(57)【要約】      （修正有）【解決手段】クラッチ式関節モジュールは、回転軸周りに互いに対して回転可能な出力部材および入力部材と、前記出力部材を回転軸周りに回転させる一次トルクを印加可能な一次アクチュエータと、クラッチ機構と、を備える。前記クラッチ機構は、複数のプレートと、前記複数のプレートを圧縮して前記クラッチ機構を係合状態で機能させるように動作可能なアクチュエータと、を有してもよい。前記アクチュエータは、ボールランプクラッチ装置であってもよい。準受動的弾性アクチュエータを前記入力部材に結合して、前記クラッチ機構を介して蓄積されたエネルギーを解放し増大トルクを印加するように動作してもよい。【効果】前記一次トルクの印加を容易にするべく係合状態または非係合状態で動作可能なクラッチ機構を備える。準受動的弾性アクチュエータにより前記出力部材の回転を助ける。関連する方法およびシステムについても開示される。【選択図】図５Ａ
2018111198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアセンブリ内で使用されるクラッチ式関節モジュールであって、
ロボットシステムの第１の支持部材に結合可能な出力部材と、
前記ロボットシステムの第２の支持部材に結合可能な入力部材と、
前記出力部材を回転軸周りに回転させるトルクを印加可能な一次アクチュエータと、
前記入力部材と前記出力部材との間に結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能であるクラッチ機構と、を備え、
前記係合状態および前記半係合状態は、前記出力部材への一次トルクの選択的な印加を容易にする、クラッチ式関節モジュール。
【請求項２】
前記クラッチ機構は、前記一次トルクの有無にかかわらず、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を制限する制動力を発生させるべく、前記係合状態または前記半係合状態で動作可能である、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項３】
前記クラッチ機構は、
複数のプレートと、
前記複数のプレートを圧縮して前記クラッチ機構を前記係合状態または前記半係合状態で機能させるように動作可能なアクチュエータと、を備える、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４】
前記クラッチ機構の少なくとも一部は、前記回転軸と実質的に同一線上にあるクラッチ回転軸を含む、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項５】
前記一次アクチュエータは、モータ、および、前記モータと前記出力部材との間に動作可能に結合された変速機を備える、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項６】
前記クラッチ機構、前記モータおよび前記トランスミッションは、前記回転軸に沿って配置され、前記回転軸周りで動作可能である、請求項５に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項７】
前記変速機は少なくとも部分的に前記モータの中央空隙内に配置され、前記モータはブラシレスフレームレス電動モータを含む、請求項５に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項８】
前記入力部材に結合され前記一次アクチュエータと並列に配置された準受動的弾性アクチュエータを更に備え、
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構が前記係合状態または前記半係合状態とされた時に、エネルギーを蓄積および解放するように動作可能である、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項９】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を少なくとも部分的に制限する制動力を生成するように動作する、請求項８に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１０】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記出力部材の回転を助けるべく、前記一次アクチュエータによって生成された一次トルクと組み合せられる増強されたトルクを印加するように動作する、請求項８に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１１】
前記準受動的弾性アクチュエータは、準受動的リニア空気圧アクチュエータを含む、請求項８に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１２】
前記準受動的リニア空気圧アクチュエータは、クラッチ式関節モジュールの関節剛性値を少なくとも部分的に規定するようにガス圧力が充填される、請求項１１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１３】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構を介して、弾性状態、半弾性状態および非弾性状態の間でリアルタイムに選択的に切替え可能である、請求項８に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１４】
前記クラッチ機構は、
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、
前記クラッチを制御する信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態で動作させることが可能なアクチュエータと、を備える、請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１５】
前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記出力部材は前記複数の出力プレートに連結されている、請求項１４に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１６】
前記一次アクチュエータはモータを含み、前記クラッチ式関節モジュールは更に、
前記モータ内に少なくとも部分的に配置された第１の変速機と、
前記第１の変速機と前記クラッチ機構との間に動作可能に結合された第２の変速機と、を備える、請求項１４に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１７】
前記クラッチ機構は、
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、
前記クラッチハウジングに結合されたボールランプクラッチ装置と、
前記ボールランプクラッチ装置に結合されて前記ボールランプクラッチ装置を回転させるアクチュエータであって、制御信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態とするように動作可能なアクチュエータと、を備える請求項１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１８】
前記クラッチ機構は更に、前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように前記複数の出力プレートに結合された出力シャフトを備える、請求項１７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項１９】
前記一次アクチュエータはモータを含み、
前記クラッチ式関節モジュールは更に、前記モータ内に少なくとも部分的に配置された第１の変速機と、前記第１の変速機と前記クラッチ機構との間に動作可能に結合された第２の変速機とを備える、請求項１７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項２０】
少なくとも一つの回転可能関節を有するロボットの肢を備えるロボットシステムであって、
ロボットアセンブリは、
複数の支持部材と、
前記ロボットの肢の複数の関節のそれぞれを規定する複数のクラッチ式関節モジュールと、を備え、
前記複数のクラッチ式関節モジュールのそれぞれは、前記複数の支持部材のうちの少なくとも２つを共に回転可能に結合し、
前記複数のクラッチ式関節モジュールのそれぞれは、
回転軸周りに回転可能であり、自由度を規定する関節と、
前記関節を回転させる一次トルクを印加可能な一次アクチュエータと、
前記一次アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能なクラッチ機構と、を有し、
前記係合状態および前記半係合状態は、前記関節への前記一次トルクの選択的な印加を容易にする、ロボットシステム。
【請求項２１】
前記クラッチ機構は、前記一次トルクの有無にかかわらず、前記関節の回転を制限する制動力を発生させるべく、前記係合状態または前記半係合状態で動作可能である、請求項２０に記載のロボットシステム。
【請求項２２】
前記一次アクチュエータは、モータ、および、前記モータと動作可能に結合された変速機を備える、請求項２０に記載のロボットシステム。
【請求項２３】
前記クラッチ機構、前記モータおよび前記トランスミッションは、前記回転軸に沿って配置され、前記回転軸周りで動作可能である、請求項２２に記載のロボットシステム。
【請求項２４】
前記クラッチ機構と共に動作可能であり、前記一次アクチュエータと並列に配置された準受動的弾性アクチュエータを更に備え、
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構が前記係合状態または前記半係合状態とされた時に、エネルギーを蓄積および解放するように動作可能である、請求項２０に記載のロボットシステム。
【請求項２５】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を少なくとも部分的に制限する制動力を生成するように動作する、請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項２６】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記出力部材の回転を助けるべく、前記一次アクチュエータによって生成された一次トルクと組み合せられる増強されたトルクを印加するように動作する、請求項２４に記載のロボットシステム。
【請求項２７】
前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの一つは、第１タイプの弾性要素を有する準受動的弾性アクチュエータを有し、
前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの別の一つは、異なるタイプの弾性要素を有する準受動的弾性アクチュエータを有する、請求項２３に記載のロボットアセンブリ。
【請求項２８】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構を介して、弾性状態、半弾性状態および非弾性状態の間でリアルタイムに選択的に切替え可能である、請求項２３に記載のロボットアセンブリ。
【請求項２９】
ロボットシステムのロボット関節の動作方法であって、当該方法は、
前記ロボットシステムの関節を規定するクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構であって、前記クラッチ式関節モジュールの入力部材と出力部材との間に動作可能に結合される前記クラッチ機構を、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作させる段階と、
前記出力部材に結合された前記ロボットシステムの第１の支持部材を、前記入力部材に結合された第２の支持部材に対して回転させて、回転軸周りに前記関節を回転させる段階と、を備える方法。
【請求項３０】
前記第１の支持部材を前記第２の支持部材に対して回転させる段階は、前記出力部材に一次トルクを印加するべく前記係合状態または前記半係合状態の前記クラッチ機構を使用して前記クラッチ式関節モジュールの一次アクチュエータを作動する段階を有し、
前記クラッチ式関節モジュールは、前記一次アクチュエータからの前記一次トルクの少なくとも一部を前記出力部材に伝達して前記関節を回転させるように機能する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の支持部材を前記第２の支持部材に対して回転させる段階は、外部からの力に応じて前記係合状態または半係合状態にある前記クラッチ機構によって受動的に前記第１の支持部材および前記第２の支持部材が回転することを含み、それによって前記関節の回転に抗する制動力が生成される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記クラッチ機構を前記非係合状態で動作させる段階を更に備え、当該段階において前記関節は自由揺動モードになる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記クラッチ機構を選択的に係合させることにより前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを弾性状態または半弾性状態で動作させて、増大トルクを生成して前記出力部材に印加する段階を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記クラッチ機構を選択的に係合させることにより前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを弾性状態または半弾性状態で動作させて、前記クラッチ式関節モジュール内に制動力を生成する段階を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを非弾性状態で動作させて、前記クラッチ式関節モジュールを自由揺動モードにさせる段階を更に備える、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記準受動的弾性アクチュエータを所定の剛性になるようにプリチャージする段階を更に備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
ロボットアセンブリ内で使用されるクラッチ式関節モジュールであって、
ロボットシステムの第１の支持部材に結合可能な出力部材と、
前記ロボットシステムの第２の支持部材に結合可能な入力部材と、
前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とを互いに対して前記クラッチ式関節モジュールの回転軸周りに回転させるべく前記出力部材に一次トルクを印加するように動作可能な一次アクチュエータと、
前記入力部材に結合され、前記出力部材を前記回転軸周りに回転させるべく前記一次アクチュエータによって加えられる前記一次トルクと組み合わせられる増大トルクを前記出力部材に印加するように動作可能な準受動的弾性アクチュエータと、
前記一次アクチュエータおよび前記準受動的弾性アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能であるクラッチ機構と、を備え、
前記係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態にして前記増大トルクの印加を容易にする、クラッチ式関節モジュール。
【請求項３８】
前記クラッチ機構および前記一次アクチュエータはそれぞれ互いに実質的に平行な回転中心軸を有する、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項３９】
前記準受動的弾性アクチュエータは、リニア空気圧アクチュエータを含み、
弾性要素は更に、ピストンロッドと、ハウジング内で直線運動で可動なピストンシリンダとを更に備え、
前記ピストンシリンダは、少なくとも部分的に圧縮チャンバおよび膨張チャンバを画定する、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４０】
前記リニア空気圧アクチュエータは前記入力部材を含み、
第１の回転時に前記入力部材の移動により前記ピストンシリンダが動いて前記圧縮チャンバ内のガスが圧縮されエネルギーが選択的に蓄積されるように、前記ピストンロッドは偏心した位置で前記クラッチ機構のハウジングに枢動可能に結合されている、請求項３９に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４１】
前記一次アクチュエータおよび前記出力部材は、変速機によって互いに動作可能に連結されている、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４２】
前記リニア空気圧アクチュエータは、第２の回転時に、前記ピストンロッドを介してエネルギーを解放して、前記一次アクチュエータによって印加される前記一次トルクと並行に前記増大トルクを前記出力部材に印加する、請求項４１に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４３】
前記一次アクチュエータは、電気モータ、および、前記電気モータと回転可能に結合された遊星歯車駆動変速機を備え、
前記遊星歯車駆動変速機は、少なくとも部分的に前記電気モータの中央空隙内に配置される、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４４】
前記クラッチ機構は、
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、
前記クラッチを制御する信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態で動作させることが可能なアクチュエータと、を備える、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４５】
前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記出力部材は前記複数の出力プレートに連結されている、請求項４４に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４６】
前記クラッチ機構は、
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、
前記クラッチハウジングに結合されたボールランプクラッチ装置と、
前記ボールランプクラッチ装置に結合されて前記ボールランプクラッチ装置を回転させるアクチュエータであって、制御信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態とするように動作可能なアクチュエータと、を備える、請求項３７に記載のクラッチ式関節モジュール。
【請求項４７】
前記クラッチ機構は更に、前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートが前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように前記複数の出力プレートに結合された出力シャフトを備え、
前記出力シャフトは前記出力部材に結合される、請求項４６に記載のクラッチ式関節モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１１月１１日に出願された米国特許仮出願第６２／４２１，１７５号の優先権を主張し、この米国特許出願の全内容が引用により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
様々な外骨格、ヒューマノイド、ロボットアーム、他のロボットおよびロボットシステムが存在し、その多くは可能な限り最も効率的な操作を求めるものである。将来も継続して取り組まれるであろう基本的な技術的問題として、特に、エネルギー的な自律性が求められるようなシステムが、どのようにしたら許容可能なレベルの出力を提供すると同時に電力消費を最小限に抑えることができるかということが挙げられる。確かに、ロボット工学の世界では、電力は不可避の課題である。このようなシステムの設計者は、通常、意図された使用または用途に基づいて動作を最適化することを試みる。多くの場合、少なくともある程度は電力または効率のいずれかが犠牲になる。例えば、あるロボットシステムでは、当該ロボットシステムが出力する力の条件を満たすことが可能な高出力電力システムを採用しているが、効率について考慮する以前に高出力電力であることを優先している。他方で、別のロボットシステムでは、出力する力は二次的な考慮事項であり、効率を改善するべく、より効率的な電力システムを使用している。出力する力が大きいシステムまたは高電力システムは、様々なタスクを実行することができるが、コストがかかることが多い。更に、そのようなシステムは、ポータブル電源の能力が限られているので、しばしば電源につなぐ必要がある。タスクを実行するために一定レベルの力を必要とする作業関連のタスクまたは他のタスクにおいて人間を支援するように設計されている限り、効率的ではあるが出力可能な力が小さいシステムは、実用性に欠ける場合がある。一般的に、電力問題は、消費電力を最小限に抑えながら出力を最大化することを目指して様々な努力がなされていることから、困難な課題であった。出力エネルギー消費に対する電力の比のわずかな改善でさえ、非常に有益である。電源を改良するために多くの研究開発が行われているが、ロボットシステムにおける電源対エネルギー出力比を改善できる別の方法として、ロボットシステムの構造的な造り、つまり、様々な部品の構成方法、これらの制御方法を通じた改善、および、自然に発生する現象、例えば、重力をシステムが利用できるかといったことを通じて改善することも考えられる。
【発明の概要】
【０００３】
開示される技術の最初の要約をここに記載する。技術の具体的な例については、後で詳細に記載する。この概要は、例を示し、読者が技術をより迅速に理解するのを助けることを意図しており、技術の重要な特徴または必須の特徴を特定することを意図するものではない。
【０００４】
本開示はロボットアセンブリ内で使用されるクラッチ式関節モジュールについて記載する。クラッチ式関節モジュールは、ロボットシステムの第１の支持部材に結合可能な出力部材と、前記ロボットシステムの第２の支持部材に結合可能な入力部材と、前記出力部材を回転軸周りに回転させるトルクを印加可能な一次アクチュエータと、前記入力部材と前記出力部材との間に結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能であるクラッチ機構と、を備え、前記係合状態および前記半係合状態は、前記出力部材への前記一次トルクの選択的な可変な印加を容易にする。
【０００５】
前記クラッチ機構は、前記一次トルクの有無にかかわらず、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を制限する制動力を発生させるべく、前記係合状態または前記半係合状態で動作可能である。
【０００６】
前記クラッチ機構は、複数のプレートと、前記複数のプレートを圧縮して前記クラッチ機構を前記係合状態または前記半係合状態で機能させるように動作可能なアクチュエータと、を備えてもよい。
【０００７】
前記クラッチ機構は、前記回転軸と実質的に同一直線状に存在するクラッチ回転軸を有してもよい。
【０００８】
前記一次アクチュエータは、モータ、および、前記モータと前記出力部材との間に動作可能に結合された変速機を備えてもよい。前記クラッチ機構、前記モータおよび前記トランスミッションは、前記回転軸に沿って配置され、前記回転軸周りで動作可能である。前記変速機は少なくとも部分的に前記モータの中央空隙内に配置されてもよく、前記モータはブラシレスフレームレス電動モータを含んでもよい。
【０００９】
準受動的弾性アクチュエータは、前記入力部材に結合され前記一次アクチュエータと並列に配置されてもよい。前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構が前記係合状態または前記半係合状態とされた時に、エネルギーを蓄積および解放するように動作可能である。前記準受動的弾性アクチュエータは、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を少なくとも部分的に制限する制動力を生成するように動作してもよい。前記準受動的弾性アクチュエータはまた、前記出力部材の回転を助けるべく、前記一次アクチュエータによって生成された一次トルクと組み合せられる増強されたトルクを印加するように動作してもよい。前記準受動的弾性アクチュエータは、準受動的リニア空気圧アクチュエータを含んでもよい。前記準受動的リニア空気圧アクチュエータは、クラッチ式関節モジュールの関節剛性値を少なくとも部分的に規定するようにガス圧力が充填される、前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構を介して、弾性状態、半弾性状態および非弾性状態の間でリアルタイムに選択的に切替え可能であってもよい。
【００１０】
前記クラッチ機構は、前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、前記クラッチを制御する信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態で動作させることが可能なアクチュエータと、を備えてもよい。前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記出力部材は前記複数の出力プレートに連結されてもよい。
【００１１】
前記一次アクチュエータはモータを備えてもよく、前記クラッチ式関節モジュールは更に、前記モータ内に少なくとも部分的に配置された第１の変速機と、前記第１の変速機と前記クラッチ機構との間に動作可能に結合された第２の変速機とを備えてもよい。
【００１２】
上記に替えて、前記クラッチ機構は、前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、前記クラッチハウジングに結合されたボールランプクラッチ装置と、前記ボールランプクラッチ装置に結合されて前記ボールランプクラッチ装置を回転させるアクチュエータであって、制御信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態とするように動作可能なアクチュエータと、を備えてもよい。前記クラッチ機構は更に、前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記複数の出力プレートに結合された出力シャフトを備えてもよい。前記一次アクチュエータはモータを備えてもよく、前記クラッチ式関節モジュールは更に、前記モータ内に少なくとも部分的に配置された第１の変速機と、前記第１の変速機と前記クラッチ機構との間に動作可能に結合された第２の変速機とを備えてもよい。
【００１３】
本開示は更にロボットシステムについて記載し、当該ロボットシステムは、少なくとも一つの回転可能関節を有するロボットの肢を備え、前記ロボットアセンブリは、複数の支持部材と、前記ロボットの肢の複数の関節のそれぞれを規定する複数のクラッチ式関節モジュールと、を備え、前記複数のクラッチ式関節モジュールのそれぞれは、前記複数の支持部材のうちの少なくとも２つを共に回転可能に結合し、前記複数のクラッチ式関節モジュールのそれぞれは、回転軸周りに回転可能であり、自由度を規定する関節と、前記関節を回転させる一次トルクを印加可能な一次アクチュエータと、前記一次アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能なクラッチ機構とを有し、前記係合状態および前記半係合状態は、前記関節への前記一次トルクの選択的な印加を容易にする。
【００１４】
前記クラッチ機構は、前記一次トルクの有無にかかわらず、前記関節の回転を制限する制動力を発生させるべく、前記係合状態または前記半係合状態で動作可能であり、前記一次アクチュエータは、モータ、および、前記モータと動作可能に結合された変速機を備える。前記クラッチ機構、前記モータおよび前記トランスミッションは、前記回転軸に沿って配置され、前記回転軸周りで動作可能である。
【００１５】
前記クラッチ式関節モジュールは、前記クラッチ機構と共に動作可能であり、前記一次アクチュエータと並列に配置された準受動的弾性アクチュエータを更に備え、前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構が前記係合状態または前記半係合状態とされた時に、エネルギーを蓄積および解放するように動作可能である。
【００１６】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を少なくとも部分的に制限する制動力を生成するように動作してもよい。
【００１７】
前記準受動的弾性アクチュエータはまた、前記関節の回転を助けるべく、前記一次アクチュエータによって生成された一次トルクと組み合せられる増強されたトルクを印加するように動作してもよい。
【００１８】
前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの一つは、第１タイプの弾性要素を有する準受動的弾性アクチュエータを有してもよく、前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの別の一つは、異なるタイプの弾性要素を有する準受動的弾性アクチュエータを有してもよい。
【００１９】
前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ機構を介して、弾性状態、半弾性状態および非弾性状態の間でリアルタイムに選択的に切替え可能であってもよい。
【００２０】
本開示は更に、ロボットシステムのロボット関節を動作させる方法を記載する。当該方法は、前記ロボットシステムの関節を規定するクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構であって、前記クラッチ式関節モジュールの入力部材と出力部材との間に動作可能に結合される前記クラッチ機構を、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作させる段階と、前記出力部材に結合された前記ロボットシステムの第１の支持部材を、前記入力部材に結合された第２の支持部材に対して回転させて、回転軸周りに前記関節を回転させる段階と、を備える。
【００２１】
前記第１の支持部材を前記第２の支持部材に対して回転させる段階は、前記出力部材に一次トルクを印加するべく前記係合状態または前記半係合状態の前記クラッチ機構を使用して前記クラッチ式関節モジュールの一次アクチュエータを作動する段階を有してもよく、前記クラッチ式関節モジュールは、前記一次アクチュエータからの前記一次トルクの少なくとも一部を前記出力部材に伝達して前記関節を回転させるように機能する。
【００２２】
前記第１の支持部材を前記第２の支持部材に対して回転させる段階は、外部からの力に応じて前記係合状態または半係合状態にある前記クラッチ機構によって受動的に前記第１の支持部材および前記第２の支持部材が回転することを含み、それによって前記関節の回転に抗する制動力が生成されてもよい。
【００２３】
前記方法は、前記クラッチ機構を前記非係合状態で動作させる段階を更に備え、当該段階において前記関節は自由揺動モードになる。
【００２４】
前記方法は、前記クラッチ機構を選択的に係合させることにより前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを弾性状態または半弾性状態で動作させて、増大トルクを生成して前記出力部材に印加する段階を更に備える。
【００２５】
前記方法は、前記クラッチ機構を選択的に係合させることにより前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを弾性状態または半弾性状態で動作させて、前記クラッチ式関節モジュール内に制動力を生成する段階を更に備えてもよい。
【００２６】
前記方法は、前記クラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータを非弾性状態で動作させて、前記クラッチ式関節モジュールを自由揺動モードにさせる段階を更に備えてもよい。
【００２７】
前記方法は、前記準受動的弾性アクチュエータを所定の剛性になるようにプリチャージする段階を更に備えてもよい。
【００２８】
本開示は更にロボットアセンブリ内で使用されるクラッチ式関節モジュールについて記載する。クラッチ式関節モジュールは、ロボットシステムの第１の支持部材に結合可能な出力部材と、前記ロボットシステムの第２の支持部材に結合可能な入力部材と、前記第１の支持部材と前記第２の支持部材とを互いに対して前記クラッチ式関節モジュールの回転軸周りに回転させるべく前記出力部材に一次トルクを印加するように動作可能な一次アクチュエータと、前記入力部材に結合され、前記出力部材を前記回転軸周りに回転させるべく前記一次アクチュエータによって加えられる前記一次トルクと組み合わせられる増大トルクを前記出力部材に印加するように動作可能な準受動的弾性アクチュエータと、前記一次アクチュエータおよび前記準受動的弾性アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態または非係合状態で動作可能であるクラッチ機構と、を備え、前記係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態にして前記増大トルクの印加を容易にする。
【００２９】
前記クラッチ機構および前記一次アクチュエータはそれぞれ互いに実質的に平行な回転中心軸を有してもよい。
【００３０】
前記準受動的弾性アクチュエータは、リニア空気圧アクチュエータを含んでもよく、前記弾性要素は更に、ピストンロッドと、ハウジング内で直線運動で可動なピストンシリンダとを更に備え、前記ピストンシリンダは、少なくとも部分的に圧縮チャンバおよび膨張チャンバを画定する。
【００３１】
前記リニア空気圧アクチュエータは前記入力部材を含んでもよく、第１の回転時に前記入力部材の移動により前記ピストンシリンダが動いて前記圧縮チャンバ内のガスが圧縮されエネルギーが選択的に蓄積されるように、前記ピストンロッドは偏心した位置で前記クラッチ機構のハウジングに枢動可能に結合されてもよい。
【００３２】
前記一次アクチュエータおよび前記出力部材は、変速機によって互いに動作可能に連結されてもよい。
【００３３】
前記リニア空気圧アクチュエータは、第２の回転時に、前記ピストンロッドを介してエネルギーを解放して、前記一次アクチュエータによって印加される前記一次トルクと並行に前記増大トルクを前記出力部材に印加してもよい。
【００３４】
前記一次アクチュエータは、モータ、および、前記モータと回転可能に結合された変速機を備えてもよい。前記駆動変速機は、少なくとも部分的に前記モータの中央空隙内に配置される。
【００３５】
前記クラッチ機構は、前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、前記クラッチを制御する信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態で動作させることが可能なアクチュエータと、を備えてもよい。
【００３６】
前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートは前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記出力部材は前記複数の出力プレートに連結されてもよい。
【００３７】
上記に替えて、前記クラッチ機構は、前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと。前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと回転可能に係合する複数の出力プレートと、前記クラッチハウジングに結合されたボールランプクラッチ装置と、前記ボールランプクラッチ装置に結合されて前記ボールランプクラッチ装置を回転させるアクチュエータであって、制御信号を受信すると、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに圧縮力を印加して前記クラッチ機構を前記係合状態とするように動作可能なアクチュエータと、を備えてもよい。
【００３８】
前記クラッチ機構は更に、前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートが前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記複数の出力プレートに結合された出力シャフトを備えてもよく、前記出力シャフトは前記出力部材に結合される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明の特徴および利点は、本発明の特徴を例として示す添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより明らかになるであろう。
【００４０】
【図１】本開示の例に係る少なくとも１つのクラッチ式関節モジュールを有する下部外骨格の形態のロボットアセンブリの２つの姿勢を示す。
【００４１】
【図２Ａ】本開示の例に係るクラッチ式関節モジュールの概略図である。
【００４２】
【図２Ｂ】本開示の例に係るクラッチ式関節モジュールの概略図である。
【００４３】
【図３Ａ】人間の歩行サイクルにおける、人間の体重を正規化した膝関節トルク対膝関節角度のグラフである。
【００４４】
【図３Ｂ】クラッチ応答をクラッチ式関節モジュールによって生成することができる関節軌道および歩行の一部分を達成するために必要なトルクを示すグラフである。
【００４５】
【図３Ｃ】本開示の例によるクラッチ式関節モジュールの性能を示すグラフである。
【００４６】
【図４Ａ】本開示の例に係る少なくとも１つのクラッチ式関節モジュールを有するロボットアセンブリ、すなわちウェアラブルロボット外骨格の等角図である。
【００４７】
【図４Ｂ】は、図４Ａのロボット外骨格の等角図である。
【００４８】
【図４Ｃ】図４Ａのロボット外骨格の拡大等角図である。
【００４９】
【図５Ａ】本開示の例に係るクラッチ式関節モジュールの等角図である。
【００５０】
【図５Ｂ】図５Ａのクラッチ式関節モジュールの分解図である。
【００５１】
【図５Ｃ】遊星歯車変速機の遊星歯車を示す、図５Ａのクラッチ式関節モジュールの一部分の分解図である。
【００５２】
【図５Ｄ】図５Ａのクラッチ式関節モジュールの分解図である。
【００５３】
【図５Ｅ】図５Ａのクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構の分解図である。
【００５４】
【図６Ａ】本開示の例に係るクラッチ式関節モジュールの等角図である。
【００５５】
【図６Ｂ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールの等角図である。
【００５６】
【図６Ｃ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールの分解図である。
【００５７】
【図６Ｄ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールの別の視点からの分解図である。
【００５８】
【図６Ｅ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構の分解図である。
【００５９】
【図６Ｆ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構の分解図である。
【００６０】
【図６Ｇ】図６Ａのクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構の一部分の分解図である。
【００６１】
【図７Ａ】一次アクチュエータの軸からずらして配置され、トルク伝達装置を介して一次アクチュエータに連結された図５Ａ〜図５Ｅのクラッチ機構および準受動的弾性アクチュエータを有する本開示の一例に係るクラッチ式関節モジュールの分解図である。
【００６２】
【図７Ｂ】図７Ａのクラッチ式関節モジュールの一次アクチュエータの分解図である。
【００６３】
図示の例示的な実施形態を参照して、特定の言語を用いてこれを説明する。しかしながら、本発明の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
本明細書で使用される場合、「実質的に」という用語は、動作、特徴、特性、状態、構造、項目または結果の完全なまたはほぼ完全な範囲または程度を指す。例えば、「実質的に」囲まれた物体とは、物体が完全に囲まれている、または、ほぼ完全に囲まれていることを意味する。絶対完全性からの許容可能な逸脱の程度は、特定の状況に依存する場合もある。しかしながら、一般的には、完全性に近いということは、絶対的なおよび完全な完了が得られた場合と、全体的には同じ結果が得られる。「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という言葉の使用は、動作、特徴、特性、状態、構造、項目または結果の完全なまたはほぼ完全な欠如を指す否定的な意味で使用される場合にも同様に適用可能である。
【００６５】
本明細書で使用される「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ）」とは、二つの構造または要素が近接していることを指す。特に、「隣接する」として識別される要素は、隣接している、または、接続していてもよい。このような要素は、お互いに接触することなく互いに接近または近接していてもよい。近接の正確な程度は、具体的な状況に依存する場合もある。
【００６６】
ロボットアセンブリ１００の１つの例が図１に概略的に示されている。ロボットアセンブリ１００は、外骨格の形態で示されており、特に、下半身周りにユーザが装着可能な下外骨格が示されている。しかしながら、本明細書で論じる概念は、外骨格（上外骨格および下外骨格の両方）、ヒューマノイドロボットまたはロボット装置、遠隔操作ロボットまたはロボット装置、ロボットアーム、無人地上ロボットまたはロボット装置、マスタ／スレーブロボットまたはロボット装置（仮想環境を使用してまたは仮想環境内で動作可能なものを含む）、および、当業者には明らかであろう他の任意の種類のものを含む様々なタイプのロボット装置に適用可能であり、これらの装置に組み込むことができるまたは実装可能であり、以下に記載するコンセプトに限定するものではない。
【００６７】
ロボットアセンブリ１００の例では、本明細書で開示される外骨格を、全身外骨格（すなわち、図４Ａに示すような、下半身部分および上半身部分の両方を有する外骨格と同様）として、下半身外骨格（すなわち、下半身部分の一部または全部）のみとして、または、上半身外骨格（すなわち、上半身部分の一部または全部）のみとして構成されてもよい。
【００６８】
幾つかの例では、ロボットアセンブリ１００は、左および右の外骨格肢を含むことができる。図１には右の外骨格肢１０２のみが示されているが、説明する原理は、上半身または下半身の外骨格の任意の外骨格関節モジュールに関する。右側の外骨格肢１０２は、複数の下半身支持部材１０４ａ〜ｄを備え得る。回転軸１０８ａ〜ｄそれぞれの周りの複数の自由度を規定する複数のクラッチ式関節モジュール１０６ａ〜ｄの相対運動を実現すべく、支持部材１０４ａ〜ｄを互いに結合することができる。回転軸１０８ａ〜ｄの周りの回転自由度は、人間の脚の自由度１以上に対応させることができる。例えば、回転軸１０８ａ〜ｄの周りの回転自由度は、それぞれ、股関節外転／内転、股関節屈曲／伸展、膝屈曲／伸展、および、足首屈曲／伸展に対応させてもよい。同様に、図示されていないが、上半身外骨格内のそれぞれの回転軸の周りの回転自由度は、人間の腕の自由度１以上に対応させることができる。例えば、回転軸周りの自由度は、肩の外転／内転、肩の屈曲／伸展、肩の内側／外側の回転、肘の屈曲／伸展、手首の回内／回外、および、手首の屈曲／伸展に対応させることができる。必要に応じて、手首の外転／内転に対応する自由度も含めることができる。
【００６９】
人間のユーザまたはオペレータは、ロボットアセンブリ１００とインタフェースする外骨格ロボットアセンブリ１００（または図４Ａの１０１）を使用することができるまたは通信することができる。これは、当技術分野で知られている様々な方法で達成可能である。例えば、オペレータの足に対応する力センサと接触可能なアセンブリの足部分に、オペレータの足を置くことによって、ロボットアセンブリ１００とインタフェースすることができる。人間のオペレータの体の一部を、ロボットアセンブリ１００の様々な位置に配置された外骨格ロボットアセンブリ１００の力センサと接触させることもできる。例えば、ロボットアセンブリ１００の股関節部分は、オペレータの股関節と相互作用するように構成された１つ以上の力センサを有してもよい。ウエストストラップ、ショルダーストラップまたは他の適切な連結装置によって、オペレータをロボットアセンブリ１００と接続することができる。また、足ストラップおよび／またはオペレータが掴むためのハンドルによって、オペレータをロボットアセンブリ１００と接続することができる。一態様では、ロボットアセンブリ１００の股関節、膝または足首部分の周囲に力センサを、操作者のそれぞれの部分に対応して配置させることができる。ロボットアセンブリ１００上またはその周りの特定の位置に配置されたセンサについて説明したが、位置センサ、力センサまたはその両方を、ロボットアセンブリ１００の上または周囲の多数の場所に戦略的に配置して、ロボットアセンブリ１００の動作を制御することができる。
【００７０】
一般的に、クラッチ式関節モジュール１０６ａ〜ｄは、それぞれの自由度で支持部材に力またはトルクを提供するべく、外骨格の様々な自由度と関連付けされてもよい。従来の外骨格システムおよび装置とは異なり、以下に更に説明するように、各クラッチ式関節モジュールが能動型アクチュエータまたは準受動的アクチュエータとして構成されるように、ロボットアセンブリ１００を構成することができる。準受動的アクチュエータとして、特定のクラッチ式関節モジュール（１０６ａ〜ｄ）をエネルギーを回収するように構成して、ロボットアセンブリ１００の複雑さおよび電力消費を低減することができる。例えば、膝の屈曲／伸展の自由度に対応する自由度を規定するクラッチ式関節モジュール１０６ｃは、第１の歩行運動の間にエネルギーを回収し、次いで、第２の歩行運動中にそのエネルギーを解放して、自由度に応じた関節の回転に一次トルクを提供する一次アクチュエータを補助するべく増大させたトルクを印加する（および以下に説明するように、クラッチ式関節モジュール１０６ｃの一次アクチュエータによって加えられるトルクと平行に）ように構成することができる。クラッチ式関節モジュール１０６ｃを選択的に制御することにより、作動にたずさわる（すなわち、弾性アクチュエータがエネルギーを蓄積および解放する動作状態または条件（弾性状態）にする）または作動にたずさわらない（すなわち、エネルギーを蓄積しないおよび解放もしない（非弾性状態）動作状態または条件または構成にする）ようにしてもよく、例えば、オペレータが歩行または走る際に関節を回転するように無視できる程度の抵抗で関節が「自由に揺動」する状態にすることができる。準受動的弾性アクチュエータは、一次アクチュエータ（例えば、関節を駆動するように動作可能な主モータ）と並行して動作することにより、一次アクチュエータが提供するトルクに並行して増大したトルクを提供することができるまたは印加することができる（すなわち、一次アクチュエータによって生成されたトルクに加算される）。準受動的弾性アクチュエータは、当該準受動的アクチュエータのモードを変更するように制御および操作することができる二方弁のような小型の内部弁を備えてもよく、すなわち、弾性状態（アクチュエータが過渡エネルギーを蓄積および回復するためのばねとして動作する場合）と、非弾性状態（アクチュエータが自由に動くことを可能にするシャント機能を当該アクチュエータが採用する場合（すなわち、エネルギーを蓄積しないまたは解放しない）との間の切り替えが行われてもよい（弁を通過する流体の摩擦および動きを除く）。また、（準受動的アクチュエータとしての）クラッチ式関節モジュール１０６ｃは、後述するように、変更可能な所望の剛性を有するように「調整」することができる。したがって、特定の関節の剛性の大きさはミッション固有の荷重および地形によって異なる歩様に合わせて調整可能であり、その剛性が歩行サイクルの支持期にエネルギー回収に利用される時と、遊脚期に非係合にされる時とを能動弁が正確に制御する。
【００７１】
準受動的アクチュエータとしては、関節を作動させるのに必要な電力消費を低減または最小限にするために、エネルギー（例えば、歩行または他の動作中に失われるエネルギー）を蓄積するように選択的に動作可能な準受動的弾性機構となる。
【００７２】
本明細書に記載されている例示的な弾性アクチュエータは、（関節の回転中または機械的システムのその他の動作中に常にエネルギーを蓄積または解放している完全に受動的な弾性アクチュエータと比較して）それらが能動的および非能動的な状態またはそのような動作モードで動作可能であることから、準受動的弾性アクチュエータと呼ぶことができる。本明細書に記載されている例では、受動モードおよび非動作モードまたはそのような動作状態は、選択可能または制御可能であってもよく、動的に選択可能または制御可能であってもよい（例えば、リアルタイムで選択可能である）、また、ロボットシステムの動作中に、ある状態またはあるモードから別の状態または別のモードへと繰り返して切り替え可能であってもよい。クラッチ式関節モジュールの構成に応じて、準受動的弾性アクチュエータの例は、ロボットシステムの関節の様々な回転中に準受動的弾性アクチュエータを作動させてエネルギーを蓄積および解放することができる第１の能動状態（「弾性状態」とも称される）、準受動的弾性アクチュエータを非アクティブにして関節の様々な回転中にエネルギーが蓄積も解放もされない第２の受動状態（本明細書では「非弾性状態」とも称される）があり、また、場合によっては、関節の様々な回転中に準受動的弾性アクチュエータを部分的に作動させてエネルギーを蓄積および解放することができる第３の半能動状態または部分的能動状態（時には「半弾性状態」とも称される）を備えてもよい。ロボットシステムの幾つかの例では、準受動的弾性アクチュエータは、例えば、必要とされるタスクおよびそれに対応する回転運動、ロボットシステムの一つまたは複数の関節の様々なトルクもしくは負荷要件、または、必要なもしくは所望の制動力に応じて、必要とされるもしくは所望の動作状態間または異なるモード間での切り替えを行ってもよい。
【００７３】
例えば、図１または図４Ａに示すように下半身外骨格のように、ロボットアセンブリ内に複数のクラッチ式関節モジュールを組み合わせる場合、運動中（股関節、膝および足首関節を介して）相当量のエネルギーを回収して利用することができ、外骨格の重量、サイズ、複雑性および電力消費を低減することが可能である。上記の概要について、後で詳しく説明する。更に、ロボットシステムまたはアセンブリ内の様々な関節モジュールのそれぞれは、同じタイプまたは異なるタイプの準受動的弾性アクチュエータ（すなわち、同一多種の弾性部品）を備えることができ、したがって、特定のアプリケーションまたは実行されるタスクに応じてロボットアセンブリを最適なパフォーマンスを得るように構成することができる。能動型アクチュエータ（すなわち、準受動的弾性要素を有さない）として、特定のクラッチ式関節モジュールは、関節を作動させるべく能動型アクチュエータとして係合するように選択的に動作可能（すなわち、クラッチ機構を介して）であってもよく、これについては以下に更に説明する。
【００７４】
図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、本開示の２つの例に係るクラッチ式アクチュエータ関節モジュールを概略的に示す。図２Ａは、クラッチ式関節モジュールに一次トルクを提供するように動作可能な一次アクチュエータ１２２を有するクラッチ式アクチュエータ関節モジュール１２０を示す。一例では、一次アクチュエータは、モータ１２４および変速機または歯車列１２６（例えば、遊星歯車変速機）を備えてもよく、これらは、クラッチ機構１２８および弾性要素またはばね１２８と並行して動作する（例えば、ロータリー型またはリニア空気圧式（空気または他の気体）準受動的弾性アクチュエータのような準受動的弾性アクチュエータなど）。一次アクチュエータ１２２は、ばね（準受動的弾性アクチュエータ）１２８によって選択的に加えられる増大トルクと並行して、負荷に一次トルクを印加（例えば、ロボット支持部材と結合された出力部材を回転させる）することができ、図１および図１Ａに示すようなロボットアセンブリの関節を回転させる。増大トルクは、後述するように、係合状態と非係合状態とで切り替え可能なクラッチ機構１２８の動作によって選択的に印加される。歯車列１２６は取り外し可能に構成されてもよいし、そのようにする必要がない場合もある。また、補助変速機または補助歯車列を、歯車列１２６に隣接して結合し、モータ１２４から負荷へのニ段階変速を提供することができる。図５Ａ〜図６Ｇの例は、図２Ａに概略的に代表される。更に、図２Ａに破線で示されるように、バネ１３０の出力は、モータ１２４と歯車列１２６との間に動作可能に結合され得る。
【００７５】
図２Ｂには、クラッチ機構１２９と並列に動作する、モータ１２５および変速機または歯車列１２７（例えば、遊星歯車変速機）とを備える一次アクチュエータ１２３を有するクラッチ式関節モジュール１２１を示す。ここで、クラッチ機構１２９は、（一次アクチュエータ１２３による一次トルクの負荷への印加を助ける）係合状態と（出力（負荷）に対する入力の自由揺動を可能にする）非係合状態との間で動作可能であり、これについて以下に更に説明する。歯車列１２７は取り外し可能に構成されてもよいし、そのようにする必要がない場合もある。また、補助変速機または補助歯車列を、歯車列１２７に隣接して結合し、モータ１２５から負荷への２段階変速を提供することができる。図５Ａ〜図６Ｇの例はそれぞれ、概して図２Ｂに代表されるが、ばねの組み込みを伴わない（例えば、準受動的弾性アクチュエータ１３４，２０４が除かれている）点が異なる。
【００７６】
図３Ａは、人間の歩行例において発生する関節トルクと関節位置をプロットしたグラフであり、関節の回転角に対してまたは対応して発生するトルク（Ｎ−ｍ／ｋｇ）が示されている。このグラフは、人間の膝（外骨格を着用せず）の例示的なトルク／角回転の関係を示しており、平面を約３ｍｐｈで歩いている場合である。点Ａから点Ｂへの最初の歩行運動は、踵の接地に続く立脚圧縮を示し、点Ｂから点Ｃへの第２の歩行運動では、立脚伸長を示し、立脚期は点Ｄで完了する。点Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＡ間の第３の歩行運動は、「二重支持および遊脚」を示している。したがって、「立脚期」は、踵の接地（点Ａ）から爪先回転／立脚終期（点Ａ〜Ｄ）までであり、トルク−関節プロファイルは準弾性挙動を示す（この準弾性剛性に関しては、歩行と走行では同様である）。この期間では、膝は衝撃吸収体としても機能する。「遊脚期」は、爪先離地から踵接地（点Ｅから点Ａまで）までであり、この期間において、膝は、踵接地前に起きる最終伸長の間に、ある程度の減衰を伴う準衝撃応答（ｑｕａｓｉ−ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ）（受動的応答）を示す（したがって、膝は制御された緩衝器または衝撃吸収体として働く）。
【００７７】
人間の歩行の特性は、膝関節に固有のものではなく、また歩き方に限定されずに、本明細書で論じられるクラッチ式関節モジュールの基礎を形成する。実際に、歩行、走り、段差昇降などの模擬周期的外骨格活動における関節トルク対位置プロットを見ると、弾性エネルギーの回収を利用して関節を動かすのに必要なモータのトルクの必要条件を低減することができる特定の歩行運動における期間が存在する。このように、本明細書で説明するクラッチ式関節モジュールは、例えば、動力アクチュエータ（例えば、電動歯車付きモータ）の要件を最小限に抑えて、ロボットアセンブリ内の全体的な電力消費を低減するべく、股関節、膝および足首の自然な動きの特徴を利用するように構成することができる。本明細書で論じるクラッチ式関節モジュールは、例えば、肩関節および肘関節に組み込むこともできるが、以下で更に説明するように、下半身の関節に組み込むよりも、作業に依存する形となる。しかしながら、下半身関節（例えば、股関節、膝、足首）のクラッチ式関節モジュールを、単に周期的な動作（例えば、歩行または走る）ではなく、特定のタスク（例えば、重いものを持ち上げる、座ったり立ったりする等）に基づいて動作するように構成することもできる。
【００７８】
図３Ｂには、５０ポンド（約２２．７ｋｇ）の荷重で３．５ｍｐｈ（時速約５．６ｋｍ）での歩行する場合の、標準的な外骨格膝関節トルク（Ｎ−ｍ）対位置（角度）を示したグラフである。「三角形」がプロットされた線（「関節作動トルク」）は所定の関節軌道を達成するのに必要な全体トルクを表し、「円形」がプロットされた線（「ばね反作用トルク」）はクラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータによって生成される得る弾性応答の歩行部分を表す。このように、バネ反作用トルクを利用して、以下で更に詳細に説明するように、関節を作動させるのに必要な電力消費を低減することができる。
【００７９】
図３Ｃは、一次アクチュエータと並列に動作する準受動的弾性アクチュエータを有するクラッチ式関節モジュールを備える外骨格の性能を示すグラフであり、当該関節モジュールは、一例として、人間の膝関節に関連付けられる関節剛性が７Ｎｍ／度のものである。より具体的には、グラフは、５０ポンド（約２２．７ｋｇ）の荷重で３．５ｍｐｈ（時速約５．６ｋｍ）で歩行する場合の関節トルク（Ｎ−ｍ）対関節速度（ｄｅｇ／ｓｅｃ）を示す。「三角形」がプロットされた線（「関節作動トルク」）は、所定の関節軌道（例えば、膝を回転させるのに必要なトルク）を達成するために必要な全体のトルクを表し、「円形」がプロットされた線（「ばね反作用トルク」）は、本明細書に例示されるように、準受動的弾性アクチュエータを適時に係合および非係合とさせることによって弾性応答が生成され得る歩行の部分を表す。
【００８０】
「円形」がプロットされた線によって示されるように、得られるピークトルクは、「三角形」がプロットされた線の正規化されたトルク必要条件（約１００Ｎ−ｍ）と比較して実質的に低減（約２５Ｎ−ｍ）されている。すなわち、通常（すなわち、弾性アクチュエータを有するクラッチ式関節モジュールを組み込むことなく）、トルク必要条件は約１００Ｎ−ｍでピークに達するが、本明細書に開示されるような弾性アクチュエータを有するクラッチ式関節モジュールを組み込む場合は、ピークトルクは約２０Ｎ−ｍに過ぎず、したがって、同じ歩行サイクルおよび動作条件に対する電力要求を大幅に低減できる。これは、クラッチ式関節モジュールが第１の歩行運動中に（準受動的弾性アクチュエータを介して）エネルギーを蓄積し、次の第２の歩行運動中にそのエネルギーを解放して、クラッチ式関節モジュールの一次アクチュエータ（例えば、歯車付きモータ）によって印加されるトルクと並行に印加可能な増大トルクを印加するからである。無論、これらの結果には、重量、荷重等の他の要因も影響するが、いずれの場合であっても、これらのグラフは、以下に更に例示される、選択的に制御可能な準受動的弾性アクチュエータに連動して関節を適切に作動させる時に動力付きモータが必要とするオンボード電力が低減されていることを示している。並列弾性アクチュエータを使用することにより、歩行サイクルの特定の期間といった適時に弾性アクチュエータが係合および非係合にされる時に必要となるモータトルクを効果的に低減できる。股関節、足関節、肩関節および肘関節についても同様のプロットまたはグラフを示すことができる。幾つかの場合において、これらの関節の歩行サイクルのために専用で弾性アクチュエータを使用することができる。
【００８１】
図４Ａ〜図４Ｃは、人間のオペレータが着用可能または使用可能な外骨格形態の例示的なロボットアセンブリ１０１の等角図を示す。ロボットアセンブリ１０１は、これに代えて、上述したようなヒューマノイドロボットまたは他のロボットアセンブリであってもよい。図示するように、ロボットアセンブリ１０１は、全身外骨格（すなわち、下半身部分と上半身部分の両方を有する外骨格）として構成することができる。しかしながらこれに限定されず、外骨格が下半身外骨格（すなわち、下半身部分の一部または全部）または上半身外骨格（すなわち、上半身部分の一部または全部）のみを含むこともできる。
【００８２】
ロボットアセンブリ１０１は、左側および右側の外骨格肢を含んでもよい。右側外骨格肢部１０３は、複数の下半身支持部材１０５ａ〜ｄを含んでもよい。支持部材１０５ａ〜ｃは、それぞれの回転軸周りの複数の自由度を規定する複数の対応する関節１０７ａ〜ｃの周りの相対運動のために、互いに結合されてもよい。その全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願（代理人整理番号４０００−１６．１１１０．ＵＳ．ＮＰ）に記載されているように、股関節部１０７ａおよび膝関節部１０７ｃはそれぞれ、図４Ａおよび図４Ｂに示すような弾性要素または構成要素として回転空気ばねを含む調整可能準受動的弾性アクチュエータを有する関節モジュール１０９ａおよび１０９ｃを備えてもよい。これに代えて、股関節１０７ａおよび膝関節１０７ｃは、本開示に記載されるようなクラッチ式関節モジュールをそれぞれ備えてもよい。関節１０７ｂおよび関節１０７ｄはそれぞれ、本明細書で説明するようなクラッチ式関節モジュール１０９ｂおよび１０９ｄを備えてもよい。
【００８３】
同様に、右側外骨格肢部１０３ｂは、それぞれの回転軸周りの複数の自由度を規定する複数の関節１０７ｅ〜ｈの周りの相対運動のために互いに連結された複数の上半身支持部材１０５ｅ〜ｈを含んでもよい（図４Ｃを参照）。各関節１０７ｅ〜ｈは、本明細書で説明するように、それぞれクラッチ式関節モジュール１０９ｅ〜ｈを備えてもよい。特に、以下に更に説明するように、各クラッチ式関節モジュールをコンパクトな形態で提供することができる。例えば、関節１０７ｅである関節の特定の回転軸を、例えばクラッチ式関節モジュール１０９ｅの主要部品（例えば、一次アクチュエータ、変速機、クラッチ機構、準受動的弾性アクチュエータなど）と実質的に同一線上に配置して、以下に更に例示されるように、主要部品を回転軸に沿って配置し、回転軸を中心として動作可能に構成することができる。この場合、クラッチ式関節モジュールはコンパクトな形態で特定の高トルク出力を提供することができ、例えば、ほぼ円筒形を有し、モジュールの質量を回転軸の近くに配置するようにしたクラッチ式関節モジュールとすることができる。
【００８４】
図５Ａ〜図５Ｅは、本開示の一例によるクラッチ式関節モジュール１３０を示しており、ロボットアセンブリ（例えば、１００，１０１）の関節として組み込むことができる、言い換えると、ロボットアセンブリの関節として機能させることができる。
【００８５】
クラッチ式関節モジュール１３０は、互いに作動可能に結合された、一次アクチュエータ１３２、必要に応じて設けられる準受動的弾性アクチュエータ１３４およびクラッチ機構１３６を備えることができる。クラッチ機構１３６および一次アクチュエータ１３２は、回転軸１４０に沿って配置または位置決めされる、および、回転軸１４０周りに動作可能とされる。以下で更に詳細に説明するように、入力部材１３８ａおよび出力部材１３８ｂ（図５Ｂ）は、ロボットアセンブリの支持部材それぞれに直接的または間接的に結合することができ、支持部材は関節の回転軸１４０の周りに互いに回転可能である。関節は、人間の関節の回転軸の自由度に対応する。例えば、クラッチ式関節モジュール１３０を、屈曲／伸長の自由度を有する肩関節を含む関節１０７ｆを少なくとも部分的に画定する図４Ｃのクラッチ式関節モジュール１０９ｆとしてロボットアセンブリ１０１に組み込むことができる。入力部材１３８ａおよび出力部材１３８ｂは、それぞれの構成要素に結合された部材として示されているが、例えば、適切な入力部材および出力部材またはロボット支持部材に結合可能な構成要素の様々な異なる形態および構成をとり得る。
【００８６】
一次アクチュエータ１３２は、モータ１３３と、必要に応じて、第１遊星歯車変速機１４８などの変速機と、必要に応じて第２遊星歯車伝動装置１７０などの第２変速機とを備えることができる。モータ１３３は、回転軸１４０を中心に回転するように出力部材１３８ｂに一次トルクを印加するように動作可能である。準受動的弾性アクチュエータ１３４（例えば、準受動的リニア空気圧式弾性アクチュエータ）は、クラッチ式関節モジュールが回転している間はエネルギーを蓄積し、モータ１３３によって加えられる一次トルクと共に出力部材１３８ｂに印加することができる増大されたトルクの形態（２つのトルクを合わせて出力部材１３８ｂを介した出力を生成）でエネルギーを放出するといったように、選択的に動作可能である。
【００８７】
準受動的弾性アクチュエータ１３４を含むクラッチ式関節モジュール１３０を備える構成の一例では、クラッチ機構１３６は、準受動的弾性アクチュエータ１３４および制動力の発生または増強トルクの印加を選択的に制御可能である。ある動作シナリオ（例えば、一次トルクを生成するべく一次アクチュエータがアクティブであるまたは非アクティブでありが、関節の回転が所望されるシナリオ）では、制動力を生成して関節の回転を制限することができる、または、後述するように、出力部材および関節の回転を助けるべく一次トルクと組み合わせて増大されたトルクを生成および適用することができる。
【００８８】
より具体的には、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、クラッチ機構１３６が係合状態または半係合状態とされた場合に、入力部材１３８ａの回転時に（例えば、一次アクチュエータを使用して回転が積極的に実行される、または、例えば、回転を誘発する他の外部から加えられた力の重力の影響下で関節を回転させるといった受動的な回転の実行時に）、（弾性または半弾性の構成、モードまたは状態の時に）エネルギーを蓄積するか制動力を生成するか選択的に動作可能である。また、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、一次アクチュエータ１３２、この場合には、モータ１３３によって印加される一次トルクと並行に出力部材１３８ｂに増大されたトルクを印加するべくクラッチ機構１３６が係合または半係合とされた場合に、入力部材１３８ａの（エネルギーを蓄積するべく上記回転と同じまたは異なる方向への）回転時に、選択的にエネルギーを（弾性または半弾性の構成、モードまたは状態の時に）解放することができる。準受動的弾性アクチュエータ１３４は、クラッチ機構１３６が選択的に非係合にされた場合に、関節の回転中に（非弾性の構成、モードまたは状態にあるとき）エネルギーを蓄積しないまたは解放しないように動作することができる。この非弾性状態では、入力部材１３８ａは出力部材１３８ｂに対して「フリースイング（自由揺動）」状態にあり、これは、準受動的弾性アクチュエータ１３４を介してクラッチ式関節モジュール１３０内に無視できる抵抗が加えられていることを意味する（この場合、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、出力部材１３８ｂに対して入力部材１３８ａの回転を制限する剛性値を有さない）。クラッチ機構１３６はまた、係合状態または半係合状態から非係合状態に移り、蓄えられたエネルギーを消散させることができる（すなわち、制動力がもはや必要でなくなった場合等に、発生した制動力を消散させる）。この場合、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、クラッチ機構１３６の作動により、弾性状態と半弾性状態と非弾性状態との間で選択的に切り替えを行うことができる。このような態様の１つの利点としては、選択された時間に、準受動的弾性アクチュエータ１３４が、モータ１３３によって加えられる一次トルクと並行に増大トルクを印加させることができることであり、これらを足し合わせたトルクが出力部材１３８ｂに印加され、それによって一次アクチュエータ１３２の電力要求／需要低減させることができる。増大されたトルクにより、選択されたモータ１３３は、準受動的弾性アクチュエータ１３４が印加する増大トルクがない場合にロボットシステムが必要とするよりも、小さいサイズおよびより低い電力損失となる。
【００８９】
本明細書において、「選択的」とは、クラッチ式関節モジュールをリアルタイムで制御することができることを意味し、例えば、異なる動作条件、動作状態、ロボットシステムの異なる要求に応じてまたはオペレータが所望するように、制動力の大きさおよびタイミングを変更する、準受動的アクチュエータの弾性要素の圧縮の大きさおよびタイミングを変更する、または、一次アクチュエータによって生成される一次トルクの大きさおよびタイミングを変更することができることを指す。選択的制御とは、期間の全部もしくは一部または所望の期間、準受動的弾性アクチュエータが一次アクチュエータと連動して動作可能であることを意味し得る。更に、「選択的」とは、例において、クラッチ式関節モジュールの一つもしくは複数の動作パラメータまたは出力性能を、必要または所望に応じてリアルタイムで制御および変更することができることを意味し得る。動作パラメータまたは出力性能には、これらに限定されないが、例えば、印加される増大トルクの大きさ、生成された制動力の大きさ、弾性アクチュエータの剛性または弾性、弾性アクチュエータの作動のゼロ点またはヌルポイント等が含まれ得る。
【００９０】
幾つかの例では、「半係合」とは、クラッチ機構が係合しているが完全には係合していないことを意味し、例えば、クラッチ機構内で幾分かの滑りが生じている（すなわち、クラッチ機構が剛性系として作用しないように、当該クラッチ機構を介したクラッチの入力からクラッチの出力への力の伝達率が１：１未満となる）。例えば、入力プレートおよび出力プレートのような複数のプレートを有するクラッチ機構の場合、半係合状態とは、複数のプレートがある程度一緒に圧縮されるのに十分な圧縮力を受けているが当該複数のプレート間である程度の相対的な移動（すなわち、滑り）が生じていることを意味し（すなわち、それらが一緒に回転するといったように完全にロックされているわけではなく、プレート間の動きが完全に制限されていない）、プレート間に摩擦力（例えば、使用可能な制動力）が生成される。本明細書で使用される「係合状態」とは半係合状態も含む。なぜなら、半係合状態とは、クラッチ機構が少なくとも部分的に係合された状態を意味する。すなわち、滑り量、つまり制動力（または増強されたトルク）の量が制御可能である状態のクラッチ機構を意味し、また、クラッチ機構が、制動力が無視できる程度である非係合状態とクラッチが固い接続部材として機能するような完全係合状態との間で変化可能である状態を意味する。
【００９１】
準受動的アクチュエータが「半弾性状態」またはそのような動作モードに入る例では、準受動的弾性アクチュエータを作動させて、準受動的弾性アクチュエータの弾性部品またはばねを部分的に圧縮すると、準受動的弾性アクチュエータが完全に弾性状態である場合に達成されるであろうエネルギーよりも少ない量のエネルギーを蓄積するおよび解放可能となる、または、そのような大きさの制動力を発生させることが可能になる。別の言い方をすれば、「半弾性」とは、関節の回転によるエネルギーまたは力の１：１未満の伝達が、入力部材と出力部材との間に結合された準受動的弾性アクチュエータにある状態を意味する（例えば、クラッチ機構が半係合状態にあるため）。本明細書で使用される「半弾性」とは、準受動的弾性アクチュエータの弾性部品に固有の弾性特性（すなわち、弾性）を指すことを意図しておらず、単に当該弾性部品の圧縮の程度を意味する。
【００９２】
一例では、モータ１３３は高性能永久磁石ブラシレスＤＣモータ（ＰＭ−ＢＬＤＣ）であってもよく、これは、４８ＶＤＣ電源および高性能ＣＯＴＳコントローラを使用して動作すると共に、所望の最大トルクおよび速度を達成するように巻線が最適化されたフレームレストルクモータの変形であってもよく、例えば、Ａｌｌｉｅｄ  Ｍｏｔｉｏｎ社の電気モータＭＦ０１２７−０３２を使用してもよい。
【００９３】
図５Ｂに示すように、モータ１３３は互いに対して回転可能なステータ１４２およびロータ１４４を備えることができる（市販のフレームレスブラシレスモータの場合の典型的な様式）。この場合、一次アクチュエータ１３２のモータ１３３は、ロータ１４４の中央領域の周りに円筒状の空隙１４６を有する。有利なことに、第１遊星歯車変速機１４８は、図示および説明するように、モータ１３３の円筒形空隙１４６内に（少なくとも部分的に）配置されて、第１遊星歯車変速機１４８とモータ１３３とが一緒にパッケージングされる時に、薄型でコンパクトな歯車付きモータ構成を提供することができる。
【００９４】
この例では、第１遊星歯車変速機１４８は、４：１歯車変速機を含んでもよい。この場合、一例では、第１遊星歯車変速機１４８は、外側ハウジング１５０の開口１５２を通る締結具（図示せず）を介してロータ１４４に取り付けられた外側ハウジング１５０を備えてもよい。外側ハウジング１５０は、外側ハウジング１５０の内側表面の周りに形成されたギア内歯１５６を有してもよい。このような歯車の歯１５６は、第１遊星歯車変速機１４８の４つの遊星歯車１５８それぞれの対応する歯車歯に係合するように構成することができる。太陽歯車１６０は４つの遊星歯車１５８の間の中心に回転軸１４０に沿って配置され、太陽歯車１６０は４つの遊星歯車１８８（図５Ｃ参照）それぞれの歯に係合する歯を有する。
【００９５】
図５Ｃに示すように、遊星歯車１５８は、自身の中心軸周りに且つ太陽歯車１６０の周りを回転する。キャリアプレート１６２は、締結具１６６を介して４つのキャリアピン１６４に固定することができる。遊星歯車１５８はそれぞれ、各遊星歯車１５８の中空体を通してそれぞれのキャリアピン（キャリアピン１６４を参照）を回転可能に受容する管状の中空体を含んでもよい。遊星歯車１５８はそれぞれ、前ブッシング１６８ａおよび後ブッシング１６８ｂを介して対応するキャリアピン１６４に回転可能に結合されてもよい。伝達ホイール（ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｗｈｅｅｌ）１６５を周縁ファスナ１６７を介してロータ１４４に固定してもよく、伝達ホイール１６５は太陽歯車１６０に結合される中央連結部分１６９を備えることができる。（例えば、クラッチ式関節モジュールを回転させるように動作可能なコントローラから）一次制御信号を受信すると、モータ１３３はロータ１４４を回転軸１４０周りに回転させ、これにより伝達ホイール１６５が回転して太陽歯車１６０を回転させ、遊星歯車１５８が回転する。伝達ホイール１６５は、図５Ｂおよび図５Ｄにのみ示されている。
【００９６】
遊星歯車１５８は、第２遊星歯車変速機１７０を駆動するように構成することができる。具体的には、遊星歯車１５８はキャリアピン１６４を介して第２遊星歯車変速機１７０の補助太陽歯車１７２に結合されてもよい。この場合、補助太陽歯車１７２が回転すると、遊星歯車１７４が回転して（図５Ｂ）、キャリア１７６（図５Ｄ）を回転させる（すなわち、第２遊星歯車変速機１７０の出力）。したがって、第２遊星歯車変速機１７０の外輪１７８は、支持ハウジングまたは支持フレーム（図示せず）を介してモータ１３３に連結することができる固定部材を有する。キャリア１７６の回転により出力部材１３８ｂが回転するように、キャリア１７６を出力部材１３８ｂに結合することができる。
【００９７】
米国特許出願（代理人整理番号４０００−１６．１１１３．ＵＳ．ＮＰ）の図５Ａに示されるようなサポートフレーム使用して、本開示の一次アクチュエータ１３２、第２遊星歯車変速機１７０およびクラッチ機構１３６を同様な態様で収容し構造的に支持するのに利用することができる。
【００９８】
第２遊星歯車変速機１７０のような遊星型および他のタイプの変速機は公知であり、市販されている。クラッチ式関節モジュールに組み込むことができる遊星歯車変速機のこのような一例としては、重量５００ｇ、１１８Ｎ−ｍピークトルクを有する２．９５インチの外径を有する４：１歯車装置であるマテックス社の７５−４ＭＬＧ１２遊星歯車変速機が挙げられる。変速機を設けることの別の利点は、一例では、変速機（例えば、１４８、１７０）をモータ１３３の回転軸１４０と（および結果として関節モジュール１３０とも）同一直線または共線上に位置させることができるということであり、コンパクトな取り付け構成を可能にする。他の例では、変速機が一次アクチュエータで動作可能な状態で、クラッチ式関節モジュールの１つ以上の他の構成要素からずらして変速機を位置させることができる。
【００９９】
図５Ｄに示すように、出力部材１３８ｂは、キャリア１７６の回転によって出力部材１３８ｂが回転軸１４０周りに回転するようにキャリア１７６の中央部分に取り付けられたシャフトであってもよい。その他の出力部材の構成が可能であり考えられることから、出力部材を上記に限定することを意図しておらず、また、どのようにキャリア１７６とインターフェースし結合されるかについても限定するものではない。これは、４：１ギアダウン変速機構（第１遊星歯車変速機１４８の出力回転から出力部材１３８ｂの出力回転まで）を提供する。したがって、この例では、モータ１３３から出力部材１３８ｂへの１６：１の最終駆動となる変速機を提供する。３：１遊星歯車機構のような４：１変速機の代わりに、他のタイプの遊星歯車変速機および歯車減速機構を使用することができる。出力部材１３８ｂは、概して固体のシャフトとして示されているが、例えば、第２遊星歯車変速機１７０およびロボット支持部材と相互作用するための他の適切な形態および構成を取ることができる。
【０１００】
組立て高さを低減するためにおよび他の利点を得るべく、第１遊星歯車変速機１４８を、モータ１３３のロータの内側に配置するように構成することができる。選択されたモータに応じて、ロータの内径により遊星歯車変速機の最大外径が決まってもよい。遊星リングが外径によって制約を受ける場合、利用可能なギア比および出力トルクの選択肢が限られる。出力比は、外輪歯車の歯数と太陽歯車の歯数との比から求められる。コンパクトな設計の遊星歯車装置においてより高い減速を得るためには、太陽歯車の直径を減少させてもよく、これは通常、動力伝達がより少ないことに対応する。太陽歯車が小さくなると、高いトルクを伝達する能力が低下する。モータのロータの内部に物理的に嵌る遊星歯車ユニットの場合、減速と強度のバランスを考慮してもよい。ヘリカルカットギアを採用することにより、より大きな力を歯車の歯に伝達することができ、遊星歯車ユニットをより強くすることができる。歯の幅が広いほど歯車の耐荷重能力が向上するが、重量も増加してしまう。遊星歯車変速機を複数段、カスケード接続して（例えば、１４８および１７０）、比較的コンパクトなパッケージで非常に高い減速比を生成可能である。更に、太陽歯車を幾つかの歯と同時に接触するように構成することができ、接触比は従来の平歯車減速機よりもはるかに高くなる。幾つかの例では、単一段の遊星歯車減速機は約９７％の効率を達成することができる。より高いＲＰＭでは、特に多段遊星歯車ユニットの場合、歯車ノイズが問題となり得る。遊星歯車の別の利点として、減速機をモータと同一直線上に配置することができることが挙げられ、ロボットまたはロボットアセンブリの関節モジュール内にコンパクトに取り付ける構成を可能にする。
【０１０１】
また、モータ１３３、第１遊星歯車変速機１４８，および第２遊星歯車変速機１７０、ならびに出力部材１３８ｂはそれぞれ、クラッチ式関節モジュール１３０の回転軸１４０と実質的に同じ回転軸（すなわち、ロボットまたはロボットアセンブリの対応する関節の回転軸）周りに動作または回転可能であり、場合によっては、外骨格内のオペレータ（操作者）のような人間の関節の回転軸にも対応し得る。言い換えれば、モータ１３３、第１遊星歯車変速機１４８、第２遊星歯車変速機１７０および出力シャフト１３８ｂの各回転軸は、回転軸１４０と同一直線上または実質的に同一線上に配置され得る。これにより、これら構成要素の質量を特定の関節の回転軸に隣接または近接させることができ、関節を作動させるためにモータ１３３が必要とする電力を更に低減することができる。
【０１０２】
図５Ａ〜図５Ｅに示す例では、遊星歯車変速機１４８はモータの空隙１４６内に収容されることからコンパクトな形態であり、モータ１３３ならびに第１および第２遊星歯車変速機１４８，１７０のカスケード構成が全て、回転軸１４０に沿って配置され、回転軸１４０を中心にまたはその周りで動作することから、出力部材１３８ｂは遊星歯車変速機１４８および１７０を介して非常に少ないノイズおよびバックラッシュで比較的低速かつ高いトルクを加えることができる。
【０１０３】
図５Ｂ〜図５Ｅを参照して上述したように、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、一次アクチュエータ１３２によって加えられるトルクと共に、増大させたトルクを印加して出力部材１３８ｂを回転させることができる、または、クラッチ式関節モジュール内に制動力を発生させることができる。一例では、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、ハウジング１８０と、ハウジング１８０に結合されたロボット支持部材インターフェース１８２とを備える線形空気ばねであってもよく、ロボット支持部材インターフェース１８２は、ロボットまたはロボットアセンブリ（例えば、図４Ｃの１０５ｆ）の肢内の関節の一部としてロボット支持部材に旋回可能に結合可能である。ロボット支持部材インターフェース１８２は、ハウジング１８０をそのようなロボット支持部材に結合することができる１つまたは２つの軸受、締結部材または他の連結装置であり得る。
【０１０４】
準受動的弾性アクチュエータ１３４は、一端がクラッチ機構１３６の連結部１９５に枢動可能に連結されたピストンロッド１８４を備えてもよい。一方、ピストンロッド１８４は、ハウジング１８０内に摺動可能に支持されたピストンシリンダ１８６に結合されてもよい。したがって、ハウジング１８０は、ピストンシリンダ１８６に隣接するまたはピストンシリンダ１８６上方に配置される圧縮ガスチャンバ１８８と、ピストンシリンダに隣接するまたはピストンシリンダ１８６下方に配置される膨張チャンバとを備えることができ、これらはピストンシリンダ１８６によって密封される。図示されているように、ピストンロッド１８４は、回転軸１４０に対して偏心してクラッチ機構１３６に枢動可能に連結されている。したがって、以下で更に詳細に説明するように、クラッチ機構１３６を係合または半係合として、準受動的アクチュエータ１３４を弾性または半弾性状態にすると、ロボット支持部材（例えば、図４Ｃの１０５ｆ）が動くと同時に、例えばハウジング１８０を下に移動させることができる。それによりハウジング１８０内でピストンシリンダ１８６が上方に移動され、ガス圧縮チャンバ１８８内のガスが圧縮されて、準受動的弾性アクチュエータ１３４にエネルギーを蓄積することができる。この動作は、制動力を生成するためにも利用することができる（すなわち、弾性要素の圧縮は、入力部材に対する出力部材の移動を制限するために利用され得る力を生成する）。蓄えられたエネルギーは、制動力として使用することなく、（クラッチ機構１３６を非係合とすることによって）増大トルクを印加することもなく、または、本明細書で説明したように（クラッチ機構１３６を少なくとも部分的に係合させる状態とすることによって）モータ１３３による一次トルクと組み合わせることができる増大されたトルクを印加するべくエネルギー解放することなく、いつでも放散可能である。図５Ｂに示されている準受動的弾性アクチュエータ１３４は概略的に図示されており、ガス圧力エネルギーを適切に圧縮および解放するための公知の線形空気ばねアクチュエータの他の様々な特徴を有することができる。更に、以下に示すように、空気圧弾性要素または液体弾性要素を備える準受動的弾性アクチュエータ、機械的弾性要素を備える準受動的弾性アクチュエータなど、他のタイプの準受動的弾性アクチュエータを組み込むことができる。
【０１０５】
一般に、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、クラッチ機構１３６の動作を介して弾性構成または弾性状態（半弾性構成または半弾性状態を含む）と非弾性構成または非弾性状態との間で切り替え可能であり、それにより準受動的弾性アクチュエータ１３４による増大トルクの印加を選択的に制御できる。一例では、図５Ｂ、図５Ｄおよび図５Ｅに示すように、クラッチ機構１３６は、締結具１９４を介して互いに結合された第１支持フレーム１９２ａおよび第２支持フレーム１９２ｂを含むクラッチハウジング１９０を有するマルチプレートクラッチ機構を備えてもよい。第１支持フレーム１９２ａおよび第２支持フレーム１９２ｂの各々は、出力部材１３８ｂ（図５Ｂ）を受け入れ通過させるための中央開口部を有する。複数の入力プレート１９６ａ（例えば合計４つ）がクラッチハウジング１９０によって保持される。すなわち、第１支持フレーム１９２ａは、クラッチハウジング１９０に対する入力プレート１９６ａの移動を制限するために、入力プレート１９６ａの各々の境界フランジ１９１を受け入れ保持する境界保持構造２０１（例えば、スロットまたは凹部）を備えることができる。複数の出力プレート１９６ｂ（例えば、合計４つ）は、隣接する入力プレート１９６ａと摺動可能にまたは摩擦的に面している（すなわち、隣接する入力プレート間に挟み込まれている）。出力プレート１９６ｂはそれぞれ、第１の支持フレーム１９２ａの湾曲した内面内に摺動可能に支持された曲面外周を有してもよい。各出力プレート１９６ｂは、出力部材１３８ｂ（図５Ｂおよび図５Ｄ）のスプライン部１９９に係合するスプライン付き中央開口部１９３を有してもよい。
【０１０６】
図５Ｄに示すように、アクチュエータ１９７は、クラッチ機構１３６を係合状態、半係合状態および非係合状態の間で切り換えるように動作可能である。一例では、アクチュエータ１９７は、入力プレート１９８ａおよび出力プレート１９８ｂに選択的であり可変的な力を印加可能なタイプのアクチュエータであってもよい。アクチュエータ１９７は、アクチュエータ１９７を介してクラッチ機構１３６の動作を制御するコンピュータシステムのコントローラ（有線または無線）と通信する受信機を有する電気モータを備えることができる。したがって、クラッチ制御信号を受信すると、アクチュエータ１９７は、出力プレート１９８ｂ間に配置された入力プレート１９６ａを圧縮して、入力部材１３８ａに対する出力部材１３８ｂの回転を制限することができる（後で更に詳細に説明する）。これは、入力プレート１９８ａがクラッチハウジング１９０に保持されることによって達成される。したがって、出力プレート１９８ｂが対応する入力プレート１９６ａの間で圧縮される時に、隣接する入力プレート１９８ａと出力プレート１９８ｂとの間の制動摩擦力により、入力プレート１９８ａに対する出力プレート１９６ｂの回転が抑制される。一態様では、クラッチ機構１３６が係合状態で動作している時、入力プレート１９８ａと出力プレート１９８ｂとの間の動きを完全に抑制することができる（すなわち、クラッチを完全に係合させることができる）。したがって、入力部材１３６ａが出力部材１３６ｂに対して回転するのが抑制され、入力部材１３６ａと出力部材１３６ｂとが同じ回転方向および速度で一緒に回転する（出力プレート１９８ｂが出力部材１３８ｂと係合するため）。別の態様では、クラッチ機構１３６が半係合状態で動作している場合、アクチュエータ１９７が入力プレート１９８ａおよび出力プレート１９８ｂに小さな圧縮力を加えることによって、入力プレート１９８ａと出力プレート１９８ｂとの間の動きが部分的に抑制されて、入力プレート１９８ａと出力プレート１９８ｂとの間である程度の動きが提供されるまたは発生する。係合または半係合状態では、クラッチ機構１３６および準受動的弾性アクチュエータ１３４はブレーキとして機能することができる、言い換えれば、関節モジュール内でエネルギーを消散するように動作可能な制動力を提供することができる、または、増大されたトルクを出力部材に印加する機能を有する。アクチュエータ１９７によって入力プレート１９８ａおよび出力プレート１９８ｂに加えられる圧縮力の程度または大きさは、アクチュエータ１９７によって生成され印加される力の量を制御または変化させることによってリアルタイムで動的に制御することができる。非係合状態では、クラッチ機構１３６が、入力プレート１９８ａと出力プレート１９８ｂとの間の動きを制限することを意図していない。
【０１０７】
より具体的には、アクチュエータ１９７は、プレートを一緒に圧縮するべく圧縮力を印加する時に、および、プレート間の圧縮力を取り除いて圧縮を解除する時に、二値デバイス（すなわち、クラッチがオン／係合またはオフ／非係合のいずれか）として構成および制御され得る。あるいは、アクチュエータ１９７をアナログ装置として構成および制御することができる。すなわち、アクチュエータ１９７によって可変力を印加することによりプレートを様々な程度に圧縮して制動力を生成し、徐々にエネルギーを蓄える、または、減衰させるもしくは制動させる目的でより制御された態様で蓄積されたエネルギーを消散／解放させる（すなわち、クラッチ機構１３６は半係合状態にあり、準受動的弾性アクチュエータ１３４は半弾性状態にある）。一動作例では、クラッチ機構１３６は、準受動的弾性アクチュエータ１３４が少なくとも部分的にエネルギーを蓄積するように、完全に係合または半係合としてもよい。この蓄えられたエネルギーを、出力部材の回転を制限する制動力を生成するように活用することができる（例えば、一次アクチュエータが非作動であり、一次トルクを生成しないが重力の影響下で関節を回転させることが望ましいまたは必要な場合（例えば、重力の影響下で関節を回転させる、もしくは、ロボットシステムに何らかの外部力が印加されたことに応答して関節を回転させる））、または、蓄えられたエネルギーを一次アクチュエータを補助するべく増大されたトルクとして解放してもよい。更に、増大トルクとしてエネルギーが解放される場合、準受動的弾性アクチュエータ１３４が弾性状態または半弾性状態でエネルギーを解放している時（例えば、立脚伸長の間）に、プレートをわずかに圧縮してプレートの周りに徐々に「制動力」を生じさせるようにアクチュエータ１９７を作動させるまたは動かすことができ、増大トルクを制御された段階的な方法で放出または印加することができる。これは、作動の初期段階において、ロボットシステム内で関節を過度の速度で早期に作動させすぎる可能性（外骨格の場合、操作者に不快感を与える可能性があり、外骨格肢の所望の流体的／自然な動きを妨害する可能性がある）があるトルクが印加される確率を減少させる。これはロボットシステムの負荷を下げる時に有用であり、ロボットシステムの１つ以上のクラッチ式関節モジュールのプレートによって加えられる制動力の量を制御することによって、制御された態様で負荷を下げることが望ましい場合に有用である。外骨格の場合にも、外骨格を着用しているオペレータが負荷を拾う際に臥床位置から移動する時に有用であり、この時、立脚伸長はよりゆっくりとまたは慎重に制御される必要がある。このような場合、クラッチ式股関節および／または膝関節モジュールのクラッチのプレートは、関連する準受動的弾性アクチュエータによって解放された蓄積エネルギーを制御可能な態様で消散させるブレーキとして制御され得る。
【０１０８】
更に説明すると、クラッチ機構１３６の複数のプレート構成はブレーキとして機能させることができる。これは、入力プレート１９８ａおよび出力プレート１９８ｂに加えられる圧縮力を制御することによって達成され、この場合、有益なエネルギー節約動作モードを提供できる。例えば、制動力を制御することにより、制動力と一次アクチュエータによって印加されるトルクとを同時に制御する（場合によってはゼロとすることができる）ことにより、ロボットシステムが重力を受けて負荷の位置を下げるようにさせることができ、効率的な動作モードを提供できる。また、制御された制動を、準受動的弾性アクチュエータの弾性部品にエネルギーを蓄積させるために利用してもよい。例えば、外骨格のオペレータは、スクワットの姿勢になる時に、自身の体重の一部を外骨格で支えさせることによって、スクワットの姿勢になるまで自分自身の位置を下げることができる。この過程において、制動力を制御することによってトルクを制御しながら、準受動的弾性アクチュエータにエネルギーを蓄えることができる。次いで、ロボット装置が起立位置に移動する時にエネルギーの少なくとも一部が回収され、必要であれば、準受動的弾性アクチュエータによって生成されたトルクと組み合わされる一次アクチュエータによって更なるトルクが供給されてもよい。後者の例では、クラッチ機構１３６を、ブレーキとしてもしくはクラッチとしてまたはその両方として使用することができる。
【０１０９】
クラッチ機構１３６が係合または半係合状態にある時、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、それぞれ弾性状態および半弾性状態で動作可能であり、入力部材１３６ａが出力部材１３６ｂに対して移動した時にエネルギーを蓄積または解放する。反対に、クラッチ制御信号を受信すると、アクチュエータ１９７はクラッチ機構１３６を非係合状態にするように動作させることができる。すなわち、アクチュエータ１９７は、プレートからの圧縮力および圧力を除去または解放するように動作し、それによって入力プレート１９８ａおよび出力プレート１９８ｂが互いに対して自由に回転することを可能にする。これにより、出力部材１３８ｂに対する入力部材１３８ａの「自由な」回転が可能となり、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、当該準受動的弾性アクチュエータ１３４がエネルギーを蓄積も解放もしない非弾性構成となるが、関節モジュールの動作に顕著な衝撃または影響を及ぼさない（「自由揺動（フリースイング）」モード）ことから、受動的に機能していると言える。この場合、クラッチ機構１３６が非係合状態の時に、この「自由揺動」モードでは準受動的弾性アクチュエータ１３４は無視できる程度の抵抗しか及ぼさず、入力部材１３８ａおよび出力部材１３８ｂは最小限の抵抗で互いに自由に回転することができる。
【０１１０】
図５Ｄでは、アクチュエータ１９７は概して、クラッチ機構１３６の一部として動作可能なボックスとして図示されている。これは、当業者が多くの形態および構成をとることができると認識しているアクチュエータを概略的に示すためである。例えば、アクチュエータ１９７は、入力プレート１９６ｂに対して付勢または圧縮力を及ぼす可動部材を有する電気モータを備えることができ、可動部材は当該電気モータによって作動可能である。可動部材としては、例えば、回転可能なカム部材、傾斜したリング部材またはその他の好適な可動部材が挙げられる。プレート１９８ａおよび１９８ｂを一緒に圧縮して、それらの間の相対運動を部分的にまたは完全に制限するとともに、それらの伸長を容易にして圧縮力を除去することができる。他の例では、アクチュエータ１９７は、圧電アクチュエータ、誘電アクチュエータ、電磁アクチュエータまたは他の同様な低電力アクチュエータであってもよい。この場合、アクチュエータ１９７にコントローラからクラッチ制御信号が送信されると、アクチュエータ１９７が作動されて、プレート１９８ａ、１９８ｂに圧縮力が印加される（または取り除かれる）。別の例では、（アクチュエータ１９７の電気モータによって作動可能な）可動部材は、プレート１９８ａ、１９８ｂの集合体の両側に加力装置を備えてもよく（自転車ディスクブレーキに見られるものと幾分類似）、アクチュエータ１９７が作動すると、プレート１９８ａ、１９８ｂの集合体の両側から当該集合体に圧縮力が加えられて、プレートの摩耗を減少させるのを助けることができる。一態様では、プレート１９８ａ、１９８ｂは、テフロン（登録商標）含浸アルミニウム、複合材、プラスチック、ポリマー、特定の金属などから形成することができる。
【０１１１】
したがって、出力部材１３８ｂに対する入力部材１３８ａの第１の回転時に、クラッチ機構１３６が係合された時に（すなわち、プレート１９８ａおよび１９８ｂが圧縮されている時）準受動的弾性アクチュエータ１３４は、（上述したように）エネルギーを蓄積する。このような回転運動は、第１のロボット支持部材（例えば１０４ｅ）を第２のロボット支持部材（例えば、１０４ｄ）の周りで回転させる歩行運動（例えば、１つ以上のクラッチ式関節モジュールを備える下半身外骨格）の結果生じてもよく、例えば、図２の点Ｂから点Ｃまでの間の歩行サイクルの間に生じる。第２の回転（例えば、図２の点ＡからＢの間で１０４ｅおよび１０４ｄ）になると、クラッチ機構１３６が係合状態または半係合状態で制御／維持される時に、準受動的弾性アクチュエータ１３４は蓄積したエネルギーを解放してもよく、上記したように、出力部材１３６ｂの回転を補助するべく、一次アクチュエータからの一次トルクを組み合わせて増大トルクを印加するのを容易にする。第１の回転および第２の回転は、同じ方向または異なる方向にすることができる。
【０１１２】
同時に（および出力部材１３８ｂに対する入力部材１３８ａの第２の回転時に）、一次アクチュエータ１３２を作動させて（準受動的弾性アクチュエータ１３４の増大したトルクと共に）一次トルクを印加して、出力部材１３８ｂを回転軸１４０周りに回転させ、クラッチ式関節モジュール１３０を作動させてもよい。一次アクチュエータ１３２によって印加されたトルクは、準受動的弾性アクチュエータ１３０を介して蓄積／回収されたエネルギーを解放することによって加えられるトルクが補充されるので、電気モータ１３２を、準受動的弾性アクチュエータを使用しない場合に採用される等価なロボットアセンブリで必要なモータよりも小さいモータ（例えば、より少ない電力消費の）のグループから選択することができ、モジュール１３０をコンパクトな構成にすることができる。
【０１１３】
出力部材１３８ｂに対する入力部材１３８ａの第３の回転時のような選択された時間（例えば、図２の点Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＡに沿った１０４ｅおよび１０４ｄ）に、クラッチ機構１３６を非係合状態（すなわち、アクチュエータ１９７が圧縮力を解放する）へと切り替えて、出力プレート１９８ｂが入力プレート１９８ａに対して自由に回転可能にすることができる。その結果、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、出力部材１３８ｂに対する入力部材１３８ａの回転時にエネルギーを蓄積も解放もしない（非弾性構成）。この非弾性構成では、入力部材１３８ａは出力部材１３８ｂに対して「自由揺動（フリースイング）」状態にあり、これは、準受動的弾性アクチュエータ１３４を介して無視できる程度のわずかな抵抗が加えられていることを意味する（したがって、アクチュエータ１３４は、出力部材１３８ｂに対して入力部材１３８ａの回転を制限する剛性値を有さない）。このようにして準受動的弾性アクチュエータ１３４は、クラッチ機構１３６の動作を介して弾性構成または弾性状態、半弾性構成または半弾性状態、および非弾性構成または非弾性状態の間で切り替え可能である。すなわち、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、一次アクチュエータ１３２によって加えられるトルク（すなわち、一次トルク）と並行に増大トルクを印加することにより出力部材１３８ｂを回転させるための合成トルクを印加するか、または、準受動的弾性アクチュエータ１３４がエネルギーを蓄積も放出もせず一次アクチュエータ１３２による一次トルクも準受動的弾性アクチュエータ１３４からのトルクによって増大されないといったように受動的に機能する。
【０１１４】
出力部材１３８ｂに対する（例えば、ロボット関節の）入力部材１３８ａのそのような第１、第２および第３の回転運動のそれぞれについて、関節モジュール１３０に関連付けられたおよび／または結合された一つまたは複数の位置センサおよび／または力センサ１９９（図５Ｄ）により、関節モジュール１３０の回転に関する方向、速度および／または力を検出してもよい。関節モジュール１３０のフレーム支持部、入力部材１３８ａおよび／または出力部材１３８ｂ、伝達ホイール１６５および／または関節の他の適切な位置など、関節モジュール１３０の様々な位置に一つまたは複数のセンサを接続することができる。一例では、特定の位置センサ（例えば、ホール効果センサ）は、入力部材１３８ａの相対位置を検出することができ、（上述した）第２の回転時に、位置センサは、位置信号をＣＰＵを備えるコンピュータシステムに送信し、当該コンピュータは位置信号を処理した後、最終的に、（例えば）クラッチアクチュエータ１９７にクラッチ機構１３６を係合状態とさせる（または、係合状態を維持させる）適切なクラッチ信号をクラッチアクチュエータ１９７に送信する。および／または、本明細書で更に説明するように、一次トルクをモータ１３３に印加させるような一次アクチュエータ信号を送信する。
【０１１５】
クラッチ式関節モジュール１３０（図４Ａ）が外骨格の腕の肩関節（例えば、１０９ｆ）として組み込まれる例では、外骨格を装着した人間のオペレータが２００ポンド（約９０．７ｋｇ）の荷物を持ち上げたいとする。オペレータがアームを下方に動かすと（例えば、肩関節の「第１の回転」）、クラッチ機構１３６が係合状態に制御され、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、エネルギーを蓄積する（ロボットアームに作用する重力も、腕を下げるのを補助し、それにより準受動的弾性アクチュエータ１３４にエネルギーを蓄積することもできる）。次いで、操作者が荷物を掴み取り持ち上げを開始すると（すなわち、肩関節の「第２の回転」）、クラッチ機構１３６が係合状態に維持され、準受動的弾性アクチュエータ１３４は蓄積したエネルギーを解放して、増大させたトルクを印加することにより肩関節モジュールを作動させて荷物を持ち上げるのを容易にする。同時に、一次制御信号をモータ１３３が受信し、モータ１３３が一次トルクを印加することができる。増大トルクと一次トルクが共に作用して、肩関節モジュールを作動させて荷物を持ち上げる。そして、荷物を離す時には、クラッチ機構１３６を非係合状態へと制御する／切り替えてもよく、準受動的弾性アクチュエータ１３４周りに存在するばねの剛性を除去して、関節を自由揺動モードにし、オペレータは最小限の労力で（例えば、重力を利用して）アームを所望の位置に下げることができる。
【０１１６】
準受動的弾性アクチュエータ１３４のばね剛性（および図６Ａの２０４および図６Ｃの２０５）は、チャンバの幾何学的形状および気体圧力の充填の関数、ならびに、アセンブリの他の部分の形状の関数であることに留意されたい。したがって、所与の関節モジュールの剛性の大きさは、ミッション毎に異なる荷重および地形によって異なる歩様に合わせて調整可能であり、クラッチ機構は、歩行サイクルの支持期間にエネルギーを回収すべくその剛性が係合状態となる時（弾性構成）と、自由揺動期間の間に剛性を非係合とする時（非弾性構成）とを正確に決定する。例えば、圧縮チャンバ１８８の容積は、ガス密度と共に、特定の容積から選択することができる。また、特定の関節位置によって、選択される剛性値の大きさを決めてもよい。例えば、膝関節のチャージ圧および関節速度は股関節が必要とするそれよりもかなり大きく、肘関節のチャージ圧は肩関節のチャージ圧よりも低くなり得る。この場合、チャンバ１８８は所望のガス圧でプリチャージされ、特定の用途および関節の外骨格上の位置によって決まる選択された剛性値を設定することができる。これは、外骨格上の関節の位置および／または特定の関節が可能な作業といった特定の用途に応じて、プリチャージ圧は０ｐｓｉから１５００ｐｓｉまたはそれ以上の値である。更に、この剛性値は、プリチャージ圧の量を変更することによって変更可能である。
【０１１７】
クラッチ式関節モジュール１３０の別の構成例では、準受動的弾性アクチュエータ１３４は必要に応じて設けられてもよい（すなわち、クラッチ式関節モジュール１３０に含まれない、クラッチ式関節モジュール１３０の一部を構成しない、または、準受動的弾性アクチュエータなしでクラッチ式関節モジュール１３０が構成される）。例えば、関節（例えば、手首の回転または肩の外転／内転に関連する関節）は、能動的なアクチュエータのみを使用し（すなわち、本明細書で論じられるような一次アクチュエータ、しかしながら、「一次」という用語は別のトルク生成要素が存在することを暗に意味する）、弾性要素を使用しなくてもよい。したがって、入力部材（例えば、ロボット支持部材）を、準受動的弾性アクチュエータではなく、クラッチハウジング１９０に中心から外れた位置（例えば、連結部１９５）において直接連結することができる。この構成では、クラッチ機構１３６は依然として、係合状態、半係合状態および非係合状態の間で選択的に動作可能であり、入力部材１３８ａおよび出力部材１３８ｂ間の動きを制御することができる。一態様では、クラッチ機構１３６は、出力部材１３８ａおよび入力部材１３８ｂ間の動きを制限するように係合または半係合することができ、モータ１３３による出力部材への一次トルクの付与を容易にする。別の態様では、クラッチ機構１３６を非係合状態として、入力部材１３８ａと出力部材１３８ｂとの間の関節の自由揺動を提供することができる。この例における構成を説明すると、ある動作シナリオでは、準受動的弾性アクチュエータなしで動作するクラッチ式関節モジュールを用いる。クラッチ式関節モジュール１３０に一次トルクが印加されないが（すなわち、一次アクチュエータは非アクティブ状態であるまたは駆動されない）、クラッチ機構１３６は係合状態または半係合状態で動作されて、クラッチ式関節モジュール１３０の入力部材１３８ａと出力部材１３８ｂとの間の相対回転をある程度制限するのに使用可能な制動力を発生させることができる。別の動作シナリオでは、準受動的弾性アクチュエータを用いずに動作するクラッチ式関節モジュール１３０を再び使用する。出力部材１３８ｂに一次トルクを加えて関節を回転させる場合、クラッチ機構１３６は係合状態または半係合状態で動作して、クラッチ機構１３６のプレートを選択的且つ可変に圧縮することによって制御された態様で出力部材１３８ｂへ一次トルクを印加することができる。これらの２つの動作シナリオでは、クラッチ式関節モジュール１３０における選択能力、すなわち、クラッチ式関節モジュール１３０を一次トルクを印加するためのクラッチとして、または、回転を制限するためのブレーキとして機能させるという能力を例示した。
【０１１８】
図６Ａ〜図６Ｇは、ロボットアセンブリ（例えば、１００，１０１）の任意の適切なロボット関節に組み込むことができる、本開示の一例によるクラッチ式関節モジュール２００の様々な態様が示されている。クラッチ式関節モジュール２００は、多くの点において、図５Ａ〜図５Ｅに示されたクラッチ式関節モジュール１３０と同様である。したがって、当業者には理解できるように、様々なクラッチ式関節モジュール１３０および２００が同じまたは類似の要素を含む、または、同じまたは類似の方法で実行されることから、上述の説明を本例で適用することができる。例えば、クラッチ式関節モジュール２００は、準受動的弾性アクチュエータを用いずに構成することができる（すなわち、準受動的弾性アクチュエータ２０４は任意である）。
【０１１９】
一例において、クラッチ式関節モジュール２００は、動作可能に互いに接続され、それぞれが回転軸２１０に沿って配置または位置決めされたおよび回転軸２１０周りに動作可能とされた、一次アクチュエータ２０２、必要に応じて設けられる準受動的弾性アクチュエータ２０４およびクラッチ機構２０６を備えることができる。以下で更に詳細に説明するように、入力部材２０８ａおよび出力部材２０８ｂは、ロボットアセンブリの対応する支持部材に直接的または間接的に結合してもよい。これら支持部材は、ロボットアセンブリの関節に対応して、回転軸２１０の周りで互いに対して回転可能であり、例えば、屈曲／伸展の自由度を有する肩関節として図４Ｃのクラッチ式関節モジュール１０９ｆに関連付けられた関節１０７ｆのように、最終的には人間の関節の自由度の回転軸に対応する。
【０１２０】
一次アクチュエータ２０２は、モータ２１２と、例えば、第１の遊星変速機２１４である変速機とを備えてもよい。必要に応じて、第２遊星歯車変速機２１６のような第２の変速機を第１遊星歯車変速機２１４に連結することができる。モータ２１２は、回転軸２１０を中心に回転するように出力部材２０８ｂに一次トルクを印加するように動作可能である。準受動的弾性アクチュエータ２０４（例えば、準受動的リニア空気圧式弾性アクチュエータ）は、上述した準受動的弾性アクチュエータ１３４と同様に選択的に動作可能であり、モータ２１２によって印加される一次トルクと共に出力部材２０８ｂに増大トルクを加える、または、制動力を生成および印加するように作動する。クラッチ機構２０６は、本明細書で説明するように、増大されたトルクまたは制動力の何れかを印加するように選択的に制御可能である。
【０１２１】
準受動的弾性アクチュエータ２０４を含むクラッチ式関節モジュール２００を備える構成の一例では、クラッチ機構２０６は、準受動的弾性アクチュエータ２０４および制動力の発生または増強トルクの印加を選択的に制御可能である。ある動作シナリオ（例えば、一次トルクを生成するべく一次アクチュエータ２１２がアクティブである、または、非アクティブであるが関節の回転が所望されるシナリオ）では、制動力を生成して関節の回転を制限することができる、または、後述するように、出力部材２０８ｂおよび関節の回転を助けるべく一次トルクと組み合わせて増大されたトルクを生成および適用することができる。
【０１２２】
より具体的には、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、クラッチ機構２０６が係合または半係合とされた場合に、入力部材２０８ａの第１の回転時に（例えば、一次アクチュエータを使用して第１の回転が積極的に実行される、または、例えば、回転を誘発する他の外部から加えられた力の重力の影響下で関節を回転させるといった受動的な回転の実行時に）、エネルギーを蓄積するか制動力を生成するかを選択的に（弾性または半弾性構成またはモードまたは状態の時に）実行可能である。また、準受動的弾性アクチュエータ１３４は、一次アクチュエータ１３２、この場合には、モータ２１２によって印加される一次トルクと並行に出力部材２０８ｂに増大されたトルクを印加するべくクラッチ機構２０６が係合または半係合された場合に、入力部材２１０ａの第２の回転時に、選択的にエネルギーを（弾性もしくは半弾性構成、または、そのようなモード、状態の時に）解放することができる。準受動的弾性アクチュエータ２０４は更に、例えば、第３の回転時に、クラッチ機構２０６が選択的に非係合にされた場合に、関節の回転中に（非弾性構成、非弾性モードまたは非弾性状態にあるとき）エネルギーを蓄積しないまたは解放しないように動作可能である。この非弾性状態では、入力部材２０８ａは出力部材２０８ｂに対して「自由揺動」状態にあり、これは、準受動的弾性アクチュエータ２０４を介してクラッチ式関節モジュール２００内に無視できる程度のわずかな抵抗が加えられていることを意味する（したがって、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、出力部材２０８ｂに対して入力部材２０８ａの回転を制限する剛性値を有さない）。クラッチ機構２０６はまた、係合状態または半係合状態から非係合状態に移り、蓄えられたエネルギーを消散させることができる（すなわち、制動力がもはや必要でなくなった場合等に、発生した制動力を消散させる）。この場合、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、クラッチ機構２０６の作動により、弾性状態と半弾性状態と非弾性状態との間で選択的に切り替えを行うことができる。このような態様の１つの利点としては、選択された時間に、準受動的弾性アクチュエータ２０４が、モータ２１２によって加えられる一次トルクと並行に増大トルクを印加させることができることであり、これらを足し合わせたトルクが出力部材２０８ｂに印加され、それによって一次アクチュエータ２０２（例えば、モータ２１２）の電力要求／需要低減させることができる。増大トルクにより、選択されたモータ２１２は、準受動的弾性アクチュエータ２０４によって加えられるそのような増大トルクがない場合に等価なシステムが必要とするよりも小さいサイズおよびより低い電力損失となる。
【０１２３】
一例では、モータ２１２は、上述したものと同様の高性能永久磁石ブラシレスＤＣモータ（ＰＭ−ＢＬＤＣ）であってもよい。当業者には明らかなように、他の例では、実施例で説明し図示した電気モータは、適切な油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、または、一次アクチュエータとして機能するのに適した他の種類のアクチュエータまたはモータと置き換えることができる。そのような電気モータ並びに代替のモータおよび代替のアクチュエータは、同じ回転軸１４０に沿って回転させるために直列にまたは並列に配置することができる。特定の例では、一次アクチュエータは、第１遊星歯車変速機１４８（例えば、図５Ｂ参照）の伝達ホイール１６５または太陽歯車１６０を回転させて、増大されたトルクと共に一次トルクの印加を達成するように構成されてもよい。
【０１２４】
図６Ｃに示すように、モータ２１２は互いに対して回転可能なステータ２２０およびロータ２２２を備えることができる（市販のフレームレスブラシレスモータの場合の典型的な様式）。この場合、一次アクチュエータ２０２のモータ２１２は、ロータ２２２の中央領域の周りに円筒状の空隙２２４を有する。有利なことに、第１遊星歯車変速機２１４は、図示および説明するように、モータ２１２の円筒形空隙２２４内に（少なくとも部分的に）配置されて、第１遊星歯車変速機２１４とモータ２１２とが一緒にパッケージングされる時に、薄型でコンパクトな歯車付きモータ構成を提供することができる。伝達ホイール２２６は、締結具を介して移送ホイール２２６の外周の周りでロータ２２２に結合され、図５Ｂを参照して先に説明したように、第１遊星変速機２１４の太陽歯車２２１に連結される。
【０１２５】
モータ２１２、第１遊星歯車変速機２１４および第２遊星歯車変速機２１８ならびに伝達ホイール２２６は、図５Ａ〜図５Ｅを参照して説明した対応する構成要素と同じまたは類似であり、同一または類似の構成および機能を有することができる。したがって、図６Ａ〜図６Ｇのクラッチ式関節モジュール２００に関して、詳細には説明しない。
【０１２６】
しかしながら、図６Ｄおよび図６Ｅに示す構成から分かるように、ロータ２２２は伝達ホイール２２６を駆動／回転させ、伝達ホイール２２６は第１遊星歯車変速機２１４の太陽歯車２２１を駆動／回転させ、太陽歯車２２１は第２遊星歯車変速機２１８の太陽歯車２２３を駆動／回転させる。また、太陽歯車２２３は出力部材２０８ｂを駆動／回転させて、これにより、二段変速機駆動システムを介してモータ２１２から出力部材２０８ｂに一次トルクが伝達される。ここでは、１６：１のギヤードダウントルク出力を提供している。図５Ａ〜図５Ｅに示した場合と同様に、モータ２１２、第１および第２遊星歯車変速機２１４，２１８並びに出力部材２０８ｂはそれぞれ、クラッチ式関節モジュール２００の回転軸２１０とほぼ同じ回転軸周りに動作または回転してもよい。言い換えれば、モータ２１２、第１遊星歯車変速機２１４、第２遊星歯車変速機２１８および出力部材２０８ｂの各回転軸は、回転軸２１０と同一直線上または実質的に同一線上に配置され得る。
【０１２７】
米国特許出願（代理人整理番号４０００−１６．１１１３．ＵＳ．ＮＰ）の図５Ａに示されるようなサポートフレーム使用して、本開示の一次アクチュエータ２０２、第２遊星歯車変速機２１８およびクラッチ機構２０６を同様な態様で収容し構造的に支持するのに利用することができる。
【０１２８】
図６Ａ〜図６Ｇに示す例では、遊星歯車変速機２１４はモータ２２０の空隙２２４内に収容されることからコンパクトな形態であり、モータ２１２並びに第１遊星歯車変速機２１４および第２遊星歯車変速機２１８のカスケード構成が全て、回転軸２１０に沿って配置され、回転軸２１０を中心にまたはその周りで動作することから、出力部材２０８ｂは遊星歯車変速機２１４および２１８を介して非常に少ないノイズおよびバックラッシュで比較的低速かつ高いトルクを加えることができる。
【０１２９】
図６Ａに示すようにおよび図５Ａ〜図５Ｅと同様に、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、一次アクチュエータ２０２のモータ２１２によって加えられるトルクと共に、増大させたトルクを印加して出力部材２０８ｂを回転させることができる。一例では、図５Ｂと同様に、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、ハウジング２２８と、ハウジング２２８に結合されたロボット支持部材インターフェース２３０とを備える線形空気ばねであってもよく、ロボット支持部材インターフェース１８２は、ロボットまたはロボットアセンブリ（例えば、図４Ｃの１０５ｆ）の肢内の関節の一部としてロボット支持部材に枢動可能に結合可能である。ロボット支持部材インターフェース２３０は、ハウジング２２８をそのようなロボット支持部材に枢動可能に結合することができる１つまたは２つの軸受、締結部材または他の連結装置であり得る。
【０１３０】
図５Ａ〜図５Ｅと同様に、図６Ａの準受動的弾性アクチュエータ２０２は、一端がクラッチ機構２０６の連結部２３４に枢動可能に連結されたピストンロッド２３２を備えてもよい。一方、ピストンロッド２３２は、ハウジング２２８内に摺動可能に支持されたピストンシリンダ２３６に結合されてもよい。したがって、ハウジング２２８は、ピストンシリンダ２３６に隣接する圧縮ガスチャンバ２３８と、膨張チャンバとを備えることができ、これらはピストンシリンダ２３６によって密封される。図示されているように、ピストンロッド２３２は、軸２１０に対して偏心してクラッチ機構２０６に枢動可能に連結されている。したがって、クラッチ機構１３６を係合または半係合させて、準受動的弾性アクチュエータ２０４を弾性または半弾性状態にすると、ロボット支持部材（例えば、１０５ｆ）が動く時に、例えばハウジング２２８を下に移動させることができる。それによりハウジング２２８内でピストンシリンダ２３６が上方に移動され、ガス圧縮チャンバ２３８内のガスが圧縮されて、準受動的弾性アクチュエータ１３４にエネルギーを蓄積することができる、そしてそのエネルギーを上記したように増大トルクを印加するべく解放することができる。この動作は、制動力を生成するためにも利用することができる（すなわち、弾性要素の圧縮は、入力部材に対する出力部材の移動を制限するために利用され得る力を生成する）。更に、エネルギーが蓄えられると、（クラッチ機構２０６を非係合とすることによって）エネルギーを消散させる、または、（クラッチ機構２０６を少なくとも部分的に係合させる状態を維持することによって）エネルギーを解放して、上記で説明したようにモータによる一次トルクと組み合わせることができる増大トルクを加えることができる。他の図を明瞭に説明するべく、図６Ａおよび図６Ｂには線形空気ばねが示されている。
【０１３１】
これに代えて、図６Ｃに示すように、線形空気ばねを、圧縮チャンバおよび膨張チャンバを画定するハウジング２０９に結合されたロータベーン２０７ａおよびステータベーン２０７ｂを備えるロータリー流体ばね２０５（模式的に図示）等の別の弾性要素で置き換えることができる。ロータベーン２０７ａは、ロボット支持部材のような入力装置に結合されて、ロボット支持部材の第１の回転がステータベーン２０７ｂに対するロータベーン２０７ａの回転を引き起こし、それにより圧縮チャンバ内に流体圧の形態（例えば、液体または気体）でエネルギーが蓄積される。そして、ロボット支持部材の第２の回転時に、ロータベーン２０７ａがステータベーン２０７ｂに対して反対の回転方向に移動し、それによって蓄えられたエネルギーを放出して、クラッチ機構２０６に関連付けられた入力部材２０８ａに増大トルクが印加される。ロータリー流体ばね２０５は、本明細書に記載されたリニアアクチュエータ（例えば、１３４，２０４）と同じまたは類似の特徴を有することができ、例えば、圧縮チャンバおよび膨張チャンバ内のプリチャージ流体圧力を変更することにより調整可能であり、弾性的および非弾性的状態を有し、選択的および可変的に制御される。このように構成されたロータリー流体ばねは同等の線形ばねアクチュエータよりも多くのエネルギーを蓄積および放出することができ、股関節および膝関節のような特定の関節はこのような構成を有益に利用可能である場合がある。ロータリー流体ばね２０５は、ロータリー流体ばね２０５の作動をリアルタイムで制御することができるアセンブリを使用して動作可能であり、ロータリー流体ばね２０５の弾性状態、半弾性状態および非弾性状態間の選択的切換えを容易にすることができる。弁アセンブリは、圧縮チャンバと膨張チャンバとの間の流体の流れに対するシャント回路と、弁の開閉を制御する弁アセンブリの可動弁装置とを画定してもよい。
【０１３２】
一般に、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、クラッチ機構２０６の動作を介して、弾性構成または弾性状態（半弾性状態を含む）（すなわち、エネルギーの蓄積または解放）と非弾性構成または非弾性状態（すなわち、エネルギーの蓄積も解放も行わない）との間で切り替え可能であり、準受動的弾性アクチュエータ２０４によって印加される増大トルクの印加を選択的に制御する。一例では、図６Ｅ〜図６Ｇに示すように、クラッチ機構２０６は、締結具２４４（図６Ｅ）を介して互いに結合された第１支持フレーム２４２ａおよび第２支持フレーム２４２ｂを含むクラッチハウジング２４０を有するマルチプレートクラッチ機構を備えてもよい。伝達要素２４６は、回転可能に支持され、対応するスロットまたは締結部材によって第２支持フレーム２４２ｂに結合され得る仕切板２４８（図６Ｆ）によって取り囲まれている。ころ軸受装置２５０は、仕切板２４８に対して回転可能に面する複数のころ軸受２５２を備える。ボールランプクラッチ装置２５４は、回転可能なボールランプフレーム２５６と、ボールランプフレーム２５６の内側領域に結合されたばねカラー２５８とを備える。ボールランプフレーム２５６は、ボールランプフレーム２５６の周囲に形成された３つのボールランプ凹部２６０を有する。ボールランプフレーム２５６は、ボールランプフレーム２５６をケーブル２６６を介してアクチュエータ２６４に連結するケーブルインターフェース２６２を有する。ケーブル２６６は、ボールランプフレーム２５６の周囲に形成されたスロットに沿って配置されてもよい。ボール支持フレーム２６８はボールランプフレーム２５６に隣接して配置してもよく、ボール支持フレーム２６８によって回転可能に支持される複数のボール（例えば、３つのボール２７０を参照）を備えることができる。各ボール２７０の一方の側面は第２支持フレーム２４２ｂの内面に付勢され、ボール２７０の他方の側面はボールランプフレーム２５６のボールランプ凹部２６０を中心に摺動可能かつ回転可能に面する。
【０１３３】
公称状態のばねカラー２５８は、ボールランプフレーム２５６に対して反時計方向（図６Ｆ）に回転付勢力を及ぼすように構成することができ、それによりボール２７０をボールランプ凹部２６０の対応する深いポケットに収容し、クラッチ機構２０６を非係合状態にする（プレートの圧縮および非圧縮に関する以下の説明を参照）。アクチュエータ２６４は、アクチュエータ２６４を介してクラッチ機構２０６の動作を制御するコンピュータシステムのコントローラ（有線または無線）と通信する受信機を有する電気モータを備えることができる。クラッチ制御信号を受信すると、アクチュエータ２６４（例えば、電気モータ）は、ボールランプフレーム２５６を時計回り方向に回転させるようにケーブル２６６を引っ張るように動作することができる（図６Ｆ）。これにより、ボールランプ凹部２６０が着座したボール２７０に対して時計方向に移動する。ボールランプ凹部２５６は、深いポケットからその輪郭に沿って浅いポケットまで有するように形成されているので、ボールランプフレーム２５６の時計回りの回転は、ボール２７０をボールランプ凹部２６０の浅いポケット領域に着座させる結果となる。このため、ボールランプフレーム２５６の「厚さを増大させ」（または使用される軸方向の面積が大きくなる）、それによりカラー軸受装置２５０に対してボールランプフレーム２５６が軸方向の付勢力を生じさせ、仕切りプレート２４８に対する軸方向の付勢力を生じさせ、その結果、複数のプレート２７２に対する軸方向の付勢力が生じ、複数のプレート２７２が一緒に圧縮される。
【０１３４】
特に図６Ｇに示すように、この構成は図５Ｅに示したものと同様であり上述したように、複数のプレート２７２は、クラッチハウジング２４０の第１支持フレーム２４２ａに保持および支持された複数の入力プレート２７４ａを備える。説明を分かり易くするために図６Ｇには２つの入力プレートのみが示されているが、実際には２つ以上のプレートが設置可能である。すなわち、第１支持フレーム２４２ａは、クラッチハウジング２４０に対する入力プレート２７４ａの移動を制限するために、入力プレート２７４ａの各々の境界フランジ２７８を受け入れ保持する境界保持構造２７６（例えば、スロットまたは凹部）を備えることができる。複数の出力プレート２７４ｂ（２つが図示されている）はそれぞれ、隣接する入力プレート２７４ａと摺動可能にまたは摩擦的に面しており（すなわち、隣接する入力プレート間に挟み込まれている）、例えば、出力プレートと入力プレートとが交互に配置される。出力プレート２７４ｂはそれぞれ、クラッチハウジング２４０の支持フレーム２４２ａの湾曲した内面内に摺動可能に支持された曲面外周を有してもよい。各出力プレート２７４ｂは、伝達要素２４６のシャフト２８２を通過させる中央開口２８０ａを有してもよく、各出力プレート２７４ｂは、中央開口２８０ａの周りに形成された開口２８４ａ（例えば、合計６つ）を有してもよい。
【０１３５】
各入力プレート２７４ａは、中央開口２８０ｂの周りに配置された中央支持リング２８７を回転可能に支持する中央開口２８０ｂを有することができ、各中央支持リング２８７は、各出力プレート２７４ａの開口２８４ａに対応する位置で支持リング２８７の周りに形成された開口２８４ｂ（例えば、合計６つ）を有してもよい。伝達シャフト要素２４６は、伝達要素２４６の頭部の周囲に、開口部２８４ａおよび開口部２８４ｂに対応する位置に形成された開口部２８４ｃ（例えば、合計６つ）を有する。したがって、伝達要素２４６は、ピン、ナットおよびボルト、ねじ留め具などの締結具（図示せず）を介して、出力プレート２７４ｂおよび支持リング２８７のそれぞれと結合することができる。
【０１３６】
伝達要素２４６のシャフト２８２は、第１遊星変速機２１４の太陽歯車２２１（および伝達ホイール２２６の中央開口部を介して）に結合することができる。したがって、クラッチ機構２０６が非係合状態にあるとき、ボールランプ装置２５６は、複数のプレート２７２に対して軸方向の付勢力を及ぼさない。このように、入力プレート２７４ａおよび出力プレート２７４ｂは、互いに対して自由に回転するので、入力部材２０８ａは出力部材２０８ｂに対して自由に回転する（しかし、入力部材２０８ａと出力部材２０８ｂとの間に結合された遊星歯車変速機２１４および２１８によるわずかな摩擦が存在する）。したがって、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、入力プレート２７４ａと出力プレート２７４ｂとの間の回転自由度により非弾性状態となり、準受動的弾性アクチュエータ２０４はエネルギーを蓄積も解放もしない。関節モジュール２００がフリースイングモードの時の出力部材２０８ｂに対する入力部材２０８ａのこの回転運動は、歩行サイクルの一部の期間（例えば、図２の点Ｃ、Ｄ、Ｅ、ＦおよびＡから選択される期間）で発生してもよく、関節モジュール２００が外骨格の関節の１つとして下半身外骨格と一体化されている例が挙げられる。
【０１３７】
クラッチ機構２０６が（上述のように）係合状態へと作動されると、ボールランプ装置２５６は隣接する入力プレート２７４ａに対して軸方向の付勢力を及ぼし、出力プレート２７４ｂと隣接する入力プレート２７４ａとの間に圧縮力を生じさせる。この圧縮により、複数のプレート２７２を一緒に「拘束する」（すなわち、同じ速度／方向に一緒に回転させる）。したがって、入力部材２０８ａが出力部材２０８ｂに対して第１の回転時、例えば、入力部材２０８ａが時計回り方向に動く時に（図６Ｃ）、準受動的弾性アクチュエータ２０４は、ハウジング２２８を通るピストンシリンダ２３２の上方への動きによって圧縮ガスチャンバ２３８（図６Ａ）にエネルギーを蓄積する（このような第１の回転は、肩関節の動きの間、または、例えば図２の点Ｂから点Ｃまでの歩行サイクルの一部分の間の下半身外骨格の動き（例えば、ひざ関節）であってもよい）。そして、入力部材２０８ａの第２の回転時（例えば、図２の点Ａから点Ｂのような歩行サイクルの別の部分の間に、反対の肩の関節の動きまたは下半身外骨格の関節の動き）、入力部材２０８が反時計回りに動くと、準受動的弾性アクチュエータ２０４は蓄積されたエネルギーを解放して増大トルクを加えてクラッチハウジング２４０を回転させ、複数のプレート２７２を駆動／回転させ、それにより、伝達シャフト要素２４６を駆動／回転させる。その結果、第１遊星歯車変速機２１４の太陽歯車を駆動／回転させ、更に第２遊星歯車変速機２１８を駆動／回転させ、最終的に増大トルクは出力部材２０８ｂに伝達される。一実施例では、プレートを２枚のみクラッチで使用してもよい、すなわち、１つの入力プレート２７４ａと１つの出力プレート２７４ｂとを互いに摩擦係合させて、本明細書で説明するクラッチ機能を提供するように構成することができる。しかしながら、これに限定されることを意図していない。実際には、クラッチが係合された時にクラッチプレートを介して伝達され得るトルクをより大きくするために、任意の数の更なる入力プレートおよび出力プレートを組み込むことができる。同様のことが、図５Ａ〜図５Ｅの例のプレート（例えば、２枚のプレートまたは任意の数の追加のプレート）についても当てはまる。
【０１３８】
同時に、第１のアクチュエータ（例えば、モータ２１２）のロータ２２０は、第１の制御信号を受信すると、伝達ホイール２２６を駆動／回転させる一次トルクを発生させ、それにより第１遊星歯車変速機２１４の太陽歯車２２１が駆動／回転され、第２遊星歯車変速機２１８が駆動／回転される。そして、最終的に、準受動的弾性アクチュエータ２０４を介して同時に加えられる増大トルクと共に一次トルクが出力部材２０８ｂに伝達されて、例えば、外骨格の肩関節モジュールを作動させる。これにより、関節モジュール２００の総出力トルクが準受動的弾性アクチュエータ２０４を介して回収された増大トルクで補われるので、そうでない場合に必要とされるであろうモータ２１２のサイズおよび電力要件を大幅に低減することができる。準受動的弾性アクチュエータ２０４は、図５Ａ〜図５Ｅに示すクラッチ式関節モジュールを参照して上述したのと同じまたは同様の特徴および利点を有し得る。理解され得るように、準受動的弾性アクチュエータは上述したように、必要または所望されるように弾性状態と非弾性状態との間で切り替えることができる。
【０１３９】
クラッチ機構２０６が係合しているか係合していないかにかかわらず、（例えばロボット関節の）出力部材２０８ｂに対する入力部材２０８ａの（上述した）回転運動、および、弾性状態または非弾性状態における準受動的弾性アクチュエータの回転運動は、関節モジュール２００に関連付けられたおよび／または結合された一つまたは複数の位置センサおよび／または力センサ２２９（図６Ｃ）によって検出することができ、関節モジュール２００の回転に関連する方向、速度および／または力を検出することができる。関節モジュール２００のフレーム支持部、入力部材２０８ａおよび／または出力部材２０８ｂ、伝達ホイール２２６または関節モジュール２００の他の適切な位置、または、これらの組み合わせた一に、一つまたは複数のセンサを接続することができる。一例では、特定の位置センサ（例えば、ホール効果センサ）は、入力部材２０８ａの相対位置を決定することができ、（上述したように）第２の回転時に、位置センサは、位置信号をＣＰＵを備えるコンピュータシステムに送信し、当該コンピュータは位置信号を処理した後、最終的に、（例えば）クラッチアクチュエータ２６４にクラッチ機構２０６を係合状態とさせる（または、係合状態を維持させる）適切なクラッチ信号をクラッチアクチュエータ１９７に送信する。および／または、本明細書で更に説明するように、一次トルクをモータ２１２に印加させるような一次アクチュエータ信号、または上記したような信号の組み合わせを送信する。
【０１４０】
一例では、クラッチ機構２０６は、図５Ａに示すように配置することができ、図５Ａのクラッチ機構１３６はクラッチ機構２０６で置き換えられる。このように、準受動的弾性アクチュエータ２０４によって印加される増大トルクは、１：１の駆動比（すなわち、図６Ａ〜図６Ｆの場合のように、１６：１に調整されない）である。上記したように、クラッチ式関節モジュール２００の別の構成例では、準受動的弾性アクチュエータ２０４は必要に応じて設けられてもよい（すなわち、クラッチ式関節モジュール２００に含まれない、クラッチ式関節モジュール２００の一部を構成しない、または、準受動的弾性アクチュエータなしでクラッチ式関節モジュール１３０が構成される）。例えば、関節（例えば、手首の回転または肩の外転／内転に関連する関節）は、能動的なアクチュエータのみを使用し（すなわち、本明細書で論じられるような一次アクチュエータ、しかしながら、「一次」という用語は別のトルク生成要素が存在することを暗に意味する）、弾性要素を使用しなくてもよい。したがって、入力部材またはロボット支持部材を、準受動的弾性アクチュエータではなく、クラッチハウジング２４０に例えば中心から外れた位置に直接連結することができる。この構成では、クラッチ機構２０６は依然として、係合状態、半係合状態および非係合状態の間で選択的に動作可能であり、出力部材２０８ａおよび入力部材２０８ｂの間の動きを制御および抑制することができる。一態様では、クラッチ機構１３６は、出力部材１３８ａおよび入力部材１３８ｂ間の動きを制限するように係合または半係合することができ、モータ２１２による出力部材への一次トルクの付与を容易にする。このように、アクチュエータ２６４は、ボールランプ装置２５６を可変的に移動させて、プレート２７４および２７４ｂに可変の圧縮力を加えるように可変に制御することができ、制動機能および／または重力補助制御機能を提供することができる。
【０１４１】
クラッチ式関節モジュール１３０に関して上述した様々な機能および動作状態は、クラッチ式関節モジュール２００に適用可能であることに留意されたい。このように、ここでは再び説明されないが、当業者であれば、図５Ａ〜図５Ｅを参照して上記で説明したように、クラッチ式関節モジュール２００は、同じまたは同様の方法で動作させることができることを理解できる。
【０１４２】
図７Ａは、本開示の一例によるクラッチ式関節モジュール１１３０を示し、図７Ｂはクラッチ式アクチュエータモジュール１１３０の一次アクチュエータを示す。クラッチ式アクチュエータ関節モジュール１１３０は、図５Ａ〜図５Ｅを参照して説明した、一次アクチュエータ１１３２の回転軸１２０３に対して軸外に位置するクラッチ機構１３６および準受動的弾性アクチュエータ１３４を備えることができる。すなわち、クラッチ機構１３６の回転軸１１３７は、一次アクチュエータ１１３２の回転軸１２０３とほぼ平行であるが、回転軸１２０３からずらして配置されている。ここで、出力シャフト１３８ｂは、出力シャフト１３８ｂの右端部の一部として締結または形成されたスプラインリングギア（図示せず）を介して、伝達ベルト１２２４のようなトルク伝達装置に連結され得る。これに替えて、スプラインリングギヤを、クラッチ機構１３６の第２支持フレーム１９２ｂに結合してもよい。いずれのシナリオにおいても、トルク伝達装置、この場合、伝達ベルト２４４は、クラッチ式関節モジュール１１３０内の回転を作動させるべく、出力シャフト１３８ｂにトルクを伝達することができる。一定の縮尺では示されていないが、出力シャフト１３８ｂの左端部は、支持フレーム１１３８ｂの開口部１１５２を貫通して回転可能に配置され、次いで、ロボット支持部材に結合される出力部材に結合されてもよい、または、ロボット支持部材に直接結合することができる。この場合、図５Ａ〜図５Ｅに示すように、準弾性アクチュエータ１３４を介した入力部材１３８ａの回転は、（クラッチが係合されている時に）出力シャフト１３８ｂの回転を引き起こし、クラッチ式関節モジュール１１３０を作動させる。
【０１４３】
より具体的には、この代替の構成に関しては、一次アクチュエータ１１３２（例えば、ギヤード電気モータ）は、出力部材１３８ｂを回転軸１１３７周りに回転させるべくトルクを印加するように構成および動作可能である。また、準受動的弾性アクチュエータ１３４  （例えば、リニア空気圧アクチュエータまたはロータリー空気圧アクチュエータ）を（クラッチの動作を介して）選択的に動作させて、一次アクチュエータ１１３２によって加えられるトルクと共に出力部材１３８ｂに増大トルクを印加させることができ、例えば外骨格による歩行サイクルの特定の期間に（または上体運動のような外骨格の肢の他の運動）、関節モジュールの回転を作動させるのに必要な動力を低減することができる。
【０１４４】
クラッチ機構１３６は、第１のマウントプレート１１３８ａおよび第２のマウントプレート１１３８ｂによって一次アクチュエータ１１３２に構造的に搭載することができ、第１のマウントプレート１１３８ａおよび第２のマウントプレート１１３８ｂはそれぞれ端に配置されて、一次アクチュエータ１１３２およびクラッチ機構１３６を「サンドイッチ」状態に拘束するように設けられる。図示されていないが、クラッチ機構１３６の第１のハウジング１９２ａおよび第２のハウジング１９２ｂは、そこから外側に延びる支持部材を有する。この支持部材は、クラッチ機構１３６を第１のマウントプレート１１３８ａおよび第２のマウントプレート１１３８ｂに回転可能に連結して支持する環状のカラー軸受を支持する。当業者であれば理解できるように、クラッチ機構１３６を支持プレートに回転可能に連結するその他の適切な手段を使用してもよい。
【０１４５】
第１のマウントプレート１１３８ａは、複数の締結具１１４２（それらの間にスペーサを有する）を介して（一次アクチュエータ１１３２を支持する）ハウジングマウント１１４０に取り付けることができる。第２のマウントプレート１１３８ｂは、複数の締結具１１５１を介してハウジングマウント１１４０の他方の側に取り付けることができる。
【０１４６】
出力シャフト１３８ｂ（および／またはシャフト１３８ｂに連結された出力部材）は、ロボットシステムの特定のタイプおよびその用途（例えば、外骨格、ヒューマノイドロボット、ロボットハンド、ロボットアームなど）に応じて、様々な形状および形態を有し得る荷重伝達部品であってもよい。上記された特定の構成に、限定することを決して意図していない。出力部材１３６ｂは、図４Ａの外骨格のようなロボットアセンブリの支持構造に結合可能なロボット支持部材インターフェース部分を備えることができる。
【０１４７】
ハウジングマウント１１４０は、締結具を介して互いに結合された第１のマウント構造１１７４ａおよび第２のマウント構造１１７４ｂを備えてもよい。一次アクチュエータ１１３２の構成要素の多くを収容し構造的に支持するべく、第１のマウント構造１１７４ａおよび第２のマウント構造１１７４ｂを共に締結してもよい。例えば、一次アクチュエータ１１３２は、第１のマウント構造１１７４ａおよび第２のマウント構造１１７４ｂ内に取付けられるモータ１１７８（例えば、電動モータ）を備えてもよい。モータ１１７８は、高性能永久磁石ブラシレスＤＣモータ（ＰＭ−ＢＬＤＣ）であってもよい。しかしながら、上述したおよび図示したモータに、決して限定するものではない。実際には、一次アクチュエータ１１３２として使用するのに適した他のモータが本明細書において考慮され、油圧アクチュエータまたは空気圧アクチュエータなどの様々な他のタイプのアクチュエータも考慮され得る。
【０１４８】
図７Ｂに示すように、モータ１１７８は互いに対して回転可能なステータ１１８０およびロータ１１８２を備えることができる（市販のフレームレスブラシレスモータの場合の典型的な様式）。図７Ｂは、一次アクチュエータ１１３２を最初に示した図７Ａに対して回転させた図である。モータ１１７８は、モータ１１７８の中央領域に位置しロータ１１８２によって囲まれた中央空隙１１８４を含むように構成することができる。より有用な態様では、遊星歯車変速機１１８６（または任意の他のタイプの変速機）のような変速機を、中央空隙１１８４内に（全体的にまたは部分的に）配置することができる。これは、本明細書のいずれかに例示されるように、比較的小型の電気モータに対する高トルク出力を有する薄型ギヤードモータ状態を提供する。本明細書に例示された遊星歯車変速機は、高調波、サイクロイド、ウォーム、ベルト／チェーン、クランク、４節リンク機構、バックホ−リンク機構、ベルクランクおよび連続的に可変なといった、他のタイプの変速機（トランスミッション）に置き換え可能である（または補充され得る）。
【０１４９】
本例では、遊星歯車変速機１１８６は、４：１ギアード遊星歯車変速機として構成されてもよい。したがって、一例では、遊星歯車変速機１１８６は、キャリア１１９２の周りに取り付けられた４つの遊星歯車１１８８（１つが図示されている）に係合する外側リング１１９０を有してもよく、４つの遊星歯車１１８８は中央の太陽歯車（図示されていない）の歯と係合する歯を有する。この例では、外側リング１１９０は、外側リング１１９０の周囲の開口部および第１のマウント構造１１７４ａのネジ穴を通って締結具（図示せず）を介して第１のマウント構造体１１７４ａに締結されることによって固定されている。回転可能な伝達ホイール１１９８が、第２のマウント構造１１７４ｂに隣接する一次アクチュエータ１１３２の外側に配置され周辺締結具を介して駆動カラー１２００に固定されている。駆動カラー１２００は、モータ１１７８のロータ１１８２に締結または固定されている。伝達ホイール１１９８は、モータ１１７８のロータ１１８２の回転を（変速機１１８６の）太陽歯車が回転軸１２０３（図７Ａ）の周りで回転するように回転を伝達すべく動作可能である。スペーサスリーブ１２０１は、駆動カラー１２００に隣接し且つ遊星変速機１１８６の外側リング１１９０とロータ１１８２との間に配置されて、遊星変速機１１８６とロータ１１８２との間の支持スペーサとして機能する。
【０１５０】
伝達ホイール１１９８は、締結具を介して伝達ホイール１１９８に締結される伝達ハブ１２０６を支持する中央開口１２０４を有してもよい。伝達ハブ１２０６は、太陽歯車の外歯と係合可能な内歯（図示せず）を有することができる。したがって、モータ１１７８に電界を印加すると、ロータ１１８２は軸１２０３を中心に回転し、それによって伝達ホイール１１９８が回転し、これにより太陽歯車１１９４が回転し、全て１：１の比率で回転する。太陽歯車が回転軸１２０３を中心に回転すると、遊星歯車１１８８が太陽歯車の周りを回転し、これによりキャリア１１９２が回転する。出力シャフト１２０９は、キャリア１１９２の中心部１２１１に固定されており、キャリア１１９２の回転により出力シャフト１２０９が軸１２０３を中心に回転し、これにより遊星歯車変速機１１８６を介してロータの回転から出力シャフト１２０９への４：１ギアダウン変速機構成が提供される。４：１変速機の代わりに、３：１または５：１（またはこれよりも大きな比）といった遊星歯車変速機のように、その他の遊星歯車変速機および歯車減速機構を使用することができる。
【０１５１】
高さを低減するために、遊星歯車変速機１１８６をモータ１１７８のロータ１１８２の内側に配置してもよい。選択されたモータに依存して、ロータの内径により遊星歯車変速機の最大外径が決まる場合がある。遊星リングが外径によって制約を受ける場合、利用可能なギア比および出力トルクの選択肢が限られる。出力比は、外輪歯車の歯数と太陽歯車の歯数との比から求められる。コンパクトな設計の遊星歯車装置においてより高い減速を得るためには、太陽歯車の直径を減少させることができ、これは通常、動力伝達がより少ないことに対応する。太陽歯車が小さくなると、高いトルクを伝達する能力が低下する。モータのロータの内部に物理的にフィットする遊星歯車ユニットに対して、減速と強度のバランスが決定される。ヘリカルカットギアを採用することにより、より大きな力を歯車の歯に伝達することができ、遊星歯車ユニットをより強くすることができる。歯の幅が広いほど太陽歯車の耐荷重能力が向上するが、重量も増加してしまう。
【０１５２】
更に、太陽歯車を幾つかの歯と同時に接触するように構成して、接触比は従来の平歯車減速機よりもはるかに高くなる。遊星歯車のもう１つの利点は、変速機がモータと一列に配置されることから、コンパクトな取り付け状態が可能であることである。たとえば１６：１の最終ドライブを形成するべく、４：１の遊星型ユニットのうちの２つを一緒にネストしてもよい。
【０１５３】
したがって、Ａｌｌｉｅｄ  Ｍｏｔｉｏｎ社のＭＦ０１２７−０３２モータを使用する一例では、内径は３．３インチ（約８．３８ｃｍ）であり、約３．１５インチ（またはそれ以下）の遊星歯車変速機をモータの中央空隙に配置できることを意味する。また、Ｍａｔｅｘ社の７５−４ＭＬＧ１２遊星変速機を組み込むこともできる。この変速機は外径２．９５インチの４：１ユニットで、重量はわずか５００グラムで１１８Ｎ−ｍのピークトルクを有する。コンパクトな構成とするべく、このような遊星歯車変速機を本明細書で説明するブラシレスモータに組み込むことができる。したがって、図７Ｂの例では、出力シャフト１２０９は、遊星歯車変速機１１８６を介して低速であっても比較的高いトルクをごく僅かな騒音とバックラッシュで印加することができる。また、遊星歯車変速機１１８６がブラシレスフレームレス電気モータ１１７８の空隙１１８４内に収容されているため、コンパクトな形態で提供可能である。当業者には明らかなように、本明細書に記載された特定のタイプのモータおよび遊星歯車変速機に決して限定することを意図するものではない。
【０１５４】
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、出力シャフト１１９２の自由端１２１０は、第１のマウント構造１１７４ａの開口部１２１２を通って延在する。テーパ状の支持カラー１２１４は、出力シャフト１１９２を取り囲み出力シャフト１１９２に結合される（キーとスロットのインターフェースを使用して、支持カラー１２１４を出力シャフト１１９２に結合することができる）。テーパ状支持カラー１２１４は、出力シャフト１１９２をプライマリプーリ１２１６に結合するために、プライマリプーリ１２１６の内側テーパ面（例えば、モールステーパ界面のような）に合致する外側テーパ面を有する（キーとスロットのインターフェースを使用して支持カラー１２１４をプライマリプーリ１２１６に結合することができる）。第１カラー軸受けは、第１のマウント構造１１７４ａの開口部１２１２（図７Ａ）内に配置され、出力シャフト１１９２を回転可能に支持する。第２カラー軸受け２１８ｂは、プライマリプーリ１２１６の外側端部に位置して、出力シャフト１１９２の自由端１２１０を回転可能に支持してもよい。
【０１５５】
一例では、センサプレート１２２０を第２のマウント構造１１７４ｂの外側に固定することができ、センサプレート１２２０は位置センサ１２２２を支持する開口を備える。位置センサ１２２２は、伝達ホイール１１９８に隣接して配置されてもよい。伝達ホイール１１９８は、位置センサ１２２２が太陽歯車１１９４の位置を検出可能となるように太陽歯車１１９４に至る開口を有している。そして、最終的に出力シャフト１２０９の回転位置を検出できるようになっており、それにより、例えば、膝または股関節の角度位置を提供することができる。位置センサ１２２２は、１３ビットホール効果センサのような任意の適切なセンサとすることができる。更なる位置センサをシステムに結合して、最終的に関節の位置を決定するべく利用してもよい。ロボット関節の特定の位置は、準受動的弾性アクチュエータを、非弾性状態、半弾性状態および弾性状態の間で切り換えるべく、または、弾性アクチュエータのゼロ点または位置を動的に変化させるべく、クラッチ機構の作動を決定および制御することに関連する。
【０１５６】
モータ１１７８を動作させることによって出力シャフト１２０９が（いずれかの回転方向で）回転すると、上述のように、プライマリプーリ１２１６は、出力シャフト１３８ｂ（またはクラッチ機構１３６）に連結された伝達ベルト１２２４を回転させて、例えば、ロボット関節を作動させるべく出力シャフト１３８ｂを回転させるための一次トルクを提供する。伝動ベルト１２２４は、ゲートポリチェーンＧＴカーボン（Ｇａｔｅｓ  Ｐｏｌｙ  Ｃｈａｉｎ  ＧＴ  Ｃａｒｂｏｎ）同期ベルトまたはその他の適切なベルトであってもよい。ベルト引っ張り装置１２２５（図７Ａ）は、使用者が操作できるファスナを介して第１のマウントプレート１１３８ａのスロットに調節可能且つ摺動可能に連結することができる。使用者はツールを使用して、ベルト１２２４に向かってまたはベルト１２２４から離れる方向にベルト引っ張り装置１２２５をスライドさせることにより、所望にベルト１２２４を締め付けたり緩めたりすることができる。幾つかの例では、ベルト１２２４の特定の構成、例えば、一つまたは複数のベルト、連結、歯車または腱（またはそのような組み合わせ）を、様々な他のトルク伝達装置で置き換えることができる。更に、（複数の）変速機を、一次アクチュエータ１１３２の回転軸１２０３からオフセットした（例えば、直交するまたは他の角度である平面に沿った方向に向けられた）回転軸を有するように構成することができる（同一直線上以外の他の位置）。特定の用途に応じて、比較的高いギア減速（例えば、２０：１以上）、比較的低いギア減速度（例えば、１：１）またはこれらの間の任意のギア減速を含む様々なギア減速を入力から出力に提供するように、様々な変速機を配置することができる。幾つかの例では、ベルト１２２４の形態のトルク伝達装置、または、様々な代替トルク伝達装置によって、一次アクチュエータ１１３２を出力から離れた遠隔に配置することができる（すなわち、一次アクチュエータ１１３２はクラッチ式関節トモジュールの出力から所定の距離だけ離れて配置されるが、トルク伝達装置を介して作動可能に接続されている）。そして、遠隔に配置された一次アクチュエータ１１３２を作動させることができ、そのトルクは、ロボットシステムの関節に対応する調整および作動可能な関節モジュールの出力に伝達される。例えば、一次アクチュエータ１１３２を外骨格の腰部領域（例えば、図４Ａ）に配置させることができ、上記のような代替のトルク伝達装置は、一次トルクを腰領域から、股関節を作動させるための股関節用のクラッチ式アクチュエータ関節モジュール内に配置された出力部材へと伝達することができる。
【０１５７】
図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明したクラッチ機構２０６および準受動的弾性アクチュエータ２０４または２０５を、図７Ａのクラッチ機構１３６および準受動的弾性アクチュエータ１３４に容易に置き換えることができることは明らかである。これらは、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明したのと同様のまたは異なる態様でマウントプレートに取り付けることができ同様の方法で伝達ベルト（または他の伝達装置）を介して一次アクチュエータ１１３２に動作可能に結合され得る。
【０１５８】
幾つかの例では、本明細書に示すように、準受動的弾性アクチュエータはリニア空気圧アクチュエータ（例えば１３４，２０４）であってもよいが、これらはそれぞれ、回転ばね（例えば、捩りばね）、回転空気圧スプリング、コイルスプリング、板ばねなどの他の弾性要素で置き換えることができる。本明細書で意図されるこのような準受動的弾性アクチュエータは、金属、複合材、ポリマー、ゴムなどで構成することができる。幾つかの例では、特定の準受動的弾性アクチュエータと特定の入力部材および／または出力部材との間に、更なる連結機構または枢動支持部材を結合することができ、これにより、パッケージサイズを縮小してもよい（例えば、準受動的弾性アクチュエータを関節から離れた遠隔に配置する）、また、準受動的弾性アクチュエータが出力部材に結合する位置に対するトルク出力を利用してもよい。
【０１５９】
本明細書に例示された遊星歯車変速機は、高調波、サイクロイド、ウォーム、ベルト／チェーン、クランク、４節リンク機構、バックホーリンク機構、ベルクランクおよび連続的に可変なといった、他のタイプの変速機（トランスミッション）に置き換え可能である（または補充され得る）。また、１つ以上のベルト、連結、歯車もしくは腱（またはそのような組み合わせ）といった、様々なトルク伝達装置を、遊星変速機（および上記で説明した代替の変速機）間で動作可能に連結させることができる。
【０１６０】
クラッチ式関節モジュール１３０に関して上述した様々な機能および動作状態は、クラッチ式関節モジュール１１３０に適用可能であることに留意されたい。このように、ここでは再び説明されないが、当業者であれば、図５Ａ〜図５Ｅを参照して上記で説明したように、クラッチ式関節モジュール１１３０は、同じまたは同様の方法で動作させることができることを理解できる。
【０１６１】
更に、エネルギーの蓄積および解放の間、制動力の生成および印加の間、ならびに、関節の自由揺動を容易にするクラッチ機構の非係合の間の、本明細書で説明した様々なクラッチ式関節モジュールによって決定される複数の関節の回転（すなわち、入力部材と出力部材との間の相対的な回転）は、任意の方向（例えば、同じ方向、異なる方向）であってよい。言い換えると、クラッチ機構は、エネルギーを蓄積または解放するべく係合状態となったり、関連する関節が同じ方向または様々な異なる方向に回転すると対象の関節が自由揺動をするように非係合状態になるように操作可能である。これは、本開示に記載されている全ての例についても同様である。
【０１６２】
開示された本発明の実施形態は、本明細書で開示される特定の構造、製造工程または材料に限定されず、関連技術分野の当業者であれば理解できるように、それらの等価物まで拡張され得る。また、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目的で使用されており、これらを限定することを意図するものではないことも理解されるべきである。
【０１６３】
例えば、本明細書で使用されている「一実施形態」、「実施形態」との用語は、当該実施形態に関連して記述される特定の特徴、構造または特性が本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通じて、様々な場所における「一実施形態において」または「ある実施形態において」という表現は、必ずしも全て同じ実施形態を指しているわけではない。
【０１６４】
また、記載された特徴、構造または特性は、一つまたは複数の実施形態において任意の適切な態様で組み合わせ可能である。本明細書には、本発明の実施形態の完全な理解を提供するべく、長さ、幅、形状等の例といった、多くの具体的な詳細な例が提供されている。しかしながら、関連技術分野の当業者であれば、特定の詳細事項の一つまたは複数がなくとも、または、他の方法、構成要素、材料などを用いても、本発明を実施可能であることが理解できる。また、他の例では、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるために、周知の構造、材料または動作は詳細には示されていないまたは記載されていない。
【０１６５】
本明細書に記載される幾つかの実施形態または特徴を本明細書に記載される他の実施形態または特徴と組み合わせられ得ることを明示的に開示していないが、本開示は、当業者によって実施可能なそのような組み合わせを記載していると読まれるべきである。本開示における「または」という言葉の使用は、本明細書中でそうでないと記載されていない限り、非排他的または「および／または」を意味すると理解されるべきである。
【０１６６】
前述の例は、一つまたは複数の特定の用途における本発明の原理の例示であるが、当業者であれば、本発明の原理および概念から逸脱することなく、また、発明の創造性を新たに発揮することなく、形態、使用および実施の詳細における多くの変更が可能であることを理解できる。したがって、以下に示す特許請求の範囲以外によって、本発明が限定されることは意図していない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【外国語明細書】
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