JP5452630B2 - 弾性モータばね作動装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、開示する全てに関して参照により本明細書に援用されている、２００９年３月９日に出願された同時係属の米国仮特許出願第６１／１５８，５６３号の利益を主張するものである。
発明の契約上の起源
本事業のための経済的助成は、全米科学財団（ＮＳＦ：Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）Ｎｏ．ＩＢＮ−９８０９９４２、Ｎｏ．ＩＢＮ−０２１５４３８、Ｎｏ．ＩＢＮ−０２４０３４９、Ｎｏ．ＩＯＳ−０６２３７９１、Ｎｏ．ＩＯＳ−０７３２９４９に基づいて、アメリカ合衆国政府により提供されており、アメリカ合衆国政府は本発明に権利を持ち得る。

本発明は、全般的に作動装置システムに関し、さらに詳細には、生物学的筋収縮を模倣する作動装置に関する。

一般的に、作動装置は、別の機械デバイスまたは機械システムを制御するのに使用される機械デバイスまたは機械システムである。大部分の作動装置は、通常は（例えば、空気圧式作動装置または油圧作動装置では）加圧流体または（例えば、モータおよびソレノイドでは）電気の形態でエネルギーを取り入れ、それを、機械デバイスまたは機械システムを制御するかまたは移動させるのに用いられることが可能である機械的な動きに変換する。

多種多様な動作特性および応答のいずれかを有する作動装置を設計することが可能であるが、生物学的筋収縮の挙動を正確に再現または模倣する作動装置を設計することは遥かに困難であることが証明されている。例えば、ヒトおよび動物の筋肉運動はどちらも、エネルギーの蓄積と、カルシウムなどの化学物質による刺激時の特定のタンパク質の相互作用とに左右される。筋肉運動の伝統的モデルは、「滑り説」として既知である。しかし、この説は、ほとんど同時の筋肉運動である、舌を使用して昆虫を捕獲するヒキガエルなどの極度に急速な筋肉運動を説明しない。生物学的筋収縮をより厳密に模倣または再現することができる作動装置は、ロボット分野および人工装具分野を含む多種多様な分野および用途において利益をもたらすように使用され得ると考えられる。

本発明の一実施形態による作動装置が、固定部材と自由部材とを含んでいてもよい。自由部材は、自由部材が固定部材に対して移動可能であるように、固定部材と動作可能に係合されている。作動装置はまた、固定部材に対して自由部材を移動させるための手段を含む。自由部材と固定部材とに動作可能に付随する弾性要素が、作動装置の全長に変更なく、エネルギーを蓄積するように動作可能である。

本発明による作動装置の別の実施形態が、固定部材と連結器部材とを含んでいてもよい。連結器部材は、連結器部材が固定部材に対して移動することができるように、固定部材と動作可能に係合されている。自由部材が、自由部材が固定部材に対して移動することができるように、連結器部材と動作可能に係合されている。固定部材と連結器部材とに動作可能に付随する駆動システムが、固定部材に対して連結器部材を移動させるように動作可能である。弾性要素の第１の端部が、自由部材に連結されているのに対して、弾性要素の第２の端部が、前記連結器部材に連結されている。

本発明による作動装置の別の実施形態が、筺体と、電磁石が少なくとも１つのほぼ螺旋状の経路を画定するように筺体の周囲に配置されている複数の電磁石とを含んでいてもよい。筺体の内部での回転および移動のために取り付けられている回転子頭部が、取り付けられている少なくとも１つの磁石と取り付けられている出力主軸とを含む。回転子頭部に取り付けられているばねが、筺体と選択的に係合可能であり、解除可能である。複数の電磁石に動作可能に付随する制御システムが、電磁石を選択的に作動させる。

本発明の例示的な現在好適な実施形態が、添付図面に示されている。
本発明の例示的な現在好適な実施形態が、添付図面に示されている。

本発明による作動装置の第１の実施形態の平面図である。 弾性要素を見せるために自由部材の一部分が剥離された状態の、図１に示されている作動装置の平面図である。 その種々の構成要素を示す、作動装置の第１の実施形態の分解斜視図である。 図３に示されている作動装置構成要素の立面分解断面図である。 図１〜図４に示されている弾性要素の代わりになり得る調節可能な弾性要素の斜視図である。 螺旋経路に沿った外面電磁石の配置を示す、本発明による作動装置の第２の実施形態の斜視図である。 図６に示されている作動装置の立面側面図である。 回転子頭部の磁石と外面電磁石とを示す、作動装置の端面図である。 １つの回転子頭部磁石と一対の外面電磁石との磁場の相対配向を示す、回転子頭部の一部分の拡大端面図である。 ばね回転を可能にしかつ不可能にする止め具をより明瞭に示す、図６に示されている作動装置の拡大斜視図である。 図１１ａは、収縮状態にある作動装置を示す図である。図１１ｂは、中間状態にある作動装置を示す図である。図１１ｃは、伸展状態にある作動装置を示す図である。

本発明による弾性モータばね作動装置の第１の実施形態１０が、図１〜図４に示されており、固定部材１２と自由部材１４とを含んでいてもよい。固定部材１２と自由部材１４とは、自由部材１４が固定部材１２に対して動作可能であるように、動作可能に連結されている。図１〜図４に示されている実施形態１０では、固定部材１２と自由部材１４とは、連結器部材１６により動作可能に連結されている。あるいは、例えば図６〜図１１に示されている第２の実施形態２１０の場合などのように、固定部材１２と自由部材１４とは、連結器部材１６を用いずに動作可能に連結されることが可能である。

作動装置１０はまた、図２に最も良く示されている通り、固定部材１２と自由部材１４とに動作可能に付随する弾性要素１８を含んでいてもよい。第１の実施形態１０では、弾性要素１８は、連結器部材１６を介して固定部材１４に連結されている。あるいは、第２の実施形態２１０の装置などの他の装置もまた、固定部材１２および自由部材１４を弾性要素１８と動作可能に連結するために可能である。

本明細書にさらに詳細に記載されるであろうように、弾性要素１８は、作動装置１０に、ある程度のコンプライアンスまたは弾性をもたらす。ある実施形態では、コンプライアンスの程度は、特定の用途に関して所望される可能性がある通りに変更または調整されることが可能である。さらに、作動装置１０のコンプライアンスは、作動装置１０に供給される（またはそれにより及ぼされる）力の程度によって変化し（ｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｏｒ ｖａｒｉｅｄ）てもよい。一実施形態では、弾性要素１８は、図２および図３に最も良く示されている通り、台形構造を含んでいてもよい。台形構造は、加えられた力に応答して弾性要素１８を非直線的に引き伸ばし、それにより、作動装置１０に非直線的コンプライアンスをもたらす。あるいは、弾性要素１８のための他の形態が可能であり、それらが、作動装置１０に多種多様なコンプライアンス特性のいずれかをもたらすために用いられてもよい。

作動装置１０はまた、固定部材１２と自由部材１４とに動作可能に付随する駆動システム２０を含んでいてもよい。駆動システム２０は、固定部材１２に対して自由部材１４を移動させるための手段を提供し、この機能をもたらすのに適した種々の構成要素および要素を含んでいてもよい。例として、図１〜図４に示されている実施形態１０では、駆動システム２０は、固定部材１２に取り付けられているモータ２２を含んでいてもよい。モータ２２は、主ねじ２４に動作可能に連結されている。連結器部材１６に取り付けられているナット２６が、主ねじ２４に係合する。モータ２２による主ねじ２４の回転により、ナット２６、したがって連結器部材１６は、作動装置１０の長手方向軸２８に沿って、すなわち概して矢印３０および矢印３１で示されている方向に移動する（ｍｏｖｅ ｏｒ ｔｒａｎｓｌａｔｅ）。図１および図２参照。

また、作動装置１０の固定部材１２および自由部材１４は、作動装置１０により作動する特定の負荷に取り付けるように構成されていてもよい。例えば、図１〜図４に示されている実施形態では、作動装置１０には、各取付け用突耳部または取付け用リング３２および３４が設けられ、作動装置１０が作動装置１０により作動する負荷すなわち移動可能なデバイスまたは物体３６に動作可能に連結されることを可能にしてもよい。例えば、一例示的構成では、第１のリング３２が、固定物体３８に取り付けられているかまたは連結されていてもよいのに対して、第２のリング３４が、移動可能な物体３６に取り付けられているかまたは連結されていてもよい。

作動装置１０は、以下の通り作動して、リング３４に取り付けられている物体３６などの負荷に作用してもよい。一般的に、作動装置１０は、移動可能な物体３６に対して引張力または収縮力（すなわち矢印３０の方向の力）を供給するのに使用されるが、作動装置１０はまた、伸展力（すなわち矢印３１の方向の）を供給するのに使用されてもよい。移動可能な物体３６の相対的初期位置、および作動装置１０の初期長によって、弾性要素１８は、初期状態で若干引き伸ばされる（ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｏｒ ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）可能性がある。すなわち、作動装置１０は、前もって負荷をかけられて、移動可能な物体３６に若干の収縮力をかける可能性がある。

駆動システム２０を作動させることにより、付加的な収縮力が物体３６にかけられることが可能である。より具体的には、モータ２２は、ナット２６（図３および図４）を方向３０に移動させる方向に主ねじ２４を回転させる。ナット２６の移動により、連結器部材１６と自由部材１４とは、同様に方向３０に移動する。連結器部材１６が方向３０に移動するので、連結器部材１６は、弾性要素１８を介して自由部材１４を引っ張る。弾性要素１８は、弾性要素１８に及ぼされる力が物体３６により示される抵抗と等しくなるまで伸展するかまたは伸長する。その後、移動可能な物体３６は、方向３０に移動する。

収縮力すなわち矢印３０の方向の力をかけることに加えて、作動装置１０は、物体３６に伸展力すなわち矢印３１の方向の力をかけるように作動してもよい。伸展力をかけることは、モータ２２の方向を反転させることにより達成されてもよい。収縮サイクル中に弾性要素１８が引き伸ばされる（ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｏｒ ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）程度まで、伸展方向３１の作動装置１０の移動は、弾性要素１８内に蓄積されたエネルギーにより補助される。弾性要素１８が完全に弛緩した場合、主ねじ２４の継続回転により、ピン６０および６２が各溝穴部５６および５８の端部に接触するまで、連結器モジュール１６は矢印３１の方向に移動し続ける。この時点で、連結器モジュール１６の継続移動は、矢印３１の方向の、自由部材１４の対応する移動をもたらす。

本発明の顕著な利点は、本発明が生物学的筋収縮を正確に模倣する方法で作動することである。その結果として、本発明による作動装置は、ロボット分野および人工装具分野を含む多種多様な分野および用途において利益をもたらすように用いられ得る。より詳細には、本発明の作動装置は、タンパク質タイチンが生物学的筋収縮にどのように関与するかに関する「巻線フィラメント（ｗｉｎｄｉｎｇ ｆｉｌａｍｅｎｔ）」モデルまたは「巻線ばね（ｗｉｎｄｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ）」モデルに基づいて作動してもよい。別の言い方をすれば、本発明の教示に基づいて作製される作動装置は、単にリニアモータとして機能しないが、同様に弾性エネルギー蓄積要素を含む。弾性要素は、作動装置により行われる仕事を最大化するために、そのコンプライアンスを自動的に変えることができる。すなわち、駆動システムが弾性要素に作用することができるだけでなく、弾性要素が駆動システムに作用して、作動装置の逆戻りまたは反動を促す可能性がある。

さらに、タイチンモデルと同様に、本発明の作動装置は、作動装置の全長に変更なく、弾性エネルギーを蓄積することができる。さらに、作動装置の長さおよびコンプライアンスの変化は調節可能であり、さらに、これらの特徴（すなわち、長さおよびコンプライアンス）は、弾性要素からの弾性エネルギーの逆戻りに因ってエネルギーを与えられているかまたは受動的に反動している間に作動装置が短縮または収縮しているかどうかによって異なる。弾性要素は、急速な無負荷化中に反動を呈し、作動装置の負荷の大きさとコンプライアンスとの間の調節可能な非直線的関係を呈する。作動装置の全体的特徴は、収縮力が強くなると、作動装置の応従性が低くなり、収縮力が弱くなると、応従性が高くなるということである。

本発明による作動装置の一実施形態、およびより顕著な特徴および利点のいくつかを簡潔に記載したが、本発明による作動装置の種々の例示的実施形態が、ここで詳細に記載される。しかし、詳細な記載に進む前に、ある作動状況において使用されて、物体３６に作用しかつ別の物体３８に対してそれを移動させる可能性があるように、種々の実施形態が本明細書に示され記載されているが、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、本発明による作動装置が、多種多様な用途においてかつ多種多様な作動状況において使用されてもよいことに留意すべきである。したがって、本発明は、本明細書に示され記載された特定の実施形態、デバイス、および作動状況に限定されると見なされるべきではない。

ここで図１に戻って参照すると、本発明による作動装置の第１の実施形態１０が、固定モジュールまたは収縮モジュール１２と、自由モジュールまたは応従モジュール１４とを含んでいてもよい。連結器部材または連結器モジュール１６が、応従モジュール１４が収縮モジュール１２に対して移動することができるように、収縮モジュール１２と応従モジュール１４とを動作可能に連結している。

説明に進む前に、本明細書で用いられている用語「固定（された）」および「自由（な）」が、本明細書に記載されている実施形態では、通常の作動装置の動作中に、概して「固定された」かつ「自由な」、作動装置のそれらの構成要素を指す便宜のために用いられていることに留意すべきである。すなわち、典型的な用途では、作動装置１０の固定部材１２は、作動装置の動作中に静止したままである物体またはデバイスに取り付けられているのに対して、自由部材１４は、作動装置１０により移動する（作動する）物体またはデバイスに取り付けられている。しかし、代替的装置では、作動装置１０の自由部材１４は、「固定された」（すなわち不動の）物体に連結されることが可能であると考えられ、その場合、そのような代替的装置では、その部材は「固定」部材と呼ばれることが可能であると考えられる。さらに別の装置では、作動装置１０の両端部が、移動可能な物体に連結されることが可能であると考えられる。すなわち、作動装置１０の両端部は、何らかの任意の固定した基準系に対して移動してもよい。

しかし、当業者はこの違いを理解すると考えられ、かつ任意の特定の用途において、作動装置１０の固定部材１２が必ずしも「固定されており」、自由部材１４が必ずしも「自由である」訳ではない可能性があることを容易に理解すると考えられるため、以下の記載は、ある特定の作動装置用途において、固定部材１２が真に「固定されており」、自由部材１４が真に「自由である」かどうかに限定されることなく、便宜上、用語「固定（された）」および「自由（な）」を引き続き使用する。

ここで説明を続けて、本明細書に示され記載されている実施形態では、固定部材１２は、図１および図２に最も良く示されている通り、近位端４０と、連結器部材または連結器モジュール１６を滑動可能に受容する大きさに作られている遠位端４２とを有するほぼ細長い管状構造を含んでいてもよい。固定部材１２は、主ねじ２４の回転により、収縮および伸長のための力すなわちそれぞれ矢印３０および矢印３１の方向の力を生成するため、固定部材は、本明細書で選択的に「収縮モジュール」１２と呼ばれることがある。

収縮モジュール１２には、図４に最も良く示されている通り、一対の細長い溝穴部４４および４６が設けられていてもよい。細長い溝穴部４４および４６は、連結器部材１６の第１の端部６４上に設けられている各ピン４８および５０を滑動可能に受容する大きさに作られている。図１、図２、および図４参照。ピン４８および５０と各溝穴部４４および４６との係合は、図１および図２に最も良く示されている通り、連結器部材１６が軸２８に沿って前後にすなわちほぼ矢印３０および矢印３１の方向に滑動することを可能にする。ピン４８および５０と溝穴部４４および４６との係合は、連結器部材１６の軸方向移動（ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｒ ｔｒａｖｅｌ）を制限し、また、連結器部材１６が収縮モジュール１２に対して回転するのを防止する。収縮モジュール１２の遠位端４２は、以下にさらに詳細に記載される方法で、駆動システム２０のモータ２２と主ねじ２４とを受容するように構成されていてもよい。

収縮モジュール１２は、意図された用途において使用するのに適したまたは適していると考えられる、当技術分野で現在既知のまたは将来開発される可能性がある多種多様な材料（例えば、金属またはプラスチック）のいずれかから製造されてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の材料から製造される収縮モジュールに限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、収縮モジュール１２はアクリルプラスチックから製造される。別の実施形態では、収縮モジュール１２は真鍮から製造される。

自由部材１４は、ある点では固定部材１２に類似しており、図１〜図４に最も良く示されている通り、やはり、近位端５２と遠位端５４とを有するほぼ細長い管状構造を含んでいてもよい。固定部材１２の場合と同様に、自由部材１４もまた、連結器部材または連結器モジュール１６を滑動可能に受容する大きさに作られているかまたはそのように構成されている。自由部材１４は作動装置１０のコンプライアンス機能、反動機能、および弾性機能を実現するため、自由部材１４もまた、本明細書で選択的に「応従モジュール」１４と呼ばれることがある。

応従モジュール１４にもまた、連結器部材１６の第２の端部６６上に設けられている各ピン６０および６２を受容する大きさに作られている一対の細長い溝穴部５６および５８が設けられていてもよい。ピン６０および６２と各溝穴部５６および５８との係合は、応従モジュール１４が軸２８に沿って、ほぼ矢印３０および矢印３１の方向に、前後に滑動することを可能にする。ピン６０および６２と溝穴部５６および５８との係合は、応従モジュール１４に対する連結器モジュール１６の移動（ｔｒａｖｅｌ ｏｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を制限し、また、応従モジュール１４が連結器部材１６に対して回転するのを防止する。一実施形態では、応従モジュール１４の遠位端５４は、端部キャップ５５を受容する大きさに作られていてもよい。端部キャップ５５は、負荷または物体３６に係合するのに適したリング３４を受容するように構成されていてもよい。あるいは、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、他の構造および装置が、応従モジュール１４を負荷または物体３６に動作可能に連結するのに使用されてもよい。したがって、本発明は、作動装置１０を負荷に連結する任意の特定の装置または構造に限定されると見なされるべきではない。

応従モジュール１４もまた、意図された用途において使用するのに適したまたは適していると考えられる、当技術分野で現在既知のまたは将来開発される可能性がある多種多様な材料（例えば、金属またはプラスチック）のいずれかから製造されてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の材料に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、応従モジュール１４は真鍮から製造されるが、アクリルプラスチックなどの他の材料が、同様に使用されてもよい。

連結器部材または連結器モジュール１６は、前述の方法で、収縮モジュール１２と応従モジュール１４とにより滑動可能に受容される大きさに作られているほぼ細長い管状構造を含んでいてもよい。本明細書に示され記載されている特定の例示的実施形態では、連結器部材または連結器モジュール１６は、図１および図２に示されている方法で、収縮モジュール１２と応従モジュール１４とにより受容される大きさに作られている。すなわち、連結器モジュール１６は、収縮モジュール１２および応従モジュール１４の内側に嵌合する大きさに作られている。あるいは、他の配置が可能である。例えば、別の実施形態では、連結器部材１６は、収縮モジュールおよび応従モジュールを受容する大きさに作られていてもよい。すなわち、連結器モジュール１６は、収縮モジュール１２と応従モジュール１４とに嵌合するかまたはそれらの上を滑動する。さらに別の代替的配置では、種々のモジュール１２、１４、および１６は、「入れ子」式の配置を含むことができると考えられ、連結器モジュール１６は、収縮モジュール１２の内側に嵌合し、応従モジュール１４は、連結器モジュール１４の内側に嵌合するか、またはその逆もある。

ここで主に図３および図４を参照すると、連結器部材１６の第１の端部６４が、ナット２６を受容する大きさに作られている。本明細書に記載されている通り、ナット２６は、収縮モジュール１２の内部に設けられている主ねじ２４に動作可能に係合する。連結器部材１６の第１の端部６４にはまた、既に記載した方法で収縮モジュール１２内に設けられている溝穴部４４および４６に滑動可能に係合するように構成されている一対のピン４８および５０が設けられていてもよい。あるいは、ピン４８および５０は、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、ナット２６上に設けられることが可能であると考えられる。したがって、本発明は、本明細書に示され記載されている、ナット２６とピン４８および５０との特定の配置に限定されると見なされるべきではない。

連結器部材１６の第２の端部６６には、図４に最も良く示されている通り、端部キャップ６８が設けられていてもよい。端部キャップ６８には、既に記載した方法で応従モジュール１４上に設けられている溝穴部５６および５８に滑動可能に係合するように構成されている一対のピン６０、６２が設けられていてもよい。あるいは、ピン６０および６２は、連結器部材１６の第２の端部６６上に別の方法で設けられることが可能であると考えられる。さらに、端部キャップ６８にはまた、適切な取付け構造または取付け突耳部（図示せず）が設けられていて、弾性要素１８が連結器部材１６に固定されることを可能にしてもよい。図２参照。あるいは、弾性要素１８は、接着剤により端部キャップ６８に固定されることが可能である。

固定モジュール１２および応従モジュール１４の場合のように、連結器部材１６は、意図された用途において使用するのに適したまたは適していると考えられる、当技術分野で現在既知のまたは将来開発される可能性がある金属またはプラスチックなどの多種多様な材料のいずれかから製造されてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の材料に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、連結器部材１６はアルミニウムから製造される。端部キャップ６８は、同様に、意図された用途に適した多種多様な材料のいずれかから製造されてもよい。例として、一実施形態では、端部キャップ６８はアクリルプラスチックから製造される。あるいは、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、他の材料が使用されることが可能であると考えられる。

作動装置１０はまた、弾性要素１８を含んでいてもよい。簡潔に前述されている通り、弾性要素１８は、作動装置１０にコンプライアンスまたは弾性をもたらし、また、エネルギー蓄積要素としての機能を果たす。すなわち、以下にさらに詳細に記載される通り、作動装置１０が収縮している間に（例えば、収縮サイクル中に）、駆動システム２０は、弾性要素１８に作用する（すなわちエネルギーをそれに蓄積する）ことができる。さらに、また、作動装置１０が伸展している間に（例えば、伸展サイクル中に）、弾性要素１８は、駆動システム２０に作用する（すなわちエネルギーをそれに戻す）ことができる。弾性要素１８は、弾性要素１８の特定の材料、形状、および形態によって、作動装置１０に、多種多様なコンプライアンス特性または「一覧表（ｓｃｈｅｄｕｌｅ）」のいずれかをもたらすように構成されていてもよい。

例えば、ここで主に図２および図３を参照すると、一実施形態では、弾性要素１８は、非直線的伸長特性を有する弾性材料を含んでいてもよい。より詳細には、弾性要素１８は、台形構造を有する薄いシート様部材を含んでいてもよく、第１の端部７０は、第２の端部７２より小さい寸法を有するかまたはそれより短い。弾性要素１８の台形構造により、弾性要素１８は、与えられた力により、非直線的方法で伸長する（ｅｌｏｎｇａｔｅ ｏｒ ｓｔｒｅｔｃｈ）。弾性要素１８の非直線的応答により、作動装置１０のコンプライアンスは、作動装置１０によりかけられる収縮力によって変化する可能性がある。本明細書に示され記載されている特定の実施形態では、作動装置１０は、収縮力が増大すると応従性が低くなり、収縮力が減少すると応従性が高くなる。

弾性要素１８の具体的な寸法、および弾性要素が製造される可能性がある特定の材料が、特定の用途において必要とされるかまたは所望される可能性がある特定の程度のコンプライアンスおよびコンプライアンス変化（すなわち非直線的応答）を含む多種多様な要因によって変化する可能性がある。したがって、本発明は、任意の特定の材料から製造されるかまたは任意の特定の寸法を有する弾性要素に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、弾性要素１８は、約０．２ｍｍ（約０．００８インチ）の厚さ７４（図４）と約２５ｍｍ（約１インチ）の全長７６とを有するラテックスを含んでいてもよい。短い端部７０の長さは約５ｍｍ（約０．２インチ）であるのに対して、長い端部７２の長さは約１０ｍｍ（約０．４インチ）である。

本明細書に記載されている通り、弾性要素１８は、多種多様な形態または形状のいずれかを有する多種多様な材料のいずれかを含んでいてもよく、作動装置１０に多種多様なコンプライアンス特性のいずれかをもたらす。図２〜図４に示されている台形構造を含む弾性要素１８が、使用されてもよい弾性要素１８の一例である。しかし、他の装置および形態が可能である。例えば、別の実施形態が、調節可能な弾性要素１１８を含んでいてもよい。調節可能な弾性要素１１８が使用されるかまたは導入されて、作動装置１０に調節可能なコンプライアンス特性をもたらしてもよい。さらに、調節可能な弾性要素１１８は、以下にさらに詳細に記載される通り、「作動中に」すなわち作動装置の動作中に、作動装置１０のコンプライアンスが調節されることを可能にする。

ここで主に図５を参照すると、別の実施形態では、調節可能な弾性要素１１８は、弾性要素１１８の動作長さ１１９を伸縮させるのに使用されてもよい巻取りシステム１１７を含んでいてもよい。弾性要素１１８の動作長さ１１９を変化させることにより、作動装置１０のコンプライアンスが変化する。用途によって、巻取りシステム１１７は、作動装置１０が作動して作動装置１０に所望の程度のコンプライアンスをもたらす前に作動してもよい。あるいは、巻取りシステム１１７は、作動中にすなわち作動装置の動作中に作動して、動作中に作動装置１０のコンプライアンスを動的に変化させてもよい。

図５に示されている特定の実施形態では、巻取りシステム１１７は、応従モジュール１４の遠位端５４（図１および図２）に取り付けられていてもよい。巻取りシステム１１７は、例えば伝動組立体１２５を介して、駆動モータ１２３に動作可能に連結されている糸巻１２１を含んでいてもよい。駆動モータ１２３に動作可能に連結されている制御システム１２７が使用されて、駆動モータ１２３を作動させてもよい。駆動モータ１２３が使用されて、軸１２９を中心に糸巻１２１を回転させ、弾性要素１１８の動作長さ１１９（すなわち糸巻１２１と連結器モジュール１６の端部キャップ６８との間の距離）を変更してもよい。弾性要素１１８のより短い動作長さ１１９は、作動装置１０のコンプライアンスを低下させるのに対して、より長い動作長さ１１９は、作動装置１０のコンプライアンスを上昇させる。

巻取りシステム１１７を含む種々のデバイスおよび構成要素は、意図された用途に適した（または適していると考えられる）、当技術分野で現在既知のまたは将来開発される可能性がある多種多様な構成要素およびデバイスのいずれかを含んでいてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の構成要素およびデバイスに限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、弾性要素１１８は、ナイロン強化ゴムから製造され、一定断面積を有する弾性コードを含んでいてもよい。糸巻１２１はプラスチックから製造されてもよく、モータ１２３はステッピングモータを含んでいてもよい。伝動システム１２５は平歯車伝動システムを含んでいてもよい。制御システム１２７は、使用されかつ所望の制御機能を実現するのに適した特定の種類のモータ１２３を制御するのに適した電子モータ制御システムを含んでいてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の種類のモータ制御システム１２７に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、モータ制御システム１２７は、ステッピングモータ１２３を時計回り方向にかつ反時計回り方向に可逆的に駆動することができるステッピングモータ制御システムを含む。

ここで主に図１および図４に戻って参照すると、作動装置１０にはまた、固定部材または収縮モジュール１２に対して自由部材または応従モジュール１４を移動させるための手段を提供する駆動システム２０が設けられていてもよい。図１〜図４に示されている実施形態では、駆動システム２０は、モータ２２と、主ねじ２４と、ナット２６と、制御システム７８とを含んでいてもよい。モータ２２は、収縮モジュール１２の遠位端４２に取り付けられていてもよい。主ねじ２４は、モータ２２が主ねじ２４を時計回り方向にかつ反時計回り方向に回転させる（ｔｕｒｎ ｏｒ ｒｏｔａｔｅ）ように、モータ２２に動作可能に連結されている。本明細書に示され記載されている実施形態では、主ねじ２４は、モータ２２に取り付けられており、それにより一体伝動組立体により駆動される。あるいは、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、他の装置が可能である。したがって、本発明は、本明細書に示され記載されている形態の構造に限定されると見なされるべきではない。

モータ２２は、意図された用途に適したまたは適していると考えられる、当技術分野で現在既知のまたは将来開発される可能性があるブラシ付き直流モータまたはブラシレス直流モータなどの多種多様なモータのいずれかを含んでいてもよい。したがって、本発明は、任意の特定のモータ種に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、モータ２２は、当技術分野で周知の種類の、すぐに利用できる状態で市販されている高速ブラシ付き直流モータを含む。

主ねじ２４は、当技術分野で周知でありかつすぐに利用できる状態で市販されている多種多様な主ねじのいずれかを含んでいてもよい。主ねじ２４のピッチおよび寸法が、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者に明らかになると考えられるように、作動装置１０に所望の速度特性および／または力の発生（すなわち機械利得）特性をもたらすように選択されてもよい。例として、一実施形態では、主ねじ２４は、約０．０６３５ｍｍ（約０．００２５インチ）のピッチと約２．２ｍｍ（約０．０９インチ）の直径とを有する。主ねじは、当業者に明らかになると考えられるように、多種多様な材料のいずれかから製造されてもよい。例として、一実施形態では、主ねじ２４は鋼鉄から製造されてもよい。

前述の通り、連結器モジュール１６には、主ねじ２４に動作可能に係合するように構成されているナット２６が設けられている。したがって、主ねじ２４の回転により、ナット２６は主ねじ２４に沿って矢印３０および矢印３１で示されている方向に前後に移動する。ナット２６は、主ねじ２４に沿ったナット２６の移動が収縮モジュール１２に対する連結器モジュール１６の対応する移動をもたらすように、連結器モジュール１６の第１の端部６４に取り付けられている。ナット２６には、既に記載した方法で収縮モジュール１２に設けられている溝穴部４４および４６により滑動可能に受容される大きさに作られている一対のピン４８および５０が設けられていてもよい。あるいは、ナット２６を連結器モジュール１６の第１の端部６４に取り付ける他の装置が可能である。ナット２６は、意図された用途に適した多種多様な材料のいずれかと、主ねじ２４に使用される特定の材料とから製造されてもよい。したがって、本発明は、任意の特定の材料に限定されると見なされるべきではない。しかし、例として、一実施形態では、ナット２６は鋼鉄から製造される。

本明細書に示され記載されている実施形態では、ナット２６は、本明細書に記載されている方法で、主ねじ２４に動作可能に係合する大きさに作られている平坦なねじナットを含む。しかし、他の変形形態が可能である。例えば、別の実施形態では、ナット２６は、ボールナット組立体（図示せず）を含んでいてもよく、ナット内に保持されているボールが、主ねじ２４上のねじに係合する。一般的に、ボールナットは、より長時間かかる消耗と、主ねじとのより低い摩擦係合とを実現する。

モータ制御システム７８は、モータ２２を、したがって作動装置１０の全体的な動作を制御する。すなわち、モータ制御システム７８が使用されて、作動装置１０を作動させて収縮力および伸展力をもたらし（すなわち矢印３０および矢印３１それぞれの方向に）、かつ作動装置１０が動作する速度を制御してもよい。

モータ制御システム７８は、開回路（すなわち位置フィードバックのない）制御システムまたは閉回路（すなわち位置フィードバックのある）制御システムを含んでいてもよく、そのシステムでは、モータ２２は、ナット２６、したがって連結器モジュール１６の運動パラメータ（すなわち位置、速度、および／または加速）に関連する情報を用いてまたはその情報を用いずにのどちらかで制御される。一般的に、閉回路モータ制御システム７８を利用することが望ましいであろう。連結器モジュール１６の位置に関する情報は、連結器モジュール１６に動作可能に付随する直線符号器（図示せず）により提供される。あるいは、モータ主軸または主ねじ２４に取り付けられている回転符号器（同じく図示せず）が使用されて、連結器モジュール１６の位置に関する情報を得てもよい。さらに別の装置では、モータ制御システム７８は、モータ２２に供給される電圧およびまたは電流を感知して連結器モジュール１６の運動パラメータに関する情報を得ることができると考えられる。移動限界は（例えば、ピンがそれらの各溝穴部の端部に到達した場合）、作動装置１０が移動限界に到達した場合にモータ２２の電流要求の増加を検出することにより得られることが可能である。

モータ制御システム７８はまた、作動装置１０の歪みに部分的に基づいて、モータ２２を制御するように構成されていてもよい。そのような構成では、作動装置１０には、作動装置の歪みを測定することができる重量計または歪み計（図示せず）が設けられていてもよい。重量計または歪み計は、その後、測定された歪みに部分的に基づいてモータ２２を制御する可能性があるモータ制御システム７８に動作可能に連結されていてもよい。また、当業者に明らかになると考えられるように、重量計により検出された歪みが用いられて、作動装置１０内の応力を判定してもよい。

一実施形態では、モータ制御システム７８は、モータ２２を所望の方向にかつ所望の速度で回転させるパルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ−ｗｉｄｔｈ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）信号を生成する閉回路モータ制御システムを含む。但し、モータ２２を制御するのに適したモータ制御システムは当技術分野で周知であり、本明細書に提供されている教示に精通した後に当業者により容易に提供されるため、本発明の一実施形態で利用されてもよい特定のモータ制御システム７８は、本明細書には詳細に記載されない。

作動装置１０は、以下の通り作動して、負荷または物体３６に収縮力および／または伸展力をかける。前述の通り、大部分の用途では、作動装置１０は、最初に作動して、収縮力をもたらし、生物学的筋収縮を正確に模倣する。したがって、作動装置１０に連結されている負荷（例えば、移動可能な物体３６）は、伸展位置で付勢される。すなわち、負荷または物体３６は、作動装置１０によりかけられた収縮力が除去されると、その最初の位置に戻る傾向がある。あるいは、作動装置１０は、同じく伸展力をかける（すなわち矢印３１の方向に）ように作動してもよい。

作動装置１０が生物学的筋収縮を模倣する方法で作動する例示的用途では、作動装置１０は事前に負荷をかけられる。すなわち、物体３６がどこか最初の位置に配置された場合、弾性要素１８は若干引き伸ばされ、物体３６に若干の収縮力をかける。

作動装置１０を収縮方向に（すなわち矢印３０の方向に）移動させる必要に応じて、付加的な収縮力が、制御システム７８を作動させることにより、物体３６にかけられることが可能である。モータ２２の高速回転が、作動装置１０の急速な収縮をもたらすのに対して、モータ２２の低速回転が、より低い収縮速度をもたらす。より具体的には、収縮モードで動作した場合、モータ２２は、ナット２６（図３および図４）を方向３０に移動させる方向に主ねじ２４を回転させる。ナット２６の移動により、連結部材１６および自由部材１４が、同様に方向３０に移動する。連結部材１６が方向３０に移動する際、連結部材は、弾性要素１８を介して自由部材１４を引っ張る。弾性要素１８は、弾性要素１８にかけられる力が物体３６により示される抵抗に等しくなるまで、伸展するかまたは伸長する。その後、移動可能な物体３６は、方向３０に移動する。

弾性要素１８が非直線的である、すなわち弾性要素１８が図２および図３に示されている台形構造を含む実施形態では、収縮力が増大すると、作動装置１０のコンプライアンスは低下する（すなわち応従性が低くなる）。反対に、収縮力が減少すると、作動装置１０のコンプライアンスは上昇する（すなわち応従性が高くなる）。本明細書で検討された通り、コンプライアンスと収縮力との間の逆相関が、生物学的筋収縮のタイチンモデルと一致している。

さらに、作動装置１０のコンプライアンスは、弾性要素に適切な形状および／または形態を設けることにより、特定の用途に選択されるかまたは「合わせられ」てもよい。あるいは、図５に示されている通り、作動装置１０に調節可能な弾性要素１１８が設けられている場合、作動装置１０のコンプライアンスは、（例えば、制御システム１２７を作動させて、弾性要素１１８の動作長さ１１９を変更することにより）特定の用途に容易に合わせられることが可能であるだけでなく、「作動中に」すなわち作動装置の動作時に、合わせられ変更されることが可能である。したがって、調節可能な弾性要素１１８の適切な動作が用いられて、作動装置１０に生物学的筋収縮の力学をより正確に模倣させる（ｓｉｍｕｌａｔｅ ｏｒ ｍｉｍｉｃ）ことが可能である。

収縮段階での作動装置１０の動作に加えて、前述の通り、作動装置１０はまた、伸展段階で動作してもよい。伸展段階での動作は、物体３６が初期位置に戻ることを可能にするように、すなわち収縮力を戻り付勢（ｒｅｔｕｒｎ ｂｉａｓ）より下に減少させることにより、行われてもよい。あるいは、伸展段階での動作は、作動装置１０に物体１０に対して伸展力すなわち矢印３１の方向の力をかけさせるように行われてもよい。伸展段階での作動装置１０の動作は、モータ２２の方向を反転させることにより達成されてもよい。収縮段階の間に弾性要素１８が引き伸ばされる（ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ ｏｒ ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）程度まで、伸展段階での作動装置１０の移動が、弾性要素１８に蓄積されたエネルギーにより補助される。すなわち、弾性要素１８は、駆動システム２０に作用し、それにより、収縮段階中に弾性要素１８に蓄積されたシステムエネルギーへ戻る。弾性要素１８が完全に弛緩した場合、主ねじ２４の継続回転により、連結器モジュール１６の継続移動が矢印３１の方向の自由部材１４の対応する移動をもたらす時点である、ピン６０および６２が各溝穴部５６および５８の端部に接触するまで、連結器モジュール１６は、矢印３１の方向に移動し続ける。

本発明による作動装置の別の実施形態２１０が、図６〜図１１に最も良く示されており、その固定端２１６の所にキャップ２１４とその自由端２２０の所に基部２１８とを有する中空円筒形外被または筺体２１２を含んでいてもよい。また、基部２３０には、回転子主軸２３０を滑動可能に受容する大きさに作られている中心開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｒ ｏｐｅｎｉｎｇ）（図示せず）が中に設けられていてもよい。図６および図７に最も良く示されている通り、中心案内部材または棒部２２２が、円筒形筺体２１２の長さに沿って、すなわち固定端２１６と自由端２２０との間に延在している。より具体的には、案内部材または棒部２２２の遠位端２２４が、キャップ２１４に取り付けられていてもよいのに対して、図７に最も良く示されている通り、案内棒部２２２の近位端２２６が、回転子主軸２３０の中心穴部２２８内に実質的に支持されていてもよい。したがって、この実施形態２１０において、固定部材は筐体２１２であり、自由部材は回転子主軸２３０である。

また、作動装置２１０には、１つまたは複数の螺旋経路または軌道２３６に沿って、円筒形筺体２１２の外周２３４を巡って取り付けられている複数の電磁石２３２が設けられていてもよい。本明細書に示され記載されている実施形態では、種々の電磁石２３２が、３つの別個の螺旋経路または螺旋軌道２３６に沿って、筺体２１２の外周２３４を巡って配置されている。図８に最も良く示されている通り、そのような構成が、電磁石２３２が筺体２１２の周囲の６つの位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｌｏｃａｔｉｏｎｓ）に取り付けられることを可能にする。あるいは、種々の電磁石２３２は、より多数のまたはより少数の螺旋経路２３６に沿って、筺体２１２の周囲に取り付けられていてもよい。

種々の電磁石２３２が３つの別個の螺旋経路２３６に沿って取り付けられる本明細書に示され記載されている実施形態では、種々の電磁石２３２は、図８に最も良く示されている通り、約６０°の間隔で筺体２１２の外周２３４を巡って配置されていてもよい。この配置は幾何学的に有効であり、可能な限り最大の回転子組立体２４４を覆うことができる磁場を生成し、それにより回転子組立体２４４の回転推進力を向上させるのに必要な最少数の電磁石２３２を示す。螺旋軌道２３６の各３６０°に必要な最少数の電磁石２３２は６個である。螺旋軌道２３６の各３６０°当たりより多数の電磁石２３２が使用されることが可能であると考えられ、より良い回転分解をもたらす（すなわち、主軸２３０は、より多数の別個の段階において、３６０度の回転を完了することができると考えられる）。

各電磁石２３２は、磁芯２４０の周囲に巻き付けられている複数の巻線またはコイル２３８を含んでいてもよい。種々の電磁石２３２は、図９に最も良く示されている通り、各電磁石２３２の軸２４２が螺旋経路２３６の湾曲の接線にほぼ垂直であるように配置されている。この配置は、巻線２３８にかけられる電圧の極性によって、磁場ベクトルＢが作動装置２１２の中心案内部材２２２の方向を指すかまたはそれから離れる方向を指すことを可能にする。

種々の電磁石２３２は、互いに同一で、同数の巻線２３８を有し、同一方向に、かつ同種の磁芯２４０の周囲に巻き付けられていてもよい。例として、磁芯２４０はフェライト材を含んでいてもよい。あるいは、磁芯は空気を含んでいてもよい。巻線またはコイル２３８は、絶縁線の単層またはより好ましくは多層であってもよい。

ここで主に図６〜図８に戻って参照すると、作動装置２１０はまた、円筒形筺体２１２により滑動可能に受容される大きさに作られている頭部２４６を有する回転子組立体２４４を含んでいてもよい。また、頭部２４６には、中心案内部材２２２を滑動可能に受容する大きさに作られている中心開口部２４８（図８）が中に設けられている。回転子主軸２３０は、頭部２４６に固定して取り付けられており、かつ、中心開口部２４８が回転子主軸２３０の中心穴部２２８とほぼ一直線に合わせられるように、頭部２４６内に設けられている中心開口部２４８にほぼ一直線に合わせられている。やはり図７参照。したがって、回転子頭部２４６および主軸２３０は、例えば図１１（ａ）と１１（ｃ）とに示されている格納位置と伸展位置とのほぼ間を、案内部材２２２に沿って滑動してもよい。図７に最も良く示されている通り、本装置もまた、案内部材２２２の近位端２２６を支持する。

また、回転子組立体２４４の頭部２４６には、図８に最も良く示されている通り、頭部２４６を巡ってほぼ均等に間隔が空けられた位置に取り付けられている複数の磁石２５０が設けられていてもよい。図８および図９に最も良く示されている通り、例えば各磁石２５０の磁場ベクトルＢがほぼ外側方向に向けられるように、回転子組立体２４４の頭部２４６上に設けられている種々の磁石２５０は全て、ほぼ同一の方向に向けて配置されている。あるいは、種々の磁石２５０は、それらの北極がほぼ内側方向を向くように（すなわち、各磁石２５０の磁場ベクトルＢがほぼ内側方向、案内部材２２２の方を指すと考えられるように）配置されることが可能であると考えられる。

一般的に、磁石２５０の数と螺旋軌道２３６の数との間の関係は、１：１であるべきである。すなわち、頭部２４６には、螺旋軌道２３６が存在するのと同数の磁石２５０が設けられているべきである。あるいは、螺旋軌道２３６の３６０°当たりの電磁石２３２の数が例示的実施形態で設けられている数と異なる場合、１個の磁石２５０当たり複数の螺旋軌道２３６を有することの利点が存在する可能性がある。そのような配置は出力主軸２３０の角速度を変化させるのに用いられる可能性があるので、そのような配置は伝動の形態として機能するが、トルクを犠牲にする。電磁石２３２と磁石２５０との組合せは、固定部材（すなわち筺体２１２）に対して自由部材（すなわち回転子主軸２３０）を移動させるための駆動手段を形成する。

また、図６、図７、および図１０に最も良く示されている通り、作動装置２１０には、回転子組立体２４４の頭部２４６と基部２１８との間に配置されている弾性要素またはばね２５２が設けられていてもよい。ばね２５２の一端２５３が、回転子組立体２４４の頭部２４６に固定して取り付けられていてもよいのに対して、ばね２５２の他端２５５が、作動装置２１０の基部２１８に動作可能に係合するように構成されていてもよい。止め具組立体２５４が使用されて、ばね２５２の端部２５５を基部２１８に係合させ、解放してもよい。より具体的には、本明細書に示され記載されている実施形態では、作動装置２１０の基部２１８には、ばね２５２の端部２５５と係合する大きさに作られている１つまたは複数の孔２５８が設けられていてもよい。設けられている１つまたは複数のピン２６０を有する円盤２５６が、例えば図６、図７、および図１０に最も良く示されている方法で、１つまたは複数の作動装置２６２により、筺体１２に取り付けられていてもよい。作動装置２６２は、円盤２５６を基部２１８の方へかつそれから離して移動させてもよい。円盤２５６が基部２１８の方へ移動した場合、ピン２６０は、基部２１８内の対応する孔２５８に係合し、最終的にばね２５２の端部２５５を孔２５８から外へ押し出し、それにより、基部２１８からばね２５２を解放する。ピン２６０は基部２１８の表面と同一平面であるため、回転子組立体２４４の頭部２４６が基部２１８と再係合することなく回転する際、ばね２５２の端部２５５は、基部２１８の周囲を滑動する。しかし、円盤２５６が基部２１８から離れて移動した場合、ピン２６０は、孔２５８から解放され、ばね２５２の端部２５５が孔２５８の１つと再係合することを可能にする。

ばね２５２は、このようにして、作動装置２１０が２つの異なる方法でエネルギーを蓄積することを可能にする。第１に、ばね２５２は、頭部２４６と基部２１８との間で圧縮され、したがってエネルギーを蓄積することが可能である。第２に、ばねはまた、回転子組立体２４４の頭部２４６が本明細書に記載されている方法で回転する際に、巻き上げられることによりエネルギーを蓄積することが可能である。ばね２５２は、頭部２４６に取り付けられているため、ばね２５２は、圧縮および巻上げの両方により、エネルギーを蓄積することができる。

また、作動装置２１０には、１つまたは複数のセンサ（図示せず）が設けられていて、筺体２１２に対する回転子組立体２４４の位置を検出してもよい。センサが非接触型のセンサを含み、システムの全体的な摩擦荷重を減少させることが一般に好ましいが、必要な訳ではない。例示的非接触センサは、光学センサと磁気フィードバックセンサとを含む。回転子頭部２４６が筺体２１２の内部で移動する際に光源と検出器との間を進行する光が遮断されるように、光学センサは、溝穴付円盤が回転子頭部２４６または回転子主軸２３０に取り付けられることを必要とする可能性がある。その遮断は、処理ユニットにより数えられ、回転速度および位置が計算される。

あるいは、電磁石２３２自体が、非接触センサとして使用されてもよい。例えば、吸引磁石または反発磁石としてかつ非常に高速のセンサとして電磁石２３２の目的を多重化することにより、電磁石２３２を使用して、回転子頭部２４６内の磁石２５０の位置を判定することができる。すなわち、各電磁石２３２内のコイル２３８を通過する磁石２５０の移動により、コイル２３８内に測定可能な逆流が生成される。

また、作動装置２１０は、電磁石２３２の各々に動作可能に連結されている制御システム２６４を含んでいてもよい。制御システム２６４は、種々の電磁石２３２を作動して、以下に記載されている方法で、ほぼ螺旋経路に沿って、回転子組立体を回転させると共に終端間を移動させるのに使用される。

制御システム２６４は、種々の電磁石２３２の各々に電流を流すのに適した、多種多様なハードウェア要素および／またはソフトウェア要素（図示せず）のいずれかを含んでいてもよい。

ここで主に図９を参照すると、各電磁石２３２により生成される磁場Ｂは、双極子に似ており、その場の強度は、電磁石２３２からの距離の３乗の逆数の関数として減少する。この磁場Ｂは、電磁石２３２を作動する電流の制御によって、出現し、消失し、成長し、縮小し、反転することができる。図９に示されている例示的実施形態では、右側の電磁石２３２は、最終的な磁気ベクトルＢ（矢印で示されている）が回転子頭部２４６内の磁石２５０の磁気ベクトルの方を指しているように作動される。したがって、これらの磁石は対向しており、したがって反発する。このことは、それ自体の推進力下で回転している回転子頭部２４６の回転を増進する。磁石２５０の磁場ベクトルＢは、左側の電磁石２３２が右側の電磁石２３２内の電流とは逆の電流を通している時、左側の電磁石２３２から離れる方向を指している。したがって、回転子頭部２４６上の磁石２５０は、この電磁石２３２に引き付けられる。したがって、回転子２４６は、左側の電磁石２３２の方へ移動し、トルクを生成すると考えられる。

電磁石２３２の各々に電流を流す例示的制御一覧表または手順が、以下の通りである。各螺旋経路２３６に沿って底部の１個から最上部のＮ個まで電磁石２３２を数え（より長い作動装置２１０はより多くの電磁石２３２を必要とすると考えられるので、電磁石２３２の最大数は固定されない）、次いでばね２５２を最大限に圧縮し、回転子主軸または袖部２３０をその最長の長さまで引き伸ばした場合、それらが回転子頭部２４６内の磁石２５０を引き付けるように、３個の１番目の電磁石２３２を作動すると考えられる。１番目の電磁石２３２を通る電流を反転させながら、３個の２番目の電磁石２３２を作動して磁石２５０を引き付けることにより、回転子頭部２４６が１番目の電磁石２３２から拒絶され、２番目の電磁石の方へ移動すると考えられる。回転子頭部２４６が推進力を得るので、３番目の電磁石２３２を作動することにより、回転子２４６は、電磁石２番目と電磁石３番目との間の中間位置に移動する。２番目の電磁石の電流を反転させることより、それら電磁石は回転子頭部磁石２５０を拒絶する。回転子頭部２４６は、次いで、３番目の電磁石２３２の方へ回転する。このように、主軸２３０を回転／格納させ続けるために、電磁石２３２が切れ、次に点き（引き付け）、次に電流を反転させ（拒絶する）、次に切れるという磁石通電の時差的進行が、回転子組立体２４４、したがって出力主軸または袖部２３０の位置の制御を可能にする。

電磁石２３２のこの種の制御は、一連のトランジスタ、および従来のステッピングモータ制御装置のものと類似したプログラミングを備えたパルス幅制御装置を使用することにより可能である。この周期的進行における電磁石２３２の負荷サイクル（すなわち通電時間の長さ）は、作動装置２１０の電磁石２３２の強度、必要な主軸回転速度、ばね２５２の強度、回転子頭部２４６の推進力、および物理的寸法に左右される。

電磁石２３２を使用して回転子頭部２４６の位置を感知するために、頭部２４６内の磁石２５０がすぐ近くを通過する際に、制御システム２６４は、電磁石２３２内に誘導される電圧を検出するかまたは測定しなければならないと考えられる。電磁石２３２は検知動作中には作動されないので、そのような電圧測定は、回転子頭部２４６の推進力が主軸２３０を移動させ続けるように、極めて迅速に行われることが可能である。アナログ／デジタル変換／データ収集デバイスまたは十分な入出力チャネルを有するプログラム可能集積回路を備えたコンピュータ（図示せず）が、この制御を実現することができる。

回転子組立体２４４は、その長さの大半において案内部材２２２に沿って滑動することができる。回転子組立体２４４は、本明細書に記載されている方法における電磁石２３２の順次作動により、案内部材２２２に沿って移動することができる。さらに、回転子組立体２４４はまた、ばねによって戻されたエネルギーの影響下で、案内部材２２２に沿って移動することができる。

ここで主に図１１（ａ〜ｃ）を参照すると、中立状態（図１１ｂ）では、ばね２５２はその静止長にあり、回転子頭部２４６に力を及ぼさない。連続して電磁石２３２を作動することにより、磁石２５０、したがって回転子頭部２４６が回転し、それらの配置により説明される螺旋経路に沿って移動する。回転子頭部２４６の回転および移動はどちらも、結果的に、ばね２５２内に弾性位置エネルギーを蓄積することになる。図１１ａ参照。回転子頭部２４６の移動が、ばね２５２を引き伸ばす一方、回転子頭部２４６の回転は、ばね２５２が基部２１８に固定されている（すなわちそれと係合されている）場合、ばね２５２を回転子主軸２３０の周囲に巻き付ける。最大ばね引張時、主軸２３０の自由端は、図１１ａに示されている格納位置にある。

ばね２５２は、主軸２３０の端部で張力をかけることにより、または電磁石２３２の順次作動の方向を反転させることにより、圧縮されることが可能である（図１１ｃ）。主軸２３０の端部でかけられる力または電磁石２３２と磁石２５０との間の引力のどちらか、または両方が、引き伸ばされたばね２５２がその静止位置に反動するのを防ぐことができる。したがって、作動装置２１０が、ばね２５２に作用することができるだけでなく、ばね２５２が、作動装置２１０に作用することができる。

高い熱力学的効率は、電気の代わりに蓄積された弾性位置エネルギーが使用されて、回転子組立体２４４を加速または減速させることに起因する。
回転子組立体２４４が円筒形筺体２１２の内部で自由に移動することができるため、固有の安定性が生じる。ばね２５２の振動により、かけられた力の作動装置２１０の固定端２１４への伝動が低減する。電磁力は、ばね２５２の振動を減衰させる。かけられた力の変化は、自動的に、回転子組立体２４４の位置の変化（およびしたがって、ばね２５２に蓄積されたエネルギーの変化）をもたらす。圧縮力が増大した場合、ばね２５２はより堅くなる（すなわち作動装置２１０の応従性が低くなる）。圧縮力が減少した場合、作動装置２１０の応従性が高くなる。したがって、作動装置２１０は粘弾性特性を呈する。

本明細書に本発明の好適な実施形態を記載したが、それにも関わらず、本発明の範囲内に留まる適切な修正がそれらに対して施され得ることが予想される。したがって、本発明は、もっぱら以下の特許請求の範囲に基づいて解釈されるものとする。

Claims (27)

1. 作動装置であって、
   固定部材と、
   前記固定部材と動作可能に係合されている自由部材であり、前記固定部材に対して移動可能であるようになっている、自由部材と、
   前記自由部材および前記固定部材に動作可能に付随する弾性要素と、
   前記固定部材に対して前記自由部材を移動させるための手段であり、前記作動装置は、前記作動装置の全長に変更なく、前記弾性要素内にエネルギーを蓄積するように動作可能である、移動させるための手段と
   を含む、作動装置。
2. 前記弾性要素は、前記作動装置のコンプライアンスを変化させる、請求項１に記載の作動装置。
3. 前記弾性要素は、収縮力が減少すると前記作動装置のコンプライアンスを上昇させ、前記弾性要素は、前記収縮力が増大すると前記作動装置のコンプライアンスを低下させる、請求項２に記載の作動装置。
4. 前記移動させるための手段は前記弾性要素に作用する、請求項１に記載の作動装置。
5. 前記弾性要素は、前記移動させるための手段に作用する、請求項１に記載の作動装置。
6. 連結器部材をさらに含み、前記連結器部材は、前記連結器部材が前記固定部材および前記自由部材に対して移動可能であるように、前記固定部材と前記自由部材とに係合している、請求項１に記載の作動装置。
7. 前記弾性要素は、前記連結器部材と前記自由部材とに動作可能に付随しており、前記移動させるための手段は、前記移動させるための手段が前記自由部材に対して前記連結器部材を移動させるように、前記連結器部材と前記固定部材とに動作可能に付随する、請求項６に記載の作動装置。
8. 前記移動させるための手段は、
   前記固定部材に取り付けられているモータと、
   前記固定部材に対する回転のために取り付けられており、かつ前記モータに動作可能に連結されている主ねじであり、前記モータが前記主ねじを回転させることができるようなっている、主ねじと、
   前記連結器部材に取り付けられており、かつ前記主ねじと動作可能に係合されているナットであり、前記主ねじの回転により、前記連結器部材が前記固定部材に対して移動する、ナットと
   を含む、請求項７に記載の作動装置。
9. 前記弾性要素に動作可能に連結されている巻取りシステムをさらに含み、前記巻取りシステムは、前記弾性要素の動作長さを伸縮させる、請求項８に記載の作動装置。
10. 前記巻取りシステムは、糸巻と、前記糸巻に動作可能に付随するモータとを含む、請求項９に記載の作動装置。
11. 前記作動装置に動作可能に付随する歪みセンサをさらに含み、前記歪みセンサは、前記作動装置の歪みを感知する、請求項１０に記載の作動装置。
12. 前記自由部材は、前記作動装置が軸に沿って動作可能であるように、前記固定部材に対して前記軸に沿って移動可能である、請求項１に記載の作動装置。
13. 前記固定部材は、中に設けられている開口部を有する細長い筺体を含み、前記自由部材は、前記筺体内に設けられている前記開口部の内部での回転および移動のために取り付けられている回転子頭部を含む、請求項１に記載の作動装置。
14. 前記回転子頭部に取り付けられている出力主軸をさらに含む、請求項１３に記載の作動装置。
15. 前記弾性要素は、第１の端部と第２の端部とを有するばねを含み、前記ばねの前記第１の端部は、前記回転子頭部に取り付けられており、前記ばねの前記第２の端部は、前記筺体と選択的に係合可能であり、解放可能である、請求項１４に記載の作動装置。
16. 前記移動させるための手段は、
    前記筺体の外周を巡って配置されている複数の電磁石であり、少なくとも１つのほぼ螺旋状の経路を画定する、複数の電磁石と、
    前記回転子頭部に取り付けられている磁石と、
    前記複数の電磁石に動作可能に付随する制御システムであり、前記電磁石を選択的に作動して、前記筺体の内部で前記回転子頭部を回転させる、制御システムと
    を含む、請求項１５に記載の作動装置。
17. 作動装置であって、
    固定部材と、
    前記固定部材と動作可能に係合されている連結器部材であり、前記固定部材に対して移動することができるようになっている、連結器部材と、
    前記連結器部材と動作可能に係合されている自由部材であり、前記固定部材に対して移動することができるようになっている、自由部材と
    前記固定部材および前記連結器部材に動作可能に付随する駆動システムであり、前記固定部材に対して前記連結器部材を移動させるように動作可能である、駆動システムと、
    第１の端部および第２の端部を有する弾性要素であり、前記弾性要素の前記第１の端部は前記自由部材に連結されており、前記第２の端部は前記連結器部材に連結されている、弾性要素と
    を含む、作動装置。
18. 前記駆動システムは、
    前記固定部材に取り付けられているモータと、
    前記固定部材に対する回転のために取り付けられておりかつ前記モータに動作可能に連結されている主ねじであり、前記モータが前記主ねじを回転させることができるようになっている、主ねじと、
    前記連結器部材に取り付けられておりかつ前記主ねじに動作可能に係合されているナットであり、前記主ねじの回転により、前記連結器部材が前記固定部材に対して移動する、ナットと
    を含む、請求項１７に記載の作動装置。
19. 前記固定部材は管状構造を含み、前記連結器部材は、前記固定部材の前記管状構造により滑動可能に受容される大きさに作られているほぼ細長い構造を含む、請求項１８に記載の作動装置。
20. 前記自由部材は、前記連結器部材を滑動可能に受容する大きさに作られている管状構造を含む、請求項１９に記載の作動装置。
21. 前記固定部材および前記自由部材の前記管状構造は、ほぼ中空の円筒形構造を含む、請求項２０に記載の作動装置。
22. 前記固定部材は、前記固定部材に設けられている溝穴部を含み、前記自由部材は、前記自由部材に設けられている少なくとも１つの溝穴部を含み、前記連結器部材は、前記固定部材および前記自由部材に設けられている溝穴部により滑動可能に受容される大きさに作られている複数のピンを含む、請求項２１に記載の作動装置。
23. 作動装置であり、
    筺体と、
    前記筺体の外周を巡って配置されている複数の電磁石であり、少なくとも１つのほぼ螺旋状の経路を画定するようになっている、複数の電磁石と、
    前記筺体の内部での回転および移動のために取り付けられている回転子頭部と、
    前記回転子頭部に取り付けられている磁石と、
    前記回転子頭部に取り付けられている出力主軸と、
    第１の端部および第２の端部を有するばねであり、前記ばねの前記第１の端部は前記回転子頭部に取り付けられており、前記ばねの前記第２の端部は前記筺体と選択的に係合可能であり、解放可能である、ばねと、
    前記複数の電磁石に動作可能に付随する制御システムであり、前記電磁石を選択的に作動して、前記筺体に対して前記回転子頭部を移動させる、制御システムと、
    を含む、作動装置。
24. 前記回転子頭部は、前記筺体の内部で移動することなく、前記筺体の内部で回転し、前記回転子頭部の前記回転は、前記作動装置の全長に変更なく、前記ばね内にエネルギーを蓄積する、請求項２３に記載の作動装置。
25. 前記回転子頭部は、前記ばねに作用する、請求項２３に記載の作動装置。
26. 前記ばねは、前記回転子頭部に作用する、請求項２３に記載の作動装置。
27. 前記回転子頭部は、前記筺体の内部で回転し、移動し、前記回転子頭部は、概して、前記複数の電磁石により画定されている前記螺旋経路を辿る、請求項２３に記載の作動装置。

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