(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
0003915390.tif 000002
【図２】
0003915390.tif 000003
【図３】
0003915390.tif 000004
【図４】
0003915390.tif 000005