特表 2023-528040 モバイルロボット用ダイレクトドライブ空気圧トランスミッション

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-03

(54)【発明の名称】モバイルロボット用ダイレクトドライブ空気圧トランスミッション

(51)【国際特許分類】

   B25J 11/00 20060101AFI20230626BHJP

【ＦＩ】

B25J11/00 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022573509

(86)(22)【出願日】2021-05-25

(85)【翻訳文提出日】2023-01-20

(86)【国際出願番号】 US2021034030

(87)【国際公開番号】W WO2021242742

(87)【国際公開日】2021-12-02

(31)【優先権主張番号】63/030,551

(32)【優先日】2020-05-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/146,390

(32)【優先日】2021-02-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＶＥＬＣＲＯ

２．ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ

(71)【出願人】

【識別番号】522462638

【氏名又は名称】ローム ロボティクス インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100123630

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】サミア エリアス アール

(72)【発明者】

【氏名】パーク リーナス

(72)【発明者】

【氏名】ケンパー ケビン コンラッド

(72)【発明者】

【氏名】スウィフト ティモシー アラン

(72)【発明者】

【氏名】ル ルー フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】ジオバ ランディ

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS38

3C707HS27

3C707HT19

3C707KS35

3C707KV15

3C707LV22

3C707XK06

3C707XK12

3C707XK27

3C707XK33

3C707XK45

3C707XK75

(57)【要約】

流体アクチュエータと動力トランスミッションとを備える外骨格システムであって、流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、トランスミッション本体が第１及び第２の端部を有するトランスミッション本体と、トランスミッションチャンバ内で第１の端部と第２の端部の間で並進するピストンとを含み、トランスミッション内のピストンの並進により、トランスミッションチャンバ内の容積が変化する、外骨格システム。外骨格システムは、ピストンをそれぞれのトランスミッション本体内で並進させてトランスミッション空洞の容積を変化させるように構成された動力トランスミッションに結合された機械的動力源、及び動力トランスミッションを流体アクチュエータに結合する第１の流体ラインも含む。
【選択図】図７ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザの左脚部及び右脚部にそれぞれ結合されるように構成された左脚部及び右脚部アクチュエータユニットであって、前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットが各々、
ジョイントを介して回転可能に結合された上部アーム及び下部アームであって、前記ジョイントが前記ユーザの膝に配置され、前記上部アームが前記膝の上の前記ユーザの上脚部分に結合され、前記下部アームが前記膝の下の前記ユーザの下脚部分に結合されている、上部アーム及び下部アームと、
前記上部アームと前記下部アームの間に延びる流体アクチュエータと、を含む左脚部及び右脚部アクチュエータユニットと、
別個の第１及び第２の空気圧動力トランスミッションであって、各々が、
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有する前記トランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延びるリードねじであって、前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合されている前記リードねじと、
前記リードねじの回転を介して前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッションチャンバ内を並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの並進によって前記トランスミッションチャンバの容積が変化し、前記ピストンが前記トランスミッション本体の内壁に係合して流体不浸透性シールを生成し、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの回転を防止する非円形周辺プロファイルを有する前記ピストンと、を含む、第１及び第２の空気圧動力トランスミッションと、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションの前記リードねじにそれぞれ結合された第１及び第２の機械的動力源であって、前記それぞれのリードねじを独立して回転させ、前記それぞれのピストンを前記それぞれのトランスミッション本体内で並進させ、前記それぞれのトランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された前記第１及び第２の機械的動力源と、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションを、前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータのそれぞれの１つにそれぞれ結合する第１及び第２の流体ラインと、を備え、
前記第１の流体ラインが、前記第１の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記左脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定し、
前記第２の流体ラインが、前記第２の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定する、外骨格システム。

【請求項2】

前記第１及び第２の機械的動力源が、複数の圧力を含む複数のセンサから得られたデータに少なくとも部分的に基づいて、外骨格デバイスによって制御される、請求項１に記載の外骨格システム。

【請求項3】

前記第１及び第２の機械的動力源ならびに前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションが、前記ユーザが着用するように構成されたバックパック内に配置される、請求項１に記載の外骨格システム。

【請求項4】

前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータに弁が存在せず、前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションに弁が存在せず、前記第１及び第２の流体ラインに弁が存在しない、請求項１に記載の外骨格システム。

【請求項5】

第１及び第２の流体ベローズアクチュエータと、
別個の第１及び第２の空気圧動力トランスミッションであって、各々が、
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有するトランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延びるねじであって、前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合されている前記ねじと、
前記ねじの回転を介して前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッションチャンバ内で並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内の前記ピストンの並進により前記トランスミッションチャンバ内の容積が変化し、前記トランスミッション本体の内壁と係合して流体不浸透性シールを生成する前記ピストンと、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションの前記ねじにそれぞれ結合された第１及び第２の機械的動力源であって、前記それぞれのねじを独立して回転させて、前記それぞれのピストンを前記それぞれのトランスミッション本体内で並進させ、前記それぞれのトランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された前記第１及び第２の機械的動力源と、
前記第１の空気圧動力トランスミッションを前記第１の流体ベローズアクチュエータに結合する第１の流体ラインと、
前記第２の空気圧動力トランスミッションを前記第２の流体ベローズアクチュエータに結合する第２の流体ラインと、
を備える外骨格システム。

【請求項6】

前記ピストンが、前記トランスミッション本体の内壁と係合して流体不浸透性シールを生成する非円形の周辺プロファイルを有する、請求項５に記載の外骨格システム。

【請求項7】

前記第１の流体ラインが、前記第１の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記左脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータとを流体的に結合して第１の作動流体容積を画定し、
前記第２の流体ラインが、前記第２の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータとを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定する、請求項５に記載の外骨格システム。

【請求項8】

ユーザの左右のジョイントにそれぞれ結合されるように構成された左右のジョイントアクチュエータユニットをさらに備え、前記左右のジョイントアクチュエータユニットはそれぞれ前記第１及び第２の流体ベローズアクチュエータを含む、請求項５に記載の外骨格システム。

【請求項9】

前記第１及び第２の機械的動力源ならびに前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションが、前記ユーザが着用するように構成されたバックパック内に配置される、請求項５に記載の外骨格システム。

【請求項10】

前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータに弁が存在せず、前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションに弁が存在せず、前記第１及び第２の流体ラインに弁が存在しない、請求項５に記載の外骨格システム。

【請求項11】

流体アクチュエータと、
動力トランスミッションであって、
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有する前記トランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体の第１と第２の端部の間の前記トランスミッションチャンバ内で並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの並進によって前記トランスミッションチャンバの容積が変化する前記ピストンと、を含む動力トランスミッションと、
を含む、前記動力トランスミッションと、
それぞれのトランスミッション本体内で前記ピストンを並進させて前記トランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された、前記動力トランスミッションに結合された機械的動力源と、
前記動力トランスミッションを前記流体アクチュエータに結合する第１の流体ラインと、
を備える外骨格システム。

【請求項12】

ねじが前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延び、前記ねじが前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合される、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項13】

前記ピストンが、前記ねじの回転を介して、前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッションチャンバで並進する、請求項１２に記載の外骨格システム。

【請求項14】

前記機械的動力源が、動力トランスミッションの前記ねじに結合され、前記ねじを回転させて前記ピストンを前記トランスミッション本体内で並進させて前記トランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成されている、請求項１２に記載の外骨格システム。

【請求項15】

前記ピストンが前記トランスミッション本体の内壁と係合して、流体不浸透性シールを生成する、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項16】

前記ピストンが非円形の周辺プロファイルを有する、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項17】

前記流体ラインが前記動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記流体アクチュエータとを流体的に結合して作動流体容積を画定する、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項18】

ユーザのジョイントに結合されるように構成されたジョイントアクチュエータユニットをさらに備え、前記ジョイントアクチュエータユニットが前記流体アクチュエータを含む、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項19】

前記機械的動力源及び前記動力トランスミッションが、前記ユーザによって着用されるように構成されたバックパック内に配置される、請求項１１に記載の外骨格システム。

【請求項20】

前記流体アクチュエータに弁が存在せず、前記動力トランスミッションに弁が存在せず、前記流体ラインに弁が存在しない。請求項１１に記載の外骨格システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年５月２７日出願された「ＤＹＮＡＭＩＣ ＡＩＲ ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ Ａ ＣＬＯＳＥＤ ＳＹＳＴＥＭ」と題する、代理人整理番号０１１０４９６－００９ＰＲ０の米国仮特許出願第６３／０３０，５５１号の非仮特許出願であり、優先権を主張する。本出願は、その全体が、全ての目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本出願は、２０２１年２月５日に出願された「ＤＩＲＥＣＴ ＤＲＩＶＥ ＰＮＥＵＭＡＴＩＣ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＦＯＲ ＭＯＢＩＬＥ ＲＯＢＯＴ」と題する、弁護士整理番号０１１０４９６－００９ＰＲ１の米国仮特許出願第６３／１４６，３９０号の非仮出願でもあり、優先権を主張する。本出願は、その全体が、全ての目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。

【図面の簡単な説明】

【0003】

【図1】ユーザが装着している外骨格システムの一実施形態の例示的な図示である。

【図2】ユーザの１本の脚部に結合された脚部作動ユニットの一実施形態の正面図である。

【図3】ユーザの脚部に結合された図３の脚部作動ユニットの側面図である。

【図4】図３及び図４の脚部作動ユニットの斜視図である。

【図5】外骨格システムの例示的な実施形態を示すブロック図である。

【図6】外骨格システムの空気圧システムの一部であり得る空気圧動力トランスミッションの１つの例示的な実施形態を示す。

【図7a】ピストンがリードねじの長さに沿ってトランスミッション本体内の第１の位置にある第１の構成における空気圧動力トランスミッションの例を示す。

【図7b】ピストンがリードねじの長さに沿ってトランスミッション本体内の第２の位置にある第２の構成における図７ａの空気圧動力トランスミッションの例を示す。

【図8】機械的動力源がトランスミッション本体の長さに隣接して配置され、ピストンが楕円形の外形を有する、空気圧トランスミッションシステムの別の実施形態を示す。

【図9a】第１の流体アクチュエータに流体結合された第１の空気圧トランスミッションシステム及び第２の流体アクチュエータに流体結合された別個の第２の空気圧トランスミッションシステムを備える外骨格システムの第１の例示的な実施形態を示す。

【図9b】所与の時間に単一の空気圧動力トランスミッションと第１及び第２の流体アクチュエータの一方または両方との間の流体の流れを制御するように構成され得る弁を介して第１及び第２の流体アクチュエータに結合された単一の空気圧動力トランスミッションを備える外骨格システムの別の例示的な実施形態を示す。

【図10a】弁を介して単一の流体アクチュエータに結合された第１及び第２の空気圧トランスミッションシステムを備える、外骨格システムのさらなる例示的な実施形態を示す。

【図10b】第１、第２、及び第３の空気圧トランスミッションを備える外骨格システムのさらに別の例示的な実施形態を示し、第１及び第２の空気圧トランスミッションは、排他的に、それぞれ第１及び第２の流体アクチュエータに接続される。

【図11a】弁を介して第１及び第２の流体アクチュエータに流体結合されるように構成された第１、第２及び第３のトランスミッションシステムを備える外骨格システムの別の実施形態を示す。

【図11b】弁によって、第１及び第２の動力トランスミッションユニットが第１及び第２のアクチュエータの一方または両方に選択的に配管されることを可能にする例示的な実施形態を示す。

【図12a】一実施形態による圧縮構成での空気圧アクチュエータの側面図を示す。

【図12b】拡張構成での図１２ａの空気圧アクチュエータの側面図を示す。

【図13a】別の実施形態による圧縮構成での空気圧アクチュエータの側断面図を示す。

【図13b】拡張構成での図１３ａの空気圧アクチュエータの断面側面図を示す。

【図14a】別の実施形態による圧縮構成での空気圧アクチュエータの上面図を示す。

【図14b】拡張構成にある図１４ａの空気圧アクチュエータの上部を示す。

【図15】一実施形態による空気圧アクチュエータの拘束リブの上面図を示す。

【図16a】別の実施形態による空気圧アクチュエータのベローズの断面図を示す。

【図16b】図１６ａの断面を示す拡張構成での図１６ａの空気圧アクチュエータの側面図を示す。

【図17】平面材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸長性であるが、他の方向には可撓性である、例示的な平面材料を示す。

【0004】

図は縮尺通りに描かれていないことと、類似する構造または機能の要素は、一般に、全図を通して説明する目的のために同様の参照番号によって表されることとに留意されたい。また、図は、好ましい実施形態の説明を容易にすることだけを意図していることにも留意されたい。図は、説明される実施形態のすべての態様を示すものではなく、本開示の範囲を限定するものではない。

【発明を実施するための形態】

【0005】

本出願は、新規の空気圧動力トランスミッションの設計の例示的な実施形態を開示する。いくつかの空気圧システムに存在する可能性がある高い遠位比出力と、電気機械的システムの典型である可能性がある効率の組み合わせにより、様々な例がモバイル空気圧ロボットに適用され得る。いくつかの空気圧動力トランスミッションは、電力が空気圧動力に変換される主な動力発生源として空気コンプレッサを使用する。ただし、様々なコンプレッサ技術は、これらの設計に固有の流量制限と、加圧空気が定期的に大気中に排出されるオープン空気圧システムの使用により、かなり重くなり、全体的な効率が非常に低くなる可能性がある。これにより、いくつかの設計では、設計構成要素をダウングレードすることにより、ジョイントでの実行時間または動力容量が犠牲になる可能性がある。

【0006】

対照的に、様々な電気機械的システムは高い全体効率を提供できるが、達成可能な速度を大幅に制限し得る、またはアクチュエータにおける電力負担を増加させ得る、比較的固定された遠位質量要件を有する可能性がある。本明細書のいくつかの例で説明されている新しいアプローチは、モバイルロボットアプリケーションに適した方法でこれらのニーズのバランスをとるように作用することができる。これらの利点が価値を発揮できる分野には、消費者、軍事、初期対応者、産業用アプリケーション、アスリート、及び医療機器を対象とするデバイスが含むが、これらに限定されない。本明細書は、機能ロボットへのそのような空気圧動力トランスミッションシステムの様々な実施形態を説明する。

【0007】

一態様では、本開示は、いくつかの例において、空気圧アクチュエータを含むことができる公称閉鎖システム内の空気を直接圧縮及び拡張させるリードねじコンプレッサに関する。様々な実施形態では、これにより、非常に高速な応答時間と、高頻度の動きで目標圧力を達成できる高い瞬時流量が可能になり、これはいくつかの用途では望ましい場合がある。

【0008】

１つの好ましい実施形態は、動力を空気圧トランスミッションを介してユーザの脚部の特注設計の回転空気圧ジョイントに伝達する駆動ピストンの使用により閉鎖空気圧システムに動力を導入する電気機械的動力源を含む。そのような実施形態では、主要構成要素は、機械的動力源、空気圧トランスミッションシステム、及び流体アクチュエータなどの出力自由度を含むことができる。

【0009】

以下の本開示は、新規の外骨格デバイスの設計の例示的な実施形態も含む。様々な好ましい実施形態は、作動が統合されている脚部装具、モバイル動力源、及びリアルタイムにデバイスの出力挙動を決定する制御ユニットを含む。

【0010】

様々な実施形態で存在する外骨格システムの構成要素は、トルクをユーザに伝える能力を組み込む、装着式の下肢の装具である。この構成要素の好ましい一実施形態は、ユーザの膝を支持するように構成される脚部装具であり、この脚部装具は、伸展方向内に補助トルクを与える膝ジョイント全体での作動を有する。この実施形態は、一連のアタッチメントを介してユーザに連結することができ、これら一連のアタッチメントはユーザの靴の上のもの、膝より下のもの、及び大腿に沿ったものを含むことができる。この好ましい実施形態は、このタイプの脚部装具をユーザの両脚部の上に含むことができる。

【0011】

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、人体上のジョイントに適応させることができる構成で、大き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。

【0012】

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１～図３は、ユーザ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１に示されているように、ユーザ１０１は両脚部１０２の上に外骨格システム１００を装着することができる。図２及び図３は、ユーザ１０１の片脚部１０２に結合されたアクチュエータユニット１１０の正面図及び側面図を示し、図４は、ユーザ１０１が装着していないアクチュエータユニット１１０の側面図を示す。

【0013】

図１の例に示されているように、外骨格システム１００は、ユーザの左右の脚部１０２Ｌ、１０２Ｒにそれぞれ結合されている左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを含むことができる。様々な実施形態では、左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒは実質的に互いの鏡像であることができる。

【0014】

図１～図４に示されているように、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結合される上部アーム１１５及び下部アーム１２０を含むことができる。ベローズアクチュエータ１３０は、上部アーム１１５と下部アーム１２０との間に延びる。本明細書で論じられるように、１セット以上の空気圧ライン１４５をベローズアクチュエータ１３０に結合して、ベローズアクチュエータ１３０から流体を注入すると、及び／または除去すると、ベローズアクチュエータ１３０が拡張して収縮し、硬直して柔軟になることができる。バックパック１５５は、ユーザ１０１によって装着されることができ、流体源、制御系、電源などのような外骨格システム１００の様々な構成要素を保持することができる。

【0015】

図１～図３に示されているように、脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒは、それぞれユーザ１０１の脚部１０２Ｌ、１０２Ｒの周りで、ユーザ１０１の膝１０３Ｌ、１０３Ｒに位置決めされているジョイント１２５を用いて結合することができ、脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの上部アーム１１５は、１つ以上のカプラ１５０（例えば、脚部１０２を囲むストラップ）を介して、ユーザ１０１の大腿部１０４Ｌ、１０４Ｒの周りに結合することができる。脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの下部アーム１２０は、１つ以上のカプラ１５０を介して、ユーザ１０１の下腿部１０５Ｌ、１０５Ｒの周りに結合することができる。

【0016】

脚部アクチュエータユニット１１０の上部アーム１１５及び下部アーム１２０は、様々な適切な方法でユーザ１０１の脚部１０２の周りに結合することができる。例えば、図１～３は、脚部アクチュエータユニット１１０の上部アーム１１５及び下部アーム１２０及びジョイント１２５が、脚部１０２の頂部１０４及び底部１０５の外側面（側面）に沿って結合される一例を示す。図１～図３の例に示されるように、上部アーム１１５は２つのカプラ１５０を介して膝１０３より上の脚部１０２の大腿部１０４に結合することができ、下部アーム１２０は２つのカプラ１５０を介して膝１０３より下の脚部１０２の下腿部１０５に結合することができる。

【0017】

具体的には、上部アーム１１５は、膝１０３より上の脚部１０２の大腿部１０４に、第１のカプラ１５０Ａ及び第２のカプラ１５０Ｂを含む第一セットのカプラ２５０Ａを介して結合することができる。第一カプラ１５０Ａ及び第二カプラ１５０Ｂのストラップ１５１が脚部１０２の大腿部１０４の周りに延在している状態で、第一カプラ１５０Ａ及び第二カプラ１５０Ｂは、脚部１０２の大腿部１０４の外側の上に配置された剛性プレートアセンブリ２１５によって接合することができる。上部アーム１１５は脚部１０２の大腿部１０４の外側の上でプレートアセンブリ２１５に結合することができることで、上部アーム１１５が発生した力が脚部１０２の大腿部１０４に伝達することができる。

【0018】

下部アーム１２０は、第３のカプラ１５０Ｃ及び第４のカプラ１５０Ｄを含む第２のセットのカプラ２５０Ｂを介して、膝１０３より下の脚部１０２の下腿部１０５に結合することができる。カップリングブランチユニット２２０は、下部アーム１２０の遠位端部から延びてもよく、またはその遠位端部によって画定されてもよい。カップリングブランチユニット２２０は、第一ブランチ２２１を含むことができる。第一ブランチは、脚部１０２の下腿部１０５上の外側位置から延び、第一アタッチメント２２２が第三カプラ１５０Ｃとカップリングブランチユニット２２０の第一ブランチ２２１とに接合している状態で、膝１０３より下の下腿部１０５の前側（前方）の上にある第一アタッチメント２２２に対して、上向きで、かつ下腿部１０５の前側に向けて湾曲する。カップリングブランチユニット２２０は、第二ブランチ２２３を含むことができる。第二ブランチは、脚部１０２の下腿部１０５上の外側位置から延び、第二アタッチメント２２４が第四カプラ１５０Ｄとカップリングブランチユニット２２０の第二ブランチ２２３とを接合している状態で、膝１０３より下の下腿部１０５の後側（後方）の上にある第二アタッチメント２２４に対して、下向きで、かつ下腿部１０５の後側に湾曲する。

【0019】

図１～図３の例に示されているように、第四カプラ１５０Ｄは、ユーザの靴１９１を囲み、係合するように構成することができる。例えば、第四カプラ１５０Ｄのストラップ１５１は、脚部１０２単独の下腿部１０５と比較して直径が大きい靴１９１を第四カプラ１５０Ｄが囲むことを可能にするサイズのものであることができる。また、下部アーム１２０及び／またはカップリングブランチユニット２２０の長さは、脚部アクチュエータユニット１１０がユーザによって装着されるときに、第四カプラ１５０Ｄが脚部１０２の下腿部１０５のセクションを囲むように、第四カプラ１５０Ｄが靴１９１の上に位置決めされるのに、短い長さのものではなく、十分な長さのものであることができる。

【0020】

靴１９１への付装は、様々な実施形態にわたり変化することができる。一実施形態では、この付装は、可撓性ストラップによって達成することができる。脚部アクチュエータユニット１１０とストラップとの間に所望の相対運動量で、可撓性ストラップが靴１９１の外周に巻装されることで、脚部アクチュエータユニット１１０が靴１９１に添着される。他の実施形態は、様々な自由度を制限するように機能することができるが、他の自由度では、脚部アクチュエータユニット１１０と靴１９１との間の所望の相対運動量を可能にする。そのような一実施形態は、靴１９１の背側に連結することで、デバイスと靴１９１の間の特異的な機械的連結を提供することができる機械的なクリップの使用を含むことができる。様々な実施形態は、機械的ねじ接合、剛性ストラップ、磁気結合、電磁結合、電気機械的結合、ユーザの靴内への挿入、剛性もしくは可撓性ケーブル、または１９２への直接結合という先に列挙された設計を含むことができるがこれらに限定されない。

【0021】

外骨格システム１００の別の態様は、外骨格システム１００をユーザ１０１に固定するために使用されている適合部品であることができる。外骨格システム１００が身体１０１で著しくドリフトすることまたは不快感を生じさせることなく、ユーザ１０１と外骨格システム１００との間に力を効率的に伝える外骨格システム１００の適合に、様々な実施形態での外骨格システム１００の機能が大きく依存し得ることから、いくつかの実施形態では、外骨格システム１００の適合を向上させること、及び経時的にユーザへの外骨格システム１００の適合を監視することは、外骨格システム１００の機能全体に望ましいことがある。

【0022】

様々な例では、異なるカプラ１５０は、異なる目的のために構成されることができ、主に力の伝達のためのカプラ１５０もあれば、外骨格システム１００のアタッチメントを身体１０１に固定するように構成されるカプラもあることができる。単一の膝系のための好ましい一実施形態では、ユーザ１０１の下腿１０５上に位置するカプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ｃ、１５０Ｄの一方または両方）は、身体適合を対象とすることを意図するものであることができ、その結果、ユーザ１０１の身体に適合するように可撓性で、かつ柔軟なままであることができる。代替に、この実施形態では、脚部１０２の大腿部１０４上のユーザの大腿の前面に添着するカプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ａ、１５０Ｂの一方または両方）は、伝動装置の必要性を対象とすることを意図するものであることができ、残りのカプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ｃ、１５０Ｄのうちの一方または両方）よりも身体への堅い付装を有することができる。様々な実施形態は、様々なストラップまたはカップリング構成を用いることができ、これらの実施形態は、任意の様々な適したストラップ、カップリングなどを含むまで拡大させることができ、カップリング構成の類似した２セットは、これらの異なる必要性を満たすことを意図するものである。

【0023】

場合によっては、ジョイント１２５の設計は、ユーザ上での外骨格システム１００の適合度を向上させることができる。一実施形態では、片膝の脚部アクチュエータユニット１１０のジョイント１２５は、膝ジョイントの生理機能に関する一部の逸脱を有する単軸ジョイントを使用するように設計することができる。別の実施形態は、ヒトの膝ジョイントの運動により良く適合する多軸膝ジョイントを使用して、いくつかの例では、非常に良く適合した脚部アクチュエータユニット１１０と望ましく対にすることができる。ジョイント１２５の様々な実施形態は、ボールアンドソケットジョイント、四節リンク機構などの上記で列挙された例示的な要素を含むことができるが、これらに限定されない。

【0024】

いくつかの実施形態は、下腿１０５での内反または外反の角度内の解剖学的な多様性に適合した調節を含むことができる。好ましい一実施形態は、ユーザ１０１の膝１０３のジョイントにまたがるクロスストラップの形態で脚部アクチュエータユニット１１０に組み込まれている調節を含み、クロスストラップが締着することができると、前頭面内の膝ジョイントにわたり、公称静止角度を変えるモーメントが与えられることができる。様々な実施形態は、以下の、ジョイント１２５の動作角度を変えるようにジョイント１２５にまたがるストラップ、ジョイント１２５の角度を変えるように調節することができるねじを含む機械的アセンブリ、ユーザ１０１のためにジョイント１２５のデフォルト角度を慎重に変えるように脚部アクチュエータユニット１１０に追加され得る機械的インサートなどを含むことができるが、これらに限定されない。

【0025】

様々な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０は、脚部１０２上で垂下したままであり、膝１０３のジョイントと適切に位置決めされたままであるように構成することができる。一実施形態では、靴１９１に関連するカプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ｄ）は、脚部アクチュエータユニット１１０に垂直方向の保定力を与えることができる。別の実施形態は、ユーザ１０１の下腿１０５上に位置決めされているカプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ｃ、１５０Ｄの一方または両方）を使用して、ユーザ１０１の腓腹上で反発させることによって、脚部アクチュエータユニット１１０上に垂直方向の力を与える。様々な実施形態は、以下の、カプラ１５０（例えば、カプラ１５０Ｄ）を介して靴上に、または前述された別の実施形態の靴アタッチメント上に伝達される支持力、電子及び／または流体ケーブルアセンブリを介して伝達される支持力、腰ベルトへの連結を介して伝達される支持力、バックパック１５５、または外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０（図５を参照）用の他のハウジングを介して伝達される支持力、ストラップまたはハーネスを介してユーザ１０１の肩に伝達される支持力などを含むことができるが、これらに限定されない。

【0026】

様々な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０は、脚部１０２に限られた数のアタッチメントを用いて、ユーザの脚部１０２から離隔することができる。例えば、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、ユーザ１０１の脚部１０２に対して３つのアタッチメントからなること、またはそれらから本質的になることができる（つまり、第一及び第二アタッチメント２２２、２２４及び２１５を介して）。様々な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０の下腿部１０５への結合は、下腿部１０５の前側及び後側にある第一及び第二アタッチメントからなること、またはそれから本質的になることができる。様々な実施形態では、脚部アクチュエータユニット１１０の大腿部１０４への結合は、単一外側カップリングからなること、またはそれから本質的になることができ、この単一外側カップリングは、１つ以上のカプラ１５０（例えば、図１～４に示されるような２つのカプラ１５０Ａ、１５０Ｂ）に関連付けられることができる。様々な実施形態では、そのような構成は、被験体の活動中の使用に特異的な力伝達に基づいていることが望ましい場合がある。したがって、様々な実施形態でのユーザ１０１の脚部１０２へのアタッチメントまたはカップリングの数及び位置は、単一設計の選択ではなく、１つ以上の選択された標的のユーザ活動に対して特異的に選択することができる。

【0027】

カプラ１５０の特異的な実施形態が本明細書に示されているが、さらなる実施形態では、本明細書で論じられるそれらのような構成要素は、同じ機能を生成する代替構造体によって動作可能に置き換えられることができる。例えば、ストラップ、バックル、パッドなどが様々な例で示されているが、さらなる実施形態は、様々な適したタイプのもので、かつ様々な適した要素を備えたカプラ１５０を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態は、Ｖｅｌｃｒｏフックアンドループストラップなどを含むことができる。

【0028】

図１～図３は、ジョイント１２５の回転軸が膝１０３の回転軸に平行して配置される状態で、ジョイント１２５が膝１０３の側方に隣接して配置される外骨格システム１００の一例を示す。いくつかの実施形態では、ジョイント１２５の回転軸は、膝１０３の回転軸と一致していることができる。いくつかの実施形態では、ジョイントは、膝１０３の前側、膝１０３の後側、膝１０３の内側などに配置することができる。

【0029】

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圧によって発生する力が、瞬間中心（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ことができるように、ベローズアクチュエータ１３０を拘束することができる。外旋もしくは回転式ジョイント、または曲面上で摺動する本体の場合によっては、この瞬間中心は、ジョイント１２５の瞬間回転中心または曲面と一致していることができる。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の周りに発生する力を使用して、瞬間中心の周りにモーメントを加えることができるだけでなく、さらにその力を使用して、指向性の力を加えることができる。直動ジョイント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、この無限の瞬間中心に向けられた力を、直動ジョイントの運動軸に沿って向けられた力とみなすことができる。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築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ク機構を含むことは、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、人間のジョイント、ロボットのジョイントなどの構造を含むことができる。

【0030】

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つ以上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、ユーザの膝ジョイント１０３の周りの人間のユーザ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の瞬間中心は、ユーザ１０１の膝１０３の瞬間回転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３に示すように膝ジョイント１０３の外側に配置することができる。様々な例では、人間の膝ジョイント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。

【0031】

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、１つ以上の肘、１つ以上の殿部、１本以上の指、１つ以上の足首、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上で使用することができる。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、人体上ではない用途に、例えば、ロボット工学、汎用作動、動物外骨格などに使用することができる。

【0032】

また、実施形態は、様々な適切な用途、例えば、戦術用途、医療用途、または労働用途などに使用される、または適合することができる。それらのような用途の例は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１７年１１月２７日に出願され、「ＰＮＥＵＭＡＴＩＣ ＥＸＯＭＵＳＣＬＥ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題された、代理人整理番号０１１０４９６－００２ＵＳ１の米国特許出願第１５／８２３，５２３号、及び２０１８年４月１３日に出願され、「ＬＥＧ ＥＸＯＳＫＥＬＥＴＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題された、代理人整理番号０１１０４９６－００４ＵＳ０の米国特許出願第１５／９５３，２９６号に見出すことができる。

【0033】

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、ベローズアクチュエータ１３０は、２層不浸透性／非伸張性構造を含むことができ、１つ以上の拘束リブの一端は、所定の位置でベローズアクチュエータ１３０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、１つ以上の拘束リブ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。

【0034】

図５は、空気圧システム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。空気圧システム５２０が図５の例に使用されているが、さらなる実施形態は任意の適切な流体システムを含んでもよく、または外骨格システム１００が電動機などによって作動するようないくつかの実施形態では、空気圧システム５２０は存在しなくてもよい。

【0035】

この例での外骨格デバイス５１０は、プロセッサ５１１、メモリ５１２、１つ以上のセンサ５１３、通信ユニット５１４、ユーザインターフェース５１５、及び電源５１６を備える。複数のアクチュエータ１３０は、それぞれの空気圧ライン１４５を介して空気圧システム５２０に動作可能に結合される。複数のアクチュエータ１３０は、本体１００の左側と右側に位置決めされる一対の膝用アクチュエータ１３０Ｌ及び１３０Ｒを含む。例えば、上述されているように、図５に示されている例示的な外骨格システム１００は、外骨格デバイス５１０及び空気圧システム５２０の一方もしくは両方、またはそれらの１つ以上の構成要素がバックパック１５５（図１を参照）内にもしくはその周りに格納されている、またはその他の方法でユーザ１０１によって取り付けられている、装着されているもしくは保持されている状態で、左右の脚部アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを、図１及び２に示されるように身体１０１のそれぞれの側面上に含むことができる。

【0036】

したがって、様々な実施形態では、外骨格システム１００は、様々なユーザの活動中に外部電源なしで長期間電力を供給されて動作するように構成される、完全に移動式で自立型のシステムであることができる。したがって、アクチュエータユニット（複数可）１１０、外骨格デバイス５１０及び空気圧システム５２０のサイズ、重量及び構成は、様々な実施形態では、そのような移動式で自立型の動作のために構成することができる。

【0037】

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１００を着用しているユーザ１０１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、空気圧システム５２０に命令を提供することができ、それにより空気圧ライン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部１０２を動かして及び／またはサポートして、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。

【0038】

場合によっては、外骨格システム１００は、モジュラ構成での複数の構成をサポートするように設計することができる。例えば、一実施形態は、ユーザ１０１が着用しているアクチュエータユニット１１０の数に応じて片膝構成か両膝構成かいずれかで動作するように設計されるモジュラ構成である。例えば、外骨格デバイス５１０は、空気圧システム５２０及び／または外骨格デバイス５１０に結合されるアクチュエータユニット１１０の数（例えば、１つまたは２つのアクチュエータユニット１１０）を決定することができ、外骨格デバイス５１０は、検出されたアクチュエータユニット１１０の数に基づいて動作能力を変えることができる。

【0039】

さらなる実施形態では、空気圧システム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。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を着用しているユーザ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、ユーザ１０１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、ユーザ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を介してユーザ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、ユーザ１０１が外骨格システム１００を着用する場合、外骨格システム１００はユーザ１０１の動きを感知することができ、アクチュエータ１３０を介してユーザへの電動アシストをもたらして、スキー中のユーザへの支えを増強または提供することができる。

【0040】

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、直接的なユーザ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、音声制御、または思考の制御などのユーザインターフェース５１５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命令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）。

【0041】

ユーザインターフェース５１５は、外骨格システム１００の電源のオンとオフ、外骨格システム１００の動きの制御、外骨格システム１００のセッティングの構成などを含む外骨格システム１００の様々な態様をユーザ１０１が制御することを可能にし得る。ユーザインターフェース５１５は、タッチスクリーン、１つ以上のボタン、オーディオ入力などのような様々な適した入力要素を含むことができる。ユーザインターフェース５１５は、外骨格システム１００の周りの様々な適した位置にあることができる。例えば、一実施形態では、ユーザインターフェース５１５は、バックパック１５５のストラップなどの上に配置することができる。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースは、スマートフォン、スマートウォッチ、ウェアラブルデバイスなどのユーザデバイスによって定義することができる。

【0042】

様々な実施形態では、電源５１６は、外骨格システム１００に動作電力を供給するモバイル電源であることができる。好ましい一実施形態では、動力パックユニットは、脚部アクチュエータユニット１１０の空気圧作動の連続動作に必要な空気圧システム５２０（例えば、コンプレッサ）及び／または電源（例えば、電池）の一部またはすべてを含む。そのような動力パックユニットの内容は、特異的な実施形態に使用されるように構成される特異的な作動アプローチに相関することができる。いくつかの実施形態では、動力パックユニットのみが電池を含み、電気機械的に作動したシステム、または空気圧システム５２０及び電源５１６が分離しているシステムでの場合にそうであり得る。動力パックユニットの様々な実施形態は、次の物品、空気圧コンプレッサ、電池、高圧格納型空気圧チャンバ、油圧ポンプ、空気圧セーフティコンポーネント、電動機、電動機ドライバ、マイクロプロセッサなどのうちの１つ以上の組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。したがって、動力パックユニットの様々な実施形態は、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０の要素のうちの１つ以上を含むことができる。

【0043】

それらのような構成要素は、様々な適した方法でユーザ１０１の身体の上に構成することができる。好ましい一実施形態は、実質的な機械力を脚部アクチュエータユニット１１０に伝えるいかなる方法でも脚部アクチュエータユニット１１０に動作可能に結合されない、胴体に装着したパック内に動力パックユニットを含むことである。別の実施形態は、動力パックユニットまたはその構成要素を脚部アクチュエータユニット１１０自体に統合することを含む。様々な実施形態は、以下の構成、胴体のバックパック内への取り付け、胴体のメッセンジャーバッグ内への取り付け、殿部のバッグへの取り付け、脚部への取り付け、装具の構成要素への統合などを含むことができるが、これらに限定されない。さらなる実施形態は、動力パックユニットの構成要素を分離させ、それらをユーザ１０１上の様々な構成に分散させることができる。そのような実施形態は、空気圧コンプレッサをユーザ１０１の胴体上に構成してから、電池を外骨格システム１００の脚部アクチュエータユニット１１０内に統合してもよい。

【0044】

様々な実施形態での電源５１６の一態様は、動作のために装具に操作可能なシステム電源を渡すような方法で装具の構成要素に接続される必要があることである。好ましい一実施形態は、電源５１６及び脚部アクチュエータユニット１１０を接続するために電気ケーブルを使用することである。他の実施形態は、電気ケーブル及び空気圧ライン１４５を使用して、電力及び空気圧を脚部アクチュエータユニット１１０に送達することができる。様々な実施形態は、以下の接続、空気圧ホース、油圧ホース、電気ケーブル、無線通信、無線給電などのいずれかの構成を含むことができるが、これらに限定されない。

【0045】

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と電源５１６及び／または空気圧システム５２０との間にケーブル接続（例えば、空気圧ライン１４５及び／または電力ライン）の機能を拡張する二次的な特徴を含むことが望ましい場合がある。好ましい一実施形態は引き込み式ケーブルを含み、この引き込み式ケーブルは、ケーブルに残るゆるみを少なくした状態でユーザに対して張設するようにケーブルを維持する機械的保持力が小さいように構成される。様々な実施形態は、以下の二次的な特徴、引き込み式ケーブル、流体と電力との両方を含む単一ケーブル、磁気で接続された電気ケーブル、機械的なクイックリリース、指定された引張力で解放するように設計されたブレーカウェイコネクション、ユーザの衣類上の機械的保定特徴への統合などの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。さらに別の実施形態は、ユーザ１０１とケーブル長との間の幾何学的差異を最小にするような方法でケーブルを配線することを含むことができる。胴体電源を備えた両膝構成におけるそのような一実施形態は、ユーザの胴体下部に沿ってケーブルを配線し、電源バッグの右側をユーザの左膝に接続することができる。そのような配線により、ユーザの通常の可動域全体で長さの幾何学的差異を許容することができる。

【0046】

いくつかの実施形態において懸念となり得る１つの特異的な追加の特徴は、外骨格システム１００の適切な熱管理の必要性である。その結果、熱を制御するという利点のために特異的に統合することができる様々な特徴がある。好ましい一実施形態は、露出型ヒートシンクを環境に統合することで、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０の要素は、周囲気流を使用した自然な冷却によって熱を環境に直接消散させることが可能になる。別の実施形態は、バックパック１５５または他のハウジング内の内部エアチャネルを介して周囲空気を送ることで、内部冷却が可能になる。さらに別の実施形態は、バックパック１５５または他のハウジングにスクープを導入することで、内部チャネルを介した気流が可能になることによって、この機能を拡張することができる。様々な実施形態は、以下の、高熱構成要素に直接連結される露出型ヒートシンク、水冷または流体冷却の熱管理システム、電動ファンまたはブロアの導入による強制空冷、ユーザに直接接触させないように外部シールドされたヒートシンクなどを含むことができるが、これらに限定されない。

【0047】

いくつかの場合、追加の機能をバックパック１５５または他のハウジングの構造に統合して、外骨格システム１００に追加の特徴を提供することが有益であることがある。好ましい一実施形態は、小型パッケージに、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０に加えて脚部アクチュエータユニット１１０を格納することを支援するための機械的アタッチメントの統合である。そのような実施形態は、アクチュエータユニット１１０の上部または下部アーム１１５、１２０をバックパック１５５に保持する機械式クラスプと共に、バックパック１５５に対して脚部アクチュエータユニット１１０を固定することができる展開可能なポーチを含むことができる。別の実施形態は、ユーザ１０１が水筒、食品、個人用電子機器、及び他の私物などの追加の物品を保持することができるように、バックパック１５５に収納容量を含めることである。様々な実施形態は、以下の、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０からの熱気流によって加熱される加温ポケット、バックパック１５５の内部の追加の気流を促進するエアスクープ、バックパック１５５をユーザにより密着して適合させるためのストラップ、防水保管、温度調節保管などのような他の追加の機能を含むことができるが、これらに限定されない。

【0048】

モジュラ構成では、いくつかの実施形態で外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０が、外骨格システムの様々な可能な構成の動力、流体、感知及び制御の要件及び機能を支援するように構成し得ることが必要とされる場合がある。好ましい一実施形態は、両膝構成または片膝構成（すなわち、ユーザ１０１上の１つまたは２つの脚部アクチュエータユニット１１０を備えた）に動力を供給するタスクを課され得る、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０を含むことができる。そのような外骨格システム１００は、両方の構成の要件を支援し、次いで所望の動作構成の決定または指示に基づいて、動力、流体、感知及び制御を適切に構成することができる。複数の電池などの潜在的なモジュラシステム構成のアレイをサポートするために、様々な実施形態が存在する。

【0049】

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（例えば、ソフトウェア）を含むことができる。

【0050】

このソフトウェアは、センサ５１３または他のソースからの信号を解釈して、ユーザに所望の利益を提供するためにどのように外骨格システム１００を操作したら最適かを決定する様々な方法を具現化することができる。以下に記載の特異的な実施形態は、そのような外骨格システム１００またはセンサデータのソースに適用することができるセンサ５１３に対する制限を示唆するために使用されるべきではない。いくつかの例示的な実施形態は、決定を導くために特異的な情報を必要とし得るが、外骨格システム１００が必要とするであろうセンサ５１３の明示的なセットを作成せず、さらなる実施形態は、センサ５１３の様々な適切なセットを含み得る。さらに、センサ５１３は、外骨格デバイス５１０、空気圧システム５２０、１つ以上の流体アクチュエータ１３０などのうちの一部として含む、外骨格システム１００上の様々な適切な位置にあることができる。したがって、図５の例示的な図示は、センサ５１３が外骨格デバイス５１０またはその一部に排他的に配置されることを黙示すると解釈されるべきではなく、そのような図解は単純化及び明確化のために提供されているに過ぎない。

【0051】

制御ソフトウェアの一態様は、所望の応答を提供する、脚部アクチュエータユニット１１０、外骨格デバイス５１０、及び空気圧システム５２０の動作制御であり得る。動作制御ソフトウェアには、様々な適切な応答性があり得る。例えば、以下でより詳細に説明されるように、１つは、脚部アクチュエータユニット１１０、外骨格デバイス５１０、及び空気圧システム５２０の動作のためのベースラインフィードバックを開発することに応答可能であり得る低レベル制御であることができる。もう１つは、センサ５１３からのデータに基づいてユーザ１０１の意図した操作を識別することで、１つ以上の識別された意図した操作に基づいて外骨格システム１００を動作させることに応答可能であり得る意図認識であり得る。さらなる例は、ユーザ１０１を最良に支援するために外骨格システム１００が発生する必要がある所望のトルクを選択することを含むことができる基準生成を含むことができる。動作制御ソフトウェアの応答性を説明するためのこの例示的なアーキテクチャが、単に説明を目的としたものであり、外骨格システム１００のさらなる実施形態に展開することができる多種多様なソフトウェアアプローチを決して限定しないことに留意されたい。

【0052】

制御ソフトウェアによって実装される１つの方法は、外骨格システム１００の低レベル制御及び通信のためのものであり得る。これは、特異的なジョイント及びユーザのニーズによって要求される通りに様々な方法を介して達成することができる。好ましい実施形態では、動作制御は、ユーザのジョイントで脚部アクチュエータユニット１１０によって所望のトルクを与えるように構成される。そのような場合、外骨格システム１００は、外骨格システム１００のセンサ５１３からのフィードバックに応じて、脚部アクチュエータユニット１１０によって所望のジョイントトルクを達成するために、低レベルのフィードバックを生成することができる。例えば、そのような方法は、１つ以上のセンサ５１３からセンサデータを取得することと、脚部アクチュエータユニット１１０によるトルクにおける変化が必要かどうかを決定することと、そうである場合、脚部アクチュエータユニット１１０によって標的ジョイントトルクを達成するように空気圧システム５２０に脚部アクチュエータユニット１１０の流体状態を変化させることとを含むことができる。様々な実施形態は、以下の、現在のフィードバック、記録された挙動再生、位置に基づいたフィードバック、速度に基づいたフィードバック、フィードフォワード応答、所望の流量をアクチュエータ１３０に注入するように流体システム５２０を制御するボリュームフィードバックなどを含むことができるが、これらに限定されない。

【0053】

動作制御ソフトウェアによって実装される別の方法は、ユーザの意図した挙動の意図認識のためのものであることができる。動作制御ソフトウェアのこの部分は、いくつかの実施形態では、システム１００が考慮するように構成される許容可能な挙動の任意のアレイを指示することができる。好ましい一実施形態では、動作制御ソフトウェアは、２つの特異的な状態、すなわち、歩行中及び非歩行中を識別するように構成される。そのような実施形態では、意図認識を完了するために、外骨格システム１００は、ユーザ入力及び／またはセンサ読み出し値を使用して、歩行中に支援動作を提供することが安全である場合、望ましい場合、または適切である場合を識別することができる。例えば、いくつかの実施形態では、意図認識は、ユーザインターフェース５１５を介して受信した入力に基づいていることができ、その入力は歩行中及び非歩行中という入力を含むことができる。したがって、いくつかの例では、ユーザインターフェースは、歩行中及び非歩行中からなるバイナリ入力用に構成することができる。

【0054】

いくつかの実施形態では、意図認識の方法は、外骨格デバイス５１０がセンサ５１３からデータを取得することと、取得されたデータの少なくとも一部に基づいて、データが歩行中及び非歩行中のユーザ状態に対応するかどうかを決定することとを含むことができる。状態における変化が識別された場合、外骨格システム１００は、現在の状態で動作するように再構成することができる。例えば、外骨格デバイス５１０は、ユーザ１０１が座っているなどの非歩行中の状態にあると決定することができ、非歩行中構成で動作するように外骨格システム１００を構成することができる。例えば、そのような非歩行中構成は、歩行中構成と比較して、より広い可動域を与えること、脚部作動ユニット１１０にトルクを与えない、または最小限のトルクを与えることと、処理と流体操作を最小にすることにより、動力と流体を節約することと、より多種多様なスキー以外の動きをサポートするためにシステムにアラートを出させることとができる。

【0055】

外骨格デバイス５１０は、ユーザ１０１の活動を監視することができ、ユーザが歩行中である、または歩こうとしていることを（例えば、センサデータ及び／またはユーザ入力に基づいて）決定することができ、次いで、外骨格システム１００が歩行中構成で動作するように構成することができる。例えば、そのような歩行中構成により、非歩行中構成と比較して、スキー中に存在する可動域をより制限する（非歩行中の動きとは対照的に）ことが可能になることと、スキーをサポートするために外骨格システム１００の処理及び流体応答を増加させることによって、高いまたは最大のパフォーマンスを提供することなどができる。ユーザ１０１が歩行セッションを終了し、休んでいると識別されるときなどに、外骨格システム１００は、ユーザが歩行中でなくなると決定することができ（例えば、センサデータ及び／またはユーザ入力に基づいて）、次いで、外骨格システム１００が非歩行中構成で動作するように構成することができる。

【0056】

いくつかの実施形態では、困難な歩行中、適度な歩行中、軽い歩行中、下り坂、上り坂、ジャンプ、レクリエーション、スポーツ、ランニングなどを含む、外骨格システム１００によって（例えば、センサデータ及び／またはユーザ入力に基づいて）決定することができる複数の歩行中状態または歩行中サブ状態があることができる。それらのような状態は、歩行の難易度、ユーザの能力、地形、気象条件、標高、歩行面の角度、所望のパフォーマンスレベル、省電力などに基づき得る。したがって、様々な実施形態では、外骨格システム１００は、多種多様な要因に基づいて様々な特異的なタイプの歩行または動きに適合することができる。

【0057】

動作制御ソフトウェアによって実装される別の方法は、支援を提供する特異的なジョイントの所望の基準挙動の開発であることができる。制御ソフトウェアのこの部分は、識別された操作をレベル制御と結びつけることができる。例えば、外骨格システム１００が意図されたユーザ操作を識別するとき、ソフトウェアは、脚部作動ユニット１１０内のアクチュエータ１３０によって望まれるトルクまたは位置を規定する基準挙動を生成することができる。一実施形態では、動作制御ソフトウェアは、構成アクチュエータ１３０を介して脚部作動ユニット１１０に膝１０３での機械的ばねをシミュレートさせるための基準を生成する。動作制御ソフトウェアは、膝ジョイント角度の線形関数である膝ジョイントでのトルク基準を生成することができる。別の実施形態では、動作制御ソフトウェアは、一定の標準的な空気量を空気圧アクチュエータ１３０に提供するための基準量を生成する。これにより、空気圧アクチュエータ１３０は、１つ以上のセンサ５１３からのフィードバックを通じて識別することができる膝の角度に関係なく、アクチュエータ１３０内に一定の空気量を維持することによって、機械的ばねのように動作することが可能になる。

【0058】

別の実施形態では、動作制御ソフトウェアによって実装される方法は、歩行中、動作中、起立中、またはランニング中にユーザ１０１のバランスを評価することと、ユーザの現在のバランスプロファイル外にある脚部１０２への膝補助を指示することによってユーザ１０１がバランスを保ったままであるように促すような方法でトルクを送ることとを含むことができる。したがって、外骨格システム１００を操作する方法は、左右の脚部作動ユニット１１０Ｌ、１１０Ｒ、及び／または位置センサ、加速度計などの環境センサの構成に基づいて、ユーザ１０１のバランスプロファイルを示すセンサデータを外骨格デバイス５１０がセンサ５１０から取得することを含むことができる。さらに、方法は、取得されたデータに基づいて、外側及び内側の脚部を含むバランスプロファイルを決定することと、次いで、外側の脚部として識別された脚部１０２に関連付けられた作動ユニット１１０へのトルクを増加させることとをさらに含むことができる。

【0059】

様々な実施形態は、体位の運動学的推定値、ジョイント運動プロファイル推定値、及び身体の姿勢の観測推定値を使用することができるが、これらに限定されない。２本の脚部１０２を協調させてトルクを発生する方法には、最大に屈曲した脚部にトルクをガイドすること、両脚部にわたる膝の角度の平均量に基づいてトルクをガイドすること、トルクを速度または加速度に応じてスケールすることなどを含むがこれらに限定されない、様々な他の実施形態が存在する。さらに別の実施形態が、線形の組み合わせ、操作の特異的な組み合わせ、または非線形の組み合わせを含むがこれらに限定されない、様々な事項での様々な個別の基準生成方法の組み合わせを含むことができることにも留意されたい。

【0060】

別の実施形態では、動作制御方法は、２つの主な基準生成技術、すなわち、１つは静的支援に焦点を当てた基準と、もう１つはユーザ１０１を自分の今後の挙動に導くことに焦点を当てた基準とを組み合わせることができる。いくつかの例では、ユーザ１０１は、外骨格システム１００を使用している間に望ましい予測支援の程度を選択することができる。例えば、ユーザ１０１が予測支援量を多くするように指示することで、外骨格システム１００は、非常に応答性が高くなるように構成されることができ、困難な地形にいる熟練したオペレータのために適切に構成され得る。また、ユーザ１０１が予測支援量をごくわずかにしたいと指示することができると、システムパフォーマンスは、遅くなることができ、学習中のユーザまたはあまり困難でない地形に対してより適切に合わされてもよい。

【0061】

様々な実施形態は、様々な方法でユーザの意図を取り込むことができ、上記に提示された例示的な実施形態は、決して限定するものとして解釈されるべきではない。例えば、外骨格システム１００の決定及び操作方法は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年２月２日に出願された「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＵＳＥＲ ＩＮＴＥＮＴ ＲＥＣＯＧＮＩＴＩＯＮ」と題された、代理人整理番号０１１０４９６－００３ＵＳ０の米国特許出願第１５／８８７，８６６号のシステム及び方法を含むことができる。また、様々な実施形態は、連続的なユニットとして、またはわずかな指示値のみを伴う個別のセッティングとして含む様々な方法にユーザの意図を使用することができる。

【0062】

時には、デバイスパフォーマンスまたはユーザエクスペリエンスを最大にするために、動作制御ソフトウェアがその制御を、二次的または追加の目的を考慮するように操作することが有益な場合がある。一実施形態では、外骨格システム１００は、中央コンプレッサ、または空気圧システム５２０の他の構成要素を介して標高認識制御を提供して、異なる標高での空気密度の変化を考慮することができる。例えば、動作制御ソフトウェアは、システムがセンサ５１３などからのデータに基づいてより高い標高で動作していることを識別し、コンプレッサによって消費される電力を維持するために、より多くの電流をコンプレッサに供給することができる。したがって、空気圧外骨格システム１００を動作させる方法は、空気圧外骨格システム１００が動作している空気密度を示すデータ（例えば、標高データ）を取得することと、取得されたデータに基づいて空気圧システム５２０の最適な動作パラメータを決定することと、決定された最適な動作パラメータに基づいて動作を構成することとを含むことができる。さらなる実施形態では、空気量に影響する可能性がある環境温度に基づいて、動作量などの空気圧外骨格システム１００の動作を調整することができる。

【0063】

別の実施形態では、外骨格システム１００は、周囲の可聴ノイズレベルを監視し、システムのノイズプロファイルを低減させるように外骨格システム１００の制御挙動を変えることができる。例えば、ユーザ１０１が静かな公共の場所にいる、または静かに一人で、もしくは他の人と一緒に、ある場所を楽しんでいる場合、脚部作動ユニット１１０の作動に関連するノイズ（例えば、コンプレッサを作動させるノイズ、またはアクチュエータ１３０を膨張させる、もしくは収縮させるノイズ）は望ましくない可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、センサ５１３は、周囲のノイズレベルを検出するマイクロフォンを含むことができ、ある一定の閾値を周囲のノイズ量が下回る場合に静音モードで動作するように外骨格システム１００を構成することができる。そのような静音モードは、空気圧システム５２０もしくはアクチュエータ１３０の要素をより静かに動作させるように構成してもよく、またはそれらのような要素によって生じるノイズの頻度を遅延させるか、または低減させてもよい。

【0064】

モジュラシステムの場合、様々な実施形態では、外骨格システム１００内で動作する脚部作動ユニット１１０の数に基づいて異なるように動作制御ソフトウェアが操作することが望ましいことがある。例えば、いくつかの実施形態では、モジュラ両膝外骨格システム１００（例えば、図１及び２を参照）は、２つの脚部作動ユニット１１０のうちの１つだけがユーザ１０１によって装着されている片膝構成でも動作することができ（例えば、図３及び４を参照）、外骨格システム１００は、両脚部構成の場合に片脚部構成と比較して異なる基準を生成することができる。そのような実施形態は、外骨格システム１００が両方の脚部作動ユニット１１０からの入力を使用して、所望の動作を決定する場合の基準を生成するための協調制御アプローチを使用することができる。ただし、片脚部構成では、利用可能なセンサ情報が変わっている可能性があるため、様々な実施形態では、外骨格システム１００は異なる制御方法を実装することができる。様々な実施形態では、これは、所与の構成について外骨格システム１００のパフォーマンスを最大にするように、または外骨格システム１００で動作する１つもしくは２つの脚部作動ユニット１１０が存在することに基づいて利用可能なセンサ情報での差異を考慮するように、行われることができる。

【0065】

したがって、外骨格システム１００を動作させる方法は、外骨格システム１００で動作している脚部作動ユニット１１０が１つか２つかを外骨格デバイス５１０が決定することと、外骨格システム１００で動作している作動ユニット１１０の数に基づいて制御方法を決定することと、選択された制御方法を用いて外骨格システム１００を実装して操作することと、というスタートアップシーケンスを含むことができる。外骨格システム１００を動作させるさらなる方法は、外骨格システム１００で動作している作動ユニット１１０を外骨格デバイス５１０によって監視することと、外骨格システム１００で動作している作動ユニット１１０の数における変化を決定することと、次いで、外骨格システム１００で動作している作動ユニット１１０の新しい数に基づいて制御方法を決定して変更することとを含むことができる。

【0066】

例えば、外骨格システム１００は、２つの作動ユニット１１０で、かつ第一制御方法で動作していることができる。ユーザ１０１は、作動ユニット１１０のうちの１つを係脱することができ、外骨格デバイス５１０は、作動ユニット１１０のうちの１つの喪失を識別することができ、外骨格デバイス５１０は、作動ユニット１１０のうちの１つの喪失に適応する、新しい第二制御方法を決定して実装することができる。いくつかの例では、アクティブな作動ユニット１１０の数に適合することにより、作動ユニット１１０のうちの１つが使用中に損傷する、または切断される場合でも、外骨格システム１００が自動的に適合することができるので、外骨格システム１００がアクティブな作動ユニット１１０を１つしか有していないにもかかわらず、中断することなく、ユーザ１０１が作業または移動をさらに続けることができるという利益がもたらされ得る。

【0067】

様々な実施形態では、動作制御ソフトウェアは、個々の作動ユニット１１０または脚部１０２の間でユーザのニーズが異なる制御方法を適合することができる。そのような実施形態では、外骨格システム１００が各作動ユニット１１０で生成されるトルク基準を変更して、ユーザ１０１のエクスペリエンスに合わせることが有益であり得る。一例は、ユーザ１０１が片方の脚部１０２に重大な脱力の問題を抱えているが、他方の脚部１０２にはわずかな脱力の問題しかない両膝外骨格システム１００（例えば、図１を参照）のものである。この例では、外骨格システム１００は、ユーザ１０１のニーズを最もよく満たすために、影響の大きい肢と比較して、影響の少ない肢での出力トルクをスケールダウンするように構成することができる。

【0068】

肢の強さの差異に基づいたそのような構成は、外骨格システム１００によって自動的に行われてもよく、及び／またはユーザインターフェース５１６などを介して構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ユーザ１０１が外骨格システム１００を使用している間に、ユーザ１０１の両脚部１０２での相対的な強さまたは弱さをテストすることができる較正テストを実行することができ、両脚部１０２で識別された強さまたは弱さに基づいて外骨格システム１００を構成することができる。そのようなテストは、両脚部１０２の全体的な強さもしくは弱さを識別してもよく、または四頭筋、ふくらはぎ、大腿屈筋、殿筋、腓腹筋、大腿部、縫工筋、ヒラメ筋などの特異的な筋肉もしくは筋群の強さもしくは弱さを識別してもよい。

【0069】

外骨格システム１００を操作する方法の別の態様は、外骨格システム１００を監視する制御ソフトウェアを含むことができる。そのようなソフトウェアの監視の態様は、いくつかの例では、ユーザの理解及びデバイスパフォーマンスを促進するために、外骨格システム１００に状況認識及びセンサ情報の理解を提供する試みの中で通常動作の間、外骨格システム１００及びユーザ１０１の状態を監視することに焦点を当てることができる。そのような監視ソフトウェアの一態様は、所望のパフォーマンス能力を達成するためのデバイスの理解を提供するために、外骨格システム１００の状態を監視することであり得る。これの一部は、身体姿勢を推定するシステムの開発であり得る。一実施形態では、外骨格デバイス５１０は、オンボードセンサ５１３を使用して、ユーザの姿勢のリアルタイムの理解を高める。換言すれば、センサ５１３からのデータは、作動ユニット１１０の構成を決定するために使用することができ、この構成は、他のセンサデータと共に、作動ユニット１１０を装着しているユーザ１０１のユーザの姿勢または身体構成の推定を推測するために使用することができる。

【0070】

時には、いくつかの実施形態では、感知モダリティが存在しない、またはハードウェアに実際に統合されることができないため、外骨格システム１００がシステムの姿勢のすべての重要な態様を直接感知することは非現実的または不可能であることがある。結果として、いくつかの例での外骨格システム１００は、ユーザの身体の基礎となるモデルと、ユーザが装着している外骨格システム１００とに基づいたセンサ情報の融合された理解に依存することができる。両脚部膝補助用外骨格システム１００の一実施形態では、外骨格デバイス５１０は、ユーザの下肢及び胴体セグメントの基礎となるモデルを使用して、本来であれば遮断されているセンサ５１３間の関係制約を強化することができる。そのようなモデルにより、外骨格システム１００は、身体によって作成されるユーザの運動連鎖を通じて２本の脚部１０２が機械的に連結されているという点で、これら２本の脚部の制約された動きを理解することが可能になる。このアプローチは、膝の向きの推定値が適切に制約され、生体力学的に妥当であることを確保するために使用することができる。様々な実施形態では、外骨格システム１００は、外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０に埋め込まれたセンサ５１３を含み、システムの姿勢のさらなる全体像を提供することができる。さらに別の実施形態では、外骨格システム１００は、姿勢推定の動作に追加の制約を提供する試みの中でアプリケーションにユニークな論理制約を含むことができる。これは、いくつかの実施形態では、外骨格システム１００が外部からのＧＰＳ信号を拒否する、または地磁気が歪んでいる場合、高度に動的なアクションなどに、グラウンドトゥルース情報が利用できない状況では望ましいことがある。

【0071】

いくつかの実施形態では、外骨格システム１００に基づいた位置及び／または位置属性の構成での変更は、自動的に、及び／またはユーザ１０１からの入力によって実行することができる。例えば、いくつかの実施形態では、外骨格システム１００は、位置及び／または位置属性に基づいた構成での変更について１つ以上の提案を提供することができ、ユーザ１０１はそれらのような提案を受け入れることを選択することができる。さらなる実施形態では、外骨格システム１００に基づいた位置及び／または位置属性の一部またはすべての構成は、ユーザインタラクションなしで自動的に発生することができる。

【0072】

様々な実施形態は、動作全体を通して外骨格システム１００からのデータの収集及びストレージを含むことができる。一実施形態では、これは、外骨格デバイス５１０上で収集されたデータを、利用可能な無線通信プロトコルによって通信ユニット（複数可）５１４を介してクラウドストレージ位置にライブストリーミングすること、またはそのようなデータを外骨格デバイス５１０のメモリ５１２に格納することを含むことができ、そのようなデータは、通信ユニット（複数可）５１４を介して別の位置にアップロードされてもよい。例えば、外骨格システム１００がネットワーク接続を取得すると、記録されたデータは、利用可能なデータ接続によって支援される通信速度でクラウドにアップロードすることができる。様々な実施形態は、これの変形形態を含むことができるが、このような外骨格システム１００用に後で取得するために、外骨格システム１００に関するデータをローカル及び／またはリモートに収集して格納するための監視ソフトウェアの使用は、様々な実施形態に含まれ得る。

【0073】

いくつかの実施形態では、そのようなデータが記録されていると、そのデータを様々な異なる用途に使用することが望ましい場合がある。そのような１つの用途は、注目すべきデバイスシステムの問題を識別する試みの中で、外骨格システム１００でのさらなる監督機能を開発するためのデータの使用であることができる。一実施形態は、様々な用途にわたってパフォーマンスが有意に変化した複数の中から、特異的な外骨格システム１００または脚部アクチュエータユニット１１０を識別するためのデータの使用であることができる。データの別の使用は、ユーザ１０１がどのようにスキーをするかのより良い理解を得るために、それをユーザ１０１に返すことであり得る。これの一実施形態は、ユーザ１０１がモバイルデバイス上で自分の使用をレビューすることを可能にするモバイルアプリケーションを介して、ユーザ１０１にデータを返すことであり得る。そのようなデバイスデータのさらに別の使用は、データの再生を外部データストリームと同期させて、追加のコンテキストを提供することであり得る。一実施形態は、コンパニオンスマートフォンからのＧＰＳデータを、デバイスにネイティブに格納されたデータに組み込むシステムである。別の実施形態は、記録されたビデオと、デバイス１００から取得された格納されているデータとの時間同期を含むことができる。様々な実施形態は、これらの方法を使用して、ユーザが自分自身のパフォーマンスを評価するためにデータを即時に使用すること、ユーザが過去から挙動を理解するため、ユーザが他のユーザと直接またはオンラインプロファイルを介して比較するため、開発者がシステムのさらなる開発のために後で取得することなどができる。

【0074】

外骨格システム１００を操作する方法の別の態様は、ユーザ固有の特徴を識別するように構成された監視ソフトウェアを含むことができる。例えば、外骨格システム１００は、特定のスキーヤー１０１が外骨格システム１００でどのように動作するかの認識を提供することができ、経時的に、そのユーザのデバイスパフォーマンスを最大にする試みの中でユーザ固有の特徴のプロファイルを開発することができる。一実施形態は、特定のユーザの使用スタイルまたはスキルレベルを識別する試みの中でユーザ固有の使用タイプを識別する外骨格システム１００を含むことができる。様々な活動中のユーザのフォーム及び安定性の評価を通じて（例えば、センサ５１３などから得られたデータの分析を介して）、いくつかの例では、外骨格デバイス５１０は、ユーザが高度な熟練者、新参者、または初心者であるかどうかを識別することができる。このスキルレベルまたはスタイルの理解により、外骨格システム１００は、特定のユーザに制御基準をより良く合わせることができる。

【0075】

さらなる実施形態では、外骨格システム１００は、所与のユーザに関する個別化された情報を使用して、外骨格システム１００に対するユーザの生体力学的応答のプロファイルを構築することもできる。一実施形態は、外骨格システム１００が、ユーザに関するデータを収集して、使用中にユーザが自分の脚部１０２にかかった負荷をユーザが理解するのを支援する試みの中で、個々のユーザの膝の緊張の推定値を生じることを含むことができる。これにより、外骨格システム１００は、ユーザが履歴でかなりの量の膝の緊張に達した場合にユーザに警告し、ユーザが潜在的な痛みまたは不快感を受けないために止めたほうがよいとユーザに警告することができる。

【0076】

個別化された生体力学的応答の別の実施形態は、ユーザ専用に個別化されたシステムモデルを開発するために、ユーザに関するデータを収集するシステムであり得る。そのような実施形態では、個別化されたモデルは、基礎となるシステムモデルを用いてシステムパフォーマンスを評価するシステムＩＤ（識別）方法を通じて開発されることができ、特定のユーザに適合する最良のモデルパラメータを識別することができる。そのような実施形態におけるシステムＩＤは、セグメントの長さ及び質量（例えば、脚部１０２または脚部１０２の一部の）を推定して、動的ユーザモデルをより適切に定義するように動作することができる。別の実施形態では、これらの個別化されたモデルパラメータを使用して、ユーザ固有の質量及びセグメントの長さに応じてユーザ固有の制御応答を送達することができる。動的モデルのいくつかの例では、これは非常に困難な活動中の動的な力を考慮するデバイスの機能に有意に役立つことができる。

【0077】

様々な実施形態では、外骨格システム１００は、様々なタイプのユーザインタラクションを提供することができる。例えば、そのようなインタラクションは、必要に応じてユーザ１０１から外骨格システム１００への入力を含むことができ、そして外骨格システム１００は、外骨格システム１００の動作における変化、外骨格システム１００の状態などを示すフィードバックをユーザ１０１に提供することができる。本明細書で説明されるように、ユーザ入力及び／またはユーザへの出力は、外骨格デバイス５１０の１つ以上のユーザインターフェース５１５を介して提供されてもよく、またはスマートフォンユーザデバイスなどの様々な他のインターフェースもしくはデバイスを含んでもよい。それらのような１つ以上のユーザインターフェース５１５またはデバイスは、バックパック１５５（例えば、図１参照）、空気圧システム５２０、脚部作動ユニット１１０などの上のような、様々な適切な位置にあることができる。

【0078】

外骨格システム１００は、ユーザ１０１から意図を取得するように構成することができる。例えば、これは、外骨格システム１００の他の構成要素（例えば、１つ以上のユーザインターフェース５１５）と直接統合されるか、または外部で外骨格システム１００と動作可能に接続されている（例えば、スマートフォン、装着型デバイス、リモートサーバ等）様々な入力デバイスを通して達成することができる。一実施形態では、ユーザインターフェース５１５は、外骨格システム１００の脚部作動ユニット１１０の一方または両方に直接統合されるボタンを含むことができる。この単一のボタンにより、ユーザ１０１は様々な入力を示すことができる。別の実施形態では、ユーザインターフェース５１５は、外骨格システム１００の外骨格デバイス５１０及び／または空気圧システム５２０と統合されている胴体に取り付けられたラペル入力デバイスによって提供されるように構成することができる。一例では、そのようなユーザインターフェース５１５は、専用の有効化及び無効化機能を有するボタンと、ユーザの所望の動力源レベル（例えば、脚部アクチュエータユニット１１０によって加えられる力の量または範囲）に専用の選択インジケータ、及び外骨格システム１００の制御に統合するための予測意図の量に専用であり得る選択スイッチを含むことができる。ユーザインターフェース５１５のそのような実施形態は、いくつかの例では、一連の機能的にロックされたボタンを使用して、通常動作に必要な場合がある理解されたインジケータのセットをユーザ１０１に提供することができる。さらに別の実施形態は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ接続、または他の適切な有線もしくは無線接続を介して外骨格システム１００に接続されるモバイルデバイスを含むことができる。ユーザインターフェース５１５としてモバイルデバイスまたはスマートフォンを使用すると、入力方法の柔軟性により、ユーザのデバイスへの入力量をはるかに多くすることができる。様々な実施形態は、上記に列挙されたオプションまたはその組み合わせ及び変形を使用することができるが、入力方法及び物品の明示的に述べられた組み合わせに決して限定されない。

【0079】

１つ以上のユーザインターフェース５１５は、ユーザが外骨格システム１００を適切に使用して操作することを可能にする情報をユーザ１０１に提供することができる。そのようなフィードバックは、作動ユニット１１０の一方または両方に直接統合されたフィードバックメカニズムと、作動ユニット１１０の動作によるフィードバックと、外骨格システム１００と統合されていない外部アイテム（例えば、モバイルデバイス）を介したフィードバックなどを含むがこれらに限定されない、様々な視覚的、触覚的及び／または聴覚的方法でのものであり得る。いくつかの実施形態は、外骨格システム１００の、作動ユニット１１０におけるフィードバック照明の統合を含むことができる。１つのそのような実施形態では、ユーザ１０１が照明を見ることができるように、５つの多色照明が膝ジョイント１２５または他の適切な位置に統合される。これらの照明は、システムエラー、デバイス電源、デバイスの正常な動作などのフィードバックを提供するために使用することができる。別の実施形態では、外骨格システム１００は、特定の情報を示すように制御されたフィードバックをユーザに提供することができる。それらのような実施形態では、外骨格システム１００は、最大の許容可能なユーザ所望のトルクをユーザが変更するときに、脚部作動ユニット１１０の一方または両方でのジョイントトルクを最大許容トルクまで脈動させることができることで、トルクセッティングの触覚インジケータを提供することができる。別の実施形態は、動作エラー、設定ステータス、電源ステータスなどのデバイス情報に関するアラート通知を外骨格システム１００が提供することができるモバイルデバイスなどの外部デバイスを使用することができる。フィードバックのタイプは、作動ユニット１１０、空気圧システム５２０、バックパック１５５、モバイルデバイス、またはウェブインターフェース、ＳＭＳテキストもしくは電子メールなどの他の適切なインタラクション方法を含むものとユーザ１０１がインタラクトすることが期待され得る様々な位置に統合された、光、音、振動、通知、及び操作力を含むことができるが、これらに限定されない。

【0080】

通信ユニット５１４は、外骨格システム１００がユーザデバイス、分類サーバ、他の外骨格システム１００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。例えば、外骨格システム１００は、ユーザデバイスと接続するように構成されることができ、このユーザデバイスを使用して、外骨格システム１００を制御し、外骨格システム１００からパフォーマンスデータを受信し、外骨格システムへの更新を容易にすることなどができる。そのような通信は、有線及び／または無線通信であることができる。

【0081】

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つ以上のアクチュエータ１３０の物理的な状態、外骨格システム１００の一部分の物理的な状態、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、測距感知システム、環境センサ、標高センサ、マイクロフォン、温度計などを含むことができる。いくつかの実施形態では、外骨格システム１００は、スマートフォンなどのユーザデバイスからセンサデータを取得することができる。

【0082】

いつかの場合、外骨格デバイス１００を装着しているユーザ１０１の理解、外骨格システム１００の環境及び／または動作の理解を、様々な適切なセンサ５１５を外骨格システム１００に統合することによって外骨格システム１００が生成する、または拡張することが有益であり得る。一実施形態は、生物学的インジケータを測定及び追跡して、体温、心拍数、呼吸数、血圧、血液酸素飽和度、呼気ＣＯ₂、血糖値、歩行速度、発汗量などのユーザ１０１の様々な適切な側面（例えば、疲労及び／または身体生命機能に対応）を観察するためのセンサ５１５を含むことができる。

【0083】

いくつかの実施形態では、外骨格システム１００は、それらのようなセンサ５１５とユーザ１０１の身体との比較的密接で信頼できる接続性を利用して、システムバイタルを記録し、それらをアクセス可能なフォーマットで（例えば、外骨格デバイス、リモートデバイス、リモートサーバなどに）格納することができる。別の実施形態は、温度、湿度、照明レベル、気圧、放射能、サウンドレベル、毒物、汚染物質などの様々な環境条件について、外骨格システム１００の周囲の環境を連続的または定期的に測定することができる環境センサ５１５を含むことができる。いくつかの例では、様々なセンサ５１５は、外骨格システム１００の動作に必要でなくてもよく、または動作制御ソフトウェアによって直接使用されなくてもよいが、ユーザ１０１に報告するために（例えば、インターフェース５１５を介して）、またはリモートデバイス、リモートサーバなどに送信するために格納することができる。

【0084】

空気圧システム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コンプレッサ、または本明細書に説明されるような空気圧動力トランスミションを含むことができる。

【0085】

図６～図８を参照すると、本開示は、いくつかの実施形態におけるモバイルロボット用途に独自に適合することができる新規の空気圧動力トランスミッション６００の例示的なシステム及び方法を教示する。１つの例示的なアーキテクチャは、流体媒体を介して動力を出力自由度（例えば、流体アクチュエータ１３０）に中継するために閉鎖空気圧動力トランスミッションを使用する機械的動力源を含む。１つの好ましい実施形態は、いくつかの例において、遠位の重量及び電力効率の負担が特に顕著になり得る空気圧式外骨格用途で使用するための空気圧動力トランスミッション６００である。したがって、空気圧動力トランスミッション６００を使用できるシステムの一例として、可動式外骨格（例えば、本明細書で説明する外骨格システム１００などの可動式身体装着型ロボット）が使用される。ただし、これは明確にするために行われるものであり、そのようなシステム、方法、または提供される関連する利益が価値のある他の実施形態への一般的な適用性を制限するために行われるものではないことを明確にする必要がある。同様に、説明は、説明された実施形態で使用される主要な適用可能な流体として、空気または他のガスの使用を論じているが、本明細書で論じるシステム及び方法は、特定の流体特性に対していくつかの実施形態で好ましい場合がある任意の代替流体媒体（例えば、ガス及び／または液体流体）に同様に適用できるため、これも説明のために行われたものである。

【0086】

図６は、外骨格システム１００（例えば、図５参照）の空気圧システム５２０の一部であり得る空気圧動力トランスミッション６００の１つの例示的な実施形態を示す。空気圧動力トランスミッション６００は、流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバ６２０を画定するトランスミッション本体６１０を備え、トランスミッションチャンバ６２０は、トランスミッションチャンバ６２０に存在する作動流体、流体ライン１４５、及びベローズアクチュエータ１３０からなるか、または本質的になる、より大きな作動流体容積６３０の一部を画定する。例えば、トランスミッションチャンバ６２０は、流体ライン１４５を介してベローズアクチュエータ１３０に流体結合することができ、トランスミッションチャンバ６２０、流体ライン１４５、及びベローズアクチュエータ１３０内に一定量の作動流体が保持される。

【0087】

空気圧動力トランスミッション６００は、トランスミッション本体６１０の第１の端部６１２と第２の端部６１３の間でリードねじ６５０（例えば、図７ａ及び図７ｂ参照）を介してトランスミッション本体６１０内で平行並進するピストン６４０をさらに備えて本明細書で論じるように、トランスミッションチャンバ６２０のサイズまたは容積を変更することができる。例えば、ピストン６４０の周縁６４１は、トランスミッション本体６１０の内壁６１１と係合し、作動流体をトランスミッションチャンバ６２０内に保持できるように、流体不浸透性シールを生成することができる。いくつかの例では、トランスミッション本体６１０の第２の端部６１３は、（例えば、図６に示すように）完全に閉じることができるか、または空気がトランスミッション本体６１０の第２の端部６１３に出入りできるようにしながら、ほとんど閉じることができる（例えば、図８に示されるような空気流ポート８１３を介して）。

【0088】

図６の例に示されるように、リードねじ６５０は、トランスミッション本体６１０の主軸に平行であり得る、トランスミッション本体６１０内の軸Ｘに沿って延びることができる。リードねじ６５０は、本体６１０の第１の端部６１２で回転可能に結合され、第２の端部６１３に近接する機械的動力源６６０まで延びることができ、リードねじ６５０を回転させて、ピストン６４０をトランスミッション本体６１０内で並進させてトランスミッション空洞６２０のサイズまたは容積を変更させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、リードねじ６５０は、トランスミッション空洞６２０内で本体６１０の内面に回転可能に結合することができ、トランスミッション空洞６２０内などの本体６１０の内面内に結合される。例えば、いくつかの実施形態では、リードねじ６５０は、トランスミッション本体６１０の第１の端部６１２でトランスミッション本体６１０内に、またはトランスミッション本体６１０を通って延びることができる（例えば、図７ａ及び図７ｂ参照）。電気機械、油圧、または燃焼源を含むことができるがこれらに限定されない異なるタイプの機械的動力源６６０を利用する様々な実施形態が存在する。例えば、一実施形態は、リードねじ６５０を回転させる電気モータを含む。さらなる実施形態は、リニアモータ、ダイレクトドライブ、電気空気圧ポジショナ、油圧アクチュエータなどを含むことができる。

【0089】

様々な実施形態による空気圧動力トランスミッション６００の動作の背後にある主要な概念は、いくつかの空気圧システムで使用されるものとは異なる可能性がある。例えば、いくつかの空気圧システムでは、システムの容積は比較的一定であり、空気圧トランスミッションは、コンプレッサを使用して空気圧システムの高圧部分に新しい空気を導入することにより、ターゲットジョイントに動力を伝達できる。これは、ＰＶ＝ｎＲＴという標準気体法則の理解された特性を活用できる。そのような場合、圧力（Ｐ）を増加させるために、空気圧トランスミッションは、そうでなければ安定した容積（Ｖ）に含まれるガスの量（ｎ）を増加させる。対照的に、本明細書で提示される様々な実施形態は、システム内に含まれるガスの量（ｎ）を大きく変えることなく、システム全体の容積（Ｖ）を変化させることによって圧力（Ｐ）に影響を与えることができる。

【0090】

例えば、図７ａ及び図７ｂは、ピストン６４０とトランスミッション本体６１０とによって画定されるトランスミッション空洞６２０が異なるサイズまたは容積であるように、リードねじ６５０の長さに沿ってピストン６４０がトランスミッション本体６１０内の異なる位置にあるそれぞれの第１及び第２の構成における空気圧動力トランスミッション６００の一例を図示する。図７ａは、トランスミッション空洞６２０が、図７ｂに示される第２の構成におけるトランスミッション空洞６２０よりも大きいかまたはより大きな容積を有する第１の構成を示す。具体的には、図７ａは、ピストン６４０が、図７ｂの第２の構成に示されるピストン６４０と第１の端部のトランスミッション本体６１０との間の距離よりも大きい第１の例の構成におけるトランスミッション本体６１０の第１の端部６１２からの距離に配置される例示的構成を図示している。

【0091】

様々な実施形態では、リードねじ６５０は、リードねじ６５０を回転させるとピストンがリードねじ６５０の長さに沿って並進するように、ピストン６４０のねじ山に対応するねじ山を含むことができる。したがって、様々な実施形態では、リードねじ６５０を第１の方向に回転させると、ピストン６４０を第１の構成から第２の構成までリードねじ６５０の長さに沿って並進させることができ、リードねじ６５０を第１の方向と反対の第１の方向に回転させると、ピストン６４０を第２の構成から第１の構成までリードねじ６５０の長さに沿って並進させることができる。ピストン６４０及びリードねじ６５０の対応するねじ山を使用して、トランスミッション本体６１０内でピストン６４０の動きを生成することができるが、さらなる実施形態は、トランスミッション本体６１０内でピストン６４０の動きを生成するための様々な他の適切なシステムを含むことができる。さらに、いくつかの例では、従来の「ピストン」を使用せず、代わりに、容積変化が電気機械的アクチュエータなどによって駆動される、可変容積のソフトロボット的な要素を使用する場合がある。

【0092】

本明細書で説明するように、作動流体容積６３０は、トランスミッションチャンバ６２０内に存在する作動流体、流体ライン１４５、及びベローズアクチュエータ１３０を含むは、からなるか、または本質的にからなることができる。したがって、図７ａ及び図７ｂの例に示すように、作動流体容積６３０のサイズまたは容積は、トランスミッションチャンバ６２０のサイズまたは容積を変更することによって変更することができる。さらに、様々な実施形態では、流体アクチュエータ１３０は、拡張及び収縮するように構成することができ、これは作動流体容積６３０のサイズまたは容積の変化を引き起こすこともできる。様々な実施形態において、流体ライン１４５のサイズまたは容積は、流体ライン１４５を画定し得る可撓性材料の公称膨張または収縮を除いて、概ね一定のままであり得る。

【0093】

作動流体（例えば、空気）の量が作動流体容積６３０内で一定のままである実施形態では、作動流体容積６３０のサイズまたは容積を拡張及び収縮させることにより、作動流体容積６３０内の作動流体の圧力を変化させることができる。例えば、作動流体容積６３０内の作動流体の圧力は、図７ａに示される第２の構成における作動流体容積６３０内の作動流体のより高い圧力と比較して、図７ａに示される第１の構成におけるより低い圧力であり得る。

【0094】

ベローズアクチュエータ１３０は、本明細書の様々な例で示されているが、出力自由度は、線形作動ジョイント、回転作動ジョイント、直接空気圧アクチュエータ、または空気圧システム内の動力を任意の適切なタイプの二次動力システムに伝達することを含み得るがこれらに限定されない様々な異なる方法で行うことができる。したがって、本明細書で説明するベローズまたは空気圧アクチュエータ１３０の例は、限定的であると解釈されるべきではない。さらに、様々な例は、流体がアクチュエータに導入されると伸長する流体アクチュエータに関するが、さらなる実施形態は、流体がそのようなアクチュエータに導入されると収縮するアクチュエータを含むことができる。

【0095】

本明細書で説明するように、いくつかの実施形態では、機械的動力源６６０によって駆動される機械的に結合されたピストン６４０を使用することによって、機械的動力から空気圧トランスミッションシステム６００への変換を完了することができる。好ましい一実施形態では、これは、リードねじ６５０を備える閉鎖空気圧システム内で電気機械的電源システムまたはモータをピストン６４０に接続することによって達成される。これにより、空気圧チャンバ６２０内の利用可能な容積を変化させることによって、モータからの入力トルクを空気圧システムの機械的作業に変換することが可能になる。様々な実施形態は、他の方法を使用して、設計の拡張性を決して制限することなく、機械力を空気圧システムに変換することができる。これらの方法には、ボールねじの使用、４バーリンケージの使用、リニアモータの使用、カムシャフトの使用などを含み得るが、これらに限定されない。

【0096】

例えば、図６は、機械的動力源６６０がＸ軸に沿ってリードねじ６５０と位置合わせされ、回転機械的動力をリードねじ６５０に伝達する空気圧トランスミッションシステム６００の１つの例示的な実施形態を示しているが、さらなる例では、機械的動力源６６０回転動力を空気圧トランスミッションシステム６００に様々な他の適切な方法で伝達することができる。例えば、図８は、空気圧トランスミッションシステム６００の別の実施形態を示しており、機械的動力源６６０は、図６に示すように、第２の端部６１３に近接してＸ軸と一致するのではなく、トランスミッション本体６１０の長さに隣接して配置されている。図８の例では、機械的動力源６６０とリードねじ６５０との間に結合される、チェーン、ベルト、ギアアセンブリなどを含むことができる機械的動力カップリング８６１を介してリードねじ６５０に伝達される機械的動力源６６０によって、回転機械的動力を生成することができる。

【0097】

別の例では、機械的動力源６６０のいくつかの実施形態は、図６に示されるように、機械的動力源６６０のＸ軸との位置合わせを必要とし得る直線駆動シャフトまたは他のカップリングを含み得るが、さらなる実施形態は、機械的動力源６６０をリードねじ６５０のＸ軸に対して様々な適切な角度に配向させ得る非線形または可撓性駆動シャフトまたはカップリングを構成することが可能である。例えば、いくつかの実施形態では、機械的動力源６６０の駆動軸または機械的動力源６６０と駆動ねじ６５０の間の結合は、機械的動力源６６０がリードねじ６５０のＸ軸に対してある角度（例えば、１０°、２０°、３０°、４０°、５０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°、１８０°など）で、配向され得るように可撓性のコイルを備えることが可能である。そのような実施形態では、そのような角度は固定することができ、または可変とすることができる。例えば、可撓性駆動シャフトまたはカップリングが、ユーザの関節または屈曲し得るユーザの部分（例えば、背中または脊椎）上に延びる場合、機械的動力源６６０と駆動ねじ６５０の間のカップリングは、機械的動力源６６０が駆動ねじ６５０に機械的回転エネルギーを付与することを可能にしながら、ユーザの動きに対応するように屈曲または湾曲することができる。

【0098】

場合によっては、いくつかの実施形態では、入力動力は、機械的なトランスミッションを通過して、利用可能な動力を所定の用途のためのトルク及び速度の望ましいスペクトルに変換することができる。一実施形態では、ＤＣブラシレスモータの形態の電気機械的動力源の使用は、動力をギアダウンするための機械的トランスミッションを含むことができ、これは、入力動力のトルクを増幅し、動作速度が所与の空気圧駆動システムの機械的制約によく適合するように動作速度を減少させることができる。機械的動力源と空気圧チャンバの間のトランスミッションを達成することができる様々な方法があり、ベルト駆動トランスミッション、遊星歯車トランスミッション、多段トランスミッション、ハーモニックトランスミッション、または摩擦駆動トランスミッションを含むことができるが、これらに限定されない。例えば、図８の機械的動力カップリング８６１は、機械的動力源６６０によって生成された回転動力を、駆動ねじ６５０に加えられるトルク及び速度の適切なスペクトルに変換するための機械的トランスミッションを備えることができる。いくつかの実施形態は、機械的動力源６６０とリードねじ６５０の間に、ギアボックス、タイミングベルトなどの減速機構を含むことができる。

【0099】

様々な空気圧システム５２０では、いくつかの実施形態が対処することを選択し得る実際的な問題は、空気圧システム５２０からの少量の漏れの可能性である。いくつかの空気圧システム５２０では、空気圧システム５２０は、コンプレッサまたは他の適切な方法を介して新しい作動流体を引き込むことによって、作動流体容積６３０内に作動流体（例えば、空気）を連続的に補充することによって動作するので、これは重大な問題ではない可能性がある。

【0100】

直接駆動空気圧トランスミッション（例えば、空気圧動力トランスミッション６００）は、そのような直接駆動空気圧トランスミッションが空気圧システム５２０内の容積を変化させることによって作動することができるように、様々な実施形態において異なり得る。いくつかの実施形態は、空気圧システム５２０が環境に失われた作動流体（例えば、空気）を補充できるようにする設計要素を含むことができる。１つの好ましい実施形態は、トランスミッションチャンバ６２０（または作動流体容積６３０の他の適切な部分）と連通し、大気圧に接続される受動逆止弁を備えることができる。そのような実施形態では、そのような補充弁は、大気圧に等しくすることができるトランスミッションチャンバ６２０内に配置することができる。空気圧トランスミッションが作動流体を漏らす一例のシナリオでは、トランスミッションチャンバ６２０内のチャンバ圧力が大気圧未満に低下し、逆止弁が空気を空気圧システム５２０に逆流し、失われた作動流体を再充填できるようにすることができる。様々な実施形態は、コンプレッサで充電される高圧補充システム、コンプレッサで充電される高圧補充システム、一次空気圧システムに直接接続された小型の補充コンプレッサ、大気または他のソースチャンバなどに接続された能動的に制御される補充弁などを含み得るがこれらに限定されない、失われた作動流体を補充するための他のシステム及び方法を使用することができる。

【0101】

いくつかの実施形態では、過圧シナリオの場合に安全に対応するための設計適応を含めることが有益である。好ましい一実施形態では、空気圧トランスミッション６００は、大気圧に接続され、トランスミッションチャンバ６２０が識別された最大圧力を超えたときに開くように設計できる圧力ブローオフ弁を含む。選択された最大圧力は、所望のシステム用途に完全に依存し得るが、これらの選択された圧力は、０ｐｓｉ、１５ｐｓｉ、３０ｐｓｉ、６０ｐｓｉ、１２０ｐｓｉなどを含み得るが、これらに限定されない。例えば、いくつかの実施形態は、トランスミッションチャンバ６２０の外部環境へのトランスミッションチャンバ６２０内の流体の放出を提供する、トランスミッション本体６１０内に配置されたブローオフ弁を含むことができる。様々な実施形態は、圧力解放弁、電子制御圧力排出弁などを含むことができるがこれらに限定されない様々な方法で、この設計上の考慮事項を含むことができる。

【0102】

トランスミッションチャンバ６２０を画定するトランスミッション本体６１０の設計の特徴は、いくつかの実施形態において重要であり得る。様々な例におけるトランスミッション本体６１０の設計上の考慮事項は、トランスミッションチャンバ６２０の静的容積を設計することを含むことができる。一実施形態では、空気圧トランスミッション６００は、１リットルのアクチュエータチャンバを画定し、流体アクチュエータ１３０の範囲全体で０～～０ｐｓｉの目標動作圧力範囲を有する流体アクチュエータ１３０に接続することができる。これを達成するために、様々な例において、ソーストランスミッションチャンバ６２０は、最も低い目標圧力における最も低いシステム容積（アクチュエータ閉）、及び最も高い目標圧力における最大システム容積（アクチュエータ伸長）であり得る流体アクチュエータ１３０の２つの最も極端な動作シナリオを満たすようにサイズ決定することが可能である。別の設計上の考慮事項は、一次トランスミッションチャンバ６２０の幾何学的形状であり得る。様々な幾何学的形状で目標チャンバ容積を達成することは可能であるが、目標用途と、機械的動力源６６０または他の構成要素によって課される利用可能な機械的制約を考えると、１つの特定の設計がよりうまく機能する可能性がある。これらの設計上の考慮事項は、いくつかの実施形態の不可欠な部分と考えることができ、設計基準の特定のセットの選択は、様々な適切な方法で行うことができることに留意することが重要である。様々な実施形態における選択された動作圧力範囲は、外骨格システム１００の設計者またはオペレータが決定することができ、本明細書における動作圧力範囲の例は、いかなる方法でも限定的であると見なすべきではなく、さらなる例の外骨格システム１００は、実現可能な圧力の任意の適切な範囲内で動作するように設計することができることにも留意する必要がある。

【0103】

いくつかの実施形態では、ピストン６４０がトランスミッションチャンバ６２０内で移動している間に、一次トランスミッションチャンバ６２０内のピストン６４０が回転する自由度に抵抗、制限、または制約することが望ましい場合がある。具体的には、ピストン６４０を駆動するリードねじ６５０を含む実施形態では、ピストン６４０がトランスミッションチャンバ６２０内で自由に回転すると、ピストン６４０はトランスミッション本体６１０内で並進できず、トランスミッションチャンバ６２０内に配置された空気圧流体に機械的仕事を付与し得る。一実施形態では、駆動機構としてリードねじ６５０を含む構成は、ピストン６４０とトランスミッション本体６１０の内壁６１１との間の機械的相互作用が逆回転機能として作用するように、非円形ピストン６４０を使用することができる。別の実施形態では、リードねじ構成は、ピストン６４０の回転に対抗、抵抗、または制限するために、トランスミッション本体の第１の端部６１２と第２の端部６１３の間でリードねじ６５０と平行に一次トランスミッションチャンバ６２０の長さにわたって延びる１つ以上のガイドロッドを含むことができる。様々な追加の実施形態は、楕円形のピストンヘッド、チャンバ壁に嵌合機構を含むキー付きピストンヘッド、中心から外れたリードねじ６５０などを含むことができるが、これらに限定されない。例えば、図８は、楕円形を有するピストン６４０の例を示している。いくつかの実施形態におけるピストン６４０は、角及び／または線状のエッジを有さない滑らかなエッジのみを有する形状を含む、様々な形状を有することができる。しかしながら、さらなる実施形態では、ピストン６４０は、三角形、正方形、五角形、六角形、八角形、または他の多角形、ルーロー多角形などの、角及び／または直線状のエッジを有する形状を有することが可能である。ピストン６４０の形状は、０、１、２、３、４、５、６、８などを含む放射対称の様々な平面を含むことができる。

【0104】

いくつかの実施形態では、システム全体の性能を強調するために、ベローズアクチュエータ１３０の特定の挙動をさらに制御することが望ましいことが判明する場合がある。一組の実施形態では、空気圧システム５２０は、アクチュエータ１３０に出入りする空気の流れを制御するために、空気圧トランスミッションシステム６００内に追加の弁を含むことができる。一実施形態では、空気圧システム５２０及び／またはアクチュエータ１３０は、ベローズアクチュエータ１３０への流れ面積を制御する入口制御弁を含むことができる。そのような設計は、いくつかの例では、ベローズアクチュエータ１３０に出入りする流量の別個の制限を提供することができ、負荷のかかったベローズアクチュエータ１３０から出る流量を制限することによって、外骨格システム１００のジョイント１２５における減衰様式の力の供給を支援する低電力代替物を提供することができる。このような弁は、ベローズアクチュエータ１３０と流体ライン１４５との間の接続部、トランスミッション本体６１０と流体ライン１４５の間の接続部、トランスミッションチャンバ６２０またはトランスミッション本体６１０内のトランスミッション本体、流体ライン１４５に沿ってまたはその内部、アクチュエータ１３０の本体内またはその一部として、など様々な適切な場所に配置することが可能である。

【0105】

別の実施形態では、ベローズアクチュエータ１３０または外骨格システム１００の他の部分は、ベローズアクチュエータ１３０とベローズアクチュエータ１３０の外部の環境の間で流体を連通させるように構成された排気弁を含むことができる。そのような設計は、様々な例において、安全問題または他の所望の応答に基づいて外骨格システム１００を急速に収縮させるための努力として、外骨格システム１００が圧力を大気圧に迅速に排気することを可能にすることができる。システム通気は、いくつかの例では、ベローズアクチュエータ１３０上の制御可能な入口弁と排気弁の一方または両方を含むことができる。１つ以上の通気バルブまたは構造は、ベローズアクチュエータ１３０と流体ライン１４５の接続部、トランスミッション本体６１０と流体ライン１４５の接続部、トランスミッションチャンバ６２０またはトランスミッション本体６１０内のトランスミッション本体、流体ライン１４５に沿ってまたはその内部、アクチュエータ１３０の本体の中または一部としてなどを含む、様々な適切な場所に配置することが可能である。

【0106】

いくつかの実施形態は、ベローズアクチュエータ１３０、トランスミッションチャンバ６３０、流体ライン１４５などに出入りする流れを制御するための弁を含むことができるが、さらなる実施形態では、外骨格システム１００、空気圧システム５２０、空気圧動力トランスミッション６００、流体ライン１４５、アクチュエータ１３０、それらのカップリングなどの様々な部分から弁が特にないことが可能である。いくつかの実施形態では、緊急圧力解放弁などの安全弁は別として、外骨格システム１００のそのような部分には弁がなくてもよい。

【0107】

空気圧動力トランスミッション６００のいくつかの実施形態では、所与の外骨格システム１００の電力需要を満たすために空気圧動力トランスミッション６００を配備できるいくつかの可能な方法がある。本明細書のいくつかの記載は、外骨格システム１００のアーキテクチャを説明しているが、外骨格システム１００が配備される方法に関連するシステムレベルの設計は、いくつかの例において、外骨格システム１００の全体的な機能にとって重要であり得る。これは、様々な設計上の考慮事項によってシステム性能の向上が可能になるため、複数の制御可能な自由度を有する外骨格システム１００のいくつかの実施形態ではさらに重要になる可能性がある。様々な実施形態で配備できるいくつかの例示的なシステム構成を以下に説明する。

【0108】

１つのシステム構成は、１つの作動ユニットを外骨格システム１００上の単一の自由度に割り当てるように設計することができる。一実施形態では、空気圧システム５２０は、２つの動力付き膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒ（例えば、図１及び図５に示されるように）を備える、からなる、または本質的にそれらからなる下肢外骨格システム１００に動力を供給するように構成することができる。そのような外骨格システム１００に動力を供給するために、空気圧システム５２０は、左右の膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒにそれぞれ関連する第１及び第２の空気圧動力トランスミッション６００を備えることができる。例えば、そのようなシステムは、左右の膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒをそれぞれ作動させる２つの独立して動作する空気圧トランスミッションシステム６００を含むことができる。同様に、図９ａは、第１の流体アクチュエータ１３０Ａに流体的に結合された第１の空気圧トランスミッションシステム６００Ａと、第２の流体アクチュエータ１３０Ｂに流体的に結合された別の第２の空気圧トランスミッションシステム６００Ｂとを含む外骨格システム１００の第１の例示的実施形態１００Ａを図示している。

【0109】

さらに、いくつかの実施形態は、２つの完全に別個の空気圧トランスミッションシステム６００を含むことができるが、いくつかの実施形態では、２つ以上のトランスミッションシステム６００が、様々な方法で物理的に関連付けられ、結合され、または統合されながら、独立して動作するように構成され得る。例えば、空気圧トランスミッションシステム６００のいくつかの実施形態は、別個の第１及び第２のトランスミッション空洞６２０を画定するトランスミッション本体６１０と、第１及び第２のトランスミッション空洞６２０内で並進するそれぞれの第１及び第２のピストン６４０と、を備えることが可能である。第１及び第２のトランスミッション空洞６２０は、それぞれの第１及び第２の流体アクチュエータ１３０に関連付けることができる。そのような構成の様々な実施形態では、第１及び第２のピストン６４０は、それぞれの第１及び第２の流体アクチュエータ１３０を別々に制御するために、それぞれの第１及び第２の機械的動力源６６０によって独立して作動させることができる。同様に、いくつかの実施形態では、機械的動力源６６０は、完全に分離するか、または様々な方法で物理的に関連付け、結合しもしくは統合することができる。例えば、いくつかの実施形態では、２つ以上の独立して制御可能な機械的動力源６６０が、共通のハウジング、本体、電源などを共有することができる。

【0110】

様々な例において、独立した空気圧及び機械的構成は、電気的及びソフトウェア計画（例えば、外骨格デバイス５１０を介して実装される）が、本明細書で説明されるように所望の協調運動を生成するために２つの機械的に独立したシステムを操作できるように、別々のアクチュエータユニット１１０（左及び右膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒ）を協調的に操作する能力を制限しないことに留意されたい。また、機械的動力源などのシステム６６０及び／またはトランスミッション本体６１０は、ユーザ１０１の身体に別々に、または共通の場所（例えば、バックパック１５５内）に配置することができる。

【0111】

この構成の他の実施形態では、機械的及び空気圧的に独立したシステムの数は、制御される自由度（例えば、流体アクチュエータ１３０）の数に合わせてスケーリングすることができ、それぞれが独立してサイズ決定され、外骨格システム１００が取り付けられる標的関節のニーズを満たすように設計される。本明細書で説明するように、つま先、足首、膝、股、肩、肘、手首、指、首などのうちの１つ以上を含む、様々な実施形態において、身体の任意の適切な関節を１つ以上のアクチュエータによって標的とすることができる。したがって、左右の膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒに関連する本明細書の例は、限定的であると解釈されるべきではなく、外骨格システム１００のいくつかの実施形態の例としてのみ使用される。

【0112】

別のシステム構成は、空気圧トランスミッションシステム６００を複数の動力付き自由度（例えば、複数の別個の流体アクチュエータ１３０）に接続するように設計することができる。例えば、図９ｂは、単一の空気圧動力トランスミッション６００と第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの一方または両方の間の流体の流れを所与の時間に制御するように構成することができる弁９５０を介して第１及び第２の流体アクチュエータに結合された単一の空気圧動力トランスミッション６００を備える外骨格システム１００の別の例の実施形態１００Ｂを例示する。

【0113】

そのような設計構成は、複数のアクチュエータユニット１１０の間でより結合された動作スタイルの挙動を提示することができるが、いくつかのシナリオでは、そのような構成は、システムの複雑さ、重量及び／またはサイズの観点から、それらのアクチュエータユニット１１０に電力を供給するために必要なインフラストラクチャを削減しながら、適切な性能を生成することができる。一実施形態では、左及び右膝アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを有する電動外骨格システム１００は、歩行、ランニングなどの間のヒールストライクに関連する衝撃のみを支援するように設計することができる。いくつかの例ではユーザの関節での必要性の範囲が限られているため、いくつかの実施形態のベローズアクチュエータ１３０は、（例えば、２つの別個の空気圧トランスミッションシステム６００を介して）重複する電力追加を必要としない。

【0114】

したがって、いくつかの実施形態では、第１及び第２のアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂ（例えば、左及び右アクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの）の間に選択弁（例えば、弁９５０）を追加することによって、単一の空気圧動力トランスミッションシステム６００からの動力は、使用例が最も重要である場合に基づいて左膝及び右膝アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの間でリダイレクトさせることが可能である。別の実施形態では、単一の空気圧動力トランスミッション６００は、（例えば、左右のアクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒを介して）ユーザの膝における階段下降の力の減衰を支援するように構成することができる。この場合、左右のアクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの力プロファイルは完全に独立していなくてもよいが、各脚部のピーク動力要件にかなりの位相遅延が存在する可能性がある。

【0115】

結果として、いくつかの例における外骨格システム１００は、空気圧動力トランスミッション６００の単一のトランスミッションチャンバ６２０と左右のアクチュエータユニット１１０Ｌ、１１０Ｒのそれぞれのアクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの間で移動する１つ以上の制御弁（例えば、弁９５０）を含むことができる。トランスミッションチャンバ６２０が動力を生成するとき、１つ以上の制御弁を使用して、ベローズアクチュエータ１３０のそれぞれへの空気圧動力フローを制限及び／または可能にすることができる。これにより、個々のベローズアクチュエータ１３０の各々に所望の量の動力を入れることが可能になり、単一の空気圧トランスミッション６００のトランスミッションチャンバ６２０は、トランスミッションチャンバ６２０に関連するベローズアクチュエータ１３０の最大動力構成を支援するようなサイズにすることのみが必要とされる場合がある。

【0116】

１つ以上の弁（例えば、弁９５０）は、様々な適切な方法で、２つ以上のベローズアクチュエータ１３０への流体の流れ及び／またはそこからの流体の流れを制御することができる。例えば、いくつかの実施形態は、例えば２つのベローズアクチュエータ１３０のための２つの弁の状態がオン／オン、オフ／オフ、オン／オフ及びオフ／オンを含むことができるベローズアクチュエータ１３０への／からの流体の流れのためのバイナリオン／オフを提供することができる。別の実施形態は、２つ以上のベローズアクチュエータ１３０の間のスイッチを提供することができる。例えば、第１と第２のベローズアクチュエータ１３０間の切替弁であり、オン／オフまたはオフ／オンの状態を含むことができる。さらなる実施形態では、２つ以上のベローズアクチュエータ１３０に出入りする流体の流量は、スペクトルに沿って、または様々な適切な増分で制御することができ、アクチュエータ１３０間のそのような制御は、従属的であってもなくてもよい。例えば、２つのアクチュエータ１３０への／からの従属的な流量は、２０／８０％、４０／６０％、５０／５０％、６０／４０％、８０／２０％などの例示的状態を生成することができる。別の例では、２つのアクチュエータ１３０への／からの独立に構成可能な流量は、２０／２０％、３０／６０％、８０／２０％、９０／９０％などの例示的な状態を生成することができる。単一の空気圧動力トランスミッション６００に接続された複数のベローズアクチュエータ１３０を備えたそのような構成の様々な実施形態が存在し、本明細書の範囲及び精神内にあるため、本明細書の例は限定的であると解釈されるべきではない。

【0117】

空気圧外骨格システム１００の別の構成は、複数の独立した空気圧トランスミッションシステム６００を単一の動力付き自由度（例えば、流体アクチュエータ１３０）に接続するように設計することができる。例えば、図１０ａは、弁９５０を介して単一の流体アクチュエータ１３０に結合された第１及び第２の空気圧トランスミッションシステム６００を備える、外骨格システム１００のさらなる例示的な実施形態１００Ｃを示す。いくつかの例におけるそのような構成の潜在的な利点は、ジョイントの動力要件が異なる動作条件で大幅に変化するか、または単一の空気圧トランスミッションシステム６００を介して達成できない、または達成することが望ましくないダイナミックレンジを必要とする外骨格システム１００の適応性である場合がある。

【0118】

一例では、２つの独立した空気圧トランスミッションシステム６００Ａ、６００Ｂを備えた外骨格システム１００は、いくつかの動作条件において空気圧トランスミッションシステム６００のうちの１つだけが使用され、その後、いくつかの動作条件において第１の空気圧トランスミッション６００に加えて動作するように第２の空気圧トランスミッション６００を必要に応じて採用できる（例えば、高出力及び／または高速ダイナミックレンジが望ましい動作条件において）ように設計することが可能である。一実施形態では、２つの空気圧トランスミッションシステム６００を単一の脚部作動ユニット１１０に接続することができる。いくつかのそのような例における空気圧トランスミッションシステム６００は、第１のトランスミッションシステム６００Ａが遊脚部期挙動に関連する動力要件を支援し、他の第２のトランスミッションシステム６００Ｂが立脚部相動作のために（すなわち、第１のトランスミッションシステム６００Ａと組み合わせて）追加の動力を提供するように設計することが可能である。そのようなシステム構成の様々な実施形態が存在し、そのいくつかは、単一の動力付き自由度に接続された複数の空気圧トランスミッション６００を有するという特徴を含む。

【0119】

同様に、いくつかの実施形態は、別個のそれぞれの空気圧トランスミッション６００によって、また、複数の流体アクチュエータ６００のうちの１つ以上に追加の動力を提供するように構成された空気圧トランスミッション６００によって動力を与えられる複数の流体ベローズアクチュエータ１３０を備えることができる。例えば、図１０ｂは、第１、第２及び第３の空気圧トランスミッション６００Ａ、６００Ｂ及び６００Ｃを備える外骨格システム１００の例示的な実施形態１１０Ｄを示し、第１及び第２の空気圧トランスミッション６００Ａ、６００Ｂは、第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂに排他的にそれぞれ接続される。図１０ｂの第３の空気圧トランスミッション６００Ｃは、弁９５０を介して第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの一方または両方に流体結合されるように構成される。例えば、図１０ｂの第１及び第２の空気圧トランスミッション６００Ａ、６００Ｂは、図９ａの実施形態１００Ａと同様の第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂ流体的に結合され得、図１０ｂの第３の空気圧トランスミッション６００Ｃは、図９ｂの実施形態１００Ｂと同様に第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂに流体的に結合され得る。

【0120】

さらなるシステム構成は、複数の空気圧トランスミッションシステム６００と複数の動力付き自由度（例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０）の間のネットワークを備えるかまたは生成するように設計することができる。そのような構成は、外骨格システム１００が、複数の空気圧ベローズアクチュエータ１３０にわたって複数の空気圧トランスミッションシステム６００によって生成された空気圧システム５２０の動力容量を共有することを可能にし得る。全空気圧システム５２０は、個々の空気圧トランスミッションシステム６００の設計によって定義され得るピーク空気圧動力出力能力を依然として有することができるが、様々な例において様々な動力付き自由度（例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０）を相互接続することによって、空気圧動力は、単一の動力付き自由度に専用されるのではなく、外骨格システム１００の任意の動力付き自由度にわたって活用され得る。

【0121】

例えば、図１１ａは、弁９５０を介して第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂに流体的に結合されるように構成された第１、第２及び第３のトランスミッションシステム６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃを備える外骨格システム１００の別の実施形態１００Ｅを示す。弁９５０は、第１、第２及び第３のトランスミッションシステム６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃの１つ以上を、所与の時間に第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの一方または両方に流体結合することを可能にすることができる。例えば、弁９５０は、第１、第２、及び第３のトランスミッションシステム６００Ａ、６００Ｂ、６００Ｃのうちの１つ以上を、第１の流体アクチュエータ１３０Ａのみに、第２の流体アクチュエータ１３０Ｂのみに、または第１及び第２の流体アクチュエータ１３０Ａ、１３０Ｂの両方に同時に流体的に結合させることができる。

【0122】

一実施形態では、デュアル膝動力外骨格は、２つの空気圧動力トランスミッションユニット６００で構成することができる（例えば、図１及び図５に示されるように）。空気圧システム５２０は、必要に応じて、各動力トランスミッションユニット６００を脚部作動ユニット１１０Ｌ、１１０Ｒの一方または両方に選択的に配管できる弁９５０と相互接続することができる。例えば、図１１ｂは、そのような構成を有する例示的な実施形態１００Ｆを示す。そのような実施形態における動力トランスミッションユニット６００は、動力トランスミッションユニット６００が、必要なときに過剰な動力を他方の脚部アクチュエータユニット１１０に向けるように制御されて、各自由度（例えば、各流体ベローズアクチュエータ１３０）の平均動力ニーズを満たすようにサイズ設定することが可能である。そのようなシステム構成の様々な実施形態は、様々な数の自由度及び動力トランスミッションユニット６００と共に存在することができ、様々な実施形態は、動力トランスミッションシステム６００の２つ以上のものに一連の弁を介して相互接続された動力付き自由度の２つ以上（例えば、２つ以上の流体ベローズアクチュエータ１３０）を有する特徴を備えることができる。

【0123】

上記の構成は代表的な構成であり、限定的であること、またはすべての潜在的なシステム構成を伝える試みであることを意図していないことに留意することが重要である。他の構成の変形は、１つ以上の空気圧トランスミッションシステム６００及び１つ以上の動力付き自由度（例えば、１つ以上の流体アクチュエータ１３０）の任意の適切な集合を含むことができる。したがって、図９ａ～図１１ｂは、任意の適切な複数の流体ベローズアクチュエータ１３０（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１５、２５、５０、１００、など）及び任意の適切な複数の空気圧トランスミッションシステム６００（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１５、２５、５０、１００、など）を有する外骨格システム１００に適用することができるは明らかであろう。例えば、いくつかの実施形態は、例示的な実施形態１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆのいずれかに従って、トランスミッションシステム（複数可）６００及び流体ベローズアクチュエータ（複数可）１３０の複数の同じまたは異なるセットを含むことができる。同様に、相互接続されたトランスミッションシステム６００及び流体ベローズアクチュエータ１３０の数は、任意の適切な数であってもよい。たとえば、例示的な実施形態１００Ｅは、３つのトランスミッションシステム６００及び２つの流体アクチュエータ１３０を備えるが、さらなる実施形態は、任意の適切な複数のそのような要素（たとえば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１２、１５、２５、５０、１００など）を含むことができる。したがって、例示的な実施形態の態様は、適宜交換可能であり、必ずしもその所与の実施形態のみに限定されないと解釈されるべきである。また、システムの様々なコンポーネントのサイジングに対する例示的な設計アプローチの本明細書での導入は、これらの構成の適用性または拡張性を制限するものではない。同様に、複雑なシステムは、本明細書に記載の本発明の広範な適用性を制限することなく、上記の構成の任意の組み合わせを含むことができる。

【0124】

外骨格システム１００の挙動を制御するために、様々な適切な方法を使用することができる。例えば、ロボットシステムにおける個々の自由度（例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０）の共通の目的は、自由度を制御して所望の低レベルの目標性能を満たすことであり得る。具体的には、位置、力、圧力、または速度の基準に一致するように制御できることは、様々な例で有益であり得る。

【0125】

一実施形態では、外骨格デバイス５１０（図５参照）は、単一の動力トランスミッションシステム６００に直接接続された単一の自由度（例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０）を有する外骨格システム１００内の所望の圧力基準を目標と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が、ベローズアクチュエータ１３０の圧力が目標圧力よりも低いことを検出すると（例えば、１つ以上のセンサ５１３を介して）、空気圧システム５２０は、空気圧動力トランスミッション６００に、アクチュエータ１３０内の圧力を高めるためにより多くの空気をアクチュエータ１３０に移動させてベローズアクチュエータ１３０に新しい動力を入力することができる。例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０内の圧力が目標圧力未満であるという判定は、１つ以上の圧力センサ５１３からのデータに基づいて、外骨格デバイス５１０によって行われ得る。これに応答して、外骨格デバイス５１０は、機械的動力源６６０に空気圧動力トランスミッション６００のピストン６４０を動かしてトランスミッションチャンバ６２０をより小さくさせ、トランスミッションチャンバ６２０内の圧力を増加させ、これによって流体アクチュエータ１３０内の圧力も増加させることができる。

【0126】

同様に、外骨格デバイス５１０が、ベローズアクチュエータ１３０の圧力が目標圧力よりも低いことを感知すると（例えば、１つ以上のセンサ５１３を介して）、空気圧システム５２０は、逆の方法で動作し、ピストン６４０を機械的に引き戻し、トランスミッションチャンバ６２０（及びそれによって作動流体容積６３０）の容積を増大させることによってベローズアクチュエータ１３０から動力を除去することができ、それによってベローズアクチュエータ１３０内の圧力を低くすることができる。例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０内の圧力が目標圧力超であるという判定は、１つ以上の圧力センサ５１３からのデータに基づいて、外骨格デバイス５１０によって行われ得る。これに応答して、外骨格デバイス５１０は、機械的動力源６６０に空気圧動力トランスミッション６００のピストン６４０を動かしてトランスミッションチャンバ６２０をより大きくさせ、トランスミッションチャンバ６２０内の圧力を増加させ、これによって流体アクチュエータ１３０内の圧力を順に増加させることができる。

【0127】

いくつかの実施形態では、外骨格デバイス１００を操作する方法は、流体ベローズアクチュエータ１３０内の圧力を判定することと、圧力が目標圧力または目標圧力範囲超、未満、または同等／範囲内であるかを判定することと、圧力が目標圧力または目標圧力範囲超、未満、または同等／範囲内であるかを判定することに少なくとも一部基づいて空気圧動力トランスミッション６００のピストン６４０を動かすかどうかを決定することとを含むことができる。例えば、ベローズアクチュエータ１３０の圧力が目標圧力範囲または値にある、近い、または範囲内であると判断された場合、ピストン６４０を動かすことは必要でないと判断することができるが、アクチュエータ１３０の圧力が所定の目標圧力または圧力範囲超または未満であると判断された場合、ピストン６４０を動かすことは必要であると判断することができる。

【0128】

ピストン６４０の移動が必要であると判断された場合、ピストン６４０を現在位置から移動させる距離または量に関して判断を下すことができ、次いでピストン６４０を現在位置から判断された距離または量だけ移動させることができる。例えば、本明細書で説明するように、空気圧動力トランスミッション６００の本体６１０内のピストン６４０の位置を変更すると、トランスミッションチャンバ６２０の容積またはサイズが変化し、それにより作動流体容積６３０の容積またはサイズが変化する。

【0129】

いくつかの実施形態では、ピストン６４０を動かす距離または量を決定することは、作動流体容積６３０、またはその一部分（例えば、トランスミッションチャンバ６２０、流体ライン１４５及び／または流体ベローズアクチュエータ（複数可）１３０）の決定または周知の容積と、トランスミッションチャンバ６２０、流体ライン１４５及び／または流体アクチュエータ（複数可）１３０などの外骨格システム１００の様々な部分に関連する圧力に基づいて行うことができる。例えば、トランスミッションチャンバ６２０の容積は、ピストン６４０の位置、リードねじ６５０の回転などに基づいて決定することができる。流体ベローズアクチュエータ１３０の容積は、流体ベローズアクチュエータ１３０の構成（例えば、流体アクチュエータ１３０が物理的にどの程度圧縮または拡張されるか）に基づいて決定することができる。流体ライン１４５の容積は、静的で既知の容積とすることができ、いくつかの実施形態では、無視できる容積であるとみなすことができる。作動流体容積６３０またはその一部分の圧力は、トランスミッションチャンバ６２０、流体ライン１４５及び／または流体アクチュエータ１３０（複数可）に配置された１つ以上のセンサ５１３（例えば、圧力センサ）に基づくことができる。

【0130】

別の実施形態では、そのような外骨格システム１００は、フィードバックの形態として、自由度に関する位置センサ（例えば、流体ベローズアクチュエータ１３０）を含むことができ、外骨格デバイス５１０は、位置センサからのデータを使用して、自由度の所望の標的位置を追跡することができる。例えば、位置センサは、流体ベローズアクチュエータ１３０の容積に対応することができる、流体ベローズアクチュエータ１３０が拡張または収縮する量を示すことができる。上述の例と同様に、外骨格デバイス５１０は、流体ベローズアクチュエータ１３０が目標状態と比較してより圧縮された状態にあることを示す流体ベローズアクチュエータ１３０に関連付けられた位置センサからデータを取得することができ、外骨格デバイス５１０は空気圧トランスミッション６００のピストン６４０にトランスミッション空洞６２０のサイズを縮小させ、トランスミッション空洞６２０内の流体圧を増加させて、続いて、目標状態に向かって拡張させ得る流体ベローズアクチュエータ１３０内の圧力を増加させることができる。

【0131】

様々な実施形態は、１つ以上の流体ベローズアクチュエータ１３０の所望の位置、速度、加速度、圧力、力、トルクなどを制御するように構成することができ、これは、本明細書で説明したように、外骨格システム１００に様々な適切な動作での使用を支援させることができる。例えば、１つ以上のトランスミッション空洞６２０の１つ以上のピストン６４０の位置を制御して１つ以上の流体ベローズアクチュエータ１３０の圧力を制御することに加えて、外骨格デバイス５１０は、第１の位置から第２の位置へ移動する速度またはスピード、第１の位置から第２の位置へのパルス運動、などを含む、ピストン６４０を第１の位置から第２の位置に動かすのに適した方法をさらに決定することができる。

【0132】

いくつかの実施形態では、１つ以上のピストン６４０の動きは、事前にプログラムされた動作セットに少なくとも部分的に基づくことができ、これは、いくつかの例では、立つ、歩く、座る、持ち上げるなどの、ユーザ、管理者または外骨格システム１００によって自動的にトリガされ得る外骨格システム１００の動きに対応することができる。そのような事前にプログラムされた動作セットは、いくつかの例では、１つ以上のセンサ５１２から取得されたデータに基づいて変更することができる。例えば、ユーザは、１つ以上のピストン６４０に対して事前にプログラムされた動作セットを実行させることができる立つ動作をトリガすることができ、そのような動作の実行は、外骨格システム１００の１つ以上のセンサ５１２から得られたデータに少なくとも部分的に基づいて、微調整、調整、修正などを行うことができる。さらに、本明細書で説明する様々な例は、外骨格システム１００の移動を容易にするために１つ以上の動力トランスミッション６００の１つ以上のピストン６４０を動かすことに関連しているが、さらなる実施形態は、弁（例えば、図９ｂ～～１１ｂの弁９５０）などを作動させることを含むことができる。

【0133】

いくつかの場合、ユーザから作動力を除去するために、空気圧システム５２０、流体ベローズアクチュエータ１３０などを迅速に排気することが望ましい場合がある。いくつかの外骨格システム１００では、これは、１つ以上のベローズアクチュエータ１３０または空気圧システム５２０の一部分の圧力を環境に排気するための制御可能な弁を介して達成することができる。しかしながら、空気圧動力トランスミッション６００のいくつかの実施形態では、空気圧回路または作業容積６３０は環境に対して閉鎖されたままであり、直接排気を許容しないかまたは不可能にする。これを考慮するために、空気圧動力トランスミッション６００のいくつかの実施形態は、１つ以上のベローズアクチュエータ１３０のゲージ圧力をゼロ、ゼロ付近に、ユーザから作動力を実質的に除去する圧力に低減する努力で、システム圧力を大気圧未満に引き下げるように構成することが可能である。これは、いくつかの例では、空気圧チャンバ６２０の最大容積で、空気圧チャンバ６２０内の圧力が大気圧未満に低下するように、空気圧チャンバ６２０の容積を設計することによって達成することができる。一実施形態では、片脚部膝外骨格は、－５ｐｓｉ～３０ｐｓｉの作動範囲を有する単一の空気圧動力トランスミッションシステムを用いて設計される。－５ｐｓｉは、大気圧より５ｐｓｉ低いゲージ圧であることができ、ベローズアクチュエータ１３０内の空気がベローズアクチュエータ１３０から急速に流出して、ベローズアクチュエータ１３０内の圧力を低下させ、様々な例で制御システムの応答性を向上させることができる。

【0134】

いくつかの場合、空気圧システム６２０、空気圧ライン（複数可）１４５、及び／または流体ベローズアクチュエータ（複数可）１３０を設計及び制御して、そのような要素の受動的ダイナミクスを活用することが有益である場合がある。例えば、そのような要素は、いくつかの例では、それらの受動的なダイナミクスに関連するばね定数と減衰効果の両方を有する。一実施形態では、外骨格デバイス５１０は、空気圧チャンバ（複数可）６２０を所望の容積目標に制御することによって、ベローズアクチュエータ（複数可）１３０で所望のばね定数を生成することができ、これは、その中の流体の圧縮率と共に、ベローズアクチュエータ（複数可）１３０において特定の所望のばね定数を生成できる。別の実施形態では、外骨格デバイス５１０は、空気圧システム５２０、空気圧ライン（複数可）１４５、ベローズアクチュエータ（複数可）１３０、などと一列に配置された制御弁を空気の流れを制限する努力で部分的に閉じることによって、１つ以上のジョイントで所望の減衰定数を実現しようとする。

【0135】

様々な実施形態は、様々な方法でばね定数及び／または減衰を生成することができ、上述した方法の一般的適用性を失うことなく、これらの目的の任意の適切な組み合せを含むことができる。様々な例において、外骨格システム１００は、外骨格デバイス５１０が動的挙動に追いつくために必要な速度及び制御帯域幅を必要とせずに所望の挙動を達成できるように、作動システムの受動的ダイナミクスを適合させる入力を制御することが可能である。

【0136】

１つの例示的な実施形態は、空気圧ベローズアクチュエータ１３０及び空気圧トランスミッション６００を備える密閉空気システムを含み、ピストン６４０を駆動して、作動流体容積６３０の全体容積を増加または減少させて、空気圧ベローズアクチュエータ１３０内の目標圧力を達成することができる。これは、１つ以上の圧力センサを使用してシステム圧力をリアルタイムで検出し、そのようなセンサからの読み取り値に基づくピストン速度及び／または位置を調整するなど、いくつかの例では、能動的に行うことができる。ピストン６４０は、いくつかの例では、ボールねじへの名目上の剛性接続を有するモータによって直接駆動することができる。ピストン６４０のナットは、ボールねじの回転運動をピストン６４０の直線運動に変換することができる。さらなる実施形態は、台形ねじ、アクメねじ、ボールねじ、リードねじなどを含む、任意の適切なプロファイルまたはタイプのねじ構成要素を含むことができる。さらに、本明細書の様々な例は、単一のリードねじ６５０によって作動する単一のピストン６４０を有する空気圧トランスミッション６００を示しているが、さらなる実施形態は、協調運動で回転する２つ以上のねじによって作動するピストン６４０を含むことができる。

【0137】

外骨格システム１００を装着したユーザ１０１の動き（例えば、ユーザ１０１が膝を動かしてベローズアクチュエータ１３０の膨張または収縮を引き起こす）によって１つ以上の空気圧式ベローズアクチュエータ１３０の容積が変化する場合外骨格システム１００は、作動流体容積６３０、ベローズアクチュエータ（複数可）１３０、空気圧チャンバなどの圧力における対応の変化を感じ、それに応じて１つ以上のピストン６４０を動かして作動流体容積６３０を調節して１つ以上の流体ベローズアクチュエータ１３０内で目標圧力を達成し得るよう構成され得る。

【0138】

様々な好適な流体アクチュエータ及びシステムは、米国特許第１０，５４３，１１０号として発行された「ＬＯＷＥＲ－ＬＥＧ ＥＸＯＳＫＥＬＥＴＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題する出願人の米国特許出願第１５／０８２，８２４号、米国特許第９，８２７，６６７号として発行された「ＰＮＥＵＭＡＴＩＣ ＥＸＯＭＵＳＣＬＥ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題する米国特許出願１４／５７７，５２４号、及び「ＬＥＧ ＥＸＯＳＫＥＬＥＴＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ」と題する米国特許出願第１５／９５３，２９６号の１つ以上に示され、記載されているアクチュエータ及び／または外骨格システムを含むリードばねコンプレッサを採用することができる。これらの特許出願は、その全体が、全ての目的のために、参照により本明細書に組み込まれる。

【0139】

機械的エネルギーがユーザ１０１に伝達される機械的動力源６６０（例えば、モータ）と１つ以上の空気圧アクチュエータ（複数可）１３０の間の弁を排除することにより（例えば、脚部アクチュエータユニット１１０を介して）、制御できない空気膨張による不可逆的エネルギー損失は、いくつかの例ではほとんど排除され得る。さらに、いくつかの実施形態では、１つ以上の作動流体容積６３０に圧力上昇を生じさせるために使用されるエネルギーは、圧力低下中に部分的に回収することができる。例えば、ピストン６４０上の背圧は、機械的動力源６６０に負荷を生じさせることができ、これは、回生ブレーキと同様に、機械的動力源６６０を逆駆動するのに使用することができる。これにより、機械的動力源６６０がシステム動力源５１６（図５参照）に戻るエネルギーを蓄積する結果となり得る。これにより、様々な例で総エネルギー消費量を正味削減できる。

【0140】

本明細書で説明されるように、様々な実施例において弁を排除することは、いくつかの弁設計に内在し得る流量制限を排除することができる。流量制限の低減は、空気がより高い流量で外骨格システム１００の１つ以上の空気圧アクチュエータ１３０に出入りできることを意味し、これは望ましいことであり得る。ただし、いくつかの例では、弁が主な流量制限ではない場合があることに留意されたい。

【0141】

いくつかの往復コンプレッサシステムでは、１つ以上の空気圧アクチュエータ１３０に空気を供給するために使用される空気圧は、アクチュエータ（複数可）１３０よりも供給源の方が高くなければならない。このような例では、入口弁を横切る流れを誘発するために圧力差が必要となる場合がある。十分なサイズの弁のない空気圧流路を横切る流れを誘発するために必要な圧力差は、いくつかの例では無視できる可能性があり、作動流体容積６３０の最大圧力が空気圧アクチュエータ（複数可）１３０の最大圧力目標になり得ることを意味する。そのようなコンプレッサでシステム内の圧力上昇を抑えることにより、システム内の空気の温度上昇も抑えることができる。これにより、流路内の構成要素の温度要件が緩和され、システムからの熱伝達によるエネルギー損失の可能性が減少する。

【0142】

空気圧アクチュエータ１３０のいくつかの例における吸気弁及び／または排気弁を排除することによって、（これは、エネルギー消費を低減することができ、熱緩和要件を低減することができる）そのような圧力制御システムの周りに基づく流体システム（例えば、外骨格システム１００）は、より少ない総部品、少ない電気機械的アクチュエータ、及び所定の動作範囲についてより少ないエネルギー貯蔵を有することができる。これは、様々な実施形態において望ましいことであり得る。

【0143】

いくつかの実施形態では、ロボット外骨格システム１００は、１つ以上の空気圧アクチュエータ１３０を加圧状態で密閉するために弁を使用しない。空気圧アクチュエータ１３０が動いておらず、一定の圧力（例えば、大気圧より高い）を維持する必要がある場合、いくつかの例では、機械的動力源６６０がピストン６４０を静止状態に保持することができる。ピストン６４０を位置決めするねじ６５０は逆駆動できるので、ピストン６４０に作用するシステム圧力からの力は、様々な実施形態において機械的動力源６６０のモータトルクによって打ち消される必要がある。機械的動力源６６０は、静的システムのいくつかの例において圧力を維持するために保持トルクを行使することができる。この保持トルクは、いくつかの例では、外骨格システム１００が実際の機械的動力をユーザ１０１に伝達していない間に電力を消費する可能性がある（ただし、１つ以上の空気圧アクチュエータ１３０で一定の力が維持されてもよい）。

【0144】

静的システムで圧力を維持するために電力を消費することは、他のタイプのシステムと比較していくつかのタイプのシステムの欠点になる可能性がある。１つ以上の空気圧ベローズアクチュエータ１３０を密閉するための弁を備えたシステムでは、様々な例において、静的負荷の場合に圧力を維持するために電力を消費する必要がない。この欠点の大きさは、用途に大きく依存する可能性があり、いくつかの実施形態では存在しない場合がある。したがって、様々な実施形態は、空気圧動力トランスミッション６００と１つ以上の空気圧ベローズアクチュエータ１３０の間に弁を含むことができ、これは、いくつかの例では、１つ以上の空気圧ベローズアクチュエータ１３０内に静圧を生成するのを支援することができる。

【0145】

いくつかの好ましい実施形態は、ねじ駆動ピストン６４０を使用して、動的システムに圧力変化を生じさせることができる。そのようなシステム（例えば、空気圧トランスミッションシステム６００）のピストン側の１つの機能は、そのようなシステムがシリンジに類似していることであり得る。たとえば、ソフトロボティクスのアプリケーションでは、システム全体が大きなシリンジを使用して小さな風船を膨らませ、収縮させることに類似し得る。

【0146】

様々な実施形態において、ピストン６４０は、円形ではない断面を有することができる。ピストン円周の広い領域とピストン壁との相互作用を使用して、ピストン６４０に反作用トルクを発生させることができ、この反作用トルクは、ピストン６４０のナットがリードねじ６５０を介してピストン６４０の動きを生成するために必要とされ得る．非円形ピストン６４０のそのような相互作用は、ピストン６４０がナットと一緒に回転するのを防ぐことができる逆回転機能として効果的に機能することができる。このような非円形の設計により、追加の構成要素、より多くのシールインターフェース、より複雑なシールまたは構成要素、またはそれらの組み合わせの形態で、追加の逆回転機能の必要性を排除することができる。しかし、いくつかの実施形態は、キー溝、リニアガイドレールなどの回転防止機能を有する円形ピストンを備えることができる。

【0147】

様々な例において、外骨格システム１００の作動流体容積６３０は、単一の空気チューブまたはライン１４５によって接続された、空気圧アクチュエータ１３０及び空気圧トランスミッション６００からなる、本質的にそれらからなる、またはそれらを備える単一の閉じた空気容積であり得る。ユーザ１０１に取り付けられると、空気圧アクチュエータ１３０は、本明細書で説明されるように、骨格ジョイントまたは筋肉群の周りでユーザ１０１に力を伝達するように配置することができる。空気圧トランスミッション６００は、ユーザの背中、胴体、またはユーザの胴体に最も近い手足の部分、例えば大腿上部などに装着することができる。いくつかの例における空気圧ライン１４５は、空気圧アクチュエータ１３０と空気圧トランスミッション６００を接続して、単一の密閉空気作動流体容積６３０を作成することができる。しかしながら、いくつかの例は、過圧弁、空気をシステムに入れるためのブリード弁、またはシステムから空気を素早く出すためのブリード弁などを含むことができる。

【0148】

図１２ａ、図１２ｂ、図１３ａ及び図１３ｂを参照すると、脚部アクチュエータユニット１１０の例は、ジョイント１２５、ベローズアクチュエータ１３０、拘束リブ１３５、及びベースプレート１４０を含むことができる。より具体的には、図１２ａ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１２ｂは、拡張構成にある図１２ａの脚部アクチュエータユニット１１０の側面図を示す。図１３ａは、圧縮構成の脚部アクチュエータユニット１１０の側断面図を示し、図１３ｂは、拡張構成の図１３ａの脚部アクチュエータユニット１１０の側断面図を示す。

【0149】

図１２ａ、図１２ｂ、図１３ａ及び図１３ｂ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結合する複数の拘束リブ１３５を有することができ、それはベローズアクチュエータ１３０の一部分を囲むかまたはそれに当接する。例えば、いくつかの実施形態では、拘束リブ１３５はベローズアクチュエータ１３０の端部１３２に当接でき、ベローズアクチュエータ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をベローズアクチュエータ１３０の端部１３２間に配置することができる。例えば、図１２ａ、図１２ｂ、図１３ａ及び図１３ｂは、ベローズアクチュエータ１３０の端部１３２間に配置された１つの拘束リブ１３５を示すが、さらなる実施形態は、ベローズアクチュエータ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。いくつかの実施形態では、拘束リブは存在しなくてもよい。

【0150】

図１３ａ及び図１３ｂの断面に示されるように、ベローズアクチュエータ１３０は、流体（例えば、空気）で満たされ得る空洞１３１を画定して、ベローズアクチュエータ１３０を拡張することができ、これにより、図１２ｂ及び図１３ｂに示されるようにＢ軸に沿ってベローズを伸長させることができる。例えば、図１２ａに示されるベローズアクチュエータ１３０内の圧力及び／または流体の容積を増加させると、ベローズアクチュエータ１３０が図１２ｂに示す構成に拡張するようにすることができる。同様に、図１３ａに示されるベローズアクチュエータ１３０での流圧及び／または流体率を増加させると、ベローズアクチュエータ１３０が図１３ｂに示される構成に拡張するようにすることができる。明確にするために、「ベローズ」という用語の使用は、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、構成要素の形状を限定することを意図していない。ベローズアクチュエータ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。「ベローズ」という用語は、畳み込みを有する構造を含む必要があると解釈されるべきではない。

【0151】

代替的には、図１２ｂに示されるベローズアクチュエータ１３０内の圧力及び／または流体の容積を減少させると、ベローズアクチュエータ１３０が図１２ａに示される構成に収縮するようにすることができる。同様に、図１３ｂに示されるベローズアクチュエータ１３０内の圧力及び／または流体の容積を減少させると、ベローズアクチュエータ１３０が図１３ａに示される構成に収縮するようにすることができる。ベローズアクチュエータ１３０の流圧または流体率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の空気圧システム５２０及び空気圧ライン１４５によって実行することができる。

【0152】

好ましい一実施形態では、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ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アクチュエータ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アクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０内の圧力を変えるベローズアクチュエータ１３０への流体の導入及び除去に関し、さらなる例は、ベローズアクチュエータ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。

【0153】

図１２ａ、図１２ｂ、図１３ａ及び図１３ｂに示されるように、拘束リブ１３５は、ベローズアクチュエータ１３０を支持し、拘束することができる。例えば、ベローズアクチュエータ１３０を拡張させると、ベローズアクチュエータ１３０はベローズアクチュエータ１３０の長さに沿って拡張し、ベローズアクチュエータ１３０は半径方向にも拡張する。拘束リブ１３５は、ベローズアクチュエータ１３０の一部の半径方向の拡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、ベローズアクチュエータ１３０は、１つ以上の方向に柔軟な材料を含み、拘束リブ１３５は、ベローズアクチュエータ１３０の直線の拡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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０が膨張及び／または収縮する際に、ベローズアクチュエータ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。

【0154】

いくつかの例では、収縮構成のベローズアクチュエータ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の半径方向の縁部を越えてより少なく延びるように、拘束リブ１３５の半径方向の縁部まで延びるように、または拘束リブ１３５の半径方向の縁部を越えてより少なく延びないようにすることが可能である。例えば、図１３ａは、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０の圧縮構成を示し、図１３ｂは、膨張中に収縮して、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０を示している。

【0155】

同様に、図１４ａは、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０の圧縮構成の上面図を示し、図１４ｂは、膨張中に収縮して、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０の上面図を示す。

【0156】

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１４ａ、図１４ｂ、及び図１５は、ジョイント構造１２５から延び、ベローズアクチュエータ１３０の一部分が（例えば、図１３ａ、図１３ｂ、図１４ａ及び図１４ｂに示すように）延びることができるリブ空洞１３８を画定する円形リブリング１３７と結合する一対のリブアーム１３６を有する拘束リブ１３５の例示的実施形態の上面図である。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。

【0157】

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。

【0158】

様々な実施形態において、拘束リブ１３５は、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ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。さらに、いくつかの実施形態では、拘束リブ１３５がなくてもよい。

【0159】

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体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体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、ジョイント構造体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アクチュエータ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の可動域全体にわたってベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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１３５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、ベローズアクチュエータ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、ジョイント構造体１２５の周りなどに接続されるリンク機構、回転的屈曲が含まれるがこれらに限定されない。

【0160】

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１３５がベローズアクチュエータ１３０と相互作用してベローズアクチュエータ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はベローズアクチュエータ１３０の長さに沿った所定の位置でベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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がベローズアクチュエータ１３０の長さに沿って浮遊し、所定の接続箇所でベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０を含むことができ、いくつかの例で、ベローズアクチュエータ１３０が膨張したときにその位置でベローズアクチュエータ１３０の幅を縮小する構成であってよい。

【0161】

ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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。

【0162】

例えば、いくつかの実施形態では、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０は、平面材料の１つ以上の平面軸に沿って実質的に非伸長性であるが、他の方向には可撓性である平面材料で作ることができる。例えば、図１７は、平面材料１７００（例えば布地）の側面図を示し、この平面材料１７００は、この材料の平面と一致する軸Ｘに沿って実質的に非伸長性であるが、軸Ｚを含む他の方向には可撓性である。図１７の例では、材料１７００は、Ｚ軸に沿って上向き及び下向きに屈曲するが、Ｘ軸に沿って非伸長性であることが示されている。様々な実施形態では、軸Ｘのように材料１７００の平面とも一致しており、軸Ｘに垂直である軸Ｙ（図示せず）にも沿って材料１７００が非伸長性であり得る。

【0163】

いくつかの実施形態では、ベローズアクチュエータ１３０は、材料の１つ以上の軸に沿って非伸長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、ベローズアクチュエータ１３０は、織布製チューブを含むことができる。織布材料は、ベローズアクチュエータ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、ユーザ１０１の身体に沿って、身体１０１の所望のジョイント（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。

【0164】

様々な実施形態において、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０は脚部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アクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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。

【0165】

換言すれば、ベローズアクチュエータ１３０は、チャンバを画定する実質的に非伸長性の織物製エンベロープを含むことができ、このチャンバは、実質的に非伸長性の織物製エンベロープ内に含まれる流体不浸透性ブラダ、及び／または実質的に非伸長性の織物製エンベロープ内に組み込まれた流体不浸透性構造によって流体不浸透性になる。実質的に非伸長性の織物製エンベロープは、実質的に非伸長性の織物製アクチュエータの過度の変位を防止するために、所定の幾何学的形状と、チャンバの加圧時に機械的停止を提供する変位での非線形平衡状態とを有することができる。

【0166】

いくつかの実施形態では、ベローズアクチュエータ１３０はエンベロープを含むことができ、このエンベロープは、本明細書で論じられるような様々な適切な動きを規定することができる非伸長性織物（例えば、非伸長性の編物、織布、不織布など）からなる、または本質的にそれらからなる。非伸長性の織物製ベローズアクチュエータ１３０は、特定の平衡状態（例えば、圧力の増加にもかかわらず安定している最終状態または形状）、圧力／剛性比、及び運動経路で設計することができる。いくつかの例での非伸長性の織物製ベローズアクチュエータ１３０は、非伸長性材料が力の方向性をより最適に制御することを可能にするため、大きい力を正確に伝えるように構成することができる。

【0167】

したがって、非伸長性の織物製ベローズアクチュエータ１３０のいくつかの実施形態は、所定の幾何学的形状を有することができ、この所定の幾何学的形状は、チャンバ内側の圧力が相対的に上昇している間の織物製エンベロープの伸縮を介してではなく、織物製エンベロープの変位が原因で、非膨張形状とその平衡状態の所定の幾何学的形状（例えば、完全膨張形状）との間の幾何学的形状における変化を主に介して変位を生じる。様々な実施形態では、これは、ベローズアクチュエータ１３０のエンベロープの構造に非伸長性材料を使用することで達成することができる。本明細書で説明されるように、いくつかの例では、「非伸長性」または「実質的に非伸長性」は、１つ以上の方向での１０％以下、５％以下、または１％以下までの拡張として定義することができる。

【0168】

図１６ａは、別の実施形態によるベローズアクチュエータ１３０を含む空気圧アクチュエータユニット１１０の断面図を示し、図１６ｂは、図１６ａの断面を示す拡張構成における図１６ａの空気圧アクチュエータユニット１１０の側面図を示す。図１６ａに示すように、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０の構造を説明するための「層」という用語の使用は、設計を限定するものとみなされるべきではない。「層」の使用は、平面材料シート、湿式フィルム、乾式フィルム、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指すことができる。

【0169】

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）に対して不浸透性または半浸透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、本明細書で説明されるように、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。

【0170】

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、不浸透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アクチュエータ１３０を含む。

【0171】

ベローズアクチュエータ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、流体不浸透性を付与し、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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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。

【0172】

さらに別の実施形態では、ベローズアクチュエータ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、湿式潤滑剤、乾式潤滑剤、または低摩擦材料の複数層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との間の摩擦を減少させることができる。したがって、図１４ａの例は、３層１３２、１３３、１３４を含むベローズアクチュエータ１３０の一例を示しているが、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アクチュエータ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結合することができ、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面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、湿式潤滑剤、乾式潤滑剤などによって画定され得る。

【0173】

ベローズアクチュエータ１３０の膨張した形状は、いくつかの実施形態では、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０の膨張形状は、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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。

【0174】

いくつかの実施形態では、ベローズ空洞１３１内に１つ以上の不浸透性層を配置することができ、及び／またはベローズアクチュエータ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浸透性の第一内側層１３２）を含むことができる。ベローズアクチュエータ１３０は、本明細書に記載のようにベローズアクチュエータ１３０が拡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、ベローズアクチュエータ１３０は、収縮構成に向かって付勢することができ、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０は、流体で膨張すると拡張及び／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、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０が存在し得るが）。本明細書で説明するように、ベローズアクチュエータ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。

【0175】

ベローズアクチュエータ１３０は、様々な実施形態にわたって大幅に変わることができるため、本例は限定的であると解釈されるべきではない。ベローズアクチュエータ１３０の好ましい一実施形態は、本明細書で説明される膝伸展トルクを提供するように構成された布ベースの空気圧アクチュエータを含む。この実施形態の変形は、均一な断面ではない布製アクチュエータなどのアクチュエータの所望のパフォーマンス特性を提供するようにアクチュエータを合わせるために存在することができる。他の実施形態は、電気機械式アクチュエータを使用することができ、この電気機械式アクチュエータは、流体ベローズアクチュエータ１３０の代わりに、またはそれに加えて、膝に屈曲及び伸展トルクを与えるように構成することができる。様々な実施形態は、下肢ジョイントの伸展または屈曲の正の動力または負の動力の補助のために、電気機械、油圧、空気圧、電磁気、または静電の組み合わせを組み込む設計を含むことができるが、これらに限定されない。

【0176】

また、アクチュエータのベローズアクチュエータ１３０は、特定の設計により必要に応じて様々な位置にあることができる。一実施形態は、膝ジョイントの軸に沿って位置しており、ジョイント自体と平行に位置決めされている、動力膝部装具構成要素のベローズアクチュエータ１３０を配置する。様々な実施形態は、ジョイントと直列に構成されたアクチュエータ、ジョイントの前側に構成されたアクチュエータ、及びジョイントの周りに静止するように構成されたアクチュエータを含むが、これらに限定されない。

【0177】

ベローズアクチュエータ１３０の様々な実施形態は、作動の動作を拡張する二次的特徴を含むことができる。そのような一実施形態は、ベローズアクチュエータ１３０に対して許容可能な可動域を制限するために、ユーザが調整可能な機械的ハードエンドストップを含むものである。様々な実施形態は、以下の伸展特徴、すなわち、可撓性エンドストップの包含、電気機械的ブレーキの包含、電磁ブレーキの包含、磁気ブレーキの包含、ジョイントをアクチュエータから機械的に切り離すために機械的に係脱するスイッチの包含、またはアクチュエータ構成要素の迅速な交換を可能にするクイックリリースの包含を含むことができるが、これらに限定されない。

【0178】

様々な実施形態では、ベローズアクチュエータ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公開第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公開第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公開第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公開第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。

【0179】

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の角度に応じて変化するように、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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０の直径をベローズアクチュエータ１３０の長手方向中心で小さくして、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０の断面積を変更して、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ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アクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０のより短い径の端部が膨張し始める。

【0180】

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アクチュエータ１３０と同じ例を使用して、２つの拘束リブ１３５を、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ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アクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０の最も強い構成になり得る。

【0181】

さらなる実施形態では、ベローズアクチュエータ１３０の特定の能力特性を調整するために、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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のベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ１３０上のスマート材料を使用して、コマンドでベローズアクチュエータ１３０の機械的挙動を操作すること、または、ベローズアクチュエータ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アクチュエータ１３０の幾何学的形状の機械的修正をすることである。

【0182】

さらなる例では、流体アクチュエータユニット１１０は単一のベローズアクチュエータ１３０または複数のベローズアクチュエータ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アクチュエータ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つのベローズアクチュエータ１３０を有するように構成することができる。外骨格システム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アクチュエータ１３０と係合することを選択的に選択できる。

【0183】

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、ベローズアクチュエータ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、ベローズアクチュエータ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６１０に動作可能に接続することができ（図６参照）、外骨格デバイス６１０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。

【0184】

本明細書で説明されるように、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１～５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。

【0185】

さらに、様々な例は、ユーザの脚部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、脚部などを含むユーザ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ユーザに関連する可能性があるが、他の例は動物のユーザ、ロボットのユーザ、様々な形態の機械などに関連し得る。

【0186】

本開示の実施形態は、以下の条項を考慮して説明され得る。
条項１。
ユーザの左脚部及び右脚部に結合されるように構成された左脚部及び右脚部アクチュエータユニットであって、前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットが各々、
ジョイントを介して回転可能に結合された上部アーム及び下部アームであって、前記ジョイントが前記ユーザの膝に配置され、前記上部アームが前記膝の上の前記ユーザの上脚部分に結合され、前記下部アームが前記膝の下の前記ユーザの下脚部分に結合されている、上部アーム及び下部アームと、
前記上部アームと前記下部アームの間に延びるベローズアクチュエータと、を含む左脚部及び右脚部アクチュエータユニットと、
別個の第１及び第２の空気圧動力トランスミッションであって、各々が、
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有する前記トランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延びるリードねじであって、前記リードねじが、前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合されているリードねじと、
前記リードねじの回転を介して前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッションチャンバ内を並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの並進によって前記トランスミッションチャンバの容積が変化し、前記ピストンが前記トランスミッション本体の内壁に係合して流体不浸透性シールを生成し、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの回転を防止する非円形周辺プロファイルを有するピストンと、を含む、第１及び第２の空気圧動力トランスミッションと、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションの前記リードねじにそれぞれ結合された第１及び第２の機械的動力源であって、前記それぞれのリードねじを独立して回転させ、前記それぞれのピストンを前記それぞれのトランスミッション本体内で並進させ、前記それぞれのトランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された前記第１及び第２の機械的動力源と、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションを、前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータのそれぞれの１つにそれぞれ結合する第１及び第２の流体ラインと、を備え、
前記第１の流体ラインが、前記第１の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記左脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定し、
前記第２の流体ラインが、前記第２の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定する、外骨格システム。
条項２。
前記第１及び第２の機械的動力源が、複数の圧力を含む複数のセンサから得られたデータに少なくとも部分的に基づいて、外骨格デバイスによって制御される、条項１に記載の外骨格システム。
条項３。
前記第１及び第２の機械的動力源ならびに前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションが、前記ユーザが着用するように構成されたバックパック内に配置される、条項１または２に記載の外骨格システム。
条項４。
前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータに弁が存在せず、前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションに弁が存在せず、前記第１及び第２の流体ラインに弁が存在しない、条項１～３のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項５。
第１及び第２の流体ベローズアクチュエータと、
別個の第１及び第２の空気圧動力トランスミッションであって、各々が、
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有する前記トランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延びるねじであって、前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合されている前記ねじと、
前記ねじの回転を介して前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッションチャンバ内で並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内の前記ピストンの並進により前記トランスミッションチャンバ内の容積が変化し、前記トランスミッション本体の内壁と係合して流体不浸透性シールを生成する前記ピストンと、
前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションの前記ねじにそれぞれ結合された第１及び第２の機械的動力源であって、前記それぞれのねじを独立して回転させて、前記それぞれのピストンを前記それぞれのトランスミッション本体内で並進させ、前記それぞれのトランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された前記第１及び第２の機械的動力源と、
前記第１の空気圧動力トランスミッションを前記第１の流体ベローズアクチュエータに結合する第１の流体ラインと、
前記第２の空気圧動力トランスミッションを前記第２の流体ベローズアクチュエータに結合する第２の流体ラインと、を備える外骨格システム。
条項６。
前記ピストンが、前記トランスミッション本体の内壁と係合して流体不浸透性シールを生成する非円形の周辺プロファイルを有する、条項５に記載の外骨格システム。
条項７。
前記第１の流体ラインが、前記第１の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記左脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータとを流体的に結合して第１の作動流体容積を画定し、
前記第２の流体ラインが、前記第２の空気圧動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータとを流体的に結合して、第１の作動流体容積を画定する、条項５または６に記載の外骨格システム。
条項８。
ユーザの左右のジョイントにそれぞれ結合されるように構成された左右のジョイントアクチュエータユニットをさらに備え、前記左右のジョイントアクチュエータユニットはそれぞれ前記第１及び第２の流体ベローズを含む、条項５～７のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項９。
前記第１及び第２の機械的動力源ならびに前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションが、前記ユーザが着用するように構成されたバックパック内に配置される、条項５～８のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１０。
前記左脚部及び右脚部アクチュエータユニットの前記流体ベローズアクチュエータに弁が存在せず、前記第１及び第２の空気圧動力トランスミッションに弁が存在せず、前記第１及び第２の流体ラインに弁が存在しない、条項５～９のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１１。
流体アクチュエータと、
以下を含む動力伝達：
流体を保持するように構成されたトランスミッションチャンバを画定するトランスミッション本体であって、第１及び第２の端部を有する前記トランスミッション本体と、
前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間の前記トランスミッションチャンバ内で並進するピストンであって、前記トランスミッションチャンバ内での前記ピストンの並進によって前記トランスミッションチャンバの容積が変化する前記ピストンと、を含む動力トランスミッションと、
それぞれのトランスミッション本体内で前記ピストンを並進させて前記トランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成された、前記動力トランスミッションに結合された機械的動力源と、
前記動力トランスミッションを前記流体アクチュエータに結合する第１の流体ラインと、を備える外骨格システム。
条項１２。
ねじが前記トランスミッション本体内で軸Ｘに沿って延び、前記ねじが前記トランスミッション本体の前記第１の端部に回転可能に結合される、条項１１に記載の外骨格システム。
条項１３。
前記ピストンが、前記ねじの回転を介して、前記トランスミッション本体の前記第１と第２の端部の間で前記トランスミッション室内で並進する、条項１２に記載の外骨格システム。
条項１４。
前記機械的動力源が、動力トランスミッションの前記ねじに結合され、前記ねじを回転させて前記ピストンを前記トランスミッション本体内で並進させて前記トランスミッション空洞の前記容積を変化させるように構成されている、条項１２または１３に記載の外骨格システム。
条項１５。
前記ピストンが前記トランスミッション本体の内壁と係合して、流体不浸透性シールを生成する、条項１１～１４のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１６。
前記ピストンが非円形の周辺プロファイルを有する、条項１１～１５のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１７。
前記流体ラインが前記動力トランスミッションの前記トランスミッションチャンバと前記流体アクチュエータとを流体的に結合して作動流体容積を画定する、条項１１～１６のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１８。
ユーザのジョイントに結合されるように構成されたジョイントアクチュエータユニットをさらに備え、前記ジョイントアクチュエータユニットが前記流体アクチュエータを含む、条項１１～１７のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項１９。
前記機械的動力源及び前記動力トランスミッションが、前記ユーザによって着用されるように構成されたバックパック内に配置される、条項１１～１８のいずれか１項に記載の外骨格システム。
条項２０。
前記流体アクチュエータに弁が存在せず、前記動力トランスミッションに弁が存在せず、前記流体ラインに弁が存在しない、条項１１～１９のいずれか１項に記載の外骨格システム。

【0187】

説明される実施形態は、様々な修正及び代替形態が可能であり、その具体例は、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。しかしながら、説明される実施形態は、開示される特定の形態または方法に限定されるべきではなく、逆に、本開示は、全ての修正、均等物、及び代替物を含むことを理解されたい。さらに、所与の実施形態の要素は、その例示的な実施形態のみに適用可能であると解釈されるべきではなく、したがって、例示的な一実施形態の要素は他の実施形態に適用可能である。さらに、例示的な実施形態に具体的に示される要素は、それらのような要素を含む、それらから本質的になる、もしくはそれらからなる実施形態を含めると解釈されるべきであり、またはそれらのような要素は、さらなる実施形態に明示的に存在しなくてもよい。したがって、一例に存在する要素の記載は、そのような要素が明示的に存在しないいくつかの実施形態を支持すると解釈されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図10a】

【図10b】

【図11a】

【図11b】

【図12a】

【図12b】

【図13a】

【図13b】

【図14a】

【図14b】

【図15】

【図16a】

【図16b】

【図17】

【国際調査報告】