JPS6186613A - 空間回動角算定装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転運動体上においてその空間回動角を算定
する装置に関するものである。

〔従来技術の問題点〕

空間において旋回する運動体上で慣性力測定器により運
動体の空間回動角を測定するには、一般にジャイロ装置
又は加速度計或いはそれらの組合せなどの大規模の計測
システムを必要とする。これらは、船舶、飛行機、飛翔
体などの大形走行体の運動解析又は航行測定に用いられ
るものが多く、人体の運動解析又は走行ロビットノ・ン
ド制御等のため、人体四肢又はマニピュレータに取付け
うる小形で、しかも空間旋回運動を忠実に計測するトラ
ンスジューサ・システムは、これまで存在していなかっ
た。

したがって、本発明は、人体やマニピュレータに簡単に
装着してその運動状態における空間回動角を容易に計測
しうる実用的な装置を提供することを目的とする◎ 〔発明の概要〕 このため、本発明は、ごく軽小な慣性体支持型測定器を
用い、その測定方式には動的トルク平衡方式を使用し、
且つ測定器よりの出力値を小形化集積されｌ−コン♂ユ
ータで高速処理して回動角を算定するようにした。

本発明に用いる慣性体支持型測定器には、形状が軽小で
且つ駆動力も僅少な可動部が必要となるが、本発明にお
いては、このような条件に適合する可動部をもつ市場で
入手容易な小形直流電流計部品を母体とし、これに必要
な機能をもつ部品を付加し慣性力測定器として構成した
ものを使用する。そして、この電流計型可動部の指針の
一方の端部に重量が平衡した１対の慣性大輪を取付けて
可動部の慣性モーメントを増大させ、これに作用する運
動時の慣性力トルクを検出しこれを増幅して外部に出力
すると共に比例動作をするフィードバック回路を介して
コイルに電流を負帰還させるように構成した動的トルク
測定器の出力を２回積分することにより、運動体の空間
回動角を算定するようにした。以下、図示の実施例によ
り本発明を具体的に説明する。

〔実施例〕

第１図（イ）は、本発明に用いる測定器の例を示す構成
図である。図の測定器は、可動部をもつ本体Ｕ、検出部
ｄ１増幅部ａ及び帰還回路ｆより構成される。本体Ｕに
おいて、ＭＧは永久磁石、ＳＹは継層鉄板ヨーク、ＳＦ
は軟鉄心を示し、ＳＹとＳＦ間の空隙内に軸心Ｏに支承
される可動コイル（１）が格納されている。また、可動
コイル（１）には、指針（２）が結合されている。この
電流計型可動部をもつ慣性力測定器を回転ないし旋回運
動体に取付ける。

第１図（ロ）は、その取付は姿勢関係を示す斜視図であ
る。この図において、空間座標系をｏ−ｘｙｚ　、運動
体の座標な〇−ξηことし、運動体は、０ζ軸を空間座
標軸Ｏ２に一致させ、これを軸として角速度ω、角加速
度ふで（面ξ０ηが空間ＸＯＹ面内にある）旋回運動を
しているものとする。一方、この運動体上にある測定器
の本体Ｕは、コイル軸心Ｏを通る軸を運動体０ζ軸に一
致させ、指針（２）の方向を軸心０をよぎるＯη力方向
一致させて、運動体に取付けられている。

再び第１図（イ）において、指針（２）のコイル（１）
側の端部に重量が平衡した１対の慣性大輪（１３ｍ）、
（１３ｂ）を取付け、コイル（１）を含む可動部の慣性
モーメントを増大させて運動体の回転時に慣性トルクを
入力トルクとして可動部に与えるようにする。また、指
針（２）の両側面（３１）及び（３□）を挾み小間隔を
置いて測定器固定部（４１）及び（４□）にそれぞれ発
光素子と受光素子の対（５，）　−（６１）及び（５□
）−（６２）を設ける。各発光素子（５，）　＋　（５
２）よりの発光は、対応する指針両側面（３，）　、　
（３２）により反射されて受光素子（６，）　、　（６
２）により受光される。また、上記指針（２）のＯη力
方向一致する零（平衡）位置では上記両側の小間隔は等
量に設定され、上記運動体の回転時には、可動コイル（
１）を含む可動部への入力トルクＴ１と可動コイル（１
）に負帰還される電流によるトルクＴｆとの差トルク（
ＴＩ　−Ｔｆ）が測定器可動部に加えられる。その結果
、光検出部の小間隔が変化しこれに対応して双方の検出
電流が変化し、抵抗ｒ４．ｒ２よりの差出力が増幅され
て出力端（８）より外部に取出されると同時に帰還回路
ｆを介して可動コイル（１）に負帰還される。なお、検
出部ｄは必ずしも光によるものでなくてもよい。

第２図は、上述した測定器の動作説明用ブロック図であ
る。同図において、Ｔｌは慣性入力トルク、Ｔｆはコイ
ルに負帰還される電流によるトルク、εはＴｌとＴｆど
の差、Ｇｄは検出部ｄの伝達函数、Ｇａは増幅部ａの利
得、Ｅｏは出力電圧、Ｇｆは帰還回路ｆの利得を示す。

これらの間には、次の関係が成立する。

（１）式より 増幅部ａの利得が太き（Ｇａ）１ならば、になる。すな
わち、出力電圧Ｅｏは貫性入カトルクＴＩにほぼ比例す
る。

ここで、可動部の慣性モーメントをＩ、運動体の空間旋
回角速度をふとすれば ＴＩ　＝　Ｉゐ　　　　　　　　　・・・・・・（４）
か成立つ。この式に示されるように、ＴＩには運動体の
直線加速度又は重力の影響は全く含まれていない。ＴＩ
に影響を与えるのは、運動体自身の回転角速度ふのみで
ある。したがって、Ｔ１のもつ周波数帯は単調であるの
が普通である。慣性入力トルクＴＩと出力電圧ＥＯとの
間の周波数特性は、ＴＩの周波数帯が零より考えられる
上限周波数まで変わる間利得が一定であるのが望ましい
。よって、これに適合するように帰還ループの回路構成
は比例型とする。

第３図は、かような帰還ループの例を示す回路図である
。同図において、帰還回路ｆは、電圧ＥＯを抵抗Ｒｐ２
と抵抗Ｒｐ、の比に分圧してコイルに帰還電流を与える
比例動作を行うよう構成される。

この場合の伝達関数は、Ｇａ）１のときＲｐ１／Ｒｐ２
となる。この回路構成により、 を得る。（５）式及び（４）式により、ＥＯを角度系の
慣性力として表わすことができる。すなわち、ここに　
Ｒ竪工はこの測定器の常数である力・らｐ１ ケールで表わした角加速度をムとすると、Ｅｏ　＝Δ　
　　　　　　　・・・・・・（６）を得る。すなわち、
ＥＯは、常に運動体の角加速度に比例した出力を与える
ことになる。

したがって、第４図に示すように、Ｅｏ　（１”ｌ）を
第１火種分回路ｌｎ１によって積分することにより旋回
角速度Ωに対応する出力−〇が求められ、これを更ＶＣ
第２火種分回路１ｎｚによって積分することにより旋回
角出力θを得ることができる。第５図に、上記２回積分
回路の具体例を示す。

第６図は、第５図の２回積分回路の動作を説明するため
の波形図である。同図（ａ）は角加速度へ、同図（ｂ）
は角速度Ω、同図（ｃ）は回動角θの波形図である。時
間１　＝　１ＧのときΩ＝０．０＝０として、時間ｔ　
＝　ｔｏ　％ｔｌ　（＝Δｔ）の間、角加速度を一定（
ａ）とすると、 となり、Δ、Ω、θは第６図の左側前半Ａ−＋Ｂの経過
をたどる。

次に、１　＝　１＋〜ｔ２（＝Δｔ）の間、角加速度を
一定（−ａ）にすると、 晶ｔ１〜ｔ１＝−８ ＝ａΔｔ　−ａΔｔ＝Ｑ すなわち、角速度はΩ１のａΔｔより減速してｔ＝ｔ！
でＯとなる。また、 θ１−θ、　＝＝＝　’　（Δｔ）２となるので、θｔ
＝−（Δす２＋−！−（Δｔ）２＝ａ（Δｔ）２！２２ を得る。したがって、ム、Ω、θは第６図右側後半Ｂ→
Ｃの経過をたどり、１＝１．において回動角θはａ（Δ
ｔ）を示すことになる。

第１図に示したような、指針の一方の端部に１対の慣性
大輪をもった小形電流計型の慣性力トルク測定器は、本
体Ｕに検出部ｄ１増幅部ａ及び帰還回路ｆを内蔵させて
全体として小形に構成しうる。また、これに付属する第
１火種分回路及び第２火種分回路を主体とする電子計算
ユニットも小形に集積化されているので、これらの全装
置を人体やロボットのマニピュレータに装着することが
可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり、本発明によれば、作業中の人間の
四肢又は動作中のロボット・マニピュレータ等に装着し
て人体の運動解析又はマニピュレータの制御等の用途に
今迄なかった空間回動角計測器として使用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明に用いる測定器の例を示−ｆ’ｉ
成図、第１図（ロ）はその取付は姿勢関係を示す斜視図
、第２図は第１図０）の測定器の動作説明用ブロック図
、第３図は帰還ループの例を示す回路図、第４図は２回
積分回路により回動角を算定する原理を示すブロック図
、第５図は第４図の２回積分回路の具体例を示す回路図
、第６図はその動作説明用波形図である。 ξＯη・・・運動体の回動面、０ζ・・・回動面に直角
の方向、（１）・・・可動コイル、Ｏ２・・・可動コイ
ルの回動鋤、（２）　・・・指針、（１３ａ）、（１３
ｂ）　−＝　１対の慣性大輪、Ｔｉ・・・入力トルク、
ｄ・・・検出部、ａ・・・増幅部、（８）・・・出力端
、ｆ・・・帰還回路、Ｔｆ・・・負帰還電流によるトル
ク、ｉｎ　　及びｌ　ｎ　２・・・第１次及び第２火種
分回路、θ・・・空間回動角。 １′（１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 空間で回動する運動体の回動面に直角の方向に可動コイ
   ルの軸を一致させて取付けた直流電流計型可動部をもつ
   測定器において、上記可動コイルに結合された指針の一
   方の端部に重量が平衡した１対の慣性欠輪を取付け、上
   記可動部の慣性モーメントを増大させて上記運動体の回
   転時の慣性トルクを入力トルクとして上記可動コイルを
   含む可動部に与え、上記指針の他端の零位置よりの変位
   を検出して電気信号に変換し増幅して出力端に取出すと
   共に比例動作をする帰還回路を介して上記可動コイルに
   負帰還させ、上記入力トルクと上記負帰還電流によるト
   ルクとの差トルクを上記可動コイルに加えるように構成
   した動的トルク測定器の出力を２回積分することにより
   、上記運動体の回動時の空間回動角を自動的に算定する
   ことを特徴とする空間回動角算定装置。