流体作用力測定装置及び波力測定装置
【課題】模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、広範囲での模型の動揺の計測に適した流体作用力測定装置を提供すること。
【解決手段】流体の作用力試験を行う模型１と、模型１に作用する流体の力を検出する作用力検出手段２と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５とを備え、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型１の運動にロボットアーム５を追随させやすくし、広範囲での模型の動揺の計測を可能とする。
【解決手段】流体の作用力試験を行う模型１と、模型１に作用する流体の力を検出する作用力検出手段２と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５とを備え、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型１の運動にロボットアーム５を追随させやすくし、広範囲での模型の動揺の計測を可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船や浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験に用いる流体作用力測定装置及び波力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、波浪中を航行する船舶に働く波力を精密に測定するためには、波浪中での船体の６自由度運動を極力拘束することなく。波から受ける定常的（平均値）な力を精密に測定する必要がある。
しかし、サージング、スウェイング、及びヨーイングによる運動は、復原力を持たないため、これらの運動がある一定の平均的な位置周りの周期運動になるようにサーボモータ等を用いて制御し、収束させる必要がある。なお、収束に要する制御値が計測すべき波力に一致する。
【０００３】
本出願人が保有するヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置は、模型船の重心部にヒーブロッドが取り付けられ、このヒーブロッドは上下方向に自由に動作できるように構成されている。そしてヒーブロッドは、キャリッジに取り付けられ、このキャリッジが模型船の動作に追随して、左右、前後に自由に動作できるように枠の中に取り付けられている。
ヒーブロッドの先端にはジンバルが設けられ、ジンバルとヒーブロッド内の回転軸によってピッチ方向、ロール方向、及びヨー方向の回転運動を拘束しないようになっている。
なお、例えば特許文献１から特許文献３に示すような、外力やアームの動作を検出してロボットアームを制御するものは提案されているが、船や浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験にロボットアームを用いたものは提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３８６７３号公報
【特許文献２】特表２０００−５０６７８９号公報
【特許文献３】特開平８−３２３６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置では、ヒーブロッドの先端を模型船上のジンバルに固定する作業が、複数のボルト固定によるために極めて手間を要するという問題がある。
また、計測上の問題としては、ヒーブロッドの重量が模型船に加わってしまう、サージ方向キャリッジの慣性力がサージ運動に影響する、サージ方向とスウェイ方向のキャリッジの慣性力がスウェイ運動に影響する、動揺計測範囲が狭いという問題を有している。
【０００６】
そこで本発明は、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、広範囲での模型の動揺の計測に適した流体作用力測定装置及び波力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載に対応した流体作用力測定装置においては、流体の作用力試験を行う模型と、模型に作用する流体の力を検出する作用力検出手段と、作用力検出手段を端部に設けるロボットアームとを備えたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ロボットアームによれば広範囲での模型の動揺の計測に適している。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の流体作用力測定装置において、流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、流体の変動下で模型に作用する力を作用力検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、流体の変動下での模型に作用する力を測定することができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の流体作用力測定装置において、模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、模型を作動させたときの模型に作用する力を作用力検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、模型を作動させたときの模型に作用する力を測定することができる。
請求項４記載に対応した波力測定装置においては、波の作用力試験を行う模型船と、模型船に作用する波の力を検出する作用力検出手段と、作用力検出手段を端部に設けるロボットアームと、波を発生させる造波手段とを備えたことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置と比較して、模型の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型の動揺を計測することができる。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の波力測定装置において、作用力検出手段として、ロードセルを用いたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、模型船に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアームへのフィードバック制御を行いやすい。
請求項６記載の本発明は、請求項４又は請求項５に記載の波力測定装置において、模型船とロボットアームの間に、模型船の運動を許容するジンバルをさらに備えたことを特徴とする。請求項6に記載の本発明によれば、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバルによって行う必要がなくなり、また例えばジンバルを掴むことでも、ロボットアームを模型船に取り付けることができる。
請求項７記載の本発明は、請求項４から請求項６のいずれかに記載の波力測定装置において、ロボットアームの先端部には、模型船を直接あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、模型船へのロボットアームの取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。なお、ワンタッチ機構とは、工具を用いることなく簡便に着脱が可能な機構全体をいう。また、模型船を間接的に掴むとは、例えばロボットアームの端部に設けた作用力検出手段やジンバル等を介して間接的に模型船を掴むことをいう。
請求項８記載の本発明は、請求項４から請求項７のいずれかに記載の波力測定装置において、ロボットアームを介して模型船を曳引する曳引車をさらに備え、模型船を曳引車で曳引して作動させたことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、模型船を作動させたときの模型船に作用する力を測定でき、また模型船の作動をロボットアームによって行うことができる。
請求項９記載の本発明は、請求項４から請求項８のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船を作動／停止させるときに、模型船あるいは前記作用力検出手段の周辺構造物を掴み、前記作用力検出手段に過大な負荷がかかることを防止する過大負荷防止機構をさらに備えたことを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、模型船の作動／停止にともなう作用力検出手段への負荷を無くし、作用力検出手段の損傷を防止することができる。
請求項１０記載の本発明は、請求項４から請求項９のいずれかに記載の波力測定装置において、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御したことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御することで、模型船の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
請求項１１記載の本発明は、請求項４から請求項１０のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに模型船を維持した状態で、作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことを特徴とする。請求項１１に記載の本発明によれば、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
請求項１２記載の本発明は、請求項４から請求項１１のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型船に作用する力を検出するときに模型船の船体運動を船体運動検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、船体運動を同時計測することができる。
請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載の波力測定装置において、船体運動検出手段を、加速度検出手段とロボットアーム位置検出手段で構成したことを特徴とする。請求項１３に記載の本発明によれば、加速度検出手段の検出値を用いて作用力検出手段などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の流体作用力測定装置によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ロボットアームによれば広範囲での模型の動揺の計測に適している。また、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置で問題となっていた模型に不要な荷重が加わることの防止や、キャリッジの慣性力が運動に影響を与えることの軽減が可能となる。
なお、流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、流体の変動下で模型に作用する力を作用力検出手段によって検出した場合には、流体の変動下での模型に作用する力を測定することができる。
また、模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、模型を作動させたときの模型に作用する力を作用力検出手段によって検出した場合には、模型を作動させたときの模型に作用する力を測定することができる。
また、本発明の波力測定装置によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置と比較して、模型の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型の動揺を計測することができる。
また、作用力検出手段として、ロードセルを用いた場合には、模型船に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアームへのフィードバック制御を行いやすい。
また、模型船の運動を許容するジンバルをさらに備え、ワンタッチ機構がジンバルを掴む場合には、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバルによって行う必要がなくなり、またジンバルを掴むことでも、ロボットアームを模型船に取り付けることができる。
また、ロボットアームの先端部に、模型船を直接的あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えた場合には、模型船へのロボットアームの取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。
また、ロボットアームを介して模型船を曳引する曳引車をさらに備え、模型船を曳引車で曳引して作動させた場合には、模型船を作動させたときの模型船に作用する力を測定でき、また模型船の作動をロボットアームによって行うことができる。
また、模型船の作動／停止させるときに、過大負荷防止機構で模型船を掴む場合には、模型船を作動／停止にともなう作用力検出手段への負荷を無くし、作用力検出手段の損傷を防止することができる。
また、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御した場合には、模型船の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
また、模型船に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに模型船を維持した状態で、作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定した場合には、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
また、模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型船に作用する力を検出するときに模型船の船体運動を船体運動検出手段によって検出した場合には、船体運動を同時計測することができる。
また、船体運動検出手段を、加速度検出手段とロボットアーム位置検出手段で構成した場合には、加速度検出手段の検出値を用いて作用力検出手段などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による流体作用力測定装置を模型船に適用した波力測定装置の機能実現手段を示すブロック図
【図２】同波力測定装置の要部斜視図
【図３】同波力測定装置の要部断面図
【図４】同波力測定装置の要部分解斜視図
【図５】同波力測定装置の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態による流体作用力測定装置について説明する。
図１は本実施形態による流体作用力測定装置を模型船に適用した波力測定装置の機能実現手段を示すブロック図である。
本実施形態による波力測定装置は、流体の作用力試験を行う模型（模型船）１と、模型１に作用する流体の力を検出する作用力検出手段２と、流体を変動させる流体変動手段（造波手段）３と、模型１を作動させる模型作動手段４と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５とを備えている。ロボットアーム５は、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置のようなキャリッジを必要としないため、動揺計測範囲を広く取れる。
作用力検出手段２は、複数のロードセルで構成している。本実施形態では、サージ方向、スウェイ方向、ヒーブ方向、ヨー方向のそれぞれの作用力を検出するために、４軸ロードセルを用いている。作用力検出手段２は、流体変動手段３による流体の変動下で模型１に作用する力、及び模型１を模型作動手段４により作動させたときの模型１に作用する力を検出する。
【００１１】
ロボットアーム５の端部は、機械的な機構又は制御機構によって水平を保つように構成されている。ロボットアーム５の先端部には、過大負荷防止機構６とワンタッチ機構７とを備えている。図１では、過大負荷防止機構６は、ワンタッチ機構７を介してロボットアーム５に設けた構成を示しているが、ロボットアーム５に直接設けてもよい。
作用力検出手段２は過大負荷防止機構６を介しワンタッチ機構７によってロボットアーム５に連結され、一方でケーシング１８を介してジンバル１８に接続されている。また、
過大負荷防止機構６は、模型１を作動、又は停止させるときに作用力検出手段２の周辺構造物であるケーシング１８を掴み、作用力検出手段２に過大な負荷がかかることを防止することが可能なように構成されている。
なお、ワンタッチ機構７は、作用力検出手段２とジンバル８との間、又はジンバル８と模型１との間に設けてもよい。ジンバル８と模型１との間にワンタッチ機構７を設けた場合は、模型１をワンタッチ機構７で直接的に掴むことになるがロボットアーム５と過大負荷防止機構６との間や、作用力検出手段２とジンバル８との間に設けた場合は、間接的に掴むことになる。この掴み方が、直接的であるか間接的であるかは、関連部分の構成や着脱操作のし易さに応じて任意に選択される。
なお、ワンタッチ機構は、手の１回の接触で着脱が可能な機構をはじめとした、工具を用いることなく簡便に物の着脱が可能な機構全体を含むものとする。
ワンタッチ機構７を設けることで、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置においては、ジンバルを模型船に固定する作業が、複数のボルト固定によるために極めて手間を要していたが、ワンタッチ機構７を設けることで、模型１へのロボットアーム５の取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。また、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置で問題となっていたサージ方向とスウェイ方向のキャリッジの慣性力の問題を軽減できる。
また、過大負荷防止機構６はケーシング１８を掴む構成以外に、模型１を掴む構成や、ジンバル８の上部を掴む構成があり得る。この、過大負荷防止機構６がどこを掴むかは、関連部分の構成や実験のし易さに応じて任意に選択される。
図１に示すように、過大負荷防止機構６は、モータやソレノイド等を利用した開閉手段６ａによって開閉される。過大負荷防止機構６がクランプ開の状態、すなわちクランプしない状態では、ワンタッチ機構７によって作用力検出手段２が過大負荷防止機構６を介してロボットアーム５に連結される。過大負荷防止機構６は、クランプ閉の状態、すなわちクランプした状態では、作用力検出手段２のケーシング１８を掴む。過大負荷防止機構６によってケーシング１８を掴んだ状態では、ロボットアーム５から模型１に力を作用させても、ロボットアーム５の力は作用力検出手段２に働かない。模型１を作動／停止させるとき、すなわち所定の試験位置に模型１を設置するまでの移動時及び停止時や、所定の速度に加速する間等には、開閉手段６ａによってクランプ閉とし、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴むように制御する。また、模型１に力を作用させる場合にも、開閉手段６ａによってクランプ閉とし、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴んだ状態とする。
【００１２】
作用力検出手段２は、ジンバル８を介して模型１に取り付けられる。ジンバル８は、ピッチ方向とロール方向に対する模型１の運動を許容する。
模型作動手段４には、模型１を曳引する曳引車を用いることができ、模型作動手段４は、ロボットアーム５を介して作動させることが好ましい。
検出値記憶手段９は、作用力検出手段２で検出し、付加物慣性力補正手段１４で補正した検出値を記憶する。追随動作演算手段１０では、検出値記憶手段９に記憶した検出値に基づいて、検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５の動作方向と動作距離を演算する。ロボットアーム駆動手段１１では、追随動作演算手段１０で演算されたデータに基づいてロボットアーム５に対して駆動させる。
ロボットアーム５を模型１に追随させる時には、開閉手段６ａによってクランプ開とし、上記のように作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を動作させる。従って、ロボットアーム５からの力は、作用力検出手段２に作用させず、ロボットアーム５の端部を作用力検出手段２の動きに追随させて動作させることができる。
【００１３】
模型１の船体運動を検出する船体運動検出手段として、加速度検出手段１２とロボットアーム位置検出手段１３とを備えている。加速度検出手段１２は、作用力検出手段２とともにロボットアーム５の端部に設けている。加速度検出手段１２は、サージ方向、スウェイ方向、ヒーブ方向、ヨー方向のそれぞれの加速度を検出することが好ましい。ロボットアーム位置検出手段１３は、例えば、ロボットアーム機構が通常備えているサーボモータなどのエンコーダのデータを用いてロボットアーム５の端部の位置データを検出することができる。
付加物慣性力補正手段１４は、本実施形態により模型１と一緒に加速運動する作用力検出手段２に加わる慣性力を演算し、検出された作用力を補正する。付加物とは、ロボットアーム５の端部に設けられた作用力検出手段２、加速度検出手段１２、及びこれらを固定するための治具であり、付加物の質量はあらかじめ記憶されている。付加物慣性力補正手段１４では、検出される加速度とあらかじめ記憶された付加物の質量とから演算される。
【００１４】
波力演算手段１５では、作用力検出手段２で検出し、付加物慣性力補正手段１４で補正した検出値に基づいて波力を演算する。
測定値記憶手段１６では、波力演算手段１５で演算された、付加物による影響を除去した波力を記憶するとともに、ロボットアーム位置検出手段１３で検出された模型１の位置データを記憶する。
ドリフト量演算手段１７では、ロボットアーム位置検出手段１３で検出した検出値に基づいて、模型１のドリフト量を演算する。ドリフト量演算手段１７による演算結果として、ドリフトを復原する力をロボットアーム５に与える必要がある場合には、ドリフトを復原する力をロボットアーム駆動手段１１に与えることで、一定の平均的な位置周りに模型１を維持する。また、ドリフトを復原する力が作用力検出手段２の容量を超えた場合は、過大負荷防止機構６がケーシング１８を掴むように開閉手段６ａによってクランプを閉動作させ、作用力検出手段２の損傷を防止する。
【００１５】
図２は同波力測定装置の要部斜視図、図３は同波力測定装置の要部断面図、図４は同波力測定装置の要部分解斜視図、図５は同波力測定装置の要部断面図である。
ジンバル８は、互いが直交する方向に第１の軸８ａと第２の軸８ｂとを備えており、模型１の前後方向が第１の軸８ａ、模型１の左右方向が第２の軸８ｂとなるように模型１に固定される。第１の軸８ａによって模型１のロール方向の運動を許容し、第２の軸８ｂによって模型１のピッチ方向の運動を許容する。
作用力検出手段２はケーシング１８内に収納され、ケーシング１８を介してジンバル８に取り付けられる。作用力検出手段２は、ジンバル８に取り付けられることで、模型１のロール方向とピッチ方向の運動の影響は受けない。
ロボットアーム５の先端部には、ワンタッチ機構７を介して過大負荷防止機構６が設けられている。
【００１６】
図４に示すように、作用力検出手段２は、サージ方向の作用力を検出するロードセル２ａ、スウェイ方向の作用力を検出するロードセル２ｂ、ヒーブ方向の作用力を検出するロードセル２ｃ、ヨー方向の作用力を検出するロードセル２ｄとから構成される。これらのロードセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、ケーシング１８内に収納されている。ケーシング１８の外周面には溝が形成され、過大負荷防止機構６はこの溝に係止する突起を備えている。
【００１７】
図２から図４では、過大負荷防止機構６は、ケーシング１８を掴むことで、間接的にジンバル８を掴む構成を示している。このように、過大負荷防止機構６は、ケーシング１８、ジンバル８、又は模型１のいずれかを掴むことで、作用力検出手段２にロボットアーム５の力が加わらない。
【００１８】
図４及び図５にワンタッチ機構７を示している。
ワンタッチ機構７は、ロボットアーム５の先端部５ａを挿入可能な凹部が形成された接合部７ａと、ボール保持具７ｂと、ボール７ｃと、ボール７ｃを先端部５ａに押圧するロック部材７ｄと、ロック部材７ｄによるボール７ｃへの押圧を解除する解除レバー７ｅとから構成されている。また、先端部５ａの端部には、廻り止め用のローレット５ｂが形成されている。
【００１９】
ロボットアーム５の先端部５ａが凹部に挿入されると、ボール７ｃが先端部５ａの外周にリング状に形成された溝にはまり込み、ロック部材７ｄの押圧によって、先端部５ａが接合部７ａに係合される。
解除レバー７ｅを凹部の底面に向かって押し下げることで、ロック部材７ｄのボール７ｃへの押圧が解除され、先端部５ａの接合部７ａに対する係合は解除される。
【００２０】
以上のように本実施形態によれば、波の作用力試験を行う模型１と、模型１に作用する波の力を検出する作用力検出手段２と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５と、波を発生させる流体変動手段３とを備え、ロボットアーム５の端部に作用力検出手段２を設けることで、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型１の運動にロボットアーム５を追随させやすく、模型１の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型１の動揺を計測することができる。
また本実施形態によれば、作用力検出手段２として、ロードセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを用いたことで、模型１に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアーム５へのフィードバック制御を行いやすい。
【００２１】
また本実施形態によれば、ロボットアーム５の先端部５ａには、模型１を掴むワンタッチ機構７を備え、ワンタッチ機構７によって模型１を掴むことで、模型１へのロボットアーム５の取り付けを、多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。
また本実施形態によれば、模型１の運動を許容するジンバル８をさらに備え、ワンタッチ機構７がジンバル８を掴む場合には、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバル８によって行う必要がなくなり、またジンバル８を掴むことでも、ロボットアーム５を模型１に取り付けることができる。
また本実施形態によれば、ロボットアーム５を介して模型１を曳引する模型作動手段４をさらに備え、模型１を模型作動手段４で曳引して作動させることで、模型１を作動させたときの模型１に作用する力を測定でき、また模型１の作動をロボットアーム５によって行うことができる。
【００２２】
また本実施形態によれば、模型１を作動／停止させるときに、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴むことで、模型１の作動／停止にともなう作用力検出手段２への負荷を無くし、作用力検出手段２の損傷を防止することができる。
また本実施形態によれば、作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を制御することで、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
また本実施形態によれば、模型１に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアーム５に与えて、一定の平均的な位置周りに模型１を維持した状態で、作用力検出手段２で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことで、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
【００２３】
また本実施形態によれば、模型１の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型１に作用する力を検出するときに模型１の船体運動を船体運動検出手段によって検出したことで、船体運動を同時計測することができる。
また本実施形態によれば、船体運動検出手段を、加速度検出手段１２とロボットアーム位置検出手段１３で構成したことで、加速度検出手段１２の検出値を用いて作用力検出手段２などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、模型船に適用した波力測定装置で説明したが、船以外の浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験に用いる流体作用力測定装置として適用できる。
また、本実施形態では、ロボットアーム５の端部が水平を保つように制御し、作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を動作させることで、模型の運動に影響を与えることなく、ロボットアーム５の端部が模型１の運動を追跡、計測する場合を説明したが、ジャイロを備えることで、ロボットアーム５の端部を水平に保つことなく、水平からのずれを計測し、水平からのずれ量を用いて荷重の計測値を補正してもよい。
また、他の実施形態として、復原力の無いサージ方向、スウェイ方向、ヨー方向の運動に対して、定常力と変位に比例する復原力に相当する力を与え、これらの運動が平均的な位置の周りの周期運動となるように制御することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、船以外の浮体、水中航行体、航空機などの各種模型に適用でき、波力や風力などの流体の作用力試験の測定に利用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１ 模型（模型船）
２ 作用力検出手段
２ａ ロードセル
２ｂ ロードセル
２ｃ ロードセル
２ｄ ロードセル
３ 流体変動手段（造波手段）
４ 模型作動手段（曳引車）
５ ロボットアーム
６ 過大負荷防止機構
８ ジンバル
１２ 加速度検出手段（船体運動検出手段）
１３ ロボットアーム位置検出手段（船体運動検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船や浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験に用いる流体作用力測定装置及び波力測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、波浪中を航行する船舶に働く波力を精密に測定するためには、波浪中での船体の６自由度運動を極力拘束することなく。波から受ける定常的（平均値）な力を精密に測定する必要がある。
しかし、サージング、スウェイング、及びヨーイングによる運動は、復原力を持たないため、これらの運動がある一定の平均的な位置周りの周期運動になるようにサーボモータ等を用いて制御し、収束させる必要がある。なお、収束に要する制御値が計測すべき波力に一致する。
【０００３】
本出願人が保有するヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置は、模型船の重心部にヒーブロッドが取り付けられ、このヒーブロッドは上下方向に自由に動作できるように構成されている。そしてヒーブロッドは、キャリッジに取り付けられ、このキャリッジが模型船の動作に追随して、左右、前後に自由に動作できるように枠の中に取り付けられている。
ヒーブロッドの先端にはジンバルが設けられ、ジンバルとヒーブロッド内の回転軸によってピッチ方向、ロール方向、及びヨー方向の回転運動を拘束しないようになっている。
なお、例えば特許文献１から特許文献３に示すような、外力やアームの動作を検出してロボットアームを制御するものは提案されているが、船や浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験にロボットアームを用いたものは提案されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３８６７３号公報
【特許文献２】特表２０００−５０６７８９号公報
【特許文献３】特開平８−３２３６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置では、ヒーブロッドの先端を模型船上のジンバルに固定する作業が、複数のボルト固定によるために極めて手間を要するという問題がある。
また、計測上の問題としては、ヒーブロッドの重量が模型船に加わってしまう、サージ方向キャリッジの慣性力がサージ運動に影響する、サージ方向とスウェイ方向のキャリッジの慣性力がスウェイ運動に影響する、動揺計測範囲が狭いという問題を有している。
【０００６】
そこで本発明は、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、広範囲での模型の動揺の計測に適した流体作用力測定装置及び波力測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載に対応した流体作用力測定装置においては、流体の作用力試験を行う模型と、模型に作用する流体の力を検出する作用力検出手段と、作用力検出手段を端部に設けるロボットアームとを備えたことを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ロボットアームによれば広範囲での模型の動揺の計測に適している。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の流体作用力測定装置において、流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、流体の変動下で模型に作用する力を作用力検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、流体の変動下での模型に作用する力を測定することができる。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の流体作用力測定装置において、模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、模型を作動させたときの模型に作用する力を作用力検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、模型を作動させたときの模型に作用する力を測定することができる。
請求項４記載に対応した波力測定装置においては、波の作用力試験を行う模型船と、模型船に作用する波の力を検出する作用力検出手段と、作用力検出手段を端部に設けるロボットアームと、波を発生させる造波手段とを備えたことを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置と比較して、模型の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型の動揺を計測することができる。
請求項５記載の本発明は、請求項４に記載の波力測定装置において、作用力検出手段として、ロードセルを用いたことを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、模型船に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアームへのフィードバック制御を行いやすい。
請求項６記載の本発明は、請求項４又は請求項５に記載の波力測定装置において、模型船とロボットアームの間に、模型船の運動を許容するジンバルをさらに備えたことを特徴とする。請求項6に記載の本発明によれば、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバルによって行う必要がなくなり、また例えばジンバルを掴むことでも、ロボットアームを模型船に取り付けることができる。
請求項７記載の本発明は、請求項４から請求項６のいずれかに記載の波力測定装置において、ロボットアームの先端部には、模型船を直接あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えたことを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、模型船へのロボットアームの取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。なお、ワンタッチ機構とは、工具を用いることなく簡便に着脱が可能な機構全体をいう。また、模型船を間接的に掴むとは、例えばロボットアームの端部に設けた作用力検出手段やジンバル等を介して間接的に模型船を掴むことをいう。
請求項８記載の本発明は、請求項４から請求項７のいずれかに記載の波力測定装置において、ロボットアームを介して模型船を曳引する曳引車をさらに備え、模型船を曳引車で曳引して作動させたことを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、模型船を作動させたときの模型船に作用する力を測定でき、また模型船の作動をロボットアームによって行うことができる。
請求項９記載の本発明は、請求項４から請求項８のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船を作動／停止させるときに、模型船あるいは前記作用力検出手段の周辺構造物を掴み、前記作用力検出手段に過大な負荷がかかることを防止する過大負荷防止機構をさらに備えたことを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、模型船の作動／停止にともなう作用力検出手段への負荷を無くし、作用力検出手段の損傷を防止することができる。
請求項１０記載の本発明は、請求項４から請求項９のいずれかに記載の波力測定装置において、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御したことを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御することで、模型船の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
請求項１１記載の本発明は、請求項４から請求項１０のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに模型船を維持した状態で、作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことを特徴とする。請求項１１に記載の本発明によれば、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
請求項１２記載の本発明は、請求項４から請求項１１のいずれかに記載の波力測定装置において、模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型船に作用する力を検出するときに模型船の船体運動を船体運動検出手段によって検出したことを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、船体運動を同時計測することができる。
請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載の波力測定装置において、船体運動検出手段を、加速度検出手段とロボットアーム位置検出手段で構成したことを特徴とする。請求項１３に記載の本発明によれば、加速度検出手段の検出値を用いて作用力検出手段などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の流体作用力測定装置によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、流体の力による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ロボットアームによれば広範囲での模型の動揺の計測に適している。また、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置で問題となっていた模型に不要な荷重が加わることの防止や、キャリッジの慣性力が運動に影響を与えることの軽減が可能となる。
なお、流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、流体の変動下で模型に作用する力を作用力検出手段によって検出した場合には、流体の変動下での模型に作用する力を測定することができる。
また、模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、模型を作動させたときの模型に作用する力を作用力検出手段によって検出した場合には、模型を作動させたときの模型に作用する力を測定することができる。
また、本発明の波力測定装置によれば、ロボットアームの端部に作用力検出手段を設けることで、模型の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型の運動にロボットアームを追随させやすく、ヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置と比較して、模型の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型の動揺を計測することができる。
また、作用力検出手段として、ロードセルを用いた場合には、模型船に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアームへのフィードバック制御を行いやすい。
また、模型船の運動を許容するジンバルをさらに備え、ワンタッチ機構がジンバルを掴む場合には、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバルによって行う必要がなくなり、またジンバルを掴むことでも、ロボットアームを模型船に取り付けることができる。
また、ロボットアームの先端部に、模型船を直接的あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えた場合には、模型船へのロボットアームの取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。
また、ロボットアームを介して模型船を曳引する曳引車をさらに備え、模型船を曳引車で曳引して作動させた場合には、模型船を作動させたときの模型船に作用する力を測定でき、また模型船の作動をロボットアームによって行うことができる。
また、模型船の作動／停止させるときに、過大負荷防止機構で模型船を掴む場合には、模型船を作動／停止にともなう作用力検出手段への負荷を無くし、作用力検出手段の損傷を防止することができる。
また、作用力検出手段で検出される力がゼロとなるようにロボットアームを制御した場合には、模型船の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
また、模型船に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに模型船を維持した状態で、作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定した場合には、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
また、模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型船に作用する力を検出するときに模型船の船体運動を船体運動検出手段によって検出した場合には、船体運動を同時計測することができる。
また、船体運動検出手段を、加速度検出手段とロボットアーム位置検出手段で構成した場合には、加速度検出手段の検出値を用いて作用力検出手段などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による流体作用力測定装置を模型船に適用した波力測定装置の機能実現手段を示すブロック図
【図２】同波力測定装置の要部斜視図
【図３】同波力測定装置の要部断面図
【図４】同波力測定装置の要部分解斜視図
【図５】同波力測定装置の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態による流体作用力測定装置について説明する。
図１は本実施形態による流体作用力測定装置を模型船に適用した波力測定装置の機能実現手段を示すブロック図である。
本実施形態による波力測定装置は、流体の作用力試験を行う模型（模型船）１と、模型１に作用する流体の力を検出する作用力検出手段２と、流体を変動させる流体変動手段（造波手段）３と、模型１を作動させる模型作動手段４と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５とを備えている。ロボットアーム５は、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置のようなキャリッジを必要としないため、動揺計測範囲を広く取れる。
作用力検出手段２は、複数のロードセルで構成している。本実施形態では、サージ方向、スウェイ方向、ヒーブ方向、ヨー方向のそれぞれの作用力を検出するために、４軸ロードセルを用いている。作用力検出手段２は、流体変動手段３による流体の変動下で模型１に作用する力、及び模型１を模型作動手段４により作動させたときの模型１に作用する力を検出する。
【００１１】
ロボットアーム５の端部は、機械的な機構又は制御機構によって水平を保つように構成されている。ロボットアーム５の先端部には、過大負荷防止機構６とワンタッチ機構７とを備えている。図１では、過大負荷防止機構６は、ワンタッチ機構７を介してロボットアーム５に設けた構成を示しているが、ロボットアーム５に直接設けてもよい。
作用力検出手段２は過大負荷防止機構６を介しワンタッチ機構７によってロボットアーム５に連結され、一方でケーシング１８を介してジンバル１８に接続されている。また、
過大負荷防止機構６は、模型１を作動、又は停止させるときに作用力検出手段２の周辺構造物であるケーシング１８を掴み、作用力検出手段２に過大な負荷がかかることを防止することが可能なように構成されている。
なお、ワンタッチ機構７は、作用力検出手段２とジンバル８との間、又はジンバル８と模型１との間に設けてもよい。ジンバル８と模型１との間にワンタッチ機構７を設けた場合は、模型１をワンタッチ機構７で直接的に掴むことになるがロボットアーム５と過大負荷防止機構６との間や、作用力検出手段２とジンバル８との間に設けた場合は、間接的に掴むことになる。この掴み方が、直接的であるか間接的であるかは、関連部分の構成や着脱操作のし易さに応じて任意に選択される。
なお、ワンタッチ機構は、手の１回の接触で着脱が可能な機構をはじめとした、工具を用いることなく簡便に物の着脱が可能な機構全体を含むものとする。
ワンタッチ機構７を設けることで、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置においては、ジンバルを模型船に固定する作業が、複数のボルト固定によるために極めて手間を要していたが、ワンタッチ機構７を設けることで、模型１へのロボットアーム５の取り付けを多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。また、従来のヒーブロッド・キャリッジ式波力計測装置で問題となっていたサージ方向とスウェイ方向のキャリッジの慣性力の問題を軽減できる。
また、過大負荷防止機構６はケーシング１８を掴む構成以外に、模型１を掴む構成や、ジンバル８の上部を掴む構成があり得る。この、過大負荷防止機構６がどこを掴むかは、関連部分の構成や実験のし易さに応じて任意に選択される。
図１に示すように、過大負荷防止機構６は、モータやソレノイド等を利用した開閉手段６ａによって開閉される。過大負荷防止機構６がクランプ開の状態、すなわちクランプしない状態では、ワンタッチ機構７によって作用力検出手段２が過大負荷防止機構６を介してロボットアーム５に連結される。過大負荷防止機構６は、クランプ閉の状態、すなわちクランプした状態では、作用力検出手段２のケーシング１８を掴む。過大負荷防止機構６によってケーシング１８を掴んだ状態では、ロボットアーム５から模型１に力を作用させても、ロボットアーム５の力は作用力検出手段２に働かない。模型１を作動／停止させるとき、すなわち所定の試験位置に模型１を設置するまでの移動時及び停止時や、所定の速度に加速する間等には、開閉手段６ａによってクランプ閉とし、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴むように制御する。また、模型１に力を作用させる場合にも、開閉手段６ａによってクランプ閉とし、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴んだ状態とする。
【００１２】
作用力検出手段２は、ジンバル８を介して模型１に取り付けられる。ジンバル８は、ピッチ方向とロール方向に対する模型１の運動を許容する。
模型作動手段４には、模型１を曳引する曳引車を用いることができ、模型作動手段４は、ロボットアーム５を介して作動させることが好ましい。
検出値記憶手段９は、作用力検出手段２で検出し、付加物慣性力補正手段１４で補正した検出値を記憶する。追随動作演算手段１０では、検出値記憶手段９に記憶した検出値に基づいて、検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５の動作方向と動作距離を演算する。ロボットアーム駆動手段１１では、追随動作演算手段１０で演算されたデータに基づいてロボットアーム５に対して駆動させる。
ロボットアーム５を模型１に追随させる時には、開閉手段６ａによってクランプ開とし、上記のように作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を動作させる。従って、ロボットアーム５からの力は、作用力検出手段２に作用させず、ロボットアーム５の端部を作用力検出手段２の動きに追随させて動作させることができる。
【００１３】
模型１の船体運動を検出する船体運動検出手段として、加速度検出手段１２とロボットアーム位置検出手段１３とを備えている。加速度検出手段１２は、作用力検出手段２とともにロボットアーム５の端部に設けている。加速度検出手段１２は、サージ方向、スウェイ方向、ヒーブ方向、ヨー方向のそれぞれの加速度を検出することが好ましい。ロボットアーム位置検出手段１３は、例えば、ロボットアーム機構が通常備えているサーボモータなどのエンコーダのデータを用いてロボットアーム５の端部の位置データを検出することができる。
付加物慣性力補正手段１４は、本実施形態により模型１と一緒に加速運動する作用力検出手段２に加わる慣性力を演算し、検出された作用力を補正する。付加物とは、ロボットアーム５の端部に設けられた作用力検出手段２、加速度検出手段１２、及びこれらを固定するための治具であり、付加物の質量はあらかじめ記憶されている。付加物慣性力補正手段１４では、検出される加速度とあらかじめ記憶された付加物の質量とから演算される。
【００１４】
波力演算手段１５では、作用力検出手段２で検出し、付加物慣性力補正手段１４で補正した検出値に基づいて波力を演算する。
測定値記憶手段１６では、波力演算手段１５で演算された、付加物による影響を除去した波力を記憶するとともに、ロボットアーム位置検出手段１３で検出された模型１の位置データを記憶する。
ドリフト量演算手段１７では、ロボットアーム位置検出手段１３で検出した検出値に基づいて、模型１のドリフト量を演算する。ドリフト量演算手段１７による演算結果として、ドリフトを復原する力をロボットアーム５に与える必要がある場合には、ドリフトを復原する力をロボットアーム駆動手段１１に与えることで、一定の平均的な位置周りに模型１を維持する。また、ドリフトを復原する力が作用力検出手段２の容量を超えた場合は、過大負荷防止機構６がケーシング１８を掴むように開閉手段６ａによってクランプを閉動作させ、作用力検出手段２の損傷を防止する。
【００１５】
図２は同波力測定装置の要部斜視図、図３は同波力測定装置の要部断面図、図４は同波力測定装置の要部分解斜視図、図５は同波力測定装置の要部断面図である。
ジンバル８は、互いが直交する方向に第１の軸８ａと第２の軸８ｂとを備えており、模型１の前後方向が第１の軸８ａ、模型１の左右方向が第２の軸８ｂとなるように模型１に固定される。第１の軸８ａによって模型１のロール方向の運動を許容し、第２の軸８ｂによって模型１のピッチ方向の運動を許容する。
作用力検出手段２はケーシング１８内に収納され、ケーシング１８を介してジンバル８に取り付けられる。作用力検出手段２は、ジンバル８に取り付けられることで、模型１のロール方向とピッチ方向の運動の影響は受けない。
ロボットアーム５の先端部には、ワンタッチ機構７を介して過大負荷防止機構６が設けられている。
【００１６】
図４に示すように、作用力検出手段２は、サージ方向の作用力を検出するロードセル２ａ、スウェイ方向の作用力を検出するロードセル２ｂ、ヒーブ方向の作用力を検出するロードセル２ｃ、ヨー方向の作用力を検出するロードセル２ｄとから構成される。これらのロードセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、ケーシング１８内に収納されている。ケーシング１８の外周面には溝が形成され、過大負荷防止機構６はこの溝に係止する突起を備えている。
【００１７】
図２から図４では、過大負荷防止機構６は、ケーシング１８を掴むことで、間接的にジンバル８を掴む構成を示している。このように、過大負荷防止機構６は、ケーシング１８、ジンバル８、又は模型１のいずれかを掴むことで、作用力検出手段２にロボットアーム５の力が加わらない。
【００１８】
図４及び図５にワンタッチ機構７を示している。
ワンタッチ機構７は、ロボットアーム５の先端部５ａを挿入可能な凹部が形成された接合部７ａと、ボール保持具７ｂと、ボール７ｃと、ボール７ｃを先端部５ａに押圧するロック部材７ｄと、ロック部材７ｄによるボール７ｃへの押圧を解除する解除レバー７ｅとから構成されている。また、先端部５ａの端部には、廻り止め用のローレット５ｂが形成されている。
【００１９】
ロボットアーム５の先端部５ａが凹部に挿入されると、ボール７ｃが先端部５ａの外周にリング状に形成された溝にはまり込み、ロック部材７ｄの押圧によって、先端部５ａが接合部７ａに係合される。
解除レバー７ｅを凹部の底面に向かって押し下げることで、ロック部材７ｄのボール７ｃへの押圧が解除され、先端部５ａの接合部７ａに対する係合は解除される。
【００２０】
以上のように本実施形態によれば、波の作用力試験を行う模型１と、模型１に作用する波の力を検出する作用力検出手段２と、作用力検出手段２を端部に設けるロボットアーム５と、波を発生させる流体変動手段３とを備え、ロボットアーム５の端部に作用力検出手段２を設けることで、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、波による模型１の運動にロボットアーム５を追随させやすく、模型１の着脱作業が簡単で、コンパクトな測定装置を実現でき、更には広範囲での模型１の動揺を計測することができる。
また本実施形態によれば、作用力検出手段２として、ロードセル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを用いたことで、模型１に作用する波の力を電気信号で取り出すため、ロボットアーム５へのフィードバック制御を行いやすい。
【００２１】
また本実施形態によれば、ロボットアーム５の先端部５ａには、模型１を掴むワンタッチ機構７を備え、ワンタッチ機構７によって模型１を掴むことで、模型１へのロボットアーム５の取り付けを、多数のボルトを用いることなく行えるために、波力測定装置の設置作業に要する手間を軽減できる。
また本実施形態によれば、模型１の運動を許容するジンバル８をさらに備え、ワンタッチ機構７がジンバル８を掴む場合には、復原力を持つローリングやピッチングによる回転運動に対する制御をジンバル８によって行う必要がなくなり、またジンバル８を掴むことでも、ロボットアーム５を模型１に取り付けることができる。
また本実施形態によれば、ロボットアーム５を介して模型１を曳引する模型作動手段４をさらに備え、模型１を模型作動手段４で曳引して作動させることで、模型１を作動させたときの模型１に作用する力を測定でき、また模型１の作動をロボットアーム５によって行うことができる。
【００２２】
また本実施形態によれば、模型１を作動／停止させるときに、過大負荷防止機構６でケーシング１８を掴むことで、模型１の作動／停止にともなう作用力検出手段２への負荷を無くし、作用力検出手段２の損傷を防止することができる。
また本実施形態によれば、作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を制御することで、模型１の６自由度運動を極力拘束することなく、模型船の運動にロボットアームを追随させることができる。
また本実施形態によれば、模型１に作用する波によるドリフトを復原する力をロボットアーム５に与えて、一定の平均的な位置周りに模型１を維持した状態で、作用力検出手段２で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことで、サージング、スウェイング、及びヨーイングのドリフトを防止しつつ、出会波周期の船体運動にロボットアームを追随させ、波から受けるサージ、スウェイ、ヨー方向の定常的（平均値）な力を精密に測定することができる。
【００２３】
また本実施形態によれば、模型１の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、模型１に作用する力を検出するときに模型１の船体運動を船体運動検出手段によって検出したことで、船体運動を同時計測することができる。
また本実施形態によれば、船体運動検出手段を、加速度検出手段１２とロボットアーム位置検出手段１３で構成したことで、加速度検出手段１２の検出値を用いて作用力検出手段２などの計測物による慣性力の影響を補正することができる。
【００２４】
なお、本実施形態では、模型船に適用した波力測定装置で説明したが、船以外の浮体、水中航行体、航空機などに対する流体の作用力試験に用いる流体作用力測定装置として適用できる。
また、本実施形態では、ロボットアーム５の端部が水平を保つように制御し、作用力検出手段２で検出される力がゼロとなるようにロボットアーム５を動作させることで、模型の運動に影響を与えることなく、ロボットアーム５の端部が模型１の運動を追跡、計測する場合を説明したが、ジャイロを備えることで、ロボットアーム５の端部を水平に保つことなく、水平からのずれを計測し、水平からのずれ量を用いて荷重の計測値を補正してもよい。
また、他の実施形態として、復原力の無いサージ方向、スウェイ方向、ヨー方向の運動に対して、定常力と変位に比例する復原力に相当する力を与え、これらの運動が平均的な位置の周りの周期運動となるように制御することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、船以外の浮体、水中航行体、航空機などの各種模型に適用でき、波力や風力などの流体の作用力試験の測定に利用することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１ 模型（模型船）
２ 作用力検出手段
２ａ ロードセル
２ｂ ロードセル
２ｃ ロードセル
２ｄ ロードセル
３ 流体変動手段（造波手段）
４ 模型作動手段（曳引車）
５ ロボットアーム
６ 過大負荷防止機構
８ ジンバル
１２ 加速度検出手段（船体運動検出手段）
１３ ロボットアーム位置検出手段（船体運動検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の作用力試験を行う模型と、前記模型に作用する前記流体の力を検出する作用力検出手段と、前記作用力検出手段を端部に設けるロボットアームとを備えたことを特徴とする流体作用力測定装置。
【請求項２】
前記流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、前記流体の変動下で前記模型に作用する力を前記作用力検出手段によって検出したことを特徴とする請求項１に記載の流体作用力測定装置。
【請求項３】
前記模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、前記模型を作動させたときの前記模型に作用する力を前記作用力検出手段によって検出したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体作用力測定装置。
【請求項４】
波の作用力試験を行う模型船と、前記模型船に作用する前記波の力を検出する作用力検出手段と、前記作用力検出手段を端部に設けるロボットアームと、前記波を発生させる造波手段とを備えたことを特徴とする波力測定装置。
【請求項５】
前記作用力検出手段として、ロードセルを用いたことを特徴とする請求項４に記載の波力測定装置。
【請求項６】
前記模型船と前記ロボットアームの間に、前記模型船の運動を許容するジンバルをさらに備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の波力測定装置。
【請求項７】
前記ロボットアームの先端部には、前記模型船を直接あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えたことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項８】
前記ロボットアームを介して前記模型船を曳引する曳引車をさらに備え、前記模型船を前記曳引車で曳引して作動させたことを特徴とする請求項４から請求項７のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項９】
前記模型船を作動／停止させるときに、前記模型船あるいは前記作用力検出手段の周辺構造物を掴み、前記作用力検出手段に過大な負荷がかかることを防止する過大負荷防止機構をさらに備えたことを特徴とする請求項４から請求項８のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１０】
前記作用力検出手段で検出される力がゼロとなるように前記ロボットアームを制御した
ことを特徴とする請求項４から請求項９のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１１】
前記模型船に作用する前記波によるドリフトを復原する力を前記ロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに前記模型船を維持した状態で、前記作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１２】
前記模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、前記模型船に作用する力を検出するときに前記模型船の船体運動を前記船体運動検出手段によって検出したことを特徴とする請求項４から請求項１１のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１３】
前記船体運動検出手段を、加速度検出手段と前記ロボットアーム位置検出手段で構成したことを特徴とする請求項１２に記載の波力測定装置。
【請求項１】
流体の作用力試験を行う模型と、前記模型に作用する前記流体の力を検出する作用力検出手段と、前記作用力検出手段を端部に設けるロボットアームとを備えたことを特徴とする流体作用力測定装置。
【請求項２】
前記流体を変動させる流体変動手段をさらに備え、前記流体の変動下で前記模型に作用する力を前記作用力検出手段によって検出したことを特徴とする請求項１に記載の流体作用力測定装置。
【請求項３】
前記模型を作動させる模型作動手段をさらに備え、前記模型を作動させたときの前記模型に作用する力を前記作用力検出手段によって検出したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体作用力測定装置。
【請求項４】
波の作用力試験を行う模型船と、前記模型船に作用する前記波の力を検出する作用力検出手段と、前記作用力検出手段を端部に設けるロボットアームと、前記波を発生させる造波手段とを備えたことを特徴とする波力測定装置。
【請求項５】
前記作用力検出手段として、ロードセルを用いたことを特徴とする請求項４に記載の波力測定装置。
【請求項６】
前記模型船と前記ロボットアームの間に、前記模型船の運動を許容するジンバルをさらに備えたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の波力測定装置。
【請求項７】
前記ロボットアームの先端部には、前記模型船を直接あるいは間接的に掴むワンタッチ機構を備えたことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項８】
前記ロボットアームを介して前記模型船を曳引する曳引車をさらに備え、前記模型船を前記曳引車で曳引して作動させたことを特徴とする請求項４から請求項７のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項９】
前記模型船を作動／停止させるときに、前記模型船あるいは前記作用力検出手段の周辺構造物を掴み、前記作用力検出手段に過大な負荷がかかることを防止する過大負荷防止機構をさらに備えたことを特徴とする請求項４から請求項８のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１０】
前記作用力検出手段で検出される力がゼロとなるように前記ロボットアームを制御した
ことを特徴とする請求項４から請求項９のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１１】
前記模型船に作用する前記波によるドリフトを復原する力を前記ロボットアームに与えて、一定の平均的な位置周りに前記模型船を維持した状態で、前記作用力検出手段で検出される平均荷重を求めて波力を測定したことを特徴とする請求項４から請求項１０のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１２】
前記模型船の船体運動を検出する船体運動検出手段をさらに備え、前記模型船に作用する力を検出するときに前記模型船の船体運動を前記船体運動検出手段によって検出したことを特徴とする請求項４から請求項１１のいずれかに記載の波力測定装置。
【請求項１３】
前記船体運動検出手段を、加速度検出手段と前記ロボットアーム位置検出手段で構成したことを特徴とする請求項１２に記載の波力測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２３２３０４（Ｐ２０１１−２３２３０４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０５６３２（Ｐ２０１０−１０５６３２）
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【Ｆターム（参考）】
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