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A multi-DOF ultrasonic motor developed in our previous study has significant potentials for dexterous actuation. The ultrasonic motor provides multi-DOF rotation of a spherical rotor using three natural vibrations of a bar-shaped stator. In this paper, numerical analyses on the multi-DOF ultrasonic motor are conducted. First, a forward model of multi-DOF ultrasonic motor is developed considering the frictional condition between the rotor/stator. Using the forward model, driving state of the multi-DOF ultrasonic motor under arbitrary combination of vibrations is clarified. Second, an inverse model of the multi-DOF ultrasonic motor is also developed. The inverse model is constructed using experienced knowledge about ultrasonic motor and neural network technique. An appropriate input for the multi-DOF ultrasonic motor with regard to arbitrary rotational axis is estimated using the inverse model. The proposed models are available not only for our motor but for all multi-DOF ultrasonic motors.

多自由度超音波モータを利用した能動内視鏡のためのマスタースレーブシステムを改廃した．ケース，小型位置検出機構を開発するとともに，1つのモータによって多自由度駆動制御を実現した．

A multi-degree-of-freedom (DOF) ultrasonic motor consisting of a bar-shaped stator and a spherical rotor was developed. It can generate 3-DOF rotation of the rotor around perpendicular axes using bending vibrations and a longitudinal vibration of the stator, which was designed using finite element analysis. From the simulated driving characteristics, a control method for the ultrasonic motor was proposed. Following this, the driving characteristics of the motor under open-loop control and closed-loop control were measured experimentally. Mufti-DOF position control of the rotor was achieved successfully using the proposed control method.

Master-slave active robot hands and endoscopes, which provide dexterous manipulations and wide views like human hands and eyes, are required to be constructed. We have previously developed a multi-DOF ultrasonic motor consisting of a spherical rotor and a bar-shaped stator. The rotor rotates around three perpendicular axes using three natural vibration modes of the stator. In this study, a multi-DOF unilateral master-slave system using the multi-DOF ultrasonic motor is developed. Master and slave arms for the system have similar configurations, so that an operator can easily handle the master-slave system. First, driving characteristics of the multi-DOF ultrasonic motor are clarified experimentally and analytically in order to design the slave arm and its controller. Next, the master-slave arms and the unilateral feedback controller for the master-slave system are developed. Finally, the motion control tests of the system are performed to show the applicability of the master-slave system.

多自由度超音波モータは，振動子の互いに直交する固有振動モードを適当な位相差をもって励振し，回転子に多自由度回転運動を実現するものである．しかし，各振動モードの振幅および位相が任意の値となるときの回転子の回転軸は容易に予想できない．このため，本研究では各固有振動モードが任意の振幅および位相で励振された際に回転子におよぼす駆動力を摩擦モデルにより算出し，このときの回転軸，トルクおよび回転速度を推定する手法を提案した．

多自由度超音波モータは円柱状振動子の縦振動と曲げ振動を適当に組み合わせることによって振動子先端に加圧接触された球状回転子に直交3軸回りの多自由度回転運動を生成するモータである．このため，上記モータを能動内視鏡の駆動に応用することを提案した．本研究では能動内視鏡のプロトタイプを開発するとともに，マスタ・スレーブシステムとして駆動制御を実現した．

本研究では，円柱状振動子の縦振動と曲げ振動を用いた多自由度超音波モータの設計および駆動制御を行った．多自由度超音波モータは励振する縦振動および曲げ振動の位相差を-90度から90度まで連続に変化させることによって回転速度をCWからCCWまで連続に変化させることができる．このため，上記の位相差を操作パラメータとしてシグモイド関数を用いて-90度から90度まで所望の回転数に応じて変化させる多自由度超音波モータの速度制御法を提案した．

円柱状振動子の固有振動モードのうち，縦振動1次モードと曲げ振動2次モードを縮退させ，これらを適当な位相差をもって励振することによって，振動子先端に接触した球場回転子に多自由度運動を生成する多自由度超音波モータを開発した．本研究では，本モータを直交3軸回りに駆動させた際の無負荷回転特性および速度-負荷特性を実験によって明らかにした．

直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する電界共役流体を用いると，円筒チャンバ内に容易に回転流を発生できる．この中に円盤を封入すると，回転流によって浮揚，回転する．本研究では，この出力軸を持たないモータに角速度が加わった際に円盤とチャンバの相対角度が変化することに着目し，新たなジャイロスコープを提案した．また，実際に上記モータを試作し，寸法パラメータの微小化によって回転数が著しく上昇することを明らかにし，新たなマイクロジャイロの可能性を示した．

電界共役流体は直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する機能性流体である．本研究では，断面に中心角120度の扇形チャンバ3つを有する直径4 mmのマイクロフィンガを試作し，各チャンバの内圧を上記ジェット流を用いて制御することによって先端に多自由度運動を実現するマイクロフィンガを実現した．本フィンガは液圧駆動であるものの，電界共役流体を用いたことにより外部に大規模なタンクやポンプを必要としない．

電界共役流体に発生するジェット流の圧力を利用して繊維強化シリコーンゴムチューブの内圧を変化させ，軸方向の収縮変位を得るマイクロ人工筋アクチュエータの駆動特性を明らかにし，先端変位を制御した．直径5 mm，長さ約10 mmのマイクロ人工筋アクチュエータにおいて先端変位は約2 mm，発生力は約0.2 Nであり，PID制御による先端変位の制御を行った結果，少なくとも分解能0.3 mmで位置決めできることを明らかにした．

複数の固有振動モードを選択的に励振し，移動子を多自由度並進運動させる振動子を設計し，これを複数個アレイ状に配置することによってこの上部におかれた移動子に並進2自由度および回転1自由度の運動を実現する多自由度超音波モータを開発した．本モータでは個々の振動子は各瞬間においてある1つの固有振動モードのみ励振されるため，複数の固有振動モードを縮退させる必要がなく，振動設計が容易となった．

直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する電界共役流体は，微小な電極対のみによってポンピングできるため，マイクロアクチュエータの駆動源として期待できる．本研究では，上記ジェット流により駆動される液圧駆動型マイクロ人工筋アクチュエータを開発し，駆動特性を明らかにした．実験の結果，直径5 mm，長さ10 mmの人工筋アクチュエータにおいて，収縮率約20 %，発生力約0.2 Nを得た．

電界共役流体は直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する機能性流体である．すなわち，簡便な電極対のみによって液圧制御が可能であるため，マイクロソフトアクチュエータの駆動源として利用できる．本研究では，軸方向に繊維強化した直径5mmのシリコーンゴムチューブの内圧を上記ジェット流を用いて制御し，軸方向変位を得るマイクロ人工筋アクチュエータを提案し，性能を実験的に確認した．この結果，収縮率は約20%，発生力は0.2N程度であった．

ブルドン管のように先端が閉じ、かつ湾曲したチューブの内圧を変化させるとチューブ全体が直線形状へと変形し，アクチュエータを構成できる．本研究では，このような原理を用いて直径1 mmの湾曲したシリコーンゴムチューブの内圧を電界共役流体に発生するジェット流により変化させる新たなマイクロアクチュエータを提案し，プロトタイプを開発した．また，実験により先端変位1 mm以上を発生できることを確認した．

電界共役流体は直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する機能性流体である．本研究では，上記ジェット流によって軸方向に繊維強化されたシリコーンゴムチューブの内圧を変化させ，軸方向の収縮と径方向の膨張を得る直径5 mmのECFマイクロ人工筋アクチュエータを開発した．本アクチュエータは液圧駆動アクチュエータであるものの，電界共役流体を用いることにより， 外部に大規模なタンクや液圧源を必要としない．

高電圧印加時に電界共役流体に発生する活発なジェット流を回転運動に変換するマイクロモータのうち，円盤形ロータ上に電極対を配置したDP-RE形ECFマイクロモータの高集積化について検討した．モータ直径の微小化および円盤形ロータの積層数増加によって，出力パワー密度が著しく向上することを実験的に確認した。すなわち，内径9 mmと5 mmのモータを比較すると出力パワー密度が約2.3倍に，積層数4層と8層のモータを比較すると出力パワー密度が約13.4倍に向上することを明らかにした．

本研究では，超音波モータの高応答性，静粛性，単純構造，電磁ノイズレスなどの優れた特徴を有する新たなブレーキシステムを提案した．本ブレーキは超音波浮揚現象を利用してロータのロックと解放を切り替えるものである．はじめに，有限要素法を用いた振動子の振動設計および超音波浮揚理論による保持トルクの計算を行った．つぎに，プロトタイプを試作し，実験によって40Nの浮揚力と0.38Nmの保持トルクが実現可能であることを示した．

電界共役流体は直流高電圧の印加によって活発なジェット流を発生する機能性流体である．すなわち，簡便な電極対のみによって液圧制御が可能であるため，マイクロソフトアクチュエータの駆動源として利用できる．本論文では，軸方向に繊維強化した直径5mmのシリコーンゴムチューブの内圧を上記ジェット流を用いて制御し，軸方向変位を得るマイクロ人工筋アクチュエータを提案し，性能を実験的に確認した．この結果，収縮率は約20%，発生力は0.2N程度であった．

Multi-degrees-of-freedom (DOF) actuators have become more useful in the field of robotics, as a result of the increasing number of DOFs of systems. The general features of ultrasonic motors are suitable for constructing a direct-drive multi-DOF actuator. However, previously developed ultrasonic motors do not have advantages in volume and weight in contrast to multi-DOF motion units composed of plural electromagnetic motors. In the present study, authors developed a novel multi-DOF ultrasonic motor with a compact plate stator and spherical rotor. First, a new driving principle of the motor is proposed. Next, the stator geometry is designed in detail using the finite element method, and a prototype of the multi-DOF ultrasonic motor is produced. Then, vibration characteristics of the stator and driving characteristics of the motor have been measured, respectively. The results confirm that the motor successfully provides the desired multi-DOF motion of the rotor around orthogonal axes driven by a single plate stator. Finally, a novel self-oscillation driving circuit for the motor is proposed and driving tests using the circuit are conducted.