(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的負荷と相互作用する機械式差動型アクチュエータであって，
第１セミアクティブ・サブアクチュエータと，
第２セミアクティブ・サブアクチュエータと，
速度発生源と，
前記速度発生源に連結された第１相互作用ポート，第２相互作用ポート，及び前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第３相互作用ポートを含む３つの相互作用ポートを有する第１機械式差動装置と，
前記速度発生源に連結された第１相互作用ポート，第２相互作用ポート，及び前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第３相互作用ポートを含む３つの相互作用ポートを有する第２機械式差動装置とを備え，
前記第１機械式差動装置の第２相互作用ポートと，前記第２機械式差動装置の第２相互作用ポートとは，互いに連結されることにより，負荷に連結されるよう構成された出力を形成する機械式差動型アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記速度発生源は，電動ギア付電磁モータ，直接駆動式電磁モータ，圧電モータ，油圧モータ，空気モータ，空気アクチュエータ，内燃機関及びタービンからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータと前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータとは同一物である機械式差動型アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータは，電気粘性流体ブレーキ，磁気粘性流体ブレーキ，乾燥摩擦ブレーキ，磁性粒子ブレーキ，電磁ヒステリシスブレーキ及び油圧ロータリーブレーキからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータが磁気粘性流体ブレーキである機械式差動型アクチュエータ。
【請求項６】
請求項５に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータ及び前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータを，前記磁気粘性流体ブレーキへ供給する電気エネルギーを調整することによって制御すると共に前記速度発生源を制御する制御器をさらに備える機械式差動型アクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載の機械式差動型アクチュエータであって，出力の運動を検出し，運動に関する情報を前記制御器に与える運動センサをさらに備える機械式差動型アクチュエータ。
【請求項８】
請求項７に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記制御器は，電圧フィードフォワードトルク制御スキームと電流フィードフォワードトルク制御スキームとからなる群から選択した制御スキームを用いる機械式差動型アクチュエータ。
【請求項９】
請求項６に記載の機械式差動型アクチュエータであって，負荷に付与する力又はトルクを検出し，力又はトルクに関する情報を前記制御器に与える力センサ及びトルクセンサからなる群から選択したセンサを用いる機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記制御器がトルクフィードバック制御スキームを用いる機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１機械式差動装置の第１相互作用ポートは，第１の方向に運動するよう前記速度発生源に連結され，前記第２機械式差動装置の第１相互作用ポートは，前記第１の方向に対向する第２の方向に運動するよう前記速度発生源に連結された機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項11に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２機械式差動装置のポートは，対応する機能を有する機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１機械式差動装置の第１相互作用ポートは，さらに前記第２機械式差動装置の第１相互作用ポートに，共通の方向へ運動するよう連結された機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項13に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２機械式差動装置の第１相互作用ポートは対応する機能を有し，前記第１及び第２機械式差動装置の第２及び第３相互作用ポートは互い違いの機能を有する機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１５】
請求項13に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１機械式差動装置の第２相互作用ポートと，前記第２機械式差動装置の第２相互作用ポートとは，前記第１及び第２セミアクティブ・サブアクチュエータのブレーキトルクが，方向が対向する出力トルクを生じるように外部機構を介し互いに連結された機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２機械式差動装置は，それぞれ，機械式差動機能を実行する第１及び第２減速機構を含み，前記速度発生源は前記第１及び第２減速機構に連結された機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項16に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２減速機構は，ケーブル機構，リード又はボールスクリューとこれに対応するナット機構，バー機構，サイクロイド減速機，遊星歯車変速機，標準的な変速機及びハーモニックドライブからなる群から選択されたものである機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２機械式差動装置は，それぞれ，第１及び第２の波動歯車変速段を含み，
前記第１の波動歯車変速段は，前記第１機械式差動装置の第１ポートに結合されたウェーブ・ジェネレータと，前記第１機械式差動装置の第２ポートに結合されたサーキュラ・スプラインと，前記第１機械式差動装置の第３ポートに結合されたフレクスプラインとを有し，
前記第２の波動歯車変速段は，前記第２機械式差動装置の第１ポートに結合されたウェーブ・ジェネレータと，前記第２機械式差動装置の第２ポートに結合されたサーキュラ・スプラインと，前記第２機械式差動装置の第３ポートに結合されたフレクスプラインとを有する機械式差動型アクチュエータ。
【請求項１９】
請求項18に記載の機械式差動型アクチュエータであって，
前記第１の波動歯車変速段は，さらに，前記第１機械式差動装置の第３ポートに結合されたダイナミックスプラインを有し，
前記第２の波動歯車変速段は，さらに，前記第２機械式差動装置の第３ポートに結合されたダイナミックスプラインを有する機械式差動型アクチュエータ。
【請求項２０】
請求項１に記載の機械式差動型アクチュエータであって，前記第１及び第２機械式差動装置は，それぞれ，第１及び第２の遊星歯車変速段を含み，
前記第１の遊星歯車変速段は，前記第１機械式差動装置の第１ポートに結合されたサンギアと，前記第１機械式差動装置の第２ポートに結合された少なくとも１つの遊星ギアと，前記第１機械式差動装置の第３ポートに結合されたリングギアとを有し，
前記第２の遊星歯車変速段は，前記第２機械式差動装置の第１ポートに結合されたサンギアと，前記第２機械式差動装置の第２ポートに結合された少なくとも１つの遊星ギアと，前記第２機械式差動装置の第３ポートに結合されたリングギアとを有する機械式差動型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は，2008年3月27日付出願の米国仮特許出願第61/064813号の利益を主張するものであり，参照により本願に援用する。
【０００２】
本発明は，相互作用タスク及び高速動作に適する二重差動型セミアクティブアクチュエータに関する。より具体的には，本発明は，ロボットの相互作用タスク，力制御タスク又は運動タスクに適する二重差動型セミアクティブアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００３】
最新のロボットシステムは，高速で繰返し可能な位置制御機械である。しかしながら，広範な研究開発努力にもかかわらず，それらの多くは，特定の予めプログラミングされた動作を実行する制御範囲に限定されたままである。また，それらは依然として，研削，研磨，面追従及び複雑なアセンブリ等のタスクにおいて限定的な性能しか発揮していない。さらに，たとえ，理学療法，トレーニング支援，手術支援，人的タスクの教授，スポーツトレーニング，義肢装具の動力化，触覚，相互作用機械の遠隔操作等の，経済的な面からみて魅力のあるマン・マシン相互作用への多くの用途が確認されているとしても，成功裏に実行されているものは非常に少ない。
【０００４】
過去25年間にわたり，研究者の中には，安全で多用途な相互作用が可能なロボットシステムを生み出すという一つの目的を念頭に，設計のパラダイムを確認し，修正しようと努力した者もおり，これが相互作用制御理論の開発につながった。残念ながら，従来のアクチュエータはその使用に適しておらず，また安全で多用途な相互作用に適していないことが判明した。その理由は主に，出力インピーダンス（慣性及び抵抗）が高いためであり，また通常は，力フィードバックを実行する際に検出変換器と作動変換器とを連動させることができないためである。
【０００５】
種々の相互作用タスクに適する安全で多用途なアクチュエータは，少なくとも４つの基礎的な特性を備えていなければならない。すなわち，１）高い力密度又はトルク密度；２）十分な力の帯域幅；３）非常に低い出力インピーダンス；及び４）高精度の力発生能力である。しかしながら，従来のアクチュエータには，これらの基礎的な特性の全てを同時に備えたものは無かった。
【発明の概要】
【０００６】
本発明に従えば，機械的負荷と相互作用する機械式差動型アクチュエータであって，
第１セミアクティブ・サブアクチュエータと，
第２セミアクティブ・サブアクチュエータと，
速度発生源と，
前記速度発生源に連結された第１相互作用ポート，第２相互作用ポート，及び前記第１セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第３相互作用ポートを含む３つの相互作用ポートを有する第１機械式差動装置と，
前記速度発生源に連結された第１相互作用ポート，第２相互作用ポート，及び前記第２セミアクティブ・サブアクチュエータに連結された第３相互作用ポートを含む３つの相互作用ポートを有する第２機械式差動装置とを備え，
前記第１機械式差動装置の第２相互作用ポートと，前記第２機械式差動装置の第２相互作用ポートとは，互いに連結されることにより，負荷に連結されるよう構成された出力を形成する機械式差動型アクチュエータが提供される。
【０００７】
本発明の前述の及び他の目的，利点並びに特徴は，以下の，添付の図面を参照し単なる例として図示するその実施形態の非限定的な説明によって，より一層明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】簡素化したマルチブレード磁気粘性流体（ＭＲ）ブレーキの断面図である。
【図２】ＭＲブレーキ又はＭＲクラッチのようなセミアクティブアクチュエータを概略的に示すために用いる記号を示す図である。
【図３】ＭＲブレーキの典型的なトルク曲線のグラフである。
【図４】本発明に従う図１の簡素化したマルチブレードＭＲブレーキを用いた，対向式セミアクティブ・サブアクチュエータの断面図である。
【図５ａ】本発明に従う機械式差動装置を，慣性効果を考慮せずに，てこに近似して表現した概略図である。
【図５ｂ】本発明に従う機械式差動装置を，慣性効果を考慮して，てこに近似して表現した概略図である。
【図６】本発明に従う二重機械式差動装置の考えられる形態を，てこに近似して表現した概略図である。
【図７】二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの第１形態を，てこに近似して表現した概略図である。
【図８】二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの第２形態を，てこに近似して表現した概略図である。
【図９】二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの第３形態を，てこに近似して表現した概略図である。
【図１０】図７に示したものと同等の形態を有する，２つの遊星歯車ギア段を用いた二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの第１実施形態の断面斜視図である。
【図１１】図10の二重機械式差動型アクチュエータの実施形態のサブシステムの細部の分解斜視図である。
【図１２】図11の減速反転段の速度方向の概略図である。
【図１３】図10の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータのＭＲブレーキの断面斜視図である。
【図１４】図10の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータのＭＲブレーキの分解斜視図である。
【図１５】10の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの二重差動機構の簡素化した斜視図である。
【図１６】図８に示したものと同等の形態を有する，２つのハーモニックドライブギア段を用いた二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの第２形態の斜視図である。
【図１７】図16の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの分解斜視図である。
【図１８】図16の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの二重差動機構の簡素化した断面図である。
【図１９】図16の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータの２つのＭＲブレーキにおける，電圧を入力とする関数としてのトルク出力のグラフである。
【図２０】図16の二重機械式差動型セミアクティブアクチュエータとともに用いる電圧フィードフォワードトルク制御器の例の概略図である。
【図２１】ゆるやかな正弦関数状の指令に対する，図20の制御器のトルク応答のグラフである。
【図２２】図９に示したものと同等の形態を有する，２つの遊星歯車ギア段を用いた二重差動機構の第３実施形態の斜視図である。
【図２３ａ】図８に示したものと同等の形態を有する，２つの遊星ギアトレインを用いた二重機械式差動機構の第４実施形態の概略図である。
【図２３ｂ】図８に示したものと同等の形態を有する，２つの遊星ギアトレインを用いた二重機械式差動機構の第４実施形態の変形例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に，本発明に従うアクチュエータの非限定的な例示による実施形態を説明する。
【００１０】
概略的に言えば，本発明の非限定的な例示による実施形態に従うアクチュエータは，入力速度発生源及び出力に２つの機械的差動装置を用いて連結された２つのセミアクティブアクチュエータを用いた新しい種類のアクチュエータ機構に関する。その構造は，アクチュエータの出力となる力又はトルクが，セミアクティブアクチュエータのブレーキ力を組合せることによって双方向に制御されるようなものとなっている。本発明の実施形態にしたがえば，１）高い力密度又はトルク密度；２）高い帯域幅；３）非常に低い出力インピーダンス；及び４）高精度の力発生能力を得ることができる。これらの特性により，ロボットでの安全で多用途な相互作用に加え，精密な力制御，高速制御が可能となる。
【００１１】
（アクチュエータ理論の導入）
アクチュエータは，特定の形態（熱的，電気的，化学的，流体的，機械的等）のエネルギーを機械的な動力に，及びその逆に制御可能な方法で変換する機構である。本明細書での開示において，アクチュエータは，特に，しかし非排他的に，例えば：
・制御電子機器
・電源電子機器
・エネルギー変換器
・状態センサ；及び
・トランスミッション機構
を含むいくつかのサブシステムに集約することができる。
【００１２】
ｎ自由度のロボットシステムが，ｎ個の動力交換（相互作用）ポートを介し，負荷に接続される。各相互作用ポートの状態は，２つの変数を用いて定義される。その変数とはすなわち，発生させる力と，発生させる速度である。所定のポートの２つの相互作用状態変数を独立して制御することは不可能である。従来の制御では，２つの変数の一方に焦点を当てていた。
【００１３】
速度又は位置制御のため，アクチュエータは，理想的には，力の負荷と相互作用する速度発生源として機能する。アクチュエータは，いかなる反力が生じようとも，負荷に伝達される速度状況を制御しなければならない。理想的な速度発生源に近い性能に達するよう構成された実際のアクチュエータは，多くの場合，機械的インピーダンス（慣性，摩擦，剛性）が高い部品を用いて構成される。このインピーダンスにより，力の外乱の排除が容易となる。流れを制御された油圧変換器や高ギア比の電磁（ＥＭ）モータが良い例である。低出力インピーダンスのアクチュエータを用いれば高性能な速度制御も可能となるが，外乱を効果的に打ち消すため，より高い力の帯域幅が必要となる。直接駆動ＥＭモータの速度制御が良い例である。
【００１４】
力制御のため，アクチュエータは，理想的には，速度負荷と相互作用する力発生源として機能する。アクチュエータは，いかなる運動が出力として生じようとも，負荷に伝達される力又はトルクの状況を完全に制御しなければならない。理想的な力発生源にできるだけ近い性能に達するよう構成された実際のアクチュエータは，機械的インピーダンスが非常に低い部品を用いて構成される。出力インピーダンスは，発生力の，出力から生じる運動からの影響の受け易さとみなすことができ，従って，悪影響を及ぼすものである。第２の問題は，高精度の力制御が望まれる場合，力発生現象とシステムの出力との間のトランスミッションが，モデル化されない力ノイズをほとんど付与してはならないことである。最も高い力密度のアクチュエータは，高いインピーダンス（慣性及び摩擦）を示すため，また，実質的にモデル化が困難な力ノイズをトランスミッションが付与するため，力制御は多くの場合困難である。
【００１５】
広範な種類のロボットタスク，すなわち，軽い物体を摘んで配置することや，ゆっくりと単純な部品を組み立てることや，固い壁を押すことが，低い動力の交換によって実現される。これらの単純なタスクのためには，適切なアクチュエータを用いれば，従来のフィードバックに基づく速度又は力の制御で概ね十分である。しかしながら，無視できない大きさの動力交換によって実行される複雑なロボットタスクを実行する場合，精密な相互作用モデルが欠如しており，タスクを実時間で物理量と関連付けて精密に測定することが困難であり，検出変換器と作動変換器とが連動していないことにより，不安定となる傾向があり，従って安全で多用途な相互作用に適していない単純な力制御器又は単純な速度制御器の性能が悪影響を受ける。これらの問題に対処するため，研究者らは，ロボットの，その相互作用ポートにおける動的挙動の調整を指す「相互作用制御」と名付けられた新たな手法を提案した。この制御は，運動と力の間の関係を特定すること，及びこの関係からの逸脱の最小化を図る制御アルゴリズムを実行することを含む。この関係は，例えば，ラプラス複素周波数をｓとして，
【００１６】
【数１】
0005436532.tif 000002
で表される，測定された速度
0005436532.tif 000003
の関数である所望の出力される力（Ｆ）を特定する所望のポートインピーダンス（Ｚref）として表される。次に，成立し得る動的関係を特定し，その極限値を速度及び力の発生源とすれば良い。
【００１７】
ロボットシステムでは，安全性の問題は，力が制御されず，又は許容できる水準以下に制限された際に生じる。突然の衝撃を受け又は不正確な操縦が行われた際，操縦者が気付き，又は効果的な行動をとることができる前でさえ，システムの実部インピーダンスは，典型的には大部分においてアクチュエータの実部（実効）インピーダンスによって，大きな負荷を生じる。操縦者が気付くと，次は，大きな力帯域幅で適切な対策の実行を容易にすることができる。従って，安全なアクチュエータは非常に低い実部インピーダンスと高い帯域幅を有するべきである。
【００１８】
ロボットの相互作用タスクでは，多用途性は，相互作用変数を力，速度又は前記のインピーダンスの関係として，正確に且つ広範囲にわたって制御する能力と定義することができる。正確な力又はインピーダンスの制御には，高精度な力発生能力が必要である。高周波数とした際にも低い虚部インピーダンスを生じるためには，低い実部インピーダンスと高い帯域幅が必要とされる。最後に，低い実部インピーダンスを有するアクチュエータを用いて速度制御で高い性能を発揮することができるのは，十分な力の帯域幅が利用できる場合のみである。
【００１９】
安全性と多用途性の追求には，低い実部インピーダンス，広い帯域幅及び正確な力発生能力を必要とするだけの価値がある。その一方で，高い力密度が，有用なロボットシステムへの統合を可能とするために必要とされ，且つ，システムによってアクチュエータ本体が移動させられる場合の安全性に寄与することができる。
【００２０】
（相互作用制御のため構成されたアクチュエータ）
その相互作用を安全に且つ多用途な方法で制御することができる機械は，この目的のため特別に構成された，比較的最近研究のトレンドとなっているアクチュエータの使用により，初めて実現される。入手可能な刊行物によれば，それらは実現することが困難である。相互作用タスクのため構成された既存のアクチュエータは，以下のとおり分類することができる。
【００２１】
・電気機械アクチュエータの単純インピーダンス制御。相互作用制御の最初の試みは，オープンループで制御される電流と標準的な変速機とを備えたＥＭモータを用いて実施された。オープンループは，固有の制御安定性を意味する。しかしながら，変速機の使用により，モータの慣性及び摩擦が増幅し，衝撃耐性が減少し，また力にノイズが生じる。その性能は，インピーダンス制御の展望を確実にするのに十分であったが，ほとんどのロボット用途において不十分であった。
【００２２】
・力フィードバックアクチュエータ。これは，ギア付ＥＭモータのような従来の高インピーダンスアクチュエータと直列に配置された高価な力センサを備えている。相互作用は，実部出力インピーダンスを低周波数域で部分的にマスクするため，力フィードバックを用いて制御される。残念ながら，検出変換器と作動変換器との非連動により，安定フィードバックゲイン及び安定相互作用帯域幅が制限される。さらには，高いインピーダンスは安全性への脅威となるおそれがある。
【００２３】
・インピーダンス制御可能な直接駆動アクチュエータ（ＤＤＡ）。直接駆動ＥＭモータは，通常，巻き線電流と出力される力の間の既知の関係を有する低慣性デバイスである。高速且つ固有安定性な力制御が，電流フィードフォワード配置を用いて達成され得る。しかしながら，変速機を使用しないため，トルク重量比が小さく，そのため適用できる用途の範囲が大きく制限される。
【００２４】
・直列弾性アクチュエータ（ＳＥＡ）。これは，高インピーダンスアクチュエータと力センサの間に配置された従属素子を用いる。そうすることによって，広い増幅帯域と引き換えに，より低い見かけ上の慣性と，より良い力解像度と，改善された制御安定性と，より良い衝撃耐性とを得ている。
【００２５】
・差動型弾性アクチュエータ。この作動原理は，ＳＥＡに類似しているが，機械式差動装置の使用により，特に回転アクチュエータで，統合の単純化が可能となっている。
【００２６】
・可変剛性アクチュエータ（ＶＳＡ）。このアクチュエータは，その実部出力剛性を機械的手段によって変化させることができる。ほとんどのＶＳＡは，対立する形態で作用する２つの非線形機械式ばねを使用する。その結果得られるアクチュエータは，固有安定性及び衝撃耐性を有する。主な欠点は，機械的に複雑であり，力密度がより低いことである。
【００２７】
・並列連結マイクロ・マクロアクチュエータ（ＰａＣＭＭＡ）及び分配マクロ・ミニ（ＤＭ2）アクチュエータ。ＰａＣＭＭＡ及びＤＭ2は，低出力ＤＤＡと並列で高動力ＳＥＡを用いる。ＳＥＡは，「低周波数域で高動力」の力を発生させるのに役立つ一方，ＤＤＡアクチュエータは，「高周波数域で低動力」の力を発生させるのに役立つ。このシステムは，閉ループ型で，出力側で力センサを用いて制御される。動的性能がＳＥＡよりも改善されるものの，複雑度と体積が増加する。
【００２８】
・可変ダンパアクチュエータ（ＶＤＡ）。このアクチュエータは，直列に又は差動機構を介して連結され，且つ，高インピーダンスアクチュエータと負荷の間に配置された流体クラッチを用いる。可変の発生力は，クラッチの操作トルクを調節することによって得られる。利点としては，環境（負荷）が高インピーダンスアクチュエータの慣性から隔離されるという点がある。しかしながら，発生力を反転させるためには，入力速度を反転させなければならず，従って力がゼロとなる点を横切る際に帯域幅が制限される。また，クラッチの摩擦により，正確に小さな力を発生させる能力が制限される。
【００２９】
（セミアクティブ・サブアクチュエータ）
セミアクティブ・サブアクチュエータは，機械的エネルギーを消散させることしかできないデバイスである。同様の力を発生させるアクティブアクチュエータと比較すると，多くはより小さく，より軽く，またより低い出力慣性を有する。例えば，しかしこれに限定されない，電気粘性流体又は磁気粘性（ＭＲ）流体ブレーキ，乾燥摩擦ブレーキ，磁性粒子ブレーキ，電磁ヒステリシスブレーキ，ロータリーダンパのような異なるセミアクティブアクチュエータを用いて本発明を実施しても良い。単純化のため，以下ＭＲブレーキに限定して説明するが，他の種類のセミアクティブアクチュエータを用いても良いことを理解されたい。
【００３０】
ＭＲ流体の粘性は磁場の付与によって変更することができる。この変化は，流体にせん断力が作用する際，場の強さに略比例して降伏応力が大きくなることによって現れる。図１を参照すると，１つ以上の散在するロータ12及びステータ14ブレードを利用して，それらの間の隙間13内のＭＲ流体にせん断力を付与するＭＲロータリーブレーキ10の例示的な例が示されている。本例では，多重的な隙間13により，トルクの増加が可能となっている。磁束は，例えば電磁コイル16を用いて発生させることができる。そのようなＭＲブレーキは，高いトルク重量比，低い慣性，高い帯域幅，広い動的トルク幅及び低い動力消費を示すことができる。それらを用いて，単純で，静粛で，高速の，電子機器と機械的システムの間の接続を成すことができる。以下，説明の便宜上，図２に示す記号20を用いて，ＭＲブレーキ又はＭＲクラッチのような（線形の）セミアクティブアクチュエータを概略的に示す。
【００３１】
次に，図３を参照すると，場の強度Ｈ及び角速度ωに対する典型的なブレーキトルクＴのグラフが示されている。電磁コイル16（図１参照）への電圧又は電流フィードフォワード等を用いて変更することができる，場に依存する降伏トルクはＴy（Ｈ）である。Ｂ及びＴfは粘性及び乾燥摩擦項である。静摩擦現象が低速では観測されることに留意されたい。式１は，ロータ12及びステータ14のブレード間の相対運動が十分である場合に，出力トルクの良好な近似式となる。式２は，
0005436532.tif 000004
を線形の速度とし，Ｃを粘性摩擦のための線形係数とした，式１と等価の線形方程式（トルクＴを線形の力Ｆに代替）である。
【００３２】
【数２】
0005436532.tif 000005
【００３３】
【数３】
0005436532.tif 000006
【００３４】
（本発明に従う対向式セミアクティブ・サブアクチュエータ）
本発明に従う対向式セミアクティブ・サブアクチュエータは，外部の速度発生源[１],[２],[３],[４]及び[５]によって，同一速度だが反対方向に駆動される２つの類似するセミアクティブクラッチを用いる。図４を参照すると，２つのセミアクティブアクチュエータ（ＳＡＡ）42,44の出力は，連結され協働して対向式セミアクティブ・サブアクチュエータシステム40の出力メンバ47を形成する。ＭＲクラッチ等の第１ＳＡＡ42の入力メンバは，第１の方向43，例えば時計回り（ＣＷ）の方向に回転する一方，ＭＲクラッチ等の第２ＳＡＡ44の入力メンバは，第２の対向する方向45，例えば反時計回り（ＣＣＷ）の方向に回転する。出力メンバ46がＳＡＡ42,44の入力メンバ，すなわちＳＡＡ42及び44のフレームよりも速く回転していない限り，第１ＳＡＡ42はＣＷ出力トルクを制御し，その一方で，第２ＳＡＡ44はＣＣＷ出力トルクを制御する。
【００３５】
負荷が速度発生源の慣性から隔離されていることに加えて，多くの利点が，対向する２つの類似するセミアクティブアクチュエータによってもたらされる。例えば，構成が対称性を有することにより，図４の第１ＳＡＡ42及び第２ＳＡＡ44等のクラッチの乾燥摩擦が打消されて出力側へ伝達されることがない。入力速度が類似していれば，粘性抵抗も出力速度がゼロとなった際に釣り合う。クラッチ内では常に相対的な運動が行われているため，静摩擦は打消される。これらの利点により，クラッチ力を，セミアクティブアクチュエータ技術に従い，双方のセミアクティブアクチュエータへのフィードフォワード電圧又は電流を調整することによって速やかに且つ正確に制御することができることと相まって，本実施形態を用いて高性能（高力密度，高帯域幅，極低出力インピーダンス及び高精度力発生能力）な固有安定性を有する力の発生源を生み出すことができる。
【００３６】
（機械式差動装置）
機械式差動装置は，力が既知の関係に従って分配される３つのポートを処理する機構である。とりわけ標準的な変速機，ハーモニックドライブ（登録商標），サイクロイド減速機，バー機構，リード又はボールスクリューとこれに対応するナット機構及びケーブル機構を含む任意の減速機を機械式差動装置として用いることができる。てこへの近似を用いて差動装置の作動原理を説明することができる。図５a及び５bに，そのようなてこへの近似を，図５aでは慣性効果を考慮せずに，図５bでは慣性効果を考慮して示す。慣性効果を考慮しない場合（図５a），ポートＯ1，Ｏ2及びＯ3，速度
0005436532.tif 000007
，
0005436532.tif 000008
，及び
0005436532.tif 000009
並びに力Ｆ1，Ｆ2及びＦ3は，式３及び式４によって記述される。慣性効果を考慮する場合（図５b），集中質量ｍ1，ｍ2及びｍ3の付加によって図示されるように，力の関係はむしろ式５によって表現されるようなものとなる。
【００３７】
【数４】
0005436532.tif 000010
【００３８】
【数５】
0005436532.tif 000011
【００３９】
【数６】
0005436532.tif 000012
【００４０】
差動機構の使用により，３つのポートにわたる力の分配と，より複雑な作動原理への有効で新たな構造の可能性が与えられる。既存のアクチュエータの中でも，ローリアらが提案するもの[６]，キムらが提案するもの[７]，及びシャピュイらが提案するもの[８]は，差動連結を活用している。
【００４１】
（本発明に従う二重差動型セミアクティブアクチュエータ）
ＭＲクラッチには，１つの入力回転メンバと，１つの出力回転メンバとが存在する。磁場を，スリップリングを介して連結された回転コイル，又は固定された磁束ガイドで包囲された固定コイルのいずれか一方によって発生させる。従って，ＭＲクラッチは比較的複雑である。これに対し，ＭＲブレーキは，出力側が回転メンバのみであるため，より小型で単純である。
【００４２】
クラッチを用いているので，本実施形態に従う対向式セミアクティブ・サブアクチュエータは，統合するのに手間がかかる。この欠点は，２つの直列に連結されたクラッチに代えて２つの差動連結式ブレーキを用いることによってかなり小さくすることができる。従って，本発明では，入力速度発生源とシステムの出力側とに２つの機械式差動装置を用いて連結した２つのセミアクティブアクチュエータ（ブレーキ）を用いる。構造は，システムの出力側の力を，２つのブレーキ力の組合せによって双方向に制御することができるようなものとなっている。
【００４３】
前述したとおり，種々のセミアクティブアクチュエータ技術を用いて本発明を実施することができる。しかしながら，単純化のため，ＭＲブレーキを用いて本発明の作動原理を示す。
【００４４】
本発明に従う二重作動型セミアクティブアクチュエータの採りうる一つの構造を，てこへの近似を用いてその作動原理を説明する図６に示す。図示しない速度発生源が，２つの機械式差動装置52,54の入力ポートＯ1及びＯ4を対向する方向に速度
0005436532.tif 000013
で移動させる。支点Ｏ2及びＯ5は，式２で表現されるブレーキ力Ｆ（Ｈ1）及びＦ（Ｈ2）を発生させる図示しない機械的に接地されたブレーキに結合されている。支点Ｏ3及びＯ6は，互いに連結され，システムの出力を形成する。慣性効果を考慮するため，集中質量を付加している。集中質量ｍ1は速度発生源の慣性と差動機構の慣性のごく一部とに対応し，集中質量ｍoutは出力リンクの慣性と機械式差動装置52,54の慣性のごく一部とに対応し，集中質量ｍ3はブレーキの慣性と差動機構の慣性のごく一部とに対応している。双方の入力速度，双方の差動機構，及び双方のブレーキを類似するものとみなすことで，差動原理の説明と得られる利点の明示とが容易になる。入力速度が十分大きいことにより，確実に，出力における運動状況に関らず，双方のブレーキ出力メンバが対向する方向に運動している場合，発生力Ｆoutは，式６及び式７で表現することができる。これは，２つの制御可能なブレーキ力と実部出力インピーダンスＺout（ｓ）である項との線形結合であり，ｓはラプラス複素周波数である。
【００４５】
【数７】
0005436532.tif 000014
【００４６】
【数８】
0005436532.tif 000015
【００４７】
従来の関係図は，作動原理のこの構造の特性のいくつかを図示している。本発明に従う対向式セミアクティブ・サブアクチュエータを用いれば，構成の対称性によって，ＭＲブレーキの乾燥摩擦項が出力側へ伝達されない。粘性力は出力速度がゼロの時に釣り合う。静摩擦の問題は，ブレーキ内で常に相対運動が存在するため，解消される。反発は，各差動機構内の反力が常に同一方向にあるため，解消される。さらには，式６及び式７に見られるように，発生力は入力速度発生源の運動の影響を受けない。従って，入力速度発生源を精密に制御する必要はない。他の特性としては，ブレーキの出力側の慣性が非常に低いことから，実部出力インピーダンス（Ｚout）を標準的なギア付ＥＭモータ等の従来のアクチュエータよりも非常に小さくすることができるという点がある。本発明に基づくアクチュエータの他の利点は後述する。
【００４８】
（採り得る構造）
次に，本発明の説明を簡単にするため，採り得る複数の構造のうち３つの例示的な構造を，図７〜９を参照して説明する。
【００４９】
より具体的には，図７に示す第１の構造は，図６で用いて本発明に従う二重機械式差動装置を紹介した構造に，２つのセミアクティブアクチュエータ，すなわち，支点Ｏ3及びＯ6にそれぞれ結合されたＭＲブレーキ56及び58を付加した構造と等価である。
【００５０】
図８に示す第２の構造では，２つの差動装置52,54の入力速度ポートＯ1及びＯ4は，同一方向に運動する一方で，支点Ｏ3及びＯ5がそれぞれ２つのＭＲブレーキ56及び58に結合され，支点Ｏ2及びＯ6が互いに連結されてシステムの出力を形成している。二重差動構造によって，発生力をやはり双方向に制御可能である。
【００５１】
図９に示す第３の構造では，２つの差動装置52,54の入力速度ポートＯ1及びＯ4は，やはり同一方向に運動する一方で，支点Ｏ2及びＯ5がそれぞれ２つのＭＲブレーキ56及び58に結合され，支点Ｏ3及びＯ6が，第３のてこで示される外部機構60に結合されてシステムの出力を形成している。外部機構60は，ブレーキ力が互いに対向した効果を発生力に及ぼすようにするため必要である。
【００５２】
これらの例示的な構造は，例えば，ケーブル機構，リード又はボールスクリューとこれに対応するナット機構，バー機構，サイクロイド変速機，遊星歯車変速機，標準的な変速機，ハーモニックドライブ等を用いて実施することができる。
【００５３】
発生力は，例えば，双方のセミアクティブアクチュエータへのフィードフォワード電圧又は電流を調整することによって制御することができる。これに代えて，発生力を，出力と負荷の間の力又はトルクセンサを有するトルクフィードバック制御配置を用いて制御することもできる。
【００５４】
発生力が，ＭＲブレーキ56及び58によって与えられる２つのブレーキ力を用いて双方向に制御可能である限り，本発明の技術思想及び性質から逸脱することなく，てこ52,54の長さを独立して変更しても良く，ポートＯ1〜Ｏ6の機能，あるいは入力速度発生源への連結，ブレーキへの連結，又はシステムの出力側への連結の順序を入れ替えてもよい。
【００５５】
（二重差動型セミアクティブアクチュエータの例示的な実施形態）
（第１の例示的な実施形態）
第１の例示的な実施形態では，図10〜15を参照すると，図７に示したものと等価である二重差動型構造に２つの遊星歯車変速段が用いられている。概略的に言えば，この第１の例示的な実施形態は，詳細は後述する以下のものを含む。すなわち，
・電磁（ＥＭ）モータと速度減速・反転段とを含み，この速度発生源の出力を形成する，互いに対向する方向の速度で運動する２つのメンバを有する入力速度発生源；
・入力速度発生源，２つのＭＲブレーキ及びシステムの出力に連結された２つの遊星歯車変速段に基づく二重差動機構；及び
・アクチュエータの体積の大部分中に随意に含まれる制御及び駆動用電子機器である。
【００５６】
より具体的には，図10〜15を参照すると，速度発生源を形成するため，ハウジング本体102aと２つのハウジング端部102b及び102cとから成るハウジング102が図示しない基準座標系に機械的に固定されている。ＥＭモータ104のロータは，ギア108と噛み合うピニオン106に取り付けられている。ギア108自体は，第１の速度発生源出力を形成するギア112と噛み合うピニオン110に取り付けられている。ギア108はギア114にも噛み合っており，ギア114はそれ自体がピニオン116に取付けられており，ピニオン116は第２の速度出力を形成するギア118と噛み合っている。２つの出力速度の方向は，図11及び12に矢印で概略的に示すように対向している。
【００５７】
速度発生源出力，すなわちギア112と118とを機械式差動装置の入力ポートに連結するため，ギア112はサンギア130に，軸受124及び126によって運動が規制されたシャフト122を介して取付けられている。ギア118は，サンギア120に，シャフト122上で自由に回転し，従って運動がシャフト122によって規制される空芯シャフト128を介して取付けられている。
【００５８】
２つの遊星歯車変速段を用いて二重差動機構が形成されている。差動装置の構造内の遊星歯車変速段は，サンギアのリングギアに対する歯数の比であるＲを備えた図７のてこ52又は54の一方と等価である。差動機能は，サンギア120及び130（ポートＯ1及びＯ4）と，前方遊星キャリア134及び後方遊星キャリア136に取付けられた遊星ギア132（ポートＯ2及びＯ5），及びリングギア138及び140（ポートＯ3及びＯ6）との相互作用によって実現される。２つの遊星歯車変速段の遊星ギアは，軸受144及び190によって運動を規制される前方遊星キャリア134及び後方遊星キャリア136に支持される遊星キャリア軸142上を自由に回転する。この第１の例示的実施形態では，ロッド146を用いて，前方遊星キャリア134及び後方遊星キャリア136の剛性を高めている。
【００５９】
より具体的に図13及び14を参照すると，ＭＲブレーキ148及び150のロータは，ナット156を利用してリングギア138及び140に固定された複数のロータブレード152及びロータスペーサ154によって形成されている。その一方で，ハウジングボディ102aに固定されているＭＲブレーキ148及び150のステータは，複数のステータブレード158及びステータスペーサ160，複数のリング161，複数の電磁コイル162及び164，並びに複数の磁束ガイド部166,168,170及び172によって形成されている。ロータブレード152とステータブレード158の間隙174はＭＲ流体で満たされている。封止素子176,178,180及び182を用いてＭＲ流体を密閉している。電流がコイル162及び164の一つを導通すると磁場が生じ，この磁場は，対応するブレーキ，すなわち148及び150それぞれのＭＲ流体を通じて導かれる。その結果，ブレーキ148又は150は，ロータであるリングギア138又は140それぞれのステータに対する回転を妨げる。
【００６０】
次に，図15を参照すると，サンギア120及び130の入力速度192及び196それぞれの方向と，出力軸188での出力トルク200をもたらす，リングギア138及び140それぞれのブレーキトルク194及び198とが示されている。
【００６１】
図10を再度参照すると，制御及び駆動用電子機器184は，ＥＭモータ104の回転を制御し，２つのブレーキ力を，ＭＲブレーキ148及び150の電磁コイル162及び164に供給する電気エネルギーを調整することによって制御している。制御及び駆動用電子機器184は，アクチュエータの体積の大部分中に随意に含まれる。採用する制御スキームによっては，軸受144及び190に規制される出力軸188の動きを検出するため，随意のエンコーダ186を用いることができる。
【００６２】
（第２の例示的な実施形態）
第２の例示的な実施形態では図16〜18を参照すると共に，図８に示したものと等価の二重差動装置の構造中に２つのハーモニックドライブ変速段を用いる。概略的に言えば，この第２の例示的な実施形態は，詳細は後述する以下のものを含む。すなわち，
・電磁（ＥＭ）モータが形成する入力速度発生源；
・入力速度発生源，２つのＭＲブレーキ及びシステムの出力に連結された２つのハーモニックドライブ（ＨＤ）変速段に基づく二重差動機構；及び
・制御及び駆動用電子機器である。
【００６３】
より具体的には，図16〜18を参照すると，速度発生源を形成するため，ＥＭモータ202の本体と，サポートベース204と，サポートプレート206と，サポートブラケット208と，ＭＲブレーキ210及び212の本体とは機械的に接地されている。ＥＭモータ202の出力軸214は，二重差動機構216の入力ポートに結合された速度発生源を形成している（図17参照）。
【００６４】
２つのＨＤ変速段を用いて，図18に簡単な断面図を示す二重機械式差動機構216を形成している。一般的に，ＨＤ変速機は３つの構成部品から構成される。すなわち，１）ウェーブ・ジェネレータ（ＷＧ）；２）フレクスプライン（ＦＳ）；３）サーキュラ・スプライン（ＣＳ）である。用いる２つのＨＤ変速セットは，ＦＳと共に回転するダイナミックスプライン（ＤＳ）と呼ばれる第４の構成部品を有する[９]。ＨＤ変速段は，図８のてこ52又は54の一つについて，ＷＧをＯ1／Ｏ4，ＣＳをＯ2／Ｏ5，ＦＳ／ＤＳをＯ3／Ｏ6とし，Ｒを２をＦＳ／ＤＳの歯数で割った数と等価とした場合と等価なものとみなすことができる。双方のＷＧ（ポートＯ1及びＯ4）をＥＭモータ202の出力軸214に固定する。第１のＨＤ変速段のＣＳ（Ｏ2）を第２のＨＤ変速段のＦＳ（Ｏ6）に取付ける。次に，このアセンブリをシステムの出力軸218にプーリ220及び222とベルト224とを介して連結する。第１の変速段のＤＳ（Ｏ3）を，ＭＲブレーキ210にプーリ226及び228とベルト230とを介して連結する。最後に，第２の変速段のＣＳ（Ｏ5）を，ＭＲブレーキ212にプーリ232及び234とベルト236とを介して連結する。４点接触軸受239を用いて，プーリと取付けた変速素子との動きを規制する。二重機械式差動機構216をリンク240で出力軸218にベルト224を介して，リンク241でＭＲブレーキ210にベルト230を介して，リンク242でＭＲブレーキ212にベルト236を介して連結する。
【００６５】
ロードコーポレーションから入手できるもの[10]のような商業上入手可能なＭＲブレーキをＭＲブレーキ210及び212として用いることができる。
【００６６】
図示しない制御及び駆動用電子機器は，ＥＭモータ202の回転を制御し，２つのブレーキ力をＭＲブレーキ210及び212に供給する電気エネルギーを調整することによって制御する。採用する制御スキームによっては，出力軸218の動きを検出するため，随意のエンコーダ238を用いることができる。
【００６７】
制御器には，例えば電圧フィードフォワードトルク制御スキームを用いることができる。そのようなスキームにおいては，出力トルク（Ｔ）とＭＲブレーキ210及び212（Ｅ1及びＥ2）に付与する電圧との間の関係がまず特定される。その目的のため，ＥＭモータ202を一定速度で回転するよう設定する一方で，ゆっくり変化する正弦関数電圧をＭＲブレーキ210及び212に伝達する。出力トルクを，妨げた出力運動を用いて測定する。データ及びそれに一致させた直線状の曲線を図19に示す。選択した構造の非対称性のためもあり，曲線は正確に０ Nm で交差してはいないが，むしろ小さなトルク値（０*）で交差している。図６の構造とは反対に，ＭＲブレーキ210及び212の小さな静摩擦が出力側へ伝達される。図20に，図19のデータを用いた電圧フィードフォワードトルク制御器244の例示的な例を示す。その一方で，図21に，ゆっくりした正弦関数トルク指令に対するトルク応答と，図20の制御器を用いて妨げた出力運動とを示す。
【００６８】
（第３の例示的な実施形態）
第３の例示的な実施形態では，図22を参照すると共に，図９に示したものと等価の二重差動装置の構造内で２つの遊星歯車変速段を用いる。
【００６９】
速度発生源246を，速度249及び251で回転するサンギア248及び250（ポートＯ1及びＯ4）に結合する。遊星キャリア252及び254（ポートＯ2及びＯ5）をブレーキトルク253及び255を生じる図示しないＭＲブレーキに結合する。リングギア256及び258（ポートＯ3及びＯ6）を，ケーブル又はベルト264を駆動するプーリ260及び262に取付ける。システムの出力はプーリ266による。プーリ260,262,266とケーブル又はベルト264とは，２つのブレーキトルクに対向した効果をもって出力トルク268に作用させるため用いる図９の外部機構60を構成する。
【００７０】
（第４の例示的な実施形態）
第４の例示的な実施形態では，図23a又は23bを参照すると共に，図８に示したものと等価の二重差動装置の構造内で遊星歯車変速トレインを用いる。図23a及び23bに，高い減速比と二重差動装置とを組込むことができる２つの変形例を示す。図８のＲ1及びＲ2は，式８及び式９によって記述されるとおりの変速素子の歯の相対数の関数であり，ｎiはギアｉの歯の数である。
【００７１】
図23a及び23b双方において，入力軸270（ポートＯ1及びＯ4）は，図示しない速度発生源に連結される。軸272（ポートＯ3）は，図示しない第１ブレーキに連結される一方で，軸274（ポートＯ5）は，図示しない第２ブレーキに連結され，軸276（ポートＯ2及びＯ6）は，システムの出力軸として機能する。遊星ギア278は，遊星ギア280よりも多い歯を有しており，遊星ギア280自体は遊星ギア282よりも多い歯を有している。ブレーキトルクが軸272で付与されると，ブレーキトルクが軸274に付与された場合に伝達される方向とは反対方向のトルクが軸276に伝達される。
【００７２】
【数９】
0005436532.tif 000016
【００７３】
【数１０】
0005436532.tif 000017
【００７４】
前述の例示的な実施形態においては速度発生源として第１にＥＭモータを示したが，本発明の目的のためのそのような速度発生源は，例えば，電動ギア付又は直接駆動ＥＭモータ，圧電モータ，油圧モータ又はアクチュエータ，空気モータ又はアクチュエータ，内燃機関，タービン等の運動を与えることのできる機械的動力の任意の発生源を指すものであることを理解されたい。
【００７５】
（本発明に従う二重差動型セミアクティブアクチュエータの利点）
本発明に従う二重差動型セミアクティブアクチュエータに共通する利点には以下のものが含まれる。
【００７６】
優れた設計のＭＲブレーキのような高速のセミアクティブアクチュエータをアクチュエータに用いた場合，力を広い帯域幅で制御することができる。従って，その構成は，高速な力，インピーダンス又は位置の制御タスクに適する。広い帯域幅は，ロボットの相互作用用途において直面する安全性の問題にも有効である。
【００７７】
出力インピーダンスを速度発生源から大きく切り離すことができるので，出力インピーダンスを非常に低いものとすることができる。出力慣性の低いアクチュエータは，低い力及びインピーダンスを制御する際の性能が優れ，より安全に相互作用タスクを実行することができる。さらには，小さな慣性によって，高速で加速及び減速する能力が改善され，より高速の運動が可能となり，生産性を高めることができる。
【００７８】
アクチュエータの力又はインピーダンスを，例えば，ＭＲブレーキにおけるフィードフォワード電流又は電圧を調整することにより制御することができる。この制御は，作動変換器と検出変換器の間の構造上状態によって不安定となるおそれのある力フィードバックループに依存しない。安定性における懸念は，力フィードバックに依存した多くの従来手法の力及びインピーダンス制御の性能を制限していた。
【００７９】
本アクチュエータによれば，広い動的な力帯域にわたって高精度の力制御を行うことができる。ギア付モータにおいては，力増幅トランスミッションによって，力出力中に多くのモデル化困難なノイズが付与される。このノイズは，動的な欠陥，バックラッシュ，静摩擦及び非線形摩擦から生じる。本発明は，高力密度セミアクティブアクチュエータを利用して大きな力を直接発生させ，しかも実質的な追加の力の増幅を必要としない。その結果，ブレーキを出力側へ最小限のギアを介して連結することができ，従って，ブレーキ力を正確に制御すれば，アクチュエータにおける高精度の力制御を広い動的帯域にわたって行うことができる。
【００８０】
バックドライバビリティは，アクチュエータが力を発生させていない時に出力を生じさせるために必要とする最小の力の測定値である。この概念は，インピーダンス及び力制御アクチュエータの性能及び安全性を議論するために良く用いられる。実部出力インピーダンスが低いため，本アクチュエータの構成によれば非常にバックドライバビリティが小さい。
【００８１】
本アクチュエータの構成は，頑丈であり，且つ，衝撃耐性に優れる。発生力は常に制御され，過剰なエネルギーがブレーキ内で単に消散される衝撃発生時でさえも制御される。壊れ易いトランスミッション構成部品又はセンサは，未知の環境と相互作用する際に通常遭遇する衝撃力を受けることはない。
【００８２】
本発明によるアクチュエータは，合理的なコストで組み立てることができる。前述した切り離しの効果によって，大きな慣性，長い時定数又は精密でない速度制御を有するもののような低品質の入力速度発生源を用いることが可能となる。さらには，減速及び反転段に対応するギアは多くの非線形摩擦を有することもできる。これらはいずれもアクチュエータの出力には伝達されない。さらに，バックラッシュは力が内部で対向していることにより打ち消されるため，ギアを大きな許容誤差をもって加工することができる。
【００８３】
バックラッシュを打ち消すことは，位置制御タスクの精密さの向上に役立つ。また，これにより，アクチュエータの慣性と負荷の慣性とが大きく異なる場合にも位置又は速度制御器の安定性を犠牲にする必要がなくなる。
【００８４】
アクチュエータは冗長駆動に適している。アクチュエータの数が自由度の数よりも大きい場合，ロボットシステムは冗長駆動するものとなる。冗長駆動は，平行マニュピレータのタスクエンドエフェクタの剛性を向上させ，特異点での非制御挙動を除去し，及びタスク空間におけるより均一な力の出力を可能にするものとして知られている。従来の柔軟性のないアクチュエータは，位置に誤差があるとシステムを不安定にし，又は，システムに悪影響を与える大きな内力を生じさせるため，冗長駆動に容易に用いることはできなかった。本発明による二重差動型セミアクティブアクチュエータは，容易にバックドライバビリティを小さくすることができるため，冗長駆動に適している。
【００８５】
本発明の原理の他の利点は，機械式バスを用いて機械的な動力を種々の駆動される関節に伝達することができる可能性にある。一般的に，多自由度で駆動されるシステムは，各関節にモータを有する。各アクチュエータは，最初の種類のエネルギー，例えば電気エネルギーから機械的なエネルギーへ変換する。各アクチュエータは，その変換を実行するため，所定の重量と体積を必要とする。機械式バスとは，複数の関節を駆動するため単一の機械的エネルギー源を使用すること可能とし，それによって，用途によっては全体の複雑性，体積及び質量を低減する概念を指すものである。
【００８６】
（本発明に従う二重差動型セミアクティブアクチュエータの用途）
本発明の前述した例示的な実施形態は，特に，しかし非排他的に，ロボットのシステム及び機構への統合に適した高性能なアクチュエータを構成するのに適している。環境との安全，高速，精密又は多用途な相互作用制御を必要とする多くのロボットタスクは，このようなアクチュエータの構成による利益を享受することができる。適用分野は数多く，とりわけ以下の用途を含む。
【００８７】
- 高速及び／又は精密なアセンブリタスクのためのロボットアームの駆動；
【００８８】
- 高速及び／又は精密な切断タスクのための，レーザー形式を含むロボット切断機の駆動；
【００８９】
- リハビリテーション，理学療法及び筋肉又は神経筋トレーニングロボットシステムの駆動；
【００９０】
- 人間環境で作動する安全なロボットアームの駆動；
【００９１】
- 安全で頑丈なロボット玩具の駆動
【００９２】
- 触覚インターフェース（テレプレゼンス，テレオペレーション及びヴァーチャルリアリティ）；
【００９３】
- ステアバイワイヤ方式の触覚フィードバック機能付ステアリングホイールの駆動；
【００９４】
- ロボット車両のための力又はインピーダンス制御された車輪又は関節の駆動；
【００９５】
- 義肢装具の駆動
【００９６】
- 力増強及びタスク支援外骨格の駆動；
【００９７】
- 研磨又は研削用ロボットの駆動；
【００９８】
- 超動力化ロボット機構の駆動；
【００９９】
- タスクの実行に協力するロボットアームの駆動；
【０１００】
- 手術のためのロボットの駆動；
【０１０１】
- 人型ロボットの手足の駆動；
【０１０２】
- ロボットシステムが未知の環境と相互作用する任意のタスク；
【０１０３】
- 制御された力又はトルクを必要とする任意のタスク；
【０１０４】
- より速い動作が可能となるより低い出力慣性を必要とする任意のタスク；
【０１０５】
- より安全な動作が可能となるより低い出力慣性を必要とする任意のタスク；  - 研磨又は研削用ロボットの駆動；
【０１０６】
- 配置の精密さ及び／又は制御安定性を向上するためより低いバックラッシュを必要とする任意のタスク；
【０１０７】
- 単一の機械的動力源からの航空機の複数のフラップの駆動；
【０１０８】
- 単一の機械的動力源からのヘリコプターの複数のブレードの駆動；及び
【０１０９】
- 機械式バス概念が有用な任意の駆動。
【０１１０】
本発明はその用途において，添付の図面に示して前述した構造及び部品の詳細に限定されないことに留意されたい。本発明は他の実施形態を採ることができ，種々の方法で実施することができる。また，本明細書で用いた表現又は用語は説明を目的とするものであり，限定を目的とするものではないことを理解されたい。
【０１１１】
従って，本発明をその非限定的で例示的な実施形態を用いて前述したが，これら実施形態は添付の特許請求の範囲の範囲内で本発明の技術思想及び性質から逸脱することなく変更することができる。
【０１１２】
（参考文献）
[１]  エム・サカグチ，ジェイ・フルショウ，「ＥＲアクチュエータの開発及びその力表示システムへの適用」アイイーイーイー・ヴァーチャル・リアリティ・アニュアル・インターナショナル・シンポジウム，1998，p66-70．
[２]  エス・ビー・チョイ，エス・エス・ハン，エイチ・ケー・キム，シー・シー・チョン，「高性能アクチュエータを用いた柔軟なガントリーロボットアームのＨ無限制御」，メカトロニクス9(3):271-86,1999.
[３]  エイチ・ハコギ，エム・オオハラ，エヌ・クラモチ，エイチ・ヤノ，「磁気粘性流体クラッチを用いたリハビリテーション教示ロボットのトルク制御」，ジェイエスエムイー・イント・ジェイ・シリーズ・B48(3):501-7,2006.
[４]  エー・アール・ジョンソン，ダブリュー・エー・バロー，ジェイ・マキン，「電気粘性流体クラッチをベースとする往復機構の動的シミュレーション及び実施」，スマート・マテリアルズ・アンド・ストラクチャーズ，v 8, n 5, 10月,1999,p591-600.
[５]  ２００８年３月時点でのペルコ・ラボラトリーのウェブサイト：
www.percro.org/index.php?pageld=MRClutch
www.percro.org/index.php?pageld=AdvancedActuationConcepts
[６]  エム・ロウリア，エム・エー・レガルト，ピー・ギゲーレ，エフ，ガグノン，エフ・ミショー，エム・ラヴィー，ロボット相互作用タスクのための高性能差動型アクチュエータ，米国特許出願公開第２００７／０２４１６９６号明細書，2007.
[７]  ビー・エス・キム，ジェイ・ジェイ・パク，ジェイ・ビー・ソン，「安全なマニュピレータのための遊星歯車トレインを備えた二重アクチュエータユニット」，会議記録 - アイイーイーイー・ロボティクス及びオートメーションに関する国際会議2007，p1146-1151.
[８]  ディー・シャピュイ，エックス・ミッチェル，アール・ガサート，シー・エム・チュウ，イー・バーデット，エイチ・ブルーラー，「超音波モータと粉体クラッチのハイブリッドアクチュエータを備えた触覚ノブ」，会議記録 - 仮想環境及び遠隔操縦システムのための触覚インターフェースに関する第２回共同ユーロハプティクス会議及びシンポジウム，ワールドハプティクス2007,p200-205.
[９]  http://www.harmonicdrive.net
[10]  http://www.lord.com/mr
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３ａ】
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【図２３ｂ】
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