(57)【要約】      （修正有）【課題】アクチュエータの剛性を変える方法及びそのための装置を提供すること。【解決手段】アクチュエータは有効剛性を含む。有効剛性は座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく。アクチュエータの有効剛性を変える方法はアクチュエータを提供することと座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの有効剛性を変えることを含む。アクチュエータの有効剛性を変える他の方法は荷重を部材に加えることを含む。荷重は部材を座屈させ、座屈は部材の非線形たわみを生む。【選択図】図１
2015110261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータを提供することと、
座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づいて前記アクチュエータの有効剛性を変えることとを
含むアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項２】
前記有効剛性を変えることが部材に荷重を加えることを含み、前記荷重が部材を座屈させ、前記部材の前記座屈が前記座屈の非線形たわみの特性を少なくとも部分的に決定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項３】
前記荷重が圧縮荷重であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項４】
前記荷重が引張荷重であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項５】
前記荷重が曲げ荷重であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項６】
前記荷重がねじり荷重であることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項７】
前記部材の剛性を変えることをさらに含み、前記部材の前記剛性が前記座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づき、前記部材の前記剛性を変えることが前記アクチュエータの前記有効剛性を変えることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項８】
前記座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づかないで前記アクチュエータの前記有効剛性を変えることをさらに含む請求項１に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項９】
前記アクチュエータのエンドエフェクタの位置を、前記エンドエフェクタに加えられた力に少なくとも部分的に基づいて制御することをさらに含む請求項１に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項１０】
前記エンドエフェクタに加えられた前記力が前記エンドエフェクタのたわみを生じさせ、
前記エンドエフェクタの前記たわみと前記アクチュエータの前記有効剛性とに少なくとも部分的に基づいて前記エンドエフェクタに加えられた前記力を推定することと、
推定された前記力に少なくとも部分的に基づいて前記エンドエフェクタの前記位置を制御することとを
さらに含むことを特徴とする請求項９に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項１１】
荷重を部材に加えることと、
前記部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの有効剛性を変えることとを含み、
前記荷重が前記部材を座屈させ、前記座屈が前記部材の非線形たわみを生むことを特徴とするアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項１２】
前記部材の剛性が前記部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づいており、
前記部材の前記剛性を変えることをさらに含み、
前記部材の前記剛性を変えることが前記アクチュエータの前記有効剛性を変えることを特徴とする請求項１１に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項１３】
前記部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づかないで前記アクチュエータの前記有効剛性を変えることをさらに含む請求項１１に記載のアクチュエータの有効剛性を変える方法。
【請求項１４】
有効剛性を含み、前記有効剛性が座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づくことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１５】
前記アクチュエータの前記有効剛性を少なくとも部分的に決定する部材と、
荷重を前記部材に加えるローディング・モジュールとを含み、
前記荷重が前記部材を座屈させ、前記座屈が前記部材の非線形たわみを生み、前記アクチュエータの前記有効剛性が前記部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づくことを特徴とする請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記部材の剛性が前記部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づいており、
前記部材の前記剛性を変えるコントローラをさらに含み、
前記部材の前記剛性を変えることが前記アクチュエータの前記有効剛性を変えることを特徴とする請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記ローディング・モジュールが圧縮荷重、引張荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重の内の少なくとも１つを前記部材に加えることを特徴とする請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
前記部材に接続されたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの位置を制御する位置決めモジュールとを
さらに含む請求項１５に記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
前記位置決めモジュールが前記エンドエフェクタに加えられた力に少なくとも部分的に基づいて前記エンドエフェクタの前記位置を制御することを特徴とする請求項１８に記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記エンドエフェクタに加えられた前記力が前記エンドエフェクタにたわみを生じさせ、前記コントローラが前記エンドエフェクタの前記たわみと前記アクチュエータの前記有効剛性とに少なくとも部分的に基づいて前記エンドエフェクタに加えられた前記力を推定し、前記位置決めモジュールが推定された前記力に少なくとも部分的に基づいて前記エンドエフェクタの前記位置を制御することを特徴とする請求項１９に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
出願人は、２０１３年１１月１日に出願し、参照することで本明細書にそのまま組み込まれる米国特許仮出願６１／８９８，７５５号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、一般にアクチュエーション装置及びアクチュエーション方法に関し、特に、可変負剛性アクチュエーション装置及び可変負剛性アクチュエーション方法に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
アクチュエータがエネルギーを動作に変えることは知られている。アクチュエータの剛性を変えることによって、アクチュエータの動作をよりよく制御できる。アクチュエータの剛性を変える方法及びそのための装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
詳細な説明に記載したいくつかの実施形態の理解を助けるために、以下に開示の簡略化した要約を示す。
【０００５】
開示の第１の態様では、アクチュエータの有効剛性を変える方法は、アクチュエータを提供することを含む。方法は座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの剛性を変えることをさらに含む。
【０００６】
第１の態様の一例では、有効剛性を変えることは、部材に荷重を加えることを含む。一例では、荷重が部材を座屈させ、部材の座屈は、座屈の非線形たわみの特性を少なくとも部分的に決定する。他の例では、荷重は圧縮荷重である。他の例では、荷重は引張荷重である。他の例では、荷重は曲げ荷重である。他の例では、荷重はねじり荷重である。
【０００７】
第１の態様の他の例では、方法は部材の剛性を変えることをさらに含む。部材の剛性は座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく。部材の剛性が変わると、アクチュエータの有効剛性も変わる。
【０００８】
第１の態様の他の例では、方法は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づかないで、アクチュエータの有効剛性を変えることをさらに含む。
【０００９】
第１の態様の他の例では、方法は、エンドエフェクタに加えられた力に少なくとも部分的に基づいてアクチュエータのエンドエフェクタの位置を制御することをさらに含む。一例では、エンドエフェクタに加えられた力によって、エンドエフェクタにたわみが生じる。他の例では、方法は、エンドエフェクタのたわみとアクチュエータの有効剛性とに少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタに加えられた力を推定することをさらに含む。他の例では、方法は、推定した力に少なくとも部分的に基づいて、エンドエフェクタの位置を制御することをさらに含む。
【００１０】
第１の態様は、上記で議論した第１の態様の例を単独で又は組み合わせて提供されもよい。
【００１１】
開示の第２の態様では、アクチュエータの有効剛性を変える方法は、部材に荷重を加えることを含む。一例では、荷重は部材を座屈させ、座屈は部材の非線形たわみを生む。他の例では、方法は、部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの有効剛性を変えることをさらに含む。
【００１２】
第２の態様の一例では、部材の剛性は、部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づいている。方法は部材の剛性を変えることをさらに含む。部材の剛性が変わると、アクチュエータの有効剛性も変わる。
【００１３】
第２の態様の他の例では、方法は部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づかないでアクチュエータの有効剛性を変えることをさらに含む。
【００１４】
第２の態様は、上記で議論した第２の態様の例を単独で又は組み合わせて提供されもよい。
【００１５】
開示の第３の態様では、アクチュエータは有効剛性を含む。有効剛性は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく。
【００１６】
第３の態様の一例では、アクチュエータは、アクチュエータの有効剛性を少なくとも部分的に決定する部材をさらに含む。アクチュエータは、荷重を部材に加えるように構成されたローディング・モジュールをさらに含む。一例では、荷重は部材を座屈させ、座屈は部材の非線形たわみを生む。アクチュエータの有効剛性は部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づく。
【００１７】
第３の態様の他の例では、部材の剛性は、部材の非線形たわみに少なくとも部分的に基づく。アクチュエータは部材の剛性を変えるように構成されたコントローラをさらに含む。部材の剛性が変わると、アクチュエータの剛性も変わる。
【００１８】
他の例では、ローディング・モジュールは、圧縮荷重、引張荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重を部材に加えるように構成されている。
【００１９】
第３の態様の他の例では、アクチュエータは部材に接続されたエンドエフェクタをさらに含む。一例では、アクチュエータはエンドエフェクタの位置を制御するように構成された位置決めモジュールをさらに含む。
【００２０】
他の例では、位置決めモジュールは、エンドエフェクタに加えられ力に少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタの位置を制御するように構成されている。
【００２１】
他の例では、エンドエフェクタに加えられた力は、エンドエフェクタのたわみを生じさせる。一例では、コントローラは、エンドエフェクタのたわみとアクチュエータの有効剛性とに少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタに加えられた力を推定するように構成されている。他の例では、位置決めモジュールは、推定した力に少なくとも部分的に基づいて、エンドエフェクタの位置を制御するように構成されている。
【００２２】
第３の態様は、上記で議論した第３の態様の例を単独で又は組み合わせて提供されもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
ここに示す図面を参照しながら以下に示す詳細な説明を読むことで、これらの態様及びその他の態様はよく理解されるだろう。
【００２４】
【図１】図１は、開示に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図２】図２は、軸方向の荷重を加えられた例示的な座屈梁システムの概略図を示している。
【図３】図３は、開示に基づく例示的な制御線図を示している。
【図４】図４は、例示的な可変負剛性アクチュエータを示している。
【図５】図５Ａ、５Ｂは、剛体部材の引張座屈に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図６】図６は、剛体部材の引張座屈に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図７】図７Ａ、７Ｂは、曲げ部材の引張座屈に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図８】図８は、曲げ部材の引張座屈に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図９】図９は、圧縮と引張の両方の死荷重に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図１０】図１０は、圧縮と引張の両方の死荷重に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図１１】図１１は、ねじり座屈に基づく例示的なアクチュエータを示している。
【図１２】図１２は、開示に基づく例示的なアクチュエータの直列動作を示している。
【図１３】図１３は、開示に基づく例示的なアクチュエータの回転動作を示している。
【図１４】図１４は、開示に基づく例示的なアクチュエータの他の例示的な動作を示している。
【図１５】図１５は、開示に基づく例示的なアクチュエータの他の例示的な動作を示している。
【図１６】図１６は、開示に基づく例示的なアクチュエータの他の例示的な動作を示している。
【図１７】図１７は、開示に基づく例示的なアクチュエータの他の例示的な動作を示している。
【図１８】図１８は、開示に基づく例示的なアクチュエータの他の例示的な動作を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
態様は、実施形態が示された図面を参照して以下により詳細に記載される。可能である場合は、同じ又は似た構成を参照するために、同じ参照番号が全ての図面を通して使用される。しかし、態様は、多くの異なった形式で実施されてもよく、ここに開示される実施形態に限定されると解釈されるべきでない。
【００２６】
これらのアプリケーションに限定されるわけではないが、ロボット工学、人間と機械との相互作用、外骨格、補綴装置、リハビリテーション、サービスロボット、及び制御システムが環境に作用する他の技術分野を含むエネルギーを動作に変えるための様々なアプリケーションにアクチュエータを用いることができる。ある例では、アクチュエータは、個々のアプリケーションに依存する様々な方法で環境と作用するエンドエフェクタを含むことができる。本開示は、本明細書に明示的には記載されていない他のアクチュエータに加えて、油圧式、空圧式、電気式、及び機械式のアクチュエータのようなエネルギーを動作に変換するように構成された装置を含む全てのタイプのアクチュエータを含むことが理解されるだろう。ある例ではエンドエフェクタの剛性（例えば、コンプライアンスやインピーダンス）によって少なくとも部分的に決定されることができる剛性（例えば、有効剛性）を、アクチュエータは有する。可変剛性アクチュエータは、所定の範囲内で剛性（例えば、有効剛性）を変化（例えば、制御や調節）できる。本開示は、アクチュエータの剛性を変える装置及び方法を記載している。特に本開示は、座屈の非線形たわみの特性（例えば、可変負剛性）に少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの剛性を変える装置及び方法を記載している。ある例では、ここに記載される装置及び方法は、正剛性、ゼロ剛性、及び負剛性の少なくとも１つとなるように、アクチュエータの剛性を変えることができる。さらに、座屈（例えば、負剛性）に起因する非線形たわみを生じさせる特定の方法の例に加えて、アクチュエータの特定の形式の例は、例として理解されることであり、開示の目的を限定するものであると解釈されるべきではない。
【００２７】
アクチュエータの剛性を変える方法の例を記載する。１つの方法は、アクチュエータを提供することを含む。アクチュエータは、これらに限定されるわけではないが、本明細書に記載した様々な例示的なアクチュエータを含む、剛性（例えば、有効剛性）を有する任意のアクチュエータであることができる。方法は、座屈の非線形たわみの特性（例えば、負剛性）に少なくとも部分的に基づいてアクチュエータの有効剛性を変えることをさらに含むことができる。座屈の非線形たわみの特性は、部材の荷重−変位特性に対する任意の変化を含む、任意の効果、特質、動作、又は座屈によってもたらされる他の影響を含むことができる。例えば、剛性を変えることは、荷重を部材に加えることを含むことができる。部材は、梁（ビーム）、軸（シャフト）、柱（コラム）、棒（ロッド）、ばね（スプリング）、板（プレート）、外板（シェル）、又は座屈でき、それゆえに座屈の非線形たわみの特性を示す他の構造を含むことができる。さらに部材は、これらに限定されるわけではないが、単純支持、ヒンジ支持、固定端、自由端、及び本明細書では明示的には記載されていない他の境界条件を含む端末条件によって又は拘束によって、支持されることができる。さらに荷重は、荷重を部材に加えるように構成された他の方法又は装置に加えて、これらに限定されるわけではないが、手動で加えられる荷重、死荷重、ばね荷重、アクチュエータや他の装置によって加えられる荷重のような機械的に加えられる又は機械的に調整可能な荷重を含む任意の形式で加えられることができる。一例では、荷重（例えば、部材の臨界座屈荷重以上の荷重）は、部材に座屈（例えば、不安定な平衡状態又は故障モードの原因となる他の不安定な状態の経験）を生じさせ、部材が非線形たわみの特性（例えば、ゼロ剛性や負剛性のような部材の剛性における対応する変化）を示すようにすることができる。部材の座屈は、座屈の非線形たわみの特性を少なくとも部分的に決定する。さらに、部材の剛性は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づくことができる。他の例では、荷重は圧縮荷重であることができる。他の例では、荷重は引張荷重であることができる。他の例では、荷重は曲げ荷重であることができる。他の例では、ねじり荷重であることができる。部材の座屈は、圧縮座屈、引張座屈、曲げ座屈、及びねじり座屈の内の少なくとも１つを含むことができる。圧縮座屈、引張座屈、曲げ座屈、及びねじり座屈の内の少なくとも１つは、１つ以上の座屈の非線形たわみの特性を生むことができる。本明細書で述べているように、アクチュエータの有効剛性は座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく。例えば、アクチュエータの剛性（例えば、有効剛性）は、部材を座屈させる荷重の作用の結果として生じる部材の非線形たわみの特性（例えば、負剛性）に少なくとも部分的に基づくことができる。方法はさらに、部材の剛性を変えることを含むことができる。部材の剛性を変えることは、アクチュエータの有効剛性を変える。一例では、部材の剛性を変えることは、部材に加える荷重を変えることを含むことができる。他の例では、部材の剛性を変えることは、部材の剛性（例えば、横剛性、軸剛性、ねじり剛性、曲げ剛性、及び回転剛性）に作用する部材の特性を変えることを含むことができる。ある例は、部材の断面積を変えることに加えて、部材の寸法（例えば、長さや幅）を変えることを含む。他の例は、部材が拘束される境界条件を変えることに加えて、部材の材料又は部材の材料特性を変えることを含む。本明細書には明示的に記載されていないことを含む他の例は、部材の剛性を変えるために使用されることができる。部材に加える荷重を変えることによって部材の剛性を変える例では、座屈の非線形たわみの特性（例えば、負剛性）を生む荷重を含む範囲内で、荷重を変えることができる。従って、負剛性を含むように部材の剛性を変える方法で荷重を変えることは、アクチュエータ（例えば、可変負剛性アクチュエーション）の剛性（例えば、有効剛性）を変えることができる。
【００２８】
また、アクチュエータの有効剛性が座屈の非線形たわみの特性に基づかない他の特性に基づいてもよいことは理解されるだろう。例えば、方法は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づかないで、アクチュエータの有効剛性を変えることをさらに含むことができる。例えば、座屈を生じない荷重を加えることで、他の特性（例えば、正の剛性のような部材の剛性における対応する変化）を生むことができる。他の特性を生じさせることができる荷重の範囲内で、部材に加える荷重を変えることができる。本明細書で述べているように、荷重を変えると、アクチュエータの剛性（例えば、有効剛性）を変化させる部材の剛性が変化する。従って、部材に加える荷重は、１つ以上の正剛性、ゼロ剛性、及び１つ以上の負剛性を含むように部材の剛性を変えることができる。今度は、１つ以上の正剛性、ゼロ剛性、及び１つ以上の負剛性（もし均衡したならば）を含む剛性の対応する範囲を含むように、アクチュエータの有効剛性を、変えることができる。他の特性に基づいてアクチュエータの有効剛性を変えることは、本明細書に明示的に記載されていない装置や方法に加えて、本明細書で議論した装置及び方法によって部材の剛性を変えることを含むことができる。同様に、部材に荷重を加え、部材に加える荷重を変えることは、本明細書に明示的に記載されていない装置や方法に加えて、本明細書に記載した装置及び方法を使用して、荷重を加え、荷重を変えることを含むことができる。
【００２９】
他の例では、方法は、アクチュエータのエンドエフェクタに加えられた力に少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタの位置を制御することをさらに含むことができる。一例では、エンドエフェクタに加えられた力は、エンドエフェクタにたわみを生じさせることができる。他の例では、方法は、エンドエフェクタのたわみとアクチュエータの有効剛性（例えば、Ｆ＝ｋ・Δｘ）とに少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタに加えられた力を推定することをさらに含むことができる。他の例では、方法は、推定された力に少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタの位置を制御することをさらに含むことができる。エンドエフェクタに加えられた力に少なくとも部分的に基づいてエンドエフェクタの位置を制御することで、能動的にバックドライブ可能なアクチュエータを提供できる。例えば、エンドエフェクタに作用する相互作用力がゼロになるまで、加えられた力の方向へ能動的にエンドエフェクタを位置決め（例えば、駆動）することによって、力制御の下で能動的にバックドライブ可能なアクチュエータを提供できる。能動的にバックドライブ可能なアクチュエータは、通常は、バックドライブ不能な（例えば、受動的で、バックドライブ不能な）アクチュエータである。
【００３０】
エンドエフェクタに加えられた力が推定される方法に基づいて、より小さいアクチュエータの剛性、よりよい力の推定（例えば、より高い力の推定の解像度）を示すことができる。高い解像度の力の推定は、エンドエフェクタの位置のよりよい制御（例えば、力の追跡）を提供するために用いられることができる。それゆえに、アクチュエータの剛性を減少させることによって、力の推定の解像度を増加でき、よりよい力の追跡能力を達成できる。本明細書で述べているように、座屈を生じ、座屈のために非線形たわみを示す部材に荷重を加えることによって、座屈の非線形たわみの特性（例えば、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つ）を含むように部材の剛性を制御できる。次に、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つを含むように部材の剛性を変えることによって、非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づくアクチュエータの有効剛性を、また、正の有効剛性、ゼロに近い有効剛性、ゼロ有効剛性、及び負の有効剛性（もし均衡したならば）を含む剛性の任意の範囲を含むように変えることができる。
【００３１】
本明細書で述べているように、アクチュエータの有効剛性を減少させることによって、エンドエフェクタに加えられた力に対応してエンドエフェクタの位置決めをするための、よりよい力制御（例えば、高解像度化）を達成できる。アクチュエータの有効剛性を減少させることによって力の推定及び位置制御が改善するので、システム全体の帯域幅もまた減少するということは言及されるべきである。ある状況では、制限された帯域幅が望ましい可能性がある。他の例では、制限された帯域幅が望ましくない可能性がある。アクチュエータの剛性を変える上述の方法を、システム全体の帯域幅も変えるアクチュエータの剛性を変えるために使用できる。例えば、アクチュエータが実行するであろうタスクに依存して、様々なアクチュエータの剛性が要求されてもよい。例えば、エンドエフェクタへの接触なしで（例えば、フリースペースへの位置決め）、アクチュエータの素早い動作が要求される場合、より高い帯域幅となるようにアクチュエータの剛性を増加できる。同様に、アクチュエータの力制御が要求される場合、より低い帯域となるようにアクチュエータの剛性を減少できる。エンドエフェクタが人の近くにあるとき又はエンドエフェクタが外的に加えられた荷重から衝撃を受けたであろうときに、コンプライアンス（例えば、作動中の安全性）を確保するために、アクチュエータの剛性を減少させることが使用できる。可変剛性アクチュエーションが有利である他の例又はアプリケーションもまた、ここに考慮される。
【００３２】
アクチュエータの様々な例を以下に記載する。図１に示すように、第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性を変えるために、単独で又は組み合わせて使用されることができる様々な例示的な特徴を提供されている。第１実施形態のアクチュエータ１００の剛性は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく。例えば、第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態のアクチュエータ１００の剛性を少なくとも部分的に決定する第１実施形態の部材１０５を含むことができる。第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態の部材１０５に荷重を加えるように構成された第１実施形態のローディング・モジュール１２０をさらに含むことができる。第１実施形態の部材１０５は、部材が矢印１３３、１３４によって示される方向に、一端から他端まで滑走できるように構成されたローラ支持を含む任意の方法で、押さえつけられる又は支持されることができる。第１実施形態のローディング・モジュール１２０は、部材に荷重を加えるように構成された任意の装置を含むことができる。例えば、第１実施形態のローディング・モジュール１２０は、エネルギーを動作に変換させるように構成され、動作が１つ以上の荷重を１つ以上の部材に加えることを特徴とする１つ以上のアクチュエータを含むことができる。一例では、荷重は第１実施形態の部材１０５を座屈させる。他の例では、座屈は第１実施形態の部材１０５に非線形たわみを生む。第１実施形態のアクチュエータ１００の剛性は、第１実施形態の部材１０５の非線形たわみ（例えば、負剛性）に少なくとも部分的に基づくことができる。
【００３３】
第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態のローディング・モジュール１２０によって第１実施例の部材１０５に加える荷重を変えるように構成された第１実施形態のコントローラ１０２をさらに含むことができる。荷重を変えると、第１実施形態のアクチュエータ１００の剛性が変化する。図には分離したコントローラとして描かれているが、第１実施形態のコントローラ１０２は、第１実施形態のアクチュエータ１００の任意の１つ以上の構成要素と一体であるだけでなく、第１実施形態のアクチュエータ１００と一体であることもできる。さらに、第１実施形態のコントローラ１０２は、任意の１つ以上のマイクロ・コントローラ、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）、ディスクリート・コントローラ、回路、エンコーダ、センサ、又は他のコントローラを含むことができる。以下で詳細に議論するように、ローディング・モジュールを、圧縮荷重、引張荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重の内の少なくとも１つを加えるように構成することができる。圧縮荷重、引張荷重、曲げ荷重、及びねじり荷重の内の少なくとも１つは、部材を座屈させることができる。部材の座屈は、座屈の非線形たわみの特性を生むことができる。本明細書で述べるように、アクチュエータの剛性は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づくことができる。他の例では、アクチュエータの剛性は、座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づかないこともできる。従って、部材に加える荷重を変えることによって、アクチュエータの剛性を変えることができる。
【００３４】
図１に示すように、第１実施形態のローディング・モジュール１２０は、矢印１２３によって示される方向に荷重を加える少なくとも１つの第１ローディング・ユニット１２１と、矢印１２４によって示される方向に荷重を加える少なくとも１つの第２ローディング・ユニット１２２とを含むことができる。少なくとも１つの第１ローディング・ユニット１２１及び第２ローディング・ユニット１２２は、第１実施形態の部材１０５に荷重を加えるように構成された任意の装置を含むことができる。例えば、少なくとも１つの第１ローディング・ユニット１２１及び第２ローディング・ユニット１２２は、エネルギーを動作に変換するように構成され、動作が例えば第１実施形態の部材１０５を含む１つ以上の部材に１つ以上の荷重を加えることを特徴とする任意の１つ以上のアクチュエータを含むことができる。一例では、第１実施形態のローディング・モジュール１２０は、第１実施形態の部材１０５に引張荷重（軸１０８方向の軸方向の引張力）を加える。そして、（軸１０７方向で測定される）第１実施形態の部材１０５の横剛性（例えば、正剛性）を増加させる。第１実施形態の部材１０５の横剛性を増加させることで、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性も増加する。部材に加える引張荷重が大きければ大きいほど、第１実施形態の部材１０５の横剛性は増大し、そして、それゆえの第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性は増大する。他の例では、第１実施形態のローディング・モジュール１２０は、第１実施形態の部材１０５に圧縮荷重（引張荷重と反対方向の軸方向の圧縮荷重）を加える。そして、第１実施形態の部材１０５の横剛性を減少させる。第１実施形態の部材１０５の横剛性を減少させることによって、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性も減少する。例えば、第１実施形態の部材１０５の臨界座屈荷重よりも圧縮荷重が小さいと、第１実施形態の部材１０５の横剛性は正のままであり、荷重に起因する第１実施形態の部材１０５のたわみは線形的に振舞うと推定されることができる。部材の圧縮荷重が大きければ大きいほど、部材の横剛性は減少し、そして、それゆえ第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性は減少する。第１実施形態の部材１０５の臨界座屈荷重以上の圧縮荷重であると、部材は座屈の非線形たわみの特性を示す（例えば、部材が座屈する）。他の例では、部材の軸心からずれた荷重（例えば、電気的な負荷）を加えることによって、曲げによる座屈を達成でき、部材は曲げに起因する非線形たわみの特性を示すことができる。座屈の非線形たわみの特性によって、第１実施形態の部材１０５の横剛性は、ゼロ又は負となることができる。同様に、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性に影響を与える他の特徴の存在又は不存在に依存して、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性は、第１実施形態の部材１０５のゼロ又は負の横剛性に少なくとも部分的に基づいて、正、ゼロに近い値、ゼロ、又は負（もし均衡したならば）であることができる。結果として、第１実施形態のアクチュエータ１００は、正、ゼロ、及び負剛性を含む剛性の範囲で変化（例えば、調整）できる有効剛性を有する可変負剛性アクチュエータであると考えられる。さらに、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性を座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づかせることによって、第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性を、アクチュエータ１００の機械的一体性と荷重負担能力とを犠牲とすることなく低い有効剛性を含むように変えることができる。
【００３５】
第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態の部材１０５に接続された第１実施形態のエンドエフェクタ１１５をさらに含むことができる。一例では、第１実施形態のアクチュエータ１００は、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御するように構成された第１実施形態の位置決めモジュール１１０をさらに含むことができる。第１実施形態の位置決めモジュール１１０は、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御するように構成された任意の装置をさらに含むことができる。例えば、第１実施形態の位置決めモジュール１１０は、動作が第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御することを特徴とするエネルギーを動作に変換する１つ以上のアクチュエータを含むことができる。他の例では、第１実施形態の位置決めモジュール１１０は、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７に少なくとも部分的に基づいて第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を（例えば、矢印１１２によって示される方向に）制御するように構成されることができる。第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７に少なくとも部分的に基づいて第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御することで、能動的にバックドライブ可能なアクチュエータを提供できる。例えば、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に作用する相互作用力がゼロになるまで、加えられた力１１７の方向に、第１実施形態の位置決めモジュール１１０と共に第１実施形態のエンドエフェクタ１１５を能動的に位置決め（例えば、駆動）することによって、力制御の下で能動的にバックドライブ可能なアクチュエータを提供できる。上述したように、能動的にバックドライブ可能なアクチュエータは、もともとバックドライブ不能な（例えば、受動的でバックドライブ不能な）アクチュエータであることができる。第１実施形態のコントローラ１０２は、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７を計測するために用いることができる力センサを含むことができる。その値は、第１実施形態の位置決めモジュール１１０と共に第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御するために使用されることができる。第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７は第１実施形態のエンドエフェクタ１１５にたわみを生じさせる。第１実施形態のコントローラ１０２は、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５のたわみと第１実施形態のアクチュエータ１００の有効剛性とに少なくとも部分的に基づいて第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７を推定するように構成されることができる。第１実施形態の位置決めモジュール１１０は、推定された力に少なくとも部分的に基づいて第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御するように構成されることができる。
【００３６】
一例では、第１実施形態のアクチュエータ１００は、既知の剛性を有する任意のばね１２５をさらに含むことができる。任意のばね１２５は、他の理由の中でも特に、例えば、第１実施形態の部材１０５が座屈に起因する非線形たわみを示すときに第１実施形態の部材１０５によってもたらされる不安定を補償するために用いられることができる。任意のばね１２５は、第１実施形態のアクチュエータ１００の見かけ上の有効剛性を所望の剛性にするために使用されることができる。一例では、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力１１７は、結果として任意のばね１２５のたわみとなる、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５のたわみを生む。第１実施形態のコントローラ１０２は、任意のばね１２５のたわみとばねの既知の剛性（例えば、Ｆ＝ｋ・Δｘ）とに少なくとも部分的に基づいて第１実施形態のエンドエフェクタ１１５に加えられた力を推定するように構成されることができる。第１実施形態の位置決めモジュール１１０は、推定された力に少なくとも部分的に基づいて、矢印１１２として示されているように、第１実施形態のエンドエフェクタ１１５の位置を制御するように構成されることができる。本明細書で述べているように、このような力制御の下で、受動的でバックドライブ不能なアクチュエータは、能動的にバックドライブできるように変えられることができる。アクチュエータの力制御は、本明細書には明示的に記載されていない他の方法でも達成されることができることは理解されるであろう。
【００３７】
図２を参照すると、線形圧縮ばね２０２、２０４を接続され、軸方向の荷重を加えられた座屈梁システムの概略モデル２００が示されている。線形圧縮ばね２０２は剛性ｋｐを有する正のばねであることができる。第１座屈梁２１０及び第２座屈梁２２０に対して両端固定の境界条件が記載されている。他の境界条件を用いた同様の分析を行うことができ、当該分析が本開示の目的の範囲内であることは理解されるであろう。さらに第１座屈梁２１０及び第２座屈梁２２０は、モーメントを引き起こすことなしに、均一な軸荷重を梁に加えることを確保するように示されている。しかし、２つ以上の梁に加えて、単一の梁を用いることができることは理解されるだろう。概略モデル２００の目的のために、第１座屈梁２１０及び第２座屈梁２２０の軸方向の長さの半値がＬとして示されている。ここでＤは、第１及び第２座屈梁２１０、２２０の横方向のたわみを表す。第１及び第２座屈梁２１０、２２０に加えられた軸方向の有効荷重はＰとして示されている。一方、横方向にかかる荷重は２Ｒとして示されている。たわんだ第１及び第２座屈梁２１０、２２０に沿った軌道は、変数Ｓと角度Φとを用いて計測される。梁の軸方向は、Ｘａｘｉａｌとして示されている。そして、垂直軸は、横方向（例えば、横方向の荷重２Ｒの方向）に沿って配置されている。第１及び第２座屈梁２１０の変曲点はＣ１及びＣ２として示されている。描かれているたわみパターンは、小さいたわみ及び第２臨界座屈荷重より低い軸方向の荷重を加えることに対して有効である。無次元の変数ξ＝Ｄ／２Ｌ及びγ＝Ｋ／（ＡＥ／Ｌ）を導入する。ここで、Ｋは加えられた荷重Ｐに関係する剛性であり、Ａは梁の断面積であり、Ｅは梁の弾性係数である。ξ＜＜１という小さいたわみを仮定し、Ｐｅｒは梁の臨界座屈荷重を表し、Ｐｅｒ＝４π２ＥＩ／Ｌ２であり、Ｉは断面二次モーメントを表す。梁の横剛性は、２Ｒ／Ｐｅｒ＝−Ｋｂ１ξ＋Ｋｂ３ξ３として計算される。ここで、Ｋｂ１及びＫｂ３は、軸方向の荷重Ｐが加えられた状態での梁の線形ばね定数及び３次のばね定数である。線形ばね定数Ｋｂ１は、Ｋｂ１＝（Ｆ／（Ｐｅｒ（１＋γ））−１）π２として与えられることができる。３次のばね定数は、Ｋｂ３＝（（ＡＥγ／Ｐｅｒ（１＋γ））−４／３（（Ｆ／Ｐｅｒ（１＋γ））−１））π４として与えられることができる。従って、軸方向の荷重Ｐの種々の値に対して、正、ゼロ、及び負の横剛性を得ることができる。例えば、梁に加えられた圧縮による軸方向の荷重が第１臨界座屈荷重Ｐｅｒ（例えば、Ｋｂ１＞０）を超えたとき、座屈が生じ、梁の負の剛性の振る舞いを観察することができる。さらに、軸方向の引張荷重（例えば、Ｋｂ１＜０）に対しては、梁は、引張荷重の増加に対して増加する正の横剛性を持つ。上述のことに基づくと、部材の剛性を制御することによって、アクチュエータの有効剛性を制御できる。部材の剛性はアクチュエータの有効剛性を少なくとも部分的に決定することを特徴とする。
【００３８】
図３を参照すると、例示的な制御線図が示されている。例示的な制御線図は、部材の所望の剛性を達成するのに要求される部材の所定のたわみを決定することによって、アクチュエータの有効剛性を制御する又は変える、さもなければ調整するために使用されることができる。ここで、アクチュエータの有効剛性は、部材の剛性に少なくとも部分的に基づく。一例では、部材の横剛性は、上述した式２Ｒ／Ｐｅｒ＝−Ｋｂ１ξ＋Ｋｂ３ξ３で表される。さらに、臨界座屈荷重Ｐｅｒより小さい軸方向の荷重に対して、部材の軸剛性はＫｅ＝ＡＥ／Ｌで与えられることができる。臨界座屈荷重Ｐｅｒより大きい軸方向の圧縮荷重に対して、部材の軸剛性はＫａｘｉａｌ＝ＫｅＫｂ／（Ｋｅ＋Ｋｂ）で与えられることができる。ここで、Ｋｂ＝Ｐｅｒ／２Ｌである。図３の制御線図に従って、部材の所望の横剛性Ｋｄｅｓを指定し又は入力することができる。所望の横剛性は、例えば、アクチュエータの望ましい有効剛性に従って選択されることができる。次に、部材に荷重を加えるローディング・モジュールの現在の位置（例えば、Ｘｃｕｒｒｅｎｔ）（例えば、加えられた荷重に起因した部材のたわみの現在の量）及び部材の上記の軸剛性モデル（例えば、Ｋａｘｉａｌ）に基づいて、部材に加えられた現在の力（例えば、既知の関係式Ｆｃｕｒｒｅｎｔ＝Ｋａｘｉａｌ・Ｘｃｕｒｒｅｎｔに従うＦｃｕｒｒｅｎｔ）を決定できる。現在の力と上記の横剛性モデル（例えば、２Ｒ／Ｐｅｒ＝−Ｋｂ１ξ＋Ｋｂ３ξ３）に基づいて、部材の現在の横剛性（例えば、Ｋｃｕｒｒｅｎｔ）を推定できる。アクチュエータの所望の有効剛性に依存して、そして、それゆえに、部材の所望の横剛性（Ｋｄｅｓ）に依存して、所望の横剛性を実現するために、部材の横剛性に要求される変化量（＋／−）（例えば、Δｋ）を決定できる。再び、部材の横剛性モデルと横剛性の変化（Δｋ）とに基づいて、部材に加える力の要求される変化（ΔＦａｘｉａｌ）を決定できる。次に、部材の軸剛性モデル（Ｋａｘｉａｌ）と要求される力の変化（ΔＦａｘｉａｌ）とに基づいて、部材への所望の荷重付加を実現するために、部材の要求されるたわみ（ΔＸａｘｉａｌ）を決定できる。要求されるたわみを使用して、部材に要求されるたわみを与えるようにローディング・モジュールの位置を制御できる。例示的な制御線図に基づいて、部材にたわみを与えるローディング・モジュールの位置制御を通して、部材の横剛性を制御できる。与えられたたわみは、アクチュエータの有効剛性を変えるために用いることができる部材の横剛性を変えるために使用されることができる。
【００３９】
図４を参照すると、第２実施形態のアクチュエータ４００は、第２実施形態のアクチュエータ４００の有効剛性を変えるために、単独で又は組み合わせて使用できる様々な例示的な特徴を提供されている。第２実施形態のアクチュエータ４００は、例示的なエンドエフェクタ４１５とアクチュエータを位置決めする（例えば、例示的なエンドエフェクタ４１５の位置を制御する）ように構成された線状位置決めアクチュエータ４１０とを含むことができる。線状位置決めアクチュエータ４１０は、矢印４１１によって示される方向に沿ってフレーム４１３を駆動するモータ４１２（例えば、ＤＣモータ）と共に制御されることができる。フレーム４１３は、線状位置決めアクチュエータ４１０の動作４３３の方向に沿って摺動するように、１つ以上の線状の摺動部４３１、４３２上に搭載されることができる。フレーム４１３は、１つ以上のローディング・アクチュエータ（例えば、第１ローディング・アクチュエータ４２０及び第２ローディング・アクチュエータ４２２）をさらに含むことができる。第１及び第２ローディング・アクチュエータ４２０、４２２は、１つ以上の部材又は板ばね（例えば、第１板ばね４０５及び第２板ばね４０６）に荷重を加えるように構成されることができる。一例では、第１及び第２ローディング・アクチュエータ４２０、４２２は、第１及び第２板ばね４０５、４０６の横剛性を変えることができる第１及び第２板ばね４０５、４０６の軸方向に一致する矢印４２１、４２３によって示される方向に荷重を加えるように構成されることができる。２つのローディング・アクチュエータは、板ばねにモーメントを引き起こすことなしに板ばねの均一な軸荷重を確保するために、対称的に動作するように使用される。他の例では、１つ、２つ、３つ、またはそれ以上の板ばねが用いられてもよい。示されているように、例示的なエンドエフェクタ４１５は、板ばねの剛性（例えば、横剛性）の変化が、例示的なエンドエフェクタ４１５においての第２実施形態のアクチュエータ４００の有効剛性を変えるように、板ばねに接続されることができる。線状摺動部４２６、４２７は、板ばね４０５、４０６への荷重の作用を可能にする（例えば、ガイドする）ように提供されることができる。一例では、荷重は軸方向の圧縮荷重であることができる。他の例では、荷重は軸方向の引張荷重であることができる。第２実施形態のアクチュエータ４００の有効剛性は、板ばね４０５、４０６の横剛性に少なくとも部分的に基づくことができる。上述の様に、臨界座屈荷重より大きな軸方向の圧縮荷重は、板ばねを座屈させ、座屈の非線形たわみの特性（例えば、横方向のゼロ剛性及び横方向の負剛性の内の少なくとも１つ）を示すことができる。さらに、引張荷重は板ばねの横剛性（例えば、横方向の正剛性）を増加させる。従って、板ばね４０５、４０６に加える荷重を変えることによって、第２実施形態のアクチュエータ４００の有効剛性を変えることができる。任意に、圧縮ばね４２５が第２実施形態のアクチュエータ４００の見かけ上の有効剛性を調整するために板ばね４０５、４０６に取り付けられることができる。さらに、線形光学エンコーダ４０７はフレーム４１３に対する例示的なエンドエフェクタ４１５の横方向のたわみを測定するために用いられることができる。
【００４０】
図５Ａ、５Ｂ、６を参照すると、第３実施形態のアクチュエータ５００は、引張座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく有効剛性を提供されている。図５Ａに示されるように、第３実施形態の部材５０１は、第１剛体部材５０２及び第２剛体部材５０３を含むことができる。第１剛体部材５０２及び第２剛体部材５０３は、摺動機構５０５（例えば、スライダ）によって接続されることができる。第１剛体部材５０２は、一端を支持体にヒンジ支持されることができ、第１剛体部材５０２に回転モーメントを与えるねじりばね５０６を含むことができる。図５Ｂに示されるように、引張死荷重Ｆの下では、第３実施形態の部材５０１は座屈でき、死荷重Ｆと部材のたわみ（Δｘ）との関係は、引張座屈の非線形たわみの特性（例えば、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つ）を示すだろう。図６に示されるように、第３実施形態のアクチュエータ５００の有効剛性は、引張座屈のための第１及び第２剛体部材５０２、５０３を含む、第３実施形態の部材５０１のゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つに、少なくとも部分的に基づくことができる。第３実施形態のアクチュエータ５００は、第１実施形態の位置決めモジュール１１０と同じ又は似た特徴を有する第３実施形態の位置決めモジュール５１０をさらに含むことができ、矢印５１１によって示された方向に沿って第３実施形態のエンドエフェクタ５１５の位置を制御するように構成されることができる。第３実施形態のアクチュエータ５００はまた、第１実施形態のローディング・モジュール１２０と同じ又は似た特徴を有する第３実施形態のローディング・モジュール５２０を含むことができ、第３実施形態のアクチュエータ５００の有効剛性を変えるために、第３実施形態の部材５０１に荷重を（例えば、矢印５２１によって示される方向に）加えるように構成されることができる。第３実施形態のアクチュエータ５００が、上述の第１実施形態のコントローラ１０２と同じ又は似た特徴を有する第３実施形態のコントローラ５２５を含むことができ、これに限定されるわけではないが、第３実施形態のアクチュエータ５００の力制御を含む種々の制御方法を実行するように構成されることができることは理解されるであろう。
【００４１】
図７Ａ、７Ｂ、８を参照すると、第４実施形態のアクチュエータ５５０は、引張座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく有効剛性を提供されている。図７Ａに示すように、第４実施形態の部材５５１は、第１曲げ部材５５２及び第２曲げ部材５５３を含むことができる。第１曲げ部材５５２及び第２曲げ部材５５３は、摺動機構５５５（例えば、スライダ）によって接続されることができる。第１曲げ部材５５２は、一端を支持体に固定されることができる。図７Ｂに示されるように、引張死荷重Ｆの下では、第４実施形態の部材５５１は座屈でき、死荷重Ｆと部材のたわみ（Δｘ）との関係は、引張座屈の非線形たわみの特性（例えば、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つ）を示すだろう。図８に示されるように、第４実施形態のアクチュエータ５５０の有効剛性は、引張座屈のための第１及び第２曲げ部材５５２、５５３を含む、第４実施形態の部材５５１のゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つに、少なくとも部分的に基づくことができる。第４実施形態のアクチュエータ５５０は、第１実施形態の位置決めモジュール１１０及び第３実施形態の位置決めモジュール５１０と同じ又は似た特徴を有する第４実施形態の位置決めモジュール５６０をさらに含むことができ、矢印５６１によって示された方向に沿って第４実施形態のエンドエフェクタ５６５の位置を制御するように構成されることができる。第４実施形態のアクチュエータ５５０はまた、第１実施形態のローディング・モジュール１２０及び第３実施形態のローディング・モジュール５２０と同じ又は似た特徴を有する第４実施形態のローディング・モジュール５７０を含むことができ、第４実施形態のアクチュエータ５５０の有効剛性を変えるために、第４実施形態の部材５５１に荷重を（例えば、矢印５７１によって示される方向に）加えるように構成されることができる。第４実施形態のアクチュエータ５５０が、上述の第１実施形態のコントローラ１０２及び第３実施形態のコントローラ５２５と同じ又は似た特徴を有する第４実施形態のコントローラ５７５を含むことができ、これに限定されるわけではないが、第４実施形態のアクチュエータ５５０の力制御を含む種々の制御方法を実行するように構成されることができることは理解されるであろう。
【００４２】
図９、１０を参照すると、第５実施形態のアクチュエータ６００は、圧縮座屈と引張座屈の両方の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく有効剛性を提供されている。図９は、圧縮と引張の両方の死荷重の下に生じた座屈を描いた例示的な概略システム６０１である。例えば、システムは、圧縮と引張の両方の荷重の下で座屈するだろう。そして、剛性（ｋ）を説明する加えられた荷重とそれに対応する変位との関係は、座屈の非線形たわみの特性（例えば、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つ）を示すだろう。一例では、引張荷重（ＦＴ）に対して、荷重ＦＴと変位（ΔｘＴ）の関係は負剛性を作ることができる。他の例では、圧縮荷重（ＦＣ）に対して、荷重ＦＣとそれに対応する変位（ΔｘＣ）との関係は負剛性を作ることができる。図１０に示されるように、第５実施形態のアクチュエータ６００の有効剛性は、圧縮及び引張による座屈の両方に起因するシステムの負剛性に少なくとも部分的に基づくことができる。第５実施形態のアクチュエータ６００は、第１実施形態の位置決めモジュール１１０、第３実施形態の位置決めモジュール５１０、及び第４実施形態の位置決めモジュール５６０と同じ又は似た特徴を有する第５実施形態の位置決めモジュール６１０をさらに含むことができ、矢印６１１によって示された方向に沿って第５実施形態のエンドエフェクタ６１５の位置を制御するように構成されることができる。第５実施形態のアクチュエータ６００はまた、第１実施形態のローディング・モジュール１２０、第３実施形態のローディング・モジュール５２０、及び第４実施形態のローディング・モジュール５７０と同じ又は似た特徴を有する第５実施形態のローディング・モジュール６２０を含むことができ、第５実施形態のアクチュエータ６００の有効剛性を変えるために、例示的な概略システム６０１に荷重を（例えば、矢印６２１によって示される方向に）加えるように構成されることができる。第５実施形態のアクチュエータ６００が、上述の第１実施形態のコントローラ１０２、第３実施形態のコントローラ５２５、及び第４実施形態のコントローラ５７５と同じ又は似た特徴を有する第５実施形態のコントローラ６０２を含むことができ、これに限定されるわけではないが、第５実施形態のアクチュエータ６００の力制御を含む種々の制御方法を実行するように構成されることができることは理解されるであろう。
【００４３】
図１１を参照すると、第６実施形態のアクチュエータ６５０は、ねじり座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づく有効剛性（例えば、有効回転剛性）を提供されている。第６実施形態のアクチュエータ６５０はさらに、第１実施形態の位置決めモジュール１１０、第３実施形態の位置決めモジュール５１０、第４実施形態の位置決めモジュール５６０、及び第５実施形態の位置決めモジュール６１０と同じ又は似た特徴を有する第６実施形態の位置決めモジュール６６０を含むことができ、矢印６６１として示される方向に沿って、第６実施形態の位置決めモジュール６６０の回転を制御することによって、第６実施形態のエンドエフェクタ６６５の位置を制御するように構成されることができる。第６実施形態のアクチュエータ６５０はまた、第１実施形態のローディング・モジュール１２０、第３実施形態のローディング・モジュール５２０、第４実施形態のローディング・モジュール５７０、及び第５実施形態のローディング・モジュール６２０と同じ又は似た特徴を有する第６実施形態のローディング・モジュール６７０を含むことができ、第６実施形態のアクチュエータ６５０の有効剛性（例えば、有効回転剛性）を変えるために、例示的な梁６５１に荷重を（例えば、矢印６７１によって示される方向に）加えるように構成されることができる。例えば、第６実施形態のローディング・モジュール６７０が軸方向の引張力を例示的な梁６５１に加えたとき、第６実施形態のエンドエフェクタ６６５においての梁の有効回転剛性は増加する。同様に第６実施形態のローディング・モジュール６７０が軸方向の圧縮力を例示的な梁６５１に加えたとき、梁の横剛性（例えば、有効回転剛性）は減少する。例示的な梁６５１の臨界座屈荷重以上の圧縮力を加えることによって、梁は、座屈し、座屈の非線形たわみの特性を示すことができる。従って、梁の横剛性は、ゼロ剛性及び負剛性の内の少なくとも１つを含むように制御されることができる。次に、第６実施形態のアクチュエータ６５０の有効回転剛性は、正、ゼロ、及び負の有効回転剛性を含むように変えられることができる。第６実施形態のアクチュエータ６５０が、上述の第１実施形態のコントローラ１０２、第３実施形態のコントローラ５２５、第４実施形態のコントローラ５７５、及び第５実施形態のコントローラ６０２と同じ又は似た特徴を有する第６実施形態のコントローラ６５２を含むことができ、これに限定されるわけではないが、第６実施形態のアクチュエータ６５０の力制御を含む種々の制御方法を実行するように構成されることができることは理解されるであろう。
【００４４】
図１２を参照すると、例示的な直列動作アクチュエータ７００が提供されている。例示的な直列動作アクチュエータ７００は、各部材の横方向のたわみが重なることができるように互いに直列に配置された複数の例示的な部材７０１、７０２、７０３、７０４を含むことができる。従って、複数の部材の内の少なくとも１つに対して軸方向に加えられた荷重Ｆは、部材を座屈させ、座屈の非線形たわみの特性を示すことができる。例示的な直列動作アクチュエータ７００の有効剛性（例えば、エンドエフェクタ７１５での剛性）は、直列動作による座屈の非線形たわみの特性に少なくとも部分的に基づくことができる。上述の様な種々の例示的なアクチュエータに対して、例示的な直列動作アクチュエータ７００はまた、直列動作アクチュエータ７００の見かけ上の有効剛性の値を調整するために、任意のばね７１０を含むことができる。
【００４５】
図１３を参照すると、例示的な回転動作アクチュエータ８００が開示されている。回転動作アクチュエータ８００は、Φｄとして表される所定の回転と、それに対応した回転剛性を有するインプット・ディスク８０１を含むことができる。例示的な回転動作アクチュエータ８００は、本明細書に記載した種々の例示的な種々のアクチュエータと同じ又は似た特徴を有する１つ以上の可変負剛性アクチュエータ８０５をさらに含むことができる。１つ以上の可変負剛性アクチュエータ８０５は、回転Φを有するアウトプット・ディスク８０２の有効回転剛性を少なくとも部分的に決定することができる座屈の非線形たわみの特性を作ることができる。座屈の非線形たわみの特性は、ねじり、曲げ、圧縮、及び引張の少なくとも１つ、例示的な回転動作アクチュエータ８００の有効回転剛性を変えるために使用されることができる少なくとも１つに起因する座屈を含むことができる。
【００４６】
図１４〜１８は、可変負剛性アクチュエーションの他の例示的な動作を示している。図１４を参照すると、２次元モジュール９００は、図１５に描かれている２次元モジュール９００の面外の座屈と、図１６に描かれている２次元モジュール９００の面内の座屈とを提供されている。図１７を参照すると、二次元マトリックス９１０は、結合して配置された複数の２次元モジュール９００を含むように提供されている。ある例では、二次元マトリックス９１０はモジュールの多層構造を含むことができる。座屈でき、座屈の非線形たわみの特性を示すことができる切れ目ない２次元シート９２５が図１８に提供されている。このような２次元剛性モジュレーションは、これに限定されるわけではないが、電話、タブレット、及び他の電気デバイスを含む表面デバイスにおいて、力のフィードバックを提供するように動作されることができる。
【００４７】
特許請求の範囲に記載された主題の思想や目的から逸脱することなく、本開示に基づいて種々の修正やバリエーションを作製できることは、当業者にとって明らかであろう。
【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５】
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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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【外国語明細書】
2015110261000001.pdf