JP2000079900A - Orbit generating device and simulated weightless condition generating device - Google Patents

Orbit generating device and simulated weightless condition generating device

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JP2000079900A
JP2000079900A JP10268449A JP26844998A JP2000079900A JP 2000079900 A JP2000079900 A JP 2000079900A JP 10268449 A JP10268449 A JP 10268449A JP 26844998 A JP26844998 A JP 26844998A JP 2000079900 A JP2000079900 A JP 2000079900A
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隆治 広江
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毅 木下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To generate the uniform rotating orbit by executing the calculation of orbit for mathematically certifying the uniformity of orbit of a point moving on a spherical surface, arbitrarily setting a period for obtaining the continuous change of angular speed and the uniform orbit, and arbitrarily setting the density of the rotating orbit. SOLUTION: A 3D clinostat as an experiment machine used in the bio- experiment disperses a sample in the gravity direction by biaxially rotating the same, so that the gravity is uniformly applied to all the sample in time average. The rotating orbit of the 3D clinostat needs the uniformity of gravity, and the continuity of angular speed. By applying the orbit generated by an orbit generating method to a rotating angle of the 3D clinostat, the uniformity of orbit and the continuity of angular speed can be ensured, and the characteristic of the rotating orbit necessary for the 3D clinostat can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば試料の2軸
周りの回転により試料に対する重力方向を時間平均で0
にする実験装置である3Dクリノスタットに対して、そ
の回転軌道の生成に適用可能な軌道生成装置、及び主に
生物の成長に係る試験に用いられる擬似無重力状態生成
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of rotating a sample around its two axes so that the direction of gravity with respect to the sample becomes zero on a time average.
The present invention relates to a trajectory generator applicable to the generation of a rotational trajectory for a 3D clinostat, which is an experimental device to be used, and a pseudo zero-gravity state generator mainly used for a test relating to the growth of living organisms.

【0002】[0002]

【従来の技術】(第1の従来の技術)従来では、一様な
回転軌道を生成する場合、回転角速度をランダムに変え
る方法、または目標回転角度をランダムに選ぶ方法のい
ずれかを選ぶことが一般的であった。具体的には、回転
角速度をランダムに変える場合には、2軸周りの回転の
角速度それぞれについて、一定時間毎にランダムに変化
させる。また、目標回転角度をランダムに選ぶ場合に
は、ある時刻でランダムに選んだ目標回転角度に向かっ
て回転し、目標に到達したときに新たな目標位置(角
度)をランダムに与える。
2. Description of the Related Art (First Prior Art) Conventionally, in order to generate a uniform rotation trajectory, it is necessary to select either a method of randomly changing a rotation angular velocity or a method of randomly selecting a target rotation angle. Was common. More specifically, when the rotation angular velocity is changed at random, each of the rotation angular velocities around the two axes is changed at random every fixed time. When a target rotation angle is randomly selected, the target rotation angle is rotated at a certain time toward a randomly selected target rotation angle, and a new target position (angle) is randomly given when the target rotation angle is reached.

【0003】(第2の従来の技術)また、生物の成長に
は重力が大きな影響を及ぼしており、主に学術的な目的
のために、無重力状態における生物の成長に係る試験が
要望されている。しかしながら、真に無重力状態を得よ
うとするならば、例えばスペースシャトル等の宇宙空間
において成長の試験を行なうことが望ましいが、試験に
要する費用が大きいという問題がある。そのため、地上
で簡便に無重力状態を生成することを可能とし、安価に
試験を行なうことができる擬似無重力状態生成装置が用
いられている。
(Second conventional technique) In addition, gravity has a great influence on the growth of living organisms, and tests for the growth of living organisms in a zero-gravity state have been demanded mainly for academic purposes. I have. However, if a truly weightless state is to be obtained, it is desirable to perform a growth test in space such as a space shuttle, but there is a problem that the cost required for the test is high. For this reason, a pseudo zero-gravity state generating apparatus that can easily generate a zero-gravity state on the ground and can perform a test at low cost is used.

【0004】図13は、従来の擬似無重力状態生成装置
の駆動機構を示す図である。試験の対象となる生物試料
(主に植物細胞)は、ステージ11に取り付けられてい
る。ステージ11の姿勢は、各回転軸が互いに直交する
方向に取り付けられた外側モータ12と内側モータ13
を駆動し、それぞれ外側フレーム2と内側フレーム3を
回転させることにより、自由に決定できる。
FIG. 13 is a diagram showing a driving mechanism of a conventional pseudo zero-gravity state generating device. A biological sample to be tested (mainly plant cells) is attached to the stage 11. The posture of the stage 11 is such that the outer motor 12 and the inner motor 13 are mounted so that the respective rotation axes are orthogonal to each other.
, And rotating the outer frame 2 and the inner frame 3 respectively, can be freely determined.

【0005】図14は、従来の擬似無重力状態生成装置
の制御方式を示す図である。従来の装置では外側モータ
12と内側モータ13は、それぞれ制御器14が出力す
る外側モータ速度指令信号15と内側モータ速度指令信
号16に比例した速度で回転する。制御器14には乱数
発生器7が設けられており、この乱数発生器7は独立な
2個の乱数を発信し、それぞれ外側モータ速度指令信号
15,内側モータ速度指令信号16として利用される。
FIG. 14 is a diagram showing a control method of a conventional pseudo zero-gravity state generating device. In the conventional apparatus, the outer motor 12 and the inner motor 13 rotate at a speed proportional to the outer motor speed command signal 15 and the inner motor speed command signal 16 output by the controller 14, respectively. The controller 14 is provided with a random number generator 7 which transmits two independent random numbers and is used as an outer motor speed command signal 15 and an inner motor speed command signal 16, respectively.

【0006】このように、外側モータ速度指令信号15
と内側モータ速度指令信号16を乱数状に変化させるこ
とにより、山下雅道氏他の論文「3D−クライノスタッ
トとその動作特性」、宇宙生物科学Vol.11,N
o.2(1997)に示されているように、ステージ1
1上では重力の方向が時々刻々変わり、時間的な平均と
して重力の影響が相殺され、擬似的な無重力状態を生成
することができると言われている。
As described above, the outer motor speed command signal 15
And the inside motor speed command signal 16 are changed in a random manner, and the result is described by Masamichi Yamashita et al., "3D-Crinostat and Its Operating Characteristics", Space Biological Science Vol. 11, N
o. 2 (1997), stage 1
On 1, it is said that the direction of gravity changes every moment, and the influence of gravity is canceled out as a temporal average, and a pseudo weightless state can be generated.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】(第1の従来の技術の
問題点)上述した従来の回転角速度をランダムに変える
方法、及び目標回転角度をランダムに選ぶ方法ともに、
ランダムに速度または目標位置を与えるので、軌道が球
面上を一様に分布することを確率的にしか示せず、数学
的に証明することができない。例えば、軌道が一様であ
るか否かを判断するには、実際に軌道を生成して結果を
確認しなければならない。
(Problems of the first prior art) Both the above-mentioned conventional method of randomly changing the rotational angular velocity and the method of randomly selecting a target rotational angle are described below.
Since the velocity or the target position is given at random, it can only be stochastically shown that the trajectory is uniformly distributed on the spherical surface, and cannot be proved mathematically. For example, to determine whether the trajectory is uniform, it is necessary to actually generate the trajectory and check the result.

【0008】また、両方法ともに、そのランダム性から
時間的に不連続な角速度が発生する場合がある。例え
ば、回転角速度をランダムに与える方法の場合には、角
速度を変化させるときに、変化前の角速度と変化後の角
速度で不連続になることがある。また、目標回転角度を
ランダムに選ぶ方法の場合にも、目標回転角度を変化さ
せるときに、変化前の角速度と新たな目標回転角度に向
かうための変化後の角速度とが不連続になることがあ
る。
Further, in both methods, a temporally discontinuous angular velocity may occur due to its randomness. For example, in the case of a method of randomly giving a rotational angular velocity, when the angular velocity is changed, the angular velocity before the change and the angular velocity after the change may be discontinuous. Also, in the case of randomly selecting the target rotation angle, when the target rotation angle is changed, the angular velocity before the change and the angular velocity after the change toward the new target rotation angle may be discontinuous. is there.

【0009】すなわち、生成した回転軌道に沿って具体
的な対象を回転させようとした場合、回転体が完全に剛
でない場合には、時間に対して不連続な角速度により回
転体に振動が生ずる場合がある、という問題がある。
That is, when a specific object is to be rotated along the generated rotation trajectory, and when the rotating body is not completely rigid, the rotating body vibrates due to a discontinuous angular velocity with respect to time. In some cases, there is a problem.

【0010】また、回転させる対象の特性は様々である
ことから、軌道が一様になる時間周期を任意に設定でき
る必要があり、回転軌道の密度も任意に設定できる必要
があるが、上述したランダムな方法ではいずれも設定す
ることができない。
Further, since the characteristics of the object to be rotated are various, it is necessary to arbitrarily set the time period at which the trajectory becomes uniform, and it is necessary to arbitrarily set the density of the rotating trajectory. None can be set in a random way.

【0011】(第2の従来の技術の問題点)上述した従
来法には二つの課題がある。第1の課題は再現性であ
る。擬似無重力状態生成装置は主に植物細胞のように成
長のゆるやかなものを対象とするため、運転期間は通常
1ヶ月以上に及ぶ。1ヶ月程度も運転すると、回転軸受
部の摩擦特性が経時的に増大するため、モータの速度指
令信号15,16と実際のモータ速度との関係が経時的
に変動することは避けられない。
(Problem of the second conventional technique) The above-mentioned conventional method has two problems. The first issue is reproducibility. Since the pseudo-gravity-free state generating device is mainly intended for slow-growing ones such as plant cells, the operation period is usually one month or longer. If the operation is performed for about one month, the friction characteristics of the rotary bearings increase with time, so that the relationship between the motor speed command signals 15 and 16 and the actual motor speed inevitably fluctuates with time.

【0012】よって従来法では、ステージ11の姿勢は
モータ速度指令信号15,16のみにより決まるのでは
なく、摩擦特性にも依存する。ステージ11の姿勢がモ
ータの速度指令信号15,16のみから決まらないとす
ると、ある試験の再試験の目的でその試験と同一のモー
タ速度指令信号15,16の軌道を与えたとしても、摩
擦特性は不確定であるので、ステージ11の姿勢は意図
通りに再現できないという不都合が発生する。
Therefore, in the conventional method, the attitude of the stage 11 is not determined only by the motor speed command signals 15 and 16, but also depends on the friction characteristics. Assuming that the attitude of the stage 11 is not determined only by the motor speed command signals 15 and 16, even if the same trajectory of the motor speed command signals 15 and 16 is given for the purpose of retesting a certain test, the friction characteristics Is indeterminate, so that the posture of the stage 11 cannot be reproduced as intended.

【0013】第2の課題は重力の統計的な偏りである。
従来法では、外側モータ12と内側モータ13の速度を
乱数的に変えていた。乱数的に変える方法では、実験開
始後充分な時間が経過した後には前述した山下雅道氏他
の論文に示されているように、重力方向の影響は時間平
均としてみたときに相殺されるのであるが、例えば試験
期間中の10分程度の短期間に着目した場合には、重力
方向に偏りがあることは避けられない。
The second problem is the statistical bias of gravity.
In the conventional method, the speeds of the outer motor 12 and the inner motor 13 are changed at random. In the method of changing randomly, after a sufficient time has elapsed since the start of the experiment, the influence of the direction of gravity is canceled out as a time average, as shown in the above-mentioned paper by Masamichi Yamashita et al. However, if attention is paid to a short period of time, for example, about 10 minutes during the test period, it is inevitable that there is a bias in the direction of gravity.

【0014】すなわち、生物の成長過程のうちで重力が
決定的に重要な時期がこの偏りに一致した場合には有効
な試験とはならない。試験の質を高めるためには、全試
験期間を例えば10分程度の短期間に分割したときに、
どの期間においても重力方向が均一であることが必要で
あるが、乱数的手法に基づく従来法では実現不可能であ
る。
That is, if the time when gravity is critical in the growth process of an organism matches this bias, it is not an effective test. In order to improve the quality of the test, when the whole test period is divided into short periods, for example, about 10 minutes,
Although it is necessary that the direction of gravity is uniform in any period, it cannot be realized by a conventional method based on a random number method.

【0015】このように、従来法には短期的にみた場合
に不都合がある。さらに、従来法の課題は短期的な偏り
に止まらず、長期的な観点からも問題がある。従来法で
は、重力の時間変均値を均一にすることのみに着目して
いるが、平均値のみの均一化では不充分である。以下に
その例を示す。
As described above, the conventional method has disadvantages in a short term. Furthermore, the problem of the conventional method is not limited to short-term bias, but also has a problem from a long-term viewpoint. In the conventional method, attention is paid only to making the time variation value of gravity uniform, but making uniform only the average value is insufficient. An example is shown below.

【0016】図15に示すように、外側モータ2の回転
軸をx軸に、内側モータ3の回転軸をz軸にとり、外側
モータ2と内側モータ3の基準角度からの回転変位角度
をφとθとする。基準角度は、φについてはz軸が重力
ベクトルと逆向きになるように選定することにする。θ
については基準角度は任意である。ステージ1の重力の
方向と大きさg(以降、重力ベクトルと呼ぶ)はφとθ
から次式で与えられる。
As shown in FIG. 15, the rotation axis of the outer motor 2 is set on the x-axis, the rotation axis of the inner motor 3 is set on the z-axis, and the rotational displacement angle of the outer motor 2 and the inner motor 3 from the reference angle is φ. θ. The reference angle is selected for φ so that the z-axis is opposite to the gravity vector. θ
For, the reference angle is arbitrary. The direction and magnitude g of gravity of the stage 1 (hereinafter referred to as gravity vector) are φ and θ.
Is given by

【0017】[0017]

【数1】 ここで、g0は重力加速度の大きさである。従来法では
重力ベクトルを時間平均的に0とすることを狙ってい
る。例えば、
(Equation 1) Here, g0 is the magnitude of the gravitational acceleration. The conventional method aims to make the gravity vector zero on a time average. For example,

【数2】 という軌道に沿ってモータを回転させると、重力ベクト
ルは、
(Equation 2) When the motor is rotated along the orbit, the gravity vector becomes

【数3】 となる。この平均値を(Equation 3) Becomes This average is

【数4】 と記すと、時刻0からTまでの平均値(Equation 4) Is the average value from time 0 to T

【数5】 は次式となる。(Equation 5) Is given by

【0018】[0018]

【数6】 この例では、重力ベクトルのx成分は常に0であり、x
成分とその他のy,z成分とは明らかに不均一であるの
で、意図するものではないにもかかわらず、重力ベクト
ルの時間平均値を0にするという要求を満たしている。
この問題は、単に重力ベクトルを時間平均的に0とする
のみではなく、重力ベクトルのx,y,z成分の分散を
均一化することにより解決できる。
(Equation 6) In this example, the x component of the gravity vector is always 0, and x
Since the components and the other y and z components are obviously non-uniform, they satisfy the requirement that the time-average value of the gravitational vector be zero, although this is not intended.
This problem can be solved not only by simply setting the gravity vector to 0 on a time average, but also by making the variances of the x, y, and z components of the gravity vector uniform.

【0019】次に、従来法について重力ベクトルの分散
を求める。重力ベクトルのx,y,z成分をそれぞれg
x,gy,gzと記すことにすると、従来法の重力ベク
トルの分散は次式となる。
Next, the variance of the gravity vector is obtained for the conventional method. X, y, z components of the gravity vector
Expressed as x, gy, gz, the variance of the gravity vector in the conventional method is as follows.

【0020】[0020]

【数7】 このように従来法では、重力ベクトルのz成分の分散が
x,y成分のそれと異なるという統計的な偏りがあるこ
とがわかる。
(Equation 7) Thus, it can be seen that the conventional method has a statistical bias that the variance of the z component of the gravity vector is different from that of the x and y components.

【0021】本発明の目的は、球面上を動く点の軌道の
一様性を数学的に証明でき、角速度変化が連続となり、
軌道が一様になる周期を任意に設定でき、回転軌道の密
度を任意に設定できる軌道算出を行なえる軌道生成装置
を提供することにある。
An object of the present invention is to prove mathematically the uniformity of the trajectory of a point moving on a spherical surface, and to have a continuous angular velocity change,
An object of the present invention is to provide a trajectory generation device capable of arbitrarily calculating a trajectory capable of arbitrarily setting a period at which a trajectory becomes uniform and arbitrarily setting a density of a rotating trajectory.

【0022】また本発明の目的は、再現性と重力の統計
的な偏りを改善する擬似無重力状態生成装置を提供する
ことにある。
It is another object of the present invention to provide a pseudo weightless state generating apparatus which improves reproducibility and statistical bias of gravity.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の軌道生成装置及び擬似無重力
状態生成装置は以下の如く構成されている。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems and achieve the object, a trajectory generating device and a pseudo weightless state generating device of the present invention are configured as follows.

【0024】(1)本発明の軌道生成装置は、球面上を
動く点の軌道を生成する軌道生成装置において、前記点
の軌道の一様性を数学的に証明でき、角速度変化が連続
となり、前記軌道が一様になる周期を任意に設定でき、
回転軌道の密度を任意に設定できる軌道算出を行なう算
出手段を備えた。
(1) A trajectory generation device according to the present invention is a trajectory generation device for generating a trajectory of a point moving on a spherical surface, which can mathematically prove the uniformity of the trajectory of the point, and the angular velocity change becomes continuous. The cycle at which the trajectory becomes uniform can be set arbitrarily,
A calculating means for calculating a trajectory capable of arbitrarily setting the density of the rotating trajectory is provided.

【0025】(2)本発明の擬似無重力状態生成装置
は、各回転軸が互いに直交するよう設けられ外側モータ
と内側モータを駆動することで、それぞれ外側フレーム
と内側フレームを回転させることによりステージの姿勢
を決定する擬似無重力状態生成装置において、前記外側
モータの回転角度を検出する外側モータ角度検出手段
と、前記内側モータの回転角度を検出する内側モータ角
度検出手段と、前記外側モータ角度検出手段及び前記内
側モータ角度検出手段の各検出結果を前記外側モータ及
び前記内側モータの各角度指令値に一致するよう補償
し、前記外側モータ及び前記内側モータへ各速度指令信
号として出力する補償手段と、から構成されている。
(2) The pseudo zero-gravity state generating apparatus of the present invention is provided such that the respective rotating shafts are orthogonal to each other, and drives the outer motor and the inner motor to rotate the outer frame and the inner frame, respectively. In the pseudo weightless state generating device that determines a posture, an outer motor angle detector that detects a rotation angle of the outer motor, an inner motor angle detector that detects a rotation angle of the inner motor, the outer motor angle detector, Compensating means for compensating each detection result of the inner motor angle detecting means to match each angle command value of the outer motor and the inner motor, and outputting each speed command signal to the outer motor and the inner motor. It is configured.

【0026】(3)本発明の擬似無重力状態生成装置は
上記(2)に記載の装置であり、かつ前記各角度指令値
を演算する演算手段を備えている。
(3) A pseudo zero-gravity state generating apparatus according to the present invention is the apparatus described in (2) above, and further includes a calculating means for calculating each of the angle command values.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)図1は、本
発明の第1の実施の形態に係る軌道生成装置の概要を示
す図である。本実施の形態の軌道生成装置aでは、上述
した従来技術における、軌道の一様性を数学的に証明で
きないという問題、時間的に不連続な角速度が発生する
という問題、軌道が一様になる周期を任意に設定できな
いという問題、回転軌道の密度を任意に設定できないと
いう問題、以上ランダムな方法では解決できない4つの
問題に対処するために、軌道の算出方法として、軌道の
一様性を数学的に証明でき、角速度変化が連続となり、
軌道が一様になる周期が任意に設定でき、回転軌道の密
度を任意に設定できる軌道算出を行なう。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) FIG. 1 is a diagram showing an outline of a trajectory generating device according to a first embodiment of the present invention. In the trajectory generating apparatus a of the present embodiment, the problem that the uniformity of the trajectory cannot be mathematically proved, the problem that a temporally discontinuous angular velocity is generated, and the trajectory becomes uniform In order to deal with the problem that the period cannot be set arbitrarily, the problem that the density of the rotating trajectory cannot be set arbitrarily, and the four problems that cannot be solved by the above random methods, the trajectory calculation method uses mathematics to calculate the trajectory uniformity. Can be proved that the angular velocity change is continuous,
A trajectory calculation in which the period at which the trajectory becomes uniform can be set arbitrarily and the density of the rotating trajectory can be set arbitrarily.

【0028】軌道生成装置aによる軌道算出方式を数式
で表すと次のようになる。軌道は、下式(1),(2)
のように単位球面上の点pの回転角度(φ,θ)に関す
る微分方程式で表される。
The trajectory calculation method by the trajectory generation device a is expressed by the following equation. The trajectory is given by the following formulas (1) and (2)
Is represented by a differential equation relating to the rotation angle (φ, θ) of the point p on the unit spherical surface.

【0029】[0029]

【数8】 ただし、φ,θの初期値は任意である。(Equation 8) However, the initial values of φ and θ are arbitrary.

【0030】ここで、A、Bは角速度パラメータであ
り、この二つのパラメータ値を調節することで軌道が一
様になる周期を調節できる。例えば、A=2,B=3の
周期はA=4,B=6の周期の2倍になる。ただし、
A:B=n:mとなる最小の整数n,mに対して、2m
/nが整数にならないようにA,Bを選ぶ必要がある。
また、n,mの値を調節することにより回転軌道の密度
を設定できる。例えばn:mは10:11よりも、10
0:111である場合の方が回転密度は大きい。
Here, A and B are angular velocity parameters, and by adjusting these two parameter values, the period at which the trajectory becomes uniform can be adjusted. For example, the period of A = 2, B = 3 is twice the period of A = 4, B = 6. However,
A: 2m for the smallest integer n, m such that B = n: m
It is necessary to select A and B so that / n does not become an integer.
Further, the density of the rotating orbit can be set by adjusting the values of n and m. For example, n: m is 10:11 than 10:11.
The rotation density is higher when 0: 111.

【0031】図2は、本実施の形態に係る座標系を示す
図であり、φ,θは以下のように定義される。直交座標
系でx2 +y2 +z2 =1と表される単位球面上の点p
に対して、点pの位置ベクトルを(xp ,yp ,zp
とするとき、 φ:ベクトル(0,0,1)と点pの位置ベクトルとが
なす角度、 θ:ベクトル(1,0,0)と点pをx−y平面への射
影したときのベクトル(xp ,yp ,0)とがなす角
度、
FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system according to the present embodiment, and φ and θ are defined as follows. A point p on the unit sphere represented by x 2 + y 2 + z 2 = 1 in the rectangular coordinate system
, The position vector of the point p is (x p , y p , z p )
Where φ: the angle between the vector (0, 0, 1) and the position vector of the point p, θ: the vector (1, 0, 0) and the vector when the point p is projected onto the xy plane Angle formed by (x p , y p , 0),

【数9】 である。(Equation 9) It is.

【0032】(1) 角速度の連続性 軌道生成装置aで生成する軌道の角速度が時間に対して
連続であるとは、任意の時刻でφが時間に対して連続で
あり、かつ、任意のφにおいて
(1) Continuity of angular velocity The phrase that the angular velocity of the trajectory generated by the trajectory generator a is continuous with respect to time means that φ is continuous with time at an arbitrary time and that φ is arbitrary. At

【数10】 がφに対して連続であることである。(Equation 10) Is continuous with φ.

【0033】以下、軌道生成装置aで生成する軌道が角
速度の連続性を満たすことを示す。
Hereinafter, it will be shown that the trajectory generated by the trajectory generator a satisfies the continuity of the angular velocity.

【0034】(2) 角速度の連続性の証明(2) Proof of continuity of angular velocity

【数11】 が連続関数であれば、[Equation 11] If is a continuous function,

【数12】 はφの時間微分であることから、φが時間に対して連続
であることは自明である。また、式(1),(2)よ
り、
(Equation 12) Is the time derivative of φ, so it is obvious that φ is continuous with time. From equations (1) and (2),

【数13】 であるので、(Equation 13) So that

【数14】 がφに対して連続であれば、[Equation 14] Is continuous with φ,

【数15】 はφに対して連続である。よって、(Equation 15) Is continuous with φ. Therefore,

【数16】 がφに対して連続であることを示せばよい。(Equation 16) May be shown to be continuous with φ.

【0035】式(1)より、sin(φ)>0のとき、
sin(φ)<0のときは、それぞれ
From equation (1), when sin (φ)> 0,
When sin (φ) <0,

【数17】 はφの連続関数で表わせるので連続である。[Equation 17] Is continuous because it can be represented by a continuous function of φ.

【0036】また、sin(φ)=0においては、以下
のようにsin(φ)=0の両方から
When sin (φ) = 0, both sin (φ) = 0 as follows.

【数18】 の極限が一致するので、(Equation 18) Since the limits of

【数19】 はsin(φ)=0においても連続である。[Equation 19] Is continuous even when sin (φ) = 0.

【0037】[0037]

【数20】 すなわち、(Equation 20) That is,

【数21】 はφに対して連続であり、角速度の連続性が証明でき
た。
(Equation 21) Is continuous with φ, which proves the continuity of the angular velocity.

【0038】(3) 軌道の一様性 軌道の一様性を、直交座標系において単位球面上を動く
点の座標のx,y,z方向毎の時間平均が0になり、か
つx,y,z方向の分散が等しいこととすると、以下の
通りになる。
(3) Uniformity of the trajectory The uniformity of the trajectory is calculated as follows: the coordinates of the points moving on the unit spherical surface in the orthogonal coordinate system have a time average of 0 for each of the x, y, and z directions, and x, y , Z are equal, the following is obtained.

【0039】単位球面(x2 +y2 +z2 =1)上を周
期Tで動く点の座標を(x(t),y(t),z
(t))と表したときに、x(t),y(t),z
(t)の時間平均がそれぞれ0になり、分散がそれぞれ
等しくなる。
The coordinates of a point moving on the unit spherical surface (x 2 + y 2 + z 2 = 1) at a period T are represented by (x (t), y (t), z
(T)), x (t), y (t), z
The time average of (t) becomes 0, and the variances become equal.

【0040】すなわち、That is,

【数22】 となる。(Equation 22) Becomes

【0041】以下、軌道生成装置aにより生成する軌道
が、上記の軌道の一様性を満たすことを証明する。
Hereinafter, it will be proved that the trajectory generated by the trajectory generator a satisfies the above-mentioned trajectory uniformity.

【0042】(4) 軌道の一様性の証明 軌道生成装置aによって生成される軌道の平均、分散を
求めると、以下の様になる。
(4) Proof of Uniformity of Trajectory The average and variance of the trajectory generated by the trajectory generator a are obtained as follows.

【0043】(4-1) x方向平均 単位球上の点が極座標系で(φ,θ)の位置にあると
き、これを直交座標系(x,y,z)に変換すると以下
のようになる。
(4-1) Average in the x direction When a point on the unit sphere is at the position (φ, θ) in the polar coordinate system, this is converted into the rectangular coordinate system (x, y, z) as follows. Become.

【0044】x=cos(θ)・sin(φ) y=sin(θ)・sin(φ) z=cos(θ) 周期Tの間にφが0〜2Nπまで変化する場合を考え
る。時間Tの間にφがどれだけ変化するかは、角速度パ
ラメータAによって任意に決められるので、一般性を失
わない。
X = cos (θ) · sin (φ) y = sin (θ) · sin (φ) z = cos (θ) Consider a case where φ changes from 0 to 2Nπ during the period T. Since how much φ changes during the time T is arbitrarily determined by the angular velocity parameter A, generality is not lost.

【0045】このとき、At this time,

【数23】 より、θ(0)=0とすると、θ=aφである。よっ
て、θは0〜2Naπまで変化する。このとき、Naが
整数になるように、かつ2aが非整数になるようにBを
選ぶ。
(Equation 23) Therefore, if θ (0) = 0, then θ = aφ. Therefore, θ changes from 0 to 2Naπ. At this time, B is selected so that Na is an integer and 2a is a non-integer.

【0046】また、Also,

【数24】 である。(Equation 24) It is.

【0047】[0047]

【数25】 となる。(Equation 25) Becomes

【0048】上式は、The above equation is

【数26】 の線形和の形式である。以下の通り、この形式は2aが
整数でないときは0になる。すなわち、
(Equation 26) In the form of a linear sum of. As shown below, this format is 0 when 2a is not an integer. That is,

【数27】 となる。次に、[Equation 27] Becomes next,

【数28】 を求める。ただし、aに関する条件より整数N,Mに対
して、Na=Mである。
[Equation 28] Ask for. However, Na = M for integers N and M according to the condition regarding a.

【0049】[0049]

【数29】 また、(Equation 29) Also,

【数30】 である。ここで、[Equation 30] It is. here,

【数31】 である。よって、f(2aπ)=Csin(2aπ)=
0 である。
(Equation 31) It is. Therefore, f (2aπ) = Csin (2aπ) =
0.

【0050】このとき、2aが整数でない場合、At this time, when 2a is not an integer,

【数32】 より、C=0、すなわち(Equation 32) From C = 0, that is,

【数33】 である。[Equation 33] It is.

【0051】以上より、整数N,Mに対してNa=Mと
なるaに対して、2aが整数でない場合、
From the above, when 2a is not an integer with respect to a where Na = M for integers N and M,

【数34】 となる。(Equation 34) Becomes

【0052】(4-2) y方向平均 y方向の平均はx方向の平均と同様にして、(4-2) Average in the y direction Average in the y direction is the same as average in the x direction.

【数35】 である。(Equation 35) It is.

【0053】(4-3) z方向平均(4-3) Average in z direction

【数36】 (4-4) x方向分散 x方向の分散V(x)は以下のように1/3になる。[Equation 36] (4-4) X-direction variance The variance V (x) in the x-direction is reduced to 1/3 as follows.

【0054】[0054]

【数37】 ここで、(37) here,

【数38】 これを積分すると、(38) Integrating this gives:

【数39】 となる。[Equation 39] Becomes

【0055】これを上式に代入すると、平均の時と同じ
く、殆どの項が0になり、以下の項が残る。
When this is substituted into the above equation, almost all the terms become 0 as in the case of the average, and the following terms remain.

【0056】[0056]

【数40】 ここで、T=4N/Aなので、V(x)=1/3であ
る。
(Equation 40) Here, since T = 4 N / A, V (x) = 1/3.

【0057】(4-5) y方向分散 y方向の分散はx方向の分散と同様にして、1/3にな
る。
(4-5) Dispersion in the y direction Dispersion in the y direction is reduced to 1/3 in the same manner as dispersion in the x direction.

【0058】(4-6) z方向分散 z方向の分散V(z)は、以下のように1/3になる。(4-6) Z-direction variance The variance V (z) in the z-direction is reduced to 1/3 as follows.

【0059】[0059]

【数41】 (5) 軌道の一様性の周期性 以下のように速度パラメータを設定することで、任意の
周期で一様性を持たせることができる。
[Equation 41] (5) Periodicity of orbit uniformity By setting the velocity parameters as follows, uniformity can be provided at an arbitrary period.

【0060】角速度の式(1)よりφが0からπ/2ま
で変化するのにかかる時間は、以下のように1/Aとな
る。
According to the angular velocity equation (1), the time required for φ to change from 0 to π / 2 is 1 / A as follows.

【0061】[0061]

【数42】 −cos(φ)=At φ=0の時、t0 =−1/A φ=π/2の時、t1 =0 t1 −t0 =1/A よって、対称性より、φが0〜2π(一周)まで変化す
るのにかかる時間は4/Aとなる。これに対して、θは
φのB/A倍の速度で変化するので、θが0〜2π(一
周)まで変化するのにかかる時間は4/Bとなる。よっ
て、周期Tは4/Aと4/Bの最小公倍数の時間とな
り、パラメータA,Bの選び方によって、任意の時間と
することができる。
(Equation 42) -Cos (φ) = At φ = 0, t 0 = −1 / A φ = π / 2, t 1 = 0 t 1 −t 0 = 1 / A Therefore, from the symmetry, φ is 0 The time required to change to 2π (one round) is 4 / A. On the other hand, since θ changes at a speed of B / A times φ, the time required for θ to change from 0 to 2π (one round) is 4 / B. Therefore, the period T is a time of the least common multiple of 4 / A and 4 / B, and can be set to an arbitrary time depending on how the parameters A and B are selected.

【0062】(6) 軌道の密度の任意性 図3,図4,図5は、それぞれパラメータパターン1,
2,3の軌道を示す透視図であり、図3より図4,図4
より図5がより軌道密度の大きい速度パラメータの設定
となっている。パラメータA,Bの比を表す整数n,m
を調整することによって、軌道の密度を調節できる。実
際にはA,Bの値はほぼ同じであるが、A,Bの比がわ
ずかに異なる3つのパターンの場合に軌道を生成した例
を図3,図4,図5に示す。これらの図は、表1に示す
速度パラメータで軌道を生成し、その軌道を、y軸方向
から透視した図である。A:Bの比を表すn,mの値を
大きくすることで、軌道密度を大きくすることができる
ことが分かる。
(6) Arbitrary Arbitrary Density of Trajectory FIGS. 3, 4 and 5 show parameter patterns 1 and 2, respectively.
FIG. 4 is a perspective view showing trajectories 2 and 3, and FIGS.
FIG. 5 shows the setting of the velocity parameter having a higher orbital density. Integers n and m representing the ratio of parameters A and B
By adjusting, the orbital density can be adjusted. Actually, trajectories are generated in the case of three patterns in which the values of A and B are almost the same but the ratios of A and B are slightly different. FIGS. 3, 4 and 5 show examples. In these figures, a trajectory is generated with the velocity parameters shown in Table 1, and the trajectory is seen through in the y-axis direction. It is understood that the orbital density can be increased by increasing the values of n and m representing the ratio of A: B.

【0063】 −表1− パターン A[rad/sec] B[rad/sec] A:B 1(図3) 0.1 0.3 1:3 2(図4) 0.1 0.28 5:14 3(図5) 0.1 0.296 25:74 図6は、上記軌道生成装置aが適用される3Dクリノス
タットの構成を示す図である。本実施の形態では、3D
クリノスタットの回転軌道の生成という具体的な問題に
おいて、軌道生成装置aを用いて3Dクリノスタットに
求められる一様性と連続性を実現した。
Table 1 Pattern A [rad / sec] B [rad / sec] A: B 1 (FIG. 3) 0.1 0.3 1: 3 2 (FIG. 4) 0.1 0.28 5: 143 (FIG. 5) 0.1 0.296 25:74 FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a 3D clinostat to which the trajectory generation device a is applied. In the present embodiment, 3D
Regarding the specific problem of generating the rotation trajectory of the clinostat, the uniformity and continuity required for the 3D clinostat were realized using the trajectory generator a.

【0064】図6に示す3Dクリノスタットは、架台
1、外側フレーム2、内側フレーム3、モーター4,5
から構成されている。内側フレーム3の中心に試料(不
図示)が設置される。外側フレーム2は架台1に取り付
けられたモーター4によって回転し、内側フレーム3は
外側フレーム2に取り付けられたモーター5によって回
転する。
The 3D clinostat shown in FIG. 6 includes a gantry 1, an outer frame 2, an inner frame 3, motors 4 and 5,
It is composed of A sample (not shown) is set at the center of the inner frame 3. The outer frame 2 is rotated by a motor 4 attached to the gantry 1, and the inner frame 3 is rotated by a motor 5 attached to the outer frame 2.

【0065】3Dクリノスタットとは、バイオ実験に用
いられる実験機械である。3Dクリノスタットは、試料
を2軸周りに回転させることで重力方向を分散させ、試
料の全天に対して時間平均で一様に重力がかかるように
することを目的とする。3Dクリノスタットの回転軌道
には、重力の一様性と角速度の連続性が要求される。角
速度が連続でない場合、3Dクリノスタット本体の動特
性により3Dクリノスタット本体が振動を起こしてしま
い、不都合が生じるという問題がある。
The 3D clinostat is an experimental machine used for a biological experiment. The purpose of the 3D clinostat is to disperse the direction of gravity by rotating the sample around two axes so that gravity is uniformly applied to the entire sky of the sample on a time average basis. The rotation trajectory of the 3D clinostat requires uniformity of gravity and continuity of angular velocity. When the angular velocities are not continuous, there is a problem that the 3D clinostat main body vibrates due to the dynamic characteristics of the 3D clinostat main body, which causes a problem.

【0066】これらの問題を、本軌道生成法を3Dクリ
ノスタットに適用することにより解決した。2軸周りの
回転は2軸周りの回転角度で表されるので、この回転角
度が、本軌道生成法で用いた単位球面上の点の位置を表
す角度にそのまま対応する。このことから、本軌道生成
法で生成した軌道を3Dクリノスタットの回転角度に適
用することにより、本軌道の特徴である軌道の一様性、
及び角速度の連続性が保証され、3Dクリノスタットに
求められる回転軌道の特性を得ることができる。実際の
適用においては、デジタル制御が行なわれるため生成軌
道を任意のサンプリング周期でサンプリングすることに
なる。
These problems have been solved by applying the present trajectory generation method to a 3D clinostat. Since the rotation around the two axes is represented by the rotation angle around the two axes, the rotation angle directly corresponds to the angle representing the position of the point on the unit spherical surface used in the present trajectory generation method. From this, by applying the trajectory generated by the trajectory generation method to the rotation angle of the 3D clinostat, the trajectory uniformity, which is a feature of the trajectory,
In addition, the continuity of the angular velocity and the continuity of the angular velocity are guaranteed, and the characteristics of the rotational orbit required for the 3D clinostat can be obtained. In an actual application, the generated trajectory is sampled at an arbitrary sampling period because digital control is performed.

【0067】図7,図8,図9は、本第1の実施の形態
による軌道生成方式を実機に適用し、0.1秒のサンプ
リング周期で軌道をサンプリングした場合の例を示す図
である。図7は、生成された軌道の直交座標系における
各軸方向毎の座標の時間平均の時刻歴を示しており、実
線がx方向平均、破線がy方向平均、一点鎖線がz方向
平均である。図8は、生成された軌道の直交座標系にお
ける各軸方向毎の座標の時間分散の時刻歴を示してお
り、実線がx方向分散、破線がy方向分散、一点鎖線が
z方向分散である。図9は、回転角速度の時刻歴を示し
ており、実線がφ方向角速度、破線がθ方向角速度であ
る。
FIGS. 7, 8, and 9 are diagrams showing examples in which the trajectory generation method according to the first embodiment is applied to a real machine and the trajectory is sampled at a sampling period of 0.1 second. . FIG. 7 shows the time history of the time average of the coordinates for each axis direction in the orthogonal coordinate system of the generated trajectory. The solid line is the average in the x direction, the broken line is the average in the y direction, and the dashed line is the average in the z direction. . FIG. 8 shows the time history of the time variance of the coordinates of each generated axis in the orthogonal coordinate system in the orthogonal coordinate system. The solid line is the variance in the x direction, the broken line is the variance in the y direction, and the dashed line is the variance in the z direction. . FIG. 9 shows the time history of the rotational angular velocities. The solid line indicates the angular velocity in the φ direction, and the broken line indicates the angular velocity in the θ direction.

【0068】図7にx,y,z方向の平均の時刻歴を示
している。周期T(=200秒)で平均が0になってい
ることが分かる。時刻T後も周期T毎に平均は0にな
る。図8にx,y,z方向の分散の時刻歴を示してい
る。周期Tでx,y,zの分散が一致(1/3)してい
ることが分かる。時刻T後も周期T毎に分散は一致す
る。図9に角速度の時刻歴を示している。角速度が時間
に対して連続であることが分かる。
FIG. 7 shows an average time history in the x, y, and z directions. It can be seen that the average is 0 in the period T (= 200 seconds). Even after time T, the average becomes 0 for each cycle T. FIG. 8 shows a time history of dispersion in the x, y, and z directions. It can be seen that the variances of x, y, and z coincide (1/3) in the period T. Even after time T, the variances are identical for each cycle T. FIG. 9 shows the time history of the angular velocity. It can be seen that the angular velocity is continuous over time.

【0069】(第2の実施の形態)図10は、本発明の
第2の実施の形態に係る擬似無重力状態生成装置の駆動
機構26と制御器20の構成を示す図である。本装置で
は、外側モータ12と内側モータ13に外側モータ角度
検出器21と内側モータ角度検出器22が設けられてお
り、それぞれ角度φと角度θを示す信号を発信する。制
御器20では、角度φとθに対応する外側モータ速度指
令信号15と内側モータ速度指令信号16を、それぞれ
積分器23と24で積分し角度指令信号φとθを出
力する。補償器25は、角度指令信号φとθに対す
る実際の角度φとθの偏差δφとδθを入力し、δφ
δθを零にするような外側モータ速度指令信号151と
内側モータ速度指令信号161を発信する。補償器25
では、例えば以下のPID制御の演算式により速度指令
信号vφとvθを計算する。
(Second Embodiment) FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a driving mechanism 26 and a controller 20 of a pseudo weightless state generating apparatus according to a second embodiment of the present invention. In this device, the outer motor 12 and the inner motor 13 are provided with an outer motor angle detector 21 and an inner motor angle detector 22, and transmit signals indicating an angle φ and an angle θ, respectively. Controller 20 integrates outer motor speed command signal 15 and inner motor speed command signal 16 corresponding to angles φ and θ by integrators 23 and 24, respectively, and outputs angle command signals φ r and θ r . Compensator 25 inputs the angle command signal phi r and theta deviation of the actual angle phi and theta for r [delta] phi and [delta] theta, an outer motor speed signal 151, such as to zero [delta] phi and [delta] theta inner The motor speed command signal 161 is transmitted. Compensator 25
Then, for example, the speed command signals and are calculated by the following arithmetic expression of PID control.

【0070】[0070]

【数43】 このように、実際の角度φ,θを計測しそれぞれが指令
角度φ,θに一致するよう制御することにより、モ
ータを指令通りに駆動することができるので、摩擦等の
外乱があっても再現性を得ることが可能になる。
[Equation 43] As described above, by measuring the actual angles φ and θ and controlling them so that they correspond to the command angles φ r and θ r , the motor can be driven as instructed. It is also possible to obtain reproducibility.

【0071】(第3の実施の形態)図11は、本発明の
第3の実施の形態に係る擬似無重力状態生成装置の駆動
機構26と制御器27の構成を示す図である。図11に
おいて図10と同一な部分には同一符号を付してその説
明を省略する。
(Third Embodiment) FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a driving mechanism 26 and a controller 27 of a pseudo weightless state generating apparatus according to a third embodiment of the present invention. 11, the same parts as those in FIG. 10 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0072】制御器27では軌道計算部28において、
ステージ11の重力ベクトルのx,y,z軸成分に統計
的に偏りが発生しないような外側モータ12の角度指令
信号φと内側モータ13の角度指令信号θとを計算
し出力する。補償器25は、角度指令信号φとθ
対応する実際の角度の偏差δφとδθを入力し、δφ
δθを零にするような外側モータ速度指令信号152と
内側モータ速度指令信号162を発信する。
In the controller 27, in the trajectory calculation unit 28,
X gravity vector of the stage 11, y, statistically bias in the z-axis component of the angle command signal theta r calculated output of the angle command signal phi r and the inner motor 13 of the outer motor 12 so as not to occur. Compensator 25, the actual angle of inputs deviation [delta] phi and [delta] theta, [delta] phi and the outer motor speed signal 152, such as to zero [delta] theta inner motor corresponding to the angle command signal phi r and theta r A speed command signal 162 is transmitted.

【0073】重力ベクトルのx,y,z軸成分に統計的
な偏りが発生しないような角度指令信号φrとθの軌
道は唯一ではなく、無数に存在する。よって、軌道計算
部28の計算式は一意に決まるものではない。ここで
は、その計算式の一例を示す。従来、φrとθは図1
0の制御器20に示すように、それぞれの微分値vφ
θに乱数を設定し、それを積分することにより算出し
ていた。例えば、vφとvθを定数k,kを用いて
次式のように定めることにする。
The trajectories of the angle command signals φ r and θ r that do not cause a statistical deviation in the x, y, and z axis components of the gravity vector are not unique, but are numerous. Therefore, the calculation formula of the trajectory calculation unit 28 is not uniquely determined. Here, an example of the calculation formula is shown. Conventionally, φ r and θ r are shown in FIG.
As shown in 0 of the controller 20, to set the respective differential value v phi and v random number theta, it was calculated by integrating it. For example, v φ and v θ are determined as follows by using constants k 1 and k 2 .

【0074】[0074]

【数44】 上式を積分すると次式を得る。[Equation 44] The following equation is obtained by integrating the above equation.

【0075】[0075]

【数45】 ここでτは、図12に示すtに関する周期関数である。
補償器25の働きにより、
[Equation 45] Here, τ is a periodic function related to t shown in FIG.
By the operation of the compensator 25,

【数46】 が達成できたとすると、このときの重力ベクトルのx,
y,z軸成分は次式となる。
[Equation 46] Is achieved, the gravity vector x,
The y and z axis components are as follows.

【0076】[0076]

【数47】 上式より、重力ベクトルのx,y,z軸成分の時間平均
値はTを充分に大きくとることにより次式となる。
[Equation 47] From the above equation, the time average value of the x-, y-, and z-axis components of the gravitational vector becomes the following equation by setting T sufficiently large.

【0077】[0077]

【数48】 ここで、1/kと1/kの最小公倍数をT,Tを
で除したときの余りをTとすると、上式は次式と
なる。
[Equation 48] Here, assuming that the least common multiple of 1 / k 1 and 1 / k 2 is T 0 , and the remainder obtained by dividing T by T 0 is T 1 , the above equation becomes the following equation.

【0078】[0078]

【数49】 上式の右辺第2項は周期Tの周期関数であり大きさは
有限である。一方、右辺第1項はTの増加と共に単調に
減少するので、T→∞では上式は零となる。
[Equation 49] The second term of the right side of the above equation is a periodic function an is the magnitude of the period T 0 is finite. On the other hand, the first term on the right side monotonously decreases with an increase in T, so that the above equation becomes zero when T → ∞.

【0079】上式の右辺第2項は周期T毎に0となる
周期関数であるので、実験期間中のどのT秒間の時間
区間についても重力ベクトルの時間平均値は0となる。
は、kとkの2つのパラメータにより利用者が
自由に選定できるので、Tを小さく設定することによ
り、従来の課題であった短期的偏りを排除することがで
きる。
Since the second term on the right side of the above equation is a periodic function that becomes 0 for each period T 0 , the time average value of the gravity vector becomes 0 for any time section of T 0 seconds during the experimental period.
T 0, so the user by two parameters k 1 and k 2 can be freely selected by setting small T 0, it is possible to eliminate short-term bias was conventional problem.

【0080】さらに、従来法では重力ベクトルのx,
y,z軸成分の分散に偏りがあったが、本第2の実施の
形態による方法によれば、T→∞では以下のように均一
化することができる。
Further, in the conventional method, x,
Although the dispersion of the y- and z-axis components is biased, according to the method according to the second embodiment, the uniformity can be obtained as follows from T → ∞.

【0081】[0081]

【数50】 なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要
旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
[Equation 50] The present invention is not limited to the above embodiments, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist.

【0082】[0082]

【発明の効果】本発明の軌道生成装置によれば、球面上
を動く点の軌道の一様性を数学的に証明でき、任意の時
間周期で球面上の点の時間平均存在確率が球面上で一様
になり、角速度変化が時間に対して連続となり、軌道が
一様になる周期を任意に設定でき、回転軌道の密度を任
意に設定できる軌道算出を行なえる。
According to the trajectory generator of the present invention, the uniformity of the trajectory of a point moving on a sphere can be mathematically proved, and the time-average existence probability of a point on the sphere at an arbitrary time period can be proved on the sphere. , The angular velocity change becomes continuous with respect to time, the period at which the trajectory becomes uniform can be arbitrarily set, and the trajectory calculation can be performed so that the density of the rotating trajectory can be arbitrarily set.

【0083】また、本軌道生成装置を3Dクリノスタッ
トに適用することにより、従来のランダムな手法に比
べ、軌道の時間平均の一様性を任意の時間周期で保証で
き、角速度の連続性が保証され、3Dクリノスタット本
体に振動が生じなくなる。
Also, by applying the present trajectory generation device to a 3D clinostat, the uniformity of the time average of the trajectory can be assured at an arbitrary time period and the continuity of the angular velocity can be assured as compared with the conventional random method. As a result, vibration does not occur in the 3D clinostat body.

【0084】また、試験対象の特性の違いに応じて、周
期及び軌道密度を様々に調節することができる。
Further, the period and the orbital density can be variously adjusted according to the difference in the characteristics of the test object.

【0085】本発明の擬似無重力状態生成装置によれ
ば、外側モータと内側モータの実際の角度を計測し、そ
れぞれが角度指令値に一致するよう補償し前記外側モー
タと前記内側モータを制御することにより、前記外側モ
ータと前記内側モータを指令通りに駆動することができ
るため、摩擦等の外乱が生じた場合でも再現性を得るこ
とが可能になる。
According to the pseudo weightless state generating apparatus of the present invention, the actual angles of the outer motor and the inner motor are measured and compensated so that each of them coincides with the angle command value to control the outer motor and the inner motor. Accordingly, the outer motor and the inner motor can be driven as instructed, so that reproducibility can be obtained even when disturbance such as friction occurs.

【0086】また、ステージの重力ベクトルの各軸成分
に統計的な偏りが発生しないよう、前記外側モータと前
記内側モータの各角度指令値を計算することができる。
Further, the angle command values of the outer motor and the inner motor can be calculated so that no statistical deviation occurs in each axis component of the gravity vector of the stage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る軌道生成装置
の概要を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a trajectory generation device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態に係る座標系を示す
図であり、角度の定義を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a coordinate system according to the first embodiment of the present invention, showing a definition of an angle.

【図3】本発明の第1の実施の形態に係るパラメータパ
ターンの軌道を示す透視図。
FIG. 3 is a perspective view showing a trajectory of a parameter pattern according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施の形態に係るパラメータパ
ターンの軌道を示す透視図。
FIG. 4 is a perspective view showing a trajectory of a parameter pattern according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施の形態に係るパラメータパ
ターンの軌道を示す透視図。
FIG. 5 is a perspective view showing a trajectory of a parameter pattern according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1の実施の形態に係る軌道生成装置
が適用される3Dクリノスタットの構成を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a 3D clinostat to which the trajectory generation device according to the first embodiment of the present invention is applied.

【図7】本発明の第1の実施の形態に係る生成軌道の直
交座標系における各軸方向毎の座標の時間平均の時刻歴
を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a time history of a time average of coordinates in each axis direction in a rectangular coordinate system of a generated trajectory according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1の実施の形態に係る生成軌道の直
交座標系における各軸方向毎の座標の時間分散の時刻歴
を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a time history of time variance of coordinates in each axis direction in a generated trajectory orthogonal coordinate system according to the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施の形態に係る回転角速度の
時刻歴を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a time history of a rotational angular velocity according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第2の実施の形態に係る擬似無重力
状態生成装置の駆動機構と制御器の構成を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a driving mechanism and a controller of a pseudo weightless state generating device according to a second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第3の実施の形態に係る擬似無重力
状態生成装置の駆動機構と制御器の構成を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a driving mechanism and a controller of a pseudo weightless state generating device according to a third embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第3の実施の形態に係るtに関する
周期関数を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a periodic function related to t according to the third embodiment of the present invention.

【図13】従来例に係る擬似無重力状態生成装置の駆動
機構を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing a driving mechanism of a pseudo weightless state generating device according to a conventional example.

【図14】従来例に係る擬似無重力状態生成装置の制御
方式を示す図。
FIG. 14 is a diagram showing a control method of a pseudo weightless state generating device according to a conventional example.

【図15】従来例に係る外側モータと内側モータの基準
角度からの変位を示す図。
FIG. 15 is a view showing displacements of an outer motor and an inner motor from a reference angle according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

a…軌道生成装置 1…架台 2…外側フレーム 3…内側フレーム 4…モーター 5…モーター 7…乱数発生器 11…ステージ 12…外側モータ 13…内側モータ 14…制御器 15…外側モータ速度指令信号 16…内側モータ速度指令信号 151…外側モータ速度指令信号 161…内側モータ速度指令信号 20…制御器 21…外側モータ角度検出器 22…内側モータ角度検出器 23,24…積分器 25…補償器 26…駆動機構 27…制御器 28…軌道計算部 a: trajectory generator 1 ... gantry 2 ... outer frame 3 ... inner frame 4 ... motor 5 ... motor 7 ... random number generator 11 ... stage 12 ... outer motor 13 ... inner motor 14 ... controller 15 ... outer motor speed command signal 16 ... Inner motor speed command signal 151 ... Outer motor speed command signal 161 ... Inner motor speed command signal 20 ... Controller 21 ... Outer motor angle detector 22 ... Inner motor angle detector 23,24 ... Integrator 25 ... Compensator 26 ... Drive mechanism 27 Controller 28 Trajectory calculator

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】球面上を動く点の軌道を生成する軌道生成
装置において、 前記点の軌道の一様性を数学的に証明でき、角速度変化
が連続となり、前記軌道が一様になる周期を任意に設定
でき、回転軌道の密度を任意に設定できる軌道算出を行
なう算出手段を具備したことを特徴とする軌道生成装
置。
1. A trajectory generating apparatus for generating a trajectory of a point moving on a spherical surface, wherein the uniformity of the trajectory of the point can be mathematically proved, and the period at which the angular velocity changes continuously and the trajectory becomes uniform is determined. A trajectory generation device comprising a trajectory calculation unit that can arbitrarily set a rotation trajectory and arbitrarily set a rotational trajectory density.
【請求項2】各回転軸が互いに直交するよう設けられ外
側モータと内側モータを駆動することで、それぞれ外側
フレームと内側フレームを回転させることによりステー
ジの姿勢を決定する擬似無重力状態生成装置において、 前記外側モータの回転角度を検出する外側モータ角度検
出手段と、 前記内側モータの回転角度を検出する内側モータ角度検
出手段と、 前記外側モータ角度検出手段及び前記内側モータ角度検
出手段の各検出結果を前記外側モータ及び前記内側モー
タの各角度指令値に一致するよう補償し、前記外側モー
タ及び前記内側モータへ各速度指令信号として出力する
補償手段と、 を具備したことを特徴とする擬似無重力状態生成装置。
2. A pseudo zero-gravity state generating device which determines the attitude of a stage by rotating an outer frame and an inner frame by driving an outer motor and an inner motor, each rotating shaft being provided to be orthogonal to each other, Outer motor angle detection means for detecting the rotation angle of the outer motor; inner motor angle detection means for detecting the rotation angle of the inner motor; and each detection result of the outer motor angle detection means and the inner motor angle detection means. Compensating means for compensating to match each angle command value of the outer motor and the inner motor, and outputting the same as each speed command signal to the outer motor and the inner motor. apparatus.
【請求項3】前記各角度指令値を演算する演算手段を備
えたことを特徴とする請求項2に記載の擬似無重力状態
生成装置。
3. A pseudo weightless state generating apparatus according to claim 2, further comprising a calculating means for calculating each of said angle command values.
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