(57)【要約】ユーザの肢に着用され、ユーザの肢の運動を追跡し、力フィードバック機能を与えるように設計された携帯用力フィードバック・コントローラ（ＰＦＦＣ）。一部の実施形態では、ＰＦＦＣが、迅速かつ容易に接続され分離され得る交換可能なモジュールを備えて、ＰＦＦＣを特定の適用に合わせて容易に修正できるようにすることができる。さらに他の実施形態では、様々なＰＦＦＣモジュールが可動に連結されて、少なくとも１つの自由度を有し、ＰＦＦＣがユーザの肢の自然な運動に正確に従うことができるようにする。
2016519793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力フィードバック・コントローラをユーザの腕に連結するように構成された第１の肢アタッチメントを含む手首モジュールと、
該手首モジュールに連結され、該手首モジュールに対して第１の方向および第２の方向に可動であるグリップ・モジュールであって、該第１の方向が該第２の方向に略垂直であり、該グリップ・モジュールが、グリップ・アタッチメントを有する直線スライド機構を含み、該グリップ・アタッチメントが、該第１の方向および第２の方向の少なくとも一方に略垂直な第３の方向への直線運動に拘束され、グリップを該グリップ・モジュールに連結するように構成されるグリップ・モジュールとを備える、力フィードバック・コントローラ。
【請求項２】
前記直線スライド機構が、前記グリップ・アタッチメントに力を与えるように構成された直線駆動部品をさらに備える、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項３】
前記グリップ・モジュールに前記第１の方向への力を与えるように構成された第１の回転駆動部品をさらに備える、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項４】
前記グリップ・モジュールに前記第２の方向への力を与えるように構成された第２の回転駆動部品をさらに備える、請求項３に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項５】
ユーザの上腕に連結するように構成された第２の肢アタッチメントを有する上腕モジュールと、
ユーザの前腕に連結するように構成された第３の肢アタッチメントを有する前腕モジュールとをさらに備え、
前記第１の肢アタッチメントおよび該第２の肢アタッチメントが、前記第１の肢アタッチメントと略同一である、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項６】
前記第１の肢アタッチメントが、
上部および下部を有し、該上部が該下部に旋回可能かつ摺動可能に連結される外殻と、
該外殻の大きさを調節するように構成された調節機構とを備える、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項７】
前記肢アタッチメントが、前記外殻の少なくとも一部に位置する粘弾性発泡体をさらに備え、該粘弾性発泡体が、ユーザの腕の輪郭に一致して、衝撃力に晒されたときに変形に抵抗するように構成される、請求項６に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項８】
前記グリップ・アタッチメントが、第１のプリント回路基板電気コネクタと導電性エラストマ要素とを備え、前記プリント回路基板電気コネクタおよび前記導電性エラストマ要素が、前記グリップ・モジュールに連結されたグリップの第２のプリント回路基板電気コネクタと電気接続を形成するように設計されて構成される、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項９】
前記第１の方向が第１の軸の周りの回転を含み、前記第２の方向が第２の軸の周りの回転を含み、該第２の軸が該第１の軸に対して非平行であり、前記第３の方向が該第１の軸および該第２の軸の少なくとも一方に略垂直である、請求項１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項１０】
前記第１の軸、前記第２の軸、および前記第３の方向が、互いに略直交して向けられる、請求項９に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項１１】
ユーザの腕の第１の部分に連結するように構成された第１の肢アタッチメントを含む手首モジュールと、
該ユーザの腕の第２の部分に連結するように構成された第２の肢アタッチメントを含む前腕モジュールと、
第１の端部および第２の端部を有する外骨格部材であって、該前腕モジュールが該第１の端部に連結され、該手首モジュールが該第２の端部に連結され、該外骨格部材が、該前腕モジュールと該手首モジュールとの間の相対ねじり運動を可能にするとともに、該前腕モジュールと該手首モジュールとの間の相対軸方向運動を実質的に防止するように構成されたねじり要素を有するねじりモジュールを含む外骨格部材とを備える、力フィードバック・コントローラ。
【請求項１２】
前記第１の肢アタッチメントおよび前記第２の肢アタッチメントの少なくとも一方が、
第１の可撓性部分および二重壁の第２の部分を有する外殻であって、該第１の可撓性部分が第１の端部および第２の端部を有し、該二重壁の第２の部分が間に空間を画定する第１の壁および第２の壁を有し、該第１の端部および該第２の端部が各々該空間内に摺動可能に配置される外殻と、
該第１の可撓性部分を該第２の部分に対して固定することにより、前記肢アタッチメントを前記ユーザの腕にしっかりと連結するように構成された調節機構とを備える、請求項１１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項１３】
前記肢アタッチメントが、前記外殻の少なくとも一部に位置する粘弾性発泡体をさらに備え、該粘弾性発泡体が、ユーザの腕の輪郭に一致するように構成される、請求項１２に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項１４】
前記前腕モジュールに取り外し可能に連結されるように構成された肘モジュールをさらに備え、該肘モジュールが、
第２の側部部材に旋回可能に連結された第１の側部部材であって、該第１の側部部材および第２の側部部材の各々が、第３の肢アタッチメントおよび第４の肢アタッチメントに摺動可能に連結するように設計されて構成されたアタッチメントを有する第１の側部部材と、
該第１の側部部材および第２の側部部材に回転力を与えるように構成され、該第１の側部部材および第２の側部部材の一方に連結された電気モータを含む回転駆動機構とを備える、請求項１１に記載の力フィードバック・コントローラ。
【請求項１５】
前記第１の側部部材を前記第２の側部部材に対して旋回させることができるように構成され、多中心ヒンジを含む旋回機構をさらに備える、請求項１４に記載の力フィードバック・コントローラ肘モジュール。
【請求項１６】
前記第１の側部部材を前記第２の側部部材に対して旋回させることができるように構成され、前記第１の側部部材を前記第２の側部部材に対して旋回させることに対する抵抗を制御可能に調節するように構成された可変抵抗要素を含む旋回機構をさらに備える、請求項１４に記載の力フィードバック・コントローラ肘モジュール。
【請求項１７】
前記可変抵抗要素が、１）摩擦要素、および２）電磁要素からなる群から選択される、請求項１６に記載の力フィードバック・コントローラ肘モジュール。
【請求項１８】
前腕モジュール、手首モジュール、およびグリップ・モジュールからなり、該前腕モジュールおよび該手首モジュールが、取り外し可能に共に連結して力フィードバック外骨格コントローラを形成するように設計されて構成され、該グリップ・モジュールが、該手首モジュールに可動に連結されるとともに、該手首モジュールに対して少なくとも１つの運動自由度を有し、
該グリップ・モジュールが、直線スライド機構および該直線スライド機構に連結されたグリップを備え、該グリップが該手首モジュールに対して直線方向への運動に拘束される、力フィードバック・コントローラ外骨格。
【請求項１９】
前記前腕モジュールに取り外し可能に連結するように構成された肘モジュールをさらに備え、該肘モジュールが、
細長受け部、および該細長受け部に摺動可能に連結されて、前記肘モジュールをユーザの腕に取り付けるように構成された上腕モジュールと、
第２の側部要素に旋回可能に連結された第１の側部要素と、
該第１の側部要素を該第２の側部要素に対して駆動するように構成された駆動機構とを含む、請求項１８に記載の力フィードバック・コントローラ外骨格。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、力フィードバック・コントローラの分野に関する。特に、本発明は、モジュール式外骨格力フィードバック・コントローラを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
力フィードバック・コントローラ（ＦＦＣ）は、人間オペレータによる運動を感知して、そのオペレータに力を与える、一種の人間／コンピュータ・インタフェースである。ＦＦＣは、オペレータに与えられる力を用いてオペレータの触知覚を働かせる。非コンピュータ・タスクと接続するユーザは、通常、視覚フィードバックおよび触覚フィードバックの組合せ（タスクの一方を見ながら、他方を感じること）を活用する。この感覚の組合せを人間−コンピュータ・インタフェースに導入することが様々な利点を有する場合があり、その利点としては、そのようなインタフェースをより効率的にするとともにユーザにとってより直感的にすること、コンピュータ・シミュレーションにおいて発生する事象にオペレータを没頭させること、およびそのようなシミュレーションをより実際に近いものにすることが挙げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に、ＦＦＣは外部環境（例えば、力フィードバック・ジョイスティック）の一部であってよく、または人間オペレータにより着用されてもよい（例えば、力フィードバック・グローブ）。着用可能な携帯用ＦＦＣ、およびより多様な力を与えて、より微妙な触知覚を生じさせることのできるＦＦＣを用いて、利点を実現させることができる。しかしながら、既存の携帯用ＦＦＣは、重い、かさばる、不快である、製造コストがかかる、与えることのできる感覚フィードバックが限られる、およびオペレータの身体の特定の位置に、与えられた力を正確に局所化することができないといった様々な形で不完全である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実装形態において、本開示は力フィードバック・コントローラを対象とする。力フィードバック・コントローラは、力フィードバック・コントローラをユーザの腕に連結するように構成された第１の肢アタッチメントを含む手首モジュールと、該手首モジュールに連結され、該手首モジュールに対して第１の方向および第２の方向に可動であるグリップ・モジュールであって、該第１の方向が該第２の方向に略垂直であり、該グリップ・モジュールが、グリップ・アタッチメントを有する直線スライド機構を含み、該グリップ・アタッチメントが、該第１の方向および第２の方向の少なくとも一方に略垂直な第３の方向への直線運動に拘束され、グリップを該グリップ・モジュールに連結するように構成されるグリップ・モジュールとを備える。
【０００５】
別の実装形態において、本開示は力フィードバック・コントローラを対象とする。力フィードバック・コントローラは、ユーザの腕の第１の部分に連結するように構成された第１の肢アタッチメントを含む手首モジュールと、該ユーザの腕の第２の部分に連結するように構成された第２の肢アタッチメントを含む前腕モジュールと、第１の端部および第２の端部を有する外骨格部材であって、該前腕モジュールが該第１の端部に連結され、該手首モジュールが該第２の端部に連結され、該外骨格部材が、該前腕モジュールと該手首モジュールとの間の相対ねじり運動を可能にするとともに、該前腕モジュールと該手首モジュールとの間の相対軸方向運動を実質的に防止するように構成されたねじり要素を有するねじりモジュールを含む外骨格部材とを備える。
【０００６】
さらに別の実装形態において、本開示は力フィードバック・コントローラ外骨格を対象とする。力フィードバック・コントローラ外骨格は、前腕モジュール、手首モジュール、およびグリップ・モジュールを備え、該前腕モジュールおよび該手首モジュールが、取り外し可能に共に連結して該力フィードバック外骨格コントローラを形成するように設計されて構成され、該グリップ・モジュールが、該手首モジュールに可動に連結されるとともに、該手首モジュールに対して少なくとも１つの運動自由度を有し、該グリップ・モジュールが、直線スライド機構および該直線スライド機構に連結されたグリップを備え、該グリップが該手首モジュールに対して直線方向への運動に拘束される。
【０００７】
本発明の例示の目的で、図面は、本発明の１つまたは複数の実施形態の態様を示す。しかしながら、本発明は図示した正確な配置および手段に限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的なモジュール式携帯用力フィードバック・コントローラを示す図。
【図２】別の例示的なモジュール式携帯用力フィードバック・コントローラを示す図。
【図３】肢アタッチメントの斜視図。
【図４】回転駆動モジュールを示す図。
【図５】直線駆動部品の斜視図。
【図６】下腕ひねりモジュールの斜視図。
【図７】肘モジュールを示す図。
【図８】使用中の例示的な手首モジュールおよびグリップ・モジュールを示す図。
【図９】使用中のグリップ・モジュールに連結された、人間工学的ハンドルの形のグリップを示す図。
【図１０】使用中のグリップ・モジュールに連結された、ピストル・ハンドルの形のグリップを示す図。
【図１１】例示的な下腕ひねりモジュールを示す図。
【図１２】下腕ひねりモジュールの別の例を示す図。
【図１３】多中心ヒンジを有する肘モジュールを示す図。
【図１４】グリップおよび手首モジュール構成を示す図。
【図１５】前腕、肘、および上腕モジュール構成を示す図。
【図１６】例示的な力フィードバック・コントローラ・システム構成のブロック図。
【図１７】図１６のシステム構成の例示的な実装形態を示す図。
【図１８】モータ駆動コンポーネントの例の回路図。
【図１９】図２のモジュール式携帯用力フィードバック・コントローラの手首およびグリップ・モジュールの一部の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一部の態様は、改良された人間−コンピュータ・インタフェーシングおよびコンピュータ・シミュレーション制御のための様々な携帯用ＦＦＣ（ＰＦＦＣ）デバイスおよびシステムを含む。本明細書に記載のＰＦＦＣは、人間オペレータの精度および／または強度を高めること、ならびにコンピュータ・シミュレーション、データ調査、およびゲームなどの適用におけるオペレータと人工環境との相互作用の効率および質を向上させることを含む様々な適用で使用され得る。また、本明細書に記載のＰＦＦＣを使用して、物理療法、作業療法、スポーツ・トレーニング、ならびにその他の治療およびトレーニングの用途のような試みに対して、測定、案内、実行を助け、または人間オペレータの運動を強化することもできる。また、ＰＦＦＣを使用して、人間オペレータに対して感覚認識を高めるとともに、遠隔環境との遠隔操作相互作用および遠隔ロボット相互作用における使用を容易にすることもできる。例えば、本明細書に記載のＰＦＦＣにより、遠隔マニピュレータの運動をより自然かつ直感的に制御することが可能になり、遠隔感知された力をフィードバックすることによって、人間オペレータが遠隔操作タスクをより精巧に、および／またはより迅速に実行することが可能になるため、遠隔マニピュレータによる望ましくない破砕または衝突を最小限にすることができる。
【００１０】
以下でより完全に説明するように、本明細書に記載のＰＦＦＣは、オペレータの運動を正確に追跡し、高忠実度力を与え、エネルギー効率が高く、かさを最小限にし、軽量であり、快適で人間工学的であって長期の使用を可能にすることにより、前述したような適用に対して改善された解決法をもたらす。
【００１１】
例示的なＰＦＦＣの実施形態はモジュール式ＰＦＦＣを含み、このモジュール式ＰＦＦＣは、物理的モジュールおよび部品を追加することによって機能および／または構造を連続的に追加する能力を提供することができる。本明細書に記載のモジュール式ＰＦＦＣは、他のモジュールに対して取り付けることができ、取り外すことのできるモジュールを含み、各モジュールは、人体の特定の解剖学的部位に着用されるように構成されてよい。モジュールは、隣接するモジュールに取り外し可能に取り付けられる構造、もしくは隣接するモジュールにまたがる構造、または２つのモジュールを接合するための取り外し可能な中間接合部品を含むことができる。そのようなモジュール性は、様々な異なる適用および使用状況に合わせて迅速かつ容易に修正可能なＰＦＦＣシステムを提供する。例えば、観血手術のシミュレーションは、手首および手にのみ係合するＰＦＦＣによって最良に行うことができるが、視覚ツールを含むデバイス・アセンブリ・シミュレーションは、手、手首、および前腕に係合するＰＦＦＣを必要とする場合がある。別の例として、ゲームまたはシミュレーションにおいて人間オペレータの手、手首、前腕、および肘および／または肩に係合して、例えば、仮想オブジェクトの重量のより現実的な感覚を与え、投げるおよびつかむなどの複雑な運動の、より忠実度の高い制御を行うことが望ましい場合がある。そのようなモジュール性は、カスタマイズされた外骨格コントローラが特定の使用状況に合わせて設計された、ある先行技術のコントローラにまさる重要な利点をもたらす。一般的に、オペレータは、コントローラをそれに合わせて設計した特定の用途以外の用途については、準最適なコントローラ構成で間に合わせるしかない。カスタマイズされたコントローラの開発は、時間と費用のかかる方法であるからである。
【００１２】
本明細書に記載のＰＦＦＣの様々な態様の幅広い適用性を鑑みて、図１は、オペレータの腕に着用されるように設計されて構成される例示的なモジュール式外骨格ＰＦＦＣシステム１００を示す。例示的なＰＦＦＣ１００は、肩モジュール１１０、上腕モジュール１１２、肘モジュール１１４、前腕モジュール１１６、手首モジュール１１８、およびグリップ・モジュール１２０を含む６つのモジュールを有する。モジュール１１０〜１２０の各々は、隣接するモジュールに取り外し可能に接続されて、各モジュールを他のモジュールに迅速かつ容易に機械的および電気的に接続することができるようになっていてもよい。モジュール１１０〜１２０の各々は、モジュールを特定の解剖学的位置に取り付けるための快適な人間工学的機能を有するとともに、多様な適用について適切な構造完全性を有する軽量構造である。モジュール１１０〜１２０は、ＰＦＦＣ１００のサイズを特定のユーザの寸法に合わせて調節するための調節機構を有することができる。
【００１３】
モジュール１１０〜１２０の１つまたは複数は、１つまたは複数の自由度を有することができ、他のモジュールに対して運動するように構成されて、ＰＦＦＣ１００がユーザの腕の自然な運動に従うことができ、以下で説明するように、ユーザ上の様々な方向および位置に力を与えることができるようになっている。例えば、肘モジュール１１４は、旋回点１２２の周りを旋回するように構成されて、第１の側部部材１２４が第２の側部部材１２６に対して矢印１Ａで示す方向に旋回できるようになっている。前腕モジュール１１６は、手首モジュール１１８に対して矢印１Ｂの方向へねじり運動するように構成されてもよい。同様に、手首モジュール１１８は、前腕モジュール１１６およびグリップ・モジュール１２０の一方または両方に対して矢印１Ｃの方向にねじり運動するように構成されてもよい。一部の実施形態では、モジュール１１６、１１８が相対ねじり運動するように構成されてよく、ＰＦＦＣ１００が他の方向への相対運動、例えば、矢印１Ｄで示す方向への相対直線運動を実質的に防止する構造機能を有することができ、これにより、ＰＦＦＣの動作に必要な構造完全性をもたらすことができる。グリップ・モジュール１２０は、ユーザの手首に対するユーザの手の自然な運動に従う１つまたは複数の自由度を有して構成されてもよい。例示的なグリップ・モジュール１２０は、手首モジュール１１８に対して、矢印１Ｅの方向へのピッチ（手首橈骨／尺骨偏位）、１Ｆの方向へのヨー（手首屈曲／伸展）、および矢印１Ｇの方向の直線軸方向運動を含む３つの自由度を有する。以下で説明するように、方向１Ｇへの直線軸方向運動の機能は、グリップ・モジュール１２０を特定のユーザの手のサイズに合わせることを可能にし、また矢印１Ｇの方向へ触覚力を与える能力を含むことができる。
【００１４】
各モジュールの全体および／または相対位置をコンピュータ・システムに伝えるように設計され得るＰＦＦＣ１００で、様々な位置センサを使用することができる。１つまたは複数の加速度計、ジャイロスコープおよび／または磁力計を含み得る慣性測定部品（ＩＭＵ）を含む、様々な異なる位置センサの解決法を使用することができる。ＰＦＦＣ１００は、肩モジュール１１０の位置センサ１２８、肘モジュール１１４の位置センサ１３０、１３２、および前腕モジュール１１６、手首モジュール１１８、グリップ・モジュール１２０のそれぞれの位置センサ１３４、１３６、１３８を含む。位置センサ１２８〜１３８の各々は、他のモジュールに対する各モジュールの位置を説明する高解像度位置情報を提供することができる。代替実施形態では、センサ１２８〜１３８の１つまたは複数に加えて、またはこれらの代わりに、回転光学エンコーダなどの回転センサを使用して、モジュールの１つまたは複数の回転位置についての情報を提供してもよい。
【００１５】
ＰＦＦＣ１００は、それぞれのモジュール１１４、１１８、１２０に力を与えるように構成された駆動モジュール１４０、１４２、１４４を含むこともできる。以下でより詳細に説明するように、駆動モジュール１４０、１４２、１４４は、ＰＦＦＣ１００に力を与えるように設計された、モータ、形状記憶合金、または超音波アクチュエータなどの部品を含んでもよく、ＰＦＦＣ１００の構造に力を伝えるための対応する構造を含んでもよい。駆動モジュール１４０は、肘モジュール１１４に連結され、第１の側部部材１２４および第２の側部部材１２６に力を与えるように構成されて、肘モジュールを矢印１Ａの方向へ旋回させる。手首モジュール１８は、グリップ・モジュール１２０に対して矢印１Ｅ〜１Ｇで示す方向の１つまたは複数へ力を与えるように構成され得る駆動モジュール１４２を含んでよく、グリップ・モジュール１２０は、矢印１Ｅ〜１Ｇで示す方向の１つまたは複数へ力を与えるように構成され得る駆動モジュール１４４を含んでもよい。したがって、駆動モジュール１４０〜１４４は、ユーザの腕全体にわたって分散された多くの非常に正確で局所的な触覚をもたらすように構成され、これは様々な適用に使用可能である。
【００１６】
グリップ・モジュール１２０は様々な構成を有することができ、ＰＦＦＣ１００を様々な適用に使用できるように高い適応性を有することができる。例えば、グリップ・モジュール１２０は、１つまたは複数コントローラまたは器具をＰＦＦＣ１００に取り外し可能に機械的および電気的に接続するための機能を含むことができる。例えば、コンピュータ・シミュレーションの適用では、グリップ・モジュール１２０は、グリップ・モジュール１２０に接続されたグリップのタイプを検出する論理を含んで、コンピュータ・シミュレーションに対応する更新を行うことができる。例えば、あるモデルの小火器をグリップ・モジュール１２０に接続すると、小火器に対する触覚力を制御して提供するための対応するソフトウェアが起動され得る。医療または遠隔マニピュレータの適用では、グリップ・モジュール１２０に接続されたそのタイプのモデル器具が、幾何学的情報および力情報の異なるライブラリを呼び出すことができ、遠隔位置における器具の運動および力の大きさが、グリップ・モジュールに連結された器具に応じて、ＰＦＦＣ１００の所与の運動について変化し得るようになっている。
【００１７】
図２〜図７は、ユーザの腕に着用されるように設計されて構成された例示的なＰＦＦＣ２００を示す。ＰＦＦＣ１００と同様に、ＰＦＦＣ２００は、上腕モジュール２１０、肘モジュール２１２、前腕モジュール２１４、手首モジュール２１６、およびグリップ・モジュール２１８を含む。モジュール２１０〜２１８の各々が肢アタッチメント２２０を備え、肢アタッチメント２２０は、以下で図３に関連してより詳細に説明するように、各モジュールをユーザの腕のそれぞれの位置に取り付ける。例示した実施形態において、モジュール２１０〜２１８の各々は同一のタイプの肢アタッチメント２２０を使用し、この肢アタッチメント２２０は様々なサイズに調節可能であるように設計されて構成され、各肢アタッチメント２２０をユーザの腕の任意の部位に固定して連結できるようになっている。他の実施形態では、肢アタッチメントのサイズがモジュール間で変化し得る。肢アタッチメント２２０は、ＰＦＦＣ２００の快適な長期使用を可能にする、軽量で非常に快適なアタッチメント機構を提供する。各肢アタッチメント２２０は、本明細書で受け部２３０、２３２、２３４とも呼ばれるそれぞれの細長部材に摺動可能に連結され、肢アタッチメント２２０の各々の位置を調節して、ＰＦＦＣ２００を特定のユーザにフィットさせることができる。肢アタッチメント２２０は、位置決めされると、止めねじ３６２（図３）を締め付けることによって、定位置に固定され得る。
【００１８】
モジュール２１０〜２１８の各々は、他のモジュールに対して相対運動するように構成されて、ＰＦＦＣ２００がユーザの腕の自然な運動に従うことができ、ユーザに触覚力を与えるように構成され得る。例えば、肘モジュール２１２の第１の側部部材２４０および第２の側部部材２４２は、旋回点２４４の周りを矢印２Ａの方向に旋回して、上腕モジュール２１０が前腕モジュール２１４に対して動いて、ユーザが自分の腕を曲げることができるようになっている。また、肘モジュール２１２は回転駆動部品２５０を有し、回転駆動部品２５０は、肘モジュール２１２に触覚力を与えて、第１の側部部材２４０および第２の側部部材２４２を矢印２Ａの方向へ動かすように構成される。図７に関連して以下で説明するように、例示的な回転駆動部品２５０は、力を発生させるためのモータ２５２と、力をモータから側部部材２４０、２４２に伝えるためのベルトプーリ・システム２５４とを含む。例示した実施形態において、モータ２５２は逆駆動可能なＤＣモータである。
【００１９】
前腕モジュール２１４および手首モジュール２１６は、矢印２Ｂおよび２Ｃの方向へ相対ねじり運動するように構成されて、肘と手首との間のユーザの下腕の部分に沿ったひねり運動を可能にする。例示した実施形態において、そのような相対ねじり運動は下腕ひねりモジュール２６０によって可能になり、下腕ひねりモジュール２６０は、相対ねじり運動を可能にし、矢印２Ｄの方向への軸方向運動を実質的に防止するように設計されて構成される。図６に関連して以下でより詳細に説明するように、下腕ひねりモジュール２６０は、特定の自由度を可能にし、他の自由度を限定する、エレガントで低コストの解決法をもたらす。グリップ・モジュール１２０と同様に、グリップ・モジュール２１８は、手首モジュール２１６に対して、ピッチ、ヨー、および直線軸方向運動を含む３つの自由度を有する。例示した実施形態において、ピッチおよびヨーは、２つの回転駆動部品２７０、２７２のそれぞれによってもたらされ、直線軸方向運動は、本明細書でＺスライド２７０とも呼ばれる直線スライド機構によってもたらされる。Ｚスライド２７０の一部は図４および図５にさらに示される。肘モジュール２１２の回転駆動部品２５０と同様に、図示した回転駆動部品２７０、２７２は、図２ではカバー２７６、２７８によって隠されているモータ４１０（図４）およびベルトプーリ・システム４１２（図４）を含む。図示したＺスライドは、図２ではカバー２８２によって隠されているモータ５１０（図５）およびラックアンドピニオン５１２（図５）を含む直線駆動部品２８０（図５）により、直線運動および触覚力の機能をもたらす。例示した実施形態において、モータ４１０、５１０は逆駆動可能なＤＣモータである。
【００２０】
また、ＰＦＦＣ２００は電子機器ボックス２８０を含み、この電子機器ボックス２８０は、ＰＦＦＣの１つまたは複数の部品に接続して、信号ケーブルまたは無線信号伝送インタフェースを介して制御機能を提供する。電子機器ボックス２８０は、整流器と、様々な部品の必要に応じてＡＣ電力をＤＣ電力に変換するための関連部品とを含むことができ、および／またはバッテリ・パックを含むことができる。あるいは、ＤＣ電力を供給する電気ケーブルを電子機器ボックスに接続してもよい。電子機器ボックス２８０および／または他のケーブルは、１つまたは複数の接続箱２８２、または信号を様々なモジュールに対して受信および／または送信するための様々なポートを含む他のインタフェースを介して、モジュール２１０〜２１８に接続することができる。接続箱２８２、手首モジュール２１６、およびグリップ・モジュール２１８はまた、位置、運動、速度、加速および／または構造の他の運動関連の態様に関連する様々なデータを集めるように構成されたＩＭＵ位置センサ（図示せず）を含む。
【００２１】
図３は、肢アタッチメント２２０をより詳細に示す。前述したように、例示した実施形態では、モジュール２２０、２１４、２１６（図２）の各々をユーザの腕に取り付けるために同一の肢アタッチメント２２０を使用することによって、製造が容易になり、コストが削減される。代替実施形態では、モジュール２２０、２１４、２１６の１つまたは複数が、特定の解剖学的位置に合わせた寸法を持つ特定の肢アタッチメント有することができる。肢アタッチメント２２０の設計および構成は、ＰＦＦＣ２００の正常な動作に重要である。これは、ＰＦＦＣ２００が多様なユーザにとって快適でなければならず、またＰＦＦＣ２００をユーザにしっかりと連結して、ＰＦＦＣにより発生する触覚力が適切な解剖学的位置で感じられるようにしなければならないからである。例えば、アタッチメント構造が適切に設計されず、ユーザの腕の形状に適切に一致しない場合、構造が緩すぎるおそれがあり、その場合、例えば、ユーザの手または肘領域で感じられることになっている触覚力が、代わりにコントローラの構造に沿って伝わって、アタッチメント構造が位置するユーザの皮膚で不快な牽引感覚のように感じられることがある。また、そのような不快な肢アタッチメントをユーザに適切に固定するためには、肢アタッチメントを不快なほどきつくする必要があり、例えば、快適な長期使用を妨げるつまみ点を生じさせることがある。
【００２２】
それに対して、肢アタッチメント２２０は、ＰＦＦＣの快適な長期使用を可能にする、ＰＦＦＣ２００（図２）のための軽量で快適なアタッチメント機構を提供する。肢アタッチメント２２０は、基部３１２に連結された外殻３１０を含む。外殻３１０は、ユーザの腕に巻き付いてユーザの腕に連結されるように構成された上部３１４と下部３１６とを備える。上部３１４は、下部３１６に旋回可能かつ摺動可能に連結されて、外殻３１０の形状を多様な腕の横断面形状に一致させることができるため、適合性の高い、しっかりとし、かつ快適なフィット性が得られる。例示した実施形態において、スロット３１８、３２０を上部３１４の第１の端部３２２および第２の端部３２２、３２４に組み入れることによって、上部３１４は下部３１６に旋回可能かつ摺動可能に連結される。スロット３１８、３２０の各々は、ピン３２６、３２８（一方のみを図示する）に摺動可能かつ旋回可能に連結するようにサイズ決めされて構成され、第１の端部３２２および第２の端部３２４が矢印３Ａ、３Ｂの方向に独立して摺動できるようになっている。上部３１４はまた、ピン３２６、３２８の周りを矢印３Ｃの方向へ旋回して、調節機能をさらに有効にするように構成される。
【００２３】
下部３１６は、上部３１４の第１の端部３２２および第２の端部３２４を間に摺動可能に受けるようにサイズ決めされて構成された内壁３３０および外壁３３２をそれぞれ含む二重壁設計を有する。そのような二重壁構成により、妨げのない上部３１４と下部３１６との摺動係合および容易な調節機能が促進される。図示した肢アタッチメント２２０は、上部３１４の位置を摺動可能に調節して、上部を下部３１６に固定するように設計されたラインスプール・アタッチメント・システム３４０を使用する。ラインスプール・システム３４０は、第１の端部３２２および第２の端部３２４に連結されたライン３４２、３４４（一方のみを図示する）とスプール３４６とを含み、このシステム３４０を用いて、スプールを回転することによりライン３４２、３４４（一方のみを図示する）の長さを調節し、ラインを基部３１２に固定することができる。例示した実施形態において、スプール３４６は、基部３１２から矢印３Ｄの方向へ引き離されたときにライン３４２、３４４を解放し、基部に押し込まれたときにラインに係合するように構成される。ライン３４２、３４４を締め付け、または緩めて、スプール３４６を時計方向または反時計方向に回転させることにより外殻３１０を締め付け、または緩めることができる。図示したスプール３４６はラチェット機構を有し、ラチェット機構が締付け後に定位置にとどまって、ライン３４２、３４４と外殻３１０とを固定するようになっている。ライン３４２、３４４を、スペクトル・ケーブルのようなポリエチレン繊維などのポリマ繊維を含む様々な材料から作ることができる。外殻３１０の例示した実施形態は、低コストの材料に適切な可撓性および強度を与える高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から構成される。代替実施形態は、ナイロン、ポリプロピレン、およびその他の耐久性のある可撓性プラスチックなどの様々な他の材料から構成されてもよい。
【００２４】
肢アタッチメント２２０はまた、外殻３１０の内面の一部に位置するクッション材料３５０を有する。例示した実施形態において、クッション材料３５０は粘弾性発泡体であり、肢アタッチメント２２０における使用に適した固有の特性を有する。すなわち、クッション材料３５０は、ユーザの腕の形状に快適に一致することができ、しかもＰＦＦＣ２００により発生した力のような衝撃力などの突然の力を受けたときに、形状変化に抵抗する材料特性を有する。そのような材料特性は、肢アタッチメント２２０をユーザの腕に快適に、かつしっかりと取り付けることを助けて、ＰＦＦＣ２００によって触覚力が発生したときに、ＰＦＦＣがユーザの腕にしっかりと連結されて、ユーザの手などの意図した位置で力が感じられるようにする。
【００２５】
肢アタッチメント２２０はまた、基部３１２を含む。基部３１２は、細長部材２３０、２３２、２３４（図２）の１つを開口部３６０内に摺動させることによって、これらの細長部材のようなＰＦＦＣ２００の構造に摺動可能に連結するように設計された略円筒形の突起である。図示した基部３１２は、少なくとも１つの平坦部３６２を含み、この平坦部３６２は、細長部材２３０、２３２、２３４のようなＰＦＦＣ構造２００のそれぞれの平坦部に嵌合して、細長部材に対する肢アタッチメント２２０の回転を防止する。基部３１２はまた、止めねじ３６２を含み、止めねじ３６２は、肢アタッチメントを細長部材上に締め付けることにより、各肢アタッチメントをＰＦＦＣ２００に迅速かつ容易に取り付けることができるようにする。
【００２６】
図４は、手首モジュール２１６（図２）に対するグリップ・モジュール２１８（図２）のピッチ運動を可能にするとともに、ピッチ方向への触覚力を与える回転駆動部品２７０（図２）を示す。ヨー運動を可能にし、ヨー方向への触覚力を発生させる回転駆動部品２７２（図２）は、回転駆動部品２７０と同様の構成を有する。回転駆動部品２７０は、例示した実施形態では逆駆動可能なＤＣモータであるモータ４１０を含む。モータ４１０により発生した力が、駆動プーリ４１４、従動プーリ４１６、ベルト４１８、および１対のテンショナ４２０を含むベルトプーリ・システム４１２を介してグリップ・モジュール２１８（図２）に伝えられる。例示した実施形態において、ベルト４１８は歯付ベルトである。図２にも見られるように、回転駆動部品２７２は、構造部材４２２によってＰＦＦＣ２００に基礎が置かれる。回転駆動部品２７０により発生した力は、Ｚスライド２７４（図２）の近位端に連結する構造部材４２８（図２、９、１０にも見られる）によってグリップ・モジュール２８１に伝えられる。したがって、回転駆動部品２７０、２７２は、２つのＬ字型構造部材（４２２、４２８）を組み入れることにより、コンパクトな空間エンベロープ内に非常に確実で強力な設計を有して設計されて構成される。この２つのＬ字型構造部材は、構造部材４２２が回転駆動部品２７２に連結する、手首モジュール２１６との単一の接触点を有するグリップ・モジュール２１８に２つの自由度を与える。加えて、部材４２８はまた、前方にずれて構成され、ピッチ回転点４５４（図４、１９）がユーザの手首のピッチ回転の自然な位置に隣接できるように、部材４２８の遠位端部１０５０（図１０、図１９）が部材の近位端４５２（図４）の遠位にあるようにし、部材４２８の遠位端部１０５０（図１０、図１９）に連結するＺスライド２７４の近位端１０５６（図１０、図１９）が、ユーザの手のひらによるグリップ１０００（図１０）のようなグリップを位置合わせするのに十分に遠位にあるようにする。そのような構成によって、Ｚスライドの近位端１０５６をユーザの手のひらの位置により近接して位置させることができるため、グリップ・モジュール２１８の、特にピッチ方向へのより自然な運動が可能になり、よりコンパクトなＺスライド２７４の設計が可能になる。
【００２７】
図１９は、手首モジュール２１６およびグリップ・モジュール２１８の構成をさらに示す。例示の目的で、手首モジュール２１６およびグリップ・モジュール２１８の部品のいくつかが図１９において取り外されていることに留意されたい。図示したように、回転駆動部品２７２は手首モジュール２１６の底部に位置し、カバー２７８の下には、回転駆動部品２７０（図４）のモータ４１０およびベルトプーリ・システム４１２と同様のモータおよびベルトプーリ・システム（図示せず）がある。回転駆動部品２７２は、構造部材４２２の１９Ａの方向への運動によって、ヨー運動およびヨー方向への力をもたらす。図１９に示すように、回転駆動部品２７０およびグリップ・モジュール２１８は、回転駆動部品２７２が構造部材４２２を動かしたときに回転駆動部品２７０およびグリップ・モジュールの両方がヨー方向へ動くように、構造部材４２２に連結される。回転駆動部品２７０は、グリップ・モジュール２１８をピッチ方向へ動かす、構造部材４２６の１９Ｂの方向への運動によって、ピッチ運動およびピッチ方向への力をもたらす。
【００２８】
コンパクトな設計を容易にするために、モータ４１０は、モータが力を与えるように構成された運動面と平行関係に配置される。例えば、モータ４１０は、ＰＦＦＣ構造４２２に対して略垂直構成に連結されて、グリップ・モジュール２１８（図２）をピッチ方向へ、または垂直面で動かす。１対のかさ歯車４３０により、そのようなコンパクトな配置が可能になる。回転駆動部品２７２はまた、モータ４１０のハウジング内に取り付けられた回転位置センサ４３２を含み、この回転位置センサ４３２を用いて、例えば、以下で説明するＰＦＦＣ制御システムによって使用可能なグリップ・モジュール２１８の位置を表す信号を発生させることができる。例示した実施形態において、回転位置センサ４３２は回転光学エンコーダである。したがって、回転駆動部品２７２、２７０はコンパクトで低コストの確実な設計を有し、２つの自由度および２つの度合のトルク・フィードバック機能を有するグリップ・モジュール２１８（図２）を提供するように構成される。
【００２９】
図５は、Ｚスライド２７４（図２）の直線駆動部品５００の一部を示す。前述したように、Ｚスライド２７４は、軸方向の直線自由度をグリップ・モジュール２１８（図２）に与えるように構成され、また触覚力を同じ方向に与えるように構成される。Ｚスライド２７４によって一意的に、グリップ・モジュール２１８が異なる長さの手に自動的に対応できるようになり、グリップ・モジュール２１８に連結されたグリップの位置およびユーザの手に与えられた力を感知できるようになる。Ｚスライド２７４は、例示した実施形態では逆駆動可能なＤＣモータであるモータ５１０を含むことができる。モータ５１０により発生した力が、ラックアンドピニオン・システム５１２を介してグリップ・モジュール２１８（図２）に伝えられる。回転駆動部品２７０、２７２と同様に、Ｚスライド２７４は１対のかさ歯車５１４を使用して、モータ５１０をＺスライド２７４に平行にできることにより、コンパクトかつ確実な設計をもたらす。したがって、Ｚスライド２７４は、軸方向への触覚力を与えることができ、以下で説明するように、この触覚力を様々な適用で使用して、ＰＦＦＣ２００の力フィードバック機能を強化することができる。Ｚスライド２７４はまた、モータ５１０に取り付けられた、例示した実施形態では回転光学エンコーダである回転位置センサ５１６を含む。代替実施形態では、ラックアンドピニオン５１２に連結された代わりの回転センサ、および／または直線位置センサを用いて、Ｚスライド位置情報を得ることができる。ＰＦＦＣの代替実施形態は、感覚機能、表示機能、または作動機能を有していないＺスライドを含んでもよく、このＺスライドは、受動運動を通して、グリップ・モジュール２１８を異なるユーザの手のサイズに合わせて自動的に調節できるように主に構成される。さらに他の実施形態では、Ｚスライドのないグリップを手首モジュール２１６（図２）に直接組み入れてもよい。
【００３０】
図６は、下腕ひねりモジュール２６０（図２）を示す。前述したように、下腕ひねりモジュール２６０により、特定の自由度を可能にし、他の自由度を限定する。すなわち、下腕ひねりモジュール２６０により、前腕モジュール２１４と手首モジュール２１６との相対ねじり運動が可能になるとともに、相対軸方向運動を実質的に防止して、軸方向の力を前腕モジュールと手首モジュールとの間に伝えることができ、前腕モジュールがユーザの腕の下方へ摺動しないようにする。下腕ひねりモジュール２６０は、止めねじ６２２、６２４によりチューブ６１６、６２０に連結されたコネクタ・リング６１２、６１４間で延びるエラストマ要素６１０を含む。例示した実施形態において、エラストマ要素６１０はＨＤＰＥから作られる。この配置により、ユーザの手首と前腕との間に回転／ひねりのかなりの運動自由度がもたらされ、しかもＰＦＦＣ２００に沿って力を伝えるのに十分な、腕に沿った剛性を有する。チューブ６１６、６２０は、構造部材と、手首モジュール２１６および前腕モジュール２１４の間に引き回される配線６２６のための管との二重目的を果たす。
【００３１】
図７は、肘モジュール２１２（図２）をさらに示す。肘モジュール２１２は、第１の側部部材２４０および第２の側部部材２４２が旋回点２４４の周りを旋回できるようにすることにより、ＰＦＦＣ２００がユーザの腕の自然な運動に従うことができるように構成される。肘モジュール２１２はまた、第１の側部部品２４０および第２の側部部品２４２に旋回点２２４４で力を与えるように構成された駆動部品２５０を含む。駆動部品２５０は、モータ２５２とベルトプーリ・システム２５４とを含む。例示した実施形態において、モータ２５２は逆駆動可能なＤＣモータである。ベルトプーリ・システム２５４は、駆動プーリ７１０、従動プーリ７１２、２対のテンショナ７１４、７１６、および歯付ベルト７１８を含む。代わりの作動デバイスは、形状記憶合金および超音波アクチュエータを含むことができる。肘モジュール２１２はまた、モータ２５２に位置する回転光学エンコーダ７２０のような回転位置センサ、またはユーザの肘関節の位置、回転、および力データを検出するための他のセンサなどの、ユーザの肘角度を感知するための機能を含むこともできる。追加の、または代わりのセンサは、電位差計またはその他の可変抵抗要素、および／または前腕モジュール２１４に取り付けられた加速度計、ジャイロスコープおよび／または磁力計などのＩＭＵを含むことができる。
【００３２】
また、肘モジュール２１２は前腕モジュール２１４および上腕モジュール２１０を支持し、および／またはこれらに接続して、異なる腕の大きさに対応するようにモジュールを調節可能にするようにサイズ決めされ、位置決めされ、または他の方法で構成された受け部７２４、７２６を含む。また、肘モジュール２１２は摩擦ブレーキ・パッドに対して圧力を作動させて、様々な入力要因に基づいて運動に対する抵抗を変化させる可変抵抗要素を含んでもよい。他の変形形態は、２枚の磁性板間の運動に対する電磁抵抗をもたらす構造、あるいは流体圧により、または空気が電気的もしくは機械的に制御された流量弁に通されることにより制御される運動に対する抵抗をもたらす構造を含む。
【００３３】
図８は、例示的なグリップ８１０が取り外し可能に連結された、グリップ・モジュール２１８および手首モジュール２１６（図２）を示す。前述したように、グリップ・モジュール２１８は、回転駆動部品２７０、２７２（一方のみを図８に示す）とＺスライド２７４とを含む。グリップ・モジュール２１８の位置を、回転駆動部品および直線駆動部品２７０、２７２、２８０のモータ内に位置する回転光学エンコーダから判定することができ、またはＩＭＵセンサをグリップ・モジュール２１８に追加するなどの他の方法で判定することができる。また、グリップ・モジュール２１８は例示的なグリップ８１０をＺスライド２７４に取り外し可能に連結するように設計されたグリップ・アタッチメント８１２を含む。グリップ・アタッチメント８１２は、グリップ８１０などの様々なグリップをグリップ・モジュール２１８に容易かつ迅速に機械的および電気的に接続するように構成されて、ユーザが使用中にグリップを容易に交換できるようにする。例示した実施形態において、グリップ・アタッチメント８１２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）電気コネクタおよび発泡部材を含む導電性エラストマ要素および発泡部材に位置する導電性要素を介してグリップと電気接続を形成するように構成される。導電性エラストマ要素は、グリップ・アタッチメント８１２ＰＣＢとグリップ内に位置するＰＣＢとの間に位置して電気接続を形成するように構成される。例示的なグリップ８１０は、Ｚスライド２７４に取り付けられた右手ハンドル構造８２０を含む。図示したように、Ｚスライド２７４およびグリップ８１０は、ユーザの手首の遠位、および回転駆動部品２７０、２７２（一方のみを図８に示す）の遠位に位置する。使用時に、グローブ状の布地構造８２２などのアタッチメント構造を用いて、右手ハンドル構造８２０をユーザの手のひら領域にわたってユーザの手に取り付けることができ、ストラップを用いてハンドル構造を調節することができる。例示的なグリップ８１０により、ユーザはＰＦＦＣ２００を着用している間に物体を持ち上げて操作することができる。グリップ・モジュール２１８に連結され得るグリップの他の実施形態は、グリップ・モジュールをユーザの手に機械的に連結するための任意の構造を含み、これには、図８に示すように、ユーザの手の背面に隣接するように設計された右手ハンドル構造８２０などの、ユーザの手で把持されるように設計されない構造が含まれる。
【００３４】
図９および図１０は、グリップ・モジュール２１８に取り外し可能に連結可能な代わりのグリップ９００、１０００を示す。グリップ・モジュール２１８およびＺスライド２７４は、様々な能動（例えば、様々な感覚機能、表示機能、および作動機能による）グリップまたは受動グリップに対応することができる。グリップ９００（図９）は、Ｚスライド２７４に連結された操縦棒のような人間工学的ハンドル９１０を含む。ハンドル９１０は、ＰＦＦＣの適用のための入力を行うように構成された４位置ハット・スイッチ９１２と、ユーザがハンドルを保持しているときを検出するための赤外線近接センサ（図示せず）とを含むことができる。グリップ９００の可能な適用は、車両制御および飛行シミュレーションを含む。グリップ１０００（図１０）は、Ｚスライド２７４に連結されたピストル・ハンドル１００２を含む。ピストル・ハンドル１００２は、トリガー作動スイッチ１００４と、グリップ１０００の側面に沿ったボタン１００６などの任意の数の構成ボタンとを含むことができる。グリップ１０００を、例えば、武器訓練シミュレーションおよびゲームのために使用することができる。例示した実施形態において、Ｚスライド２７４は、発砲するときの反動力などのグリップ１０００に特有の触覚力フィードバック機能をもたらすことができる。一実施形態において、ピストル・ハンドル１００２はまた、内部ソレノイド（図示せず）を有し、この内部ソレノイドは、Ｚスライド２７４によって発生した力に加えて追加の衝撃反力を与えることにより、仮想ピストルの発砲に追加の触覚の現実感を加えることができる。
【００３５】
図１１および図１２は、隣接するモジュール間の相対ねじり運動を可能にするように使用され得るひねりモジュールの代替実施形態を示す。例えば、ひねりモジュール１１００またはひねりモジュール１２００を、下腕ひねりモジュール２６０（図２および図６）の代わりに使用してもよい。ひねりモジュール１１００は、入れ子構造１１０６と、隣接するモジュール間の相対運動を可能にする接合部１１０８、１１１０とを接合する２つの側部腕部材１１０２、１１０４を含む。入れ子部分１１０６のねじ付外軸１１１２をねじ付内軸１１１４に対して回転させることによって、ひねりモジュール１１００の全体長さを、例えば、ユーザの腕の長さに一致するように調節してもよい。電気ケーブルは、チューブ１１２０、１１２２の内腔を通って引き回されてもよい。ひねりモジュール１２００（図１２）は、接合部１２０６で接合された第１の腕部材１２０２と第２の腕部材１２０４とを含み、この接合部１２０６は、相対回転運動および角運動を可能にするが軸方向運動を実質的に防止する。接合部１２００は、オペレータの下腕のひねりの高解像度感知を行うために使用可能な高解像度回転光学エンコーダを含んでもよい。
【００３６】
図１３は、肘モジュール２１２などの肘モジュールで使用可能な代替ヒンジ機構１３００を示す。ヒンジ１３００は、多中心ヒンジ１３０６により旋回可能に連結された第１の側部部材１３０２と第２の側部部材１３０４とを含む。多中心ヒンジ１３０６は、第１の側部部材１３０２と第２の側部部材１３０４との角運動の割合を１：１または１：１以外の割合とすることのできるギア付機構である。例えば、多中心ヒンジ１３０６の周りの、第１の側部部材１３０２の所与の量の角運動に対して、第２の側部部材１３０４は異なる量だけ動くことができる。そのような関係を用いて、ユーザの腕の自然な運動により細密に従う肘モジュールを提供することができ、これにより、肢アタッチメントとユーザの腕との間の望ましくない相対軸方向運動を防止することができる。
【００３７】
前述したように、ＰＦＦＣの例示的な実施形態はモジュール式ＰＦＦＣを含み、このＰＦＦＣは、異なる適用について容易に接続され取り外され得る交換可能なモジュールからなる。したがって、モジュールのサブセットを特殊な目的で使用することができる。例えば、使用可能なＰＦＦＣモジュールのサブセットを、特定の目的で使用することができる。これにより、ＰＦＦＣを必要な機能に合わせて最適に再構成することができる。例示的な実施形態は、標準化された機械的嵌合機能ならびに電気データおよび電力コネクタを使用することにより、この構成可能性を支持する。例えば、一実施形態において、１．２７センチメートル（１／２インチ）（または他の大きさの）アルミニウム・チューブ、または二重の平坦部を有する他のワイヤ送達構造を、ＰＦＦＣの構造およびそのモジュールにおいて広く使用することができる。モジュールは、適切な嵌合部品（ピンアンドレセプタクルなど）を用いて、これらのチューブまたはその他のワイヤ送達構造に容易に取り付けられてよく、止めねじにより構造に取り付けられてもよく、または適宜構造に沿って摺動するようにしてもよい。一実施形態において、円形、プッシュプル式、自己ラッチ、迅速交換式コネクタを用いて、モジュール間のデータおよび電力接続を、迅速に設定することができ、または再構成のために遮断させることができる。図１４および図１５は、モジュール性についてのＰＦＦＣ２００などのＰＦＦＣの機能を示す。例えば、図１４は、手首モジュール２１６およびグリップ・モジュール２１８を他のモジュールからどのように独立して使用するかを示し、これにより、武器訓練またはゲームのための携帯性の高いコントローラを提供することができる。図１５は、前腕モジュール２１４、肘モジュール２１２、および上腕モジュール２１０を、肘の体操または物理的治療などの様々な適用のために他のモジュールから独立して使用することができる、別の例を示す。
【００３８】
図１６〜図１８は、様々なＰＦＦＣの実施形態と共に使用可能な例示的なコンピュータおよび電気システム構成を示す。例示的なシステム構成１６００は、１つまたは複数のプロセッサ、外部通信コンポーネント１６０４、内部通信コンポーネント１６０６、モータ駆動コンポーネント１６０８、およびエンコーダ・インタフェース・コンポーネント１６１０を含み得る処理コンポーネント１６０２を備える。外部通信コンポーネント１６０４は、送信機、受信機、送受信機、通信ポート、またはＰＦＦＣ電子機器と搭載ホスト・コンピュータもしくは遠隔ホスト・コンピュータとの通信を処理するように構成されたその他の通信デバイスであってよい。様々な有線通信プロトコルおよび無線通信プロトコルは、外部通信コンポーネント１６０４によって処理されてよい。内部通信コンポーネント１６０６は、グリップ・モジュールに取り付けられたグリップとの通信などの、モジュールとＰＦＦＣのコンポーネントとのデータ通信を処理することができる。
【００３９】
モータ駆動コンポーネント１６０８は、処理コンポーネント１６０２が１つまたは複数のモータのトルクを制御できるように構成されたエンコーダまたは駆動装置を含むことができる。例えば、制御は、２つのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号と方向信号とを使用することを含んでよい。ＤＣモータにより使用される電流に正比例するアナログ信号を処理コンポーネント１６０２に与えて、トルク制御をモータについて行うことができるようにしてもよい。様々なモータをモータ駆動コンポーネント１６０８により動作させることができる。任意のモジュールがモータおよびモータ駆動コンポーネントを含んでもよい。任意のモジュールのモータ駆動コンポーネント１６０８は、それぞれのモジュールのモータを駆動することにより、ユーザに力フィードバックを与えることができる。追加の感知能力およびオプションのブレーキ抵抗またはトルク・モータ作動構造が、モジュールおよび／またはそれらの部品のいずれかと共に含まれていてもよい。
【００４０】
エンコーダ・インタフェース・コンポーネント１６１０は、直角位相形式で与えられたような、任意のモジュールの駆動コンポーネントからの直線センサ情報および回転センサ情報を受信および／または処理することができる。エンコーダ・インタフェース・コンポーネント１６１０は、センサとの基本的なインタフェーシングを処理することができ、適用可能であれば、ハードウェアにエンコーダの「カチカチ音」カウンタを実装することができる。処理コンポーネント１６０２を読み取って、カウンタをリセットすることができる。モータ、モータ駆動コンポーネント１６０８、およびエンコーダ・インタフェース・コンポーネント１６１０の数は、ＰＦＦＣの特定の構成に基づいて変化し得る。
【００４１】
図１７は、モジュール式ＰＦＦＣのモジュール性を促進させるために、ＰＦＦＣの電子構成がモジュール・システムとしてどのように設計され得るかを示す、構成１６００の例示的な適用１７００を示す。電子部品は、モジュール性および／またはパッケージを考慮して、単一のプリント回路基板上に共に存在するように、または複数のプリント回路基板にわたって分散され得るように設計されてよい。例えば、モジュールは、固有の回路基板を含んでもよく、または１つまたは複数の他のモジュールまたはコンポーネントと回路基板を共有してもよい。図１７に示す一実施形態において、ＰＦＦＣ電子機器は、単一のプリント回路基板アセンブリ上にホストされる。例示した実施形態は、高性能デジタル信号プロセッサの形の処理コンポーネント（処理コンポーネント１６０２に対応）、図示したように複雑なプログラム可能論理デバイス（ＣＰＬＤ）を用いて実施可能な７つのエンコーダ・インタフェース（エンコーダ・インタフェース・コンポーネント１６１０に対応）、および６つのモータ駆動コンポーネント（モータ駆動コンポーネント１６０８に対応）を含む。外部通信コンポーネント（外部通信コンポーネント１６０６に対応）は、有線ＵＳＢ２．０および／または通信プロトコルを含むことができる。内部通信コンポーネント（内部通信コンポーネント１６０６に対応）は、双方向シリアル通信、単一のエンコーダのための直角位相インタフェース、単一のＤＣモータのためのモータ駆動信号、およびグリップ・バスへの電力供給ＤＣ電源を含む。
【００４２】
図１８は、例示的なモータ駆動コンポーネント１８００（モータ駆動コンポーネント１６０８に対応）を示す。ＰＦＦＣ電子機器は、ＤＣ電源、例えば、変圧器またはバッテリを有するＡＣアダプタにより電力供給され得る。一実施形態において、ＰＦＦＣ電子機器は、１２Ｖ〜３０ＶのＤＣ電源により電力供給されてよい。一実施形態において、ＰＦＦＣ電子機器は、２２Ｖ、２．５ａｍｐのＤＣ電源により電力供給されてよい。別の実施形態において、ＰＦＦＣ電子機器は、１４．８Ｖ、８００ｍＡｈのリチウム・ポリマ・バッテリにより電力供給されてよい。
【００４３】
加えて、ＭＰＥＦＦＣ電子機器は、一般的な消費者環境、実験室環境、および産業環境（すなわち、５〜３８℃）において受動冷却のみが必要であるように設計されてよい。
本明細書に記載のＰＦＦＣは、身体の位置を感知し、身体の１つまたは複数の部位に触覚刺激（運動に対する抵抗、触覚モータ力、モータによる振動、超音波振動、または加熱要素および冷却要素が任意のモジュールに含まれる場合に熱もしくは冷気を加えることなどによる）、および／または非触覚刺激（視覚表示、音、匂いの１つまたは複数を意味し得る）を加えることができる。ＰＦＦＣモジュールは互いに取り付けられて、互いに順に動作し、または互いに独立して動作することができるため、ユーザは様々な外骨格アタッチメントを共にまたは別個に購入することができる。
【００４４】
本明細書に記載のＰＦＦＣを、遠隔コンピュータ、搭載コンピュータ、および／またはスマート・フォンもしくはタブレットなどの携帯用電子デバイスにより制御することができる。様々な実施形態において、システムが、外骨格または携帯用電子デバイスの一部として含まれるバックパック内でコンソールとして独立していても、テーブル上にあっても、システムはＰＦＦＣに配線されてよく、またはＰＦＦＣへの無線接続を有してよい。その後、この通信により、コンピュータが位置センサまたは他のセンサを読み取ることができ、次いで、ＰＦＦＣまたはアドオン・アタッチメントを通して触覚刺激または非触覚刺激を加えることができる。
【００４５】
例示的な実施形態について上で開示し、添付図面において例示した。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に詳細に開示された内容に対して様々な変更、省略、および追加を行ってもよいことを理解されたい。
【図１】
2016519793.tif 000003
【図３】
2016519793.tif 000004
【図４】
2016519793.tif 000005
【図５】
2016519793.tif 000006
【図６】
2016519793.tif 000007
【図７】
2016519793.tif 000008
【図８】
2016519793.tif 000009
【図９】
2016519793.tif 000010
【図１０】
2016519793.tif 000011
【図１１】
2016519793.tif 000012
【図１２】
2016519793.tif 000013
【図１３】
2016519793.tif 000014
【図１４】
2016519793.tif 000015
【図１５】
2016519793.tif 000016
【図１８−１】
2016519793.tif 000017
【図１８−２】
2016519793.tif 000018
【図１９】
2016519793.tif 000019
【図２】
2016519793.tif 000020
【図１６】
2016519793.tif 000021
【図１７】
2016519793.tif 000022
【国際調査報告】
2016519793.tif 000023
2016519793.tif 000024
2016519793.tif 000025