(57)【要約】【課題】典型的な外骨格システムのそれを超える動力の低減を容易にすることができる構造構成を有する外骨格を提供する。【解決手段】本外骨格は、ジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される支持部材を含むことができる。ジョイントは、腰内旋/外旋、足首内旋/外旋、肩内旋/外旋、または手首回内/回外回転などの、人の四肢の自由度に対応することができる自由度を規定することができる。人の四肢を通る1つまたは複数の傍矢状平面は、外骨格の動作中に第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するためにジョイントと交差することができる。【選択図】図1
2015212010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のジョイントと、
前記複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを備える下半身外骨格であって、
前記複数のジョイントの第1のジョイントは、人の脚の腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の1つの自由度に対応する自由度を規定し、
前記人の脚を通る傍矢状平面は、前記外骨格の動作中に前記第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために前記第1のジョイントと交差する、下半身外骨格。
【請求項２】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材の少なくとも1つの少なくとも一部分は、前記人の脚に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項３】
前記第1のジョイントは、動力なしのジョイントであり、オペレータによる人力の下で動かせる、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項４】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材を中立位置へ付勢するために前記第1のジョイントと関連する付勢機構をさらに備える、請求項3に記載の下半身外骨格。
【請求項５】
前記第1のジョイントは、動力付きのジョイントであり、前記第1のジョイントと関連するアクチュエータは、前記第1のジョイントと関連する前記支持部材にトルクを印加する働きをする、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項６】
前記第1のジョイントは、低動力付きのジョイントであり、前記第1のジョイントと関連する前記アクチュエータは、より少ない動力で動作しかつ屈曲/伸展回転の自由度に対応する自由度を規定するジョイントと関連する動力付きのアクチュエータのそれよりも小さいトルクを印加する低動力付きのアクチュエータである、請求項5に記載の下半身外骨格。
【請求項７】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材の少なくとも1つは、前記第1のジョイントと前記人の脚に対して内側および外側指向の位置の少なくとも1つに位置する第2のジョイントとの間に延び、前記少なくとも1つの支持部材は、前記人の脚の周りで前方または後方指向の位置から前記内側および外側指向の位置の少なくとも1つへ延びる、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項８】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、前記人の脚の前記腰内旋/外旋自由度および前記足首内旋/外旋自由度のもう一方に対応する自由度を規定し、人の脚を通る傍矢状平面が前記第2のジョイントと交差する、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項９】
前記第2のジョイントは、動力なしのジョイントであり、オペレータによる人力の下で動かせる、請求項8に記載の下半身外骨格。
【請求項１０】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、腰屈曲/伸展および腰外転/内転の少なくとも1つの自由度に対応する自由度を規定する、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項１１】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、膝屈曲/伸展の自由度に対応する自由度を規定する、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項１２】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、足首屈曲/伸展回転の自由度に対応する自由度を規定する、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項１３】
前記複数の支持部材がそれから延びる支持構造体をさらに備え、前記支持構造体は、実質的に人間オペレータに対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項1に記載の下半身外骨格。
【請求項１４】
複数のジョイントと、
前記複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを備える上半身外骨格であって、
前記複数のジョイントの第1のジョイントは、人の腕の肩内旋/外旋および手首回内/回外の1つの自由度に対応する自由度を規定し、
前記人の腕を通る傍矢状平面は、前記外骨格の動作中に前記第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために前記第1のジョイントと交差する、上半身外骨格。
【請求項１５】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材の少なくとも1つの少なくとも一部分は、前記人の腕に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項１６】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材の少なくとも1つは、前記第1のジョイントと前記人の腕に対して内側および外側指向の位置の少なくとも1つに位置する第2のジョイントとの間に延び、前記少なくとも1つの支持部材は、前記人の腕の周りで前方または後方指向の位置から前記内側および外側指向の位置の少なくとも1つへ延びる、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項１７】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、前記人の腕の前記肩内旋/外旋および手首回内/回外回転のもう一方に対応する自由度を規定し、前記人の腕を通る傍矢状平面は、前記第2のジョイントと交差する、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項１８】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、肩屈曲/伸展および肩外転/内転の少なくとも1つの自由度に対応する自由度を規定する、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項１９】
前記複数のジョイントの第2のジョイントは、肘屈曲/伸展の自由度に対応する自由度を規定する、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項２０】
前記複数の支持部材がそれから延びる支持構造体をさらに備え、前記支持構造体は、実質的に人間オペレータに対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項14に記載の上半身外骨格。
【請求項２１】
人の四肢の自由度に対応する複数の自由度を規定する複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材と、
前記支持部材にトルクを印加するために前記複数のジョイントの1つまたは複数と関連するアクチュエータとを備える外骨格であって、
前記人の四肢を通る1つまたは複数の傍矢状平面は、前記外骨格の動作中に前記複数のジョイントの少なくとも1つのジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために前記少なくとも1つのジョイントと交差する、外骨格。
【請求項２２】
前記複数の自由度は、前記人の四肢の腰内転/外転、腰内旋/外旋、足首回内/回外、足首内旋/外旋、肩内旋/外旋、手首内転/外転、および手首回内/回外の少なくとも1つの自由度に対応する、請求項21に記載の外骨格。
【請求項２３】
前記複数のジョイントの1つまたは複数は、前記四肢に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項21に記載の外骨格。
【請求項２４】
前記複数の支持部材の1つまたは複数は、実質的に前記四肢に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項21に記載の外骨格。
【請求項２５】
前記アクチュエータは、前記人の四肢の腰屈曲/伸展、膝屈曲/伸展、足首屈曲/伸展、肩屈曲/伸展、肩内転/外転、肘屈曲/伸展、および手首屈曲/伸展の少なくとも1つの自由度に対応する自由度を規定するジョイントと関連付けられる、請求項21に記載の外骨格。
【請求項２６】
前記複数の支持部材がそれから延びる支持構造体をさらに備え、前記支持構造体は、実質的に人間オペレータに対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項21に記載の外骨格。
【請求項２７】
人の脚の腰内旋/外旋または足首内旋/外旋の自由度に対応する自由度のための作動が少ししかまたはまったくない下半身外骨格の使用を容易にするための方法において、
複数のジョイントと、前記複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを含む下半身外骨格を準備するステップであって、
前記複数のジョイントの第1のジョイントが、人の脚の腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の1つの自由度に対応する自由度を規定する、ステップと、
前記人の脚を通る傍矢状平面が、前記外骨格の動作中に前記第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために前記第1のジョイントと交差するように、前記第1のジョイントを設置するステップとを含む、方法。
【請求項２８】
前記第1のジョイントと関連する前記支持部材の少なくとも1つの少なくとも一部分は、前記人の脚に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される、請求項27に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、参照により本明細書に全体として組み込まれる、2014年5月6日に出願された米国仮出願第61/989,512号の便益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
多種多様な外骨格、人型、および他の脚型ロボットシステムが、存在する。エネルギー的自立性が懸念される、そのようなシステムについての解決すべき基本的な技術的問題は、動力である。2つの選択肢が利用でき、それは、ロボットシステムの要求を満たすことができる高出力動力供給装置を使用すること、あるいはより少ない動力を使用することである。第1の選択肢は、携帯用動力がいまだ課題であるから、実用性を欠き、そのことが、第2の選択肢を残す。それに応じて、現存する外骨格または歩行用ロボットは、長時間にわたって高い力出力を提供する能力がない。言い換えれば、動力問題は、挑戦的な障害になっており、典型的な解決策は、システムの力出力能力を低減することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の特徴および利点は、例として本発明の特徴を一緒に例示する添付の図面と併用される、次に来る詳細な説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本開示の例による外骨格の説明図である。
【図２Ａ】人体の矢状面を例示する図である。
【図２Ｂ】本開示の例による、四肢に対して位置する図1の外骨格のジョイントを例示する、人の四肢の概略横断面図である。
【図３Ａ】本開示の別の例による外骨格の説明図である。
【図３Ｂ】本開示の別の例による外骨格の説明図である。
【図４Ａ】本開示のなお別の例による外骨格の説明図である。
【図４Ｂ】本開示のなお別の例による外骨格の説明図である。
【図５Ａ】本開示のなお別の例による外骨格の説明図である。
【図５Ｂ】本開示のなお別の例による外骨格の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図示される例示的な実施形態への言及が、今から行われることになり、特定の言語が、例示的な実施形態を述べるために本明細書で使用されることになる。それにもかかわらず、本発明の範囲の限定は、それによって意図されないことが理解されよう。
【０００６】
本明細書で使用されるように、用語「実質的に」は、動き、特徴、特性、状態、構造、事項、または結果の完全なまたはほとんど完全な範囲または程度を指す。例えば、「実質的に」封入される物体は、その物体が完全に封入されるかまたはほとんど完全に封入されることを意味することになる。絶対的完全性からのずれの厳密な許容程度は、場合によっては、特定の文脈に依存することもある。しかしながら、一般的に言えば、完成の近さは、あたかも絶対的かつ全面的完成が得られるのと同じ全体的結果を有するようであることになる。「実質的に」の使用は、動き、特徴、特性、状態、構造、事項、または結果の完全なまたはほとんど完全な欠如に言及するために否定的な意味合いで使用されるときも同様に適用可能である。
【０００７】
本明細書で使用されるように、「隣接した」は、2つの構造体または要素の近接を指す。特に、「隣接して」いると認定される要素は、隣接しているかまたは接続されていることもある。そのような要素はまた、必ずしも互いに接触することなく互いに近いまたは接近していることもある。近接の厳密な程度は、場合によっては、特定の文脈に依存することもある。
【０００８】
技術実施形態の最初の概観が、以下で提供され、次いで特定の技術実施形態が、さらに詳細に後で述べられる。この最初の概要は、読者が技術をより速く理解するのを支援することを目的としているが、しかし技術の重要な特徴または本質的な特徴を特定することを目的とせず、また特許請求される主題の範囲を限定することも目的としていない。
【０００９】
利用可能な動力が制限されている状態で外骨格ロボットシステムの力出力および耐久性の能力を改善するためには、そのようなシステムの効率が、改善の焦点になり得る。例えば、典型的な外骨格システムでは、支持構造体は、オペレータの脚のそばで外側に設置される。この構成は、動作するために動力を使用するアクチュエータによって補償される腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の自由度での重力誘起モーメントをもたらす。
【００１０】
それに応じて、典型的な外骨格システムのそれを超える動力の低減を容易にすることができる構造構成を有する外骨格が、開示される。一態様では、腰内旋/外旋自由度および/または足首内旋/外旋自由度のためのアクチュエータは、除去されてもよく(またはサイズおよび動力が低減されてもよく)、それ故に外骨格の所要動力を低減する。外骨格は、人の四肢の自由度に対応する複数の自由度を規定する複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材を含むことができる。複数のジョイントの1つまたは複数は、人の四肢を通る1つまたは複数の傍矢状平面が、外骨格の動作中に少なくとも1つのジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために、複数のジョイントの少なくとも1つと交差することができるように設置されてもよい。一態様では、アクチュエータは、トルクを支持部材に印加するために複数のジョイントの1つまたは複数と関連付けられてもよい。
【００１１】
一態様では、複数のジョイントと、複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを含むことができる下半身外骨格が、開示される。複数のジョイントの第1のジョイントは、人の脚の腰内旋/外旋または足首内旋/外旋の自由度に対応する自由度を規定することができる。人の脚を通る傍矢状平面は、外骨格の動作中に第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために第1のジョイントと交差することができる。
【００１２】
別の態様では、複数のジョイントと、複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを含むことができる上半身外骨格が、開示される。複数のジョイントの第1のジョイントは、人の腕の肩内旋/外旋または手首回内/回外の自由度に対応する自由度を規定することができる。人の腕を通る傍矢状平面は、外骨格の動作中に第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために第1のジョイントと交差することができる。
【００１３】
外骨格ロボット装置100の一例は、図1で示される。外骨格100は、本明細書で論じられる概念による任意の適切な構成を備えることができる。本明細書で開示されるような外骨格は、全身外骨格(すなわち、下半身部分101および上半身部分102を両方とも有する外骨格100に似ている)として、下半身外骨格(すなわち、下半身部分101の一部もしくはすべて)だけとして、または上半身外骨格(すなわち、上半身部分102の一部もしくはすべて)だけとして構成されてもよい。一例では、図で示されるように、外骨格100は、複数の下半身支持部材110a〜gおよび複数の上半身支持部材120a〜gを備えることができる。支持部材は、複数の自由度を規定する複数のジョイントの周りでの相対運動のために一緒に結合されてもよい。例えば、下半身支持部材110a〜gは、1つまたは複数の軸112a〜fの周りでの、並進自由度も可能ではあるが、回転自由度を規定するジョイント111a〜fの周りで回転可能に一緒に結合されてもよい。上半身支持部材120a〜gは、1つまたは複数の軸122a〜fの周りでの、並進自由度も可能ではあるが、回転自由度を規定するジョイント121a〜fの周りで回転可能に一緒に結合されてもよい。一態様では、ジョイントは、任意の適切な数の自由度を引き受けることができる。それ故に、図で例示されるジョイントはそれぞれ、単一の自由度を規定するけれども、単一のジョイントが多自由度を規定することは可能である(すなわち、ユニバーサルジョイントまたはボールジョイントによって)。そのような単一または多自由度ジョイントは、外骨格100の任意の適切な場所に提供されてもよい。
【００１４】
軸112a〜f、122a〜fの周りの回転自由度などの、自由度の1つまたは複数は、人の脚または人の腕の1つまたは複数の自由度にそれぞれ対応することができる。例えば、軸112a〜fの周りの回転自由度は、腰外転/内転、腰屈曲/伸展、腰内旋/外旋、膝屈曲/伸展、足首内旋/外旋、および足首屈曲/伸展にそれぞれ対応することができる。足首回内/回外に対応する自由度がまた、要望通りに含まれてもよい。加えて、軸122a〜fの周りの回転自由度は、肩外転/内転、肩屈曲/伸展、肩内旋/外旋、肘屈曲/伸展、手首回内/回外、および手首屈曲/伸展にそれぞれ対応することができる。手首外転/内転に対応する自由度がまた、要望通りに含まれてもよい。
【００１５】
人間ユーザまたはオペレータは、彼または彼女の足を装置の足用部分の中に置くことによって外骨格ロボット装置100を使用するまたはそれと相互作用してもよく、オペレータの足は、対応する力センサと接触することができる。人間オペレータの部分がまた、外骨格100の様々な場所に配置された力センサと接触することもできる。例えば、外骨格100の腰部分または肩部分は、オペレータの腰または肩とそれぞれ相互作用するように構成される力センサを有することができる。オペレータは、ウエストストラップ、肩ストラップまたは他の適切な結合装置によって外骨格100に結合されてもよい。オペレータはさらに、足ストラップおよび/またはオペレータが握るためのハンドルによって外骨格100に結合されてもよい。一態様では、力センサは、オペレータの膝または肩にそれぞれ近い外骨格100の膝部分または肘部分の周りに設置されてもよい。外骨格100の上または周りの特定の場所に配置される力センサへの言及がなされるが、力センサは、外骨格100の適切な動作を容易にするために、外骨格100の上または周りの多数の場所に戦略的に置かれてもよいことを理解すべきである。
【００１６】
一般に、アクチュエータは、力またはトルクを支持部材にそれぞれの自由度で提供するために外骨格の様々な自由度と関連付けられてもよい。伝統的な外骨格システムおよび装置と異なり、外骨格100は、人間オペレータの自由度に対応するある自由度が、少ししかまたはまったく作動(すなわち、力またはトルク)を提供されなくてもよいように構成されてもよく、そのことは、外骨格100の複雑さおよび動力消費を低減することができる。例えば、外骨格100の下半身構造体に関して、腰内旋/外旋の自由度に対応する自由度を規定するジョイント111cは、人の脚を通る傍矢状平面がジョイント111cと交差するように、人間オペレータに対して設置されてもよい。これは、以下でより詳細に説明される。
【００１７】
ジョイント111cをそのように設置する理由は、外骨格100によって誘起され、オペレータが歩いているときなどの外骨格100を操作しているときに起こり得る、ジョイント111cへのモーメントを最小化するまたは低減するためである。他方で、オペレータが、歩くために以前の外骨格に脚を持ち上げさせて伸ばさせるとき、オペレータの脚の内側または外側に位置する外骨格構造体(例えば、支持部材、ジョイント、アクチュエータ、その他)は、外側にオフセットした外骨格構造体の重量に起因して、オペレータの腰内旋/外旋に対応するジョイントの周りにモーメントを生じさせる可能性がある。それ故に、以前の外骨格では、オペレータが楽に扱うことができるよりも大きいこともある誘起モーメントの影響をオペレータが感じないように、重力誘起モーメントを弱めるまたは補償するために、大きいアクチュエータが、必要とされる。例示的外骨格100のジョイント111c、ならびに外骨格100の他の下半身部分101構造体(例えば、ジョイント111cに対して末端に位置する構造体)を、誘起モーメントを低減するまたは最小化する図示の位置に設置することによって、ジョイント111cの作動は、そのようなモーメントの影響に対処するために少ししかまたはまったく必要とされないこともある。ジョイント111e(足首内旋/外旋)、ジョイント121c(肩内旋/外旋)、およびジョイント121e(手首回内/回外回転)は、外骨格100の動作中に誘起される低減されたまたは最小化モーメントから同様に恩恵を受けることができ、従ってまたそれぞれの四肢を通る傍矢状平面がジョイントと交差するように設置されることによって恩恵を受けることもある。
【００１８】
図2Aは、人体の矢状面103を例示する。傍矢状平面は、矢状面に平行であるが、しかし矢状面からどちらの側へも外側にオフセットしている。それ故に、人の四肢104(すなわち、脚または腕)の概略横断面を示す、図2Bで例示されるように、外骨格100のジョイント111は、四肢104を通る傍矢状平面105がジョイント111と交差するように、四肢104に対して設置されてもよく、そのことは、四肢104の骨106およびジョイントと前方(または後方)に整列してジョイント111を設置することができる。傍矢状平面は、任意の場所で四肢104と交差することができる。例えば、傍矢状平面105'は、四肢104の内側を通って延びてジョイント111'と交差することができる。同じことは、四肢104の外側を通って延びる傍矢状平面(図示されず)についても当てはまる。それ故に、外骨格100のジョイントは、四肢104を通って延びる傍矢状平面がジョイントと交差するように、四肢104の周りの任意の位置に設置されてもよい。このように設置されたジョイントに関しては、上で論じられたような誘起モーメントは、ジョイントの作動が少ししかまたはまったく必要とされなくてもよいように、十分に低減されるまたは最小化されることもある。一態様では、ジョイント111は、傍矢状平面105に沿って四肢104の骨106(すなわち、構造部材)と実質的に位置合わせされてもよい。そのような位置合わせは、上で論じられたように、外骨格構造体によって誘起される最小モーメントをもたらすことができる。別の態様では、ジョイントは、四肢104に対して前側位置に(前方指向で)または後側位置に(後方指向で)設置されてもよい。例えば、ジョイント111は、四肢104に対して前側位置に(正面にまたは前方指向で)設置され、ジョイント111'は、四肢104に対して後側位置に(背面にまたは後方指向で)設置される。
【００１９】
外骨格100のすべてのジョイントを四肢に対して前方または後方指向の位置に設置することは、可能であるけれども、これが、事実である必要はない。図2Bで示されるように、四肢104に対する他のジョイント位置は、可能である。例えば、ジョイント111''は、四肢104に対して外側に位置して図示される。ジョイント(図示されず)はまた、四肢104に対して内側に設置されてもよい。以下でさらに述べられるように、外骨格のあるジョイントは、そのような場所で効果的に利用されてもよい。
【００２０】
図1をさらに参照すると、腰内旋/外旋のためのジョイント111cは、オペレータの脚の前に設置されることがわかる。同様に、ジョイント111e(足首内旋/外旋)、ジョイント121c(肩内旋/外旋)、およびジョイント121e(手首回内/回外回転)は、オペレータのそれぞれの四肢の前に設置される。関連する態様では、支持部材110a〜g、120a〜gは、実質的にそれぞれの四肢に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置されてもよい。例えば、支持部材110d〜fは、実質的に脚に対して前方指向の位置に設置され、支持部材120c〜gは、実質的に腕に対して前方指向の位置に設置される。別の関連する態様では、支持部材110a〜g、120a〜gの少なくとも一部分は、人の脚または腕に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置されてもよい。例えば、支持部材110cは、実質的に脚に対して前方指向の位置に設置され、支持部材120bは、実質的に腕に対して前方指向の位置に設置される。なお別の関連する態様では、ジョイント111c、111e、121c、121eと関連する支持部材の少なくとも1つは、ジョイント111c、111e、121c、121eと四肢に対して内側および/または外側指向の位置に設置される別のジョイントとの間に延びることができる。例えば、支持部材110cは、ジョイント111cと関連し、ジョイント111cと脚に対して外側に位置する位置にあるジョイント111bとの間に延びる。それ故に、支持部材110cは、脚の周りで前方指向の位置から外側指向の位置へ延びる。支持部材110dもまた、ジョイント111cと関連し、ジョイント111cとジョイント111dとの間に延び、ジョイント111dの部分は、膝の両側に位置するので、ジョイント111dは、脚に対して内側にも外側にも位置する位置にある。それ故に、支持部材110dは、脚の周りで前方指向の位置から内側および外側指向の位置へ延びる。支持部材110d、110eおよびジョイント111dを膝の両側に設置することは、質量を膝の周りで平衡に保つのに役立つことができ、それ故にこれらの外骨格構造体に起因して生成されることもある重力誘起モーメントを低減するまたは最小化する。同じ原理は、ジョイント111e(足首内旋/外旋)、ジョイント121c(肩内旋/外旋)、およびジョイント121e(手首回内/回外回転)などの、他の場所および自由度について当てはまる。
【００２１】
外骨格100はまた、力またはトルクを支持部材110a〜g、120a〜gに軸112a〜f、122a〜fの周りの回転自由度のいずれかなどの自由度で印加するために1つまたは複数のアクチュエータ113a〜f、123a〜fを備えることもできる。例えば、図1で例示されるように、下半身部分101に関しては、アクチュエータ113aは、力またはトルクを支持部材110a、110bに軸112aの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ113bは、力またはトルクを支持部材110b、110cに軸112bの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ113cは、力またはトルクを支持部材110c、110dに軸112cの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ113dは、力またはトルクを支持部材110d、110eに軸112dの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ113eは、力またはトルクを支持部材110e、110fに軸112eの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ113fは、力またはトルクを支持部材110f、110gに軸112fの周りの自由度で印加することができる。
【００２２】
同様に、上半身部分102に関しては、アクチュエータ123aは、力またはトルクを支持部材120a、120bに軸122aの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ123bは、力またはトルクを支持部材120b、120cに軸122bの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ123cは、力またはトルクを支持部材120c、120dに軸122cの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ123dは、力またはトルクを支持部材120d、120eに軸122dの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ123eは、力またはトルクを支持部材120e、120fに軸122eの周りの自由度で印加することができる。アクチュエータ123fは、力またはトルクを支持部材120f、120gに軸122fの周りの自由度で印加することができる。
【００２３】
アクチュエータ113a〜f、123a〜fは、油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、および/または電動アクチュエータなどの、任意の適切なアクチュエータを備えることができる。一態様では、アクチュエータは、アクチュエータが力またはトルクを提供することになるジョイントまたは自由度に対して遠隔設置されてもよい。例えば、膝自由度のためのアクチュエータは、ユーザの骨盤または大腿部の近くの支持部材上に設置されてもよく、膝自由度を遠隔で作動させるために、介在する自由度(例えば、膝屈曲/伸展)の中立軸を通って送られるケーブルなどの、動力伝達機構を有することができる。そのような構成は、外骨格ロボット装置の回転質量を低減するために、アクチュエータの質量を回転中心(すなわち、腰)の近くに設置することができる。
【００２４】
四肢の自由度に対応するジョイントごとにアクチュエータを有する外骨格100が、例示されたけれども、これは、本技術によって提供される便益の1つであるので、すべてのそのようなジョイントが、アクチュエータ、または同じサイズのアクチュエータを有する必要があるとは限らないことを認識すべきである。言い換えれば、いくつかのジョイントは、動力を供給されてもよい。加えて、他のジョイントは、動力を供給されなくてもよく、または屈曲/伸展回転の自由度に対応する自由度を規定するジョイントと関連する動力付きアクチュエータのそれよりも低い量で(従ってより低いトルクを生成する)動力を供給されてもよい。これらのジョイントの前方または後方指向の位置は、オペレータによる人力の下で(または低動力付きアクチュエータ方式の例ではわずかに支援されて)それらのそれぞれの自由度での運動を容易にし、それにより外骨格に提供される動力付きアクチュエータの数を低減するまたは最小化する(またはそれらのサイズを低減する)ので、上記のことが可能となる。例えば、下半身部分101については、ジョイント111cおよび/またはジョイント111eは、動力なしのジョイントであってもよい。ユーザに対して前方指向の位置でのこれらのジョイントの場所に起因して、上で述べられたように、重力誘起モーメントは、最小であることになり、その結果オペレータは、これらのモーメントに耐えることができ、彼/彼女自身の筋肉および骨を使用して自由度を作動させることができる。加えて、腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の自由度によって提供される運動は、典型的にはアクチュエータによる増幅を必要としない。それ故に、これらの自由度のためのアクチュエータは、除去されてもよく、またはこれらの自由度のための以前のアクチュエータ、および屈曲/伸展自由度に動力を供給するために使用される現在の外骨格設計でのそれらのアクチュエータとさえ比較してサイズが大幅に低減されてもよい。実際、もしアクチュエータが、これらの自由度の1つのために使用されるならば、アクチュエータは、小さくでき、より少ない動力を利用しかつより小さいトルクを生成するものにでき、それによってそのようなより大きいアクチュエータを超える省力化を提供する。この原理は、人の脚の腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の1つの自由度に対応するそれら、または人の腕の肩内旋/外旋および手首回内/回外の1つの自由度に対応するそれらなどの、本明細書で述べられるそれらの自由度に適用可能である。
【００２５】
同様に、上半身部分102については、ジョイント121cおよび/またはジョイント121eは、動力なしのまたは低減した動力のジョイントであってもよい。ユーザに対して前方指向の位置でのこれらのジョイントの場所に起因して、上で述べられたように、重力誘起モーメントは、最小であることになり、その結果オペレータは、彼/彼女自身の筋肉および骨を使用してこれらのモーメントに耐えることができる。加えて、肩内旋/外旋および手首回内/回外回転の自由度によって提供される運動は、典型的にはアクチュエータによる増幅を必要としない。それ故に、これらの自由度のためのアクチュエータは、除去されてもよく、またはこれらの自由度のための以前のアクチュエータと比較してサイズが大幅に低減されてもよい。もしアクチュエータが、これらの自由度の1つのために使用されるならば、アクチュエータは、小さくすることができ、それによって以前の外骨格設計で使用されることになる、より大きいアクチュエータを超える省力化を提供する。
【００２６】
外骨格100でのアクチュエータの数を低減することはまた、四肢での末端重量を低減することもでき、それによって外骨格をより効率的にし、オペレータが使用するのをより容易にする。
【００２７】
一態様では、付勢機構が、動力なしのまたは低動力付きのジョイントのためのアクチュエータの代用品としての役割を果たすことができる。例えば、スプリングなどの付勢機構は、動力なしのまたは低動力付きのジョイントと関連する支持部材を中立または中心位置へ付勢するために、動力なしのジョイントと関連付けられてもよい。腰の内旋/外旋は、オペレータが前方へ一歩進んでいる間に起こることもあるので、これは、歩いているときに足の適切な向きを維持することができる。付勢機構は、オペレータが歩くときに足を適切なまたは正しい位置合わせに戻す働きをすることができる。付勢機構は、任意の動力なしのまたは低動力付きのジョイントで同様に利用されてもよい。
【００２８】
ジョイント111c(腰内旋/外旋)、ジョイント111e(足首内旋/外旋)、ジョイント121c(肩内旋/外旋)、および/またはジョイント121e(手首回内/回外回転)への重力誘起モーメントを最小化することは、大幅な省力化の便益を外骨格100に提供することができるけれども、他の外骨格ジョイントでそうすることは、同じ種類の便益を提供しないこともある。例えば、図1では、ジョイント111a(腰内転/外転)およびジョイント111b(腰屈曲/伸展)は、脚に対して外側に設置される。これらのジョイントおよび関連する支持部材についてのそのような場所は、より末端に位置するジョイント111c、111eへの重力誘起モーメントに寄与しない。加えて、これらのジョイントについての重力誘起モーメントは、反対側の脚によって反応されるかまたは適切なサイズのアクチュエータによって容易に対処される。これらのジョイントは典型的には、それらの自由度と関連する運動を増幅することの望ましさに起因して作動されるので、関連するアクチュエータ113、113bを外骨格100から除去することの便益がないこともある。ジョイント111d(膝屈曲/伸展)の場所は、ジョイント111cに対して末端に位置することによって、ジョイント111cへの重力誘起モーメントに影響を及ぼす可能性があるけれども、そのような重力誘起モーメントは、上で論じられ、図面で示されるように、膝の両側にジョイント構造体を設置することによって最小化されてもよい。同様の原理は、上半身部分102のジョイントに当てはまる。それにもかかわらず、外骨格100の任意のジョイントは、前方または後方の向きで設置されてもよいことを認識すべきである。
【００２９】
一態様では、外骨格100は、支持部材110a〜g、120a〜gがそれから延びる支持構造体130を含むことができる。支持構造体130は、実質的にオペレータに対して前方指向の(図示されるような)または後方指向の位置に設置されてもよい。支持構造体130は、下半身部分101および上半身部分102を互いに結合するのに役立つことができる。加えて、支持構造体130は、外骨格電子機器(例えば、プロセッサ、通信装置、その他)、電力源、その他を収納することができる。支持構造体を、図示されるように、支持部材の多くとともに、オペレータの前に設置することによって、外骨格構造は本質的に、保護バリアをオペレータに提供することができる。この構成はまた、さらなる前面保護をオペレータに提供するために専用の保護具を支持することもできる。
【００３０】
図3Aおよび図3Bは、本開示の別の例による外骨格200を例示する。上で論じられた図1の外骨格100と同様に、外骨格200は、腰内転/外転および腰屈曲/伸展にそれぞれ対応する自由度を規定するジョイント211a〜bを形成するために一緒に結合される支持部材210a〜cを含む。この場合、ジョイント211a〜bは、脚を通る傍矢状平面がジョイント211a〜bと交差するように、オペレータの脚に対して前方指向の場所にある。この構成では、オペレータは、外骨格の運動を制御しながら、外骨格が実質的にオペレータの前に位置するという点で、外骨格200を「影で覆う」ことができる。
【００３１】
図4Aおよび図4Bは、本開示のなお別の例による外骨格300を例示する。上で論じられた図1の外骨格100と同様に、外骨格300は、肩内転/外転および肩屈曲/伸展にそれぞれ対応する自由度を規定するジョイント311a〜bを形成するために一緒に結合される支持部材310a〜cを含む。図4Aおよび図4Bで示されるように、ジョイント311aは、腕を通る傍矢状平面がジョイント311aと交差するような、オペレータの腕に対する場所にある。ジョイント311bは、わずかに腕の外側に設置されてもよいけれども、そのような場所は、上で論じられた理由のために誘起モーメントに関して問題ではない。この構成もまた、外骨格300が実質的にオペレータの前に位置するという点で、前方指向の外骨格を表す。
【００３２】
図5Aおよび図5Bは、本開示のなお別の例による外骨格400を例示する。外骨格400は、肩内転/外転、肩屈曲/伸展、および肩内旋/外旋にそれぞれ対応する自由度を規定するジョイント411b〜dを形成するために一緒に結合される支持部材410b〜eを含む。この場合、支持部材410a〜bは、肩のすくみに対応する自由度を規定するジョイント411aを形成するために一緒に結合される。それ故に、この例では、第4の肩自由度が、提供される。この構成もまた、外骨格400が実質的にオペレータの前に位置するという点で、前方指向の外骨格を表す。
【００３３】
本発明の一実施形態によると、人の脚の腰内旋/外旋または足首内旋/外旋の自由度に対応する自由度のための作動が少ししかまたはまったくない下半身外骨格の使用を容易にするための方法が、開示される。本方法は、複数のジョイントと、複数のジョイントの周りで回転可能に一緒に結合される複数の支持部材とを含む下半身外骨格を準備するステップを含むことができ、複数のジョイントの第1のジョイントは、人の脚の腰内旋/外旋および足首内旋/外旋の1つの自由度に対応する自由度を規定する。加えて、本方法は、外骨格の動作中に第1のジョイントへの重力誘起モーメントを最小化するために、人の脚を通る傍矢状平面が第1のジョイントと交差するように第1のジョイントを設置するステップを含むことができる。本方法の一態様では、第1のジョイントと関連する支持部材の少なくとも1つの少なくとも一部分は、人の脚に対して前方指向のまたは後方指向の位置に設置される。一般に一実施形態では、これらの方法ステップは、順番に実行されてもよいけれども、特定の順番は、この方法では必要とされないということに留意すべきである。
【００３４】
開示される本発明の実施形態は、本明細書で開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、当業者によって認識されることになるようなそれらの等価物に拡張されることを理解すべきである。本明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態を述べるためにだけ使用され、限定することを目的としていないこともまた理解すべきである。
【００３５】
本明細書全体にわたって「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれるということを意味する。それ故に、本明細書全体にわたって様々な所での語句「一実施形態では」または「実施形態では」の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指しているとは限らない。
【００３６】
本明細書で使用されるように、複数の事項、構造要素、組成要素、および/または材料は、便宜のために共通のリストで提示されることもある。しかしながら、これらのリストは、あたかもリストの各メンバーが別個のかつ独自のメンバーと個々に認定されると解釈すべきである。それ故に、そのようなリストの個々のメンバーは、反対への表示のない(without indications to the contrary)共通のグループでのそれらの提示にだけ基づいて同じリストの任意の他のメンバーの事実上の等価物と解釈すべきでない。加えて、本発明の様々な実施形態および例は、それの様々な構成要素についての代替案とともに本明細書で言及されることもある。そのような実施形態、例、および代替案は、互いの事実上の等価物と解釈すべきでなく、本発明の別個の自律的な表現と考えるべきであると理解される。
【００３７】
さらに、述べられる特徴、構造、または特性は、任意の適切な方法で1つまたは複数の実施形態で組み合わされてもよい。説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、長さ、幅、形状、その他の例などの、多数の具体的詳細が、提供される。しかしながら、当業者は、本発明が、具体的詳細の1つまたは複数がなくて、または他の方法、構成要素、材料、その他で実施されてもよいことを認識するであろう。他の例では、よく知られた構造、材料、または動作は、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるために詳細に図示されないまたは述べられない。
【００３８】
前述の例は、1つまたは複数の特定の応用での本発明の原理の説明に役立つが、実施の形態、使用および詳細での多数の変更が、発明能力の行使なしに、かつ本発明の原理および概念から逸脱することなくなされてもよいことは、当業者には明らかであろう。それに応じて、本発明が、以下に明記される請求項による場合を除き、限定されることは、意図されていない。
【符号の説明】
【００３９】
100  外骨格ロボット装置、外骨格
101  下半身部分
102  上半身部分
103  人体の矢状面
104  四肢
105  傍矢状平面
105'  傍矢状平面
106  骨
110a〜g  下半身支持部材
111  ジョイント
111'  ジョイント
111''  ジョイント
111a〜f  ジョイント
112a〜f  軸
113a〜f  アクチュエータ
120a〜g  上半身支持部材
121a〜f  ジョイント
122a〜f  軸
123a〜f  アクチュエータ
130  支持構造体
200  外骨格
210a〜c  支持部材
211a〜b  ジョイント
300  外骨格
310a〜c  支持部材
311a〜b  ジョイント
400  外骨格
410a〜e  支持部材
411a〜d  ジョイント
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図１】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2015212010.tif 000010
【図５Ｂ】
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【外国語明細書】
2015212010000001.pdf