(57)【要約】【課題】従来技術の課題を解決する。【解決手段】ジョイントでの一対の部材の動きに対する可変抵抗を提供する剛化要素。剛化要素は嚢内で流動可能な粒子を備えるフィラーを含む。嚢内の圧力を変更し且つ嚢を潰すために、圧力源が嚢に連結される。嚢を潰すことは、嚢内のフィラーの流動特性を変更する。フィラーの流動特性を変更することは、嚢の動き、よって、一対の可動部材及びジョイントに対する、嚢の抵抗を変更する。【選択図】図１
2019107766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変抵抗を提供するように構成される剛化要素デバイスであって、
ジョイントであって、ジョイントについて互いに対して移動可能な一対の可動部材を備える、ジョイントと、
前記一対の可動部材に連結される嚢と、
該嚢内にあり、該嚢内で流動可能であり、粒子を含む、フィラーとを含み、
該フィラーの流動特性は、前記嚢内の圧力と共に変化し、前記一対の可動部材の動きに対する抵抗は、前記フィラーの前記流動特性と共に変化する、
剛化要素デバイス。
【請求項２】
前記嚢の容積は、前記嚢内の圧力の関数として変化する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３】
前記嚢に動作的に連結され、前記嚢内の圧力を変更することができる、圧力源を更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項４】
前記圧力源は、前記ジョイント内の前記一対の可動部材の動きに対する可変の程度の抵抗を提供するよう、前記嚢内で可変の範囲の圧力を提供するように動作可能である、請求項３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項５】
前記圧力源は、前記ジョイントとロックされるジョイントとの間で前記一対の可動部材の動きに対する抵抗を提供するよう、前記嚢内の圧力を変更することができ、且つ、前記ジョイント及び前記ロックされるジョイント内でゼロ抵抗を含むことができる、請求項３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項６】
前記嚢は、可撓であり、変更可能な容積を有する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項７】
前記嚢は、前記ジョイントに配置され、前記ジョイントの少なくとも一部分に亘って広がる、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項８】
前記嚢は、１つの部材が他の部材に対して動くと、形状及び位置を変更し、前記フィラーは、流動し、前記粒子は、前記嚢が形状及び位置を変更すると、前記嚢内で互いに対して動く、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項９】
前記嚢は、前記ジョイントを囲む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１０】
前記嚢は、複数の嚢を含み、各嚢は、前記一対の可動部材に連結され、各嚢は、フィラーを収容する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１１】
前記嚢は、互いに対して平行である、請求項１０に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１２】
前記嚢は、互いに対して直列である、請求項１０に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１３】
前記嚢は、内部に複数のチャンバを含んで、潰れることができるポケットを定める、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１４】
前記チャンバの一部は、前記フィラーを含み、前記チャンバの一部は、前記フィラーを欠く、請求項１３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１５】
前記嚢は、複数の嚢を含み、各嚢は、前記一対の可動部材に連結され、前記複数の嚢の各々は、異なるフィラーを含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１６】
前記圧力源は、前記嚢から流体を選択的に引き出す真空源を含む、請求項３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１７】
前記嚢は、内部にフィラー材料を備える内側嚢と、該内側嚢を覆う外側嚢とを含み、前記嚢は、前記外側嚢内の圧力を選択的に増大させて、前記粒子の周りで前記内側嚢を潰して、前記粒子を圧縮する、正圧源を更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１８】
前記フィラーは、前記粒子間の隙間内に配置される介在材料を更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項１９】
前記フィラーは、前記粒子間の隙間内に配置される流体を更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２０】
前記一対の可動部材の場所に関するフィードバックを提供することができる前記一対の可動部材のうちの少なくとも１つに動作的に連結される位置センサを更に含む、請求項３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２１】
前記嚢内の圧力に関するフィードバックを提供することができる前記嚢に動作的に連結される圧力センサを更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２２】
前記ジョイント及び前記一対の可動部材は、使用者が着用することができるウエアラブル物品を含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２３】
前記一対の可動部材は、互いに可動に連結される一対のスリーブを含み、前記嚢は、前記一対のスリーブに連結される、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２４】
使用者が着用することができ、直列且つ平行な複数の可動部材と、隣接する可動部材を連結する複数のジョイントとを含む、グラブと、
嚢とを更に含み、
前記グラブは、
掌に対応する掌部分と、
中手指節ジョイントによって前記掌部分に枢動的に連結される一連の近位部分と、
指節間ジョイントによって前記一連の近位部分にそれぞれ枢動的に連結される一連の中間部分とを含み、
前記嚢は、
前記掌部分及び前記一連の近位部分のうちの少なくとも１つに連結される少なくとも１つの中手指節嚢と、
前記一連の中間部分のうちの少なくとも１つに連結される少なくとも１つの指節間嚢とを含む、
請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２５】
使用者が着用することができ、直列の複数の可動部材と、隣接する可動部材を連結する複数のジョイントを含む、腕スリーブと、
複数の嚢を含む、嚢とを更に含み、
前記腕スリーブは、
肩に対応する肩部分と、
肩ジョイントによって前記肩部分に枢動的に連結される腕部分と、
肘ジョイントによって前記腕部分に枢動的に連結される前腕部分とを含み、
前記嚢は、
前記肩部分と前記腕部分とに連結される肩嚢と、
前記腕部分と前記前腕部分とに連結される肘嚢とを含む、
請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２６】
前記ジョイントを囲み、前記嚢を支持する、バンドを更に含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２７】
前記圧力源を制御して前記嚢内の圧力を選択的に変更するよう、前記圧力源に動作的に連結される、コントローラを更に含み、該コントローラは、前記圧力源を変調して、前記嚢内を０．１Ｈｚよりも大きい周波数で変調する、請求項３に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２８】
内部に前記フィラーを備える前記嚢は、力フィードバックシステムの力反射インタフェースの部分である、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項２９】
前記ジョイントは、複数の自由度を有し、前記嚢は、複数の嚢を含み、各嚢は、前記ジョイントの自由度に対応する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３０】
前記ジョイントは、複数の自由度を有し、前記嚢は、前記ジョイントの前記複数の自由度に対応するような大きさ及び位置にされる、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３１】
前記フィラーの前記粒子は、弾性的に圧縮可能である、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３２】
前記フィラーの前記粒子は、０．０１〜３．５ＧＰａの間の弾性係数を有する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３３】
前記フィラーの前記粒子は、５０〜１００ＧＰａの間の弾性係数を有する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３４】
前記フィラーの前記粒子は、少なくとも２つの異なる弾性係数を有する、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３５】
前記フィラーの前記粒子は、少なくとも２つの異なる大きさの粒子を含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３６】
前記フィラーの前記粒子は、実質的に球形である、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３７】
前記フィラーの前記粒子は、少なくとも２つの異なる形状の粒子を含む、請求項１に記載の剛化要素デバイス。
【請求項３８】
使用者が着用することができ、ジョイントについて互いに対して移動可能である一対の可動部材を含む、ウエアラブル物品と、
可変抵抗を提供するように構成される剛化要素デバイスとを含み、
該剛化要素デバイスは、
前記一対の可動部材に連結される嚢と、
該嚢内で流動可能であり、粒子を含む、フィラーとを含み、
該フィラーの流動特性は、前記嚢内の圧力と共に変化し、前記一対の可動部材の動きに対する抵抗は、前記フィラーの前記流動特性と共に変化する、
力反射インタフェース装置。
【請求項３９】
前記嚢に動作的に連結され、前記嚢内の圧力を変更することができる、圧力源を更に含む、請求項３８に記載の力反射インタフェース装置。
【請求項４０】
実環境内でスレーブロボットデバイスと共に動作可能な力反射インタフェース装置であって、当該力反射インタフェース装置は、請求項１に記載の剛化要素デバイスを含み、当該力反射インタフェース装置は、前記スレーブロボットシステムでの力を前記剛化要素デバイスに移すように動作可能であり、前記剛化要素デバイスは、前記スレーブロボットシステムでの前記力に対応する前記ジョイント内の制動力を生成するように動作可能である、力反射インタフェース装置。
【請求項４１】
実環境内で動作可能な力反射インタフェース装置であって、当該力反射インタフェース装置は、請求項１に記載の剛化要素デバイスを含み、当該力反射インタフェース装置は、前記実環境と関連付けられる力を前記剛化要素デバイスに移すように動作可能であり、前記剛化要素デバイスは、前記実環境と関連付けられる前記力に対応する前記ジョイント内の制動力を生成するように動作可能である、力反射インタフェース装置。
【請求項４２】
前記嚢に動作的に連結され、前記嚢内の圧力を変更することができる、圧力源を更に含む、請求項４０に記載の力反射インタフェース装置。
【請求項４３】
前記嚢に動作的に連結され、前記嚢内の圧力を変更することができる、圧力源を更に含む、請求項４１に記載の力反射インタフェース装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
遠隔用途又は遠隔操作用途においてマスタ制御システムを利用することは、様々な挑戦を提示する。例えば、人間の操作者が（外骨格、仮想現実制御装置、マニピュレータなどの部分としての或いはそれらを含む）マスタ制御システムを用いて（非人型ロボット、人型ロボット、ハンドロボット、仮想アバター／ロボット、遠隔操作ロボットなどの部分としての或いはそれらを含む）スレーブシステムを遠隔制御するとき、スレーブシステムは、例えば、質量を押すこと又は物体と衝突することに起因する、様々な力を受け得る。これらの状況の下では、人間の操作者が、テレプレゼンスの感覚を増大させること、特定のタスクのためにスレーブシステムの制御を改良し得る或いはより正確に制御し得ることのような、様々な目的のために、これらを知覚し得る或いは「感じ(feel)」得ることが、しばしば望ましい。よって、ロボットシステムは、力フィードバックの一種である「力反射(force-reflection)」と呼ばれるものを利用するように構成されることができ、その場合、スレーブが受ける力は、本来的に、マスタ制御デバイスを通じて人によって「感じられる(felt)」。
【０００２】
力反射を達成するために使用される従来的な解決策は、空圧又は液圧アクチュエータを、マスタ制御デバイスのジョイント（関節）を介して人間の操作者に力反射値を提供するよう制御されるロボットシステムのマスタ制御デバイスに組み込むことを含み、それは、幾つかの場合には、例えば、操作者が着用する上方ロボット外骨格を含み得る。しかしながら、そのような解決策は、コスト、複雑さ、重量、不十分な制御性などのような、様々な欠点を有する。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の構成及び利点は、添付の図面と関連して理解されるときに、後続の詳細な記述から明らかであり、図面は、全体的に、一例として、本発明の構成を例示している。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】第１の位置及び弛緩した構成において示された、ある例示に従った剛化要素の概略的な側面図である。
【０００５】
【図２】第２の位置及び弛緩した構成において示された、図１の剛化要素の概略的な側面図である。
【０００６】
【図３】第１の位置及び剛化構成において示された、図１の剛化要素の概略的な側面図である。
【０００７】
【図４】弛緩した構成におけるフィラーの粒子を示す、図１の線４に沿って取られた剛化要素の詳細な概略的な側面図である。
【０００８】
【図５】剛化構成におけるフィラーの粒子を示す、図３の線５に沿って取られた剛化要素の詳細な概略的な側面図である。
【０００９】
【図６】第１の位置及び弛緩した構成において示された、ある例に従った他の剛化要素の概略的な側面図である。
【００１０】
【図７】第２の位置及び弛緩した構成において示された、図６の剛化要素の概略的な側面図である。
【００１１】
【図８】第１の位置及び剛化構成において示された、図６の剛化要素の概略的な側面図である。
【００１２】
【図９】介在材料、即ち、粒子間の隙間内の液体を示す、１つの例における剛化要素のフィラーの詳細な概略的な側面図である。
【００１３】
【図１０】異なるサイズを有する粒子を示す、１つの例における剛化要素のフィラーの詳細な概略的な側面図である。
【００１４】
【図１１】異なる形状を有する粒子を示す、１つの例における剛化要素のフィラーの詳細な概略的な側面図である。
【００１５】
【図１２】粒子の圧縮性を示す、１つの例における剛化要素のフィラーの粒子の詳細な概略的な側面図である。
【００１６】
【図１３】複数の嚢及び複数の自由度と共に示された、ある例に従った他の剛化要素の概略的な斜視図である。
【００１７】
【図１４】多数の自由度及びジョイントを取り囲む嚢と共に示された、ある例に従った他の剛化要素の概略的な斜視図である。
【００１８】
【図１５】複数のチャンバを備える嚢を示す、ある例に従った剛化要素の嚢の概略的な断面端面図である。
【００１９】
【図１６】複数のチャンバを備える嚢を示す、ある例に従った剛化要素の嚢の概略的な断面側面図である。
【００２０】
【図１７】ある例に従った、スレーブロボットシステムの対応するジョイントと関連付けられる、剛化要素を備える少なくとも１つのマスタブレーキジョイントを有する、マスタロボットシステムの概略図である。
【００２１】
【図１８】ある例に従った、使用者の手と係合される周辺システムを制御するハンド制御デバイスの斜視図である。
【００２２】
【図１９】ある例に従った、マスタ制御アームのリストユニットの斜視図である。
【００２３】
【図２０】腕スリーブとして構成された、他の例に従った他の剛化要素の概略的な側面図である。
【００２４】
【図２１】他の例に従った他の剛化要素の概略的な側面図である。
【００２５】
【図２２】グラブとして構成された、他の例に従った他の剛化要素の概略的な背面図である。
【００２６】
【図２３】他の例に従った剛化要素を備えるボディスーツの概略的な側面図である。
【００２７】
【図２４】図２３のボディスーツの概略的な背面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、図示する例示的な実施形態を参照する。本明細書では、例示的な実施形態を記載するために、特定の言語を使用する。それにも拘わらず、本発明の範囲の限定がそれによって意図されていないことが理解されるであろう。
【００２９】
本明細書で使用するとき、「実質的に(substantially)」という用語は、作用(action)、特性(characteristic)、特性(property)、状態(state)、構造(structure)、品目(item)または結果(result)の完全な又は略完全な範囲または程度を指す。例えば、「実質的に」取り囲まれる物体は、物体が完全に取り囲まれていること又は略完全に取り囲まれていることを意味する。絶対的な完全性からの逸脱の正確な許容可能な程度は、幾つかの場合には、特定の文脈に依存することがある。しかしながら、一般的に言えば、完成の近さは、恰も絶対的且つ全体的な完成が得られたかのように同じ全体的な結果を有するような完成の近さである。「実質的に」の使用は、作用、特性、特性、状態、構造、品目または結果の完全または略完全な欠如を指すよう否定的な含意で使用されるときにも等しく適用可能である。
【００３０】
本明細書で使用するとき、「隣接する(adjacent)」は、２つの構造または要素の近接を指す。具体的には、「隣接する」ものとして識別される要素は、当接しているか或いは接続されていてよい。そのような要素は、必ずしも互いに接触しないで、互いに近くにあるか或いは接近してもよい。幾つかの場合、近接の正確な程度は、特定の文脈に依存することがある。
【００３１】
技術実施形態の初期的な概要を以下に提供し、次に、特定の技術実施形態を後に更に詳細に記載する。この初期的な要約は、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するが、技術の鍵となる構成(features)または本質的な構成を特定することを意図するものでなく、或いは請求する主題の範囲を限定することを意図するものでない。
【００３２】
本明細書は、ジョイント（関節）での一対の部材の間の動きに対する可変抵抗を提供するように動作可能な剛化要素デバイス(stiffening  element  device)を開示している。剛化要素は、嚢(bladder)内で流動可能なフィラー(filler)を含み、フィラーは、粒子(particles)を含み、フィラーの流動特性(flow
characteristic)は変化し、フィラー内の粒子間の相互作用力は増大し或いは変化し、嚢内の圧力及び一対の可動部材の動きに対する抵抗はフィラーの流動特性に応じて変化する。例えば、嚢をある程度まで潰すために、圧力源を嚢に連結して、嚢内の圧力を変更することができる。フィラーの流動特性を変更すること、及びフィラー内の粒子間の相互作用力を変更することは、嚢の動き、よって、一対の可動部材及びジョイントに対する、嚢の抵抗を変更する。１つの態様において、剛化要素は、力反射インタフェース装置(force  reflective  interface  apparatus)の部分であることができる。他の態様において、剛化要素は、マスタロボットシステムに力を移すジャミング(jamming)又はブレーキジョイントアセンブリ(brake  joint  assembly)の部分であることができる。他の態様において、剛化要素は、スレーブロボットシステムでの力をマスタシステムに移すために並びにスレーブロボットシステムでの力に対応するジョイント内の制動力を生成するために、力反射インタフェース装置の部分であることができる。更に他の態様において、剛化要素は、仮想環境と関連付けられる力を装置に移すために並びに仮想環境と関連付けられる力に対応するジョイント内の制動力を生成するために、力反射インタフェース装置の部分であることができる。
【００３３】
図１及び図２は、弛緩した構成(relaxed  configuration)で示された、第１の位置（図１）と異なる第２の位置（図２）との間で移動可能な、一例に従った剛化要素１０の概略的な側面図を描写している。図３は、第１の位置にあるが、剛性構成にある、剛化要素１０の概略的な側面図を描写しているが、剛化要素１０は、ジョイント１４を含み、ジョイント１４は、ジョイント１４について互いに対して移動可能である、一対の可動な関節作動する部材１８及び２２を備える。１つの態様において、ジョイント１４は、単一の自由度を備え、ある軸について（ジョイント１４で図１のページ内に枢動する、ヒンジ又はヒンジ状ジョイントであることができ、或いはそのようなヒンジ又はヒンジ状のジョイントを含むことができる。他の態様において、部材１８及び２２は、ある運動の範囲を通じてジョイント１４について連続的に枢動することができる。
【００３４】
加えて、剛化要素１０は、一対の可動部材１８及びｂ２２に連結される嚢２６(bladder)も含むことができる。嚢２６をジョイント１４に又はジョイント１４の周りに配置することができ、嚢２６はジョイント１４を横断して広がることができる。嚢２６は可撓（フレキシブル）であり且つ弾力的又は弾性的であることができ、可撓であり且つ弾力的又は弾性的な材料で嚢２６を形成することができる。よって、嚢は可変な容積を有することができる。例えば、嚢は、対応する所与の圧力の下で所与の程度だけ潰れるように構成されることができ、可変の容積を有することができる。加えて、嚢２６は１つの部材２２が他の部材１８に対して移動すると、形状及び位置を変えるように構成されることができる。１つの態様では、嚢２６を単一の材料、ラミネート、又は強化材料で形成することができる。嚢２６を周囲環境に対して封止（シール）することができ、気密に封止することができる。嚢２６は内部又は中空を有することができ、ポケットを定めることができる。１つの態様において、嚢２６を周囲の周りに封止される一対の層で形成することができる。内層は、実質的に及び／又は比較的平坦であることができるのに対し、外層は、中空を創成するよう、実質的に及び／又は比較的凸状であることができる。嚢の内層を部材に連結することができ或いは他の方法で固定することができる。内面の大部分又は実質的に全部が部材に連結され或いは固定されるよう、内層の内面は部材に連結されることができ或いは他の方法で固定されることができる。他の態様では、内層の周囲はシールを越えて延びて、部材に連結され或いは他の方法で固定されることができるフランジ又はタブを形成することができる。他の態様では、の運お両端を部材に連結することができ或いは他の方法で固定することができる。
【００３５】
フィラー３０を嚢１６内に配置することができ、フィラー３０は嚢２６内で流動可能又は他の方法で移動可能であることができる。流動可能とは、粒子が互いに対して移動し得ることを意味する。１つの例において、フィラーは、互いに対して流動及び移動することができ且つ互いに押し合うことができる、粒子３４を含むことができる。１つの態様において、粒子は、緩い方法において嚢２６を実質的に充填することができ、嚢の中空又はその容積の大部分を占めることができる。嚢及び中空又は内部容積が部材１８及び２２の移動に起因して形状及び位置を変更すると、フィラー３０は、嚢２６内で流れ、粒子３４は嚢２６内で互いに対して移動する。１つの態様において、フィラー３０は、粒子の間の隙間を充填する空気のような気体を更に含むことができる。本質的に、フィラーを嚢内に含めることができ、嚢内で流動可能にさせることができ、フィラーは粒子を含み、フィラーの流動特性は、嚢内の圧力に伴って変化し、一対の可動部材の移動に対する抵抗は、フィラーの流動特性に伴って変化する。加えて、一対の可動部材の移動に対する抵抗を、フィラーの粒子間の相互作用力の増加として特徴付けることができる。
【００３６】
更に、圧力源３８を嚢２６に動作的に連結することができ（例えば、嚢２６内で又は周りで圧力を誘発するように動作可能であることができ）、圧力源３８は嚢内の圧力を変更することができる。１つの態様において、圧力源３８は、嚢２６から気体又は空気のような介在材料(interstitial  material)を選択的に引き出すように構成される真空源を含むことができる。例えば、真空源は、シリンダ内で移動可能なピストンのような真空ポンプであることができる。嚢２６内の圧力が変化すると、嚢は潰れ、フィラー材料３０及び粒子３４の流動特性は変化する。潰れとは、嚢がその完全膨張状態又は状況から少なくともある程度潰れるか、或いは嚢の容積がその完全膨張状態又は状況から少なくともある程度減少することを意味する。嚢が容積を変えると、フィラーの粒子３４の間の接触及び／又は干渉は減少させられる。フィラー及び粒子の流動特性は異なるので、一対の可動部材１８及び２２の動き、よって、ジョイント１４に対する、内部にフィラー３０を備える嚢２６の抵抗は、変化する。よって、剛化要素１０に対する抵抗を選択的に変更するよう、圧力源３８又は真空源を選択的に変更させることができる。１つの態様では、ジョイント内の自由な移動を許容するゼロ抵抗と剛化要素１０及びジョイント１４をロックするよう作動可能な抵抗との間の連続的な抵抗の範囲を通じて、剛化要素１０の抵抗を選択的に変えることができる。完全にロックされた状態又は剛的な状態及び中間の任意の状態まで本質的にゼロであるよう抵抗を動的に調整することができる。圧力源３８は、嚢２６内に可変の程度／範囲の圧力を提供して、フィラー３０を備える嚢２６の可変の程度／範囲の抵抗をジョイント１４に提供することができる。圧力源３８は、ジョイント内の自由な移動を容易にするゼロの程度の抵抗及びジョイント１４内のフィラー３０を備える嚢２６のロックされる程度の抵抗を提供するよう、嚢２６内の圧力を変更することができる。図示しないが、他の態様において、当業者は、圧力源３８を変更するよりもむしろ、圧力源３８が圧力源３８及び嚢２６と流体連通する１つ又はそれよりも多くの弁と共に動作可能であることができ、弁は嚢２６内の圧力を変更するよう制御可能であることを認識するであろう。
【００３７】
図４は、図１の線４に沿って取られた剛化要素１０の詳細な概略的な側面図を描写しているのに対し、図５は、図３の線５に沿って取られた剛化要素の詳細な概略的な側面図である。図４は、嚢２６内の周囲圧力のような比較的より大きい圧力に対応する剛化要素１０又はジョイント１４の弛緩した構成におけるフィラー３０の粒子３４を描写している。粒子３４は流動し、互いに対して移動することができ、互いに接触している間に、如何なる有意な摩擦力をも伴って互いに押し合うようにさせられない。よって、部材１８及び２２は、互いに対して比較的自由に移動することができ、剛化要素１０又は嚢２６から極めて僅かの又は名目上の抵抗を受ける。他方、図５は、より大きな圧力又は周囲圧力に対して、比較的より低い圧力に対応する剛化要素１０又はジョイント１４の剛性構成におけるフィラー３０の粒子３４を描写している。この場合、嚢２６は、フィラー３０、よって、粒子３４上で潰れるようにさせられ、粒子３４は、互いに押し合うようにさせられ、流れを制約するよう互いに干渉する。よって、部材１８及び２２は、比較的制約された動きを有することができ、剛化要素１０又は嚢２６から比較的より大きな抵抗を受けることができる。粒子３４は、図４に示すように、より大きい圧力の下で比較的緩くあることができ、互いに対してより容易に流れることができる。しかしながら、粒子３４は、図５に示すように、より少ない圧力の下で比較的より密集させられることができ、互いに対して流れる困難を有することができる。粒子３４を密集させることは、流れに対するより大きい物理的インピーダンス及び粒子間のより大きい摩擦を引き起こすことができる。圧力源３８又は真空源が嚢２６内の圧力を減少させると、嚢２６は潰れ、フィラー３０の粒子３４を密集させることにより、粒子３４の流れを妨げ、ジョイントを剛化させる。本質的に、圧力の減少に伴い、粒子３４は互いに押され、よって、それらの間の動摩擦係数を増大させる。嚢２６の潰れ及び結果として得られる粒子３４の圧縮によって引き起こされる圧力を変更することによって、動摩擦係数の大きさを変更することができる。
【００３８】
図１〜図３を再び参照すると、剛化要素１０は、１つ又はそれよりも多くのセンサ又はコントローラ４２を更に含むことができる。センサは、嚢内の圧力又は部材１８及び２２のうちの１つ又はそれよりも多くの部材の位置のような、剛化要素１０の特性(characteristic)を感知することができる。１つの態様では、位置センサ４６を、部材２２のような、一対の部材のうちの少なくとも１つに動作的に連結することができ、位置センサ４６は、圧力源３８及び／又はコントローラ４２にフィードバックを提供することができる。よって、センサ４６によって感知されるような部材１８及び／又は２２の位置に基づいて抵抗を変更することができる。他の例として、圧力センサ５０を、嚢自体、圧力源、又は嚢と圧力源との間の圧力線のような、嚢２６に動作的に連結することができる。圧力センサ５０は、圧力源３８及び／又はコントローラ４２にフィードバックを提供することができる。よって、嚢の圧力に基づいて抵抗を変更することができる。コントローラ４２を圧力源３８（又は代替的に１つ又はそれよりも多くの弁）に動作的に連結して、嚢２６内の圧力を選択的に変更するよう圧力源を制御することができる。他の態様では、力センサを使用することができる。他の態様では、圧力の力及び位置センサを使用することができる。
【００３９】
図６及び図７は、弛緩した構成において示された、第１の位置（図６）と異なる第２の位置（図７）との間で移動可能な、他の例に従った剛化要素１１０の概略的な側面図を描写している。図８は、第１の位置にあるが、剛性構成にある、剛化要素１１０の概略的な側面図を描写している。図６〜図８の剛化要素１１０は、殆どの点において上述のものと類似しており、当業者によって理解されるように、適用可能である場合には、その記載はここに援用される。剛化要素１１０は、上述のような嚢２６を有し、内側嚢を定める。加えて、剛化要素１１０は、内側嚢２６の上に配置される外側嚢１２６を有する。よって、内側嚢２６を部材１８及び２２と外側嚢１２６との間に配置することができる。１つの態様において、外側嚢１２６は、内側嚢２６よりも剛的であることができ或いは可撓性がより少なくあることができる。剛化要素１１０は、外側嚢１２６内の圧力を選択的に増大させることにより、外側嚢に対する内側嚢の圧力を変更して、内側嚢２６を潰すための、正圧源１３８を更に含む。内側嚢を通気することができる。
【００４０】
図９は、粒子３４の間の隙間内の介在材料２０４を示す剛化要素のフィラー２００の詳細な概略的な側面図を描写している。１つの態様において、介在材料２０４は、粒子の流れを容易化する、油のような、液体を含むことができる。１つの態様において、介在材料は、圧縮不能であることができる。１つの態様において、介在材料２０４は、粒子３４の間の隙間を充填することができ、嚢を実質的に充填することができる。他の態様において、介在材料２０４は、粒子３４を実質的に覆って、被覆粒子を定めることができるのに対し、粒子３４の間の隙間の大部分は、気体のままである。よって、介在材料は、液体又は気体のような、流体を含むことができる。
【００４１】
図１０は、異なるサイズを有する粒子２１２及び２１６を示す剛化要素のフィラー２０８の詳細な概略的な側面図を描写している。フィラーの粒子２１２及び２１６は、少なくとも２つの異なるサイズの粒子、幾つかの例では、３つ、４つ又はそれよりも多く異なるサイズの粒子を含むことができる。１つの態様では、より小さな粒子２１６をより大きな粒子２１２の間の隙間に配置することができる。１つの態様では、異なる材料で粒子を形成することができ、粒子は、異なる摩擦係数、異なる圧縮性などのような、異なる特性を有することができる。当業者は、所望の流動特性を取得し且つ剛化要素の抵抗特性(resistance  characteristicsを調整するために、粒子２１２及び２１６のサイズ、構成、材料構成又は種類など、及び相対的な量を選択することができることを認識するであろう。実際には、本明細書で議論する剛化要素を必要に応じて又は所望に調整することができることが想定される。
【００４２】
図１１は、異なる形状を有する粒子２２４及び２２８を示す剛化要素のフィラー２２０の詳細な概略的な側面図を描写している。フィラーの粒子は、少なくとも２つの異なる形状の粒子、幾つかの例では、３つ、４つ又はそれよりも多くの異なる形状又は構成を含むことができる。１つの態様において、粒子２２４のうちの一部は球形であることができるのに対し、他の粒子２２８は平坦な表面を有することができる。他の例において、粒子２２４の形状又は構成は無作為であることができる。粒子は、流動特性を変更することができるそれらのそれぞれの形状の故に、異なる特性を有することができる。所望の流動特性を取得し且つ剛化要素の抵抗特性を調整するために、粒子２２４及び２２８の形状を選択することができる。
【００４３】
図１２は、粒子２３２の圧縮性を示す剛化要素のフィラーの粒子の詳細な概略的な側面図を描写している。１つの態様において、フィラーの粒子２３２は、図示のように、弾性的に圧縮可能であることができる。他の態様において、粒子は、比較的剛的であることができる。フィラーの粒子は、適用される荷重に応答する弾性変形の尺度である弾性係数、及び／又は所与の応力レベルでの塑性変形の開始である降伏強さを有することができる。１つの態様において、粒子は、降伏強さを本質的に有さず、むしろそれが壊れるまで弾性的に変形する、ゴムを含むことができる。１つの態様において、フィラーの粒子は、０．０１〜３．５ＧＰａのような、比較的低い係数（ヤング弾性係数）を有することができ、ゴム（０．０１〜０．１ＧＰａ又は１．４５〜１４．５×１０−３Ｍｐｓｉのヤング係数）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）（１．４〜１．３ＧＰａ又は２．３ＧＰａのヤング係数）、ナイロン（２〜４ＧＰａ又は０．２９〜０．５８Ｍｐｓｉのヤング係数、４５ＭＰａの降伏強さ）、低密度ポリエチレン（０．１１〜０．８６ＧＰａ又は０．１１６Ｍｐｓｉのヤング係数）、高密度ポリエチレン（０．８ＧＰａ又は０．１１６Ｍｐｓｉのヤング係数）、ポリプロピレン（１．５〜２ＧＰａ又は０．２２〜０．２９Ｐｐｓｉのヤング係数）、ポリイミド（２．５ＧＰａのヤング係数）、ポリスチレン（３〜３．５ＧＰａ又は０．４４〜０．５１Ｐｐｓｉのヤング係数）などのような、ポリマを含むことができる。他の態様において、フィラーの粒子は、５０〜１００ＧＰａのような、比較的高い係数を有することができ、砂（７〜８０ＭＰａ）、アルミニウム（６９ＧＰａ又は１０Ｍｐｓｉのヤング係数、９５ＭＰａの降伏強さ）、ガラス（５０〜９０ＧＰａ又は７．２５〜１３．１Ｍｐｓｉのヤング係数）などを含むことができる。１つの態様において、フィラーの粒子は、移動性を促進するよう計量材料であることができる。他の態様では、関心の材料特性温度範囲に基づいて材料の係数を選択することができる。他の態様において、フィラーの粒子は、少なくとも２つの異なる係数を有することができる。
【００４４】
図１３は、複数の自由度を備える他の例示的な剛化要素３１０の概略的な斜視図を描写している。よって、ジョイント３１４は、複数の方向において枢動することができ、部材３１８及び３２２は、複数の軸について関節作動することができる。加えて、剛化要素３１０は、複数の嚢２６を有することができる。各嚢を一対の部材３１８及び３２２に連結することができ、各嚢はフィラーを含む。加えて、嚢２６を互いに対して平行に向け且つ位置付けることができる。１つの態様において、ジョイント３１４は、２つの軸について枢動することができ、各軸又は自由度のために嚢を構成することができる。１つの態様において、異なる嚢は、異なる抵抗特性を備える異なるフィラーを有することができる。よって、複数の異なる嚢を単一の圧力源に連結することができるが、同じ圧力に基づいて異なる抵抗を提供する。他の態様において、複数の異なる嚢を複数の圧力源に連結して、異なる圧力を提供して異なる抵抗特性を取得することができる。
【００４５】
図１４は、上述のような、複数の自由度を備える他の例示的な剛化要素３５０の概略的な斜視図を描写している。加えて、剛化要素３５０は、ジョイント３１４を取り囲む又は囲む嚢３５４を有する。よって、単一の嚢３５４は、複数の自由度の軸に適合することができる。１つの態様において、嚢３５４は、ジョイント全体を囲むトーラス形状を有することができる。しかしながら、これは限定的であることを如何様にも意図しない。図１４は、嚢３５４がジョイント全体の周りに延在することができ、ジョイントによって提供される様々な複数の自由度においてジョイントの剛化を提供するために嚢３５４を使用することができる。
【００４６】
図１５は、潰れることができるポケットを定める複数のチャンバ（例えば、チャンバ４０４及び４０８）を内部に有する嚢を備える剛化要素の例示的な嚢４００の概略的な断面端面図を描写している。１つの態様において、チャンバ４０４の一部はフィラー３０を収容し、チャンバ４０８の一部はフィラーがない。他の態様において、チャンバは、フィラーを備えるチャンバとフィラーを備えないチャンバとの間で交互する列において配列されることができる。フィラーを備えないチャンバ４０８は空隙を定めることができる。空隙はフィラー３０を備えるチャンバ４０４が空隙内に潰れることを可能にすることができる。他の態様において、異なるチャンバは異なるフィラーを収容することができる。よって、潰れるように嚢を調整することができ、且つ／或いは特定の方法において流れるようにフィラーを調整することができる。１つの態様では、チャンバ４０４及び４０８は、図１５に示すように、互いに対して横方向に配置することができ、或いは横方向に配列することができる。１つの態様では、チャンバ４０４を共通の圧力源に連結することができる。他の態様では、チャンバ４０４を異なる圧力源に連結することができる。チャンバ毎に別個の圧力源を有することは、複数の異なる応答を備える単一の嚢を提供することができる。よって、抵抗応答を調整することができる。他の態様では、チャンバ４０８又は空隙を圧力源に連結することができる。
【００４７】
図１６は、複数のチャンバ４１６及び４２０を有する嚢を備える剛化要素の嚢４１２の概略的な断面側面図を描写している。１つの態様では、層状チャンバを創成するよう、一方が他方の上にある状態で、チャンバ４１６及び４２０をジョイントから異なる距離に配列することができる。嚢４１２は、上述の嚢４００と類似することができ、チャンバ４１６及び４２０は、上述のチャンバ４０４及び４０８と類似することができる。
【００４８】
１つの態様において、本明細書中の及び前述のジョイント及び一対の部材は、使用者が着脱（即ち、着脱）することができる、ウエアラブル物品、システムなどを含むことができ、且つ、それらの部分であることができる。１つの態様において、ウエアラブル物品は、剛的な外骨格を含むことができ、部材は剛的であることができる。他の態様において、ウエアラブル物品は可撓であることができ、部材及びジョイントは可撓であることができる。力反射をマスタロボット制御システム及びそのようなシステムの操作者に移す際に、そのようなウエアラブル物品を利用することができる。加えて、そのようなウエアラブル物品を利用して、仮想現実システムの仮想環境の部分として触覚フィードバックを提供することができる。
【００４９】
図１７は、本明細書に参照として援用する２０１７年１２月７日に出願された米国特許出願ダイ１５／８３５，２８０号中により詳細に記載されるような、ある例に従った対応するロボットシステムと関連付けられるマスタロボットシステムの概略図を描写している。マスタロボットシステムは、ロボットシステムの対応するジョイントと関連付けられる少なくとも１つのマスタブレーキジョイントを有することができる。マスタロボットシステム及び／又はそのマスタブレーキジョイントは、本明細書に記載するような剛化要素を含むことができる。
【００５０】
ブレーキジョイントアセンブリ及び／又は剛化要素は、マスタロボットシステムに力を移す。ブレーキジョイントは、マスタロボットシステムと関連付けられる（又はマスタロボットシステムによって動作可能な）スレーブロボットシステムが受ける力に対応するものとしてブレーキジョイント内に制動力及び／又は抵抗力を選択的に精製するよう動作可能な、上述のような、剛化要素又は剛化要素内のフィラーを備える嚢を含むことができる。１つの態様において、制動力は、制動力の大きさを必要に応じて或いは所望に変更することができるように、スレーブロボットシステムが受ける動的な抵抗力に対応するものとしてマスタロボットシステムによって動的に制御されることができる。
【００５１】
加えて、スレーブロボットシステムからマスタロボットシステムに力フィードバックを提供するシステムが提供される。システムは、複数のスレーブジョイントを含むスレーブロボットシステムと、１つ又は複数のマスタブレーキジョイントを有するマスタロボットシステムとを含み、各マスタブレーキジョイントは、マスタロボットシステムによって制御されるそれぞれのスレーブジョイントに対応する。１つの態様において、各マスタブレーキジョイントは、スレーブロボットシステムのそれぞれのスレーブ地点の可変の力反射に対応するマスタブレーキジョイントへの可変の制動力又は抵抗力を生成するよう動作可能な、前述のような、剛化要素又はフィラーを内部に備える嚢を含むことができる。マスタロボットシステムは、人型ロボットアセンブリ、外骨格ロボットシステム、人間操作ロボットアセンブリ、マニピュレータなどを含むことができる。
【００５２】
図１７は、スレーブロボットシステム５０２とマスタロボットシステム５０４との間に力反射を提供するシステム５００を描写している。一般的に、マスタロボットシステム５０４は、スレーブジョイント５０８の周りで受ける力をマスタブレーキジョイント５０６に反射するために、スレーブロボットシステム５０２の対応するスレーブジョイント５０８と関連付けられる、少なくとも１つのマスタブレーキジョイント５０６を含むことができる。例えば、マスタブレーキジョイント５０６ａは、制御されるスレーブジョイント５０８ａ（スレーブ肘ジョイント）に対応する人間の肘に対応する自由度（ＤＯＦ）を有し、スレーブジョイント５０８ａ内で受ける力を所望の比率においてマスタブレーキジョイント５０６ａ内に反射することができる。各マスタブレーキジョイント５０６は、前述のような、嚢及びその内部のフィラーを備える、剛化要素であることができ、或いはそのような剛化要素を含むことができる。この例では、人間の操作者が外骨格ロボットアセンブリ（例えば、上方外骨格及び／又は下方外骨格）のようなマスタロボットシステム５０４を着ることができる。マスタロボットシステムは、人間が着用する或いはスタンドアローンロボット又はロボットシステムとして機能するロボットシステムを含むことができることに留意のこと。例えば、マスタ制御ロボットシステムは、外骨格ロボットアセンブリ、非人型ロボット、人型ロボット、仮想現実制御システム、及び当業者に明かであるような他のものを含むことができる。スレーブロボットシステムは、任意の種類の遠隔操作ロボット、無人地表ロボット、空中ロボット、人型ロボット、ハンドロボット、仮想アバターロボット、及び当業者に明らかであるような他のロボットを含むことができることに更に留意のこと。
【００５３】
ブレーキベースのジョイントは、スレーブロボットシステムを制御するよう動作可能なマスタロボットシステムの部分として入力デバイス内に設けられる。いずれの特定のマスタブレーキベースのジョイントアセンブリも、スレーブロボットシステムのスレーブジョイントの対応する自由度（ＤＯＦ）を制御する際に使用される、ブレーキベースのジョイントの１つ又はそれよりも多くの自由度と関連付けられる、位置及び荷重センサを有することができる。
【００５４】
力反射に関して、スレーブジョイント５０８ａが力を受けるか或いは制限された進行ゾーンを違反するか或いは違反することを試みるとき（例えば、右スレーブアームが壁に接触するか或いは質量を持ち上げるか或いは所与の地点を越えて延びるなど）、力はスレーブジョイント５０８ａと関連付けられる荷重及び／又は位置センサによって感知される。スレーブロボットシステム５０２は、（抵抗力と関連付けられる）力反射データをマスタロボットシステム５０４（又は他の制御システム）に伝える。次に、マスタロボットシステム５０４は、（即ち、コントローラを介して）、ブレーキジョイント５０６ａに、スレーブロボットシステム５０２がスレーブジョイント５０８ａを介して受ける力に対応する力反射としての制動力を生成させる（適用する或いは解放する）。この力反射又は力フィードバックは、比例するように或いは比例しないように構成されてよい。よって、マスタロボットシステム５０２は、少なくともある程度、スレーブロボットが「感じる」ものを「感じる」ことができ、そのような力反射を、例えば、（外骨格の例における）操作者に又は人型ロボットに、抵抗力として伝えることができる。
【００５５】
一般的に、外骨格の種類のマスタ制御デバイスの例と同様に、力反射を用いるならば、操作者には、例えば、（例えば、右の）マスタ制御アームで、（例えば、右の）スレーブアームを操作するための、知覚入力(sensory  input)が提供される。位置制御と異なり、スレーブアームが、スレーブアームの経路内にあることがある障害物に拘わらずマスタアームからの位置命令を実行するように作動する場合、力反射は、マスタ制御アームを介して比例的な力フィードバックを操作者に提供して、スレーブアームが受けている荷重を示す。例えば、スレーブアームがマスタアームからの位置命令を実行している間に障害物に直面するならば、スレーブアーム上の荷重センサは、マスタ制御アームに通信される或いはフィードバックされる荷重情報を提供することができ、マスタ制御アーム内で動作可能な（複数の）ブレーキジョイントは、受信する荷重情報に基づいて、比例的な荷重を操作者に加えることができる。そのような比例的な荷重は、具体的な動作環境及び操作者に適用されることが望ましいことがあるものに依存して変更されることがあり或いは異なることがある。そのような力フィードバックを用いるならば、操作者は動作環境内でスレーブアームをより直観的に制御することができる。何故ならば、それは操作者が日常生活において自分の体を動かす操作者の経験により密接に似るからである。例えば、物体が５００ポンドの重さであるならば、操作者が受ける比例的な力が反映された荷重（即ち、制動力を介した荷重）は１０ポンドであるようにさせることができる。
【００５６】
特定の態様において、力反射実施は、スレーブアームが衝撃事象(impact  event)を受けるときに操作者のマスタ制御アームによって生成される荷重の増大を含むことができる。換言すれば、荷重センサが感知する衝撃は、力反射についての通常の比例的な設定と不均衡な荷重の一時的なスパイクとして、マスタ制御アームを介して使用者に反射されることができる。例えば、スレーブアームが壁と衝突するとき、スレーブアームの荷重センサは衝撃を感知する。衝撃が起こったことを操作者に警報するために、マスタ制御アームは、操作者に衝撃を効果的に表すことができる束の間の時間期間に亘る現在の比例的な力反射設定に対して不均衡に大きい使用者に対する荷重を生成することができる。例えば、衝撃時に生成される操作者に対する力は不均衡に大きいので、操作者はマスタアームを更に移動させることができず、使用者の強さ又は如何なる既存の運動量にも拘わらずマスタ制御アームのハードストップ(hard  stop)を効果的に生成する。よって、力反射は、ロボットシステムに安全構成を提供することができる。
【００５７】
同様に図１７に示されているのは、外部コンピュータシステムに電気的及び通信的に連結することができる仮想ヘッドセット５２２である。ヘッドセット５２２は、例えば、スレーブロボットシステム５０２上のカメラ及び他のセンサから送信されるような、リアルタイムビデオ及び他の情報を表示するように構成されることができる。代替的に又は同時に、ヘッドセット５２２は、特定のスレーブロボットシステムのレンダリング(rendering)を含む仮想三次元環境を表示することができる。
【００５８】
図１８は、本明細書中に参照として援用する２０１２年１０月３１日に出願された米国特許出願第１３／６６５，６９７号により詳細に記載されているような、ある例における周辺システム(peripheral  system)を制御するハンド制御デバイス６００(hand  control  device)の斜視図を描写している。「周辺システム」又はデバイスは、ハンド制御デバイスによって制御可能な、任意のシステム又はデバイス、そのコンポーネント、又はその態様を含むことができる。周辺システム又はデバイスは、電子システム又はデバイス、ロボットシステム又はデバイス、仮想環境内の物体又は態様などを含むことができるが、それらに限定されない。ハンド制御デバイス６００は、ロボットシステム又はデバイスのためのコントローラとして、ビデオゲーム又は人工環境内の協調複数自由度制御のためのような、仮想世界インタフェースのためのコントローラとして、機能することができる。
【００５９】
ハンド制御デバイス６００は、使用者によって把持されるように構成されるハンドル６１０を含むことができる。ハンドル６１０は、使用者の掌に対して支持される本体部分６１１を含むことができる。１つの態様において、ハンドル６１０は、中指６０５、薬指６０６、及び／又は小指６０７によってのように、使用者の少なくとも１つの指によって、使用者の掌６０４に対して支持されるように構成されることができる。ハンドル６１０は、使用者との物理的インタフェースのための基礎を形成することができる。例示のように、ハンドル６１０は、ピストルグリップ構成を含むことができるが、任意の他の適切な構成が使用されてよい。指制御装置６２０及び親指制御装置６３０のための支持の基礎としてハンドル６１０を利用することは、ハンド制御デバイス６００のためのコンパクトなフォームファクタ(form  factor)を提供することができる。
【００６０】
ハンド制御デバイス６００は、ハンドル６１０の周りで支持される指制御装置６２０を更に含むことができ且つ更に包含することができる。指制御装置６２０は、使用者の人差し指６０８の直観的且つ通常の人間の屈曲／伸長に基づく制御を容易にするよう、回転可能なジョイント６２０を含むことができる。加えて、ハンド制御デバイス６００は、ハンドル６１０によって支持される親指壊死魚装置６３０を更に含むことができ且つ更に包含することができる。親指制御装置６３０は、通常の人間の屈曲／伸長及び使用者の親指６０９の外転／内転に基づく制御を容易にするよう、第１及び第２の回転可能なジョイント６３１ａ，６３１ｂを含むことができる。本質的に、ハンド制御デバイス６００は、自分の（複数の）指及び親指をありふれた直観的な方法で動かすことによって周辺システム又はデバイスを制御するよう操作者に提供し、その動きは指制御装置６２０及び親指制御装置６３０の操作にそれぞれ変わり、それらの各々は指及び親指を受けるよう使用者の手の回りに戦略的に配置され、それらの各々は協調させられた(coordinated)調和させられた(harmonized)方法で動くように構成される。回転可能なジョイント６２１，６３１ａ，６３１ｂは、上述のような、嚢及びその内部のフィラーを備える、剛化要素であることができ、或いはそのような剛化要素を含むことができる。
【００６１】
図１９は、本明細書に参照として援用する２０１０年４月２７日に出願されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／３５６２０中により詳細に記載されるような、ある例における遠隔操作ロボットシステムのための、マスタ制御アームのリストユニット（手首ユニット）の斜視図を描写している。遠隔操作ロボットシステム（例えば、リフトシステム）は、マスタ制御アーム、スレーブアーム、及びプラットフォームを含むことができる。動作中、使用者は、マスタ制御アームを操作して、スレーブアームの動きを制御する。使用者及びマスタ制御アームは、スレーブアームに対して遠隔に配置されることができる。マスタ制御アームは、スレーブアームの動きを制御するために使用者によって操作されるように構成されることができ、使用者による動きは、スレーブアームによる対応する動きをもたらす。例えば、使用者は、マスタ制御アームの遠位端に配置されるハンドルを把持して、マスタ制御アームを操作することができる。一般的に、マスタ制御アームは、使用者の腕の動きがマスタ制御アームを使用者の動きと類似の方法で移動させるよう、使用者の腕に対応するジョイント及びリンケージを含むことができる。スレーブアームは、マスタ制御アームに対応する、よって、使用者の腕にも対応する、ジョイント及びリンケージを含むことができる。その場合、マスタ制御アームの動きは、スレーブアームをマスタ制御アームの動きと類似の方法で移動させることができ、よって、使用者がスレーブアームの動きを制御することを可能にする。
【００６２】
マスタ制御アームは、肩から手首までの人間の腕のＤＯＦ及びリンケージに対応するＤＯＦ及びリンケージを含むよう運動学系(kinematic  system)として構成されることができる。マスタ制御アームは、肩から手首までの使用者の腕と運動学的に同等であることができる。人間の腕は、肩から手首まで７つの自由度を含む。具体的には、人間の肩は、３つのＤＯＦ、即ち、外転／内転、屈曲／伸長、及び上腕回転を含む。人間の肘は、１つのＤＯＦを含む。人間の手首は、３つのＤＯＦ、即ち、手首回転、外転／内転、及び屈曲／伸長を含むように一般化されることができる。上腕は、肩から伸び、肘によって下腕に接続される。よって、手首は、下腕の反対端にある。肩から手首までの人間の腕は、第２のリンケージによって３つのＤＯＦを有する第３の関節に接続される、第１のリンケージによって１つのＤＯＦを有する第２の関節に接続される、３つの回転ＤＯＦを有する第１の関節を含む、運動学系として一般化されることができる。本明細書で使用するとき、「運動学的に同等な」又は「運動学的な同等」は、剛性体の２つ又はそれよりも多くの別個のシステム（系）の間の関係を指し、各システムの剛性体は、回転自由度（ＤＯＦ）をもたらすよう、回転ジョイントによってリンクされる。運動学的に同等なシステムは、システムの間で長さが比例する類似の対応するリンケージによって接合される、類似の対応する回転ＤＯＦを有する。「同等な」又は「同等」は、システムの間の運動学的な同一性を意味しない。実際には、「運動学的に同等な」又は「運動学的な同等」は、真正の運動学的な同一性からの幾らかの変動を含むことができる。
【００６３】
動作中、システムは、スレーブアームからマスタ制御アームへの力反射を含むことができる。力反射を用いるならば、使用者は、スレーブアームを作動させるための追加的な知覚入力を提供される。スレーブアームがスレーブアームの経路内にあることがある障害物に拘わらずマスタ制御アームからの位置命令を実行するように動作する位置制御とは異なって、力反射は、マスタ制御アームを介して比例的な力フィードバックを使用者に提供して、スレーブアームが受けている荷重を示す。例えば、スレーブアームがマスタ制御アームからの一名例を実行している間に障害物に直面するならば、スレーブアーム上の荷重センサは、マスタ制御アームに伝えられる荷重情報を提供することができ、マスタ制御アームと協働するアクチュエータは、荷重情報に基づいて比例的な荷重を使用者に加えることができ、比例的な荷重は、具体的な動作環境及び使用者に加えられることが望ましいことがあるものに依存して変化してよく、或いは異なってよい。この力フィードバックを用いるならば、使用者は動作環境においてより直観的にスレーブアームを制御することができる。何故ならば、それは使用者が日常生活において自分の体を動かす使用者の経験により密接に似るからである。
【００６４】
１つの態様において、システムは、スレーブアームによって持ち上げられる物体の重量に比例する力又は荷重を使用者に加えるように構成されることができる。例えば、物体が５００ポンドの重さであるならば、使用者が受ける比例的な力を反映した荷重は１０ポンドであることができる。他の態様において、スレーブアームが物体に直面するときに使用者に力又は荷重を加える力反射機能を実施することができ、その場合、使用者はマスタ制御アームを介して物体の抵抗を感じ、有害な効果を避ける又は最小にするよう行動を取ることができる。よって、力反射はロボットシステムの安全構成であり得る。
【００６５】
特定の態様において、力反射実施は、スレーブアームが衝撃事象を受けるときに使用者に対してマスタ制御アームによって生成される荷重の増大を含むことができる。換言すれば、荷重センサによって感知される衝撃は、力反射のための通常の比例的な設定と不均衡な荷重の一時的なスパイクとして、マスタ制御アームを介して使用者に反射されることができる。例えば、スレーブアームが壁と衝突するとき、スレーブアームの荷重センサは衝撃を感知する。衝撃が起こったことを使用者に警報するために、マスタ制御アームは、使用者に対する衝撃を効果的に表すことができる束の間の時間期間に亘る現在の比例的な力反射設定に対して不均衡に大きい使用者に対する荷重を生成することができる。例えば、衝撃時に生成される使用者に対する力は不均衡に大きいので、使用者はマスタアームを更に移動させることができず、使用者の強さ又は如何なる既存の運動量にも拘わらずマスタ制御アームのハードストップ(hard  stop)を効果的に生成する。
【００６６】
マスタ制御アームは、運動学的な同等をもたらすことができるよう、使用者の手首ＤＯＦを軸についてのマスタ制御アームの対応するＤＯＦとの十分な整列において位置付ける構造を含むことができる。リスト位置決め構造又はリストユニット７０１は、使用者がハンドルを把持してマスタ制御アームを操作するときに、使用者の手首が使用者の手首のＤＯＦに対応するマスタ制御アームのＤＯＦに対して適切に位置付けられるよう、ハンドル７００２を支持するように構成される。
【００６７】
リスト位置決め構図尾は、ジョイント７３５，７３６，７３７によって相互連結される様々な部材７１５，７１６，７１７，７１８を含むことができる。ジョイントは、上述のように、内部にフィラーを備える嚢を備える、剛化要素７４５，７４６，７４７を含むことができる。リストユニット７０１の構造は、システム操作者の実際の手首ＤＯＦと実質的に整列させられる３つの人間の手首ＤＯＦに対応する３つの直交軸を有するマスタ制御装置を提供することができる。加えて、リストユニット７０１構造は、位置センサ、荷重センサ、及び／又はリストユニットの各ＤＯＦのためのアクチュエータを収容することができる。よって、リストユニット７０１は、スレーブアームの位置制御、スレーブアームの荷重制御、スレーブアームからの力反射フィードバック、リストユニット重力補償、リストユニットのトルク補助、及びそれらの組み合わせに適することができる。
【００６８】
図２０は、他の例に従った剛化要素８００の概略的な側面図を描写している。剛化要素８００は、多くの点において、上述の剛化要素と類似し、その記述は、当業者によって認識されるように、適用可能である場合には、ここに援用される。一対の部材８１８及び８２２は、可撓なジョイント８１４で互いに可動に連結される一対のスリーブを含み、それは可撓なジョイントを定める。１つの態様において、スリーブ８１８及び８２２は可撓であり且つ弾力的又は弾性的であることができる。一対のスリーブ８１８及び８２２は、使用者の腕で使用者によって着脱（即ち、着用）されることができる。よって、１つのスリーブ８１８を使用者の腕(arm)又は上腕(upper  arm)のための大きさ及び形状にすることができるのに対し、他のスリーブ８２２を使用者の前腕(forearm)又は下腕(lower  arm)のための大きさ及び形状にすることができ、ジョイント８１４を使用者の肘(elbow)のための大きさ及び形状にすることができる。嚢２６を肘(elbow)又はジョイント８１４で一対のスリーブ８１８及び８２２に連結することができる。例えば、嚢をスリーブに対して内部的にすることができる。１つの態様では、ジョイント８１４をスリーブ又はバンド(band)として形成することができ、バンドはジョイントを囲んで、嚢２６を支持することができる。加えて、一対のスリーブは、手首ジョイント（リストジョイント）８３４で下腕スリーブ８２２（下方アームスリーブ）に連結されるグラブ(glove)又はミット(mitt)８３０を更に含み、嚢８３８は下腕スリーブ８２２及びグラブ又はミット８３０に連結される。嚢２６及び８３８はフィラーを含むことができ、本明細書中に記載するように、ジョイントの剛化を制御するために、圧力源と共に動作可能であることができる。
【００６９】
図２１は、他の例に従った剛化要素８５０の概略的な側面図を描写している。剛化要素８５０は、多くの点において上述の剛化要素と類似しており、それらの記述は、当業者によって認識されるように、適用可能な場合には、ここに援用される。嚢８５４は、ジョイント８１４を取り囲むことができる或いは囲むことができる。よって、嚢８５４は、複数の軸についての運動に同時に抗するよう作動することができる。１つの態様では、嚢８５４全体がジョイント８１４を囲むことができる。よって、嚢８５４はトーラス形状を有することができる。加えて、嚢８４２が手首ジョイント８３４を取り囲むことができ或いは囲むことができ、下腕スリーブ８２２及びグラブ又はミット８３０に連結されることができる。更に、肩嚢８６６が肩ジョイントの周りに連結されることができ、腕スリーブ８１８に連結されることができる。やはり、嚢８５４，８４２，８６６は、フィラーを含むことができ、本明細書に記載するように、ジョイントの剛化を制御するために、圧力源と共に作動可能であることができる。
【００７０】
図２２は、多くの点において上述の剛化要素と類似する複数の剛化要素９１０を備える、他の例に従ったグラブ９００の概略的な背面図を描写しており、上述の剛化要素の記述は、当業者によって認識されるように、適用可能である場合には、ここに援用される。グラブ９００は、使用者によって着脱（即ち、着用）されることができる。グラブ９００は複数の可動部材を含み、一部の部材は直列に配置され、他の部材は平行に配置され、複数のジョイント９１４が隣接する可動部材を連結している。部材は、掌(palm)に対応する掌部分９６０(palm  portion)を含むことができ、一連の近位部分９６４が、中手指節ジョイント９６８によって、掌部分に枢動的に連結され、一連の中間部分９７２が、指節間ジョイント９７６によって、一連の近位部分９６８にそれぞれ枢動的に連結されている。嚢は、部材間に相互連結された複数の嚢を含むことができる。複数の嚢は、掌部分９６０及び一連の近位部分９６８にそれぞれ連結された中手指節関節嚢９８０と、一連の近位部分９６８及び中間部分９７６にそれぞれ連結された一連の指節間嚢９８４とを含むことができる。嚢の各々は、フィラーを含むことができ、本明細書に記載するように、ジョイントの剛化を制御するために、圧力源と共に作動可能であることができる。意図される用途に依存して、ジョイントの一部のみが嚢を備えてよい。
【００７１】
図２３及び図２４は、多くの点において上述の剛化要素と類似する複数の剛化要素１０１０を備える、他の例に従った腕スリーブ１００４を含むボディスーツ１０００の概略的な側面図及び背面図をそれぞれ描写しており、上述の剛化要素の記述は、当業者によって認識されるように、適用可能な場合には、ここに援用される。腕スリーブ１００４を含むボディスーツ１０００は、使用者によって着脱、換言すれば、着用されることができる。ボディスーツ１０００は、複数の可動部材を含むことができ、一部の部材は直列に配置され、他の部材は平行に配置され、複数のジョイント１０１４が隣接する可動部材を連結している。腕スリーブ１００４に関して、部材は、肩に対応する肩部分１０６０と、肩ジョイント１０６２によって肩部分１０６０に枢動的に連結される腕部分８１８と、肘ジョイント８１４によって腕部分８２８に枢動的に連結される前腕部分８２２とを含むことができる。複数の嚢が、肩部分及び腕部分１０６０及び８１８に連結された１つ又はそれよりも多くの肩嚢１０６６と、腕部分及び前腕部分８１８及び８２２に連結された肘嚢２６とを含むことができる。
【００７２】
加えて、脚スリーブ１１００が、膝ジョイント１１１４で連結された腿スリーブと下方脚スリーブ１１２２とを有することができる。膝嚢１１２６が、膝ジョイント１１１４で配置されることができ、腿スリーブ及び下方脚スリーブ１１１８及び１１２２に連結されることができる。加えて、嚢１１３８が下方脚スリーブ１１２２及びブーツ又はソックス１１３０に連結された状態で、ブーツ又はソックス１１３０が足首ジョイント１１３４で下方脚スリーブ１１２２に連結されることができる。更に、上方部分と下方部分とを備える胴スリーブ１２００が使用者の胴の周りに配置されることができ、それに連結された胴嚢１２２６を有することができる。嚢の各々は、フィラーを含むことができ、本明細書において記載するように、ジョイントの剛化を制御するために、圧力源と共に動作可能であることができる。
【００７３】
上述の（複数の）剛化要素及び（複数の）力反射インタフェースシステムは、仮想環境に対する反射力及び／又は触覚応答をもたらすために使用されることができる。よって、上述の（複数の）剛化要素及び（複数の）力反射インタフェースシステムは、図１７に示す仮想ヘッドセット５２２のような仮想現実を表示する仮想ディスプレイと共に使用されることができる。
【００７４】
他の態様において、コントローラ４２は、１つの態様においては０．１Ｈｚより大きい、他の態様においては０．１〜６０Ｈｚの間の、他の態様においては０．１〜５００Ｈｚの間の周波数で、嚢２６内の圧力を変調するよう、圧力源３８を変調することができる。高い周波数で圧力を変調することは、マスタ制御システム、操作者又は両者が、表面粗さ又はテクスチャを感じて見分けることができるように、表面粗さ又はテクスチャを真似るように利用されることができる。
【００７５】
本開示は本明細書に記載する幾つかの実施形態又は構成が本明細書に記載する他の実施形態又は構成と組み合わせられてよいことを明示的に開示しないことがあるが、この開示は当業者が実施可能なあらゆるそのような組み合わせを記載しているように読み取られるべきである。この開示中の「又は」の使用は、本明細書中に他のことが示されない限り、非排他的であると理解されるべきであり、或いは「及び／又は」と理解されるべきである。
【００７６】
図面に例示される例が参照され、それらの例を記載するために特定の言語が本明細書中で使用されている。それにも拘わらず、技術範囲の限定がそれによって意図されていないことが理解されるであろう。本明細書に例示する構成の変更及び更なる修正並びに本明細書に例示されるような例の追加的な適用は本記述の範囲内にあると考えられるべきである。
【００７７】
更に、記載する構成、構造、又は特性は、１つ又はそれよりも多くの例において任意の適切な方法において組み合わせられてよい。先行する記述では、記載する技術の例の網羅的な理解を提供するために、様々な構成の例のような数多くの具体的な詳細が提供されている。しかしながら、本技術は、具体的な詳細のうちの１つ又はそれよりも多くを伴わずに、或いは他の方法、コンポーネント、デバイスなどを用いて、実施されてよいことが認識されるであろう。他の場合には、本技術の態様を曖昧にするのを避けるために、周知の構造又は動作は詳細に示されず或いは記載されない。
【００７８】
構造的な構成及び／又は動作に特異な言語において主題を記載したが、添付の請求項において定められる主題は上述の具体的な構成及び動作に必ずしも限定されないことが理解されるべきである。むしろ、上述の特定の構成及び行為は、請求項を実施する例示的な形態として開示されている。記載する技術の精神及び範囲から逸脱することなく数多くの修正及代替的な構成が考案されることがある。
【００７９】
前述の例は１つ又はそれよりも多くの具体的な用途における本発明の原理の例示であるが、形態、使用、及び実施の詳細における数多くの修正が、発明的な能力の実施を伴わずに並びに本発明の原理及び着想から逸脱せずに行われることができることが、当業者に明らかであろう。従って、以下に示す請求項による場合を除き、本発明が限定されることは意図されていない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【外国語明細書】
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