(57)【要約】複雑な内部形状を有するアクチュエータを製造する方法は、アクチュエータの内部空洞を画定する形状のコアを用意するステップと、コアの周りでアクチュエータを成形するステップであって、コアはアクチュエータの内部空洞を占有し、空洞は開口を有する、ステップと、アクチュエータの外部表面とアクチュエータの内部空洞との間で圧力差を発生するステップであって、アクチュエータ空洞を膨張させるために、外部圧力は内部圧力より小さい、ステップと、膨張したアクチュエータ空洞の開口を通じてコアを除去するステップとを含む。
2019512066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複雑な内部形状を有するアクチュエータを製造する方法であって、
アクチュエータの内部空洞を画定する形状のコアを用意するステップと、
コアの周りでアクチュエータを成形するステップであって、コアはアクチュエータの内部空洞を占有し、空洞は開口を有する、ステップと、
成形されたアクチュエータの外部表面とアクチュエータの内部空洞との間で圧力差を発生するステップであって、アクチュエータ空洞を膨張させるために、外部圧力は内部圧力より小さい、ステップと、
膨張したアクチュエータ空洞の開口を通じてコアを除去するステップとを含む、方法。
【請求項２】
コアは、再利用可能である請求項１記載の方法。
【請求項３】
コアは、成形されたアクチュエータより低いデュロメータ材料で製作される請求項１記載の方法。
【請求項４】
圧力差を発生するステップは、アクチュエータの外部表面を内部空洞から流体的に隔離するステップと、真空をアクチュエータに印加するステップとを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
アクチュエータを流体的に隔離するステップは、成形されたアクチュエータをチャンバ内に導入するステップと、空洞開口とチャンバとの間にシールを形成し、空洞はチャンバに対して外部であるステップとを含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
成形されたアクチュエータは、空洞開口の周りにフランジを備え、シールは、フランジとチャンバとの間に生成される請求項５記載の方法。
【請求項７】
コアは、フィンを備え、蛇腹の内部空洞形状を画定する請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
コアの周りでアクチュエータを成形するステップは、コアを鋳型の中に位置決めするステップを含み、前記鋳型は、蛇腹アクチュエータの外部形状を画定する請求項７記載の方法。
【請求項９】
蛇腹アクチュエータを成形するステップはさらに、蛇腹の先端を通る貫通孔を成形するステップを含む請求項８記載の方法。
【請求項１０】
蛇腹の先端を通る貫通孔を成形するステップは、ピンを、蛇腹鋳型を横断的に横切って、先端または蛇腹を画定する場所に位置決めするステップを含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】
コアは、複数のブランチを備える請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
複数のブランチは平行である請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
複数のブランチは異なる方向に位置決めされる請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
アクチュエータは、複数のコアの周りで成形され、各コアは、開口を有する空洞を画定する請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
コアは、複合コアを含む請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
複合コアは、補強部材を含む請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
補強部材は、歪制限部材、強化部材、またはカンチレバー式部材、繊維強化材、またはこれらの組合せである請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
フィンは、高いアスペクト比を有する請求項７〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
コアの周りでアクチュエータを成形する前に、アタッチメントをコアの表面に固定することによって、アタッチメントをアクチュエータと共成形するステップをさらに含む請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
アクチュエータを加圧源に接続する際に使用するために開放空洞に弁接続を取り付けるステップをさらに含む請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
平坦なベースおよび、複数のフィンを画定するように成形された上側表面を有する可撓性成形体を備え、
各フィンは、ベースと一体化され、隣接するフィンから少なくとも部分的に分離されており、
フィン先端は、貫通孔を備え、前記貫通孔は、アクチュエータ内部から流体的に隔離される、蛇腹アクチュエータ。
【請求項２２】
複数の貫通孔を通り抜けるストリングによって、平坦なベースに固定されたアタッチメントをさらに備える請求項２１記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２３】
アタッチメントは、クッション材料、メモリー発泡体、高摩擦材料、剛性材料、編物、織物および不織の布、吸着カップ（能動式または受動式）のグループから選択される請求項２１または２２記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２４】
アクチュエータは、一端で閉止しており、反対端で開放しており、開放端は、加圧源との接続のための弁が取り付けられる請求項２１〜２３のいずれかに記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２５】
開放端はさらに、ロボットベースと噛合するギア歯を含む請求項２４記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２６】
平坦なベースは、貫通孔を含み、前記貫通孔は、アクチュエータ内部から流体的に隔離される請求項２１〜２５のいずれかに記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２７】
アクチュエータは、ベースからフィン先端に延びる、一体的に成形された支持ポストを備える請求項２１〜２５のいずれかに記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２８】
アクチュエータは、隣接するフィンの間の場所で、ベースおよび上側成形表面に及ぶ、一体的に成形された支持ポストを備える請求項２１〜２６のいずれかに記載の蛇腹アクチュエータ。
【請求項２９】
請求項２１〜２８のいずれかに記載の複数の蛇腹アクチュエータを備え、
前記蛇腹アクチュエータは、ベースに固定され、加圧時に互いに向けて湾曲するように位置決めされる、ソフトロボットグリッパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０１６年１月１９日に出願された同時係属の米国特許出願第６２／２８０４０１号に対して、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権の利益を主張し、その内容は参照により組み込まれる。
【０００２】
（参照による組込み）
本明細書内で引用されるすべての特許、特許出願、および特許公開は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書で説明される本発明の時点で当業者に知られた技術水準をより完全に説明するために、これらの刊行物の開示は、参照によりその全体が本出願に組み込まれる。
【０００３】
本技術は、一般にソフトロボットに関する。特に本発明は、ソフトロボットアクチュエータおよびグリッパ(gripper)に関する。該技術はまた、ソフトロボットアクチュエータおよびグリッパを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ソフトロボット工学の分野が硬質材料ロボット工学の代替品として出現しており、生命体とごく接近して相互作用するために、ロボットのより安全な代替品を提供する。より伝統的な金属および硬質ポリマーの代わりに軟質材料を使用することによって、ロボットコンポーネントが自然系の特性に緊密に模倣できる。
【０００５】
ソフトロボットグリッパは、物体のサイズおよび変化の変動に適応するのに熟練している。さらに、ソフトロボットシステムは、物体の形状に順応し、保持力を分散させることによって、繊細な物体および複雑な形状を把持し操作するのに理想的に適している。ソフトシステムはまた、改善した安全性を提供するものであり、これらの空気圧式または油圧式に駆動される軟質材料が、これらの自然コンプライアンスおよびバックドライバビリティ(back drivability)に起因して、人間および動物と相互作用するのに本質的に安全であるためである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、ソフトロボットグリッパおよびアクチュエータを記載する。ソフトロボットグリッパおよびアクチュエータは、安価な材料を用いて簡単な構造を提供する。ソフトグリッパのモジュール設計は、最小の費用および機械的専門知識を用いて現場でのシステムを迅速に変更または修理することが可能にする。
【０００７】
複雑な内部形状を有するアクチュエータを製造する方法は、
アクチュエータの内部空洞を画定する形状のコアを用意するステップと、
コアの周りでアクチュエータを成形(molding)するステップであって、コアはアクチュエータの内部空洞を占有し、空洞は開口を有する、ステップと、
アクチュエータの外部表面とアクチュエータの内部空洞との間で圧力差を発生するステップであって、アクチュエータ空洞を膨張させるために、外部圧力は内部圧力より小さい、ステップと、
膨張したアクチュエータ空洞の開口を通じてコアを除去するステップとを含む。
【０００８】
１つ以上の実施形態において、内部空洞は、周囲環境と流体連通しており、そのため空洞はチャンバの外部に開放されている。
【０００９】
何れか先の実施形態において、圧力差を発生するステップは、アクチュエータの外部表面を内部空洞から流体的に隔離するステップと、真空をアクチュエータに印加するステップとを含む。
【００１０】
何れか先の実施形態において、アクチュエータを流体的に隔離するステップは、アクチュエータをチャンバ内に導入するステップと、空洞開口とチャンバとの間にシールを形成し、空洞はチャンバの外部に開放されるステップとを含む。
【００１１】
何れか先の実施形態において、アクチュエータは、空洞開口の周りにフランジを備え、シールは、フランジとチャンバとの間に生成される。
【００１２】
何れか先の実施形態において、コアは、フィンを備え、蛇腹(ベローズ: bellows)の内部空洞形状を画定する。
【００１３】
何れか先の実施形態において、コアの周りでアクチュエータを成形するステップは、コアを鋳型(mold)の中に位置決めするステップを含み、鋳型は、蛇腹アクチュエータの外部形状を画定する。
【００１４】
何れか先の実施形態において、蛇腹アクチュエータを成形するステップはさらに、蛇腹の先端を通る貫通孔(thru hole)を成形するステップを含む。
【００１５】
何れか先の実施形態において、コアは、複数のブランチで製作され、例えば、複数のブランチは平行であり、あるいは複数のブランチは異なる方向に位置決めされる。
【００１６】
何れか先の実施形態において、アクチュエータは、複数のコアの周りで成形され、各コアは、開口を有する空洞を画定する。
【００１７】
何れか先の実施形態において、コアは、複合コアであり、必要に応じて複合コアは、補強部材を含み、例えば、補強部材は、歪制限(strain limiting)部材、強化部材、またはカンチレバー式部材、繊維強化材、またはこれらの組合せである。
【００１８】
何れか先の実施形態において、フィンは、高いアスペクト比を有する。
【００１９】
何れか先の実施形態において、方法は、アクチュエータをベースに固定する際に使用するために開放空洞の周りにアタッチメント(attachment)を取り付けるステップを含む。
【００２０】
何れか先の実施形態において、方法はさらに、アクチュエータを加圧源に接続する際に使用するために開放空洞に弁接続を組み込むステップを含む。
【００２１】
他の態様において、蛇腹アクチュエータが、
平坦なベースおよび、複数のフィンを画定するように成形された上側表面を有する可撓性成形体を備え、
各フィンは、ベースに固定され、隣接するフィンから少なくとも部分的に分離されており、
フィン先端は、貫通孔を備え、前記貫通孔は、アクチュエータ内部から流体的に隔離される。
【００２２】
何れか先の実施形態において、蛇腹アクチュエータはさらに、複数の貫通孔を通り抜けるストリングによって、平坦なベースに固定されたアタッチメントを含む。
【００２３】
何れか先の実施形態において、アタッチメントは、クッション材料、摩擦調整材料、剛性材料、編物(knitted)、織物および不織の布、吸着カップ（能動式または受動式）のグループから選択される。
【００２４】
何れか先の実施形態において、アクチュエータは、一端で閉止しており、反対端で開放しており、開放端は、加圧源との接続のための弁が取り付けられる。
【００２５】
何れか先の実施形態において、開放端はさらに、ロボットベースと噛合するギア歯を含む。
【００２６】
何れか先の実施形態において、平坦なベースは、貫通孔を含み、貫通孔は、アクチュエータ内部から流体的に隔離される。
【００２７】
他の態様において、ソフトロボットグリッパが、先の実施形態の何れかに係る複数の蛇腹アクチュエータを含み、蛇腹アクチュエータは、ベースに固定され、加圧時に互いに向けて湾曲するように位置決めされる。
【００２８】
本開示のこれらおよび他の態様および実施形態は、以下に図示され、説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
本発明は、下記の図面を参照して説明するが、これらは、説明の目的のためだけに提示されており、限定することを意図していない。
【００３０】
【図１Ａ】１つ以上の実施形態に係る、コアインサート(core insert)を準備するために使用される３Ｄ印刷された鋳型のＣＡＤモデルである。
【図１Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、コアインサートを準備するために使用される３Ｄ印刷された鋳型の写真である。
【図２】１つ以上の実施形態に係る、内側蛇腹幾何形状を画定する成形コアを側面図および斜視図でそれぞれ示す。
【図３Ａ】１つ以上の実施形態に係る、斜視図および側面図で示す下側アクチュエータ鋳型のＣＡＤ図である。
【図３Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、斜視図および側面図で示す上側アクチュエータ鋳型のＣＡＤ図である。
【図４Ａ】１つ以上の実施形態に係る、ポリマーで充填された上側および下側アクチュエータ鋳型の写真である。
【図４Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、アクチュエータ鋳型に挿入されたコアの写真である。
【図５Ａ】１つ以上の実施形態に係る、コアとともに脱型したアクチュエータの写真である。
【図５Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、ソフト蛇腹アクチュエータ（実線）によって包囲されたコア（破線）を示すＣＡＤ図である。
【図６】膨張した蛇腹アクチュエータからのコアの除去、および真空チャンバ内を封止するためのフランジの使用、そしてアクチュエータの外部に真空を印加するとともに、内部は周囲環境に曝される様子を示す写真である。
【図７Ａ】１つ以上の実施形態に係る、コアの除去後のソフト蛇腹アクチュエータの種々の図である。
【図７Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、コアの除去後のソフト蛇腹アクチュエータの種々の図である。
【図８Ａ】１つ以上の実施形態に係る、ソフト蛇腹アクチュエータの製造時の追加の製作ステップを示す。
【図８Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、ソフト蛇腹アクチュエータの製造時の追加の製作ステップを示す。
【図９】１つ以上の実施形態に係る、フィンを備えた、２つの平行な離隔したブランチを有するコアの平面図および斜視図を示す。
【図１０】１つ以上の実施形態に係る、２つの平行なブランチを備えたコアを用いて得られるアクチュエータ本体の断面を示す。
【図１１Ａ】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータに有用な機構を組み込むために使用できる共成形(co-molding)プロセスの断面図である。
【図１１Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータに有用な機構を組み込むために使用できる共成形プロセスの断面図である。
【図１１Ｃ】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータに有用な機構を組み込むために使用できる共成形プロセスの断面図である。
【図１１Ｄ】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータに有用な機構を組み込むために使用できる共成形プロセスの断面図である。
【図１１Ｅ】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータに有用な機構を組み込むために使用できる共成形プロセスの断面図である。
【図１２】１つ以上の実施形態に係る、コアの上に機構を位置決めするための方法の断面図である。
【図１３Ａ】１つ以上の実施形態に係る、歪制限層を有する複合コアの断面図である。
【図１３Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、堅いカンチレバー式インサートを有する複合コアの断面図である。
【図１４】１つ以上の実施形態に係る、蛇腹アクチュエータの面(face)へのメモリー発泡表面のアタッチメントおよび、隣接する蛇腹アクチュエータに装着されて広がる布を示す写真である。
【図１５】メモリー発泡表面を備えた２つの蛇腹アクチュエータを採用する組立てたソフトロボットグリッパの写真である。
【図１６Ａ】真空下で開放姿勢状態にある蛇腹型ソフトアクチュエータの等角図を提供する。
【図１６Ｂ】真空下で開放姿勢状態にある蛇腹型ソフトアクチュエータの平面図を提供する。
【図１６Ｃ】１２４ｋＰａ（１８ｐｓｉ）に加圧された蛇腹型ソフトアクチュエータの等角図を提供する。
【図１６Ｄ】１２４ｋＰａ（１８ｐｓｉ）に加圧された蛇腹型ソフトアクチュエータの平面図を提供する。
【図１７Ａ】１つ以上の実施形態に係る、種々の方向に延びる複数のブランチ(分岐:branching)機構を有するアクチュエータの概略図である。
【図１７Ｂ】駆動時のアクチュエータ動きを示す。
【図１８Ａ】１つ以上の実施形態に係る、規則的に間隔が空いた凹部を含むフィンを備えた、２つの平行な隣接ブランチを有するコアの斜視図を示す。
【図１８Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、２つの平行なブランチを備えたコアを用いて得られるアクチュエータ本体の概略図（部分断面図とともに）であり、鋳型の規則的に間隔が空いた凹部は、各バッフルフィンについて「ポスト」または隆起したベースを生成するように充填される。こうした実施形態は、規則的に間隔が空いた凹部を有する単一の単位コアから同様に得られることに留意する。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
蛇腹型ソフトアクチュエータは、蛇腹内の余分な材料を展開することによって非対称運動を生成する共通のアーキテクチャである。運動を生成するためにエラストマー材料が歪む必要があるバルーンアクチュエータと比較して、この展開手法は材料に歪みを殆ど生じさせず、アクチュエータの寿命を増加でき、動作圧力を減少させる。蛇腹アクチュエータはまた、加圧流体および真空を交互に入れ替えることによって、特定の幾何形状が双方向湾曲をサポートできるという利点を有する。さらに、繊維強化材を蛇腹型アクチュエータに組み込んで、アクチュエータの動作圧力および出力力(output force)を増加させ、駆動時にその曲率半径を減少させることができる。
【００３２】
蛇腹型ソフトアクチュエータを製造する課題的態様の１つが、蛇腹の内側幾何形状を成形(molding)することである。高いアスペクト比の機構は、任意の剛性コアを機械的に窮屈にし、脱型の際にコアおよびアクチュエータ本体に損傷をもたらすことがある。先行した方法は、２ステップ成形手法を使用しており、蛇腹の半分を成形し、そして別の半分に接合した。しかしながら、これは、アクチュエータの全周囲に沿って実質的に弱い継ぎ目を導入し、多くのアクチュエータ故障の要因になる。他の方法は、内側蛇腹幾何形状を画定するために溶解性コアを使用していた。しかしながら、これは時間がかかるプロセスであり、各新しいアクチュエータについて新しいコアを必要とし、コアを溶解させる時間を必要とする。さらに、溶解性コアを蛇腹内部から完全に除去することが困難であり、汚染残留物を残す。
【００３３】
これらの課題を克服するために、再利用可能な「コア」およびコア除去のための真空手法を使用する新しい製造方法が提供される。真空脱型ステップは、アクチュエータ内部の周囲空気圧および外部の真空圧を用いてアクチュエータを膨張させることによって、外向き引き力をアクチュエータ本体に印加する手法を提供する。蛇腹型アクチュエータの製造を参照して記載するが、該方法は、複雑な内部形状を有する成形された機構についての任意の成形プロセスでの使用に利益をもたらすことになり、好適である。
【００３４】
１つ以上の実施形態において、成形された蛇腹アクチュエータ（または他の複雑な膨張可能な幾何形状）が、再利用可能なコアの周りに形成される。コアは、蛇腹アクチュエータの内側形状を画定し、複雑な内部形状（例えば、蛇腹アクチュエータのフィン）およびあまり複雑でない表面（例えば、ベース）の領域を含むことができる。コアは、ソフト蛇腹アクチュエータの外側表面（より低い圧力）とソフト蛇腹アクチュエータの内側表面（より高い圧力）との間に圧力差を発生し、これにより蛇腹を膨張させることによって除去される。いったん膨張すると、コア（大気圧のままであり、よって真空変化を受けていない）は、蛇腹内部から容易に除去できる。圧力差は除去され、ソフト蛇腹アクチュエータをその元のサイズおよび形状に戻す。
【００３５】
コアは、複雑な内部袋(bladder)幾何形状を高いアスペクト比で生成する能力を可能にする。真空ステップは、損傷なし（即ち、コアおよびアクチュエータ本体への）、コア取り出しを可能とし、コア再利用を容易にする。この方法は、高いアスペクト比を備えた内部フィン機構を生成するのに特に有用であるとともに、コアが幾何学的にロックされた内部機構のいずれのクラスでの使用に好適である。
【００３６】
該方法を図１〜図８を参照して説明する。
【００３７】
蛇腹ソフトアクチュエータを製造する第１ステップは、コアを製作することで開始し、これは最終アクチュエータの袋幾何形状を画定することになる。本実施形態において、コアは、３Ｄ印刷形態を用いて成形されるが、コアは、例えば、直接３Ｄ印刷または加工など、他の手段によって製造できる。図１Ａは、コアインサートを準備するために使用される３Ｄ印刷された鋳型のＣＡＤモデルであり、図１Ｂは、コアインサートを準備するために使用される３Ｄ印刷された鋳型の写真である。鋳型は、蛇腹機構を有するベース１００と、滑らかな上面を有する上部鋳型１１０とを含む。鋳型はさらに、ベース１００および上部鋳型１１０の両方に設置されたアライメント機構１２０を含む。アライメント機構は、補強ロッド１４０の配置のために使用され、補強ロッド１４０は、鋳型の長さに渡り、成形されたコアの垂下りまたは変形を防止するのに役立つ。図１Ｂは、充填の前に鋳型へのロッドの配置を示す。２部品鋳型は、シリコーンゴム（例えば、Ｍ４６０１、ワッカー(Wacker)ケミカル社）で充填され、コア２００を形成する。他の材料、例えば、ウレタンゴムが使用できる。この成形ステップの際、２つの金属ロッドもコアとともに、共成形でき、将来の成形ステップにおいてコアを支持し整列させるために使用される。脱型したコア２００の写真を図１Ｂに示す。コア２００は、フィン２１０と、終端ベース２２０とを含む。終端ベース２２０は、次の操作において封止ガスケットとして機能できるフランジ２３０を含むことができる。空気圧コネクタを備えたプラグは、フランジのネガ(negative)形状と一致する機構を有する。これは、アクチュエータゴムとプラグとの間の機械的接続を改善する。コアの両端から延びる堅いインサート２４０が示される。他の実施形態において、堅いインサートは、コアの本体を超えて延びる必要はない。鋳型は、例えば、終端ベースの側に沿ってカンチレバーエッジを含むことができ、この場合、充分なサポートが見出され、コア本体を超えて延びる孔は必要ない。さらに、提示された各フィン２１０は、同じ幾何形状を有し、当業者は、これらの突出する機構が、幾何形状、配向および間隔の点で変化可能であり、無限の数の組合せで組合せ可能であり、ユニークな範囲の運動を持つアクチュエータを生産することを認識するであろう。
【００３８】
第２ステップにおいて、ソフトアクチュエータの外側幾何形状を画定する３Ｄ印刷鋳型が準備される。図３Ａおよび図３Ｂは、下側アクチュエータ鋳型部品３００および上側アクチュエータ鋳型部品３１０のＣＡＤ図であり、それぞれ斜視図および側面図で示す。下側鋳型は、アクチュエータの蛇腹機構の外側表面３２５を画定し、井戸または窪み３４０は、ロボットおよびリップまたはフランジ３５０の装着のためのエッジを画定する。幾つかの実施形態において、下側鋳型３００は、孔３２０を含むことができる。ピンまたはロッドが孔の中に挿入でき、成形されたアクチュエータに貫通孔を生成できる。アクチュエータ鋳型はさらに、下側アクチュエータ鋳型部品３００および上側アクチュエータ鋳型部品３１０に設置されたアライメント機構３３０を含む。アライメント機構は、補強ロッド（不図示）を受けることができ、これはコアの長さに渡り、成形されたコアの垂下りまたは変形を防止するのに役立つ。
【００３９】
そして、蛇腹アクチュエータのためのポリマー４００（例えば、Ｓｍｏｏｔｈ−Ｓｉｌｌ  ９５０、スムースオン(Smooth On)社）を、図４Ａに示すように、鋳型３００，３１０の両半分の中に流し込むことができる。当業者は、ポリマーが、流し込みよりも鋳型の中に射出でき、効率的な製造を容易にし、射出成形だけが可能なゴム化合物の使用を可能にすることは理解するであろう。１つ以上の実施形態において、アクチュエータ用に使用されるポリマーは、コアとは異なるデュロメータ(durometer)を有することができる。一例として、コアは、デュロメータ３０Ａのシリコーンで製作でき、一方、成形されたアクチュエータは、デュロメータ５０Ａのシリコーンで製作できる。より詳細に後述するように、コアまたはアクチュエータのデュロメータが低いほど、成形プロセスの後に除去するのが容易になる。この特定の鋳型設計において、ピン４４０が底部に沿って追加され、各蛇腹の上部に貫通孔を生成する。これらの機構は、補強材、架橋材料および他の機能をアクチュエータに追加するアンカーポイントとして機能する。
【００４０】
第４ステップにおいて、図４Ｂに示すように、コア２００は、鋳型の中に挿入され、ロッド２４０は、鋳型の中に組み込まれたアライメントスロット３３０の中に優しく押し込まれる。鋳型の２つの半分は一緒になり、締め付けられる。いったんポリマーが硬化すると、図５Ａに示すように、部品は鋳型から除去できる。脱型されたアクチュエータは、フィン５１０およびフランジ５２０を有するアクチュエータ本体５００を含む。アクチュエータ本体５００は、コア２００の周りに成形される。図５Ｂは、ソフト蛇腹アクチュエータ５００（実線で示す）によって包囲されたコア２００（破線で指定する）を示すＣＡＤ図である。アクチュエータの端部を超えて延びるロッドは除去され、これは、除去の際、アクチュエータの端部に２つの小さい孔を導入する。これらは、少量の接着剤（例えば、Ｓｉｌ−Ｐｏｘｙ、スムースオン社）で閉塞できる。前述したように、孔（および閉塞ステップ）は、鋳型の一端からロッドをカンチレバー化して、閉止した端部を備えたアクチュエータを生成することによって回避できる。さらに、アクチュエータ本体の壁厚は比較的一貫しているが、当業者は、壁厚が、貫通孔を生成する例のように変化可能であり、アクチュエータの運動を他のエリアと比べてあるエリアで促進することを認識するであろう。例えば、選択フィンの壁厚は、より薄いフィンでの運動を最初に促進するために、他のものより薄くしてもよい。
【００４１】
第７ステップにおいて、コアをアクチュエータ本体から除去するために、真空圧が使用される。図６を参照して、成形されたアクチュエータ本体５００は、真空チャンバ６１０の中に挿入される。アクチュエータ本体の開放端で成形されたフランジ５２０は、チューブ状の真空チャンバの開放端とともに気密シールを生成する。コア２００は、フランジシールの反対側にあり、真空チャンバと流体接触していない。真空が印加されると（例えば、チャンバ内部を排気するために使用される真空チューブラインを参照）、コア２００を収納するアクチュエータ内部が大気圧のままであり、一方、アクチュエータの外側表面は、真空に曝される。これは、アクチュエータ本体を膨張させて安定化する圧力差を生成し、コア２００から分離させることが可能になる。オペレータは、コアを引き出すことができ、その理由は、コアはその元のサイズを保持しつつ、アクチュエータは膨張するためである。図６は、膨張した蛇腹アクチュエータチャンバからのコアの除去を示す写真である。
【００４２】
アクチュエータ本体の内部幾何形状を画定するコアは、剛性材料、軟性材料またはこれらの組合せで製作できる。コア材料の選択は、アクチュエータ本体を製作するために使用される材料の剛性(stiffness)に部分的に依存している。例えば、軟性材料で製作されたアクチュエータ本体は、真空脱型ステップの際、より堅い材料よりかなり多く膨張することになる。よって、剛性（またはより堅い）コアがこのステップで使用でき、その理由は、アクチュエータ本体は、剛性コアの除去を支援するために、かなり並はずれて膨張できるためである。より堅い材料で製作されたアクチュエータ本体は、それほど膨張できず、よって、より軟らかいコアがより望ましく、変形するその能力が、複雑な内部袋幾何形状について除去可能に支援できるためである。
【００４３】
図７Ａ〜図７Ｂは、コアの除去後のソフト蛇腹アクチュエータ７００の種々の図である。ソフトアクチュエータは、機能的表面をアクチュエータの面に固定するために使用できる貫通孔７１０を含む。損傷していないコア（不図示）は、アクチュエータから除去されると、再使用のために準備される。
【００４４】
図８Ａ〜図８Ｂに示す最終組立てステップにおいて、フランジは切除され、カラー(collar)８２０を生成し、３Ｄ印刷された継ぎ手(fitting)が開口端に接着される。１つ以上の実施形態において、継ぎ手は、ロボットベースと一体化するためのギア歯８００および、容易なアクチュエータの設置および除去のための一体化メス型クイックディスコネクト(quick disconnect)を採用する。他の実施形態において、もしフランジが切除されない場合（図８Ａのように）、それはアクチュエータ本体をロボットベースに固定するために使用できる。
【００４５】
再利用可能な「コア」およびコア除去のための真空手法の使用は、脱型時の損傷なしで複雑な内部形状の形成を可能にする。例えば、コアは、フィンの２つの平行なブランチを提供できる。図９は、これらの機構を具現化するコア９００の平面図および斜視図である。各ブランチ９１０，９１０’は、フィン９２０，９２０’のセットを含む。コアの他の機構は、前述している。
【００４６】
こうしたコアの周りで成形された蛇腹アクチュエータは、半径方向膨張(swelling)を最小化するのに役立つ追加の内部強化材を提供する中央内部リブを含むことができる。図１０は、図９の分岐したコアを用いて得られるアクチュエータ本体１０００の断面を示す。２つの平行なブランチの間の空間は、成形されたアクチュエータに中央リブ１０１０を提供する。リブは、追加の内部強化材を提供して、半径方向膨張を最小化する。他の実施形態において、２つの平行なブランチは、複数の補強機構、例えば、連続リブとは反対であるような周期的ポストを生成するために設計できる。図１８Ａと図１８Ｂは、この実施形態を示す。図１８Ａは、規則的に間隔が空いた開口１８３０を備えた界面１８３０において、互いに隣接して位置決めされる２つの平行なブランチ１８１０，１８１０’を有するコア１８００の概略図である。図１８Ｂは、内部を示す部分断面図において成形されたアクチュエータ１８４０の図である。隣接するブランチは、接続されたフィン１８５０をもたらし、各フィンは、その自己のベース１８６０を有する。
【００４７】
他の実施形態において、コアは、異なる方向に延びる複数のブランチ機構を含むことができる。この方法では、蛇腹アクチュエータが単一の入力源から２つ以上の方向の運動を遂げることが可能である。図１７Ａと図１７Ｂは、複数のブランチ機構を有する蛇腹アクチュエータの実施形態を示す。この設計は、１つの加圧入力が、アクチュエータに複雑な運動を実行させることを可能にする。しかしながら、アクチュエータは、複数の入力が、実際、単一の成形体内で複数のアクチュエータを有するように成形できることが想定される。
【００４８】
他の実施形態において、コアは、成形時に蛇腹アクチュエータの中に転写される機構が取り付けできる。共成形プロセスは、図１１Ａ〜図１１Ｅを参照して説明する。図１１Ａにおいて、ポケット１１１０がコア１１００に形成される。そして図１１Ｂに示すように、機構１１２０が鋳型の中に固定される。例えば、機構１１２０は、ポケット１１１０の中に挿入できるポスト１１３０に搭載される。組立てたコアは、図１１Ｃに示す。次に、図１１Ｄに示すように、蛇腹アクチュエータ１１４０は、コア１１００の周りに成形される。コア１１００は、ここで説明するように除去され、コアが除去された後、アクチュエータの壁に機構が埋め込まれた状態になる。共成形された機構１１６０を有するアクチュエータを図１１Ｅに示す。
【００４９】
機構は、アクチュエータで幾つか異なる機能を実施するように選択できる。機構は、共成形プロセスにおいて、回路基板、センサ、ＬＥＤ、バッテリ、磁気マーカー、放射線不透過性マーカー、アンテナ、金属、プラスチック、複合材などから選択できる。
【００５０】
図１２は、機構１１２０が鋳型の上に位置決めできる他の方法を示す。代替の実施形態において、磁石１２００が、機構１１２０を位置決めすべき場所に鋳型の中に埋め込まれる。機構またはポストは、磁性体または強磁性体であり、磁気引力は、機構を位置決めまたは固定するために使用できる。
【００５１】
１つ以上の実施形態において、コアは、図１３Ａに示すように、補強材料１３１０を有する複合コア１３００でもよい。材料は、歪制限材料、例えば、繊維ガラス、ケブラーアラミド布などの織布材料でもよく、これは、コアのために使用されるゴムまたは他の材料が受ける歪みを最小化するのに役立つ。これは、コアの繰り返し使用のために有利であり、ゴムを疲労させて材料破壊を生じさせないようにする。
【００５２】
他の実施形態において、コアは、図１３Ｂに示すように、堅いインサート１３２０を含むことができる。堅いインサートは、コアの本体を超えて延びることができ、成形ステップの際に使用されるカンチレバーを提供する。コアは、アクチュエータ鋳型に隣接したレッジ(ledge)の上にカンチレバー化でき、アクチュエータ壁を穿孔するロッドを採用する必要性をなくす。
【００５３】
他の実施形態において、アクチュエータは、表面組織(texture)および他の付属品（例えば、近隣のアクチュエータの間の空間を架橋する網材料）の追加および除去が可能であり、アクチュエータの能力が現場で変更できる。図４と図５を参照して、鋳型の幅を横断して延びるロッド４４０の周りにアクチュエータを成形することによって、蛇腹フィンの先端に貫通孔５１０を導入することが可能である。最終製品に形成される孔は、ソフト発泡カバーを固定し、より軟らかく、把持した物体をほぼ損傷しないようなアクチュエータにするために使用できる。他の実施形態において、粗い表面組織の布が、把持能力を改善し、滑りを低減するために付与できる。他の実施形態において、網または布がアクチュエータの間に延長でき、試料の収集のために駆動可能な網を提供する。他のアタッチメントが想定され、非限定的な例は、剛性材料、編物、織物および不織の布、吸着カップ（能動式または受動式）を含む。図１４は、ソフト発泡カバー１４００およびアクチュエータ１４３０，１４４０の間に架かる布１４２０のアタッチメントを示す一実施形態の図である。この図において、アタッチメント１４２０は、ＴＰＵフィルム（熱可塑性ポリウレタン）および布で構成されるが、全体的に布であってもよい。発泡体及び／又は布は、ストリング１４６０が通過するタブ１４５０を有する。ストリングは、孔１４７０を通り抜けて、片側から入って他方から出て、遠い側にあるタブを通って、第２貫通孔を通って元の側に戻る。プロセスは、品物（例えば、発泡パッドまたは布）をアクチュエータに「縫い付けること」と同種であり、使用時に固定し、容易に分解されるという利点を有する。
【００５４】
１つ以上の実施形態において、アクチュエータは、ロボットシステムを駆動するハードウェアおよびソフトウェアを有するロボットシステムに統合できる。ソフトグリッパ設計のための機能的要件は、２つの開発主題、即ち、統合および運用の下に広く分類できる。統合に関して、ソフトグリッパハードウェアは、既存のロボットシステムに接続して、ソフトアクチュエータを駆動する。運用に関して、ソフトグリッパは、迅速なソフトアクチュエータ設置、調整（例えば、配向および間隔）および除去が可能である。
【００５５】
ソフトグリッパの掌(palm)は、迅速で安価なカスタマイズのために設計される。４つのアクチュエータ、そして他のツール、例えば、はさみなどを調整する能力を組み込んだ例示のロボットを図１５に示す。掌構造は、シート材料、即ち、水ジェット切断されたアルミニウムおよびレーザ切断されたアクリルから組み立てられる。継ぎ手の相対的間隔は、手動で調整できる。さらに、アクリルシートでのレーザ切断されたギア歯が、スロットに平行にあり、ソフトアクチュエータベースに統合された３Ｄ印刷されたスプールギアと整合する。ギア歯が係合した場合、これは、メス型クイックディスコネクト継ぎ手の位置およびソフトアクチュエータの配向をロックする。ギア歯なしでは、アクチュエータは、クイックディスコネクト継ぎ手の軸の周りに受動的に回転することに留意する。掌表面はまた、掌表面組織および他の付属品のためのアンカーポイントとして機能する種々のねじ孔を採用する。ステンレス鋼（ＳＳ）ねじ山付スタンドオフ(stand-off)は、油圧配管系統をメス型クイックディスコネクトに経路設定するための２つのアルミニウムプレートの間に開放空洞を生成する。これらのプレートはまた、ボーデン(bowden)ケーブル駆動式４棒リンク(four-bar linkage)切断機構のためのアンカーポイントとして機能する。特注継ぎ手は、ハイドロレック(Hydro-Lek)社アームのプッシュプルロッドをカッタに接続するために機械加工した。通気ねじが、ボーデンケーブル鞘の各端部を終端させ、ケーブルに張力を付与するために締めたり、緩められる。切断ブレードが、リンクの１つにねじ止めされ、新しいブレード設計の置換および評価を可能にする。
【００５６】
ソフトロボットの動作および把持を図１６Ａ〜図１６Ｄに示す。図１６Ａと図１６Ｂは、真空下で開放姿勢状態での蛇腹型ソフトアクチュエータの等角図および平面図を提供する。図１６Ｃと図１６Ｄは、１２４ｋＰａ（１８ｐｓｉ）に加圧された蛇腹型ソフトアクチュエータの等角図および平面図を提供する。
【００５７】
静止物体に印加される力および圧力の大きさを理解するために、蛇腹アクチュエータの性能を評価した。６３．５ｍｍ直径のプラスチックチューブを目標物体として選択し、理由は、両方のソフトアクチュエータ型がチューブの周囲を半分以上を抱えることができ、曲率半径は、テックスキャン(Tekscan)社（モデル：５０５１−２０）圧力マッピングシートの周りに包むのに適していたためである。蛇腹型アクチュエータ（６９ｋＰａ（１０ｐｓｉ）に加圧）は、発泡体の有りと無しでそれぞれ２ｋＰａ（０．２９ｐｓｉ）および７ｋＰａ（１ｐｓｉ）の最大圧力を実証した。
【００５８】
ソフトアクチュエータの把持強度は、材料評価システム（インストロン(Instron)社、モデル５５４４Ａ単一コラム）を用いて評価し、負荷方向（即ち、垂直対水平）および物体サイズを含む幾つかのグリッパ予想について負荷伸展特性を解析した。実験記録において、直径が１２．７ｍｍ，２５．４ｍｍ，５０．８ｍｍと変化するアクリルチューブがグリッパの掌に位置決めされ、アクチュエータは、シリンダを包囲するその目標圧力まで膨張させた。全ての蛇腹型アクチュエータを１２４ｋＰａ（１８ｐｓｉ）まで加圧した。さらに、蛇腹型アクチュエータの把持強度は、互いに対向する２つのアクチュエータだけで評価した。グリッパはテーブルに固定され、インストロンは、シリンダがアクチュエータの把持から引っ張られるまでチューブを一定速度（８ｍｍ／ｓ）で引っ張った。各検査構成は５回行って平均化した、５０．８ｍｍ直径チューブを把持すると、蛇腹型アクチュエータは、垂直方向に最大抵抗力（１６．６Ｎ）を有するが、水平方向に比較的小さい抵抗力（５．６Ｎ）を示した。
【００５９】
本明細書において、別途定義されるか、用いられるか、または特徴付けされない限り、本明細書で用いられる用語（技術用語および科学用語を含む）は、関連技術に照らして許容される意味と一貫性のある意味を持つと解釈すべきであり、本明細書で明示的に定義されない限り、理想的、または過度に画一化された意味を持つと解釈すべきでない。例えば、特定の組成について言及する場合、その組成は、実際には、完全ではないが実質的には純粋なものとすることができ、現実に不完全な組成が適用されてもよく、例えば、少なくとも微量不純物（１％または２％未満など）が存在していても、本願明細書の範囲内であると考えることができる。同様に、特定の形状について言及する場合、その形状には、例えば、製造公差に起因して理想的な形状から外れたばらつきが存在していてもよい。本明細書で表現される百分率または濃度は、重量または体積のいずれで表されてもよい。
【００６０】
第１、第２、第３などの用語は、本明細書においてさまざまな要素を説明するために用いることができるが、これらの要素は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、単に、１つの要素を他から区別するために用いられる。したがって、以下で説明する第１の要素は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素と名付けることができる。本明細書では、「上に」「下に」「左に」「右に」「前に」「後ろに」など、空間において相対的な位置を表す用語を、図示する１つの要素と別の要素との関係を説明する記述を容易にするために用いている。当然であるが、空間において相対的な位置を表す用語および図示した構成は、本明細書で説明し、図面で示している向きに加えて、使用時または運転時の装置のさまざまな向きを包含する。例えば、別の要素または部分の「下に」または「真下に」と説明された要素は、図示している装置を反転させると、別の要素または部分の「上に」配置される。したがって、例示的な用語「上に」は、上および下の向きを両方包含することができる。装置は、図示している方向と異なる方向を向いていてもよく（例えば、９０度または他の角度で回転させてもよく）、本明細書で用いている空間において相対的な位置を表す用語は、これに従って解釈される。さらに、本開示において、１つの要素が別の要素に「配置される」、「接続される」、または「つなげられる」または「接触している」など、という場合、別途指定しない限り、この要素は、別の要素に直接的に配置されるか、接続されるか、つなげられるか、または接触してよいし、あるいは他の要素が介在していてもよい。
【００６１】
本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することはない。本明細書において、「１つの("a", "an")」などの単数形は、文脈が別途示さない限り、複数形も含む。
【００６２】
説明目的のため、特定の順序のステップについて図示および記載してきたが、これらの順序は特定の点で変更可能であり、あるいは、所望の構成を入手しつつ、前記ステップを組み合わせることも可能であることが理解される。また、本発明の開示の範囲内であれば、開示している実施形態および特許請求の範囲に記載した発明の変形例が存在する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ−１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【国際調査報告】
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