(57)【要約】【課題】歩行感覚呈示装置の可動床に用いられるセンサの読み取り回路及びモータＭの制御を行うために必要な回路を、基板に実装し、搭載を容易にする組込型モータ制御装置を実現する。【解決手段】組込型モータ制御装置２１は、演算機能と、アナログ信号出力機能と、エンコーダパルスのカウンター機能と、通信機能を、基板に具備している。上記演算機能はプログラムを内蔵し、通信機能によりホストコンピュータからの指令を受け、エンコーダパルスのカウンター機能によって、モータＭの回転軸の回転角度を測定し、アナログ信号出力機能によってモータＭの回転軸を回転させる信号を出力する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歩行感覚呈示装置の可動床に組み込まれ、該可動床を駆動するモータを制御する組込型モーター制御装置であって、通信部と、ＣＰＵとメモリを有する演算部と、入出力部と、アナログ信号出力部と、エンコーダーパルスをカウントするカウンター部を基板に具備することを特徴とする組込型モーター制御装置。
【請求項２】
上記カウンター部は、上記モーターに付設されたエンコーダーにより測定されたモーター軸の回転角度を示すエンコーダーパルスをカウントしてデジタル信号として演算部に付与するものであり、
上記演算部は、上記歩行感覚呈示装置を操作するホストコンピュータからの指令を上記通信部を介して受けるとともに、上記カウンター部から上記デジタル信号を受けて、上記メモリに内蔵されたプログラムに基づいて演算して、上記ホストコンピュータからの指令に対応するモータ制御信号を生成し、
上記アナログ信号出力部は、上記モータ制御信号をアナログ信号に変換して上記モータの制御部に向けて出力するものであることを特徴とする請求項１記載の組込型モーター制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、歩行感覚呈示装置の可動床に用いられるモーターの制御を行うために必要な回路を、１又は複数枚の基板に実装し、搭載を容易にした組込型モーター制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、歩行者があたかも実際に歩行したかのような自然な歩行感覚を得ることのできる歩行感覚呈示装置の開発が活発化されている。従来、歩行者の足の動きに合わせて逆方向に動かし歩行感覚が得られるような装置として、例えばトレッドミル（例えば、特許文献１、２参照。）がある。さらに、左右の足の下に小さな可動床を提供し、床が足を追従することによって、任意の地面を模擬するという、本発明者が提案した装置もある（特許文献３参照。）。
【０００３】
しかしながら、上記従来のトレッドミルは、前後方向しか動けないので、歩行者の方向変換への完全な対応は不可能であり、上記従来の可動床は、足の動きを高速かつ正確に追従することに限界があり、歩行者が床の動きを意識しなければならないという欠点がある。
【０００４】
これらの欠点を改良するために、全方向へ移動可能な可動床を複数台組み合わせる構成の歩行感覚呈示装置について、本発明者はすでに出願をしている（特願２００３−３１６３００号：以下、「先行発明」という。）。本発明は、この先行発明等の歩行感覚呈示装置に組み込まれて利用される組込型モーター制御装置である。
【特許文献１】特開２０００−２０６８６２号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２８９４号公報
【特許文献３】特許第３３７３４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
歩行感覚呈示装置で利用されるモーターの制御は、内界センサにより軸の角度情報を得、軸のトルクや回転速度を制御することで実現されている。歩行感覚呈示装置に用いられる可動床は歩行者の足の動きに追従しなければならないため、その制御には柔軟性が必要である。
【０００６】
しかし、一般に多く市販されているモータドライバ（モーターの制御手段）は、一度目標を設定すると、その命令を途中で変更できないものが多いため、トルクや回転速度を調整できる高価で大掛かりなモータドライバが必要であった。また、モーターに取り付けられたセンサの読み取り回路も別途用意する必要があり大がかりのものとなった。したがって、可動床等に搭載するのに適さなかった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とするものであり、歩行感覚呈示装置の可動床に用いられるセンサの読み取り回路及びモーターの制御を行うために必要な回路を、１又は複数枚の基板に実装し、搭載を容易にする組込型モーター制御装置を実現することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、歩行感覚呈示装置の可動床における組込型モーター制御装置であって、演算機能と、アナログ信号出力機能と、エンコーダーパルスのカウンター機能と、通信機能を、１又は複数枚の基板に具備することを特徴とする組込型モーター制御装置を提供する。
【０００９】
上記演算機能はプログラムを内蔵し、通信機能によりホストコンピュータからの指令を受け、エンコーダーパルスのカウンター機能によって、モーター軸の回転角度を測定し、アナログ信号出力機能によってモーター軸を回転させる信号を出力するものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上の構成から成る本発明に係る組込型モーター制御装置によると、次のような効果が生じる。
（１）従来別々に実装されていたセンサとモーターの制御回路を組み込み用のＩＣ基板（ＣＰＵボード）を用いてひとつにまとめることができるから、従来のコストに比較して数万円程度に材料コストを抑えることができる。
（２）さらに、ＩＣ基板（ＣＰＵボード）に一連の動作をさせるソフトウエアを変更することで、上記のような位置制御の他に、トルク制御や速度制御を行うことも可能である。
（３）
また、本装置では、ＲＳ２３２Ｃ通信を用いることで、ホストＰＣに制約がない。ノートパソコンでの使用が可能で、配線も簡素化でき、通信回線の無線化も容易である。
（４）可搬性、機能拡張性に優れたシステムが構築可能であるため、歩行感覚呈示装置以外のメカトロニクスシステムへの応用も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る組込型モーター制御装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。
【００１２】
（前提となる歩行感覚呈示装置）
本発明の組込型モーター制御装置を説明するにあたって、これを組み込む歩行感覚呈示装置の一例を、先行発明の歩行感覚呈示装置で概略説明しておく。但し、本発明の組込型モーター制御装置が組み込む歩行感覚呈示装置は、以下に説明する歩行感覚呈示装置に限定されるものではない。図１は、全方向歩行感覚呈示装置１の全体構成である。この全方向歩行感覚呈示装置１は、図１（ａ）に示すように、歩行者Ｐの左右の足３、４および可動床の位置を計測するための位置センサ、４台の可動床Ａ〜Ｄ、及び制御装置２とを備えている。制御装置２は、位置センサからの位置信号を入力して４台の可動床２の動作を制御するものであり、具体的には計算機（パソコン）が利用される。
【００１３】
位置センサは、超音波計測を利用し、４台の可動床Ａ〜Ｄと歩行者Ｐの左右の足３、４の計６つの検知対象の移動位置を非接触で同時に計測するものであり、位置センサ発信器５と位置センサ受信器６とから構成される。
【００１４】
位置センサ発信器５は、４台の可動床Ａ〜Ｄと歩行者Ｐの左右の足３、４の計６つの対象物のそれぞれに取り付けられる。位置センサ受信器６は、位置センサ発信器５の位置と歩行者Ｐの位置関係によって位置センサ発信器５からの信号を捕捉できない場所が出来るため、複数の位置センサ受信器６を設ける構成とする。
【００１５】
歩行者Ｐの歩行動作の検出は次のように行われる。図１（ｂ）に示すように、歩行者Ｐの左右の足３、４の位置の中点ｍの真上に、体の重心Ｇが位置すると仮定する。全方向歩行感覚呈示装置１における歩行領域（可動床の上で歩行者Ｐが歩行動作をする領域）の中心に予め不感領域７を設定しておく。
【００１６】
歩行者Ｐが歩行動作に至らないがその体を少し動かしても、図１（ｃ）に示すように、歩行者Ｐの左右の足３、４の中点ｍの位置の上方にある体の重心Ｇが、不感領域７の外に出なければ、歩行者は歩行動作を行ったとは認識されない。
【００１７】
しかしながら、歩行者が歩行動作を行い、歩行者Ｐの左右の足３、４の中点ｍの位置の上方にある体の重心Ｇが、図１（ｄ）に示すように、不感領域７の外に出たときには、歩行していると判断する。このように、不感領域７は、歩行動作に至らない小さな動作や振動に起因する歩行動作と認定される誤動作を防止し、歩行動作を確実に検出するために設定されたものである。
【００１８】
図２（ａ）、（ｂ）は、可動床Ａ〜Ｄの一例を示すものであり、この可動床８の正方形の基板９の下面（裏面）に、前後方向（図２（ａ）中の上下方向）に移動するために左右一対の駆動輪１０、１１が設けられており、横方向（図２（ａ）中の左右方向）に移動するために前後一対の駆動輪１２、１３が設けられている。これらの左右一対の駆動輪１０、１１と前後一対の駆動輪１２、１３の取付けられる向きは、互いに直角の方向である。
【００１９】
さらに、各駆動輪は、その駆動輪全体が回転して移動する方向とは直角方向に駆動輪が転動可能であるように、その周縁に複数の補助転動輪１４が、駆動輪とは直角の方向に揃えられて回転可能に設けられている。例えば、可動床８が左右一対の駆動輪１０、１１により前後方向に移動する際に、前後一対の駆動輪１２、１３は、その補助輪１４が設置面１５を転動するので、可動床８は滑らかに移動することが可能となる。
【００２０】
このような構造の４つの駆動輪１０〜１３の回転速度をそれぞれ独立的に制御することで、前後左右に移動可能とし、鉛直軸まわりの回転を可能とし、水平面内で全方向に移動可能であり、任意の軌道で移動できるように構成されている。駆動輪の１０〜１３の駆動手段について次に説明する。
【００２１】
可動床８の４つの駆動輪１０〜１３は、それぞれ回転軸１６に固定されており、回転軸１６は基板９から垂設された一対の支持板１７に回転可能に取り付けられている。支持板１７の外面には、回転軸１６を回転駆動するモータＭ１〜Ｍ４、モータの電源用の電池１８、及び受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４が取り付けられている。
【００２２】
全方向歩行感覚呈示装置１は、制御装置２を有する制御システムによりその動作が制御される。制御装置２は、モータＭ１〜Ｍ４の目標速度を演算しその制御信号を生成する。この制御信号は、トランスミッタ１９から発信され、モータＭ１〜Ｍ４に設けられた受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４で受信され、この制御信号によりモータＭ１〜Ｍ４は回転速度がそれぞれ独立的に制御される。モータＭ１〜Ｍ４の回転速度を制御することにより、４つの駆動輪１０〜１３のそれぞれの回転速度を制御し、これにより、可動床８は、上述のとおり、前後左右に移動し、鉛直軸まわりの回転が可能であり、これにより任意の軌道で任意の方向に移動できる。
【００２３】
全方向歩行感覚呈示装置１の制御装置２及びこの制御装置２を含む制御システム２０の全体について図３において説明する。４台の可動床Ａ〜Ｄ及び歩行者Ｐの左右の足３、４に位置センサ発振器５が取り付けられている。各位置センサ発信器５から発信された（図３では、可動床Ａの位置センサ発信器５からの発信状況を示すが他位置センサ発信器５からの発信も同じである。）位置検出信号は、３つの位置センサ受信器６のいずれかにより検出され、制御装置２に入力されるように構成されている。
【００２４】
制御装置２を構成するパソコン（これを本明細書では「ホストＰＣ」という。）は、予め４つの可動床Ａ〜Ｄの循環移動を制御する制御ソフトがインストールされており、位置センサ受信器６から送られてきた４台の可動床Ａ〜Ｄ及び歩行者Ｐの左右の足３、４の位置検出信号に基づき、制御ソフトに従って可動床Ａ〜Ｄのそれぞれの移動軌道乃至移動速度等の信号を生成する。この信号は、パソコンに接続されたトランスミッタ１９から可動床Ａ〜Ｄに発信されるように構成されている。
【００２５】
可動床Ａ〜Ｄは、それぞれトランスミッタ１９からの信号を受信しモータＭ１〜Ｍ４を制御する受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４が設けられている。これにより、受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４は、トランスミッタ１９からの信号を受信しモータＭ１〜Ｍ４を制御し、後述するように、可動床Ａ〜Ｄが循環動作可能なように所定の軌道で移動する。
【００２６】
以上、各可動床における、４つのモータＭ１〜Ｍ４のそれぞれについて受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４を設けた構成を示したが、可動床のモータ及び受信・制御器は、可動床の走行機構の構成によりいろいろな態様がある。例えば、可動床に１つの受信・制御器を設け、この１つの受信・制御器で可動床の４つのモータＭ１〜Ｍ４をそれぞれ独立的に同時に制御するような構成としてもよい。
【実施例】
【００２７】
以上、本発明に係る組込型モータ制御装置の前提となる全方向歩行感覚呈示装置１の制御システム２０を説明したが、本発明に係る組込型モーター制御装置２１は、上記制御システム２０におけるモータＭ１〜Ｍ４を制御する受信・制御器Ｃ１〜Ｃ４のうち制御器に相当する部分を、１又は複数枚のＩＣ基板（ＣＰＵボード）にまとめ、各可動床に組み込んで搭載可能としたものである。その構成を、以下、実施例で説明する。
【００２８】
図４（ａ）は、本発明の組込型モータ制御装置２１の構成を説明するとともに、組込型モーター制御装置と他の機器との関係的な構成を説明する図である。ここで他の機器とは、ホストＰＣ（制御装置２０）、受信機（位置センサ受信機）６、モータＭ１〜Ｍ４（以下の説明ではＭ１〜Ｍ４の１つを例に挙げて説明する都合上、単に「モータＭ」という。）、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す組込型モータ制御装置２１の機能を説明する図である。
【００２９】
まず、本発明の組込型モータ制御装置２１と上記他の機器との関係的な構成を説明すると、図４（ａ）、（ｂ）において、ホストＰＣからの信号は、可動床８の受信機６を介して、本発明の組込型モータ制御装置２１に入力する。そして、組込型モータ制御装置２１から出力されるモータ制御信号は、アンプ２２で増幅されてモータＭを動作させる。
【００３０】
エンコーダ（ロータリーエンコーダ）２３は、モータＭのモータ軸に付設（接続）されており、換言すると、エンコーダはモータの内界センサとして構成されており、モータ軸の回転角度を計測し、エンコーダパルスを発生する。エンコーダ２３は組込型モータ制御装置２１に接続されており、エンコーダパルスが組込型モータ制御装置２１に入力される構成となっている。
【００３１】
本発明の組込型モータ制御装置２１は、通信機能を有する通信ポート（通信部：図中ではＲＳ−２３２Ｃポートと記載。）２４と、ＣＰＵ２５及びメモリ２６を備えた演算部と、Ｄ／Ａ出力ポート２７と、パラレル入出力ポート（入出力部）２８と、オペアンプ２９と、カウンターＩＣ３０３０とを備えている。ここで、通信ポート２４と、ＣＰＵ２５及びメモリ２６を備えた演算部と、Ｄ／Ａ出力ポート２７と、パラレル入出力ポート（入出力部）２８は、マイコン３１を構成している。
【００３２】
通信ポート２４（通信部）は、ＲＳ−２３２Ｃに基づく規格を使用し、受信機６で受信したホストＰＣからのモータＭのモータ軸が動くべき目標値の信号を受けて読み取る通信機能を有する。
【００３３】
Ｄ／Ａ出力ポート２７は、その出力側がオペアンプ２９と接続されており、Ｄ／Ａ出力ポート２７とオペアンプ２９の組み合わせにより、アナログ信号出力部を構成している。Ｄ／Ａ出力ポート２７は、演算部でデジタル信号として生成されたモータ制御信号を、アナログ信号に変換する。ところで、アンプ２２はモータに付属するもので、このアンプ２２に入力する電圧レベル等の特性は、Ｄ／Ａ出力ポート２７からのアナログ信号とは異なる。従って、Ｄ／Ａ出力ポート２７からのアナログ信号を、オペアンプ２９により、アンプ２２に入力する電圧レベル等の特性に合わせ、アンプ２２に向けて出力する。このようにしてアナログ信号に変換されたモータ制御信号は、アンプ２２で増幅され、モータＭの制御部（図示せず）に入力しモータＭの動作を制御する。
【００３４】
パラレル入出力ポート２８にはカウンターＩＣ３０が接続されている。カウンターＩＣ３０は、エンコーダ２３からのエンコーダパルスを取り込んでカウントし、モータ軸の現在の角度を示す角度信号をデジタル信号としてパラレル入出力ポート２８に向けて出力する。パラレル入出力ポート２８は、カウンターＩＣ３０からのデジタル信号（カウンター信号）を演算部に付与する機能を有する。
【００３５】
演算部におけるＣＰＵ２５は、通信ポート２４で読み込まれたモータ軸が動くべき目標値と、パラレル入出力ポート２８で入力されたエンコーダパルスカウンターからのモーター軸の角度信号の値とから演算を行い、目標値とその時のモータ軸の角度との差がなくなるような出力信号をモータ制御信号として出力する演算機能を有する。
【００３６】
演算部に設けられたメモリ２６は、ＣＰＵ２５を動作するプログラムが内蔵され、また演算の結果等を記憶する主メモリ２６である。なお、組込型モータ制御装置２１は、その機能を１枚の基板に全て具備するように構成してもよいが、オペアンプ２９及びカンウターＩＣ３０を実装する基板上に、マイコン３１を実装する基板を別途、固定する等、複数枚の基板から構成してもよい。
【００３７】
本発明の組込型モータ制御装置２１は、以上の構成から成るが、本発明者は、本発明に係る組込型モータ制御装置２１の実証を行うために、実証用の組込型モータ制御装置２１を製作した。その際、使用したＣＰＵ２５はＨ８ＣＰＵ２５規格のものを使用し、イエローソフト社製のＨ８Ｓ／２６３３（ボードコンピュータ  ＹＨ２６３３−１）を使用した。カウンターＩＣ３０は、日本電気製のμＰＤ４７０２又μＰＤ４７０４を使用した。オペアンプ２９は、東芝製のデュアルオペアンプ２９のＴＡ７５３５８Ｐを使用した。
【００３８】
（作用）
以上の構成から成る組込型モータ制御装置２１の作用を図４（ａ）、（ｂ）を中心に説明する。ホストＰＣは、各可動床８に付設されたモータＭのモータ軸が動くべき目標値の信号を生成する。この目標値の信号がトランスミッタ１９により、各可動床８に設けられた受信機６に送信される。受信機６で受信した目標値の信号は、通信ポート２４に入力される。
【００３９】
ホストＰＣから通信ポート２４への上記目標値の信号の送受信は、ＲＳ−２３２Ｃ規格に基づき行われる。なお、この送受信が有線で行われる場合は、直接ホストＰＣと組込型モータ制御装置２１の通信ポート２４をＲＳ−２３２Ｃケーブルで直結すればよいので、トランスミッタ１９及び受信機６が不要である。
【００４０】
通信ポート２４により目標値の信号を読み取り、演算部のＣＰＵ２５に入力される。一方、エンコーダ２３は、モータＭのモーター軸の回転角度を読み取り、この読み取り出力としてエンコーダパルスをカウンターＩＣ３０に出力する。カウンターＩＣ３０は、エンコーダ２３で計測して得られたエンコーダパルスを取り込んでカウントし、モータ軸の現在の角度を示す角度信号をデジタル信号としてパラレル入出力ポート２８に送り、この角度信号を演算部のＣＰＵ２５に入力する。
【００４１】
演算部のＣＰＵ２５は、その演算機能により、メモリ２６に内蔵されたプログラムに基づいて、モータＭ軸の現在の角度と目標値との差がなくなるような、出力値を演算し、モータＭの制御信号を生成する。
【００４２】
そして、このモータＭの制御信号を、Ｄ／Ａ出力ポート２７でアナログ信号に変換し、さらにオペアンプ２９でアンプ２２に入力可能な電圧レベル等の特性に整えて、アンプ２２に向けて出力する。アンプ２２はアナログ信号とされたモータＭの制御信号を増幅してモータＭの制御部に送り、モータＭの動作を制御する。
【００４３】
以上、本発明に係る組込型モータ制御装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る組込型モータ制御装置は、以上のとおり、可動床のモータを制御する制御制御器を、マイコンから構成し１又は複数枚のＩＣ基板にまとめて可動床に組み込んで搭載可能としたので、コンパクトとなり、コストを下げることができ、又、内蔵するプログラムにより、位置制御の他に、トルク制御や速度制御も可能であり、可搬性、機能拡張性に優れたシステムが構築可能であるため、歩行感覚呈示装置以外のメカトロニクスシステムへの応用も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る組込型モータ制御装置の前提となる全方向歩行感覚呈示装置を説明する図であり、（ａ）は全体構成を説明する図であり、（ｂ）は歩行動作検出の原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る組込型モータ制御装置を組み込む可動床の構成を説明する図であり、（ａ）は底面図であり、（ｂ）は正面図である。
【図３】本発明に係る組込型モータ制御装置の前提となる全方向歩行感覚呈示装置の制御システムを説明する図である。
【図４】本発明に係る組込型モータ制御装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  全方向歩行感覚呈示装置    
２  制御装置                          
３、４  左右の足                      
５  位置センサ発信器                  
６  位置センサ受信器                  
７  不感領域                          
８  可動床                            
９  可動床の基板                      
１０、１１  左右一対の駆動輪              
１２、１３  前後一対の駆動輪              
１４  補助輪                          
１５  設置面                          
１６  駆動輪の回転軸                  
１７  回転軸の支持板                  
１８  電池                            
１９  トランスミッタ                  
２０  制御システム                    
２１  組込型モータ制御装置            
２２  アンプ                          
２３  エンコーダ                      
２４  通信ポート（ＲＳ−２３２Ｃポート）
２５  ＣＰＵ                          
２６  メモリ                          
２７  Ｄ／Ａ出力ポート
２８  パラレル入出力ポート（入出力部）
２９  オペアンプ                      
３０  カウンターＩＣ                  
３１  マイコン                        
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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