JP2023121943A - 姿勢変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命化と信頼性の向上を図ることができる姿勢変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の一形態に係る姿勢変換装置は、ベース部材と、第１の可動リンクと、第２の可動リンクとを具備する。前記ベース部材は、機体に固定される。前記第１の可動リンクは、第１のリンク部材と、第１の関節と、第１の駆動部とを有する。前記第１の関節は、前記ベース部材と前記第１のリンク部材との間に連結され、一軸まわりに変形可能な弾性部材で構成される。前記第１の駆動部は、前記第１の関節を前記一軸まわりに変形させる。前記第２の可動リンクは、第２のリンク部材と、第２の関節と、第２の駆動部とを有する。前記第２の関節は、前記ベース部材と前記第２のリンク部材との間に連結され、前記一軸まわりに変形可能な弾性材料で構成される。前記第２の駆動部は、前記第２の関節を前記一軸まわりに変形させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、宇宙空間における人工衛星の姿勢変更に用いられる姿勢変換装置に関する。

宇宙空間における人工衛星の姿勢の制御には、例えば、角運動量交換型の姿勢制御方式が採用される。角運動量交換型の姿勢変換装置は、例えば回転体を有し、その回転体の角運動量を変化させることで慣性トルクを生じさせ、その慣性トルクの反作用トルクを人工衛星の機体に作用させることによって、機体の姿勢を変化させる。

姿勢変換装置の回転体として、リアクションホイールが広く用いられている。リアクションホイールは、ホイール（円板）と、そのホイールの回転軸に接続されたモータとを有する。モータはホイールに回転トルクを加えると、その回転トルクとは反対方向の反トルクを受ける。したがって、モータを機体に固定してホイールを回転させると、機体はホイールの回転方向とは反対方向へ回転を開始する。このように、ホイールの回転を適切に制御することで、人工衛星の姿勢を制御することが可能となる。

このような姿勢変換装置として、例えば特許文献１には、リアクションホイールと、ステータ組立体とを備え、リアクションホイールがステータ組立体に対してベアリングを介して回転自在に支持された構成が開示されている。

特開２０２１－１４２２６号公報

宇宙空間のような高真空では、大気圧環境に比べて潤滑剤が蒸発しやすい。したがって、潤滑剤の蒸発によりリアクションホイールの回転軸のような摺動部の摩擦が大きくなると、性能が劣化し、ひいては回転ができなくなるなど、姿勢変換装置の長寿命化や信頼性の確保が困難になる。なお、気体封入した容器内にリアクションホイールを密封する方法も考えられるが、この場合、装置全体が大型化し、衛星内の配置に制約が生じるなどの別の問題が生じる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、長寿命化と信頼性の向上を図ることができる姿勢変換装置を提供することにある。

本発明の一形態に係る姿勢変換装置は、ベース部材と、第１の可動リンクと、第２の可動リンクとを具備する。
前記ベース部材は、機体に固定される。
前記第１の可動リンクは、第１のリンク部材と、第１の関節と、第１の駆動部とを有する。前記第１の関節は、前記ベース部材と前記第１のリンク部材との間に連結され、一軸まわりに変形可能な弾性部材で構成される。前記第１の駆動部は、前記第１の関節を前記一軸まわりに変形させる。
前記第２の可動リンクは、第２のリンク部材と、第２の関節と、第２の駆動部とを有する。前記第２の関節は、前記ベース部材と前記第２のリンク部材との間に連結され、前記一軸まわりに変形可能な弾性材料で構成される。前記第２の駆動部は、前記第２の関節を前記一軸まわりに変形させる。

上記姿勢変換装置は、ベース部材に対する第１および第２の可動リンクの一軸まわりのシーケンス動作によって、非ホロノミック性に基づく機体の姿勢変更を実現する。上記姿勢変換装置においては、第１および第２の関節が一軸まわりに変形可能な弾性材料で構成されているため、回転軸を支持する摺動部やその摺動摩擦を低減するための潤滑剤を必要としない。このため、例えば宇宙空間などのように潤滑剤が蒸発しやすい環境下においても長期にわたる耐久性を維持できるとともに、潤滑剤の蒸発を防ぐための密閉容器などが不要となるので装置の小型化が可能である。

前記第１の関節および前記第２の関節は、前記弾性部材として前記一軸方向に平行な両主面を有する板ばね部材を含んでもよい。
これにより、第１および第２の可動リンクの可動範囲が一軸まわりに限定されるため、一軸まわり以外の領域への可動を制限するための部材や構造が不要となり、第１および第２の関節の構造を簡素化できる。

前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、磁気吸着力により前記板ばね部材を前記一軸まわりに変形させることが可能な磁石ユニットをそれぞれ有してもよい。
この場合、典型的には、前記磁石ユニットは、電磁石を含む。これにより、電磁石への通電のオンオフで第１および第２のリンク部材を第１および第２の関節を起点として回動させることができる。
あるいは、前記磁石ユニットは、リニアモータを含んでもよい。

前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、形状記憶効果により前記板ばね部材を前記一軸まわりに変形させることが可能な形状記憶素子をそれぞれ有してもよい。

本発明によれば、摺動部を有しない姿勢変換装置を構成できるため、長寿命化と信頼性の向上を図ることができる。

リンク装置を用いた姿勢変換方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る姿勢変換装置の構成を示す概略平面図である。 上記姿勢変換装置の概略斜視図である。 上記姿勢変換装置の動作例を説明する概略平面図である。 上記姿勢変換装置における他の構成例を示す概略斜視図である。 上記姿勢変換装置におけるさらに他の構成例を示す概略斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る姿勢変換装置を示す図であり、（Ａ）はその概略平面図、（Ｂ）および（Ｃ）はその動作例を示す概略平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る姿勢変換装置を示す図であり、（Ａ）はその概略平面図、（Ｂ）はその概略斜視図、（Ｃ）はその動作例を示す概略平面図である。 上記姿勢変換装置の他の構成例を示す図であって、（Ａ）はその概略平面図、（Ｂ）はその要部の概略斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［非ホロノミック性に基づく姿勢変更］
まず、２リンク２関節型のフリーフライングロボットを例に挙げてその非ホロノミック性に基づく姿勢変換方法について説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、ベースＬ０の両端に第１のリンクＬ１および第２のリンクＬ２が関節Ｒ１，Ｒ２で接続されたリンク装置を示している。関節Ｒ１，Ｒ２は、例えばモータで駆動され、ベースＬ０に対して第１および第２のリンクＬ１，Ｌ２をそれぞれＺ軸まわりに任意の角度回動させることが可能に構成される。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、初期状態から関節Ｒ１のまわりに第１のリンクＬ１を時計まわりに任意の角度で回転させると、関節Ｒ１に作用する反トルクを受けて、ベースＬ０および第２のリンクＬ２が反時計まわりに一体的に回転する（変形１）。ベースＬ０および第２のリンクＬ２の回転角度は、第１のリンクＬ１の回転角度やベースＬ０および第１および第２のリンクＬ１，Ｌ２の重さ等に応じて定まる。続いて、関節Ｒ２のまわりに第２のリンクＬ２を反時計まわりに回転させると、その反トルクでベースＬ０および第１のリンクＬ１が時計まわりに一体的に回転する（変形２）。第２のリンクＬ２の回転量を第１のリンクＬ１の回転量と同一にすることで、ベースＬ０は、時計まわりに第１の角度だけ回転した角度位置に移動する。

続いて、変形２の状態から第１および第２のリンクＬ１，Ｌ２をそれぞれ元の回転位置に復帰させる場合を考える。図１（Ａ）に示すように、第２のリンクＬ２を先に回転させ（変形３）、その後に第１のリンクＬ１を回転させると、リンク装置は全体として初期状態と同じ回転位置に復帰する（変形４）。これに対して、図１（Ｂ）に示すように、第１のリンクＬ１を先に回転させ（変形３）、その後に第２のリンクＬ２を回転させると、図１（Ａ）で示す最終姿勢とは異なり、リンク装置は全体として初期状態からＺ軸まわりに時計方向へ上記第１の角度より大きい第２の角度だけ回転した角度位置に移動する（変形４）

図１（Ｂ）のように、第１のリンクＬ１および第２のリンクＬ２を所定のシーケンスで順次回転させることによって、リンク装置を全体として任意の角度位置に回転させることができる。したがって、ベースＬ０を人工衛星などの機体に固定すれば、宇宙空間において人工衛星の姿勢変換が可能となる。このような姿勢制御は、非ホロノミック性に基づく姿勢制御と呼ばれる。

ここで、関節Ｒ１，Ｒ２をモータで駆動する場合、宇宙空間のような高真空での環境下では潤滑剤が蒸発し、回転軸などの摺動部の摩擦が大きくなることで性能が劣化し、ひいては回転さえできなくなる。そこで、潤滑剤の蒸発を防止するために、気体封入した容器に上記リンク装置を密閉することが考えられる。
しかしながら、そもそも摺動部があることから、モータ駆動の関節を有するリンク装置は長寿命化や高信頼性化などに問題がある。また、潤滑剤の蒸発を防止する密閉容器が必要になるため、その分の体積が必要となり、機体への配置に制約が生じるなど、装置の小型化の妨げになり得る。

このような問題を解消するため、本発明の姿勢変換装置は、以下のように構成される。以下、本発明の姿勢変換装置の詳細について説明する。

＜第１の実施形態＞
図２は、本発明の第１の実施形態に係る姿勢変換装置１００の構成を示す概略平面図、図３は、姿勢変換装置１００の概略斜視図、図４（Ａ）～（Ｃ）は、姿勢変換装置１００の動作例を説明する概略平面図である。なお、各図においてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は相互に直交する３軸方向を示している。

本実施形態の姿勢変換装置１００は、ベース部材１０と、第１のリンク部材２１を有する第１の可動リンク２０１と、第２のリンク部材２２を有する第２の可動リンク２０２とを備える。姿勢変換装置１００は、第１および第２のリンク部材２１，２２がそれぞれベース部材１０に対して一軸まわり（Ｚ軸まわり）に回動可能に構成された２リンク２関節型のフリーフライングロボットとして構成される。

ベース部材１０は、図２においてＸ軸方向に直線的に延びる柱状の部材である。ベース部材１０は、その長手方向の両端部に相当する第１の端部１０ａと第２の端部１０ｂとを有する。第１の端部１０ａには第１の可動リンク２０１が連結され、第２の端部１０ｂには第２の可動リンク２０２が連結される。

ベース部材１０は、剛性の高い材料で構成されるのが好ましく、典型的には金属材料等の剛体で構成される。ベース部材１０には、支持体１１が設けられている。支持体１１は、ベース部材１０を例えば人工衛星１などの機体１Ａへ固定する（図３参照）。ベース部材１０は、その長手方向が機体１ＡのＸ軸方向と平行となるように機体１Ａに固定される。なお、支持体１１は図示する柱状のものに限られず、任意の形状であってもよい。

第１の可動リンク２０１は、第１のリンク部材２１と、第１の関節Ｊ１と、第１の駆動部Ｄ１１とを有する。第２の可動リンク２０２は、第２のリンク部材２２と、第２の関節Ｊ２と、第２の駆動部Ｄ１２とを有する。

第１および第２のリンク部材２１，２２は、図２においてＸ軸方向に直線的に延びる柱状の部材である。第１および第２のリンク部材２１，２２は、剛性の高い材料で構成されるのが好ましく、例えば金属材料で構成される。第１および第２のリンク部材２１，２２の形状は特に限定されず、典型的には、第１および第２のリンク部材２１，２２は互いに同一の構造（長さ、幅、厚み、重量など）を有する。

第１の関節Ｊ１は、ベース部材１０の第１の端部１０ａと第１のリンク部材２１の一端部との間を連結する。第２の関節Ｊ２は、ベース部材１０の第２の端部１０ｂと第２のリンク部材２２の一端部との間を連結する。第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２は、一軸まわり（本実施形態ではＺ軸まわり）に変形可能な弾性材料で構成される。

本実施形態において第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２は、上記弾性部材として、ＸＺ平面に平行な両主面を有する板ばね部材で構成される。第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２がＸＺ平面に平行な板ばね部材で構成されることにより、Ｚ軸まわりの変形が他の軸まわりの変形よりも容易となるとともに、Ｚ軸以外の他の軸まわりの変形を規制することができる。

第１の駆動部Ｄ１１は、第１の関節Ｊ１をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する。第２の駆動部Ｄ１２は、第２の関節Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する。本実施形態において第１および第２の駆動部Ｄ１１，Ｄ１２は、磁気吸着力により第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる磁石ユニットＭ（Ｍ１１，Ｍ１２の組）をそれぞれ有する。

磁石ユニットＭは、第１の磁石部Ｍ１１と、第２の磁石部Ｍ１２とを含む。図４（Ａ）に示すように、第１の磁石部Ｍ１１は、Ｘ軸方向に対向する一対の磁石４１ａ，４１ｂで構成され、第２の磁石部Ｍ１２は、Ｘ軸方向に対向する一対の磁石４２ａ，４２ｂで構成される。

磁石４１ａ，４２ａは、ベース部材１０に設置された支持部材４３に支持される。一方、磁石４１ｂ，４２ｂは、第１および第２のリンク部材２１，２２にそれぞれ設置された支持部材４４に支持される。支持部材４３，４４は、金属等の比較的剛性の高い材料で構成されるのが好ましい。

第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２は、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を挟んでＹ軸方向にそれぞれ対向して配置される。第１の磁石部Ｍ１１は、一対の磁石４１ａ，４１ｂの間に発生する磁気吸着力によって、第１の関節Ｊ１を時計まわりに変形させ（図４（Ｂ）参照）、第２の関節Ｊ２を反時計まわりに変形させる。第２の磁石部Ｍ１２は、一対の磁石４２ａ，４２ｂの間に発生する磁気吸着力によって、第１の関節Ｊ１を反時計まわりに変形させ（図４（Ｃ）参照）、第２の関節Ｊ２を時計まわりに変形させる。

一対の磁石４１ａ，４１ｂはいずれも電磁石で構成されてもよいし、一対の磁石４１ａ，４１ｂのうち、一方は電磁石で構成され、他方は永久磁石あるいは軟磁気特性を有する磁性材料で構成されてもよい。一対の磁石４２ａ，４２ｂも同様に、いずれも電磁石で構成されてもよいし、一方は電磁石で構成され、他方は永久磁石あるいは軟磁気特性を有する磁性材料で構成されてもよい。軟磁気特性を有する磁性材料としては、例えば、鉄系合金、コバルト系合金、ニッケル系合金などの遷移金属系強磁性材料をベースとした金属材料が挙げられる。

本実施形態では、第１および第２のリンク部材２１，２２に設置される磁石４１ｂ，４２ｂが電磁石で構成される。以下の説明では、これら磁石４１ｂ，４２ｂを電磁石４１ｂ，４２ｂともいう。電磁石４１ｂ，４２ｂはそれぞれ、鉄心とその周囲に巻回されたコイルとを含む。

支持部材４３，４４の設置部位は、第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２で発生する磁力によって第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２がＺ軸まわりに変形可能な位置であれば特に限定されない。本実施形態において、各支持部材４３は、一方の磁石４１ａ，４２ａがベース部材１０の第１および第２の端部１０ａ，１０ｂを挟んでＹ軸方向に相互に対向する位置に配置される。また、各支持部材４４は、他方の磁石４１ｂ，４２ｂが第１および第２のリンク部材２１，２２各々のベース部材１０側の端部を挟んでＹ軸方向に相互に対向する位置に配置される。

図２に示すように、姿勢変換装置１００は、制御部３０をさらに備える。制御部３０は、ベース部材１０に対して第１および第２のリンク部材２１，２２をそれぞれ所定のシーケンスで一軸まわり（Ｚ軸まわり）に運動させるための駆動信号を生成し、生成した駆動信号を第１および第２の駆動部Ｄ１１，Ｄ１２（第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２）へ出力する。所定のシーケンスは、図１（Ｂ）を参照して説明したような非ホロノミック性の姿勢変更手順を含む。

制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリを有する情報処理装置（コンピュータ）で構成される。上記メモリには、上述した非ホロノミック運動による人工衛星１の姿勢制御を行うための各種シーケンスが格納される。ＣＰＵに代えて、またはこれに加えて、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ(Programmable Logic Device)、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、その他ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等が用いられてもよい。

本実施形態において制御部３０は、第１の磁石部Ｍ１１および第２の磁石部Ｍ１２のうち、電磁石４１ｂ，４２ｂのコイルへ駆動電流を出力することが可能に構成される。電磁石４１ｂ，４２ｂは駆動電流により励磁され、対向する磁石４１ａ，４２ａとの間に磁気吸引力を発生させることで、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる。これにより、第１および第２のリンク部材２１，２２がベース部材１０に対して第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２のまわりに回転可能となる（図４（Ｂ），（Ｃ）参照）。

第１および第２のリンク部材２１，２２のＺ軸まわりの回動量は、第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２における磁気吸引力の大きさで調整される。第１および第２のリンク部材２１，２２のＺ軸まわりの回動量は、第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２における磁気吸引力と、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を構成する板ばね部材の弾性力との間の釣り合いの関係で決定される。

第１および第２のリンク部材２１，２２を図４（Ａ）に示す当初の位置へ復帰させる場合には、第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２において発生した磁気吸着力を低下あるいは消失させる。これにより、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を構成する板ばね部材の弾性力によって、第１および第２のリンク部材２１，２２が当初の位置へ復帰する。

以上のように構成される本実施形態の姿勢変換装置１００においては、所定のシーケンスで第１および第２のリンク部材２１，２２をベース部材１０に対して回動させることにより、ベース部材１０に固定された機体１Ａを任意の姿勢に変換する。

例えば、同じ回転シーケンスに対しては、第１および第２のリンク部材２１，２２の質量が大きいほど、ベース部材１０（機体１Ａ）の姿勢変化量が大きい。したがって、例えば、第１および第２のリンク部材２１，２２へ電磁石４１ｂ，４２ｂの駆動用電源（バッテリ）を装着するなどして、これらリンク部材２１，２２の重量を増加させるようにしてもよい。また、変形時のシステムの慣性モーメントの変化が大きいほど姿勢変化量が大きく、そのような慣性モーメントの大きな変化は第１および第２のリンク部材２１，２２の質量を大きくすることで実現することが可能である。

一方、本実施形態の姿勢変換装置１００においては、同じ回転シーケンスに対して、ベース部材１０の質量が大きいほど、ベース部材１０の姿勢変化量は小さい。したがって、ベース部材１０を機体１Ａに固定した場合は、ベース部材１０を機体１Ａに固定しない場合に比べて、ベース部材１０の姿勢変化量は小さくなる。ベース部材１０（機体１Ａ）姿勢変化量が小さい場合でも、上述した変形シーケンスを繰り返し実行することで、所望の回転角を実現することができる。

本実施形態においては、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２がそれぞれ第１および第２の磁石部Ｍ１１，Ｍ１２による磁気吸着力で変形可能に構成されており、従来のモータ駆動型のリンク装置に備え付けられていた回転軸などの摺動部を必要としない。このため、当該摺動部を潤滑するための潤滑剤や当該潤滑剤の蒸発を防ぐための密閉容器が不要となり、これにより、姿勢変換装置１００の長寿命化と信頼性の向上を図ることができるとともに、装置全体の小型化が実現可能となる。

（他の構成例）
図５は、本実施形態の姿勢変換装置における他の構成例を示す概略斜視図である。同図に示す姿勢変換装置１００Ａは、ベース部材１１０に、第１～第４のリンク部材２１１～２１４が揺動可能に連結された構成を有する。

第１のリンク部材２１１および第２のリンク部材２１２は、ベース部材１１０を挟んでＸ軸方向に対向して配置される。第１のリンク部材２１１は、第１の関節Ｊ１１を介してベース部材１１０の一端に連結される。第２のリンク部材２１２は、第２の関節Ｊ１２を介してベース部材１１０の他端に連結される。第１および第２の関節Ｊ１１は、ＸＹ平面に平行な板ばね部材であって、Ｙ軸まわりに変形可能に構成される。

一方、第３のリンク部材２１３および第４のリンク部材２１４は、ベース部材１１０を挟んでＹ軸方向に対向して配置される。第３のリンク部材２１３は、第３の関節Ｊ１３を介してベース部材１１０の中央部の一側面に連結される。第４のリンク部材２１４は、第４の関節Ｊ１４を介してベース部材１１０の中央部の他側面に連結される。第３および第４の関節Ｊ１３，Ｊ１４は、ＸＹ平面に平行な板ばね部材であって、Ｘ軸まわりに変形可能に構成される。

なお図示せずとも、姿勢変換装置１００Ａはさらに、第１および第２の関節Ｊ１１，Ｊ１２をそれぞれＹ軸まわりに変形させることが可能な第１および第２の駆動部と、第３および第４の関節Ｊ１３，Ｊ１４をそれぞれＸ軸まわりに変形させることが可能な第３および第４の駆動部を備える。これら第１～第４の駆動部は、図４（Ａ）を参照して説明したような磁石部Ｍ１１，Ｍ１２と同様に構成される。さらに図示せずとも、姿勢変換装置１００Ａは、上記第１～第４の駆動部へ駆動信号を出力する制御部を備える。

本構成例１における姿勢変換装置１００Ａは、ベース部材１１０（機体１Ａ）をＹ軸まわりに姿勢変換する場合には第１および第２のリンク部材２１１，２１２を図１（Ｂ）と同様な手順で駆動し、ベース部材１１０（機体１Ａ）をＸ軸まわりに姿勢変換する場合には第３および第４のリンク部材２１３，２１４を図１（Ｂ）と同様な手順で駆動する。これにより、１つの姿勢変換装置１００Ａで２軸方向へ任意の角度位置に姿勢を変更することができる。２軸方向への姿勢変化の組み合わせ（例えばオイラー角の考え方）により，空間における任意の角度へ指向が可能となる。

図６は、本実施形態の姿勢変換装置におけるさらに他の構成例を示す概略斜視図である。同図に示す姿勢変換装置１００Ｂは、図２～４を参照して説明した姿勢変換装置１００の集合体で構成される。

上述のように姿勢変換装置１００は、従来のモータ駆動式の姿勢変換装置と比較して密閉容器が不要となるため小型化が実現可能となる。このため、個々の姿勢変換装置１００での姿勢変化量が小さい（出力が小さい）場合であっても、それらを機体１Ａに複数設置することで、姿勢変化量の増大を図ることができる。

本実施形態の姿勢変換装置１００Ｂにおいては、個々の姿勢変換装置１００が機体１Ａの多軸方向にそれぞれ複数ずつ設置される。設置部位は特に限定されず、機体１Ａの任意の位置に配置可能であり、例えば、機体１の壁面、各種機器の隙間などに配置される。各姿勢変換装置１００を駆動する制御部は、それぞれ単独で構成されてもよいが、１台の制御部で複数の姿勢変換装置１００の駆動を共通に制御してもよい。

図示の例ではＸ軸およびＺ軸方向に沿ってそれぞれ複数の姿勢変換装置１００が設置されている。Ｘ軸方向に沿って設置された姿勢変換装置１００Ｘにおける第１および第２のリンク部材２１，２２はベース部材１０（機体１Ａ）に対してＺ軸まわりに回動可能に構成される。Ｚ軸方向に沿って設置された姿勢変換装置１００Ｚにおける第１および第２のリンク部材２１，２２はベース部材１０（機体１Ａ）に対してＸ軸まわりに回動可能に構成される。

なお、図５に示す姿勢変換装置１００Ａにおいては機体１ＡをＸ軸およびＹ軸の２軸まわりに姿勢変化させる例について説明したが、さらにＺ軸まわりに姿勢変化させるための姿勢変換装置が追加されてもよい。同様に、図６に示す姿勢変換装置１００Ｂにおいては機体１ＡをＸ軸およびＺ軸の２軸まわりに姿勢変化させる例について説明したが、さらにＹ軸まわりに姿勢変化させるための姿勢変換装置が追加されてもよい。

＜第２の実施形態＞
図７は、本発明の第２の実施形態に係る姿勢変換装置２００を示す図であり、（Ａ）はその概略平面図、（Ｂ）および（Ｃ）はその動作例を示す概略平面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の姿勢変換装置２００は、第１の実施形態と同様に、ベース部材１０と、第１のリンク部材２１を有する第１の可動リンク２０１と、第２のリンク部材２２を有する第２の可動リンク２０２とを備える。姿勢変換装置２００は、第１および第２のリンク部材２１，２２がそれぞれベース部材１０に対して一軸まわり（Ｚ軸まわり）に回動可能に構成された２リンク２関節型のフリーフライングロボットとして構成される。

第１の可動リンク２０１は、第１のリンク部材２１と、第１の関節Ｊ１と、第１の駆動部Ｄ２１とを有する。第２の可動リンク２０２は、第２のリンク部材２２と、第２の関節Ｊ２と、第２の駆動部Ｄ２２とを有する。本実施形態では、第１および第２の駆動部Ｄ２１，Ｄ２２の構成が第１の実施形態と異なる。

第１の駆動部Ｄ２１は、第１の関節Ｊ１をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する（図７（Ｂ），（Ｃ）参照）。第２の駆動部Ｄ２２は、第２の関節Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する。本実施形態において第１および第２の駆動部Ｄ２１，Ｄ２２は、形状記憶効果により第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２をＺ軸まわりに変形させることが可能な第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２の組をそれぞれ有する。

第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２は、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を挟んでＹ軸方向にそれぞれ対向して配置される。第１の形状記憶素子Ｓ１は、その形状記憶効果によって、第１の関節Ｊ１を時計まわりに、第２の関節Ｊ２を反時計まわりに変形させる（図７（Ｂ）参照）。第２の形状記憶素子Ｓ２は、その形状記憶効果によって、第１の関節Ｊ１を反時計まわりに、第２の関節Ｊ２を時計まわりに変形させる（図７（Ｃ）参照）。第１及び第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２は、ベース部材１０と第１および第２のリンク部材２１，２２にそれぞれ設置された支持部材４３，４４の間に支持される。

第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２は、形状記憶処理が施された材料で構成される。この種の材料としては、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ系、Ａｇ／Ｃｄ系などの合金材料が挙げられる。第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２は、例えば、ワイヤー状あるいはコイル状に形成され、図７（Ｂ），（Ｃ）に示すように、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２がＺ軸まわりに変形した状態（形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２が縮んだ状態）の形状を記憶する。

したがって、図７（Ａ）の状態から第１の形状記憶素子Ｓ１に熱を加えると、図７（Ｂ）に示すように第１の形状記憶素子Ｓ１が形状記憶した元の縮んだ状態の長さに戻ろうとする力（引っ張り力）を発生し、第１のリンク部材２１を時計まわりに回動させる。一方、第２の形状記憶素子Ｓ２に熱を加えると、図７（Ｃ）に示すように第２の形状記憶素子Ｓ２が形状記憶した元の縮んだ状態の長さに戻ろうとする力（引っ張り力）を発生し、第１のリンク部材２１を反時計まわりに回動させる。

支持部材４３，４４の設置部位は、第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２の形状記憶効果によって第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２がＺ軸まわりに変形可能な位置であれば特に限定されない。本実施形態では、第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２は、第１の関節Ｊ１および第２の関節Ｊ２を挟んでＹ軸方向に互いに対向するように支持部材４３，４４の間に配置される。

支持部材４３，４４は、第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２をその形状記憶効果が発現する温度に通電加熱可能な電極材料で構成される。通電用の電源は、例えば、第１および第２のリンク部材２１，２２に設置されてもよい。制御部３０は、第１および第２のリンク部材２１，２２をそれぞれ所定のシーケンスで一軸まわり（Ｚ軸まわり）に運動させるための駆動信号（通電加熱のための駆動電流）を第１および第２の駆動部Ｄ２１，Ｄ２２（第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，２２）へ出力する。所定のシーケンスは、図１（Ｂ）を参照して説明したような非ホロノミック性の姿勢変更手順を含む。

第１および第２のリンク部材２１，２２のＺ軸まわりの回動量は、第１および第２の形状記憶素子Ｓ１，Ｓ２の形状記憶効果による引っ張り力と、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を構成する板ばね部材の弾性力との間の釣り合いの関係で決定される。

以上のように構成される本実施形態の姿勢変換装置２００においても、上述の第１の実施形態と同様に、回転軸などの摺動部を必要とすることなく第１および第２のリンク部材２１，２２を回動させて、ベース部材１０に固定された機体１Ａを任意の姿勢に変換することができる。これにより、姿勢変換装置２００の長寿命化、信頼性の向上、および装置の小型化を実現することができる。

＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態に係る姿勢変換装置３００を示す図であり、（Ａ）はその概略平面図、（Ｂ）はその概略斜視図、（Ｃ）はその動作例を示す概略平面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。

本実施形態の姿勢変換装置３００は、第１の実施形態と同様に、ベース部材１０と、第１のリンク部材２１を有する第１の可動リンク２０１と、第２のリンク部材２２を有する第２の可動リンク２０２とを備える。姿勢変換装置３００は、第１および第２のリンク部材２１，２２がそれぞれベース部材１０に対して一軸まわり（Ｚ軸まわり）に回動可能に構成された２リンク２関節型のフリーフライングロボットとして構成される。

第１の可動リンク２０１は、第１のリンク部材２１と、第１の関節Ｊ１と、第１の駆動部Ｄ３１とを有する。第２の可動リンク２０２は、第２のリンク部材２２と、第２の関節Ｊ２と、第２の駆動部Ｄ３２とを有する。本実施形態では、第１および第２の駆動部Ｄ３１，Ｄ３２の構成が第１の実施形態と異なる。

第１の駆動部Ｄ３１は、第１の関節Ｊ１をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する。第２の駆動部Ｄ３２は、第２の関節Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる駆動力を発生する（図８（Ｃ）参照）。本実施形態において第１および第２の駆動部Ｄ３１，Ｄ３２は、磁気吸着力により第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２をＺ軸まわりに変形させる第１および第２の磁石部Ｍ２１，Ｍ２２の組をそれぞれ有する。

第１の磁石部Ｍ２１は、電磁石群５１ａと、電磁石群５１ａとの間に電磁力を発生させる円弧状の磁石レール５１ｂとを有するリニアモータで構成される。同様に、第２の磁石部Ｍ２２は、電磁石群５２ａと、電磁石群５２ａとの間に電磁力を発生させる円弧状の磁石レール５２ｂとを有するリニアモータで構成される。

電磁石群５１ａ，５２ａは、第１および第２のリンク部材２１，２２に固定されたＹ軸方向に延びる支持部材５２の両端にそれぞれ支持される。電磁石群５１ａ，５２ａはそれぞれ、円弧状の磁石レール５１ｂ，５２ｂに沿って配列された２以上の電磁石を含む。電磁石群５１ａ，５２ａを構成する各電磁石は、磁性ブロックと、この磁性ブロックに巻回されたＺ軸方向に平行な巻き芯を有するコイルとを含み、制御部３０から上記コイルへの通電制御によりその極性を任意に変化させることで、磁石レール５１ｂ，５２ｂの上を移動可能に構成される。

磁石レール５１ｂ，５２ｂは、ＸＹ平面に平行な円弧状の部材であり、電磁石群５１ａ，５２ａの移動軌跡に沿って電磁石群５１ａ，５２ａとの対向面の極性が交互に入れ替わるように円弧状に配列された複数の永久磁石で構成される。磁石レール５１ｂ，５２ｂは、ベース部材１０の両端にそれぞれ、電磁石群５１ａ，５２ａとＺ軸方向に所定の間隔をおいて配置される。

第１および第２の磁石部Ｍ２１，Ｍ２２は、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を挟んでＹ軸方向にそれぞれ対向して配置される。第１の磁石部Ｍ２１は、電磁石群５１ａと磁石レール５１ｂとの間に作用する電磁力によって、第１の関節Ｊ１を時計まわりに変形させ、第２の関節Ｊ２を反時計まわりに変形させる（図８（Ｃ）参照）。第２の磁石部Ｍ２は、電磁石群５２ａと磁石レール５２ｂとの間に発生する電磁力によって、第１の関節Ｊ１を反時計まわりに変形させ、第２の関節Ｊ２を時計まわりに変形させる。

制御部３０は、第１および第２のリンク部材２１，２２をそれぞれ所定のシーケンスで一軸まわり（Ｚ軸まわり）に運動させるための駆動信号（通電のための駆動電流）を第１および第２の駆動部Ｄ３１，Ｄ３２（電磁石５１ａ，５２ａのコイル）へ出力する。本実施形態において制御部３０は、磁石レール５１ｂ，５２ｂに沿って電磁石群５１ａ，５２ａが円滑に移動するように電磁石群５１ａ，５２ａを構成する各電磁石の極性を適切に変化させる駆動信号を生成する。上記駆動信号は、典型的には交流信号であるが、パルス信号であってもよい。所定のシーケンスは、図１（Ｂ）を参照して説明したような非ホロノミック性の姿勢変更手順を含む。

以上のように構成される本実施形態の姿勢変換装置３００においても、上述の第１の実施形態と同様に、回転軸などの摺動部を必要とすることなく第１および第２のリンク部材２１，２２を回動させて、ベース部材１０に固定された機体１Ａを任意の姿勢に変換することができる。これにより、姿勢変換装置３００の長寿命化、信頼性の向上、および装置の小型化を実現することができる。

また、本実施形態によれば、第１および第２の磁石部Ｍ２１，Ｍ２２がリニアモータで構成されているため、第１および第２のリンク部材２１，２２の移動開始から移動停止までの区間にわたって一定の推進力（電磁力）で駆動させることができる。つまり本実施形態によれば、電磁石５１ａ，５２ａと磁石レール５１ｂ，５２ｂとの間の距離が一定に保たれているため、第１の実施形態のように磁石間の距離がリンク部材２１，２２の移動量で変化しないため、例えば、移動開始時において大きな電磁力を必要とすることなく比較的円滑に各リンク部材２１，２２を移動させることができる。

（他の構成例）
本実施形態において姿勢変換装置３００は、人工衛星１などの宇宙空間で使用されるため、リンク部材２１，２２や電磁石群５１ａ，５２ａの自重の影響を受けることなく磁石レール５１ｂ，５２ｂに対する電磁石群５１ａ，５２ａの姿勢を保持することができる。その一方で、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２を構成する板ばね部材のＸ軸まわりの変形により、電磁石群５１ａ，５２ａの磁石レール５１ｂ，５２ｂへの接触が起きる可能性がある。

そこで図９（Ａ），（Ｂ）に示すように、電磁石群５１ａ，５２ａと磁石レール５１ｂ，５２ｂとの接触を防ぐための補助磁石部Ｍ３が設けられてもよい。図９（Ａ）は姿勢変換装置３００の構成の変形例を示す概略平面図、図９（Ｂ）はその要部の概略斜視図である。

補助磁石部Ｍ３は、第１の磁石６１ａと第２の磁石６１ｂの組で構成された複数組の磁石で構成される。第１の磁石６１ａは、電磁石群５１ａ，５２ａの外側に配置された永久磁石のブロックである。第１の磁石６１ａは、例えば、電磁石群５１ａ，５２ａを支持する支持部材５３の延長した先端部に固定される。

第２の磁石６１ｂは、磁石レール５１ｂ，５２ｂの外側に配置された永久磁石のプレートである。第２の磁石６１ｂは、円弧状に形成され、磁石レール５１ｂ，５２ｂの外側であって第１の磁石６１ａとＺ軸方向に対向する位置に配置される。第２の磁石６１ｂは、磁石レール５１ｂ，５２ｂと同様に、ベース部材１０に支持される。なお図示の例では、第２の磁石６１ｂが磁石レール５１ｂ，５２ｂの外側に配置されたが、これに限られず、磁石レール５１ｂ，５２ｂの内側に配置されてもよい。

第１の磁石６１ａと第２の磁石６１ｂはいずれも永久磁石で構成されるが、互いに対向する面が同極性となるように配置される。これにより、第１の磁石６１ａと第２の磁石６１ｂとの間において生じる磁気反発力（斥力）を利用して、第１および第２の磁石部Ｍ２１、Ｍ２２における電磁石群５１ａ，５２ａと磁石レール５１ｂ，５２ｂとの間の非接触状態を維持することができる。したがって、第１および第２の関節Ｊ１，Ｊ２にＸ軸まわりのねじれが生じたとしても、電磁石群５１ａ，５２ａと磁石レール５１ｂ，５２ｂとの間の接触を防いで電磁石群５１ａ，５２ａの安定したスライド動作を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、人工衛星１などの宇宙機に本発明に係る姿勢変換装置を適用した例について説明したが、これに限られず、船舶の洋上での姿勢変換、飛行船の空中での姿勢変換などにも本発明は適用可能である。

１Ａ…機体
１０…ベース部材
２１…第１のリンク部材
２２…第２のリンク部材
３０…制御部
４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ…磁石
５１ａ，５２ａ…電磁石群
５１ｂ，５２ｂ…磁石レール
１００，２００，３００…姿勢変換装置
２０１…第１の可動リンク
２０２…第２の可動リンク
Ｄ１１，Ｄ２１，Ｄ３１…第１の駆動部
Ｄ１２，Ｄ２２，Ｄ３２…第２の駆動部
Ｊ１…第１の関節
Ｊ２…第２の関節
Ｍ１１，Ｍ２１…第１の磁石部
Ｍ１２，Ｍ２２…第２の磁石部
Ｍ３…補助磁石部
Ｓ１…第１の形状記憶素子
Ｓ２…第２の形状記憶素子

Claims (7)

1. 機体に固定されたベース部材と、
   第１のリンク部材と、前記ベース部材と前記第１のリンク部材との間に連結され一軸まわりに変形可能な弾性部材で構成された第１の関節と、前記第１の関節を前記一軸まわりに変形させる第１の駆動部と、を有する第１の可動リンクと、
   第２のリンク部材と、前記ベース部材と前記第２のリンク部材との間に連結され前記一軸まわりに変形可能な弾性材料で構成された第２の関節と、前記第２の関節を前記一軸まわりに変形させる第２の駆動部と、を有する第２の可動リンクと
   を具備する姿勢変換装置。
2. 請求項１に記載の姿勢変換装置であって、
   前記第１の関節および前記第２の関節は、前記弾性部材として前記一軸方向に平行な両主面を有する板ばね部材を含む
   姿勢変換装置。
3. 請求項２に記載の姿勢変換装置であって、
   前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、磁気吸着力により前記板ばね部材を前記一軸まわりに変形させることが可能な磁石ユニットをそれぞれ有する
   姿勢変換装置。
4. 請求項３に記載の姿勢変換装置であって、
   前記磁石ユニットは、電磁石を含む
   姿勢変換装置。
5. 請求項４に記載の姿勢変換装置であって、
   前記磁石ユニットは、リニアモータを含む
   姿勢変換装置。
6. 請求項２に記載の姿勢変換装置であって、
   前記第１の駆動部および前記第２の駆動部は、形状記憶効果により前記板ばね部材を前記一軸まわりに変形させることが可能な形状記憶素子をそれぞれ有する
   姿勢変換装置。
7. 請求項１～６のいずれか１つに記載の姿勢変換装置であって、
   前記第１の可動リンクおよび前記第２の可動リンクをそれぞれ所定のシーケンスで前記一軸まわりに運動させるための駆動信号を前記第１の駆動部および前記第２の駆動部へ出力する制御部をさらに具備する
   姿勢変換装置。

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