JP2008002867A - Attitude angle determining apparatus and determining method for the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an attitude angle determining apparatus for easily and accurately obtaining the positional relation, even if there is a complex relation among coordinate systems, and to provide its determining method. <P>SOLUTION: The attitude angle determining apparatus comprises an inclination angle, acquiring section for acquiring an inclination angle as an angle between the axial direction and the gravity vector direction, on each axis of a three-axis orthogonal coordinate system configured to each link; an attitude change indicating section 28 for providing three combinations of global attitudes at maximum, as attitude relation between first and second links is fixed; inclination vector calculating sections 33, 34 for obtaining an inclination vector from the inclination angle in each axial direction of the each link in each global attitude; an inclination matrix calculating section 36 for obtaining an inclination matrix from the inclination vector obtained from each global attitude in each link; and a link matrix calculating section 38 for calculating a link matrix, representing the attitude angle by obtaining a product of one and the other inverse matrices. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は,リンク機構によって接続された2つの座標系間の姿勢関係を決定する姿勢角決定装置およびその決定方法に関する。さらに詳細には,2つの座標系間の姿勢関係を3つの姿勢角(ヨー角φ,ピッチ角θ,ロール角ψ)で表すための姿勢角決定装置およびその決定方法に関するものである。   The present invention relates to a posture angle determination device and a determination method for determining a posture relationship between two coordinate systems connected by a link mechanism. More specifically, the present invention relates to a posture angle determination device and method for representing a posture relationship between two coordinate systems with three posture angles (yaw angle φ, pitch angle θ, roll angle ψ).

リンク機構によって接続された複数部材の姿勢制御を行う場合,一般に,各部材ごとにその位置座標を表す座標系を設け,まず部材の姿勢をその座標によって特定する。その後,座標間の姿勢関係を3つの姿勢角を用いて変換することにより,共通の座標で表している。従来,このような座標間の姿勢関係を求めるには,図面に基づいて寸法を計測したり,三次元測定器によって角度を実測することにより行っていた。   When performing posture control of a plurality of members connected by a link mechanism, generally, a coordinate system representing the position coordinates is provided for each member, and the posture of the member is first specified by the coordinates. Thereafter, the posture relationship between the coordinates is converted using three posture angles to represent the common coordinates. Conventionally, in order to obtain such a posture relationship between coordinates, the dimensions are measured based on a drawing or the angle is measured by a three-dimensional measuring device.

例えば,特許文献1には,人間の大腿部,下腿部等の各部を剛体要素(リンク)として,各剛体要素に要素座標系を設定した剛体リンクモデルを作成し,そのモデルを用いて移動体の関節モーメントを推定する方法が開示されている。本文献に記載の技術では,例えば股関節に設けられた関節変位センサや発光/受光器等の出力を基にして,座標変換のための変換テンソルを作成し,それを用いて各関節要素や各剛体要素の位置が求められるとされている。
特開2005−81537号公報
For example, in Patent Document 1, a rigid body link model in which an element coordinate system is set for each rigid body element and each part such as a human thigh and crus as a rigid body element (link) is created, and the model is used. A method for estimating a joint moment of a moving object is disclosed. In the technique described in this document, for example, a conversion tensor for coordinate conversion is created based on outputs from joint displacement sensors and light emitting / receiving devices provided at the hip joint, and each joint element and each It is said that the position of the rigid element is required.
JP 2005-81537 A

しかしながら,前記した従来の図面や実測による方法では,2つの座標系の配置が複雑になるにつれて作業が繁雑となり,姿勢角の決定が困難であった。特に,座標系同士がねじれの関係にあって,図面上でそれらの関係を明記できない場合等では,図面から姿勢の関係を読み取ることができない。また,座標系間の距離が長い場合あるいは,座標系間に障害物がある場合等では,三次元測定器による計測が困難であった。これらの条件が重なると,図面によっても実測によっても姿勢関係が求められないという問題点があった。また,座標系の設置について角度誤差がある場合では,図面上から得られる座標系間の姿勢関係では,精度が低いものとなるという問題点があった。   However, in the above-described conventional drawings and methods based on actual measurement, the work becomes complicated as the arrangement of the two coordinate systems becomes complicated, and it is difficult to determine the posture angle. In particular, when the coordinate systems are in a torsional relationship and the relationship cannot be clearly specified on the drawing, the posture relationship cannot be read from the drawing. In addition, when the distance between coordinate systems is long or when there are obstacles between coordinate systems, measurement with a three-dimensional measuring device is difficult. When these conditions overlap, there is a problem that the posture relationship cannot be obtained by drawing or actual measurement. Further, when there is an angular error in the installation of the coordinate system, there is a problem that the posture relationship between the coordinate systems obtained from the drawing is low in accuracy.

また,特許文献1に記載の技術は,例えば股関節の関節変位センサ等によりリンク間の回転角が把握されている場合の変換方法である。さらに,股関節,膝関節,足首関節の3つの関節を通る脚平面を想定してその上での2次元量を利用することにより,移動しつつある人間の脚体の関節に作用するモーメントを推定するものであり,このままではリンク間の姿勢関係の取得には利用できない。   The technique described in Patent Document 1 is a conversion method when the rotation angle between links is grasped by, for example, a joint displacement sensor of a hip joint. Furthermore, assuming a leg plane that passes through the three joints of the hip joint, knee joint, and ankle joint, the moment acting on the joint of the moving human leg is estimated by using the two-dimensional quantity on the leg plane. As it is, it cannot be used to acquire the posture relationship between links.

本発明は,前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは,複雑な関係にある座標系間であってもその姿勢関係を容易に,精度良く求めることのできる姿勢角決定装置およびその決定方法を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a posture angle determination device and a determination method thereof that can easily and accurately determine the posture relationship even between coordinate systems having a complicated relationship.

この課題の解決を目的としてなされた本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに設定された3軸直交座標系の各軸について,軸方向と重力ベクトルの方向との間の角度である傾斜角を取得する傾斜角取得部と,第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して最大3通りの全体姿勢を取らせる姿勢変化指示部と,姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,傾斜角取得部で取得された各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と,各リンクについて,傾斜ベクトル算出部で全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求める傾斜行列算出部と,傾斜行列算出部により求められた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有するものである。   The posture angle determination device of the present invention made for the purpose of solving this problem is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is provided in the posture change operation unit. A posture angle determination device for determining a posture angle of a coordinate system of a second link as viewed from a coordinate system of a first link in a mounted or connected structure, and a three-axis orthogonal coordinate system set for each link An inclination angle acquisition unit that acquires an inclination angle, which is an angle between the axial direction and the direction of the gravity vector, and an attitude change operation unit while fixing the attitude relationship between the first link and the second link. The posture change instructing unit that instructs the posture change of the structure to take a maximum of three overall postures, and each axis acquired by the inclination angle acquiring unit for each link in each overall posture according to the instruction from the posture change instructing unit Inclination of direction An inclination vector calculation unit that obtains an inclination vector from an angle, an inclination matrix calculation unit that obtains an inclination matrix from an inclination vector obtained for each overall posture by the inclination vector calculation unit, and an inclination matrix calculation unit A first link matrix calculation unit that calculates a link matrix representing an attitude angle by obtaining a product of one and the other inverse matrix based on a link inclination matrix.

本発明の姿勢角決定装置によれば,傾斜角取得部によって,各リンクに設定された3軸直交座標系の各軸方向と重力ベクトルの方向との間の角度である傾斜角が取得される。また,姿勢変化指示部によって,リンク機構は最大3通りの全体姿勢を取るように指示される。そして各全体姿勢において傾斜ベクトル算出部によって傾斜ベクトルが求められ,続いて,傾斜行列算出部によって傾斜ベクトルより傾斜行列が求められる。さらに,求められた傾斜行列に基づいて,姿勢角を表すリンク行列が算出される。従って,複雑な関係にある座標系間であってもその姿勢関係を容易に,高価な機構を用いず,小型な装置によって精度良く求めることが出来る。   According to the attitude angle determination device of the present invention, the inclination angle acquisition unit acquires an inclination angle that is an angle between each axis direction of the three-axis orthogonal coordinate system set for each link and the direction of the gravity vector. . In addition, the link mechanism is instructed by the posture change instruction section to take a total of three overall postures. In each overall posture, the inclination vector calculation unit obtains the inclination vector, and then the inclination matrix calculation unit obtains the inclination matrix from the inclination vector. Further, a link matrix representing the attitude angle is calculated based on the obtained inclination matrix. Therefore, even between coordinate systems having a complicated relationship, the posture relationship can be easily obtained with high accuracy using a small device without using an expensive mechanism.

なお,「傾斜角取得部」,「傾斜ベクトル算出部」,「傾斜行列算出部」は,両リンクについてまとめて処理するものであっても良いし,各リンクのそれぞれに設けられているものであっても良い。また,傾斜ベクトルは傾斜角を成分とするベクトルである。傾斜行列は,傾斜ベクトルを並べたものであり,すなわち,傾斜角を軸および全体姿勢により2次元に配列した行列である。また,傾斜行列は,その座標系の傾斜角を表すものであるが,座標系から別の座標系を見たときの姿勢関係までは表現しない。   The “inclination angle acquisition unit”, “inclination vector calculation unit”, and “inclination matrix calculation unit” may be processed together for both links or provided for each link. There may be. The inclination vector is a vector having an inclination angle as a component. The inclination matrix is an array of inclination vectors, that is, a matrix in which inclination angles are two-dimensionally arranged according to an axis and an overall posture. The tilt matrix represents the tilt angle of the coordinate system, but does not represent the posture relationship when another coordinate system is viewed from the coordinate system.

また,傾斜角取得部は,各座標系の軸の数(3個)×リンクの数(2個)の都合6個の傾斜角を取得する。傾斜ベクトル算出部は,全体姿勢の数(最大3種)×リンクの数(2個)の傾斜ベクトルを算出する。傾斜行列算出部は,リンクの数(2個)の傾斜行列を算出する。   Further, the tilt angle acquisition unit acquires six tilt angles for the number of axes in each coordinate system (3) × the number of links (2). The inclination vector calculation unit calculates the total number of inclination vectors (maximum of three types) × the number of links (two). The inclination matrix calculation unit calculates the number (2) of inclination matrices.

さらに本発明では,傾斜角取得部が,傾斜角を,第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する3方向に設けられた水準器を用いて得ることが望ましい。このようにすれば,傾斜角を直接的に得ることができる。   Furthermore, in the present invention, it is desirable that the inclination angle acquisition unit obtains the inclination angle by using a level provided in three directions orthogonal to each of the first link and the second link. In this way, the tilt angle can be obtained directly.

また本発明では,傾斜角取得部が,傾斜角を,第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する3方向に設けられた加速度センサの出力値から求めるものであっても良い。このようにすれば,傾斜角を容易に得ることができる。   In the present invention, the inclination angle acquisition unit may obtain the inclination angle from output values of acceleration sensors provided in three directions orthogonal to each other on the first link and the second link. In this way, the tilt angle can be easily obtained.

また本発明では,傾斜角取得部が,傾斜角を,第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する2方向に設けられた加速度センサの出力値と,各リンクごとの各加速度センサの出力値の2乗の和をその場所の重力加速度の値の2乗から差し引いた値の平方根とから求めるものとしてもよい。この場合,平方根の符号は,座標系の上下関係として外部信号またはGPS,マーカー等で与えられることが好ましい。このようにすれば,必要な加速度センサの個数や全体姿勢の変化の回数を減らすことができる。   In the present invention, the inclination angle acquisition unit determines the inclination angle for the first link and the second link, the output value of the acceleration sensor provided in two directions orthogonal to each other, and the output of each acceleration sensor for each link. The sum of the squares of the values may be obtained from the square root of the value obtained by subtracting the square of the value of the gravitational acceleration at the location. In this case, it is preferable that the sign of the square root is given by an external signal, GPS, marker, or the like as a vertical relationship of the coordinate system. In this way, the number of necessary acceleration sensors and the number of changes in the overall posture can be reduced.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに1方向が互いに平行となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の各方向の加速度値を取得する加速度値取得部と,第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して,当該1方向に平行な軸の周りの回転による2通りの全体姿勢を取らせる姿勢変化指示部と,姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,加速度値取得部で取得された各軸方向の加速度値から傾斜角を求める傾斜角測定部と,姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,傾斜角測定部で求められた各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と,各リンクについて,傾斜ベクトル算出部で全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求める傾斜行列算出部と,傾斜行列算出部により求められた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有するものであってもよい。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is mounted or connected to the posture change operation unit. A posture angle determination device for determining a posture angle of a second link coordinate system as viewed from a first link coordinate system in a body, wherein three directions orthogonal to each link are set so that one direction is parallel to each other Instructs the posture change operation unit to change the posture of the structure while fixing the posture relation between the first link and the second link, and an acceleration value acquisition unit that acquires acceleration values in each direction other than the one direction of the coordinate system Then, the acceleration value acquisition unit acquires the posture change instruction unit that takes two general postures by rotation around an axis parallel to the one direction, and each link in each overall posture by the instruction of the posture change instruction unit. Each Inclination for obtaining the inclination vector from the inclination angle in each axial direction obtained by the inclination angle measurement unit for each link in each overall posture as instructed by the posture change instruction unit and the inclination angle measurement unit for obtaining the inclination angle from the direction acceleration value A vector calculation unit, an inclination matrix calculation unit that obtains an inclination matrix based on an inclination vector obtained for each overall posture by an inclination vector calculation unit, and an inclination matrix of each link obtained by the inclination matrix calculation unit for each link , And a first link matrix calculation unit for calculating a link matrix representing the attitude angle by obtaining a product of one and the other inverse matrix.

すなわち,第1リンクの座標系と第2リンクの座標系との間に,1軸が互いに平行であるという関係がある場合は,処理をやや簡略化できる。一般的には加速度値取得部は,各リンクごとに軸の数(ここでは3軸なので3個)だけ加速度を取得することが必要であるが,この条件があれば,その平行な1軸を除いた2軸の加速度値を取得するのみでよい。すなわち,本発明では,加速度値取得部は,2軸×リンク数の都合4個の加速度値を取得する。従って,例えば加速度センサの出力値から加速度値を求める場合では,このような条件が満たされる場合には,一般的な場合より加速度センサの数を減らすことができる。さらに,全体姿勢の数も減らすことができる。   That is, when there is a relationship in which one axis is parallel to each other between the coordinate system of the first link and the coordinate system of the second link, the processing can be somewhat simplified. Generally, the acceleration value acquisition unit needs to acquire the acceleration for each link by the number of axes (here, 3 because there are 3 axes). It is only necessary to acquire the two-axis acceleration value excluding the above. That is, in the present invention, the acceleration value acquisition unit acquires four acceleration values for convenience of 2 axes × number of links. Therefore, for example, when the acceleration value is obtained from the output value of the acceleration sensor, the number of acceleration sensors can be reduced as compared with a general case when such a condition is satisfied. In addition, the number of overall postures can be reduced.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに1方向が互いに平行かつ水平となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の任意の1方向の加速度値を取得する加速度値取得部と,各リンクについて,加速度値取得部で取得された加速度値から傾斜角を求める傾斜角測定部と,傾斜角測定部により求められた各リンクの傾斜角の差より姿勢角を算出する姿勢角計算部とを有するものであっても良い。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is the first link as viewed from the coordinate system of the first link in the structure expressed as a link mechanism having the first link and the second link connected via one or more joints. An attitude angle determination device for determining an attitude angle of a coordinate system of two links, and any one other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel and horizontal to each link Acceleration value acquisition unit that acquires the acceleration value of the direction, inclination angle measurement unit that obtains the inclination angle from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit, and the inclination of each link obtained by the inclination angle measurement unit for each link An attitude angle calculation unit that calculates an attitude angle from the angle difference may be used.

すなわち,第1リンクの座標系と第2リンクの座標系との間に,1軸が互いに平行でありかつ水平であるという関係がある場合は,処理をさらに簡略化できる。加速度値取得部は,各リンクに1個ずつの都合2個の加速度値を取得すればよい。従って,加速度センサの数は2個で良く,また全体姿勢は1通りで良く,変化させる必要はないので,この場合は姿勢変化指示部を有する必要はない。   That is, if there is a relationship in which one axis is parallel to each other and horizontal between the coordinate system of the first link and the coordinate system of the second link, the processing can be further simplified. The acceleration value acquisition unit only needs to acquire two acceleration values, one for each link. Therefore, the number of acceleration sensors may be two, and the whole posture may be one, and it is not necessary to change. In this case, it is not necessary to have a posture change instruction unit.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,各リンクに設定された座標系間のヨー角を取得する第1ヨー角取得部と,加速度値取得部で取得された加速度値と,第1ヨー角取得部で取得されたヨー角とから,姿勢角を表すリンク行列を算出する第2リンク行列算出部とを有するものであっても良い。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is the first link as viewed from the coordinate system of the first link in the structure expressed as a link mechanism having the first link and the second link connected via one or more joints. A posture angle determination device that determines a posture angle of a coordinate system of two links, and includes an acceleration value acquisition unit that is provided in each link and acquires an acceleration value in each link, and a yaw angle between the coordinate systems set in each link. A second link matrix that calculates a link matrix representing an attitude angle from the first yaw angle acquisition unit to be acquired, the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit, and the yaw angle acquired by the first yaw angle acquisition unit. It may have a calculation part.

すなわち,加速度値取得部は,各リンクに1個ずつの都合2個の加速度値を取得すればよい。従って,加速度センサの数は2個で良く,また全体姿勢は1通りで良く,変化させる必要はないので,この場合は姿勢変化指示部を有する必要はない。ここで,ヨー角とは,2つの座標系間の1つの軸回りの姿勢角変化である。   That is, the acceleration value acquisition unit only needs to acquire two acceleration values, one for each link. Therefore, the number of acceleration sensors may be two, and the whole posture may be one, and it is not necessary to change. In this case, it is not necessary to have a posture change instruction unit. Here, the yaw angle is a change in posture angle about one axis between two coordinate systems.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,各リンクについて,そこに設定された座標系と基準座標系との間のヨー角を取得する第2ヨー角取得部と,各リンクについて,加速度値取得部で取得された加速度値と,第2ヨー角取得部で取得されたヨー角とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第1姿勢行列算出部と,第1姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有するものであっても良い。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is the first link as viewed from the coordinate system of the first link in the structure expressed as a link mechanism having the first link and the second link connected via one or more joints. An attitude angle determination device for determining an attitude angle of a coordinate system of two links, an acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link, and a coordinate system and a reference set for each link From the second yaw angle acquisition unit that acquires the yaw angle with the coordinate system, the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit for each link, and the yaw angle acquired by the second yaw angle acquisition unit, By calculating the product of one and the other inverse matrix based on the attitude matrix of each link obtained by the first attitude matrix calculation unit that obtains the attitude matrix with respect to the reference coordinate system and the first attitude matrix calculation unit, Representing the corner It may have a first link matrix calculation unit that calculates a click matrix.

すなわち,加速度値取得部は,各リンクに1個ずつの都合2個の加速度値を取得すればよい。従って,加速度センサの数は2個で良く,また全体姿勢は1通りで良く,変化させる必要はないので,この場合は姿勢変化指示部を有する必要はない。   That is, the acceleration value acquisition unit only needs to acquire two acceleration values, one for each link. Therefore, the number of acceleration sensors may be two, and the whole posture may be one, and it is not necessary to change. In this case, it is not necessary to have a posture change instruction unit.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,各リンクに設けられそれぞれにおける角速度値を取得する角速度値取得部と,各リンクについて,加速度値取得部で取得された加速度値と,角速度値取得部で取得された角速度値とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第2姿勢行列算出部と,第2姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有するものであっても良い。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is the first link as viewed from the coordinate system of the first link in the structure expressed as a link mechanism having the first link and the second link connected via one or more joints. An attitude angle determination device for determining an attitude angle of a coordinate system of two links, an acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link, and an angular velocity provided at each link for acquiring an angular velocity value at each link A second attitude matrix calculation unit that obtains an attitude matrix with respect to the reference coordinate system from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit and the angular velocity value acquired by the angular velocity value acquisition unit for each link; Based on the posture matrix of each link obtained by the second posture matrix calculation unit, the first link for calculating the link matrix representing the posture angle is obtained by obtaining the product of one and the other inverse matrix. It may have a matrix calculator.

すなわち,加速度値取得部は,各リンクに3個ずつの都合6個の加速度値を取得すればよい。また,角速度値取得部は,各リンクに3個ずつの都合6個の角速度値を取得すればよい。また全体姿勢は1通りで良く,変化させる必要はないので,この場合は姿勢変化指示部を有する必要はない。   That is, the acceleration value acquisition unit only needs to acquire six acceleration values, three for each link. Moreover, the angular velocity value acquisition unit may acquire six angular velocity values for convenience, three for each link. In addition, since there is no need to change the overall posture, it is not necessary to have a posture change instruction unit in this case.

また,本発明の姿勢角決定装置は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置であって,各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,各リンクに設けられた磁気センサと,各リンクについて,加速度値取得部で取得された加速度値と,磁気センサで取得された磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第3姿勢行列算出部と,第3姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有するものであっても良い。   In addition, the posture angle determination device of the present invention is the first link as viewed from the coordinate system of the first link in the structure expressed as a link mechanism having the first link and the second link connected via one or more joints. An attitude angle determination device for determining an attitude angle of a coordinate system of two links, an acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link, a magnetic sensor provided at each link, and each link A third posture matrix calculating unit for obtaining a posture matrix with respect to the reference coordinate system from the acceleration value acquired by the acceleration value acquiring unit and the information of the intersection angle with the magnetic north direction acquired by the magnetic sensor, and a third posture matrix A first link matrix calculation unit that calculates a link matrix representing an attitude angle by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the attitude matrix of each link obtained by the calculation unit; It may be.

すなわち,加速度値取得部は,各リンクに2個ずつの都合4個の加速度値を取得すればよい。従って,加速度センサの数は4個で良く,また全体姿勢は1通りで良く,変化させる必要はないので,この場合は姿勢変化指示部を有する必要はない。   That is, the acceleration value acquisition unit only needs to acquire four acceleration values, two for each link. Therefore, the number of acceleration sensors may be four, and the total posture may be one, and there is no need to change it. In this case, there is no need to have a posture change instruction section.

さらに本発明では,各リンクに設けられた磁気センサを有し,第2姿勢行列算出部は,加速度値取得部で取得された加速度値と,角速度値取得部で取得された角速度値と,磁気センサで取得された磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求めることが望ましい。   Further, according to the present invention, the second posture matrix calculation unit has a magnetic sensor provided in each link, and the second attitude matrix calculation unit includes an acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit, an angular velocity value acquired by the angular velocity value acquisition unit, and a magnetic It is desirable to obtain the attitude matrix with respect to the reference coordinate system from the information of the intersection angle with the magnetic north direction acquired by the sensor.

さらに本発明では,姿勢変化動作部が,姿勢変化装置を内蔵するロボットであり自ら全体姿勢を形成することが望ましい。   Furthermore, in the present invention, it is desirable that the posture changing operation unit is a robot incorporating a posture changing device and forms the whole posture by itself.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクに設定された3軸直交座標系の各軸について,軸方向と重力ベクトルの方向との間の角度である傾斜角を取得し,第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して最大3通りの全体姿勢を取らせ,指示による各全体姿勢における各リンクについて,取得した各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求め,各リンクについて,全体姿勢ごとに求めた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求め,求めた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   Further, the present invention is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and the first link in a structure mounted or connected to the posture changing operation unit. Is a posture angle determination method for determining the posture angle of the coordinate system of the second link viewed from the coordinate system of each of the three axes of the three-axis orthogonal coordinate system set for each link. An inclination angle that is an angle between the first link and the second link is acquired, and the posture change operation unit is instructed to change the posture of the structure while the posture relationship between the first link and the second link is fixed, and a total of three postures are taken. For each link in each overall posture according to the instruction, the inclination vector is obtained from the obtained inclination angle in each axial direction, and for each link, an inclination matrix is obtained from the inclination vector obtained for each overall posture, and each link obtained is obtained. Based on the gradient matrix, by obtaining the product of the one and the other of the inverse matrix, it extends to the attitude angle determination method of calculating the link matrix representing the attitude angle.

また本発明では,傾斜角を,第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する2方向に設けられた加速度センサの出力値と,各リンクごとの各加速度センサの出力値の2乗の和をその場所の重力加速度の値の2乗から差し引いた値の平方根とから求めることが望ましい。   In the present invention, the inclination angle is the sum of the squares of the output values of the acceleration sensors provided in the two directions orthogonal to the first link and the second link and the output values of the acceleration sensors for each link. Is preferably obtained from the square root of the value obtained by subtracting from the square of the value of gravitational acceleration at that location.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクに1方向が互いに平行となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の各方向の加速度値を取得し,第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して,当該1方向に平行な軸の周りの回転による2通りの全体姿勢を取らせ,指示による各全体姿勢における各リンクについて,取得した各軸方向の加速度値から傾斜角を求め,指示による各全体姿勢における各リンクについて,求めた各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求め,各リンクについて,全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求め,求めた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   Further, the present invention is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and the first link in a structure mounted or connected to the posture changing operation unit. A posture angle determination method for determining a posture angle of the coordinate system of the second link viewed from the coordinate system of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel to each link. The acceleration value in each direction other than the above is obtained, and the posture change operation unit is instructed to change the posture of the structure while the posture relationship between the first link and the second link is fixed, and the axis parallel to the one direction is obtained. Two general postures are taken by rotating around, and for each link in each overall posture by instructions, the inclination angle is obtained from the acquired acceleration value in each axial direction, and for each link in each overall posture by instructions The inclination vector is obtained from the inclination angle of the direction, the inclination matrix is obtained from the inclination vector obtained for each overall posture for each link, and the product of one and the other inverse matrix is calculated based on the obtained inclination matrix of each link. Obtaining this also extends to a posture angle determination method for calculating a link matrix representing a posture angle.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクに1方向が互いに平行かつ水平となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の任意の1方向の加速度値を取得し,各リンクについて,取得した加速度値から傾斜角を求め,求めた各リンクの傾斜角の差より姿勢角を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   The present invention also relates to the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints. An attitude angle determination method that determines an attitude angle, and obtains an acceleration value in any one direction other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel to and horizontal to each link. However, the present invention extends to a posture angle determination method in which a tilt angle is obtained from the acquired acceleration value for each link, and a posture angle is calculated from a difference between the obtained tilt angles.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクにおける加速度値を取得し,各リンクに設定された座標系間のヨー角を取得し,取得した加速度値と,取得したヨー角とから,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   The present invention also relates to the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints. A posture angle determination method for determining a posture angle, obtaining an acceleration value at each link, obtaining a yaw angle between coordinate systems set for each link, and obtaining the obtained acceleration value and the obtained yaw angle. This also extends to a posture angle determination method for calculating a link matrix representing the posture angle.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクにおける加速度値を取得し,各リンクについて,そこに設定された座標系と基準座標系との間のヨー角を取得し,各リンクについて,取得した加速度値と,取得したヨー角とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   The present invention also relates to the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints. A posture angle determination method for determining a posture angle, obtaining an acceleration value at each link, obtaining a yaw angle between the coordinate system set there and a reference coordinate system for each link, Then, the attitude angle with respect to the reference coordinate system is obtained from the obtained acceleration value and the obtained yaw angle, and the product of the inverse matrix of one and the other is obtained based on the obtained attitude matrix of each link. It also extends to a posture angle determination method for calculating a link matrix representing

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクにおける加速度値を取得し,各リンクにおける角速度値を取得し,各リンクについて,取得した加速度値と,取得した角速度値とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   The present invention also relates to the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints. A posture angle determination method for determining a posture angle, which obtains an acceleration value at each link, obtains an angular velocity value at each link, and obtains reference coordinates from the obtained acceleration value and the obtained angular velocity value for each link. The present invention also extends to a posture angle determination method for calculating a link matrix representing a posture angle by obtaining a posture matrix for the system and obtaining a product of one and the other inverse matrix based on the obtained posture matrix of each link.

また本発明は,1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法であって,各リンクにおける加速度値を取得し,各リンクにおける磁北方向との交差角の情報を磁気センサで取得し,各リンクについて,取得した加速度値と,取得した磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する姿勢角決定方法にも及ぶ。   The present invention also relates to the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints. A posture angle determination method for determining a posture angle, which obtains an acceleration value at each link, obtains information on an intersection angle with the magnetic north direction at each link by a magnetic sensor, and obtains the obtained acceleration value for each link, From the obtained information on the crossing angle with the magnetic north direction, the attitude matrix with respect to the reference coordinate system is obtained, and the attitude angle is obtained by calculating the product of one and the other inverse matrix based on the obtained attitude matrix of each link. It extends to a posture angle determination method for calculating a link matrix to be expressed.

また本発明では,姿勢変化動作部が,姿勢変化装置を内蔵するロボットであり,自ら全体姿勢を形成することが望ましい。   In the present invention, it is desirable that the posture change operation unit is a robot having a posture change device built therein, and it is desirable to form the whole posture by itself.

本発明の姿勢角決定装置およびその決定方法によれば,複雑な関係にある座標系間であってもその姿勢関係を容易に,精度良く求めることができる。   According to the posture angle determination device and the determination method of the present invention, the posture relationship can be easily and accurately obtained even between coordinate systems having a complicated relationship.

以下,本発明を具体化した最良の形態について,添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は,2つの座標系間の姿勢関係を得るための姿勢角決定装置である。ここで,姿勢角とは,例えばリンク等のなす角度(ヨー角φ,ピッチ角θ,ロール角ψ)をある座標系で表したものである。そして姿勢関係とは,その姿勢角を,別の座標系を基準として見た姿勢角に変換するための関係式である。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the best mode for embodying the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This embodiment is a posture angle determination device for obtaining a posture relationship between two coordinate systems. Here, the attitude angle represents, for example, an angle formed by a link or the like (yaw angle φ, pitch angle θ, roll angle ψ) in a certain coordinate system. The posture relationship is a relational expression for converting the posture angle into a posture angle viewed from another coordinate system.

まず,本形態の姿勢角決定装置によって姿勢角が決定される対象であるリンク機構の例を図1に示す。リンク機構とは,リンクと関節との2つの部位から構成されているものを指す。この図に示すリンク機構10は,3つのリンク11,12,13を有している。また,リンク11とリンク12とが関節14で,リンク12とリンク13とが関節15でそれぞれ接続されている。関節14は3つの回転自由度を持つ。関節15も同じく3つの回転自由度を持つ。   First, FIG. 1 shows an example of a link mechanism whose posture angle is determined by the posture angle determination device of this embodiment. The link mechanism refers to a mechanism composed of two parts, a link and a joint. The link mechanism 10 shown in this figure has three links 11, 12, and 13. The link 11 and the link 12 are connected by a joint 14, and the link 12 and the link 13 are connected by a joint 15, respectively. The joint 14 has three rotational degrees of freedom. The joint 15 also has three degrees of freedom of rotation.

またリンク機構上の二箇所には,第1座標系(x,y,z)と第2座標系(x,y,z)が設置されている。図1では第1座標系はリンク11に固定されており,第2座標系はリンク13に固定されている。第1座標系と第2座標系は,関節14と関節15を固定しておけば,互いに所定の姿勢関係を有している。関節14または関節15を動かすと,座標系間の姿勢関係は変化する。また両座標系間の姿勢関係を固定したままリンク機構10の全体としての姿勢を変更することも可能である。本形態の姿勢角決定装置は,このようなリンク機構10に設けられた2つの座標系間の姿勢関係を得るものである。 A first coordinate system (x 1 , y 1 , z 1 ) and a second coordinate system (x 2 , y 2 , z 2 ) are installed at two locations on the link mechanism. In FIG. 1, the first coordinate system is fixed to the link 11, and the second coordinate system is fixed to the link 13. If the joint 14 and the joint 15 are fixed, the first coordinate system and the second coordinate system have a predetermined posture relationship with each other. When the joint 14 or the joint 15 is moved, the posture relationship between the coordinate systems changes. It is also possible to change the posture of the link mechanism 10 as a whole while fixing the posture relationship between the two coordinate systems. The posture angle determination device of this embodiment obtains the posture relationship between two coordinate systems provided in such a link mechanism 10.

次にリンク機構10の具体的な例をいくつか示す。リンク自体は,剛なものと柔なものとに大きく分けることができる。また,リンク同士の関係すなわち関節の状態としては,常に固定されている関係,動作中あるいは一定期間のみ固定される関係,常に柔軟な関係がある。固定されているとは,それらのリンクの間の姿勢は変化しないことを意味する。柔軟であるとは,リンク間の姿勢が変化することを意味する。   Next, some specific examples of the link mechanism 10 are shown. Links themselves can be broadly divided into rigid and flexible ones. As for the relationship between links, that is, the state of the joint, there is a relationship that is always fixed, a relationship that is fixed during operation or only for a certain period, and a flexible relationship. Fixed means that the posture between the links does not change. Being flexible means that the posture between links changes.

まず,図2にリンクが剛であり関係が固定されている例を示す。これは,1つの剛なる物体上の異なる2面に設置された2つの座標系の関係である。すなわち,図2の例は,剛なリンクと固定した関節からなるリンク機構で表すことができる。この例では,第1面上に設置した第1座標系と第2面上に設置した第2座標系の姿勢関係は変化しない。またこの例では隣り合った面同士が直交関係になく,二つの座標系間の姿勢関係がネジレの位置にあるため,座標系間の姿勢関係を容易には求めることができない。この例で表すことができる事例としては,部品を組み立てた直後や部品を所定の場所に設置した直後で,部品内の面同士や部品と設置面との直交がでていない場合や,部品の形状に設計値からのズレがある場合などがある。   First, FIG. 2 shows an example in which the link is rigid and the relationship is fixed. This is a relationship between two coordinate systems installed on two different surfaces on one rigid object. That is, the example of FIG. 2 can be expressed by a link mechanism including a rigid link and a fixed joint. In this example, the attitude relationship between the first coordinate system installed on the first surface and the second coordinate system installed on the second surface does not change. Further, in this example, the adjacent surfaces are not orthogonal to each other, and the posture relationship between the two coordinate systems is in the twisted position, so the posture relationship between the coordinate systems cannot be easily obtained. Examples of cases that can be represented in this example are immediately after the parts are assembled or immediately after the parts are installed at a predetermined location, when the surfaces within the parts or between the parts and the installation surface are not orthogonal, There is a case where the shape has a deviation from the design value.

次に,図3にリンクが剛であり,関係が一定期間のみ固定される例を示す。これは,可動リンクを持つロボットである。図3の例では,剛なリンクと、固定および非固定を自由に可変できる関節から成り立っている。この例で表すことができる事例としては,ロボットのリンク間角度が初期状態では不定であるが,ロボットの動作中は関節がサーボ機構によってソフト的に,またはネジなどによりハード的に固定されることでリンク機構が剛な関係であると見なせる場合などがある。固定された状態では各リンク上に置かれた二つの座標系間の関係は変化しない。図3の例では,第1座標系はロボットの胴体に,また第2座標系は腕上に設置されている。ただし関節部には関節角度を計測する装置がなく,関節角度を直接測定することはできない。   Next, FIG. 3 shows an example in which the link is rigid and the relationship is fixed only for a certain period. This is a robot with a movable link. In the example of FIG. 3, it is composed of a rigid link and a joint that can be freely changed between fixed and non-fixed. As an example that can be represented in this example, the robot link angle is indefinite in the initial state, but during robot operation, the joint is fixed by software by a servo mechanism or by hardware such as screws. In some cases, the link mechanism can be regarded as a rigid relationship. In the fixed state, the relationship between the two coordinate systems placed on each link does not change. In the example of FIG. 3, the first coordinate system is installed on the body of the robot, and the second coordinate system is installed on the arm. However, there is no device for measuring the joint angle at the joint, and the joint angle cannot be measured directly.

また上記のタイプの別の例として、ロボットのリンク間角度が初期状態では不定であるが,リンク間角度の初期値が与えられるという初期化工程を経ることで、初期化後には関節部に設置された関節角度測定器により、関節角度が得られるものもある。この場合は関節が固定されていなくともよい。   As another example of the above type, the link angle of the robot is indefinite in the initial state, but after the initialization process that the initial value of the link angle is given, it is installed at the joint after initialization. Some joint angle measuring devices can obtain joint angles. In this case, the joint may not be fixed.

次に,図4にリンクが柔であり,関係が柔であるものの例を示す。図4の例は,常に柔らかく変形する構造体であり,このような構造体上の異なる2点に設置された2つの座標系の関係は,常に柔な関係である。従って,図4の例は,柔軟なリンク、またはリンクは剛であるが固定されない関節を持つリンク機構で表すことができる。リンク上に設置した第1座標系と第2座標系の姿勢関係は,リンクに働く重力方向の変化によって変化する。この例で表すことのできる事例としては,リンクがゴムのように容易に変形する物質で作られていたり,リンクを構成する板の剛性が低い場合などがある。なお,以上の説明に用いたリンクおよび関節は,第1座標系と第2座標系の関係をわかりやすく求めるために用いたものであり,実際にリンクあるいは関節が第1座標系および第2座標系の間に存在しなくてもよい。   Next, FIG. 4 shows an example in which the link is flexible and the relationship is flexible. The example of FIG. 4 is a structure that is always softly deformed, and the relationship between two coordinate systems installed at two different points on such a structure is always a soft relationship. Therefore, the example of FIG. 4 can be represented by a flexible link or a link mechanism having a joint that is rigid but not fixed. The posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system installed on the link changes with a change in the direction of gravity acting on the link. Examples of cases that can be represented in this example include cases where the link is made of a material that easily deforms, such as rubber, or where the rigidity of the plates constituting the link is low. Note that the links and joints used in the above description are used to easily understand the relationship between the first coordinate system and the second coordinate system, and the links or joints are actually connected to the first coordinate system and the second coordinate system. It does not have to exist between the systems.

次に,固定リンクをもつリンク機構についての姿勢角を決定するための姿勢角決定装置20の概略構成を,図5のブロック図に基づいて説明する。これは,図2に示した変形しないリンク機構を対象とするものである。図2における第1座標系と第2座標系が,図1に示すリンク機構10で表されるリンク11,リンク12,リンク13および関節14,関節15で結びつけられているものとすることができる。   Next, a schematic configuration of the attitude angle determination device 20 for determining the attitude angle of a link mechanism having a fixed link will be described based on the block diagram of FIG. This is intended for the non-deformable link mechanism shown in FIG. The first coordinate system and the second coordinate system in FIG. 2 may be linked by a link 11, a link 12, a link 13, a joint 14, and a joint 15 represented by the link mechanism 10 shown in FIG. .

この例では,図5に示すように,リンク機構10には測定対象の各座標系の各軸方向に沿って,それぞれ加速度センサが設けられる。すなわち,第1座標系のリンク11には,x1軸加速度センサ21,y1軸加速度センサ22,z1軸加速度センサ23が設けられている。また,第2座標系のリンク13には,x2軸加速度センサ24,y2軸加速度センサ25,z2軸加速度センサ26が設けられている。 In this example, as shown in FIG. 5, the link mechanism 10 is provided with an acceleration sensor along each axial direction of each coordinate system to be measured. That is, the link 11 of the first coordinate system is provided with an x 1 -axis acceleration sensor 21, a y 1 -axis acceleration sensor 22, and a z 1 -axis acceleration sensor 23. The link 13 of the second coordinate system is provided with an x 2 -axis acceleration sensor 24, a y 2 -axis acceleration sensor 25, and a z 2 -axis acceleration sensor 26.

さらに,このリンク機構10には,全体姿勢を変化させるためのモータ等を有する姿勢変化動作器27が設けられている。この姿勢角決定装置20で姿勢角を算出するために,姿勢変化動作器27を動作させて,測定対象であるリンク機構10の姿勢を適宜変化させることが必要となる。そのために,姿勢角決定装置20はさらに,姿勢変化指令器28および計測回数カウント器29を有している。計測回数カウント器29は,リンク機構10の全体姿勢を変化をさせた回数をカウントする。そして,必要回数の姿勢変化が終了するまで,姿勢変化指令器28が姿勢変化動作器27に指令を出し,リンク機構10の全体姿勢を変化させる。   Further, the link mechanism 10 is provided with a posture change actuator 27 having a motor or the like for changing the overall posture. In order to calculate the posture angle by the posture angle determination device 20, it is necessary to operate the posture change actuator 27 and appropriately change the posture of the link mechanism 10 as the measurement target. For this purpose, the posture angle determination device 20 further includes a posture change command device 28 and a measurement number counter 29. The measurement number counter 29 counts the number of times that the overall posture of the link mechanism 10 is changed. Then, until the required number of posture changes are completed, the posture change commanding device 28 issues a command to the posture change operating device 27 to change the overall posture of the link mechanism 10.

また,姿勢角決定装置20には,x1軸加速度センサ21,y1軸加速度センサ22,z1軸加速度センサ23の傾斜角出力を受けて,その値をサンプリングするサンプリング器31と,x2軸加速度センサ24,y2軸加速度センサ25,z2軸加速度センサ26の出力を受けて,その値をサンプリングするサンプリング器32とを有する。ここでサンプリングされる値はそれぞれ,傾斜角の各軸方向の余弦値となっている。 The attitude angle determination device 20 also receives a tilt angle output from the x 1 -axis acceleration sensor 21, the y 1 -axis acceleration sensor 22, and the z 1 -axis acceleration sensor 23 and samples the values thereof, and an x 2 A sampling device 32 that receives the outputs of the axial acceleration sensor 24, the y 2 -axis acceleration sensor 25, and the z 2 -axis acceleration sensor 26 and samples the values. The values sampled here are the cosine values of the inclination angles in the respective axial directions.

また,姿勢角決定装置20は,サンプリング器31の結果から傾斜ベクトルを算出する傾斜ベクトル算出器33と,サンプリング器32の結果から傾斜ベクトルを算出する傾斜ベクトル算出器34とを有する。これらの傾斜ベクトルは,各座標系の重力方向に対する傾斜を表す。さらに,姿勢角決定装置20は,傾斜ベクトル算出器33と傾斜ベクトル算出器34との算出結果を受けるレジスタ35,レジスタ35の出力を受けて各傾斜ベクトルから傾斜行列を算出する傾斜行列算出器36を有する。   The attitude angle determination device 20 includes a gradient vector calculator 33 that calculates a gradient vector from the result of the sampler 31 and a gradient vector calculator 34 that calculates a gradient vector from the result of the sampler 32. These inclination vectors represent the inclination of each coordinate system with respect to the direction of gravity. Further, the attitude angle determination device 20 receives a calculation result of the inclination vector calculator 33 and the inclination vector calculator 34, and an inclination matrix calculator 36 that receives an output of the register 35 and calculates an inclination matrix from each inclination vector. Have

ここで,基準座標系から見た第1座標系への変換を姿勢行列T1,基準座標系から見た第2座標系への変換を姿勢行列T2としたとき,姿勢行列T1から姿勢行列T2への変換行列をリンク行列T12とする。姿勢角決定装置20は,リンク行列算出器37,リンク行列表示器38,姿勢角算出・表示器39を有している。リンク行列算出器37は,傾斜行列算出器36の結果を受けて,リンク行列T12を算出する。算出されたリンク行列は,リンク行列表示器38によって表示される。さらに,姿勢角算出・表示器39は,リンク行列T12を用いて姿勢角を算出し,表示する。   Here, when the transformation from the reference coordinate system to the first coordinate system is the posture matrix T1, and the transformation from the reference coordinate system to the second coordinate system is the posture matrix T2, from the posture matrix T1 to the posture matrix T2. Is a link matrix T12. The attitude angle determination device 20 includes a link matrix calculator 37, a link matrix display 38, and an attitude angle calculation / display 39. The link matrix calculator 37 receives the result of the gradient matrix calculator 36 and calculates the link matrix T12. The calculated link matrix is displayed by the link matrix display 38. Further, the attitude angle calculation / display unit 39 calculates and displays the attitude angle using the link matrix T12.

この姿勢角決定装置20を用いて姿勢角を求める手順を簡単に説明する。まず,第1座標系と第2座標系との間には,リンク11〜13があり,各リンクの関係の設定が終了すると2つの座標系間の姿勢関係が固定される。この固定された姿勢関係を保持したまま,これらのリンク機構10の全体姿勢を条件に応じて最大3通りに変化させる。ここでは,まず最も一般的な例として,3通りに変化させる場合を説明する。   A procedure for obtaining the posture angle using the posture angle determination device 20 will be briefly described. First, there are links 11 to 13 between the first coordinate system and the second coordinate system, and when the setting of the relationship between the links is completed, the posture relationship between the two coordinate systems is fixed. While maintaining this fixed posture relationship, the overall posture of these link mechanisms 10 is changed in a maximum of three ways according to conditions. Here, as a most general example, a case of changing in three ways will be described.

全体姿勢を変化させた後,,その全体姿勢における加速度センサ21〜26の出力結果を取得する。これにより,最大3種類の取りうる姿勢についての傾斜角のデータを得る。すなわち,計測回数カウント器29によって計測回数をカウントしつつ,姿勢変化指令器28より姿勢変化動作器27へ姿勢を変化させる指示を送出する。そして,各全体姿勢において,計6個の加速度センサ21〜26によって,各軸方向の加速度を測定する。   After changing the overall posture, the output results of the acceleration sensors 21 to 26 in the overall posture are acquired. As a result, data of inclination angles for a maximum of three possible postures are obtained. That is, an instruction to change the posture is sent from the posture change commanding device 28 to the posture changing motion unit 27 while counting the number of times of measurement by the measurement number counter 29. And in each whole attitude | position, the acceleration of each axial direction is measured by the six acceleration sensors 21-26 in total.

次に,各全体姿勢ごとに,各加速度センサ21〜23の出力から,サンプリング器31によって,第1座標系の各軸の重力方向に対する傾斜角を抽出する。また,各全体姿勢ごとに,各加速度センサ24〜26の出力から,サンプリング器32によって,第2座標系の各軸の重力方向に対する傾斜角を抽出する。さらに,これらの傾斜角から,傾斜ベクトル算出器33によって,第1座標系の傾斜ベクトルを算出する。また,同様に,傾斜ベクトル算出器34によって,第2座標系の傾斜ベクトルを算出する。   Next, the inclination angle with respect to the gravity direction of each axis of the first coordinate system is extracted from the outputs of the acceleration sensors 21 to 23 by the sampler 31 for each overall posture. In addition, the inclination angle of each axis of the second coordinate system with respect to the gravitational direction is extracted by the sampler 32 from the outputs of the acceleration sensors 24 to 26 for each overall posture. Further, the inclination vector calculator 33 calculates an inclination vector of the first coordinate system from these inclination angles. Similarly, the inclination vector calculator 34 calculates the inclination vector of the second coordinate system.

これにより,各全体姿勢に対応する計3種類の傾斜ベクトルが得られるので,傾斜行列算出器36によって傾斜ベクトルを並べた傾斜行列を求める。続いて,この傾斜行列に基づいてリンク行列算出器37によってリンク行列T12を算出する。さらに,リンク行列表示器38によってリンク行列T12を表示する。さらに,リンク行列T12から姿勢角算出・表示器39によって,第1座標系から見た第2座標系の姿勢角(ヨー角φ,ピッチ角θ,ロール角ψ)が求められる。   As a result, a total of three types of gradient vectors corresponding to the overall postures are obtained, and the gradient matrix in which the gradient vectors are arranged is obtained by the gradient matrix calculator 36. Subsequently, the link matrix calculator 37 calculates a link matrix T12 based on this gradient matrix. Further, the link matrix display 38 displays the link matrix T12. Furthermore, the attitude angle (yaw angle φ, pitch angle θ, roll angle ψ) of the second coordinate system viewed from the first coordinate system is obtained from the link matrix T12 by the attitude angle calculator / display 39.

次に,各手順について詳しく説明する。まず,図2および図3に示した対象の例について,基準座標系(X,Y,Z)から見た第1座標系への姿勢行列T1,基準座標系から見た第2座標系への姿勢行列T2,第1座標系からみた第2座標系へのリンク行列T12の関係を,図6および図7に示す。ここでは,基準座標系は時間によりその姿勢や位置が変化せず,そのZ軸は重力ベクトルの逆方向を向いている。これら図6および図7の例は,図8に示すリンク構成として表すことができる。   Next, each procedure will be described in detail. First, for the example of the object shown in FIG. 2 and FIG. 3, the orientation matrix T1 to the first coordinate system viewed from the reference coordinate system (X, Y, Z), the first coordinate system to the second coordinate system viewed from the reference coordinate system. FIG. 6 and FIG. 7 show the relationship of the posture matrix T2 and the link matrix T12 to the second coordinate system as viewed from the first coordinate system. Here, the orientation and position of the reference coordinate system do not change with time, and the Z-axis is directed in the opposite direction of the gravity vector. These examples of FIGS. 6 and 7 can be expressed as the link configuration shown in FIG.

まず,リンク行列T12と各姿勢行列T1,T2との関係は次の式1で表される。
T2=T1・T12 …(式1)
この姿勢行列T1を,基準座標系から見た第1座標系の姿勢角(ヨー角φ1,ピッチ角θ1,ロール角ψ1)を用いて表すと,次の式2のようになる。
T1=RPY(φ1,θ1,ψ1
=Rot(Z,φ1)Rot(Y,θ1)Rot(X,ψ1) …(式2)
これは,まず基準座標系のZ軸回りにφ1回転させ,次にZ軸回りに回転した後のY軸回りにθ1回転させ,次にY軸回りに回転した後のX軸回りにψ1回転させることで,第1座標系が得られることを示している。
First, the relationship between the link matrix T12 and each of the attitude matrices T1 and T2 is expressed by the following formula 1.
T2 = T1 · T12 (Formula 1)
When this posture matrix T1 is expressed using the posture angles (yaw angle φ 1 , pitch angle θ 1 , roll angle ψ 1 ) of the first coordinate system viewed from the reference coordinate system, the following equation 2 is obtained.
T1 = RPY (φ 1 , θ 1 , ψ 1 )
= Rot (Z, φ 1 ) Rot (Y, θ 1 ) Rot (X, ψ 1 ) (Formula 2)
This is done by first rotating around the Z axis in the reference coordinate system by φ 1 and then rotating around the Z axis and then rotating around the Y axis by θ 1 and then rotating around the Y axis around the X axis. It shows that the first coordinate system can be obtained by rotating ψ 1 .

同様に,姿勢行列T2を,基準座標系から見た第2座標系の姿勢角(ヨー角φ2,ピッチ角θ2,ロール角ψ2)を用いて表すと,次の式3のようになる。
T2=RPY(φ2,θ2,ψ2
=Rot(Z,φ2)Rot(Y,θ2)Rot(X,ψ2) …(式3)
また,リンク行列T12を,第1座標系から見た第2座標系の姿勢角(ヨー角φ12,ピッチ角θ12,ロール角ψ12)を用いて表すと,次の式4のようになる。
T12=RPY(φ12,θ12,ψ12
=Rot(z1,φ12)Rot(y1,θ12)Rot(x1,ψ12)…(式4)
これは,第1座標系から各軸のまわりに,φ12,θ12,ψ12の順番で回転させると,第2座標系が得られることを表している。
Similarly, when the posture matrix T2 is expressed by using the posture angles (yaw angle φ 2 , pitch angle θ 2 , roll angle ψ 2 ) of the second coordinate system viewed from the reference coordinate system, the following equation 3 is obtained. Become.
T2 = RPY (φ 2 , θ 2 , ψ 2 )
= Rot (Z, φ 2 ) Rot (Y, θ 2 ) Rot (X, φ 2 ) (Formula 3)
Further, when the link matrix T12 is expressed using the attitude angles (yaw angle φ 12 , pitch angle θ 12 , roll angle ψ 12 ) of the second coordinate system viewed from the first coordinate system, the following equation 4 is obtained. Become.
T12 = RPY (φ 12, θ 12, ψ 12)
= Rot (z 1 , φ 12 ) Rot (y 1 , θ 12 ) Rot (x 1 , ψ 12 ) (Formula 4)
This indicates that the second coordinate system can be obtained by rotating around the respective axes in the order of φ 12 , θ 12 , and ψ 12 from the first coordinate system.

ここで,図8に示すように,リンク11とリンク13には,各座標系の各軸方向への加速度を検出する加速度センサ21〜26が設けられている。さらに基準座標系のZ軸が重力と逆方向に設定されているので,各加速度センサ21〜26の出力から,第1,第2座標系の各軸の基準座標系のZ軸とのなす角が求められる。これは,運動していないリンク機構10では,重力の影響のみが各加速度センサ21〜26で測定されるからである。これらの各加速度センサ21〜26の出力から,第1,第2座標系の各姿勢行列T1,T2を求める方法について説明する。   Here, as shown in FIG. 8, the links 11 and 13 are provided with acceleration sensors 21 to 26 that detect acceleration in each axis direction of each coordinate system. Furthermore, since the Z axis of the reference coordinate system is set in the direction opposite to the gravity, the angle formed by the Z axis of the reference coordinate system of each axis of the first and second coordinate systems from the output of each acceleration sensor 21-26. Is required. This is because, in the link mechanism 10 that is not moving, only the influence of gravity is measured by the acceleration sensors 21 to 26. A method for obtaining the posture matrices T1 and T2 of the first and second coordinate systems from the outputs of the acceleration sensors 21 to 26 will be described.

まず,姿勢行列T1,姿勢行列T2,リンク行列T12を一般形で要素表示すると,以下の式5,式6,式7に示すように表すことができる。   First, when the posture matrix T1, the posture matrix T2, and the link matrix T12 are represented in general form, they can be expressed as shown in the following Equation 5, Equation 6, and Equation 7.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

Figure 2008002867
Figure 2008002867

Figure 2008002867
Figure 2008002867

これらを用いて,式1を要素表示すると,以下の式8となる。   Using these, when Expression 1 is displayed as an element, the following Expression 8 is obtained.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

ここで,例えば姿勢行列T1の要素c1は,第1座標系のx1軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度の方向余弦である。すなわち,図9に示すように,第1座標系のx1軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度をγ1とすると,次の式9で表される。
1=cosγ1 …(式9)
同様に,姿勢行列T1,姿勢行列T2のうち,最下段の各要素が各座標系の各軸と基準座標系のZ軸との間の方向余弦を表しているので,各加速度センサ21〜26の出力値からc1,f1,i1,c2,f2,i2が求まる。
Here, for example, the element c 1 of the posture matrix T1 is a direction cosine of an inclination angle formed by the x 1 axis of the first coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system. That is, as shown in FIG. 9, when the inclination angle formed by the x 1 axis of the first coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system is γ 1 , it is expressed by the following formula 9.
c 1 = cos γ 1 (Formula 9)
Similarly, in the posture matrix T1 and the posture matrix T2, each element in the lowermost stage represents a direction cosine between each axis of each coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system. C 1 , f 1 , i 1 , c 2 , f 2 , i 2 are obtained from the output values of.

そこで,式8の要素表示のうち,c1,f1,i1,c2,f2,i2に着目すると,以下の式10〜式12が得られる。
2=c1p+f1q+i1r …(式10)
2=c1s+f1t+i1u …(式11)
2=c1v+f1w+i1α …(式12)
Accordingly, focusing on c 1 , f 1 , i 1 , c 2 , f 2 , i 2 in the element display of Expression 8, the following Expression 10 to Expression 12 are obtained.
c 2 = c 1 p + f 1 q + i 1 r (Equation 10)
f 2 = c 1 s + f 1 t + i 1 u (Equation 11)
i 2 = c 1 v + f 1 w + i 1 α (Formula 12)

従って,式8は,以下の式13で表すことができる。この式13の左辺の右項を第2傾斜ベクトル,右辺を第1傾斜ベクトルと呼ぶ。   Therefore, Expression 8 can be expressed by Expression 13 below. The right term on the left side of Equation 13 is called the second gradient vector, and the right side is called the first gradient vector.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

次に,第1座標系と第2座標系との姿勢関係を保持したままで,リンク機構10の全体姿勢を3通りに変更させる。そして,各全体姿勢ごとに,各加速度センサ21〜26の出力値を得る。さらに,上記の手順と同様に,各全体姿勢における第1座標系の傾斜ベクトルおよび第2座標系の傾斜ベクトルを得ることができる。すなわち,各座標系についてそれぞれ3通りの傾斜ベクトルの組が得られる。ここで,リンク機構10の全体姿勢を変化させて得られた第1座標系の傾斜ベクトルの組を第1傾斜行列S1,第2座標系の傾斜ベクトルの組を第2傾斜行列S2とおく。すなわち,それぞれ3つの傾斜ベクトルの組をまとめて傾斜行列として表すことにより,リンク行列T12は,次の式14で表すことができる。   Next, the overall posture of the link mechanism 10 is changed in three ways while maintaining the posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system. And the output value of each acceleration sensor 21-26 is obtained for every whole attitude | position. Further, similarly to the above procedure, the tilt vector of the first coordinate system and the tilt vector of the second coordinate system in each overall posture can be obtained. That is, three sets of gradient vectors are obtained for each coordinate system. Here, a set of gradient vectors in the first coordinate system obtained by changing the overall posture of the link mechanism 10 is a first gradient matrix S1, and a set of gradient vectors in the second coordinate system is a second gradient matrix S2. That is, the link matrix T12 can be expressed by the following equation 14 by collectively representing each set of three gradient vectors as a gradient matrix.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

式14において,例えばcjkのjは座標系の番号であり,kは測定回数を示している。また,式14の右辺第2項の逆行列が存在するためには,次の式15が成立する必要がある。
21・f22・i23+f21・i22・c23+c22・f23・i21−i21・f22・c23−f21・c22・i23−i22・f23・c21≠0 …(式15)
具体的には,基準座標系のZ軸回りの回転や,同じ軸回りの回転は姿勢を変化したことにならないので避ける。
In Equation 14, for example, j of c jk is a coordinate system number, and k indicates the number of measurements. Further, in order for the inverse matrix of the second term on the right side of Equation 14 to exist, the following Equation 15 must be satisfied.
c 21 · f 22 · i 23 + f 21 · i 22 · c 23 + c 22 · f 23 · i 21 -i 21 · f 22 · c 23- f 21 · c 22 · i 23 -i 22 · f 23 · c 21 ≠ 0 (Formula 15)
Specifically, rotation around the Z axis of the reference coordinate system or rotation around the same axis is avoided because the posture has not changed.

そして,式14で求められたリンク行列T12の各要素の値を使って,第1座標系から見た第2座標系の各姿勢角は,次の式16〜式18のように決定される。
φ12=atan2(q,p) …(式16)
θ12=atan2(−r,cosφ・p+sinφ・q) …(式17)
ψ12=atan2(sinφ・v−cosφ・w,−sinφ・s+cosφ・t) …(式18)
Then, using the values of each element of the link matrix T12 obtained by Expression 14, the posture angles of the second coordinate system viewed from the first coordinate system are determined as the following Expressions 16 to 18. .
φ 12 = atan2 (q, p) (Expression 16)
θ 12 = atan2 (−r, cos φ · p + sin φ · q) (Expression 17)
ψ 12 = atan 2 (sin φ · v−cos φ · w, −sin φ · s + cos φ · t) (Equation 18)

従って,上記の式16〜式18を用いて,第2座標系は,第1座標系をまずz1軸回りにφ12,次に回転後のy2軸回りにθ12,最後に回転後のx2軸回りにψ12回転させることで表すことができる。これから,第1座標系と第2座標系との関係が得られた。ただし,x2軸がz1軸に平行近くになった場合には,式16からφ12が求まらない。このような場合には,第1座標系と第2座標系との関係を表すのに,姿勢角を用いる代わりにリンク行列T12を用いると良い。 Therefore, using the above equations 16 to 18, the second coordinate system uses the first coordinate system as φ 12 around the z 1 axis, then θ 12 around the rotated y 2 axis, and finally after the rotation. it can be the of x 2 axis indicating by which [psi 12 rotate. From this, the relationship between the first coordinate system and the second coordinate system was obtained. However, if the x 2 axis is close to the z 1 axis, φ 12 cannot be obtained from Equation 16. In such a case, the link matrix T12 may be used instead of using the attitude angle to represent the relationship between the first coordinate system and the second coordinate system.

次に,式19にこのように求められるリンク行列T12の,具体例を示す。   Next, a specific example of the link matrix T12 obtained in this way is shown in Equation 19.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

次に,この姿勢角決定方法を図10のフローチャートと図5のブロック図に基づいて説明する。リンク機構10の各リンク関係の設定が終了すると,まず,各加速度センサ21〜26による測定を開始する(S101)。そして,第1座標系の加速度センサ21〜23の傾斜角出力結果からサンプリング器31において,第1座標系のx1軸,y1軸,z1軸に関する傾斜角を抽出する(S102)。さらに,傾斜ベクトル算出器33において傾斜ベクトルを算出して,レジスタ35に記憶する(S103)。 Next, this attitude angle determination method will be described based on the flowchart of FIG. 10 and the block diagram of FIG. When the setting of each link relation of the link mechanism 10 is completed, first, measurement by each acceleration sensor 21 to 26 is started (S101). Then, the sampling unit 31 extracts the tilt angles related to the x 1 axis, the y 1 axis, and the z 1 axis of the first coordinate system from the tilt angle output results of the acceleration sensors 21 to 23 of the first coordinate system (S102). Further, the inclination vector calculator 33 calculates the inclination vector and stores it in the register 35 (S103).

同様に,第2座標系の加速度センサ24〜26の結果からサンプリング器32において,第2座標系の傾斜角を抽出する(S104)。さらに,傾斜ベクトル算出器34において傾斜ベクトルを算出して,レジスタ35に記憶する(S105)。第1,第2座標系についての算出が終了したら,姿勢変化指令器28によって姿勢変化動作器27に指示を出し,第1,第2座標系の姿勢を変化させる(S106)。   Similarly, the sampling unit 32 extracts the inclination angle of the second coordinate system from the results of the acceleration sensors 24 to 26 in the second coordinate system (S104). Further, the inclination vector calculator 34 calculates the inclination vector and stores it in the register 35 (S105). When the calculation for the first and second coordinate systems is completed, the posture change commander 28 instructs the posture change motion unit 27 to change the postures of the first and second coordinate systems (S106).

このとき,計測回数カウント器29で計測回数をカウントし,姿勢変化指令器28が姿勢変化動作器27に指令を発する。全体姿勢を3通りに変化させ,3種類の全体姿勢について,両座標系の傾斜ベクトルの組を算出する。3回の計測を実施したら(S107:Yes),傾斜行列算出器36によって,第1座標系の傾斜ベクトルの組から第1傾斜行列S1を,第2座標系の傾斜ベクトルの組から第2傾斜行列S2をそれぞれ生成する(S108)。   At this time, the measurement number counter 29 counts the number of measurements, and the posture change commander 28 issues a command to the posture change actuator 27. The total orientation is changed in three ways, and a set of gradient vectors of both coordinate systems is calculated for the three types of overall orientation. When the measurement is performed three times (S107: Yes), the gradient matrix calculator 36 obtains the first gradient matrix S1 from the gradient vector set of the first coordinate system and the second gradient from the gradient vector set of the second coordinate system. Each matrix S2 is generated (S108).

続いて,第1傾斜行列S1と第2傾斜行列S2とを用いて,リンク行列算出器37によって,リンク行列T12を算出する(S109)。さらに,リンク行列表示器38によって,算出したリンク行列を表示する(S110)。そして,姿勢角算出・表示器39によって,求めたリンク行列を基に,第1座標系から第2座標系への姿勢角(φ,θ,ψ)を算出し表示する(S111)。以上で,この処理を終了する。   Subsequently, a link matrix T12 is calculated by the link matrix calculator 37 using the first gradient matrix S1 and the second gradient matrix S2 (S109). Further, the calculated link matrix is displayed by the link matrix display 38 (S110). Then, the attitude angle calculation / display unit 39 calculates and displays the attitude angle (φ, θ, ψ) from the first coordinate system to the second coordinate system based on the obtained link matrix (S111). This process is completed.

次に,第1座標系と第2座標系との間に所定の関係がある場合の処理の簡略化について説明する。まず第1に,例えば,z1軸とz2軸とが平行である場合のように,両座標系のうちの1軸が平行であることが判っている場合では,その平行な軸に関する回転のみで記述できる。ただしここでは,z1軸とz2軸とが重力方向に平行である場合は除く。例えば,z1軸とz2軸とが平行である場合では,θ12,ψ12は回転に用いる必要がないので,φ12のみを含む次の式20で表記できる。 Next, simplification of processing when there is a predetermined relationship between the first coordinate system and the second coordinate system will be described. First, if it is known that one of the two coordinate systems is parallel, such as when the z 1 and z 2 axes are parallel, the rotation about that parallel axis Can only be described. However, here, the case where the z 1 axis and the z 2 axis are parallel to the direction of gravity is excluded. For example, in the case where the z 1 axis and the z 2 axis are parallel, θ 12 and ψ 12 do not need to be used for rotation, and can be expressed by the following equation 20 including only φ 12 .

Figure 2008002867
Figure 2008002867

また,この場合では,全体姿勢を変化させる回転軸をz1軸とすれば,z1軸とz2軸とにはいずれも加速度センサは不要である。すなわち,加速度センサ21,22,24,25の4個でよい。さらに,2通りの全体姿勢をとらせるだけでよい。そして,2回の測定結果から次の式21を用いてリンク行列T12を得ることができる。 Further, in this case, if the rotary shaft to change the overall orientation and z 1 axis acceleration sensor both in the z 1 axis and z 2 axis is not required. That is, four acceleration sensors 21, 22, 24, and 25 may be used. Furthermore, it is only necessary to take two general postures. Then, the link matrix T12 can be obtained from the two measurement results using the following equation (21).

Figure 2008002867
Figure 2008002867

次に,図3の例のように,動作時に剛な構造物を対象とした姿勢角決定装置の具体的な構成の例を,図11のブロック図を参照して説明する。なお,図5に示した例と共通の部材については,同じ符号を付して説明を省略する。以下の,類似のブロック図についても同様である。この図11に示したのは,測定対象が動作時に剛な構造物であり,両座標系のうちの1軸(ここではz1軸とz2軸)が平行であるとともに,平行な回転軸の情報(あるいは全体姿勢の上下)が外部信号として得られる場合である。このようなリンク機構110に適用される姿勢角決定装置では,加速度センサは各座標系のx軸とy軸に設けるのみでよい。 Next, an example of a specific configuration of a posture angle determination device that targets a rigid structure during operation as in the example of FIG. 3 will be described with reference to the block diagram of FIG. In addition, about the member common to the example shown in FIG. 5, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. The same applies to the following similar block diagrams. FIG. 11 shows a structure in which the object to be measured is rigid during operation, and one of the two coordinate systems (here, the z 1 axis and the z 2 axis) is parallel and the rotation axis is parallel. This information is obtained as an external signal (or up and down of the overall posture). In the attitude angle determination device applied to such a link mechanism 110, the acceleration sensors need only be provided on the x-axis and the y-axis of each coordinate system.

動作時に剛な構造物では,リンク機構110が有する関節が動作すると,動作中信号発生器111がリンク機構110が動作中であることを,リンク固定指示器112に送る。さらに,動作が終了するとリンク固定指示器112は,リンク機構110内にある関節の固定をリンク機構固定器113に指示する。これにより,リンク機構110の関節が固定される。   In a structure that is rigid during operation, when the joint of the link mechanism 110 moves, the in-operation signal generator 111 sends to the link fixing indicator 112 that the link mechanism 110 is in operation. Further, when the operation is finished, the link fixing instruction unit 112 instructs the link mechanism fixing unit 113 to fix the joint in the link mechanism 110. Thereby, the joint of the link mechanism 110 is fixed.

ここで,傾斜角を測定中に各加速度センサ21,22,24,25に対し重力加速度以外の,例えば運動による並進加速度が印加されると,傾斜角の測定結果に誤差が生ずる。このため全体姿勢計測中は傾斜ベクトル算出器33,34から出力された傾斜ベクトルの各要素の値が安定している必要がある。そこで静止状態判定器114により,タイマー115でカウントした時間内に傾斜ベクトル算出器33,34から出力された傾斜ベクトルの各要素が一定か否かを判定し,各要素の変化量が規定値以内であれば,レジスタ35に取得した傾斜ベクトルを記録するように指示する。   Here, if translation acceleration other than gravitational acceleration, for example, is applied to each of the acceleration sensors 21, 22, 24, 25 during measurement of the tilt angle, an error occurs in the measurement result of the tilt angle. For this reason, the values of the elements of the gradient vector output from the gradient vector calculators 33 and 34 need to be stable during the overall posture measurement. Therefore, the stationary state determiner 114 determines whether or not each element of the gradient vector output from the gradient vector calculators 33 and 34 is constant within the time counted by the timer 115, and the change amount of each element is within a specified value. If so, the register 35 is instructed to record the acquired gradient vector.

次に静止状態判定器114は姿勢変化指令器28に姿勢変化を指令してもよいことを伝える。姿勢変化指令器28は姿勢変化動作器27に全体姿勢を変化させるように指示する。姿勢変化動作器27は,第1座標系と第2座標系の姿勢関係が変化しないようリンク機構110の全体姿勢を変更する。各加速度センサ21,22,24,25の出力はサンプリング器31,32で常に取り込まれ,傾斜ベクトル算出器33,34において傾斜ベクトルが生成される。   Next, the stationary state determiner 114 informs the posture change commander 28 that a posture change may be commanded. The posture change command unit 28 instructs the posture change operating unit 27 to change the overall posture. The posture change actuator 27 changes the overall posture of the link mechanism 110 so that the posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system does not change. Outputs of the respective acceleration sensors 21, 22, 24, 25 are always taken in by the sampling units 31, 32, and tilt vectors are generated in the tilt vector calculators 33, 34.

このとき,この例では外部から回転軸平行状態検知用信号116が得られるので,回転軸判定器117は,回転軸の判定を行い,傾斜ベクトル算出器33,34と計測回数カウント器29に対し,回転軸の軸名と,得られた複数軸の加速度信号のうち,傾斜行列を算出するために必要な加速度信号名、および必要計測回数を伝える。さらに,レジスタ35は,計測回数カウント器29から得られた計測回数値と,傾斜行列の各要素値を保存する。本計測は計測回数カウント器29が規定する回数繰り返され,必要な計測回数が完了したらリンク行列算出器37により,第1座標系からみた第2座標系のリンク行列が算出される。これをリンク行列表示器38により表示し,さらに,姿勢角算出・表示器39によって姿勢角に変換する。   At this time, in this example, since the rotation axis parallel state detection signal 116 is obtained from the outside, the rotation axis determination unit 117 determines the rotation axis, and the inclination vector calculators 33 and 34 and the measurement number counter 29 are compared. , The axis name of the rotation axis, the acceleration signal name necessary for calculating the tilt matrix among the obtained acceleration signals of the plurality of axes, and the necessary number of measurements are transmitted. Further, the register 35 stores the measurement number value obtained from the measurement number counter 29 and each element value of the gradient matrix. This measurement is repeated the number of times specified by the measurement number counter 29. When the necessary number of measurements is completed, the link matrix calculator 37 calculates the link matrix of the second coordinate system as viewed from the first coordinate system. This is displayed on the link matrix display 38 and further converted into a posture angle by a posture angle calculation / display device 39.

次に,測定対象が動作時に剛な構造物であり,両座標系のうちの1軸の組が平行であるが,平行な回転軸の情報(あるいは全体姿勢の上下)が外部信号としては得られない場合の例を,図12のブロック図に示す。この場合には,回転軸の判定を内部で行わなければならない。そのため,加速度センサ21〜26は各軸に計6個必要となっている。   Next, the object to be measured is a rigid structure during operation, and the set of one axis of both coordinate systems is parallel, but information on the parallel rotation axes (or the upper and lower positions of the entire posture) is obtained as an external signal. An example of the case where it is not possible is shown in the block diagram of FIG. In this case, the rotation axis must be determined internally. Therefore, a total of six acceleration sensors 21 to 26 are required for each axis.

この例では,サンプリング器31,32において得られた傾斜角信号を回転軸判定器117に送る。回転軸判定器117は,第1座標系と第2座標系の同じ軸の傾斜角を比較し,それぞれの傾斜角値の変化量が特定の軸について既定値内であれば、当該軸が回転軸でありかつ当該軸が第1座標系および第2座標系において平行な軸であると判定する。回転軸判定器117は,このようにして判定された平行な軸の組をそれぞれの回転軸と判定する。さらに,傾斜ベクトル算出器33,34と計測回数カウント器29に対し,回転軸の軸名と,得られた複数軸の傾斜角信号のうち傾斜行列を算出するために必要な軸名、および必要計測回数を伝える。以下の処理は,上記の図11の例と同様である。   In this example, the tilt angle signal obtained in the sampling units 31 and 32 is sent to the rotation axis determination unit 117. The rotation axis determination unit 117 compares the inclination angles of the same axis in the first coordinate system and the second coordinate system, and if the change amount of each inclination angle value is within a predetermined value for a specific axis, the axis rotates. It is determined that the axis is a parallel axis in the first coordinate system and the second coordinate system. The rotation axis determination unit 117 determines the set of parallel axes determined in this way as each rotation axis. Further, for the tilt vector calculators 33 and 34 and the measurement count counter 29, the axis name of the rotation axis, the axis name necessary for calculating the tilt matrix among the obtained tilt angle signals of the plurality of axes, and the necessary Tell the number of measurements. The following processing is the same as that in the example of FIG.

次の例は,上記の図12の例に加えて,平行な1組の軸が水平面内にある場合である。例えば,上記の図12の例において,平行な軸の組であるとともに全体姿勢を変化させる回転軸がz1軸とz2軸であり,かつこれらが重力方向を法線にもつ水平面内にある場合である。この場合には,x1軸とx2軸,あるいは,y1軸とy2軸のいずれかの組み合わせのみに加速度センサを設置すればよい。すなわち,加速度センサ21と24の組み合わせまたは加速度センサ22と25の組み合わせのいずれかでよい。そして,全体姿勢を1通りに設定するだけでよい。この場合には,加速度センサの出力から得られる傾斜角からz1軸回りの姿勢角変化であるヨー角を得ることができる。 In the next example, in addition to the example of FIG. 12 described above, a parallel set of axes is in the horizontal plane. For example, in the example of FIG. 12 above, the rotation axes that change the overall posture are the z 1 axis and the z 2 axis that are a set of parallel axes, and these are in the horizontal plane having the gravity direction as a normal line. Is the case. In this case, the acceleration sensor may be installed only in any combination of the x 1 axis and the x 2 axis, or the y 1 axis and the y 2 axis. That is, either a combination of acceleration sensors 21 and 24 or a combination of acceleration sensors 22 and 25 may be used. And it is only necessary to set the whole posture in one way. In this case, a yaw angle that is a change in posture angle around the z 1 axis can be obtained from the tilt angle obtained from the output of the acceleration sensor.

また,第1の全体姿勢と第2の全体姿勢との間に,加速度センサを設置した軸が基準座標系のZ軸に平行にならない場合は,次の式22を式20に代入することでリンク行列T12を得ることができる。
ヨー角φ12=第2座標系の傾斜角−第1座標系の傾斜角 …(式22)
すなわち,この場合には回転軸がz1軸であるため,姿勢角のうちθ12,ψ12は回転に用いる必要がなく,リンク行列T12はヨー角φ12のみで表すことができる。
If the axis where the acceleration sensor is installed is not parallel to the Z axis of the reference coordinate system between the first overall posture and the second overall posture, the following equation 22 is substituted into equation 20: A link matrix T12 can be obtained.
Yaw angle φ 12 = Inclination angle of second coordinate system−Inclination angle of first coordinate system (Formula 22)
That is, in this case, since the rotation axis is the z 1 axis, θ 12 and ψ 12 among the posture angles do not need to be used for rotation, and the link matrix T12 can be expressed only by the yaw angle φ 12 .

また,第1の全体姿勢と第2の全体姿勢との間に,加速度センサを設置した軸が基準座標系のZ軸に平行になる場合は,次の式23と式20とからリンク行列T12を得ることができる。
ヨー角φ12=第2座標系の傾斜角+第1座標系の傾斜角 …(式23)
When the axis where the acceleration sensor is installed is parallel to the Z axis of the reference coordinate system between the first overall posture and the second overall posture, the link matrix T12 is obtained from the following equations 23 and 20. Can be obtained.
Yaw angle φ 12 = Inclination angle of the second coordinate system + Inclination angle of the first coordinate system (Equation 23)

さらに,重力加速度の大きさが既知で,座標系の上下(重力方向)が判る場合では,次のような簡略化が可能である。この場合の例を図13のブロック図に示す。この場合には,姿勢角決定装置は,加速度算出器118,119を有し,これらが座標系の上下識別用外部信号120を受ける。   Furthermore, when the magnitude of the gravitational acceleration is known and the vertical direction (gravity direction) of the coordinate system is known, the following simplification is possible. An example of this case is shown in the block diagram of FIG. In this case, the attitude angle determination device has acceleration calculators 118 and 119, which receive the vertical identification external signal 120 of the coordinate system.

重力加速度の大きさが|G|であれば,例えば,z1軸方向の加速度azは,x1軸およびy1軸方向の加速度ax,ayと次の式24のような関係がある。
|G|=√(ax2+ay2+az2) …(式24)
従って,z1軸方向の加速度azは,加速度算出器118によりx1軸およびy1軸方向の加速度ax,ayを用いて次の式25のように表すことができる。
az=±√(|G|2−ax2−ay2) …(式25)
If the magnitude of gravitational acceleration is | G |, for example, the acceleration az in the z 1 -axis direction has a relationship represented by the following equation 24 with the accelerations ax and ay in the x 1 -axis and y 1 -axis directions.
| G | = √ (ax 2 + ay 2 + az 2 ) (Formula 24)
Therefore, the acceleration az in the z 1 -axis direction can be expressed by the acceleration calculator 118 using the accelerations ax and ay in the x 1 -axis and y 1 -axis directions as in the following Expression 25.
az = ± √ (| G | 2 −ax 2 −ay 2 ) (Equation 25)

さらに,座標系上下識別用外部信号120によりz1軸の上下が判ることから,azの符号が与えられる。以上のことから,z1軸とz2軸とにはいずれも加速度センサは不要であり,加速度センサ21,22,24,25の4個の測定結果からz1軸方向とz2軸方向との加速度も得ることができる。また,リンク行列T12は,式14から算出できる。なお,この第2の条件は,例えば地表上でおよそ直立して移動するロボット等では,一般に満たされるものである。 Further, since the upper and lower sides of the z 1 axis are known from the coordinate system upper and lower identification external signal 120, the sign of az is given. Therefore, neither the z 1 axis nor the z 2 axis requires an acceleration sensor. From the four measurement results of the acceleration sensors 21, 22, 24, 25, the z 1 axis direction and the z 2 axis direction Can also be obtained. The link matrix T12 can be calculated from Equation 14. Note that this second condition is generally satisfied in, for example, a robot that moves approximately upright on the ground surface.

次に,図3の例のように,動作時に剛な構造物を対象とした姿勢角決定装置のより一般的な構成を図14に示す。この例のリンク機構110も,図8の例と同様に,第1座標系と第2座標系が,リンク11,リンク12,リンク13および関節14,関節15で結びつけられているものとして表される。リンク機構110には測定対象の各座標系の各軸方向に沿って,それぞれ加速度センサが設けられる。すなわち,第1座標系のリンク11には,x1軸加速度センサ21,y1軸加速度センサ22,z1軸加速度センサ23が設けられている。また,第2座標系のリンク13には,x2軸加速度センサ24,y2軸加速度センサ25,z2軸加速度センサ26が設けられている。さらに,このリンク機構10には,全体姿勢を変化させるためのモータ等を有する姿勢変化動作器27を含む姿勢変化部が設けられている。 Next, as in the example of FIG. 3, a more general configuration of a posture angle determination device for a rigid structure during operation is shown in FIG. Similarly to the example of FIG. 8, the link mechanism 110 of this example is expressed as a combination of the first coordinate system and the second coordinate system by the link 11, the link 12, the link 13, the joint 14, and the joint 15. The The link mechanism 110 is provided with an acceleration sensor along each axial direction of each coordinate system to be measured. That is, the link 11 of the first coordinate system is provided with an x 1 -axis acceleration sensor 21, a y 1 -axis acceleration sensor 22, and a z 1 -axis acceleration sensor 23. The link 13 of the second coordinate system is provided with an x 2 -axis acceleration sensor 24, a y 2 -axis acceleration sensor 25, and a z 2 -axis acceleration sensor 26. Further, the link mechanism 10 is provided with a posture changing unit including a posture changing actuator 27 having a motor or the like for changing the overall posture.

動作時に剛な構造物では,リンク機構110が有する関節が動作すると,動作中信号発生器111がリンク機構110が動作中であることを,リンク固定指示器112に送る。さらに,動作が終了するとリンク固定指示器112は,リンク機構110内にある関節の固定をリンク機構固定器113に指示する。これにより,リンク機構110の関節が固定される。   In a structure that is rigid during operation, when the joint of the link mechanism 110 moves, the in-operation signal generator 111 sends to the link fixing indicator 112 that the link mechanism 110 is in operation. Further, when the operation is finished, the link fixing instruction unit 112 instructs the link mechanism fixing unit 113 to fix the joint in the link mechanism 110. Thereby, the joint of the link mechanism 110 is fixed.

ここで,傾斜角を測定中に各加速度センサ21〜26に対し重力加速度以外の,例えば運動による並進加速度が印加されると,傾斜角の測定結果に誤差が生ずる。このため,全体姿勢計測中は傾斜ベクトル算出器33,34から出力された傾斜ベクトルの各要素の値が安定している必要がある。そこで静止状態判定器114により,タイマー115でカウントした時間内に傾斜ベクトル算出器33,34から出力された各傾斜ベクトルの各要素が一定か否かを判定し,各要素の変化量が規定値以内であれば,レジスタ35に取得した傾斜ベクトルを記録するように指示する。   Here, if translation acceleration other than gravitational acceleration, for example, is applied to each of the acceleration sensors 21 to 26 during measurement of the tilt angle, an error occurs in the measurement result of the tilt angle. For this reason, during the overall posture measurement, the value of each element of the gradient vector output from the gradient vector calculators 33 and 34 needs to be stable. Therefore, the stationary state determination unit 114 determines whether each element of the inclination vector output from the inclination vector calculators 33 and 34 is constant within the time counted by the timer 115, and the amount of change of each element is a specified value. If within, the register 35 is instructed to record the acquired gradient vector.

次に,静止状態判定器114は姿勢変化指令器28に姿勢変化を指令してもよいことを伝える。姿勢変化指令器28は姿勢変化動作器27に全体姿勢を変化させるように指示する。姿勢変化動作器27は,第1座標系と第2座標系の姿勢関係が変化しないようリンク機構110の全体姿勢を変更する。各加速度センサ21〜26の出力は,サンプリング器31,32で常に取り込まれ,傾斜ベクトル算出器33,34において傾斜ベクトルが生成される。   Next, the stationary state determiner 114 informs the posture change commander 28 that a posture change may be commanded. The posture change command unit 28 instructs the posture change operating unit 27 to change the overall posture. The posture change actuator 27 changes the overall posture of the link mechanism 110 so that the posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system does not change. The outputs of the acceleration sensors 21 to 26 are always taken in by the sampling units 31 and 32, and the inclination vector calculators 33 and 34 generate inclination vectors.

レジスタ35は計測回数カウント器29から得られた計測回数値と,傾斜ベクトルの各要素値を保存する。本計測は計測回数カウント器29が規定する回数繰り返され,必要な計測回数が完了したらリンク行列算出器37により,第1座標系からみた第2座標系のリンク行列が算出される。これをリンク行列表示器38により表示し,さらに姿勢角算出・表示器39において姿勢角に変換し表示する。   The register 35 stores the measurement number value obtained from the measurement number counter 29 and each element value of the gradient vector. This measurement is repeated the number of times specified by the measurement number counter 29. When the necessary number of measurements is completed, the link matrix calculator 37 calculates the link matrix of the second coordinate system as viewed from the first coordinate system. This is displayed on the link matrix display 38, and further converted into an attitude angle and displayed on the attitude angle calculator / display 39.

次に,図4に示したような,リンクが柔であり,関係が柔である構造物を対象とした姿勢角決定装置について説明する。このような構造物では,全体姿勢を変化させることで第1座標系と第2座標系の姿勢関係が変化するため,全体姿勢を変化させることによって測定誤差が増える恐れがある。そこで,全体姿勢を変化させずに姿勢角を測定することが好ましい。この例における構造物と各座標系との関係を図15に示す。また,姿勢角決定装置の概略構成を図16のブロック図に示す。   Next, a posture angle determination device for a structure having a soft link and a soft relationship as shown in FIG. 4 will be described. In such a structure, changing the overall posture changes the posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system, and thus changing the overall posture may increase measurement errors. Therefore, it is preferable to measure the posture angle without changing the overall posture. FIG. 15 shows the relationship between the structure and each coordinate system in this example. A schematic configuration of the attitude angle determination device is shown in a block diagram of FIG.

この例では,図15に示すように,第1座標系および第2座標系上には,座標系のそれぞれの軸方向への加速度とそれぞれの軸回りの角速度を測定するための加速度センサ21〜26に加えて角速度センサ211〜216が設置されている。図16に示すように,加速度センサ21〜26からの出力は,サンプリング器31,32によってサンプリングされ,角速度センサ211〜216からの出力はサンプリング器217,218によってサンプリングされる。サンプリングされた出力は,合成器219,220に導入される。合成器219,220ではそれぞれのセンサ出力を基に、現在のもっとも確からしい姿勢を算出する。   In this example, as shown in FIG. 15, on the first coordinate system and the second coordinate system, acceleration sensors 21 to 21 for measuring the acceleration in the respective axis directions of the coordinate system and the angular velocities around the respective axes. 26, angular velocity sensors 211 to 216 are installed. As shown in FIG. 16, outputs from the acceleration sensors 21 to 26 are sampled by the sampling units 31 and 32, and outputs from the angular velocity sensors 211 to 216 are sampled by the sampling units 217 and 218. The sampled output is introduced into the combiners 219 and 220. The combiners 219 and 220 calculate the most likely current posture based on the respective sensor outputs.

さらに,姿勢行列算出器221,222は合成器219,220の出力から姿勢行列を生成する。この結果,時間の経過とともに変化する第1座標系および第2座標系の基準座標系から見た姿勢行列T1,T2を,連続的に得ることができる。このようにして得られた姿勢行列と,次の式26から,リンク行列T12を得ることができる。
T12=T1 -1・T2 …(式26)
ただし,T1:基準座標系から見た第1座標系への姿勢行列
T2:基準座標系から見た第2座標系への姿勢行列
T12:第1座標系から見た第2座標系へのリンク行列
この例の方法を採用すれば,全体姿勢は1通りでよく,変化させる必要はない。
Further, posture matrix calculators 221 and 222 generate posture matrices from the outputs of the combiners 219 and 220. As a result, posture matrices T1 and T2 viewed from the reference coordinate system of the first coordinate system and the second coordinate system that change with time can be obtained continuously. The link matrix T12 can be obtained from the posture matrix thus obtained and the following Expression 26.
T12 = T 1 −1 · T2 (Formula 26)
T1: Attitude matrix to the first coordinate system viewed from the reference coordinate system
T2: Attitude matrix to the second coordinate system viewed from the reference coordinate system
T12: Link matrix from the first coordinate system to the second coordinate system If the method of this example is adopted, the overall posture may be one and does not need to be changed.

また,あるいは,図15に示すような例において,第1座標系および第2座標系上に,座標系のそれぞれの軸方向への加速度を測定するための加速度センサと,磁北方向を測定するための磁気センサとが設置されているものとしてもよい。加速度センサを用いれば各座標系上の各座標軸と基準座標系Z軸との間の角度として傾斜角が得られ,次に傾斜角から,ロール角ψおよびピッチ角θを求めることができる。ここで姿勢角としてロール角,ピッチ角,ヨー角を用いるときは,姿勢角表記の性質から,磁気センサをそれぞれの座標系のx軸に設置することで,ヨー角φの計算が容易となるため好ましい。また,x軸だけでなく各座標系のy軸,z軸に設置すれば,測定精度と信頼性が向上し,より好ましい構成となる。   Alternatively, in the example shown in FIG. 15, an acceleration sensor for measuring the acceleration in the respective axis directions of the coordinate system and the magnetic north direction on the first coordinate system and the second coordinate system. The magnetic sensor may be installed. If an acceleration sensor is used, a tilt angle can be obtained as an angle between each coordinate axis on each coordinate system and the reference coordinate system Z-axis, and then a roll angle ψ and a pitch angle θ can be obtained from the tilt angle. When roll angles, pitch angles, and yaw angles are used as attitude angles, the yaw angle φ can be easily calculated by installing a magnetic sensor on the x-axis of each coordinate system due to the nature of attitude angle notation. Therefore, it is preferable. Further, if it is installed not only on the x-axis but also on the y-axis and z-axis of each coordinate system, the measurement accuracy and reliability are improved and a more preferable configuration is obtained.

次に,さらに別の例を説明する。基準座標系からみた第1座標系の姿勢は,姿勢行列T1で表すことができる。姿勢行列T1の具体的な要素は上記した式2を展開して得られる次の式27で表される。   Next, another example will be described. The attitude of the first coordinate system viewed from the reference coordinate system can be represented by an attitude matrix T1. Specific elements of the posture matrix T1 are expressed by the following Expression 27 obtained by expanding Expression 2 described above.

Figure 2008002867
Figure 2008002867

このとき,姿勢行列T1の第3行第1列の成分は,第1座標系のx1軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度の方向余弦である。また,第3行第2列の成分は,第1座標系のy1軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度の方向余弦である。また,第3行第3列の成分は,第1座標系のz1軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度の方向余弦である。すなわち図9に示すように,第1座標系の各軸と基準座標系のZ軸とのなす傾斜角度をγ1〜γ3とおけば,傾斜角度の方向余弦は次の式28〜式30で表される。 In this case, the component in the third row, first column of the posture matrix T1, which is the direction cosine of the forming slope angle between the Z-axis of the x 1 axis and the reference coordinate system of the first coordinate system. The component in the third row and second column is the direction cosine of the inclination angle formed by the y 1 axis of the first coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system. The component in the third row and third column is the direction cosine of the inclination angle formed by the z 1 axis of the first coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system. That is, as shown in FIG. 9, if the inclination angle formed between each axis of the first coordinate system and the Z axis of the reference coordinate system is γ 1 to γ 3 , the direction cosine of the inclination angle is expressed by the following equations 28 to 30 It is represented by

−sinθ1=cosγ1 …(式28)
cosθ1sinψ1=cosγ2 …(式29)
cosθ1cosψ1=cosγ3 …(式30)
さらに,これらの式から,基準座標系から見た第1座標系のロール角θ1,ピッチ角ψ1は,次の式31,式32で表される。
θ1=sin-1(−cosγ1) …(式31)
ψ1=tan-1(cosγ2/cosγ3) …(式32)
−sin θ 1 = cos γ 1 (Equation 28)
cos θ 1 sin ψ 1 = cos γ 2 (formula 29)
cos θ 1 cos ψ 1 = cos γ 3 (Equation 30)
Further, from these equations, the roll angle θ 1 and the pitch angle ψ 1 of the first coordinate system viewed from the reference coordinate system are expressed by the following equations 31 and 32.
θ 1 = sin −1 (−cos γ 1 ) (Equation 31)
ψ 1 = tan −1 (cos γ 2 / cos γ 3 ) (Expression 32)

加速度センサの出力は座標系の姿勢が基準座標系のZ軸回りに回転しても変化しないため,ヨー角φを得ることはできない。しかし,磁気センサを用いて磁北を求めることで,ヨー角φを得ることができる。具体的には,基準座標系からみた磁北方向と,第1座標系から見た磁北方向の差異分をヨー角φ1と置き,式31〜32および式2を用いて姿勢行列T1を求める。次に基準座標系からみた磁北方向と第2座標系から見た磁北方向の差異分をヨー角φ2と置き,第2座標系に関する式31〜32および式2から姿勢行T2を求める。姿勢行列T1および姿勢行列T2を式26に適用することで,リンク行列T12を得ることができる。 Since the output of the acceleration sensor does not change even if the orientation of the coordinate system rotates around the Z axis of the reference coordinate system, the yaw angle φ cannot be obtained. However, the yaw angle φ can be obtained by obtaining magnetic north using a magnetic sensor. Specifically, the difference between the magnetic north direction viewed from the reference coordinate system and the magnetic north direction viewed from the first coordinate system is set as the yaw angle φ 1, and the attitude matrix T 1 is obtained using Expressions 31 to 32 and Expression 2. Next, the difference between the magnetic north direction viewed from the reference coordinate system and the magnetic north direction viewed from the second coordinate system is set as the yaw angle φ 2, and the posture row T2 is obtained from the equations 31 to 32 and the equation 2 relating to the second coordinate system. By applying the attitude matrix T1 and the attitude matrix T2 to Expression 26, the link matrix T12 can be obtained.

また別の方法として,磁気センサを用いて第1座標系から見た第2座標系へのヨー角を直接求めてもよい。また本形態において磁気センサの代わりに,外部からの情報として,GPS(Global Positioning System)や,マーカーを用いてもよい。そして,次の式33において,磁気センサまたは外部情報で得られた第1座標系から見た第2座標系のヨー角を(φ2−φ1)に代入する。 As another method, a yaw angle to the second coordinate system viewed from the first coordinate system may be directly obtained using a magnetic sensor. In this embodiment, instead of the magnetic sensor, GPS (Global Positioning System) or a marker may be used as information from the outside. In the following Expression 33, the yaw angle of the second coordinate system viewed from the first coordinate system obtained from the magnetic sensor or external information is substituted into (φ 2 −φ 1 ).

Figure 2008002867
Figure 2008002867

また姿勢角θ1,θ2,ψ1,ψ2を加速度センサの出力から求める。本手法によりリンク行列T12を求めることができる。このようにすれば,第1座標系および第2座標系に設置する加速度センサの個数はそれぞれ2個でよく,測定精度を向上することができる。また全体姿勢は1通りでよい。 Also, the attitude angles θ 1 , θ 2 , ψ 1 , ψ 2 are obtained from the output of the acceleration sensor. The link matrix T12 can be obtained by this method. In this way, the number of acceleration sensors installed in the first coordinate system and the second coordinate system may be two, and the measurement accuracy can be improved. The overall posture may be one.

次に,さらに別の姿勢角決定装置の概略構成を図17のブロック図に示す。第1座標系および第2座標系上には,座標系のそれぞれの軸方向への加速度を測定するための加速度センサ21〜26と,それぞれの軸回りの角速度を測定するための角速度センサ211〜216と,磁北方向を測定するための磁気センサ231〜236を設置している。加速度センサ21〜26と角速度センサ211〜216を用いればロール角ψ,ピッチ角θ,ヨー角φを求めることができるが,角速度センサ211〜216の出力の時間的な変化により,ヨー角φが変化する場合がある。   Next, a schematic configuration of still another posture angle determination device is shown in a block diagram of FIG. On the first coordinate system and the second coordinate system, acceleration sensors 21 to 26 for measuring acceleration in the respective axis directions of the coordinate system, and angular velocity sensors 211 to 21 for measuring angular velocities around the respective axes. 216 and magnetic sensors 231 to 236 for measuring the magnetic north direction are installed. If the acceleration sensors 21 to 26 and the angular velocity sensors 211 to 216 are used, the roll angle ψ, the pitch angle θ, and the yaw angle φ can be obtained. However, the yaw angle φ is changed due to temporal changes in the outputs of the angular velocity sensors 211 to 216. May change.

そこで角速度センサ211〜216の出力を磁気センサ231〜236の出力と比較して統合することによってヨー角φの変化量を低減することができる。また反対に,磁気センサ231〜236によって求められたヨー角φは外部磁界の影響を受けるが,この影響を角速度センサ211〜216の出力と比較して統合することによって低減することができる。   Therefore, the amount of change in the yaw angle φ can be reduced by integrating the outputs of the angular velocity sensors 211 to 216 with the outputs of the magnetic sensors 231 to 236. On the other hand, the yaw angle φ obtained by the magnetic sensors 231 to 236 is affected by an external magnetic field, but this influence can be reduced by integrating with the outputs of the angular velocity sensors 211 to 216.

この手法により角速度センサ211〜216と磁気センサ231〜236が互いの利点によって補完するため,姿勢角から得られる姿勢行列T1およびT2が角速度センサ211〜216の出力変動や外部磁界の影響を受にくくなり,姿勢行列T1およびT2から求まるリンク行列T12の測定精度を向上することができる。なおここでは柔軟な構造物について説明したが,常に剛な構造物や動作中のみ剛となるリンクをもつ構造物へ適用してもよい。またこの場合の全体姿勢は1通りでよい。   Since the angular velocity sensors 211 to 216 and the magnetic sensors 231 to 236 complement each other by this method, the posture matrices T1 and T2 obtained from the posture angles are not easily affected by the output fluctuation of the angular velocity sensors 211 to 216 and the external magnetic field. Thus, the measurement accuracy of the link matrix T12 obtained from the attitude matrices T1 and T2 can be improved. In addition, although the flexible structure was demonstrated here, you may apply to the structure which has a link which becomes rigid only at the time of a rigid structure or operation | movement. In this case, the overall posture may be one.

さらに,図4に示したような,リンクが柔であり,関係が柔である構造物を対象とした別の姿勢角決定装置の例について説明する。外部から姿勢角φが与えられる場合の姿勢角決定装置の概略構成を図18に示す。このようなものでは,第1座標系および第2座標系上に設置された加速度センサ21,22,24,25からの加速度を用い,上記の式31,式32からロール角ψおよびピッチ角θが求まる。またヨー角は外部姿勢角信号241として与えられる。これら3つの姿勢角をもとに,姿勢行列算出器221,222において姿勢行列が得られる。この結果をレジスタ35に保存したのちリンク行列算出器37においてリンク行列を求める。   Furthermore, an example of another posture angle determination device for a structure having a soft link and a soft relationship as shown in FIG. 4 will be described. FIG. 18 shows a schematic configuration of the posture angle determination device when the posture angle φ is given from the outside. In such a case, using the accelerations from the acceleration sensors 21, 22, 24, and 25 installed on the first coordinate system and the second coordinate system, the roll angle ψ and the pitch angle θ are obtained from the above equations 31 and 32. Is obtained. The yaw angle is given as an external attitude angle signal 241. Based on these three attitude angles, attitude matrix calculators 221 and 222 obtain an attitude matrix. After the result is stored in the register 35, the link matrix calculator 37 obtains the link matrix.

なお,以上の各例において述べた加速度センサ,角速度センサ,磁気センサは,必ずしも第1座標系および第2座標系上に常設する必要はない。初期状態ではこれらセンサが第1座標系のみに設置され,ある全体姿勢において第1座標系の姿勢を計測後,これらセンサを第2座標系に移動し,同じ全体姿勢において第2座標系の姿勢を計測するのに用いてもよい。   Note that the acceleration sensor, angular velocity sensor, and magnetic sensor described in each of the above examples do not necessarily need to be permanently installed on the first coordinate system and the second coordinate system. In the initial state, these sensors are installed only in the first coordinate system. After measuring the posture of the first coordinate system in a certain overall posture, these sensors are moved to the second coordinate system, and the posture of the second coordinate system in the same overall posture. It may be used to measure

以上のような姿勢角決定装置が適用されるリンク機構の具体例を図19に示す。この例では,リンク11,12,13と,リンク同士を接続する関節14,15を有している。各リンク上には各リンクの姿勢を規定するために,それぞれ対応する座標系が設けられている。リンク11上の部位にはリンク11と一体となって動く第1座標系が,リンク12上の部位にはリンク12と一体となって動く第2座標系が,またリンク13上の部位にはリンク13と一体となって動く第3座標系が設置されている。   A specific example of a link mechanism to which the attitude angle determination device as described above is applied is shown in FIG. In this example, there are links 11, 12, 13 and joints 14, 15 that connect the links. A corresponding coordinate system is provided on each link in order to define the posture of each link. The first coordinate system that moves together with the link 11 is located at the part on the link 11, the second coordinate system that moves together with the link 12 is located at the part on the link 12, and the second coordinate system that moves together with the link 12 is located at the part on the link 13. A third coordinate system that moves integrally with the link 13 is provided.

ここで,関節14および関節15にはそれぞれのリンク角度を変化させるアクチュエータとしてのモータと,関節が接続するリンクのリンク角度を測定するエンコーダが配置されている。通常エンコーダは小型化,軽量化のために,絶対角度タイプではなく相対角度タイプが使われる。相対角度タイプでは初期値が不定であるため,リンク機構を初期化する前の状態では正しいリンク角度は得られない。このためリンク機構利用前には,各関節をその最大回転可能角度まで回転させ,ピンなどの機械的な突起部に押し当てることで関節角度の初期値を規定する初期化工程が必要である。この初期化工程には時間がかかること,またリンク機構の重量バランスが大きく崩れるため体勢が不安定になることといった課題があった。   Here, the joint 14 and the joint 15 are provided with a motor as an actuator for changing the link angle and an encoder for measuring the link angle of the link to which the joint is connected. Normally, the relative angle type is used instead of the absolute angle type to reduce the size and weight of the encoder. Since the initial value is undefined for the relative angle type, a correct link angle cannot be obtained before the link mechanism is initialized. For this reason, before using the link mechanism, an initialization process is required in which each joint is rotated to its maximum rotatable angle and pressed against a mechanical projection such as a pin to define an initial value of the joint angle. The initialization process takes time, and the weight balance of the link mechanism is greatly broken, resulting in unstable posture.

これに対して,本発明を利用した初期化工程の実施例について述べる。図19に示すように,このリンク機構には,計測中には第1座標系と第2座標系間の姿勢関係が一定となるよう,関節14および関節15にリンク機構固定器16,17が設置されている。リンク機構固定器16,17は,各リンク間角度を固定する機能を持つ。リンク機構固定器16,17としては,図20,図21,図22に示す三種類の手法がある。   In contrast, an embodiment of the initialization process using the present invention will be described. As shown in FIG. 19, this link mechanism has link mechanism fixers 16 and 17 at the joint 14 and the joint 15 so that the posture relationship between the first coordinate system and the second coordinate system is constant during measurement. is set up. The link mechanism fixtures 16 and 17 have a function of fixing the angle between the links. As the link mechanism fixing devices 16 and 17, there are three types of methods shown in FIGS. 20, 21, and 22.

図20に示した手法では,リンク12には,リンク12とリンク13との間の角度変化を計測するためのエンコーダ311と,リンク2とリンク3の間の角度を変化させることができるモータ312と,モータ312を制御するためのコントローラ313が設置されている。そして,各全体姿勢についてリンク間の姿勢関係を計測している間は,継続的にエンコーダ311の出力をモニタする。そしてリンク固定指示器112(図11参照)の発する命令により,コントローラ313はモータ312に対してエンコーダ311の出力が常に一定となるようにサーボ方式による位置制御指令を出す。この結果,リンク12とリンク13の間の角度を位置制御により一定とすることができる。   In the method shown in FIG. 20, the link 12 includes an encoder 311 for measuring an angle change between the link 12 and the link 13, and a motor 312 that can change the angle between the link 2 and the link 3. A controller 313 for controlling the motor 312 is installed. And while measuring the attitude | position relationship between links about each whole attitude | position, the output of the encoder 311 is continuously monitored. Then, in response to a command issued by the link fixing indicator 112 (see FIG. 11), the controller 313 issues a servo system position control command to the motor 312 so that the output of the encoder 311 is always constant. As a result, the angle between the link 12 and the link 13 can be made constant by position control.

このサーボ方式による位置制御によるリンク間角度の固定手法には,はじめから関節にエンコーダ311およびモータ312が設置されている場合,追加装置が不要である利点がある。また本手法は電気的にリンク間の姿勢関係を固定しているため機械的な切り替え時間が不要であり,リンク間の姿勢関係測定といった初期化工程終了後,即座にリンク機構を利用することができる。このため初期化工程の効率化が可能となる。   This method of fixing the angle between links by position control by the servo system has an advantage that no additional device is required when the encoder 311 and the motor 312 are installed in the joint from the beginning. In addition, this method does not require mechanical switching time because the posture relationship between the links is electrically fixed, and the link mechanism can be used immediately after the initialization process such as the posture relationship measurement between links. it can. For this reason, the efficiency of the initialization process can be improved.

またあるいは,図21に示すように,リンク12から延びリンク13に押し当てることでリンク12に対するリンク13の動きを止めるための摩擦を用いたクラッチ314と,クラッチ314を作動させるためのアクチュエータ315が設置されているものとしてもよい。各全体姿勢についてリンク間の姿勢関係を計測している間は,リンク固定指示器112の発する命令によりクラッチ314の動作を有効とすることで,リンク12に対するリンク13の角度関係を固定できる。クラッチ314による固定方法は,エンコーダ311やモータ312を使用せずリンク固定機構が簡単になるという利点がある。   Alternatively, as shown in FIG. 21, there are provided a clutch 314 using friction for stopping the movement of the link 13 relative to the link 12 by extending from the link 12 and pressing against the link 13 and an actuator 315 for operating the clutch 314. It may be installed. While the posture relationship between the links is measured for each overall posture, the angular relationship of the link 13 with respect to the link 12 can be fixed by enabling the operation of the clutch 314 by a command issued by the link fixing indicator 112. The fixing method using the clutch 314 has an advantage that the link fixing mechanism is simplified without using the encoder 311 or the motor 312.

またあるいは,図22に示すように,リンク12とリンク13の間に,ロッド+ピン316が設置されているものとしてもよい。このロッド+ピン316によりリンク同士を機械的に固定する。本固定手法は,他の手法にくらべ最も強固であるため,全体姿勢を変化させてもリンク間の姿勢関係を最も精度良く一定とすることができる。またロッド+ピン316による固定方法は電気信号を必要とせず,もっとも容易かつ確実な手法である。本手法による固定手法は,ロッド+ピン316を容易に取り外せないことから,リンク姿勢関係の計測後も,継続的にリンク間の姿勢関係を変えない用途に向いている。   Alternatively, as shown in FIG. 22, a rod + pin 316 may be installed between the link 12 and the link 13. The links are mechanically fixed by this rod + pin 316. This fixed method is the strongest compared to other methods, so even if the overall posture is changed, the posture relationship between links can be made the most accurate and constant. Further, the fixing method using the rod + pin 316 does not require an electric signal and is the easiest and most reliable method. Since the rod + pin 316 cannot be easily removed, the fixing method according to this method is suitable for applications in which the posture relationship between links is not continuously changed even after measurement of the link posture relationship.

これらの固定手法を用いて求めた第1座標系から第2座標系へのリンク行列をT1,第2座標系から第3座標系へのリンク行列をT2とおく。このとき,第1座標系から見た第3座標系へのリンク行列T12は,次の式34で表される。
T12=T1・T2 …(式34)
The link matrix from the first coordinate system to the second coordinate system obtained using these fixing methods is T1, and the link matrix from the second coordinate system to the third coordinate system is T2. At this time, the link matrix T12 to the third coordinate system viewed from the first coordinate system is expressed by the following Expression 34.
T12 = T1 · T2 (Formula 34)

このようにすれば,リンク行列T12が求まるので,式34の逆関数を求めることで,関節14および関節15における関節角度を算出できる。逆関数の求め方の例は,「ロボット・マニピュレータ コロナ社 吉川恒夫訳」に記載されている。さらに,各関節角度の初期値が求まれば,初期化工程が終了した後の,任意の時間経過後の関節角度は,関節角度の初期値と関節角度の変化分を用いて,次の式35,式36によって表される。このとき,各関節角度の変化分は,相対角度タイプのエンコーダによって得られる。
関節14の角度=関節14の角度の初期値+関節14の角度の変化分 …(式35)
関節15の角度=関節15の角度の初期値+関節15の角度の変化分 …(式36)
In this way, since the link matrix T12 is obtained, the joint angles at the joints 14 and 15 can be calculated by obtaining the inverse function of Expression 34. An example of how to find the inverse function is given in “Robot Manipulator Corona Translation, Tsuneo Yoshikawa”. Furthermore, once the initial values of each joint angle are obtained, the joint angle after an arbitrary time after the initialization process is completed can be calculated using the initial value of the joint angle and the change in the joint angle as follows: 35, represented by Equation 36. At this time, the change of each joint angle is obtained by a relative angle type encoder.
Angle of joint 14 = initial value of angle of joint 14 + change in angle of joint 14 (Expression 35)
Angle of joint 15 = initial value of angle of joint 15 + change in angle of joint 15 (Expression 36)

本実施例によれば,リンク機構の初期化工程をリンク機構の姿勢を大きく変化させなくとも,第1座標系および第3座標系の間の姿勢関係を容易にかつ高精度に求めることができる。また得られた座標系間の姿勢関係を利用して,各関節に設置されたリンク機構の初期化工程を簡便に行うことができる。   According to the present embodiment, the posture relationship between the first coordinate system and the third coordinate system can be obtained easily and with high accuracy without greatly changing the posture of the link mechanism in the link mechanism initialization step. . Moreover, the initialization process of the link mechanism installed in each joint can be simply performed using the obtained posture relationship between coordinate systems.

以上詳細に説明したように本形態の姿勢角決定装置20によれば,姿勢関係を求めようとする両座標系の各軸方向にそれぞれ加速度センサ21〜26を備えているので,これらの測定結果から各軸の傾斜方向を算出することができる。さらに,この測定を姿勢を変化させて1〜3回行い,リンク行列算出器37により,リンク行列T12を算出することができる。従って,リンク行列T12から,リンク構造に含まれる両座標系の間の姿勢角が求められる。すなわち,図面や実測によることなく,複雑な関係にある座標系間であってもその姿勢関係を容易に,精度良く求めることができる。   As described above in detail, according to the attitude angle determination device 20 of the present embodiment, the acceleration sensors 21 to 26 are provided in the respective axis directions of both coordinate systems for which the attitude relationship is to be obtained. Thus, the inclination direction of each axis can be calculated. Further, this measurement is performed 1 to 3 times while changing the posture, and the link matrix calculator 37 can calculate the link matrix T12. Therefore, the attitude angle between the two coordinate systems included in the link structure is obtained from the link matrix T12. In other words, the posture relationship can be easily and accurately obtained even between coordinate systems having a complicated relationship without using drawings or actual measurements.

なお,本形態は単なる例示にすぎず,本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に,その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良,変形が可能である。   In addition, this form is only a mere illustration and does not limit this invention at all. Therefore, the present invention can naturally be improved and modified in various ways without departing from the gist thereof.

本形態の姿勢角決定装置の対象部材の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the target member of the attitude | position angle determination apparatus of this form. 対象部材の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a target member. 対象部材の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a target member. 対象部材の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a target member. 本形態の姿勢角決定装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the attitude | position angle determination apparatus of this form. 対象部材の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a target member. 対象部材の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a target member. 対象部材のリンク構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the link structure of an object member. 基準座標系のZ軸と他の座標系の軸との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the Z-axis of a reference | standard coordinate system, and the axis | shaft of another coordinate system. 本形態の姿勢角決定方法のアルゴリズムを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the algorithm of the attitude | position angle determination method of this form. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 対象部材のリンク構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the link structure of an object member. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. 姿勢角決定装置の別の例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of another example of an attitude angle determination apparatus. リンク機構の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a link mechanism. リンク機構固定器の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a link mechanism fixing device. リンク機構固定器の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a link mechanism fixing device. リンク機構固定器の具体例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the specific example of a link mechanism fixing device.

符号の説明Explanation of symbols

10 リンク機構
11,12 リンク
20 姿勢角決定装置
21,22,23,24,25,26 加速度センサ
28 姿勢変化指令器
33 傾斜ベクトル算出器
34 傾斜ベクトル算出器
36 傾斜行列算出器
37 リンク行列算出器
39 姿勢角算出・表示器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Link mechanism 11, 12 Link 20 Attitude angle determination apparatus 21, 22, 23, 24, 25, 26 Acceleration sensor 28 Attitude change command device 33 Inclination vector calculator 34 Inclination vector calculator 36 Inclination matrix calculator 37 Link matrix calculator 39 Attitude angle calculation / display

Claims (21)

1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに設定された3軸直交座標系の各軸について,軸方向と重力ベクトルの方向との間の角度である傾斜角を取得する傾斜角取得部と,
第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して最大3通りの全体姿勢を取らせる姿勢変化指示部と,
前記姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,前記傾斜角取得部で取得された各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と,
各リンクについて,前記傾斜ベクトル算出部で全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求める傾斜行列算出部と,
前記傾斜行列算出部により求められた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
It is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is seen from the coordinate system of the first link in the structure mounted on or connected to the posture change operation unit. In the attitude angle determination device that determines the attitude angle of the coordinate system of the second link,
An inclination angle acquisition unit that acquires an inclination angle that is an angle between the axial direction and the direction of the gravity vector for each axis of the three-axis orthogonal coordinate system set for each link;
A posture change instructing unit for instructing the posture changing operation unit to change the posture of the structure and taking a total of three total postures while fixing the posture relationship between the first link and the second link;
An inclination vector calculation unit for obtaining an inclination vector from an inclination angle in each axial direction acquired by the inclination angle acquisition unit for each link in each overall posture according to an instruction from the posture change instruction unit;
For each link, an inclination matrix calculation unit that obtains an inclination matrix from an inclination vector obtained for each overall posture by the inclination vector calculation unit;
A first link matrix calculation unit for calculating a link matrix representing an attitude angle by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the inclination matrix of each link obtained by the inclination matrix calculation unit; A posture angle determination device characterized by that.
請求項1に記載の姿勢角決定装置において,前記傾斜角取得部は,傾斜角を,
第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する3方向に設けられた水準器を用いて得ることを特徴とする姿勢角決定装置。
The posture angle determination device according to claim 1, wherein the inclination angle acquisition unit calculates an inclination angle,
A posture angle determination device obtained by using a level provided in three directions orthogonal to each other on each of the first link and the second link.
請求項1に記載の姿勢角決定装置において,前記傾斜角取得部は,傾斜角を,
第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する3方向に設けられた加速度センサの出力値から求めることを特徴とする姿勢角決定装置。
The posture angle determination device according to claim 1, wherein the inclination angle acquisition unit calculates an inclination angle,
An attitude angle determination device characterized in that it is obtained from output values of acceleration sensors provided in three directions orthogonal to each other on the first link and the second link.
請求項1に記載の姿勢角決定装置において,前記傾斜角取得部は,傾斜角を,
第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する2方向に設けられた加速度センサの出力値と,
各リンクごとの各加速度センサの出力値の2乗の和をその場所の重力加速度の値の2乗から差し引いた値の平方根とから求めることを特徴とする姿勢角決定装置。
The posture angle determination device according to claim 1, wherein the inclination angle acquisition unit calculates an inclination angle,
Output values of acceleration sensors provided in two directions orthogonal to each other on the first link and the second link;
A posture angle determination device, characterized in that a sum of squares of output values of acceleration sensors for each link is obtained from a square root of a value obtained by subtracting from a square of a value of gravitational acceleration at the place.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに1方向が互いに平行となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の各方向の加速度値を取得する加速度値取得部と,
第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して,当該1方向に平行な軸の周りの回転による2通りの全体姿勢を取らせる姿勢変化指示部と,
前記姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,前記加速度値取得部で取得された各軸方向の加速度値から傾斜角を求める傾斜角測定部と,
前記姿勢変化指示部の指示による各全体姿勢における各リンクについて,前記傾斜角測定部で求められた各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求める傾斜ベクトル算出部と,
各リンクについて,前記傾斜ベクトル算出部で全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求める傾斜行列算出部と,
前記傾斜行列算出部により求められた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
It is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is seen from the coordinate system of the first link in the structure mounted on or connected to the posture change operation unit. In the attitude angle determination device that determines the attitude angle of the coordinate system of the second link,
An acceleration value acquisition unit that acquires acceleration values in directions other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel to each link;
With the posture relationship between the first link and the second link fixed, the posture change operation unit is instructed to change the posture of the structure, and two general postures are obtained by rotation around an axis parallel to the one direction. A posture change instruction unit
An inclination angle measuring unit for obtaining an inclination angle from an acceleration value in each axial direction acquired by the acceleration value acquisition unit for each link in each overall posture according to an instruction from the posture change instruction unit;
An inclination vector calculation unit for obtaining an inclination vector from an inclination angle in each axial direction obtained by the inclination angle measurement unit for each link in each overall posture according to an instruction from the posture change instruction unit;
For each link, an inclination matrix calculation unit that obtains an inclination matrix from an inclination vector obtained for each overall posture by the inclination vector calculation unit;
A first link matrix calculation unit for calculating a link matrix representing an attitude angle by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the inclination matrix of each link obtained by the inclination matrix calculation unit; A posture angle determination device characterized by that.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに1方向が互いに平行かつ水平となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の任意の1方向の加速度値を取得する加速度値取得部と,
各リンクについて,前記加速度値取得部で取得された加速度値から傾斜角を求める傾斜角測定部と,
前記傾斜角測定部により求められた各リンクの傾斜角の差より姿勢角を算出する姿勢角計算部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination device,
An acceleration value acquisition unit for acquiring an acceleration value in any one direction other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel and horizontal to each link;
For each link, an inclination angle measurement unit for obtaining an inclination angle from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit;
A posture angle determination device, comprising: a posture angle calculation unit that calculates a posture angle from a difference in inclination angle of each link obtained by the inclination angle measurement unit.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,
各リンクに設定された座標系間のヨー角を取得する第1ヨー角取得部と,
前記加速度値取得部で取得された加速度値と,前記第1ヨー角取得部で取得されたヨー角とから,姿勢角を表すリンク行列を算出する第2リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination device,
An acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link;
A first yaw angle acquisition unit for acquiring a yaw angle between coordinate systems set for each link;
And a second link matrix calculation unit that calculates a link matrix representing an attitude angle from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit and the yaw angle acquired by the first yaw angle acquisition unit. A posture angle determination device.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,
各リンクについて,そこに設定された座標系と基準座標系との間のヨー角を取得する第2ヨー角取得部と,
各リンクについて,前記加速度値取得部で取得された加速度値と,前記第2ヨー角取得部で取得されたヨー角とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第1姿勢行列算出部と,
前記第1姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination device,
An acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link;
A second yaw angle acquisition unit that acquires a yaw angle between the coordinate system set therein and the reference coordinate system for each link;
For each link, a first attitude matrix calculation unit for obtaining an attitude matrix with respect to a reference coordinate system from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit and the yaw angle acquired by the second yaw angle acquisition unit;
A first link matrix calculation unit for calculating a link matrix representing an attitude angle by obtaining a product of one and the other inverse matrix based on the posture matrix of each link obtained by the first posture matrix calculation unit; A posture angle determination device characterized by comprising:
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,
各リンクに設けられそれぞれにおける角速度値を取得する角速度値取得部と,
各リンクについて,前記加速度値取得部で取得された加速度値と,前記角速度値取得部で取得された角速度値とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第2姿勢行列算出部と,
前記第2姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination device,
An acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link;
An angular velocity value acquisition unit provided at each link for acquiring an angular velocity value at each link;
For each link, a second posture matrix calculation unit for obtaining a posture matrix with respect to a reference coordinate system from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit and the angular velocity value acquired by the angular velocity value acquisition unit;
A first link matrix calculating unit for calculating a link matrix representing an attitude angle by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the attitude matrix of each link obtained by the second attitude matrix calculating unit; A posture angle determination device characterized by comprising:
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定装置において,
各リンクに設けられそれぞれにおける加速度値を取得する加速度値取得部と,
各リンクに設けられた磁気センサと,
各リンクについて,前記加速度値取得部で取得された加速度値と,前記磁気センサで取得された磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求める第3姿勢行列算出部と,
前記第3姿勢行列算出部により求められた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出する第1リンク行列算出部とを有することを特徴とする姿勢角決定装置。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination device,
An acceleration value acquisition unit provided at each link for acquiring an acceleration value at each link;
A magnetic sensor provided at each link;
For each link, a third posture matrix calculation unit for obtaining a posture matrix with respect to a reference coordinate system from the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit and information on the intersection angle between the magnetic north direction acquired by the magnetic sensor; ,
A first link matrix calculation unit for calculating a link matrix representing an attitude angle by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the attitude matrix of each link obtained by the third attitude matrix calculation unit; A posture angle determination device characterized by comprising:
請求項9に記載の姿勢角決定装置において,
各リンクに設けられた磁気センサを有し,
前記第2姿勢行列算出部は,前記加速度値取得部で取得された加速度値と,前記角速度値取得部で取得された角速度値と,前記磁気センサで取得された磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求めることを特徴とする姿勢角決定装置。
In the posture angle determination device according to claim 9,
Have a magnetic sensor on each link,
The second posture matrix calculation unit is information of an intersection angle between the acceleration value acquired by the acceleration value acquisition unit, the angular velocity value acquired by the angular velocity value acquisition unit, and the magnetic north direction acquired by the magnetic sensor. An attitude angle determination device characterized by obtaining an attitude matrix with respect to a reference coordinate system.
請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の姿勢角決定装置において,前記姿勢変化動作部は,
姿勢変化装置を内蔵するロボットであり自ら全体姿勢を形成することを特徴とする姿勢角決定装置。
In the posture angle determination device according to any one of claims 1 to 5, the posture change operation unit includes:
A posture angle determination device, which is a robot incorporating a posture change device and forms an overall posture by itself.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクに設定された3軸直交座標系の各軸について,軸方向と重力ベクトルの方向との間の角度である傾斜角を取得し,
第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して最大3通りの全体姿勢を取らせ,
前記指示による各全体姿勢における各リンクについて,取得した各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求め,
各リンクについて,全体姿勢ごとに求めた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求め,
求めた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
It is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is seen from the coordinate system of the first link in the structure mounted on or connected to the posture change operation unit. In the attitude angle determination method for determining the attitude angle of the coordinate system of the second link,
For each axis of the 3-axis Cartesian coordinate system set for each link, obtain the tilt angle that is the angle between the axial direction and the direction of the gravity vector,
With the posture relationship between the first link and the second link fixed, the posture changing operation unit is instructed to change the posture of the structure to take up to three overall postures.
For each link in each overall posture according to the instruction, a tilt vector is obtained from the acquired tilt angle in each axial direction,
For each link, the slope matrix is obtained from the slope vector found for each overall posture.
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the calculated inclination matrix of each link.
請求項13に記載の姿勢角決定方法において,傾斜角を,
第1リンクおよび第2リンクにそれぞれ,互いに直交する2方向に設けられた加速度センサの出力値と,
各リンクごとの各加速度センサの出力値の2乗の和をその場所の重力加速度の値の2乗から差し引いた値の平方根とから求めることを特徴とする姿勢角決定方法。
The attitude angle determination method according to claim 13, wherein the inclination angle is:
Output values of acceleration sensors provided in two directions orthogonal to each other on the first link and the second link;
A posture angle determination method, characterized in that a sum of squares of output values of respective acceleration sensors for each link is obtained from a square root of a value obtained by subtracting from a square of a gravitational acceleration value at the location.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現されるとともに,姿勢変化動作部に搭載または接続されている構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクに1方向が互いに平行となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の各方向の加速度値を取得し,
第1リンクと第2リンクとの姿勢関係を固定したまま,姿勢変化動作部に構造体の姿勢変化を指示して,当該1方向に平行な軸の周りの回転による2通りの全体姿勢を取らせ,
前記指示による各全体姿勢における各リンクについて,取得した各軸方向の加速度値から傾斜角を求め,
前記指示による各全体姿勢における各リンクについて,求めた各軸方向の傾斜角から傾斜ベクトルを求め,
各リンクについて,全体姿勢ごとに求められた傾斜ベクトルにより傾斜行列を求め,
求めた各リンクの傾斜行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
It is expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints, and is seen from the coordinate system of the first link in the structure mounted on or connected to the posture change operation unit. In the attitude angle determination method for determining the attitude angle of the coordinate system of the second link,
Acquire acceleration values in directions other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel to each link;
With the posture relationship between the first link and the second link fixed, the posture change operation unit is instructed to change the posture of the structure, and two general postures are obtained by rotation around an axis parallel to the one direction. Let
For each link in each overall posture according to the instruction, the inclination angle is obtained from the acquired acceleration value in each axial direction,
For each link in each overall posture according to the instruction, the inclination vector is obtained from the obtained inclination angle in each axial direction.
For each link, the slope matrix is obtained from the slope vector obtained for each overall posture.
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the calculated inclination matrix of each link.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクに1方向が互いに平行かつ水平となるように設定された3軸直交座標系の当該1方向以外の任意の1方向の加速度値を取得し,
各リンクについて,取得した加速度値から傾斜角を求め,
求めた各リンクの傾斜角の差より姿勢角を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination method,
Obtain an acceleration value in any one direction other than the one direction of the three-axis orthogonal coordinate system set so that one direction is parallel and horizontal to each link;
For each link, the inclination angle is obtained from the acquired acceleration value.
A posture angle determination method, characterized in that a posture angle is calculated from a difference in inclination angle of each link obtained.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクにおける加速度値を取得し,
各リンクに設定された座標系間のヨー角を取得し,
取得した加速度値と,取得したヨー角とから,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination method,
Get the acceleration value at each link,
Get the yaw angle between the coordinate systems set for each link,
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated from the acquired acceleration value and the acquired yaw angle.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクにおける加速度値を取得し,
各リンクについて,そこに設定された座標系と基準座標系との間のヨー角を取得し,
各リンクについて,取得した加速度値と,取得したヨー角とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,
求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination method,
Get the acceleration value at each link,
For each link, get the yaw angle between the coordinate system set there and the reference coordinate system,
For each link, the attitude matrix with respect to the reference coordinate system is obtained from the acquired acceleration value and the acquired yaw angle.
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the calculated posture matrix of each link.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクにおける加速度値を取得し,
各リンクにおける角速度値を取得し,
各リンクについて,取得した加速度値と,取得した角速度値とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,
求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination method,
Get the acceleration value at each link,
Obtain the angular velocity value at each link,
For each link, an attitude matrix with respect to the reference coordinate system is obtained from the acquired acceleration value and the acquired angular velocity value.
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the calculated posture matrix of each link.
1以上の関節を介して接続された第1リンクおよび第2リンクを有するリンク機構として表現される構造体における,第1リンクの座標系から見た第2リンクの座標系の姿勢角を決定する姿勢角決定方法において,
各リンクにおける加速度値を取得し,
各リンクにおける磁北方向との交差角の情報を磁気センサで取得し,
各リンクについて,取得した加速度値と,取得した磁北方向との交差角の情報とから,基準座標系に対する姿勢行列を求め,
求めた各リンクの姿勢行列に基づいて,一方と他方の逆行列との積を求めることにより,姿勢角を表すリンク行列を算出することを特徴とする姿勢角決定方法。
Determines the posture angle of the coordinate system of the second link as viewed from the coordinate system of the first link in a structure expressed as a link mechanism having a first link and a second link connected via one or more joints In the attitude angle determination method,
Get the acceleration value at each link,
Information on the crossing angle with the magnetic north direction at each link is acquired by a magnetic sensor.
For each link, the attitude matrix with respect to the reference coordinate system is obtained from the acquired acceleration value and the information of the intersection angle with the acquired magnetic north direction.
A posture angle determination method, wherein a link matrix representing a posture angle is calculated by calculating a product of one and the other inverse matrix based on the calculated posture matrix of each link.
請求項13から請求項15までのいずれか1つに記載の姿勢角決定方法において,
前記姿勢変化動作部が,姿勢変化装置を内蔵するロボットであり,
自ら全体姿勢を形成することを特徴とする姿勢角決定方法。
In the posture angle determination method according to any one of claims 13 to 15,
The posture change motion unit is a robot incorporating a posture change device;
An attitude angle determination method characterized by forming an overall attitude by itself.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012168189A (en) * 2012-04-16 2012-09-06 Kochi Univ Of Technology Tilt angle estimation system relative angle estimation system and angular velocity estimation system
CN105806297A (en) * 2016-05-24 2016-07-27 吉林大学 Three-axis angle measuring device
JP2017094034A (en) * 2015-11-27 2017-06-01 インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティチュート Posture estimation method of autonomously working support robot
JP2018505398A (en) * 2014-12-19 2018-02-22 コー・ヤング・テクノロジー・インコーポレーテッド Optical tracking system and tracking method of optical tracking system
CN110238848A (en) * 2019-05-30 2019-09-17 埃夫特智能装备股份有限公司 The calculation method of gravitational vectors under a kind of robot coordinate system
CN112476435A (en) * 2020-11-25 2021-03-12 北京配天技术有限公司 Calibration method and calibration device for gravity acceleration direction and storage medium
CN114589690A (en) * 2020-12-07 2022-06-07 山东新松工业软件研究院股份有限公司 Robot joint pose monitoring method and device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019061513A1 (en) * 2017-09-30 2019-04-04 华为技术有限公司 Attitude matrix calculating method and device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6267208A (en) * 1985-09-20 1987-03-26 Fuji Electric Co Ltd Process steam feed device
JPH02130408A (en) * 1988-10-31 1990-05-18 Carl Zeiss:Fa Coordinates measuring machine
JP2004257927A (en) * 2003-02-27 2004-09-16 Pulstec Industrial Co Ltd Three-dimensional profile measuring system and method for measuring the same
JP2004264060A (en) * 2003-02-14 2004-09-24 Akebono Brake Ind Co Ltd Error correction method in attitude detector, and action measuring instrument using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6267208A (en) * 1985-09-20 1987-03-26 Fuji Electric Co Ltd Process steam feed device
JPH02130408A (en) * 1988-10-31 1990-05-18 Carl Zeiss:Fa Coordinates measuring machine
JP2004264060A (en) * 2003-02-14 2004-09-24 Akebono Brake Ind Co Ltd Error correction method in attitude detector, and action measuring instrument using the same
JP2004257927A (en) * 2003-02-27 2004-09-16 Pulstec Industrial Co Ltd Three-dimensional profile measuring system and method for measuring the same

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012168189A (en) * 2012-04-16 2012-09-06 Kochi Univ Of Technology Tilt angle estimation system relative angle estimation system and angular velocity estimation system
JP2018505398A (en) * 2014-12-19 2018-02-22 コー・ヤング・テクノロジー・インコーポレーテッド Optical tracking system and tracking method of optical tracking system
US10271908B2 (en) 2014-12-19 2019-04-30 Koh Young Technology Inc. Optical tracking system and tracking method for optical tracking system
JP2017094034A (en) * 2015-11-27 2017-06-01 インダストリアル テクノロジー リサーチ インスティチュート Posture estimation method of autonomously working support robot
CN105806297A (en) * 2016-05-24 2016-07-27 吉林大学 Three-axis angle measuring device
CN110238848A (en) * 2019-05-30 2019-09-17 埃夫特智能装备股份有限公司 The calculation method of gravitational vectors under a kind of robot coordinate system
CN112476435A (en) * 2020-11-25 2021-03-12 北京配天技术有限公司 Calibration method and calibration device for gravity acceleration direction and storage medium
CN114589690A (en) * 2020-12-07 2022-06-07 山东新松工业软件研究院股份有限公司 Robot joint pose monitoring method and device

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