特許 6709840 自給式ロボットグリッパシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6709840

(24)【登録日】2020年5月27日

(45)【発行日】2020年6月17日

(54)【発明の名称】自給式ロボットグリッパシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 15/12 20060101AFI20200608BHJP

【ＦＩ】

   B25J15/12

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2018-504164(P2018-504164)

(86)(22)【出願日】2016年8月1日

(65)【公表番号】特表2018-527202(P2018-527202A)

(43)【公表日】2018年9月20日

(86)【国際出願番号】US2016045063

(87)【国際公開番号】WO2017020047

(87)【国際公開日】20170202

【審査請求日】2019年7月30日

(31)【優先権主張番号】62/199,029

(32)【優先日】2015年7月30日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】517091414

【氏名又は名称】ソフト ロボティクス， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】ノップフ， ライアン

(72)【発明者】

【氏名】レッシング， ジョシュア

(72)【発明者】

【氏名】ハーバーグ， ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】セラーズ， グラント

【審査官】 貞光 大樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１８４８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／７２４７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−８０８８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２５Ｊ １／００ − ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ソフトロボットシステムのためのモジュール式ハブであって、前記モジュール式ハブは、
第１のハブ部品であって、前記第１のハブ部品は、
前記モジュール式ハブをロボットシステムに搭載するためのフランジを備えている第１端部と、
膨張流体を圧送するためのポンプと、
第２のハブ部品コネクタと膨張流体を前記ポンプから受け取るためのポンプインターフェースとを備えている第１の第２端部と
を備えている、第１のハブ部品と、
第２のハブ部品であって、前記第２のハブ部品は、
前記第２のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第１のハブ部品コネクタと前記膨張流体を前記ポンプインターフェースから受け取るための流体インターフェースとを備えている第２の第１端部と、
前記流体インターフェースに接続されているアキュムレータであって、前記アキュムレータは、前記膨張流体を圧力下で貯蔵する、アキュムレータと、
第３のハブ部品コネクタとアキュムレータインターフェースとを備えている第２の第２端部と
を備えている、第２のハブ部品と、
第３のハブ部品と
を備え、
前記第３のハブ部品は、
第３の第１端部であって、前記第３の第１端部は、前記第３のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第３のハブ部品／第２のハブ部品コネクタと前記加圧された膨張流体を前記アキュムレータインターフェースから受け取るための加圧流体インターフェースとを備えている、第３の第１端部と、
前記加圧された膨張流体をアクチュエータに提供するように構成されているアクチュエータインターフェースを備えている第３の第２端部と、
前記アクチュエータへの前記加圧された膨張流体の流動を制御するための弁と
を備えている、モジュール式ハブ。

【請求項2】

前記モジュール式ハブの本体の中に統合されている空気圧流路をさらに備えている、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項3】

前記アキュムレータは、非円筒形である、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項4】

前記アキュムレータは、前記モジュール式ハブの本体の形状に従っている、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項5】

前記アキュムレータを正圧容器として構成される第１のアキュムレータ領域と、負圧容器として構成される第２のアキュムレータ領域とに分割する隔壁をさらに備えている、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項6】

前記弁の出口において、熱交換動作を行うように作動する放熱板をさらに備えている、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項7】

前記アキュムレータは、長方形形状を有する、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【請求項8】

前記アキュムレータは、前記モジュール式ハブの材料内に必然的に存在する空隙から形成されている、請求項１に記載のモジュール式ハブ。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

（関連出願）
本願は、米国仮特許出願第６２／１９９，０２９号（２０１５年７月３０日出願、名称「Ｓｅｌｆ−Ｃｏｎｔａｉｎｅｄ Ｓｏｆｔ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｇｒｉｐｐｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」）に対する優先権を主張する。上記出願の内容は、参照により本明細書に援用される。

【0002】

ロボットシステムは、いくつかの異なる状況において採用され、様々な異なるタスクを行うように要求され得る。ロボットは、典型的には、個々のアクチュエータ、グリッパ、またはエンドエフェクタ等のロボットマニピュレータを使用して、それらの周囲の物体を操作する。

【0003】

最近、ソフトロボットアクチュエータが、いくつかの状況において採用されている。金属またはハードプラスチックから形成される従来のハードロボットアクチュエータと異なり、ソフトロボットアクチュエータは、ゴム等のエラストマー材料、もしくは圧力下で展開し、伸び、捻じれ、および／または曲がるように構成されるアコーディオン状構造で配列されるプラスチックの薄壁、もしくは他の好適な比較的に軟質の材料から形成され得る。ソフトロボット材料は、適合的、安価、軽量、カスタマイズ可能であり、使用が単純である。

【0004】

ソフトロボットアクチュエータの状況において生じ得る１つの問題は、アクチュエータが加圧されなければならず、それが、典型的には、アクチュエータを膨張流体で充填することによって達成されることである。多くの場合、この膨張流体は、ロボットシステム（例えば、ロボットアーム）を加圧システムにつなぐ流体ラインを介して供給される。本明細書により詳細に説明されるこの問題および他の問題は、ソフトロボットシステムが完全に自給式であることを妨げ得る。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

例示的実施形態は、膨張流体をエンドエフェクタのアクチュエータに送達するためのテザーに依拠せずに、ソフトロボットエンドエフェクタが自給式システムであることを可能にするソフトロボットシステムにおける改良に関する。

【0006】

いくつかの実施形態によると、ロボットシステムは、ソフトアクチュエータと、ハブとを含むように提供され得る。ソフトアクチュエータは、膨張流体を受け取るように構成されているエラストマーブラダを含み得る。ハブは、ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第１の端部を含み得る。ハブの第２の端部は、ロボットアームまたは他のロボットシステムに搭載されるように構成される搭載フランジを含み得る。

【0007】

ハブの本体は、膨張流体をアクチュエータインターフェースを通してソフトアクチュエータに供給するように構成されている統合された圧力源を含み得る。圧力源は、例えば、アクチュエータを直接または間接的に加圧するためのコンプレッサであり得る（例えば、アキュムレータを通して）。いくつかの実施形態では、圧力源は、アクチュエータと別個の反応チャンバであり、化学試薬の反応（例えば、燃料の燃焼）を行い、それによって、続いて膨張流体として直接または間接的に送達されるべき反応のガス状生産物を発生させ、貯蔵するように構成され得る。

【0008】

アキュムレータは、膨張流体をコンプレッサから経時的に受け取り、膨張流体を圧力下で貯蔵し得る。故に、アクチュエータの作動は、コンプレッサのみが使用されるときと比較して、より短い期間で生じることができる。いくつかの実施形態では、複数のアキュムレータが、採用され得る。第１のアキュムレータは、アクチュエータを加圧するための正圧容器としての役割を果たし得、第２のアキュムレータは、アクチュエータを減圧するための負圧容器としての役割を果たし得る。１つ以上のアキュムレータが、アクチュエータ（および互いに）に接続され得、流体伝導経路がアキュムレータと統合されたエンドエフェクタとの間に生成されると、現時点でより大きい接続された容積中で平衡する膨張流体の結果として、所定の作動圧力または部分的真空が達成されるように、アクチュエータとともに集合的にサイズを決定され得る。

【0009】

圧力源とアクチュエータとの間に、第１の方向における膨張流体の流動を可能にし、および／または膨張流体を除去し、部分的真空を第２の方向に生成するための方向性制御弁が配置され得る。流動制御弁は、膨張流体がアクチュエータに入る率またはそこから出る率を制御するためにも使用され得る。

【0010】

いくつかの実施形態によると、ツインヘッドコンプレッサが、使用され得る。ツインヘッドコンプレッサは、制御弁の構成に応じて、並列または直列で動作するように構成され得る。コントローラは、各コンプレッサヘッドの流動プロファイルが交差する場合に対応するとき、制御弁をアクティブにするように構成され得る。

【0011】

コンプレッサは、モータによって給電され得る。いくつかの実施形態では、モータは、高電圧または電流で駆動されること等によって、その通常仕様外で動作し得る。したがって、低頻度作動のために、アクチュエータは、依然として、過出力モータによって発生させられる余剰熱を消散させるために十分な時間を可能にしながら、より迅速に膨張させられることができる。熱は、熱交換器をモータの近位に提供することによってさらに消散されることができる。熱交換器は、モータと膨張流体との間で熱を交換し得る。アクチュエータに入るにつれた膨張流体の拡張に起因して、膨張流体は、急冷却し得る。この現象は、過出力モータを能動的に冷却するために利用されることができる。この構成から生じる高膨張流体温度は、アクチュエータ上で発生させられるさらなる圧力増加の機能的利点を有する。

【0012】

なおもさらなる実施形態では、ハブは、３つの部品から成るハブであり得、部品は、ハブを形成するために接続可能である。ロボットアームの近位の第１の部品は、膨張流体を受け取り、膨張流体を第２の部品に供給するためのポンプおよび制御弁を含み得る。

【0013】

第２の部品は、統合されたアキュムレータから成り得るか、またはそれを含み得る。アキュムレータは、ハブの形状に従い得、したがって、ハブ／エンドエフェクタシステム内の空間を節約し得る。例えば、アキュムレータは、奇妙な形状の空隙を伴う長方形であり得る。すなわち、非円筒形または非球状であり得る。隔壁が、アキュムレータ内に提供され、ハブの第２の部品の内部構造を正および負圧チャンバに分割し得る。

【0014】

ハブの第３の部品は、膨張流体をアキュムレータから１つ以上の接続されるソフトロボットアクチュエータに供給するための弁を含み得る。

【0015】

空気圧流路が、ハブの構造本体の中に統合され、したがって、ハブによって占有される全体的体積を不必要に増加させる内部空気圧接続および伝導経路の必要性を低減または排除し得る。

【0016】

例示的実施形態が、ロボットアームの端部に配置されるソフトロボットアクチュエータと関連して説明されるが、当業者は、これらの技法が他の状況におけるソフトアクチュエータにも同様に適用可能であることを認識するであろう。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
ロボットシステムであって、前記システムは、
膨張流体を受け取るように構成されているエラストマーブラダを備えているソフトアクチュエータと、
ハブと
を備え、
前記ハブは、
前記ソフトアクチュエータを受け取るように構成されているアクチュエータインターフェースを有する第１の端部と、
ロボットアームに搭載されるように構成されている搭載インターフェースを有する第２の端部と、
前記膨張流体を前記アクチュエータインターフェースを通して前記ソフトアクチュエータに供給するように構成されている圧力源を有するハブ本体と
を備えている、システム。
（項目２）
前記圧力源は、コンプレッサである、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記圧力源は、弁の構成に応じて並列または直列で動作可能なツインヘッドコンプレッサである、項目１に記載のシステム。
（項目４）
コントローラをさらに備え、前記コントローラは、各コンプレッサヘッドの流動プロファイルが交差する場合に対応するとき、前記弁をアクティブにするように構成されている、項目３に記載のシステム。
（項目５）
前記圧力源を動作させるためのモータをさらに備え、前記モータは、前記アクチュエータの作動中、過出力モードで動作するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記モータの近位に配置されている熱交換器をさらに備え、前記熱交換器は、前記モータと前記膨張流体との間で熱を交換する、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記圧力源は、前記アクチュエータと異なる反応チャンバであり、前記反応チャンバは、ガス状生産物を発生させる化学反応に対処するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目８）
方向性制御弁をさらに備え、前記方向性制御弁は、膨張流体が前記アクチュエータの中への第１の方向または前記アクチュエータから外への第２の方向に流動することを選択的に可能にする、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記アクチュエータ内外への前記膨張流体の流量を制御するための流動制御弁をさらに備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１０）
前記膨張流体を前記圧力源から受け取り、前記膨張流体を圧力下で貯蔵するためのアキュムレータをさらに備えている、項目１に記載のシステム。
（項目１１）
複数のアキュムレータをさらに備え、それらのうちの少なくとも１つは、正圧容器として構成され、それらのうちの少なくとも１つは、負圧容器として構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目１２）
１つ以上のアキュムレータをさらに備え、前記１つ以上のアキュムレータは、流体伝導経路が前記１つ以上のアキュムレータと前記アクチュエータとの間に生成されると、所定の作動圧力または部分的真空が達成されるように集合的にサイズを決定されている、項目１に記載のシステム。
（項目１３）
ソフトロボットシステムのためのモジュール式ハブであって、前記モジュール式ハブは、
第１のハブ部品であって、前記第１のハブ部品は、
前記ハブをロボットシステムに搭載するためのフランジを備えている第１の端部と、
膨張流体を受け取り、圧送するためのポンプと、
第２のハブ部品コネクタと膨張流体を前記ポンプから受け取るためのポンプインターフェースとを備えている第２の端部と
を備えている、第１のハブ部品と、
第２のハブ部品であって、前記第２のハブ部品は、
前記第２のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第１のハブ部品コネクタと前記膨張流体を前記ポンプインターフェースから受け取るための流体インターフェースとを備えている第１の端部と、
前記流体インターフェースに接続されているアキュムレータであって、前記アキュムレータは、前記膨張流体を圧力下で貯蔵する、アキュムレータと、
第３のハブ部品コネクタとアキュムレータインターフェースとを備えている第２の端部と
を備えている、第２のハブ部品と、
第３のハブ部品と
を備え、
前記第３のハブ部品は、
第１の端部であって、前記第１の端部は、前記第３のハブ部品コネクタと篏合するように構成されている第３のハブ部品／第２のハブ部品コネクタと前記加圧された膨張流体を前記アキュムレータインターフェースから受け取るための加圧流体インターフェースとを備えている、第１の端部と、
前記加圧された膨張流体をアクチュエータに提供するように構成されているアクチュエータインターフェースを備えている第２の端部と、
前記アクチュエータへの前記加圧された膨張流体の流動を制御するための弁と
を備えている、モジュール式ハブ。
（項目１４）
前記ハブの本体の中に統合されている空気圧流路をさらに備えている、項目１３に記載のモジュール式ハブ。
（項目１５）
前記アキュムレータは、非円筒形である、項目１３に記載のモジュール式ハブ。
（項目１６）
前記アキュムレータは、前記ハブの本体の形状に従っている、項目１３に記載のモジュール式ハブ。
（項目１７）
前記アキュムレータを正圧容器として構成される第１のアキュムレータ領域と、負圧容器として構成される第２のアキュムレータ領域とに分割する隔壁をさらに備えている、項目１３に記載のモジュール式ハブ。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1A】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態との使用のために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。

【図1B】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態との使用のために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。

【図1C】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態との使用のために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。

【図1D】図１Ａ−１Ｄは、本明細書に説明される例示的実施形態との使用のために好適な例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。

【0018】

【図2】図２は、統合されたアクチュエータハブを小型方向性制御弁を介してマイクロコンプレッサから直接駆動する、単純自給式ソフトロボット制御システムの例示的実施形態を描写する。

【0019】

【図3】図３は、軽量ロボットマニピュレータ上に据え付けられ、標的物体を握持する例示的空気圧自給式ソフトロボット制御システムを描写する。

【0020】

【図4】図４Ａ−４Ｄは、ツインコンプレッサが、ソレノイド駆動式方向性制御弁と併せて動作させられ、組み合わせられた標的流動プロファイルを生成する例示的実施形態を描写する。

【0021】

【図5】図５Ａ−５Ｃは、アキュムレータがソフトロボットアクチュエータを作動させる例示的実施形態を描写する。

【0022】

【図6】図６Ａ−６Ｂは、ポンプ、弁、およびアキュムレータを統合する例示的ハブアセンブリを描写する。

【0023】

【図7】図７は、例示的３ピースハブアセンブリを描写する。

【発明を実施するための形態】

【0024】

例示的実施形態は、自給式ソフトロボットエンドエフェクタシステムを提供するように設計または構成される、ロボットシステムに関する。

【0025】

ソフトロボットアームツール端部（ＥＯＡＴ）が、ロボットマニピュレータの端部に搭載され得る。これらのマニピュレータは、アームの動態に悪影響を及ぼさずに操縦可能である、規定されたペイロード容量を有する。この許容可能ペイロードサイズ、重量、および慣性モーメントは、多くの場合、制御マニピュレータ自体のそれより数倍小さく、したがって、より小さい達成可能ペイロードが、不相応な改良された据え付け電力および空間要件をもたらす。さらに、ソフトロボットＥＯＡＴを据え付け後、十分な容量が、操作標的（移動または向け直されるべき物体）のために残っていなければならない。自給式ソフトロボットエンドエフェクタシステムは、その最終物理的特性が従来の繋がれたソフトロボットエンドエフェクタに匹敵することを確実にするようにその設計において非常に効率的でなければならない。自給式システムは、若干、より大きく、またはより重くあり得るが、制約され、密集した空間内で操縦および握持するためのより広範な操作システムの能力を損なってはならない。

【0026】

その物理的特性に加えて、完全自給式ソフトロボット制御システムの生成は、多くの他の課題および制約を受ける。ガスを圧縮するために十分な電力を供給すること、または圧縮もしくは液化されたガスを貯蔵するための空間は、ＥＯＡＴ自体の形状因子内では困難である。しかしながら、ホストとしての可動ロボットプラットフォームと対にされると、これらのサブシステムを可動ロボットプラットフォーム全体を通して分散し、より大きいシステム構成要素をＥＯＡＴ自体から除去することが可能である。例えば、より大きいコンプレッサ、および圧縮されたガス貯蔵または液化されたガス貯蔵のための受け取りタンクは、可動ロボットプラットフォームの基部内に位置付けられ得、そこには、プラットフォームのバッテリおよび駆動システムが、バラストを提供するためにすでに位置するであろう。方向性制御弁、流動制御弁、または感知構成要素等のより小さい統合されたシステムのみが、ＥＯＡＴを構成するソフトアクチュエータおよびインターフェースハブに加えて残存するであろう。ホストプラットフォームに課される空間、重量、および電力要求を軽減するために、コンプレッササイズおよび電力消費または作動流体貯蔵および媒体は、大いに最適化されなければならない。以下の節は、自給式ソフトロボット制御システムおよびそれらを統合する可動システムを提供するためのいくつかの技法を説明する。

【0027】

ソフトロボットアクチュエータおよびグリッパの簡単な概略が、最初に提供され、例示的実施形態の種々の側面の詳細な説明が続くであろう。別様に注記されない限り、説明される実施形態の各々は、互いに任意の組み合わせにおいて使用され得ることが想定される。

【0028】

（ソフトロボットグリッパに関する背景）
従来のロボットグリッパまたはアクチュエータは、高価かつある環境では動作不能であり得、取り扱われている物体の重量、サイズ、および形状の不確実性ならびに多様性は、これまで自動化された解決策が機能することを妨げている。本願は、適応性があり、安価、軽量、カスタマイズ可能であり、使用が単純な新規ソフトロボットアクチュエータの用途を説明する。

【0029】

ソフトロボットアクチュエータは、ゴム等のエラストマー材料、または圧力下で展開し、伸び、捻じれ、および／または曲がるように構成される、アコーディオン状構造で配列されるプラスチックの薄壁、または他の好適な比較的に軟質の材料から形成され得る。それらは、例えば、エラストマー材料の１つ以上の部品を所望の形状に成型することによって生成され得る。ソフトロボットアクチュエータは、アクチュエータを加圧、膨張、および／または作動させるために、空気、水、または生理食塩水等の流体で充填され得る中空内部を含み得る。作動時、アクチュエータの形状または外形は、変化する。アコーディオン状アクチュエータ（以下により詳細に説明される）の場合、作動は、アクチュエータに所定の標的形状に湾曲または直線化させ得る。完全非作動形状と完全作動形状との間の１つ以上の中間標的形状も、アクチュエータを部分的に膨張させることによって達成され得る。代替として、または加えて、アクチュエータは、真空を使用して作動させられ、膨張流体をアクチュエータから除去し、それによって、アクチュエータが曲がり、捻れ、および／または延びる程度を変化させ得る。

【0030】

作動は、アクチュエータが、握持または押されている物体等の物体に力を及ぼすことを可能にし得る。しかしながら、従来のハードロボットアクチュエータと異なり、ソフトアクチュエータは、作動させられると、ソフトアクチュエータが握持されている物体の形状に部分的または完全に一致し得るように適応特性を維持する。それらは、物体との衝突時、たわむこともでき、衝突は、アクチュエータが握持標的ではない積載物内の近隣物体または瓶の側面と衝突する可能性が高いので、積載物または瓶の中から物体を取り上げるときに特に関連し得る。さらに、加えられる力の量は、材料が容易に変形させられ得るので、制御様式でより大きい表面積にわたって拡散されることができる。このように、ソフトロボットアクチュエータは、それらを損傷せずに、物体を把持することができる。

【0031】

さらに、ソフトロボットアクチュエータは、従来のハードロボットアクチュエータを用いて達成が困難であり得るタイプの運動または運動の組み合わせ（曲がり、捻じれ、延び、および収縮を含む）を可能にする。

【0032】

図１Ａ−１Ｄは、例示的ソフトロボットアクチュエータを描写する。より具体的には、図１Ａは、ソフトロボットアクチュエータの一部の側面図を描写する。図１Ｂは、上部からの図１Ａの部分を描写する。図１Ｃは、ユーザによって操作され得るポンプを含むソフトロボットアクチュエータの一部の側面図を描写する。図１Ｄは、図１Ｃに描写される部分のための代替実施形態を描写する。

【0033】

アクチュエータは、図１Ａに描写されるように、空気、水、または生理食塩水等の膨張流体で膨張可能なソフトロボットアクチュエータ１００であり得る。膨張流体は、膨張デバイス１２０を介して、流体接続１１８を通して提供され得る。

【0034】

アクチュエータ１００は、限定量の膨張流体が周囲環境と実質的に同一圧力でアクチュエータ１００内に存在する膨張していない状態にあり得る。アクチュエータ１００は、所定の量の膨張流体がアクチュエータ１００内に存在する完全に膨張させられた状態にもあり得る（所定の量は、アクチュエータ１００によって加えられる所定の最大力、または膨張流体によってアクチュエータ１００上に加えられる所定の最大圧力に対応する）。アクチュエータ１００は、全流体がアクチュエータ１００から除去された完全真空状態、または一部の流体がアクチュエータ１００内に存在するが、周囲圧力未満の圧力にある部分的真空状態にもあり得る。さらに、アクチュエータ１００は、アクチュエータ１００が、完全に膨張させられた状態で存在する所定の量の膨張流体未満であるが、わずかな（または非常に限定された）膨張流体を含む部分的に膨張させられた状態にあり得る。

【0035】

膨張させられた状態では、アクチュエータ１００は、図１Ａに示されるように、中心軸の周囲で湾曲する傾向を呈し得る。議論を容易にするために、いくつかの方向が、本明細書で定義されている。軸方向は、図１Ｂに示されるように、アクチュエータ１００が湾曲する中心軸を通過する。半径方向は、軸方向と垂直方向、すなわち、膨張させられたアクチュエータ１００によって形成される部分的円形の半径の方向に延びている。円周方向は、膨張させられたアクチュエータ１００の円周に沿って延びている。

【0036】

膨張させられた状態では、アクチュエータ１００は、アクチュエータ１００の内側円周方向縁に沿って半径方向に力を及ぼし得る。例えば、アクチュエータ１００の遠位先端の内側は、中心軸に向かって内向きに、アクチュエータ１００が物体を握持することを可能にするために活用され得る力を及ぼす（潜在的に、１つ以上の追加のアクチュエータ１００と連動して）。ソフトロボットアクチュエータ１００は、使用される材料およびアクチュエータ１００の一般的構造に起因して、膨張させられると、比較的に共形性のままであり得る。

【0037】

アクチュエータ１００は、比較的に軟質または共形構造を可能にする１つ以上のエラストマー材料から作製され得る。用途に応じて、エラストマー材料は、食品安全性、生体適合性、または医療安全性のＦＤＡ承認材料の群から選択され得る。エラストマー材料は、化学的抵抗のためにフッ化ポリマーエラストマーでもあり得る。アクチュエータ１００は、適正製造基準（「ＧＭＰ」）対応設備内で製造され得る。

【0038】

アクチュエータ１００は、実質的に平坦である、基部１０２を含み得る（但し、種々の修正または付属品が、アクチュエータの把持および／または曲がり能力を改良するために、基部１０２に追加され得る）。基部１０２は、標的物体を握持する把持表面を形成し得る。

【0039】

アクチュエータ１００は、１つ以上のアコーディオン状延長部１０４を含み得る。アコーディオン状延長部１０４は、膨張させられると、アクチュエータ１００が曲がりまたは屈曲し、膨張させられた状態にあるとき、アクチュエータ１００の形状を画定することを支援することを可能にする。アコーディオン状延長部１０４は、一連の隆起１０６および谷部１０８を含む。アコーディオン状延長部１０４のサイズならびに隆起１０６および谷部１０８の場所は、異なる形状または延長部外形を得るために変動させられることができる。

【0040】

図１Ａ−１Ｄの例示的アクチュエータは、展開されると、「Ｃ」または卵形形状に描写されるが、当業者は、本発明は、そのように限定されないことを認識するであろう。アクチュエータ１００の本体の形状、またはアコーディオン状延長部１０４のサイズ、位置、もしくは構成を変化させることによって、異なるサイズ、形状、および構成が、達成され得る。さらに、アクチュエータ１００に提供される膨張流体の量の変動は、アクチュエータ１００が非膨張状態と膨張状態との間の１つ以上の中間サイズもしくは形状をとることを可能にする。したがって、個々のアクチュエータ１００は、膨張量を変動させることによって、サイズおよび形状においてスケーラブルであることができ、アクチュエータは、１つのアクチュエータ１００を異なるサイズ、形状、または構成を有する別のアクチュエータ１００と交換することによって、サイズおよび形状においてさらにスケーラブルであることができる。

【0041】

アクチュエータ１００は、近位端１１２から遠位端１１０に延びている。近位端１１２は、インターフェース１１４に接続する。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００がロボットシステムの他の部分に解放可能に結合されることを可能にする。インターフェース１１４は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（「ＡＢＳ」）、またはアセタールホモポリマー等の医療安全材料から作製され得る。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００および可撓性管類１１８の一方または両方に解放可能に結合され得る。インターフェース１１４は、アクチュエータ１００に接続するためのポートを有し得る。異なるインターフェース１１４は、より大きいもしくはより小さいアクチュエータ、異なる数のアクチュエータ、または異なる構成におけるアクチュエータに適応するために、異なるサイズ、数、または構成のアクチュエータポートを有し得る。

【0042】

アクチュエータ１００は、膨張デバイス１２０から可撓性管類１１８等の流体接続を通して供給される膨張流体で膨張させられ得る。インターフェース１１４は、流体がアクチュエータ１００に入ることを可能にするが、流体がアクチュエータから出ることを防止する（弁が開放しない限り）ための弁１１６を含み得るか、またはそれに取り付けられ得る。可撓性管類１１８は、さらに、または代替として、膨張デバイス１２０のその場所において膨張流体の供給を調整するために、膨張デバイス１２０におけるインフレータ弁１２４に取り付き得る。

【0043】

可撓性管類１１８は、一端においてインターフェース１１４に、他端において膨張デバイス１２０に解放可能に接続するアクチュエータ接続インターフェース１２２を含み得る。アクチュエータ接続インターフェース１２２の２つの部分を分離することによって、異なる膨張デバイス１２０が、異なるインターフェース１１４および／またはアクチュエータ１００に接続され得る。

【0044】

膨張流体は、例えば、空気または生理食塩水であり得る。空気の場合、膨張デバイス１２０は、周囲空気を供給するための手動バルブまたは蛇腹を含み得る。生理食塩水の場合、膨張デバイス１２０は、注射器または他の適切な流体送達システムを含み得る。代替として、または加えて、膨張デバイス１２０は、膨張流体を供給するためのコンプレッサまたはポンプを含み得る。

【0045】

膨張デバイス１２０は、膨張流体を供給するための流体供給源１２６を含み得る。例えば、流体供給源１２６は、圧縮された空気、液化もしくは圧縮された二酸化炭素、液化もしくは圧縮された窒素もしくは生理食塩水を貯蔵するためのリザーバであり得るか、または周囲空気を可撓性管類１１８に供給するための通気口であり得る。

【0046】

膨張デバイス１２０は、膨張流体を流体供給源１２６からアクチュエータ１００に可撓性管類１１８を通して供給するためのポンプまたはコンプレッサ等の流体送達デバイス１２８をさらに含む。流体送達デバイス１２８は、流体をアクチュエータ１００に供給するか、または流体をアクチュエータ１００から引き出すことが可能であり得る。流体送達デバイス１２８は、電気によって給電され得る。電気を供給するために、膨張デバイス１２０は、バッテリ等の電力供給源１３０、または電気コンセントへのインターフェースを含み得る。

【0047】

電力供給源１３０は、電力を制御デバイス１３２にも供給し得る。制御デバイス１３２は、ユーザが、例えば、１つ以上の作動ボタン１３４（またはスイッチ等の代替デバイス）を通してアクチュエータの膨張または収縮を制御することを可能にし得る。制御デバイス１３２は、制御信号を流体送達デバイス１２８に送信し、流体送達デバイス１２８に膨張流体をアクチュエータ１００に供給させるか、または膨張流体をそこから引き出させるためのコントローラ１３６を含み得る。

【0048】

膨張を手動でトリガすることの代わりに、またはそれに加え、コントローラ１３６は、ある条件下でアクチュエータ１００を自動的に膨張または収縮させるようにもプログラムされ得る。

【0049】

本明細書で使用される場合、アクチュエータは、典型的には、アクチュエータ１００に類似する単一構成要素を指す。複数のアクチュエータが一緒に採用され、標的を把持する把持システムを形成するとき、そのようなシステムは、概して、グリッパ（但し、いくつかのグリッパは、単独で標的を把持する単一アクチュエータから成り得る）またはエンドエフェクタと称される。

【0050】

（内蔵式またはポータブル空気圧システム）
例示的実施形態が、次に、自給式ソフトロボットシステムのための内蔵式またはポータブル空気圧制御システムに関して説明され、そのようなシステムは、膨張流体供給ラインを提供するテザー伴わずに、ソフトロボットシステムが動作することを可能にし得る（但し、いくつかの実施形態では、インターフェースが、電力のための電気接続を受け取るために提供され得、この電気接続は、ソフトロボットトシステムが搭載されるロボットアームまたはある他の動力源とインターフェースをとり得る）。以下に説明される例示的実施形態では、膨張流体は、圧縮された空気であるが、当業者は、他の膨張流体も、使用され得ることを認識するであろう。

【0051】

自給式ソフトロボット制御システムのための空気供給の生成は、コンプレッサを使用して、周囲空気を加圧することを伴い得る。代替として、または加えて、貯蔵されている加圧されたまたは液化されたガス媒体の解放が、エンドエフェクタを作動させるために使用され得る。典型的産業用空気コンプレッサは、数十〜数百ポンドの重量および数百ワットの電気の消費により、自給式可動システムの中への統合のために好適ではないこともある。より好ましくは、例示的実施形態は、ポータブルまたはバッテリ動作式空気圧システムとの使用のために設計される、ブラシレスまたはブラシＤＣモータを使用して低ＤＣ電圧で動作する小型コンプレッサを採用する。例示的コンプレッサは、１立方インチより小さい体積を占有し、０．５オンス未満の重量であり、０．５Ｗピーク電力未満を要求し得る。より大きいモデルは、最大５ｓｃｆｍの流量が可能であり、１５０ｐｓｉ程度の高静圧を達成することができる。当業者は、これらの仕様が例示にすぎず、異なるコンプレッサが特定の用途に応じて使用され得ることを認識するであろう。

【0052】

より小さいソフトロボットアクチュエータは、典型的には、２〜１５ｐｓｉに及ぶ圧力を利用して、物体を握持し、各々は、０．０５〜０．１５標準リットルの空気（２〜７ミリモル）を消費する。部分的真空が、代替として、物体の解放時、アクチュエータを広げるために加えられ得る。より大きい物体は、複数の小または中サイズのアクチュエータを統合するインターフェースハブを生成することによって、操作されることができる。

【0053】

単純作動が、コンプレッサをアクチュエータに直接接続することによって、達成されることができる。しかしながら、前述のタイプの最適コンプレッサ選択を伴う小型エンドエフェクタでさえ、同等の繋がれたシステムに対する数十ミリ秒ではなく、数秒または数百ミリ秒の長さに限定された閉鎖作動速度をもたらすであろう。典型的には、これらの速度は、物体を握持する必要性が低頻度かつ閉鎖速度に敏感ではない（例えば、操作標的が可動システムの基準フレーム内で移動していないとき）、いくつかの可動タスクのために十分である。

【0054】

１つのそのような単純自給式ソフトロボット制御システムの例示的実施形態が、図２に描写される。

【0055】

描写される実施形態では、ソフトロボットエンドエフェクタシステム２００は、２つのソフトロボットアクチュエータ１００を含む（但し、より多いまたはより少ないアクチュエータが、用途に応じて採用され得る）。アクチュエータ１００は、アクチュエータインターフェースハブ２０４を介して、ハブ本体２０２の第１の側に接続する。アクチュエータインターフェースハブ２０４は、アクチュエータ１００をハブ本体２０２に固定して接続し、アクチュエータ１００をハブ本体２０２上の定位置に係止するように構成され得る。アクチュエータインターフェースハブ２０４は、アクチュエータ接続２０６に接続するためのインターフェースを含み得る。アクチュエータ接続２０６は、ハブ２０２の内部の圧力源と流体連通する通路を形成し得る。いくつかの実施形態では、圧力源は、ハブ２０２の外部にあり、ハブ２０２に搭載され得るか、または、ハブ２０２の部分的に内部かつ部分的に外部にあり得る。通路は、膨張流体を圧力源からアクチュエータ１００に供給し得る。

【0056】

ハブ本体２０２の第２の側では、搭載インターフェース２０８が、ロボットアーム等のロボットとインターフェースをとるために提供され得る。例えば、搭載インターフェース２０８は、フランジであり得るか、または別のタイプの機械的もしくは非機械的接続であり得る。ロボットは、搭載インターフェース２０８と篏合し、ハブ２０２をロボットに固定するように構成される対応するインターフェースを有し得る。

【0057】

前述の圧力源は、例えば、コンプレッサ２１０であり得る。一例示的実施形態は、わずか４立方インチを下回る体積を占有し、１２ＶのＤＣ電圧で８Ｗ以下の電力を利用するダイヤフラムコンプレッサを利用する。例示的コンプレッサ２１０は、０．２２ｓｃｆｍ以上を送達し、最大２４ｐｓｉの静圧を達成することが可能である。

【0058】

コンプレッサ２１０は、制御／センサ回路２１６によって制御される方向性制御弁２１２を使用して、解放および制御され得る。例えば、方向性制御弁２１２は、制御回路２１６内に統合されたフィードバック圧力を有する直接作用式５方向２位置スプール弁であり得る。

【0059】

いくつかの実施形態では、コンプレッサ２１０は、制御弁２１２と共に、正圧または負圧（例えば、部分的真空）を選択的に加え得る。真空をアクチュエータ１００内で発生させる能力を伴わない実施形態では、アクチュエータ１００は、中心に搭載されたスパニングプレートを使用して広げられ得る。

【0060】

コンプレッサ２１０、弁２１２、および／または制御回路２１６は、電気給電され得、および／またはロボットの他の構成要素によって発生させられる信号を利用し得る。これらの目的のために、電気および／または信号接続インターフェース２１４が、電気および／または信号を受信し、および／または信号を制御／センサ回路２１６からロボットの他の部品に伝送するために提供され得る。

【0061】

ハブ２０２の前述の構成要素は、筐体２１８の内側に存在し得る。筐体２１８は、完全または部分的に、これらの構成要素を包含し得る。いくつかの実施形態では、筐体の外壁は、例えば、膨張流体のための経路を提供する空隙または通路を含み得る。

【0062】

例示的実施形態では、自給式制御システムおよびエンドエフェクタ全体は、１００立方インチまたはより小さい包体内に収まり、１．９ポンド以下の重量である。シールされたインターフェースハブの中に統合された２つの小型アクチュエータの閉鎖作動は、７５０ｍｓ以下で達成されることができ、開放作動は、２５０ｍｓ以下で排気を介して達成されることができる。

【0063】

図３は、軽量ロボットマニピュレータ上に据え付けられ、握持標的（約１．５ポンドの重量の１６オンスの飲料コンテナ）を握持する、図２の空気圧式の自給式ソフトロボット制御システムを描写する。本実施形態は、圧縮された空気の任意の外部供給を要求せず、ホストマニピュレータのオンボード２４ＶＤＣ電力供給を利用して、電気および／または信号接続インターフェース２１４に取り付けられるケーブル３０２を介して、その電気需要を調達する。

【0064】

小型コンプレッサであっても、所定かつ理想的効率的動作点における使用のために設計される。この動作点は、特定の流量およびある量の送達される正圧または真空を提供する定常状態条件であろう。そのようなコンプレッサ用途は、定常低瞬間流量で長期間をかけて大量の圧縮された空気を送達する。これは、小体積の空気を比較的に高瞬間流量（＞１０ｓｃｆｍ）かつ低圧力（多くの場合、＜１０ｐｓｉ）で送達することを求めるソフトロボット制御システムのために理想的ではないこともある。コンプレッサベースのシステムをこれらの目的に適合させる複数の手段が、以下の節で提案される。

【0065】

（マイクロ空気圧コンプレッサを仕様外で動作させ、動的応答を改良する）
瞬間流量を増加させることによって作動速度を改良するために、いくつかの実施形態では、小型空気圧コンプレッサが、その公称仕様外で動作させられ得る。重量および形状因子が重要な制約である可動ロボットおよびメカトロニクスシステムでは、モータは、より大きいモータが連続デューティ下で動的に（短および可変期間にわたって）安全に送達し得る同じ結果を達成するために、より小さいモータをその連続デューティ電圧、電流、回転速度、または温度仕様外で動作させることによって、「小型化」され得る。そのような方略は、小型コンプレッサにも適用され得る。

【0066】

ＤＣブラシまたはブラシレスコンプレッサモータの性能を強化するいくつかの方法がある。モータは、閉ループ電圧／電力送達を介して制御される場合、公称より高い電圧で短期間にわたって動作させられ得る（１２Ｖ公称ＤＣモータを２４Ｖで一時的に駆動する等）。同様に、閉ループ電流／トルク印加を介して制御される、モータは、公称より高い電流で過駆動されることができる。両方法は、モータの熱動作条件を効果的に改変し、その巻線および耐荷重構成要素に通常より高温にならせる。モータは、依然として、同一コンプレッサヘッドを利用し得るが、所与の任意の特定の背圧を与えられるならば、それをより高い速度で駆動することが可能である。ダイヤフラムまたはピストンタイプのマイクロコンプレッサにおけるより高い往復運動速度は、より高い瞬間流量に対応するであろう。

【0067】

この方法は、コンプレッサの全体的動作寿命およびエネルギー効率への悪影響を示し得る。より高い往復運動率または圧力でのコンプレッサの動作は、より高い負荷につながり、耐荷重または摩擦構成要素に早期に故障させ得る。この問題は、ソフトロボット制御システムでは、単独でまたは組み合わせて、種々の手段を介して回避され得る。最終用途が低作動デューティサイクル（作動が、行われるときに高速である必要があるが、低頻度で要求される）を要求する場合、コンプレッサは、低頻度でアクティブにされることができる。熱監視が確立されることができ、熱監視は、モータの電力送達の閉ループ制御を自動的に適用し、作動性能を継続的に変動させ、特定の熱負荷を維持する。さらに、受動的または能動的熱管理技法の任意の組み合わせが、熱を迅速に消散させるようにモータの能力を強化するために採用されることができる。これらは、限定ではないが、放熱板、対流、強制空冷、受動的液体冷却、および再循環液体冷却を含み得る。

【0068】

別の実施形態では、能動的冷却方略が、コンプレッサＤＣモータケーシングの近位に方略的に設置された熱交換流体伝導経路を介してそれ自身が運搬される加圧された作動媒体を利用することによって、構造インターフェースハブ内のこれらの高温を制御するために採用され得る。

【0069】

理想的ガスの固有の特性に起因して、加圧されたガスがアクチュエータに急速に運搬され、それらの中で拡張することを可能にされると、実質的温度変化が誘発される。これの背後にある原理は、ジュールトムソン効果として知られ、圧力降下が、ガスまたは液体内に温度変化を生じさせる。したがって、アクチュエータに運搬される作動媒体は、必然的に冷却され、前述のようにコンプレッサモータの近位の熱交換器内に経路指定される場合、それは、熱回収システムとしての役割を果たすことができ、それは、同時に、モータの強制空冷を提供し、ガスの温度を増加させることによって、ソフトアクチュエータ内で発達させられる圧力を増加させる。

【0070】

（ツインヘッドコンプレッサを再構成する）
コンプレッサ流動容量または最大達成可能圧力を増加させるための１つの方法は、並列（より高い流動のため）または直列（より高い圧力のため）配列で構成される複数のコンプレッサを利用する。「ツインヘッド」、すなわち、２つの往復運動ピストン、羽根、またはダイヤフラムコンプレッサ段を駆動する単一の二重シャフト付きモータを特徴とするコンプレッサが、この目的のために利用され得る。これらは、２つの物理的に別個のコンプレッサ（並列または直列）に類似する様式で構成されることができる。自給式ソフトロボット制御システムは、各々がより効率的であるとき、これらの２つの構成間での動的選択を可能にする空気圧制御スキームを生成することによって、向上した流動性能を達成することができる。図４Ａ−４Ｄは、そのような実施形態を描写する。

【0071】

図４Ａ−４Ｃに示されるように、コンプレッサは、第１のコンプレッサヘッド４０２と、第２のコンプレッサヘッド４０８とを含み得る。第１のコンプレッサヘッド４０２は、入口４０４と、出口４０６とを含み得る。第２のコンプレッサヘッド４０８も、入口４１０と、出口４１２とを含み得る。

【0072】

図４Ａは、並列配列で接続されるコンプレッサヘッド４０２、４０８を描写する。この構成を達成するために、第１のコンプレッサヘッド４０２の入口４０４および第２のコンプレッサヘッド４０８の入口４１０は両方とも、圧力源に並列に接続され得る。同様に、第１のコンプレッサヘッド４０２の出口４０６および第２のコンプレッサヘッド４０８の出口４１２は両方とも、アクチュエータに並列に接続され得る。並列配列で構成されると、コンプレッサは、流量／圧力グラフ４１４に示されるように、より低い圧力では、高瞬間流量を送達することができるが、より高い圧力を達成することは不可能である。

【0073】

図４Ｂは、直列配列におけるコンプレッサヘッド４０２、４０８を描写する。この構成を達成するために、第１のコンプレッサヘッド４０２の入口４０４は、圧力源に接続され、第１のコンプレッサヘッド４０２の出口４０６は、第２のコンプレッサヘッド４０８の入口４１０に接続される。第２のコンプレッサヘッド４１２の出口４１０は、アクチュエータに接続される。第１の段の出力が第２の段の入力として得られる直列構成では、コンプレッサは、低圧では、より低い瞬間流量であるが、より高い圧力では、有意に改良された率を送達し、流量／圧力グラフ４１６に示されるように、より高い最終静圧を達成することができる。

【0074】

図４Ｃは、再構成可能配列を描写し、再構成可能配列において、第１のコンプレッサヘッド４０２と第２のコンプレッサヘッド４０８とは、制御回路４１８を介して接続され、制御回路４１８は、コンプレッサヘッドのそれぞれの入口および出口が接続する場所を制御するための弁の組を含む。

【0075】

図４Ｄに示されるように、ソフトアクチュエータを加圧するプロセスにおける臨界動作点では、各コンプレッサ構成の流動プロファイルは、交差する（図４Ｄは、並列構成圧力流動グラフ４１４を直列圧力／流量グラフ４１６上に事実上重ねる圧力／流量グラフ４２０である）。交差点４２２の点では、制御回路４１８は、作動プロセスの残りのためにコンプレッサ構成を反対モードに切り替え、作動全体を通して最高可能瞬間流動を全点において送達するように構成され得る。再構成の類似方法は、部分的真空の印加において利用されることができる。

【0076】

さらに、複数の方向性制御弁を利用する、十分に複雑な空気圧制御回路が、４つの動作モード、すなわち、並列圧力発生、直列圧力発生、並列真空発生、および直列真空発生が単一コンプレッサのために電子的に選択され得るように、開発され得る。これは、任意の二重モード（圧力および真空動作式）ソフトロボットエンドエフェクタのための効率的内蔵式制御システムを構成する。以下の節は、独立して、または前述のコンプレッサ制御方法と組み合わせて、自給式ソフトロボット制御システムの性能をさらに向上させるために使用され得る追加の方法を説明するであろう。

【0077】

（加圧されたまたは液化された作動媒体の解放または一時的貯蔵の手段としてのアキュムレータ）
図５Ａ−５Ｃに示されるように、自給式ソフトロボット制御システム５００は、コンプレッサ５０４によって加圧された作動媒体を一時的に蓄積するか、または有意に高い圧力下で貯蔵されたガス状もしくは液状作動媒体を制御可能に解放するための容積５０２を提供することによって、さらに強化され得る。これらの容積５０２は、一般に利用可能な円筒形もしくは円形タンクを使用して生成され得るか、またはソフトアクチュエータのインターフェースハブ５０６の中に設計される陥凹または空隙内に複雑に統合され得る。図５Ａ−５Ｃは、非装填状態（図５Ａ）および装填状態（図５Ｂ）におけるアキュムレータと、アクチュエータがアキュムレータの作用を通して作動させられたシステム（図５Ｃ）の例を描写する。

【0078】

作動媒体を例示的アキュムレータを使用するコンプレッサ駆動式システム５００において前もって「事前圧縮」するための容積５０２を提供することによって、非常に高速な作動時間が達成されることができる（例えば、数十ミリ秒であり、これは、繋がれたソフトロボット制御システムのそれらと同様である）。したがって、コンプレッサ５０４は、その時点でシステムが単一作動を迅速に行う準備ができる、特定の圧力が達成されるまで、アキュムレータを比較的にゆっくりと（例えば、数秒またはより長い時間にわたって）「装填する」。コンプレッサ５０４上の負荷は、著しく軽減され、それは、それらの需要をより長い期間にわたって分散させることによって、内蔵式システムの最大瞬間電力消費を低下させる。この改良は、特に、作動が、繋がれたシステムと同等に高速でなければならないが、稀にしか要求されない動作デューティサイクルを有するシステムに非常に好適であり得る。

【0079】

さらに、この概念の高効率的実施形態は、複数のアキュムレータを採用することによって設計され得、複数のアキュムレータは、解放されるときの閉鎖作動のための正圧、または暴露されるときの開放動作のための部分的真空を別個に蓄積するための役割を果たす。各々は、流体伝導経路がアキュムレータと統合されたエンドエフェクタとの間に生成されると、（コンプレッサの部品におけるさらなる介入を伴わずに）現時点でより大きい接続された容積中で平衡する膨張流体の結果として、それのみで所定の作動圧力または部分的真空が達成されるように、サイズを決定され、加圧され得る。

【0080】

（膨張プロファイル制御）
大部分のソフトロボットアクチュエータの１つの微妙な差異は、膨張の形状が入力流動プロファイルに依存することである。例えば、加圧された空気の急速バースト（インパルス制御入力に類似する）は、その領域におけるより高い動的圧力により、アクチュエータの遠位端にアクチュエータの残りより高速で曲がらせるであろう。加圧された空気流動をより低い制御された率でアクチュエータの中に生じさせることは、アクチュエータ全体を通してより一定の曲率プロファイル、したがって、操作標的における異なる全体的把持を生成するであろう。これらの異なる把持プロファイルは、特定の既知の空間または物理的特性（例えば、幅広の略円形断面を伴う物体対概して薄い高縦横比断面を伴う物体）を伴う操作において把持品質を改良するように制御または選択されることができる。このタイプの制御は、流動制御弁をインターフェースハブの空気圧入力に追加することによって達成され、流動プロファイルをより精密かつ動的に制御することができる。流動制御弁は、前述の実施形態からの加圧されたアキュムレータが空気の高圧パルスをあまり急速に解放し、それによって、アクチュエータのエラストマーを損傷させることを防止するためにも使用されることができる。代替として、または加えて、同一目的を果たすために十分に制限的流動係数を特徴とする方向性制御弁が、アクティブ化／非アクティブ化のために規定されることができる。

【0081】

（燃焼動力式作動）
電気動力式コンプレッサは、それらを任意の自給式ソフトロボット制御システムへの負担にするいくつかの限定に悩まされ得る。第１に、コンプレッサは、大量の電力を要求し、大量の電力は、等しく大型の内部バッテリまたは外部電源によって提供される。後者のオプションは、システムが真に独立する程度を低減させる。第２に、コンプレッサは、前述の実施形態に依拠することなく、または追加の空間および電力を大型のコンプレッサに配分することなしに、迅速かつ高エネルギーの圧力プロファイルを供給することができない。これらの強化実施形態は、コンプレッサベースのシステムの性能を著しく改良するが、実際のシステム内に実装することが困難であり、最適化のために時間がかかる。

【0082】

コンプレッサの使用に関連付けられた問題を回避するために、加圧されたガスが、反応チャンバの内側の燃焼を介して発生させられ得る。いくつかの実施形態では、液体燃料が、採用され得る。液体燃料は、非常に高エネルギー密度を有し、反応チャンバ内で蒸発させられ、続いて点火される数滴が、大量の高温加圧ガスを生成する。さらなる実施形態では、アジ化ナトリウム等の他の材料が、ガス産生反応を受け得る。

【0083】

このガスは、アクチュエータを動作させるための加圧流体として使用されることができる。このアプローチは、アキュムレータを加圧するための電気コンプレッサの使用より高速のプロセスであり、反応チャンバを多くの小型電気コンプレッサが可能なものより高い圧力まで加圧することができるので、有利である。

【0084】

反応チャンバの内部は、反応の副産物を部分的または完全に抑制する材料でコーティングされ得る。反応チャンバ内のこれらの副産物を抑制することによって、副産物は、アクチュエータに入ることを防止され、したがって、アクチュエータを潜在的に有害な化学暴露から保護し、アクチュエータの寿命を延ばすことができる。

【0085】

本実施形態では、アキュムレータは、燃焼からの衝撃、熱、および反応中間物のうちのいくつかを消散させ得る。これは、燃焼がソフトアクチュエータ自体内で行われ、エラストマーに恒久的損傷を受けさせ、アクチュエータの寿命および機能を損なわせるシステムと対照的である。段階的反応チャンバ内で生成される加圧ガスは、典型的条件下において、作動間に冷却のための十分な時間を有し得る。これは、タールおよび分解された材料が、ソフトアクチュエータではなく、反応チャンバの内部に蓄積することを可能にする。同様に、十分な時間は、エネルギー燃焼プロセス中に生成されるフリーラジカルの自然抑制を提供する。続いて、この冷却および加圧されたガスは、前述の実施形態におけるアキュムレータ内で加圧されたそれと同じ機能を果たす。

【0086】

（自給式ソフトロボットエンドエフェクタシステム）
図６Ａ−６Ｂは、ポンプ６０２と、１つ以上の弁６０４と、１つ以上のアキュムレータとを組み込むハブ６００の例を描写する。図６Ａは、アキュムレータ６０６が正圧容器として機能するシステムを描写する。図６Ｂは、一方のアキュムレータ６０６は、正圧容器であり、他方６０８が負圧容器である２ピースアキュムレータ設計を描写する。

【0087】

（ハブ統合アキュムレータ）
図７は、上部ピースが、ポンプと、弁と、システムを起動するために必要な電子機器とを含む３ピースハブ７００を描写する。

【0088】

ハブ７００は、第１のハブ部品７０２を含む。第１のハブ部品７０２は、ハブ７００をロボットシステムに搭載するためのフランジ等のインターフェースを支持する第１の端部７０４を有する。第１のハブ部品７０２は、膨張流体を圧送するためのポンプ７０８と、第２のハブ部品７１２に接続するための第２のハブ部品コネクタを含むか、またはそのように構成される第２の端部７１０とをさらに含む。第２の端部７１０は、膨張流体をポンプから受け取るためのポンプインターフェースも含み得る。

【0089】

第２のハブ部品７１２は、第１のハブ部品７０２の第２のハブ部品コネクタと篏合するように構成される第１のハブ部品コネクタを含むか、またはそのように構成される第１の端部７１６を有し得る。第１の端部７１６は、膨張流体をポンプインターフェースから受け取るための流体インターフェースも含み得る。第２のハブ部品７１２は、膨張流体を圧力下で貯蔵するための流体インターフェースに接続される統合されたアキュムレータ７２０も有し得る。第２のハブ部品７１２の第２の端部７２２は、第３のハブ部品コネクタを含み得るか、またはそのように構成され得る。第２の端部７２２内のアキュムレータインターフェースは、膨張流体をアキュムレータから受け取り、膨張流体を第３のハブ部品７２６に送達し得る。

【0090】

第３のハブ部品７２６は、第２のハブ部品７１２の第３のハブ部品コネクタと篏合する第３のハブ部品／第２のハブ部品コネクタを有するか、またはそのように構成される、第１の端部７２８を含み得る。第３のハブ部品７２６は、加圧された膨張流体をアキュムレータインターフェースから受け取るための加圧流体インターフェースも含み得る。第３のハブ部品７２６は、加圧された膨張流体をアクチュエータ１００に供給するためのアクチュエータインターフェースを有する、第２の端部７３２をさらに含み得る。第３のハブ部品７２６は、アクチュエータ１００への加圧された膨張流体の流動を制御するための弁７３６も含み得る。

【0091】

随意に、弁７３６の出口において、放熱板が、前述の熱管理例におけるように、熱交換プロセスを行うために含まれ得る。

【0092】

本実施形態では、ハブ７００は、ソフトロボットエンドエフェクタのための全システム、すなわち、電源と、ポンプの形態におけるコンプレッサと、圧力／真空アキュムレータと、方向性制御弁と、アクチュエータインターフェースハブと、ソフトアクチュエータとを含む。ハブ７００は、アセンブリのための構造要素としての役割を果たし、すなわち、サブシステムは全て、ハブに固定して取り付けられ、ソフトアクチュエータ１００によって感じられるもの以外の任意の外力は、それによって支持される。その結果、このハブ７００は、軽量およびコンパクトな形状因子を保ちながら、機械的にロバストであるように設計され得る。

【0093】

描写される実施形態は、アキュムレータ７２０を含む。従来のアキュムレータは、球状端部を伴う円筒形の形態をとり、それは、応力集中を低減させ、高耐圧力を可能にし得る。空間および重量制約を最適化するために、例示的実施形態のアキュムレータ７２０は、設計によって構造インターフェースハブ内に統合され得る。自給式ソフトロボット制御システム内で発達させられた比較的に低圧（＜４０ｐｓｉ）において、この統合されたアキュムレータ７２０は、円形外形である必要はなく、インターフェースハブの材料構造内に必然的に存在するであろう薄い長方形または複雑な形状の空隙の中に設計されることができる。より高い圧力用途＞４０ｐｓｉは、補強球状または円筒形本体を伴う小型円筒形または球状アキュムレータもしくはハブ統合アキュムレータを利用し得る。

【0094】

さらに、用途要件に応じて、軟質金属（真鍮／アルミニウム）、複合材（炭素ファイバ／ファイバガラス）、またはプラスチック等の異なる材料が、この目的のために採用されることができる。

【0095】

図７に示されるように、例示的３ピースハブ７００は、ハブ自体の本体および構造としての役割を果たす圧力容器を組み込んでいる。追加製造技法が、複雑なチャネルまたは特徴がアセンブリ内の空間をさらに最小化するために要求されるときに使用され得る。２アキュムレータ設計も、正圧および負圧の両方の反転が必要とされる、隔壁７３８を使用して達成されることができる。

【0096】

（管類の内蔵式空気圧チャネリング／経路指定）
前述の統合されたアキュムレータの拡張として、任意の必要な空気圧経路指定７３８も同様に、インターフェースハブの構造本体内に統合されることができる。これは、そのような流体伝導経路が最小限の流動抵抗のために最適化され、嵩張る外部管およびコネクタの必要性を排除することを可能にする。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】