JP6912107B2 - 自給式ロボットグリッパシステム - Google Patents
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Description
本願は、米国仮特許出願第62/199,029号(2015年7月30日出願、名称「Self−Contained Soft Robotic Gripper Systems」)に対する優先権を主張する。上記出願の内容は、参照により本明細書に援用される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を備えているソフトアクチュエータと、
ハブと
を備え、
前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブ本体と
を備えている、システム。
(項目2)
前記圧力源は、コンプレッサである、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記圧力源は、弁の構成に応じて並列または直列で動作可能なツインヘッドコンプレッサである、項目1に記載のシステム。
(項目4)
コントローラをさらに備え、前記コントローラは、各コンプレッサヘッドの流動プロファイルが交差する場合に対応するとき、前記弁をアクティブにするように構成されている、項目3に記載のシステム。
(項目5)
前記圧力源を動作させるためのモータをさらに備え、前記モータは、前記アクチュエータの作動中、過出力モードで動作するように構成されている、項目1に記載のシステム。(項目6)
前記モータの近位に配置されている熱交換器をさらに備え、前記熱交換器は、前記モータと前記膨張流体との間で熱を交換する、項目5に記載のシステム。
(項目7)
前記圧力源は、前記アクチュエータと異なる反応チャンバであり、前記反応チャンバは、ガス状生産物を発生させる化学反応に対処するように構成されている、項目1に記載のシステム。
(項目8)
方向性制御弁をさらに備え、前記方向性制御弁は、膨張流体が前記アクチュエータの中への第1の方向または前記アクチュエータから外への第2の方向に流動することを選択的に可能にする、項目1に記載のシステム。
(項目9)
前記アクチュエータ内外への前記膨張流体の流量を制御するための流動制御弁をさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目10)
前記膨張流体を前記圧力源から受け取り、前記膨張流体を圧力下で貯蔵するためのアキュムレータをさらに備えている、項目1に記載のシステム。
(項目11)
複数のアキュムレータをさらに備え、それらのうちの少なくとも1つは、正圧容器として構成され、それらのうちの少なくとも1つは、負圧容器として構成されている、項目1に記載のシステム。
(項目12)
1つ以上のアキュムレータをさらに備え、前記1つ以上のアキュムレータは、流体伝導経路が前記1つ以上のアキュムレータと前記アクチュエータとの間に生成されると、所定の作動圧力または部分的真空が達成されるように集合的にサイズを決定されている、項目1に記載のシステム。
(項目13)
ソフトロボットシステムのためのモジュール式ハブであって、前記モジュール式ハブは、
第1のハブ部品であって、前記第1のハブ部品は、
前記ハブをロボットシステムに搭載するためのフランジを備えている第1の端部と、
膨張流体を受け取り、圧送するためのポンプと、
第2のハブ部品コネクタと膨張流体を前記ポンプから受け取るためのポンプインターフェースとを備えている第2の端部と
を備えている、第1のハブ部品と、
第2のハブ部品であって、前記第2のハブ部品は、
前記第2のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第1のハブ部品コネクタと前記膨張流体を前記ポンプインターフェースから受け取るための流体インターフェースとを備えている第1の端部と、
前記流体インターフェースに接続されているアキュムレータであって、前記アキュムレータは、前記膨張流体を圧力下で貯蔵する、アキュムレータと、
第3のハブ部品コネクタとアキュムレータインターフェースとを備えている第2の端部と
を備えている、第2のハブ部品と、
第3のハブ部品と
を備え、
前記第3のハブ部品は、
第1の端部であって、前記第1の端部は、前記第3のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第3のハブ部品/第2のハブ部品コネクタと前記加圧された膨張流体を前記アキュムレータインターフェースから受け取るための加圧流体インターフェースとを備えている、第1の端部と、
前記加圧された膨張流体をアクチュエータに提供するように構成されているアクチュエータインターフェースを備えている第2の端部と、
前記アクチュエータへの前記加圧された膨張流体の流動を制御するための弁と
を備えている、モジュール式ハブ。
(項目14)
前記ハブの本体の中に統合されている空気圧流路をさらに備えている、項目13に記載のモジュール式ハブ。
(項目15)
前記アキュムレータは、非円筒形である、項目13に記載のモジュール式ハブ。
(項目16)
前記アキュムレータは、前記ハブの本体の形状に従っている、項目13に記載のモジュール式ハブ。
(項目17)
前記アキュムレータを正圧容器として構成される第1のアキュムレータ領域と、負圧容器として構成される第2のアキュムレータ領域とに分割する隔壁をさらに備えている、項目13に記載のモジュール式ハブ。
従来のロボットグリッパまたはアクチュエータは、高価かつある環境では動作不能であり得、取り扱われている物体の重量、サイズ、および形状の不確実性ならびに多様性は、これまで自動化された解決策が機能することを妨げている。本願は、適応性があり、安価、軽量、カスタマイズ可能であり、使用が単純な新規ソフトロボットアクチュエータの用途を説明する。
例示的実施形態が、次に、自給式ソフトロボットシステムのための内蔵式またはポータブル空気圧制御システムに関して説明され、そのようなシステムは、膨張流体供給ラインを提供するテザー伴わずに、ソフトロボットシステムが動作することを可能にし得る(但し、いくつかの実施形態では、インターフェースが、電力のための電気接続を受け取るために提供され得、この電気接続は、ソフトロボットトシステムが搭載されるロボットアームまたはある他の動力源とインターフェースをとり得る)。以下に説明される例示的実施形態では、膨張流体は、圧縮された空気であるが、当業者は、他の膨張流体も、使用され得ることを認識するであろう。
瞬間流量を増加させることによって作動速度を改良するために、いくつかの実施形態では、小型空気圧コンプレッサが、その公称仕様外で動作させられ得る。重量および形状因子が重要な制約である可動ロボットおよびメカトロニクスシステムでは、モータは、より大きいモータが連続デューティ下で動的に(短および可変期間にわたって)安全に送達し得る同じ結果を達成するために、より小さいモータをその連続デューティ電圧、電流、回転速度、または温度仕様外で動作させることによって、「小型化」され得る。そのような方略は、小型コンプレッサにも適用され得る。
コンプレッサ流動容量または最大達成可能圧力を増加させるための1つの方法は、並列(より高い流動のため)または直列(より高い圧力のため)配列で構成される複数のコンプレッサを利用する。「ツインヘッド」、すなわち、2つの往復運動ピストン、羽根、またはダイヤフラムコンプレッサ段を駆動する単一の二重シャフト付きモータを特徴とするコンプレッサが、この目的のために利用され得る。これらは、2つの物理的に別個のコンプレッサ(並列または直列)に類似する様式で構成されることができる。自給式ソフトロボット制御システムは、各々がより効率的であるとき、これらの2つの構成間での動的選択を可能にする空気圧制御スキームを生成することによって、向上した流動性能を達成することができる。図4A−4Dは、そのような実施形態を描写する。
図5A−5Cに示されるように、自給式ソフトロボット制御システム500は、コンプレッサ504によって加圧された作動媒体を一時的に蓄積するか、または有意に高い圧力下で貯蔵されたガス状もしくは液状作動媒体を制御可能に解放するための容積502を提供することによって、さらに強化され得る。これらの容積502は、一般に利用可能な円筒形もしくは円形タンクを使用して生成され得るか、またはソフトアクチュエータのインターフェースハブ506の中に設計される陥凹または空隙内に複雑に統合され得る。図5A−5Cは、非装填状態(図5A)および装填状態(図5B)におけるアキュムレータと、アクチュエータがアキュムレータの作用を通して作動させられたシステム(図5C)の例を描写する。
大部分のソフトロボットアクチュエータの1つの微妙な差異は、膨張の形状が入力流動プロファイルに依存することである。例えば、加圧された空気の急速バースト(インパルス制御入力に類似する)は、その領域におけるより高い動的圧力により、アクチュエータの遠位端にアクチュエータの残りより高速で曲がらせるであろう。加圧された空気流動をより低い制御された率でアクチュエータの中に生じさせることは、アクチュエータ全体を通してより一定の曲率プロファイル、したがって、操作標的における異なる全体的把持を生成するであろう。これらの異なる把持プロファイルは、特定の既知の空間または物理的特性(例えば、幅広の略円形断面を伴う物体対概して薄い高縦横比断面を伴う物体)を伴う操作において把持品質を改良するように制御または選択されることができる。このタイプの制御は、流動制御弁をインターフェースハブの空気圧入力に追加することによって達成され、流動プロファイルをより精密かつ動的に制御することができる。流動制御弁は、前述の実施形態からの加圧されたアキュムレータが空気の高圧パルスをあまり急速に解放し、それによって、アクチュエータのエラストマーを損傷させることを防止するためにも使用されることができる。代替として、または加えて、同一目的を果たすために十分に制限的流動係数を特徴とする方向性制御弁が、アクティブ化/非アクティブ化のために規定されることができる。
電気動力式コンプレッサは、それらを任意の自給式ソフトロボット制御システムへの負担にするいくつかの限定に悩まされ得る。第1に、コンプレッサは、大量の電力を要求し、大量の電力は、等しく大型の内部バッテリまたは外部電源によって提供される。後者のオプションは、システムが真に独立する程度を低減させる。第2に、コンプレッサは、前述の実施形態に依拠することなく、または追加の空間および電力を大型のコンプレッサに配分することなしに、迅速かつ高エネルギーの圧力プロファイルを供給することができない。これらの強化実施形態は、コンプレッサベースのシステムの性能を著しく改良するが、実際のシステム内に実装することが困難であり、最適化のために時間がかかる。
図6A−6Bは、ポンプ602と、1つ以上の弁604と、1つ以上のアキュムレータとを組み込むハブ600の例を描写する。図6Aは、アキュムレータ606が正圧容器として機能するシステムを描写する。図6Bは、一方のアキュムレータ606は、正圧容器であり、他方608が負圧容器である2ピースアキュムレータ設計を描写する。
図7は、上部ピースが、ポンプと、弁と、システムを起動するために必要な電子機器とを含む3ピースハブ700を描写する。
前述の統合されたアキュムレータの拡張として、任意の必要な空気圧経路指定738も同様に、インターフェースハブの構造本体内に統合されることができる。これは、そのような流体伝導経路が最小限の流動抵抗のために最適化され、嵩張る外部管およびコネクタの必要性を排除することを可能にする。
Claims (14)
- ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を含むソフトアクチュエータと、
ハブと
を備え、
前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブ本体と
を含み、
前記圧力源は、弁の構成に応じて並列にまたは直列に動作可能なツインヘッドコンプレッサである、システム。 - 前記システムは、コントローラをさらに備え、前記コントローラは、前記ツインヘッドコンプレッサの圧力が臨界動作点より低い場合には前記ツインヘッドコンプレッサを並列に動作可能とし、前記ツインヘッドコンプレッサの圧力が前記臨界動作点より高い場合には前記ツインヘッドコンプレッサを直列に動作可能とするように、前記弁を制御するように構成されており、前記臨界動作点は、直列に動作する前記ツインヘッドコンプレッサの圧力/流量グラフに重ねられた並列に動作する前記ツインヘッドコンプレッサの圧力/流量グラフが交差する点に対応する、請求項1に記載のシステム。
- ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を含むソフトアクチュエータと、
ハブであって、前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブの本体と
を含む、ハブと、
前記圧力源を動作させるためのモータであって、前記モータは、前記ソフトアクチュエータの作動中、過出力モードで動作するように構成されている、モータと
を備える、システム。 - 前記システムは、前記モータの近位に配置されている熱交換器をさらに備え、前記熱交換器は、前記モータと前記膨張流体との間で熱を交換する、請求項3に記載のシステム。
- ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を含むソフトアクチュエータと、
ハブであって、前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブの本体と
を含む、ハブと
を備え、
前記圧力源は、前記ソフトアクチュエータと異なる反応チャンバであり、前記反応チャンバは、ガス状生産物を発生させる化学反応に対処するように構成されている、システム。 - 前記システムは、方向性制御弁をさらに備え、前記方向性制御弁は、膨張流体が前記ソフトアクチュエータの中への第1の方向または前記ソフトアクチュエータから外への第2の方向に流動することを選択的に可能にする、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、前記ソフトアクチュエータ内外への前記膨張流体の流量を制御するための流動制御弁をさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を含むソフトアクチュエータと、
ハブであって、前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブの本体と
を含む、ハブと、
前記膨張流体を前記圧力源から受け取り、前記膨張流体を圧力下で貯蔵するためのアキュムレータと
を備える、システム。 - ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマー嚢を含むソフトアクチュエータと、
ハブであって、前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第1の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第2の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブの本体と
を含む、ハブと、
複数のアキュムレータであって、前記複数のアキュムレータのうちの少なくとも1つは、正圧容器として構成されており、前記複数のアキュムレータのうちの少なくとも1つは、負圧容器として構成されている、複数のアキュムレータと
を備える、システム。 - 請求項1に記載のロボットシステムを提供することと、
前記膨張流体を前記ソフトアクチュエータに供給するために前記圧力源をアクティブにすることと
を含む、方法。 - 前記膨張流体は、前記ソフトアクチュエータが13790パスカル〜103421パスカル(2psi〜15psi)の間に加圧されるまで、前記ソフトアクチュエータに供給される、請求項10に記載の方法。
- 前記圧力源をアクティブすることは、0.05リットル〜0.15リットルの前記膨張流体を前記ソフトアクチュエータに供給する、請求項10に記載の方法。
- 前記圧力源は、モータによって駆動され、前記圧力源をアクティブにすることは、公称電圧より高い電圧で前記モータを動作させることを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記方法は、前記ツインヘッドコンプレッサの圧力が臨界動作点より低い場合には前記ツインヘッドコンプレッサを並列に動作可能とし、前記ツインヘッドコンプレッサの圧力が前記臨界動作点より高い場合には前記ツインヘッドコンプレッサを直列に動作可能とするように、前記弁を制御することをさらに含み、前記臨界動作点は、直列に動作する前記ツインヘッドコンプレッサの圧力/流量グラフに重ねられた並列に動作する前記ツインヘッドコンプレッサの圧力/流量グラフが交差する点に対応する、請求項10に記載の方法。
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