車輪位置計測装置
【課題】車輪の位置変化量を精度よく求めることができる車輪位置計測装置を提供する。
【解決手段】車輪位置計測装置１０は、ホイールトルク計１６と固定部材１８とを連結する連結部材２０を備える。連結部材２０は、ホイールトルク計１６に支持されるポール２６と、固定部材１８に支持され、ポール２６にスライド自在に係合されたスライダ２８と、ポール２６上のスライダ２８の変位量やポール２６の姿勢の変化量を計測するエンコーダ３０〜３８とを備え、エンコーダ３０〜３８の計測結果が車輪１２の動きに換算される。
【解決手段】車輪位置計測装置１０は、ホイールトルク計１６と固定部材１８とを連結する連結部材２０を備える。連結部材２０は、ホイールトルク計１６に支持されるポール２６と、固定部材１８に支持され、ポール２６にスライド自在に係合されたスライダ２８と、ポール２６上のスライダ２８の変位量やポール２６の姿勢の変化量を計測するエンコーダ３０〜３８とを備え、エンコーダ３０〜３８の計測結果が車輪１２の動きに換算される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車輪位置計測装置に係り、特に自動車などの車両を走行させながら車体に対する車輪の位置や姿勢を計測する車輪位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行中の車輪に関する計測を行う装置として、ホイールトルク計が知られている。ホイールトルク計は、走行中に車輪が路面から受ける外力（たとえば六分力）を計測する装置であり、たとえば特許文献１に開示されている。特許文献１のホイールトルク計は、車輪に固定される本体部（回転部）と、その本体部に回動自在に支持されるスリップリング（非回転部）とを備え、スリップリングがリンク機構によって車軸部材に連結されている。この特許文献１によれば、車体と車輪との位置関係によらず、車輪のトルクを正確に測定することができる。
【０００３】
ところで近年では、車輪に関する計測として、トルクだけでなく車体に対する走行中の車輪の位置や姿勢を計測したいという要望がある。すなわち、車輪が車体に対してどのような位置でどのような姿勢の時にどのようなトルクが加わっているか等、車輪の動きを総合的に計測したいという要望がある。しかしながら、上述した特許文献１では、車体に対する走行中の車輪の位置や姿勢を計測することができない。
【０００４】
車体に対する車輪の位置や姿勢を計測する装置としては、ホイールアライメント装置が知られている。ホイールアライメント装置は車輪の姿勢を計測する装置であり、たとえば特許文献２に開示されている。特許文献２のホイールアライメント装置は、車輪側の部材が車体側の部材にリンク機構を介して連結されるとともに、リンク機構の各リンクの角度を計測する角度計測手段が設けられている。この装置によれば、各リンクの角度の計測結果をベクトル変換することによって、車体に対する車輪の姿勢を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３６５０３４号
【特許文献２】特開２００５−８３９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の装置は、車輪が車体に対して変動した際の追従性が悪く、測定精度が低いという問題があった。すなわち、特許文献２では、リンク機構の関節部分がフリーに動くため、車輪が車体に対して（たとえば上下方向に）大きく振動すると、関節部分に慣性力が働き、次の変動への追従性が遅れ、測定精度が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、車輪の位置や姿勢を精度良く求めることができる車輪位置計測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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、車体に取り付けられる車体側部材と車輪に取り付けられる車輪側部材とを連結する連結部材を備え、該連結部材は、少なくともその一方の端部が、前記車体側部材または前記車輪側部材の一方に連結されるポールと、前記ポールにスライド自在に係合されるとともに、前記車体側部材または前記車輪側部材の他方に連結されるスライダと、前記ポール上での前記スライダの変位量と前記ポールの姿勢の変化量とを計測する計測手段と、を有し、前記計測手段の計測結果が前記車輪の位置変化量に換算されることを特徴とする車輪位置計測装置を提供する。
【０００９】
本発明の車輪位置計測装置は、車体に対する車輪の位置変化量を、ポールとスライダの動きに置き換えて求める構成である。すなわち、本発明の車輪位置計測装置によれば、車輪が車体に対して動くと、それがスライダの変位量とポールの姿勢の変化量となって表れるので、それらを測定し、換算することによって、車体に対する車輪の位置変化量を求めることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、車輪が大きく動く方向に（たとえば鉛直方向に）ポールを配置することによって、車輪が車体に対して大きく動いた場合であっても、スライダがポールに沿って迅速に動くので、追従性が良く、高精度の計測を行うことができる。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記計測手段は、前記ポールと前記スライダを複数のリンクによって連結するリンク機構と、前記リンクの角度変化量を計測する第1の角度検出器と、を備え、前記角度変化量が前記スライダの前記ポールの長手方向における変位量に換算されることを特徴とする。本発明によれば、リンクの角度の変化量を計測するので、この計測結果をスライダの変位量に換算することによって、車輪の位置変化量を求めることができる。
【００１２】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記計測手段は、前記車体側部材と前記スライダとの間に設けられる第２、第３の角度検出器と、前記車輪側部材と前記ポールとの間に設けられる第４、第５の角度検出器を備え、前記第２、第３の角度検出器はそれぞれ、前記ポールの長手方向に直交し、且つ、互いに直交する二方向において前記車体側部材に対する角度変化量を計測し、前記第４の角度検出器は、前記ポールの長手方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測し、前記第５の角度検出器は、前記ポールの長手方向に直交する方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測することを特徴とする。本発明によれば、第２〜第５の角度検出器によってポールの姿勢を正確に求めることができる。特に本発明では、第２〜第５の角度検出器をスライダとポールに分けて配置したので、スライダとポールの一方の動きが鈍ることを防止することができる。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１の発明において、前記車輪側部材は、前記車輪に加わる荷重及び／又はモーメントを計測するホイールトルク計であることを特徴とする。本発明によれば、車輪側部材がホイールトルク計であるので、車輪に加わるトルクやモーメントと車輪の位置変化量とを同時に正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、車体に対する車輪の位置変化量を、ポールとスライダの動きに置き換えて求めるようにしたので、車輪の位置変化量を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態の車輪位置計測装置を示す正面図
【図２】図１の車輪位置計測装置の側面図
【図３】図１の車輪位置計測装置の主要部を示す平面図
【図４】図１の車輪位置計測装置の構成を模式的に示す図
【図５】図４の一部を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面に従って、本発明に係る車輪位置計測装置の好ましい実施形態について説明する。
図１は本実施の形態の車輪位置計測装置１０の構成を模式的に示す正面図であり、図２はその側面図である。また、図３は、車輪位置計測装置１０の平面図であり、主要部のみを示している。
【００１７】
図１〜図３に示す車輪位置計測装置１０は、車体１４に対する車輪１２の動き（位置及び姿勢の変化量）を計測する装置であり、主として、ホイールトルク計１６、固定部材１８、連結部材２０、及び、演算装置（不図示）で構成される。
【００１８】
ホイールトルク計１６は、車輪１２に取り付けられる「車輪側部材」の一例である。このホイールトルク計１６は、車輪１２に加わる外力を計測する装置であり、公知の様々な構成のものを用いることができる。一般的な構成を説明すると、ホイールトルク計１６は、車輪１２に固定されて車輪１２とともに回転する回転部２２と、この回転部２２を回動自在に支持する非回転部２４とで構成される。回転部２２は、たとえば車輪１２のホイールリムに取り付けられる円環状のリム取付枠や、ホイールハブに取り付けられる円環状のハブ取付枠、さらにはリム取付枠とハブ取付枠との間に架設されるアームや、このアームに取り付けられる歪ゲージなどのセンサ等で構成されており、ホイールにかかるトルク（たとえば６分力）を前記センサによって計測できるようになっている。一方、ホイールトルク計１６の非回転部２４は、たとえばスリップリングであり、前述のハブ取り付け枠に回動自在に支持されている。非回転部２２にはケーブル（不図示）が接続されており、このケーブルを介して後述の演算装置に接続されている。また、非回転部２４は、連結部材２０を介して固定部材１８に連結されており、この固定部材１８を介して車体１４に支持されている。
【００１９】
固定部材１８は、車体１４に取り付けられる「車体側部材」であり、その詳細な図は省略するが、車体１４に固定するための固定機構を備える。固定機構の構成は特に限定されるものではなく、車体１４に固定できる構成であればよい。また、固定機構による車体１４への取付位置は特に限定されるものではなく、車体１４の車軸などの回転部分を除けば、どの部分に取り付けてもよい。以下に、ボンネットやドアなどの開閉部に取り付ける固定部材１８の例で説明する。固定部材１８は、アーム状の本体（不図示）と、本体に取り付けられて車体１４の開閉部に内側から引っ掛かるフック部（不図示）と、本体に取り付けられて車体１４の外面に先端が当接される複数の脚部（不図示）とを備え、複数の脚部の少なくとも一つの脚部は長さ調節自在に構成される。このような構成の固定部材１８は、前述のフック部を車体１４の開閉部に引っ掛けた状態で、脚部を車体の外面に当接させ、さらに長さ調節自在の脚部を長くすることによって、本体を車体１４に固定することができる。この場合、長さ調節機構のない脚部の先端に、真空吸引機構を有するパッドを取り付けることが好ましく、この吸着パッドによって、脚部の先端を車体の外面に当接させた状態で仮止めすることができ、固定作業を容易に行うことができる。
【００２０】
固定部材１８と前述のホイールトルク計１６は連結部材２０によって連結される。連結部材２０は主として、ポール２６、スライダ２８、五つのロータリーエンコーダ３０、３２、３４、３６、３８及びリンク機構４０で構成される。ロータリーエンコーダ（以下、たんにエンコーダという）３０〜３８はそれぞれ、ケーシング３０Ａ〜３８Ａと、その内側に回動自在に支持されたシャフト３０Ｂ〜３８Ｂを備えており、シャフト３０Ｂ〜３８Ｂの角度変化量を計測できるように構成される。本実施の形態において、エンコーダ３０〜３８は同一規格のものを用いることができ、光学式、磁気式、アブソリュート形、インクメンタル形などを適宜選択することができる。なお、本実施の形態において、エンコーダ３４は特許請求の範囲における「第１の角度検出器」に相当し、エンコーダ３０、３２、３６、３８はそれぞれ「第２の角度検出器」、「第３の角度検出器」、「第４の角度検出器」、「第５の角度計測器」に相当する。
【００２１】
ポール２６は、直線状に形成された棒状のガイドであり、たとえば金属製の円柱によって構成される。ポール２６は、基準状態（車両が走行していない状態）において、その軸方向が鉛直方向になるように配置される。なお、ポール２６の配置方向は、鉛直方向に限定されるものではないが、車輪１２が車体１４に対して大きく振動する方向（通常、鉛直方向）に配置することが好ましく、たとえば車輪１２を支持するサスペンションの方向に配置してもよい。
【００２２】
また、ポール２６は、その下端部がエンコーダ３６、３８を介してホイールトルク計１６の非回転部２４に取り付けられている。これを具体的に説明すると、ホイールトルク計１６の非回転部２４には、車輪１２の回転中心軸上に突起部２５が形成されており、この突起部２５にエンコーダ３８のシャフト３８Ｂが連結されている。エンコーダ３８は基準状態においてシャフト３８Ｂの回転軸がＸ軸方向に配置されており、そのケーシング３８ＡはＬ状部材４２を介してエンコーダ３６のシャフト３６Ｂに連結されている。エンコーダ３６は、ポール２６と同軸上に（すなわち基準状態でのシャフト３６Ｂの回転軸がＺ軸方向になるように）配置されており、このエンコーダ３６のケーシング３６Ａにポール２６の下端が連結されている。これにより、ポール２６はＸ軸、Ｚ軸を中心に回転することができ、その角度の変化量がそれぞれエンコーダ３８、３６で計測される。
【００２３】
ポール２６にはスライダ２８が係合されている。スライダ２８は、ポール２６を挿通可能な筒状に形成されており、ポール２６に沿ってスライドすることができる。また、スライダ２８は、エンコーダ３０、３２を介して前述の固定部材１８に支持されている。これを具体的に説明すると、エンコーダ３０は基準状態においてシャフト３０Ｂの回転軸がＸ軸方向に配置されており、そのケーシング３０Ａが固定部材１８に連結されている。図３に示すようにエンコーダ３０のシャフト３０ＢはＬ状部材４４を介してエンコーダ３２のケーシング３２Ａに連結されている。エンコーダ３２は基準状態においてシャフト３２Ｂの回転軸がＹ軸方向に配置されており、そのシャフト３２Ｂがスライダ２８に連結されている。これにより、スライダ２８はＸ軸、Ｙ軸を中心に回転することができ、その角度の変化量がエンコーダ３０、３２で計測される。
【００２４】
上述したポール２６の下部とスライダ２８との間にはリンク機構４０が設けられている。リンク機構４０は、リンク５０、５２、５４と、このリンク５０、５２、５４を回動自在に連結する複数のジョイント４６によって構成されている。リンク５０、５２、５４のうち、リンク５４は、その下端がポール２６の下部にジョイント４９を介して回動自在に連結されている。リンク５２は、その中央部が係合部４８を介してポール２６に係合され、ポール２６に対してスライド自在に且つ回動自在に動くようになっている。リンク５０は、その上端がエンコーダ３４のシャフト３４Ｂに連結されており、リンク５０が動いた際にシャフト３４Ｂが回動するようになっている。エンコーダ３４は基準状態においてシャフト３４Ｂの回転軸がＹ軸方向に配置されており、そのケーシング３４Ａはスライダ２８に固定されている。これにより、リンク５０の角度が変化した際に、その角度変化量がエンコーダ３４によって計測される。なお、本実施の形態では、リンク５６がリンク５２と平行に設けられ、ジョイント４６を介してリンク５０、リンク５４に連結されている。ただし、リンク５６がない構成としてもよい。
【００２５】
ところで、上述した五つのエンコーダ３０〜３８はそれぞれ、ケーブル（不図示）を介して演算装置（不図示）に接続されている。演算装置は、車体１４の内部に設置されており、この演算装置にエンコーダ３０〜３８の計測信号が送信される。演算装置はこれらの信号に基づいて、車輪１２の動き（位置、姿勢の変化量）を演算する。
【００２６】
以下、演算方法の一例として、ＤＨ法を利用した方法を図４に基づいて説明する。図４は、上述した車輪位置計測装置１０の構成を模式的に示している。同図において、点Оは基準点であり、固定部材１８が車体１４に固定される点を示している。点Ｃは測定点であり、ホイールトルク計１６の回転部２２の中心を示している。点Ａは、ポール２６の軸線上においてエンコーダ３０、３２の回転軸が交わる点である。点Ｂはポール２６の軸線上においてエンコーダ３６、３８の回転軸が交わる点である。本実施の形態では、点Ａにおいて後述のＺ０軸、Ｚ１軸、Ｚ２軸、Ｚ４軸が交わっており、点Ｂにおいて後述のＺ３軸、Ｚ４軸、Ｚ５軸が交わっている。このように座標系を設定することによって、後述のパラメータａｉが全て零になり、演算が容易になる。
【００２７】
図４に示すように車輪位置計測装置１０は５つの関節Joint1〜Joint5（以下、Ｊ１〜Ｊ５という）を備えている。第１の関節Ｊ１は回転関節であり、エンコーダ３０によって構成されている。同様に第２の関節Ｊ２、第４の関節Ｊ４、第５の関節Ｊ５も回転関節であり、それぞれエンコーダ３２、３６、３８によって構成される。一方、第３の関節Ｊ３は直動関節であり、ポール２６、スライダ２８、リンク機構４０及びエンコーダ３４によって構成されている。ここで、関節Ｊｉの関節軸ｉとして、回転関節の場合は回転軸を関節軸ｉとして定義し、直動関節の場合は直動方向に平行な直線を関節軸ｉとして定義する。
【００２８】
また、基準点Оに接続されるリンク(Link)をＬ０に設定するとともに、各関節Ｊ１〜Ｊ５に接続されるリンクをＬ１〜Ｌ５とし、さらに、測定点Ｃに接続されるリンクをＬ６に設定する。さらに、リンクＬ０〜Ｌ６ごとに座標系Σ０〜Σ６を設定するとともに、各座標系では、ｘｙｚ座標を以下のように設定する。すなわち、(1)Ｚｉ−1軸は、関節軸ｉ−１に一致させる。(2)Ｘｉ−１軸はＺｉ−１軸の共通垂線とする。(3)Ｚｉ−1軸とＸｉ−１軸との交点を座標系ｉ−１の原点とし、Ｚｉ−１とＸｉ−１の外積でＹｉ−１軸の方向を決定する。なお、Ｚｉ−１とＺｉが平行な場合は、Ｘｉ−１が定まらないので、その場合は変換行列が単純になるよう適宜決める。また、関節Ｊｎが基準角度のときにはＸｎ−１とＸｎが平行になるようにする。ただし、ＸｎとＺｎ＋１を同じ方向に取らないようにする。
【００２９】
ところで、ＤＨ法では、４つの座標変換Trans(ａｉ,0,0)、RotX(αｉ)、Trans(0,0,ｄｉ)、RotZ(θｉ)を順次行うことによって、同次変換行列を求めることができる。すなわち、同次変換行列は以下の式で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
この式において、ａｉはリンク長さであり、Ｘｉ−１軸の正方向に沿って測ったＺｉ−１軸からＺｉ軸への距離である。αｉはリンクねじれ角であり、Ｘｉ−１軸周りに右ねじ方向に測ったＺｉ−１軸からＺｉ軸への角度である。ｄｉはリンク間の距離であり、Ｚｉ軸の正方向に沿って測ったＸｉ−１軸からＸｉ軸への距離である。θｉはリンク間の角度であり、Ｚｉ軸周りに右ねじ方向に測ったＸｉ−１軸からＸｉ軸への角度である。
【００３２】
また、Trans(ａｉ,0,0)は、Ｘｉ−１軸に沿ってａｉの並進を意味する。RotX(αｉ)はＸｉ−１軸周りにαiの回転を意味する。Trans(0,0,ｄｉ)は、回転後のＺｉ−１軸に沿ってｄｉの並進を意味する。RotZ(θi)は並進後のＺｉ−１軸の周りにθｉの回転(座標Σｉ−１がΣｉに一致)を意味する。
次に図４の各座標変換について、変換行列を求める。まず、Σ０→Σ１の座標変換について求める。点Оと点Ａを同じ位置にとり、関節Ｊ１における変数（実際にはエンコーダ３０の測定値の変動分）をθＪ１とすると、各パラメータはａ１＝０、α１＝０、ｄ１＝０、θ１＝θＪ１になるので、変換行列は数式１を用いることによって以下のようにして表される。
【００３３】
【数２】
次にΣ１→Σ２の座標変換について求める。Σ１とΣ２を点Ａの同じ位置にとり、関節Ｊ２における変数（実際にはエンコーダ３２の測定値の変動分）をθＪ２とすると、各パラメータはａ２＝０、α２＝π/２、ｄ２＝０、θ２＝（π/２）＋θＪ２になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
次にΣ２→Σ３の座標変換について求める。Σ２を点Ａの位置にとり、Σ３を点Ｂの位置にとるとともに、点Ａと点Ｂとの距離（直動による変動分を含む）をｄ３とすると、各パラメータはａ３＝０、α３＝-π/２、ｄ３＝ｄ３、θ３＝-π/２になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３６】
【数４】
Σ３→Σ４の座標変換では、Σ３とΣ４を点Ｂの位置にとり、関節Ｊ４における変数（実際にはエンコーダ３６の測定値の変動分）をθＪ４とすると、ａ４＝０、α４＝０、ｄ４＝０、θ４＝θＪ４になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３７】
【数５】
Σ４→Σ５の座標変換では、Σ４とΣ５を点Ｂの位置にとり、関節Ｊ５における変数（実際には、エンコーダ３８の測定値の変動分）をθＪ５とすると、各パラメータはａ５＝０、α５＝-π/２、ｄ５＝０、θ５＝（-π/２）＋θＪ５になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
Σ５→Σ６の座標変換では、Σ５とΣ６を点Ｃの位置にとり、変数をＤ６とすると、各パラメータはａ６＝０、α６＝π/２、ｄ６＝ｄＪ６、θ６＝０になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００４０】
【数７】
【００４１】
次に上記のΣ２→Σ３の座標変換において、ｄ３を求める。図５は、点Ａ、点Ｂ間のリンク機構４０を模式的に示している。点Ａからエンコーダ３４の回転軸までの距離をＬ１、リンク機構４０のジョイント４９から点Ｂまでの距離をＬ２に設定する。また、全てのリンク５２、５４、５６が移動軸と平行に伸びきったと仮定した時のアーム全長をＬａに設定し、さらにその状態からのリンク５２の角度変動をθＬとする。これらのパラメータを用いてｄ３を求めると、以下の式で表される。
【００４２】
【数８】
【００４３】
この式においてθＬはエンコーダ３４によって測定されるので、エンコーダ３４の測定値からｄ３を求めることができる。さらにこのＤ３と数式４とによって、Σ２→Σ３の座標変換の変換行列を求めることができる。なお、リンク機構４０において、全てのリンク５２、５４、５６が移動軸と平行に伸びきることは構造的にないので、最大に延びた状態での角度を求めておき、その状態からの変動量をエンコーダ３４により測定してθＬを求めるとよい。
【００４４】
次に、基準点の座標系と測定点の座標系を全体座標系に変換する。基準点の座標系Σ０は、リンクの都合で決めているので、測定者が定義する全体座標系ΣＧへ回転変換を行う。この座標変換はロール、ピッチ、ヨー角法による回転変換行列を使用して行う。ロール、ピッチ、ヨー角法は、Ｚ-Ｙ-Ｘの順番で回転させる。これにより、ΣＧ→Σ０の座標変換を求めることができ、たとえば以下のように表される。
【００４５】
【数９】
【００４６】
一方、測定点Ｃの座標系Σ６も、リンク機構の都合で決めているので、測定者が定義する座標系ΣＭへの回転変換を行う。この座標変換はロール、ピッチ、ヨー角法による回転変換行列を使用し、Ｚ-Ｙ-Ｘの順番で回転させる。さらに、測定点Ｃを必要に応じてタイヤ接地面等に並進移動させる。これにより、Σ６→ΣＭの座標変換を求めることができ、たとえば以下のように表される。
【００４７】
【数１０】
【００４８】
次に全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）を求める。全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）は、以下のようにして表される。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
この式において、各変換行列は数式２〜数式９によって求まるので、全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）を求めることができる。この行列式を用いて演算処理を行うことによって、車輪１２の中心位置（点Ｃ）や車輪１２の接地点を知ることができる。また、この行列の回転成分と既存の回転行列の公式とを比較することによって、Ｘ軸周りの回転角度θx、Ｙ軸周りの回転角度θy、Ｚ軸周りの回転角度θzを求めることができ、結果として車輪１２の姿勢を求めることができる。求めた車輪１２の位置や姿勢は、必要に応じて出力され、たとえば表示画面（不図示）に表示される。
【００５１】
さらに演算装置は、車輪１２の位置や姿勢だけでなく、ホイールトルク計１６のセンサから送信された信号に基づいて、車輪１２に加わるトルクやモーメントを計測することができる。その際、上述の行列式を用いて演算処理を行うことによって計測位置を求めることができ、車輪１２の挙動を正確に把握することができる。
【００５２】
なお、ホイールトルク計１６を車輪１２に取り付ける際、機械的誤差によって車輪１２の回転軸に対して芯ずれや面ぶれが生じることがある。この誤差は、車輪１２の回転軸の角度に応じて真値を中心に変動成分として各軸に生じるが、各軸の変動成分は、位置及び角度の誤差が各軸に投影されるので、車輪１２の回転角で近似して補正すればよい。
【００５３】
次に上記の如く構成された車輪位置計測装置１０の作用について説明する。上述したように車輪位置計測装置１０は、車輪１２と車体１４との間に、略鉛直に配置されたポール２６と、ポール２６にスライド自在に係合されたスライダ２８とを備えている。したがって、車輪１２が車体１４に対して動いた場合、その動きが「ポール２６の姿勢の変化量」と「スライダ２８の変位量」となって表れる。本実施の形態では、これらをエンコーダ３０〜３８によって計測し、その計測結果を演算装置によって車輪１２の動きに換算しているので、車体１４に対する車輪１２の位置等を求めることができる。
【００５４】
また、本実施の形態によれば、略鉛直状に配置されたポール２６に対してスライダ２８がスライド自在に係合されているので、車輪１２が車体１４に対して上下に大きく動いた場合にスライダ２８がポール２６に沿って上下にスライドし、車輪１２の動きに迅速に追従することができる。したがって、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、車輪１２の位置等を高精度で測定することができる。
【００５５】
さらに、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、車輪１２の動きを全て、エンコーダ３０〜３８で計測するようにしたので、データの管理や演算が容易であり、演算処理を容易に且つ迅速に行うことができる。
【００５６】
また、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、「車輪側部材」としてホイールトルク計１８を用いたので、車輪１２の動きとともに車輪１２にかかるトルクを同時に計測することができる。したがって、走行中における車輪１２の状態を総合的に把握することができ、たとえば計測結果をシミュレータの入力値に利用することによって、シミュレーションの精度を高めることができる。
【００５７】
なお、上述した実施形態は、スライダ２８のスライド量を求めるためにリンク５０の角度変化量を計測したが、別のリンク５２、５４、５６の角度変化量を計測してもよく、さらには、エンコーダ３４ではなくリニアスケールなどでスライド量を測定してもよい。
また、上述した実施形態では、計測手段として（ロータリ）エンコーダ３０〜３８を用いたが、これに限定するものではなく、ポテンショメータ等の別の角度検出器を用いてもよい。
【００５８】
さらに上述した実施の形態は、スライダ２８側に２個のエンコーダ３０、３２を設け、ポール２６側に２個のエンコーダ３６、３８を設けたが、エンコーダの個数や配置はこれに限定するものではなく、たとえば、スライダ２８側のみまたはポール２６側のみに三個のエンコーダを三軸方向に設けたり、スライダ２８側とポール２６側の両方にそれぞれ三個のエンコーダを三軸方向に設けたりしてもよい。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、「車輪側部材」としてホイールトルク計１６を用いたが、これに限定するものではなく、たとえば車輪１２に回動自在に装着される治具等を車輪側部材としてもよい。
また、上述した実施形態では、車輪側部材にポール２６を連結し、車体側部材にスライダ２８を連結したが、逆に、車体側部材にポール２６を連結し、車輪側部材にスライダ２８を連結してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 車輪位置計測装置
１２ 車輪
１４ 車体
１６ ホイールトルク計
１８ 固定部材
２０ 連結部材
２２ 回転部
２４ 非回転部
２６ ポール
２８ スライダ
３０、３２、３４、３６、３８ エンコーダ
４０ リンク機構
４２、４４ Ｌ状部材、
４６ ジョイント
４８ 係合部
５０、５２、５４、５６ リンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は車輪位置計測装置に係り、特に自動車などの車両を走行させながら車体に対する車輪の位置や姿勢を計測する車輪位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走行中の車輪に関する計測を行う装置として、ホイールトルク計が知られている。ホイールトルク計は、走行中に車輪が路面から受ける外力（たとえば六分力）を計測する装置であり、たとえば特許文献１に開示されている。特許文献１のホイールトルク計は、車輪に固定される本体部（回転部）と、その本体部に回動自在に支持されるスリップリング（非回転部）とを備え、スリップリングがリンク機構によって車軸部材に連結されている。この特許文献１によれば、車体と車輪との位置関係によらず、車輪のトルクを正確に測定することができる。
【０００３】
ところで近年では、車輪に関する計測として、トルクだけでなく車体に対する走行中の車輪の位置や姿勢を計測したいという要望がある。すなわち、車輪が車体に対してどのような位置でどのような姿勢の時にどのようなトルクが加わっているか等、車輪の動きを総合的に計測したいという要望がある。しかしながら、上述した特許文献１では、車体に対する走行中の車輪の位置や姿勢を計測することができない。
【０００４】
車体に対する車輪の位置や姿勢を計測する装置としては、ホイールアライメント装置が知られている。ホイールアライメント装置は車輪の姿勢を計測する装置であり、たとえば特許文献２に開示されている。特許文献２のホイールアライメント装置は、車輪側の部材が車体側の部材にリンク機構を介して連結されるとともに、リンク機構の各リンクの角度を計測する角度計測手段が設けられている。この装置によれば、各リンクの角度の計測結果をベクトル変換することによって、車体に対する車輪の姿勢を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３６５０３４号
【特許文献２】特開２００５−８３９６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の装置は、車輪が車体に対して変動した際の追従性が悪く、測定精度が低いという問題があった。すなわち、特許文献２では、リンク機構の関節部分がフリーに動くため、車輪が車体に対して（たとえば上下方向に）大きく振動すると、関節部分に慣性力が働き、次の変動への追従性が遅れ、測定精度が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、車輪の位置や姿勢を精度良く求めることができる車輪位置計測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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、車体に取り付けられる車体側部材と車輪に取り付けられる車輪側部材とを連結する連結部材を備え、該連結部材は、少なくともその一方の端部が、前記車体側部材または前記車輪側部材の一方に連結されるポールと、前記ポールにスライド自在に係合されるとともに、前記車体側部材または前記車輪側部材の他方に連結されるスライダと、前記ポール上での前記スライダの変位量と前記ポールの姿勢の変化量とを計測する計測手段と、を有し、前記計測手段の計測結果が前記車輪の位置変化量に換算されることを特徴とする車輪位置計測装置を提供する。
【０００９】
本発明の車輪位置計測装置は、車体に対する車輪の位置変化量を、ポールとスライダの動きに置き換えて求める構成である。すなわち、本発明の車輪位置計測装置によれば、車輪が車体に対して動くと、それがスライダの変位量とポールの姿勢の変化量となって表れるので、それらを測定し、換算することによって、車体に対する車輪の位置変化量を求めることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、車輪が大きく動く方向に（たとえば鉛直方向に）ポールを配置することによって、車輪が車体に対して大きく動いた場合であっても、スライダがポールに沿って迅速に動くので、追従性が良く、高精度の計測を行うことができる。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記計測手段は、前記ポールと前記スライダを複数のリンクによって連結するリンク機構と、前記リンクの角度変化量を計測する第1の角度検出器と、を備え、前記角度変化量が前記スライダの前記ポールの長手方向における変位量に換算されることを特徴とする。本発明によれば、リンクの角度の変化量を計測するので、この計測結果をスライダの変位量に換算することによって、車輪の位置変化量を求めることができる。
【００１２】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記計測手段は、前記車体側部材と前記スライダとの間に設けられる第２、第３の角度検出器と、前記車輪側部材と前記ポールとの間に設けられる第４、第５の角度検出器を備え、前記第２、第３の角度検出器はそれぞれ、前記ポールの長手方向に直交し、且つ、互いに直交する二方向において前記車体側部材に対する角度変化量を計測し、前記第４の角度検出器は、前記ポールの長手方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測し、前記第５の角度検出器は、前記ポールの長手方向に直交する方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測することを特徴とする。本発明によれば、第２〜第５の角度検出器によってポールの姿勢を正確に求めることができる。特に本発明では、第２〜第５の角度検出器をスライダとポールに分けて配置したので、スライダとポールの一方の動きが鈍ることを防止することができる。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１〜３のいずれか１の発明において、前記車輪側部材は、前記車輪に加わる荷重及び／又はモーメントを計測するホイールトルク計であることを特徴とする。本発明によれば、車輪側部材がホイールトルク計であるので、車輪に加わるトルクやモーメントと車輪の位置変化量とを同時に正確に求めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、車体に対する車輪の位置変化量を、ポールとスライダの動きに置き換えて求めるようにしたので、車輪の位置変化量を精度良く求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態の車輪位置計測装置を示す正面図
【図２】図１の車輪位置計測装置の側面図
【図３】図１の車輪位置計測装置の主要部を示す平面図
【図４】図１の車輪位置計測装置の構成を模式的に示す図
【図５】図４の一部を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面に従って、本発明に係る車輪位置計測装置の好ましい実施形態について説明する。
図１は本実施の形態の車輪位置計測装置１０の構成を模式的に示す正面図であり、図２はその側面図である。また、図３は、車輪位置計測装置１０の平面図であり、主要部のみを示している。
【００１７】
図１〜図３に示す車輪位置計測装置１０は、車体１４に対する車輪１２の動き（位置及び姿勢の変化量）を計測する装置であり、主として、ホイールトルク計１６、固定部材１８、連結部材２０、及び、演算装置（不図示）で構成される。
【００１８】
ホイールトルク計１６は、車輪１２に取り付けられる「車輪側部材」の一例である。このホイールトルク計１６は、車輪１２に加わる外力を計測する装置であり、公知の様々な構成のものを用いることができる。一般的な構成を説明すると、ホイールトルク計１６は、車輪１２に固定されて車輪１２とともに回転する回転部２２と、この回転部２２を回動自在に支持する非回転部２４とで構成される。回転部２２は、たとえば車輪１２のホイールリムに取り付けられる円環状のリム取付枠や、ホイールハブに取り付けられる円環状のハブ取付枠、さらにはリム取付枠とハブ取付枠との間に架設されるアームや、このアームに取り付けられる歪ゲージなどのセンサ等で構成されており、ホイールにかかるトルク（たとえば６分力）を前記センサによって計測できるようになっている。一方、ホイールトルク計１６の非回転部２４は、たとえばスリップリングであり、前述のハブ取り付け枠に回動自在に支持されている。非回転部２２にはケーブル（不図示）が接続されており、このケーブルを介して後述の演算装置に接続されている。また、非回転部２４は、連結部材２０を介して固定部材１８に連結されており、この固定部材１８を介して車体１４に支持されている。
【００１９】
固定部材１８は、車体１４に取り付けられる「車体側部材」であり、その詳細な図は省略するが、車体１４に固定するための固定機構を備える。固定機構の構成は特に限定されるものではなく、車体１４に固定できる構成であればよい。また、固定機構による車体１４への取付位置は特に限定されるものではなく、車体１４の車軸などの回転部分を除けば、どの部分に取り付けてもよい。以下に、ボンネットやドアなどの開閉部に取り付ける固定部材１８の例で説明する。固定部材１８は、アーム状の本体（不図示）と、本体に取り付けられて車体１４の開閉部に内側から引っ掛かるフック部（不図示）と、本体に取り付けられて車体１４の外面に先端が当接される複数の脚部（不図示）とを備え、複数の脚部の少なくとも一つの脚部は長さ調節自在に構成される。このような構成の固定部材１８は、前述のフック部を車体１４の開閉部に引っ掛けた状態で、脚部を車体の外面に当接させ、さらに長さ調節自在の脚部を長くすることによって、本体を車体１４に固定することができる。この場合、長さ調節機構のない脚部の先端に、真空吸引機構を有するパッドを取り付けることが好ましく、この吸着パッドによって、脚部の先端を車体の外面に当接させた状態で仮止めすることができ、固定作業を容易に行うことができる。
【００２０】
固定部材１８と前述のホイールトルク計１６は連結部材２０によって連結される。連結部材２０は主として、ポール２６、スライダ２８、五つのロータリーエンコーダ３０、３２、３４、３６、３８及びリンク機構４０で構成される。ロータリーエンコーダ（以下、たんにエンコーダという）３０〜３８はそれぞれ、ケーシング３０Ａ〜３８Ａと、その内側に回動自在に支持されたシャフト３０Ｂ〜３８Ｂを備えており、シャフト３０Ｂ〜３８Ｂの角度変化量を計測できるように構成される。本実施の形態において、エンコーダ３０〜３８は同一規格のものを用いることができ、光学式、磁気式、アブソリュート形、インクメンタル形などを適宜選択することができる。なお、本実施の形態において、エンコーダ３４は特許請求の範囲における「第１の角度検出器」に相当し、エンコーダ３０、３２、３６、３８はそれぞれ「第２の角度検出器」、「第３の角度検出器」、「第４の角度検出器」、「第５の角度計測器」に相当する。
【００２１】
ポール２６は、直線状に形成された棒状のガイドであり、たとえば金属製の円柱によって構成される。ポール２６は、基準状態（車両が走行していない状態）において、その軸方向が鉛直方向になるように配置される。なお、ポール２６の配置方向は、鉛直方向に限定されるものではないが、車輪１２が車体１４に対して大きく振動する方向（通常、鉛直方向）に配置することが好ましく、たとえば車輪１２を支持するサスペンションの方向に配置してもよい。
【００２２】
また、ポール２６は、その下端部がエンコーダ３６、３８を介してホイールトルク計１６の非回転部２４に取り付けられている。これを具体的に説明すると、ホイールトルク計１６の非回転部２４には、車輪１２の回転中心軸上に突起部２５が形成されており、この突起部２５にエンコーダ３８のシャフト３８Ｂが連結されている。エンコーダ３８は基準状態においてシャフト３８Ｂの回転軸がＸ軸方向に配置されており、そのケーシング３８ＡはＬ状部材４２を介してエンコーダ３６のシャフト３６Ｂに連結されている。エンコーダ３６は、ポール２６と同軸上に（すなわち基準状態でのシャフト３６Ｂの回転軸がＺ軸方向になるように）配置されており、このエンコーダ３６のケーシング３６Ａにポール２６の下端が連結されている。これにより、ポール２６はＸ軸、Ｚ軸を中心に回転することができ、その角度の変化量がそれぞれエンコーダ３８、３６で計測される。
【００２３】
ポール２６にはスライダ２８が係合されている。スライダ２８は、ポール２６を挿通可能な筒状に形成されており、ポール２６に沿ってスライドすることができる。また、スライダ２８は、エンコーダ３０、３２を介して前述の固定部材１８に支持されている。これを具体的に説明すると、エンコーダ３０は基準状態においてシャフト３０Ｂの回転軸がＸ軸方向に配置されており、そのケーシング３０Ａが固定部材１８に連結されている。図３に示すようにエンコーダ３０のシャフト３０ＢはＬ状部材４４を介してエンコーダ３２のケーシング３２Ａに連結されている。エンコーダ３２は基準状態においてシャフト３２Ｂの回転軸がＹ軸方向に配置されており、そのシャフト３２Ｂがスライダ２８に連結されている。これにより、スライダ２８はＸ軸、Ｙ軸を中心に回転することができ、その角度の変化量がエンコーダ３０、３２で計測される。
【００２４】
上述したポール２６の下部とスライダ２８との間にはリンク機構４０が設けられている。リンク機構４０は、リンク５０、５２、５４と、このリンク５０、５２、５４を回動自在に連結する複数のジョイント４６によって構成されている。リンク５０、５２、５４のうち、リンク５４は、その下端がポール２６の下部にジョイント４９を介して回動自在に連結されている。リンク５２は、その中央部が係合部４８を介してポール２６に係合され、ポール２６に対してスライド自在に且つ回動自在に動くようになっている。リンク５０は、その上端がエンコーダ３４のシャフト３４Ｂに連結されており、リンク５０が動いた際にシャフト３４Ｂが回動するようになっている。エンコーダ３４は基準状態においてシャフト３４Ｂの回転軸がＹ軸方向に配置されており、そのケーシング３４Ａはスライダ２８に固定されている。これにより、リンク５０の角度が変化した際に、その角度変化量がエンコーダ３４によって計測される。なお、本実施の形態では、リンク５６がリンク５２と平行に設けられ、ジョイント４６を介してリンク５０、リンク５４に連結されている。ただし、リンク５６がない構成としてもよい。
【００２５】
ところで、上述した五つのエンコーダ３０〜３８はそれぞれ、ケーブル（不図示）を介して演算装置（不図示）に接続されている。演算装置は、車体１４の内部に設置されており、この演算装置にエンコーダ３０〜３８の計測信号が送信される。演算装置はこれらの信号に基づいて、車輪１２の動き（位置、姿勢の変化量）を演算する。
【００２６】
以下、演算方法の一例として、ＤＨ法を利用した方法を図４に基づいて説明する。図４は、上述した車輪位置計測装置１０の構成を模式的に示している。同図において、点Оは基準点であり、固定部材１８が車体１４に固定される点を示している。点Ｃは測定点であり、ホイールトルク計１６の回転部２２の中心を示している。点Ａは、ポール２６の軸線上においてエンコーダ３０、３２の回転軸が交わる点である。点Ｂはポール２６の軸線上においてエンコーダ３６、３８の回転軸が交わる点である。本実施の形態では、点Ａにおいて後述のＺ０軸、Ｚ１軸、Ｚ２軸、Ｚ４軸が交わっており、点Ｂにおいて後述のＺ３軸、Ｚ４軸、Ｚ５軸が交わっている。このように座標系を設定することによって、後述のパラメータａｉが全て零になり、演算が容易になる。
【００２７】
図４に示すように車輪位置計測装置１０は５つの関節Joint1〜Joint5（以下、Ｊ１〜Ｊ５という）を備えている。第１の関節Ｊ１は回転関節であり、エンコーダ３０によって構成されている。同様に第２の関節Ｊ２、第４の関節Ｊ４、第５の関節Ｊ５も回転関節であり、それぞれエンコーダ３２、３６、３８によって構成される。一方、第３の関節Ｊ３は直動関節であり、ポール２６、スライダ２８、リンク機構４０及びエンコーダ３４によって構成されている。ここで、関節Ｊｉの関節軸ｉとして、回転関節の場合は回転軸を関節軸ｉとして定義し、直動関節の場合は直動方向に平行な直線を関節軸ｉとして定義する。
【００２８】
また、基準点Оに接続されるリンク(Link)をＬ０に設定するとともに、各関節Ｊ１〜Ｊ５に接続されるリンクをＬ１〜Ｌ５とし、さらに、測定点Ｃに接続されるリンクをＬ６に設定する。さらに、リンクＬ０〜Ｌ６ごとに座標系Σ０〜Σ６を設定するとともに、各座標系では、ｘｙｚ座標を以下のように設定する。すなわち、(1)Ｚｉ−1軸は、関節軸ｉ−１に一致させる。(2)Ｘｉ−１軸はＺｉ−１軸の共通垂線とする。(3)Ｚｉ−1軸とＸｉ−１軸との交点を座標系ｉ−１の原点とし、Ｚｉ−１とＸｉ−１の外積でＹｉ−１軸の方向を決定する。なお、Ｚｉ−１とＺｉが平行な場合は、Ｘｉ−１が定まらないので、その場合は変換行列が単純になるよう適宜決める。また、関節Ｊｎが基準角度のときにはＸｎ−１とＸｎが平行になるようにする。ただし、ＸｎとＺｎ＋１を同じ方向に取らないようにする。
【００２９】
ところで、ＤＨ法では、４つの座標変換Trans(ａｉ,0,0)、RotX(αｉ)、Trans(0,0,ｄｉ)、RotZ(θｉ)を順次行うことによって、同次変換行列を求めることができる。すなわち、同次変換行列は以下の式で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
この式において、ａｉはリンク長さであり、Ｘｉ−１軸の正方向に沿って測ったＺｉ−１軸からＺｉ軸への距離である。αｉはリンクねじれ角であり、Ｘｉ−１軸周りに右ねじ方向に測ったＺｉ−１軸からＺｉ軸への角度である。ｄｉはリンク間の距離であり、Ｚｉ軸の正方向に沿って測ったＸｉ−１軸からＸｉ軸への距離である。θｉはリンク間の角度であり、Ｚｉ軸周りに右ねじ方向に測ったＸｉ−１軸からＸｉ軸への角度である。
【００３２】
また、Trans(ａｉ,0,0)は、Ｘｉ−１軸に沿ってａｉの並進を意味する。RotX(αｉ)はＸｉ−１軸周りにαiの回転を意味する。Trans(0,0,ｄｉ)は、回転後のＺｉ−１軸に沿ってｄｉの並進を意味する。RotZ(θi)は並進後のＺｉ−１軸の周りにθｉの回転(座標Σｉ−１がΣｉに一致)を意味する。
次に図４の各座標変換について、変換行列を求める。まず、Σ０→Σ１の座標変換について求める。点Оと点Ａを同じ位置にとり、関節Ｊ１における変数（実際にはエンコーダ３０の測定値の変動分）をθＪ１とすると、各パラメータはａ１＝０、α１＝０、ｄ１＝０、θ１＝θＪ１になるので、変換行列は数式１を用いることによって以下のようにして表される。
【００３３】
【数２】
次にΣ１→Σ２の座標変換について求める。Σ１とΣ２を点Ａの同じ位置にとり、関節Ｊ２における変数（実際にはエンコーダ３２の測定値の変動分）をθＪ２とすると、各パラメータはａ２＝０、α２＝π/２、ｄ２＝０、θ２＝（π/２）＋θＪ２になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３４】
【数３】
【００３５】
次にΣ２→Σ３の座標変換について求める。Σ２を点Ａの位置にとり、Σ３を点Ｂの位置にとるとともに、点Ａと点Ｂとの距離（直動による変動分を含む）をｄ３とすると、各パラメータはａ３＝０、α３＝-π/２、ｄ３＝ｄ３、θ３＝-π/２になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３６】
【数４】
Σ３→Σ４の座標変換では、Σ３とΣ４を点Ｂの位置にとり、関節Ｊ４における変数（実際にはエンコーダ３６の測定値の変動分）をθＪ４とすると、ａ４＝０、α４＝０、ｄ４＝０、θ４＝θＪ４になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３７】
【数５】
Σ４→Σ５の座標変換では、Σ４とΣ５を点Ｂの位置にとり、関節Ｊ５における変数（実際には、エンコーダ３８の測定値の変動分）をθＪ５とすると、各パラメータはａ５＝０、α５＝-π/２、ｄ５＝０、θ５＝（-π/２）＋θＪ５になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
Σ５→Σ６の座標変換では、Σ５とΣ６を点Ｃの位置にとり、変数をＤ６とすると、各パラメータはａ６＝０、α６＝π/２、ｄ６＝ｄＪ６、θ６＝０になるので、変換行列は以下のようにして表される。
【００４０】
【数７】
【００４１】
次に上記のΣ２→Σ３の座標変換において、ｄ３を求める。図５は、点Ａ、点Ｂ間のリンク機構４０を模式的に示している。点Ａからエンコーダ３４の回転軸までの距離をＬ１、リンク機構４０のジョイント４９から点Ｂまでの距離をＬ２に設定する。また、全てのリンク５２、５４、５６が移動軸と平行に伸びきったと仮定した時のアーム全長をＬａに設定し、さらにその状態からのリンク５２の角度変動をθＬとする。これらのパラメータを用いてｄ３を求めると、以下の式で表される。
【００４２】
【数８】
【００４３】
この式においてθＬはエンコーダ３４によって測定されるので、エンコーダ３４の測定値からｄ３を求めることができる。さらにこのＤ３と数式４とによって、Σ２→Σ３の座標変換の変換行列を求めることができる。なお、リンク機構４０において、全てのリンク５２、５４、５６が移動軸と平行に伸びきることは構造的にないので、最大に延びた状態での角度を求めておき、その状態からの変動量をエンコーダ３４により測定してθＬを求めるとよい。
【００４４】
次に、基準点の座標系と測定点の座標系を全体座標系に変換する。基準点の座標系Σ０は、リンクの都合で決めているので、測定者が定義する全体座標系ΣＧへ回転変換を行う。この座標変換はロール、ピッチ、ヨー角法による回転変換行列を使用して行う。ロール、ピッチ、ヨー角法は、Ｚ-Ｙ-Ｘの順番で回転させる。これにより、ΣＧ→Σ０の座標変換を求めることができ、たとえば以下のように表される。
【００４５】
【数９】
【００４６】
一方、測定点Ｃの座標系Σ６も、リンク機構の都合で決めているので、測定者が定義する座標系ΣＭへの回転変換を行う。この座標変換はロール、ピッチ、ヨー角法による回転変換行列を使用し、Ｚ-Ｙ-Ｘの順番で回転させる。さらに、測定点Ｃを必要に応じてタイヤ接地面等に並進移動させる。これにより、Σ６→ΣＭの座標変換を求めることができ、たとえば以下のように表される。
【００４７】
【数１０】
【００４８】
次に全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）を求める。全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）は、以下のようにして表される。
【００４９】
【数１１】
【００５０】
この式において、各変換行列は数式２〜数式９によって求まるので、全体の同次変換行列（ΣＧ→ΣＭ）を求めることができる。この行列式を用いて演算処理を行うことによって、車輪１２の中心位置（点Ｃ）や車輪１２の接地点を知ることができる。また、この行列の回転成分と既存の回転行列の公式とを比較することによって、Ｘ軸周りの回転角度θx、Ｙ軸周りの回転角度θy、Ｚ軸周りの回転角度θzを求めることができ、結果として車輪１２の姿勢を求めることができる。求めた車輪１２の位置や姿勢は、必要に応じて出力され、たとえば表示画面（不図示）に表示される。
【００５１】
さらに演算装置は、車輪１２の位置や姿勢だけでなく、ホイールトルク計１６のセンサから送信された信号に基づいて、車輪１２に加わるトルクやモーメントを計測することができる。その際、上述の行列式を用いて演算処理を行うことによって計測位置を求めることができ、車輪１２の挙動を正確に把握することができる。
【００５２】
なお、ホイールトルク計１６を車輪１２に取り付ける際、機械的誤差によって車輪１２の回転軸に対して芯ずれや面ぶれが生じることがある。この誤差は、車輪１２の回転軸の角度に応じて真値を中心に変動成分として各軸に生じるが、各軸の変動成分は、位置及び角度の誤差が各軸に投影されるので、車輪１２の回転角で近似して補正すればよい。
【００５３】
次に上記の如く構成された車輪位置計測装置１０の作用について説明する。上述したように車輪位置計測装置１０は、車輪１２と車体１４との間に、略鉛直に配置されたポール２６と、ポール２６にスライド自在に係合されたスライダ２８とを備えている。したがって、車輪１２が車体１４に対して動いた場合、その動きが「ポール２６の姿勢の変化量」と「スライダ２８の変位量」となって表れる。本実施の形態では、これらをエンコーダ３０〜３８によって計測し、その計測結果を演算装置によって車輪１２の動きに換算しているので、車体１４に対する車輪１２の位置等を求めることができる。
【００５４】
また、本実施の形態によれば、略鉛直状に配置されたポール２６に対してスライダ２８がスライド自在に係合されているので、車輪１２が車体１４に対して上下に大きく動いた場合にスライダ２８がポール２６に沿って上下にスライドし、車輪１２の動きに迅速に追従することができる。したがって、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、車輪１２の位置等を高精度で測定することができる。
【００５５】
さらに、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、車輪１２の動きを全て、エンコーダ３０〜３８で計測するようにしたので、データの管理や演算が容易であり、演算処理を容易に且つ迅速に行うことができる。
【００５６】
また、本実施の形態の車輪位置計測装置１０は、「車輪側部材」としてホイールトルク計１８を用いたので、車輪１２の動きとともに車輪１２にかかるトルクを同時に計測することができる。したがって、走行中における車輪１２の状態を総合的に把握することができ、たとえば計測結果をシミュレータの入力値に利用することによって、シミュレーションの精度を高めることができる。
【００５７】
なお、上述した実施形態は、スライダ２８のスライド量を求めるためにリンク５０の角度変化量を計測したが、別のリンク５２、５４、５６の角度変化量を計測してもよく、さらには、エンコーダ３４ではなくリニアスケールなどでスライド量を測定してもよい。
また、上述した実施形態では、計測手段として（ロータリ）エンコーダ３０〜３８を用いたが、これに限定するものではなく、ポテンショメータ等の別の角度検出器を用いてもよい。
【００５８】
さらに上述した実施の形態は、スライダ２８側に２個のエンコーダ３０、３２を設け、ポール２６側に２個のエンコーダ３６、３８を設けたが、エンコーダの個数や配置はこれに限定するものではなく、たとえば、スライダ２８側のみまたはポール２６側のみに三個のエンコーダを三軸方向に設けたり、スライダ２８側とポール２６側の両方にそれぞれ三個のエンコーダを三軸方向に設けたりしてもよい。
【００５９】
なお、上述した実施形態では、「車輪側部材」としてホイールトルク計１６を用いたが、これに限定するものではなく、たとえば車輪１２に回動自在に装着される治具等を車輪側部材としてもよい。
また、上述した実施形態では、車輪側部材にポール２６を連結し、車体側部材にスライダ２８を連結したが、逆に、車体側部材にポール２６を連結し、車輪側部材にスライダ２８を連結してもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１０ 車輪位置計測装置
１２ 車輪
１４ 車体
１６ ホイールトルク計
１８ 固定部材
２０ 連結部材
２２ 回転部
２４ 非回転部
２６ ポール
２８ スライダ
３０、３２、３４、３６、３８ エンコーダ
４０ リンク機構
４２、４４ Ｌ状部材、
４６ ジョイント
４８ 係合部
５０、５２、５４、５６ リンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体に取り付けられる車体側部材と車輪に取り付けられる車輪側部材とを連結する連結部材を備え、該連結部材は、
少なくともその一方の端部が、前記車体側部材または前記車輪側部材の一方に連結されるポールと、
前記ポールにスライド自在に係合されるとともに、前記車体側部材または前記車輪側部材の他方に連結されるスライダと、
前記ポール上での前記スライダの変位量と前記ポールの姿勢の変化量とを計測する計測手段と、を有し、
前記計測手段の計測結果が前記車輪の位置変化量に換算されることを特徴とする車輪位置計測装置。
【請求項２】
前記計測手段は、
前記ポールと前記スライダを複数のリンクによって連結するリンク機構と、
前記リンクの角度変化量を計測する第1の角度検出器と、
を備え、前記角度変化量が前記スライダの前記ポールの長手方向における変位量に換算されることを特徴とする請求項１に記載の車輪位置計測装置。
【請求項３】
前記計測手段は、前記車体側部材と前記スライダとの間に設けられる第２、第３の角度検出器と、前記車輪側部材と前記ポールとの間に設けられる第４、第５の角度検出器を備え、
前記第２、第３の角度検出器はそれぞれ、前記ポールの長手方向に直交し、且つ、互いに直交する二方向において前記車体側部材に対する角度変化量を計測し、
前記第４の角度検出器は、前記ポールの長手方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測し、
前記第５の角度検出器は、前記ポールの長手方向に直交する方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の車輪位置計測装置。
【請求項４】
前記車輪側部材は、前記車輪に加わる荷重及び／又はモーメントを計測するホイールトルク計であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の車輪位置計測装置。
【請求項１】
車体に取り付けられる車体側部材と車輪に取り付けられる車輪側部材とを連結する連結部材を備え、該連結部材は、
少なくともその一方の端部が、前記車体側部材または前記車輪側部材の一方に連結されるポールと、
前記ポールにスライド自在に係合されるとともに、前記車体側部材または前記車輪側部材の他方に連結されるスライダと、
前記ポール上での前記スライダの変位量と前記ポールの姿勢の変化量とを計測する計測手段と、を有し、
前記計測手段の計測結果が前記車輪の位置変化量に換算されることを特徴とする車輪位置計測装置。
【請求項２】
前記計測手段は、
前記ポールと前記スライダを複数のリンクによって連結するリンク機構と、
前記リンクの角度変化量を計測する第1の角度検出器と、
を備え、前記角度変化量が前記スライダの前記ポールの長手方向における変位量に換算されることを特徴とする請求項１に記載の車輪位置計測装置。
【請求項３】
前記計測手段は、前記車体側部材と前記スライダとの間に設けられる第２、第３の角度検出器と、前記車輪側部材と前記ポールとの間に設けられる第４、第５の角度検出器を備え、
前記第２、第３の角度検出器はそれぞれ、前記ポールの長手方向に直交し、且つ、互いに直交する二方向において前記車体側部材に対する角度変化量を計測し、
前記第４の角度検出器は、前記ポールの長手方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測し、
前記第５の角度検出器は、前記ポールの長手方向に直交する方向において前記車輪側部材に対する角度変化量を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の車輪位置計測装置。
【請求項４】
前記車輪側部材は、前記車輪に加わる荷重及び／又はモーメントを計測するホイールトルク計であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の車輪位置計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１３０１２（Ｐ２０１１−１３０１２Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５５５１９（Ｐ２００９−１５５５１９）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１２７５７０）株式会社エー・アンド・デイ (136)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１２７５７０）株式会社エー・アンド・デイ (136)
【Ｆターム（参考）】
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