(57)【要約】  本発明は、小型・軽量でありながら大きな瞬発力を得ることできる瞬発力発生装置を提供する。本発明の瞬発力発生装置１００の能動拘束部３は、変形部１と支持部２の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えるように動作する。受動拘束部４は、変形部１と支持部２の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、拘束しない自由度のうち、能動拘束部３によって加えられる力又はトルクが変形部１を介して作用する少なくとも１自由度に異方性の反力特性を有する。制御部５は、能動拘束部３の動作を制御して変形部１に力又はトルクを加え、飛び移り座屈を発生させる。
2009035016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変形可能な変形部と、
前記変形部よりも剛性の高い支持部と、
前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えるように動作する能動拘束部と、
前記能動拘束部とは別の位置で、前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうち、前記能動拘束部によって加えられる力又はトルクが前記変形部を介して作用する少なくとも１自由度に異方性の反力特性を有する受動拘束部と、
前記能動拘束部の動作を制御して前記変形部に力又はトルクを加え、飛び移り座屈を発生させる制御部と、を備える
瞬発力発生装置。
【請求項２】
前記能動拘束部を操作させるためのエネルギ源を備える
請求項１に記載の瞬発力発生装置。
【請求項３】
能動拘束部により、弾性変形可能な変形部と前記変形部よりも剛性の高い支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えることを可能にし、
受動拘束部により、前記能動拘束部とは別の位置で、前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうち、前記能動拘束部によって加えられる力又はトルクが前記変形部を介して作用する少なくとも１自由度に異方性の反力特性を有するようにして、
前記能動拘束部を動作させ、前記変形部に力又はトルクを加えて飛び移り座屈を発生させることにより、前記変形部に蓄えられた弾性エネルギを開放して瞬発力を発生させる
瞬発力発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばね作用を利用して瞬発力を発生させる瞬発力発生装置及び瞬発力発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、瞬発力を発生させる装置としてエアーシリンダを利用した装置が非特許文献１及び特許文献２に開示されている。また、特許文献３及び非特許文献４には、直動ばねを圧縮させて得た弾性エネルギと偏心カムとを利用して瞬発力を発生させる装置が記載されている。【０００３】
また、非特許文献５には、柔軟物を曲げることで得た弾性エネルギを利用して瞬発力を発生させる装置が開示されている。さらに、非特許文献６には、弾性体を曲げることで得た弾性エネルギを、弾性体に飛び移り座屈を発生させることにより開放して瞬発力を発生させる装置が記載されている。【０００４】
非特許文献１：田中崇裕、広瀬茂男 : 脚車輪ジャンプロボットAirhopperの開発 第2報 車輪推進型跳躍動作の実現，ロボティクス・メカトロニクス講演会'06  講演論文集，1A1-D28，2006．
特許文献２：特開２００４−９１６７号公報
特許文献３：特開２００７−１２０６９２号公報
非特許文献４：Scarfogliero et al.: Design and Development of the Long-Jumping “Grillo”Mini Robot, Proc. of the 2007 IEEE ICRA, 467/472, 2007.
非特許文献５：Sugiyama et al.: Circular/Spherical Robots for Crawling and Jumping, Proc. of the 2005 IEEE ICRA, 3606/3611, 2005.
非特許文献６：望山他：閉ループ柔軟カタパルトによるインパルス型遊泳ロボット，ロボティクス・メカトロニクス講演会2007講演論文集，2P1-A09，2007．【０００５】
しかし、非特許文献１及び特許文献２に記載されたエアーシリンダを利用して瞬発力を発生させる装置では、大きな瞬発力を得ることができるが、装置が大型化し、重量が増加するという問題があった。【０００６】
一方、特許文献３及び非特許文献４に記載された瞬発力を発生させる装置では、小型化及び軽量化が可能であるが、大きな瞬発力を得ることが困難であった。また、非特許文献５及び非特許文献６に記載された装置においても、特許文献３及び非特許文献４に記載された装置と同様に、小型化及び軽量化が可能であるが、大きな瞬発力を得ることが困難であった。【０００７】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、小型化・軽量化を図りながら大きな瞬発力を得ることできる瞬発力発生装置及び瞬発力発生方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の瞬発力発生装置は、弾性変形可能な変形部と、変形部よりも剛性の高い支持部と、能動拘束部と、受動拘束部と、制御部とを備える。
能動拘束部は、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えるように動作する。
受動拘束部は、能動拘束部とは別の位置で、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、受動拘束部は、拘束しない自由度のうち、能動拘束部によって加えられる力又はトルクが変形部を介して作用する少なくとも１自由度に異方性の反力特性を有する。
制御部は、能動拘束部の動作を制御し、変形部に力又はトルクを加えて飛び移り座屈を発生させる。
【０００９】
また、本発明の瞬発力発生方法は、能動拘束部により、弾性変形可能な変形部と変形部よりも剛性の高い支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えることを可能にする。
一方、受動拘束部により、能動拘束部とは別の位置で、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、拘束しない自由度のうち、能動拘束部によって加えられる力又はトルクが変形部を介して作用する少なくとも１自由度に異方性の反力特性を有するようにする。
そして、能動拘束部を動作させ、変形部に力又はトルクを加えて飛び移り座屈を発生させることにより、前記変形部に蓄えられた弾性エネルギを開放して瞬発力を発生させる。
【００１０】
本発明の瞬発力発生装置及び瞬発力発生方法によれば、小型化・軽量化を図りながら大きな瞬発力を得ることできる。
【００１１】
ここで、自由度について説明する。
２つの物体の幾何的相対関係は、位置および姿勢で特定することができる。３次元空間内において、２つの物体の幾何的な相対関係は、位置と姿勢それぞれ独立する３つのパラメータによって表すことができ、このパラメータの数を自由度という。すなわち、３次元空間内の２つの物体の幾何的な相対関係は、６自由度で表される。
【００１２】
例えば、ドアなどに使用される蝶番は、２つの物体（ドアと壁）の幾何的な相対関係を拘束する拘束手段の１つである。この蝶番を用いた場合、２つの物体の相対的な位置（３自由度）は、蝶番の回転軸によって全て固定される。そして、２つの物体の相対的な姿勢（３自由度）は、回転軸周り以外の２自由度が固定される。したがって、蝶番は、１自由度回転関節であり、２つの物体の間の５自由度を拘束する拘束手段である。
【００１３】
また、机の引出しのガイドのような１自由度の直動関節は、２つの物体（机と引き出し）の幾何的な相対関係を規定する位置と姿勢の６自由度のうち、ガイドに沿った位置に関する１自由度以外の５自由度を拘束する拘束手段である。なお、回転関節と直動関節を組み合わせることにより、２つの物体の間の幾何的な相対関係に対して４個以下の自由度を拘束する拘束手段を作ることも可能である。
【００１４】
本発明の瞬発力発生装置は、弾性変形が可能な変形部に蓄えた弾性エネルギを、飛び移り座屈を利用して瞬時に開放して瞬発力を発生させる装置である。この瞬発力発生装置において、飛び移り座屈を利用する点は、非特許文献６に記載された装置と同様であるが、受動拘束部に異方性の反力特性を施す点が非特許文献６に記載された装置と異なる。
【００１５】
受動拘束部の反力特性を異方性にしても、飛び移り座屈を生じさせるために必要な駆動力・トルクは、従来のように反力特性をフリー（ゼロ）にした場合とほとんど変わらない。ところが、受動拘束部の反力特性を異方性にすると、弾性変形したときの変形部の形状が複雑になるため、飛び移り座屈が生じるまでに、従来よりも高い弾性エネルギを蓄えることができる。
【００１６】
しかも、反力特性を適切に設定することにより、飛び移り座屈によって生じる変形部の高速運動を妨げないようにすることができ、蓄えた弾性エネルギを効率よく開放させて瞬発力を発生させることができる。この結果、装置の大型化・重量増加を行うことなく、従来よりも大きな瞬発力を得ることができる。
【００１７】
例えば、受動拘束部を能動拘束部に置き換えることにより、変形部の形状を複雑にして、従来よりも高い弾性エネルギを蓄えることが考えられる。しかしながら、受動拘束部を能動拘束部に置き換えると、装置の大型化・重量増加を招いてしまう。
【００１８】
受動拘束部の反力特性を異方性にするには、例えば、回転に制限のある蝶番を受動拘束部として適用すればよく、極めて容易に実現可能である。回転に制限のある蝶番の重量は、受動拘束手段の反力特性が等方性のもの（例えば、回転に制限の無い蝶番）の重量とほとんど変わらないため、装置の大型化を招くことはない。
【００１９】
変形部は、弾性変形が可能であり、破壊や塑性変形をすることなく飛び移り座屈を発生させることができる適当な強度を有する部材であればよい。例えば、焼入れ帯鋼は、変形部に適している。なお、変形部は、必ずしも１つの部材から形成する必要はない。この変形部としては、飛び移り座屈が生じるように形成されていればよく、複数の焼入れ帯鋼を蝶番や回転関節で接続したものを適用することもできる。
【００２０】
支持部は、変形部よりも高い剛性を有する部材であればよく、軽量であるものが望ましい。支持部の材料としては、例えば、木材、樹脂の他、アルミなどの金属などを挙げることができる。
【００２１】
能動拘束部は、所望の拘束を実現し、かつ、軽量でありながら大きな力又はトルクを発生できることが好ましい。なお、能動拘束部は、拘束しない自由度の全てに力又はトルクを能動的に加えることが要求されるわけではない。能動拘束部は、拘束しない自由度のうち少なくとも１つに力またはトルクを能動的に加えることができればよく、それ以外の自由度は、フリーであってもよく、受動的な反力特性を備えた可動部で構成してもよい。例えば、能動拘束部としてラジオコントロール用の小型軽量サーボモータなどを用いれば、装置の小型化・軽量化を図ることができる。
【００２２】
能動拘束部の動作を制御する制御部としては、小型のマイクロコンピュータを適用することができる。また、小型・軽量のバッテリによって能動拘束部や制御部に電源を供給すれば、装置全体を１つの組立体として取り扱うことができる。なお、制御部およびバッテリ（エネルギ源）を、人間が担ってもよい。つまり、使用者が能動拘束部に力・トルクを適切に加えることにより、瞬発力を発生させてもよい。
【００２３】
本発明の瞬発力発生装置は、エアーシリンダを利用した従来の瞬発力発生装置や、直動する圧縮ばねの弾性エネルギと偏心カムを利用した従来の瞬発力発生装置よりも簡単な構造にすることができる。また、柔軟物を曲げることで得られる弾性エネルギを利用した従来の瞬発力発生装置では、蓄えた弾性エネルギを一気に放出するために特別なトリガ機構を用いる。しかしながら、本発明の瞬発力発生装置では、このような特別なトリガ機構を用いずに、飛び移り座屈を利用するため、構造を極めてシンプルにすることができる。
【００２４】
なお、本発明の瞬発力発生装置では、変形部に飛び移り座屈を発生させる前に、変形部の瞬発力を伝える部分と対象物体とを接触させることで、対象物体に無駄なく瞬発力を伝えることが可能である。したがって、対象物体が軽量物であれば、本装置は、対象物体に高加速度を加えて投擲するカタパルトとして機能する。
【００２５】
また、対象物体が重量の重いものや移動しないように固定されたものであって、かつ本装置を十分に軽量化できた場合は、本装置自体を投擲することができる。つまり、対象物体を固定側とし、本装置を可動側とした場合は、発生させた瞬発力によって本装置を移動させることができる。その場合、本装置は、跳躍機構を構成することになる。本装置は、構造が非常にシンプルであるため、小型で高い跳躍能力を有する跳躍機構に適している。
【００２６】
従来の瞬発力を発生させる装置の中には、数ヘルツ程度の周波数でモータを駆動させて瞬発力を発生させることが可能であっても、瞬発力を繰り返し発生させる場合に比較的長い間隔を必要とするものがあった。例えば、非特許文献５に記載された装置は、瞬発力を発生させるまでに３０秒程度の時間を要する。一方、非特許文献６に記載された装置では、数ヘルツ程度の周波数でモータを駆動させ、非特許文献５に記載された装置よりも短い間隔で瞬発力を繰り返し発生できるが、大きな瞬発力を得ることは困難であった。
【００２７】
これに対し、本発明の瞬発力発生装置では、受動拘束部が異方性の反力特性を有することにより、数ヘルツ程度の周波数でモータを駆動させ、非特許文献５に記載された装置よりも短い間隔で瞬発力を繰り返し発生させことができる。しかも、非特許文献６に記載されたような従来の装置よりも大きな瞬発力を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態の斜視図である。
【図２】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における初期状態を示す側面模式図である。
【図３】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における瞬発力を発生させる直前の状態を示す側面模式図である。
【図４】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における瞬発力を発生させた直後の状態を示す側面模式図である。
【図５】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態と従来の装置との能動拘束手段角度‐駆動トルク曲線を比較したグラフである。
【図６】本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態と従来の装置との能動拘束手段角度‐弾性エネルギ曲線を比較したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の瞬発力発生装置を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の瞬発力発生装置の一実施例の斜視図である。また、図２、図３、図４は、本発明の瞬発力発生装置の一実施例の状態遷移を表すものであり、図２が初期状態、図３が瞬発力を発生させる直前の状態、図４が瞬発力を発生させた直後の状態を示す側面模式図である。【００３０】
瞬発力発生装置１００は、変形部１と、支持部２と、能動拘束部の一具体例を示す小型モータ３と、受動拘束部の一具体例を示す蝶番４と、制御部の一具体例を示すマイクロコンピュータ５と、エネルギ源の一具体例を示すバッテリ６を備えている。【００３１】
変形部１は、焼入れ帯鋼によって長方形の板状に形成されており、弾性変形が可能になっている。支持部２は、木材によって細長の直方体状に形成されており、変形部１よりも剛性が高くなっている。【００３２】
蝶番４は、支持部２の長手方向の一端部に固定される固定片４Ａと、変形部１の一端が固定される可動片４Ｂと、可動片４Ｂを固定片４Ａに回転可能に連結する回転軸９を有している。可動片４Ｂは、図１において時計回りの方向への回転が制限されており、固定片４Ａと略平行な状態から上方には回転しないようになっている。つまり、可動片４Ｂは、図２に示す点線１２よりも上方への回転が制限されている。一方、可動片４Ｂの反時計回りの方向への回転は、制限さていない。【００３３】
すなわち、受動拘束部である蝶番４は、図２に示す点線１２を基準として、時計回りには極めて抵抗力が大きく、反時計回りには極めて抵抗力が小さいという異方性の反力特性を有している。この説明からも解るように、異方性の反力特性とは、拘束しない１自由度において、一方の方向には抵抗力が大きく、他方の方向には抵抗力が小さい特性のことである。【００３４】
小型モータ３は、支持部２の長手方向の他端部に回転可能に取り付けられ、支持部２の一端部に固定された蝶番４と対向している。そして、小型モータ３の回転軸８は、蝶番４の回転軸９と同じ方向に延びている。この小型モータ３には、変形部１の他端が固定されている。また、小型モータ３は、マイクロコンピュータ５と電気的に接続されており、マイクロコンピュータ５からの動作指令にしたがって動作する。小型モータ３及びマイクロコンピュータ５には、バッテリ６から電源が供給される。【００３５】
小型モータ３（能動拘束部）と蝶番４（受動拘束部）は、それぞれ１自由度の回転関節である。つまり、両者は、変形部１と支持部２の幾何的な相対関係を規定する位置と姿勢の６自由度のうち、５自由度を拘束する拘束手段である。小型モータ３は、変形部１と支持部２との相対関係で拘束されない回転軸８周りの１自由度に、能動的にトルクを加える。また、蝶番４は、変形部１と支持部２との相対関係で拘束されない回転軸９周りの１自由度に異方性の反力特性を与える。【００３６】
小型モータ３が、矢印７の方向（時計回りの方向）に回転してトルクを発生させると、変形部１が上向きのアーチ形状（図２を参照）から略Ｗ字状に弾性変形する（図３を参照）。例えば、蝶番４の時計回りの方向への回転が制限されていなければ、変形部１は、略Ｓ字状に弾性変形する。この略Ｓ字状に比べて略Ｗ字状は、節の数が多く、複雑な形である。そのため、蝶番４の時計回りの方向への回転が制限された場合の方が、時計回りの方向への回転が制限されていない場合よりも変形部１に蓄えられる弾性エネルギが高い。【００３７】
図３に示す状態からさらに小型モータ３が回転してトルクを加えると、変形部１に飛び移り座屈が生じ、変形部１は、略Ｗ字状から下向きのアーチ形状（図４を参照）へと瞬間的に変形する。このとき、変形部１に非常に大きな加速度が発生し、対象物体１０の点１１に瞬発力が伝達される。【００３８】
例えば、蝶番４の反時計回りの方向への回転に対する抵抗力が高ければ、略Ｗ字状から下向きのアーチ形状へと瞬間的に変形する変形部１の動作を妨げるため、大きな瞬発力は得られない。すなわち、蝶番４における異方性の反力特性は、大きな弾性エネルギを変形部１に蓄え、かつ、そのエネルギの放出時に変形部１の高速運動を妨げないことに貢献し、大きな瞬発力を得るための重要な役割を果たしている。【００３９】
図４に示す飛び移り座屈が生じた後の状態から、小型モータ３を矢印７と逆方向である反時計回りの方向に回転させて変形部１にトルクを加えると、変形部１の形状を上向きアーチ形状（初期状態）に簡単に戻すことができる。すなわち、小型モータ３を往復運動させるだけで、瞬発力の発生を容易に繰り返すことができる。しかも、その場合に小型モータ３に出力する周波数は、数ヘルツ程度でよい。【００４０】
例えば、約１ヘルツの周波数で小型モータ３を駆動させると、その往復運動に要する時間は１秒程度となる。したがって、本実施例の瞬発力発生装置１００では、非特許文献５に記載された装置よりも短い間隔で瞬発力を発生させることができる。【００４１】
図５及び図６は、受動拘束部の反力特性がフリーである場合（従来）の飛び移り座屈に関する数値計算の結果と、受動拘束部の反力特性が異方性である場合（本発明）の飛び移り座屈に関する数値計算の結果を比較したグラフである。【００４２】
ここで、数値計算の内容について説明する。この数値計算は、連続体である変形部１を、３０自由度の平面型閉ループ直鎖機構で近似モデル化して行った。この平面型開ループ直鎖機構（以下、「直鎖」という）は、短い剛体を１自由度の回転関節で直列に繋いだ機構である。直鎖の全ての回転関節には、等しい剛性を付与し、変形部１の弾性を表現した。【００４３】
直鎖の一端は動かないベースに固定され、他端はフリーとなっている。直鎖の形状は、全ての関節の初期角度と、適当な拘束力が与えられたときの静的な関節力と拘束力・トルクとの釣り合いの関係式から求めることができる。本発明の構成（従来の構成）と力学的に整合性のある数値計算を行うためには、他端の位置が常に受動拘束部の位置となるように、適切な拘束力を加えなければならない。しかし、直鎖の他端（フリー端点位置）が、受動拘束部の位置に一致するとは限らない。【００４４】
そこで、シューティング法を用いて適切な拘束力を求める。すなわち、直鎖のフリー端点位置と受動拘束部の位置とのずれに比例した拘束力の修正と、静的な関節力と拘束力・トルクとの釣り合いの関係式に基づく直鎖形状の計算を繰り返すことにより、所望の拘束力を求める。【００４５】
また、能動拘束部による駆動を表現するために、直鎖の一端が固定されているベースの姿勢の角度（以下、「ベース姿勢角度」という）を、１度ずつ変化させる。そして、姿勢角度を変化させるたびに上記の適切な拘束力の計算を行い、静力学的な状況を再現した。これにより、飛び移り座屈の数値計算を十分な精度で行うことができる。また、直鎖、つまり変形部の剛性による反力と、フリー端点における拘束力・トルクとの静的な釣り合いの関係式に、受動拘束部の剛性による反力トルクの影響を加味することにより、受動拘束部が異方剛性を有する場合の数値計算も同様に行うことができる。【００４６】
なお、本数値計算は、動力学の影響を無視した準静力学的数値計算である。本発明の瞬発力発生装置は、極めて低い速度でモータを駆動しても、速い速度でモータを駆動した場合と同様に、大きな瞬発力を得ることができるため、動力学の省略は妥当であるといえる。【００４７】
図５において、横軸は能動拘束部のベース姿勢角度であり、縦軸は能動拘束部の駆動トルクである。そして、実線２１は、受動拘束部の反力特性が異方性の場合の角度‐駆動トルク曲線であり、点線２２は、反力特性がフリーの場合の角度‐駆動トルク曲線である。【００４８】
図５に示す角度‐駆動トルク曲線から、受動拘束部の反力特性がフリーである場合（従来）と、受動拘束部の反力特性が異方性である場合（本発明）の駆動トルクは、略等しいことがわかる。【００４９】
また、図６において、横軸は能動拘束部のベース姿勢角度であり、縦軸は変形部に蓄えられる弾性エネルギである。そして、実線３１は、受動拘束部の反力特性が異方性の場合の角度‐弾性エネルギ曲線であり、点線３２は、反力特性がフリーの場合の角度‐弾性エネルギ曲線である。【００５０】
図６に示す角度‐弾性エネルギ曲線から分かるように、反力特性が異方性の場合の方が、反力特性がフリーの場合よりも、飛び移り座屈が発生する直前に変形部に蓄えられる弾性エネルギが高い（約１．５倍）。すなわち、図５及び図６に示す曲線は、受動拘束部の反力特性を異方性にすると、反力特性がフリーの場合と比べて、瞬発力の発生に必要な駆動トルクをほとんど変化させずに、瞬発力のエネルギを約１．５倍も高くできることを示している。【００５１】
本発明の瞬発力発生装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その他材料、構成等において本発明の構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。【００５２】
例えば、支持部２と小型モータ３の間に直動モータを取り付け、小型モータ３を支持部２の長手方向に移動させる構成にしてもよい。このような構成によれば、小型モータ３及び直動モータの適切な駆動制御によって、変形部１に飛び移り座屈を生じさせることが可能である。【００５３】
この場合、小型モータ３と直動モータからなる能動拘束部は、変形部１と支持部２との幾何的な相対関係を規定する位置と姿勢の６自由度のうち、４自由度を拘束し、さらに、拘束されない姿勢と位置の２自由度に対して、それぞれトルクと力を加えることができる。つまり、小型モータ３と直動モータからなる能動拘束部は、回転関節と直動関節を組み合わせた拘束手段である。【００５４】
なお、小型モータ３の回転軸８と蝶番４の回転軸９との離間距離が長くなると、変形部１に蓄えられる弾性エネルギが小さくなり、回転軸８と回転軸９との離間距離が短くなると、変形部１に蓄えられる弾性エネルギが大きくなる。したがって、小型モータ３の回転軸８と蝶番４の回転軸９との離間距離を調節することにより、変形部１の飛び移り座屈によって生じる瞬発力の大きさを変化させることができる。【００５５】
また、直動モータを伸縮するコイルばねに置き換えてもよい。この場合、能動拘束部は、変形部１と支持部２との幾何的な相対関係を規定する位置と姿勢の６自由度のうち、４自由度を拘束し、拘束されない２自由度のうち、回転の１自由度に対して小型モータ３で能動的にトルクを加えることができる。【００５６】
一方、コイルばねが伸縮する方向（拘束されない自由度）は、小型モータ３で能動的にトルクを加えたときに変形部に飛び移り座屈が生じれば、適宜設定することができる。このコイルばねが伸縮する方向としては、例えば、支持部２の長手方向（小型モータ３の回転軸８と蝶番４の回転軸９との離間距離を変化させる方向）を挙げることができる。【００５７】
また、コイルばねによって生じる拘束されない自由度には、力やトルクが能動的に加えられることはない。つまり、本発明に係る能動拘束部は、拘束されない自由度のすべてに、必ずしも力やトルクを能動的に加える必要はない。このように、飛び移り座屈を発生させるという条件の中で、拘束部を適宜選択することで、様々な機構を実現することができる。【００５８】
本発明の瞬発力発生装置は、プレス装置や付着物除去装置に利用可能である。また、対象物体に高加速度を加えて投擲するカタパルトとして利用可能である。さらに、跳躍ロボットに利用可能である。
【引用符号の説明】
【００５９】
１・・変形部
２・・支持部
３・・小型モータ（能動拘束部）
４・・蝶番（受動拘束部）
４Ａ・・固定片
４Ｂ・・可動片
５・・マイクロコンピュータ（制御部）
６・・バッテリ（エネルギ源）
７・・矢印
８・・回転軸
９・・回転軸
１０・・対象物体
１１・・点（瞬発力が加えられる点）
１２・・点線
２１・・受動拘束部の反力特性が異方性の場合の能動拘束部角度‐駆動トルク曲線
２２・・受動拘束部の反力特性がフリーである場合の能動拘束部角度‐駆動トルク曲線
３１・・受動拘束部の反力特性が異方性の場合の能動拘束部角度‐弾性エネルギ曲線
３２・・受動拘束手段の反力特性がフリーである場合の能動拘束部角度‐弾性エネルギ曲線
１００・・瞬発力発生装置
【図１】
2009035016.tif 000003
【図２】
2009035016.tif 000004
【図３】
2009035016.tif 000005
【図４】
2009035016.tif 000006
【図５】
2009035016.tif 000007
【図６】
2009035016.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月3日(2009.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性変形可能な変形部と、
前記変形部よりも剛性の高い支持部と、
前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えるように動作する能動拘束部と、
前記能動拘束部とは別の位置で、前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうち、前記能動拘束部によって加えられる力又はトルクが前記変形部を介して作用する少なくとも１自由度において、一方の方向には抵抗力が大きく、他方の方向には抵抗力が小さい反力特性を有する受動拘束部と、
前記能動拘束部の動作を制御して前記変形部に力又はトルクを加え、飛び移り座屈を発生させる制御部と、を備え、
前記受動拘束部は、前記飛び移り座屈が生じるまでの前記変形部の動作を規制して前記変形部の変形を複雑にし、飛び移り座屈が生じたときの前記変形部の動作を妨げない瞬発力発生装置。
【請求項２】
前記能動拘束部を操作させるためのエネルギ源を備える
請求項１に記載の瞬発力発生装置。
【請求項３】
弾性変形可能な変形部と前記変形部よりも剛性の高い支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えることを可能にした能動拘束部を動作させる工程と、
前記能動拘束部とは別の位置で、前記変形部と前記支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうち、前記能動拘束部によって加えられる力又はトルクが前記変形部を介して作用する少なくとも１自由度において、一方の方向には抵抗力が大きく、他方の方向には抵抗力が小さい反力特性を有する受動拘束部によって、前記変形部に飛び移り座屈が生じるまでの前記変形部の動作を規制して前記変形部を変形させる工程と、
前記変形部に飛び移り座屈を発生させ、飛び移り座屈が生じたときの前記変形部の動作を受動拘束部で妨げないようにして、前記変形部に蓄えられた弾性エネルギを開放し、瞬発力を発生させる工程と、を備える
瞬発力発生方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
量が増加するという問題があった。
［０００６］
一方、特許文献３及び非特許文献４に記載された瞬発力を発生させる装置では、小型化及び軽量化が可能であるが、大きな瞬発力を得ることが困難であった。また、非特許文献５及び非特許文献６に記載された装置においても、特許文献３及び非特許文献４に記載された装置と同様に、小型化及び軽量化が可能であるが、大きな瞬発力を得ることが困難であった。
［０００７］
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、小型化・軽量化を図りながら大きな瞬発力を得ることができる瞬発力発生装置及び瞬発力発生方法を提供することを目的とする。
［発明の開示］
［０００８］
本発明の瞬発力発生装置は、弾性変形可能な変形部と、変形部よりも剛性の高い支持部と、能動拘束部と、受動拘束部と、制御部とを備える。
能動拘束部は、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束し、かつ、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えるように動作する。
受動拘束部は、能動拘束部とは別の位置で、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、受動拘束部は、拘束しない自由度のうち、能動拘束部によって加えられる力又はトルクが変形部を介して作用する少なくとも１自由度において、一方の方向には抵抗力が大きく、他方の方向には抵抗力が小さい反力特性を有する。これにより、受動拘束部は、飛び移り座屈が生じるまでの変形部の動作を規制して変形部の変形を複雑にし、飛び移り座屈が生じたときの変形部の動作を妨げない。
制御部は、能動拘束部の動作を制御し、変形部に力又はトルクを加えて飛び移り座屈を発生させる。
［０００９］
また、本発明の瞬発力発生方法は、能動拘束部により、弾性変形可能な変形部と変形部よりも剛性の高い支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、拘束しない自由度のうちの少なくとも１自由度に力又はトルクを加えることを可能にする。
一方、受動拘束部により、能動拘束部とは別の位置で、変形部と支持部の相対関係を規定する位置及び姿勢の６自由度のうちの少なくとも１自由度を拘束する。さらに、拘束しない自由度のうち、能動拘束部によって加えられる力又はトルクが変形部
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
を介して作用する少なくとも１自由度において、一方の方向には抵抗力が大きく、他方の方向には抵抗力が小さい反力特性を有するようにする。
そして、能動拘束部を動作させ、変形部に飛び移り座屈が生じるまでの前記変形部の動作を受動拘束部によって規制して前記変形部を変形させる。その後、変形部に飛び移り座屈を発生させ、飛び移り座屈が生じたときの変形部の動作を受動拘束部で妨げないようにして、変形部に蓄えられた弾性エネルギを開放し、瞬発力を発生させる。
［００１０］
本発明の瞬発力発生装置及び瞬発力発生方法によれば、小型化・軽量化を図りながら大きな瞬発力を得ることができる。
［００１１］
ここで、自由度について説明する。
２つの物体の幾何的相対関係は、位置および姿勢で特定することができる。３次元空間内において、２つの物体の幾何的な相対関係は、位置と姿勢それぞれ独立する３つのパラメータによって表すことができ、このパラメータの数を自由度という。すなわち、３次元空間内の２つの物体の幾何的な相対関係は、６自由度で表される。
［００１２］
例えば、ドアなどに使用される蝶番は、２つの物体（ドアと壁）の幾何的な相対関係を拘束する拘束手段の１つである。この蝶番を用いた場合、２つの物体の相対的な位置（３自由度）は、蝶番の回転軸によって全て固定される。そして、２つの物体の相対的な姿勢（３自由度）は、回転軸周り以外の２自由度が固定される。したがって、蝶番は、１自由度回転関節であり、２つの物体の間の５自由度を拘束する拘束手段である。
［００１３］
また、机の引出しのガイドのような１自由度の直動関節は、２つの物体（机と引き出し）の幾何的な相対関係を規定する位置と姿勢の６自由度のうち、ガイドに沿った位置に関する１自由度以外の５自由度を拘束する拘束手段である。なお、回転関節と直動関節を組み合わせることにより、２つの物体の間の幾何的な相対関係に対して４個以下の自由度を拘束する拘束手段を作ることも可能である。
［００１４］
本発明の瞬発力発生装置は、弾性変形が可能な変形部に蓄えた弾性エネルギを、飛び移り座屈を利用して瞬時に開放して瞬発力を発生させる装置である。この瞬発力発生装置において、飛び移り座屈を利用する点は、非特許文献６に記載された装置と同様であるが、受動拘束部に異方性の反力特性を施す点が非特許文献６に記載された装置と異なる。
［００１５］
受動拘束部の反力特性を異方性にしても、飛び移り座屈を生じさせるために必要
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
に記載された装置では、数ヘルツ程度の周波数でモータを駆動させ、非特許文献５に記載された装置よりも短い間隔で瞬発力を繰り返し発生できるが、大きな瞬発力を得ることは困難であった。
［００２７］
これに対し、本発明の瞬発力発生装置では、受動拘束部が異方性の反力特性を有することにより、数ヘルツ程度の周波数でモータを駆動させ、非特許文献５に記載された装置よりも短い間隔で瞬発力を繰り返し発生させることができる。しかも、非特許文献６に記載されたような従来の装置よりも大きな瞬発力を発生することができる。
［図面の簡単な説明］
［００２８］
［図１］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態の斜視図である。
［図２］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における初期状態を示す側面模式図である。
［図３］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における瞬発力を発生させる直前の状態を示す側面模式図である。
［図４］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態における瞬発力を発生させた直後の状態を示す側面模式図である。
［図５］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態と従来の装置との能動拘束手段角度‐駆動トルク曲線を比較したグラフである。
［図６］本発明の瞬発力発生装置の第１の実施の形態と従来の装置との能動拘束手段角度‐弾性エネルギ曲線を比較したグラフである。
［発明を実施するための最良の形態］
［００２９］
以下、本発明の瞬発力発生装置を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の瞬発力発生装置の一実施例の斜視図である。また、図２、図３、図４は、本発明の瞬発力発生装置の一実施例の状態遷移を表すものであり、図２が初期状態、図３が瞬発力を発生させる直前の状態、図４が瞬発力を発生させた直後の状態を示す側面模式図である。
［００３０］
瞬発力発生装置１００は、変形部１と、支持部２と、能動拘束部の一具体例を示す小型モータ３と、受動拘束部の一具体例を示す蝶番４と、制御部の一具体例を示すマ
【国際調査報告】
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