JPH0663770B2 - 姿勢センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、構造体や移動体の傾斜角並びに傾斜方位角を
検出できる全方位傾斜角計に関する。

従来技術 産業用ロボット、船舶、土木建設工事用、特殊車両等
で、常時全方位傾斜角度を検出したいという要請がある
が、この場合最大傾斜角と方位角をリアルタイムに検出
しなければ検出値を自動制御その他に利用できない場合
が多い。

傾斜角測定装置としては、一軸方向のみの傾斜角度を表
示するものは従来からあったが、全方位に亘って最大傾
斜角および方位角を求めようとすると、該装置を計測さ
れるべき傾斜面に置き、測定点を中心にして360度回動
し、仰角または俯角の最大方向にセットしてから、その
とき示す傾斜角度を読み取り、セットした方位角と読み
とった傾斜角を合せてデータとして利用している。

このように手動による作業は広範囲の方位角に対応する
としても計測時間を要し、ある時点での正確な全方位傾
斜を得ることは難しい。

しかも近年特に要請されるリアルタイムで処理すること
が必要な自動制御に用いることは不可能で、用途が極め
て限定される。

そこで一軸方向の傾斜角測定装置を２個用意して、互い
に直角に配置し、両者の測定値から最大傾斜角および方
位角を演算する例（特開昭62−280608号公報）が同じ発
明者により既に提案されている。

同例は計測されるべき構造体に一軸方向の傾斜角を検知
する傾斜角センサを２個互いに直角に向けて揺動自在に
設けたもので、傾斜角センサはその計測可動面を常に鉛
直にしている。

そして両傾斜角センサが検知する傾斜角から最大傾斜角
および傾斜方位角を演算するものである。

解決しようとする課題 しかし構造体に対し両傾斜角センサが揺動自在に設けら
れ常に計測可動面が鉛直に維持された状態で互いに直角
方向の２つの傾斜角が検出されるので、こうして検出さ
れた２つの傾斜角を用いて最大傾斜角を求めるには同公
報明細書中に記載あるように複雑な式cosθ＝（１＋tan
^２α＋tan^２β）^-1/2を用いなければ正確な値を演算で
きない。

したがって実際に演算させる回路構成が複雑となり応答
性も悪くなるとともに大型でコストもかかるものとなっ
た。

課題を解説するための手段および作用 本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的と
する処は、簡単な近似式を用いて正確な最大傾斜角を算
出でき、回路構成を簡素化し応答性に優れた小型軽量の
姿勢センサを安価に供する点にある。

すなわち本発明は、計測されるべき構造体に回動自在に
支持された回動軸と、同回動軸に一体に支持され重力に
より鉛直方向に付勢されたセンサ支持体と、前記回動軸
を含む平面を計測面として前記センサ支持体に支持され
た傾斜角センサと、該構造体の傾斜に対応して前記セン
サ支持体の回動を制御し前記構造体の傾斜角より小さい
角度前記センサ支持体を傾斜させる制御手段とから構成
される検出装置を該構造体に２個互いに直角に配設し、
両検出装置の傾斜角センサからの検出値α，βに基づき
近似式 に従って構造体の最大傾斜角を演算する演算手段を備え
た姿勢センサである。

制御手段により実際の構造体の傾斜より小さい角度だけ
センサ支持体を傾斜させ計測面を傾斜した状態で傾斜角
センサが検出した検出値α，βを用い近似式 により最大傾斜角を演算することで、近似式の持つ誤差
を小さくするように検出値α，βが作用してより正確な
最大傾斜角を算出できる。

実施例 以下第１図ないし第８図に図示した本発明に係る一実施
例について説明する。

第１図は、本実施例に係る姿勢センサ１の一部欠載した
全体斜視図である。

長方箱体のケーシング２の内部において、２個の検出装
置3a、3bが互いに直角に配置されている。

ケーシング２の底板４に互いに対向する２対の支持板5
a、5aおよび5b、5bが立設され、各１対の支持板にそれ
ぞれ検出装置3a、3bが設けられており、いずれの検出装
置3a、3bも構造が同じなので、以下一方の検出装置3aの
構造について説明する。

対向する支持板5a、5aの間には、長方箱体をなすセンサ
支持体6aが位置し、同センサ支持体6aの前後側壁から外
側方に突設された同軸の回動軸7aが支持板5a、5aに設け
られた軸受８、８に回動自在に支持されている。

回動軸7aは底板４と平行で、他方の検出装置3bの回動軸
7bに対して直角な方向に指向している。

センサ支持体6aは、その重心が回動軸7aより下方に位置
して回動自在に吊設されているため、左右側面が常に鉛
直方向に向くよう重力が働く。

センサ支持体6aの内部には左右側壁間に、前記回動軸7a
と直角な方向に指向した回動軸９が軸受10を介して回動
自在に架設され、同回動軸９に一体に円板11が固着され
ている。

円板11は、アブソリュート形エンコーダ用光学スリット
円板であって、センサ支持体6aの上壁より下方へ円板11
の半径方向に沿って突設された光読取器12によって円板
11の回動角をデジタル値として検知することができるよ
うになっている。

円板11の外周縁の所定箇所には重錘13が固着されてい
て、同重錘13は常に回動軸９の鉛直下方に位置しようと
するので通常光読取器12が読取る円板11の回動角は回動
軸7aの水平面とのなす傾斜角となる。

そして一方の支持板5aを貫通し突出した回動軸7a部分に
回動制御手段14が設けられている。

すなわち回動制御手段14は、第２図に図示するように、
回動軸7aの突出端部に磁性鉄片15が遠心方向に突設され
ており、磁性鉄片15の回動路の左右対称位置において円
弧状の鉄心に誘動コイルが巻装された電磁石16、17が支
持板5aと一体に配設されている。

両電磁石16、17の誘動コイルは連続した１本のコイルで
あり、同じ巻数巻かれて起磁力を同じくし、電磁石16、
17の磁性鉄片15に対向する側の磁極は磁性鉄片15の互い
に対向する側の磁極と同極であり、したがって互いに反
発する力を受けている。

姿勢センサ１が水平状態にあるときは、第２図に示すよ
うに磁性鉄片15は、回動軸7aより鉛直下方に垂下されて
いて、左右の電磁石16、17からも等距離に位置する。

いま姿勢センサ１が傾いて第３図に図示するように姿勢
センサ１と一体のセンサ支持体16、17が一方の側へφ度
傾斜したとすると、磁性鉄片15は重力により鉛直下方に
向かおうとする力と主に近接した一方の電磁石16による
反発力との平衡した状態に落着きφ度より小さいφ_１度
に傾く。

したがってセンサ支持体6aもφ_１度傾いており、計測面
たる円板11も同様にφ_１度傾いている。

従来は、このセンサ支持体が姿勢センサ１と一体でφ度
傾いてしまうか、または前記従来例では常に鉛直下方に
あって傾きをもたないものであった。

本実施例の姿勢センサ１の場合、センサ支持体16aの傾
きφ_１度は電磁石16、17に流れる電流を変えることによ
り、適当に調整することができる。

したがって光読取器12は、φ_１度傾いた円板11の回動角
を読み取ることになる。

円板11が傾きをもったとしても重錘13は常に円板11の最
下端に位置するよう円板11を回動し、光読取器12は同φ
_１度傾いた状態で傾いた計測面における回動軸7aの傾斜
角αを検出する。

以上のような検出装置3aと同じ構造のもう一方の検出装
置3bも回動軸7aと直角に指向した回動軸7bの計測面にお
ける傾斜角βを同様に検出することができる。

このように両検出装置3a、3bの各光読取装置12a、12bに
よって検出される上記傾斜角のα_１βをもとに下記の近
似式（１），（２）より姿勢センサ１の置かれた状態の
最大傾斜角θおよび傾斜方位角ψを算出することができ
る。

なお前記（１）式は、前記従来技術で挙げた例（特開昭
62−280608号公報）の明細書中に記載ある最大傾斜角θ
を求める演算式 cosθ＝（１＋tan^２α＋tan^２β）^-1/2 ……（３） から近似して導き出される。

すなわちθ，α，βが小さい値とすると、（３）式は cos^２θ＝１／（１＋tan^２α＋tan^２β）より １−θ^２＝１／（１＋α^２＋β^２）と近似され、 これを整理し、小さい値を消去すると θ^２＝α^２＋β^２となり、 よって式（１）が導き出せる。

なお式（２）も、やはり前記公報の明細書中の式（６）
である sinθ＝sinβ／（１−cos^２β・cos^２ψ）^1/2より 近似して導き出せる。

このようにして導出される近似式（１），（２）の演算
回路は第４図にブロック図で示すように、簡単なデジタ
ル演算素子から演算回路20に前記光読取器12a、12bから
の検出傾斜角α，βが入力され、同演算回路20で前記
（１），（２）式に基づく演算がされて、算出された最
大傾斜角θは傾斜角表示器21に出力されて表示され、傾
斜方位角ψは傾斜方位角表示器22に出力されて表示され
る。

なお、図示されていないが光読取器12a、12bからの出力
配線は回動軸7a、7bの回動に影響を与えないように回動
軸7a、7bの内部を通して引き出しているが、スリップリ
ングを介するようにしてもよい。

また光読取器12a、12bから延出した配線はコネクターを
介してケーシング２から引き出されて別個に設けられた
演算表示装置に接続されて、同装置に演算回路20、傾斜
角表示器21、傾斜方位角表示器22を備えるものである。

次に以上のような構造において前記近似式（１），
（２）が小さい傾斜角ばかりでなく大きく傾斜した場合
でも極めて精度良く最大傾斜角θおよび傾斜方位角ψを
算出することができる理由を説明する。

一方の検出装置3bの円板11に相当する計測面の動きを模
式的に第５図に図示する。

いま回動軸7bの水平面となす角をβ_１度とし、計測円板
Ｓの中心をＯ、同中心Ｏを通る回動軸7bと平行な直線を
Ｘ−Ｘ′、中心Ｏを通り直線をＸ−Ｘ^１と直交じする直
線をＹ−Ｙ′とする。

センサ支持体6bがなんら制御力を受けず自由であれば、
計測円板Ｓは常に鉛直方向に指向して第５図では１点鎖
線で示すように真円Ｓ_１となり、重錘の位置はその最下
端Ｇ_１にあって光読取器12bの読みは∠Ｇ_１OY′であ
り、すなわち直線Ｘ−Ｘ′の傾き角β_１である。

またセンサ支持体6bがもしケーシング２に固定され一体
に傾くとすると、他方の検出装置3aがＯ度以外の値を示
すときは、計測円板Ｓは傾き、第５図では２点鎖線で示
すように楕円Ｓ_２となる。

したがって重錘の位置はその楕円の最下端Ｇ_２に位置
し、光読取器12bの読みは∠Ｇ_２OY′（＝β_２）を示す
ことになる。

しかるに本実施例では、センサ支持体6bの傾きは電磁石
16、17によって制御を受けているので、前記の状態にあ
るときに、計測円板Ｓはある程度傾くがセンサ支持体6b
をケーシングに固定としたとき程には傾かない。

したがって計測円板Ｓは第５図では、真円Ｓ_１（一点鎖
線）と楕円Ｓ_２（２点鎖線）との中間の楕円を示し光読
取器12bの読みはβ_１とβ_２の中間の値を示す。

いま実験結果を第６図ないし第８図に図示する。

本実験は、最大傾斜角θを30度または60度に固定して方
位角ψを０度から90度止まで変化させたときに前記近似
式の演算から求めた傾斜角表示器21と傾斜方位角表示器
22の表示値を読み取ったもので、第６図ないし第８図は
これをグラフに表したものである。

○印がセンサ支持体6a、6bをケーシング２に対して完全
に自由に揺動させた場合の表示値を示し、×印が固定と
した場合の表示値を示し、△印が本実施例に係る制御を
働かせた場合の表示値である。

第６図は丸型グラフに表したもので、方位角ψに対して
表示傾斜角θ′を半径距離として示している。

特に誤差が顕著に表されるθ＝60゜の方をみると、セン
サ支持体を自由とした場合（○印）、表示傾斜角θ′は
60度よりも小さな値を示しており、特にψ＝45゜近辺で
誤差が大きい。

一方センサ支持体を固定とした場合（×印）、表示傾斜
角θ′は60度を大幅に上回っている。

これらに対し本姿勢センサのセンサ支持体に制御を働か
せた場合（△印）、表示傾斜角θ′は、θ＝60゜よりわ
ずかに大きく、自由とした場合（○印）に比べても誤差
は極めて小さい。

上記傾向はθ＝30゜の場合も同様であり、さらに誤差は
小さくなっている。

次に第７図および第９図に示す表示方位角ψ′について
みると、いずれの場合もψ＝45゜を境にして直線ψ′＝
ψを上下している。

センサ支持体が固定の場合（○印）と自由の場合（×
印）とでは、直線ψ′＝ψに対し上下逆になっており、
制御した場合（△印）は、その中間にあって直線ψ′＝
ψからの誤差は自由の場合（×印）と略同程度である。

以上のことから本姿勢センサ１の場合は、方位角に関し
て自由の場合と殆ど変わりなく、傾斜角に関しては自由
の場合より誤差が小さく、全体として精度が向上してい
ることが分かる。

以上のことは理論的計算によっても確認できるものであ
る。

なお実際には、電磁石16、17に流す電流値を調整するこ
とにより、誤差が小さくなるよう設定する。

以上のように、本実施例においては、近似式を用いた演
算により簡単な回路構成で正確な最大傾斜角および傾斜
方位角を算出表示することができる。

また演算が簡単であるとともにセンサ支持体の揺動が電
磁石により制御されているので振動に強くて、応答が早
くリアルタイムの処理を可能としている。

したがってセンサ支持体の揺動角が小さくかつ電気回路
が簡単で装置の小型化および低コスト化を図ることがで
きる。

さらに回動軸7aの回動を早く安定させるために、磁気ダ
ンパー機構を設けてもよい。

なお本実施例では、演算回路でデジタル演算を行なって
いたが、簡単な近似式なのでアナログ演算も可能であ
り、より適応性に優れたものとすることができるととも
に、傾斜角センサもデジタル値出力に限らずアナログ値
出力のものも使用可能でアナログ値のまま直接演算でき
る。

その傾斜角を求める具体的な方式としては、振子式セン
サから構成されるアブソリュートエンコーダ、磁気抵抗
素子、シンクロ、ポテンショメータ、サーボ式、気泡
式、容量式、水銀式等が利用できる。

また制動手段として電磁石16、17を用いたが所定磁力を
有する永久磁石、所定の回動力を生じるプリングコイ
ル、ゼンマイバネ、スプリング板、スプリングワイヤ等
を使用することも可能である。

さらに本実施例では、ケーシング２内の底板に２個の検
出装置3a、3bを平面的に配置したが、第９図に図示する
如く、２個の検出装置30a、30bを上下に重ねて配置して
もよく、こうすることでケーシング31内の空間を有効に
利用することができより小型化を図ることができる。

発明の効果 本発明は、制御手段により実際の構造体の傾斜より小さ
い角度だけセンサ支持体を傾斜させ計測面を傾斜した状
態で傾斜角センサが検出した検出値α，βを用い簡単な
近似式 により正確な最大傾斜角を算出することができ、近似演
算を利用しているので簡単な回路構成で応答性を良くす
るとともに小型軽量化に寄付でき、かつコストの低減を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る一実施例の姿勢センサの一部欠
截斜視図、第２図および第３図は制御機構の説明図、第
４図は制御系の概略ブロック図、第５図は説明図、第６
図ないし第８図は実験結果を示すグラフ、第９図は別実
施例の姿勢センサの一部欠截斜視図である。 １……姿勢センサ、２……ケーシング、3a、3b……検出
装置、４……底板、5a、5b……支持板、6a、6b……セン
サ支持体、7a、7b……回動軸、８……軸受、９……回動
軸、10……軸受、11……円板、12a、12b……光読取器、
13……重錘、14……回動制御手段、15……磁性鉄片、1
6,17……電磁石、 20……演算回路、21……傾斜角表示器、22……傾斜方位
角表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測されるべき構造体に回動自在に支持さ
   れた回動軸と、 同回動軸に一体に支持され重力により鉛直方向に付勢さ
   れたセンサー支持体と、 前記回動軸を含む平面を計測面として前記センサー支持
   体に支持された傾斜角センサと、 該構造体の傾斜に対応して前記センサ支持体の回動を制
   御し前記構造体の傾斜角より小さい角度前記センサ支持
   体を傾斜させる制御手段とから構成される検出装置を該
   構造体に２個互いに直角に配設し、 両検出装置の傾斜角センサからの検出値α，βに基づき
   近似式 に従って構造体の最大傾斜角を演算する演算手段を備え
   たことを特徴とする姿勢センサ。