(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
肘関節機構を介して伸展可能に接続された内側腕部材及び外側腕部材と、前記内側腕部材の端部に設けられた肩関節機構と、前記外側腕部材の端部に設けられた手首関節機構とを有するアームユニットを５個、前記各肩関節機構を中心に放射状に連結し、展開状態において５角錐の骨組を構成するように形成された構造ユニットを備えていることを特徴とする展開型連結構造体。
【請求項２】
前記内側腕部材と前記外側腕部材の肘関節角を１８０度に設定可能な伸展機構と、前記構造ユニットの連結角を所定の角度に設定可能な回転機構と、前記肩関節機構と前記手首関節機構間に張架されたワイヤと、前記肩関節機構と手首関節機構間のワイヤ長を調節可能なワイヤ調節機構とを備えている請求項１に記載の展開型連結構造体。
【請求項３】
隣接する前記内側腕部材間に内側膜状部材が設けられると共に隣接する前記外側腕部材間に外側膜状部材が設けられ、前記内側及び外側膜状部材は、それぞれ前記構造ユニットの展開に伴って展開され、前記内側及び外側腕部材間に張設されるように構成されている請求項１又は２に記載の展開型連結構造体。
【請求項４】
肘関節機構を介して伸展可能に接続された左側腕部材及び右側腕部材と、前記左側腕部材の端部に設けられた左側連結機構と、前記右側腕部材の端部に設けられた右側連結機構とを有する連結アームユニットをさらに備え、該連結アームユニットは前記左側及び右側連結機構を介して前記アームユニットの前記手首関節機構間に設けられている請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の展開型連結構造体。
【請求項５】
前記連結アームユニットには、肘関節機構に前記内側腕部材と前記外側腕部材の肘関節角を１８０度に設定可能な伸展機構と、前記左側連結機構及び右側連結機構に前記連結角を所定角度に設定可能な回転機構と、前記左側連結機構と前記右側連結機構間に張架されたワイヤと、前記左側連結機構と右側連結機構間のワイヤ長を調節可能なワイヤ調節機構とを備えている請求項４に記載の展開型連結構造体。
【請求項６】
前記構造ユニットの後退角が約１０度となるように構成されている請求項５に記載の展開型連結構造体。
【請求項７】
前記構造ユニットを１２個連結し、展開することにより殻状１２面体が形成されるように構成されている請求項６に記載の展開型連結構造体。
【請求項８】
中心に配置した構造ユニットに対して、さらに構造ユニットを５方向に放射状に連結し、収納時には、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を０度、前記各構造ユニット間の連結角を１８０度に設定し、展開時には、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を１８０度、前記連結角を１１６．５６５度に設定するように構成されている請求項７に記載の展開型連結構造体。
【請求項９】
請求項８に記載した展開型連結構造体の展開方法であって、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を０度に維持した状態で、前記各構造ユニット間の連結角を１８０度から１１６．５６５度に変更し、前記手首関節機構と前記左側又は右側連結機構との未連結部分をすべて連結するステップと、
前記連結角を１１６．５６５度に維持した状態で、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を０度から１８０度に変更するステップと、を備えていることを特徴とする展開型連結構造体の展開方法。
【請求項１０】
中心寄りの構造ユニットから順次、前記各構造ユニット間の連結角と、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を変更し、殻状１２面体を形成させる請求項９に記載の展開型連結構造体の展開方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、宇宙空間において展開させることにより大型宇宙構造物を建設するための展開型連結構造体及びその展開方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、宇宙空間において、宇宙ステーション、電気推進宇宙機の太陽電池構体等の大型構造物を建設しようとする場合、宇宙飛行士の船外活動を前提としたり、或いは、知的ロボットの開発に依存する傾向が強かった。しかし、有人の場合には長期間に及ぶ訓練が必要となると共に人命に対するリスクが伴い、また、知的ロボットの場合には、開発費用が嵩む等種々の問題があった。そのため、近年では、折畳んだ状態で宇宙空間に輸送し、そこでモータ等の駆動力により展開することのできる展開型連結構造体を用いて宇宙大型構造体を建設する方式が開発されてきている。
【０００３】
このような方式の展開型連結構造体としては、例えば、特開２００１−１３２８９３号公報に開示されているものがあり、これは、正６角形の構造ユニットを２０個連結して球殻構造体を形成し、展開型連結構造体とするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した特開２００１−１３２８９３号公報に記載された展開型連結構造体では、構造ユニットを連結して球殻構造体を形成させると、１２箇所に５角形の空隙が形成されてしまい、構造強度の向上が図り難いといった問題があった。
【０００５】
本発明は、斯かる課題を解決すべくなされたものであり、展開状態で外周面に空隙を形成させることなく、構造強度を向上させることができ、展開収納動作を円滑に行うことができる展開型連結構造体を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、肘関節機構を介して伸展可能に接続された内側腕部材及び外側腕部材と、前記内側腕部材の端部に設けられた肩関節機構と、前記外側腕部材の端部に形成された手首関節機構とを有するアームユニットを５個、前記各肩関節機構を中心に放射状に連結し、展開状態において５角錐の骨組を構成するように設けられた構造ユニットを備えていることを特徴とする。
【０００７】
好ましくは、前記内側腕部材と前記外側腕部材の肘関節角を１８０度に設定可能な伸展機構と、前記構造ユニットの連結角を所定の角度に設定可能な回転機構と、前記肩関節機構と前記手首関節機構間に張架されたワイヤと、前記肩関節機構と手首関節機構間のワイヤ長を調節可能なワイヤ調節機構とを備えている。
【０００８】
また、隣接する前記内側腕部材間に内側膜状部材が設けられると共に隣接する前記外側腕部材間に外側膜状部材が設けられ、前記内側及び外側膜状部材は、それぞれ前記構造ユニットの展開に伴って展開され、前記内側及び外側腕部材間に張設されるように構成されている。
【０００９】
さらに、肘関節機構を介して伸展可能に接続された左側腕部材及び右側腕部材と、前記左側腕部材の端部に設けられた左側連結機構と、前記右側腕部材の端部に設けられた右側連結機構とを有する連結アームユニットをさらに備え、該連結アームユニットは前記左側及び右側連結機構を介して前記アームユニットの前記手首関節機構間に設けられている。
【００１０】
さらにまた、前記連結アームユニットには、肘関節機構に前記内側腕部材と前記外側腕部材の肘関節角を１８０度に設定可能な伸展機構と、前記左側連結機構及び右側連結機構に前記連結角を所定角度に設定可能な回転機構と、前記左側連結機構と前記右側連結機構間に張架されたワイヤと、前記左側連結機構と右側連結機構間のワイヤ長を調節可能なワイヤ調節機構とを備えている。
【００１１】
さらに、前記構造ユニットの後退角が約１０度となるように構成されている。
【００１２】
また、前記構造ユニットを１２個連結し、展開することにより殻状１２面体が形成されるように構成されている。
【００１３】
さらに、中心に配置した構造ユニットに対して、さらに構造ユニットを５方向に放射状に連結し、収納時には、前記各構造ユニット間の連結角を１８０度に設定し、展開時には、前記連結角を１１６．５６５度に設定するように構成されている。
【００１４】
また、本発明は、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を０度に維持した状態で、前記各構造ユニット間の連結角を１８０度から１１６．５６５度に変更し、前記手首関節機構と前記左側又は右側連結機構との未連結部分をすべて連結するステップと、前記連結角を１１６．５６５度に維持した状態で、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を０度から１８０度に変更するステップとを備えていることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、中心寄りの構造ユニットから順次、前記各構造ユニット間の連結角と、前記アームユニット及び前記連結アームユニットの各肘関節角を変更し、殻状１２面体を形成させる。
【００１６】
このような構成により、展開状態で外周面に空隙を形成させることなく、展開収納動作を円滑に行うことができ、構造体の強度を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の実施の形態における構造ユニット１を示しており、該構造ユニット１は，５個のアームユニット２を放射状に連結することにより展開可能に構成され、展開状態では５角錐形状の骨格を形成するようになっている。
【００１９】
図２は、前記アームユニット２を示しており、該アームユニット２は、棒状の内側腕部材３及び外側腕部材４と、該内側腕部材３及び外側腕部材４を伸展可能に接続する肘関節機構５と、前記内側腕部材３の端部に設けられた肩関節機構６と、前記外側腕部材４の端部に設けられた手首関節機構７とから構成されている。前記肘関節機構５には、前記内側腕部材３と前記外側腕部材４との成す内角（以下、肘関節角と呼ぶ）が１８０度となるまで伸展可能なトルクを備えたバネ機構（図示せず）が設けられ、前記内側腕部材３及び外側腕部材４の端部両側部にはそれぞれ扁平円柱形状のボス部８，９が突設されている。
【００２０】
前記肩関節機構６には、図３に示されているように、先端角度が所定角度、例えば、７２度を成す舳先状の連結端部１０が形成され、その各側面にはそれぞれ円形状の連結孔１１及び偏平円柱形状の突起部１２が形成されている。該突起部１２はそれぞれ対応する前記連結孔１１に嵌合可能に形成され、これらの嵌合により、５個の前記構造ユニット１が前記各肩関節機構６を中心にして放射状に連結されるようになっている。また、前記肩関節機構６には、前記内側腕部材３の端部が嵌設可能な嵌設部１３が形成され、該嵌設部１３の両側面にそれぞれ丸孔１４が穿設されている。該丸孔１４には前記内側腕部材３のボス部８が嵌合可能に形成され、これにより、前記肩関節機構６は前記内側腕部材３に枢支されるようになっている。
【００２１】
前記手首関節機構７には、図４に示されているように、先端角度が所定角度を成す舳先状の連結端部１５が形成され、その各側面にはそれぞれ偏平な円柱形状の突起部１６が形成されている。また、前記手首関節機構７には、前記外側腕部材４の端部が嵌設可能な嵌設部１７が形成され、該嵌設部１７の両側面にそれぞれ丸孔１８が穿設されている。該丸孔１８には前記外側腕部材４のボス部９が嵌合可能に形成され、これにより、前記手首関節機構７は前記外側腕部材４に枢支されるようになっている。
【００２２】
好ましくは、図５に示されているように、前記肩関節機構６と手首関節機構７との間に第１ワイヤ１９が張架され、また、図１に示されているように、前記各肩関節機構６に第１ワイヤ調節機構２０が設けられている。該第１ワイヤ調節機構２０は前記第１ワイヤ１９を巻取る機構３８を備えており、前記第１ワイヤ調節機構２０により、前記肩調節機構６と手首調節機構７間の第１ワイヤ１９の長さを調節できるようになっている。
【００２３】
隣接する前記各内側腕部材３間にはそれぞれ、図６のように円弧状の内側膜状部材２１が設けられ、さらに、隣接する前記各外側腕部材４間にはそれぞれ、図７のように上底が凹状に湾曲した略台形状の外側膜状部材２２が設けられている。前記内側及び外側膜状部材２１，２２はそれぞれ、前記構造ユニット１の収納時には前記内側及び外側腕部材３，４間に折り畳まれ、また、前記構造ユニット１の展開時には該構造ユニット１の展開に伴って展開するようになっており、展開状態では、図８に示されているように、前記構造ユニット１が、５角錐形の傘状を成すようになっている。このように、前記構造ユニット１は、展開状態において中心部分が突出した５角錐形状を成しているため、剛性の強化が図れ、この５角錐形の陵と底面との成す角度（後退角）が約１０度の場合に、最大の剛性を得ることができる。
【００２４】
図９に示されているように、前記５個のアームユニット２の各手首関節機構７間にはそれぞれ連結アームユニット２３が設けられているのが望ましい。該連結アームユニット２３は、図１０のように、棒状の左側腕部材２４及び右側腕部材２５と、該左側腕部材２４及び右側腕部材２５を伸展可能に接続する肘関節機構２６と、前記左側腕部材２４の端部に設けられた左側連結機構２７と、前記右側腕部材２５の端部に設けられた右側連結機構２８とから構成されている。前記肘関節機構２６には、前記左側腕部材２４と前記右側腕部材２５との成す内角（肘関節角）が１８０度になるまで伸展可能なトルクを備えたバネ機構（図示せず）が設けられ、前記左側腕部材２４及び右側腕部材２５の端部両側部にはそれぞれ扁平円柱形状のボス部２９，３０が突設されている。
【００２５】
図１１に示されているように、前記左側及び右側連結機構２７，２８にはそれぞれ、両側面に丸孔３１が穿設された嵌設部３２が設けられ、前記丸孔３１に前記左側及び右側腕部材２４，２５のボス部２９，３０がそれぞれ嵌合することにより、前記左側及び右側連結機構２７，２８は前記左側及び右側腕部材２４，２５に枢支されるようになっている。また、前記左側及び右側連結機構２７，２８には、両側面に凹部３３が形成された連結部３４が設けられ、前記凹部３３に前記手首関節機構７の突起部１６が嵌合することにより、前記連結アームユニット２３が前記アームユニット２に連結されるようになっている。
【００２６】
好ましくは、図１２に示されているように、前記左側連結機構２７と右側連結機構２８との間に第２ワイヤ３５が張架され、第２ワイヤ調節機構（図示せず）により前記左側連結２７と右側連結機構２８間の前記第２ワイヤ３５の長さを調節できるようになっている。また、前記左側連結機構２７及び右側連結機構２８には所定角度まで回転可能なトルクを有する回転機構（図示せず）が設けられている。
【００２７】
図１３は、２個の前記構造ユニット１ａ，１ｂを連結し、展開した状態を示しており、前記一対の手首関節機構７と前記構造ユニット１の中心の３点により形成される三角平面３６ａと、該三角平面３６ａに隣接する相手側の構造ユニット１ｂの三角平面３６ｂとの成す内角（以下、連結角という）が所定の角度、好ましくは、１１６．５６５度となるように前記構造ユニット１ａ，１ｂを回転させるトルクを有する回転機構（図示せず）が前記手首関節機構７に設けられているのが望ましい。
【００２８】
図１４及び図１５は、１２個の前記構造ユニット１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｊ，１ｋ，１ｌと３０個の前記連結アームユニット２３により構成された殻状１２面体３７を示しており、該殻状１２面体３７は、図１５に示すように、展開状態では、外周面に６０個の２等辺三角形が形成されるようになっている。
【００２９】
前記殻状１２面体３７を宇宙空間の所定位置に輸送する場合、前記殻状１２面体３７は、前記連結角が１８０度で、前記アームユニット２及び前記連結アームユニット２３の各肘関節角がそれぞれ０度となるように折り畳まれ、好ましくは、図１４に示すように、中心に配置した構造ユニット１ａに１１個の構造ユニット１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｊ，１ｋ，１ｌを５方向にそれぞれ少なくとも２個ずつ放射状に連結させた状態で収納される。また、宇宙空間において、前記殻状１２面体３７を展開させる場合、先ず、前記回転機構（図示せず）により、前記アームユニット２及び前記連結アームユニット２３の各肘関節角を０度に維持した状態で、前記各構造ユニット１間の連結角を１８０度から１１６．５６５度に変更し、前記手首関節機構７と前記左側又は右側連結機構２７，２８との未連結部分をすべて連結する。次に、前記連結角を１１６．５６５度に維持した状態で、前記第１ワイヤ調節機構２０及び前記第２ワイヤ調節機構（図示せず）により、前記アームユニット及び前記連結アームユニットのすべての前記肘関節角が同一角度を保ちながら変化するように前記第１及び第２ワイヤ１９，３５の長さを調節しつつ、前記各肘関節角を０度から１８０度に変更する。これにより、展開時に前記各構造ユニット１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｊ，１ｋ，１ｌ同士が互いに干渉し合うおそれがなく、円滑な展開動作を行うことが可能となる。また、図１５に示されているように、展開状態では、前記殻状１２面体３７の外周面はすべて内側膜状部材２１又は外側膜状部材２２で覆われており、その外周面に空隙が形成されることはないので、構造強度を向上させることができる。。なお、展開作業は、中心寄りの構造ユニット１から順次展開させるのがより好ましく、この場合には、展開作業をより一層、容易且つ確実に行うことができる。
【００３０】
なお、上記実施の形態においては、１２個の構造ユニット１を放射状に連結して殻状１２面体３７を形成させる場合について説明しているが、構造ユニット１の連結個数及び連結形状は、上記した場合に限定されるものではなく、各種変更が可能である。
【００３１】
また、上記実施の形態では、前記殻状１２面体３７の展開時に第１ワイヤ１９及び第２ワイヤ３５の長さを調節するようになっているが、第１ワイヤ調節機構２０により第１ワイヤ長のみを調節するようにしてもよい。さらに、ワイヤ長を調節する代わりに、例えば、肘関節角を制御する等、別の制御手段により、肩関節機構６と手首関節機構７間、又は左側連結機構２７と右側連結機構２８間のスパンを調節するようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、展開状態で外周面に空隙を形成させることなく、構造体の強度を向上させることができ、展開収納動作を円滑に行うことができる等種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における構造ユニットを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるアームユニット示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態における肩関節機構を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態における手首関節機構を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における構造ユニットを示す斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態における内側膜状部材を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態における外側膜状部材を示す平面図である。
【図８】本発明の実施の形態における構造ユニットを展開した状態を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態における連結アームユニットを有する構造ユニットを示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態における連結アームユニットを示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態における左側及び右側連結機構を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施の形態における連結アームユニットを有する構造ユニットを示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態における構造ユニットを２個連結し展開した状態を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施の形態における殻状１２面体の収納時の状態を示す斜視図である。
【図１５】本発明の実施の形態における殻状１２面体の展開時の状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１            構造ユニット
２            アームユニット
３            内側腕部材
４            外側腕部材
５            肘関節機構
６            肩関節機構
７            手首関節機構
１９          第１ワイヤ
２０          第１ワイヤ調節機構
２１          内側膜状部材
２２          外側膜状部材
２３          連結アームユニット
２４          左側腕部材
２５          右側腕部材
２６          肘関節機構
２７          左側連結機構
２８          右側連結機構
３５          第２ワイヤ
３７          殻状１２面体
【図１】
0003648711.tif 000002
【図２】
0003648711.tif 000003
【図３】
0003648711.tif 000004
【図４】
0003648711.tif 000005
【図５】
0003648711.tif 000006
【図６】
0003648711.tif 000007
【図７】
0003648711.tif 000008
【図８】
0003648711.tif 000009
【図９】
0003648711.tif 000010
【図１０】
0003648711.tif 000011
【図１１】
0003648711.tif 000012
【図１２】
0003648711.tif 000013
【図１３】
0003648711.tif 000014
【図１４】
0003648711.tif 000015
【図１５】
0003648711.tif 000016