(57)【要約】【課題】簡単な構成で被検査体が無重力空間に配置されているように模擬できる無重力模擬装置を提供する。【解決手段】被検査体Ｗが無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置１であって、リンク部材１２Ａと、リンク部材を、リンク部材の第１部分１２ｃＡ周りに回転可能に支持する支持部材２１と、リンク部材の第２部分に接続され、被検査体が取付けられる支持台２４と、リンク部材における第１部分に対する第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘２７と、被検査体が鉛直方向に沿って移動するように案内する案内部３１と、を備え、リンク部材の第１部分周りに、リンク部材、支持台、錘、及び、所定の質量又は予め定められた質量の被検査体が作用させるモーメントは釣り合う。【選択図】図１
2019043361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体が無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置であって、
リンク部材と、
前記リンク部材を、前記リンク部材の第１部分周りに回転可能に支持する支持部材と、
前記リンク部材の第２部分に接続され、前記被検査体が取付けられる支持台と、
前記リンク部材における前記第１部分に対する前記第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘と、
前記被検査体が鉛直方向に沿って移動するように案内する案内部と、
を備え、
前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、前記錘、及び、所定の質量又は予め定められた質量の前記被検査体が作用させるモーメントは釣り合う無重力模擬装置。
【請求項２】
被検査体が無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置であって、
リンク部材と、
前記リンク部材を、前記リンク部材の第１部分周りに回転可能に支持する支持部材と、
前記リンク部材の第２部分に接続され、前記被検査体が取付けられる支持台と、
前記リンク部材における前記第１部分に対する前記第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘と、
前記被検査体が鉛直方向に沿って移動するように案内する案内部と、
を備え、
前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、及び前記錘が作用させるモーメントは釣り合う無重力模擬装置。
【請求項３】
前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、前記錘、前記被検査体、及び自身が作用させるモーメントを釣り合わせるモーメント調節部を備える請求項１又は２に記載の無重力模擬装置。
【請求項４】
前記無重力模擬装置の重心は、前記リンク部材の前記第１部分を通る鉛直線上に配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の無重力模擬装置。
【請求項５】
前記無重力模擬装置の重心の位置、及び前記リンク部材の前記第１部分の位置は、互いに同等である請求項１から４のいずれか一項に記載の無重力模擬装置。
【請求項６】
前記被検査体、前記リンク部材、前記支持部材、前記支持台、前記錘、及び前記案内部のいずれか２つにそれぞれ接続されたバネ部材を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の無重力模擬装置。
【請求項７】
被検査体が無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置であって、
リンク部材と、
前記リンク部材を、前記リンク部材の第１部分周りに回転可能に支持する支持部材と、
前記リンク部材の第２部分に接続され、前記被検査体が取付けられる支持台と、
前記リンク部材における前記第１部分に対する前記第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘と、
を備え、
前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、前記錘、及び、所定の質量又は予め定められた質量の前記被検査体が作用させるモーメントは釣り合い、
前記無重力模擬装置の重心は、前記リンク部材の前記第１部分を通る鉛直線上に配置されている無重力模擬装置。
【請求項８】
被検査体が無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置であって、
リンク部材と、
前記リンク部材を、前記リンク部材の第１部分周りに回転可能に支持する支持部材と、
前記リンク部材の第２部分に接続され、前記被検査体が取付けられる支持台と、
前記リンク部材における前記第１部分に対する前記第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘と、
を備え、
前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、及び前記錘が作用させるモーメントは釣り合い、
前記無重力模擬装置の重心は、前記リンク部材の前記第１部分を通る鉛直線上に配置されている無重力模擬装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の無重力模擬装置と、
前記リンク部材の前記第２部分に接続され、前記支持台を前記リンク部材に対して、水平面に沿うとともに互いに直交する第１方向及び第２方向にそれぞれ沿って移動可能に支持する平行支持部と、
前記平行支持部及び前記支持台にそれぞれ接続され、前記支持台を前記平行支持部に対して、自身の回転中心を中心として、鉛直方向に沿う軸線周り、前記第１方向に沿う軸線周り、前記第２方向に沿う軸線周りに、それぞれ回転可能に支持する回転支持部と、
を備える無重力模擬システム。
【請求項１０】
請求項３に記載の無重力模擬装置を用いた無重力模擬方法であって、
前記支持台に前記被検査体を取付け、
前記モーメント調節部により、前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、前記錘、前記被検査体、及び前記モーメント調節部が作用させるモーメントを釣り合わせる無重力模擬方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無重力模擬装置、無重力模擬システム、及び無重力模擬方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、宇宙空間等の無重力空間における宇宙機等の被検査体の運動、力、トルク等を地上で模擬する重力補償を行うために、例えば非特許文献１の無重力模擬装置が知られている。無重力模擬装置には、大きく分けてパッシブ型とアクティブ型とがある。
パッシブ型は、重力補償を受動的な機構で行う手法である。アクティブ型は、重力補償を行う機構を必要としない代わりに、被検査体が受ける力、トルク等の値をフィードバックしている。そして、この値に基づいて、無重力空間での被検査体の運動を計算機により算出し、被検査体が算出した運動をするように、アクチュエータを用いて被検査体の運動を制御する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】吉田、広瀬、小川、「Passive／Activeサスペンションシステムを用いた3D無重力シミュレータの開発」、日本ロボット学会誌、1995年、Vol.13、No.8、p.1186-1189
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パッシブ型の代表はエアテーブルを用いた方法だが、この方法では重力補償を２次元でしか模擬できない。また、被検査体をワイヤで懸架して重力補償を行う機構には、以下の課題がある。課題の１つは、ワイヤは圧縮に弱いため、被検査体の上方への運動の模擬に疑問が残ることである。課題の他の１つは、ワイヤの撓みが水平方向に影響するため、これを補償する必要が有ることである。
現状では、アクティブ型が最も採用されている。しかし、無重力模擬装置が被検査体と接触しているコンタクト時間よりも制御サイクルを短くすることが困難なため、アクティブ型で重力補償を行うことは困難である。
以上より、パッシブ型及びアクティブ型いずれにおいても、無重力模擬装置において重力補償がネックとなっている。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で被検査体が無重力空間に配置されているように模擬できる無重力模擬装置、この無重力模擬装置を備える無重力模擬システム、及びこの無重力模擬装置を用いた無重力模擬方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、無重力模擬装置の重力補償機構は、カウンターウェイト（錘）方式を用いている。カウンターウェイト方式は、エレベータと同じ原理である。前述のようにワイヤは圧縮に弱いため、本発明では、パンタグラフ機構等に用いられているリンクを用いることで、パッシブ型の重力補償機構を構成している。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。本発明の無重力模擬装置は、被検査体が無重力空間に配置されているように模擬する無重力模擬装置であって、リンク部材と、前記リンク部材を、前記リンク部材の第１部分周りに回転可能に支持する支持部材と、前記リンク部材の第２部分に接続され、前記被検査体が取付けられる支持台と、前記リンク部材における前記第１部分に対する前記第２部分とは反対側に配置された第３部分に接続された錘と、前記被検査体が鉛直方向に沿って移動するように案内する案内部と、を備え、前記リンク部材の前記第１部分周りに、前記リンク部材、前記支持台、前記錘、及び、所定の質量又は予め定められた質量の前記被検査体が作用させるモーメントは釣り合うことを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の第１実施形態の無重力模擬装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例の無重力模擬装置の概要を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の変形例の無重力模擬装置の概要を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態の変形例の無重力模擬装置の概要を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例の無重力模擬装置の概要を示す図である。
【図６】同無重力模擬装置において、（ｍ１／Ｍ１）の値が０．０１の場合における角度θに対する無重力度λの値の変化を示す図である。
【図７】同無重力模擬装置において、（ｍ１／Ｍ１）の値が０．００１の場合における角度θに対する無重力度λの値の変化を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態の無重力模擬システムを用いたドッキングシミュレータの概要を示す図である。
【図９】図８におけるＡ方向矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
〔１．概要〕  本発明が目的とするのは、パッシブ型の無重力模擬システムを用いた、３次元（６自由度）ドッキングシミュレータである。シミュレータで最も大切なことは、鉛直方向の無重力運動である。そこで、無重力模擬システムは、鉛直方向の重力補償にはカウンターウェイト（錘）を用い、水平面に沿う方向への移動、及び回転移動には周知の機構を用いている。３次元ドッキングシミュレータは、無重力模擬システムを２つ組み合わせて構成されている。
【０００８】
〔２．無重力度〕  無重力模擬装置について説明する前に、無重力の度合いを示す量として、無重力度を定義する。これは、前述のエレベータのように、静的には鉛直方向に釣合状態であっても、動的には無重力下とは異なる運動をする場合において、どれだけ無重力の運動に近いかを定量的に示すためである。
物体に加わる外力をＦ、物体の質量をＭ、物体の加速度をαとするとき、式（１）のλが無重力度である。なお、以下の物理量の単位は、全てＳＩ基本単位とする。例えば、質量の単位はｋｇであり、外力Ｆの単位はＮ（ニュートン）である。
α＝λ（Ｆ／Ｍ）  ・（１）
無重力度λは、０以上１以下の値である。無重力度λが１であることは、無重力下と同じ加速度であることを表す。無重力度λが０であることは、加速度がゼロであることを表す。エレベータでは、ワイヤの一方の端部に、人等を収容する籠が取付けられ、ワイヤの他方の端部に、籠と同程度の質量の錘が取り付けられている。このため、エレベータでは、外力Ｆにより籠と同時に錘を移動させる必要があり、エレベータの無重力度λは約０．５である。エレベータでは、無重力下での加速度の半分になる。本発明では、無重力度λがほぼ１となる無重力模擬装置を目的としている。
【０００９】
（第１実施形態）以下、本発明に係る無重力模擬装置の第１実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。
〔３．重力補償機構〕〔３．１．重力補償機構の基本構造〕  図１に示すように、本実施形態の無重力模擬装置１は、宇宙機等の被検査体Ｗが無重力空間に配置されているように模擬する装置である。無重力模擬装置１では、出荷時点において、パンタグラフ構造１１の両端部に支持台２４と錘２７とが接続されている。すなわち、無重力模擬装置１は、第１リンク（リンク部材）１２Ａと、第２リンク１２Ｂと、支持部材２１と、支持台２４と、錘２７と、被検査体案内部（案内部）３１とを備えている。錘２７の質量は、支持台２４の質量よりも大きい。パンタグラフ構造１１が鉛直方向に伸縮するのに関わらず、支持台２４及び錘２７が第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに作用させるモーメントは釣り合う。これは、後述するように、パンタグラフ構造１１が鉛直方向に伸縮しても無重力模擬装置１の重心が移動しないことと等価である。
以上より、無重力模擬装置１の基本構成は、以下の（１）から（３）のようになる。
（１）パンタグラフ構造１１の両端部に、支持台２４（及び被検査体Ｗ）と、支持台２４よりも重い錘２７（及び補助錘２８ａ）と、が接続されている。
（２）支持台２４（及び被検査体Ｗ）と錘２７（及び補助錘２８ａ）とは釣り合う。
（３）支持台２４（及び被検査体Ｗ）、錘２７（及び補助錘２８ａ）が、鉛直方向に沿って移動するように規制されている。
実際に使用する時点において、支持台２４に被検査体Ｗが取付けられるとともに、無重力模擬装置１は、モーメント調節部２８をさらに備えている。例えばモーメント調節部２８が複数の補助錘２８ａ，２８ｂを有する場合には、実際に使用する補助錘（例えば、補助錘２８ａ）だけが対象になる。この場合、無重力模擬装置１の構成は、上記の（１）から（３）に、括弧内の構成を加えた条件になる。
次に、無重力模擬装置１の構成の詳細について説明する。
【００１０】
本実施形態では、第１リンク１２Ａと第２リンク１２Ｂとの構成は同一である。このため、第１リンク１２Ａの構成を、数字、又は数字及び英小文字に英大文字「Ａ」を付加することで示す。第２リンク１２Ｂのうち第１リンク１２Ａと対応する構成を、第１リンク１２Ａと同一の数字、又は数字及び英小文字に英大文字「Ｂ」を付加することで示す。これにより、重複する説明を省略する。例えば、後述する台側接続部材３２Ａと台側接続部材３２Ｂとは、互いに同一の構成である。
リンク１２Ａ，１２Ｂは、金属等で棒状に形成されている。第１リンク１２Ａは、支持部材２１により第１リンク１２Ａの長手方向の中間部（第１部分）１２ｃＡ周りに回転可能に支持されている。各リンク１２Ａ，１２Ｂは、支持部材２１により、鉛直方向に沿う図示しない第１基準平面上で移動するように規制されている。なお、リンク１２Ａ，１２Ｂは棒状に形成されているとしたが、リンク１２Ａ，１２Ｂの形状は棒状に限定されず、円柱状やブロック状等でもよい。
支持部材２１は、ヒンジ等である。支持部材２１は、固定台Ｄ等に固定されている。
例えば、支持台２４は、金属等で板状に形成されている。支持台２４は、水平面に沿って配置されている。支持台２４には、ボルト等の締結部材により被検査体Ｗが取付けられる。支持台２４は、リンク１２Ａ，１２Ｂの上端部に接続されている。支持部材２１、及びリンク１２Ａ，１２Ｂで、パンタグラフ構造１１を構成する。
【００１１】
被検査体案内部３１は、台側接続部材３２Ａ，３２Ｂと、錘側接続部材３３Ａ，３３Ｂと、スライダ３４と、を有している。台側接続部材３２Ａは、第１リンク１２Ａの第１端部（第２部分）と支持台２４とにそれぞれ接続されている。台側接続部材３２Ａは、ヒンジ及びスライダの機能を有している。台側接続部材３２Ａは、ヒンジの機能により支持台２４に対して第１リンク１２Ａを第１リンク１２Ａの第１端部周りに回転可能に接続する。台側接続部材３２Ａは、スライダの機能により支持台２４に対して第１リンク１２Ａの第１端部を支持台２４の下面に沿って移動可能に接続する。すなわち、第１リンク１２Ａの第１端部には、台側接続部材３２Ａを介して支持台２４が間接的に接続されている。
なお、本明細書では、接続されているとは、２つの部材が接続部材等を介して間接的に接続されていることだけでなく、２つの部材が他の部材を介さずに直接的に接続されていることも意味する。
錘側接続部材３３Ａは、第１リンク１２Ａの第２端部（第３部分）と錘２７とにそれぞれ接続されている。第１リンク１２Ａの第２端部は、第１リンク１２Ａにおける中間部１２ｃＡに対する第１端部とは反対側に配置されている。錘側接続部材３３Ａは、台側接続部材３２Ａと同様に構成されている。錘側接続部材３３Ａは、錘２７に対して第１リンク１２Ａを第１リンク１２Ａの第２端部周りに回転可能に接続する。錘２７に対して第１リンク１２Ａの第２端部を錘２７の上面に沿って移動可能に接続する。錘２７は、リンク１２Ａ，１２Ｂの下端部に接続されている。
スライダ３４は、固定台Ｄ等に固定されているとともに、錘２７に接続されている。スライダ３４は、固定台Ｄに対して錘２７が鉛直方向に移動するように案内する。
被検査体案内部３１は、支持台２４及び被検査体Ｗに鉛直方向の外力だけが作用する場合には、支持台２４及び被検査体Ｗが鉛直方向に沿って移動するように案内する。
なお、錘側接続部材３３Ａ，３３Ｂ、及びスライダ３４は、固定台Ｄに対して錘２７が鉛直方向に沿って移動するように案内する錘案内部でもある。
【００１２】
無重力模擬装置１の出荷時点において、錘２７の質量は、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに、無重力模擬装置１の各構成であるリンク１２Ａ、第２リンク１２Ｂ、支持台２４、及び錘２７が作用させるモーメントが釣り合うように決められている。
例えば、支持台２４及び錘２７の質量に対して、リンク１２Ａ，１２Ｂの質量が無視できる程度に小さい場合について説明する。第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡから第２端部までの長さに対して、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡから第１端部までの長さがＸ倍（例えば、１０倍）であるときには、支持台２４の質量に対して、錘２７の質量をＸ倍（例えば、１０倍）にする。
モーメント調節部２８は、無重力模擬装置１を実際に使用する時点において使用する。本実施形態では、モーメント調節部２８は、錘２７に着脱可能な様々な質量の補助錘２８ａ，２８ｂを備えている。なお、モーメント調節部２８が備える補助錘の数は、特に限定されない。例えば、補助錘２８ａ，２８ｂは、ボルトを有する締結構造等により、錘２７に着脱可能である。図１に示す状態では、錘２７に補助錘２８ａが取付けられていて、錘２７から補助錘２８ｂが取外されている。
モーメント調節部２８は、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに、リンク１２Ａ，１２Ｂ、支持台２４、錘２７、被検査体Ｗ、及び補助錘２８ａが作用させるモーメントを釣り合わせる。
無重力模擬装置１は、リンク１２Ａ，１２Ｂ等が中間部１２ｃＡ，１２ｃＢ周りに釣り合っていることで、重力補償機構が構成されている。
なお、様々な質量の補助錘を互いに着脱可能にした錘集合体、及び錘集合体以外に用いる補助錘により、錘及びモーメント調節部を構成してもよい。すなわち、初期の状態の錘集合体に補助錘等を取付けると、錘及びモーメント調節部全体としての質量を増やし、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに作用させるモーメントを増やすことができる。一方で、初期の状態の錘集合体から錘集合体を構成する補助錘の一部を除去すると、錘及びモーメント調節部全体としての質量を減らし、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに作用させるモーメントを減らすことができる。
【００１３】
無重力模擬装置１は、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡを通るとともに鉛直方向に沿う図示しない第２基準平面Ｓ２に対してほぼ面対称に構成されている。これにより、無重力模擬装置１の重心は、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡを通る鉛直線Ｌ１上に配置されていることが好ましい。
このように構成することで、無重力模擬装置１がリンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに回転しにくくなり、台側接続部材３２Ａ，３２Ｂ等に作用するトルクを低減させることができる。
無重力模擬装置１において、無重力模擬装置１の重心の位置、及び第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡの位置は、互いに同等であることが好ましい。このように構成することで、支持台２４と錘２７との質量比等に応じて、第１リンク１２Ａにおける、中間部１２ｃＡと第１端部の長さと、中間部１２ｃＡと第２端部との長さとの比を容易に決めることができ、無重力模擬装置１の設計を容易に行うことができる。
なお、本実施形態の無重力模擬装置１を用いた無重力模擬方法では、以下の工程を行う。予め、無重力模擬装置１の支持部材２１が固定台Ｄに取付けられている。次に、実際に使用する時点において、使用者は、支持台２４に被検査体Ｗを取付ける。被検査体Ｗの質量に応じて錘２７に取付ける補助錘２８ａ，２８ｂを調整することで、モーメント調節部２８により、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに、リンク１２Ａ，１２Ｂ、支持台２４、錘２７、被検査体Ｗ、及び補助錘２８ａが作用させるモーメントを釣り合わせる。
無重力模擬装置を、以下のように構成してもよい。例えば、無重力模擬装置を使用する使用者が無重力模擬装置に取付ける被検査体Ｗの質量を、所定の範囲のうちの所定の質量であると予測しておく。そして、無重力模擬装置の出荷時点において、前述の錘２７の質量の決め方に代えて、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに、リンク１２Ａ，１２Ｂ、支持台２４、錘２７、及び、所定の質量の被検査体Ｗが作用させるモーメントが釣り合うように、錘２７の質量を決める方法を用いる。また、使用者が無重力模擬装置に取付ける被検査体Ｗの質量を予測し、その質量を予め定めておいてもよい。この場合、無重力模擬装置の出荷時点において、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに、リンク１２Ａ，１２Ｂ、支持台２４、錘２７、及び、予め定められた質量の被検査体Ｗが作用させるモーメントが釣り合うように、錘２７の質量を決める方法を用いる。
【００１４】
〔３．２．重力補償機構の無重力特性〕  以下では、無重力模擬装置１を実際に使用する時点における特性について説明する。支持台２４及び被検査体Ｗで被検査体Ｗ’と規定し、錘２７及び補助錘２８ａで、錘２７’と規定する。被検査体Ｗ’の質量、及び錘２７’の質量と比べて、リンク１２Ａ，１２Ｂ及び被検査体案内部３１等の質量及び慣性は小さく無視できるとして説明する。リンク１２Ａ，１２Ｂの質量及び慣性を考慮した場合については、〔５．〕で後述する。
鉛直方向の上向きにｚ軸を規定し、支持部材２１の位置をｚ軸の原点とする。被検査体Ｗ’について、鉛直方向の重心の位置をｚ１、速度をｖ１、質量をＭ１とし、錘２７’について、鉛直方向の重心位置をｚ２、速度をｖ２、質量をＭ２とする。重力加速度をｇとする。位置ｚｉ（ｉ＝１，２）を時間で１階微分すると、速度ｖｉとなる。
ここで、運動エネルギーをＴ、ポテンシャルエネルギーをＶ、ラグランジアンをＬ、時間をｔ、被検査体Ｗ’に加わる鉛直方向の外力をＦとすると、ラグランジュの運動方程式は、式（６）から式（９）のようになる。ただし、支持部材２１及び被検査体案内部３１の摩擦は、十分な潤滑処理がされていると仮定して考慮していない。
なお、位置ｚｉを１階微分した値を、ｚｉの上部に「・」印を１つ付して示す。位置ｚｉを２階微分した値は、ｚｉの上部に「・」印を２つ付して示す。
【００１５】
【数１】
2019043361.tif 000003
ここで、式（９）においてＦ＝０のとき、被検査体Ｗ’と錘２７’とは常に釣り合っているので、ポテンシャルエネルギー最小原理より式（１０）が常に成り立つ。
∂Ｖ／∂ｚｉ＝０  ・（１０）
言い替えると、被検査体Ｗ’と錘２７’とが常に釣り合っているため、保存力が作用しない。従って、式（７）におけるポテンシャルエネルギーＶは一定であり、式（７）を変形した式（１１）は、パンタグラフ構造１１が鉛直方向に伸縮しても無重力模擬装置１の重心は移動しない（不動である）ことを表す。
【００１６】
【数２】
2019043361.tif 000004
さらに、無重力模擬装置１の重心は移動しないことより、無重力模擬装置１の運動量がゼロであることを用いると、式（１４）及び式（１５）が得られる。よって、式（１０）及び式（１５）を式（９）に代入すると、式（１６）及び式（１７）が得られる。
【００１７】
【数３】
2019043361.tif 000005
従って、被検査体Ｗ’の質量Ｍ１に対する錘２７’の質量Ｍ２の比（以下、錘２７’の質量比と言う）が非常に大きい場合には、式（１７）から無重力度λはほぼ１になる。これは、被検査体Ｗ’に外力Ｆが作用した際、被検査体Ｗ’の加速度が、被検査体Ｗ’が無重力空間に配置されている場合とほぼ等しいことを表す。
なお、エレベータの場合は、通常、錘の質量比がほぼ１になる。このため、無重力度λは約０．５となる。一方で、本実施形態の無重力模擬装置１では、錘２７’の質量比が１０以上だと、無重力度λは約０．９１以上になり、無重力状態の運動をかなり実現できていると言える。錘２７’の質量比が１００以上だと、無重力度λは約０．９９以上になり、ほぼ無重力状態の運動を実現できていると言える。
なお、重力補償機構のキャリブレーション（調整）等のために用いるとして、錘２７’の質量比を２以上にすると、無重力度λは約０．６７以上になる。錘２７’の質量比を３以上にすると、無重力度λは約０．７５以上になる。これらの錘２７’の質量比においても、一定の無重力状態を模擬することができる。
【００１８】
〔３．３．重力補償機構の物理的解釈〕  ここで、錘２７’の質量比を大きくすると、なぜ無重力状態が模擬できるのかということの物理的解釈を行う。エレベータは、籠だけでなく、籠と同程度の質量の錘という２倍の質量を動かすため、無重力度λが約０．５となる。本実施形態の無重力模擬装置１は更に大きな質量を動かすので、無重力模擬装置１の無重力度λはさらに小さくなると思われがちである。
これは、錘２７’の質量Ｍ２を大きくすると、外力Ｆにより与えられたエネルギーの殆どが、相対的に軽い被検査体Ｗ’の運動エネルギーに伝達されるため、被検査体Ｗ’の無重力下の運動が可能になると解釈できる。別の言い方をすると、運動量保存により、錘２７’に配分される速度の増加分は小さくなる。しかし、運動エネルギーは速度の自乗で効いてくるので、錘２７’のエネルギー配分は非常に小さくなり、エネルギーの殆どが被検査体Ｗ’に費やされると解釈できる。また、エレベータの場合には錘２７’の質量比がほぼ１なので、外力Ｆにより与えられたエネルギーは被検査体及び錘に均等配分されるため、無重力下の運動の半分しか模擬できないと解釈できる。
【００１９】
〔３．４．重力補償機構の変形例〕  図２に示す変形例の無重力模擬装置２は、本実施形態の無重力模擬装置１のパンタグラフ構造１１に代えて、パンタグラフ構造１１ａを備えている。
パンタグラフ構造１１ａは、第１リンク１２Ａと、第２リンク１２Ｂと、第３リンク１３Ａと、第４リンク１３Ｂと、を有している。第１リンク１２Ａの第１端部と、第３リンク１３Ａの第１端部とは、ヒンジ１５Ａにより回転可能に接続されている。第３リンク１３Ａは、ヒンジ１６により第３リンク１３Ａの長手方向の中間部１３ｃＡ周りに回転可能に支持されている。リンク１３Ａ，１３Ｂは、ヒンジ１５Ａ，１５Ｂ，１６により前述の第１基準平面上で移動するように規制されている。本変形例では、台側接続部材３２Ａは、第３リンク１３Ａの第２端部と支持台２４とにそれぞれ接続されている。
すなわち、パンタグラフ構造１１ａは、パンタグラフ構造１１におけるリンク１２Ａ，１２Ｂを長手方向の中間部で折り返した構造である。
図３に示す変形例の無重力模擬装置３は、変形例の無重力模擬装置２のパンタグラフ構造１１ａに代えて、パンタグラフ構造１１ｂを備えている。パンタグラフ構造１１ｂは、パンタグラフ構造１１ａのヒンジ１６及びスライダ３４に代えて、ヒンジ１６及びスライダ３４を一体化した接続部材４１を有している。言い換えると、無重力模擬装置３は、変形例の無重力模擬装置２のスライダ３４を接続部材４１の位置に移動した構成である。接続部材４１は、台側接続部材３２Ａと同様に構成されている。接続部材４１は、ヒンジの機能により、第３リンク１３Ａを中間部１３ｃＡ周りに回転可能に接続するとともに、第４リンク１３Ｂを中間部１３ｃＢ周りに回転可能に接続する。接続部材４１は、スライダの機能により、固定台Ｄに対して中間部１３ｃＡ，１３ｃＢを鉛直方向に移動可能に接続する。なお、台側接続部材３２Ａ，３２Ｂと、錘側接続部材３３Ａ，３３Ｂと、接続部材４１と、を有して被検査体案内部４２が構成される。
【００２０】
図４に示す変形例の無重力模擬装置４は、本実施形態の無重力模擬装置１において第２リンク１２Ｂを備えない構成である。この変形例では、被検査体案内部４６は、台側接続部材３２Ａと、錘側接続部材３３Ａと、スライダ３４と、スライダ４７と、を有している。スライダ４７は、固定台Ｄ等に固定されているとともに、被検査体Ｗに接続されている。スライダ４７は、固定台Ｄに対して被検査体Ｗが鉛直方向に移動するように案内する。
なお、図４に示すバネ部材６１については、後述する。
図５に示す変形例の無重力模擬装置５は、本実施形態の無重力模擬装置１の被検査体案内部３１に代えて、被検査体案内部５１を備えている。被検査体案内部５１は、第１補助リンク５２Ａ，５２Ｂと、第２補助リンク５３Ａ，５３Ｂと、ヒンジ５５Ａ，５５Ｂ，５６，５７Ａ，５７Ｂ，５８と、を有している。
ヒンジ５５Ａは、第１リンク１２Ａの第２端部と、第１補助リンク５２Ａの第１端部とを、回転可能に接続している。ヒンジ５６は、第１補助リンク５２Ａの第２端部と、第１補助リンク５２Ｂの第２端部と、錘２７の上端部とを、回転可能に接続している。錘２７の上端部におけるヒンジ５６で接続された部分は、錘２７の上端部における錘２７の重心の上方の部分であることが好ましい。
ヒンジ５７Ａは、第３リンク１３Ａの第２端部と、第２補助リンク５３Ａの第１端部とを、回転可能に接続している。ヒンジ５８は、第２補助リンク５３Ａの第２端部と、第２補助リンク５３Ｂの第２端部と、支持台２４の下端部とを、回転可能に接続している。支持台２４の下端部におけるヒンジ５８で接続された部分は、支持台２４の下端部における支持台２４の重心の下方の部分であることが好ましい。
【００２１】
〔３．５．拡張した重力補償機構〕  前述の変形例の無重力模擬装置４は、第１リンク１２Ａや支持台２４等の重心位置や質量等に誤差があると、鉛直方向に安定して静止しない。そこで、例えば、図４に示すように、無重力模擬装置４は、支持台２４と第１リンク１２Ａとにそれぞれ接続されたバネ部材６１を備えてもよい。バネ部材６１には、回転バネが用いられている。バネ部材６１の剛性は、比較的低いことが好ましい。このように構成することで、バネ部材６１が接続された支持台２４と第１リンク１２Ａ間の角度（位置）を、バネ部材６１の弾性力により所定の角度に安定させることができる。
なお、バネ部材６１は、被検査体Ｗ、第１リンク１２Ａ、支持部材２１、支持台２４、錘２７、及び被検査体案内部４６のいずれか２つにそれぞれ接続されていればよい。バネ部材６１には、バネ部材６１が接続される２つの部材間の動きに応じて、回転バネや並進バネ等が用いられる。
【００２２】
〔４．効果〕  本実施形態の無重力模擬装置１によれば、固定台Ｄに支持部材２１を取付け、支持台２４に被検査体Ｗを取付ける。第１リンク１２Ａは中間部１２ｃＡ周りのモーメントが釣り合っているとともに、被検査体案内部３１により被検査体Ｗが鉛直方向に沿って移動するように案内されている。このため、例えば、錘２７の質量に比べて被検査体Ｗ及び支持台２４全体の質量が小さい場合等には、被検査体Ｗは空間内で漂うような無重力下に配置された動きをする。したがって、例えば計算機等を用いたフィードバック制御をしなくても、無重力模擬装置１により、被検査体Ｗに重力が作用していないように被検査体Ｗが挙動し、パンタグラフ構造１１、支持部材２１、支持台２４、錘２７、及び被検査体案内部３１という簡単な構成で、被検査体Ｗが無重力空間に配置されているように模擬することができる。すなわち、パッシブ型の機構で鉛直方向の無重力運動の模擬が可能になる。
そして、無重力模擬装置１が被検査体案内部３１を備えると、被検査体Ｗの水平面に沿う位置が安定し、無重力模擬装置１が第１基準平面上で第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに回転しない。錘案内部についても同様である。
また、無重力模擬装置１がモーメント調節部２８を備えているため、被検査体Ｗが無重力空間に配置されているように模擬することを、より精度を高めて行うことができる。
本実施形態の無重力模擬方法についても同様である。
【００２３】
なお、無重力模擬装置１は、錘案内部、モーメント調節部２８、及び被検査体案内部３１を備えなくてもよい。この場合、前述のように無重力模擬装置の出荷時点において、被検査体Ｗの質量を所定の質量又は予め定められた質量として錘２７の質量を決める方法を用いてもよい。
モーメント調節部２８は、錘２７に着脱可能な補助錘２８ａ，２８ｂであるとしたが、モーメント調節部は、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡから第２端部までの長さ等を調節する機構等でもよい。モーメント調節部が第１リンク１２Ａに組込まれた場合には、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りにモーメント調節部自身が作用させるモーメントとは、モーメント調節部全体が第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡ周りに作用させるモーメントのことを意味する。
無重力模擬装置１の重心が鉛直線Ｌ１上に配置されていれば、無重力模擬装置１は被検査体案内部３１を備えなくてもよい。無重力模擬装置１の重心を鉛直線Ｌ１上に配置させるために、無重力模擬装置１は、２本のリンク１２Ａ，１２Ｂを備えて第２基準平面Ｓ２に対してほぼ面対称に構成されている。
パンタグラフ構造１１のうち、上端部に支持台２４を接続するとともに、下端部に錘２７を接続した。しかし、パンタグラフ構造１１のうち、上端部に錘２７を接続するとともに、下端部に支持台２４を接続してもよい。
【００２４】
〔５．リンクの質量を考慮した場合の無重力特性〕  実施形態の無重力模擬装置１において、リンク１２Ａ，１２Ｂの質量を考慮した場合の、無重力模擬装置１を実際に使用する時点における無重力特性について説明する。
図１に示すように、被検査体Ｗ’の下端から被検査体Ｗ’の重心までの距離をｈ１、錘２７’の上端から錘２７’の重心までの距離をｈ２とする。第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡよりも被検査体Ｗ’側のリンク１２Ａ，１２Ｂの２本分の質量をｍ１とし、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡよりも錘２７’側のリンク１２Ａ，１２Ｂの２本分の質量をｍ２とする。第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡよりも被検査体Ｗ’側のリンク１２Ａ，１２Ｂの長さをＬ１とし、第１リンク１２Ａの中間部１２ｃＡよりも錘２７’側のリンク１２Ａ，１２Ｂの長さをＬ２とする。水平面とリンク１２Ａ，１２Ｂとのなす角度をθとする。
また、（Ｍ２／Ｍ１）の値と（ｍ２／ｍ１）の値とは、等しいとする。リンク１２Ａ，１２Ｂの重心の位置は、支持部材２１の位置であるとする。リンク１２Ａ，１２Ｂの密度は、均一であるとする。外力は、リンク１２Ａ，１２Ｂの第１端部に（Ｆ／２）ずつ作用するとする。支持部材２１、台側接続部材３２Ａ，３２Ｂ、錘側接続部材３３Ａ，３３Ｂ、及びスライダ３４の質量、慣性、及び摩擦は、それぞれ無視できるとする。
まず、上記の重心及び質量の仮定から、式（２１）成り立つため、式（２２）が得られる。
ｍ１Ｌ１＝ｍ２Ｌ２  ・（２１），  Ｍ１Ｌ１＝Ｍ２Ｌ２  ・（２２）
次に、ラグランジュの運動方程式を解くために、質量ｍ１，ｍ２がリンク１２Ａ，１２Ｂの２本分の質量であることに注意して、式（１０）及び式（２１）を用いて、運動エネルギーＴ、ポテンシャルエネルギーＶを、式（２３）から式（２５）のように求める。
【００２５】
【数４】
2019043361.tif 000006
ここで、ｚｉをθで書き換えると、式（２８）から式（３１）が得られる。
【００２６】
【数５】
2019043361.tif 000007
θ座標での外力は、２本のリンク１２Ａ，１２Ｂに（Ｆ／２）ずつ作用するトルクである。このトルクを一般化力τとすると、式（３４）が得られる。
τ＝２×（１／２）ＦＬ１ｃｏｓθ＝ＦＬ１ｃｏｓθ  ・（３４）
よって、式（２５）より、ポテンシャルエネルギーＶの偏微分はゼロとなることを考慮すると、ラグランジュの運動方程式は、式（３５）のようになる。
ゆっくりとした運動の場合には、角度θを１階微分した値を２乗した値は０と近似できるので、式（３６）が得られる。
【００２７】
【数６】
2019043361.tif 000008
ここで、位置ｚ１を２階微分した値の感度を知りたいので、式（２８）を用いて、式（３６）における角度θを２階微分した値を、位置ｚ１を２階微分した値に変換する。これにより、式（３８）から式（４０）が得られる。
【００２８】
【数７】
2019043361.tif 000009
ここで、（Ｌ２／Ｌ１）の値、（Ｍ１／Ｍ２）の値、及び（ｍ１／ｍ２）の値が、互いに等しいことを用いると、式（４１）から式（４３）が得られる。
【００２９】
【数８】
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式（４３）において、角度θが９０°に近付き、リンク１２Ａ，１２Ｂが鉛直方向に沿うように延びた状態では、リンク１２Ａ，１２Ｂの影響が大きくなり、無重力度λは小さくなる。しかし、一般的には、（１／ｃｏｓ２θ）の影響は小さいので、質量ｍ１に比べて質量Ｍ１が非常に大きいと仮定すると、式（１６）が得られる。
ここで、錘２７’の質量Ｍ２に対する被検査体Ｗ’の質量Ｍ１が０．０１の場合において、角度θに対する式（４３）による無重力度λの値の変化を図６及び図７に示す。図６は、（ｍ１／Ｍ１）の値が０．０１の場合であり、図７は、（ｍ１／Ｍ１）の値が０．００１の場合である。図６及び図７中には、無重力度λの値も示した。
（ｍ１／Ｍ１）の値が０．０１，０．００１のいずれの場合においても、角度θが０°以上で、７０〜８０°未満の範囲では、無重力度λは０．９６よりも大きくなる。角度θがこの範囲の場合には、無重力度λが良好な値になることが分かった。
【００３０】
（第２実施形態）次に、本発明の第２実施形態について図８及び図９を参照しながら説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
〔６．重力補償機構を用いたドッキングシミュレータ〕  図８に示すように、このドッキングシミュレータ７は、本実施形態の無重力模擬システム８を２つ備えている。無重力模擬システム８は、前記実施形態の無重力模擬装置１と、平行支持部７１と、回転支持部７６と、を備えている。以下、鉛直線Ｌ１に沿う方向にｚ軸をとり、水平面に沿う方向にｘ軸及びｙ軸をとって説明する。ｘ軸に沿う方向が第１方向となり、ｙ軸に沿う方向が第２方向となる。ｘ軸に沿う方向、ｙ軸に沿う方向、及びｚ軸に沿う方向は、互いに直交する方向である。ドッキングシミュレータ７は、各無重力模擬システム８の後述する支持台７９ａに被検査体Ｗを取付けて用いられる。
平行支持部７１は、台側接続部材３２Ａ，３２Ｂを介してリンク１２Ａ，１２Ｂの第１端部に接続されている。平行支持部７１は、井桁型の２次元水平機構であり、ｘ軸スライダ７２と、ｙ軸スライダ７３と、を有している。ｘ軸スライダ７２は、パンタグラフ構造１１に接続され、支持台７９ａをパンタグラフ構造１１に対してｘ軸に沿って移動可能に支持する。ｙ軸スライダ７３は、ｘ軸スライダ７２に接続され、支持台７９ａをパンタグラフ構造１１に対してｙ軸に沿って移動可能に支持する。
【００３１】
図８及び図９に示すように、例えば、回転支持部７６は、パンチルト機構及びジンバル機構を用いた３次元回転機構である。回転支持部７６は、第１回転子７７と、第２回転子７８と、第３回転子７９と、を有している。第１回転子７７は、パンチルト機構を有していて、平行支持部７１のｙ軸スライダ７３と第２回転子７８とに接続されている。第１回転子７７は、ｚ軸周りに回転する。なお、図８及び図９中には、符号を省略したヒンジを示している。
第２回転子７８及び第３回転子７９は、ジンバル機構を有している。第２回転子７８は、第１回転子７７と第３回転子７９とに接続されている。第３回転子７９の内面に、被検査体Ｗを固定するための固定具である前述の支持台７９ａが取付けられている。なお、被検査体Ｗは、被検査体Ｗの重心と回転支持部７６の回転中心とが一致するように支持台７９ａに取付けられる。これは、宇宙空間において被検査体Ｗが回転するときには、被検査体Ｗは必ず被検査体Ｗの重心周りに回転するためである。
第２回転子７８、第３回転子７９、支持台７９ａ、及び被検査体Ｗが、第１回転子７７上でｘ軸周りに回転する。第３回転子７９、支持台７９ａ及び被検査体Ｗが、第２回転子７８上でｙ軸周りに回転する。回転支持部７６は、平行支持部７１に対して被検査体Ｗ及び支持台７９ａを、回転支持部７６の回転中心を中心として回転可能に支持する。
なお、回転子７７，７８，７９が回転可能に支持する軸は、これに限られず、オイラー角順序の選択方法の１２通りの、いずれかの順序であればよい。回転子７７，７８，７９が回転可能に支持する軸は、ｘ軸，ｙ軸，ｘ軸のように同じ軸を２回選択してもよく、一般的なジンバル機構はこの方式である。
【００３２】
図８に示すように、ドッキングシミュレータ７では、被検査体Ｗが対向するように２つの無重力模擬システム８が配置される。なお、固定台Ｄに無重力模擬システム８の各構成を取付ける順序は、無重力模擬装置２、平行支持部７１、回転支持部７６、被検査体Ｗの順序であることが好ましい。無重力模擬システム８に用いられる無重力模擬装置は、無重力模擬装置１に限定されない。
以上説明したように、本実施形態の無重力模擬システム８によれば、被検査体Ｗを、鉛直方向に沿う１自由度だけでなく、６自由度に対して無重力空間に配置されているように模擬することができる。そして、ドッキングシミュレータ７は、従来困難とされていたパッシブ型の無重力模擬システム８で被検査体Ｗ同士の無重力下でのドッキングシミュレーションを行うことができる。
なお、平行支持部及び回転支持部の構成はこれらに限定されない。平行支持部として、エアベアリング方式等を用いてもよいし、回転支持部として球面関節等を用いてもよい。
【００３３】
〔７．適用例〕  無重力模擬システムは、無重力下での宇宙機（被検査体）同士のドッキングシミュレータとして用いることができる。
以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。さらに、各実施形態で示した構成のそれぞれを適宜組み合わせて利用できることは、言うまでもない。
【符号の説明】
【００３４】
１，２，３，４，５…無重力模擬装置、８…無重力模擬システム、１２Ａ…第１リンク（リンク部材）、１２ｃＡ…中間部（第１部分）、２１…支持部材、２４，７９ａ…支持台、２７…錘、２８…モーメント調節部、３１，４２，４６，５１…被検査体案内部（案内部）、６１…バネ部材、７１…平行支持部、７６…回転支持部、Ｌ１…鉛直線、Ｗ…被検査体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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