(57)【要約】流体駆動アクチュエータ１００がここに開示される。特定の実施形態にて、流体駆動アクチュエータ１００は曲げアクチュエータ２００を備え、該曲げアクチュエータ２００は第１の壁部２０１と、第１の壁部２０１と協働して波状のアクチュエータプロファイルを画定する第２の壁部２０３とを含む。曲げアクチュエータ２００はまた、第１の壁部２０１と第２の壁部２０３との間に配置され、波状のアクチュエータプロファイルに従う内側流体袋２０２を含む。流体駆動アクチュエータ１００は、曲げアクチュエータ２００と協働するように構成されて、内側流体袋２０２に供給される流体に応答して複数の運動を生じさせる拘束部材３００をさらに含む。流体駆動アクチュエータを製造する方法も開示されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体駆動アクチュエータであって、
第１の壁部と、第１の壁部と協働して波状のアクチュエータ輪郭を画定する第２の壁部と、第１の壁部と第２の壁部との間に配置され、波状のアクチュエータ輪郭に従う内側流体袋を備えた曲げアクチュエータと、
曲げアクチュエータと協働するように構成されて、内側流体袋に供給される流体に応答して複数の運動を生じさせる拘束部材を備える、
流体駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記拘束部材は、曲げアクチュエータに固定的に結合されて、波状のアクチュエータ輪郭を画定するための複数の折り目を形成する、請求項１に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記拘束部材は、曲げアクチュエータに着脱可能に結合されて、波状のアクチュエータ輪郭を画定するための複数の折り目を形成する、請求項１に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項４】
複数の折り目の夫々は、ユーザによって調整可能な折り目幅を形成している、請求項３に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項５】
曲げアクチュエータは、複数の屈曲係止機構を含み、拘束部材は、複数の屈曲係止機構の夫々に選択的に取り付けられるように構成された複数の拘束係止機構を含む、請求項３又は４に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項６】
複数の折り目の夫々は、互いに離間している、請求項２乃至５の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項７】
複数の折り目は、折り目のセグメントを含み、各セグメントは互いに間隔を置いている、請求項２乃至６の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項８】
各セグメント内の折り目の数は異なる、請求項７に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項９】
各セグメント内の折り目の数は同じである、請求項７に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１０】
拘束部材は円筒形であり、折り目の各セグメントは拘束部材の周りに配置される、請求項９に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１１】
更に、第２の内側流体袋を有する二次曲げアクチュエータを含む、請求項２乃至１０の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１２】
二次曲げアクチュエータは、二次曲げアクチュエータの各折り目が曲げアクチュエータの夫々の折り目と位置合わせされた状態で、曲げアクチュエータと反対の関係に配置される、請求項１１に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１３】
二次曲げアクチュエータは、二次曲げアクチュエータの各折り目が曲げアクチュエータの各折り目と位置合わせされた状態で曲げアクチュエータの上方に配置される、請求項１２に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１４】
第２の内側流体袋及び内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成される、請求項１１乃至１３の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１５】
第２の内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成された少なくとも２つの異なるセグメントを含み得る、請求項１１乃至１４の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１６】
内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成された少なくとも２つの異なるセグメントを含み得る、請求項１乃至１５の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１７】
更に、複数の曲げアクチュエータを備え、一対の曲げアクチュエータは、前記拘束部材の各セグメントに対向配置され、１つのセグメント内の一対の曲げアクチュエータは、他のセグメント内の他の一対の曲げアクチュエータとは異なる向きに配置されている、請求項１乃至１６の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１８】
複数の曲げアクチュエータは、更なるセグメントにおいて互いに隣接する更なる一対の曲げアクチュエータを更に含む、請求項１７に記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項１９】
拘束部材は、内側流体袋に供給される流体に応答して曲げアクチュエータを屈曲させるための歪み制限層を含み得る、請求項１乃至１８の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項２０】
拘束部材は、一体的に形成された内側矯正流体袋を含み、内側矯正流体袋は、内側矯正流体袋に供給される流体に応じて拘束部材を長手方向に真直ぐにするように構成される、請求項１乃至１９の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項２１】
ＴＰＵ被覆布地、１層以上のポリマー層、または繊維網状構造から製造される、請求項１乃至２０の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項２２】
内側流体袋は、曲げアクチュエータと一体的に形成される、請求項１乃至２１の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項２３】
更に、蛇腹型アクチュエータを含み、曲げアクチュエータは蛇腹型アクチュエータ上に配置されている、請求項１乃至２２の何れかに記載の流体駆動アクチュエータ。
【請求項２４】
請求項１乃至２３の何れかに記載の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを備えるリハビリテーション又は補綴物用途の補助装置。
【請求項２５】
請求項１乃至２３の何れかに記載の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを備えるロボット手袋。
【請求項２６】
請求項１乃至２３の何れかに記載の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを備える、肢用の外骨格ブレース。
【請求項２７】
曲げアクチュエータを内側流体袋と一体に形成するステップを含む、請求項１乃至２３の何れかに記載の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【請求項２８】
一体に形成するステップは、内側流体袋を有する細長いアクチュエータを鋳造または成形によって形成するステップと、細長いアクチュエータを折り曲げて曲げアクチュエータを形成するステップを含む、請求項２７の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【請求項２９】
更に、曲げアクチュエータを拘束部材に取り付けるステップを含む、請求項２７の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【請求項３０】
更に、内側流体袋とともに曲げアクチュエータを３Ｄ印刷するステップを含む、請求項２７の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【請求項３１】
更に、ＴＰＵ被覆布地を接着して内側流体袋を形成するステップと、内側流体袋を折り曲げて曲げアクチュエータを形成するステップを含む、請求項２７の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【請求項３２】
更に、曲げアクチュエータを拘束部材に接着するステップを含む、請求項３１の流体駆動アクチュエータを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、福祉機器、リハビリテーション、補綴物、医療関連用途、さらには工業用用途に使用することができる流体駆動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソフトアクチュエータ及び関連する作動システムは、補助的用途、リハビリテーション用途、補綴用途、及び操作用途に使用されてきた。流体を加圧すると、ソフトアクチュエータは多自由度(ＤＯＦ)で複雑な運動、力、トルクを発生させることができる。ソフトアクチュエータは、操作用途のために産業用ロボットアームと一体化することができる。囲まれる物体の形状に適応するソフトアクチュエータの固有の整合性及び能力のために、ソフトアクチュエータは繊細な物体または部分ごとの変動を伴う物体を取り扱うときに有用である。
【０００３】
ソフトアクチュエータは、ウェアラブルプラットフォームとさらに一体化することができ、ウェアラブルプラットフォームは、(これらに限定されないが)ウェアラブル用途のためのソフト手袋、肘支え、ベルトなどであり、ウェアラブル用途はソフトウェアラブルロボット外骨格、義肢装具、及び余分なロボットアームまたは指などである。これらのウェアラブルプラットフォームは、健康な人々、労働者、高齢者、及び運動障害のある患者を含む人間のための日常生活の活動及びタスク特有のリハビリテーションの支援及び増強を提供する。
【０００４】
福祉機器の採用に対する最も一般的な障害は、ユーザの受け入れである。エンドユーザは、主に費用、安全性及び補助装置の使いやすさに関心がある。従って、課題は、快適で手頃な価格で機能的な外骨格などの補助器具を開発することである。臨床医との事前協議では、補助装置は習得の困難さ(steep learing curve)を必要とすべきではなく、装着/脱着が容易であることを強調している。更に、補助装置は、人間の関節の自然な動きを制限せず、広範囲の動きを生み出すように十分に柔軟であるべきである。
従来技術の欠点のうちの少なくとも１つに対処する流体駆動アクチュエータを提供すること、及び/又は公衆に有用な選択を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
概要
第１の態様において、流体駆動アクチュエータは曲げアクチュエータと拘束部材を備え、該曲げアクチュエータは第１の壁部と、第１の壁部と協働して波状のアクチュエータ輪郭を画定する第２の壁部と、第１の壁部と第２の壁部との間に配置され、波状のアクチュエータ輪郭に従う内側流体袋を備え、拘束部材は曲げアクチュエータと協働するように構成されて、内側流体袋に供給される流体に応答して複数の運動を生じさせる。
【０００６】
記載された実施形態により、流体駆動アクチュエータがカスタマイズ可能になり、自然で柔軟な作動を提供することが可能になる。また、流体駆動アクチュエータを製造するために異なる方法を使用することができ、布のような様々な材料を使用することを可能にし、布のような材料は補助装置の重量を減らす。より安くて軽い柔らかくて柔軟な部品（柔らかいアクチュエータ、柔らかいインターフェース）を使用する可能性があるので、流体駆動アクチュエータが補助装置に組み込まれると、その装置は現在の市場の装置よりも快適で、着用可能で、そして手頃な価格である。従って、市場参入に対するリスクと障壁を減らす可能性を秘めている。
【０００７】
一実施形態にて、拘束部材は、曲げアクチュエータに固定的に結合されて、波状のアクチュエータ輪郭を画定するための複数の折り目を形成し得る。
他の実施形態にて、拘束部材は、曲げアクチュエータに着脱可能に結合されて、波状のアクチュエータ輪郭を画定するための複数の折り目を形成し得る。そのような実施形態にて、複数の折り目の夫々は、ユーザによって調整可能な折り目幅を形成してもよい。曲げアクチュエータは、複数の屈曲係止機構を含み、拘束部材は、複数の屈曲係止機構の夫々に選択的に取り付けられるように構成された複数の拘束係止機構を含む。
【０００８】
複数の折り目の夫々は、互いに離間しているのが好ましい。複数の折り目は、折り目のセグメントを含み、各セグメントは互いに間隔を置いている。各セグメント内の折り目の数は異なってもよい。或いは、各セグメント内の折り目の数は同じである。特定の実施形態にて、拘束部材は円筒形であり、折り目の各セグメントは拘束部材の周りに配置される。
【０００９】
流体駆動アクチュエータは、第２の内側流体袋を有する二次曲げアクチュエータをさらに含む。二次曲げアクチュエータは、二次曲げアクチュエータの各折り目が曲げアクチュエータの夫々の折り目と位置合わせされた状態で、曲げアクチュエータと反対の関係に配置される。二次曲げアクチュエータは、二次曲げアクチュエータの各折り目が曲げアクチュエータの各折り目と位置合わせされた状態で曲げアクチュエータの上方に配置される。
【００１０】
有利なことに、第２の内側流体袋及び内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成され得る。第２の内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成された少なくとも２つの異なるセグメントを含み得る。
好ましくは、内側流体袋は、独立して流体が供給されるように構成された少なくとも２つの異なるセグメントを含み得る。
【００１１】
流体駆動アクチュエータは、複数の曲げアクチュエータをさらに備え、一対の曲げアクチュエータは、前記拘束部材の各セグメントに対向配置されてもよい。１つのセグメント内の一対の曲げアクチュエータは、他のセグメント内の他の一対の曲げアクチュエータとは異なる向きに配置されている。複数の曲げアクチュエータは、更なるセグメントにおいて互いに隣接する更なる一対の曲げアクチュエータをさらに含み得る。好ましくは、拘束部材は、内側流体袋に供給される流体に応答して曲げアクチュエータを屈曲させるための歪み制限層を含み得る。
【００１２】
有利なことに、拘束部材は、一体的に形成された内側矯正流体袋を含み、内側矯正流体袋は、内側矯正流体袋に供給される流体に応じて拘束部材を長手方向に真直ぐにするように構成され得る。
流体駆動アクチュエータは、ＴＰＵ被覆布地、１層以上のポリマー層、または繊維網状構造から製造される。有利なことに、内側流体袋は、曲げアクチュエータと一体的に形成されてもよい。
【００１３】
曲げアクチュエータは、従来のアクチュエータと組み合わせ、従来のアクチュエータとともに使用することができると考えられる。例えば、流体駆動アクチュエータは、蛇腹型アクチュエータを含み、曲げアクチュエータは蛇腹型アクチュエータ上に配置されている。
流体駆動アクチュエータは様々な用途及び使用例を有する。例えば、更なる態様において、上述のような少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを含む、リハビリテーション又は補綴用途のための補助装置、肢用のロボット手袋または外骨格ブレースが提供される。
【００１４】
更なる態様において、上記の特徴に従った流体駆動アクチュエータを製造する方法が提供され、該方法は曲げアクチュエータを内側流体袋と一体に形成するステップを含む。好ましくは、一体的に形成するステップは、内側流体袋を有する細長いアクチュエータを鋳造または成形によって形成するステップと、細長いアクチュエータを折り曲げて曲げアクチュエータを形成するステップを含む。
方法は更に、曲げアクチュエータを拘束部材に取り付けるステップを含む。
【００１５】
例示的な実施形態において、方法は、内側流体袋とともに曲げアクチュエータを３Ｄ印刷するステップをさらに含む。
方法は、ＴＰＵ被覆布地を接着して内側流体袋を形成するステップと、内側流体袋を折り曲げて曲げアクチュエータを形成するステップを更に含む。この場合、方法は更に、曲げアクチュエータを拘束部材に接着するステップを含む。
一つの態様に関連する特徴は、他の態様にも関連し得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
例示的な実施形態は、添付の図面を参照して記載される。
【図１】好ましい実施形態による、内部流体袋を有しかつ非作動状態にある流体駆動アクチュエータの正面図である。
【図２】内側流体袋が膨張した状態の図１の流体駆動アクチュエータを示し、流体駆動アクチュエータは曲げ運動を生じさせるために動的状態にある。
【図３】矯正動作を行うために、動的状態にある図１の流体駆動アクチュエータを示す。
【図４】布地、熱プレス及び超音波溶接を使用して図１の流体駆動アクチュエータを製造するためのステップを示す図である。
【図５】図５aは図４の方法を用いて製造された流体駆動アクチュエータの図である。図５bは流体駆動アクチュエータの可能な作動動作を示す図である。図５cは流体駆動アクチュエータの可能な作動動作を示す図である。
【図６ａ】布地ベースの流体駆動アクチュエータを形成する代替方法を記載した図である。
【図６ｂ】布地ベースの流体駆動アクチュエータを形成する代替方法を記載した図である。
【図６ｃ】図６a及び図６bの方法から製造される流体駆動アクチュエータを示す図である。
【図６ｄ】図６cの流体駆動アクチュエータをＡ−Ａの方向から見た断面図である。
【図７】図７(a)乃至図７(d)は、図６ａ及び図６ｂの代替方法で使用されるような布を平縫いチューブ接着するための例示的な工程を説明する。
【図８】図８(a)は非作動状態にある図６cの流体駆動アクチュエータを示し、図８(b)は作動状態にある図８(a)の流体駆動アクチュエータを示す。
【図９】図９aは異なる空気圧における図５ａの流体駆動アクチュエータの例示的な曲げ半径を示す図である。図９bは増加する圧力にわたって図９ａの流体駆動アクチュエータによって及ぼされる最大ブロック先端力を測定するための特別注文された力測定システムの概略図である。図９cは図９ｂの力測定システムからの結果を示すグラフである。図９ｄは加圧の間に図９ａの流体駆動アクチュエータによって加えられる抵抗グリップ力を測定するための力設定装置の概略図である。図９ｅは図９ｄの力設定装置からの結果を示すグラフである。
【図１０】図８ａの流体駆動アクチュエータの異なる屈曲角度でのトルク測定値を示すグラフである。
【図１１】図１１aは成形又は鋳造方法を使用して形成された図１の流体駆動アクチュエータの２つの例を示す図である。図１１ｂは成形又は鋳造方法を使用して形成された図１の流体駆動アクチュエータの２つの例を示す図である。図１１cは図１１ａ及び図１１ｂの例示的な流体駆動アクチュエータに関して使用して流体駆動アクチュエータ内に空気を供給できるようにするための空気入口を示す図である。
【図１２】図１２(a)は図１１ｂの第２の流体駆動アクチュエータの側面図である。図１２(ｂ)は一体的に形成された流体袋を有する曲げアクチュエータを形成するために図１１ｂの第２の流体駆動アクチュエータの第２のアクチュエータ本体がどのように折り畳まれるかを示す図である。
【図１３】図１３aは非作動状態にある図１２ｂの第２の流体駆動アクチュエータを示す図であり、図１３bは作動状態にある図１３aの第２の流体駆動アクチュエータを示す図である。
【図１４】３Ｄ印刷技術を使用して図１の流体駆動アクチュエータを製造するためのＳｉｍｐｌｉｆｙ ３Ｄスライサソフトウェアの設定を示す表である。
【図１５】図１５Aは図１４の設定に基づく空気圧式アクチュエータの形態の３Ｄ印刷アクチュエータの断面図である。図１５Bは図１５Aの部分AAの拡大断面図であり、内側袋又は空洞をより明瞭に示す。図１５Cは図１５Aの部分BBの拡大断面図であり、接続部分をより明瞭に示す。
【図１６】図１６(a)は非作動状態にある図１５Aの３Ｄプリント空気圧アクチュエータを示す図である。図１６(b)は作動状態にある図１５Aの３Ｄプリント空気圧アクチュエータを示す図である。
【図１７】図１７(a)はねじれ動作を示すために、非作動状態の図１５Ａの空気圧式アクチュエータを示す。図１７(b)はねじれ動作を示すために、作動状態の図１５Ａの空気圧式アクチュエータを示す。
【図１８】図１５Ａの空気圧式アクチュエータを示す図であり、歪み制限層が膨張して空気圧式アクチュエータを真っ直ぐにしている。
【図１９】例示的な用途として、図１の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを含むロボット用手袋を示す図である
【図２０】図２０aは、流体駆動アクチュエータのうちの１つを示すために取り除かれた、図１９のロボット用手袋のアクチュエータ指ポケットのうちの１つを示す。図２０bは図１９のロボット用手袋の平面図である。図２０cは図１９のロボット用手袋を折り畳んでそのサイズを小さくすることができることを示している。図２０dは人差し指を曲げるために加圧されている流体駆動アクチュエータのうちの１つを示す図である。図２０eは人差し指を伸ばすために加圧されている図２０ｄの流体駆動アクチュエータの第２のアクチュエータを示す図である。
【図２１】図１９のロボット用手袋で使用される流体駆動アクチュエータを制御するように構成された電空制御システムの概略ブロック図である
【図２２】図２１の流体駆動アクチュエータを制御するためのユーザ制御装置の一部として特別注文されたソフトウェアアプリケーションのＧＵＩである。
【図２３】図２３aから図２３cは、図２１の流体駆動アクチュエータの作動を制御するためにユーザによって押下され得る複数のボタンを有するボタンシステムを示す図である。
【図２４】図２４aと図２４bは、図２２のＧＵＩの制御モードの１つである意図駆動型戦略を受けている図１９のロボット用手袋を示す図である。図２４cは、図２４ａに示されているようにロボット用手袋によって開始されるようなパワーグリップ中に特定の筋肉から収集された筋肉信号を示すグラフである。
【図２５】図２５aと図２５bは、図１９のロボット用手袋がどのようにして両側性リハビリテーション訓練モードに左右されるかを示す図である。
【図２６】流体駆動式アクチュエータの曲げアクチュエータの波形または起伏のあるプロファイルをどのように調整またはカスタマイズできるかを示している。
【図２７】流体駆動式アクチュエータの曲げアクチュエータの波形または起伏のあるプロファイルをどのように調整またはカスタマイズできるかを示している。
【図２８】図２６及び図２７の波形曲げアクチュエータの折り目の長さと折り目の幅との間の関係を図示する。
【図２９ａ】図２６及び図２７の波形曲げアクチュエータをカスタマイズすることができることの２つの例示的用途を示す。
【図２９ｂ】図２６及び図２７の波形曲げアクチュエータをカスタマイズすることができることの２つの例示的用途を示す。
【図３０】図１の流体駆動アクチュエータを示す図であり、波形曲げアクチュエータ用の異なる種類の折り目を有する。
【図３１】図３１aから図３１fは、図１の流体駆動アクチュエータにおいて多層の折り目を有することの効果を図示する。
【図３２】図３２(a)は図１の流体駆動アクチュエータを従来の蛇腹型アクチュエータと組み合わせる効果を示す図である。図３２(b)は図１の流体駆動アクチュエータを従来の蛇腹型アクチュエータと組み合わせる効果を示す図である。図３２(c)は図１の流体駆動アクチュエータを従来の蛇腹型アクチュエータと組み合わせる効果を示す図である。
【図３３】図３３(a)乃至図３３(d)は、図１の２つの流体駆動アクチュエータを共通の拘束部材に固定して異なる曲げ運動を作り出すことができる方法を示し、図３３(e)は図１８の空気圧式アクチュエータの変形例を示す図である。
【図３４】図１の流体駆動アクチュエータの動作原理に基づくアーム流体駆動アクチュエータの分解図である。
【図３５】図３４のアーム流体駆動アクチュエータに基づいており、布地から作られているロボットアームを示している。
【図３６】図３６(a)は図３５のロボットアームと同様であるが、より複雑な曲げ様式を達成するためにマルチセグメントを有するマルチセグメントロボットアームを示す図である。図３６(b)は曲げモダリティを例示するための図３６ａのマルチセグメントロボットアームの簡略図である。
【図３７】図３７(a)は三次元空間内で様々な角度で曲げまたは屈曲することができる多次元ロボットアームを示す。図３７(b)は撓み角度を示すための図３７(a)の多角度ロボットアームの簡略図である。
【図３８】図３８(a)は３次元作業空間内の物体を操作することができる、組み立てられていない形態の布地ベースのソフトロボットアーム（ＳＲＡ）と呼ばれる代替の多次元ロボットアームを示す図である。図３８(b)は組み立てられた形態の図３８(a)のＳＲＡを示す図である。
【図３９】図３９(a)は１つの長い円筒形のＳＲＡ本体及び６.６ｃｍの直径を有する図３８ａのＳＲＡの製造を示す。図３９(b)は１つの長い円筒形のＳＲＡ本体及び６.６ｃｍの直径を有する図３８ｂのＳＲＡの製造を示す。
【図４０】図４０(a)は図３８(a)及び図３８(b)のＳＲＡで使用される関節アクチュエータを製造する方法を示す。図４０(b)は図３８(a)及び図３８(b)のＳＲＡで使用される関節アクチュエータを製造する方法を示す。図４０(c)は図３８(a)及び図３８(b)のＳＲＡで使用される関節アクチュエータを製造する方法を示す。
【図４１】図４１(a)は異なる大きさ及び形状の物体を掴むように構成されている図３８(a)及び図３８(b)のＳＲＡのグリッパーを示す。図４１(b)はＳＲＡの異なる動きを示す図である。
【図４２】図３８(a)及び図３８(b)のＳＲＡが布地を基にした余分な腕としてユーザによって着用されている略図である。
【図４３】図４３a乃至図４３eは、図１の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを含む外骨格手袋の様々な部分のＣＡＤモデルを示す図である。
【図４４】全体的にポリマーベースの図４３ａ乃至図４３ｅの組み立てられた外骨格手袋の斜視図である。
【図４５】手のひらから見た図４４の外骨格手袋を示す。
【図４６】指アクチュエータの１つが撓んだ図４５の外骨格手袋を示す。
【図４７】図４７aと図４７bは、図１の少なくとも１つの流体駆動アクチュエータを有する外骨格肘補強及び外骨格手首補強を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
好ましい実施形態の詳細な記載
図１は、好ましい実施形態に従った非動作状態の流体駆動アクチュエータ１００を示す。流体駆動アクチュエータ１００は、第１の壁部２０１と、第１の壁部２０１と協働する第２の壁部２０３とを有する曲げアクチュエータ２００を含む。第１及び第２の壁部２０１、２０３は、一連の隆起部２０６及び溝２０８を形成するいくつかの折り目２０４によって形成されるような波形のアクチュエータプロファイル(輪郭)を画定する。図１の実施形態において、４つの折り目２０４があり、４つの隆起部２０６と３つの溝２０８となる。従って、曲げアクチュエータ２００の折り目２０４は、折り目２０４の間に折り目間隔２１０を形成し、各折り目２０４はまた、折り目長さ２１２及び折り目幅２１４を有する。
【００１８】
流体駆動アクチュエータ１００は更に、第１の壁部２０１と第２の壁部２０３との間に配置された内側流体袋２０２を含む。換言すれば、内側流体袋２０２は波状のアクチュエータの輪郭に従う。内側流体袋２０２はまた、曲げアクチュエータ２００の波形アクチュエータの輪郭を有するので、内側流体袋２０２の長手方向軸も折り目２０４を形成する。本実施形態において、内側流体袋２０２の内部チャンバは、内側流体袋２０２を膨まし又は膨張させるために圧縮流体を供給されるように構成されており、これについては後で更に説明する。
【００１９】
流体駆動アクチュエータ１００は更に、曲げアクチュエータ２００と協働するように配置された拘束部材３００を含む。この実施形態では、拘束部材３００は、概して平坦で細長い二次アクチュエータ３０２の形態である。二次アクチュエータ３０２は、曲げアクチュエータ２００の溝２０８に接合され、二次内側流体袋３０４を含む。図１は、二次内側流体袋３０４が膨張していないために非作動状態にある二次アクチュエータ３０２を示す。換言すれば、曲げアクチュエータ２００の内側流体袋２０２と同様であり、二次内側流体袋３０４は、二次内側流体袋３０４のチャンバを膨張または膨張させるために圧縮空気が供給されるように構成され、それは線形運動または直線運動を生じさせ、このように二次アクチュエータ３０２は伸張アクチュエータと見なすこともできる。
【００２０】
流体駆動アクチュエータ１００が複数の運動を生じさせることを可能にするために、圧縮空気または空気圧が内側流体袋２０２、３０４の一方または両方に供給される。図２は、曲げアクチュエータ２００全体を膨張させるために内側流体袋２０２に供給される加圧空気を示し、示されるように、しわ又は折り目２０４も同様に膨張するであろう。曲げアクチュエータ２００の一方の側が二次アクチュエータ３０２に接合されているので、接合された側の伸びが制限される。従って、流体駆動アクチュエータ１００は、折り目２０４の膨張により、溝２０８にて接合面に向かって曲がる。結果として、曲げアクチュエータ２００及び/又は二次アクチュエータ３０２に供給される圧力を調整することによって、流体駆動アクチュエータ１００の曲げモダリティを制御することができる。二次アクチュエータ３０２が二次内側流体袋３０４内で十分な空気を供給されると、これは拡張された曲げアクチュエータ２００の効果に対抗することができ、従って流体駆動アクチュエータ１００は図３に示すように再び真っ直ぐになる。このようにして、二次アクチュエータ３０２は、曲げアクチュエータ２００と協働して、曲げ、ねじり、矯正、伸張、及び多様な自由度(ＤＯＦ)を有する様々な力及びトルクでの他の複雑な運動などの複数の屈曲運動を生成する。
【００２１】
次に、流体駆動アクチュエータ１００の３つの例示的な製造または製造技術、特に内側流体袋２０２、３０４の一体形成について説明する。
Ａ: 接合工程(熱プレスと超音波溶着による繊維製品と織物を使用する）。
Ｂ: 鋳造/成形（熱可塑性ウレタン(ＴＰＵ)、熱可塑性エラストマー(ＴＰＥ)、シリコーンゴムなどであるがこれらに限定されないポリマーを使用する）。
Ｃ: ３Ｄ印刷及び付加製造(これらに限定されないが、熱可塑性ウレタン(ＴＰＵ)、熱可塑性エラストマー(ＴＰＥ)などのポリマーを使用する)。
【００２２】
Ａ: 接合工程(熱プレスと超音波溶着による繊維製品と布を使用する）
図４は、可撓性熱可塑性ポリウレタン(ＴＰＵ)被覆布地を使用するこの方法を使用して流体駆動アクチュエータ１００を製造するステップを示す。この種類の布は柔軟ではあるが伸張性がないので、弾性エネルギーとして蓄えられた仕事によるエネルギー損失を最小限に抑え、流体動力伝達の効率を高める。ステップ４０２では、一般に平らで細長いそして必要な長さの２片のＴＰＵ被覆布地４５０、４５２を使用して空気袋４５４ａを形成する。空気袋４５４ａ内の空気流の制限を軽減するスペーサ４５６として役立つために、ネオプレンスポンジ（７３３−６７３１、ＲＳコンポーネント、シンガポール）が使用されて、スペーサ４５６を２片のＴＰＵ被覆布地４５０、４５２の間に挟む。更に、チューブアダプタ４５８が上部ＴＰＵ被覆布地４５０に挿入され、ラテックスゴム４６０が上部ＴＰＵ被覆布地４５０とチューブアダプタ４５８との間の界面に挿入されて空気漏れを防止する。
【００２３】
ステップ４０４にて、２片のＴＰＵ被覆布地４５０、４５２は、ヒートシーラを使用するか、または工業標準の超音波溶接によって機械的圧力を受けてＴＰＵ被覆布地４５０、４５２の縁をシールして空気袋４５４ａを形成する。換言すれば、シール後、空気袋４５４ａ内に内部空気室が形成される。図４のステップ４０６に示すように、ステップ４０２及び４０４を同様に実行して第２の空気袋４５４ｂを製造する。
【００２４】
次に、ステップ４０８にて、第１の空気袋４５４ａは折り畳まれて、一連の折り目２０４を有する図１の曲げアクチュエータ２００を形成し、第２の空気袋４５４ｂは図１の二次アクチュエータ３０２として使用される。換言すれば、第２の空気袋４５４ｂは、超音波溶接を使用して折り目２０４の溝２０８で第１の空気袋４５４ａに接合され、従って、ステップ４１０において、流体駆動アクチュエータ１００は、曲げアクチュエータ２００内に一体的に形成された第１の空気袋４５４ａと、二次アクチュエータ３０２内に一体的に形成された第２の空気袋４５４ｂとで形成される。加圧すると、曲げアクチュエータ２００及び二次アクチュエータ３０２の波形布層は膨張し、広がる。二次アクチュエータ３０２は、底面での伸びを制限するための拘束部材層として機能する。これにより、図５(a)乃至図５(c)から理解されるように、作動時に流体駆動アクチュエータ１００が曲がる。
【００２５】
図５(a)は、図４の方法を用いて生成された流体駆動アクチュエータ１００の斜視図であり、図５(b)及び図５(c)は、基端側の近くで傾斜した折り曲げで指の屈曲及び親指を支持する曲げ運動を可能にして、曲げ動作と捩れ動作を可能にする指曲げアクチュエータとして使用されるときの流体駆動アクチュエータ１００の可能な作動運動を示し、より複雑な親指指節間関節(ＩＰ)、中手指節間関節(ＭＣＰ)、及び手指中手骨(ＣＭＣ)関節の動きを支持する。
【００２６】
曲げアクチュエータ２００及び伸張アクチュエータ３０２の両方を組み合わせることにより、流体駆動アクチュエータ１００は、関節の双方向運動（指、手首及び肘など）を支持する曲げトルク及び伸張トルクを発生させることができる。空気がアクチュエータ２００、３０２に注入されると、内側流体袋２０２、３０４が膨張し、非対称に設計された外側布地がアクチュエータ２００、３０２の動きを案内する。このようにして開発された流体駆動アクチュエータ１００は、いかなる外部袋もなく(布地自体が袋である)運動を発生させ、それはさらに重量及び製造工程の複雑さを軽減する。
【００２７】
図４の方法において、２つの布地片４５０、４５２は縁に沿って熱シールされるが、布地片４５０、４５２の縁に沿ったＴＰＵコーティングは不十分である。従って、高い剛性または大きな力を達成するために布地片４５０、４５２の縁部に高い圧力を加えることは困難である、何故ならシールされた縁部を引き裂くことがあるからである。
【００２８】
従って、代替のシール方法が提案されており、これは図６及び図７を参照してさらに詳述される。図６に示されるように、ステップ６０２にて、図４の方法で使用されたものよりも大きい単一片のＴＰＵ被覆布地５００が使用され、２つの折り線（折り線１及び２）に印が付けられ、２つの折り線の間にマーキングテープが貼り付けられる。ＴＰＵ被覆布地５００の一方の端部にもチューブ孔５０２が形成されている。ステップ６０４にて、ＴＰＵ被覆布地５００は、２つの折り目に沿って内側に折り曲げられ、その結果、長い縁部が他の長い縁部と重なり合い、次に重なり合った両方の部分が互いに接着される。この結合プロセスは、説明のために例示的な布地片５０４を使用する図７においてさらに詳述される。図７ａは、平らに置かれた布地片５０４を示し、図７ｂは、図７ｂの端面図である図７ｄに示されるように、より長い縁部が互いに巻かれて重なり合っているのを示す。次に、重なり合う部分は、「平らな継ぎ目管接合」を用いてシールされ、破断や裂けが防止される。最後に、図７ｃに示すのと同じ方法を使用して短い方の縁部をシールして、布地５０４内に気密ポケットを形成する。
【００２９】
図６ａに戻り、布地５０２の長い方の縁部によって形成された重なり合った部分がシールされた後、ステップ６０６で、チューブアダプタ（図示せず）が同様にチューブ孔５０２に挿入され、ステップ６０８にて布地５００の短い方の縁部は、図７で説明したようにシールされている。このようにして、布地５００内にエアポケットが生成され、第１の空気袋５０６がこのように形成される。流体駆動アクチュエータ１５０を形成するために、第２の空気袋５０８が同様の方法で形成され、図６bのステップ６１０から理解されるように、この第２の空気袋５０８は第１の空気袋５０６よりわずかに短い。第２の空気袋５０８に接続するための第１の空気袋５０８の折り目の位置及び点がマークされている。ステップ６１２において、第１の空気袋５０６は折り曲げられて、同様に曲げアクチュエータ２００を形成する波状の輪郭を有する一連の折り目５０６ａ及び溝５０６ｂを形成し、第２の空気袋５０８は拘束部材を形成する。この変形例において、流体駆動アクチュエータ１５０は、一対の対向ストラップ５１２、５１４を備えたプレカット布地ファスナ５１０をさらに含み、各一対の対向ストラップ５１２、１５４は第２の空気袋５０８と第１の空気袋５０６とを包み、ストラップ５１２、５１４は、熱接着/超音波溶接によって第１の空気袋５０６の夫々の溝５０６ｂに固定されている。図６cは、図６a及び図６bから製造される流体駆動アクチュエータ１５０を示し、図６ｄは、方向Ａ−Ａにおける流体駆動アクチュエータ１５０の断面図である。
【００３０】
図８aは、非作動状態における図６cの流体駆動アクチュエータ１５０を示し、然るに図８bは作動状態における流体駆動アクチュエータ１５０を示す。流体駆動アクチュエータ１５０は、より良好な性能、高い作動力を達成し、実質的に空気を遮断することがないことが分かる。
【００３１】
性能を試験すべく、図５ａの流体駆動アクチュエータ１００は、その曲げ半径及び力/トルク出力を決定するためにアクチュエータの特性評価を受ける。特に、流体駆動アクチュエータ１００は、曲げ半径、最大ブロック先端力、及び加圧時の抵抗グリップ力に関して特徴付けられる。
【００３２】
異なる圧力での曲げ半径は、画像解析ソフトウェア（Image J、米国国立衛生研究所、米国）を使用して取得し、アクチュエータの元の長さに正規化した。図９(a)は、３０ｋＰａ、５０ｋＰａ、６０ｋＰａ及び７０ｋＰａの異なる空気圧で曲げ半径が変化する図５ａの流体駆動アクチュエータ１００を示す。その結果から、図９(a)は、流体駆動アクチュエータが３０ｋＰａで最小曲げ半径０.０６９±０.００３に到達したことを示している。圧力をさらに増加させても、曲げ半径は大きく変化しなかった。この正規化された曲げ半径は、以前に開発されたエラストマーアクチュエータによって達成された０.０８１の正規化された曲げ半径よりも小さかった。
【００３３】
図９(b)に示すように、流体駆動アクチュエータ１００によって発揮される最大ブロック先端力は、カスタマイズされた力測定設定を使用して圧力の増加にわたって測定される。
このシステムは、圧縮ロードセル（ＦＣ２２、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ Ｉｎｃ、米国）と取り付けプラットフォームで構成されている。流体駆動アクチュエータ１００の基端部は、プラットフォームに取り付けられ、接続チューブを介して空気源に接続される。流体駆動アクチュエータの先端部はロードセルと接触している。拘束プラットフォームは、流体駆動アクチュエータ１００の上部に配置されている。加圧中、流体駆動アクチュエータ１００は曲がり、拘束プラットフォームと接触し始め、これにより、流体駆動アクチュエータの高さ及び曲率が拘束された。この力測定の設定では、曲げ角度に関係なく、アクチュエータによって生成された初期ブロック先端力を測定した。力は圧力の増加とともに増加した(図９cのグラフを参照)。実験では、流体駆動アクチュエータ１００に対してテストされた最大力と最大作動圧力は、１４.３Ｎと７０ｋＰａであった。Ｅｌａｓｔｏｓｉｌ  Ｍ４６０１（Ｓｈｏｒｅ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ  ２８Ａ）で作られ、２７５−３７５ｋＰaの圧力範囲で動作する繊維強化アクチュエータ、同様にＤｒａｇｏｎＳｋｉｎ  １０（Ｓｈｏｒｅ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ  １０Ａ）で作られ、１２０−１６０ｋＰの圧力範囲で動作する布地強化アクチュエータと比較して、図５ａの流体駆動アクチュエータ１００は、より低い圧力で同様の力出力を達成することができる。
【００３４】
加圧中に流体駆動アクチュエータ１００によって加えられる抵抗グリップ力は、図９（d）に示されているように、ユニバーサルテストマシン（Ｍｏｄｅｌ  ３３４５、Ｉｎｓｔｒｏｎ、ＭＡ、ＵＳＡ）を使用して測定される。流体駆動アクチュエータ１００を７０ｋＰａに加圧して、シリンダをテーブルで囲んでつかみ、シリンダがアクチュエータの把持から解放されるまで、インストロンによって固定速度（８ｍｍ/s）でシリンダを引いた。実験を３回繰り返し、結果を平均して図９(e)に示す。アクチュエータの最大抵抗グリップ力は８.７７±１.６２Ｎであった。０.４６の摩擦係数を考慮すると、流体駆動アクチュエータ１００は、４.０３Ｎの摩擦力を生成することができる。夫々が同じ量のグリップ力を生成できる５つのアクチュエータを想定すると、物体の重量に対抗するための総摩擦力は２０.１５Ｎになる。日常生活の物体の重さは１.５ｋｇを超えないため、摩擦力は殆どの物体を持ち上げるのに十分であることが判った。
【００３５】
二次空気袋３０２又は第２の空気袋５０８などの伸長アクチュエータに関して、流体駆動アクチュエータ１００、１５０は、７０ｋＰａで加圧されたときに異なる曲げ角で生成される伸長トルクの点で特徴付けられる。トルク出力は、トルクトランスデューサー（ＦＴ０１、Ｆｏｒｓｅｎｔｅｋ、中国製）が取り付けられたカスタマイズされたトルクリグを使用し、図８aの流体駆動アクチュエータ１５０の第２の空気袋５０８を使用して得られる。トルクリグにより、異なる固定曲げ角度での第２の空気袋５０８のトルク出力の測定が可能になり、結果を図１０に示す。曲げ角度が増加すると、トルク出力が増加した。伸長アクチュエータは、７０°で０.３１Ｎｍの最大伸長トルクを生成できることが判った。以前の研究では、痙性指屈筋による脳卒中患者の総曲げトルクを定量化した。４本の指の中手指節（ＭＣＰ）関節の曲げトルクの合計である総曲げトルクは、通常０.５−４Ｎｍの範囲内に収まる。全ての伸長アクチュエータが同じ量の伸長トルクを生成できると仮定すると、４つのアクチュエータによって達成される合計延長トルクは１.２４Ｎｍになり、これは、１.２４Ｎｍより小さい曲げトルクに対抗し、指を開いた状態に引き寄せることができる。
【００３６】
ＴＰＵコーティングされた布地を使用してアクチュエータを製造することとは別に、流体駆動アクチュエータ１００、１５０を直接鋳造/成形することができ（産業設定、大規模製造）、又はこれらに限定されないが、熱可塑性ウレタン(ＴＰＵ)、熱可塑性エラストマー(ＴＰＥ)、シリコンゴムなどのポリマーを使用した３Ｄ印刷(付加製造、小規模プロトタイピング)により、折り畳まれた袋とシート状袋を形成することができ、これらの２つの他の例示的な製造工程は次に記載される。
【００３７】
Ｂ: 鋳造/成形（熱可塑性ウレタン(ＴＰＵ)、熱可塑性エラストマー(ＴＰＥ)、シリコンゴムなどであるが、これらに限定されないポリマーを使用する）。
図１１ａは、第１の流体駆動アクチュエータ５５２を示し、図１１ｂに示す第２の流体駆動アクチュエータ５８０よりも短く、両アクチュエータは鋳造又は成形によって形成される。第１の流体駆動アクチュエータ５５２は、一体的に形成された内部流体袋(図示せず)を備えてポリマーを使用して鋳造された第１のアクチュエータ本体５５４と、厚さ１ｍｍのポリプロピレンシートを使用してレーザーカットされた第1のアクチュエータベース５５６を備える。第１のアクチュエータ本体５５４は、第１のアクチュエータ本体５５４の長手方向軸に沿って規則的な間隔で延びる突出ボタン５５８とともにさらに成形される。この実施形態において、７つのボタン５５８があるが、最初の２つのボタンは、第１のアクチュエータ本体５５４の先端部分を所定の位置に保持するために互いに近接している。しかし、最初の２つのボタン間の距離は、残りのボタンと同じでも、第1のアクチュエータ本体５５４の長さに応じて調整してもよいことを理解されたい。第１のアクチュエータ本体５５４の他端には、空気入口５６２(図１１ｃを参照)に連結されて空気を流体袋に注入して第１のアクチュエータ本体５５４を膨張させるように配置された空気入口コネクタ５６０がある.
【００３８】
第１のアクチュエータベース５５６は、拘束部材として機能し、長手方向の第１のアクチュエータベース５５６に沿って間隔をあけて形成された７つの開口５６４を有し、これは第１のアクチュエータ本体５５４の７つのボタン５５８に対応する。各開口５６４は、対応するボタン５５８よりもわずかに小さいので、各ボタン５５８は各開口５６４内に嵌合し、開口５６４は夫々のボタン５５８を固定することができる。
【００３９】
図１１bに示す第２の流体駆動アクチュエータ５８０は上記で説明したように第１の流体駆動アクチュエータより長く、この実施形態にて、第２の流体駆動アクチュエータ５８０は、第２のアクチュエータ本体５８２及び第２のアクチュエータベース５８４を有し、第２のアクチュエータ本体５８２及び第２のアクチュエータベース５８４がより長いことを除き、第１の流体駆動アクチュエータ５８０と同様の方法で作られる。この態様において、２のアクチュエータ本体５８２には８つのボタン５８６があり、第２のアクチュエータベース５８４には８つの対応する開口部５８８がある。
【００４０】
図１２ａは、図１１ｂの第２のアクチュエータ本体５８２及び第２のアクチュエータベース５８４を含む第２の流体駆動アクチュエータ５８０の側面図を示し、ボタン５８６及び開口部５８８の対応する位置を示す。
ボタン５８６を開口部５８８に固定するには、図１２ｂに示すように、第２のアクチュエータ本体５８２は折り畳まれて複数の折り目５９０を形成し、ボタン５８６の位置を開口部５８８と位置合わせし、次いで各ボタン５８６を夫々の開口部５８８にぴったりと挿入する。このようにして、図１の流体駆動アクチュエータ１００と同様の内部流体袋を有する波形の第２の流体駆動アクチュエータ５８０が形成され、第２のアクチュエータベース５８４が拘束部材または歪み制限層として機能する。
【００４１】
図１３ａは、非作動状態の別の角度からの第２の流体駆動アクチュエータ５８０を示し、図１３ｂは、作動状態の第２の流体駆動アクチュエータ５８０を示し、加圧空気が第２の流体駆動アクチュエータ５８０の流体室に注入され、第２のアクチュエータベース５８４が第２のアクチュエータ本体５８２と協働して第２の流体駆動アクチュエータ５８０を曲げる。
従って、流体駆動アクチュエータ１００、１５０を直接鋳造／成形して、内部流体袋を一体的に形成することができることが理解され、流体駆動アクチュエータ１００、１５０を製造するための第３の例示的なプロセスを次に説明する。
【００４２】
Ｃ: ３Ｄ印刷及び付加製造（これらに限定されないが、熱可塑性ウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）などのポリマーを使用する）。
流体駆動アクチュエータ１００、１５０は、３Ｄ印刷（付加製造、小規模のプロトタイピング）され、この例では、流体駆動アクチュエータ１００、１５０は、ＴＰＵベースの可撓性材料、Ｎｉｎｊａｆｌｅｘ(登録商標)から３Ｄ印刷され、３Ｄ印刷用の他の可撓性フィラメントが使用されてもよい。
３Ｄプリンタは、Ｓｉｍｐｌｉｆｙ３Ｄ(登録商標)スライサソフトウェアを介してセットアップ及び制御され、図１４は、Ｓｉｍｐｌｉｆｙ３Ｄスライサソフトウェアの設定を示す表であり、３Ｄ印刷された流体駆動アクチュエータ６００を生成する。
【００４３】
図１５Ａは、流体駆動アクチュエータ１００、１５０と同様の空気圧アクチュエータ６００の形態の３Ｄ印刷アクチュエータの断面図を示している。図１５Ａに示すように、空気圧アクチュエータ６００は、波状輪郭を形成する複数の折り目６０４を有する３Ｄ印刷曲げアクチュエータ６０２と、拘束部材として機能し、所定の間隔で３Ｄ印刷曲げアクチュエータ６０２に固定的に取り付けられた３Ｄ印刷歪み制限層６０６、及び空気源用の接続セクション６０８を有する。曲げアクチュエータ６０２は、曲げアクチュエータ６０２の縦軸に沿って延びる流体室を形成する一体的に形成された３Ｄ印刷された内側袋または空洞６１０を有し、内側袋又は空洞６１０は曲げアクチュエータ６０２の波状の輪郭に従う。歪み制限層６０６は、歪み制限層６０６の長手方向軸に沿って延びる別の流体室を形成する歪み制限内部空洞６１２を有する。図１５Ｂは、内部空洞６１０及び歪み制限内部空洞６１２をより明確に示すための図１５Ａの部分ＡＡの拡大断面図である。図１５Ｃは、接続セクション６０８をより明確に示すための図１５Ａの部分ＢＢの拡大断面図である。歪み制限層６０６は、歪み制限内部空洞６１２なしで３Ｄ印刷されてもよいことを理解されたい。
流体駆動アクチュエータ１００、１５０と同様に、空気圧アクチュエータ６００の内部空洞６１０の加圧により、空気圧アクチュエータ６００の異なる輪郭を達成することが可能になる。
曲げ−曲げアクチュエータ６０２の内部空洞６１０を加圧した際に、歪み制限層６０６が袋の膨張を抑制した状態で(ただし、歪み制限内部空洞６１２はそうではない)、曲げアクチュエータ６０２は上部で膨張し、然るに底部での膨張は歪み制限層６０６により収縮され、空気圧アクチュエータ６００の曲げ輪郭が達成される。加圧が低減される場合（すなわち、加圧空気が内部空洞６１０から吸い出される場合）、直線化輪郭が得られる。図１６ａは、非作動（加圧前）の空気圧アクチュエータ６００を示し、図１６ｂは、曲がった輪郭を示す作動状態（加圧後）の空気圧アクチュエータ６００を示している。
【００４４】
捩れ−ひずみ制限層６０６は、加圧時に袋６０２の膨張を選択的に制限するように構成されて、袋６０２の膨張が一方の長手方向側面に制限されるようにすることができ、これにより、図１７a及び図１７bに示すように、空気圧アクチュエータ６００の捩れ輪郭が達成される。特に、歪み制限層６０６は、曲げアクチュエータ６０２の底面の片側に印刷され、これにより、非対称の曲げ輪郭が作成される。曲げアクチュエータ６０２が加圧されると、空気圧アクチュエータは曲げ動作とねじれ動作の両方を生み出す。
直線化−流体駆動アクチュエータ１００、１５０と同様に、歪み制限層６０６の歪み制限内部空洞６１２は、加圧空気で膨張させることができ、これにより、図１８に示すように、空気圧アクチュエータ６００を真っ直ぐにすることができる。
【００４５】
用途
流体駆動アクチュエータ１００、１５０は多くの用途に適用され、いくつかの例示的な用途がここに提供される。
i)福祉機器、リハビリテーション、及び補綴物用のソフトロボット手袋
図１９は、図１の多数の流体駆動アクチュエータ１００を備えるロボット手袋６５０を示す。ロボット手袋６５０は、人間の手６５６の指及び親指のために、各鞘６５４の夫々の背側に取り付けられた５つのアクチュエータ指ポケット６５２を含む。ロボット手袋６５０は、人間の手６５６への準拠したインターフェース要素として機能し、指の動きに対する最小の機械的インピーダンスを提供し、ロボット手袋がユーザに装着されたときに運動学的な透明性(transparency)を可能にする。開いた掌のデザインは、特に、一般的に手が握り締められた、脳卒中の患者にとって、手袋を簡単に着用及び脱着するために採用されている。
【００４６】
図２０ａは、１つの流体駆動アクチュエータ１００を示すべく、図１９のアクチュエータ指ポケット６５２の１つを除去した図であり、流体駆動アクチュエータは二次アクチュエータに取り付けられた曲げアクチュエータを有する。曲げアクチュエータが二次アクチュエータに取り付けられていないことも可能であり、この場合、曲げアクチュエータは、アクチュエータ指ポケット６５２に挿入されてもよいが、二次アクチュエータは、ロボット手袋６５０の掌側６６０に形成された延長アクチュエータポケット６５８に個別に挿入される。
【００４７】
アクチュエータ指ポケット６５２は、図２０bに示すように伸縮性のあるライクラ生地で作られている。各アクチュエータは他のアクチュエータに対して隔離されているため、各指の支援は独立して達成でき、種々の把持及び解放タスクを実行できる。この実施形態にて、手袋６５０とアクチュエータ１００の両方が布地で作られているため、図２０cに示すように手袋をより小さなサイズに折り畳んで保管することもでき、これは従来の手の外骨格では達成が困難である。
【００４８】
完全に布地ベースのロボット手袋６５０を実現することが可能であるため、手袋の総重量はかなり減少する場合がある(例えば、約９９g)。更に、アクチュエータ１００の膨張は、空気圧の下で機能するため、手に大きな重量を加えない。図２０ｄは、対応する流体駆動アクチュエータ１００の加圧により屈曲し、又は曲がっている人差し指６６２を示し、図２０eは流体駆動アクチュエータ１００の二次アクチュエータ(即ち、伸長アクチュエータ)の加圧により真直ぐになっている人差し指６６２を示している。
【００４９】
８つのカメラを備えた光学ベースの動き解析システム(Vicon Motion System Ltd、UK)を使用してロボット手袋６５０の最大可動範囲を捕捉し、健康な被験者の指の動きを支援する。反射型マーカーがロボット手袋６５０に取り付けられ、人差し指と親指の動作輪郭が追跡される。反射型マーカーは、指先、指節の先端間(ＤＩＰ)、指節の基端間(ＰＩＰ)、及びＭＣＰ関節に対応する位置で人差し指に取り付けられる。親指の場合、反射マーカーはＩＰ、ＭＣＰ、及びＣＭＣ関節に取り付けられる。次に、流体駆動アクチュエータが７０ｋＰａで加圧される。人差し指の場合、ＤＩＰ、ＰＩＰ、及びＭＣＰの平均ピーク屈曲角は、それぞれ４７.７±８.１°、８９.８±４.４°、及び７５.３±３.６°であると測定される。親指の場合、ＩＰ、ＭＣＰ及びＣＭＣの平均ピーク曲げ角度は、夫々３４.０±５.５°、４８.７±４.８°、及び５６.０±２.１°であった。
【００５０】
電空制御システム７００を使用して、ロボット手袋６５０を制御し、具体的にはロボット手袋６５０の各流体駆動アクチュエータ１００を作動させて、各流体駆動アクチュエータ１００を個別に制御できるようにする。図２１は、説明を容易にするために、例示的な流体駆動アクチュエータ１００として１つのアクチュエータ７０２を制御するように構成された電空制御システム７００の概略ブロック図である。アクチュエータ７０２は、アクチュエータ７０２の空気袋内の加圧空気の量を検出及び調整するための圧力センサ７０４(例えば、米国FreescaleのＭＰＸ５５００ＤＰ)を含み、測定圧力信号Ｐを生成するように構成される。ロボット手袋６５０はまた、指の位置または動きを検出するためにアクチュエータ７０２に関連する指の鞘に配置された力/位置センサ７０６を含み、測定された力信号Ｆ/θを生成するように構成される。
【００５１】
電空制御システム７００は、ミニチュアソレノイドバルブ７１０(例えば、ＶＱ１１０Ｕ、ＳＭＣ、日本；延長アクチュエータ：Ｘバルブ、パーカー、米国)を制御するためのコントローラ７０８(例えば、Arduino Mega、Arduino)及びミニチュアダイアフラム空気圧ポンプ/空気源７１２(例：D737-23-01、パーカー、米国)を含む。コントローラ７０８は、力/位置コントローラ７１４を含み、力基準信号Ｆ/０ｒｅｆ及び、力/位置センサ７０６からの測定された力信号Ｆ/θに応答して制御位置信号ｅＦ/ｅを受信するように構成される。ｅＦ/ｅ信号に基づいて、力/位置コントローラ７１４は、圧力センサ７０４からの測定圧力信号Ｐと加算されて圧力コントローラ７１６用の圧力制御信号ｅｐを生成する所望の空気圧力信号Ｐｒｅｆを生成するように構成される。次に、圧力コントローラ７１６は、パルス幅変調(ＰＷＭ)信号を生成して、空気圧ポンプ/空気源７１２及びバルブ７１０を制御し、アクチュエータ７０２に供給する加圧空気の量を調整する。概して、圧力センサ７０４からの読み取り値は、コントローラ７０８によって使用されて、バルブ７１０及び空気圧ポンプ７１２の作動及び非作動を制御し、アクチュエータ７０２の所望の動きを生成するために、アクチュエータ７０２内の所望の空気圧を達成する。
【００５２】
この実施形態において、電空制御システム７００は更にコントローラ７０８と通信する通信モジュール７２０を有する演算デバイス(例えば、サーバ、ラップトップ、コンピュータ、スマートフォン等)であるユーザ制御デバイス７１８を含む。通信は、例えば医師がコントローラ７０８を制御するために遠隔でコマンドを送信している場合、有線通信またはブルートゥース（登録商標）等の、又はインターネットまたはクラウドを介した無線通信であってもよい。
【００５３】
ユーザ制御デバイス７１８は、図２２に示すように、ＧＵＩ７２２を備えたカスタマイズされたソフトウェアアプリケーションを含み、患者や介護者などのユーザが所望のリハビリプログラム及び制御モードを選択できるようにする。この実施形態において、ロボット手袋６５０用の４つの例示的な制御モードが提示され、これらは以下を含む。
(i) ボタン制御型支援モード７２４
(ii) 周期的な運動トレーニングモード７２６
(iii) 筋電図センサを使用した意図駆動型タスク固有トレーニングモード７２８
(iv) データ手袋付きの両側リハビリテーショントレーニングモード７３０。加えて、圧力センサ値などのセンサ値のリアルタイムのグラフ図、ならびに選択された運動のリアルタイムのビデオ７３３がグラフパネル７３２に提供される。
【００５４】
(i) ボタン制御型支援モード
この制御モードにおいて、図２３a、図２３b及び図２３cに示すように、ユーザ制御デバイス７１８は更に、一組の手動ボタン７３４ａ、７３４ｂ、７３４ｃ、７３４ｄを含む。手動ボタン７３４ａ、７３４ｂ、７３４ｃ、７３４ｄはコントローラ７０８に通信可能に連結され、このモードは複雑なアルゴリズムなしで、ロボット手袋６５０を制御する最も簡単な制御方法を提供する。この制御モードは、ＡＤＬで患者を支援するなどの支援アプリケーションに特に適している。患者は、ロボット手袋６５０を作動させるために、麻痺していない手で物理的な手動ボタン７３４ａ、７３４ｂ、７３４c、７３４ｄを押すことができる。手動支援動作は、事前にプログラムするか、ハードコーディングすることができる。図２２a、図２２b及び図２２cは、夫々パワーグリップ、ピンチグリップ、及び三脚ピンチグリップである３つの事前にプログラムされたアシストハンドモーションを示している。これらの手動ボタン７３４a、７３４b、７３４c、７３４dは車椅子にさらに統合され、脊髄損傷の患者などの車椅子を使用するユーザがＡＤＬを支援するためにロボット手袋を使用できるようになることが想定されている。
【００５５】
(ii) 周期的な運動トレーニングモード
ＧＵＩ７２２はまた例えば、繰り返される手の開閉を伴う周期的なストレッチのために周期的な運動トレーニングモード７２６が事前にプログラムされている。受動的な周期的ストレッチは、能動的な反復タスクの練習と組み合わせて、実質的な上肢障害のある脳卒中患者の臨床タスクの性能と障害対策に対する治療効果を示している。この制御戦略により、手の握りやピンチなど、様々なタスクの周期的な運動トレーニングが可能になる。この制御モードにおいて、流体駆動アクチュエータ１００、特に曲げ及び伸長動作は、ソフトウェアによって連続的に作動され、双方向の指の曲げ及び伸長を支援する。更に、患者の状態に応じて、曲げ又は伸長支援を選択的にオフにすることができる。例えば、自発的に指を曲げる能力が残っている脳卒中患者の場合、曲げ支援をオフにして、手を伸長する支援だけを提供し、手を開いて手を自発的に閉じることができる。
【００５６】
(iii) 意図駆動型タスク固有トレーニングモード―ＥＭＧ
この意図駆動型戦略において、２つのＥＭＧセンサでユーザの意図を検出するために、開ループＥＭＧロジックが採用されている。ロボット手袋６５０の制御は、指屈筋及び指伸筋における筋肉信号の状態を３つの条件（i）「始動」、ii）「保持」、及びiii）「解放」で監視することによって実現される。この条件において、図２４aに示すように、流体駆動アクチュエータ１００の事前に選択されたグループは加圧され、指を曲げる。「解放」条件は、指伸筋からの筋肉信号が伸筋閾値を超えると満たされる。この条件において、図２４ｂに示すように、流体駆動アクチュエータ１００は加圧されて真っ直ぐになり、曲げアクチュエータは減圧される。指は伸長した位置に戻る。「始動」条件と「解放」条件の両方が満たされない場合、「保持」条件が始動される。アクチュエータは、次の条件が満たされるまで現在の状態を維持する。閾値は、ユーザの病理学及び残留筋肉活動に基づいて調整されてもよい。ユーザは、ＧＵＩ７２２から取得できる最大自発収縮(ＭＶＣ)の実行を要求される場合がある。図２４cは、パワーグリップ中に指の屈筋と伸筋から収集された筋肉信号を、対応するしきい値(特定の参加者の屈筋-ＭＶＣと伸長-ＭＶＣの４０％)と共に示している。
【００５７】
(iv) 両側リハビリテーショントレーニングモード
この制御モードにおいて、ユーザーは両手ＡＤＬタスクを同時に実行しようとしている。両手治療は、上肢の動きの調整と同期を改善して、機能的な運動回復を促進できることが見出された。図２５ａに示すように、５つの個別の曲げセンサ７３８(ＦＳ、Ｓｐｅｃｔｒａ Ｓｙｍｂｏｌ、ＵＳＡなど)を介して手の運動を追跡できるデータ手袋７３６が麻痺していない手に装着されて、図２５ｂに示されるように、麻痺していない手の自発的な動きを検出し、麻痺している手でロボット手袋６５０を作動させて、脳卒中リハビリテーションで典型的に使用される鏡治療をシミュレートする。図２５ｂでは、ユーザは、それぞれパワーグリップ、ピンチグリップ、完全把持など、データ手袋７３６を介して異なる支援手の動きでロボット手袋６５０を始動することを示す３セットの図面がある。
【００５８】
ＧＵＩ７２２は、ユーザ制御デバイス７１８の一部としてカスタマイズされたスマートフォンアプリケーション（アプリ）を介して実装され得ることを理解されたい。アプリは、コントローラ７０８とワイヤレス(Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）またはＷｉ-Ｆｉ)で通信することができ、センサデータはスマートフォンに送信されるか、サーバーにクラウドで共有される。支援装置であることに加えて、ロボット手袋は補綴物として使用でき、ロボット手袋は異なる直径と重量の物体を保持及び持ち上げるように構成することができる。
【００５９】
記載された実施形態から理解されるように、一体的に形成された内側流体袋２０２を備えた曲げアクチュエータ２００を有する流体駆動アクチュエータ１００に関して、アクチュエータ１００を製造するためのより大きな自由があり、特に、曲げアクチュエータ２００は、図２６に示されるように、アクチュエータロック機構７３８を備えた真っ直ぐな部品として製造されてもよい。従って、拘束部材３００または基板には、対応する拘束部材ロック機構７４０も同様に設けられ(図２６を参照)、図２７に示すように、ユーザは、アクチュエータ１００の折り目７４２を希望の曲げ輪郭に従って調整またはカスタマイズし、ロック機構を介して折り目を固定することができる。
【００６０】
図２８は、折畳み長さ２１２と折り目幅２１４との間の関係を示しており、様々な折畳み長さ２１２は、図２７ではＬｆ３、Ｌｆ２、及びＬｆ１として表されており、然るに折り目幅２１４はＢ３=Ｂ２=Ｂ１で固定されている。折り目幅２１４が固定され、折畳み長さが増加した状態で、アクチュエータ１００は更に曲がり(曲げ半径の曲率が減少する)、より大きな力が生成される。
従って、カスタマイズ可能な曲げ輪郭の利点を用いて、アクチュエータ１００は、例えば図２９ａ及び図２９ｂに夫々示されるＭＣＰ指関節及び足首関節などの目標関節位置で所望の作動を達成することができる。
【００６１】
実際、記載された実施形態は限定的と考えられるべきではなく、種々の変形例と可能性がある。例えば、一体であるのが望ましいが、内側流体袋２０２は、曲げアクチュエータ２００と一体に形成されていなくてもよい。また、空気袋２００の折り目２０４は図３０に示すように、変形され、異なる寸法とサイズを有し。図３０は異なる折り目寸法２０４(標準)、２０４(Ａ)、２０４(Ｂ)、２０４(Ｃ)及び２０４(Ｄ)を備えた５つの異なる流体駆動アクチュエータ１００(標準)、１００(Ａ)、１００(Ｂ)、１００(Ｃ)及び２０４(Ｄ)を示す。
【００６２】
更に、流体駆動アクチュエータ１００は、図３１ａに示されるような多層の折り目を備えて製造されてもよい。図３１ａにて、流体駆動アクチュエータ１００は、第１の波形空気袋７４２と、第１の波形空気袋と同じ波形または折り目と位置合わせされた第２の波形空気袋７４４とを含む。従って、第１の波形空気袋７４２及び第２の波形空気袋７４４は、選択されたセグメントで異なる剛性を達成するために独立して膨張または拡張され得る。例えば、第１の波形空気袋７４２が（第２の波形空気袋７４４ではなく）膨張すると、流体駆動アクチュエータ１００は、図３１ｂに示すように凹状の曲げ形状を形成するであろう。第２の波形空気袋７４４が作動すると、図３１ｃに示すように曲げ力が強化される(形状はあまり変わらないかもしれないが)。
【００６３】
また、第１及び第２の波形空気袋７４２、７４４は、流体駆動アクチュエータ１００の異なるセグメントで異なる曲げ力を生成するように異なる構造を有してもよい。例えば、第２の波形空気袋７４４は、図３１ｄに示すように独立して膨張可能な２つの空気セグメント７４４ａ、７４４ｂで形成され得る。図３１ｅに示すように、第１の空気セグメント７４４ａの近くでより大きな曲げ力を生成するために、第１の波形空気袋７４２は、第２の波形空気袋７４４の第１の空気セグメント７４４ａ(第２の空気セグメント７４４ｂではない)とともに膨張する。他方、第２の空気セグメント７４４ｂを同時に膨張させると、図３１ｆに示されるように、これにより第２の波形空気袋７４４により大きな曲げ力が生じる。そのような構成では、選択されたセグメントを作動させて、他の位置で力を変えることなく、所望の位置でより大きな曲げ力を作り出すことができる。これは、一部の関節が他の関節よりも大きな力を曲げる必要があるリハビリテーションにアクチュエータ１００を使用する場合に特に有用である。従って、流体駆動アクチュエータ１００は、実際の必要性に応じて適合させることができる。
【００６４】
図３２aに示すように、流体駆動アクチュエータ１００は、従来の蛇腹型アクチュエータ７５０と組み合わせて、蛇腹型アクチュエータの曲げ及び曲げ力を強化することができる。そのような用途について、流体駆動アクチュエータ１００は均一に折り畳まれ、蛇腹タイプのアクチュエータに巻き付けられ、選択されたジョイントで拘束部材に固定され、両方のアクチュエータが一緒に加圧されたときの曲げ力を高める。２つの個々のアクチュエータ１００、７５０内の圧力を調整することにより、組み合わされたアクチュエータの曲げ輪郭及び曲げ力を能動的に調整できることが想定される。
【００６５】
同様に、流体駆動アクチュエータ１００は、図３１ｄから図３１ｆに関連して上述したような特定のセグメントで作動させることができ、次に、図３２ｂ及び図３２ｃに示すように選択された部分は、先端部分及び中央部分などのより大きな力の利益を受ける。
複数の流体駆動アクチュエータ１００を組み込むと、多自由度(ＤＯＦ)の動きを作成することができる。例えば、図３３ａから図３３ｄは、共通の拘束部材７５６に固定された２つの流体駆動アクチュエータ７５２、７５４が、矢印Ａ、Ｂ及びＣの曲げによって示される３つの曲げ運動をどのように生成できるかを示している。この理解に基づき、流体駆動アクチュエータ１００は人間の腕に適合させることができ、これについては以下でさらに詳述する。
【００６６】
図３３eは、図１８の空気圧アクチュエータ６００と同様であるが、直線である図１８の歪み制限層６０６とは異なり、曲げアクチュエータ７７４の波形輪郭に従うように適合された歪み制限層７７２を有する空気圧アクチュエータ７７０を示す。従って、歪み制限層６０６．７７２は、真っ直ぐなプロファイル以外の他の形態／形状を採用してもよいことを理解されたい。また、歪み制限層６０６、７７２はセンサ化されてもよい、即ち曲げセンサなどのセンサを組み込んでもよい。
【００６７】
図３４は、上部波形曲げアクチュエータ８０２、下部波形曲げアクチュエータ８０４、及び上部波形曲げアクチュエータ８０２と下部波形曲げアクチュエータ８０４の間に挟まれた拘束部材８０６を有するアーム流体駆動アクチュエータ８００の分解図である。この例において、拘束部材８０６は、二次袋と同様の内部空気空洞(図示せず)を有する。上部波形曲げアクチュエータ８０２は、アームセグメント折り目８１０を有するアームセグメント８０８と、アームセグメント折り目８１０よりも互いに近いハンドセグメント折り目８１４を有するハンドセグメント８１２とを含む。下部波形曲げアクチュエータ８０４は、対向する関係にあるが、上部波形曲げアクチュエータ８０２のアームセグメント８０８のアームセグメント折り目８１０と整合する下部アームセグメント折り目８１６を含む。
【００６８】
換言すれば、アームセグメント８０８とハンドセグメント８１２の主な違いは、折り目８１０、８１４の間隔である。アームについては、適切な曲げ角度を備えた連続的な曲げ様式が好ましく、従って２つの隣接する折り目８１０間の間隔は、ハンドセグメント８１２の隣接する折り目８１４間の距離と比較して比較的大きい。このように、折り目８１０が互いにほとんど影響を与えることはなく、１つのジョイントの過剰な曲げが防止される。ハンドセグメント８１２について、人間の手の掴み動作を実現するには、大きな曲げ角度が好ましい。従って、折り目８１４間の間隔は小さく、より多くの量の折り目８１４がある。折り目８１４は、隣接する折り目８１４と相互作用することができるため、曲げ力はより大きくなる。
【００６９】
拘束部材８０６は、ロボットアームの剛性を維持するのに用いられ、また、つかみ動作からハンドセグメント８１２を解放するのに役立つ。折り目８１０、８１４、８１６の異なる高さ、幅、間隔を使用することにより、異なる曲げ仕様を実現することができる。図３４のアーム流体駆動アクチュエータ８００のパラメータの例は以下の表１に示される。
【表１】
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【００７０】
図３４の構成に関して、２方向への曲げ及び物体の把持を含む、数度の自由度(ＤｏＦ)を有するアーム流体駆動アクチュエータ８００を使用してロボットアーム８５０を作成することが可能である。ロボットアーム８５０の曲げ運動及び掴み運動は、機構の意味で類似している。従って、ロボットアーム８５０を設計する重要な点は、様々な程度の曲げ作動、即ちアーム部分での小さな曲げ曲率とハンド部分での大きな曲げ曲率を作ることである。
ロボットアーム８００は、流体駆動アクチュエータ１００と同様の布地で作られており、これは図３５に示されている。
ロボットアーム８５０に加えて、流体駆動アクチュエータ１００は、以下のような他の用途に適合させることができる。
【００７１】
多数のセグメントのロボットアーム
図３６ａは、多数のセグメント８２２を備える多数のセグメントのロボットアーム８２０を示し、各セグメント８２２は図１の曲げアクチュエータ２００と同様の波形曲げアクチュエータを有する。各セグメント８２２は隣接するセグメントから離れて、独立して曲がることができる。従って、セグメント８２２は別々に制御されて、図３６ａの多数のセグメントのロボットアーム８２０の簡略化された表現である図３６ｂに示されるように、より複雑な曲げ様式を達成することができる。そのようなロボットアーム８２０は、複雑な環境でタスクを完了することができる。
【００７２】
より多くの自由度を備えたロボットアーム(ＤＯＦＳ)
図３７ａは、三次元空間内で、ちょうど二次元平面内で様々な角度で屈曲または曲がることができる多数の自由度のロボットアーム８４０を示している。多数の自由度のロボットアーム８４０は、拘束部材として機能する布地から作られた中央シャフト８４２を含み、中央シャフト８４２はまた、内部空洞(図示せず)を含む。多数の自由度のロボットアーム８４０は更に、中央シャフト８４２の周りに配置された波形空気袋８４４の複数のセグメントを含む。このようにして、波形空気袋８４４の選択されたセグメントが膨張すると、多数の自由度のロボットアーム８４０は空間内の異なる方向に曲がることができ、従って図３７ａの多数の自由度のロボットアーム８４０の簡略化された表現である図３７ｂに示されるように、運動範囲が拡張される。
【００７３】
図３８ａは、３次元作業空間内の物体を操作することができる布地ベースのソフトロボットアーム(ＳＲＡ)と呼ばれる代替の多数の自由度のロボットアーム８６０を示している。ＳＲＡは、主に熱可塑性ポリウレタン(ＴＰＵ)でコーティングされたナイロン生地で作られている。ＳＲＡ８６０は、ＳＲＡ本体８６２、関節アクチュエータ８６４、及びグリッパ８６６を含み、これらは図３８ｂに示されるように、別々に作られ、組み合わされ、一緒に取り付けられる。ロボットアームの総重量は約３１９gであり、図３８ｂに示すように、リンクＡ、リンクＢ、リンクＣ、リンクＤの４つのリンクがある。
【００７４】
図３９ａ及び図３９ｂは、１つの長い円筒形ＳＲＡ本体８６２及び６.６ｃｍの直径を有するＳＲＡ８６０の製造を示している。ＳＲＡ本体８６２の長さは、ＳＲＡ８６０が特定の距離に到達して物体をつかむことを可能にする長さである。図３７ｂに示すような特定構造を作るべく、図３９ａに示すように、必要な寸法のＴＰＵコーティングナイロン布地８６８を使用し、ナイロン布地８６８のＴＰＵ側にマスキングテープ８７０を貼り付けて、不要な領域のシールを防ぐ。次いで、ナイロン布地８６８は、図６及び図７に記載された方法と同様に折り畳まれてシールされ、図３９ｂに示された中間構造を形成する。ＳＲＡは、基端部にて短いシリコーンチューブ８７２を通して膨張させられる。ＳＡＲ本体８６２に沿って、比較的小さい膨張体積の３つのセグメント８７４、８７６、８７８がある。これらのセグメント８７４、８７６、８７８は、他の部分よりも曲げ剛性が低いため、ＳＲＡはこれらのセグメント８７４、８７６、８７８で曲げやすくなっている。セグメント８７４、８７６、８７８は、ＳＲＡ８６０を以下の４つの部分に分割する。ＳＲＡのベースであるリンクＡ、リンクＡに比して左側/右側に曲がるリンクＢ、リンクＢに比して上側/下側に曲がるリンクＣ、及びグリップ部であるリンクＤである。
【００７５】
第１の２つのセグメント８７４、８７６に４つの関節アクチュエータ８６４が取り付けられ、関節アクチュエータ８６４は協働して、膨張時にＳＲＡ８６０を異なる方向に曲げる。関節アクチュエータ８６４を作るべく、図４０ａに示すように、必要な寸法のＴＰＵコーティングナイロン布地８８０を使用し、マスキングテープ８８２をナイロン布地８８０のＴＰＵ側に貼り付けて、不要な領域のシールを防ぐ。次いで、ナイロン布地８８０は、図６及び図７で説明した方法と同様に図４０ｂに示すように折り畳まれてシールされ、図４０ｃに示す折り目８８６を有する波形空気袋構造８８４を形成し、関節アクチュエータ８６４を形成する。薄いチューブを内面に貼り付けて、折り目８８６の崩壊を防ぐ。ＳＲＡ本体８６２に、特にセグメント８７４、８７６に取り付けられた部分は、殆どがシールされており、各折り目８８６の間に狭い空気チャネルのみが残る。
【００７６】
２つの関節アクチュエータ８６４が本体８６２上に薄い布片を巻き付けてシールすることにより、ＳＲＡ本体８６２のセグメント８７４、８７６のうちの１つに取り付けられる。第１のセグメント８７４に位置する関節アクチュエータ８６４は、第２のセグメント８７６に位置する関節アクチュエータ８６４とは異なる方向に向けられることに留意されたい。関節アクチュエータ８６４が膨張すると、各折り目８８６は小さな空気袋になり、折り目８８６は互いに押し合い、ＳＲＡに曲げモーメントを発生させる。従って、ＳＲＡは、関節アクチュエータ８６４を作動させると、低剛性のセグメント８７４、８７６で曲がることができる。関節アクチュエータ８６４の膨張容積は小さいため、迅速な応答反応が達成され得る。
【００７７】
グリッパ８６６は関節アクチュエータ８６４と同様の方法で作られ、従ってサイズとマスキング領域のみが調整される。グリッパ８６６は、リンクＤのアームの先端に取り付けられる。グリッパ８６６には折り畳み位置に２つの曲げ点があるため、グリッパ８６６は人間の手の動きを模倣して、完全な掴み動作を完了することができる。物体を解放すると、グリッパ８６６が収縮し、ＳＲＡ本体８６２の圧力によりグリッパ８６６が真っ直ぐになる。グリッパ８６６は、人間が掴む動きと同様に、物体水平方向に掴むように構成されている。
【００７８】
図４１ａ及び図４１ｂは、ＳＲＡ８６０の機能を示している。図４１ａは、異なるサイズ及び形状の物体を掴むように構成されているＳＲＡ８６０のグリッパ８６６を示しているが、ＳＲＡ８６０の異なる動きは図４１ｂに示されている。これらの実証は、このＳＲＡ８６０が単純な物体を操作できることを示しており、日常生活の中で人々を支援するのに役立つ可能性があり、例えば車椅子に取り付けるか、テーブルを片付けるのに役立つ。
ＳＲＡ８６０の特定の用途において、特にＳＲＡ８６０は軽いため、ＳＲＡ８６０は、過剰アームまたは「６番目の指」などのウェアラブルロボットとして適合させることができる。図４２は、布地ベースの過剰腕としてユーザ８８８が着用しているＳＲＡ８６０の簡略図である。ＳＲＡ８６０は、腰または手首の装具の周りに巻き付けられてもよく、ＳＲＡ８６０が膨張したときに機能する。作動システムは、ユーザ８８８によって携帯されるバッグに詰めることができる。追加のロボットアームは、ツールを保持するなどの作業を支援する。
【００７９】
上記の例では、布地ベースの流体駆動アクチュエータ１００が例として使用されている。しかし、外骨格用途に布地ベースのソフトアクチュエータを使用する以外に、流体駆動アクチュエータ１００は、図１２ｂ又は図１５にて記載したように、鋳造/成形(大規模製造)又は３Ｄ印刷(小規模プロトタイピング)によって生成されるようなポリマーベースのアクチュエータに置き換えることができることは明白であろう。
更なる変形例において、ロボット手袋６５０及び流体駆動アクチュエータ１００は、支援、リハビリテーション、及び補綴用途のための外骨格スリーブを作成するために完全にポリマーベースであり得ることが想定される(ポリマーアクチュエータ＋ポリマー手袋又は他のウェアラブルプラットフォーム)。
【００８０】
支援、リハビリテーション、及び補綴用途向けの外骨格スリーブ８９０は、３Ｄ印刷アクチュエータ(ポリマー/ＴＰＵベース)を３Ｄ印刷ウェアラブルプラットフォームと統合することで製造され得る。外骨格スリーブ８９０は、指、手首、肘の関節が最大限の可動範囲を実現するのを支援し、且つ外骨格スリーブ８９０により、患者は自宅でリハビリテーションを行ったり、外骨格スリーブを日常活動や人工装具の補助装置として使用することができる。
外骨格スリーブ８９０は、３つのモジュラー要素である、外骨格手袋８９２、外骨格手首装具８９４、及び外骨格肘装具８９６を備え、夫々が３つの関節である指、手首及び肘の関節の動きの範囲を支援する。３つのモジュラー要素８９２、８９４、８９６は全て、ＴＰＵ、ＰＬＡ又はその他のポリマーベースの材料を使用して３Ｄ印刷又は鋳造/成形で作られる。
【００８１】
図４３ａは、外骨格手袋８９２の手袋インターフェース８９８のＣＡＤモデルを示し、手袋インターフェース８９８は、他の部品が取り付けられるベースとして機能する。手袋インターフェース８９８は、ユーザの手の快適さとフィット感に合うように簡単に着脱できる調整可能な手首及び手ストラップ９００、９０１を含む。図４３ｂから図４３ｅに示すように、外骨格スリーブ８９０はまた、夫々の指アクチュエータ９０６を手袋インターフェース８９８に固定するためのアダプタ９０２、９０４を含む。外骨格スリーブ８９０は、指スロット９１０及びアクチュエータスロット９１２を有するリング状指スロットアダプタ９０８を更に含み、指スロット９１０は指先を受け入れ、アクチュエータスロット９１２は指アクチュエータ９０６の延長前部９１４に夫々取り付けられるためにある。
【００８２】
図４４は、カスタマイズ可能な手袋インターフェース８９８及び指アクチュエータを備えた完全ポリマーベース(ＴＰＵ)である外骨格手袋８９２の斜視図である。図４５は、掌側から見た外骨格手袋８９２を示しており、ユーザが指先を各指スロット９１０に滑り込ませ、手ストラップ９０１及び手首ストラップ９００を使用して外骨格手袋８９２を手に固定することを理解されたい。図４６は、図４５の外骨格手袋８９２を示し、その指アクチュエータ９０６の１つは、そのアクチュエータ９０６の空気加圧時に屈曲動作を生じるように作動される。
【００８３】
図４７aは、肘の曲げと伸展を支援するために、ユーザが装着したときの外骨格肘装具８９６を示し、図４７ｂは、ユーザの手首の曲げ及び伸展、ならびに半径方向の曲げ及び尺骨曲げのための外骨格手首装具８９４を示している。両方の装具は、３Ｄ印刷で作られることを理解されたい。
本発明が十分に記載されてきたが、当業者には多くの変形例が、特許請求された範囲から離れることなくここに成されることが明白である。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６ａ−１６ｂ】
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【図１７ａ−１７ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９ａ】
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【図２９ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６ａ−３６ｂ】
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【図３７ａ−３７ｂ】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１ａ）】
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【図４１ｂ）】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【国際調査報告】
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