JP2011136374A - 機構体、外力検出方法及び機構体の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットなどの機構体に付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方の取得を安価に実現する。
【解決手段】移動部２０と、移動部２０に支持されたロボット本体１０と、ロボット本体１０及び移動部２０のいずれか一方に設けられ、ロボット本体１０及び移動部２０のいずれか他方に対して照射した検出光の反射光を受光する光学式変位センサ５０と、光学式変位センサによる反射光の受光結果から、光学式変位センサから検出光が照射された位置までの距離を算出し、当該算出結果に基づいて、ロボット本体１０に対して付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方を取得する制御部７０と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本件は、機構体、外力検出方法及び機構体の制御方法に関する。

従来、自律走行型等のロボットでは、外部から加わる力（外力）を検出する手段として、テープスイッチやバンパスイッチなどが用いられている。これらのスイッチを用いると、障害物への衝突を検知することができる。しかしながら、これらのスイッチは、ロボットの下体部（台座）に設置されることが多いため、衝突を検出できる範囲はロボットの下体部に限られていた。

このため、ロボットが移動する空間内の床面から離れた位置に張り出した物体が存在するような場合には、当該物体とロボットの上体部との衝突を検知することができないおそれがある。また、人などが上体部を押した場合にも、上体部に加わる力を検知することができないおそれがある。

これに対し、外力を検知する方法として、特許文献１のような技術が開示されている。この技術は、ロボットなどの可動体を剛性を有する甲殻型カバーで覆い、可動体と甲殻型カバーとの間を１または複数の接続体で接続し、接続体の接続箇所に作用する応力またはモーメントを多軸力覚センサで検出するというものである。

特開２００９−１６２５９９号公報 特開２００８−８４１６８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術で用いられている多軸力覚センサは高価であるため、可動体自体が高価になるおそれがある。なお、ロボットなどの可動体に限らず、第１部分と当該第１部分に支持された第２部分とを有する種々の機構体においても、第２部分に付与される外力を検知して、当該検知結果を利用する場面が想定される。この場合にも、外力の検知を安価に実現することが望ましい。

そこで本件は上記の課題に鑑みてなされたものであり、第１部分に支持された第２部分に付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方の検出を安価に行うことが可能な機構体を提供することを目的とする。また、本件は、第１部分に支持された第２部分に付与される外力の検出を安価に行うことが可能な外力検出方法を提供することを目的とする。更に、本件は、外力に基づく機構体の制御を安価に行うことが可能な機構体の制御方法を提供することを目的とする。

本明細書に記載の機構体は、第１部分と、前記第１部分に支持された第２部分と、前記第１部分及び前記第２部分のいずれか一方に設けられ、前記第１部分及び前記第２部分のいずれか他方に対して照射した検出光の反射光を受光する光学式変位センサと、前記光学式変位センサから前記検出光が照射された位置までの距離情報を、前記反射光を前記光学式変位センサが受光する位置の変化量に基づいて算出し、当該距離情報から、前記第２部分に対して付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方に関する外力情報を取得する取得部と、を備えている。

本明細書に記載の外力検出方法は、第１部分と、前記第１部分に支持された第２部分と、を有する機構体の、前記第１部分及び前記第２部分の一方から他方に向けて検出光を照射し、当該検出光の反射光を受光する照射・受光工程と、前記照射・受光工程の受光結果に基づいて、前記第２部分に付与された外力の大きさ及び方向の少なくとも一方に関する外力情報を取得する取得工程と、を含んでいる。

本明細書に記載の機構体の制御方法は、本明細書に記載の外力検出方法により外力を検出する工程と、前記検出された外力に基づいて、前記機構体の動作を制御する工程と、を含んでいる。

本明細書に記載の機構体は、第１部分に支持された第２部分に付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方の検出を安価に実現できるという効果を奏する。また、本明細書に記載の外力検出方法は、第１部分に支持された第２部分に付与される外力の検出を安価に実現できるという効果を奏する。また、本明細書に記載の機構体の制御方法は、外力に基づく機構体の制御を安価に行うことができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係るロボットの斜視図である。 図２（ａ）は、ロボットの内部構造を模式的に示す図であり、図２（ｂ）は、支持台によるフレームの脚部の支持構造を模式的に示す図である。 光学式変位センサの構成を模式的に示す図である。 ロボットにおける制御系の一部（外力に応じた移動制御を行う制御系）を示すブロック図である。 図５（ａ）は、ロボットの胴体部に外力Ｆが加わった状態を模式的に示す図であり、図５（ｂ）は、外力の大きさと、光学式変位センサの検知結果から求められる距離（測距値Ｌ）との関係を示すグラフである。 図６（ａ）は、第２の実施形態にかかるロボットの内部構造を模式的に示す図であり、図６（ｂ）は、ロボットの胴体部に外力Ｆが加わった状態を模式的に示す図である。 図７（ａ）は、第２の実施形態における外力Ｆと測距値Ｌとの関係を示すグラフであり、図７（ｂ）は、閾値を２つ（Ｌ_s１、Ｌ_s２）用いる場合のグラフである。 図７（ｂ）のグラフを用いた処理を説明するためのフローチャートである。 図９（ａ）、図９（ｂ）は、第２の実施形態の変形例を説明するための図である。 図１０（ａ）は、第３の実施形態にかかるロボットの内部構造を模式的に示す図であり、図１０（ｂ）は、ロボットの胴体部に外力Ｆが加わった状態を模式的に示す図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、移動部と胴体部上面との相対位置、及び各光学式変位センサから出射される赤外光の照射位置を模式的に示す図である。 第３の実施形態のロボットにおける、外力が付与される方向の検知に用いられる表である。 図１３（ａ）は、第４の実施形態にかかるロボットの内部構造を模式的に示す図であり、図１３（ｂ）は、ロボットの胴体部に外力Ｆが加わった状態を模式的に示す図である。 図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、第４の実施形態のロボットにおける、外力が付与される方向の検知を説明するための図である。 第４の実施形態における、各光学式変位センサの測距値Ｌと、外力Ｆとの関係を示すグラフである。 第４の実施形態における、外力Ｆの算出方法を説明するための図である。 図１７（ａ）は、変形例にかかるロボットの内部構造を模式的に示す図であり、図１７（ｂ）は、ロボットの胴体部に外力Ｆが加わった状態を模式的に示す図である。 図１８（ａ）は、機構体としてジョイスティックを採用した場合の例を示す図であり、図１８（ｂ）は、機構体として体重計を採用した場合の例を示す図である。

≪第１の実施形態≫
以下、機構体及びその制御方法、並びに外力検出方法の第１の実施形態について、図１〜図５に基づいて詳細に説明する。図１には、機構体としての自律移動ロボット（以下、単にロボットと呼ぶ）１００が斜視図にて示されている。この図１に示すように、ロボット１００は、第２部分としてのロボット本体１０と、ロボット本体１０を支持する第１部分としての移動部２０と、を備えている。

ロボット本体１０は、頭部３０ａ及び胴体部３０ｂを含む外郭部３０と、図２（ａ）に示すフレーム４０と、を有する。頭部３０ａには、カメラやスピーカ、マイクなど、ロボット１００の機能（案内機能や対話機能など）を実現するための装置が設けられている。胴体部３０ｂには、２本の腕部や、ディスプレイ（不図示）などが設けられている。

図２（ａ）には、ロボット１００の内部構造が模式的に示されている。図２（ａ）に示すように、フレーム４０は、移動部２０上で支持されており、少なくとも３本の脚部４０ａと、脚部４０ａにより支持される天板部４０ｂと、天板部４０ｂ上面に立設された頭部保持部４０ｃと、を有している。脚部４０ａは、外力の作用により弾性変形するようになっている。天板部４０ｂの下面（移動部２０に対向する面）には、光学式変位センサ５０が設けられている。なお、光学式変位センサ５０の具体的な構成等については後述する。

移動部２０は、図２（ａ）に示すように、支持台２２と、走行輪２４と、方向転換用車輪２６と、第１部分外力検知部としての全方位バンパスイッチ２８と、を有する。支持台２２は、フレーム４０を下側から支持する。具体的には、支持台２２は、フレーム４０の各脚部４０ａを、図２（ｂ）に示すように、支持台２２上に形成された孔部２３内で、弾性部材（図２（ｂ）では圧縮コイルバネ）４２を介して支持する。すなわち、フレーム４０の各脚部４０ａは、孔部２３内で上下方向に摺動可能な状態で、支持台２２に支持されている。支持台２２の上面（フレーム４０の天板部４０ｂに対向する面であり、フレーム４０を支持する側の面（支持面））には、上方から見て円形の凹部２２ａが形成されている。この凹部２２ａは、ロボット１００に外力がかかっていない図２（ａ）の状態では、光学式変位センサ５０の直下に位置している。

走行輪２４は、モータ８０（図４参照）により回転駆動される。方向転換用車輪２６は、舵角を変更可能な車輪であり、サーボモータ８４により舵角が変更制御される。全方位バンパスイッチ２８は、支持台２２の周囲を取り囲むように設けられたカバー部２８ａを有し、カバー部２８ａの変位量を検出することにより、カバー部２８ａへの外力の作用を検知する。

次に、光学式変位センサ５０について、光学式変位センサ５０の内部を模式的に示す図３に基づいて、説明する。

図３に示すように、光学式変位センサ５０は、送光部５２と、受光部５４と、を有している。送光部５２は、検出光としての赤外光を出射する光源６２と、レンズ６４とを有する。また、受光部５４は、レンズ６６と、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）６８とを有する。光学式変位センサ５０によれば、送光部５２の光源６２から出射された赤外光が、レンズ６４を介して、検出対象物（ここでは、光学式変位センサ５０に対向している支持台２２の表面）に照射される。この検出対象物において反射した光のうち、レンズ６６を通過した光が、ＰＳＤ６８において受光される。ここで、赤外光が照射される支持台２２の表面位置が符合Ｐで示す位置である場合には、ＰＳＤ６８の符合Ｑの位置にて反射光が受光される。一方、支持台２２の表面位置が符合Ｐ’で示す位置である場合には、ＰＳＤ６８の符合Ｑ’の位置にて反射光が受光される。このように、ＰＳＤ６８上での受光位置が変化すると、出力（電流出力）Ａ，Ｂの値が変化するため、出力Ａ、Ｂを用いれば、支持台２２の表面位置までの距離を検出することができる（三角測量法）。

図４には、本第１の実施形態のロボット１００における制御系の一部（外力に応じた移動制御を行う制御系）がブロック図にて示されている。図４の制御部７０は、送光部５２の光源６２からの発光を制御するとともに、光学式変位センサ５０の受光部５４における出力Ａ，Ｂを取得して、支持台２２の表面位置までの距離を算出する。すなわち、制御部７０は本件の取得部としての機能を有している。また、制御部７０は、全方位バンパスイッチ２８による検出結果も取得する。そして、制御部７０は、光学式変位センサ５０の検知結果及びバンパスイッチ２８の検出結果に基づいて、モータ８０及び／又はサーボモータ８４の駆動指示を、モータ制御部８２に出す。モータ制御部８２は、モータ８０の回転速度や回転量、サーボモータ８４の駆動量を調整して、走行輪２４及び方向転換用車輪２６を制御する。すなわち、本実施形態では、制御部７０、走行輪２４、モータ８０、モータ制御部８２、サーボモータ８４、及び方向転換用車輪２６により、走行部が実現されている。

次に、本第１の実施形態において、ロボット本体１０（特に外郭部３０）に付与される外力の検知方法について図５（ａ）、図５（ｂ）に基づいて説明する。図５（ａ）には、ロボット本体１０の胴体部３０ｂに外力Ｆが加わった状態が模式的に示されている。この図５（ａ）に示すように、胴体部３０ｂに外力Ｆが加わると、フレーム４０の脚部４０ａが弾性変形するとともに、脚部４０ａが支持台２２の孔部２３（図２参照）内で上下方向に移動する。これにより、図５（ａ）に示すように、光学式変位センサ５０からの赤外光の照射方向が図２（ａ）の状態からψだけずれることになる。

このように、光学式変位センサ５０からの赤外光の照射方向がずれると、赤外光の照射位置が、凹部２２ａ内で移動したり、図５（ａ）に示すように、凹部２２ａの外に出たりする。図５（ｂ）には、胴体部３０ｂに付与される外力の大きさと、光学式変位センサ５０の検知結果から求められる距離（測距値Ｌ）との関係が、グラフにて示されている。このグラフにおいて、範囲Ｄ１の曲線は、光学式変位センサ５０から出射される赤外光が凹部２２ａの底面に照射されている状態での測距値の変化を意味する。範囲Ｄ１の曲線は、外力が０のときの測距値をＬ₀とすると、次式（１）にて表すことができる。
Ｌ＝Ｌ₀／cosψ≒Ｌ₀ …（１）

また、範囲Ｄ２の曲線は、光学式変位センサ５０から出射される赤外光が凹部２２ａから外れている状態での測距値の変化を意味し、凹部２２ａの深さをｈとすると、次式（２）にて表すことができる。
Ｌ＝Ｌ＝(Ｌ₀−ｈ)／cosψ≒Ｌ₀−ｈ …（２）

なお、図５（ａ）の状態での外力Ｆは、図５（ｂ）のグラフの外力Ｆ₁に対応する。そして、範囲Ｄ１と範囲Ｄ２との間の曲線は、光学式変位センサ５０から出射される赤外光が、凹部２２ａを形成する側壁に照射されている状態での測距値の変化を意味しており、範囲Ｄ１、Ｄ２に比べて、測距値の変化量が大きくなっている。

制御部７０では、図５（ｂ）のグラフの範囲Ｄ１とＤ２との間の測距値（例えば、範囲Ｄ１とＤ２との中間点の外力Ｆ₂を示す測距値）を閾値Ｌ_sとし、当該閾値Ｌ_sよりも測距値Ｌが小さくなった場合に、ロボット１００の駆動を停止する。すなわち、制御部７０は、外力の大きさに関する情報（外力情報）として、測距値が閾値Ｌ_sよりも小さくなったという情報が得られた場合に、モータ制御部８２を介してモータ８０の回転駆動を停止する。このようにすることで、ロボット１００に外力が大きく掛かり、ロボット１００が転倒してしまうような場合に、走行輪２４の回転駆動を停止することができるので、走行輪２４への人や物体の巻き込みを防止することが可能となる。なお、制御部７０は、バンパスイッチ２８による検出結果が所定値以上となった場合にも、走行輪２４の停止やロボット１００の方向転換等を実行する。

以上説明したように、本第１の実施形態によると、ロボット本体１０に設けられた光学式変位センサ５０が、移動部２０（支持台２２）に対して赤外光を照射し、その反射光を受光する。そして、制御部７０は、反射光の受光結果に基づいて、赤外光が照射された位置までの距離を算出し、その算出結果から、ロボット本体１０に付与される外力の大きさに関する情報（閾値よりも小さいか否かの情報）を取得する。これにより、安価な光学式変位センサ５０を用いた、外力Ｆの大きさの情報の取得が実現できる。また、本第１の実施形態によると、移動部２０の支持台２２に凹部２２ａを形成しているので、ロボット本体１０の傾きがある一定以上大きくなったときに、光学式変位センサ５０による測距値Ｌを大きく変動させることができる。これにより、光学式変位センサ５０の分解能を大きくすることができるので、ロボット本体１０の傾きがある一定以上大きくなったことを、精度良く検出することができる。したがって、制御部７０は、ロボット本体１０の走行輪２４の停止制御を精度良く行うことができる。

また、本第１の実施形態によると、支持台２２に対向する、天板部４０ｂの下面に光学式変位センサ５０が設けることとしている。これにより、光学式変位センサ５０の測距値Ｌとして比較的大きな値を得ることができるので、光学式変位センサ５０の分解能を大きくすることが可能である。

また、本第１の実施形態によると、フレーム４０が弾性部材４２を介して支持されているので、フレーム４０の過度な変形を抑制することができるとともに、外力Ｆを適切に反映したフレーム４０の傾きを実現することができる。

また、本第１の実施形態によると、機構体がロボットであり、第１部分として、剛性の大きい移動部２０を採用し、第２部分として、剛性の小さいロボット本体１０を採用することとしているので、これらの剛性の違いにより、光学式変位センサ５０の反射光の変量を大きくすることができる。これにより、検出分解能を高くすることができる。

なお、上記第１の実施形態では、支持台２２に孔部２３を形成し、当該孔部２３において、フレーム４０が弾性部材４２を介して支持される場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、支持台２２に孔部２３を設けずに、弾性部材４２を介してフレーム４０を支持しても良いし、弾性部材４２を介することなく、フレーム４０を支持しても良い。

また、上記第１の実施形態では、弾性部材として圧縮コイルバネを用いた場合について説明したが、これに限らず、バネ以外の弾性部材、例えばゴム、樹脂など種々の弾性部材を用いることができる。

≪第２の実施形態≫
次に、第２の実施形態について図６〜図８に基づいて説明する。なお、本第２の実施形態では、上述した第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して、その説明を省略するものとする。

本第２の実施形態では、図６（ａ）に示すように、凹部２２ａ’が、傾斜面を有する全体としてすり鉢状の形状を有している。凹部２２ａ’がすり鉢状の形状を有していることにより、ロボット本体１０に付与される外力Ｆが徐々に大きくなると、光学式変位センサ５０から出射される赤外光は、図６（ｂ）に示すように傾斜面に沿って移動するようになる。

図７（ａ）は、本第２の実施形態における外力Ｆと測距値Ｌとの関係を示すグラフである。図７（ａ）に示す曲線は、外力Ｆが０のときの測距値をＬ₀、凹部２２ａ’の傾斜面の角度をφとすると、次式（３）にて表すことができる。
Ｌ＝Ｌ₀／（cosψ＋sinψtanφ）≒Ｌ₀／（１＋ψtanφ） …（３）

制御部７０は、上記第１の実施形態と同様、図７（ａ）のように閾値Ｌ_sを設定することにより、外力の大きさの情報として、外力が閾値Ｌ_sよりも小さいか否かの情報を得ることができる。したがって、本実施形態においても、ロボット１００（移動部２０）が上記第１の実施形態と同様の処理を行うことにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、本第２の実施形態では、図７（ｂ）に示すように、閾値を複数（ここでは、Ｌ_s１、Ｌ_s２の２つ）設定することもできる。この場合、制御部７０は、図８に示すようなフローチャートに沿った処理を行うことが可能である。図８の処理では、まず、ステップＳ１０において、制御部７０が、モータ制御部８２を介してモータ８０を回転駆動することで、走行輪２４による走行を開始する。なお、この走行は、所定の走行プログラムに従った走行であるものとする。次いで、ステップＳ１２では、制御部７０は、測距値Ｌが閾値Ｌ_s１以下であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定された場合には、ステップＳ１４に移行して、制御部７０は、転倒の危険性があると判断し、電源をＯＦＦして、走行輪２４の回転を止める。これにより、走行輪への人や物体の巻き込みを防止することができる。ステップＳ１４の処理が実行された後は、図８の全処理を終了する。

一方、ステップＳ１２の判断が否定された場合には、ステップＳ１６に移行し、制御部７０は測距値Ｌが閾値Ｌ_s２以下であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定された場合には、制御部７０は、ステップＳ１８において所定速度だけ減速（又は停止）する。なお、ステップＳ１６の判断が肯定される場合とは、ロボット１００が転倒するほどではないものの、外力の影響を大きく受けている状態を意味する。そして、ステップＳ１８の処理が完了するとステップＳ１２に戻る。一方、ステップＳ１６の判断が否定された場合、すなわち、測距値Ｌが閾値Ｌ_s１よりも大きい場合には、ステップＳ１０に戻り、走行を継続する。その後は、上記処理を繰り返す。

以上説明したように、本第２の実施形態によると、凹部２２ａ’が傾斜面を有したすり鉢状の形状を有しているため、外力Ｆの大きさにほぼ比例して、測距値Ｌを変化させることができる。これにより、閾値を様々な値に設定することが可能となる。また、複数の閾値を設定することで、各閾値を基準とした、異なる制御を行うこともできる。また、上記構成を採用することで、測距値Ｌは外力Ｆに応じて連続的に変化するようになるので、外力Ｆを高精度に算出することが可能である。このように、外力Ｆを算出すれば、当該外力Ｆの大きさに応じた制御、例えば、外力Ｆの大きさに応じたロボット１００の速度制御など、を行うことも可能である。

なお、上記第２の実施形態では、凹部２２ａ’の傾斜面の断面が直線状である場合について図示し、説明したが、これに限らず、断面が曲線状であっても良い。この場合、Ｌ＝Ｌ₀／（１＋ψtanφ）となるように、曲線を決定することとしても良い。また、上記第２の実施形態では、閾値を１又は２だけ設定する場合について説明したが、これに限らず、閾値を３以上設定することとしても良い。

なお、上記第２の実施形態の凹部２２ａ’に代えて、図９（ａ）に示すような凹部２２ａ”を採用しても良い。図９（ａ）の凹部２２ａ”は、段付凹部である。このような凹部２２ａ”を採用することにより、図９（ｂ）のグラフに示すような、外力Ｆと測距値Ｌとの関係を得ることができる。このようにしても、閾値を複数設定することができるので、上記第２の実施形態と同様の制御（図８の処理）を行うことが可能である。なお、凹部２２ａ”の段数は、図９（ａ）のような２段に限らず、その他の段数であっても良い。この場合、ロボット１００の状態に応じた更に細かい制御を行うことが可能となる。

≪第３の実施形態≫
次に、第３の実施形態について、図１０〜図１２に基づいて説明する。なお、本第３の実施形態では、上述した第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付して、その説明を省略するものとする。

本第３の実施形態では、図１０（ａ）に示すように、４つの光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄを有している（光学式変位センサ５０Ｄは、光学式変位センサ５０Ｂの紙面奥側に位置している）。具体的には、光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄは、フレーム４０の天板部４０ｂの下面において、同心円上に配置されている。各光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄは、図１０（ａ）のような外力が付与されていない状態では、凹部２２ａ内に赤外光を照射する。

図１１（ａ）〜図１１（ｅ）には、移動部２０とロボット本体１０の胴体部３０ｂ上面の相対位置、及び各光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄから出射される赤外光の照射位置１５０Ａ〜１５０Ｄが模式的に示されている。図１１（ａ）に示すように、外力が作用していない状態では、照射位置１５０Ａ〜１５０Ｄは、凹部２２ａ内に位置する。これに対し、図１０（ｂ）に矢印で示す方向から、ロボット本体１０に対して外力Ｆが付与されると、図１１（ｂ）に示すように、照射位置１５０Ａのみが、凹部２２ａの底面から外れる。また、図１１（ｃ）に矢印で示す方向から、ロボット本体１０に対して外力Ｆが加わると、照射位置１５０Ｂ，１５０Ｃが、凹部２２ａの底面から外れる。すなわち、本実施形態では、図１２の表に示すように、外力が付与される方向に応じて、凹部２２ａの底面から照射位置が外れる光学式変位センサが異なるようになっている。照射位置が凹部２２ａの底面から外れた光学式変位センサの測距値は、大きく変化する（図５（ｂ）参照）。

したがって、制御部７０は、照射位置が凹部２２ａの底面から外れたセンサを、上記第１の実施形態で説明した閾値Ｌ_sを用いて検出することで、外力が付与されている方向を図１２の表に基づいて取得することができる。この場合、制御部７０は、例えば、外力Ｆが付与されている方向と同一の方向にロボット１００が移動するように、モータ制御部８２を介してモータ８０の回転駆動及び／又はサーボモータ８４の駆動を制御する。すなわち、ロボット１００に物体が衝突した場合に、その衝突を緩和する方向にロボット１００を移動させることができる。これにより、ロボット１００に対して外力が付与されても、その外力の影響を抑制することが可能となる。

なお、上記第３の実施形態では、複数の光学式変位センサとして４つの光学式変位センサを設けたが、これに限らず、複数の光学式変位センサの数は任意の数とすることができる。

≪第４の実施形態≫
次に、第４の実施形態について、図１３〜図１６に基づいて説明する。本第４の実施形態では、第３の実施形態の凹部２２ａ’に代えて、図１３（ａ）に示すように、一部に傾斜面を有する凹部１２２を採用している。また、第３の実施形態と同様、複数（ここでは４つ）の光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄを天板部４０ｂの下面に設けている。

凹部１２２は、平面視（上方から見て）、図１４（ａ）に示すように、正方形形状を有しており、平面状の底面１２２ｅと、傾斜面１２２ａ〜１２２ｄを有している。図１３（ａ）に示すようにロボット本体１０に対して外力が作用していない状態では、光学式変位センサ５０Ａから出射される赤外光は、傾斜面１２２ａと底面１２２ｅとの境目部分に照射される（図１４（ａ）の照射位置１５０Ａ参照）。同様に、光学式変位センサ５０Ｂ〜５０Ｄから出射される赤外光は、傾斜面１２２ｂ〜１２２ｄそれぞれと底面１２２ｅとの境目部分に照射される（図１４（ａ）の照射位置１５０Ｂ〜１５０Ｄ参照）。

本実施形態では、ロボット本体１０に対して、図１３（ｂ）に矢印で示す方向の外力Ｆが付与されたときには、図１４（ｂ）に示すように照射位置１５０Ａが傾斜面１２２ａ上に移動するようになる。なお、その他の照射位置は、傾斜面と底面１２２ｅとの境目又は底面１２２ｅ上に位置する。この場合、光学式変位センサ５０Ａの測距値のみが大きく変化する。

また、ロボット本体１０に対して、図１４（ｃ）に矢印で示す方向から外力Ｆが付与されたときには、照射位置１５０Ｃが傾斜面１２２ｃ上に移動し、照射位置１５０Ｄが傾斜面１２２ｄ上に移動する。この場合、光学式変位センサ５０Ｃ、５０Ｄの測距値が大きく変化する。その他、外力Ｆの方向に応じて、第３の実施形態と同様、図１２の表に示す光学式変位センサの値が大きく変化する。

ここで、各光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄの測距値Ｌは、上記第２の実施形態と同様、外力Ｆとの間に図１５に示すような関係を有している。すなわち、図１４（ｂ）に矢印で示す方向から外力Ｆが付与された場合には、１つの光学式変位センサ５０Ａの測距値Ｌのみが変化するので、制御部７０は、その値Ｌからロボット本体１０に付与された外力Ｆを求めることができる。一方、図１４（ｃ）に矢印で示す方向から外力Ｆが付与された場合には、２つの光学式変位センサ１５０Ｃ，１５０Ｄの測距値Ｌが変化するので、以下のようにして、外力Ｆの大きさと方向を求める。

図１６には、ロボット本体１０に対して、外力Ｆが、矢印方向（ＸＹ座標系のＹ軸を基準として角度θの方向）から付与された状態を示している。この図１６において、光学式変位センサ５０Ｃの測距値Ｌｃの増分（照射位置１５０Ｃが底面１２２ｅ上に位置するときの値からの増分）をΔＬｃとする。また、光学式変位センサ５０Ｄの測距値Ｌｄの増分（照射位置１５０Ｄが底面１２２ｅ上に位置するときの値からの増分）をΔＬｄとする。この場合、ロボット本体１０の傾きψが微小であるならば、外力Ｆは、次式（４）にて近似することができる。なお、Ｋは、定数である。
Ｆ≒Ｋ（ΔＬｃ²＋ΔＬｄ²）^1/2 …（４）

また、外力Ｆの向きθは、ロボット本体１０の傾きψが微小であるならば、次式（５）にて近似することができる。
θ≒tan^-1（ΔＬｃ／ΔＬｄ） …（５）

制御部７０では、外力の大きさと方向の情報として、上記のようにして算出される外力の大きさの値と方向（角度θ）を得ることができるので、これらに基づいて、移動部２０の制御を行う。具体的には、制御部７０は、外力が付与される方向と同一の方向に外力の大きさに応じた速度で移動する。このようにすることで、ロボット１００に物体が衝突した場合に、その衝突を緩和する方向にロボット１００を適切に移動させることができる。これにより、ロボット１００に対して外力が付与されても、その外力の影響を抑制することが可能となる。

なお、上記第４の実施形態では、物体の衝突を緩和する方向にロボットを動かすこととしたが、これに限られるものではない。例えば、ロボット１００を人が押した場合に、その押した方向と力の大きさに応じてロボット１００を移動させる、いわゆるパワーアシストに応用することもできる。また、制御部７０は、ロボット１００に作用する重力加速度を光学式変位センサの測距値から算出し、ロボット１００が斜面上に位置しているときに斜面から滑り落ちないように、測距値に基づいた走行輪２４の回転制御を行っても良い。

なお、上記第４の実施形態では、複数の光学式変位センサとして４つの光学式変位センサを設けたが、これに限らず、複数の光学式変位センサの数は任意の数とすることができる。

なお、上記各実施形態では、フレーム４０の天板部４０ｂに光学式変位センサ５０（５０Ａ〜５０Ｄ）を設け、支持台２２に凹部２２ａ等を設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図１７（ａ）に示すように、天板部４０ｂに凹部２２ａ等を設け、支持台２２に光学式変位センサ５０等を設けることとしても良い。このようにしても、図１７（ｂ）に示すように、ロボット本体１０の傾きを、光学式変位センサ５０等で検出することができるので、上記各実施形態と同等の処理を行うことが可能である。また、例えば、フレーム４０の脚部４０ａに、光学式変位センサ５０を設けても良い。この場合には、例えば、支持台２２の上面に凸部を設け、当該凸部に光学式変位センサ５０から出射光が照射されるようにすれば良い。

なお、上記各実施形態では、光学式変位センサ５０に対向する位置に、凹部を設ける場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、光学式変位センサ５０に対向する位置に凸部を設けることとしても良い。この場合、測距値Ｌと外力Ｆとの関係が図５（ｂ）等のグラフとは異なるものの、凹部を採用した場合と同様の制御を行うことが可能である。また、分解能を然程必要としない場合には、凹部や凸部を設けないこととしても良い。すなわち、フレーム４０側に光学式変位センサ５０を設けた場合には、支持台２２の上面をフラットに形成しても良い。

なお、上記各実施形態では、第１部分外力検出部として、全方位バンパスイッチ２８を用いる場合について説明したが、これに限らず、テープスイッチや回転走査型測距センサなどの他の検出装置を用いることとしても良い。

なお、上記各実施形態では、本件の機構体がロボットである場合について説明したが、これに限らず、その他の装置であっても良い。図１８（ａ）には、工作機械のコントローラやゲームのコントローラ等に用いられるジョイスティック１００’が模式的に示されている。このジョイスティック１００’は、第１部分としての台座部３２２と、第２部分としての弾性変形可能なフレーム部３４０及びフレーム部３４０の上端部に設けられたハンドリング部３１０と、を備える。また、フレーム部３４０と台座部３２２とには、上記第４の実施形態と同様、外力の大きさと方向を取得することが可能な機構（複数の光学式変位センサ５０Ａ〜５０Ｄと、凹部１２２との組み合わせ）を設けることができる。このようにすることで、ジョイスティック１００’に与えられる外力Ｆを、安価なセンサ（光学式変位センサ）により検出することが可能となる。工作機械の制御部などにおいては、外力Ｆの大きさ及び方向を取得して、これらに基づいた制御を行うことができる。

また、本件の機構体は、図１８（ｂ）に示すような体重計１００”であってもよい。具体的には、体重計１００”は、体重計本体２００と、搭乗台２１０と、を備える。体重計本体２００は、第１部分としての支持部２２０と、第２部分としてのフレーム部２４０と、をそれぞれ有する一対の台座部２３０Ａ，２３０Ｂと、各台座部２３０Ａ，２３０Ｂのフレーム部２４０内に設けられた一対の光学式変位センサ２５０Ａ，２５０Ｂとを有している。各支持部２２０の光学式変位センサ２５０Ａ，２５０Ｂに対向する位置には、傾斜面２２０ａ、２２０ｂが形成されている。

上記のように構成される体重計１００”では、搭乗台２１０上に人等が乗ることで、台座部２３０Ａ，２３０Ｂのフレーム部２４０が変形する（撓む）。これにより、光学式変位センサ２５０Ａ，２５０Ｂから出射される赤外光の、傾斜面２２０ａ、２２０ｂ上における照射位置が変化するので、各センサ２５０Ａ、２５０Ｂにおける測距値Ｌも変化することとなる。したがって、本例の体重計１００”では、測距値と体重（搭乗台２１０にかかる外力）との関係を予め用意しておき、当該関係と実際の測距値Ｌとから、体重を算出する。なお、光学式変位センサ２５０Ａ，２５０Ｂの測距値Ｌの値が異なる場合があるが、この場合には、各測距値Ｌを平均した値を用いて、体重を算出することとすれば良い。このように、本例においても、安価なセンサ（光学式変位センサ）により外力Ｆ（体重）を、検出することができるので、体重計１００”自体も安価とすることが可能である。

上述した各実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１０ ロボット本体（第２部分）
２０ 移動部（第１部分）
２２ａ 凹部（凹面）
２４ 走行輪（走行部の一部）
２６ 方向転換用車輪（走行部の一部）
４２ 弾性部材
５０ 光学式変位センサ
７０ 制御部（取得部、走行部の一部）
８０ モータ（走行部の一部）
８２ モータ制御部（走行部の一部）
８４ サーボモータ（走行部の一部）

Claims (9)

1. 第１部分と、
   前記第１部分に支持された第２部分と、
   前記第１部分及び前記第２部分のいずれか一方に設けられ、前記第１部分及び前記第２部分のいずれか他方に対して照射した検出光の反射光を受光する光学式変位センサと、
   前記光学式変位センサから前記検出光が照射された位置までの距離情報を、前記反射光を前記光学式変位センサが受光する位置の変化量に基づいて算出し、当該距離情報から、前記第２部分に対して付与される外力の大きさ及び方向の少なくとも一方に関する外力情報を取得する取得部と、
   を備える機構体。
2. 前記第１部分は、弾性部材を介して前記第２部分を支持することを特徴とする請求項１に記載の機構体。
3. 前記第１部分及び前記第２部分のいずれか他方の前記検出光が照射される部分には、凹面、凸面、及び傾斜面のいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の機構体。
4. 前記光学式変位センサは、前記第１部分の前記第２部分を支持する支持面、及び前記第２部分の前記支持面に対向する面のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の機構体。
5. 前記光学式変位センサを複数備え、前記複数の光学式変位センサは、同心円上に設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の機構体。
6. 前記第１部分は、走行面上を走行する走行部を有し、
   前記走行部は、前記外力情報に基づいて走行速度及び走行方向の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項５に記載の機構体。
7. 前記第１部分に対して付与される第１部分外力情報を前記第１部分の変位量に基づき検出する第１部分外力検出部を更に備え、
   前記走行部は、前記第１部分外力情報に基づいて走行速度及び走行方向の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項６に記載の機構体。
8. 第１部分と、前記第１部分に支持された第２部分と、を有する機構体の、前記第１部分及び前記第２部分の一方から他方に向けて検出光を照射し、当該検出光の反射光を受光する照射・受光工程と、
   前記照射・受光工程の受光結果に基づいて、前記第２部分に付与された外力の大きさ及び方向の少なくとも一方に関する外力情報を取得する取得工程と、を含む外力検出方法。
9. 請求項８に記載の外力検出方法により外力を検出する工程と、
   前記検出された外力に基づいて、前記機構体の動作を制御する工程と、を含む機構体の制御方法。

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