JP2009296864A - 全方位回転球面モータおよびこの回転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転角に制限が無く全方位に回転動作ができ、平均の回転誤差が数度程度以下の球面モータを構成し、その回転を制御する。
【解決手段】 球体あるいは球殻の表面あるいは内部に描かれる同心の球面上に均一あるいはほぼ均一に永久磁石１２を持つ回転子１０、球面あるいは球面の一部に、平面に射影した場合に平面内の直交する２つの軸に平行に、多数配置した電磁石２２を持つ固定子２０、回転子の支持機構３０、電磁石の励磁回路４０、電磁石の励磁用電源５０、および、電磁石２２の励磁パターンを時々刻々生成して電磁石の励磁回路４０に送信する制御装置６０から成る全方位回転球面モータにおいて、固定子２０に配置された電磁石２２のうち回転子１０に配置された永久磁石１２の微小時間が経過後の位置近傍にあるものを引力が発生するように励磁し、その他の電磁石２２を斥力が発生するように励磁し、この励磁パターンを時々刻々変化させることにより回転子１０を回転制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、移動ロボットの駆動装置やロボットの関節、また、球体を回転させる制御方法と球面モータに関する。

現在通常に用いられているモータは１自由度しか持っていない。多自由度の回転が必要な場合には、複数のモータを機械的な構造によって組み合わせて実現している。これに対して、多自由度を持つ球面モータでは、１自由度しか持たないモータに比べて、（１）１台で３自由度を有するため、モータの個数軽減によりシステムの小型化ができる、（２）各自由度の回転中心が一致するため、逆運動学を幾何学的に解くことができ、制御が簡単化できる、（３）機械的連結が不要なダイレクトな多自由度駆動機構が構成できることにより、無駄のない駆動機構が実現できる、（４）１軸モータを組み合わせた場合の組み付け誤差や難メンテナンス化による超高精度化の困難さが解消されるといった特長を有する。

これまでにも電磁石を用いた球面モータが研究、開発されている。特許文献１では、ロータ（回転子）の内部に広い搭載物収納スペースを有することを特徴とし、ロータの作動範囲が広い球状ロータを有する電動機が提案されている。また、特許文献２および３では、ロータ内部に広い空間を有し、簡素な機構で広い動作範囲を持つ球面モータが提案されている。特許文献４では、可動子に設けた腕が様々な方向に移動することができる球面型モータが提案されている。非特許文献１では、弓状ステッピングモータ上に回転軸が直交する弓状ステッピングモータを入れ子状に搭載して全方位回転を実現した球面ステッピングモータが報告されている。特許文献５では、所望の方向への駆動を円滑に行うことができる球型モータが提案されている。そして，非特許文献２では、永久磁石や電磁石の配置の理論的検討と球面モータの試作がされている。
特開平５−６４４１７ 特開２００３−３２４９３６ 特開２００５−３２８５９２ 実用新案第３００６３１８号 特開２００６−３３９７８ Ｔ．Ｙａｎｏ，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，Ｂａｓｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｍａｌｌ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｍｏｔｏｒ，Ｐｒｏｃ．２００２ ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＩＲＯＳ’０２），ｐｐ．１９８０−１９８５（２００２） Ｇ．Ｓ．Ｃｈｉｒｉｋｊｉａｎ，Ｄ．Ｓｔｅｉｎ，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒ，ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．４，ｐｐ．３４２−３５３（１９９９）

特許文献１の球状ロータを有する電動機では、球状ロータの外表面上に隣り合う磁極の極性が互いに異なる複数の永久磁石を格子状に取り付けることを特徴としているが、隣り合う磁石の極性が異なるような配置が不可能となる極付近には永久磁石を取り付けることができない。そのために、対称性が崩れ球状ロータの姿勢によっては全方位に回転できない問題を有する。

特許文献２および３の球面モータでは、円弧状に配置された電磁石群が球殻状のロータを包み込むように配置されているために、経度や緯度に沿った回転移動は可能であるが、その他の方向への自由な回転移動は困難である。また、小型カメラ等を駆動するという目的から３６０°の回転移動は考慮されていない。
同様に、特許文献４の球面型モータでは、球面型可動子に腕が設けられており、構造上回転角に制限があり、また、非特許文献１の球状モータも、その構造や電磁石の配置から回転角に制限がある。

特許文献５の球型モータでは、正三角形を正六角形状に組み合わせた図形の各辺に磁石を横向きに配置した磁石群とそれに対向する電磁石群を複数組用い、電磁石を適切に励磁することにより、磁石群を配置したロータを全方位回転させようとするものである。しかしながら、１組の磁石群および電磁石群には、１２個の磁石と１２個の電磁石が配置されており、回転角度の分解能を大きくする場合には、多数の磁石群および電磁石群が必要となり、必然的に磁石や電磁石の数も多数となる。また、１つの磁石群の大きさも大きく、ロータが小さい場合には配置が困難となる。

非特許文献２の球面モータでは、電磁石配置が球内面の一部に限定していることを特徴としており、広範囲の回転運動を可能としている。しかしながら、回転誤差は回転方向によって異なり、しかも、回転方向によっては大きいことが問題である。

ロボットの環境認識能力や知的動作能力に関する技術開発の進展により、ロボットの活動環境は現状の工場内だけでなく、家庭や公共施設に広がってきている。そして、人間の活動を支援するためのサービスロボットの研究が盛んである。家庭や公共施設でロボットが活動する場合には、工場とは異なりロボットの移動や動作の能力を考慮して環境を設定することができないことが、サービスロボットの実用化に向けての１つのハードルとなっている。

ロボットの移動機構には、大きく分けて、車輪方式、クローラ方式、足歩行方式、ヘビのような体幹節方式がある。家庭や公共施設のような平面の多い環境においては、車輪方式が移動速度やエネルギー効率の点で有利である。ところが、車輪方式では真横に移動できないという非ホロノミック制約があり、狭い環境における自由な移動が困難という問題があり、全方位に移動できるホロノミックな移動機構が必要となる。ホロノミックな移動を可能にする移動機構として、メカナムホイールやローラホイールがあるがホロノミックな移動には少なくとも３輪が必要であり、走行面の起伏が大きいとホロノミックな移動が困難であり、球面モータが求められている。

そこで、本発明では、回転角に制限が無く全方位に回転動作ができ、平均の回転誤差が数度程度以下の球面モータの構成とその回転制御を対象としている。

本発明に係る全方位球面モータでは、短い時間きざみ幅で固定子の電磁石の励磁パターンを切り替えていくことにより、回転子の回転制御を行う。ここでは、（ｉ）回転子の初期姿勢がわかっていること、および、（ｉｉ）回転子は励磁パターンの切り替えの時間きざみ幅の間に目標姿勢に到達することを前提とする。

回転子は球体あるいは球殻であり、この表面あるいは内部に描かれる回転子と同心の球面上に均一あるいはほぼ均一に配置されるように、永久磁石を配置する。

固定子は球面あるいは球面の一部の形状をした面を持つ。そして、この球面あるいは球面の一部の形状を平面に射影した場合に平面内の直交する２つの軸に平行となるように、多数の電磁石をこの面の表面内側に配置する。固定子には、回転子から一定距離の位置に拘束するための回転子の支持機構を設ける。

例えば、半球殻に電磁石を配置した場合には、電磁石の回転子側の極の位置は、図１に示すように、固定子上面の円をｘｙ平面に置き、その中心を原点とした直交座標系において、［数１］、［数２］、および、［数３］とする。ここで、Ｒは固定子に配置の電磁石の回転子側の極の配置半径であり、π／ｎは電磁石配置の角度間隔である。また，ｉ，ｊは整数であり、［数４］、および、［数５］を満たし、そして，［数６］を満たすようにｘおよびｙを決める。このように電磁石の配置を決めることにより、ｘｙ平面内の直交する２つの軸、すなわち、ｘ軸およびｙ軸に平行となるように、ｘおよびｙ方向に最大ｎ＋１個の電磁石が配置される。

回転子における永久磁石の配置は幾何学的に決まっている。また、回転子はその中心の周りに回転する。従って、回転子の中心を原点とした直交座標系において、永久磁石のうちの１つの座標により回転子の姿勢を表すことができる。

この目標姿勢に回転子を回転させるために、各永久磁石の微小時間後の目標位置の周りの電磁石を図２に示すように励磁する。すなわち、永久磁石の目標位置からの距離がある値以内の範囲にある電磁石に対しては永久磁石に引力を及ぼす極（Ｓ極）に励磁し、それ以外の電磁石に対しては斥力を及ぼす極（Ｎ極）に励磁する。

全方位回転球面モータは、図３に示されるように、球体あるいは球殻の表面あるいは内部に描かれる同心の球面上に永久磁石１２を均一あるいはほぼ均一に複数配置した回転子１０、球面あるいは球面の一部に、平面に射影した場合に平面内の直交する２つの軸に平行に、電磁石２２を多数配置した固定子２０、回転子の支持機構３０、電磁石の励磁回路４０、電磁石の励磁用電源５０、および、回転子１０を回転させるための電磁石２２の励磁パターンを時々刻々生成して電磁石の励磁回路４０に送信する電磁石の励磁パターン制御装置６０から成る。
固定子２０に配置した電磁石２２は、励磁用電源５０からの電気の供給により励磁される。また、電磁石の励磁パターン制御装置には励磁パターンの生成とそれを電磁石の励磁回路４０に送信するプログラムが内蔵されている。そして、電磁石の励磁回路４０は、電磁石２２の一端をＮ極あるいはＳ極へ励磁し、他端をＳ極あるいはＮ極へ励磁したり、電磁石２２を非励磁にしたりすることを制御する。

本発明に係る回転子への永久磁石の配置方法、固定子への電磁石の配置方法、全方位球面モータの制御方法によれば、回転子に永久磁石を３２個配置した場合、固定子の半球状の面に電磁石を８０個程度以上配置すれば平均回転角度誤差が数度以内で全方位回転でき、回転方向も瞬時に変更できる。

以下、本発明の実施形態に係る球面モータの一例を説明する。
回転子１０には、球体あるいは球殻の表面あるいは内部に描かれる同心の球面上に永久磁石１２を、外側向きがＮ極（あるいはＳ極）となるように配置する。永久磁石１２は回転子１０内に描ける一つの同心球面上にできるだけ均一に配置することが必要であり、正多面体の頂点、正多面体を組み合わせた図形の頂点、あるいは、正多面体を組み合わせた図形の頂点および隣接する３つの頂点の重心を球面上に投影した位置に配置する。例えば、図４に示すような、１つの球に内接しそれぞれの重心が他方の頂点となる、正十二面体と正二十面体の頂点（合計３２ヶ所）に永久磁石１２を配置する。なお、図４では、白丸は正十二面体の頂点を、黒丸は正二十面体の頂点を表す。
固定子２０が半球状の面を持ち、［数１］、［数２］、［数４］および、［数５］のｎを１３とした場合、固定子２０には合計８４個の電磁石２２が配置される。

また、電磁石２２のＮ極あるいはＳ極への励磁や非励磁を制御するための電磁石励磁回路４０は、例えば、図５に示す構成とできる。図５の電磁石の励磁パターン制御装置６０であるＰＣ（パーソナルコンピュータ）に内蔵の電磁石励磁制御プログラムにより、すべての電磁石２２の励磁が図２に示す方法により計算される。各々の電磁石２２はそれぞれ電磁石励磁素子４３により、電磁石２２を流れる電流のＯＮ／ＯＦＦおよび方向が制御される。電磁石励磁素子４３は多数となるため、それぞれの電磁石励磁素子４３への制御信号の伝達は階層的に行う。すなわち、電磁石の励磁パターン制御装置６０であるＰＣからの制御信号は一旦マスタマイクロコントローラ４１が受け取り，それを複数のスレーブマイクロコントローラ４２へ分岐させる。スレーブマイクロコントローラ４２は複数の電磁石励磁素子４３に制御信号を伝達する。

本発明に係る全方位回転球面モータの回転誤差は、回転子に配置する永久磁石と、固定子に配置する電磁石数に依存する。発明者らの研究によると、回転子に３２個の永久磁石を配置した場合、電磁石数と平均回転誤差の関係は図６のようになる。電磁石数を８０個程度以上にすると、平均回転誤差が０．０４［ｒａｄ］、すなわち、２．３°以下とすることができる。

固定子への電磁石の配置例を示す図である。 固定子の電磁石の励磁方法を説明する図である。 全方位回転球面モータの構成図である。 回転子への永久磁石の配置位置の例を示す図である。白丸は図に示した球に内接する正十二面体の頂点を、黒丸は図に示した球に内接する正二十面体の頂点を表す。 電磁石の励磁を行うための励磁回路の構成例である。 固定子への配置の電磁石数と回転角度誤差の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 回転子
１１ 回転子球殻
１２ 永久磁石
２０ 固定子
２１ 固定子殻
２２ 電磁石
３０ 回転子支持機構
４０ 電磁石励磁回路
４１ マスターマイクロコントローラ
４２ スレーブマイクロコントローラ
４３ 電磁石励磁素子
５０ 電磁石励磁用電源
６０ 電磁石の励磁パターン制御装置

Claims (2)

1. 球面あるいは球面の一部に、平面に射影した場合に平面内の直交する２つの軸に平行に、多数配置した電磁石のうち、球体あるいは球殻の表面あるいは内部に描かれる同心の球面上に、均一あるいはほぼ均一に永久磁石を複数配置した回転子の、永久磁石の微小時間が経過後の位置近傍にあるものを引力が発生するように励磁し、その他の電磁石を斥力が発生するように励磁し、この励磁パターンを時々刻々変化させることにより回転子を回転させる全方位回転球面モータの回転制御方法。
2. 球体あるいは球殻の表面あるいは内部に描かれる同心の球面上に永久磁石を均一あるいはほぼ均一に複数配置した回転子、電磁石を球面あるいは球面の一部に、平面に射影した場合に平面内の直交する２つの軸に平行に、多数配置した固定子、回転子の支持機構、電磁石の励磁回路、電磁石の励磁用電源、および、回転子を回転させるための電磁石の励磁パターンを時々刻々生成して電磁石の励磁回路に送信する制御装置から成る全方位回転球面モータ。

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