JP2004515369A - 制御アーム - Google Patents

Abstract

本発明は、一定傾斜状態に維持されるリスト部（６）を備えたマスターアームに関するものであって、セグメント（３，４）の移動によってもたらされる並進制御と、リスト部の回転によってもたらされる回転制御と、をうまく分断することができる。操作者のタスクが単純化されるとともに、運動時の特異姿勢が、実用上、排除される。ある特定の実施形態においては、リストホルダ（５）と、特別のリンク（１８〜２２）と、を備えている。リンク（１８〜２２）は、リストホルダ（５）を、固定座に対して連結する。リスト部の可動部材（７，８，９）は、１点（Ｏ）に集中する関節結合軸を有している。よって、リスト部（６）は、回転に関してバランスされており、アームセグメント（３，４）に対して一定の力をもたらす。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の目的は、制御アームであり、より詳細には、仮想現実シミュレーションを制御するためのマスターアームまたはアームである。アームの状態は、位置センサによって記録される。アームは、通常は手動で駆動され、アームには、通常、従動アーム（スレーブアーム）と環境との間の相互作用（現実あるいはシミュレーション）に対応した力をまたはアーム内に起因する動的な力を、操作者に対して伝達するために、力をリターンさせるモータが設けられる。しかしながら、このようなモータは、絶対的に必須というわけではない。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
上記のような制御アームは、操作者によって所望状態へと迅速かつ容易に制御し得るという点において非常に便利なものではあるけれども、いくつかの問題点を有している。複雑な制御アームは、アームの自由端のところにおいて操作デバイスが空間中で位置と配向とに関して６個の自由度を使用することをベースとしている、あるいは、そのような６個の自由度の大部分を使用することをベースとしている。アームは、把持デバイスのこのようなすべての移動を可能とし得るよう、かなり多数の部材（セグメントと称される）から構成される必要がある。しかしながら、経験的には、特異姿勢が発生してしまう。言い換えれば、アームのアクセスが不可能になる位置や、アームの所望位置に対応しないような位置が、発生してしまう。このような特異姿勢の主原因は、セグメントどうしの間の隣接ジョイントにおける同方向の動きどうしの間における結合である。より一般的には、アームの自由度が少なすぎたりあるいは多すぎたりという状況が自由に発生することである。
【０００３】
アームの製造者は、上記特異姿勢の数をうまく低減させた。しかしながら、そのような観点において最も適切な構成は、必ずしも満足のいくものではない。それは、特に、アームの軽量化や、小さな操作力や、解放直後にアームの崩壊や変形を起こさないように、すべての方向にわたってアームのバランスをとること、といったような他の要求が重視されなければならないからである。このタイプの変形に対しては、アームセグメントのジョイントにおける摩擦を大きくすることによって、対抗することが考えられる。しかしながら、これでは、アームの操作が不便となってしまうことにより、この案を採用することはできない。仏国特許出願公開明細書第７０ １３６０６号により、複数のアームセグメントのバランスを個々にとるためのスプリングシステムも、また、想定される。この手法の方が良好である。しかしながら、実際には、複雑なアームに対しては適用することができない。その理由は、セグメントの重量をバランスさせる必要があるだけでなく、このアセンブリが変形可能であることのために可変量となってしまうような、アームの自由端に向けてのそれを超えてのすべての他のセグメントの曲げモーメントをも、バランスさせる必要があるからである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
しかしながら、本発明は、公知アームにおける上記難点に対しての解決手段を提供する。本発明における主要な利点は、アームが、特異姿勢をもたらすことなく幅広い動作範囲を有していることであり、また、複数の主要部材が、不変の平衡状態にあることである。
【０００５】
最も一般的な形態においては、ベースと、このベース上に設けられたセグメントトレインと、関節結合軸においてセグメントトレインに対して関節結合されたリスト部と、を具備している制御アームは、セグメントトレインが、関節結合軸と固定平面との間の角度が一定に維持されるように、設置されていることを特徴としている。
【０００６】
この構成により、セグメントトレインの並進移動の制御と、リスト部をなす各部材の回転移動の制御と、を、セグメントトレインとリスト部とを連結している関節結合軸の両サイドにおいて、うまく分断することができるとともに、セグメントトレインに対してリストホルダがもたらす力を一定とすることができてリスト部とアームの残部とのバランスを容易に均衡化させることができる。特に、セグメントトレインは、操作を困難なものとしてしまうようなブロック機構または摩擦機構を関節結合箇所において使わなくても、スプリングデバイスによって完全にバランスさせることができる。
【０００７】
リスト部材と固定平面との間の角度を一定に維持するのに適切なフィードバック手段（あるいは、リターン手段）は、ベースからリストホルダまでにわたってセグメントトレインをなすセグメントの一連の関節結合軸のところに配置された一連のプーリであるとともにベースとリストホルダとに対して固定されている２つの端部プーリを除いては回転可能とされている一連のプーリと、プーリ対の間にわたって張られているとともに各セグメントに対して平行なチェインをなすベルトと、を備えている。
【０００８】
適切なリスト部は、互いに関節結合された複数の部材から構成され、特に、１点集中している各関節結合軸回りに関節結合された複数の部材から構成されている。これにより、リスト部の重心を一定位置に容易に維持することができる。
【０００９】
より一般的には、セグメントトレインが、水平軸とされた関節結合軸によってベースに対して連結されかつ水平軸とされた関節結合軸によって互いに連結されたセグメントから構成され、かつ、ベースが、鉛直軸とされた関節結合軸によって固定部材に対して連結されていることが、有利である。この場合には、アームのすべての並進移動を許容することができ、セグメントの静的バランスを、スプリングによって容易に均衡化することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明について説明する。
【００１１】
本発明によるアームは、固定支持体（２）上において鉛直方向軸（Ｘ１）回りに回転可能とされたベース（１）上に設置されている。アームのセグメント（３）は、ベース（１）上において水平方向軸（Ｘ２）回りに回転する。セグメント（３）の配向（向き）は、ベース（１）に対して印加された回転に依存する。前方側アームセグメント（４）は、アームセグメント（３）に対して関節結合されており、セグメント（３，４）間の角度を変更することによって、（軸Ｘ２と平行とされている）軸（Ｘ３）回りに回転可能とされている。前方側アームセグメント（４）の他端は、リストホルダ（５）に対して関節結合されている。前方側アームセグメント（４）の他端とリストホルダ（５）との間に形成された関節結合軸（Ｘ４）は、先の２つの軸（Ｘ２，Ｘ３）と平行である。リストホルダ（５）の先端側には、リスト部（６）の他の部材が設けられている。特に、操作デバイスは、この場合には、ハンドル（７）と、２つのあぶみ（８，９）と、から構成されている。一方のあぶみ（８）は、中央部分において、リストホルダ（５）に対して軸（Ｘ５）回りに回転可能に関節結合されている。このあぶみ（８）の２つのブランチ（１０）の端部は、他方のあぶみ（９）の２つのブランチ（１１）の対応端部に対して、軸（Ｘ６）回りに回転可能に連結されている。最後に、あぶみ（９）は、中央部分において、ハンドル（７）に対して軸（Ｘ７）回りに回転可能に関節結合されている。
【００１２】
したがって、このアームは、軸（Ｘ１〜Ｘ７）において７個の見かけの自由度を有しており、後述するように軸（Ｘ４）を除いて、６個の実際の自由度を有している。例えば角度エンコーダといったような複数のセンサが、各ジョイントにおいて関節結合されたセグメントどうしの間の角度を測定しまたそれらセグメントの動きを測定しこれにより特定のプログラムに従っている他のデバイスに課すべき制御内容を決定し得るよう、実際の自由度（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７）のところに配置されている。本発明においては、公知ではないようなセンサを使用していないことにより、センサについてのこれ以上の説明を省略する。
【００１３】
軸（Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７）は、ポイント（Ｏ）において１点に集中しており、あぶみ（８，９）は、ほぼ対称な形状とされており、あぶみ（８）の重心は、軸（Ｘ５）上に位置している。さらに、他方のあぶみ（９）とハンドル（７）とからなるアセンブリの重心は、軸（Ｘ７）上に位置しており、可能であれば、１点集中ポイント（Ｏ）上に位置しておりしたがって軸（Ｘ５）上にも位置している。
【００１４】
したがって、リスト部（６）の重心が、軸（Ｘ５，Ｘ６，Ｘ７）回りにおいて各部材に対して印加された動きにかからわず、軸（Ｘ５）上のポイント（Ｇ）として不変であるならば、不変の平衡状態が維持される。リストホルダ（５）は、詳細に後述するようなトランスミッションを使用することによって、一定の仰角に保持される。言い換えれば、水平面からの一定の配向性に維持される。その結果、リスト部（６）によってもたらされる曲げモーメントは、このトランスミッションによって耐えることができ、アームセグメント（３）および前方側アームセグメント（４）は、アームセグメント（３）および前方側アームセグメント（４）に関してのすべての位置においておよびリスト部（６）に関してのすべての位置において、リスト部（６）の自重に耐えるだけで良い。これにより、ベース（１）上に設置された静的バランスデバイス（１３）を使用して、前方側セグメント（４）のバランスを容易にとることができるようになる。また、ベース（１）上に配置された他のバランスデバイス（１３）は、アームセグメント（３）のバランスをとるために使用される。
【００１５】
上記利点とは別に、固定平面から一定の配向性に維持されたリストホルダ（５）は、ベース（１）および両セグメント（３，４）の動きによってもたらされるような並進方向のアームの自由度と、リスト部（６）の動きによってもたらされるような回転方向のリスト部の自由度と、を分断（あるいは、絶縁、分離、隔離、連結解除）する。このことは、アームの学習および制御を単純化するとともに、運動における特異姿勢（あるいは、特異点）の除去に寄与する。２つのセグメントが同一直線状をなす場合に特に発生しやすいこのような特異姿勢が、この場合には、アームが最大延伸状態と最大退避状態とにある時しか起こらない、つまり、両セグメント（３，４）間の角度がゼロまたは１８０°に近い時しか起こらない、ことは明らかである。この主題に関しての他の見地は、リスト部（６）に対して適用される。ハンドル（７）がリストホルダ（５）に対向している時に言い換えれば軸（Ｘ５）と軸（Ｘ７）とが一致している時に、または、ハンドル（７）がセグメント（４）と同一直線上にある時に、特異姿勢が発生することとなる。しかしながら、そのような状況は、リストホルダ（５）が、特に水平といったような一定の傾斜角度に維持されている場合には、容易には起こり得ない。それは、操作者に関しての自然的操作位置を超えてリスト部（７）を完全に反転させる必要があるからである。
【００１６】
本発明の技術思想は、例示したものとは異なるアームや複雑さの少ないアームに対して適用することができる。すなわち、多くの場合、５個の操作自由度で十分である。その場合には、例えば、軸（Ｘ７）回りにおけるハンドル（７）の回転を、回転禁止とすることができるすなわち不活性なものとすることができる。それは、この回転移動が、最も実施困難なものであるからである。
【００１７】
開放状態におけるアームの静的バランスの均衡化は、軸（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）回りの回転を停止する通常的な力をフィードバックするモータによって、達成される。第１モータ（１４）は、固定支持体（２）に対して固定されており、ベース回りに巻回されたベルトやギヤや他の手段によってベース（１）に対して連結されている。図示していないものの他の２つのモータが、ベース（１）上に設置されており、プーリ（３０）によってアームセグメント（３）に対して連結され、また、プーリ（２５）とベルト（２４）と軸（Ｘ３）上に配置されたプーリ（２３）とによって前方側セグメント（４）に対して連結されている。この場合にも、使用されているすべての部材や手法は、標準的実用技術において公知の部材や手法である。よって、これ以上の説明を省略する。
【００１８】
しかしながら、リストホルダ（５）の仰角（水平面からの角度）を維持する方法については、十分に説明しておく必要がある。
【００１９】
参照プーリ（１８）は、アームセグメント（３）の関節結合軸（Ｘ２）上に配置されているものの、ベース（１）上に固定されている。ベルト（１９）が、参照プーリ（１８）と、回転可能であるようにしてアームセグメント（３）と前方側アームセグメント（４）との間の関節結合軸（Ｘ３）上に配置されたトランスミッションプーリ（２０）と、の間に張力状態でもって張られている。第２ベルト（２１）が、トランスミッションプーリ（２０）の他のグルーブと、軸（Ｘ４）回りに回転可能であるようにして設けられかつリストホルダ（５）に対して固定された支持プーリ（２２）と、の間に張力状態でもって張られている。この構成により、プーリ（２０，２２）は、アームセグメント（３）および前方側アームセグメント（４）の動きにかかわらず固定されたままである参照プーリ（１８）に対して連結されていることのために、全く回転することがなく、リストホルダ（５）も回転しない。
【００２０】
最後に、アームセグメント（３）と前方側アームセグメント（４）とのバランスは、スプリングデバイスによって、少なくとも部分的に均衡化され、可能であれば、力をフィードバックするモータによって達成される。ペグ（２６）が、バランスプーリ（２５）の円形プレートの周縁位置に配置されており、ケーブル（２７）が、ペグ（２６）に対して取り付けられている。ケーブル（２７）の他端は、軸（Ｘ２）と平行とされたシャフト（２８）回りに巻回されている。シャフト（２８）は、シャフトとベース（１）との間に取り付けられた渦巻ばね（スパイラルスプリング）（２９）によって回転可能に保持されている。前方側アームセグメント（４）の傾斜状態が変更されたときには、プーリ（２３，２５）が回転し、ケーブル（２７）の非巻回部分長さが変化する。これにより、シャフト（２８）の回転度合いに比例して、渦巻ばね（２９）の力が増減される。この場合、ケーブル（２７）は、ペグ（２６）とシャフト（２８）との間に張られた直線状スプリングとして機能する。これに関しては、上述した仏国特許出願公開明細書第７０ １３６０６号の開示内容を適用することができる。渦巻ばね（２９）のばね定数として適切な値が選択された場合には、前方側アームセグメント（４）のバランスは、自身の傾斜状態にかかわらず、均衡化することができる。ペグ（２６）の位置は、前方側アームセグメント（４）が最大の曲げモーメントをもたらす状況（前方側アームセグメント（４）が水平とされた状況）においてケーブル（２７）の非巻回長さが最大となるように、選択される。
【００２１】
アームセグメント（３）に関するバランスデバイス（１２）は、同様のものであって、渦巻ばねと、シャフトと、ケーブルと、ペグと、軸（Ｘ２）回りに回転可能とされかつアームセグメント（３）に対して固定されたプーリ（３０）と、を備えて構成されている。
【００２２】
静的バランスデバイス（１２，１３）の組合せは、均衡化させるべき力が最大となる場所である軸（Ｘ２，Ｘ３）回りにおけるアームのバランスを均衡化させるに際して、より小さいような力をフィードバックするモータの使用を可能とすることによって、アームの重量を低減させる。
【００２３】
次に、図２を参照して、リスト部（１０６）の１つの特別の態様について説明する。アームの端部においては、リストホルダが設けられておらず、第１あぶみ（１０８）が、前方側アームセグメント（１０４）の端部に対して直接的に、上述した軸（Ｘ４）と同様の横方向軸（Ｘ１０４）回りに回転可能に、取り付けられている。第２あぶみ（１０９）は、第１あぶみ（１０９）に対して、軸（Ｘ１０６）回りに回転可能に関節結合されている。ハンドル（１０７）は、第２あぶみ（１０９）上において、軸（Ｘ１０７）回りに回転可能とされている。１点集中している３つの軸（Ｘ１０４，Ｘ１０６，Ｘ１０７）におけるジャイロスコープ的（回転儀的）取付という原理により、リスト部の操作の便利さという利点とバランスを容易にとり得るという利点とが維持される。このような利点を得るためには、３つの軸の１点集中ポイント（Ｏ）が前方側アームセグメント（１０４）の主部と軸合わせされていることが、この場合にも、有効である。このことが、リスト部（１０６）を、セグメント（１０４）の横振り端部（１４０）上に配置していることの理由である。リスト部（１０６）の重心（Ｇ）は、軸（Ｘ１０４）上に配置されているべきである。そのため、前方側アームセグメント（１０４）に対しては、一定の力が印加される。これは、第１あぶみ（１０８）に対して、第２あぶみ（１０９）とハンドル（１０７）とを支持しているブランチ（２１０）とは反対側のブランチ（１１０）の端部のところに、釣合錘（１３９）を配置することによって、得ることができる。有利には、第２あぶみ（１０９）とハンドル（１０７）との重心を、軸（Ｘ１０６）上に配置することができる。これにより、第２あぶみ（１０９）も、不変の平衡状態となる。この第２実施形態においても、セグメントトレインに対してのリスト部（１０６）の関節結合のための主軸（Ｘ１０４）と、固定平面（この場合には、水平面）と、の間の角度は、セグメントトレインが捻り方向には回転し得ないことにより、一定のままである。この場合、主軸（Ｘ１０４）は、水平である（同様に、セグメント（３）とベース（１）との間の関節結合軸（Ｘ２）も、セグメント（３，４）間の関節結合軸（Ｘ３）も、水平である）。したがって、主軸（Ｘ１０４）とハンドル（１０７）の軸（Ｘ１０７）とを軸合わせして特異姿勢とすることは、困難なことである。特異姿勢をもたらしてしまうこととなるこのような状況は、図１において、主軸（Ｘ４）とリストホルダ（５）の軸（Ｘ５）とを軸合わせすることと、実質的に同じである。
【００２４】
アームの端部が非対称であること、および、リスト部（１０６）が、ハンドル（１０７）の一方側にしか存在しておらず、他方側が、操作者の腕や手のための自由空間となっていること、に注意されたい。図示の構成は、右利きの操作者に対して非常に好適であり、左利きの操作者に対しては好適ではない。したがって、横振り端部（１４０）を支持するとともに横振り端部（１０４）を前方側セグメント（１０４）の残部に対して連結する例えばターンバックル（１４１）といったような、リスト部（１０６）のための反転デバイスを使用することが想定される。ターンバックル（１４１）は、矢印（Ｚ）によって示されているようにして横振り端部（１４０）をセグメント（１０４）の軸回りに半回転だけ回転させて、横振り端部（１４０）を、互いに反対側に位置した２つの対称的係止状態に配置し得るように、構成されている。反対側に位置した係止状態は、破線によって図示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアームの全体を示す斜視図である。
【図２】アームの端部の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ ベース
２ 固定支持体（固定部材）
３ アームセグメント（セグメント、セグメントトレインの一部）
４ 前方側アームセグメント（セグメント、セグメントトレインの一部）
５ リストホルダ
６ リスト部
７ ハンドル（リスト部動作ハンドル）
１２ 静的バランスデバイス（スプリングデバイス）
１３ 静的バランスデバイス（スプリングデバイス）
１８ 参照プーリ（プーリ、リターン手段）
１９ ベルト（リターン手段）
２０ トランスミッションプーリ（プーリ、リターン手段）
２１ 第２ベルト（ベルト、リターン手段）
２２ 支持プーリ（プーリ、リターン手段）
１０４ 前方側アームセグメント（セグメント、セグメントトレインの一部）
１０６ リスト部
１０７ ハンドル（リスト部動作ハンドル）
１４０ 横振り端部
Ｏ １点集中ポイント
Ｘ１ 関節結合軸
Ｘ２ 関節結合軸
Ｘ３ 関節結合軸
Ｘ４ 関節結合軸
Ｘ５ 関節結合軸
Ｘ６ 関節結合軸
Ｘ７ 関節結合軸
Ｘ１０４ 関節結合軸
Ｘ１０６ 関節結合軸
Ｘ１０７ 関節結合軸

Claims (11)

1. ベース（１）と、該ベース上に設けられたセグメントトレイン（３，４）と、関節結合軸（Ｘ４，Ｘ１０４）において前記セグメントトレインに対して関節結合されたリスト部（６，１０６）と、を具備している制御アームにおいて、
   前記セグメントトレイン（３，４）が、前記関節結合軸（Ｘ４，Ｘ１０４）と固定平面との間の角度が一定に維持されるように、構成されていることを特徴とする制御アーム。
2. 請求項１記載の制御アームにおいて、
   前記固定平面が、水平面とされ、
   前記セグメントトレインが、水平軸とされた関節結合軸（Ｘ２）によって前記ベースに対して連結されかつ水平軸とされた関節結合軸（Ｘ３）によって互いに連結されたセグメント（３，４）から構成され、
   前記ベース（１）が、鉛直軸とされた関節結合軸（Ｘ１）によって固定部材に対して連結されていることを特徴とする制御アーム。
3. 請求項１または２記載の制御アームにおいて、
   前記リスト部が、リストホルダ（５）を介して前記セグメントトレインに対して関節結合され、
   リターン手段（１８〜２２）が、前記リストホルダと固定平面との間の角度を一定に維持することを特徴とする制御アーム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記リターン手段が、前記ベース（１）から前記リストホルダ（５）までにわたって前記セグメントトレインをなす前記セグメント（３，４）の一連の関節結合軸（Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）のところに配置された一連のプーリ（１８，２０，２２）と、プーリ対の間にわたって張られているとともに各セグメントに対して平行なチェインをなすベルト（１９，２１）と、を備え、
   前記プーリは、前記ベース（１）と前記リストホルダ（５）とに対して固定されている２つの端部プーリを除いては、回転可能とされていることを特徴とする制御アーム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記セグメントの少なくともいくつかのバランスが、スプリングデバイス（１２，１３）によって均衡化されていることを特徴とする制御アーム。
6. 請求項１記載の制御アームにおいて、
   前記セグメントトレインをなす前記セグメントが、互いに平行とされている関節結合軸（Ｘ２，Ｘ３，Ｘ１０４）によって、互いにまた前記リスト部に対して連結されていることを特徴とする制御アーム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記リスト部（６，１０６）が、互いに関節結合されているとともに関節結合軸（Ｘ５，Ｘ１０４）回りにおいてバランスがとられている複数の部材から、構成されていることを特徴とする制御アーム。
8. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御アームにおいて、
   前記リスト部（６，１０６）が、関節結合軸（Ｘ５，Ｘ１０４）に対して一直線上に位置した１点集中ポイント（Ｏ）において１点集中している各関節結合軸（Ｘ６，Ｘ７，Ｘ１０６，Ｘ１０７）回りに関節結合された複数の部材から、構成されていることを特徴とする制御アーム。
9. 請求項８記載の制御アームにおいて、
   前記１点集中ポイント（Ｏ）が、リスト部動作ハンドル（７，１０７）の中央に配置されていることを特徴とする制御アーム。
10. 請求項８または９記載の制御アームにおいて、
    前記１点集中ポイント（Ｏ）が、一方のセグメント（１０４）の主部に対して軸合わせされており、
    そのセグメントが、横振り端部（１４０）を備え、この横振り端部（１４０）に対して、前記リスト部（１０６）が関節結合されていることを特徴とする制御アーム。
11. 請求項１０記載の制御アームにおいて、
    前記横振り端部（１４０）が、前記セグメント（１０４）の主部に対して、互いに反対側に位置した２つの対称位置間にわたって回転可能であるように取り付けられていることを特徴とする制御アーム。