JP7348841B2 - ケーブル作動式差動装置、ケーブル作動式差動装置を有するシステム、ケーブル作動式差動装置を作動させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、機械的差動装置に関する。より具体的には、本発明は、バンク及びロールの両方の自由度を制御するためにプーリによって作動される機械的差動装置に関する。機械的差動装置は、ロボット工学及び遠隔操作に応用される。

通常、アクチュエータによって生成された運動及び力を別の場所に伝えるために、リンケージ、ギア、シャフト、ベルトが、アクチュエータ（例えば、モータ、手動式、油圧、重り）と組み合わされて使用される。別の場所へのこの運動及び力の伝導（コンダクション）は、伝達（トランスミッション）と呼ばれる。例として、自転車のチェーンドライブ、時計の歯車（ギア）、自動車のタイミングベルトが含まれる。これらの例には、１つの共通の属性が存在する。これらは、双方向の伝達を行う。シャフトは、ギア及びタイミングベルトと同様に、正または負の向きのトルクを発生させる。同様に、電気モータは、いずれの方向にも運動を引き起こすことができる。

対照的に、「ユニセンス（単一方向）」アクチュエータ、及び／またはトランスミッションを使用するそのような機構には、別の種類が存在する。ユニセンスアクチュエータとは、一方向の力を生成することのみ可能なアクチュエータを指す（単動空気圧式シリンダ、または人工衛星のステアリングスラスタなど）。ユニセンストランスミッションは、一方向にのみ、運動及び力を引き起こすことができる。張力ケーブル、及び油圧ホースがその例である。張力ケーブルは張力によって運動及び力を伝導するが、油圧ホースは圧力によって運動及び力を伝導する。

本開示において、「Ｎ＋１設計」という用語は、ロボットアームなどのＮ自由度（ＤＯＦ）の機構について、Ｎ自由度機構を完全に（双方向に）制御できるようにするために必要なユニセンストランスミッション／アクチュエータの最小数はＮ＋１であるという観察を指す。例えば、衛星を完全に６自由度で制御するには、７つのユニセンススラスタが必要である（すなわち、Ｎ＋１のアクチュエータ）。この関係を用いることにより、参照により本明細書に組み込まれる特許文献１に開示されているように、４つのモータによって張力がかけられたＢｏｄｉｎケーブルを使用して、３ＤＯＦスタンフォード／ＪＰＬロボットハンドを制御することができる。

米国特許第４，９２１，２９３号明細書 米国特許第５，８０７，３７７号明細書 米国特許第５，５８７，９３７号明細書 米国特許第５，３２７，７９０号明細書 米国特許第４，９０３，５３６号明細書

当該技術分野のニーズに取り組むために、複数の作動要素と、複数のプーリであって、各プーリはそれぞれのプーリの周囲に沿って独立して取り付けられた１以上の張力ケーブルを有する、該複数のプーリとを含み、張力ケーブルの数は少なくともＮ＋１であり、Ｎは少なくとも１に等しく、プーリの回転を可能にする取り付け構造であって、張力ケーブルは、たるみを引き起こすことなく最小限の張力を同時に加えることにより、作動要素によって同時活性化される、Ｎ自由度を有するケーブル作動式差動装置が提供される。

一態様によれば、本発明は、プーリのそれぞれに関連する複数のギアをさらに含み、２以上のギアは、円形であり、互いに対向する面を有し、かつ、それぞれのシャフトに取り付けられ、１以上の他のギアは、対向するギアのそれぞれに噛合されている。一態様では、対向するギアの２つは、共通のシャフトに取り付けられたベベルギアであり、中間ベベルギアは、対向するベベルギアのそれぞれに噛合されている。別の態様では、少なくとも１つの張力ケーブルに加えられる張力の値は、それぞれのプーリ、及び関連付けられた円形ギアの回転を引き起こす他の張力ケーブルに加えられる張力の値とは異なる。

本発明のさらなる態様によれば、ケーブル作動式差動装置は、２自由度のジョイントであり、複数のプーリは、第１プーリと、第２プーリとを含み、第１プーリは、張力下で取り付けられたそれぞれのケーブルを有し、かつ、回転軸に取り付けられ、第２プーリは、前記第１プーリに対して垂直に取り付けられ、かつ、前記第２プーリに独立して取り付けられた１対のケーブルを含み、１対のケーブルに加えられる１以上の張力は、任意の動作点における前記ケーブルの同時活性化が最小限に抑えられるようなものである。

本発明の別の態様では、ケーブル作動式差動装置は、２自由度のジョイントであり、複数のプーリは、第１プーリ、及び１対の第２プーリを含み、第１プーリは、張力下で取り付けられたそれぞれのケーブルを有し、かつ、回転軸に取り付けられ、第１プーリに平行に取り付けられた１対の第２プーリは、それぞれの第２プーリに独立して取り付けられた１対のケーブルを有し、第１プーリは、１対の第２プーリに隣接して配置され、１対のケーブルに加えられる様々な１以上の張力は、任意の動作点におけるケーブルの同時活性化が最小限に抑えられるようなものである。一態様では、本発明は、共通シャフトをさらに含み、共通シャフトは、第１プーリ及び１対の共通プーリの回転軸に沿っており、１対の第２プーリは、共通シャフトに関して自由に回転し、第１プーリは、第１プーリが共通シャフトと共に回転するように、共通シャフトに固定されている。別の態様では、本発明は、共通シャフトに取り付けられたフォークと、フォークに堅く噛合された操作シャフトと、操作シャフトに関して自由に回転するように取り付けられた出力コネクタと、１対の第２プーリに堅く取り付けられた１対のベベルギアと、１対のベベルギアのそれぞれに噛合された中間ベベルギアとをさらに含み、操作シャフトは、共通シャフトがフォークに噛合されて第１プーリと共に回転するように、共通シャフトに対して垂直であり、出力コネクタは、出力コネクタが中間ベベルギアの回転と共に操作シャフトに関して回転するように、中間ベベルギアに堅く接続されている。

さらに別の態様では、本発明は、プーリのそれぞれに関連する、複数の、平滑面を有する回転部材と、互いに対向し、共通のシャフトに取り付けられた、平滑面を有する２つの回転部材、及び対向するベベルギアのそれぞれに噛合された、平滑面を有する中間回転部材とをさらに含み、平滑面を有する中間回転部材及び対向する平滑面を有する回転部材の１つは、噛合要素として使用されるケーブルによって噛合されている。一態様では、少なくとも１つの張力ケーブルに適用される張力値は、それぞれのプーリ及び関連付けられた回転部材の回転を引き起こす他の張力ケーブルに適用される張力値とは異なる。

一態様によれば、本発明は、プーリに関連する複数のギアをさらに含み、ギアの少なくとも１つは円形であり、かつ、それぞれのシャフトに取り付けられ、他のギアの少なくとも１つは、円形のギアの少なくとも１つに噛合されたラックである。

一実施形態では、本発明は、各差動装置の第１プーリ及び第２プーリに接続されたケーブルによって相互接続された２つのＮ＋１ケーブル作動式差動装置を有するシステムであって、２つのケーブル作動式差動装置は、それぞれのｘ軸に関して協働して回転する。一態様によれば、本発明は、第１プーリ及び第２プーリにそれぞれ堅く取り付けられた１対の対向するベベルギアと、対向するベベルギアと噛合された中間ベベルギアとを含むシステムであって、中間ベベルギアは、それぞれの張力ケーブルに異なる張力を加えることによって、第１プーリ及び第２プーリの相対運動により回転する。別の態様では、第３プーリが他のプーリの外側に配置され、２つのケーブル作動式差動装置は、ケーブル長に応じて３６０度回転する。

別の実施形態によれば、少なくともＮ＋１の張力下のケーブルを有するＮ自由度のケーブル作動式差動装置を作動させる方法が提供され、ケーブル作動式差動装置は複数のプーリを含み、各プーリには１以上のケーブルが取り付けられ、ケーブル間の同時活性化が最小化されるように、各ケーブルのたるみ無しに、張力が独立して作用し、ケーブルに、たるみを引き起こすことなく同時に加えられる張力の量を最小化することによって、張力ケーブルの同時活性化が最小化される。別の態様では、本方法は、プーリのそれぞれに関連付けられたベベルギアをさらに含み、ベベルギアの２つは互いに対向し、共通シャフトに取り付けられ、対向するベベルギアのそれぞれに中間ベベルギアが噛合されている。一態様によれば、本方法は、対向するベベルギアに関連付けられたプーリのケーブルが所定の位置に保持されているときに第３のケーブルを引くステップであって、差動装置に張力を加えて、それぞれのシャフトに関するいずれのギアの回転も引き起こすことなく、中間ベベルギアと、２つの対向するベベルギアのいずれかとの間のバックラッシュを排除する、該ステップをさらに含む。さらに別の態様では、ケーブル作動式差動装置は、プーリのそれぞれに関連付けられたベベルギアをさらに含み、ベベルギアの２つは互いに対向し、共通シャフトに取り付けられ、対向するベベルギアのそれぞれに中間ベベルギアが噛合され、中間ベベルギアに関連付けられたプーリに取り付けられたケーブルが静止状態で保持されているとき、対向するベベルギアの一方に関連付けられたケーブルが引かれ、対向するベベルギアの他方に関連付けられたケーブルが引き出されることによって、中間ベベルギアがその中央軸に関して回転する。さらに別の態様では、本方法は、プーリのそれぞれに関連付けられたベベルギアをさらに含み、ベベルギアの２つは互いに対向し、共通シャフトに取り付けられ、対向するベベルギアのそれぞれに中間ベベルギアが噛合され、対向するベベルギアに関連付けられたケーブルが共に引かれ、中間ベベルギアに関連付けられたケーブルが引き出されると、対向するベベルギアの周囲を中間ベベルギアが動く。さらに、本方法は、プーリのそれぞれに関連付けられた、複数の、平滑面を有する回転部材をさらに含み、平滑面を有する回転部材の２つは互いに対向し、共通シャフトに取り付けられ、対向するベベルギアのそれぞれに、平滑面を有する中間回転部材が噛合され、各ケーブルに独立して作用する張力は、噛合要素として使用されるケーブルによって、平滑面を有する中間回転部材と、対向する平滑面を有する回転部材の１つとの間に相対回転を引き起こす。別の態様では、本方法は、少なくとも１つの張力ケーブルに、それぞれのプーリ、及び関連付けられた平滑面を有する回転部材の回転を引き起こす他の張力ケーブルとは異なる張力値を加えるステップをさらに含む。

１自由度の機構に加えられるトルクの概略図である。 １自由度の機構で生じる力の概略図である。 （Ａ）～（Ｄ）よりなり、本発明の例示的な一実施形態による、３ケーブルの機械的差動装置の異なる図である。 本発明の一実施形態によるＮ＋１機械的差動装置の断面図である。 図４のＮ＋１機械的差動装置の斜視図である。 本発明の例示的な一実施形態による、双方向ケーブルトランスミッションの斜視図である。 本発明の例示的な一実施形態による、Ｎ＋１機械的差動装置の実施例の斜視図である。 本発明の例示的な一実施形態による、相互接続されたケーブルを有する２つのＮ＋１機械的差動装置を示す斜視図である。 本発明の例示的な一実施形態による、Ｎ＋１機械的差動装置の斜視図である。 本発明の例示的な一実施形態による、Ｎ＋１機械的差動装置の第２の図である。

図面を参照すると、同様の参照番号は複数の図を通して同一または対応する構成要素を示し、以下の説明は、ロボット工学または遠隔操作の用途のためにジョイントで使用するためのケーブル差動装置に関する。

ロボット工学及び遠隔操作のための機構にはジョイントが含まれ、複数の自由度及び様々な力が関与する。例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる特許文献２に記載されている、低侵襲性手術を実施するための機構は、手術用のエンドエフェクタの広範囲の動きを用いる構成にしたがって操作され得る。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる特許文献３に記載されている、遠隔操作用のインターフェースは、ユーザの身体部位の使用を含んでいてもよく、ユーザとの力の物理的交換を可能にする。全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１に記載されている、手首の関節と、複数のジョイントをそれぞれ有する複数の指とを有するロボットハンドは、ハンドの一部に取り付けられたケーブル張力感知構造を含む。ロボット工学及び遠隔操作のための機構では、例えばモータから触覚グリップへの機械的トランスミッションには、いくつかの重要な物理的属性が存在する。これらには、摩擦（静止、動的、ストライベック、スティクション）、ヒステリシス、機械的インピーダンス／伝達関数、及びバックラッシュが含まれる。スティクションはスティックスリップ摩擦の現象であり、機械的構成要素が摺動接触するほとんどのデバイスで発生する。スティクションは、離脱力（breakaway force）によって対処される必要があり、これにより、アクチュエータが出力可能な最小の力が制限される。機械的インピーダンスは、負荷運動によって出力に生じる追加の力である。機械的インピーダンスは、負荷運動の周波数の関数である。一例として、バックドライブ可能なシステムは、低インピーダンスであると見なされる。ギア付きアクチュエータは、スティクション及びバックラッシュなどの、非線形で非連続的なダイナミクスを有する。バックラッシュはギア間の噛合に関連し、バックラッシュは噛合したギアの歯の間のクリアランスの量である。動きの方向が逆になると、バックラッシュ（逆戻り）が発生する。

ケーブルトランスミッションは、スティクションを最小限に抑え、バックラッシュをゼロにする点において優れている。これは、パラスティックスティクション（parasitic stiction）及びヒステリシスが、振幅及び周波数に依存する非線形性を導入し、ケーブルトランスミッションのゲイン及び位相の変化の両方に影響するので、重要である。パラスティックスティクション及びヒステリシスは、トランスミッションの忠実度を制限し、リミットサイクル及び不安定性の問題をもたらす可能性がある。筋肉は、完全な力源に近い最もよく知られたテクノロジーであり、インピーダンス及びスティクションが非常に低い。

ケーブルトランスミッション（ケーブル伝送）用のケーブルは、非常に堅く、強く、可撓性を有し、動作中に受ける応力を考慮して、可能な限り直径が小さいことが好ましい。ケーブルは、スチールまたはその合金、合成材料、炭素繊維強化プラスチックなどの複合材料、及びケブラー（登録商標）で製造され、十分な強度を有しているので、定常状態トルクを超え得る過渡的なインパルス状トルクを含む、トランスミッションにおいて受ける力レベルで疲労（fatigue）に耐えることができる。直径及び特性は、適用トルク、出力トルク、及び出力トルクを生み出すために必要な様々なプーリに必要な曲げ半径などの因子を含む特定の適用に依存する。

機械的トランスミッションの品質の重要な尺度は、「動的外力範囲（dynamic force range）」である。動的外力範囲は、システムが処理できる力の範囲の尺度である。動的外力範囲は、システムが摩擦力を及ぼす（伝達する）ことのできる最大の力の比率として定義され得る。一例として、安価なモータは、約１０：１の動的外力範囲を伝達することができ、市販のアクチュエータは、約８０：１という比較的高い動的外力範囲を有している。人間が有する力検知の動的外力範囲は１０４を超えている。

開示された方法は、ユニセンス作動及びトランスミッション要素を用いて、ターゲット機構に対して双方向の運動及び力を誘発する。双方向のＮ ＤＯＦ機構に加えられる運動及び力を制御するためには、少なくともＮ＋１のユニセンストランスミッション要素（例えば、張力ケーブル）が必要である。追加の入力自由度は、同時活性化を最小限に抑えることによって、ユニセンスＮ＋１トランスミッション要素がゆるまないようにすることができる。同時活性化（co-activation）は、両方の筋肉または筋肉のセットが同時に収縮する、特定の筋肉の運動を表すために使用される用語である。筋肉の同時活性化によって関節が圧迫され、これによって、関節がより硬くなり、より安定する。さらに、筋肉の同時活性化の安定性によって、小さな物体を拾うときなどの正確な微動が可能になる。本開示では、同時活性化という用語は、張力要素を同時に引っ張る（張力をかける）こと、または油圧要素に圧力をかけて同時に押すことを指す。換言すれば、張力ケーブルまたは油圧ホースなどのトランスミッション要素は、たるみなく、独立して作動する。Ｎ＋１番目のトランスミッション作動の変化によって、関節の摩擦、粘性、及び剛性などの機械的特性を調整することができる。

本発明の一態様は、Ｎ自由度の作動に必要な特定の解決策に影響を与えることなく、機構構造上の内部荷重の「内部運動」または「均質な解決策」、若しくは「同時活性化」を変更するステップを含む。内部運動の変更は、バンクまたは回転運動、若しくはバンクと回転運動との組み合わせを含んでいてもよく、またはラック及びピニオンの運動を含んでいてもよい。均質な解決策によって、２以上のケーブルまたは油圧ホースの同時活性化を同時に行うことができる。

本発明の一態様は、力が作用し得る動的範囲を実質的に増加させる方法を含む。作動点での同時活性化を最小限に抑えることによって、対処しなければならない摩擦をその作動点において最小限に抑えることができる。同時活性化を最小限に抑えることによって、摩擦力の低減が可能になり、動的外力範囲の大きな増加が達成され得る。

図１は、１自由度（ＤＯＦ）のケーブル機構に加わるトルクの概略図を示す。この機構は、プーリに独立して取り付けられた２本の張力ケーブルを有している。プーリは、いずれのケーブルにもたるみを生じさせることなく、両方のケーブルに張力をかけることによって回転する。この機構では、同時活性化とは、両方のケーブルを、たるませることなく同時に引っ張る（張力をかける）ことである。各ケーブルに適用される張力は、それぞれ、張力値Ｔ_１及びＴ_２である。各ケーブルの張力における差異は、プーリがトルクτ及び力ｆ_ｙを受けることにある。同時活性化の量を増加させると、すなわち、両方のケーブルに同時に加えられた張力の量よりも大きな張力を適用すると、摩擦力、例えば支持力（力ｆ_ｙ）に起因して、動的外力範囲が減少する。同時活性化は、両方のケーブルに同時に加えられる張力を、確実にたるみのないレベルまで低減することによって最小限に抑えられ得る。これにより、ベアリングの荷重（力ｆ_ｙ）が減少し、摩擦が低減する。したがって、同時活性化を最小限に抑えることにより、たるみを発生させることなく、システムの動的外力範囲を拡大することができる。その全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献４に記載されているようなコントローラを使用することによって、力を非常に正確に制御するために、モータへの電力を調整することができる。

図２は、１ＤＯＦのケーブル機構の反力を示す概略図である。張力Ｖ_１及びＶ_２によって、反力Ｖ_ｙ及びトルクｗが発生する。張力Ｖ_１及びＶ_２を変化させることによって、異なる反力及びトルクを発生させることができる。

図３は、（Ａ）～（Ｄ）よりなり、３本のケーブル（張力ケーブル）３０１、３０２、３０３を有し、かつ２自由度（ＤＯＦ）のジョイント機構をそれぞれ示す概略図である。３本のケーブル３０１、３０２、３０３の独立した活性化を適用することによって、機構の内部負荷を維持し、同時活性化の量を低減させる均質な解決策を達成することができる。ケーブル３０１、３０２に加えられる張力は、ケーブル３０３に加えられる張力とは異なり、Ｘ軸に関する回転をもたらし得る。ケーブル３０１に加えられる張力は、ケーブル３０２に加えられる張力とは異なり、ケーブル３０３に加えられた張力を維持しながら、Ｙ軸に関する回転をもたらし得る。任意の操作点において、同時活性化を最小限に抑えることが好ましい。任意の操作点での同時活性化を最小限に抑えることにより、その操作点で処理しなければならない摩擦を最小限に抑えることができ、それによって、動的外力範囲が拡大する。

図４は、本開示の例示的な実施形態のＮ＋１機械的差動装置の断面図を示す。機械的差動装置は、互いに面した、２つの対向するベベルギア４２１、４０７を含む。図４の例はベベルギアを示しているが、他のタイプのギアであってもよい。例えば、ギアは、１対のヘリングボーン状ギアであってもよい。２つの対向するベベルギア４２１、４０７は、それに取り付けられたそれぞれのプーリ４１９、４１３を有し、それぞれの張力ケーブルを介して共通の車軸（シャフト４０９）の周りの回転の制御を可能にする。第３のベベルギア（中間ベベルギア４０５）は、１対の対向するベベルギア４２１、４０７と噛合する。第３のベベルギアは、フォーク４１７に一端で固定的に取り付けられる軸（シャフト４１５）を有し、フォーク４１７は、対向するベベルギア４２１、４０７の共通軸（シャフト４０９）に取り付けられている。第３のケーブルは、第３のプーリ４１１に取り付けられている。第３のベベルギアは、軸及びキャップ４０３を介して保持された入力／出力装置４０１を有し得る。入力／出力装置４０１は、ボルト４２３によって第３のベベルギアに取り付けられ得る。１対のヘリングボーン状ギアの場合、各ヘリングボーン状ギアは１対のベベルギアと噛合してもよく、第３のベベルギアは１対のヘリングボーン状ギアに対して共通のギアである。

図４の例は、ヘリングボーン状ギアの例と同様に、円形のベベルギアに関連しているが、ラック及びピニオンが配置されてもよい。ラック及びピニオンの構成は、第３のベベルギアの回転運動の代わりに、直線運動をもたらし得る。例示的な態様では、それぞれの対向するベベルギア４２１、４０７は、それぞれのラックと噛合するピニオンギアに置き換えられて独立した直線運動を生じさせてもよい。

一実施形態では、入力／出力装置４０１は、第３のベベルギアを駆動するモータであってもよい。あるいは、入力／出力装置４０１は、回転要素に出力してもよい。

一実施形態では、共通の車軸は、ほとんどの構成要素のための取り付け本体であるキー溝付きシャフトである。プーリ４１９及び左のベベルギア４２１は互いに堅く噛合し、これらの２つの部分の組み合わせは、キー溝付きのシャフト４０９を中心に自由に回転する。プーリ４１３及び右のベベルギア４０７は互いに堅く噛合し、これらの２つの部分の組み合わせは、キー溝付きのシャフト４０９に関して自由回転する。プーリ４１１がキー溝付きのシャフト４０９と共に回転するように、プーリ４１１はキー（図５の５０９を参照）を介してキー溝付きのシャフト４０９に堅く接続され、プーリ４１１及びフォーク４１７が共に回転するように、フォーク４１７も、キー（図５の５０７を参照）を介してキー溝付きのシャフト４０９に堅く接続される。しかしながら、左のベベルギア４２１／プーリ４１９、及び右のベベルギア４０７／プーリ４１３は、キー溝付きのシャフト４０９に関して自由回転する。キー溝無しのシャフト４１５は、フォーク４１７に堅く噛合している。中間ベベルギア４０５は、キー溝無しのシャフト４１５に関して自由回転する。入力／出力装置４０１（入力／出力コネクタ）は、ねじ付き留め具（ボルト４２３）によって中間ベベルギア４０５に堅く接続されている。シャフトカラー（キャップ４０３）は、キー溝無しのシャフト４１５に堅く接続されている。

図５は、図４のＮ＋１機械的差動装置の斜視図を示す。図５に見られるように、各プーリ４１１、４１３、４１９には、モータなどのそれぞれの張力装置によってそれぞれの張力が加えられる１本のケーブル（張力ケーブル）５０１、５０３、５０５が取り付けられている。

Ｎ＋１機械的差動装置は、ケーブル５０１よりもケーブル５０３、５０５に、より大きな張力を加えることによって、第３のベベルギアが対向するベベルギア４２１、４０７の円周の周りで上下に回転できる旋回運動が可能である。Ｎ＋１機械的差動装置は、ケーブル５０３または５０５の一方により大きな張力を加えることによってバンク運動が可能であり、２つの対向するベベルギア４２１、４０７の一方を回転させることにより、第３のベベルギアを一方に移動させる。Ｎ＋１機械的差動装置は、ピボット運動とバンク運動との組み合わせに基づいた運動が可能である。

特に、第１の動作モードでは：
ケーブル１ ５０５及びケーブル２ ５０３が所定の位置に保持されている場合、ケーブル３ ５０１を引っ張るとシステムに張力がかかり、中間ベベルギア４０５と、左のベベルギア４２１または右のベベルギア４０７の２つのベベルギアのいずれかとの間のバックラッシュがなくなるが、それぞれのシャフトの周りのギアのいずれかの回転は発生しない。

第２の動作モードでは：
ケーブル３ ５０１（及び、したがってプーリ（３） ４１１）を固定した状態で、ケーブル１ ５０５を引っ張り、ケーブル２ ５０３が引き出されると（またはその逆）、中間ベベルギア４０５は、キー溝無しのシャフト４１５（軸ｙ）に関して回転する。

第３の動作モードでは：
ケーブル１ ５０５及びケーブル２ ５０３が共に引っ張られ、ケーブル３ ５０１が引き出されると（またはその逆）、フォーク４１７はキー溝無しのシャフト４１５と共に軸ｘの周りを回転し、その結果、中間ベベルギア４０５は軸ｘに関して回転する。

入力／出力コネクタは、ケーブル５０３、５０５、及び５０１の張力の同時活性化により、バックラッシュ無しに、前述の３つの動作モードによって軸ｘまたは軸ｙに関して制御可能かつ独立して回転するように製造され得る。

図４及び図５に示された構造は噛合したベベルギアを含むが、噛合ギアの機能はケーブルの使用によって達成され得ることが理解される。一実施形態では、３つのベベルギアは、平滑面を有する回転部材に置き換えられてもよい。２以上の、平滑面を有する回転部材間のトランスミッションは、噛合要素としてケーブルを使用することによって提供され得る。参照によりその全体が本明細書に組み込まれる特許文献５には、１以上のケーブルを使用して、非平行な回転軸を有する、平滑な外面を有する回転部材を噛合させる構造が記載されている。例示的な態様では、ケーブルトランスミッションは、ケーブルによって噛合された回転部材４０５'、４０７'を用いた単方向トランスミッションとして実装され得る。各回転部材４０５'、４０７'は、関連付けられた回転軸の周りを回転する。

図６は、２つの平滑な表面（ケーブル搬送面）６０１、６０３及び表面（ケーブル搬送面）６０５、６０７を、両方の（円筒形、かつ、関連付けられた回転部材４０５'または回転部材４０７'の回転軸に対して略平行の）外面が平滑な各回転部材上に設けるための、軸方向に段付けされた回転部材４０５'、４０７'を使用した双方向トランスミッションを示す。回転部材は、各回転部材の表面６０１、６０３及び表面６０５、６０７が、トランスミッションの他の対の回転部材上の対応する平滑な外面からギャップＧだけ密に離間するように配置されている。この関係を実現し、回転部材を回転軸６１５で交差させるために、角度αは９０°であることが最も好都合であるが、回転部材の外面と半径との寸法の補正調整によって、角度αは９０°から若干変更されてもよい。それぞれの表面６０１、６０３及び表面６０５、６０７は、別個のケーブル６１９を運搬する。図示のように、ケーブルを反対方向の表面に巻き付けることによって、回転部材４０５'、４０７'がいずれかの方向に回転するように駆動される場合、２つの長さのケーブル６１９の１つが、平滑な外面の１つに巻き付くように、差動は双方向となり、確実な駆動が行われる。伝達点６２１におけるケーブルの中心は、交差点（回転軸６１５）を通る線に沿っていることに留意されたい。ケーブルに適切に張力がかけられている場合、この双方向駆動には、バックラッシュが実質的に生じないが、これは、標準的な噛合ベベルギアを使用して達成することが困難な動作特性である。

図７は、一実施形態のＮ＋１機械的差動装置の斜視図を示す。図７に示されるように、プーリ４１１は、対向するベベルギア４２１とベベルギア４０７との間に配置されている。張力は、同時活性化が最小限に維持されるように、張力ケーブルに加えられることが好ましい。３本の張力ケーブルがそれぞれのプーリに独立して取り付けられ、各ケーブルに張力が連続的に加えられる。ケーブルの両端に張力をかけることができるようにプーリに巻き付く別のケーブルは、特定の張力条件下でケーブルがプーリの周りを滑り始めるので、スティクションなどの摩擦力の影響を受ける。また、例えばケーブルの一端で張力が変化したときに、ケーブルの一端にたるみが生じ得る。図７の例に示すように、独立して取り付けられたケーブルは、摩擦力の影響を最小限に抑え、動きを生じさせるために、たるみ無しに、すべてのケーブルに最小限の張力を必要とする。ケーブルを個別に取り付けることによって、スティクションが最小限に抑えられる。動きを誘発するためにすべてのケーブルに張力をかける必要があるので、たるみが生じる可能性は低下する。また、たるみを引き起こさない最小限の量の張力を同時に加えることによって、同時活性化を最小限に抑えることができる。

図８は、各差動装置のプーリ（１）４１９及びプーリ（２）４１３に接続されたケーブルによって互いに相互接続された２つのＮ＋１機械的差動装置の斜視図を示す。２つの機械的差動装置はそれぞれ、それぞれのｘ軸に関して、調整された方法で回転する。中間ベベルギア４０５は、ケーブル５０５及びケーブル５０３に加えられる異なる張力により生じるプーリ４１９とプーリ４１３との相対運動によって、回転することができる。プーリ（３）４１１を他のプーリの外側に配置することによって、２つの機械的差動装置は、ケーブル長に応じて、それぞれのｘ軸に関して３６０度まで回転することができる。

一実施形態では、機械的差動装置の１つは、モータによって作動されてもよい。このような場合、１つの機械的差動装置が他の機械的差動装置に作用することができる。例えば、２つの機械的差動装置のうちの１つは、Ｎ双方向アクチュエータを使用して出力装置４０１、シャフト４０９について力を加えることにより、第２の差動装置を作動させてもよい。

図９Ａ－９Ｂは、図８の機械的差動装置の詳細図を示す。図９Ａは機械的差動装置の斜視図であり、図９Ｂは機械的差動装置の断面図である。

前述の説明の特徴を含むシステムは、多くの利点を提供する。特に、本明細書で説明するケーブル差動装置は、ジョイントの摩擦、粘性、及び剛性などの機械的特性の変調を実現することができる。本明細書で説明するケーブル差動装置は、力を加える際に可能性のある動的外力範囲を大幅に拡大する。

上記の教示に照らして、多数の修正及び変更が可能であることは明らかである。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本明細書に具体的に記載されている方法以外の方法で本発明が実施されてもよいことを理解されたい。

したがって、前述の議論は、本発明の単なる例示的な実施形態を開示及び説明している。当業者に理解されるように、本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実施されてもよい。したがって、本発明の開示は例示を意図したものであり、本発明の範囲及び他の請求項を限定するものではない。本開示は、本明細書の教示の容易に認識可能な変形を含み、発明の主題が公衆に献呈されないように、部分的に、前述の特許請求の範囲の用語範囲を定義する。

Claims (10)

1. Ｎ自由度を有するケーブル作動式差動装置であって、
   （ａ）複数の作動要素と、
   （ｂ）複数のプーリであって、各プーリは、それぞれの前記プーリの周囲に沿って独立して取り付けられた１以上の張力ケーブルを有し、前記張力ケーブルの数は少なくともＮ＋１であり、Ｎは少なくとも１に等しい、該複数のプーリと、
   （ｃ）前記プーリの回転を可能にする取り付け構造とを含み、
   各作動要素は、対応する前記張力ケーブルに張力を適用するように構成され、
   前記張力ケーブルは、たるみを引き起こすことなく最小限の張力を同時に加えることにより、前記作動要素によって同時に作動され、
   前記取り付け構造は、基部に回動可能に支持された共通シャフトと、前記共通シャフトに結合され、前記共通シャフトに対して垂直に延びる垂直シャフトとを含み、
   前記複数のプーリは、第１プーリ、及び１対の第２プーリを含み、
   前記第１プーリは、張力下で取り付けられたケーブルを有し、かつ、前記共通シャフトに固定的に取り付けられ、
   前記第１プーリに平行に、前記共通シャフトに回動可能に取り付けられた前記１対の第２プーリは、それぞれの第２プーリに独立して取り付けられた１対のケーブルを有し、前記第１プーリは、前記１対の第２プーリに隣接して配置され、
   前記１対のケーブルに加えられる様々な１以上の張力は、任意の動作点における前記ケーブルの同時活性化が最小限に抑えられるようなものであり、
   前記垂直シャフトは、前記１対の第２プーリの間の位置で前記共通シャフトに結合され、
   前記第１プーリ及び前記１対の第２プーリのそれぞれに関連する複数のギアをさらに含み、
   前記１対の第２プーリに関連する１対のギアは、円形であり、互いに対向する面を有し、かつ、前記共通シャフトに回動可能に取り付けられ、
   前記第１プーリに関連するギアは、前記垂直シャフトに回動可能に取り付けられ、対向する前記１対のギアのそれぞれに噛合されることを特徴とするケーブル作動式差動装置。
2. 請求項１に記載のケーブル作動式差動装置であって、
   前記１対のギアは、前記共通シャフトに回動可能に取り付けられたベベルギアであり、前記第１プーリに関連するギアは、前記対向するベベルギアのそれぞれに噛合されている中間ベベルギアであることを特徴とするケーブル作動式差動装置。
3. 請求項１に記載のケーブル作動式差動装置であって、
   少なくとも１つの張力ケーブルに加えられる張力の値は、それぞれのプーリ、及び関連付けられた円形ギアの回転を引き起こす他の張力ケーブルに加えられる張力の値とは異なることを特徴とするケーブル作動式差動装置。
4. 請求項１に記載のケーブル作動式差動装置であって、
   （ａ）前記共通シャフトに取り付けられたフォークと、
   （ｂ）前記フォークに堅く噛合された前記垂直シャフトと、
   （ｃ）前記垂直シャフトに関して自由に回転するように取り付けられた出力コネクタとをさらに含み、
   前記１対のギアは、前記１対の第２プーリに堅く取り付けられた１対のベベルギアであり、
   前記第１プーリに関連するギアは、前記１対のベベルギアのそれぞれに噛合された中間ベベルギアであり、
   前記垂直シャフトは、前記共通シャフトが前記フォークに噛合されて前記第１プーリと共に回転し、
   前記出力コネクタは、前記出力コネクタが前記中間ベベルギアの回転と共に前記垂直シャフトに関して回転するように、前記中間ベベルギアに堅く接続されていることを特徴とするケーブル作動式差動装置。
5. ２つのケーブル作動式差動装置を有するシステムであって、
   前記２つのケーブル作動式差動装置の各々は、請求項１に記載のケーブル作動式差動装置であり、
   前記２つのケーブル作動式差動装置は、それぞれの前記１対の第２プーリに接続されたケーブルによって相互接続され、
   前記２つのケーブル作動式差動装置は、それぞれのｘ軸に関して協働して回転することを特徴とするシステム。
6. 請求項５に記載のシステムであって、
   （ａ）前記１対のギアは、前記１対の第２プーリにそれぞれ堅く取り付けられた１対の対向するベベルギアであり、
   （ｂ）前記第１プーリに関連するギアは、前記対向するベベルギアと噛合された中間ベベルギアであり、
   前記中間ベベルギアは、それぞれの張力ケーブルに異なる張力を加えることによって、前記１対の第２プーリの相対運動により回転することを特徴とするシステム。
7. 請求項５に記載のシステムであって、
   前記第１プーリが他のプーリの外側に配置され、
   前記２つのケーブル作動式差動装置は、ケーブル長に応じて３６０度回転することを特徴とするシステム。
8. 少なくともＮ＋１の張力下のケーブルを有するＮ自由度のケーブル作動式差動装置を作動させる方法であって、前記Ｎ＋１ケーブル作動式差動装置の各々は、請求項１記載のケーブル作動式差動装置であり、
   前記ケーブル作動式差動装置は複数のプーリを含み、各プーリには１以上の前記ケーブルが取り付けられ、
   前記ケーブル間の同時活性化が最小化されるように、各ケーブルのたるみ無しに、張力が独立して作用し、
   前記ケーブルに、たるみを引き起こすことなく同時に加えられる張力の量を最小化することによって、前記張力下のケーブルの同時活性化が最小化され、
   前記ケーブル作動式差動装置は、前記プーリのそれぞれに関連付けられたベベルギアをさらに含み、
   前記ベベルギアの２つは互いに対向し、前記共通シャフトに取り付けられ、対向するベベルギアのそれぞれに中間ベベルギアが噛合され、
   前記方法は、
   前記対向するベベルギアに関連付けられた前記プーリのケーブルが所定の位置に保持されているときに第３のケーブルを引くステップであって、前記ケーブル作動式差動装置に張力を加えて、それぞれのシャフトに関するいずれのベベルギアの回転も引き起こすことなく、前記中間ベベルギアと、２つの前記対向するベベルギアのいずれかとの間のバックラッシュを排除する、該ステップを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、
   前記中間ベベルギアに関連付けられた前記プーリに取り付けられた前記ケーブルが静止状態で保持されているとき、前記対向するベベルギアの一方に関連付けられたケーブルが引かれ、前記対向するベベルギアの他方に関連付けられたケーブルが引き出されることによって、前記中間ベベルギアが回転することを特徴とする方法。
10. 請求項８に記載の方法であって、
    前記対向するベベルギアに関連付けられた前記ケーブルが共に引かれ、前記中間ベベルギアに関連付けられた前記ケーブルが引き出されると、前記対向するベベルギアの周囲を前記中間ベベルギアが動くことを特徴とする方法。