(57)【要約】  ソフトロボットが説明される。ソフトロボットは、可撓性及び／又は伸縮性のボディと、共通流体加圧装置と、可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれ、加圧バルブを介して共通流体加圧装置に流体伝達可能に接続可能な複数の流体チャンバとを備える。加圧バルブは、共通流体加圧装置から流体チャンバの中へ加圧流体を流れさせることによって起動され、その結果として作動することが可能である。ソフトロボットを使用する方法も説明される。
2018523584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性及び／又は伸縮性のボディと、
共通流体加圧装置と、
上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれ、加圧バルブを介して上記共通流体加圧装置に流体伝達可能に接続された複数の流体チャンバとを備え、
上記加圧バルブは、上記共通流体加圧装置から上記流体チャンバの中への加圧流体のフローによって起動され、その結果として作動するように構成される、
ソフトロボット。
【請求項２】
上記共通流体加圧装置は、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれている、
請求項１記載のソフトロボット。
【請求項３】
上記共通流体加圧装置は共通流体加圧チャネルである、
請求項１記載のソフトロボット。
【請求項４】
上記共通流体加圧装置は共通流体加圧チャンバである、
請求項１記載のソフトロボット。
【請求項５】
上記加圧バルブは、接続チューブを介して上記共通流体加圧装置に接続される、
請求項１〜４のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項６】
上記共通流体加圧装置は、加圧流体源に流体伝達可能に接続されるように構成される、
請求項１〜５のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項７】
上記共通流体加圧装置は、真空源に接続されるように構成される、
請求項１〜６のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項８】
上記共通流体加圧装置は、予め決められた時間にわたって、大気と比較して陽圧又は陰圧を保持するように構成される
請求項１〜７のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項９】
上記ソフトロボットは、共通流体排出装置をさらに備え、
上記流体チャンバのそれぞれは、排出バルブを介して上記共通流体排出装置に流体伝達可能であるように接続可能である、
請求項１〜８のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項１０】
上記共通流体排出装置は、共通流体排出チャネル又は共通流体排出チャンバである、
請求項９記載のソフトロボット。
【請求項１１】
上記１つ又は複数の流体チャンバはそれぞれ、排出バルブ及び排出チャネルをさらに備え、
上記流体チャンバは、上記排出バルブ及び排出チャネルを介して外部環境に流体伝達可能に接続されるように構成される、
請求項１〜１０のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項１２】
上記共通流体加圧装置は、上記加圧バルブを介して上記複数の流体チャンバに流体伝達可能であるように接続可能である蓄積チャンバである、
請求項１〜１１のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項１３】
上記蓄積チャンバは、堅いか、可撓性を有するか、又は伸縮性を有する、
請求項１２記載のソフトロボット。
【請求項１４】
上記蓄積チャンバは、上記流体チャンバへ充填される加圧流体を保持するように、及び／又は、上記流体チャンバから上記加圧流体を排出するように構成される、
請求項１２記載のソフトロボット。
【請求項１５】
上記蓄積チャンバは、上記加圧バルブとの流体伝達可能に連通するアキュムレータである、
請求項１２記載のソフトロボット。
【請求項１６】
上記蓄積チャンバは、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに取り付けられた又は埋め込まれたアキュムレータである、
請求項１５記載のソフトロボット。
【請求項１７】
１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、上記バルブをまとめて又は個々に制御する１つ又は複数の通信ワイヤをさらに備える、
請求項１〜１６のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項１８】
上記ワイヤは、従来技術のワイヤ又はリソグラフィにより堆積されたワイヤである、
請求項１７記載のソフトロボット。
【請求項１９】
１つ又は複数の加圧バルブは、１つ又は複数の通信ワイヤに接続されたマイクロコントローラとリンクされる、
請求項１７又は１８記載のソフトロボット。
【請求項２０】
上記１つ又は複数のワイヤは、１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、通信バスを介してバルブ制御を実行する、
請求項１７又は１８記載のソフトロボット。
【請求項２１】
１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、バルブ制御を実行するように構成された１つ又は複数の光ファイバーケーブルをさらに備える、
請求項１〜２０のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項２２】
１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、通信バスを介してバルブ制御を実行するように構成された１つ又は複数の光ファイバーケーブルをさらに備える、
請求項１〜２１のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項２３】
１つ又は複数の上記加圧バルブは、上記加圧バルブをユーザが無線制御することを可能にするように構成された電気的システムを備える、
請求項１〜２２のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項２４】
１つ又は複数の上記加圧バルブの動作を制御するように構成された、光学的にトリガされるトランジスタ又は音響的にトリガされるトランジスタをさらに備える、
請求項１〜２３のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項２５】
上記加圧バルブを制御する信号を送信する１つ又は複数の圧電変換器をさらに備える、
請求項１〜２４のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項２６】
上記加圧バルブは主バルブである、
請求項１記載のソフトロボット。
【請求項２７】
１つ又は複数の上記主バルブに流体伝達可能に接続され、１つ又は複数の上記主バルブを作動させるように構成された１つ又は複数のパイロットバルブをさらに備える、
請求項２６記載のソフトロボット。
【請求項２８】
上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記主バルブに流体伝達可能に接続された第１の蓄積チャンバと、１つ又は複数の上記パイロットバルブに流体伝達可能に接続された第２の蓄積チャンバとを備える、
請求項２７記載のソフトロボット。
【請求項２９】
上記主バルブは第１の圧力において動作するように構成され、
上記パイロットバルブは上記第１の圧力より高い第２の圧力において動作するように構成される、
請求項２６又は２７記載のソフトロボット。
【請求項３０】
第１のアキュムレータは、レギュレータ及びバルブを介して第２のアキュムレータに流体伝達可能に接続される、
請求項２６又は２７記載のソフトロボット。
【請求項３１】
上記第１及び／又は第２の蓄積チャンバは、レギュレータ及びバルブを介して、上記主バルブ及び上記パイロットバルブにそれぞれ接続される、
請求項２６又は２７記載のソフトロボット。
【請求項３２】
上記第１の蓄積チャンバは、上記流体チャンバにおける流体より高い圧力を有する流体を備える、
請求項３１記載のソフトロボット。
【請求項３３】
上記可撓性のボディは歪み制限層を備え、
上記歪み制限層の引張弾性率は、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディの引張弾性率より高い、
請求項１〜３２のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項３４】
流体貯蔵器及び流体入口をさらに備える、
請求項１〜３３のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項３５】
流体貯蔵器及び流体入口をさらに備え、
上記流体貯蔵器は、上記流体入口を介して上記共通流体加圧チャネルの中へ流体を送り出すように構成される、
請求項１〜３４のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項３６】
上記可撓性及び／又は伸縮性のボディはエラストマからなる、
請求項１〜３５のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項３７】
空気ポンプ及び／又は真空ポンプをさらに備える、
請求項１〜３６のうちの１つに記載のソフトロボット。
【請求項３８】
ソフトロボットを作動させる方法であって、上記方法は、
請求項１〜３７のうちの１つに記載のソフトロボットを提供することと、
上記共通流体加圧装置に加圧流体を提供することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して、上記共通流体加圧装置から上記複数の流体チャンバのうちの少なくとも１つの中へ上記加圧流体を流れさせ、その結果として作動させることとを含む、
方法。
【請求項３９】
上記加圧装置から流体を除去することをさらに含む、
請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
ソフトロボットを作動させる方法であって、上記方法は、
請求項１〜３７のうちの１つに記載のソフトロボットを提供することと、
上記共通流体加圧装置から流体を除去することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して上記流体チャンバから上記流体を除去し、その結果として作動させることとを含む、
方法。
【請求項４１】
上記作動をトリガする音響信号を送信することをさらに含む、
請求項３８又は４０記載の方法。
【請求項４２】
上記１つ又は複数の加圧バルブは、音響信号によって開かれるように構成される、
請求項３８又は４０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフトロボット用の分散型加圧及び排出システムと、ソフトロボット用の分散型加圧及び排出システムを含むソフトロボットとに関する。
【０００２】
参照による援用．
ここに引用されたすべての特許、特許出願、及び文献は、本願発明の日付において当業者に知られた従来技術を十分に説明するために、参照によって、それらの全体をここに組み込む。
【０００３】
関連出願．
本願は、２０１５年７月１３日に出願された米国仮特許出願６２／１９１６５７の利益及び優先権を主張し、その内容の全体は参照によってに組み込まれる。
【背景技術】
【０００４】
骨格を備えた動物に似たロボットが、多数のアプローチによって活発に開発されている。これらのロボットのほとんどは、いわゆる「ハード」なボディプラン、すなわち、剛体（通常は金属）の骨格、電気式又は液圧式の作動装置、電気機械的制御装置、検出、及びフィードバックを用いて構成される。その例は、Ｂｏｓｔｏｎ  ＤｙｎａｍｉｃｓのＢｉｇ  Ｄｏｇ及びＢｏｓｔｏｎ  ＤｙｎａｍｉｃｓのＡｔｌａｓを含む。
【０００５】
もう１つのクラスのロボット、すなわち骨格なしの動物に基づいたものは、以下のような多数の理由により、探索される機会がずっと少ない。
ｉ）「海洋性」の有機体（ヤリイカ）は、水の浮力によるサポートなしでは機能しないという推測があること。
ｉｉ）これらのシステムを作るのに必要な材料及び構成要素がしばしば利用可能ではないこと。
ｉｉｉ）それらで用いられる主要なタイプの作動装置（例えば漏水検出器）が、従来技術のロボット工学では事実上使用されていないこと。
これらのシステムは、ハードボディを有するシステムに比べると、それらの能力及び潜在的な使用において本質的に非常に異なる。それらは、ハードボディを有するシステムよりも（少なくとも開発の初期では）遅いが、それらはまた、より安定的であり、制約がある空間（割れ目、瓦礫）を通ってより良好に移動可能であり、より軽量であり、より安価である。
【０００６】
「ソフトなもの（柔軟性があるもの）」として記述可能なロボット、又はロボットのアクチュエータは、それらの製造で用いられる材料によって、また、それらの作動方法によって、最も容易に分類される。ソフトロボットの作動の分野は、１９５０年におけるＫｕｈｎほかの仕事から始まった。彼らの仕事は、周囲の媒体のｐＨに依存する、ポリマー材料の巻回及び展開の可逆変化に注目した。彼らは、これを用いて重りを上げ下ろしすることに成功し、それにより、ロボットの作動装置にソフト材料を使用する原理を立証した。１９６５年に、Ｈａｍｌｅｎほかはこのアイデアを拡張し、ポリマー材料を電解的に収縮させられることを示した。これらの２つの開発は、ポリマーゲルの膨潤と、誘電体に基づくアクチュエータの電子制御とを用いる将来の仕事への道を開いた。Ｏｔａｋｅほかは、ヒトデ型に形成されたロボットのアクチュエータの製造において電気アクティブポリマーを使用することを実証した。伸張性のあるポリマーから製造された封止チャンバの加圧に基づく空気駆動式のソフトアクチュエータは、１９８９年にＳｕｚｕｍｏｒｉほかによって最初に報告された（非特許文献１）。この種の作動装置は、把持装置と、触手と、空気バルーンを含む、他の関連する装置とを製造するために、ミリメートルのスケールで使用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６６１６４号（２０１５年５月７日出願）
【特許文献２】国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０３２２９７号（２０１３年３月１５日出願）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Suzumori et al., (1989), "Flexible microactuator, (1st Report, Static characteristics of 3 DOF actuator)", Trans. JSME, C55, 2547-2552
【非特許文献２】Whitesides et al., Adv Mat, 25, 205-212, 2013
【非特許文献３】Whitesides et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 20400-20403, 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
空気式ソフトロボットのアクチュエータは、伸張性のない材料を用いて製造可能であり、それは蛇腹のようなアーキテクチャに依存する。空気圧人工筋肉（pneumatic artificial muscle：ＰＡＭ）としても知られるＭｃＫｉｂｂｅｎアクチュエータは、作動軸において伸張性をもたない織られたシース内に拘束された袋の膨張に依存する。結果として生ずる変形は、放射方向の拡大及び／又は軸方向の短縮をもたらすことがある。具体的には、織られたシースにおけるファイバーの角度に依存して、アクチュエータを加圧によって収縮又は延在させることができる。与えることができる力は、与えられた圧力に比例する。関連するアクチュエータは、プリーツ付きの空気式人工筋肉と呼ばれる。
【００１０】
形状記憶合金のような「ソフト」ロボットのアクチュエータがあり、これは、Ｓｕｇｉｙａｍａほかによって、這い回りかつジャンプすることができるロボットにおける作動方法及び主構造的構成要素の両方として使用された。「ソフトなもの」として記述可能なもう１つのアプローチは、従来技術のロボット要素（電気モータ）と、シェイプデポジション製造法（Shape Deposition Manufacturing：ＳＤＭ）に基づくソフトポリマーの結合との組み合わせを用いる。この技術は、３Ｄ印刷及び切削の組み合わせである。従来技術のロボット工学とソフト素子との合成物の一例は、ニュージーランドにおいて柔らかい果物の梱包の速度及び効率を改善するために、柔らかい指を備えるロボット把持装置を開発することで大きな成功をおさめた。ソフトロボット工学に対する追加の能力が望まれる。
【００１１】
従来技術のソフトロボットシステムにおいて、ロボットの作動チャンバは、通常、長く細い一連の複数のチューブを介して、空気圧式又は液圧式の制御装置に接続される。これは、チューブのもつれをもたらし、また、より重く、より扱いにくいロボットをもたらす可能性がある。従って、ソフトロボットの新たな構成が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ここでは、ソフトロボット用の分散型加圧及び排出システムと、ソフトロボット用の分散型加圧及び排出システムを含むソフトロボットとを説明している。ある実施形態では、上記分散型加圧及び排気システムは、
可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれた共通流体加圧装置と、
上記可撓性のボディに埋め込まれ、１つのバルブ又は一連のバルブを介して上記共通流体加圧装置に流体伝達可能に接続可能な複数の流体チャンバと
を含んでもよい。
上記１つのバルブ又は一連のバルブは、上記共通流体加圧装置から上記流体チャンバの中へ加圧流体を流れさせることによって起動され、その結果として作動することが可能であり、また、オプションとして、上記流体チャンバから排出装置へ加圧流体を流れさせることによって非作動化されることが可能である。
【００１３】
１つの態様において、ソフトロボットが説明される。上記ソフトロボットは、
可撓性及び／又は伸縮性のボディと、
共通流体加圧装置と、
上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれ、加圧バルブを介して上記共通流体加圧装置に流体伝達可能に接続された複数の流体チャンバと
を備える。
上記加圧バルブは、上記共通流体加圧装置から上記流体チャンバの中への加圧流体のフローによって起動され、その結果として作動するように構成される。
【００１４】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれている。
【００１５】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は共通流体加圧チャネルである。
【００１６】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は共通流体加圧チャンバである。
【００１７】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記加圧バルブは、接続チューブを介して上記共通流体加圧装置に接続される。
【００１８】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は、加圧流体源に流体伝達可能に接続されるように構成される。
【００１９】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は、真空源に接続されるように構成される。
【００２０】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は、予め決められた時間にわたって、大気と比較して陽圧又は陰圧を保持するように構成される。
【００２１】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、共通流体排出装置をさらに備え、
上記流体チャンバのそれぞれは、排出バルブを介して上記共通流体排出装置に流体伝達可能であるように接続可能である。
【００２２】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体排出装置は、共通流体排出チャネル又は共通流体排出チャンバである。
【００２３】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記１つ又は複数の流体チャンバはそれぞれ、排出バルブ及び排出チャネルをさらに備え、
上記流体チャンバは、上記排出バルブ及び排出チャネルを介して外部環境に流体伝達可能に接続されるように構成される。
【００２４】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記共通流体加圧装置は、上記加圧バルブを介して上記複数の流体チャンバに流体伝達可能であるように接続可能である蓄積チャンバである。
【００２５】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記蓄積チャンバは、堅いか、可撓性を有するか、又は伸縮性を有する。
【００２６】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記蓄積チャンバは、上記流体チャンバへ充填される加圧流体を保持するように、及び／又は、上記流体チャンバから上記加圧流体を排出するように構成される。
【００２７】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記蓄積チャンバは、上記加圧バルブとの流体伝達可能に連通するアキュムレータである。
【００２８】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記蓄積チャンバは、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに取り付けられた又は埋め込まれたアキュムレータである。
【００２９】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、上記バルブをまとめて又は個々に制御する１つ又は複数の通信ワイヤをさらに含む。
【００３０】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ワイヤは、従来技術のワイヤ又はリソグラフィにより堆積されたワイヤである。
【００３１】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、１つ又は複数の加圧バルブは、１つ又は複数の通信ワイヤに接続されたマイクロコントローラとリンクされる。
【００３２】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記１つ又は複数のワイヤは、１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、通信バスを介してバルブ制御を実行する。
【００３３】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、バルブ制御を実行するように構成された１つ又は複数の光ファイバーケーブルをさらに含む。
【００３４】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記加圧バルブに接続され、通信バスを介してバルブ制御を実行するように構成された１つ又は複数の光ファイバーケーブルをさらに含む。
【００３５】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、１つ又は複数の上記加圧バルブは、上記加圧バルブをユーザが無線制御することを可能にするように構成された電気的システムを備える。
【００３６】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記加圧バルブの動作を制御するように構成された、光学的にトリガされるトランジスタ又は音響的にトリガされるトランジスタをさらに含む。
【００３７】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、上記加圧バルブを制御する信号を送信する１つ又は複数の圧電変換器をさらに含む。
【００３８】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、加圧バルブの動作は、パイロットバルブによって駆動可能である。
これらの実施形態では、上記加圧バルブは主バルブとも呼ばれる。
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記主バルブに流体伝達可能に接続され、１つ又は複数の上記主バルブを作動させるように構成された１つ又は複数のパイロットバルブをさらに含む。
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、１つ又は複数の上記主バルブに流体伝達可能に接続された第１の蓄積チャンバと、１つ又は複数の上記パイロットバルブに流体伝達可能に接続された第２の蓄積チャンバとを含む。
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記主バルブは第１の圧力において動作するように構成され、
上記パイロットバルブは上記第１の圧力より高い第２の圧力において動作するように構成される。
【００３９】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、第１のアキュムレータは、レギュレータ及びバルブを介して第２のアキュムレータに流体伝達可能に接続される。
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記第１及び／又は第２の蓄積チャンバは、レギュレータ及びバルブを介して、上記主バルブ及び上記パイロットバルブにそれぞれ接続される。
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記第１の蓄積チャンバは、上記流体チャンバにおける流体より高い圧力を有する流体を備える。
【００４０】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記可撓性のボディは歪み制限層を備え、
上記歪み制限層の引張弾性率は、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディの引張弾性率より高い。
【００４１】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、流体貯蔵器及び流体入口をさらに含む。
【００４２】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記ソフトロボットは、流体貯蔵器及び流体入口をさらに含み、
上記流体貯蔵器は、上記流体入口を介して上記共通流体加圧チャネルの中へ流体を送り出すように構成される。
【００４３】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記可撓性及び／又は伸縮性のボディはエラストマからなる。
【００４４】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、空気ポンプ及び／又は真空ポンプをさらに備える。
【００４５】
他の態様において、ソフトロボットを作動させる方法が説明される。上記方法は、
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つに係るソフトロボットを提供することと、
上記共通流体加圧装置に加圧流体を提供することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して、上記共通流体加圧装置から上記複数の流体チャンバのうちの少なくとも１つの中へ上記加圧流体を流れさせ、その結果として作動させることと
を含む。
【００４６】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記方法は、上記加圧装置から流体を除去することをさらに含む。
【００４７】
さらに他の態様では、ソフトロボットを作動させる方法が説明される。上記方法は、
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つに係るソフトロボットを提供することと、
上記共通流体加圧装置から流体を除去することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して上記流体チャンバから上記流体を除去し、その結果として作動させることと
を含む。
【００４８】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記方法は、上記作動をトリガする音響信号を送信することをさらに含む。
【００４９】
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つでは、上記１つ又は複数の加圧バルブは、音響信号によって開かれるように構成される。
【００５０】
ここに開示された任意の実施形態は、ここに開示された他の任意の実施形態と適切に組み合わせてもよいことが意図される。
ここに開示された任意の２つ以上の実施形態の組み合わせが意図していることを明示する。
【００５１】
ここで別途、定義、使用、又は特徴付けされていない限り、ここで使用されている用語（技術用語及び科学用語を含む）は、関連技術の文脈において受け入れられている意味と矛盾しない意味を有すると解釈されるべきであり、ここで明示的に定義されない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味で解釈されるべきでない。
【００５２】
図示した構成とともに、空間的な相対性を表す用語は、ここで説明して図面に示した向きに加えて、使用中又は動作中における装置の異なる向きを包含することを意図していることが理解されるであろう。「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」などのような、空間的な相対性を表す用語は、ここでは、図面に示したような、ある構成要素と他の構成要素との関係を説明する容易さのために使用されることがある。例えば、図面における装置がひっくり返っている場合、他の構成要素又は特徴の「下」又は「下方」にあるとして説明された構成要素は、他の構成要素又は特徴の「上」を向いている。従って、例示的な用語「上」は、上向き及び下向きの両方を包含する可能性がある。装置は他の向きで図示されることもあり（例えば、９０度又は他の向きに回転される）、空間的な相対性を表す記述子は、それに応じて解釈される。さらに、本開示では、ある構成要素が他の構成要素に「リンクされる」、「上にある」、「接続される」、「結合される」、「接触する」などと説明される場合、それは他の構成要素に直接的にリンクされ、上に配置され、接続され、結合され、もしくは接触されてもよく、あるいは、別途特定されていない限り、介在する構成要素が存在してもよい。
【００５３】
ここで使用される用語は、特定の実施形態を説明することを目的とするものであり、例示の実施形態を限定することを意図していない。ここで使用されるように、「a」及び「an」のような単数形は、文脈で明示的にそうでないと示していない限り、複数形も含むと意図される。さらに、用語「含む」（include, including）及び「備える」（comprise, comprising）は、言及した構成要素又はステップの存在を特定するが、１つ又は複数の他の構成要素又はステップの存在又は追加を妨げるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】従来技術のソフト触手の写真（非特許文献２から得られた）を示し、具体的には、９本の細いチューブに接続された９つの独立の作動チャンバを備えた触手を示す。
【図１Ｂ】従来技術のソフト触手の写真（非特許文献２から得られた）を示し、具体的には、３つのチャンバが同時に膨張した触手を示す。
【図１Ｃ】従来技術のソフト触手の写真（非特許文献２から得られた）を示し、具体的には、そのチャンバのうちの３つを膨張させてそれを花の形状に適合させることにより、花を保持する触手を示す。
【図２Ａ】典型的な触手の構成を示し、具体的には、より堅い歪み制限コアを囲む柔らかい伸張可能なエラストマに埋め込まれた一連の作動チャンバを含むソフトロボットの触手の外観を示す。
【図２Ｂ】典型的な触手の構成を示し、具体的には、触手の断面図を示し、これは、堅いエラストマと、作動チャンバに対して加圧流体を供給及び排出するために使用される一連のチューブとの両方から構成された、歪み制限コアを示す。
【図３Ａ】ソフトアクチュエータにおける従来技術の加圧及び排気システムを示す。
【図３Ｂ】ここで説明する１つ又は複数の実施形態に係る分散型加圧及び排出システムを示す。
【図４Ａ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｂ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｃ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｄ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｅ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｆ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｇ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図４Ｈ】非特許文献３から得られた、作動の異なるフェーズにおける従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。
【図５Ａ】４つのソフトアクチュエータを保持する中央の堅いハブに供給される４本の小さなチューブを含むテザーを含む、従来技術の加圧及び排気システムを備えたソフトロボットを示す。
【図５Ｂ】ここで説明した１つ又は複数の実施形態に係る分散型加圧及び排出システムを備えたソフトロボットを示す。
【図６Ａ】左側は、加圧ラインがロボットの４つのアクチュエータに引き回され、各個別のチューブが単一のアクチュエータのための供給及び排出ラインとして動作する、従来技術の加圧及び排気システムを備えたソフトロボットを示し、右側は、ここで説明した１つ又は複数の実施形態に係る、アキュムレータを含む分散型加圧及び排出システムを備えたソフトロボットを示す。
【図６Ｂ】ここで説明した１つ又は複数の実施形態に係る、排出及び加圧バルブを有するアキュムレータを含む分散型加圧及び排出システムを備えたソフトロボットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明は添付の図面を参照して説明される。それは例示のみを目的として提示され、限定を意図していない。
【００５６】
従来技術のソフトロボットシステムにおいて、ロボットの作動チャンバは、長く細い一連の複数のチューブを介して、空気圧式又は液圧式の制御装置に接続される。この制御装置は、加圧流体源と、作動チャンバに供給するチューブにこの流体を供給するバルブの集合とを含む。図１Ａ〜図１Ｃに、従来技術のソフト触手（非特許文献２）の写真を示す。具体的には、図１Ａは、９本の細いチューブ、例えば兼用の加圧／排出ライン１０１に接続された９つの独立の作動チャンバを備えたソフト触手１０３を示す。動作中に、各作動チャンバは、制御システムによって独立に加圧することができる。図１Ａの右側は触手の断面を示し、ここで、触手は、堅いＰＤＭＳコア１０５に沿って延在するチューブ構造物と、触手の周縁にある９つの作動チャンバ１０９のうちの３つとを備え、さらに、Ｅｃｏｆｌｅｘ（登録商標）からなるソフトボディを備える。図１Ｂは、３つのチャンバが同時に膨張した触手を示す。図１Ｃは、そのチャンバのうちの３つを膨張させてそれを花の形状に適合させることにより、花を保持する触手を示す。
【００５７】
図２Ａ〜図２Ｂに、典型的な従来技術の触手の構成を示す。具体的には、図２Ａは従来技術のソフトロボット触手２０７を示し、これは、歪み制限層、例えば、より堅い歪み制限コア２０１を囲む柔らかい伸張可能なエラストマ層２０３に埋め込まれた、一連の作動チャンバ（図２Ｂでは２０９として示す）を含む。歪み制限コア２０１には、複数の兼用の加圧／排出ライン２０５が埋め込まれている。図２Ｂは、堅いエラストマ２１１と、作動チャンバ２０９に対して加圧流体を供給及び排出するために使用される一連のチューブ２０５との両方から構成された、歪み制限コア２０１を示す。
【００５８】
図２Ａ〜図２Ｂで説明したチューブを引き回す従来技術のアプローチは、３つの主な欠点を有する。
１）それは、各作動チャンバを指定するためにチューブの追加を必要とし、これにより、チューブの引き回しのためだけにロボットの重量が大幅に増加することを必要とする。
２）多数のチューブがロボットの限られた体積に収容される必要があるので、各チューブの直径は小くされる必要がある。これは、より大きなチューブの抵抗をもたらし、それは、作動できるようになるまでの速度を遅くする。
３）ソフトロボットにおける独立の作動チャンバの合計個数は、コアの体積に収容可能なチューブの個数によって制限される。
【００５９】
１つの態様において、ソフトロボットが説明される。ソフトロボットは、
可撓性及び／又は伸縮性のボディと、
上記可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれてもよい、共通流体加圧装置と、
可撓性及び／又は伸縮性のボディに埋め込まれ、１つのバルブ又は一連のバルブを介して、共通流体加圧装置に流体伝達可能に接続可能な、オプションで排出装置に流体伝達可能に接続可能な、複数の流体チャンバとを備え、
１つのバルブ又は一連のバルブは、共通流体加圧装置から流体チャンバの中へ加圧流体を流れさせることによって起動され、その結果として作動することが可能であり、また、オプションとして、流体チャンバから排出装置へ流体を流れさせ、これによってアクチュエータを非作動状態に戻すことが可能である。
ある実施形態では、ソフトロボットは、加圧流体を流体チャンバから除去する排出ラインをさらに含む。
ソフトロボットを使用する方法も説明される。
【００６０】
いくつかの実施形態では、共通流体加圧装置は共通流体加圧チャネル又はチューブであり、それは、複数のバルブの分散型ネットワークを介して複数の流体チャンバとの流体伝達可能であるように連通していてもよい。
他の実施形態では、共通流体加圧装置は、圧力アキュムレータとしても知っれる共通流体加圧チャンバであり、それは、複数のバルブの分散型ネットワークを介して複数の流体チャンバとの流体伝達可能であるように連通していてもよい。
【００６１】
いくつかの実施形態では、ソフトロボットの加圧バルブは、低圧、例えば４０、３０、２０、又は１０ｐｓｉ以下において動作するように構成された主バルブを備える。
ある実施形態では、ソフトロボットはさらに、主バルブに流体伝達可能に接続されて主バルブを作動させるようにそれぞれ構成された、１つ又は複数のパイロットバルブを備える。
これらの実施形態では、ソフトロボットは、１つ又は複数の主バルブに流体伝達可能に接続された第１の蓄積チャンバと、１つ又は複数のパイロットバルブに流体伝達可能に接続された第２の蓄積チャンバとを備える。
【００６２】
いくつかの実施形態では、パイロットバルブは、主バルブへの供給を制御して主バルブを作動させるバルブである。
パイロットバルブは、流体によって、例えば空気によって制御される。
ある実施形態では、主バルブは、第１の圧力において、例えば、４０、３０、２０、又は１０ｐｓｉ以下の低圧において動作するように構成される。
ある実施形態では、パイロットバルブは、第２の圧力において、例えば、５０、６０、７０、８０、９０、又は１００ｐｓｉ以上の高圧において動作するように構成される。
ある実施形態では、第２の圧力は上記第１の圧力よりも高い。
パイロットバルブは、１つの流体供給により他の流体供給を制御できるようにするので有用である。
ある特定の実施形態では、パイロットバルブはソレノイドバルブである。
【００６３】
従って、これらの実施形態では、主バルブは、（通常はより小さい）パイロットバルブによって間接的に作動させられる。作動させられたとき、パイロットバルブは、加圧流体、例えば空気をチャンバへ送り、これにより、主バルブにおける機構を移動させ、その結果、主バルブを開閉する。
ある実施形態では、ソフトロボットは、１つ又は複数の主バルブに流体伝達可能であるように連通するロボットのボディにおいて、第１の蓄積チャンバ、例えば第１の加圧されたアキュムレータを備える。
いくつかの実施形態では、ソフトロボットはまた、１つ又は複数のパイロットバルブに流体伝達可能であるように連通するロボットのボディにおいて、第２の蓄積チャンバ、例えば第２の加圧されたアキュムレータを備える。
いくつかの実施形態では、第１の蓄積チャンバは、ソフトアクチュエータの動きを駆動するために、主バルブに流体的に接続された低圧（例えば１０ｐｓｉ）の流体を含む。第２の圧力蓄積チャンバは、主バルブを作動させるために、パイロットバルブに流体的に接続された高圧（例えば８０ｐｓｉ）の流体を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、ソフトロボットを作動させるために、パイロットバルブにおけるソレノイドに電気信号が送られ、パイロットバルブを開かせる。次に、第２のより高圧のアキュムレータからパイロットバルブを介して主バルブの機構に空気が流れる。いったんこの高圧空気が主バルブに蓄積したとき、それは主バルブを作動させ、主バルブを開かせる。次に、第１の低圧アキュムレータから主バルブを介してソフトアクチュエータに空気が流れ、これにより、ソフトアクチュエータを作動させる。
【００６４】
いくつかの実施形態では、ソフトロボットは、主バルブを作動させるために、パイロットバルブに流体伝達可能に接続された高圧（例えば、５０、６０、７０、８０、又は９０ｐｓｉ以上より高い圧力）流体を含む第２の蓄積チャンバを備える。
これらの実施形態では、第１のアキュムレータ（ソフトアクチュエータを作動させるために、低圧流体、例えば空気を蓄えるために使用される）は、レギュレータを介して第２のアキュムレータに流体伝達可能であるように接続されてもよい。
この方法で、例えばアクチュエータの作動に起因して、より低圧の第１のアキュムレータにおいて空気が欠乏している場合、その空気は、第２のアキュムレータからの空気により補充することができる。
ここで、第２のアキュムレータの高圧空気が、第１のアキュムレータによって必要とされるより低圧の空気に変換されるように、第１及び第２アキュムレータは、レギュレータを介して流体伝達可能であるように接続される。
いかなる特定の理論による制約を受けることも意図することなく、このアプローチは、２つの主要な利点を有すると信じられている。
１）高圧アキュムレータは、第１の低圧アキュムレータのみを用いて可能であるものよりも、アクチュエータの近くに大量の空気をローカルに蓄えることを可能にする。
２）埋め込まれた第２の高圧アキュムレータを有するテザー式のソフトロボットシステムは、ロボットに空気を供給するためにより細いテザーを用いることで動作可能になりうる。
これは、より高圧でロボットに空気を流入させているからであり、これにより、単位テザー体積あたりでロボットに送られている空気の量がより高くなり、その結果、テザーは、ロボットに必要な空気量をカバーするために大断面積のチューブである必要がなく、ここでは、小断面積のチューブであってもよい。
ロボットのこのバージョンでは、テザーが第２の高圧アキュムレータに直接的に接続され、ロボットを動作させるために必要なすべての空気が、この高圧アキュムレータをソースとするということに注意する。
【００６５】
これらの実施形態では、パイロットバルブを動作させる空気を供給するために、第２の（より高圧の）蓄積チャンバも利用可能である。この場合、第２の高圧アキュムレータは、ロボットのパイロットバルブに流体伝達可能であるよう接続され、さらに、より低圧の第１のアキュムレータにレギュレータを介して流体伝達可能であるように接続される。
【００６６】
いくつかの実施形態では、ロボットにおける第１及び／又は第２の蓄積チャンバは、アクチュエータを作動させるために必要とされるものよりずっと高い圧力（第１の高圧）で、流体、例えば空気を保持し、このチャンバ／アキュムレータは、レギュレータ及びバルブの組み合わせを介してアクチュエータに流体伝達可能であるように接続される。
これらの実施形態では、第１の高圧を有する、例えば空気は、高圧アキュムレータからレギュレータまで流れ、レギュレータは、作動に必要な圧力まで圧力を次第に低下させ、次に、空気は、ソフトアクチュエータを作動させるために、バルブを通過して最後にソフトアクチュエータに至る。
いかなる特定の理論による制約を受けることも意図することなく、この構成は、１）ソフトロボットのボディにおいてより多くの流体を蓄えられること、及び、２）テザー式である場合、ロボットによって必要とされるテザーはより小さくなること、という利点を有すると信じられている。
【００６７】
ある実施形態では、共通流体加圧装置、例えば共通流体加圧チャンバは、予め決められた時間にわたって（大気圧に対して）陽圧を保持するように構成され、その結果、１つ又は複数の流体チャンバは、加圧源への長いチャネルを通過することなく、迅速に加圧することができる。
【００６８】
ある実施形態では、共通流体加圧装置、例えば共通流体加圧チャンバは、予め決められた時間にわたって（大気圧に対して）陰圧を保持するように構成され、その結果、１つ又は複数の流体チャンバは、減圧源への長いチャネルを通過することなく、迅速に減圧することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、ソフトロボットは共通流体真空装置をさらに含む。
いくつかの実施形態では、共通流体真空装置は共通流体真空チャネル又はチューブであり、それは、複数のバルブの分散型ネットワークを介して複数の流体チャンバとの流体伝達可能であるように連通していてもよい。
他の実施形態では、共通流体真空装置は、圧力アキュムレータとしても知られる共通流体真空チャンバであり、それは、複数のバルブの分散型ネットワークを介して複数の流体チャンバとの流体伝達可能であるように連通していてもよい。
【００７０】
いくつかの実施形態では、ソフトロボット用の分散型加圧及び排出システムが説明され、ここでは、加圧流体の供給又は加圧流体の排出をゲート制御するバルブは、制御装置に集中配置されることとは対照的に、各作動チャンバの入口に配置される。
図３Ａ〜図３Ｂを参照して、従来技術のシステムに対する、１つ又は複数の実施形態に係るソフトロボット用のこの分散型加圧及び排出システムの特徴及び利点を説明する。
【００７１】
いくつかの実施形態では、ここで説明する分散型加圧及び排出システムは、ソフトロボットの触手を含むがそれに限定されない、多数の形態のソフトロボットに使用される。図３Ａには、従来技術の加圧及び排出システムを利用する、ソフトロボットの触手３０１の断面を示す。この図に示す両方の触手では、明確性のために、歪み制限コアに使用されるエラストマを省略したことに注意する。コア３０２の体積は、各作動チャンバ３０４を個別に指定するために必要なチューブ３０３によって費やされる。図３Ｂは、１つ又は複数の実施形態としてここで説明した分散型加圧及び排出システムを用いるソフトロボットの触手を示す。ここで、触手３０５は、共通流体加圧チャネル、例えば単一の加圧ライン３０７を含み、それは、加圧バルブ３１１及び接続チューブ３０８を介して各流体チャンバ３１５に接続される。共通流体加圧チャネルは、加圧流体を供給する流体貯蔵器／源に流体伝達可能に接続されるように構成される。ある実施形態では、触手３０５は、オプションでさらに、共通流体排出装置、例えば加圧流体を排出する単一の排出ライン３０９を含み、それは、排出バルブ３１３及び接続チューブ３０６を介して流体チャンバ３１５に接続される。これらの大きなチューブの分岐は、一連のバルブアセンブリ（例えば、３１１のような加圧バルブ、及び、排出バルブ３１３のような真空バルブ）を介して個々の作動チャンバ３１５に接続された一連のチューブ（例えば接続チューブ３０６及び３０８）である。これらのバルブアセンブリは、加圧ライン又は排出ラインへのアクセスを提供するためにトリガ又は起動されることが可能である。
【００７２】
代替として、ある実施形態では、共通流体加圧装置３０７は、流体真空源に接続され、共通流体排出装置としても動作するように構成される。
【００７３】
いくつかの実施形態では、可撓性のボディは歪み制限層を備え、歪み制限層の引張弾性率は、可撓性伸縮性のボディの引張弾性率より高い。ここで使用されるように、用語「歪み制限層（strain limited layer, strain limiring layer）」は、交換可能に使用される。歪みは、ボディの相対移動に関する変形を示す。変形は、与えられた力によって、ここでの例では、例えば加圧された力によって生じた応力に起因する。より弱い堅さ又はより小さな弾性率の材料は、より大きな弾性率の材料よりも、より大きく変形するので、弱い堅さの材料は、より大きな歪み又は変形を受ける。その結果、より強い堅さ又はより大きな弾性率の材料における歪みは、より小さくなるか、「制限」される。ここで使用されるように、より低いしきい値力で延長し、曲がり、伸張し、又は展開するソフトロボットの層又は壁又はそれらの部分は、「伸張可能」な、又は「低歪み」の部材である。より高いしきい値力で延長し、曲がり、伸張し、又は展開するソフトロボットの層又は壁又はそれらの部分は、ここでは、「歪み制限」層又は壁又は膜と呼ばれる。
【００７４】
ある実施形態では、用語「歪み制限層」は、エラストマのボディより堅いか、より低い伸張性を有する層であって、エラストマのボディに取り付け又は固定された層を示す。１つ又は複数の実施形態において、歪み制限層は、エラストマのボディに対して、約１０％、２０％、５０％、１００％、又は５００％よりも高い割合で堅い。
【００７５】
ここでは圧力作動型のソフトアクチュエータが説明されるが、分散型空気圧式システムを利用した真空作動型のソフトアクチュエータも可能であり、意図していることを明示する。従って、他の実施形態では、共通流体加圧チャネルは、予め決められた時間にわたって、（大気圧と比較して）陽圧又は陰圧を保持するように構成可能である。ある実施形態では、真空下にある作動ラインと、非作動化のために大気圧又は陽圧にある非作動化ラインとを備える、真空作動型のアクチュエータが説明される。
【００７６】
空気圧又は液圧の引き回しのためのこの分散型アプローチは、従来技術の加圧及び排出システムに係る上述の少なくとも３つの課題に取り組む。
１）各作動チャンバを指定するためにチューブを追加することはもはや必要ではなく、これにより、１つの軽量なバルブアセンブリが使用されることと、流体として空気が使用されることとを仮定すると、加圧及び排出チューブがほとんど空であるので、触手の重量が低減される。
２）従来技術の加圧及び排出システムで使用される小直径のチューブの集合を、１つ又は２つの大直径のチューブで置き換えることは、チューブの抵抗を低減させて、これにより、ロボットの作動速度を改善するという効果がある。
３）独立の作動チャンバの個数は、もはや、触手コアに収容可能なチューブの個数によって制限されない。
【００７７】
作動チャンバの個数は、バルブの分散型ネットワークを制御するために用いられる電力及び通信システムのサイズによって制限される可能性がある。バルブに電力を供給して制御信号を供給するために使用されるワイヤが容易に小型化されるので、この場合、ずっと多数の個々に指定可能な作動チャンバを備えた触手を構成することができ、より多数の間接で接続された体節を有するソフトロボットをもたらすことができる。一実施形態では、電圧及び接地のワイヤは、ソフト触手の歪み制限コアに埋め込まれ、それは、電力を供給する目的ですべてのバルブに接続される。ある実施形態では、各バルブは、それ自体の専用の小さな通信ワイヤによって制御され、このワイヤは、歪み制限コアにリソグラフィにより堆積されてもよい。これらの実施形態では、流体チャンバに供給する各追加のバルブを制御するために、追加の通信ワイヤをロボットに追加する必要がある。ここで、ソフトロボットの触手のためのテザーは、加圧流体を供給するための１つのチューブと、オプションで排出のための１つのチューブと、電圧ワイヤと、接地ワイヤと、各バルブを個別に指定する一束の通信ワイヤとを備える。各追加の通信ワイヤは、従来技術のソフト触手で用いられる、個別の兼用の加圧及び排出チューブより小さな断面積を有する可能性があるので、この電子システムは、従来技術の構成よりもなお、より多数の作動チャンバをソフトロボットの触手へ追加することを可能にする。
【００７８】
代替として、他の実施形態では、１つの共通通信ワイヤ又は一群の通信ワイヤが、ロボットのバルブアセンブリに接続されてもよく、この場合、通信バスを介して個々のバルブ制御が達成される。パラレルバス、シリアルバス、及び１ワイヤバスを含むがこれらに限定されない、多数の異なる種類の通信バスが適している。いくつかの実施形態では、分散型加圧及び排出システムは通信バスを利用し、システム内の各バルブはマイクロコントローラとペアにされ、すべてのマイクロコントローラは、１つ又は一群の共用される通信ワイヤに接続される。１つ又は一群の共用される通信ワイヤからの信号を解釈するために、各マイクロコントローラは、到来する制御信号が、個別のマイクロコントローラが取り付けられているバルブに対するコマンドを意図したものであるか否かについて、当該マイクロコントローラに通知するデータワードを受信するように構成される。このように、１つ又は一群の共用される通信ワイヤは、バルブの集合の動作を制御するために使用可能である。いくつかの実施形態では、テザーは、加圧流体を供給するための１つのチューブと、オプションで排出のための１つのチューブと、電圧ワイヤと、接地ワイヤと、１つ又は一群の共用される通信ワイヤとを備える。ここで、１つ又は一群の共用される通信ワイヤは、触手の基部又は外部に設けられ、ロボットにコマンド信号を送信するように構成された外部マイクロコントローラに接続される。
【００７９】
他の実施形態では、非電気的なワイヤに基づく通信システムは、ロボットのバルブの制御のために使用される。例えば、ある実施形態では、触手におけるバルブへの電力の供給をゲート制御する、光学的にトリガされるパワートランジスタに光学的制御信号を送るために、光ファイバーケーブルを使用可能である。これらの実施形態では、各流体チャンバに取り付けられたバルブは、光学的にトリガされるパワートランジスタとペアにされ、これにより、光ファイバーケーブルを介して送信された信号によってバルブを制御できるようにする。これらの実施形態では、テザーは、加圧流体を供給するための１つのチューブと、オプションで排出のための１つのチューブと、電圧ワイヤと、接地ワイヤと、単一のバルブをそれぞれ制御する光ファイバーケーブルの集合とを備える。
【００８０】
代替として、それ自体のマイクロコントローラをそれぞれ有する複数のバルブからなるネットワークは、１つの共通光ファイバー通信ケーブル又は１組の光ファイバー通信ケーブルに接続されてもよく、この場合、個々のバルブ制御は通信バスを介して達成される。これらの実施形態では、テザーは、加圧流体を供給するための１つのチューブと、オプションで排出のための１つのチューブと、電圧ワイヤと、接地ワイヤと、１つ又は１組の共用される光ファイバー通信ケーブルとを備える。他の実施形態では、各バルブに無線受信機及びマイクロコントローラを組み込み、ソフトロボットの触手の基部に、又はソフトロボットの触手の外部のどこかに設けられた無線送信機から各バルブがコマンドを受信できるようにすることで、無線通信が行われる。これらの実施形態では、テザーは、加圧流体を供給するための１つのチューブと、オプションで排出のための１つのチューブと、電圧ワイヤと、接地ワイヤとを備える。
【００８１】
さらに他の実施形態では、バルブへの通信は、音響信号の送信によって実現され、この場合、各バルブが、マイクロコントローラ及び圧電センサとペアにされるか、又は圧電的にトリガされるパワートランジスタとペアにされる。例えば、いくつかの実施形態では、図３Ｂに示す加圧流体の入口ライン３０７において圧縮波の形式でデータを送信するために、圧電変換器が使用されてもよい。これらの圧縮波は、各バルブアセンブリにある圧電変換器によって測定されてもよい。圧電変換器は、圧力におけるこれらの振動を、いつバルブを開くべきか閉じるべきかを示すデータ入力として解釈する。
【００８２】
大部分の空気圧式又は液圧式のバルブはハードな構成要素からなり、その結果、ソフトアクチュエータの大きく変形可能な面へ埋め込まれる場合、それらは周囲から剥離する。いくつかの実施形態では、この理由により、ハードバルブは、ソフトロボットの歪み制限層に、又は、ソフトロボットの大きく変形可能な面の内部における中空のキャビティに、又は、ソフトロボットのハードな構成要素に優先的に設けられる。
【００８３】
代替として、他の実施形態では、バルブは、可撓性の及び／又はソフトな構成要素／材料から構成される。例えば、加圧流体又は排出チューブへのアクセスを開閉するために、誘電体エラストマのアクチュエータが使用可能である。これらのソフトバルブの場合には、バルブは、ソフトロボットの大きく変形可能な面に、また、歪み制限面に埋め込み可能であり、さらに、ソフトロボットのハードな構成要素に埋め込み可能である。ある実施形態では、ソフト材料からなる、作動されないバルブ構成要素を作ることもできる。例えば、急速排気バルブを作成するために、エラストマの薄膜を用いるソフトアクチュエータに通気経路を構成することができる。いくつかの実施形態では、指定された方向のエアフローは、排出チューブを阻止する方向にエラストマの薄膜を移動させ、反対方向のエアフローは、排出チューブへのアクセスを可能にする方向に薄膜を移動させる。
【００８４】
いくつかの実施形態では、分散型加圧及び／又は排出システムを制御するためのここで説明した制御システムは、ロボットにおける各バルブの位置に設けられた電子回路の使用を必要とする。これらの実施形態では、従来技術のハードな電子回路は、ソフトロボットの歪み制限層に、又は、ソフトロボットの大きく変形可能な面の内部における中空のキャビティに、又は、ソフトロボットのハードな構成要素に設けられてもよい。代替として、可撓性及び／又は伸縮性の電子回路を利用してもよい。ここで、可撓性の電子回路は、好ましくは、ロボットの歪み制限面に配置され、一方、伸縮性の回路は、歪み制限面と、大きく変形可能な面との両方に配置可能である。
【００８５】
いくつかの実施形態では、ここで説明するように、分散型加圧及び排出システムは四足ロボットである。図４Ａ〜図４Ｈは、非特許文献３から得られた従来技術のソフト４足ロボットの写真を示す。具体的には、図４Ａ〜図４Ｈは、５つのチャンバのソフト四足ロボットの作動シーケンス（各図の左下の挿入図）、経過時間（各図の右上）、及びスナップショットを示す。ここで、ロボットは、短いギャップに向かって這い進み、その下方にうねって進み、次いで他方において再び這い進む。図４Ａは、ロボットが減圧され始めることを示す。図４Ｂは、中央の流体加圧チャネル４０１が加圧されることを示す。図４Ｃは、脚部が作動されてギャップに向かって這い進むことを示す。図４Ｄは、中央のチャネルが減圧されることを示し、図４Ｅ〜図４Ｇでは、ロボットがギャップの下に進入するためにうねっている。図４Ｈにおいて、最後に、中央のチャネルが再加圧され、ロボットはギャップの反対側に這い進む。各ステップで加圧された作動チャンバを緑で示し（挿入図）、不活性の作動チャンバを赤で示し（挿入図）、部分的に加圧された作動チャンバをオレンジで示す（挿入図）。ギャップの高さを、上に重ねた白い破線によって示す。スケールバーは４ｃｍである。
【００８６】
ここで説明した分散型加圧及び／又は排出システムを任意のソフトロボットで使用することが意図される。ソフトロボットの非限定的な例は、テザー式のソフト触手、テザー式のソフト四足ロボット、ソフト把持装置、ソフト外科開創器、腹腔鏡手術用のソフト外科開創器、ソフト内視鏡、非テザー式のソフトロボットヘビ、非テザー式のソフトロボット魚、非テザー式のソフトロボットタコ、ソフトロボットの身体的リハビリテーション装置、ソフトロボットのランタン、及びソフト監視ロボットを含む。ソフトロボットのアクチュエータの追加の例は、特許文献１〜２で説明され、その内容は参照によって明示的に組み込まれる。
【００８７】
ある実施形態では、ソフトロボットは四足ソフトロボットであってもよい。いくつかの実施形態では、四足ロボットは、ただ１つの共通流体加圧チャネルを含む（又はオプションで、図３Ｂに示すような共通流体真空チャネルを含む２つの大きなチューブ／チャネルを含む）テザーを有する、分散型加圧及び排出システムを含む。図３Ｂに示すシステムのように、システム全体の加圧流体を、１つの共通流体加圧チャネルが供給し、オプションで１つの共通流体真空チャネルが排出し、個々の作動チャンバの作動は、チャンバに設けられたバルブアセンブリによって制御される。ソフト触手の場合のように、ソフト４足ロボットのための分散型加圧及び排出システムを使用することで、空気圧式テザーにおけるチューブの抵抗を低減させることにより、ロボットの作動速度を増大することができる。
【００８８】
ある実施形態では、アクチュエータの場所において加圧流体を排出することが許容されるアプリケーションにおいて、加圧流体をロボットに供給するただ１つの大きなチューブと、一連のローカルなバルブアセンブリ及び排出ラインとを用いることで、テザーをさらに簡単化することができる。図５Ａ〜図５Ｂ及び図６Ａ〜図６Ｂに、そのようなシステムを用いるソフトロボットを示す。
【００８９】
ある実施形態では、共通流体加圧装置は、圧力アキュムレータとしても知られる共通流体加圧チャンバであり、ここでは、図５Ａ〜図５Ｂを参照してそれを説明する。図５Ａ〜図５Ｂ及び図６Ａ〜図６Ｂは、従来技術の加圧及び排出システムを利用するソフト四足ロボットと、ここで説明した１つ又は複数の実施形態に係る分散型加圧及び排出システムを利用するソフト四足ロボットとの間の比較を示す。図５Ａでは、ソフトロボットは、従来技術の加圧及び排気システム５０１を備え、これは、４本の小さなチューブ５０５を含むテザーを含み、各チューブは、４つのソフトアクチュエータ５０４に接続される。図６Ａの左側では、これらのチューブ５０５がロボットの４つのアクチュエータ５０４に引き回され、各個別のチューブが単一のアクチュエータのための供給及び排出ラインとして動作する。対照的に、図５Ｂは、ここで説明した分散型加圧及び排出システム５０３を備えたソフトロボットを示す。共通流体加圧チャネル及び共通流体真空チャネルを有する、図３Ｂに示した分散型加圧及び排出システムと異なり、このロボットは、共通流体加圧チャネル、すなわち単一の加圧ライン５０７のみを含む。これは、加圧流体をアクチュエータからローカル環境に排出することができる、各アクチュエータ５０６に設けられた一連の排出チャネル（例えば、排出ポート５１３）によって、図３Ｂのロボットで使用される排出ラインを置き換えることで達成される。図６Ａの右側及び図６Ｂから、このチューブの引き回しがどのように達成されるかがわかる。これらの実施形態では、共通流体加圧チャンバは、蓄積チャンバ（例えばアキュムレータ５１１）である。従って、単一の圧力供給ライン５０７が、アクチュエータ５０４に接続されたアキュムレータ５１１においてボディに供給され、予め決められた時間にわたって加圧流体を保持する。その後、任意のアクチュエータ（すなわち、図６Ｂの加圧バルブ６０９）の入口に設けられたバルブが、アキュムレータ５１１及びアクチュエータ５０６の間の接続を開くとき、加圧流体は当該アクチュエータへ進入することができる。排出バルブ６１１が開いて、ロボットのボディから、排出チャネル、例えば排出ポート６１３を介する短い経路に沿ってローカル環境に流体が移動可能になったとき、アクチュエータにおける加圧流体はローカル環境に放出される（図６Ｂ）。各アクチュエータに取り付けられたローカルな排出ポートを含む、この分散型加圧及び排出システムの構成は、図３Ｂに示す分散型加圧及び排出システムに対して、少なくとも２つの方法で作動速度を改善する。第１に、テザーがもはや排出ラインを必要としないので、より大きな加圧ラインを収容し、作動に対するチューブの抵抗を低下させることができる。第２に、排出流体がロボットシステムから出る前に進む経路を短縮することで、アクチュエータを弛緩させるときのチューブの抵抗も低下させ、作動速度を改善する。１つだけの加圧ラインを利用する分散型加圧及び排出システムの構成にはアキュムレータが必要ではないということに注意すべきである。ある実施形態では、主な圧力供給ラインを、各アクチュエータの加圧バルブに接続された一連のより小さなラインに分割する目的で、ソフトロボットの中央のボディに多岐管が配置される。それにもかかわらず、アキュムレータの使用は、所定の実施形態において有利である。アクチュエータを圧力又は真空アキュムレータに直接的に又は短い経路で取り付けることは、アクチュエータの作動又は弛緩の速度をそれぞれ改善する。
【００９０】
ある実施形態では、ソフトロボットは、ここで説明する分散型加圧及び排出システムの２つ以上の実施形態の組み合わせを含む。上述した分散型加圧及び排出システム又はそれらの何らかの組み合わせを選ぶことは、ソフトロボットが意図されるアプリケーションに依存してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ソフト把持装置が海底における石油採掘機器の作業に使用される場合、ロボットを作動させるために使用される空気又は加圧された海水がローカル環境に排出されても損害が生じないので、ローカルな排出ポートを使用することは許容できる。一方、他の実施形態では、ソフト触手が腹部手術に用いられる場合、加圧流体をローカル環境に排出することは患者を傷つける可能性がある。これらの実施形態では、主加圧ライン及び主排出ラインの両方を備えた分散型加圧及び排出システムが使用されてもよい。いずれの場合も、分散型加圧及び排出システムの使用は、ロボットの作動速度を改善し、ロボットのボディにより多くのアクチュエータを収容することをより簡単にし、ある場合には、その重量を低下させる。
【００９１】
さらに、ある実施形態では、分散型加圧及び排出システムアーキテクチャは、非テザー式のロボットで使用される。チューブの抵抗を低減し、重量を低下させ、ロボットのボディにより多くのアクチュエータを配置可能にすることが望ましい。その結果、アクチュエータの近くにバルブアセンブリ、アキュムレータ、及び排出ポートを配置し、加圧流体のためのより大きな供給及び排出チューブを利用する、これらの同じ分散型ネットワーク構成は、非テザー式のソフトロボットシステムの機能を改善するアプリケーションも有する。
【００９２】
従って、ある実施形態では、加圧ラインはソフトロボットから省略されてもよく、その代わりに、空気ポンプがロボットに含まれてもよい。いくつかの実施形態では、空気ポンプは、ロボットの中心における圧力アキュムレータに取り付けられる。この構成における１つの追加の利点は、ロボットを動作させるために利用可能な空気が常に存在するように、アキュムレータを常に満たした状態にするようにポンプが設定可能であるということにある。これは、作動時にポンプがソフトアクチュエータを直接的に充填するために使用され、断続的にのみ利用される「弾力性がある、非テザー式のソフトロボット」とは対照的である。ここで説明したこの新たな分散型構成では、ポンプは、アキュムレータ圧力が何らかの設定された「充填された」圧力未満に低下したときはいつでも動作可能である。ここでは、ポンプが潜在的に連続的に動作して、アキュムレータにおいて加圧空気の一定の供給を生じることができるので、作動レートは、オンボードのポンプの流量によってはもはや制限されず、それに代わって、アキュムレータから流体チャンバへ、例えばアクチュエータへ移動する空気の流量によって制限される。
【００９３】
他の実施形態では、真空源、例えば真空ポンプがロボットに含まれてもよい。これらの実施形態では、加圧ラインはソフトロボットから省略されてもよい。いくつかの実施形態では、真空源は、ロボットの中央においてアキュムレータに取り付けられる。この構成の１つの追加の利点は、アキュムレータにおいて所定の真空度を保持するために、ポンプを常に動作するように設定可能であるということにある。ここでは、ポンプが潜在的に連続的に動作して、一定の真空を生じることができるので、作動レートは、オンボードの真空ポンプの流量によってはもはや制限されず、それに代わって、流体チャンバから、例えばアクチュエータからアキュムレータへ移動する空気の流量によって制限される。
【００９４】
他の実施形態では、ソフトロボットは、オンボードの加圧流体源、例えば圧力ポンプと、真空源、例えば真空ポンプとを備える。ここで、オンボードの圧力ポンプは、（ソフトアクチュエータを作動させるために用いられる）加圧されたアキュムレータに流体、例えば空気の圧力を供給し、、真空ポンプは、（ソフトアクチュエータを急速に非作動化させるために用いられる）真空アキュムレータに取り付けられる。
【００９５】
ソフトロボットは、流体膨張又は収縮源を含むか、それらに接続されてもよい。流体膨張又は収縮源は、オプションで、ソフトロボットの外部に設けられる。流体膨張又は収縮源は、流体を膨張及び／又は収縮させる任意の装置であってもよい。流体膨張又は収縮源の非限定的な例は、ガスポンプ、ガス真空装置、ガスポンプ及び真空装置、液体ポンプ、液体吸い上げポンプ、又は液体ポンプ及び吸い上げポンプを含む。いくつかの実施形態では、ソフトロボットは、流体膨張／収縮源に直接的に接続される。空気、ガス、水、オイル、液体金属を含む、任意の流体、ガス、又は液体の使用が意図される。ガスの非限定的な例は空気である。他のガスの使用も意図される。
【００９６】
ある実施形態では、流体はガスであり、流体膨張／収縮源はオプションの外部ガス膨張／真空源である。外部ガス膨張源は、ポンプ、ガスボンベ、液化ガスボンベ、又はバルーンであってもよい。外部真空源は真空ポンプであってもよい。当該技術において既知である他の任意のガス膨張源及び真空源が意図される。
【００９７】
他の態様において、ソフトロボットを作動させる方法が説明される。上記方法は、
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つに係るソフトロボットを提供することと、
上記共通加圧装置に加圧流体を提供することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して、上記共通流体加圧装置から上記複数の流体チャンバのうちの少なくとも１つの中へ上記加圧流体を流れさせ、その結果として作動させることと
を含む。
【００９８】
いくつかの実施形態では、上記方法は、上記加圧装置から流体を除去することをさらに含んでもよい。
【００９９】
さらに他の態様では、ソフトロボットを作動させる方法が説明される。上記方法は、
ここで説明した実施形態のうちのいずれか１つに係るソフトロボットを提供することと、
上記共通流体加圧装置から流体を除去することと、
１つ又は複数の加圧バルブを起動して上記流体チャンバから上記流体を除去し、その結果として作動させることと
を含む。
【０１００】
いくつかの実施形態では、上記方法は、上記ソフトロボットの作動をトリガする音響信号を送信することをさらに含む。上記音響信号は、データを送信する方法として使用可能であり、この場合、信号は、圧電素子のような装置によって生成される。
いくつかの実施形態では、上記方法は、上記ソフトロボットを作動させることにより音響信号を送信することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数の加圧バルブは、音響信号によって開かれる。
【０１０１】
多数の異なるバルブ、又は複数のバルブの組み合わせは、潜在的には、ソフトロボットのためのここで説明した分散型空気圧式システムで使用可能である。
下記のリストはいくつかの例示を提供するが、可能なバルブの選択の限定的な集合ではない。
【実施例１】
【０１０２】
２つの２Ｗ／２Ｐ（Two Way, Two Position）バルブからなるセットによって、圧力の印加と、ソフトアクチュエータからの流体の排出とを実行可能である。２Ｗ／２Ｐバルブにおいて、バルブは２つの状態、すなわち、
１）バルブが、バルブの入口及び出口の間の流体のフローを阻止する状態と、
２）バルブが、バルブの入口及び出口の間で空気が流れることを可能にする状態と
になりうる。
この場合、１つの２Ｗ／２Ｐバルブは、アクチュエータへの加圧流体の供給を制御するために使用され、第２の２Ｗ／２Ｐバルブは、アクチュエータからの流体の排出を制御するために使用される。この例及び他の例において、排出チューブは加圧チューブより低い圧力になってもよく、又は、加圧流体の排出を促進することが望ましい場合には、排出チューブは、チューブの圧力を大気圧よりも低く保持する真空システムの一部であってもよい、ということに注意すべきである。
【実施例２】
【０１０３】
典型的には、アクチュエータに加圧するか、又は、アクチュエータから加圧流体を排出するので、１）加圧流体、又は２）排出を行う２状態を有する単一のバルブを使用可能である。これらの場合において、単一の３Ｗ／２Ｐ（Three Way, Two Position）バルブが使用される。３Ｗ／２Ｐバルブにおいて、バルブは２つの状態、すなわち、
１）バルブが、加圧流体を供給するチューブと、アクチュエータへの入口のチューブとの間における流体のフローを可能にする状態と、
２）バルブが、排出チューブと、アクチュエータへの入口のチューブとの間における流体のフローを可能にする状態と
になりうる。
【実施例３】
【０１０４】
ある場合には、静的な圧力を保持することにより、アクチュエータを固定位置に保持する能力を有することが望ましい。これらの場合において、アクチュエータに出入りする流体のフローを阻止する必要がある。このことは、上述した２つ２Ｗ／２Ｐバルブを用いて達成可能であり、又は、単一の３Ｗ／３Ｐ（Three Way, Three Position）バルブを用いて達成可能である。この場合、バルブは３状態、すなわち、
１）バルブが、アクチュエータへの入口チューブと、加圧流体を供給するチューブとの間における流体のフローを可能にする状態と、
２）バルブが、アクチュエータへの入口チューブと、アクチュエータから排出するチューブとの間における流体のフローを可能にする状態と、
３）バルブが、すべてのチューブ間の流体のフローを阻止する状態と
を有する。
ここで、第３の状態は、アクチュエータを静的な圧力に保持する。
【実施例４】
【０１０５】
アクチュエータを制御するもう１つの方法は、「急速排出バルブ」（Quick Exhaust Valve：ＱＥＶ）とともに、単一の２Ｗ／２Ｐ（Two Way, Two Position）バルブを用いることである。このセットアップは、２つの状態、すなわち、
１）２Ｗ／２Ｐバルブが、加圧チューブから２Ｗ／２Ｐバルブを介して、ＱＥＶを介して、次にアクチュエータまで流体が流れることを可能にする状態と、
２）２Ｗ／２Ｐのバルブが、ＱＥＶへの加圧流体のフローを阻止し、その結果、流体が、アクチュエータからＱＥＶに逆流し、次いで、ＱＥＶの排出ポートから流れ出ることでシステムから排出される状態と
を有する。
【０１０６】
ここで説明したバルブを電子的、空気圧的、又は液圧的に制御可能であるということに注意すべきである。
バルブを制御するために使用される加圧流体を、流体処理ラインを介してバルブに送る必要があるので、バルブ制御のこの方法は、ソフトロボットのボディの中への追加のチューブを組み込むことを必要とする。
空気圧的又は液圧的に制御されるバルブが好ましくない理由はこの点にある。
対照的に、バルブへ電力及び制御信号を供給するために使用されるワイヤは、流体処理ラインより小さくされることが可能であり、ソフトマシンのボディに容易に組み込まれ、その結果、分散型加圧及び排出システムを利用するソフトロボットを作る場合、電子的に制御されるバルブが好ましい。
【０１０７】
本発明の様々な態様に係る上述及び他の特徴及び利点は、本発明のより広い範囲内にある、様々な概念及び特定の実施形態に係る以下のより具体的な説明から明らかになる。
要旨はいかなる特定の実装方法にも限定されないので、上述されて以下でより詳細に議論する要旨の様々な態様が、多数の方法のうちの任意のもので実装されてもよい。
特定の実施例及び応用例が主として説明の目的で提供される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
2018523584.tif 000022
2018523584.tif 000023