JP2013523478A - グリッピングおよびリリーシングの装置および方法 - Google Patents

Abstract

受動的な万能グリッパーは、弾性膜で包まれた大量の粒状材料を含む。正圧および負圧の組み合わせを使用して、グリッパーは、典型的に、平らな対象、柔軟な対象、または複雑な幾何学的形状を有する対象などの、従来の万能グリッパーにとっては困難である広範囲の対象を急速に掴み、放すことができる。グリッパーは、受動的に目標対象の形状に一致し、次に、それを堅く掴むために真空焼入れし、その後、正圧を使用してこの転移を逆にする、すなわち、対象を放し、変形可能な状態に戻す。装置および方法は、グリッパーからの対象の速い取り出しに加え、リリーシングとグリッピングとの間の本質的に瞬間的なリセット時間を可能にする。
【選択図】なし

Description

＜関連出願＞
本出願は、２０１１年１月２７日に出願の米国仮特許出願第６１／４３６，６８８号、および２０１０年４月１５日に出願の米国仮特許出願第６１／３２４，５６７号に対する優先権を主張し、両方の主題は、それらの全体が引用によって本明細書に組み込まれる。

＜政府の資金援助＞
本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられたＰｒｏｊｅｃｔ ＩＤ Ｎｕｍｂｅｒ Ｗ９１１ＮＦ−０８−１−０１４０の下で政府支援によってなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。

本発明の実施形態の分野は、ロボット工学の分野である。特に、本発明の実施形態は、受動型の万能ロボットのグリッピング（ｇｒｉｐｐｉｎｇ）およびリリーシング（ｒｅｌｅａｓｉｎｇ）の装置およびシステム、その関連する方法、および適用に関係する。

万能なロボットグリッパーは、種々様々な任意形状の対象を掴むことができるロボットのエンドエフェクターである。提案される万能なグリッパーは、真空ベースの吸引グリッパーから多指ハンドまで及ぶ。これらは、２つのカテゴリー：能動的な万能グリッパーおよび受動的な万能グリッパーに分類され得る。

能動的な万能グリッパーは、典型的に、ヒトの手から着想を得た、擬人法的な、多指デザインを有する。多くのこのようなグリッパーが開発されており、多指での把持（ｍｕｌｔｉ−ｆｉｎｇｅｒｅｄ ｇｒａｓｐｉｎｇ）は、依然として研究の活動領域である。提案されてきた能動的な万能グリッパーは、把持及び操作の両方が可能であるが、広範囲の物理的な及び計算の複雑性も引き起こし、これは、把持のアルゴリズム研究において明らかである。能動的な万能グリッパーの複雑性は、相応してそれに付随する高コストと相まって、商業用ロボットの産業の中での適用が限定されている。

一方で、受動的な万能グリッパーは、最小の把持プラニングを必要とする。それらは、劣駆動型であり、特有の対象の幾何学的形状に受動的に一致する構成要素を含み、それによって、再調整なしで多種多様な対象を把持する能力を得ている（例えば、Ｐ． Ｂ． Ｓｃｏｔｔ， ”Ｔｈｅ Ｏｍｎｉｇｒｉｐｐｅｒ’ ： ａ ｆｏｒｍ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｇｒｉｐｐｅｒ，” Ｒｏｂｏｔｉｃａ ｖｏｌ． ３， ｐｐ． １５３−１５８， Ｓｅｐｔ． １９８５； Ｒ． Ｔｅｌｉａ， Ｊ． Ｂｉｒｋ， ａｎｄ Ｒ． Ｋｅｌｌｅｙ， ”Ａ ｃｏｎｔｏｕｒ−ａｄａｐｔｉｎｇ ｖａｃｕｕｍ ｇｒｉｐｐｅｒ，” Ｒｏｂｏｔ Ｇｒｉｐｐｅｒｓ， Ｄ． Ｔ． Ｐｈａｍ ａｎｄ Ｗ． Ｂ． Ｈｅｇｉｎｂｏｔｈａｍ， Ｅｄｓ． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ＮＹ： Ｓｐｒｉｎｇｅｒ− Ｖｅｒｌａｇ， １９８６， ｐｐ． ８６−１００； Ｓ． Ｈｉｒｏｓｅ， ”Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” Ｒｏｂｏｔ Ｇｒｉｐｐｅｒｓ， Ｄ． Ｔ． Ｐｈａｍ ａｎｄ Ｗ． Ｂ． Ｈｅｇｉｎｂｏｔｈａｍ， Ｅｄｓ． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ＮＹ： Ｓｐｒｉｎｇｅｒ− Ｖｅｒｌａｇ， １９８６， ｐｐ． １４１−１５３； Ａ． Ｍ． Ｄｏｌｌａｒ ａｎｄ Ｒ． Ｄ． Ｈｏｗｅ， ”Ａ ｒｏｂｕｓｔ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｇｒａｓｐｅｒ ｖｉａ ｓｈａｐｅ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，” ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍｅｃｈａｔｒｏｎ． ｖｏｌ． １１， ｐｐ． １５４−１６１， Ａｐｒ． ２００６を参照）。例えば、Ｓｃｏｔｔ，ｉｄ．，は、多くの独立したテレスコープ式のピンが、各々、目標対象の形状に一致するように受動的に中へ又は外へ滑り、その後、対象を掴むために側面から挟み（ｐｉｎｃｈ）、グリッパー設計を報告した。

受動的な万能グリッパーは、使用するのが一般により容易であり、それらの環境の最小の視覚的な前処理を必要とするが、それらも、広範囲の適用を得ることの成果が限定されてきた。しばしば、それらの多くの受動的な構成要素は、破損しやすく、交換するのが難しい。受動的な万能グリッパーは、同様に非常に高価であり得、多くの異なる対象を掴むそれらの能力のために、しばしば、特に任意の１つの対象を掴むことには劣っている。

万能なグリッッピングのより低い閾値を達成するための１つ手法は、表面のコンプライアンスを増加させるために、従来のつめ型グリッパーの掴み面に変形可能材料を加えることである。この技術は複雑ではなく、十分いくつか適用され得る。Ｓｉｍｐｓｏｎ（Ｄ．Ｃ．Ｓｉｍｐｓｏｎ， ”Ｇｒｉｐｐｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｈａｎｄｓ” Ｈａｎｄ， Ｖｏｌ ３， ｐｐ．１２−１４，Ｆｅｂ．１９７１）は、恐らく、この目的のために掴み面に粒状材料のポケットを加えることを最初に示唆し、後に、Ｓｃｈｍｉｄｔ（Ｉ． Ｓｃｈｍｉｄｔ， ”Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｍｏｕｌｄｉｎｇ ｊａｗｓ ｆｏｒ ｇｒｉｐｐｅｒｓ，” Ｉｎｄ． Ｒｏｂｏｔ， ｖｏｌ．５， ｐｐ．２４−２６，Ｍａｒ．１９７８）およびＰｅｒｏｖｓｋｉｉ（Ａ． Ｐ． Ｐｅｒｏｖｓｋｉｉ， ”Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｇｒｉｐｐｅｒｓ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔｓ，” Ｒｕｓ． Ｅｎｇ． Ｊ．， ｖｏｌ ６０， ｐｐ．９−１１，Ａｕｇ．１９８０）は、同様の粒を充填したポケットの真空焼入れがカスタムグリッパーのつめ形状をもたらすことを可能にする設計を提案した。ＲｅｉｎｍｕｅｌｌｅｒおよびＷｅｉｓｓｍａｎｔｅｌ（Ｔ． Ｒｅｉｎｍｕｌｌｅｒ ａｎｄ Ｈ． Ｗｅｉｓｓｍａｎｔｅｌ， ”Ａ ｓｈａｐｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｆｉｎｇｅｒ ｆｏｒ ｒｏｂｏｔｓ，” Ｐｒｏｃ． Ｉｎｔ． Ｓｙｍｐ． ｏｎ Ｉｎｄ． Ｒｏｂｏｔｓ， Ａｐｒ． １９８８， ｐｐ．２４１−２５０）は、同様の考えを示した一方で、粒状材料を充填した単一の膜が、それ自体で対象を掴み、受動的な万能グリッパーとしての機能を果たすことができると推測さえした。しかしながら、この考えは、万能なジャミンググリッパーが、Ｅ． Ｂｒｏｗｎ， Ｎ． Ｒｏｄｅｎｂｅｒｇ， Ｊ． Ａｍｅｎｄ， Ａ． Ｍｏｚｅｉｋａ， Ｅ． Ｓｔｅｌｔｚ， Ｍ． Ｚａｋｉｎ， Ｈ． Ｌｉｐｓｏｎ， Ｈ． Ｊａｅｇｅｒ， ”Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｒｏｂｏｔｉｃ ｇｒｉｐｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｏｆ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍａｔｅｒｉａｌ，” Ｐｒｏｃ． Ｎａｔｌ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ．， ｖｏｌ． １０７， ｐｐ． １８８０９−１８８１４，Ｎｏｖ． ２０１０において最近我々によって示されるまで、実際には実証されず、厳密に調査されることもなかった。

受動的で、万能なジャミンググリッパーは、ジャミングとして知られる粒状材料の温度に依存しない（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）流体様から固体様の擬相転移を利用する（例えば、Ｔ． Ｓ． Ｍａｊｍｕｄａｒ， Ｍ． Ｓｐｅｒｌ， Ｓ． Ｌｕｄｉｎｇ， Ｒ． Ｐ． Ｂｅｈｒｉｎｇｅｒ， ”Ｊａｍｍｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｇｒａｎｕｌａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ，” Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ９８， ０５８００１， Ｆｅｂ． ２００７； Ａ． Ｊ． Ｌｉｕ ａｎｄ Ｓ． Ｒ． Ｎａｇｅｌ， ”Ｊａｍｍｉｎｇ ｉｓ ｎｏｔ ｊｕｓｔ ｃｏｏｌ ａｎｙ ｍｏｒｅ，” Ｎａｔｕｒｅ ｖｏｌ． ３９６， ｐｐ． ２１２２，Ｎｏｖ． １９９８； Ｍ． Ｅ． Ｃａｔｅｓ， Ｊ． Ｐ． Ｗｉｔｔｍｅｒ， Ｊ． Ｐ． Ｂｏｕｃｈａｕｄ， ａｎｄ Ｐ． Ｃｌａｕｄｉｎ， ”Ｊａｍｍｉｎｇ， ｆｏｒｃｅ ｃｈａｉｎｓ， ａｎｄ ｆｒａｇｉｌｅ ｍａｔｔｅｒ，” Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ８１， ｐｐ． １８４１１８４４，Ａｕｇ． １９９８； Ａ． Ｊ． Ｌｉｕ ａｎｄ Ｓ． Ｒ． Ｎａｇｅｌ， Ｊａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｒｈｅｏｌｏｇｙ： ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｄ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｃａｌｅｓ， Ｔａｙｌｏｒ ＆ Ｆｒａｎｃｉｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， ２００１； Ｃ． Ｓ． Ｏ’Ｈｅｒｎ， Ｌ． Ｅ． Ｓｉｌｂｅｒｔ， Ａ． Ｊ． Ｌｉｕ， ａｎｄ Ｓ． Ｒ． Ｎａｇｅｌ， ”Ｊａｍｍｉｎｇ ａｔ ｚｅｒｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｚｅｒｏ ａｐｐｌｉｅｄ ｓｔｒｅｓｓ： ｔｈｅ ｅｐｉｔｏｍｅ ｏｆ ｄｉｓｏｒｄｅｒ，” Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｅ， ｖｏｌ． ６８， ０１１３０６， Ｊｕｌｙ ２００３； Ｅ． Ｉ． Ｃｏｒｗｉｎ， Ｈ． Ｍ． Ｊａｅｇｅｒ， ａｎｄ Ｓ． Ｒ． Ｎａｇｅｌ ”Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ ｏｆ ｊａｍｍｉｎｇ ｉｎ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍｅｄｉａ，” Ｎａｔｕｒｅ， ｖｏｌ． ４３５， ｐｐ． １０７５１０７８，Ａｐｒ． ２００５を参照）。このタイプのグリッパーは、操作のための以下の３つの可能なグリッピングモードを活用する：（ａ）表面接点からの静止摩擦、（ｂ）インターロックによる対象の捕捉からの幾何学的制約（ｃ）気密シールが対象の表面のいくつかの部分上で達成される場合の真空吸引。これらの３つのグリッピングモードは、図１に示される。これらのモードの１つ以上を達成させることによって、ジャミンググリッパーは、他の万能グリッパーにとっては伝統的に困難な対象を含む、多種多様な形状、重量および脆弱性を有する多くの異なる対象を掴むことができる。例えば、我々は、コイン、四面体、半球、生タマゴ、ジャックトイ、および泡耳栓（ｆｏａｍ ｅａｒｐｌｕｇ）を掴むのに成功してきた。グリッパーは、把持プラニング、ビジョン、または感覚フィードバックなしで、オープンループにおいて全体的に機能する。

掴まれた対象が放されるときに、グリッパーは、放出される（ｖｅｎｔｅｄ）ことで、大気（中立）圧力に戻り、対象が手放される。万能なジャミンググリッパーの性能は、グリッピング作業間でグリッパーをリセットする必要性によって限定されている。不正確なニーディングまたはマッサージングの手順は、グリッパーを中立状態に戻す（すなわち、手でグリッパーをリセットする）ことがしばしば必要であり、さもないと、後の対象を掴むその能力は急速に低下する。

当該技術分野に既知の、前述の欠点、欠陥、および問題を考慮して、発明者は、改善された受動的な万能グリッピング装置、１つ以上の受動的な万能グリッピング装置を利用するシステム、関連する方法、および適用、特に、より好適な対象のリリース、対象の取り出し、およびより速いリセット時間を可能にし、利用するこのような装置、システム、方法および適用の恩恵および利点に加え、それらによって提供される解決策を認識してきた。

本発明の実施形態は、排出可能な密閉関係において流体の入口および出口のソースに流体的に連結された開口部；膜の開口部と流体接続されて配置された、流体の入口および出口のソースを提供する少なくとも１つのポート；および膜内に配置された粒状材料、を有する変形可能な膜を含む受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置である。様々な限定しない態様によると：
− 粒状材料は、材料の流体相と固体相の間で、約５０％に等しい又は約５０％未満、より具体的には、約０．５％に等しい又は約０．５％未満、およびより具体的には、約０．０５％に等しい又は約０．０５％未満の体積変化率を有することによって特徴づけられ；
− 少なくとも１つのポートは、流体排出ポートおよび流体入力ポートを含み；
− 装置は、膜との連結に関係して配置されるベースをさらに含み；
− 装置は、膜の開口部との連結に関係して配置されるフィルターをさらに含み；
− 装置は、少なくとも１つのポートに連結されたポンプをさらに含み；
ポンプは、可逆的な作用ポンプであり；
ポンプは、装置に内部にあり；
− 装置は、少なくとも１つのポートに連結された圧縮流体のリザーバーをさらに含み；
− 装置は、ベース上に配置され、開口部に隣接する膜の領域のまわりで少なくとも部分的に伸びるカラーをさらに含み；
− 膜は、柔軟で、排出可能な材料で作られ；
− 膜は、以下の、ビニール、エラストマー材料、コーティングされたクロス、ポリエステルフィルム（例えば、Ｍｙｌａｒ）、金属フォイル、またはそれらの特定の組み合わせのいずれか１つで作られ得；
− 装置は、装置内に配置された乾燥剤をさらに含み；
− 装置は、装置内の水分を減少させるための手段をさらに含み；
− 膜内に配置された粒状材料は、１つ以上のプラスチックまたはポリマー粒子、コーヒーの出しがら、コーンスターチ、すりガラス、砂、米、おがくず、粉砕された木の実の殻、オート麦、コーンミール、金属粒子、乾燥した粉砕トウモロコシの皮、塩、種、粉砕ゴム、岩、および当該技術分野に既知の他のもののうちの１つ又は任意の組み合わせを含む、任意のタイプの金属、絶縁、または半導体の固体から作られた小さい、個別の固体の粒体または粒を含み得；
− 充填材（ｆｉｌｌｉｎｇ）は、粒状材料と液体を含三重；
− 変形可能な膜は、正および負の流体圧力が選択的に加えられ得る、複数の別々に制御された領域を含み；
− 別々に制御された領域は、自給式であり、その各々は、粒状材料を含み；
− 装置は、膜の内部に配置された内膜をさらに含み、ここで、粒状材料は、よりきめの細かい材料を含み、内膜は、よりきめの粗い材料を含む。

本発明の実施形態は、１つを超える受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置を含むグリッピングおよびリリーシングのデバイスであり、各グリッピングおよびリリーシングの装置は、排出可能な密閉関係において流体の入口および出口のソースに流体的に連結された開口部を有する変形可能な膜；膜の開口部と流体接続されて配置された、流体の入口および出口のソースを提供する少なくとも１つのポート；および膜内に配置された粒状材料をさらに含む。様々な限定しない態様によると：
− 変形可能な膜の少なくともいくつかは、異なる大きさを有し；
− 受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置の各々は、制御可能なロボットアームに連結される。

本発明の実施形態は、対象を掴み、放すための方法である。該方法は、真空を適用することによる流体様から固体様の相転移によって特徴付けられる、適切なジャミング材料を含む受動的な万能ジャミンググリッパーを提供する工程を含み、ここで、グリッパーは、対象が掴まれている、掴まれた状態であり；および該方法はさらに、固体様から流体様の相転移を引き起こすジャミング材料に、正の流体圧力を加える工程を含み、ここで、掴まれた対象は、グリッパーから能動的に放される。様々な限定しない態様によると：
− 該方法はさらに、十分な正の流体圧力を加えることによって、掴まれた対象を取り出す工程を含み；
− 該方法はさらに、対象を接触させ、ジャミング材料に負の流体圧力を加えることによって、掴まれた対象のリリースのほぼ直後に、対象を掴む工程を含み；
− 該方法はさらに、掴まれた対象を放し、対象を掴む間に正および負の流体圧力を交互に加える工程を含み；
− 該方法はさらに、掴まれた対象を放し、対象を掴む間にグリッパーを振動させる工程を含み；
− 正の流体圧力を加える工程はさらに、ガスおよび液体の１つを使用する工程を含み；
− ガスは、空気、窒素、不活性ガスの１つである。

装置および方法の様々な他の限定しない態様によると：
− 膜は、柔軟になり、およそ１ｘ１０−５ｎｍ^２から１ｘ１０−４ｎｍ^２までの範囲の曲げ剛度を好都合に有し；
− 圧力差が膜にわたって維持され得るように、膜は空気などのガスを通さないべきであり；
− 膜は、切り込み、引き裂き、破裂、摩耗、化学的な不安定性、または他の物理的な欠陥に抵抗するべきであるが、ラテックス膜（ＡＳＴＭのカットレベル０ − 最低のカットレベル率）でさえ、プロトタイプでうまく使用されてきた。耐久性のある膜は、グリッパーの寿命を長くするが、グリッピング機能を達成するのに必要ではなく；
− 膜とおよそ０．２を超える目標対象との間の静摩擦の係数を提供する膜材料は、特に利点があり、より高い係数は改善されたパフォーマンスを提供し；
− 膜は、弾性であり得るが、その必要はない。およそ１０ＭＰａから１００ＭＰａの範囲の引張係数を有する弾性膜には利点があり；
− 膜は、平滑面またはテクスチャ表面、またはそれらの組み合わせのいずれかを有し得る。平滑な膜面は、平滑な目標対象表面に対して押されたときに圧力差を維持することができる程度まで、真空吸引のグリッピングモードを誘発する助けとなり；
− 膜は、多少粘着性があり得、粘着性のレベルは、適用のために最適化され得る。０からおよそ１０ｏｚ／ｉｎの幅に及ぶスチールへの付着（ＡＳＴＭ Ｄ−３３３０は、正圧のグリッパーと適合性があることが示され；膜の厚さは、グリッパーの、柔軟性、耐久性、靱性、摩擦係数、および大きさなどの他の特徴を最適化することによって決定される。厚さの範囲に制限はなく、典型的な膜は、およそ０．０１ｍｍから５ｍｍまでの厚さを有し得る。より薄い膜は、一般に、対象の幾何学的形状の細部により好適に一致するが、より厚い膜は、一般に、より頑強であり；
− 複合材料の膜は、例えば、 エラストマーコーティングの摩擦による布状の膜の引き裂き抵抗を組み込むことによって、所望の性能を提供し得る。複合材料の膜は、上に概略されるものと同様に考慮される。
グリッパーの大きさの範囲に関して：
− ジャミングの原理は、スケールに依存せず；それ故、グリッパー膜の上部の大きさは、重量および耐久性の考慮によってのみ限定的され；
− 基本的な下部の大きさのグリッパーの制限はなく；しかしながら、顆粒状粒子の大きさおよび膜の厚さなどの追加的な要因は、結局、最終的な小型化を限定し得；
− 任意の形状の又は任意の組み合わせで配置されるグリッパーに基本的な上部または下部の大きさの制限はない。
粒状材料に関して：
− 理想薬粒は、詰まりを取り除かれた状態でうまく流れ、詰め込まれた状態で堅く詰められる。１０以上の因数による弾性係数の変化は、ジャミングの転移と交差するときが望ましく；
− ストリングは、粒と組み合わせられ得、例えば、高硬度および高い曲げ剛度を有する複合材を生成する。
充填密度（ｆｉｌｌ ｄｅｎｓｉｔｙ）に関して：
− グリッパー膜を充填するために使用される粒の量は、膜の内部の自由空間を限定しようとすることと、粒が緩く詰められ、詰まりを取り除かれた状態でうまく流れることができることを確実にすることとの間のトレードオフによって管理される。自由空間があまりにも多くあると、真空が適用されるときに、膜が接触し過ぎ、弱いグリップにつながる。自由空間があまりにも少ないと、粒は、目標対象に対して同様に変形せず、これもまた弱いグリップにつながる。２／３の充填、プラスまたはマイナス（２／３ ｆｕｌｌ， ｐｌｕｓ ｏｒ ｍｉｎｕｓ）の態様において、大きな範囲が成功し、充填密度を限定することは、膜の弾性および柔軟性に依存する。
真空／正圧に関して：
− グリッピングを達成するのに必要な真空の範囲は、ジャミング材料に依存する。ラテックス製の風船中の挽いたコーヒーに関して、例えば、およそ３０ｋＰａより大きな差圧（すなわち、グリッパーの外側が周囲条件にある状況での気圧より下の７０ｋＰａ）は、有意なグリッピングを達成し始めるために必要とされる。膜の外側と内側との間の圧力差が大きいほど、グリッピングの強度は大きくなり、それは、すべての３つの把持機構が圧力差によって直接的に大きくなるからであり；
− ジャミングの速度は、空気または他のガスが膜から取り除かれる比率に依存する。ジャミング速度を変えることによるグリップ性能への影響はほとんどなく；
− グリッパーによって保持された対象は、グリッパー内の真空が放されるときに放され、粒状材料が詰まりを取り除かれることを可能にする。対象を放すことを超えて（Ｂｅｙｏｎｄ）、グリッパーが後のグリップを実行するために十分にリセットされる前に、さらに詰まりを取り除くことが通常必要とされる。正圧は、粒状材料を流動化させることによって詰まりを取り除くプロセスを加速し、また取り出しを助けるために対象にさらなる力を与え、それは、ある距離の対象をシューティングする（ｓｈｏｏｔｉｎｇ）ポイントにまで及び；
− 正圧によって提供されるグリッパーへの必要とされる流量は、グリッパーの所望の性能および大きさに依存する。８．５ｃｍの直径のグリッパーでの対象のシューティングに関して、例えば、およそ１Ｌ／ｓと１０Ｌ／ｓの間の正の流量が必要とされた。より小さなグリッパーには、より少ない流量が必要とされ、より大きなグリッパーには、より多い流量が必要され；
− 対象を取り出すことなくグリッパーをリセットするために、グリッパーへ気流の体積は、流量より重要である。グリッパーへの体積は、真空焼入れの間にグリッパーから抽出された量とほぼ同じであるべきである。より多い流量でこの体積を交換することによって、所望される、粒の増加した流動化を引き起こし；
− 大気によってグリッパーの内部の圧力を中和する（グリッパーを大気に放出する）ことは必要ではないが、粒の動きがいくらかの気流を支配する（ｄｉｃｔａｔｅ）ことを可能にすることによって、圧力制御の問題を単純化する。グリッパーは、対象に対して押されるときに、大気に放出されると、必要に応じて空気を受動的に受けるか又は拒絶し、流れを可能にする。ベントは、できるだけ最小限にこの気流に好都合に抵抗するべきであり；
− グリッパー内の圧力の調節、例えば、真空と１Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲の正圧との間での変動は、グリッパーが対象に対して押されるとともに、粒が目標対象のまわりで流れることを促進させるために使用され得；
− グリッパーが対象に対して押されるとともに、粒が目標対象のまわりで流れることを促進させるために、振動が使用され得る。これらの振動を達成するための可能な方法は、偏心マスを備えた１つ以上のモーター、１つ以上の圧電要素、または粒状材料に埋め込まれた電磁式アクチュエーターを含む。振動の大きさ及び周波数に関して、１ｇ未満＝９．８ｍ／ｓ２から数ｇまでの範囲の加速度が使用され得、至適周波数は、１０−１００Ｈｚの範囲である。粒が十分に沈められた（乾燥した粒状材料にとってのみ重要な）減湿または乾燥に関して、すなわち、膜は、粒およびその後水を少なくとも部分的に充填され、それは利点であり得；
− 水分は、詰まりを取り除かれた状態で流れるいくつかの粒材料の能力を減少させ得る。これらの材料に関して、乾燥剤、ドライヤー、減湿装置を使用して、または窒素などの特定ガスにシステムを閉じ込めることで、システム内の水分を除去するか又は最小限にすることが重要であり；
− 乾燥の手段または方法は、フィルターの領域、すなわち、グリッパーのオフボード（ｏｆｆ−ｂｏａｒｄ）における、粒状材料（例えば乾燥剤）に沿って、膜内に位置付けられ得る。あるいは、乾燥剤の粒は、粒状材料自体へ混合され得る。

具現化されたグリッパー装置は、粒状材料に正圧を加えるためのシステムを組み込む。正圧と負圧の組み合わせを使用して、グリッパーは、典型的に、平らな対象、柔軟な対象、または複雑な幾何学的形状を有する対象などの、従来の万能グリッパーにとっては困難である広範囲の対象を急速に掴み、放すことができる。グリッパーは、受動的に目標対象の形状に一致し、次に、それを堅く掴むために真空焼入れし、その後、正圧を使用してこの転移を逆にする、すなわち、対象を放し、変形可能な状態に戻す。正圧と負圧の両方を使用することによって、グリッパーの性能、信頼度、および速度はすべて増加する。発明者はまた、ピンポン球を５０ｃｍ垂直に放つことを含む、グリッパーからの対象の速い取り出しを実証した。さらに、複数の対象は、それらの相対距離および方向を維持しながら一度に掴み、置くことができる。

本発明のさらなる特徴および利点は、続く詳細な説明で述べられ、部分的に、その説明から当業者に容易に明らかになるか、または続く詳細な説明、請求項、さらに添付の図面を含む、本明細書に記載されるような本発明を実施することによって認識される。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方が、単に本発明に典型的であり、本発明の性質および特徴を理解するための概略または枠組みを請求されるように提供することが意図されることを理解されたい。添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、この明細書の一部に組み込まれ、それを構成する。図面は、本発明の様々な実施形態を示し、説明と一緒にされることで、本発明の原理および操作を説明する役割を果たす。

図１は、ジャミンググリッパーが３つの別々のグリッピングモードをどのように達成するかを示す概略図である：当該技術分野に知られるような、表面接点（左）、インターロックからの幾何学的制約（中央）、気密シールからの真空吸引（右）。 図２は、本発明の典型的な実施形態による、受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置の組立図である。 図３ａは、具現化された装置（０．５ｃｍの範囲から３．８ｃｍの範囲（右に上部に置かれた）までのレンジング）の試験に使用される、異なる大きさの半球の写真であり、図３ｂは、重要な寸法を示す実験装置の図である。装置は、ピック位置（Ｐ_１）で対象を取り、その後、プレイス位置（Ｐ_２）で対象を置くために移動する。グリッパーと対象との間の接触角はθによって示される。 は、手動リセットのグリッピング／リリースの装置および正圧でリセットする装置を使用する、以下の異なる半径の半球に対するグリッピング試験の結果を示す。（Ａ）大きさの異なる対象を掴むことの成功率；（Ｂ）グリッパーがそのまわりで変形する間に、対象に加える力；および（Ｃ）グリッピング／リリースの装置が達成する接触角。（Ｃ）内での水平方向の点線は重大な意味を持つ４５°接触角を示す。 図５は、目標対象の位置における誤差に対する具現化された装置の試験からの結果を示す。（Ａ）において、約３ｃｍの誤差許容範囲に加えて、正圧の装置に対する約０．５ｃｍの誤差許容範囲の増加が、２．４７ｃｍの半径の半球に関して見られ得る。（Ｂ）において、誤差許容範囲および信頼度は、単位がない値［（ｅ^２＋ｒ^２）^１／２］／Ｒを使用する、０から４．５ｃｍまでの範囲の誤差、および０．４５から３．７２ｃｍまでの範囲の半球に関して、より一般に見られ得る。 図６は、以下の３Ｄ印刷したプラスチック形状に対する、正圧のリリースと手動リセットの間の保持力に関する相対的な結果を示す棒グラフである：コイルばね、シリンダー、直平行六面体、ジャックトイ、立方体、球体、および正四面体。球体は直径２．６ｃｍである。 図７は、ロボットアームの較正、正圧グリッパーの試験、および手動リセットのグリッパーの試験のための配置試験（ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｅｓｔ）の結果を示す。省略符号は、９５％の信頼領域を表す。 図８は、本発明の例示の態様による、正圧の装置によって提供される、スローイング能力の実証を示す。正圧のジャミング装置は、ビデオから、ピンポン球を６つの時間毎に貼り付けたフレーム中のフープへのスローイングすることを示す。 図９は、本発明の例示的な態様による、上面から示される、正圧のグリッピング／リリースの装置の、一度に複数の対象を掴む能力を試験するために使用される９つの開始する構成を示す。

以下の説明において、引用が、その一部分を形成する添付の図面に対してなされ、添付の図面には、実施され得る具体的な実施形態が例示によって示される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に記載され、および他の実施形態が利用され得、構造的、論理的、および電気的な変化が本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解されたい。それ故、実施例の実施形態の以下の説明は、限定する意味では得られない。

本明細書で使用されるように、句「万能なジャミンググリッパー」は、Ｅ． Ｂｒｏｗｎ， Ｎ． Ｒｏｄｅｎｂｅｒｇ， Ｊ． Ａｍｅｎｄ， Ａ． Ｍｏｚｅｉｋａ， Ｅ． Ｓｔｅｌｔｚ， Ｍ． Ｚａｋｉｎ， Ｈ． Ｌｉｐｓｏｎ， Ｈ． Ｊａｅｇｅｒ， ”Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｒｏｂｏｔｉｃ ｇｒｉｐｐｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｏｆ ｇｒａｎｕｌａｒ ｍａｔｅｒｉａｌ，” Ｐｒｏｃ． Ｎａｔｌ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ．， ｖｏｌ． １０７， ｐｐ． １８８０９−１８８１４， Ｎｏｖ． ２０１０．に記載されるような受動的な万能グリッパーを意味する。要約すると、受動的な万能グリッパーは、粒状材料（例えば、コーヒーの出しがら、砂、他のもの）の量を含む、弾性型の膜（例えば、風船）を利用する。気圧では、粒状材料は、流れる、流出する、またははねることができるような流体様の相にある。しかしながら、真空が適用されるとき、粒状材料は、固体様の相へ疑似のジャミング相転移を受け、すなわち、別のものに関する単一の粒の相対的運動は本質的にない。真空が放たれ、システムが気圧に戻るときに、粒状材料は、（それ自体によってゆっくりと時間をかけて、または外部操作よってより迅速にかのいずれかで）流体様の相に返る。この擬相転移は、粒状系の固有の固体−液体の双対性から生じる。

図２は、受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置（１００）を示す。装置は正圧および負圧の両方を利用し、その結果、一旦装置が掴まれる対象に受動的に接触し、対象の形状に一致すると、充填された膜を真空焼入れするために真空が加えられ、対象を堅く掴み、続いて、正圧の１以上の破裂（ｂｕｒｓｔｓ）が、流体様から固体様の相転移（ジャミング）を逆にするために加えられ、強制的に対象を放し、変形可能な準備完了状態に充填された膜を戻す（リセットする）。

その最も単純な形態において、ジャミンググリッパーは、そのグリッピング作用を達成するために、負圧源に連結された排出可能な膜に含まれるいくつかの粒状材料を含むことだけが必要であり（例えば、挽いたコーヒーとラテックス製の風船の組み合わせがうまくいくことが発見された（Ｂｒｏｗｎ ｅｔ ａｌ．， ｉｄ．））、これは、従来のアクチュエーターが必要ではなく、グリッパーから空気を排出させるオフボードポンプのみを必要とすることを示す。典型的な態様によると、図２に示される、具現化された受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置（１００）は、ベース（１）（随意）、外部カラー（２）（随意）、弾性膜（３）（例えばラテックス製の風船）、膜内の粒状の充填材料（４）（例えばコーヒーの出しがら）、空気フィルター（５）（随意）、真空ラインポート（６）、正圧ポート（７）、および循環ポンプ（Ｐ）（例えば、可逆的なローラーポンプ；随意）を含む。示されるように、膜（３）は、ベース（１）と、気密（排気可能な）シールを生み出すカラー（２）の間でつままれる。限定されないが、クランピング、接着、および当該技術分野に既知の他のものを含む、他の密封装置および方法も、効果的に利用され得る。この典型的な実施形態において、ベースおよびカラーは、３Ｄ印刷したプラスチックから製造され、これによって、ベースの複雑な内部構造が可能になる。随意のカラーは、それが対象に一致するために、グリッピング／リリースの装置を誘導するのを助けるような、設計の有利な要素であり、これによって、対象の縦面上の表面接点を増加させ、インターロックするグリッピングモードの可能性を最大限にする。例証されるグリッピング／リリースの装置は、商業用ロボットアームに容易に接続され得る。具現化したグリッピング／リリースの装置（１００）の単純な機械的構造は、低コストおよび容易な製造可能性に寄与する。

図２の装置（１００）によって具現化されるようなプロトタイプのグリッピング／リリースの装置は、ベースと、気密シールを生み出すカラーとの間でつままれた、ラテックス製の風船の膜を含んだ。風船の膜の厚さは、０．３３ｍｍであって、それを、３５０ｃｍ^３の体積まで挽いたコーヒー豆で充填した。この体積で、風船の膜は満たされたが、膜が著しく広げられることはなかったため、膜は、対象と接触したとき、詰まりを取り除かれた状態で容易に変形され得た。充填膜は、ほとんど球状であって、およそ４．３ｃｍの半径であった。挽いたコーヒーは、例えば、砂のようなより重い材料のように、装置を押し下げることなく、または膜を緊張させる（ｓｔｒａｉｎｉｎｇ）ことなく、大量に使用され得るため、挽いたコーヒーの比較的低い密度は利点となった。

当然のことながら、様々な材料は、空気に対して実質的に柔軟であり、不浸透性である（すなわち、真空を保持する）限り、膜の要素のために効果的に使用され得る。膜材料のさらなる有利な特質は、（膜材料の多層の使用によって得られ得る）引き裂きへの抵抗性、およびある程度の膜の表面の粘着性または摩擦を含む。膜材料の限定しない例は、当該技術分野に公知の、エラストマー、ラテックス、ビニール、コーティングされたクロス、金属フォイル、Ｍｙｌａｒ、および他のものを含む。

様々な粒状の充填材料も利用され得、材料は、流体様から固体様の擬相転移（ジャミング）に対する体積の約５％またはそれ以下の変化を好都合に受ける。システムにおける水分が、粒状の充填剤中のさらなる毛細管力が原因で、詰まりが取り除かれている転移を遅らせるため、実質的に除去される（すなわち、流体が液体でないとき）ことも利点である。乾燥剤は、膜及び／又はフィルター中で使用され得る。あるいは、窒素または不活性ガスなどの乾燥した流体は、例えば、正圧流体として使用され得る。当該技術分野に知られるような空気乾燥機も、装置のエアラインへ付けられ得る。

性能を実証するために、具現化したグリッピング／リリースの装置を、試験のための商業用ロボットアームに取り付けた。正圧を、６２０ｋＰａのポンプおよび２．１６Ｌ／ｓの流量によって提供した。１以上の流体加圧のリザーバーは、正圧ポンプの代わりに、または正圧ポンプと組み合わせて使用され得、それによって、より迅速な粒状材料の固体様から流体様の相転移が可能となり得る。真空を、オフボードの真空ポンプで達成した。
０．２５Ｌ／ｓの最大の真空流量を、２５ミクロンの最大の真空に関して評価されたポンプで達成した。グリッピングに関して、ジャミング転移は、グリッパー中の圧力が−８５ｋＰａまで落ちたときに完了すると考えられたが、−３０ｋＰａまで高まる使用可能な真空圧をうまく使用した。グリッピング／リリースの装置の圧力はまた、大気で中和され得、この状態を、装置が対象上で押さられたときには常に使用した。ロボットアームを介するシリアル通信によって制御されたソレノイドバルブを、グリッパー中の圧力を調節するために使用した。試験をすべて、ロボットアームに関する１００％の関節角度の速度で行い、それは、グリッピング／リリースの装置のおよそ２３．７ｃｍ／ｓの線形速度に相当する。

グリッピング／リリースの装置を、異なる大きさの対象を掴むことのその信頼度に関して最初に評価した。対象をすべて、ロボットのソフトウェアへとハードコード化されたテーブル上の位置（ピック位置）に位置付けた。ロボットに、ピック位置へ移動し、グリッピング／リリースの装置を対象上で押し、その後、装置を始動させるように指示し、堅い状態を誘発した。次に、ロボットに、プレイス位置へ移動し、真空を放ち、正圧の短い破裂（ｓｈｏｒｔ ｂｕｒｓｔ）を加えるように指示し、対象を取り出した。試験をすべて、オープンループにおいて実行した。

過去に、球体は、ジャミンググリッパーのための試験対象に使用されてきたが、球体の高さがその半径の比率の２倍に成長するため、球体を我々の試験に使用しなかった。大きさの試験において、これは、装置がオープンループにおいてピック位置へ移動するため、グリッピング／リリースの装置のベースおよびカラーが、より大きな球体へ衝突する状況にすぐにつながるだろう。代わりに、球体試験の表面の幾何学的形状が保存されるが、試験対象の高さが減少させられるように、半球を使用した（平らな側面を下に方向付けた）。０．５ｃｍの半径から３．８ｃｍの半径までの範囲の木製の半球を選択し、表面組織は、グリッパー膜と半球の間の気密シールを可能にするほど滑らかではなく、それ故、グリッピングの真空モードを誘発しなかった。対象が半球であるため、この試験においてインターロックするグリッピングモードを達成することも不可能である。各半球を、グリッパーの重心軸と並べて位置付け、その結果、接触角θは、半球のまわりでできるだけ一貫している。この試験に使用されたテストセットアップおよび半球は、図３で見ることができる。図３に関係する寸法は以下のとおりであった：ｈ_１＝４．８ｃｍ、ｈ_２＝１１．５ｃｍ、ｈ_３＝１３ｃｍ、ｄ＝２０ｃｍ。

試験結果を図４に示す。各プロットの縦座標を、グリッピング／リリースの装置のスケーラビリティを説明するために、膜の大きさのパーセンテージとして提示する。図４は、ユーザーによって手動でリセットされなければならない受動的な万能グリッパーと比較した、具現化した正圧のグリッピング／リリースの装置の性能を示す。成功率、作用力、および接触角のプロットを示す。成功率を、各半球につき３０を超えるトライアルで測定し、成功率は、装置が異なる大きさの半球を掴む信頼度がどれほどであるかを表す。作用力は、グリッパーが、対象のまわりで変形されるとともに、対象に加える力である。この力を、試験対象の下に位置するスケールによって測定する。接触角は、グリッパー膜と対象が接触する最大角である（図３においてθで示される）。作用力および接触角の試験に関して、１０のトライアルを、各半球上で実行した。すべての３つのプロットに関して、データポイントはトライアルの平均を表し、エラーバーは試験の間に記録された最大および最小の測定を示す。半球を、すべての試験に関してランダムな順序で試験した。

正圧を利用しない受動的な万能グリッパーに関して、対象の半径が膜の半径の約６５％に達すると、グリッパーの成功率が急落し、ほぼ４５°の接触角（グリッピングが生じる臨界角）に関しては０％まで落ちることが分かった。この試験において最小の対象の半径は観察されなかったが、５ｍｍの半径を下回る半球は、木製での利用可能性の欠如のために検査されなかった。膜内部のより多くの粒が、より大きな対象のまわりで置き換えられる必要があるため、対象の大きさが増加するにつれて作用力が増加すると、我々はまた理解する。正圧を加えることで、グリッピング／リリースの装置の成功率は、接触角を増加させることによって、いくつかの半球に関して８５％も増加する。正圧はまた、対象に加えられた力を９０％も減少させる。これらの性能の増加は、粒状材料の増加した流動化によって最も起こる可能性があり、これによって、粒状材料が目標対象のまわりでより容易に流れることを可能にする。

第２の試験において、具現化したグリッピング／リリースの装置を、目標対象の位置における誤差に対する許容範囲に関して評価した。図３から同じテストセットアップを使用し、半球を試験対象として再び利用した。しかしながら、この試験において、目標対象を、ピック位置（Ｐ_１）から０〜４．５ｃｍ離して位置付け；それによって、半球を、グリッピング／リリースの装置の重心軸と並ばないようにした。この試験からの結果を、図５に示す。図５Ａにおいて、２．４７ｃｍの半径の半球に対する結果のみを示し、３０のトライアルを各データポイントに関して実行した。図５Ｂは、目標対象の大きさ、位置誤差、およびグリッピングの成功率のより一般的な関係性を示し、１０のトライアルを各データポイントに関して実行し、誤差は、０から４．５ｃｍまでの範囲であり、半球は、０．４５から３．７２ｃｍまでの半径の範囲であった。

図５Ａは、我々が試験した半球のいずれかに関して再び描かれ得、正圧のグリッピング／リリースの装置に対する類似した改善が示される。しかしながら、表現［（ｅ^２＋ｒ^２）^１／２］／Ｒによって、我々が装置の誤差許容範囲および信頼度をより一般的に観察するのを可能にすることが分かる。この表現は、目標対象の先端から、膜の半径と比較して、膜がその重心軸に沿ってテーブルに接触するポイントまでのユークリッド距離として理解され得る。それは、膜の利用可能な表面積と比較して、膜が臨界接触角まで対象を包むように試みるとともに、膜が接触する（目標対象に加えてテーブル）合計の表面積に関する簡潔な概算である。これらの２つの表面積の解析計算は、恐らくより正確な量を生み出すが、このような計算は、グリッピングプロセスの間に生じる膜の変形および引き伸ばしが原因で非常に困難である。図５Ｂにおいて、我々の概算は十分に簡潔で正確であるため、データを圧縮させ（ｃｏｌｌａｐｓｅ）、グリッピングの成功率の迅速な推測を可能にすることが分かる。さらに、図４Ａと図５Ｂとの間の酷似性が留意されるべきである。
ｅ＝０であると［（ｅ^２＋ｒ^２）^１／２］／Ｒがｒ／Ｒになるため、この結果が予想される。

具現化した装置に関して我々が観察する誤差許容範囲は、そのオープンループ機能を考慮すると、非常に大きい。図５Ａにおいて、例えば、半球がその標的位置から２．５ｃｍ離れているときでさえ、正圧の使用により、我々の３．５ｃｍの半径の膜が、その時間の１００％、２．４７ｃｍの半径の半球％をうまく拾い上げることができることが分かる。この大きな誤差許容範囲は、恐らく、状況またはロボットのどちらに対する精密な制御も可能ではない非体系的な環境におけるグリッピング作業に非常に有用であると分かるだろう。

第３の試験において、正圧のグリッピング／リリースの装置を、それが掴むことができる形状の範囲、およびそれがこれらの形状を保存することができる力に関して評価した。類似した質量、量、および大きさを有する７つの形状を、試験のために３Ｄ印刷した。各形状の質量は、１５．５ｇ±０．８ｇであった。各形状の最小の断面は、およそ２．６ｃｍであって、以前の試験から１００％の成功率内に十分あると選択される大きさであった。３Ｄ印刷した材料は、気密シールが達成されるほど十分滑らかではない。印刷した形状は、コイルばね、シリンダー、直平行六面体、ジャックトイ、立方体、球体、および正四面体であった。形状の写真を、図６の縦座標に示す。各対象が保存された強度を試験するために、我々は、各対象を凝固された（排出された）膜から引き出すのに必要な力を測定した。この試験の結果を図６に示す。各形状に関して１０の試験を実行し、エラーバーは、試験の間に記録された最大および最小の測定値を示す。

正圧によって装置をリセットすることによって、膜内の大量の粒を置き換える対象に関する保持力が増加するが、より小さな物体に関する保持力は減少することが見られ得る。これは、実験装置中の接触角と作用力との間のトレードオフとして理解され得る。正圧装置の高められた流動性によって、図４Ｃに見られるような大きな接触角が可能となり、そのため、大量の粒を置き換える、より大きな対象に関する高められた保持力が可能となる。しかしながら、大量の粒を置き換えない、より小さな対象に関する問題が生じる。これらのより小さな対象に関して、接触角の著しい増加は生じず、代わりに、高められた流動性によって、より多くの粒が対象の側面に落ちることを可能にしかねず、粒と装置のベースとの間に隙間を残す可能性がある。これは、正圧装置に関する図４Ｂにおける作用力の低い値によって裏付けられ、この値は、小さな対象に対する粒の重量に匹敵する。この状況において、膜が排出されると、粒は、目標対象の方よりもむしろベース近くのオープン空間の方へ部分的に接触し得、結果的に保持力がより低下する。これは、正圧の調節による特有の問題ではなく、なぜなら、これは、目標対象の大きさに対するピック高さ（ｐｉｃｋ ｈｅｉｇｈｔ）を感知することによって、または力フィードバックを有するロボットアームの使用によってかのいずれかで、より多くの力を目標対象に加えることにより解決され得るからである。

図３におけるテストセットアップに関して、最大のグリッピング率が計算され得る。限定される要因は、ロボットアームの最大速度、ジャミング転移を完了するのに必要な時間、グリップの間のグリッパーをリセットするのに必要な時間、および掴まれた対象を放すのに必要な時間である。ロボットアームの最大速度を、２３．７ｃｍ／ｓで測定し、こは、最大のグリップ率を、（Ｐ_１）から（Ｐ_２）まで移動し再び戻るために単に必要な時間に対する２４ｐｉｃｋｓ／ｍｉｎに限定する。我々は、膜内部の圧力が−８５ｋＰａまで落ちたときに、ジャミング転移が完了すると考え、それには、我々の３５０ｃｍ^３の膜に関しては１．１秒かかり、すなわち、これは、最大のグリッピング率をさらに限定し、１６．７ｐｉｃｋｓ／ｍｉｎまで下げる。

正圧のジャミンググリッピング／リリースの装置は、対象を放し、正圧の単一の破裂によってグリッパーをリセットするのにわずか０．１秒しか必要とせず、これは、最大のグリッピング率を、最終的に１６．２ｐｉｃｋｓ／ｍｉｎに限定する。手動リセットのグリッパーに関して、対象を放し、グリッパーをリセットすることは、もう少し複雑である。対象を放すのに必要な時間は、対象の幾何学的形状に依存し、より遅いリリース時間は、グリッピング率を限定する。我々は、０．６秒で最も遅いリリース時間を測定した。手動でのグリッパーのリセットには、操作者が不正確なニーディングまたはマッサージングの手順を実行する必要があり、それには、我々の試験の間に少なくとも２．０秒かかる。したがって、手動リセットの受動的な万能グリッパーに関して、最大のグリッピング率は、１０．２ｐｉｃｋｓ／ｍｉｎに限定される。そのときに正圧を含む利点は、グリッピング率の３９％の増加であり、それに加えて、システムの増加した自動化およびグリッパーをリセットするときに起こり得るヒューマンエラーの除去の利点もある。

典型的に、配置精度は、掴まれ得る対象の範囲を最大限にするために、受動的な万能グリッパーを発展させるときになされなければならない犠牲であると認識される。しかしながら、配置精度はまた、設定を作るのに使用されるグリッパーのための重要な性能測定である。ここで、具現化した図３からの同じテストセットアップをわずかな調節で再び使用して、ジャミンググリッピング／リリースの装置を、それが対象を置くことができる精度に関して評価する。

我々は、最初に較正手順を実行し、ロボットアーム自体の精度を測定した。ペンを、ロボットのリストに堅く取り付け、膜の底縁部がテーブルと接触するのとほぼ同じポイントまで伸ばした。その後、図３と同様の試験手順を実施し、ピック位置（Ｐ_１）およびプレイス位置（Ｐ_２）で固定した一枚の紙にペンで印をつけた。このセットアップによって、我々は、アームの精密度が、９５％の信頼度に対して最悪の場合、±０．３５ｍｍであると測定することができ、目標からの平均オフセット（ａｖｅｒａｇｅ ｏｆｆｓｅｔ）は０．７６ｍｍであった。この結果は、製造業者の±０．０５ｍｍの報告された繰り返し精度より大きな桁であり、これは恐らく、ロボットアームを全速力で動かすことによって引き起こされる動的作用に起因する。

次に、ペンを、ロボットアームから取り除き、装置を再び取り付けた。ロボットアームを、図３からのテストセットアップを再び使用して、半球でのピックおよびプレイスの手順を実施するようにプログラムした。半球の配置に従って、我々は、テーブルの平面でのその意図した位置からのその偏差を測定することができた。この試験において、１．８２ｃｍの半径の半球のみを使用した。この半球は、形状試験に使用される部品の大きさに類似しており、信頼度試験において１００％の成功率内に十分にある。図３の寸法を、配置精度を最大限にするために、この試験に関してわずかに調節し：正圧グリッパーを試験するときに、ｈ_２を８．８ｃｍに設定し、手動リセットのグリッパーを試験するときに、ｈ_２を７．１ｃｍに設定した。結果を図７に示す。

図７から、正圧装置が、半球を手動リセットのグリッパーより正確に配置し、一方で、手動リセットのグリッパーが、わずかにより精密であることが分かる。具体的には、正圧装置の平均偏差は、アームの較正センターから０．９８ｍｍであり、９５％の信頼度に対して最悪の場合、±１．００ｍｍの精密度であり、一方で、手動リセットのグリッパーに関する平均偏差は、アームの較正センターから２．６３ｍｍであり、９５％の信頼度に対して最悪の場合、±０．７６ｍｍの精密度である。

２つのグリッパーの角度の配置精度は類似していた。しかしながら、ここで、手動リセットのグリッパーは、わずかにより正確であり、一方で、正圧装置は、わずかにより精密であった。手動リセットのグリッパーは、平均で５．４°、９５％の信頼度に対して±３．４°、半球を回転させた。正圧装置は、平均で７．５°、９５％の信頼度に対して±１．８°、半球を回転させた。

我々が正圧のジャミング装置に関して観察する配置精度の向上によって、図８に示される反復可能なシューティング動作が可能になり、図８は、ビデオから、ピンポン球を６つの時間毎に貼り付けたフレーム中のフープへスローイングする、具現化した正圧装置を示す。我々の予備試験によって、シューティング動作が反復可能であることがわかる。

受動的な万能ジャミンググリッパーの特有の特徴は、それらの相対的位置および方向を維持しながら複数の密集した対象を同時に掴むそれらの能力である。この能力の測るために、各々１．３×１．３ｘ４．５ｃｍである、試験部品として２つの直平行六面体を使用した。グリッピング／リリースの装置を、図９に示される９つの開始する構成でこれらの対象を取ることに関して評価した。各試験に関して、組み合わせた形状の重心を、膜の重心軸に位置付けた。２つの対象間の相対距離および角度を、グリッピング操作の前後に記録した。

相対距離に関して、手動リセットのグリッパーは、対象間の分離を、９５％の信頼度に関して０．０８ｃｍ、平均±０．８６ｃｍ増加させる傾向があり、一方で、具現化した正圧装置は、対象間の分離を、９５％の信頼度に関して０．７７ｃｍ、平均±１．０７ｃｍ増加させる傾向があったことが分かった。相対的角度に関して、手動リセットのグリッパーは、対象間の角度を、９５％の信頼度に関して６．７°、平均±２０．５°変更し、一方で、具現化した正圧装置は、対象間の角度を、９５％の信頼度に関して５．２°、平均±２２．２°変更した。

この試験は、１つの対象だけが使用された場合の、以前の試験からの精度の著しい減少を示す。エラーの増加は、恐らく、膜の重心軸から離れて生じるグリップの結果であり、ここで、掴まれた対象を回転させるか又は変換する傾向がある軸外の力が生じる可能性がさらにある。具現化した正圧装置の性能は、この試験における手動リセットのグリッパーよりわずかに劣っており、これは推測するに、対象の取り出し中の膜の急膨張が、これらの軸外の力を大きくし、掴まれた対象の増加した回転および変換をもたらすからである。この試験によって、配置精度を最大限にするために、対象をグリッパーの重心軸に集中させる重要性が明らかとなる。

この試験における具現化した正圧装置および手動リセットのグリッパーの両方の性能は、それらが、一度に複数の対象を掴むために使用され得るが、対象間の相対距離および角度を維持するそれらの能力が、より低い程度の精度が必要とされる場合の作業に単に適していることを示す。例えば、この能力は、より正確な組立作業前に、複数の並べられた部品を移動させるのに有用であり得る。

我々は、正圧および負圧の両方を組み込む、受動的で、万能で、ジャミングの、グリッピングおよびリリーシング装置を開示した。典型的なプロトタイプの設計および製造を記載し、このプロトタイプを、現実世界の応用に対するその能力を明らかにした５つの測定基準に対して評価した。装置は、異なる大きさおよび形状の対象を掴む能力があると分かり、手動リセットの、受動的で、万能で、ジャミングのグリッパーに対して、８５％までの信頼度の増加、目標対象位置における誤差許容範囲の増加、および３９％の速度の増加を示した。正圧装置はまた、標的対象上に９０％までのより少ない力を加え、配置精度の増加を実証し、これによって、グリッパーに対する新しいスローイング能力が可能となった。対象をシューティングするこの能力は、限定されないが、工場において対象をビンへ分類する、または家の中でゴミを捨てるなどの、作業に有用であり得る。

具現化した装置は、かなり異なる形状、重量、および脆弱性の対象が掴まれることを可能にし、複数の対象は、それらの相対距離と方向を維持しながら一度に掴まれ得る。この能力の多様性によって、装置は、軍事環境から家までの範囲の非体系的な領域での使用によく適し得る。装置の気密の構造はまた、湿潤の又は不安定な環境に使用する可能性を提供し、容易な洗浄が可能になる。その熱的制限は、ジャミング相転移の温度不依存により、膜材料によってのみ決定され、そのため、高温環境または低温環境での使用が可能となり得る。さらに、膜がグリッピング／リリーシングの作業の間でとる柔軟な順応性のある状態は、例えば、家でのように、ヒトと近接して配されたときの、安全性の向上を提供し得る。

出版物、特許出願および本明細書に引用される特許を含む、すべての言及は、各言及が、まるで引用によって組み込まれるように個々におよび特別に示され、本明細書においてその全体が述べられるのと同じように、引用によって本明細書に組み込まれる。

用語「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」、および本発明を記載する文脈中（特に以下の請求項の文脈中）の類似した指示対象の使用は、本明細書において他に指示のない限り、または文脈によって明らかに否定されていない限り、単数と複数の両方を含むと解釈されるべきである。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、他に留意されない限り、無制限の用語（すなわち、「含むが、限定されない」を意味する）として解釈されるべきである。用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、何かが介在したとしても、部分的に又は全面的に中に含む、付けられる、または一緒に連結されると解釈されるべきである。

本明細書の値の範囲の記述は、本明細書において他に指示のない限り、範囲内にある各別々の値を個々に指す簡単な方法として役立つように単に意図されており、各別々の値は、まるで本明細書に個々に記述されるように本明細書に組み込まれる。

本明細書に記載されるすべての方法は、本明細書において他に指示のない限り、または文脈によって明らかに否定されていない限り、任意の適切な順番で実行され得る。本明細書に提供される、任意のおよび全ての例、または典型的な用語（例えば、「などの（ｓｕｃｈ ａｓ）」）の使用は、本発明の実施形態を単に好都合に例証するように意図され、他に請求されない限り、本発明の範囲を限定するものではない。

本明細書の用語は、本発明の実施に不可欠なものとして任意の請求されていない要素を示すと解釈されるべきではない。

様々な修正および変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明になされ得ることは当業者に明らかとなる。本発明を、具体的な形態または開示される形態に限定する意図はないが、逆に、添付の請求項に定義されるように、すべての修正、代替的な構成物、および本発明の精神および範囲にある同等物を含むことが意図される。したがって、本発明の修正および変更が添付の請求項およびそれらの同等物の範囲内にある場合、本発明が、その修正および変更を含むことは意図される。

Claims (30)

1. 受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置であって、該装置は、
   排出可能な密閉関係において流体の入口および出口のソースに流体的に連結された開口部を有する変形可能な膜、
   該膜の開口部と流体接続されて配置された、該流体の入口および出口のソースを提供する少なくとも１つのポート、および
   該膜内に配置された粒状材料を含むことを特徴とする装置。
2. 前記粒状材料は、該材料の流体相と固体相の間で、約５％に等しい又は約５％未満の体積変化率を有することによって特徴付けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つのポートは、流体排出ポートおよび流体入力ポートを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記膜との連結に関係して配置されたベースをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記膜の開口部との連結に関係して配置されたフィルターをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記少なくとも１つのポートに連結されたポンプをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 前記ポンプは、可逆的な作用ポンプであることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記ポンプは、装置の内部にあることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 前記少なくとも１つのポートに連結された圧縮流体のリザーバーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つのポートに連結された、排出されたリザーバーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 前記ベース上に配置され、前記開口部に隣接する前記膜の領域のまわりで少なくとも部分的に伸びる、カラーをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の装置。
12. 前記膜は、柔軟で排出可能である材料で作られることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
13. 前記膜は、ビニール、エラストマー材料、コーティングされたクロス、ポリエステルフィルム（Ｍｙｌａｒ）、および金属フォイルのうちの１つで作られることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記装置内に配置された乾燥剤をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
15. 前記装置内の水分を減少させるための手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
16. 前記膜内に配置された前記粒状材料は、１つ以上のプラスチックまたはポリマー粒子、コーヒーの出しがら、コーンスターチ、すりガラス、砂、米、おがくず、粉砕された木の実の殻、オート麦、コーンミール、金属粒子、乾燥した粉砕トウモロコシの皮、塩、種、粉砕ゴム、岩のうちの１つ又は任意の組み合わせを含む、任意のタイプの金属、絶縁、または半導体の固体から作られた小さい、個別の固体の粒体または粒を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
17. さらに、前記変形可能な膜は、正および負の流体圧力が選択的に加えられる、複数の別々に制御された領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
18. さらに、前記別々に制御された領域は、自給式であり、その各々は、粒状材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
19. 膜の内部に配置された内膜をさらに含む、請求項１に記載の装置であって、ここで、前記粒状材料は、よりきめの細かい材料を含み、前記内膜は、よりきめの粗い材料を含むことを特徴とする装置。
20. グリッピングおよびリリーシングのデバイスであって、該デバイスは、
    複数の受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置を含み、各グリッピングおよびリリーシングの装置はさらに、
    排出可能な密閉関係において流体の入口および出口のソースに流体的に連結された開口部を有する変形可能な膜、
    前記膜の開口部と流体接続されて配置された、流体の入口および出口のソースを提供する少なくとも１つのポート、および
    該膜内に配置された粒状材料を含むことを特徴とするデバイス。
21. 前記変形可能な膜の少なくともいくつかが異なる大きさを有することを特徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記受動的なグリッピングおよびリリーシングの装置の各々が、制御可能なロボットアームに連結されることを特徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
23. 対象を掴む且つ放すための方法であって、該方法は、
    真空を適用することによる流体様から固体様の相転移によって特徴付けられる、適切なジャミング材料を含む受動的な万能ジャミンググリッパーを提供する工程を含み、ここで、該グリッパーは、対象が掴まれている、掴まれた状態であり、該方法はさらに、
    固体様から流体様の相転移を引き起こす該ジャミング材料に、正の流体圧力を加える工程を含み、ここで、該掴まれた対象は、該グリッパーから能動的に放されることを特徴とする方法。
24. 十分な正の流体圧力を加えることによって、前記掴まれた対象を取り出す工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
25. 前記対象を接触させ、前記ジャミング材料に負の流体圧力を加えることによって、前記掴まれた対象のリリースのほぼ直後に、対象を掴む工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
26. 前記膜を、前記対象に接触しているときに大気に放出する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
27. 前記掴まれた対象を放し、前記対象を掴む間に、前記正および負の流体圧力を交互に加える工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
28. 前記掴まれた対象を放し、前記対象を掴む間に、前記グリッパーを振動させる工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
29. 正の流体圧力を加える前記工程が、ガスおよび液体の１つを使用する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
30. 前記ガスが、空気、窒素、不活性ガスのうちの１つであることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。