JP2023528115A - 角度計算システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、角度計算システム及びその方法であり、角度計算システムは、定点装置、基準装置及び端末装置を含み、定点装置及び基準装置は、それぞれ基準点及び定点の慣性を測定して、定点データ及び基準データを取得し、端末装置により定点データ及び基準データを水平角及び回転角に変換して、定点と基準点との間の相対水平角及び相対回転角を計算することにより、遠くなる両端の水平角及び回転角を測定するという目的を達成する。【選択図】図１

Description

本発明は、測定分野に属し、特に慣性装置に基づく水平角及び回転角の測定装置に関するものである。

様々な工事分野では、完成品又は建物が工事における測定誤差により正しく使用できなくなることを回避するために、水平角度及び回転角度の測定は、常にエンジニアたちが製造又は施工中に関心を持っているトピックスであり、エンジニアたちが気泡水準器又はレーザー水準器を用いて水平測定を行う場合が多い。

しかしながら、気泡水準器又はレーザー水準器にかかわらず、両者はいずれも完成品又は建物と地面との水平誤差のみを測定でき、全ての判断は人間が視認によって行うため、誤差が不可避的に存在し、且つ地面を水平基準としない状況には対処できない。

さらに、数百メートル以上にわたる建物の水平誤差の測定する場合、例えば、橋梁の両端の測定について、気泡水準器もレーザー水準器も対応できないため、セオドライト又はトータルステーションなどの従来技術が提示されているが、セオドライト又はトータルステーションはいずれも大型の水平測定器であり、体積が大きく、価格が高く、専門家が操作する必要があり、従って、如何に大型の建物の水平誤差を容易、簡単且つ正確に測定するかは、依然として緊急に解決すべき課題である。

本発明者は、上記従来技術に派生する様々な欠陥に鑑みて、極力新規改善を試み、且つ長年苦心研鑽の末、本発明の角度計算システム及びその方法の研究開発に成功した。

上記従来技術の課題を解決するために、本発明は、角度計算システム及び方法を提供し、
１．遠くなる両端の水平を測定する水準器を提供し、
２．軽量で操作しやすい回転角測定器を提供し、
３．リアルタイム監視機能を備えた水平角及び回転角測定器を提供することを目的とする。

本発明は、角度計算システムであり、定点装置、基準装置及び端末装置を含み、定点装置及び基準装置は、それぞれ基準点及び定点の慣性を測定して、定点データ及び基準データを取得して端末装置に伝送し、端末装置は、受信ユニット、処理モジュール及び表示モジュールを含み、処理モジュールは、傾斜角換算ユニット、水平角変換ユニット、相対水平角計算ユニット、回転角変換ユニット及び相対回転角計算ユニットをさらに含む。

傾斜角換算ユニットは、斜面加速度式及び標準重力（ｓｔａｎｄａｒｄ ｇｒａｖｉｔｙ）に従って、定点データを定点傾斜角に変換し、及び基準データを基準傾斜角に変換する。

斜面加速度式は、

である（式中、

は、標準重力を表し、

は、各軸方向の定点傾斜角又は基準傾斜角を表し、

は、各軸方向の定点加速度又は基準加速度を表す）。

水平角変換ユニットは、水平軸方向の定点傾斜角が定点水平角に等しいという幾何学的関係、及び水平軸方向の基準傾斜角が基準水平角に等しいという幾何学的関係に従って、基準傾斜角を基準水平角に変換し、定点傾斜角を定点水平角に変換する。

最後に、相対水平角計算ユニットは、定点水平角から基準水平角を減算して、相対水平角を取得する。

回転角変換ユニットは、定点傾斜角と定点回転角との幾何学的関係、及び基準傾斜角が基準回転角に等しいという関係に従って、基準傾斜角を基準回転角に変換し、定点傾斜角を定点回転角に変換する。

最後に、相対回転角計算ユニットは、定点回転角から基準回転角を減算して、相対回転角を取得する。

本発明の定点装置及び基準装置は、加速度計、ジャイロスコープ又は２つ以上の組み合わせである。

定点データ及び基準データは、加速度データである。

中継装置は、無線アクセスポイント（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）である。

中継装置は、非必須素子であり、端末装置は、受信ユニットを用いて定点装置及び基準装置に直接接続され得る。

以上のように、本発明は、定点装置、基準装置及び処理装置のシステムコロケーションにより、定点水平角、基準水平角、定点回転角、基準回転角を取得して、定点と基準点との間の相対水平角及び相対回転角を計算する。

図１は本発明の角度計算システムの模式図である。 図２は定点装置の模式図である。 図３は本発明の相対水平角計算方法のステップを示す図である。 図４は定点装置の回転模式図である。 図５は定点装置の多軸回転模式図である。 図６は本発明の相対回転角計算方法のステップを示す図である。 図７は本発明の第１実施例の模式図である。 図８は本発明の第２実施例の模式図である。 図９は本発明の表示モジュールの模式図である。

当業者が、本発明の技術的特徴、内容、利点及び達成できる効果を理解することに寄与するように、以下、図面及び実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明する。ここで用いる図面は、明細書を説明し及び支援するためのものに過ぎず、本発明の実施に比して真に正確に構成されるものではないため、添付の図面における構成に基づいて、本発明の実際の実施における権利範囲を理解、制限すべきではないことを、最初に明確に説明しておく。

図１は、本発明の角度計算システムの模式図であり、図に示すように、本発明の角度計算システムは、基準装置１、定点装置２、端末装置３及び中継装置４を含み、基準装置１は１つだけであり、定点装置２は２つあり、基準装置１及び各定点装置２はいずれも中継装置４を介して端末装置３に接続される。

基準装置１は、基準点の慣性を検出して、基準データ１０１を取得して端末装置３に伝送する。

各定点装置２は、それぞれ各定点の慣性を検出して、定点データ２０１を取得して端末装置３に伝送する。

端末装置３は、受信ユニット３１、処理モジュール３２及び表示モジュール３３を含み、処理モジュール３２は、傾斜角換算ユニット３２１、水平角変換ユニット３２２、相対水平角計算ユニット３２３、回転角変換ユニット３２４及び相対回転角計算ユニット３２５をさらに含む。

基準装置１及び定点装置２がそれぞれ中継装置４を介して基準データ１１及び定点データ２０１を端末装置３に伝送する場合、受信ユニット３１は、基準データ１０１及び定点データ２０１を受信して、処理モジュール３２に伝送し、処理モジュール３２は、傾斜角換算ユニット３２１を用いて、定点傾斜角９及び基準傾斜角１３を取得する。

使用者が定点と基準点との間の相対水平角１６を取得したい場合、水平角変換ユニット３２２は、先ず定点傾斜角９を定点水平角６に変換し、及び基準傾斜角１３を基準水平角１４に変換し、相対水平角計算ユニット３２３は、定点水平角６から基準水平角１４を減算して定点と基準点との間の相対水平角１６を取得する。

使用者が定点と基準点との間の相対回転角１７を取得したい場合、回転角変換ユニット３２４は、先ず定点傾斜角９を定点回転角１２に換算し、基準傾斜角１３を基準回転角１５に変換し、相対回転角計算ユニット３２５は、定点回転角１２から基準回転角１５を減算して定点と基準点との間の相対回転角１７を取得する。

図２は、定点装置の模式図であり、図に示すように、定点装置が傾斜し、定点装置２と水平面５とがＸ軸方向７ｘにＸ軸方向定点水平角６をなし、且つＸ軸方向７ｘと元のＸ軸方向８ｘとの間がＸ軸方向定点傾斜角９ｘをなす場合、定点装置２は、標準重力１０によって、定点装置２のＸ軸方向７ｘにＸ軸方向定点加速度１１ｘを測定することができる。

傾斜角変換ユニット３２１は、斜面加速度式

を介して、Ｘ軸方向７ｘのＸ軸方向定点傾斜角９ｘを取得し、本発明の実施例では、

は、標準重力１０を表し、

は、各軸方向７の定点傾斜角９を表し、

は、各軸方向７の定点加速度１１を表す。

水平角変換ユニット３２２は、元のＸ軸方向８ｘと水平面５とが互いに平行であるという関係に従って、Ｘ軸定点傾斜角９ｘがＸ軸方向水平角６ｘに等しいと推論し、さらにＸ軸方向水平角６ｘを取得する。

図３は、本発明の相対水平角計算方法のステップを示す図であり、本発明の相対水平角計算方法はステップＳ３０１から始まり、基準データ１０１及び定点データ２０１を提供し、定点データ２０１は定点装置２により提供され、定点におけるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の加速度を含み、これに対応して、基準データ１０１は、基準装置１により提供され、基準点におけるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の加速度を含む。

ステップＳ３０２において、本発明は、補正演算子（ｏｐｅｒａｔｏｒ）を基準データ１０１及び定点データ２０１に作用させることにより、基準装置１及び定点装置２の機械的誤差を排除する。

補正演算子は、１つの行列であり、

のベクトルが水平面で測定された定点データ２０１又は基準データ１０１を表し、

が補正演算子を表し、

が標準重力を表す場合、関係式

を取得することができる。

ステップＳ３０３において、本発明は、斜面加速度式を用いて、定点データ２０１を定点傾斜角９に変換し、且つ基準データ１０１を基準傾斜角１３に変換し、斜面加速度式は、

である（式中、

は、標準重力を表し、

は、各軸方向７での定点傾斜角１２又は基準傾斜角１５を表し、

は、各軸方向７での定点加速度１１又は基準加速度を表す）。

ステップＳ３０４において、本発明は、幾何学的関係に従って、各軸方向７の定点傾斜角９が定点水平角６に等しく、各軸方向７の基準傾斜角が基準水平角に等しいと推論し、さらに各軸方向の定点水平角６及び基準水平角を取得する。

基準傾斜角１３及び基準水平角の取得方式は、定点傾斜角９及び定点水平角６の取得方式と同じであるため、詳細な説明を省略する。

ステップＳ３０５において、本発明は、定点水平角から基準水平角を減算して、相対傾斜角を取得する。

図４は、定点装置の回転模式図であり、図に示すように、定点装置２が定点回転角１２を反時計回りに回転させて、軸方向７と元の軸方向８との間に定点傾斜角９をなす場合、定点装置２は、標準重力１０によって、定点装置２の該軸方向７に軸方向定点加速度１１を測定することができる。

傾斜角変換ユニット３２１は、斜面加速度式

を用いて、該軸方向７の定点傾斜角９を取得し、ここでは、

は、標準重力１０を表し、

は、該軸方向７の定点傾斜角９を表し、

は、該軸方向７の定点加速度１１を表す。

回転角変換ユニット３２４は、元の水平軸８と標準重力１０の方向が互いに垂直であるという関係に従って、定点傾斜角９が定点回転角１２に等しいと推論し、さらに定点回転角１２を取得する。

図５は、定点装置の多軸回転模式図であり、図に示すように、定点装置２は、多軸方向に回転するため、Ｘ軸方向７ｘと元のＸ軸方向８ｘとの間がＸ軸方向定点傾斜角９ｘをなし、Ｙ軸方向７ｙと元のＹ軸方向８ｙとの間がＹ軸方向定点傾斜角９ｙをなし、Ｚ軸方向７ｚと元のＺ軸方向８ｚとの間がＺ軸方向定点傾斜角９ｚをなす。

回転角変換ユニット３２４は、斜面加速度式

を用いて、Ｘ軸方向定点傾斜角９ｘ、Ｙ軸方向定点傾斜角９ｙ及びＺ軸方向定点傾斜角９ｚを取得し、定点傾斜角９が定点回転角１２に等しいという幾何学的関係に従って、各軸方向の定点回転角１２を取得する。

図６は、本発明の相対回転角計算方法のステップを示す図であり、本発明の相対回転角計算方法のステップは、
基準データ及び定点データを提供するステップＳ６０１と、
基準データ及び定点データを補正するステップＳ６０２と、
斜面加速度式を用いて計算された定点データを定点傾斜角に変換し、且つ基準データを基準傾斜角に変換するステップＳ６０３と、
基準傾斜角をＸ軸方向基準回転角、Ｙ軸方向基準回転角及びＺ軸方向基準回転角に変換し、及び定点傾斜角をＸ軸方向定点回転角、Ｙ軸方向定点回転角及びＺ軸方向定点回転角に変換するステップＳ６０４と、
Ｘ軸方向定点回転角からＸ軸方向基準回転角を減算して、Ｘ軸方向相対傾斜角を取得し、Ｙ軸方向定点回転角からＹ軸方向基準回転角を減算して、Ｙ軸方向相対傾斜角を取得し、Ｚ軸方向定点回転角からＺ軸方向基準回転角を減算して、Ｚ軸方向相対傾斜角を取得するステップＳ６０５と、を含む。

図７は、本発明の第１実施例の模式図であり、図に示すように、山の斜面に沿って建てられた建物、又は特別な室内設計などのシナリオでは、１階の平面が水平ではない斜面階段がある場合が多く、本発明の角度計算システムを用い、１階の平面を基準点１００とし、１階の階段を第１定点２００ａとし、２階の階段を第２定点２００ｂとして、基準装置１を基準点１００に配置し、第１定点装置２ａを第１定点２００ａに配置し、第２定点装置２ｂを第２定点２００ｂに配置し、さらに中継装置４により基準装置１が測定した基準データ１０１、第１定点装置２ａが測定した定点データ及び第２定点装置２ｂが測定した定点データを収集して、端末装置３に伝送する。

端末装置３は、傾斜角換算ユニット及び水平角変換ユニットの分析により、基準水平角、第１定点水平角、第２定点水平角を得て、さらに相対水平角計算ユニットにより基準点１００と第１定点２００ａとの間の第１相対水平角、及び基準点１００と第２定点２００ｂとの間の第２相対水平角を求める。なお、
第１相対水平角＝第１定点水平角－基準水平角、
第２相対水平角＝第２定点水平角－基準水平角である。

第１相対水平角及び第２相対水平角を介して、建築家及び土木技師は、階段を調整し、又は他の工事施工の変形量を検出することができる。

図８は、本発明の第２実施例の模式図であり、図に示すように、本発明の角度計算システムは、ロボットアーム１８の歩留り率を検出する応用シナリオに適用でき、ロボットアーム１８は、合計で３つの回転軸１８１を有し、それぞれ第１回転軸１８１ａ、第２回転軸１８１ｂ、第３回転軸１８１ｃであり、基準装置１は第１回転軸１８１ａに配置され、第１定点装置２ａは第２回転軸１８１ｂに配置され、第２定点装置２ｂは第３回転軸１８１ｃに配置される。

第２実施例では、第１回転軸１８ａが回転すると、第２回転軸１８ｂ及び第３回転軸１８ｃは回転し、各回転軸１８に位置する基準装置１、第１定点装置２ａ及び第２定点装置２ｂ、及び目標テーブル面１９に位置する第３定点装置２ｃは、慣性を検出して基準データ及び定点データを生成して、端末装置３に直接伝送し、さらに第２回転軸１８ｂの各軸方向での定点回転角と基準回転角との間の相対回転角、第３回転軸１８ｃの各軸方向での定点回転角と基準回転角との間の相対回転角、及び目標テーブル面１９とクランプジョー１８２との間の相対水平角を計算する。

第２回転軸１８１ｂの相対回転角、及び第３回転軸１８１ｃの相対回転角を把握することにより、ロボットアームの歩留り率を検出する品質検査員は、ロボットアームの各回転軸１８１の間の回転角の誤差を把握し、さらにロボットアーム１８を調整することができる。

また、本発明の角度計算システムはさらに、橋梁の水平リアルタイム検出に適用でき、例えば、橋梁の両端にそれぞれ基準装置及び定点装置を配置し、橋梁の両端の相対水平角を連続的にモニタリングすることにより、台風や他の風害による橋梁の損傷を早めに発見し、治療に勝る予防の効果を達成することに寄与する。

一方、実際の応用中に、さらにクランプジョー１８２に水平基準装置１ｈを配置し、目標テーブル面１９に水平定点装置２ｈを配置することにより、ロボットアーム１８のクランプジョー１８２と目標テーブル面１９との間の水平関係を測定することができる。

本発明は、半導体製造分野にも適用でき、ウエハが各ステージ間で搬送される場合、設備エンジニアは、基準装置を目標ステージに配置し、定点装置をエンドエフェクタのクランプジョーに配置することにより、クランプジョーと目標ステージとの間の相対水平角を確保し、ウエハが転移中に水平誤差により損傷することを回避することができる。

図９は、本発明の表示モジュールの模式図であり、図に示すように、本発明の表示モジュール３３は、各軸の相対水平角及び相対回転角をレーダーチャートの形態で使用者に伝達し、使用者は、レーダー点３３１の移動、及び数値表３３２の変更に従って、相対水平角及び相対回転角を把握することができる。

本発明の定点装置及び基準装置は、加速度計、ジャイロスコープ又は２つ以上の組み合わせである。

本発明の中継装置は、無線アクセスポイント（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ）である。

本発明の中継装置は、非必要素子であり、本発明の端末装置は、受信ユニットを用いて定点装置及び基準装置に直接接続され得る。

以上のように、本発明は、定点装置、端末装置及び角度計算方法を実行する処理モジュールの連携を用いて、遠くなる両端の水平角及び回転角を測定するという目的を達成し、且つ本発明の定点装置及び基準装置は、軽量且つ小型であり、銅板のような体積しかなく、エンジニアたちが容易に携帯でき、被測定物に長期にわたって装着でき、被測定物の負担をもたらさず、水平角及び回転角をリアルタイムに監視するという目的を達成する。

以上は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対して行った修正や等価置換は、いずれも本発明の特許出願の範囲の保護範囲内に含まれるべきである。

１：基準装置
１ｈ：水平基準装置
１００：基準点
１０１：基準データ
２：定点装置
２ａ：第１定点装置
２ｂ：第２定点装置
２ｈ：水平定点装置
２００：定点
２００ａ：第１定点
２００ｂ：第２定点
２０１：定点データ
３：端末装置
３１：受信ユニット
３２：処理モジュール
３２１：傾斜角換算ユニット
３２２：水平角変換ユニット
３２３：相対水平角計算ユニット
３２４：回転角変換ユニット
３２５：相対回転角計算ユニット
３３：表示モジュール
４：中継装置
５：水平面
６：定点水平角
６ｘ：Ｘ軸方向定点水平角
７：軸方向
７ｘ：Ｘ軸方向
７ｙ：Ｙ軸方向
７ｚ：Ｚ軸方向
８：元の軸方向
８ｘ：元のＸ軸方向
８ｙ：元のＹ軸方向
８ｚ：元のＺ軸方向
９：定点傾斜角
９ｘ：Ｘ軸方向定点傾斜角
９ｙ：Ｙ軸方向定点傾斜角
９ｚ：Ｚ軸方向定点傾斜角
１０：標準重力
１１：基準データ
１２：定点回転角
１３：基準傾斜角
１４：基準水平角
１５：基準回転角
１６：相対水平角
１７：相対回転角
１８：ロボットアーム
１８１：回転軸
１８１ａ：第１回転軸
１８１ｂ：第２回転軸
１８１ｃ：第３回転軸
１９：目標テーブル面
Ｓ３０１～Ｓ３０５：ステップ
Ｓ６０１～Ｓ６０５：ステップ

Claims (10)

1. 角度計算システムであって、
   定点の慣性を検出して定点データを取得するための定点装置と、
   基準点の慣性を検出して基準データを取得するための基準装置と、
   該基準データ及び該定点データを受信するための受信ユニット、該受信ユニットに接続され、傾斜角換算ユニットを含み、該定点データを該定点の定点傾斜角に換算し、基準データを該基準点の基準傾斜角に変換するための処理モジュールを含む端末装置と、を含み、
   該定点データは、該定点における複数の軸方向の加速度信号を含み、
   該基準データは、該基準点における複数の軸方向の加速度信号を含む、角度計算システム。
2. 該定点傾斜角を定点水平角に変換し、該基準傾斜角を基準水平角に変換するための水平角変換ユニットと、
   該基準傾斜角と該定点傾斜角との間の差を計算して、該定点と該基準点との間の相対水平角を取得するための相対水平角計算ユニットと、をさらに含む、請求項１に記載の角度計算システム。
3. 該処理モジュールは、
   該定点傾斜角を該定点回転角に換算し、該基準傾斜角を基準回転角に変換するための回転角変換ユニットと、
   該定点回転角と該基準回転角との間の差を計算して、該定点と該基準点との相対回転角を取得するための相対回転角計算ユニットと、をさらに含む、請求項１に記載の角度計算システム。
4. 該定点装置、基準装置及び該端末装置に接続される中継装置をさらに含み、該中継装置は、該基準データと該定点データを受信して該端末装置に伝送することに用いられる、請求項１又は２に記載の角度計算システム。
5. 該定点装置又は基準装置は、加速度計、ジャイロスコープ又は２つ以上の組み合わせである、請求項１に記載の角度計算システム。
6. 角度計算方法であって、
   定点における複数の軸方向の定点加速度を含む定点データを提供するステップと、
   基準点における複数の軸方向の基準加速度を含む基準データを提供するステップと、
   斜面加速度式及び標準重力（ｓｔａｎｄａｒｄ ｇｒａｖｉｔｙ）を用いて、各軸方向の該定点加速度を該定点の各軸方向での定点傾斜角に変換するステップと、
   斜面加速度式及び標準重力を用いて、各軸方向の該基準加速度を該基準点の各軸方向での基準傾斜角に変換するステップと、を含む、角度計算方法。
7. 該斜面加速度式は、
   

   

   である（式中、
   

   

   は、標準重力を表し、
   

   

   は、各軸方向の該定点傾斜角又は該基準傾斜角を表し、
   

   

   は、各軸方向の該定点加速度又は該基準加速度を表す）、請求項６に記載の角度計算方法。
8. 標準水平面における複数の軸の標準加速度を含む標準データを提供するステップと、
   該標準加速度と標準重力（ｓｔａｎｄａｒｄ ｇｒａｖｉｔｙ）との間の誤差に従って、補正演算子を生成するステップと、
   該補正演算子（ｏｐｅｒａｔｏｒ）を該定点データ及び該基準データに作用させるステップと、をさらに含み、
   該標準データが該補正演算子により作用された場合、各軸方向の標準加速度の合計は、標準重力に等しくなる、請求項６に記載の角度計算方法。
9. 各軸方向の該定点傾斜角が各軸方向の定点水平角に等しいという関係を用いて、該定点の各軸方向での該定点水平角を取得するステップと、
   各軸方向の該基準傾斜角が各軸方向の基準水平角に等しいという関係を用いて、該基準点の各軸方向での該基準水平角を取得するステップと、
   該基準水平角と該定点水平角との間の差を計算して、該定点と該基準点との間の相対水平角を取得するステップと、をさらに含む、請求項６に記載の角度計算方法。
10. 各軸方向の該定点傾斜角が各軸方向の定点回転角に等しいという関係を用いて、該定点の各軸方向での該定点回転角を取得するステップと、
    各軸方向の該基準傾斜角が各軸方向の基準回転角に等しいという関係を用いて、該基準点の各軸方向での該基準回転角を取得するステップと、
    各軸方向の該基準回転角と各軸方向の該定点回転角との間の差を計算して、該定点と該基準点との間の各軸方向での相対回転角を取得するステップと、をさらに含む、請求項６に記載の角度計算方法。

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