JP2016090317A - 回転角検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に出力軸の角度検出を行うことが可能な回転角検出装置を提供する。【解決手段】実施形態にかかる回転角検出装置は、出力軸１１と、出力軸１１の角度を計測するアブソリュートエンコーダ１８と、アブソリュートエンコーダ１８を増速するギヤ１６、１７と、出力軸１１の出力軸下部１３に設置される基準部２１と、基準部２１を検出するカメラ３０と、電源オン時に、カメラ３０の視野における基準部２１の位置から前記出力軸の第一角度を検出する角度検出手段とを備え、アブソリュートエンコーダ１８は、第一角度を基準として出力軸１１の角度を計測する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は回転角検出装置に関し、特に、出力軸の角速度を計測するアブソリュートエンコーダを備える回転角検出装置に関する。

特許文献１、２には、図７に示すようにアーム等の回転部材１の出力軸２に減速機３を介して駆動モータ４を設けたロボットにおいて、出力軸２とモータ軸５にそれぞれ絶対回転角検出器６、７を設けた構成が開示されている。このような構成により、電源オン時のゼロ点設定のための動作が不要になる。

特許文献３には、アブソリュートエンコーダの精度を向上させるため、回転体の回転角度に応じて反射板の高さがリニアに変化する回転円板に対して、光学的センサを用いて反射板との距離を測定し、測定した距離から回転体の絶対位置を算出する技術が記載されている。

特開平０４−０２５９０８号公報 特開平０１−１２２２２号公報 特開２０１３−００２８７４号公報

特許文献１、２に開示されているに二つのエンコーダを有する装置において、特に、二つの差分を検知して、トルクとして換算するなどして制御に活用する場合、出力軸のエンコーダの高精度化が必要となる。

また、コストダウンのため、モータ直結エンコーダを廃止して、出力軸エンコーダだけで制御する場合も、出力軸エンコーダの高精度化が必要である。

しかし、一般に高精度なアブソリュートエンコーダは高価であり、安価なホールセンサタイプを使用する場合、分解能を向上するために長いフィルタリング時間が必要となり、制御性能が低下する。

上記問題を解決するための一方法として、出力軸エンコーダをギヤなどで増速し、みかけの分解能を上げることが考えられる。しかし、この出力軸エンコーダがもともと有していた性能である電源オン時の出力軸の絶対回転角の検出が不可能になる。

電源オン時の絶対回転角検出が不可能になる理由は、出力軸エンコーダを増速した場合、図８のように、増速されたエンコーダの角度と出力軸角度が一対一に対応せず、出力軸エンコーダの値だけでは、真の出力軸の角度が推定できないためである。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高精度に出力軸の角度検出を行うことが可能な回転角検出装置を提供することである。

本発明の第１の態様にかかる回転角検出装置は、回転部材の出力軸と、前記出力軸の角度を計測するアブソリュートエンコーダと、前記アブソリュートエンコーダを増速する変速機と、前記出力軸に設置される基準部と、前記基準部を検出する視覚センサと、電源オン時に、前記視覚センサの視野における前記基準部の位置から前記出力軸の第一角度を検出する角度検出手段とを備え、前記アブソリュートエンコーダは、前記第一角度を基準として前記出力軸の角度を計測するものである。

角度検出手段により電源オン時の絶対角度を検出するため、絶対角度を基準として出力軸の角度を検出することができ、出力軸の角度検出を高精度にすることができる。

本発明によれば、高精度に出力軸の角度検出を行うことが可能な回転角検出装置を提供することができる。

実施形態に係る回転角検出装置の構成の一例を示す上面図である。 実施形態に係る回転角検出装置の構成の一例を示す断面図である。 増速比が１：２の場合の各軸の角度を説明する図である。 増速比が１：２の場合の各軸の角度を説明する図である。 実施形態にかかる回転角検出装置を適用したロボットを示す図である。 出力軸角度とアブソリュートエンコーダの角度との関係を示すグラフである。 出力軸下部に設けられた基準部の他の例を示す図である。 実施形態に係る回転角検出装置の構成の他の例を示す上面図である。 実施形態に係る回転角検出装置の構成の他の例を示す断面図である。 特許文献１、２に記載の回転角検出装置の構成を示す図である。 出力軸角度とアブソリュートエンコーダの角度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる回転角検出装置では、角度検出対象となる回転部材の出力軸に関して粗い角度検出手段を有する。当該角度検出手段により検出された角度を基準として出力軸の角速度を計測する。

図１Ａ、１Ｂに示すように、実施形態にかかる回転角検出装置１０は、出力軸１１、モータ１４、エンコーダ１５、ギヤ１６、１７、アブソリュートエンコーダ１８、基準部２０〜２４、カメラ３０を備える。図１Ａ、１Ｂに示す例では、出力軸１１の粗い角度検出手段として、カメラ３０と出力軸１１の出力軸下部１３に設置された基準部２０〜２４が設けられている。

本実施形態では、基準部として、矩形状の４個の基準部２０〜２４を出力軸下部１３の外周状に等間隔で配置している。基準部の形状、個数、配置位置は適宜変更することが可能である。

出力軸１１には、円板状の出力軸上部１２と出力軸下部１３とが取り付けられている。また、出力軸１１の出力軸上部１２と出力軸下部１３の間には、ギヤ１６が取り付けられている。ギヤ１６には、ギヤ１６よりも小さいギヤ１７が噛みあっている。ギヤ１７のシャフトには、アブソリュートエンコーダ１８が取り付けられている。

ギヤ１６が回転することにより、ギヤ１６よりも小さいギヤ１７は増速する。これにより、アブソリュートエンコーダ１８が増速され、みかけの分解能を向上させることができる。上述したように、アブソリュートエンコーダ１８を増速するとみかけの分解能が向上するが、出力軸の絶対角度を検出することができなくなる。

図２Ａ、２Ｂは、増速比が１：２の場合の各軸の角度を説明する図である。図２Ａ、２Ｂでは、出力軸１１に取付けられたギヤ１６とアブソリュートエンコーダ１８に取付けられた１７のみを記載している。ここでは、各軸の角度を説明するため、ギヤ１６、ギヤ１７にそれぞれ位置特定部１６ａ、１７ａを記載している。

図２Ａ、２Ｂに示すように、出力軸１１の角度が１８０度変わった場合でも、アブソリュートエンコーダ１８の角度は等しい。このため、出力軸角度とアブソリュートエンコーダ１８の角度とが一対一に対応しない。そこで、本実施形態では、電源オン時に、カメラによって基準部を検出することにより現在の角度を判断し、出力軸１１の絶対角を検出する。

出力軸下部１３には、当該出力軸１１を回転駆動するモータ１４が設けられている。モータ１４には、インクリメンタルタイプのエンコーダ１５が取り付けられている。

回転角検出装置１０は、カメラ３０を備えるロボットに適用することができる。ロボットは、頭部にカメラ３０を有し、角度が判断できる位置に基準部２０〜２４を有する。すなわち、基準部２０〜２４がカメラ３０の視野内において検出されることにより、出力軸１１の粗い角度が検出される。

ロボットは、カメラ３０の座標系から見た基準部２０〜２４の位置とそのＩＤを取得できる。ロボットは、現在の頭部の角度に基づいて、出力軸下部１３の角度を算出することにより、出力軸１１の角度を検出することができる。カメラ３０、基準部２０〜２４により取得される角度をθｃとする。

出力軸１１の動作に連動して、アブソリュートエンコーダ１８が動作する。このアブソリュートエンコーダ１８から取得される角度をθｂとする。なお、アブソリュートエンコーダ１８の精度を高めるため、ギヤとしてノンバックラッシタイプのものやベルトを使用してもよい。

基準部２０〜２４、カメラ３０から取得される角度θｃとする。ギヤの増速比をＮ、出力軸１１の角度をθとしたとき、角度θｃが真値θに対して最大で±βのばらつきを持つ場合、少なくとも２β＜３６０／Ｎとなるようにギヤの増速比が設計されている。図３では、横軸に出力軸１１の角度θ、縦軸にアブソリュートエンコーダ１８から取得される角度θｂを示している。これにより、角度θｃが±βの範囲でばらついたとしても、一意に角度θｂを求めることができる。

電源オン時に、カメラ３０から取得される角度θｃの情報をもとに、アブソリュートエンコーダ１８の角度θｂがどの角度範囲にあるかを判定して、初期値を取得する。具体的には、まず、次式を満たす正数Ｍがあるか調べる。ここで、αは、θｂとθｃとの初期オフセット量であり、予め設定、計算する必要がある

θｃが上記式を満たさない場合、次式を満たす整数Ｍ２を求める。

次に、θｂの値が、

ならば、Ｍ＝Ｍ２、

ならば、Ｍ＝Ｍ２＋１となるよう、Ｍを求める。

このＭを用いて、θの初期値を

と決める。

このようにして決めたθｉをもとに、各サンプリング毎のθｂの差分を増速比Ｎで除算した値を足し合わせて、現在の出力角度θを逐次求める。

ここで、θｊは、ｊ番目のサンプリング時に更新されたθを表す。また、θ１＝θｉとする。

このように、電源オン時に粗い角度検出手段により現在の出力軸角度を判断し、それに応じてアブソリュートエンコーダのゼロ点を決めることができるため、出力軸の角度検出を高精度化することができる。

図４は、回転角検出装置１０をロボット１００に適用した例である。図４に示すように、ロボット１００は、ベース部１０１、胴部１０２、頭部１０３、アーム部１０４、肩ピッチ軸１０５、手首部１０６、把持部１０７を有する。

胴部１０２は、ベース部１０１から上方に起立する。頭部１０３は、胴部１０２の上方に設けられている。頭部１０３は、カメラ３０を有する。胴部１０２には、肩ピッチ軸１０５を介してアーム部１０４が設けられている。アーム部１０４の他端には、手首部１０６を介して把持部１０７が設けられている。

実施形態にかかる回転角検出装置１０を適用する軸をピッチ軸１０５とする。粗い角度検出手段を、頭部１０３に設けられたカメラ３０と、基準部としての手首部１０６とすることができる。手首部１０６までの距離を視覚センサであるカメラ３０で求めることにより肩ピッチ軸１０５の粗い角度θｃを求めることができる。

このように、もともとカメラなどの視覚センサとアームを有し、物体を扱うロボットに適用されることで、追加のセンサを有さずに出力軸１１の絶対角を高精度に検出することができる。これにより、ロボットの制御性能の向上、コストの低下、構造の簡素化を図ることが可能となる。

また、特にモータ軸に直結したエンコーダと出力軸角度を取得するエンコーダの二つのエンコーダを有するシステムにおいて、二つの差分を検知してトルク制御などを実施する場合、出力軸エンコーダの分解能を向上させることができ、制御性能を向上させることができる。

一般に安価なアブソリュートエンコーダとして、ホールセンサを使用するものが存在するが、高分解能にするためには、フィルタ時間を長くする必要があった。しかしながら、本実施形態によれば、フィルタを要さずに高分解能化が可能である。

また、アブソリュートエンコーダ１８に取り付けられたギヤ１７は、出力軸１１に取り付けられたギヤ１６よりも小さいため、通常のアブソリュートエンコーダを１：１でオフセットさせた構造に比べ、小型化が可能である。

また、アブソリュートエンコーダ１８を出力軸１１の中心とオフセットして、配置することができるため、軸の中空化や可動域の拡大が可能である。

本実施形態にかかる回転角検出装置１０は、特に、アクティブキャスタ方式の全方位台車に代表される全方位移動体の車輪の出力軸の角度検出に好適である。本手法を適用することで、出力軸の駆動の高精度化により、移動精度の向上を図ることが可能となる。

上述の実施形態では、出力軸下部１３に基準部２０を設ける構成としたが、出力軸１１の構造的特徴で位置を判断することも可能である。図５に、基準部の他の例を示す。図５に示す例では、基準部として出力軸下部１３に三角形の切欠部２５、矩形の切欠部２６が設けられている。

図６Ａ、６Ｂに回転角検出装置１０の他の構成例を示す。図６Ａ、６Ｂに示すように、回転角検出装置１０は、出力軸１１、モータ１４、エンコーダ１５、ギヤ１６、１７、アブソリュートエンコーダ１８、カメラ３０、センサ用プレート４０、センサ４１を備える。本例では、粗い角度検出手段としてセンサ４１が用いられ、基準部としてのセンサ用プレート４０が検出される。

図６Ａに示すように、増速比Ｎ＝２の場合、センサ用プレート４０は、異なる半径の２つの半円板が、半円の中心が一致した状態で弦同士が接合された形状を有している。図６Ｂに示すように、図１Ｂに示す出力軸上部１２の代わりにセンサ用プレート４０が出力軸１１に取付けられている。センサ用プレート４０の半径が大きい部分が０〜１８０度に対応し、半径が小さい部分が１８０〜３６０度に対応するものとする。

センサ４１は、例えば、センサ用プレート４０が０〜１８０度でオンとなり、１８０〜３６０度でオフとなる。センサ４１によって、出力軸１１の粗い角度θｃが得られる。すなわち、増速比Ｎ＝２の場合、１８０度単位で粗い角度検出が可能となる。センサ４１としては、リミットスイッチや非接触センサを用いることができる。

増速比Ｎを増加させる場合は、センサ４１の個数を増やし、センサ用プレート４０の形状を変更することにより、出力軸の粗い角度を検出することが可能となる。なお、他の構成については、図１Ａ、１Ｂに示す例と同様であるため説明を省略する。

１０ 回転角検出装置
１１ 出力軸
１２ 出力軸上部
１３ 出力軸下部
１４ モータ
１５ エンコーダ
１６ ギヤ
１７ ギヤ
１８ アブソリュートエンコーダ
２０〜２４ 基準部
２５、２６ 切欠部
３０ カメラ
４０ センサ用プレート
４１ センサ
１００ ロボット
１０１ ベース部
１０２ 胴部
１０３ 頭部
１０４ アーム部
１０５ 肩ピッチ軸
１０６ 手首部
１０７ 把持部

Claims (1)

1. 回転部材の出力軸と、
   前記出力軸の角度を計測するアブソリュートエンコーダと、
   前記アブソリュートエンコーダを増速する変速機と、
   前記出力軸に設置される基準部と、
   前記基準部を検出する視覚センサと、
   電源オン時に、前記視覚センサの視野における前記基準部の位置から前記出力軸の第一角度を検出する角度検出手段と、
   を備え、
   前記アブソリュートエンコーダは、前記第一角度を基準として前記出力軸の角度を計測する、
   回転角検出装置。

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