(57)【要約】電気動力を発生させるための携帯用メカトロニクス装置は、ハウジング内に、移動式の端末などの携帯用アイテムを充電するためのバッテリーに電気的に接続されるアクチュエータを含む。例えばハウジングを運ぶ歩行者による振動運動を受ける第１部材と、質量部分の少なくとも一部を構成する第２部材とを有する回転アクチュエータにおいて、質量部分は、第１部材に対して電機子の軸のまわりに振動することができる。サーボ制御システムは、時にはバッテリーによって又は質量部分が自由に移動することを可能にすることによって供給されるモータとして、時には質量部分の運動速度を第１部材の振動運動の加速度に連動させることによってバッテリーを充電する発生器として、アクチュエータを制御することができる。これは、歩行者からできるだけ多くの電気動力を回収することを可能にする。
2011521608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気動力貯蔵手段（１６、２６）に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材（１１、２１）及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分（１３、２３）の少なくとも一部を構成する第２部材（１２、２２）を有するアクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を用いて電気動力を発生させる方法であって、
前記アクチュエータの作動サイクルの一部の間、前記貯蔵手段を充電する発生器として前記アクチュエータを制御するために、前記第１部材の振動運動に対する前記質量部分の運動をサーボ制御することを有し、
該質量部分（１３、２３）は、前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動サイクルの別の一部の間、自由に移動する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
電気動力貯蔵手段（１６、２６）に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材（１１、２１）及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分（１３、２３）の少なくとも一部を構成する第２部材（１２、２２）を有するアクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を用いて電気動力を発生させる方法であって、
前記アクチュエータの作動サイクルの一部の間、前記貯蔵手段を充電する発生器として前記アクチュエータを制御するために、前記第１部材の振動運動に対する前記質量部分の運動をサーボ制御することと、
前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動サイクルの別の一部の間、前記貯蔵手段によって供給されるモータとして前記アクチュエータを制御するために、前記第１部材の振動運動に対する前記質量部分の運動をサーボ制御することと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
発生器として前記アクチュエータを制御するサーボ制御は、前記第１部材の加速度に連動させられる前記質量部分の運動速度に関連している、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動サイクルは、所定の方向と反対側の方向に従った前記第１部材の加速度の増加の間、前記所定の方向に従った前記質量部分の運動速度を増加させるためのモータとしての前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動段階（０−Ｔ／４）と、前記反対側の方向に従った前記第１部材の加速度の減少の間、前記所定の方向に従った前記質量部分の運動速度を減少させるための発生器としての前記アクチュエータの作動段階（Ｔ／４−Ｔ／２）と、前記所定の方向に従った前記第１部材の加速度の増加の間、前記反対側の方向に従った前記質量部分の運動速度を増加させるためのモータとしての前記アクチュエータの作動段階（Ｔ／２−３Ｔ／４）と、前記所定の方向に従った前記第１部材の加速度の減少の間、前記反対側の方向に従った前記質量部分の運動速度を減少させるための発生器としての前記アクチュエータの作動段階（３Ｔ／４−Ｔ）とを有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動サイクルは、前記第１部材の加速度が最大値のあたりで変化するときに前記質量部分の運動速度を増加及び減少させるためのモータとしての前記アクチュエータの作動段階（ΔＴ）を有する、
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
電気動力貯蔵手段（１６、２６）に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材（１１、２１）及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分（１３、２３）の少なくとも一部を構成する第２部材（１２、２２）を有するアクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を含む電気動力発生装置であって、
前記アクチュエータの作動サイクルの一部の間、前記質量部分の運動を前記第１部材の振動運動に連動させることによって、前記貯蔵手段を充電する発生器として前記アクチュエータを制御するための、また、前記アクチュエータの作動サイクルの別の一部において、前記貯蔵手段（１６、２６）によって供給されるモータとして前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を制御するためのサーボ制御手段（１４、２４）を有する、
ことを特徴とする電気動力発生装置。
【請求項７】
前記サーボ制御手段（１４、２４）は、前記第１部材（１１、２１）の加速度を測定するための手段（１４２、２４２）と、前記質量部分の運動速度を測定するための手段（１４１、２４１）と、前記質量部分の運動速度を前記第１部材の加速度に連動させるように前記アクチュエータを制御する手段（１４３、１４４、１５、１６；２４３、２４４、２５、２６）とを有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の電気動力発生装置。
【請求項８】
前記サーボ制御手段は、測定された前記第１部材の加速度と前記第１部材の位置に応じて可変する設定点に対して測定された前記質量部分の運動速度とに応じてパラメータを補正するための手段（１４３、１４４；２４３、２４４）と、前記アクチュエータから回収される、又は前記アクチュエータに供給される電気動力の変化を、補正されたパラメータに従って前記貯蔵手段（１６、２６）の端子における電流及び電圧に向かわせるように適合させるための可逆的増幅アンジュレータ（１５、２５）と、を有する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電気動力発生装置。
【請求項９】
前記質量部分（２３）の運動は回転であり、前記アクチュエータ（２１−２２）は回転する、
ことを特徴とする請求項６に記載の電気動力発生装置。
【請求項１０】
前記サーボ制御手段は、前記第１部材の最大角速度より大きい公称速度のあたりに前記質量部分（２２、２３）の運動速度を変更することができる、
ことを特徴とする請求項９に記載の電気動力発生装置。
【請求項１１】
前記第１部材（２１）から前記アクチュエータ（２１−２２）を支持するハウジング（２０）を回転可能に分離するための手段を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の電気動力発生装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータがモータとして作動するときに前記質量部分（１３、２３）を加速させるように前記アクチュエータを補助するための、前記アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を支持するハウジング（１０、２０）に固定される弾性手段（１７、２７）を有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の電気動力発生装置。
【請求項１３】
移動式の質量部分（１３、２３）は、取り外し可能な方法で前記貯蔵装置（１６、２６）に接続された移動式の端末の少なくとも一部を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の電気動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反対方向における加速度を有するシステムの自然振動運動からの動力の回収に基づいて電気動力を発生させる方法及び装置に関する。自然振動運動システムは、例えば歩行者が運ぶ歩行者の腰に掛けられた前記装置のハウジングである。
【背景技術】
【０００２】
２００５年１０月２日〜６日に香港で開催されたＩＥＥＥの産業応用部門（ＩＡＳ）の年次会合のＣＤＲＯＭ議事録のエム・ルエラン（M.Ruellan）、エス・ツリ（S.Turri）、ハミド・ベン・アハメド（Hamid Ben Ahmed）及びビ・ムルトン（B.Multon）による論文「電磁共鳴発生器」は、永久磁石誘導子が箱に固定され、電機子がばねを減衰させることにより箱に連結された移動式の質量部分に固定される管状構造を有する同期電磁気線形アクチュエータを有する電気動力発生器システムを開示する。電機子は、電気動力貯蔵手段に電気的に接続される。装置の箱は、歩行者の臀部のレベルにおいて運ばれ、該歩行者の運動は実質的に正弦波と考えられる。アクチュエータは、移動式の質量部分に対して受動的であり、再充電のための電気発生器、例えばセル方式の電話のバッテリーなどの例えば電気動力貯蔵手段として作動するのみである。回収される動力は、歩行者の歩みの頻度とともに増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
人体の自然移動などの自然移動において、その振動は低周波である。そのような状態において、前述した論文に従って前記発生器システムによって回収される動力は、非常に低い。従って、歩行者によって臀部において運ばれるそのような電磁気発生器システムを用いて回収される平均動力は、移動式の質量部分が５０ｇで一秒当たり２歩のペースにおいて４０ｍＷより低い。
【０００４】
本発明は、電気動力貯蔵手段に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分の少なくとも一部を構成する第２部材を有するアクチュエータを用いて電気動力を発生させる方法を用いて前述した欠点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そのような方法は、アクチュエータの作動サイクルの一部の間、貯蔵手段を充電する発生器としてアクチュエータを制御するために、第１部材の振動運動に対する質量部分の運動をサーボ制御することを有し、質量部分は、アクチュエータの作動サイクルの別の一部の間、自由に移動する。
【０００６】
第１部材及び第２部材は、例えば、磁石同期回転機械の種類のアクチュエータの周囲の電機子及び中心の誘導子である。大型機械においては、磁石は、電磁石によって取り換えられ得る。
【０００７】
本発明に係るアクチュエータは、例えば携帯用アイテムのバッテリーを再充電するための電気動力を発生させるために設けられ、該アクチュエータは次に、携帯用アイテムのバッテリーに接続される電気動力貯蔵手段を充電するための発生器として作動する。質量部分は次に、アクチュエータの作動サイクルの別の一部の間、自由に移動することができる。
【０００８】
本発明はまた、電気動力貯蔵手段（１６、２６）に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材（１１、２１）及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分（１３、２３）の少なくとも一部を構成する第２部材（１２、２２）を有するアクチュエータ（１１−１２、２１−２２）を用いて電気動力を発生させる方法に関する。
【０００９】
そのような方法は、アクチュエータの作動サイクルの一部の間、貯蔵手段を充電する発生器としてアクチュエータを制御するために、第１部材の振動運動に対する質量部分の運動をサーボ制御することと、アクチュエータ（１１−１２、２１−２２）の作動サイクルの別の一部の間、貯蔵手段によって供給されるモータとしてアクチュエータを制御するために、第１部材の振動運動に対する質量部分の運動をサーボ制御することとを有する点において特有である。
【００１０】
歩行者が運ぶ質量部分を備えたアクチュエータなどの自然振動運動システムからできるだけ多くの電気動力を回収するために、アクチュエータの作動は、アクチュエータの作動サイクルの別の一部が貯蔵手段によって供給されるモータとしてアクチュエータを制御するために第１部材の振動運動に対する質量部分の運動のサーボ制御を含み得るように可逆的である。そのような場合、アクチュエータは、自然振動システムの振動運動を受ける第１部材の振動運動へのサーボ制御の後に、質量部分を加速させるためにモータとして、あるいは質量部分の運動動力を回収するために発生器として作動する。そのようなサーボ制御は、従来技術による受動的アクチュエータを用いたものより、より多くの動力が回収されることを可能にする。
【００１１】
特に、サーボ制御システムは、質量部分の運動速度が第１部材の加速度に連動（slave）させられることを必要とすることが生じ得る。
【００１２】
そのようなサーボ制御によって、本発明の方法は、移動システムからできるだけ多くの動力を引き出すのに役立つと同時に、アクチュエータによって発生させられ得る重量、振動及び騒音のための不快感が歩行者にほとんどないことを確保する。質量部分の偏位（deflection）が大きいほど及び／又は質量部分が受ける加速度が強いほど、自然振動システムの振動運動が一層遅くなるときに回収される動力が高くなる。
【００１３】
前記方法は、例えばセル方式の移動式の端末を供給する小型蓄電池などの電気動力貯蔵手段を再充電するための移動式の質量の人工運動をより迅速に実行することを通じて、本来小さい運動を有するシステムにおいて動力を引き出すのに役立つ。この目的のために、アクチュエータの作動サイクルは、所定の方向と反対側の方向に従った第１部材の加速度の増加の間、所定の方向に従った質量部分の運動速度を増加させるためのモータとしてのアクチュエータの作動段階と、反対側の方向に従った第１部材の加速度の減少の間、所定の方向に従った質量部分の運動速度を減少させるための発生器としてのアクチュエータの作動段階と、所定の方向に従った第１部材の加速度の増加の間、反対側の方向に従った質量部分の運動速度を増加させるためのモータとしてのアクチュエータの作動段階と、所定の方向に従った第１部材の加速度の減少の間、反対側の方向に従った質量部分の運動速度を減少させるための発生器としてのアクチュエータの作動段階とを有し得る。
【００１４】
時間に応じて質量部分の速度のために与えられる変化は、例えば実質的に正弦波、台形、又はハウジングの加速度と同じ種類であり得る。
【００１５】
電気動力貯蔵手段による動力の回収をより良く最適化するために、その方向がどんな方向であっても質量部分の運動速度は、誘導子の加速度の最大絶対値と同期して保持され得る。他の部分において記載されるように、アクチュエータの作動サイクルは、第１部材の加速度が最大値のあたりで変化するときに質量部分の運動速度を増加及び減少させるためのモータとしてのアクチュエータのための作動段階を有し得る。
【００１６】
本発明の目的はまた、電気動力貯蔵手段に電気的に接続され、振動速度運動を受けることができる第１部材及び該第１部材に対して速度について振動することができる質量部分の少なくとも一部を構成する第２部材を有するアクチュエータを含む電気動力発生装置を提供することである。前記装置は、アクチュエータの作動サイクルの一部の間、質量部分の運動を第１部材の振動運動に連動させることによって、貯蔵手段を充電する発生器としてアクチュエータを制御するためのサーボ制御手段を有することを特徴とする。
【００１７】
サーボ制御手段はまた、アクチュエータの作動サイクルの別の一部において、貯蔵手段によって供給されるモータとしてアクチュエータを制御することができる。より少ない電気動力を発生させることができるより経済的な代替形態によれば、アクチュエータが供給されず、質量部分は、アクチュエータの作動サイクルの別の一部の間、自由に移動することができる。
【００１８】
さらに具体的に言えば、サーボ制御手段は、第１部材の加速度を測定するための手段と、質量部分の運動速度を測定するための手段と、質量部分の運動速度を第１部材の加速度に連動させるためにアクチュエータを制御する手段とを有し得る。前記連動させられる手段は、測定された第１部材の加速度と第１部材の位置に応じて可変する設定点に対して測定された質量部分の運動速度とに応じてパラメータを補正するための手段と、アクチュエータから回収される、又はアクチュエータに供給される電気動力の変化を、補正されたパラメータに従って貯蔵手段の端子における電流及び電圧に向かわせるように適合させるための可逆的増幅アンジュレータ（amplifier-undulator）とを有し得る。
【００１９】
質量部分の運動とアクチュエータの種類との種々の組合せは、本発明の装置を実現するのに役立ち得る。第１の実施形態によれば、質量部分の運動は線形である一方、アクチュエータの運動は線形又は回転である。動力が引き出される自然振動は垂直であり得る又は別の方向に従って方向づけられ得る。
【００２０】
第２の実施形態によれば、質量部分の運動は回転であり、アクチュエータは回転する。そのような第２の実施形態では、サーボ制御手段は、より多くの動力を引き出すために、第１部材の最大角速度より大きい公称速度のあたりに質量速度の運動速度を変更することが可能であり得る。この第２の実施形態では、歩行者の快適さを改善するために、アクチュエータの第１部材は、自然振動運動システムに固定され、例えば少なくとも１つのボールベアリングなどの分離手段によって第１部材から回転可能に分離されるハウジングによって支持され得る。
【００２１】
アクチュエータが自然振動運動システムから動力を引き出すように、また装置の小型化を増進するようにより良く役立つために、装置は、アクチュエータがモータとして作動するときに質量部分を加速させるようにアクチュエータを補助するための、アクチュエータを支持するハウジングに固定される弾性手段を有し得る。質量部分と弾性手段のサーボ制御はそのとき、質量部分の運動速度に関連するだけでなく、弾性手段の剛性、及び／又は、例えばアクチュエータの軸に正反対（diametrical）であるロッド上において移動可能であるカウンターウェイトの運動にも関連し得る。
【００２２】
移動する質量部分の慣性モーメントを調節することはまた、回転軸について液体を移動させることを通じて起こることができるのに対し、弾性手段は、圧縮性流体の圧力に作用して調節される剛性を有する圧縮性流体を通じてそれ自体具体化することができる。
【００２３】
本発明の他の特徴及び利点は、対応する添付図面を参照して非制限的な実施例として付与される本発明の幾つかの実施形態についての以下の記載を読むことからより明確に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気動力発生装置の概略軸方向断面図である。
【図２】第１の実施形態の代替形態に係る回転アクチュエータの誘導子のための回転速度サーボ制御システムのブロック図である。
【図３】時間に応じた電気動力発生装置のハウジング及び質量部分の正弦波運動位置、並びにそれらの速度及び加速度に関する６つのグラフを示す図である。
【図４】ハウジングの正弦波加速度に連動させられる本発明に係る前記質量部分の速度の最適変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電気動力発生装置の回転アクチュエータの斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る電気動力発生装置の回転アクチュエータの正面概略図である。
【図７】第２の実施形態に係る電気動力発生装置の軸方向断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る回転アクチュエータの誘導子の回転速度サーボ制御システムのブロック図である。
【図９】図１と類似しているが、第１の実施形態の代替形態に係る圧縮ばねを備えた図である。
【図１０】別の第２の実施形態のための螺旋ばねを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１及び図２を参照すると、本発明の第１の実施形態に係るメカトロニクス電気動力発生装置１は、電磁気アクチュエータ１１−１２、移動式の質量部分１３及び電気回路１４−１６を囲むハウジング１０を含む。電気回路の主要構成要素は、アクチュエータを制御する電子サーボ制御システム１４、可逆的増幅アンジュレータ１５、及び蓄電池又は超コンデンサなどの小型電気動力貯蔵装置１６である。
【００２６】
アクチュエータ１１−１２は可逆的である。サーボ制御システム１４の制御の下で、アクチュエータは、電気動力を、移動式の質量部分１３を付勢する機械動力に変換するための電圧源としての電気動力貯蔵装置１６によって供給されるときに電気モータとして、又は、移動式の質量部分の運動から生じる機械動力を、出力電圧ＶＳを供給することができる貯蔵装置に貯蔵される電気動力に変換するための電気発生器として作動する。
【００２７】
図１に示す実施形態によれば、アクチュエータは同期線形であり、２つの主要部材、すなわちハウジング１０の内部に固定されるコイルを備えた円筒形電機子１１と、電機子１１内において垂直軸方向移動に滑動することができる永久磁石を備えた円筒形誘導子１２とを有する。誘導子１２は、下端部の近くに軸棒１２１を通じて移動式の質量部分１３を支持する。
【００２８】
線形アクチュエータの代替形態によれば、電機子と誘導子の相対位置は反対にすることができる。電機子が中心に位置して軸棒１２１に固定され、増幅アンジュレータ１５にブラシをこすりつけることによって接続される。誘導子は、周囲に位置して電機子を囲む。
【００２９】
図２に示す代替形態によれば、アクチュエータは、永久磁石を備えた円筒形固定電機子１１ａと、電機子１１ａに回転可能に取り付けられるコイル円筒形回転誘導子１２ａと、を含む直流回転機械である。アクチュエータ１１ａ−１２ａの実施例は、図７及び図８を参照してさらに詳細に記載される。この代替形態の質量部分１３ａは、該質量部分に固定される下端部を有するとともに軸棒１２１ａの端部に固定される歯車１２２ａに噛み合うラック１３１ａを用いて、誘導子１２ａの軸棒１２１ａに垂直に移動可能である。
【００３０】
ハウジング１０は、移動システムによって運ばれ、該移動システムから２つの反対の方向に従った加速を受ける。後に記載される実施例によれば、移動システムは、ハウジングを腰に固定して運ぶ歩行者である。ハウジング１０は次に、歩行者の歩みによって発生させられ２つの反対方向に従った加速によって特徴づけられる実質的に垂直な平面における振動運動を受ける。別の実施例によれば、移動システムは、うねりの影響下で横揺れ及び／又は縦揺れから生じる振動運動を受けるボートである。
【００３１】
図１に示す質量部分１３は、例えばバッテリーが電気動力貯蔵装置１６自体の少なくとも一部である移動式のセル方式の端末又はウォークマンの全部又は一部、あるいはキーホルダ又は財布などの何か他の物である。質量部分は、クリップ又はフックと環状に編まれたテープ、あるいは磁石と鉄の種類の軸棒１２１上の留め具を通じてアクチュエータから取り外され得る。
【００３２】
図１に示す実施形態の代替形態によれば、質量部分がメカトロニクス装置の少なくとも非常に重い構成要素によって構成され、ハウジングは逆さまにされ、ハウジング１０、アクチュエータ１１−１２及び電気回路１４−１６を有するアセンブリは、アクチュエータの軸棒１２１によって歩行者の腰から掛けられる。そのとき更なる質量は無用である。そのような代替形態では、加速度計は、アクチュエータの軸棒に固定される。軸棒に対するアクチュエータの速度は、以下にさらに記載されるように測定される。移動式のセル方式の端末又は何か他の物がまた、前述したようにそれをより重くさせるためにハウジングからつるされ得る。
【００３３】
図１では、上方への逆向きの矢印は、ハウジング１０に腰によって及ぼされる保持力ＦＢを示す。下向きに方向づけられた矢印は、アクチュエータの軸棒１２１に及ぼされる質量部分の作用ＦＡを示す。地面Ｓに関連づけられ地面からの高さＨに原点を有する座標系に対するハウジング１０の位置及びハウジングの運動振幅は、ｘ及びＸによって表される。ハウジングに関連づけられた座標系に対する質量部分１３の位置及びハウジング内の質量部分の運動振幅は、ｙ及びＹによって表される。すべての構成要素を備えたハウジングは質量Ｍを有し、移動式の質量部分は質量ｍを有する。
【００３４】
本発明によれば、アクチュエータ１１−１２は、従来技術の受動的発生器を備えたものより、より多くの動力を自動的に引き出すために連動させられる。アクチュエータが、電気発生器として作動する場合、例えば、ハウジング１０は、上向きに加速されて座標ｘは増加し、質量部分１３は、慣性の結果として静止したままである傾向を有して座標ｙは減少する。そのとき発生器は、装置１６に貯蔵され得る電気動力を供給する。
【００３５】
力ＦＡ及びＦＢは、以下の方程式によって与えられる、すなわち、
ＦＡ＝ｍｇ＋（ｍｄ２ｘ／ｄｔ２＋ｍｄ２ｙ／ｄｔ２）、
ＦＢ＝Ｍｇ＋（Ｍ−ｍ）ｄ２ｘ／ｄｔ２＋（ｍｄ２ｘ／ｄｔ２＋ｍｄ２ｙ／ｄｔ２）、
ｇは、重力加速度である。
【００３６】
軸棒１２１を用いてアクチュエータに供給される瞬時動力ＰＡとハウジングが歩行者の腰に固定される位置において歩行者から引き出される瞬時動力ＰＢとは、以下の「力×速度」の積の形式によって表される、すなわち、
ＰＡ（ｔ）＝−ＦＡｄｙ／ｄｔ、
ＰＢ（ｔ）＝ＦＢｄｘ／ｄｔ。
このような動力は、ハウジング内のあらゆる摩擦を除き、運動全てが周期的であるとし、同じ変数ｘ又はｙに依存するこれらの微分積全てが平均してゼロであることを要求すると、同じ平均値Ｐを有する。そのとき前の動力の平均動力は以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝＜ＰＡ＞＝−ｍ＜（ｄ２ｘ／ｄｔ２）（ｄｙ／ｄｔ）＞、
Ｐ＝＜ＰＢ＞＝ｍ＜（ｄ２ｙ／ｄｔ２）（ｄｘ／ｄｔ）＞。
【００３７】
第１の前の方程式は、発生器として作動するアクチュエータに供給される機械動力が歩行者によってハウジングに与えられる垂直加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２及びハウジングに対する質量部分の垂直速度ｄｙ／ｄｔに依存することを表している。ハウジングに与えられる加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２が歩行者に依存することを知っているので、本発明は、ハウジングの加速度に質量部分の速度ｄｙ／ｄｔを連動させる。質量部分の速度を調節するために、電子サーボ制御システム１４は、図２に示すように、速度センサ１４１、加速度計１４２、減算乗算器１４３、補正器１４４及び可逆的増幅アンジュレータ１５を有する。速度センサ１４１は、誘導子１２ａの回転速度、すなわち質量部分１３ａ又は１３に一体化された誘導子１２の移動速度を測定し、それによって質量部分の垂直速度ｄｙ／ｄｔに比例する大きさを検知する。例えば、速度センサは、誘導子の巻線において誘導される電圧又はホール効果を通じてあるいは電気光学セルによってアクチュエータを横切る電圧の関数として誘導子の運動速度を検知する。加速度計１４２は、ハウジング１０に固定されてハウジングの実質的に垂直の加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２を測定する。
【００３８】
本発明に係るハウジングの加速度と質量部分の速度の関係によれば、減算乗算器１４３は、測定されたハウジングの加速度と測定された質量部分の運動速度に応じたパラメータを付与する。減算乗算器は、測定された加速度に、特に加速度と速度の振幅に依存する所定の係数を掛け合わせることによってこのパラメータを得て、測定された垂直速度ｄｙ／ｄｔに比例する大きさにおいてその得られた積を減ずる。補正器１４４は、ハウジングの位置に応じた設定値の値に対して減算乗算器によって供給される差を補正し、補正される差に応じて入力電圧を増幅アンジュレータ１５に適用する。補正される差に応じた入力電圧によれば、増幅アンジュレータは、アクチュエータから回収されるあるいはアクチュエータに供給される電気動力の変化を、貯蔵装置１６を横切る電流及び電圧に向かうように（direct）適合させるために可逆的である。増幅アンジュレータは、アクチュエータが、電圧源として使用される電気貯蔵装置１６を備えた電気モータとして、あるいは貯蔵装置１６を充電する電気動力のための電気発生器として作動するように、動力貯蔵装置１６及びアクチュエータに電流及び電圧を与えるためにアクチュエータ１１−１２に接続される。
【００３９】
静止時に、質量部分１３ａ又は１３は、ハウジングの底面に下ろされ、加速度計がハウジングの運動を検知するときにラック１３１ａ又は軸棒１２１の半ストロークにおいて再び上げられるのみである。代替的に、質量部分は、ハウジングの下部とラック１３１ａ又は軸棒１２１との間に固定された圧縮ばねによって又はハウジングの上部とラック１３１ａ又は軸棒１２１との間に固定された引力ばねによって永久にバランスがとられる。
【００４０】
例えば、モータとして作動するアクチュエータがハウジング内の質量部分に実質的に正弦波の運動を与え、ハウジングが地面Ｓに対して実質的に正弦波のように垂直に移動することが考えられる、すなわち、
ｘ＝Ｘｓｉｎ（２πｆｔ）、
ｙ＝Ｙｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）、
ここで、ｆは実質的に正弦波の運動の周波数、φは平均動力を最大にするために−π／２に等しいそれらの間の位相シフトである。Ｐ＝＜ＰＡ＞において、これは、ハウジングに対する質量部分の速度が地面に対するハウジングの加速度に連動させられることをもたらす。これは、Ｐ＝＜ＰＢ＞に従って、ハウジングに対する質量部分の加速度を地面に対するハウジングの速度に連動させることを行うことをより容易にする。
【００４１】
そのような仮説において、ハウジングの加速度に対する質量部分の速度の依存関係は、以下の通りである、すなわち、
ｄｙ／ｄｔ＝−（Ｙ／２πｆＸ）（ｄ２ｘ／ｄｔ２）。
パラメータｆ及びＸは、測定されたハウジングの加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２から導き出され得る。質量部分の偏位２Ｙは、偏位が大きくなればなるほど回収される動力が大きくなることを考えるとはいえ限定される。
【００４２】
図３は、ハウジング及び質量部分の線形運動が前記のように周期Ｔ＝１／ｆで時間とともに実質的に正弦波であるとされる場合、時間ｔの関数としての座標ｘ及びｙ、並びにそれらの速度及び加速度の漸進的変化を示す。地面Ｓに対するハウジングの位置ｘは、歩行者の運動によって与えられる。ハウジングの速度ｄｘ／ｄｔ及び加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２もまた、歩行者によって与えられる、すなわち、
ｄｘ／ｄｔ＝２πｆＸｃｏｓ（２πｆｔ）、
ｄ２ｘ／ｄｔ２＝−４π２ｆ２Ｘｓｉｎ（２πｆｔ）。
【００４３】
ハウジングに対する質量部分の速度、すなわち、
ｄｙ／ｄｔ＝２πｆＹｃｏｓ（２πｆｔ＋φ）＝２πｆＹｓｉｎ（２πｆｔ）、
は、以下の関係、すなわち、
ｄｙ／ｄｔ＝−（ｄ２ｘ／ｄｔ２）（Ｙ／２πｆＸ）、
に従ってハウジングの加速度ｄ２ｘ／ｄｔ２に連動させられる。ハウジング内の質量部分の位置ｙ及びその加速度ｄ２ｙ／ｄｔ２はそこから生じる。時間０及びＴ／２において、ハウジングの速度ｄｘ／ｄｔは低いけれども最大であり、質量部分の加速度ｄ２ｙ／ｄｔ２は、ハウジングの速度と同じ徴候を備えてそのとき最大であり、従って、装置１は、腰のレベルにおいてかなりの力ＦＢ、それ故にかなりの動力ＰＢを利用することができる。引き出される動力は、アクチュエータの軸棒１２１、１２１ａに瞬時に伝達されず、引き出される動力の一部は最初に運動動力に変換される。
【００４４】
例えば、図３によれば、質量部分の運動速度をハウジングの加速度に連動させるサーボ制御システムは、平均動力＜ＰＡ＞がゼロではなく一周期の間に積ｓｉｎ（２πｆｔ）ｃｏｓ（２πｆｔ＋φ）に依存するとき、４つの四分の一の周期に実質的に相当し、やや等しい継続期間を有する電磁アクチュエータ１１−１２の４つの作動段階を備えたサイクルを有する。半周期Ｔ／２の初めに、アクチュエータは第１に、降下に従った、すなわち質量部分の上昇とは反対側の方向に従ったハウジングの下方へ方向づけられた加速度が増加する間、実質的にそのストロークの中心まで増加する速度で質量部分１３を持ち上げるために、実質的に時間０からＴ／４までの間においてモータとして作動する、すなわち、アクチュエータによって消費される電気動力が質量部分の加速度を減少させるために運動動力に変換される。次に、実質的に時間Ｔ／４からＴ／２までの間において、アクチュエータは、上昇を終わらせる質量部分のますます強くなる制動を通じて電気動力に変換される運動動力を回収するために、下方への方向に従ったハウジングの加速度の減少の間、上方への方向に従った質量部分の速度をますます減少させるための電気発生器として作動する。次の半周期の初めに、実質的に時間Ｔ／２から３Ｔ／４までの間において、質量部分は下に行き、アクチュエータは、上方への方向に従ったハウジングの加速度の増加の間、下方への方向に従った質量部分の速度を増加させるためのモータとして作動する。最後に、実質的に３Ｔ／４からＴまでの間において、発生器として作動するアクチュエータによって及ぼされる上昇を終わらせるますます強くなる質量部分の制動、それ故に上方への方向に従ったハウジングの加速度の減少の間、下方への方向に従った質量部分の速度の減少を通じて質量部分の減速が再び存在する。
【００４５】
動力を自動的に引き出すことは、地面のような固定基準に機械的な接触なしにメカトロニクス装置を移動することを通じて生じる。これは、例えば、ハウジングが歩行者の腰につるされる場合にハウジング内の移動式の質量部分が地面に対して静止したままである傾向を有するような慣性を使用することを正当化する。ハウジングに対する質量部分の相対運動は、動力が十分に引き出される状態にアクチュエータが制御されることを可能にする。
【００４６】
前記に示したように、回収される動力は、ハウジングの加速度に直接関係する速度をアクチュエータの軸に与える間に最大にされる。サーボ制御システムのおかげで、これら２つの大きさは、同相に保持される。生じる不快感の最小化及び／又は回収される動力の最大化及び／又は実施形態の簡単さなどの狙いとされる目的に従って、サーボ制御システムによって質量部分の速度に与えられる変化は、前の実施例のように、実質的に正弦波、又は実質的に台形、あるいはハウジングの加速度と同一の種類のものであり得る。
【００４７】
速度の振幅はハウジング内の質量部分の偏位２Ｙを調節するために決定される。力ＦＡがアクチュエータの軸のレベルに限定される場合、力ＦＢもまた、反応してハウジングの腰への留め具のレベルに限定される。ハウジングの速度が低い場合、そのとき留め具によってハウジングに伝達される機械動力は非常に減少させられる。換言すれば、ハウジングによって引き出される機械動力、従って引き出される電気動力を増加させるために、本発明は、電気動力を回収するために、加速し、その後にばねに掛かっている質量部分などのあらゆる手段なしに質量部分を制動することを考える。
【００４８】
質量部分の大きい偏位２Ｙは、ハウジングの遅い運動からを含む、動力の回収を高める。歩行者によって運ばれる軽い質量部分は、ハウジングの大きさに適合される大きい偏位２Ｙを生じさせる強い加速度が質量部分に与えられるという条件で、かなりの動力が引き出されることに適合する。
【００４９】
前述したように、ハウジング内の質量部分の垂直運動は正弦波以外であり得る。特にエネルギー評価を最適化するために、本発明は、アクチュエータ１１−１２がモータとして作動し、アクチュエータに供給される平均動力＜ＰＡ＞がハウジングの加速度ｄ２ｘ／ｄｔと該加速度に連動させられる質量部分の速度ｄｙ／ｄｔとの積に比例するときに質量部分１３に非常に高い速度を与えるように、実質的に周期Ｔの時間Ｔ／４及び３Ｔ／２においてハウジングの加速度の最大値の利益を最も良くすることを考える。質量部分は次に、ハウジングの加速度が実質的に時間０及びＴ／２のあたりでより小さくなるときに、電気発生器として作動するアクチュエータによって減速させられる。
【００５０】
図４は、周期Ｔより小さい継続期間ΔＴの間の実質的に台形の変化に従った周期Ｔの時間Ｔ／４及び３Ｔ／２のあたりで突然に増加する質量部分の速度ｄｙ／ｄｔを備えた、そのような最適化を示す。その最適化は、補正器１４４を通じて常に質量部分の最大偏位に対応しハウジングの最大加速度に同期した同一振幅Ｙ及び同一継続期間ΔＴである移動式の質量部分の速度「パルス」を発生させる電流設定値を与えるサーボ制御システム１４を通じて達せられる。さらに正確に言えば、アクチュエータ１１−１２は、２つの半周期に対応する作動サイクルの２つの段階を有する。アクチュエータは、ハウジングの加速度の絶対値の増加の間、最大まで上方への方向及び下方への方向に従った質量部分の運動速度を突然増加させるために、実質的に時間（Ｔ／４−ΔＴ／２）からＴ／４までの間及び（３Ｔ／４−ΔＴ／２）から３Ｔ／４までの間に継続期間ΔＴの速度パルスのちょうど初めにモータとして突然作動する。ハウジング内の質量部分の速度はそのとき、速度（ｄｙ／ｄｔ）ｍａｘ＝２Ｙ／ΔＴに達し得る。実質的に時間（Ｔ／４＋ΔＴ／２）から（３Ｔ／４−ΔＴ／２）までの間において、アクチュエータは、ハウジングの加速度の絶対値の減少の間、ゼロへ上方への方向及び下方への方向に従った質量部分の運動速度を減少させるために発生器として突然作動する。速度パルスΔＴの間、アクチュエータは作動せず、質量部分はｙ＝０において静止して保持される。
【００５１】
継続期間ΔＴが周期Ｔより非常に小さいとすると、平均電力はそのとき、以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝＜ＰＡ＞＝（２ΔＴ／Ｔ）ｍ（ｄ２ｘ／ｄｔ２）ｍａｘ（ｄｙ／ｄｔ）ｍａｘ、すなわち、
Ｐ＝（２ΔＴ／Ｔ）ｍ（４π２ｆ２Ｘ）（２Ｙ／ΔＴ）、すなわち、
Ｐ＝１６π２ｍｆ３ＸＹ。
【００５２】
例えば、質量部分が０．２ｋｇの重さを有し、Ｙ＝４ｃｍである偏位振幅で連動させられ、歩行者の腰において運ばれるアクチュエータが振幅Ｘ＝６ｃｍ、周波数ｆ＝２Ｈｚの振動を受けるとすると、移動式の質量部分の速度ピークを備えた最適化が図４に従って行われる場合、回収される動力はほぼＰ＝０．６０５Ｗ程度である。
【００５３】
そのような最適化なしでは、回収される動力は以下の通りである、すなわち、
＜ＰＡ＞＝−ｍ＜（ｄ２ｘ／ｄｔ２）（ｄｙ／ｄｔ）＞、すなわち、
Ｐ＝−ｍ４π２ｆ２Ｘ２πｆＹ（ｓｉｎ（−π／２））／２＝４π３ｍｆ３ＸＹ、すなわち、
Ｐ＝０．４７５Ｗ。
【００５４】
その最適化は、単なる速度サーボ制御システムを備えた実施形態について４／πという係数を得ることができる。
【００５５】
さらに概括的に言えば、質量部分の速度ｄｙ／ｄｔは、時間Ｔ／４及び３Ｔ／２のあたりで非対称的に増加及び減少させることができる。
【００５６】
代替形態を備えた前述したような本発明の第１の実施形態は、例えば移動式のセル方式の端末、有酸素運動タキメータ、又は動物によって運ばれるＧＰＳ位置確認装置などの小型電気アイテムに出力電圧ＶＳを供給するために十分である。
【００５７】
貯蔵装置１６によって消費され得る電気動力を保存するために、加速度計１４２が所定期間ハウジングの運動を検出しないならばアクチュエータ１１−１２及びサーボ制御システム１４に供給しないようにスイッチがその出力において配置され得る。別の代替形態によれば、クロックが、メカトロニクス装置１内に含まれ、速度センサ１４１が質量部分の運動を随意的に検出するように又は加速度計１４２がハウジングの運動を随意的に検出するように、メカトロニクス装置１を起こさせるために各所定期間の満了時に使用される。
【００５８】
機械／電気変換及び電気貯蔵においてさらに多くの電気動力を保存するために、引き出される電気動力の減少に不利益であるが、図３を参照して実質的に時間０からＴ／４までの間と実質的に時間Ｔ／２から３Ｔ／４までの間に及ぶアクチュエータの作動サイクルの一部の間、サーボ制御システム１４はモータとしてアクチュエータ１１−１２をもはや制御しない。前記サイクルのそれらの部分の間、質量部分１２−１３は自由に移動する。サーボ制御システム１４は、実質的に時間Ｔ／４からＴ／２までの間と実質的に時間３Ｔ／４からＴまでの間に及ぶアクチュエータの作動サイクルの別の一部の間、電気動力貯蔵装置１６を充電するための発生器としてアクチュエータを制御するために作動するのみである。
【００５９】
前記説明はまた、自然振動運動が別の方向、例えばボートにおける縦揺れ又は横揺れに従うと考えられる場合に有効である。そのとき質量部分は自然振動を受けるが、その重量の効果は水平にキャンセルすることができ、例えば静止時にバランスをとる必要を取り除くことができる。前記装置のアセンブリは振り子の種類であり得る。
【００６０】
ここで図５及び図６を参照すると、本発明の第２の実施形態に係るメカトロニクス電気動力発生装置２は、本発明の第１の実施形態に係るハウジング１０及び質量部分１３の直線運動に代えて、回転運動で駆動され得るハウジング及び質量部分２３を有する。質量部分２３は、可逆的回転アクチュエータ２１−２２の固定電機子２１に回転可能な回転誘導子２２の軸棒２２１の一端に固定される慣性ホイールを有し得る。代替的には、前記慣性ホイールは、軸棒２２１の一端に固定される直径ロッド（diametrical rod）に固定される又は対称的に自由に滑動することができる、又はサーボ制御システム２４を通じて連動させられるように直径ロッドに対称的に滑動することができる、あるいは、軸棒の端部に固定される別の頂点を有するとともにサーボ制御システム２４を用いて連動させられる変形を有する変形可能な四辺形の２つの反対側の頂点の端部に配置される２つのカウンターウェイトによって取り換えられる。直径ロッドに移動可能なカウンターウェイトを備えた又は変形可能な四辺形を備えた代替形態は、質量部分の慣性モーメントがアクチュエータの作動サイクルの連動させられる段階に応じて調節されることを可能にする。プランジャーシステムはまた、回転軸に対する質量部分の慣性モーメントを調節するための非圧縮性流体を移動することができる。
【００６１】
質量部分２３の偏位２θＹはここでは角度がつけられ、ハウジングの垂直方向の大きさによってもはや限定されない。
【００６２】
図７は、線形アクチュエータより標準的な磁石同期回転機械の形をした、例えば４つの極を備えた可逆的回転電磁アクチュエータを含む本発明に係るメカトロニクス装置の第２の実施形態をさらに詳細に示す。
【００６３】
メカトロニクス装置２は、アクチュエータ２１−２２を収容するハウジング２０、アクチュエータの円筒形回転誘導子２２によって本質的に構成される移動式の質量部分及び電気回路２４−２６を含む。回転誘導子の慣性が不十分である場合、質量部分は、図５に示す慣性ホイール２３などの回転誘導子の軸棒２２１と一体化した小型ホイールによって完成され得る。図７では、ハウジング２０は、例えば歩行者の腰の下に又は脚に固定される垂直の支えの形をして部分的に示される。ハウジング２０は、軟鋼製円筒形バレル２１２の端部に固定される支柱２１１のまわりのボールベアリング２０１を通じて回転配置される。アクチュエータの円筒形固定電機子２１は、円筒形バレル２１２の内部表面に固定され、該円筒形バレルの端部は、閉じられて２つのボールベアリング２１３を用いて回転誘導子２２の軸棒２２１のまわりに回転可能に取り付けられる。円筒形バレル２１２の外部表面は、サーボ制御システム２４、可逆的増幅アンジュレータ２５及び小型電気動力貯蔵装置２６を支持する。固定電機子２１は、回転誘導子２２の急速な回転運動に対して比較的遅い回転運動で駆動される。
【００６４】
円筒形電機子２１の一端は、ボールベアリング２０１によってハウジング２０から回転可能に分離した支柱２１１を支持する。ボールベアリング２１３は、回転電機子２２を回転可能に分離する。そのような分離は、固定電機子が遅い角度振動によって付勢されるのみであるので、回転誘導子の急速な回転のために起こり得る振動からハウジング２０を分離することによって前記装置２を運ぶ歩行者の快適さを改善する。
【００６５】
別の回転アクチュエータによれば、電機子と誘導子の相対位置は反対にすることができる。電機子が中心に位置して軸棒２２１に固定され、増幅アンジュレータ２５にブラシをこすりつけることによって接続される。誘導子は、周囲に位置して円筒形バレル２１２の内部表面に固定される。
【００６６】
図示されていない別の代替形態によれば、メカトロニクス装置の慣性の大部分を利用するために、慣性ホイールは、貯蔵装置２６などの電気回路２４−２６の幾つかの比較的重い構成要素などのメカトロニクス装置の幾つかの構成要素の質量によって、及び／又は
移動式のセル方式の端末が貯蔵装置２６によって出力電圧ＶＳを供給される場合に移動式のセル方式の端末によって取り換えられる。そのような付加質量は、全体の慣性を利用するためにアクチュエータ２１ａ−２２ａ、２１ｂ−２２ｂの軸棒２２１ａ、２２１ｂに固定される。
【００６７】
第２の実施形態では、電気回路２４−２６の反対側の円筒形固定電機子２１を支持する円筒形バレル２１２の端部において、連結アーム２１４は、歩行者によって発生させられる遅い振動運動で駆動され得るように固定され得る。固定電機子２１の円筒形バレル２１２に固定された角速度測定センサは、軸棒２２１に対して直径方向に反対側に２つの小型加速度計２１５を有する。加速度計２１５は、ハウジングが歩行者の脚から垂れ下げられる場合、地面に実質的に平行な加速度測定感受性方向に従って反対側の加速度を測定することができる。
【００６８】
アクチュエータ２１−２２を制御するための図８に示す電子サーボ制御システム２４は、第１の実施形態に係るサーボ制御システム１４と同様である。電子サーボ制御システム２４は、図２に示す第１の実施形態と同様に、誘導子２１の角回転速度を測定する速度センサ２４１と、制御回路２４３−２４４−２５の差動入力に接続される二重加速度計センサ２４２とを含む。固定電機子２１の角加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２と回転誘導子２２を本質的に有する質量部分の角速度ｄθｙ／ｄｔとに関する関係に応じて、制御回路内の補正器２４４は、減算乗算器２４３から、一方では、測定された角加速度と特に角加速度及び角速度の振幅に依存する所定の係数との積と、他方では、角速度ｄθｙ／ｄｔに比例する大きさとの間の差を補正し、得られる差をハウジングの角度位置θｘに依存する設定値の値と比較する。比較の結果は、アクチュエータが電圧源として使用される電気動力貯蔵装置２６を備えたモータとして又は貯蔵装置１６を電気的に充電するための発生器として作動するようにアクチュエータに電流及び電圧を与えるために、電気動力貯蔵装置２６に接続される増幅アンジュレータ２５に入力電圧を適用するために使用される。
【００６９】
例えば、メカトロニクス装置２は、歩行者の手首又は大腿部において運ばれ得る、又はボートに固定され得る。
【００７０】
第１の実施形態の場合のように、貯蔵装置２６によって消費され得る電気動力を保存するために、電気回路２４−２６の供給は、二重加速度計センサ２４２が所定期間ハウジングのあらゆる運動を検出しないならばアクチュエータ２１−２２及びサーボ制御システム２４に供給しないようにスイッチによって手動で切断され得る。
【００７１】
メカトロニクス装置２の作動原理は、第１の実施形態に係るメカトロニクス装置１の作動原理と本質的に同様であり、線形速度を角回転速度に対応させ、線形加速度を角回転加速度に対応させる。少なくともボールベアリング２０１によって与えられる固定電機子２１に対するハウジング２０の機械的な分離を用いて、固定電機子は、機械動力が回収される歩行者などの移動システムの自然運動によって駆動される。前記システムの運動は、歩行者の大腿骨頸のまわり、又は歩行者の手首のレベルにおいて、又は横揺れ及び／又は縦揺れを受けるボートにおける場合のような回転成分を有する。固定電機子２１の自然振動によって回収される動力は、固定電機子の角加速度と直接関係する角速度を回転誘導子２２によって構成される回転する質量部分に与えることによって最大にされる。しかしながら、第２の実施形態では、回転誘導子２２の自己の角速度は、ハウジング２０の大きさの制約によってもはや限定されず、最大動力が回収される固定誘導子２１の小さい角速度に比べて大きくなり得る。
【００７２】
図６では、三角方向（trigonometric direction）に従って方向づけられた矢印は、歩行者の体によって固定電機子に及ぼされるトルク抵抗ＣＢを示す。反対側の三角方向に従って方向づけられた矢印は、アクチュエータの軸棒２２１に及ぼされる慣性ホイール２３及び回転誘導子２２の作用ＣＡを示す。例えば地面に関連づけられた垂直線Ｖに対する固定電機子２１の角度位置及び固定電機子の回転運動の角度振幅は、θｘ及びθＸによって表される。固定電機子の半径Ｒに関連づけられた基準系に対する質量部分の角度位置及びハウジング内の質量部分の回転運動の振幅は、θｙ及びθＹによって表される。ハウジング及びすべての構成要素を備えた装置２は全慣性モーメントＪを有し、特に回転電機子２２、軸棒２２１及び随意的に慣性ホイール２３を有する全体の移動式の質量部分２２−２３は慣性モーメントｊを有する。
【００７３】
質量部分２２−２３が同時に回転している間に、ハウジングが回転運動を受ける場合、トルクＣＡ及びＣＢが、以下の方程式によって与えられる、すなわち、
ＣＡ＝ｊｄ２θｘ／ｄｔ２＋ｊｄ２θｙ／ｄｔ２、
ＣＢ＝（Ｊ−ｊ）ｄ２θｘ／ｄｔ２＋ＣＡ＝Ｊｄ２θｘ／ｄｔ２＋ｊｄ２θｙ／ｄｔ２。
【００７４】
軸棒２２１を用いてアクチュエータ２１−２２に供給される瞬時動力ＰＡと歩行者の脚へのハウジングのためのフック位置において歩行者から引き出される瞬時動力ＰＢとは、以下の「トルク×角速度」の形式の積によって表される、すなわち、
ＰＡ（ｔ）＝−ＣＡｄθｙ／ｄｔ、
ＰＢ（ｔ）＝ＣＢｄθｘ／ｄｔ。
このような動力は、ハウジング内の摩擦を除き、回転全てが周期的であるとし、同じ変数θｘ又はθｙに依存するこれらの微分積全てが平均してゼロであることを与えると、同じ平均値Ｐを有する。そのとき前の動力の平均動力は、以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝＜ＰＡ＞＝−ｊ＜（ｄ２θｘ／ｄｔ２）（ｄθｙ／ｄｔ）＞、
Ｐ＝＜ＰＢ＞＝ｊ＜（ｄ２θｙ／ｄｔ２）（ｄθｘ／ｄｔ）＞。
【００７５】
第１の前の関係は、発生器として作動するアクチュエータに供給される機械動力が歩行者によって固定電機子に与えられる角加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２及び固定電機子に対する質量部分の角速度ｄθｙ／ｄｔに依存することを表している。固定電機子に与えられる加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２が歩行者に依存することを知っているので、本発明は、固定電機子の加速度に質量部分の速度ｄθｙ／ｄｔを連動させる。固定電機子の角加速度の小さい変化において、回転誘導子、従って質量部分の速度が大きくなればなるほど、回収される動力の量が大きくなる。固定電機子の角加速度における質量部分の角速度の調節は、図２に関連して記載したように、図８に示す電子サーボ制御システム２４によって付与される。
【００７６】
例えば、モータとして作動するアクチュエータ２１−２２が固定電機子内の質量部分２２−２３に時間の関数として実質的に正弦波の回転を与え、固定電機子が地面に対して実質的に正弦波の回転に従って交互に移動することが考えられる、すなわち、
θｘ＝θＸｓｉｎ（２πｆｔ）、
θｙ＝θＹｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）、
ここで、ｆは実質的に正弦波の運動の周波数、φは平均動力Ｐを最大にするために−π／２に等しいそれらの間の位相シフトである。Ｐ＝＜ＰＡ＞において、これは、固定電機子に対する質量部分の角速度が固定電機子の角加速度に連動させられることをもたらし、それは、質量部分の角加速度をＰ＝＜ＰＢ＞に従って固定電機子の角速度に連動させることを行うことをより容易にする。
【００７７】
これらの仮説を用いて、センサ２４２から離れて十分に間隔をあけて配置される２つの加速度計２１５によって測定され得る固定電機子の角加速度、すなわち、
ｄ２θｘ／ｄｔ２＝−４π２ｆ２θＸｓｉｎ（２πｆｔ）
に対する質量部分の角速度、すなわち、
ｄθｙ／ｄｔ＝２πｆθＹｃｏｓ（２πｆｔ−π／２）＝２πｆθＹｓｉｎ（２πｆｔ）
の依存関係は、以下の通りである、すなわち、
ｄθｙ／ｄｔ＝−（θＹ／２πｆθＸ）（ｄ２θｘ／ｄｔ２）。
パラメータｆ及びθｘは、測定された固定電機子の加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２から導き出され得る。質量部分の振幅θＹは、ハウジングの大きさによってもはや限定されない。
【００７８】
そのとき平均動力は、以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝＜ＰＡ＞＝−ｊ＜（ｄ２θｘ／ｄｔ２）（ｄθｙ／ｄｔ）＞＝＜ＰＢ＞、すなわち、
Ｐ＝−ｊ（−４π２ｆ２θＸ）（２πｆθＹ）／２＝４π３ｊｆ３θＸθＹ
【００７９】
図３はまた、固定電機子及び質量部分の回転が周期Ｔ＝１／ｆで時間とともに実質的に正弦波であるとされる場合、時間ｔの関数としての角度位置θｘ及びθｙ、並びにそれらの速度及び加速度の漸進的変化を示す。垂直線Ｖに対する固定電機子の角度位置θｘは、歩行者の運動によって与えられる。固定電機子の速度ｄθｘ／ｄｔ及び加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２もまた、歩行者によって与えられる、すなわち、
ｄθｘ／ｄｔ＝２πｆθＸｃｏｓ（２πｆｔ）、
ｄ２θｘ／ｄｔ２＝−４π２ｆ２θＸｓｉｎ（２πｆｔ）。
【００８０】
固定誘導子に対する質量部分の角速度、すなわち、
ｄθｙ／ｄｔ＝２πｆθＹｃｏｓ（２πｆｔ＋φ）＝２πｆθＹｓｉｎ（２πｆｔ）
は、以下の関係、すなわち、
ｄθｙ／ｄｔ＝−（θＹ／２πｆθＸ）（ｄ２θｘ／ｄｔ２）
に従って固定電機子の角加速度に連動制御させられる。ハウジング内の質量部分の角度位置θｙ及びその加速度ｄ２θｙ／ｄｔ２はそこから生じる。時間０及びＴ／２において、固定誘導子の角速度ｄθｘ／ｄｔは低いけれども最大であり、質量部分の角加速度ｄ２θｙ／ｄｔ２は固定誘導子の速度と同じ徴候を備えてそのとき最大となり、従って、装置２は、高いトルクＣＢを利用することができ、これは、脚のレベルにおいてかなりの動力ＰＢである。引き出される動力は、アクチュエータの軸棒２２１に瞬時に伝達されず、引き出される動力の一部は最初に運動動力に変換される。
【００８１】
例えば、図３によれば、半周期Ｔ／２の間、アクチュエータ２１−２２は、固定誘導子の角加速度が反対側の三角方向に従って増加する間、半径Ｒまで実質的に増加する角速度で三角方向に従って質量部分２２−２３を回転するために、実質的に時間０からＴ／４までの間においてモータとして作動し、アクチュエータによって消費される電気動力は、質量部分の加速度を減少させるために運動動力に変換される。次に、実質的に時間Ｔ／４からＴ／２までの間において、アクチュエータは、固定電機子の角加速度が反対側の三角方向に従って減少する間、三角方向に従った角速度が減少する質量部分を減速させることによって運動動力を回収するために電気発生器として作動する。次の半周期の間、実質的に時間Ｔ／２からＴまでの間、質量部分は、反対側の三角方向に従って回転し、三角方向に従った角加速度の増加の間、モータとして作動するアクチュエータによる質量部分の角速度の増加が再び存在し、次に三角方向に従った固定誘導子の角加速度の減少の間、アクチュエータによる減速を通じて質量部分の角速度の減少が存在する。
【００８２】
従って、各歩行者の歩みの間、アクチュエータ２１−２２は、両方の回転方向に作動する、すなわち、一方でアクチュエータはその運動を加速し、従って電気動力を消費し、他方で電気動力を回収し、従って運動を減速させる。アクチュエータの運動は、歩行者が抵抗を感じるように歩行者の運動に同期され、幾つかの機械動力の徴候が歩行者の運動から回収され、アクチュエータによって変換され、電気回路を用いて電気動力貯蔵装置２６に伝達される。そのような動力は、質量部分２２−２３が動力を一時的に貯蔵するので貯蔵装置に瞬時に伝達されない。運動及びその分解（resolution）を前述した方程式に変換することは、電気動力又はアクチュエータのレベルにある機械動力が平均値より絶対値において非常に高くなり得る２つの極値の間で振動することを示し、平均値は、貯蔵装置が再充電されることを確保する。
【００８３】
定性的に、歩行者が十分な動力を得るためにかなりの尽力を感じることが要求されるので、アクチュエータ２１−２２は、歩行者の運動が比較的長く、腰のレベルにおいて脚の回転が遅い角速度を有するとき質量部分２２−２３を突然に加速及び減速する。
【００８４】
既に指摘したように、回収される動力はすべて、質量部分の角速度が大きく、従って角速度の変化が小さいときより大きい。本発明に係るアクチュエータの作動の代替形態はそのとき、固定誘導子の最大角速度より実質的に非常に大きい、大きい公称角速度で質量部分２２−２３を回転駆動させることと、この公称角速度のあたりの質量部分の角速度ｄθｙ／ｄｔを変更することとを有する。この代替形態は、例えば貯蔵装置２６の平均電圧より大きい、大きい平均電圧で電気回路２４−２６を作動し、質量部分及び歩行者の間の大きい慣性連結を永久に有するという利点を有する。
【００８５】
代替的に、サーボ制御システムは、質量部分の最大角速度が、ただ１つの歩みに代えて幾つかの歩行者の歩みにおいて達せられるようであり得る。
【００８６】
ハウジング２０内の質量部分２２−２３の運動は、正弦波以外であり得る。特にエネルギー評価を最適化するために、本発明は、アクチュエータがモータとして作動し、アクチュエータ２１−２２に供給される平均動力＜ＰＡ＞が、固定電機子の加速度ｄ２θｘ／ｄｔ２と該加速度に連動させられる質量部分の速度ｄθｙ／ｄｔの積に比例するときに、非常に高い速度を質量部分に突然に与えるように、実質的に周期Ｔの時間Ｔ／４及び３Ｔ／２において固定電機子の加速度の最大値の利益を最も良くすることを考える。質量部分は次に、固定電機子の加速度が絶対値において減少するときに電気発生器として作動するアクチュエータによって減速させられる。
【００８７】
しかしながら、第２の実施形態では、ハウジング内の運動における質量部分の偏位に関する制約がもはや存在しない。その結果、時間間隔ΔＴはもはやこのように限定されず、固定誘導子の最も低い加速度の利益をとるために半周期Ｔ／２に随意的に達することができる。
【００８８】
図４はまた、周期Ｔより短い継続期間ΔＴにおいて対称的な増加及び減少を有する実質的に台形の変化に従った周期Ｔの時間Ｔ／４及び３Ｔ／２のあたりで突然に増加する質量部分の角速度ｄθｙ／ｄｔを備えた最適化の実施例を示す。その最適化は、補正器２４４を通じて常に質量部分の最大偏位に対応しハウジングの最大加速度に同期した同一振幅Ｙ及び同一継続期間ΔＴである移動式の質量部分の速度「パルス」を発生させる電流設定値を与えるサーボ制御システム２４を用いて達せられる。
【００８９】
継続期間ΔＴが半周期Ｔ／２に実質的に等しいとすると、平均電力はそのとき、以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝＜ＰＡ＞＝（２／π）ｊ（ｄ２θｘ／ｄｔ２）ｍａｘ（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘ、すなわち、
Ｐ＝（２／π）ｊ（４π２ｆ２θＸ）（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘ、すなわち、
Ｐ＝８πｊｆ２θＸ（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘ。
【００９０】
例えば、第１の実施形態の実施例のように、ｍ＝０．２ｋｇの同じ質量部分であるが、
半径ｒ＝４ｃｍのリングなどの多少小型の中空円筒形バレルの形をし、質量部分の慣性モーメントがｊ＝ｍｒ２＝０．０００３２ｋｇｍ２、最大角速度（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘが１０，０００ｒｐｍ、すなわち１０４７ｒｄ／ｓを有し、歩行者の腰において運ばれるアクチュエータ２１−２２が振幅θＸ＝０．３５ｒｄ及び周波数ｆ＝１Ｈｚの振動を受けると、質量部分の速度が正弦波形状の固定電機子の加速度に連動させられる場合、回収され得る最大動力は３Ｗである。
【００９１】
移動式の質量部分の速度ピークを備えたそのような最適化なしでは、技術的理由のために、質量部分２２−２３の振幅θＹがハウジング２０の大きさによってもはや限定されないとき、移動式の質量部分の角回転速度を最大値（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘに限定することが好ましい。従って、振幅θＹは、最大速度、すなわちθＹ＝（１／２πｆ）（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘに依存する。そのとき回収される動力は、以下のようになる、すなわち、
Ｐ＝４π３ｊｆ３θＸθＹ＝４π３ｊｆ３θＸ（（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘ／２πｆ）、
Ｐ＝２π２ｊｆ２θＸ（ｄθｙ／ｄｔ）ｍａｘ、すなわち、
Ｐ＝２．３Ｗ。
【００９２】
その最適化は、単なる速度サーボ制御を備えた実施形態について４／πという係数を得ることができる。
【００９３】
代替的には、質量部分の角速度の変化が時間Ｔ／４及び３Ｔ／２のあたりで非対称である。
【００９４】
また別の代替形態によれば、サーボ制御システムは、回転アクチュエータの作動サイクルが、特に質量部分の最大角速度に達するための多数の歩みが質量部分の最小角速度に達するための多数の歩みとは異なる非対称な方法で、幾つかの歩行者の歩みに及んでいるようであり得る。
【００９５】
別の実施例によれば、質量ｍを有する質量部分２３は、半径ｒを有する回転ディスクの形をしている。慣性モーメントｊ＝ｍｒ２／２及び角速度（ｄθｙ／ｄｔ）を備えた回転電機子の全運動動力は、以下のとおりである、すなわち
Ｅ＝ｊ（ｄθｙ／ｄｔ）２／２。
【００９６】
角速度の変化は、動力を引き出すために固定電機子の遅い駆動運動との相互作用を通じた動力の変化及び貯蔵装置２６に動力を戻すための反対側の変化を引き起こす、すなわち、
Ｐ＝ｄＥ／ｄｔ＝ｊ（ｄθｙ／ｄｔ）（ｄ２θｙ／ｄｔ２）。
従って、小さい角速度変化において、回収される動力はすべて質量部分の角速度が高いときにより高くなる。
【００９７】
回転ディスクの２つの角速度の間の動力変化は、２つの動力状態の間の経路から独立した２つの動力状態の間において、
ΔＥ＝ｊ（（ｄθｙ／ｄｔ）１２−（ｄθｙ／ｄｔ）２２）／２
によって規定される。
【００９８】
そのとき本発明に係るアクチュエータの作動の代替形態は、大きい公称角速度において質量部分２２−２３を回転駆動させることと、そのような公称角速度のあたりで質量部分の角速度ｄθｙ／ｄｔを変更することとを有する。そのような代替形態は、貯蔵装置２６の平均電圧より高い、高い平均電圧で電気回路２４−２６を作動することと、例えば、質量部分とアクチュエータとの間の大きい慣性連結を永久に有することという利点を有する。
【００９９】
例えば、回転ディスクの角速度が（ｄθｙ／ｄｔ）１＝８０００ｒｐｍから（ｄθｙ／ｄｔ）２＝６０００ｒｐｍまでの間で変化するとき、質量ｍ＝０．０５ｋｇ及び半径ｒ＝０．０３ｍを有する回転ディスクによって得られる慣性は、ΔＥ＝３．３Ｊである。脚の加速／減速の継続期間が約１秒で、損失を除く平均機械動力Ｅ／Ｔはそのとき、Ｐ＝３．５Ｗである。
【０１００】
引き出される動力の限界はまた、使用者である歩行者の快適さに依存する。その反力は、脚においてあまり大きくなく且つ規則的でない必要があり、また克服される重要なジャイロ力があまりない必要がある。実際的には、本発明に係る２つのメカトロニクス装置は、体の両側に対称に配置される。そのとき回収される動力は、移動式のセル方式の端末の少なくとも一部を再充電するのに十分であるワットのオーダーである。
【０１０１】
その最適化に反して、電気動力貯蔵装置２６による電気動力の消費を回避するために、またサーボ制御システムを簡単にするために、サーボ制御システム２４は、図３に関して実質的に時間０からＴ／４までの間及び実質的に時間Ｔ／２から３Ｔ／４までの間に及ぶアクチュエータの作動サイクルの一部の間、モータとしてアクチュエータ２１−２２をもはや制御しない。前記サイクルのそれらの部分の間、質量部分２２−２３は自由に移動する。サーボ制御システム２４は、実質的に時間Ｔ／４からＴ／２までの間及び実質的に時間３Ｔ／４からＴまでの間に及ぶアクチュエータの作動サイクルの別の一部の間、電気動力貯蔵装置２６に取り込むための発生器としてアクチュエータを制御するために作動するのみである。
【０１０２】
本発明の第１及び第２の実施形態の代替形態によれば、特にアクチュエータがモータとして作動するとき、質量部分を加速するために、アクチュエータを補助するためのばねなどの弾性手段がハウジングと質量部分との間に導入される。
【０１０３】
第１の実施形態のための図９に示すように、圧縮螺旋ばね１７は、ハウジング１０の底面１０１及び質量部分１３に連結される端部を有する。質量部分１３は、例えばハウジング１０１の底面に深く下（ｙ＜０）にある場合、質量部分は、図３において０からＴ／４までの四分の一の周期に示されるように、上部まで多かれ少なかれ完全に加速されることとなる。質量部分が下向きであるときに圧縮されるばね１７は、質量部分が減速させられる前に最大速度に達するまで重力に逆らって質量部分を上向きに押すために弱められる。代替的に、別の圧縮螺旋ばねは、ハウジング１０の上部及び質量部分に連結される端部を有する。
【０１０４】
第２の実施形態において、弾性手段は、図１０に示すように、周囲の端部２７１がハウジング２０に固定され、中心の端部２７２が回転誘導子２２の軸棒２２１のまわりに固定される螺旋ばね２７からなる。回転誘導子が両方向に非常に多くの回転を行うと考えられる場合、ばねとアクチュエータとの間に非増加（demultiplication）が導入される。最後の螺旋に半径方向のカーソルを備えた剛性調節手段２７３は、ばね２７の剛性を歩行者に応じて多かれ少なかれ調節することができる。
【０１０５】
ばねは、固定電機子に与えられる運動の周波数が質量部分及びばねアセンブリの自己の振動周波数からあまり外れないという条件の下に、アクチュエータの重量及び容積を大幅に低減する。幾つかの適用において、ばねの剛性を調節するためのカーソル２７３などの手段は、できる限りそれらの周波数を適合させるために使用される。
【０１０６】
代替形態によれば、螺旋ばねは、軸棒２２１のまわりに反対側にねじれて配置される螺旋ばねによって完成される、又は軸棒２２１の一端のまわりに配置される反対側の軸ねじりを有する１つの圧縮螺旋ばねあるいは２つの圧縮螺旋ばねによって取り換えられる。
【０１０７】
サーボ制御システムはまた、１つ又は２つのばねなどの弾性手段の剛性に関連し得る。
【０１０８】
実施例として、以下の大きさにおいて、すなわち、回転誘導子の巻線の銅の抵抗率がρ＝１．８×１０−８Ωｍ、回転誘導子の平均半径が４ｃｍ、アクチュエータの磁気誘導が１．５Ｔ、ｆ＝１Ｈｚあたりの固定電機子の角運動において回収される電気動力が２．３Ｗ、銅の損失が約０．２３Ｗ、０．９Ｈｚから１．１Ｈｚの範囲においてばねなしの駆動トルク２．３ｍＮに代えてばねを用いた駆動トルクが０．４４ｍＮにおいて、２．１ｃｍ３及び約２０ｇの銅が、ばねのない実施形態のための５７．５ｃｍ３及び５５０ｇの銅に代えて、ばねを用いた実施形態のために得られる。回収される等しい動力において、ばねを備えた実施形態は、はるかに経済的で、さらに小型化することができる。
【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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【国際調査報告】
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