力覚検出装置および車輪型ロボット
【課題】 ロボットの移動を制御するのに好適なユーザインターフェースとしての力覚検出装置を提供する。
【解決手段】 車輪型ロボット１００は、ユーザインターフェースとしての操作部４０を有する。操作部４０は、基体１０の後方に伸長し水平に配置された１対のフレーム８０ｒ、８０ｌと、棒状のハンドル８２と、基体１０の右側面側のフレーム８０ｒの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｒと、基体１０の左側面側のフレーム８０ｌの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｌと、ハンドル８２の一端と３軸力覚センサ８４ｒとを連結するフローティングコネクタ８６ｒと、ハンドル８２の他端と３軸力覚センサ８４ｌとを連結するフローティングコネクタ８６ｌとを有して構成されている。
【解決手段】 車輪型ロボット１００は、ユーザインターフェースとしての操作部４０を有する。操作部４０は、基体１０の後方に伸長し水平に配置された１対のフレーム８０ｒ、８０ｌと、棒状のハンドル８２と、基体１０の右側面側のフレーム８０ｒの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｒと、基体１０の左側面側のフレーム８０ｌの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｌと、ハンドル８２の一端と３軸力覚センサ８４ｒとを連結するフローティングコネクタ８６ｒと、ハンドル８２の他端と３軸力覚センサ８４ｌとを連結するフローティングコネクタ８６ｌとを有して構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンドルを介して付与される力を検出する力覚検出装置に係り、特に、ロボットの移動を制御するのに好適なユーザインターフェースとしての力覚検出装置および車輪型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、盲導犬型ロボットとしては、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。
特許文献１記載の技術は、飼い主を認識する機能と、接触センサを有する手綱部と、接触センサの検出結果に基づいて飼い主がロボットに接触していることを認知する機能と、飼い主がロボットから離れると飼い主を探して接触する機能とを備えるものである。
なお、従来、力覚センサとしては、例えば、特許文献２、３記載の技術が知られている。
【特許文献１】特開２００６−３４５９６０号公報
【特許文献２】特開２００４−４５０４４号公報
【特許文献３】特表２００７−５１０２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１記載の技術にあっては、接触センサを有する手綱部が設けられているに過ぎず、この手綱部では、盲導犬型ロボットの移動を利用者が自在に操作するのが困難であるという問題があった。
特許文献２、３記載の力覚センサを手綱部に設け、力覚センサの検出結果に基づいて盲導犬型ロボットの移動を制御することも考えられるが、この構成では、手綱部を引っ張る力や握る力を検出できるだけであり、利用者の意思に沿って盲導犬型ロボットの移動を制御するのは困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、ロボットの移動を制御するのに好適なユーザインターフェースとしての力覚検出装置および車輪型ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の力覚検出装置は、一端が揺動可能に支持されたハンドルと、前記ハンドルの一端の側に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する多軸力覚センサとを備える。
このような構成であれば、ハンドルに力を付与すると、ハンドルの一端が揺動可能に支持されているので、ハンドルに付与された力がハンドルを介して多軸力覚センサに伝達される。そして、多軸力覚センサにより、ハンドルを介して付与された力が検出される。
ここで、ハンドルの一端の側に多軸力覚センサを設けることには、ハンドルの一端に多軸力覚センサを直接設けること、およびハンドルの一端と何らかの媒体を介して多軸力覚センサを設けることが含まれる。
【０００６】
〔発明２〕 さらに、発明２の力覚検出装置は、発明１の力覚検出装置において、前記ハンドルは、他端が揺動可能に支持され、さらに、前記ハンドルの他端に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する第２多軸力覚センサを備える。
このような構成であれば、ハンドルに力を付与すると、ハンドルの他端が揺動可能に支持されているので、ハンドルに付与された力がハンドルを介して多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサに伝達される。そして、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルを介して付与された力が検出される。
ここで、ハンドルの他端の側に第２多軸力覚センサを設けることには、ハンドルの他端に第２多軸力覚センサを直接設けること、およびハンドルの他端と何らかの媒体を介して第２多軸力覚センサを設けることが含まれる。
【０００７】
〔発明３〕 さらに、発明３の力覚検出装置は、発明２の力覚検出装置において、前記多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの一端の側に設けられており、前記第２多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの他端に設けられている。
このような構成であれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルの伸長方向およびこれと直交する２軸の方向に付与された力をそれぞれ求めることができるとともに、ハンドルに生じるモーメントを求めることもできる。
【０００８】
〔発明４〕 一方、上記目的を達成するために、発明４の車輪型ロボットは、基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、発明１ないし３のいずれか１項に記載の力覚検出装置を備える。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、発明１の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサの検出結果に基づいて、ハンドルを単に引っ張る力や握る力ではなく、ハンドルに付与された力および方向を把握することが可能となるので、ロボットのユーザインターフェースとして適用した場合は、従来に比して、利用者の意思に沿ってロボットの移動を比較的適切に制御することができるという効果が得られる。
【００１０】
さらに、発明２の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサの検出結果に基づいて、ハンドルに付与された力および方向をさらに正確に把握することが可能となるので、利用者の意思に沿ってロボットの移動をさらに適切に制御することができるという効果が得られる。
さらに、発明３の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルの伸長方向およびこれと直交する２軸の方向に付与された力をそれぞれ求めることができるとともに、ハンドルに生じるモーメントを求めることもできるという効果が得られる。
【００１１】
一方、発明４の車輪型ロボットによれば、発明１の力覚検出装置と同等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図８は、本発明に係る力覚検出装置および車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１は、車輪型ロボット１００の正面図である。
図２は、車輪型ロボット１００の側面図である。
【００１３】
車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０の両側面にそれぞれ回転可能に設けられた１対の駆動輪２０と、基体１０の前部および後部にそれぞれ設けられた２つのキャスタ装置３０と、基体１０の後上部に設けられた操作部４０とを有して構成されている。
次に、操作部４０の構成を説明する。
【００１４】
図３は、操作部４０の斜視図である。
図４は、図３の一部を拡大した拡大図である。
操作部４０は、図３および図４に示すように、基体１０の後方に伸長し水平に配置された１対のフレーム８０ｒ、８０ｌと、棒状のハンドル８２と、基体１０の右側面側のフレーム８０ｒの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｒと、基体１０の左側面側のフレーム８０ｌの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｌと、ハンドル８２の一端と３軸力覚センサ８４ｒとを連結するフローティングコネクタ８６ｒと、ハンドル８２の他端と３軸力覚センサ８４ｌとを連結するフローティングコネクタ８６ｌとを有して構成されている。
【００１５】
３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌは、互いに直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）の方向に付与される力をそれぞれ検出する力覚センサであって、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてフローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌの一端に連結している。
ハンドル８２の両端は、フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌの他端に連結している。
【００１６】
フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌは、例えば、ボールジョイントによる首ふり作用と偏心移動作用により３次元方向にズレを吸収する連結具であって、ハンドル８２の一端および他端をそれぞれ揺動可能に支持する。フローティングコネクタとしては、例えば、ヒロタカ精機株式会社のフローティングコネクタ（http://www.mekatoro.net/mechatro_parts/stylec/pdf/P01-149.html：２００８年４月現在）を採用することができる。
【００１７】
次に、キャスタ装置３０の構成を説明する。
図５は、キャスタ装置３０の正面図である。
キャスタ装置３０は、図５に示すように、キャスタ３１と、キャスタ３１を上下動させるリニアアクチュエータ３２と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを有して構成されている。
【００１８】
リニアアクチュエータ３２は、直線運動する直動軸３２ａを有し、フレーム３４により支持されている。
フレーム３４は、金属板を断面逆Ｕ字状に形成してなり、Ｕ字の開口端部の両側から水平方向にそれぞれ伸長するフランジ３４ａを有する。フランジ３４ａは、基体１０の内底面に取り付けられている。フレーム３４の上面には、貫通穴（不図示）が形成されている。リニアアクチュエータ３２は、出力軸面３２ｂを下向きにし、フレーム３４の貫通穴に直動軸３２ａを挿通させてフレーム３４の上方に設置されている。出力軸面３２ｂは、ボルト３４ｂによりフレーム３４の上面に固定されている。
【００１９】
床反力検出部３３は、基体１０の下方に設置され、高剛性ニードルガイド３５を介してリニアアクチュエータ３２に連結されている。リニアアクチュエータ３２は、推力は強いが軸方向に直交する曲げモーメントに弱いという性質がある。そこで、高剛性ニードルガイド３５で曲げモーメントを受ける構成を採用することにより、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。
【００２０】
基体１０の底面のうちフレーム３４の開口部の真下には、貫通穴１０ａが形成されている。高剛性ニードルガイド３５は、シャフト３５ａを有し、シャフト３５ａを貫通穴１０ａに挿通させてフレーム３４に固定されている。シャフト３５ａの上端は、直動軸３２ａに連結され、シャフト３５ａの下端は、床反力検出部３３の上部に連結されている。
一方、キャスタ３１は、従動輪３１ａと、従動輪３１ａを回転可能に支持し収容する車輪支持枠３１ｂと、車輪支持枠３１ｂの上部に取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃとを有して構成されている。
キャスタ支持軸３１ｃは、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられている。キャスタ支持軸３１ｃの上端は、床反力検出部３３の下部に連結されている。
【００２１】
次に、車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図６は、車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各リニアアクチュエータ３２には、図６に示すように、リニアアクチュエータ３２の直動位置を検出するエンコーダ４２と、アクチュエータ指令信号およびエンコーダ４２の直動位置検出信号に基づいてリニアアクチュエータ３２の駆動を制御するドライバ４４とが設けられている。
【００２２】
各駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の角度位置検出信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４とが設けられている。
【００２３】
車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成されている。
ＣＰＵ６０は、指令信号出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４に指令信号を出力し、位置検出信号入力Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の位置検出信号を入力する。また、センサ信号入力Ｉ／Ｆ６３を介して３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌおよび各床反力検出部３３からセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００２４】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図７のフローチャートに示す走行制御処理を実行する。
図７は、走行制御処理を示すフローチャートである。
走行制御処理は、駆動輪２０の駆動およびキャスタ装置３０の上下動を制御する処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図７に示すように、ステップＳ１００に移行する。
【００２５】
ステップＳ１００では、３軸力覚センサ８４ｒからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０２に移行して、３軸力覚センサ８４ｌからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、基体１０の前後方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、上下方向をｚ軸とし、入力したセンサ信号に基づいて、ハンドル８２に付与されるｘ軸方向の力Ｆｘ、ｙ軸方向の力Ｆｙおよびｚ軸方向の力Ｆｚを下式（１）により算出する。なお、ｘ軸は、基体１０の前方向を正、ｙ軸は、基体１０の右方向を正、ｚ軸は、基体１０の上方向を正とする。
Ｆｘ＝Ｆｒｘ＋Ｆｌｘ
Ｆｙ＝Ｆｒｙ＋Ｆｌｙ
Ｆｚ＝Ｆｒｚ＋Ｆｌｚ …（１）
【００２６】
上式（１）において、Ｆｒｘは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｘ軸方向の力、Ｆｒｙは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｙ軸方向の力、Ｆｒｚは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｚ軸方向の力をそれぞれ示す。また、Ｆｌｘは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｘ軸方向の力、Ｆｌｙは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｙ軸方向の力、Ｆｌｚは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｚ軸方向の力をそれぞれ示す。
【００２７】
次いで、ステップＳ１０６に移行して、入力したセンサ信号に基づいて、ハンドル８２にｚ軸回りに生じるモーメントＭｚ、およびｘ軸回りに生じるモーメントＭｘを下式（２）により算出する。
Ｍｘ＝（Ｆｒｚ−Ｆｌｚ）×Ｌ
Ｍｚ＝（Ｆｒｘ−Ｆｌｘ）×Ｌ …（２）
上式（２）において、Ｌは、ハンドル８２の長さを示す。
【００２８】
次いで、ステップＳ１０８に移行して、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を前進（ｘ軸の正方向に移動）させる要求であると判定し、ステップＳ１１０に移行して、駆動輪２０が正転駆動するようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１２に移行する。
【００２９】
ステップＳ１１２では、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を後退（ｘ軸の負方向に移動）させる要求であると判定し、ステップＳ１１４に移行して、駆動輪２０が逆転駆動するようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１６に移行する。
【００３０】
ステップＳ１１６では、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を右旋回させる要求であると判定し、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、基体１０の左側面側の駆動輪２０（以下、左駆動輪２０という。）の回転数が基体１０の右側面側の駆動輪２０（以下、右駆動輪２０という。）の回転数よりも大きくなるようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１２０に移行する。なお、この場合、左駆動輪２０の回転数を増加させてもよいし、右駆動輪２０の回転数を減少させてもよいし、両方の回転数を適宜増減させてその相対差を調整してもよい。回転数の制御は、例えば、モーメントＭｘ、Ｍｚに基づいて行うことができる。
【００３１】
ステップＳ１２０では、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を左旋回させる要求であると判定し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、右駆動輪２０の回転数が左駆動輪２０の回転数よりも大きくなるようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１２４に移行する。なお、この場合、右駆動輪２０の回転数を増加させてもよいし、左駆動輪２０の回転数を減少させてもよいし、両方の回転数を適宜増減させてその相対差を調整してもよい。回転数の制御は、例えば、モーメントＭｘ、Ｍｚに基づいて行うことができる。
【００３２】
ステップＳ１２４では、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、キャスタ装置３０を伸長させる要求であると判定し、ステップＳ１２６に移行して、キャスタ装置３０が伸長するようにドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、ステップＳ１２８に移行する。
【００３３】
ステップＳ１２８では、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、キャスタ装置３０を短縮させる要求であると判定し、ステップＳ１３０に移行して、キャスタ装置３０が短縮するようにドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
【００３４】
一方、ステップＳ１２８で、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」以上であると判定したとき(No)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１２４で、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２８に移行する。
一方、ステップＳ１２０で、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」以上であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２４に移行する。
【００３５】
一方、ステップＳ１１６で、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２０に移行する。
一方、ステップＳ１１２で、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１６に移行する。
一方、ステップＳ１０８で、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００３６】
なお、床反力検出部３３からのセンサ信号に基づいてキャスタ装置３０の駆動を制御することもできる。具体的には、例えば、センサ信号に基づいて、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦおよび後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＢを算出する。床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいときは、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を短縮させる。また、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいときは、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。また、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいときは、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。また、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいときは、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。
【００３７】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図８は、利用者によるハンドル８２の操作状態を示す図である。
利用者は、図８（ａ）に示すように、ハンドル８２に対して左前方向に力を付与すると、ハンドル８２の両端がフローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌにより揺動可能に支持されているので、ハンドル８２に付与された力がハンドル８２を介して３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌに伝達される。そして、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｒｘ、Ｆｒｙ、Ｆｒｚ、Ｆｌｘ、Ｆｌｙ、Ｆｌｚがそれぞれ検出される。次いで、ステップＳ１００〜Ｓ１０６を経て、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌからセンサ信号が入力され、センサ信号に基づいて、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｚが算出される。この場合、左前方向に力を付与しているので、ｘ軸方向の力Ｆｘは正の値、ｙ軸方向の力Ｆｙは負の値として得られる。
【００３８】
ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも大きいので、ステップＳ１１０を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動する。車輪型ロボット１００は、車輪モータ５０が駆動されると、車輪モータ５０の動力が駆動輪２０に伝達され、駆動輪２０の駆動により走行することができる。前部および後部のキャスタ装置３０は、従動輪３１ａであるので、車輪型ロボット１００の走行に伴って回転する。そして、駆動輪２０が正転駆動することにより車輪型ロボット１００が前進する。
【００３９】
また、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも小さいので、ステップＳ１２２を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、右駆動輪２０の回転数が左駆動輪２０の回転数よりも大きくなり、車輪型ロボット１００が左旋回する。
これに対し、利用者は、図８（ｂ）に示すように、ハンドル８２に対して右後方向に力を付与すると、同様に、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｒｘ、Ｆｒｙ、Ｆｒｚ、Ｆｌｘ、Ｆｌｙ、Ｆｌｚがそれぞれ検出される。そして、ステップＳ１００〜Ｓ１０６を経て、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｚが算出される。この場合、右後方向に力を付与しているので、ｘ軸方向の力Ｆｘは負の値、ｙ軸方向の力Ｆｙは正の値として得られる。
【００４０】
ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも小さいので、ステップＳ１１４を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、駆動輪２０が逆転駆動することにより車輪型ロボット１００が後退する。
また、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも大きいので、ステップＳ１１８を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、左駆動輪２０の回転数が右駆動輪２０の回転数よりも大きくなり、車輪型ロボット１００が右旋回する。
【００４１】
このようにして、本実施の形態では、ハンドル８２の一端を揺動可能に支持し、ハンドル８２を介して付与される力を検出する３軸力覚センサ８４ｒをハンドル８２の一端の側に設けた。
これにより、３軸力覚センサ８４ｒの検出結果に基づいて、ハンドル８２を単に引っ張る力や握る力ではなく、ハンドル８２に付与された力および方向を把握することが可能となるので、従来に比して、利用者の意思に沿って車輪型ロボット１００の移動を比較的適切に制御することができる。
【００４２】
さらに、本実施の形態では、ハンドル８２の他端を揺動可能に支持し、ハンドル８２を介して付与される力を検出する３軸力覚センサ８４ｌをハンドル８２の他端の側に設けた。
これにより、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌの検出結果に基づいて、ハンドル８２に付与された力および方向をさらに正確に把握することが可能となるので、利用者の意思に沿って車輪型ロボット１００の移動をさらに適切に制御することができる。
【００４３】
さらに、本実施の形態では、３軸力覚センサ８４ｒは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてハンドル８２の一端の側に設けられており、３軸力覚センサ８４ｌは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてハンドル８２の他端に設けられている。
【００４４】
これにより、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを求めることができるとともに、モーメントＭｘ、Ｍｚも求めることができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃを有するキャスタ３１と、直動軸３２ａを有するリニアアクチュエータ３２とを備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが軸方向に連結されている。
【００４５】
これにより、キャスタ３１およびリニアアクチュエータ３２を軸方向に連結した構成を採用しているので、上下動の範囲を大きくする場合でも、必要トルクがさほど大きくならず、リニアアクチュエータ３２が極端に大型化することがない。また、減速機も必要ない。したがって、大型化および重量の増加を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３を備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが床反力検出部３３を介して軸方向に連結されている。
【００４６】
これにより、キャスタ支持軸３１ｃと直動軸３２ａの間に床反力検出部３３が介在しているので、キャスタ３１が受けた床反力を容易に検出することができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａは、高剛性ニードルガイド３５を介して連結されている。
これにより、高剛性ニードルガイド３５により、軸方向に直交する曲げモーメントを受けることができるので、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、基体１０の上下方向にキャスタ３１を伸縮駆動するキャスタ装置３０と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを備え、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動を制御する。
これにより、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きに対応することができる。したがって、段差や傾斜のある環境であってもスムースに移動することができるので、段差に対して高い適応性を実現することができる。
【００４８】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力検出部３３からセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号に基づいて、前部および後部のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦ、ＦＢを算出し、算出した床反力ＦＦ、ＦＢに基づいてリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、複数の床反力検出部３３の検出結果に基づいて各キャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きにさらに好適に対応することができる。したがって、段差に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【００４９】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、両方のキャスタ３１に荷重がかかり過ぎているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、両方のキャスタ３１が浮いているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、車輪型ロボット１００が前傾姿勢または下り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、車輪型ロボット１００が後傾姿勢または上り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５３】
〔他の実施の形態〕
なお、上記実施の形態においては、ハンドル８２の両端を浮動可能に支持し、ハンドル８２の一端および他端の側に３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌを設けて構成したが、これに限らず、少なくとも一方を揺動可能に支持し、当該一方の側にのみ３軸力覚センサを設けて構成することもできる。
【００５４】
また、上記実施の形態においては、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌを用いて構成したが、これに限らず、２軸または４軸以上の力覚センサを用いて構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、ハンドル８２と３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌとを、フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌを介して連結したが、これに限らず、直接または他の連結手段を介して連結することもできる。
【００５５】
また、上記実施の形態においては、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。
また、上記実施の形態においては、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を用いて構成したが、リニアアクチュエータとしては、電気式（電磁式、静電式、圧電式等）、流体圧式（油圧式、水圧式等）、空圧式その他任意の方式のアクチュエータを採用することができる。
また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を往復直線運動を行うものとして構成したが、これに限らず、一方向にのみ直線運動を行うものとして構成することもできる。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、本発明に係る力覚検出装置を操作部４０として適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、台車、荷台、椅子、自転車、車椅子等の車輪として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】操作部４０の斜視図である。
【図４】図３の一部を拡大した拡大図である。
【図５】キャスタ装置３０の正面図である。
【図６】車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
【図７】走行制御処理を示すフローチャートである。
【図８】利用者によるハンドル８２の操作状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 車輪型ロボット
１０ 基体
２０ 駆動輪
３０ キャスタ装置
３１ キャスタ
３１ａ 従動輪
３１ｂ 車輪支持枠
３１ｃ キャスタ支持軸
３２ リニアアクチュエータ
３２ａ 直動軸
３２ｂ 出力軸面
３３ 床反力検出部
１０ａ 貫通穴
３４、８０ｒ、８０ｌ フレーム
３４ａ フランジ
３４ｂ ボルト
３５ 高剛性ニードルガイド
３５ａ シャフト
４０ 操作部
８２ ハンドル
８４ｒ、８４ｌ ３軸力覚センサ
８６ｒ、８６ｌ フローティングコネクタ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
５０ 車輪モータ
６０ ＣＰＵ
６１〜６５ Ｉ／Ｆ
７４ 無線通信部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハンドルを介して付与される力を検出する力覚検出装置に係り、特に、ロボットの移動を制御するのに好適なユーザインターフェースとしての力覚検出装置および車輪型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、盲導犬型ロボットとしては、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。
特許文献１記載の技術は、飼い主を認識する機能と、接触センサを有する手綱部と、接触センサの検出結果に基づいて飼い主がロボットに接触していることを認知する機能と、飼い主がロボットから離れると飼い主を探して接触する機能とを備えるものである。
なお、従来、力覚センサとしては、例えば、特許文献２、３記載の技術が知られている。
【特許文献１】特開２００６−３４５９６０号公報
【特許文献２】特開２００４−４５０４４号公報
【特許文献３】特表２００７−５１０２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１記載の技術にあっては、接触センサを有する手綱部が設けられているに過ぎず、この手綱部では、盲導犬型ロボットの移動を利用者が自在に操作するのが困難であるという問題があった。
特許文献２、３記載の力覚センサを手綱部に設け、力覚センサの検出結果に基づいて盲導犬型ロボットの移動を制御することも考えられるが、この構成では、手綱部を引っ張る力や握る力を検出できるだけであり、利用者の意思に沿って盲導犬型ロボットの移動を制御するのは困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、ロボットの移動を制御するのに好適なユーザインターフェースとしての力覚検出装置および車輪型ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の力覚検出装置は、一端が揺動可能に支持されたハンドルと、前記ハンドルの一端の側に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する多軸力覚センサとを備える。
このような構成であれば、ハンドルに力を付与すると、ハンドルの一端が揺動可能に支持されているので、ハンドルに付与された力がハンドルを介して多軸力覚センサに伝達される。そして、多軸力覚センサにより、ハンドルを介して付与された力が検出される。
ここで、ハンドルの一端の側に多軸力覚センサを設けることには、ハンドルの一端に多軸力覚センサを直接設けること、およびハンドルの一端と何らかの媒体を介して多軸力覚センサを設けることが含まれる。
【０００６】
〔発明２〕 さらに、発明２の力覚検出装置は、発明１の力覚検出装置において、前記ハンドルは、他端が揺動可能に支持され、さらに、前記ハンドルの他端に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する第２多軸力覚センサを備える。
このような構成であれば、ハンドルに力を付与すると、ハンドルの他端が揺動可能に支持されているので、ハンドルに付与された力がハンドルを介して多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサに伝達される。そして、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルを介して付与された力が検出される。
ここで、ハンドルの他端の側に第２多軸力覚センサを設けることには、ハンドルの他端に第２多軸力覚センサを直接設けること、およびハンドルの他端と何らかの媒体を介して第２多軸力覚センサを設けることが含まれる。
【０００７】
〔発明３〕 さらに、発明３の力覚検出装置は、発明２の力覚検出装置において、前記多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの一端の側に設けられており、前記第２多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの他端に設けられている。
このような構成であれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルの伸長方向およびこれと直交する２軸の方向に付与された力をそれぞれ求めることができるとともに、ハンドルに生じるモーメントを求めることもできる。
【０００８】
〔発明４〕 一方、上記目的を達成するために、発明４の車輪型ロボットは、基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、発明１ないし３のいずれか１項に記載の力覚検出装置を備える。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、発明１の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサの検出結果に基づいて、ハンドルを単に引っ張る力や握る力ではなく、ハンドルに付与された力および方向を把握することが可能となるので、ロボットのユーザインターフェースとして適用した場合は、従来に比して、利用者の意思に沿ってロボットの移動を比較的適切に制御することができるという効果が得られる。
【００１０】
さらに、発明２の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサの検出結果に基づいて、ハンドルに付与された力および方向をさらに正確に把握することが可能となるので、利用者の意思に沿ってロボットの移動をさらに適切に制御することができるという効果が得られる。
さらに、発明３の力覚検出装置によれば、多軸力覚センサおよび第２多軸力覚センサにより、ハンドルの伸長方向およびこれと直交する２軸の方向に付与された力をそれぞれ求めることができるとともに、ハンドルに生じるモーメントを求めることもできるという効果が得られる。
【００１１】
一方、発明４の車輪型ロボットによれば、発明１の力覚検出装置と同等の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図８は、本発明に係る力覚検出装置および車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１は、車輪型ロボット１００の正面図である。
図２は、車輪型ロボット１００の側面図である。
【００１３】
車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０の両側面にそれぞれ回転可能に設けられた１対の駆動輪２０と、基体１０の前部および後部にそれぞれ設けられた２つのキャスタ装置３０と、基体１０の後上部に設けられた操作部４０とを有して構成されている。
次に、操作部４０の構成を説明する。
【００１４】
図３は、操作部４０の斜視図である。
図４は、図３の一部を拡大した拡大図である。
操作部４０は、図３および図４に示すように、基体１０の後方に伸長し水平に配置された１対のフレーム８０ｒ、８０ｌと、棒状のハンドル８２と、基体１０の右側面側のフレーム８０ｒの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｒと、基体１０の左側面側のフレーム８０ｌの先端に設けられた３軸力覚センサ８４ｌと、ハンドル８２の一端と３軸力覚センサ８４ｒとを連結するフローティングコネクタ８６ｒと、ハンドル８２の他端と３軸力覚センサ８４ｌとを連結するフローティングコネクタ８６ｌとを有して構成されている。
【００１５】
３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌは、互いに直交する３軸（ｘ、ｙ、ｚ）の方向に付与される力をそれぞれ検出する力覚センサであって、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてフローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌの一端に連結している。
ハンドル８２の両端は、フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌの他端に連結している。
【００１６】
フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌは、例えば、ボールジョイントによる首ふり作用と偏心移動作用により３次元方向にズレを吸収する連結具であって、ハンドル８２の一端および他端をそれぞれ揺動可能に支持する。フローティングコネクタとしては、例えば、ヒロタカ精機株式会社のフローティングコネクタ（http://www.mekatoro.net/mechatro_parts/stylec/pdf/P01-149.html：２００８年４月現在）を採用することができる。
【００１７】
次に、キャスタ装置３０の構成を説明する。
図５は、キャスタ装置３０の正面図である。
キャスタ装置３０は、図５に示すように、キャスタ３１と、キャスタ３１を上下動させるリニアアクチュエータ３２と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを有して構成されている。
【００１８】
リニアアクチュエータ３２は、直線運動する直動軸３２ａを有し、フレーム３４により支持されている。
フレーム３４は、金属板を断面逆Ｕ字状に形成してなり、Ｕ字の開口端部の両側から水平方向にそれぞれ伸長するフランジ３４ａを有する。フランジ３４ａは、基体１０の内底面に取り付けられている。フレーム３４の上面には、貫通穴（不図示）が形成されている。リニアアクチュエータ３２は、出力軸面３２ｂを下向きにし、フレーム３４の貫通穴に直動軸３２ａを挿通させてフレーム３４の上方に設置されている。出力軸面３２ｂは、ボルト３４ｂによりフレーム３４の上面に固定されている。
【００１９】
床反力検出部３３は、基体１０の下方に設置され、高剛性ニードルガイド３５を介してリニアアクチュエータ３２に連結されている。リニアアクチュエータ３２は、推力は強いが軸方向に直交する曲げモーメントに弱いという性質がある。そこで、高剛性ニードルガイド３５で曲げモーメントを受ける構成を採用することにより、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。
【００２０】
基体１０の底面のうちフレーム３４の開口部の真下には、貫通穴１０ａが形成されている。高剛性ニードルガイド３５は、シャフト３５ａを有し、シャフト３５ａを貫通穴１０ａに挿通させてフレーム３４に固定されている。シャフト３５ａの上端は、直動軸３２ａに連結され、シャフト３５ａの下端は、床反力検出部３３の上部に連結されている。
一方、キャスタ３１は、従動輪３１ａと、従動輪３１ａを回転可能に支持し収容する車輪支持枠３１ｂと、車輪支持枠３１ｂの上部に取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃとを有して構成されている。
キャスタ支持軸３１ｃは、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられている。キャスタ支持軸３１ｃの上端は、床反力検出部３３の下部に連結されている。
【００２１】
次に、車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図６は、車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各リニアアクチュエータ３２には、図６に示すように、リニアアクチュエータ３２の直動位置を検出するエンコーダ４２と、アクチュエータ指令信号およびエンコーダ４２の直動位置検出信号に基づいてリニアアクチュエータ３２の駆動を制御するドライバ４４とが設けられている。
【００２２】
各駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の角度位置検出信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４とが設けられている。
【００２３】
車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成されている。
ＣＰＵ６０は、指令信号出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４に指令信号を出力し、位置検出信号入力Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の位置検出信号を入力する。また、センサ信号入力Ｉ／Ｆ６３を介して３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌおよび各床反力検出部３３からセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。
【００２４】
次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図７のフローチャートに示す走行制御処理を実行する。
図７は、走行制御処理を示すフローチャートである。
走行制御処理は、駆動輪２０の駆動およびキャスタ装置３０の上下動を制御する処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図７に示すように、ステップＳ１００に移行する。
【００２５】
ステップＳ１００では、３軸力覚センサ８４ｒからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０２に移行して、３軸力覚センサ８４ｌからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、基体１０の前後方向をｘ軸、左右方向をｙ軸、上下方向をｚ軸とし、入力したセンサ信号に基づいて、ハンドル８２に付与されるｘ軸方向の力Ｆｘ、ｙ軸方向の力Ｆｙおよびｚ軸方向の力Ｆｚを下式（１）により算出する。なお、ｘ軸は、基体１０の前方向を正、ｙ軸は、基体１０の右方向を正、ｚ軸は、基体１０の上方向を正とする。
Ｆｘ＝Ｆｒｘ＋Ｆｌｘ
Ｆｙ＝Ｆｒｙ＋Ｆｌｙ
Ｆｚ＝Ｆｒｚ＋Ｆｌｚ …（１）
【００２６】
上式（１）において、Ｆｒｘは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｘ軸方向の力、Ｆｒｙは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｙ軸方向の力、Ｆｒｚは、３軸力覚センサ８４ｒで検出されたｚ軸方向の力をそれぞれ示す。また、Ｆｌｘは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｘ軸方向の力、Ｆｌｙは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｙ軸方向の力、Ｆｌｚは、３軸力覚センサ８４ｌで検出されたｚ軸方向の力をそれぞれ示す。
【００２７】
次いで、ステップＳ１０６に移行して、入力したセンサ信号に基づいて、ハンドル８２にｚ軸回りに生じるモーメントＭｚ、およびｘ軸回りに生じるモーメントＭｘを下式（２）により算出する。
Ｍｘ＝（Ｆｒｚ−Ｆｌｚ）×Ｌ
Ｍｚ＝（Ｆｒｘ−Ｆｌｘ）×Ｌ …（２）
上式（２）において、Ｌは、ハンドル８２の長さを示す。
【００２８】
次いで、ステップＳ１０８に移行して、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を前進（ｘ軸の正方向に移動）させる要求であると判定し、ステップＳ１１０に移行して、駆動輪２０が正転駆動するようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１２に移行する。
【００２９】
ステップＳ１１２では、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を後退（ｘ軸の負方向に移動）させる要求であると判定し、ステップＳ１１４に移行して、駆動輪２０が逆転駆動するようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１１６に移行する。
【００３０】
ステップＳ１１６では、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を右旋回させる要求であると判定し、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、基体１０の左側面側の駆動輪２０（以下、左駆動輪２０という。）の回転数が基体１０の右側面側の駆動輪２０（以下、右駆動輪２０という。）の回転数よりも大きくなるようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１２０に移行する。なお、この場合、左駆動輪２０の回転数を増加させてもよいし、右駆動輪２０の回転数を減少させてもよいし、両方の回転数を適宜増減させてその相対差を調整してもよい。回転数の制御は、例えば、モーメントＭｘ、Ｍｚに基づいて行うことができる。
【００３１】
ステップＳ１２０では、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、車輪型ロボット１００を左旋回させる要求であると判定し、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、右駆動輪２０の回転数が左駆動輪２０の回転数よりも大きくなるようにドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力し、ステップＳ１２４に移行する。なお、この場合、右駆動輪２０の回転数を増加させてもよいし、左駆動輪２０の回転数を減少させてもよいし、両方の回転数を適宜増減させてその相対差を調整してもよい。回転数の制御は、例えば、モーメントＭｘ、Ｍｚに基づいて行うことができる。
【００３２】
ステップＳ１２４では、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」よりも大きいか否かを判定し、「０」よりも大きいと判定したとき(Yes)は、キャスタ装置３０を伸長させる要求であると判定し、ステップＳ１２６に移行して、キャスタ装置３０が伸長するようにドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、ステップＳ１２８に移行する。
【００３３】
ステップＳ１２８では、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」よりも小さいか否かを判定し、「０」よりも小さいと判定したとき(Yes)は、キャスタ装置３０を短縮させる要求であると判定し、ステップＳ１３０に移行して、キャスタ装置３０が短縮するようにドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
【００３４】
一方、ステップＳ１２８で、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」以上であると判定したとき(No)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１２４で、ｚ軸方向の力Ｆｚが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２８に移行する。
一方、ステップＳ１２０で、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」以上であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２４に移行する。
【００３５】
一方、ステップＳ１１６で、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２０に移行する。
一方、ステップＳ１１２で、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１６に移行する。
一方、ステップＳ１０８で、ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。
【００３６】
なお、床反力検出部３３からのセンサ信号に基づいてキャスタ装置３０の駆動を制御することもできる。具体的には、例えば、センサ信号に基づいて、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦおよび後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＢを算出する。床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいときは、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を短縮させる。また、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいときは、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。また、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいときは、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。また、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいときは、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させる。
【００３７】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
図８は、利用者によるハンドル８２の操作状態を示す図である。
利用者は、図８（ａ）に示すように、ハンドル８２に対して左前方向に力を付与すると、ハンドル８２の両端がフローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌにより揺動可能に支持されているので、ハンドル８２に付与された力がハンドル８２を介して３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌに伝達される。そして、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｒｘ、Ｆｒｙ、Ｆｒｚ、Ｆｌｘ、Ｆｌｙ、Ｆｌｚがそれぞれ検出される。次いで、ステップＳ１００〜Ｓ１０６を経て、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌからセンサ信号が入力され、センサ信号に基づいて、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｚが算出される。この場合、左前方向に力を付与しているので、ｘ軸方向の力Ｆｘは正の値、ｙ軸方向の力Ｆｙは負の値として得られる。
【００３８】
ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも大きいので、ステップＳ１１０を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動する。車輪型ロボット１００は、車輪モータ５０が駆動されると、車輪モータ５０の動力が駆動輪２０に伝達され、駆動輪２０の駆動により走行することができる。前部および後部のキャスタ装置３０は、従動輪３１ａであるので、車輪型ロボット１００の走行に伴って回転する。そして、駆動輪２０が正転駆動することにより車輪型ロボット１００が前進する。
【００３９】
また、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも小さいので、ステップＳ１２２を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、右駆動輪２０の回転数が左駆動輪２０の回転数よりも大きくなり、車輪型ロボット１００が左旋回する。
これに対し、利用者は、図８（ｂ）に示すように、ハンドル８２に対して右後方向に力を付与すると、同様に、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｒｘ、Ｆｒｙ、Ｆｒｚ、Ｆｌｘ、Ｆｌｙ、Ｆｌｚがそれぞれ検出される。そして、ステップＳ１００〜Ｓ１０６を経て、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚおよびモーメントＭｘ、Ｍｚが算出される。この場合、右後方向に力を付与しているので、ｘ軸方向の力Ｆｘは負の値、ｙ軸方向の力Ｆｙは正の値として得られる。
【００４０】
ｘ軸方向の力Ｆｘが「０」よりも小さいので、ステップＳ１１４を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、駆動輪２０が逆転駆動することにより車輪型ロボット１００が後退する。
また、ｙ軸方向の力Ｆｙが「０」よりも大きいので、ステップＳ１１８を経て、モータ指令信号に基づいてドライバ５４が車輪モータ５０を駆動し、左駆動輪２０の回転数が右駆動輪２０の回転数よりも大きくなり、車輪型ロボット１００が右旋回する。
【００４１】
このようにして、本実施の形態では、ハンドル８２の一端を揺動可能に支持し、ハンドル８２を介して付与される力を検出する３軸力覚センサ８４ｒをハンドル８２の一端の側に設けた。
これにより、３軸力覚センサ８４ｒの検出結果に基づいて、ハンドル８２を単に引っ張る力や握る力ではなく、ハンドル８２に付与された力および方向を把握することが可能となるので、従来に比して、利用者の意思に沿って車輪型ロボット１００の移動を比較的適切に制御することができる。
【００４２】
さらに、本実施の形態では、ハンドル８２の他端を揺動可能に支持し、ハンドル８２を介して付与される力を検出する３軸力覚センサ８４ｌをハンドル８２の他端の側に設けた。
これにより、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌの検出結果に基づいて、ハンドル８２に付与された力および方向をさらに正確に把握することが可能となるので、利用者の意思に沿って車輪型ロボット１００の移動をさらに適切に制御することができる。
【００４３】
さらに、本実施の形態では、３軸力覚センサ８４ｒは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてハンドル８２の一端の側に設けられており、３軸力覚センサ８４ｌは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、３軸の１つをハンドル８２の軸方向と一致させてハンドル８２の他端に設けられている。
【００４４】
これにより、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌにより、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを求めることができるとともに、モーメントＭｘ、Ｍｚも求めることができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃを有するキャスタ３１と、直動軸３２ａを有するリニアアクチュエータ３２とを備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが軸方向に連結されている。
【００４５】
これにより、キャスタ３１およびリニアアクチュエータ３２を軸方向に連結した構成を採用しているので、上下動の範囲を大きくする場合でも、必要トルクがさほど大きくならず、リニアアクチュエータ３２が極端に大型化することがない。また、減速機も必要ない。したがって、大型化および重量の増加を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３を備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが床反力検出部３３を介して軸方向に連結されている。
【００４６】
これにより、キャスタ支持軸３１ｃと直動軸３２ａの間に床反力検出部３３が介在しているので、キャスタ３１が受けた床反力を容易に検出することができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａは、高剛性ニードルガイド３５を介して連結されている。
これにより、高剛性ニードルガイド３５により、軸方向に直交する曲げモーメントを受けることができるので、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、基体１０の上下方向にキャスタ３１を伸縮駆動するキャスタ装置３０と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを備え、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動を制御する。
これにより、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きに対応することができる。したがって、段差や傾斜のある環境であってもスムースに移動することができるので、段差に対して高い適応性を実現することができる。
【００４８】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力検出部３３からセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号に基づいて、前部および後部のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦ、ＦＢを算出し、算出した床反力ＦＦ、ＦＢに基づいてリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、複数の床反力検出部３３の検出結果に基づいて各キャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きにさらに好適に対応することができる。したがって、段差に対してさらに高い適応性を実現することができる。
【００４９】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、両方のキャスタ３１に荷重がかかり過ぎているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５０】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、両方のキャスタ３１が浮いているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５１】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、車輪型ロボット１００が前傾姿勢または下り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。
これにより、車輪型ロボット１００が後傾姿勢または上り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
【００５３】
〔他の実施の形態〕
なお、上記実施の形態においては、ハンドル８２の両端を浮動可能に支持し、ハンドル８２の一端および他端の側に３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌを設けて構成したが、これに限らず、少なくとも一方を揺動可能に支持し、当該一方の側にのみ３軸力覚センサを設けて構成することもできる。
【００５４】
また、上記実施の形態においては、３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌを用いて構成したが、これに限らず、２軸または４軸以上の力覚センサを用いて構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、ハンドル８２と３軸力覚センサ８４ｒ、８４ｌとを、フローティングコネクタ８６ｒ、８６ｌを介して連結したが、これに限らず、直接または他の連結手段を介して連結することもできる。
【００５５】
また、上記実施の形態においては、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。
また、上記実施の形態においては、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を用いて構成したが、リニアアクチュエータとしては、電気式（電磁式、静電式、圧電式等）、流体圧式（油圧式、水圧式等）、空圧式その他任意の方式のアクチュエータを採用することができる。
また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を往復直線運動を行うものとして構成したが、これに限らず、一方向にのみ直線運動を行うものとして構成することもできる。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、本発明に係る力覚検出装置を操作部４０として適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、台車、荷台、椅子、自転車、車椅子等の車輪として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】車輪型ロボット１００の正面図である。
【図２】車輪型ロボット１００の側面図である。
【図３】操作部４０の斜視図である。
【図４】図３の一部を拡大した拡大図である。
【図５】キャスタ装置３０の正面図である。
【図６】車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
【図７】走行制御処理を示すフローチャートである。
【図８】利用者によるハンドル８２の操作状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１００ 車輪型ロボット
１０ 基体
２０ 駆動輪
３０ キャスタ装置
３１ キャスタ
３１ａ 従動輪
３１ｂ 車輪支持枠
３１ｃ キャスタ支持軸
３２ リニアアクチュエータ
３２ａ 直動軸
３２ｂ 出力軸面
３３ 床反力検出部
１０ａ 貫通穴
３４、８０ｒ、８０ｌ フレーム
３４ａ フランジ
３４ｂ ボルト
３５ 高剛性ニードルガイド
３５ａ シャフト
４０ 操作部
８２ ハンドル
８４ｒ、８４ｌ ３軸力覚センサ
８６ｒ、８６ｌ フローティングコネクタ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
５０ 車輪モータ
６０ ＣＰＵ
６１〜６５ Ｉ／Ｆ
７４ 無線通信部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が揺動可能に支持されたハンドルと、
前記ハンドルの一端の側に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ハンドルは、他端が揺動可能に支持され、
さらに、前記ハンドルの他端に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する第２多軸力覚センサを備えることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの一端の側に設けられており、
前記第２多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの他端に設けられていることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項４】
基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力覚検出装置を備えることを特徴とする車輪型ロボット。
【請求項１】
一端が揺動可能に支持されたハンドルと、
前記ハンドルの一端の側に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する多軸力覚センサとを備えることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記ハンドルは、他端が揺動可能に支持され、
さらに、前記ハンドルの他端に設けられ、前記ハンドルを介して付与される力を検出する第２多軸力覚センサを備えることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの一端の側に設けられており、
前記第２多軸力覚センサは、互いに直交する３軸の方向に付与される力をそれぞれ検出する３軸力覚センサであり、前記３軸の１つを前記ハンドルの軸方向と一致させて前記ハンドルの他端に設けられていることを特徴とする力覚検出装置。
【請求項４】
基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の力覚検出装置を備えることを特徴とする車輪型ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−８２０４（Ｐ２０１０−８２０４Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６７４３１（Ｐ２００８−１６７４３１）
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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