(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】2024-08-01
(54)【発明の名称】近接感知自律ロボットシステムおよび装置
(51)【国際特許分類】
G01L 1/22 20060101AFI20240725BHJP
B25J 19/02 20060101ALI20240725BHJP
A61B 34/32 20160101ALI20240725BHJP
A61M 5/24 20060101ALI20240725BHJP
G01S 17/86 20200101ALI20240725BHJP
【ＦＩ】
G01L1/22 Z
B25J19/02
A61B34/32
A61M5/24
G01S17/86
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023571793
(86)(22)【出願日】2022-05-17
(85)【翻訳文提出日】2024-01-16
(86)【国際出願番号】 CA2022050778
(87)【国際公開番号】W WO2022241550
(87)【国際公開日】2022-11-24
(31)【優先権主張番号】63/189,642
(32)【優先日】2021-05-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523435897
【氏名又は名称】コビオニックス コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】ザマニ，ニマ
(72)【発明者】
【氏名】ラスウェル，ティモシー
【テーマコード（参考）】
2F049
3C707
4C066
4C130
5J084
【Ｆターム（参考）】
2F049CA07
2F049DA04
3C707BS09
3C707HS27
3C707KS35
3C707KS36
3C707KS37
3C707KV04
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3C707KX02
3C707MS27
4C066AA09
4C066BB01
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4C130AA04
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4C130AB06
4C130AD02
4C130AD05
4C130CA08
4C130CA11
5J084AA05
5J084AB07
5J084AC07
5J084AD01
5J084BA20
5J084BA36
5J084CA03
5J084CA10
(57)【要約】
近接感知自律ロボットシステムおよび装置が提供される。ロボットは、奥行き知覚、物体検出、物体回避、および物体の温度検出のために環境を見るための１つまたは複数のビジョンモジュールを有する。近接感知スキンがロボットの１つまたは複数の部品の上に積層される。近接感知スキンは、衝突回避、速度制御、および検出される物体の近くのモーションの減速、ならびに、接触の認識のための、複数の近接センサーおよび機械応力センサーを有する。近接感知スキンは、電解腐食を抑制するためにコンポジット部品内の多様な材料に接触するための導電性パッドを有することができる。ロボットはエンドエフェクタを有し、多様なタスクを実施するために多様なツールがエンドエフェクタに取り付けられ得る。エンドエフェクタは、電力を供給するための、およびツールの液圧／空気圧制御のための、接続部を備える設置用インターフェースを有する。センサーおよびビジョンモジュールまでのすべての配線がロボットの内部を経由する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
近接感知スキンであって、表面に対して積層するための可撓性導電性材料を備え、
前記導電性材料が、
前記導電性材料の上に配置構成された複数のセンサーを有し、
前記複数のセンサーが、
前記表面から最大～１０センチメートルで物体の近接度を感知するための少なくとも１つの容量センサーと、
前記表面から～１０センチメートルから最大～２メートルで物体の近接度を感知するためのシングルポイントの飛行時間型センサーと、
前記近接感知スキンが積層される前記表面にかかる機械的ひずみ／応力を測定するための銅トレースと、を備え、
前記飛行時間型センサーが、
フォトトランジスタと、
赤外線ＬＥＤと、を備え、
前記可撓性導電性材料が、前記複数のセンサーからの信号を、前記複数のセンサーからの前記信号に応答して前記表面を移動させるように構成されたサーボ制御装置まで、中継する、近接感知スキン。
【請求項2】
前記近接感知スキンが、モノリシック部品を形成するエポキシ樹脂を用いて前記表面に積層される、請求項１に記載の近接感知スキン。
【請求項3】
前記表面がコンポジット部品の上にあり、前記コンポジット部品が、金属と、炭素繊維または繊維ガラスのうちの一方とで構築される、請求項１に記載の近接感知スキン。
【請求項4】
前記コンポジット部品の炭素繊維セグメントに接触する第１の導電性パッドと、前記コンポジット部品の金属セグメントに接触する第２の導電性パッドと、
をさらに備え、
前記コンポジット部品の電解腐食を抑制するために電流が前記第１の導電性パッドと前記第２の導電性パッドとの間を通過する、
請求項３に記載の近接感知スキン。
【請求項5】
自律ロボット装置であって、関節式ロボットアームと、
前記ロボットアームに取り付けられた基部と、を備え、
前記関節式ロボットアームが、
中空ジョイントにより接続され、前記ロボットアームを３次元で移動させるために前記ジョイントを中心として回転可能である、複数のリムセグメントと、
ターミナルリムセグメントに取り外し可能に取り付けられたエンドエフェクタと、を備え、
前記エンドエフェクタが、
ツールを取り外し可能に取り付けるための設置用インターフェースを備え、
前記設置用インターフェースが、
前記ツールを前記設置用インターフェースに係止するためのラッチ機構と、
前記設置用インターフェースでの前記ツールの取り付けまたは取り外しを測定するための第１のビジョンモジュールと、を備え、
前記基部が、
前記ロボット装置に近接する物体を検出するための第２のビジョンモジュールと、
前記ロボット装置の周りの環境の３６０度ビューを捕捉するために前記第２のビジョンモジュールを方向付けるように構成された３軸ジンバルと、を備え
前記第２のビジョンモジュールが、
前記ロボット装置の周りの前記環境にある前記物体の立体奥行き知覚のための一対のＲＧＢカメラと、
前記物体の温度を測定するための遠赤外線サーマルカメラと、
前記物体までの距離を測定するためのシングルポイントの飛行時間型（ＴｏＦ）奥行きセンサーと、を備え、
前記ロボットが、前記第２のビジョンシステムによって検出された前記物体との衝突を回避しながら前記ツールを使用して１つまたは複数の訓練済みタスクを実施するために前記ロボットアームを自律的に関節運動させるように構成される、
自律ロボット装置。
【請求項6】
前記サーマルカメラによって見られる物体のための放射率較正が、前記ＴｏＦセンサーによって測定された前記物体の前記距離および前記ＲＧＢカメラによる前記物体の検出に基づいて、実時間で計算および調整される、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項7】
前記基部が弁アレイをさらに備え、前記弁アレイが、少なくとも５つの入力ラインから前記エンドエフェクタに接続された一対の出力ラインまでの流体供給を調節するための、流体接続された複数の電磁弁であって、それにより、前記ツールの液圧／空気圧制御のために前記出力ラインのうちの１つの出力ラインを介して液圧／空気圧流体が前記エンドエフェクタに供給される、複数の電磁弁
を備える、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項8】
前記設置用インターフェースが、前記ツールの液圧／空気圧制御のための少なくとも１つの液圧／空気圧コネクタをさらに備え、
前記液圧／空気圧コネクタが前記一対の出力ラインに流体接続される、請求項７に記載の自律ロボット装置。
【請求項9】
各リムセグメント内にあり、前記リムセグメントを関節運動させるための、少なくとも１つのサーボモータをさらに備え、前記サーボモータが、前記リムセグメントを移動させるときに前記サーボモータの受ける機械抵抗を感知するための電流フィードバック機構を実装するように構成される、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項10】
前記ロボット装置の少なくとも１つの部品に積層された少なくとも１つの近接感知スキンをさらに備え、前記近接感知スキンが、
複数のセンサーと、
前記複数のセンサーからの信号を中継するためのコネクタと、を備え、
前記複数のセンサーが、
前記表面から最大～１０センチメートルで物体の近接度を感知するための少なくとも１つの容量センサーと、
前記表面から～１０センチメートルから最大～２メートルで物体の近接度を感知するためのシングルポイントの飛行時間型センサーと、
前記表面にかかる機械的ひずみ／応力を測定するための銅トレースと、を備え
前記飛行時間型センサーが、
フォトトランジスタと、
赤外線ＬＥＤと、を備え、
前記コネクタが、前記部品を移動させるように構成されたサーボモータ制御装置に接続される、請求項９に記載の自律ロボット装置。
【請求項11】
前記近接感知スキンが、前記近接感知スキンの上で、固有パターンで配置構成された複数の赤外線ＬＥＤをさらに備え、
前記固有パターンが、前記固有パターンを見るために前記ロボット装置に接続されたＶＲ／ＡＲヘッドセットの上にある赤外線カメラにとって可視であり、
前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットが、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットに対する前記ロボット装置の位置を特定するために、使用者によって着用される、請求項１０に記載の自律ロボット装置。
【請求項12】
前記飛行時間型センサーの前記赤外線ＬＥＤが、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットに対する前記ロボット装置の位置を特定するために接続された前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットの上にある前記赤外線カメラにとって可視である、請求項１１に記載の自律ロボット装置。
【請求項13】
前記基部が、前記ロボット装置を１つまたは複数の周辺デバイスに接続するための複数のＩ／Ｏコネクタをさらに備え、
前記周辺デバイスが少なくとも前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットを有する、請求項１１に記載の自律ロボット装置。
【請求項14】
実時間で前記第２のビジョンモジュールを方向付けるために、前記使用者によって方向付けされる、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットの３Ｄの向きが、前記ジンバルに伝達される、請求項１１に記載の自律ロボット装置。
【請求項15】
前記基部が、中央中空部をさらに備え、
前記少なくとも５つの入力ラインと、前記一対の出力ラインと、前記第１のビジョンモジュールおよび前記第２のビジョンモジュールまでのすべての配線とが、前記中央中空部を経由する、請求項７に記載の自律ロボット装置。
【請求項16】
前記一対の出力ラインと、前記第１のビジョンモジュールまでの前記配線とが、前記中央中空部から前記複数のリムセグメントおよび中空ジョイントの内部を通って前記エンドエフェクタまで経由する、請求項１５に記載の自律ロボット装置。
【請求項17】
注射液を投与するための、請求項５に記載の自律ロボット装置を使用する自律ロボットシステムであって、前記システムが、前記自律ロボット装置の前記基部を設置するための支持構造を備え、
前記支持構造が、
患者の中に注射されることになる流体を充填した使い捨てカートリッジを保管するための第１のレセプタクルと、
廃棄物を保管するための少なくとも第２のレセプタクルと、
前記ロボット装置の前記エンドエフェクタに取り付けられた前記ツールの先端部の中に使い捨てカートリッジを装填するための再装填機構と、
を備え、
前記自律ロボット装置が、前記第２のビジョンシステムによって検出された前記物体との衝突を回避しながら、
前記先端部の装填が解除されるときに、前記ツールを前記再装填機構に隣接するように移動させること、および、
注射後に前記使い捨てカートリッジを捨てるために、前記ツールを前記第２のレセプタクルの上方に移動させること、
を行うように構成される、自律ロボットシステム。
【請求項18】
前記ツールが、前記使い捨てカートリッジの中の前記流体を前記患者の中に注射するための正圧ピストン注射器と、
前記流体を注射するために前記圧力ピストンを解除するための第１のばね式のラッチと、
前記第１のばね式のラッチと係合するために第１のプーリーシステムの上を経由する第１の形状記憶合金アクチュエータワイヤと、
前記先端部から前記使い捨てカートリッジを取り出すための第２のばね式のラッチと、
前記第２のばね式のラッチと係合するために第２のプーリーシステムの上を経由する第２の形状記憶合金アクチュエータワイヤと、
前記アクチュエータワイヤを二者択一的に加熱するための加熱要素と、
前記患者の上の注射すべき領域に殺菌液を噴射するためのノズルと、
をさらに備え、
加熱時、前記アクチュエータワイヤが収縮して前記ばね式のラッチを押し下げる、
請求項１７に記載の自律ロボットシステム。
【請求項19】
前記エンドエフェクタが、前記自律ロボットシステムの自己消毒のための高強度ＵＶ光源をさらに備え、前記エンドエフェクタから前記ツールが取り外されると前記ＵＶ光源が起動される、請求項１７に記載の自律ロボットシステム。
【請求項20】
前記支持構造が、前記ロボット装置または前記ツールに対して自分自身を位置決めするために前記患者に対して命令を表示するための、前記ロボット装置に接続されたタッチスクリーンディスプレイをさらに備え、
前記命令が、前記第１のビジョンモジュールまたは前記第２のビジョンモジュールによって検出される、前記ツールに対する前記患者の近接度に基づいて、生成される、
請求項１７に記載の自律ロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
[0001] 本明細書で開示される実施形態は、自律ロボット工学に関し、より詳細には、可変環境でタスクを実施するための近接感知自律ロボットシステムおよび装置に関する。
【背景技術】
【0002】
[0002] 自律ロボットは、（外的影響なしで）高度の自律性により動作およびタスクを実施する１つの種類のロボットである。高度に制御された環境でタスクの同じシーケンスを実施して最終目標を完了する自動化されたロボットとは対照的に、自律ロボットは、より混沌とした環境において予測できない変化事象を克服するためにタスクのシーケンスおよび細目を修正して最終目標を完了することができる。
【0003】
[0003] 自律ロボットは、通常、専門化されており、特定のタスクを実施するように訓練されている。したがって、自律ロボットは、大幅な修正なしで他のタスクを実施するように容易には適合または修正され得ない。自律ロボットを実装する場合の別の難点は、自律ロボットが通常は「追加設定なし」で使用されるように製造されていないことである。むしろ、自律動作のためのセンサーおよびカメラがロボットの上に追加されるかまたは後付けされる。センサーおよびカメラを一体化することは難しいものとなり得るか、または実現困難なものとなり得る。さらに、センサーの一体化は、通常、ロボットの外側部分に沿ってワイヤまたはケーブル配線を経由させることを伴い、それにより、特に、ロボットが、配線に引っ掛かる可能性がある他のロボットまたは物体に極めて近接して動作している場合には、ロボットのインストール位置および動作が制限され得る。
【0004】
[0004] 現代のロボットは、しばしば、コンポジット部品を使用する。コンポジット部品は、軽量ではあるが、直接接触する、異なる電気伝導率を有する異なる導電性材料によって起こる電解腐食の被害を受け得る。この問題は湿気の多いじめじめした環境条件で悪化する。電解腐食を抑制するために防食噴霧液またはコーティングがコンポジット部品に塗布され得るが、このようなコーティングの有効性は時間とともに低下する。さらに、ロボットの分解を必要とする、コンポジット部品の内部をコーティングすることが可能ではない場合もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
[0005] したがって、容易なインストールおよび自律動作のために組み込み式の近接感知および腐食抑制を行う新しい自律ロボットシステムおよび装置が求められる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
[0006] 本特許明細書で開示される自律ロボットは、特定の用途のために複数のデザインの実施形態を作り出すのを可能にするプロットフォーム技術を表すものであり、特定の用途のうちのいくつかの用途が本明細書でさらに考察される。自律ロボットプラットフォーム自体の複数のデザインの実施形態も開示される。
【0007】
[0007] 考察される各エンドユース用途のための自律ロボットの解決策は２つの構成要素から構成される。第１の構成要素は、ロボットの頭脳およびボディとして機能する自律ロボットプラットフォームである。第２の構成要素は、ロボットの手として機能するエンドエフェクタである。この２つの構成要素からなる手法は、自律ロボットプラットフォームを、多数の手続き的タスクにおいて訓練すること、および各用途に固有のエンドエフェクタを替えることのみにより新しい用途において容易に配備することを可能にする。一部のエンドエフェクタは特定のタスクに合うように手直しされることになるが、十分に器用なロボットハンドなどの他のエンドエフェクタはより広範的となり、それによりこれらの自律ロボットを動作させることができる環境の範囲がさらに拡大する。
【0008】
[0008] 一実施形態によると、近接感知スキン（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｋｉｎ）が存在する。近接感知スキンは、表面に対して積層するための可撓性導電性材料を備え、導電性材料は、その上に配置構成された複数のセンサーを有する。複数のセンサーは、表面から最大～１０センチメートルで物体の近接度を感知するための少なくとも１つの容量センサーと、表面から～１０センチメートルから最大～２メートルで物体の近接度を感知するためのシングルポイントの飛行時間型センサー（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ ｓｅｎｓｏｒ）と、近接感知スキンが積層される表面にかかる機械的ひずみ／応力を測定するための銅トレースと、を有する。可撓性導電性材料は、複数のセンサーからの信号をサーボ制御装置まで中継し、サーボ制御装置は、複数のセンサーからの信号に応答して上記表面を移動させるように構成される。
【0009】
[0009] 別の実施形態によると、自律ロボット装置が存在する。自律ロボット装置は、中空ジョイントにより接続された複数のリムセグメントを有する関節式ロボットアームを有する。リムセグメントは、ロボットアームを３次元で移動させるために、ジョイントを中心として回転可能である。
【0010】
[0010] ロボット装置は、ターミナルリムセグメントに取り外し可能に取り付けられたエンドエフェクタを有する。エンドエフェクタは、ツールを取り外し可能に取り付けるための設置用インターフェースを備える。設置用インターフェースは、ツールを設置用インターフェースに係止するためのラッチ機構と、設置インターフェースでのツールの取り付けおよび取り外しを測定するための第１のビジョンモジュールと、を備える。
【0011】
[0011] ロボット装置は、ロボットアームに取り付けられた基部をさらに有する。基部は、ロボット装置に近接する物体を検出するための第２のビジョンモジュールを備える。第２のビジョンモジュールは、ロボット装置の周りの環境にある物体の立体奥行き知覚（ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ ｄｅｐｔｈ ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ）のための一対のＲＧＢカメラと、物体の温度を測定するための遠赤外線サーマルカメラと、物体までの距離を測定するためのシングルポイントの飛行時間型（ＴｏＦ：ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）奥行きセンサーと、を備える。基部は、３軸ジンバルをさらに有し、３軸ジンバルは、ロボット装置の周りの環境の３６０度ビューを捕捉するために、第２のビジョンモジュールを方向付けるように構成される。ロボット装置は、第２のビジョンシステムによって検出された物体との衝突を回避しながら、ツールを使用して１つまたは複数の訓練済みタスクを実施するために、ロボットアームを自律的に関節運動させるように構成される。
【0012】
[0012] 別の実施形態によると、注射液を投与するための自律ロボット装置を使用する自律ロボットシステムが存在する。システムは、自律ロボット装置の基部を設置するための支持構造を備える。
【0013】
[0013] 支持構造は、患者の中に注射されることになる流体を充填した使い捨てカートリッジを保管するための第１のレセプタクルと、廃棄物を保管するための少なくとも第２のレセプタクルと、ロボット装置のエンドエフェクタに取り付けられたツールの先端部の中に使い捨てカートリッジを装填するための再装填機構と、を備える。
【0014】
[0014] 自律ロボット装置は、第２のビジョンシステムによって検出された物体との衝突を回避しながら、先端部の装填が解除されるときに、ツールを再装填機構に隣接するように移動させるように構成され、注射後に使い捨てカートリッジを捨てるために、ツールを第２のレセプタクルの上方に移動させるように構成される。
【0015】
[0015] いくつかの例示の実施形態の以下の説明を読むことにより当業者には他の態様および特徴が明らかとなろう。
【0016】
[0016] 本明細書に含まれる図面は、本明細書の物品、方法、および装置の種々の実施例を説明するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1A】[0017]一実施形態による自律ロボット装置の斜視図である。
【図1B】一実施形態による自律ロボット装置の斜視図である。
【図3A】[0021]一実施形態によるエンドエフェクタの正面斜視図である。
【図3B】一実施形態によるエンドエフェクタの側面斜視図である。
【図4A】[0022]一実施形態による近接感知スキンの斜視図である。
【図5A】[0025]ロボット表面に関連して示される、一実施形態による近接感知スキンの上面斜視図である。
【図5B】ロボット表面に関連して示される、一実施形態による近接感知スキンの底面斜視図である。
【図6A】[0026]一実施形態による、ロボットコンポジット部品に付着された防腐食近接感知スキンの分解図である。
【図6B】一実施形態による、ロボットコンポジット部品に付着された防腐食近接感知スキンの斜視図である。
【図7】[0028]一実施形態による自律ロボットシステムの斜視図である。
【図8A】[0029]一実施形態によるニードルレス注射のためのツールの上面斜視図である。
【図8B】一実施形態によるニードルレス注射のためのツールの底面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
[0030] 各々の特許請求される実施形態の一実施例を提供するために種々の装置または方法を以下で説明する。以下で説明される実施形態はいずれの特許請求される実施形態も制限せず、特許請求される実施形態はいずれも、以下で説明されるプロセスまたは装置とは異なるプロセスまたは装置を包含することができる。特許請求される実施形態は、以下で説明される任意の１つの装置またはプロセスのすべての特徴を有する装置またはプロセスに限定されず、また、以下で説明される複数のまたはすべての装置に共通する特徴に限定されない。
【0019】
[0031] 本明細書で説明される１つまたは複数のシステムは、プログラム可能なコンピュータ上で実行するコンピュータプログラムで実装され得、プログラム可能なコンピュータが、各々、少なくとも１つのプロセッサと、データ記憶システム（揮発性の、および不揮発性のメモリおよび／または記憶要素を含む）と、少なくとも１つの入力デバイスと、少なくとも１つの出力デバイスと、を備える。例えば、限定しないが、プログラム可能なコンピュータは、プログラマブル論理ユニット、メインフレームコンピュータ、サーバ、パーソナルコンピュータ、クラウドベースのプログラムまたはシステム、ラップトップ、携帯情報端末、携帯電話、スマートフォン、またはタブレットデバイスであり得る。
【0020】
[0032] 各プログラムが、好適には、コンピュータシステムと通信するために、高レベル手続き型プログラミングまたはオブジェクト指向プログラミングで、ならびに／あるいはスクリプト言語で、実装される。しかし、プログラムは、所望される場合、アセンブリまたは機械語で実装され得る。いずれの場合も、言語はコンパイラ型言語またはインタープリタ型言語であり得る。各々のこのようなコンピュータプログラムは、好適には、記憶媒体またはデバイスに保存され、かかる記憶媒体またはデバイスは、本明細書で説明される手法を実施するためにコンピュータにより記憶媒体またはデバイスが読み込まれるときにコンピュータを構成して動作させるための汎用または専用のプログラム可能なコンピュータによって可読である。
【0021】
[0033] 互いと通信する複数の構成要素を有する一実施形態の説明は、これらのすべての構成要素が必要であることを暗に意味するわけではない。反対に、本発明の多種多様な可能性のある実施形態を例示するために多様な任意選択の構成要素が説明される。
【0022】
[0034] さらに、順次、プロセス工程、方法工程、またはアルゴリズムなどが説明され得るが（本開示および／または特許請求の範囲において）、このようなプロセス、方法、およびアルゴリズムは交互的な順序で機能するように構成され得る。言い換えると、説明され得る工程の任意のシーケンスまたは順序は、工程をその順序で実施する要求を必ずしも示していない。本明細書で説明されるプロセスの工程は、現実的な任意の順序で実施され得る。さらに、一部の工程が同時に実施され得る。
【0023】
[0035] 単一のデバイスまたは物品が本明細書で説明される場合、２つ以上のデバイス／物品（それらが協働する場合でも協働しない場合でも）が単一のデバイス／物品の代わりに使用されてもよいことが容易に明らかとなろう。同様に、２つ以上のデバイスまたは物品が本明細書で説明される場合（それらが協働する場合でも協働しない場合でも）、２つ以上のデバイスまたは物品の代わりに単一のデバイス／物品が使用されてもよいことが容易に明らかとなろう。
【0024】
[0036] 本明細書で説明されるロボットシステムおよび装置は、自律的活動を実施するために局所環境を評価するための複数の固定センサーまたは可動センサーを有する。センサーはロボットシステムおよび装置に全体として組み込まれ、その結果、センサーは、専用の人工知能（ＡＩ：ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）およびソフトウェアと併せた結合内蔵ユニットとして追加設定なしで使用されることを意図される。用途固有の要求のための追加のセンサーが組み込まれてもよい。ＡＩおよびソフトウェアは、ロボット装置を最初にインストールするときの初期セットアップから離れた構成を必要とすることなく、プラグアンドプレイの実装のためのロボットシステムおよび装置に完全に一体化されてより大きいシステムとなる。
【0025】
[0037] 本明細書で波形符号（～）が使用される場合、これは示される値の±１０％の範囲を意味する。例えば、～１．０は０．９から１．１を意味する。
【0026】
[0038] 図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、一実施形態による自律ロボット装置１００の斜視図が示されている。ロボット１００は、関節式アーム１０２を有する。アーム１０２は、ジョイント１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃで接続されたリムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを有する。リムセグメント１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄはジョイント１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを中心として回転可能である。リムセグメント１０４ａは基部１２０を中心として回転可能である。ジョイント１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを介してのリムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの接続性が、ロボット１００がアーム１０２を３次元で関節運動させるのを実現する。
【0027】
[0039] 各リムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄは、好適には、比較的軽量および弾性を有するように主として炭素繊維コンポジット材料を使用して製作される。他の実施形態によると、リムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄが、繊維ガラスなどの他のコンポジット材料で構築され得る。
【0028】
[0040] 各リムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄが、リムセグメントを作動させるための１つまたは複数のサーボモータを収容する。サーボモータが、リムセグメントまたはジョイントを移動させるときにサーボの受ける機械抵抗を感知するための電流フィードバック機構を実装するように構成される。電流フィードバック機構により各ジョイント／サーボにかかる力／トルクを測定することにより、機械抵抗が測定され得る。
【0029】
[0041] サーボモータに対するすべての配線がリムセグメント１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの内部および中空ジョイント１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを経由し、ロボット１００の外側部分に配線またはケーブルは存在しない。ロボット１００の外側部分の配線またはケーブルがあると、ロボット１００のインストールおよび動作中の移動を制限し得る。
【0030】
[0042] ロボット１００は、設置用インターフェース１１０にツール（図示せず）を取り外し可能に取り付けるためのエンドエフェクタ１０８を有する。エンドエフェクタ１０８は図３を参照してより詳細に説明される。
【0031】
[0043] ロボット１００は基部１２０を有する。基部１２０は、アーム１０２を支持するための支持構造（図示せず）に固定される。一般に、基部１２０はロボット１００の制御のための構成要素を有する。基部１２０は図２Ａ～図２Ｅを参照してより詳細に説明される。
【0032】
[0044] ロボット１００は、自律用途のための、計算能力およびセンサーを有する。センサーは、ＬＩＤＡＲ、飛行時間型（ＴＯＦ）、および立体奥行きセンサーなどの、ビジョンシステムを有する外部センサーを含む。センサーのうちの一部のセンサーは、ロボット１００がその中で動作している環境を感知してこの環境に関する情報を生成するために、ロボット１００の基部１２０で静止している。一実施形態によると、基部１２０は、回転ライダーシステム、または、特定の離散的な角度に位置する複数の静止奥行きセンサーを有する。オペレーション固有のタスクのための他のセンサーがロボット１００のアーム１０２およびエンドエフェクタ１０８に設置される。これらのセンサーは、以下で説明されるような、近接感知スキンおよびビジョン／奥行きセンサーを含む。
【0033】
[0045] センサーはロボット１００に全体として組み込まれ、専用のソフトウェアと併せた結合ユニットとして追加設定なしで使用されることを意図される。用途固有の要求のための追加のセンサーがツール１１２に組み込まれ得る。ロボット１００には、完全に一体化されて使用の準備の整っているＡＩおよび自律ソフトウェアも付属する。全体のソフトウェアワークフローは以下で詳細に説明される。
【0034】
[0046] 図２Ａ～図２Ｄを参照すると、図１Ａおよび図１Ｂに示される基部１２０の種々の図が示されている。基部１２０は、基部１２０を支持構造に固着するための底部１２２を有する。底部１２２は開口部１２４を有し、基部１２０を支持構造に固着するために固定具が開口部１２４を通過する。底部１２２は、電力供給ユニットを冷却するために底部１２２を通して空気を循環させるのを可能にするための複数の通気孔１３２を有する。
【0035】
[0047] 基部１２０は頂部１２６を有する。頂部１２６は、ロボットを制御するための、およびロボット上の近接センサーから受信した信号を処理するための電気構成要素を有するディスク形状の印刷回路基板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）を収容する。ＰＣＢは、少なくとも１つのプロセッサと、ソフトウェアおよびＡＩのアルゴリズム／モデルを含めたプロセッサ実行可能命令を保存するためのメモリとを有する。命令は、プロセッサによって実行されると、複数の訓練済みタスクまたは動きを自律的に実施すること、ならびに／あるいは、可変環境において訓練済みタスクの実施中にロボットを自律的に制御するためにセンサーからの信号を処理すること、を行わせるようにロボットを構成する。
【0036】
[0048] 協働ロボット工学または自律ロボット工学に関して言えば、また特には実社会の設定において取り扱う場合、ランダムネスおよび混沌を管理することが非常に重要となる。このランダムネスは、ｓｉｍ－ｔｏ－ｒｅａｌシミュレーションフィードバックループワークフローをロボットの動作命令に組み込むことによって低減される。このワークフローでは、シミュレーションが、ドメインランダマイゼーションのプロセスを通して世界のすべての変化およびランダムネスを予測する。シミュレーションはタスク固有またはドメイン固有であり得る。次いで、シミュレーションによって生成された合成データが、現実世界の設定において予測および推測を行うのを可能にするために一連の人工知能モデルを訓練するのに使用される。加えて、ＡＩモデルは、転移学習などの方法を使用して、現実世界で使用されながら継続的に改善され得る。
【0037】
[0049] ロボットはＥｄｇｅ上でＡＩを動作させるＩｏＴデバイスである。ロボットのソフトウェアは、フィールドで使用されながらいかなる中断もなくＷｉ－Ｆｉまたは５Ｇネットワークを介して無線で更新され得る。頂部１２６は、Ｗｉ－Ｆｉまたは５Ｇネットワークに接続するための無線通信構成要素を収容する。
【0038】
[0050] 頂部１２６はさらに、ロボットの動作状態を使用者に伝えるためのスピーカおよびインジケータＬＥＤを収容する。例えば、緑色ＬＥＤは、ロボットが通常に動作していることを示し、赤色ＬＥＤまたは可聴アラームはエラーを示す。
【0039】
[0051] 頂部１２６はさらに、ロボットの動作を制御するために使用者からのコマンドを受信するためのマイクロフォンを収容する。ロボットのこの実施形態の主要な態様のうちの１つの態様は、ボーカルプログラミング言語（ＶＰＬ：Ｖｏｃａｌ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｌａｎｇｕａｇｅ）の使用である。このプログラミング言語の意図は、手動でプラグラムを行うことを一切必要とすることなくロボットのためのＡＩ活用（ＡＩ－ｐｏｗｅｒｅｄ）の手続き型タスクを画定するために自動音声認識（ＡＳＲ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｐｅｅｃｈ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）および自然言語処理（ＮＬＰ：ｎａｔｕｒａｌ ｌａｎｇｕａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）の技法を使用することである。これにより、使用するいかなる顧客に対してもロボットの有用性がより大幅に向上し、日常生活においてロボットがかなり多く採用されることになる。
【0040】
[0052] 頂部１２６は、その中の構成要素を冷却するために頂部１２６を通って空気が循環するのを可能にするための複数の通気孔１２８を有する。通気孔１２８はさらに、スピーカからの音声およびマイクロフィンまでの音を通過させるのを可能にする。インジケータＬＥＤからの光も通気孔１２８を通して可視である。
【0041】
[0053] 基部１２０は、頂部１２６および底部１２２に対して窪んでいる中間部１３０を有する。中間部１３０がビジョンモジュール１４０を収容する（説明の容易さのために図２Ｃおよび図２Ｄではビジョンモジュール１４０が省かれている）。
【0042】
[0054] ここで図２Ａ～図２Ｂを参照すると、ビジョンモジュール１４０は自律ロボットの重要な部分である。ビジョンモジュール１４０は、奥行き知覚、物体検出、物体回避、および物体の温度検出を含めた多様なタスクを達成するための複数のカメラセンサー１４１ａ、１４１ｂ、１４２、１４３から構成される。ビジョンモジュール１４０は、全体照明を利用する２つのＲＧＢカメラ１４１ａ、１４１ｂと、ＴｏＦ（飛行時間型）奥行きセンサー１４２と、ＦＩＲ（ｆａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ）（遠赤外線）サーマルカメラ１４３と、を有する。ジョイントの中空シャフトを通してロボットの基部まで信号を伝達することを目的として、ビジョンモジュール１４０からのすべての信号が単一のＵＳＢケーブルによって伝えられる。カメラセンサー１４１ａ、１４１ｂ、１４２、１４３からの信号が最初に、専用の集積回路を使用してＭＩＰＩまたはＩ２ＣインターフェースからＵＳＢに変換される。次いで、変換された信号が、ＵＳＢハブタイプの集積回路により単一のＵＳＢケーブルに結合される。
【0043】
[0055] ２つのＲＧＢカメラ１４１ａ、１４１ｂを有することの目的は、ＶＲ／ＡＲ用途のための、およびサーマルカメラ１４３の較正のための立体奥行き知覚を実現することである。サーマルカメラ１４３の放射率較正は、ＴｏＦセンサー１４２を介するＡＩベースの物体検出、および、ＲＧＢカメラ１４１ａ、１４１ｂに基づいて、実時間で計算および調整され得る。検出された物体の対応する放射率を利用することにより、その温度がより高い精度で推定され得る。
【0044】
[0056] 種々の実施形態によると、ビジョンモジュール１４０は、エンドエフェクタ（すなわち、図１Ａ～図１Ｂのエンドエフェクタ１０８）、および／またはロボットの基部１２０の両方において使用され得る。示される実施形態では、ビジョンモジュール１４０がロボットの基部１２０の上の３軸ジンバル１５０の上に設置され、それによりロボットの周りの環境の３６０度ビューが与えられる。
【0045】
[0057] ジンバル１５０の向きは、ビジョンモジュール１４０を適切な方向に向けるために３つのサーボモータ１５２、１５４、１５６によって制御される。サーボモータ１５２、１５４、１５６は線形アクチュエータまたは回転アクチュエータであり得る。第１のサーボ１５２は、ビジョンモジュール１４０を大まかな方向に向けるために基部１２２の中間部１３０の円周の周りでジンバル１５０の３６０度の位置変更（ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を制御する。第１のサーボ１５２は、底部１２２に隣接する中間部セクション１３０の円周の周りで延びているトラック１５８に沿ってジンバル１５０を移動させる。第２のサーボ１５４はジンバル１５０の鉛直傾斜の細かい制御のために使用される。第３のサーボ１５４はジンバル１５０の水平傾斜の細かい制御のために使用される。
【0046】
[0058] 加えて、ジンバル１５０は、テレロボティクスのＶＲ／ＡＲ用途のための実時間の方向決めのために使用され得る。例えば、ロボットの操作者がＶＲ／ＡＲヘッドセットを使用して有線または無線でロボットに接続し得、ヘッドセットの３Ｄの向きが、ジンバル１５０に伝達され、実時間でビジョンモジュール１４０を方向付ける。次いで、ＶＲ／ＡＲヘッドセットが、カメラセンサー１４１ａ、１４１ｂ、１４２、１４３のビューまたは測定値を実時間で使用者に対して表示することができる。
【0047】
[0059] 他の実施形態では、複数のビジョンモジュール１４０が基部１２０の上で静的に配置および方向付けされる。この３６０度の環境知覚は、ソフトウェアを使用して、異なるビジョンモジュール１４０からのイメージをつなぎ合わせることにより構築される。
【0048】
[0060] ここで図２Ｃ～図２Ｄを参照すると、基部１２０は、基部１２０の頂部１２６、中間部１３０、および底部１２２を通過する中央中空部１３４を有する。有利には、中央中空部１３４は、基部１２０の構成要素の電気配線ならびにエンドエフェクタまでの液圧／空気圧ラインが、ロボットのインストールおよび動作中の移動を制限し得るロボットの外側部分を経由するのではく、中央中空部１３４を経由するのを可能にする。これにより、ロボットの比較的容易なプラグアンドプレイのインストールが可能となる。その理由は、ロボットに対する電力供給、エンドエフェクタに対する液圧／空気圧流体供給、などのために必要であるすべてのケーブル配線が中央中空部１３４を経由するからである。
【0049】
[0061] 図２Ｅを参照すると、基部１２０の底面図が示されている。基部１２０の底部１２２は、ロボットに電力を提供するための電源に接続されるための電力供給ユニット１６０を収容する。底部１２２はさらに、その中の構成要素を冷却するために基部１２０の底部１２２を通して空気を循環させるためのファン１６２を収容する。底部１１２は、動作のためにロボットを構成およびセットアップするためのデバイスを接続するためのＩ／Ｏコネクタ１６４をさらに有する。例えば、使用者が、ビジョンモジュール１４０によって捕捉された視界を観察してセンサーの視野角および視程を較正するために、ＶＲ／ＡＲヘッドマウントディスプレイがＩＯコネクタ１６４を介してロボットに接続され得る。Ｉ／Ｏコネクタ１６４は、ディスプレイ、外部センサー、またはロボットに一体化するための他のデバイスなどの、周辺機器に対してロボットを接続するのにも使用される。Ｉ／Ｏコネクタ１６４は、少なくとも、ＵＳＢポートを含む。
【0050】
[0062] 基部１２０の底部１１２が弁アレイ１７０をさらに収容する。説明の容易さのために、弁アレイ１７０は部分的に底部１２２から取り除かれて示される。弁アレイ１７０は、ロボットのエンドエフェクタに到達する２つのラインに対する流体供給を調節するための、流体接続された複数の電磁弁１７２、１７４、１７６、１７８を含む。弁アレイ１７０は、エンドエフェクタに到達する２つの出力ラインに対して５つまたは６つの入力流体（液体またはガスのいずれか）を流体接続するように構成される。入力流体は、エンドエフェクタに取り付けられたツールの液圧／空気圧制御のための液圧／空気圧流体を含む。入力流体が、例えば、蒸留水／脱イオン水、ＩＰＡ、ソープ、または他の化学物質などの消毒液、濾過されたクリーンな空気、圧縮空気、および、純粋な圧縮ガス（窒素、酸素、アルゴンなど）などの、種々のタスクを実施するためにツールによって使用されるための流体を含む。
【0051】
[0063] エンドエフェクタ１０８に到達する２つの出力ラインは弁アレイ１７０を介して任意の時間に切り替え可能である。これにより、ＩＰＡまたはソープを用いてラインのうちの１つのラインを洗浄し、次いで水を用いて洗い流し、次いで空気を用いて乾燥させ、この間、他のラインが作動流体をエンドエフェクタ１０８に供給する。
【0052】
[0064] 図３Ａ～図３Ｂを参照すると、一実施形態によるエンドエフェクタ３００が示されている。エンドエフェクタ３００は図１Ａ～図１Ｂのエンドエフェクタ１０８であり得る。エンドエフェクタ３００は特定のツールをロボットに設置するように具体的に適合され得る。エンドエフェクタ３００は、多様なタスクのための多様なツールを受け入れるためにロボットから取り外し可能である。エンドエフェクタ３００はツールを取り付けるための設置用インターフェース３０２を有する。設置用インターフェース３０２は、機械ラッチベースの、または磁石ベースの設置機構を含む。ラッチベースの機構は以下で説明されるような回転型機構または並進型機構を含む。
【0053】
[0065] 示される実施形態では、設置用インターフェース３０２は、ＤＳＬＲカメラの着脱可能なレンズと同様の回転型の機械ラッチベースの機構を含む。設置用インターフェース３０２は、ツールの上にある螺旋溝と係合するための螺旋カラー３０４を有する。エンドエフェクタ３００がツールと回転可能に対合し、それにより静止しているツールに対してエンドエフェクタ３００の回転により螺旋カラー３０４がツール内の螺旋溝の中にねじ込まれて係合される。人間の使用者により回転モーションが実現されるＤＳＬＲカメラとは異なり、この実施形態ではエンドエフェクタ３００内にある最後の自由度（ＤＯＦ：Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ）サーボにより回転モーションが実現される。これにより、複雑さと、ツールを取り付けるための追加の作動および動作ユニットの必要性とが大幅に低減されることになる。
【0054】
[0066] ロボットアーム（すわなち、図１Ａ～図１Ｂのロボットアーム１０２）は、静止するように保持されているツールに隣接してエンドエフェクタ３００を配置し、設置用インターフェース３０２でエンドエフェクタ３０４の上にツールをねじ込むようにするための回転モーションを始動させる。回転が螺旋カラー３０４の端部に達してツールがエンドエフェクタ３００の硬い停止部３０６に当たるときに、このモーションが終了する。この時点で、エンドエフェクタ３００内にある最後のＤＯＦサーボの回転トルクが大幅に増大することになり、それにより、エンドエフェクタ３００に対してツールが完全に設置されたこと、およびツールを定位置で係止するための機械的手段または電気的手段によりラッチが係止されたことをロボットが認識するようになる。
【0055】
[0067] 他の実施形態によると、設置用インターフェース３０２は、並進型の機械ラッチベースの設置機構を含む。並進型の機械ラッチベースの機構は、硬い停止部に到達するまでロボットアームによりエンドエフェクタ３００を、静止するように保持されているツールの上まで線形モーションで移動させて、設置用インターフェース３０２でツールをエンドエフェクタ３００に係止するプロセスにおいてラッチを起動するかたちで、動作する。線形モーションはロボットのすべてのＤＯＦサーボに対する機械抵抗が増大することで終了する。
【0056】
[0068] 加えて、上で言及した設置機構（回転型または並進型）のいずれでも、センサーは、エンドエフェクタ３００上のツールの存在および／または取り付け／取り外しプロセスの完了の両方を検出するのに使用され得る。エンドエフェクタ３００はビジョンモジュール３０８を有する。ビジョンモジュール３０８は上で説明したビジョンモジュール１０４と実質的に同様であり、ツールと、エンドエフェクタ３００に対するツールの取り付け／取り外しと、を検出するためのカメラおよび近接センサーを有する。
【0057】
[0069] 取り付けの機構（回転型または並進型）に関係なく、ツールは受動的なものとなり得るかまたは能動的なものとなり得る。能動的なツールはロボットにより直接、および自動的に制御されたり電力供給されたりする。設置用インターフェース３０４は、空気圧／液圧接続部３１０、３１２と、必要であれば、ツールの液圧／空気圧制御のための２つの流体供給ラインに接続された自動放出弁と、を有する。設置用インターフェース３０４の上にある空気圧／液圧接続部３０１、３１２は、エンドエフェクタ３００に対してツールが取り付けられている場合、ツールの上にある対応する接続部に位置合わせされて接続される。空気圧／液圧接続部３１０、３１２および弁は、エンドエフェクタ３００内の開口部３１６を通って内部を経由する液圧／空気圧流体供給ラインに接続される。
【0058】
[0070] ロボットによるツールの制御は電気接続部３１４を介する。電気接続部は、ばね式のポゴピンと、設置用インターフェース３０２の上にあるトレース３１４とによって形成され、ツールがエンドエフェクタ３００に取り付けられている場合にトレース３１４が、ツールの上にある相補的なポゴピンおよびトレースに接触する。電気接続部３１４は、電力ライン、デジタルＩＯおよび通信ライン（Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、ＣＡＮ、およびＵＳＢなど）、ならびに高精度アナログ信号ラインを含む。ツールはホットスワップ可能であり、それにより、ロボット（および／または、ツール）が電力供給されたり機能したりしているときにツールを替えるための能力が提供される。ポゴピン３１４の位置は設置用インターフェース３０２の前面の上にあってよい（示されるように）か、または設置用インターフェース３０２の側面の上にあってよい。電気接続部３１４が設置用インターフェース３０２の側面に位置する実施形態によると、電気接続部３１４に到達するようにツールから延在するリードが存在する。
【0059】
[0071] 図４Ａを参照すると、一実施形態による近接感知スキン２００が示されている。近接感知スキン２００は、通常、少なくとも１つの容量センサーおよび１つのＴｏＦセンサーを有する。種々の実施形態によると、近接感知スキン２００は、容量圧力センサーおよび抵抗圧力センサー、赤外線ＴｏＦおよびレーザーベースの近接センサーなどの光ベースのセンサー、ならびに、ひずみゲージまたはひずみゲージのような応力センサーを含めた複数の種類のセンサーを有することができる。近接感知スキン２００は、可撓性ＰＣＢ、または、可撓性および伸縮性を有する導電性材料／ファブリックから製作される。言及したように複数の種類のセンサーが近接感知スキン２００に組み込まれ得、次いで、センサーフュージョンデータ処理手法を利用することによって、他のセンサーによって得られたデータを使用する。
【0060】
[0072] 示される実施形態では、近接感知スキン２００は、可撓性ＰＣＢ２０６の上に配置構成された複数の銅容量センサー（ｃｏｐｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｏｒ）２０２およびＴｏＦ（飛行時間型）センサー２０４を備える。ＰＣＢ２０６は容量性フィルムから構築され得る。容量センサー２０２は２×２グリッドを有する４つの容量センサー２０２のセットとして配置構成され、ＴｏＦセンサー２０４が各２×２グリッドの中心にある。示されるように、近接感知スキン２００は４つの２×２グリッドを有し、合計で１６固の容量センサー２０２および４つの飛行時間型センサー２０４を備える。他の実施形態によると、ＰＣＢ２０６上での容量センサー２０２およびＴｏＦセンサー２０６の配置構成は特定の用途ごとに変化し得る。
【0061】
[0073] 容量センサー２０２は、センサー２０２から最大～１０センチメートル離れた比較的近い物体の近接度を検出するように構成される。ＴｏＦセンサー２０４は、フォトトランジスタおよびＩＲ ＬＥＤを備えるシングルポイントの飛行時間型センサーである。ＴｏＦセンサー２０４は、センサー２０４から最大～１メートルの、より長い距離にある物体の近接度を検出するように構成されるが、比較的短い距離にある物体を検出することができない。ＴｏＦセンサー２０４との組合せで容量センサー２０２を使用することにより、非常に近い近接度（１０ｃｍの範囲内）にある物体および最大１メートルの長い距離にある物体に対する、より広い組み合わされた感知範囲を提供することができる。
【0062】
[0074] 近接感知スキン２００は、近接感知スキン２００にかかる機械的ひずみ、および／または近接感知スキン２００を付着したロボット表面にかかるひずみを測定するための銅トレース２０８を有する。図４Ａに示される銅トレース２０８は線形に見えるが、センサー２０２とセンサー２０４との間の実質的な線形経路において実際にはＰＣＢ２０６の中間部に跨ってジグザグである。感知スキン２００または感知スキン２００を付着したロボットの部品が応力を受けると、銅トレース２０８が伸びて銅トレース２０８内の抵抗を変化させる。銅トレース２０８の抵抗の変化は、感知スキン２００を付着したロボットの部品にかかる応力の指標として測定され得る。
【0063】
[0075] 近接感知スキン２００は、センサー２０２、２０４、２０８に電力を供給するための回路と、コネクタ２１０を介してセンサー２０２、２０４、２０８からロボットの上にある制御装置まで信号を中継するための回路と、を有する。
【0064】
[0076] 図４Ｂを参照すると、一実施形態による、ロボット表面２１２に付着された近接感知スキン２００が示されている。近接感知スキン２００は、安全な動作を促進するために、および、ロボットと、近接する他のロボット、人間、または物体との間の協働を促進するために、ロボット表面２１２に付着される。ロボット表面２１２は、基部またはロボットアームを含めた、ロボットの上の任意の場所に存在し得、近接感知スキン２００は取り外し可能なツールにも付着され得る。示される実施形態では、ロボット表面２１２がロボットの外側部分にある。他の実施形態によると、近接感知スキン２００を付着したロボット表面２１２はロボットの内部表面である。
【0065】
[0077] 図４Ｃを参照すると、別の実施形態による、ロボット表面２１６に付着された近接感知スキン２００が示されている。この実施形態では、近接感知スキン２００を付着したロボット表面２１６がロボットの内部にある。ロボット表面２１６を含むロボットの部品２１８は、この部品２１８を通して銅容量センサー２０２が物体の近接度を感知するのを可能にするのに十分な薄さを有すべきであり、非金属であるべきである。
【0066】
[0078] この部品２１８は、表面２１２と表面２１６と間にあるアパーチャ２１４を有する。近接感知スキン２００が表面２１６に付着される場合、ＴｏＦセンサー２０４がアパーチャ２１４に位置合わせされる。ＴｏＦセンサー２０４によって放射されるＩＲ光および物体からのＩＲ光の反射光がアパーチャ２１４を通過してＴｏＦセンサー２０４によって記録される。
【0067】
[0079] 図４Ｂ～図４Ｃを参照すると、近接感知スキン２００がロボットのボディ自体のモノリシック部品２１８に組み込まれ得る。近接感知スキン２００は、モノリシック部品２１８を形成するためにエポキシ樹脂を使用してこの部品２１８の外部表面（図４Ｂ）または内部表面（図４Ｃ）に積層され得る。ＰＣＢ２０６は任意の形状をとることができ、炭素繊維コンポジット部品２１８の曲率／輪郭に適合し得る。ＰＣＢ２０６は、エポキシ樹脂の流れを促進するために有孔のジオメトリを有する。ＴｏＦセンサー２０４の閉塞を防止するために、ＩＲ光に対して透過性がある適切なエポキシ樹脂が使用される。見た目の良さのために、この部品２１８は、内部に組み込まれた任意のセンサー２０２、２０４、２０８の存在を隠すために、塗料を塗布され得／スプレーコーティングされ得／研磨され得る。ＴｏＦセンサー２０４の閉塞を防止するために、ＩＲ光に対して透過性がある適切な塗料またはコーティングが使用される。
【0068】
[0080] コネクタ２１０が、センサー２０２、２０４、２０８からの信号をサーボドライバ／制御装置ＰＣＢまで中継する。一般に、コネクタ２１０は、ロボットの上にある、隣接するかまたは最も近くにあるサーボアクチュエータのドライバ／制御装置ＰＣＢに取り付けられ、ロボットは、近接感知スキン２００が積層される部品または表面を移動させるように構成される。コネクタ２１０はロボットの内部を経由してサーボ制御装置ＰＣＢに到達する。
【0069】
[0081] センサー２０２、２０４、２０８による測定値はロボットの動作の多様なモードを切り替えるのに使用されるか、または、ロボットの動きを調整するためにフィードバック制御アルゴリズムに対する入力となるように使用される。これらの測定値は、衝突回避、速度制御、検出される物体の近くのモーションの減速、または接触の認識のために使用される。衝突回避のためには、近接センサー２０２、２０４が、近接感知スキン２００を付着した部品２１８と周りの物体との間で最小閾値距離を維持するのに使用される。近接センサー２０２、２０４により表面の最小閾値距離の範囲内である物体（すなわち、人間、別のロボット、または他の物体）が検出されると、ロボットが、その物体との衝突を防止するために力／トルク補償モードへの切り替えを行うことになる。
【0070】
[0082] 近接センサー２０２、２０４は、センサー２０２、２０４自体がその上にあるロボットのセルフセンシングを回避するかまたは無視する。ロボットアームの位置およびロボットの多様な部品の上にある多様な近接感知スキン２００の配置に応じて、特定の近接感知スキン２００の上の容量センサー２０２およびＴｏＦセンサー２０４が自動で起動されたり停止されたりし、または、セルフセンシングを防止するためにそれらの感知結果が無視される。
【0071】
[0083] 図５Ａ～図５Ｂを参照すると、一実施形態による近接感知スキン２２０が示されており、これがロボット表面２３０との関連で示されている。近接感知スキン２２０は図４Ａの近接感知スキン２００と実質的に同様である。近接感知スキン２２０は、銅トレース２０８と、各２×２グリッドの中央にＴｏＦセンサー２０４を備える、可撓性ＰＣＢ２２２の上に２×２グリッドで配置構成された複数の容量センサー２０２と、を有する。ＰＣＢ２２２は各２×２グリッドの中央にあるカットアウトタブ２２４を有し、カットアウトタブ２２４の上にＴｏＦセンサー２０４が配設される。カットアウトタブ２２４はＰＣＢ２２２の頂面２２６に対して下げられており、その結果、ＴｏＦセンサー２０４の頂部がＰＣＢ２２２の頂面２２６と実質的に面一となる。
【0072】
[0084] 近接感知スキン２２０が、アパーチャ２３２を有するロボット表面２３０に付着される。近接感知スキン２２０がロボット表面２３０に付着されている場合、タブ２２４およびタブ２２４の上に配設されたＴｏＦセンサー２０４がアパーチャ２３２の中に収められる。この配置構成は、ロボット表面２３０が、滑らかな仕上がりを有すること、およびさらにはＴｏＦセンサー２０４の領域内でロボット表面２３０が別の物体に接触する場合にＴｏＦセンサー２０４を損傷から保護することを可能にする。近接感知スキン２２０は、上で説明したようにモノリシック部品を形成するためにエポキシ樹脂を用いてロボット表面２３０に積層され得る。
【0073】
[0085] いくつかの実施形態では、赤外線（ＩＲ）ＬＥＤが、ＶＲ／ＡＲデバイスによって追跡されるように可撓性ＰＣＢ２２２に組み込まれる。ＰＣＢ２２２の上のＬＥＤのパターンは、例えば基部またはエンドエフェクタなどの、近接センサースキン２２２を付着したロボットの部品２３４に対するＰＣＢ２２２の位置を特定するために、各ＰＣＢ２２２に対して固有である。ＩＲカメラを装備するＶＲ／ＡＲヘッドセットを着用している使用者が、ＶＲ／ＡＲヘッドセットに対するロボットの位置を特定するためにＩＲ ＬＥＤ光を見ることができる。これは、使用者が近接スキンをロボットの上のどこに装着するかを決定することを可能にするように、およびロボットにより物体の近接度を感知することができる方向を決定するのも可能にするように、行われ得る。
【0074】
[0086] ＩＲ ＬＥＤが、部品２３４の表面２３０の上でのいかなる突出部分およびテクスチャをも回避するようにＰＣＢ２２２のタブ２２４の上に設置される。近接センサースキン２２２が付着された後で任意の塗料塗布／スプレーコーティング／研磨の仕上がりが部品２３４に適用される場合、仕上がりはＩＲ光に対して透過性があるため、ＩＲ ＬＥＤによって放射された光が通過することができる。別の実施形態では、ＩＲ ＬＥＤは、以前に説明したシングルポイントのＴｏＦセンサー２０４に含まれる。ＡＲ／ＶＲの位置特定の目的と物体の近接度検出のためのＩＲ ＬＥＤの輝度が、ＬＥＤデューティサイクルでのパルス幅変調を利用して調整され得る。
【0075】
[0087] 図６Ａを参照すると、一実施形態による、ロボットコンポジット部品２６０ａ、２６０ｂに付着された防腐食近接感知スキン２５０の分解図が示されている。コンポジット部品２６０ａ、２６０ｂは、図６Ｂに示されるコンポジット部品２６０を形成するように接着された炭素繊維部品２６０ａおよび金属ブラケット２６０ｂを有する。コンポジット部品の１つの問題は電解腐食である。通常、異なる電気伝導性材料で構築された部品２６０ａ、２６０ｂが直接接触してそれによりそれらの電気伝導度に応じて部品２６０ａ、２６０ｂのうちの一方の部品で優先的な腐食を引き起こす場合に、電解腐食が起こる。
【0076】
[0088] 部品２６０ａ、２６０ｂの電解腐食は、防腐食近接感知スキン２５０をコンポジット部品２６０に一体化することにより、軽減され得る。防腐食近接感知スキン２５０は図５Ａ～図５Ｂの近接感知スキン２２０と実質的に同様であり、複数の近接センサー２５６を有する。防腐食近接感知スキン２５０は、センサー２５６と電気接点２５８との間に折り畳みセグメント２５４を有する可撓性ＰＣＢ２５２を有する。近接感知スキン２５０は部品２６０ａ、２０６ｂの接着中にコンポジット部品２６０ａ、２６０ｂに付着され、それにより折り畳み領域２５４が、図６Ｂに示されるように、接着されたコンポジット部品２６０の部品２６０ａ、２０６ｂの間に挿置される。
【0077】
[0089] 図６Ｃを参照すると、防腐食近接感知スキン２５０の底面図が示されている。折り畳みセグメント２５４は、金属ブラケット２６０ｂおよび炭素繊維部品２６０ａの両方に触れる一対の導電性パッド２５５、２５７を有する。第１の導電性パッド２５５が炭素繊維部品２６０ａに接触し、第２の導電性パッド２５７が金属ブラケット２６０ｂに接触する。電気接点２５８を介して供給される微小電流がパッド２５５とパッド２５７との間を流れ、それにより部品２６０ａ、２６０ｂの電解腐食を防止するためのカソード防食が実現される。
【0078】
[0090] 図７を参照すると、一実施形態による自律ロボットシステム４００が示されている。ロボットシステム４００が、自律医療手法および注射を実施するように訓練される。これらには、以下に限定しないが、皮下注射、筋肉注射、関節内注射、硬膜外注射、硬膜内注射、生検サンプリング、流体吸引、静脈内アクセス（セントラルライン、末梢ライン、および／または、末梢挿入のセントラルライン）、動脈内アクセス（動脈ライン）、内皮カテーテル法、上皮カテーテル法、およびキルシュナーワイヤ（Ｋ－ワイヤ）挿入が含まれる。これらの用途のうちの１つまたは複数の用途では、ニードルベースの機構またはニードルレスベースの機構が薬物投与などの必要なタスクを完了するのに使用され得る。
【0079】
[0091] 自律システム４００は、エンドエフェクタ１０８に取り付けられたツール４０２を備える、図１Ａ～図１Ｂに示される自律ロボット装置１００を有する。上で説明したように、エンドエフェクタ１０８は、ツール４０２に電力供給するための、およびツール４０２を制御するための、ツール４０２との電気接続および液圧／空気圧接続を取り付け時に形成する。ツール４０２は、ニードルベースの採血および注射またはニードルレスの注射のために構成された交換可能な先端部４０６を有する。先端部４０６は、採血のためのシリンジ、あるいは、注射可能な流体を充填されたバイアルまたはカートリッジを有することができる。ツール４０２が、以下で説明するように、注射および採血を支援するためのセンサーをさらに有する。
【0080】
[0092] ツール４０２は、垂直方向高さの収縮時に径方向に拡大する剛体リンク機構または可撓性リンク機構を備える変形可能な延伸機構（図示せず）をさらに有することができる。延伸機構は、注射のための最適な状態にするように患者の皮膚を伸ばすために注射プロセス中に外側に配備される。これは、患者がしわまたは病斑などの理想的ではない皮膚状態を有する場合に、適切となり得る。延伸機構は、ロボット１００のエンドエフェクタ１０８により患者の腕（または、他の体の部位）の方への押し込みを行うときに皮膚を徐々に伸ばす。荷重計／ひずみゲージをその機構に一体化することにより、延伸機構にかかる径方向および軸方向の荷重が測定され得る。延伸機構に作用する荷重／力が先端部４０６（注射機構）に作用する荷重／力と同じではないことに留意することが重要である。
【0081】
[0093] 延伸機構が患者の身体に接触することから、衛生的な理由で、カバー／先端部が交換可能である。別の実施形態では、延伸機構は使い捨てまたは非使い捨ての両方であり得る。非使い捨てのデザインは、金属（アルミニウム、ステンレス鋼）などのより永久的な材料、またはより高い耐久性を有するプラスチックから作られ得る。この実施形態では、延伸機構は使用の間で消毒される必要がある。
【0082】
[0094] 延伸機構は、軟質プラスチックおよび／または硬質プラスチック、ファブリック、ならびにスマート材料（すなわち、電気活性ポリマー、形状記憶合金、またはポリマー）から製作され得る。延伸機構は、単一の部品となるように使い捨てバイアルと一体化され得る。
【0083】
[0095] ロボット１００の基部１２０が支持構造４０４に取り付けられる。支持構造４０４は、使用者５００に対して命令を提示するための、および、ロボット１００の使用者５００との相互作用を支援するために使用者５００から入力を受信するための、タッチスクリーンディスプレイ４０８を有する。例えば、ディスプレイ４０８は、ロボット１００、エンドエフェクタ１０８、またはツール４０２に対する使用者の近接度を検出するビジョンモジュールからのセンサー測定値に基づいて、ロボット１００の方に腕を向けてロボット１００の近くに立つようにとの指示を使用者５００のために提示することができる。ディスプレイ４０４は基部１２０内にあるＩ／Ｏコネクタを介してロボット１００に接続され得、それにより、ロボット１００がディスプレイ４０８の上で提示するためのイメージを出力する。
【0084】
[0096] 支持構造４０４は、複数のレセプタクル（または、トレー）４１０、４１２を有する。第１のレセプタクル４１０が、注射可能な流体を収容する空のシリンジまたはカートリッジを保管するのに使用される。少なくとも第２のレセプタクル４１２が、使用済みのカートリッジおよびニードルなどの、廃棄物を保管するのに使用される。レセプタクル４１０、４１２は、中身を空にするために、または中身を補充するために支持構造４０４から取り外し可能である。他の実施形態によると、支持構造４０４が、レセプタクル４１０の代わりに、バイアルのスプールまたはパッケージを保管することができる。
【0085】
[0097] ロボット１００が、注射または採血を自律的に実施するように、およびその後で先端部４０６を補充するか、または交換するように構成される。１つの補充プロセスが、予め充填された１回投与のバイアルまたは複数回投与のバイアルの使用を含む。１回投与のバイアルおよび複数回投与のバイアルは再装填機構４１６によりレセプタクル４１０から取り出され得る。支持構造４０４は、再装填機構４１６に隣接する開口部４１４を有する。先端部４０６を交換するために、ロボット１００が、アーム１０２を関節運動させて、古い先端部４１６を廃棄物レセプタクル４１２の中に落下させ、次いで、開口部４１４を通してツール４０２を挿入する。次いで、再装填機構４１６がツール４０２と係合し、先端部４０６を新しいバイアルに交換する。この補充方法は、多数回投与した後で新しいバイアルをレセプタクル４１０に追加することにより、簡易かつ低い頻度でロボットに補充を行う手法を提供する。
【0086】
[0098] 別の補充プロセスは、ワクチン／薬物の大きい容器（図示せず）に接続された液圧ポンプを使用することを含む。先端部４０６に補充を行うための流体は、基部１２０内にある弁アレイおよびロボット１００の内部を経由する管材を介してエンドエフェクタ１０８まで移送される。この流体は、ニードルレスの方法およびニードルを用いる方法の両方を利用して患者／顧客に直接投与され得る。加えて、流体は空のバイアルに充填を行うのに使用され得、このバイアルがニードルレスの方法またはニードルを用いる方法の両方を利用して使用され得る。
【0087】
[0099] 使用者５００または支持構造４０４などの近接する物体に接触することなく注射および再装填のためにアーム１０２を関節運動させるために、ロボット１００は上で説明したように基部１２０およびエンドエフェクタ１０８の中にあるビジョンモジュールにより環境を観察する。ロボット１００はＡＩ物体検出を実装し、特定の用途のための、バイアル、シリンジ、ニードルなどの物体、および、使用者５００または支持構造４０４の上にある再装填機構４１６などと相互作用するための物体を識別するように訓練される。ロボット１００は、アーム１０２、エンドエフェクタ１０８、またはツール４０２などの、ロボット１００の部品に積層された少なくとも１つの近接感知スキンをさらに有することができる。
【0088】
[0100] 上で言及したように、注射の位置を決定するのに使用される情報の大部分は、基部１２０内にあるビジョンモジュールからのライブビジョンデータ（ＲＧＢカメラ、深度ビジョン、ＩＲ、超音波、ＬＩＤＡＲなど）を使用して得られる。しかし、見通し線の問題、または高速に移動する標的のために、接触の最後の瞬間において、精密な位置がこれらのセンサーからはアクセス可能とならない可能性がある。したがって、制御システムの微調整および迅速な修正のために、エンドエフェクタ１０８のビジョンモジュールの中で、低解像度であるがより高速である（実時間である）センサーが利用される可能性がある。ツール４０２または周辺デバイスの中にある追加のセンサーが、特定の用途のために必要である追加の感知能力を提供するために、ロボット１００に接続され得る。これらのセンサー／周辺装置、および、それらの使用の説明は以下の通りである。
【0089】
[0101] 超音波ベースのまたはソナーベースのセンサー／周辺装置は、肉、骨、および静脈／動脈などの身体の内部特徴を安価に検出するための理想的な選択肢である。医学的合併症および患者の損傷を回避するために、患者の身体上で挿入の位置を、ならびに奥行きおよび角度を決定するためには、これらの特徴を感知することが非常に重要である。２Ｄおよび３Ｄの超音波データは、通常、ロボット１００に送信されてコンピュータビジョンアルゴリズムによって処理される。コンピュータビジョンアルゴリズムは、エッジ検出、ＡＩベースのセマンティックセグメンテーションなどの、ＭＬ／ＡＩを含む可能性がある。
【0090】
[0102] 赤外線ビジョンセンサー／周辺装置も皮膚の近くの解剖学的特徴を検出するための別の選択肢であり、それにより筋肉注射および静脈注射ならびに採血の用途のために有用となり得る。ソナーおよび超音波データと同様に、赤外線データは、通常、コンピュータビジョンアルゴリズムによって処理される。コンピュータビジョンアルゴリズムは、エッジ検出、ＡＩベースのセマンティックセグメンテーションなどの、ＭＬ／ＡＩを含む可能性がある。
【0091】
[0103] 荷重計およびひずみゲージのセンサー／周辺装置が、物体との相互作用時にロボット１００またはツール４０２によって加えられた力を測定するのに使用される。ニードルを用いる場合、またはニードルレスの場合のいずれでも、注射／採血を実施するときの重要な測定は、患者およびツール４０２自体に加えられる力／荷重の測定である。力が不適切に加えられることにより、オペレーションが失敗する可能性があり、患者が損傷する可能性があり、痛みおよび不快感を発生させる可能性があり、ならびに／あるいは、ツール４０２を損傷させる可能性がある。
【0092】
[0104] 上で言及したように、一部の医療手法は、術前の解剖学的特徴のより正確な位置特定に依存する。位置特定は、外部マーカ、および、周辺デバイスによって実施される、ＭＲＩ、Ｘ線写真術、ＣＴスキャン、またはＰＥＴスキャンによって得られる画像を使用して達成され得る。外部マーカは、カメラまたは奥行きセンサーなどの、基部１２０またはエンドエフェクタ１０８の上にあるビジョンセンサーによって見ることができ、外部マーカが識別されると、医療画像データが実際の物理世界に対してマッピングされ得る。加えて、同様に医療画像データをマッピングするために、独立してまたは識別されたマーカと併せて、奥行きセンサーからの３Ｄデータが使用され得る。医療画像データが物理世界に対してマッピングされると、患者および患者の臓器に対するロボットの位置が決定される。
【0093】
[0105] 多様な実施形態によると、自律ロボットシステム４００は、人間、あるいは、他のロボットまたは周辺機器との他の用途、相互作用、および／または協働のために、構成可能である。ロボットシステム４００は、以下で説明するように、特定の用途のために、単純にツール４０２を別のツールに交換するか、またはロボットを周辺機器に接続することにより、容易に適合され得る。
【0094】
[0106] 種々の実施形態によると、自律ロボットシステム４００が、ニードルベースの用途のために実装される。一つの実施形態では、ニードルベースの用途が、ワクチンなどの筋肉（ＩＭ：ｉｎｔｒａｍｕｓｃｕｌａｒ）注射または皮下注射である。現在、ワクチンは医療従事者により患者に投与され、したがって非常に労働集約的なプロセスとなる。自律ロボットシステム４００を使用することにより、医療サービス提供者からの直接の介入なしで、ワクチンなどのＩＭ注射を自律的に実施することが可能となる。
【0095】
[0107] 店員によるセルフレジブースの区画の監視が行われる食料品店でのセルフレジ通路に対して、比較類推を行うことができる。ＩＭ注射では、同様に、医療サービス提供者が、ワクチン（または、他のＩＭ注射または皮下注射）を患者に投与する自律ロボットブースの区画の監視を行う可能性がある。この実施形態では、患者がワークフローの問題に出くわした場合、または患者がロボット１００による警告を受けた場合にのみ医療従事者が介入する必要がある。この用途は、以下に限定しないが、立体ビジョン、ライダー、超音波、および衝突回避を含めた、本明細書で開示される技術システムのうちの複数の技術システムに依存する。
【0096】
[0108] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、医療従事者からの直接の介入なしで採血を実施するためのロボットフレボトミスト（ｒｏｂｏｔｉｃ ｐｈｌｅｂｏｔｏｍｉｓｔ）として使用される。この実施形態は、表在血管を可視化するために赤外線のような追加のイメージガイダンスを使用する可能性がある。血管、筋肉、骨、脂肪などのより深い構造を可視化するために超音波も利用される可能性がある。この特定の用途では、赤外線センサーまたは超音波センサーが、ツール４０２に、および／またはエンドエフェクタ１０８内にあるビジョンモジュールに一体化され得る。
【0097】
[0109] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、ニードルベースの生体検査のために使用される。腫瘍生検を実施する場合、ロボット１００が、医療サービス提供者からの直接の介入なしで、ＭＲＩイメージに従って生体検査のための部位を見つけるために、および腫瘍の生検標本を得るために、ＭＲＩなどの術前撮像デバイス（ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）に登録され得る。
【0098】
[0110] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、硬膜外または硬膜下などの脊髄ブロックまたは注射のために使用される。例えば、ロボット１００は、麻酔専門医からの直接の介入なしで、術前ワークフローの一部として脊髄ブロックを通して患者にまひ薬（ｐａｒａｌｙｔｉｃｓ）を投与し得る。この実施例では、超音波が、精度を向上させるためにイメージガイダンス用に使用される。神経根などの軟組織構造の可視化をさらに改善するために、ＭＲＩなどの術前撮像も統合され得る。
【0099】
[0111] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、関節内注射のために使用される。例えば、ロボットは、医療サービス提供者からの直接の介入なしで、関節腔（臀部など）を可視化するために超音波またはエックス線などの画像診断技術を利用することができる。次いで、ロボット１００は、変形性関節症からの治療的緩和（ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ ｒｅｌｉｅｆ）を実現するために、関節内注射液（ヒアルロン酸）を関節腔の中に投与することができる。他の関節内注射液は、以下に限定しないが、多血小板血漿およびコルチゾンを含むことができる。
【0100】
[0112] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、植毛手法のために使用される。この実施形態では、ＡＩが、ロボット工学側で使用されるだけでなく、どこから毛髪を取るべきか、またはどこに毛髪を移植すべきかを技術者が評価するのを支援するためのプロシージャルプランニングでも使用され得る。次いで、ロボットが、このプロシージャルプランに基づいて、医療従事者からの直接の介入なしで、毛髪を採取して植え直すことができる。
【0101】
[0113] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、スワブ試験のために使用される。これは、以下に限定しないが、鼻咽頭スワブ、口腔咽頭スワブ、頸部スワブ、尿道スワブなどを含む。ｃｏｖｉｄスワブの実施例では、ロボットが、医療サービス提供者からの直接の介入なしで、スワブを投与することができ、それにより医療サービス提供者をウイルスの拡散から安全な状態にする。この実施形態は、ロボットを通してスワブを配置するのを支援するために、ライダー、立体視、術前ＭＲＩまたはＣＴなどの、ビジョン技術を使用することができる。
【0102】
[0114] 別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が、ニードルレスの注射のために使用される。ニードルレスの注射方法では、その名前によって示されるようにニードルを使用することなく、薬物／物質が注射される。この注射機構は、患者の組織の内部で噴射させるように薬物を押し出す手段として単純に空気圧を利用する。空気圧は、従来の継続的に動作するコンプレッサによって、またはツール４０２内にある局所的な正圧ピストン（ｐｏｓｉｔｉｖｅ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｉｓｔｏｎ）によって生成される。正圧ピストンは、ばね式のラッチ機構を使用して個別の圧力を作り出す。
【0103】
[0115] 従来のコンプレッサベースの空気圧システムが使用される場合、ロボット１００の基部１２０内の弁アレイにある、アクティブ制御の圧力調整弁および流量制御弁／ソレノイドを使用して、ツール４０２に対する圧力が制御されて加えられる。圧力調整弁の目標圧力は、主ロボット制御システムにより電子的に制御され得る。手法を正確に制御することは非常に重要である。その理由は、（その分子構造に応じて）一部の薬物／ワクチンはこの加えられる圧力に対して敏感であるからであり、したがって、適切ではない圧力が加えられた場合に薬物／ワクチンが悪影響を受けることになるからである。
【0104】
[0116] ばね式のラッチのような機構が使用される場合、ツール４０２内で形状記憶合金または電磁アクチュエータを使用して、ラッチの装填およびラッチの解除の自動化が達成され得る。エンドエフェクタ１０８の上にある力センサーおよび近接センサーが、上述したようなプロセスの多様な段階中に（つまり、充填、注射、廃棄など）、機構の状態（つまり、ラッチされた、充填された、解除されたなど）、および／または、機構に作用する多方向の力を判断するのに使用され得る。
【0105】
【0106】
[0118] ツール６００は、交換可能なバイアル６０４の中身を患者の中に注射するための個別の圧力を作り出す正圧ピストン注射器６０２を有する。ピストン注射器６０２は、バイアル６０４の中身を注射するための第１のばね式のラッチ６０６と、使用後にツール６００からバイアル６０４を取り出すための第２のばね式のラッチ６０８と、を有する。ピストン注射器６０２は、手動の手持ち式のオペレーションのための既製品の構成要素（例えば、Ｐｈａｒｍａ Ｊｅｔ注射器）であり得る。
【0107】
[0119] ピストン注射器６０２が、ロボットによる自律的な注射のためにツール６００の中に組み込まれる。ツール６００は、ピストン注射器６０２を保持するためのハウジング６１０を有する。ハウジング６１０は、ばね式のラッチ６０６、６０８と係合するためにプーリーの上を経由する、両端部で固定された２つの形状記憶合金アクチュエータワイヤ６１０、６１２を有する。第１のアクチュエータワイヤ６１０が第１のプーリーシステム６１４の上を経由して第１のばね式のラッチ６０６と係合し、第２のアクチュエータワイヤ６１２が第２のプーリーシステム６１６の上を経由して第２のばね式のラッチ６０８と係合する。
【0108】
[0120] 形状記憶合金ワイヤ６１０、６１２が加熱時に縮んで短くなる。ツール６００は、アクチュエータワイヤ６１０、６１２を二者択一的に加熱するための加熱要素（図示せず）を有し、加熱することで、ワイヤを締め付けて、それにより、バイアル６０４の中身を注射するか、または使用後にバイアル６０４を取り出すために、ばね式のラッチ６０６、６０８を押し下げる。
【0109】
[0121] 自律ロボットシステム４００のための、上で説明した用途では、何らかの理由で非使い捨てのデバイスおよび機構が使用される場合、非使い捨てのデバイスおよび機構が使用の間で徹底的に消毒されることが非常に重要である。別の実施形態では、自律ロボットシステム４００が自己消毒のために、および／または周囲環境の消毒のために使用される。消毒ツールがエンドエフェクタ１０８に取り付けられ得るか、またはロボット１００が、消毒ツールを有する隣り合うロボットによって消毒され得る。消毒ツールは、以下に限定しないが、ＩＲ加熱またはジュール加熱、アルコール、ソープ、クリーナ、バイオサイドを使用する化学消毒、または、加圧空気、加圧水、または研磨流体を使用する空気圧／機械的消毒である、消毒方法を採用するように構成される。
【0110】
[0122] 一実施形態によると、エンドエフェクタ１０８は、それ自体、周囲環境、および／または隣り合うロボットを自己消毒するためにロボット１００によって使用される高強度ＵＶランプまたはＬＥＤを有する。加えて、ロボット１００自体に抗菌性のＩＲ透過塗料が塗布され得、それにより、上で言及した他の方法と併せて保護性および消毒性を向上させる。
【0111】
[0123] 上記の説明は１つまたは複数の装置、方法、またはシステムの実施例を提供するが、当業者には読み取られ得るように、他の装置、方法、またはシステムも、特許請求の範囲内に存在し得ることが認識されよう。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【手続補正書】
【提出日】2024-01-19
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
近接感知スキンであって、表面に対して積層するための可撓性導電性材料を備え、
前記導電性材料が、
前記導電性材料の上に配置構成された複数のセンサーを有し、
前記複数のセンサーが、
前記表面から最大～１０センチメートルで物体の近接度を感知するための少なくとも１つの容量センサーと、
前記表面から～１０センチメートルから最大～２メートルで物体の近接度を感知するためのシングルポイントの飛行時間型センサーと、
前記近接感知スキンが積層される前記表面にかかる機械的ひずみ／応力を測定するための銅トレースと、を備え、
前記飛行時間型センサーが、
フォトトランジスタと、
赤外線ＬＥＤと、を備え、
前記可撓性導電性材料が、前記複数のセンサーからの信号を、前記複数のセンサーからの前記信号に応答して前記表面を移動させるように構成されたサーボ制御装置まで、中継する、近接感知スキン。
【請求項2】
前記近接感知スキンが、モノリシック部品を形成するエポキシ樹脂を用いて前記表面に積層される、請求項１に記載の近接感知スキン。
【請求項3】
前記表面がコンポジット部品の上にあり、前記コンポジット部品が、金属と、炭素繊維または繊維ガラスのうちの一方とで構築される、請求項１に記載の近接感知スキン。
【請求項4】
前記コンポジット部品の炭素繊維セグメントに接触する第１の導電性パッドと、前記コンポジット部品の金属セグメントに接触する第２の導電性パッドと、
をさらに備え、
前記コンポジット部品の電解腐食を抑制するために電流が前記第１の導電性パッドと前記第２の導電性パッドとの間を通過する、
請求項３に記載の近接感知スキン。
【請求項5】
自律ロボット装置であって、関節式ロボットアームと、
前記ロボットアームに取り付けられた基部と、を備え、
前記関節式ロボットアームが、
中空ジョイントにより接続され、前記ロボットアームを３次元で移動させるために前記ジョイントを中心として回転可能である、複数のリムセグメントと、
ターミナルリムセグメントに取り外し可能に取り付けられたエンドエフェクタと、を備え、
前記エンドエフェクタが、
ツールを取り外し可能に取り付けるための設置用インターフェースであって、前記ツールを前記設置用インターフェースに係止するためのラッチ機構を有する設置用インターフェースと、
前記設置用インターフェースでの前記ツールの取り付けまたは取り外しを測定するための第１のビジョンモジュールと、を備え、
前記基部が、
前記ロボット装置に近接する物体を検出するための第２のビジョンモジュールと、
前記ロボット装置の周りの環境の３６０度ビューを捕捉するために前記第２のビジョンモジュールを方向付けるように構成された３軸ジンバルと、を備え
前記第２のビジョンモジュールが、
前記ロボット装置の周りの前記環境にある前記物体の立体奥行き知覚のための一対のＲＧＢカメラと、
前記物体の温度を測定するための遠赤外線サーマルカメラと、
前記物体までの距離を測定するためのシングルポイントの飛行時間型（ＴｏＦ）奥行きセンサーと、を備え、
前記ロボットが、前記第２のビジョンシステムによって検出された前記物体との衝突を回避しながら前記ツールを使用して１つまたは複数の訓練済みタスクを実施するために前記ロボットアームを自律的に関節運動させるように構成される、
自律ロボット装置。
【請求項6】
前記サーマルカメラによって見られる物体のための放射率較正が、前記ＴｏＦセンサーによって測定された前記物体の前記距離および前記ＲＧＢカメラによる前記物体の検出に基づいて、実時間で計算および調整される、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項7】
前記基部が弁アレイをさらに備え、前記弁アレイが、少なくとも５つの入力ラインから前記エンドエフェクタに接続された一対の出力ラインまでの流体供給を調節するための、流体接続された複数の電磁弁であって、それにより、前記ツールの液圧／空気圧制御のために前記出力ラインのうちの１つの出力ラインを介して液圧／空気圧流体が前記エンドエフェクタに供給される、複数の電磁弁
を備える、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項8】
前記設置用インターフェースが、前記ツールの液圧／空気圧制御のための少なくとも１つの液圧／空気圧コネクタをさらに備え、
前記液圧／空気圧コネクタが前記一対の出力ラインに流体接続される、請求項７に記載の自律ロボット装置。
【請求項9】
各リムセグメント内にあり、前記リムセグメントを関節運動させるための、少なくとも１つのサーボモータをさらに備え、前記サーボモータが、前記リムセグメントを移動させるときに前記サーボモータの受ける機械抵抗を感知するための電流フィードバック機構を実装するように構成される、請求項５に記載の自律ロボット装置。
【請求項10】
前記ロボット装置の少なくとも１つの部品に積層された少なくとも１つの近接感知スキンをさらに備え、前記近接感知スキンが、
複数のセンサーと、
前記複数のセンサーからの信号を中継するためのコネクタと、を備え、
前記複数のセンサーが、
前記表面から最大～１０センチメートルで物体の近接度を感知するための少なくとも１つの容量センサーと、
前記表面から～１０センチメートルから最大～２メートルで物体の近接度を感知するためのシングルポイントの飛行時間型センサーと、
前記表面にかかる機械的ひずみ／応力を測定するための銅トレースと、を備え
前記飛行時間型センサーが、
フォトトランジスタと、
赤外線ＬＥＤと、を備え、
前記コネクタが、前記部品を移動させるように構成されたサーボモータ制御装置に接続される、請求項９に記載の自律ロボット装置。
【請求項11】
前記近接感知スキンが、前記近接感知スキンの上で、固有パターンで配置構成された複数の赤外線ＬＥＤをさらに備え、
前記固有パターンが、前記固有パターンを見るために前記ロボット装置に接続されたＶＲ／ＡＲヘッドセットの上にある赤外線カメラにとって可視であり、
前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットが、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットに対する前記ロボット装置の位置を特定するために、使用者によって着用される、請求項１０に記載の自律ロボット装置。
【請求項12】
前記飛行時間型センサーの前記赤外線ＬＥＤが、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットに対する前記ロボット装置の位置を特定するために接続された前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットの上にある前記赤外線カメラにとって可視である、請求項１１に記載の自律ロボット装置。
【請求項13】
実時間で前記第２のビジョンモジュールを方向付けるために、前記使用者によって方向付けされる、前記ＶＲ／ＡＲヘッドセットの３Ｄの向きが、前記ジンバルに伝達される、請求項１１に記載の自律ロボット装置。
【請求項14】
前記基部が、中央中空部をさらに備え、
前記少なくとも５つの入力ラインと、前記一対の出力ラインと、前記第１のビジョンモジュールおよび前記第２のビジョンモジュールまでのすべての配線とが、前記中央中空部を経由する、請求項７に記載の自律ロボット装置。
【請求項15】
前記一対の出力ラインと、前記第１のビジョンモジュールまでの前記配線とが、前記中央中空部から前記複数のリムセグメントおよび中空ジョイントの内部を通って前記エンドエフェクタまで経由する、請求項１４に記載の自律ロボット装置。
【請求項16】
注射液を投与するための、請求項５に記載の自律ロボット装置を使用する自律ロボットシステムであって、前記システムが、前記自律ロボット装置の前記基部を設置するための支持構造を備え、
前記支持構造が、
患者の中に注射されることになる流体を充填した使い捨てカートリッジを保管するための第１のレセプタクルと、
廃棄物を保管するための少なくとも第２のレセプタクルと、
前記ロボット装置の前記エンドエフェクタに取り付けられた前記ツールの先端部の中に使い捨てカートリッジを装填するための再装填機構と、
を備え、
前記自律ロボット装置が、前記第２のビジョンシステムによって検出された前記物体との衝突を回避しながら、
前記先端部の装填が解除されるときに、前記ツールを前記再装填機構に隣接するように移動させること、および、
注射後に前記使い捨てカートリッジを捨てるために、前記ツールを前記第２のレセプタクルの上方に移動させること、
を行うように構成される、自律ロボットシステム。
【請求項17】
前記ツールが、前記使い捨てカートリッジの中の前記流体を前記患者の中に注射するための正圧ピストン注射器と、
前記流体を注射するために前記圧力ピストンを解除するための第１のばね式のラッチと、
前記第１のばね式のラッチと係合するために第１のプーリーシステムの上を経由する第１の形状記憶合金アクチュエータワイヤと、
前記先端部から前記使い捨てカートリッジを取り出すための第２のばね式のラッチと、
前記第２のばね式のラッチと係合するために第２のプーリーシステムの上を経由する第２の形状記憶合金アクチュエータワイヤと、
前記アクチュエータワイヤを二者択一的に加熱するための加熱要素と、
前記患者の上の注射すべき領域に殺菌液を噴射するためのノズルと、
をさらに備え、
加熱時、前記アクチュエータワイヤが収縮して前記ばね式のラッチを押し下げる、
請求項１６に記載の自律ロボットシステム。
【請求項18】
前記エンドエフェクタが、前記自律ロボットシステムの自己消毒のための高強度ＵＶ光源をさらに備え、前記エンドエフェクタから前記ツールが取り外されると前記ＵＶ光源が起動される、請求項１６に記載の自律ロボットシステム。
【請求項19】
前記支持構造が、前記ロボット装置または前記ツールに対して自分自身を位置決めするために前記患者に対して命令を表示するための、前記ロボット装置に接続されたタッチスクリーンディスプレイをさらに備え、
前記命令が、前記第１のビジョンモジュールまたは前記第２のビジョンモジュールによって検出される、前記ツールに対する前記患者の近接度に基づいて、生成される、
請求項１６に記載の自律ロボットシステム。
【請求項20】
自律ロボット装置であって、
関節式ロボットアームと、
前記ロボットアームに取り付けられた基部と、を備え、
前記関節式ロボットアームが、
中空ジョイントにより接続され、前記ロボットアームを３次元で移動させるために前記ジョイントを中心として回転可能である、複数のリムセグメントと、
ターミナルリムセグメントに取り外し可能に取り付けられたエンドエフェクタと、を備え、
前記エンドエフェクタが、
ツールを取り外し可能に取り付けるための設置用インターフェースであって、前記ツールを前記設置用インターフェースに係止するためのラッチ機構を有する設置用インターフェースと、
前記設置用インターフェースでの前記ツールの取り付けまたは取り外しを測定するための第１のビジョンモジュールと、を備え、
前記基部が、
前記ロボット装置に近接する物体を検出するための第２のビジョンモジュールと、
前記ロボット装置の周りの環境の３６０度ビューを捕捉するために前記第２のビジョンモジュールを方向付けるように構成された３軸ジンバルと、
弁アレイと、
印刷回路基板と、
電力供給ユニットと、
ファンと、を備え、
前記第２のビジョンモジュールが、
前記ロボット装置の周りの前記環境にある前記物体の立体奥行き知覚のための一対のＲＧＢカメラと、
前記物体の温度を測定するための遠赤外線サーマルカメラと、
前記物体までの距離を測定するためのシングルポイントの飛行時間型（ＴｏＦ）奥行きセンサーと、を備え、
前記弁アレイが、
少なくとも５つの入力ラインから前記エンドエフェクタに接続された一対の出力ラインまでの流体供給を調節するための、流体接続された複数の電磁弁であって、それにより、前記ツールの液圧／空気圧制御のために前記出力ラインのうちの１つの出力ラインを介して液圧／空気圧流体が前記エンドエフェクタに供給される、複数の電磁弁を備え、
前記印刷回路基板が、
複数のセンサー、前記第１のビジョンモジュール、および前記第２のビジョンモジュールから受信した信号を処理するためのプロセッサを含む、前記ロボット装置を制御するための電気構成要素を備え、
前記ファンが、
前記電力供給ユニットと、前記印刷回路基板上の前記電気構成要素とを冷却するために前記基部を通して空気を循環させるためのものであり、
前記ロボットが、前記第２のビジョンシステムによって検出された前記物体との衝突を回避しながら前記ツールを使用して１つまたは複数の訓練済みタスクを実施するために前記ロボットアームを自律的に関節運動させるように構成される、
自律ロボット装置。
【国際調査報告】