論文

腹腔鏡下手術は腹部にあけた直径10mm以下の穴を介して鉗子および腹腔鏡を体内に挿入し腹腔鏡画像下で手術する低侵襲手術である．患者への負担が少ない代わりに術者には高いスキルが要求される．本研究では，球状回転子に直交3軸回りの多自由度回転を生成し得る多自由度超音波モータを用いて，鉗子先端に手首のような多自由度運動を実現する多自由度鉗子のプロトタイプを実現した．

従来の多自由度超音波モータの多くは，複数の固有振動モードの固有振動数を縮退させ，これらの組み合わせによって回転子の多自由度運動を実現していた．しかし，振動設計が複雑となるため，実用上問題が多かった．本研究では，複数の振動子をマトリクス状に配置し，固有振動数が異なる複数の固有振動モードを選択的に組み合わせることによって振動子マトリクス上に置かれた移動子に多自由度運動を生成する新たな多自由度超音波モータを開発した．

マイクロロボットハンドなどの微小な機械システムでは，スケール効果によって摺動部などでの損失の影響が増大するため，一般的な機能要素を用いた設計には限界がある．このため，本研究では関節に弾性ヒンジを用いた5指マイクロロボットハンドを開発した．本ハンドはワイヤ駆動によってヒト指と同様にMP，PIP，DIP関節を駆動する構成である．弾性ヒンジの利用によって，摺動損失の低減およびスペース効率の向上を実現した．

超音波モータは低速高トルク，静粛，電磁ノイズレス，高スペース効率などの優れた特徴を有するため，ロボットハンドのためのダイレクトドライブモータとして期待できる．本研究では，ディスク型超音波モータを内蔵したロボットフィンガを開発した．また，超音波モータを用いた力制御法を提案し，開発したフィンガにおいて力制御が可能であることを示した．

本研究では，巧みなテレオペレーションのための新たな多指エクゾスケルトン型ハプティックデバイスのための超音波クラッチを開発した．すなわち，弾性要素の受動的変形により操作者に力覚を提示する新たなハプティックデバイスを提案し，これに求められる高応答，静粛，小型な超音波クラッチを実現した．また，多指エクゾスケルトン型ハプティックデバイスのプロトタイプを試作し，提案した力覚提示法の有効性を確認した．

超音波モータは振動子の振動エネルギを摩擦力を介して移動子の運動に変換する摩擦駆動モータであるため，振動子／移動子間の摩擦接触状態の把握が重要である．本研究では，単相駆動型超音波モータにおいて，振動子／移動子間の接触状態を離散ばねモデルを用いてモデル化し，接触面における固着・すべり状態を考慮した接触解析を行った．

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すぐれた特徴を有する新たなクラッチシステムを提案した．本クラッチ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．

腹腔鏡下手術は腹部にあけた直径10mm以下の穴を介して鉗子および腹腔鏡を体内に挿入し腹腔鏡画像下で手術する低侵襲手術である．患者への負担が少ない代わりに術者には高いスキルが要求される．本研究では，球状回転子に直交3軸回りの多自由度回転を生成し得る多自由度超音波モータを用いて，鉗子先端に手首のような多自由度運動を実現する多自由度鉗子のプロトタイプを実現した．

平板状振動子の複数の固有振動モードを適当に組み合わせて球状回転子に直交3軸回りの回転運動を生成する多自由度超音波モータを開発した．本モータは従来提案されていた円柱状多自由度超音波モータに比べて振動子のスペース効率がよい．また，複数の固有振動モードを励振するためには複数の交流信号が必要であるが，本研究では，超音波モータの振動子を自励発振回路の一部として，自励振動によって多自由度運動を実現する簡便な手法を提案し，駆動を確認した．

多自由度超音波モータは振動方向が互いに直交する3つの固有振動モードを組み合わせて球状回転子に任意軸回りの回転運動を生成する．すなわち，入力パラメータ7つに対して出力3つとなる冗長非線形性を有している．したがって，所望の駆動状態を実現するための入力の組み合わせは複数存在するため，超音波モータに対する経験的所見とニューラルネットワークによる非線形写像を組み合わせて，所望の駆動状態に対して唯一の入力を決定する逆モデルを提案し，これを用いて多自由度超音波モータの駆動制御を実現した．

機能性流体の一つである電界共役流体（ECF）に生じるジェット流の圧力により駆動される新たな駆動原理のマイクロアクチュエータを提案，試作し，この駆動特性を実験的に検討した．ブルドン管と同様の原理により駆動される本アクチュエータは，6 kV印加時に設計仕様1.8 mmの178 %の出力変位および2 mNの発生力を得た．このマイクロアクチュエータは，発生力は微小であるが，印加電圧により出力変位を制御できることから，マイクロミラーの微小位置決めなどへの応用が期待できる．

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．本流体を用いると，複数の微小な電極対を円筒チャンバ内に配置するだけで回転流を発生できる．本研究では，これに円盤を封入すると回転流によって浮揚，回転することを利用して，円盤とチャンバの相対角度から角速度を検出する新たなジャイロスコープを提案した．また，上記ジャイロスコープのプロトタイプを試作し，基礎的特性を明らかにした．

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電界共役流体に発生するジェット流を用いて制御し，軸方向の変位を発生する直径5 ｍｍのマイクロ人工筋セルを提案し，実験により無負荷収縮率および発生力を明らかにした．また，マイクロ人工筋セルの先端変位をPID制御によって制御し，少なくとも分解能0.3ｍｍで位置決め制御できることを示した．

本研究は，高電圧の印加によって活発なジェット流が生じる電界共役流体（ECF）を利用したECFマイクロジャイロスコープの実現を目的とした．はじめに，液体中の円盤を回転軸なしで浮揚，回転できるロータ径3mmおよび1.5mmのマイクロモータを実現し，回転特性を実験的に明らかにした．つぎに，上記のモータ全体に角速度が加わると浮揚円盤が傾くことを利用した新たなジャイロスコープを提案，試作した．

本研究では微小電極対によって高電圧を印加すると活発なジェット流を発生する電界共役流体（ECF）を利用したマイクロモータの微小化および作動流体の相違に伴う性能向上について検討した．すなわち，表面に放射状電極対を持つディスクプレート(DP)ロータを積層した内径5mmのDP形ECFマイクロモータを設計，試作し，駆動特性を実験により明らかにした．この結果，小型化により出力パワー密度が向上し，作動流体の違いにより出力パワー密度が約4.5倍に向上することが確認された．

This paper presents a novel type of multi degree-of-freedom ultrasonic motors. Today, in various fields, actuators having multi degrees-of-freedom is needed. In the past, many multi-degree-of-freedom actuators have been developed. However, they are all still large and heavy. Thus, we propose a miniature multi-degree-of-freedom actuator using plural single-phase-driven ultrasonic vibrators. A single-phase-driven ultrasonic motor is known for its miniaturizing facility. On the other hand, it is also known for its lack of output force. Therefore, we proposed to use plural single-phase-driven vibrators and also tried to make one vibrator generate great force. This motor has many small vibrators; each one having four patterns in the thrust direction. By controlling the frequency of each vibrator, we can obtain multiple movements of a movable object. First, we proposed the principles of this motor. Next, we selected vibration modes and designed the size of a vibrator to be 10 x 7.5 x 0.9 mm(3) using finite element analysis. Finally, we measured frequency, vibration, and driving characteristics of the vibrators. The maximum thrust was about 3.14 N and the maximum torque was about 6 mN-m.

We proposed a novel micro hand in which three kinds of soft actuators driven by ECF jet. The electro-conjugate fluid (ECF) Is, a dielectric fluid that works as a functional fluid, generating a powerful jet flow (ECF jet) when Subjected to high DC voltage. First, we have proposed an ECF micro artificial muscle Cell using ECF and integrated the cells. Second, we newly proposed and fabricated an ECF micro artificial antagonistic muscle, which consist of a pair of sleeve-type artificial muscles like. a McKibben type and a common tube. Finally, we proposed an ECF micro finger which is composed of two Fiber-reinforced soft tubes. The main advantage of the ECF soft actuator is tank and power source built-in.

An electro-conjugate fluid (ECF) is a kind of dielectric fluid that works as a functional/smart fluid generating a powerful jet flow (ECF jet) when subjected to a high d.c. voltage. The authors previously proposed the first liquid rate gyroscope in the world using ECF. The ECF liquid rate gyroscope proposed uses the drift of the ECF jet due to the Coriolis force when an angular motion is applied. The contribution of the proposed concept to gyroscope technology is that it provides the possibility of a low-cost micro gyroscope with inherent robustness to external impact. To move beyond a mere laboratory curiosity, the present paper describes the practical design of an ECF liquid rate gyroscope and characterizes the prototype. The ECF liquid rate gyroscope developed in this study has a scale factor, range of detection, resolution, and linearity of 32 mV/(degrees/s), +/-400 degrees/s, 0.04 degrees/s, and 2 per cent of full scale (with a range of +/-60 degrees/s), respectively. These results show that the ECF liquid rate gyroscope could possibly become the next generation standard of micro gyroscopes.