JP2009101817A - Inverted wheel type movable body and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2以上の車輪と、前記車輪を補助する2以上の補助輪又はストッパとを有する倒立車輪型移動体及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an inverted wheel type moving body having two or more wheels and two or more auxiliary wheels or stoppers for assisting the wheels, and a control method thereof.
図13は、従来の倒立二輪型ロボットを示す模式図である。倒立二輪型ロボット101は、車体111と、車体111に取り付けられ、回転することで車体を持ち上げるスイングアーム112とを有する。スイングアーム112はスイングアーム軸113により車体111と結合し、床面に並行な車体111をスライド可能に構成されている。スイングアーム112のスイングアーム軸113とは反対側には駆動輪軸114が設けられている。そして、駆動軸114を中心に駆動輪115が回転駆動することで、倒立二輪型ロボット101を移動する。一の駆動輪115を補助する2つの補助輪(ストッパ)116が車体111に設けられている。
FIG. 13 is a schematic diagram showing a conventional inverted two-wheeled robot. The inverted two-
従来の倒立二輪型ロボットの立ち上がり動作としては、先ず、前後の補助輪が接地した状態(図13(a))からスイングアーム軸113を駆動し、車体111を持ち上げ前後の補助輪116を地面から離す(図13(b))。このとき、ほぼ同時に前後の補助輪116を離地させる。次に、スイングアーム軸113を引き続き駆動しながら車体111を上に上げる。これと同時に駆動軸114を引き続き駆動しながら車体111を上げる。同時に駆動輪115での倒立制御を開始する(図13(c))。
しかしながら、このような方法では、スイングアーム軸113を駆動した際、駆動輪115上の重心のバランスによって前後の補助輪116が必ずしも地面から離れるとは限らず想定した立ち上がり動作ができない場合がある。前後の補助輪116が地面から離れた場合でも十分な高さが確保されていないと、前後にロボット101が揺れた際に補助輪116が接地する危険性もある。
However, in such a method, when the
さらに、図14(b)において、できる限り早く倒立制御を開始しないとロボット101の姿勢が傾いてしまうが、補助輪116が十分に地面から離れる前に倒立制御を開始しても補助輪116が接地する可能性がある(図14(c))。すなわち、倒立走行ロボット101において、「補助輪116が接地した状態」から、「すべての補助輪116が離地して駆動軸114で倒立を維持している状態」への遷移動作(立ち上がり動作)中、想定外の外力を受けて不安定な状態になりやすい。
Further, in FIG. 14B, the posture of the
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、補助輪接地状態(搭乗可能状態)から倒立走行状態に安全に移行することができる倒立移動体及び倒立移動体の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and can control an inverted moving body and an inverted moving body that can safely transition from an auxiliary wheel grounding state (a boardable state) to an inverted traveling state. It aims to provide a method.
上述した課題を解決するために、本発明に係る倒立車輪型移動体は、2以上の車輪と、前記車輪を補助する2以上の補助輪と、倒立を維持するための安定化制御手段とを有し、前記安定化制御手段は、前記補助輪接地状態から当該補助輪の一部を離地させた状態を経由して倒立状態に移行させるものである。 In order to solve the above-described problems, an inverted wheel type moving body according to the present invention includes two or more wheels, two or more auxiliary wheels that assist the wheels, and stabilization control means for maintaining the inversion. And the stabilization control means shifts from the auxiliary wheel grounding state to the inverted state through a state in which a part of the auxiliary wheel is detached.
本発明においては、補助輪接地状態から、補助輪の一部を離地させ、残りを接地させた状態を経て倒立状態に移行させるため、安定した倒立が可能となる。 In the present invention, since a part of the auxiliary wheel is separated from the grounded state of the auxiliary wheel and the rest is grounded, the state is shifted to the inverted state, so that stable inversion is possible.
また、前記車輪と地面との間に床圧力を計算するセンサを有し、前記センサ結果に基づき前記倒立状態に移行するか否かを決定することができる。 Moreover, it has a sensor which calculates a floor pressure between the said wheel and the ground, and can determine whether it transfers to the said inverted state based on the said sensor result.
さらに、前記安定化制御手段は、前記床圧力に基づき倒立状態に移行するまでに必要な距離を算出することができる。必要な距離に応じて、倒立状態に移行するか否かを決定することができる。 Further, the stabilization control means can calculate a distance necessary to shift to the inverted state based on the floor pressure. Whether to shift to the inverted state can be determined according to the required distance.
さらにまた、障害物との距離を計測する距離計測手段を有し、前記安定化制御手段は、前記必要な距離が障害物までの距離より短い場合に倒立動作を開始することができる。障害物までの距離より短い場合にのみ倒立動作を行うことで、安全性を確保することができる。 Furthermore, it has a distance measuring means for measuring the distance to the obstacle, and the stabilization control means can start the inversion operation when the necessary distance is shorter than the distance to the obstacle. Safety can be ensured by performing the inverted operation only when the distance is shorter than the distance to the obstacle.
ここで、前記補助輪に代えてストッパを有するものとしてもよい。 Here, instead of the auxiliary wheel, a stopper may be provided.
本発明にかかる倒立車輪型移動体の制御方法は、2以上の車輪と、前記車輪を補助する2以上の補助輪とを有する倒立車輪型移動体の制御方法であって、倒立を維持するための工程であって、前記補助輪接地状態から当該補助輪の一部を離地させた状態を経由して倒立状態に移行させる安定化制御工程を有するものである。 An inverted wheel type moving body control method according to the present invention is an inverted wheel type moving body control method having two or more wheels and two or more auxiliary wheels for assisting the wheels, in order to maintain the inverted state. And a stabilization control step of shifting from the auxiliary wheel grounding state to an inverted state via a state in which a part of the auxiliary wheel is grounded.
本発明によれば、補助輪接地状態(搭乗可能状態)から倒立走行状態に安全に移行することができる倒立移動体及び倒立移動体の制御方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control method of the inverted moving body and the inverted moving body which can transfer to an inverted driving | running | working state safely from an auxiliary wheel grounding state (boarding possible state) can be provided.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、2つ以上の補助輪付き倒立二輪型移動体に適用したものである。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to an inverted two-wheeled mobile body with two or more auxiliary wheels.
図1(a)及び図1(b)は、本実施の形態にかかる倒立二輪型移動体(以下、倒立走行ロボットという。)を示す図である。なお、図1(a)は側面図を示しているが、実際には、紙面奥に向かって少なくとも2以上の車輪を有している。また、本実施の形態においては、二輪型の倒立走行ロボットとして説明するが、三輪以上有していてもよい。 FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams showing an inverted two-wheeled mobile body (hereinafter referred to as an inverted traveling robot) according to the present embodiment. In addition, although Fig.1 (a) has shown the side view, in actuality, it has at least two or more wheels toward the back of the page. In the present embodiment, a two-wheel inverted traveling robot is described, but three or more wheels may be provided.
倒立走行ロボット1は、車体11と、車体11に取り付けられ、回転することで車体を持ち上げるスイングアーム12とを有する。スイングアーム12はスイングアーム軸13により車体11と結合し、床面に並行な車体11をスライド可能に構成されている。スイングアーム12のスイングアーム軸13とは反対側には駆動輪軸14が設けられている。そして、駆動輪軸14を中心に駆動輪15が回転駆動することで、倒立走行ロボット1を移動する。一の駆動輪15を補助する2つの補助輪(又はストッパ)16が車体11に設けられている。さらに、補助輪16に感圧センサ17が接地され、荷重を計測することができる。補助輪16でなくてもストッパなど、地面に設置してロボットが倒れないように支える駆動輪以外の部位に感圧センサ17を設けてもよい。
The inverted traveling robot 1 includes a
この倒立走行ロボット1は、不安定な自由度を有し、以下の特徴を有する。すなわち、倒立走行ロボット1の状態を逐次計算するための姿勢角センサ及び姿勢角速度センサと、倒立を維持するのに必要な制御量を各種のセンサ値(状態量)から算出する安定化制御コントローラと、安定化制御コントローラの出力に応じて車輪駆動用モータを駆動する駆動部とを有する(いずれも図示せず)。倒立走行ロボット1は、何も制御していない状態では、図1(a)に示すように、補助輪が接地して安定な状態を維持する。 This inverted traveling robot 1 has an unstable degree of freedom and has the following characteristics. That is, an attitude angle sensor and an attitude angular velocity sensor for sequentially calculating the state of the inverted traveling robot 1, and a stabilization controller for calculating a control amount necessary for maintaining the inversion from various sensor values (state amounts); And a drive unit that drives a wheel drive motor in accordance with the output of the stabilization controller (none of which is shown). In the state where the inverted traveling robot 1 is not controlling anything, as shown in FIG. 1A, the auxiliary wheels are grounded and maintained in a stable state.
安定化制御コントローラ(倒立走行コントローラ)が働いている間は、図1(b)のように、駆動輪15だけで倒立した状態を維持することができる。何らかの走行指令値が与えられた際は、倒立安定状態を維持したまま指令走行パターンに応じて走行する。走行が終了したら適切なタイミングで図1(a)の状態に戻り、安定化制御コントローラをオフにする。
While the stabilization control controller (inverted traveling controller) is operating, the inverted state can be maintained with only the
次に、図1(a)の状態から図1(b)の状態に遷移する動作(以下、立ち上がり動作ともいう。)について説明する。図2、図3は、遷移途中の倒立走行ロボットを示す図である。図4は、立ち上がり動作を示す図である。 Next, an operation for transitioning from the state of FIG. 1A to the state of FIG. 1B (hereinafter also referred to as a rising operation) will be described. 2 and 3 are diagrams illustrating the inverted traveling robot in the middle of the transition. FIG. 4 is a diagram illustrating a rising operation.
補助輪16の接地状態から倒立状態に移行する遷移動作(立ち上がり)を開始する前に補助輪16の一部を離地させるように倒立走行ロボット1の各軸を駆動し、図2に示す静止状態を経てから立ち上がり動作を実行する。これにより、安定性を維持しつつ、一部の補助輪を地面から離すことで立ち上がり動作中に補助輪が接地する危険性を低減することができる。
Each axis of the inverted traveling robot 1 is driven so that a part of the
このように、「補助輪16の一部が地面から離れた状態」を経由してから立ち上がり動作を開始することにより、一部の補助輪16を予め離地させているため、立ち上がり動作中に補助輪16が接地する危険性が低減する。さらに、図3に示すように、離地させた補助輪16を積極的に車体内に格納し、地面から離すことで、立ち上がり動作中に補助輪が接地する危険性を更に低減する。
In this way, since the start-up operation is started after passing through the “state in which a part of the
ここで、本実施の形態においては、図4(b)に示すように、片側補助輪接地状態を設けるが、前後の補助輪16が接地した図4(a)の状態から図4(b)の片側補助輪接地状態に遷移させる方法はどのような方法であってもよい。たとえばスイングアーム軸13を動かし重心を上げるだけの動作でもよい。これにより、多点接地状態の安定性を維持しつつ、もう一方の補助輪16と地面との距離を確保することで、立ち上がり動作中に補助輪16が接地する危険性を低減することができる。
Here, in this embodiment, as shown in FIG. 4 (b), a one-side auxiliary wheel grounding state is provided, but from the state of FIG. 4 (a) in which the front and rear
さらに、本実施の形態にかかる倒立走行ロボット1は、車体11と接地点との間に少なくとも一軸方向以上の圧力を計測できる少なくとも1つの感圧センサ17を有する。そして、「補助輪16の一部が地面から離れた状態」において、補助輪16の感圧センサ17で計測した加重に応じて、重心バランスを修正し、立ち上がりに必要な移動量を計算し、計算した移動量と周りの障害物・人間との距離を比較して立ち上がりを開始すべきかを判断する処理を行う。
Furthermore, the inverted traveling robot 1 according to the present embodiment includes at least one pressure-
すなわち、接地している補助輪16に設置した感圧センサ17で床反力を検知することで、立ち上がり動作を開始する前に、倒立完了までに必要とする移動量を予測することができる。距離センサなどにより倒立走行ロボット1と、歩行者や壁等、周りの障害物との距離を計測しておき、それらの結果と予測した立ち上がり移動量とを比較することにより、立ち上がり動作により障害物に衝突するか否かを判断することができる。衝突すると判断した場合は、立ち上がり動作を断念(中断)することで、安全を確保する。衝突しないと判断した場合は立ち上がり動作を開始する。これにより、立ち上がり動作中に周囲の障害物に衝突する問題を回避することができる。
That is, by detecting the floor reaction force with the pressure-
次に、感圧センサのセンサ値に基づき立ち上がり動作をするか否かを判断する方法についてさらに詳細に説明する。図5は、片側補助輪接地状態を示す図である。この時の感圧センサ17のセンサ値で接地点にかかる荷重(床反力:F_offset)を測定し、駆動輪軸14からセンサまでの距離(D_offset)に乗算することで、駆動輪軸周りに発生しているモーメント(M_offset)を検知することができる。
Next, a method for determining whether to perform a rising operation based on the sensor value of the pressure sensor will be described in more detail. FIG. 5 is a diagram showing a one-side auxiliary wheel grounding state. The load (floor reaction force: F_offset) applied to the grounding point is measured by the sensor value of the pressure-
図6は、立ち上がり動作に必要な移動量X_offsetを説明する図である。図7は、駆動軸周りのモーメントと移動量の関係を示すマップであり、横軸はモーメントの計測値M_offset、縦軸は移動量X_offsetを示す。片側補助輪接地状態から倒立制御を開始した際に、立ち上がりが完了するまでに必要とする移動量X_offsetは、スイングアーム軸13の動作の影響も受けるが、上述の片側補助輪接地状態で駆動輪軸周りに発生しているモーメント(M_offset)とコントローラの性能・特性の関係を予め調査しておくことで予測することが可能である。
FIG. 6 is a diagram for explaining the movement amount X_offset necessary for the rising operation. FIG. 7 is a map showing the relationship between the moment around the drive axis and the movement amount. The horizontal axis shows the measured value M_offset of the moment, and the vertical axis shows the movement amount X_offset. When the inversion control is started from the one-side auxiliary wheel grounding state, the movement amount X_offset required until the start-up is completed is also affected by the operation of the
たとえば予め計算機シミュレーションなどを利用して図7に示すように、片側補助輪接地状態で、駆動輪軸にかかるモーメントと必要な移動量の関係について調査し、マップ上にプロットしておく。そして、立ち上がり動作を開始する直前の駆動輪軸周りに発生しているモーメントM_offsetを接地点にかかる荷重(床反力:F_offset)と駆動輪軸からセンサまでの距離D_offsetから算出することで、立ち上がり動作時のロボットの移動量を予測することができる。 For example, as shown in FIG. 7 using a computer simulation or the like in advance, the relationship between the moment applied to the drive wheel shaft and the required amount of movement in the one-side auxiliary wheel grounding state is investigated and plotted on a map. The moment M_offset generated around the driving wheel axis just before starting the rising motion is calculated from the load (floor reaction force: F_offset) applied to the contact point and the distance D_offset from the driving wheel shaft to the sensor. The amount of movement of the robot can be predicted.
次に、片側補助輪接地状態において、倒立走行ロボット1の周りに存在する障害物や人間との距離を観測することができる場合について考える。図8は、立ち上がり動作に必要な移動量と障害物までの距離との関係を示すグラフ図である。図9は、立ち上がり動作の可否を判断する方法を示すフローチャートである。倒立走行ロボット1は、以下の手順により立ち上がり動作を開始すべきか、開始しても安全か否かを判断することができる。 Next, let us consider a case in which the distance between an obstacle or a person existing around the inverted traveling robot 1 can be observed in the grounding state on one side auxiliary wheel. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the amount of movement required for the rising operation and the distance to the obstacle. FIG. 9 is a flowchart showing a method for determining whether or not the rising operation is possible. The inverted traveling robot 1 can determine whether to start the rising operation according to the following procedure or whether it is safe to start.
まず、最初は、全ての補助輪16又はストッパが接地して静止している状態とする(ステップS1)。次に、一部の補助輪16又はストッパを離地させる(ステップS2)。このとき、感圧センサ17にて補助輪にかかる荷重を測定し、この値に基づき、立ち上がりに必要なモーメント又は移動量を推定する(ステップS3)。同時に、障害物までの距離又はモーメントの大きさを測定しておく(ステップS4)。
First, all the
次に、図8に示すように、予め用意した図7に示すマップ上に、観測した障害物までの距離に相当する閾値ラインを引いておく。そして、マップ上、閾値ラインとオフセット量が交わる交点P、Qを見つける。交点P、Qの横軸の値(M_p、M_q)と実測した値(例えばモーメントM_1、M_2)の値とを比較する。なお、推定した移動量を閾値と比較してもよい。そして、M_pとM_qの間に実測値M_1、M_2が収まっていれば安全と判断して立ち上がり動作を開始し(ステップS5:YES)、M_pとM_qの間に実測値が収まっていなければ危険と判断して立ち上がり動作を中断する。この場合、M_1であれば立ち上がり動作を開始するが、M_2の場合は、危険と判断して立ち上がり動作を中止する。ここで、重心位置を変更できる場合は(ステップS7:YES)、重心位置を変更し(ステップS6)、再度必要移動量又はモーメントの値を算出してステップS3からの処理を繰り返す。 Next, as shown in FIG. 8, a threshold line corresponding to the distance to the observed obstacle is drawn on the map shown in FIG. 7 prepared in advance. Then, intersections P and Q where the threshold line and the offset amount intersect are found on the map. The horizontal axis values (M_p, M_q) of the intersections P, Q are compared with the actually measured values (for example, moments M_1, M_2). Note that the estimated movement amount may be compared with a threshold value. Then, if the measured values M_1 and M_2 are between M_p and M_q, it is determined to be safe and a rising operation is started (step S5: YES). If the measured values are not between M_p and M_q, it is dangerous. Judgment is made and the rising operation is interrupted. In this case, if M_1, the start-up operation is started, but if M_2, it is determined as dangerous and the start-up operation is stopped. If the center of gravity position can be changed (step S7: YES), the center of gravity position is changed (step S6), the necessary movement amount or moment value is calculated again, and the processing from step S3 is repeated.
本実施の形態においては、2つ以上の補助輪付き倒立二輪型移動体の倒立時、全ての補助輪を設置した状態から少なくとも1つ以上の補助輪を接地したまま他の補助輪を離地した状態を経た後で、倒立させる。これにより、安定した倒立が可能となる。 In this embodiment, when the inverted two-wheeled mobile body with two or more auxiliary wheels is inverted, at least one auxiliary wheel is grounded while at least one auxiliary wheel is grounded from the state where all the auxiliary wheels are installed. After going through the state, turn it upside down. Thereby, stable inversion is possible.
また、少なくとも1つ以上の補助輪が接地した状態で、設置した1つ以上の補助輪の床反力から倒立二輪型移動体の倒立移動距離を求め、当該移動距離より倒立を行うか否かを判定する判定手段を有する。これにより、倒立により、物にぶつかることを回避可能となる。 Whether or not the inverted two-wheeled moving body is inverted based on the floor reaction force of the one or more auxiliary wheels that are installed with at least one auxiliary wheel in contact with the ground, and whether or not to invert from the moving distance. Determination means for determining This makes it possible to avoid hitting an object due to inversion.
次に、本実施の形態にかかる倒立走行ロボットの一具体例について説明しておく。本具体例にかかる倒立走行ロボットは、倒立振子制御によって移動する倒立車輪型移動体である。この倒立走行ロボットは、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置まで移動する。さらに、ジャイロセンサ等からの出力に応じて車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。また、倒立走行ロボットは、倒立状態を維持したまま、操作者が操作する操作量に応じて移動する。 Next, a specific example of the inverted traveling robot according to the present embodiment will be described. The inverted traveling robot according to this specific example is an inverted wheel type moving body that moves by the inverted pendulum control. The inverted traveling robot moves to a predetermined position by driving a wheel grounded on the ground. Furthermore, the inverted state can be maintained by driving the wheel according to the output from the gyro sensor or the like. The inverted traveling robot moves in accordance with the operation amount operated by the operator while maintaining the inverted state.
図10及び図11を用いて、本実施の形態の具体例にかかる倒立走行ロボット200の構成について説明する。図10は倒立走行ロボット200の構成を模式的に示す側面図であり、図11は倒立走行ロボット200の構成を模式的に示す正面図である。
The configuration of the inverted traveling
図11に示されるように、倒立走行ロボット200は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、右駆動輪218と、左駆動輪220と、右スイングアーム217と、左スイングアーム219と、車体212と、を備えている。車体212は、右駆動輪218、及び左駆動輪220の上方に配置された倒立走行ロボット200の上体部の一部である。ここで、倒立走行ロボット200の進行方向(図11の紙面と垂直方向)を前後方向とし、水平面において前後方向に垂直な方向を左右方向(横方向)とする。よって、図11は、進行方向前側から倒立走行ロボット200を見た図であり、図10は、左側から倒立走行ロボット200を見た図である。
As shown in FIG. 11, the inverted traveling
走行時において、右スイングアーム217、及び左スイングアーム219は、車高を調整する。さらに、一方、又は両方のスイングアームを駆動して、車体212の地面に対する左右の傾斜角度を調整する。例えば、水平な地面を走行中に、右駆動輪218のみが段差に乗り上げたり、地面が右上がりの傾斜面に変わったりしたとする。この場合、右駆動輪218が左駆動輪220よりも高くなる。このため、右スイングアーム217の関節を駆動して右駆動輪218を車体212の方向により近づけるようにする。これにより、右駆動輪218が高くなった分を吸収でき、横方向(左右方向)において車体212を水平にすることができる。
During traveling, the
右スイングアーム217側端側には右マウント226が固定され、車軸230を介して右駆動輪218を回転可能に支持する。右駆動輪218は、車軸230を介して右輪駆動モータ234の回転軸C1に固定されている。右輪駆動モータ234は、右マウント226内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。
A
左スイングアーム219の側端側には左マウント228が固定され、車軸232を介して左駆動輪220を回転可能に支持する。左駆動輪220は、車軸232を介して左輪駆動モータ236の回転軸C2に固定されている。左輪駆動モータ236は、左マウント228内に固定され、車輪用駆動部(アクチュエータ)として機能する。右駆動輪218と左駆動輪220は、地面と接地し、略同軸上で回転する一対の車輪である。右駆動輪218と左駆動輪220が、回転することによって、倒立走行ロボット200が移動する。また、右輪駆動モータ234、及び左輪駆動モータ236が車輪を駆動させる駆動輪モータとなる。右マウント226、及び左マウント228が左右の駆動輪を回転可能に支持する車台となる。
A
右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236(以下、モータ234、236と称することもある。)は例えば、サーボモータである。尚、車輪用アクチュエータは、電気的なモータに限らず、空圧、油圧を使用したアクチュエータでもよい。なお、以下の説明において、右駆動輪218と左駆動輪220をまとめて、駆動輪と呼ぶこともある。
The right
また、右マウント226は、右輪エンコーダ252を備えている。右輪エンコーダ252は、右駆動輪218の回転量としての回転角を検出する。左マウント228は、左輪エンコーダ254を備えている。左輪エンコーダ254は、左駆動輪220の回転量としての回転角を検出する。
The
右スイングアーム217は、右上リンク221と、右スイング軸262と、右スイングアーム駆動モータ260を有している。左スイングアーム219は、左上リンク222と、左スイング軸266と、左スイングアーム駆動モータ264を有している。車体212の下部には、右上リンク221及び左上リンク222が固定されている。右上リンク221には、右スイングアーム駆動モータ260が固定され、右スイング軸262を介して、回転軸C4回りに、右スイングアーム217を駆動する。左スイング軸266には、左スイングアーム駆動モータ264が固定され、左スイング軸266を介して、回転軸C5周りに左スイングアーム219を駆動する。このように、右スイングアーム217には、回転軸C4回りに回転する回転関節が設けられ、左スイングアーム219には、回転軸C5回りに回転する回転関節が設けられている。右スイングアーム217及び左スイングアーム19(以下、スイングアーム217、219と称することもある。)に設けられた関節をスイングアーム関節とする。
The
車体12には、搭乗席駆動モータ270、ラックアンドピニオン272、ジャイロセンサ248、及び搭乗席274が取り付けられている。また、車体212には、対向して、右上リンク221及び左上リンク222が取り付けられている。
A boarding
車体212の中央近傍には、ラックアンドピニオン272が設けられている。ラックアンドピニオンのラックは、前後方向に沿って設けられている。ラックアンドピニオン272によって、搭乗席274が支持されている。即ち、搭乗席274は、ラックアンドピニオン272を介して車体212に取り付けられている。搭乗席274は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。なお、ラックアンドピニオン272の代わりにボールネジなどを用いてスライドさせてもよい。
A rack and
車体212の上部には、搭乗席駆動モータ270が固定されている。搭乗席274と搭乗席駆動モータ270は、ラックアンドピニオン272によって連結されている。搭乗席駆動モータ270は、回転軸C3回りに回転する。これにより、ラックアンドピニオン272のピニオンに回転力が加えられる。搭乗席駆動モータ270の回転運動は、ラックアンドピニオン272によって、直線運動に変換される。すなわち、搭乗席駆動モータ270を駆動すると、車体212に対する搭乗席274の位置が前後にスライドする。このとき、搭乗席274と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置が、車体212に対して前後に変化する。なお、車体212に対して、搭乗席274と搭乗者又は搭乗物との合成重心位置を変化させる手段としては、スライド機構の他に、回転軸機構、旋回機構などで実現することも可能である。また、搭乗席駆動モータ270の動力をギアやベルトやプーリなどを介して、搭乗席274に伝達してもよい。ここで、搭乗席駆動モータ270によって前後に移動する構成全体を車体部277とする。車体部277には、搭乗席274や操作モジュール246等が含まれる。もちろん、車体212を駆動するアクチュエータを備える場合は、車体部277に車体212も含まれる。また、搭乗席駆動モータ270には、スライド位置を計測するためのエンコーダ(図示せず)が設けられている。
A passenger
回転軸C3は回転軸C1及びC2と平行であり、回転軸C1及びC2の上方に位置する。回転軸C3と回転軸C1との間に右スイングアーム217が設けられ、回転軸C3と回転軸C2との間に左スイングアーム219が設けられている。右スイングアーム駆動モータ260は、右スイングアーム217を回転軸C4回りに回転させ、左スイングアーム駆動モータ264は、左スイングアーム219を回転軸C5回りに回転させる。通常の走行時には、回転軸C1〜回転軸C5は水平になっている。
The rotation axis C3 is parallel to the rotation axes C1 and C2, and is located above the rotation axes C1 and C2. A
さらに、倒立走行ロボット200には、転倒を防止するために、2つの補助輪251が設けられている。補助輪251は、補助輪支持ブロック255に対して回転可能に支持されている。そして、補助輪支持ブロック255は車体212に取り付けられている。ここでは、一方の補助輪251は、駆動輪の前方側に配置され、他方の補助輪251は駆動輪の後方側に配置されている。補助輪251は、従動輪であり、倒立走行ロボット200の移動にしたがって回転する。なお、本実施の形態にかかる倒立走行ロボット200においては、この補助輪251の上部に感圧センサ(不図示)が取り付けられている。補助輪251が接地した時点でそのときの垂直方向の圧力を測定可能となっている。
Furthermore, the inverted traveling
通常の走行を開始するときには、スイングアーム関節を伸ばすことによって、補助輪251を離地させる。すなわち、車体212が上方に移動するように、スイングアーム関節を移動して、補助輪251を上方に移動させる。停止状態では、スイングアーム関節を縮めることによって、補助輪251を接地させる。すなわち、スイングアーム関節を屈曲させていくことで、車体212が地面に近づき、補助輪251が下方に移動する。このように、補助輪251を上下に移動させることで、補助輪251が接地した接地状態と、離地して二輪で走行する離地状態とを切換えることができる。このように、倒立走行ロボット200は、立ち上がり時にスイングアームを使って、4輪の接地状態から2輪状態の離地状態へと移行していく。
When starting normal travel, the
一方の補助輪251の回転軸は、回転軸C1、C2よりも前側上方にあり、他方の補助輪251の回転軸は、回転軸C1,C2よりも後側上方にある。すなわち、補助輪251の一方は、駆動輪の車軸よりも前方に配置され、他方は、駆動輪の車軸よりも後方に配置される。これにより、倒立走行ロボット200が前後に転倒するのを防止することができる。なお、補助輪以外の転倒防止部材によって、転倒を防止してもよい。例えば、前後方向に突出したストッパなどで転倒を防止することができる。
The rotation axis of one
車体212には、バッテリーモジュール244と、センサ258が収納されている。センサ258は、例えば、光学式の障害物検知センサであり、倒立走行ロボット200の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。また、センサ258は、障害物センサ以外のセンサであってもよい。例えば、センサ258として、加速度センサを用いることも可能である。もちろん、センサ258として、2以上のセンサが用いられていてもよい。センサ258は倒立走行ロボット200の状態に応じて変化する変化量を検出する。バッテリーモジュール244は、センサ258、ジャイロセンサ248、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264、搭乗席駆動モータ270、及び制御部280等に対して電力を供給する。
A
車体212上には、ジャイロセンサ248が設けられている。ジャイロセンサ248は、車体212の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体212の傾斜角は、倒立走行ロボット200の重心位置が車軸230、232の鉛直上方に伸びる軸からの傾斜度合いであり、例えば倒立走行ロボット200の進行方向前方に車体212が傾斜している場合を「正」とし、倒立走行ロボット200の進行方向後方に車体212が傾斜している場合を「負」として表わす。したがって、車体212が水平になっている状態では、傾斜角度が0°になる。そして、通常の走行時には、傾斜角度の制御目標値が0°なっている。この制御目標値に追従するように、フィードバック制御されている。また、前後方向における傾斜角度を倒立走行ロボット200の姿勢の傾斜角度とする。
A
また、進行方向の前後方向に加えて、左右方向の傾斜角速度はロール、ピッチ、ヨーの3軸のジャイロセンサ248を用いて測定される。このように、ジャイロセンサ248は、車体212の傾斜角の変化を、車体212の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ248は他の箇所に取り付けられていてもよい。ジャイロセンサ248で測定された傾斜角速度は、倒立走行ロボット200の姿勢の変化に応じて変化する。即ち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体212の重心位置に応じて変化する変化量である。従って、外乱などによって、姿勢の傾斜角度が急激に変化すると、傾斜角速度の値が大きくなる。
Further, in addition to the front-rear direction of the traveling direction, the tilt angular velocity in the left-right direction is measured using a three-
搭乗席74の側面には、操作モジュール246が設けられている。操作モジュール246には、操作レバー(図示せず)及びブレーキレバー(図示せず)が設けられている。操作レバーは、搭乗者が倒立走行ロボット200の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である。搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって倒立走行ロボット100の移動速度を調整することができる。また、搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって倒立走行ロボット200の移動方向を指定することができる。倒立走行ロボット200は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、倒立走行ロボット200を制動することができる。倒立走行ロボット200の進行方向は、水平面内において、車軸230、232と垂直な方向になる。また、操作モジュール246には、制御モードを切換えるスイッチが設けられている。
An
さらに、搭乗席274の背もたれ部分には、制御部280が実装されている。制御部280は、搭乗者が操作モジュール246に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236を制御し、倒立走行ロボット200の走行(移動)を制御する。制御部280は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236を制御する。これにより、操作モジュール246での操作に応じた加速度、速度指令値で右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236が駆動する。
Further, a
制御部280は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、倒立走行ロボット200の各種動作を制御する。そして、この制御部280は、例えばROMに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御部280は、操作モジュール246での操作に応じて、所望の加速度、及び目標速度になるように、また、倒立走行ロボット200が倒立を維持するように、ロバスト制御、状態フィードバック制御、PID制御などの周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236を制御する。これにより、倒立走行ロボット200が、操作モジュール246での操作に応じて加減速しながら走行する。
The
すなわち、操作モジュール246は、搭乗者の操作によって与えられた操作量を取得し、この操作量を操作信号として、制御部280に出力する。そして、制御部280は、操作信号に基づいて、倒立走行ロボット200の目標加速度や、目標速度を算出し、これに追従するように、倒立走行ロボット200をフィードバック制御する。これにより、倒立走行ロボット200を倒立させつつ、移動させることができる。
That is, the
また、制御部280は、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264、及び搭乗席駆動モータ270を制御する。ここで、搭乗席駆動モータ270が右輪駆動モータ234及び左輪駆動モータ236と協調して動作するよう、制御部280が制御を行う。すなわち、倒立を安定させるように、駆動輪を回転駆動するとともに搭乗席274をスライド移動させる。これにより、車体212の傾斜角度が小さくなり、倒立を安定させることができる。このようにして、搭乗席駆動モータ270が右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264、及び搭乗席駆動モータ270と協調して動作する。
The
次に、上記の制御を行う制御部280の構成について図12を用いて説明する。図12は、制御部280を含む制御系の構成を示すブロック図である。図12に示すように、制御部280は、スイングアーム制御部281と、駆動輪・スライド協調制御部282とを備えている。また、センサ類283は、倒立走行ロボット200に設けられている各種センサを示すものであり、例えば、ジャイロセン2サ48、右輪エンコーダ252、左輪エンコーダ254、センサ258等を含んでいる。そして、制御部280は、倒立制御計算を行い、制御目標値を算出する。そして、制御目標値と現在値との偏差を求める。尚、現在値は、例えば、センサ類283からの出力に基づいて算出することができる。そして、この偏差に所定のフィードバックゲインを乗じて、フィードバック制御を行う。
Next, the configuration of the
また、倒立走行ロボット200には、各モータを駆動制御するアンプが設けられている。ここで、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264、搭乗席駆動モータ270に設けられているアンプをそれぞれ、アンプ234a、アンプ236a、アンプ260a、アンプ264a、アンプ270aとする。各アンプは、制御部280からの制御信号に基づいて動作する。制御部280は、搭乗席駆動モータ270のアンプ270aにスライド位置やスライド力に応じた制御信号を出力する。また、モータ234、236のアンプ234a、236aに車輪トルクに応じた制御信号を出力する。
The inverted traveling
スイングアーム制御部281は、右スイングアーム駆動モータ260、及び左スイングアーム駆動モータ264を制御する。例えば、スイングアーム制御部281は制御信号を出力して、スイングアームが伸縮するようにスイングアーム関節267を駆動する。これにより、補助輪251が接地している接地状態と、離地している離地状態とを切換えることができる。また、傾斜面を走行するときは、ジャイロセンサ248などの出力に基づいて、制御信号を出力する。これにより、傾斜面の角度が吸収され、車体212が水平になる。スイングアーム制御部281からの制御信号は、アンプ260a、264aを介して、右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264に入力され、右スイングアーム駆動モータ260、左スイングアーム駆動モータ264が駆動する。なお、スイングアーム関節の回転角を検出するエンコーダを設けて、フィードバック制御してもよい。すなわち、スイングアーム関節267の関節角度や関節角速度に応じてフィードバック制御することができる。
The swing
駆動輪・スライド協調制御部282は、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、及び搭乗席駆動モータ270を協調して制御する。すなわち、駆動輪・スライド協調制御部282は、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、及び搭乗席駆動モータ270に対する制御目標値を算出する。例えば、姿勢の傾斜角度、姿勢の傾斜角速度、並びに駆動輪の回転速度、及び搭乗席274のスライド速度が制御目標値として算出される。車体212の傾斜角速度は、ジャイロセンサ248で測定される。そして、傾斜角速度を積分することによって、車体212の傾斜角度が求まる。例えば、倒立走行時には、姿勢の目標傾斜角度が0°になるようにフィードバック制御する。また、その場で停止させる場合は、目標傾斜角速度が0になるようにフィードバック制御する。
The drive wheel / slide cooperative control unit 282 controls the right
また、駆動輪278の回転速度は、右輪エンコーダ252、及び左輪エンコーダ254の出力によって、求めることができる。スライド機構268のスライド速度は、搭乗席駆動モータ270に設けられているエンコーダの出力により求めることができる。また、スライド機構268は、搭乗席駆動モータ270の回転トルクにより求めることができる。そして、これらの制御目標値と、現在値との偏差に適切なフィードバックゲインをかけることで、フィードバック制御が行われる。もちろん、駆動輪・スライド協調制御部82による、右輪駆動モータ234、左輪駆動モータ236、及び搭乗席駆動モータ270の協調制御は、上記の制御に限られるものではない。
Further, the rotational speed of the drive wheel 278 can be obtained from the outputs of the
また、制御部280は、接地状態から離地状態に移行する立ち上がり時において、補助輪51が完全に離地してから、協調制御を開始する。すなわち、スイングアームの関節角度がある角度に駆動するまで、協調制御による倒立を開始しない。したがって、スイングアームの関節角度がある角度まで駆動した後に、駆動輪とスライド機構の動作が開始する。このようにすることで、立ち上がり時における、安全性を向上することができる。すなわち、補助輪251が少しでも接地している段階では、倒立制御を行っても、姿勢の傾斜角度、及び傾斜角速度が変化しないおそれがある。傾斜角度や傾斜角速度が変化しない状態で、これらに基づいてフィードバック制御を行うと制御を安定させることができない。すなわち、駆動輪を駆動しても、傾斜角度や傾斜角速度が全く変化しないため、倒立制御が不安定になり、暴走してしまうことがある。しかしながら、本実施の形態に示すように、スイングアーム関節の角度を検出することで、補助輪の両方が確実に地面から離れていることを確認することができる。すなわち、補助輪251が完全に離地した後に協調動作を開始することで、安全に立ち上がることが可能になる。
In addition, the
このように、制御部280は、車体212の高さを変更する際において、スイングアーム関節が一定の駆動量以上、駆動したか否かを判定している。すなわち、スイングアーム関節の関節角度が一定以上になったか否かを判定している。そして、一定の駆動量以上になった後に、協調制御を開始する。すなわち、ある所定の角度以上、スイングアーム関節を駆動したら、協調制御の計算を開始する。したがって、スイングアーム関節が所定の角度になるまでは、協調制御の計算を行わない。これにより、補助輪251が地面に接触した状態で倒立制御が行われるのを防止することができ、より安定に倒立させることができる。
Thus, when changing the height of the
なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 倒立走行ロボット、11 車体、12 スイングアーム、
13 スイングアーム軸、14 駆動輪軸、15 駆動輪、
16 補助輪、17 感圧センサ、200 倒立走行ロボット、
212 車体、217 右スイングアーム、218 右駆動輪、
219 左スイングアーム、220 左駆動輪、221 右上リンク、
222 左上リンク、226 右マウント、228 左マウント、
230,232 車軸、234 右輪駆動モータ、
234a、236a、260a、264a、270a アンプ、
236 左輪駆動モータ、244 バッテリーモジュール、
246 操作モジュール、248 ジャイロセンサ、251 補助輪、
252 右輪エンコーダ、254 左輪エンコーダ、255 補助輪支持ブロック、
258 センサ、260 右スイングアーム駆動モータ、
262 右スイング軸、264 左スイングアーム駆動モータ、
266 左スイング軸、267 スイングアーム関節、268 スライド機構、
270 搭乗席駆動モータ、272 ラックアンドピニオン、274 搭乗席、
277 車体部、278 駆動輪、280 制御部、281 スイングアーム制御部、
282 駆動輪・スライド協調制御部、283 センサ類
1 Inverted traveling robot, 11 body, 12 swing arm,
13 swing arm shaft, 14 drive wheel shaft, 15 drive wheel,
16 auxiliary wheels, 17 pressure sensor, 200 inverted traveling robot,
212 body, 217 right swing arm, 218 right drive wheel,
219 Left swing arm, 220 left drive wheel, 221 upper right link,
222 Upper left link, 226 Right mount, 228 Left mount,
230, 232 axle, 234 right wheel drive motor,
234a, 236a, 260a, 264a, 270a amplifiers,
236 Left wheel drive motor, 244 battery module,
246 operation module, 248 gyro sensor, 251 auxiliary wheel,
252 Right wheel encoder, 254 Left wheel encoder, 255 Auxiliary wheel support block,
258 sensor, 260 right swing arm drive motor,
262 right swing axis, 264 left swing arm drive motor,
266 Left swing axis, 267 Swing arm joint, 268 Slide mechanism,
270 boarding seat drive motor, 272 rack and pinion, 274 boarding seat,
277 body part, 278 driving wheel, 280 control part, 281 swing arm control part,
282 Drive wheel / slide cooperative control unit, 283 sensors
Claims (9)
前記車輪を補助する2以上の補助輪と、
倒立を維持するための安定化制御手段とを有し、
前記安定化制御手段は、補助輪接地状態から当該補助輪の一部を離地させた状態を経由して倒立状態に移行させる倒立車輪型移動体。 Two or more wheels,
Two or more auxiliary wheels for assisting the wheel;
Having stabilization control means for maintaining inversion,
The stabilization control means is an inverted wheel type moving body that shifts from an auxiliary wheel grounding state to an inverted state via a state in which a part of the auxiliary wheel is detached.
前記センサ結果に基づき前記倒立状態に移行するか否かを決定する
ことを特徴とする請求項1記載の倒立車輪型移動体。 Having a sensor for calculating floor pressure between the wheel and the ground;
The inverted wheel type moving body according to claim 1, wherein whether or not to shift to the inverted state is determined based on the sensor result.
ことを特徴とする請求項2記載の倒立車輪型移動体。 The inverted wheel type moving body according to claim 2, wherein the stabilization control means calculates a distance required to shift to the inverted state based on the floor pressure.
前記安定化制御手段は、前記必要な距離が障害物までの距離より短い場合に倒立動作を開始する
ことを特徴とする請求項3記載の倒立車輪型移動体。 It has a distance measuring means that measures the distance to the obstacle,
The inverted wheel type moving body according to claim 3, wherein the stabilization control means starts an inversion operation when the necessary distance is shorter than the distance to the obstacle.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の倒立車輪型移動体。 The inverted wheel type moving body according to any one of claims 1 to 4, further comprising a stopper instead of the auxiliary wheel.
倒立を維持するための工程であって、補助輪接地状態から当該補助輪の一部を離地させた状態を経由して倒立状態に移行させる安定化制御工程を有する倒立車輪型移動体の制御方法。 A method of controlling an inverted wheel type moving body having two or more wheels and two or more auxiliary wheels for assisting the wheels,
Control of an inverted wheel type moving body having a stabilization control process for maintaining an inverted state, wherein the stabilization wheel is transferred from an auxiliary wheel grounding state to a inverted state via a state in which a part of the auxiliary wheel is detached. Method.
ことを特徴とする請求項6記載の倒立車輪型移動体の制御方法。 The vehicle according to claim 6, further comprising a step of determining whether or not to shift to the inverted state based on a sensor result of a sensor that calculates a floor pressure between the wheel and the ground. Control method.
ことを特徴とする請求項7記載の倒立車輪型移動体の制御方法。 The method for controlling an inverted wheel type moving body according to claim 7, wherein, in the stabilization control step, a distance required to shift to the inverted state is calculated based on the floor pressure.
ことを特徴とする請求項8記載の倒立車輪型移動体の制御方法。 9. The inverted wheel according to claim 8, wherein in the stabilization control step, an inverted operation is started when the required distance is shorter than a distance measured by a distance measuring unit that measures a distance from an obstacle. Control method of mold moving body.
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Cited By (2)
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WO2010130179A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | 北京工业大学 | Flexible two-wheel self-balance robot system and motion control method thereof |
CN108098756A (en) * | 2017-12-30 | 2018-06-01 | 杭州南江机器人股份有限公司 | A kind of mobile robot stabilizing mechanism and the mobile robot equipped with the stabilizing mechanism |
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2007
- 2007-10-23 JP JP2007274768A patent/JP2009101817A/en active Pending
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