JPH02304309A - 姿勢センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｌ粟上皇科里公団 本発明は、構造体や移動体の傾斜角並びに傾斜方位角を
検出できる全方位傾斜角杆に関する。

災釆技玉 産業用ロボット、船舶、土木建設工事用、特殊車両等で
、常時全方位傾斜角度を検出したいという要請があるが
、この場合最大傾斜角と方位角をリアルタイムに検出し
なければ検出値を自動制御その他に利用できない場合が
多い。

傾斜角測定装置としては、一軸方向のみの傾斜角度を表
示するものは従来からあったが、全方位に亘って最大傾
斜角および方位角を求めようとすると、該装置を計測さ
れるべき傾斜面に置き、測定点を中心にして３６０度回
動じ、仰角または俯角の最大方向にセットしてから、そ
のとき示す傾斜角度を読み取り、セットした方位角と読
みとった傾斜角を合せてデータとして利用している。

このように手動による作業は広範囲の方位角に対応する
としても計測時間を要し、ある時点での正確な全方位傾
斜を得ることは難しい。

しかも近年特に要請されるリアルタイムで処理すること
が必要な自動制御に用いることは不可能で、用途が極め
て限定される。

そこで一軸方向の傾斜角測定装置を２個用意して、互い
に直角に配置し、両者の測定値から最大傾斜角および方
位角を演算する例（特開昭６２−２８０６０８号公報）
が同じ発明者により既に従案されている。

同側は計測されるべき構造体に一軸方向の傾斜角を検知
する傾斜角センサを２個互いに直角に向けて揺動自在に
設けたもので、傾斜角センサはその計測可動面を常に鉛
直にしている。

そして両頭斜角センサが検知する傾斜角から最大傾斜角
および傾斜方位角を演算するものである。

７°　しよ゛と　るｉ しかし構造体に対し傾斜角センサを揺動自在に設けてい
ることから、振動した場合に安定するのに若干の時間を
要し、短時間に姿勢が変化するものに対してはその応答
速度が問題となってくる。

また傾斜角センサの振れの大きさから揺動スペースを大
きく確保する必要があり小型化の妨げとなる。

さらに２個の傾斜角センサからの検出信号から最大傾斜
角およびその方位角を求めるには複雑な演算を必要とし
コンピュータによるデ・ジタル演算が必須となりコスト
高となっていた。

量　−”°　るための　　および 本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的と
する処は、傾斜角センサの振れを制御し応答速度に優れ
た小型の姿勢センサを供する点にある。

すなわち本発明は、計測されるべき構造体に回動自在に
支持された回動軸と、同回動軸に一体に支持され重力に
より鉛直方向に付勢されたセンサ支持体と、前記回動軸
を含む平面を計測面として前記センサ支持体に支持され
た傾斜角センサと、該構造体の傾斜に対応して前記セン
サ支持体の回動を制御する制御手段とから構成される装
置該構造体に２個互いに直角に配設し、両検出装置の傾
斜角センサからの検出値に基づき構造体の姿勢を演算す
る演算手段を備えた姿勢センサである。

センサ支持体が制御手段により制御されていることがら
センサ支゜持体に支持される傾斜角センサの安定する速
度が早く、応答速度が極めて早い。

またセンサ支持体の振れ角も小さく、その分装置全体の
小型化が図れる。

さらに一定の近偵演算を利用して正確な最大１１斜角θ
およびその方位角φを算出することが可能で、簡単な演
算回路でさらに応答速度を良くしかつ低コストを実現で
きる。

裏一扇一班 以下第１図ないし第８図に図示した本発明に係る一実施
例について説明する。

第１図は、本実施例に係る姿勢センサ１の一部欠截した
全体斜視図である。

長方箱体のケーシング２の内部において、２個の検出装
置３ａ、３ｂが互いに直角に配置されている。

ケーシング２の底ＩＸ４に互いに対向する２対の支持板
５ａ、５ａおよび５ｂ、５ｂが立設され、各１対の支持
板にそれぞれ検出装ｆｉ３ａ、３ｂが設けられており、
いずれの検出装置３ａ、３ｂも構造が同じなので、以下
一方の検出装置３ａの構造について説明する。

対向する支持板５ａ、５ａの間には、長方箱体をなすセ
ンサ支持体６ａが位置し、同センサ支持体６ａの前後側
壁から外側方に突設された同軸の回動軸７ａが支持板５
ａ、５ａに設けられた軸受８、８に回動自在に支持され
ている。

回動軸７ａは底板４と平行で、他方の検出装置３ｂの回
動軸７ｂに対し直角な方向に指向している。

センサ支持体６ａは、その重心が回動軸７ａより下方に
位置して回動自在に吊設されているため、左右側面が常
に鉛直方向に向くよう重力が働《。

センサ支持体６ａの内部には左右側壁間に、前記回動軸
７ａと直角な方向に指向した回動軸９が軸受ｌＯを介し
て回動自在に架設され、同回動軸９に一体に円板１１が
固着されている。

円板１１は、アブソリュート形エンコーダ用光学スリッ
ト円板であって、センサ支持体６ａの上壁より下方へ円
板１１の半径方向に沿って突設された光読取器ｌ２によ
ワて円板１ｌの回動角をデジタル値として検知すること
ができるようになっている。

円板１１の外周縁の所定箇所には重錘ｌ３が固着されて
いて、同重錘１３は常に回動軸９の鉛直下方に位置しよ
うとするので通常光読取器１２が読取る円板１１の回動
角は回動軸７ａの水平面とのなす傾斜角となる。

そして一方の支持板５ａを貫通し突出した回動軸７ａ部
分に回動制御手段１４が設けられている。

すなわち回動制御手段１４は、第２図に図示するように
、回動軸７ａの突出端部に磁性鉄片１５が遠心方向に突
設されており、磁性鉄片１５の回動路の左右対称位置に
おいて円弧状の鉄心に誘動コイルが巻装された電磁石１
６．１７が支持板５ａと一体に配設されている。

両型磁石１６．１７の誘動コイルは連続した１本のコイ
ルであり、同じ巻数巻かれて起磁力を同じくし、電磁石
１６．１７の磁性鉄片１５に対向する側の磁極は磁性鉄
片１５の互いに対向する側の磁極と同極であり、したが
って互いに反発する力を受けている。

姿勢センサ１が水平状態にあるときは、第２図に示すよ
うに磁性鉄片１５は、回動軸７ａより鉛直下方に垂下さ
れていて、左右の電磁石１６．１７からも等距離に位置
する。

いま姿勢センサ１が傾いて第３図に図示するように姿勢
センサ１と一体のセンサ支持体１６．１７が一方の側へ
φ度傾斜したとすると、磁性鉄片１５は重力により鉛直
下方に向かおうとする力と主に近接した一方の電磁石１
６による反発力との平衡した状態に落着きφ度より小さ
いφ１度に傾く。

したがってセンサ支持体６ａもφ０度傾いており、計測
面たる円板１１も同様にφ８度傾いている。

従来は、このセンサ支持体が姿勢センサ１と一体でφ度
傾いてしまうか、または前記従来例では常に鉛直下方に
あって傾きをもたないものであっ。

た。

本実施例の姿勢センサ１の場合、センサ支持体１６ａの
傾きφ１度は電磁石１６．１７に流れる電流を変えるこ
とにより、適当に調整することができる。

したがって光読取器Ｉ２は、φ９度傾いた円板１１の回
動角を読み取ることになる。

円板１１が傾きをもったとしても重錘１３は常に円板１
１の最下端に位置するよう円板１１を回動し、光読取器
１２は同φ１度傾いた状態で傾いた計測面における回動
軸７ａの傾斜角αを検出する。

以上のような検出装置３ａと同じ構造のもう一方の検出
装置３ｂも回動軸７ａと直角に指向した回動軸７ｂの計
測面における傾斜角βを同様に検出することができる。

このように再検出装置３ａ、３ｂの各光読取装置１２ａ
、１２ｂによって検出される上記傾斜角のα１βをもと
に下記の近似式（１）　、　（２）より姿勢センサーの
置かれた状態の最大傾斜角θおよび傾斜方位角ψを算出
することができる。

θ＝ｆα２＋β２　−・・・・・−−−一−・−・−・
−−−−−（１）β ψ−−−−−：＝　・−・−・−−一−−−−−・−−
−−−−＝　（２）ｆα２＋β２ この演算回路は第４図にブロック図で示すように、簡単
なデジタル演算素子からなる演算回路２０に前記光読取
器１２ａ、１２ｂからの検出傾斜角α。

βが入力され、同演算回路２０で前記（１）　、　（２
）弐に基づく演算がされて、算出された最大傾斜角θは
傾斜角表示器２１に出力されて表示され、傾斜方位角ψ
は傾斜方位角表示器２２に出力されて表示される。

なお、図示されていないが光読取器１２ａ、１２ｂから
の出力配線は回動軸７ａ、７ｂの回動に影響を与えない
ように回動軸７ａ、７ｂの内部を通して引き出している
が、スリップリングを介するようにしてもよい。

また光読取器１２ａ、１２ｂから・延出した配線はコネ
クターを介してケーシング２から引き出されて別個に設
けられた演算表示装置に接続されて、同装置に演算回路
２０、傾斜角表示器２１、傾斜方位角表示器２２を備え
るものである。

次に以上のような構造において前記近似式（１）。

（２）が小さい傾斜角ばかりでなく大きく傾斜した場合
でも極めて精度良く最大傾斜角θおよび傾斜方位角ψを
算出することができる理由を説明する。

一方の検出装置３ｂの円板１１に相当する計測面の動き
を模式的に第５図に図示する。

いま回動軸７ｂの水平面となす角をβ３度とし、計測円
ＦｉＳの中心を０、同中心０を通る回動軸７ｂと平行な
直線をｘ−ｘ’　、中心Ｏを通り直線をｘ−ｘ’　と直
交じする直線をＹ−Ｙ’　とする。

センサ支持体６ｂがなんら制御力を受けず自由であれば
、計測円板Ｓは常に鉛直方向に指向して第５図では１点
鎖線で示すように真円Ｓｌとなり、重錘の位置はその最
下端Ｇ、にあって光読取器１２ｂの読みは／Ｇ、ＯＹ’
であり、すなわち直線Ｘ−ｘ′の１嘆き角β、である。

またセンサ支持体６ｂがもしケーシング２に固定され一
体に傾くとすると、他方の検出装置３ａが０度以外の値
を示すときは、計測円板Ｓは傾き、第５図では２点鎖線
で示すように楕円Ｓ２となる。

したがって重錘の位置はその楕円の最下端Ｇ２に位置し
、光読取器１２ｂの読みはｌ　Ｇｔ　ＯＹ　’（＝β２
）を示すことになる。

しかるに本実施例では、センサ支持体６ｂの傾きは電磁
石１６．１７によって制御を受けているので、前記の状
態にあるときに、計測円板Ｓはある程度傾くがセンサ支
持体６ｂをケーシングに固定としたとき程には１頃かな
い。

したがって計測円板Ｓは第５図では、真円Ｓ。

（一点鎖線）と楕円Ｓ２　（２点鎖線）との中間の楕円
を示し光読取器１２ｂの読みはβ１とβ□の中間の値を
示す。

いま実験結果を第６図ないし第８図に図示する。

本実験は、最大傾斜角θを３０度または６０度に固定し
て方位角ψを０度から９０度まで変化させたときに前記
近似式の演算から求めた傾斜角表示器２１と傾斜方位角
表示器２２の表示値を読み取ったもので、第６図ないし
第８図はこれをグラフに表したものである。

Ｏ印がセンサ支持体６ａ、６ｂをケーシング２に対して
完全に自由に揺動させた場合の表示値を示し、×印が固
定とした場合の表示値を示し、Δ印が本実施例に係る制
御を働かせた場合の表示値である。

第６図は丸型グラフに表したもので、方位角ψに対して
表示傾斜角θ′を半径距離として示している。

特に誤差が顕著に表されるθ＝６０°の方をみると、セ
ンサ支持体を自由とした場合（○印）、表示傾斜角θ′
は６０度よりも小さな値を示しており、特にψ＝４５°
近辺で誤差が大きい。

一方センサ支持体を固定とした場合（×印）、表示傾斜
角θ′は６０度を大幅に上回っている。

これらに対し本姿勢センサのセンサ支持体に制御を働か
せた場合（Δ印）、表示傾斜角θ′は、θ＝６０°より
わずかに大きく、自由とした場合（Ｏ印）に較べても誤
差は極めて小さい。

上記傾向はθ＝３０°の場合も同様であり、さらに誤差
は小さくなっている。

次に第７図および第８図に示す表示方位角ψ′について
みると、いずれの場合もψ＝４５°を境にして直線ψ′
＝ψを上下している。

センサ支持体が固定の場合（Ｏ印）と自由の場合（×印
）とでは、直線ψ′＝ψに対し上下逆になっており、制
御した場合（Δ印）は、その中間にあって直線ψ′＝ψ
からの誤差は自由の場合（×印）と略同程度である。

以上のことから本姿勢センサ１の場合は、方位角に関し
て自由の場合と殆ど変わりな（、傾斜角に関しては自由
の場合より誤差が小さく、全体として精度が向上してい
ることが分かる。

以上のことは理論的計算によっても確認できるものであ
る。

なお実際には、電磁石１６．１７に流す電流値を調整す
ることにより、誤差が小さくなるよう設定する。

以上のように、本実施例においては、近似式を用いた演
算により簡単な回路構成で正確な最大傾斜角および傾斜
方位角を算出表示することができる。

また演算が簡単であるとともにセンサ支持体の揺動が電
磁石により制御されているので振動に強くて、応答が早
くリアルタイムの処理を可能としている。

したがってセンサ支持体の揺動角が小さくかつ電気回路
が簡単で装置の小型化および低コスト化を図ることがで
きる。

さらに回動軸７ａの回動を早く安定させるために、磁気
ダンパー機構を設けてもよい。

なお本実施例では、演算回路でデジタル演算を行なって
いたが、簡単な近似式なのでアナログ演算も可能であり
、より連応性に優れたものとすることができるとともに
、傾斜角センサもデジタル値出力に限らずアナログ値出
力のものも使用可能でアナログ値のまま直接演算できる
。

その傾斜角を求める具体的な方式としては、振子式セン
サから構成されるアブソリュートエンコーダ、磁気抵抗
素子、シンクロ、ポテンショメータ、サーボ式、気泡式
、容量式、水銀式等が利用できる。

また制動手段としての電磁石１６．１７を用いたが所定
磁力を有する永久磁石、所定の回動力を生じるスプリン
グコイル、ゼンマイバネ、スプリング板、スプリングワ
イヤ等を使用することも可能である。

さらに本実施例では、ケーシング２内の底板に２個の検
出装置３ａ、３ｂを平面的に配置したが、第９図に図示
する如く、２個の検出装置３０ａ、３０ｂを上下に重ね
て配置してもよく、こうすることでケーシング３１内の
空間を有効に利用することができより小型化を図ること
ができる。

主班二苅来 本発明は、センサ支持体の振動が制御手段により制御さ
れるので、早期に安定し応答速度が極めて早く、連応性
に優れた表示とともに他の制御へのリアルタイムでの利
用が可能である。

センサ支持体の振れ角を抑制するよう制御することで小
さな振れ角の下で装置の小型化が図れる。

また一定の近位演算を利用して正確な最大傾斜角および
その方位角を算出できるので簡単な回路構成でさらに応
答性を良くするとともに小型軽量化に寄与でき、かつコ
ストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る一実施例の姿勢センサの一部欠
截斜視図、第２図および第３図は制御機構の説明図、第
４図は制御系の概略ブロック図、第５図は説明図、第６
図ないし第８図は実験結果を示すグラフ、第９図は別実
施例の姿勢センサの一部欠截斜視図である。 ｌ・・・姿勢センサ、２・・・ケーシング、３　ａ　ｓ
　３　ｂ・・・検出装置、４・・・底板、５ａ、５ｂ・
・・支持板、６ａ、６ｂ・・・センサ支持体、７ａ、７
ｂ・・・回動軸、８・・・軸受、９・・・回動軸、ＩＯ
・・・軸受、１１・・・円板、１２ａ、１２ｂ・・・光
読取器、１３・・・重錘、１４・・・回動制御手段、１
５・・・磁性鉄片、１６．１７・・・電磁石、２０・・
・演算回路、２１・・・傾斜角表示器、２２・・・傾斜
方位角表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 計測されるべき構造体に回動自在に支持された回動軸と
   、同回動軸に一体に支持され重力により鉛直方向に付勢
   されたセンサ支持体と、前記回動軸を含む平面を計測面
   として前記センサ支持体に支持された傾斜角センサと、
   該構造体の傾斜に対応して前記センサ支持体の回動を制
   御する制御手段とから構成される検出装置を該構造体に
   ２個互いに直角に配設し、両検出装置の傾斜角センサか
   らの検出値に基づき構造体の姿勢を演算する演算手段を
   備えたことを特徴とする姿勢センサ。