CN104412191A - 移动体以及移动体系统 - Google Patents

Abstract

本发明的课题是，提供一种以简单的结构能够越过台阶的移动体以及移动体系统。为了解决所述课题，实施方式的一个方式的移动体(1)具备移动部(20)、上体部(10)和控制部(23a)。移动部(20)具有：沿行进方向的前后配置的多个驱动轮(22、24)。上体部(10)由移动部(20)支承，并且被设置成能够改变关于行进方向的重心位置。控制部(23a)对上体部(10)发出根据路面的状态来改变重心位置的指示。

Description

移动体以及移动体系统

技术领域

本发明公开的实施方式涉及移动体以及移动体系统。

背景技术

以往，已知有一种移动机器人：其具备使用了车轮的移动机构，能够在地面等上行走并且移动。所述移动机器人例如在工厂、研究所或办公室这样的多种场合下、具有搬运物体或引导客人这样的多种用途。

但是，地面等往往因例如电缆的布线或作业方案的原因等而出现台阶的情况较多。而且，在所述台阶的高度超过车轮半径的情况下，使用了车轮的移动机构越过该台阶是很困难的。

因此，提出了不受台阶的限制就能够移动的移动机构，例如有具备履带的结构或者具备脚轮机构的结构，所述脚轮机构在主体上所设的自由伸缩的脚部的前端具有车轮(例如参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2003-205480号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，现有的移动机器人，在越过台阶的方面还需要履带或脚轮机构这样复杂的机构，在这一点上还有进一步改善的余地。

另外，由于机构复杂，所以在平常的移动时也需要较多的动力，并存在行走效率低的问题。在这一点上，仅使用了车轮的移动机构虽然结构简单，并且行走效率也高，但如上所述，在台阶的高度超过车轮半径的情况下，无法越过该台阶。

此外，所述课题不仅在移动机器人中、而且在所有的移动体中都是共同的课题。

本发明实施方式的一个方式是鉴于上述情况而完成的，其目的是，提供一种以简单的结构就能够越过台阶的移动体以及移动体系统。

用于解决课题的手段

本发明实施方式的一个方式的移动体具备移动部、上体部和控制部。所述移动部具有：沿行进方向的前后配置的多个驱动轮。所述上体部由所述移动部支承，并且被设置成能够改变关于所述行进方向的重心位置。所述控制部对所述上体部发出根据路面的状态来改变所述重心位置的指示。

发明的效果

根据本发明实施方式的一个方式，能够以简单的结构越过台阶。

附图说明

图1A是表示实施方式的移动机器人的结构的正面示意图。

图1B是表示实施方式的移动机器人的结构的侧面示意图。

图2A是台阶跨越的基本观点的说明图(其1)。

图2B是台阶跨越的基本观点的说明图(其2)。

图3是表示移动机器人的结构的框图。

图4是重心位置变更部执行的重心位置控制处理的说明图。

图5是台阶跨越控制部中的防滑控制处理的说明图。

图6是表示移动机器人的动作顺序的流程图。

图7A是表示变形例的移动机器人的结构的侧面示意图。

图7B是表示变形例的移动体的结构的侧面示意图。

具体实施方式

以下参照附图，对本申请公开的移动体以及移动体系统的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不受以下所示的实施方式限定。

另外，在以下所示的实施方式中，对移动体是具备移动机构的移动机器人进行说明。另外，以下在提及“台阶面”的情况下，都是指形成台阶的侧壁面。

图1A是表示实施方式的移动机器人1的结构的正面示意图。另外，图1B是表示实施方式的移动机器人1的结构的侧面示意图。

此外，在以图1A以及图1B为首的各图中，从容易理解说明的观点出发，仅示意性地示出了移动机器人1。因此，前轮22以及后轮24(都在后面说明)看上去都是从躯体部21(后述)分离，但实际上是连接的。

另外，在图1A以及图1B中，为了容易理解说明，图示了包含以铅垂向上为正方向的Z轴在内的三维的正交坐标系。因此，沿着XY平面的方向是指“水平方向”。在用于以下说明的其他附图中，有时也会适当地表示所述正交坐标系。此外，在本实施方式的说明中，将移动机器人1设为，以X轴的正方向为行进方向进行移动(参照图1B)。

如图1A所示，移动机器人1具备上体部10和移动部20。上体部10具备主体部11和腰部12。

移动部20具备躯体部21和一对前轮22。前轮22分别具有1对1对应关系的电机m。电机m分别驱动对应的前轮22。因此，前轮22都是驱动轮。

另外，如图1B所示，移动部20具备后轮24。此外，虽然在图1B中没有示出，但后轮24也具备一对。而且，后轮24也分别具有1对1对应关系的电机m，并分别由所述电机m驱动。因此，后轮24也都是驱动轮。即、移动部20采用四轮驱动方式。

此外，只要车轮和电机m是1对1对应关系，移动部20也可以不是四轮驱动方式。例如，可以是前后轮各一个轮的二轮驱动方式，也可以是前两个轮、后一个轮等的三轮驱动方式。

在这里，如图1A所示，各个电机m分别被控制装置23控制，所述控制装置23收纳在躯体部21中(参照图中的箭头102)。此外，控制装置23的配置位置并不仅限于图示的例子，例如，也可以将控制装置23配置成与移动机器人1分离，并通过无线通信等进行远程控制。关于控制装置23的结构的详细情况，使用图3在后面进行说明。

另外，如图1A以及图1B所示，躯体部21用于支承在腰部12围绕腰轴AXy能够转动的上体部10(参照图1A的双箭头101)。因此，根据在所述腰部12中的围绕腰轴AXy的转动，整个上体部10能够改变重心位置。

此外，腰轴AXy是在俯视观察时与行进方向大致正交的转动轴。另外，腰部12的转动量由上述控制装置23控制。关于这一点的详细情况，使用图4在后面进行说明。

而且，如图1B所示，实施方式的移动机器人1在地面501上行走的过程中、与高度h超过车轮半径R的台阶面502抵接时，通过改变上述的重心位置并且控制全驱动轮的滑移率，由此，使前轮22以及后轮24能可靠地附着在地面501以及台阶面502、并越过台阶。

以下，对所述控制的详细情况依次进行说明。此外，在本实施方式中，对于一对前轮22同时与台阶面502抵接的情况进行说明。另外，将台阶面502设为与地面501垂直。

首先，关于用于使移动机器人1跨越台阶的基本观点，使用图2A以及图2B进行说明。图2A以及图2B是台阶跨越的基本观点的说明图。此外，在图2A中，仅示意性地示出了说明所需的前轮22以及后轮24。

一般来说，在移动机构使用了车轮的情况下，难以越过高度h超过车轮半径R的台阶。但是，在这里，如果能够将前轮22与台阶面502、以及后轮24与地面501维持为粘着状态，即、如果使前轮22以及后轮24不滑移而呈持续附着的状态，就能够越过台阶。

对此进行具体说明。首先，设定移动机器人1的重量(以下称为“车身重量”)为M，重力加速度为g，前轮22的重量相对于车身重量M的比例为k。另外，设定前轮22以及台阶面502之间的摩擦系数为μ_f，后轮24以及地面501之间的摩擦系数为μ_r。

在所述情况下，如图2A所示，如果向台阶面502压紧的压紧力为F，则“F＝μ_r(1-k)Mg”。另外，如果向台阶面502驱动的驱动力为F_d，则“F_d＝μ_fF”。

另外，如图2A所示，对前轮22施加的负载F_df成为“F_df＝kMg”，对后轮24施加的负载F_dr成为“F_dr＝(1-k)Mg”。

从这些关系式可知，上方向位移为V_y时的前轮22的与上下方向相关的运动，用下式(1)表示。

[数式1]

$\mathrm{kM}{\stackrel{\·}{V}}_y=F_d-F_{\mathrm{df}}={\mathrm{\μ}}_{f}F-\mathrm{kMg}={\mathrm{\μ}}_f\left\{{\mathrm{\μ}}_r(1-k)M\right\}-\mathrm{Mkg}...\left(1\right)$

基于所述式(1)，在本实施方式中，为了抬起移动机器人1，进行了如下的“台阶跨越控制”：减小前轮22的重量相对于车身重量M的比例即k(以下有时记作“参数k”)，并增大摩擦系数μ_f以及摩擦系数μ_r。

具体而言，在本实施方式中，如图2B所示，前轮22前进直到与台阶面502抵接，如果确保了压紧力F，通过使腰部12围绕腰轴AXy转动而改变主体部11的倾斜，由此使上体部10的重心位置改变(参照图中的箭头201)。因此，减小参数k，就能够减小对前轮22施加的负载F_df。

而且，如图2B所示，通过控制成将前轮22以及后轮24的滑移率纳入合适的范围内，由此，可以维持较高的摩擦系数μ_f以及摩擦系数μ_r，在由闭合曲线C1包围的部分以及由闭合曲线C2包围的部分保持为粘着状态的同时前进(参照图中的箭头202)，并抬起前轮22(参照图中的箭头203)。

由此，根据本实施方式，以使用了车轮的简单的结构，就能够越过高度超过车轮半径的台阶。另外，由于结构简单，因此还能够获得有助于小型化和低成本化的优点。

其次，对于包含进行上述“台阶跨越控制”的控制装置23在内的移动机器人1的框架结构，使用图3进行说明。图3是表示移动机器人1的结构的框图。

此外，在图3中，仅示出了本实施方式的说明所需的构成要素，并省略了关于一般的构成要素的记载。另外，关于多个构成要素，对其附图标记标注了“-序号”形式的编号，但在汇总说明这些多个构成要素的情况下，有时会有不使用“-序号”的编号而仅使用附图标记进行说明的情况。

如图3所示，移动机器人1具备上体部10、移动部20、控制装置23和速度检测部25。

另外，上体部10具备重心位置变更机构15。重心位置变更机构15是使上述腰部12围绕腰轴AXy转动的机构。另外，移动部20具备：分别与车轮对应的电机m。

另外，控制装置23具备：台阶跨越控制部23a；重心位置变更部23b；和分别与电机m对应的电机驱动部23c。

台阶跨越控制部23a进行与台阶跨越控制相关的整体控制。具体而言，首先，台阶跨越控制部23a在进行台阶跨越控制时，为了使上述参数k减小而对重心位置变更部23b生成、并输出使重心位置变更机构15工作的指令。

重心位置变更部23b用于确定腰部12的转动量以使参数k变成合适的较小的值，并对重心位置变更机构15发出指示以便以确定后的转动量使腰部12转动。

在这里，关于重心位置变更部23b进行的处理的详细情况，使用图4进行说明。图4是重心位置变更部23b执行的重心位置控制处理的说明图。

如图4所示，设定躯体部21的重量相对于车身重量M的比例为α，上体部10的重量相对于车身重量M的比例为(1-α)，从车身重心到前轮22的X轴方向的距离为l_f，同样从车身重心到后轮24的X轴方向的距离为l_r，上体部10的倾斜度为θ，从车身重心到上体部10的重心的距离为l_b。另外，如上所述，对前轮22施加的负载为F_df，对后轮24施加的负载为F_dr。

在这里，考虑到上下方向的力的平衡以及围绕车身重心的力矩，由下式(2)以及式(3)能够求出负载F_df。

[数式2]

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{dr}}+F_{\mathrm{df}}=\mathrm{Mg\α}+(1-\mathrm{\α})\mathrm{Mg}\\ F_{\mathrm{dr}}{l}_r-F_{\mathrm{df}}{l}_f-(1-\mathrm{\α})\mathrm{Mg}{l}_b\sin \mathrm{\θ}=0\end{array}\right....\left(2\right)$

[数式3]

$F_{\mathrm{df}}=\left(\frac{l_r+(\mathrm{\α}-1)l_b\sin \mathrm{\θ}}{l_r+l_f}\right)\mathrm{Mg}=\mathrm{kMg}...\left(3\right)$

因此，关于参数k，在解开式(3)时，能够导出下式(4)。

[数式4]

$k=\frac{l_r+(\mathrm{\α}-1)l_b\sin \mathrm{\θ}}{l_r+l_f}...\left(4\right)$

在这里，关于前轮22上升至台阶面502的条件，由于向上述台阶面502驱动的驱动力F_d大于对前轮22施加的负载F_df，所以下式(5)的关系成立。

[数式5]

F_d＞F_df        …(5)

对于所述式(5)的两边，如果应用由图2A说明的“F_d＝μ_fF”以及“F_df＝kMg”，则能够得到下式(6)。

[数式6]

μ_fF＞kMg        …(6)

而且，关于参数k，在解开式(6)时，能够导出下式(7)。

[数式7]

$k<\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{f}F}{\mathrm{Mg}}...\left(7\right)$

而且，如果将上述式(4)应用于式(7)左边的参数k，则下式(8)的关系成立。

[数式8]

$\frac{l_r+(\mathrm{\&alpha;}-1)l_b\sin \mathrm{\&theta;}}{l_r+l_f}<\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{f}F}{\mathrm{Mg}}...\left(8\right)$

因此，以满足所述式(8)的关系的方式，重心位置变更部23b只要确定倾斜度θ(即、腰部12的转动量)即可。

返回至图3的说明。另外，台阶跨越控制部23a用于进行如下控制(以下记作“防滑控制”)：维持较高的上述摩擦系数μ_f以及摩擦系数μ_r，并使前轮22以及后轮24能够可靠地附着在台阶面502和地面501而不会滑移。

台阶跨越控制部23a基于所述防滑控制而生成使电机m驱动的指令，并输出到电机驱动部23c。此外，所述指令包含：控制电机m的扭矩(驱动力)的控制值。

在这里，使用图5，对台阶跨越控制部23a中的防滑控制处理的详细情况进行说明。图5是台阶跨越控制部23a中的防滑控制处理的说明图。

此外，防滑控制包含：基于实际的移动体的速度(包含加速度)对滑移率进行的控制即“滑移控制”，所述滑移率表示电机m和移动体(这里是移动机器人1)的速度差。由于“滑移控制”作为公知技术是众所周知的，因此在这里省略了详细说明。

在图5中，示出了在横轴表示滑移率、且纵轴表示摩擦系数时所描绘的曲线。如图5所示，关于滑移率和摩擦系数的关系，虽然示出了随着滑移率变大而存在摩擦系数上升至某一程度为止的趋势，但如果滑移率超过“合适的范围”，则存在摩擦系数下降的趋势。

因而，一般来说，当为了得到较大的驱动力、而轻易地增大电机m的扭矩时，电机m和移动体的速度差容易变大，即、由于滑移率容易升高，所以容易陷入如图5所示的低摩擦系数的“滑行状态”。

因此，在所述情况下，移动机器人1越过台阶是很困难的。而相反，如果过度地限制电机m的扭矩，则电机m和移动体的速度差虽然变小，但可能会导致摩擦系数不足。

在此，台阶跨越控制部23a基于从速度检测部25取得的移动机器人1的速度，以使滑移率纳入合适的范围的方式适当地计算出对电机m的扭矩进行控制的控制值，并将利用计算出的控制值来驱动电机m的指令输出到电机驱动部23c。

返回至图3的说明。而且，电机驱动部23c基于从台阶跨越控制部23a接收的指令中所包含的控制值，来驱动电机m。

重心位置变更机构15实际上以从重心位置变更部23b接收的指示中所包含的腰部12的转动量而使腰部12转动，并改变上体部10的重心位置。电机m分别使对应的驱动轮(前轮22以及后轮24)驱动，从而使移动部20实际行走。

速度检测部25可适当地检测出实际的移动机器人1的速度，并向台阶跨越控制部23a反馈。

接下来，使用图6，来说明实施方式的移动机器人1的动作顺序。图6是表示移动机器人1的动作顺序的流程图。此外，图6主要示出了台阶跨越时的动作顺序。另外，在前轮22侧以及后轮24侧进行的动作控制是大致相同的，图6示出了这两者。

首先，从前轮22侧进行说明。如图6所示，移动机器人1前进直到前轮22与台阶面502抵接(步骤S101)，并确保向台阶面502压紧的压紧力F(步骤S102)。

而且，基于控制装置23的台阶跨越控制部23a的控制，对上体部10的重心位置进行调节(步骤S103)。

接着，基于台阶跨越控制部23a的控制，为了使滑移率位于合适的范围，对全驱动轮(即前轮22以及后轮24)进行防滑控制(步骤S104)。

而且，基于上述的防滑控制对前轮22以及后轮24的驱动力进行控制，并且在前进的同时抬起前轮22(步骤S105)。

接下来，对后轮24侧进行说明。此外，在后轮24侧的情况下，在维持了前轮22与跨越后的台阶上的地面之间的摩擦系数的同时，进行驱动以使前轮22附着。

如图6所示，与前轮22的情况相同，移动机器人1前进直到后轮24与台阶面502抵接(步骤S106)，并确保向台阶面502压紧的压紧力F(步骤S107)。

而且，基于控制装置23的台阶跨越控制部23a的控制，对上体部10的重心位置进行调节(步骤S108)。

接着，基于台阶跨越控制部23a的控制，为了使滑移率位于合适的范围，对全驱动轮进行防滑控制(步骤S109)。

而且，基于上述的防滑控制对前轮22以及后轮24的驱动力进行控制，并且在前进的同时抬起后轮24(步骤S110)，从而结束了一系列的台阶跨越动作。

如上所述，实施方式的移动机器人(移动体)具备移动部、上体部和台阶跨越控制部(控制部)。移动部具有：沿行进方向的前后配置的多个驱动轮。上体部由移动部支承，并且被设置成能够改变关于行进方向的重心位置。台阶跨越控制部对上体部发出根据路面的状态来改变重心位置的指示。

因此，根据实施方式的移动机器人，以简单的结构就能够越过台阶。

然而，在上述实施方式中，每当改变上体部的重心位置时，通过使上体部的腰部围绕腰轴转动，由此，使整个上体部倾斜，以该情况为例进行了说明，但并不仅限于此。另外，移动体也可以不是移动机器人。

关于所述情况的变形例，使用图7A以及图7B进行说明。图7A是表示变形例的移动机器人1A的结构的侧面示意图，图7B是表示变形例的移动体1B的结构的侧面示意图。

如图7A所示，变形例的移动机器人1A在上体部10A具备臂部13。在所述移动机器人1A的情况下，例如通过使臂部13摆动(参照图中的箭头701)，由此能够改变上体部10A的重心位置。

此外，如图7A所示，可以组合使用所述臂部13的运动和围绕腰轴的运动(参照图中的箭头702)。

另外，如图7B所示，可以用移动体1B构成而不用移动机器人，上体部10B具备平衡器30。所述情况与目前为止的情况相同，通过使平衡器30倾斜(参照图中的箭头703)，由此能够改变上体部10B的重心位置。

另外，到目前为止，对通过改变倾斜度来改变重心位置的情况进行了说明，但对用于使重心位置改变的方法没有限制。例如，也可以通过使流体移动，来改变重心位置。

另外，在上述实施方式中，图1示出了电机被装备于车轮的轮毂内部的轮毂电机，但对用于驱动车轮的驱动部的结构没有限制。例如，也可以是将减速齿轮组合在电机中从而驱动车轮的结构。

另外，在上述实施方式中，以越过具有与地面垂直的台阶面的台阶的情况为例进行了说明，但并不仅限于此。例如，也可以应用于在倾斜度起伏的凹凸状的地面上移动的情况。即、移动体根据路面的状态对上体部的倾斜度进行调节，并且在进行防滑控制的同时、进行移动即可。

对于本领域技术人员来说，能够容易地导出进一步的效果或变形例。因而，本发明的更宽范围的方式并不限于以上表述的特定的详细情况以及有代表性的实施方式。因此，在不脱离附加的权利要求书、以及由其等同物定义的概括性的发明概念的精神或范围内，能够进行各种变更。

附图标记的说明

1、1A：移动机器人

1B：移动体

10、10A、10B：上体部

11：主体部

12：腰部

13：臂部

15：重心位置变更机构

20：移动部

21：躯体部

22：前轮

23：控制装置

23a：台阶跨越控制部

23b：重心位置变更部

23c：电机驱动部

24：后轮

25：速度检测部

30：平衡器

501：地面

502：台阶面

AXy：腰轴

m：电机

Claims (7)

1.一种移动体，其特征在于，具备：

移动部，其具有沿行进方向的前后配置的多个驱动轮；

上体部，其由所述移动部支承，并且被设置成能够关于所述行进方向改变重心位置；以及

控制部，其对所述上体部发出根据路面的状态来改变所述重心位置的指示。

2.如权利要求1所述的移动体，其特征在于，

所述移动体还具备：对所述移动体的速度进行检测的速度检测部，

所述控制部在使所述驱动轮与形成台阶的侧壁面即台阶面抵接的状态下，基于由所述速度检测部检测的速度，利用以使该驱动轮的滑移率纳入规定范围的数值的方式进行调节后的驱动力，来驱动所述驱动轮。

3.如权利要求1或2所述的移动体，其特征在于，

所述上体部以俯视时能够围绕与所述行进方向大致正交的转动轴转动的方式，由所述移动部支承，

所述控制部根据路面的状态而使所述上体部围绕所述转动轴转动从而改变所述重心位置。

4.如权利要求3所述的移动体，其特征在于，

所述控制部在使所述驱动轮与所述台阶面抵接的状态下，利用以使对该驱动轮施加的负载、小于由该驱动轮对该台阶面施加的驱动力的方式进行调节后的转动量，使所述上体部围绕所述转动轴转动。

5.如权利要求1所述的移动体，其特征在于，

所述上体部具有：基端部以能够转动的方式由该上体部支承的臂部，

所述控制部通过使所述上体部转动所述臂部来改变所述重心位置。

6.一种移动体系统，其特征在于，

所述移动体系统具备移动体和控制部，

所述移动体具备移动部和上体部，所述移动部具有沿行进方向的前后配置的多个驱动轮；所述上体部由所述移动部支承，并且被设置成能够关于所述行进方向改变重心位置；

所述控制部对所述上体部发出根据路面的状态来改变所述重心位置的指示。

7.如权利要求6所述的移动体系统，其特征在于，

所述移动体系统还具备：对所述移动体的速度进行检测的速度检测部，

所述控制部在使所述驱动轮与形成台阶的侧壁面即台阶面抵接的状态下，基于由所述速度检测部检测的速度，利用以使该驱动轮的滑移率纳入规定范围的数值的方式进行调节后的驱动力，来驱动所述驱动轮。