JPWO2019102672A1 - センサ装置及びセンシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な外力であっても検出することが可能なセンサ装置及びセンシング方法を提供する。【解決手段】電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部と、前記逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出する電位検出部と、前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出する外力検出部と、を備える、センサ装置。【選択図】図４

Description

本開示は、センサ装置及びセンシング方法に関する。

近年、電気的又は磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置（いわゆる、ロボット装置）が普及している。例えば、工業分野では、生産作業を自動化するマニピュレータ及び搬送ロボットなどの産業用ロボットが広く用いられるようになっている。また、生活分野では、ユーザの日常動作を支援する生活密着型の支援ロボットが用いられるようになっている。

このような機械装置では、関節に連結された複数のリンクをモータにて互いに駆動させることによって、複雑な運動を実現している。

例えば、下記の特許文献１には、左右一対の第１クローラ（無限軌道）と、第１クローラの前端から前方に直線状に延びた第２クローラと、第１クローラに対して第２クローラを旋回させる旋回モータと、を備えるクローラ装置が開示されている。このようなクローラ装置は、第２クローラと接地面との接触を判断し、第１クローラに対して第２クローラを自由に旋回させることによって、階段又は段差等を自由に昇降することが可能である。

また、特許文献１には、第２クローラの横方向側面に設けられた接触検知クローラの回転をエンコーダで検出することによって、姿勢センサ又は画像処理を使用せずに第２クローラと接地面との接触を判断することができる旨が開示されている。

特開２０１４−４９８５号公報

しかし、上記の特許文献１に記載された技術は、エンコーダ出力を変化させない穏やかな接触を検出することが困難であった。また、エンコーダ出力の変化が接触によるものか否かを判断するためには、エンコーダ出力の変化の加速度を算出する必要があるが、該加速度を算出する過程でＳ／Ｎ比が低下するため、検出感度が低下してしまう。そのため、上記の特許文献１に記載された技術では、穏やかな接触を検出することは困難であった。

そこで、穏やかな接触にて発生する微小な外力であっても検出することが可能なセンサ装置及びセンシング方法が求められていた。

本開示によれば、電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部と、前記逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出する電位検出部と、前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出する外力検出部と、を備える、センサ装置が提供される。

また、本開示によれば、電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出することと、前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出することと、を含む、センシング方法が提供される。

本開示によれば、外力によって生じたモータの逆起電力を逆流防止部の前段及び後段の電位差に変換して検出することができる。逆流防止部の前段及び後段の電位差は、モータの逆起電力によって生じた電流の時間積分値となるため、微小な外力によって生じた微小な逆起電力に起因する電流であっても検出することが可能である。

以上説明したように本開示によれば、微小な外力であっても検出することが可能なセンサ装置及びセンシング方法が提供される。

なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の一実施形態に係るセンサ装置が適用され得るロボット装置の一例を示す模式図である。 ロボット装置の歩行によって脚部が地面と接触した場合の外力の加わり方を示した模式図である。 ロボット装置がユーザに衝突した場合の外力の加わり方を示した模式図である。 同実施形態に係るセンサ装置を含む関節の内部構成の一例を示すブロック図である。 同実施形態に係るセンサ装置を含む関節のより具体的な構成の一例を示す説明図である。 同実施形態に係るセンサ装置の第１の制御例を示すフローチャート図である。 同実施形態に係るセンサ装置の第２の制御例を示すフローチャート図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．概要
２．構成例
３．具体例
４．制御例
４．１．第１の制御例
４．２．第２の制御例
５．適用例

＜１．概要＞
まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係るセンサ装置の概要について説明する。図１は、本実施形態に係るセンサ装置が適用され得るロボット装置の一例を示す模式図である。

図１に示すように、例えば、ロボット装置１は、胴体部１０と、胴体部１０に結合された腕部１１及び脚部１２と、を備える。

腕部１１は、例えば、複数のリンクと、該リンクの各々を連結する関節とによって構成される。腕部１１は、モータによって駆動される関節１００Ｃ、１００Ｄを備え、腕部１１は、関節１００Ｃによって胴体部１０と回転自在に連結されている。脚部１２は、例えば、複数のリンクと、該リンクの各々を連結する関節とによって構成される。脚部１２は、モータによって駆動される関節１００Ａ、１００Ｂを備え、脚部１２は、関節１００Ａによって胴体部１０と回転自在に連結されている。ロボット装置１は、モータから出力されるトルクにて関節１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄの各々の回転を制御することによって、ユーザに指示された運動を実行することができる。

ここで、ロボット装置１の運動を適切に制御するためには、腕部１１が作用する対象物、又は脚部１２が接地する接地面などの外部環境とロボット装置１との接触の有無を検出することが重要である。特に、ユーザの日常動作を支援する生活密着型の支援ロボットでは、ユーザの変動しやすい生活環境下での非定常的な運動が多く発生する。このような場合、外部環境への影響、又はロボット装置１の不具合の発生を抑制するために、ロボット装置１と外部環境との予期しない接触又は衝突の発生を抑制することが特に重要である。

例えば、ロボット装置１にて腕部１１又は脚部１２と外部環境との接触の有無を検出する方法の一例として、接触又は衝突を検出する力覚センサを腕部１１又は脚部１２の先端に搭載することが考えられる。

ただし、このような場合、過大な外力が与えられる可能性がある力覚センサは、頑強な構造に設けられるため、力覚センサの大きさ及び質量が増大し、力覚センサは大型化してしまう。これにより、該力覚センサが設けられた腕部１１又は脚部１２も大型化してしまうため、腕部１１又は脚部１２の駆動範囲及び性能が低下し、かつ消費電力が増加してしまう可能性がある。また、過大な外力が与えられる可能性を考慮して、許容負荷の上限が大きい力覚センサを用いた場合、該力覚センサの分解能は低下するため、微小な外力の検出精度が低下してしまう。

また、ロボット装置１にて腕部１１又は脚部１２と外部環境との接触の有無を検出する方法の他の例として、腕部１１又は脚部１２の関節を駆動させるモータに回転位置を検出するエンコーダを設けることが考えられる。

ただし、このような場合、エンコーダの出力から腕部１１又は脚部１２と外部環境との接触を検出するためには、エンコーダ出力を２階微分して、モータ回転の加速度を算出する必要がある。これにより算出されるモータ回転の加速度には、２階微分によって増大したノイズが含まれるため、ノイズに埋もれやすい微小な加速度変化をエンコーダ出力から検出することは困難であった。また、外部環境との穏やかな接触は、バックラッシュ等の機械的な噛み合わせに吸収されることで、エンコーダ出力の変化として現れない可能性があるため、エンコーダ出力から腕部１１又は脚部１２と外部環境との穏やかな接触を検出することは困難であった。

さらに、ロボット装置１にて腕部１１又は脚部１２と外部環境との接触の有無を検出する方法の他の例として、接触による負荷の増加に伴って上昇する、関節を回転させるモータの電流値を検出することが考えられる。

ただし、このような場合、穏やかな接触による微小な電流値の上昇を検出するためには、高精度の電流センサが必要となる。一方で、モータは大電流を使用するため、電流センサには、大電流に耐えうる広いダイナミックレンジも求められる。このような広いダイナミックレンジを有し、かつ微小な電流も検出可能な電流センサの実現は、極めて困難である。

また、接触の負荷に伴うモータの電流値の上昇は、腕部１１又は脚部１２が位置制御される場合に発生し、腕部１１又は脚部１２がトルク制御される場合には発生しない。これは、腕部１１又は脚部１２がトルク制御される場合、関節を回転させるモータに供給される電流値はトルクに応じて制御されるためである。したがって、トルク制御される腕部１１又は脚部１２では、関節を回転させるモータの電流値を検出することによって、接触を検出することは困難である。特に、ユーザの日常動作を支援する生活密着型の支援ロボットでは、ユーザ及び外部環境に対する安全性を高めるために、腕部１１又は脚部１２にて発揮される力を制御可能なトルク制御が用いられることが多い。そのため、このようなユーザの日常動作を支援する生活密着型の支援ロボットでは、トルク制御される腕部１１又は脚部１２と、外部環境との接触を検出する手段が強く求められていた。

本発明者らは、上述した事情を鑑みることで、本開示に係る技術を想到するに至った。本開示の一実施形態に係るセンサ装置は、電源からモータに電流を供給する回路の途中に、逆流防止部を設け、逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出することによって、ロボット装置１の腕部１１又は脚部１２に加えられた外力を検出するセンサ装置である。

具体的には、腕部１１又は脚部１２に外力が加えられた場合、腕部１１又は脚部１２の関節を駆動するモータでは、外力にてモータが回転させられることによって逆起電力が発生し、発生した逆起電力は回生されるために電源に向かう電流となる。本実施形態に係るセンサ装置は、電源とモータとの間の回路に、モータから電源に流れる電流を堰き止める逆流防止部を設けることにより、逆起電力により生じた電流を堰き止め、逆流防止部の前段及び後段の電位差に変換する。これにより、センサ装置は、逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出することによって、モータにて発生した逆起電力を検出し、腕部１１又は脚部１２に加えられた外力を検出することができる。

なお、本明細書では、モータを駆動させる際に流れる電流の向きに基づいて、前段及び後段を定義する。具体的には、モータを駆動させる際に電源からモータに流れる電流の上流側を前段と称し、下流側を後段と称する。

ここで、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、本実施形態に係るセンサ装置による外力検出の流れについて、より具体的に説明する。図２Ａは、ロボット装置の歩行によって脚部が地面と接触した場合の外力の加わり方を示した模式図であり、図２Ｂは、ロボット装置がユーザに衝突した場合の外力の加わり方を示した模式図である。

例えば、図２Ａに示すように、図１に示すロボット装置１が脚部１２を交互に駆動させて歩行する場合、ロボット装置１の脚部１２には、ロボット装置１の自重に対応する反力が接地面から作用する。そのため、ロボット装置１が歩行した場合、脚部１２と胴体部１０とを連結する関節１００には、歩行のために脚部１２を駆動させるトルクＡに加えて、トルクＡとは逆向きの接地面からの反力によるトルクＢが加えられる。

ここで、トルクＢの大きさＴｂのほうがトルクＡの大きさＴａよりも大きい場合、関節１００に含まれるモータは発電機として機能し、逆起電力を発生させる。本実施形態に係るセンサ装置は、モータにて発生した逆起電力に起因した電流をモータと電源との間の逆流防止部にて堰き止めることによって、逆起電力を逆流防止部のモータ側（後段）の電位上昇に変換することができる。これによれば、本実施形態に係るセンサ装置は、逆流防止部の後段の電位上昇を検出することで、接地面からの外力（すなわち、関節１００に連結された脚部１２と接地面との接触）を検出することができる。

また、例えば、図２Ｂに示すように、図１に示すロボット装置１がユーザ２に衝突した場合、ロボット装置１の胴体部１０、腕部１１及び脚部１２には、それぞれ衝突による外力が作用する。また、ロボット装置１の胴体部１０、腕部１１及び脚部１２をそれぞれ連結する関節には、衝突の外力に起因したトルクが加えられる。例えば、胴体部１０と脚部１２とを連結する関節１００には、トルクＣが加えられる。

このとき、外力によるトルクＣによって回転させられた関節１００に含まれるモータは、発電機として機能し、逆起電力を発生させる。本実施形態に係るセンサ装置は、モータにて発生した逆起電力に起因した電流をモータと電源との間の逆流防止部にて堰き止めることによって、逆起電力を逆流防止部のモータ側（後段）の電位上昇に変換することができる。これによれば、本実施形態に係るセンサ装置は、逆流防止部の後段の電位上昇を検出することで、ロボット装置１に対して加えられた外力（すなわち、ロボット装置１とユーザ又は外部環境との衝突）を検出することができる。

本実施形態に係るセンサ装置では、関節に結合されたリンク等に加えられた外力をモータにて逆起電力に変換し、変換した逆起電力を逆流防止部の前段及び後段の電位差として検出することができる。これによれば、センサ装置は、穏やかな接触にて生じた微小な外力を、逆起電力による電流を時間積分した電位差として検出することができるため、接触に対する検出感度を向上させることができる。

＜２．構成例＞
次に、図３を参照して、本実施形態に係るセンサ装置を含む関節の構成例について説明する。図３は、本実施形態に係るセンサ装置を含む関節の内部構成の一例を示すブロック図である。

図３に示すように、関節１００は、例えば、電源部１３０と、モータ部１１０と、逆流防止部１２０と、電位検出部１４０と、外力検出部１５０と、制御部１６０とを備える。本実施形態に係るセンサ装置は、例えば、逆流防止部１２０と、電位検出部１４０と、外力検出部１５０とを含んで構成され得る。

電源部１３０は、関節１００を駆動させるモータ部１１０に電力を供給する。具体的には、電源部１３０は、電力を供給する電源と、電源を制御するための制御回路とを含む。例えば、電源部１３０は、モータ部１１０にて生じる逆起電力を回生するために、蓄電可能な直流電源を含んでもよく、電源部１３０は、バッテリ又はキャパシタを含んでもよい。これによれば、電源部１３０は、モータ部１１０にて生じる逆起電力を回生し、モータ部１１０に供給する電力の一部として用いることができる。

なお、電源部１３０は、蓄電可能な直流電源に加えて、他の電源（例えば、交流電源など）を内部に備えていてもよい。また、電源部１３０は、蓄電可能な直流電源に加えて、外部の電源から電力を調達するインターフェース（例えば、コンセントプラグなど）を備えていてもよい。例えば、電源部１３０は、ロボット装置１の内部又は外部に設けられた電源からモータ部１１０に供給する電力を調達するインターフェースを備えていてもよい。

モータ部１１０は、電源部１３０から供給された電気エネルギーを力学エネルギーに変換する。具体的には、モータ部１１０は、供給された電力を動力に変換するモータと、モータを制御する制御回路とを含む。例えば、モータ部１１０は、磁場及び電流の相互作用（すなわち、ローレンツ力）を利用して電力を回転運動に変換する電動機を含んでもよい。なお、モータ部１１０は、外部から供給されたトルクによって回転させられた場合、供給された動力を逆に電力に変換する発動機として機能する。例えば、モータ部１１０は、直流モータ又は交流モータのいずれを含んでもよい。具体的には、モータ部１１０は、三相交流モータを含んでもよい。三相交流モータは、広く普及しており、多様な種類のモータを容易に入手することができる。これによれば、モータ部１１０は、関節１００に結合されたリンク等の大きさに応じて適切なトルクを出力するモータを含むことが可能である。

逆流防止部１２０は、電源部１３０からモータ部１１０に電流を供給する回路の途中に設けられ、モータ部１１０から電源部１３０に電流が流れることを防止する。具体的には、逆流防止部１２０は、電流を一方向にのみ流す作用（整流作用とも称する）を有する素子を含む回路である。例えば、逆流防止部１２０は、各種ダイオード、サイリスタ又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの整流作用を有する素子を含む回路であってもよい。逆流防止部１２０は、外力によってモータ部１１０が回転させられることで発生した逆起電力による電流を回路の途中で堰き止めることによって、逆流防止部１２０の前段及び後段にて電位差を生じさせる。すなわち、逆流防止部１２０は、モータ部１１０で発生した逆起電力によって、逆流防止部１２０の後段の電位を上昇させることができる。

また、逆流防止部１２０は、整流作用の有無を制御可能に設けられていてもよい。具体的には、逆流防止部１２０は、回路を切り替えるスイッチ、又は制御端子を備えることによって、整流作用の有無を切り替えられるように設けられてもよい。逆流防止部１２０の後段の電位は、モータ部１１０の逆起電力の蓄積によって上昇し続けるため、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位差が過度に大きくなった場合、逆流防止部１２０は、耐圧を超えてブレークダウンする可能性がある。そのため、逆流防止部１２０の整流作用を解除するように制御することで、所定のタイミングで逆流防止部１２０の前段及び後段の電位差を解消してもよい。これによれば、逆流防止部１２０の整流作用が解除されることで、逆流防止部１２０にて堰き止められていた電流が電源部１３０に流れるため、モータ部１１０で発生した逆起電力を電源部１３０に回生することができる。

電位検出部１４０は、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位をそれぞれ検出する。具体的には、電位検出部１４０は、逆流防止部１２０の前段及び後段の回路の電位をそれぞれ検出する電圧計を含んでもよく、逆流防止部１２０の前段の電位を基準として逆流防止部１２０の後段との電位差を検出する電位差計を含んでもよい。これによれば、電位検出部１４０は、逆流防止部１２０にて堰き止めた電流によって生じる逆流防止部１２０の後段の電位の上昇を検出することができる。

なお、電位検出部１４０は、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位を所定の周期でそれぞれ検出することによって、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度を検出してもよい。このような場合、後段の外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度と、モータ部１１０にて出力されたトルクの大きさとを考慮することで、加えられた外力の大きさを推測することが可能となる。

外力検出部１５０は、検出された逆流防止部１２０の前段及び後段の電位に基づいて、関節１００に結合されたリンクに加えられた外力を検出する。具体的には、外力検出部１５０は、検出された逆流防止部１２０の前段及び後段の電位差を検出することで、関節１００に結合されたリンクに対する外力を検出する。例えば、外力検出部１５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又は制御ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの演算装置であってもよい。

例えば、外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位よりも閾値以上高くなった場合に、関節１００に結合されたリンクに外力が加えられたと判断してもよい。なお、閾値は、ノイズ等によって逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位よりも高くなる可能性を考慮して、外力検出部１５０がノイズを外力と誤検出しないようにするために設けられる。そのため、閾値は、任意の値で設定されてもよいが、回路の構成によっては設定されなくともよい。

また、外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度と、モータ部１１０にて出力されるトルクとに基づいて、加えられた外力の大きさを判断してもよい。具体的には、関節１００に結合されたリンクに加えられた外力が大きいほど、モータ部１１０にて発生する逆起電力は大きくなり、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度も大きくなる。そのため、外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度を算出し、モータ部１１０にて出力されるトルクの情報を組み合わせることによって、関節１００に結合されたリンクに加えられた外力の大きさを推定することができる。

制御部１６０は、関節１００が設けられるロボット装置１の制御装置等からの指令に基づいて、モータ部１１０を駆動させる。例えば、外力検出部１５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又は制御ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの演算装置であってもよい。具体的には、制御部１６０は、ロボット装置１の制御装置等からの指令に基づいて、モータ部１１０にて発生させるトルクを制御してもよい。すなわち、制御部１６０は、いわゆるトルク制御にて、モータ部１１０を駆動させてもよい。ただし、制御部１６０は、指示する位置まで関節１００に連結されたリンクを移動させる位置制御にて、モータ部１１０を駆動させてもよいことは言うまでもない。

例えば、ロボット装置１がユーザの日常動作を支援する生活密着型の支援ロボットである場合、ユーザ又は外部環境に対してダメージを与えないようにするために、ロボット装置１にて行使される力の大きさは制限され得る。そのため、このような生活密着型のロボット装置１は、行使する力の大きさを制御することが容易なトルク制御にて駆動され得る。本実施形態に係るセンサ装置は、関節１００を駆動させるモータの制御方法に依らずに、外力が加えられたことを検出することができるため、このようなトルク制御される生活密着型のロボット装置１に対しても適用することが可能である。

以上にて説明したように、本実施形態に係るセンサ装置は、関節１００に結合されたリンク等に加えられた外力によってモータ部１１０にて発生した逆起電力を逆流防止部１２０の前段及び後段の電位差として検出することができる。本実施形態に係るセンサ装置は、力覚センサ又は接触センサ等のセンサを用いることなく、外力を検出することができるため、ロボット装置１の構造を簡略化し、製造コストを削減することができる。また、本実施形態に係るセンサ装置では、微小な外力にて生じた微小な電流値を時間積分によって検出容易な電位差に変換することができるため、外力の検出感度を向上させることができる。

＜３．具体例＞
続いて、図４を参照して、本実施形態に係るセンサ装置を含む関節の具体例について説明する。図４は、本実施形態に係るセンサ装置を含む関節のより具体的な構成の一例を示す説明図である。

図４に示すように、関節１００は、バッテリ１３１と、キャパシタ１３２と、モータ１１１と、インバータ回路１１２と、ドライバ１１３と、逆流防止部１２０と、電位検出部１４０と、外力検出部１５０と、制御部１６０とを備える。なお、逆流防止部１２０、電位検出部１４０、外力検出部１５０及び制御部１６０については、図３を参照して説明した構成と実質的に同様であるため、ここでの説明は省略する。

バッテリ１３１は、直流電流を供給可能な直流電源であり、例えば、リチウムイオン二次電池であってもよい。ただし、バッテリ１３１は、その他の一次電池又は二次電池であってもよい。バッテリ１３１は、キャパシタ１３２と比較して大容量の電力を蓄え、モータ１１１の駆動のための主電源として機能する。

キャパシタ１３２は、静電容量によって電力の蓄電及び放電が可能な受動素子である。キャパシタ１３２は、例えば、比較的大容量の蓄電を可能とする電解キャパシタ又は電気二重層キャパシタであってもよい。キャパシタ１３２は、バッテリ１３１よりも蓄電及び放電が容易であるため、モータ１１１にて発生した逆起電力を蓄える蓄電装置として機能する。

バッテリ１３１及びキャパシタ１３２は、例えば、互いに並列に接続されることによって、電源部１３０を構成する。これによれば、電源部１３０は、モータ１１１にて発生した逆起電力をキャパシタ１３２に蓄電し、かつキャパシタ１３２に蓄電された電力をバッテリ１３１の電力と併せて、モータ１１１の駆動に用いることができる。

モータ１１１は、電気エネルギーを回転の力学的エネルギーに変換する。モータ１１１は、例えば、三相交流電流を３つのコイルに供給することによって、回転する磁界を発生させ、回転軸に接続された回転子を回転させる三相交流モータであってもよい。三相交流モータは、汎用性が高いため、様々な関節１００のモータ１１１として適用することが可能である。ただし、関節１００が適用される装置、又は関節１００の用途によっては、モータ１１１は、他の交流モータ又は直流モータであってもよい。

インバータ回路１１２は、直流電流を交流電流に変換する回路である。具体的には、インバータ回路１１２は、スイッチング素子を各相二組ずつ用いた回路であり、電源部１３０から供給された直流電流をモータ１１１に供給可能な三相交流電流に変換する。インバータ回路１１２は、電源部１３０が供給する電流の特性をモータ１１１に供給可能な電流の特性に変換するために設けられる。そのため、電源部１３０及びモータ１１１の種類によっては、インバータ回路１１２は、他の回路構成にて設けられる場合又は設けられない場合もあり得る。

ドライバ１１３は、制御部１６０から指示されたトルク指令に基づいて、インバータ回路１１２を駆動させることで、モータ１１１に所望のトルクを発生させる。具体的には、ドライバ１１３は、制御部１６０から指示されたトルク指令に基づいて、インバータ回路１１２の各スイッチング素子を制御し、任意の電圧及び周波数の三相交流電流を生成させることで、モータ１１１にて所望のトルクを発生させる。ドライバ１１３は、例えば、モータ１１１及びインバータ回路１１２に設けられた制御ＩＣであってもよい。

モータ１１１、インバータ回路１１２及びドライバ１１３は、モータ部１１０を構成する。ここで、逆流防止部１２０は、インバータ回路１１２の前段に設けられ、電位検出部１４０は、逆流防止部１２０の後段の電位として逆流防止部１２０とインバータ回路１１２との間の電位を検出する。ただし、関節１００が適用される装置、又は関節１００の用途によっては、モータ１１１及びインバータ回路１１２の構成は、適宜変更されてもよい。

＜４．制御例＞
さらに、図５及び図６を参照して、本実施形態に係るセンサ装置の制御例について説明する。図５は、本実施形態に係るセンサ装置の第１の制御例を示すフローチャート図である。図６は、本実施形態に係るセンサ装置の第２の制御例を示すフローチャート図である。

（４．１．第１の制御例）
本実施形態に係るセンサ装置の第１の制御例は、逆流防止部１２０の前段及び後段の各々の電位に基づいて、外力を検出する制御例である。

図５に示すように、まず、モータ部１１０の電源が投入され（Ｓ１０１）、逆流防止部１２０の整流作用が有効化される（Ｓ１０３）。その後、制御部１６０によってモータ部１１０にて出力するトルクが指示され（Ｓ１０５）、モータ部１１０は、指示されたトルクを発生させる駆動を開始する（Ｓ１０７）。

このとき、電位検出部１４０は、所定のタイミングで、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位をそれぞれ検出する（Ｓ１０９）。ここで、外力検出部１５０は、検出した電位に基づいて、逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値よりも高いか否かを判断する（Ｓ１１１）。逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値以下である場合（Ｓ１１１／Ｎｏ）、外力検出部１５０は、引き続き、電位検出部１４０に逆流防止部１２０の前段及び後段の電位の検出を行わせる（Ｓ１０９）。

一方、逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値よりも高い場合（Ｓ１１１／Ｙｅｓ）、外力検出部１５０は、外力を検出したことを示す信号を出力する（Ｓ１１３）。これに基づき、制御部１６０は、外力検出時に実行することが設定されている処理を実行する（Ｓ１１５）。例えば、制御部１６０は、ロボット装置１の姿勢を安定化させる処理、又はモータ部１１０における過剰なトルクを抑制する処理等を実行してもよい。

その後、制御部１６０は、逆流防止部１２０の整流作用を無効化する（Ｓ１１７）。これにより、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位が等電位にリセットされ、かつ逆流防止部１２０によって堰き止められていた逆起電力が電源部１３０に回生される（Ｓ１１９）。さらに、制御部１６０は、逆流防止部１２０の整流作用を有効化する（Ｓ１０３）ことで、引き続き、外力検出部１５０による外力の検出を可能にする。

以上のような制御により、本実施形態に係るセンサ装置は、関節１００に連結されたリンク等に与えられた外力を検出することができる。具体的には、本実施形態に係るセンサ装置は、モータ部１１０に逆起電力を発生させる外力を逆流防止部１２０の前段及び後段の電位差として検出することが可能である。

（４．２．第２の制御例）
本実施形態に係るセンサ装置の第２の制御例は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度と、モータ部１１０にて出力したトルクに基づいて、外力の大きさを判断する制御例である。

図６に示すように、まず、モータ部１１０の電源が投入され（Ｓ２０１）、逆流防止部１２０の整流作用が有効化される（Ｓ２０３）。その後、制御部１６０によってモータ部１１０にて出力するトルクが指示され（Ｓ２０５）、モータ部１１０は、指示されたトルクを発生させる駆動を開始する（Ｓ２０７）。

このとき、電位検出部１４０は、所定のタイミングで、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位をそれぞれ検出する（Ｓ２０９）。ここで、外力検出部１５０は、検出した電位に基づいて、逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値よりも高いか否かを判断する（Ｓ２１１）。逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値以下である場合（Ｓ２１１／Ｎｏ）、外力検出部１５０は、引き続き、電位検出部１４０に逆流防止部１２０の前段及び後段の電位の検出を行わせる（Ｓ２０９）。

一方、逆流防止部１２０の後段の電位が逆流防止部１２０の前段の電位に閾値を加えた値よりも高い場合（Ｓ２１１／Ｙｅｓ）、外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度を算出する（Ｓ２２１）。続いて、外力検出部１５０は、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度と、モータ部１１０にて出力されたトルクとに基づいて、外力の大きさを算出する（Ｓ２２３）。次に、外力検出部１５０は、算出した外力の大きさを含む情報を出力する（Ｓ２１３）。これに基づき、制御部１６０は、外力検出時に実行することが設定されている処理を実行する（Ｓ２１５）。例えば、制御部１６０は、ロボット装置１の姿勢を安定化させる処理、又はモータ部１１０における過剰なトルクを抑制する処理等を行ってもよい。

その後、制御部１６０は、逆流防止部１２０の整流作用を無効化する（Ｓ２１７）。これにより、逆流防止部１２０の前段及び後段の電位が等電位にリセットされ、かつ逆流防止部１２０によって堰き止められていた逆起電力が電源部１３０に回生される（Ｓ２１９）。さらに、制御部１６０は、逆流防止部１２０の整流作用を有効化する（Ｓ２０３）ことで、引き続き、外力検出部１５０による外力の検出を可能にする。

以上のような制御により、本実施形態に係るセンサ装置は、関節１００に連結されたリンク等に与えられた外力を検出し、検出した外力の大きさを算出することができる。具体的には、本実施形態に係るセンサ装置は、モータ部１１０に逆起電力を発生させる外力の大きさを逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度として検出することが可能である。

＜５．適用例＞
以下では、本実施形態に係るセンサ装置の適用例について説明する。

例えば、本実施形態に係るセンサ装置は、上記の第２の制御例にて説明したように、関節１００に連結されたリンク等に加えられた外力の大きさを算出することが可能である。すなわち、本実施形態に係るセンサ装置は、力覚センサとして用いることが可能である。具体的には、モータ部１１０を回転させる外力が大きい程、モータ部１１０にて生じる逆起電力は大きくなり、逆流防止部１２０の後段の電位の上昇速度も速くなる。そのため、本実施形態に係るセンサ装置は、検出した逆流防止部１２０の後段の電位から、該電位の上昇速度を算出することで、検出した外力の大きさを算出することが可能である。

また、例えば、本実施形態に係るセンサ装置は、荷物等を積載するロボット装置１に適用し、荷物の積載判定に用いることが可能である。具体的には、関節１００を制御するモータ部１１０の各々にトルクを発生させることで姿勢を安定させたロボット装置１では、ロボット装置１の腕部等に荷物を積載した場合、積載箇所に対応したモータ部１１０に逆起電力が生じる。ここで、荷物の積載によって生じた逆起電力を本実施形態に係るセンサ装置にて検出することによって、ロボット装置１における荷物の積載判定を行うことが可能である。また、本実施形態に係るセンサ装置が上述した外力の大きさの算出も行う場合、センサ装置は、ロボット装置１に積載された荷物の重量を算出することも可能である。

さらに、例えば、本実施形態に係るセンサ装置は、行動計画を参照することで、予期しない衝突等の発生の有無を判定することが可能である。具体的には、ロボット装置１が行動計画を生成する場合、外力検出部１５０は、行動計画を参照することで、行動計画に沿って発生する接触又は外力のタイミングを予期することができる。そのため、外力検出部１５０は、行動計画から想定されないタイミングで接触又は外力が検出された場合、ロボット装置１の一部又は全体に対して、想定されない衝突等が発生したと判定することができる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部と、
前記逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出する電位検出部と、
前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出する外力検出部と、
を備える、センサ装置。
（２）
前記外力検出部は、前記逆流防止部の前段の電位と、前記逆流防止部の後段の電位とを比較することで、前記外力を検出する、前記（１）に記載のセンサ装置。
（３）
前記外力検出部は、前記逆流防止部の前段の電位よりも前記逆流防止部の後段の電位のほうが閾値以上高かった場合、前記外力を検出する、前記（２）に記載のセンサ装置。
（４）
前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを防止する、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（５）
前記モータ部から前記電源部に流れる電流は、前記外力に起因する前記モータ部の逆起電力によって生じる、前記（４）に記載のセンサ装置。
（６）
前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを防止するか否かを制御可能に設けられる、前記（４）又は（５）に記載のセンサ装置。
（７）
前記外力検出部にて前記外力が検出された場合、前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを許可する、前記（６）に記載のセンサ装置。
（８）
前記外力検出部は、前記逆流防止部の後段の電位の上昇速度をさらに算出し、前記上昇速度及び前記モータ部の出力トルクに基づいて、前記外力の大きさを算出する、前記（１）〜（７）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（９）
前記モータ部は、トルク制御によって回転が制御される、前記（１）〜（８）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（１０）
前記モータ部は、三相交流モータを含む、前記（１）〜（９）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（１１）
前記電源部は、直流電源を含む、前記（１）〜（１０）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（１２）
前記電源部は、バッテリ又はキャパシタの少なくともいずれかを含む、前記（１）〜（１１）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（１３）
前記電源部から前記三相交流モータに電流を供給する回路の途中にはインバータ回路がさらに設けられ、
前記逆流防止部は、前記インバータ回路の前段に設けられる、前記（１０）に記載のセンサ装置。
（１４）
前記モータ部は、ロボット装置の関節を回転させる、前記（１）〜（１３）のいずれか一項に記載のセンサ装置。
（１５）
前記関節は、前記ロボット装置の腕部又は脚部に設けられる、前記（１４）に記載のセンサ装置。
（１６）
電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出することと、
前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出することと、
を含む、センシング方法。

１ ロボット装置
１０ 胴体部
１１ 腕部
１２ 脚部
１００ 関節
１１０ モータ部
１１１ モータ
１１２ インバータ回路
１１３ ドライバ
１２０ 逆流防止部
１３０ 電源部
１３１ バッテリ
１３２ キャパシタ
１４０ 電位検出部
１５０ 外力検出部
１６０ 制御部

Claims (16)

1. 電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部と、
   前記逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出する電位検出部と、
   前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出する外力検出部と、
   を備える、センサ装置。
2. 前記外力検出部は、前記逆流防止部の前段の電位と、前記逆流防止部の後段の電位とを比較することで、前記外力を検出する、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記外力検出部は、前記逆流防止部の前段の電位よりも前記逆流防止部の後段の電位のほうが閾値以上高かった場合、前記外力を検出する、請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを防止する、請求項１に記載のセンサ装置。
5. 前記モータ部から前記電源部に流れる電流は、前記外力に起因する前記モータ部の逆起電力によって生じる、請求項４に記載のセンサ装置。
6. 前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを防止するか否かを制御可能に設けられる、請求項４に記載のセンサ装置。
7. 前記外力検出部にて前記外力が検出された場合、前記逆流防止部は、前記モータ部から前記電源部に電流が流れることを許可する、請求項６に記載のセンサ装置。
8. 前記外力検出部は、前記逆流防止部の後段の電位の上昇速度をさらに算出し、前記上昇速度及び前記モータ部の出力トルクに基づいて、前記外力の大きさを算出する、請求項１に記載のセンサ装置。
9. 前記モータ部は、トルク制御によって回転が制御される、請求項１に記載のセンサ装置。
10. 前記モータ部は、三相交流モータを含む、請求項１に記載のセンサ装置。
11. 前記電源部は、直流電源を含む、請求項１に記載のセンサ装置。
12. 前記電源部は、バッテリ又はキャパシタの少なくともいずれかを含む、請求項１に記載のセンサ装置。
13. 前記電源部から前記三相交流モータに電流を供給する回路の途中にはインバータ回路がさらに設けられ、
    前記逆流防止部は、前記インバータ回路の前段に設けられる、請求項１０に記載のセンサ装置。
14. 前記モータ部は、ロボット装置の関節を回転させる、請求項１に記載のセンサ装置。
15. 前記関節は、前記ロボット装置の腕部又は脚部に設けられる、請求項１４に記載のセンサ装置。
16. 電源部からモータ部に電流を供給する回路の途中に設けられた逆流防止部の前段及び後段における電位をそれぞれ検出することと、
    前記逆流防止部の前段及び後段の電位に基づいて、前記モータ部に接続された部材に加えられた外力を検出することと、
    を含む、センシング方法。

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