JP6253636B2 - 可撓性ロボットアクチュエータを提供するためのシステムと方法 - Google Patents
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T74/00—Machine element or mechanism
- Y10T74/20—Control lever and linkage systems
- Y10T74/20207—Multiple controlling elements for single controlled element
- Y10T74/20305—Robotic arm
Description
本出願は、2012年3月26日に出願された“FLEXIBLE ROBOTIC ACTUATORS”と題する米国仮特許出願第61/615,665号の出願日の利益を主張する。また、本出願は、2012年6月18日に出願された“SYSTEMS AND METHODS FOR INTEGRATION OF SOFT ROBOTS AND HARD ROBOTS”と題する米国仮特許出願第61/673,003号の出願日の利益を主張する。また、本出願は、2012年9月7日に出願された“SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING SOFT TENTACLES”と題する米国仮特許出願第61/698,436号の出願日の利益を主張する。本明細書内で引用される全ての特許、特許出願および公開は、本明細書で説明される本発明の時点で当業者に既知の技術水準をより完全に説明するために、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、国防総省国防高等研究事業局(DARPA)により授与された認可番号W911NF−11−1−0094、W911NF−09−1−0476と、全米科学財団により授与された認可番号PHY−0646094、DMR−0820484と、エネルギー省により授与された認可番号DE−FG02−00ER45852の下に、米国政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
これらのシステムは、ハードボティシステムと比較して、能力や可能な用途が大きく異なる。これらのシステムは、ハードボディシステムよりも(少なくとも開発初期では)低速であるだろうが、制限された空間(亀裂、瓦礫)をより安定かつ良好に移動できるようになると共に、より軽量で安価になるだろう。
幾つかの実施形態では、加圧流体(すなわち、加圧ガスまたは加圧液体)を用いてソフトロボットアクチュエータを駆動できる。流体駆動の原理を図1に示す。剛性は高いが曲げやすいバッキング層104を有する軟質ゴム(エラストマー)フォーム102内に、チャネル100が埋め込まれる。膨張が望ましくないネットワークのセクションに用いられる材料には、弾性率の高い材料が求められる。一方、伸長性が必要となるネットワークの材料には、弾性率の低い材料が使用される。加圧流体(すなわち、加圧ガスおよび/または液体)を介してチャネルを加圧する際、ソフトエラストマーのネットワークは膨張する(図1b)。具体的には、加圧時に、最も伸長性の高い領域106でチャネルが膨張することになる。チャネルがバルーン状に膨張する際に生じる体積の増加に適合するように、構造はそれに応じて屈曲する。軟質ゴムの膨張には、より剛性の高い歪み制限層の周りで屈曲することで適合する(図1c)。エラストマー体内に埋め込まれたチャネルまたはチャンバの駆動原理に関する更なる詳細は、参照により全体として本明細書に組み込まれる、2011年11月21日出願のPCT出願(出願番号:PCT/US2011/061720、発明の名称“Soft robotic actuators”)において説明されている。
軟質触手アクチュエータは、それ自身をソフトロボット用途に特に適するようにさせる以下の少なくとも4つの特性を有しうる。i)開示している軟質触手は1メートル当たり100gと軽量である。ii)開示している軟質触手は、高速駆動(例えば、内径1.57mm、長さ25cmのテザー(紐、tether)を介して搬送される300ミリバールのガスを用いた0.5秒の完全な駆動)に適合する。iii)開示している軟質触手は、衝撃および落下に起因する損傷に耐性を有する。iv)開示している軟質触手は、特別な光学的、電気的または機械的な機能を有するコンポーネントの導入、さらに、物体との相互作用を改善させるための表面の改質に適合する。
図2は、開示している主題についての幾つかの実施形態による、軟質触手とその動作を示す。図2aは、軟質触手202、軟質触手内の流体チャネル204、流体チャネル204に連結されたガス入口206を示す。幾つかの実施形態で、流体チャネル204は軟質触手と同軸であってもよく、軟質触手の長さに沿って延びていてもよい。図2aに示す触手の全長は約15cmである。流体チャネルの長さは、触手の根元から5mm離れた位置で開始して、14cmであってもよい。しかし、触手の長さと流体チャネルの長さは、所望の長さであってよい。
幾つかの実施形態で、軟質触手202はモールド(鋳型)を用いて製造されてもよい。モールドは、(例えばAlibre社の)コンピュータ支援設計(CAD)ツールを用いて設計されてもよい。設計したモールドは、3次元(3D)プリンタ(例えばStrataSys社のDimension Eliteプリンタ)を用いて製造されてもよい。モールドは、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン(ABS)樹脂を用いて印刷されてもよい。
エコフレックスは、次の手順を用いて準備してもよい。エコフレックスの前駆体、例えばエコフレックス00−30前駆体は、Smooth−On (http://www. smooth−on.com)で入手できる。入手したエコフレックス前駆体を1:1の体積比で混合し、得られたプレポリマーを36Torrのデシケータ内で5分間脱気し、気泡を取り除く。次に、エコフレックスを60℃で約15分から30分間硬化させる。
PDMSは、次の手順を用いて準備してもよい。PDMSの前駆体は、Dow Corning社から入手できる。PDMSの前駆体と架橋剤を10:1の重量比で混合する。得られたプレポリマーを36Torrで30分間脱気し、気泡を取り除くと共に、前駆体と架橋剤とを確実に充分に混合する。プレポリマーの混合物を60℃で2時間硬化させる。この硬化時間により、PDMSをエコフレックスと接触させて硬化させる際に、得られるPDMSとエコフレックスとを確実に良好に結合させることができる。
軟質触手は、さまざまな用途に使用できる。軟質触手は、その表皮と他の物体とを接触させることにより、その物体と相互作用することができる。例えば、対象の物体の周りに触手を巻き付けると共に触手を持ち上げることにより、軟質触手を用いて物体を掴むことができる。
径方向撓みアクチュエータについての幾つかの実施形態は、埋め込まれた流体チャネルのネットワーク(例えば、空気圧ネットワーク)を有する軟質材料を含んでもよい。こうしたソフトロボットは、中心点の周りに径方向に配置された複数の流体チャネルを含み、これによりロボットは、静止時にチャネルを格納する面の外へ上向きに撓む。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの仮想的な中心点の周りに曲率半径を有する弧状のチャネルを形成する。幾つかの実施形態で、チャネルは、デバイスの中心点の周りに配置された弧、半円、円などを形成する。流体で加圧するとき、径方向に配置された流体チャネルは、アクチュエータが屈曲して半球状となるように膨張し、これによりアクチュエータが径方向に屈曲するようにしてもよい。
ソフトロボットは多種の複雑な動作を行うことができるが、最新鋭のソフトロボットであっても、ハードロボットが容易に対処可能な課題を抱えることがある。その例の1つは移動である。幾つかのロボットは、駆動により屈曲させることができる複数の「ソフトアクチュエータ脚」を含んでもよい。これらのソフトロボットは、ソフトアクチュエータ脚を協調して屈曲させることにより移動でき、これにより蜘蛛のような移動を行う。残念ながら、特に平坦な地形のような特定の地形では、こうした多機能のソフトロボットの移動能力は限定的であってハードロボットの移動能力に達しない可能性がある。ソフトロボットの蜘蛛のような動きは、起伏の多い表面上を移動する場合には備わっていればよいが、平坦な表面の上では高速動作を可能にしない。それゆえ、ソフトロボットとハードロボットの両方の所望の特性を有するロボットが求められている。
幾つかの実施形態で、ソフトロボット3302は、1つまたは複数個のアクチュエータ3312を含んでもよい。アクチュエータ3312は、駆動されて動く1つまたは複数個の流体チャネルを含んでもよい。駆動方法として、提案しているソフトロボットの多くは、薄いエラストマーの薄膜において、製造された形状が加圧により可逆的に変化することを利用する。ソフトエラストマー内に埋め込まれたチャネルのマイクロ流体ネットワークは、より剛性の高いエラストマー膜の駆動層として用いられるように設計されてもよい。チャネルはより軟らかいエラストマー内に埋め込まれ、この層は、より剛性は高いが曲げやすい層に接合される。空気を用いたチャネルの加圧(空気圧駆動)、より一般的には流体を用いたチャネルの加圧(流体駆動)の際、ソフトエラストマーネットワークは膨張する。この膨張または歪みは、より軟らかいエラストマー層とより剛性の高いエラストマー層との間界面で制限される。ソフトエラストマーの膨張は、より剛性の高い歪み制限層の周りで屈曲することにより受容される。
ロボット制御システム3304は、ソフトロボット3302、ハードロボット3306および中央制御システム3310に結合されている。ロボット制御システム3304は、ソフトロボット3302とハードロボット3306の動作を制御するためのコントロールセンタとして動作してもよい。
ハードロボット3306は、ハードロボットセンサ3322、モータコントローラ3324およびマイクロコントローラ3326を備えてもよい。ハードロボット3306は移動用に設けられてもよい。幾つかの実施形態で、ハードロボットシステムは、輸送の中心として機能してもよい。ハブは、バッテリ、ポンプ、バルブ、マイクロコントローラおよび通信装置を運搬してもよい。ホイールもしくはトラック、または移動を与える他の任意のハードボディ手段を用いることにより、これら2つの丈夫で高負荷に耐える機械要素の強みを活かすことができる。幾つかの実施形態で、ハードロボット3306は、独自のマイクロプロセッサ、命令セットおよび制御部を有し、自己を自律的に制御してもよい。他の実施形態で、ハードロボット3306は、ロボット制御システム3304内のマイクロプロセッサにより全体として制御されてもよい。
カメラシステム3308は、通信リンク3328とカメラモジュール3330を備えてもよい。カメラモジュール3330は、ロボットシステム3300の周囲の静止画または動画情報を撮影する1つまたは複数個のイメージセンサと、そのイメージセンサを外部入力に応じて移動させる1つまたは複数個のモータを備えてもよい。通信リンク3328は、カメラシステム3308が中央制御システム3310から或る距離離れて動作できるようにするワイヤレスリンクを備えてもよい。カメラシステム3308は、コントロールパッドや動画フィードバック部、または中央制御システム3310を用いてユーザにより操作されてもよい。
中央制御システム3310は、機械視覚モジュール3332、遠隔制御プログラムモジュール3334および通信リンク3336、3338を備えてもよい。中央制御システム3310上で動作する機械視覚モジュール3332により、物体の特定、および、ソフトロボットの配置と動作の位置/タイミングの制御/フィードバックを行うことができる。中央制御システム3310は、リモートコンピュータ、例えばデスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータまたはスマートフォンであってもよい。中央制御システム3310を確立するために必要とされるソフトウェアは、高級な手続き型言語やオブジェクト指向言語(例えばMATLAB、C、C++、C#、JavaまたはPerl)であってもよい。ソフトウェアは、必要に応じてアセンブリ言語により実現されてもよい。幾つかの実施形態で、ソフトウェアは、この文書に記載されたプロセスを実行するために、一般的または特別な目的の処理ユニットが読み出し可能な記憶媒体または記憶装置、例えばリードオンリーメモリ(ROM)、プログラマブルリードオンリーメモリ(PROM)、電気的消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ(EEPROM)、フラッシュメモリ、または磁気ディスクに記憶される。プロセッサは、任意のマイクロプロセッサ(単一または複数のコア)、システムオンチップ(SoC)、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、グラフィックス処理ユニット(GPU)、または命令を処理可能な他の任意の集積回路(例えばx86マイクロプロセッサ)を含んでもよい。
幾つかの実施形態で、ロボットシステム3300は、ロボット原動機(mover)として構成されてもよい。図40は、開示している主題についての幾つかの実施形態によるロボット原動機を示す。ロボット原動機4000は、ソフトロボット3302、ロボット制御システム3304、ハードロボット3306を備えてもよく、カメラシステム3308と中央制御システム3310に結合されてもよい(図示せず)。
ソフトロボットに用いることができる材料のリストは、広範囲であって、伸長性材料についてはラテックス、ポリウレタン、ポリアクリレート、シリコーン、加硫ゴムなどのエラストマー、歪み制限膜については紙、ケブラー、綿、ナイロンなどの布を含む。材料の組み合わせについて例示的なリストを表1に示す。各組み合わせにより、駆動時の屈曲の程度が変化する。歪み制限体の弾性率/引張係数の差が増加すると、同じチャネル材料について屈曲の程度が増大する(例えば、歪み制限層で撓みが大きくなり、または曲率半径が小さくなる)。他の材料と材料の組み合わせは当業者には明らかであろう。
Claims (38)
- 複数の埋込み流体チャネルを有する可撓体、ここで該複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つは、前記可撓体の中心軸周りに同心状に配置されるものであり、
前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つに連結された加圧口、ここで該加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つの一部を膨張させ、これにより前記可撓体の径方向撓みが生じるように構成されたものである、
を備えたソフトロボット。 - 前記可撓体は歪み制限層を含み、
前記歪み制限層の引張係数が前記可撓体の引張係数よりも大きい、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記歪み制限層は紙を含む、
請求項2に記載のソフトロボット。 - 前記可撓体の上方に、該可撓体を封止するように接触して配置されたソフトチャンバを備え、
前記ソフトチャンバは、流体リザーバと流体入口を備えた、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記ソフトチャンバは、カバー層と1つまたは複数個の壁を含むキャップを備え、
前記1つまたは複数個の壁は前記可撓体に取り付けられ、
前記キャップと前記可撓体との間の空間により前記流体リザーバを形成する、
請求項4に記載のソフトロボット。 - 前記流体リザ−バは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つが加圧されたときに前記流体入口を介して流体を搬送するように構成されている、
請求項5に記載のソフトロボット。 - 前記流体リザーバは、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つが減圧されたときに前記流体入口を介して流体を受けるように構成されている、
請求項5に記載のソフトロボット。 - 前記可撓体は、エラストマーを用いて成形されている、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つは、同心多角形として構成されている、
請求項1に記載のソフトロボット。 - 前記同心多角形は同心円を含む、
請求項9に記載のソフトロボット。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つを加圧し、これにより前記ソフトロボットの径方向撓みが生じるようにしたステップ
を含む、ソフトロボットを駆動する方法。 - 請求項4から7のいずれか1項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
前記流体入口を介して前記ソフトチャンバに流体を供給するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つを加圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内に収納された流体を排出するステップ
を含む、流体を受容または搬送する方法。 - 前記加圧口から前記加圧流体を除去し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つを減圧し、これにより前記流体入口を介して前記ソフトチャンバ内へ流体を吸入するステップを含む、
請求項12に記載の方法。 - 前記ソフトチャンバは、或る試薬と反応して発色する化学試薬を収納するように構成されている、
請求項13に記載の方法。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載のソフトロボットを準備するステップ、
非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを配置するステップ、
前記加圧口に加圧流体を供給し、前記複数の埋込み流体チャネルのうち少なくとも2つを加圧し、これにより前記非多孔性表面に対して前記ソフトロボットを崩壊させて吸引封止を形成するステップ
を含む非多孔性表面を把持する方法。 - 可撓性成形体であって、該可撓性成形体の中に配置された複数のチャネルを有する可撓性成形体、ここで前記複数のチャネルは、前記可撓性成形体の中心軸と同軸であり、前記可撓性成形体の一部は、弾性伸長性材料を含み、前記可撓性成形体の一部は、前記弾性伸長性材料に対して歪み制限的であり、前記可撓性成形体は、前記複数のチャネルのうち1つが加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されたものであり、
前記複数のチャネルのうち少なくとも1つについて加圧流体を受けるように構成された少なくとも1つの加圧口、
前記可撓性成形体の一端と他端との間で第1材料を移動させるように構成された第1輸送チャネル、
前記可撓性成形体の一端と他端との間で第2材料を移動させるように構成された第2輸送チャネル
を備えたソフトロボットアクチュエータ。 - 前記第1輸送チャネルは、前記可撓性成形体の歪み制限部分内に埋め込まれ、
前記第2輸送チャネルは、前記可撓性成形体の弾性伸長部分内に埋め込まれている、
請求項16に記載のソフトロボットアクチュエータ。 - 前記第1材料は固体粒子を含み、
前記第2材料は液体を含む、
請求項16に記載のソフトロボットアクチュエータ。 - 前記第1材料は固体粒子を含み、
前記第2材料は液体を含む、
請求項16に記載のソフトロボットアクチュエータ。 - 前記複数のチャネルは、前記可撓性成形体の中心軸に沿って複数の節に分けられている、
請求項16に記載のソフトロボットアクチュエータ。 - ソフトロボティックシステムであって、
前記ソフトロボティックシステムを支持するように構成された複数の可撓性アクチュエータ、ここで前記複数の可撓性アクチュエータのうち少なくとも1つは、加圧されて関連する可撓性アクチュエータを駆動するように構成された流体チャネルを備え、
可撓性成形体を備えた軟質触手アクチュエータ、ここで該可撓性成形体は中に配置された複数のチャネルを有し、該複数のチャネルは前記可撓性成形体の中心軸と同軸であり、前記可撓性成形体の一部は弾性伸長材料を含み、前記可撓性成形体の一部は前記弾性伸長材料に対して歪み制限的であり、前記可撓性成形体は、前記複数のチャネルのうち1つまたは複数個が加圧流体により加圧されたときに優先的に膨張するように構成されたものであり、
前記可撓性成形体に連結され、前記ソフトロボティックシステムの周囲の場面を撮影するように構成されたカメラモジュール
を備えたソフトロボティックシステム。 - 前記複数の可撓性アクチュエータは、前記カメラモジュールが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されている、
請求項21に記載のソフトロボティックシステム。 - 前記軟質触手アクチュエータと前記複数の可撓性アクチュエータは、独立して駆動されるように構成されている、
請求項21に記載のソフトロボティックシステム。 - ロボットシステムであって、
複数の埋め込み流体チャネルを有する可撓体を備えたソフトロボットシステム、ここで前記複数の埋め込み流体チャネルは、上壁、下壁および側壁により画定され、その少なくとも1つの壁が歪み制限的であり、前記ソフトロボットシステムは前記複数の埋め込み流体チャネルに連結された加圧口を有し、前記加圧口は、加圧流体を受けて前記複数の埋め込み流体チャネルの少なくとも一部を加圧し、前記ソフトロボットシステムを動作させるように構成されており、
前記ソフトロボットシステムに連結され、前記ロボットシステムを移動させるように構成されたハードロボット、
前記ソフトロボットシステムとハードロボットに連結されたロボット制御システム、ここで前記ロボット制御システムは、前記加圧流体を流体口に与えるように構成された流体システムを備えるものである、
ロボットシステム。 - 前記流体システムは、前記ソフトロボットシステムの加圧口に連結され、前記複数の流体チャネルのうち1つまたは複数個を加圧するように構成されたポンプとバルブを備え、
前記ポンプとバルブは、前記複数の流体チャネルのうち1つまたは複数個に関連する駆動シーケンスを用いて制御されるように構成されている、
請求項24に記載のロボットシステム。 - 前記駆動シーケンスは、(a)バルブを閉じる、(b)ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧する、(c)バルブを閉じた状態でポンプの電源を切る、(d)バルブを開いて収縮させる、のうち少なくとも1つを示すものである、
請求項25に記載のロボットシステム。 - 前記ソフトロボットシステムは、請求項1から10のいずれか1項に記載のソフトロボット、16から20のいずれか1項に記載のソフトロボットアクチュエータ、または、請求項21から23のいずれか1項に記載のソフトロボティックシステムを備える、
請求項24に記載のロボットシステム。 - 前記ソフトロボットシステムは複数のアクチュエータを備え、
前記複数のアクチュエータはそれぞれ流体入口を有している、
請求項24に記載のロボットシステム。 - 前記流体システムは、前記アクチュエータに関連した駆動シーケンスを用いて1つまたは複数個のアクチュエータを選択的に駆動することにより、前記ソフトロボットシステムを動作させるように構成されている、
請求項28に記載のロボットシステム。 - 前記ソフトロボットシステム内の複数のアクチュエータは、回転対称性を示すように配置されている、
請求項28に記載のロボットシステム。 - 前記ロボット制御システムは、前記駆動シーケンスと前記アクチュエータとの間の関係を変更することにより、前記ソフトロボットシステムの移動方向を変更するように構成されている、
請求項29に記載のロボットシステム。 - 前記ロボット制御システムに結合された中央制御システムを備え、
前記中央制御システムは、前記ハードロボットが所定の方向に移動するように前記ロボット制御システムに命令を出すように構成されている、
請求項24に記載のロボットシステム。 - 前記中央制御システムに結合されたカメラシステムを備え、
前記カメラシステムは、前記ハードロボットの周囲の環境の画像を記憶するように構成されており、
前記中央制御システムは、前記記憶された画像を用いて前記ハードロボットの周囲の障害物を特定するように構成されている、
請求項32に記載のロボットシステム。 - 前記ソフトロボットシステムは、前記カメラシステムが撮影した画像に応じて駆動されるように構成されている、
請求項33に記載のロボットシステム。 - 前記ロボットシステムはロボット掃除機を含む、
請求項24に記載のロボットシステム。 - 請求項24から35のいずれか1項に記載のロボットシステムを動作させる方法であって、
中央制御システムにより、前記ハードロボットの周囲の場面の画像をカメラシステムから受けるステップ、
前記中央制御システムにより、前記ソフトロボットシステムが掴む対象の物体を特定するステップ、
前記中央制御システムにより、前記特定した物体に近接した位置に前記ハードロボットが移動するように、かつ、前記特定した物体を前記ソフトロボットシステムが掴むように前記ロボット制御システムに命令を出すステップ
を含む方法。 - 前記ロボット制御システムにより、前記流体システムに駆動シーケンスを与えて前記ソフトロボットシステムを制御するステップを含む、
請求項36に記載の方法。 - 前記流体システムはポンプとバルブを備え、
(a)バルブを閉じるステップ、
(b)ポンプの電源を入れて流体チャネルを加圧するステップ、
(c)バルブを閉じた状態でポンプの電源を切るステップ、
(d)バルブを開いて収縮させるステップ
を含む、請求項36に記載の方法。
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