JP2009032601A - 衝突検知スイッチ及びそれを用いた衝突検知スイッチ装置、複数物体間の衝突検知システム - Google Patents

Abstract

【課題】運動する複数の物体が接触あるいは衝突を起こした合に、接触あるいは衝突した物体とそれぞれの衝突部位を特定する。
【解決手段】絶縁物でできたスイッチ基板の表面に細い導体でできた二つの電極を狭い間隙を隔てた状態で張りめぐらせ、２式のスイッチ基板が接触あるいは衝突した場合に一方のスイッチ基板の電極が他方のスイッチ基板の二つの電極間を短絡させ、他方のスイッチ基板の電極が一方のスイッチ基板の二つの電極間を短絡させるように構成する。短絡を電気的に検知し、検知した情報をスイッチ基板を特定する情報と共に衝突判定装置に送信して衝突を起こした二つのスイッチ基板を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、運動する複数の物体の表面部に取り付けて使用するスイッチであって、二つの物体が接触あるいは衝突を起こした場合に、接触あるいは衝突した二つ物体と、それぞれの接触あるいは衝突部位とを特定するために用いる衝突検知スイッチ、及びそれを装着した衝突検知スイッチ装置、複数物体間の衝突検知システムに関する。

例えば、サーブルと呼ばれる剣を用いるフェンシング競技では、剣が相手の有効面（頭部、胴体、腕）に触れると触れた側の選手に得点が付与される。剣が相手の有効面に接触したか否かの判定は、目視では困難であるため電気的に行なわれる。試合中、選手はユニフォームの上に金属繊維でできたメタルジャケットを着用する。メタルジャケットと金属製剣は、それぞれコードを介して電気審判器に接続される。一方の選手の剣が相手選手の金属繊維でできた有効面に接触すると電気回路が閉じる。電気審判器はこれを検出して攻撃した選手を判定し、ブザー、ランプ等で判定結果を知らせる。

しかし、この方法は移動する選手の持つ剣とメタルジャケットとを電気審判器に繋ぐための電気コードを必要とする。このため選手の移動範囲や姿勢が制限され、試合場所が限定される。また、従来の電気審判器は２人の選手が対戦するフェンシングのような試合にしか適用できない。例えば、２人がペアを組んで２組の４人が対戦するような競技、あるいは３人以上がランダムに交戦するような競技には適用できない。

また、近年、生産現場では自律走行型の無人搬送台車の採用が増えている。将来は人間に代わる自律歩行型ロボットの採用も予想される。こうした自律型の無人搬送台車やロボットが複数、同一敷地内で稼働した場合には、制御装置や衝突防止装置の不具合からそれらの間で接触や衝突を起こすことが考えられる。そうした接触や衝突が起きた場合には、原因究明のためにどの台車・ロボットのどの部分が、どの台車・ロボットのどの部分に何時、接触・衝突したかを検出する必要がある。
特開２００３−２６７６６３公報

本発明はこうした背景からなされたもので、その課題は運動する物体が複数個存在する状態において、それらの物体間に接触あるいは衝突が生じた場合に、どの物体のどの部位が、どの物体のどの部位に接触あるいは衝突したかを検出するために用いる衝突検知スイッチ、及びそれを装着した衝突検知スイッチ装置、複数物体間の衝突検知システムを提供することにある。

前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、運動する複数個の物体の内の二つが衝突を起こした場合に、その衝突を起こした二つの物体とそれぞれの衝突部位を特定するために用いる衝突検知スイッチであって、絶縁物でできたスイッチ基板の表面に細い導体でできた二つの電極を狭い間隙を隔てた状態で張りめぐらせ、一つのスイッチ基板が他のスイッチ基板に接触あるいは衝突した場合に、一方のスイッチ基板上の前記電極を構成する導体が他方のスイッチ基板上の前記二つの電極間を短絡させ、他方のスイッチ基板上の前記電極を構成する導体が一方のスイッチ基板上の前記二つの電極間を短絡させるように構成してあることを特徴とする衝突検知スイッチである。

このような構成の衝突検知スイッチは、二つのスイッチが軽く接触しただけでも双方のスイッチが共に導通状態となる。従って、二つのスイッチの接触または衝突を確実に検知することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の衝突検知スイッチにおいて、前記細い導体でできた各電極は櫛歯状に形成され、二つの櫛歯状電極は狭い電極間間隙を隔てて配置してあることを特徴とする衝突検知スイッチである。

このように各電極を櫛歯状に形成して二つの電極を狭い電極間間隙を隔てて配置しておけば、二つのスイッチがどのような角度で接触したとしても、双方のスイッチの電極が互いに相手のスイッチの電極により短絡された状態となる。従って、電極間の短絡を電気的に検出することで接触あるいは衝突を確実に検知することができる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の衝突検知スイッチにおいて、前記細い導体でできた二つの電極は狭い電極間間隙を隔てて渦巻き状に配置してあることを特徴とする衝突検知スイッチである。

このように二つの電極を狭い電極間間隙を隔てて渦巻き状に配置した場合も、請求項２に記載の発明と同様に双方のスイッチの電極が互いに相手のスイッチの電極により短絡された状態となる。従って、電極間の短絡を電気的に検出することで接触あるいは衝突を確実に検知することができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載した衝突検知スイッチを用いた衝突検知スイッチ装置であって、各衝突検知スイッチの前記二つの電極間に電圧を印加しておき、電極間が短絡された場合に流れる電流を検出して衝突発生を検知し、該衝突発生のタイミングと自己の衝突検知スイッチを特定する情報とを無線送信するように構成してあることを特徴とする衝突検知スイッチ装置である。

このような回路構成とすることで電極間の短絡を検知することができる。検出結果は無線送信するので、衝突検知スイッチ装置を取り付けた物体まで有線で配線をする必要がない利点がある。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の衝突検知スイッチ装置を複数個用いた複数物体間の衝突検知システムであって、各衝突検知スイッチ装置が無線送信する前記衝突発生タイミングとその衝突検知スイッチを特定する情報とを受信する受信部と、該受信部が受信した複数個の衝突発生タイミングの何れか二つのタイミングが所定の時間差内で一致した場合に、それらの衝突発生タイミングと共に送信されてきた衝突検知スイッチを特定する情報で特定される衝突検知スイッチ間で衝突が発生したと判定する衝突判定部とを備えることを特徴とする複数物体間の衝突検知システムである。

このような構成の衝突検知システムによれば、接触あるいは衝突を起こした二つのスイッチを確実に特定することができる。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の複数物体間の衝突検知システムにおいて、前記衝突検知スイッチとして、スイッチ基板表面に作用する押圧力が一定値を超えた場合に狭い間隙を隔てて重ねられた二枚の電極板が接触して短絡を生ずる機械式の感圧スイッチを採用したことを特徴とする複数物体間の衝突検知システムである。

このような感圧スイッチを用いた場合も、衝突した二つのスイッチは互いに相手のスイッチを押圧してＯＮ状態にさせるため、衝突した二つのスイッチを確実に特定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る複数物体間の衝突検知システムの全体構成を示したものである。衝突検知システム１は、同一構成からなる複数の衝突検知スイッチ装置２１〜２４と衝突判定装置３１とを備えて構成されている。図中には４式の衝突検知スイッチ装置２１〜２４を示したが、数は２式以上の任意である。

図２は、一例としての衝突検知スイッチ装置２１の構成図である。衝突検知スイッチ装置２１は、衝突検知スイッチ２１ａと検出回路２１ｂを備えて構成されている。衝突検知スイッチ２１ａは、スイッチ基板２１ｃと、その表面に張りめぐらせた二つの電極２１ｄから構成される。スイッチ基板２１ｃは、かとう性を有する電気絶縁体シートで構成されている。電気絶縁体シートの材料は、例えば、ガラスエポキシ、紙エポキシ、テフロン（登録商標）、アルミナ、紙フェノール等である。

スイッチ基板２１ｃの表面には、細い導体でできた二つの電極２１ｄが狭い電極間間隙を隔てて張りめぐらせてある。張りめぐらせのパターン（配置）は、図２に示すような渦巻き状のパターンでもよいし、図３に示すような櫛歯状の電極を向かい合わせに配置したパターンでもよい。スイッチ基板２１ｃの表面へのこのような電極パターンの形成は、プリント配線板の製作技術を用いて行なうことができる。二つの電極２１ｄの端部は、端子台を形成する二つのスルーホール端子２１ｅに接続してある。各端子２１ｅは、２本のリード線２１ｆにより検出回路２１ｂの二つの入力端子２１ｇに接続されている。

検出回路２１ｂは、二つの電極２１ｄ間の導通状態を検出するための回路であり、抵抗Ｒ１〜３、直流電圧源Ｅ１、コンパレータＣＰ１、変調回路２１ｈ、アンテナ２１ｊ、発振回路２１ｋを備えて構成されている。抵抗Ｒ１、Ｒ２は分圧抵抗であり、直列接続して直流電圧源Ｅ１の両端に接続してある。分圧された電圧Ｖ１はコンパレータＣＰ１の反転入力端子に入力されている。

抵抗Ｒ３は、二つの電極２１ｄと直列に接続されており、その直列回路は直流電圧源Ｅ１の両端に接続してある。抵抗Ｒ３と電極２１ｄとの相互接続点の電圧Ｖ２は、コンパレータＣＰ１の非反転入力端子に入力されている。直流電圧源Ｅ１の発生する電圧の向きは図に示すような向きで、負側が接地された基準電位とする。

二つの電極２１ｄ間が開放状態（衝突検知スイッチ２１ａがＯＦＦ状態）の場合はＶ１＞Ｖ２となり、コンパレータＣＰ１の出力電圧は低レベル（論理０）となる。二つの電極２１ｄ間が短絡状態（衝突検知スイッチ２１ａがＯＮ状態）になるとＶ１＜Ｖ２となり、コンパレータＣＰ１の出力電圧は高レベル（論理１）となる。コンパレータＣＰ１の出力電圧は変調回路２１ｈに入力されている。コンパレータＣＰ１には、発振回路２１ｋの生成する搬送波も入力されている。変調回路２１ｈは、入力された搬送波をコンパレータＣＰ１が出力する論理信号で変調する。そして、変調された電波をアンテナ２１ｊから無線送信する。

各衝突検知スイッチ装置２１〜２４を構成する発振回路２１ｋ〜２４ｋの発振周波数は異なる値にしてある。従って、論理信号で変調されて無線送信された電波の周波数を調べることで、送信した衝突検知スイッチ装置を特定することができる。また、その電波を検波することで、電波に乗せられてきた論理信号の状態を判別することができる。即ち、衝突検知スイッチ装置２１〜２４に接続された衝突検知スイッチ２１ａ〜２４ａのＯＮ／ＯＦＦ状態を判別することができる。

図１中の衝突判定装置３１は、衝突検知スイッチ装置２１〜２４から送信された電波を受信し、上述した電波の周波数と論理信号の状態から衝突検知スイッチ装置２１〜２４に接続された衝突検知スイッチ２１ａ〜２４ａのＯＮ／ＯＦＦ状態を判定する回路である。衝突判定装置３１は、アンテナ３１ａ、受信部３１ｂ、衝突判定部３１ｃを備える。

受信部３１ｂは、アンテナ３１ａで捉えた電波を周波数で弁別し、弁別した周波数電波の変調状態から変調に使用された論理信号を検出する。その結果は衝突判定部３１ｃに入力される。衝突判定部３１ｃは、入力された検出結果から、各衝突検知スイッチ装置２１〜２４に接続された衝突検知スイッチ２１ａ〜２４ａのＯＮ／ＯＦＦ状態を判定する。続いて衝突判定装置３１は、次に述べる衝突判定を行なう。

衝突検知システム１は、運動する物体が複数個存在する場合において、それらの内の２個が接触あるいは衝突を起こした場合に、その接触あるいは衝突を起こした２個の物体と、その接触あるいは衝突を起こした部位を特定することを目的とするシステムである。図１中に示した衝突検知スイッチ装置２１〜２４を運動する物体に取り付け，その衝突検知スイッチ２１ａ〜２４ａを接触あるいは衝突を起こし易い部位の表面に装着しておく。

２個の物体が接触あるいは衝突を起こし、例えば２個の衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａが接触あるいは衝突を起こしたとする。すると衝突検知スイッチ２１ａの表面に装着されている電極２１ｄは、衝突検知スイッチ２２ａの表面に装着されている二つの電極２２ｄ間を短絡させる。反対に衝突検知スイッチ２２ａの表面に装着されている電極２２ｄは、衝突検知スイッチ２１ａの表面に装着されている二つの電極２１ｄ間を短絡させる。検出回路２１ｂと検出回路２２ｂは殆ど同時に短絡を検知し、短絡が生じたことを衝突判定装置３１に無線で知らせる。

衝突判定装置３１は無線を受信し、衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａがＯＮ状態になったことを認識する。衝突判定部３１ｃは、衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａのＯＮ状態が重なっていることを検出し、衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａを装着した二つの物体間で接触又は衝突が生じたと判定する。判定結果は表示、音声等で出力する。

接触又は衝突が起きたことの判定と、起こした衝突検知スイッチの特定は、例えば、図４に示したような論理回路で行なう。図中、Ｑ１〜６は２入力論理積回路である。各論理積回路には、異なる二つの衝突検知スイッチ２１ａ〜２２ａのＯＮ／ＯＦＦの論理信号を入力する。論理積回路Ｑ１〜６は、入力された二つの衝突検知スイッチの信号が共にＯＮである場合に論理１を出力する。例えば、衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａが共にＯＮである場合には、論理積回路Ｑ１の出力が論理１となる。これにより衝突検知スイッチ２１ａ、２２ａが接触又は衝突を起こしたことを特定できる。同様にして他の接触又は衝突を起こした衝突検知スイッチも特定することができる。

以上、説明したように、本実施形態の衝突検知システム１では、衝突した方の衝突検知スイッチが衝突された方の衝突検知スイッチをＯＮ状態にし、衝突された方の衝突検知スイッチが衝突した方の衝突検知スイッチをＯＮ状態にすることを利用して接触あるいは衝突を起こした二つの衝突検知スイッチを特定する。従って、接触あるいは衝突を起こした二つの衝突検知スイッチを確実に特定できる利点を有する。特に、本実施形態の衝突検知スイッチは、僅かな押圧力で接触した場合でもその接触を検知できる利点がある。これに対して次の変形実施形態で説明する感圧スイッチの場合には、ある程度大きな押圧力で接触しないと検知できない弱点がある。

（変形実施形態）
（その１）前記実施形態では、スイッチ基板２１ｃの表面に二つの電極２１ｄを狭い間隙を隔てて張りめぐらせ、接触あるいは衝突を起こした二つの衝突検知スイッチが互いに相手の電極間を短絡させることを利用した。このような接触式のスイッチに代えて感圧スイッチを用いることもできる。感圧スイッチは、スイッチ基板表面に作用する押圧力が一定値を超えた場合に、狭い間隙を隔てて重ねられた二枚の電極板が接触して短絡を生ずる機械式の感圧スイッチである。このような感圧スイッチを用いた場合も、衝突を起こした方の感圧スイッチが相手の感圧スイッチを押圧してスイッチをＯＮ状態にさせると同時に、押圧の反力により自分自身のスイッチもＯＮ状態になる。従って、衝突を起こした二つのスイッチを特定することができる。

（その2）前記実施形態では電波を発信した衝突検知スイッチ装置２１〜２４を特定するために、各衝突検知スイッチ装置はその装置に割り当てられた周波数の搬送波をＯＮ／ＯＦＦの論理信号で変調して送信するようにした。このように搬送波の周波数を変える代わりに、スイッチがＯＮ状態を継続した時間帯と衝突検知スイッチ装置を特定する状態とをディジタル数値に変換して送信するようにしてもよい。受信する衝突判定装置３１では、ＯＮ状態の時間帯が重なった場合に、その信号を送信してきた二つの衝突検知スイッチ装置に接続された衝突検知スイッチ間で接触又は衝突が生じたと判定する。

本発明に係る衝突検知システムは、例えば、次のような用途に利用可能である。図５は、おもちゃの剣の表面に衝突検知スイッチを装着した例である。剣道の竹刀、フェンシングの剣、槍の穂先に装着してもよい。図６は剣道の防護用具である胴表面に衝突検知スイッチを装着した例である。空手、合気道、居合道、フェンシング等の競技に使用されるボディプロテクターの表面に装着してもよい。こうした攻撃用用具と防護用具の表面に衝突検知スイッチを装着しておけば、２人以上の複数競技者が対戦する試合や遊び（ゲーム）においても、誰の攻撃用用具が誰のどの部位の防護用具に当たったかを確実に判定することができる。

図７は自律走行型ロボットの腕、足、手の甲、肘、胸等の表面に衝突検知スイッチ２５ａを装着した例である。このように衝突検知スイッチを装着しておけば、複数のロボットが同一作業フロア上で自律走行しながら作業する場合において何らかのトラブルで衝突を起こした場合には、衝突を起こしたロボットと衝突した部位、時刻を確実に検知して原因究明に供することができる。また、このような自律ロボットに図５に示した衝突検知スイッチを装着したおもちゃの剣を持たせて対戦させるロボットゲームなども構築することもできる。

本発明に係る複数物体間の衝突検知システム１の全体構成図である。 衝突検知スイッチ装置２１の構成例である。 衝突検知スイッチ装置２１の他の構成例である。 衝突を起こした衝突検知スイッチを特定する論理回路の例である。 剣の表面に衝突検知スイッチを装着した例である。 剣道の胴の表面に衝突検知スイッチを装着した例である。 自律走行型ロボットの腕、足、手の甲、肘、胸等の表面に衝突検知スイッチを装着した例である。

符号の説明

図面中、１は衝突検知システム、２１〜２４は衝突検知スイッチ装置、２１ａ〜２５ａは衝突検知スイッチ、２１ｂ〜２４ｂは検出回路、２１ｃ〜２４ｃはスイッチ基板、２１ｄ〜２４ｄは電極、３１ｂは受信部、３１ｃは衝突判定部を示す。

Claims (6)

1. 運動する複数個の物体の内の二つが衝突を起こした場合に、その衝突を起こした二つの物体とそれぞれの衝突部位を特定するために用いる衝突検知スイッチであって、
   絶縁物でできたスイッチ基板の表面に細い導体でできた二つの電極を狭い間隙を隔てた状態で張りめぐらせ、一つのスイッチ基板が他のスイッチ基板に接触あるいは衝突した場合に、一方のスイッチ基板上の前記電極を構成する導体が他方のスイッチ基板上の前記二つの電極間を短絡させ、他方のスイッチ基板上の前記電極を構成する導体が一方のスイッチ基板上の前記二つの電極間を短絡させるように構成してあることを特徴とする衝突検知スイッチ。
2. 請求項１に記載の衝突検知スイッチにおいて、前記細い導体でできた各電極は櫛歯状に形成され、二つの櫛歯状電極は狭い電極間間隙を隔てて配置してあることを特徴とする衝突検知スイッチ。
3. 請求項１に記載の衝突検知スイッチにおいて、前記細い導体でできた二つの電極は狭い電極間間隙を隔てて渦巻き状に配置してあることを特徴とする衝突検知スイッチ。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載した衝突検知スイッチを用いた衝突検知スイッチ装置であって、各衝突検知スイッチの前記二つの電極間に電圧を印加しておき、電極間が短絡された場合に流れる電流を検出して衝突発生を検知し、該衝突発生のタイミングと自己の衝突検知スイッチを特定する情報とを無線送信するように構成してあることを特徴とする衝突検知スイッチ装置。
5. 請求項４に記載の衝突検知スイッチ装置を複数個用いた複数物体間の衝突検知システムであって、各衝突検知スイッチ装置が無線送信する前記衝突発生タイミングとその衝突検知スイッチを特定する情報とを受信する受信部と、
   該受信部が受信した複数個の衝突発生タイミングの何れか二つのタイミングが所定の時間差内で一致した場合に、それらの衝突発生タイミングと共に送信されてきた衝突検知スイッチを特定する情報で特定される衝突検知スイッチ間で衝突が発生したと判定する衝突判定部とを備えることを特徴とする複数物体間の衝突検知システム。
6. 請求項５に記載の複数物体間の衝突検知システムにおいて、前記衝突検知スイッチとして、スイッチ基板表面に作用する押圧力が一定値を超えた場合に狭い間隙を隔てて重ねられた二枚の電極板が接触して短絡を生ずる機械式の感圧スイッチを採用したことを特徴とする複数物体間の衝突検知システム。