JPS60147654A

JPS60147654A - 姿勢センサ

Info

Publication number: JPS60147654A
Application number: JP59004011A
Authority: JP
Inventors: Kazue Nishihara; 主計西原; Ryoichi Hashimoto; 亮一橋本
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1984-01-12
Filing date: 1984-01-12
Publication date: 1985-08-03

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、ロボット腕等のごとく、可搬重量が小さく、
旋回の激しい可動作業装置に装着するのに適した小形の
姿勢センサに関するものであり。

特に被験体の傾き角度、角速度、角加速度を検出するた
めの姿勢センサに関するものである。

移動機械には何らかの姿勢認識装置を必要とする場合が
多く、飛行機、船にはレートジャイロが、また最近の自
動車ではガスレートジャイロが用いられ、自動的に方位
を検出できるようにしている。作業ロボット、移動作業
ロボット、２足歩行ロボットなどにも姿勢検出器が有効
で、作業ロボットでは可動腕とは別の系に視覚装置をお
き、腕の姿勢を画像としてとらえる方法があるが、視覚
装置としてのカメラはかなりの重量をもち、そのため、
直接腕の先端もしくは腕の各関節等に装着して、腕の姿
勢の認識を容易、正確に行うことはむづかしい。さらに
、移動作業ロボットでは車体に視覚装置を搭載すること
ができ、必要に応じてジャイロも搭載することができる
。しかし、その視覚装置の情報の大半は移動環境の認識
とワークの選択に使われ、ハンドの制御を行うには不便
がある。また、ジャイロは作業腕に装着するには重すぎ
る。

一方、２足歩行ロボットは不安定系であるため、姿勢制
御が不可欠であるが、現状では、振子の鉛直軸からの振
れによる傾きセンサが用いられる程度で、速度、角速度
は検出されていない。しかし、今後の制御技術の進歩と
ともに小形軽量のセンサで角速度や角加速度を検出する
必要が生じてくるものと思われる。

このような現状に鑑み、本発明は、ジャイロ、視覚カメ
ラ等に比べて十分小形軽量であり、かつ原理的には微小
なまでに小形化し得る姿勢センサを提供しようとするも
ので、特に環状容器内の液体流動速度が外部から加えら
れる角速度に依存することに着目し、環状容器−液体系
によって角度、角速度、角加速度の検出を可能にするも
のである。

即ち、本発明の姿勢センサは、環状容器内に液体を封入
し、その容器内の液体流路における対称位置に、質量及
びばね成分をもつ弁構造体を対にして組入れ、これらの
弁構造体と容器との間に、容器内液体の流動に伴って生
じる弁構造体の変位により対向面積あるいは対向距離が
変化してそれを静電容量の変化として検出する一対の電
極を対設したことを特徴とするものである。

以下、本発明の実施例について説明するに先立ち、まず
、環状容器内の液体流動速度が外部から加える角速度に
依存することを説明する。

第１図（ａ）はロボット座標系を示し、同図（ｂ）は、
そのロボント腕の先端に取付ける環状容器−液体系の姿
勢センサ１の座標系を示すものであｌる。

いま、第１図（ａ）に示すような静止座標０−ＸＹＺ（
Ｋｏ）系において、ロボットの腕ｒ、を角度φ０．θ８
．ψ８だけ回転し、その先端位置０′での局所座標０′
−ξｒ　ξθ　ξ中（Ｋａ）系に第１図（ｂ）のセンサ
系０′−ζｒ　ζφ　ζ２　（Ｋζ）系が取付けられて
いるとする。また、センサ１の環状容器内の液体はｒｂ
で表わし、Ｋｏ系から自系へ、ｉｃｅ系からにζ系への
変換マトリックスをそれぞれＡ、Ｂとする。この場合に
おいて、センサ系は０′位置に固定されているので、φ
ｂ、θｂ、ψｂは一定で、ωｂ＝０である。

なお、簡単のため、液体の流動はφｂ力方向のみ起こる
と仮定し、 υｂ＝（０，ｖ。、０）１とおく。さらに、この場合の流動ではφｂ力方向圧力勾
配、速度勾配は０である。

面して、 Ωｂ＝Ω８＋ωｂ、　Ω、＝Ｂωａと表わすとき、Ｋｃ系で記述する液体の運動方程式％式
％ただし、νは動粘性係数、Ｓ　（ｒ、ｚ、ｔ）は外力で
あり、この外力Ｓ　（ｒ、ｚ、ｔ）は、α８をＲａの併
進加速度、ｖａをＲａの併進速度として、Ｓ　（ｒ、ｚ、ｔ）　＝　ａ、＋　（Ｍ、Ｘ　Ｒ，＋　
１１ｂｘ　ｒｂ）＋２（Ω、ｘｖａ＋Ωｂ×υｂ）＋（Ωａ×（ΩａｘＲａ）＋Ωｂ×（Ωｂｘｒｂ））串
・・（３）となる。

第２図（ａ）は計算に用いたモデルを示すもので、同図
に示す如く、Ｋζ系の原点０′がＫ。系の原点Ｏに一致
させ、容器をＺ軸回りに第２図（ｂ）に示す角速度ω２
で回転させる場合には、式（３）は、ｕｂ −−ｙ　Ｖ２υｂ＝　ｒｉ３□　Ｏ・　番　（４）ｔとなり、ν→０の極限において、液体速度υｂの回″転
方向成分υ。は、与えられる角速度ω２に比例すること
がわかる。

第３図は、第２図（ｂ）のステップ状角速度入力に応動
する環状容器内の液体の平均流速０゜が動粘性係数νに
依存した特性を有すること、を示し、特に動粘性係数ν
が小さい場合には流速Ｖゆが角速度に追従でき、例えば
、ν＝０．００１　（水銀に相当）のものは９５％の確
度をもつことがわかる。

次に、第４図（ａ）（ｂ）に示すような姿勢センサのモ
デルによって角運動量について考察する。第４図（ａ）
は、流路断面の中心線の半径なａとし、流路断面の半径
をｂとした円環状容器２を動座標０′−ζｒ　ζφ　ζ
２系の原点０′に一致させて配置した状態を示し、同図
（ｂ）は、−上記センサ１における円１状容器２の一部
に、弁構造体３として、液体流動をほぼ妨げるような面
状弁４の一端を、ばね要素ｋを旧設したヒンジ５によっ
て取付けた状態を示している。

このように、円環状容器２内に液体流動を１１妨げるよ
うに弁構造体３を配置した場合にお０て、点線で囲った
検査面をＳ、その体積をＶとするとき、角運動量の方程
式は、で与えられる。ただし、ρは液体の密度、ｒｂは液体の
位置、ｅは検査面に沿って働く応力、Ｆマは弁の中央に
おいて液体を押す力、Ｓは式（３）によって与えられる
外力である。上記式（５）は、右辺第１項を滑らかな円
管の層流管摩擦として見積ると、第２図（ａ）の簡単な
例のとき、以下の近似方程式が導かれる。

唇＋　ｃｃｊ＋　＋　ｋｃφ＝−ω２＊　＊　（６）た
だし、Ｃｏ＝８　ν／　ｂ２．ｋｏ＝　）Ｃ／ρｖｂ２である
。

式（８）は角度φに対する振動方程式であり、左辺第２
項、第３項の定数の与え方により、角度、角速度、角加
速度の検出領域が存在する。それを極く簡単に調べると
、ｋｏ→小とする極限では、式（８）％式％（７）となり、液体変位φは角速度を直接計測し、時間と共に
指数関数的に平衡状態に落ち付く。また、ｋ０→大にお
いて、Ｃｃ↓＋ｋｃφキーω２　拳・（８）となり、角変位φは角加速度を直接計測する。

次に、上述したところに従って姿勢の検出を行う本発明
の姿勢センサの実施例について説明する。

本発明に係る姿勢センサは、上記第４図（ａ）　（ｂ）
１に示すモデルによっても明らかなように、滑らか量に
閉じた環状容器２内に水、絶縁油、水銀等の適宜液体を
封入し、その環状容器−液体系が空間運動を行ったとき
、その運動における角速度もしくは角加速度成分により
引き起こされる液体の流動に伴う液圧変動を、弁構造体
３の変位とじて計測するものである。上記弁構造体３は
、質量及びばね成分をもつ面状弁あるいは柔軟薄膜等に
よって構成され、環状容器２内の流路における液体の流
動をほぼ妨げるように配設される。

第５図（ａ）〜（Ｃ）は、本発明の姿勢センサの実施例
を示すもので、液体を封入した環状容器２内の液体流路
に、弁構造体３を構成する片側ヒンジの面状弁４を、そ
の両側からばね８．θで支えた状態で設置し、この面状
弁４の自由端に設けた質量７を絶縁された導電性材料に
より形成して、電極としても機能させ、これを環状容器
２の外壁内面に設けた電極８，８と対向させることによ
り、弁構造°体３の変位で両電極の対向面積が変化した
とき゛に、それを静電容量の変化として検出できるよう
（に゛構成している。而して、上記環状容器２の外壁内
面の電極８．８を面状弁４のヒンジ軸９を中心とする半
円筒状（または半円環状）に形成すると共に、弁構造体
３の質量７を上記外壁の曲率に合わせて湾曲させた板状
とし、さらに上記電極８，８を一対の逆向きのくさび状
に形成している。なお、環状容器内に封入する液体が誘
電体でない場合には、各電極を絶縁する必要がある。

このような姿勢センサにおける弁構造体３は、環状容器
−液体系の空間運動における角速度もしくは角加速度成
分により引き起こされる内部液体の流動で生じる液正に
よって変位し、従ってその変位を面状弁４と容器内壁に
設けた電極における対向面積の変化に応じた静電容量変
化として計測することにより、角速度もしくは角加速度
等による姿勢の検出を行うことができ、特に、くさび状
に形成した電極８．８と、面状弁４に設けた電極を兼ね
る質量７とは、弁構造体３の傾動に伴って電一対向面積
が一方で増加すると共に他方で減少す葛ため、その双方
の静電容量変化を取り出すことにより、上記角速度もし
くは角加速度の大きさ、方向を計測することができる。

また、上記のように弁構造体３の質量が大きくなると、
慣性が無視できなくなり、センサが回転運動のみならず
、併進運動にも応動することになる。第４図（ａ）及び
第５図（ａ）において環状容器１０の対称位置に対にし
て組入れた弁構造体３及び対をなす電極は、それを補償
するためのものである。即ち、それらの姿勢センサでは
、環状容器の流路の対称の位置に同一の弁構造体３を設
けているため、両弁構造体の傾動の差から上記併進運動
の影響を消去して回転運動についての角速度、角加速度
の計測を行うことができる。さらに、上記姿勢センサは
ロボット等のどの位置にどのように取り付けられるがわ
からず、従って重力による初動たわみがばねに発生して
いるが、それについても−上記と同様に二対の電極を設
けることにより補−償することができる。

第６図（ａ）（ｂ）に示す実施例は、円盤状をなす容器
の外周壁１１に対向させて一対の弧状の内周壁１２．１
２を設けることにより、それらの間に環状の流路１３を
もつ環状容器を構成し、剛性のある板によって形成した
面状弁１５の両端に質量１Ｂ　、　ｌｆｔを取付けて、
その面状弁１５の中心位置をピボット１７により上記容
器の中心に回転可能に支持させ、また上記面状弁１５の
両面と容器の内周壁１２．１２との間にばね１８を介装
し、これによって環状容器内における液体流路の対称位
置に対にして組入れる一対の弁構造体１４を形成させて
いる。

而して、上記面状弁１５に数個けた質量１６．１８は、
それらを絶縁された導電性材料により形成して、電極と
しても機能させ、これらを環状容器の外周壁１１内面に
設けたくさび状の電極１９と対向させている。環状容器
の対称位置に配設した上記一対のくさび状電極１９．１
９は、面状弁１５がピボット１７のまわりでいずれかの
方向に回転したとき、面状弁１５に設けた電極との対向
面積が一方の電極１８において増大し、他方の電極１３
において減少するように、逆向きのくさひ状としたもの
である。

このような構成により、弁構造体１４の変位で両電極の
対向面積が変化したときには、その変位の大きさ及び方
向、即ち角速度あるいは角加速度を静電容量の変化とし
て検出することができる。また、液体流動に伴う作用力
が弁構造体１４に作用しないときには、ばね１８の反力
により弁構造体１４が初期位置に復帰することになる。

第７図（ａ）（ｂ）は、環状容器内に配設する弁構造体
の異なる構成例を示すもので、環状容器２の液体流路２
０を遮断するように配設した一対のダイヤフラム２２，
２２を絶縁体２３．２４及び可動電極２５．２５で一体
に連結することにより弁構造体２１を構成している。こ
の弁構造体２１は、絶縁体２３．２’４及び電極２５．
２５が質量をもち、ダイヤフラム２２，２２がばねとし
ての機能をも有するものである。このような構成にする
と、両ダイヤフラム２２，２２の外側の流動液体と両ダ
イヤフラム間の流体をそれぞれの機能に適した別異のも
のとすることができ、例えば上記外側の流動液体として
粘度の小さい水や水銀を用い、両ダイヤフラム間には空
気や稀ガス、絶縁油あるいはその他の誘電体などを封入
することができる。

上記一対のダイヤプラム２２．２２間に絶縁体を介して
取付けた可動電極２５．２５は、相互に逆方向に向くく
さび状としたものであり、しかもこの可動電極２５は第
７図（ｂ）かられかるように数枚の電極板２５ａを間隔
を置いて重設することにより構成し、一方、環状容器２
には上記可動電極の電極板２５ａ間にそれと平行する数
枚の電極板２８ａを突出させた固定電極２６を設け、そ
れぞれの電極を絶縁□膜で被うなどして非接触とし、ダ
イヤフラムの変動を電極２５．２６間の静電容量変化と
して検出できるように構成している。

第８図に示す実施例は、上記第７図の実施例と同様に、
環状容器２における液体流路３０に二つのダイヤフラム
３２，３２を設け、それらのダイヤフラム３２，３２を
絶縁棒３３を介して直結し、環状容器２にそれらのダイ
ヤフラム３２，３２間の中央部に位置して上記絶縁棒３
３が遊嵌する孔３５をもった固定電極３４を取付けてい
る。また、上記絶縁棒３３には、固定電極３４と平行で
その両側から等距離の位置にそれぞれ可動電極３６．３
８を取付けている。

従って、ダイヤフラム３２，３２の変位により、固定電
極３４の両側の電極間ギャップが変動したとき、それを
静電容量変化として検出することができる。なお、上記
ダイヤフラム３２，３２間に絶縁油等を封入することに
より、ダンピング、比誘電率などを改善することができ
る。

上述の姿勢センサにおける環状容器内の液体流路は、そ
の流路断面積が一様である必要はなく、第９図に示すよ
うに、弁構造体４１の収容部分のみを１膨大部４２．４
２とし、一対の膨大部４２．４２間における流動部４３
．４３を、例えば膨大部の１０００程度の断面積の細管
によって形成することができ、これによってセンサ全体
を著しく小形化することができる。

また、上述した弁構造体４１及びそれらに付設する電極
は、環状容器４０内における一対の対称位置だけでなく
、第１θ図に例示するように、環状容器４０内の二対の
対称位置に配設することもできる。

また、３次元的な姿勢の検出を行うためには、第１１図
に示すように、互いに直交する三っ゛の平面内に位置す
る環状容器５１，５２．５３を連結体５４において相互
に連通状態に連結し、各環状容器５１，５２．５３にそ
れぞれ−・対の弁構造体及びその変位を検出する電極を
設ければよい。

以上に詳述したところから明らかなように、本１発明に
よれば、ロボット腕等に付設するのに適しまた簡単で小
形な姿勢センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明の基本原理を説明するため
のロボット座標系及びセンサ座標系についての説明図、
第２図（ａ）（ｂ）は計算に用いたセンサのモデルの構
成図及びステップ状角速度入力の波形図、第３図は上記
ステップ状角速度入力に応動する液体の平均流速につい
ての計算結果を示す線図、第４図（ａ）　（ｂ）は計算
のための姿勢センサのモデルの構成図及び部分拡大構成
図、第５図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例の一部破断
正面図、要部側断面図及び外壁内面の展開図、第６図（
ａ）　（ｂ）は本発明の他の実施例の断面図及び外周壁
内面の展開図、第７図（ａ）（ｂ）及び第８図は弁構造
体の異なる構成例を示す断面図、第９図及び第１０図は
本発明のさらに異なる実施例の平面図、第１１図は同斜
視図である。指定代理人工業技術院製品科学研究所長高嬌枚司第３５図 −２一θ （・）第７図　＜ｂ＞第　８　図

Claims

【特許請求の範囲】

１、環状容器内に液体を封入し、その容器内の液体流路
における対称位置に、質量及びばね成分をもつ弁構造体
を対にして組入れ、これらの弁構造体と容器との間に、
容器内液体の流動に伴って生じる弁構造体の変位により
対向面積あるいは対向゛距離が変化してそれを静電容量
の変化として検出する一対の電極を対設したことを特徴
とする姿゛勢センサ。