JP6670233B2 - 磁気粘性に基づいたアクチュエータを有する力フィードバックグリップデバイス - Google Patents

Description

本発明は、概して、特に医療介入のための力フィードバックグリップデバイスに関する。本発明は、具体的には、対象物、特に解剖学的対象物（例えば臓器、血管、体内の異物等）にグリップ力を加える機械的グリッパを作動させる際の磁気粘性エラストマー（「ＭＲＥ」）の力フィードバック制御に関する。

医術及び工業的操作において使用される従来のグリッパ／ピンセットの多くは、力フィードバックを提供しない。力が制御された動きがないことによって、操作対象物の損傷（例えば医学的応用における組織引裂）又はグリッパの損傷の原因となる場合があり、グリッパの損傷の場合、グリッパの一部が患者の体内の残ると炎症が引き起こされるか、又は、製作時の構造欠陥が引き起こされる。

当技術分野において知られている力フィードバックグリッパは、電気モータ又は機械的伝動装置といった従来のアクチュエータを使用している。これらのアクチュエータの応答時間は、伝動ユニットの慣性モーメントに依存するので、通常、遅い。更に、これらのアセンブリは、多くの可動部品から製造されるため、小型化が難しい。同じことが、空気圧式アクチュエータについても言える。

電熱アクチュエータといった代替手段は、小型化できるが、医学及び製造の両方における幾つかの応用において許容できない熱を放散する。

本発明の１つの形式は、機械的グリッパと電磁アクチュエータとを使用する磁気粘性エラストマー（「ＭＲＥ」）グリップデバイスである。機械的グリッパは、対象物を掴むための複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動されるように動作可能である。電磁アクチュエータは、ＭＲＥを含み、当該ＭＲＥは、ＭＲＥに印加される磁場の可変強度に依存して、複数の形状間で推移するように動作可能であり、また、ＭＲＥの各形状は、機械的グリッパを、グリップ姿勢のうちの１つに作動させる。

本発明の目的上、ＭＲＥの「形状」は、任意の一般的形状（例えば円形、球体、多角形、角柱、円筒形、円錐形等）を広く包含し、ＭＲＥの「複数の形状」は、（１）同じ一般的形状の１つ以上の寸法における分散、及び／又は、（２）２つの一般的形状間の推移を広く包含する。例えばＭＲＥは、ＭＲＥに最小強度の磁場が印加されていると、立方形であり、ＭＲＥに最大強度の磁場が印加されていると、長方形に引き伸ばされ、又は、その反対であってもよい一般的な角柱形状を有する。更なる例として、ＭＲＥは、ＭＲＥに最小強度の磁場が印加されているときは、円筒形であり、ＭＲＥに最大強度の磁場が印加されるにつれて円錐形に推移し、又は、その反対であってもよい。

本発明の第２の形式は、機械的グリッパと、電磁アクチュエータと、力フィードバックコントローラとを使用する力フィードバックグリップデバイスである。機械的グリッパは、対象物を掴むための複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動されるように動作可能である。電磁アクチュエータは、ＭＲＥを含み、当該ＭＲＥは、ＭＲＥに印加される磁場の可変強度に依存して、複数の形状間で推移するように動作可能であり、また、ＭＲＥの各形状は、機械的グリッパを、グリップ姿勢のうちの１つに作動させる。力フィードバックコントローラは、機械的グリッパのグリップ力の推定と、機械的グリッパのグリップ力に対応する対象物の荷重力の感知とに基づいて、ＭＲＥに印加される磁場の強度を制御するように動作可能である。

本発明の第３の形式は、上記力フィードバックグリップデバイスを制御する方法である。当該方法は、ＭＲＥに磁場を印加することを含む。ＭＲＥは、磁場の可変強度に依存して複数の形状間を推移し、また、ＭＲＥの各形状は、機械的グリッパを、対象物を掴むための複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動させる。当該方法は更に、機械的グリッパのグリップ力の推定と、機械的グリッパのグリップ力に対応する対象物の荷重力の感知とに基づいて、ＭＲＥに印加される磁場の可変強度を制御することを含む。

本発明の上記形式及び他の形式だけでなく、本発明の様々な特徴及び利点は、添付図面と併せて読んだ場合に、本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明から更に明らかとなろう。詳細な説明及び図面は、本発明を限定するものではなく例示するものに過ぎない。本発明の範囲は、添付の請求項及びその等価物によって規定される。

図１は、本発明による力フィードバックグリップデバイスの例示的な実施形態を示す。 図２Ａは、開状態に示される本発明によるＭＲＥグリップデバイスの第１の実施形態を示す。 図２Ｂは、閉状態に示される本発明によるＭＲＥグリップデバイスの第１の実施形態を示す。 図３Ａは、開状態に示される本発明によるＭＲＥグリップデバイスの第２の実施形態を示す。 図３Ｂは、開状態に示される本発明によるＭＲＥグリップデバイスの第２の実施形態を示す。 図４は、本発明によるＭＲＥ電磁石の第１の例示的な実施形態を示す。 図５は、本発明によるＭＲＥ電磁石の第２の例示的な実施形態を示す。 図６は、本発明によるＭＲＥ電磁石の第３の例示的な実施形態を示す。 図７は、本発明によるグリップ力推定方法の例示的な実施形態を表すフローチャートを示す。 図８は、本発明による力フィードバック制御スキームの例示的な実施形態を示す。 図９は、ＭＲＥの既知の特性曲線を示す。

図１を参照すると、本発明の力フィードバックグリップデバイス２０は、対象物１０、具体的には、解剖学的対象物（例えば臓器、血管、体内の異物等）を掴むために、力フィードバックコントローラ２１、電磁アクチュエータ２２、機械的グリッパ２３及び荷重センサ２４を使用する。本発明の目的上、「グリップ」との用語は、本明細書において、次に限定されないが、デバイス２０が対象物１０を掴むこと、握ること、クランプすること、握り締めること、クラッチすること及び／又は保持することを含むデバイス２０の対象物１０への任意の力のある接触として、広く定義される。

一般的な動作では、力フィードバックコントローラ２１は、作動信号ＡＳを、電磁アクチュエータ２２に送り、電磁アクチュエータ２２による、磁気粘性エラストマー（「ＭＲＥ」）２２ａに印加される可変強度の磁場Ｈ_ｖｆｓの生成が制御される。磁場Ｈ_ｖｆｓの強度は、ＭＲＥ２２ａの２次元（「２Ｄ」）又は３次元（「３Ｄ」）形状を決定し、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度の任意の変化は、最小強度の磁場Ｈ_ｖｆｓ（例えばＭＲＥ２２ａのゼロ磁束密度Ｂ）に関連付けられる基本形状と、最大強度の磁場Ｈ_ｖｆｓ（例えばＭＲＥ２２ａの飽和磁束密度Ｂ）に関連付けられる完全に作動された形状との間で、ＭＲＥ２２ａの形状を変化させる。

実際には、ＭＲＥ２２ａの「形状」は、任意の一般的形状（例えば円形、球体、多角形、角柱、円筒形、円錐形等）を広く包含し、ＭＲＥ２２ａの「複数の形状」は、（１）同じ一般的形状の１つ以上の寸法における分散、及び／又は、（２）２つの一般的形状間に推移を広く包含する。例えばＭＲＥ２２ａは、ＭＲＥ２２ａに最小強度の磁場Ｈ_ｖｆｓが印加されていると、立方形であり、ＭＲＥ２２ａに最大強度の磁場Ｈ_ｖｆｓが印加されていると、長方形に引き伸ばされ、又は、その反対であってもよい一般的な角柱形状を有する。更なる例として、ＭＲＥ２２ａは、ＭＲＥ２２ａに最小強度の磁場Ｈ_ｖｆｓが印加されているときは、円筒形であり、ＭＲＥ２２ａに最大強度の磁場Ｈ_ｖｆｓが印加されるにつれて円錐形に推移し、又は、その反対であってもよい。

また、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度につき、「最小」及び「最大」との用語の使用は、相対値目的に使用され、電磁アクチュエータ２２によって生成可能である絶対最小及び最大磁場強度値ではない。したがって、実際には、磁場Ｈ_ｖｆｓの最小強度は、非ゼロ磁場であり、磁場Ｈ_ｖｆｓの最大強度は、ＭＲＥ２２ａの飽和磁束密度Ｂに一致していても、いなくてもよい。

図１を依然として参照するに、機械的グリッパ２３は、ＭＲＥ２２ａに結合され、これにより、ＭＲＥ２２ａの各形状が、機械的グリッパ２３を、ＭＲＥ２２ａの基本形状に対応する最小グリップ姿勢と、ＭＲＥ２２ａの完全に作動された形状に対応する最大グリップ姿勢との間の複数のグリップ姿勢のうちの１つに、作動させる。機械的グリッパ２３は、対象物１０を掴むように作動されるので、対象物１０は、機械的グリッパ２３のグリップ力ＧＦ、機械的グリッパ２３と対象物１０との接触面、機械的グリッパ２３及び対象物１０の材料特性（例えば降伏力、疲労強度、引張強度、圧縮強度、強靭性、弾性係数、柔軟性等）、並びに、機械的グリッパ２３及び対象物１０の物理特性（例えば質量、断面積等）に依存する荷重力ＬＦを経験する。荷重センサ２４は、荷重力ＬＦを示す荷重信号ＬＳを、力フィードバックコントローラ２１に伝える。これに反応して、力フィードバックコントローラ２１は、荷重信号ＬＳを介した荷重力ＬＦの感知及びグリップ力ＧＦの推定を利用して、磁場Ｈ_ｖｓｆの可変強度を、作動信号ＡＳを介して、機械的グリッパ２３が、対象物１０に任意の損傷を与えることなく、対象物１０をしっかりと掴むように制御する。

以下は、力フィードバックコントローラ２１、電磁アクチュエータ２２、機械的グリッパ２３及び荷重センサ２４の定義的な説明である。

本発明の目的上、力フィードバックコントローラ２１は、本明細書において、グリップ力ＧＦの推定と、荷重信号ＬＳを介した荷重力ＬＦの感知とに基づいて、作動信号ＡＳを介して、磁場Ｈ_ｖｓｆの可変強度を制御するように構成された任意のデータ処理構造体として、広く定義される。力フィードバックコントローラ２１の例として、次に限定されないが、マイクロプロセッサ（例えばデジタル信号プロセッサ）、マイクロコントローラ、専用ハードウェア／ファームウェア、プログラマブルハードウェア及びリプログラマブルファームウェアが挙げられる。実際には、作動信号ＡＳは、任意の電気信号形式（例えば電圧又は電流、ＤＣ又はＡＣ等）を有してよく、任意の電気信号伝送形式（例えば電気又は光学、有線又は無線等）によって、電磁アクチュエータ２２に伝えられる。また、実際には、力フィードバックコントローラ２１は、電磁アクチュエータ２２及び／又は機械的グリッパ２３と一体化されても、電磁アクチュエータ２２及び機械的グリッパ２３から物理的に離れていてもよい。

本発明の目的上、電磁アクチュエータ２２は、本明細書において、磁気粘性流体／粒子を有することで、エラストマーの弾性特性が、局所的に生成された可変強度磁場Ｈ_ｖｒｆによって制御可能である任意のタイプのエラストマーを使用する任意の電磁構造体として、広く定義される。実際には、ＭＲＥ２２ａは、デバイス２０の所望の応用に適した任意の材料組成を有してよい。一実施形態では、ＭＲＥ２２ａは、ポリマーマトリクスに埋め込まれた強磁性粒子でできている。例えば強磁性粒子は、ゴム（例えばシリコーンゴム）マトリクスに埋め込まれた３〜５μｍの純鉄である。

また、実際には、ＭＲＥ２２ａは、局所的に生成された可変強度磁場Ｈ_ｖｒｆに対して任意の配向を有してもよい。更に、ＭＲＥ２２ａは、機械的グリッパ２３に直接に結合されていても、又は、電磁アクチュエータ２２が、ＭＲＥ２２ａを機械的グリッパ２３に結合させるコンポーネント（例えばバネ、レバー等）を追加的に含んでもよい。

本発明の目的上、機械的グリッパ２３は、本明細書において、ＭＲＥ２２ａから１つ以上のコンポーネントに加えられる物理的力に反応して任意のタイプの対象物を掴む当該コンポーネントを使用する任意の機械構造体として、広く定義される。実際には、機械的グリッパ２３の構造上の構成は、機械的グリッパ２３を使用する特定の産業（例えば医療、生物医学、製造、半導体等）に依存する。医療産業に関して、機械的グリッパ２３の例示的な使用は、次に限定されないが、従来の外科手術（例えば腹腔鏡検査）及びマイクロ手術（例えば眼の手術）における組織の把持、小粒子（例えば血栓又は異物）の把持又はマイクログリッピングを含む。また、実際には、機械的グリッパ２３は、ロボットシステムのエンドエフェクタであってもよい。

本発明の目的上、荷重センサ２４は、本明細書において、構造体に作用する荷重力を、当該荷重力の大きさを示す任意のタイプの電子信号に変換するように構成された任意のセンサ構造体として、広く定義される。荷重センサ２４の例としては、次に限定されないが、ロードセルセンサ、力センサ、トルクセンサ及び圧力センサが挙げられる。実際には、荷重信号ＬＳは、任意の電気信号形式（例えば電圧又は電流、ＤＣ又はＡＣ等）を有してよく、任意の電気信号伝送形式（例えば電気又は光学、有線又は無線等）によって、力フィードバックコントローラ２１に伝えられる。また、実際には、１つ以上の荷重センサ２４が使用され、各荷重センサ２４が、対象物１０への荷重力の感知を容易にするように、機械的グリッパ２３の接触面に接合又は隣接して、機械的グリッパ２３に結合されていてもよい。

以下は、本発明の理解を更に深めるための図２乃至図９に示される力フィードバックコントローラ２１、電磁アクチュエータ２２及び機械的グリッパ２３の例示的な実施形態の説明である。

図２Ａに、開状態にあるデバイス２０の１つの例示的な実施形態２０ａが示され、また、図２Ｂに、閉状態にあるデバイス２０の１つの例示的な実施形態２０ａが示される。デバイス２０ａの機械的グリッパ２３は、レバー２３ｃにピボット可能に接続されているグリッパアーム２３ａと、レバー２３ｃに固定して接続されているグリッパアーム２３ｂとを有するグリッパフレームを使用する。グリッパフレームは更に、機械的グリッパ２３を、図２Ａに示される開状態に付勢するバネ２３ｄを有する。

デバイス２０ａの荷重センサ２４ａが、グリッパアーム２３ａの遠位接触面に接合され、デバイス２０ａの荷重センサ２４ｂが、グリッパアーム２３ｂの遠位接触面に接合される。或いは、荷重センサ２４ａ及び２４ｂは、各グリッパアーム２３ａ及び２３ｂの遠位接触面に隣接していてもよい。

グリッパアーム２３ａの近位端及びグリッパアーム２３ｂの近位端は、電磁アクチュエータ２２に接続されている。これは、電磁アクチュエータ２２及びバネ２３ｄのレバー２３ｃに対する並列アライメントを確立する。電磁アクチュエータ２２のＭＲＥ２２ａ（粒子ドットで象徴的に示されている）は、図２Ａに示される基本形状（例えば立方角柱形状）のＭＲＥ２２ａの成形によって形成される形状記憶特性を有する。

図２Ａに示されるように、ＭＲＥ２２ａは、磁場Ｈ_ｖｆｓの最小磁場強度Ｈ_ｍｉｎ（例えばゼロ磁場）の印加時に、基本形状を維持し、グリッパアーム２３ａ及び２３ｂは、バネ２３ｄによって、デバイス２０ａの開状態を表す最小グリップ姿勢に付勢される。ＭＲＥ２２ａの基本形状は、最小磁束密度Ｂ_ｍｉｎを考慮して、ＭＲＥ２２ａの最小剛性、したがって、グリッパアーム２３ａ及び２３ｂの最小グリップ力ＧＦに対応する。

対象物１０に対してデバイス２０ａを閉じるために、力フィードバックコントローラ２１（図示せず）は、図２Ｂに示されるように、最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度の増加を制御し、これにより、ＭＲＥ２２ａの基本形状から、磁場Ｈ_ｖｆｓの最大強度Ｈ_ｍａｘ（例えば飽和磁場）に関連付けられた完全に作動された形状（例えば長方形の角柱形状）への平行拡張がもたらされる。より具体的には、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度が増加されるにつれて、増加する磁束密度Ｂに反応して、ＭＲＥ２２ａの剛性が増加し、これにより、グリッパアーム２３ａ及び２３ｂのグリップ力ＧＦが、ＭＲＥ２２ａの完全に作動された形状に対応する最大レベルにまで増加される。

荷重センサ２４ａ及び２４ｂは、荷重信号を、力フィードバックコントローラ２１（図示せず）に伝え、これにより、力フィードバックコントローラ２１は、対象物１０に任意の損傷を与えることなく、対象物１０をしっかりと掴むように、最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度の増加を制御する。したがって、力フィードバックコントローラ２１は、増加するグリップ力ＧＦの推定と併せた荷重信号ＬＳが、もし磁場Ｈ_ｖｆｓの強度が最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて更に増加されるのならば、対象物１０が損傷する可能性があることを示す場合は、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度を、最大強度Ｈ_ｍａｘよりも低い強度に増加させてもよい。

図３Ａに、開状態にあるデバイス２０の別の例示的な実施形態２０ｂが示され、図３Ｂに、閉状態にあるデバイス２０の別の例示的な実施形態２０ｂが示される。デバイス２０ｂの機械的グリッパ２３は、レバー２３ｇに共にピボット可能に接続されているグリッパアーム２３ｅ及びグリッパアーム２３ｆと、磁気アクチュエータ２２の遠位側及びレバー２３ｇに接続されているバネ２３ｈとを有するグリッパフレームを使用する。

デバイス２０ｂの荷重センサ２４ａが、グリッパアーム２３ｅの遠位接触面に接合され、デバイス２０ｂの荷重センサ２４ｂが、グリッパアーム２３ｆの遠位接触面に接合されたグリッパアーム２３ｆに結合されている。或いは、荷重センサ２４ａ及び２４ｂは、各グリッパアーム２３ｅ及び２３ｆの遠位接触面に隣接していてもよい。

グリッパアーム２３ｅ及び２３ｆの近位端は、電磁アクチュエータ２２の近位側にピボット可能に結合されている。これは、電磁アクチュエータ２２及びバネ２３ｇのグリッパアーム２３ｅ及び２３ｆに対する直列アライメントを確立する。この実施形態では、電磁アクチュエータ２２のＭＲＥ２２ａ（粒子ドットで象徴的に示されている）は、図３Ａに示される基本形状（例えば長方形の角柱形状）のＭＲＥ２２ａの成形によって形成される形状記憶特性を有する。

図３Ａに示されるように、ＭＲＥ２２ａは、磁場Ｈ_ｖｆｓの最小磁場強度Ｈ_ｍｉｎ（例えばゼロ磁場）の印加時に、基本形状を維持し、グリッパアーム２３ｅ及び２３ｆは、バネ２３ｇによって、デバイス２０ｂの開状態を表す最小グリップ姿勢に付勢される。ＭＲＥ２２ａの基本形状は、最小磁束密度Ｂ_ｍｉｎを考慮して、ＭＲＥ２２ａの最小剛性、したがって、グリッパアーム２３ｅ及び２３ｆの最小グリップ力ＧＦに対応する。

対象物１０に対してデバイス２０ｂを閉じるために、力フィードバックコントローラ（図示せず）は、図３Ｂに示されるように、最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度の増加を制御し、これにより、ＭＲＥ２２ａの基本形状から、磁場Ｈ_ｖｆｓの最大強度Ｈ_ｍａｘ（例えば飽和磁場）に関連付けられた完全に作動された形状（例えば立方角柱形状）への直列圧縮がもたらされる。より具体的には、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度が増加されるにつれて、増加する磁束密度Ｂに反応して、ＭＲＥ２２ａの剛性が増加し、これにより、グリッパアーム２３ｅ及び２３ｆのグリップ力ＧＦが、ＭＲＥ２２ａの完全に作動された形状に対応する最大レベルにまで増加される。

荷重センサ２４ａ及び２４ｂは、荷重信号を、力フィードバックコントローラ２１（図示せず）に伝え、これにより、力フィードバックコントローラ２１は、対象物１０に任意の損傷を与えることなく、対象物１０をしっかりと掴むように、最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度の増加を制御する。したがって、力フィードバックコントローラ２１は、増加するグリップ力ＧＦの推定と併せた荷重信号ＬＳが、もし磁場Ｈ_ｖｆｓの強度が最大強度Ｈ_ｍａｘに向けて更に増加されるのならば、対象物１０は損傷する可能性があることを示す場合は、磁場Ｈ_ｖｆｓの強度を、最大強度Ｈ_ｍａｘよりも低い強度に増加させてもよい。

本発明のデバイス２０のデバイス２０ａ（図２）、デバイス２０ｂ（図３）及び任意の他の実施形態について、図４乃至図６は、電磁アクチュエータ２２の電磁石の様々な実施形態について説明する。具体的には、図４は、円筒形のＭＲＥ２２ａに巻き付けられたコイル２２ｂを示す。これにより、コイル２２ｂによって生成された磁場（図示せず）は、ＭＲＥ２２ａの長手軸に沿って揃う。コイル２２ｂは、コイル２２ｂを流れる電流に反応して磁場を生成し、これにより、ＭＲＥ２２ａは、磁場の強度に依存して、ＭＲＥ２２ａの長手軸に沿って、破線によって示されるように、伸長される。

図５は、円筒形のＭＲＥ２２ａに対するコイル２２ｂ及びコイル２２ｃの直列バイポーラ配置を示す。これにより、コイル２２ｂ及び２２ｃによって生成される磁場（図示せず）は、ＭＲＥ２２ａの長手軸に並列である。コイル２２ｂ及び２２ｃは、コイル２２ｂ及び２２ｃに電流が流れると磁場を生成し、これにより、ＭＲＥ２２ａは、磁場の強度に依存して、ＭＲＥ２２ａの長手軸に沿って、破線によって示されるように、伸長される。

図６は、鉄コア２２ｄの周りに巻き付けられて、円筒形のＭＲＥ２２ａの周りに空隙を提供するコイル２２ｂを示す。これにより、コイル２２ｂによって生成される磁場（図示せず）は、鉄コア２２ｄを磁化し、鉄コア２２ｄは、ＭＲＥ２２ａを磁化する。コイル２２ｂは、コイル２２ｂを流れる電流に反応して磁場（図示せず）を生成し、これにより、ＭＲＥ２２ａは、磁場の強度に依存して、ＭＲＥ２２ａの長手軸に沿って、破線によって示されるように、伸長される。

図４乃至図６について、図示されるようなＭＲＥ２２ａの円筒形状は、基本形状又は完全に作動された形状としての役割を果たしてもよい。

本発明のデバイス２０のデバイス２０ａ（図２）、デバイス２０ｂ（図３）及び任意の他の実施形態について、図７は、力フィードバックコントローラ２１によって行われるグリップ力推定方法を表すフローチャートを示す。

具体的には、機械的グリッパ２３のグリップ力ＧＦは、ＭＲＥ２２ａの剛性の関数であり、剛性は、ＭＲＥ２２ａの磁束密度によって制御される。実際には、機械的グリッパ２３のグリップ力ＧＦは、図２及び図３に示されるように、ＭＲＥ２２ａの剛性が増加するにつれて、増加し、又は、電磁アクチュエータ２２の機械的グリッパ２３への特定の結合に依存して、ＭＲＥ２２ａの剛性が増加するにつれて、減少する。したがって、力フィードバックコントローラ２１は、ＭＲＥ２２ａの弾性係数を、機械的グリッパ２３のグリップ力ＧＦを推定するための基礎として使用する。

図８を参照すると、フローチャート３０のステップＳ３１は、磁束密度Ｂ（ｔ）をもたらすために、電磁石への電流信号Ｉ（ｔ）の電磁処理４２を含む。ステップＳ３１の一実施形態では、電磁処理４２は、次式［１］の実行を含む。
Ｂ（ｔ）＝μ_ｍｎＩ（ｔ） ［１］
ここで、μ_ｍは、ＭＲＥ２２ａの透磁率であり、ｎは、電磁石のコイルにおけるワイヤ巻密度である。

フローチャート３０のステップＳ３２は、ＭＲＥ２２ａの弾性定数ｋｍ（ｔ）をもたらすために、磁束密度Ｂ（ｔ）の磁気粘性処理４３を含む。ステップＳ３２の一実施形態では、磁気粘性処理４３は、当技術分野において知られているように、弾性定数ｋｍ（Ｂ）の実験的決定を含む。例えば図９は、特定デザインのＭＲＥの実験によって決定された弾性係数（Ｅ）と磁束密度Ｅ＝ｆ（Ｂ）との関係を記述する特性曲線を示す。この曲線について、磁気粘性処理４３は、次式［２］の実行を含む。
ｋ_ｍ（ｔ）＝（ＥＢ（ｔ）Ａ）／Ｌ ［２］
ここで、Ａは、ＭＲＥ２２ａの断面積であり、Ｌは、圧縮されていない場合のＭＲＥ２２ａの長さである。

フローチャート３０のステップＳ３３は、開状態からのグリッパアームの移動量ｄ（ｔ）をもたらすために、弾性定数ｋ_ｍ（ｔ）の弾性処理４４を含む。ステップＳ３３の一実施形態では、弾性定数ｋ_ｍ（ｔ）の弾性処理４４は、電磁アクチュエータ２２への物理的な力と、バネと、機械的グリッパ２３の形状とに基づいていてよい。簡潔さのために、この実施形態では、（１）機械的グリッパ２３への物理的な力は、付勢コンポーネントにおける及びＭＲＥ２２ａへの力に比べて無視可能であり、（２）ＭＲＥ２２ａ及びバネは、完全に圧縮される場合には、それらの形状を変えず、（３）静止位置におけるバネの長さは、厳密に、並列である場合のグリッパアームの接触面間の距離であり、（４）静止位置におけるＭＲＥ２２ａの長さは、並列である場合のグリッパアームの接触面間の距離よりも短いと仮定する。したがって、レバーに印加される２つの力が、バネへの力Ｆ_ｓと、ＭＲＥ２２ａへの力Ｆ_ｍとであると更に仮定し、モーメントを等しくし、弾性力をＦ＝−ｋ（ｔ）＊Δｘ（Δｘは、ＭＲＥ２２ａの伸長）として使用すると、力は、次式［３］、［４］に従う。

更に、三角法の関係を使用して、支点からの垂直変位間の関係は、次式［５］に従う。

なお、支点からの変位及び弾性変位は、必ずしも等しくはない。当初の仮定下では、Δｘ’_ｓ＝Δｘ_ｓ及びΔｘ_Ｍ＝Δｘ’_Ｍ＋Δｘ_０であり、ここでΔｘ_０は、支点に対するＭＲＥ２２ａの追加の延長である。力の方程式及び幾何方程式を組み合わせることにより、次式［６］がもたらされる。

したがって、グリッパジョーの完全な開放は、次式［７］に従う。

式［７］は、制御システムの弾性コンポーネントを記述する。バネの弾性定数ｋ_ｓは、一定であり、バネのデザイン及び材料に依存する。長さｌ、ｌ_Ｍ、ｌ_Ｓ及び高さｈは、一定であり、グリッパのデザインに依存する。Δｘ_０も一定である。したがって、グリッパジョーの開放は、ｋ_ｍ（ｔ）に比例し、伝達関数は、磁気粘性コンポーネントによって記述される。

フローチャート３０のステップＳ３４は、グリップ力ＧＦ（ｔ）をもたらすために、変位ｄ（ｔ）の力処理４５を含む。ステップＳ３４の一実施形態では、グリップ力ＧＦ（ｔ）は、直線的であると仮定される。即ち、Ｆ＝−ｋ_０Δｘ_０と仮定され、ここで、ｋ_０は、対象物の弾性定数であり、Δｘ_０は、対象物の変形である。対象物の変形は、ジョーの開放ｄ（ｔ）に直接に比例するので、グリップ力ＧＦ（ｔ）も、任意の所与のグリッパタスクに対して、ジョーの開放ｄ（ｔ）に直接に比例すると仮定される。

図８を参照するに、力フィードバックコントローラ２１は、図７に示されるグリッパ力推定方法３０を組み込む力フィードバック制御スキームを実施するための命令を有するソフトウェア及び／又はファームウェアを実行する。この制御スキームについて、電流生成器４１は、荷重力ＬＦ（ｔ）とグリップ力ＧＦ（ｔ）との差を処理して、電磁石のコイルの電流Ｉ（ｔ）をもたらす。一実施形態では、電流Ｉ（ｔ）は、以下の表１に示されるように、荷重力ＬＦ（ｔ）及びグリップ力ＧＦ（ｔ）の差の関数である。

実際には、デバイス２０によって掴まれる特定の対象物１０に依存して、オフセットＸが、表１の荷重力／グリップ力の差から減算又は当該差に加算される。

また、実際には、伝達関数の実力成分は、知られていないので、図８に示されるような適応制御４６が適用される。一実施形態では、適応制御４６は、示されるように適応ゲイン成分（未知の比例コンテスト）として実現され、力フィードバックコントローラ２１は、一般化された比例−積分−微分（「ＰＩＤ」）コントローラであってもよい。この実施形態は、グリップ力ＧＦ（ｔ）のリアルタイム制御を提供するために使用できる。

図１乃至図９を参照すると、当業者であれば、次に限定されないが、デバイスによる対象物への損傷の付与を阻止しないまでも最小限にするために、ＭＲＥの制御を介して、対象物をしっかりと掴む力フィードバックグリップデバイスを含む本発明の多数の利点を理解できるであろう。

本発明の様々な実施形態が例示され、説明されたが、当業者であれば、本明細書において説明される実施形態は例示であって、様々な変更及び修正を行ってもよく、また、等価物を、本発明の真の範囲から離れることなく、その要素と置換してもよいことは理解できるであろう。また、本発明の中心の範囲から離れることなく、その教示内容を適応させるために、多くの修正を行ってもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の態様として開示される特定の実施形態に限定されることを意図しておらず、むしろ、本発明は、添付の請求項の範囲に該当するあらゆる実施形態を含むことを意図している。

Claims (9)

1. 対象物を掴むための複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動されるように動作可能である機械的グリッパと、
   磁気粘性エラストマーを含む電磁アクチュエータであって、前記磁気粘性エラストマーは、前記磁気粘性エラストマーに印加される磁場の可変強度に依存して、複数の形状間で推移するように動作可能であり、前記磁気粘性エラストマーの各形状は、前記機械的グリッパを、前記複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動させる、電磁アクチュエータと、
   前記機械的グリッパのグリップ力の推定と、前記機械的グリッパの前記グリップ力に対応する前記対象物の荷重力の感知とに基づいて、前記磁気粘性エラストマーに印加される前記磁場の前記可変強度を制御するように動作可能である力フィードバックコントローラと、
   を含み、前記機械的グリッパの前記グリップ力は、前記磁場に対応する前記磁気粘性エラストマーの材料剛性に基づいて推定される、力フィードバックグリップデバイス。
2. 前記機械的グリッパは、前記機械的グリッパの前記グリップ力に対応する前記対象物の前記荷重力を感知するように動作可能である少なくとも１つの荷重センサを含む、請求項１に記載の力フィードバックグリップデバイス。
3. 前記電磁アクチュエータは更に、前記磁気粘性エラストマーの周りに巻き付けられるコイルを含む、請求項１に記載の力フィードバックグリップデバイス。
4. 前記電磁アクチュエータは更に、前記磁気粘性エラストマーに対してバイポーラ配置のコイルを含む、請求項１に記載の力フィードバックグリップデバイス。
5. 前記電磁アクチュエータは更に、鉄コアと、前記鉄コアの周りに巻き付けられるコイルとを含み、
   前記磁気粘性エラストマーは、前記鉄コアの空隙内に位置付けられる、請求項１に記載の力フィードバックグリップデバイス。
6. 前記磁気粘性エラストマーに印加される前記磁場の前記可変強度は、前記機械的グリッパの前記グリップ力の推定と、前記機械的グリッパの前記グリップ力に対応する前記対象物の前記荷重力の感知との差の関数として導出される、請求項１に記載の力フィードバックグリップデバイス。
7. 少なくとも１つの荷重センサを含む機械的グリッパと、磁気粘性エラストマーを含む電磁アクチュエータと、力フィードバックコントローラと、を含む力フィードバックグリッパデバイスの作動方法であって、前記方法は、
   磁場の可変強度に依存して複数の形状間を推移するように、前記電磁アクチュエータが前記磁気粘性エラストマーに磁場を印加するステップであって、前記磁気粘性エラストマーの各形状は、前記機械的グリッパを、対象物を掴むための複数のグリップ姿勢のうちの１つに作動させる、磁場を印加するステップと、
   前記力フィードバックコントローラが前記機械的グリッパのグリップ力を推定すること、及び、前記少なくとも１つの荷重センサが前記機械的グリッパの前記グリップ力に対応する前記対象物の荷重力を感知して前記力フィードバックコントローラに伝えることに基づいて、前記力フィードバックコントローラが、前記磁気粘性エラストマーに印加される前記磁場の前記可変強度を制御するステップと、
   を含み、前記機械的グリッパの前記グリップ力は、前記磁場に対応する前記磁気粘性エラストマーの材料剛性に基づいて推定される、方法。
8. 前記力フィードバックコントローラが、前記磁気粘性エラストマーに印加される前記磁場の前記可変強度を、前記機械的グリッパの前記グリップ力の推定と、前記機械的グリッパの前記グリップ力に対応する前記対象物の前記荷重力の感知との差の関数として導出する、請求項７に記載の方法。
9. 前記機械的グリッパの前記グリップ力は、前記磁場に対応する前記磁気粘性エラストマーの材料剛性の関数である、請求項８に記載の方法。