JP2500366B2

JP2500366B2 - ３次元自由運動装置

Info

Publication number: JP2500366B2
Application number: JP5263138A
Authority: JP
Inventors: 修岡本; 輝臣中谷
Original assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO KOKU UCHU GIJUTSU KENKYUSHOCHO
Current assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO KOKU UCHU GIJUTSU KENKYUSHOCHO
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH0796900A; US5501114A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元自由運動装置、
特に無重力環境下における自由運動を模擬することがで
きる無重力環境下模擬実験装置として、又は各種柔軟物
取扱い作業ロボットの評価試験装置等として利用できる
３次元自由運動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】宇宙基地における構築物の遠隔自動組立
技術や軌道上で人工衛星を回収する宇宙ロボット等の開
発において、ターゲット衛星やチェイサ衛星のドッキン
グ時における自由運動によるこれらの動きを認識するこ
とは欠くことのできない事項であり、従来、計算機によ
る運動方程式モデルによるシュミレーションのほかに、
ハードウエアモデルによって自由運動を模擬する装置が
種々提案されている。従来、地球上で無重力環境下での
自由運動を模擬する方法として、供試モデルを水中に
置き、水中で浮力のつりあいを利用する水中浮力方式、
３次元トラバース機構に吊り機構を組合せて協調動作
を利用する吊りバランス方式、３次元トラバース機構
に多軸の力・トルクセンサを組合せた能動型運動機構に
物体を取付け、作用点に加わる反力を相殺するようにサ
ーボ・フィードバック制御を行う多軸能動制御方式、
また、空中において実無重力を得る方法として、航空機
やロケットを用いた弾道飛行方式及び落下塔による自由
落下方式がある。

【０００３】前記従来の３次元の自由運動模擬装置は、
無重力環境下での作業のシュミレーションや宇宙ロボッ
ト等、専ら宇宙用開発のための実験装置として提供され
ているのみで、地上での各種応用、例えば柔軟物を取り
扱うロボットの開発に当たって、該ロボットが対象物に
与える衝撃度等をシミュレーションして、ロボットの柔
軟性を評価する評価スタンド等を目的とする３次元自由
運動装置は、未だ提供されていない。

【０００４】専ら地上での使用を目的とする各種従来型
ロボットは、一般に多関節腕機構を採用し、センサ等か
らの情報と予め決められた制御則により動きを制御して
いるが、機構、操作性等から制約があり、危険が付きま
とうため、対象物が人間をはじめとする動植物やガラス
細工等壊れやすい易破壊性物、及びその他の柔軟物に対
して優しいロボットについてはまだ解決できていないこ
とが多い。これら各種従来型ロボットと人間等との融合
に関する研究もこれからの課題であり、特に、高齢化を
迎えての介護ロボットの開発は重要課題である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の無重力模
擬装置は何れも次のように問題がある。（１）前記の方法は、深さに応じて浮力を調整しなけ
ればならず、且つ浮力媒体に水を利用するため水粘性が
動きに影響を与え、真空環境下に比べて動作に大きな差
が生じる。（２）の方法は、吊り支点と供試モデル間で連成運動
し易く、３軸移動機構の活動摩擦及び慣性が大きいた
め、供試モデルに複雑な動きが生じ、３次元の動きを模
擬し得ない問題がある。（３）の方法は、センサノイズ、機構部の慣性力、ガ
タ及び計算速度に伴う制御則の遅れ等により動きがスム
ーズでない等の問題がある。（４）の方法は、実験が大掛かりである反面、時間が
短く、小型装置による挙動確認等の試験にしか適用でき
ず、大型機構部を有する制御装置の要素技術の確立の試
験には適しない。

【０００６】一方、従来のロボット開発では、予め人間
や柔軟物等の個々の対称物との間で関係づけを行い、把
持圧や接触圧、動き等の制御則について決定しておく方
式が採用されているが、これらの評価は専ら固定対象物
を相手に行っているに過ぎず、ロボットにおける真の柔
軟性の評価を行える装置が無く、その出現が求められて
いる。

【０００７】本発明は、上記従来の自由運動模擬装置の
前記問題点を解決することができ、且つ前記柔軟性物品
の取扱いロボットの開発におけるロボットの柔軟性を正
確に評価できる評価装置にも適用できる３次元自由運動
装置を得ようとするものであって、極低摩擦支持機構に
よる複合動作により３次元６自由度の無重力環境下にお
けると同様な自由運動ができ、しかも機構部の慣性力や
ガタ等に伴う遅れもなく、スムーズな動きができ、低コ
ストで長時間の試験が可能である３次元自由運動装置を
得ることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記問題点を解決するた
めの本発明の３次元無重力自由運動装置は、定盤上に２
次元３自由度の極低摩擦平面滑動支持手段を介して浮上
台を設置して構成された平面滑動機構部、前記浮上台に
極低摩擦鉛直軸滑動支持手段を介して鉛直方向に並進可
能に支持され、且つバランスウエイト付加用のバランス
ベルトに連結された鉛直滑動軸筒を有する鉛直軸滑動機
構部、該鉛直軸滑動機構部の前記鉛直滑動軸筒の上部に
形成され３軸回りの極低摩擦３自由度回転支持手段を介
して球形軸を設置して構成された３軸回り回転機構部、
前記球形軸に支持された供試モデル搭載部とから構成さ
れ、前記各機構部の極低摩擦複合運動によって３次元６
自由度の運動機能を有することを特徴とする。

【０００９】前記極低摩擦平面滑動支持手段、前記極低
摩擦鉛直軸滑動支持手段、及び前記極低摩擦３自由度回
転支持手段がそれぞれガスを軸受媒体とするガス軸受で
あることが望ましい。

【００１０】前記鉛直軸滑動機構部を構成する前記鉛直
滑動軸筒及び軸受支持筒は、前記鉛直滑動軸筒が軸受支
持筒に対して鉛直方向に滑動できるように両者が嵌合さ
れていれば良く、前記鉛直滑動軸筒を滑動前記浮上台に
定置された軸受支持筒に外挿又は内挿何れの形式でも良
い。前記鉛直滑動軸筒及び滑動ガス軸受支持筒の形状
は、円筒状に限るものでなく、四角筒状等の多角形筒状
であっても良い。

【００１１】浮上台にガスタンクを設け、該ガスタンク
から極低摩擦軸受を構成する各ガスパットにガスを供給
することによって、外部とのガス配管を必要とせず、ま
た、必要に応じて電源も浮上台に搭載することによっ
て、３次元自由運動装置が完全な独立系を構成すること
が出来る。

【００１２】前記浮上台に該浮上台を２次元３自由度の
運動を与えることができる姿勢制御用ジェットノズルを
設けることによって、該浮上台の能動制御ができる。さ
らに、前記バランスベルトと滑動軸筒の結合間に張力セ
ンサを設け、且つ制御モータ或いはバランスベルトと固
定部間でリニアモータを構成して、バランスベルトを駆
動制御できるようにすることによって、張力センサによ
るベルト張力の検出に基づきベルトの弛みを補正するこ
とができ、且つ遠隔による前記滑動軸の能動制御ができ
る。

【００１３】前記供試モデル搭載部に多分力力センサを
設けてそれに供試モデルを取付けることによって、３次
元自由運動装置と供試モデル間に発生する衝撃力を多分
力で検出でき、供試モデルの運動性能がリアルタイムで
解析できる。

【００１４】本発明の３次元自由運動装置は、種々の試
験装置に採用でき、例えば３次元無重力運動模擬装置と
して、或いは柔軟物又は易破壊物を供試モデルとして搭
載して、これらを取扱う作業ロボットや看護ロボットが
対象物に与える影響等の評価テストを行う柔軟物取扱作
業ロボット評価テスト装置として適用できる。

【００１５】

【作用】定盤と浮上台との間の極低摩擦平面滑動支持手
段により、浮上台はＸ−Ｙ平面での２軸並進運動と１軸
回転運動の３自由度の運動機能が極低摩擦状態で確保で
き、また鉛直軸滑動機構部の滑動軸筒は、極低摩擦鉛直
軸滑動支持手段及びバランスウエイト付加用のバランス
ベルトにより、Ｚ軸方向の１軸並進運動の１自由度の運
動機能が極低摩擦状態で確保できる。さらに３軸回り回
転機構部により３軸回りの回転運動機能が極低摩擦状態
で確保できる。従って、全体として３軸並進と３軸回り
の６自由度の運動機能が極低摩擦状態で確保でき、これ
らはパッシブに機能するので、３次元の自由運動が達成
される。

【００１６】例えば、供試モデル搭載部に搭載した供試
モデルに、多分力の外力が作用すると、外力の強さと３
次元自由運動装置の複合摩擦力との慣性差による動きが
発生し、まず反力は６自由度の各機構部のうち、３軸回
り回転機構部、鉛直軸滑動機構部、そして浮上台へと実
時間で力が伝わり複合的に浮動する。個々の動きについ
ては、３軸回りの力が加わった時は３軸回り回転機構部
の球形軸が回動することで対応でき、さらに水平方向の
力が加わった時は定盤上で浮いている浮上台が滑動し、
これらの各機構が総合的に機能することで３次元無重力
模擬や、柔軟物取扱ロボットや介護ロボットが対象物に
及ぼす衝撃による動きを模擬することができる。

【００１７】また、浮上台にガスタンク及び必要に応じ
て電源を設けることによって、この３次元自由運動装置
は完全な独立系を構成することができ、外部機構に拘束
されることがないので、より正確に自由運動を運動を模
擬することができる。さらに、浮上台に姿勢制御用ジェ
ットノズルを設け、且つバランスベルト制御駆動モータ
を設けることによって、Ｘ−Ｙ面の２次元３自由度の動
きとＺ軸方向の１自由度の動きを能動的に付与すること
ができ、受動的な動きだけでなく能動的な動きでの自由
運動を模擬でき、宇宙での衛星のドッキングなどにおけ
るより現実的な動きを模擬できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。本実施例の３次元自由運動装置は、定盤１上
に浮上台２を設置して２次元３自由度の平面滑動機構部
３を構成し、前記浮上台に極低摩擦一軸並進軸受機能を
もつ鉛直軸滑動機構部４を垂設し、且つ該鉛直軸滑動機
構部４の上部に３軸回りの３自由度極低摩擦運動機能を
有する３軸回り回転機構部５を介して供試モデル等を搭
載する供試モデル搭載部６とから構成されている。次に
前記各機構部毎に詳細に説明する。

【００１９】平面滑動機構部浮上台２は、前記各機構部に極低摩擦支持媒体としての
ガス（一般には乾燥空気又は窒素ガス等の不活性ガス）
を供給するガスタンク９を搭載し、その裏面には極低摩
擦平面滑動支持手段であるガス軸受（空気軸受）８の平
板状のガスパット１０（図３）が適数個配置され、前記
ガスタンク９から適宜の配管１１及び圧力調整弁１２を
介してガスが供給される。ガスパット１０からガスが噴
出されることにより、浮上台２は、定盤面（Ｘ−Ｙ平
面）に対して極低摩擦で支持されることになり、定盤面
に対してＸ−Ｙ方向の並進運動とＺ軸回りの回転との２
次元３自由度を有し、２次元自由運動状態に維持され
る。

【００２０】また、浮上台２には、２次元３自由度の運
動を能動的に行って位置姿勢制御ができるように、姿勢
制御用ジェットノズル１３が適数個配置されている。図
示の実施例では、姿勢制御用ジェットノズル１３は、直
角に配置された２個のノズル１４、１５を有するノズル
体で構成され、定盤の４隅にそれぞれ配置されている。
各姿勢制御用ジェットノズル１３は、配管１６及び圧力
調整弁１７を介して前記ガスタンク９に接続され、それ
ぞれが独立して圧力制御可能になっており、浮上台２が
浮上した状態でこれらの姿勢制御用ジェットノズル１３
からガスを噴射することにより、浮上台２は反力により
ガス噴射方向と反対方向に動くことができる。従って、
４個のジェットノズルの噴射を適宜組合せることによ
り、並進運動とＸ軸回りの回転が可能となり、定盤面に
沿ってＸ−Ｙ平面内の任意の動きを与えることができ、
姿勢制御が可能である。

【００２１】鉛直軸滑動機構部鉛直軸滑動機構部４は、浮上台２に固定された軸受支持
筒２０（図３）と該軸受支持筒２０の外周に極低摩擦垂
直軸滑動支持手段であるガス軸受２１を介してＺ軸方向
に滑動自在な滑動軸筒２２とからなる一軸並進滑動部
と、滑動軸筒２２を供試モデルの重量とバランスして、
自由状態で一定位置に維持するためのバランスウエイト
付与部とから構成されている。

【００２２】一軸並進滑動部のガス軸受２１は、軸受支
持筒２０の外面に設けられた円筒状のガスパット２３を
有し、該ガスパット表面からガスを滑動軸筒内面に噴射
することによって、滑動軸筒２２を軸受支持筒２０に対
して極低摩擦でＺ軸方向に案内支持することができる。
本実施例では、軸受支持筒２０の内部は密閉状に形成さ
れ、前記ガスタンク９から配管２４、圧力調整弁２５を
介してガスが軸受支持筒２０内に供給され、ガスパット
２３の表面から滑動用のガスが噴出するようになってい
る。

【００２３】バランスウエイト付与部は、浮上台２上に
固定されたブラケット３０に支持された上下一対で２組
の滑車３１、３１’間に垂直に掛け渡されたバランスウ
エイト支持部３２を有する２組のバランスベルト３３、
３３を有し、該バランスベルトに前記滑動軸筒２２の下
端部が連結具３６（図２、図４）を介して支持されてい
る。バランスウエイト支持部３２に供試モデルの重量と
バランスする重量を有するバランスウエイト３７を載置
することにより、供試モデルはバランスした位置でＺ軸
方向にほぼ自由運動状態で維持される。

【００２４】通常、前記滑車３１、３１’は自由回転状
態に支持されているが、本実施例ではバランスベルト３
３、３３の位置を能動制御できるように、図４に示すよ
うに、一方の滑車３１は、位置決めロータリエンコーダ
３４を備えたモータ３５にクラッチブレーキ３９を介し
て連動されている。且つ、滑動軸筒２２とバランスベル
ト３３との結合間に張力センサ３８が設けられており、
滑動軸筒２２の動きに合わせて張力を検出し、張力の変
動に応じてモータ３５を制御して、バランスベルトに作
用する張力を常に一定に保つようにすることによって、
バランスベルトの弛みによるヒステリシス現象等による
非線形を排除することができる。また、遠隔操作により
モータを駆動さることによって、バランスベルトを回動
させ、滑動軸筒２２をＺ軸方向に強制移動させて、供試
モデルをＺ軸方向の任意の位置に移動させることができ
る。

【００２５】３軸回り回転機構部３軸回り回転機構部５（図２、図３）は、前記滑動軸筒
２２の上端中央部に半球状のガス軸受凹部４０を形成
し、該ガス軸受凹部に嵌合した球形軸４１との間に半球
形のガスパット４２を設けてガス軸受３９を構成し、滑
動軸筒２２と球形軸４１との間に３軸回りの３自由度極
低摩擦運動機能を有するように構成されている。

【００２６】前記ガスパット４２へのガスの供給は、ガ
ス軸受部４０の下端に支持されて滑動軸筒２２の内部を
貫通してベローズ又はフレキシブル継手４８で結合さ
れ、軸受支持筒２０内に伸びるパイプ４３を介して軸受
支持筒２０内から供給される。なお、４４は前記パイプ
４３が軸受支持筒２０の頂壁２６に対して極低摩擦で滑
動できるように頂壁の開口部に設けられた滑動用ガスパ
ットであり、４５は圧力調整弁である。

【００２７】供試モデル搭載部供試モデル搭載部６は、本実施例では前記３軸回り回転
機構部５の球形軸４１に供試モデルを搭載できるように
なっており、球形軸４の頂部に取付座４７を形成して適
宜供試モデルを取付けることができるように構成されて
いる。

【００２８】本実施例の装置は、以上のように構成さ
れ、定盤１と浮上台２との間でＸ−Ｙ平面での２軸並進
運動と１軸回転運動の３自由度の運動機能が極低摩擦状
態で確保でき、また軸受支持筒２０と滑動軸筒２２との
間でＺ軸方向の１軸並進運動の１自由度の運動機能が、
さらに球状ガス軸受部４０と球形軸４１との間で３軸回
りの回転運動の３自由度の運動機能が得られ、全体とし
て３軸並進と３軸回りの６自由度の運動機能が極低摩擦
状態で確保できる。従って、３次元自由運動装置が得ら
れる。

【００２９】図５は、上記実施例の３次元自由運動装置
で、人工衛星同士のドッキング時にターゲット側衛星ま
たはチェイサ側衛星の動きを実験するために、供試モデ
ル５０としてターゲット側衛星モデルを取付け、宇宙で
の自由運動を模擬する実験装置に適用した場合の例を示
している。

【００３０】供試モデル５０は、球形軸４１の取付座４
７に固定された６分力力センサからなる衝撃力評価用力
センサ５１に取付けられ、３次元自由運動装置と供試モ
デル間に発生する衝撃力を検出できるようになってい
る。それにより、供試モデルの運動性、操作性及び制御
則の評価を行うことが可能である。本実施例の供試モデ
ル５０は、下方が開口した箱状に形成され、そのスカー
ト壁５２にチェイサ側衛星モデル６５の結合プローブ６
６と結合するドローグ５３及びチェイサ側衛星を監視す
る例えばＣＣＤカメラ等の監視センサ５４を設け、その
反対側スカート壁にバランサ５５を取付け、その重錘を
調節することにより供試モデル全体が水平にバランスす
るように調節する。また、天壁５６には、制御ユニット
５７が設置され、衝撃力評価用力センサ５１、監視セン
サ５４及びドローグ５３からの情報を外部のコンピュタ
ー等の情報処理装置に送信すると共に、外部からの指令
を受信して運動装置内の各種のアクチュエータを制御す
ることができる。

【００３１】なお、図中５８は、ドローグ５３に設けら
れた電気コネクターであり、チェイサ側衛星モデル６５
がドッキングしたときにチェイサ側衛星モデルの電気端
子６７が結合できるようになっている。５９はアンテ
ナ、６０はチェイサ側衛星モデルのラッチ６８が係止す
る係止フランジである。

【００３２】以上のような供試モデルを取付けて模擬自
由運動は次のようにして行われる。供試モデル５０を衝
撃力評価センサ５１に取付け、各ガス軸受部にガスタン
ク９からガスを供給して軸受部の極低摩擦支持を確保す
ると共に、供試モデル５０を搭載した鉛直滑動軸２２の
自重とバランスベルト３３に支持されたバランスウエイ
ト３７がバランスするようにバランスウエイトを調節す
る。この状態では、供試モデルは極低摩擦状態に支持さ
れ、宇宙空間と同様にほぼ自由状態にあり、外力の作用
によって３次元の擬似自由運動を行う。

【００３３】チェイサ側衛星モデル６５が供試モデル５
０に接近してプローブ６６とドローグ５３が結合してド
ッキングが行われると、その時の衝撃によって３次元自
由運動装置に支持されている供試モデル５０は自由運動
を行う。その時の３次元自由運動装置と供試モデルの間
に発生する衝撃力は衝撃力評価用力センサで６分力とし
て逐次検出され、制御ユニット５７から送信され外部情
報処理装置でリアルタイムで分析され、供試モデルの運
動性、操作性を評価することができる。

【００３４】また、この自由運動装置は、能動制御機構
を有しているので、例えば供試モデル５０のターゲット
側衛星モデルとチェイサ側衛星モデル６５がドッキング
するに際して、接近してくるチェイサ側衛星モデル６５
を監視センサ５４でその位置を検出し、監視センサ５４
の検出信号に基づいてドローグが正確にプローブ方向に
一致するように、供試モデルの姿勢を制御することがで
きる。即ち、監視センサ５４の検出信号に基づいて姿勢
制御用ジェットノズル１３からガスを噴出させることに
よって、ドローグが正確にプローブ方向に向くように供
試モデルの姿勢を制御することができ、且つ制御モータ
３５を駆動してバランスベルト３３を回動させることに
より、供試モデルの高さ位置を制御することができる。
これらの複合運動により、供試モデルのドローグを接近
してくるプローブに合わせて位置制御することができ、
宇宙空間での人工衛星のドッキング過程をより正確に模
擬することができる。従って、本実施例によれば、姿勢
制御用ジェットノズル１３からガスを噴出させることに
よって、その反力による供試モデルの運動をシミュレー
ションすることができる。

【００３５】図６は、本実施例の自由運動装置を２個使
用して、一方の自由運動装置７０には供試モデルとして
軌道上の人工衛星モデル７１を、他方の自由運動装置７
２には該人工衛星モデルを修理するための宇宙ロボット
モデル７３を取付け、それらを実際に能動制御して宇宙
ロボットが人工衛星を捕獲する時の両者の無重力環境下
での運動性能を実験する実験装置を示している。

【００３６】このように本実施例装置を２個使用するこ
とによって、両者を３次元自由運可能状態で支持して互
いに干渉させることができ、宇宙での実際の動きをより
正確に模擬することができる。このように自由運動装置
を２個あるいは複数個組合せて互いに干渉させてそのと
きの個々の供試モデルの自由運動を模擬できるのは、装
置自体が完全に独立した系で構成され、且つそれぞれが
能動制御できるという本実施例装置の大きな特徴であ
り、従来の前記〜の方法では達成できないことであ
る。

【００３７】図７は、本発明の自由運動装置の他の実施
例を示し、前記実施例と同様な部材に対しては同じ符号
で示している。この実施例の自由運動装置では、鉛直軸
滑動機構部のバランスベルト７５が有端ベルトからな
り、その一端が張力センサ３８を介して滑動軸筒２２に
連結され、滑車７６を通過して反対側に位置する他端に
はバランスウエイト支持部３２が連結されている。滑車
７６にはモータ３５がクラッチブレーキ３９を介して連
結され、通常は滑車と切り離され、能動制御を行うとき
にモータを連結して滑車を回転させて滑動軸筒を変位さ
せることができる。なお、本実施例では、ロータリエン
コーダに代えてブラケット３０に位置決め非接触型リニ
アエンコーダ３４’を設け、それによりバランスベルト
の移動量を検出して、モータを制御できるようになって
いる。

【００３８】図８は、本発明の自由運動装置のさらに他
の実施例を示し、この実施例の自由運動装置８０では鉛
直軸滑動機構部を構成する滑動軸筒と軸受支持筒との嵌
合関係が前記実施例と逆になっており、滑動軸筒８１は
軸受支持筒８２に内挿している。軸受支持筒８２の頂部
に、極低摩擦垂直軸滑動支持手段であるガス軸受８３が
支持されている。該ガス軸受８３のガスパット８４の内
周面が前記滑動軸筒８１の外周面に面してガスを噴出す
ることにより、滑動軸筒を軸方向に極低摩擦で滑動支持
する。また、本実施例では軸受支持筒８２が、バランス
ベルト８５を巻回する滑車８６の支持手段も兼ねてい
る。

【００３９】一方、滑動軸筒８１の内部は３軸回り回転
機構部にガスを供給する管路も兼ねており、軸受支持筒
８２の底部に立設されたガス供給管８７が該滑動軸筒８
１の底壁８８から滑動軸内に突出して滑動軸の中空部に
軸受用のガスを供給される。なお、底壁８８のガス供給
管８７が貫通する部分には鉛直軸滑動用のガス軸受８９
が設けられている。他の構成は前記実施例と同様である
ので、同様な部材に対しては同じ符号で示し、詳細な説
明は省略する。

【００４０】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明は上記実施例に限るものでなく、その技術的思想の範
囲内で種々の設計変更が可能である。例えば、上記実施
例では能動制御時において、バランスベルトにクラッチ
ブレーキを介して電動モータの回転力を伝えて、バラン
スベルトを変位させることができるようにしているが、
バランスベルトの一部にリニアモータを構成する永久磁
石を取付け、且つ該永久磁石に対応するように軸受支持
筒等の浮上台固定部分に電磁コイルを設けて、バランス
ベルトと浮上台固定部分間にリニアモータ機構を構成し
ても良い。リニアモータ機構を構成することによって、
非接触でバランスベルトを能動制御できるので好まし
い。また、リニアモータ機構は、バランスベルトと浮上
台との間に限らず、滑車自体をリニアモータのロータと
しても良い。

【００４１】また、上記実施例では、浮上台に設けたガ
スタンクから各ガス軸受にガスを供給しているが、例え
ば、３軸回り回転機構部のガス軸受には滑動軸に別個の
ガスタンクを設けて供給するようにしても良い。

【００４２】

【発明の効果】本発明の３次元自由運動装置は、以上の
ように構成され次のような格別な効果を奏する。本発明
によれば、極低摩擦支持機構による複合動作により３次
元６自由度の自由運動ができ、トラバース機構等を用い
てないので、機構部の慣性力やガタ等に伴う遅れもな
く、スムーズな動きができ、従来の自由運動模擬装置と
比較して特段に正確に自由運動を模擬することができ
る。

【００４３】弾道飛行方式や自由落下方式等の大掛かり
な装置を必要とすることなく、低コストでしかも長時間
の試験が可能である。完全な独立系を構成することがで
きるので、固定支持枠等に邪魔されることなく、種々の
供試モデルを搭載することが可能であり、また複数の装
置を相互に干渉させて自由運動を模擬することができ
る。

【００４４】浮上台に姿勢制御用ジェットノズルやバラ
ンスベルト制御モータを設けることによって、供試モデ
ルの姿勢制御ができ、宇宙機のドッキング等をより実際
的に模擬することができる。供試モデル搭載部に多分力
力センサを設けてそれに供試モデルを取付けることによ
って、供試モデルの運動性能がリアルタイムで解析でき
る。

【００４５】そして、従って、本発明の３次元自由運動
装置は、種々の試験装置に採用でき、３次元無重力運動
模擬装置として、或いは柔軟物又は易破壊物を取扱う作
業ロボットや看護ロボット或いは収穫ロボット等が対象
物に与える影響等の評価テストを行う評価テスト装置等
として適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る３次元自由運動装置の斜
視図である。

【図２】その一部断面正面図である。

【図３】その極低摩擦支持手段のガス軸受及び姿勢制御
用ジェットノズルへのガス供給構造を示す模式図であ
る。

【図４】鉛直軸滑動機構部の構造を示す模式図である。

【図５】無重力運動模擬実験における供試モデルを搭載
した状態の本発明の３次元自由運動装置の一部断面正面
図である。

【図６】本発明の本発明の３次元自由運動装置を２個使
用して無重力運動模擬実験を行っている状態の斜視図で
ある。

【図７】他の実施例の鉛直軸滑動機構部の構造を示す模
式図である。

【図８】他の実施例の３次元自由運動装置の一部断面正
面図である。

【符号の説明】

１定盤２浮上台３平面滑動機構部４鉛直軸滑動
機構部５３軸回り回転機構部６供試モデル
搭載部９ガスタンク１３姿勢制御用
ジェットノズル２０、８２軸受支持筒２２、８１滑
動軸筒３３、７５バランスベルト３５モータ４１球形軸５０供試モデ
ル８、２１、３９、８３ガス軸受１０、２３、４２、４４、８４、８９ガスパット

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】定盤上に２次元３自由度の極低摩擦平面
滑動支持手段を介して浮上台を設置して構成された平面
滑動機構部、前記浮上台に極低摩擦鉛直軸滑動支持手段
を介して鉛直方向に並進可能に支持され、且つバランス
ウエイト付加用のバランスベルトに連結された鉛直滑動
軸筒を有する鉛直軸滑動機構部、該鉛直軸滑動機構部の
前記鉛直滑動軸筒の上部に形成され３軸回りの極低摩擦
３自由度回転支持手段を介して球形軸を設置して構成さ
れた３軸回り回転機構部、前記球形軸に支持された供試
モデル搭載部とから構成され、前記各機構部の極低摩擦
複合運動によって３次元６自由度の運動機能を有するこ
とを特徴とする３次元自由運動装置。
【請求項２】前記極低摩擦平面滑動支持手段、前記極
低摩擦鉛直軸滑動支持手段、及び前記極低摩擦３自由度
回転支持手段がそれぞれガスを軸受媒体とするガス軸受
である請求項１記載の３次元自由運動装置。
【請求項３】前記鉛直滑動軸筒は、前記浮上台に定置
された軸受支持筒に外挿されている請求項１又は２記載
の３次元自由運動装置。
【請求項４】前記鉛直滑動軸筒は、前記浮上台に定置
された軸受支持筒に内挿されている請求項１又は２記載
の３次元自由運動装置。
【請求項５】前記浮上台にガスタンクが搭載され、前
記極低摩擦３自由度回転支持手段を構成するガス軸受へ
のガス供給は、前記ガスタンクから、前記鉛直滑動機構
部を介して供給される請求項２、３又は４記載の３次元
自由運動装置。
【請求項６】前記浮上台に該浮上台を２次元３自由度
の動きを与える姿勢制御用ジェットノズルが設けられ、
該浮上台の能動制御ができるようにした請求項１〜５何
れか記載の３次元自由運動装置。
【請求項７】前記バランスベルトと前記滑動軸筒との
結合間に張力センサが設けられ、且つ前記バランスベル
トが捲回された滑車の回転を制御する制御モータが設け
られ、該モータを駆動することにより前記張力センサに
よるベルト張力の検出に基づきベルトの弛みを補正でき
ると共に、遠隔制御による前記滑動軸筒の軸方向変位を
与える能動制御ができるようにした請求項１〜５何れか
記載の３次元自由運動装置。
【請求項８】前記供試モデル搭載部に、該供試モデル
搭載部に搭載される供試モデルと本装置間に発生する衝
撃力を検出する多分力力センサを設けた請求項１〜７何
れか記載の３次元自由運動装置。
【請求項９】前記バランスベルトの一部にリニアモー
タを構成する永久磁石が取付けられ、前浮上台上の固定
部分にリニアモータを構成する電磁コイルが固定され、
前記バランスベルトと浮上台の固定部分との間にリニア
モータ機構が構成されている請求項１〜６何れか記載の
３次元自由運動装置。
【請求項１０】前記バランスベルトが２本以上で構成
されている請求項１〜９何れか記載の３次元自由運動装
置。
【請求項１１】前記３次元自由運動装置が、３次元無
重力運動模擬装置である請求項１〜９何れか記載の３次
元自由運動装置。
【請求項１２】前記３次元自由運動装置が、柔軟物・
生物又は易破壊物を取扱う作業ロボット、又は人間を介
護する介護ロボットが対象物に与える衝撃等の評価テス
トを行う柔軟物取扱作業ロボットの評価試験装置である
請求項１〜９何れか記載の３次元自由運動装置。