JPS63149568A - ３次元加速度検出方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、３次元加速度検出方法およびその装置に関し
、詳しくは物体に作用する重力や運動力等の作用力の方
向と大きさを検出する方法およびその装置に関するもの
である。

［従来の技術］ ３次元空間で質量のある物体に作用する重力や運動力の
方向と大きさを検出するものとして、加速度センサがあ
る。これは、静的環境下における重力加速度の方向を基
準にした姿勢を検出するセンサとしても使用されている
。しかし、多くのセンサの加速度検出手段は、ポテンシ
ョメータ、天びん、振子、流体などを検出媒体とした機
械的なものが大半であって、３次元空間に任意に作用す
る加速度の大きさやその方向を効率的に検出できるまで
一体化され、小型化されているものは皆無といってよい
。

［発明が解決しようとする問題点］ すなわち、従来の加速度センサでは、 １）　全方向において一様に高感度な測定を行うのが困
難である。

２）　装置全体の小型化が困難である。

３）　容器内に閉じ込めた重錘や液体の８動に着目した
光学的、あるいは電気的手段による方法においては、加
速度の方向は検出できてもその大きさまで検出すること
ができない。

４）　液体の電導度を利用する方法においては、液体の
重気分解が避けられず、長期にわたる安定的使用に耐え
られない。

などの欠点があった。

本発明は、上述の問題点の解決を図り、構造が簡単かつ
コンパクトで全方向検知が可能な３次元加速度検出方法
とその装置の提供を目的としてなされたものである。

［問題点を解決するための手段］ かかる目的を達成するために、本発明は少なくとも３つ
の支点で支持媒体を介して球状重錘を支持し、支持媒体
を介して個々の支点に作用する力の方向および大きざを
検出し、力の大きさおよび方向からベクトル演算によっ
て、重錘の支持体に作用する加速度の方向および大きさ
を検出することを特徴とする。

更に本発明は上述の目的を達成するために少なくとも３
つの支点で支持媒体を介して支持される球状の重錘と、
支持媒体を介して個々の支点に作用する力の方向および
大きさを検出する手段と、個々の検出手段により検出さ
れた力の方向および大きさに基づき重錘の支持体に作用
する加速度の方向および大きさを演算する手段とを具え
たことを特徴とする。

［作　用コ 本発明の３次元加速度検出方法およびその装置によれば
、球状重錘の少なくとも３つの支点においてそれぞれの
支持媒体を介し、センサにより検知された力をベクトル
として演算処理することにより、球状重錘に作用する力
全体の大きさとその方向を容易に検出することが可能で
ある。

［実施例］ 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

第１図は本発明を実施する装置の一例を示す。

ここで、１は均一な密度の球体をなす重錘である。しか
して本例では、重錘１を４つの支点２Ａ、２Ｂ、２Ｇお
よび２Ｄで支持媒体３Ａ、３８．３Ｃおよび３０により
それぞれ支持させるようにするが、その支持方向はいず
れも重錘１の中心点Ｏに向けられる。

４Ａ、４Ｂ、４（：および４Ｄは支持媒体３Ａ、３Ｂ、
３Ｇおよび３Ｄに直結された圧力センサ、５＾、５Ｂ、
５Ｇおよび５０は装置本体側の支持部であって、重錘１
に作用する力は支持媒体３八〜３Ｄを介して、それぞれ
に直結された圧力センサ４Ａ〜４Ｄにより検出される。

なおここで、４つの支点２Ａ〜２Ｄの選択は、球体の重
錘１が支持媒体３Ａ〜３Ｄによって十分に把持された状
態に保たれる必要があり、従ってこのように支点が４つ
である場合、そのうちの支点の３つが同一円周上に配置
されることだけは避けるようにする。

第２図は圧力センサ４Ａ〜４Ｄからの出力信号が演算装
置６に導かれる形態を示す。すなわち、演算装置６にお
いては、支持媒体３Ａ〜３Ｄの配置された幾何学的な関
係から重錘１の中心０を座標の原点とするベクトルを求
め、その合成から作用力の方向と大きさを演算して、ベ
クトル出力ｖ０を出力する。かくして第３図に示すよう
に圧力センサ４Ａ〜４Ｄからそれぞれのセンサ出力Ｖａ
〜Ｖｄが演算装置６において加算（Σ）され、１つの方
向と大きさを表示するベクトル信号Ｖ。とじて出力され
る。

ここで、重錘１に加速度が作用しない場合においては、
センサ出力Ｖ、、Ｖ、、・・・、■、のベクトル和Ｖ。

は、球が安定した状態に支持されている条件からτであ
る。しかし、重力加速度や運動加速度が支持部５を有す
る本体に作用すると、重錘１は、質量に加速度を乗じた
力を受ける。そこで、各センサ４八〜４Ｄによりその変
化が検出され、反力として、上記作用力の合成力と大き
さが同じで方向だけが異なる値Ｖ。が得られるもので、
こうした原理によって加速度の方向と大きさとを検知す
ることができる。

なお、重錘を支持し、かつ圧力を検出するセンサ４は、
安定した保持状態が確保されるように少なくとも３個以
上必要である。また、センサ４で検出する圧力値に大き
なバラツキを与えないためには、重錘１の球面上の支点
２の位置は均衡が保たれるように配置することが望まし
い。これを実現する好適例としては、重錘に内接する正
ｎ面体（ｎ　＝　４．６，８，１２．２０）の頂点を支
持点として選べばよい。こうした配慮によって、支持力
の初期設定や装置の調整、保守が容易になることは言う
までもない。また、このためにも、支持媒体３の先を針
状にして重錘ｌの支持箇所を点にすることは意味があり
、演算装置６への入力値Ｖａ、Ｖｂ、・・・Ｖｄを正確
に検出して計算結果ｖ０の精度を向上させることが可能
となる。

なお、重錘１を支持する支点２の数が十分に多い場合に
は必ずしもすべての検出値から力ベクトルを生成してこ
れらの和を計算する必要はない。

かかる場合は検出値の最大値が検出された支点２の位置
を人力するだけで作用力の方向と大きさを求めることが
可能である。すなわち、作用力の方向は重錘中心から最
大値を検出する方向、そして作用力の大ぎさは最大値を
重錘質量で除した値であると判断することができる訳で
この場合、比較回路と除算回路だけで演算装置を構成す
ることができ、装置が簡単になり、計算時間は短くなる
。

第４Ａ図〜第４Ｃ図は本発明の他の実施例をそれぞれ示
す。すなわち、第４Ａ図は均質均等な厚さを有する空洞
球体１０Ａ中に流動自在な液体１０Ｂを封入して重！！
ｌＯを構成したもの、第４Ｂ図は重錘１０の空洞球体１
０Ａ中に転勤自在な均質の球体１０Ｇを封入重錘ｌＯを
このように構成することによって、センサ４によって検
出される値の差を顕著なものとし、最大値検出を容易に
し、検出時間の短縮および検出精度の向上を図ることが
できる。

さらにまた、支持媒体３を剛体から弾性体に変えて弾性
体の変形、あるいは重錘そのものの変位を検出し、これ
を演算装置に導くことによって作用力の方向や大きさを
検出することも可能である。第５図はかかる場合の実施
のための装置の一例を示し、本例は弾性体にばねを用い
た例である。ここで、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃおよび３
００はそのばねであり、これらのばねはばね係数が同一
であれば引張ばねあるいは圧縮ばねのいずれであっても
よい。

ばね３０の変位はフックの法則によって、その方向にか
かる力に比例するから、その力を圧力センサ４によって
検知させることにより、重錘１に作用する力の大きさお
よび方向を前記と同様に演算して求めることができる。

第６図は弾性体による支持媒体の構成の更に他の実施例
を示す。ここで、ばね３０の両端部は支点２側の支持部
材３１と本体側の支持部材３２とに支持されている。３
３は支持部材３１に一端が固定された案内棒であって、
いま重ｆｉｌにこの方向の力が作不図示の光学的手段も
しくは磁気的手段等により検出して、個々の支持媒体に
おける変位量から重錘１に作用する力の大きさおよび方
向を同様にして求めることができる。

第７図は本発明の更に別の形態の実施例を示し、本例は
弾性体（ばね）３０によって変位の検出が困難であるよ
うな場合の適用例である。すなわち、本例では、支持部
材３１およびばね３０等の適切な組による支持媒体によ
り重錘１を支持させるが重錘１の変位を非接触型のセン
サ、例えばうず電流検出器４０によって検出しようとす
るもので、この場合、重錘１は好適には金属とする必要
がある。なお、うず電流検出器にかえて光学的に検出す
ることも可能である。この場合、重錘１は必ずしも金属
である必要はない。いずれにせよ、非接触型センサの数
は少なくとも４個が望ましいが、この場合、弾性支持媒
体の数はセンサの数とは関係なく、適切に配置されれば
よい。

以上の説明においては、原則として重錘１の中心０を通
る方向の力を検出するセンサ４を設けるようにした場合
について述べてきたが、重錘１の球体表面に対し接線方
向の力、すなわち、せん断力をも検出できる場合には、
これらのデータを使い、重錘ｌを取付けた本体に作用す
る回転角加速度をも検出することができる。また、セン
サ４としてロードセルを用いる場合には可動部がなくな
り、センサ部を小型にするだけでなく、信頼性の高い測
定が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、球状の既知
質量の剛体を少なくとも３点で支持し、支点の変位ベク
トルまたは力ベクトル、もしくは非接触測定による球状
剛体自身の変位ベクトルを検出して、検出したベクトル
に基づき演算を行うことによって球状剛体および球状剛
体を取付けた本体に作用する加速度の方向および大きさ
を求めるようにしたので、センナの小型、軽量化を図る
ことができ、また方向による測定精度のばらつきが少な
く、かつ装置のコンパクト化を図ることができる。

更にまた、ロボットの手足の制御においては、位置の他
に方向を制御することが非常に重要であるにもかかわら
ず従来手軽に使えるセンサがなく、各関節の制御量を使
った複雑な行列計算によって方向を求めるようにしてお
り、計算機に大きな負担をかけ、高精度で高速な手足の
制御が望めなかった。

本発明は、かかる問題を解決するにも好適であり、小型
で性能のよい全作用力の方向を検出する方法および装置
として適用することができる。とくに、倒立振子や歩行
の制御において、振動、揺動、転倒などを防止するばか
りでなく、動的に安定させるような制御を実現する上に
も多大な効果を期待することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる３次元加速度検出装置の検出部
の一例を示す模式図、 第２図は本発明にかかる装置全体の構成図、第３図は演
算装置の機能的説明図、 第４Ａ図、第４Ｂ図および第４Ｃ図は本発明装置の重錘
の３態様をそれぞれ示す模式図、 第５図は本発明の他の実施例による検出部の模式図、 第６図は支持媒体の他の構成例を示す図、第７図は本発
明の更に他の実施例としてのセンサの構成を示す図であ
る。 １．１０・・・重錘、 ２．２八、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ・・・支点、３．３Ａ、３
Ｂ、３ＣＪＤ・・・支持媒体、４．４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，
４Ｄ・・・（圧力）センサ、５．５Ａ、５Ｂ、５Ｃ，５
Ｄ・・・支持部、６・・・演算装置、 １０Ａ・・・空洞球体、 １０Ｂ・・・液体、 ｔＯＣ・・・球体、 ３０．３ＯＡ、３０Ｂ、３０Ｃ，３０Ｄ・・・ばね、３
１．３２・・・支持部材、 ３３・・・案内棒、 ４０・・・うず電流検出器。 第１図 第２図 第４Ａ図　　第４Ｂ図　　第４Ｃ図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　少なくとも３つの支点で支持媒体を介して球状重
   錘を支持し、前記支持媒体を介して個々の前記支点に作
   用する力の方向および大きさを検出し、該力の大きさお
   よび方向からベクトル演算によって、前記重錘の支持体
   に作用する加速度の方向および大きさを検出することを
   特徴とする３次元加速度検出方法。 ２）　特許請求の範囲第１項記載の３次元加速度検出方
   法において、前記支持媒体が弾性体であり、該弾性体の
   変形方向および変形量、もしくは該弾性体を介して支持
   される前記重錘の変位方向および変位量が検出され、前
   記弾性体の変形方向および変形量もしくは前記重錘の変
   位方向および変位量からベクトル演算によって前記重錘
   の支持体に作用する加速度の方向および大きさを検出す
   ることを特徴とする３次元加速度検出方法。 ３）　特許請求の範囲第１項または第２項記載の３次元
   加速度検出方法において、前記重錘が均一な密度の剛体
   であることを特徴とする３次元加速度検出方法。 ４）　特許請求の範囲第１項または第２項記載の３次元
   加速度検出方法において、前記重錘は同心の球状空間を
   有し、該空間に液体およびまたは当該液体より比重の大
   きい均一密度の球体が充填されていることを特徴とする
   ３次元加速度検出方法。 ５）　少なくとも３つの支点で支持媒体を介して支持さ
   れる球状の重錘と、前記支持媒体を介して個々の前記支
   点に作用する力の方向および大きさを検出する手段と、
   個々の該検出手段により検出された力の方向および大き
   さに基づき前記重錘の支持媒体に作用する加速度の方向
   および大きさを演算する手段とを具えたことを特徴とす
   る３次元加速度検出装置。 ６）　特許請求の範囲第５項記載の３次元加速度検出装
   置において、前記支持媒体が弾性体であることを特徴と
   する３次元加速度検出装置。 ７）　特許請求の範囲第５項または第６項記載の３次元
   加速度検出装置において、前記重錘が均一な密度の剛体
   であることを特徴とする３次元加速度検出装置。 ８）　特許請求の範囲第５項または第６項記載の３次元
   加速度検出装置において、前記重錘は同心の球状空間を
   有し、該空間に液体およびまたは当該液体より比重の大
   きい均一密度の球体が充填されていることを特徴とする
   ３次元加速度検出装置。