JP3624347B2

JP3624347B2 - 構造部材の連結機構

Info

Publication number: JP3624347B2
Application number: JP2000233526A
Authority: JP
Inventors: 功次山脇
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP2002046698A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、輪郭形状が多角形の平板或いは枠組（フレーム）から成る構造部材を連結して、様々な形状の構造物を形成するための連結機構に関する。さらに詳しくは、複数の多角形状構造部材を特定の辺同士で連結して様々な殻状構造物
を形成する際に、表面が特定の磁極配列パターンで磁化された複合（多極）磁石を連結辺に備え、これと反転した磁極配列パターンで磁化された複合磁石を備えた他の多角形状構造材の辺との連結のみを可能とした電磁気的相互作用を利用した連結機構に関するものであり、例えば宇宙空間において、連結された複数の多角形状構造部材が自動的に連結して立体構造物を形成することを可能とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロケットのフェアリングに収納できない大型構造物、例えば通信用の大型アンテナを宇宙空間で形成する場合、アンテナ構体の各部は傘のように折り畳んでフェアリングに収納され、宇宙空間に輸送された後に展開してアンテナ形状を形成する。このため、アンテナ構体は極めて複雑な機構の集合体であり、それぞれの機構部は高い信頼性が求められるため、高価なものとなる。
【０００３】
また、分離した複数の構造部材を宇宙空間で連結して大型構造物を形成する場合、これらの構造物を予めワイヤ等で繋いだ状態で折り畳んで収納しておき、展開・組立時にはワイヤを巻き取りあるいは緩めて連結する箇所を接近させた後にラッチ機構により引きつけて連結するような方法が用いられる。
【０００４】
このような機構が構成できない場合は宇宙飛行士やロボットが組立作業を行うことになる。したがって、宇宙空間での構造物の建設は地上からを想像のつかない困難を伴うことを覚悟しなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような宇宙空間における構造物の構築に際して、仮に、何らかの力で構造部材の辺同士が引っ張り合い、適切な力で連結し結合するならば、構造部材同士の自動的な連結を可能とする前述の機械的な手段や宇宙飛行士の組立作業は必要でなくなる。日常の生活において磁石が色々な道具の部品として利用されていることから、宇宙空間においても、電磁気的な力、特に磁力を生成する磁石は構造部材の連結手段として期待できることは十分に予想される。
【０００６】
しかしながら、連結部を磁石で構成しようとする場合には、以下のような問題がある。すなわち、相対する面の磁極が異なっていると、磁石は引っ張り合い、接合しようとする。従って、連結すべき構造部材の特定の連結辺が接近するようにそれぞれの構造材を移動させるとともに、それ以外の連結辺は、接近しないように工夫しなければならない。
【０００７】
磁石を連結手段として使用する場合にはこのような問題が必然的に発生することに留意しなければならない。特に、連結構造物の自律的組立において磁石を連結手段として利用しようとする場合には、注意が必要である。
【０００８】
この発明は、上記のような事情に鑑みて構成されたもので、宇宙空間あるいは深海などにおいて単位構造部材を適宜結合して、所望の構造物を構築する場合において、構造部材の結合すべき連結辺に結合力の選択性を付与することによって、構造部材の結合作業を効率的に行うことができる構造部材の連結機構を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の該目的は、複数の連結部を有する構造部材を構成要素として複数結合することによって所望の構造体を形成するようになった構造部材の連結機構において、一方の構造部材はその連結辺を介して他方の構造部材と連結されるようになっており、前記一方の構造部材の特定の連結辺には、複数の磁石が取りつけられており、前記磁石は前記特定の連結辺の表面において所定の磁極配列パターンを有するように配列されており、前記一方の構造部材の前記特定の連結辺が前記所定の磁極配列パターンに基づいて前記他方の構造部材の所定の連結辺が電磁気学的相互作用によって自動的に選択されてかつ連結されるようになったことを特徴とする構造部材の連結機構によって達成することができる。
【００１０】
本発明によれば、好ましくは、輪郭形状多角形平板を成す複数の構造部材の辺同士を連結して特定の形状の立体構造物を構成する構造部材の連結手段として、該構造部材の連結する特定の連結辺に特定の磁極配列パターンによって磁化された複合磁石を構成する。そして、該構造部材の予め定められた辺同士のみがお互いの磁極配列パターンによる電磁気学的相互作用によって連結可能としたものである。このように、辺同士の連結手段として特定の磁極配列パターンを持つ複合磁石を用いることにより、これと最も強い磁力で連結することの可能な辺は前記の特定の磁極配列パターンに反対の磁極パターンを持つ複合磁石構造を有する連結辺に限定される。従って、構造部材が接近した際には、お互いに連結されるべき辺同士が磁極配列パターンに拘束された状態で自動的に連結することが可能になる。
【００１１】
本発明の好ましい態様では、前記構造部材が他の構造部材のものと結合される複数の連結辺を周辺部に備えた多角形状構造部材である。
【００１２】
さらに別の態様では、前記一方の多角形状構造部材の特定の連結辺に設けられた前記磁石の磁極配列パターンは複数の永久磁石の組み合わせによって構成され、該一方の多角形状構造部材の磁石の磁極配列パターンに対し、これと連結される他方の多角形状構造部材の磁石の磁極配列パターンは、それぞれの磁極が極性反転した形態の磁極配列パターンによって構成されている。
【００１３】
このように、磁極配列が特定のパターンを成すように複数の永久磁石を配列・固定することにより、連結されるべき相手の辺を選択することの可能な複合磁石を形成することができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記多角形状構造部材の連結辺に設けられた前記磁石の特定の磁極配列パターンは複数の電磁石の組み合わせによって構成され、前記一方の前記複合磁石の磁極配列パターンは連結する他方の前記複合磁石の磁極配列パターンと極性反転している。
【００１５】
前記構造部材の連結可能な辺に備えた前記複合磁石の特定の磁極配列パターンは複数の電磁石の組み合わせによって構成され、連結する一方の前記複合磁石の磁極配列パターンは連結する他方の前記複合磁石の磁極配列パターンと極性反転したものである。このように、磁極配列が特定のパターンを成すように複数の電磁石を配列・固定することにより、達緒されるべき相手の辺を選択することの可能な複合磁石を形成することができる。
【００１６】
この場合、該電磁石の極性を制御することにより、前記多角形状構造部材のの連結強度の調整を可能とするのがよい。
【００１７】
該電磁石の極性の制御により前記構造部材同士の連結強度の調整を可能としたものである。このように、複合磁石を形成する磁石が電磁石である場合は、これらのコイルヘの電気の供給条件を変更する、例えば電流の大きさや方向を変えることにより、連結機構での接合面での接合力を制御することが可能になり、構造部材の連結と分離のための並進力だけでなく、接合部でのトルクを制御して、柔軟構造物として内部エネルギーの管理が可能となる。
【００１８】
また、前記特定の連結辺に形成される磁極配列パターンは、これと連結される他方の多角形状構造部材の特定の連結辺以外の連結辺の磁極配列パターンの不一致の度合い大きくすることにより互いの結合力を低下させることもできる。
【００１９】
特定の磁極配列パターンを形成する複合磁石は、連結しない該複合同士ではお互いに相関性の低い不規則な磁極配列パターンを形成したものである。このように、例えば数十個の磁石を並べて磁極配列パターンを形成する場合に例えば数１と数０が不規則に配列した特定の擬似乱数コードを参照にして、数１の場所に接合面がＮ極となる磁石を置き、数０の場所に接市面がＳ極となる磁石を置いて一列に並べると、参照した擬似乱数コードに対応した複合磁石が形成される。これらはお互いに相関性の低い磁極配列パターンを持つため、お互いに結合する磁力は統計的に低いものとなる。そして、前記の特定の擬似乱数コードの補数によって形成された反后複合磁石のみが強い磁力で連結可能な唯一の複合磁石となるだけでなく、この一対転複合磁石は特定の位置でのみ連結する。
【００２０】
連結手段とする磁石の連結面が複数の磁極からなり、これらの磁極がそれぞれ固有のパターンで配列された特定の複合磁石を形成するものとすれば、お互いに磁極配列パターンの無関係な複合磁石同士が引っ張り合う或いは反発し合う磁力は相殺して比較的小くなるが、磁極パターンが逆転した磁石同士は強い磁力で引っ張り合うことになる。従って、各辺の複合磁石の磁極配列パターンを適切に選択すれば、連結すべき辺同士の引っ張り合う磁力を大きくし、それ以外の連結辺同士の引っ張り合う磁力を十分に小さくすることが可能になる。また、複合磁石を電磁石で構成する場合、連結した辺の複合磁石を形成する電磁石の一部の極性を変更したり電源をオフにしたりすれば、連結辺同士の連結力を適宜変動制御することができ、大型構造物の構築、分解、再構築といった作業だけでなく柔軟構造物としての形状の制御を容易に行うことが可能なる。さらに、電磁石の一部の極性を変更して構造部材の連結辺の変更することができ、これによって結合すべき構造部材を適宜選択することができることとなり、構造物の形態を任意に設定することができるとともに、構造物の組立作業においても、作業の自由度が向上し、効率も良い。また、連結すべき構造部材を選択性が拡がるのでさまざまな形状の構造物を構成することが可能になる。
【００２１】
本発明は、連結すべき辺同士の引っ張り合う磁力を大きくし、それ以外の辺同士の引っ張り合う磁力は十分に小さくするために、磁極が固有のパターンで配列された特定の複合磁石を形成して特定の磁極配列パタ−ンを持つ複合磁石を備えた辺との連結のみを可能として、宇宙空間において構造部材の自律的な連結が簡便に行くことができる。
【００２２】
以上のように本発明により、複数のお互いに相関性の低い磁極配列パターンを持つ複合磁石と反転磁極配列パターンを持つ反転複合磁石を連結手段して使用することにより、連結相手となる辺を選択し、あるいは指定することのできる連結機構を構成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の連結機構を備えた多角形状構造部材の一例である。本実施の形態では、多角形状構造部材１０には構造部材の形状を成す六角形の構造平板１１の３辺に連結機構１２−１、１２−２及び１２−３が取り付けられる。簡便のため構造平板１１は六角形としたが、本発明は特に形状を特定する必要はなく、連結の幾何学的条件が備わっておれば任意の形状に適用可能である。また図１に示す例では、３個の連結機構が一つ置きに３辺に取り付けられているが、本発明では１個の多角形状構造部材に取り付けられる連結機構の個数を特定するものではない。また図１では、それぞれの連結機構には２個の複合磁石が取り付けられている。例えば、連結機構１２−１には２個の複合磁石１３−１１，１３−１２が取り付けられている。本発明では、この個数や形状についても、連結する辺同士の対応関係すなわち相関を考慮に入れれば、任意に設定することができる。
図２は、２個の多角形形状材１０Ａと１０Ｂとが連結機構１２Ａ−１と連結機構１１２Ｂ−１とによって連結する模様を示す図例である。この場合、連結機構１２Ａ−１の複合磁石１３Ａ−１２は連結機構１２Ｂ−１の複合磁石１３−１２と、連結機構１２Ａ−１の複合磁石１３Ａ−１２は連結機構１２Ｂ−１の複合磁石１３Ｂ−１１と電磁気学的相互作用こよって連結する。従って本発明では、複合磁石１３Ａ−１１と複合磁石１３Ｂ−１２の磁極配列パターン並びに複合磁石１３Ａ−１２と複号磁石１３Ｂ−１１の磁極配列パターンがお互いに磁性反転の関係にあるような複合磁石を構成する。
【００２４】
ここで複合磁石における磁性反転の関係とは、相対する磁石の表面の極性がすべて一致しない関係を意味する。
【００２５】
図３は、連結機構による多角形状構造部材の連結状態を図示したものである。連結機構１２Ａ−１と１２Ｂ−１の連結面は構造平板１１Ａと１２Ｂとが特定の連結角を成すような傾きを持って連結する。この場合、複合磁石１３Ａ−１２とこれに反転磁性を持つ複合磁石１３Ｂ−１１とは磁極配列パターンを形成する面同士が概ね平行になるように連結され、強い電磁気学的結合が維持される。
【００２６】
図４は、連結機構１２Ａ−１の連結面に複合磁石１２Ａ−１１及び１２Ａ−１２が取り付けられた模様を示すものである。これらの複合磁石はお互いに異なった磁極配列パターンを持っており、接合面全体に繋がって展開される大きさであってもよい。
【００２７】
図５は、対面がＮ極とＳ極とに磁化された複数の双極磁石を不規則に配列して形成された複合磁石を一例として示したものである。簡便のため、複合磁石１３Ａ−１２は１２個の双極磁石から成るものとし、連結側の面がＮ極又はＳ極とに磁化された双極磁石をそれぞれ６個ずつ不規則にされている。連結の相手側となる複合磁石１３Ｂ−１１ぽ複合磁石１３Ａ−１２の双極磁石の極性を反転したものであり、複合磁石の相対位置が図のようにずれなく並んでいる場合はすべての双極磁石で引っ張り合う。
【００２８】
図６は、複合磁石１３Ｂ−１１が複合磁石１３Ａ−１２に対して右側に磁石１つ分だけずれた位置にある場合を例示しており、最も隣接した磁石同士だけを考えれば、反発が８カ所、引き合いが３カ所で生じる。従って、この例では連結し合う複合磁石同士である場合でも、位置がずれていると平均して反発する力が発生する。
【００２９】
また、図７は、複合磁石１３Ｂ−１１が複合磁石１３Ａ−１２に対して左側に磁石１つ分だけずれた位置にある場合であり、図６の場合と同様に反発８カ所、引き込み３カ所となり、この場合も連結のための引力が生じることがない。同様に、複合磁石１３Ｂ−１１の複合磁石１３Ａ−１２に対する左右の位置のずれを磁石二つ分にすると、いずれも反発４カ所、引き合い６カ所となり、平均して引力が発生するがその力は大きくない。このように反転関係にある複合磁石は連結位置においてのみ大きな引力を生じせしめることができる。
【００３０】
図８は、磁極配列パターンにおいて相関性の低い２個の複合磁石１３Ａ−１２と１３Ｘ−１１との間で生じる電磁気学的相互作用を例示したものである。この例では、反発が６カ所、引き合いが６カ所の全体としてバランスのとれた磁極配列パターンが得られている。ただし、複合磁石の磁石数が少ないために、磁極配列パターンの不規則性に限界があり、これらのパターンも無作為ではあるが、適当に作成したものである。磁石数が数十個になれば、相関性の低い良質の磁極配列パターンを形成することができる。
【００３１】
図９は、複合磁石１３Ｘ−１１が複合磁石１３Ａ−１２に対して右側に１つだけずれた位置にある場合である。この例では、反発が４カ所、引き合いが７カ所となり、全体としては比較的小さな引力となる。また、複合磁石１３Ｘ−１１をさらに磁石１つ分だけ右側にずらすと、反発が４カ所、引き合いが６カ所となり、全体の引力はさらに小さくなる。このように、磁極配列パターンの相関性が低い２個の複合磁石の間では、全体に加えられる反発力或いは引っ張り力は、反転関係にある複合磁石間の引っ張り力に比較して小さな値となる。
【００３２】
このように、本発明の上記の例によれば、複数の磁石のエレメントを組合せて１つの複合磁石を構成している。したがって図５に示すように、別の多角形状構造部材の反転した磁極配列パターンを有する連結辺がずれのない整合した状態接近したときに強力の結合力が発生する。一方、図６、あるいは図９のように連結辺が位置的にずれている場合には、反撥力が大きくなるので、結合力はそれほど大きなものとはならない。したがって、反転磁極配列パターンを有する連結辺同士の場合には、互いの位置関係がぴったりあったときにのみ結合がスムーズに行われることとなる。このため、構造部材の位置決めおよび組立を容易に行うことができる。また、このように位置関係が整合しても、磁極配列パターンが異なる連結辺の場合には、図８に示すように強力な結合力は発生せず、むしろ反撥力がが発生するので、結合すべき連結辺でないことが自動的に判明する。したがって、誤った構造部材の連結辺同士が結合されることを回避することができる。
【００３３】
また電磁石を用いる場合にも、連結連結機構の引っ張り力を生成するアクチュエータとして特定の磁極配列パターンを持つ複合磁石の組み合わせることによって、お互いに連結すべき連結辺を選択し、指定することが可能となる。したがって、本発明の連結機構を用いれば宇宙空間などで構造物を自動的に組み立てることができる。また、複合磁石を構成する双極磁石の個数を増やせば、磁極の対応関係すなわち相関性の低い複合磁石間の電磁的相互作用力を磁極配列パターンが反転関係にある複合磁石聞の電磁的相互作用力を効果的に抑制することが可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、宇宙空間や深海等での構造物の建設において、折り畳んだ構造物を無人で自動的あるいは自律的に組み立てることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる連結機構を取り付けた多角形状構造部材を一例として示した平面図である。
【図２】本発明に係わる連結機構を取り付けた多角形状構造部材の連結状態を一例として示した平面図である。
【図３】本発明に係わる連結機構同士の連結状態を一例として示した説明図である。
【図４】本発明に係わる連結機構の連結面に２個の複合磁石が取り付けられた態様の一例を示す説明図である。
【図５】本発明に係わる連結機構に取り付けられた複合磁石の接合面での磁性パターンとこの反転磁性パターンを一例として示した説明図である。
【図６】磁性パターンが反転関係にある一対の反転複合磁石が右に磁石一つ分だけずれて近接した場合の磁力関係を示す説明図である。
【図７】磁性パターンが反転関係にある一対の反転複合磁石が左に磁石１つ分だけずれて近接した場合の磁力関係を示す説明図である。
【図８】磁性パターンの相関性が低い一対の複合磁石が近接した場合の磁力関係を示す説明図である。
【図９】磁性パターンの相関性が低い一対の複合磁石が磁石１つ分だけずれて近接した場合の磁力関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…多角形状構造部材
１１，１１Ａ，１１Ｂ…構造平板
１２−１，１２−２，１２−３…連結機構
１２Ａ−１，１２Ａ−２，１２Ａ−３…多角形構造部材１０Ａの連結機構
１２Ｂ−１，１２Ｂ−２，１２Ｂ−３…多角形構造部材１０Ｂの連結機構
１３Ａ−１１，１３Ａ−１２…多角形構造部材１０Ａの連結機構１２Ａの複合磁石
１３Ｂ−１１，１３Ｂ−１２…多角形構造部材１０Ｂの連結機構１２Ｂの複合磁石
１４−Ｎ，１４−Ｓ…複合磁石の磁極配列パターンを形成する双極磁石。

Claims

複数の連結部を有する構造部材を構成要素として複数結合することによって所望の構造体を形成するようになった構造部材の連結機構において、
一方の構造部材はその連結辺を介して他方の構造部材と連結されるようになっており、前記一方の構造部材の特定の連結辺には、複数の磁石が取りつけられており、前記磁石は前記特定の連結辺の表面において所定の磁極配列パターンを有するように配列されており、前記一方の構造部材の前記特定の連結辺が前記所定の磁極配列パターンに基づいて前記他方の構造部材の所定の連結辺が電磁気学的相互作用によって自動的に選択されてかつ連結されるようになったことを特徴とする構造部材の連結機構。
前記構造部材が他の構造部材のものと結合される複数の連結辺を周辺部に備えた多角形状構造部材であることを特徴とする請求項１に記載の構造部材の連結機構。
前記一方の多角形状構造部材の特定の連結辺に設けられた前記磁石の磁極配列パターンは複数の永久磁石の組み合わせによって構成され、該一方の多角形状構造部材の磁石の磁極配列パターンに対し、これと連結される他方の多角形状構造部材の磁石の磁極配列パターンは、それぞれの磁極が極性反転した形態の磁極配列パターンによって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の構造部材の連結機構。
前記多角形状構造部材の連結辺に設けられた前記磁石の特定の磁極配列パターンは複数の電磁石の組み合わせによって構成され、前記一方の前記複合磁石の磁極配列パターンは連結する他方の前記複合磁石の磁極配列パターンと極性反転していることを特徴とする請求項２に記載の構造部材の連結機構。
該電磁石の極性を制御することにより、前記多角形状構造部材の連結強度の調整を可能としたことを特徴とする請求項４に記載の構造部材の連結機構。
前記特定の連結辺に形成される磁極配列パターンは、これと連結される他方の多角形状構造部材の特定の連結辺以外の連結辺の磁極配列パターンの不一致の度合い大きくすることにより互いの結合力を低下させるようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載の構造部材の連結機構。