力部４８に連結されて（図示せず）、第３の肩関節Ｓ３から第２の肩関節Ｓ２にトルクを伝達する。
【００２７】
[0033] 出力部軸受８２が、関節出力部８０と第１の腕サポートフレーム４０との間に配置されて、関節出力部８０と第１の腕サポートフレーム４０との間の相対回転を可能にする。軸受保持具８４が、第１の腕サポートフレーム４０にクランプ留めされてよく、それにより、第１の腕サポートフレーム４０に対する軸受８２の固定が補助される。
【００２８】
[0034] 図５に戻って参照すると、第１のＡＰＳ３４および第２のＡＰＳ３６が、アクチュエータアセンブリ２６の相対移動を感知する。第１のＡＰＳ３４は、第１の固定部分８６および第１の回転部分８８を含む。第１の固定部分８６は、サポート９０により第１の腕サポートフレーム４０に装着され、第１の回転部分８８は、ギアドライブ出力シャフト７４に装着される。第１のＡＰＳ３４は、第１の固定部分８６と第１の回転部分８８との相対位置に基づいて、ギアドライブ３０の位置を感知する。
【００２９】
[0035] 同様に、第２のＡＰＳ３６は、第２の固定部分９２および第２の回転部分９４を含む。第２の固定部分９４は、サポート９０を介して第１の腕サポートフレーム４０に装着される。第２の回転部分９４は、関節出力部８０に装着される。第２のＡＰＳ３６は、第２の固定部分９２と第２の回転部分９４との相対位置に基づいて第３の肩関節Ｓ３の出力部の位置を感知する。さらに、第１のＡＰＳ３４と第２のＡＰＳ３６との間の差を計算することにより、ばね３２の反りを判定することが可能となる。ばね３２の反りにばね定数を乗じることにより、第３の肩関節Ｓ３が被るトルクを算出することが可能となる。第１のＡＰＳ３４および第２のＡＰＳ３６により、アクチュエータアセンブリ２６のトルク測定値を厳密に判定するための高い測定分解能が実現される。さらに、トルク測定値を出すために２つのＡＰＳを使用することにより、アクチュエータアセンブリ２６は、所望の位置にアクチュエータ出力部を移動させる際に、ばね３２の反りに対応することが可能となる。
【００３０】
[0036] 図６は、モータ２８の概略断面図である。モータ２８は、ステータ５６およびロータ５８を含む。ブレーキ５４は、ブレーキコイル９６およびブレーキパッド９８を含む。モータ２８は、概して環状形状を有し、第３の肩軸Ａ３の周囲に設置される。モータステータ５６およびロータ５８は、モータ２８とワイヤチャネル５２との間にブレーキ５４が配置可能となるのに十分な大きさの内径を有する。
【００３１】
[0037] さらに、モータ２８は、第１の温度センサ１００を備え、ブレーキ５４は、第２の温度センサ１０２を備え、それにより、モータ２８およびブレーキ５４の過熱を防ぐように、モータ２８およびブレーキ５４の温度条件が検出される。
【００３２】
[0038] 図７は、回転位置センサ１０４を図示する。この回転位置センサ１０４は、好ましくは、モータ２８およびブレーキ５４に隣接して、第３の肩軸Ａ３を中心として同心状に配置された位置エンコーダである。回転位置センサ１０４は、第１の腕サポートフレーム４０に設置される第１の固定部分１０６と、ロータ５８と共に回転する第２の回転部分１０８とを含む。第１の固定部分１０６は、相対的な第２の回転部分１０８の移動を測定する。このような態様において、回転位置センサ１０４は、第３の肩関節Ｓ３のロータ５８の回転位置を判定する役割を果たす。これにより、ギアドライブ３０、またはロータ５８と第１のＡＰＳ３４との間の他のドライブ列構成要素において観察される、反りの測定および補償が可能となる。第１のＡＰＳ３４（図４および図５に図示される）、第２のＡＰＳ３６（図４および図５に図示される）、および回転位置センサ１０４からの情報は、追加的な安全対策として、互いに比較することが可能である。第１のＡＰＳ３４、第２のＡＰＳ３６、および回転位置センサ１０４の予期値間において不一致が検出される場合には、関節は、第３の肩関節Ｓ３を損傷から守るために、移動を防止することができる。
【００３３】
[0039] したがって、第１のＡＰＳ３４、第２のＡＰＳ３６、第１の温度センサ１００、第２の温度センサ１０２、および回転位置センサ１０４を含む５つのセンサが、アクチュエータアセンブリ２６内にパッケージングされ、アクチュエータアセンブリ２６によって利用される。
【００３４】
[0040] 本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 人間型ロボット
１２ 頭部
１３ 電源部
１４ 胴部
１５ 腰部
１６ 腕
１８ 手
１９ 指
２０ 物体
２１ 親指
２２ 上腕
２４ 下腕
Ａ 肩関節アセンブリ
Ｂ 肘関節アセンブリ
Ｃ 手首関節アセンブリ
Ｄ 首関節アセンブリ
Ｅ 腰部関節アセンブリ
Ｆ 指関節アセンブリ
Ａ１ 第１の肩軸
Ａ２ 第２の肩軸
Ａ３ 第３の肩軸
Ｓ１ 第１の肩関節
Ｓ２ 第２の肩関節
Ｓ３ 第３の肩関節
Ｂ１ 第１の肘軸
Ｂ２ 第２の肘軸
Ｌ１ 第１の肘関節
Ｌ２ 第２の肘関節
２６ ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ
２８ モータ
３０ ギアドライブ
３２ ばね
３３ ハードストップ
３４ 第１の絶対位置センサ
３６ 第２の絶対位置センサ
３８ 入力部側
４０ 第１の腕サポートフレーム
４２ 出力部側
４４ 第２の腕サポートフレーム
４６ 入力部
４８ 出力部
５０ 空洞部
５１ 空洞部
５２ 内部ワイヤチャネル
５３ チューブ
５４ ブレーキ
５６ ステータ
５８ ロータ
６０ 固定式ロータサポート
６２ ロータサポート
６４ モータ出力部
６６ ギアドライブ入力部
６８ モータ軸受
７０ ギアドライブ出力部
７２ 固定スプライン
７４ ギアドライブ出力シャフト
７６ ばね入力部
７８ ばね出力部
８０ 関節出力部
８２ 出力部軸受
８４ 軸受保持具
８６ 第１の固定部分
８８ 第１の回転部分
９０ サポート
９２ 第２の固定部分
９４ 第２の回転部分
９６ ブレーキコイル
９８ ブレーキパッド
１００ 第１の温度センサ
１０２ 第２の温度センサ
１０４ 回転位置センサ
１０６ 第１の固定部分
１０８ 第２の回転部分
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述）
[0001] 本発明は、ＮＡＳＡ宇宙活動協定（ＮＡＳＡ Ｓｐａｃｅ Ａｃｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）第ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。
【０００２】
[0002] 本発明は、人間型ロボットの動作制御に関し、より詳細には、人間型ロボットの上腕のための作動システムおよびパッケージングに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003] ロボットは、関節部またはモータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、自動型デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度（ＤＯＦ： ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御（すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力）、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。
【０００４】
[0004] 人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、および／または付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。
【０００５】
[0005] 人間の動作に近づけるために、ロボット内の各関節は、ＤＯＦごとに少なくとも１つのアクチュエータを要する。さらに、これらのアクチュエータは、人間の構造および外観にほぼ相当する構成体の中にパッケージングされなければならない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006] したがって、本明細書においては、器用な人間型ロボット用の上腕アセンブリを作動させるためのロータリアクチュエータアセンブリが、提示される。このロータリアクチュエータアセンブリは、軸を画定するサポートフレームと、サポートフレーム内においてこの軸を中心として設置されるモータとを備える。ギアドライブが、モータに回転可能に連結され、さらに、軸を中心としてサポートフレーム内に設置される。ねじりばねが、ばね入力部とばね出力部とを備える。ばね入力部は、ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、ばね出力部は、関節出力部に連結される。ねじりばねは、サポートフレーム内に設置される。
【０００７】
[0007] 人間型ロボットのための上腕アセンブリは、それぞれが軸を画定する複数の腕サポートフレームを備える。複数のロータリアクチュエータアセンブリがそれぞれ、各軸を中心として複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される。各ロータリアクチュエータアセンブリは、モータと、モータに回転可能に連結されたギアドライブと、ねじりばねとを備える。ねじりばねは、ギアドライブの出力部に回転可能に連結されたばね入力部と、アクチュエータアセンブリのための出力部に連結されたばね出力部とを有する。
【０００８】
[0008] 添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
[0009]
【図１】本発明による器用な人間型ロボットの概略斜視図である。 [0010]
【図２】図１の器用な人間型ロボット用の上腕の概略斜視図である。 [0011]
【図３】図１および図２の器用な人間型ロボット用の上腕の１つの関節のためのサポートフレームおよびロータリアクチュエータアセンブリの概略斜視図である。 [0012]
【図４】図１から図３の器用な人間型ロボットの上腕のためのロータリアクチュエータアセンブリの概略斜視図である。 [0013]
【図５】図１から図４の器用な人間型ロボットのためのロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリの概略断面図である。 [0014]
【図６】図１から図５の器用な人間型ロボット用のロータリアクチュエータアセンブリのためのモータおよびブレーキの概略断面図である。 [0015]
【図７】図１から図６の器用な人間型ロボット用のロータリアクチュエータアセンブリのための回転位置センサの概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0016] 同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図１は、多自由度（ＤＯＦ）により１つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット１０を示す。
【００１１】
[0017] この人間型ロボット１０は、頭部１２、胴部１４、腰部１５、腕１６、手１８、指１９、および親指２１を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、多様な関節が配設される。さらに、ロボット１０は、脚部、トレッド、または、ロボットの特定の用途もしくは意図される用途に応じた別の可動式または固定式ベースなどの、タスクに適した固定具またはベース（図示せず）を備えてもよい。例えば胴部１４の背の上に担持または着用される再充電式電池パックまたは別の適切なエネルギー供給部などの電源部１３が、様々な関節を作動させるように様々な関節に十分な電気エネルギーを供給するために、ロボット１０に一体的に設置されてよい。
【００１２】
[0018] 一実施形態によれば、ロボット１０は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）、手首関節アセンブリ（矢印Ｃ）、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）、および腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）、さらには各ロボット指１９の指骨間に位置する様々な指関節アセンブリ（番号を付されず）などの（それらに限定されない）、複数の独立的に可動なロボット関節および相互依存的に可動なロボット関節によって、構成される。
【００１３】
[0019] 各ロボット関節は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。例えば、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）および肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）などのいくつかの関節は、ピッチおよびロールの形式の少なくとも２つのＤＯＦを有し得る。同様に、首関節アセンブリ（矢印Ｄ）は、少なくとも３つのＤＯＦを有することができ、腰部アセンブリおよび手首アセンブリ（それぞれ矢印ＥおよびＣ）は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。タスクの複雑性に応じて、ロボット１０は、４０以上のＤＯＦによる動作が可能である。単純化のため図１には図示されないが、各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ、およびロータリアクチュエータ等々の、１つまたは複数のアクチュエータを含み、この１つまたは複数のアクチュエータにより駆動される。
【００１４】
[0020] 腕１６は、上腕２２および下腕（または前腕）２４に区分される。上腕２２は、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）から肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）まで延在する。肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）から延在するのは、下腕２４、手１８、指１９、および親指２１である。単純化のため、本明細書において説明されるように、上方は頭部１２の方向であり、下方は腰部１５の方向である。ロボット１０は、人間の形を模するように意図されるため、例えば上腕２２、下腕２４、および手１８等々を含む腕１６などの様々な四肢は、対称的であり、左側および右側の両側に同一の対称的な骨格構造を基本的に備えることが、当業者には理解されよう。したがって、図１のように正面から見た場合に、右腕１６および右手１８は、実際には図面の左側に位置することになる。
【００１５】
[0021] 図２を参照すると、上腕２２が図示されている。複数の腕１６に対して一方の上腕２２のみが図示されているが、左腕および右腕１６は共に、以下に説明するように同一の態様で作動する。上腕２２は、第１のＤＯＦを実現する第１の肩関節Ｓ１、第２のＤＯＦを実現する第２の肩関節Ｓ２、および第３の自由度を実現する第３の肩関節Ｓ３を含む、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）を有する。第１から第３の肩関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は共に、人間の肩が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。具体的には、第１の肩軸Ａ１を中心とした第１の肩関節Ｓ１の回転により、第２の肩関節Ｓ２に関する第２の肩軸Ａ２が、所望の位置へと移動する。第１の肩関節Ｓ１の位置に基づき、次いで、第２の肩軸Ａ２を中心とする第２の肩関節Ｓ２の回転により、腕１６が、胴部１４に対して上下に、または胴部１４もしくはそのある組合せに対して前後に移動する。第３の肩関節Ｓ３は、第３の肩軸Ａ３を中心として上腕２２を回転させる。第３の肩関節Ｓ３の回転により、上腕２２は、軸方向に回転し、すなわち、第３の肩関節Ｓ３の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）が回転されて、上方または下方に向けられる。したがって、第１の肩関節Ｓ１、第２の肩関節Ｓ２、および第３の肩関節Ｓ３が共に、肩関節アセンブリ（矢印Ａ）の動作を形成する。
【００１６】
[0022] さらに、上腕２２は、第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２を含む肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を備える。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２はそれぞれ、１自由度を実現する。第１の肘関節Ｌ１および第２の肘関節Ｌ２が共に、人間の肘および前腕が行なうことが可能な動作に相当する動作を行なう。第１の肘軸Ｂ１を中心とする第１の肘関節Ｌ１の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、屈曲する、および直線状になる。さらに、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）の下方の上腕２２が、軸方向に回転し、すなわち、第２の肘軸Ｂ２を中心とする第２の肘関節Ｌ２の回転により、下腕２４および手１８（図１）が回転されて、手のひらが上方または下方に向けられる。
【００１７】
[0023] 上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、同様の態様にて作動するが、図示されるように異なる方向に配向されて、それぞれそれらの特定の軸Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２を中心として回転する。上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６を備える。上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれのためのロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６は、その関節におけるパッケージング、トルク、および動力要件にしたがって寸法設定され得る。図示される実施形態においては、第１の肩関節Ｓ１および第２の肩関節Ｓ２は、互いに同一のサイズおよび性能であり、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１は、互いに同一のサイズおよび性能であり、第２の肘関節Ｌ２は、別のサイズおよび性能である。アクチュエータアセンブリ２６を含む腕１６のためのパッケージングは、腕の重量全体が、腕が対応し得るペイロード未満となるようなものとなされる。
【００１８】
[0024] 以下において説明されるように、上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ、それらの各軸Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２を中心として時計回り方向または反時計回り方向のいずれかの方向に回転することによって、作動することが可能である。さらに、腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）が、ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ２６を備えてもよく、本明細書において説明されるのと同一の態様において作動してよい。
【００１９】
[0025] 図３および図４を参照すると、第３の肩関節Ｓ３のためのアクチュエータアセンブリ２６が、図示されている。アクチュエータ２６の作動が、第３の肩関節Ｓ３に関連して説明されるが、他の上腕関節Ｓ１、Ｓ２、Ｌ１、Ｌ２のそれぞれおよび腰部関節アセンブリ（矢印Ｅ）のためのアクチュエータ２６が、同様の態様において作動する。
【００２０】
[0026] アクチュエータアセンブリ２６は、モータ２８、ギアドライブ３０、およびばね３２を備える。第１の絶対位置センサ（ＡＰＳ： ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）３４および第２のＡＰＳ３６が、ギアドライブ３０とばね３２との間に配置される。アクチュエータアセンブリ２６は、第１の腕サポートフレーム４０の上に支持される。トルクは、アクチュエータアセンブリ２６を介していずれかの方向に伝達され得る。したがって、説明のために、関節「出力部」を、アクチュエータアセンブリ２６のばね３２の端部と呼ぶ。第１の腕サポートフレーム４０が、関節の「固定」部分として説明され、ばね３２における関節「出力部」が、アクチュエータアセンブリ２６の「回転」部分として説明される。しかし、実際には、関節「出力部」を固定的に保持することが可能であり、アクチュエータアセンブリ２６による相対回転により関節「入力部」を回転させることが可能である。図示される実施形態においては、第３の肩関節について関節「出力部」を固定的に保持することにより、第１の腕サポートフレーム４０は、肘関節アセンブリ（矢印Ｂ）を回転および移動させて、上方または下方に向かせる。
【００２１】
[0027] 第１の腕サポートフレーム４０は、アクチュエータアセンブリ２６の入力部側３８に対して剛体的に固定される。第２の腕サポートフレーム４４は、アクチュエータアセンブリ２６の出力部側４２に対して回転可能に連結される。第１の腕サポートフレーム４０および第２の腕サポートフレーム４４は、第３の肩関節Ｓ３が作動する際に互いに対して回転する。第３の肩関節Ｓ３のための入力部側３８を支持することに加えて、第１の腕サポートフレーム４０は、さらに、第１の肘関節Ｌ１のための入力部４６を支持し、回転可能な第２の腕フレーム部分４４は、第２の肩関節Ｓ２のための出力部４８に連結される。
【００２２】
[0028] 空洞部５０が、第１の腕サポートフレーム４０によって画成される。この空洞部５０は、回路基板と、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１のための配線（図示せず）とのために使用される。トルクは、いずれかの方向（入力部から出力部へ、または出力部から入力部へ）にアクチュエータ２６を介して伝達され得るため、アクチュエータアセンブリ２６の配向は、いずれかの方向になされ得る。したがって、隣同士に配置される関節（図示される実施形態においては、第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１）は、対向する関節入力部３８および４６を有するように構成されてよい。この態様においては、回路、および多数の関節（第３の肩関節Ｓ３および第１の肘関節Ｌ１）のための配線は、１つの空洞部５０内に容易に配置され得る。同様に、第２の肩関節Ｓ２は、第３の肩関節Ｓ３に対向する出力部分（すなわち関節のばね３２端部）と、第１の肩関節Ｓ１に対向する入力部分とを有することになる。回路と、第１の肩関節Ｓ１および第２の肩関節Ｓ２のための配線とは、第２の腕サポートフレーム４４（図２に図示される）によって画成される空洞部５１内に配置される。
【００２３】
[0029] ばね３２は、少なくとも１つのハードストップ３３を含む平坦状ねじりばねである。ハードストップ３３は、ばね３２の可能な反りを制限して、ばね３２の塑性変形を防ぐ。図示される実施形態においては、ハードストップ３３により最大で５度のばねの反りが可能となる。ばねの反りは、腕１６の重量、または環境内の物体２０（図１に図示される）から入力される力によって、生じ得る。ばね入力部７６が、ばね３２のための内方ボルト穴に位置し、ばね出力部７８が、ばね３２のための外方ボルト穴に位置する。
【００２４】
[0030] 図５は、アクチュエータアセンブリ２６の断面概略図である。アクチュエータアセンブリ２６は、第３の肩軸Ａ３の周囲に設置される。チューブ５３が、第３の肩軸Ａ３を中心として同心状に配置される内部ワイヤチャネル５２を画成する。内部ワイヤチャネル５２により、肩関節Ｓ３およびそれに続く関節のための配線が、アクチュエータアセンブリ２６を貫通して空洞部５０（図３に図示される）内に送られることが可能となる。
【００２５】
[0031] 上述のように、アクチュエータアセンブリ２６は、モータ２８、ギアドライブ３０、およびばね３２を備える。モータ２８は、アクチュエータアセンブリ２６およびモータ２８のために必要なパッケージング区域を縮小するためにモータ２８内に配置されたブレーキ５４を有する。モータ２８は、ステータ５６およびロータ５８を備える。ステータは、固定式モータサポート６０により第１の腕サポートフレーム４０に固定される。ロータ５８は、ロータサポート６２により回転可能に支持され、中心に配置される。モータ出力部６４は、ロータ５８を、ギアドライブ３０のためのギアドライブ入力部６６に連結させる。複数のモータ軸受６８が、第１の腕サポートフレーム４０に対するロータ５８、ロータサポート６２、モータ出力部６４、およびギアドライブ入力部６６の回転を補助する。
【００２６】
[0032] ギアドライブ３０は、好ましくは、ハーモニックドライブギアセットである。ギアドライブ３０は、ギアドライブ入力部６６、ギアドライブ出力部７０、および固定スプライン７２を備える。ギアドライブの固定スプライン７２は、第１の腕サポートフレーム４０に剛体的に固定される。ギアドライブ出力部７０は、ばね入力部７６に固定されるギアドライブ出力シャフト７４に固定される。ギアドライブ出力シャフト７４からのトルクは、ばね入力部７６を介してばね出力部７８に伝達される。ばね出力部７８は、関節出力部８０に装着される。関節出力部８０は、第２の肩関節Ｓ２のための出力部４８に連結されて（図示せず）、第３の肩関節Ｓ３から第２の肩関節Ｓ２にトルクを伝達する。
【００２７】
[0033] 出力部軸受８２が、関節出力部８０と第１の腕サポートフレーム４０との間に配置されて、関節出力部８０と第１の腕サポートフレーム４０との間の相対回転を可能にする。軸受保持具８４が、第１の腕サポートフレーム４０にクランプ留めされてよく、それにより、第１の腕サポートフレーム４０に対する軸受８２の固定が補助される。
【００２８】
[0034] 図５に戻って参照すると、第１のＡＰＳ３４および第２のＡＰＳ３６が、アクチュエータアセンブリ２６の相対移動を感知する。第１のＡＰＳ３４は、第１の固定部分８６および第１の回転部分８８を含む。第１の固定部分８６は、サポート９０により第１の腕サポートフレーム４０に装着され、第１の回転部分８８は、ギアドライブ出力シャフト７４に装着される。第１のＡＰＳ３４は、第１の固定部分８６と第１の回転部分８８との相対位置に基づいて、ギアドライブ３０の位置を感知する。
【００２９】
[0035] 同様に、第２のＡＰＳ３６は、第２の固定部分９２および第２の回転部分９４を含む。第２の固定部分９４は、サポート９０を介して第１の腕サポートフレーム４０に装着される。第２の回転部分９４は、関節出力部８０に装着される。第２のＡＰＳ３６は、第２の固定部分９２と第２の回転部分９４との相対位置に基づいて第３の肩関節Ｓ３の出力部の位置を感知する。さらに、第１のＡＰＳ３４と第２のＡＰＳ３６との間の差を計算することにより、ばね３２の反りを判定することが可能となる。ばね３２の反りにばね定数を乗じることにより、第３の肩関節Ｓ３が被るトルクを算出することが可能となる。第１のＡＰＳ３４および第２のＡＰＳ３６により、アクチュエータアセンブリ２６のトルク測定値を厳密に判定するための高い測定分解能が実現される。さらに、トルク測定値を出すために２つのＡＰＳを使用することにより、アクチュエータアセンブリ２６は、所望の位置にアクチュエータ出力部を移動させる際に、ばね３２の反りに対応することが可能となる。
【００３０】
[0036] 図６は、モータ２８の概略断面図である。モータ２８は、ステータ５６およびロータ５８を含む。ブレーキ５４は、ブレーキコイル９６およびブレーキパッド９８を含む。モータ２８は、概して環状形状を有し、第３の肩軸Ａ３の周囲に設置される。モータステータ５６およびロータ５８は、モータ２８とワイヤチャネル５２との間にブレーキ５４が配置可能となるのに十分な大きさの内径を有する。
【００３１】
[0037] さらに、モータ２８は、第１の温度センサ１００を備え、ブレーキ５４は、第２の温度センサ１０２を備え、それにより、モータ２８およびブレーキ５４の過熱を防ぐように、モータ２８およびブレーキ５４の温度条件が検出される。
【００３２】
[0038] 図７は、回転位置センサ１０４を図示する。この回転位置センサ１０４は、好ましくは、モータ２８およびブレーキ５４に隣接して、第３の肩軸Ａ３を中心として同心状に配置された位置エンコーダである。回転位置センサ１０４は、第１の腕サポートフレーム４０に設置される第１の固定部分１０６と、ロータ５８と共に回転する第２の回転部分１０８とを含む。第１の固定部分１０６は、相対的な第２の回転部分１０８の移動を測定する。このような態様において、回転位置センサ１０４は、第３の肩関節Ｓ３のロータ５８の回転位置を判定する役割を果たす。これにより、ギアドライブ３０、またはロータ５８と第１のＡＰＳ３４との間の他のドライブ列構成要素において観察される、反りの測定および補償が可能となる。第１のＡＰＳ３４（図４および図５に図示される）、第２のＡＰＳ３６（図４および図５に図示される）、および回転位置センサ１０４からの情報は、追加的な安全対策として、互いに比較することが可能である。第１のＡＰＳ３４、第２のＡＰＳ３６、および回転位置センサ１０４の予期値間において不一致が検出される場合には、関節は、第３の肩関節Ｓ３を損傷から守るために、移動を防止することができる。
【００３３】
[0039] したがって、第１のＡＰＳ３４、第２のＡＰＳ３６、第１の温度センサ１００、第２の温度センサ１０２、および回転位置センサ１０４を含む５つのセンサが、アクチュエータアセンブリ２６内にパッケージングされ、アクチュエータアセンブリ２６によって利用される。
【００３４】
[0040] 本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 人間型ロボット
１２ 頭部
１３ 電源部
１４ 胴部
１５ 腰部
１６ 腕
１８ 手
１９ 指
２０ 物体
２１ 親指
２２ 上腕
２４ 下腕
Ａ 肩関節アセンブリ
Ｂ 肘関節アセンブリ
Ｃ 手首関節アセンブリ
Ｄ 首関節アセンブリ
Ｅ 腰部関節アセンブリ
Ｆ 指関節アセンブリ
Ａ１ 第１の肩軸
Ａ２ 第２の肩軸
Ａ３ 第３の肩軸
Ｓ１ 第１の肩関節
Ｓ２ 第２の肩関節
Ｓ３ 第３の肩関節
Ｂ１ 第１の肘軸
Ｂ２ 第２の肘軸
Ｌ１ 第１の肘関節
Ｌ２ 第２の肘関節
２６ ロータリ直列型弾性アクチュエータアセンブリ
２８ モータ
３０ ギアドライブ
３２ ばね
３３ ハードストップ
３４ 第１の絶対位置センサ
３６ 第２の絶対位置センサ
３８ 入力部側
４０ 第１の腕サポートフレーム
４２ 出力部側
４４ 第２の腕サポートフレーム
４６ 入力部
４８ 出力部
５０ 空洞部
５１ 空洞部
５２ 内部ワイヤチャネル
５３ チューブ
５４ ブレーキ
５６ ステータ
５８ ロータ
６０ 固定式ロータサポート
６２ ロータサポート
６４ モータ出力部
６６ ギアドライブ入力部
６８ モータ軸受
７０ ギアドライブ出力部
７２ 固定スプライン
７４ ギアドライブ出力シャフト
７６ ばね入力部
７８ ばね出力部
８０ 関節出力部
８２ 出力部軸受
８４ 軸受保持具
８６ 第１の固定部分
８８ 第１の回転部分
９０ サポート
９２ 第２の固定部分
９４ 第２の回転部分
９６ ブレーキコイル
９８ ブレーキパッド
１００ 第１の温度センサ
１０２ 第２の温度センサ
１０４ 回転位置センサ
１０６ 第１の固定部分
１０８ 第２の回転部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を画定する概して円形のサポートフレームと、
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるモータと、
前記モータに回転可能に連結され、前記軸を中心として前記サポートフレーム内に設置される、ギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねであって、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、前記ねじりばねは、前記サポートフレーム内に設置される、ねじりばねと、
前記ばね出力部に連結される関節出力部と
を備える、ロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項２】
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記サポートフレームに固定され、
前記第１の回転部分は、前記サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの前記出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項３】
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるブレーキ
をさらに備え、
前記モータは、概して環状形状を有し、
前記ブレーキの少なくとも一部分が、前記モータと前記軸との間の環状開口部内に位置決めされる、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項４】
チューブが、前記軸に沿って前記サポートフレーム内に設置され、前記チューブは、前記サポートフレーム内に中央に配置されたワイヤチャネルを画成する、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項５】
前記モータ内に配置される第１の温度センサと、
前記ブレーキ内に配置される第２の温度センサと、
前記モータ出力部の回転位置を測定するために前記フレームサポートに設置された回転センサと
をさらに備える、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項６】
前記ねじりばねは、前記回転アクチュエータアセンブリの回転反りを制限する少なくとも１つのハードストップを備える、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項７】
人間型ロボットのためのロータリジョイントアセンブリであって、
軸を画定する概して円形の腕サポートフレームと、
前記軸を中心として前記サポートフレーム内に設置されるロータリアクチュエータアセンブリとを備え、前記ロータリアクチュエータアセンブリは、
前記軸を中心として設置されたモータと、
前記モータに回転可能に連結されたギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねであって、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結される、ねじりばねと
を備える、ロータリジョイントアセンブリ。
【請求項８】
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記腕サポートフレームに固定され、
前記第１の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの前記出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項９】
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるブレーキ
をさらに備え、
前記モータは、概して環状形状を有し、
前記ブレーキの少なくとも一部分が、前記モータと前記軸との間の環状開口部内に位置決めされる、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１０】
チューブが、前記軸に沿って前記サポートフレーム内に設置され、前記チューブは、前記サポートフレーム内に中央に配置されたワイヤチャネルを画成する、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１１】
前記モータ内に配置される第１の温度センサと、
前記ブレーキ内に配置される第２の温度センサと、
前記モータ出力の回転位置を測定するために前記フレームサポートに設置される回転センサと
をさらに備える、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１２】
前記ねじりばねは、前記ロータリアクチュエータアセンブリの回転反りを制限するための少なくとも１つのハードストップを備える、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１３】
人間型ロボットのための上腕アセンブリであって、
それぞれが軸を画定する複数の円形腕サポートフレームと、
それぞれが前記各軸を中心として前記複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される、複数のロータリアクチュエータアセンブリと
を備え、各ロータリアクチュエータアセンブリは、
前記各軸を中心として設置されるモータと、
前記モータに回転可能に連結されるギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねと
を備え、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、前記ばね出力部は、前記関節の出力部に連結される、上腕アセンブリ。
【請求項１４】
前記複数のロータリアクチュエータアセンブリはそれぞれ、前記ロータアクチュエータアセンブリのモータ側のアクチュエータ入力部と、前記ロータアクチュエータアセンブリのばね側のアクチュエータ出力部とを画成し、前記複数のロータリアクチュエータアセンブリはそれぞれ、前記アクチュエータ入力部から前記アクチュエータ出力部に、および前記アクチュエータ出力部から前記アクチュエータ入力部に、トルクを伝達することが可能である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１５】
前記複数のロータリアクチュエータアセンブリは、
第１の入力部および第１の出力部を有する第１のロータリアクチュエータアセンブリと、
第２の入力部および第２の出力部を有する第２のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第１の入力部は、前記第２の入力部に連結される、第２のロータリアクチュエータアセンブリと、
第３の入力部および第３の出力部を有する第３のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第３の出力部は、前記第２の出力部に連結される、第３のロータリアクチュエータアセンブリと、
第４の入力部および第４の出力部を有する第４のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第４の入力部は、前記第３の入力部に連結される、第４のロータリアクチュエータアセンブリと、
第５の入力部および第５の出力部を有する第５のロータリアクチュエータアセンブリであって、第５の入力部は、第４の出力部に連結される、第５のロータリアクチュエータアセンブリと
をさらに備える、請求項１４に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１６】
前記第１のロータリアクチュエータアセンブリおよび前記第２のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第１の腕サポートフレームと、
前記第３のロータリアクチュエータアセンブリおよび前記第４のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第２の腕サポートフレームと、
前記第４のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第３の腕サポートフレームと
をさらに備える、請求項１５に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１の腕フレームサポートは、第１の空洞部を画成し、前記第１のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素と、前記第２のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素とが、前記第１の空洞部内に配置され、前記第２の腕フレームサポートは、第２の空洞部を画成し、前記第３のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素と、前記第４のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素とが、前記第２の空洞部内に配置される、請求項１５に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１８】
複数のロータリアクチュエータアセンブリのそれぞれが、
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記腕サポートフレームに固定され、
前記代１の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１９】
前記上腕アセンブリの重量は、前記上腕アセンブリが対応し得る重量未満である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１】
軸を画定する概して円形のサポートフレームと、
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるモータと、
前記モータに回転可能に連結され、前記軸を中心として前記サポートフレーム内に設置される、ギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねであって、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、前記ねじりばねは、前記サポートフレーム内に設置される、ねじりばねと、
前記ばね出力部に連結される関節出力部と
を備える、ロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項２】
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記サポートフレームに固定され、
前記第１の回転部分は、前記サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの前記出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項３】
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるブレーキ
をさらに備え、
前記モータは、概して環状形状を有し、
前記ブレーキの少なくとも一部分が、前記モータと前記軸との間の環状開口部内に位置決めされる、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項４】
チューブが、前記軸に沿って前記サポートフレーム内に設置され、前記チューブは、前記サポートフレーム内に中央に配置されたワイヤチャネルを画成する、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項５】
前記モータ内に配置される第１の温度センサと、
前記ブレーキ内に配置される第２の温度センサと、
前記モータ出力部の回転位置を測定するために前記フレームサポートに設置された回転センサと
をさらに備える、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項６】
前記ねじりばねは、前記回転アクチュエータアセンブリの回転反りを制限する少なくとも１つのハードストップを備える、請求項１に記載のロータリアクチュエータアセンブリ。
【請求項７】
人間型ロボットのためのロータリジョイントアセンブリであって、
軸を画定する概して円形の腕サポートフレームと、
前記軸を中心として前記サポートフレーム内に設置されるロータリアクチュエータアセンブリとを備え、前記ロータリアクチュエータアセンブリは、
前記軸を中心として設置されたモータと、
前記モータに回転可能に連結されたギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねであって、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結される、ねじりばねと
を備える、ロータリジョイントアセンブリ。
【請求項８】
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記腕サポートフレームに固定され、
前記第１の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの前記出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項９】
前記サポートフレーム内において前記軸を中心として設置されるブレーキ
をさらに備え、
前記モータは、概して環状形状を有し、
前記ブレーキの少なくとも一部分が、前記モータと前記軸との間の環状開口部内に位置決めされる、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１０】
チューブが、前記軸に沿って前記サポートフレーム内に設置され、前記チューブは、前記サポートフレーム内に中央に配置されたワイヤチャネルを画成する、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１１】
前記モータ内に配置される第１の温度センサと、
前記ブレーキ内に配置される第２の温度センサと、
前記モータ出力の回転位置を測定するために前記フレームサポートに設置される回転センサと
をさらに備える、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１２】
前記ねじりばねは、前記ロータリアクチュエータアセンブリの回転反りを制限するための少なくとも１つのハードストップを備える、請求項７に記載のロータリジョイントアセンブリ。
【請求項１３】
人間型ロボットのための上腕アセンブリであって、
それぞれが軸を画定する複数の円形腕サポートフレームと、
それぞれが前記各軸を中心として前記複数の腕サポートフレームの中の１つに設置される、複数のロータリアクチュエータアセンブリと
を備え、各ロータリアクチュエータアセンブリは、
前記各軸を中心として設置されるモータと、
前記モータに回転可能に連結されるギアドライブと、
ばね入力部およびばね出力部を有するねじりばねと
を備え、前記ばね入力部は、前記ギアドライブの出力部に回転可能に連結され、前記ばね出力部は、前記関節の出力部に連結される、上腕アセンブリ。
【請求項１４】
前記複数のロータリアクチュエータアセンブリはそれぞれ、前記ロータアクチュエータアセンブリのモータ側のアクチュエータ入力部と、前記ロータアクチュエータアセンブリのばね側のアクチュエータ出力部とを画成し、前記複数のロータリアクチュエータアセンブリはそれぞれ、前記アクチュエータ入力部から前記アクチュエータ出力部に、および前記アクチュエータ出力部から前記アクチュエータ入力部に、トルクを伝達することが可能である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１５】
前記複数のロータリアクチュエータアセンブリは、
第１の入力部および第１の出力部を有する第１のロータリアクチュエータアセンブリと、
第２の入力部および第２の出力部を有する第２のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第１の入力部は、前記第２の入力部に連結される、第２のロータリアクチュエータアセンブリと、
第３の入力部および第３の出力部を有する第３のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第３の出力部は、前記第２の出力部に連結される、第３のロータリアクチュエータアセンブリと、
第４の入力部および第４の出力部を有する第４のロータリアクチュエータアセンブリであって、前記第４の入力部は、前記第３の入力部に連結される、第４のロータリアクチュエータアセンブリと、
第５の入力部および第５の出力部を有する第５のロータリアクチュエータアセンブリであって、第５の入力部は、第４の出力部に連結される、第５のロータリアクチュエータアセンブリと
をさらに備える、請求項１４に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１６】
前記第１のロータリアクチュエータアセンブリおよび前記第２のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第１の腕サポートフレームと、
前記第３のロータリアクチュエータアセンブリおよび前記第４のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第２の腕サポートフレームと、
前記第４のロータリアクチュエータアセンブリを支持するための、第３の腕サポートフレームと
をさらに備える、請求項１５に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１の腕フレームサポートは、第１の空洞部を画成し、前記第１のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素と、前記第２のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素とが、前記第１の空洞部内に配置され、前記第２の腕フレームサポートは、第２の空洞部を画成し、前記第３のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素と、前記第４のロータリアクチュエータアセンブリのための少なくとも１つの配線構成要素とが、前記第２の空洞部内に配置される、請求項１５に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１８】
複数のロータリアクチュエータアセンブリのそれぞれが、
第１の固定部分および第１の回転部分を有する第１の絶対位置センサと、
第２の固定部分および第２の回転部分を有する第２の絶対位置センサと
をさらに備え、
前記第１の固定部分および前記第２の固定部分は、前記腕サポートフレームに固定され、
前記代１の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記ギアドライブ出力部の回転位置を感知するように、前記ギアドライブの出力部に固定され、
前記第２の回転部分は、前記腕サポートフレームに対する前記関節出力部の回転位置を感知するように、前記ばね出力部に固定され、
前記第１の回転部分と前記第２の回転部分との位置における差が、前記ねじりばねの反りの量である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【請求項１９】
前記上腕アセンブリの重量は、前記上腕アセンブリが対応し得る重量未満である、請求項１３に記載の上腕アセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−７２１８６（Ｐ２０１１−７２１８６Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２０９０９４（Ｐ２０１０−２０９０９４）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（５０５２１２０４９）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド (221)
【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２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０９０９４（Ｐ２０１０−２０９０９４）
【出願日】平成２２年９月１７日（２０１０．９．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ハーモニックドライブ
【出願人】（５０５２１２０４９）ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド (221)
【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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