JP2017090347A

JP2017090347A - 絶対角度検出システムおよび絶対角度検出方法

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Publication number: JP2017090347A
Application number: JP2015223358A
Authority: JP
Inventors: 和田　正義; Masayoshi Wada; 正義和田; 龍太吉田; Ryuta Yoshida
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: JP6671682B2

Abstract

【課題】初期状態で位置合わせをしなくても正確に絶対角度を検出することができると共に、小型化および低価格化を図る。【解決手段】アクティブキャスタに連結し、アクティブキャスタの方向を定める操舵軸と、外部から提供される駆動力を前記操舵軸に伝達する操舵ギヤ１０と、操舵ギヤ１０と噛合し、操舵ギヤ１０の歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤ１３、１７と、センサギヤ１３、１７に対応して設けられ、センサギヤ１３、１７の回転をそれぞれ検出するポテンショメータ５、７と、を備え、ポテンショメータ５、７が出力する電圧値の差に基づいて、アクティブキャスタの絶対角度を検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出システムおよび絶対角度検出方法に関する。

従来から、アクティブキャスタを制御するためには、操舵軸の絶対角度を検出することが必要不可欠であることが知られている。操舵軸の絶対角度を検出するためには、アクティブキャスタの操舵軸にアブソリュートエンコーダを取り付ける場合が多い。また、例えば、特許文献１に開示されている電動キャスタでは、キャスタの操舵軸の回転角度を検出するために、ロータリエンコーダが用いられている。このロータリエンコーダは、特許文献１の段落［００２３］、［００２４］および図２に記載されているように、操舵軸の回転軸上に設けられている。

特開２０１４−０５８２５１号公報

しかしながら、ディファレンシャル構造を有する双輪のアクティブキャスタにおいて、操舵軸の絶対角度を検出するためのアブソリュートエンコーダを取り付けることは容易ではない。これは、操舵軸の上に穴が開いており、駆動力を伝達する軸がその穴を貫通しているため、操舵軸に直接アブソリュートエンコーダを取り付けることができないからである。この場合、操舵軸とアブソリュートエンコーダとの歯数が１：１となるギヤ、またはプーリを取り付けることで、操舵軸の角度を検出することができるが、操舵軸以外の場所にアブソリュートエンコーダを取り付けることとなるため、機構の小型化が困難となってしまう。

また、アクティブキャスタの操舵軸を支える操舵ギヤは、大きな荷重を支えるため、大きな径を有している。そのため、操舵ギヤと同じ大きさのギヤを噛合させると、機構が大型化してしまう。一方、操舵ギヤに対し、歯数の少ないギヤを使用した場合は、操舵軸が１回転する際にエンコーダが多回転する。そのため、初期状態で位置合わせを行なわない限り、通常のアブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダを使用して操舵角を検出することはできない。多回転しても操舵角を検出することができるアブソリュートエンコーダは存在するが、所期位置を記憶するための電力としてバッテリを必要としたり、エンコーダ内に減速機を必要としたりするため、システムが高価になってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、初期状態で位置合わせをしなくても正確に絶対角度を検出することができると共に、小型化および低価格化を図ることができる絶対角度検出システムおよび絶対角度検出方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の絶対角度検出システムは、回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出システムであって、前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤと、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤと、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサと、を備え、前記各角度検出センサが出力する角度信号の差に基づいて、前記部材の絶対角度を検出することを特徴とする。

このように、部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤと、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤと、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサとを備えるので、エンコーダを操舵軸上に設ける構成を採らずに、部材の絶対角度を正確に検出することが可能となる。

（２）また、本発明の絶対角度検出システムは、前記各角度検出センサが不感体を有する場合、前記回転軸の絶対角度と前記各角度検出センサが出力する角度信号の差とが比例関係となるように補正処理を行なう制御部をさらに備えることを特徴とする。

このように、前記各角度検出センサが不感体を有する場合、前記回転軸の絶対角度と前記各角度検出センサが出力する角度信号の差とが比例関係となるように補正処理を行なうので、例えば、可変抵抗器などのアナログ機器を用いた場合であっても、不感体の影響を解消し、アクティブキャスタ等の部材の絶対角度を正確に検出することが可能となる。

（３）また、本発明の絶対角度検出方法は、回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出方法であって、前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤ、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤ、および、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサを用い、前記各角度検出センサが出力する角度信号の差に基づいて、前記部材の絶対角度を検出することを特徴とする。

このように、前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤ、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤと、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサとを用いるので、エンコーダを操舵軸上に設ける構成を採らずに、部材の絶対角度を正確に検出することが可能となる。

本発明によれば、エンコーダを回転軸上に設ける構成を採らずに、部材の絶対角度を正確に検出することが可能となる。その結果、初期状態で位置合わせをしなくても正確に絶対角度を検出することができると共に、小型化および低価格化を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るアクティブキャスタの斜視図である。操舵ギヤと２つのポテンショメータの取り付け位置の関係を示す図である。アナログ式のポテンショメータのシャフトの回転角と、出力電圧との関係を示す図である。ギヤ比ｍとｎを７と６にした場合の操舵軸角度と各ポテンショメータの出力、電圧差、および補正処理後の電圧差の関係を示す図である。操舵軸角度と不感帯の処理を考慮して検出された角度との関係を示す図である。オシロスコープで計測された波形を示す図である。角度検出実験の記録結果を示す図である。角度検出実験の記録結果を示す図である。

本発明者は、ディファレンシャル構造を有する双輪のアクティブキャスタには、操舵軸に、駆動力を伝達する軸を貫通する穴があるため、操舵軸に直接アブソリュートエンコーダを取り付けることができない点に着目し、操舵ギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤを設けることによって、各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数のポテンショメータが出力する電圧値の差に基づいて、アクティブキャスタの絶対角度を検出できることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の絶対角度検出システムは、回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出システムであって、前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤと、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤと、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサと、を備え、前記各角度検出センサが出力する角度信号の差に基づいて、前記部材の絶対角度を検出することを特徴とする。

これにより、本発明者は、エンコーダを操舵軸上に設ける構成を採らずに、部材の絶対角度を正確に検出することを可能とした。その結果、初期状態で位置合わせをしなくても正確に絶対角度を検出すると共に、小型化および低価格化を図ることを可能とした。本実施形態では、部材として、アクティブキャスタを例にとって説明するが、本願発明は、これに限定されるわけではない。ロボットの関節や、回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する際に適用することが可能である。また、本実施形態では、角度検出センサとして、ポテンショメータを用いた例を示すが、本発明はこれに限定されるわけではなく、絶対値エンコーダなどのセンサを用いることも可能である。以下、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るアクティブキャスタの斜視図である。このアクティブキャスタ１は、２つのホイール３と、角度検出センサとしての第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７と、モータ９とを備えている。図２は、操舵ギヤと２つのポテンショメータの取り付け位置の関係を示す図である。操舵ギヤ１０には、操舵軸が貫通する孔部１１を有しており、第１のセンサギヤ１３および第２のセンサギヤ１７と噛合する。第１のセンサギヤ１３には、第１のポテンショメータ５が取り付けられており、第２のセンサギヤ１７には、第２のポテンショメータ７が取り付けられている。

制御基板８は、各ポテンショメータが出力する電圧値の差に基づいて、アクティブキャスタ１の絶対角度を検出する。また、各ポテンショメータが不感体を有する場合、操舵軸の絶対角度と各ポテンショメータが出力する電圧値の差とが比例関係となるように補正処理を行なう。この制御基板８は、制御部を構成する。

この構成より、操舵軸が回転するときに、第１のセンサギヤ１３および第２のセンサギヤ１７に対応する第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７から異なる周期を有する２種類の電圧波形を得ることができる（この電圧波形は、角度信号に対応する）。操舵軸の絶対角度を検出するためには、この２種類の電圧波形における電圧差と、操舵軸の回転角度とを一意に決定する必要がある。

ここで、操舵軸が１回転する前後で、第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の軸が同じ角度にならない場合を考える。この場合、操舵軸が１回転するたびに第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の軸の角度がずれ、第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の電圧差と操舵軸の回転角度の関係が一意に決定しない。

そこで、第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７に対応する各センサギヤの歯数の最小公倍数が、操舵ギヤ１０の歯数となるように、ギヤの歯数を決定する。これにより、操舵軸が１回転する際に、第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の軸も操舵軸の回転数の整数倍だけ回転し、同じ角度に戻ることとなる。すなわち、各ポテンショメータは、１回転ごとに０Ｖから最大電圧まで変化する多回転タイプであり、操舵ギヤ１０の歯数は、各センサギヤの最小公倍数となる様に設定してあるため、１周することでそれぞれの波形が０に戻る。

本実施形態では、第１のポテンショメータ５に対応する第１のセンサギヤ１３の歯数を１２とし、第２のポテンショメータ７に対応する第２のセンサギヤ１７の歯数を１４とし、さらに、操舵軸に対応する操舵ギヤ１０の歯数を８４とした。これにより、第１のセンサギヤ１３と操舵ギヤ１０とのギヤ比は７となり、第２のセンサギヤ１７と操舵ギヤ１０とのギヤ比は６となる。

図３は、アナログ式のポテンショメータのシャフトの回転角と、出力電圧との関係を示す図である。また、図４は、ギヤ比ｍとｎを７と６にした場合の操舵軸角度と各ポテンショメータの出力、電圧差、および補正処理後の電圧差の関係を示す図である。図４において、波形（１）は電圧差の波形であり、波形（２）は第１のポテンショメータ５が出力する電圧波形であり、波形（３）は第２のポテンショメータ７が出力する電圧波形であり、波形（４）は電圧差の波形をシフトした波形である。

図３に示すように、アナログ式のポテンショメータには不感帯（θ_０）があり、ポテンショメータの出力が０Ｖである領域が不感帯の影響を受けていることを示す。第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の両方が不感帯に入らないようにするため、波形（２）について、所期角度を５°だけオフセットする。

［２つのポテンショメータの電圧が不感帯外である場合］
２つのポテンショメータが不感帯に入っていない場合、第１のポテンショメータ５および第２のポテンショメータ７の出力電圧Ｖ_１［V］、Ｖ_２［V］は、式（１）および式（２）で表される。θ［deg］は、操舵軸角度、θ_０［deg］は、不感帯角度、Ｖ_０［V］は各ポテンショメータの最大電圧、ｉ、ｊは、それぞれの電圧の波形が何番目の波形であるかを表す。

式（１）から式（２）を減算し、電圧差を求め、変形すると、式（３）が得られる。

式（３）の最初の項は、電圧差に比例して変化し、２つ目の項は、定数となる。一方、最後の項は、ｉ、ｊにより変化する。そこで、最後の項による影響を除去し、操舵軸の角度と電圧差とを比例関係とするため、補正処理を行なう。０を閾値として、それ以上の電圧差から補正値を引くことによって、図４に示した波形（４）が得られる。この波形（４）を補正後の電圧差Ｓ_ｄ［V］とすると、式（４）を使用して角度θｃ［deg］を取得することができる。ただし、回転角度が３４０°付近から３６０°までの領域では、値がマイナスの値となる。これは、ｉとｊとの差が２となり、補正処理が不足するためである。

すなわち、絶対角度は、「各ポテンショメータの波形が何番目であるか」、ということに基づいて算出する。それぞれのポテンショメータの値を取得し、電圧差を求める。これが図４に示した波形（２）と波形（３）である。これらの波形から、０をしきい値として差分を引くと、波形（１）が得られる。この波形（１）のみでは、片方の電圧が不感帯に入った場合にノイズの様に波形がずれてしまう箇所が生じるため、不感帯に入っていないもう一方のポテンショメータの電圧を用いて角度を算出する。この処理を施したデータをファイナルデータＦｄとすると、このＦｄを式（４）に代入することで操舵軸の絶対角度を算出する。図４の波形（４）において、値が上下にずれて比例関係とならない箇所は、片方のポテンショメータの角度が不感帯内にある場合に生じる。この場合の角度の検出方法について、次に説明する。

［片方のポテンショメータの電圧が不感帯外である場合］
片方のポテンショメータが不感帯に入った場合、もう一方のポテンショメータの電圧から角度を計算する。式（１）および式（２）を変形すると、それぞれ、式（５）および式（６）が得られる。

式（５）および式（６）を用いるために、ｉまたはｊを求める必要がある。ｉ、ｊを求める方法として、初期状態の位置合わせをして、ｉ、ｊをカウントするシステムを実装することも可能である。しかし、この方法の場合、インクリメンタルエンコーダとの差別化を図ることができない。そこで、本実施形態では、初期状態の位置合わせをする必要がない方法で、ｉ、ｊを求める。

最初に、図４に示した波形（２）が０に戻る瞬間の波形（３）の電圧値を求める。式（５）に、Ｖ＝Ｖ_０、およびθ＝θ_１を代入すると、式（７）が得られる。θ_１は、波形（２）が最初に０に戻る瞬間の操舵軸角度である。

次に、式（２）に、Ｖ_２＝Ｖ_２＿ｉ、およびθ＝θ_１を代入すると、式（８）が得られる。Ｖ_２＿ｉは、波形（２）が０に戻る瞬間の波形（３）の電圧である。

式（８）に式（７）を代入し、疑似的にｉ＝ｊとすると、式（９）が得られる。

式（９）は、ｉに比例して式（１０）の値だけ変化することが分かる。

第１のポテンショメータ５が不感帯に入り、０Ｖを出力した場合、次の式（１１）を用いて、ｉを推定する。Ｖ_２＿ｉは、波形（２）が最初に０に戻る瞬間の波形（３）の電圧である。ｊについても同様の手順で求める。ただし、求められるｉ、ｊは、−１から始まるため、求められたｉ、ｊに２を足す補正処理を行なう必要がある。

第２のポテンショメータ７が不感帯に入った場合は、測定されたＶ_１、および式（１１）を式（５）に代入することによって、角度を求めることができる。図５は、操舵軸角度と不感帯の処理を考慮して検出された角度との関係を示す図である。図５において、波形（１）は補正前の波形を示し、波形（２）は補正後の波形を示す。

［検証例］
ディファレンシャル構造を有する双輪のアクティブキャスタの操舵ギヤにギヤ比７およびギヤ比６のセンサギヤをそれぞれ噛合させ、各ポテンショメータからの出力波形を検証した。

（オシロスコープによる波形の計測）
オシロスコープを使用して各ポテンショメータから出力された波形を記録し、波形の計測を行なった。図６は、オシロスコープで計測された波形を示す図である。理論上は、不感帯が０Ｖを示すと仮定していたが、実際にはポテンショメータの最大電圧である５Ｖにも不感帯が存在することが分かった。また、各ポテンショメータの不感帯が重ならないように、最大電圧の半分の電圧である２．５Ｖで波形が交差するように調整を行なった。

（角度検出実験）
アクティブキャスタの制御基板に本実施形態の機能を実装し、操舵軸を回転させる実験を行なった。ジョイスティックで一定速度の回転を指令し、検出された値をコンピュータで記録した。図７および図８は、この角度検出実験の記録結果を示す図である。図７において、菱形が羅列する波形（１）は第１のポテンショメータ５の出力波形であり、正方形が羅列する波形（２）は第２のポテンショメータ７の出力波形である。また、ドット状に示された波形（１）は、補正前の検出角度を示し、右下がりの概略直線で示された波形（２）は、補正後の検出角度を示す。図７および図８に示すように、不感帯の影響が残っているものの、比例関係が示されているため、補正処理ができていることが分かる。

以上説明してきたように、本実施形態では、操舵軸の回転軸上に、絶対値エンコーダの取り付けが困難な回転機構に対して、多回転する２つのセンサギヤに、それぞれポテンショメータを取り付けることによって、操舵軸の絶対角度を検出する。２つのセンサギヤは、歯数がそれぞれ異なり、操舵ギヤの歯数を最大公倍数とする歯数を有している。これにより、操舵ギヤが１回転する間に、２つのセンサギヤがそれぞれ異なる減速比で多回転し、各ポテンショメータから出力された値の差を用いて、操舵軸の絶対角度を検出することが可能となる。一方のポテンショメータが不感帯にある場合は、もう一方のポテンショメータの出力から操舵軸の角度を検出する。

なお、本実施形態では、歯数の異なる２つのセンサギヤと、それぞれのセンサギヤに対応する２つのポテンショメータを用いた例を示したが、本発明は、これに限定されるわけではない。歯数の異なる３つ以上のセンサギヤと、それぞれのセンサギヤに対応する３つ以上のポテンショメータを用いることも可能である。これにより、いずれか一つのポテンショメータが故障したとしても、操舵軸の絶対角度の検出を確実に実行することが可能となり、システムの耐性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、不感帯を有するアナログ式のポテンショメータを用いる例を示したが、不感帯の無いアブソリュートエンコーダを、センサギヤごとに設けることも可能である。アブソリュートエンコーダを用いることで、上述した補正処理が不要となり、処理の迅速化を図ることが可能である。

１アクティブキャスタ
３ホイール
５第１のポテンショメータ
７第２のポテンショメータ
８制御基板
９モータ
１０操舵ギヤ
１１孔部
１３第１のセンサギヤ
１７第２のセンサギヤ

Claims

回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出システムであって、
前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤと、
前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤと、
前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサと、を備え、
前記各角度検出センサが出力する角度信号の差に基づいて、前記部材の絶対角度を検出することを特徴とする絶対角度検出システム。
前記各角度検出センサが不感体を有する場合、前記回転軸の絶対角度と前記各角度センサが出力する角度信号の差とが比例関係となるように補正処理を行なう制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の絶対角度検出システム。
回転軸を中心として回転する部材の絶対角度を検出する絶対角度検出方法であって、
前記部材の回転軸を中心として前記回転軸と共に回転するメインギヤ、前記メインギヤと噛合し、前記メインギヤの歯数が最大公倍数となるように、それぞれ異なる歯数が定められた複数のセンサギヤ、および、前記各センサギヤに対応して設けられ、前記各センサギヤの回転をそれぞれ検出する複数の角度検出センサを用い、前記各角度検出センサが出力する角度信号の差に基づいて、前記部材の絶対角度を検出することを特徴とする絶対角度検出方法。