(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソフトロボットアクチュエータのための剛性付与層を製造する方法であって、前記方法は、
布地シートをホットプレスの底部プレート上に配置することと、
熱可塑性材料の層を前記布地シート上に配置することであって、前記熱可塑性材料の層は、その中に形成される複数のスロットを有する、ことと、
剛性スラットを前記熱可塑性材料の層内の前記スロットのそれぞれの中に配置することと、
従応性支持層を前記熱可塑性材料の層および前記スラット上に配置することと、
前記ホットプレスの上部プレートをガスケット上に配置することと、
前記ホットプレスを動作させ、前記布地シート、前記熱可塑性材料の層、および前記従応性支持層をともに接合し、接合されたシートを形成することと、
前記剛性付与層を前記接合されたシートから切断することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記布地シートは、ナイロンから成る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱可塑性材料は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）から成る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ガスケットをネオプレン発泡体の層上に配置することをさらに含み、前記ガスケットは、前記熱可塑性材料の層内に形成されるスロットの数および構成に対応して形成されるスロットの数および配列を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記従応性支持層は、伸縮性発泡体から成る、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記従応性支持層は、スパンデックスおよびネオプレン発泡体から成る、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、ロボットの分野に関し、特に、改良された剛性、支持、および握持特性を有する、新規のソフトロボットアクチュエータと、改良されたアクチュエータの側面を製造するための技法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットは、製造、産業用途、医療用途、および同等物等、多くの産業において使用されている。ソフトロボット工学は、ロボット工学の発展中の分野であって、軟質の共形性かつ適応性のグラスパおよびアクチュエータを提供し、ロボットが、ヒトと同様に物体と相互作用することを可能にする。特に、そのようなロボットは、ヒトの手と同一様式で物体を操作することが可能である。
【０００３】
従来、ソフトロボット工学は、組立ライン上または倉庫内の物体を握持するためのロボットシステムと関連して採用されてきた。例えば、部品が、棚、可動ベルト上にある、または棚からベルトに移動されている場合、エンドエフェクタが、「側方取り上げ」または「上下取り上げ」等の種々の方向から物体を取り上げるように適応され得る。本同一グラスパはまた、ヒトの手がまさに行い得るように、各タスクにおける様々な物体に適応され得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（ソフトロボットグリッパに関する背景）
従来のロボットグリッパまたはアクチュエータは、高価であって、かつ取り扱われている物体の重量、サイズ、および形状の不確実性ならびに多様性が、過去に機能していた自動化された解決策を妨げるようなある環境においては動作することが不可能であり得る。本願は、適応性があって、安価、軽量、カスタマイズ可能、かつ使用が単純である、新規ソフトロボットアクチュエータの用途を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ソフトロボットアクチュエータは、ゴム等のエラストマー材料、または圧力下で拡開、伸縮、および／もしくは屈曲するように構成される、アコーディオン状構造で配列されたプラスチックの薄壁、または他の好適な比較的に軟質の材料から形成されてもよい。それらは、例えば、エラストマー材料の１つまたはそれを上回る部片を所望の形状に成形することによって生成されてもよい。ソフトロボットアクチュエータは、空気、水、または生理食塩水等の流体で充填され、アクチュエータを加圧、膨張、および／または作動させることができる、中空内部を含んでもよい。作動に応じて、アクチュエータの形状またはプロファイルは、変化する。アコーディオン状アクチュエータ（以下により詳細に説明される）の場合、作動は、アクチュエータを所定の標的形状に湾曲または直線化させてもよい。完全非作動形状と完全作動形状との間の１つまたはそれを上回る中間標的形状が、アクチュエータを部分的に膨張させることによって達成されてもよい。代替として、または加えて、アクチュエータは、真空を使用して作動され、膨張流体をアクチュエータから除去し、それによって、アクチュエータが屈曲、捻転、および／または延在する程度を変化させてもよい。
【０００６】
作動はまた、アクチュエータが、握持または押動されている物体等の物体に力を付与することを可能にしてもよい。しかしながら、従来のハードロボットアクチュエータと異なり、ソフトアクチュエータは、ソフトアクチュエータが、部分的または完全に、握持されている物体の形状に共形化し得るように、作動されるとき、適応特性を維持する。それらはまた、アクチュエータが握持標的ではない積み重ねた山内の近隣物体または容器の両側に衝突する可能性があるため、特に物体を積み重ねた山から取り上げるときまたは容器から取り上げるときに関連し得る物体との衝突に応じて、偏向し得る。さらに、印加される力の量は、材料が容易に変形し得るため、制御された様式においてより大きい表面積にわたって拡散されることができる。このように、ソフトロボットアクチュエータは、物体を損傷させずに、それらを把持することができる。
【０００７】
さらに、ソフトロボットアクチュエータは、従来のハードロボットアクチュエータを用いて達成することが困難であり得る、運動のタイプまたは運動の組み合わせ（屈曲、捻転、延在、および収縮を含む）を可能にする。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
ソフトロボットアクチュエータのための剛性付与層を製造する方法であって、
布地シートをホットプレスの底部プレート上に配置するステップと、
エラストマー材料の層を前記布地シート上に配置するステップであって、熱可塑性材料の層は、その中に形成される複数のスロットを有する、ステップと、
剛性スラットを前記熱可塑性材料の層内の前記スロットのそれぞれの中に配置するステップと、
従応性支持層を前記熱可塑性材料の層および前記スラット上に配置するステップと、
前記ホットプレスの上部プレートをガスケット上に配置するステップと、
前記ホットプレスを動作させ、前記布地シート、前記熱可塑性材料の層、および前記従応性支持層をともに接合し、接合されたシートを形成するステップと、
前記剛性付与層を前記接合されたシートから切断するステップと、
を含む、方法。
（項目２）
前記布地シートは、ナイロンから成る、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記エラストマー材料は、熱可塑性材料から成る、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記エラストマー材料は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）から成る、項目１に記載の方法。
（項目５）
ガスケットをネオプレン発泡体の層上に配置するステップをさらに含み、前記ガスケットは、前記熱可塑性材料の層内に形成されるスロットの数および構成に対応して形成されるスロットの数および配列を有する、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記従応性支持層は、伸縮性発泡体から成る、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記従応性支持層は、スパンデックスおよびネオプレン発泡体から成る、項目１に記載の方法。
（項目８）
ソフトロボットアクチュエータのための剛性付与層であって、
布地シートをホットプレスの底部プレート上に配置するステップと、
熱可塑性材料の層を前記布地シート上に配置するステップであって、前記熱可塑性材料の層は、その中に形成される複数のスロットを有する、ステップと、
剛性スラットを前記熱可塑性材料の層内の前記スロットのそれぞれの中に配置するステップと、
従応性支持層を前記熱可塑性材料の層および前記スラット上に配置するステップと、
前記ホットプレスの上部プレートをガスケット上に配置するステップと、
前記ホットプレスを動作させ、前記布地シート、前記熱可塑性材料の層、および前記従応性支持層をともに接合し、接合されたシートを形成するステップと、
前記剛性付与層を前記接合されたシートから切断するステップと、
によって形成される、剛性付与層。
（項目９）
前記布地シートは、ナイロンから成る、項目８に記載の剛性付与層。
（項目１０）
前記熱可塑性材料は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）から成る、項目８に記載の剛性付与層。
（項目１１）
ガスケットをネオプレン発泡体の層上に配置するステップをさらに含み、前記ガスケットは、前記熱可塑性材料の層内に形成されるスロットの数および構成に対応して形成されるスロットの数および配列を有する、項目８に記載の剛性付与層。
（項目１２）
前記従応性支持層は、伸縮性発泡体から成る、項目８に記載の剛性付与層。
（項目１３）
前記従応性支持層は、スパンデックスおよびネオプレン発泡体から成る、項目８に記載の剛性付与層。
（項目１４）
ソフトロボットアクチュエータアセンブリであって、
ハブと、
前記ハブに結合される複数のソフトアクチュエータと、
前記ハブおよび前記ソフトアクチュエータのうちの少なくとも１つ上に搭載される、またはその中に埋設される、光電センサ、バーコードリーダ、ＱＲコード（登録商標）リーダ、絶対圧力センサ、真空センサ、近接センサ、またはＲＦＩＤリーダのうちの少なくとも１つと、
を備える、ソフトロボットアクチュエータアセンブリ。
（項目１５）
ソフトロボットアクチュエータアセンブリであって、
ハブと、
前記ハブに結合される複数のソフトアクチュエータと、
前記ソフトアクチュエータのうちの少なくとも１つに添着される電気吸着パッドであって、前記電気吸着パッドは、複数の埋設される互いに組み合わせられた電極を有しており、前記ソフトアクチュエータが作動されたときに、それが添着される前記ソフトアクチュエータの握持表面から離れるように座屈するように構成される、電気吸着パッドと、
を備える、ソフトロボットアクチュエータアセンブリ。
（項目１６）
前記電気吸着パッドは、前記ソフトアクチュエータの１つまたはそれを上回る端部において前記ソフトアクチュエータに添着されるが、前記ソフトアクチュエータの中心部分では前記ソフトアクチュエータに添着されない布地層上に提供される、項目１５に記載のソフトロボットアクチュエータアセンブリ。
（項目１７）
ソフトロボットアクチュエータアセンブリであって、
半径方向外向きに延在する複数のアコーディオン状延在部を備える、ソフトロボットアクチュエータと、
油圧流体を供給し、前記ソフトアクチュエータを加圧するためのピストンと、
を備える、ソフトロボットアクチュエータアセンブリ。
（項目１８）
前記ピストンは、カムシャフトに接続される、項目１７に記載のアセンブリ。
（項目１９）
単一ピストンチャンバの作用によって相互から位相がずれるように駆動される、油圧作動式ソフトアクチュエータのセットをさらに備える、項目１７に記載のアセンブリ。
（項目２０）
前記ピストンは、線形アクチュエータによって制御される、項目１７に記載のアセンブリ。
（項目２１）
ソフトロボットアクチュエータアセンブリであって、
半径方向外向きに延在する複数のアコーディオン状延在部を備える、ソフトロボットアクチュエータと、
油圧作動流体を前記アクチュエータに供給する、エラストマーまたは変性プラスチックブラダと、
を備える、ソフトロボットアクチュエータアセンブリ。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態と併用するために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。
【図１Ｂ】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態と併用するために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。
【図１Ｃ】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態と併用するために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。
【図１Ｄ】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態と併用するために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。
【図２Ａ】図２Ａ−２Ｃは、例示的剛性付与層を描写する、斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａ−２Ｃは、例示的剛性付与層を描写する、斜視図である。
【図２Ｃ】図２Ａ−２Ｃは、例示的剛性付与層を描写する、斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｂ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｃ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｄ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｅ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｆ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｇ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｈ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｉ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｊ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｋ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図３Ｌ】図３Ａ−３Ｌは、図２Ａ−２Ｃに示される剛性付与層を製造するための例示的方法を描写する、一連の図である。
【図４】図４は、握持された物体を検出および／または識別するための複数のセンサを有するソフトロボットアクチュエータを描写する、側面図である。
【図５】図５Ａ−５Ｃは、電気吸着パッドを支持するための変形可能層を具備する、ソフトロボットアクチュエータを描写する、側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、２つの油圧ソフトロボットアクチュエータを駆動させるためのピストンポンプ設計を描写する、概略図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのピストンポンプ設計に関連する、圧力プロファイルである。
【図７】図７は、ソフトロボットアクチュエータを駆動させるためのエラストマーブラダの油圧作動システムの例示的実施形態を描写する、概略図である。
【図８】図８は、統合された作動ブラダを伴うブロー成形可能プラスチック油圧アクチュエータを描写する、概略図である。
【図９】図９は、単一ピストンが２つのデバイスを相互に１８０度位相をずらして作動させ得る、油圧加圧システムを描写する、概略図である。
【図１０】図１０は、線形アクチュエータによって駆動される油圧流体ポンプに接続されたソフトロボットグリッパを描写する、概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明が、ここで、本発明の好ましい実施形態が示される添付の図面を参照して、さらに説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全となり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるであろうように提供される。図面中、同一番号は、全体を通して同一要素を指す。
【００１０】
図１Ａ−１Ｄは、例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。より具体的には、図１Ａは、ソフトロボットアクチュエータの一部の側面図を描写する。図１Ｂは、上からの図１Ａの一部を描写する。図１Ｃは、ユーザによって操作され得る、ポンプを含む、ソフトロボットアクチュエータの一部の側面図を描写する。図１Ｄは、図１Ｃに描写される部分の代替実施形態を描写する。
【００１１】
アクチュエータは、図１Ａに描写されるように、ソフトロボットアクチュエータ１００であってもよく、空気、水、または生理食塩水等の膨張流体で膨張可能である。膨張流体は、流体接続１１８を通して、膨張デバイス１２０を介して提供されてもよい。
【００１２】
アクチュエータ１００は、限定量の膨張流体が周囲環境と実質的に同一圧力においてアクチュエータ１００内に存在する、非膨張状態にあってもよい。アクチュエータ１００はまた、所定の量の膨張流体がアクチュエータ１００内に存在する、完全膨張状態にあってもよい（アクチュエータ１００によって印加されるべき所定の最大力に対応する所定の量または膨張流体によってアクチュエータ１００に印加される所定の最大圧力）。アクチュエータ１００はまた、全流体がアクチュエータ１００から除去される完全真空状態、または一部の流体がアクチュエータ１００内に存在するが、周囲圧力未満の圧力にある、部分的真空状態にあってもよい。さらに、アクチュエータ１００は、アクチュエータ１００が、完全膨張状態にあるときに存在する、所定の量未満の膨張流体であるが、ゼロを上回る（または非常に限定された）膨張流体を含有する、部分膨張状態にあってもよい。
【００１３】
膨張状態では、アクチュエータ１００は、図１Ａに示されるように、中心軸の周囲で湾曲する傾向を呈し得る。議論を容易にするために、いくつかの方向が、本明細書に定義される。軸方向は、中心軸を通して通過し、その周囲において、アクチュエータ１００が、図１Ｂに示されるように湾曲する。半径方向は、軸方向と垂直方向、すなわち、膨張されたアクチュエータ１００によって形成される部分的円形の半径方向に延在する。円周方向は、膨張されたアクチュエータ１００の円周に沿って延在する。
【００１４】
膨張状態では、アクチュエータ１００は、アクチュエータ１００の内側円周方向縁に沿って半径方向に力を付与し得る。例えば、アクチュエータ１００の遠位先端の内側は、中心軸に向かって内向きに力を付与し、これは、アクチュエータ１００が、物体を握持することを可能にするために活用され得る（潜在的に、１つまたはそれを上回る付加的アクチュエータ１００と連動して）。ソフトロボットアクチュエータ１００は、使用される材料およびアクチュエータ１００の一般的構造に起因して、膨張されると、比較的に共形性を留め得る。
【００１５】
アクチュエータ１００は、比較的に軟質または共形性の構造を可能にする、１つまたはそれを上回るエラストマー材料から作製されてもよい。用途に応じて、エラストマー材料は、食品安全性、生体適合性、または医療安全性ＦＤＡ承認材料の群から選択されてもよい。アクチュエータ１００は、適正製造基準（「ＧＭＰ」）対応設備内で製造され得る。
【００１６】
アクチュエータ１００は、実質的に平坦な基部１０２を含んでもよい（但し、種々の修正または付属品は、アクチュエータの把持および／または屈曲能力を改良するために、基部１０２に追加されてもよい）。基部１０２は、標的物体を握持する把持表面を形成してもよい。
【００１７】
アクチュエータ１００は、１つまたはそれを上回るアコーディオン状延在部１０４を含んでもよい。アコーディオン状延在部１０４は、アクチュエータ１００が、膨張されると、屈曲または撓曲することを可能にし、膨張状態にあるとき、アクチュエータ１００の形状を画定することに役立つ。アコーディオン状延在部１０４は、一連の山１０６および谷１０８を含む。アコーディオン状延在部１０４のサイズならびに山１０６および谷１０８の場所は、異なる形状または延在部プロファイルを得るために変動されることができる。
【００１８】
図１Ａ−１Ｄの例示的アクチュエータは、展開されると、「Ｃ」または卵形形状に描写されるが、当業者は、本発明がそのように限定されないことを認識するであろう。アクチュエータ１００の本体の形状、またはアコーディオン状延在部１０４のサイズ、位置、もしくは構成を変化させることによって、異なるサイズ、形状、および構成が、達成され得る。さらに、アクチュエータ１００に提供される膨張流体の量を変動させることは、開創器が、非膨張状態と膨張状態との間の１つまたはそれを上回る中間サイズまたは形状をとることを可能にする。したがって、個々のアクチュエータ１００は、膨張量を変動させることによって、サイズおよび形状が拡張可能となることができ、アクチュエータはさらに、１つのアクチュエータ１００と異なるサイズ、形状、または構成を有する別のアクチュエータ１００とを置換することによって、サイズおよび形状が拡張可能となることができる。
【００１９】
アクチュエータ１００は、近位端１１２から遠位端１１０に延在する。近位端１１２は、インターフェース１１４に接続する。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００が、切開開創器の他の部品に解放可能に結合されることを可能にする。インターフェース１１４は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（「ＡＢＳ」）、またはアセタールホモポリマー等の医療安全性材料から作製されてもよい。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００および可撓性管類１１８の一方または両方に解放可能に結合されてもよい。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００に接続するためのポートを有してもよい。異なるインターフェース１１４は、より大きいもしくはより小さいアクチュエータ、異なる数のアクチュエータ、または異なる構成におけるアクチュエータを収容するために、異なるサイズ、数、または構成のアクチュエータポートを有してもよい。
【００２０】
アクチュエータ１００は、膨張デバイス１２０から可撓性管類１１８等の流体接続を通して供給される膨張流体で膨張されてもよい。インターフェース１１４は、流体がアクチュエータ１００に進入することを可能にするが、流体がアクチュエータから退出することを防止する（弁が開放されない限り）ための弁１１６を含んでもよい、またはそれに取り付けられてもよい。可撓性管類１１８はまた、または代替として、膨張デバイス１２０の場所において膨張流体の供給を調整するために、膨張デバイス１２０におけるインフレータ弁１２４に取り付けられてもよい。
【００２１】
可撓性管類１１８はまた、一端においてインターフェース１１４に、および他端において膨張デバイス１２０に解放可能に接続するために、アクチュエータ接続インターフェース１２２を含んでもよい。アクチュエータ接続インターフェース１２２の２つの部品を分離することによって、異なる膨張デバイス１２０が、異なるインターフェース１１４および／またはアクチュエータ１００に接続され得る。
【００２２】
膨張流体は、例えば、空気または生理食塩水であってもよい。空気の場合、膨張デバイス１２０は、周囲空気を供給するための手動式バルブまたは蛇腹を含んでもよい。生理食塩水の場合、膨張デバイス１２０は、注入器または他の適切な流体送達システムを含んでもよい。代替として、または加えて、膨張デバイス１２０は、膨張流体を供給するためのコンプレッサまたはポンプを含んでもよい。
【００２３】
膨張デバイス１２０は、膨張流体を供給するための流体供給源１２６を含んでもよい。例えば、流体供給源１２６は、圧縮空気、液状もしくは圧縮二酸化炭素、液状もしくは圧縮窒素、もしくは生理食塩水を貯蔵するためのリザーバであってもよい、または周囲空気を可撓性管類１１８に供給するための通気口であってもよい。
【００２４】
膨張デバイス１２０はさらに、膨張流体を流体供給源１２６からアクチュエータ１００に可撓性管類１１８を通して供給するためのポンプまたはコンプレッサ等の流体送達デバイス１２８を含む。流体送達デバイス１２８は、流体をアクチュエータ１００に供給する、または流体をアクチュエータ１００から引き込むことが可能であってもよい。流体送達デバイス１２８は、電気によって給電されてもよい。電気を供給するために、膨張デバイス１２０は、バッテリまたは電気コンセントへのインターフェース等の電力供給源１３０を含んでもよい。
【００２５】
電力供給源１３０はまた、電力を制御デバイス１３２に供給してもよい。制御デバイス１３２は、ユーザが、例えば、１つまたはそれを上回る作動ボタン１３４（またはスイッチ等の代替デバイス）を通して、アクチュエータの膨張または収縮を制御することを可能にし得る。制御デバイス１３２は、制御信号を流体送達デバイス１２８に送信し、流体送達デバイス１２８に、膨張流体をアクチュエータ１００に供給させる、または膨張流体をそこから引き込ませるためのコントローラ１３６を含んでもよい。
【００２６】
（支持および剛性付与層ならびにその製造方法）
図２Ａは、平行離間関係において可撓性裏材２０４に添着される複数の剛性スラット２０２を含む、例示的剛性付与ラップまたは層２００を描写する。スラット２０２は、限定ではないが、種々の金属、プラスチック、および複合材を含む、任意の好適に剛性の材料から形成されてもよい。
【００２７】
図２Ｂに示されるように、剛性付与層２００は、紐（図示されるように）、結束バンド、接着剤、機械的締結具等の種々の取付手段を使用して、アクチュエータ２０６の握持側に添着されることができる（スラット２０２は、アクチュエータ２０６に面しており、したがって、本図では不可視である）。いくつかの実施形態では、可撓性裏材２０４は、省略されることができ、剛性スラット２０２は、アクチュエータ２０６自体の材料の中に統合されることができる（例えば、オーバーモールドによって）。
【００２８】
前述の様式でアクチュエータ２０６の握持側に適用される剛性付与層２００を用いることで、剛性スラット２０２は、アクチュエータ２０６が加圧されると、アクチュエータ２０６の握持側が膨隆または凸面化することを防止し、そのような膨隆は、アイテムの握持を試みるとき、所望の様式で内向きに屈曲するアクチュエータ２０６の能力を妨害し得る。さらに、剛性スラット２０２は、真空がアクチュエータ２０６に印加されるとき、アクチュエータ２０６の握持側が空洞化または凹面化することを防止し得、そのような空洞化は、そうでなければ、アイテムの解放（例えば、握持解除）を試みるとき、外向きに屈曲するアクチュエータ２０６の能力を妨害し得る。したがって、剛性付与層２００は、アクチュエータ２０６の加圧が、アクチュエータ２０６を有意な抵抗を伴わずに所望の様式で屈曲させ得るように、異方性変形を助長しながら、使用の間、アクチュエータ２０６の等方性変形を軽減させ得ることを理解されたい。これは、そうでなければ、アクチュエータ２０６を望ましくない様式で変形させるように指向され得る圧力（例えば、アクチュエータ２０６の握持側の凸面膨隆）が、代わりに、アクチュエータ２０６を所望の様式に変形させるように指向されるため、アクチュエータ２０６の効率的動作を促進する。なおもさらに、剛性付与層２００は、動作の間、アクチュエータ２０６のエラストマー材料を支持し、それにかかる歪みを低減させ得、それによって、アクチュエータ２０６が繰り返し加圧および加圧解除されるときに、エラストマー材料に及ぼされるヒステリシスの望ましくない影響を軽減させ得る。また、補強位置においてエラストマーの循環疲労に対する抵抗を改良し得る。
【００２９】
剛性スラット２０２は、相互から離間され、動作の間、アクチュエータ２０６が屈曲する方向と垂直に配向されるため、剛性スラット２０２は、アクチュエータ２０６の規則的動作を妨害しない、またはそれに干渉しない（すなわち、それらは、例えば、アイテムを把持するためのアクチュエータの屈曲を妨害しない、またはそれに干渉しない）。
【００３０】
剛性付与層は、「Ｓｏｆｔ  Ｒｏｂｏｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ」と題され、２０１５年１１月１８日に出願された米国特許出願第１４／９４４，９９９号においてより詳細に説明されている。
【００３１】
図２Ｃを参照すると、アクチュエータ２０６の実施形態が、示されており、ネオプレン発泡体等の従応性材料から形成される支持層２０８が、アクチュエータ２０６の上部非握持側に配置され、前述の剛性付与層２００（図２Ｃでは見えない）および支持層２０８は、アクチュエータ２０６の非握持側の谷部分２１２にわたって側方に延在する、実質的非延在可能締結手段２１０（例えば、結束バンド）によって、アクチュエータ２０６に締結される。剛性付与層２００のための締結手段の提供に加え、締結手段２１０は、剛性スラット２０２が、前述のように、アクチュエータ２０６の握持側に支持を提供するのと実質的に同一様式において、谷部分２１２に支持を提供し得る。特に、締結手段２１０は、所望の様式におけるアクチュエータ２０６の効率的異方性変形を促進し、補強場所における歪みを低減させることによって、繰り返し疲労を低減させるために、アクチュエータ２０６の動作の間、谷部分２１２の膨隆および他の望ましくない変形を軽減させ得る。支持層２０８も同様に、より少ない程度ではあるが、アクチュエータ２０６の非握持側の山部分２１４を支持し、アクチュエータ２０６の加圧に応じた山部分２１４の望ましくない膨隆または浮き上りを軽減させ得る。加えて、支持層２０８が形成される材料を変動させることによって、加圧に応じたアクチュエータ２０６の挙動は、所望の様式で「調整」され得る。
【００３２】
ここで図３Ａ−３Ｌを参照すると、ホットプレス技法を使用して、剛性スラット２０２が埋設された前述の剛性付与層２００の実施形態を製造するための方法が、示される。図３Ａに示される方法の第１のステップでは、ＰＴＦＥ布地または類似の耐熱性の耐接着性材料の保護層３２０が、従来のホットプレス３２４の底部プレート３２２上に配置され得る。保護層３２０は、完成された剛性付与層２００の一部を形成するのではなく、単に、剛性付与層２００が、製造の間、ホットプレス３２４に接着することを防止するために提供されるであろう。保護層３２０ならびに以下に説明されるであろう材料の後続層は、底部プレート３２２から垂直に延在する位置決め支柱３２６にわたって保護層３２０内に事前に切断された孔内に嵌合することによって、所望の様式において底部プレート３２２上に正確に位置付けられ得る。
【００３３】
図３Ａ−３Ｌは、ホットプレス上で生じる製造方法を描写するが、類似技法は、ロールツーロール処理等の他の形態の処理を使用して剛性付与層２００を生産するために適用可能であることに留意されたい。
【００３４】
図３Ｂに示される方法の次のステップでは、剛性付与層２００の底部外側層としての役割を果たすであろう、布地シート３２８シートが、保護層３２０の上部に配置され得る。布地シートは、例えば、ナイロン、アラミド繊維、または綿等、熱が結合プロセスにおいて印加されると、その構造を維持することができる、材料から作製されてもよい。
【００３５】
図３Ｃに示される方法の次のステップでは、熱可塑性（例えば、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ））等の伸縮性の変形可能エラストマーであり得る、結合剤の２つのシート３３０ａ、ｂが、布地層３２８の上部に配置され得る。ＴＰＵは、熱接着剤として作用し、層および構成要素をともに結合し得る。いくつかの列のスロットまたはカットアウト３３２が、以下にさらに説明されるように、剛性スラット３０２を保持するために、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシート内にレーザ切断または別様に形成されてもよい。ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートは、４つの別個の剛性付与層を形成するために、４列のスロット３３２を有するように示される。当然ながら、より多いまたは少ない数の列のスロット３３２が、より多いまたは少ない数の剛性付与層を形成するために提供されてもよい。
【００３６】
図３Ｄに示される方法の次のステップでは、１０９５ばね鋼鉄（ならびに他の形態の鋼鉄、アルミニウム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、引抜成形炭素繊維等を含む、他の比較的に剛性プラスチック、金属、または複合材）等の剛性材料から形成され得る、剛性スラット２０２が、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートのスロット３３２内に配置されてもよい。
【００３７】
図３Ｅに示される方法の次のステップでは、剛性付与層２００の上部外側層としての役割を果たすであろう、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４のシートが、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートおよび剛性スラット２０２の上部に配置され得る。本実施形態では、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４は、構造体が熱プレスされると、その下のスラットのトポロジに共形化する。これは、構造体がスラット間の面積においてより薄くなることを可能にし、それによって、構造体をアクチュエータの屈曲軸に沿ってより屈曲可能にする。なお、他の可能性の中でもとりわけ、ナイロン、ＴＰＵコーティングナイロン、アラミド繊維、スパンデックス、綿、またはポリエステルを含む、任意の好適な変形可能シートまたは伸縮性布地が、本機能を果たし得る。
【００３８】
図３Ｆに示される方法の次のステップでは、ガスケット３３６が、随意に、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４のシートの上部に配置され得る。ガスケット３３６は、シリコーンまたはアルミニウム等、プレスプロセスの熱に耐えるために好適な厚さおよび頑丈さの材料から形成されてもよい。いくつかの列のスロットまたはカットアウト３３８が、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシート内のスロット３３２と実質的に同じ配列において、シリコーンガスケット３３６内にレーザ切断または別様に形成されてもよい。シリコーンガスケット３３６は、完成された剛性付与層２００の一部を形成するのではなく、単に、熱プレスの間、所望の様式において力を下層に分散させるために提供されるであろう。特に、剛性付与層２００の層が、以下にさらに説明されるように熱プレスされるとき、シリコーンガスケット３３６は、スロット３３８の下にあるそれらの面積（そのような面積は、剛性スラット２０２を被覆する）を除き、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４の下層の全面積を押下し得る。したがって、剛性付与層２００がホットプレスされると、剛性スラット２０２を囲繞し、その中間にあるスパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４の面積は、圧縮および薄化され、したがって、動作の間、アクチュエータ２０６の屈曲に干渉しないであろう。また、据え付けられるとアクチュエータ２０６の握持側に当接するであろう、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４は、アクチュエータ２０６を摩損から保護し得ることに留意されたい。
【００３９】
図３Ｇに示される方法の次のステップでは、ＰＴＦＥ布地または類似の耐熱性の耐接着性材料の保護層３４０が、シリコーンガスケット３３６の上部に配置され得る。保護層３４０は、完成された剛性付与層２００の一部を形成するのではなく、単に、下層が、製造の間、ホットプレス３２４に接着することを防止するために提供されるであろう。
【００４０】
図３Ｈに示される方法の次のステップでは、ホットプレス３２４の上部プレート３４２が、保護層３４０の上部に設置され得、錘３４４が、上部プレート３４２の上部に設置され得、これにより、以下にさらに説明されるように、剛性付与層２００の積層を圧縮して、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートが溶融されたときに、それらの均一分散を補助し得る。本圧力は、接着剤材料（ＴＰＵ等）が流動することを補助し得、その後、シートは、相互に圧接され得る。
【００４１】
図３Ｉに示される方法の次のステップでは、ホットプレスが、オンにされ得、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートが、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートを若干流動させて糊として作用させる温度まで加熱され得る。温度は、ＴＰＵ３３０ａ、ｂのシートに隣接して配置される導線を有する第１の熱電対３４６を使用して、監視されてもよい。ホットプレス３２４の上部プレート３４２に隣接して配置される導線を有する第２の熱電対３４８が、剛性付与層２００の層内の温度勾配（すなわち、第１および第２の熱電対３４６、３４８の読取値間の差異）を監視し、ＴＰＵが流動することを可能にするために底部層内に十分な熱を維持しながら、スパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４の層が、加熱の間、過熱および圧潰しないことを確実にするために使用されてもよい。
【００４２】
図３Ｊに示される方法の次のステップでは、ナイロン３２８のシート、ＴＰＵ３３０ａ、ｂの溶融されたシート、剛性スラット３０２、およびスパンデックス被覆ネオプレン発泡体３３４のシートを含む、完成された融合シート３５０が、ホットプレス３２４から除去され得る。図３Ｋに示される方法の次のステップでは、剛性付与層２００（３つの付加的剛性付与層とともに）が、融合されたシート３５０からレーザ切断または別様に切断され得る。図３Ｌに示される方法の次のステップでは、シリコーンシート３５２が、剛性付与層２００（および最終的には、剛性付与層２００が取り付けられるであろう、アクチュエータ２０６）にアイテムを取り扱うとき高度な把持を提供するために、剛性付与層２００の握持側のナイロンに接着され得る。一実施例では、シリコーンシート３５２は、剛性付与層２００の握持側にプレス接着されてもよい。
【００４３】
（センサを伴うソフトアクチュエータ）
図４は、複数のアクチュエータ４０２ａおよび４０２ｂがハブ４０４に搭載される、ソフトロボットアクチュエータアセンブリ４００を描写する。１つまたはそれを上回るセンサ４０６が、物体がアクチュエータ４０２ａおよび４０２ｄの握持状態にあるかどうかを検出するために、および／または物体が何であるかを識別するために、アクチュエータ４０２ａおよび４０２ｄおよびハブ３４０４のうちの１つまたはそれを上回るものに搭載される、またはその中に埋設されてもよい。描写される実施形態では、２つのセンサ４０６が、物体がアクチュエータによって握持されることが意図される場所に近接して、アクチュエータ４０２ａ、４０２ｂの遠位先端の近傍に搭載される。センサ４０６はそれぞれ、同一タイプであってもよい、または異なるタイプであってもよい。
【００４４】
例えば、センサ４０６のうちの１つまたはそれを上回るものは、物体の存在を判定するために、光電近接センサであってもよい、またはそれを含んでもよい。加えて、または代替として、センサ４０６のうちの１つまたはそれを上回るものは、握持される物体のＲＦＩＤタグ、ＱＲコード（登録商標）、またはバーコードを読み取るために、ＲＦＩＤリーダ、ＱＲコード（登録商標）リーダ、またはバーコードスキャナであってもよい、またはそれを含んでもよい。別の実施例では、センサ４０６は、アセンブリ４００を握持されるべき物体に対して位置付けるためのカメラを含んでもよい。なおもさらに、センサ４０６は、レーザ距離計、音響距離計、絶対圧力センサ、または真空センサを含んでもよい。
【００４５】
（電気吸着パッド）
図５Ａは、電気吸着パッド５０２を具備する、ソフトロボットアクチュエータ５００を描写する。電気吸着パッド５０２は、アクチュエータ５００の握持側に添着される第１および第２の端部５０６ａ、ｂを有し得る、可撓性エラストマー細片であってもよい。電気吸着パッド５０２は、アクチュエータ５００の一体型構成要素として実装されてもよい、または機械的締結具等を用いて、アクチュエータ５００に除去可能に取り付けられてもよい。電気吸着パッド５０２は、選択的に励起され、電気吸着パッド５０２と接触されるアイテムをその表面にくっつけさせ得る、複数の埋設され、互いに組み合わせられた電極（図示せず）を含んでもよい。
【００４６】
電気吸着パッド５０２の第１および第２の端部５０６ａ、ｂが、アクチュエータ５００の握持側に添着されることによって、かつ電気吸着パッド５０２の中心部分５０８（すなわち、第１および第２の端部５０６ａ、ｂの縦方向中間にある電気吸着パッド５０２の部分）が、アクチュエータ５００に添着されないことによって、電気吸着パッド５０２の中心部分５０８は、アクチュエータ５００が図５Ｂに示されるように作動されると、アクチュエータ５００の握持側から離れるように撓曲および座屈され得る。電気吸着パッド５０２が、比較的に可撓性であるため、かつ電気吸着パッド５０２の後方が、図５Ｂに示されるように座屈されると、支持されないため、電気吸着パッド５０２は、図５Ｃに示されるように、それと接触されると、撓曲し、物体の表面に共形化し得る。そのような共形性表面間接触は、電気吸着パッド５０２と把持される物体との間の電気吸着を最大限にするために有利である。
【００４７】
前述の電気吸着パッド５０２は、特に、軟質で繊細な物体および構造を損傷させずに、それらを把持するために非常に好適であり得る。例えば、電気吸着パッドを伴うソフトロボットアクチュエータは、外科手術の間、ヒト器官（例えば、肺、大腸、胃、小腸等）を握持および操作するために使用されてもよい。さらなる用途として、受注センタでかごからアイテムを取り上げること、アイテム（製品等）を出荷のためのケースの中に入れること、および脆弱性アイテム（チョコレートキャンディ等）を包装することが挙げられる。
【００４８】
（油圧アクチュエータ）
前述のソフトロボットシステムおよびアクチュエータの多くは、同様に、空気圧作動の代わりに、油圧作動（すなわち、油圧ポンプシステム）を使用して実装されてもよい。油圧ポンプシステムは、少なくとも３つの理由、すなわち、１）作動流体は、非圧縮性であり、したがって、エネルギーおよび時間が、加圧の間、流体体積を圧縮するために無駄にされないであろうという理由、２）流体が圧縮性ではないため、作動システムが、ソフトグリッパのハブ内に搭載する、または（例えば、ロボットアームまたはガントリシステム上の）ソフトグリッパを保持する電機子に取り付けられるために十分に小型であり得るという理由、および３）そのようなシステムが、加圧流体が周囲環境と中立浮力を持つであろうため、水中動作のために理想的であり得るという理由により、ソフトロボットを駆動するために有利であり得る。
【００４９】
現在利用可能な小型ダイヤフラムポンプは、形状因子および高静圧のために流動体積を交換する。これは、作動を基本的に遅くさせる。代替種類のポンプが、非常に短い時間期間にわたって、高流率で高圧を生成する、ソフトロボットを駆動するために必要とされる。
【００５０】
図６Ａに示されるのは、２つのソフトアクチュエータ（図示せず）を駆動するためのピストンポンプ設計である。本設計では、カムシャフト６０２が、従動子６０４に接続され、これは、油圧流体をソフトアクチュエータに接続される管６０８に送達する、ピストン６０６のセットを駆動する。カム機構が、ばね荷重されてもよく、カムシャフトは、ピストン６０６を駆動する、長円ローブ６１０を含んでもよい。
【００５１】
図６Ｂに示されるのは、ポンプによって発生される、例示的時間依存圧力プロファイルである。本設計では、個々のピストンアセンブリによって送達される圧力プロファイルは、カムシャフト上の長円ローブ６１０の形状を変化させることによって、恣意的に設定されることができる。
【００５２】
複数のピストンを駆動する車内のカムシャフトのように、本実施形態では、カムシャフトは、機械的にプログラムされた相対的タイミングを用いて複数のソフトアクチュエータを作動させ得る。例えば、１８０度位相がずれるカムシャフト上の２つのセットの長円ローブ６１０への接続を介して、２つのセットのソフトアクチュエータを同様に相互から１８０度位相がずれるように駆動することによって、脚付きソフトロボットのためのスクランブルゲートが生成され得る。
【００５３】
ソフトアクチュエータはまた、油圧流体で充填された取り付けられたエラストマーブラダを圧縮することによって、駆動され得る。本ブラダは、ソフトアクチュエータの一部である、または別個の部品として鋳造され、ソフトアクチュエータに取り付けられ得るように成形されてもよい。作動は、手で、機械的デバイス（例えば、レバー）によって、または電気機械的システムによってブラダを圧縮することによって、達成されてもよい。
【００５４】
図７は、ソフトアクチュエータを駆動するエラストマーブラダのための作動システムの例示的実施形態を示す。ここでは、ブラダは、熱への暴露に応じて収縮する（例えば、電流を取り付けられるワイヤを通して流すことからの抵抗加熱に起因して、または周囲温度への調節等の他の温度変化に起因して）、ニチノールメッシュ等の形状記憶合金内に被覆される。本収縮は、流体をブラダから、そして右に示されるフランジに取り付けられ得るソフトアクチュエータの中へと駆動させる。
【００５５】
本ブラダは、エラストマーである必要はないことに留意されたい。例えば、ブラダは、他の可能性の中でもとりわけ、アコーディオン状蛇腹の形状に成形されたプラスチックから作製されてもよい。プラスチックブラダは、プラスチック作動ブラダに接続されるプラスチックソフトアクチュエータから成る、単一デバイスを構築するときに有利となるであろう。
【００５６】
例えば、図８に示されるのは、統合された作動ブラダを伴う、ブロー成形可能プラスチックアクチュエータの例証である。ここでは、流体を蛇腹から、そしてアクチュエータ中へと駆動するために、右に示されるプラスチック端部キャップが押圧されるであろう。本デバイスは、エラストマーの代わりに、プラスチックから作製されるため、システムを作動解除するための戻り力は、アコーディオン状ブラダまたは蛇腹（図示せず）に取り付けられる、またはその内側の戻りばねによって提供されてもよい。
【００５７】
加圧システムもまた、単一ピストンが、例えば、脚付きロボットを駆動するために、２つのデバイスを相互から１８０度位相がずれるように作動し得るように、構築され得る。図９に示されるのは、そのようなポンプシステムの例示的実施形態である。ここでは、水平点線として描写される線形シャフトが、２つのエラストマーブラダに接続するシリンダの左および右にピストンを駆動する。これらのブラダは、加圧に応じて、ブラダの１つの面のみが拡張し得るように、半径方向に制約される（各ブラダを囲繞する陰影が付けられた帯として示される）。これらのブラダは、ソフトアクチュエータに接続されてもよい。故に、ブラダが拡張すると、アクチュエータ内の流体を圧縮し、それによって、その作動を駆動する。
【００５８】
ポンプの両側間の１８０度位相シフトは、２つのブラダをピストンを含有するシリンダの両側に設置することによって達成される。その結果、システムの片側が加圧されると、システムの他側は、加圧解除される。本システムは、等しく定寸されたブラダをピストンアセンブリの両側に伴って示されるが、２つのセットのアクチュエータを異なる圧力で起動させるポンプを生成するために、異なるサイズのブラダが、両端に使用され得ることに留意されたい。
【００５９】
線形アクチュエータもまた、ポンプ油圧流体を圧送するために使用され得る。図１０は、そのような加圧システムに接続されるソフトグリッパを示す。ここでは、右のシリンダ内に位置する、油圧流体は、シリンダ内のピストンが線形アクチュエータによって前方に駆動されると、送達管を介してソフトグリッパに伝送される。本例示的実施形態では、線形アクチュエータは、ピストンに接続される、ねじ山付きロッドを駆動するモータから成るが、他の種類の線形アクチュエータもまた、好適となるであろう。
【００６０】
本明細書で使用されるように、単数形で列挙され、単語「ａ」または「ａｎ」によって先行される、要素またはステップは、そのような除外が明示的に記載されていない限り、複数要素またはステップを除外してはいないと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」という言及は、記載された特徴を同様に組み込んでいる付加的実施形態の存在を除外するものとして解釈されることを意図されてはいない。
【００６１】
本発明は、ある実施形態を参照して開示されたが、説明される実施形態に対する多数の修正、改変、および変更が、添付の請求項に定義されるように、本発明の領域および範囲から逸脱することなく、可能性として考えられる。故に、本発明は、説明される実施形態に限定されず、以下の請求項およびその均等物の用語によって定義される全範囲を有することが意図される。
【図１Ａ】
0006767381.tif 000002
【図１Ｂ】
0006767381.tif 000003
【図１Ｃ】
0006767381.tif 000004
【図１Ｄ】
0006767381.tif 000005
【図２Ａ】
0006767381.tif 000006
【図２Ｂ】
0006767381.tif 000007
【図２Ｃ】
0006767381.tif 000008
【図３Ａ】
0006767381.tif 000009
【図３Ｂ】
0006767381.tif 000010
【図３Ｃ】
0006767381.tif 000011
【図３Ｄ】
0006767381.tif 000012
【図３Ｅ】
0006767381.tif 000013
【図３Ｆ】
0006767381.tif 000014
【図３Ｇ】
0006767381.tif 000015
【図３Ｈ】
0006767381.tif 000016
【図３Ｉ】
0006767381.tif 000017
【図３Ｊ】
0006767381.tif 000018
【図３Ｋ】
0006767381.tif 000019
【図３Ｌ】
0006767381.tif 000020
【図４】
0006767381.tif 000021
【図５Ａ】
0006767381.tif 000022
【図５Ｂ】
0006767381.tif 000023
【図５Ｃ】
0006767381.tif 000024
【図６Ａ】
0006767381.tif 000025
【図６Ｂ】
0006767381.tif 000026
【図７】
0006767381.tif 000027
【図８】
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【図９】
0006767381.tif 000029
【図１０】
0006767381.tif 000030