JP7244925B2 - ソフトロボットアクチュエータのためのサーボ空気圧制御システム - Google Patents
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Description
本願は、2017年3月30日に出願され“Servo-Pneumatic Control Systems for Soft Robotic Actuators.”と題された米国仮出願第62/478,771号に対する優先権を主張するものである。上記出願の内容は、参照により本明細書中に援用される。
従来のロボットグリッパまたはアクチュエータは、これまで、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および多様性が、自動化された解決策が機能することを妨げていたある環境において、高価であり、かつ動作することが不可能であり得る。本願は、適応性があり、安価、軽量、カスタマイズ可能、かつ使用が単純である、新規のソフトロボットアクチュエータの用途を説明する。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
(項目1)
装置であって、
ソフトロボットアクチュエータと、
サーボ空気圧制御システムであって、前記サーボ空気圧制御システムは、前記ソフトロボットアクチュエータと流体連通し、かつ、圧力、流体の質量、または流体の体積のうちの少なくとも1つが前記ソフトロボットアクチュエータ内で制御される閉ループを維持するように構成される、サーボ空気圧制御システムと
を備える、装置。
(項目2)
前記サーボ空気圧制御システムは、正圧の膨張流体が供給されるサーボ空気圧弁を備え、前記サーボ空気圧弁は、制御信号に応答して複数の流体流経路のうちの少なくとも1つの間に前記膨張流体を指向するように構成される、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記弁は、5/3オールポートブロック中心スプール弁である、項目2に記載の装置。
(項目4)
前記制御信号は、大きさと関連付けられる、項目2に記載の装置。
(項目5)
前記大きさは、ゼロであり、前記制御信号に応答して、前記弁は、流体が前記制御システムの出力部の内外に交換されないように構成される、項目4に記載の装置。
(項目6)
前記大きさは、正の値であり、前記弁は、正圧の膨張流体が前記制御システムの入力部から前記制御システムの出力部に向かって流動することを可能にする方向に、前記大きさに比例して変位される、項目4に記載の装置。
(項目7)
前記大きさは、負の値であり、前記弁は、加圧された膨張流体が真空生成ユニットの入口に向かって流動することを可能にする方向に、前記大きさに比例して変位される、項目4に記載の装置。
(項目8)
ベンチュリ効果を発生させるように構成される真空生成ユニットをさらに備える、項目1に記載の装置。
(項目9)
センサフィードバックを提供する絶対圧力感知デバイスをさらに備え、かつ、センサフィードバックを使用し、前記弁への正および負のコマンド入力の効果を変調させるように構成されるコントローラをさらに備える、項目1に記載の装置。
(項目10)
前記制御は、少なくとも部分的に温度に基づく、項目1に記載の装置。
(項目11)
方法であって、
複数のソフトロボットアクチュエータを備えるグリッパを用いて標的を握持することと、
前記グリッパの加速を検出することと、
前記検出される加速に応答して、前記複数のソフトロボットアクチュエータの第1のものの中の流体の体積を調節し、前記標的に及ぼす慣性の効果を補償することと
を含む、方法。
(項目12)
前記グリッパの加速を検出することは、前記グリッパの中心から離れるような標的物体の移動を検出することを含む、項目11に記載の方法。
(項目13)
前記グリッパの加速を検出することは、
第1のソフトロボットアクチュエータの力の増加または圧縮のうちの一方を検出し、第2のソフトロボットアクチュエータの力の減少または拡張のうちの一方を検出すること
を含み、前記流体の体積を調節することは、
前記第1のソフトロボットアクチュエータに膨張流体を提供し、前記第2のソフトアクチュエータへの膨張流体の量を減少させること
を含む、項目11に記載の方法。
(項目14)
方法であって、
命令を受信し、ソフトロボットアクチュエータを作動させることと、
膨張プロファイルにアクセスすることであって、前記膨張プロファイルは、握持標的に接触し、減衰効果を提供する直前に前記ソフトロボットアクチュエータの減速を規定する、ことと、
前記膨張プロファイルに従って、サーボ空気圧制御システムを使用して、前記ソフトロボットアクチュエータの膨張を制御することと
を含む、方法。
(項目15)
方法であって、
ソフトロボットアクチュエータを膨張流体で膨張させることであって、前記ソフトロボットアクチュエータの内部容積が、増加する、ことと、
膨張の間、前記アクチュエータの流動応答を測定することと、
膨張の間、膨張流体流の変化を検出することと、
前記検出される変化に従って、信号を伝達することと
を含む、方法。
(項目16)
前記検出される変化は、前記内部容積が増加する率の変化を含み、前記伝達される信号は、物体が前記アクチュエータによって握持されていることを示す信号を含む、項目15に記載の方法。
(項目17)
前記信号はさらに、前記物体のおおよそのサイズを示す、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記検出される変化は、前記アクチュエータの中への膨張流体流の減少量を含み、前記伝達される信号は、前記アクチュエータが物体と衝突したことを示す、項目15に記載の方法。
(項目19)
前記検出される変化は、初期膨張後の前記アクチュエータの中への膨張流体流の変化を含み、前記伝達される信号は、物体が前記アクチュエータによって落下されたことを示す、項目15に記載の方法。
(項目20)
膨張流体流の変化を検出することは、
膨張の間、前記アクチュエータの圧力対流動応答を測定することと、
前記圧力対流動応答を、前記アクチュエータの以前の圧力対流動応答と比較し、経時的な前記圧力対流動応答の変化を決定することと、
前記圧力対流動応答の前記変化に基づいて、前記アクチュエータが損傷されたことまたは前記アクチュエータの制御システムの弁が汚損されたことを決定し、前記信号を伝達することは、前記アクチュエータが損傷されたことまたは前記弁が汚損されたことを示す修復信号を伝達することを含む、ことと
を含む、項目15に記載の方法。
例示的実施形態は、ソフトロボットアクチュエータのための制御システムのいくつかの側面を包含する。いくつかの実施形態は、例えば、上記に説明される膨張デバイス120の代わりに使用され得る、サーボ空気圧制御システムを提供する。サーボ空気圧制御システムと別個に使用または併用され得る、さらなる実施形態は、アクチュエータおよび/または握持標的を制御および/または監視するために使用されてもよい。
サーボ空気圧は、比例制御可能な指向性弁を使用し、動的プロセスの高頻度閉ループ制御を遂行する、空気圧式システムの狭小分野を包含する。高応答帯域幅および再現性を要求するが、非常にエネルギー、空間、重量、またはコストが制約される、制御用途では、サーボ空気圧は、従来の電気機械式の線形および回転サーボ機構に類似する性能を提供しながら、比較的に少量の電力を使用することができる。本明細書に説明されるような例示的サーボ空気圧制御システムは、例えば、1ニュートン未満~数キロニュートン(例えば、0~25N、より好ましくは、0~12N)の、正確に制御可能な印加力、数パスカル~数メガパスカルの圧力、または外乱および寄生負荷への並外れた耐性を伴う、1mm以内(またはより好ましくは、0.25mm以内、またはさらにより好ましくは、0.1mm以内)の再現可能な位置をもたらし得る。
以下の節は、ソフトロボットアクチュエータの高応答帯域幅の閉ループ状態制御を遂行するための2つの技法と、各方法の例示的実施形態を説明する。本議論の目的のために、ソフトロボットアクチュエータの「状態」は、所望される物理的効果に応じて、その瞬間圧力、含有される流体質量、またはアクチュエータ形態として定義され得る。
上記で説明される本実施形態は、アクチュエータおよび/または握持標的を制御かつ監視するための下記に説明される技法と個別に使用または併用されてもよい。下記に説明される実施形態は、特に、サーボ空気圧制御システムによって提案される、きめ細かい制御に非常に好適であり得る。
図7Aは、グリッパに関する経時的な圧力プロファイルを描写する。本プロットでは、グリッパは、最初に、膨張される状態で提供される。次いで、グリッパのための制御システムは、「把持オフ」コマンドが提供され、これは、グリッパへの真空の印加を開始する。グリッパは、次いで、安定した真空圧に落ち着き、これは、グリッパのアクチュエータを後方に丸まらせ、かつその次の握持標的を掴む準備ができた状態にする。
閉ループ圧力制御システム(例えば、電気空気圧変換器)によって制御されるソフトグリッパが、非常に変形可能な物体(例えば、生地のボール、海綿、熟した無花果等)を把持するとき、物体が、ゆっくりと経時的に変形することが見出されている。これは、アクチュエータからの力が握持標的の表面を変形させ始めると、握持標的からの反応力が低下するため、生じる。それに応答して、アクチュエータは、握持標的の新たに変形された表面に向かって屈曲し、アクチュエータ圧力の瞬時の低下を生じさせるであろう。次いで、閉ループ圧力制御システムは、その現在の圧力設定点コマンドを維持するために、それがアクチュエータにより多くの加圧流体を送達するときの圧力の低下を観察する。加圧流体の本送達は、アクチュエータに再度、握持標的の表面に力を印加させ、変形の別の周期を開始させる。アクチュエータへの加圧流体の流動を感知することが可能であるため、グリッパがその握持標的を変形しており、握持標的の破壊のプロセスを停止することを感知することもまた、可能である。
空気圧式構成要素は、通常条件下でのいくつかの動作周期の後、および/またはそれらがそれらの仕様外の条件下で動作される場合(例えば、それらが微粒子を含有する空気と併用される場合、それらが湿気を含んだ空気と併用される場合、それらが昇温状態で動作される場合等)、摩耗を被るであろう。最終的には、これらの使用パターンは、部品故障につながり得る。そのような故障が、生産活動の途中にある自動化された産業環境で生じる場合、本故障は、最低でも、高価な予測されていないシステム中断時間の周期につながり、最悪の場合、安全上の危険を生じさせ得る。ソフトロボットグリッパのコントローラを圧力および/または流動センサと組み合わせることによって、コントローラまたはソフトアクチュエータの差し迫った故障を示す、微妙な症状を観察し、それによって、システムユーザにシステムの保守の必要性の事前通知を与えることが、可能になる。これらの観察はまた、ソフトロボットグリッパまたはソフトロボット制御システム上の摩耗を低減させるためにリアルタイムでシステム動作に成され得る変化を識別し、次いで、これらの変化を実装し、システムの構成要素の寿命を増加させるために使用されてもよい。
流動ベースの感知もまた、握持検出の手段として、および握持標的のおおよそのサイズを決定する手段として使用されてもよい。所与の膨張圧力に関して、ソフトグリッパのアクチュエータを作動させるために要求される空気の量は、握持標的による本場合では、アクチュエータの屈曲経路が妨害されるかどうかに依存するであろう。これは、アコーディオン状アクチュエータの屈曲運動が、2つの機構、すなわち、1)圧力下におけるアクチュエータのエラストマの歪み、および2)圧力下におけるアクチュエータの伸展を通して作成され得るという事実に起因する。これらの機構の両方は、アクチュエータが加圧空気または他の膨張流体の流動を受容するときに生じる。これらの2つの機構のうち、伸展機構は、アクチュエータが伸展している経路に沿って(屈曲方向にある)障害物が存在する場合、実質的に妨げられる。その結果、いったんアクチュエータが物体の表面に接触すると、それは、もはや伸展することは可能ではなく、もはや同一の率で内部容積が増加しない。
物体とのグリッパの衝突は、アクチュエータの圧力の急激な増加およびアクチュエータから離れるような空気の移動をもたらし得る。したがって、本圧力および流動信号は、衝突検出の手段として使用され得る。本能力は、グリッパが、乱雑な環境内で物体を摘取および/または設置する必要がある用途において有用であり得る。1つのそのような用途は、握持標的を識別するために3Dのコンピュータビジョンの補助を用いて、容器内に位置する物体の積み重ねた山から外に、単一の着目物体を摘取するであろう。これらの用途では、容器の単一の3D走査を使用して容器から複数の物体を摘取することが、有利であるであろう。但し、グリッパは、各摘取の間、容器内の物体と衝突する可能性があるため、容器内の物体は、過去の3D走査をもはや有効ではないものとして移動するであろう可能性が高い。
本明細書に含まれるものは、開示されるアーキテクチャの新規の側面を実施するための例示的方法論を表す、一連のフローチャートおよび論理フローである。説明の単純化の目的のために、本明細書に示される1つ以上の方法論は、例えば、フローチャートまたはフロー図の形態で、一連の動作として図示かつ説明されるが、本方法論が、いくつかの動作は、それによって、本明細書に図示かつ説明されるものと異なる順序でおよび/または他の動作と同時に生じ得るため、動作の順序によって限定されるものではないことを理解かつ認識されたい。例えば、当業者は、本方法論が、代替として、状態図にあるもの等、一連の相互に関連する状態または事象として表され得ることを理解かつ認識するであろう。そのうえ、方法論内に図示される全ての動作が、新規の実装のために要求されるわけではない場合がある。
上記に説明される技法は、非一過性コンピュータ可読媒体上の命令として、またはコンピューティングアーキテクチャの一部として具現化されてもよい。図12は、前述のような種々の実施形態を実装するために好適な例示的コンピューティングアーキテクチャ1200の実施形態を図示する。一実施形態では、コンピューティングアーキテクチャ1200は、コンピュータ1201等の電子デバイスを備えてもよい、またはその一部として実装されてもよい。実施形態は、本文脈に限定されるものではない。
結論
Claims (7)
- 装置であって、
エラストマ材料から作製されているソフトロボットアクチュエータと、
センサフィードバックを提供する絶対圧力感知デバイスと、
サーボ空気圧制御システムであって、前記サーボ空気圧制御システムは、前記ソフトロボットアクチュエータと流体連通し、かつ、前記センサフィードバックに基づいて圧力が前記ソフトロボットアクチュエータ内で制御される閉フィードバックループを維持するように構成されており、前記サーボ空気圧制御システムは、サーボ空気圧弁を含む、サーボ空気圧制御システムと、
前記センサフィードバックを使用して、前記サーボ空気圧弁への正および負のコマンド入力の効果を変調させるように構成されているコントローラと
を備える、装置。 - 前記サーボ空気圧弁には、正圧の膨張流体が供給され、前記サーボ空気圧弁は、制御信号に応答して複数の流体流経路のうちの少なくとも1つに前記膨張流体を指向するように構成されている、請求項1に記載の装置。
- 前記サーボ空気圧弁は、5/3オールポートブロック中心スプール弁である、請求項2に記載の装置。
- 前記制御信号は、ゼロの値を有し、前記制御信号に応答して、前記サーボ空気圧弁は、流体が前記制御システムの出力部の内外に交換されないように構成されている、請求項2に記載の装置。
- 前記制御信号は、正の値を有し、前記サーボ空気圧弁は、正圧の膨張流体が前記制御システムの入力部から前記制御システムの出力部に向かって流動することを可能にする方向に、前記正の値に比例して変位される、請求項2に記載の装置。
- 前記制御信号は、負の値を有し、前記サーボ空気圧弁は、加圧された膨張流体が真空生成ユニットの入口に向かって流動することを可能にする方向に、前記負の値に比例して変位される、請求項2に記載の装置。
- 前記装置は、ベンチュリ効果を発生させるように構成されている真空生成ユニットをさらに備え、前記真空生成ユニットは、供給ポートおよび印加ポートを有し、前記供給ポートおよび前記印加ポートの両方は、前記サーボ空気圧弁に接続されており、前記ベンチュリ効果は、前記真空生成ユニットの前記印加ポートにおいて部分的な真空を生成し、これにより、空気が前記サーボ空気圧弁から前記供給ポートを通って流動することを可能にする、請求項1に記載の装置。
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