JP6707010B2 - Attitude control device - Google Patents
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Description
本発明は、3次元空間において姿勢制御対象の姿勢変更を行う姿勢制御装置に関するものである。 The present invention relates to a posture control device that changes a posture of a posture control target in a three-dimensional space.
従来、リアクションホイールは、回転軸が一方向に固定されており、リアクションホイールが取りつけられた面に対して一定軸方向だけに角運動量を蓄積させたり、リアクショントルクを発生させたりすることが可能となっている。そのため、3次元空間の任意の方向にリアクショントルクを発生させるためには、3台のリアクションホイールの設置が必要となっていた。そこで、このような状況を鑑みて、近年、1台だけの使用で3次元空間の任意の軸周りにトルクを発生させることができる3次元リアクションホイールが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。
Traditionally, the reaction wheel has a rotating shaft that is fixed in one direction, and it is possible to accumulate angular momentum and generate reaction torque only in a fixed axis direction with respect to the surface on which the reaction wheel is mounted. Is becoming Therefore, in order to generate the reaction torque in any direction of the three-dimensional space, it is necessary to install three reaction wheels. Therefore, in view of such a situation, in recent years, a three-dimensional reaction wheel that can generate torque around an arbitrary axis of a three-dimensional space by using only one unit has been proposed (for example,
従来の3次元リアクションホイールは、磁性体などの固体物質で構成された球状回転子と、球状回転子と同心になるように設けられた球殻状固定子とを備えて構成されている。このような3次元リアクションホイールは、球状回転子と球殻状固定子との相対位置関係を保持したまま、球状回転子への磁場の印加による球状回転子の回転速度の変化によって生じるリアクショントルクを駆動力として、姿勢制御対象の姿勢を変更させることができる。 A conventional three-dimensional reaction wheel includes a spherical rotor made of a solid substance such as a magnetic material, and a spherical shell-shaped stator provided so as to be concentric with the spherical rotor. Such a three-dimensional reaction wheel, while maintaining the relative positional relationship between the spherical rotor and the spherical shell-shaped stator, applies reaction torque generated by a change in the rotational speed of the spherical rotor due to the application of a magnetic field to the spherical rotor. As the driving force, the posture of the posture control target can be changed.
従来の3次元リアクションホイールでは、ベアリングによって球状回転子を支持するように構成されている。したがって、ロケット等の打ち上げ時の振動環境や、またはスラスタといったリアクションホイール以外の姿勢制御装置を使用した際に、球殻状固定子と球状回転子との間に機械摩擦または衝突が発生する。その結果、長時間の使用によって球殻状固定子と球状回転子とが摩耗したり、壊れたりする可能性があることから、従来の3次元リアクションホイールは、装置の信頼性がそれほど高くないという問題がある。 A conventional three-dimensional reaction wheel is configured to support a spherical rotor with a bearing. Accordingly, mechanical friction or collision occurs between the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor when using a vibration environment at the time of launching a rocket or the like, or when using an attitude control device such as a thruster other than the reaction wheel. As a result, the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor may be worn or broken due to long-term use, so that the conventional three-dimensional reaction wheel is not so reliable. There's a problem.
また、従来の3次元リアクションホイールにおいて、球殻状固定子と球状回転子とが摩耗することを防ぐための機構を別途設けた場合、3次元リアクションホイールへの付加機構の構造が複雑化する。その結果、3次元リアクションホイールシステム全体の重量が増加するという問題がある。 Further, in the conventional three-dimensional reaction wheel, when a mechanism for preventing the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor from being worn is separately provided, the structure of the addition mechanism to the three-dimensional reaction wheel becomes complicated. As a result, there is a problem that the weight of the entire three-dimensional reaction wheel system increases.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高信頼性化および軽量化の実現を図りつつ、3次元空間の軸周りにトルクを発生させることができる姿勢制御装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an attitude control device capable of generating a torque around an axis of a three-dimensional space while achieving high reliability and weight reduction. Aim to get.
本発明における姿勢制御装置は、3次元空間において姿勢制御対象の姿勢変更を行う姿勢制御装置であって、中空の第1の固定子と、第1の固定子の内部に設けられ、第1の固定子に対して固定された第2の固定子と、第1の固定子と第2の固定子との間隙に充填された機能性流体と、第1の固定子の表面に設けられ、機能性流体に磁場を与え、与えた磁場に応じて機能性流体を流動させる複数の磁場発生器と、第1の固定子と第2の固定子との間に電圧を印加する電圧印加回路と、を備えたものである。 The attitude control device according to the present invention is an attitude control device that changes the attitude of an attitude control target in a three-dimensional space, and is provided inside the hollow first stator and the first stator. A second stator fixed to the stator, a functional fluid filled in a gap between the first stator and the second stator, and a functional fluid provided on the surface of the first stator, A plurality of magnetic field generators that apply a magnetic field to the functional fluid and cause the functional fluid to flow according to the applied magnetic field, and a voltage application circuit that applies a voltage between the first stator and the second stator, It is equipped with.
本発明によれば、軽量化および高信頼性化の実現を図りつつ、3次元空間の軸周りにトルクを発生させることができる姿勢制御装置を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the attitude|position control apparatus which can generate|occur|produce a torque around the axis|shaft of three-dimensional space can be obtained, aiming at realization of weight reduction and high reliability.
以下、本発明による姿勢制御装置を、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 An attitude control device according to the present invention will be described below with reference to the drawings according to a preferred embodiment. In the description of the drawings, the same portions or corresponding portions will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における姿勢制御装置10が搭載された姿勢制御対象7の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of an attitude control target 7 on which an
なお、本実施の形態1では、姿勢制御装置10が搭載された姿勢制御対象7の一例として、姿勢制御対象7が人工衛星である場合を例示している。また、3次元空間の直交座標系を、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸によって定め、姿勢制御対象7の中心と、姿勢制御装置10を構成する第1の固定子1の中心を直交座標系の原点とする。
In the first embodiment, as an example of the attitude control target 7 on which the
図1に示すように、センターパネル6は、姿勢制御対象7の中央に固定されている。姿勢制御装置10は、センターパネル6の中央に取り付けられ、センターパネル6に対して固定されている。
As shown in FIG. 1, the
次に、姿勢制御装置10について、図1に加えて、図2および図3を参照しながら説明する。図2は、本発明の実施の形態1における姿勢制御装置10を示す斜視図である。図3は、図2の姿勢制御装置10の内部の断面図である。
Next, the
なお、図2では、姿勢制御装置10の外部の構成に加えて、姿勢制御装置10の一部を切断することによって内部の構成も併せて示している。また、図3では、図2において、姿勢制御装置10の中心を通るY−Z平面またはX−Y平面で切断した断面を正面から見たときの断面図を示している。
Note that, in FIG. 2, in addition to the external configuration of the
姿勢制御装置10は、第1の固定子1と、第1の固定子1の内部に設けられ、第1の固定子1に対して固定された第2の固定子4と、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙に充填された機能性流体5と、第1の固定子1の表面に設けられ、機能性流体5に磁場を与え、与えた磁場に応じて機能性流体5を流動させる複数の磁場発生器2a〜2fとを備える。
The
第1の固定子1は、導体によって形成され、形状は球殻状である。すなわち、第1の固定子1は、形状が球状の中空部を有しているともいえる。
The
第2の固定子4は、導体によって形成され、形状が中実の球状である。第2の固定子4の半径は、第1固定子1の半径よりも小さい。第2の固定子4は、支持体3に支持されることによって、第1の固定子1と同心に固定される。すなわち、第1の固定子1の中心と、第2の固定子4の中心とが一致する。
The
磁場発生器2a〜2fのそれぞれは、磁場を発生させるものであり、直交座標系の座標軸周りに巻回されたコイルを用いて構成される。磁場発生器2a〜2fは、第1の固定子1の中心に対して3次元的に設けられている。
Each of the
具体的には、一対の磁場発生器2b,2dは、第1の固定子1を介して互いに対向するようにX軸に設けられている。一対の磁場発生器2e,2fは、第1の固定子1を介して互いに対向するようにY軸に設けられている。一対の磁場発生器2a,2cは、第1の固定子1を介して互いに対向するようにZ軸に設けられている。このように、磁場発生器2a〜2fは、直交座標系の原点を基準として、X軸、Y軸およびZ軸に沿って90度ずつ間隔を保ちながら3次元空間上に設けられている。
Specifically, the pair of
磁場発生器2a〜2fは、第1の固定子1の表面を貫通した状態で第1の固定子1に固定されている。また、第1の固定子1の影響を受けることなく、磁場発生器2a〜2fが発生させる回転磁場が機能性流体5に与えられる。
The
続いて、姿勢制御装置10の動作原理と、姿勢制御装置10によって行われる姿勢制御対象7の姿勢変更について説明する。
Next, the operation principle of the
姿勢制御対象7が変更すべき姿勢に関する情報は、姿勢制御対象7の目的に応じて決定され、姿勢制御装置10の制御部(図示せず)に指令信号として入力される。制御部は、その指令信号に従って、磁場発生器2a〜2fのそれぞれの動作を制御する。
The information regarding the posture to be changed by the posture control target 7 is determined according to the purpose of the posture control target 7 and is input as a command signal to the control unit (not shown) of the
ここで、姿勢制御対象7の目的に応じて決定された変更すべき姿勢に姿勢制御対象7が移行するためには、直交座標系の原点を通る任意の回転軸周りに機能性流体5を回転させる必要がある。そこで、各々が磁場を発生させる磁場発生器2a〜2fの任意の組み合わせによって構成される合成回転磁場を機能性流体5に与える。この場合、機能性流体5に与えられた合成回転磁場が進行磁場となり、機能性流体5内に進行磁場に沿った磁気体積力が生じ、その結果、機能性流体5が回転する。
Here, in order to shift the posture control target 7 to the posture to be changed which is determined according to the purpose of the posture control target 7, the
なお、特許文献3に記載の3次元リアクションホイールでは、球殻状固定子と球状回転子とが摩耗することを防ぐために、球殻状固定子と球状回転子との間に潤滑剤として例えば磁性流体が充填されている。特許文献3に記載の3次元リアクションホイールでは、磁性流体は、潤滑剤としての役割を担っている。なお、実際には、球状回転子を回転させるために磁場発生器から磁場を印加したとき、その磁性流体にも磁場が印加されるので、その磁性流体の粘性が増加し、結果として、その磁性流体は、潤滑剤としての役割を果たさない可能性がある。
In addition, in the three-dimensional reaction wheel described in
これに対して、本実施の形態1における姿勢制御装置10では、上記から分かるように、機能性流体5は、回転子としての役割を担っている。
On the other hand, in the
なお、機能性流体5としては、例えば、磁性流体、MR(Magneto−Rheological)流体、MR流体とER(Electro―Rheological)流体を混合したEMR流体、または磁気混合流体を用いることができる。
As the
ここで、磁性流体は、一般的には、液相中に数10nm程度の強磁性体微粉末を分散させたコロイド溶液を指す。磁性流体は、強磁性体微粉末の直径によって、磁場の強さに対する粘性変化および磁気体積力の大きさに対する特性が異なることが知られている。MR流体およびER流体は、電場、磁場等に反応して粘弾性特性が変化する。 Here, the magnetic fluid generally refers to a colloidal solution in which a ferromagnetic fine powder of about several tens nm is dispersed in a liquid phase. It is known that magnetic fluids have different properties with respect to the magnitude of magnetic volume force and the change in viscosity with respect to the strength of a magnetic field, depending on the diameter of the ferromagnetic powder. The MR fluid and the ER fluid change their viscoelastic properties in response to an electric field, a magnetic field and the like.
続いて、機能性流体5に合成回転磁場を与えることで得られる進行磁場について説明する。図2では、上記のとおり、機能性流体5に与える回転磁場を発生させる磁場発生器2a〜2fの配置例を示している。
Next, a traveling magnetic field obtained by applying a synthetic rotating magnetic field to the
これらの磁場発生器2a〜2fの任意の組み合わせによって構成される合成回転磁場のうち、磁場発生器2a,2e,2c,2fの組み合わせによって構成される合成回転磁場は、X軸周りに回転する。また、磁場発生器2a,2b,2c,2dの組み合わせによって構成される合成回転磁場は、Y軸周りに回転し、磁場発生器2b,2e,2d,2fの組み合わせによって構成される合成回転磁場は、Z軸周りに回転する。
Of the combined rotating magnetic field formed by any combination of these
したがって、X軸、Y軸およびZ軸の各軸周りに回転する合成回転磁場を任意に組み合わせることにより、任意の回転軸周りに回転する合成回転磁場を得ることができる。また、この合成回転磁場が進行磁場となり、機能性流体5内に進行磁場に沿った磁気体積力が生じ、その結果、機能性流体5が回転する。
Therefore, by arbitrarily combining the synthetic rotating magnetic fields that rotate around the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, it is possible to obtain the synthetic rotating magnetic field that rotates around the arbitrary rotating axes. Moreover, this synthetic rotating magnetic field becomes a traveling magnetic field, and a magneto-volume force along the traveling magnetic field is generated in the
また、はじめに機能性流体5が第1の固定子1に対して静止していた場合、合成回転磁場の印加に伴って機能性流体5が回転するときの回転速度の最大値との差と、機能性流体5全体が有する慣性モーメントに応じて、機能性流体5の回転角速度の増加方向と逆方向にリアクショントルクが生じる。このリアクショントルクによって、姿勢制御対象7の姿勢変更が可能となる。
Further, when the
このように、姿勢制御装置10は、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙に充填された機能性流体5を磁気体積力によって回転駆動させることで得られるリアクショントルクによって、3次元空間の任意の軸周りに姿勢制御対象7の姿勢を変更させることができる。
In this way, the
続いて、第1の固定子1の内部に第2の固定子4を設けるメリットについて説明する。第2の固定子4は、第2の固定子4を設けなかった場合に生じると考えられる機能性流体5のよどみ点で機能性流体5の不安定性が生じて乱流が発生することを回避する目的で設けられている。すなわち、第2の固定子4を設けることで、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙に充填された機能性流体5の流れを安定させることができる。
Next, the merits of providing the
また、第1の固定子1に対して第2の固定子4を固定するために用いられる支持体3を十分細いワイヤ等で構成することにより、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙を流動する機能性流体5に対して十分に抵抗の影響を少なくすることができる。
In addition, the
以上、本実施の形態1の姿勢制御装置によれば、中空の第1の固定子と、第1の固定子の内部に設けられ、第1の固定子に対して固定された第2の固定子と、第1の固定子と第2の固定子との間隙に充填された機能性流体と、第1の固定子の表面に設けられ、機能性流体に磁場を与え、与えた磁場に応じて機能性流体を流動させる複数の磁場発生器と、を備えて構成される。 As described above, according to the attitude control device of the first embodiment, the hollow first stator and the second fixed member provided inside the first stator and fixed to the first stator. A functional fluid filled in the gap between the child, the first stator and the second stator, and a magnetic field to the functional fluid, which is provided on the surface of the first stator and responds to the applied magnetic field. And a plurality of magnetic field generators that cause the functional fluid to flow.
なお、本実施の形態1では、具体例として、上記の複数の磁場発生器は、第1の固定子を介して互いに対向するようにX軸に設けられた一対の磁場発生器と、第1の固定子を介して互いに対向するようにY軸に設けられた一対の磁場発生器と、第1の固定子を介して互いに対向するようにZ軸に設けられた一対の磁場発生器と、によって構成される場合を例示している。 In the first embodiment, as a specific example, the plurality of magnetic field generators include a pair of magnetic field generators provided on the X axis so as to face each other with the first stator interposed therebetween, and A pair of magnetic field generators provided on the Y-axis so as to face each other via the stator, and a pair of magnetic field generators provided on the Z-axis so as to face each other via the first stator, Is illustrated as an example.
これにより、軽量化および高信頼性化の実現を図りつつ、3次元空間の軸周りにトルクを発生させることができる姿勢制御装置を得ることができる。 As a result, it is possible to obtain an attitude control device capable of generating torque around the axis of the three-dimensional space while achieving weight reduction and high reliability.
すなわち、固体物質で構成された従来の球状回転子を、ホイールとしての機能を果たす液体に置き換えることによって、従来の3次元リアクションホイールとは異なり、球殻状固定子と球状回転子との物理的な接触が発生しないので、ホイールの機械摩耗が著しく減る。また、従来の3次元リアクションホイールとは異なり、球殻状固定子と球状回転子との間の物理的な空隙が存在しないので、予期せぬ外力などが加わった際の耐振動性や耐衝撃性が向上する。さらに、従来の3次元リアクションホイールとは異なり、球状回転子を磁気浮上させるための付属の機構を設ける必要がないので、装置全体の軽量化を実現することができる。 That is, by replacing a conventional spherical rotor made of a solid substance with a liquid that functions as a wheel, unlike a conventional three-dimensional reaction wheel, the physical shape of the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor is different from that of the conventional spherical rotor. The mechanical wear of the wheel is significantly reduced because no significant contact occurs. Also, unlike conventional 3D reaction wheels, there is no physical gap between the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor, so vibration resistance and shock resistance when unexpected external force is applied. The property is improved. Further, unlike the conventional three-dimensional reaction wheel, it is not necessary to provide an attached mechanism for magnetically levitating the spherical rotor, so that the weight of the entire device can be reduced.
また、予期せぬ外部振動が発生した場合であっても、従来の3次元リアクションホイールとは異なり、球殻状固定子と球状回転子が衝突したり、摩耗したり、変形したりすることがないので、装置の故障発生率も抑制することができる。 Further, even when unexpected external vibration occurs, unlike the conventional three-dimensional reaction wheel, the spherical shell-shaped stator and the spherical rotor may collide, wear, or be deformed. Since it does not exist, the failure occurrence rate of the device can be suppressed.
さらに、第1の固定子の内部に第2の固定子を設けることによって、機能性流体の流動時に乱流が発生しにくくなり、機能性流体を回転させることによって得られる角運動量の方向を高い精度で安定して制御できる。その結果、姿勢制御装置を搭載した姿勢制御対象の姿勢変更性能を向上させることができる。 Furthermore, by providing the second stator inside the first stator, turbulence is less likely to occur when the functional fluid flows, and the direction of the angular momentum obtained by rotating the functional fluid is increased. Stable and accurate control is possible. As a result, the posture changing performance of the posture control target equipped with the posture control device can be improved.
実施の形態2.
本発明の実施の形態2では、先の実施の形態1の磁場発生器2a〜2fとは配置が異なる磁場発生器2g〜2jを備えた姿勢制御装置10について説明する。なお、本実施の形態2では、先の実施の形態1と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
Embodiment 2.
In the second embodiment of the present invention, an
なお、本実施の形態2では、第1の固定子1に設けられる磁場発生器2jの軸線をY軸として、直交座標系を規定している。
In the second embodiment, the orthogonal coordinate system is defined with the axis of the
図4は、本発明の実施の形態2における姿勢制御装置10の斜視図である。なお、図4では、姿勢制御装置10の外部の構成に加えて、姿勢制御装置10の一部を切断することによって内部の構成も併せて示している。
FIG. 4 is a perspective view of
図4において、磁場発生器2g〜2jは、直交座標系の原点を重心とする正四面体の各頂点に1つずつ設けられている。この正四面体は、第1の固定子1に内接している。
In FIG. 4, the
すなわち、磁場発生器2jの軸線をY軸と規定したとき、磁場発生器2g,2h,2iは、Y軸に対して120度の傾きを持つ。磁場発生器2h,2i,2jは、X−Y平面上へ正射影したとき、正三角形の各頂点に配置される。磁場発生器2g,2h,2jは、Y−Z平面上へ正投影したとき、正三角形の各頂点に配置されている。磁場発生器2g,2h,2iは、X−Z平面上へ正投影したとき、正三角形の頂点に配置されている。
That is, when the axis of the
磁場発生器2h,2i,2jの組み合わせによって構成される合成回転磁場が周りを回転する軸と、磁場発生器2g,2h,2jの組み合わせによって構成される合成回転磁場が周りを回転する軸と、磁場発生器2g,2h,2iの組み合わせによって構成される合成回転磁場が周りを回転する軸とは、3次元空間において互いに直交する。したがって、これらの3軸の各軸周りに回転する合成回転磁場を任意に組み合わせることにより、任意の回転軸周りに回転する合成回転磁場を得ることができる。また、この合成回転磁場が進行磁場となり、機能性流体5内に進行磁場に沿った磁気体積力が生じ、その結果、機能性流体5が回転する。
An axis about which a synthetic rotating magnetic field formed by a combination of
磁場発生器2g〜2jの総数(=4)は、3次元空間上の任意の回転軸周りに機能性流体5を回転させるために必要な磁場発生器の理論上の最小数である。ただし、先の実施の形態1では、6つの磁場発生器を用いる場合を例示したが、5つ以上の磁場発生器を用いることで、磁場発生器の故障に対して冗長化を図ることができるというメリットがある。
The total number (=4) of the
以上、本実施の形態2の姿勢制御装置によれば、複数の磁場発生器は、直交座標系の原点を重心とする正四面体の各頂点に1つずつ設けられた4つの磁場発生器によって構成される。このように構成した場合であっても、先の実施の形態1と同様の効果が得られる。 As described above, according to the attitude control device of the second embodiment, the plurality of magnetic field generators include four magnetic field generators, one provided at each vertex of the regular tetrahedron having the origin of the Cartesian coordinate system as the center of gravity. Composed. Even with such a configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
実施の形態3.
本発明の実施の形態3では、電圧印加回路8をさらに備えた姿勢制御装置10について説明する。なお、本実施の形態3では、先の実施の形態1と同様である点の説明を省略し、先の実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
In the third embodiment of the present invention, an
ここで、先の実施の形態1の姿勢制御装置10の構成では、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙において、磁場発生器2a〜2f側の領域と、第2の固定子4側の領域とで、機能性流体5全体へ均一に駆動力を発生させることができない可能性がある。その結果、意図せぬ乱流によって、姿勢制御装置10の制御性能が著しく損なわれる可能性がある。また、乱流が発生することで機能性流体5の流れが制御できなくなり、予期せぬ方向にリアクショントルクを生じる可能性がある。さらに、乱流が抑制されるまでの時間、姿勢制御装置10が姿勢制御の役割を果たさなくなる可能性がある。
Here, in the configuration of the
そこで、上記のような種々の可能性を考慮して、本実施の形態3における姿勢制御装置10は、先の実施の形態1の構成に加えて、電圧印加回路8をさらに備えて構成されている。このように構成することで、先の実施の形態1と比べて、機能性流体5の回転をより高い応答性かつ均一な駆動力によって安定して制御することが期待できる。
Therefore, in consideration of various possibilities as described above, the
図5は、本発明の実施の形態3における姿勢制御装置10の斜視図である。図6は、図5の姿勢制御装置10の内部の断面図である。
FIG. 5 is a perspective view of
なお、図5では、姿勢制御装置10の外部の構成に加えて、姿勢制御装置10の一部を切断することによって内部の構成も併せて示している。また、図6では、図5において、姿勢制御装置10の中心を通るY−Z平面またはX−Y平面で切断した断面を正面から見たときの断面図を示している。
Note that, in FIG. 5, in addition to the external configuration of the
図5に示すように、本実施の形態3における姿勢制御装置10は、先の実施の形態1の構成に加えて、直流電源およびスイッチを備えて構成される電圧印加回路をさらに備えている。
As shown in FIG. 5,
電圧印加回路8の一端部は、絶縁体によって形成された支持体3を介して、導体によって形成された第2の固定子4と電気的に接続されている。電圧印加回路8の他端部は、導体によって形成された第1の固定子1と電気的に接続されている。
One end of the
電圧印加回路8は、第1の固定子1と第2の固定子との間に電圧を印加する直流電源を備えて構成されている。したがって、電圧印加回路8において、スイッチをオンおよびオフに切り替えて、直流電源によって印加される印加電圧を制御することによって、第1の固定子1と第2の固定子4との間に有意な電位差を与えることができる。
The
ここで、機能性流体5は、第1の固定子1と第2の固定子4との間の電位差が大きくなると、粘性がより増大する特性がある。そこで、このような性質を利用し、電圧印加回路8によって、第1の固定子1と第2の固定子との間、すなわち機能性流体5に電圧を印加すれば、機能性流体5の回転速度を減速させることができる。
Here, the
また、合成回転磁場の印加に伴って機能性流体5が回転するときの回転速度の最大値との差と、機能性流体5全体が有する慣性モーメントに基づいて、機能性流体5の回転角速度の増加方向あるいは減少方向と逆方向にリアクショントルクが生じる。このリアクショントルクによって、姿勢制御対象7の姿勢変更が可能となる。
Further, based on the difference between the maximum value of the rotation speed when the
さらに、本実施の形態3では、電圧印加回路8によって電圧を印加することで機能性流体5の粘性の変化を生じさせている。これにより、先の実施の形態1の構成、すなわち機能性流体5の粘性の変化を生じさせない構成と比べて、機能性流体5の回転角速度の変化をより大きく与えることができる。その結果、姿勢制御装置10が発生させるトルクをより大きくすることができるという効果が期待できる。
Furthermore, in the third embodiment, the voltage is applied by the
なお、電圧印加回路8は、第1の固定子1と第2の固定子との間に印加する電圧を可変とするように構成されていてもよい。このように構成することで、機能性流体5に印加する電圧の値を多段階で調整することができるので、機能性流体5の粘性変化を多段階で制御することができる。その結果、姿勢制御装置10が発生させるトルクをより効率的に制御することができるという効果が期待できる。
The
上記の構成において、より具体的には、磁場発生器2a〜2fに回転磁場を発生させる制御を行う際に、この制御と同期して、第1の固定子1と第2の固定子4との間に電位差を与えることができるようにする。また、機能性流体5の粘性値を決められた粘性値ではなく、目的に応じて任意の粘性値となるように多段階に粘性値を制御できるようにする。このように構成することで、姿勢制御装置10が発生させるトルクの分解能を小さくすることができるので、姿勢制御対象7の姿勢変更角度の分解能を小さくすることができるという効果が期待できる。
In the above configuration, more specifically, when the control for generating the rotating magnetic field in the
ここで、第1の固定子1の内部に第2の固定子4を設けなかった場合、機能性流体5に電圧を印加することが一般には不可能であり、その結果、機能性流体5の粘性の変化を生じさせることができない。これに対して、本実施の形態3では、第1の固定子1の内部に第2の固定子4を設けられているので、第1の固定子1と第2の固定子4との間で電位差を生じさせることができ、その結果、機能性流体5に電圧を印加することができる。
Here, if the
また、第1の固定子1と第2の固定子4との間で電位差を生じさせるためには、電圧印加回路8と、第1の固定子1および第2の固定子4を電線によって電気的に接続する必要がある。そのため、一例として、絶縁体で形成された支持体3の内部に電線を通す構成が考えられる。また、絶縁体で形成された支持体3が、機能性流体5の流動に対して十分な強度をもつと想定すると、支持体3の内部に電線を通す構成を採用すれば、その電線が機能性流体5に影響を及ぼすことがない。また、支持体3の内部に電線を通す構成を採用することで、支持体3の内部への電線配置を別途考える必要がなく、既存の支持体3を利用して電線を配設することができ、その結果、電線を配設するための構成が簡略化される。
Further, in order to generate a potential difference between the
なお、本実施の形態3では、先の実施の形態1の構成に対して電圧印加回路8を備えた場合を例示して説明したが、先の実施の形態2の構成に対して電圧印加回路8を備えても、同様の効果が得られる。
Although the third embodiment has been described by exemplifying the case where the
以上、本実施の形態3の姿勢制御装置によれば、先の実施の形態1、2の各構成に対して、第1の固定子と第2の固定子との間に電圧を印加する電圧印加回路をさらに備えて構成される。 As described above, according to the attitude control device of the third embodiment, the voltage for applying the voltage between the first stator and the second stator is different from the configurations of the first and second embodiments. The application circuit is further provided.
これにより、機能性流体が進行磁場に対して体積弾性力を得ることができるので、進行磁場によって機能性流体を回転させることができる。また、機能性流体は、静止磁場に対しては、機能性流体自身の粘性が増加する性質も持ち合わせている。したがって、このような性質を上手く活用することで、より大きなリアクショントルクが得られる。 As a result, the functional fluid can obtain a bulk elastic force with respect to the traveling magnetic field, so that the functional fluid can be rotated by the traveling magnetic field. Further, the functional fluid has a property that the viscosity of the functional fluid itself increases with respect to a static magnetic field. Therefore, by making good use of such a property, a larger reaction torque can be obtained.
すなわち、このような性質を利用して、機能性流体に対して回転磁場を与えて機能性流体の回転力を発生させているだけでなく、第1の固定子と第2の固定子との間に電位差を与えるようにしているので、機能性流体の粘性を増加させ、機能性流体の回転を俊敏に減速できることによる大きなリアクショントルクが得られることが期待できる。 That is, by utilizing such a property, not only the rotating magnetic field is applied to the functional fluid to generate the rotating force of the functional fluid, but also the first stator and the second stator Since a potential difference is applied between them, it is expected that a large reaction torque can be obtained by increasing the viscosity of the functional fluid and promptly decelerating the rotation of the functional fluid.
実施の形態4.
なお、先の形態1〜3では、第2の固定子4の形状が中実な球状である場合を例示したが、これに限定されず、第2の固定子4の形状が球殻状であってもよい。
In addition, although the case where the shape of the
上記のように、第2の固定子4の形状が球殻状となるようにすることで、第2の固定子4の重量を低減することができ、その結果、姿勢制御装置10の重量を低減することができる。
As described above, the weight of the
実施の形態5.
なお、先の実施の形態1〜4の各構成に対して、第1の固定子1および複数の磁場発生器の全体を覆うことで、複数の磁場発生器が発生させる回転磁場を遮断するカバーをさらに備えて姿勢制御装置10を構成してもよい。カバーとしては、例えば、球殻状の導体、または皮膜状の導体を用いればよい。
In addition, with respect to the configurations of the first to fourth embodiments, a cover that covers the entire
ここで、磁場発生器が発生させる強力な磁場は、周辺の電子機器に対して電磁的に悪影響を及ぼす。したがって、第1の固定子1に設けられた複数の磁場発生器が発生させる回転磁場は、姿勢制御装置10が搭載される姿勢制御対象7の周辺機器に対して悪影響を与える可能性がある。
Here, the strong magnetic field generated by the magnetic field generator electromagnetically adversely affects peripheral electronic devices. Therefore, the rotating magnetic field generated by the plurality of magnetic field generators provided in the
そこで、上記のように、姿勢制御装置10全体をカバーで覆うことで、複数の磁場発生器が発生させる回転磁場が遮断されるので、回転磁場による姿勢制御対象7の周辺機器への悪影響を回避することができる。
Therefore, as described above, by covering the entire
実施の形態6.
なお、先の実施の形態1〜5における姿勢制御装置10のホイールとしての機能を果たす機能性流体5は、種類に応じて、様々な性質を持つので、機能性流体5としてどのような種類のものを用いるべきか、多数の選択肢が考えられる。
Sixth embodiment.
The
したがって、姿勢制御装置10の性能を最大限引き出すことができるように、姿勢制御装置10の用途に応じて、機能性流体5の種類を選択することが好ましい。機能性流体5として、電圧または磁場の印加に対して粘性増加の効果が大きい流体、具体的には、MR流体、磁気混合流体等を用いた場合、より大きなトルクを発生させる姿勢制御装置10を実現することができる。
Therefore, it is preferable to select the type of the
なお、本実施の形態1〜6について個別に説明してきたが、本実施の形態1〜6のそれぞれで開示した構成例は、任意に組み合わせることが可能である Although the first to sixth embodiments have been described individually, the configuration examples disclosed in the first to sixth embodiments can be arbitrarily combined.
なお、本実施の形態1〜6では、姿勢制御装置10の第1の固定子1および第2の固定子4の形状について、第1の固定子1の形状が球殻状であり、第2の固定子4の外周面の形状が球面状である場合を例示しているが、これに限定されない。すなわち、第1の固定子1の表面に設けられた複数の磁場発生器が発生させた磁場に応じて、第1の固定子1と第2の固定子4との間隙に充填された機能性流体5を流動させることが可能であれば、第1の固定子1および第2の固定子4の形状は特に限定されない。
In the first to sixth embodiments, with respect to the shapes of the
1 第1の固定子、2a〜2j 磁場発生器、3 支持体、4 第2の固定子、5 機能性流体、6 センターパネル、7 姿勢制御対象、8 電圧印加回路、10 姿勢制御装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
中空の第1の固定子と、
前記第1の固定子の内部に設けられ、前記第1の固定子に対して固定された第2の固定子と、
前記第1の固定子と前記第2の固定子との間隙に充填された機能性流体と、
前記第1の固定子の表面に設けられ、前記機能性流体に磁場を与え、与えた前記磁場に応じて前記機能性流体を流動させる複数の磁場発生器と、
前記第1の固定子と前記第2の固定子との間に電圧を印加する電圧印加回路と、
を備えた姿勢制御装置。 A posture control device for changing the posture of a posture control target in a three-dimensional space, comprising:
A hollow first stator,
A second stator provided inside the first stator and fixed to the first stator;
A functional fluid filled in a gap between the first stator and the second stator;
A plurality of magnetic field generators that are provided on the surface of the first stator, apply a magnetic field to the functional fluid, and cause the functional fluid to flow according to the applied magnetic field;
A voltage application circuit for applying a voltage between the first stator and the second stator;
Attitude control device.
前記第1の固定子の中心と、前記第2の固定子の中心とが一致し、
前記複数の磁場発生器は、
前記第1の固定子を介して互いに対向するように前記X軸に設けられた一対の磁場発生器と、
前記第1の固定子を介して互いに対向するように前記Y軸に設けられた一対の磁場発生器と、
前記第1の固定子を介して互いに対向するように前記Z軸に設けられた一対の磁場発生器と、によって構成される
請求項1に記載の姿勢制御装置。 When the center of the first stator is the origin of the orthogonal coordinate system of the three-dimensional space and the orthogonal coordinate system is defined by X-axis, Y-axis and Z-axis that are orthogonal to each other,
The center of the first stator and the center of the second stator are aligned,
The plurality of magnetic field generators,
A pair of magnetic field generators provided on the X-axis so as to face each other via the first stator;
A pair of magnetic field generators provided on the Y-axis so as to face each other via the first stator;
The attitude control device according to claim 1, comprising a pair of magnetic field generators provided on the Z axis so as to face each other via the first stator.
前記第1の固定子の中心と、前記第2の固定子の中心とが一致し、
前記複数の磁場発生器は、
前記原点を重心とする正四面体の各頂点に1つずつ設けられた4つの磁場発生器によって構成される
請求項1に記載の姿勢制御装置。 When the center of the first stator is the origin of the orthogonal coordinate system in the three-dimensional space,
The center of the first stator and the center of the second stator are aligned,
The plurality of magnetic field generators,
The attitude control device according to claim 1, wherein the attitude control device is configured by four magnetic field generators, one provided at each vertex of a regular tetrahedron having the origin as a center of gravity.
前記第2の固定子の外周面の形状は、球面状である
請求項1から3のいずれか1項に記載の姿勢制御装置。 The first stator has a spherical shell shape,
The attitude control device according to claim 1, wherein the outer peripheral surface of the second stator has a spherical shape.
請求項1から4のいずれか1項に記載の姿勢制御装置。 Said first stator and by covering the whole of the plurality of magnetic field generators, from claim 1, further comprising a cover for blocking the magnetic field in which the plurality of magnetic field generators to generate in any one of 4 The described attitude control device.
請求項1から5のいずれか1項に記載の姿勢制御装置。 The functional fluid, MR fluid, EMR fluid or attitude control device according to claim 1 which is a magnetic fluid mixture to any one of claims 5,.
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