(57)【要約】  目標位置に加圧ガスを制御自在に提供するための空気圧式制御装置が開示されている。空気圧式制御装置は、本体と、本体の下部に結合される第１の膜とを備えるエラストマーマニホールドを含むことができる。本体及び第１の膜は、第１の入口、第１の出口、及び吐出し口を有する第１の統合流路を形成することができ、第１の統合流路は第１の入口で第１の圧力の加圧ガスを受け取り、第１の出口に加圧ガスを提供するように構成される。また、本体は、加圧ガスの昇圧に耐えるほど十分な剛性も有する。また、空気圧式制御装置は、第１の統合流路内の加圧ガスの流れを制御するために第１の構成から第２の構成へ第１の膜を変化させるように構成されたアクチュエータを含むことができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標位置に加圧流体を制御自在に提供するための空気圧式制御装置であって、
本体と、前記本体の一部に結合された膜とを備えるエラストマーマニホールドであって、前記本体と前記膜との間の第１の体積が、第１の入口、第１の出口、及び第１の吐出し口を有する少なくとも１つの第１の統合流路を形成し、前記第１の統合流路が前記第１の入口で第１の圧力の加圧流体を受け取り、前記第１の出口に前記加圧流体を提供するように構成される、エラストマーマニホールドと、
第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータを備えるバルブユニットであって、前記第１のアクチュエータが前記膜の第１の部分を偏向させて、前記第１の統合流路の前記第１の入口と前記第１の出口との間の流体流れを制御するように構成され、前記第２のアクチュエータが前記膜の第２の部分を偏向させて、前記第１の統合流路の前記第１の出口と前記第１の吐出し口との間の流体流れを制御するように構成される、バルブユニットと
を備える、空気圧式制御装置。
【請求項２】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの内の少なくとも１つが圧電アクチュエータを備える、請求項１に記載の空気圧式制御装置。
【請求項３】
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの内の少なくとも１つが、形状記憶合金、誘電エラストマー、及び空気圧式／油圧式アクチュエータの内の１つ又は複数を備える、請求項１または２に記載の空気圧式制御装置。
【請求項４】
前記本体が第１の材料を備え、前記膜が第２の材料を備え、前記第２の材料が前記第１の材料と少なくとも同程度に弾性がある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項５】
前記本体と前記膜との間の前記第２の体積が、第２の入口、第２の出口、及び第２の吐出し口を有する第２の統合流路を形成し、前記空気圧式制御装置が、前記膜の第３の部分を偏向させて、前記第２の入口と、前記第２の出口と、前記第２の吐出し口との間の流体流れを制御するように構成された第２のバルブユニットをさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項６】
前記第１の出口が加圧可能チャンバに結合される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項７】
前記加圧可能チャンバがソフトロボットシステムの構成部品である、請求項６に記載の空気圧式制御装置。
【請求項８】
前記加圧流体の前記第１の圧力が少なくとも５ｐｓｉである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項９】
前記第１の統合流路の高さが少なくとも１００μｍである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項１０】
前記第２の材料が、柔らかいシリコーン材料及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の混合物を含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項１１】
前記膜が、１５０％を超える最大許容歪みを有する材料を備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の空気圧式制御装置。
【請求項１２】
加圧流体を制御自在に提供するための流量制御装置であって、
第１の入力部と、第１の出口と、第１の統合流路とを備える第１のエラストマーマニホールドであって、前記第１の入力部が前記第１の統合流路に結合され、第１の空気圧源から加圧流体を受け取るように構成される、第１のエラストマーマニホールドと、
第２の入力部と、第２の出口と、第２の統合流路とを備える第２のエラストマーマニホールドであって、前記第２の入力部が前記第２の統合流路に結合され、第２の空気圧源から加圧流体を受け取るように構成される、第２のエラストマーマニホールドと、
前記第１のエラストマーマニホールドと前記第２のエラストマーマニホールドとの間に配置される可撓性エラストマー膜であって、前記エラストマー膜が前記第１のエラストマーマニホールドの前記第１の出口と前記第２のエラストマーマニホールドの前記第２の統合流路とを分離する、可撓性エラストマー膜と、
前記第１の統合流路の壁を偏向させて、前記第１の統合流路を遮断するように構成されたアクチュエータと
を備え、
前記第１の統合流路の前記壁が偏向されないときに、前記第１の統合流路が、前記第１の圧力源から前記可撓性エラストマー膜へ前記加圧流体を提供し、それによって前記可撓性エラストマー膜を偏向させて、前記第２の統合流路の前記第２の入力部及び前記第２の出口を遮断するように構成される、
流量制御装置。
【請求項１３】
前記第２の出口が加圧可能チャンバに結合される、請求項１２に記載の流量制御装置。
【請求項１４】
前記第１の圧力が、前記第２の圧力よりも少なくとも５ｐｓｉ大きい、請求項１２または１３に記載の流量制御装置。
【請求項１５】
作動時の前記アクチュエータの変位が前記第２の統合流路の厚さに満たない、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の流量制御装置。
【請求項１６】
前記第１のエラストマーマニホールドが、第１の複数の統合流路を備え、前記第１の複数の統合流路のそれぞれが前記第１の入口に結合され、独立した出口を備え、
前記第２のエラストマーマニホールドが、第２の複数の統合流路を備え、前記第２の複数の統合流路のそれぞれが前記第２の出口に結合され、独立した圧力源に結合された独立した入口を備え、
前記流量制御装置が、前記第１のエラストマーマニホールドの前記第１の複数の統合流路の内のただ１つの流体流れを遮断し、それによって前記第２のエラストマーマニホールドの前記第２の複数の統合流路の内の１つを除くすべての流体流れを遮断するように構成された複数のアクチュエータをさらに備える、
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の流量制御装置。
【請求項１７】
前記可撓性エラストマー膜が、１５０％を超える最大許容ひずみを有する材料を備える、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の流量制御装置。
【請求項１８】
加圧可能チャンバを作動させる方法であって、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の前記空気圧式制御装置の前記エラストマーマニホールドの前記統合流路の前記入口から加圧流体を受け取ることと、
前記第１の膜の第１の部分を偏向させ、それによって前記第１の統合流路の前記出口と前記吐出し口との間の流体流れを遮断するために、及び前記第１の出口を通して前記第１の出口に結合された前記加圧可能チャンバに前記加圧流体を送るために、前記空気圧式制御装置の前記第２のアクチュエータを第１の位置から第２の位置に移動することと、
いったん前記加圧可能チャンバ内の圧力が所定レベルに達すると、前記第１の膜の第２の部分を偏向させ、それによって前記第１の統合流路の前記入口と前記出口との間の流体流れを遮断するために、及び前記加圧可能チャンバ内の前記圧力を維持するために、前記第１のアクチュエータを第３の位置から第４の位置に移動することと
を含む方法。
【請求項１９】
前記加圧可能チャンバから前記吐出し口への流体流れを可能にするために前記第２の位置から前記第１の位置に前記第２のアクチュエータを移動することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧力源から前記加圧流体を受け取ることが、前記圧力源から少なくとも５ｐｓｉの圧力を有する加圧流体を受け取ることを含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記空気圧式制御装置での計算装置から、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの内の１つ又は複数を移動する命令を受け取ることをさらに含む、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記命令を受け取ることが、無線通信システム上で前記命令を受け取ることを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
加圧可能チャンバを作動させる方法であって、
請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の前記流量制御装置の前記第１のマニホールド内の前記第１の統合流路で、第１の圧力源から加圧流体を受け取ることと、
前記流量制御装置の前記第２のマニホールド内の前記第２の統合流路で、第２の圧力源から加圧流体を受け取ることと、
前記加圧可能チャンバに前記第２の統合流路の前記第２の出口を結合することと、
前記第１の統合流路の壁を偏向して、前記第１の統合流路内の流体流れを遮断し、それによって前記第２の圧力源から前記加圧可能チャンバに前記加圧流体を提供するために、第１の位置から第２の位置に前記流量制御装置の前記アクチュエータを移動することと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記第１の圧力源から前記可撓性エラストマー膜に前記加圧流体を提供し、それによって前記可撓性エラストマー膜に前記第２の統合流路の流体流れを遮断させるために、前記第２の位置から前記第１の位置に前記流量制御装置の前記アクチュエータを移動することをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の圧力源からの前記加圧流体の圧力が、前記第２の圧力源からの前記加圧流体の圧力よりも少なくとも５ｐｓｉ大きい、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の統合流路の高さが少なくとも１００μｍである、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記加圧可能チャンバ内の加圧流体を解放するために、前記第２の出口を吐出し口に結合することをさらに含む、請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、Ｍｏｓａｄｅｇｈらにより２０１２年１０月２２日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＡＣＴＵＡＴＩＮＧ  ＳＯＦＴ  ＲＯＢＯＴＳ」と題する米国仮特許出願第６１／７１６，７６５号の先の出願日の利益を主張する。本明細書に引用されるすべての特許、特許出願、及び公報は、本明細書に記載される発明の日付時点で当業者に既知の技術水準をより完全に説明するためにその全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（連邦政府資金による研究開発の記載）
本発明は、米国国防高等研究計画局によって与えられた助成金番号第Ｗ９１１ＮＦ−１１−１−００９４号の下で米国政府支援を受けてなされた。米国合衆国は本発明に特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
棘皮動物（ヒトデ、ウニ）及び刺胞動物（クラゲ）等の生命体は太古からあり、最も高度なハードロボットシステムにおいてさえ見られない移動を行うことができる信じられないほど成功した相対的に単純な生命体である。自然と最先端のロボットシステムとの間にあるギャップの１つの主要な理由は、ロボティックスに使用可能な材料の選択における厳しい制限である。自然のシステムと最先端のロボットシステムとの間のこのギャップを埋めるために、ロボットシステムは異なる材料を利用してきた。例えば、ソフトロボットシステムは、ソフトエラストマー等の軟質材料、又は紙及びニトリル等の可撓性材料を使用して、その全体が参照することにより本明細書に組み込まれるＳｈｅｐｈｅｒｄらによる「Ｓｏｆｔ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題する米国仮特許出願第６１／５９８，６９１号、及びＭａｚｚｅｏらによる「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｒｏｂｏｔｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」と題する米国仮特許出願第６１／５８８，５９６号に開示されるその構造物を構築することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ソフトロボットシステムは、ソフトロボットシステムの異なる部分が加圧ガスを使用して適切に加圧されるときに動きを提供することができる。多くの場合、ソフトロボットシステムは、ソフトロボットシステムの異なる部分が独立的に加圧されるときに複雑な動きを提供することができる。残念なことに、加圧ガスを提供するための既存の機構はかさばり、低速であり、多くのソフトロボットシステム用途にとって不正確であり、既存の機構は複数の出口に独立して加圧ガスを提供するために良好に適合していない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
柔軟なロボットアクチュエータのための制御システムが説明される。本開示のこれらの及び他の態様及び実施形態は以下に示され、説明される。
【０００６】
いくつかの実施形態は、目標位置に加圧流体を制御自在に提供するための空気圧式制御装置を含む。空気圧式制御装置は、本体と、本体の一部に結合された膜とを備えるエラストマーのマニホールドを含むことができ、本体と膜との間の第１の体積が、第１の入口、第１の出口、及び第１の吐出し口を有する少なくとも１つの第１の統合流路を形成し、第１の統合流路は第１の入口で第１の圧力の加圧流体を受け取り、第１の出口に加圧流体を提供するように構成される。また、空気圧式制御装置は、第１のアクチュエータと、第２のアクチュエータとを備えるバルブユニットも含むことができ、第１のアクチュエータは膜の第１の部分を偏向させて、第１の統合チャンネルの第１の入口と第１の出口との間の流体流れを制御するように構成され、第２のアクチュエータは膜の第２の部分を偏向させて、第１の統合流路の第１の出口と第１の吐出し口との間の流体流れを制御するように構成される。
【０００７】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータの内の少なくとも１つは圧電アクチュエータを備える。
【０００８】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータの内の少なくとも１つは、形状記憶合金、誘電エラストマー、及び空気圧式アクチュエータ／油圧式アクチュエータの内の１つ又は複数を含む。
【０００９】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、本体は第１の材料を含み、膜は第２の材料を含み、第２の材料は第１の材料と少なくとも同程度に弾性がある。
【００１０】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、本体と膜との間の第２の体積は、第２の入口、第２の出口、及び第２の吐出し口を有する第２の統合流路を形成し、空気圧式制御装置はさらに、膜の第３の部分を偏向させて、第２の入口と第２の出口と第２の吐出し口との間の流体流れを制御するように構成された第２のバルブユニットを備える。
【００１１】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１の出口は加圧可能チャンバに結合される。
【００１２】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、加圧可能チャンバはソフトロボットシステムの構成部品である。
【００１３】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、加圧流体の第１の圧力は少なくとも５ｐｓｉである。
【００１４】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１の統合流路の高さは少なくとも１００μｍである。
【００１５】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第２の材料は柔らかいシリコーン材料及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の混合物を含む。
【００１６】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、膜は１５０％より大きい最大許容ひずみを有する材料を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態は、加圧流体を制御自在に提供するための流量制御装置を含む。流量制御装置は、第１の入力部、第１の出口、及び第１の統合流路を備える第１のエラストマーマニホールドであって、第１の入力部が第１の統合流路に結合され、第１の空気圧源から加圧流体を受け取るように構成される第１のエラストマーマニホールドと、第２の入力部、第２の出口、及び第２の統合流路を備える第２のエラストマーマニホールドであって、第２の入力部は第２の統合流路に結合され、第２の空気圧源から加圧流体を受け取るように構成される第２のエラストマーマニホールドと、第１のエラストマーマニホールドと第２のエラストマーマニホールドとの間に配置される可撓性エラストマー膜であって、エラストマー膜が第１のエラストマーマニホールドの第１の出口及び第２のエラストマーマニホールドの第２の統合流路を分離する可撓性エラストマー膜と、第１の統合流路の壁を偏向させて、第１の統合流路を遮断するように構成されたアクチュエータとを含むことができ、第１の統合流路の壁が偏向されないとき、第１の統合流路は第１の圧力源から可撓性のエラストマー膜に加圧流体を提供し、それにより可撓性エラストマー膜を偏向させて、第２の統合流路の第２の入力部及び第２の出口を遮断するように構成される。
【００１８】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第２の出口は加圧可能チャンバに結合される。
【００１９】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１の圧力は第２の圧力よりも少なくとも５ｐｓｉ大きい。
【００２０】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、作動時のアクチュエータの変位は、第２の統合流路の厚さに満たない。
【００２１】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１のエラストマーマニホールドは第１の複数の統合流路を備え、第１の複数の統合流路のそれぞれは第１の入口に結合され、独立した出口を備え、第２のエラストマーマニホールドは第２の複数の統合流路を備え、第２の複数の統合流路のそれぞれは第２の出口に結合され、独立した圧力源に結合された独立した入口を備え、流量制御装置は、第１のエラストマーマニホールドの第１の複数の統合流路の内の１つだけの流体流れを遮断し、それによって第２のエラストマーマニホールドの第２の複数の統合流路の内の１つを除くすべての流体流れを遮断するように構成された複数のアクチュエータをさらに備える。
【００２２】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、可撓性エラストマー膜は、１５０％より大きい最大許容ひずみを有する材料を含む。
【００２３】
いくつかの実施形態は、加圧可能チャンバを作動させる方法を含む。方法は、開示されている実施形態に従って空気圧式制御装置のエラストマーマニホールドの統合流路の入口から加圧流体を受け取ることと、第１の膜の第１の部分を偏向させ、それによって第１の統合流路の出口と吐出し口との間の流体流れを遮断させるために、及び第１の出口を通って第１の出口に結合された加圧可能チャンバに加圧流体を送るために第１の位置から第２の位置に空気圧式制御装置の第２のアクチュエータを移動することと、いったん加圧可能チャンバ内の圧力が所定レベルに達すると、第１の膜の第２の部分を偏向させ、それによって第１の統合流路の入口と出口との間の流体流れを遮断するために、及び加圧可能チャンバ内の圧力を維持するために第３の位置から第４の位置に第１のアクチュエータを移動することとを含む。
【００２４】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、方法は、加圧可能チャンバから吐出し口への流体流れを可能にするために第２の位置から第１の位置に第２のアクチュエータを移動することを含む。
【００２５】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、圧力源から加圧流体を受け取ることは、圧力源から少なくとも５ｐｓｉの圧力を有する加圧流体を受け取ることを含む。
【００２６】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、方法は、空気圧式制御装置での計算装置から、第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータの内の１つ又は複数を移動する命令を受け取ることを含む。
【００２７】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、命令を受け取ることは、無線通信システム上で命令を受け取ることを含む。
【００２８】
いくつかの実施形態は、加圧可能チャンバを作動させる方法を含む。方法は、いくつかの実施形態に従って流量制御装置の第１のマニホールドの第１の統合流路で、第１の圧力源から加圧流体を受け取ることと、流量制御装置の第２のマニホールドの第２の統合流路で、第２の圧力源から加圧流体を受け取ることと、第２の統合流路の第２の出口を加圧可能チャンバに結合することと、第１の統合流路の壁を偏向させて、第１の統合流路の流体流れを遮断し、それによって第２の圧力源から加圧可能チャンバに加圧流体を提供するために、第１の位置から第２の位置に流量制御装置のアクチュエータを移動することとを含む。
【００２９】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、方法は、第１の圧力源から可撓性エラストマー膜に加圧流体を提供し、それによって可撓性エラストマー膜に第２の統合流路の流体流れを遮断させるために、第２の位置から第１の位置に流量制御装置のアクチュエータを移動することも含む。
【００３０】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第１の圧力源からの加圧流体の圧力は、第２の圧力源からの加圧流体の圧力よりも少なくとも５ｐｓｉ大きい。
【００３１】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、第２の統合流路の高さは少なくとも１００μｍである。
【００３２】
本明細書に説明される実施形態のいずれかにおいて、方法は、加圧可能チャンバ内の加圧流体を解放するために、第２の出口を吐出し口に結合することも含む。
【００３３】
本発明は、説明のためだけに提示され、制限的となることを目的としていない以下の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】特定の実施形態に従って、加圧に応えるソフトロボットアクチュエータの動きを示す図である。
【図２Ａ−２Ｃ】特定の実施形態に係る空気圧式制御装置を示す図である。
【図３Ａ−３Ｄ】特定の実施形態に係る異なる構成での空気圧式制御装置の断面図である。
【図４】特定の実施形態に係る空気圧式制御装置の上から見た図である。
【図５】特定の実施形態に係る物理的に構築された空気圧式制御装置の上から見た図である。
【図６Ａ−６Ｃ】特定の実施形態に係る空気圧式制御装置の特徴を示す図である。
【図７Ａ−７Ｃ】特定の実施形態に係る空気圧式制御装置のバルブユニットを個々に制御することを示す図である。
【図８】特定の実施形態に係るマスター／スレーブマニホールドを有する多段エラストマーマニホールドの単一の要素の（Ａ）分解図、及び（Ｂ）拡大図である。
【図９Ａ−９Ｂ】特定の実施形態に係る多段エラストマーマニホールドの動作を示す断面図である。
【図１０Ａ−１０Ｂ】特定の実施形態に係るマスター／スレーブマニホールドの特徴を示す図である。
【図１１Ａ−１１Ｂ】特定の実施形態に従って多様な作動シーケンスを使用して柔らかい触手を制御するための圧力プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
空気圧式アクチュエータ又は油圧式アクチュエータは、加圧されて動きを提供することができる流路を含むことができる。図１は、例えば、空気圧加圧に応える、ソフトロボット等の空気圧式アクチュエータシステムの動きを示す。空気圧式アクチュエータシステムが（図１の左側から右側へ移動する矢印により示されるように）増加する圧力を受けるにつれ、ソフトロボットは異なり、かつより複雑な形状を取る。いくつかの場合、ソフトロボットは、ソフトロボットのアクチュエータが独立して加圧されるときに複雑な動きを提供することができる。通常、ソフトロボットは、圧力源及び大型ソレノイドベースのバルブの列を含む加圧システムを使用して加圧される。ソレノイドベースのバルブを圧力源からソフトロボットの異なる部分に加圧ガスを分散するように構成することができる。残念なことに、ソレノイドベースのバルブは、複雑で低速で、かさばり、高価であり、かつ再構成が困難となる傾向があり、ソレノイドベースのバルブは大量の電力を消費する傾向がある。さらに、ソレノイドベースのバルブは、ソフトロボット内に多数の独立した加圧チャンバを収容するほど良好に拡大縮小しない。
【００３６】
開示されている装置、システム、及び方法は、既存の加圧機構に関連するこれらの問題に対応する。開示されている装置、システム、及び方法は、ソフトロボットアクチュエータ等の多数の空気圧式作動システム又は油圧式作動システムに加圧ガスを提供することができる空気圧式制御装置を提供する。いくつかの場合、空気圧式制御装置は、単一の圧力源に結合され、単一の圧力源から複数のソフトロボットアクチュエータに加圧ガスを提供することができる。他の場合、空気圧式制御装置は複数の圧力源に結合され、複数の圧力源の内の１つからソフトロボットアクチュエータに加圧ガスを提供することができる。空気圧式制御装置の係る融通性は複雑な空気圧ネットワークの設計を促進でき、それによって同様に高度空気圧式作動システム又は高度油圧式作動システムの開発を促進することができる。さらに、開示されている空気圧式制御装置のコンパクトさ及び携帯性は、手術室並びに捜索及び救助等の要求が高い環境での新しいソフトロボット用途を可能にできる。
【００３７】
開示されている空気圧式制御装置は、物理的なアクチュエータ及びエラストマー装置を含む。エラストマー装置は、ガス流を誘導するための統合流路を含むことができる。物理的なアクチュエータを、第１の状態及び第２の状態を含む複数の状態の内の１つに作動することができる。物理的なアクチュエータは、第１の状態で、物理的なアクチュエータがエラストマー装置の外壁を物理的に押して、エラストマー装置の統合流路の内の１つを閉じ、それによって統合流路の内の１つを通るガス流を停止することができるように、エラストマー装置に関して配置することができる。他方、第２の状態で、物理的なアクチュエータは、エラストマー装置の統合流路の内の１つを解放し、それによって統合流路の内の１つを通るガス流を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、エラストマー装置は物理的なアクチュエータの上方に配置することができる。その場合、物理的なアクチュエータは垂直に移動して、統合流路を通るガス流を制御することができる。他の実施形態では、エラストマー装置は、物理的なアクチュエータがエラストマー装置の統合流路を通るガス流を制御することができるように、物理的なアクチュエータに対して自由裁量で配置することができる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、物理的なアクチュエータは圧電アクチュエータを含むことができる。いくつかの場合、圧電アクチュエータは、点字表示装置で使用されるピン等のピンを含むことができる。例えば、ピンは、統合流路の内の１つを可逆的に遮断して、統合流路内の空気圧流れを制御するように構成することができる。この流路流量制御機構は、空気圧式作動システム又は油圧式作動システムに非常に多機能な空気圧制御を提供することができる。他の実施形態では、物理的なアクチュエータは、移動を提供し、エラストマー材の層を偏向させるために十分な力を提供することができる任意のタイプのアクチュエータである可能性がある。例えば、物理的なアクチュエータは、形状記憶合金、誘電エラストマー、又は空気圧／油圧ベースのアクチュエータに基づくことができる。
【００３９】
点字表示装置は、マイクロ流体工学用途で使用されている。ただし、マイクロ流体工学用途の流体制御装置は、多くの場合、ほぼ大気圧で流体を移送するために設計されている。流体制御装置の流体流路は、多くの場合薄い。流体制御装置の流路高さは、約３０μｍであり、低速低圧の流体流れには申し分ないが、高速高圧の空気圧流には十分ではない可能性がある。また、流体制御アーキテクチャは、点字ディスプレイの圧電アクチュエータは限られた変位を有するため、大型流路を通る流体流れを制御するために修正可能ではない。
【００４０】
対照的に、開示されている空気圧式制御装置は、高圧高流量でガスを移送するように設計されている。これらの特徴は、ソフトロボットアクチュエータの高速の加圧又は減圧を可能にできる。いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置は、高圧高流量に対応するように調整された統合流路を含むことができる。例えば、空気圧式制御装置の統合流路は大きな断面積を有し、本体と柔らかい弾性膜との間に統合することができる。大きな断面積は、高流量での高速空気圧流を可能にする。また、柔らかい膜は、高圧でも統合流路の効果的なバルブ調節を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置は、大きな断面積の流路での空気圧流を制御するための２段階アーキテクチャを有することができる。
【００４１】
図２Ａから図２Ｃは、特定の実施形態に係る空気圧式制御装置を示す。図２Ａに示されるように、空気圧式制御装置２００は、圧電アクチュエータ２０２の列と、圧電アクチュエータの列に対する電気接続部２０４と、圧電アクチュエータ２０２の列に結合されたエラストマーマニホールド２０６と、上部プレート２０８とを含むことができる。エラストマーマニホールド２０６は、本体２１８、及び本体２１８の底部に結合された膜２１６を含むことができる。本体２１８は溝を含むことができ、本体２１８と膜２１６との間の溝は、ガス流を収容することができる統合流路２１０を形成する。いくつかの実施形態では、ソフトリソグラフィを使用して、溝をエラストマーマニホールド２０６内に形成することができる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、圧電アクチュエータ２０２の列は電子点字表示装置を含むことができる。従来、電子点字装置は、視覚障害者に動的な触覚情報を提供する。ただし、空気圧式制御装置２００では、点字表示装置は圧電アクチュエータの列として動作することができる。電子点字装置の作動したピンの移動は、統合ガス流路２１０内のガス流を制御するために使用することができる。図２Ｂは、特定の実施形態に係る電子点字表示装置２０２の動作を示す。圧電アクチュエータ２０２が左側の図に示されるように「オフ」であるとき、アクチュエータ２２０又はピンは点字表示装置２０２の空洞内に位置する。しかし、圧電アクチュエータが右側の図に示されるように「オン」であるとき、アクチュエータ２００又はピンは空洞の中から、点字表示装置２０２の表面上方に上げられ、それによって点字装置２０２の表面上に「突起」つまり隆起した特徴を形成する。
【００４３】
図２Ｃは、特定の実施形態に従ってアクチュエータアレイと結合されたエラストマーマニホールドを含む組み立てられた空気圧式制御装置の写真である。空気圧式制御装置２００は、空気配管２１２ａから２１２ｃを介して、圧力源、及びソフトロボット等の１つ又は複数の空気圧式作動システム又は油圧式作動システムに結合される。また、空気圧式制御装置２００は、電気接続部２０４を介して制御システム２１４に結合される。制御システム２１４は空気圧式制御装置２００を制御して、空気配管２１２ａから２１２ｃを介して空気圧式作動システム又は油圧式作動システムの内の１つに圧力源の内の１つを結合することができる。いくつかの実施形態では、接続部２０４は無線である場合がある。例えば、接続部２０４は、ブルーツーストランシーバを含んで、ブルーツースを介して制御システム２１４から命令を受信することができる。また、接続部２０４はＷｉ−Ｆｉトランシーバ、ＺｉｇＢｅｅトランシーバ、超広帯域トランシーバ、無線ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）トランシーバ、近距離無線通信トランシーバ、もしくは任意の他のタイプの無線トランシーバ、又はその任意の組合せを含むこともできる。
【００４４】
図３Ａから図３Ｄは、特定の実施形態に係る異なる構成の空気圧式制御装置の断面図を示す。空気圧式制御装置は、エラストマー膜２１６、統合流路２１０、アクチュエータ３０２ａから３０２ｂ、及び空気圧式作動ソフトロボット又は油圧式作動ソフトロボットとすることができる加圧可能チャンバ３０６への出口３０８を有するエラストマーマニホールド２０６を含むことができる。図３Ａから図３Ｄに示される空気圧式制御装置の部分は、２つの圧電アクチュエータ及び出口を含む。これらの圧電アクチュエータ及び出口は、ソフトロボットアクチュエータを圧力源に、又は吐出し口に結合するための物理的な機構を提供するバルブユニットを形成する。図３Ａは、圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂが「オフ」であるときのバルブユニットの断面図を示す。圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂは統合流路２１０を遮断しないため、圧力源３０４からの加圧ガスはソフトロボット加圧可能チャンバ３０６に対してよりむしろ統合流路を通して向けることができる。この場合、圧力源３０４は、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を加圧する。
【００４５】
アクチュエータ３０２ａから３０２ｂの位置を制御することによって、圧力源３０４からの加圧流体は空気圧制御システムの多様な構成要素を通して向けることができる。図３Ｂは、圧力源３０４により近い圧電アクチュエータ３０２ｂがオフであり、圧力源３０４からより遠く離れた圧電アクチュエータ３０２ａがオンであるときのバルブユニットの断面図を示す。バルブユニットのこの構成は、「加圧」構成と呼ばれる。圧電アクチュエータ３０２ａがオンであるとき、圧電アクチュエータ３０２ａはエラストマーマニホールド２０６のエラストマー膜２１６に対して持ち上げられ、それにより圧電アクチュエータ３０２ａ上方の位置で統合流路２１０を閉じる。この構成では、圧力源３０４が加圧ガスを提供するとき、加圧ガスは加圧可能チャンバ３０６に向けられる。
【００４６】
加圧ガスが長期間ソフトロボットアクチュエータ３０６に向けられると、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力は圧力源３０４からの加圧ガスの圧力に達し、圧力源３０４からの加圧ガスの圧力で安定化することができる。例えば、圧力源３０４からの加圧ガスの圧力が１０ｐｓｉであり、バルブユニットが長期間図３Ｂに示されるように構成される場合、ソフトロボットアクチュエータ３０６内の圧力は１０ｐｓｉに達し、１０ｐｓｉで安定化する。ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６の圧力を安定化するためにかかる時間は、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の空気圧チャンバのサイズ、及び統合流路２１０を通る加圧ガスの流量に依存する可能性がある。例えば、空気圧チャンバが大型である場合、及び／又は加圧ガスの流量が低い場合には、ソフトロボットアクチュエータ３０６の圧力を安定化するにはより長い時間がかかることになる。さらに、安定化に必要とされる時間の量は、ソフトロボットアクチュエータを形成する材料のコンプライアンスに依存する可能性がある。例えば、より弾性がない材料を使用して形成されたソフトロボットは、より軟質の材料を使用して形成されたソフトロボットと比較してより速く安定化する傾向がある。また、安定化に必要とされる時間の量は、ソフトロボットアクチュエータの体積変化の量に依存する可能性がある。例えば、より少ない体積変化を受けるアクチュエータは、より多い体積変化を受けるアクチュエータに比較してより速く安定化する。
【００４７】
図３Ｃは、圧力源３０４からより遠い圧電アクチュエータ３０２ａがオフであり、圧力源３０４により近い圧電アクチュエータ３０２ｂがオンであるときのバルブユニットの断面図を示す。この構成は「減圧」構成と呼ばれる。圧電アクチュエータ３０２ｂがオンであるとき、圧電アクチュエータ３０２ｂはエラストマーマニホールド２０６のエラストマー膜２１６に対して持ち上げられ、それによって圧電アクチュエータ３０２ｂ上方で統合流路２１０を閉じる。この構成では、圧力源３０４は、ソフトロボットアクチュエータ３０６に加圧ガスを提供するのを遮断される。代わりに、圧電アクチュエータは、ソフトロボットアクチュエータ３０６内の任意の加圧ガスが（統合流路２１０と連通して位置する）吐出し口を通して解放されるように構成される。ソフトロボットアクチュエータ３０６が長期間吐出し口に結合されると、ソフトロボットアクチュエータ内３０６の圧力は吐出し口に結合された装置の空気圧に達する可能性がある。例えば、吐出し口が大気圧に結合される場合、かつバルブユニットが長期間図３Ｃのように構成される場合には、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内のすべての加圧ガスは吐出し口を通じて解放され、ソフトロボット加圧チャンバ３０６内の圧力はゼロｐｓｉに達することになる。
【００４８】
図３Ｄは、圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂの両方ともがオンであるときのバルブユニットの断面図を示す。この構成は、ソフトロボットアクチュエータ３０６内の加圧ガスを「保持」するため、この構成は「保持」構成と呼ばれる。圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂがオンであるとき、圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂはエラストマーマニホールド２０６のエラストマー膜２１６に対して持ち上げられ、それによって圧電アクチュエータ３０２ａから３０２ｂの上方で統合流路２１０を閉じる。この構成は、圧力源３０４又は吐出し口からソフトロボットアクチュエータ３０６を遮断する。したがって、この構成では、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６はその加圧状態を維持するように構成される。ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６が特定の圧力に加圧される場合、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６はその圧力を維持することになる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置２００は、ソフトロボットアクチュエータ３０６に広範囲の圧力を提供することができる。例えば、空気圧コントローラ２００は、−１ｐｓｉから６０ｐｓｉの加圧ガスを提供するように構成することができる。したがって、空気圧式制御装置２００は、負圧だけではなく正圧の両方も提供するように構成することができる。いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置２００は、出口に結合されたソフトロボットアクチュエータに、圧力源３０４からガス圧力に満たない圧力を提供することができる。例えば、圧力源３０４からのガス圧力が１０ｐｓｉであるとき、空気圧式制御装置は、ソフトロボットアクチュエータが５ｐｓｉの圧力を受け取るように圧電アクチュエータを操作することができる。
【００５０】
空気圧式制御装置２００は、少なくとも２つの機構の内の１つを使用して圧力源３０４からガス圧力に満たない圧力を提供することができる。第１の機構は、ソフトロボットアクチュエータ３０６内の圧力が加圧のためにある期間に比例して増加することができるという観察に基づいている。したがって、ソフトロボットアクチュエータ３０６が加圧される期間を変えることによって、空気圧式制御装置２００は、結果として生じるソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力を制御することができる。この第１の機構では、空気圧式制御装置２００は最初に、図３Ｂの「加圧」構成を使用してソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を加圧することができる。次に、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力が圧力源３０４の圧力で安定化する前に、空気圧式制御装置２００は、図３Ｄの「保持」構成を使用してソフトロボットアクチュエータ３０６から圧力源３０４を切り離すことができる。圧力源３０４は、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を加圧する間に切り離されるため、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力は圧力源３０４の圧力未満となることになる。
【００５１】
いくつかの場合、ソフトロボット加圧チャンバ３０６内の圧力を、加圧ガスがソフトロボット加圧可能チャンバ３０６に提供される時間の量とほぼ線形に増加することができる。したがって、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を１０ｐｓｉに加圧するために１秒かかる場合、空気圧式制御装置２００は、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を０．５５秒加圧することによって、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を５ｐｓｉに加圧することができる。
【００５２】
第２の機構は、ソフトロボットアクチュエータ３０６が例えば吐出し口に結合される等減圧される期間に比例して、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力が減少するという観察に基づいている。したがって、ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６が減圧される期間を変えることによって、空気圧式制御装置２００はソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の結果として生じる圧力を制御することができる。この第２の機構では、空気圧式制御装置２００は、最初にソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を、図３Ｂの「加圧」構成を使用して加圧状態に加圧することができる。次いで、空気圧式制御装置は圧力源３０４からソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を切り離し、図３Ｃの「減圧」構成を使用してソフトロボット加圧可能チャンバ３０６を吐出し口に結合することができる。ソフトロボット加圧可能チャンバ３０６内の圧力が吐出し口の圧力で安定化する前に、空気圧式制御装置２００は、図３Ｄの「保持」構成を使用してソフトロボット加圧可能チャンバ３０６から吐出し口を切り離すことができる。この制御シーケンスは、圧力源３０４の圧力と吐出し口の圧力との中間である圧力をソフトロボット加圧可能チャンバ３０６に提供することができる。
【００５３】
図４は、特定の実施形態に係る空気圧式制御装置の上から見た図である。空気圧式制御装置４００は、圧力流路４０２を介して圧力源３０４に、及び吐出し口流路４０６を介して吐出し口又は真空源４０４に結合することができる。圧力流路４０２及び吐出し口流路４０６は、結合流路４０８を介して結合することができる。空気圧式制御装置４００は、結合流路４０８内の空気圧流を制御する複数のバルブユニットを含むことができる。バルブユニットの構成に応じて、空気圧式制御装置は（１）加圧ガスを出口に結合されたソフトロボット加圧可能チャンバに提供する、（２）出口に結合されたソフトロボット加圧可能チャンバから加圧ガスを解放する、又は（３）出口に結合されたソフトロボット加圧可能チャンバ内の加圧ガスを維持することができる。圧電アクチュエータは大きい点を使用して示され、出口は小さい点を使用して示される。バルブユニットの断面は引き伸ばしで示される。
【００５４】
いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置４００内の圧力流路４０２及び吐出し口流路４０６は、一方の手の指と他方の手の指を組むときのように、指のように伸び、互いの間に入り込む場合ある。指のように伸び、互いの間に入り込んでいる流路は図４に示される。他の実施形態では、圧力流路４０２及び吐出し口流路４０６を、２つの平行した流路として構成することができる。
【００５５】
図５は、特定の実施形態に係る空気圧式制御装置の上から見た画像である。この空気圧式制御装置５００はコンパクト（３インチ×３．５インチ）で軽量（２６４ｇ）である。
【００５６】
空気圧式制御装置５００は、６４の個々にアドレス指定可能な圧電アクチュエータを有する点字表示装置を含む。圧電アクチュエータは、１．３ｍｍの直径、及び２．４ｍの点間隔を有する。この点字表示装置は、ＫＧＳ  Ａｍｅｒｉｃａ  ＬＬＣから購入することができる。各圧電アクチュエータは、０．１８Ｎの力で作動でき、７００μｍの垂直変位を有する可能性がある。６４の個々にアドレス指定可能な圧電アクチュエータは、３２のバルブユニットを形成し、３２のソフトロボットアクチュエータに独立した接続部を提供することができる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、エラストマーマニホールド２０６内の統合流路２１０は、成形を介して形成することができる。統合流路用のモールドは、フォトリソグラフィ、光パターン式のエポキシの使用、熱可塑性３Ｄ印刷又はステレオリソグラフィへの直接的なエンボス加工、プラスチックへのレーザ切削、カッタープロット、エッチング、及びインクベースリソグラフィを含むいくつかの技法の内の１つ又は複数を使用して製作することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、エラストマーマニホールド２０６の膜２１６は、例えば１５０％を超える高い最大許容ひずみを有する材料を含むことができる。例えば、膜２１６は、ＥｃｏＦｌｅｘ等の柔らかいシリコーン材料及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の混合物を含むことができる。これによって、エラストマー膜２１６はより大きい程度まで伸びるが、迅速に回復することもできる。したがって、エラストマー膜はより大きなバルブに対する追加のひずみを与えることができる。マイクロ流体工学用途では、マニホールドの膜を含むエラストマーマニホールドは、限られたひずみを有するＰＤＭＳしか使用せず、大きなバルブに対するその使用を排除するため、これはマイクロ流体工学用途用のエラストマーマニホールドとは対照的である。
【００５９】
本明細書に使用されるように、剛性はかけられた力による変形（例えば、伸長）に対する弾性体の抵抗を指す。一般に、弾性係数は剛性に関係しているが、剛性と同じではない。弾性係数は構成材料の特性であり、剛性は構造の特性である。すなわち、弾性係数は材料の示強性である。他方、剛性はネットワークの示量性であり、材料係数ならびに形状及び境界の状態に依存する。剛性はヤング率の関数であるため、材料係数は流路壁の相対的な剛性の比較測度及び流路ネットワークの加圧時の偏向の予測因子として使用することができる。
【００６０】
本明細書に使用されるように、ひずみは、材料の元の長さに対する長さの相対的な変化を指す。特に、ひずみは材料の長さを元の長さで除算した相対的な変化を指す。材料は、材料がかけられた応力の解放後にその元の状態に戻る前に受けることが可能な最大量のひずみを指す、最大許容ひずみと関連付けることができる。概して、より高い剛性を有する材料は、より低い剛性を有する材料に比較して同じレベルのひずみを達成するためにより多くの応力（又はより多くの力）を要する。
【００６１】
エラストマー膜２１６におけるＰＤＭＳに対する柔らかいシリコーン材料の混合比は、所望されるエラストマー特性及び所望されるバルブ寸法に依存する可能性がある。いくつかの実施形態では、ＰＤＭＳに対する柔らかいシリコーン材料の割合は、柔らかいシリコーン材料の約２部に対して１部のＰＤＭＳ（２：１）とすることができる。エラストマー膜２１６の組成は、ＰＤＭＳに対する柔らかいシリコーン材料の異なる比率で混合物のセットを試験し、統合流路を閉じるほど十分に膨張できたが、プラズマ酸化を使用してエラストマーマニホールド２０６の残りを結合することもできた混合物を選択することによって決定することができる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、エラストマーマニホールド２０６の膜２１６は、ひずみを与えることができ、その後圧電アクチュエータの解放後に自己修復することができる、高い最大許容ひずみ（＞１５０％）を有する任意の他のタイプのエラストマー材料を使用して形成することができる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、エラストマーマニホールド２０６の本体２１８は、統合流路を維持し、統合流路内の圧力を持続することができる任意の材料を使用して形成することができる。いくつかの実施形態では、膜２１６に使用される材料は、本体２１８に使用される材料に比較してより弾性である場合がある。これによって、膜２１６は高圧でも統合流路を効果的に閉じることができる。いくつかの実施形態では、本体２１８は、約１：２の混合率で混合された、ＰＤＭＳ及び柔らかいシリコーン材料の混合物を使用して形成することができる。
【００６４】
図６Ａから図６Ｃは、特定の実施形態に係る空気圧式制御装置の特徴を示す。空気圧式制御装置の性能を特徴付けるために、ある範囲の流量、応答時間、及び所与の圧力の維持が試験された。図６Ａは、圧力源によってかけられる空気圧と、エラストマーマニホールドの統合流路を通る空気圧流量との関係性を示す。適合線形回帰線の傾きは、統合流路の抵抗の逆数を表すことができる。いくつかの実施形態では、統合流路の抵抗は２８．０ｐｓｉ／リットル毎分（ＬＰＭ）である。
【００６５】
図６Ｂは、出口が連続して圧力源に結合され、圧力源から切り離されるときの空気圧式制御装置５００の出口で測定された圧力を示す。図６Ｂは、完全な加圧が約１０ミリ秒の応答時間で発生する可能性があることを示す。また、図６Ｂは、空気圧式制御装置５００が所定の期間後、所定の圧力を繰り返し提供することができることも示す。例えば、図６Ｂでは、空気圧式制御装置５００は、それぞれ１０ｍｓ、５０ｍｓ、１００ｍｓ、２００ｍｓ、５００ｍｓ、及び１０００ｍｓの間、出口に１０ｐｓｉの圧力を提供する。
【００６６】
図６Ｃは、空気圧式制御装置５００は、長期間、ソフトロボット加圧可能チャンバ内の加圧ガスを維持することができることを示す。例えば、空気圧式制御装置５００は、１つの圧力源及び３つの出口に結合され、バルブユニットは出口で加圧ガスを維持するように制御される。線６０２は、圧力源により提供される圧力を示し、線６０４から６０８は、それぞれ３つの出口での圧力を示す。
【００６７】
ｔ１で、バルブユニットは、「加圧」構成に入り、加圧構成でバルブユニットは出口に加圧ガスを提供する。いったん出口での圧力が定常状態に達すると、バルブユニットを「保持」構成に切り替えることができる。いったんバルブユニットが「保持」構成に入ると、たとえ入力圧力６０２が時間の関数として変化しても、３つの出口６０４から６０８での圧力は初期定常状態圧力でほぼ維持することができる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、バルブユニットは個々にアドレス指定し、制御することができる。いくつかの場合、バルブユニットは、電子システムを使用して個々に、または選択的に、アドレス指定し、制御することができる。図７Ａから図７Ｃは、特定の実施形態に従って空気圧式制御装置５００内のバルブユニットを個々に制御することを示す。図７Ａは、個々のバルブユニットの順次活性化を示す。電子システム（不図示）は、バルブユニットの内の１つを選択的に活性化し、選択されたバルブユニットと関連付けられた出口に加圧ガスを提供することができる。
【００６９】
図７Ｂは、空気圧式制御装置５００を異なる出口に異なる圧力を提供するために単一の圧力源を使用することができることを示す。この実験では、空気圧式制御装置５００は、１０ｐｓｉで加圧ガスを提供する単一の圧力源に結合されている。線７０２から７０６は、空気圧式制御装置５００の３つの出口で測定された圧力を表す。線７０２と関連付けられたバルブユニットは、解放構成（つまり、図３Ａ）にあり、線７０４と関連付けられたバルブユニットは出口の５ｐｓｉを提供するように制御され、線７０６と関連付けられたバルブユニットは経時的に圧力を変えるように動的に制御される。
【００７０】
また、図７Ｃも、空気圧式制御装置５００が異なる出口に異なる圧力を提供するために単一の圧力源を使用することができることを示す。３２のバルーンの列を、異なる量の時間、膨らませ、それによって異なるバルーンに異なる圧力を提供することができる。この例では、青色のバルーンは３秒間加圧され、黄色のバルーンは０秒間加圧され、緑色のバルーンは１秒間加圧され、かつ赤色のバルーンは０．５秒間加圧された。これは、空気圧式制御装置が独立した様式で異なる出口に異なる圧力を提供することができることを示す。
【００７１】
いくつかの実施形態では、エラストマーマニホールドの統合流路は、実質的に３０μｍを超える幅及び高さを有する。例えば、統合流路の幅及び高さは５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、又は７００μｍを超える可能性がある。いくつかの実施形態では、圧電アクチュエータは追加の垂直変位を提供するように特別設計することができ、その場合、統合流路は８００μｍよりも厚くなる可能性がある。統合流路の断面積が統合流路の流れ抵抗を決定する可能性があるため、統合流路の大きな断面積が望ましく、それによって同様にソフトロボットアクチュエータを加圧することができる速度に影響を及ぼす可能性がある。例えば、統合流路の断面積が小さい場合には、加圧ガスの流量は小さいことになる。したがって、ソフトロボットアクチュエータを加圧するには長い時間がかかることになる。対照的に、統合流路の断面積が大きい場合には、加圧ガスの流量は大きいことになる。したがって、ソフトロボットアクチュエータを加圧するには短い長さの時間しかかからないことになる。
【００７２】
いくつかの場合、特定の性能仕様を満たすために、空気圧式制御装置は、きわめて大きな断面積の統合流路を有することが必要となる場合があり、いくつかの場合では、統合流路は圧電アクチュエータが効果的に遮断するには厚すぎる場合がある。例えば、統合流路の高さが圧電アクチュエータの最大垂直変位よりも大きい場合には、統合流路は圧電アクチュエータを使用して効果的に遮断することができない。
【００７３】
いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置は、厚い統合流路を効果的に遮断することができるマスター／スレーブマニホールドを含むことができる。マスター／スレーブマニホールドは、マスターマニホールドとして動作することができる第１のエラストマーマニホールドを含むことができる。また、マスター／スレーブマニホールドは、マスターマニホールドの直上に設置されるスレーブマニホールドと呼ばれる追加のエラストマーマニホールドも含むことができる。マスターマニホールドの出口は、スレーブマニホールドの入力に結合される。
【００７４】
図８Ａから図８Ｂは、特定の実施形態に係るマスター／スレーブマニホールドを有する多段エラストマーマニホールドを示す。多段エラストマーマニホールド８００はマスターマニホールド８０２と、スレーブマニホールドとを含むことができ、このスレーブマニホールドは、圧力チャンバ層８０４と、膜８０６と、バルブ層８０８と、流路層８１０とを含む。マスターマニホールド８０２は、圧力源８１２及び圧力チャンバ層８０４に結合される統合流路を含むことができる。圧力チャンバ層８０４は圧力源８１２から膜８０６に圧力を提供するように構成され、膜８０６は同様にバルブ層８０８の大きなバルブを遮断するために使用される。流路層８１０は圧力源８１４に結合される。また、流路層８１０は、ソフトロボットアクチュエータ（不図示）に向かって圧力源８１４から出口へ加圧ガスを送るためにバルブ層８０８にも結合される。流路層８１０内の流路は、マスターマニホールド８０２内の流路に比較してより大きな断面積を有することができる。
【００７５】
図８Ｂは、特定の実施形態に係るバルブ層８０８のバルブを示す。バルブ層８０８は、１つ又は複数の圧力源８１４に結合される１つ又は複数の圧力入力バイア８１６を含むことができる。バルブ層８０８は、圧力源８１４からの加圧ガスを出力８１８に提供することができるように、出力流路８２０を使用して出力８１８に圧力入力バイア８１６の内の１つを結合することができる。いくつかの場合、１つ又は複数の圧力入力バイア８１６を同じ圧力源に結合することができる。他の場合、１つ又は複数の圧力入力バイア８１６を異なる圧力源に結合することができる。１つ又は複数の圧力入力バイア８１６が異なる圧力源に結合される場合、バルブ層８０８は一度にただ１つの圧力入力バイアのみを出力８１８に結合するように構成することができる。いくつかの実施形態では、圧力入力バイアの内の１つを、出力流路８２０内の加圧ガスを解放するように構成された吐出し口に結合することができる。
【００７６】
図９Ａから図９Ｂは、特定の実施形態に係る多段エラストマーマニホールド８００の動作を示す。図９Ａから図９Ｂは、単一の圧電アクチュエータが、圧力源８１４と出口８１６との間でどのようにしてバルブを開放又は閉鎖することができるのかの断面図を示す。図９Ａは、第２の圧力源８１４が流路層８１０及びバルブ層８０８を通して出口に結合される構成を示す。この構成では、圧電アクチュエータは作動しており、それによって第１の圧力源８１２が、圧力チャンバ層８０４に加圧ガスを提供するのを妨げる。したがって、膜８０６は、チャンバ層８１０とバルブ層８０８との間の開放バイアがないままである。圧力源２は、次いで圧力入力バイア８１６を通して加圧ガスを押し出すことができ、それによって加圧ガスを出力８１８に提供する。
【００７７】
図９Ｂでは、圧電アクチュエータがオフにされる。したがって、第１の圧力源８１２はチャンバ層８０４に結合され、チャンバ層８０４に加圧ガスを提供することができる。チャンバ層８０４が加圧されると、圧力が膜８０６を偏向させ、バルブ層８０８と流路層８１０との間でバイアを遮断し、それによって出口８１６から流路層８１０を切り離す。これが第２の圧力源８１４と出口との間の結合を破壊する。したがって、圧電アクチュエータ及びマスター／スレーブマニホールドは、第２の圧力源８１４から出口への加圧ガスを効果的に通過させる、又は遮断することができる。
【００７８】
マスター／スレーブマニホールド付きの空気圧式制御装置は、流路層８１０内の流路の背が高いときに特に有用である。いくつかの実施形態では、流路層８１０内の流路は圧電アクチュエータの最大垂直変位よりも背を高くすることができる。例えば、流路層８１０内の流路は１００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、１０００μｍ、又は１２００μｍよりも背を高することができる。このようにして、スレーブマニホールドの流れ抵抗は、マスターマニホールドの流れ抵抗よりも大幅に少なくすることができる。例えば、スレーブマニホールドの流れ抵抗は、マスターマニホールドの流れ抵抗よりも４倍少なくすることができる。所望される流路高さは、ソフトロボットアクチュエータに必要とされる所望される流量及び圧力に基づく可能性がある。より背の高い流路はより大きな流量を提供するが、通常、それほど高い圧力を保持しない。多くの実施形態では、１００μｍ、３００μｍ、又は５００μｍの高さを有する流路は、所望される流量特性及び圧力特性を提供することができる。いくつかの実施形態では、圧電アクチュエータのすぐ上方の流路は、幅０．５ｍｍの幅及び高さ０．１ｍｍの高さの半楕円として形成することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、マスター／スレーブマニホールドの適切な動作のために、第１の圧力源８１２からのガス圧力は第２の圧力源８１４からの圧力よりも大きくすることができる。いくつかの場合、第１の圧力源８１２からのガス圧力は、第２の圧力源８１４からのガス圧力よりも少なくとも５ｐｓｉ大きくすることができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、マスターマニホールド８０２は、ＰＤＭＳの厚いスラブを使用して形成することができる。ＰＤＭＳのスラブは、ＰＤＭＳと柔らかいシリコーン材料（例えば、Ｅｃｏｆｌｅｘ）とを約１０：１の混合比で混合し、この混合物をモールドの上に直接的に注ぎ、この混合物を６０℃で少なくとも４時間焼くことによって形成することができる。ＰＤＭＳのスラブは、Ｏｂｊｅｔ  Ｃｏｎｎｅｘ５００等の三次元プリンタを使用して成形することができる。
【００８１】
ＰＤＭＳのスラブは、ＰＤＭＳの薄い膜に接合される埋込み流路を含むことができる。薄いＰＤＭＳ膜を、シラン化された（トリデカフルオロ−１，２，２−テトラヒドロオクチル−１−トリクロロシラン）ガラススライド上にスピンコーティングを使用して製作し、８０℃で少なくとも１時間焼くことができる。ＰＤＭＳのスラブは、ＰＤＭＳと柔らかいシリコーン材料との混合物を含むため、ＰＤＭＳのスラブ及びＰＤＭＳ膜は、０．３トールで３０秒間プラズマエッチャー（ＳＰＩ  ＰＰＩＩ、ペンシルバニア州ウェストチェスター）を使用してプラズマ酸化によってともに接合することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、スレーブマニホールドは、埋込み流路８０４、８０８、８１０、及び１つの膜層８０６を備えたＰＤＭＳの３つの厚い層を含むことができる。３Ｄプリンタ（Ｏｂｊｅｔ  Ｃｏｎｎｅｘ５００）が、厚い層を成形するために使用された。すべての層はともに接合され、次いでプラズマ酸化を使用してＰＤＭＳマスターマニホールドの上部に接合された。
【００８３】
いくつかの実施形態では、膜層８０６は、ＰＤＭＳと柔らかいシリコーン材料（例えば、Ｅｃｏｆｌｅｘ）との混合物として製作することができる。いくつかの場合、ＰＤＭＳ及び柔らかいシリコーン材料の約１：２の混合率が、純粋なＰＤＭＳ膜よりも相対的に大きなひずみを特性に与えることができ、酸素プラズマによって接合を実行することができるようにもする（柔らかいシリコーン材料だけではＰＤＭＳにプラズマ接合しないだろう）。いくつかの実施形態では、膜層８０６を、シラン化された（トリデカフルオロ−１，２，２−テトラヒドロオクチル−１−トリクロロシラン）ガラススライド上にスピンコーティングを使用して製作することができる。いくつかの場合、膜層８０６は、スピンコーターを使用して６０秒間毎分１５００回転（ｒｐｍ）で回転することができる。スピンコーティングされた材料は、引き続いて膜８０６を形成するために８０℃で約１時間焼くことができる。
【００８４】
流路層８１０では、直径０．７５ｍｍの皮膚生検パンチ（Ｈａｒｒｉｓ  Ｕｎｉ−Ｃｏｒｅ、ペンシルバニア州ハットフィールド）を使用してスルーホールを開けることができる。引き続いて、流路層８１０を、管類（Ｔｙｇｏｎ）を使用して１８ゲージの先端が鈍い針を用いて外部装置に結合することができる。
【００８５】
図１０Ａは、圧力源によってかけられた空気圧と、特定の実施形態に係るスレーブマニホールドを通る空気圧流量との関係性を示す。適合線形回帰線の傾きは、空気圧式制御装置の抵抗の逆数を表すことができる。いくつかの実施形態では、スレーブマニホールドの抵抗は、図６Ａのエラストマーマニホールドの抵抗の約４倍少ない、７ｐｓｉ／リットル毎分（ＬＰＭ）である。
【００８６】
図１０Ｂは、特定の実施形態に係るマスター／スレーブマニホールドの動作を示す。線１００２は入力圧力を示し、線１００４から１００８は異なる出口での異なる圧力レベルを示す。例えば、線１００２は、３つの異なる圧力源の間で発振する出口の圧力レベルを示し、線１００４は、大気圧源に結合される出口の圧力レベルを示し、かつ線１００６は真空に結合される出口の圧力レベルを示す。図１０Ｂは、マスター／スレーブマニホールドを、異なる出口に異なる圧力を提供するように制御することができることを示す。
【００８７】
図１１Ａから図１１Ｂは、特定の実施形態に係る多様な作動シーケンスを使用して柔らかい触手を制御するための圧力プロファイルを示す。図１１Ａは、加圧ガスの圧力が１０ｐｓｉである場合を示す。図１１Ｂは、加圧ガスの圧力が２０ｐｓｉである場合を示す。図１１Ａから図１１Ｂは、マスター／スレーブマニホールドが、多様な圧力シーケンスを使用してソフトロボットアクチュエータを制御することができることを示す。
【００８８】
いくつかの実施形態では、空気圧式制御装置は、計算装置で実行中のソフトウェアを使用して制御することができる。いくつかの場合、計算装置は柔軟かつ体系的な様式で空気圧式制御装置を制御するためにＬａｂＶＩＥＷソフトウェアを使用することができる。ＬａｂＶＩＥＷソフトウェアは、所定のスクリプトを使用して、又はリアルタイムでグラフィックユーザインタフェースのボタンを選択することによってバルブを制御することができる。ＬａｂＶＩＥＷソフトウェアは、バルブユニットの作動シーケンスを体系的に制御し、同時に外部圧力／流量トランスデューサ（Ｄｉｇｉ−Ｋｅｙ  Ｐａｒｔ＃４８０−１９２０−ＮＤ、ミネソタ州シーフリバーフォールズ）によって提供される任意のデータを記録することができる。このＬａｂＶＩＥＷソフトウェアは、コードの迅速な修正が、特定の空気圧式制御装置の必要性に対応することができるようにする。ソフトウェアは、３つの階層レベルに編成される。最高レベルはユーザインタフェースを提供し、エラストマーマニホールドの機能性に対応する制御オプションを提供する。エラストマーマニホールドは、異なる機能性のために統合流路の異なる構成で設計することができる。例えば、エラストマーマニホールドは、異なる数の出力、入力、及び異なる多重化方式を有することができる。ソフトウェアの最高レベルは、ユーザにとってより簡単なコマンドボタンで（つまり、左に曲がる）これらのパラメータにわたるコントロールを直接的に提供するようにプログラミングすることができる。中間レベルは、６４のピンのそれぞれについてユーザ入力をバイナリオン状態及びバイナリオフ状態の時間シーケンスに変換することができる命令を含む。最後に、最低レベルのコードは、圧電アクチュエータの作動を制御することができるドライバと協調する。
【００８９】
他の実施形態では、制御プロセスを実装するために必要とされるソフトウェアは、ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ、又はＰｅｒｌ等の高水準手続き型言語又はオブジェクト指向言語を含む。ソフトウェアは、所望される場合、アセンブリ言語で実装されてもよい。特定の実施形態では、ソフトウェアは、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブルＲＯＭ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、又は汎用処理装置、若しくは本書に記載されるプロセスを実行するための特殊目的処理装置によって読取り可能である磁気ディスク等の記憶媒体又は装置上に記憶される。プロセッサとしては、任意のマイクロプロセッサ（単一コア、又は複数のコア）、システムオンチップ（ＳｏＣ）、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィックスプロセシングユニット（ＧＰＵ）、又はｘ８６マイクロプロセッサなどの、命令を処理する能力がある任意の他の集積回路を挙げることができる。
【００９０】
本開示は上述の例の実施形態で記載され、示されてきたが、本開示は、例としてのみなされること、及び本開示の実施の詳細の多数の変更が、続く特許請求の範囲によってのみ制限される本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされる場合があることが理解される。非制限例としてのみ、アクチュエータアレイは任意のアクチュエータを利用する場合があり、概して圧電アクチュエータ、又は特に点字ピンに制限されない。他の実施形態は以下の特許請求の範囲内にある。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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