JP2009008648A - Three-dimensional distance measuring device and caster-type robot - Google Patents

Three-dimensional distance measuring device and caster-type robot Download PDF

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JP2009008648A JP2007270138A JP2007270138A JP2009008648A JP 2009008648 A JP2009008648 A JP 2009008648A JP 2007270138 A JP2007270138 A JP 2007270138A JP 2007270138 A JP2007270138 A JP 2007270138A JP 2009008648 A JP2009008648 A JP 2009008648A
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Isayuki Sagayama
功幸 嵯峨山
Kazuteru Hida
和輝 飛田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-dimensional distance measuring device and a caster type robot equipped with the device capable of scanning a scan area without being hindered by a drive mechanism of a distance measuring sensor. <P>SOLUTION: The three-dimensional distance measuring device 200 includes a two-dimensional distance measuring device 112, a motor 116, an encoder 118, pulleys 120a, 120b, and a belt 121. A first rotating shaft of the motor 116 is engaged with the pulley 120a to become a rotating shaft of the pulley 120a, and the pulley 120a is rotationally driven by the rotational driving force of the motor 116. The pulleys 120a, 120b are disposed so that the positions of axes A, B are spaced by a predetermined distance in a horizontal direction, and the rotational driving force of the pulley 120a is transmitted to the pulley 120b through the belt 121. The pulley 120b and a second rotating shaft for rotationally driving the two-dimensional distance measuring device 112 are engaged to rotate the second rotating shaft interlocked with the rotation of the pulley 120b. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測距センサ及び回転駆動機構を含んで構成される3次元距離測定装置に係り、特に、所定回転角度範囲内において、前記回転駆動機構を含む駆動機構に阻害されずに、測距センサで走査範囲を走査することが可能な3次元距離測定装置及び当該装置を有する脚車輪型ロボットに関する。   The present invention relates to a three-dimensional distance measuring apparatus including a distance measuring sensor and a rotation driving mechanism, and in particular, within a predetermined rotation angle range, the distance measurement is not hindered by the driving mechanism including the rotation driving mechanism. The present invention relates to a three-dimensional distance measuring device capable of scanning a scanning range with a sensor and a leg-wheel type robot having the device.

従来、2次元レンジセンサ、レーザレンジファインダ、測域センサ、平面センサなどの2次元距離測定装置を回転駆動して3次元の距離情報を測定する3次元距離測定装置がある。例えば、平面センサを用いた3次元距離測定装置として、非特許文献1に記載の技術がある。
非特許文献1では、環境をくまなくスキャンするために、平面センサを360[°]以上回転できるようにしている。
上田達朗、川田浩彦、冨沢哲雄、大矢晃久、油田信一「無限回転機構を用いた3次元測域センサ」、ロボディクスメカトロニクス講演会06、2P1-C16
Conventionally, there is a three-dimensional distance measuring device that measures three-dimensional distance information by rotationally driving a two-dimensional distance measuring device such as a two-dimensional range sensor, a laser range finder, a range sensor, or a flat sensor. For example, there is a technique described in Non-Patent Document 1 as a three-dimensional distance measuring device using a flat sensor.
In Non-Patent Document 1, in order to scan the entire environment, the planar sensor can be rotated by 360 [°] or more.
Tatsuro Ueda, Hirohiko Kawada, Tetsuo Serizawa, Akihisa Oya, Shinichi Yuta “3D range sensor using infinite rotation mechanism”, Robodia Mechatronics Lecture 06, 2P1-C16

しかしながら、上記非特許文献1の従来技術では、平面スキャナを360[°]以上回転させるために、平面スキャナを駆動する全ての機構をその下部の一箇所に集める構成としている。そのため、縦に長い機構となり、スペースファクタ的に不利になる場合がある。
また、上記非特許文献1の従来技術では、360[°]以上回転できる機構とするために、配線を行わずに通信及び電源の供給ができるスリップリングを用いているため、接点寿命の問題が発生する。なお、通信部を無線化しても電源の配線は必要となる。また、その電源をバッテリで補っても、重量増、バッテリ持続時間などの問題が発生する。
However, in the prior art of Non-Patent Document 1, in order to rotate the planar scanner by 360 [°] or more, all the mechanisms for driving the planar scanner are gathered in one place below the planar scanner. For this reason, the mechanism is long in the vertical direction, which may be disadvantageous in terms of space factor.
Further, in the conventional technique of Non-Patent Document 1, since a slip ring that can communicate and supply power without performing wiring is used in order to achieve a mechanism capable of rotating 360 [°] or more, there is a problem of contact life. appear. Even if the communication unit is made wireless, power supply wiring is required. Moreover, even if the power supply is supplemented with a battery, problems such as an increase in weight and battery duration occur.

また、環境認識、形状認識、障害物回避等において、人間が活動できるように整備された空間であれば、必ずしも360[°]以上の回転機構がなくても十分な測定情報は得られる。
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り、所定の回転角度範囲において、測距センサの駆動機構に阻害されずに走査範囲を走査することが可能な3次元距離測定装置及び当該装置を備えた脚車輪型ロボットを提供することを目的としている。
In addition, sufficient measurement information can be obtained even if there is no rotation mechanism of 360 [°] or more if the space is prepared so that humans can be active in environment recognition, shape recognition, obstacle avoidance, and the like.
Therefore, the present invention has been made paying attention to such an unsolved problem of the conventional technique, and scans the scanning range without being disturbed by the driving mechanism of the distance measuring sensor within a predetermined rotation angle range. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional distance measuring device that can be used and a leg-wheel type robot including the device.

〔発明1〕 上記目的を達成するために、発明1の3次元距離測定装置は、測定距離範囲内に存在する物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサを、その測定方向に対して直交する2つの軸のうち一方の軸まわりに回転駆動させる第1の回転機構と、前記測距センサを、前記第1の回転機構と共に、前記測定方向に対して直交する2つの軸のうち前記第1の回転機構とは異なる方向の軸まわりに回転駆動させる第2の回転機構とを有し、前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構を所定の回転角度ずつ回転駆動しながら前記測距センサによって距離を測定することで、前記物体の3次元の距離を測定する3次元距離測定装置であって、前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構の少なくとも一方の回転駆動を所定の回転角度範囲内で行うと共に、当該回転角度範囲内の回転駆動によって前記測距センサが走査する走査範囲外に、前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構含む自己の駆動機構を設けたことを特徴とする。   [Invention 1] In order to achieve the above object, a three-dimensional distance measuring apparatus according to Invention 1 includes a distance measuring sensor for measuring a distance to a measurement point on an object existing within a measurement distance range, and the distance measuring sensor. The first rotation mechanism that rotates around one of the two axes orthogonal to the measurement direction, and the distance measuring sensor, together with the first rotation mechanism, orthogonal to the measurement direction A second rotating mechanism that rotates around an axis in a direction different from that of the first rotating mechanism, and the first rotating mechanism and the second rotating mechanism are rotated in a predetermined rotation. A three-dimensional distance measuring device for measuring a three-dimensional distance of the object by measuring a distance by the distance measuring sensor while rotationally driving each angle, wherein the first rotating mechanism and the second rotating mechanism At least one of the rotational drives The self-drive mechanism including the first rotation mechanism and the second rotation mechanism is provided outside the scanning range in which the distance measuring sensor scans by the rotation driving within the rotation angle range. It is characterized by that.

このような構成であれば、測距センサは、その測定方向に対して直交する2つの軸のうち一方の軸まわりに回転駆動し、且つ、測距センサ及び第1の回転機構は、前記測定方向に対して直交する2つの軸のうち他方の軸まわりに回転駆動しながら物体上の測定点までの距離を測定することが可能である。
また、第1の回転機構及び第2の回転機構の少なくとも一方の回転駆動による走査を、所定の回転角度範囲内において、測距センサの駆動機構に阻害されずに行うことが可能である。
ここで、所定の回転角度とは、環境認識、形状認識、障害物回避等を行うのに十分な距離データが得られる走査範囲の角度である。
With such a configuration, the distance measuring sensor is driven to rotate around one of two axes orthogonal to the measuring direction, and the distance measuring sensor and the first rotating mechanism are It is possible to measure the distance to the measurement point on the object while rotationally driving around the other axis out of the two axes orthogonal to the direction.
Further, it is possible to perform scanning by rotation driving of at least one of the first rotation mechanism and the second rotation mechanism within a predetermined rotation angle range without being hindered by the distance sensor driving mechanism.
Here, the predetermined rotation angle is an angle of a scanning range in which sufficient distance data can be obtained for environment recognition, shape recognition, obstacle avoidance, and the like.

〔発明2〕 更に、発明2の3次元距離測定装置は、発明1の3次元距離測定装置において、前記第2の回転機構は、回転駆動力を発生する回転駆動装置を含み、
前記回転駆動装置の第1の回転軸と、前記測距センサ及び前記第1の回転機構を共に回転させる第2の回転軸とを水平方向にずらして設けると共に、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を、所定の動力伝達機構を介して前記第2の回転軸に伝達する構成としたことを特徴とする。
このような構成であれば、前記測距センサ及び前記第1の回転機構とから構成される2次元距離測定装置と、前記第2の回転機構とを水平方向に並べて配設することが可能である。
[Invention 2] Further, the three-dimensional distance measurement device of Invention 2 is the three-dimensional distance measurement device of Invention 1, wherein the second rotation mechanism includes a rotation drive device that generates a rotation drive force,
A first rotation shaft of the rotation drive device and a second rotation shaft that rotates both the distance measuring sensor and the first rotation mechanism are provided to be shifted in the horizontal direction, and the first rotation shaft of the rotation drive device is provided. The rotary driving force of the rotary shaft is transmitted to the second rotary shaft through a predetermined power transmission mechanism.
With such a configuration, it is possible to arrange the two-dimensional distance measuring device including the distance measuring sensor and the first rotating mechanism and the second rotating mechanism side by side in the horizontal direction. is there.

〔発明3〕 更に、発明3の3次元距離測定装置は、発明2の3次元距離測定装置において、前記動力伝達機構は、複数の滑車及び各滑車に動力を伝達するベルトを介して、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を、前記第2の回転軸に伝達する構成となっていることを特徴とする。
このような構成であれば、回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を滑車に伝達することが可能であり、各滑車間の動力をベルトを介して伝達することが可能であり、伝達された滑車の回転力を第2の回転軸に伝達することが可能である。
[Invention 3] Further, the three-dimensional distance measuring device according to Invention 3 is the three-dimensional distance measuring device according to Invention 2, wherein the power transmission mechanism rotates the rotation via a plurality of pulleys and a belt that transmits power to each pulley. The rotational driving force of the first rotating shaft of the driving device is transmitted to the second rotating shaft.
With such a configuration, it is possible to transmit the rotational driving force of the first rotating shaft of the rotational driving device to the pulley, and it is possible to transmit the power between the pulleys via the belt. It is possible to transmit the transmitted rotational force of the pulley to the second rotating shaft.

〔発明4〕 更に、発明4の3次元距離測定装置は、発明2の3次元距離測定装置において、前記動力伝達機構は、複数の歯車を介して、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を前記第2の回転軸に伝達する構成となっていることを特徴とする。
このような構成であれば、回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を複数の歯車を介して第2の回転軸へと伝達することが可能である。
[Invention 4] Furthermore, the three-dimensional distance measuring device of Invention 4 is the three-dimensional distance measuring device of Invention 2, wherein the power transmission mechanism is connected to the first rotating shaft of the rotary drive device via a plurality of gears. The rotary driving force is transmitted to the second rotary shaft.
With such a configuration, it is possible to transmit the rotational driving force of the first rotational shaft of the rotational drive device to the second rotational shaft via a plurality of gears.

〔発明5〕 更に、発明5の3次元距離測定装置は、発明1乃至4のいずれか1の3次元距離測定装置において、前記第1の回転機構を制御して、前記測距センサを、前記第1の回転機構の回転方向に、所定の回転角度ずつ回動させると共に、前記測距センサによって各回転角度に応じた距離情報を測定する処理である第1走査処理を行う第1走査手段と、前記第1走査手段によって測定された、各測定点の距離情報とその周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出する勾配算出手段と、前記勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出する出現頻度算出手段と、前記出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、前記測距センサの測定平面内に存在する物体の形状を認識する形状認識手段と、を備えることを特徴とする。   [Invention 5] Further, the three-dimensional distance measuring device according to Invention 5 is the three-dimensional distance measuring device according to any one of Inventions 1 to 4, wherein the first rotation mechanism is controlled, and the distance measuring sensor is A first scanning unit that rotates a predetermined rotation angle in the rotation direction of the first rotation mechanism, and performs a first scanning process that is a process of measuring distance information according to each rotation angle by the distance measuring sensor; The gradient calculation means for calculating the gradient for each measurement point based on the distance information for each measurement point and the distance information for the surrounding measurement points, measured by the first scanning means, and calculated by the gradient calculation means Based on the appearance frequency calculation means for calculating the appearance frequency of each gradient based on the gradient of each measurement point, the appearance frequency of each gradient calculated by the appearance frequency calculation means, and the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient Of the distance measuring sensor It characterized in that it comprises a recognizing shape recognition means the shape of the object existing in a constant plane.

このような構成であれば、第1走査手段によって、第1の回転機構を制御して、前記測距センサを、前記第1の回転機構の回転方向に、所定の回転角度ずつ回動させると共に、前記測距センサによって各回転角度に応じた距離情報を測定する処理である第1走査処理を行うことが可能である。
また、勾配算出手段によって、第1走査手段によって測定された、各測定点の距離情報とその周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出することが可能であり、出現頻度算出手段によって、勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出することが可能であり、形状認識手段によって、出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、前記測距センサの測定平面内に存在する物体の詳細な形状を認識することが可能である。
With such a configuration, the first scanning mechanism is controlled by the first scanning unit to rotate the distance measuring sensor by a predetermined rotation angle in the rotation direction of the first rotation mechanism. The first scanning process, which is a process for measuring distance information corresponding to each rotation angle by the distance measuring sensor, can be performed.
In addition, the gradient calculation unit can calculate the gradient for each measurement point based on the distance information of each measurement point and the distance information of the surrounding measurement points measured by the first scanning unit. The frequency calculation means can calculate the appearance frequency of each gradient based on the gradient of each measurement point calculated by the gradient calculation means, and the shape recognition means can calculate the appearance frequency of each gradient calculated by the appearance frequency calculation means. It is possible to recognize the detailed shape of the object existing in the measurement plane of the distance measuring sensor based on the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient.

ここで、勾配算出手段は、例えば、直交座標系において複数個の測定値に対する回帰直線を公知の最小二乗法で近似すると共に、この回帰直線から勾配を算出したり、直交座標系において一方の軸方向の複数の測定点を間に挟む両端2つの測定値の差分値と、他方の軸方向の複数の測定点を間に挟む両端2つの測定値の差分値とを用いて勾配を算出したりする。
また、形状認識手段は、各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、測定平面内に存在する物体の凹凸を認識する。例えば、勾配が0又は略0の測定点が連続する場合は、そこに平面があると認識することが可能である。
Here, the gradient calculation means, for example, approximates a regression line for a plurality of measured values in a Cartesian coordinate system by a known least square method, calculates a gradient from the regression line, or uses one axis in the Cartesian coordinate system. A gradient is calculated using a difference value between two measurement values sandwiched between a plurality of measurement points in the direction and a difference value between two measurement values sandwiched between the plurality of measurement points in the other axial direction. To do.
Further, the shape recognition means recognizes the unevenness of the object existing in the measurement plane based on the appearance frequency of each gradient and the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient. For example, when measurement points having a gradient of 0 or substantially 0 are continuous, it can be recognized that there is a plane there.

〔発明6〕 更に、発明6の3次元距離測定装置は、発明5の3次元距離測定装置において、1つの前記測定平面に対する前記第1走査処理が終了する毎に、前記第2の回転機構を制御して、前記測距センサを前記第1の回転機構と共に、前記第2の回転機構の回転方向に所定の回転角度ずつ回動させる処理である第2走査処理を行う第2走査手段を備え、前記第1走査手段は、前記第2走査処理において、前記測距センサが前記所定の回転角度の回動をする毎に前記第1走査処理を実行し、前記勾配算出手段は、前記測定平面毎に、前記第1走査処理によって測定された、各測定点の距離情報と、その周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出し、前記出現頻度算出手段は、前記測定平面毎に、前記勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出し、前記形状認識手段は、前記測定平面毎に、前記出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、前記測定平面内に存在する物体の形状を認識することを特徴とする。   [Invention 6] Furthermore, the three-dimensional distance measurement device of Invention 6 is the three-dimensional distance measurement device of Invention 5, in which the second rotation mechanism is provided each time the first scanning process for one measurement plane is completed. A second scanning unit configured to control and perform a second scanning process that is a process of rotating the distance measuring sensor together with the first rotation mechanism by a predetermined rotation angle in a rotation direction of the second rotation mechanism; In the second scanning process, the first scanning unit performs the first scanning process every time the distance measuring sensor rotates by the predetermined rotation angle, and the gradient calculating unit includes the measurement plane. Every time, the gradient for each measurement point is calculated based on the distance information of each measurement point measured by the first scanning process and the distance information of the surrounding measurement points, and the appearance frequency calculating means For each measurement plane, the gradient calculation means The appearance frequency of each gradient is calculated based on the gradient of each measurement point, and the shape recognition unit corresponds to the appearance frequency of each gradient calculated by the appearance frequency calculation unit and each gradient for each measurement plane. The shape of the object existing in the measurement plane is recognized based on the coordinate information of the measurement point to be measured.

このような構成であれば、第2走査手段によって、1つの測定平面に対する第1走査処理が終了する毎に、第2の回転機構を制御して、測距センサを第1の回転機構と共に、第2の回転機構の回転方向に所定の回転角度ずつ回動させる処理である第2走査処理を行うことが可能である。
また、勾配算出手段は、測定平面毎に、第1走査処理によって測定された、各測定点の距離情報と、その周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出し、出現頻度算出手段は、測定平面毎に、勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出し、形状認識手段は、測定平面毎に、出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、測定平面内に存在する物体の形状を認識することが可能である。
ここで、形状認識手段は、測距センサを、例えば、ピッチ回転させたときの距離情報、及びヨー回転させたときの距離情報の双方から算出した各測定点の勾配情報と、各測定点の座標情報とから物体の形状を認識することができるので、物体の詳細な面形状を認識することが可能である。
If it is such a structure, whenever the 1st scanning process with respect to one measurement plane is complete | finished by a 2nd scanning means, a 2nd rotation mechanism is controlled and a ranging sensor is combined with a 1st rotation mechanism, It is possible to perform a second scanning process that is a process of rotating the second rotation mechanism by a predetermined rotation angle in the rotation direction.
Further, the gradient calculation means calculates the gradient for each measurement point based on the distance information of each measurement point measured by the first scanning process and the distance information of the surrounding measurement points for each measurement plane, The appearance frequency calculation means calculates the appearance frequency of each gradient based on the gradient of each measurement point calculated by the gradient calculation means for each measurement plane, and the shape recognition means calculates by the appearance frequency calculation means for each measurement plane. Based on the appearance frequency of each gradient and the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient, the shape of the object existing in the measurement plane can be recognized.
Here, the shape recognition means, for example, the gradient information of each measurement point calculated from both the distance information when the distance sensor is rotated by the pitch and the distance information when the distance sensor is rotated by the yaw, Since the shape of the object can be recognized from the coordinate information, it is possible to recognize the detailed surface shape of the object.

〔発明7〕 一方、上記目的を達成するために、発明5の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、発明1乃至発明6のいずれか1項に記載の3次元距離測定装置を備え、前記制御手段は、前記3次元距離測定装置の測定距離に基づき前記アクチュエータを制御することを特徴とする。
このような構成であれば、発明1乃至4のいずれか1の3次元距離測定装置によって測定した測定距離に基づき、車輪走行制御及び歩行制御を行うことが可能である。
[Invention 7] On the other hand, in order to achieve the above object, the leg-wheel type robot of Invention 5 is a base, a leg connected to the base with a degree of freedom, and rotatable to the leg. And a leg that moves by the driving of the leg and the rotation of the wheel. The leg is provided with a wheel, an actuator for applying power for driving the leg and the wheel, and a control means for controlling the actuator. A wheel type robot comprising the three-dimensional distance measuring device according to any one of the first to sixth aspects, wherein the control means controls the actuator based on a measured distance of the three-dimensional distance measuring device. It is characterized by.
With such a configuration, it is possible to perform wheel traveling control and walking control based on the measured distance measured by the three-dimensional distance measuring device according to any one of inventions 1 to 4.

〔発明8〕 また、上記目的を達成するために、発明8の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対してヨー軸回りの自由度およびピッチ軸またはロール軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第1アクチュエータと、前記ピッチ軸またはロール軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与する第2アクチュエータと、前記第1アクチュエータおよび前記第2アクチュエータを制御する制御手段と、発明1乃至発明6のいずれか1項に記載の3次元距離測定装置とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記制御手段は、前記基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第2アクチュエータを制御する。
このような構成であれば、自脚車輪型ロボットの移動時において、脚車輪型ロボットの基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と各車輪の進行方向とが一致するように第2アクチュエータが制御される。
[Invention 8] In order to achieve the above object, the leg-wheel type robot of Invention 8 has a base and a degree of freedom around the yaw axis and a degree of freedom around the pitch axis or roll axis with respect to the base. Connected legs, wheels rotatably provided on the legs, a first actuator for applying power to drive the legs within a range of freedom around the yaw axis, and the pitch A second actuator for applying power for driving the leg within a range of degrees of freedom around the shaft or roll axis, a control means for controlling the first actuator and the second actuator, and the first to sixth aspects of the invention A leg-wheel type robot that includes the three-dimensional distance measuring device according to any one of claims 1 to 8, and moves by driving the leg and rotating the wheel, wherein the control means sets the orientation of the base in a fixed direction. While maintaining, the second actuator is controlled so that the traveling direction of the self-legged wheel type robot coincides with the traveling direction of each wheel.
With this configuration, when the self-legged wheel robot is moving, the traveling direction of the self-legged robot matches the traveling direction of each wheel while maintaining the base of the leg-wheel robot at a fixed direction. Thus, the second actuator is controlled.

〔発明9〕 また、上記目的を達成するために、発明9の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対してヨー軸回りの自由度およびピッチ軸またはロール軸回りの自由度を有して連結された複数の脚部と、前記各脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ヨー軸回りの自由度の範囲で前記各脚部を駆動するための動力を付与する第1アクチュエータと、前記ピッチ軸またはロール軸回りの自由度の範囲で前記各脚部を駆動するための動力を付与する第2アクチュエータと、前記第1アクチュエータおよび前記第2アクチュエータを制御する制御手段と、発明1乃至発明6のいずれか1項に記載の3次元距離測定装置とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、前記制御手段は、旋回時に、前記基体を所定の回転中心位置でヨー軸周りに自転運動させたときの前記各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と前記操舵時の回転中心との接点位置における該回転中心の運動方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第2アクチュエータを制御する。   [Invention 9] In order to achieve the above object, a leg-wheel robot according to Invention 9 has a base and a degree of freedom around the yaw axis and a degree of freedom around the pitch axis or roll axis with respect to the base. A plurality of legs connected to each other, wheels provided rotatably on each leg, and a first actuator for applying power for driving each leg within a range of degrees of freedom around the yaw axis. A second actuator for applying power for driving each leg within a range of degrees of freedom around the pitch axis or roll axis, and a control means for controlling the first actuator and the second actuator; A leg-wheel type robot comprising the three-dimensional distance measuring device according to any one of 1 to 6 and moving by driving the leg and rotating the wheel. in front The direction of movement of the rotation center at the contact point between the arc trajectory drawn by the rotation center at the time of steering of each wheel and the rotation center at the time of steering when the base body rotates around the yaw axis at a predetermined rotation center position. The second actuator is controlled so that the traveling directions of the wheels coincide with each other.

このような構成であれば、旋回時は、制御手段により、基体をヨー軸(垂直軸)周りに自転運動させたときの各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と操舵時の回転中心との接点位置における該回転中心の運動方向と、各車輪の進行方向とが一致するように、第2アクチュエータが制御される。   With such a configuration, during turning, the control means rotates the base around the yaw axis (vertical axis) and the arc trajectory drawn by the rotation center at the time of steering of each wheel and the rotation center at the time of steering. The second actuator is controlled so that the direction of movement of the center of rotation at the contact point with the direction of travel of each wheel coincides.

〔発明10〕 更に、発明10の脚車輪型ロボットは、発明9の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と、前記各車輪の進行方向とが一致するように、前記第2アクチュエータを制御する。   [Invention 10] Further, the leg wheel type robot of the invention 10 is the leg wheel type robot of the invention 9, wherein the control means maintains the direction of the base body in a constant direction, The second actuator is controlled so that the traveling directions of the wheels coincide with each other.

このような構成であれば、自脚車輪型ロボットの移動時において、脚車輪型ロボットの基体の向きを一定方向に保ちながら、自脚車輪型ロボットの進行方向と各車輪の進行方向とが一致するように第2アクチュエータが制御される。   With this configuration, when the self-legged wheel robot is moving, the traveling direction of the self-legged robot matches the traveling direction of each wheel while maintaining the base of the leg-wheel robot at a fixed direction. Thus, the second actuator is controlled.

以上説明したように、発明1の3次元距離測定装置によれば、所定の回転角度範囲内において、測距センサの駆動機構に阻害されずに走査を行うことができるので、正確な距離測定を行うことができるという効果が得られる。
また、発明2〜4の3次元距離測定装置によれば、前記測距センサ及び前記第1の回転機構と、前記第2の回転機構とを水平方向に並べた構成とすることができるので、3次元距離測定装置の垂直方向の占有率を抑えることができるという効果が得られる。
As described above, according to the three-dimensional distance measuring device of the first aspect, scanning can be performed within the predetermined rotation angle range without being disturbed by the driving mechanism of the distance measuring sensor. The effect that it can be performed is acquired.
Moreover, according to the three-dimensional distance measuring apparatus of the invention 2-4, since it can be set as the structure which arranged the said ranging sensor, the said 1st rotation mechanism, and the said 2nd rotation mechanism in the horizontal direction, The effect that the occupation ratio in the vertical direction of the three-dimensional distance measuring device can be suppressed is obtained.

また、発明5〜6の3次元距離測定装置によれば、物体の面の形状を認識(又は推定)することができるので、これにより、段差が一定でない階段、建物の非常階段のように蹴込が連続面でない階段、非常用の外階段のように階段踏板のみの階段など、様々な形状の物体を認識できるという効果が得られる。
一方、発明8、10の脚車輪型ロボットによれば、脚車輪型ロボットを、その向きとは関係なく自由な方向へと移動させることができるので、各方向への素早い移動を実現できると共に、例えば、脚車輪型ロボットの各構成部が妨げとなって旋回できないような狭くて入り組んだエリアなど、脚車輪型ロボットの向きを変更することが困難なエリアにおいても活動が可能となるという効果が得られる。
In addition, according to the three-dimensional distance measuring devices of the inventions 5 to 6, the shape of the surface of the object can be recognized (or estimated). It is possible to recognize objects of various shapes such as staircases that are not continuous surfaces, staircases with only staircase steps such as emergency external staircases.
On the other hand, according to the leg-wheel type robots of the inventions 8 and 10, the leg-wheel type robot can be moved in a free direction regardless of the direction thereof, so that quick movement in each direction can be realized, For example, it is possible to perform activities even in areas where it is difficult to change the direction of the leg wheel type robot, such as a narrow and intricate area in which each component of the leg wheel type robot is hindered from turning. can get.

また、発明9の脚車輪型ロボットによれば、旋回時に、脚車輪型ロボットの基体を所定の回転中心位置でヨー軸周りにに自転運動させたときの各車輪の操舵時の回転中心の描く円弧軌道と操舵時の回転中心との接点における該回転中心の運動方向と、各車輪の進行方向とを一致させることができるので、脚車輪型ロボットを、所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回(クローラなどによる超信地旋回と同等の旋回)をさせることができるという効果が得られる。また、基体の中心位置を、自転させる時の回転中心位置とすることで、最小の旋回半径で脚車輪型ロボットを旋回させることが可能である。   Further, according to the leg-wheel type robot of the ninth aspect, at the time of turning, the rotation center at the time of steering of each wheel is drawn when the base of the leg-wheel type robot is rotated about the yaw axis at a predetermined rotation center position. Since the direction of movement of the center of rotation at the contact point between the circular arc track and the center of rotation at the time of steering can coincide with the traveling direction of each wheel, the leg wheel type robot is not moved back and forth at a predetermined turning center position. Can be made to turn (turning equivalent to super-spinning by a crawler or the like). Further, by setting the center position of the base body as the rotation center position when rotating, the leg wheel type robot can be turned with the minimum turning radius.

〔第1の実施の形態〕
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づき説明する。図1〜図14は、本発明に係る3次元距離測定装置及び脚車輪型ロボットの第1の実施の形態を示す図である。
まず、図1に基づき、本発明に係る脚車輪型ロボットの概略構成を説明する。
図1は、本発明に係る脚車輪型ロボット100の側面図である。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1-14 is a figure which shows 1st Embodiment of the three-dimensional distance measuring apparatus and leg-wheel-type robot based on this invention.
First, a schematic configuration of a leg wheel type robot according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a side view of a leg wheel type robot 100 according to the present invention.

図1に示すように、脚車輪型ロボット100は、基体と、基体に連結された4つの脚部とを有して構成されている。 各脚部は、3つの回転関節を介して連結されている。上段の回転関節は、脚車輪型ロボット100の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。また、中段及び下段の回転関節は、上段の回転関節が図1の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、上段の回転関節が図1の状態から90度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転する。つまり、各脚部は、それぞれ3自由度を有する。   As shown in FIG. 1, the leg-wheel type robot 100 includes a base body and four leg portions connected to the base body. Each leg is connected via three rotary joints. The upper rotary joint rotates with the direction orthogonal to the bottom surface of the leg wheel type robot 100 as the axial direction. That is, it rotates around the yaw axis. Further, the middle and lower rotary joints rotate around the pitch axis when the upper rotary joint is in the state shown in FIG. 1, and the upper rotary joint is rotated 90 degrees from the state shown in FIG. , Rotate around roll axis. That is, each leg has 3 degrees of freedom.

また、図1に示すように、脚車輪型ロボット100の基体上部には、3次元距離測定装置200が配設されている。図1に示すように、3次元距離測定装置200及び後述する測距センサ112aの原点位置(回転角度θ及びφが0[°]の位置)における、測距センサ112aの測定方向の軸がx軸、測定方向に対して水平方向の軸(後述するy軸)と直交する軸がz軸となる。   Further, as shown in FIG. 1, a three-dimensional distance measuring device 200 is disposed on the upper part of the base of the leg wheel type robot 100. As shown in FIG. 1, the axis of the measuring direction of the distance measuring sensor 112a at the origin position of the three-dimensional distance measuring device 200 and the distance measuring sensor 112a described later (positions where the rotation angles θ and φ are 0 [°]) is x. An axis that is orthogonal to an axis in the horizontal direction (y-axis to be described later) with respect to the measurement direction is the z-axis.

次に、図2及び図3に基づき、3次元距離測定装置200の機械的な構成を説明する。
ここで、図2(a)は、3次元距離測定装置200の機械的な構成を示す図であり、(b)は、(a)を真上から見た図である。また、図3は、測距センサ112aの走査範囲の一例を示す図である。
図2(a)に示すように、3次元距離測定装置200は、2次元距離測定装置112と、モータ116と、エンコーダ118と、プーリ120a及び120bと、ベルト121とを含んだ構成となっている。
Next, based on FIG.2 and FIG.3, the mechanical structure of the three-dimensional distance measuring apparatus 200 is demonstrated.
Here, FIG. 2A is a diagram showing a mechanical configuration of the three-dimensional distance measuring apparatus 200, and FIG. 2B is a diagram of FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a scanning range of the distance measuring sensor 112a.
As shown in FIG. 2A, the three-dimensional distance measuring apparatus 200 includes a two-dimensional distance measuring apparatus 112, a motor 116, an encoder 118, pulleys 120a and 120b, and a belt 121. Yes.

モータ116の回転軸(以下、第1の回転軸と称す)は、プーリ120aの回転軸となるように当該プーリ120aと係合されており、モータ116の回転駆動力が、プーリ120aを回転駆動する。また、プーリ120a及びプーリ120bは、その軸心A及びBの位置が水平方向に所定の距離を開けるように配設されている。このように、プーリ120a及び120bを介して、モータ116の軸心Aと、2次元距離測定装置112の回転軸(以下、第2の回転軸と称す)の軸心Bとを水平方向にずらすことで、モータ116及びエンコーダ118と、2次元距離測定装置112とを水平方向に並べた構成とすることができる。また、図2(a)に示すように、プーリ120a及び120b、ベルト121、その他の支持部材は、2次元距離測定装置112の上部に配設している。   The rotating shaft of the motor 116 (hereinafter referred to as the first rotating shaft) is engaged with the pulley 120a so as to be the rotating shaft of the pulley 120a, and the rotational driving force of the motor 116 rotationally drives the pulley 120a. To do. The pulleys 120a and 120b are arranged such that the positions of the shaft centers A and B are opened at a predetermined distance in the horizontal direction. In this manner, the axis A of the motor 116 and the axis B of the rotating shaft (hereinafter referred to as the second rotating shaft) of the two-dimensional distance measuring device 112 are shifted in the horizontal direction via the pulleys 120a and 120b. Thus, the motor 116 and the encoder 118 and the two-dimensional distance measuring device 112 can be arranged in the horizontal direction. Further, as shown in FIG. 2A, the pulleys 120 a and 120 b, the belt 121, and other support members are disposed on the upper part of the two-dimensional distance measuring device 112.

そして、水平方向に所定の距離を開けて配設されたプーリ120a及びプーリ120bには、外周面に窪みが設けられており、両者の窪みには、プーリ120aの回転をプーリ120bに伝えるために、ベルト121が架け渡されている。つまり、プーリ120aが回転することでベルト121が回転し、プーリ120bに、この回転駆動力を伝える。
また、プーリ120bと、第2の回転軸とは、当該第2の回転軸がプーリ120bの回転に連動して回転するように係合されている。従って、プーリ120bに伝達された回転駆動力は、第2の回転軸へと伝達される。
The pulley 120a and the pulley 120b disposed at a predetermined distance in the horizontal direction are provided with depressions on the outer peripheral surface, and both depressions are used to transmit the rotation of the pulley 120a to the pulley 120b. The belt 121 is stretched over. That is, when the pulley 120a rotates, the belt 121 rotates, and this rotational driving force is transmitted to the pulley 120b.
Further, the pulley 120b and the second rotating shaft are engaged so that the second rotating shaft rotates in conjunction with the rotation of the pulley 120b. Therefore, the rotational driving force transmitted to the pulley 120b is transmitted to the second rotating shaft.

つまり、モータ116がその回転軸を回転駆動することで、その回転駆動力は、プーリ120a、ベルト121、プーリ120bを介して、第2の回転軸へと伝達され、図2(b)に示すように、2次元距離測定装置112を垂直方向の軸(z軸)まわり回転駆動する。
一方、本実施の形態の2次元距離測定装置112における測距センサ112aは、水平方向の軸(y軸)まわりに回転駆動しながら距離を測定する。また、測距センサ112aの走査範囲は、脚車輪型ロボット100が階段の昇降や障害物の回避を行うことを目的としているため、図3に示すように、主に脚車輪型ロボット100の下方を重点的に走査する範囲となっている。
That is, when the motor 116 rotationally drives the rotational shaft, the rotational driving force is transmitted to the second rotational shaft via the pulley 120a, the belt 121, and the pulley 120b, and is shown in FIG. As described above, the two-dimensional distance measuring device 112 is rotationally driven around the vertical axis (z-axis).
On the other hand, the distance measuring sensor 112a in the two-dimensional distance measuring device 112 according to the present embodiment measures the distance while being driven to rotate about the horizontal axis (y-axis). The scanning range of the distance measuring sensor 112a is intended to allow the leg-wheel robot 100 to move up and down stairs and avoid obstacles. Therefore, as shown in FIG. This is the range where scanning is focused.

3次元距離測定装置200は、図1に示すように、2次元距離測定装置112を回転駆動する駆動機構(モータ116、エンコーダ118、プーリ120a及び120b、ベルト121、その他の支持部材)が、図3に示す走査範囲外に設けられているため、図3に示す走査範囲であれば、3次元距離測定装置200を構成する各機構部によって、測距センサ112aのy軸まわりの走査が阻害されない。   As shown in FIG. 1, the three-dimensional distance measuring apparatus 200 includes a driving mechanism (motor 116, encoder 118, pulleys 120a and 120b, belt 121, and other supporting members) that rotationally drives the two-dimensional distance measuring apparatus 112. 3 is provided outside the scanning range shown in FIG. 3, the scanning around the y-axis of the distance measuring sensor 112 a is not hindered by each mechanism unit constituting the three-dimensional distance measuring device 200 in the scanning range shown in FIG. 3. .

また、脚車輪型ロボット100の走行経路上の障害物を認識できれば良いので、z軸まわりの回転駆動による走査範囲も、前方180[°]までをカバーする必要はなく、2次元距離測定装置112の水平方向に設けられたモータ116及びエンコーダ118を走査範囲外とする範囲でも十分である。従って、本実施の形態においては、2次元距離測定装置112の回転駆動範囲を、モータ116及びエンコーダ118を含まない範囲とする。   Further, since it is only necessary to be able to recognize an obstacle on the travel route of the leg-wheel type robot 100, the scanning range by rotational driving around the z axis does not need to cover up to 180 [°] forward, and the two-dimensional distance measuring device 112. A range in which the motor 116 and encoder 118 provided in the horizontal direction are outside the scanning range is also sufficient. Therefore, in the present embodiment, the rotational driving range of the two-dimensional distance measuring device 112 is a range that does not include the motor 116 and the encoder 118.

次に、図4に基づき、3次元距離測定装置200の構成を説明する。
図4(a)は、3次元距離測定装置200の構成を示すブロック図であり、(b)は、本実施の形態に係る2次元距離測定装置112の詳細な構成を示すブロック図である。
3次元距離測定装置200は、図4(a)に示すように、センシングプロセッサ110と、2次元距離測定装置112と、指令信号及び後述するエンコーダ118の出力信号に基づき後述するモータ116を制御するドライバ114と、2次元距離測定装置112を回転駆動するモータ116と、モータ116の回転角度位置を検出するエンコーダ118とを含んで構成されている。
Next, the configuration of the three-dimensional distance measuring device 200 will be described with reference to FIG.
FIG. 4A is a block diagram showing a configuration of the three-dimensional distance measuring apparatus 200, and FIG. 4B is a block diagram showing a detailed configuration of the two-dimensional distance measuring apparatus 112 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 4A, the three-dimensional distance measuring device 200 controls a motor 116 described later based on a sensing processor 110, a two-dimensional distance measuring device 112, and a command signal and an output signal of an encoder 118 described later. It includes a driver 114, a motor 116 that rotationally drives the two-dimensional distance measuring device 112, and an encoder 118 that detects the rotational angle position of the motor 116.

センシングプロセッサ110は、専用のプログラムを実行し、後述するドライバ112bに指令信号を与えて、後述する測距センサ112aを回転駆動し、その測定平面内に存在する物体上の距離を測定する第1走査処理を実行すると共に、1つの測定平面に対する第1走査処理が終了する毎に、ドライバ114に指令信号を与えて、2次元距離測定装置112を回転駆動する第2走査処理を実行する。   The sensing processor 110 executes a dedicated program, gives a command signal to a driver 112b described later, rotationally drives a distance measuring sensor 112a described later, and measures a distance on an object existing in the measurement plane. In addition to executing the scanning process, every time the first scanning process for one measurement plane is completed, a command signal is given to the driver 114 to execute the second scanning process for rotationally driving the two-dimensional distance measuring device 112.

更に、センシングプロセッサ110は、上記第1走査処理及び上記第2走査処理を経て、2次元距離測定装置112で測定した距離の情報(以下、距離情報という)に基づき、各測定平面の各測定点の勾配の出現頻度を算出する処理を実行すると共に、当該算出した出現頻度及び各測定点の座標情報に基づき、各測定平面における物体の1次元の形状(凹凸)及び測定範囲における物体の面の形状を認識する処理を実行する。   Furthermore, the sensing processor 110 performs measurement points on each measurement plane based on distance information (hereinafter referred to as distance information) measured by the two-dimensional distance measurement device 112 through the first scanning process and the second scanning process. Is performed, and the one-dimensional shape (unevenness) of the object in each measurement plane and the surface of the object in the measurement range are calculated based on the calculated appearance frequency and the coordinate information of each measurement point. A process for recognizing the shape is executed.

2次元距離測定装置112は、図4(b)に示すように、測定範囲内に存在する物体上の測定点までの距離を測定する測距センサ112aと、指令信号及び後述するエンコーダ112dの出力信号に基づきモータ112cの駆動を制御するドライバ112bと、モータ112cと、モータ112cの回転角度位置を検出するエンコーダ112dとを含んで構成されている。   As shown in FIG. 4B, the two-dimensional distance measuring device 112 includes a distance measuring sensor 112a that measures a distance to a measurement point on an object existing in the measurement range, a command signal, and an output of an encoder 112d described later. A driver 112b that controls the driving of the motor 112c based on the signal, a motor 112c, and an encoder 112d that detects the rotational angle position of the motor 112c are configured.

ドライバ112bは、センシングプロセッサ110からの指令信号において指定された走査角度範囲及び走査角度単位(例えば、0.36[°]などの所定の回転角度)に基づき、モータ112cの回転軸を、指定された走査角度単位ずつ回転させる制御を行う。
ここで、測距センサ112aの原点位置(走査角度が0[°]の位置)における、レーザの出力方向の軸をx軸、x軸に対して直交する2つの軸のうち一方の軸をy軸(本実施の形態では、センサの横方向と水平方向の軸となる)、他方の軸をz軸(本実施の形態では、垂直方向の軸となる)とする。
The driver 112b is designated with the rotation axis of the motor 112c based on the scanning angle range and the scanning angle unit (for example, a predetermined rotation angle such as 0.36 [°]) designated in the command signal from the sensing processor 110. Rotation control is performed for each scanning angle unit.
Here, the axis in the laser output direction at the origin position of the distance measuring sensor 112a (the position where the scanning angle is 0 [°]) is the x axis, and one of the two axes orthogonal to the x axis is y. The axis (in this embodiment, the horizontal and horizontal axes of the sensor) and the other axis are the z-axis (in this embodiment, the vertical axis).

モータ112cは、測距センサ112aのレーザ出力部(不図示)及び受光部(不図示)を、水平方向の軸(y軸)まわりに回転駆動するように設けられており、ドライバ112bからの制御信号に応じて、自己の回転軸を指定された走査角度単位(回転角度θ)ずつ回転駆動する。
ここで、図5は、2次元距離測定装置112の距離測定の原理を説明する図である。
The motor 112c is provided so as to rotationally drive a laser output unit (not shown) and a light receiving unit (not shown) of the distance measuring sensor 112a around a horizontal axis (y axis), and is controlled by the driver 112b. In response to the signal, it rotates its own rotation axis by a specified scanning angle unit (rotation angle θ).
Here, FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of distance measurement of the two-dimensional distance measuring device 112.

2次元距離測定装置112は、測距センサ112aが、モータ112cの回転軸の回転駆動に応じて、水平方向の軸(y軸)まわりに指定された走査角度単位ずつ回動し、且つ、回動する毎に、図5に示すように、レーザ出力部からレーザ光を出力すると共に、出力光に対する物体(図5中の障害物)からの反射光を受光部で受光して、各回転角度(走査角度)に応じた距離(図2中の測定距離L(物体と受光部との間の距離))を測定する。   In the two-dimensional distance measuring device 112, the distance measuring sensor 112a is rotated by a scanning angle unit designated around a horizontal axis (y-axis) in accordance with the rotational driving of the rotating shaft of the motor 112c, and is rotated. As shown in FIG. 5, each time the actuator moves, laser light is output from the laser output unit, and reflected light from an object (obstacle in FIG. 5) with respect to the output light is received by the light receiving unit. A distance corresponding to (scanning angle) (measurement distance L in FIG. 2 (distance between the object and the light receiving unit)) is measured.

また、図6(a)は、水平方向の軸(y軸)まわりに測距センサ112aを回転駆動させたときの測定距離と回転角度θとの関係を示す図であり、(b)は、垂直方向の軸(z軸)まわりに2次元距離測定装置112を回転駆動したときの測定平面と回転角度φとの関係を示す図である。
つまり、上記第1走査処理は、例えば、図6(a)に示すように、測距センサ112aを、水平方向の軸(y軸)まわりに指定された走査角度単位ずつ回動させながら、原点位置に対する各回転角度(図6(a)中のθ1、θ2、θ3)に応じた距離情報(図6(a)中のL(θ1)、L(θ2)、L(θ3))を測定する処理となる。
FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the measurement distance and the rotation angle θ when the distance measuring sensor 112a is driven to rotate about the horizontal axis (y-axis), and FIG. It is a figure which shows the relationship between the measurement plane and rotation angle (phi) when the two-dimensional distance measuring device 112 is rotationally driven around the vertical axis | shaft (z axis).
That is, for example, as shown in FIG. 6A, the first scanning process is performed by rotating the distance measuring sensor 112a by a specified scanning angle unit around the horizontal axis (y axis). Distance information (L (θ 1 ), L (θ 2 ), L (θ in FIG. 6A) according to each rotation angle (θ 1 , θ 2 , θ 3 in FIG. 6A) with respect to the position) 3 )) is measured.

また、第1走査処理における、モータ112cの回転軸の回転中心と、レーザの走査軌道線の両端とを結んで形成される平面が、測定平面(物体が存在しない場合は扇形の平面)となる。
図4(a)に戻って、ドライバ114は、センシングプロセッサ110からの指令信号において指定された走査角度範囲及び走査角度単位(回転角度φ)に基づき、モータ116の回転軸を、指定された走査角度単位ずつ回転させる制御を行う。
In the first scanning process, a plane formed by connecting the rotation center of the rotating shaft of the motor 112c and both ends of the scanning trajectory line of the laser is a measurement plane (a sector-shaped plane when no object is present). .
Returning to FIG. 4A, the driver 114 scans the rotation axis of the motor 116 with the designated scanning axis based on the scanning angle range and the scanning angle unit (rotation angle φ) designated in the command signal from the sensing processor 110. Control to rotate by angle unit.

モータ116は、減速機(不図示)、プーリ120a及び120b、並びにベルト121を介して、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸(z軸)まわりに回転駆動するように設けられており、ドライバ114からの制御信号に応じて、自己の回転軸を指定された走査角度単位ずつ回転駆動する。これにより、モータ116の回転軸の回転駆動に応じて、プーリ120a及び120bを介して、第2の回転軸に回転駆動力が伝達され、2次元距離測定装置112が、垂直方向の軸まわりに指定された走査角度単位ずつ回動する。   The motor 116 is provided so as to rotationally drive the two-dimensional distance measuring device 112 around a vertical axis (z axis) via a speed reducer (not shown), pulleys 120a and 120b, and a belt 121. In response to a control signal from the driver 114, the rotation axis of the driver is rotated by a specified scanning angle unit. As a result, the rotational driving force is transmitted to the second rotational shaft via the pulleys 120a and 120b according to the rotational driving of the rotational shaft of the motor 116, and the two-dimensional distance measuring device 112 is moved around the vertical axis. Rotate by specified scanning angle unit.

つまり、上記第2走査処理は、図6(b)に示すように、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸(z軸)まわりに指定された走査角度単位(φ)ずつ回動させる処理となる。 そして、上記第1走査処理と上記第2走査処理とを交互に連続して行うことにより、第1走査処理によって形成される測定平面を、垂直方向の軸(z軸)まわりに連続して形成する。これにより、例えば、図7に示すように、壁、ついたて、スタンド、棚などの測定範囲内(走査角度範囲内)に存在する物体の3次元の距離情報を測定することが可能である。ここで、図7は、3次元距離測定装置200の距離の計測例を示す図である。   That is, in the second scanning process, as shown in FIG. 6B, the two-dimensional distance measuring device 112 is rotated by a specified scanning angle unit (φ) around the vertical axis (z axis). It becomes processing. Then, the measurement plane formed by the first scanning process is continuously formed around the vertical axis (z axis) by alternately performing the first scanning process and the second scanning process. To do. Thereby, for example, as shown in FIG. 7, it is possible to measure the three-dimensional distance information of an object existing within a measurement range (scanning angle range) such as a wall, a wall, a stand, and a shelf. Here, FIG. 7 is a diagram illustrating a measurement example of the distance of the three-dimensional distance measuring apparatus 200.

また、図6(b)に示すように、第2走査処理後の各測定点の距離情報を、L(θi,φj)と表記する。ここで、iは、水平方向の軸(y軸)まわりの走査角度に応じて各測定点に付与される通し番号であり、jは、垂直方向の軸(z軸)まわりの走査角度に応じて各測定点に付与される通し番号である。
次に、図8に基づき、3次元距離測定装置200における物体認識処理の流れを説明する。ここで、図8は、3次元距離測定装置200における物体認識処理を示すフローチャートである。
Further, as shown in FIG. 6B, the distance information of each measurement point after the second scanning process is expressed as L (θ i , φ j ). Here, i is a serial number assigned to each measurement point according to the scanning angle around the horizontal axis (y-axis), and j is according to the scanning angle around the vertical axis (z-axis). This is a serial number assigned to each measurement point.
Next, the flow of object recognition processing in the three-dimensional distance measuring apparatus 200 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 8 is a flowchart showing object recognition processing in the three-dimensional distance measuring apparatus 200.

物体認識処理は、後述するCPU60からの指令信号に応じて、センシングプロセッサ110が、ROM(不図示)に記憶された専用のプログラムを読み出し、当該読み出したプログラムを実行することで実現される処理であり、処理が開始されると、図8に示すように、まずステップS100に移行する。
ステップS100では、3次元距離測定装置200において、CPU60からの指令信号に基づき、測距センサ112a及び2次元距離測定装置112の走査角度範囲及び走査角度単位を設定して、ステップS102に移行する。ここで、CPU60からの指令信号には、走査角度範囲及び走査角度単位の情報が含まれている。
The object recognition process is a process realized by the sensing processor 110 reading a dedicated program stored in a ROM (not shown) in response to a command signal from the CPU 60 described later and executing the read program. Yes, when the process is started, as shown in FIG. 8, first, the process proceeds to step S100.
In step S100, the three-dimensional distance measuring device 200 sets the scanning angle range and the scanning angle unit of the distance measuring sensor 112a and the two-dimensional distance measuring device 112 based on the command signal from the CPU 60, and the process proceeds to step S102. Here, the command signal from the CPU 60 includes information on a scanning angle range and a scanning angle unit.

ステップS102では、2次元距離測定装置112において、センシングプロセッサ110からの指令信号に応じて、ドライバ112b、モータ112c及びエンコーダ112dを駆動し、測距センサ112aを、ステップS100で設定されたy軸まわりの走査角度範囲内において、同じくステップS100で設定された走査角度単位ずつy軸まわりに回動させると共に、各回転角度に応じた距離情報を測定する処理(第1走査処理)を実行して、ステップS104に移行する。   In step S102, in the two-dimensional distance measuring device 112, the driver 112b, the motor 112c, and the encoder 112d are driven in response to the command signal from the sensing processor 110, and the distance measuring sensor 112a is moved around the y axis set in step S100. In the scanning angle range, the rotation angle unit is rotated around the y axis by the same scanning angle unit set in step S100, and the distance information corresponding to each rotation angle is measured (first scanning process). The process proceeds to step S104.

ステップS104では、センシングプロセッサ110において、ステップS102で測定した距離情報に対して、メディアンフィルタを用いたフィルタリング処理を実行してノイズ成分を除去し、ステップS106に移行する。
ステップS106では、センシングプロセッサ110において、ステップS104でノイズ除去後の回転座標系の距離情報を直交座標系の距離情報に変換して、ステップS108に移行する。
In step S104, the sensing processor 110 performs filtering processing using a median filter on the distance information measured in step S102 to remove noise components, and the process proceeds to step S106.
In step S106, the sensing processor 110 converts the distance information of the rotating coordinate system after noise removal in step S104 into the distance information of the orthogonal coordinate system, and proceeds to step S108.

回転座標系から直交座標系への変換は、第1走査処理による各測定点の座標は、z−x平面上の座標となり、x軸は、第2走査処理によって、z軸まわりに走査角度単位ずつ座標位置が変化する。従って、直交座標系への変換は、z軸まわりの各回転角度毎に行われる。
ステップS108では、センシングプロセッサ110において、ステップS106で直交座標系に変換された距離情報に基づき、各測定点の勾配を算出してステップS110に移行する。
In the conversion from the rotational coordinate system to the orthogonal coordinate system, the coordinates of each measurement point by the first scanning process are coordinates on the z-x plane, and the x-axis is a scanning angle unit around the z-axis by the second scanning process. The coordinate position changes one by one. Accordingly, the conversion to the orthogonal coordinate system is performed for each rotation angle around the z axis.
In step S108, the sensing processor 110 calculates the gradient of each measurement point based on the distance information converted into the orthogonal coordinate system in step S106, and proceeds to step S110.

ここで、図9(a)及び(b)は、勾配の算出例を示す図である。
各測定点の勾配は、各測定点の測定距離と、その前後の所定数の測定点の距離情報とを用いて、図9(a)に示すように、最小二乗法を用いて算出する。
図9(a)に示すように、最小二乗法を用いて、勾配の算出対象の測定点(図9(a)中の白丸)を含む前後所定数の測定点に対する回帰直線を近似し、当該回帰直線の勾配を、対象の測定点の勾配とする。最小二乗法は、データのばらつきによって受ける影響は少ないが、計算量が比較的多くなる。
Here, FIGS. 9A and 9B are diagrams showing examples of gradient calculation.
The gradient of each measurement point is calculated using the least square method, as shown in FIG. 9A, using the measurement distance of each measurement point and the distance information of a predetermined number of measurement points before and after the measurement point.
As shown in FIG. 9A, the least square method is used to approximate a regression line for a predetermined number of measurement points before and after the measurement point (white circle in FIG. 9A) for which the gradient is calculated, The slope of the regression line is taken as the slope of the target measurement point. The least squares method is less affected by data variations, but the calculation amount is relatively large.

また、別の方法として、図9(b)に示すように、各測定点に対して、所定数の他の測定点を挟む前後2つの測定点の距離情報の差分値を用いて勾配を算出する。
具体的に、図9(b)に示すように、前後2つの測定点のz軸方向の測定距離の差分値である第1差分値(例えば、注目する測定点のz軸方向の距離をziとすると、zi+2−zi-2)を算出すると共に、前後2つの測定点のx軸方向の測定距離の差分値である第2差分値(例えば、注目する測定点のx軸方向の距離をxiとすると、xi+2−xi-2)を算出し、これら算出結果から、注目する測定点の勾配(第1差分値/第2差分値)を求める。この方法では、データのばらつきによる影響が最小二乗法よりも大きくなるが、計算が、単純な引き算と割り算のみで済むため最小二乗法よりも高速に勾配を算出することができる。
As another method, as shown in FIG. 9B, for each measurement point, a gradient is calculated using a difference value of distance information between two measurement points before and after a predetermined number of other measurement points. To do.
Specifically, as shown in FIG. 9B, the first difference value (for example, the distance in the z-axis direction of the measurement point of interest is z If i , z i + 2 −z i− 2 ) is calculated, and the second difference value (for example, the x-axis of the measurement point of interest) that is the difference value of the measurement distance between the two measurement points in the x-axis direction is calculated. If the distance in the direction is x i , x i + 2 −x i−2 ) is calculated, and the gradient of the measurement point of interest (first difference value / second difference value) is obtained from these calculation results. In this method, the influence due to data variation is greater than that in the least square method, but since the calculation only requires simple subtraction and division, the gradient can be calculated faster than the least square method.

ステップS110では、センシングプロセッサ110において、ステップS108で算出した勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出して、ステップS112に移行する。
本実施の形態では、勾配毎の測定点の個数を出現頻度として算出する。
ステップS112では、センシングプロセッサ110において、ステップS110で算出した各勾配の出現頻度に基づき、出現頻度の判定処理が未処理の勾配の出現頻度を選択して、ステップS114に移行する。
In step S110, the sensing processor 110 calculates the appearance frequency of each gradient based on the gradient calculated in step S108, and proceeds to step S112.
In the present embodiment, the number of measurement points for each gradient is calculated as the appearance frequency.
In step S112, in the sensing processor 110, based on the appearance frequency of each gradient calculated in step S110, the appearance frequency determination processing selects the appearance frequency of the unprocessed gradient, and the process proceeds to step S114.

ステップS114では、センシングプロセッサ110において、ステップS112で選択した勾配の出現頻度と予め設定された閾値とを比較すると共に選択された出現頻度は、閾値以上か否かを判定し、閾値以上と判定された場合(Yes)は、ステップS116に移行し、そうでない場合(No)は、ステップS134に移行する。
ステップS116に移行した場合は、センシングプロセッサ110において、上記選択した勾配とこの勾配を有する各測定点の座標情報とを対応付けて不図示のRAM等の記録媒体に記録し、ステップS118に移行する。
In step S114, the sensing processor 110 compares the appearance frequency of the gradient selected in step S112 with a preset threshold value and determines whether the selected appearance frequency is equal to or higher than the threshold value, and is determined to be equal to or higher than the threshold value. If yes (Yes), the process proceeds to step S116; otherwise (No), the process proceeds to step S134.
When the process proceeds to step S116, the sensing processor 110 associates the selected gradient with the coordinate information of each measurement point having the gradient and records it in a recording medium such as a RAM (not shown), and the process proceeds to step S118. .

ステップS118では、センシングプロセッサ110において、全ての勾配についてステップS114の判定処理が終了したか否かを判定し、終了したと判定された場合(Yes)は、ステップS120に移行し、そうでない場合(No)は、ステップS112に移行する。
ステップS120に移行した場合は、センシングプロセッサ110において、ステップS116で記録した勾配と各測定点の座標情報とに基づき、連続面(実際は、連続面と測定平面とが交差する線)の有無を判断して、ステップS122に移行する。
In step S118, the sensing processor 110 determines whether or not the determination process in step S114 has been completed for all gradients. If it is determined that the determination has been completed (Yes), the process proceeds to step S120; No) moves to step S112.
When the process proceeds to step S120, the sensing processor 110 determines whether or not there is a continuous surface (actually, a line where the continuous surface and the measurement plane intersect) based on the gradient recorded in step S116 and the coordinate information of each measurement point. Then, the process proceeds to step S122.

ここで、連続面の判断は、例えば、所定の勾配範囲に含まれる勾配に対応する各測定点の座標情報に基づき、当該測定点の座標が連続しているときに、これらの座標位置と交差する連続面があると判断する。所定の勾配範囲に含まれる勾配に対応する測定点の座標が連続していないときは、連続面がないと判断する。
ステップS122では、センシングプロセッサ110において、ステップS120の判断結果に基づき連続面があるか否かを判定し、連続面があると判定された場合(Yes)は、ステップS124に移行し、そうでない場合(No)は、ステップS126に移行する。
Here, the determination of the continuous surface is, for example, based on the coordinate information of each measurement point corresponding to the gradient included in the predetermined gradient range, when the coordinates of the measurement point are continuous, intersecting with these coordinate positions. It is determined that there is a continuous surface to perform. When the coordinates of the measurement points corresponding to the gradient included in the predetermined gradient range are not continuous, it is determined that there is no continuous surface.
In step S122, the sensing processor 110 determines whether or not there is a continuous surface based on the determination result of step S120. If it is determined that there is a continuous surface (Yes), the process proceeds to step S124. For (No), the process proceeds to step S126.

ステップS124に移行した場合は、センシングプロセッサ110において、連続面に対応する各測定点の測定距離の座標系をセンサ座標系(3次元座標)に変換して、変換後のセンサ座標系の測定距離の情報を勾配の情報と対応付けて、不図示のRAM等の記録媒体に記録して、ステップS126に移行する。
ステップS126では、センシングプロセッサ110において、第2走査処理の走査角度範囲及び走査角度単位に対応する、全ての測定平面に対して、連続面の判断処理が終了したか否かを判定し、終了したと判定された場合(Yes)は、ステップS128に移行し、そうでない場合(No)は、ステップS132に移行する。
When the process proceeds to step S124, the sensing processor 110 converts the coordinate system of the measurement distance of each measurement point corresponding to the continuous surface into the sensor coordinate system (three-dimensional coordinates), and the measurement distance of the sensor coordinate system after conversion. Is associated with the gradient information and recorded on a recording medium such as a RAM (not shown), and the process proceeds to step S126.
In step S126, the sensing processor 110 determines whether or not the continuous surface determination processing has been completed for all measurement planes corresponding to the scanning angle range and the scanning angle unit of the second scanning processing. If it is determined (Yes), the process proceeds to step S128. If not (No), the process proceeds to step S132.

ステップS128に移行した場合は、センシングプロセッサ110において、ステップS124においてRAM等の記録媒体に記録した連続面と判断された測定距離の情報に基づき、面データを生成して、ステップS130に移行する。
ここで、面データの生成は、例えば、各測定平面間において、連続面と判断された勾配及びその測定点の座標情報とを比較し、座標値と勾配とが近いものを面と判断して、これらの座標情報を対応付けたり、公知の補完法を用いてつなぎ合わせたりすることで行う。
When the process proceeds to step S128, the sensing processor 110 generates surface data based on the information of the measurement distance determined as the continuous surface recorded in the recording medium such as the RAM in step S124, and the process proceeds to step S130.
Here, the generation of the surface data is performed, for example, by comparing the gradient determined to be a continuous surface between the measurement planes and the coordinate information of the measurement point, and determining that the surface is close to the coordinate value and the gradient as a surface. The coordinate information is associated with each other or connected by using a known complement method.

例えば、勾配が0に近い測定点の連続する座標情報から構成される面データの面は、水平面と判断できるので、そこが歩行可能な面だと判断できる。
ステップS130では、3次元距離測定装置200において、後述するハブ76及び通信I/F64を介して、ステップS128で生成した面データを、CPU60に出力して処理を終了する。
For example, since the surface of the surface data composed of the continuous coordinate information of the measurement points whose gradient is close to 0 can be determined as a horizontal surface, it can be determined that the surface can be walked.
In step S130, in the three-dimensional distance measuring apparatus 200, the surface data generated in step S128 is output to the CPU 60 via the hub 76 and the communication I / F 64 described later, and the process ends.

一方、ステップS126において、全ての測定平面に対して連続面の判断処理が終了しておらず、ステップS132に移行した場合は、3次元距離測定装置200において、センシングプロセッサ110からの指令信号に応じて、ドライバ114、モータ116及びエンコーダ118を駆動し、2次元距離測定装置112を、ステップS100で設定されたz軸まわりの走査角度範囲内において、同じくステップS100で設定された走査角度単位ずつz軸まわりに回動させる処理(第2走査処理)を実行して、ステップS102に移行する。   On the other hand, if the determination process of the continuous surface is not completed for all the measurement planes in step S126 and the process proceeds to step S132, the three-dimensional distance measurement apparatus 200 responds to the command signal from the sensing processor 110. Then, the driver 114, the motor 116, and the encoder 118 are driven, and the two-dimensional distance measuring device 112 is moved by z within the scanning angle range around the z-axis set at step S100. A process of rotating around the axis (second scanning process) is executed, and the process proceeds to step S102.

また、ステップS114において、出現頻度が閾値以上ではなく、ステップS134に移行した場合は、センシングプロセッサ110において、ステップS112で選択した勾配に対応する測定点の測定距離を測定ノイズとして除外し、ステップS118に移行する。
次に、図10に基づき、脚車輪型ロボット100の移動制御システムを説明する。
In step S114, if the appearance frequency is not equal to or greater than the threshold value and the process proceeds to step S134, the sensing processor 110 excludes the measurement distance of the measurement point corresponding to the gradient selected in step S112 as measurement noise, and step S118. Migrate to
Next, a movement control system of the leg wheel type robot 100 will be described with reference to FIG.

ここで、図10は、脚車輪型ロボット100の移動制御システムを示すブロック図である。
脚車輪型ロボット100の4本の各脚部の回転関節には、図10に示すように、各回転関節を回転駆動する関節モータ40がそれぞれ設けられている。各関節モータ40には、関節モータ40の回転角度位置を検出するエンコーダ42と、モータ指令信号およびエンコーダ42の出力信号に基づいて関節モータ40の駆動を制御するドライバ44が設けられている。
Here, FIG. 10 is a block diagram showing a movement control system of the leg-wheel type robot 100.
As shown in FIG. 10, joint motors 40 that rotationally drive the respective rotary joints are provided at the rotary joints of the four leg portions of the leg-wheel type robot 100, respectively. Each joint motor 40 is provided with an encoder 42 that detects the rotational angle position of the joint motor 40, and a driver 44 that controls the driving of the joint motor 40 based on the motor command signal and the output signal of the encoder 42.

各脚部の駆動輪には、駆動輪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の出力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が設けられている。
脚車輪型ロボット100は、さらに、CPU60と、脚車輪型ロボット100の姿勢を検出する3軸姿勢センサ70と、カメラ32の画像信号を処理するビジョンプロセッサ72と、3次元距離測定装置200と、外部のPC等と無線通信を行う無線通信部74と、ビジョンプロセッサ72、無線通信部74およびセンシングプロセッサ110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る。
A wheel motor 50 for rotating the drive wheel is provided on each leg drive wheel. Each wheel motor 50 is provided with an encoder 52 that detects the rotational angle position of the wheel motor 50, and a driver 54 that controls the driving of the wheel motor 50 based on the motor command signal and the output signal of the encoder 52.
The leg-wheel robot 100 further includes a CPU 60, a three-axis attitude sensor 70 that detects the attitude of the leg-wheel robot 100, a vision processor 72 that processes an image signal of the camera 32, a three-dimensional distance measuring device 200, A wireless communication unit 74 that performs wireless communication with an external PC, a vision processor 72, a wireless communication unit 74, a sensing processor 110, a hub 76 that relays input / output of the CPU 60, and a speaker 78 that outputs warning sounds and the like are provided. Configured.

3軸姿勢センサ70は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット100の姿勢の傾きを検出する。
CPU60は、モータ指令出力I/F61を介してドライバ44、54にモータ指令信号を出力し、角度取込I/F62を介してエンコーダ42、52の出力信号を入力する。なお、図示しないが、モータ指令出力I/F61を介してモータ82のドライバにモータ指令信号を出力する。
The triaxial attitude sensor 70 includes a gyroscope or an acceleration sensor, or both, and detects the inclination of the attitude of the leg wheel type robot 100 with respect to the ground axis.
The CPU 60 outputs motor command signals to the drivers 44 and 54 via the motor command output I / F 61 and inputs output signals of the encoders 42 and 52 via the angle fetch I / F 62. Although not shown, a motor command signal is output to the driver of the motor 82 via the motor command output I / F 61.

CPU60は、センサ入力I/F63を介して、脚先センサ38、3次元距離測定装置200および3軸姿勢センサ70からそれぞれ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。
次に、CPU60で実行される処理を説明する。
The CPU 60 inputs sensor signals from the leg tip sensor 38, the three-dimensional distance measuring device 200, and the three-axis posture sensor 70 via the sensor input I / F 63, respectively. Further, signals are input / output to / from the hub 76 via the communication I / F 64, and an audio signal is output to the speaker 78 via the sound output I / F 65.
Next, processing executed by the CPU 60 will be described.

CPU60は、3次元距離測定装置200から面データが入力されると、そのセンサ座標系の座標をグローバル座標系に変換する座標変換処理を行う。座標変換処理では、脚車輪型ロボット100に対する中心のグローバル座標をXc、Yc、Zc、脚車輪型ロボット100の姿勢(ロール角、ピッチ角、ヨー角)をφ、θ、ψとして、センサ座標系における各測定点を、グローバル座標系の測定点(Xs、Ys、Zs)に変換する。   When the surface data is input from the three-dimensional distance measuring apparatus 200, the CPU 60 performs a coordinate conversion process for converting the coordinates of the sensor coordinate system into the global coordinate system. In the coordinate conversion processing, the global coordinate of the center with respect to the leg wheel type robot 100 is Xc, Yc, Zc, and the posture (roll angle, pitch angle, yaw angle) of the leg wheel type robot 100 is φ, θ, ψ, and the sensor coordinate system. Each measurement point is converted into measurement points (Xs, Ys, Zs) in the global coordinate system.

更に、3軸姿勢センサ70のセンサ信号、並びにグローバル座標系に変換された各測定点に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、この計算結果に基づいて脚先(駆動輪)の着地位置を決定する。更に、物体平面までの距離を算出し、脚先と物体平面の位置関係を算出し、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ44、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44、54に出力する。   Further, inverse kinematics calculation and center-of-gravity calculation are performed based on the sensor signal of the three-axis posture sensor 70 and each measurement point converted into the global coordinate system, and the landing position of the leg tip (drive wheel) is calculated based on the calculation result. To decide. Further, the distance to the object plane is calculated, the positional relationship between the leg tip and the object plane is calculated, and the motor command signals to the drivers 44 and 54 are generated based on the determined landing position and the calculated both distances. A motor command signal is output to the drivers 44 and 54.

更に、脚先が物体平面に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したときは、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。 一方、脚先が着地しないと判定したときは、面データを入力する処理から上記一連の処理を行う。
次に、図11〜図14に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図11は、測定範囲内に階段がある場合の、第1走査処理による測定結果を示す図である。また、図12は、図11の各測定点の回転座標系の測定距離を直交座標系の測定距離に変換した場合の測定結果を示す図である。また、図13(a)及び(b)は、最小二乗法を用いて算出したx方向及びz方向の勾配の一例を示す図である。また、図14は、ある測定平面に対する勾配の出現頻度の一例を示す図である。
Further, it is determined whether or not the leg tip has landed on the object plane. If it is determined that the leg tip has landed, the series of processes is terminated and the process returns to the original process. On the other hand, when it is determined that the leg tip does not land, the above-described series of processes is performed from the process of inputting the surface data.
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
Here, FIG. 11 is a diagram illustrating a measurement result by the first scanning process when there is a staircase in the measurement range. FIG. 12 is a diagram showing a measurement result when the measurement distance in the rotating coordinate system of each measurement point in FIG. 11 is converted into the measurement distance in the orthogonal coordinate system. FIGS. 13A and 13B are diagrams illustrating an example of gradients in the x direction and the z direction calculated using the least square method. FIG. 14 is a diagram illustrating an example of an appearance frequency of a gradient with respect to a certain measurement plane.

まず、3次元距離測定装置200は、CPU60からの指令信号に応じて、センシングプロセッサ110において走査角度範囲及び走査角度単位を設定する(ステップS100)。
ここで、2次元距離測定装置112は、測距範囲20〜4095[mm]、最大走査角度範囲240[°]、角度分解能0.36[°]の2次元レンジセンサであることとする。走査角度範囲が240[°]であれば、先述した図3に示す測定平面を形成する走査角度範囲と同じとなり、2次元距離測定装置112の上部にある支持部材、プーリ20及びベルト121が走査範囲に含まれないことになる。
First, the three-dimensional distance measuring apparatus 200 sets a scanning angle range and a scanning angle unit in the sensing processor 110 in response to a command signal from the CPU 60 (step S100).
Here, it is assumed that the two-dimensional distance measuring device 112 is a two-dimensional range sensor having a distance measuring range of 20 to 4095 [mm], a maximum scanning angle range of 240 [°], and an angular resolution of 0.36 [°]. If the scanning angle range is 240 [°], it becomes the same as the scanning angle range forming the measurement plane shown in FIG. 3 described above, and the support member, pulley 20 and belt 121 at the top of the two-dimensional distance measuring device 112 are scanned. It will not be included in the range.

また、第1走査処理に対して、走査角度範囲240[°]及び走査角度単位0.36[°]が設定され、第2走査処理に対して、走査角度範囲−40[°]〜+40[°]及び走査角度単位10[°]が設定されたとする(この場合は、測定平面が9つ形成される)。走査角度範囲−40[°]〜+40[°]であれば、2次元距離測定装置112の水平方向に並べて設けられたモータ116及びエンコーダ118が走査範囲に含まれないことになる。   In addition, a scan angle range of 240 [°] and a scan angle unit of 0.36 [°] are set for the first scan process, and a scan angle range of −40 [°] to +40 [+] for the second scan process. [°] and the scanning angle unit 10 [°] are set (in this case, nine measurement planes are formed). If the scanning angle range is −40 [°] to +40 [°], the motor 116 and the encoder 118 provided side by side in the horizontal direction of the two-dimensional distance measuring device 112 are not included in the scanning range.

センシングプロセッサ110は、まず、第1走査処理に対して設定された走査角度範囲及び走査角度単位(θ)に基づき、ドライバ112bに指令信号を出力する。
2次元距離測定装置112は、ドライバ112bにおいて、センシングプロセッサ110からの指令信号及びエンコーダ112dからの出力信号に基づき、モータ112cの回転軸を回転駆動して、測距センサ112aを、水平方向の軸(y軸)まわりに、回転角度「θ=0.36[°]」ずつ回動すると共に、各回転角度に応じた距離を測定する処理(第1走査処理)を実行する(ステップS102)。最初は、垂直方向の軸(z軸)まわりに対して回転角度φが0[°]の位置(初期位置)に対する第1走査処理を実行する。また、各測定距離の情報(回転座標系)は、データ列L(θi,φj)として、センシングプロセッサ110へと出力される。
First, the sensing processor 110 outputs a command signal to the driver 112b based on the scanning angle range and the scanning angle unit (θ) set for the first scanning process.
In the two-dimensional distance measuring device 112, the driver 112 b rotates the rotation shaft of the motor 112 c based on the command signal from the sensing processor 110 and the output signal from the encoder 112 d, thereby causing the distance measuring sensor 112 a to move in the horizontal direction. A process (first scanning process) of rotating around the (y-axis) by a rotation angle “θ = 0.36 [°]” and measuring a distance corresponding to each rotation angle is executed (step S102). Initially, the first scanning process is executed for a position (initial position) where the rotation angle φ is 0 [°] around the vertical axis (z-axis). Further, information on each measurement distance (rotating coordinate system) is output to the sensing processor 110 as a data string L (θ i , φ j ).

なお、水平方向の軸(y軸)まわりの走査範囲内には、ロボットの基体以外に、2次元距離測定装置112の駆動機構等の走査を阻害する物が一切存在しないため、走査範囲内に存在する物体の正確な距離情報を得ることができる。
そして、1つの測定平面に対する第1走査処理が終了すると、センシングプロセッサ110は、第1走査処理において測定された距離情報に対して、メディアンフィルタを用いたフィルタリング処理を行う(ステップS104)。これにより、測定情報におけるノイズ成分を除去する。
In the scanning range around the horizontal axis (y-axis), there are no obstacles other than the robot substrate, such as the driving mechanism of the two-dimensional distance measuring device 112, so that the scanning range is within the scanning range. Accurate distance information of existing objects can be obtained.
When the first scanning process on one measurement plane is completed, the sensing processor 110 performs a filtering process using a median filter on the distance information measured in the first scanning process (step S104). Thereby, the noise component in the measurement information is removed.

ここで、ノイズ成分除去後の各測定点の測定距離L[mm]は、例えば、図11に示すようになる。図11において、横軸は各走査角度に応じた測定点の番号(第1走査角度番号)であり、縦軸は各走査角度番号の測定点に対する測定距離L[mm]である。
図11に示す例では、脚車輪型ロボット100の歩行経路上に、段差が一定で且つ蹴込板が連続面となっている階段が存在している。
Here, the measurement distance L [mm] of each measurement point after removing the noise component is, for example, as shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents the number of the measurement point corresponding to each scanning angle (first scanning angle number), and the vertical axis represents the measurement distance L [mm] to the measurement point of each scanning angle number.
In the example shown in FIG. 11, there are stairs on the walking path of the leg-wheel type robot 100 with a constant step and a continuous kick plate.

次に、センシングプロセッサ110は、フィルタリング処理後の回転座標系の距離情報を、直交座標系の距離情報に変換する(ステップS106)。
つまり、図11に示す各測定点の回転座標系の測定距離を、直交座標系の測定距離へと変換することで、図12に示すように、各回転角度に対応するx軸方向の距離[mm]とz軸方向の距離[mm]とで表現される2次元の座標情報となる。図12において、横軸はx軸方向の距離Lx[mm]であり、縦軸はz軸方向の距離Lz[mm]である。
Next, the sensing processor 110 converts the distance information of the rotating coordinate system after the filtering process into the distance information of the orthogonal coordinate system (step S106).
That is, by converting the measurement distance in the rotational coordinate system of each measurement point shown in FIG. 11 into the measurement distance in the orthogonal coordinate system, as shown in FIG. 12, the distance in the x-axis direction corresponding to each rotation angle [ mm] and z-axis direction distance [mm]. In FIG. 12, the horizontal axis is the distance L x [mm] in the x-axis direction, and the vertical axis is the distance L z [mm] in the z-axis direction.

次に、直交座標系に変換された距離情報に基づき、各測定点の勾配を算出する(ステップS108)。
ここでは、最小二乗法を用いて、各測定点の勾配を算出する。ここで、最小二乗法を用いた場合に、図13(a)及び(b)に示すように、最小二乗法を適用する複数の測定点に対して、x方向の勾配と、z方向の勾配とが異なる場合がある。そこで、本実施の形態においては、下式(1)及び(2)に示す、x方向及びz方向の勾配を求める2つの直線の方程式を用いて最小二乗法計算を行う。

z=ax・x+bx ・・・(1)
x=az・z+bz ・・・(2)

そして、上式(1)におけるax及びbxを、下式(3)に従って算出し、上式(2)におけるaz及びbzを、下式(4)に従って算出する。
Next, the gradient of each measurement point is calculated based on the distance information converted into the orthogonal coordinate system (step S108).
Here, the gradient of each measurement point is calculated using the least square method. Here, when the least square method is used, as shown in FIGS. 13A and 13B, the gradient in the x direction and the gradient in the z direction are applied to a plurality of measurement points to which the least square method is applied. May be different. Therefore, in this embodiment, the least square method calculation is performed using two linear equations for obtaining the gradients in the x direction and the z direction shown in the following equations (1) and (2).

z = a x · x + b x (1)
x = a z · z + b z (2)

Then, a x and b x in the above equation (1) are calculated according to the following equation (3), and a z and b z in the above equation (2) are calculated according to the following equation (4).

Figure 2009008648
Figure 2009008648

x及びbx、並びにaz及びbzを算出すると、これらの算出結果を代入した、上式(1)及び(2)の直線と、最小二乗計算に用いた各測定点との距離を残差hx及びhzとして算出すると共に、前記各測定点に対する残差hxの二乗和と、残差hzの二乗和とを算出する(下式(5))。 When a x and b x and a z and b z are calculated, the distances between the straight lines of the above formulas (1) and (2) and the respective measurement points used for the least square calculation are substituted. and it calculates a residual h x and h z, and the sum of the squares of the residuals h x wherein for each measuring point, calculates the square sum of residuals h z (the following formula (5)).

Figure 2009008648
Figure 2009008648

残差hxの二乗和及び残差hzの二乗和が算出されると、両者を比較して値の小さい方の直線を、正しい直線として採用し、この直線の勾配に基づき、算出対象の測定点の勾配を求める。具体的に、残差hxの二乗和の方が小さければ、「a=ax、b=bx」とし、残差hzの二乗和の方が小さければ、「a=1/az、b=1/bz」とする。 When the square sum of the residual h x and the square sum of the residual h z are calculated, the straight line with the smaller value is compared as the correct straight line, and based on the slope of this straight line, Obtain the slope of the measurement point. Specifically, if the square sum of the residual h x is smaller, “a = a x , b = b x ”. If the square sum of the residual h z is smaller, “a = 1 / az”. , B = 1 / b z ”.

上記のようにして、測定平面に対する全測定点の勾配が算出されると、次に、各勾配の出現頻度を算出する(ステップS110)。
ここでは、図14に示すような、出現頻度が得られたとする。
図14に示すように、勾配が0近傍の出現頻度が比較的高くなっており、これらの勾配に対応する測定点の座標情報が連続していれば、そこに水平面があると推定することができる。
When the gradients of all the measurement points with respect to the measurement plane are calculated as described above, next, the appearance frequency of each gradient is calculated (step S110).
Here, it is assumed that the appearance frequency as shown in FIG. 14 is obtained.
As shown in FIG. 14, if the frequency of occurrence near the gradient is relatively high and the coordinate information of the measurement points corresponding to these gradients is continuous, it can be estimated that there is a horizontal plane there. it can.

出現頻度が算出されると、センシングプロセッサ110は、次に、未判定の勾配の出現頻度を選択し(ステップS112)、その出現頻度が、予め設定された閾値以上か否かを判定する(ステップS114)。そして、閾値以上であれば(ステップS114の「Yes」の分岐)、勾配と測定点の座標情報とを対応付けてRAM(不図示)に記録する(ステップS116)。一方、閾値未満であれば(ステップS114の「No」の分岐)、測定ノイズとして、測定点の距離情報を除外する(ステップS134)。   When the appearance frequency is calculated, the sensing processor 110 next selects an appearance frequency of an undetermined gradient (step S112), and determines whether the appearance frequency is equal to or higher than a preset threshold (step S112). S114). If it is equal to or greater than the threshold value ("Yes" branch in step S114), the gradient and the coordinate information of the measurement point are associated with each other and recorded in a RAM (not shown) (step S116). On the other hand, if it is less than the threshold value ("No" branch of step S114), the distance information of the measurement point is excluded as the measurement noise (step S134).

上記の判定処理が、全ての勾配に対して終了すると(ステップS118の「Yes」の分岐)、次に、RAMに記録された、出現頻度が閾値以上の勾配及び測定点の座標情報に基づき、連続面の有無を判断する(ステップS120)。
脚車輪型ロボット100の移動経路上には、段差が一定で且つ蹴込板が連続面となっている階段が存在しているため、階段部分にある水平面などが、勾配0及び略0の測定点の連続する座標として現われる。このような場合に、センシングプロセッサ110は、連続面(実際は、面と測定平面との交差線)がある(ステップS122の「Yes」の分岐)と判断する。一方、座標の途中で勾配がいきなり外れた値となったときは、そこで面(実際は、面と走査平面との交差線)が途切れていると判断する。これらの判断結果から、物体の凹凸を認識することが可能である。
When the above determination processing is completed for all the gradients (the branch of “Yes” in step S118), next, based on the gradient recorded in the RAM, the appearance frequency is equal to or greater than the threshold, and the coordinate information of the measurement points, The presence / absence of a continuous surface is determined (step S120).
On the moving path of the leg-wheel type robot 100, there is a staircase having a constant step and a continuous surface of the kick plate. Appears as a series of coordinates. In such a case, the sensing processor 110 determines that there is a continuous surface (actually, a crossing line between the surface and the measurement plane) (a “Yes” branch in step S122). On the other hand, when the gradient suddenly deviates in the middle of the coordinates, it is determined that the surface (actually, the intersection line between the surface and the scanning plane) is interrupted. From these determination results, the unevenness of the object can be recognized.

そして、連続面に対応する直交座標系の測定距離を、センサ座標系(3次元)の測定距離に変換し、RAMに記録する(ステップS124)。
連続面の判断が終了すると、3次元距離測定装置200は、ドライバ114において、センシングプロセッサ110からの指令信号及びエンコーダ118からの出力信号に基づき、モータ116の回転軸を回転駆動して、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸(z軸)まわりに、回転角度10[°]ずつ回動する処理(第2走査処理)を実行する(ステップS132)。この第2走査処理によって、z軸はそのままで、x軸の位置が1つ前の位置に対して垂直方向の軸(z軸)まわりに10[°]だけ変化する。そして、2次元距離測定装置112は、この状態で、再び、上記第1走査処理を実行する(ステップS102)。これにより、z軸まわりに10[°]ずれた位置に新たな測定平面が形成される。
Then, the measurement distance of the orthogonal coordinate system corresponding to the continuous surface is converted into the measurement distance of the sensor coordinate system (three-dimensional) and recorded in the RAM (step S124).
When the determination of the continuous surface is completed, the three-dimensional distance measuring apparatus 200 causes the driver 114 to rotationally drive the rotating shaft of the motor 116 based on the command signal from the sensing processor 110 and the output signal from the encoder 118, thereby two-dimensionally. A process (second scanning process) of rotating the distance measuring device 112 about the vertical axis (z axis) by a rotation angle of 10 [°] is executed (step S132). By this second scanning process, the position of the x-axis is changed by 10 [°] around the axis (z-axis) in the vertical direction with respect to the previous position while the z-axis remains unchanged. Then, the two-dimensional distance measuring device 112 executes the first scanning process again in this state (step S102). As a result, a new measurement plane is formed at a position shifted by 10 [°] around the z-axis.

そして、設定された走査角度範囲(−40[°]〜+40[°])に対して、設定された走査角度単位10[°]で、2次元距離測定装置112を回動させ、各回転角度φにおいて、上記第1走査処理を実行する。
ここで、2次元距離測定装置112が脚車輪型ロボット100の基体上部に取り付けられているため、当該基体が走査範囲内に含まれてしまうが、脚車輪型ロボット100の前方及び歩行経路上を含む範囲においては阻害物が一切ないため、脚車輪型ロボット100の歩行制御を行うのに十分な走査範囲が確保できているといえる。
Then, the two-dimensional distance measuring device 112 is rotated by the set scanning angle unit 10 [°] with respect to the set scanning angle range (−40 [°] to +40 [°]), and each rotation angle is set. The first scanning process is executed at φ.
Here, since the two-dimensional distance measuring device 112 is attached to the upper part of the base of the leg-wheel type robot 100, the base is included in the scanning range. Since there are no obstacles in the included range, it can be said that a sufficient scanning range for the walking control of the leg-wheel type robot 100 can be secured.

そして、9つの測定平面に対する距離の測定が終了すると(ステップS126の「Yes」の分岐)、次に、RAMに記録された連続面の情報に基づき、面データを生成する(ステップS128)。
面データは、先述したように、z軸まわりに連続する各隣り合う測定平面間において、勾配及び座標の近い連続面をつなぎ合わせる(対応付ける)ことで生成される。生成した面データは、ハブ76および通信I/F64を介して、CPU60に出力される(ステップS130)。この面データによって、測定範囲内に存在する階段などの物体の構成面の詳細な形状を認識することが可能である。
When the measurement of the distances to the nine measurement planes is completed (“Yes” branch of step S126), surface data is then generated based on the information on the continuous surface recorded in the RAM (step S128).
As described above, the surface data is generated by connecting (corresponding) continuous surfaces having close gradients and coordinates between adjacent measurement planes continuous around the z-axis. The generated surface data is output to the CPU 60 via the hub 76 and the communication I / F 64 (step S130). With this surface data, it is possible to recognize the detailed shape of the constituent surface of an object such as a stair existing within the measurement range.

一方、CPU60では、入力された面データを解析して、特に、勾配が0に近い交差線を有する面がある場合は、それを水平面とみなし、脚車輪型ロボット100が歩行可能な面であると判断する。
面データの示す面が歩行可能な面であると判断された場合は、入力された面データのセンサ座標系をグローバル座標系に変換し、この変換結果と、3軸姿勢センサ70のセンサ信号などとに基づき、脚先の着地位置を決定する。
On the other hand, the CPU 60 analyzes the input surface data, and in particular, when there is a surface having an intersection line whose slope is close to 0, it is regarded as a horizontal surface and is a surface on which the leg-wheel robot 100 can walk. Judge.
When it is determined that the surface indicated by the surface data is a surface that can be walked, the sensor coordinate system of the input surface data is converted to the global coordinate system, and the conversion result and the sensor signal of the three-axis posture sensor 70, etc. Based on the above, the landing position of the leg tip is determined.

更に、脚先センサ38からのセンサ信号に基づき、例えば、対象が階段である場合は、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係とを算出する。そして、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ44に出力される。これにより、回転関節が駆動し、脚車輪型ロボット100が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避、停止する。   Further, based on the sensor signal from the leg tip sensor 38, for example, when the target is a staircase, the distance to the kick plate and the positional relationship between the leg tip and the tread plate are calculated. Then, a motor command signal is generated based on the determined landing position and the calculated both distances, and the generated motor command signal is output to the driver 44. As a result, the rotary joint is driven, and the leg-wheel type robot 100 gets over the stairs while keeping its posture properly. Depending on the situation, the stairs are avoided and stopped.

なお、段差が一定で且つ蹴込板が連続面となる階段を例に挙げたが、段差が一定でない階段、蹴込板が連続面とならない階段、蹴込板の無い階段などに対しても、正確にその面形状を認識することができるので、脚車輪型ロボット100の階段への適応性を高めることが可能である。
また、脚車輪型ロボット100は、平地では、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪型と同様に平地での移動性が高い。
In addition, although the steps are constant and the staircase where the kick plate is a continuous surface is given as an example, the staircase where the step is not constant, the staircase where the kick plate is not a continuous surface, the staircase without the kick plate, etc. Since the surface shape can be recognized, the adaptability to the stairs of the leg-wheel type robot 100 can be enhanced.
Further, the leg-wheel type robot 100 can move by wheel running on a flat ground. Therefore, the mobility on a flat ground is high like the wheel type.

上記したように、本実施の形態の脚車輪型ロボット100は、その3次元距離測定装置200の機械的な構成を、モータ116及びエンコーダ118と、2次元距離測定装置112とを水平方向に並べて配設し、モータ116の第1の回転軸の回転駆動力を、プーリ120a、ベルト121、プーリ120bを介して、2次元距離測定装置112を回転する第2回転軸へと伝達し、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸(z軸)まわりに回転駆動する構成とした。   As described above, the leg-wheel type robot 100 according to the present embodiment has a mechanical configuration of the three-dimensional distance measuring device 200 in which the motor 116, the encoder 118, and the two-dimensional distance measuring device 112 are arranged in the horizontal direction. The rotational driving force of the first rotating shaft of the motor 116 is transmitted to the second rotating shaft that rotates the two-dimensional distance measuring device 112 via the pulley 120a, the belt 121, and the pulley 120b. The distance measuring device 112 is configured to rotate around a vertical axis (z axis).

これにより、2次元距離測定装置112の所定走査角度範囲内には、走査を除外するものが一切なくなるので、正確な距離情報を得ることができる。また、モータ116及びエンコーダ118と、2次元距離測定装置112とを水平方向に並べて配設したので、3次元距離測定装置200の高さ方向の占有率を低減することができる。
また、3次元距離測定装置200において、水平方向の軸まわりに測距センサ112aを、設定された走査角度単位ずつ回動させると共に、各回転角度における距離を測定する第1走査処理を実行し、測定距離の情報に基づき、各測定点の勾配及び勾配の出現頻度を算出することで、測定平面内に存在する物体の凹凸を認識することができる。
As a result, there is nothing to exclude scanning within the predetermined scanning angle range of the two-dimensional distance measuring device 112, so that accurate distance information can be obtained. Further, since the motor 116 and the encoder 118 and the two-dimensional distance measuring device 112 are arranged in the horizontal direction, the occupation ratio in the height direction of the three-dimensional distance measuring device 200 can be reduced.
Further, in the three-dimensional distance measuring device 200, the distance measuring sensor 112a is rotated by a set scanning angle unit around a horizontal axis, and a first scanning process for measuring a distance at each rotation angle is executed. By calculating the gradient of each measurement point and the appearance frequency of the gradient based on the information of the measurement distance, the unevenness of the object existing in the measurement plane can be recognized.

これにより、連続面が存在することを推定することができる。
更に、1つの測定平面に対する第1走査処理が終了する毎に、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸まわりに、設定された走査角度単位だけ回動させる第2走査処理を実行することができる。これにより、複数の測定平面に対して第1走査処理を実行することができるので、測定範囲内に存在する物体の面形状を認識することができる。また、面形状が認識できるので、脚車輪型ロボット100は、未知の障害物に対して高い適応性を実現することができる。また、人が活動する環境での動作を行えるので、人と一緒に行動する用途に用いられるホームロボット、パーソナルロボットなどのヒューマンアシストロボットに好適である。
Thereby, it can be estimated that a continuous surface exists.
Further, every time the first scanning process for one measurement plane is completed, a second scanning process for rotating the two-dimensional distance measuring device 112 around the vertical axis by a set scanning angle unit is executed. Can do. As a result, the first scanning process can be executed on a plurality of measurement planes, so that the surface shape of an object existing within the measurement range can be recognized. Further, since the surface shape can be recognized, the leg wheel type robot 100 can realize high adaptability to an unknown obstacle. In addition, since it can operate in an environment where people are active, it is suitable for human assist robots such as home robots and personal robots that are used for acting with people.

上記第1の実施の形態において、モータ116及びエンコーダ118は、発明2、3、4及び5のいずれか1の回転駆動装置に対応し、プーリ120a、ベルト121及びプーリ120bによって、モータ116の第1の回転軸の回転駆動力を2次元距離測定装置112の第2の回転軸に伝達する機構は、発明2又は3の動力伝達機構に対応し、プーリ120a及び120bは、発明3の滑車に対応する。   In the first embodiment, the motor 116 and the encoder 118 correspond to any one of the rotation driving devices of the inventions 2, 3, 4 and 5, and the pulley 116a, the belt 121 and the pulley 120b are used for the motor 116. The mechanism for transmitting the rotational driving force of the first rotational shaft to the second rotational shaft of the two-dimensional distance measuring device 112 corresponds to the power transmission mechanism of the second or third aspect, and the pulleys 120a and 120b are provided on the pulley of the third aspect. Correspond.

また、上記第1の実施の形態において、ドライバ112b、モータ112c及びエンコーダ112dによる測距センサ112aの回転機構は、発明1、2、5及び6のいずれか1の第1の回転機構に対応し、センシングプロセッサ110によって2次元距離測定装置112を制御することで第1走査処理を実行する機能は、発明5又は6の第1走査手段に対応し、センシングプロセッサ110における各測定点の勾配を算出する機能は、発明5又は6の勾配算出手段に対応し、センシングプロセッサ110における各勾配の出現頻度を算出する機能は、発明5又は6の出現頻度算出手段に対応し、センシングプロセッサ110における連続面の判断処理は、発明5の形状認識手段に対応する。   In the first embodiment, the rotation mechanism of the distance measuring sensor 112a by the driver 112b, the motor 112c, and the encoder 112d corresponds to the first rotation mechanism of any one of the inventions 1, 2, 5, and 6. The function of executing the first scanning process by controlling the two-dimensional distance measuring device 112 by the sensing processor 110 corresponds to the first scanning means of the invention 5 or 6, and calculates the gradient of each measurement point in the sensing processor 110. The function for calculating the appearance frequency of each gradient in the sensing processor 110 corresponds to the gradient calculating means of the invention 5 or 6, and the function for calculating the appearance frequency calculating means of the sensing processor 110 is a continuous surface in the sensing processor 110. This determination processing corresponds to the shape recognition means of the fifth aspect.

また、上記第1の実施の形態において、ドライバ114、モータ116、エンコーダ118、不図示の減速機及びプーリによる2次元距離測定装置112の回転機構は、発明1、2及び6のいずれか1の第2の回転機構に対応し、センシングプロセッサ110によってドライバ114を制御することで第2走査処理を実行する機能は、発明6の第2走査手段に対応し、3次元距離測定装置200における面データの生成機能及びCPU60による面形状の認識機能は、発明6の形状認識手段に対応する。   In the first embodiment, the rotating mechanism of the two-dimensional distance measuring device 112 using the driver 114, the motor 116, the encoder 118, the speed reducer and the pulley (not shown) is any one of the first, second, and sixth aspects. The function corresponding to the second rotation mechanism and executing the second scanning process by controlling the driver 114 by the sensing processor 110 corresponds to the second scanning means of the invention 6, and the surface data in the three-dimensional distance measuring apparatus 200. The function for generating the surface shape and the function for recognizing the surface shape by the CPU 60 correspond to the shape recognition means of the sixth aspect.

また、上記第1の実施の形態において、ステップS102は、発明5又は6の第1走査手段に対応し、ステップS104〜S108は、発明5又は6の勾配算出手段に対応し、ステップS110は、発明5又は6の出現頻度算出手段に対応し、ステップS112〜S124は、発明5又は6の形状認識手段に対応し、ステップS126〜S132は、発明6の第2走査手段に対応する。
〔第2の実施の形態〕
次に、本発明の第2の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図16ないし図22は、本発明に係る3次元距離測定装置及び脚車輪型ロボットの第2の実施の形態を示す図である。
In the first embodiment, step S102 corresponds to the first scanning unit of the invention 5 or 6, steps S104 to S108 correspond to the gradient calculation unit of the invention 5 or 6, and step S110 includes Corresponding to the appearance frequency calculating means of the invention 5 or 6, steps S112 to S124 correspond to the shape recognition means of the invention 5 or 6, and steps S126 to S132 correspond to the second scanning means of the invention 6.
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 16 to 22 are diagrams showing a second embodiment of the three-dimensional distance measuring device and the leg-wheel type robot according to the present invention.

本実施の形態においては、上記第1の実施の形態と同様に、上記第1の実施の形態で説明した3次元距離測定装置200を脚車輪型ロボットに適用する。
本実施の形態の脚車輪型ロボットは、上記第1の実施の形態で説明した3次元距離測定装置200を搭載した脚車輪型ロボット100の各機能に加え、脚車輪型ロボット100を、基体10の向きを一定方向に保持した状態で任意の進行方向に走行移動させる機能と、脚車輪型ロボット100を、所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回させる(超信地旋回させる)機能とを有している。
In the present embodiment, similar to the first embodiment, the three-dimensional distance measuring device 200 described in the first embodiment is applied to a leg wheel type robot.
In addition to the functions of the leg wheel type robot 100 equipped with the three-dimensional distance measuring device 200 described in the first embodiment, the leg wheel type robot 100 of the present embodiment includes the leg wheel type robot 100 as a base 10. A function of running and moving in an arbitrary advancing direction while maintaining the direction of the head in a fixed direction, and a function of turning the leg wheel type robot 100 without moving back and forth at a predetermined turning center position (super turning) have.

つまり、本実施の形態における脚車輪型ロボット100は、上記各機能を実現するためのアクチュエータの制御処理(CPU60の制御プログラムの実行による制御処理)が追加されたのみで、力センサ82の設置構造など、その他の構成は、上記第1の実施の形態の脚車輪型ロボット100と同様となる。従って、上記第1の実施の形態と同様の機能については説明を適宜省略し、追加された機能部分については詳細に説明する。   That is, the leg wheel type robot 100 according to the present embodiment is provided with an installation structure of the force sensor 82 only by adding an actuator control process (control process by executing a control program of the CPU 60) for realizing the above functions. Other configurations are the same as those of the leg-wheel type robot 100 of the first embodiment. Therefore, description of functions similar to those of the first embodiment will be omitted as appropriate, and added functional parts will be described in detail.

まず、本発明を適用する脚車輪型ロボット100の詳細な構成を説明する。
図16は、脚車輪型ロボット100の正面図である。
図17は、脚車輪型ロボット100の側面図である。
脚車輪型ロボット100は、図16および図17に示すように、基体10と、基体10に連結された4つの脚部12とを有して構成されている。
First, a detailed configuration of the leg wheel type robot 100 to which the present invention is applied will be described.
FIG. 16 is a front view of the leg wheel type robot 100.
FIG. 17 is a side view of the leg wheel type robot 100.
As shown in FIGS. 16 and 17, the leg-wheel type robot 100 includes a base body 10 and four leg portions 12 coupled to the base body 10.

基体10の前方には、2本の脚部12が回転関節14を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体10の後方には、2本の脚部12が回転関節14を介して左右対称の位置に連結されている。
回転関節14は、脚車輪型ロボット100の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。
In front of the base 10, two leg portions 12 are coupled to a symmetrical position via a rotary joint 14. In addition, two legs 12 are connected to the rear side of the base body 10 via a rotary joint 14 at a symmetrical position.
The rotary joint 14 rotates with the direction orthogonal to the bottom surface of the leg wheel type robot 100 as an axial direction. That is, it rotates around the yaw axis.

各脚部12には、2つの回転関節16、18が設けられている。回転関節16、18は、回転関節14が図16のような状態であるときは、脚車輪型ロボット100の側面と直交する方向を軸方向として回転する。したがって、脚部12は、それぞれ3自由度を有する。
各脚部12の先端には、回転関節16、18と軸方向を同一にして駆動輪20が回転可能に設けられている。駆動輪20は、回転関節14の回転によりヨー軸周りに回動する。つまり、回転関節14の回転を制御することで、走行移動時の操舵制御が行われる。
Each leg portion 12 is provided with two rotary joints 16 and 18. When the rotary joint 14 is in the state as shown in FIG. 16, the rotary joints 16 and 18 rotate with the direction orthogonal to the side surface of the leg wheel type robot 100 as the axial direction. Therefore, each leg 12 has three degrees of freedom.
A driving wheel 20 is rotatably provided at the tip of each leg 12 with the same axial direction as the rotary joints 16 and 18. The drive wheel 20 is rotated around the yaw axis by the rotation of the rotary joint 14. That is, by controlling the rotation of the rotary joint 14, steering control during traveling movement is performed.

各脚部12の先端には、脚車輪型ロボット100の移動経路上に存在する物体までの脚先からの距離を測定する脚先センサ38が設けられている。
一方、基体10の正面の下部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ26が設けられている。また、基体10の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ28、30がそれぞれ設けられている。
A leg tip sensor 38 that measures the distance from the leg tip to an object existing on the movement path of the leg wheel type robot 100 is provided at the tip of each leg 12.
On the other hand, a horizontal laser 26 for irradiating a horizontal plane laser beam is provided at the lower center of the front surface of the substrate 10. In addition, vertical lasers 28 and 30 for irradiating vertical surface laser light are respectively provided on the center left and right of the front surface of the substrate 10.

基体10の正面の上部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ32が設けられている。
また、上記第1の実施の形態で述べたように、カメラ32と3次元距離測定装置200とは、支持部材及びプーリを介して、カメラ32が上側に、3次元距離測定装置200が下側に配設されている。
A camera 32 that captures an image including reflected light of a horizontal plane laser beam and a vertical plane laser beam is provided at the upper center of the front surface of the substrate 10.
Further, as described in the first embodiment, the camera 32 and the three-dimensional distance measuring device 200 are arranged such that the camera 32 is on the upper side and the three-dimensional distance measuring device 200 is on the lower side via the support member and the pulley. It is arranged.

水平レーザ26は、カメラ32で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ28は、カメラ32で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ30は、左方に所定角度傾けて設けられている。
カメラ32の左右には、障害物を検出する障害物センサ34、36がそれぞれ設けられている。
The horizontal laser 26 is provided so as to be inclined downward by a predetermined angle so that the camera 32 can capture an image including the reflected light of the horizontal laser beam. Similarly, the vertical laser 28 is tilted to the right by a predetermined angle so that the camera 32 can capture an image including reflected light of the vertical plane laser beam, and the vertical laser 30 is tilted to the left by a predetermined angle. ing.
Obstacle sensors 34 and 36 for detecting an obstacle are provided on the left and right of the camera 32, respectively.

なお、各脚部12の回転関節14〜18には、上記第1の実施の形態における図10に示すように、回転関節14〜18を回転駆動する関節モータ40がそれぞれ設けられている。また、各脚部12の駆動輪20には、図10に示すように、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。
次に、図18ないし図20に基づき、本実施の形態のCPU60で実行される走行制御処理を説明する。
In addition, as shown in FIG. 10 in the said 1st Embodiment, the joint motor 40 which rotationally drives the rotation joints 14-18 is provided in the rotation joints 14-18 of each leg part 12, respectively. Moreover, as shown in FIG. 10, the wheel motor 50 which rotationally drives the drive wheel 20 is provided in the drive wheel 20 of each leg part 12, respectively.
Next, based on FIG. 18 thru | or FIG. 20, the traveling control process performed with CPU60 of this Embodiment is demonstrated.

ここで、図18(a)及び(b)は、脚車輪型ロボット100の車輪走行移動時の姿勢を示す図である。
以下の、各走行制御処理においては、脚車輪型ロボット100の姿勢が、図18(b)に示すように、膝屈曲姿勢となるように各関節モータ40を制御する。但し、膝屈曲姿勢における走行制御時に、脚部12が互いに干渉する(接触などする)場合は、図18(a)に示すように、膝伸展姿勢となるように各関節モータ40を制御する。
Here, FIGS. 18A and 18B are views showing the posture of the leg-wheel type robot 100 when traveling on wheels.
In each of the following travel control processes, each joint motor 40 is controlled so that the posture of the leg-wheel type robot 100 becomes a knee flexion posture as shown in FIG. However, when the leg portions 12 interfere with each other (contact or the like) during running control in the knee flexion posture, the joint motors 40 are controlled so as to be in the knee extension posture as shown in FIG.

まず、基体10の向きを一定の方向に保持(固定)した状態で、脚車輪型ロボット100を目的の進行方向に向けて走行させる走行制御処理(以下、無変向走行制御処理と称す)について説明する。
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、無変向走行制御処理を実行する。
First, a travel control process (hereinafter referred to as a non-directed travel control process) for causing the leg-wheel type robot 100 to travel in a target traveling direction while holding (fixing) the orientation of the base body 10 in a certain direction. explain.
The CPU 60 activates a control program stored in a predetermined area such as a ROM, and executes a non-turning traveling control process according to the control program.

ここで、無変向走行制御処理は、脚車輪型ロボット100を、その基体10の向きを一定の方向に保持した状態で、目的の進行方向に移動させるものであるため、基体10の前方側に設けられたカメラ32、3次元距離測定装置200、障害物センサ34、36などを、後方や側方などにも設けることが望ましい。これら後方及び側方をカバーできるカメラ、3次元距離測定装置及び障害物センサなどによって、脚車輪型ロボット100を、基体10の向きとは異なる方向に移動させるときに、その進行方向の環境(地形の状態等)を把握し、適切な制御を行うことができる。   Here, the non-turning traveling control process moves the leg-wheel type robot 100 in the target traveling direction while keeping the direction of the base body 10 in a fixed direction. It is desirable to provide the camera 32, the three-dimensional distance measuring device 200, the obstacle sensors 34, 36, and the like provided in the rear side and the side. When the leg-wheel type robot 100 is moved in a direction different from the direction of the base body 10 by a camera capable of covering the rear and the side, a three-dimensional distance measuring device, an obstacle sensor, and the like, the environment in the traveling direction (terrain) And the like, and appropriate control can be performed.

また、無変向走行制御処理は、具体的に、無変向走行制御指令があったときに実行され、時々刻々の、ロボットの進行方向(角度α)、ロボット進行方向速度Vcを入力として、基体10の向きを一定の方向に保持した状態で、脚車輪型ロボット100を前記入力された進行方向へと走行させるための、各脚部12の回転関節14(joint0)の角度(操舵角度)θi0(i=0,1,2,3,・・・)、各脚部12の各駆動輪20の回転角速度ωi(i=0,1,2,3,・・・)を算出し、各アクチュエータに指令を与えるものである。 Further, the non-turning traveling control process is executed when there is a non-turning traveling control command, and the robot traveling direction (angle α) and the robot traveling direction speed Vc are input as the input. The angle (steering angle) of the rotary joint 14 (joint0) of each leg 12 for causing the leg-wheel type robot 100 to travel in the input traveling direction while maintaining the orientation of the base body 10 in a certain direction. θ i0 (i = 0,1,2,3,...), and the rotational angular velocity ω i (i = 0,1,2,3,...) of each drive wheel 20 of each leg 12 are calculated. A command is given to each actuator.

本実施の形態の脚車輪型ロボット100は、先述したように、基体10の前方に左右一対及び後方に左右一対の計4本の脚部12を有している。
従って、ここでは、各脚部12の駆動輪20の操舵角度θi0を、基体10の上面側から見て、左前輪操舵角度θ00、右前輪操舵角度θ10、左後輪操舵角度θ20、右後輪操舵角度θ30とする。なお、回転関節14によって各脚部12をヨー軸周りに回動させたときに、基体10の上面側から見て、左前輪操舵角度θ00及び右後輪操舵角度θ30は、反時計回り方向を正方向とし、右前輪操舵角度θ10及び左後輪操舵角度θ20は、時計回り方向を正方向とする。
As described above, the leg-wheel type robot 100 of the present embodiment has a total of four leg portions 12 of a pair of left and right in front of the base body 10 and a pair of left and right in the rear.
Therefore, here, the steering angle θ i0 of the driving wheel 20 of each leg 12 is viewed from the upper surface side of the base 10, the left front wheel steering angle θ 00 , the right front wheel steering angle θ 10 , and the left rear wheel steering angle θ 20. The right rear wheel steering angle θ 30 is set. Incidentally, the rotation joint 14 when rotated each leg 12 about the yaw axis, as viewed from the top side of the base body 10, a left front-wheel steering angle theta 00 and the right rear wheel steer angle theta 30 is counterclockwise The direction is a positive direction, and the right front wheel steering angle θ 10 and the left rear wheel steering angle θ 20 are clockwise directions.

また、各脚部12の駆動輪20の回転角速度ωiを、左前輪回転角速度ω0、右前輪回転角速度ω1、左後輪回転角速度ω2、右後輪回転角速度ω3とする。
また、各脚部12の駆動輪20の線速度Vi(i=0,1,2,3,・・・)を、左前輪線速度V0、右前輪線速度V1、左後輪線速度V2、右後輪線速度V3とする。
ここで、図19(a)〜(c)は、無変向走行制御時の脚車輪型ロボット100の走行状態例を示す図である。なお、図19(a)〜(c)は、脚車輪型ロボット100を上面側から見た図であり、各駆動輪20に付けられた黒塗りの半円の目印は、「θ00=θ10=θ20=θ30=0[°]」のときの基準となる向きを示す。
Further, the rotational angular velocities ω i of the drive wheels 20 of the respective leg portions 12 are defined as a left front wheel rotational angular velocity ω 0 , a right front wheel rotational angular velocity ω 1 , a left rear wheel rotational angular velocity ω 2 , and a right rear wheel rotational angular velocity ω 3 .
Further, the linear velocity V i (i = 0, 1, 2, 3,...) Of the driving wheel 20 of each leg 12 is set to the left front wheel linear velocity V 0 , the right front wheel linear velocity V 1 , and the left rear wheel lane. A speed V 2 and a right rear wheel linear speed V 3 are used.
Here, FIGS. 19A to 19C are diagrams illustrating an example of the traveling state of the leg-wheel type robot 100 during the non-turning traveling control. FIGS. 19A to 19C are views of the leg wheel type robot 100 as viewed from the upper surface side, and the black semicircle mark attached to each drive wheel 20 is “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = 0 [°] ”indicates a reference direction.

また、左右前輪は上記目印のある方向に進行する回転方向が正回転方向となり、左右後輪は目印の無い方向に進行する回転方向が正回転方向となる。
まず、図19(a)に基づき、基体10の向きを一定方向に保持(固定)した状態で、脚車輪型ロボット100を、基体10の向いている方向(前方向)に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
In addition, the rotation direction of the left and right front wheels traveling in the direction with the mark is the positive rotation direction, and the rotation direction of the left and right rear wheels traveling in the direction without the mark is the positive rotation direction.
First, based on FIG. 19A, when the leg-wheel type robot 100 is made to travel straight in the direction (forward direction) in which the base body 10 is facing with the orientation of the base body 10 being held (fixed) in a certain direction. The non-turning traveling control process will be described.

本実施の形態では、基体10の向いている方向(前方向)をロボットの進行方向とした場合に、進行方向を表す角度αを「0[°]」とする。そして、前方向の0[°]を基準に、各進行方向に対応するαを決定する。
ここでは、脚車輪型ロボット100を、基体10の前方向に直進させるので、進行方向αとして「0[°]」が入力され、更に、進行方向速度Vcが入力される。
In the present embodiment, when the direction in which the base body 10 is facing (forward direction) is the traveling direction of the robot, the angle α representing the traveling direction is set to “0 [°]”. Then, α corresponding to each traveling direction is determined with reference to 0 [°] in the forward direction.
Here, since the leg wheel type robot 100 is caused to advance straight forward of the base body 10, “0 [°]” is input as the traveling direction α, and the traveling direction speed Vc is further input.

進行方向α(0[°])及び進行方向速度Vcが入力されると、各駆動輪20の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3が算出される。
基体10の向きを保持した状態のまま、脚車輪型ロボット100を前方向に直進走行させるためには、図19(a)の各駆動輪20から伸びる矢印に示すように、各駆動輪20の進行方向を基体10の向いている方向(前方向)に全て揃える必要がある。従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00=θ10=θ20=θ30=0[°]」と算出される。
When the traveling direction α (0 [°]) and the traveling direction speed Vc are input, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 of each driving wheel 20 and the linear speed V 0 of each driving wheel 20 V 1 , V 2 and V 3 are calculated.
In order to cause the leg wheel type robot 100 to travel straight forward while maintaining the orientation of the base body 10, as shown by the arrows extending from the drive wheels 20 in FIG. It is necessary to align all the traveling directions in the direction in which the base body 10 is facing (forward direction). Accordingly, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated as, for example, “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = 0 [°]”.

また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=V1=Vc」、「V2=V3=−Vc」と算出される。
なお、各脚部12が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00=θ10=0[°]」、「θ20=θ30=π(180[°])又は−π(−180[°])」、「V0=V1=V2=V3=Vc」などの組み合わせとしても良い。
Further, in this case, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , and V 3 of the drive wheels 20 for running straight ahead are “V 0 = V 1 = Vc” and “V 2 = V 3 = −Vc”. Is calculated.
If the legs 12 do not interfere with each other, for example, “θ 00 = θ 10 = 0 [°]”, “θ 20 = θ 30 = π (180 [°])” or −π (−180 [° ]) ”,“ V 0 = V 1 = V 2 = V 3 = Vc ”, etc.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、下式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。

ωi=2Vi/D ・・・(6)

但し、上式(6)において、Dは車輪径である。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the following equation (6).

ω i = 2V i / D (6)

However, in the above formula (6), D is a wheel diameter.

各駆動輪20の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪20の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した前方向に直進させるための操舵角度とから回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した前方向に直進させるときの回転角速度とから、駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。 Once the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the drive wheels 20 are calculated, 20 current steering angles and rotational angular velocities are obtained. Then, a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated from the current steering angle and the calculated steering angle for moving straight forward. Further, a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated from the current rotation angular velocity and the rotation angular velocity when the vehicle travels straight in the forward direction.

このようにして、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ40及び車輪モータ50が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット100の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向(前方向)に直進走行する。   When the steering control command value and the speed control command value of each drive wheel 20 are calculated in this way, these command values are input to the drivers of the motors. Then, when each joint motor 40 and wheel motor 50 are driven based on the input command value, the steering angle and the rotational angular velocity of each drive wheel 20 of the leg wheel type robot 100 are thereby changed, and the leg wheel type robot is changed. In a state where the orientation of the base body 10 is maintained, the vehicle 100 travels straight in the facing direction (forward direction).

なお、基体10の向きを一定方向に保持した状態で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して反対側(真後ろ)の方向に直進走行させる場合は、上記前方向のときと駆動輪20の回転方向を正反対とすればよい。
例えば、「θ00=θ10=θ20=θ30=0[°]」及び「V0=V1=V2=V3=−Vc」、又は「θ00=θ10=0[°]」、「θ20=θ30=π若しくは−π[°]」、「「V0=V1=−Vc」及び「V2=V3=Vc」などとする。
In the case where the leg-wheel type robot 100 is caused to travel straight in the direction opposite to the direction in which the base wheel type robot 100 is directed (directly rearward) with the base 10 kept in a certain direction, What is necessary is just to make the rotation direction of the driving wheel 20 opposite.
For example, “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = 0 [°]” and “V 0 = V 1 = V 2 = V 3 = −Vc” or “θ 00 = θ 10 = 0 [°] “Θ 20 = θ 30 = π or −π [°]”, “V 0 = V 1 = −Vc”, “V 2 = V 3 = Vc”, and the like.

次に、図19(b)に基づき、基体10の向きを保持した状態(前方向に向けたままの状態)で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して右斜め前方向に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
ここでは、脚車輪型ロボット100を、基体10の右斜め前方向に直進させるので、進行方向αとして「α(−90<α<0)[°](但し、反時計回りが正方向)」が入力され、更に、進行方向速度Vcが入力される。
Next, based on FIG. 19B, with the orientation of the base body 10 maintained (ie, with the front facing forward), the leg wheel type robot 100 is tilted forward to the right with respect to the direction it is facing. Next, the non-turning traveling control process when traveling straight ahead will be described.
Here, since the leg-wheel type robot 100 moves straight forward in the diagonally right direction of the base body 10, the traveling direction α is “α (−90 <α <0) [°] (where counterclockwise is the positive direction)”. Is input, and the traveling direction speed Vc is further input.

そして、進行方向α[°]及び進行方向速度Vcが入力されると、各駆動輪20の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3が算出される。
基体10の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット100を右斜め前方向(α[°]の方向)に直進走行させるためには、図19(b)の各駆動輪20から伸びる矢印に示すように、各駆動輪20の進行方向を、基体10の向いている方向に対して右斜め前方向に全て揃える必要がある。
When the traveling direction α [°] and the traveling direction speed Vc are input, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 of each driving wheel 20 and the linear speeds V 0 , V of each driving wheel 20 are input. 1 , V 2 and V 3 are calculated.
In order to cause the leg wheel type robot 100 to travel straight ahead in the diagonally right direction (α [°] direction) while maintaining the orientation of the base body 10, the arrows extending from the drive wheels 20 in FIG. As shown, it is necessary to align all the traveling directions of the drive wheels 20 in the diagonally forward right direction with respect to the direction in which the base body 10 is directed.

従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00=θ30=α[°]」、「θ10=θ20=−α[°]」と算出される。
また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=V1=Vc」、「V2=V3=−Vc」と算出される。
なお、各脚部12が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00=θ30=α[°]」、「θ10=θ20=−α−π[°]」、「V0=V2=Vc」、「V1=V3=−Vc」などの組み合わせとしても良い。
Therefore, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 are calculated as, for example, “θ 00 = θ 30 = α [°]”, “θ 10 = θ 20 = −α [°]”.
Further, in this case, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , and V 3 of the drive wheels 20 for running straight ahead are “V 0 = V 1 = Vc” and “V 2 = V 3 = −Vc”. Is calculated.
If the legs 12 do not interfere with each other, for example, “θ 00 = θ 30 = α [°]”, “θ 10 = θ 20 = −α−π [°]”, “V 0 = V 2 = Vc ", may be as a combination, such as" V 1 = V 3 = -Vc ".

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、上記前方向への直進走行のときと同様に、回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値と、駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値とを算出する。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
When the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the respective drive wheels 20 are calculated, next, the straight traveling in the forward direction is performed. Similarly, the command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 and the command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 are calculated.

このようにして、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ40及び車輪モータ50が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット100の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め前方向に直進走行する。   When the steering control command value and the speed control command value of each drive wheel 20 are calculated in this way, these command values are input to the drivers of the motors. Then, when each joint motor 40 and wheel motor 50 are driven based on the input command value, the steering angle and the rotational angular velocity of each drive wheel 20 of the leg wheel type robot 100 are thereby changed, and the leg wheel type robot is changed. In a state where the orientation of the base body 10 is maintained, the vehicle 100 travels straight forward in a diagonally forward right direction with respect to the facing direction.

なお、基体10の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して左斜め後方に直進走行させる場合は、上記右斜め前方向のときの各駆動輪20の回転方向を正反対とすればよい。また、左斜め前方向に直進移動させる場合は、進行方向αを「0<α<90[°]」の範囲で設定し、更に、操舵角度の符号を正反対とすればよい。また、右斜め後方に直進走行させる場合は、左斜め前方向のときの各駆動輪20の回転方向を正反対とすればよい。   When the leg-wheel type robot 100 travels straight diagonally to the left and backward with respect to the direction in which the base body 10 is held, each drive wheel 20 in the right diagonal forward direction is used. What is necessary is just to make the rotation direction opposite. Further, when moving straight ahead in the diagonally left direction, the traveling direction α may be set in a range of “0 <α <90 [°]”, and the sign of the steering angle may be opposite. Further, in the case where the vehicle travels straight diagonally to the right, the rotational direction of each drive wheel 20 in the diagonally forward left direction may be opposite to that of the front.

次に、図19(c)に基づき、基体10の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して左真横方向に直進走行させる場合の無変向走行制御処理を説明する。
ここでは、脚車輪型ロボット100を、基体10の左真横方向に直進させるので、進行方向αとして「α(90(π/2))[°]」が入力され、更に、進行方向速度Vcが入力される。
Next, based on FIG. 19 (c), the non-turning traveling control in the case where the leg-wheel type robot 100 travels straight in the left lateral direction with respect to the direction in which the base body 10 is maintained. Processing will be described.
Here, since the leg-wheel type robot 100 is moved straight in the left lateral direction of the base body 10, “α (90 (π / 2)) [°]” is input as the traveling direction α, and the traveling direction velocity Vc is Entered.

そして、進行方向α[°]及び進行方向速度Vcが入力されると、各駆動輪20の操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3が算出される。
基体10の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して左真横方向(π/2[°]の方向)に直進走行させるためには、図19(c)の各駆動輪20から伸びる矢印に示すように、各駆動輪20の進行方向を左真横方向に全て揃える必要がある。
When the traveling direction α [°] and the traveling direction speed Vc are input, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 of each driving wheel 20 and the linear speeds V 0 , V of each driving wheel 20 are input. 1 , V 2 and V 3 are calculated.
In order to cause the leg wheel type robot 100 to travel straight in the left lateral direction (direction of π / 2 [°]) with respect to the direction in which the base body 10 is maintained, FIG. ), It is necessary to align all the traveling directions of the driving wheels 20 in the left lateral direction.

従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、例えば、「θ00=θ10=θ20=θ30=π/2[°]」と算出される。
また、この場合に、直進走行させるための各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=V2=Vc」、「V1=V3=−Vc」と算出される。
なお、各脚部12が互いに干渉しなければ、例えば、「θ00=θ20=π/2[°]」、「θ10=θ30=−π/2[°]」、「V0=V1=V2=V3=Vc」などの組み合わせとしても良い。
Accordingly, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 are calculated as, for example, “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = π / 2 [°]”.
In this case, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , and V 3 of the drive wheels 20 for running straight ahead are “V 0 = V 2 = Vc” and “V 1 = V 3 = −Vc”. Is calculated.
If the legs 12 do not interfere with each other, for example, “θ 00 = θ 20 = π / 2 [°]”, “θ 10 = θ 30 = −π / 2 [°]”, “V 0 = A combination such as “V 1 = V 2 = V 3 = Vc” may be adopted.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、上記前方向への直進走行のときと同様に、回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値と、駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値とを算出する。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
When the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the respective drive wheels 20 are calculated, next, the straight traveling in the forward direction is performed. Similarly, the command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 and the command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 are calculated.

このようにして、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ40及び車輪モータ50が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット100の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度が変化し、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して左真横方向に直進走行する。   When the steering control command value and the speed control command value of each drive wheel 20 are calculated in this way, these command values are input to the drivers of the motors. Then, when each joint motor 40 and wheel motor 50 are driven based on the input command value, the steering angle and the rotational angular velocity of each drive wheel 20 of the leg wheel type robot 100 are thereby changed, and the leg wheel type robot is changed. In a state in which the orientation of the base body 10 is maintained, the vehicle 100 travels straight in the left lateral direction with respect to the facing direction.

なお、基体10の向きを保持した状態で、脚車輪型ロボット100を、その向いている方向に対して右真横方向に直進走行させる場合は、上記左真横方向のときの各駆動輪20の回転方向を正反対とすればよい。
次に、脚車輪型ロボット100を、所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回させる走行制御処理(以下、超信地旋回制御処理と称す)について説明する。
When the leg-wheel type robot 100 travels straight in the right lateral direction with respect to the direction in which the base body 10 is held, the rotation of each driving wheel 20 in the left lateral direction is performed. The direction may be opposite.
Next, a description will be given of a travel control process for turning the leg-wheel robot 100 without moving back and forth at a predetermined turning center position (hereinafter referred to as a super turning control process).

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、超信地旋回制御処理を実行する。
ここで、図20(a)及び(b)は、基体10の座標(0,0)及び座標(xc,yc)を回転中心とした場合の超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット100の走行状態を示す図である。
The CPU 60 activates a control program stored in a predetermined area such as a ROM, and executes super turning control processing according to the control program.
Here, FIGS. 20 (a) and 20 (b) show the leg-wheel type robot 100 at the time of super-superior turning control with the coordinates (0, 0) and the coordinates (xc, yc) of the base body 10 as the rotation center. It is a figure which shows a driving | running | working state.

なお、図20(a)及び(b)においては、基体10を上面側から見た平面において、長手方向の軸をx軸、それと直交する方向の軸をy軸とし、基体10の中心位置の座標を(x,y)=(0,0)とする。
超信地旋回制御処理は、クローラ機構を有したパワーショベルや戦車などの車両が行う超信地旋回と同等の旋回動作を脚車輪型ロボット100に行わせるものである。
20 (a) and 20 (b), in the plane when the base body 10 is viewed from the upper surface side, the longitudinal axis is the x-axis and the direction perpendicular thereto is the y-axis. The coordinates are (x, y) = (0, 0).
The super-revolution turning control process causes the leg wheel type robot 100 to perform a turning operation equivalent to the super-reflex turn performed by a vehicle such as a power shovel or a tank having a crawler mechanism.

ここで、超信地旋回とは、クローラ機構を有した車両が、左右のクローラを同速度で互いに反対方向に回転させることで、前後に進まず、車体の向きを変える旋回方法であり、これは、クローラ機構に限らず、左右に最低2輪の独立した駆動輪を有する車両であれば実現可能な旋回方法である。
本実施の形態においては、具体的に、超信地旋回制御指令があったときに実行され、ロボットの旋回角速度Ω、旋回中心(xc,yc)を入力として、脚車輪型ロボット100を旋回中心(xc,yc)で超信地旋回させるための、各脚部12の回転関節14(joint0)の角度(操舵角度)θ00、θ10、θ20、θ30、各脚部12の各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3を算出し、各アクチュエータに指令を与えるものである。
Here, super turning is a turning method in which a vehicle having a crawler mechanism rotates left and right crawlers in the opposite directions at the same speed, so that the vehicle body does not move forward and backward and changes the direction of the vehicle body. Is a turning method that can be realized not only in the crawler mechanism but also in a vehicle having at least two independent drive wheels on the left and right.
In the present embodiment, specifically, it is executed when there is a super turning control command, and the turning angular velocity Ω of the robot and the turning center (xc, yc) are used as inputs to turn the leg wheel type robot 100 into the turning center. Angles (steering angles) θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 of the rotary joints 14 (joint 0) of the respective leg portions 12 for driving each of the leg portions 12 in order to make a super turn at (xc, yc) The rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , and ω 3 of the wheel 20 are calculated, and commands are given to each actuator.

脚車輪型ロボット100を超信地旋回させるためには、基体10を、旋回中心(xc,yc)でヨー軸周りに自転させたときに、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心が描く円弧軌道と各駆動輪20の前記回転中心との接点における運動方向と、各駆動輪20の進行方向とが一致するように各回転関節14の関節モータ40を制御すると共に、各駆動輪20が前記運動方向に応じた回転方向に一定速度で回転するように各車輪モータ50を制御する必要がある。   In order to cause the leg wheel type robot 100 to make a super turn, when the base body 10 is rotated about the yaw axis at the turning center (xc, yc), the rotation about the yaw axis at the time of steering of each drive wheel 20 is performed. The joint motor 40 of each rotary joint 14 is controlled so that the direction of movement at the contact point between the arc trajectory drawn by the center and the rotation center of each drive wheel 20 matches the traveling direction of each drive wheel 20, and each drive It is necessary to control each wheel motor 50 so that the wheel 20 rotates at a constant speed in the rotation direction corresponding to the movement direction.

まず、図20(a)に基づき、基体10の中心位置の座標(0,0)を旋回中心とした場合の超信地旋回制御処理について説明する。
この場合は、旋回角速度Ωと、旋回中心座標(0,0)とが入力される。
旋回角速度Ω及び旋回中心座標(0,0)が入力されると、下式(7)に基づき、基体10のx軸と各駆動輪20の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。

tanφ=Wt/Wb ・・・(7)

但し、上式(7)は、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心とした場合の式である。また、上式(7)において、Wtはトレッド(車輪間隔)であり、Wbはホイールベースである。
First, based on FIG. 20 (a), a description will be given of super turning control processing in the case where the coordinate (0, 0) of the center position of the base body 10 is set as the turning center.
In this case, the turning angular velocity Ω and the turning center coordinates (0, 0) are input.
When the turning angular velocity Ω and the turning center coordinates (0, 0) are input, the angles φ 0 , φ 1 , φ formed by the x axis of the base 10 and the rotation center of each drive wheel 20 based on the following equation (7). 2, phi 3 is calculated.

tanφ = W t / W b (7)

However, the above expression (7) is an expression when the center coordinate (0, 0) of the base 10 is set as the turning center. In the above equation (7), W t is a tread (wheel spacing), and W b is a wheel base.

なお、φ0〜φ3は、x軸と、各駆動輪20の回転中心とのなす角度のうち最小の角度とし、φの正方向は、駆動輪によってはΩの正方向とは異なる。
t及びWbは既知であるため(予め情報を持っておく)、上式(7)から、上記角度φ0、φ1、φ2、φ3を算出することができる。
なお、旋回中心が基体10の中心座標(0,0)であるので、角度φ0、φ1、φ2、φ3はいずれも等角度「φ0=φ1=φ2=φ3=φ」となる。
Note that φ 0 to φ 3 are the minimum angles among the angles formed between the x-axis and the rotation center of each drive wheel 20, and the positive direction of φ differs from the positive direction of Ω depending on the drive wheels.
Since W t and W b are known (information is stored in advance), the angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , and φ 3 can be calculated from the above equation (7).
Since the turning center is the center coordinate (0, 0) of the base body 10, the angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , and φ 3 are all equal angles “φ 0 = φ 1 = φ 2 = φ 3 = φ. "

また、基体10が旋回座標(0,0)でヨー軸周りに自転時に、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心の描く円弧軌道と該回転中心との接点における運動方向は、図20(a)の各駆動輪20から伸びる矢印線に示すように、円弧軌道上の各回転中心を通る接線方向(図中の矢印線方向)となる。
各駆動輪20の回転中心に対する角度「φ0=φ1=φ2=φ3=φ」が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
In addition, when the base body 10 rotates around the yaw axis at the turning coordinates (0, 0), the movement direction at the contact point between the circular arc drawn by the rotation center around the yaw axis and the rotation center at the time of steering of each drive wheel 20 is: As indicated by the arrow lines extending from each drive wheel 20 in FIG. 20A, the direction is a tangential direction (in the direction of the arrow line in the figure) passing through each rotation center on the circular arc track.
Once the angle “φ 0 = φ 1 = φ 2 = φ 3 = φ” with respect to the rotation center of each drive wheel 20 is calculated, the movement direction of each rotation center and the traveling direction of each drive wheel 20 are matched. Steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated.

各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるためには、図20(a)に示すように、各駆動輪20の進行方向と、旋回中心と回転中心とを結ぶ線分との成す角度が直角(π/2(90[°]))となるように操舵すれば良く、従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θ00=θ10=θ20=θ30=−(π/2−φ)」と算出される。
一方、下式(8)に基づき、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心(0,0)との距離L0、L1、L2、L3が算出される。
In order to make the movement direction of each rotation center coincide with the traveling direction of each driving wheel 20, as shown in FIG. 20A, a line connecting the traveling direction of each driving wheel 20, the turning center and the rotation center. It is only necessary to perform steering so that the angle formed by the minute is a right angle (π / 2 (90 [°])). Therefore, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are “θ 00 = θ 10 = Θ 20 = θ 30 = − (π / 2−φ) ”.
On the other hand, the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 between the rotation center around the yaw axis and the turning center (0, 0) when each drive wheel 20 is steered are calculated based on the following equation (8). .

Figure 2009008648
Figure 2009008648

但し、上式(8)は、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心とした場合の式である。
なお、トレッドWt及びホイールベースWbから、左前輪の回転中心の座標は(Wb/2,Wt/2)、右前輪の回転中心の座標は(Wb/2,−Wt/2)、左後輪の回転中心の座標は(−Wb/2,Wt/2)、右後輪の回転中心の座標は(−Wb/2,−Wt/2)と表すことができる。
However, the above equation (8) is an equation in the case where the center coordinate (0, 0) of the base body 10 is set as the turning center.
From the tread W t and the wheel base W b , the coordinates of the rotation center of the left front wheel are (W b / 2, W t / 2), and the coordinates of the rotation center of the right front wheel are (W b / 2, −W t / 2) The coordinates of the center of rotation of the left rear wheel are represented as (−W b / 2, W t / 2), and the coordinates of the center of rotation of the right rear wheel are represented as (−W b / 2, −W t / 2). Can do.

なお、旋回中心が基体10の中心座標(0,0)であるので、距離L0、L1、L2、L3は、等距離「L0=L1=L2=L3=L」となる。
距離L0、L1、L2、L3が算出されると、次に、これらの距離Lと旋回角速度Ωとから、下式(9)に基づき、各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3を算出する。

0=V1=V2=V3=LΩ (9)

但し、上式(9)は、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心とした場合の式である。
Since the turning center is the center coordinate (0, 0) of the base body 10, the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 are equal distances “L 0 = L 1 = L 2 = L 3 = L”. It becomes.
Once the distances L 0 , L 1 , L 2 , and L 3 are calculated, the linear velocities V 0 , V 0 , and V of each drive wheel 20 are then calculated from these distances L and the turning angular velocity Ω based on the following equation (9). V 1 , V 2 and V 3 are calculated.

V 0 = V 1 = V 2 = V 3 = LΩ (9)

However, the above equation (9) is an equation in the case where the center coordinate (0, 0) of the base body 10 is set as the turning center.

ここで、先述したように、左右前輪は黒半円の目印のある方向に進行する回転方向が正回転方向となり、左右後輪は目印の無い方向に進行する回転方向が正回転方向となる。
また、各駆動輪20の向きは、図20(a)に示すようになるので、線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=V3=−LΩ」、「V1=V2=LΩ」と算出される。
更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
Here, as described above, the rotation direction of the left and right front wheels traveling in the direction with the black semicircle mark is the positive rotation direction, and the rotation direction of the left and right rear wheels traveling in the direction without the mark is the positive rotation direction.
Further, since the directions of the drive wheels 20 are as shown in FIG. 20A, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , and V 3 are “V 0 = V 3 = −LΩ”, “V 1 = V 2 = LΩ ”is calculated.
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).

操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪20の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した操舵角度とから回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度とから、駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。 Once the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of each drive wheel 20 are calculated, the current steering of each drive wheel 20 is then performed. Get the angle and rotational angular velocity. Then, a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated from the current steering angle and the calculated steering angle. Further, a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated from the current rotation angular velocity and the calculated rotation angular velocity.

このようにして、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ40及び車輪モータ50が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット100の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度が変化し、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心として、脚車輪型ロボット100が前後移動せずにその場で旋回(超信地旋回)する。   When the steering control command value and the speed control command value of each drive wheel 20 are calculated in this way, these command values are input to the drivers of the motors. Then, when each joint motor 40 and wheel motor 50 are driven based on the input command value, the steering angle and the rotational angular velocity of each drive wheel 20 of the leg wheel type robot 100 are thereby changed, and the center of the base body 10 is changed. With the coordinates (0, 0) as the turning center, the leg-wheel type robot 100 turns on the spot without making a back-and-forth movement.

次に、基体10の中心座標(0,0)以外の座標を旋回中心とした場合の超信地旋回制御処理について説明する。以下、この超信地旋回制御処理を、旋回中心オフセット型超信地旋回制御処理と称す。
この場合は、旋回角速度Ωと、基体10の中心座標(0,0)以外の座標である旋回中心座標(xc,yc)≠(0,0)とが入力される。
Next, the super turning control process when coordinates other than the center coordinate (0, 0) of the base 10 are set as the turning center will be described. Hereinafter, this super turning control process is referred to as a turning center offset type super turning control process.
In this case, the turning angular velocity Ω and turning center coordinates (xc, yc) ≠ (0, 0) which are coordinates other than the center coordinates (0, 0) of the base body 10 are input.

そして、旋回角速度Ω及び旋回中心座標(xc,yc)が入力されると、下式(10)に基づき、基体10のx軸と各駆動輪20の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。

tanφ0=(Wt/2−yc)/(Wb/2−xc)
tanφ1=(Wt/2+yc)/(Wb/2−xc)
tanφ2=(Wt/2−yc)/(Wb/2+xc)
tanφ3=(Wt/2+yc)/(Wb/2+xc) ・・・(10)

但し、上式(10)は、脚車輪型ロボット100の脚部12が、基体10の前方に左右一対及び後方に左右一対の計4本の場合の式である。
When the turning angular velocity Ω and the turning center coordinates (xc, yc) are input, the angles φ 0 , φ 1 formed by the x axis of the base 10 and the rotation center of each drive wheel 20 based on the following equation (10). , Φ 2 , φ 3 are calculated.

tan φ 0 = (W t / 2-yc) / (W b / 2-xc)
tan φ 1 = (W t / 2 + yc) / (W b / 2-xc)
tanφ 2 = (W t / 2-yc) / (W b / 2 + xc)
tan φ 3 = (W t / 2 + yc) / (W b / 2 + xc) (10)

However, the above equation (10) is an equation in the case where the leg portions 12 of the leg-wheel type robot 100 are a total of four pairs of left and right pairs in front of the base 10 and left and right pairs in the rear.

具体的に、入力された旋回中心座標(xc,yc)と、既知のWt及びWbとを、上式(10)に代入して、基体10のx軸と各駆動輪20の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3を算出する。
なお、旋回中心が基体10の中心座標以外の座標となるので、角度φ0、φ1、φ2、φ3はそれぞれ異なる角度となる。
Specifically, the input turning center coordinates (xc, yc) and known W t and W b are substituted into the above equation (10), and the x axis of the base 10 and the rotation center of each driving wheel 20 are substituted. Are calculated. Φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 are calculated.
Since the turning center is a coordinate other than the center coordinate of the base body 10, the angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , and φ 3 are different from each other.

また、基体10が、旋回中心座標(xc,yc)でヨー軸周りに自転時に、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心の描く円弧軌道と該回転中心との接点における運動方向は、図20(b)の各駆動輪20から伸びる矢印線に示すように、各円弧軌道上の各回転中心を通る接線方向(図中の矢印線方向)となる。また、旋回中心と各駆動輪20の回転中心との距離はそれぞれ異なるため、各回転中心の描く円弧軌道も異なる。   Further, when the base body 10 rotates around the yaw axis at the turning center coordinates (xc, yc), the direction of motion at the contact point between the circular arc drawn by the rotation center around the yaw axis and the rotation center at the time of steering of each drive wheel 20. As shown by the arrow lines extending from the drive wheels 20 in FIG. 20 (b), they are tangential directions (in the direction of the arrow lines in the figure) passing through the rotation centers on the circular arc tracks. Further, since the distance between the turning center and the rotation center of each drive wheel 20 is different, the arc trajectory drawn by each rotation center is also different.

各駆動輪20の回転中心に対する角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるためには、図20(b)に示すように、各駆動輪20の回転方向と、旋回中心と回転中心とを結ぶ線分との成す角度が直角(π/2(90[°]))となるように操舵すれば良く、従って、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θi0=−(π/2−φi)(i=0,1,2,3)」と算出される。
Once the angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , and φ 3 with respect to the rotation center of each drive wheel 20 are calculated, next, steering for making the movement direction of each rotation wheel coincide with the traveling direction of each drive wheel 20. The angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated.
In order to make the movement direction of each rotation center coincide with the traveling direction of each drive wheel 20, as shown in FIG. 20B, a line connecting the rotation direction of each drive wheel 20, the turning center and the rotation center. It is only necessary to steer so that the angle formed by the minute becomes a right angle (π / 2 (90 [°])). Therefore, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are “θ i0 = − ( π / 2-φ i) is calculated as (i = 0, 1, 2, 3) ".

一方、下式(11)に基づき、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心(xc,yc)との距離L0、L1、L2、L3が算出される。
On the other hand, the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 between the rotation center around the yaw axis and the turning center (xc, yc) during the steering of each drive wheel 20 are calculated based on the following equation (11). .

Figure 2009008648
Figure 2009008648

先述したように、旋回中心が基体10の中心座標(0,0)以外の座標であるので、距離L0、L1、L2、L3は、それぞれ異なる距離となる。
距離L0、L1、L2、L3が算出されると、次に、これらの距離と旋回角速度Ωとから、下式(12)に基づき、各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3を算出する。

|Vi|=|LiΩ| (12)

従って、線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=−L0Ω」、「V1=L1Ω」、「V2=L2Ω」、「V3=−L3Ω」と算出される。
As described above, since the turning center is a coordinate other than the center coordinates (0, 0) of the base body 10, the distances L 0 , L 1 , L 2 , and L 3 are different distances.
Once the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 are calculated, the linear velocities V 0 , V 0 of the drive wheels 20 are then calculated from these distances and the turning angular velocity Ω based on the following equation (12). 1 , V 2 and V 3 are calculated.

| V i | = | L i Ω | (12)

Therefore, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are “V 0 = −L 0 Ω”, “V 1 = L 1 Ω”, “V 2 = L 2 Ω”, “V 3 = − L 3 Ω ”.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、各駆動輪20の現在の操舵角度及び回転角速度を取得する。そして、現在の操舵角度と、上記算出した操舵角度とから回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度とから、駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
Once the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of each drive wheel 20 are calculated, the current steering of each drive wheel 20 is then performed. Get the angle and rotational angular velocity. Then, a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated from the current steering angle and the calculated steering angle. Further, a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated from the current rotation angular velocity and the calculated rotation angular velocity.

このようにして、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を算出すると、これらの指令値を各モータのドライバに入力する。そして、入力された指令値に基づき各関節モータ40及び車輪モータ50が駆動されると、これにより、脚車輪型ロボット100の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度が変化し、基体10における中心位置(0,0)以外の座標(xc,yc)を旋回中心として、脚車輪型ロボット100が旋回(超信地旋回)する。   When the steering control command value and the speed control command value of each drive wheel 20 are calculated in this way, these command values are input to the drivers of the motors. Then, when each joint motor 40 and wheel motor 50 are driven based on the input command value, the steering angle and the rotational angular velocity of each drive wheel 20 of the leg wheel type robot 100 are thereby changed. The leg wheel type robot 100 turns (super-confidence turning) with the coordinates (xc, yc) other than the position (0, 0) as the turning center.

次に、図21及び図22に基づき、本実施の形態の動作を説明する。
ここで、図21(a)及び(b)は、脚車輪型ロボット100の走行経路の一例を示す図である。また、図22は、ロボットの重心位置の一例を示す図である。
脚車輪型ロボット100は、障害物センサ34、36によって、脚車輪型ロボット100の移動経路上に障害物(ここでは階段とする)が存在することを確認すると、3次元距離測定装置200によって、上記第1の実施の形態で説明した距離測定及び面データの生成処理を行い、生成した面データをハブ76及び通信I/F64を介してCPU60に入力する。一方、CPU60は、入力された面データを解析して、特に、勾配が0に近い交差線を有する面がある場合は、それを水平面とみなし、脚車輪型ロボット100が歩行可能な面であると判断する。面データの示す面が歩行可能な面であると判断された場合は、入力された面データのセンサ座標系をグローバル座標系に変換し、この変換結果と、3軸姿勢センサ70のセンサ信号などとに基づき、脚先の着地位置を決定する。更に、脚先センサ38からのセンサ信号に基づき、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係とを算出する。そして、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ44に出力される。これにより、各関節モータが駆動し、脚車輪型ロボット100が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避、停止する。したがって、脚型ロボットと同様に階段への適応性が高い。
Next, based on FIG.21 and FIG.22, operation | movement of this Embodiment is demonstrated.
Here, FIGS. 21A and 21B are diagrams illustrating an example of a travel route of the leg-wheel type robot 100. FIG. FIG. 22 is a diagram illustrating an example of the position of the center of gravity of the robot.
When the leg-wheel type robot 100 confirms that an obstacle (here, a staircase) exists on the movement path of the leg-wheel type robot 100 by the obstacle sensors 34 and 36, the three-dimensional distance measuring device 200 The distance measurement and surface data generation processing described in the first embodiment is performed, and the generated surface data is input to the CPU 60 via the hub 76 and the communication I / F 64. On the other hand, the CPU 60 analyzes the input surface data, and in particular, when there is a surface having an intersection line whose slope is close to 0, the CPU 60 regards it as a horizontal surface and is a surface on which the leg-wheel robot 100 can walk. Judge. When it is determined that the surface indicated by the surface data is a surface that can be walked, the sensor coordinate system of the input surface data is converted to the global coordinate system, and the conversion result and the sensor signal of the three-axis posture sensor 70, etc. Based on the above, the landing position of the leg tip is determined. Further, based on the sensor signal from the leg tip sensor 38, the distance to the kick plate and the positional relationship between the leg tip and the tread board are calculated. Then, a motor command signal is generated based on the determined landing position and the calculated both distances, and the generated motor command signal is output to the driver 44. As a result, each joint motor is driven, and the leg wheel type robot 100 gets over the stairs while keeping its posture properly. Depending on the situation, the stairs are avoided and stopped. Therefore, the adaptability to the stairs is high like the legged robot.

一方、脚車輪型ロボット100は、障害物センサ34、36のセンサ信号などに基づき、自己の移動経路上に何も障害物が存在しない(平地である)と判断すると、移動モードを、脚部12を用いる脚部移動モードから駆動輪20を用いる車輪走行移動モードへと切り替える。
平地では、脚車輪型ロボット100は、上記した無変向走行で移動することができる。さらに、上記した超信地旋回及び旋回中心オフセット型超信地旋回を行うことができる。
On the other hand, when the leg-wheel type robot 100 determines that there is no obstacle on its own movement path based on the sensor signals of the obstacle sensors 34 and 36 (flat ground), the leg-wheel type robot 100 sets the movement mode to the leg portion. 12 is switched from the leg movement mode using 12 to the wheel traveling movement mode using drive wheels 20.
On flat ground, the leg-wheel type robot 100 can move in the above-mentioned non-turning traveling. Furthermore, the above-described super-spinning and turning center offset type super-spinning can be performed.

車輪走行移動モードへと切り替えられると、脚車輪型ロボット100は、脚部12の各関節モータ40を制御して膝屈曲姿勢へと移行する。そして、脚車輪型ロボット100が膝屈曲姿勢へと移行すると、各種走行制御が開始される。
まず、無変向走行制御時の脚車輪型ロボット100の動作について説明する。
ここでは、図21(a)に示すような通路を、脚車輪型ロボット100で走行移動させることとする。なお、図21(a)及び(b)は、走行経路の一部を真上から見た俯瞰図である。
When the mode is switched to the wheel traveling mode, the leg wheel type robot 100 controls each joint motor 40 of the leg 12 to shift to the knee flexion posture. Then, when the leg-wheel type robot 100 shifts to the knee bending posture, various traveling controls are started.
First, the operation of the leg wheel type robot 100 during the non-turning traveling control will be described.
Here, it is assumed that the leg wheel type robot 100 travels and moves along a passage as shown in FIG. FIGS. 21A and 21B are overhead views of a part of the travel route as viewed from directly above.

図21(a)に示すように、通路は、最初、基体10の向いている方向(前方向)に直進しないと通れないほど幅が狭くなっているので、まず、通路への進入前において、通路の伸びる方向と基体10の向きとを合わせると共に、進入位置及び進入角度を調整する。
そして、無変向走行制御指令を入力し、脚車輪型ロボット100を、無変向走行制御モードへと移行させる。これにより、脚車輪型ロボット100は、CPU60において、基体10の向きを保持した状態で、目的の進行方向へと走行移動する制御を行う。
As shown in FIG. 21 (a), the width of the passage is initially narrow enough to pass through in the direction (front direction) in which the base body 10 is facing, so first, before entering the passage, The direction in which the passage extends and the direction of the base 10 are matched, and the entry position and the entry angle are adjusted.
Then, the non-turning traveling control command is input, and the leg wheel type robot 100 is shifted to the non-turning traveling control mode. As a result, the leg wheel type robot 100 controls the CPU 60 to travel and move in the target traveling direction while maintaining the orientation of the base 10.

まず最初は、脚車輪型ロボット100を、前方向に直進移動させたいので、ロボットの進行方向α=0[°]、及びロボット進行方向速度Vcを入力する。これにより、各駆動輪20の操舵角度が「θ00=θ10=θ20=θ30=0[°]」と算出され、各駆動輪20の線速度が「V0=V1=V2=V3=Vc」と算出される。
更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
First, since the leg wheel type robot 100 is desired to move straight forward, the robot traveling direction α = 0 [°] and the robot traveling direction speed Vc are input. Thereby, the steering angle of each drive wheel 20 is calculated as “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = 0 [°]”, and the linear velocity of each drive wheel 20 is “V 0 = V 1 = V 2”. = V 3 = Vc ”.
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).

CPU60は、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3を算出すると、次に、角度取込I/F62を介して、現在の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。 When the CPU 60 calculates the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 , and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the drive wheels 20, the angle capture I / F 62 is then obtained. The current steering angle and rotational angular velocity of each drive wheel 20 are acquired. Here, a difference value between the acquired steering angle and the calculated steering angle is calculated, and a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated based on the difference value. Further, a difference value between the acquired current rotation angular velocity and the calculated rotation angular velocity is calculated, and a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated based on the difference value.

CPU60は、上記算出した、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ40が駆動され、各脚部12の回転関節14がヨー軸周りに回動して目標の操舵角度へと変化する。その後、各車輪モータ50が駆動され、各駆動輪20が指令値に応じた回転角速度で回転駆動する。これにより、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、基体10の向いている方向(前方向)に通路へと進入すると共に通路内を直進走行する。   The CPU 60 inputs the calculated steering control command value and speed control command value of each drive wheel 20 to the driver of each motor. With this command value, each joint motor 40 is driven, and the rotary joint 14 of each leg 12 rotates about the yaw axis to change to a target steering angle. Thereafter, each wheel motor 50 is driven, and each drive wheel 20 is rotationally driven at a rotational angular velocity corresponding to the command value. As a result, the leg wheel type robot 100 enters the passage in the direction (front direction) in which the base body 10 is facing while keeping the orientation of the base body 10 and travels straight in the passage.

脚車輪型ロボット100が前方向にしばらく直進すると、通路は右に略直角に折れ曲がり、更に路幅も広くなるので、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右真横方向に直進移動するように制御する。つまり、進行方向として、α=−90(−π/2)[°]を入力し、更に、進行方向速度Vcを入力する。
これにより、例えば、操舵角度として、「θ00=θ10=θ20=θ30=α[°]」が算出され、線速度として、「V0=V2=−Vc」、「V1=V3=Vc」が算出される。
When the leg-wheel type robot 100 goes straight forward for a while, the passage bends to the right at a substantially right angle and further widens the road width. Control to move straight in the direction. That is, α = −90 (−π / 2) [°] is input as the traveling direction, and further the traveling direction velocity Vc is input.
Thereby, for example, “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = α [°]” is calculated as the steering angle, and “V 0 = V 2 = −Vc”, “V 1 = V 3 = Vc ”is calculated.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
CPU60は、各駆動輪20の現在の操舵角度及び回転角速度を取得し、これらと上記算出した操舵角度及び回転角速度とから各指令値を算出する。この指令値により、各関節モータ40及び各車輪モータ50が駆動され、これにより、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右真横方向に直進走行する。これにより、通路の曲がり角で脚車輪型ロボット100を旋回せずに、その曲がった先へと走行させることができる。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
The CPU 60 acquires the current steering angle and rotational angular velocity of each drive wheel 20, and calculates each command value from these and the calculated steering angle and rotational angular velocity. By this command value, each joint motor 40 and each wheel motor 50 are driven, so that the leg wheel type robot 100 holds the direction of the base body 10 in the right lateral direction with respect to the direction in which it is directed. Drive straight ahead. Thus, the leg wheel type robot 100 can be caused to travel to the bent point without turning at the corner of the passage.

脚車輪型ロボット100が右真横方向にしばらく直進すると、通路は右斜め下方向に折れ曲がるので、今度は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め後ろ方向に直進移動するように制御する。つまり、進行方向として、α(通路の角度<0)[°]を入力し、更に、進行方向速度Vcを入力する。
これにより、操舵角度として、「θ00=θ30=π+α[°]」及び「θ10=θ20=−(π+α)[°]」が算出され、線速度として、「V0=V1=−Vc」及び「V2=V3=Vc」が算出される。
When the leg wheel type robot 100 goes straight to the right side for a while, the passage bends diagonally downward to the right. Control to move straight. That is, α (passage angle <0) [°] is input as the traveling direction, and further the traveling direction velocity Vc is input.
Thereby, “θ 00 = θ 30 = π + α [°]” and “θ 10 = θ 20 = − (π + α) [°]” are calculated as the steering angle, and “V 0 = V 1 = -Vc "and" V 2 = V 3 = Vc "is calculated.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
そして、各駆動輪20の現在の操舵角度及び回転角速度を取得し、これらと上記算出した操舵角度及び回転角速度とから各指令値を算出する。この指令値により、各関節モータ40及び各車輪モータ50が駆動され、これにより、脚車輪型ロボット100は、基体10の向きを保持した状態で、その向いている方向に対して右斜め後ろ方向に直進走行する。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
Then, the current steering angle and rotation angular velocity of each drive wheel 20 are acquired, and each command value is calculated from these and the calculated steering angle and rotation angular velocity. By this command value, each joint motor 40 and each wheel motor 50 are driven, so that the leg wheel type robot 100 holds the orientation of the base body 10 in the diagonally rightward direction with respect to the direction in which the base 10 is facing. Go straight ahead.

次に、超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット100の動作について説明する。
ここでは、図19(b)に示すような通路を、脚車輪型ロボット100で走行移動させることとする。
図21(b)に示すように、通路は、最初真っ直ぐに伸びており、その後、略直角に右に折れ曲がり、その先で行き止まりとなっている。
Next, the operation of the leg wheel type robot 100 at the time of super-trust turning control will be described.
Here, it is assumed that the leg wheel type robot 100 travels and moves along a passage as shown in FIG.
As shown in FIG. 21 (b), the passage extends straight at first, then turns to the right at a substantially right angle, and reaches a dead end after that.

まず、通路の伸びる方向と基体10の向きとを合わせ、進入位置を微調整した後に、脚車輪型ロボット100を前方向に直進走行させる。これにより、脚車輪型ロボット100は、通路へと進入すると共に通路内を直進走行する。
脚車輪型ロボット100は、しばらく直進すると、やがて曲がり角へと到達するので、時計回りに旋回して、基体10の向きを脚車輪型ロボット100が進行できる向きへと変更する。
First, the direction in which the passage extends and the direction of the base body 10 are matched and the approach position is finely adjusted, and then the leg-wheel type robot 100 is caused to travel straight ahead in the forward direction. Thereby, the leg-wheel type robot 100 enters the passage and travels straight in the passage.
When the leg wheel type robot 100 goes straight for a while, the leg wheel type robot 100 eventually reaches the turning corner, and therefore turns clockwise to change the direction of the base body 10 so that the leg wheel type robot 100 can advance.

図21(b)に示す曲がり角であれば、前移動を伴う旋回動作でも十分に右折できるが、ここでは、超信地旋回により右折することとする。そのため、超信地旋回制御指令を入力し、この指令により、脚車輪型ロボット100を、超信地旋回制御モードへと移行させる。これにより、脚車輪型ロボット100は、CPU60において、前後移動を行わずに所定の旋回中心位置でロボットを旋回する制御処理を行う。   If it is the corner shown in FIG. 21 (b), it is possible to make a right turn even with a turning motion accompanied by a forward movement, but here it is assumed that a right turn is made by a super turn. For this reason, a super-trust turning control command is input, and the leg wheel type robot 100 is shifted to the super-trust turning control mode by this command. As a result, the leg wheel type robot 100 performs a control process in which the CPU 60 turns the robot at a predetermined turning center position without moving back and forth.

まず、旋回角速度Ω(基体10を時計回りに回転させる角速度)と、旋回中心座標(0,0)とを入力する。更に、略直角に右折させるので、旋回角度−90[°]を入力する。
旋回角速度Ω、旋回中心座標(0,0)及び旋回角度(−90[°])が入力されると、上式(7)に基づき、基体10のx軸と各駆動輪20の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
First, a turning angular velocity Ω (an angular velocity for rotating the base body 10 clockwise) and a turning center coordinate (0, 0) are input. Further, since the right turn is performed at a substantially right angle, a turning angle of −90 [°] is input.
When the turning angular velocity Ω, the turning center coordinates (0, 0), and the turning angle (−90 [°]) are input, the x-axis of the base 10 and the rotation center of each drive wheel 20 are determined based on the above equation (7). Are calculated. Φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 are calculated.

各駆動輪20の回転中心に対する角度「φ0=φ1=φ2=φ3=φ」が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30が算出される。
具体的に、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θ00=θ10=θ20=θ30=−(π/2−φ)」が算出される。
Once the angle “φ 0 = φ 1 = φ 2 = φ 3 = φ” with respect to the rotation center of each drive wheel 20 is calculated, the movement direction of each rotation center and the traveling direction of each drive wheel 20 are matched. Steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated.
Specifically, for the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 , “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = − (π / 2−φ)” is calculated.

また、上式(8)に基づき、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心(0,0)との距離L0、L1、L2、L3が算出される。
旋回中心が基体10の中心座標(0,0)となっているので、距離L0、L1、L2、L3は、等距離「L0=L1=L2=L3=L」となる。
次に、距離Lと旋回角速度Ωとから、上式(9)に基づき、各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3を算出する。
Further, based on the above equation (8), distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 between the rotation center around the yaw axis and the turning center (0, 0) at the time of steering of each drive wheel 20 are calculated. .
Since the turning center is the center coordinates (0, 0) of the base body 10, the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 are equal distances “L 0 = L 1 = L 2 = L 3 = L”. It becomes.
Next, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 of the drive wheels 20 are calculated from the distance L and the turning angular velocity Ω based on the above equation (9).

ここでは、脚車輪型ロボット100を、時計回りに旋回(Ω<0)させるので、線速度V0、V1、V2、V3は、「V1=V2=LΩ」、「V0=V3=−LΩ」と算出される。
更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、角度取込I/F62を介して、現在の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。
Here, since the leg-wheel type robot 100 is turned clockwise (Ω <0), the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are “V 1 = V 2 = LΩ”, “V 0 = V 3 = −LΩ ”.
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
Once the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the drive wheels 20 are calculated, then, via the angle capture I / F 62. Thus, the current steering angle and rotational angular velocity of each drive wheel 20 are acquired. Here, a difference value between the acquired steering angle and the calculated steering angle is calculated, and a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated based on the difference value. Further, a difference value between the acquired current rotation angular velocity and the calculated rotation angular velocity is calculated, and a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated based on the difference value.

CPU60は、上記算出した、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ40が駆動され、各脚部12の回転関節14がヨー軸周りに回動して目標の操舵角度へと変化する。その後、各車輪モータ50が駆動され、各駆動輪20が指令値に応じた回転角速度で回転駆動する。これにより、脚車輪型ロボット100は、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心として、前後移動せずにその場で時計回りに90[°]旋回(超信地旋回)する。   The CPU 60 inputs the calculated steering control command value and speed control command value of each drive wheel 20 to the driver of each motor. With this command value, each joint motor 40 is driven, and the rotary joint 14 of each leg 12 rotates about the yaw axis to change to a target steering angle. Thereafter, each wheel motor 50 is driven, and each drive wheel 20 is rotationally driven at a rotational angular velocity corresponding to the command value. As a result, the leg-wheel type robot 100 turns 90 [°] clockwise (superficial turning) on the spot without moving back and forth with the center coordinate (0, 0) of the base body 10 as the turning center.

そして、脚車輪型ロボット100を、時計回りに90[°]旋回して右折させると、その先の通路を、前方向へと直進走行させる。
図21(b)に示すように、右折した先の通路は袋小路となっているため、脚車輪型ロボット100は、やがて通路の行き止まりへと到達する。
脚車輪型ロボット100は、これ以上先に進めないため(各種センサにより状況を把握)、180[°]旋回して通路を引き返すことになる。
When the leg wheel type robot 100 turns 90 [°] clockwise and turns right, the robot travels forward in the forward direction along the passage.
As shown in FIG. 21B, the right-turned passage is a dead end, so the leg-wheel type robot 100 eventually reaches the dead end of the passage.
Since the leg-wheel type robot 100 cannot proceed any further (ascertained by various sensors), the leg-wheel type robot 100 turns 180 [°] and turns back the passage.

ここでは、通路の幅が前後移動を伴う旋回動作(例えば、Uターン)を行えるほど広くないため、上記右折のときと同様に、超信地旋回制御モードへと移行し、超信地旋回により180[°]旋回して、脚車輪型ロボット100の向きを変更し、引き返すこととする。
また、図21(b)に示すように、通路幅が自転ぎりぎりの幅となっているので、脚車輪型ロボット100を最小の旋回半径で旋回させる必要がある。従って、旋回中心座標(0,0)と、旋回角速度Ω(基体10を時計回りに回転させる角速度)と、旋回角度180[°]とを入力する。なお、脚部12が通路にぶつからないように、脚車輪型ロボット100の各脚部12の姿勢を膝伸展姿勢へと変更する。
Here, since the width of the passage is not wide enough to make a turning motion (for example, U-turn) with back-and-forth movement, as in the case of the right turn, the mode shifts to the super turning control mode, It turns 180 [°], changes the direction of the leg wheel type robot 100, and turns it back.
Further, as shown in FIG. 21 (b), since the passage width is the minimum width of rotation, it is necessary to turn the leg wheel type robot 100 with the minimum turning radius. Therefore, the turning center coordinates (0, 0), the turning angular velocity Ω (the angular velocity for rotating the base 10 clockwise), and the turning angle 180 [°] are input. Note that the posture of each leg 12 of the leg wheel type robot 100 is changed to the knee extension posture so that the leg 12 does not hit the passage.

旋回中心座標(0,0)、旋回角速度Ω及び旋回角度180[°]が入力されると、上記右折のときと同様に、操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30として、「θ00=θ10=θ20=θ30=−(π/2−φ)」が算出され、線速度V0、V1、V2、V3として、「V1=V2=LΩ」、「V0=V3=−LΩ」が算出される。
更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
When the turning center coordinates (0, 0), turning angular velocity Ω, and turning angle 180 [°] are input, the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 are set as “θ 00 = θ 10 = θ 20 = θ 30 = - (π / 2-φ) "is calculated as the linear velocity V 0, V 1, V 2 , V 3, " V 1 = V 2 = LΩ "," V 0 = V 3 = −LΩ ”is calculated.
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).

操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、各指令値が算出され、関節モータ40及び車輪モータ50が駆動される。
これにより、基体10の中心座標(0,0)を旋回中心として、脚車輪型ロボット100が前後移動せずにその場で時計回りに180[°]旋回(超信地旋回)し、真後ろ方向へと向きを変える。
When the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the drive wheels 20 are calculated, the command values are calculated, and the joint motor 40 and The wheel motor 50 is driven.
As a result, the leg wheel type robot 100 turns 180 [°] clockwise (super turning) on the spot without moving back and forth, with the center coordinate (0, 0) of the base body 10 as the turning center, and in the back direction. Change direction.

ここで、脚車輪型ロボット100が、例えば、遠隔操作で人手により走行制御される場合や、自動制御で且つ基体10の後ろ側にも各種センサやカメラを備えている場合などは、無変向走行制御により、前を向いたまま真後ろに走行させて通路を引き返させることも可能である。しかし、自動制御の場合で且つ各種センサが基体10の前側にしか備わっていない場合は、基体10の向きと進行方向とを合わせる必要がある。従って、後者の場合などに、超信地旋回は有用な旋回手段となる。   Here, for example, when the leg-wheel type robot 100 is travel-controlled manually by remote operation, or when it is automatically controlled and has various sensors and cameras on the back side of the base body 10, no change is made. By running control, it is also possible to run straight back while turning forward and turn the path back. However, in the case of automatic control and when various sensors are provided only on the front side of the base body 10, it is necessary to match the direction of the base body 10 with the traveling direction. Accordingly, in the latter case, the super-symbol turning is a useful turning means.

次に、旋回中心オフセット型超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット100の動作について説明する。
いま、車輪走行移動モードへと移行し、脚車輪型ロボット100の各関節モータ40が制御され、ロボットの姿勢が膝屈曲姿勢に変更されたとする。このとき、ロボットの重心が図22に示すように、基体10の中心位置の座標から外れた位置となるとする。
Next, the operation of the leg-wheel type robot 100 at the time of turning center offset type super-revolution turning control will be described.
Now, it is assumed that the mode is shifted to the wheel traveling mode, each joint motor 40 of the leg wheel type robot 100 is controlled, and the posture of the robot is changed to the knee flexion posture. At this time, it is assumed that the center of gravity of the robot becomes a position deviated from the coordinates of the center position of the base 10 as shown in FIG.

この場合は、重心位置が基体10の中心位置の座標(0,0)から外れているため、中心位置を旋回中心として超信地旋回を行わせると旋回がアンバランスとなり、不具合が発生する恐れがある。
このようなときに、本実施の形態の超信地旋回制御指令モードにおいては、任意の旋回中心で超信地旋回させることができるので、旋回角速度Ωを入力すると共に、基体10における、脚車輪型ロボット100の重心位置に対応する座標(xg,yg)を旋回中心座標(xc,yc)として入力する。 そして、旋回角速度Ω及び旋回中心座標(xc,yc)=(xg,yg)が入力されると、上式(10)に基づき、基体10のx軸と各駆動輪20の回転中心とのなす角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出される。
In this case, since the position of the center of gravity is deviated from the coordinates (0, 0) of the center position of the base body 10, if super turning is performed with the center position as the turning center, the turning becomes unbalanced and a problem may occur. There is.
In such a case, in the super-revolution turn control command mode of the present embodiment, since the super-revolution can be made at an arbitrary turning center, the turning angular velocity Ω is input and the leg wheel in the base body 10 is input. The coordinates (xg, yg) corresponding to the center of gravity position of the robot 100 are input as the turning center coordinates (xc, yc). When the turning angular velocity Ω and the turning center coordinates (xc, yc) = (xg, yg) are input, the x axis of the base 10 and the rotation center of each drive wheel 20 are formed based on the above equation (10). The angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , φ 3 are calculated.

各駆動輪20の回転中心に対する角度φ0、φ1、φ2、φ3が算出されると、次に、各回転中心の運動方向と各駆動輪20の進行方向とを一致させるための操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30を算出する。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30は、「θi0=−(π/2−φi)(i=0,1,2,3)」と算出される。
Once the angles φ 0 , φ 1 , φ 2 , and φ 3 with respect to the rotation center of each drive wheel 20 are calculated, next, steering for making the movement direction of each rotation wheel coincide with the traveling direction of each drive wheel 20. The angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated.
The steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , and θ 30 are calculated as “θ i0 = − (π / 2−φ i ) (i = 0, 1, 2, 3)”.

次に、上式(11)に基づき、各駆動輪20の操舵時のヨー軸周りの回転中心と旋回中心(xc,yc)との距離L0、L1、L2、L3を算出する。
距離L0、L1、L2、L3が算出されると、次に、これらの距離と旋回角速度Ωとから、上式(12)に基づき、各駆動輪20の線速度V0、V1、V2、V3を算出する。
ここでは、脚車輪型ロボット100を反時計回りに旋回(Ω>0)させるとして、線速度V0、V1、V2、V3は、「V0=−L0Ω」、「V1=L1Ω」、「V2=L2Ω」、「V3=−L3Ω」と算出される。
Next, distances L 0 , L 1 , L 2 , and L 3 between the rotation center around the yaw axis and the turning center (xc, yc) during steering of each drive wheel 20 are calculated based on the above equation (11). .
Once the distances L 0 , L 1 , L 2 , L 3 are calculated, the linear velocities V 0 , V 0 of each drive wheel 20 are then calculated from these distances and the turning angular velocity Ω based on the above equation (12). 1 , V 2 and V 3 are calculated.
Here, assuming that the leg-wheel type robot 100 is turned counterclockwise (Ω> 0), the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are “V 0 = −L 0 Ω”, “V 1 = L 1 Ω ”,“ V 2 = L 2 Ω ”, and“ V 3 = −L 3 Ω ”.

更に、線速度V0、V1、V2、V3は、上式(6)に従って、回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3に変換される。
操舵角度θ00、θ10、θ20、θ30、及び各駆動輪20の回転角速度ω0、ω1、ω2、ω3が算出されると、次に、角度取込I/F62を介して、現在の各駆動輪20の操舵角度及び回転角速度を取得する。ここでは、取得した操舵角度と上記算出した操舵角度との差分値を算出し、該差分値に基づき回転関節14の関節モータ40を駆動する指令値を算出する。更に、取得した現在の回転角速度と、上記算出した回転角速度との差分値を算出し、該差分値に基づき駆動輪20の車輪モータ50を駆動する指令値を算出する。
Further, the linear velocities V 0 , V 1 , V 2 , V 3 are converted into rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 according to the above equation (6).
Once the steering angles θ 00 , θ 10 , θ 20 , θ 30 and the rotational angular velocities ω 0 , ω 1 , ω 2 , ω 3 of the drive wheels 20 are calculated, then, via the angle capture I / F 62. Thus, the current steering angle and rotational angular velocity of each drive wheel 20 are acquired. Here, a difference value between the acquired steering angle and the calculated steering angle is calculated, and a command value for driving the joint motor 40 of the rotary joint 14 is calculated based on the difference value. Further, a difference value between the acquired current rotation angular velocity and the calculated rotation angular velocity is calculated, and a command value for driving the wheel motor 50 of the drive wheel 20 is calculated based on the difference value.

CPU60は、上記算出した、各駆動輪20の操舵制御の指令値及び速度制御の指令値を各モータのドライバに入力する。この指令値により、各関節モータ40及び各車輪モータ50が駆動され、これにより、基体10における重心座標と対応する座標(xg,yg)を旋回中心として、脚車輪型ロボット100がバランスのとれた状態で反時計回りに超信地旋回する。   The CPU 60 inputs the calculated steering control command value and speed control command value of each drive wheel 20 to the driver of each motor. By this command value, each joint motor 40 and each wheel motor 50 are driven, whereby the leg wheel type robot 100 is balanced with the coordinates (xg, yg) corresponding to the center of gravity coordinates in the base body 10 as the turning center. Turn the superstrate counterclockwise in the state.

このようにして、本実施の形態では、3次元距離測定装置200の機械的な構成を、モータ116及びエンコーダ118と、2次元距離測定装置112とを水平方向に並べて配設し、モータ116の第1の回転軸の回転駆動力を、プーリ120a、ベルト121、プーリ120bを介して、2次元距離測定装置112を回転する第2回転軸へと伝達し、2次元距離測定装置112を、垂直方向の軸(y軸)まわりに回転駆動する構成とした。   Thus, in the present embodiment, the mechanical configuration of the three-dimensional distance measuring device 200 is arranged such that the motor 116 and the encoder 118 and the two-dimensional distance measuring device 112 are arranged in the horizontal direction. The rotational driving force of the first rotating shaft is transmitted to the second rotating shaft that rotates the two-dimensional distance measuring device 112 via the pulley 120a, the belt 121, and the pulley 120b, and the two-dimensional distance measuring device 112 is moved vertically. It was set as the structure which rotates around the direction axis | shaft (y-axis).

これにより、2次元距離測定装置112の所定走査角度範囲内には、走査を除外するものが一切なくなるので、正確な距離情報を得ることができる。また、モータ116及びエンコーダ118と、2次元距離測定装置112とを水平方向に並べて配設したので、3次元距離測定装置200の高さ方向の占有率を低減することができる。
さらに、本実施の形態では、3次元距離測定装置200において、測定平面内に存在する物体の凹凸を認識することができる。これにより、連続面が存在することを推定することができる。更に、複数の測定平面に対して第1走査処理を実行することができるので、測定範囲内に存在する物体の面形状を認識することができる。
As a result, there is nothing to exclude scanning within the predetermined scanning angle range of the two-dimensional distance measuring device 112, so that accurate distance information can be obtained. Further, since the motor 116 and the encoder 118 and the two-dimensional distance measuring device 112 are arranged in the horizontal direction, the occupation ratio in the height direction of the three-dimensional distance measuring device 200 can be reduced.
Furthermore, in the present embodiment, the three-dimensional distance measuring apparatus 200 can recognize the unevenness of the object existing in the measurement plane. Thereby, it can be estimated that a continuous surface exists. Furthermore, since the first scanning process can be performed on a plurality of measurement planes, the surface shape of an object existing within the measurement range can be recognized.

これにより、障害物(通路の壁等を含む)までの距離及び障害物の形状を正確に把握することができるので、脚車輪型ロボット100の障害物の回避、通路内の走行等の移動動作をより安全且つ確実に行うことができる。
さらに、本実施の形態では、基体10の向きを一定の方向に保持した状態で、脚車輪型ロボット100が目的の進行方向に走行するように関節モータ40及び車輪モータ50を制御する。
As a result, the distance to the obstacle (including the wall of the passage) and the shape of the obstacle can be accurately grasped, so that the movement of the leg wheel type robot 100 such as avoiding the obstacle and traveling in the passage is performed. Can be performed more safely and reliably.
Further, in the present embodiment, the joint motor 40 and the wheel motor 50 are controlled so that the leg-wheel type robot 100 travels in the target traveling direction while maintaining the orientation of the base body 10 in a certain direction.

これにより、旋回を行わず(向きを変えず)に自由な方向へ移動できるので、各方向への素早い移動を実現できると共に、脚車輪型ロボット100の各構成部が妨げとなって旋回できないような狭くて入り組んだエリアなど、脚車輪型ロボットの向きを変更することが困難なエリアにおいても活動が可能となる。
さらに、本実施の形態では、脚車輪型ロボット100を所定の旋回中心位置で前後移動させずに旋回(超信地旋回)するように関節モータ40及び車輪モータ50を制御する。このとき、基体10における中心位置の座標を旋回中心座標とする制御(超信地旋回制御)と、基体10における中心位置以外の座標を旋回中心座標とする制御(旋回中心オフセット型超信地旋回制御)とを行うことが可能である。
Thereby, since it is possible to move in any direction without turning (without changing the direction), it is possible to realize quick movement in each direction, and it is impossible to make a turn because each component of the leg-wheel type robot 100 is hindered. Even in areas where it is difficult to change the direction of the leg-wheel type robot, such as a narrow and intricate area, activities can be performed.
Further, in the present embodiment, the joint motor 40 and the wheel motor 50 are controlled so that the leg wheel type robot 100 turns (super turning) without moving back and forth at a predetermined turning center position. At this time, control using the coordinates of the center position on the base body 10 as the turning center coordinates (super-symbol turning control) and control using coordinates other than the center position on the base body 10 as the turning center coordinates (turning center offset type super-sponsored turning) Control).

これにより、基体10の中心位置を旋回中心位置とする場合は、最小の旋回半径で脚車輪型ロボットを旋回をさせることが可能である。また、基体10の中心位置以外を旋回中心位置とする場合は、基体10の中心位置と重心位置とが異なる場合などに、重心位置を旋回中心として超信地旋回させることができるので、脚車輪型ロボット100を、バランスよく超信地旋回させることが可能である。   Thereby, when the center position of the base body 10 is set as the turning center position, the leg-wheel type robot can be turned with the minimum turning radius. Further, when the center position other than the center position of the base body 10 is set as the turning center position, when the center position of the base body 10 and the center of gravity position are different, the center wheel position can be used as a turning center, so that the super wheel can be turned. It is possible to turn the robot 100 in a balanced manner.

上記第2の実施の形態において、3次元距離測定装置200は、発明1乃至6の3次元距離測定装置に対応し、脚車輪型ロボット100は、発明8ないし10の脚車輪型ロボットに対応し、駆動輪20は、発明7乃至9の車輪に対応し、関節モータ40は、発明8ないし10の第1アクチュエータ及び第2アクチュエータに対応し、CPU60は、発明8ないし10の制御手段に対応している。   In the second embodiment, the three-dimensional distance measuring device 200 corresponds to the three-dimensional distance measuring device of inventions 1 to 6, and the leg-wheel type robot 100 corresponds to the leg-wheel type robot of inventions 8 to 10. The drive wheel 20 corresponds to the wheels of the inventions 7 to 9, the joint motor 40 corresponds to the first actuator and the second actuator of the inventions 8 to 10, and the CPU 60 corresponds to the control means of the inventions 8 to 10. ing.

なお、上記第1及び第2の実施の形態においては、モータ116の第1の回転軸にエンコーダ118を設ける構成としたが、これに限らず、2次元距離測定装置112の第2の回転軸にエンコーダを設ける構成としても良い。
これにより、伝達誤差の影響を受けずに第2走査処理における走査角を高精度に検出することができる。
In the first and second embodiments, the encoder 118 is provided on the first rotating shaft of the motor 116. However, the present invention is not limited to this, and the second rotating shaft of the two-dimensional distance measuring device 112 is used. The encoder may be provided with an encoder.
As a result, the scanning angle in the second scanning process can be detected with high accuracy without being affected by the transmission error.

また、上記第1及び第2の実施の形態においては、プーリ20及びベルト121を介して、モータ116の第1の回転軸の回転駆動力を、2次元距離測定装置112を回転駆動する第2の回転軸へと伝達する構成としたが、これに限らず、複数の歯車を介して、第1の回転軸の回転駆動力を、第2の回転軸へと伝達する構成としても良い。
また、上記第1及び第2の実施の形態においては、第1走査処理における距離情報の取得を離散的(第2走査処理で回転駆動してから第1走査処理で距離情報を取得)に行う構成としたが、これに限らず、走査角と測定距離との対応付けを行うことで連続的(第2走査処理で回転駆動しつつ、第1走査処理で距離情報を取得)に行う構成としても良い。
In the first and second embodiments, the rotational driving force of the first rotating shaft of the motor 116 is driven to rotate the two-dimensional distance measuring device 112 via the pulley 20 and the belt 121. However, the present invention is not limited to this, and the configuration may be such that the rotational driving force of the first rotating shaft is transmitted to the second rotating shaft via a plurality of gears.
In the first and second embodiments, the distance information in the first scanning process is acquired discretely (the distance information is acquired in the first scanning process after being rotationally driven in the second scanning process). However, the present invention is not limited to this, and as a configuration in which the scanning angle and the measurement distance are associated with each other continuously (distance information is acquired by the first scanning process while being rotationally driven by the second scanning process). Also good.

また、上記第1及び第2の実施の形態においては、3次元距離測定装置200で生成した面データに基づき、CPU60において、物体の面形状を認識する構成としたが、これに限らず、3次元距離測定装置200において、面形状の認識まで行い、CPU60には、面形状の認識結果を示すデータを出力する構成としても良い。
また、上記第1及び第2の実施の形態においては、CPU60からの指令信号に基づき、走査角度範囲及び走査角度単位を設定する構成としたが、これに限らず、3次元距離測定装置200に予め設定しておくなど別の構成としても良い。
In the first and second embodiments, the CPU 60 recognizes the surface shape of the object based on the surface data generated by the three-dimensional distance measuring apparatus 200. However, the present invention is not limited to this. The dimension distance measuring apparatus 200 may perform the process up to the recognition of the surface shape, and the CPU 60 may output data indicating the recognition result of the surface shape.
In the first and second embodiments, the scanning angle range and the scanning angle unit are set based on the command signal from the CPU 60. However, the present invention is not limited to this. Another configuration such as presetting may be used.

また、上記第1及び第2の実施の形態においては、本発明に係る3次元距離測定装置200を、脚車輪型ロボットに適用する例を説明したが、これに限らず、本発明に係る3次元距離測定装置200を、他の構成のロボット、自動車の外界を認識する装置、視覚障害者が外界を認識するためのアシストを行う装置などに適用することも可能である。
また、上記第1及び第2の実施の形態においては、3次元距離測定装置200を、測距センサ112aを水平方向の軸(y軸)まわりに回転駆動し、2次元距離測定装置112を垂直方向の軸(z軸)まわりに回転駆動する構成としたが、この構成に限らず、測距センサ112aを垂直方向の軸まわりに回転駆動し、2次元距離測定装置112を水平方向の軸まわりに回転駆動する構成としても良い。また、水平方向及び垂直方向の軸まわりに限らず、測距センサ112aの測定方向に対して直交する2つの軸であれば、どの方向の軸まわりでも良い。
In the first and second embodiments, the example in which the three-dimensional distance measuring device 200 according to the present invention is applied to a leg-wheel type robot has been described. The dimensional distance measuring apparatus 200 can also be applied to a robot having another configuration, an apparatus that recognizes the outside world of an automobile, an apparatus that assists a visually impaired person to recognize the outside world, and the like.
In the first and second embodiments, the three-dimensional distance measuring device 200 is driven by rotating the distance measuring sensor 112a around the horizontal axis (y-axis). However, the present invention is not limited to this configuration, and the two-dimensional distance measuring device 112 is rotated around the horizontal axis by rotating the distance measuring sensor 112a around the vertical axis. It is good also as a structure driven to rotate. Further, not only the horizontal and vertical axes, but any two axes that are orthogonal to the measurement direction of the distance measuring sensor 112a may be used.

また、上記第1及び第2の実施の形態においては、図15(a)に示すように、2次元距離測定装置112自身を回転させているが、これに限らず、光学式の測距センサを有する2次元距離測定装置であれば、図15(b)に示すように、測定方向の光軸上に挿入したミラーを回転させてもよい。
また、上記第1及び第2の実施の形態においては、本発明に係る脚車輪型ロボット100の構成を、基体10の前方に左右一対及び後方に左右一対の4本の脚部12を有する構成としたが、これに限らず、基体10の中央に左右一対の脚部12を設ける構成や、3本の脚部12を対称に設ける構成、5本以上の脚部12を設ける構成など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の構成としても良い。また、多脚とした場合には、不要な脚部12を走行制御に用いないように制御するようにしても良い。
In the first and second embodiments, the two-dimensional distance measuring device 112 itself is rotated as shown in FIG. 15A. However, the present invention is not limited to this, and an optical distance measuring sensor is used. As shown in FIG. 15B, a mirror inserted on the optical axis in the measurement direction may be rotated.
In the first and second embodiments, the configuration of the leg-wheel type robot 100 according to the present invention is such that the base 10 has a pair of four legs 12 on the front side and a pair of left and right sides on the rear side. However, the present invention is not limited to this, such as a configuration in which a pair of left and right legs 12 is provided in the center of the base 10, a configuration in which three legs 12 are provided symmetrically, a configuration in which five or more legs 12 are provided, and the like. Other configurations may be used without departing from the spirit of the invention. In the case of a multi-legged configuration, the unnecessary leg 12 may be controlled so as not to be used for traveling control.

本発明に係る脚車輪型ロボット100の側面図である。1 is a side view of a leg wheel type robot 100 according to the present invention. (a)は、3次元距離測定装置200の機械的な構成を示す図であり、(b)は、(a)を真上から見た図である。(A) is a figure which shows the mechanical structure of the three-dimensional distance measuring apparatus 200, (b) is the figure which looked at (a) from right above. 測距センサ112aの走査範囲の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the scanning range of the ranging sensor 112a. (a)は、(a)は、3次元距離測定装置200の構成を示すブロック図であり、(b)は、本実施の形態に係る2次元距離測定装置112の詳細な構成を示すブロック図である。(A) is a block diagram which shows the structure of the three-dimensional distance measuring apparatus 200, (b) is a block diagram which shows the detailed structure of the two-dimensional distance measuring apparatus 112 which concerns on this Embodiment. It is. 測距センサ112aの距離測定の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the distance measurement of the ranging sensor 112a. (a)は、水平方向の軸(y軸)まわりに測距センサ112aを回転駆動させたときの測定距離と回転角度θとの関係を示す図であり、(b)は、垂直方向の軸(z軸)まわりに2次元距離測定装置112を回転駆動したときの測定平面と回転角度φとの関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the measurement distance and rotation angle (theta) when the ranging sensor 112a is rotationally driven around a horizontal direction axis | shaft (y-axis), (b) is an axis | shaft of a perpendicular direction. It is a figure which shows the relationship between the measurement plane and rotation angle (phi) when the two-dimensional distance measuring device 112 is rotationally driven around (z axis). 3次元距離測定装置200の距離の計測例を示す図である。It is a figure which shows the example of a distance measurement of the three-dimensional distance measuring apparatus 200. FIG. 3次元距離測定装置200における物体認識処理を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing object recognition processing in the three-dimensional distance measuring apparatus 200. (a)及び(b)は、勾配の算出例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the example of calculation of a gradient. 脚車輪型ロボット100の移動制御システムを示すブロック図である。2 is a block diagram showing a movement control system of a leg wheel type robot 100. FIG. 測定範囲内に階段がある場合の、第1走査処理による測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result by a 1st scanning process in case there exists a stair within a measurement range. 図11の各測定点の回転座標系の測定距離を直交座標系の測定距離に変換した場合の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result at the time of converting the measurement distance of the rotation coordinate system of each measurement point of FIG. 11 into the measurement distance of a rectangular coordinate system. (a)及び(b)は、最小二乗法を用いて算出したx方向及びz方向の勾配の一例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows an example of the gradient of the x direction and z direction computed using the least squares method. ある測定平面に対する勾配の出現頻度の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the appearance frequency of the gradient with respect to a certain measurement plane. 測距センサの測定方向を変更する場合の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in the case of changing the measurement direction of a ranging sensor. 脚車輪型ロボット100の正面図である。1 is a front view of a leg wheel type robot 100. FIG. 脚車輪型ロボット100の側面図である。1 is a side view of a leg wheel type robot 100. FIG. (a)及び(b)は、脚車輪型ロボット100の車輪走行移動時の姿勢を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows the attitude | position at the time of wheel running movement of the leg wheel type robot 100. FIG. 無変向走行制御時の脚車輪型ロボット100の走行状態例を示す図である。It is a figure which shows the example of a driving | running | working state of the leg wheel type robot 100 at the time of non-change driving control. a)及び(b)は、基体10の座標(0,0)及び座標(xc,yc)を回転中心とした場合の超信地旋回制御時の脚車輪型ロボット100の走行状態を示す図である。FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating a traveling state of the leg-wheel type robot 100 during super turn control when the coordinates (0, 0) and the coordinates (xc, yc) of the base body 10 are used as the rotation center. is there. (a)及び(b)は、脚車輪型ロボット100の走行経路の一例を示す図である。(A) And (b) is a figure which shows an example of the driving | running route of the leg wheel type robot 100. FIG. ロボットの重心位置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the gravity center position of a robot.

符号の説明Explanation of symbols

100 脚車輪型ロボット
200 3次元距離測定装置
110 センシングプロセッサ
112 2次元距離測定装置
112a 測距センサ
10 基体
12 脚部
14〜18 回転関節
20 駆動輪
26 水平レーザ
28、30 垂直レーザ
32 カメラ
34、36 障害物センサ
38 脚先センサ
112c、116、40、50 モータ
112d、118、42、52 エンコーダ
112b、114、44、54 ドライバ
120a、120b プーリ
21 ベルト
60 CPU
64 通信I/F
76 ハブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Leg wheel type robot 200 Three-dimensional distance measuring device 110 Sensing processor 112 Two-dimensional distance measuring device 112a Distance sensor 10 Base body 12 Legs 14-18 Rotary joint 20 Driving wheel 26 Horizontal laser 28, 30 Vertical laser 32 Camera 34, 36 Obstacle sensor 38 Leg tip sensor 112c, 116, 40, 50 Motor 112d, 118, 42, 52 Encoder 112b, 114, 44, 54 Driver 120a, 120b Pulley 21 Belt 60 CPU
64 Communication I / F
76 hub

Claims (7)

測定距離範囲内に存在する物体上の測定点までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサを、その測定方向に対して直交する2つの軸のうち一方の軸まわりに回転駆動させる第1の回転機構と、前記測距センサを、前記第1の回転機構と共に、前記測定方向に対して直交する2つの軸のうち前記第1の回転機構とは異なる方向の軸まわりに回転駆動させる第2の回転機構とを有し、前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構を所定の回転角度ずつ回転駆動しながら前記測距センサによって距離を測定することで、前記物体の3次元の距離を測定する3次元距離測定装置であって、
前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構の少なくとも一方の回転駆動を所定の回転角度範囲内で行うと共に、当該回転角度範囲内の回転駆動によって前記測距センサが走査する走査範囲外に、前記第1の回転機構及び前記第2の回転機構含む自己の駆動機構を設けたことを特徴とする3次元距離測定装置。
A distance measuring sensor that measures a distance to a measurement point on an object existing within a measurement distance range, and the distance measurement sensor is driven to rotate around one of two axes orthogonal to the measurement direction. The first rotation mechanism and the distance measuring sensor are driven to rotate around an axis in a direction different from the first rotation mechanism, of the two axes orthogonal to the measurement direction, together with the first rotation mechanism. And measuring the distance by the distance measuring sensor while rotating the first rotation mechanism and the second rotation mechanism by a predetermined rotation angle. A three-dimensional distance measuring device for measuring a dimensional distance,
The rotation drive of at least one of the first rotation mechanism and the second rotation mechanism is performed within a predetermined rotation angle range, and outside the scanning range scanned by the distance measuring sensor by the rotation drive within the rotation angle range. A three-dimensional distance measuring device provided with a self-driving mechanism including the first rotating mechanism and the second rotating mechanism.
前記第2の回転機構は、回転駆動力を発生する回転駆動装置を含み、
前記回転駆動装置の第1の回転軸と、前記測距センサ及び前記第1の回転機構を共に回転させる第2の回転軸とを水平方向にずらして設けると共に、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を、所定の動力伝達機構を介して前記第2の回転軸に伝達する構成としたことを特徴とする請求項1記載の3次元距離測定装置。
The second rotation mechanism includes a rotation driving device that generates a rotation driving force,
A first rotation shaft of the rotation drive device and a second rotation shaft that rotates both the distance measuring sensor and the first rotation mechanism are provided to be shifted in the horizontal direction, and the first rotation shaft of the rotation drive device is provided. 2. The three-dimensional distance measuring apparatus according to claim 1, wherein a rotational driving force of the rotating shaft is transmitted to the second rotating shaft through a predetermined power transmission mechanism.
前記動力伝達機構は、複数の滑車及び各滑車に動力を伝達するベルトを介して、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を、前記第2の回転軸に伝達する構成となっていることを特徴とする請求項2記載の3次元距離測定装置。   The power transmission mechanism is configured to transmit the rotational driving force of the first rotational shaft of the rotational driving device to the second rotational shaft via a plurality of pulleys and a belt that transmits power to each pulley. The three-dimensional distance measuring device according to claim 2, wherein 前記動力伝達機構は、複数の歯車を介して、前記回転駆動装置の第1の回転軸の回転駆動力を前記第2の回転軸に伝達する構成となっていることを特徴とする請求項2記載の3次元距離測定装置。   The power transmission mechanism is configured to transmit the rotational driving force of the first rotational shaft of the rotational driving device to the second rotational shaft via a plurality of gears. The three-dimensional distance measuring apparatus described. 前記第1の回転機構を制御して、前記測距センサを、前記第1の回転機構の回転方向に、所定の回転角度ずつ回動させると共に、前記測距センサによって各回転角度に応じた距離情報を測定する処理である第1走査処理を行う第1走査手段と、
前記第1走査手段によって測定された、各測定点の距離情報とその周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出する勾配算出手段と、
前記勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出する出現頻度算出手段と、
前記出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、前記測距センサの測定平面内に存在する物体の形状を認識する形状認識手段と、を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の3次元距離測定装置。
The first rotation mechanism is controlled to rotate the distance measurement sensor by a predetermined rotation angle in the rotation direction of the first rotation mechanism, and the distance corresponding to each rotation angle by the distance measurement sensor. First scanning means for performing a first scanning process that is a process for measuring information;
A gradient calculating means for calculating a gradient for each measurement point based on the distance information of each measurement point and the distance information of the surrounding measurement points measured by the first scanning means;
An appearance frequency calculating means for calculating an appearance frequency of each gradient based on the gradient of each measurement point calculated by the gradient calculating means;
Shape recognition means for recognizing the shape of an object existing in the measurement plane of the distance measuring sensor based on the appearance frequency of each gradient calculated by the appearance frequency calculation means and the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient; 5. The three-dimensional distance measuring device according to claim 1, comprising:
1つの前記測定平面に対する前記第1走査処理が終了する毎に、前記第2の回転機構を制御して、前記測距センサを前記第1の回転機構と共に、前記第2の回転機構の回転方向に所定の回転角度ずつ回動させる処理である第2走査処理を行う第2走査手段を備え、
前記第1走査手段は、前記第2走査処理において、前記測距センサが前記所定の回転角度の回動をする毎に前記第1走査処理を実行し、
前記勾配算出手段は、前記測定平面毎に、前記第1走査処理によって測定された、各測定点の距離情報と、その周辺の測定点の距離情報とに基づき、各測定点に対する勾配を算出し、
前記出現頻度算出手段は、前記測定平面毎に、前記勾配算出手段で算出した各測定点の勾配に基づき、各勾配の出現頻度を算出し、
前記形状認識手段は、前記測定平面毎に、前記出現頻度算出手段で算出した各勾配の出現頻度と、各勾配に対応する測定点の座標情報とに基づき、前記測定平面内に存在する物体の形状を認識することを特徴とする請求項5記載の3次元距離測定装置。
Each time the first scanning process for one measurement plane is completed, the second rotation mechanism is controlled so that the distance measuring sensor and the first rotation mechanism rotate together with the rotation direction of the second rotation mechanism. A second scanning means for performing a second scanning process, which is a process of rotating by a predetermined rotation angle,
In the second scanning process, the first scanning unit performs the first scanning process each time the distance measuring sensor rotates by the predetermined rotation angle.
The gradient calculation means calculates a gradient for each measurement point based on the distance information of each measurement point and the distance information of the surrounding measurement points measured by the first scanning process for each measurement plane. ,
The appearance frequency calculation means calculates the appearance frequency of each gradient based on the gradient of each measurement point calculated by the gradient calculation means for each measurement plane,
The shape recognition means, for each measurement plane, based on the appearance frequency of each gradient calculated by the appearance frequency calculation means and the coordinate information of the measurement point corresponding to each gradient, the object existing in the measurement plane The three-dimensional distance measuring apparatus according to claim 5, wherein the shape is recognized.
基体と、前記基体に対して自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記脚部及び前記車輪を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の3次元距離測定装置を備え、
前記制御手段は、前記3次元距離測定装置の測定距離に基づき前記アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。
A base, a leg connected to the base with a degree of freedom, a wheel rotatably provided on the leg, and an actuator for applying power for driving the leg and the wheel And a control means for controlling the actuator, a leg wheel type robot that moves by driving the leg and rotating the wheel,
A three-dimensional distance measuring device according to any one of claims 1 to 6,
The leg wheel type robot characterized in that the control means controls the actuator based on a measurement distance of the three-dimensional distance measuring device.
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