JP6893891B2

JP6893891B2 - 回転角度センサ及びそれを用いたロボット

Info

Publication number: JP6893891B2
Application number: JP2018018776A
Authority: JP
Inventors: 隆浩長井; 平野　克彦; 克彦平野
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: JP2019138629A

Description

本発明は、駆動部を有する機械装置の回転角度を遠隔で認識する回転角度センサ及びそれを用いたロボットに係わる。

人間の立ち入りが困難な災害現場においては、遠隔地にいるオペレータが遠隔操作ロボットを操作し作業を行っている。その際、遠隔操作ロボットを制御するために、ロボットのアームの関節状態量や移動部の駆動量を回転角度に変換してセンシングしている。従来では、ロボット駆動量をセンシングするため、電子機器で構成されたセンサを用いてセンシングがされている。

回転角度センサ装置に関する技術として、例えば、特許文献１には、アクチュエータの関節機構部の回転子に角度センサ（エンコーダ）を配置し、指部の変化を角度センサにより、回転角度を検出するロボットハンド機構が開示されている。特許文献２には、回転子に角度をずらして配置した２つのトルク検出素子による位相差による検出出力の違いを利用して回転角を検出する技術が開示されている。特許文献３には、少なくとも１つのセンサ（超音波センサ等）が、定値発生器の進んだ距離を検出し、距離が回転構成部材の回転角を表すセンサ装置が開示されている。

特開２０１５−７４０４６号公報

特開平１０−１９５５４号公報

特開２０１３−１７１０５０号公報

上記従来技術においては、通常作業向けのセンシング技術である。しかしながら、高放射線環境等の苛酷環境では故障の発生、または遮蔽の必要があり、適用が困難であった。

本発明が解決しようとする課題は、高放射線環境等の過酷環境に適用可能な素子を用いた回転角度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、高放射線環境に耐性のある１対の伝播波センサの伝搬時間で回転を計測する。１対の伝播波センサは、楕円形状のプレートの焦点部位に設置され、送信側は回転部を有し送信方向が回転とともに変化し、もう一方の受信側は、広い角度からの受信を可能とする。送受信の設置位置やプレートの媒質を調整することで、伝播波信号の遅延時間から回転角度を計測し、直動関節や回転関節の状態を検出するものである。

本発明によれば、高放射線環境に設置したアームの関節状態量を遠隔で認識することができる。

実施例１に係るセンサ装置の構成図である。実施例１の計算結果である。図２での計算を行った際のセンサ構成図である。実施例２に係るセンサ装置の構成図である。実施例２の計算結果である。図５での計算を行った際のセンサ構成図である。ロボットアームの回転関節にセンサ装置を取り付けた概略図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

本実施例では、構成を用いて検出原理を説明しながら、センサ装置の内容を述べる。図１は、実施例１に係るセンサ装置の構成図である。

図１においては、１対の超音波センサを有するセンサ装置として説明する。実施例１では、伝播波を超音波としているが、レーザ等の光波を用いることも可能である。センサ装置１は楕円形プレート１１内に、回転部１４と円形の超音波受信器１６を有しており、回転部１４の円周外側の一箇所に超音波送信器１５が埋め込まれている。回転子の中心位置は楕円形プレート１１の楕円焦点１９に設置し、超音波受信器１６の受信器中心２１を、もう一方の楕円焦点１９からずらして設置する。なお、超音波送信器１５は伝播波送信器として、超音波発生装置とした場合には圧電素子、探触子、光波発生装置とした場合には光ファイバー、レーザ、ＬＥＤ、音波発生装置とした場合にはスピーカとすることができる。超音波受信器１６は伝播波受信器として、超音波受信装置とした場合には圧電素子、光波受信装置とした場合には光ファイバー、ダイオード、半導体、音波受信装置とした場合にはマイクロホンとすることができる。

超音波導波路１７は、楕円焦点１９からの伝播波は楕円外側端面で反射後、もう一方の楕円焦点１９へ集束される。そのため、回転部１４の任意の回転角度２０で、超音波送信器１５から発信された超音波は楕円外側端面で反射し、超音波受信器１６に到達する。このとき、超音波受信器１６の受信器中心２１は楕円焦点１９からずれて設置しているため、回転部１４の回転角度２０に応じて超音波導波路１７の導波長が変化する。導波長が変化すると、超音波の伝播波信号の遅延時間が変化するため、回転角度に変換することができる。

図２は、実施例１の計算結果を示す。図３は図２での計算を行った際のセンサ構成図である。図２での計算結果時のセンサ構成では、図３に示すように楕円形プレート１１の長径を４ｃｍ、短径を３．４ｃｍとし、回転部１４の半径を１ｃｍ、超音波受信器１６の半径０．５ｃｍとし、楕円焦点１９と超音波受信器１６との偏差を０．２５ｃｍとした。また、楕円形プレート１１の媒質をアルミニウムとして、遅延時間ごとの回転部１４の回転角度２０を計算した。計算の結果、遅延時間から回転部１４の回転角度２０を求めることができる。実施例１で示した媒質、寸法は実装体系や計測精度に応じて設定可能である。なお、回転角度２０は別途設けた回転角度を算出する回転角度算出部２２にて求める。

本実施例によれば、高放射線環境等の過酷環境に適用可能な素子を用いてセンサを構成しているため、高放射線環境に設置したアームの関節状態量を遠隔で認識することができる。

図４は、実施例２に係るセンサ装置の構成図である。図４において、1対の超音波センサを有するセンサ装置として説明する。実施例２では、伝播波を超音波としているが、レーザ等の光波を用いることも可能である。センサ装置１は楕円形プレート１１内に、回転部１４と円形の超音波受信器１６を有しており、回転部１４の円周外側の一箇所に超音波送信器１５が埋め込まれている。回転子の中心位置、および、超音波受信器１６の受信器中心２１は楕円形プレート１１の楕円焦点１９に設置する。また、楕円形プレートの媒質をプレート内で2種類としている。

図５は、実施例２の計算結果を示す。図６は図５での計算を行った際のセンサ構成図である。図５の計算結果時のセンサ構成では、図６に示すように楕円形プレート１１の長径を４ｃｍ、短径を３．４ｃｍとし、回転部１４の半径を１ｃｍ、超音波受信器１６の半径０．５ｃｍとした。また、楕円形プレート１１を短辺方向に等分し、媒質をそれぞれ、回転部１４を含む領域をアルミニウム（媒質Ａ１２）、超音波受信器１６を含む領域を黄銅（媒質Ｂ１３）とした。遅延時間ごとの回転部１４の回転角度２０を計算した結果、遅延時間から回転部１４の回転角度２０を求めることがでる。実施例２で示した媒質、寸法、媒質形状は実装体系や計測精度に応じて設定可能である。なお、回転角度２０は別途設けた回転角度を算出する回転角度算出部２２（図示せず）にて求める。

本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、異なる媒質で超音波導波路を構成したことにより、遅延時間の回転角度に依存するばらつきを抑え、より計測精度が向上できる。

図７は、ロボットのアーム部の回転関節にセンサ装置を取り付けた概略図である。図７において、ロボットはアーム部３の間に回転関節部２を有し、回転関節部２の中心に回転関節軸４がある。センサ装置１の回転部１４の中心と回転関節軸４の中心を連結することで、ロボットアームの回転関節の回転角を計測する。なお、実施例３で示した体系は回転関節についてであるが、直動関節を回転運動に変換する機構を設ければ、センサ装置１を適用することが可能である。

以上のように構成した本実施例の効果を説明する。従来技術においては、通常作業向けのセンシング技術である。しかしながら、高放射線環境等の苛酷環境では故障の発生、または遮蔽の必要があり、適用が困難であった。これに対して、本実施例に係るセンサ装置では、高放射線環境に設置したアームの関節状態量を遠隔で認識することを可能とする。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な例（媒質、寸法、伝播波の種類等）が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての機能に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である

１：センサ装置
２：回転関節部
３：アーム部
４：回転関節軸
１１：楕円形プレート
１２：媒質Ａ
１３：媒質Ｂ
１４：回転部
１５：超音波送信器
１６：超音波受信器
１７：超音波導波路
１９：楕円焦点
２０：回転角度
２１：受信器中心
２２：回転角度算出部

Claims

伝播波が伝播する楕円形状プレートと、
前記楕円形状プレートの焦点部位に設置した駆動部と連動する回転部と、
前記回転部の回転角度をセンシングする一組の伝播波送信器と伝播波受信器と
前記伝播波の信号の伝播時間差から回転角度を算出する算出部を備えた回転角度センサ。
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記楕円形状プレートは、金属、有機物、液体、気体、真空を含む伝播波を伝播する媒質であり、前記楕円形状プレート内に1種類、または複数含むことを特徴とする回転角度センサ。
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記伝播波は、音波、超音波、光波を含むことを特徴とする回転角度センサ。
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記伝播波送信器は、超音波発生装置としての圧電素子、探触子、又は、光波発生装置としての光ファイバー、レーザ、ＬＥＤ、又は、音波発生装置としてのスピーカのいずれか一つを備えることを特徴とする回転角度センサ。
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記伝播波受信器は、超音波受信装置としての圧電素子、又は、光波受信装置としての光ファイバー、ダイオード、半導体、又は、音波受信装置としてのマイクロホンのいずれか一つを備えることを特徴とする回転角度センサ。
請求項１に記載の回転角度センサにおいて、
前記伝播波送信器及び伝播波受信器は、発信、受信位置を回転角度センサと有線、又は無線接続することを特徴とする回転角度センサ。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転角度センサと、
前記回転角度センサが設け垂れた回転関節部と、
前記回転関節部に設けられたアームとを備えたロボット。