JPH106704A - 2-degree-of-freedom sphere driving device - Google Patents

2-degree-of-freedom sphere driving device

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JPH106704A
JPH106704A JP8177460A JP17746096A JPH106704A JP H106704 A JPH106704 A JP H106704A JP 8177460 A JP8177460 A JP 8177460A JP 17746096 A JP17746096 A JP 17746096A JP H106704 A JPH106704 A JP H106704A
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sphere
driving
degree
freedom
driving device
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Keisuke Sasae
啓介 佐々江
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sphere driving device which is smaller and easier to assemble and adjust and can rotate a sphere in the arbitrary direction at a high speed with precision and to facilitate control of driving, an attitude and the direction at the high speed with precision. SOLUTION: This device is provided with a sphere storing housing 3 having an opening smaller than the diameter of a sphere 1, and a set of driving body 5 for 2-dimensionally driving the sphere by movement of a contact part to be brought into contact with the surface of the sphere in the tangent direction of the sphere, so that the sphere stored in the housing can be rotated in the arbitrary direction. It is preferable that the driving body 5 drives the sphere at a friction face provided at the top of piezo-electric elements combined in the triangular truss state.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術の分野】本発明は、駆動部の揺動に
より球体を任意の方向に回転駆動する装置であって、装
置を取り付けた取付体を任意の方向に推進させたり、球
体に連結された物の向きを任意の方向に変化させたりす
るためなどに使用する、新しいタイプの2自由度球体駆
動装置に関する。本発明の球体駆動装置は、自動車、列
車、台車、運搬車、飛行機、スペースシャトルや、それ
らの玩具など、あらゆる種類の移動物の駆動輪として使
用することができ、また、椅子のキャスター、工作機械
の駆動部、アクティブに駆動するパソコン用マウスなど
回転移動機構を有する物の駆動体として使用することが
できる。さらに、レーザ照射装置やロボットアイの駆動
機構など、姿勢や方向を制御するための駆動体として使
用することも可能である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for driving a sphere to rotate in an arbitrary direction by swinging a driving unit. The mounting device to which the device is mounted is propelled in an arbitrary direction or connected to the sphere. The present invention relates to a new type of two-degree-of-freedom sphere driving device used for changing the direction of a given object in an arbitrary direction. The sphere drive device of the present invention can be used as a drive wheel for all kinds of moving objects such as automobiles, trains, trolleys, carts, airplanes, space shuttles, and their toys. It can be used as a drive unit of a machine, a drive of an object having a rotary movement mechanism such as a mouse for a personal computer that is actively driven. Further, it can be used as a driving body for controlling the posture and direction, such as a laser irradiation device or a driving mechanism for a robot eye.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般の車輪は円盤形状をしていて車軸に
対して直交する面内を回転するため、回転方向を変える
場合には車軸の向きを変える必要がある。これに対し
て、球体を使ったボール形車輪であれば、車軸に制約さ
れずに任意の方向に回転することが出来る。円盤状車輪
の代わりにボール形車輪を取り付けて任意の方向に移動
を可能にしたものに移動型椅子のキャスターなどがあ
る。しかし、ボール形車輪は任意の方向に移動するとい
う特性を生かすように駆動する方法に特殊な工夫が必要
であった。この問題を解決して球体を回転駆動させるこ
とにより移動させるようにした装置として、特開平4−
285519や実開平4−72001が公知である。
2. Description of the Related Art Since a general wheel has a disk shape and rotates in a plane perpendicular to an axle, it is necessary to change the direction of the axle when changing the rotation direction. On the other hand, a ball-shaped wheel using a sphere can rotate in any direction without being restricted by the axle. A movable chair caster or the like is one in which a ball-shaped wheel is attached in place of the disc-shaped wheel to enable movement in an arbitrary direction. However, a special device is required for driving the ball-shaped wheel so as to make use of the characteristic of moving in an arbitrary direction. As a device which solves this problem and moves the sphere by rotating it, Japanese Patent Application Laid-Open No.
285519 and Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 4-72001 are known.

【0003】特開平4−285519では、人が掃除機
の床用吸込具を前後左右に動かすときにその移動させる
方向に回転力を加わえることにより、小さな力でも掃除
機の吸引具を容易に操作できるようにすることを目的と
して、吸引具の端近くに球状の駆動車輪を備えたものが
開示されている。この吸込具は、前後モータと左右モー
タを内蔵し、それぞれのモータ軸に取り付けた摩擦車を
介して球状の駆動輪を前後方向におよび左右方向に回転
駆動するようにしたもので、人が吸引具を押す方向を検
知するスイッチのオンオフに従って前後モータと左右モ
ータの動きを制御することにより、ひとが押す方向に従
って吸引具が前後左右あるいは斜めに移動するようにな
っている。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-285519, when a person moves a suction device for floor of a vacuum cleaner back and forth and left and right, a rotating force is applied in the moving direction so that the suction device of the cleaner can be easily operated with a small force. For the purpose of enabling operation, a suction tool with a spherical drive wheel near the end is disclosed. This suction device incorporates a front-rear motor and a left-right motor, and drives the spherical drive wheels to rotate in the front-rear direction and the left-right direction via friction wheels attached to the respective motor shafts. By controlling the movements of the front and rear motors and the left and right motors in accordance with the on / off state of a switch for detecting the direction in which the device is pressed, the suction device moves forward, backward, left, right, or diagonally according to the direction in which the device is pressed.

【0004】また、実開平4−72001には、車体の
前後に球体を取付け、該球体を進行方向と進行方向に直
交する方向に駆動する球駆動手段を設けて、運転者の意
志により選択的に駆動して運転を楽しむ「球車」と名付
けた新しい車両が開示されている。これらの装置に用い
られる球状車輪では、回転方向を任意に選べるようにす
るために、球体表面に接触し摩擦により回転駆動する複
数の回転ローラとこれらの回転ローラを駆動するモータ
類を設備する必要がある。この結果、駆動機構の部品数
が多く構造が複雑になり、全体形状を小型化することが
困難であった。
In the Japanese Utility Model Laid-Open No. 4-200101, a sphere is attached to the front and rear of a vehicle body, and ball driving means for driving the sphere in a direction perpendicular to the traveling direction is provided. There is disclosed a new vehicle named "ball car" that drives and enjoys driving. In the spherical wheels used in these devices, it is necessary to equip a plurality of rotating rollers that come into contact with the surface of the sphere and rotate by friction and motors that drive these rotating rollers so that the rotating direction can be freely selected. There is. As a result, the number of parts of the drive mechanism is large, the structure is complicated, and it has been difficult to reduce the overall shape.

【0005】このような困難を排除して球体駆動装置の
小型化を図ったものが、特開平5−296227に開示
されている。自由な方向に駆動力を発生することの出来
る小型の駆動ユニットを球体の周囲に配置した多自由度
アクチュエータで、狭い空間で作業や移動を行うロボッ
トの車輪や関節に使用することにより、ロボットが限ら
れた空間内で姿勢や形状を自由に変化させるために利用
することが出来る。この球体駆動装置は少なくとも3個
の振動ユニットを用いるもので、駆動ユニットとして
は、例えば正三角錐の頂点を中心とする3本の稜の位置
に圧電セラミックからなる振動素子を配置して構成した
ものなどが利用される。このような駆動ユニットは3本
の振動素子を駆動する位相を制御することにより頂点位
置が回転あるいは揺動する。
[0005] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-296227 discloses an apparatus for miniaturizing a sphere driving device by eliminating such difficulties. A multi-degree-of-freedom actuator in which a small drive unit that can generate a driving force in a free direction is arranged around a sphere. It can be used to freely change posture and shape in a limited space. This sphere driving device uses at least three vibration units. For example, the driving unit is configured by arranging a vibration element made of piezoelectric ceramic at three ridges centered on the apex of a regular triangular pyramid. Is used. Such a drive unit rotates or swings the apex position by controlling the phases for driving the three vibrating elements.

【0006】少なくとも3個の駆動ユニットを球体の周
囲に配置して、各ユニットの頂点部分が球体に当接する
ようにし、それぞれの駆動ユニットが互いに整合するよ
うに駆動させると、球体は対応する方向に回転する。駆
動ユニットは小型に構成することができるから、これら
を利用して球体を任意の方向に回転駆動する球体駆動装
置は全体として小型に組み上げることができる。なお、
球体駆動装置における球体自体に適当な事物を連結し球
体の回転を利用することにより、事物の姿勢を制御する
装置として利用することもできる。また、上記の球体駆
動装置により任意の角度に屈曲する小型のボールジョイ
ントを構成することにより、細管の屈曲部や分岐部まで
検査装置を搬送することが可能となり、例えば原子力発
電プラントの細管の管内検査をすることができるように
なった。
When at least three drive units are arranged around the sphere such that the apex of each unit abuts on the sphere and the respective drive units are driven to align with each other, the sphere moves in the corresponding direction. To rotate. Since the driving unit can be configured to be small, a sphere driving device that rotates and drives the sphere in an arbitrary direction by using them can be assembled as a small size as a whole. In addition,
By connecting an appropriate object to the sphere itself in the sphere driving device and using the rotation of the sphere, it can also be used as a device for controlling the attitude of the object. In addition, by configuring a small ball joint that bends to an arbitrary angle by the above-described sphere driving device, it becomes possible to transport the inspection device to a bent portion or a branch portion of the thin tube, for example, inside a thin tube of a nuclear power plant. You can now do an inspection.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上に挙げた各
種の球体駆動装置は共通して、複数の駆動源を有するた
め、駆動力間で干渉が生じて効率が悪い上、ローラの回
転軸に無理な力が加わって余分な駆動力を必要とした
り、相互の干渉が生じないように駆動するための制御方
式が複雑になり高度な論理回路を駆使する必要があった
りする困難があった。また、複数の駆動ユニットを使用
する場合は、球体に摩擦体を押しつける予圧を全ての駆
動源について均等にしなければならないため、各部のク
リアランス調整が難しいという短所があった。さらに、
マイクロマシーン技術の進展やロボット作業の対象の広
がりに伴って、より小型の駆動装置が要請されていた。
However, since the above-mentioned various sphere driving devices have a plurality of driving sources in common, interference occurs between driving forces, resulting in poor efficiency, and a rotating shaft of the roller. To apply excessive force to the motor, which required extra driving force, and complicated control method for driving so that mutual interference did not occur, and it was necessary to make full use of advanced logic circuits. . Further, when a plurality of drive units are used, there is a disadvantage in that it is difficult to adjust the clearance of each part because the preload for pressing the frictional body against the sphere must be equal for all drive sources. further,
With the development of micromachine technology and the spread of robot work targets, smaller drive devices have been demanded.

【0008】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、球体を任意の方向に回転させることができるより小
型の2自由度球体駆動装置を提供することであり、さら
にそのような装置における駆動源の相互干渉を排除し組
立調整を容易にすることである。また、このような球体
駆動装置を組み込んで任意の方向に進行する移動物を得
ることであり、物体の姿勢を迅速正確に制御する姿勢制
御機構と、球体に機能装置を組み込み自在に方向制御す
る機能装置駆動機構を提供することである。
An object of the present invention is to provide a smaller two-degree-of-freedom sphere driving apparatus capable of rotating a sphere in an arbitrary direction, and a driving source in such an apparatus. Is to eliminate mutual interference and facilitate assembly adjustment. In addition, it is to obtain a moving object traveling in an arbitrary direction by incorporating such a sphere driving device, and a posture control mechanism for quickly and accurately controlling the posture of the object, and a direction control for freely incorporating a functional device into the sphere. It is to provide a functional device drive mechanism.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の2自由度球体駆動装置は、球体と、その球
体の径より小さい開口を有する球体収納ハウジングと、
球体表面に接触する接触部が球体の接線方向に運動する
ことにより球体を2次元に駆動する駆動体を1式備え
て、球体を任意の方向に回転させることを特徴とする。
また、上記の駆動体は圧電素子を三角トラス状に組み合
わせてその頂点部に摩擦面を有するものであって、その
摩擦面で球体に接触して球体を駆動するように構成する
ことが特に好ましい。さらに、球体を収納するハウジン
グが少なくとも開口部に弾性効果を持たせ、球体を駆動
体に押し付けて摩擦力を増大させるようにすることが好
ましい。また、球体収納ハウジングの開口の中心と、球
体の中心と、駆動体の中心とがほぼ直線上に配設されて
いることが好ましい。
In order to solve the above-mentioned problems, a two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention comprises a sphere, a sphere storage housing having an opening smaller than the diameter of the sphere,
A sphere is rotated in an arbitrary direction by providing one set of a driving body that drives the sphere two-dimensionally by moving a contact portion in contact with the sphere surface in a tangential direction of the sphere.
Further, the above-mentioned driving body has a friction surface at its apex portion by combining piezoelectric elements in a triangular truss shape, and it is particularly preferable that the driving body is configured to drive the sphere by contacting the sphere with the friction surface. . Further, it is preferable that the housing for accommodating the sphere has an elastic effect at least in the opening, and the sphere is pressed against the driving body to increase the frictional force. Further, it is preferable that the center of the opening of the spherical housing, the center of the spherical body, and the center of the driving body are arranged substantially on a straight line.

【0010】また、上記課題を解決するため、本発明の
移動体は上に述べた本発明の2自由度球体駆動装置を駆
動輪として備えることを特徴とする。さらに本発明の姿
勢制御機構は、上述の2自由度球体駆動装置の球体に連
結具を備え、その連結具に物体を取り付けた姿勢制御機
構であって、2自由度球体駆動装置を制御することによ
り連結具に取り付けられた物体の姿勢を制御することを
特徴とする。また、本発明の機能装置駆動機構は、上述
の2自由度球体駆動装置の球体に機能装置を組み込ん
で、2自由度球体駆動装置を制御することにより機能装
置の向きを制御することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, a moving body of the present invention is provided with the above-described two-degree-of-freedom sphere driving apparatus of the present invention as driving wheels. Further, a posture control mechanism of the present invention is a posture control mechanism in which a sphere of the above-described two-degree-of-freedom sphere driving device is provided with a connecting member and an object is attached to the connecting member, and controls the two-degree-of-freedom sphere driving device. Controlling the posture of the object attached to the connector. Further, the functional device drive mechanism of the present invention is characterized in that the functional device is incorporated into the sphere of the above-described two-degree-of-freedom sphere drive device, and the orientation of the functional device is controlled by controlling the two-degree-of-freedom sphere drive device. I do.

【0011】本発明の2自由度球体駆動装置によれば、
駆動体が球体表面に接触して球体の接線方向に運動する
ため、駆動体と球体の間に存在する摩擦力を介して球体
が駆動体の運動方向に回転する。駆動体の運動方向を調
整することにより球体は任意の方向に回転駆動される
が、摩擦力を介するため駆動力が強く大きな負荷も容易
に駆動することができる。また、1式の駆動体を備える
だけなので装置全体が小型になるばかりか、駆動制御も
1式の駆動体を対象とすればよく複数の駆動体を動かす
わけではないので相互干渉がなく、簡単な制御装置によ
って運転が可能である。上記の駆動体として、円筒形の
回転ローラを回転軸に直交する第2の軸の周りを回転す
るように設け、この円筒ローラの腹を球面体に押し付け
るようにした構成や、この円筒ローラの代わりに、円筒
の両端に車輪を設けたものを備えてこの車輪で球面体表
面を押圧しながら回転するものなどが使用できる。
According to the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention,
Since the driver comes into contact with the surface of the sphere and moves in the tangential direction of the sphere, the sphere rotates in the direction of motion of the driver through the frictional force existing between the driver and the sphere. The sphere is driven to rotate in an arbitrary direction by adjusting the movement direction of the driving body. However, the driving force is strong because of the frictional force, so that a large load can be easily driven. In addition, since only one set of driving bodies is provided, not only the whole apparatus becomes small, but also drive control is performed only for one set of driving bodies, and there is no need to move a plurality of driving bodies. Operation is possible with a simple control device. As the driving body, a cylindrical rotating roller is provided so as to rotate around a second axis orthogonal to the rotation axis, and the antinode of the cylindrical roller is pressed against a spherical body. Alternatively, a cylinder having wheels provided at both ends thereof and rotating while pressing the spherical body surface with the wheels can be used.

【0012】しかし特に、上記の駆動体として、特開平
5−297227に開示されている多自由度アクチュエ
ータに使用されている小型駆動ユニットと同じような、
圧電素子を三角トラス状に組み合わせてその頂点部に摩
擦面を有するものを1式だけ用いて、その摩擦面で球体
に接触して球体を駆動するように構成する場合は、駆動
体が小型であり組み込む数も少ないため2自由度球体駆
動装置を容易に小型化することができる。また、球体の
回転を高速で精度良く制御することができるため2自由
度球体駆動装置の回転や走行の制御が高速かつ正確に行
える。さらに、2自由度球体駆動装置を駆動するための
制御回路が、特開平5−297227に開示された少な
くとも3式の駆動ユニットを相互関係を調整しながら運
転する多自由度アクチュエータの場合と比較して、極め
て単純になるので特に好ましい。
However, in particular, the above-mentioned driving body is similar to the small driving unit used in the multi-degree-of-freedom actuator disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-297227.
When the piezoelectric element is combined in a triangular truss shape and has only one friction surface at the apex and is used to drive the sphere by contacting the sphere with the friction surface, the driving body is small. Since the number of the sphere driving devices is small, the size of the two-degree-of-freedom sphere driving device can be easily reduced. Also, since the rotation of the sphere can be controlled at high speed and with high accuracy, the rotation and running of the two-degree-of-freedom sphere driving device can be controlled at high speed and accurately. Further, a control circuit for driving the two-degree-of-freedom sphere driving device is compared with a multi-degree-of-freedom actuator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-297227 in which at least three types of driving units are operated while adjusting the mutual relation. It is particularly preferable because it is extremely simple.

【0013】さらに、球体を収納するハウジングの開口
部の形状を適当に選択したり適当な弾性体を用いるなど
して開口部に弾性効果を持たせることにより、球体を内
側に押圧し駆動体に押し付けて摩擦力を増大させるよう
にした場合は、別のバネ体を組み込まなくとも駆動体と
球体との摩擦力を強めて確実に回転させるようにするこ
とができるため、機構上の省略により装置の小型化が達
成できるばかりでなく組立工数の省略ができるため、特
に好ましい。また、駆動体と球体の間に与える予圧の調
整がハウジングのねじ込みだけで行えるため、組立や保
守が容易になる。また、球体収納ハウジングの開口の中
心と、球体の中心と、駆動体の中心とが直線上に配設す
るようにした場合は、球体収納ハウジングを締め込むこ
とにより球体と駆動体の押圧を確保して球体が確実に回
転するようになるばかりか、組み込み工程が簡単で特別
な治具も必要としない利点がある。
Further, by appropriately selecting the shape of the opening of the housing for accommodating the sphere or using an appropriate elastic body to give the opening an elastic effect, the sphere is pressed inward to the driving body. When the frictional force is increased by pressing, the frictional force between the driving body and the sphere can be increased and the rotation can be surely performed without incorporating a separate spring body. This is particularly preferable because not only can the size of the device be reduced, but also the number of assembling steps can be reduced. Further, the adjustment of the preload applied between the driving body and the sphere can be performed only by screwing the housing, so that the assembling and maintenance become easy. When the center of the opening of the sphere storage housing, the center of the sphere, and the center of the driving body are arranged in a straight line, the sphere and the driving body are pressed by tightening the sphere storage housing. In addition to the fact that the sphere is reliably rotated, there is an advantage that the assembling process is simple and no special jig is required.

【0014】さらに、上記発明の2自由度球体駆動装置
を駆動輪として備える移動物は、駆動部が小型のため全
体として極めて小型に構成することができ、また簡単な
制御装置により的確な走行制御を達成することが出来
る。さらに、上述の2自由度球体駆動装置の球体に連結
具を備え、その連結具に物体を取り付けて構成した姿勢
制御機構は、球体が高速で精密な回転を行うから連結具
に取り付けた物体は極めて高速で精密な姿勢制御を受け
ることができる。従って、任意の方向に向けて姿勢を急
速に変えることができる回転ステージとして使用した
り、太陽電池パネルを設置してパネル面が常に正確に太
陽に指向するように表面方向を維持するようにしたりす
ることができる。また小型に構成できて正確に制御でき
ることを活用して、配管内を移動しながら配管を検査し
たり修理したりする管内移動ロボットの屈曲機構に用い
ることができる。また、例えばレーザや視覚センサなど
の機能装置を2自由度球体駆動装置の球体に組み込んだ
機能装置駆動機構は、球体の方向制御が高速で正確にで
きるため、極めて高性能な機能装置を構成することがで
きる。
Further, the moving object provided with the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention as a driving wheel can be made extremely small as a whole since the driving portion is small, and accurate traveling control can be performed by a simple control device. Can be achieved. Further, the attitude control mechanism, which is provided with a connecting tool on the sphere of the above-described two-degree-of-freedom sphere driving device and attached to the connecting tool, attaches an object to the connecting tool because the sphere performs high-speed and precise rotation. Extremely fast and precise attitude control can be received. Therefore, it can be used as a rotating stage that can rapidly change its posture in any direction, or by installing a solar cell panel to maintain the surface direction so that the panel surface always points accurately to the sun. can do. Also, by utilizing the fact that it can be made compact and can be accurately controlled, it can be used for a bending mechanism of an in-pipe mobile robot that inspects and repairs pipes while moving in the pipes. Further, a functional device driving mechanism in which a functional device such as a laser or a visual sensor is incorporated in a sphere of a two-degree-of-freedom sphere driving device constitutes an extremely high-performance functional device because the direction of the sphere can be controlled at high speed and accurately. be able to.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
を実施例に基づいて詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to the drawings.

【0016】[0016]

【実施例1】図1は本発明の2自由度球体駆動装置の1
実施例を示す一部断面図、図2はその主要部の平面図で
ある。図中、1はロータ、3はカバー、5は駆動ユニッ
ト、7は台座である。ロータ1は駆動ユニット5の上に
載置されて、円筒形のカバー3が上から覆っている。カ
バー3にはロータの径より小さな開口が設けられてお
り、ロータ1の一部が露出するようになっている。また
カバー3は内壁に雌ネジが付けられていて、この雌ネジ
を台座7の周囲に形成された雄ネジと螺合させて止めら
れている。
FIG. 1 shows a two-degree-of-freedom sphere driving apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a partial sectional view showing an embodiment, and FIG. 2 is a plan view of a main part thereof. In the figure, 1 is a rotor, 3 is a cover, 5 is a drive unit, and 7 is a pedestal. The rotor 1 is mounted on a drive unit 5 and a cylindrical cover 3 covers from above. An opening smaller than the diameter of the rotor is provided in the cover 3 so that a part of the rotor 1 is exposed. The cover 3 has a female screw on the inner wall, and the female screw is screwed to a male screw formed around the pedestal 7 and fixed.

【0017】本実施例におけるロータ1は約9.5mm
のステンレス鋼球で、カバー3は自己潤滑性を有する樹
脂で形成されている。ロータ1はカバー3と駆動ユニッ
ト5によって挟み込まれて支持され、カバー3の開口に
より位置決めされている。ロータ1の中心、カバー3の
開口の中心、駆動ユニット5の中心、台座7の中心は直
線上に配設されるようになっており、組み立てる時に
は、例えば駆動ユニット5の上にロータ1を載せてカバ
ー3をかぶせて台座7にねじ込めば、自然に全ての部品
がそれぞれの定位置に納められる。カバー3の開口部は
弾性を有し、カバー3を台座7にねじ込む量に従ってロ
ータ1と駆動ユニット5との接圧を調整することができ
る。また、カバー3の開口部は自己潤滑性を有するの
で、ロータ1と直接に接触しているが摩擦力は小さく、
ロータ1は容易に回転することができる。
The rotor 1 in this embodiment has a size of about 9.5 mm.
The cover 3 is formed of a resin having self-lubricating properties. The rotor 1 is sandwiched and supported by the cover 3 and the drive unit 5, and is positioned by the opening of the cover 3. The center of the rotor 1, the center of the opening of the cover 3, the center of the drive unit 5, and the center of the pedestal 7 are arranged on a straight line. When assembling, for example, the rotor 1 is placed on the drive unit 5. If the cover 3 is put on and screwed into the pedestal 7, all the parts are naturally put in their respective fixed positions. The opening of the cover 3 has elasticity, and the contact pressure between the rotor 1 and the drive unit 5 can be adjusted according to the amount by which the cover 3 is screwed into the base 7. Further, since the opening of the cover 3 has self-lubricating properties, it is in direct contact with the rotor 1 but has a small frictional force.
The rotor 1 can rotate easily.

【0018】図2は駆動ユニット5の平面図である。図
において11は摩擦盤、13は圧電素子である。本発明
の2自由度球体駆動装置の駆動源となる駆動ユニット5
は、摩擦盤11と3本の圧電素子13からなり、台座7
の上に作り付けられている。3本の圧電素子13はそれ
ぞれ1端を台座7に固定し他端を摩擦盤11に固定し、
摩擦盤11を上端平面とし圧電素子13を稜とする三角
錘台状に組み合わせたパラレルリンク構造をなす。駆動
ユニット5の圧電素子13には図外の駆動装置の振動素
子ドライバから信号ケーブルを介して駆動信号が供給さ
れる。
FIG. 2 is a plan view of the drive unit 5. In the figure, reference numeral 11 denotes a friction plate, and 13 denotes a piezoelectric element. Driving unit 5 serving as a driving source of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention
Consists of a friction plate 11 and three piezoelectric elements 13,
Is built on top of. Each of the three piezoelectric elements 13 has one end fixed to the base 7 and the other end fixed to the friction plate 11,
A parallel link structure is formed in which the friction disc 11 is combined in a triangular truncated pyramid shape with the upper end plane and the piezoelectric element 13 as a ridge. A drive signal is supplied to the piezoelectric element 13 of the drive unit 5 from a vibration element driver of a drive device (not shown) via a signal cable.

【0019】駆動ユニット5を形成する圧電素子13と
して、断面が2mm×3mm、長さが5mmで、150
Vの電圧で長さが4μm変化し、20Kgfの力を発生
する積層型圧電素子を用い、組立には熱硬化性樹脂を用
いた。3本の圧電素子への印加電圧を協調制御すると各
圧電素子13の長さが変化するため、3本の圧電素子1
3が集合して空中に支持する摩擦盤11は並進3自由度
の運動を行う。そこで、摩擦盤11に所定の面内で高速
楕円運動をさせると、前進時と後退時の接触摩擦力に差
があるため、球状のロータ1をその方向に回転させるこ
とができる。
The piezoelectric element 13 forming the drive unit 5 has a cross section of 2 mm × 3 mm, a length of 5 mm, and 150 mm.
A laminated piezoelectric element whose length changes by 4 μm at a voltage of V and generates a force of 20 kgf was used, and a thermosetting resin was used for assembly. When the voltages applied to the three piezoelectric elements are controlled in a coordinated manner, the length of each piezoelectric element 13 changes.
The friction disk 11, which is assembled and supported in the air, moves in three translational degrees of freedom. Therefore, when the friction disk 11 is caused to perform a high-speed elliptical motion in a predetermined plane, there is a difference between the contact friction force at the time of forward movement and the contact friction force at the time of backward movement, so that the spherical rotor 1 can be rotated in that direction.

【0020】本実施例の2自由度球体駆動装置の運動原
理について、周期的な信号により駆動ユニット5を駆動
してロータ1を回転させる場合に基づいて説明する。例
えば、第1と第2の振動素子13が同じ位相で伸縮し、
第3の振動素子13がそれに遅れて駆動されるときは、
摩擦盤11は台座7に垂直で第3振動子13を含む平面
内において楕円回転運動を行う。摩擦盤11の回転運動
中、上方向に動く間はロータ1を押し付ける力が強いの
でロータ1は摩擦盤11と共に前進する。摩擦盤11が
下方向に動く間はロータ1を押す力が小さくなる上、振
動素子13の駆動は例えば13kHz程度の高速で行わ
れるため、ロータ1は摩擦盤11に取り残されがちにな
る。従って摩擦盤11の楕円回転運動によりロータ1は
第3振動子を含む面内の1方向に回転する。同じよう
に、第1と第3の振動素子13が同じ位相で伸縮し、第
2の振動素子13がそれに遅れて駆動されるときは、摩
擦盤11は台座7に垂直で第2振動子を含む平面内にお
いて回転運動を行う。この運動によりロータ1は第2振
動子を含む面内の1方向に回転する。
The principle of movement of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present embodiment will be described based on the case where the driving unit 5 is driven by a periodic signal to rotate the rotor 1. For example, the first and second vibrating elements 13 expand and contract in the same phase,
When the third vibration element 13 is driven with a delay,
The friction disk 11 performs an elliptical rotation in a plane perpendicular to the pedestal 7 and including the third vibrator 13. During the rotational movement of the friction disk 11, the rotor 1 moves forward together with the friction disk 11 because the force pressing the rotor 1 is strong while moving upward. While the friction disk 11 moves downward, the force for pushing the rotor 1 becomes small, and the driving of the vibration element 13 is performed at a high speed of, for example, about 13 kHz, so that the rotor 1 tends to be left behind on the friction disk 11. Therefore, the rotor 1 rotates in one direction in a plane including the third vibrator by the elliptical rotation of the friction disk 11. Similarly, when the first and third vibrating elements 13 expand and contract in the same phase and the second vibrating element 13 is driven with a delay, the friction plate 11 is perpendicular to the base 7 and the second vibrator is moved. Rotate in a plane containing This movement causes the rotor 1 to rotate in one direction in a plane including the second vibrator.

【0021】このように、第1の振動素子13の運動に
対する第2と第3の振動素子13の位相を適当に選定す
ることにより摩擦盤11の回転運動の面と向きを適当に
選択することができる。たとえば、第1の振動素子に対
して第2振動素子を45度進めて、第3振動素子を45
度遅らせたときは、摩擦盤11は第1振動素子に対して
垂直の方向に回転運動し、ロータ1はその回転方向に回
転する。ロータ1の回転速度は、振動素子13の伸縮量
と伸縮の速度に左右されるから、駆動信号の周波数が圧
電素子の応答周波数範囲内にある限り、駆動信号の電圧
レベルと周波数で制御することができる。
As described above, by appropriately selecting the phases of the second and third vibrating elements 13 with respect to the movement of the first vibrating element 13, the plane and direction of the rotational motion of the friction disk 11 can be appropriately selected. Can be. For example, the second vibration element is advanced 45 degrees with respect to the first vibration element, and the third vibration element is moved 45 degrees.
When the friction plate 11 is delayed by a degree, the friction plate 11 rotates in a direction perpendicular to the first vibration element, and the rotor 1 rotates in the rotation direction. Since the rotational speed of the rotor 1 depends on the amount of expansion and contraction of the vibration element 13 and the speed of expansion and contraction, it is necessary to control the driving signal with the voltage level and frequency of the driving signal as long as the frequency of the driving signal is within the response frequency range of the piezoelectric element. Can be.

【0022】上記のロータ駆動原理は周期的な信号であ
れば同様に働き、正弦波でなくとも三角波や鋸歯状波を
用いても同じ結果が得られることはいうまでもない。な
お、各振動素子13が順次同じ120度の位相差の下で
駆動されると、振動素子13の伸縮方向には水平成分が
含まれるため、摩擦盤11は歳差運動を伴う味噌スリ運
動を行う。この時振動素子13の伸縮により発生する歳
差運動の径は小さい上、ロータ1の接点が摩擦盤11の
中心に近いため、効率よく駆動するには工夫が必要であ
るが、ロータ1を台座7に垂直な軸の周りに回転させる
ことも可能である。
The above-described principle of driving the rotor works similarly as long as it is a periodic signal. It goes without saying that the same result can be obtained by using a triangular wave or a sawtooth wave instead of a sine wave. When each vibrating element 13 is sequentially driven under the same phase difference of 120 degrees, the expansion and contraction direction of the vibrating element 13 includes a horizontal component. Do. At this time, the diameter of the precession generated by the expansion and contraction of the vibration element 13 is small, and the contact point of the rotor 1 is close to the center of the friction plate 11. It is also possible to rotate about an axis perpendicular to 7.

【0023】本実施例の2自由度球体駆動装置は、構成
部品点数が少なく非常にシンプルであり、全体形状は径
18mm長さ18mmの円柱形で総重量も17.5g程
度と極めて小型軽量になった。本実施例の2自由度球体
駆動装置の出力トルクは15Ncm、回転速度は500
deg/sであった。なお、ロータ1を挟み込む予圧
力、すなわちねじ込み予圧を大きくすると出力トルクが
増加する。また予圧が大きいところでは駆動周波数を大
きくするほど出力トルクも大きくなる傾向があるので、
目的に従って組み立て調整をし、駆動信号の周波数を選
定する。
The two-degree-of-freedom sphere driving apparatus of this embodiment has a very small number of components and is very simple. The overall shape is a column having a diameter of 18 mm and a length of 18 mm and a total weight of about 17.5 g. became. The output torque of the two-degree-of-freedom sphere driving device of this embodiment is 15 Ncm, and the rotation speed is 500.
deg / s. Note that the output torque increases when the preload that sandwiches the rotor 1, that is, the screwing preload is increased. Also, where the preload is large, the output torque tends to increase as the drive frequency increases,
Adjust the assembly according to the purpose and select the frequency of the drive signal.

【0024】本実施例の2自由度球体駆動装置は、ケー
ス3の開口から露出したロータ1を車輪として利用して
移動物に装備すると、移動物を任意の方向に高速に移動
することができる。なお、開口部の開口角をロータ1の
中心角で86度とした。従って、ロータ1を無欠の球体
として利用する場合は別として、本実施例の2自由度球
体駆動装置のロータ1に物品を付設して例えば回転ステ
ージやレーザ照射装置として利用する場合は、物品が開
口から突出するものや開口を利用するものであるときの
可動範囲は86度となる。
In the two-degree-of-freedom sphere driving apparatus of this embodiment, when the moving object is mounted on the moving object by using the rotor 1 exposed from the opening of the case 3 as a wheel, the moving object can be moved at a high speed in an arbitrary direction. . The opening angle of the opening was set to 86 degrees as the central angle of the rotor 1. Therefore, apart from the case where the rotor 1 is used as a solid sphere, when the article is attached to the rotor 1 of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present embodiment and used as, for example, a rotary stage or a laser irradiation device, the article is The movable range in the case of projecting from the opening or utilizing the opening is 86 degrees.

【0025】本実施例の2自由度球体駆動装置を構成す
る部品の形状は目的により適宜選定することができ、2
自由度球体駆動装置の全体形状も設計により更なる小型
化が期待できる。本実施例において、駆動ユニットに積
層型圧電素子を用いたがこれら圧電素子に限らず伸縮運
動をする小型のアクチュエータであればよく、マイクロ
マシーンに活用される形状記憶合金アクチュエータや静
電アクチュエータ、流体アクチュエータなども利用する
ことができる。また、ロータの材質はステンレス鋼とし
たが、使用目的に応じて適宜選択すればよい。ステンレ
ス鋼の他にも、回転力の伝達や接触部の磨耗や変形を考
慮して、セラミックスや硬質メッキを施した金属などを
用いることができる。また、摩擦盤は平面としたが、磨
耗や破損を防ぐため球面形状として接触面積を大きくす
ることもできる。さらに、カバーの弾性の強さは目的に
より適宜選定してよい。
The shapes of the components constituting the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present embodiment can be appropriately selected depending on the purpose.
The overall shape of the sphere driving device with degrees of freedom can be expected to be further reduced in size by design. In the present embodiment, a laminated piezoelectric element is used for the drive unit. However, the present invention is not limited to these piezoelectric elements, and a small actuator that expands and contracts may be used, and a shape memory alloy actuator, an electrostatic actuator, An actuator or the like can also be used. Although the material of the rotor is stainless steel, it may be appropriately selected according to the purpose of use. In addition to stainless steel, ceramics, hard-plated metals, and the like can be used in consideration of transmission of rotational force and wear and deformation of contact portions. Further, although the friction plate is flat, the contact area can be increased by forming it into a spherical shape in order to prevent abrasion and breakage. Further, the elasticity of the cover may be appropriately selected depending on the purpose.

【0026】駆動ユニットは正三角錐の頂点を中心とす
る3本の稜に振動素子を配置したものとして図示した
が、振動素子の数は3本に限らず、また取付角も適宜選
定することができる。要は、各振動素子で発生した振動
により摩擦盤が回転運動をし、かつその運動方向を変化
させることができるように、複数の振動素子と摩擦盤が
一体に結合されていて、ロータの2自由度回転運動に対
する有効な駆動力となることである。なお、カバー開口
部の弾性を利用してロータを駆動ユニットに押し付けて
駆動力が効率よく伝達するようにしたが、駆動ユニット
を支える台座の側に弾性効果を持たせてロータを開口部
側に押し付けるような機構を用いることもできることは
いうまでもない。
Although the drive unit is illustrated as having the vibrating elements arranged on three ridges centered on the vertices of a regular triangular pyramid, the number of vibrating elements is not limited to three, and the mounting angle may be appropriately selected. it can. The point is that a plurality of vibrating elements and a friction disk are integrally connected so that the friction disk rotates by the vibration generated by each vibration element and can change its moving direction. This is to be an effective driving force for the rotational motion with a degree of freedom. Although the rotor is pressed against the drive unit by utilizing the elasticity of the cover opening so that the driving force is transmitted efficiently, the pedestal supporting the drive unit has an elastic effect to move the rotor toward the opening. It goes without saying that a mechanism for pressing can be used.

【0027】[0027]

【実施例2】図3は本発明の2自由度球体駆動装置の別
の実施例を示す一部断面図、図4はその別の態様を示す
一部断面図である。なお、図中の参照番号は図1と同じ
機能に係る部分については同じ番号を付与して説明を簡
略化した。実施例2の2自由度球体駆動装置の駆動ユニ
ットは、実施例1の2自由度球体駆動装置のものと異な
り、摩擦車が用いられている。図3において、21は摩
擦車、23は摩擦車21を垂直方向に回転させる摩擦車
モータ、25は枠体、27は枠体ごと水平回転させる水
平モータである。ロータ1はカバー3と摩擦車21によ
って挟み込まれて支持され、カバー3の開口により位置
決めされている。ロータ1の中心、カバー3の開口の中
心、摩擦車21のロータ1との接点、水平モータ27の
回転軸の中心は直線上に配設されるようになっており、
組み立てる時には、例えばカバー3をひっくり返してロ
ータ1を入れ、摩擦車21等の駆動ユニットを固定した
台座7を上からねじ込めば、自然に全ての部品がそれぞ
れの定位置に納められる。
Embodiment 2 FIG. 3 is a partial sectional view showing another embodiment of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention, and FIG. 4 is a partial sectional view showing another embodiment thereof. In the figure, the same reference numerals are given to the parts having the same functions as those in FIG. 1 to simplify the description. The drive unit of the two-degree-of-freedom sphere drive device of the second embodiment differs from that of the two-degree-of-freedom sphere drive device of the first embodiment in that a friction wheel is used. In FIG. 3, reference numeral 21 denotes a friction wheel, reference numeral 23 denotes a friction wheel motor for rotating the friction wheel 21 in the vertical direction, reference numeral 25 denotes a frame, and reference numeral 27 denotes a horizontal motor for horizontally rotating the frame together. The rotor 1 is sandwiched and supported by the cover 3 and the friction wheel 21, and is positioned by the opening of the cover 3. The center of the rotor 1, the center of the opening of the cover 3, the contact point of the friction wheel 21 with the rotor 1, and the center of the rotating shaft of the horizontal motor 27 are arranged on a straight line.
When assembling, for example, if the cover 3 is turned upside down and the rotor 1 is inserted, and the pedestal 7 to which the drive unit such as the friction wheel 21 is fixed is screwed in from above, all parts are naturally put in their respective fixed positions.

【0028】カバー3の開口部の弾性を利用し、台座7
をカバー3にねじ込む量を変えることにより、ロータ1
と摩擦車21との接圧を調整することができる。図外の
制御装置からの信号により水平モータ27と摩擦車モー
タ23が駆動される。水平モータ27を運転すると枠体
25が水平に回転して摩擦車21の回転面の向きが変化
するので、回転面が所望の方向に向いたところで停止す
る。摩擦車モータ23を駆動すると摩擦車21が回転
し、ロータ1が枠体25の向いた面の方向に回転する。
このように、ロータ1の回転面の方向は水平モータ27
により自由に変化させることができる。また、ロータ1
の回転は摩擦車21との摩擦力を介して行われるため力
の伝達効率が大きく、ロータ1と摩擦車21の回転径の
比を大きく取ることができるから、ロータ1の回転トル
クを大きくすることができる。
Using the elasticity of the opening of the cover 3, the base 7
By changing the amount of screwing into the cover 3, the rotor 1
The contact pressure between the friction wheel 21 and the friction wheel 21 can be adjusted. The horizontal motor 27 and the friction wheel motor 23 are driven by a signal from a control device (not shown). When the horizontal motor 27 is operated, the frame 25 rotates horizontally and the direction of the rotating surface of the friction wheel 21 changes. Therefore, the operation stops when the rotating surface faces a desired direction. When the friction wheel motor 23 is driven, the friction wheel 21 rotates, and the rotor 1 rotates in the direction of the surface facing the frame 25.
As described above, the direction of the rotation surface of the rotor 1 is
Can be changed freely. Also, rotor 1
Is performed through the frictional force with the friction wheel 21, the transmission efficiency of the force is large, and the ratio of the rotation diameter of the rotor 1 to the friction wheel 21 can be increased. Therefore, the rotation torque of the rotor 1 is increased. be able to.

【0029】図4において、31は摩擦車、33は摩擦
車モータ、35は回転軸、37は水平モータである。ロ
ータ1はカバー3と2個の摩擦車31によって挟み込ま
れて支持され、カバー3の開口により位置決めされてい
る。ロータ1の中心、カバー3の開口の中心、2個の摩
擦車31の中央、回転軸35の中心は直線上に配設され
るようになっていて、組み立てる時には台座7をカバー
3にねじ込めば全ての部品が定位置に納まるようになっ
ている。台座7をカバー3にねじ込む量を変えることに
より、ロータ1と摩擦車31との接圧を調整することが
できる。2個の摩擦車31は摩擦車モータ33の両端に
それぞれ軸支されており、摩擦車モータ33は中央部を
水平モータ37の回転軸35に固定されている。
In FIG. 4, reference numeral 31 denotes a friction wheel, 33 denotes a friction wheel motor, 35 denotes a rotating shaft, and 37 denotes a horizontal motor. The rotor 1 is sandwiched and supported by the cover 3 and the two friction wheels 31, and is positioned by the opening of the cover 3. The center of the rotor 1, the center of the opening of the cover 3, the center of the two friction wheels 31, and the center of the rotating shaft 35 are arranged on a straight line, and the pedestal 7 is screwed into the cover 3 during assembly. All parts are set in place. The contact pressure between the rotor 1 and the friction wheel 31 can be adjusted by changing the amount by which the pedestal 7 is screwed into the cover 3. The two friction wheels 31 are respectively supported at both ends of a friction wheel motor 33, and the friction wheel motor 33 is fixed at its center to a rotation shaft 35 of a horizontal motor 37.

【0030】図外の制御装置からの信号により水平モー
タ37を運転すると回転軸35が水平に回転して摩擦車
モータ33の向きが変化するので、摩擦車31の回転面
が所望の方向に向いたところで停止させる。摩擦車モー
タ33を駆動すると摩擦車31が回転し、摩擦力を介し
てロータ1が回転する。このように、ロータ1の回転面
の方向は水平モータ37により自由に変化させることが
できる。また、ロータ1は2個の摩擦車31と接触して
回転するため、回転状態が安定する。なお、本実施例で
は摩擦車の向きを変化させるため水平モータを使用した
が、水平モータは直動式のモータに限らず、回転位置が
任意に定められるようなものであればよく、例えばチェ
ーンを介して軸が回転する構造や直線運動するアクチュ
エータを用いて回転運動に変換する構造などを使用する
ことも可能である。
When the horizontal motor 37 is driven by a signal from a control device (not shown), the rotating shaft 35 rotates horizontally and the direction of the friction wheel motor 33 changes, so that the rotating surface of the friction wheel 31 faces the desired direction. Stop where you are. When the friction wheel motor 33 is driven, the friction wheel 31 rotates, and the rotor 1 rotates via frictional force. As described above, the direction of the rotating surface of the rotor 1 can be freely changed by the horizontal motor 37. Further, since the rotor 1 rotates in contact with the two friction wheels 31, the rotation state is stabilized. In this embodiment, the horizontal motor is used to change the direction of the friction wheel. However, the horizontal motor is not limited to a direct-acting motor, and may be any motor whose rotational position can be arbitrarily determined. It is also possible to use a structure in which the shaft is rotated via the actuator or a structure in which the rotation is converted by using an actuator that moves linearly.

【0031】[0031]

【実施例3】本発明の移動物は上述した本発明の2自由
度球体駆動装置を駆動輪として用いたことを特徴とす
る。図5は本発明の移動物の1実施例を示す一部断面図
である。図5は、球車輪を有するウサギの玩具の球車輪
部を断面で表した一部断面図である。ウサギ玩具40は
前側後側の一方に駆動輪となる球車輪41を備え、他方
に玩具40本体が傾かないように支える複数の円盤状の
従動輪42を備えている。図中では後側に取り付けた球
車輪41として、上記実施例1の2自由度球体駆動装置
のロータと同様に駆動するように構成したものを用いて
いる。球車輪41はウサギ玩具40の本体に設けた円筒
溝43に収納され、開口45と駆動ユニット47の間に
挟み込まれて固定されている。駆動ユニット47は蓋体
49に固設されており、蓋体49に切られた雄ネジが円
筒溝43の雌ネジと螺合して固定されるので、このねじ
込み量で球車輪41と駆動ユニット47の接圧を調整す
ることができる。
Embodiment 3 A moving object of the present invention is characterized in that the above-described two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention is used as a driving wheel. FIG. 5 is a partial sectional view showing one embodiment of the moving object of the present invention. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a ball wheel portion of a rabbit toy having a ball wheel in cross section. The rabbit toy 40 has a ball wheel 41 serving as a drive wheel on one of the front and rear sides, and has a plurality of disk-shaped driven wheels 42 supporting the toy 40 main body so as not to be tilted on the other side. In the figure, as the ball wheel 41 attached to the rear side, a wheel configured to be driven in the same manner as the rotor of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the first embodiment is used. The ball wheel 41 is housed in a cylindrical groove 43 provided in the main body of the rabbit toy 40, and is sandwiched and fixed between the opening 45 and the drive unit 47. The drive unit 47 is fixed to the lid 49, and the male screw cut in the lid 49 is screwed and fixed to the female screw of the cylindrical groove 43. The contact pressure of 47 can be adjusted.

【0032】図外の制御装置からの駆動制御信号により
球車輪41の移動方向と回転速度を任意に制御すること
ができるので、操縦者は遠隔操作により自由にウサギ玩
具40を所望の方向に所望の速さで移動させることがで
きる。本実施例では球車輪を駆動する駆動ユニットとし
て圧電素子を用いた機構を使用した場合について説明し
たが、上述した通り他の伸縮機能素子や摩擦車なども用
いることができることはいうまでもない。本実施例では
移動物がウサギの玩具である場合を例示したが、本発明
の移動物は、動物玩具に限らず、車両やロボットあるい
は牽引装置や搬送装置等、駆動する車輪を有するあらゆ
る移動物に適用できる。
Since the moving direction and the rotation speed of the ball wheel 41 can be arbitrarily controlled by a drive control signal from a control device (not shown), the operator can freely control the rabbit toy 40 in a desired direction by remote control. It can be moved at the speed of In this embodiment, a case where a mechanism using a piezoelectric element is used as a drive unit for driving a ball wheel is described. However, it is needless to say that another telescopic function element or a friction wheel can be used as described above. Although the moving object is a rabbit toy in the present embodiment, the moving object of the present invention is not limited to an animal toy, but may be any moving object having wheels to be driven, such as a vehicle, a robot, a towing device, and a transport device. Applicable to

【0033】[0033]

【実施例4】本発明の姿勢制御機構は上述した本発明の
2自由度球体駆動装置を用いたことを特徴とする。図6
は本発明の姿勢制御機構の1実施例を示す一部断面図、
図7は本実施例の姿勢制御機構の別の態様を示す一部断
面図である。なお、図中の参照番号は図1と同じ機能に
係る部分については同じ番号を付与して説明を簡略化し
た。
Embodiment 4 The attitude control mechanism of the present invention is characterized by using the above-described two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention. FIG.
1 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the attitude control mechanism of the present invention,
FIG. 7 is a partial sectional view showing another aspect of the attitude control mechanism of the present embodiment. In the figure, the same reference numerals are given to the parts having the same functions as those in FIG. 1 to simplify the description.

【0034】図6は、回転ステージの姿勢を制御する姿
勢制御機構の例を示す図面である。上記実施例1と同じ
2自由度球体駆動装置のロータ1の表面に円柱51が固
設されており、この円柱51の先端に切られた雄ネジを
円盤形をしたステージ53の裏側中心部に設けられた雌
ネジに螺合して固定している。円柱51はカバー3の開
口を貫通しており、2自由度球体駆動装置を操作するこ
とによりロータ1に固設された円柱51を開口内で高速
精密にかつ自由に回転させることができるので、円柱5
1に固設された円盤ステージ53を所望の姿勢に変化さ
せることができる。また、ロータ1の駆動は摩擦に基づ
くため強力であり、小さい部品を使って駆動装置を小型
に構成することができる。本発明の回転ステージの姿勢
制御機構は、例えば、円盤ステージを反射面として形成
し容易に光学装置の組立調整ができるようにしたり、ス
テージ表面に太陽電池パネルを貼着して入射光の方向が
変化するのに容易に追従できる太陽電池発電装置を構成
したりする目的に適用することができる。例えばまた、
衛星から到達する電波を受信する平面アンテナの指向方
向を制御する装置などに使用することも可能である。
FIG. 6 is a drawing showing an example of a posture control mechanism for controlling the posture of the rotary stage. A cylinder 51 is fixed on the surface of the rotor 1 of the same two-degree-of-freedom sphere driving device as in the first embodiment, and a male screw cut at the tip of the cylinder 51 is attached to the center of the back side of the disk-shaped stage 53. It is screwed and fixed to the provided female screw. The cylinder 51 penetrates through the opening of the cover 3, and the cylinder 51 fixed to the rotor 1 can be rotated at high speed, precisely and freely within the opening by operating the two-degree-of-freedom sphere driving device. Column 5
The disk stage 53 fixed to 1 can be changed to a desired posture. In addition, the driving of the rotor 1 is strong because it is based on friction, and the driving device can be made compact using small components. The attitude control mechanism of the rotary stage of the present invention is, for example, a disk stage is formed as a reflection surface so that assembly and adjustment of an optical device can be easily performed, or a solar cell panel is attached to the stage surface to adjust the direction of incident light. The present invention can be applied to the purpose of constructing a solar cell power generation device that can easily follow a change. For example,
The present invention can also be used for a device that controls the directivity of a planar antenna that receives radio waves arriving from a satellite.

【0035】図7は、配管移動ロボットの屈曲機構とし
て使用される姿勢制御機構の例を示す図面である。図
中、54は前後2つに分割された配管移動ロボット本体
の半分体である牽引ユニットとトレーラユニット、55
はロボットのユニット同士を連結する連結棒、57はロ
ボットを搬送するための無限軌道装置、59は配管であ
る。ロボットは、例えば原子力発電所内の入り組んだ配
管内部の検査や保全を行うために用いられるもので、配
管中を移動するマザーマシンにより搬送されて、目的と
する細管の分岐点で放出され、無限軌道装置57により
自走して細管の奥まで入り込み、配管59の内面を検査
し、異常があれば補修工作を行うように構成されてい
る。ロボットの牽引ユニットとトレーラユニット54は
それぞれ搬送すべき測定装置や修理工具類、あるいは制
御装置等を分割して搭載している。
FIG. 7 is a drawing showing an example of a posture control mechanism used as a bending mechanism of a pipe moving robot. In the figure, reference numeral 54 denotes a towing unit and a trailer unit, which are half bodies of a pipe moving robot body divided into two parts, front and rear.
Is a connecting rod for connecting the robot units, 57 is an endless track device for transporting the robot, and 59 is a pipe. Robots are used, for example, to inspect and maintain the intricate pipes in nuclear power plants.They are transported by a mother machine that moves through the pipes and are released at the branch point of the target capillary, where The apparatus 57 is configured to run by the device 57 and enter the inside of the thin tube, inspect the inner surface of the pipe 59, and perform a repair work if an abnormality is found. The towing unit and the trailer unit 54 of the robot separately mount a measuring device, a repair tool, or a control device to be transported.

【0036】ロボットのユニット同士の向かい合った端
部には上記実施例1と同じ2自由度球体駆動装置がそれ
ぞれ対向して形成されている。一方のユニットに形成さ
れた2自由度球体駆動装置のロータ1の表面に連結棒5
5の一端が固設されており、この連結棒55の他端が他
方のユニットの端に形成された2自由度球体駆動装置の
ロータ1の表面に固着されている。このようにして、ボ
ールジョイントと同じ機能を有する極めて小型の機構を
構成することができた。本実施例における配管移動ロボ
ットの屈曲機構は、2自由度球体駆動装置を操作するこ
とにより連結棒55の軸方向が開口内で高速精密にかつ
自由に回転させることができるので、2個の球体駆動装
置を整合して駆動することにより、ロボットの関節の折
れ角と方向を所望のまま制御して、窮屈な配管内を自由
に移動して作業することができる。このように、2自由
度球体駆動装置を屈折機構として用いた配管移動ロボッ
トは、細管の屈曲部や分岐部まで検査装置を搬送するこ
とが可能となり、例えば原子力発電プラントの細管の管
内検査も容易に行うことができるようになった。
The same two-degree-of-freedom sphere driving device as in the first embodiment is formed facing each other at opposite ends of the robot units. A connecting rod 5 is attached to the surface of the rotor 1 of the two-degree-of-freedom sphere driving device formed in one unit.
The other end of the connecting rod 55 is fixed to the surface of the rotor 1 of the two-degree-of-freedom sphere driving device formed at the end of the other unit. In this way, a very small mechanism having the same function as the ball joint could be constructed. The bending mechanism of the pipe moving robot in this embodiment can rotate the connecting rod 55 at high speed, precisely and freely within the opening by operating the two-degree-of-freedom sphere driving device. By aligning and driving the driving device, the bending angle and the direction of the joint of the robot can be controlled as desired, and the robot can work freely by moving in tight pipes. As described above, the pipe moving robot using the two-degree-of-freedom sphere driving device as a refraction mechanism can transport the inspection device to a bent portion or a branch portion of the thin tube. Now you can do it.

【0037】[0037]

【実施例5】本発明の機能装置駆動機構は上述した本発
明の2自由度球体駆動装置を用いて、ロータに機能装置
を仕込んで回転駆動するようにしたことを特徴とする。
図8は本発明の機能装置駆動機構の1実施例を示す一部
断面図、図9は本実施例の機能装置駆動機構の別の態様
を示す一部断面図である。なお、図中の参照番号は図1
と同じ機能に係る部分については同じ番号を付与して説
明を簡略化した。
Embodiment 5 A functional device driving mechanism according to the present invention is characterized in that the above-described two-degree-of-freedom sphere driving device according to the present invention is used, and a functional device is charged into a rotor and driven to rotate.
FIG. 8 is a partial sectional view showing one embodiment of the functional device drive mechanism of the present invention, and FIG. 9 is a partial sectional view showing another embodiment of the functional device drive mechanism of the present embodiment. The reference numbers in the figures are those in FIG.
Portions related to the same functions as those described above are given the same numbers, and the description is simplified.

【0038】図8は、レーザ照射方向制御用のアクチュ
エータとして使用される機能装置駆動機構の例を示す図
面である。上記実施例1と同じ2自由度球体駆動装置の
ロータ1の内部にレーザ放射装置61を埋め込んであ
る。2自由度球体駆動装置を操作することによりロータ
1に埋め込まれたレーザ放射装置61のレーザ照射口を
開口内で高速精密にかつ自由に回転させることができる
ので、レーザ照射方向を所望の方向に変化させることが
できる。姿勢制御機構の寸法は、レーザ放射装置の寸法
にのみ左右され、精密な制御が可能な極めて小型の照射
方向可変レーザ照射装置を構成することができる。
FIG. 8 is a drawing showing an example of a functional device drive mechanism used as an actuator for controlling the laser irradiation direction. The laser radiation device 61 is embedded inside the rotor 1 of the two-degree-of-freedom sphere driving device as in the first embodiment. By operating the two-degree-of-freedom sphere driving device, the laser irradiation port of the laser radiation device 61 embedded in the rotor 1 can be rotated at high speed, precisely, and freely within the opening, so that the laser irradiation direction can be changed to a desired direction. Can be changed. The size of the attitude control mechanism depends only on the size of the laser emitting device, and an extremely small irradiation direction variable laser irradiation device capable of precise control can be configured.

【0039】図9は、ロボットアイの視線制御用のアク
チュエータとして使用される機能装置駆動機構の例を示
す図面である。上記実施例1と同じ2自由度球体駆動装
置のロータ1の内部に視覚センサ63を埋め込んであ
る。2自由度球体駆動装置を操作することによりロータ
1に埋め込まれた視覚センサ63の視線方向を開口内で
高速精密にかつ自由に回転させることができるので、ロ
ボットアイの視線を所望の方向に指定することができ
る。なお、機能装置駆動機構を極めて小型に構成するこ
とができるため、同じような構成により視線の動きを調
整して自然に見せる義眼機構を構成することができる。
FIG. 9 is a drawing showing an example of a functional device driving mechanism used as an actuator for controlling the line of sight of a robot eye. A visual sensor 63 is embedded inside the rotor 1 of the two-degree-of-freedom sphere driving device as in the first embodiment. By operating the two-degree-of-freedom sphere driving device, the line of sight of the visual sensor 63 embedded in the rotor 1 can be rotated at high speed, precisely, and freely within the opening, so that the line of sight of the robot eye is specified in a desired direction. can do. In addition, since the functional device driving mechanism can be configured to be extremely small, it is possible to configure a prosthetic eye mechanism that adjusts the movement of the line of sight and makes it look natural by a similar configuration.

【0040】[0040]

【発明の効果】上に詳細に述べた通り、本発明の2自由
度球体駆動装置は球体を任意の方向に向けて高速精密に
回転させることができ、しかも駆動源の相互干渉がない
ため制御が容易である。例えばこれを移動物の駆動機構
として組み込んで使用したり、球体に取り付けた物体の
姿勢制御機構として使用したり、球体に機能装置を組み
込んで機能装置駆動機構として使用したりすると、極め
て小型の装置により移動や姿勢あるいは指向方向を自在
に迅速精密に制御することができる。
As described in detail above, the two-degree-of-freedom sphere driving apparatus of the present invention can rotate a sphere in a desired direction at high speed and with high precision, and furthermore, since there is no mutual interference between the driving sources, the control is achieved. Is easy. For example, if this is used by incorporating it as a drive mechanism of a moving object, used as a posture control mechanism of an object attached to a sphere, or used as a functional device drive mechanism by incorporating a functional device into a sphere, an extremely small device Thus, the movement, posture, or pointing direction can be controlled quickly and precisely.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の2自由度球体駆動装置の第1の実施例
を示す一部断面図である。
FIG. 1 is a partial sectional view showing a first embodiment of a two-degree-of-freedom sphere driving device according to the present invention.

【図2】第1実施例の2自由度球体駆動装置の主要部の
平面図である。
FIG. 2 is a plan view of a main part of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the first embodiment.

【図3】本発明の2自由度球体駆動装置の第2の実施例
を示す一部断面図である。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a second embodiment of a two-degree-of-freedom sphere driving device of the present invention.

【図4】第2実施例の2自由度球体駆動装置の別の態様
を示す一部断面図である。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing another embodiment of the two-degree-of-freedom sphere driving device of the second embodiment.

【図5】本発明の移動物の1実施例を示す一部断面図で
ある。
FIG. 5 is a partial sectional view showing one embodiment of the moving object of the present invention.

【図6】本発明の姿勢制御機構の1実施例を示す一部断
面図である。
FIG. 6 is a partial sectional view showing one embodiment of the attitude control mechanism of the present invention.

【図7】本発明の姿勢制御機構の別の実施例を示す一部
断面図である。
FIG. 7 is a partial sectional view showing another embodiment of the attitude control mechanism of the present invention.

【図8】本発明の機能装置駆動機構の1実施例を示す一
部断面図である。
FIG. 8 is a partial sectional view showing one embodiment of the functional device drive mechanism of the present invention.

【図9】本発明の機能装置駆動機構の別の実施例を示す
一部断面図である。
FIG. 9 is a partial sectional view showing another embodiment of the functional device drive mechanism of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ロータ 3 カバー 5 駆動ユニット 7 台座 11 摩擦盤 13 圧電素子 21 摩擦車 23 摩擦車モータ 25 枠体 27 水平モータ 31 摩擦車 33 摩擦車モータ 35 回転軸 37 水平モータ 40 ウサギ玩具 41 球車輪 42 円盤状従動輪 43 円筒溝 45 開口 47 駆動ユニット 49 蓋体 51 円柱 53 円盤ステージ 54 配管移動ロボット本体を構成するユニット 55 連結棒 57 無限軌道装置 59 配管 61 レーザ放射装置 63 視覚センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotor 3 Cover 5 Drive unit 7 Pedestal 11 Friction disc 13 Piezoelectric element 21 Friction wheel 23 Friction wheel motor 25 Frame 27 Horizontal motor 31 Friction wheel 33 Friction wheel motor 35 Rotating shaft 37 Horizontal motor 40 Rabbit toy 41 Ball wheel 42 Disc shape Driven wheel 43 Cylindrical groove 45 Opening 47 Drive unit 49 Lid body 51 Column 53 Disk stage 54 Unit constituting pipe moving robot body 55 Connecting rod 57 Endless track device 59 Pipe 61 Laser radiation device 63 Visual sensor

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】球体と、該球体の径より小さい開口を有し
球体を収納するハウジングと、該球体の表面に接触する
ように配設され接触部が該球体の接線方向に運動するこ
とにより球体を2次元に駆動する1式の駆動体を備え、
一部が前記開口から露出した前記球体を任意の方向に回
転させる2自由度球体駆動装置。
1. A sphere, a housing having an opening smaller than the diameter of the sphere and accommodating the sphere, and a contact portion disposed so as to be in contact with the surface of the sphere, wherein a contact portion moves in a tangential direction of the sphere. It has a set of driving bodies that drives the sphere two-dimensionally,
A two-degree-of-freedom sphere driving device that rotates the sphere partially exposed from the opening in an arbitrary direction.
【請求項2】前記駆動体が圧電素子を三角トラス状に組
み合わせてその頂点部に摩擦面を有するものであって、
該摩擦面で前記球体に接触して球体を駆動することを特
徴とする請求項1記載の2自由度球体駆動装置。
2. The driving body according to claim 1, wherein the driving element is a combination of piezoelectric elements in a triangular truss shape and has a friction surface at an apex thereof.
2. The two-degree-of-freedom sphere driving device according to claim 1, wherein the sphere is driven by contacting the sphere with the friction surface.
【請求項3】前記ハウジングが少なくとも開口部に弾性
効果を有し、該開口部で前記球体を前記駆動体に押し付
けて摩擦力を増大させることを特徴とする請求項1記載
または2に記載の2自由度球体駆動装置。
3. The housing according to claim 1, wherein the housing has an elastic effect at least in an opening, and the sphere is pressed against the driving body at the opening to increase a frictional force. 2 degrees of freedom sphere drive.
【請求項4】ハウジング開口の中心と、球体の中心と、
駆動体の中心とがほぼ直線上に配設されていることを特
徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の2自由度
球体駆動装置。
4. The center of the housing opening, the center of the sphere,
The two-degree-of-freedom sphere driving device according to any one of claims 1 to 3, wherein a center of the driving body is disposed substantially on a straight line.
【請求項5】請求項1ないし4のいずれかに記載の2自
由度球体駆動装置を駆動輪として備え、該2自由度球体
駆動装置を制御することにより駆動される移動物。
5. A moving object comprising the two-degree-of-freedom sphere driving device according to any one of claims 1 to 4 as driving wheels, and driven by controlling the two-degree-of-freedom sphere driving device.
【請求項6】請求項1ないし4のいずれかに記載の2自
由度球体駆動装置における前記球体に連結具を備え、該
連結具に物体を取り付けて構成された姿勢制御機構であ
って、前記2自由度球体駆動装置を制御することにより
該連結具に取り付けられた物体の姿勢を制御することを
特徴とする姿勢制御機構。
6. The attitude control mechanism according to claim 1, further comprising: a connecting member attached to the sphere in the two-degree-of-freedom sphere driving device according to claim 1; and an object attached to the connecting member. An attitude control mechanism for controlling the attitude of an object attached to the connector by controlling a two-degree-of-freedom sphere driving device.
【請求項7】請求項1ないし4のいずれかに記載の2自
由度球体駆動装置における前記球体に機能装置を組み込
んだ機能装置駆動機構であって、該2自由度球体駆動装
置を制御することにより該機能装置の向きを制御するこ
とを特徴とする機能装置駆動機構。
7. A two-degree-of-freedom sphere driving device according to claim 1, wherein the sphere has a function device incorporated in the sphere, and the two-degree-of-freedom sphere driving device is controlled. A functional device driving mechanism for controlling the orientation of the functional device by means of the control unit.
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