JP2004015965A - 球面モータ - Google Patents

Abstract

【課題】３自由度を備える球面モータにおいて、球面の回転を検出しステーターにフィードバックすることによりサーボ位置決めや速度制御を実現する機能を備えたモータを提供する。
【解決手段】球状または略球状のローター１を３自由度で自在に駆動する球面モータにおいて、表面上に特徴点を備えたローター１と、該ローター１を駆動するステーター２と、該ステーター２を固定する外枠３と、前記ローター１の表面の特徴点を検出する検出装置を備え、前記特徴点１’を検出する検出機能と、検出結果からローター姿勢変化量を演算するローター姿勢演算機能と、ローター１を駆動するステーター２を制御する制御機能を備えた演算制御装置１２により制御され得るよう構成した。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状または略球状のローターを３自由度に駆動する球面モータの構成に関するもので、球面軸受けなど、球体を３自由度に駆動する機械要素で、かつ球体の回転量を検出する必要がある分野において応用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の従来技術として、現在、多自由度の駆動を実現できる球面モータが開発されている。球面モータの基本構成図を図１０、図１１に示す。球面モータは球状のローター１と、ローター１に対して３次元的に配置されたステーター２からなる。３は外枠である。
一般的にはステーター１として圧電素子を用いた超音波ステーターなどが使用される。一般的に球面モータを正確に制御するためにはサーボ機構が望ましく、そのためには回転量を正確に計測するエンコーダーが必要とされる。球面の回転を検出するエンコーダーとして、コンピューターのマウスなどに用いられているようなローラー型のエンコーダーを用いた接触式と、光を照射して反射光により回転量を計測する非接触式がある。
接触式の場合、１軸のエンコーダーを互いに直交する三次元位置に配置することにより、球面の回転量もしくは回転速度を計測することが可能である。球面モータの様に３自由度を備えるモータの場合、最低３つのエンコーダーを配置する必要がある。しかし、３自由度自在に駆動する場合、一つ以上のエンコーダーとローター間で読み取り方向に直交するすべりが発生するため、高精度の検出は困難であり、制御的に接触式が有効であるとはいえない。
非接触方式の一例として、特開平８−９５６４０号公報の実施例には、Ｘ，Ｙ軸双方に等間隔の縞を設け、反射光をパルスとして読み取るなどの方式が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
非接触で計測する手法の従来例では、３自由度のローター駆動自由度のうち、２自由度分の回転を抽出する手法であり、これらと直交する軸周りの検出性能が低かった。このため、３自由度のモータとして制御性の悪い回転方向が存在していた。このような課題を解決するためには、ローターの姿勢・回転方向に関わらず均質なローターの姿勢もしくは角速度検出を実現する必要がある。
本発明は３自由度を備える球面モータにおいて、球面の回転を検出しステーターにフィードバックすることによりサーボ位置決めや速度制御を実現する機能を備えたモータを提供することを目的とする。
具体的には、請求項１では、ローターの姿勢あるいは角速度を検出しフィードバックするサーボ機構を備えた球面モータを実現することを目的とする。
請求項２では、請求項１の構成を簡便に使用できるようにすることを目的とする。
請求項３では、ローターの回転を検出する際に外乱の影響を低く押さえるようにすることを目的とする。
請求項４では、ローターの姿勢を検出し得るようにすることを目的とする。
請求項５では、画像処理の負荷を低減しつつ、ローターの角速度を制御し得るようにすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、球状または略球状のローターを３自由度で自在に駆動する球面モータにおいて、表面上に特徴点を備えたローターと、該ローターを駆動するステーターと、該ステーターを固定する外枠と、前記ローター表面の特徴点を検出する検出装置を備え、前記特徴点を検出する検出機能と、検出結果からローター姿勢変化量を演算するローター姿勢演算機能と、ローターを駆動するステーターを制御する制御機能を備えた演算制御装置により制御され得るよう構成した球面モータを最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明では、請求項１の球面モータにおいて、外枠に検出装置を固定する空間を備え、検出装置を外枠の前記空間に固定する球面モータを主要な特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１、２の球面モータにおいて、検出装置としてカメラおよび照明と、ローターにより外部光を遮断する遮光ケースを備え、かつ該遮光ケース内に検出装置を配置した球面モータを主要な特徴とする。
請求項４記載の発明では、一意に特定できる情報を備えた特徴点が、検出装置により同時に３個もしくはそれ以上検出できるように配置されたローターを用いるよう構成した球面モータを主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１の球面モータにおいて、ロータは平面内の回転量が特定できる図形を表面に印刷されるよう構成され、検出装置は前記図形を常に観測可能に構成され、かつ演算制御装置は図形の移動量を検出する画像処理機能と、検出結果からローター姿勢変化量を演算するローター姿勢演算機能と、を備えてローターを駆動するステーターを制御するよう構成した球面モータを主要な特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態の第一例である。図中、１はローター、１’はローター１表面の特徴点、２はステータ、３は外枠、４は外枠３に形成した空間、５は空間４内に格納されたカメラ、６は同じく空間４内に格納された照明（光源）、７は照明６の光が外部に漏洩しないよう、外枠３の外部から空間４を覆う遮光ケース、８は演算制御装置である。カメラ５は演算制御装置８での制御性能を満たすため、１０００ｆｐｓの高フレームレートのものを使用し、カメラ５で撮影した画像をパターンマッチングや重心の検出などの画像処理に使用する。
回転体を３自由度で駆動するためには、一般的に３個の１自由度のステータ２が必要であり、ローター１の回転運動は各ステータ２の発するトルクの合成により決定される。ローター１の姿勢または回転量を計測する検出装置は、カメラ５と照明４から構成され、照明４としてはリング型ランプをカメラレンズ周りに配する。
カメラ５と照明４は、遮光ケース７とローター１により環境光が入らない位置に配置されているため、カメラ画像の外乱の影響を最小限にすることができる。また、照明条件を制御しやすくなるため、光量が不足しがちな高フレームレートの画像取得が可能になる。高速シャッタを用い１０００ｆｐｓの画像サンプリングを行うことにより、一般的なサーボ制御性能を満たすことができる。
ローター１は球体であり、かつカメラ５は外枠３に固定されているため、回転姿勢に関わらずローター１とカメラ５との相対位置および形状が変化しない。このため、画像歪みや焦点が常に一定である。
画像の補正は、図２および図１に示すように演算制御装置８の機能としてソフトウエア的に行う。すなわち、図２は上記球面モータを用いて運転を行う際のフローチャートであり、Ｓ１の画像撮影からＳ５の各ステーター２の出力値への変換といったステップを経て最初のＳ１へ戻る。図３に示すように、ローター１の回転中心Ｏをカメラ５の光軸Ｌ上に配置して歪み補正レンズ９を使用することにより光学的に補正してもよい。
演算制御装置８により、補正された画像からローター１の姿勢値を計算し、かつローター１の姿勢値をフィードバックして個々のステーター２の制御に使用することにより、ローター１の指令値に対する制御性能が向上し、使いやすい球面サーボモータが実現できる。
本実施例において、特徴点１’はローター１の表面上に印刷されており反射光によって検出されるものとしているが、発光によるものや電磁波を用いたものなど、画像上で位置を特定できる特徴点および検出手段の組み合せであれば何を使用してもよい。
【０００６】
図４〜図７は本発明の実施の形態の第二例である。図４中、１０は特徴点、１０’は観測領域、図５中、１１はカラースポットによる特徴点、１２は観測領域、図６、７中、１３は格子模様による特徴点、１４は観測領域である。図５に示す特徴点１１は、重心が特定でき、かつ特徴点１１を一意に特定できるものとする。特定するための構成として、図５の例では色情報を使用している。図５の例では色情報を用いることにより、特徴点１１の面積が少径の円でも特徴点１１を特定することが可能であり、少径のローター１（図１等参照。符号を付したものについては以下同様である。）などに対応できる。
また、図６、７の例では２次元バーコードなどに使用される格子模様を使用している。図６、７の例では、２値画像で一定の情報を特徴点１３から読み取ることができるため、安定した特徴点１３の検出ができる。
他にも観測時の姿勢に関わらず安定に判定できる特徴点であれば使用可能である。マークの数は、すべての姿勢においてカメラ５の観測領域内に同時に３個以上のマークが検出できる密度に配置する必要がある。
【０００７】
図４に示したように、同時にｎ個測定できるものとして、カメラ５の観測できる矩形領域面積をＬ１×Ｌ２とする。矩形の端部分は特徴点１０の一部のみが認識される可能性があるので、特徴点１０の直径をＲとすると有効面積は（Ｌ１−２Ｒ）×（Ｌ２−２Ｒ）であり、矩形内にｎ個の特徴点が観測できるためには面密度ｎ／（Ｌ１−２Ｒ）×（Ｌ２−２Ｒ）個の特徴点１０が必要である。ここで特徴点１０同士が重ならない条件は以下の数１で示される。
【数１】
ｎＲ２／（Ｌ１−２Ｒ）（Ｌ２−２Ｒ）＜１
本例では上式数１を満たすカメラ５（図１参照）の観測領域１０’および特徴点１０の径Ｒを備えるものとする。また、４個以上の特徴点１０は本例では使用しないが、４個目以降の特徴点情報を利用してより高精度に姿勢を算出してもよい。
画像に対するローター１の回転中心の空間相対位置およびローター１の半径を既知の値とすると、検出された特徴点３点の画像上の座標から、ローター１の回転中心に対して位置ベクトルＸｉ（ｉ＝１〜３）を容易に求めることができる。ローター１の姿勢を回転行列Ｅとする。検出された各特徴点の、ローター１の基準姿勢における位置ベクトルを、Ａｉ（ｉ＝１〜３）とする。Ａｉは既知の値であり、本例では観測された特徴点と特徴点のローター１上の位置ベクトルＡｉは、演算制御装置８が備える特徴点特定機能および特徴点位置情報記憶機能により対応づけられる。具体的な方法として、特徴点位置情報記憶機能は特徴点位置情報をテーブル形式で記憶しており、特徴点特定機能は特徴点を色情報もしくは格子模様もしくは他の手法で特定したのち、特定した情報を照合して特徴点のローター上の位置情報を利用するものとする。このとき数２が成り立つ。
【数２】
Ｅ（Ａ１，Ａ２，Ａ３）＝（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）
したがって（Ａ１，Ａ２，Ａ３）が逆行列をもてば、Ｅすなわちローターの姿勢が一意に求められる。（Ａ１，Ａ２，Ａ３）が逆行列を持たない必要十分条件は、Ａ１，Ａ２，Ａ３が一直線上に存在する場合であり、球面上の任意の３点は常に一直線上にはないので、本計算手法によりローター１の姿勢が一意に計算できる。検出されたローター１の姿勢と指令値の差を取りフィードバック制御することにより、より高精度の位置決め特性を持った球面モータが実現できる。
【０００８】
図８、９は本発明の実施の形態の第三例である。図中、１５はローター１の外周部に突出した作業用のアームであり、図中、図１に示すものと同一のものには同一の符号が付されている。また、図９中、１６は特徴点、１７は観測領域である。本例では、アーム１５は外枠３との干渉によって作動範囲が制限される。また、本例ではカメラ５および照明６からなる検出装置による観測領域１６においては、図９に図示された特徴点１６が常に検出できる大きさを満たしている。
歪みを補正された画像において、フレーム間でパターンマッチングを行うことにより、図形の平行移動量および図形の回転量を求めることができる。平行移動量から求められる回転行列をΔＸとする。また図形の回転中心においてθ０回転する回転行列は、回転量θ０、および回転中心の現座標の単位ベクトル（ｘ　ｙｚ）から求めることができる。これをθとすると、フレーム間の姿勢変化量は回転行列ΔＥ＝θΔＸで表される。
回転行列ΔＥより、回転軸ベクトル（λ　μ　ν）および回転量θが数３、数４、数５により求められる。
【数３】

【数４】

【数５】

これは、サンプリング時間における回転量すなわち角速度を意味する。計算時間低減のためマッチングする図形形状は、図９の三角形の様にシンプルで検出精度の高い形状のものとする。また、画像処理を特徴点近辺の画素に限ることにより、計算量を低減させる。得られた角速度および回転軸ベクトルと、指令角速度値および回転軸ベクトルとの差分をベクトル合成により計算し、各ステーター２へとフィードバックすることにより、ローター１を指令角速度値に追従させることができる。
【０００９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によれば、ローターに特徴点を設け非接触で特徴点の位置を連続して計測することにより、非接触でローターの姿勢もしくは角速度を計測することができ、これをステーターにフィードバックすることにより制御性の高い三自由度球面モータを実現できる。
請求項２によれば、構造体と検出装置を一体化することにより、検出装置と検出対象のローターの相対位置が一定となり、検出装置のキャリブレーションの手間を軽減することができる。検出装置にカメラを用いた場合、画像および球面の歪みが一意に決定されるため、補正が容易にできる。
請求項３によれば、ローターに沿った位置に遮光ケースを配置し、遮光ケース内にカメラおよび照明を収めることにより、環境光線の外乱の影響を減じ、かつ照明条件を自在に制御できることにより、ローター表面上の特徴点を安定して検出できる。また、光量を強くすることにより、高速シャッターに対応できるため、高フレームレートの画像取得が可能になる。
請求項４によれば、３点以上のローター表面上特徴点を同時に計測することにより、ローターの姿勢が一意に決定できる。決定されたローターの姿勢値をフィードバック情報として用いることにより、モータの制御性を向上させることができる。
請求項５によれば、検出装置による画像のフレーム間のパターンマッチングにより、図形の回転を含む移動量を計算し、図形の移動量からローターの角速度をフィードバック制御することができる。
また、請求項５によれば、特徴点をトラッキングして特徴点周辺領域に画像処理を限定することができる。このため、画像全体を処理する必要がなく、計算量が減少してより早い速度で角速度検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の球面モータの実施の形態の第一例の断面図である。
【図２】図１の球面モータの演算制御を行う場合のフロー図である。
【図３】図１に示す球面モータにおいて、球面補正レンズによる球面補正を行う場合の断面図である。
【図４】本発明の球面モータの実施の形態の第二例において、特徴点密度を表わす正面図である。
【図５】本発明の球面モータの実施の形態の第二例において、色情報を備えた特徴点の説明図である。
【図６】本発明の球面モータの実施の形態の第二例において、格子模様による特徴点の説明図である。
【図７】図６に示す特徴点の拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態の第三例の断面図である。
【図９】図８に示すローターの特徴点の説明図である。
【図１０】従来の球面モータの一例の断面図である。
【図１１】図１０のＶＩ−ＶＩ方向矢視図である。
【符号の説明】
１　ローター
１’　特徴点
２　ステーター
３　外枠
４　空間
５　カメラ（検出装置）
６　照明（検出装置）
７　遮光ケース
８　演算制御装置
１０’　特徴点
１１　特徴点
１３　特徴点
１６　特徴点

Claims (5)

1. 球状または略球状のローターを３自由度で自在に駆動する球面モータにおいて、表面上に特徴点を備えたローターと、該ローターを駆動するステーターと、該ステーターを固定する外枠と、前記ローター表面の特徴点を検出する検出装置を備え、前記特徴点を検出する検出機能と、検出結果からローター姿勢変化量を演算するローター姿勢演算機能と、ローターを駆動するステーターを制御する制御機能を備えた演算制御装置により制御され得るよう構成したことを特徴とする球面モータ。
2. 請求項１の球面モータにおいて、外枠に検出装置を固定する空間を備え、検出装置を外枠の前記空間に固定することを特徴とする球面モータ。
3. 請求項１、２の球面モータにおいて、検出装置としてカメラおよび照明と、ローターにより外部光を遮断する遮光ケースを備え、かつ該遮光ケース内に検出装置を配置したことを特徴とする球面モータ。
4. 一意に特定できる情報を備えた特徴点が、検出装置により同時に３個もしくはそれ以上検出できるように配置されたローターを用いるよう構成したことを特徴とする球面モータ。
5. 請求項１の球面モータにおいて、ロータは平面内の回転量が特定できる図形を表面に印刷されるよう構成され、検出装置は前記図形を常に観測可能に構成され、演算制御装置は図形の移動量を検出する画像処理機能と、移動量についての検出結果からローター姿勢変化量を演算するローター姿勢演算機能とを備えて前記ステーターを制御するように構成されていることを特徴とする球面モータ。

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