TWI638134B - 位移測量裝置 - Google Patents

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TWI638134B TW106142007A TW106142007A TWI638134B TW I638134 B TWI638134 B TW I638134B TW 106142007 A TW106142007 A TW 106142007A TW 106142007 A TW106142007 A TW 106142007A TW I638134 B TWI638134 B TW I638134B
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Abstract

一種位移測量裝置，包括：測量頭，為整體上可伸縮之伸縮結構；以及測量部，測量相對於該測量頭之基端之前端之位移量；其中，該測量頭由一個圓筒體或不同直徑的多個圓筒體、以及可自由進退地插入該一個圓筒體或該多個圓筒體中具有最小直徑之圓筒體且前端安裝固定到位移測量對象之圓柱狀或圓筒狀之前端部件構成，該一個或多個圓筒體及該前端部件具有旋轉賦予機構，當內側的圓筒體或前端部件相對於外側的圓筒體在伸縮方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下賦予旋轉運動。

Description

位移測量裝置
本發明係有關一種用線性伸縮來測量位移測量對象之位移量之位移測量裝置。
作為位移測量裝置，已知的有三維位移測量系統(參照下述專利文獻1)，連接到相對位移之位移測量對象，例如測量相對的三維位移。該三維位移測量系統準確測量位移測量對象之六自由度之舉動，實現相比非接觸型更加便宜且小型之系統，安裝到位移測量對象時，很容易定位。
[現有技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開第2007-315815號公報
[發明要解決之課題]
但是，上述專利文獻1所公開之現有技術之三維位移測量系統中，在構成系統之三維位移檢測單元中，用於檢測安裝固定於位移測量對象之測量頭之位移之位移測量裝置係檢測伴隨連桿之伸縮而伸縮之導線之移動量之導線型(wire type)的裝置。
因此，例如測量用於車輛碰撞試驗等之安全性評價用人體模型之肋骨部之位移量時，在導線型位移測量裝置中，存在導線之收縮速度趕不上碰撞時之肋骨部之位移速度的問題。另外，相對於連接設有位移測量裝置之兩點之線段，碰撞肋骨部之力之輸入方向係朝向位移測量裝置之固定點之傾斜方向時，存在連桿之收縮受阻的問題。在這種情況下，存在無法線性地穩定地測量位移測量對象之位移量的問題。
本發明之目的在於解決上述習知技術之問題，並提供一種能夠線性地穩定地測量位移測量對象之位移量之位移測量裝置。
本發明之位移測量裝置包括：測量頭，為整體上可伸縮之伸縮結構；以及測量部，測量相對於該測量頭之基端之前端之位移量；其中，該測量頭由一個圓筒體或不同直徑的多個圓筒體、以及可自由進退地插入該一個圓筒體或該多個圓筒體中具有最小直徑之圓筒體且前端安裝固定到位移測量對象之圓柱狀或圓筒狀之前端部件構成，該一個或多個圓筒體及該前端部件具有旋轉賦予機構，當內側的圓筒體或前端部件相對於外側的圓筒體在伸縮方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下賦予旋轉運動。
在本發明之一個實施形態中，該測量部包括：位移檢測手段，附設於該測量頭上，並且包括用於檢測相對於該前端部件之最大直徑之該圓筒體之旋轉角度之旋轉位移計；以及演算手段，根據該位移檢測手段之輸出值算出該位移測量對象之位移量。
在本發明之另一個實施形態中，該測量部包括：位移檢測手段，附設於該測量頭上，並且包括用於檢測最大直徑之該圓筒體與設置於其一 個內側之圓筒體之該伸縮方向之位移之可變電阻器；以及演算手段，根據該位移檢測手段之輸出值算出該位移測量對象之位移量。
在本發明之又一個實施形態中，該旋轉賦予機構包括：槽部，設置於該外側之圓筒體上，並且相對於該伸縮方向傾斜；以及突起部，設置於該內側之圓筒體或前端部件之外周部上，並且鬆動地嵌入該槽部。
在本發明之又一個實施形態中，該突起部沿著該圓筒體及該前端部件之圓周方向均勻設置，並且從該伸縮方向觀察時，設置於相鄰之圓筒體之間或相鄰之圓筒體及前端部件之該突起部在該圓周方向上錯開設置。
在本發明之又一個實施形態中，該測量部包括傾斜角度檢測手段，由多個旋轉位移計構成，其將圍繞相互垂直之軸之旋轉角度分別作為裝置整體之傾斜角度來檢測，且該相互垂直之軸垂直於該測量頭之軸。
根據本發明，可以線性地穩定地測量位移測量對象之位移量。
10、10A‧‧‧位移測量裝置
11~15‧‧‧突起部
16‧‧‧突起外周面
17‧‧‧波墊圈
17a‧‧‧平墊圈
18‧‧‧安裝螺栓
20‧‧‧測量頭
21‧‧‧前端部件
21a~25a‧‧‧外周面
21c‧‧‧固定環
22~26‧‧‧圓筒體
22a~26a‧‧‧外周面
26d‧‧‧旋轉板
27‧‧‧內周面
31~35‧‧‧槽部
36‧‧‧切口內周面
40‧‧‧測量部
41‧‧‧安裝基座
41a‧‧‧安裝螺栓
41b‧‧‧安裝板
41c‧‧‧旋轉框架部
41d‧‧‧旋轉框架部之旋轉軸
41e‧‧‧旋轉基台
41f‧‧‧旋轉基台之旋轉軸
42‧‧‧感測器電路
50~52‧‧‧旋轉位移計
60‧‧‧可變電阻器
61‧‧‧滑塊
62‧‧‧電阻體
100‧‧‧安全性評價用人體模型
101‧‧‧頭部
102‧‧‧軀幹部
103‧‧‧臂部
104‧‧‧腿部
105‧‧‧頸骨骼部
110‧‧‧軀幹骨骼部
120‧‧‧脊柱部
121‧‧‧椎骨部
130‧‧‧胸廓部
131‧‧‧肋骨部
圖1係具備本發明之第一實施形態之位移測量裝置之安全性評價用人體模型之局部透視之整體外觀斜視圖；圖2係表示該位移測量裝置在安全性評價用人體模型之軀幹骨骼部內之設置狀態之俯視圖；圖3係表示該位移測量裝置之最大伸長狀態之前視圖；圖4係表示該位移測量裝置之俯視圖； 圖5係該位移測量裝置之一部分以截面表示之俯視圖；圖6係圖5之局部擴大圖；圖7係圖4之A-A'線截面圖；圖8係圖4之B-B'線截面圖；圖9係表示該位移測量裝置之最大收縮狀態之截面圖；以及圖10係表示本發明之第二實施形態之位移測量裝置之前視圖。
以下，將參照附圖詳細說明本發明實施形態之位移測量裝置。然而，以下實施形態並不限定各申請專利範圍之發明，並且實施形態中所描述之特徵之所有組合對於發明內容而言並不一定是必須的。此外，在下面的實施形態中，舉例說明了如下內容，將本發明之位移測量裝置用於安全性評價用人體模型之軀幹骨骼部之內部，由此構成安全性評價系統。
圖1係具備本發明之第一實施形態之位移測量裝置之安全性評價用人體模型之局部透視之整體外觀斜視圖。圖2係表示該位移測量裝置在安全性評價用人體模型之軀幹骨骼部內之設置狀態之俯視圖。圖3係表示該位移測量裝置之最大伸長狀態之前視圖。
此外，圖4係表示該位移測量裝置之俯視圖，圖5係該位移測量裝置之一部分以截面表示之俯視圖。此外，圖6係圖5之局部擴大圖，圖7係圖4之A-A'線截面圖，圖8係圖4之B-B'線截面圖。另外，圖9係表示該位移測量裝置之最大收縮狀態之截面圖。
如圖1所示，安全性評價用人體模型(以下簡稱為「人體模型」。)100例如包括具有頸骨骼部105之頭部101、設有該頭部101之軀幹部102。此外，人體模型100包括安裝於該軀幹部102之一對臂部103、同樣安裝於該軀 幹部102之一對腿部104。軀幹部102例如構成人體模型100之胸部、軀體及腰部。
軀幹部102中包括軀幹骨骼部110。軀幹骨骼部110例如設置於坐姿或站姿之人體模型100之軀幹部102中。此外，軀幹骨骼部110例如藉由頸骨骼部105連接到頭部101。該軀幹骨骼部110例如包括近似於人體脊柱的脊柱部120及近似於人體胸廓之胸廓部130。
脊柱部120例如具有多個椎骨部121。胸廓部130具有多個肋骨部131，以便對於一個椎骨部121在人體模型100之左右方向上具備一對。此外，在軀幹骨骼部110之內部設置有多個本發明第一實施形態之位移測量裝置10。
具體而言，如圖2所示，為了能夠將碰撞試驗等中來自人體模型100左右方向之碰撞等引起之肋骨部131之變形作為位移量來進行測量，各位移測量裝置10在該左右方向上分別設有測量頭20，且測量頭20以整體上可伸縮之狀態來設置。也就是說，例如將軀幹骨骼部110之中心部作為中心，沿著通過該中心之上述左右方向，各位移測量裝置10分別設置於椎骨部121與左右之各肋骨部131之間。
如圖2所示，各位移測量裝置10包括在左右方向上各自整體上可伸縮之伸縮結構之測量頭20、測量相對於該測量頭20之基端(椎骨部121側)之前端(肋骨部131側)之位移量之測量部40。因此，在本實施形態中，位移測量裝置10分別測量作為位移測量對象之左右肋骨部131之位移量。
如圖3~圖5及圖7~圖9所示，位移測量裝置10之測量部40具有板狀之安裝基座41。該安裝基座41例如藉由安裝螺栓41a(參照圖2)安裝固定於椎骨部121。安裝基座41上具備向測量頭20之方向豎立之一對安裝板41b。
安裝板41b之間安裝有旋轉框架部41c，例如從測量頭20之伸縮方向(Z方向)來看，旋轉框架部41c形成為口字框架狀，例如旋轉框架部41c與安裝基座41之主表面平行，並且可以繞x軸旋轉，x軸與Z方向之z軸垂直。此外，一個安裝板41b之外側安裝有用於檢測該旋轉框架部41c之旋轉軸41d之旋轉角度之旋轉位移計51。
另一方面，在旋轉框架部41c之內側安裝有例如形成為矩形箱狀之旋轉基台41e，例如旋轉基台41e可以繞y軸旋轉，y軸分別與z軸及x軸垂直。此外，沿著y軸相對旋轉框架部41c之部分之一個外側安裝有用於檢測該旋轉基台41e之旋轉軸41f之旋轉角度之旋轉位移計52。
再者，安裝基座41、安裝板41b、旋轉框架部41c、旋轉軸41d、旋轉基台41e及旋轉軸41f之各部分構成自由度為2之萬向支架(gimbal)機構。此外，旋轉位移計51、52構成傾斜角度檢測手段，該傾斜角度檢測手段將圍繞x軸及y軸之旋轉角度分別作為位移測量裝置10整體之傾斜角度來檢測。此外，在旋轉基台41e之內部具備藉由旋轉板26d連接到測量頭20之旋轉位移計50。
為了整體可以伸縮，位移測量裝置10之測量頭20由不同直徑的多個圓筒體22、23、24、25、26與可自由進退地插入各圓筒體22~26中具有最小直徑之圓筒體22且其前端安裝固定到肋骨部131之圓柱狀或圓筒狀之前端部件21構成。再者，例如相對於肋骨部131之左右端部內側部分，該前端部件21藉由設置於其前端側之固定環21c安裝固定。
此外，這樣構成的測量頭20具有如下特徵。也就是說，測量頭20之各圓筒體22~26及前端部件21具有旋轉賦予機構，從而當內側的圓筒體22~25或前端部件21相對於外側的圓筒體22~26在Z方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下賦予旋轉運動。該旋轉賦予機構具有設置於多 個圓筒體之朝著Z方向傾斜之槽部或導引部、設置於多個圓筒體中除了直徑最大之圓筒體之外的圓筒體及前端部件之外周部且鬆動地嵌入外側相鄰之圓筒體之槽部之突起部或導引銷。更具體而言，旋轉賦予機構具有例如各自設置於位於外側之圓筒體22~26之傾斜槽部31、32、33、34、35。
此外，旋轉賦予機構具有從作為位於內側之圓筒體22~25及前端部件21之外周部之外周面21a、22a、23a、24a、25a突出並且以留有餘地之狀態嵌入(鬆動地嵌入)外側相鄰之圓筒體22~26之槽部31~35之突起部11、12、13、14、15。
這些突起部11~15例如沿著圓筒體22~25及前端部件21之圓周方向均勻設置。另外，從Z方向觀察時，設置於相鄰之圓筒體22~25之間或相鄰之圓筒體22及前端部件21之突起部11~15在圓周方向上錯開設置。具體而言，以突起部11為例，例如，如圖4所示，在前端部件21之圓周方向上間隔180°設置有兩個該突起部11。其他的突起部12~15分別在圓筒體22~25之圓周方向上間隔180°亦是設置有兩個。
另外，從Z方向觀察時，設置於相鄰之圓筒體22~25之間的突起部12~15在圓周方向上錯開設置。另外，從Z方向觀察時，設置於相鄰之圓筒體22及前端部件21之突起部12、11在圓周方向上錯開設置。更具體而言，從Z方向觀察時，突起部11~15在圓周方向上分別以錯開90°之狀態來設置。
另一方面，槽部31~35形成為對於各圓筒體22~26之軸(z軸)傾斜既定角度的狀態，例如傾斜2°~30°範圍之角度(在本實施形態中為25°)。各槽部31~35例如各自設置於對應各突起部11~15之位置。由於各槽部31~35像這樣設置成傾斜既定角度之狀態，因此與突起部11~15一同構成旋轉賦予機構，從而內側的圓筒體22~25或前端部件21相對於外側的 圓筒體22~26在Z方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下，使外側的各圓筒體22~26繞Z軸旋轉運動。
再者，各突起部11~15及各槽部31~35例如沿著如上所述之圓周方向以120°的間隔均勻設置3個，或者亦可以設置其以上的數量。像這樣在圓周方向上均勻設置，藉此可以極力防止使測量頭20伸縮之力之偏移。
再者，各槽部31~35及各突起部11~15較佳地形成為如下所述。在此，如圖6所示，以突起部13及槽部33為例進行說明，然其他的槽部31、32、34、35及突起部11、12、14、15亦可以形成為同樣的。
槽部33，其開口部分之切口內周面36可以形成為錐狀，開口直徑從圓筒體24之內周面27側向外周面24a側變大。與此同時，鬆動地嵌入該槽部33之突起部13可以形成為具有與切口內周面36一致之錐狀之突起外周面16。
再者，如圖所示，突起部13例如經由波墊圈17並藉由安裝螺栓18安裝於圓筒體23之外周面23a。安裝螺栓18之頭部與突起部13之間具備平墊圈17a。藉由這樣的結構，匹配之槽部33之切口內周面36與突起部13之突起外周面16即使在伴隨上述進退動作之旋轉動作時之滑動狀態下亦能夠以最佳的角度與最佳的接觸力藉由面接觸來保持鬆動嵌入狀態。
此外，雖然省略了圖示，但是各突起部11~15除了在圓周方向上均勻排列之外，亦可以沿著各槽部31~35之縱向設置多個。如果這樣，就可以更加有效地防止前端部件21及各圓筒體22~26伴隨測量頭20之伸縮而相對於z軸傾斜地進退。
此外，如上所述，由於旋轉板26d安裝於相對於前端部件21具有最大直徑之圓筒體26之基端側，所以藉由旋轉板26d連接到測量頭20之旋轉位移計50可以檢測伴隨測量頭20之伸縮而旋轉之各圓筒體22~26中具有最大 直徑之圓筒體26之旋轉角度，以便獲得相對於測量頭20之基端之前端之位移量。再者，各旋轉位移計50~52之輸出例如輸入至設置於安裝基座41上的感測器電路42。就旋轉位移計50而言，相對於測量頭20之總位移量之輸出旋轉角度在不超過360°之範圍內儘可能大，則高分辨率是可取的，因此相對於總位移量，輸出旋轉角度例如設定為60°~360°，較佳為設定為180°~360°。
感測器電路42根據旋轉位移計50之輸出值計算出肋骨部131之Z方向之位移量(距離)，旋轉位移計50之輸出值表示最大直徑的圓筒體26之旋轉角度，且伴隨肋骨部131之位移檢測出最大直徑的圓筒體26之旋轉角度。此外，感測器電路42根據旋轉位移計51、52之輸出值計算出位移測量裝置10之x軸及y軸之傾斜角度。然後，感測器電路42根據這些旋轉位移計50~52之輸出值計算出肋骨部131之三維位移量。
第一實施形態之位移測量裝置10藉由這種結構測量肋骨部131之位移量時，測量頭20可以追隨肋骨部131之位移速度整體收縮。此外，即使碰撞肋骨部131之力之輸入方向係上述傾斜方向，藉由各突起部11~15及槽部31~35之旋轉賦予機構之作用，測量頭20之收縮亦不會受阻。因此，可以線性地穩定地測量各肋骨部131之位移量。再者，位移測量裝置10中，由於測量頭20由具備上述旋轉賦予機構之伸縮結構組成，因此可用於反覆測量，此外，由於包含測量頭20及測量部40之各部分之機構本身也是簡單的結構，因此可以低成本製造。
圖10係表示本發明之第二實施形態之位移測量裝置之前視圖。再者，在包含圖10之以下描述中，與第一實施形態相同之構成元件給予相同的附圖標記，因此在下面省略重複說明。
如圖10所示，在本發明之第二實施形態之位移測量裝置10A中，測量頭20及測量部40之各部分之結構與第一實施形態之位移測量裝置10相同，然與第一實施形態之不同之處在於，測量部40之旋轉位移計50設置於旋轉基台41e之內部，並且測量頭20中設有可變電阻器60。因此，關於線性地穩定地測量位移量，可以期望更高的精確度。
可變電阻器60可以檢測例如相對於前端部件21之最大直徑之圓筒體26與其一個內側之圓筒體25之Z方向之位移。具體而言，可變電阻器60由設置於圓筒體25之外周面25a上之滑塊61與設置於圓筒體26之內周面27上之電阻體62構成。再者，橫跨圖10中之圓筒體25及圓筒體26之曲線示出了由曲線分割的部分表示與整個裝置之截面不同之局部截面。該可變電阻器60之輸出值與旋轉位移計50之輸出值一同輸入至感測器電路42，根據這個計算出肋骨部131之Z方向之位移量(距離)。再者，在感測器電路42中，例如根據輸入之輸出值，將圓筒體22~26之段數作為係數來用並對其相乘的結果，求出前端部件21之Z方向上之移動距離並算出肋骨部131之位移量，這樣亦是可以的。
藉由這樣的結構亦可以實現與第一實施形態相同之作用效果。再者，可變電阻器60亦可以跟第一實施形態之旋轉位移計50一樣，藉由旋轉板26d內置於旋轉基台41e中，並且將圓筒體26之旋轉位移作為電阻值之變化來檢測並輸出。
以上，雖然描述了本發明之幾個實施形態，但是這些實施形態係作為例子給出的，並不意圖限定本發明之範圍。這些新穎的實施形態可以由其他各種形態來實施，並且在不脫離本發明主旨的範圍內可以進行各種省略、替換、改變。這些實施形態及其變形包含在本發明的範圍及主旨內，與此同時包含在申請專利範圍所記載之發明與其等同範圍內。
例如，在上述實施形態中，相對於位移測量裝置10、10A之測量頭20之基端之前端之位移量，在位移測量裝置10中可以藉由旋轉位移計50來檢測，另外在位移測量裝置10A中可以分別藉由旋轉位移計50及可變電阻器60來檢測，然位移測量裝置可以被構造成僅包括可變電阻器60並代替旋轉位移計50。即使在這種情況下，伴隨測量頭20之伸縮，測量頭20之基端側藉由旋轉賦予機構旋轉，因此，相比僅僅使用線性運動進行測量，難以出現相互摩擦發出吱吱聲及扭曲等影響，可以準確測量。此外，在旋轉賦予機構中，槽部31~35相對於圓筒體22~25可以形成為螺旋狀(螺旋的(spiral)、螺旋形的(helical))，或者突起部11~15與槽部31~35之形成位置關係可與上述例子相反。此外，上述實施形態中的突起部11~15與槽部31~35之形狀可以採用其他各種形態，只要能夠維持鬆動嵌入狀態即可。此外，測量頭20也可以由一個圓筒體與可自由進退地插入該圓筒體之前端部件構成。

Claims (7)

  1. 一種位移測量裝置，包括：測量頭，為整體上可伸縮之伸縮結構；以及測量部，測量相對於該測量頭之基端之前端之位移量；其中，該測量頭由一個圓筒體或不同直徑的多個圓筒體、以及可自由進退地插入該一個圓筒體或該多個圓筒體中具有最小直徑之圓筒體且前端安裝固定到位移測量對象之圓柱狀或圓筒狀之前端部件構成，該一個或多個圓筒體及該前端部件具有旋轉賦予機構，當內側的圓筒體或前端部件相對於外側的圓筒體在伸縮方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下賦予旋轉運動，其中該測量部包括：位移檢測手段，附設於該測量頭上，並且包括旋轉位移計，其用於檢測相對於該前端部件之最大直徑之該圓筒體之旋轉角度；以及演算手段，根據該位移檢測手段之輸出值算出該位移測量對象之位移量。
  2. 一種位移測量裝置，包括：測量頭，為整體上可伸縮之伸縮結構；以及測量部，測量相對於該測量頭之基端之前端之位移量；其中，該測量頭由一個圓筒體或不同直徑的多個圓筒體、以及可自由進退地插入該一個圓筒體或該多個圓筒體中具有最小直徑之圓筒體且前端安裝固定到位移測量對象之圓柱狀或圓筒狀之前端部件構成，該一個或多個圓筒體及該前端部件具有旋轉賦予機構，當內側的圓筒體或前端部件相對於外側的圓筒體在伸縮方向上進行進退運動時，在其進退運動的帶動下賦予旋轉運動，其中該測量部包括：位移檢測手段，附設於該測量頭上，並且包括可變電阻器，其用於檢測最大直徑之該圓筒體與設置於其一個內側之圓筒體之該伸縮方向之位移；以及演算手段，根據該位移檢測手段之輸出值算出該位移測量對象之位移量。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之位移測量裝置，其中該旋轉賦予機構包括：槽部，設置於該外側之圓筒體上，並且相對於該伸縮方向傾斜；以及突起部，設置於該內側之圓筒體或前端部件之外周部上，並且鬆動地嵌入該槽部。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之位移測量裝置，其中該突起部沿著該圓筒體及該前端部件之圓周方向均勻設置，並且從該伸縮方向觀察時，設置於相鄰之圓筒體之間或相鄰之圓筒體及前端部件之該突起部在該圓周方向上錯開設置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之位移測量裝置，其中該測量部包括傾斜角度檢測手段，由多個旋轉位移計構成，其將圍繞相互垂直之軸之旋轉角度分別作為裝置整體之傾斜角度來檢測，且該相互垂直之軸垂直於該測量頭之軸。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之位移測量裝置，其中該測量部包括傾斜角度檢測手段，由多個旋轉位移計構成，其將圍繞相互垂直之軸之旋轉角度分別作為裝置整體之傾斜角度來檢測，且該相互垂直之軸垂直於該測量頭之軸。
  7. 如申請專利範圍第1或2項所述之位移測量裝置，其中該測量部包括傾斜角度檢測手段，由多個旋轉位移計構成，其將圍繞相互垂直之軸之旋轉角度分別作為裝置整體之傾斜角度來檢測，且該相互垂直之軸垂直於該測量頭之軸。
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