JP2993427B2 - ２自由度球体駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球体と、該球体の径より小さい開口を有
   し少なくとも開口部に弾性効果を有して前記球体を収納
   するハウジングと、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１式の駆動体であっ
   て、該摩擦面が前記ハウジングに収納された前記球体の
   表面に前記開口に対向する方向から接触するように配設
   され該球体の接線方向に運動することにより球体を２次
   元に駆動する駆動体を備え、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て一部が前記開口
   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。
2. 【請求項２】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記載の２自由度球体駆動装置。
3. 【請求項３】請求項１または２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。
4. 【請求項４】請求項１または２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。
5. 【請求項５】請求項１または２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。