JPH0253592A

JPH0253592A - 磁歪現象変位センサを利用した電子制御多関節運動機構

Info

Publication number: JPH0253592A
Application number: JP20452188A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Tauchi; 田内　一成; Kenkichi Inobe; 伊野部　健吉; Osamu Takechi; 武市　統
Original assignee: Kochi Prefecture
Current assignee: Kochi Prefecture
Priority date: 1988-08-16
Filing date: 1988-08-16
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 2010-10-04
Also published as: JPH0790490B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産　土の有用）野本発明は磁歪現象変位センサを利用した電子制御多関節
運動機構に関し、特には磁歪現象変位センサを往復運動
に組み込んだアクチュエータによって、関節部を制御す
るようにした機構に関するものである。

従３４り１胤従来から各種製品の組立、吹き付け、塗装その他の作業
を実施する際に、人手に代えて多くの自動機械及びロボ
ットが使用されており、有効に利用されている。これら
のロボット等は電子制御部に作業目標をインプットする
のみで自動的に作業が遂行されるので、人間の労働力を
必要とせず、作業能率が向上するという利点があり、多
くの工業分野で利用されている。

これら多くの自動機械及びロボットには、作業目的に応
じて多くのアーム及びこれらのアームを横方向及び縦方
向に指向させる旋回機構と、前記アームに取付けられた
伸縮アームと、該アーム及び伸縮アーム間に装着された
多くの関節部と、この関節部を伸縮作動させるためのア
クチュエータが用いられており、これらアクチュエータ
の作動に基づいて多くの関節部を伸縮作動して、複雑な
作業を遂行するようにしている。

が　　しようとするしかしながら、このような多関節部伸縮用アクチュエー
タとしては、従来からパルスモータもしくはサーボモー
タが使用されており、センサとしてリニアスケールやロ
ータリーエンコーダを用いているため、比較的作業条件
の緩やかな屋内作業とか、パワーを要しない軽作業には
有効に利用することができるものの、野外等の過酷な作
業環境下での各種作業及び水、塵埃、土砂等が飛散する
ような環境下での重作業には使用することができないと
いう課題があった。即ち土木建設機械、荷投機械、はし
ご車等の各種作業は１重労働を要する作業もしくは熟練
したオペレータを必要とする作業である上、アクチュエ
ータとして前記のパルスモータもしくはサーボモータを
用いたものではパワーが不足しており、センサとしても
前記リニアスケールやロータリーエンコーダを用いた場
合、耐振動性、耐温度性に劣る外、水分、塵埃９、土砂
及び外部からの衝撃に対しても弱点を有しているため、
使用に耐えないという難点を有している。

そこで本発明はこのような従来の自動機械、ロボット等
に使用されている多関節部伸縮用アクチュエータが有し
ている各種の′ａｍを解消して、野外等の過酷な作業環
境下での各種作業及び大きなパワーを要する作業にも適
用することができる電子制御多関節運動機構の提供を目
的とするものである。

るための− 本発明は上記の目的を達成するために、シリンダチュー
ブの内方に摺動自在に挿通されたピストン及び該ピスト
ンに固定されたピストンロッドの作動に基づいて、各種
関節の伸縮運動を行う電子制御多関節運動機構において
、前記ピストンロッドの一端部にマグネットを固定する
一方、シリンダチューブの一端部に固定されたシリンダ
ヘッドカバーに、前記シリンダチューブの内方に挿通さ
れたセンサプローブバーと、前記マグネットとセンサプ
ローブバーとの相互移動によって検出された位置信号を
電子制御ユニットに伝達するケーブルを備えた磁歪現象
変位センサを固定した磁歪現象変位センサを利用した電
子制御多関節運動機構の構成にしてあり、更に前記電子
制御多関節運動機構は、旋回台上に固定された主柱と、
該主柱を回転させる旋回用シリンダと、前記主柱に伏仰
自在に支持された伏仰ブームと、この伏仰ブームを伏仰
させるブーム伏仰用シリンダと、該伏仰ブームに伸縮自
在に取付けられた伸縮ブームと、上記伏仰ブームと伸縮
ブームとの間に装備された伸縮部材と、この伸縮部材に
取付けられたブーム伸縮用シリンダと、上記伸縮ブーム
に固定された横揺動用シリンダと、該横揺動用シリンダ
により横方向に揺動自在に取付けられた横揺動アームと
、上記横揺動アームに固定された縦揺動用シリンダと。

該縦揺動用シリンダにより縦方向に揺動自在に取付けら
れた縦揺動アームと、上記旋回用シリンダ。

ブーム伏仰用シリンダ、ブーム伸縮用シリンダ、横揺動
用シリンダ及び縦揺動用シリンダの各シリンダの内方に
装備された磁歪現象変位センサと、上記各シリンダに作
動油を供給する油圧制御弁とにより成る構成にしである
。

止亙上記構成の本発明によれば、磁歪現象変位センサを構成
するプローブヘッドからセンサプローブバーに向けてパ
ルス信号を与えると、シリンダチューブの内方に摺動自
在に挿通されたピストンの動きにより、ピストンロッド
に固定されたマグネットとセンサプローブバーとの相互
移動によって検出された位置信号が金属であるセンサプ
ローブバーに沿って音波として伝播され、プローブヘッ
ドから位置の信号としてケーブルを介して電子制御ユニ
ットに入力される６電子制御ユニツトは、プローブヘッ
ドから入力された位置の信号を設定値と比較演算して、
作動条件に適合するように制御された油圧をシリンダに
送るように油圧制御弁に伝え、前記各シリンダの作動状
態を駆動制御する。従って各シリンダの運動速度及び位
置が電子制御ユニットによってコントロールされつつ作
動状態が制御されるので、このシリンダが固定された多
数の関節の動作が設定された状態にコントロールされて
、多関節運動が継続される。

＾胤且以下図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図は装置全体を示す側面図であって、図中１は本体
ベース、２は旋回台のベースであり、この旋回台のベー
ス２の上に旋回台３が配設されている。４は旋回台３上
に固定された主柱、５は旋回用シリンダ、６はブーム伏
仰用シリンダ、７は伏仰ブームであり、この伏仰ブーム
７に伸縮ブーム８が伸縮自在に取付けられている６上記
伏仰ブーム７と伸縮ブーム８との間に伸縮部材９が装着
されていて、この伸縮部材９にブーム伸縮用シリンダ１
０が取付けられている。また伸縮ブーム８には横揺動用
シリンダ１２と、該横揺動用シリンダ１２により揺動自
在な横揺動アーム１１が取付けられている。

更に上記横揺動アーム１１には縦揺動用シリンダ１３と
、この縦揺動用シリンダ１３によって縦方向に揺動する
縦揺動アーム１４が装着されている。また縦揺動アーム
１４には、チャッキング用シリンダ１６が内蔵されたチ
ャッキングアーム１５が取付けられている。

１７は本体ベース１上に配置された油圧ポンプユニット
、１８は油圧バルブユニット、１９は電子制御ユニット
である。

上記の旋回用シリンダ５．ブーム伏仰用シリンダ６、ブ
ーム伸縮用シリンダ１０、横揺動用シリンダ１２及び縦
揺動用シリンダ１３の内方には後述する磁歪現象変位セ
ンサが組み込まれており、この磁歪現象変位センサの作
用により、上記各シリンダの作動状態が電子制御ユニッ
ト１９に伝えられるとともに該電子制御ユニット１９内
のスレイブＣＰＵで処理されて、油圧バルブユニット１
８内の油圧制御弁に指令信号を送信し、この指令信号に
基づいて前記油圧制御弁が各シリンダに圧油を供給する
ようにしである。また電子制御ユニット１９は第７図に
より後述する如く、各スレイブＣＰＵを統制するホスト
コンピュータを有し、目標値に対する各関節の位置関係
を解析、演算して前記油圧ポンプユニット１７及び油圧
バルブユニット１８の作動状態を駆動制御するようにし
である。

第２図は上記の磁歪現象変位センサ２０の構成例を示す
概要図、第３図は同組付は例を示す要部断面図である。

図中２１はセンサプローブバー２２はプローブヘッド、
２３はケーブル、２４はマグネットであり、このマグネ
ット２４は前記センサプローブバー２１に沿って移動す
る。また２５はシリンダチューブ、２６はピストン、２
７はピストンロッドであり、該ピストンロッド２７の一
端部に前記マグネット２４が固定されている。

２８はシリンダヘッドカバー、２９はシリンダロッドカ
バーであって、このシリンダヘッドカバー２８に前記プ
ローブヘッド２２が締付ナツト３０を用いて固定されて
いる。従って前記センサプローブバー２１はピストンロ
ッド２７の内方にまで挿通された状態に固定されている
。

上記の磁歪現象変位センサ２０の動作原理に関して以下
に説明する。即ち第４図の原理図に示したように、セン
サプローブバー２１に対して矢印Ａのような電流パルス
を与えると、このセンサプローブバー２１に円周方向の
磁場３３が発生する。

この時マグネット２４を図のように配置したとすると、
その部分にのみ軸方向の磁場３４が与えられ、点線で示
す斜めの磁場３５が生じ、このためにセンサプローブバ
ー２１のこの部分にねじりが発生する。この現象はす１
ｅｄｅ＋５ａｎｎ効果と呼称され、ねじりによる振動が
金属であるセンサプローブバー２１に沿って音波３６と
して伝播されることになる。

第５図はプローブ頭部のブロックダイヤグラム回路構成
を示し、第６図はコントローラ部のブロックダイヤグラ
ム回路構成を示す。即ち第５図は前記マグネット２４で
とらえた位置を、同軸ケーブル２３で遠隔地にあるコン
トローラにパルス信号として送り出す機能を有しており
、同図に示す超音波検出部４０は、前記センサプローブ
バー２１によって検出された超音波の到着をモジュレー
タ４１に伝え、電圧安定部４２から二つの異なったパル
ス信号をクロックジェネレータ４３に伝える。

このクロックジェネレータ４３は前記モジュレータ４１
と同期して作動して、前記二つのパルス信号がいつ磁歪
線に与えられるべきかを決める役目をしており、パルス
信号が電流パルス発生部４４より磁歪線に与えられる。

前記二つのパルス信号とは■電流パルスが磁歪線に与え
られた時刻、■マグネット２４の位置からの超音波の到
着時刻の二つであり、この二つの時刻を混合して同軸ケ
ーブル２３を通じてコントローラに送り出す作用を有し
ている。

一方第６図に示すコントローラは、プローブ部より伝達
される前記二つの異なったパルス信号が抵抗Ｒによって
電圧の信号として検出され、アンプ４６によって前記パ
ルス信号の立上り時間並びに立下がり時間を識別して、
同時に三角波発生部４７は上記の立上り時間によって動
作し、三角波をスタートさせて立下がり時間によってリ
セットする。従って超音波の伝達時間ｔは、サンプルホ
ールド回路４８でマグネット位置に対応する電圧Ｖとし
て蓄えられ、これを最終段のアンプ４９に送り込んで、
ゲイン調整、ゼロ調整が行われて出力電圧５０が得られ
る。

第７図は前記電子制御ユニット１９を構成するブロック
回路図であり、５１はホストＣＰＵ、５２．５２・・・
はスレイブＣＰＵである。このスレイブＣＰＵ５２に入
力された信号は、先ずＤ／Ａ変換器５３によってアナロ
グ値に変換され、アンプ５４で増幅された後、油圧比例
制御弁５５に入力されて油圧シリンダ５６を作動させる
。この油圧シリンダ５６内に内蔵された前記磁歪現象変
位センサ２０が、油圧シリンダ５６のピストンロッド２
７　（第３図）の動きを検出して、この検出信号がアン
プ５７を介してＡ／Ｄ変換器５８に伝えられ、スレイブ
ＣＰＵ５２にフィードバックされる。ホストＣＰＵは各
スレイブ、ＣＰＵ５２からの信号によって、■軸のみ作
動させるが、複数軸の総合的な位置関係を解析、演算し
、各軸に目標となる値を与える機能を有している。

かかる構成によれば、多関節運動を行わせる際に、第１
図に示す旋回台３は旋回用シリンダ５の駆動力がラック
及ピニオンを介して伝達されて旋回を開始する。またブ
ーム伏仰用シリンダ６は伏仰ブーム７を伏仰させ、ブー
ム伸縮用シリンダ１０は伸縮ブーム８を伸縮させる。更
に横揺動用シリンダ１２はスクリューを介して横揺動ア
ーム１１を横方向に揺動運動させ、縦揺動用シリンダ１
３は縦揺動用アーム１４を縦方向に揺動運動させる。ま
たチャッキング用シリンダ１６はチャッキングアーム１
５を動かしてワークのチャック及び開放動作を行う。

上記の旋回用シリンダ５．ブーム伏仰用シリンダ６、ブ
ーム伸縮用シリンダ１０、横揺動用シリンダ１２及び縦
揺動用シリンダ１３の内方には第２図に示した磁歪現象
変位センサ２０が組み込まれており、上記各シリンダの
作動状態が前記磁歪現象変位センサ２０を構成するシリ
ンダチューブ２５の内方に摺動自在に挿通されたピスト
ン２６の動きにより、ピストンロッド２７に固定された
マグネット２４とセンサプローブバー２１との相互移動
によって位置信号として検出され、この位置信号が金属
であるセンサプローブバー２１に沿って音波としてケー
ブル２３を介して電子制御ユニット１９に入力される。

電子制御ユニット１９は。

前記第７図にて説明したブロック回路図に基づいて、プ
ローブヘッド２２から入力された位置の信号を設定値と
比較演算して、油圧比例制御弁５５に伝え、前記各シリ
ンダの作動状態が駆動制御される。従って各シリンダの
運動速度及び位置が磁歪現象変位センサ２０及び電子制
御ユニット１９によってコントロールされて、各シリン
ダの作動状態が制御されるので、このシリンダが固定さ
れた前記多数の関節の動作を設定された状態にコントロ
ールすることができる。

又ＩＩυ弧釆以上詳細に説明したごとく、本発明にかかる磁歪現象変
位センサを利用した電子制御多関節運動機構によれば、
シリンダチューブの内方に摺動自在に挿通されたピスト
ン及び該ピストンに固定されたピストンロッドの作動に
基づいて、各種関節の伸縮運動を行う電子制御多関節運
動機構において、前記ピストンロッドの一端部にマグネ
ットを固定する一方、シリンダチューブの一端部に固定
されたシリンダヘッドカバーに、前記シリンダチューブ
の内方に挿通されたセンサプローブバーと、前記マグネ
ットとセンサプローブバーとの相互移動によって検出さ
れた位置信号を電子制御ユニットに伝達するケーブルを
備えた磁歪現象変位センサを固定した磁歪現象変位セン
サを利用した電子制御多関節運動機構の構成にしてあり
、更に前記電子制御多関節運動機構は、旋回台上に固定
された主柱と、該主柱を回転させる旋回用シリンダと、
前記主柱に伏仰自在に支持された伏仰ブームと。

この伏仰ブームを伏仰させるブーム伏仰用シリンダと、
該伏仰ブームに伸縮自在に取付けられた伸縮ブームと、
上記伏仰ブームと伸縮ブームとの間に装備された伸縮部
材と、この伸縮部材に取付けられたブーム伸縮用シリン
ダと、上記伸縮ブームに固定された横揺動用シリンダと
、該横揺動用シリンダにより横方向に揺動自在に取付け
られた横揺動アームと、上記横揺動アームに固定された
縦揺動用シリンダと、該縦揺動用シリンダにより縦方向
に揺動自在に取付けられた縦揺動アームと、上記旋回用
シリンダ、ブーム伏仰用シリンダ、ブーム伸縮用シリン
ダ、横揺動用シリンダ及び縦揺動用シリンダの各シリン
ダの内方に装備された磁歪現象変位センサと、上記各シ
リンダに作動油を供給する油圧制御弁とにより成る構成
にしたので、以下に記す作用効果がもたらされる。即ち
磁歪現象変位センサを構成するプローブヘッドからセン
サプローブバーに向けてパスル信号を与えることにより
、シリンダチューブの内方に摺動自在に挿通されたピス
トンの動きが、ピストンロッドに固定されたマグネット
とセンサプローブバーとの相互移動によって位置信号と
して検出することができる。従って検出された位置信号
が金属であるセンサプローブバーに沿って音波として伝
播されて、ケーブルを介して電子制御ユニットに入力さ
れる。

電子制御ユニットは、前記プローブヘッドから入力され
た位置の信号を設定値と比較演算して、制御された油圧
をシリンダに送るように油圧制御弁に伝え、前記各シリ
ンダの作動状態を駆動制御することが可能になる。従っ
て各シリンダの運動速度及び位置が電子制御ユニットに
よってコントロールされつつ作動状態が制御されるので
、このシリンダが固定された多数の関節の動作が設定さ
れた状態にコントロールされて、多関節運動を実施する
ことが出来る。従って強力な油圧シリンダの駆動力を多
関節運動に適用することが可能になり、野外等の過酷な
作業環境下での各種作業及び水、塵埃、土砂等が飛散す
るような環境下での重作業、更には大きなパワーを要す
る作業にも本発明にかかる多関節運動機構を適用するこ
とができる。上記パワーを要する作業とは、例えばコン
クリートブロック積みロボット、斜面へのコンクリート
吹き付はロボット、管理設用溝掘りロボット、発破用穴
くクロボッ１−１梯子車の自動位置決め及びオートクレ
ーン等の各作業である。また土木建設機械、荷投機械、
はしご車等の重労働を要する作業もしくは熟練したオペ
レータを必要とする作業に対しても有効に利用すること
が出来て、しかも耐衝撃性、耐振動性、耐温度性等に対
しても充分に対処することができるという大きな効果を
発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる磁歪現象変位センサを利用した
電子制御多関節運動機構の一実施例の全体を示す側面図
、第２図は上記磁歪現象変位センサの構造例を示す側面
図、第３図は上記磁歪現象変位センサを組み込んだシリ
ンダの構造を示す断面図、第４図は上記磁歪現象変位セ
ンサの動作原理を示す説明図、第５図はプローブ頭部の
回路構成を示すブロックダイヤグラム、第６図はコンＩ
−ローラ部の回路構成を示すブロックダイヤグラム。第７図は電子制御ユニットの構成を示すブロック回路図
である。 ■・・・本体ベース　　　　２・・・ベース３・・・旋
回台　　　　　　４・・・主柱５・・・旋回用シリンダ６・・・ブーム伏仰用シリンダ７・・・伏仰ブーム　　　　８・・・伸縮ブーム９・・
・伸縮部材１０・・・ブーム伸縮用シリンダ１１・・・横揺動アーム　　１２・・・横揺動用シリン
ダ１３・・・縦揺動用シリンダ１４・・・縦揺動アーム１５・・・チャッキングアーム１６・・・チャッキング用シリンダ１７・・・油圧ポンプユニット１８・パ油圧バルブユニット１９・・・電子制御ユニット２０・・・磁歪現象変位センサ２１・・・センサプローブパー２２・・・プローブヘッド　２３・・ケーブル２４・・
・マグネット　　　２５・・・シリンダチューブ２６・
・・ピストン　　　　２７・・・ピストンロッド２８・
・・シリンダヘッドカバー９・・・シリンダロッドカバー０・・・超音波検出部　　４１・・・モジュレータ２・
・・電圧安定部３・・・クロックジェネレータ４・・・電流パルス発生部６．４９・・・アンプ　　４７・・・三角波発生部８・
・・サンプルホールド回路

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリンダチューブの内方に摺動自在に挿通された
ピストン及び該ピストンに固定されたピストンロッドの
作動に基づいて、各種関節の伸縮運動を行う電子制御多
関節運動機構において、前記ピストンロッドの一端部にマグネットを固定する一
方、シリンダチューブの一端部に固定されたシリンダヘ
ッドカバーに、前記シリンダチューブの内方に挿通され
たセンサプローブバーと、前記マグネットとセンサプロ
ーブバーとの相互移動によって検出された位置信号を電
子制御ユニットに伝達するケーブルを備えた磁歪現象変
位センサを固定したことを特徴とする、磁歪現象変位セ
ンサを利用した電子制御多関節運動機構。
（２）前記電子制御多関節運動機構は、旋回台上に固定
された主柱と、該主柱を回転させる旋回用シリンダと、
前記主柱に伏仰自在に支持された伏仰ブームと、この伏
仰ブームを伏仰させるブーム伏仰用シリンダと、該伏仰
ブームに伸縮自在に取付けられた伸縮ブームと、上記伏
仰ブームと伸縮ブームとの間に装備された伸縮部材と、
この伸縮部材に取付けられたブーム伸縮用シリンダと、
上記伸縮ブームに固定された横揺動用シリンダと、該横
揺動用シリンダにより横方向に揺動自在に取付けられた
横揺動アームと、上記横揺動アームに固定された縦揺動
用シリンダと、該縦揺動用シリンダにより縦方向に揺動
自在に取付けられた縦揺動アームと、上記旋回用シリン
ダ、ブーム伏仰用シリンダ、ブーム伸縮用シリンダ、横
揺動用シリンダ及び縦揺動用シリンダの各シリンダの内
方に装備された磁歪現象変位センサと、上記各シリンダ
に作動油を供給する油圧制御弁とにより構成されて成る
請求項１記載の磁歪現象変位センサを利用した電子制御
多関節運動機構。