JPH08240442A - 多自由度角度及び変位測定機能を持つ受動式関節 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転関節の回転角度の測定および直動関節の
移動量を測定する。 【構成】 関節内に発光素子１１、その周りに受光素子
１２を配置する。もしくは、関節内に受光素子１１、そ
の周りに発光素子１２を配置し、それらの受光素子１２
の出力の比、差もしくはそれらの組み合わせにより、関
節の位置を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】回転関節の回転角度の測定および
直動関節の移動量の測定に用いるもので、特に多自由度
回転型関節の角度測定に有効であり、また、駆動源をア
ーム内に持たず、外部から力を受けて変位する多自由度
関節であり、装置の小型化に有効である。

【０００２】

【従来の技術】関節の移動量もしくは回転角の測定は、
ポテンションメータを自由度の数だけ用いて測定する方
法、もしくはアームの先端に複数の反射鏡を取り付け、
絶対座標系によりレーザ測長器によりその位置を測定す
る方法を用いていた。

【０００３】従来の回転型関節は、関節にダイレクトド
ライブモータを組み込む、もしくは歯車とモータを組み
合わせることで駆動していた。それ以外では、ワイヤを
引っ張ることにより関節を回転させていた。

【０００４】従来の直動型関節では、関節にリニアモー
タを組み込む、ボールねじ、摩擦駆動装置と回転型モー
タを組み合わせる、もしくはチェーン、ベルトなどの巻
き掛け伝動機構により駆動していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】通常、ポテンションメ
ータは１自由度しか測定することができない。従って、
球面関節のように３自由度を持つ関節の回転角を測定す
るためには、最低でも３個のポテンションメータを必要
とする。その為、装置が大型化するという欠点があっ
た。

【０００６】レーザ測長器による方法では、装置が非常
に大掛かりなものとなり、また、アームの先端にコーナ
キューブなどの反射鏡を取り付ける必要があるため、そ
の先の関節もしくはアームの作業性を低下させるという
欠点を持っていた。

【０００７】従来の駆動装置を用いた方法では、装置が
複雑になり、小型化することが困難であった。ワイヤ駆
動や巻き掛け伝動機構を用いた機構では、アームの軸回
りの運動が困難であった。

【０００８】本発明は、上記の問題点を解決するための
ものであり、駆動装置を関節もしくはアーム内部に持た
ず、多自由度の測定が可能であるため、装置の小型化に
適し、また、作業性を損なうことがない。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多自由度角
度及び変位測定機能を持つ受動式関節は、複数の受光素
子、複数の発光素子を対向配置させる関節手段と、各受
光素子、及び各発光素子の相対位置関係を光信号により
決定させる信号処理手段とから構成されたものである。

【００１０】

【作用】関節の位置もしくは角度に応じて、各受光素子
の出力が変化するため、関節の位置もしくは角度を一意
に決定することが可能となる。関節、アーム自体は駆動
源を持たないため、簡単な構造で構成できる。また、小
型、軽量となる。さらに、アームの運動を拘束するワイ
ヤ等がないため、アームの軸回りの回転方向の運動が可
能となる。

【００１１】

【実施例】

実施例１． 基本原理と回転型関節の例 本発明による角度測定装置の概念図を図１、図２に示
す。図１は関節を構成する球体２１の内部に発光素子１
２ａ〜１２ｅを配置し、外側の固定座標系に受光素子１
１ａ〜１１ｃを配置した例である。図２は関節を構成す
る球体２１の内部に受光素子１１を配置し、外側の固定
座標系に発光素子１２ａ〜１２ｃを配置した例である。
これらを用いることにより、アーム２２の姿勢を測定す
ることが可能となる。

【００１２】複数の発光素子１２ａ〜１２ｅへの信号お
よび受光素子１１ａ〜１１ｅからの信号の授受は、個々
の素子へ配線を接続する方法（図３）、および検出装置
近傍に切換えスイッチ１３を設け、それによって素子１
１、１２を切換え、１組の配線により信号を授受する方
法である時分割方式（図４）の２種類がある。

【００１３】時分割方式による発光素子、受光素子の切
換えは、切換えスイッチ１３ａ、１３ｂを連動させ、対
になる１個ずつの発光素子と受光素子との組を同時に選
択しながら切換えていく方法と、切換えスイッチ１３
ａ、１３ｂをそれぞれ独立に切換え、１個ずつの発光素
子と受光素子とのすべての組み合わせに関して選択して
いく方法、複数の発光素子と受光素子とを選択する方法
がある。

【００１４】図５に示すように、発光素子１２の発光量
に異なる周波数を用いて変調を加えることにより、発光
素子１２と受光素子１１との位置を決定することができ
る。発光素子１２ａの入力にはｆ１の変調を加え、同１
２ｂの入力にはｆ２の変調を加える。変調の種類は、振
幅変調、周波数変調、位相変調が考えられる。受光素子
１１ではそれらの周波数成分が混合された出力が得られ
る。いずれの場合も、受光素子により得られた出力の周
波数成分をフーリエ変換、ウエーブレット変換などを施
すことにより抽出する。その大きさの比もしくは差を比
較することで、角度を決定する。

【００１５】本発明による角度測定装置を回転型関節に
組み込んだ例を図６に示す。球体２１にアーム２２ａを
取り付けることで、ｘｙｚ軸回りの３自由度を得る関節
である。姿勢変更時には伸縮素子３３を収縮させてお
き、外部からアーム２２ａを駆動することでその姿勢を
変更する。所定の姿勢になったことが発光素子１２、受
光素子１１の出力を用いて検出できれば、伸縮素子３３
を伸長しハウジング３１と押さえ３２で球体２１をはさ
み、アーム２２ａの姿勢を固定する。アーム２２ｂは前
段もしくは後段の関節により姿勢を変更されるアームで
あり、ハウジング３１に固定されている。

【００１６】実施例２． 回転角検出部の構成の別の方法 角度検出部の別の形態を図７に示す。遮光性の球殻２３
に複数の穴をあけ、その中心付近に１個もしくは複数の
発光素子１２を配置する。これの外側を、樹脂もしくは
ガラスなどの透明体２４で球状に整形する。これによ
り、図１に示すものと同じ機能を持つようになる。

【００１７】実施例３． 直動型関節への応用 上記で挙げた本発明による方式の実施例は、回転型関節
だけでなく、直動型関節にも適用可能である。その例を
図８に示す。この例ではアーム２２の軸方向とその回転
方向の２自由度を実現している。

【００１８】実施例４． ステップ状位置決めへの応用 高精度のステップ状の角度変化をさせることができる。
この場合には、発光素子１２と受光素子１１とを等間隔
ｐで配置し、完全に対向させておき、各受光素子の出力
が最大となる点に関節の角度を調整する。

【００１９】実施例５． ロボットを用いたアームの位置決め 本発明による回転型関節を複数段組み合わせ、その関節
をロボット４１により曲げることにより、アーム先端の
位置および姿勢を決定する場合の例を図１０に示す。そ
れぞれの関節角は、根元から順に決定していく。つま
り、１ａ、１ｂの順である。また、球殻内に送信機を内
蔵することで、ワイヤレスとなり、配線によるアームの
運動の制限が全くなくなる。

【００２０】実施例６． ＮＣ加工機を用いたアームの位置決め 図１０で、ロボット４１をＮＣテーブル４２に変更する
ことでも位置決めが可能である。その例を図１１に示
す。この場合には、ＮＣテーブル４２には治具を取り付
け、それに当てることで関節角を決定する。

【００２１】実施例７． タッチプローブの較正 図１に示した構成をタッチプローブ４３の先端位置の較
正に用いる例を図１２に示す。球２１には複数の受光素
子１１を配置し、台座４４の上に固定している。プロー
ブの先端は発光素子１２としている。この逆すなわち、
図２に示したように球に発光素子１２、プローブ先端に
受光素子１１を配置することも可能である。

【００２２】従来のタッチプローブと同様に、プローブ
先端球としてルビー球４６を用いる場合には、フィラー
４５内にファイバ４７を通して光を伝達することにより
図１２と同等の構成が得られる。

【００２３】

【発明の効果】検出部は発光素子と受光素子の組み合わ
せで構成されるため、小型化、軽量化が容易である。ま
た、複数の素子を配置することで、多自由度の位置もし
くは角度の測定が可能となる。検出部は関節内部に取り
付けるため、アーム先端に取り付けるものはなく、その
先の関節もしくはアームの作業性を低下させることはな
い。

【００２４】本発明の方法を用いると、装置の構造は非
常に簡単になり、小型化することが容易となる。そのた
め、自重は従来方式より小さく、駆動機構の可搬質量を
増加させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による球体内部に発光素
子、外部に受光素子を配置した場合の角度の測定方法の
原理図である。

【図２】 本発明の一実施例による球体内部に受光素
子、外部に発光素子を配置した場合の角度の測定方法の
原理図である。

【図３】 本発明の一実施例による受光素子と発光素子
とのそれぞれから配線を接続する場合の図である。

【図４】 本発明の一実施例による受光素子と発光素子
とを切換えスイッチで切換えることにより、１組の配線
で接続する場合の図である。

【図５】 本発明の一実施例による発光素子の入力に変
調を加える場合に、受光素子の出力の周波数成分を発光
素子毎に抽出することを説明する図である。

【図６】 本発明を用いた回転型関節の構成図である。

【図７】 本発明を用いた回転型関節の球体部に別の方
法を用いた場合の構成図である。

【図８】 本発明を用いた直動型関節の構成図である。

【図９】 本発明を用いてステップ状の位置決めを行う
場合の原理図である。

【図１０】 本発明を用いてロボットを用いてアームの
姿勢を変更する例を示す図である。

【図１１】 本発明を用いてＮＣ加工機を用いてアーム
の姿勢を変更する例を示す図である。

【図１２】 タッチプローブの較正に用いる例を示す図
である。

【図１３】 図１２の例で、従来のプローブを用いる場
合の変更点を示す図である。

【符号の説明】

１ 本発明による回転型関節、１１ 受光素子、１２
発光素子、１３ 切換えスイッチ、２１ 球体、２２
アーム、２３ 内部球殻（遮光性材料）、２４球体（ガ
ラス、樹脂などの透明な材料）、３１ ハウジング、３
２ 押さえ、３３ 伸縮素子（圧電素子、磁歪素子など
の固体変位素子、油圧、空気圧シリンダもしくはモー
タ）、４１ ロボット、４２ ＮＣ加工機、４３ タッ
チプローブ、４４ 台座、４５ フィラー、４６ ルビ
ー球（プローブ先端の球）、４７光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大槻 佳代子 名古屋市東区矢田南五丁目１番14号 三菱 電機株式会社名古屋製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の受光素子、複数の発光素子を対向
   配置させる関節手段と、各受光素子、及び各発光素子の
   相対位置関係を光信号により決定させる信号処理手段と
   からなる多自由度角度及び変位測定機能を持つ受動式関
   節。