JP5526485B2 - 接触検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットや玩具などにおいて、物体が接触したことを検知して状況に応じて適切な動作が行える簡易かつ安価な接触検知装置を提供する。

サービスロボット等、近年、人間と共生することを目的としたホームユースロボットが登場している。人間と共存する空間では、自分自身を保護するのは勿論であるが、ロボットの移動にともない、様々な物体と接触する場面があり、ロボットが物体に接触したことを検知する接触センサをロボットに装備することが必須となる。

上述した接触センサの従来技術として、ゴム材等による弾性中空体において空気の動きを検知する圧力センサなどが提案されている（例えば、特許文献１または２参照）。これは、弾性中空体の空気の吐出口において、可動板やダイヤフラムなど空気圧を検知して電気回路のＯＮ、ＯＦＦを行うものである。

しかしながら、人間等や物体が接触したことを検知し、その状況に応じて動作を行う玩具やロボットなどにおいて、上述した従来の接触センサを用いて、接触時に受ける力を検知するには、表皮が大きいものになればなる程、それを検知するためのセンサ数が増大し、結果的に高価なものになってしまう。

以上のように、表面積が大きく、かつ接触を検知する必要性のあるロボットや玩具などにおいて適切な接触センサが存在していない。
特許第３２５４５７１号公報 特開２００７−１１８８３０号公報

上述した問題を解決するため、本発明では、ロボット・玩具内部に空気袋を設け、かつその一端に特定の周波数音を発生させる笛部を設け、笛部の対向位置に笛が発生する周波数を観測するマイクを設置する構成とし、ロボット・玩具に力が触られ力が加わったときにその空気袋が圧縮され、空気が笛を通過する際に発生する周波数音を検出することで接触を検知する接触検知装置を提供する。

第一の発明は、気袋と、該気袋に取り付けられ、該気袋に一定以上の圧力が印加された際に該気袋中の空気を排出する排出口と、該排出口から排出された空気により音波を発生する笛部よりなる音波発信部と、該笛部から発生した音波を検出する際の出力値に所定の音波強度の閾値を設け、該閾値と時間データに基づいて前記気袋に加わる加速度や接触パターンの種別を判定する音波検出部と、を備えたことを特徴とする接触検知装置に関する。

すなわち、第一の発明によれば、気袋中の空気などの気体を排出する排出口を笛構造とし、空気排出時に特定周波数の音波を発生させ、それを対向する位置に配置させたマイクなどによって当該音波を検知する構成とすることによって、気袋全体の一部に物体が接触しても、その気体圧縮による圧力が音波として検知されるため、特定の場所に接触センサを設置する必要がなく、確実に広範囲に渡って接触が検出可能となる。また、第一の発明によれば、音波検出部において、音波検知の際に出力される音波強度に閾値を設ける構成とすることによって、気袋に加わる力の加速度の大きさや、閾値を超えた時間履歴パターンを使って接触の種別が判定できることとなる。また、接点がないため、耐故障性に優れ、また気袋とマイクのみの簡単な機構となるため、玩具等にも安価に実装が実現される。

第二の発明は、複数の音波発信部を設けるとともに、前記複数の音波発信部の笛部の周波数はそれぞれ異なる周波数の音波を発生するものとし、前記音波検知部は検知した音波の周波数に基づいて接触された部位を特定することを特徴とする上記第一の発明に記載の接触検知装置に関する。

すなわち、第二の発明によれば、笛部からなる音波発信部を複数設け、その複数の音波発信部の笛部の周波数をそれぞれ異なる周波数の音波を発生するように構成することによって、音波検知部により検知された音波の周波数にしたがって物体の接触部位が特定できることとなる。

以上、本発明の接触検知装置は、ロボット・玩具内部に気袋を設け、かつその一端に特定の周波数音を発生させる笛部を設け、また笛部の対向位置に笛の発生する周波数を受けるマイクを設置し、ロボット・玩具が触られた力が加わるとその気袋が圧縮、気体が笛部を通過する際に発生する周波数音を検出する構成とすることによって、安価で、かつ確実に広範囲にわたる接触の検知が可能となる。また、接点がないため、耐故障性に優れ、玩具等にも安価に実装が実現される。

以下、図面にもとづいて本発明の実施形態を説明する。以下の実施例では、気体を空気で代表し、気袋は空気袋と表現している。

図１は、本発明の実施の形態になる接触検知装置の原理構成を示す。接触検知装置は、表皮６内に設置され、空気袋１から音波を発する音波発信部と、その音波を電気信号に変換する音波検出部とから構成される。

音波発信部では、空気袋１の空気の排出口に取り付けられた笛部２が、表皮６の外側から外力が加わり、空気袋１が圧縮されて一定以上の圧力が印加されたときに、空気袋１の排出口を流れる空気によって音波を発生する。

一方、音波検出部は、笛部２に対向する位置に配置され、笛部２の発する音波を捕えて電気信号に変換するマイク３と、マイク３の電気信号から特定周波数の音波を抽出するフィルタ４と、閾値以上の電気信号を出力する回路５とから構成されている。

また、音波発信源となる笛部２を複数箇所に配置し、各笛部２は、開口部の大きさや筒部の長さを変えることによって複数の笛部２の周波数をそれぞれ異なる周波数の音波を発生させる構成とすることで、音波検知部が検知した音波の周波数に基づいて接触された部位を特定することが可能となる。

以上、本発明の接触検知装置によれば、空気袋１を備え、その空気袋１が他の物体と接触し、押されることにより空気袋１内の空気が笛部２を通過し、通過する際に、笛部２で発生する音の周波数を検出する構成により接触や押されたことの検出が可能となる。

図２は、本発明の実施の形態になる接触検知装置の動作フローを示す。まず、ステップＳ１１において、接触検知装置は他物体との接触が生じ、ステップＳ１２において、他物体からの押しつけ力によって空気袋１が圧縮され、空気袋１内の空気が排出口へと流れ、一定以上の圧力による空気の流れに応じ、ステップＳ１３で、笛部２から音波が発生する。そして、ステップＳ１４において、その発生音波は、笛部２に対向する位置に取り付けられたマイク３によって集音され、ステップＳ１５で、フィルタ４によって特定範囲の周波数の音波が抽出される。

つぎに、ステップＳ１６で、回路５において検出された電圧値が設定閾値以上か否かを判定し、閾値以上の電圧が検知されたときに、ステップＳ１７において、空気袋１が他物体と接触したことによる押圧が生じていると認知する。

一方、ステップＳ１６において、検地された電圧が閾値以下のときは、ステップＳ１１からステップＳ１６までの処理が繰り返される。

図３は、本発明の実施の形態になるロボットの部位への取り付け例を示す。実施例では、本接触検知装置が、部位としてロボットの胸や足に取り付けられた例を示している。

ロボットの腕や足に相当する固定部２０に、その空気排出口の端部に笛部３０が配置された空気袋１０が巻き付けられ、また、笛部３０の音を検知可能な位置にマイク４０が設置されている。

なお、図２では省略しているが、接触検知装置の構成要素である空気袋１０、笛部３０、マイク４０、および検出回路１００が、腕、足などロボットの複数箇所にセットされ、図１の表皮６に相当する部材が上記ロボットを覆うようにしている。

マイク３０において、笛部３０からの発生音波が検知され、電気信号に変換されて、該信号が検出回路１００に入力される。検出回路１００は、該入力信号を増幅する増幅部１０１、特定周波数の範囲を抽出するフィルタ１０２、および閾値以上の電圧を判定して結果を出力する出力部１０３とから構成されている。

この閾値判定結果を電圧として出力する出力部１０３は、さらに、ＡＤ変換器とマイコン等１０４により、プログラマブルで、かつ判定可能な構成とすることによって、閾値を超えた時間やピークの大きさをソフトウェアの処理で検知することも可能となる。

上述したように、ロボットの部位毎に接触検知装置を備え、どの部位に力が加わったかを検知し、接触箇所の特定を可能としている。また、設置部位によって笛の周波数を変えておけば、その周波数で接触場所が特定できる。

図４は、本発明の実施の形態になる周波数に対する音波検出部の出力例を示す。図４は、周波数（Ｈｚ）に対する出力電圧のグラフを示している。本実施例では、フィルタ１０２によって抽出された検出周波数は可聴域（ハッチ部分）でピークが存在することを示しており、そのピーク値に応じた閾値電圧によって判定された結果が電圧値出力されることとなる。

図５は、本発明の実施の形態になる接触検知装置における各設定部位における音波の検出例を示す。図５は、図４と同様、周波数（Ｈｚ）に対する出力電圧のグラフを示している。本例では、例えば、（ａ）は、設置部位１において可聴域の周波数で設定された場合を示し、（ｂ）は、設置部位２において可聴域外に設定された場合を示している。

このように可聴域外に設定することで、接触が検出されたことを知られたくない場合や音が聞こえると煩わしい場合に使用でき、一方、可聴域に設定することで接触の注意を促すなどの用途に使用できる。

図６は、本発明の実施の形態になる接触検知装置の物体接触時における力の加速度の検出例を示す。図６は、検出時間に対する出力電圧のグラフを示している。

図６に示すように、笛部３０から発生する音波を検知する際に、所定の音波強度に応じた出力値に閾値と、それを超えた時間、さらにはピーク値等を評価することで空気袋１０に加わる加速度の大きさや、接触パターンの種別等が判定できる。これによって、力の加わる加速度に応じて変化する笛部３０の強度に応じて、急激な力であるか、または、ゆっくりとした力の加わり方であるかを特定することが可能となる。この力加減の検出結果により、ロボット・玩具の動作様式を多様化させることができる。

本発明の実施の形態になる接触検知装置の基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態になる接触検知装置の動作フローを示す図である。 本発明の実施の形態になるロボットの部位への取り付け例を示す図である。 本発明の実施の形態になる周波数に対する音波検出器の出力例を示す図である。 本発明の実施の形態になる接触検知装置における各設定部位における音波の検出例を示す図である。 本発明の実施の形態になる接触検知装置の物体接触時における力の加速度の検出例を示す図である。

符号の説明

１ 空気袋
２ 笛部
３ マイク
４ フィルタ
５ 回路
６ 表皮
１０ 空気袋
２０ 固定部
３０ 笛部
４０ マイク
１００ 検出回路
１０１ 増幅部
１０２ フィルタ
１０３ 出力部
１０４ ＡＤ変換器＋マイコン

Claims (2)

1. 気袋と、
   該気袋に取り付けられ、該気袋に一定以上の圧力が印加された際に該気袋中の空気を排出する排出口と、
   該排出口から排出された空気により音波を発生する笛部よりなる音波発信部と、
   該笛部から発生した音波を検出する際の出力値に所定の音波強度の閾値を設け、該閾値と時間データに基づいて前記気袋に加わる加速度や接触パターンの種別を判定する音波検出部と、を備えたことを特徴とする接触検知装置。
2. 前記音波発信部では、複数の音波発信部を設けるとともに、前記複数の音波発信部の笛部の周波数はそれぞれ異なる周波数の音波を発生するものとし、前記音波検知部は検知した音波の周波数に基づいて接触された部位を特定することを特徴とする請求項１に記載の接触検知装置。

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