JPH0354432A - ３次元物体の重量重心慣性モーメント測定装置 - Google Patents

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】 ［！要１ ３次元物体の重量．重心位置および慣性モーメントを測
定する重量・重心・慣性モーメント測定装置に関し． 被測定物の重量，重心位置，および慣性モーメントの測
定を．１つの測定装置上において一回の取付け作業だけ
で可能にして測定時間の短縮化と装置の低コスト化を図
ることを目的とし，被測定物を取り付ける取付け手段と
，取付け手段を複数の位置で支持して各位置での各軸方
向の力を測定するカセンサと，取付け手段の取付け部を
基準位置から傾斜位置に傾ける傾斜手段と，各軸回りの
共振周波数を測定すべく該取付け手段に加振を行う加振
手段とを具備し．取付け手段の基準位置と傾斜位置での
カセンサ出力，および求められた共振周波数に基づき被
測定物の１１重心位置および慣性モーメントが測定され
るよう構成される。

［産業上の利用分野］ 本発明は３次元物体からなる被澗定物の重量，重心位置
および慣性モーメントを測定する重量・重心・慣性モー
メント測定装置に関する。

例えば衛星搭載品あるいはロボットマニュビレー夕等で
は，その姿勢制御あるいは形態制御等の必要性から，各
構成品各部の重量，重心位置および慣性モーメントを正
確に測定する必要があり，この測定は手間をかけること
なく短時間に行えるえることが必要とされている。

［従来の技術１ 従来，３次元物体からなる被測定物の重量．重心位置お
よび慣性モーメントを測定するには９各項目の測定をそ
れぞれ別々の測定装置を用いて行っている。このため各
項目毎に，測定装置への被測定物の取付け・取外し作業
が必要となっている。

［発明が解決しようとする課題］ ある被測定物について１１重心位置および慣性モーメン
トの３項目を測定しようとする場合，それぞれの測定装
置毎に被測定物の取付け・取外し作業を行わねばならず
，したがって測定作業に時間がかかると共に，コスト的
にも各−１１定装置を別々に用意せねばならないため不
利となっている。

したがって本発明の目的は．３次元物体からな被測定物
の重里，重心位置および慣性モーメントの測定を，１つ
の測定装置上において１回の取付け作業だけ可能にして
，測定時間の短縮化と装置の低コストを図ることにある
。

［課題を解決するための千段］ 第ｌ図〜第３図は本発明に係る屯量・重心・慣性モーメ
ント測定装置の測定原理説明図である。

本発明に係る３次元物体の重量・重心・慣性モーメント
測定装置は，被測定物を取り付ける取付け手段と，取付
け手段を複数の位置で支持して各位置での各軸方向の力
を測定するカセンサと，取付け手段の取付け部を基準位
置から傾斜位置に傾ける傾斜手段と．各軸回りの共振周
波数を測定すべく取付け手段に加振を行う加振手段とを
具備し，取付け手段の基準位置と傾斜位置での該カセン
サ出力．および求められた共振周波数に基づき被測定物
の１１重心位置および慣性モーメントが測定されるよう
構成される。

［作用］ −Ｍにカセンサ系は外力によって生じるセンサ内の歪を
電気的な信号に変換している。このカセンサ系は力を歪
量に変換するためにバネ系等で構成されている。第３図
［Ａ］には簡単化したカセンサ系が示される。カセンサ
系に被測〜定物を付加した系は第３図［Ｂ］に示すよう
な質量・バネ・ダンバ系で簡易化して考えることができ
る。この第３図で，５は被測定物，６はカセンサ．ｍは
被測定物とセンサ系の合計質量，ｋはセンサのバネ剛さ
，Ｃはセンサ系のダンピングである。

第３図［Ｂ］の系では．被測定物５とセンサ系６の応答
は次式で与えられる。

ｍ天＋ｃ臭＋ｋｘ＝ｆ　　　Ｈ　　＋　　＋　　（１）
ここで，天はセンサ系の変位ｍ．；＜はセンサ系の変位
速度．支はセンサ系の変位加速度，ｆは披測定物からの
力である。

（１）式は一般の２次振動系であるから．質世ｍ，バネ
剛さｋ，ダンピングＣにより決まる共振角速度ωを持つ
。一般のバネ・ダンパ系で構成されるカセンサ．系は共
振角速度を複数持つが，基本的には（１）式のような２
次振動系で表される。

本発明の測定装置では，以上のカセンサの性質を利用し
，被測定物を複数のカセンサ上に置き，各カセンサから
の出力データを処理することで，３次元形状物体の重量
，重心位置．および慣性モーメントを求めるものであり
，以下にその測定原理の詳細を説明する。

まず，第２図において，１３は剛性の高い″ｍ測定物取
付面（あるいは波測定物取付用治具），１４は被測定物
であり，！，２，３．４はカセンナ取付位置を示す。各
位置１〜４にはＸ軸，ｙ軸，Ｚ軸の各方向に働く力をそ
れぞれ測定できるように一軸カセンサがそれぞれ取り付
けられており，取付位置ｉ　　（ｉ＝１〜４）でのｊ　
（ｊ＝ｘ．ｙ．Ｚ）方向のカセンサにより得られる静荷
重をＦｉｊで表す。

ここで被測定物の重量をＭ．被測定物の取付用治具の重
量をｍａ，こわら両者の和をｍ（すなわちｍ＝Ｍ＋ｍｏ
　）とする。

被測定物の重量の測定 被測定物ｌ４の重量Ｍの測定は，各位置ｌ〜４の２軸方
向のカセンサの出力の和から被測定物取付用治具の重ｉ
１ｍｏを引いたものである。すなわち， Ｍ＝Ｆ］ｚ＋Ｆ２ｘ＋Ｆ３ｚ＋Ｆ４ｚ−ｍｏ・　・　・
　（２） 渭　物の重心立　の゛，１ 第２図中の中心点Ｏを基準とした被測定物ｌ４の重心位
置を（Ｇｘ．Ｇｙ．Ｇｚ）で表すものとする。ここでＧ
ｚは被測定物の重心の高さである。ここで被測定物取付
用治具の重心位置は予め分かっているものとし，これを
（Ｇｘｏ．　Ｇｙｏ．Ｇｚｎ）とする。まず，重心位置
（Ｇｘ　，　Ｇｙ　）は静的力の釣り合いを考えると次
式により求まる。

Ｇｘ　＝　（ＦＩＺ−Ｂ＋Ｆ２ｚ−Ｂ−Ｆ３Ｚ・Ｂ−Ｆ
４ｚ−Ｂ−ｍｏ　−Ｇｘｏ）　／Ｍ・・・　（３） Ｇｙ　　＝　　（Ｆ２ｚ−　Ａ＋Ｆ３ｚ−Ａ−Ｆ４ｚ・
Ａ−ＦＩｚ−Ａ−ｍｏ　−Ｇｙｏ）　／Ｍ・・・　（４
） ここでＡ，Ｂは第２図中に示される距離である。

被測定物ｌ４の重心高さＧｚについては，第３図に示さ
れるように被測定物取付面をθだけ傾けてその時のＸ軸
方向の重心位ｆｆＧｘ（θ）を求めることで測定するこ
とができる。

Ｇｘ　　（θ）＝｛ＦＩＺ−Ｂ十Ｆ２Ｚ−Ｂ−Ｆ３ｚ・
Ｂ−Ｆ４ｚ−Ｂ−ｍｏ　　−Ｇｘｏ’　　（θ）｝／Ｍ
・・・　（５） Ｇｚ　＝　　｛（Ｃｒｘ　＋Ａ）　　−　ｃｏｓ　　θ
（Ｇｘ’（θ）　　＋Ａ）　　｝　　／ｓｉｎ　　θ・
　・　・　（６冫 ここでＧｘｏ’　　（θ）は取付面をθ傾斜した被測定
物取付用治具のＸ軸方向の重心位置である。

被測一　の慣性モーメントの測定 被測定物ｌ４のＸ軸，ｙ軸およびＺ軸回りの慣性モーメ
ントをそれぞれｒｘ，Ｉｙ，Ｉｚとし，また被測定物取
付用治具のそれをＩ　ｘｏ，　　Ｉ　ｙｏ．Ｉｚｏとす
る。

第２図中，Ｚ軸回りの慣性モーメントＩｚは，被測定物
１４の取付け前の測定系のＺ軸回りの共振周波数ωＺＯ
と，取付け後の測定系のＺ軸回りの共振周波数ωｚｌを
測定することにより，次式（７）に基づいて求めること
ができる。すなわち， Ｉ・＝［：ｚｏ：　　ｌ］ ｘ　　（Ｉｏ　＋ｍｏ　　（Ｇｘｏ”　＋Ｇｙｏ２）　
　）−Ｍ　　（Ｇｘ”十Ｇｙ２）　　　　　　＋　　＊
　　＋　　（７）なお，ここでは測定系のダンピングが
小さいものとして計算している。

同様に，Ｘ軸およびｙ軸回りの慣性モーメントＩｘ．Ｉ
ｙは次式（８），（９）により求めることができる。

Ｘ　（Ｉｏ　＋ｍｏ　　（Ｇｙｏ”　十Ｇｚｏ”　）　
）−　Ｍ　　（Ｇｙ”＋　Ｇｚ”）　　　　　　・　・
　・　（８）Ｘ　　（Ｉｏ　　＋ｍｏ　　（Ｇｚｏ”　
　＋Ｇｘｏ２）　　）−Ｍ　　（Ｇｚ２＋Ｇｘ２）　　
　　　　・　”　　・　（９）以上説明したように．被
測定物を取り付ける前後のカセンサ系の出力値と各軸回
りの共振周波数．および取付け面を傾けた位置での静的
なカセンサ出力値を求めれば，３次元任意形状物体の重
量，重心位置，慣性モーメントを求めることが可能とな
るものである。

［実施例］ 以下．図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第４図には本発明の一実施例としての重量・重心・慣性
モーメント測定装置の平面図が示され，第５図にはその
側面図および使用される電気回路が示される。

基台面２２は４隅を４個の３軸カセンサ２０，〜２０．
でそれぞれ支持されている。この基台面２２の上には被
測定物取付面２ｌが載せられており．取付面２ｌの一端
測は回転軸２８でその軸２８を同軸中心として取付面２
ｌが回軸可能なように支えられており，それにより取付
面２ｌを任意の角度に傾斜できるようになっている。

また．取付面２ｌの他端側の両隅は支持棒２５で支持さ
れており，この支持棒２５をアクチュエータ３ｌで押し
出すことによりその押出量に応じて取付面２１の傾斜角
θを制御できるようになっている。

より具体的には，例えば支持ｆｉ２５にネジを切り，ア
クチュエータ３１を回軸モータで購成し．モータ回軸軸
延長上に支持棒２５のネジにかみ合うようにネジを切り
，モータ３１の回転により支持棒２５の押出量を可変す
るよう構成することができる。

なお，支持棒２５でお互いに結ばれる取付面２ｌと基台
面２２の接合部２３．２４は回転可能な支持部となって
いる。また，２６は支持捧２５のストツパ．２７は基台
面２２を加振するためのアクチュエータ，２９はＺ軸回
り回転励起用のアクチュエー夕である。アクチュエータ
２７．２９としては動的応答性の良い圧電素子等の利用
が可能である。

実施例装置の電気回路は，カセンサ出力信号増幅器４０
．共振周波数測定用加振波形定生藩４１，カセンサ出力
信号／荷重信号変換蒸４２．重心位置・重贋演Ｗ器４３
，共振周波数・慣性モーメント｝寅算器４４，取付面２
ｌの傾き制御用信号発生器４５，アクチュエー夕制御部
４６を含み構成される。

カセンサ出力信号増幅器４０は各カセンサ２０，〜２０
．からのカセンサ出力信号を増幅するものであり，その
出力信号を変換器４２に出力する。変換器４２はカセン
サ出力信号を荷重信号に変換してそれぞれ＝ｘｗ４３．
４４に出力する。演算器４３は入力された荷重信号に基
づき披測定物３０の重量と重心位置を計算する回路，Ｉ
＠算器４４は荷重信号に基づき被測定物３０と測定系の
共振周波数を演算し，さらにそれに基づき慣性モーメン
トを計算する回路である。

また加振波形発生２３４ｌはアクチュエータ２７．２９
に共振周波数測定用の加振波形を供給する回路であり，
傾き制御用信号発生器４５は取付面２ｌを所望の角度θ
に傾けるようアクチュエータ３ｌを作動させるべくアク
チュエー夕制御部４６に制｛卸用信号を出力する回路で
ある。

以下，実施例装置の動作を説明する。

まず取付面２ｌを水平にし，被測定物３０を取り付ける
。ここで，被測定物３０以外の測定系（すなわち基台面
２２，取付面２１，取付治具等からなる測定系）の玉量
ｍＯ，．重心位置（Ｇｘｏ，　Ｇｙｏ．　Ｇｚｏ）　，
慣性モーメント（　Ｉ　ｘｏ，　　Ｉ　ｙｏ．Ｉ　ｚｎ
）は予め求まっているものとする。

被ｉＩＩＩ１１定物３０を取り付けた状態で，各カセン
サ２０．〜２０．からのセンサ出力信号を増幅器４０で
増幅し．その増幅出力から，静荷重データを変換器４２
で求め，この静荷重データを演算器４３．４４に送る。

演算″２ｆｉ４３は，この静荷重データを前式（２）〜
（４）に代入することで被測定物３０の重量Ｍと重心位
置（Ｇｘ　，　Ｇｙ　）を演算する。

次に被測定物３０と測定系の共振周波数を求めるため，
アクチュエータ２７．２９で基台面２２を加振し，その
動的応答データを測定し，それらのデータに基づき演！
．３４　４でその共振周波数を求める。なお，アクチュ
エー夕に加える信号としては周？ａ敦成分を均一に含む
インパルス状の波形が通している。

Ｘ軸回りの共振周波数を求める時には．彼測定物３０お
よび面２１，２２の加振は，アクチュエータ２７を用い
てカセンサ２０．，２０．を同相に加振し，Ｘ軸回りの
回転の振動を励起するように制御部４６で制御し．その
応答を変換器４２で求め．共振周波数を演算器４４で演
算する。同様にｙ軸回りの共振周波数も，ｙ軸回りの回
転の振動を励起するように加振を行って測定する。

Ｚ軸回りの共振周波数は，基台面２２の外側に取り付け
られたアクチュエータ２９を用いて，Ｚ軸回りの回転が
生じるようにアクチュエータ２９を駆動し，その応答デ
ータからＺ軸回りの共振周波数と慣性モーメントを前式
（７）に従って演算器４４で求める。

次に，被測定物取付面２ｌを，アクチュエー夕を駆動す
ることで所定の傾き角度θだけ傾けた後，各カセンサの
出力信号から静荷重を求め，前式（５）に従い求まる取
付面２１の傾斜時の重心移動ｆｆｉＧｘ’（θ）から，
被測定物の重心位置のうちのＺ方向（高さ方向）成分Ｇ
ｚを前式（６）に基づき求める。

最後に演算器４４はこの高さ方向重心位置Ｇｘを前式（
８）．（９）に代入してＸ軸回りおよびｙ軸回りの慣性
モーメントＩｘ，Ｉｙを求める。

以上の繰作で，被測定物３０の重量，重心位置および慣
性モーメントを求めることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば，３次元任意形状物体の重量，重心位置
，慣性モーメントの測定が，被測定物を取付治具に一回
取り付けるだけで可能となり，よって測定時間の短縮を
図ることができ，またコスト的にも安価に装置を構成で
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る重徴・重心・慣性モーメ
ント測定装置の測定原理を説明するための図， 第４図は本発明の一実施例としての重凝・屯心・慣性モ
ーメント測定装置の平面図，および第５図は実施Ｐｆｉ
ｌ装置の側面図および電気回路図である。 図において， ２０・・・３軸カセンサ ２ｌ・・・被測定物取付面 ２２・・・基台面 ２３・・・面２ｌの支持点 ２４・・・面２ｌと２２を結ぶ部分の支持点２５・・・
取付面支持棒 ２６・・・支持棒ストツパ ２７．２９・・・加振用アクチュエータ２８・・・回転
軸 ３０・・・被測定物 ３ｌ・・・傾き可変用アクチュエータ ４０・・・カセンサ出力信号増幅器 ４ｌ・・・共振用周波数測定用加振波形発生器 ４２・・・カセンサ出力信号一荷重信号変換器 ４３・・・重遣・重心位置演算器 ４　４　・ ４　５ ４６ ・共振周波数・順性モーメント演算 器 ・被測定物取付面傾き制御用信号発 生器 ・アクチュエータ制画部 １３′ ９Ｊ”−１升貫１で喰の祇澤ｌ定η取ぼ面不′５艷Ｂ月
１二４ポう渭Ｉ１定９理乙茫日月Ｓコ第１図 ｊ 字司ナヨ弓；二ｆ禾Ｂ　ｆｌＵ未■閂］２具ぞｅ目図第
２図 不論明１；ｆホ３；’Ｊｆ＋１度景理謂Ｂｑ図第３図 第４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被測定物を取り付ける取付け手段と、 該取付け手段を複数の位置で支持して各位置での各軸方
   向の力を測定する力センサと、 該取付け手段の取付け部を基準位置から傾斜位置に傾け
   る傾斜手段と、 各軸回りの共振周波数を測定すべく該取付け手段に加振
   を行う加振手段とを具備し、 該取付け手段の基準位置と傾斜位置での該力センサ出力
   、および求められた共振周波数に基づき被測定物の重量
   、重心位置および慣性モーメントが測定されるよう構成
   された３次元物体の重量重心慣性モーメント測定装置。