(57)【要約】 メソフルイディック動力ロボット指及び／又は義指関節は、第１のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つのメソフルイディック・アクチュエータと第２のアクチュエータに流体連通した第２のメソフルイディック・アクチュエータとを有する第１の指部分と、関節ピボットによって第１の指部分にピボット運動可能に接続された第２の義指部分とを含み、第１のアクチュエータは第２の指部分とピボット運動可能に協働して関節点に関して第１の機械的倍率を与え、第２のアクチュエータは第２の指部分とピボット運動可能に協働して関節点に関して第２の機械的倍率を与える。
2014510643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メソフルイディック動力指関節であって、
第１のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つのメソフルイディック・アクチュエータと、第２のアクチュエータに流体連通した第２のメソフルイディック・アクチュエータと、を備えた第１の指部分と、
関節ピボットによって前記第１の指部分とピボット運動可能に接続された第２の指部分と、を有し、
前記第１のアクチュエータは、前記第２の指とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第１の機械的倍率を与え、前記第２のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第２の機械的倍率を与えることを特徴とするメソフルイディック動力指関節。
【請求項２】
前記第１及び第２のアクチュエータは、高圧力低流量バルブである請求項１記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項３】
前記高圧力は、１０００ｐｓｉ（ポンド毎平方インチ）より高い圧力を含み、前記低流量は、１００ｍＬ／ｓ（ミリリットル毎秒）の流量を含む請求項１記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項４】
前記第１の指部分は前記第２の指部分と協働してカム作用を定める請求項１記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項５】
メソフルイディック動力指であって、
第１のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つのメソフルイディック・アクチュエータと、第２のアクチュエータに流体連通した第２のメソフルイディック・アクチュエータと、を備えた第１の指部分と、
関節ピボットによって前記第１の指部分とピボット運動可能に接続された第２の指部分と、を有し、
前記第１のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第１の機械的倍率を与え、前記第２のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第２の機械的倍率を与え、
前記第２の指部分は、更に、第３のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つの第３のメソフルイディック・アクチュエータと、第４のアクチュエータに流体連通した第４のメソフルイディック・アクチュエータと、を備え、
前記メソフルイディック動力指は、更に、第２の関節ピボットによって前記第２の指部分とピボット運動可能に接続された第３の指部分を有し、前記第３のアクチュエータは、前記第３の指とピボット運動可能に協働して前記第２の関節点に関して第３の機械的倍率を与え、前記第４のアクチュエータは、前記第３の指部分とピボット運動可能に協働して前記第２の関節点に関して第４の機械的倍率を与えることを特徴とするメソフルイディック動力指。
【請求項６】
前記アクチュエータは、高圧力低流量アクチュエータである請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項７】
前記高圧力は、１０００ｐｓｉ（ポンド毎平方インチ）より高い圧力を含み、前記低流量は、１００ｍｌ／ｓ（ミリリットル毎秒）の流量を含む請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項８】
前記第３の義指部分は、更に、第５のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つの第５のメソフルイディック・アクチュエータと、第６のアクチュエータに流体連通した第６のメソフルイディック・アクチュエータと、を備えている請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項９】
更に、第３の関節ピボットによって前記第３の指部分にピボット運動可能に接続された指先端部を有し、前記第５のアクチュエータは、前記指先端部とピボット運動可能に協働して前記第３の関節点に関して第５の機械的倍率を与え、前記第６のアクチュエータは、前記指先端部とピボット運動可能に協働して前記第３の関節点に関して第６の機械的倍率を与える請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許は、代理人整理番号１３４８９−１１４（ＩＤ２０８８）の下で２０１１年２月３日に出願された同時係属中の「Ｍｅｓｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｌｌｏｙ  Ｖａｌｖｅ」と題する米国特許出願番号第１３／０２０，６３３号、代理人整理番号１３４８９−１１３（ＩＤ２０８３）の下で２０１１年２月３日に出願された同時係属中の「Ｍｅｓｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｔｗｏ  Ｓｔａｇｅ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖａｌｖｅ」と題する米国特許出願番号第１３／０２０，６２６号、及び代理人整理番号１３４８９−１１２（ＩＤ１９８３）の下で２０１１年２月３日に出願された同時係属中の「Ｍｅｓｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖａｌｖｅ」と題する米国特許出願番号第１３／０２０，６２０号に関連し、これらの出願の内容は、全ての目的のために引用により本明細書に組み入れられる。
（政府の権利）
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた元契約第ＤＥ−ＡＣ０５−００ＯＲ２２７２５の下で、政府支援によりなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
水力学及び流量制御の概念は、位置決め及び持ち上げの用途に利用される。水力学及び流量制御は、所与の用途に用いられる動作要件及び圧力に基づいて区分されることが多い。例えば、重量物を持ち上げる多くの用途においては、水力学及び流量制御は、高圧力及び高流量構成において動作するように設計される。これらの用途には、１０００ポンド毎平方インチを超える（＞１０００ｐｓｉ）動作圧力及びガロン毎分（Ｇ／ｍｉｎ）単位で計測される流量が含まれる。高圧及び高流量の用途において、アクチュエータは、通常、受ける可能性のある応力及び力に耐えるように計算された機械的強度をもたらすように構築される。別の例において、生体医用機器及びその他の精密な低圧力用途では、低圧力及び低流量構成において動作するように設計される。これらの低流量用途には、１００ポンド毎平方インチ未満（＜１００ｐｓｉ）の圧力及びミリリットル毎秒（ｍｌ／ｓｅｃ）単位で計測される流量が含まれる。低流量低圧力用途におけるアクチュエータは、通常、最小限の力を生じることが可能な精密及び／又は小型の装置である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
高圧力／高流量用途及び低圧力／低流量用途の両方に内在する限界は、ロボット用及び／又は義肢用の指及び／又は手などの、ロボット用及び／又は義肢用の外肢の開発に影響する。例えば、大きな力を生成するため及び／又はすばやい応答をもたらすように高圧力／高流量用途用に構成されたロボット及び／又は義肢は嵩高くなる場合があり、精密に制御することが困難であり得る。代替的に、精密な制御をもたらすように低圧力／低流量用途用に構成されたロボット及び／又は義肢は、応答が遅く、且つ、大きな力を生成できない場合がある。従って、これらの限界に対処するアクチュエータ、バルブ、制御及び機器が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
メソフルイディクスは、本明細書で用いられる場合、高圧力及び低流量において動作するように設計された液圧アクチュエータのクラス又は構成を表す。メソフルイディック・アクチュエータは、長さが数ミリメートルから１センチメートル又はそれ以上におよぶサイズ及び構成にわたるものであり、１つ又はそれ以上の実施形態においては円筒形とすることができる。メソフルイディック・アクチュエータは、オイルから水、合成物質に至る様々な作動流体を利用する一方で、高い力密度（＞１０００ｐｓｉ）、低摩擦、直接駆動及び高い機械的帯域幅をもたらすように構成することができる。例示的なメソフルイディック・アクチュエータは、直径を２．３ｍｍ（０．０９インチ）とし、７．６ｍｍ（０．３インチ）の変位で１．０９ｋｇ（２．４ポンド）の力を生成又は供給するように構成することができる。代替的に、別のメソフルイディック・アクチュエータは、直径を９．６ｍｍ（０．３８インチ）とし、２５．４ｍｍ（１．０インチ）の変位で８．９ｋｇ（１９．８ポンド）の力を生成又は供給するように構成することができる。どちらの例示的なメソフルイディック・アクチュエータも、等価なヒト筋肉の作動を上回る動的応答をもたらすように構成される。
【０００５】
液圧式制御バルブは、液圧アクチュエータに出入りする流体の流量を制御し、それによりアクチュエータの速度を制御する。既知の高圧力／高流量バルブ及び低圧力／低流量バルブは、通常、流体流量（従ってバルブの速度）を制御するための可変面積を有するオリフィスを使用する。用途の種類（例えば、高圧力／高流量及び低圧力／低流量）にかかわらず、バルブは、通常、同等の面積を有するオリフィスを使用する。対照的に、メソフルイディックバルブは、高圧力環境における低流量需要を制御し又はそれに備えるために極端に小さいオリフィスを使用する。メソフルイディックバルブに使用されるオリフィスは、既知のバルブに使用されるオリフィスよりも一桁小さいことが多い。例えば、２０００ｐｓｉより高い圧力において１ｍｌ／ｓｅｃより低い流量を与えるように構成されるバルブは、数千分の１インチより小さい直径のオリフィスを必要とする。
【０００６】
本開示は、２つのクラスのメソフルイディック（高圧力／低流量）制御バルブ、即ち、（Ｉ）形状記憶合金（ＳＭＡ）熱バルブ及び（ＩＩ）デジタルバルブを説明する。本明細書で開示される例示的な熱ＳＭＡバルブは、液冷形状記憶合金によって作動するポペット式バルブである。この実施形態において、形状記憶合金は、それを通って流れる電流によって加熱されたときに収縮するように構成されたワイヤに成形される。より多くの電流、従って熱、がワイヤを通るほど、ワイヤはより速く収縮する。バルブのＳＭＡワイヤ部分の収縮により、取付けられたポペットがオリフィスから離れ、流体がオリフィスを通って流れる。ＳＭＡワイヤの電流及び加熱を調節することにより、オリフィスとポペットとの間の開口を制御することができる。オリフィスは、例示的な１つの実施形態においては、サファイア及びルビーのような特殊材料で製造され、１万分の４インチ（０．０００４インチ）という小さいオリフィス直径をもたらすことができる。
【０００７】
ＳＭＡ熱バルブの応答性及び／又は性能は、ＳＭＡワイヤの温度を調整することによって制御することができる。例えば、アクチュエータをすばやく開くためには、電流をＳＭＡワイヤに印加して熱を発生させ、それによりワイヤを収縮させ、オリフィスを開くことができる。しかし、アクチュエータをすばやく閉じるためには、ＳＭＡワイヤを冷却してＳＭＡワイヤを圧縮ばねと協働して伸張させ、ポペットをオリフィス内に再び着座させる必要がある。ＳＭＡワイヤをすばやく冷却するために、オリフィス（即ち、入口ポート）からの流体流がＳＭＡワイヤ（これは流体流路内に配置される）の回りに導かれ、この移動する流れがＳＭＡワイヤからの熱の除去を促進し、それによりワイヤを冷却してバルブが閉じるようにさせる。ＳＭＡ熱バルブは、高圧力／低流量システムにおいて流体を制御するための簡単で安価な手段を提供する。
【０００８】
本明細書で開示する例示的なメソフルイディック・デジタルバルブは、オリフィスを通る流量を微調整するように構成することができる。バルブを通る流量の制御又は調整は、「完全開」と「完全閉」との間の差異が僅か数千分の１インチしかないことがあるので、さらに複雑であり得る。従って、１％の流量感度限界を与えるためには、アクチュエータの開口を１０ｅ-6インチ以内で制御する能力を必要とする。要求される流量感度限界を確保するのに必要なアクチュエータ制御度は、実際の実装においては不可能ではないとしても困難であり得る。例示的なメソフルイディック・デジタルバルブは、この困難に流体流量をデジタル的に変調することによって対処する。具体的には、例示的なメソフルイディック・デジタルバルブは、ソレノイドを利用してポペットを完全開位置と完全閉位置との間で駆動する。このようにして、オリフィスのサイズ又は面積を変化させることによってではなく、バルブをどれほど広く開くかよりもむしろどれほど長く（即ち、時間）開くかを制御することによって流体流量を制御することができる。例示的なメソフルイディック・デジタルバルブは、流体流量を制御するための応答性に優れた機構又は手段を提供する。
【０００９】
本明細書で開示するメソフルイディック機構及びアクチュエータは、ロボット用及び／又は義肢用の指（ｆｉｎｇｅｒ）及び母指（ｔｈｕｍｂ）の設計及び構築での使用に好適である。具体的には、メソフルイディック機構、バルブ及びアクチュエータは、ヒトの指及び手の容積制約条件内で高性能の作動を達成するロボット及び／又は義肢用装置の設計を可能にする。さらに、本明細書で提供される開示は、例えば、足首、手首、肘、肩及び膝などのその他のロボット用及び／又は義肢用の関節又は外肢に合わせてスケール調整して適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書で提供される開示に従って構築される例示的な形状記憶合金熱バルブの端面図を示す。
【図２】図１に示す例示的な形状記憶合金熱バルブの側面図を示す。
【図３】図１に示す例示的な形状記憶合金熱バルブの断面図を示す。
【図４】本明細書で開示されるバルブと共に用いることができるコントローラを示す。
【図５】本明細書で提供される開示に従って構築されるデジタルバルブの断面図を示す。
【図６】図５に示すデジタルバルブの変形実施形態を示す。
【図７】本明細書で提供される開示に従って構築される２段デジタルバルブの断面図を示す。
【図８】本明細書で提供される開示に従って構築されるロボット指又は義指の一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ｉ．メソフルイディック形状記憶合金熱バルブ
図１から図４は、それぞれ、例示的な形状記憶合金熱バルブ１００の端面図、側面図、断面図、及びコントローラを含む組立図を示す。具体的には、図１から図３に示す例示的な形状記憶合金熱バルブ１００は、円筒形カートリッジアクチュエータである。図１は、円筒形ボディ１０２の端面図を示す。円筒形ボディ１０２は、図２に示される形状記憶合金熱バルブ１００の中心軸線ＣＬに沿って配置された入口ポート１０４を含む。円筒形ボディ１０２は、例示的な実施形態において、０．１８８インチの直径及び１．４５０インチの全長を有する。円筒形ボディ１０２の全体のサイズ及び／又は寸法は、形状記憶合金熱バルブ１００の目的用途に応じてスケール調整可能であることが理解されよう。
【００１２】
図２は、例示的な形状記憶合金熱バルブ１００の側面図を示す。円筒形ボディ１０２は、円筒形ボディ１０２の第１の端部２００に形成された入口ポート１０４（図１参照）と、円筒形ボディ１０２の第２の端部２０２に実質的に隣接して配置された出口ポート２０４との間の中心軸線ＣＬに沿って延びる。第２の端部２０２は、端部キャップ２０６を支持するように構成される。具体的には、端部キャップ２０６は、第２の端部２０２において円筒形ボディ１０２内に支持される。端部キャップ２０６は、流体が出口ポート２０４を通り越して流れるのを防ぐためのシール２０８（図３参照）を含む。端部キャップ２０６はさらに、全体として参照数字２１０で識別されるコネクタを支持することができる。個々のコネクタは、参照数字２１０ａ及び２１０ｂによって明確に識別することができる（図３参照）。
【００１３】
図３は、図２に示す２次線Ａ−Ａに沿って描かれた断面図を示す。図３は、端部キャップ２０６を支持する第２の端部２０２及び個々のコネクタ２１０ａ及び２１０ｂを示す。前述のように、端部キャップ２０６はシール２０８と協働して、円筒形ボディ１０２の内部を漏れないように液密に封止する。
【００１４】
端部キャップ２０６は、円筒形ボディ１０２の内部に支持された付勢具又はばね３００と協働し、これと係合する。この付勢具又はばね３００は、円筒形ボディ１０２の内部に摺動可能に支持されたポペットボディ３０２を圧縮し、これと係合する。ポペットボディ３０２は、円筒形ボディ１０２と同様に、中心軸線ＣＬに沿って延びる実質的に中空の円筒である。実質的に中空のポペットボディ３０２及び円筒形ボディ１０２は協働して、入口ポート１０４と出口ポート２０４との間の流体流路３０４を定める。
【００１５】
ポペットボディ３０２はさらに、ポペット３０６を含み、これを支持する。ポペット３０６は、ポペットボディ３０２から遠ざかる方向に中心軸線ＣＬに沿って入口ポート１０４に向かって直線的に延びる。ポペット３０６は、入口ポート１０４によって支持されたオリフィス３０８と係合するように構成される。オリフィス３０８は、この例示的な実施形態においては、サファイア又はルビーなどの特殊材料、並びに、鋼、アルミニウム又はチタンなどの従来の材料で形成又は製造することができる。オリフィス３０８は、所望の流量、流体の種類及び動作圧力に応じて、０．０００４インチから０．０２４インチまでの間の直径を有することができる。ポペット３０６は、この例示的な実施形態においては、オリフィス３０８と係合するように構成されたテーパー状又はコーン形の端部を有する。代替的に、ポペット３０６は、オリフィス３０８と係合するように構成された球形又は円形の端部を含むことができる。ポペット３０６の具体的なサイズ及び／又は形状にかかわらず、動作中、ポペット３０６はオリフィス３０８と係合して流体シールを確立し、流体流路３０４に沿った流体流を阻止するように構成される。
【００１６】
ポペット３０６は、例えば、ポペットボディ３０２の内面に固定された１つ又はそれ以上のスポーク３１０を介して、ポペットボディ３０２の中心軸線ＣＬに沿って固定し懸架することができる。スポーク３１０は、流体が入口ポート１０４を通って流れるとき（即ち、入口ポート１０４がポペット３０６で封止されていないとき）に流体がポペットボディ３０２の内部を通って流れることを可能にする。
【００１７】
ポペットボディ３０２は、実質的に中空の円筒の内部を横切って延びるポスト３１２をさらに含むことができる。具体的には、ポスト３１２は、ポペットに実質的に隣接し且つ流体流路３０４を横断して配置される。形状記憶合金（ＳＭＡ）ワイヤ３１４は、流体流路３０４に沿って第１のコネクタ２１０ａからポスト３１２まで伸びることができる。ポスト３１２において、ＳＭＡワイヤ３１４はポスト３１２の外面の周りに巻き付き、折り返し第２のコネクタ２１０ｂまで伸びることができる。ＳＭＡワイヤ３１４をコネクタ２１０ａ、２１０ｂに電気的に接続して回路を形成することができる。コネクタ２１０に電流を通すと、ＳＭＡワイヤ３１４は加熱され、収縮する。ＳＭＡワイヤ３１４が収縮すると、ポペット３０６及びポペットボディ３０２は、ＳＭＡワイヤ３１４とポスト３１２との相互作用によってオリフィス３０８から引き離される。具体的には、ＳＭＡワイヤ３１４が加熱され収縮すると、これがポスト３１２を逆方向に引き寄せることによりポペットボディ３０２がばね３００に押しつけられてこれを圧縮する。ポペット３０６がポペットボディ３０２の移動に応じてオリフィス３０８から離れると、高圧流体が入口ポート１０４から流体流路３０４に沿って出口ポート２０４へと流れる。
【００１８】
オリフィス３０８を通る流量Ｑは、以下の関係式で表すことができる。
【数１】
2014510643.tif 000003
ここで、Ｃdは流量計数（典型的には０．６１）であり、Ａvはオリフィスの面積であり、ΔＰはアクチュエータの両端の圧力差であり、ρは流体の密度である。数学的には、オリフィスの面積Ａvは、ｄvをオリフィスの直径として、πｄvに等しい。上記の例示的な数値を用いると、オリフィスの直径ｄvが０．０００４インチのとき、対応するオリフィスの面積Ａvは非常に小さい。従って、ΔＰの非常に大きな値に対しても（即ち、高圧力においても）、流量Ｑは小さいままとなる。
【００１９】
動作中、高圧力流体源（図示せず）を、入口ポート１０４を介して例示的な形状記憶合金熱バルブ１００に流体的に結合させることができ、排出部（図示せず）を出口ポート２０４に流体的に結合することができる。図４に示すように、コネクタ２１０ａ及び２１０ｂは、メモリ４２０と通信するプロセッサ４１８を含むコントローラ４１６に接続することができる。メモリ４２０は、プロセッサ４１８によって実行される命令及びコマンドを格納するように構成される。プロセッサ４１８及びメモリ４２０はさらに、電源４２２及び通信モジュール４２４と通信することができる。通信モジュール４２４は、例示的な形状記憶合金熱バルブ１００及び／又は他の外部装置と通信するように構成することができる。例えば、単一のコントローラ４１６が複数の形状記憶合金熱バルブ１００を制御し駆動することができる。代替的に、コントローラ４１６は、既知の有線（例えば、ＴＣＰ−ＩＰ、イーサネット（登録商標））及び／又は無線（例えば、８０２．１１、８０２．１５及び８０２．１６）ネットワーク通信プロトコルを利用して他のコントローラ４１６及び／又は装置と通信することができる。
【００２０】
動作中、例示的な形状記憶合金熱バルブ１００を、入口ポート１０４を介して高圧力流体源に封止結合させることができ、出口ポート２０４を介してドレイン又は出口に封止結合させることができる。所定の時間に、所定のイベント又は条件に応答して、コントローラ４１６は、電源４２２を作動させて電流をコネクタ２１０ａ及び２１０ｂに印加することができる。コネクタ２１０ａ及び２１０ｂは、ＳＭＡワイヤ３１４と共に抵抗回路を形成し、ＳＭＡワイヤ３１４内に熱を発生させる。
【００２１】
ＳＭＡワイヤ３１４は、発生した熱に応答して収縮し、ポスト３１２に力をかける。ＳＭＡワイヤ３１４の収縮は付勢具３００を収縮させ、ポペットボディ３０２を第１の端部２００から引き離す。ＳＭＡワイヤ３１４の収縮に応答して、ポペット３０６はポペットボディ３０２と協働してオリフィス３０８から遠ざかる方向に移動する。具体的には、ＳＭＡワイヤ３１４が加熱されて収縮し、これがポスト３１２を逆方向に引き寄せることにより、ポペットボディ３０２がばね３００に押しつけられてこれを圧縮する。
【００２２】
ポペットボディ３０２の移動に応じてポペット３０６がオリフィス３０８から離れると、高圧流体が入口ポート１０４から流体流路３０４に沿って出口ポート２０４へと流れる。高圧流体は、オリフィスＡvの小さい面積を通して低流量Ｑで、流体流路３０４内に懸架したＳＭＡワイヤ３１４の長さに沿って流れる。
【００２３】
コントローラ４１６は、受け取った条件又は信号及び／又はプログラムコマンドに応答して、コネクタ２１０ａ及び２１０ｂへの電流の伝達を停止又は終了することができる。電流がないと、ＳＭＡワイヤ３１４はもはや加熱されず、伸張し始めることができる。ＳＭＡワイヤ３１４の伸張は、ばね３００が及ぼす力によって助長することができる。ＳＭＡワイヤ３１４の伸張は、流体流路３０４に沿った流体流によってさらに助長することができる。具体的には、入口ポート１０４と出口ポート２０４との間のＳＭＡワイヤ３１４に沿った流体の運動により、ＳＭＡワイヤ３１４を冷却して余分な熱の除去を促進することができる。このように、ばね３００及びＳＭＡワイヤ３１４は、オリフィス３０８を通る高圧流体の流れを簡単且つ優れた応答性で制御するように構成することができる。
【００２４】
ＩＩ  メソフルイディック・デジタルバルブ
図５は、例示的なメソフルイディック・デジタルバルブ５００の断面図を示す。例示的なデジタルバルブ５００は、円筒形ボディ５０２を有する円筒形カートリッジバルブである。円筒形ボディ５０２は、中心軸線ＣＬに沿って配置される入口ポート５０４と、入口ポート５０４に対して実質的に垂直に且つ隣接して配置される出口ポート５０６とを含む。
【００２５】
入口ポート５０４は、ポペットボディ５１２のポペット５１０部分と協働するように構成された特殊材料のオリフィス５０８を支持する。特殊材料のオリフィスは、例えば、貫通する流体流路が形成されたルビー又はサファイアのオリフィスとすることができ、又は、非鉄ステンレス鋼若しくはチタンなどの従来の材料から作成することができる。流路の直径は、０．０００４インチ程に小さくすることができ、又は０．０２４インチ程に大きくすることもできる。ポペット５１０及びオリフィス５０８は協働して、入口ポート５０４と出口ポート５０６との間の流体流を阻止する。図５に示すように、ポペットボディ５１２は、円筒形ボディ５０２のポペットチャンバ５１４部分の内部に支持され、中心軸線ＣＬに沿って延びる。ポペットボディ５１２は、ポペットチャンバ５１４の背面に対して隙間５１６を定めるサイズにされる。隙間５１６は、オリフィス５０８に対するポペット５１０の移動距離を定め、制限する。ポペットボディ５１２は、中心軸線ＣＬに沿って定められるばね用空洞５２０内にばね５１８を支持するように構成される。ばね５１８は、ポペットボディ５１２をポペットチャンバ５１４の背面から遠ざかる方向に付勢して、ポペット５１０がオリフィス５０８に係合するようにさせる。
【００２６】
円筒形ボディ５０２はさらに、ポペットボディ５１２に磁気的に結合するように構成されたソレノイド５２２を支持する。例えば、ソレノイド５２２が荷電されて磁界を発生させると、ボペットボディ５１２の導電性材料は、オリフィス５１０から隙間５１６の距離だけ遠ざかる方向に並進するように促されることになる。ポペットボディ５１２の並進は、磁界によって与えられる推進力の影響下でばね５１８を圧縮する。
【００２７】
ソレノイド５２２は、メモリ４２０と通信するプロセッサ４１８を含むコントローラ４１６（図４参照）に接続することができ、及び／又はそれによって制御することができる。メモリ４２０は、プロセッサ４１８によって実行される命令及びコマンドを格納するように構成される。プロセッサ４１８及びメモリ４２０はさらに、電源４２２及び通信モジュール４２４と通信する。通信モジュール４２４は、メソフルイディック・デジタルバルブ５００と通信し、それを制御するように構成することができる。
【００２８】
動作中、コントローラ４１６は、ソレノイド５２２に通電してポペットボディ５１２を並進させてばね５１８を圧縮する、プログラム又はその他の格納された一連の命令又はコマンドを実行することができる。このように、ポペットボディ５１２に固定されたポペット５１０は、隙間５１６の一定の距離だけオリフィスから遠ざかるように並進する。オリフィス５０８を通る流量は、ソレノイド５２２がコントローラ４１６によって通電される時間の量又は期間によって制御することができる。このように、オリフィス５０８を通る流量がオリフィス５０８に対するポペット５１０の可変位置によって制御されるのではなく、入口ポート５０４と出口ポート５０６との間の流れがオリフィス５０８の開放時間によって制御されるので、ポペット５１０の特定の位置を極度に精密に制御する必要はない。
【００２９】
図６は、漏れを防止するように構成されたデジタルバルブ６００の代替的実施形態を示す。この例示的な実施形態において、ソレノイド６２２は、電気コイル６２２ａがバルブの外側に配置される馬蹄型磁路を使用するので、磁気ワイヤ及び／又は電気接続部を流体流路内に通す必要がない。この実施形態において、湾曲部６３０がポペット６１０に結合される。ソレノイド６２２が通電されると、湾曲部が矢印Ａで示される方向に移動し、ポペット６１０を入口ポート６０４内に支持されたオリフィス６０８から引き離す。ポペット６１０がオリフィス６０８から引き離されると、流体は高圧力下で入口ポート６０４から出口ポート６０６へ流れることが可能になる。
【００３０】
ＩＩＩ．メソフルイディック２段デジタルバルブ
図７は、デジタルバルブ５００（及び／又は６００）を２段バルブ７００の第１段として用いて第２のより大きなポペットバルブ又はバルブ７０２を制御することができる、例示的な実施形態を示す。具体的には、デジタルバルブ５００を用いて第２段７０２のポペットチャンバ７１４内の圧力を調整及び／又は制御することができる。具体的には、入口ポート５０４／６０４は、流体通路７０８を介してポペットチャンバ７１４と流体連通する。第２段又は第２のバルブ７０２は高圧入口ポート７０４と高圧出口ポート７０６との間の流れを制御するように構成された高圧力／高流量バルブとすることができる。ポペットチャンバ７１４は、高圧入口ポート７０４と流体連通する。
【００３１】
動作中、デジタルバルブ５００を用いて第２段７０２を通る流量を制御することができる。具体的には、デジタルバルブ５００が開くと、流体が流体通路７０８を介してポペットチャンバ７１４から流出し、それに応じてポペットチャンバ７１４内の流体圧力が低下する。ポペットチャンバ７１４内の圧力低下により、高圧入口ポート７０４によって与えられる高圧力が、ばね７１０によって与えられる力に打ち勝つことが可能になる。流体通路７０８を介して流出する流体の量が大きいほど、ポペットチャンバ７１４内の圧力が低くなり、第２段７０２がより大きく開くことになる。このように、動作に僅かな電力しか使用しないデジタルバルブ５００／６００を用いて、第２段７０２（既知のシステム又はバルブにおいては、制御するのに大量の電力を必要とする）を制御することができる。
【００３２】
別の実施形態において、第２段７０２のオリフィスは、デジタルバルブ５００／６００のオリフィスの面積より小さい面積を有する固定オリフィスとする。このようにして、第２段７０２の背面の圧力の面積微調整を確立することができ、ポペット位置の微調整を維持することができる。
【００３３】
デジタルバルブ５００／６００を含めることにより、応答性に優れた、効率的な、すばやく制御される２段バルブ７００が提供される。ポペットチャンバ７１４内の流体のデジタル変調は、２段バルブ７００内に圧力脈動が最小の滑らかな流れをもたらす。ばね７１０は、一実施形態において、大きなばね定数を有する堅いばね（入口ポート７０４における圧力に対して相対的に）とすることができる。代替的に、ばね７１０は、弱いばねとすることができ、２段バルブ７００は、線形可変差動変成器（ＬＶＤＴ）によるポペット位置フィードバック及び圧力センサによるポペットチャンバ７１４の圧力フィードバックの両方を含むことができる。
【００３４】
ＩＶ．メソフルイディック制御型ロボット指及び／又は義指
図８は、例示的なメソフルイディック制御型ロボット指及び／又は義指８００の断面図を示す。ロボット指及び／又は義指８００は、ベースセグメント８０８にピボット運動可能に結合されたロボット指及び／又は義指セグメント８０２、８０４、８０６を含む。ロボット指及び／又は義指８００は、高圧力及び低流量で動作する液圧式指である。例えば、ロボット指及び／又は義指８００は、外部ケーブル又はアクチュエータを必要とせずに２０ポンドの力を生成するように構成することができる。ロボット指及び／又は義指８００は、実質的に自給式であるので、ロボット指及び／又は義指８００は、限定（ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ）切断された又は指を失った場合に用いることができる。
【００３５】
各々のロボット及び／又は義肢セグメント８０２乃至８０６は、それぞれ、反対方向に作用する一対の高圧力／低流量ピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂと協働する。各々のピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂは協働して、対応するロボット及び／又は義肢セグメント８０２乃至８０６がピボット点８０２ｃ乃至８０６ｃの回りで回転することを促す。ピボット点８０２ｃ乃至８０６ｃ及びピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂは、ロボット指及び／又は義指８００を生きているように動かすように、カム作用及び制御するように配置される。
【００３６】
ピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂの各々は、１つ又はそれ以上のデジタルバルブ５００／６００及び／又は形状記憶合金熱バルブ１００を含むことができる。このようにして、ロボット指及び／又は義指８００は、高圧力で動作して大きな力を生成することができると同時に、精密な制御をもたらす低流量で動作することができる。
【００３７】
動作中、ピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂの各々は、圧力下で維持される。例えば、ピストン８０６ａは高まる圧力を受けて矢印Ｂで示す方向に延びることができ、他方ピストン８０６ｂは、低下する圧力を受けて矢印Ｃで示す方向に引っ込む。このピストン８０６ａ及び８０６ｂの反対方向の動きが、ロボット及び／又は義肢セグメント８０６をピボット点８０６ｃの回りに矢印Ｄで示す方向に回転させる。ピストン８０６ａ／ｂへの流れを逆向きにすることにより、ロボット及び／又は義肢セグメント８０６の動きを逆向きにすることができる。これらの原理を、ロボット及び／又は義肢セグメント８０４及び８０２に対して同様に且つ独立に適用することができる。
【００３８】
バルブ１００／５００／６００を指セグメント８０２乃至８０６に統合することにより、ピストン８０２ａ／ｂ乃至８０６ａ／ｂのピストン穴が指の機械的構造体の一部となる簡易な設計が提供される。流体は、バルブ１００／５００／６００によって制御される管又は横向きに空けられた穴を介して、各指セグメント８０２乃至８０６を通して送ることができる。
【００３９】
本明細書で説明した現時点で好ましい実施形態に対する種々の変更及び修正は当業者には明らかであることを理解されたい。そのような変更及び修正は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、そして意図された利点を減ずることなく行うことができる。従って、それらの変更及び修正は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図１】
2014510643.tif 000004
【図２】
2014510643.tif 000005
【図３】
2014510643.tif 000006
【図４】
2014510643.tif 000007
【図５】
2014510643.tif 000008
【図６】
2014510643.tif 000009
【図７】
2014510643.tif 000010
【図８】
2014510643.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月13日(2013.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メソフルイディック動力指関節であって、
第１の指部分を有し、この第１の指部分は、
第１のアクチュエータと、
この第１のアクチュエータに流体連通したメソフルイディックバルブと、
第２のアクチュエータと、を備え、
前記メソフルイディックバルブは、
オリフィスを含む入口ポートと、
出口ポートと、
流体が前記入口ポートから前記出口ポートまで流れるように前記バルブ内の前記入口ポートと前記出口ポートとの間に流体流路を定める実質的に中空のバルブボディと、
前記オリフィスに係合するか又はこれから離れるように構成され、前記オリフィスと係合しているときに前記流体が前記オリフィスを通過することが阻止され、前記オリフィスから離れているときに前記流体が前記オリフィスを通過することが可能になる、ポペットと、
前記バルブボディ内に前記流体流路に沿って延びて前記ポペットに動作可能に結合し、電流を受け取ると収縮して前記オリフィスに係合している前記ポペットを前記オリフィスから離すように動かし、前記流体が前記流体流路に沿って前記実質的に中空のバルブボディ内に流入するように構成された、形状記憶合金ワイヤと、を備え、
前記メソフルイディック動力指関節は、更に、関節ピボットによって前記第１の指部分とピボット運動可能に接続された第２の指部分を有し、前記第１のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点のピボット点に関して第１の機械的倍率を与え、前記第２のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第２の機械的倍率を与えることを特徴とするメソフルイディック動力指関節。
【請求項２】
前記メソフルイディックバルブは、高圧力低流量バルブを含む請求項１記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項３】
前記高圧力は、１０００ｐｓｉ（ポンド毎平方インチ）より高い圧力を含み、前記低流量は、１００ｍＬ／ｓ（ミリリットル毎秒）の流量を含む請求項２記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項４】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータは、カム作用を実行して前記第１の指部分を前記第２の指部分に対して動かすピストンを含む請求項１記載のメソフルイディック動力指関節。
【請求項５】
メソフルイディック動力指であって、
第１の指部分を有し、この第１の指部分は、
第１のアクチュエータと、
この第１のアクチュエータに流体連通した第１のメソフルイディックバルブと、
第２のアクチュエータと、を備え、
前記第１のメソフルイディックバルブは、
オリフィスを含む入口ポートと、
出口ポートと、
流体が前記入口ポートから前記出口ポートまで流れるように前記バルブ内の前記入口ポートと前記出口ポートとの間に流体流路を定める実質的に中空のバルブボディと、
前記オリフィスに係合するか又はこれから離れるように構成され、前記オリフィスと係合しているときに前記流体が前記オリフィスを通過することが阻止され、前記オリフィスから離れているときに前記流体が前記オリフィスを通過することが可能になる、ポペットと、
前記バルブボディ内に前記流体流路に沿って延びて前記ポペットに動作可能に結合し、電流を受け取ると収縮して前記オリフィスに係合している前記ポペットを前記オリフィスから離すように動かし、前記流体が前記流体流路に沿って前記実質的に中空のバルブボディ内に流入するように構成された、形状記憶合金ワイヤと、を備え、
前記メソフルイディック動力指は、更に、関節ピボットによって前記第１の指部分とピボット運動可能に接続された第２の指部分を有し、前記第第１のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節ピボットの関節点に関して第１の機械的倍率を与え、前記第２のアクチュエータは、前記第２の指部分とピボット運動可能に協働して前記関節点に関して第２の機械的倍率を与え、
前記第２の指部分は、第３のアクチュエータと、前記第３のアクチュエータに流体連通した第２のメソフルイディックバルブと、第４のアクチュエータと、を備え、
前記メソフルイディック動力指は、更に、第２の関節ピボットによって前記第２の指部分とピボット運動可能に接続された第３の指部分を有し、前記第３のアクチュエータは、前記第３の指部分とピボット運動可能に協働して前記第２の関節点に関して第３の機械的倍率を与え、前記第４のアクチュエータは、前記第３の指部分とピボット運動可能に協働して前記第２の関節点に関して第４の機械的倍率を与えることを特徴とするメソフルイディック動力指。
【請求項６】
前記第１のメソフルイディックバルブ及び前記第２のメメソフルイディックバルブは、高圧力低流量バルブを含む請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項７】
前記高圧力は、１０００ｐｓｉ（ポンド毎平方インチ）より高い圧力を含み、前記低流量は、１００ｍｌ／ｓ（ミリリットル毎秒）の流量を含む請求項６記載のメソフルイディック動力指。
【請求項８】
前記第３の義指部分は、更に、
第５のメソフルイディック・アクチュエータと、
前記第５のアクチュエータに流体連通した少なくとも１つの第３のメソフルイディックバルブと、
第６のメソフルイディック・アクチュエータと、
を備えている請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項９】
更に、第３の関節ピボットによって前記第３の指部分にピボット運動可能に接続された指先端部を有し、前記第５のアクチュエータは、前記指先端部とピボット運動可能に協働して前記第３の関節点に関して第５の機械的倍率を与え、前記第６のアクチュエータは、前記指先端部とピボット運動可能に協働して前記第３の関節点に関して第６の機械的倍率を与える請求項８記載のメソフルイディック動力指。
【請求項１０】
前記第１のアクチュエータ、前記第２のアクチュエータ、前記第３のアクチュエータ、及び前記第４のアクチュエータは、ピストンと、前記第１及び前記第２の指部分の一体部分であるピストン穴と、を含む請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【請求項１１】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータは、前記第１の指部分の一体部分である請求項１記載のメソフルイディック動力指。
【請求項１２】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータは、前記第１の指部分の一体部分である請求項５記載のメソフルイディック動力指。
【国際調査報告】
2014510643.tif 000012
2014510643.tif 000013