JPS60216267A - 全方向姿勢センサ - 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】 本発明は、３次元空間の全方向についての加速度及び角
速度等を検出するの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ったが
、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った。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１張；シようとすると、取
付は誤差の較正が煩雑化す沖、重量が大きくなる、リー
ド線の出る方向が３−欺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ｆｅｒｎ’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、
ゆっくりとした動きを行うロボッ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、緩やかな動きによる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、ｌ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ｊに像形可能として上記基体
上に配設し、各可撓体・に干の変位の方向及び量を検出
する変位検出手段な車け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
ユニットｌ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。

上記各センサユニット１は、基本となるｌ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上の略中夫に、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ｌ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ｂ−・を立設し、
それらの先端に上記電極板４の形状及゛ｑその軌跡に沿
って湾曲させた固定電極板支持体、ぼを固定し、その支
持体６の内面に絶縁材（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、可動電極板４と固定電極板７とが対面して
、可動電極板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．？の間隔が可動電極板４の振れに拘らず定間
隔となり、従って可動電極板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。

１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１４の振れの方向に沿
ってくさび状に構成した場合化・・不；シ、振れの方向
を静電容量の増加あるいは減１沙惟よって知得すると共
に、その変化量によって微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
れの方向に沿って逆向きに配置した一対のくさび状電極
片８．８によって構成し、静電容量が可動電極板４の振
れに伴って一方の電極片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や一
蔓ことができる。

ｍｌ上゛記構成のセンサユニットｌは、その二つを一ア
ー 如と１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。

上記センサユニットｌの結合は、基板２を一体化するこ
とによって行われ、その一体化によって正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
。

ξらに、上記第１図に示す全方向姿勢センサを１ｉ−ｒ
−容器に収納し、その容器の中に種々異なる粘ｌ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６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１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
のセンサユニッ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。

ｉ’＝１．そ１．れらの計測値は、上記６個のセンサユ
ニット蔦−ヒ；いてそれぞれスプリング会マス系の振れ
変位１１と一ゼ１て得ることができ、それらの各計測値
信号を適切に加減算することにより、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
のセンサユニッ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。

１七記構成の全方向姿勢センサにおいては、姿勢づ変化
をばね板３の湾曲によって検出するように（ハ 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
ボッ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、小形パワーロボット等に
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、ロボットの各関節の姿勢
マトリックスを逐一計算する現状のソフトウェアサーボ
から一歩進んで、姿勢情報によるハードウェアサーボに
切り換えられると共に、ＣＰＵｔｙ）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ッ
トに動きを教え、教えた通りにロボットを動かすという
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
使用するよともでき、６．−ｊｌ従来、ロボットにテー
チングや指令指示を与蛋；子方法としては、ロボットの
可動部の先端を人〃・干で支持して動かし、それにより
ロボットに所定の移動軌跡を指示する方法、あるいはコ
ントロールボックスを用い、そのコントロールボックス
におけるキーボード、スイッチ及びジョイスティック等
を手で操作して轡令する方法、また音声や呼気等で作動
する久方装置を南がせて指令する方法、さらには大掛り
なマスターズレープマニビュ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
せる方法があった。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っで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ットに伝えられ、それによりロボッ
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。従って、この場へ！こは、ロボットが人の手腕の動
きを倣うことになり、現状のプレイバックロボットやマ
スタースレーブロボットよりも簡単に且つ人の労力を少
なくしてロボッ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
持っ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、センサユニッ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
光ファイバー２１を両側からばね２５．２５で挟んだ構
造のものを用い、その光ファイバー２１の先端に質量２
２を固定すると共に、基板２３を貫通する光ファイバー
の基端に光源２４を対設し、また基板２３の四隅から立
設した支柱２Ｂ、２６．・・の先端に素子支持板２７を
固定し、この支持板２？の内面に上記光ファイバー２１
の先端と対向する光１正抗素子（ＰＳＤ素子）２８を固
定して、光ファイア、；’ｊ：、”＋　２１の先端から
の光線の位置を検出できるよう比′構成している。

このセンサユニットにおいては、光ファイバー２１は紙
面に平行な面に沿ってｌ軸方向に湾曲変形し、その変形
に伴って光源２４からの光が光ファイバー２１を通って
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ァイバー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ィルムを用いたもので、
基板３！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の両側面に圧電フィルム３４．
３４を貼設したものである。このセンサユニットにおい
ては、ばね板３２の湾曲変形の方向及び量が圧電フィル
ムによって電気的に検出される。また、上記圧電フィル
ムをストレンゲージ、に置換することもできる。

ｉｆｌμ上に詳述したところから明らかなように、木／
ｌａｉ”ｌ’朋によれば、３次元空間の全方向について
の姿勢の変化を、それが喰え緩やかな変化であっても、
構成が簡単で小形軽量可能なセンサによって検出するこ
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）はそのセンサユニットの正面図及び
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ットの動作説明図、第４図は信
号処理回路のブロック構成図、第５図及び第６図はそれ
ぞれ異なるセンサユニットの正面図である。 ｌ　φ・センサユニット、　２・一基板、　。 ３φ・ばね板、　４働・可動電極板、 ？−・固定電極板、　１１・・基体。 指定代理人 工業技術院製品科学研究所長 高橋教司

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り１各可撓体にその変位の
   方向及び量を検出する変゛位検出手段を設けたことを特
   徴とする全方向姿勢センサ。