JP2015078876A - スリップリング装置及びロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】 安価かつ小型な構成で高速な信号を伝送可能なスリップリング装置を提供すること【解決手段】 第一の外部端子と導通したブラシ（１）と、回転軸（４）に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリング（２）とを備えるスリップリング装置であって、前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器（１０）を備え、前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、スリップリング装置およびスリップリング装置を備えたロボット装置に関する。

スリップリングは、例えばロボットアームの関節部などの回転部に設置されて静止系から回転系へ電力および信号を伝達する手段として広く用いられている。

回転軸には、導電体材料からなるリングが挿通されて、回転軸に対して同軸に取り付けられて、リングには配線が連結されている。その回転軸に対して一定の距離をおいて、同じく導電体材料からなるブラシを固定するブラシ固定部材が配置されていて、ブラシがリングに接触するように固定されている。

リングとブラシとが接触しつつ、相対的に摺動可能にそれぞれ保持されることで、リング側、ブラシ側のどちらか一方から入力された電力または信号が、接点を介して他方に伝達される。

近年、ロボット技術が発達するにつれて精密な組立動作が要求されている。その精密な組立を実現するために位置センサ、力センサ、カメラ等の各種センサが数多く使用されるようになり高速かつ大容量な信号伝送が必要になってきている。特に多関節ロボットに関しては、ふたつのリンクをつなぐ関節部にスリップリングを配して、上記の信号伝送を行うことが求められている。

一方で、スリップリングは構造的に高速な信号（単位時間あたりの信号伝達量が多い、すなわち信号周波数ｆが大きな信号）の伝送が難しい場合がある。図８に従来のスリップリングの模式図を示す。

信号送信側のブラシから摺動接点を介して供給された電気信号は、リングに設けられた信号受信器側の電気接点に向かって伝達する。そして図８に描かれたように、ブラシの摺動接点（送信端）からリングに設けられた受信側の電気接点（受信端）への経路は、リング上では長弧と短弧の二つの経路が存在する。このように電気信号がリング上で２方向に分かれて電送されるため、受信側では２つの信号が合成された信号を受信することとなる。その結果、２つの信号の伝送距離の差が信号の位相差となって現れる。そのため、合成された信号は所望の信号品質を満たさないという問題が生じる。

高速な信号の信号伝搬速度は光速ｃ（一定）であり、ｖ＝ｆλ（信号伝搬速度ｖ、信号周波数ｆ、信号波長λ）の関係から信号波長は短い。そのため、スリップリングの伝送路の長さに比して、短い信号波長の信号を伝送する際には、伝送距離の長さの違いによって信号品質に悪影響を及ぼすことがある。

なお、低速な信号、すなわち信号周波数ｆが比較的小さくそのため信号波長さが例えば１ｍなど長い場合は、スリップリング上の二つの経路の差（数ｍｍ〜数ｃｍ）による位相差はほとんどない。よって２つの信号の伝送距離の差が信号の位相差による信号品質の低下はほぼ無視できていた。

従来、高速な信号を高品質に伝達する目的で、リングとブラシが接する摺動接点を複数箇所に形成し、２方向の伝送距離の差を小さくすることで高速な信号伝送に伴う信号品質の低下を低減する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、摺動接点を従来の１個から３個に増やすことで、伝送距離の差は従来の１／３になるため、３倍の高速な信号が伝送できるとしている。

しかしながら、上記の従来の技術では、新たに複数の摺動接点が必要となるためコストの増加、小型化に不利という問題がある。その上、さらなる高速信号の伝達を行う際には信号速度に対応して摺動接点をますます増やす必要があり、コスト増や大型化はより深刻となる。

特開平１−１１５３４６号公報

本発明は、高速信号の伝達を行う際に信号品質の低下を抑制することができるコンパクトなスリップリング装置を提供する。

上記課題を解決するため、第一の外部端子と導通したブラシと、回転軸に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリングとを備えるスリップリング装置であって、
前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器を備え、
前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置を提供する。

本発明のスリップリング装置によれば、高速信号の伝達を行う際に信号品質の低下を抑制することができるコンパクトなスリップリング装置を提供することが可能となった。

実施例１のスリップリング装置の概要図である 実施例１のスリップリング装置の斜視図である 実施例１の計算のフローチャート図である 実施例１の計算結果の一例を示した図である。 実施例３のスリップリング装置の概要図である 実施例４のスリップリング装置を備えたロボット装置の概要図である 実施例５のスリップリング装置を備えたロボット装置の概要図である 従来のスリップリングの模式図

（実施例１）
以下、本発明の具体的な実施例を、図１に示したスリップリング装置の概要図を用いて説明する。図２はスリップリングのリングとブラシ部を取りだした斜視図である。

まず図１、図２を用いて本実施形態のスリップリング装置の構成を説明する。

回転軸４には、導電体材料からなるリング２が挿通されて、回転軸４に対して同軸に取り付けられており、リング２には配線３１が連結されている。

その回転軸４に対して一定の距離をおいて、同じく導電体材料からなるブラシ１を固定するブラシ固定部材３が配置されていて、ブラシがリングに接触し摺動可能に配置されている。

ブラシ１は一方をブラシ固定部材３が連結して第一の外部端子と導通しており、他方がリング２と接触している。

ブラシ１はブラシ固定部材３側に配線３０が連結され、配線３０は送信器１２と接続されている。送信器１２と受信器１３はリング２とブラシ１の接点（摺動接点）を介して信号伝送を行う。この接点を送信端とする。また、リング２の配線３１は受信器１３と接続されておりさらには第二の外部端子と導通している。このリング２と配線３１との電気接点を受信端とする。受信器１３は信号伝送の機能以外に記憶機能を有する。

以下説明のため、「送信」、「受信」の語を用いるが、もちろん通信は双方的なものであり、送受信が逆であってもよい。

送信器１２と受信器１３は、送信器１２がリング２側で受信器１３がブラシ１側でもよい。受信器１３は計算器１１と配線３２で接続されており、計算器１１は計算、判定、記憶、信号送受信器の制御、それぞれの機能を有する。

さらに本実施例のスリップリングは回転軸４の回転角度を検出するためのエンコーダ等で構成される角度検出器１０を有する。角度検出期１０は特定の基準方位からの回転軸４の回転角が検出されるように構成されている。角度検出器はロータリー・エンコーダ、レゾルバやポテンショメータで構成するとよい。

検出された回転角θ［ｒａｄ］とリング２の半径ｒを用いることで、２方向の伝送距離をそれぞれ算出する。なお一般的に、スリップリングにおけるリング２は円形であるので、以下実施例ではリング２は円形として説明する。例えば、受信端の位置を基準にして送信端の位置までの一方の伝送距離（弧長）はｒθと表すことができ、他方の伝送距離（弧長）はｒ（２π−θ）と表すことができる。

計算器１１は回転軸４の角度を検出するロータリー・エンコーダである角度検出器１０と配線３３で接続されている。

リングは回転軸に挿通して固定されているので、回転軸４の角度を検出することでリングとブラシの摺動接点と、リングの電気接点との相対位置を検知することができる。

また、本実施例では角度検出器１０と計算器１１がリング２側に記載しているが、角度検出器１０と計算器１１がブラシ１側にあっても良い。

以下では上述の構成を踏まえて角度検出および信号の送信について順を追って説明する。

ブラシ１とリング２の接点とリング２と配線３１の連結点（受信端）の角度θ［ｄｅｇ］を検出し、θ＝０［ｄｅｇ］を原点とする。

リング２の半径と信号周波数から予め伝送可能な角度θを求め、高速信号の伝送をスリップリングで実現する。一度計算で求めておけば再度計算する必要はない。しかし、送信信号波形が変わる、またはスリップリングの半径が変わる場合には再度計算が必要である。

以下、送信信号として正弦波を例にとり、計算式を説明する。

リング２の半径をｒ、送信器１２で伝送する信号を正弦波Ｖ_ｉｎ、リング上の信号伝搬速度をｖ、角度θのときのθ方向のリング距離をｄ_１、θ逆方向のリング距離はｄ_２とする。

Ｖ_ｉｎ，ｄ_１，ｄ_２はそれぞれ以下のようにあらわす。

である。

もちろんｄ_１＋ｄ_２はリング一周分の長さだから、ｄ_１＋ｄ_２＝２πｒである。

ブラシ１から接点を介して供給された信号はリング２上を２方向にわかれて伝送する。θ方向の信号をＶ_１、θ逆方向の信号をＶ_２とすると、

である。

リング２上を伝送する信号は、ｄ_１、ｄ_２の配線距離の差から信号の位相差が発生する。その位相差によって信号が干渉し、減衰が発生する。この合成した信号波形が受信器１３で観測される。

受信器１３で観測される信号Ｖ_ｏｕｔは、

であらわせる。

Ｖ_ｏｕｔの最大振幅Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ}がある電圧閾値より低い時には信号品質が保てなくなり、信号エラーが出てしまう。この閾値は信号の規格によって異なる。ここでは、例として送信信号振幅Ａ_ｉｎの６０％以下で信号エラーになるとする。

信号伝送が可能な条件は

である。

リング１周分（θ＝０〜３６０［ｄｅｇ］）をＮ個に分割すると

である。

このθ_ｎの角度に送信端と受信端とが配置される位置にリング２が位置した際の最大振幅Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ}を求める。最大振幅を求めるためには伝送する信号の１周期を評価する必要がある。

（６）式のｔを信号の１周期分（０〜Ｔ＝０〜１／ｆ）をＭ個に分割すると

である。

（６）式をθ_ｎとｔ_ｍで（１０）式に表すと、

である。

送信端と受信端の配置が、ある角度θ_ｎのとき、（１０）式で表す振幅Ｖ_{ｏｕｔ（ｎ，ｍ）}をＭ個求め、θ_ｎのときの最大振幅Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ＿ｎ}が（７）式を満たすかを判定する。

このθ_ｎをＮ個の角度で評価して、信号エラーにならない角度θを求める。また（７）式を満たさない角度では信号の伝送はしない。伝送の可否は受信器１３で記憶する。

以下、図３の計算フローを用いて説明する。まず、ｎ＝１，ｍ＝１を代入し（Ａ１）、（１０）式のＶ_{ｏｕｔ（ｎ，ｍ）}を計算器１１で行い、受信器１３で記憶する（Ａ２）。

次にｍ＝ｍ＋１を計算し（Ａ３）、ｍ＞Ｍが成立しなければ再度Ａ１に戻り、ｍ＝ｍ＋１の場合のＶｏｕｔ（ｎ，ｍ＋１）を計算するループ処理を行う。

このような計算を行うことで、特定の角度θ_ｎのときにおける、信号の一周期分に対応するｍ（１，２，３・・ｍ）値におけるＶｏｕｔを算出できる。

ｍ＞Ｍが成立すれば、すなわち特定の角度θ_ｎのときにおける１周期分のＶｏｕｔ の値の計算が終了したら、Ａ５に移行する（Ａ４）。振幅Ｖ_{ｏｕｔ（ｎ，ｍ）}から振幅Ｖ_{ｏｕｔ（ｎ，Ｍ）}までの振幅最大値をＶ_{ｏｕｔｍａｘ＿ｎ}とする（Ａ５）。

Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ＿ｎ}＞０．６が成立するか計算器１１で判定し、成立すればＡ７に移行、そうでなければＡ８に移行する（Ａ６）。

Ａ７ではθ_ｎは伝送可能と受信器１３で記憶し（Ａ７）、Ａ８であればθ_ｎは伝送不可と受信器１３で記憶する（Ａ８）。ここまでで、ある一つの角度θ_ｎにおける高速信号の伝達の可否の評価が完了する。

次に送信端と受信端の別の配置に対応する、ｎ＝ｎ＋１を計算する（Ａ９）、θ_ｎがＮ個に分割した角度全てで完了しているか判定する（Ａ１０）。ｎ＞Ｎが成立すればＡ１１に移行し、スリップリングの高速信号の伝達の可否の評価が終了する。

そうでなければ、Ａ１に戻り、他の角度θ_ｎでの評価を行う。このような評価を行うことで、当該スリップリングの送信端と受信端の配置に対応する角度θにおいて、送信可能なタイミングが存在するかを評価したことなる。評価の後はその評価データを記憶し、信号伝達に用いる。

図４に横軸を角度θ＝０〜３６０°で、縦軸に最大振幅Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ}をプロットした参考の結果図を示す。図内に０．６Ａ_ｉｎの電圧閾値に横線が引いているが、この線より、Ｖ_{ｏｕｔｍａｘ}が上に超えている角度θの範囲内では、信号品質を確保しつつ高速信号の伝達が可能であることを示している。

本実施例では、正弦波を例に説明したが、ＵＳＢ規格、ＣＡＮ規格など他の信号規格でも、所望の信号波形式を数式（１）に、電圧閾値を数式（７）に適用すれば、伝達可能なθの範囲を割り出すことが可能であり、本実施例の技術を適用可能である。

伝送可能な角度θにスリップリングが回転すると、受信器から送信器に伝送可能の通知をし、送信器は通知を受けた後に信号を伝送開始する。

この通知信号は低周波の信号を使用すればよい。低周波の信号とは、リング２の全ての角度で所望の電圧閾値を超えるような信号周波数ｆの信号のことである。

こうすることで、伝送不可の角度θで信号伝送を行わないため、信号エラーにならない。

本実施例によれば、リング上における電気信号の送信端または受信端の位置を算出するための検出手段により２方向の配線距離の影響をあらかじめ算出しておいてから信号伝達するため、スリップリングを介しての高速な信号の信号品質の低下を抑えた伝送が可能である。

そのため、リングとブラシが接する接点を増やすことなくスリップリングを安価かつ小型に製造できる。

（実施例２）
以下、実施例２を具体的に図１を用いて説明する。
実施例１と同様の構成において、ｄ_１，ｄ_２が等長配線になるときに信号伝送を行うように受信器１３に記憶させる。円形のリングであれば角度θが１８０［ｄｅｇ］となるときである。以下実施例１と同じくリング２は円形として説明する。

受信器１３は角度検出器１０の検出した角度θが１８０［ｄｅｇ］となった場合に送信器１２と信号伝送を行う。他の角度では、信号伝送は行わないとする。

角度θが１８０［ｄｅｇ］の位置であれば、ｄ_１とｄ_２が等長配線になるため、配線距離の差がないため、信号の位相差が現れることなく、合成された信号は送信信号と等しい。

よって、実施例１ではリング２の半径と信号周波数ｆが既知である必要があったが、本実施例では、リング２の半径と信号周波数が未知な値でもｄ_１＝ｄ_２となるため、Ｖ_ｏｕｔが原理的に減衰することはない。

式を用いて、θ＝１８０［ｄｅｇ］のとき信号劣化が起きないことを説明する。

θ＝１８０［ｄｅｇ］のとき（６）式におけるＶ_１とＶ_２は、

となる。

Ｖ_１とＶ_２は互いに（πｒ）／ｖの遅延がある波形になり、Ｖ_１とＶ_２は相対的に位相がずれることはない。このため、位相ずれによる減衰が発生しない。

なお、ｄ_１＝ｄ_２は完全に一致する必要はない。

すなわち、摺動接点（送信端）から電気接点（受信端）へと至る一方の弧長と他方の弧長とが略等長である相対位置で信号伝達が行われるとよい。

以上より、リング上を２方向にわかれる信号の位相差をほぼ無視することが出来る為、スリップリングを介しての高速な信号の伝送が可能である。

（実施例３）
以下実施例３を、具体的に図５を用いて説明する。

実施例１ないし実施例２では、図４のＶ_{ｏｕｔｍａｘ}が０．６Ａ_ｉｎ以下になり、リング２の位置によって伝送不可となる角度が存在する。するとデータ伝送不可の角度では、送信器側でデータ取得が出来ないという課題があった。

実施例３では送信器１２側に記憶部２０を設け、取得データを一時的に記憶部２０に記憶、蓄積することで、データ取得とデータ伝送のタイミングがずらすことが可能となる。言いかえると、データ取得のタイミングがリング２の角度に制限が緩和される。

構成を説明する。送信器１２は記憶部２０と配線３５で接続されており、データ取得部４０は記憶部２０と配線３６で接続されていて、データ取得部４０は計算器、映像撮影部、制御部などで構成される。

使用方法を説明する。まず、任意のタイミングでデータ取得部でデータを取得し、記憶部２０に蓄える。その後、リング２が高速伝送可能な角度に移動したときに、受信器１３から通知信号を送信器１２に送信し、送信器１２は記憶部２０に蓄えたデータを送信する。このような伝達はリアルタイム通信を行う必要のない信号伝達に利用可能である。

（実施例４）
以下、実施例４を具体的に図６を用いて説明する。

実施例４は実施例１ないし実施例３で説明したスリップリング装置をロボットアームに搭載したロボット装置である。

アーム５２ａの内部にアームモータ５３とアーム角度検出器５４、ベアリング５６が設置されており、それぞれ配線を通すため中空構造を取っている。

ロボット制御処理部５０にロボット制御部５１と受信機１３と格納されている。ロボット制御部５１によって電源と信号が配線３７を介してアームモータ５３とアーム角度検出器５４に供給されている。アームモータ回転軸５５はアーム５２ｂに接続されており、アーム５２ｂは回転できる。アーム５２ａとアーム５２ｂはベアリング５６で接続されており、アーム５２ｂが回転する際に相対的にアーム５２ａが固定側になる。

リング２と角度検出器１０が連結している回転軸４は固定側であるアーム５２ａと連結しており、ブラシ１はリング２と接触するようにブラシ固定部材３で固定され、ブラシ固定部材は回転側のアーム５２ｂと連結している。

アーム５２ａと回転軸４が接続されており、回転軸４内部から配線３１がリング２に連結されてさえいればよく、アームモータ５３とアーム角度検出器５４、ベアリング５６は中空構造でなくても良い。

以上の構成で、リング２の半径と信号周波数ｆと実施例１で書いた式（１）〜（１０）を用いて、信号伝送可能な角度θを求める。求めた角度θを受信器１３に記憶させ伝送可能な角度であれば、送信器に伝送可能であることを通知し、送信器１２と受信器１３の信号伝送を行う。

以上より、ロボット装置のアーム関節間の高速な信号の伝送をスリップリングを介して行う事が可能となる。

（実施例５）
以下、実施例５を具体的に図７を用いて説明する。

実施例５は実施例１ないし実施例３で説明したスリップリング装置をロボットアームに搭載したロボット装置である。

実施例４におけるリング２の角度検出用に角度検出器１０を持たずに、アームモータ角度検出器５４の角度データをリング２の角度θとする。

この角度θを用いて、数式（１）〜数式（１０）で求めた角度で信号伝送を行うことを受信器１３で記憶させ、伝送可能な角度であれば、送信器に伝送可能であることを通知し、送信器１２と受信器１３の信号伝送を行う。

つまりアームモータ角度検出器５４がスリップリング用の角度検出器を兼ねることで、角度検出器を複数持たずに、アームモータの制御とスリップリングの伝送可否の制御を行うことでできることとなる。

よって、ロボット装置のアーム関節間の高速な信号の伝送をスリップリングを介して行う事が可能となり、加えて、小型で安価な構成で実施可能となる。

本発明のスリップリング装置はロボットアームの関節部などの回転部に設置されて、静止系から回転系への高速信号伝送を行うために好適に利用できる。

１ ブラシ
２ リング
３ ブラシ固定部材
４ 回転軸
１０ 角度検出器
１１ 計算器
１２ 送信器
１３ 受信器
２０ 記憶部
３０、３１、３２、３３、３４，３５，３６、３７ 配線
４０ データ取得部
５０ ロボット制御処理部
５１ ロボット制御部
５２ａ、５２ｂ ロボットアーム
５３ アームモータ
５４ アームモータ角度検出器
５５ アームモータ回転軸
５６ ベアリング

Claims (5)

1. 第一の外部端子と導通したブラシと、回転軸に挿通して固定されて前記ブラシと摺動可能に配置され第二の外部端子と導通したリングとを備えるスリップリング装置であって、
   前記回転軸に設けられ前記回転軸の回転角を検出する角度検出器を備え、
   前記リングと前記ブラシの摺動接点と、前記リングと前記第二の外部端子とを連結する電気接点との相対位置に対応して決まる信号品質の閾値を超える前記相対位置において信号伝達が行われるスリップリング装置。
2. 前記リングは円形の導電体材料からなり、前記摺動接点から前記電気接点へと至る一方の弧長と他方の弧長とが略等長である前記相対位置で前記信号伝達が行われることを特徴とする請求項１記載のスリップリング装置。
3. データを蓄積する記憶部をさらに有すること特徴とする請求項１ないし請求項２いずれか一項記載のスリップリング装置
4. 請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のスリップリング装置を搭載したロボットアーム。
5. 前記角度検出器はロボットアームの回転部の角度検出器であることを特徴とする請求項４記載のロボットアーム。

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