JPH0238909B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、３次元空間の全方向についての姿勢
センサ、即ち全方向についての変位の直線動成分
（直線加速度）のみならず、角速度、角加速度を
も検出するために使用する全方向姿勢センサに関
するものである。

従来、静的な傾き角のみならず、動きを含む３
次元空間の全方向についての姿勢を検出する姿勢
センサとして、半球面状容器内に液体と泡とを閉
じ込め、容器の姿勢に応じて動く泡の移動パター
ンを画像としてとらえることにより、傾き角、傾
き速度等を知得するものはあつたが、周波数特性
が悪く、視覚装置などを必要とし、装置全体を簡
易に構成できないという難点があつた。また、１
軸方向に対して機能する加速度計を互いに直交す
る３軸方向に固定して、３次元空間の全方向につ
いての直進加速度を得る方法は知られているが、
それを上記３軸のまわりの回転を含む６方向に拡
張しようとすると、取付け誤差の較正が煩雑化す
る、重量が大きくなる、リード線の出る方向が３
次元的になるなどの欠点が目立ち、結局姿勢セン
サ専用に構成し直す必要がある。さらに、１個を
１cm²程度の大きさに形成した小形の加速度計もあ
るが、物性的に高加速度測定用のものになり、ゆ
つくりとした動きを行うロボツト等の姿勢を検出
する場合に、十分な精度が得られない。

本発明は、３次元空間の全方向について機能し
得る姿勢センサを、緩やかな動きにより姿勢の変
化をも検知できると共に、小形軽量化可能なもの
として提供しようとするものである。

而して、本発明の全方向姿勢センサは、１軸方
向に弾性変形可能な二つの可撓体を一体として、
それらの可撓体を基体から逆方向に突出させ、こ
のような可撓体の３対を互いに直交する３軸方向
に変形可能として上記基体上に配設し、各可撓体
にその変位の方向及び量を検出する変位検生手段
を設け、それらの変位検出手段に、検出した信号
に基づいて３軸方向についての直線動成分及び回
転動成分の信号を得る信号処理回路を接続したこ
とを特徴とするものである。

以下に本発明の実施例を図面を参照して詳細に
説明する。

第１図は、静電容量の変化から姿勢の変化を検
出するように構成した実施例を示し、第２図ａに
示すセンサユニツト１の６個を所定の向きに結合
固定することにより構成されるものである。

上記各センサユニツト１は、基体となる１軸方
向の姿勢（線加速度または速度）を検出可能に構
成したもので、正方形状の基板２上の略中央に、
弾性変形可能な可撓体として、矩形状ばね板３を
片持ち状態に立設し、このばね板３の先端に質量
を兼ねる円弧状に湾曲させた可動電極板４を固定
し、この電極板４と基板２とを電気的に絶縁して
いる。上記ばね板３は、基板２で支持された基端
を中心として、第２図ａにおいて紙面に平行な平
面内において１軸方向に湾曲変形可能に構成され
る。さらに、上記基板２の四隅から４本の支柱５
を立設し、それらの先端に上記電極板４の形状及
びその軌跡に沿つて湾曲させた固定電極板支持体
６を固定し、その支持体６の内面に絶縁体（図示
せず）を挟んで固定電極板７を貼着している。こ
れにより、固定電極板４と固定電極板７とが対面
して、固定電極板４の変位即ちばね板３の変位を
検出する変位検出手段が構成され、その検出手段
においては一対の電極板４，７の間隔が可動電極
板４の振れに拘らず定間隔となり、従つて可動電
極板４の変位が一対の電極板４，７間の対向面積
の変化に応じた静電容量の変化として出力され
る。

上記固定電極板７は、可動電極板４の振れの方
向及び量を静電容量の変化に置換するため、例え
ば第２図ｂあるいはｃのような形状に構成され
る。第２図ｂは、固定電極板７を可動電極板４の
振れの方向に沿つてくさび状に構成した場合を示
し、振れの方向を静電容量の増加あるには減少に
よつて知得すると共に、その変化量によつて振れ
の量を知得するようにしたものである。また、第
２図ｃは、固定電極板７を振れの方向に沿つて逆
向き配置した一対のくさび状電極片８，８によつ
て構成し、静電容量が可動電極板４の振れに伴つ
て一方の電極片８においては増加し、他方の電極
片８においては減少する高精度な差動形のものと
して構成している。なお、上記とは逆に、可動電
極板４を第２図ｂあるいはｃのように構成するこ
ともできる。

上記のように、ばね板３の湾曲変位を可動電極
板４と固定電極板７の対向面積の変化に対応する
静電容量の変化として検出すれば、第２図ｃに示
すように、単純な形状の電極板を組合わせること
により差動形として精度を向上させることができ
るだけでなく、その静電容量の変化を他の形の信
号、例えば発信周波数の変化に変換する変換回路
の負担を軽くすることができ、しかもそれらを実
現するための素子として入手の簡易なものを用い
ることができる。

上記構成のセンサユニツト１は、その二つを一
対として、ばね板３，３が１軸方向に弾性変形で
きるように逆方向に突出させ、その３対を互いに
直交する３軸方向に変形可能に配置して結合する
ことにより、前述の第１図に示すような全方向姿
勢センサが構成される。上記センサユニツト１の
結合は、基板２を一体化することによつて行わ
れ、その一体化によつて正６面体状の基体１１が
構成される。これにより、基体１１に６個のばね
板３が放射状に片持ち状態に取付けられた構成と
なる。それらの各ばね板３のうち基体１１を挟ん
で相対向する一対のものが３次元空間において互
いに直交する３軸のうちの１軸方向に弾性的に湾
曲変形可能に構成される。

さらに、上記第１図に示す全方向姿勢センサを
密閉容器に収納し、その容器の中に種々異なる粘
性の液体を充填することができ、それにより応答
特性を変化させて検知物理量（速度、変位）を変
えることもできる。

上記構成の全方向姿勢センサに３次元空間にお
いて任意の変位を与えれば、６つのばね板３が各
定められた方向に湾曲変位し、それらの変位の方
向及び量が静電容量の変化として検出される。こ
れを簡略化した説明図の第３図ａ，ｂに基づいて
説明すれば、例えば上記センサが同図ａに示すよ
うに紙面に平行な面内で矢印方向に直線的に変位
すると、左右のばね板３，３が同一方向に湾曲
し、また上記センサが同図ｂに示すように紙面に
垂直な軸１５のまわりに矢印方向に回転すると、
左右のばね板３，３が共にその回転方向と反対の
向きに湾曲する。而して、上記２つの場合におい
ては、左右のセンサユニツトにおける各電極板間
の静電容量の変化の態様が異なり、上記第３図ａ
からは線加速度または速度が、また同図ｂからは
角加速度または角速度が定量的に計測される。

それらの計測値は、上記６個のセンサユニツト
についてそれぞれスプリング・マス系の振れ変位
として得ることができ、それらの各計測値信号を
適切に加傾算することにより、必要とする３次元
的な運動ベクトルが算出され、姿勢が検出され
る。

第４図は、上記各種演算を行うための信号処理
回路の一例を示すものである。この処理回路は、
相対向する一対のセンサユニツトからの信号を加
減算する加算器と減算器の３組を備え、それらの
出力信号から演算回路において横感度処理及び二
乗平均などの演算を行い、その演算回路からの出
力信号をさらに分離定量処理回路において処理す
ることにより、３軸方向についての直進成分信号
及び回転成分信号を分離して得るように構成した
ものである。

上記構成の全方向姿勢センサにおいては、姿勢
の変化をばね板３の湾曲によつて検出するように
したので、小形軽量なものとして構成することが
でき、またばね板３の剛性を適当な値に設定する
ことによりロボツトのように緩やかな動きを行う
物体についての姿勢の検出が可能である。例え
ば、小形パワーロボツト等における機体あるいは
車体等に装着して姿勢制御のための運動ベクトル
を検出する姿勢制御用センサとして用いることが
できる。その場合には、ロボツトの各関節の姿勢
マトリツクスを逐一計算する現状のソフトウエア
サーボから一歩進んで、姿勢情報によるハードウ
エアサーボに切り換えられると共に、CPUの負
担減と実時間制御が実現できる。

また、上記全方向姿勢センサは、人の手、腕等
に装着してその姿勢を検知させ、その検知情報を
加工してロボツトに動きを教え、教えた通りにロ
ボツトを動かすという倣い制御あるいは追尾制御
における情報入力装置として利用することもでき
る。従来、ロボツトにテーチングや指令指示を与
える方法としては、ロボツトの可動部の先端を人
が手で支持して動かし、それによりロボツトに所
定の移動軌跡を指示する方法、あるいはコントロ
ールボツクスを用い、そのコントロールボツクス
におけるキーボード、スイツチ及びジヨイステイ
ツク等を手で操作して指令する方法、また音声や
呼気等で作動する入力装置を働かせて指令する方
法、さらには大掛りなマスタースレーブマニピユ
レータにおけるマスター側を人に装着し、それを
人が動かしてスレーブ側を追尾させる方法があつ
た。しかしながら、上記全方向姿勢センサによれ
ば、そのような煩雑な方法によることなく、上記
センサを人が手に持つてあるいは人の腕の関節部
に装着して、そのセンサに任意の運動軌跡を与え
れば、その運動ベクトルがロボツトに伝えられ、
それによりロボツトに上記と同一の軌跡を描く運
動を行わせることができる。従つて、この場合に
は、ロボツトが人の手腕の動きを倣うことにな
り、現状のプレイバツクロボツトやマスタースレ
ーブロボツトよりも簡単に且つ人の労力を少なく
してロボツトに動きを教示することができる。こ
のため、身障者の生活介助や機能訓練等において
も有効であり、身障者が自ら上記全方向姿勢セン
サを片手に持つて自分の姿勢形態に拘らず操作指
令を出すことができる。

第５図及び第６図は、センサユニツトのそれぞ
れ異なる構成例を示すものである。

第５図は、センサとして光電素子を用いたもの
で、第２図ａに示すばね板３に代えて弾性変形可
能な板状の光フアイバー２１を両側からばね２
５，２５で挟んだ構造のものを用い、その光フア
イバー２１の先端に質量２２を固定すると共に、
基板２３を貫通する光フアイバーの基端に光源２
４を対設し、また基板２３の四隅から立設した支
柱２６，２６…の先端に素子支持板２７を固定
し、この支持板２７の内面に上記光フアイバー２
１の先端と対向する光抵抗素子（PSD素子）２
８を固定して、光フアイバー２１の先端からの光
線の位置を検出できるように構成している。

このセンサユニツトにおいては、光フアイバー
２１は紙面に平行な面に沿つて１軸方向に湾曲変
形し、その変形に伴つて光源２４からの光が光フ
アイバー２１を通つて光抵抗素子２８を照射する
位置が変化し、その照射される位置の変化から光
フアイバー２１の湾曲変形の方向及び量が検出さ
れる。

第６図は、センサとして圧電フイルムを用いた
もので、基板３１に立設したばね板３２の先端に
質量３３を固定すると共に、ばね板３２の両側面
に圧電フイルム３４，３４を貼設したものであ
る。このセンサユニツトにおいては、ばね板３２
の湾曲変形の方向及び量が圧電フイルムによつて
電気的に検出される。また、上記圧電フイルムを
ストレンゲージに置換することもできる。

以上に詳述したところから明らかなように、本
発明によれば、３次元空間の全方向についての姿
勢の変化を、それが喩え緩やかな変化であつて
も、構成が簡単で小形軽量可能なセンサによつて
検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図ａ，
ｂ，ｃはそのセンサユニツトの正面図及びそれぞ
れ異なる構成例の平面図、第３図ａ，ｂは一対の
センサユニツトの動作説明図、第４図は信号処理
回路のブロツク構成図、第５図及び第６図はそれ
ぞれ異なるセンサユニツトの正面図である。 １……センサユニツト、２……基板、３……ば
ね板、４……可動電極板、７……固定電極板、１
１……基体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １軸方向に弾性変形可能な二つの可撓体を一
   対として、それらの可撓体を基体から逆方向に突
   出させ、このような可撓体の３対を互いに直交す
   る３軸方向に変形可能として上記基体上に配設
   し、各可撓体にその変位の方向及び量を検出する
   変位検出手段を設け、それらの変位検出手段に、
   検出した信号に基づいて３軸方向についての直線
   動成分及び回転動成分の信号を得る信号処理回路
   を接続したことを特徴とする全方向姿勢センサ。