JP3915390B2 - 球体の位相取得装置、位相取得方法、ならびに、情報記録媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、球体の、これを回転可能に支持する支持部に対する位相を取得する位相取得装置、位相取得方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するプログラムを記録したコンピュータ読取可能な情報記録媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、ボールジョイントと呼ばれる自在継手が提案されている。このような自在継手では、継手部材の一方(自在継手部材)が球体に固定され、他方(支持継手部材)が球体を回転可能に支持する支持部に固定されている。
【0003】
これにより、自在継手部材は、支持継手部材に対してある程度の範囲(自在継手部材が支持部に衝突しない範囲)で自由な姿勢をとることができる。
【0004】
一方、コンピュータの入力装置として用いられるマウスでは、球体を支持部が支持し、この球体の回転量をローラなどで検出して、マウスの相対的な移動量を取得している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特に自在継手をアクチュエータや機械の関節部として使用する場合には、自在継手部材が支持継手部材に対してとる姿勢(位相)が取得できることが望ましい。
【0006】
また、マウスにおいては、球体の支持部に対する相対的な位相変化(ある基準位置からの位相変化)が得られるが、自在継手においては、絶対的な位相が得られることが望ましい。
【0007】
本発明は、以上の問題を解決するためになされたもので、球体の、これを回転可能に支持する支持部に対する位相を取得する位相取得装置、位相取得方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するプログラムを記録したコンピュータ読取可能な情報記録媒体を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する。
【0009】
本発明の第1の観点に係る位相取得装置は、球体と、支持部と、複数の光学センサと、取得部と、を備えるように構成する。
【0010】
ここで、球体は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンが印刷されている。
【0011】
一方、支持部は、球体を回転可能に支持する。
【0012】
さらに、複数の光学センサは、球体の表面に印刷された図形パターンを認識する。
【0013】
そして、取得部は、複数の光学センサにより認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0014】
本発明の第2の観点に係る位相取得装置は、球体と、支持部と、複数の電極センサと、取得部と、を備えるように構成する。
【0015】
ここで、球体は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンの電極が配置されている。
【0016】
一方、支持部は、球体を回転可能に支持する。
【0017】
さらに、複数の電極センサは、球体の表面に配置された電極に接触して、当該電極の図形パターンを認識する。
【0018】
そして、取得部は、複数の電極センサにより認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0019】
本発明の第3の観点に係る位相取得装置は、球体と、支持部と、複数の静電容量センサと、取得部と、を備えるように構成する。
【0020】
ここで、球体は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンの誘電体が配置されている。
【0021】
一方、支持部は、球体を回転可能に支持する。
【0022】
さらに、複数の静電容量センサは、球体の表面に配置された誘電体との静電容量を検出して、当該誘電体の図形パターンを認識する。
【0023】
そして、取得部は、複数の静電容量センサにより認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0024】
また、本発明の位相取得装置において、互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を同じ面積の複数の小正方形に分割し、当該分割された小正方形のいずれかを選択して得られる図形パターンであるように構成することができる。
【0025】
また、本発明の位相取得装置において、互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を4つの小正方形に分割し、当該分割された小正方形のそれぞれの対角線のいずれかもしくは双方を選択して得られる図形パターンであるように構成することができる。
【0026】
本発明の第4の観点に係る位相取得装置は、球体と、支持部と、複数の磁気ヘッドと、取得部と、を備えるように構成する。
【0027】
ここで、球体は、磁気分極している。
【0028】
一方、支持部は、球体を回転可能に支持する。
【0029】
さらに、複数の磁気ヘッドは、球体が支持部に対して回転することにより変化する磁束を検出する。
【0030】
そして、取得部は、複数の磁気ヘッドにより検出された磁束の変化より、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0031】
また、本発明の位相取得装置は、自在継手部材と、支持継手部材と、をさらに備えるように構成することができる。
【0032】
ここで、自在継手部材は、球体に固定される。
【0033】
一方、支持継手部材は、支持部に固定される。
【0034】
そして、取得部により取得される位相は、支持継手部材に対する自在継手部材の姿勢である。
【0035】
本発明の第5の観点に係る位相取得方法は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンが印刷された球体と、球体を回転可能に支持する支持部と、の位相を取得し、光学センス工程と、取得工程と、を備えるように構成する。
【0036】
ここで、光学センス工程では、支持部の複数の場所から、球体の表面に印刷された図形パターンを光学的に認識する。
【0037】
一方、取得工程では、光学センス工程にて認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0038】
本発明の第6の観点に係る位相取得方法は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンの電極が配置された球体と、球体を回転可能に支持する支持部と、の位相を取得し、電極センス工程と、取得工程と、を備えるように構成する。
【0039】
ここで、電極センス工程では、支持部の複数の場所から、球体の表面に配置された電極に接触する電極より、当該球体の表面に配置された電極の図形パターンを認識する。
【0040】
一方、取得工程では、電極センス工程にて認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0041】
本発明の第7の観点に係る位相取得方法は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンの誘電体が配置された球体と、球体を回転可能に支持する支持部と、の位相を取得し、静電容量センス工程と、取得工程と、を備えるように構成する。
【0042】
ここで、静電容量センス工程では、支持部の複数の場所から、球体の表面に配置された誘電体との静電容量を検出して、当該誘電体の図形パターンを認識する。
【0043】
一方、取得工程では、静電容量センス工程にて認識された図形パターンより、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0044】
また、本発明の位相取得方法において、互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を同じ面積の複数の小正方形に分割し、当該分割された小正方形のいずれかを選択して得られる図形パターンであるように構成することができる。
【0045】
また、本発明の位相取得方法において、互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を4つの小正方形に分割し、当該分割された小正方形のそれぞれの対角線のいずれかもしくは双方を選択して得られる図形パターンであるように構成することができる。
【0046】
本発明の第8の観点に係る位相取得方法は、磁気分極した球体と、球体を回転可能に支持する支持部と、の位相を取得し、磁気センス工程と、取得工程と、を備えるように構成する。
【0047】
ここで、磁気センス工程では、支持部の複数の場所から、球体が支持部に対して回転することにより変化する磁束を検出する。
【0048】
一方、取得工程では、磁気センス工程にて検出された磁束の変化より、球体の支持部に対する位相を取得する。
【0049】
また、本発明の位相取得方法は、以下のように構成することができる。
【0050】
すなわち、球体は、当該球体に固定される自在継手部材を有する。
【0051】
一方、支持部は、当該支持部に固定される支持継手部材を有する。
【0052】
さらに、取得工程にて取得される位相は、支持継手部材に対する自在継手部材の姿勢である。
【0053】
本発明の第9の観点に係るコンピュータ読取可能な情報記録媒体は、コンピュータに上記位相取得方法を実行させるプログラムを記録するように構成する。
【0054】
また、本発明の情報記録媒体は、コンパクトディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ディジタルビデオディスク、磁気テープ、または、半導体メモリであるように構成することができる。
【0055】
また、本発明の情報記録媒体をWWW(World Wide Web)のサーバコンピュータに装着して、ここから適宜プログラムをダウンロードし、上記コンピュータに記憶させてプログラムを更新し、更新されたプログラムをコンピュータに実行させることにより、本発明の位相取得装置および位相取得方法を実現することができる。
【0056】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本願発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【0057】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の位相取得装置の第1の実施形態に係るボールジョイントの概要を示す断面図である。以下、本図を参照して説明する。
【0058】
ボールジョイント(自由継手)101は、球体102と、支持部103と、複数の光学センサ104と、取得部105と、を備える。本図は、球体102と光学センサ104については外観を、支持部103については断面を、それぞれ示している。
【0059】
球体102は、表面が複数の区画に分割され、当該複数の区画のそれぞれには互いに異なる図形パターンが印刷されている。印刷には、たとえば、レーザマーキングなどの技術を利用することができる。
【0060】
また、球体102には、自在継手部材112が固定されており、支持部103には、自在継手部材113が固定されている。本実施形態のボールジョイント101は、自在継手部材112が支持部103に対してなす位相(姿勢)を取得する。
【0061】
また、自在継手部材112と自在継手部材113とにより、ボールジョイント101を他の部材に接続することができ、後述するように駆動部131を用いることにより、アクチュエータとして利用することもできる。
【0062】
支持部103は、球体102を回転可能に支持する。このため、支持部103には、玉軸受121と、加圧バネ122と、押さえ123と、の組を複数配置してある。
【0063】
複数の光学センサ104は、球体102の表面に印刷された図形パターンを認識する。
【0064】
取得部105は、複数の光学センサにより認識された図形パターンより、球体102の支持部103に対する位相を取得する。
【0065】
球体102の表面に印刷される互いに異なる図形パターンとしては、本実施形態では、以下を採用する。
【0066】
すなわち、図形パターンの単位は、正方形である。各正方形は等面積の小正方形に分割されている。たとえば、正方形を4×4の小正方形に分割した場合、各小正方形に対して所定の色を塗布するか否かにより、2の(4×4)乗 = 65536通り(パターンの回転を考慮すれば65536/4 = 16384通り。)のパターンが得られる。図2に、この図形パターンの例を示す。
【0067】
本図に示すように、小正方形の内部が適宜所定の色に塗られている。また、図形パターン全体の外周の線も所定の色で塗って、光学的な認識精度を高めてもよい。
【0068】
これらの図形パターンを球体102の表面にできるだけ等間隔に配置して印刷する。たとえば、球体102を地球儀に見立てて、その緯線と経線に各正方形の辺が直交もしくは平行するように配置する。
【0069】
複数の光学センサ104が2つの場合は、当該光学センサ104を結ぶ線分は、球体102の中心を通らないように配置する。3つ以上の場合は、当該光学センサ104ができるだけ等間隔になるように、ただし、これらの光学センサが張る平面が球体102の中心をできるだけ通らないように、配置する。このように配置することにより、取得する位相の誤差をできるだけ小さくすることができる。
【0070】
光学センサ104は、それぞれ、現在もっとも当該光学センサ104の近くにある球体102表面の様子をCCD(Charge-Coupled Device)カメラなどで光学的に読み取ってその画像を取得し、公知の図形認識手法などを用いて認識する。
【0071】
一方、取得部105にあらかじめ用意されたデータベース(図示せず。)は、光学センサ104のそれぞれが認識する図形パターンと、そのときの球体102と、を対応付けて、あらかじめ登録している。
【0072】
図3は、このようなデータベースの概念的な構成を示す模式図である。以下、本図を参照して説明する。
【0073】
データベースには、各光学センサ104が認識する図形パターンと、そのときの球体102と支持部103との対応関係が登録されている。
【0074】
各光学センサ104の位置関係による制限があるため、光学センサ104が2つある場合であっても、図形パターンの組合せ数は、16384×16384通りよりははるかに少ない数になり、最大で454パターンである。
【0075】
複数の光学センサ104が認識した図形パターンを取得部105に与えると、取得部105は、当該図形パターンを鍵としてデータベースを検索して、位相を取得する。
【0076】
このようなデータベースを構成するには、あらかじめ所定のアルゴリズムにしたがって図形パターンを球体102の表面に配置し、これと、光学センサ104のそれぞれの配置から、計算により求めることができる。
【0077】
また、実機を用いて実験によりデータベースに登録すべきデータを求めることも可能である。この場合は、球体102と支持部103との位相を外部から検出する測定装置と、そのときの光学センサ104の認識結果とを取得して、データベースに記録すればよい。
【0078】
なお、本実施形態では、ボールジョイントとして用いる部分に球体102、支持部103のほか光学センサ104を配置し、これを測定制御するコンピュータ側に取得部105を配置するが、光学センサ104のうち、図形パターンを認識する昨日は、コンピュータ側に配置してもよい。パターン認識機能を備える光学センサ104として小サイズかつ低価格のものが提供されるようになった場合は、これを用い、そうでなければ、CCDカメラのみをボールジョイント側に配置するなど、用途やコスト要求に応じて適宜実施態様を選択することができる。
【0079】
さて、上記の構成により、ボールジョイントの位相を取得することができる。したがって、球体102を支持部103に対して回転させるような駆動部があれば、これをアクチュエータとして応用することができ、たとえば、ロボットの腕などとして利用することができる。
【0080】
本実施形態では、駆動部131として楕円振動する接触端を備えた圧電振動子からなるステータを支持部103に3つ用意してある(図示しないものあり。)。これにより、X軸、Y軸、Z軸方向の回転を可能にする。
【0081】
これらの駆動部131は、制御部132によって制御される。制御部132は、取得部105から得た現在の位相と、目標とする位相との相違を求めて、これらが一致するまで、適宜複数の駆動部131を駆動する。
【0082】
これらの配置については、たとえば、特開平11−18459号公報に開示される配置等を採用することができる。また、ステータとしては、特開平5−15176号公報、特開平7−87764号公報に開示される超音波モータ等を採用することができる。
【0083】
たとえば、ペットロボットの手足などに本実施形態のアクチュエータを用いる場合について考える。諸元は、以下のように考えられる。
・体重(全加重)は、2kg。
・手足の長さは、5cm。
・球体102の直径は、2cm。
・加重は、4本の手足に均等にかかる。
・球体102と駆動部131との摩擦係数は、0.2。
【0084】
これより、アクチュエータの回転トルクは、およそ2.5kgf・cm(0.245N・m)以上必要であり、球体表面の進行力は、2.5kg重(24.5N)以上必要であることがわかる。したがって、ステータの加圧は、12.5kg重(123N)以上で行う必要がある。
【0085】
(第2の実施形態)
上記実施形態では、光学センサ104を複数用意したが、球体102の支持部103に対する回転可動範囲に制限がある場合は、1つの図形パターンの位置と、その図形パターンが光学センサ104に対して傾いている角度から、直ちに位相が取得できる場合もある。この場合は、光学センサ104の数を1つにしてもよい。
【0086】
この場合、データベースに登録されるレコードの数は、球体表面に配置された図形パターンの数と同じになる。データベースから得られた数値に、図形パターンの光学センサ104に対する傾きを考慮して計算することにより、位相を得ることができる。
【0087】
(第3の実施形態)
上記実施形態では、球体102の表面に図形パターンを印刷し、その図形パターンを光学的に読み取って図形認識を行うことにより、球体102の位相を取得していた。
【0088】
このほかに、以下のような組合せで、球体102の表面の図形パターンを認識することが可能である。
・球体102の表面に、図形パターンの形状の電極を配置する一方で、センサとして電極センサを用いる。電極センサには、複数の導電ブラシが用意されており、導電ブラシのいずれが導電されているかを検知することにより、図形パターンを認識することができる。
・球体102の表面に、図形パターンの形状に、球体102とは誘電率が異なる部材を印刷、塗布、埋め込み等する一方で、センサとして誘電率センサを用いる。このほか、球体102を誘電体とし、その表面に、図形パターンの形状に凹部もしくは凸部を設け、センサとして誘電率センサを用いる。誘電率が図形パターンの場所によって異なるようになるため、図形パターンを認識することができる。
【0089】
(第4の実施形態)
上記実施形態では、4×4の小正方形を塗り分けることによって、全体の正方形の図形パターンを作成していた。図4は、本実施形態に係る図形パターンの様子を示す説明図である。
【0090】
本実施形態では、図形パターンとして、2×2の小正方形を考える。各小正方形に対して、以下のような図形を割り当てる。
・右上から左下への対角線。
・右下から左上への対角線。
・両方の対角線。
・なし。
【0091】
これにより、各小正方形に割り当てられるのは4通りとなり、図形パターンとしては、4の4乗 = 256通りが得られ、回転を考慮しても、256/4 = 64通りが得られる。
【0092】
図4に示すように、小正方形のそれぞれの外周は何も塗らなくてよい。本図では、これを点線で示している。
【0093】
(第5の実施形態)
上記実施形態では、球体102の位相を、所定の図形パターンを用いて測定したが、本実施形態では、磁気分極を用いる。
【0094】
すなわち、球体102は磁気分極しており、磁気ヘッドを用いて磁束の変化を検出し、これから、球体102の支持部103に対する位相を検出する。
【0095】
磁気ヘッドを複数用意して、これらの測定結果を調べれば、電磁気学の基礎的な理論を用いて、計算により、球体102の位相を得ることができる。
【0096】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、球体の、これを回転可能に支持する支持部に対する位相を取得する位相取得装置、位相取得方法、ならびに、これらをコンピュータにより実現するプログラムを記録したコンピュータ読取可能な情報記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の位相取得装置の第1の実施形態に係るボールジョイントの概要を示す断面図である。
【図2】 第1の実施形態において利用する図形パターンの様子を示す説明図である。
【図3】 図形パターンの組合せから位相を得るためのデータベースの概念的な構成を示す説明図である。
【図4】 第4の実施形態において利用する図形パターンの様子を示す説明図である。
【符号の説明】
101 ボールジョイント
102 球体
103 支持部
104 光学センサ
105 取得部
112 自由継手部材
113 自由継手部材
121 玉軸受
122 加圧バネ
123 押さえ
131 駆動部
132 制御部
Claims (12)
- 表面が複数の区画に分割され、前記区画には互いに異なる図形パターンの電極が配置された球体と、前記球体を回転可能に支持する支持部と、前記球体の表面に配置された電極に接触して、当該電極の図形パターンを認識する複数の電極センサと、前記複数の電極センサにより認識された図形パターンより、前記球体の前記支持部に対する位相を取得する取得部と、を備える位相取得装置。
- 表面が複数の区画に分割され、前記区画には互いに異なる図形パターンの誘電体が配置された球体と、 前記球体を回転可能に支持する支持部と、前記球体の表面に配置された誘電体との静電容量を検出して、当該誘電体の図形パターンを認識する複数の静電容量センサと、前記複数の静電容量センサにより認識された図形パターンより、前記球体の前記支持部に対する位相を取得する取得部と、を備える位相取得装置。
- 前記互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を同じ面積の複数の小正方形に分割し、当該分割された小正方形のいずれかを選択して得られる図形パターンであることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の位相取得装置。
- 前記互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を4つの小正方形に分割し、当該分割された小正方形のそれぞれの対角線のいずれかもしくは双方を選択して得られる図形パターンであることを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載の位相取得装置。
- 前記球体に固定される自在継手部材と、前記支持部に固定される支持継手部材と、をさらに備え、前記取得部により取得される位相は、前記支持継手部材に対する前記自在継手部材の姿勢であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の位相取得装置。
- 表面が複数の区画に分割され、前記区画には互いに異なる図形パターンの電極が配置された球体と、前記球体を回転可能に支持する支持部と、に対して、前記支持部の複数の場所から、前記球体の表面に配置された電極に接触する電極より、当該球体の表面に配置された電極の図形パターンを認識する電極センス工程と、前記電極センス工程にて認識された図形パターンより、前記球体の前記支持部に対する位相を取得する取得工程と、を備える位相取得方法。
- 表面が複数の区画に分割され、前記区画には互いに異なる図形パターンの誘電体が配置された球体と、前記球体を回転可能に支持する支持部と、に対して、前記支持部の複数の場所から、前記球体の表面に配置された誘電体との静電容量を検出して、当該誘電体の図形パターンを認識する静電容量センス工程と、前記静電容量センス工程にて認識された図形パターンより、前記球体の前記支持部に対する位相を取得する取得工程と、を備える位相取得方法。
- 前記互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を同じ面積の複数の小正方形に分割し、当該分割された小正方形のいずれかを選択して得られる図形パターンであることを特徴とする請求項6または7のいずれか1項に記載の位相取得方法。
- 前記互いに異なる図形パターンは、所定の正方形を4つの小正方形に分割し、当該分割された小正方形のそれぞれの対角線のいずれかもしくは双方を選択して得られる図形パターンであることを特徴とする請求項6または7のいずれか1項に記載の位相取得方法。
- 前記球体は、当該球体に固定される自在継手部材を有し、前記支持部は、当該支持部に固定される支持継手部材を有し、前記取得工程にて取得される位相は、前記支持継手部材に対する前記自在継手部材の姿勢であることを特徴とする請求項6ないし9のいずれか1項に記載の位相取得方法。
- コンピュータに、請求項6ないし請求項10のいずれか1項に記載の位相取得方法を実行させることを特徴とするプログラムを記録したコンピュータ読取可能な情報記録媒体。
- 前記情報記録媒体は、コンパクトディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ディジタルビデオディスク、磁気テープ、または、半導体メモリであることを特徴とする請求項11に記載の情報記録媒体。
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