JP2009162599A - 外力検出方法及び検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットやマニピュレータ等の可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を、接触センサ無しで検出することができる外力検出方法を提供する。
【解決手段】可動体を、剛性を有する甲殻型カバー１１で覆い、可動体と前記甲殻型カバーとの間を１または複数の接続体で接続するとともに、接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段を設け、測定手段の測定結果を用いて、次式により外力Ｆdisの大きさ及び作用点Ｐdisを算出する。Ｆdis＋Ｆsum＝０、Ｆdis×（Ｐdis−Ｐo）＋Ｍo＝０、Ｆsum＝ΣＦj、Ｍo＝Σ{Ｆj×（Ｐj−Ｐo）}＋ΣＭj（Ｆjは応力測定値、Ｍjはモーメント測定値、Ｐjは接続体位置ベクトル、Ｐoはモーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Ｆsumは測定された応力の総和、Ｍoは測定されたモーメントの総和）
【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットやマニピュレータ等の可動体に作用する外力の検出方法と、その検出装置に関し、簡単な構成で外力の大きさ及び作用点の位置を検出できるようにしたものである。

近年、ロボットは、医療、福祉、家庭内作業などの分野での利用が検討されているが、こうした人間と接触する環境では、ロボットの動きによって人間に危険が及ばないように十分な安全対策が必要となる。
そのため、ロボットの全身を触覚センサのシートで覆い、人間などへの接触を感知した場合に動作を停止する制御方式が検討されている。しかし、触覚センサは高価であり、ロボットの製造コストが上昇する。また、ロボットの各所に作用する外力の正確な合力が計測できない、と言う欠点も有している。

下記非特許文献１には、ロボットの体表面を剛体のカバーで囲い、このカバーとロボットとの接続を、力覚センサを介して行い、カバーに作用する外力を力覚センサで検出する外力検出装置が開示されている。この装置では、ロボット本体とカバーとが一点で接続され、その接続点に６軸力覚センサが配置されている。また、カバーは、４つの平面を有しているが、各平面には接触センサが貼り付けられている。
６軸力覚センサは、複数の歪みゲージを内蔵しており、３軸（ｘ、ｙ、ｚ軸）方向の力の成分と、３軸の回りのモーメントとが検出できるように構成されている。

この外力検出装置では、剛体のカバーの表面に作用する外力が全てロボット本体とカバーとの接続点に集中するため、その接続点に配置された６軸力覚センサにより、正確に外力ベクトルを検出することができる。
また、接触センサは、外力が作用した面の情報を提供し、６軸力覚センサで検出された応力及びモーメントの情報と、接触センサからの接触面情報とが組み合わせされて、カバーに作用した外力の大きさ及び作用点が算出される。
岩田浩康他「人間共存ロボットのための全身触覚インタフェース」日本ロボット学会誌 Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．５，ＰＰ．５４３〜５４９，２００２年7月

しかし、非特許文献１に記載された外力検出装置は、接触面情報を得るための接触センサを必要としているため、低コスト化が難しい。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、ロボットやマニピュレータ等の可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を、接触センサ無しで検出することができる外力検出方法を提供し、また、その方法を実施する外力検出装置を提供することを目的としている。

本発明の外力検出方法は、可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する検出方法であって、前記可動体を、剛性を有する甲殻型カバーで覆い、前記可動体と前記甲殻型カバーとの間を１または複数の接続体で接続するとともに、前記接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段を設け、前記測定手段の測定結果を用いて、次の（式１）により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする。
（式１）
Ｆ^dis ＋Ｆ^sum＝ ０
Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ^o ）＋ Ｍ^o＝ ０
Ｆ^sum ＝ΣＦ^j
Ｍ^o ＝Σ{Ｆ^j ×（Ｐ^j − Ｐ^o）} ＋ ΣＭ^j
（但し、Ｆ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記接続体に作用する応力の測定値、Ｍ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記接続体に作用するモーメントの測定値、Ｐ^jは、ｊ番目の前記接続体の位置ベクトル、Ｐ^oは、モーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Ｆ^sumは、前記測定手段の全てによって測定された応力の総和、Ｍ^oは、前記測定手段の全てによって測定されたモーメントの総和、また、前記接続体の数をｍとするとき、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。）
この方法では、接触センサを用いずに、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を検出することができる。

また、本発明の外力検出方法では、前記接続体の数を１に設定するとともに、前記接続体として、前記測定手段を兼ねる、３軸方向の応力成分及び２軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは２軸以上の方向の応力成分及び３軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサを使用し、次の（式２）により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする。
（式２）
Ｆ^dis ＋Ｆ¹＝ ０
Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ¹ ）＋ Ｍ¹＝ ０
（但し、Ｆ¹は、前記センサで測定した応力の測定値、Ｍ¹は、前記センサで測定したモーメントの測定値、Ｐ¹は、前記センサの位置ベクトルを示している。）
（式２）は、式１においてｍ＝１の場合に相当している。この方法では、５軸以上の測定が可能な力覚センサの１つを用いて、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を検出することができる。

また、本発明の外力検出方法では、前記接続体の数を２以上に設定するとともに、前記複数の接続体として、前記測定手段を兼ねる、１軸以上の方向の応力成分または１軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が５軸以上である複数のセンサを使用し、前記（式１）により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする。
例えば、３軸方向の応力が検出可能な３軸力覚センサ１個と、１軸方向の応力が検出可能な１軸力覚センサ２個とを使用して可動体と甲殻型カバーとを接続すれば、軸数の合計は５軸以上となる。また、１軸方向の応力が検出可能な１軸力覚センサを５個使用した場合も軸数の合計は５軸以上となる。このように、複数の力覚センサの検出可能な軸数の合計が５軸以上となるように設定すれば、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を検出することができる。

また、本発明の外力検出方法では、前記接続体の数を５以上に設定するとともに、前記複数の接続体として複数のワイヤを使用し、前記測定手段により前記ワイヤの張力を測定し、前記（式１）のＦ^sum及びＭ^oを次（式３）により算出することを特徴とする。
（式３）
Ｆ^sum ＝Σ（ｄ^j／｜ｄ^j｜）×（ｆ^j−ｆ^oj ）
Ｍ^o ＝Σ ｐ^j×（ｄ^j／｜ｄ^j｜）×（ｆ^j−ｆ^oj ）
（但し、ｐ^jは、ｊ番目の前記ワイヤの可動体側の端点位置、ｄ^jは、ｊ番目の前記ワイヤのｐ^jを基準とした甲殻型カバー側の端点位置、ｆ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記ワイヤの張力の測定値、ｆ^ojは、外力が作用しない状態でのｊ番目の前記ワイヤの張力初期値、また、前記ワイヤの数をｍとするとき、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。）
この方法では、多軸力覚センサを用いずに、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を検出することが可能であり、低コストで外力の検出を行うことができる。

また、本発明の外力検出装置は、可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する外力検出装置であって、前記可動体を覆う剛性を有する甲殻型カバーと、前記可動体と前記甲殻型カバーとの間を接続する１または複数の接続体と、前記接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段と、を備え、前記測定手段の測定結果を用いて、（式１）により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする。
この装置は、接触センサを用いずに、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を検出することができる。

また、本発明の外力検出装置は、前記接続体に、前記測定手段を兼ねる、３軸方向の応力成分及び２軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは２軸以上の方向の応力成分及び３軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサを用いて構成することができる。
この装置では、甲殻型カバーが、５軸以上の測定が可能な力覚センサの１個を用いて可動体に一点支持される。

また、本発明の外力検出装置は、前記接続体に、前記測定手段を兼ねる、１軸以上の方向の応力成分または１軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が５軸以上である複数のセンサを用いて構成することができる。
この装置は、甲殻型カバーが力覚センサによって多点支持される。

また、本発明の外力検出装置は、前記接続体に、５本以上のワイヤを用いて構成することができる。
この装置は、力覚センサを用いていないため、低コスト化を図ることができる。
また、本発明の外力検出装置は、ロボット、マニピュレータ、工作機械、車椅子、乗物などの外力検出に用いることができる。

本発明では、ロボットやマニピュレータなどに作用する外力の大きさや作用点を、触覚センサを用いること無く、検出することができるため、コストパフォーマンスの向上、配線の削減、メンテナンスの簡易化等の効果が得られる。

本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、移動ロボットとそれに装着される甲殻型カバーを示し、図２は、甲殻型カバーに作用する力を説明している。図３は、多自由度マニピュレータに多点支持された甲殻型カバーを示し、図４は、この甲殻型カバーに作用する力を説明している。また、図５は、ワイヤでロボット本体に接続された甲殻型カバーを示している。図６は、実験に用いた移動ロボット及び甲殻型カバーを示し、図７及び図８は、実験結果を示している。

図１に示すように、移動ロボット１０に、６軸力覚センサ１２を介して、剛性の甲殻型カバー１１を装着し、甲殻型カバー１１を移動ロボット１０に固定する。
甲殻型カバー１１で覆われた移動ロボット１０が移動中に人や障害物に接触すると、移動ロボット１０が人や障害物から受ける外力は、全て甲殻型カバー１１に作用し、甲殻型カバー１１と移動ロボット１０との接続点に配置された６軸力覚センサ１２に集中し、６軸力覚センサ１２によって検出される。
６軸力覚センサ１２の検出情報は、制御部（不図示）に送られて、外力の大きさや作用点が算出される。制御部は、移動ロボット１０を外部から監視・制御する制御装置の中に在り、あるいは、移動ロボット１０の中に在っても良い。いずれにしろ、制御部は、外力の大きさ及び作用点を算出するために、甲殻型カバー１１の幾何形状や移動ロボット１０との接続位置に関するデータを保持している。

図２に示すように、甲殻型カバー１１に作用する外力のベクトルをＦ^dis、外力の作用点の位置ベクトルをＰ^disで表し、また、６軸力覚センサ１２で測定された力ベクトルをＦ¹、６軸力覚センサ１２の位置ベクトルをＰ¹、６軸力覚センサ１２で測定されたモーメントをＭ¹で表す。
このとき、力の釣り合いを示す（数１）が成り立ち、また、モーメントの釣り合いを示す（数２）が成り立つ。
Ｆ^dis ＋Ｆ¹＝ ０ （数１）
Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ¹ ）＋ Ｍ¹＝ ０ （数２）
（数１）から、Ｆ^disの成分は、
Ｆ^dis _x＝−Ｆ¹ _x （数３）
Ｆ^dis _y＝−Ｆ¹ _y （数４）
Ｆ^dis _z＝−Ｆ¹ _z （数５）
と算出することができる。

また、（数２）は、次のように展開することができる。
Ｍ¹ _x＝ Ｆ^dis _z（Ｐ^dis _y− Ｐ¹ _y ）−Ｆ^dis _y（Ｐ^dis _z− Ｐ¹ _z ） （数６）
Ｍ¹ _y＝ Ｆ^dis _x（Ｐ^dis _z− Ｐ¹ _z ）−Ｆ^dis _z（Ｐ^dis _x− Ｐ¹ _x ） （数７）
Ｍ¹ _z＝ Ｆ^dis _y（Ｐ^dis _x− Ｐ¹ _x ）−Ｆ^dis _x（Ｐ^dis _y− Ｐ¹ _y ） （数８）
ここで、（数６）（数７）を用いて、
Ｐ^dis _z− Ｐ¹ _z＝｛Ｍ¹ _x＋Ｆ^dis _z（Ｐ^dis _y− Ｐ¹ _y ）｝／Ｆ^dis _y
＝｛−Ｍ¹ _y＋Ｆ^dis _z（Ｐ^dis _x− Ｐ¹ _x）｝／Ｆ^dis _x （数９）
更に（数３）（数４）（数５）を用いて、
Ｐ^dis _z＝｛（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _y）Ｐ^dis _y
＝｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _x）Ｐ^dis _x
（数１０）
と表すことができる。

（数１０）において、Ｆ¹ _x、Ｆ¹ _y、Ｆ¹ _z、Ｍ¹ _x、Ｍ¹ _yの５種類は６軸力覚センサ１２の検出情報から得られる。また、Ｐ¹ _x、Ｐ¹ _y、Ｐ¹ _zは、６軸力覚センサ１２の位置情報であり、既知である。従って、（数１０）では、Ｐ^dis _z、Ｐ^dis _y及びＰ^dis _xだけが未知数であり、（数１０）は、ｙ−ｚ平面に投影された直線が、
Ｐ^dis _z＝｛（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _y）Ｐ^dis _y
であり、ｘ−ｚ平面に投影された直線が、
Ｐ^dis _z＝｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _x）Ｐ^dis _x
である３次元空間の直線を表している。
力の作用点は、（数１０）で表される直線と甲殻型カバー１１との交点として求めることができ、甲殻型カバー１１の形状から規定されるＰ^dis _z、Ｐ^dis _y及びＰ^dis _xの関係式と（数１０）とからＰ^dis _z、Ｐ^dis _y及びＰ^dis _xの値を算出することができる。

ここで注目すべきは、甲殻型カバーの幾何形状のデータが保持されている場合に、６軸力覚センサ１２の５種類の検出情報から作用点が同定できる点である。ここではＦ¹ _x、Ｆ¹ _y、Ｆ¹ _z、Ｍ¹ _x、Ｍ¹ _yの５種類の検出情報を使用したが、（数４）（数５）（数６）（数７）（数８）を用いて算出する場合は、Ｆ¹ _y、Ｆ¹ _z、Ｍ¹ _x、Ｍ¹ _y、Ｍ¹ _zの５種類の検出情報を使用して作用点を同定することができる。
そのため、移動ロボット１０を甲殻型カバー１１で覆い、この甲殻型カバー１１を、３軸方向の応力成分及び２軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサ、あるいは、２軸以上の方向の応力成分及び３軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサを介して、移動ロボット１０上に一点支持するように構成すれば、（数１）（数２）の式を用いて、センサの測定結果から、移動ロボット１０に作用する外力の大きさ及び作用点を算出することができる。

次に、甲殻型カバーを多点支持する場合について説明する。
図３（ａ）の多自由度を持つロボットアームやマニピュレータ２０に対して、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、甲殻型カバー２１を被覆する場合は、甲殻型カバー２１を一点で支持するよりも、図３（ｄ）に示すように、複数の力覚センサ２２、２３、２４で多点支持する方が適している。

このように、甲殻型カバー２１を複数の力覚センサ２２、２３、２４を介してマニピュレータ２０上に多点支持した場合は、図４に示すように、甲殻型カバー１１に対し、作用点Ｐ^disに作用する外力Ｆ^disと、各力覚センサ２２、２３、２４の位置Ｐ¹、Ｐ²、Ｐ³における反力Ｆ¹、Ｆ²、Ｆ³とが加わることになる。
このとき、力の釣り合いから（数１１）が成り立ち、モーメントの釣り合いから（数１２）が成り立つ。
Ｆ^dis ＋Ｆ¹＋Ｆ²＋Ｆ³＝ ０ （数１１）
Ｆ²×(Ｐ²−Ｐ¹)＋Ｆ³×(Ｐ³−Ｐ¹)＋Ｆ^dis×(Ｐ^dis−Ｐ¹)＝０
（数１２）

この場合、例えば、力覚センサ２２として３軸方向の応力成分が測定可能なセンサを用い、力覚センサ２３として１軸方向の応力成分が測定可能なセンサを用い、また、力覚センサ２４として１軸方向の応力成分が測定可能なセンサを用いる、と言うように、力覚センサ２２、２３、２４によって測定可能な軸数の合計が５軸以上であれば、一点支持の場合と同様に、甲殻型カバー２１の幾何形状や力覚センサ２２、２３、２４の位置情報が既知であるとき、（数１１）（数１２）を用いて、甲殻型カバー２１のあらゆる位置に作用する外力の大きさ及び作用点を求めることができる。

また、甲殻型カバー２１の支持に用いる力覚センサの個数をｍ個にまで拡張すると、力の釣り合いから（数１３）（数１４）が成り立ち、モーメントの釣り合いから（数１５）（数１６）が成り立つ。
Ｆ^dis ＋Ｆ^sum＝ ０ （数１３）
Ｆ^sum ＝ΣＦ^j （数１４）
Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ^o ）＋ Ｍ^o＝ ０ （数１５）
Ｍ^o ＝Σ{Ｆ^j ×（Ｐ^j − Ｐ^o）} ＋ ΣＭ^j （数１６）
ここで、Ｆ^jは、ｊ番目の力覚センサが検知した力、Ｍ^jは、ｊ番目の力覚センサが検知したモーメント、Ｐ^jは、ｊ番目の力覚センサの位置ベクトル、Ｐ^oは、モーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Ｆ^sumは、各力覚センサにより検出される力の総和、Ｍ^oは、各力覚センサにより検出されるモーメントの総和、また、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。

この場合も、ｍ個の力覚センサによって測定できる軸数の合計が５軸以上であれば、一点支持の場合と同様に、甲殻型カバーの幾何形状や力覚センサの位置情報が既知であるとき、（数１３）〜（数１６）を用いて、甲殻型カバーのあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を求めることができる。
なお、（数１３）〜（数１６）の算出に際し、検知できない成分は全て０とする。例えば、ｊ番目の力覚センサが３軸方向の応力成分のみの測定が可能な３軸力覚センサである場合は、Ｍ^j＝ ０となる。

また、この場合、検知し得ない軸方向の力が力覚センサの応答値に干渉しないことが必要である。例えば、３軸力覚センサであれば、モーメントが力応答に干渉しないようにユニバーサルジョイントなどを介して甲殻型カバーを保持する必要がある。
なお、一点支持における（数１）（数２）は、（数１３）〜（数１６）において、ｍ＝１とした場合に相当する。

次に、甲殻型カバーを複数本のワイヤで多点支持する場合について説明する。
図５に示すように、甲殻型カバー３０とロボット本体４０とを５本以上のワイヤ３１、３２、３３、３４、３５で接続し、各ワイヤの張力を検出して、甲殻型カバー３０に作用する外力の大きさ及び作用点を求める。なお、ワイヤに加わる張力は、例えば、ワイヤに沿わせた線状のテンションメータの両端をワイヤに固定したり、ワイヤ表面やワイヤ内部に歪ゲージを取り付けたりして計測することができる。
この場合の外力検出は、甲殻型カバー３０を支持するセンサとして、１軸のセンサを用いたものに相当する。従って、甲殻型カバー３０とロボット本体４０との接続に５本以上のワイヤを使用すれば、（数１３）〜（数１６）を用いて、甲殻型カバー３０のあらゆる位置に作用した外力の大きさ及び作用点を求めることができる。

ただ、この場合、各ワイヤの張力の総和Ｆ^sum及びモーメントの総和Ｍ^oは、（数１７）（数１８）で表される。
Ｆ^sum ＝Σ（ｄ^j／｜ｄ^j｜）（ｆ^j−ｆ^oj ） （数１７）
Ｍ^o ＝Σ ｐ^j×（ｄ^j／｜ｄ^j｜）（ｆ^j−ｆ^oj ） （数１８）
ここで、ｐ^jは、ｊ番目のワイヤのロボット本体４０側の端点位置、ｄ^jは、ｊ番目のワイヤのｐ^jを基準とした甲殻型カバー３０側の端点位置、ｆ^jは、ｊ番目のワイヤの張力、ｆ^ojは、外力が作用しない状態でのｊ番目のワイヤの張力初期値、また、前記ワイヤの数をｍとするとき、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。

この場合、外力の作用点を検出するためには、張力が０より大きいワイヤが５本以上存在する必要である。外力によって一部のワイヤが弛むことが想定される場合は、大目にワイヤを張る必要がある。また、甲殻型カバー３０は、外力によって大きく変位しないことが必要である。変位が大きいとｄ^jが一定とみなせなくなる。
なお、ワイヤの代わりにロッドを使ってもよい。ただし、ロボット本体４０及び甲殻型カバー３０との接合部は、両方とも３軸のフリージョイントにする必要がある

図６、図７、図８は、本発明の外力検出方法の有効性を確認するために実施した実験の模様を示している。
実験に用いた移動ロボットを図６（ａ）に示し、甲殻型カバーを図６（ｂ）に示している。甲殻型カバーは、厚さ３ｍｍのアクリル板で形成された外形寸法５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍの立方体であり、移動ロボットに被せるため、底面だけは塞がれていない。重さ１２ｋｇである。移動ロボットには、甲殻型カバーを一点支持する位置に６軸力覚センサ１２を配置している。

実験では、図７に示すように、移動ロボットに被せた甲殻型カバーの一点を指で押し、その押圧位置を求めた。算出された押圧位置は表示画面に表示されている。
図８は、この押圧位置と検出位置との関係を定量的に測定した結果を示している。図８（ａ）では、実際の押圧位置（Actual position）を菱形で、検出位置（Detected position）を＋で表示している。また、図８（ｂ）では、押圧位置（Actual position）及び検出位置（Detected position）を座標で表示している。
この実験結果から、甲殻型カバーの各位置に作用した外力の作用点は、本発明の外力検出方法により、高精度で検出できることが分かる。

このように、本発明では、ロボット本体やマニピュレータ本体に、力覚センサ等の測定手段を介して甲殻型カバーを固定する。甲殻型カバーは、６自由度が全て測定手段により拘束され、ロボットに作用する外力の全ては甲殻型カバーで受け止められる。測定手段は、本体と甲殻型カバーとの接続箇所に作用する応力及びモーメントを検出し、制御部は、外力を受けてもモーメントが釣り合っていると仮定して、測定結果を基に、外力の総和及び作用点を算出する。

本発明では、測定手段の測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が５軸であれば、その測定値から外力の総和と作用点とを求めることができる。これは、換言すれば、拘束した甲殻型カバーの６自由度の内、５自由度について測定手段で測定することになる。
例えば、本体と甲殻型カバーとを、１個の３軸力覚センサと２個の１軸力覚センサとを介して接続すれば、外力の総和と作用点とが検出できる。また、５個の１軸力覚センサを介して接続しても、外力の総和と作用点とが検出できる。また、１個の５軸力覚センサを介して接続しても、外力の総和と作用点とが検出できる。ただし、計測しない６軸目の成分が他の５軸の成分に干渉しないことが条件となる。

前述する実験では、本体と甲殻型カバーとを１個の６軸力覚センサを介して接続しているが、６軸力覚センサの検出情報のうち、５軸分の情報（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ，ｍｘ，ｍｙ）を利用して作用点を算出し、Ｚ軸周りのモーメントｍｚの情報は捨てている。この６軸力覚センサは、軸間の干渉が発生しないような構造になっているため、ｍｚは他の５軸の応答値に影響を与えない。

この甲殻型カバーを用いた外力検出装置でロボットの全てのリンクを覆うことにより、ロボットのあらゆる箇所に生じる外力とその作用点を計測することが可能となる。
また、この外力検出装置は、外力の大きさを定量的に把握できるため、例えば、撫でるように触られた場合と、叩かれた場合とで異なるロボット制御を実行することができる。
なお、ここではロボットやマニピュレータの外力検出について説明したが、本発明は、工作機械や車椅子、乗物等の可動体に作用する外力の検出にも広く利用できる。

（実施例１）
箱形状の甲殻型カバーを１個の５軸力覚センサで支持する場合の外力作用点の算出方法の一例について説明する。
図９（ａ）に示すように、箱状甲殻型カバー１１は、ロボット本体４０に取り付けた５軸力覚センサ１２の先端に固定し、この先端をＰ^o（モーメントを求める基準位置）とする。
図９（ｂ）に示すように、箱状甲殻型カバー１１の中心をＰ¹＝（Ｐ¹ _x，Ｐ¹ _y，Ｐ¹ _z）とし、箱状甲殻型カバーの上面の高さをＰ¹ _z+Ｐ^c _zとし、また、前後面の位置をそれぞれＰ¹ _y+Ｐ^c _y, Ｐ¹ _y-Ｐ^c _y、左右面の位置をそれぞれＰ¹ _x+Ｐ^c _x, Ｐ¹ _x-Ｐ^c _xとする。
（数１０）に
Ｐ^dis _z=Ｐ¹ _z+Ｐ^c _z （数１９）
を代入すれば、(数１０）で表される直線が、カバー上面を拡張した水平面と交差する点の座標Ｐ^dis _x、Ｐ^dis _yを下記のように導出できる。
Ｐ^dis _y＝（Ｆ¹ _y／Ｆ¹ _z）[Ｐ^c _z-{(Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y}] （数２０）
Ｐ^dis _x＝（Ｆ¹ _x／Ｆ¹ _z）[Ｐ^c _z-{(-Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x}] （数２１）
ここで、
Ｐ¹ _y-Ｐ^c _y≦Ｐ^dis _y≦Ｐ¹ _y+Ｐ^c _y
Ｐ¹ _x-Ｐ^c _x≦Ｐ^dis _x≦Ｐ¹ _x+Ｐ^c _x （数２２）
Ｆ¹ _z＞0
が全て成り立てば、外力の作用点はカバー上面であると決定できる。その場合、外力作用点は（数１９）（数２０）（数２１）で導出される。
（数２２）が成り立たない場合には、外力が前後面または左右面に作用していると判断されるため、次の手順に移る。

次に、（数１０）の直線とカバー前後面、またはその拡張面が交差した場合を想定する。
Ｆ¹ _y＞０ （数２３）
が成り立つ場合にはカバー前面に力が作用していると考え、（数１０）に
Ｐ^dis _y=Ｐ¹ _y+Ｐ^c _y （数２４）
を代入する。すると(数１０）で表される直線が、カバー前面を拡張した鉛直面と交差する点の座標Ｐ^dis _x、Ｐ^dis _zを下記のように導出できる。
Ｐ^dis _z＝｛（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _y）(Ｐ¹ _y+Ｐ^c _y)
（数２５）
Ｐ^dis _x＝（Ｆ¹ _x／Ｆ¹ _z）[Ｐ^dis _z-｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝-Ｐ¹ _z]
（数２６）
（数２３）が成り立たない場合には、カバー後面に力が作用していると考え、（数１０）に
Ｐ^dis _y=Ｐ¹ _y-Ｐ^c _y （数２７）
を代入する。カバー後面を拡張した鉛直面と交差する点の座標Ｐ^dis _x、Ｐ^dis _zを下記のように導出できる。
Ｐ^dis _z＝｛（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _y）(Ｐ¹ _y-Ｐ^c _y)
（数２８）
Ｐ^dis _x＝（Ｆ¹ _x／Ｆ¹ _z）[Ｐ^dis _z-｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝-Ｐ¹ _z]
（数２９）
ここで、
Ｐ¹ _z-Ｐ^c _z≦Ｐ^dis _z≦Ｐ¹ _z+Ｐ^c _z
Ｐ¹ _x-Ｐ^c _x≦Ｐ^dis _x≦Ｐ¹ _x+Ｐ^c _x （数３０）
が成り立てば、外力の作用点はカバー前後面であると決定できる。その場合、外力作用点は（数２８）（数２９）（数３０）で導出される。
（数３０）が成り立たない場合には、外力が左右面に作用していると判断されるため、次の手順に移る。

次に（数１０）の直線とカバー左右面、またはその拡張面が交差した場合を想定する。
Ｆ¹ _x＞０ （数３１）
が成り立つ場合にはカバー前面に力が作用していると考え、（数１０）に
Ｐ^dis _x=Ｐ¹ _x+Ｐ^c _x （数３２）
を代入する。すると(数１０）で表される直線が、カバー前面を拡張した鉛直面と交差する点の座標Ｐ^dis _y、Ｐ^dis _zを下記のように導出できる。
Ｐ^dis _z＝｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _x）(Ｐ¹ _x+Ｐ^c _x)
（数３３）
Ｐ^dis _y＝（Ｆ¹ _y／Ｆ¹ _z）[Ｐ^dis _z-{（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝-Ｐ¹ _z]
（数３４）

（数３１）が成り立たない場合には、カバー後面に力が作用していると考え、（数１０）に
Ｐ^dis _x=Ｐ¹ _x-Ｐ^c _x （数３４）
を代入する。カバー後面を拡張した鉛直面と交差する点の座標Ｐ^dis _y、Ｐ^dis _zを下記のように導出できる。
Ｐ^dis _z＝｛（−Ｍ¹ _y−Ｆ¹ _zＰ¹ _x）／Ｆ¹ _x｝＋Ｐ¹ _z＋（Ｆ¹ _z／Ｆ¹ _x）(Ｐ¹ _x-Ｐ^c _x)
（数３５）
Ｐ^dis _y＝（Ｆ¹ _y／Ｆ¹ _z）[Ｐ^dis _z-{（Ｍ¹ _x−Ｆ¹ _zＰ¹ _y）／Ｆ¹ _y｝-Ｐ¹ _z]
（数３６）
ここで、
Ｐ¹ _z-Ｐ^c _z≦Ｐ^dis _z≦Ｐ¹ _z+Ｐ^c _z
Ｐ¹ _y-Ｐ^c _y≦Ｐ^dis _y≦Ｐ¹ _y+Ｐ^c _y （数３７）
が成り立てば、外力の作用点はカバー左右面であると決定できる。
それ以外の場合は原理的に存在しないため、例外処理として接触位置不定とする。

（実施例２）
箱形状の甲殻型カバーを１個の３軸力覚センサと２個の１軸力覚センサとを用いて支持する場合は、図１０（ａ）に示すように、３軸力覚センサ２５により甲殻型カバー１１の上面内面を支持し、１軸力覚センサ２６、２７により甲殻型カバー１１の側面内面を支持する。図１０（ｂ）に示すように、３軸力覚センサ２５は、ｘ，ｙ軸周りに自由に回転するユニバーサルジョイント４１を介して甲殻型カバー１１に固定する。また、１軸力覚センサ２６、２７は、ｘ，ｙ，ｚ軸周りに自由に回転するユニバーサルジョイント４３、４４を介してスライドガイド４２、４４に固定し、スライドガイド４２、４４を甲殻型カバー１１の内面に当接させる。甲殻型カバー１１のｘ軸に平行な側面に当接するスライドガイド４２は、ｘ，ｚ軸方向に移動可能であり、また、甲殻型カバー１１のｙ軸に平行な側面に当接するスライドガイド４４は、ｙ，ｚ軸方向に移動可能である。
また、３軸力覚センサ２５の先端をＰ^o（モーメントを求める基準位置）とする。

この外力検出装置では、３軸力覚センサ２５が計測する力をｆ₁＝（ｆ_1x,ｆ_1y,ｆ_1z）、１軸力覚センサ２７が計測する力をｆ₂、１軸力覚センサ２６が計測する力をｆ₃とすると、外力Ｆ^disの各成分は次のようになる。
Ｆ^dis _x＝ｆ_1x＋ｆ₂
Ｆ^dis _y＝ｆ_1y＋ｆ₃
Ｆ^dis _z＝ｆ_1z
また、図１０（ｂ）に示すように、甲殻型カバー１１の上面から１軸力覚センサ２６、２７までの距離をＰ_zとすると、各力覚センサの測定値から求められるモーメントＭ⁰の成分Ｍ⁰ _x、Ｍ⁰ _yは次のようになる。
Ｍ⁰ _x＝ｆ₃Ｐ_z
Ｍ⁰ _y＝ｆ₂Ｐ_z
なお、Ｍ⁰ _zは計測しない（外力作用点の導出には必要がない）。
このＭ⁰を（数１５）に代入し、（数６）〜（数１０）のように展開することによって外力の作用点Ｐ^disを算出することができる。

本発明は、ロボットやマニピュレータ、工作機械、車椅子、乗物等の可動体に作用する外力を検出するために広く利用することができる。

本発明の実施形態における移動ロボット及び甲殻型カバーを示す図 図１の甲殻型カバーに作用する力の説明図 本発明の実施形態におけるマニピュレータに多点支持された甲殻型カバーを示す図 図３の甲殻型カバーに作用する力の説明図 本発明の実施形態におけるワイヤでロボット本体に接続された甲殻型カバーを示す図 実験に用いた移動ロボット及び甲殻型カバーを示す図 甲殻型カバーを手で押圧して作用点を画面に表示する実験を示す図 甲殻型カバーの押圧位置と算出された作用点との関係を示す図 実施例１の甲殻型カバーの支持について説明する図 実施例２の甲殻型カバーの支持について説明する図

符号の説明

１０ 移動ロボット
１１ 甲殻型カバー
１２ ６軸力覚センサ
２０ マニピュレータ
２１ 甲殻型カバー
２２ 力覚センサ
２３ 力覚センサ
２４ 力覚センサ
２５ ３軸力覚センサ
２６ １軸力覚センサ
２７ １軸力覚センサ
３０ 甲殻型カバー
３１ ワイヤ
３２ ワイヤ
３３ ワイヤ
３４ ワイヤ
３５ ワイヤ
４０ ロボット本体
４１ ユニバーサルジョイント
４２ スライドガイド
４３ ユニバーサルジョイント
４４ スライドガイド
４５ ユニバーサルジョイント

Claims (13)

1. 可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する検出方法であって、
   前記可動体を、剛性を有する甲殻型カバーで覆い、前記可動体と前記甲殻型カバーとの間を１または複数の接続体で接続するとともに、前記接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段を設け、前記測定手段の測定結果を用いて、次式により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする外力検出方法。
   Ｆ^dis ＋Ｆ^sum＝ ０
   Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ^o ）＋ Ｍ^o＝ ０
   Ｆ^sum ＝ΣＦ^j
   Ｍ^o ＝Σ{Ｆ^j ×（Ｐ^j − Ｐ^o）} ＋ ΣＭ^j
   （但し、Ｆ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記接続体に作用する応力の測定値、Ｍ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記接続体に作用するモーメントの測定値、Ｐ^jは、ｊ番目の前記接続体の位置ベクトル、Ｐ^oは、モーメントを求める基準位置の位置ベクトル、Ｆ^sumは、前記測定手段の全てによって測定された応力の総和、Ｍ^oは、前記測定手段の全てによって測定されたモーメントの総和、また、前記接続体の数をｍとするとき、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。）
2. 請求項１に記載の外力検出方法であって、前記接続体の数を１に設定するとともに、前記接続体として、前記測定手段を兼ねる、３軸方向の応力成分及び２軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは２軸以上の方向の応力成分及び３軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサを使用し、次式により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする外力検出方法。
   Ｆ^dis ＋Ｆ¹＝ ０
   Ｆ^dis ×（Ｐ^dis − Ｐ¹ ）＋ Ｍ¹＝ ０
   （但し、Ｆ¹は、前記センサで測定した応力の測定値、Ｍ¹は、前記センサで測定したモーメントの測定値、Ｐ¹は、前記センサの位置ベクトルを示している。）
3. 請求項１に記載の外力検出方法であって、前記接続体の数を２以上に設定するとともに、前記複数の接続体として、前記測定手段を兼ねる、１軸以上の方向の応力成分または１軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が５軸以上である複数のセンサを使用し、前記式により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする外力検出方法。
4. 請求項１に記載の外力検出方法であって、前記接続体の数を５以上に設定するとともに、前記複数の接続体として複数のワイヤを使用し、前記測定手段により前記ワイヤの張力を測定し、前記式のＦ^sum及びＭ^oを次式により算出することを特徴とする外力検出方法。
   Ｆ^sum ＝Σ（ｄ^j／｜ｄ^j｜）×（ｆ^j−ｆ^oj ）
   Ｍ^o ＝Σ ｐ^j×（ｄ^j／｜ｄ^j｜）×（ｆ^j−ｆ^oj ）
   （但し、ｐ^jは、ｊ番目の前記ワイヤの可動体側の端点位置、ｄ^jは、ｊ番目の前記ワイヤのｐ^jを基準とした甲殻型カバー側の端点位置、ｆ^jは、前記測定手段で測定したｊ番目の前記ワイヤの張力の測定値、ｆ^ojは、外力が作用しない状態でのｊ番目の前記ワイヤの張力初期値、また、前記ワイヤの数をｍとするとき、Σは、ｊ＝１からｍまでの加算を示している。）
5. 可動体に作用する外力の大きさ及び作用点を検出する外力検出装置であって、
   前記可動体を覆う剛性を有する甲殻型カバーと、
   前記可動体と前記甲殻型カバーとの間を接続する１または複数の接続体と、
   前記接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを測定する測定手段と、
   を備え、
   前記測定手段の測定結果を用いて、請求項１記載の検出方法により外力Ｆ^disの大きさ及び作用点Ｐ^disを算出することを特徴とする外力検出装置。
6. 請求項５に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、前記測定手段を兼ねる、３軸方向の応力成分及び２軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサまたは２軸以上の方向の応力成分及び３軸の回りのモーメント成分が測定可能なセンサから成ることを特徴とする外力検出装置。
7. 請求項５に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、前記測定手段を兼ねる、１軸以上の方向の応力成分または１軸以上の軸の回りのモーメント成分が測定可能な複数のセンサであって、当該複数のセンサの測定可能な応力成分の軸数及び測定可能なモーメント成分の軸数の合計が５軸以上である複数のセンサから成ることを特徴とする外力検出装置。
8. 請求項５に記載の外力検出装置であって、前記接続体が、５本以上のワイヤから成ることを特徴とする外力検出装置。
9. 請求項５から８に記載の外力検出装置であって、前記可動体がロボットであることを特徴とする外力検出装置。
10. 請求項５から８に記載の外力検出装置であって、前記可動体がマニピュレータであることを特徴とする外力検出装置。
11. 請求項５から８に記載の外力検出装置であって、前記可動体が工作機械であることを特徴とする外力検出装置。
12. 請求項５から８に記載の外力検出装置であって、前記可動体が車椅子であることを特徴とする外力検出装置。
13. 請求項５から８に記載の外力検出装置であって、前記可動体が乗物であることを特徴とする外力検出装置。