JPH0629723B2 - 絶対位置の測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、数値制御が行なわれる機械のための位置測定
に関する。特に、本発明は、固定された基準位置に対す
る運動可能な機械部材の絶対位置の測定に関する。

（従来の技術） 機械の各部材の運動の数値的制御のためには、一つの運
動範囲内の全ての位置について一義的な位置測定信号を
生じることが望ましい。本文において絶対位置の測定と
呼ばれるこの種の測定は、数値制御装置の保守点検中の
如く運動可能な機械部材が数値制御を受けない期間中に
位置が記録されかつこれが保持されたかどうかの如何に
拘わらず、可動の機械部材の位置に関する正確な情報を
提供するという利点を有する。

（発明が解決しようとする課題） 数値的に制御される可動の機械部材に対する絶対位置の
測定は、分解能を上げるということと、測定を行う軸線
方向の範囲の大きさを大にするということが互いに対立
する要件であるため、これらについては制約を受ける。
各々が異なる分解能において作動しかつ各々が機械の軸
線距離の一部にわたって一義的な測定を行なうよう作用
する複数の測定装置を用いる絶対位置測定システムがあ
らゆる機械分野において公知である。このようなシステ
ムが回転要素を内蔵する測定装置を用いて構成される
時、最も粗い測定分解能を得るため用いられる測定装置
に対して機械の部材駆動部からの歯車減速比はかなり大
きなものとなる。このようなシステムが線形測定装置を
用いて構成される場合は、機械の全軸線距離にわたって
一義的な測定信号を生じるために要する目盛の数は膨大
なものとなる。

公知の絶対位置測定システムの他の短所は、測定装置自
体またはこれと関連する機械的な駆動機構に起因する誤
差の影響を受け易いことである。このような起源から生
じる誤差は、全体的な機械の位置決め精度に対して悪影
響を及ぼす。

従って、本発明の一目的は、運動可能な機械部材の全運
動範囲にわたり操作可能であり、かつ各々が機械部材の
運動範囲にわたって反復される一義的な測定信号を生じ
る２つの測定器具しか必要としない絶対位置の測定装置
および方法の提供にある。

本発明の別の目的は、２つの循環的な測定器具を用い、
かつ２つの測定器具により行なわれる相対位置測定の誤
差に対し許容度が大きい絶対位置測定装置の提供にあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明では、主測定器具と副測定器具の２つの測定器具
を用いる。これれらはいずれも可動の機械部材の運動範
囲で繰り返しの測定を行う。そして主測定器具が全運動
範囲を移動したときに周期的に測定信号を生じるサイク
ル数に対して副測定器具が同じ範囲を移動したときに生
じる信号のサイクル数は１サイクル以下だけ大である。
そしてこれら２つの測定器具からの信号の値の差が計算
され、この差によって主測定器具において測定の時点よ
り前に既に何サイクル経過しているかが算出される。

（作用） 測定の全範囲にわたり、主測定器具のサイクル数と副測
定器具のサイクル数との差は最大１であるため、これら
の測定器具から得られる信号の値（１サイクル内におい
てとる値）の差はその信号が何サイクルめのものからで
あるかによって変わってくるため、この差を基に主測定
器具の信号が現に得られている前に既に何サイクル経過
しているかが判断でき、このサイクル数と主測定器具か
らの信号によって絶対位置を知ることができる。

（実施例） 第１図のブロック図においては、主測定器具１２および
副測定器具１４がその各々のインターフェース回路１
６，１８に対して接続された状態で示されている。工業
用マニピュレータに使用されるよう出願人により選択さ
れた測定装置は、電磁結合されたロータおよびステータ
要素を有するレゾルバの如き公知の形式のものである。
図示の如く、このレゾルバの運動可能な要素即ちロータ
は、その巻線に交流信号が加えられ、これからステータ
の巻線に出力信号が誘導される。ロータおよびステータ
要素は、ロータの変位角に基づく出力の周期的な振幅の
変化がロータの一回転以内のどこおいても一義的即ち独
特のものであるように、あるいはロータの一回転に対し
て２回以上反復し得るように巻線を設けることができ
る。レゾルバの各ロータは、これに対して１つの交流信
号が加えられ、ステータ直角位相内に２つの交流信号を
出力として生じる。即ち、ロータに対する入力信号Ｅsi
n（wt）が、ステータの出力信号Ｅsin（wt）sin（θ）
およびＥsin（wt）cos（θ）を生じるように２つの成分
に分解される。但し、 Ｅ＝信号の強さ ｗｔ＝入力信号の瞬時角度 θ＝ロータの変位角 変位角θは、出力信号の比率の逆三角関数から計算され
る。即ち、θはＥsin（wt）sin（θ）／Ｅsin（wt）cos
（θ）の逆正接と等しい。

入力信号がステータ巻線に加えられ出力信号がロータ巻
線により生じる場合にはレゾルバの別の接続（図示せ
ず）で代替することがきることが判るであろう。この形
態においては、ステータの直角巻線が９０゜の位相差の
入力信号即ち、Ｅsin（wt）およびＥsin（wt＋９０゜）
により駆動される。ロータの変位角は、出力信号sin（w
t＋θ）における対応する位相のずれを生じて、これは
位相弁別により検知されロータの変位角の全サイクルの
一部θを表わする測定信号を生じる。

Farrand社から入手可能なInductosyn（商標名）装置の
如き電磁結合式線形測定装置を用いて同じ形状の出力信
号が得られることが判るであろう。

インターフェース回路１６，１８は、レゾルバに対して
入力信号を与え、かつサンプルされ後続のアナログ／デ
ィジタル・コンバータ２０，２２に対する適当なレベル
に変換される出力信号を受取る。アナログ／ディジタル
・コンバータ２０，２２は各々測定器具の可動要素の出
力信号の瞬時値を表わす出力信号を生じる。アナログ／
ディジタル・コンバータの出力は、レゾルバ出力からの
変位角を計算するため、また測定された位置に対し選択
された分解能に従って変位量の検量を行なうため、角度
計算回路３０，３２に対して入力される。この角度計算
回路３０，３２の出力信号はステータに対するロータの
変位角を表わし、回転の内、１つのサイクルとして定め
た範囲に対してのみ一義的即ち独特のものとなることが
判るであろう。即ち、もしレゾルバのロータの一回転が
出力信号における変位角の２回以上の反復サイクルを生
じるならば角度計算回路３０，３２の出力信号はレゾル
バのロータの一回転の内１サイクルに対応する一部に対
してのみ一義的な信号を生じることになる。望ましい変
形実施態様においては両方のレゾルバ出力に対して１つ
のＡ／Ｄコンバータおよび角度計算回路が用いられる
が、この場合変換および計算関数は時間の多重化操作に
よる。

可動の機械部材の運動範囲にわたって周期的に反復する
一義的な測定信号を生じることができるどんな装置でも
常軌の測定器具１２，１４、インターフェース回路１
６，１８アナログ／ディジタル・コンバータ２０，２２
および角度計算回路３０，３２の組合せに対する適当な
代替物となることは当業者には明らであろう。このた
め、測定器具は、ポテンショメータ、レオスタット、可
変変成器、または可動の機械部材の運動範囲にわたり周
期的に反復される一義的な測定信号を生じるどんな測定
器具でもよい。

測定器具１２，１４は、副測定器具１４が主測定器具１
２によるよりも可動の機械部材の運動範囲にわたってそ
の測定信号が１サイクル以下だけ大きいサイクル数を生
じるように構成されている。可動の機械部材がその基準
位置からその運動範囲の反対側の極限まで進む時、測定
信号１つのサイクルの中で変化する信号の２つの測定器
具間における差は変化する。このため、測定信号の差は
常に固定された基準値に関し機械部材が移動したとき主
測定器具の信号が既に何サイクル経過しているかの一義
的な表示を生じる。このような測定信号の差によってそ
の測定が何サイクル目のものなのかを表わすように１つ
のサイクルが特定できるようにするには、測定信号間の
差が全運動範囲にわたって完全な１サイクルを越えない
ことを要求する。しかし、測定された角度における差が
測定器具のロータに与えられた回転に関連したサイクル
数に比例するが、副測定信号から主測定信号を控除する
だけでは所要の差を結果として得ることを保証すること
にはならない。即ち、主測定器具がＡ番目のサイクルで
測定信号を生じていて、これに対し副測定器具が既にＡ
＋１番目のサイクルに入っているときは、副測定信号か
ら主測定信号を引いた差は負となり、従ってかかる負の
差を生じてもこれを処理することができるようにする必
要がある。

第１図に関して記述を続けるならば、差の計算は差計算
回路２４により行なわれ、これは必要に応じて値の補償
を行って全ての場合に正の出力を生じさせるようになっ
ている。もし単に差の計算をした結果が負である場合、
主測定信号の完全サイクル１つに等しい値がこの差に対
して加えられる。差の信号は、完全サイクルの一部の量
を表わし、固定された基準位置からその時の位置への可
動の機械部材の変位量に対応する主測定信号のサイクル
数に正比例する。

このように角度の差（２つの測定信号の差）が主測定信
号のサイクル数と比例するため、絶対位置は測定信号に
おける差を知って容易に計算される。即ち、絶対位置
は、主測定信号の計算された既に経過したサイクル数と
現在の測定信号の値との組合せによって計算でき、これ
は第１図の絶対位置の計算回路２６により計算される。
絶対位置は、主測定装置と同一の分解能をもって表わさ
れる。

絶対位置の値は主測定信号のサイクル数を一定の基準に
照らして判断するだけでこの判断したサイクル数を基に
計算することができるが、本出願人は、主測定器具に対
する副測定器具の測定信号における誤差を除去するため
望ましい実施態様においてやや複雑なアルゴリズムを使
用する。第２図のフローチャートは、絶対位置の測定の
ため望ましい実施態様において使用される手順を示して
いる。この手順は、絶対位置の値を合成するため基準位
置からその時の位置までの距離に対応する主測定信号の
完全なサイクルの最も近いサイクルまでの数を計算す
る。

第２図のフローチャートにおいては、手順はステップ４
０で始まり、ここで各々が完全な１サイクルの一部を表
わす主測定信号Ｘおよび副測定信号Ｙの値が読取られ
る。測定信号ＸおよびＹは所要の分解能を示す値、例え
ば長さ約24.5mm（１インチ）の千分の１の何倍かあるい
は回転角１度の千分の一の何倍かを表わすようにスケー
ルを合わされる。ステップ４２においては、主測定信号
の値を副測定信号の値から控除することにより差の値が
計算される。判断ステップ４４においては、処理ステッ
プ４２の結果が調べられて負の値が生じたかどうかを判
定する。もしそうでなければ、処理ステップ４８におい
て手順の実行が継続することになる。しかし、もし負の
値が検出されるならば、手順の実行は処理ステップ４６
へ行き、ここで主測定信号の一完全サイクルに等しい値
が加算される。次に処理ステップ４６で得られた値また
は正の場合のステップ４２で得られた値のいずれかが処
理ステップ４８により用いられて主レゾルバの測定信号
の整数で表わされる完全サイクル数を計算する。

主測定信号の一般的なサイクル数は、完全サイクルＩと
部分サイクルの和として表わすことができる。部分サイ
クルのみが主測定信号Ｘによって表わされる。副測定器
具のロータが相対比率（Ｍ＋１）／Ｍ（但し、Ｍは可動
の機械部材の運動範囲内で完全に割り切れる主測定信号
のサイクル数に等しい）により主測定器具のロータに関
連付けられるものとし、また両方の器具のロータの各回
転が各測定信号の１サイクルを生じるものとすれば、副
測定器具のサイクルは（Ｉ＋Ｘ＋Ｉ／Ｍ＋Ｘ／Ｍ）と等
しい。ここにおいても、完全サイクルの一部のみが副測
定信号Ｙにより表わされることは同じである。副測定装
置の測定信号Ｙが主装置の測定信号Ｘより大きいかある
いはこれと等しい時、最後の３項（Ｘ＋Ｉ／Ｍ＋Ｘ／
Ｍ）の和は副測定信号の大きさに等しい。副測定信号Ｙ
が主測定信号Ｘよりも小さければ、最後の３項の和は副
測定信号Ｙの大きさより１（サイクル）だけ大きい。従
って、主測定信号の整数個のサイクルＩは下式から既知
量を用いて加算することができる。即ち、 Ｉ＝Ｍ（ＤＩＦＦ）−Ｘ 但し、ＤＩＦＦは前に述べたように正の結果を生じるよ
うに調整された差の値（Ｙ−Ｘ）である。

処理ステップ４８においては、差の信号を用いて主レゾ
ルバの整数回のサイクルを表わす整数のサイクル信号Ｉ
を生じる。差の値ＤＩＦＦは測定範囲にわたる主レゾル
バのサイクル数Ｍで乗ぜられ、主測定信号Ｘの測定値で
表わされる一サイクルの一部が前記積の結果から減算さ
れる。その結果の差は、主レゾルバの測定信号の１サイ
クル内の分解能を示す単位の数と対応するスケール係数
Ｓで除される。測定信号における相対誤差は、商として
得られたものの整数の残りである余りＲとして表れる。
処理ステップ４９においては、残Ｒの大きさが測定され
る。もし残Ｒが主測定信号のサイクルの半分より大きい
かこれと等しければ、整数値Ｉは処理ステップ５０にお
いて１だけ増分される。もし残Ｒが主測定信号に一サイ
クルの半分よりも小さければ、整数値Ｉに対して変化が
生じない。処理ステップ５２においては、処理ステップ
４８乃至５０から結果として得られる整数値Ｉと、主測
定信号の１サイクル内に含まれる前述した分解能を示す
単位の数に対応するスケール係数Ｓとの積が、処理ステ
ップ４０において読出される主測定信号Ｘの値に加算さ
れる。

処理ステップ４８，５０，５２の作用は、作用ステップ
４０において読込まれる値の相対誤差を排除することで
ある。ステップ４９，５０の数値丸め作用は、１サイク
ルの半分より小さいかこれと等しい主測定信号のサイク
ルの一部を有効に加算または減算することにより１つの
整数を生じる。この整数値Ｉは必要に応じて訂正され、
このように除去された部分サイクルは主測定装置の実際
に測定された値で置換される。このように、この手順は
主レゾルバの測定信号の１サイクルと対応する回転の一
部より大きくない主および副測定器具の測定における差
の誤差に対して有効である。

工業用マニピュレータに対する制御部に用いられる場
合、第２図のフローチャートの手順は、整数演算の実行
が可能なマイクロプロセッサに対するプログラムに変換
される。本実施態様においては、第１図のブロック図の
差の計算回路２４および絶対位置計算回路２６は、第２
図のフローチャートの手順を達成するためマイクロプロ
セッサおよびそのためのプログラムを用いて構成され
る。更に、この手順において用いられる値の一時的な格
納はランダム・アクセス・メモリー内の記憶場所によっ
て行なわれる。

第３図においては、主および副測定器具の機械的構成と
共に駆動機構が示されている。主レゾルバ６０および副
レゾルバ６２は、それらの各々の減速歯車６４，６６を
介して共通の駆動軸に対し歯車で結合されている。駆動
歯車６８は、可動の機械部材を駆動するモータによって
直接駆動される軸によって駆動することができ、あるい
は可動の機械部材の運動によりクラッチおよびピニオン
または他の適当な装置によって駆動することもできる。
いずれの場合にも、もし主レゾルバ６０および副レゾル
バ６２が同じものであるならば、駆動歯車６８に対する
主レゾルバの歯車６６の歯車比、および駆動歯車６８に
対する副レゾルバの歯車６４の歯車比における比較的小
さな差が、可動の機械部材の運動範囲にわたって主測定
信号と比較した副測定信号のサイクル数における所要の
差を生じる。詳しくは、可動の機械部材の運動範囲にわ
たって完全に割切れる主測定信号のサイクル数をＭとす
ると、主レゾルバのロータに対する副レゾルバのロータ
の所要の相対的な歯車減速比は（Ｍ＋１）／Ｍとなる。
前述の如く、この簡単化された歯車列は１つの測定器具
を介して所要の分解能を得、かつ第２または他の測定器
具により機械の全軸線を網羅するため公知のシステムに
おいて必要とされる大きな歯車減速に勝る顕著な利点を
提供するものである。以上の記述から、単一の測定器具
を選択された分解能および軸線範囲のカバーのため専用
化することによるのではなく、主および副測定器具によ
り測定された差の量から一義的な測定信号を得ることが
容易に理解されよう。

本文に述べたマニピュレータに用いられる時、絶対位置
測定装置はマニピュレータの回転軸心の位置を測定する
ため用いられる。この測定装置は、運動可能な機械部材
の運動を生じるモータから直接歯車減速することにより
駆動される。それにも拘わらず、本文に述べたレゾルバ
の如き回転要素を有する測定装置を駆動するか、あるい
は２つの尺度および２つの読出しヘッドを有する線形測
定装置を用いることにより、上記の同じ装置および方法
が直線的な運動軸を有する機械部材に対する応用にも適
するものである。

（発明の効果） 本発明によれば、主及び副測定器具間で減速比を大きく
とる必要がなく、従って、これらの間の減速比を与える
機構は小型化でき、これは慣性力の減少を可能にし、ま
た、分解能をこれらの間で特に大きく変える必要性がな
いため、従来のもののように他方に比較して極めて粗い
分解能を有する方の測定器具における誤差が全体の重大
な誤差につながるという問題がない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による絶対位置の測定のための装置を示
すブロック図、第２図は２つの周期的な測定信号から絶
対位置を決定するため用いられる方法を示すフローチャ
ート、および第３図は回転要素および関連する駆動機構
を備えた２つの測定器具を示す概略図である。 １２……主測定器具、１４……副測定器具、１６……イ
ンターフェース回路、１８……インターフェース回路、
２０，２２……アナログ／ディジタル・コンバータ、２
４……差の計算回路、２６……絶対位置の計算回路、３
０，３２……角度の計算回路、６０……主レゾルバ、６
２……副レゾルバ、６４，６６……減速歯車、６８……
駆動歯車。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−88612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−171207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−99528（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々が機械部材の移動に応じ相対的に運動
   するステータとロータとより成る２つの測定器具の測定
   値を用いて運動可能な前記機械部材の運動範囲内の全て
   の位置に対し基準位置からの一義的な値を有する絶対位
   置の信号を生じるための方法において、 （ａ） 第１測定器具のステータとロータとの相対位置
   を表わす主測定信号を生じるステップであって、主測定
   信号は機械部材の運動範囲にわたって周期的に反復する
   ものでありかつ１つのサイクル内では一義的なものであ
   るステップ、 （ｂ） 第２測定器具のステータとロータとの相対位置
   を表わす副測定信号を生じるステップであって、副測定
   信号は機械部材の運動範囲にわたって周期的に反復しか
   つ１つのサイクル内では一義的なものとし、また、副測
   定信号のサイクル数が機械部材の運動範囲にわたって主
   測定信号のサイクル数より１サイクル以下だけ大である
   ステップ、 （ｃ） 主測定信号の値と副測定信号の値との差を表わ
   す差信号を生じるステップ、 （ｄ） 前記差信号から、前記基準位置から前記機械部
   材が移動した間に前記主測定信号が周期的に変化した完
   全サイクル数を表わす整数を算出するステップ、及び （ｅ） 前記整数の値と前記主測定信号とにより絶対位
   置信号を生じるステップ を含むことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、前記差信号を生じるステップは、（ａ）副測定信号
   から主測定信号を減算するステップ、（ｂ）減算の結果
   を調べてその値が負であるか否かを検出するステップ、
   及び（ｃ）負の値の検出に応答し、主測定信号の完全な
   １サイクルに等しい値を前記減算の結果に加算するステ
   ップを含むことを特徴とする方法。
3. 【請求項３】基準位置に対する運動可能な機械部材の絶
   対位置を測定する装置にして、 （ａ） 機械部材の運動に応じ相対的に運動するステー
   タとロータより成り当該ステータとロータの相対位置を
   表わす主測定信号を生じる主測定器具であって、該主測
   定信号は機械部材の運動範囲にわたって周期的に反復す
   るものでありかつ１つのサイクル内では一義的なもので
   ある主測定器具、 （ｂ） 機械部材の運動に応じ相対的に運動するステー
   タとロータより成り当該ステータとロータの相対位置を
   表わす副測定信号を生じる副測定器具であって、該副測
   定信号は機械部材の運動範囲にわたって周期的に反復し
   かつ１つのサイクル内では一義的なものであり、また副
   測定信号のサイクル数が機械部材の運動範囲にわたって
   主測定信号のサイクル数より１サイクル以下だけ大であ
   る副測定器具、 （ｃ） 主測定信号及び副測定信号に応答し、主測定信
   号の値と副測定信号の値との差を表わす差信号を生じる
   手段、 （ｄ） 前記差信号から、前記基準位置から前記機械部
   材が移動した間に前記主測定信号が周期的に変化した完
   全サイクル数を表わす整数を算出する手段、及び （ｅ） 前記整数の値と前記主測定信号とにより機械部
   材の絶対位置を示す一義的な値を表わす絶対位置信号を
   生じる手段、 を含むことを特徴とする装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項に記載の装置におい
   て、主測定器具は、（ａ）前記ステータとロータとを相
   対的に回転するように備えている角度測定手段、及び
   （ｂ）前記運動可能な機械部材に運動が与えられるとき
   前記相対回転を与える駆動手段を含むことを特徴とする
   装置。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の装置におい
   て、副測定器具は、（ａ）前記ステータとロータとを相
   対的に回転するように備えている角度測定手段、及び
   （ｂ）前記運動可能な機械部材に運動が与えられるとき
   前記相対回転を与える駆動手段を含むことを特徴とする
   装置。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項に記載の装置におい
   て、差信号を生じる手段は、（ａ）副測定信号から主測
   定信号を減算する手段、（ｂ）減算の結果を調べてその
   値が負であるか否かを検出する手段、及び（ｃ）負の値
   の検出に応答しその値に主測定信号の１サイクルに等し
   い値を加算する手段を含むことを特徴とする装置。