(57)【要約】  流体外骨格システム。このシステムは、ジョイント、ジョイントに連結された第１及び第２のアーム、ジョイントに対応付けられた第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する、膨張可能なベローズアクチュエータであって、ベローズ空洞に流体を導入することにより、膨張するとベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、膨張可能なベローズアクチュエータ、及びジョイント及びベローズアクチュエータの周囲部分からベローズアクチュエータの長さに沿って延びる１つまたは複数の拘束リブを有する１つ以上の流体アクチュエータユニットを含むことができる。【選択図】図１
2020516470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
着用可能な空気圧式外骨格システムであって、
前記空気圧式外骨格システムを装着した使用者の左右の脚にそれぞれ対応付けられるように構成された左右の空気圧式脚部アクチュエータユニットであって、
前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の膝の回転軸と整列するように構成された回転可能なジョイント、
前記回転可能なジョイントに連結され、前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びる上側アーム、
前記回転可能なジョイントに連結され、前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びる下側アーム、
前記回転可能なジョイントから延びる第１及び第２のプレート、
前記第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する膨張可能なベローズアクチュエータであって、空気圧式流体を前記ベローズ空洞に導入することにより、空気圧で膨張すると、前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って、前記ベローズアクチュエータの前記回転可能なジョイント及び包囲部分から延びる複数の拘束リブ
をそれぞれ含む、
前記左右の空気圧式脚部アクチュエータユニットと、
前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記ベローズアクチュエータに空気圧式流体を導入して、前記ベローズアクチュエータを独立して作動させるように構成された空気圧式システムと、
外骨格コンピューティングデバイスであって、
複数のセンサ、
少なくとも制御プログラムを保存するメモリ、及び
前記複数のセンサから取得されたセンサデータを含む前記外骨格コンピューティングデバイスによって取得されたデータに少なくとも部分的に基づいて、前記空気圧式システムを制御するために前記制御プログラムを実行するプロセッサ
を含む
前記外骨格コンピューティングデバイスと
を含む、前記着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項２】
前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記下側アームの遠位端が、スキーブーツ及びスキーを含むスキーアセンブリの前記スキーブーツにそれぞれ連結される、請求項１に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項３】
前記ベローズアクチュエータの各々がさらに、
前記ベローズ空洞を画定する内側第１層であって、前記空気圧式流体に対して実質的に不浸透性である前記内側第１層、及び
平坦な材料の平面軸に沿って実質的に非伸張性であるが、他の方向には柔軟である非伸張性の前記平坦な材料を含む外側第２層
を含む、請求項１に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項４】
前記ベローズアクチュエータはそれぞれ、前記第１層と前記第２層との間に配置され、前記第１層と第２層との間の耐摩耗及び／または低摩擦中間層として作用する第３層をさらに含む、請求項３に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項５】
前記ベローズアクチュエータの各々がさらに、
電気インパルスに応答して剛性を変化させる１つ以上の埋め込まれた形状記憶合金セグメント、及び
前記それぞれの埋め込まれた形状記憶合金セグメントに電気インパルスを与えて前記それぞれのベローズアクチュエータの前記剛性を変更する前記ベローズアクチュエータに連結された電気インパルスユニットであって、前記外骨格コンピューティングデバイスに動作可能に連結されて前記それぞれのベローズアクチュエータの前記剛性を前記外骨格コンピューティングデバイスが選択的に制御できる、前記電気インパルスユニット
を含む、請求項１に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項６】
前記拘束リブは、前記回転可能なジョイントから延在し、前記それぞれのベローズアクチュエータの一部が延在するリブ空洞を画定する円形リブリングと連結する一対のリブアームを備える、請求項１に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項７】
着用可能な外骨格システムであって、
前記外骨格システムを装着している使用者の脚に装着されるように構成された脚部アクチュエータユニットを備え、
前記脚部アクチュエータユニットは、
前記外骨格システムを着用している前記使用者の膝と整列するように構成されたジョイント、
前記ジョイントに連結され、前記外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びる上側アーム、
前記ジョイントに連結され、前記外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びる下側アーム、
前記ジョイントから延びる第１及び第２のプレート、
前記第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する膨張可能なベローズアクチュエータであって、前記ベローズ空洞に流体を導入することにより、膨張すると前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ジョイント及び前記ベローズアクチュエータの周囲部分から前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って延びる１つまたは複数の拘束リブ
を含む、前記着用可能な外骨格システム。
【請求項８】
前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記下側アームの遠位端が、スキーブーツ及びスキーを含むスキーアセンブリの前記スキーブーツにそれぞれ連結される、請求項７に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項９】
前記ベローズアクチュエータが、
前記ベローズ空洞を画定する内側第１層であって、前記ベローズアクチュエータを膨張させるために使用される前記流体に対して実質的に不浸透性である、前記内側第１層、
平坦な材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸張性であるが、他の方向には柔軟である非伸張性の前記平坦な材料を含む外側第２層、及び
前記第１層と前記第２層との間に配置され、前記第１層と前記第２層との間の耐摩耗及び／または低摩擦中間層として作用する第３層
をさらに備える、請求項７に記載の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【請求項１０】
流体アクチュエータユニットであって、
ジョイント、
前記ジョイントに連結された第１のアーム、
前記ジョイントに連結された第２のアーム、
前記ジョイントに対応付けられた第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する、膨張可能なベローズアクチュエータであって、前記ベローズ空洞に流体を導入することにより、膨張すると前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ジョイント及び前記ベローズアクチュエータの周囲部分から前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って延びる１つまたは複数の拘束リブ
を含む、前記流体アクチュエータユニット。
【請求項１１】
前記流体アクチュエータユニットが、使用者の身体のジョイントの周りに装着されるように構成される、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１２】
前記ジョイントは、前記流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の膝と整列するように構成される、請求項１１に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１３】
前記第１のアームは、流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びるように構成され、
前記第２のアームは、前記流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びるように構成される、請求項１１に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１４】
前記第１のプレート及び前記第２のプレートは、前記ジョイントから延びる、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１５】
前記第２のアームの遠位端が、１つ以上のスキーを含むスキーアセンブリのスキーブーツに連結されるように構成される、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１６】
前記ベローズアクチュエータは、前記ベローズ空洞を画定する層を備え、
前記層は、前記ベローズを膨張させるために使用される流体に対して実質的に不浸透性である、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１７】
前記ベローズアクチュエータは、平坦な材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸長性であり、一方で他の方向に可撓性である、非伸長性の前記平坦な材料を含む層を備える、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１８】
前記ベローズアクチュエータは、前記ベローズの第１層と第２層との間に配置された第３層を備え、
前記第３層は、前記第１層と前記第２層との間の耐摩耗性及び／または低摩擦中間層である、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【請求項１９】
前記１つ以上の拘束リブは、前記ジョイントから延在し、前記ベローズアクチュエータの一部が延在するリブ空洞を画定するリブリングと連結する１つ以上のリブアームを備える、請求項１０に記載の流体アクチュエータユニット。
【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、「ＡＤＪＵＳＴＡＢＬＥ  ＦＬＵＩＤＩＣ  ＡＣＴＵＡＴＯＲ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」と題する２０１７年４月１３日に出願された米国仮出願第６２／４８５，２７９号の利益を主張し、その出願は参照によりその全体が、あらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本願はまた、「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＦＯＲ  ＵＳＥＲ  ＩＮＴＥＮＴ  ＲＥＣＯＧＮＩＴＩＯＮ」と題する、２０１８年２月２日に出願された米国特許出願第１５／８８７，８６６号に関連し、「ＰＮＥＵＭＡＴＩＣ  ＥＸＯＳＫＥＬＥＴＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」と題する、２０１７年１１月２７日に出願された米国特許出願第１５／８２３，５２３号に関連し、「ＬＯＷＥＲ−ＬＥＧ  ＥＸＯＳＫＥＬＥＴＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ」と題する、２０１６年３月２８日に出願された米国特許出願第１５／０８２，８２４号に関連する。その出願はまた、参照によりその全体があらゆる目的で本明細書に組み込まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示は、１つ以上の調節可能な流体アクチュエータを含む流体外骨格システムの例示的な実施形態を教示する。いくつかの好ましい実施形態は、人体の関節に適応させることができる構成で、多大なストロークの長さで様々な圧力レベルで動作できる流体アクチュエータを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】使用者が装着している外骨格システムの実施形態の例示的な図解である。
【図２】スキー中に使用者によって装着されている外骨格システムの別の実施形態の例示的な図解である。
【図３】スキー中に使用者によって装着されている外骨格システムのさらなる実施形態の例示的な図解である。
【図４】図４ａ及び図４ｂは、使用者の脚に装着されている外骨格システムのさらに別の実施形態の例示的な図解である。
【図５】外骨格システムの実施形態を示すブロック図である。
【図６】図６ａは、一実施形態による、圧縮構成の空気圧式アクチュエータの側面図を示す。図６ｂは、拡張構成における図６ａの空気圧式アクチュエータの側面図を示す。
【図７】図７ａは、別の実施形態による圧縮構成の空気圧式アクチュエータの断面側面図を示す。図７ｂは、拡張構成における図７ａの空気圧式アクチュエータの断面側面図を示す。
【図８】図８ａは、別の実施形態による圧縮構成の空気圧式アクチュエータの上面図を示す。図８ｂは、拡張構成にある図８ａの空気圧式アクチュエータの上部を示している。
【図９】実施形態による空気圧式アクチュエータ拘束リブの上面図を示す。
【図１０】図１０ａは、別の実施形態による空気圧式アクチュエータベローズの断面図を示す。図１０ｂは、図１０ａの断面を示す拡張構成の図１０ａの空気圧式アクチュエータの側面図を示す。
【図１１】平坦な材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸長性であり、一方で他の方向には可撓性である、例示的な平坦な材料を示す。
【図１２】リブのピボットとして屈曲を使用するアクチュエータシステムアーキテクチャであり、壁の内部の歪みを測定する、アクチュエータ位置を測定するなどのために使用できるセンサが埋め込まれたスマート材料を含む様々な直径のアクチュエータの別の実施形態の例示的な図解である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図面は縮尺通りに描かれておらず、同様の構造または機能の要素は概して、図面全体を通して例示目的のために同様の参照番号によって表されていることに留意されたい。また、図面は、好ましい実施形態の説明を容易にすることのみを目的としていることにも留意されたい。図面は、説明された実施形態のあらゆる側面を例示するものではなく、本開示の範囲を限定するものではない。
【０００６】
図１を参照すると、人間の使用者１０１によって着用されている外骨格システム１００の実施形態の例が示されている。この例に示すように、外骨格システム１００は、使用者の左右の脚１０２Ｌ、１０２Ｒにそれぞれ連結された左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを含む。この例示的な例では、右脚部アクチュエータユニット１１０Ｒの数か所が、右脚１０２Ｒによって隠されている。しかし、様々な実施形態において、左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒが互いに実質的に鏡像であり得ることは明らかなはずである。
【０００７】
脚部アクチュエータユニット１１０は、ジョイント１２５を介して回転可能に連結される上側アーム１１５及び下側アーム１２０を含むことができる。ベローズアクチュエータ１３０は、上側アーム１１５及び下側アーム１２０のそれぞれの端部で連結されるプレート１４０間に延び、プレート１４０はジョイント１２５の別々の回転可能な部分に連結されている。本明細書でより詳細に説明するように、複数の拘束リブ１３５がジョイント１２５から延びて、ベローズアクチュエータ１３０の一部を取り囲んでいる。空気圧式ライン１４５の１つ以上のセットをベローズアクチュエータ１３０に連結して、ベローズアクチュエータ１３０から流体を導入及び／または除去し、本明細書で論じるようにベローズアクチュエータ１３０を伸縮させることができる。
【０００８】
脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒは、それぞれ、使用者１０１の脚１０２Ｌ、１０２Ｒの周りに、使用者１０１の膝１０３Ｌ、１０３Ｒに位置するジョイント１２５と連結することができ、脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの上側アーム１１５が、１つ以上のカプラ１５０（例えば、脚部１０４を囲むストラップ）を介して、使用者１０１の上側脚部１０４Ｌ、１０４Ｒの周りに連結されている。脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの下側アーム１２０は、１つまたは複数のカプラ１５０を介して、使用者１０１の下側脚部１０５Ｌ、１０５Ｒの周りに連結することができる。図１の例に示すように、上側アーム１１５は２つのカプラ１５０を介して膝１０３の上方の脚１０２の上側脚部１０４に連結させてもよく、下側アーム１２０は２つのカプラ１５０を介して膝１０３の下方の脚１０２の下側脚部１０５に連結させてもよい。これらの構成要素のいくつかは、特定の実施形態では省略でき、そのいくつかは内部で説明されていることに留意することが重要である。加えて、さらなる実施形態では、本明細書で論じられる構成要素の１つまたは複数は、同じ機能を生成するために代替構造によって動作可能に置き換えることができる。
【０００９】
本明細書で論じられるように、外骨格システム１００は、様々な適切な使用のために構成され得る。例えば、図２及び図３は、スキー中に使用者により使用されている外骨格システム１００を示している。図２及び図３に示すように、使用者は外骨格システム１００と、一対のスキーブーツ２１０及び一対のスキー２２０を含むスキーアセンブリ２００とを着用することができる。様々な実施形態において、脚部アクチュエータユニット１１０の下側アーム１２０は、カプラ１５０を介してスキーブーツ２１０に取り外し可能に連結できる。このような実施形態は、脚部アクチュエータユニット１１０からスキーアセンブリに力を向けるために望ましい可能性がある。例えば、図２及び図３に示すように、下側アーム１２０の遠位端のカプラ１５０は、脚部アクチュエータユニット１１０をスキーブーツ２１０に連結でき、上側アーム１１５の遠位端のカプラ１５０は、脚部アクチュエータユニット１１０を使用者１０１の上側脚部１０４に連結できる。
【００１０】
脚部アクチュエータユニット１１０の上側アーム１１５及び下側アーム１２０は、様々な適切な方法で使用者１０１の脚部１０２に連結することができる。例えば、図１は、脚部アクチュエータユニット１１０の上側アーム１１５及び下側アーム１２０及びジョイント１２５が、脚部１０２の上部１０４及び底部１０５の側面に沿って連結される例を示している。図４ａ及び図４ｂは、ジョイント１２５が膝１０３の側方に隣接して配置され、ジョイント１２５の回転軸Ｋが膝１０３の回転軸と一致して配置される外骨格システム１００の別の例を示す。上側アーム１１５は、ジョイント１２５から、上部脚１０４の側面に沿って、上部脚１０４の前面へと延びることができる。上部脚１０４の前面の上側アーム１１５の部分は、Ｕ軸に沿って延びることができる。下側アーム１２０は、ジョイント１２５の内側の位置から下部脚１０５の下端の後方の位置まで、下部脚１０５の側面に沿ってジョイント１２５から延びることができ、一部分はＫ軸に垂直なＬ軸に沿って延びる。
【００１１】
様々な実施形態において、ジョイント構造１２５は、ベローズアクチュエータ１３０内のアクチュエータ流体圧力によって生成される力が、瞬間的な中心（空間に固定されていても固定されていなくてもよい）の周りに向けられるように、ベローズアクチュエータ１３０を拘束することができる。外旋または回転式ジョイント、または曲面で滑る物体の場合には、この瞬間的な中心は、ジョイント１２５の瞬間的な回転の中心または曲面と一致させ得る。脚部アクチュエータユニット１１０によって回転式ジョイント１２５の周りに生成される力は、瞬間的な中心の周りにモーメントを加えるために使用することができ、さらに依然として有向な力を加えるために使用することができる。角柱または線形ジョイント（レール上のスライドなど）の一部の場合には、瞬間的な中心は運動学的に無限大にあるとみなすことができ、その場合、この無限の瞬間的な中心に向けられた力を、角柱ジョイントの運動軸に沿って向けられた力として考慮することができる。様々な実施形態において、回転式ジョイント１２５が機械的ピボット機構から構成されることは十分であり得る。そのような実施形態では、ジョイント１２５は、画定するのが容易であり得る固定の回転の中心を有することができ、ベローズアクチュエータ１３０は、ジョイント１２５に対して移動することができる。さらなる実施形態では、ジョイント１２５が、単一の固定の回転の中心を備えていない複雑なリンケージを含むことは、有益であり得る。さらに別の実施形態では、ジョイント１２５は、固定ジョイントピボットを備えていない屈曲設計を含むことができる。またさらなる実施形態では、ジョイント１２５は、人間の関節、ロボットのジョイントなどの構造を含むことができる。
【００１２】
様々な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０（例えば、ベローズアクチュエータ１３０、ジョイント構造１２５、拘束リブ１３５などを含む）をシステムに統合して、脚部アクチュエータユニット１１０の生成された指向力を使用して、様々なタスクを達成することができる。いくつかの例で、脚部アクチュエータユニット１１０が人体を支えるように構成されるか、動力付き外骨格システム１００に含まれる場合、脚部アクチュエータユニット１１０は、１つまたは複数の独自の利点を有することができる。例示的な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０は、使用者の膝関節１０３の周りの人間の使用者の動きを助けるように構成することができる。これを行うために、いくつかの例では、脚部アクチュエータユニット１１０の瞬間的な中心は、膝の瞬間的な回転の中心と一致またはほぼ一致するように設計することができる（例えば、図４ａに示すように共通軸Ｋに沿って整列）。例示的な一構成では、脚部アクチュエータユニット１１０は、図１、図２、図３、及び図４ａに示すように膝関節１０３の外側に配置することができる（前または後ろと、反対側に）。別の例示的な構成では、脚部アクチュエータユニット１１０は、膝１０３の後ろ、膝１０３の前、膝１０３の内側などに配置することができる。様々な例では、人間の膝関節１０３は、脚部アクチュエータユニット１１０のジョイント１２５として（例えば、それに加えて、またはその代わりに）機能することができる。
【００１３】
明確にするために、本明細書で説明される例示的な実施形態は、本開示内で説明される脚部アクチュエータユニット１１０の潜在的な用途を制限するものとみなされるべきではない。脚部アクチュエータユニット１１０は、肘、腰、指、脊椎、または首を含むがこれらに限定されない身体の他の関節で使用でき、いくつかの実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０は、全般的な目的の作動などで、人体ではない用途、例えばロボットで使用できる。
【００１４】
いくつかの実施形態は、本明細書で説明されるように、直線作動で適用するために、脚部アクチュエータユニット１１０の構成を適用することができる。例示的な実施形態では、ベローズ１３０は、２層不浸透性／非伸張性構造を含むことができ、拘束リブ１３５の一端は、所定の位置でベローズ１３５に固定することができる。種々の実施形態におけるジョイント構造１２５は、一対の直線ガイドレールの一連のスライドとして構成することができ、各拘束リブ１３５の残りの端部はスライドに接続される。したがって、流体アクチュエータの動きと力は、直線レールに沿って拘束され、方向付けられる。
【００１５】
図５は、空気圧式システム５２０に動作可能に接続される外骨格デバイス５１０を含む外骨格システム１００の例示的な実施形態のブロック図である。外骨格デバイス５１０は、プロセッサ５１１、メモリ５１２、１つまたは複数のセンサ５１３、及び通信ユニット５１４を備える。複数のアクチュエータ１３０は、それぞれの空気圧式ライン１４５を介して空気圧式システム５２０に動作可能に連結される。複数のアクチュエータ１３０は、本体１００の左側と右側に配置される一対の膝用アクチュエータ１３０Ｌ、１３０Ｒを含む。例えば、上述のように、図５に示される外骨格システム１００の例は、図１〜図３に示されているように、本体１０１のそれぞれの側に、左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを備えることができる。
【００１６】
様々な実施形態において、例示的なシステム１００は、外骨格システム１１０Ｄを着用している使用者の動きを移動及び／または強化するように構成することができる。例えば、外骨格デバイス５１０は、空気圧式システム５２０に指示を与えることができ、それにより空気圧式ライン１４５を介してベローズアクチュエータ１３０を選択的に膨張及び／または収縮させることができる。ベローズアクチュエータ１３０のこのような選択的膨張及び／または収縮は、一方または両方の脚１０２を動かして、身体の動き、例えば歩行、走行、ジャンプ、登ること、持ち上げること、投げること、しゃがむこと、スキーすることなどを生じさせる及び／または増強することができる。さらなる実施形態では、空気圧式システム５２０は、手動で制御する、一定の圧力を加えるように構成する、または他の任意の適切な方法で動作させることができる。
【００１７】
一部の実施形態では、そのような動きは、外骨格システム１００を着用している使用者１０１、または別の人物によって、制御及び／またはプログラムすることができる。一部の実施形態では、外骨格システム１００は、使用者の動きによって制御することができる。例えば、外骨格デバイス５１０は、使用者が歩行して荷物を運んでいることを感知でき、アクチュエータ１３０を介して使用者に電動アシストをもたらして、荷及び歩行に関連する運動を軽減することができる。同様に、使用者１０１がスキー中に外骨格システム１００を着用する場合、外骨格システム１００は使用者１０１の動きを感知することができ（例えば、地形などに応じて使用者１０１により生じる）、アクチュエータ１３０を介して使用者への電動アシストをもたらして、スキー中の使用者への支えを増強または提供することができる。
【００１８】
したがって、様々な実施形態において、外骨格システム１３０は、直接的な使用者との対話なしで自動的に反応することができる。さらなる実施形態では、コントローラ、ジョイスティック、または思考の制御により、動きをリアルタイムで制御することができる。さらに、一部の動作は、完全に制御されるのではなく、先に事前のプログラムをして、選択的にトリガ（例えば、前方に歩く、座る、しゃがむ）することができる。いくつかの実施形態において、動きは一般化された指示によって制御され得る（例えば、Ａ地点からＢ地点まで歩いて、棚Ａから箱を取り出して、棚Ｂまで移す）。
【００１９】
様々な実施形態において、外骨格デバイス１００は、以下により詳細に、または参照により本明細書に組み込まれる関連出願に記載される方法または方法の一部を実行するように動作可能であってよい。例えば、メモリ５１２は、プロセッサ５１１によって実行される場合、外骨格システム１００に、本明細書、または参照により本明細書に組み込まれる関連出願に記載された方法または方法の一部を実行させることができる非一時的なコンピュータ可読命令を含むことができる。通信ユニット５１４は、外骨格システム１００が使用者デバイス、分類サーバ、他の外骨格システムなどを含む他のデバイスと直接またはネットワークを介して通信できるようにするハードウェア及び／またはソフトウェアを含むことができる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、センサ５１３は、任意の適切なタイプのセンサを含むことができ、センサ５１３は、中央の位置に配置するか、外骨格システム１００の周りに分散させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、外骨格システム１００は、アーム１１５、１２０、ジョイント１２５、アクチュエータ１３０または任意の他の場所を含む様々な適切な位置に、複数の加速度計、力センサ、位置センサなどを備えることができる。したがって、いくつかの例では、センサデータは、１つまたは複数のアクチュエータ１３０の物理的な状態、外骨格システム１００の一部の物理的な状態、外骨格システム１００の物理的な状態などに一般に対応し得る。一部の実施形態では、外骨格システム１００は、全地球測位システム（ＧＰＳ）、カメラ、範囲感知システム、環境センサなどを含むことができる。
【００２１】
空気圧式システム５２０は、アクチュエータ１３０を個別にまたはグループとして膨張及び／または収縮させるように動作可能な任意の適切なデバイスまたはシステムを含むことができる。例えば、一実施形態では、空気圧式システムは、２０１４年１２月１９日に出願された関連特許出願第１４／５７７，８１７号に開示されているダイアフラム圧縮機を含むことができる。
【００２２】
本明細書で説明するように、様々な適切な外骨格システム１００は、様々な適切な方法で、様々な適切な用途に使用することができる。しかし、そのような例は、本開示の範囲及び精神内にある多種多様な外骨格システム１００またはその一部を制限するものと解釈されるべきではない。したがって、図１、図２、図３、図４ａ、図４ｂ及び図５の例よりも多少複雑な外骨格システム１００は、本開示の範囲内である。
【００２３】
さらに、様々な例は、使用者の脚または下半身に関連する外骨格システム１００に関するが、さらなる例は、胴体、腕、頭、脚などを含む使用者の身体のいずれかの適切な部分に関連し得る。また、様々な例が外骨格に関係しているが、本開示が人工装具、体内移植片、ロボットなどを含む他の類似のタイプの技術に適用できることは、明らかであるはずである。さらに、いくつかの例は人間の使用者に関連する可能性があるが、他の例は動物の使用者、ロボットの使用者、様々な形態の機械などに関連し得る。
【００２４】
図６ａ、図６ｂ、図７ａ及び図７ｂに移ると、ジョイント１２５、ベローズ１３０、拘束リブ１３５、及びベースプレート１４０を含む脚部アクチュエータユニット１１０の例である。より具体的には、図６ａは、圧縮構成にある脚部アクチュエータユニット１１０の側面図を示し、図６ｂは、拡張構成にある図６ａの脚部アクチュエータユニット１１０の側面図を示している。図７ａは、圧縮構成の脚部アクチュエータユニット１１０の断面の側面図を示し、図７ｂは、拡張構成の図７ａの脚部アクチュエータユニット１１０の断面の側面図を示す。
【００２５】
図６ａ、図６ｂ、図７ａ及び図７ｂに示されるように、ジョイント１２５は、ジョイント１２５から延びるまたはそれに連結する複数の拘束リブ１３５を有することができ、それはベローズ１３０の一部を包囲または一部に当接する。例えば、いくつかの実施形態では、拘束リブ１３５はベローズ１３０の端部１３２に当接でき、ベローズ１３０の端部１３２が押し付けることができるベースプレート１４０の一部またはすべてを画定することができる。しかし、いくつかの例では、ベースプレート１４０は、拘束リブ１３５とは別個の及び／または異なる要素とすることができる（例えば、図１に示すように）。さらに、１つ以上の拘束リブ１３５をベローズ１３０の端部１３２間に配置することができる。例えば、図６ａ、図６ｂ、図７ａ及び図７ｂは、ベローズ１３０の端部１３２間に配置された１つの拘束リブ１３５を示し、図１は、ベローズ１３０の端部１３２間に配置された４つの拘束リブ１３５を示す。さらなる実施形態は、ベローズ１３０の端部間に配置される任意の適切な数の拘束リブ１３５を含むことができ、その数は１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、５０、１００などを含む。
【００２６】
図７ａ及び図７ｂに示されるように、ベローズ１３０は、流体（例えば、空気）で満たされ得る空洞１３１を画定し得、ベローズ１３０を拡張し、これにより、図６ｂ及び図７ｂに示されるようにＢ軸に沿ってベローズを伸長させ得る。例えば、図６ａに示されるベローズ１３０の流体の圧力及び／または体積を増加させると、ベローズ１３０が図６ｂに示される構成に拡張し得る。同様に、図７ａに示されるベローズ１３０の流体の圧力及び／または体積を増加させると、ベローズ１３０が図７ｂに示される構成に拡張し得る。明確にするために、「ベローズ」という用語を使用することは、説明されたアクチュエータユニット１１０の構成要素を説明するためであり、構成要素のジオメトリを制限することを意図していない。ベローズ１３０は、一定の円筒管、断面積が多様な円筒、規定された円弧の形状に膨張する３次元の織物形状などを含むがそれらに限定されない様々な形状で構築することができる。
【００２７】
あるいは、図６ｂに示されるベローズ１３０の流体の圧力及び／または体積を減少させると、ベローズ１３０が図６ａに示される構成に収縮し得る。同様に、図７ｂに示されるベローズ１３０の流体の圧力及び／または体積を減少させると、ベローズ１３０が図７ａに示される構成に収縮し得る。ベローズ１３０の流体の圧力または体積のこのような増加または減少は、外骨格デバイス５１０（図５参照）によって制御可能な外骨格システム１００の空気圧式システム５２０及び空気圧式ライン１４５によって実行することができる。
【００２８】
好ましい一実施形態では、ベローズ１３０は空気で膨張させることができる。しかし、さらなる実施形態では、任意の適切な流体を使用してベローズ１３０を膨張させることができる。例えば、酸素、ヘリウム、窒素、及び／またはアルゴンなどを含むガスを使用してベローズ１３０を膨張及び／または収縮させることができる。さらなる実施形態では、水、油などの液体を使用してベローズ１３０を膨張させることができる。さらに、本明細書で説明するいくつかの例は、ベローズ１３０内の圧力を変えるベローズ１３０への流体の導入及び除去に関し、さらなる例は、ベローズ１３０内の圧力を修正するために流体を加熱及び／または冷却することを含むことができる。
【００２９】
図６ａ、図６ｂ、図７ａ及び図７ｂに示すように、拘束リブ１３５は、ベローズ１３０を支持及び拘束することができる。例えば、ベローズ１３０を膨張させると、ベローズ１３０はベローズ１３０の長さに沿って拡張し、ベローズ１３０はまた半径方向に拡張する。拘束リブ１３５は、ベローズ１３０の一部の半径方向の膨張を拘束することができる。さらに、本明細書で説明するように、ベローズ１３０は、１つ以上の方向に柔軟な材料を含み、拘束リブ１３５は、ベローズ１３０の直線の膨張方向を制御することができる。例えば、いくつかの実施形態では、拘束リブ１３５または他の拘束構造がないと、ベローズ１３０は、制御不能に突き出したり軸から曲がったりして、適合する力がベースプレート１４０に加えられないようになり、アーム１１５、１２０が適合して、または制御可能に作動しないようになる。したがって、様々な実施形態において、拘束リブ１３５は、ベローズ１３０が膨張及び／または収縮する際に、ベローズ１３０に対して一貫した制御可能な拡張軸Ｂを生成することが望ましい場合がある。
【００３０】
いくつかの例では、収縮構成のベローズ１３０は、拘束リブ１３５の半径方向縁部を実質的に越えて延びることができ、膨張中に収縮して、拘束リブ１３５の半径方向縁部をより少なく越えて延びる、または拘束リブ１３５の半径方向縁部をより少なく延びないようにすることができる。例えば、図７ａは、ベローズ１３０が圧縮リブ１３５の半径方向縁部を実質的に越えて延びるベローズ１３０の圧縮構成を示し、図７ｂは、膨張中に収縮して、ベローズ１３０の膨張構成で拘束リブ１３５の半径方向縁部をより少なく越えて延びるベローズ１３０を示している。
【００３１】
同様に、図８ａは、ベローズ１３０が拘束リブ１３５の半径方向縁部を実質的に越えて延びるベローズ１３０の圧縮構成の上面図を示し、図８ｂは、膨張中に収縮して、ベローズ１３０の膨張構成で拘束リブ１３５の半径方向縁部をより少なく越えて延びるベローズ１３０の上面図を示す。
【００３２】
拘束リブ１３５は、様々な適切な方法で構成することができる。例えば、図８ａ、図８ｂ、及び図９は、拘束リブ１３５の例示的実施形態の上面図を示しており、それはジョイント１２５から延び、リブ空洞１３８を画定する円形リブリング１３７と連結する一対のリブアーム１３６を有し、リブ空洞１３８を画定し、それを通してベローズ１３０の一部は（例えば、図７ａ、図７ｂ、図８ａ及び図８ｂに示されるように）延びることができる。様々な例において、１つ以上の拘束リブ１３５は、リブアーム１３６及びリブリング１３７が共通の平面内に配置された実質的に平面の要素であり得る。
【００３３】
さらなる実施形態では、１つ以上の拘束リブ１３５は、任意の他の適切な構成を有することができる。例えば、いくつかの実施形態は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つなどを含む任意の適切な数のリブアーム１３６を有することができる。加えて、リブリング１３７は、リブ空洞１３８を画定する内側縁部またはリブリング１３７の外側縁部の一方または両方を含めて、様々な適切な形状を有することができ、円形である必要はない。
【００３４】
様々な実施形態において、拘束リブ１３５は、ベローズ１３０の運動をある瞬間的な中心（空間に固定されていても固定されていなくてもよい）の周りの掃引経路に向け、及び／または面外の座屈などの望ましくない方向でのベローズ１３０の運動を防止するように構成することができる。結果として、いくつかの実施形態に含まれる拘束リブ１３５の数は、脚部アクチュエータユニット１１０の特定の幾何学的形状及び負荷に応じて変わり得る。例は、１つの拘束リブ１３５から任意の適切な数の拘束リブ１３５までの範囲であり得る。したがって、拘束リブ１３５の数は、本発明の適用可能性を制限するものと解されるべきではない。
【００３５】
１つ以上の拘束リブ１３５は、様々な方法で構築することができる。例えば、１つ以上の拘束リブ１３５は、所与の脚部アクチュエータユニット１１０上の構造が異なっていてもよく、及び／またはジョイント構造１２５への取り付けを必要とする場合と必要としない場合がある。様々な実施形態で、拘束リブ１３５は、中央回転式ジョイント構造１２５の一体部品として構築することができる。そのような構造の例示的な実施形態は、機械の回転式のピンジョイントを含むことができ、拘束リブ１３５は、ジョイント１２５の一端でジョイント１２５に接続され、ジョイント１２５の周りで旋回することができ、他端にあるベローズ１３０の延びない外側の層に取り付けられる。実施形態の別のセットでは、拘束リブ１３５は、脚部アクチュエータユニット１１０の運動範囲全体にわたってベローズ１３０の運動を方向付ける単一の屈曲構造の形態で構築することができる。別の例示的な実施形態は、ジョイント構造１２５に一体的に接続されるのではなく、代わりに予め組み立てられたジョイント構造１２５に外部から取り付けられる、屈曲する拘束リブ１３５を使用する。別の例示的な実施形態は、ベローズ１３０の周りに巻き付けられてジョイント構造１２５に取り付けられた布片から構成される拘束リブ１２５を備えることができ、それはハンモックのように作用して、ベローズ１３０の動きを制限及び／または案内する。追加の実施形態で使用することができる、拘束リブ１３５を構築するために利用可能な追加の方法があり、ジョイント１２５の周りなどに接続されるリンケージ、回転的屈曲が含まれるがこれらに限定されない。
【００３６】
いくつかの例において、拘束リブ１３５の設計上の考慮事項は、１つ以上の拘束リブ１２５がベローズ１３０と相互作用してベローズ１３０の経路を案内する方法であり得る。様々な実施形態において、拘束リブ１３５はベローズ１３０の長さに沿った所定の位置でベローズ１３０に固定できる。１つ以上の拘束リブ１３５は、これらに限定されないが、縫製、機械的クランプ、幾何学的干渉、直接的な統合などを含む様々な適切な方法で、ベローズ１３０に連結され得る。他の実施形態では、拘束リブ１３５は、拘束リブ１３５がベローズ１３０の長さに沿って浮遊し、所定の接続箇所でベローズ１３０に固定されないように構成することができる。いくつかの実施形態では、拘束リブ１３５は、ベローズ１３０の断面積を制限するように構成することができる。例示的な実施形態は、楕円形の断面を有する拘束リブ１３５に取り付けられた管状ベローズ１３０を含むことができ、いくつかの例で、ベローズ１３０が膨張したときにその位置でベローズ１３０の幅を縮小する構成であってよい。
【００３７】
ベローズ１３０は、脚部アクチュエータユニット１１０の作動流体を収容すること、脚部アクチュエータユニット１１０の作動圧力に関連する力に抵抗することなどを含め、いくつかの実施形態において様々な機能を有することができる。様々な例において、脚部アクチュエータユニット１１０は、周囲圧力を上回る、下回る、またはほぼ周囲圧力で、流体の圧力にて作動することができる。様々な実施形態において、ベローズ１３０は、周囲圧力を超えるよう加圧されたときに所望されるものを超える、ベローズ１３０の膨張（例えば、力の付与または運動の意図された方向以外の方向で望まれるものを超えるもの）に抵抗するために、１つ以上の可撓性であるが非伸張性または実質的に非伸張性の材料を含むことができる。加えて、ベローズ１３０は、アクチュエータ流体を収容するために不浸透性または半不浸透性の材料を含むことができる。
【００３８】
例えば、いくつかの実施形態では、ベローズ１３０は、織られたナイロン、ゴム、ポリクロロプレン、プラスチック、ラテックス、布地などの可撓性シート材料を含むことができる。したがって、いくつかの実施形態では、ベローズ１３０は、平坦な材料の１つまたは複数の平面軸に沿って実質的に非伸長性であり、一方で他の方向に柔軟である平坦な材料で作ることができる。例えば、図１１は、材料１１００の平面と一致するＸ軸に沿って実質的に非伸長性であるが、Ｚ軸を含む他の方向に柔軟な平坦な材料１１００（例えば、布地）の側面図を示す。図１１の例では、材料１１００は、Ｘ軸に沿って非伸縮性でありながらＺ軸に沿って上下に曲がっていることを示している。様々な実施形態において、材料１１００はまた、Ｙ軸（図示せず）に沿って非伸縮性であり得、またＸ軸のような、またＸ軸に垂直な材料１１００の平面と一致する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ベローズ１３０は、材料の１つまたは複数の軸に沿って非伸張性である非平面の織布材料で作製することができる。例えば、一実施形態では、ベローズ１３０は織布チューブを含むことができる。織布材料は、ベローズ１３０の長さに沿って円周方向に伸張性を提供することができる。そのような実施形態は、依然として、使用者１０１の身体に沿って、身体１０１の所望の関節（例えば、膝１０３）の軸と整列するように構成することができる。
【００４０】
様々な実施形態において、ベローズ１３０は、互いに拘束された距離である拘束された内面の長さ及び／または外面の長さを使用することにより、結果として生じる力を発生させることができる（例えば、上記の非伸張性材料による）。いくつかの例では、そのような設計により、アクチュエータはベローズ１３０で収縮することができるが、特定のしきい値まで加圧されると、ベローズ１３０は脚アクチュエータユニット１１０のプレート１４０を押すことにより、軸方向に力を向けることができ、その理由はベローズ１３０の本体によって規定される最大の長さを超えてその長さを伸ばすことができないため、ベローズ１３０はさらに体積部を拡張することができないからである。
【００４１】
図１０ａは、別の実施形態によるベローズ１３０を含む空気圧式アクチュエータユニット１１０の断面図を示し、図１０ｂは、図１０ａの断面を示す拡張構成における図１０ａの空気圧式アクチュエータユニット１１０の側面図を示す。図１０ａに示すように、ベローズ１３０は、ベローズ空洞１３１を画定する内側第１層１３２を含むことができ、第１層１３２と第２層１３３の間に配置された第３層１３４を有する外側第２層１３３を含むことができる。この記載全体に亘って、ベローズ１３０の構造を説明するための「層」という用語の使用は、設計を制限するものとみなされるべきではない。「層」の使用は、平坦な材料シート、ウェットフィルム、ドライフィルム、ゴム引きコーティング、共成形構造などを含むがこれらに限定されない様々な設計を示し得る。
【００４２】
いくつかの例では、内側第１層１３２は、アクチュエータ流体（例えば、空気）に対して不透過性または半透過性の材料を含むことができ、外側第２層１３３は、本明細書で説明する非伸張性材料を含むことができる。例えば、本明細書で議論されるように、不浸透性層は不浸透性または半浸透性層を示し、非伸張性層は非伸張性または実質的に非伸張性の層を示し得る。
【００４３】
２つ以上の層を含むいくつかの実施形態では、内側層１３２は、内部の力を高強度の非伸張性の外側第２層１３３に伝達できるように、非伸張性の外側第２層１３３に比べてわずかに大きくすることができる。一実施形態は、不透過性ポリウレタンポリマーフィルム内側第１層１３２、及び外側第２層１３３として織られたナイロンブレードを有するベローズ１３０を含む。
【００４４】
ベローズ１３０は、さらなる実施形態において様々な適切な方法で構成することができ、これは、流体不透過性を付与し、十分に非伸張性である材料で構成される単一層設計を含むことができる。他の例には、単一構造に共に固定された複数の積層層を含む複合式ベローズアセンブリが含まれる。いくつかの例では、脚部アクチュエータユニット１１０の動作範囲を最大化するために、ベローズ１３０の収縮したスタックの高さを制限する必要があり得る。そのような例では、ベローズ１３０の他の能力の必要性を満たす、厚さの薄い織布を選択することが望ましい場合がある。
【００４５】
さらに別の実施形態では、ベローズ１３０の様々な層間の摩擦を低減することが望ましい場合がある。一実施形態では、これは、第１層１３２と第２層１３３の間の耐摩耗及び／または低摩擦中間層として作用する第３層１３４を統合することを含むことができる。他の実施形態は、湿潤潤滑剤、乾燥潤滑剤、または多層の低摩擦材料の使用を含むがこれらに限定されない、代替または追加の方法で、第１層１３２と第２層１３３の間の摩擦を低減することができる。したがって、図１０ａの例は３つの層１３２、１３３、１３４を備えるベローズ１３０の例を示しているが、さらなる実施形態は、１、２、３、４、５、１０、１５、２５などを含む任意の適切な数の層を有するベローズ１３０を含むことができる。そのような１つ以上の層は、隣接する面に沿って部分的または全体的に一緒に連結することができ、いくつかの例は層間に1つ以上の空洞を画定する。そのような例では、潤滑剤または他の適切な流体などの材料をそのような空洞に配置することができ、またはそのような空洞を効果的に空にすることができる。加えて、本明細書に記載されるように、１つ以上の層（例えば、第３層１３４）は、いくつかの例に示されるようなシートまたは平坦な材料層である必要はなく、代わりに流体によって画定される層を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、第３層１３４は、湿潤潤滑剤、乾燥潤滑剤などによって画定され得る。
【００４６】
ベローズ１３０の膨張した形状は、いくつかの実施形態では、ベローズ１３０及び／または脚部アクチュエータユニット１１０の動作にとって重要であり得る。例えば、ベローズ１３０の膨張形状は、ベローズ１３０の不浸透性及び非伸張性部分（例えば、第１層１３２及び第２層１３３）の両方の設計により影響を受ける可能性がある。様々な実施形態では、収縮構成では直観的ではない可能性がある様々な二次元パネルから、ベローズ１３０の層１３２、１３３、１３４の１つ以上を構築することが望ましい場合がある。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ベローズ空洞１３１内に１つまたは複数の不透過性層を配置することができ、及び／またはベローズ１３０は、所望の流体を保持できる材料（例えば、本明細書で議論した流体不透過性の第１内側層１３２）を含むことができる。ベローズ１３０は、本明細書に記載のようにベローズ１３０が膨張または収縮したときに膨張及び収縮するように動作可能な、可撓性、弾性、または変形可能な材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、ベローズ１３０は、収縮構成に向かって付勢することができ、ベローズ１３０が弾性的で、膨張していないときに収縮構成に戻る傾向がある。さらに、本明細書に示されるベローズ１３０は、流体で膨張すると膨張及び／または伸長するように構成されるが、いくつかの実施形態では、ベローズ１３０は、いくつかの例で流体にて膨張するとき短縮及び／または収縮するように構成できる。また、本明細書で使用される「ベローズ」という用語は、決して限定的なものと解釈されるべきではない。例えば、本明細書で使用される「ベローズ」という用語は、畳み込みまたは他のそのような特徴などの要素を必要とするように解釈されるべきではない（いくつかの実施形態では畳み込みベローズ１３０が存在し得るが）。本明細書で説明するように、ベローズ１３０は、様々な適切な形状、サイズ、比率などをとることができる。
【００４８】
様々な実施形態では、ベローズ１３０は、米国特許第９，８２１，４７５号として発行された２０１３年１０月２５日に出願された関連する米国特許出願第１４／０６４，０７１号に記載されているような、２０１３年１０月２５日に出願された米国特許出願第１４／０６４，０７２号に記載されているような、２０１７年１１月２７日に出願された米国特許出願第１５／８２３，５２３号に記載されているような、または２０１７年３月２９日に出願された米国特許出願第１５／４７２，７４０号に記載されているような、ベローズ及び／またはベローズシステムを含むことができる。
【００４９】
一部の用途において、流体アクチュエータユニット１１０の設計は、その能力を拡張するために調整され得る。このような修正の一例は、トルクがジョイント構造１２５の角度の関数として変化するように、流体アクチュエータユニット１１０の回転構成のトルクプロファイルを調整するために行うことができる。これを達成するために、いくつかの例で、ベローズ１３０の断面を操作して、全体的な流体アクチュエータユニット１１０の所望のトルクプロファイルを強制することができる。一実施形態では、ベローズ１３０の直径をベローズ１３０の長手方向中心で小さくして、ベローズ１３０の完全な伸長時に、全体的な力の能力を低下させることができる。さらに別の実施形態では、ベローズ１３０の断面積を変更して、ベローズ１３０が望ましくない構成にならないように所望の座屈挙動を誘発することができる。例示的な実施形態において、回転構成のベローズ１３０の端部構成は、アクチュエータユニット１１０の所定のジョイントの角度を越えて延びるまで荷重下で座屈するベローズ１３０の端部を設けるために、名目上の直径からわずかに減少した端部の面積を有することができ、この箇所で、ベローズ１３０のより短い径の端部が膨張し始める。
【００５０】
他の実施形態では、この同じ能力は、拘束リブ１３５の挙動を修正することにより発展させることができる。例示的実施形態として、前の実施形態で説明したベローズ１３０と同じ例を使用して、２つの拘束リブ１３５を、ベローズ１３０の長さに沿って、均等に分布する場所で、そのようなベローズ１３０に固定することができる。いくつかの例では、部分的に膨張した座屈に抵抗するという目標は、アクチュエータユニット１１０が閉じるときにベローズ１３０を制御された方法で閉じることにより、対処することができる。拘束リブ１３５は、ジョイント構造１２５に近づくが、ジョイント構造１２５に対して底に達するまで互いに近づくことはできない。これにより、ベローズ１３０の中央部分が完全に膨張した状態にとどまることができ、いくつかの例では、ベローズ１３０の最も強い構成になり得る。
【００５１】
さらなる実施形態では、ベローズ１３０の特定の能力特性を調整するために、ベローズ１３０の個々の編組または織りの繊維の角度を最適化することが望ましい場合がある（例えば、ベローズ１３０が編組または織布により付与される非伸縮性を含む例において）。他の実施形態では、アクチュエータユニット１１０のベローズ１３０の形状を操作して、ロボット外骨格システム１００が異なる特性で動作できるようにすることができる。そのような修正のための例示的な方法は、以下を含むことができるが、これらに限定されない。すなわち、ベローズ１３０上のスマート材料を使用して、コマンドでベローズ１３０の機械的挙動を操作すること、または、ベローズ１３０の作動長さを短くする、及び／または断面積を減らすなどの手段によるベローズ１３０の幾何学的形状の機械的修正をすることである。
【００５２】
この例示的な実施形態は、埋め込まれた形状記憶合金セグメントを有する非伸張性層を有するベローズ１３０を含み、これは埋め込まれた形状記憶合金セグメントが電気インパルスにさらされるとき、埋め込まれた形状記憶合金セグメントの剛性が変化して、圧力下または他の条件に置かれた場合、ベローズ１３０が異なる動作をするようにする。例えば、図１２は、ベローズ１３０に連結された電気インパルスユニット１２００を備えたベローズ１３０を有するアクチュエータユニット１１０の例を示し、電気インパルスまたは他の電気信号を、ライン１２０５を介してベローズ１３０に提供することができ、一部の例は、外骨格デバイス５１０に動作可能に連結することができる（図５を参照）。したがって、いくつかの実施形態では、外骨格デバイス５１０は、電気インパルスユニット１２００を介して、１つまたは複数のアクチュエータユニット１１０の１つまたは複数のベローズ１３０の剛性、形状、または他の適切な構成を制御できる。そのような制御は、外骨格デバイス５１０のセンサ５１３から受信したデータに基づいて行うことができ、これは、使用者１０１によって実行されている活動（例えば、歩いている、立っている、走っている、ジャンプしている、しゃがんでいる、階段を上る、階段を下る、着陸する、回転する、座る、つかむ、スキーをする、手を伸ばすなど）、アクチュエータユニット１１０の１つ以上の部分の状態（例えば、アーム１１５、１２０、ジョイント１２５、ベローズ１３０、リブ１３５など）、環境条件データ、などを示すデータを含むことができる。言い換えれば、１つ以上のベローズ１３０の構成は、外骨格デバイス５１０によって取得されたデータに基づいて外骨格デバイス５１０によって決定され得る様々な状態に基づいて、外骨格デバイス５１０によってリアルタイムで選択的に構成され得る。
【００５３】
さらなる例では、流体アクチュエータユニット１１０は単一のベローズ１３０または複数のベローズ１３０の組み合わせを含むことができ、それぞれが独自の組成、構造、及び幾何形状を有する。例えば、いくつかの実施形態は、必要に応じて係合することができる同じジョイントアセンブリ１２５に平行または同心円状に配置された複数のベローズ１３０を含むことができる。例示的な一実施形態では、ジョイントアセンブリ１２５は、互いに直接隣接して平行に配置された２つのベローズ１３０を有するように構成することができる。システム１００は、所望の機械的構成で同じ流体アクチュエータユニット１１０によって様々な量の力が出力されることを可能にするために、必要に応じて各ベローズ１３０と係合することを選択的に決定できる。
【００５４】
さらなる実施形態では、流体アクチュエータユニット１１０は、ベローズ１３０または流体アクチュエータユニット１１０の他の部分の圧力、力、またはひずみを直接的または間接的に推定するために使用できる、ベローズ１３０または流体アクチュエータユニット１１０の他の部分の機械的特性を測定するための様々な適切なセンサを含むことができる。いくつかの実施形態には特定のセンサを望ましい機械的構成に統合することに関連する困難性があるが、他のものはより適切なものがあるということにより、いくつかの例は、流体アクチュエータユニット１１０に配置されたセンサが望ましい場合がある。流体アクチュエータユニット１１０のそのようなセンサは、外骨格デバイス５１０に動作可能に接続することができ（図５参照）、外骨格デバイス５１０は、流体アクチュエータユニット１１０のそのようなセンサからのデータを使用して外骨格システム１００を制御することができる。
【００５５】
本開示の実施形態は、以下の条項を考慮して説明することができる。
【００５６】
１．  着用可能な空気圧式外骨格システムであって、
前記空気圧式外骨格システムを装着した使用者の左右の脚にそれぞれ対応付けられるように構成された左右の空気圧式脚部アクチュエータユニットであって、
前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の膝の回転軸と整列するように構成された回転可能なジョイント、
前記回転可能なジョイントに連結され、前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びる上側アーム、
前記回転可能なジョイントに連結され、前記空気圧式外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びる下側アーム、
前記回転可能なジョイントから延びる第１及び第２のプレート、
前記第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する膨張可能なベローズアクチュエータであって、空気圧式流体を前記ベローズ空洞に導入することにより、空気圧で膨張すると、前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って、前記ベローズアクチュエータの前記回転可能なジョイント及び包囲部分から延びる複数の拘束リブ
をそれぞれ含む、
前記左右の空気圧式脚部アクチュエータユニット、
前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記ベローズアクチュエータに空気圧式流体を導入して、前記ベローズアクチュエータを独立して作動させるように構成された空気圧式システムと、
外骨格コンピューティングデバイスであって、
複数のセンサ、
少なくとも制御プログラムを保存するメモリ、及び
前記複数のセンサから取得されたセンサデータを含む前記外骨格コンピューティングデバイスによって取得されたデータに少なくとも部分的に基づいて、前記空気圧式システムを制御するために前記制御プログラムを実行するプロセッサ
を含む
前記外骨格コンピューティングデバイスと
を含む、前記着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００５７】
２．  前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記下側アームの遠位端が、スキーブーツ及びスキーを含むスキーアセンブリの前記スキーブーツにそれぞれ連結される、条項１の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００５８】
３．  前記ベローズアクチュエータの各々がさらに、
前記ベローズ空洞を画定する内側第１層であって、前記空気圧式流体に対して実質的に不浸透性である前記内側第１層、及び
平坦な材料の平面軸に沿って実質的に非伸張性であるが、他の方向には柔軟である非伸張性の前記平坦な材料を含む外側第２層
を含む、条項１〜２の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００５９】
４．  前記ベローズアクチュエータはそれぞれ、前記第１層と前記第２層との間に配置され、前記第１層と第２層との間の耐摩耗及び／または低摩擦中間層として作用する第３層をさらに含む、条項３の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００６０】
５．  前記ベローズアクチュエータの各々がさらに、
電気インパルスに応答して剛性を変化させる１つ以上の埋め込まれた形状記憶合金セグメント、及び
前記それぞれの埋め込まれた形状記憶合金セグメントに電気インパルスを与えて前記それぞれのベローズアクチュエータの前記剛性を変更する前記ベローズアクチュエータに連結された電気インパルスユニットであって、前記外骨格コンピューティングデバイスに動作可能に連結されて前記それぞれのベローズアクチュエータの前記剛性を前記外骨格コンピューティングデバイスが選択的に制御できる、前記電気インパルスユニット
を含む、条項１〜４のいずれかの着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００６１】
６．  前記拘束リブは、前記回転可能なジョイントから延在し、前記それぞれのベローズアクチュエータの一部が延在するリブ空洞を画定する円形リブリングと連結する一対のリブアームを備える、条項１〜５のいずれかの着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００６２】
７．  着用可能な外骨格システムであって、
前記外骨格システムを装着している使用者の脚に装着されるように構成された脚部アクチュエータユニットを備え、
前記脚部アクチュエータユニットは、
前記外骨格システムを着用している前記使用者の膝と整列するように構成されたジョイント、
前記ジョイントに連結され、前記外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びる上側アーム、
前記ジョイントに連結され、前記外骨格システムを着用している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びる下側アーム、
前記ジョイントから延びる第１及び第２のプレート、
前記第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する膨張可能なベローズアクチュエータであって、前記ベローズ空洞に流体を導入することにより、膨張すると前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ジョイント及び前記ベローズアクチュエータの周囲部分から前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って延びる１つまたは複数の拘束リブ
を含む前記脚部アクチュエータユニット
を含む、前記着用可能な外骨格システム。
【００６３】
８．  前記空気圧式脚部アクチュエータユニットの前記下側アームの遠位端が、スキーブーツ及びスキーを含むスキーアセンブリの前記スキーブーツにそれぞれ連結される、条項７の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００６４】
９．  前記ベローズアクチュエータが、
前記ベローズ空洞を画定する内側第１層であって、前記ベローズアクチュエータを膨張させるために使用される前記流体に対して実質的に不浸透性である、前記内側第１層、
平坦な材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸張性であるが、他の方向には柔軟である非伸張性の前記平坦な材料を含む外側第２層、及び
前記第１層と前記第２層との間に配置され、前記第１層と前記第２層との間の耐摩耗及び／または低摩擦中間層として作用する第３層
をさらに備える、条項７または８の着用可能な空気圧式外骨格システム。
【００６５】
１０．  流体アクチュエータユニットであって、
ジョイント、
前記ジョイントに連結された第１のアーム、
前記ジョイントに連結された第２のアーム、
前記ジョイントに対応付けられた第１及び第２のプレートの間に延び、ベローズ空洞を画定する、膨張可能なベローズアクチュエータであって、前記ベローズ空洞に流体を導入することにより、膨張すると前記ベローズアクチュエータの長さに沿って延びるように構成される、前記膨張可能なベローズアクチュエータ、及び
前記ジョイント及び前記ベローズアクチュエータの周囲部分から前記ベローズアクチュエータの前記長さに沿って延びる１つまたは複数の拘束リブ
を含む、前記流体アクチュエータユニット。
【００６６】
１１．  前記流体アクチュエータユニットが、使用者の身体のジョイントの周りに装着されるように構成される、条項１０の流体アクチュエータユニット。
【００６７】
１２．  前記ジョイントは、前記流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の膝と整列するように構成される、条項１１の流体アクチュエータユニット。
【００６８】
１３．  前記第１のアームは、流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の膝の上の上側脚部分の長さに沿って延びるように構成され、
前記第２のアームは、前記流体アクチュエータユニットを装着している前記使用者の前記膝の下の下側脚部分の長さに沿って延びるように構成される、条項１１の流体アクチュエータユニット。
【００６９】
１４．  前記第１のプレート及び前記第２のプレートは、前記ジョイントから延びる、条項１０〜１３のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７０】
１５．  前記第２のアームの遠位端が、１つ以上のスキーを含むスキーアセンブリのスキーブーツに連結されるように構成される、条項１０〜１４のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７１】
１６．  前記ベローズアクチュエータは、前記ベローズ空洞を画定する層を備え、
前記層は、前記ベローズを膨張させるために使用される流体に対して実質的に不浸透性である、条項１０〜１５のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７２】
１７．  前記ベローズアクチュエータは、平坦な材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸長性であり、一方で他の方向に可撓性である、非伸長性の前記平坦な材料を含む層を備える、条項１０〜１６のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７３】
１８．  前記ベローズアクチュエータは、前記ベローズの第１層と第２層との間に配置された第３層を備え、
前記第３層は、前記第１層と前記第２層との間の耐摩耗性及び／または低摩擦中間層である、条項１０〜１７のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７４】
１９．  前記１つ以上の拘束リブは、前記ジョイントから延在し、前記ベローズアクチュエータの一部が延在するリブ空洞を画定するリブリングと連結する１つ以上のリブアームを備える、条項１０〜１８のいずれかの流体アクチュエータユニット。
【００７５】
説明された実施形態は、様々な修正及び代替形態の影響を受けやすく、その特定の例は、図面に例として示されており、本明細書で詳細に説明されている。しかし、説明された実施形態は、開示された特定の形態または方法に限定されるものではなく、反対に、本開示は、すべての修正、均等物、及び代替物を網羅するものであることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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