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JP2011213138A - Simulated agravic state generating device - Google Patents

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JP2011213138A
JP2011213138A JP2010080483A JP2010080483A JP2011213138A JP 2011213138 A JP2011213138 A JP 2011213138A JP 2010080483 A JP2010080483 A JP 2010080483A JP 2010080483 A JP2010080483 A JP 2010080483A JP 2011213138 A JP2011213138 A JP 2011213138A
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JP
Japan
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axis
guide member
shaft portion
angle
zero gravity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2010080483A
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Japanese (ja)
Inventor
Futoshi Magosaki
太 孫崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Precision Products Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Precision Products Co Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Precision Products Co Ltd filed Critical Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority to JP2010080483A priority Critical patent/JP2011213138A/en
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Abstract

【課題】1軸で擬似無重力状態を生成する擬似無重力生成装置を提供する。
【解決手段】擬似無重力生成装置1は、XYZ直交静止座標系内に配置される。傾斜クランク10は、シャフト部101とシャフト部102とを備える。シャフト部101は、X軸方向に延びる。シャフト部102は、シャフト部101に対して傾斜してシャフト部101に接続される。回転部材11は、シャフト部102の周りに回転可能に傾斜クランク10に取り付けられる。ガイド部材12は、回転部材11に取り付けられる。駆動源13は、傾斜クランク10をX軸周りに回転する。ガイド部材14は、回転部材11の周りに配置され、ガイド部材12と接触してガイド部材12の移動をガイドする。擬似無重力装置1では、駆動源13が傾斜クランク10を回転するとき、ガイド部材14がガイド部材12の移動をガイドすることにより、回転部材11が三次元的に回転する。
【選択図】図1
The present invention provides a pseudo zero gravity generating device that generates a pseudo zero gravity state with one axis.
A pseudo zero gravity generator is disposed in an XYZ orthogonal stationary coordinate system. The inclined crank 10 includes a shaft portion 101 and a shaft portion 102. The shaft portion 101 extends in the X axis direction. The shaft portion 102 is inclined with respect to the shaft portion 101 and connected to the shaft portion 101. The rotating member 11 is attached to the inclined crank 10 so as to be rotatable around the shaft portion 102. The guide member 12 is attached to the rotating member 11. The drive source 13 rotates the inclined crank 10 around the X axis. The guide member 14 is disposed around the rotating member 11 and contacts the guide member 12 to guide the movement of the guide member 12. In the pseudo zero gravity device 1, when the drive source 13 rotates the inclined crank 10, the guide member 14 guides the movement of the guide member 12, whereby the rotating member 11 rotates three-dimensionally.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、擬似無重力生成装置に関する。   The present invention relates to a pseudo-weightless generator.

擬似無重力生成装置は、三次元クリノスタットとも呼ばれる。擬似無重力生成装置は、供試材を搭載し、搭載された供試材を三次元的に回転する。供試材は三次元的に回転されるため、供試材が重力による刺激を受ける前に、供試材にかかる重力の方向が変化する。このように、擬似無重力生成装置は、供試材に掛かる重力ベクトルを分散する。そして、供試材に固定されたxyz直交座標系の3軸方向の各々に働く重力の時間平均を実質的にゼロにする。要するに、擬似無重力生成装置は、供試材に対して擬似的な無重力状態を生成する。   The pseudo zero gravity generator is also called a three-dimensional clinostat. The pseudo zero gravity generator is equipped with a specimen, and the loaded specimen is rotated three-dimensionally. Since the specimen is rotated three-dimensionally, the direction of gravity applied to the specimen changes before the specimen is stimulated by gravity. In this way, the pseudo zero gravity generator disperses the gravity vector applied to the test material. Then, the time average of gravity acting on each of the three axes in the xyz orthogonal coordinate system fixed to the test material is made substantially zero. In short, the pseudo zero gravity generating device generates a pseudo zero gravity state for the test material.

特開平11−264716号公報(特許文献1)、特開2000−79900号公報(特許文献2)、特開2003−70456号公報(特許文献3)、特開2007−131261号公報(特許文献4)、特開2007−284006号公報(特許文献5)及び特開2008−273276号公報(特許文献6)は、擬似無重力生成装置を開示する。これらの文献に開示される擬似無重力生成装置は、2軸の回転機構を備える。これらの擬似無重力装置は、供試材を、2軸で3次元的に回転する。   JP-A-11-264716 (Patent Document 1), JP-A-2000-79900 (Patent Document 2), JP-A-2003-70456 (Patent Document 3), JP-A-2007-131261 (Patent Document 4) JP, 2007-284006, A (patent documents 5) and JP, 2008-273276, (patent documents 6) disclose a pseudo zero gravity generation device. The pseudo zero gravity generator disclosed in these documents includes a biaxial rotation mechanism. These pseudo-weightless devices rotate the sample material three-dimensionally about two axes.

特開平11−264716号公報JP-A-11-264716 特開2000−79900号公報JP 2000-79900 A 特開2003−70456号公報JP 2003-70456 A 特開2007−131261号公報JP 2007-131261 A 特開2007−284006号公報JP 2007-284006 A 特開2008−273276号公報JP 2008-273276 A

しかしながら、2軸の回転機構は複雑な機構を有する。さらに、2軸の場合、各軸の角速度の制御が複雑になりやすい。さらに、供試材を2軸で三次元的に回転する場合、回転時の角速度が急激に変化しやすく、不連続に変化する。したがって、1軸で供試材に対して擬似的な無重力状態を提供できる方が好ましい。   However, the biaxial rotation mechanism has a complicated mechanism. Furthermore, in the case of two axes, the control of the angular velocity of each axis tends to be complicated. Furthermore, when the specimen is rotated three-dimensionally with two axes, the angular velocity during rotation tends to change rapidly and changes discontinuously. Therefore, it is preferable that a pseudo zero gravity state can be provided to the test material on one axis.

本発明の目的は、1軸で擬似的な無重力状態を生成できる擬似無重力生成装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a pseudo zero gravity generating device capable of generating a pseudo zero gravity state with one axis.

課題を解決するための手段及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

本発明による擬似無重力生成装置は、XYZ直交静止座標系内に配置される。本発明による擬似無重力装置は、傾斜クランクと、回転部材と、第1のガイド部材と、駆動源と、第2のガイド部材とを備える。傾斜クランクは、第1シャフト部と第2シャフト部とを備える。第1シャフト部は、X軸方向に延びる。第2シャフト部は、第1シャフト部に対して傾斜して第1シャフト部に接続される。回転部材は、第2シャフト部の周りに回転可能に傾斜クランクに取り付けられる。回転部材には対象物が搭載される。第1のガイド部材は、回転部材に取り付けられる。駆動源は、傾斜クランクをX軸周りに回転する。第2のガイド部材は、軌道面を有する。軌道面は、回転部材の周りに配置され、第1のガイド部材と接触して第1のガイド部材の移動をガイドする。擬似無重力装置では、駆動源が傾斜クランクを回転するとき第2のガイド部材が第1のガイド部材の移動をガイドすることにより、回転部材が三次元的に回転する。   The pseudo zero gravity generator according to the present invention is arranged in an XYZ orthogonal stationary coordinate system. The pseudo zero gravity apparatus according to the present invention includes an inclined crank, a rotating member, a first guide member, a drive source, and a second guide member. The inclined crank includes a first shaft portion and a second shaft portion. The first shaft portion extends in the X-axis direction. The second shaft portion is inclined with respect to the first shaft portion and connected to the first shaft portion. The rotating member is attached to the inclined crank so as to be rotatable around the second shaft portion. An object is mounted on the rotating member. The first guide member is attached to the rotating member. The drive source rotates the inclined crank around the X axis. The second guide member has a raceway surface. The raceway surface is disposed around the rotating member and contacts the first guide member to guide the movement of the first guide member. In the quasi-gravity device, the second guide member guides the movement of the first guide member when the drive source rotates the inclined crank, so that the rotary member rotates three-dimensionally.

本発明による無重力生成装置は、回転部材を1軸で回転することで、擬似的な無重力状態を生成できる。   The weightless generator according to the present invention can generate a pseudo weightless state by rotating the rotating member around one axis.

好ましくは、擬似無重力生成装置では、第2シャフトの軸方向に延びるx軸を含むxyz直交動座標系において、x軸の重力加速度、y軸の重力加速度及びz軸の重力加速度の時間平均が等しい。   Preferably, in the pseudo zero gravity generating device, in the xyz orthogonal motion coordinate system including the x axis extending in the axial direction of the second shaft, the time average of the x axis gravity acceleration, the y axis gravity acceleration, and the z axis gravity acceleration is equal. .

好ましくは、前記回転部材のピッチ角θ、ヨー角Ψ及びロール角φが、式(A)〜式(C)を満たすように軌道面の形状が設けられる、擬似無重力生成装置。   Preferably, the pseudo-gravity generating device is provided with a raceway shape so that the pitch angle θ, the yaw angle Ψ, and the roll angle φ of the rotating member satisfy the formulas (A) to (C).

θ=sin−1(sinαcosβ) (A)
Ψ=tan−1(tanαsinβ) (B)
φ=β/2+f(β) (C)
ここで、αは第1シャフト部と第2シャフト部とがなす傾斜角である。βは傾斜クランクのX軸周りの回転角である。f(β)は、周期πの周期関数であり、かつ、奇関数である。
θ = sin −1 (sin α cos β) (A)
Ψ = tan −1 (tan αsin β) (B)
φ = β / 2 + f (β) (C)
Here, α is an inclination angle formed by the first shaft portion and the second shaft portion. β is a rotation angle around the X axis of the inclined crank. f (β) is a periodic function with a period π and an odd function.

本実施の形態による擬似無重力生成装置の斜視図である。It is a perspective view of the pseudo zero gravity generation device by this embodiment. 図1に示す擬似無重力生成装置の模式図である。It is a schematic diagram of the pseudo zero gravity generation apparatus shown in FIG. 図1に示す擬似無重力生成装置内の回転部材に固定されるxyz直交動座標において、x軸方向のiベクトルと、y軸方向のjベクトルと、z軸方向のkベクトルとの関係を説明するための模式図である。In the xyz orthogonal motion coordinate fixed to the rotating member in the pseudo zero gravity generating apparatus shown in FIG. 1, the relationship between the i vector in the x axis direction, the j vector in the y axis direction, and the k vector in the z axis direction will be described. It is a schematic diagram for. xyz直交動座標系におけるx軸方向のiベクトルと、傾斜角αと、回転角βとの幾何学的関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the geometric relationship of i vector of the x-axis direction in the xyz orthogonal motion coordinate system, inclination-angle (alpha), and rotation angle (beta). 本明細書中の式(5)、(6)、(7)及び(9)に基づいて算出された、オイラー角(φ、θ及びΨ)と回転角度βとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the Euler angles ((phi), (theta), and (PSI)) calculated based on Formula (5), (6), (7) and (9) in this specification, and the rotation angle (beta). ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、回転角度βに対するiベクトルのXYZ直交静止座標上での座標を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating coordinates on an XYZ orthogonal stationary coordinate of an i vector with respect to a rotation angle β when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、XYZ直交静止座標系でのiベクトルの軌跡を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a trajectory of an i vector in an XYZ orthogonal static coordinate system when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、回転角度βに対するjベクトルのXYZ直交静止座標上での座標を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating coordinates on an XYZ orthogonal stationary coordinate of a j vector with respect to a rotation angle β when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、XYZ直交静止座標系でのjベクトルの軌跡を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a trajectory of a j vector in an XYZ orthogonal stationary coordinate system when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、回転角度βに対する単位ベクトルkのXYZ直交静止座標上での座標を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating coordinates on a XYZ orthogonal stationary coordinate of a unit vector k with respect to a rotation angle β when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合の、XYZ直交静止座標系でのkベクトルの軌跡を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a locus of a k vector in an XYZ orthogonal static coordinate system when a roll angle φ, a pitch angle θ, and a yaw angle Ψ are determined as illustrated in FIG. 5. 本明細書中の式(12)で示される重力加速度ベクトルgの軌跡の一例を示す図である。Is a diagram illustrating an example of a locus of gravitational acceleration vector g b represented by the formula (12) in this specification. 図1に示すガイド部材の展開図である。It is an expanded view of the guide member shown in FIG.

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[擬似無重力生成装置の全体構成]
図1は本実施の形態による擬似無重力生成装置1の斜視図である。擬似無重力生成装置1は、XYZ直交静止座標系内に配置される。XYZ直交静止座標系は、X軸とY軸とZ軸とを有する。X軸、Y軸及びZ軸は互いに直交する。Z軸は鉛直方向に延びる。X軸及びY軸は水平面に含まれる。X軸及びY軸の方位角(東西南北の向き)は任意である。
[Overall configuration of pseudo zero gravity generator]
FIG. 1 is a perspective view of a pseudo zero gravity generator 1 according to this embodiment. The pseudo zero gravity generator 1 is arranged in an XYZ orthogonal stationary coordinate system. The XYZ orthogonal static coordinate system has an X axis, a Y axis, and a Z axis. The X axis, the Y axis, and the Z axis are orthogonal to each other. The Z axis extends in the vertical direction. The X axis and the Y axis are included in the horizontal plane. The azimuth angles (directions of east, west, north and south) of the X axis and the Y axis are arbitrary.

擬似無重力生成装置1は、傾斜クランク10と、回転部材11と、ガイド部材12と、駆動源13と、ガイド部材14とを備える。   The pseudo zero gravity generating device 1 includes an inclined crank 10, a rotating member 11, a guide member 12, a drive source 13, and a guide member 14.

図2は、擬似無重力生成装置1の模式図である。図1及び図2を参照して、傾斜クランク10は、一対のシャフト部101と、シャフト部102とを備える。一対のシャフト部101は、X軸方向に延びる。シャフト部102は、シャフト部101に対して傾斜して一対のシャフト部101に接続される。より具体的には、シャフト部102は、一対のシャフト部101の間に配置される。そして、シャフト部102は、一対のクランクアーム103を介して、一対のシャフト部101に間接的に接続される。図2に示すように、シャフト部101とシャフト部102とがなす角度は、α(deg)である。以降、角度αを、「傾斜角α」と呼ぶ。傾斜角αは一定である。   FIG. 2 is a schematic diagram of the pseudo zero gravity generator 1. With reference to FIGS. 1 and 2, the inclined crank 10 includes a pair of shaft portions 101 and a shaft portion 102. The pair of shaft portions 101 extends in the X-axis direction. The shaft portion 102 is inclined with respect to the shaft portion 101 and connected to the pair of shaft portions 101. More specifically, the shaft portion 102 is disposed between the pair of shaft portions 101. The shaft portion 102 is indirectly connected to the pair of shaft portions 101 via the pair of crank arms 103. As shown in FIG. 2, the angle formed by the shaft portion 101 and the shaft portion 102 is α (deg). Hereinafter, the angle α is referred to as “inclination angle α”. The inclination angle α is constant.

図1を参照して、回転部材11は、シャフト部102の周りに回転可能に傾斜クランク10に取り付けられる。換言すれば、シャフト部102は、回転部材11内に回転可能に挿入される。回転部材11は、シャフト部102が挿入される貫通孔を有する。たとえば、回転部材11の貫通孔とシャフト部102との間には、図示しないベアリングが取り付けられる。回転部材11は、シャフト部102の周りを回転する。   Referring to FIG. 1, the rotating member 11 is attached to the inclined crank 10 so as to be rotatable around the shaft portion 102. In other words, the shaft portion 102 is rotatably inserted into the rotating member 11. The rotating member 11 has a through hole into which the shaft portion 102 is inserted. For example, a bearing (not shown) is attached between the through hole of the rotating member 11 and the shaft portion 102. The rotating member 11 rotates around the shaft portion 102.

回転部材11には、対象物が搭載される。対象物はたとえば、供試材である。供試材はたとえば、微生物や動植物である。供試材が植物である場合、たとえば、擬似無重力状態下における供試材の成長等が調査される。   An object is mounted on the rotating member 11. The object is, for example, a test material. The test material is, for example, a microorganism or an animal or plant. When the test material is a plant, for example, the growth of the test material under a pseudo-weightless condition is investigated.

図1では、回転部材11は筺体状であり、直方体状である。この場合、供試材は回転部材11に収納される。回転部材11の形状は筐体状に限定されない。図2に示すとおり、回転部材11は板状であってもよい。板状の回転部材11はたとえば、中央に貫通孔を有する。そして、貫通孔にシャフト部102が挿入される。シャフト部102は、板状の回転部材11の法線方向に延びる。板状の回転部材11の場合、供試材は回転部材11上に搭載される。   In FIG. 1, the rotating member 11 has a box shape and a rectangular parallelepiped shape. In this case, the test material is stored in the rotating member 11. The shape of the rotating member 11 is not limited to a housing shape. As shown in FIG. 2, the rotating member 11 may be plate-shaped. The plate-like rotating member 11 has a through hole at the center, for example. Then, the shaft portion 102 is inserted into the through hole. The shaft portion 102 extends in the normal direction of the plate-like rotating member 11. In the case of the plate-like rotating member 11, the test material is mounted on the rotating member 11.

一対のガイド部材12は、棒状であり、回転部材11に取り付けられる。より具体的には、一対のガイド部材12は、同じ仮想線上に配置される。そして、ガイド部材12は、シャフト102と直交する。好ましくは、一対のガイド部材12は、回転部材11の重心を含む仮想線上に配置される。
ガイド部材12は、ガイド部材14と接触する。傾斜クランク10がX軸周りを回転するとき、ガイド部材12はガイド部材14上をスライドして移動する。ガイド部材12を備える回転部材11は、ガイド部材12のスライドに応じてシャフト部102の周りを回転する。
The pair of guide members 12 has a rod shape and is attached to the rotating member 11. More specifically, the pair of guide members 12 are arranged on the same virtual line. The guide member 12 is orthogonal to the shaft 102. Preferably, the pair of guide members 12 are arranged on an imaginary line including the center of gravity of the rotating member 11.
The guide member 12 is in contact with the guide member 14. When the inclined crank 10 rotates around the X axis, the guide member 12 slides on the guide member 14 and moves. The rotating member 11 including the guide member 12 rotates around the shaft portion 102 according to the slide of the guide member 12.

駆動源13は、傾斜クランク10のシャフト部101と接続される。駆動源13は、傾斜クランク10をX軸周りに回転する。駆動源13はたとえば、周知のモータである。駆動源13は、土台15上に取り付けられる。そして、駆動源13は、傾斜クランク10をX軸周りに一定速度で回転する。   The drive source 13 is connected to the shaft portion 101 of the inclined crank 10. The drive source 13 rotates the inclined crank 10 around the X axis. The drive source 13 is, for example, a known motor. The drive source 13 is mounted on the base 15. The drive source 13 rotates the inclined crank 10 around the X axis at a constant speed.

一対の支持部材50は、板状である。一対の支持部材50は、傾斜クランク10の一対のシャフト部101をX軸方向に回転可能に支持する。支持部材50は、土台15上に立てて配置される。回転部材11は、一対の支持部材50の間に配置される。一対の支持部材50の各々には、シャフト部101に対応する貫通孔が形成される。一対のシャフト部101は、一対の支持部材50の貫通孔に挿入され、支持部材50により、回転可能に支持される。   The pair of support members 50 are plate-shaped. The pair of support members 50 support the pair of shaft portions 101 of the inclined crank 10 so as to be rotatable in the X-axis direction. The support member 50 is arranged upright on the base 15. The rotating member 11 is disposed between the pair of support members 50. A through hole corresponding to the shaft portion 101 is formed in each of the pair of support members 50. The pair of shaft portions 101 are inserted into the through holes of the pair of support members 50 and are rotatably supported by the support members 50.

ガイド部材14は、回転部材11の周りに配置される。図1では、ガイド部材14は、上端に傾斜した開口142を有する筒状である。ガイド部材14は、土台15上に配置され、傾斜した開口142内には、回転部材11が配置される。   The guide member 14 is disposed around the rotating member 11. In FIG. 1, the guide member 14 has a cylindrical shape having an opening 142 inclined at the upper end. The guide member 14 is disposed on the base 15, and the rotating member 11 is disposed in the inclined opening 142.

ガイド部材14は、軌道面141を有する。軌道面141は、開口142の周縁に相当し、筒の上端縁に配置される。軌道面141は、回転部材11の周りに配置され、一対のガイド部材12と接触する。傾斜クランク10が回転するとき、ガイド部材12は軌道面141上をスライドしながら移動する。つまり、ガイド部材14は、傾斜クランク10が回転するとき、ガイド部材12の移動をガイドする。   The guide member 14 has a raceway surface 141. The raceway surface 141 corresponds to the periphery of the opening 142 and is disposed at the upper end edge of the cylinder. The raceway surface 141 is disposed around the rotating member 11 and contacts the pair of guide members 12. When the inclined crank 10 rotates, the guide member 12 moves while sliding on the raceway surface 141. That is, the guide member 14 guides the movement of the guide member 12 when the inclined crank 10 rotates.

上述のとおり、回転部材11は、ガイド部材12のスライドに応じてシャフト102の周りを回転する。したがって、回転部材11は、軌道面141の形状に応じて、シャフト102の周りを回転する。要するに、ガイド部材14及び軌道面141の形状に応じて、回転部材11の回転(姿勢角)が制御される。   As described above, the rotating member 11 rotates around the shaft 102 according to the slide of the guide member 12. Therefore, the rotating member 11 rotates around the shaft 102 according to the shape of the raceway surface 141. In short, the rotation (posture angle) of the rotating member 11 is controlled according to the shapes of the guide member 14 and the raceway surface 141.

図2を参照して、回転部材11には、xyz直交動座標系が固定される。xyz直交動座標系は以下のとおり定義される。x軸、y軸及びz軸は互いに直交する。x軸はシャフト部102の軸方向に延びる。z軸は、ガイド部材12の軸方向に延びる。ガイド部材12は、x軸と直交する。要するに、ガイド部材12は、y軸又はz軸方向に延びる。   With reference to FIG. 2, an xyz orthogonal motion coordinate system is fixed to the rotating member 11. The xyz orthogonal motion coordinate system is defined as follows. The x axis, the y axis, and the z axis are orthogonal to each other. The x axis extends in the axial direction of the shaft portion 102. The z axis extends in the axial direction of the guide member 12. The guide member 12 is orthogonal to the x axis. In short, the guide member 12 extends in the y-axis or z-axis direction.

[軌道面の形状]
擬似無重力生成装置1では、駆動源13が傾斜クランク10を回転するとき、ガイド部材14がガイド部材12の移動をガイドすることにより、回転部材11が三次元的に回転する。このとき、ガイド部材12は、軌道面141と接触しながら軌道面141上を周回する。したがって、軌道面141の形状に応じて、回転部材11は三次元的に回転する。以上の動作により、擬似無重力生成装置は、1軸(傾斜シャフト)をX軸周りに回転することにより、回転部材11を三次元的に回転し、擬似的な無重力状態を生成できる。
[Shape of raceway]
In the pseudo zero gravity generating device 1, when the drive source 13 rotates the inclined crank 10, the guide member 14 guides the movement of the guide member 12, whereby the rotating member 11 rotates three-dimensionally. At this time, the guide member 12 circulates on the raceway surface 141 while being in contact with the raceway surface 141. Therefore, the rotating member 11 rotates three-dimensionally according to the shape of the raceway surface 141. By the above operation, the pseudo zero gravity generating device can generate a pseudo zero gravity state by rotating the rotating member 11 three-dimensionally by rotating one axis (inclined shaft) around the X axis.

好ましくは、軌道面141の形状は、回転部材11の姿勢角(ピッチ角θ、ヨー角Ψ及びロール角φ)が、式(A)〜式(C)を満たすように設けられる。   Preferably, the shape of the raceway surface 141 is provided so that the posture angles (pitch angle θ, yaw angle Ψ, and roll angle φ) of the rotating member 11 satisfy the expressions (A) to (C).

θ=sin−1(sinαcosβ) (A)
Ψ=tan−1(tanαsinβ) (B)
φ=β/2+f(β) (C)
ここで、ロール角φは回転部材11のx軸周りの回転角度を示し、ピッチ角θは、x軸が水平面となす角度を示し、ヨー角Ψは、水平面上に投影したx軸の回転角度を示す。より正確な定義は以下の通りである。最初に、回転部材11(xyz直交動座標系)をXYZ直交静止座標系に一致させる。第一の回転として、回転部材11(xyz直交動座標系)を+Z軸周り(この段階では+Z軸と+z軸とは一致する)に、時計回りを正として回転させた角度をヨー角ψ(deg)と定義する。第二の回転として、回転部材11(xyz直交動座標系)を上記の第一の回転後の+y軸周りに、時計回りを正として回転させた角度をピッチ角θ(deg)と定義する。第三の回転として、回転部材11(xyz直交動座標系)を上記の第二の回転後の+x軸周りに、時計回りを正として回転させた角度をロール角φ(deg)と定義する。
θ = sin −1 (sin α cos β) (A)
Ψ = tan −1 (tan αsin β) (B)
φ = β / 2 + f (β) (C)
Here, the roll angle φ indicates the rotation angle around the x-axis of the rotating member 11, the pitch angle θ indicates the angle formed by the x-axis and the horizontal plane, and the yaw angle Ψ is the rotation angle of the x-axis projected on the horizontal plane. Indicates. A more precise definition is as follows. First, the rotating member 11 (xyz orthogonal motion coordinate system) is matched with the XYZ orthogonal static coordinate system. As the first rotation, the angle obtained by rotating the rotating member 11 (xyz orthogonal motion coordinate system) around the + Z axis (in this stage, the + Z axis and the + z axis coincide with each other) with the clockwise rotation as positive is the yaw angle ψ ( deg). As the second rotation, an angle obtained by rotating the rotating member 11 (xyz orthogonal motion coordinate system) around the + y axis after the first rotation with the clockwise rotation as positive is defined as a pitch angle θ (deg). As the third rotation, an angle obtained by rotating the rotation member 11 (xyz orthogonal motion coordinate system) around the + x axis after the second rotation with the clockwise rotation as positive is defined as a roll angle φ (deg).

また、図2に示すとおり、傾斜角α(deg)は、シャフト部101とシャフト部102とがなす角度である。傾斜角α(deg)は一定である。回転角β(deg)は、傾斜クランク10のX軸周りの回転角であり、+X軸方向に向いて時計回りを正とする。   Further, as shown in FIG. 2, the inclination angle α (deg) is an angle formed by the shaft portion 101 and the shaft portion 102. The inclination angle α (deg) is constant. The rotation angle β (deg) is a rotation angle around the X axis of the inclined crank 10 and is positive in the clockwise direction toward the + X axis direction.

回転部材11のピッチ角θ、ヨー角Ψ及びロール角φが上述の式(A)〜(C)を満たせば、擬似無重力生成装置1が生成する擬似無重力状態は、無重力状態にさらに近づく。換言すれば、擬似無重力生成装置は、式(A)〜(C)を満たすように設けられた軌道面141を有することにより、xyz直交動座標系において、x軸の重力加速度成分gの時間平均gxaveと、y軸の重力加速度成分gの時間平均gyaveと、z軸の重力加速度成分gの時間平均gzaveとを実質的に等しくでき、いずれも0にすることができる。以下、この点について詳述する。 If the pitch angle θ, the yaw angle Ψ, and the roll angle φ of the rotating member 11 satisfy the above-described formulas (A) to (C), the pseudo zero gravity state generated by the pseudo zero gravity generation device 1 further approaches the zero gravity state. In other words, the pseudo zero gravity generating device has the orbital surface 141 provided so as to satisfy the expressions (A) to (C), so that the time of the gravitational acceleration component g x of the x axis in the xyz orthogonal motion coordinate system. the average g Xave, and time average g Yave of gravitational acceleration component g y of y-axis, can be substantially equal to the time average g Zave of gravitational acceleration component g z of the z-axis, both can be zero. Hereinafter, this point will be described in detail.

図3に示すとおり、xyz直交動座標系において、x軸の単位ベクトルをiベクトルと定義する。y軸の単位ベクトルをjベクトルを定義する。z軸の単位ベクトルをkベクトルと定義する。   As shown in FIG. 3, an x-axis unit vector is defined as an i vector in the xyz orthogonal motion coordinate system. The j vector is defined as the unit vector of the y axis. A z-axis unit vector is defined as a k vector.

XYZ直交静止座標系におけるiベクトル、jベクトル及びzベクトルの座標は、式(1)で定義される。   The coordinates of the i vector, j vector, and z vector in the XYZ orthogonal static coordinate system are defined by equation (1).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

ここで、i、j及びkは、XYZ直交静止座標系におけるiベクトル、jベクトル及びkベクトルのX座標である。同様に、i、j及びkは、XYZ直交静止座標系におけるiベクトル、jベクトル及びkベクトルのY座標である。i、j及びkは、XYZ直交静止座標系におけるiベクトル、jベクトル及びkベクトルのZ座標である。
xyz直交動座標系から、XYZ直交静止座標系への座標変換マトリクス(方向余弦マトリクス)C は、式(2)で定義される。
Here, i X , j X and k X are the X coordinates of the i vector, j vector and k vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system. Similarly, i Y , j Y and k Y are the Y coordinates of the i vector, j vector and k vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system. i Z , j Z and k Z are the Z coordinates of the i vector, j vector and k vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system.
A coordinate transformation matrix (direction cosine matrix) C n b from the xyz orthogonal moving coordinate system to the XYZ orthogonal static coordinate system is defined by Expression (2).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

逆に、XYZ直交静止座標系からxyz直交動座標系への座標変換マトリクス(方向余弦マトリクス)C は、式(3)で定義される。 Conversely, a coordinate conversion matrix (direction cosine matrix) C b n from the XYZ orthogonal static coordinate system to the xyz orthogonal motion coordinate system is defined by Expression (3).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(3)で示されるマトリクスC は、式(2)で示されるマトリクスC の逆行列である。座標変換マトリクスにおいて、逆行列は転置行列に一致する。 A matrix C b n represented by Expression (3) is an inverse matrix of the matrix C n b represented by Expression (2). In the coordinate transformation matrix, the inverse matrix matches the transpose matrix.

図4は、XYZ直交静止座標系における、iベクトルと、傾斜角αと、回転角βとの幾何学的関係を示す模式図である。図4を参照して、XYZ直交静止座標系におけるiベクトルの座標(i、i、i)は、式(4)で定義される。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a geometric relationship among the i vector, the inclination angle α, and the rotation angle β in the XYZ orthogonal static coordinate system. Referring to FIG. 4, the coordinates (i X , i Y , i Z ) of the i vector in the XYZ orthogonal static coordinate system are defined by Expression (4).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(2)〜式(4)を利用すれば、ピッチ角θとヨー角Ψとは、回転角βの関数として示される。具体的には、ピッチ角θは式(5)で示され、ヨー角Ψは式(6)で示される。   If Expressions (2) to (4) are used, the pitch angle θ and the yaw angle Ψ are expressed as a function of the rotation angle β. Specifically, the pitch angle θ is represented by Expression (5), and the yaw angle Ψ is represented by Expression (6).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

Figure 2011213138
Figure 2011213138

ここで、ロール角φが、式(7)で定義される場合を考える。   Here, consider a case where the roll angle φ is defined by equation (7).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(7)における関数f(β)は、奇関数であり、かつ、周期πの周期関数である。換言すれば、関数f(β)は、式(8)で定義される。
f(β)=−f(−β)
f(β+π)=f(β) (8)
The function f (β) in Equation (7) is an odd function and a periodic function with a period π. In other words, the function f (β) is defined by equation (8).
f (β) = − f (−β)
f (β + π) = f (β) (8)

関数f(β)は、式(8)を満たせば任意である。
上述の式(5)は式(A)に相当し、式(6)は式(B)に相当する。そして、式(7)は式(C)に相当する。これらの式(A)〜(C)を満たすように、軌道面141が形成されることにより、擬似無重力生成装置1により生成される擬似無重力状態は、無重力状態にさらに近づく。
以下、関数f(β)の一例として、関数f(β)が式(9)で示される場合の、擬似無重力生成装置1の動作について説明する。
f(β)=a×sin(2β) (9)
ここで、aは任意の定数である。
The function f (β) is arbitrary as long as Expression (8) is satisfied.
The above equation (5) corresponds to the equation (A), and the equation (6) corresponds to the equation (B). Expression (7) corresponds to Expression (C). By forming the raceway surface 141 so as to satisfy these formulas (A) to (C), the simulated weightless state generated by the simulated weightless generation device 1 further approaches the weightless state.
Hereinafter, as an example of the function f (β), the operation of the pseudo zero gravity generating device 1 when the function f (β) is represented by Expression (9) will be described.
f (β) = a × sin (2β) (9)
Here, a is an arbitrary constant.

式(5)、(6)、(7)及び式(9)に基づいて、回転角度βにおけるオイラー角(φ、θ及びΨ)が決定される。図5は、式(5)、(6)、(7)及び(9)に基づいて算出された、姿勢角(φ、θ及びΨ)(deg)と回転角度β(deg)との関係を示す図である。図中の曲線L1は、ロール角φを示す。曲線L2はピッチ角θを示す。曲線L3は、ヨー角Ψを示す。なお、ロール角φは一般的には、回転角度β=±180degの範囲で定義される。しかしながら、図5中のロール角φは、式(7)に基づいて連続的にプロットされている。図5を参照して、回転角βが720deg回転すると、ロール角φは360°回転する。つまり、本例では、回転角βが720deg回転すると、回転部材11がx軸周りを一回転する。   Based on the equations (5), (6), (7) and the equation (9), the Euler angles (φ, θ and ψ) at the rotation angle β are determined. FIG. 5 shows the relationship between the posture angle (φ, θ and Ψ) (deg) and the rotation angle β (deg) calculated based on the equations (5), (6), (7), and (9). FIG. A curve L1 in the figure indicates the roll angle φ. A curve L2 indicates the pitch angle θ. A curve L3 indicates the yaw angle ψ. The roll angle φ is generally defined in the range of the rotation angle β = ± 180 deg. However, the roll angle φ in FIG. 5 is continuously plotted based on Equation (7). Referring to FIG. 5, when the rotation angle β is rotated by 720 degrees, the roll angle φ is rotated by 360 °. That is, in this example, when the rotation angle β is rotated by 720 degrees, the rotating member 11 makes one rotation around the x axis.

ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが決定されれば、式(2)又は式(3)に基づいて、xyz直交動座標系における、回転角度βに対するiベクトル、jベクトル及びkベクトルの座標が決定される。たとえば、ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合、回転角度βに対するiベクトルのXYZ直交静止座標上での座標は、図6に示すとおりである。図中の曲線LiXは、iベクトルのX座標(i)を示す。曲線LiYは、iベクトルのY座標(i)を示す。曲線LiZは、iベクトルのZ座標(i)を示す。
図7(a)〜(c)は、図5に示すロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψの場合の、iベクトルのXYZ直交静止座標系における軌跡を示す。図7(a)は、XZ平面上でのiベクトルの軌跡を示す。図7(b)は、YZ平面上でのiベクトルの軌跡を示す。図7(c)は、XY平面上でのiベクトルの軌跡を示す。
If the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ are determined, the i-vector, j-vector, and k-vector of the rotation angle β in the xyz orthogonal motion coordinate system based on the equation (2) or the equation (3). Coordinates are determined. For example, when the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle Ψ are determined as shown in FIG. 5, the coordinates on the XYZ orthogonal stationary coordinates of the i vector with respect to the rotation angle β are as shown in FIG. A curve LiX in the figure indicates the X coordinate (i X ) of the i vector. A curve LiY indicates the Y coordinate (i Y ) of the i vector. A curve LiZ indicates the Z coordinate (i Z ) of the i vector.
7A to 7C show trajectories of the i vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system in the case of the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ shown in FIG. FIG. 7A shows the trajectory of the i vector on the XZ plane. FIG. 7B shows the locus of the i vector on the YZ plane. FIG. 7C shows the locus of the i vector on the XY plane.

ロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψが図5のとおりに決定される場合、回転角度βに対するjベクトルのXYZ直交静止座標系上での座標は、図8に示すとおりである。図8中の曲線LjXは、jベクトルのX座標(j)を示す。曲線LjYは、jベクトルのY座標(j)を示し、曲線LjZは、jベクトルのZ座標(j)を示す。さらに、図9(a)〜(c)は、図5に示すロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψの場合の、jベクトルのXYZ直交静止座標系における軌跡を示す。図9(a)は、XZ平面上でのjベクトルの軌跡を示す。図9(b)は、YZ平面上でのjベクトルの軌跡を示す。図9(c)は、XY平面上でのjベクトルの軌跡を示す。
さらに、図5に示すロール角φ、ピッチ角θ及びヨー角Ψの場合の、回転角βに対するkベクトルのXYZ直交静止座標系上での座標は、図10に示すとおりである。図8中の曲線LkXは、kベクトルのX座標(k)を示し、曲線LkYは、kベクトルのY座標(k)を示し、曲線LkZは、kベクトルのZ座標(k)を示す。また、図11(a)〜(c)は、kベクトルのXYZ直交静止座標系における軌跡を示す。図11(a)は、XZ平面上でのkベクトルの軌跡を示し、図11(b)はYZ平面上でのkベクトルの軌跡を示し、図11(c)はXY平面上でのkベクトルの軌跡を示す。
When the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle Ψ are determined as shown in FIG. 5, the coordinates of the j vector with respect to the rotation angle β on the XYZ orthogonal stationary coordinate system are as shown in FIG. A curve LjX in FIG. 8 indicates the X coordinate (j X ) of the j vector. A curve LjY indicates the Y coordinate (j Y ) of the j vector, and a curve LjZ indicates the Z coordinate (j Z ) of the j vector. Further, FIGS. 9A to 9C show trajectories of the j vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system in the case of the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ shown in FIG. FIG. 9A shows the trajectory of the j vector on the XZ plane. FIG. 9B shows the trajectory of the j vector on the YZ plane. FIG. 9C shows the trajectory of the j vector on the XY plane.
Further, in the case of the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ shown in FIG. 5, the coordinates of the k vector with respect to the rotation angle β on the XYZ orthogonal stationary coordinate system are as shown in FIG. The curve LkX in FIG. 8 indicates the X coordinate (k X ) of the k vector, the curve LkY indicates the Y coordinate (k Y ) of the k vector, and the curve LkZ indicates the Z coordinate (k Z ) of the k vector. Show. FIGS. 11A to 11C show the locus of the k vector in the XYZ orthogonal stationary coordinate system. 11A shows the locus of the k vector on the XZ plane, FIG. 11B shows the locus of the k vector on the YZ plane, and FIG. 11C shows the k vector on the XY plane. Shows the trajectory.

擬似無重力生成装置1が動作するとき、回転部材11のピッチ角θ、ヨー角Ψ及びロール角φが、式(A)〜式(C)を満たせば、回転部材11のiベクトル、jベクトル及びkベクトルは、傾斜クランク10の回転に対して、図6〜図11に示す軌跡を示す。ここで、図6、図8及び図10は、回転角βに対する各単位ベクトルの座標を示すが、駆動源13は一定速度で傾斜シャフト10をX軸周りに回転する。したがって、図6、図8及び図10の横軸(回転角β)は、時間軸に相当する。
次に、上述の軌跡を描くiベクトル、jベクトル及びkベクトルを有する回転部材11の、重力加速度ベクトルの軌跡について説明する。
When the pseudo zero gravity generator 1 operates, if the pitch angle θ, the yaw angle Ψ, and the roll angle φ of the rotating member 11 satisfy the expressions (A) to (C), the i vector, the j vector, and the rotating member 11 The k vector indicates the locus shown in FIGS. 6 to 11 with respect to the rotation of the inclined crank 10. Here, FIGS. 6, 8 and 10 show the coordinates of each unit vector with respect to the rotation angle β. The drive source 13 rotates the tilt shaft 10 around the X axis at a constant speed. Therefore, the horizontal axis (rotation angle β) in FIGS. 6, 8, and 10 corresponds to the time axis.
Next, the trajectory of the gravitational acceleration vector of the rotating member 11 having the i vector, the j vector, and the k vector that describe the trajectory will be described.

重力の方向は鉛直方向であり、+Z軸方向である。したがって、XYZ直交静止座標系における重力加速度ベクトルgは、重力加速度の大きさ1G(=9.80665m/s)を1単位として、式(10)で定義される。 The direction of gravity is the vertical direction and the + Z-axis direction. Accordingly, the gravitational acceleration vector g n in the XYZ orthogonal coordinate system at rest, the gravitational acceleration of magnitude 1G a (= 9.80665 m / s 2) as one unit, is defined by equation (10).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

xyz直交動座標系における重力加速度ベクトルgは、式(3)のマトリクスC と、式(10)の重力加速度ベクトルgとの積により、式(11)で示される。 gravitational acceleration vector g b in xyz orthogonal movement coordinate system, the matrix C b n of formula (3), the product of the gravitational acceleration vector g n of the formula (10), formula (11).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

ここで、g、g及びgは、xyz直交動座標系における重力加速度ベクトルgのx軸、y軸及びz軸の重力加速度成分である。 Here, g x , g y and g z are gravity acceleration components of the x-axis, y-axis and z-axis of the gravity acceleration vector g b in the xyz orthogonal motion coordinate system.

式(11)に式(5)及び式(7)を代入すれば、式(12)に示すとおり、重力加速度成分g、g及びgが、傾斜角αと回転角βとで示される。 Substituting Equation (5) and Equation (7) into Equation (11), the gravitational acceleration components g x , gy and g z are represented by the inclination angle α and the rotation angle β as shown in Equation (12). It is.

Figure 2011213138
Figure 2011213138

上述のとおり、傾斜角αは一定である。したがって、式(12)で示される重力加速度成分g、g及びgの独立変数は、回転角βのみである。重力加速度成分g、g及びgはいずれも周期関数である。式(12)を参照して、重力加速度成分gの周期は2πである。重力加速度成分g及びgの周期はいずれもπである。このことは、図6、図8及び図10中の曲線LiZ、LjZ及びLkZを参照しても理解できる。 As described above, the inclination angle α is constant. Therefore, the only independent variable of the gravitational acceleration components g x , g y and g z shown in Expression (12) is the rotation angle β. The gravitational acceleration components g x , g y and g z are all periodic functions. Referring to Expression (12), the period of the gravitational acceleration component g x is 2π. The periods of the gravitational acceleration components g y and g z are both π. This can be understood with reference to the curves LiZ, LjZ, and LkZ in FIGS.

図12(a)及び(b)は、式(12)で示される重力加速度ベクトルgの軌跡の一例を示す図である。図12(a)及び(b)は、傾斜角α=54.7degとした場合の重力加速度ベクトルgの軌跡を示す。図12(a)は、xyz直交動座標系のxz平面上での重力加速度ベクトルgの軌跡を示す。図12(b)は、xyz直交動座標系のyz平面上での重力加速度ベクトルgの軌跡を示す。 FIGS. 12A and 12B are diagrams illustrating an example of the locus of the gravitational acceleration vector g b represented by Expression (12). Figure 12 (a) and 12 (b) shows the locus of gravitational acceleration vector g b in the case where the inclination angle α = 54.7deg. 12 (a) shows the locus of gravitational acceleration vector g b in the xz plane of the xyz orthogonal moving coordinate system. Figure 12 (b) shows the locus of gravitational acceleration vector g b on yz plane of the xyz orthogonal moving coordinate system.

軌道面141は、式(A)〜式(C)を満たす形状を有する。そのため、回転部材11に掛かる重力加速度ベクトルgは、式(12)の通りとなる。このとき、重力加速度ベクトルgの重力加速度成分g、g及びgの時間平均が等しく、互いに0になることを以下に説明する。 The raceway surface 141 has a shape that satisfies the expressions (A) to (C). Therefore, the gravitational acceleration vector g b applied to the rotating member 11 becomes as Equation (12). At this time, it will be described below that the gravitational acceleration components g x , g y and g z of the gravitational acceleration vector g b have the same time average and become zero.

式(12)より、重力加速度ベクトルgのうち、x軸方向の重力加速度成分gは、周期2πの周期関数である。したがって、重力加速度gの時間平均は、回転角βが0rad〜2πの範囲における重力加速度gの平均に等しい。したがって、重力加速度成分gの時間平均gxaveは、式(13)で示される。 From equation (12), the gravitational acceleration component g x in the x-axis direction of the gravitational acceleration vector g b is a periodic function having a period of 2π. Therefore, the time average of the gravitational acceleration g x, the rotation angle β is equal to the average of the gravitational acceleration g x in the range of 0Rad~2pai. Therefore, the time average g xave of the gravitational acceleration component g x is expressed by Expression (13).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

次に、y軸方向の重力加速度成分gの時間平均gyaveについて検討する。式(12)に示すとおり、重力加速度成分g(g(β)ともいう)は、周期πの周期関数である。したがって、時間平均gyaveは、回転角βが−π/2〜π/2の範囲における重力加速度成分gの平均に等しい。以上より、時間平均gyaveは、式(14)で示される。 Next, the time average g yave of the gravitational acceleration component g y in the y-axis direction will be examined. As shown in Expression (12), the gravitational acceleration component g y (also referred to as g y (β)) is a periodic function having a period π. Therefore, the time average g Yave is the rotation angle β is equal to the average of the gravitational acceleration component g y in the range of -π / 2~π / 2. From the above, the time average g yave is expressed by the equation (14).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

被積分関数であるg(β)は、式(12)で示されるとおり、周期πの周期関数であり、かつ、奇関数である。そのため、式(14)に示すとおり、時間平均gyaveは0である。 The integrand g y (β) is a periodic function with a period π and an odd function, as shown in Expression (12). Therefore, as shown in the equation (14), the time average g yave is 0.

次に、z軸方向の重力加速度成分g(gz(β)ともいう)の時間平均gzaveについて検討する。式(12)に示すとおり、重力加速度g(β)は、周期πの周期関数である。重力加速度g(β)にβ+πを代入する。このとき、重力加速度g(β+π)は式(15)で示される。 Next, the time average g zave of the gravitational acceleration component g z (also referred to as gz (β)) in the z-axis direction will be examined. As shown in Expression (12), the gravitational acceleration g z (β) is a periodic function having a period π. Substitute β + π for the gravitational acceleration g z (β). At this time, the gravitational acceleration g z (β + π) is expressed by Expression (15).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

要するに、g(β)は、g(β)の位相をπだけずらしたものと等しい。したがって、時間平均gzaveも、式(16)に示すとおり、時間平均gyaveと同じく0になる。 In short, g z (β) is equal to the phase of g y (β) shifted by π. Therefore, the time average g zave is also 0 as with the time average g yave as shown in the equation (16).

zave=0 (16)
以上より、式(A)〜式(C)を満たすように、軌道面141の形状が設けられれば、式(17)に示すとおり、回転部材11(xyz直交動座標系)における3軸(x軸、y軸及びz軸)の重力加速度成分の時間平均gxave、gyave及びgzaveはいずれも等しくなり、0になる。
g zave = 0 (16)
From the above, if the shape of the raceway surface 141 is provided so as to satisfy the expressions (A) to (C), the three axes (x in the rotating member 11 (xyz orthogonal motion coordinate system)) as shown in the expression (17). The time averages g xave , g yave, and g zave of the gravitational acceleration components of the axis, y axis, and z axis are all equal to zero.

xave=gyave=gzave=0 (17)
軌道面141の展開図の一例を図13に示す。図13は、ガイド部材14及び軌道面141をZ軸周りに展開した図であり、ガイド部材14の周面の展開図に相当する。
軌道面141の形状は、図10に示す曲線LkZ(kベクトルのZ座標(k))を円筒状のガイド14の周壁に投影して求められる。要するに、軌道面141の展開図は、ガイド部材12が配置される軸(ここではz軸)の単位ベクトル(ここではkベクトル)の回転角βに対するZ座標の軌跡をガイド部材14に投影したものと同じ形状を有する。
[動座標系の重力加速度の二乗平均]
擬似無重力生成装置1において、重力加速度成分gxave、gyave及びgzaveの各々の二乗平均が等しい方が好ましい。3軸の重力加速度の二乗平均が等しい場合、供試材に作用する重力加速度成分が略均一に分散する。したがって、供試材への重力加速度成分g、g及びgの影響を略均一にすることができる。
g xave = g yave = g zave = 0 (17)
An example of a developed view of the raceway surface 141 is shown in FIG. FIG. 13 is a diagram in which the guide member 14 and the raceway surface 141 are developed around the Z axis, and corresponds to a development view of the peripheral surface of the guide member 14.
The shape of the track surface 141 is obtained by projecting the curve LkZ (Z coordinate (k Z ) of k vector) shown in FIG. 10 onto the peripheral wall of the cylindrical guide 14. In short, the developed view of the raceway surface 141 is a projection of the Z coordinate locus on the guide member 14 with respect to the rotation angle β of the unit vector (here k vector) of the axis (here z axis) on which the guide member 12 is arranged. Have the same shape.
[The mean square of gravitational acceleration in the dynamic coordinate system]
In the pseudo zero gravity generating device 1, it is preferable that the mean squares of the gravitational acceleration components g xave , g yave, and g zave are equal. When the mean square of the three-axis gravity acceleration is equal, the gravity acceleration component acting on the test material is dispersed substantially uniformly. Therefore, the influence of the gravity acceleration components g x , g y and g z on the test material can be made substantially uniform.

傾斜角αが45〜65degであれば、3軸の重力加速度成分g、g及びgの二乗平均が互いに近づく。好ましい傾斜角αは50〜60degであり、さらに好ましくは、54.7±2degである。さらに好ましい傾斜角αは、54.7degであり、最も好ましくは、傾斜角αが式(D)を満たす。 When the inclination angle α is 45 to 65 deg, the root mean squares of the triaxial gravitational acceleration components g x , g y, and g z approach each other. The preferable inclination angle α is 50 to 60 deg, and more preferably 54.7 ± 2 deg. The more preferable inclination angle α is 54.7 deg. Most preferably, the inclination angle α satisfies the formula (D).

α=sin−1((2/3)1/2) (D)
傾斜角αが式(D)を満たせば、重力加速度成分g、g及びgの二乗平均が一致する。以下、この点について詳述する。
α = sin −1 ((2/3) 1/2 ) (D)
If the inclination angle α satisfies the equation (D), the mean squares of the gravitational acceleration components g x , g y, and g z coincide with each other. Hereinafter, this point will be described in detail.

重力加速度gxの二乗平均gxave は、式(18)で示される。 The root mean square g xave 2 of the gravitational acceleration gx is expressed by Expression (18).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

重力加速度gyの二乗平均gyave は、式(19)で示される。 The root mean square g yave 2 of the gravitational acceleration gy is expressed by Expression (19).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(12)で示されるg(β)に、β+πを代入すると、g(β+π)は式(20)で示される。 When β + π is substituted into g y (β) represented by Expression (12), g y (β + π) is represented by Expression (20).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(20)に基づいて、式(19)中の被積分関数g(β)+g(β+π)は、式(21)で示される。 Based on Expression (20), the integrand g y (β) 2 + g y (β + π) 2 in Expression (19) is expressed by Expression (21).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(21)を式(20)に代入すると、二乗平均gyave は、式(22)で示される。 Substituting Equation (21) into Equation (20), the root mean square g yave 2 is expressed by Equation (22).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

次に、重力加速度gの二乗平均gzave について検討する。式(12)及び式(15)より、重力加速度g(β)は重力加速度g(β)の位相をπだけずらしたものに等しい。したがって、二乗平均gzave は、式(23)で示される。
zave =gyave =1/2−sinα/4 (23)
Next, the root mean square g zave 2 of the gravitational acceleration g z will be examined. From the equations (12) and (15), the gravitational acceleration g z (β) is equal to the gravity acceleration g y (β) shifted by π. Therefore, the root mean square g zave 2 is expressed by the equation (23).
g zave 2 = g yave 2 = 1 / 2−sin 2 α / 4 (23)

以上より、二乗平均gxave 、gyave 及びgzave は、式(24)で示される。
xave =sinα/2
zave =gyave =1/2−sinα/4 (24)
From the above, the root mean square g xave 2 , g yave 2, and g zave 2 are expressed by Expression (24).
g xave 2 = sin 2 α / 2
g zave 2 = g yave 2 = 1 / 2−sin 2 α / 4 (24)

xyz直交動座標系の3軸(x軸、y軸及びz軸)の重力加速度が互いに等しい場合の傾斜角αを求める。式(24)より、gxave =gyave とした場合、式(25)が成立する。 The inclination angle α when the gravitational accelerations of the three axes (x axis, y axis, and z axis) of the xyz orthogonal motion coordinate system are equal to each other is obtained. From the equation (24), when g xave 2 = g yave 2 is established, the equation (25) is established.

Figure 2011213138
Figure 2011213138

式(25)より、最も好ましい傾斜角αは、式(26)で示される。
α=sin−1((2/3)1/2) (26)
式(26)は式(D)に相当する。したがって、傾斜角αが式(D)を満たすとき、xyz直交動座標系における各重力加速度成分g、g及びgの二乗平均が互いに等しくなり、回転部材11に掛かる各重力加速度成分が3軸(x軸、y軸及びz軸)で均等になる。
上述のとおり、傾斜角αが45deg〜65degであれば、3軸の重力加速度成分g、g及びgの二乗平均が互いに近づく。そのため、回転部材11に掛かる重力加速度成分は略均一になる。
From Equation (25), the most preferable inclination angle α is given by Equation (26).
α = sin −1 ((2/3) 1/2 ) (26)
Expression (26) corresponds to Expression (D). Therefore, when the inclination angle α satisfies the equation (D), the mean squares of the gravitational acceleration components g x , gy and g z in the xyz orthogonal motion coordinate system are equal to each other, and the gravitational acceleration components applied to the rotating member 11 are It becomes equal in three axes (x axis, y axis, and z axis).
As described above, if the inclination angle α is 45Deg~65deg, gravitational acceleration component g x of the three axes, the root mean square of g y and g z close to each other. Therefore, the gravitational acceleration component applied to the rotating member 11 is substantially uniform.

なお、このときの二乗平均gxave 、gyave 及びgzave は、式(27)で示される。
xave =gyave =gzave =1/3 (27)
Note that the root mean square g xave 2 , g yave 2, and g zave 2 at this time are represented by Expression (27).
g xave 2 = g yave 2 = g zave 2 = 1/3 (27)

そして、各重力加速度成分g、g及びgのrms値(二乗平均の平方根)gx,rms、gy,rms、gz,rmsは、式(28)で示される。 The rms values (root mean squares) g x, rms , g y, rms , g z, rms of the gravitational acceleration components g x , g y, and g z are expressed by Expression (28).

Figure 2011213138
Figure 2011213138

本実施の形態では、ガイド部材14は、傾斜した開口を上端に有する筒状である。しかしながら、ガイド部材14の形状はこれに限定されない。上述の式(A)〜式(C)を満たすように、軌道面141の形状が設定されていればよい。たとえば、ガイド部材14は、回転体11を収納する球状又は直方体状の筐体であって、軌道面141が形成されるスリットを側面に有していてもよい。この場合、ガイド部材12は1つであってもよい。   In the present embodiment, the guide member 14 has a cylindrical shape having an inclined opening at the upper end. However, the shape of the guide member 14 is not limited to this. The shape of the raceway surface 141 should just be set so that the above-mentioned Formula (A)-Formula (C) may be satisfy | filled. For example, the guide member 14 may be a spherical or rectangular parallelepiped housing that houses the rotating body 11 and may have a slit on the side surface where the raceway surface 141 is formed. In this case, the number of guide members 12 may be one.

また、ガイド部材14は、回転部材11の周りに配置されるレールであってもよい。この場合、軌道面141は、レールの表面に形成される。要するに、軌道面141が回転部材11の周りに形成され、回転部材11の姿勢角が式(A)〜(C)を満たすように、軌道面141の展開図が、ガイド部材12が配置される軸の単位ベクトルの回転角βに対するZ座標の軌跡を投影した形状を有すればよい。換言すれば、回転部材11の姿勢角が式(A)〜(C)を満たすように、軌道面141の形状が、ガイド部材12が配置される軸の単位ベクトルの回転角βに対するZ座標の軌跡に対応する。
本実施の形態では、ガイド部材12は棒状である。しかしながら、ガイド部材12の形状は、棒状に限定されない。ガイド部材12は、たとえば、板状であってもよいし、他の形状であってもよい。要するに、ガイド部材12は、ガイド部材14の軌道面141に接触しながら、軌道面141上を移動できれば、特に形状を限定されない。
The guide member 14 may be a rail disposed around the rotating member 11. In this case, the raceway surface 141 is formed on the surface of the rail. In short, the raceway surface 141 is formed around the rotary member 11, and the developed view of the raceway surface 141 is arranged so that the attitude angle of the rotary member 11 satisfies the equations (A) to (C). It is only necessary to have a shape in which the locus of the Z coordinate with respect to the rotation angle β of the axis unit vector is projected. In other words, the shape of the raceway surface 141 is such that the posture angle of the rotating member 11 satisfies the formulas (A) to (C), and the Z coordinate with respect to the rotation angle β of the unit vector of the axis on which the guide member 12 is arranged. Corresponds to the trajectory.
In the present embodiment, the guide member 12 has a rod shape. However, the shape of the guide member 12 is not limited to a rod shape. The guide member 12 may be, for example, a plate shape or another shape. In short, the shape of the guide member 12 is not particularly limited as long as it can move on the raceway surface 141 while being in contact with the raceway surface 141 of the guide member 14.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。   While the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.

1 擬似無重力生成装置
10 傾斜クランク
11 回転部材
12,14 ガイド部材
13 駆動源
15 土台
50 支持部材
101,102 シャフト部
141 軌道面
142 開口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pseudo zero gravity production | generation apparatus 10 Inclination crank 11 Rotating members 12, 14 Guide member 13 Drive source 15 Base 50 Support members 101, 102 Shaft part 141 Track surface 142 Opening

Claims (5)

XYZ直交静止座標系内に配置される擬似無重力生成装置であって、
X軸方向に延びる第1シャフト部と、前記第1シャフト部に対して傾斜して前記第1シャフト部に接続される第2シャフト部とを含む傾斜クランクと、
前記第2シャフト部周りに回転可能に前記傾斜クランクに取り付けられ、対象物が搭載される回転部材と、
前記回転部材に取り付けられる第1のガイド部材と、
前記傾斜クランクを前記X軸周りに回転する駆動源と、
前記回転部材の周りに配置され、前記第1のガイド部材と接触して前記第1のガイド部材の移動をガイドする軌道面を有する第2のガイド部材とを備え、
前記駆動源が前記傾斜クランクを回転するとき前記第2のガイド部材が前記第1のガイド部材の移動をガイドすることにより、前記回転部材が三次元的に回転する、擬似無重力生成装置。
A pseudo zero gravity generator arranged in an XYZ orthogonal stationary coordinate system,
An inclined crank including a first shaft portion extending in the X-axis direction and a second shaft portion that is inclined with respect to the first shaft portion and connected to the first shaft portion;
A rotating member that is attached to the inclined crank so as to be rotatable around the second shaft portion and on which an object is mounted;
A first guide member attached to the rotating member;
A drive source for rotating the inclined crank around the X axis;
A second guide member disposed around the rotating member and having a raceway surface that contacts the first guide member and guides the movement of the first guide member;
The pseudo zero gravity generating device, wherein when the driving source rotates the inclined crank, the second guide member guides the movement of the first guide member, whereby the rotating member rotates three-dimensionally.
請求項1に記載の擬似無重力生成装置であって、
前記第2シャフトの軸方向に延びるx軸を含むxyz直交動座標系において、前記x軸の重力加速度、前記y軸の重力加速度及び前記z軸の重力加速度の時間平均が等しい、擬似無重力生成装置。
The pseudo zero gravity generator according to claim 1,
In the xyz orthogonal motion coordinate system including the x axis extending in the axial direction of the second shaft, the pseudo zero gravity generating device in which the time average of the gravitational acceleration of the x axis, the gravitational acceleration of the y axis, and the gravitational acceleration of the z axis is equal .
請求項2に記載の擬似無重力生成装置であって、
前記軌道面の形状は、前記回転部材のピッチ角θ、ヨー角Ψ及びロール角φが、前記式(A)〜式(C)を満たすように設定される、擬似無重力生成装置。
θ=sin−1(sinαcosβ) (A)
Ψ=tan−1(tanαsinβ) (B)
φ=β/2+f(β) (C)
ここで、前記αは前記第1シャフト部と前記第2シャフト部とがなす角度である。前記βは前記傾斜クランクの前記X軸周りの回転角である。前記f(β)は、周期πの周期関数であり、かつ、奇関数である。
The pseudo zero gravity generating device according to claim 2,
The shape of the raceway surface is a pseudo zero gravity generating device in which the pitch angle θ, the yaw angle Ψ, and the roll angle φ of the rotating member are set so as to satisfy the expressions (A) to (C).
θ = sin −1 (sin α cos β) (A)
Ψ = tan −1 (tan αsin β) (B)
φ = β / 2 + f (β) (C)
Here, α is an angle formed by the first shaft portion and the second shaft portion. Β is a rotation angle of the inclined crank around the X axis. The f (β) is a periodic function with a period π and an odd function.
請求項1に記載の擬似無重力生成装置であって、
前記第1のガイド部材は、前記x軸と直交する、擬似無重力生成装置。
The pseudo zero gravity generator according to claim 1,
The first guide member is a pseudo zero gravity generator perpendicular to the x-axis.
請求項3に記載の擬似無重力生成装置であって、
前記角度αは、45〜65degである、擬似無重力生成装置。
The pseudo zero gravity generating device according to claim 3,
The pseudo-gravity generating device, wherein the angle α is 45 to 65 deg.
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