(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されると共に前記ユーザーを第１の予め定義された位置において支持するように構成された２つ以上のロボット肢と、
前記ユーザーの運動を検出するように構成された１つ又は複数のセンサと、
前記２つ以上のロボット肢及び前記１つ又は複数のセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記１つ又は複数のセンサが、前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記コントローラは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記２つ以上のロボット肢を制御し、前記復原力は、前記第１の予め定義された位置に向かって方向付けられている、コントローラと、
を有し、
前記ロボットシステムは、前記ユーザーの上半身の少なくとも一部分を、前記ユーザーが支持される表面の上方に支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、ロボットシステム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第１の予め定義された位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも１つに基づいて前記復原力の大きさを決定する請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定する請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項４】
前記１つ又は複数のセンサは、前記ユーザーの下半身の前記一部分上において位置決めされるように構成された少なくとも１つのセンサを含む請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項５】
前記１つ又は複数のセンサが、運動閾値を上回る前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することに応答して、前記コントローラは、前記ユーザーを前記第１の予め定義された位置とは異なる第２の予め定義された位置において支持するべく運動するように、前記２つ以上のロボット肢を作動させる請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項６】
前記運動閾値は、閾値であって、その閾値において前記ユーザーの位置と前記第１の予め定義された位置との間の距離が予め定義された値に達する、閾値、及び、閾値であって、その閾値において前記ユーザーの質量中心が安定性領域の境界に達する、閾値のうちの少なくとも１つである請求項５に記載のロボットシステム。
【請求項７】
ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムによって支持されるユーザー用の第１の予め定義された位置を設定することであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢を有する、ことと、
前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することと、
前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記検出された運動に応答して、前記２つ以上のロボット肢によって復原力を前記ユーザーに印加することであって、前記復原力は、前記第１の予め定義された位置に向かって方向付けられている、ことと、
を有し、
前記ロボットシステムは、前記ユーザーの上半身の少なくとも一部分を、前記ユーザが支持される表面の上方に支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、方法。
【請求項８】
前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第１の予め定義された位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも１つに基づいて前記復原力の大きさを決定することを更に有する請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定することを更に有する請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
運動閾値を上回る前記第１の予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することと、
前記第１の予め定義された位置とは異なる第２の予め定義された位置において前記ユーザーを支持するべく、前記２つ以上のロボット肢を運動させることと、
を更に有する請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つの方向において望ましい運動インピーダンスを設定することを更に有する請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記望ましい運動インピーダンスに基づいて前記復原力を調節することを更に有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つ又は複数のセンサは、前記２つ以上のロボット肢の空間的状態を検出するように構成されたロボットセンサを有する請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項１４】
前記２つ以上のロボット肢は、前記ユーザーの胴体の第１側部において位置決めされた第１ロボット肢と、前記第１側部とは反対の前記ユーザーの胴体の第２側部において位置決めされた第２ロボット肢と、を含む請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項１５】
前記ロボットシステムは、前記第１の予め定義された位置から前記第２の予め定義された位置への前記ユーザーの運動の際に前記ユーザーの質量中心を安定性領域内において維持する請求項５に記載のロボットシステム。
【請求項１６】
前記ロボットシステムの空間的状態を検知することを更に有する請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
安定性エリアを決定することと、
前記第１の予め定義された位置から前記第２の予め定義された位置への前記ユーザーの運動の際に前記ユーザーの質量中心を前記安定性エリア内において維持することと、
を更に有する請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
ロボットシステムであって、
ユーザーの胴体の少なくとも一部分上において前記ユーザーによって装用可能なハーネスと、
前記ハーネスに装着された第１ロボット肢であって、前記ハーネスの第１側部から延在する第１ロボット肢と、
前記ハーネスに装着された第２ロボット肢であって、前記第２ロボット肢は、前記ハーネスの前記第１側部とは反対側の前記ハーネスの第２側部から延在しており、前記第１及び第２ロボット肢は、前記ユーザーが支持される表面の上方の予め定義された位置においてユーザーの上半身の少なくとも一部分を支持するように構成され、前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、前記表面との接触状態にある、第２ロボット肢と、
前記ハーネス及び前記第１ロボット肢に動作自在に結合された第１アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第１ロボット肢を運動させるように構成された第１アクチュエータと、
前記ハーネス及び前記第２ロボット肢に動作自在に結合された第２アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第２ロボット肢を運動させるように構成された第２アクチュエータと、
前記ユーザー身体の一部分の位置および運動のうちの少なくとも１つを検出するように構成された１つ又は複数のユーザーセンサであって、前記１つ又は複数のセンサが、前記予め定義された位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記ロボットシステムは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記第１ロボット肢および第２ロボット肢のうちの少なくとも１つを作動させ、前記復原力は、前記予め定義された位置に向かって方向付けられている、１つ又は複数のユーザーセンサと
を有するシステム。
【請求項１９】
前記１つ又は複数のユーザーセンサは、前記ユーザーに装着されるように構成されている請求項１８に記載のロボットシステム。
【請求項２０】
前記第１及び第２ロボット肢のそれぞれと関連付けられると共に前記第１及び第２ロボット肢の位置及び前記第１及び第２ロボット肢に作用する力のうちの少なくとも１つを検出するように構成された１つ又は複数のロボットセンサを更に有する請求項１９に記載のロボットシステム。
【請求項２１】
前記第１及び第２アクチュエータ、前記１つ又は複数のユーザーセンサ、及び前記１つ又は複数のロボットセンサに動作自在に結合されたコントローラを更に有し、前記コントローラは、前記１つ又は複数のユーザーセンサ及び／又は前記１つ又は複数のロボットセンサから検出された入力に基づいて前記第１及び第２アクチュエータを選択的に作動させるように構成されている請求項２０に記載のロボットシステム。
【請求項２２】
前記１つ又は複数のユーザーセンサ及び１つ又は複数のロボットセンサは、慣性計測ユニット、力センサ、及び圧力センサのうちの少なくとも１つを有する請求項２０に記載のロボットシステム。
【請求項２３】
前記第１及び第２アクチュエータのそれぞれのアクチュエータは、２つの回転自由度を有する請求項１８に記載のロボットシステム。
【請求項２４】
前記第１及び第２ロボット肢のそれぞれは、第１肢部分と、前記第１肢部分から延伸及び収縮する第２肢部分と、を含む請求項１８に記載のロボットシステム。
【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３月１０日付けで出願された米国仮特許出願第６２／３０６，１３９号の米国特許法第１１９条（ｅ）の下における利益を主張するものであり、この特許文献の開示内容は、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
【０００２】
開示されている実施形態は、ユーザーを支持するロボットシステム及びこれに関係する方法を対象としている。
【背景技術】
【０００３】
様々な分野の作業者は、しばしば、床又は地面上において、或いは、その近傍において、手作業のタスクを実行している。また、作業者は、しばしば、作業者の通常の直立姿勢との関係において低い位置に配置された物体を使用している。このようなタスクの例は、農業又は園芸のタスク（例えば、地面の近傍、その上部、又はその下方において成長している果物及び野菜の収穫）、建築のタスク（例えば、床上における漆喰の塗布や床タイルなどのフローリングの設置など）、及び製造のタスク（例えば、重機械の生産における溶接タスクや自動車及び航空機の組立など）を含む。これらの様々なタイプのタスク及びその他のものと関連する低い位置に到達するべく、作業者は、うずくまらなければならないか、ひざまずかなければならないか、或いは、さもなければ、そのタスクを実行するための別の適切な姿勢をとらなければならない。但し、これは、長時間にわたる場合に、潜在的に痛く且つ／又は非人間工学的である姿勢を作業者がとることを必要としうる。このような姿勢をとることは、作業者の疲労の加速、作業者の誤りの増大、並びに／或いは、膝及び／又は背中への負傷などの作業者の負傷に結び付く場合がある。
特許文献１（国際公開第２０１５／１７４９９８号）は、ロボット肢を用いてユーザーを定位置に静的に支持するための一般的な方法及びシステムを開示している。例えば、国際公開第２０１５／１７４９９８号は、所望の位置にユーザーの身体を維持するためにロボット肢によって印加される必要がある力及び／又はトルクを決定することを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１７４９９８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態においては、ユーザーを支持するロボットシステムは、ユーザーの胴体に装着されると共にユーザーを第１位置において支持するように構成された２つ以上のロボット肢と、ユーザーの運動を検出するように構成された１つ又は複数のセンサと、２つ以上のロボット肢及び１つ又は複数のセンサに動作自在に結合されたコントローラと、を含む。１つ又は複数のセンサが、第１位置から離れるユーザーの運動を検出することに応答して、コントローラは、復原力をユーザーに印加するように、２つ以上のロボット肢を制御する。復原力は、第１位置に向かって方向付けられている。
【０００６】
別の実施形態においては、ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法は、ロボットシステムによって支持されるユーザー用の第１位置を設定するステップを有し、ロボットシステムは、ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢を有する。方法は、第１位置から離れるユーザーの運動を検出するステップと、第１位置から離れるユーザーの検出された運動に応答して、２つ以上のロボット肢によって復原力をユーザーに印加するステップと、を更に含む。復原力は、第１位置に向かって方向付けられている。
【０００７】
更なる一実施形態においては、ユーザーを支持するロボットシステムは、ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢と、２つ以上のロボット肢との関係においてユーザーの空間的状態を検出するように構成されたユーザーセンサと、２つ以上のロボット肢及びユーザーセンサに動作自在に結合されたコントローラと、を含む。コントローラは、ユーザーの空間的状態に基づいて、ユーザーの運動を予測し、且つ、予測されたユーザーの運動に基づいて、第１位置から第２位置に運動するように、２つ以上のロボット肢のうちの少なくとも１つのロボット肢を制御する。
【０００８】
更に別の実施形態においては、ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法は、ロボットシステムとの関係におけるユーザーの空間的状態を検知するステップを含み、ロボットシステムは、ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢を有する。方法は、ユーザーの空間的状態に基づいてユーザーの運動を予測するステップと、予測されたユーザーの運動に基づいて、第１位置から第２位置に運動するように、２つ以上のロボット肢のうちの少なくとも１つのロボット肢を制御するステップと、を更に有する。
【０００９】
別の実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーの胴体の少なくとも一部分上においてユーザーによって装用可能であるハーネスと、ハーネスに装着された第１ロボット肢と、を含み、第１ロボット肢は、ハーネスの第１側部から延在している。また、ロボットシステムは、ハーネスに装着された第２ロボット肢をも含んでおり、第２ロボット肢は、ハーネスの第１側部の反対側であるハーネスの第２側部から延在している。第１及び第２ロボット肢は、表面の上方の位置においてユーザーの身体の少なくとも一部分を支持するように構成されている。ロボットシステムは、ハーネス及び第１ロボット肢に動作自在に結合された第１アクチュエータを更に含む。第１アクチュエータは、ハーネスとの関係において第１ロボット肢を運動させるように構成されている。また、ロボットシステムは、ハーネス及び第２ロボット肢に動作自在に結合された第２アクチュエータをも含む。第２アクチュエータは、ハーネスとの関係において第２ロボット肢を運動させるように構成されている。
【００１０】
本開示は、この観点において制限されてはいないことから、上述の概念及び後述する更なる概念は、任意の適切な組合せにおいて構成されうることを理解されたい。更には、本開示のその他の利点及び新規な特徴については、添付図面との関連において検討された際に様々な非限定的な実施形態に関する以下の詳細な説明から、明らかとなろう。
【００１１】
本明細書と参照によって包含された文献が矛盾した且つ／又は一貫性を有していない開示を含んでいる場合には、本明細書が優先する。参照によって包含された２つ以上の文献が相互の関係において矛盾した且つ／又は一貫性を有していない開示を含んでいる場合には、後の有効日付を有する文献が優先する。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されると共に前記ユーザーを第１位置において支持するように構成された２つ以上のロボット肢と、
前記ユーザーの運動を検出するように構成された１つ又は複数のセンサと、
前記２つ以上のロボット肢及び前記１つ又は複数のセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記１つ又は複数のセンサが、前記第１位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するのに応答して、前記コントローラは、復原力を前記ユーザーに印加するように前記２つ以上のロボット肢を制御し、前記復原力は、前記第１位置に向かって方向付けられている、コントローラと、
を有するシステム。
（項目２）
前記コントローラは、前記第１位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第１位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも１つに基づいて前記復原力の大きさを決定する項目１に記載のロボットシステム。
（項目３）
前記コントローラは、前記第１方向から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定する項目１に記載のロボットシステム。
（項目４）
前記ユーザーの下半身の一部分は、前記ユーザーが前記ロボットシステムによって支持された際に、表面との接触状態にあり、且つ、前記１つ又は複数のセンサは、前記ユーザーの下半身の前記一部分上において位置決めされるように構成された少なくとも１つのセンサを含む項目１に記載のロボットシステム。
（項目５）
前記１つ又は複数のセンサが、運動閾値を上回る前記第１位置から離れる前記ユーザーの運動を検出することに応答して、前記コントローラは、前記ユーザーを第２位置において支持するべく運動するように、前記２つ以上のロボット肢を作動させる項目１に記載のロボットシステム。
（項目６）
前記運動閾値は、絶対距離閾値及び安定性閾値のうちの少なくとも１つである項目５に記載のロボットシステム。
（項目７）
ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムによって支持されるユーザー用の第１位置を設定するステップであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢を有する、ステップと、
前記第１位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するステップと、
前記第１位置から離れる前記ユーザーの前記検出された運動に応答して、前記２つ以上のロボット肢によって復原力を前記ユーザーに印加するステップであって、前記復原力は、前記第１位置に向かって方向付けられている、ステップと、
を有する方法。
（項目８）
前記第１位置から離れる前記ユーザーの前記運動の距離及び前記第１位置から離れる前記運動の速度のうちの少なくとも１つに基づいて前記復原力の大きさを決定するステップを更に有する項目７に記載の方法。
（項目９）
前記第１位置から離れる前記ユーザーの前記運動の方向に基づいて前記復原力の大きさを決定するステップを更に有する項目７に記載の方法。
（項目１０）
運動閾値を上回る前記第１位置から離れる前記ユーザーの運動を検出するステップと、
第２位置において前記ユーザーを支持するべく、前記２つ以上のロボット肢を運動させるステップと、
を更に有する項目７に記載の方法。
（項目１１）
少なくとも１つの方向において望ましい運動インピーダンスを設定するステップを更に有する項目７に記載の方法。
（項目１２）
前記望ましい運動インピーダンスに基づいて前記復原力を調節するステップを更に有する項目１１に記載の方法。
（項目１３）
ユーザーを支持するロボットシステムであって、
ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢と、
前記２つ以上のロボット肢との関係において前記ユーザーの空間的状態を検出するように構成されたユーザーセンサと、
前記２つ以上のロボット肢及び前記ユーザーセンサに動作自在に結合されたコントローラであって、前記ユーザーの前記空間的状態に基づいてユーザーの運動を予測し、且つ、前記予測されたユーザーの運動に基づいて第１位置から第２位置に運動するように前記２つ以上のロボット肢のうちの少なくとも１つのロボット肢を制御するコントローラと、
を有するシステム。
（項目１４）
前記２つ以上のロボット肢の空間的状態を検出するように構成されたロボットセンサを更に有する項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１５）
前記２つ以上のロボット肢は、前記ユーザーの胴体の第１側部において位置決めされた第１ロボット肢と、前記第１側部とは反対の前記ユーザーの胴体の第２側部において位置決めされた第２ロボット肢と、を含む項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１６）
前記ユーザーの運動は、腹這い運動である項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１７）
前記コントローラは、前記ユーザーの運動を予測するべく、部分最小二乗回帰アルゴリズム及びサポートベクトル機械アルゴリズムのうちの少なくとも１つを使用する項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１８）
前記ロボットシステムは、前記第１位置から前記第２位置への前記少なくとも１つのロボット肢の運動の際に前記ユーザーの質量中心を安定性領域内において維持する項目１３に記載のロボットシステム。
（項目１９）
ユーザーを支持するロボットシステムを動作させる方法であって、
ロボットシステムとの関係においてユーザーの空間的状態を検知するステップであって、前記ロボットシステムは、前記ユーザーの胴体に装着されるように構成された２つ以上のロボット肢を有する、ステップと、
前記ユーザーの前記空間的状態に基づいてユーザーの運動を予測するステップと、
前記予測されたユーザーの運動に基づいて第１位置から第２位置に運動するように、前記２つ以上のロボット肢のうちの少なくとも１つのロボット肢を制御するステップと、
を有する方法。
（項目２０）
前記ロボットシステムの空間的状態を検知するステップを更に有する項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記ユーザーの運動は、腹這い運動である項目１９に記載の方法。
（項目２２）
前記ユーザーの運動を予測するステップは、部分最小二乗回帰分析及びサポートベクトル機械分析のうちの少なくとも１つを実行するステップを含む項目１９に記載の方法。
（項目２３）
安定性エリアを決定するステップと、
前記第１位置から前記第２位置への前記少なくとも１つのロボット肢の運動の際に前記ユーザーの質量中心を前記安定性エリア内において維持するステップと、
を更に有する項目１９に記載の方法。
（項目２４）
ロボットシステムであって、
ユーザーの胴体の少なくとも一部分上において前記ユーザーによって装用可能なハーネスと、
前記ハーネスに装着された第１ロボット肢であって、前記ハーネスの第１側部から延在する第１ロボット肢と、
前記ハーネスに装着された第２ロボット肢であって、前記第２ロボット肢は、前記ハーネスの前記第１側部とは反対側の前記ハーネスの第２側部から延在しており、前記第１及び第２ロボット肢は、表面の上方の位置においてユーザーの身体の少なくとも一部分を支持するように構成されている、第２ロボット肢と、
前記ハーネス及び前記第１ロボット肢に動作自在に結合された第１アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第１ロボット肢を運動させるように構成された第１アクチュエータと、
前記ハーネス及び前記第２ロボット肢に動作自在に結合された第２アクチュエータであって、前記ハーネスとの関係において前記第２ロボット肢を運動させるように構成された第２アクチュエータと、
を有するシステム。
（項目２５）
前記ユーザーに装着されると共に前記ユーザーの身体の一部分の位置及び運動のうちの少なくとも１つを検出するように構成された１つ又は複数のユーザーセンサを更に有する項目２４に記載のロボットシステム。
（項目２６）
前記第１及び第２ロボット肢のそれぞれと関連付けられると共に前記第１及び第２ロボット肢の位置及び前記第１及び第２ロボット肢に作用する力のうちの少なくとも１つを検出するように構成された１つ又は複数のロボットセンサを更に有する項目２５に記載のロボットシステム。
（項目２７）
前記第１及び第２アクチュエータ、前記１つ又は複数のユーザーセンサ、及び前記１つ又は複数のロボットセンサに動作自在に結合されたコントローラを更に有し、前記コントローラは、前記１つ又は複数のユーザーセンサ及び／又は前記１つ又は複数のロボットセンサから検出された入力に基づいて前記第１及び第２アクチュエータを選択的に作動させるように構成されている項目２６に記載のロボットシステム。
（項目２８）
前記１つ又は複数のユーザーセンサ及び１つ又は複数のロボットセンサは、慣性計測ユニット、力センサ、及び圧力センサのうちの少なくとも１つを有する項目２６に記載のロボットシステム。
（項目２９）
前記第１及び第２アクチュエータのそれぞれのアクチュエータは、２つの回転自由度を有する項目２４に記載のロボットシステム。
（項目３０）
前記第１及び第２ロボット肢のそれぞれは、第１肢部分と、前記第１肢部分から伸縮するように動作する第２肢部分と、を含む伸縮型のロボット肢である項目２４に記載のロボットシステム。
【００１２】
添付図面は、正確な縮尺による描画を意図したものではない。添付図面においては、様々な図において示されているそれぞれの同一の又はほぼ同一のコンポーネントは、同一の符号を有しうる。わかりやすさを目的として、すべてのコンポーネントがすべての図面においてラベル付与されているわけではない。添付図面は、以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ロボットシステムによって支持されたユーザーの一実施形態の概略図である。
【図２】ユーザーに印加される復原力対望ましい位置からの距離の概略図である。
【図３】望ましい位置においてユーザーを維持するようにロボットシステムを動作させる方法の一実施形態のフロー図である。
【図４】センサを含むロボットシステムの一実施形態の概略図である。
【図５】ユーザーの手を自由な状態に残しつつ、ユーザーの腹這いを支援するべく使用されるロボットシステムの一実施形態の概略図である。
【図６】ユーザーの手を自由な状態に残しつつ、ユーザーの腹這いを支援するべく使用されるロボットシステムの一実施形態の概略図である。
【図７】ユーザーの手を自由な状態に残しつつ、ユーザーの腹這いを支援するべく使用されるロボットシステムの一実施形態の概略図である。
【図８】ユーザーの手を自由な状態に残しつつ、ユーザーの腹這いを支援するべく使用されるロボットシステムの一実施形態の概略図である。
【図９】予測された運動に基づいてユーザーを運動させるようにロボットシステムを動作させる方法の一実施形態のフロー図である。
【図１０】センサがユーザーの身体部分との関係において位置決めされうる場所の概略図である。
【図１１】図１１Ａは、計測された膝の加速度のグラフである。図１１Ｂは、図１１Ａの計測された膝の加速度に基づいた実際の加速度対予測された加速度のグラフである。
【図１２】ロボットシステムのコントローラの一実施形態の概略図である。
【図１３】ロボットシステム用のアクチュエータの一実施形態の概略図である。
【図１４】ロボットシステム用のアクチュエータの一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上述のように、様々な分野の作業者は、地面上の又はその近傍の位置において手作業のタスクを完了させるべく、うずくまるか又はひざまずいた位置をとることが必要とされる場合がある。例えば、多くの手作業のタスクは、作業者が、床又は地面の近傍において作業を実行するべく、ひざまずくか又はうずくまった姿勢をとることを必要としうる。これに加えて、いくつかの位置においては、更なる支持のために、作業者が自身の手のうちの１つを使用することが必要とされる場合があり、その結果、生産性が低下する。
【００１５】
上述の内容に鑑み、本発明者らは、望ましい姿勢及び／又は位置決めによってユーザーによるタスクの実行を促進するべく、運動している間に、且つ／又は、望ましい位置において、ユーザーを少なくとも部分的に支持するためのロボットシステムを使用することが有利であることを認識した。例えば、このようなロボットシステムは、ユーザーの体重の少なくとも一部分がロボットシステムによって支持された状態において、ユーザー（例えば、作業者）が相対的に快適な人間工学的姿勢を維持することを許容しうる。これに加えて、いくつかの実施形態においては、このようなロボット支持システムの使用は、ユーザーが、所与のタスクを実行するべく自身の手の両方を自由に使用することを許容しうる。
【００１６】
また、本発明者らは、ユーザーの手が、望ましいタスクを実行するべく自由であるように、ひざまずくか又はうずくまった位置においてユーザー（例えば、作業者）を支持するロボットシステムと関連した多数の利点についても理解した。通常は、固定された位置において受動的にのみユーザーを支持している従来の台車又は類似の構造とは異なり、本明細書において記述されているロボットシステムは、ユーザーが、望ましいタスクを実現するべく、望ましい動きの範囲内において運動することを許容しつつ、ユーザーを望ましい位置において動的に支持しうる。また、これに加えて、いくつかの例においては、ロボットシステムは、支持された、ひざまずいた、うずくまった、又はその他の適切なユーザーの姿勢又は位置においてユーザーを維持しつつ、望ましい移動の方向におけるユーザーの搬送を支援してもよく、この結果、ユーザーが移動しつつタスクを実行することを許容しうる。
【００１７】
本明細書において記述されている様々な実施形態は、任意の適切な方式によって制御されうることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーからの明示的な入力又はコマンドに基づいて機能を実行してもよい。但し、本明細書において記述されているロボットシステムが、ユーザーからの明示的な入力又はコマンドを必要とすることなしに、これらの機能を実行する実施形態も想定される。例えば、以下において更に詳述するように、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、腹這いの動きなどの１つ又は複数のタイプの動きと関連したユーザーの自然な人間の運動に基づいてユーザーの意図を解釈してもよく、且つ、システムは、決定されたユーザーの意図に応答して運動してもよい。
【００１８】
一実施形態においては、ユーザーを支持するロボットシステムは、ユーザーの胴体の少なくとも一部分上においてユーザーによって装用可能であるハーネスを含んでいてもよい。第１及び第２ロボット肢は、ユーザーの胴体との関係において任意の適切な場所においてハーネスに接続されている。また、第１及び第２ロボット肢は、装用された際に、ユーザーの胴体の両側部から外向きに延在するように、ハーネスに対するその接続から外向きに延在している。また、ロボット肢は、ユーザーが、地面の上方においてユーザーの胴体を支持するべく、望ましい位置及び／又は姿勢にある際に、地面に向かって下向きに延在すると共に地面と接触するように、構築されてもよい。このように、第１及び第２ロボット肢は、その特定の用途に応じて、ユーザーの手及び腕又はその他の適切な身体部分によって通常は提供されることになる支持の代わりに、ユーザーの胴体に対して支持を提供する付加的ロボット肢（ＳＲＬ：Ｓｕｐｅｒｎｕｍｅｒａｒｙ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ｌｉｍｂ）として表現されてもよい。この結果、ユーザーの手は、ユーザーの胴体がロボット肢によって支持されている状態において、タスクを実行するべく自由でありうる。以下において更に詳述するように、ロボット肢は、上述の支持を提供しつつ、相対的に人間工学的な位置においてユーザーの身体を維持しうる。また、更に詳述するように、システムは、ユーザー及び／又はＳＲＬからデータを検出するべく、１つ又は複数のセンサを含んでいてもよく、且つ、コントローラは、ユーザーを安定した位置において維持すると共に／又は、検出されたデータに応答して、望ましい位置にＳＲＬを運動させるべく、ＳＲＬを制御してもよい。更には、システムは、ユーザーを安定した位置において維持すると共に／又は、ＳＲＬを新しい望ましい位置に運動させるべく、ハーネスとの関係において（並びに、従って、ユーザーとの関係において）ＳＲＬの運動を駆動するために、ＳＲＬのそれぞれと関連付けられた１つ又は複数のアクチュエータを含んでいてもよい。
【００１９】
わかりやすさを目的として、本明細書において記述されている実施形態は、主に、２つのロボット肢を含むロボットシステムを対象としており、これらのロボット肢は、いくつかの実施形態においては、ＳＲＬであってもよい。但し、本開示は、このように制限されてはいないことから、３つ、４つ、又は任意の望ましい数のロボットシステムがユーザーの身体の１つ又は複数の部分を支持するべく使用されている実施形態も想定される。
【００２０】
いくつかの実施形態においては、ユーザーは、一般に、単一の位置又は場所においてタスクを実行する場合がある。この場所は、少なくとも、第１位置に対応していてもよい。従って、ロボットシステムは、第１位置においてユーザーを支持してもよく、第１位置は、ユーザーによって設定された位置であってもよく、或いは、ユーザーの姿勢及び／又は運動に関する１つ又は複数の入力に基づいてロボットシステムのコントローラによって決定された位置であってもよい。更には、特定の用途の場合には、タスクを実行しつつ、ユーザーに、第１位置の周りの限られた運動の範囲が提供されることが望ましい場合がある。従って、いくつかの実施形態においては、２つ以上のＳＲＬを含むロボットシステムは、ロボットシステムが、ユーザーを第１位置において維持するべく、ほぼ静的な支持をユーザーに提供するモードにおいて動作するように、制御されてもよい。更には、ロボットシステムは、ユーザーが第１位置の近傍の限られた動きの範囲内において運動することを許容してもよい。例えば、ロボットシステムは、第１位置から離れるユーザー及び／又はＳＲＬの動きを検出するように構成された１つ又は複数のセンサを含んでいてもよい。その結果、ロボットシステムは、第１位置に向かう方向において、１つ又は複数のＳＲＬによって復原力をユーザーに提供してもよい。更には、第１位置に向かってユーザーに対して印加される力の大きさは、第１位置からのユーザーの変位の増大に伴って増大してもよい。このように、ロボットシステムは、第１位置に向かって戻るようにユーザーを促してもよく、このような用途においては、第１位置は、ロボットシステムがユーザーをそれに向かって付勢する均衡位置として見なされてもよい。従って、ロボットシステムは、ユーザーが、ユーザーによって定義された位置から離れるように、そして、これに向かって戻るように、運動した際に、ユーザーを安定した支持位置において維持しうる。
【００２１】
特定の実施形態においては、ロボットシステムは、ロボットシステムによってユーザーに印加される復原力の大きさが、ユーザーによって適宜調節されうるように、チューニング可能な運動インピーダンスを特徴としていてもよい。例えば、特定のタスクにおいては、ユーザーが、相対的に大きな動きの範囲を所望する場合がある。従って、ユーザーは、ロボットシステムが、第１位置から離れるユーザーの運動に応答して、相対的に小さな抵抗力（即ち、所与の変位における相対的に小さな復原力）を提供するように、相対的に小さな運動インピーダンスを選択してもよい。更には、いくつかの例においては、ユーザーは、システムが、特定の動きの範囲において、ほとんど又はまったく抵抗力をユーザーの運動に対して提供しないように、ロボットシステムの運動インピーダンスを調節してもよい。このような一実施形態においては、ロボットシステムは、第１位置との関係において１つ又は複数の方向における閾値距離未満である望ましい第１位置から離れる運動の場合に、復原力をユーザーに、ほとんど又はまったく印加してなくてもよい。これは、ユーザーが、ロボットシステムによって支持された状態に留まりつつ、第１位置の近傍において自由に運動することを許容しうる。或いは、この代わりに、ユーザーは、ロボットシステムが、ユーザーを均衡位置に相対的に近接した状態において維持するべく、第１位置から離れる所与の変位の場合に、相対的に大きな復原力をユーザーに印加すると共に、ユーザーの相対的に小さな運動を許容するように、相対的に大きな運動インピーダンスを選択してもよい。例えば、相対的に大きな運動インピーダンスは、ユーザーが、意図することなしに、望ましい位置から離れるように運動しないように、ユーザーが、相対的に大きな力を伴うタスクを実行している際に、望ましいものでありうる。
【００２２】
上述の実施形態においては、ロボットシステムの運動インピーダンスは、異なる方向において異なっていてもよいことを理解されたい。異なる運動インピーダンスを２つ以上の方向において有することは、例えば、ユーザーが、その他の方向（例えば、前後方向）との比較において、特定の方向において（例えば、横方向において）、相対的に自由に運動することを許容しうる。これに加えて、いくつかの実施形態においては、運動インピーダンスは、望ましい位置から離れるユーザーの運動の速度に基づいて変化してもよい。例えば、相対的に高速の運動レートは、ロボットシステムが、所与の変位の場合に、相対的に低速の運動レートにおける同一の変位の場合よりも相対的に大きな復原力をユーザーに印加するように制御されることに対応しうる。このように、ロボットシステムは、望ましい位置においてユーザーを維持するべく、チューニング可能なスプリング及びダッシュポットシステムに類似した方式によって機能しうる。
【００２３】
上述のように、いくつかの例においては、ロボットシステムが、ユーザーをうずくまった又はひざまずいた位置において支持しつつ、ユーザーの搬送を支援することが望ましい場合がある。従って、いくつかの実施形態においては、２つ以上のＳＲＬを含むロボットシステムは、ロボットシステムが、ユーザーが望ましい場所に運動することを許容するべく、腹這いの動きなどの望ましい動きを支援しつつ、ユーザーを支持しているモードにおいて動作するように構成されてもよい。例示用の一実施形態においては、システムは、ユーザーの空間的状態及び／又はロボットシステムの１つ又は複数のＳＲＬの空間的状態を検出するべく、１つ又は複数のセンサを含んでいてもよい。以下において詳述するように、この情報は、ユーザーの望ましい運動を予測するべく、システムによって使用されてもよい。例えば、センサは、ユーザーの膝及び／又は１つ又は複数のＳＲＬの１つ又は複数の部分上において提供されてもよい。その結果、ロボットシステムのコントローラは、自然な人間の腹這いの動きに対応したユーザーの膝の運動に基づいて、望ましい動きを予測しうる。この検出された運動に応答して、ロボットシステムのコントローラは、安定した位置においてユーザーを維持しつつ、ユーザーの搬送を支援するべく、予測された動きに基づいて、（例えば、適切なアクチュエータによる作動を介して）新しい位置に運動するように、１つ又は複数のＳＲＬを制御してもよい。
【００２４】
本明細書において使用されているユーザーの空間的状態とは、一般に、ユーザーの位置、ユーザーの向き、ユーザー及びロボットシステムの安定性、及びユーザーの絶対運動、並びに／或いは、ロボットシステムとの関係におけるユーザーの運動と関連した情報を意味しうる。この場合にも、ロボットシステムは、この情報を継続的に監視し、且つ、ユーザー及び／又はロボットシステムの空間的状態を更新するべく、ユーザー及び／又はロボットシステムの１つ又は複数の部分と関連した１つ又は複数のセンサを使用してもよい。１つ又は複数のセンサによって監視されうる身体の例示用の部分は、限定を伴うことなしに、ユーザーの頭部、首、胴体、肩、肘、腕、手首、膝、足首、又は任意のその他の適切な身体部分を含む。監視されうるＳＲＬの適切な部分は、限定を伴うことなしに、１つ又は複数の結合部、ＳＲＬの足又は端部、２つの結合部の間において延在しているシャフト又はその他の接続、並びに／或いは、ＳＲＬの任意のその他の適切な部分を含む。この結果、ロボットシステムと関連したコントローラは、例えば、ユーザーを安定した構成において維持するべく、或いは、新しい望ましい場所へのユーザーの運動を支援するべく、空間的状態の変化に基づいて、ロボットシステムの１つ又は複数のロボット肢を制御してもよい。
【００２５】
本明細書において記述されているロボットシステムは、任意の数の方法によって実装されうることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーの腰の下方ではなく、胸郭エリアにおいてのみ、（例えば、ユーザーによって装用可能なハーネスによって）ユーザーの胴体と係合してもよい。その他の実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーの質量中心とユーザーの頭部の間のエリア内において、ユーザーの胴体と係合してもよい。特定の実施形態においては、ロボットシステムは、力及び／又はトルク（例えば、復原力）をユーザーの胴体エリアにのみ印加してもよい。このようないくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーの質量中心との関係において、ユーザーの足よりもユーザーの頭部に近接した、ユーザーの胴体の端部などのユーザーの胴体エリアの一部分に対してのみ、力及び／又はトルクを印加してもよい。更には、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーの脊柱が延在する方向を横断する方向に沿って、などのように、ユーザーの胴体との関係において特定の方向に沿って、力をユーザーに印加してもよい。当然のことながら、本開示は、この方式によって制限されてはいないことから、ロボットシステムが、１つ又は複数の異なるエリア内において且つ／又は１つ又は複数の異なる方向において、力をユーザーの身体に印加するその他の実施形態も想定される。更には、ロボットシステムをユーザーの胴体に装着するハーネスとして使用されうる適切な構造は、本開示が、この観点において制限されていないことから、限定を伴うことなしに、ベスト、シャツ、ジャケット、圧縮スリーブ、登山ハーネス、その他のストラップ構成、及び／又は任意のその他の適切な構成を含む。
【００２６】
上述のように、ロボットシステムは、ユーザー又はロボットシステムの様々なコンポーネントの位置状態に関係したデータを計測するべく、１つ又は複数のセンサを含んでいてもよい。特定の実施形態に応じて、センサによって収集されるデータのタイプは、ユーザーの任意の適切な身体部分及び／又はＳＲＬ又はロボットシステムの任意の部分と関連した、任意の数の異なるタイプの位置、加速度、速度、向き、印加された力、及び／又は印加された圧力に対応したものであってもよい。例えば、一実施形態においては、ユーザー又はロボットシステムと関連したセンサの様々な組は、少なくとも１つの軸との関係における、そして、いくつかの実施形態においては、２つ又は３つの別個の軸との関係における、線形及び／又は回転加速度を検知してもよい。これに加えて、いくつかの実施形態においては、センサの組は、その代わりに、少なくとも１つの軸及び／又は２つ又は３つの別個の軸との関係における線形及び／又は回転速度を検知してもよい。更には、更に別の実施形態においては、センサの組は、１つの軸及び／又は２つ又は３つの別個の軸との関係における、磁気の向きなどの、向きを検知してもよい。但し、センサの組が、線形加速度、回転速度、及び／又は向きを検知する実施形態も想定される。このような一実施形態においては、センサの第１及び第２の組は、その両方が、通常の慣性計測ユニット（ＩＭＵ：Ｉｎｅｒｔｉａｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）又はその他の適切な検知装置内に存在しうるような、三軸加速度計、三軸ジャイロスコープ、及び／又は三軸磁気計を含んでいてもよい。特定の実施形態においては、複数のＩＭＵセンサは、ユーザー及び／又はロボットシステムの空間的状態を決定するべく、ユーザー上の且つ／又はロボット肢上の様々な場所において提供されてもよい。使用されうるその他の適切なセンサは、限定を伴うことなしに、速度計、近接検出器、圧力センサ、力センサ、ロータリーエンコーダ、ひずみゲージ、伸び計、線形電圧変位トランスデューサ、画像に基づいた検知システム、並びに／或いは、１つの、２つの、３つの、又は任意の数の別個の軸において望ましい物理的パラメータを計測する能力を有する任意のその他の適切なセンサを含む。
【００２７】
身体部分の運動及び／又は向きを検知するためのいくつかの異なるタイプのセンサ及びデータについて上述したが、本開示は、この方式によって制限されてはいないことから、ユーザーの身体の一部分、記述されているロボット肢、及び／又はロボットシステムのその他の部分の向き、運動、及び／又は相対的位置決めを決定するべく使用されうる物理量を計測する能力を有する任意のタイプのセンサが使用されうることを理解されたい。
【００２８】
いくつかの実施形態においては、安定した位置においてユーザーを支持することが望ましい場合がある。従って、いくつかの用途においては、ロボットシステムは、例えば、地面との接触状態にあるユーザーの身体及び／又はＳＲＬの一部分などの、支持表面に対して力を印加している少なくとも３つの支持点に対応した安定性エリア内において、ユーザー及びロボットシステムからなる組み合わせられたシステムの質量中心を維持するように、動作させてもよい。従って、ロボットシステムは、１つ又は複数のセンサ（例えば、上述のユーザーの空間的状態を決定するべく使用される１つ又は複数のセンサ）を使用することにより、ユーザー及びロボットシステムの組合せの安定性エリアを決定するべく、力及び位置データを収集してもよい。本明細書において使用されている安定性エリアとは、組み合わせられたユーザー及びロボットシステムの質量中心が、そのエリア内において維持されている限り、ユーザー及びロボットシステムの安定した構成に対応する支持表面上における投射されたエリアである。例えば、２つのＳＲＬ及びユーザーの２つの膝によって支持されているユーザーのケース（例えば、静的な作業位置にある際）においては、安定性エリアは、ＳＲＬ及びユーザーの膝が、作業者が支持されている表面と接触している場所のそれぞれにおいて頂点を有する多角形により、定義されることになろう。ユーザー及びロボットシステムの質量中心が、（この例においては、四角形として成形されている）安定性エリア内において留まっている限り、ユーザーは、ロボットシステムによって支持されると共に均衡させられた状態において留まることになる。別の例として、ユーザーが、腹這いの動きの一部分として、自身の膝のうちの一方を運動させている際には、安定性エリアは、ユーザーの他方の膝及び２つのＳＲＬにおいて頂点を有する三角形のエリアとして定義されることになろう。ロボットシステムは、支持表面と接触しているユーザーの身体及び／又はＳＲＬの部分上において配置された圧力センサ、力センサ、及び／又は接触センサを使用することにより、地面との間におけるこれらの接触点を監視してもよい。例えば、これらのセンサは、ユーザーによって装用された膝パッド内において、且つ、ＳＲＬの結合部、足、シャフト、又はその他の適切な部分などのＳＲＬの負荷支持部分と合致した状態において、配置されてもよい。
【００２９】
ユーザーを支持している間に、ロボットシステムは、定義された支持エリアの境界との関係におけるユーザーの位置を監視してもよい。システムが、ユーザーの質量中心、或いは、ユーザー及びロボットシステムの組み合わせられた質量中心が、境界に接近していると決定した場合に、システムは、支持エリアの内部に向かって質量中心を移動させるべく、且つ／又は、質量中心の運動に対応するように支持エリアを変更するべく、ＳＲＬのうちの１つ又は複数を制御してもよい。例えば、ロボットシステムは、適切な復原力をユーザーに印加することにより、質量中心を支持エリアの内部に向かって移動させてもよい。或いは、この代わりに、質量中心が新しい安定性エリア内に位置した状態において、新しい安定性エリアを定義するように、ＳＲＬのうちの１つ又は複数を新しい場所に運動させてもよい。このように、ロボットシステムは、組み合わせられたシステムのバランスをも維持しつつ、ユーザーを支持しうる。
【００３０】
いくつかの実施形態においては、安定性エリアの境界との関係におけるユーザーの質量中心の運動は、ロボットシステムの動作の１つ又は複数の側面を制御するべく、使用されてもよい。例えば、一実施形態においては、静的モードにおいて動作している（即ち、望ましい位置においてユーザーを維持している）間に、ロボットシステムは、ユーザーが、新しい場所に運動するべく動的モードへの遷移を所望しているというインディケーションとして、安定性エリア境界に向かうユーザーの質量中心の運動を検出してもよい。その他の例においては、システムは、動的モードにおいて動作している間に、静的モードへの遷移をユーザーが所望しているというインディケーションとして、ユーザーの質量中心が安定性エリアの境界との関係において運動を停止したことを検出してもよい。当然のことながら、本開示は、このように制限されてはいないことから、ロボットシステムの動作を制御するための支持表面との関係におけるユーザーの質量中心の相対運動のその他の用途も可能である。
【００３１】
上述の内容に加えて、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、少なくとも、第１及び第２位置において、そして、いくつかの実施形態においては、第１及び第２位置の間の位置の範囲において、ユーザーを支持するべく、調節可能であってもよい。例えば、ロボットシステムは、（例えば、ひざまずいた又は腹這いになった位置に対応した）降下した位置とユーザーの直立位置の間において、調節可能であってもよい。これに加えて、システムは、２つの、３つの、又は任意の数の位置の間において調節可能であってもよい。或いは、この代わりに、ロボットシステムは、これらの様々な位置の間において連続的に調節可能であってもよい。これに加えて、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、例えば、システムが、第１及び第２位置（例えば、直立位置及び降下した位置）の間における遷移の際にユーザーを支援しうるように、１つ又は複数のＳＲＬの長さ又は位置を調節する１つ又は複数のアクチュエータの使用を通じて、使用の最中に調節可能であってもよい。或いは、この代わりに、本開示は、この方式によって制限されてはいないことから、ロボットシステムは、２つの位置の間において動的に可変ではないＳＲＬを含んでいてもよい。
【００３２】
ロボット肢を含む本明細書において記述されているロボットシステムは、任意の特定の構造又は構成に制限されてはいないことを理解されたい。例えば、特定の実施形態においては、１つ又は複数のロボット肢（即ち、ＳＲＬ）は、２つの回転自由度を有する個々の作動型の肩結合部において、ハーネスに装着されていてもよい。更に詳細に後述するように、このような作動型の肩結合部は、異なる方向においてロボット肢を作動させるための様々な構成を特徴としていてもよい。更には、いくつかの実施形態においては、ロボット肢は、ロボット肢の長さが調節可能となりうるように、伸縮型の構成を有していてもよい。例えば、肢は、肢に印加される負荷の変動に応答して肢の長さを制御するための内部スプリングを有する受動的な伸縮型の構成を特徴としていてもよい。その他の実施形態においては、ロボット肢は、肢が能動的に延伸及び収縮する作動型の伸縮自在構成を含んでいてもよい。或いは、この代わりに、ロボット肢は、まったく伸縮自在でなくてもよい。例えば、本開示は、この観点において制限されてはいないことから、肢は、固定された長さを有していてもよく、或いは、関節接続構造を有していてもよい。
【００３３】
上述のように、本明細書において記述されているロボットシステムは、１つ又は複数の別個の方法により、ユーザーから入力を受信してもよい。例えば、いくつかの動作モードにおいて、ユーザーは、腹這い運動又はユーザーによって定義された均衡位置から離れるユーザーの運動と関連したものなどのユーザーの自然な動きを介して、命令をロボットシステムに提供してもよい。その他の動作モードにおいては、ロボットシステムは、例えば、ジェスチャ（即ち、上述の自然な動きとは別個である意図的なユーザーの運動）を介して、音声コマンドを介して、或いは、ユーザーが適切なインターフェイスを介してロボットシステムと物理的にやり取りすることにより、明示的な命令をユーザーから受信してもよい。従って、本開示は、ユーザーがロボットシステムを制御するか又はこれとやり取りするなんらかの特定の方法に制限されてはいないことを理解されたい。
【００３４】
次に図面を参照し、いくつかの非限定的な実施形態について更に詳細に説明する。本明細書においては、特徴の特定の構成及び組合せについて詳述されているが、本開示は、示されている実施形態にのみ限定されるものではないことを理解されたい。その代わりに、本開示は、この観点において制限されてはいないことから、本開示は、本明細書において記述されている様々な特徴及び実施形態の任意の適切な組合せを包含している。
【００３５】
図１は、ロボットシステム１００によって支持されているユーザー１０の概略実施形態を示している。示されている実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーによって装用されたハーネス１０４の両側部から外向きに延在する２つのロボット肢１０２を含む。この実施形態においては、ハーネス１０４は、ユーザーの胴体の上部部分上において装用可能なベストとして示されている。但し、本開示は、この観点において制限されてはいないことから、例えば、シャツ、ジャケット、圧縮スリーブ、登山ハーネス、その他のストラップ構成、及び／又は任意のその他の適切な構成を含むその他のハーネス構成も、適しうることを理解されたい。それぞれのロボット肢１０２は、ユーザーの背中上に配置された作動型の結合部１０６（例えば、肩結合部）においてハーネス１０４に装着されているが、ロボット肢がユーザーの胴体の側部又は前面に装着される実施形態も想定される。図１には、１つの作動型の結合部１０６のみが示されているが、ハーネスに第２ロボット肢を装着するべく、第２の作動型の結合部が、ハーネスの反対側の側部上において含まれていることを理解されたい。図示の実施形態においては、ロボット肢のそれぞれは、第１部分１０８と、第２部分１１０と、を含む。いくつかの実施形態においては、第２部分は、ロボット肢１０２の長さが独立的に調節可能となるように、第１部分との関係において、伸縮するように動作する。従って、図示されているように、第１部分１０８が、作動型の結合部１０６に装着されている一方で、第２部分１０８は、第１部分から延在し、且つ、ユーザーが支持されている表面（例えば、地面）に接触するように構成された足１１２において、終端している。
【００３６】
特定の実施形態に応じて、ロボット肢１０２の伸縮自在構成は、肢の長さの調節を許容するべく、任意の適切な構造を有していてもよい。例えば、肢は、第２部分１１０を外向きに付勢する第１部分１０８内において配置された弾性要素（例えば、スプリング）を含む受動型構造を特徴としていてもよい。従って、ロボット肢は、ユーザーが運動した又はタスクを実行した結果として発生しうるように、脚に印加された負荷の変化に応答して長さを動的に変化させてもよい。或いは、この代わりに、いくつかの例においては、肢は、図示されてはいない、ロボットの脚の第２部分と関連した１つ又は複数のアクチュエータを含んでいてもよい。その結果、これらの１つ又は複数のアクチュエータは、ロボットの脚の全体長を制御するべく、ロボットの脚の第１部分との関係においてロボットの脚の第２部分の延伸及び／又は縮小を能動的に制御するように、制御されてもよい。このような構成は、ユーザーの運動に応答してロボットの脚の長さを能動的に制御するべく、且つ／又は、望ましい姿勢及び／又は位置状態におけるユーザーの位置決めを支援するべく、使用されてもよい。
【００３７】
伸縮型のロボットの脚について上述したが、本開示は、この方式によって制限されてはいないことから、非伸縮型のロボットの脚の構成を含むロボットシステムの実施形態も想定されることを理解されたい。例えば、ロボット肢は、関節接続された構造を特徴としていてもよく、或いは、単に、固定された長さを有していてもよい。
【００３８】
図１に示されている実施形態においては、作動型の結合部（例えば、結合部１０６）は、２つの回転自由度を有する。具体的には、作動型の結合部は、ユーザーの矢状面に対して平行な面内において肢を回転させるべく（即ち、ユーザーの胴体の長さに沿って肢を回転させるべく）、ユーザーの胴体からほぼ外向きに延在する第１軸を中心としてロボット肢を回転させるように構成されている。また、作動型の結合部は、異なる第２軸を中心として回転するようにも構成されており、第２軸は、第１軸に対して垂直であってもよい。この第２軸を中心とした回転は、ユーザーの前頭面に対してほぼ平行な面内においてロボット肢を回転させるように（即ち、ユーザーの胴体に向かって、そして、これから離れるように肢を回転させるように）使用されてもよい。このように、作動型の結合部を介したロボット肢の作動は、ユーザーを望ましい位置において維持すると共に／又は、ロボット肢を望ましい位置に運動させるべく、前後方向において、横方向において、且つ／又は、その他の向きにおいて、力及び／又はトルクをユーザーに印加するべく、使用することができる。
【００３９】
再度図１を参照すれば、ロボットシステム１００は、１つ又は複数のセンサ１１４を更に含んでいてもよい。示されている実施形態においては、２つのセンサ１１４は、ユーザーによって装用可能な２つの膝パッドと統合されている。但し、上述のように、センサは、同様に、限定を伴うことなしに、頭部、首、胴体、肩、肘、腕、手首、膝、足首、又は任意のその他の適切な身体部分を含むその他の身体部分と関連付けられていてもよい。これに加えて、センサは、ハーネス１０４上の、作動型の結合部１０６内の、ロボット肢１０２に沿ったいくつかの様々な場所内の、伸縮型の肢部分１０８及び１１０内の、肢の足１１２又はロボットシステムの任意のその他の適切な部分に伴う、ものなどのいくつかの様々な場所において、ロボットシステムと統合されてもよい。上述のように、任意の数の異なるタイプのセンサが、ユーザー及び／又はロボットシステムの望ましい物理的パラメータを決定するべく、使用されてもよい。但し、いくつかの実施形態においては、ユーザーの身体の１つ又は複数の部分と関連した様々なセンサは、複数の軸に沿って関連した身体部分の位置、向き、及び加速度を計測しうる慣性計測ユニット（ＩＭＵ）であってもよい。当然のことながら、ロボットシステムが複数のタイプのセンサを含む実施形態も想定される。例えば、ＩＭＵは、ユーザーの膝の運動及び向きを計測するべく使用されてもよく、伸縮自在のロボット肢内のスプリングの圧縮の量が、肢に作用する軸方向の力を決定するべく、伸び計によって検知されてもよく、且つ、ロボット肢の１つ又は複数の回転結合部と関連した１つ又は複数のロータリーエンコーダが、ロボット肢の向き及び／又は構成を計測するべく使用されてもよい。当然のことながら、本開示は、任意の特定のタイプのセンサ又はその組合せに限定されるものではないことを理解されたい。
【００４０】
ロボットシステム１００は、ユーザー及び／又はロボットシステムと関連した様々なセンサ１１４、並びに、例えば、作動型の肩結合部１０６を含む様々な作動型の結合部を含むシステムの様々なコンポーネントに動作自在に結合されたコントローラ１１６を更に含んでいてもよい。コントローラは、ユーザー（例えば、ユーザーの胴体の質量中心）並びにロボット肢の位置、向き、及び／又は運動を監視するべく、異なるセンサから受信されたデータを使用してもよい。更に以下において詳述するように、コントローラは、異なる動作モードにおいて、ユーザーの位置の変化に応答して、作動型の肩結合部１０６を介してロボット肢１０２の作動を制御するべく、このセンサデータを使用してもよい。後述するように、コントローラ１１６は、任意の適切な方式によって実装されてもよく、且つ、任意の適切な有線又は無線通信プロトコルを介して、センサ１１４、作動型の結合部１０６内のアクチュエータ、及び／又はロボットシステムの任意のその他の部分と通信してもよい。
【００４１】
また、図１は、ロボットシステム１００が、ユーザーの手が所与のタスクを実行するべく自由である人間工学的な位置においてユーザー１０を支持しうる方式をも示している。例えば、人間工学的な位置は、ユーザーの膝によって形成される角度が、ユーザーがロボットシステムからの支持を伴うことなしに採用しうる従来のうずくまった又はひざまずいた位置と比べて相対的に大きい（即ち、相対的に開いている）ものであってもよい。これに加えて、人間工学的な位置は、ユーザーの脊柱が、ユーザーにとって相対的に快適ではない場合のある相対的に曲がった又は前かがみになった姿勢ではなく、アライメントされた姿勢において留まるように、ユーザーの胴体が支持されるものであってもよい。更には、ロボットシステムは、いくつかの実施形態においては、ユーザーの下半身（例えば、ユーザーの膝）上の負荷が低減されるように、ユーザーの体重のかなりの部分を支持するように構成されてもよい。例えば、ロボットシステムは、ユーザーの体重の５０％、６０％、７０％、又は任意のその他の適切な百分率以上を支持するように構成されてもよい。従って、ロボットシステムは、ユーザーの体重の支持を可能にするために、５０ポンド、１００ポンド、２００ポンド、３００ポンド以上、又は任意のその他の適切な重さを１つ又は複数のロボット肢上において支持するように構成されてもよい。
【００４２】
上述のように、ロボットシステム（図１に示されているシステム１００など）は、いくつかの例においては、ユーザーが望ましい場所において望ましいタスクを実行しうるように、ユーザーを第１位置において支持するためのモードにおいて動作させてもよい。この位置は、ユーザーによって定義された位置であってもよく、且つ／又は、ロボットシステムのコントローラは、ユーザーの空間的状態に関する１つ又は複数の検知された入力に基づいて、ユーザーが静止状態において留まることを意図している際を決定してもよい。これに加えて、ロボットシステムは、ユーザーが第１位置の近傍における限られた動きの範囲内において運動することを許容するように構成されてもよく、且つ、システムは、ユーザーが第１位置から離れるように運動した際にユーザーに復原力を印加するべく、望ましい運動インピーダンスを有するように設定されてもよい。上述のように、ロボットシステムは、仮想的なスプリング及びダッシュポットシステムのように機能してもよく、且つ、従って、復原力は、第１位置との関係におけるユーザーの位置及びユーザーが第１位置から離れるように運動するのに伴うユーザーの速度の両方の関数であってもよい。
【００４３】
図２は、上述の静止又は静的動作モードにおけるロボットシステム（図示されていない）を使用するユーザー２００の概略図を示している。具体的には、図２は、第１位置において配置されたユーザーの質量中心２１０を有するユーザー２００を示している。この位置においては、ロボットシステムは、なんらの更なる力をもユーザーに印加することなしに、ユーザーを支持している。ユーザーが、例えば、前方方向２２０、後方方向２３０、右方向２４０、左方向２５０、又はこれらの組合せに沿って、第１位置から離れるように運動した際に、ロボットシステムは、矢印の場２６０によって示されているように、第１位置に向かってユーザーを付勢する復原力を印加する。更には、第１位置に向かう復原力の大きさは、第１位置から離れる矢印の長さの増大によって示されているように、第１位置から離れるユーザーの変位の増大に伴って増大してもよい。このように、ロボットシステムは、ユーザーが、限られた動きの範囲内において運動することを許容しつつ、ユーザーを望ましい位置において支持しうる。例えば、一実施形態においては、ユーザーは、第１位置から、任意の方向において、１０ｃｍ〜２０ｃｍ以上の、２０ｃｍ〜３０ｃｍ以上の、或いは、任意の適切な距離の範囲の、動きの範囲を有しうるが、本開示は、いずれかの特定の動きの範囲に限定されるものではない。
【００４４】
図２は、一般に、復原力の大きさが、第１位置から離れるすべての方向において、均一に増大することを示しているが、静止又は静的モードにおいて動作するロボットシステムの運動インピーダンスは、様々なタイプの変位に対する復原力の任意の適切な関係を提供するべく、適宜、調節されうることを理解されたい。一例として、運動インピーダンスは、復原力が、方向２４０及び２５０に沿った運動（即ち、ロボットシステムによって支持された際のユーザーの胴体との関係において横方向の運動）の場合には、小さいが、方向２２０及び２３０に沿った運動（即ち、ロボットシステムによって支持された際のユーザーの胴体との関係において前後方向における運動）の場合には、大きくなるように、設定されてもよい。このようなインピーダンス構成によれば、ユーザーは、横方向における運動は、自由であってもよいが、前後方向において運動するべく試みた際には、相対的に制限されうる。当然のことながら、本開示は、任意の特定の運動インピーダンス構成又は復原力の構成に限定されてはいないことから、その他の運動インピーダンス構成も想定される。これに加えて、ユーザーの動き及び復原力は、二次元プレーン内において示されているが、本開示は、このように制限されるものではなく、且つ、ロボットシステムは、支持表面に向かうそしてこれから離れるユーザーの運動を含む第１位置から離れる任意の三次元の平行運動に且つ／又は回転の方向におけるユーザーの運動に応答して、第１位置に向かって復原力を印加するように構成されうることを理解されたい。
【００４５】
図３は、第１の予め定義された位置においてユーザーを支持するためのロボットシステムの使用方法の一実施形態について詳述するフロー図３００である。３１０において、ユーザーは、任意の適切なタイプのユーザー入力を使用することにより、望ましい第１の予め定義された位置（即ち、ユーザーによって定義された位置）を設定してもよい。或いは、この代わりに、ロボットシステムのコントローラは、１つ又は複数のセンサ入力から、現時点のユーザーの位置との関係におけるユーザーの運動が既定の閾値未満であると決定することにより、ユーザーが静止又は静的状態において留まることを所望している際を決定してもよい。次いで、コントローラは、第１の予め定義された位置を自動的に設定してもよい。また、３２０において、ユーザーは、システムの望ましい運動インピーダンスを設定してもよい。上述のように、望ましい運動インピーダンスを設定するステップは、異なる方向におけるユーザーの運動用の、異なる運動レート用の、且つ／又は、異なる動きの範囲用の、システムの望ましい復原力応答を設定するステップを含んでいてもよい。但し、ユーザーが、システムの運動インピーダンス特性の変更を所望していない場合には、３２０における望ましい運動インピーダンスを設定するステップは、単に、運動インピーダンスを変化のない状態に残しておくステップに対応していてもよい。或いは、この代わりに、本開示は、この方式によって制限されてはいないことから、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、ユーザーによるシステムの運動インピーダンス特性の変更を許容しなくてもよい。
【００４６】
３３０において、ロボットシステムは、１つ又は複数のセンサを使用することにより、ユーザーの位置を監視し、そして、３４０において、システムは、ユーザーが望ましい位置から離れるように運動したかどうかを決定している。システムが、予め定義された位置から離れるなんらのユーザーの運動をも検出しない場合には、システムは、ユーザーの位置の監視と、運動のチェックと、を３３０及び３４０において継続してもよい。システムが、予め定義された位置から離れる運動を検出した場合には、システムは、３５０において、運動が、予め定義された位置との関係における閾値運動を超過しているかどうかを決定してもよい（更に詳しく後述する）。運動が、運動閾値を超過していない場合には、システムは、３６０において、望ましい運動インピーダンス特性に基づいて、復原力を決定し、そして、その後に、３７０において、予め定義された位置に向かって戻るようにユーザーを付勢するために、適切な復原力をユーザーに印加するべく、システムのロボット肢を制御している。次いで、システムは、３３０において、ユーザーの位置の監視を継続している。
【００４７】
ユーザーの支持位置の不安定化の回避を支援するべく、上述のように、ロボットシステムのコントローラは、予め定義された位置から離れるユーザーの運動が運動閾値を超過しているかどうかを決定してもよい。例えば、このような運動は、ユーザーの位置が運動閾値を超えて運動した場合に、システムが、バランスを失い、且つ、不安定化することをもたらしうる。或いは、この代わりに、検出された運動は、ユーザーが新しい場所への運動を所望しているというインディケーションであってもよい。いずれのケースにおいても、３５０において、システムが、ユーザーの運動が運動閾値を超過していることを検出した場合に、システムは、３８０において、新しい第２の予め定義された位置を設定し、そして、３９０において、ユーザーを新しい望ましい位置で運動させるように、ロボット肢を制御する。新しい望ましい位置に位置したら、システムは、上述のように、３３０において、ユーザー位置の監視を継続する。上述のシステム及び方法の実装形態に関係した更なる詳細は、以下において提供する。
【００４８】
上述のように、第１の予め定義された位置におけるユーザーの支持に加えて、いくつかの動作モードにおいて、本明細書において記述されているロボットシステムは、少なくとも部分的にユーザーを支持しつつ、ユーザーを異なる場所に搬送することを支援するように、動作させてもよい。例えば、ロボットシステムは、ユーザーをうずくまった又は腹這いになった位置などの地面近傍の位置において支持してもよいが、ロボットシステムがユーザーを直立の又はその他の適切なタイプの位置において支持する実施形態も想定される。例えば、図４は、動的な腹這いモードにおいてロボットシステム４００を動作させているユーザー１０の一実施形態を示している。図１に示されている実施形態と同様に、ロボットシステム４００は、作動型の結合部４０６を介してハーネスに装着されると共にその両側部から外向きに延在するロボット肢４０２のペアを含む。肢４０２のそれぞれは、作動型の結合部４０６に装着された第１部分４０８と、第１部分から外部に伸縮するように動作する第２部分４１０と、を有する伸縮自在の構造を特徴としている。足４１２が、ハーネスに装着されたロボット肢の端部とは反対側のロボット肢の最遠端部において配置されている。また、システムは、１つ又は複数のセンサ４１４（この実施形態においては、ユーザーの膝上において示されている）と、センサ４１４から受信されたデータに基づいて肢４０２を制御するコントローラ４１６と、を含んでいてもよい。例えば、図４に示されているように、ロボットコントローラ４１６は、ユーザーの膝のうちの１つの膝の運動などのユーザーの運動、膝に印加された圧力又は力、並びに／或いは、ユーザーの位置的状態に関係したその他の適切な情報を検出してもよい。次いで、コントローラは、その検出されたユーザーの位置状態に応答して、ロボット肢４０２のうちの１つ又は複数を作動させてもよい。例えば、更に後述するように、コントローラ４１６は、ロボットシステムのロボット肢との関係におけるユーザーの膝の検知された運動に応答して、ユーザーの自然な腹這い運動を真似るように、肢４０２を制御してもよいが、本開示は、特定のタイプのユーザーの運動に制限されてはいないことから、その他の運動モードも想定される。
【００４９】
上述のように、ユーザーが静止状態にある（即ち、予め定義された位置において支持されている）間及びユーザーが位置の間において運動している間を含むユーザーがロボットシステムによって支持されている間に、ロボットシステムは、ユーザーの質量中心が安定性領域内において維持された状態において、ユーザー及びロボットシステムが、安定すると共に均衡した状態に留まることになる安定性領域を算出するべく、１つ又は複数のセンサからのデータを使用してよい。図５〜図８は、腹這いの動きの異なる段階におけるロボットシステムの概略図を示している。更には、これらの図は、ロボットシステムが安定性エリア内においてユーザーの質量中心を維持する方式の一実施形態をも示している。この例においては、ユーザーの腹這いの動きの際に、地面又はその他の支持表面との接触状態にある３つ以上の地点が、安定性領域の頂点を定義しており、安定性領域は、この実施形態においては、三角形の領域である。具体的には、ユーザーの膝が、地点５１２及び５１４として示されており、ロボット肢の足が、地点５１６及び５１８として示されている。それぞれの図において、安定性エリア５２０は、表面との接触状態にあると共に、従って、ユーザーを支持している地点により、定義されている。図のそれぞれにおいて、ユーザーの質量中心５１０、並び／又は、ロボットシステム及びユーザーの組み合わせられた質量中心が、安定性エリア５２０内において維持されている。従って、この結果、運動のすべての段階において、ユーザー及びロボットシステムは、安定した構成において維持されている。これらの図には、三角形の安定性エリアが示されているが、安定性エリアは、すべての４つの地点が表面との接触状態にあると共にユーザーを支持している際には、四角形の形状を有してもよく、或いは、２つを上回る数のロボット肢を含むシステムの場合には、或いは、ユーザーの身体のその他の部分（例えば、ユーザーの足又は手）が更にユーザーを支持している場合には、その他の更に高次の多角形などのその他の形状を有してもよいことを理解されたい。
【００５０】
上述の実施形態においては、ロボットシステムのコントローラは、地面との接触状態にあるユーザーの胴体の１つ又は複数の部分及び／又はロボット肢に印加された力又は圧力を検出する能力を有する１つ又は複数のセンサを使用することにより、いずれの地点が表面との接触状態にあるのかを決定してもよい。これに加えて、いくつかの実施形態においては、検知された力又は圧力、或いは、その他の関係する量（例えば、スプリングの検知された圧縮又は伸長）が、ロボット肢及び／又は身体部分がユーザーを能動的に支持していることを示す閾値力又は圧力を上回っている場合にのみ、決定された安定性領域内の頂点として、特定の接触地点を見なしてもよい。
【００５１】
また、図５〜図８は、組み合わせられたユーザー及びロボットシステムの安定した構成を維持しつつ、ユーザーの腹這いの動きを促進するためのロボットシステムのロボット肢５１６及び５１８の制御をも示している。図５においては、第１のロボット肢５１６及び第１のユーザーの膝５１２は、ユーザーの左側にあり、且つ、それぞれ、前方又は後方位置において配置されている。ユーザーの反対の右側において配置された第２のロボット肢５１８及び第２のユーザーの膝５１４は、いずれも、後方位置にあり、第１のロボット肢とユーザーの膝と第２のロボット肢との間には、安定性領域が定義されている。次いで、ユーザーの第２の膝が、地面との接触状態から離脱し、且つ、前方に、第２ロボット肢に向かって、後方位置から前方位置まで、運動することになるが、これについては、図５及び図６を参照されたい。ユーザーの第２の膝が地面との接触状態に配置されたら、第１のロボット肢及びユーザーの第２の膝が、地面との接触状態に依然として留まった状態において、後方に、その関連した後方位置まで運動しつつ、第２のロボット肢が、地面との接触状態から離脱し、且つ、後方位置から前方位置まで運動することになるが、これについては、図６及び図７を参照されたい。次いで、ユーザーは、第２のロボット肢が、後方方向に、後方位置に向かって運動する状態において、第１の膝を地面との接触状態から離脱させ、且つ、第１の膝を前方方向において前方位置に向かって且つ第１のロボット肢に向かって運動させることになり、これについては、図７及び図８を参照されたい。次いで、ユーザーの第１の膝が、後方方向に、後方位置に向かって運動している状態において、第１ロボット肢を前方方向に前方位置に向かって運動させてもよく、これにより、組み合わせられたユーザー及びロボット肢が上述の初期状態にリセットされることになり、これについては、図８及び図５を参照されたい。
【００５２】
上述の実施形態は、ロボット肢及びユーザーの膝を地面との接触状態から離脱させると説明しているが、本開示は、このように制限されてはいないことから、ロボット肢及び／又はユーザーの膝が地面との接触を維持したまま、単に、ロボット肢及び／又はユーザーの膝によって支持される力が低減される実施形態も想定される。例えば、伸縮型のロボット肢は、前方又は後方の動きにおいて運動している最中に、地面との接触を維持してもよく、この運動の際に脚によって支持される重みが、運動サイクルの１つ又は複数の部分において、低減されてもよい。これに加えて、上述の前方及び後方位置は、運動に伴うユーザーの質量中心との関係において定義されている。従って、特定のロボット肢及びユーザーの一部分が前方又は後方位置に運動した際に、ロボット肢又はユーザーの一部分の絶対位置は、変化していなくてもよく、ユーザーの質量中心との関係におけるロボット肢又はユーザーの一部分の位置決めが変化していてもよく、これが、先程参照された内容である。
【００５３】
いくつかの実施形態においては、ロボットシステムのコントローラは、安定性エリアの境界との関係におけるユーザーの質量中心の位置を監視してもよく、且つ、ロボットアームを適切に制御する方式を決定するべく、この相対的な位置を使用してもよい。例えば、静的構成においては、システムは、予め定義された位置においてユーザーを維持しつつ安定した構成においてユーザーを維持するべく、質量中心が安定性エリア境界に接近している際に、相対的に大きな復原力をユーザーに印加してもよい。これに加えて、いくつかの例においては、システムは、ユーザーが新しい場所への運動を所望していることのインディケーションとして、安定性領域境界に向かう（又は、これを通過する）質量中心の動きを検出し、これにより、新しい質量中心の位置及び新しい安定性領域を定義してもよい。
【００５４】
上述のように、ロボットシステムのコントローラは、ユーザー及び／又はロボットシステムの空間的状態を決定するべく、１つ又は複数のセンサから受信されたデータを使用してもよい。このようなデータは、位置データ、向きデータ、速度データ、加速度データ、力データ、圧力データ、トルクデータ、安定性エリアの境界との関係におけるユーザーの質量中心の運動に関係したデータ、又は任意のその他の適切な形態のデータであってもよい。これに加えて、データは、任意の適切なタイプのセンサを使用することにより、計測されてもよい。例えば、ユーザーの膝の位置の動き及び運動に関するデータは、ユーザーによって装用可能な膝パッド内において提供された１つ又は複数のＩＭＵ及び／又は力センサから収集されてもよい。当然のことながら、本開示は、この観点において制限されてはいないことから、その他のセンサの組合せ、構成、及びセンサの場所も想定される。
【００５５】
次に図９を参照すれば、ユーザーの搬送を支援するべくロボットシステムを使用する方法の一実施形態を詳述した例示用のフローチャート９００が示されている。９１０及び９２０において、システムは、上述のように、それぞれ、ユーザー及びロボットシステムの空間的状態を監視している。次いで、システムは、９３０において、ユーザーの運動を予測するべく、これら２つの空間的状態に関係したデータを使用している。例えば、腹這いの運動と一貫性を有するユーザーの膝の運動などのユーザーの空間的状態の変化は、ユーザーが特定の方向において腹這いを試みているとシステムが予測する結果をもたらしてもよい。次いで、予測されたユーザーの運動に基づいて、システムは、９４０において、図５〜図８との関連において先程詳述したように、予測されたユーザーの運動に対応するように、ロボットシステム（例えば、１つ又は複数のロボット肢）を運動させる必要があるかどうかを決定している。或いは、この代わりに、システムが、予測されたユーザーの運動がユーザーの質量中心を安定性エリアの境界を越えて運動させることになると決定した場合には、システムは、ロボットシステムがユーザーの質量中心を安定性領域内において維持するように、ロボット肢の１つ又は複数を運動させる必要があると決定してもよい。いずれのケースにおいても、システムが、ロボット肢のうちの１つ又は複数を動作させる必要があると決定したら、システムは、肢を新しい場所まで運動させるべく、９５０において、ロボット肢を制御してもよい。次いで、システムは、ユーザーの更なる運動が予測される時点まで、９１０において、ユーザーの、そして、９２０において、ロボットシステムの、空間的状態の監視を継続してもよい。９４０において、ロボットシステムの運動が必要とされていない場合には、システムがユーザーの運動を予測すると共に／又は、システムがこの動作モードを離脱する時点まで、システムは、静止状態において留まってもよく、且つ、ユーザー及びロボットシステムの空間的状態の監視を継続してもよい。
【００５６】
様々なタイプのユーザーの動きの際のロボットシステムの制御を促進するべく、上述の実施形態のいくつかにおいては、ロボットシステムは、ユーザーの運動を予測すると共に、１つ又は複数のロボット肢を相応して運動させるべく、自然な人間の動きのデータを使用してもよい。例えば、図１０は、ロボットシステム内の予測アルゴリズムと共に使用されるように、人間の腹這いの動きのデータが収集されうる方式の一例を示している。この例においては、ＩＭＵ及び／又は力センサなどの複数のセンサ１０１０が、ユーザーの身体上の様々な場所において配置され、且つ、装用者が自然な腹這いの動きを経験するのに伴って、装用者の空間的状態が監視されている。このデータは、計測された空間的状態データに基づいてユーザーの意図した運動を予測しうるモデルを構築するべく、部分最小二乗回帰（ＰＬＳＲ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）アルゴリズム又はサポートベクトル機械（ＳＶＭ：Ｓｕｐｐｏｒｔ  Ｖｅｃｔｏｒ  Ｍａｃｈｉｎｅ）アルゴリズムなどの既知の機械学習法と共に使用することができる。図１０は、モデル用のデータを生成するべく腹這いの動きを実行するユーザーを示しているが、本明細書において記述されている方法は、腹這いの位置から直立位置に運動することに関係した動き、歩行、及び／又は任意のその他の望ましいタイプのユーザーの動きなどのその他のタイプの動きの場合にも、適しうることを理解されたい。従って、本開示は、任意の特定のタイプの人間の動きと関係したモデルに限定されてはいないことを理解されたい。
【００５７】
ＰＬＳＲ及びＳＶＭモデルの両方によれば、自然に（即ち、ロボットシステムからの支援を伴うことなしに）腹這う、或いは、さもなければ、特定のタイプの運動サイクルにおいて運動する、対象から、大量の空間的状態データ（例えば、力及び動きデータ）を収集することができる。次いで、その他の身体部分（例えば、膝）の動きに基づいて特定の身体部分（例えば、手又は腕）の軌跡の予測を生成するべく、データをトレーニングセットして使用することにより、モデルを生成することができる。例えば、図１１Ａ及び図１１Ｂは、腹這う人物における、経験的データの１つの組に基づいた結果と、ＰＬＳＲモデルからの結果と、を示している。具体的には、図１１Ａは、ユーザーの右及び左膝の計測された加速度の時系列（即ち、モデルにおける入力データ）をプロットしている。そして、図１１Ｂは、ユーザーの左手の実際の加速度、並びに、計測されたデータから導出されたモデルを使用して予測された加速度をプロットしている。図に示されているように、モデルは、ユーザーの膝の動きに基づいて、ユーザーの手の動きを正確に予測することができる。この及びその他の類似のタイプのモデルを使用することにより、ロボットシステム内のコントローラは、特定のタイプの動きサイクルにおいてユーザーの身体の１つ又は複数の部分の自然な運動を真似るように、ユーザーによる運動に応答してロボット肢を運動させる場所を正確に決定しうる。
【００５８】
次に図１２を参照すれば、ユーザーの動きを支援するべく１つ又は複数の予測モデルを含むロボットシステム用の制御方式の例示用の一実施形態が示されている。この実施形態においては、ロボットシステムは、１２１０において概略的に示されている。上述のように、ロボットシステムは、ユーザーに装着された２つ以上のロボット肢、並びに、複数のユーザーセンサ（即ち、膝パッドセンサ）及びロボットセンサを含んでいてもよい。ロボットシステムは、コントローラを含む。コントローラは、データによって駆動されるモデル（上述のＰＬＳＲ及び／又はＳＶＭモジュールなど）に基づいた身体オブザーバモジュール、歩行プランナモジュール、及び／又は、１つ又は複数のプレディクタモジュールを含んでいてもよい。具体的には、身体オブザーバモジュールは、ユーザーの安定性（例えば、支持エリア境界との関係におけるユーザーの質量中心の位置）を含むユーザー及びロボットシステムの空間的状態を監視してもよい。ロボットセンサ及びユーザーセンサからのデータを使用することにより、システムは、以前のトレーニングデータに基づいてユーザーの運動を予測するべく、様々なプレディクタモジュールを使用する。システムは、データをプレディクタ及び身体オブザーバモジュールから歩行プランナモジュールに送信する。図に示されている腹這いなどの、ロボットシステムがエミュレートしている動きのタイプに関係した情報を使用することにより、歩行プランナモジュールは、ユーザーの望ましい運動を促進するべく、システムの様々なロボット肢用の１つ又は複数の運動を決定してもよい。例えば、歩行プランナは、地面に沿ったユーザーの腹這いを支援する際に、図５〜図８との関係において上述したものに類似した歩行パターンに追随するように、ロボット肢に命令してもよい。いずれのケースにおいても、適切なロボット肢の運動が決定されたら、歩行プランナモジュールは、ロボット肢を望ましい新しい位置に運動させるように、ロボット肢と関連した１つ又は複数のアクチュエータドライバに命令する。次いで、このプロセスは、ユーザーがこの動作モードにおいてロボットシステムを動作させている限り、継続してもよい。
【００５９】
上述のように、いくつかの実施形態においては、ロボットシステムは、作動型の肩結合部などの作動型の結合部を介して運動可能な１つ又は複数のロボット肢を含んでいてもよい。いくつかの例においては、作動型の肩結合部は、ロボット肢を作動及び運動させるための２つの回転自由度を有するように構築されてもよい。例えば、図１３は、２つの回転自由度を有する作動型の結合部の例示用の一実施形態を示している。この実施形態においては、作動型の結合部１３００は、２つのモーター１３２０及び１３３０を含む。第１モーター１３２０は、ハウジング１３１０に取り付けられており、ハウジング１３１０は、ハーネス又はロボットシステムのその他の適切な部分に取り付けられてもよく、且つ、第１モーターは、軸Ａを中心とした回転を駆動する出力シャフトを含む。第２モーター１３３０は、第１モーター１３２０の出力シャフトに結合されており、且つ、その出力シャフトが、第１モーター１３２０の出力シャフトに対して垂直になるように、構成されている。具体的には、第２モーターは、軸Ｂを中心とした回転を駆動し、軸Ｂは、軸Ａに対して垂直である。ロボット肢は、シャフト１３４０に装着可能であり、シャフト１３４０は、第２モーター１３３０の出力シャフトから、所定の角度において、そして、いくつかの例においては、垂直に、延在している。このように、望ましい２つの回転自由度を提供するべく、第１モーター１３２０は、動作した際に、軸Ａを中心とした第２モーター１３３０及び（シャフト１３４０に装着された）ロボット肢の両方の回転を駆動し、且つ、第２モーターは、動作した際に、軸Ｂを中心としたロボット肢の回転を駆動する。図に示されているように、いくつかの実施形態においては、作動型の結合部は、２つのモーターの間に配置されたボール及びソケット結合部１３５０を含んでいてもよい。このような構成においては、ロボット肢に沿って（並びに、従って、シャフト１３４０に沿って）伝達される軸方向の力は、ボールが、ソケットに圧接した状態において圧縮されることに伴って、ソケットによって支持される。
【００６０】
いくつかの実施形態においては、ロボット支持システムのアクチュエータが、運動する際に迅速に運動可能でありつつ、人体を支持するべく大きなトルクを作用させうることが望ましい場合がある。図１４は、これらの望ましい特性を提供する能力を有する可能なタイプのアクチュエータの一実施形態を示している。具体的には、図は、デュアル速度デュアルモーター（ＤＳＤＭ：Ｄｕａｌ−Ｓｐｅｅｄ  Ｄｕａｌ−Ｍｏｔｏｒ）アクチュエータ１４００を示している。更に後述するように、示されているアクチュエータは、自身を２つの異なる極端な負荷状態に適合させることができるように、２０超の比率又は任意のその他の適切な比率により、その有効ギア比を変化させることができる。示されている実施形態においては、２つのモーター１４１０及び１４２０は、遊星歯車列と係合しており、一方が、遊星歯車１４５０に接続され、且つ、他方が、太陽歯車１４６０に接続されている。高速で運動する場合には、両方のモーターは、次式のように、出力速度を生成するべく、協働する。
【数１】
0006568940.tif 000002
【００６１】
上述の式において、Ｒ２は、モーター１４２０の減速比であり、且つ、Ｒ１は、モーター１４１０の相対的に小さな減速比である。これに加えて、ｗ１、ｗ２、ｗｏｕｔ、並びに、τ１、τ２、及びτｏｕｔは、それぞれ、第１及び第２モーター及び出力１４７０の回転速度及びトルクである。動作の際には、大きなトルクを生成することが望ましい際には、モーター１４１０は、モーターシャフトと関連したブレーキ１４４０によってロックされてもよく、且つ、モーター１４２０は、次式のように、出力を提供するために、その相対的に大きな減速比を通じて力を生成するべく、単独で駆動されてもよい。
【数２】
0006568940.tif 000003
【００６２】
本開示のシステムにおいては、ギアシフトにおける過渡的力学は、些細な問題ではない。例えば、車両がギアシフトの際に継続的に運動することを許容する大きな慣性を負荷が有する自動車における標準的なギアシフト動作とは異なり、ギアシフトの際にユーザーの体重を支持するべく、負荷がアクチュエータに継続的に接続されることが望ましい場合がある。従って、上述のデュアルモーターアーキテクチャ、並びに、適切な制御アルゴリズムの使用は、使用の際に、大きな重力負荷下においても、ギア比のシームレスな切り替えを許容しうる。例えば、ロボット肢が地面に接触すると共に負荷が増大するのに伴って、アクチュエータは、モーター１４２０を出力速度に同期化させ、且つ、次いで、ブレーキ１４４０を係合させることにより、ローギアモードにシームレスにシフトされてもよい。そして、アクチュエータは、ブレーキを解放することによって脚が地面との接触を失ったら、即座に、ハイギアモードに戻るように切り替えてもよい。また、上述のギアシフト特性に加えて、いくつかの実施形態においては、ＤＳＤＭアクチュエータは、高速動作モードにおいて動作している際に、即ち、ブレーキが係合していない際に、バックドライブ可能（ｂａｃｋ−ｄｒｉｖａｂｌｅ）であってもよい。
【００６３】
また、以上においては、作動型の結合部の特定の実施形態について図示及び記述されているが、本開示は、この観点において制限されてはいないことから、２つよりも少ない又は多い数の自由度を有するその他の作動型の結合部及び／又はその他の作動型の肢構成も、適しうることを理解されたい。
【００６４】
制御及び運動予測システム及び方法の上述の実施形態、並びに、本明細書において記述されている技術のその他の態様は、多数の方法のいずれかによって実装することができる。例えば、実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はこれらの組合せを使用することにより、実装されてもよい。ソフトウェアにおいて実装された際には、ソフトウェアコードは、単一のコンピュータにおいて提供されているのか又は複数のコンピュータの間において分散されているのかを問わず、任意の適切なプロセッサ又はプロセッサの集合体上において実行することができる。このようなプロセッサは、名前を挙げれば、ＣＰＵチップ、ＧＰＵチップ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、又はコプロセッサなどの、当技術分野において既知の市販の集積回路コンポーネントを含む集積回路コンポーネント内における１つ又は複数のプロセッサを有する集積回路として実装されてもよい。或いは、この代わりに、プロセッサは、ＡＳＩＣなどのカスタム回路において、或いは、プログラム可能な論理装置の構成の結果として得られるセミカスタム回路において、実装されてもよい。また、更なる代替肢として、プロセッサは、市販の、セミカスタムの、又はカスタムのものであるかどうかを問わず、相対的に大きな回路又は半導体装置の一部分であってもよい。具体的な一例として、いくつかの市販のマイクロプロセッサは、そのコアのうちの１つ又はサブセットがプロセッサを構成しうるように、複数のコアを有する。但し、プロセッサは、任意の適切なフォーマットを有する回路を使用することにより、実装されてもよい。
【００６５】
更には、演算装置は、ラックマウント型のコンピュータ、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、ロボットシステムコントローラ内において埋め込まれたプロセッサ及びメモリなどのいくつかの形態のうちのいずれかにおいて実施されうることを理解されたい。これに加えて、演算装置は、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、スマートフォン、又は任意のその他の適切な携帯型又は固定型の電子装置を含む演算装置とは一般に見なされないが適切な処理能力を有する装置内において埋め込まれてもよい。
【００６６】
また、演算装置は、１つ又は複数の入力及び出力装置を有していてもよい。これらの装置は、例えば、ユーザーインターフェイスを提示するべく、使用することができる。ユーザーインターフェイスを提供するべく使用されうる出力装置の例は、視覚的出力の提示のためのプリンタ又はディスプレイ、並びに、可聴出力の提示のためのスピーカ又はその他のサウンド生成装置を含む。ユーザーインターフェイスのために使用されうる入力装置の例は、キーボード、及びマウスなどのポインティング装置、タッチパッド、並びに、ディジタイズ用タブレットを含む。別の例として、演算装置は、発話認識を通じて又はその他の可聴フォーマットにおいて入力情報を受信してもよい。これに加えて、上述のように、演算装置は、ユーザーの運動、ジェスチャ、又はユーザーの空間的状態に基づいて、入力を受信してもよい。
【００６７】
このような演算装置は、ボディエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、或いは、エンタープライズネットワーク又はインターネットなどのワイドエリアネットワークとしてのものを含む任意の適切な形態における１つ又は複数のネットワークによって相互接続されてもよい。このようなネットワークは、任意の適切な技術に基づいたものであってもよく、且つ、任意の適切なプロトコルに従って動作してもよく、且つ、無線ネットワーク、有線ネットワーク、又は光ファイバネットワークを含んでいてもよい。
【００６８】
また、本明細書において概説されている様々な方法及びプロセスは、様々なオペレーティングシステム及びプラットフォームのうちのいずれかを利用した１つ又は複数のプロセッサ上において稼働可能なソフトウェアとしてコード化されてもよい。これに加えて、このようなソフトウェアは、いくつかの適切なプログラミング言語及び／又はプログラミング又はスクリプティングツールのうちのいずれを使用することにより、作成されてもよく、且つ、更には、フレームワーク又は仮想機械上において稼働する実行可能機械言語コード又は中間コードとしてコンパイルされてもよい。
【００６９】
この観点において、開示されている実施形態は、１つ又は複数のコンピュータ又はその他のプロセッサ上において稼働した際に、上述の様々な実施形態を実装する方法を実行する１つ又は複数のプログラムによってエンコードされたコンピュータ可読ストレージ媒体（或いは、複数のコンピュータ可読媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つ又は複数のフロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ：Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｄｉｓｃ）、光ディスク、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｉｄｅｏ  Ｄｉｓｋ）、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラム可能なゲートアレイ又はその他の半導体装置内の回路構成、或いは、その他の有体のコンピュータストレージ媒体）として実施されてもよい。上述の例から明らかなように、コンピュータ可読ストレージ媒体は、一時的ではない形態においてコンピュータ実行可能命令を提供するべく、十分な時間にわたって情報を保持しうる。このような１つ又は複数のコンピュータ可読ストレージ媒体は、その上部において保存された１つ又は複数のプログラムが、上述の本開示の様々な態様を実装するべく、１つ又は複数の異なるコンピュータ又はその他のプロセッサ上において読み込まれうるように、搬送可能であってもよい。本明細書において使用されている「コンピュータ可読ストレージ媒体」という用語は、製品（即ち、製造の物品）又は機械と見なされうる一時的ではないコンピュータ可読媒体のみを包含している。この代わりに、又はこれに加えて、本開示の態様は、コンピュータ可読ストレージ媒体ではなく、伝播する信号などの、コンピュータ可読媒体として実施されてもよい。
【００７０】
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、本明細書においては、上述の本開示の様々な態様を実装するべく、演算装置又はその他のプロセッサをプログラムするように利用されうる任意のタイプのコンピュータコード又はコンピュータ実行可能命令の組を意味するべく、一般的な意味において使用されている。これに加えて、この実施形態の一態様によれば、実行された際に本開示による方法を実行する１つ又は複数のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサ上において存在する必要はなく、本明細書において記述されている様々な態様を実装するべく、いくつかの異なるコンピュータ又はプロセッサの間においてモジュラー方式で分散させられてもよいことを理解されたい。
【００７１】
コンピュータ実行可能命令は、１つ又は複数のコンピュータ又はその他の装置によって実行されるプログラムモジュールなどの多くの形態を有していてもよい。一般には、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象的データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において、適宜、組み合わせられてもよく、或いは、分散させられてもよい。
【００７２】
また、データ構造は、任意の適切な形態において、コンピュータ可読媒体内において保存されてもよい。図示を簡単にするべく、データ構造は、データ構造内の場所を通じて関係付けられたフィールドを有するように示される場合がある。同様に、このような関係は、フィールドの間の関係を伝達するコンピュータ可読媒体内の場所と共にフィールド用のストレージを割り当てることにより、実現されてもよい。但し、データ構造のフィールド内の情報の間の関係を確立するべく、ポインタ、タグ、又はデータ要素の間の関係を確立するその他のメカニズムの使用を通じたものを含む、任意の適切なメカニズムが使用されてもよい。
【実施例】
【００７３】
実施例：静的動作モード
望ましい運動インピーダンスを有するユーザー装用者を支持するための制御法則を導出した。具体的には、６つの自由度を有する２つのロボット肢を含むシステムについて、ユーザーを支持するフィードバック制御アルゴリズムを決定した。アクチュエータのうちの２つを受動型のスプリングによって置換した。この結果、物理的設計が簡単になったが、実現可能な運動インピーダンスが制限された。導出の際に、一方が矢状面内にあり、且つ、他方が前頭面内にある２つの３次元空間に６次元空間を分割した。また、動きは、これら２つの面内においてのみ制限されるものと仮定した。従って、システムは、対称的であり、且つ、剛性の主軸が矢状面と前頭面の両方に跨っておらず、その結果、この単純化は正当化された。導出においては、重力を明示的に取り扱わなかったが、圧縮可能なロボット肢の長さの計測値が、システムに対する重力の影響の間接的な計測値として機能した。この結果、復原力を矢状面及び／又は前頭面内においてユーザーに印加することにより、静的な予め定義された位置におけるユーザーの支持及び維持の両方を実行するべく、導出された制御法則を本明細書において記述されているようにロボットシステム内において成功裏に実装した。
【００７４】
以上、様々な実施形態及び実施例との関連において、本教示について説明したが、本教示は、これらの実施形態又は実施例に限定されることを意図したものではない。逆に、本教示は、当業者には理解されるように、様々な代替肢、変更、及び均等物を包含する。従って、上述の説明及び図面は、例示を目的としたものに過ぎない。
【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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