JP2007118906A - 車輪移動型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 静止摩擦力の影響や段差によって車輪移動型ロボットが移動開始できない場合でも、大型のアクチュエータを実装することなく移動させることができる小型の車輪移動型ロボットを提供する。
【解決手段】 ロボット本体の両側に設けられた車輪とは別に、その前後にトルク補助機構４が設けられる。このトルク補償機構４は、プッシュ・プル型ソレノイド３７と補助車輪３５を備え、アクチュエータ３３の出力トルクだけでは車輪移動型ロボットを移動開始させることができない場合に、アクチュエータ３３の出力トルクに加え、プッシュ・プル型ソレノイド３７が補助車輪３５を床面に押し付けることで、車輪移動型ロボットを移動させる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、車輪移動型ロボットに関する。

車輪を駆動して環境内を自在に移動する車輪移動型ロボットは、車輪と床面との静止摩擦力が大きい場合や床面に段差が生じている場合に、静止状態から移動開始できない可能性がある。

特に、車輪と床面との静止摩擦力は、車輪外郭や床面の材質によって大きく変化する。全ての材質に対応してロボットが移動可能とするためには、移動開始時に大きいトルクを出力する大型で消費電力の大きいアクチュエータを選定しなければならない。しかしながら、車輪移動型ロボットは、主にバッテリによって駆動されるため、消費電力の小さい小型のロボットが求められている。

また、アクチュエータの静止摩擦力を補償する方法として、ロボットの回転軸を駆動するアクチュエータにディザ的な補償トルク指令を加えることで、回転開始時における軸の静止摩擦を補償し、回転開始遅れを防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に記載されたものは、産業用ロボットのように静止摩擦力を超える十分なトルクをアクチュエータが出力できる場合の、軸の回転開始時にその応答性を高めるためのもので、アクチュエータの出力トルクが静止摩擦力を超えることができない場合には、軸を回転することができないという問題があった。
特開平８−２８６７５９号公報（３−４頁、図１）

上述したように、従来の車輪移動型ロボットは、アクチュエータの出力トルクが小さいと、静止摩擦力や段差の影響で移動開始できないという問題があった。また、車輪移動型ロボットは、主にバッテリにより駆動されるという観点から小型化が求められている。そのため、小型のアクチュエータの使用が要望されるが、それでは駆動トルクを出力することができない問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、静止摩擦力が大きい、または床面に段差がある場合でもロボットを容易に動かすことができる小型の車輪移動型ロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の車輪移動型ロボットは、ロボット本体と、前記ロボット本体を移動させる少なくとも両側に設けられた車輪と、前記車輪を回転させるトルクを出力するアクチュエータと、前記アクチュエータによって前記車輪が回転され、前記ロボット本体が移動したか否か検出する移動検出手段と、前記移動検出手段の検出結果に応じて前記ロボット本体の前後に設けられた補助車輪を床面に向かってプッシュする補助動作を行うトルク補償機構とを備えることを特徴とする。

本発明の車輪移動型ロボットによれば、静止摩擦力が大きい、または床面に段差がある場合でもロボットを容易に動かすことができ、かつ小型の車輪移動型ロボットを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

図１乃至図８を用いて、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例に係る車輪移動型ロボットの構成図である。車輪移動型ロボットは、バッテリや制御装置、速度センサなど（図示せず）を搭載したロボット本体１と、ロボット本体１に取り付けられ、液晶ディスプレイやカメラなど（図示せず）を搭載したインタフェース部２と、ロボット本体１が自由に移動するための移動機構３を備えている。

次に、図２および図３を用いて、移動機構３の構成について述べる。図２は、移動機構３の概略構成を示す側面図であり、図３はその上面図である。

図３に示すように、移動ベース３１の両側（図３では上下）には移動用車輪３２が平行に装着されている。各移動用車輪３２は、それぞれの移動用車輪３２に装着されたアクチュエータ３３によって駆動される。また、各アクチュエータ３３には、各移動用車輪３２の回転量や回転速度を計測するエンコーダ３４がそれぞれに取り付けられている。さらに、図２に示すように、車輪移動型ロボットを動かすときの駆動トルクを補助する補助トルク機構４として、ロボット本体１の前後に設けられた補助車輪３５と、この補助車輪３５を床面に押し付けるプッシュ・プル型ソレノイド３７が備えられている。これら各補助車輪３５と各プッシュ・プル型ソレノイド３７は、それぞれ取り付け支持部材３６を介して、取り付け角度θで移動ベース３１に取り付けられている。また、この補助トルク機構４は、移動用車輪３２の前後に１つずつ設置されていることから、車輪移動型ロボットが安定した姿勢が保てるよう、ロボット本体１を移動用車輪３２とともに支持する役割も果している。なお、各移動用車輪３２を、１つのアクチュエータ３３によって駆動するようにしても良い。

次に、図４を用いて、上記プッシュ・プル型ソレノイド３７の詳細について述べる。プッシュ・プル型ソレノイド３７には、取り付け支持部材３６に接続されるベース３７１があり、このベース３７１の中央には、シャフト３７３（図２の取り付け支持部材３６から伸びたもの）を受ける軸受け３７２が取り付けられている。また、シャフト３７３のベース３７１とは反対側の先端には、プランジャ３７４が取り付けられている。このプランジャ３７４は補助車輪３５に接続され、シャフト３７３の外周でベース３７１に取り付けられたコイル３７５が励磁された時に、押し付け力Ｆｓｎで補助車輪３５を床面方向（図４では下方向）にプッシュ（押付け）し、コイル３７５が非励磁時には補助車輪３５を床面反対方向（図４では上方向）にプル（引き戻す）する。

ここで、停止中の車輪移動型ロボットが動くことができない理由の１つである、摩擦力とアクチュエータ３３の出力トルクの関係を説明する。説明を簡略にするため、本実施例では、摩擦係数を移動用車輪３２と床面の間で換算された転がり摩擦係数とし、動摩擦係数をμｍ、静止摩擦力係数をμｓと表記する。なお、動摩擦係数μｍは速度比例値である。

図５は、車輪移動型ロボットの速度Ｖと、移動用車輪３２と床面の間の摩擦力との関係を示したものである。横軸がロボット本体１の速度Ｖ、縦軸が移動方向逆向きに移動用車輪３２に加わる摩擦力の大きさＦを示している。また破線は、アクチュエータ３３が出力できる最大トルクτｍａｘを進行方向の駆動力に換算したものを示している。

車輪移動型ロボットが動き出すまで、移動用車輪３２には最大静止摩擦力Ｆｓが加わっている（図５中、Ｖ＝０）。この最大静止摩擦力Ｆｓは、静止摩擦係数μｓと車輪移動型ロボットの質量Ｗによって決定し、
Ｆｓ＝μｓ・Ｗｇ
となる。ただし、ｇは重力加速度である。静止摩擦力は、車輪移動型ロボットが動き出すと小さくなり、ある速度ΔＶに達すると動摩擦力に変化する。

最大静止摩擦力Ｆｓを超えて移動用車輪３２が回転を始めるために必要なトルクτは、移動用車輪３２の半径をｒとすると、移動用車輪３２は移動ベース３１に２個装着されているので、
τ＝Ｆｓ・ｒ／２＝μｓ・Ｗｇ・ｒ／２
となる。

最大出力トルクτｍａｘが、移動用車輪３２の回転に必要なトルクτより小さいと、移動用車輪３２は回転しない。この場合、
τ＝μｓ・Ｗｇ・ｒ／２＞τｍａｘ
となってしまい、（（μｓ・Ｗｇ・ｒ／２）−τｍａｘ）だけアクチュエータ３３の出力トルクが不足する。

通常、静止摩擦係数μｓは、動摩擦係数μｍの数十倍以上の大きさであるため、最大静止摩擦力Ｆｓは動摩擦力と比較して非常に大きくなる。そのため、不足分の出力トルクを補えるアクチュエータ３３を設計しようとすると、アクチュエータ３３が大型化してしまう。

そこで、本実施例では、各プッシュ・プル型ソレノイド３７で前後の補助車輪３５を床面に押し付け力Ｆｓｎで押し付け、車輪移動型ロボットの動かす時のトルクの不足分（（μｓ・Ｗｇ・ｒ／２）−τｍａｘ）を補助する。

次に、図６を用いて、補助車輪３５とプッシュ・プル型ソレノイド３７がトルク補償機構４として働くために必要な押し付け力Ｆｓｎと、取り付け角度θについて述べる。ただし、前進時には後側のトルク補償機構４が作用し、後退時は前側のトルク補償機構４が作用する。

前進時には後側のプッシュ・プル型ソレノイド３７が押し付け力Ｆｓｎで、後側の補助車輪３５を進行方向逆向きに床面に押し付ける。このとき、床面に加わる押し付け力Ｆｓｎの床面に平行な成分の大きさはＦｓｎ・ｃｏｓθとなる。この押し付け力の床面平行成分の反作用として、車輪移動型ロボットには大きさＦｓｎ・ｃｏｓθの力が進行方向に加わる。

後側のプッシュ・プル型ソレノイド３７がトルク補償機構４として、車輪移動型ロボットを動かすためのトルクの不足分（（μｓ・Ｗｇ・ｒ／２）−τｍａｘ）を補うためには、この車輪移動型ロボットに加わる進行方向の力が、トルクの不足分（（μｓ・Ｗｇ・ｒ／２）−τｍａｘ）を超える必要がある。

つまり、
Ｆｓｎ・ｃｏｓθ ≧ （μｓ・Ｗｇ・ｒ／２）−τｍａｘ
であるならば、車輪移動型ロボットは、アクチュエータ３３の出力トルクが不足していても車輪移動型ロボットを動かすことができる。

上記条件式は、アクチュエータ３３の最大出力トルク、床面と移動用車輪３２との摩擦係数や車輪移動型ロボットの質量によって変化する。そのため、押し付け力Ｆｓｎと取り付け角度θは、車輪移動型ロボットの構成要素や使用する環境等を考慮しつつ、上記条件式を満たすように決定する。

次に、車輪移動型ロボットを動かす時の動作制御について説明する。図７は、車輪移動型ロボットの機能的な制御ブロック図を示す。ロボット本体１は内部に制御装置５を備えている。この制御装置５は、移動機構３が備えているアクチュエータ３３やエンコーダ３４と接続しており、出力トルクを制御するためアクチュエータ３３に対して移動目標制御指令を出力する。さらに、この制御装置５は、トルク補償機構４と接続しており、エンコーダ３４が計測した情報を基に補償トルク制御指令を出力しトルク補償機構４を制御する。

次に、図８のフローチャートを用いて、車輪移動型ロボットを動かす時の動作制御について述べる。

まず、ロボット本体内の制御装置５が出力する移動目標制御指令に従い、アクチュエータ３３が駆動トルクを出力し、移動用車輪３２を回転させる（ステップＳ１０１）。次に、制御装置５はエンコーダ３４が計測した移動用車輪３２の回転量や回転速度から、ロボット本体１が動き出したか否かを判断する（ステップＳ１０２）。ロボット本体１が動き出していれば、動作を終了する。

ステップＳ１０２の判断でロボット本体１が動き出していなければ、制御装置５はアクチュエータ３３に対する出力トルクを増加させ（ステップＳ１０３）、その出力トルクが最大出力を超えたか否かを判断する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４の判断で、アクチュエータ３３の最大出力トルクを超えていない場合は、制御装置５は増加させたトルクで移動用車輪３２を回転させるためステップＳ１０１に戻る。

一方、ステップＳ１０４の判断でアクチュエータ３３の最大出力トルクを超えた場合は、制御装置５は最大静止摩擦力Ｆｓｎがアクチュエータ３３の最大出力トルクより大きいか、または床面に段差が生じているため移動開始できないと判断し、後側のプッシュ・プル型ソレノイド３７に対し補償トルク制御指令を出力する。これにより、前記プッシュ・プル型ソレノイド３７は補助車輪３を床面に押し付ける（ステップＳ１０５）。このとき、アクチュエータ３３は最大出力トルクを出力している。

補助車輪３を押し付けた後は、制御装置５はプッシュ・プル型ソレノイド３７に対し補償トルク制御指令を出力する。これにより、前記プッシュ・プル型ソレノイド３７をプルし、補助車輪３５をプッシュする前の位置まで戻す（ステップＳ１０６）。次に、制御装置５は、ステップＳ１０５のプッシュによって、ロボット本体１が動き出したか否かを判断する（ステップＳ１０７）。ロボット本体１が動き出したと判断した場合は、動作を終了する。

一方、ステップＳ１０７でロボット本体１が動き出していない場合は、ステップＳ１０８のリトライ回数をチェック後、その回数より少ない場合はステップＳ１０５に戻り、制御装置５は前記プッシュ・プル型ソレノイド３７に対し補償トルク制御指令を出力してプッシュとプルを実行する。これにより、プッシュ・プル型ソレノイド３７による補助車輪３５の押し付けとアクチュエータ３３の最大出力トルクによる動かし動作をリトライする。このリトライは、あらかじめ決めておいた回数（Ｎ回）だけ行う。これは、ステップＳ１０５の補助車輪３５の押し付けにより、床面と補助車輪との間の接触状態が微妙に変化し、最大静止摩擦力Ｆｓが大きく変化することがあるためである。

なお、ステップＳ１０８でＮ回以上リトライを行ったと判断した場合、制御装置５は、アクチュエータ３３とプッシュ・プル型ソレノイド３７では、車輪移動型ロボットを動かすことができないとし、エラーを出力して終了する。リトライ回数がＮ回に満たない場合は、ステップＳ１０５に戻って同じ動作を繰り返し実行する。

なお、ステップＳ１０２およびステップＳ１０７で行うロボット本体１が移動開始したか否かの判断は、上述したようにエンコーダ３４によって判断することもできるが、ロボット本体１に内蔵された速度センサや加速度センサを用いて判断することもできる。速度センサや加速度センサを用いることで、段差により移動用車輪３２が空回りした場合の移動開始判断の誤りを低減することができる。

このように、本実施例によれば、静止摩擦力や段差の影響でアクチュエータ３３の最大出力トルクだけでは車輪移動型ロボットが移動開始できない場合でも、トルク補償機構４であるプッシュ・プル型ソレノイド３７をプッシュし、補助車輪３５を床面に押し付けることで、アクチュエータ３３を大型化することなく車輪移動型ロボットを移動開始させることができるため、車輪移動型ロボットを小型化することができる。また補助車輪３５をロボット本体１の安定支持だけでなく、トルク補償機構４の一部として使用することで、不要な構成要素を具備しない小型の車輪移動型ロボットが実現できる。さらに、プッシュ・プル型ソレノイド３７は、補助車輪３５を床面に押し付ける場合にのみ励磁し、それ以外の停止時や移動時には非励磁とすることで、車輪移動型ロボットのエネルギー消費を抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明に係る車輪移動型ロボットの構成図。 本発明に係る車輪移動型ロボットの移動機構を示す側面図。 本発明に係る車輪移動型ロボットの移動機構を示す上面図。 プッシュ・プル型ソレノイドの構成図。 車輪移動型ロボットの速さと床面の摩擦力との関係を示すグラフ。 補助車輪の取り付け角度θと押し付け力Ｆｓｎの関係を示す側面図。 本発明に係る車輪移動型ロボットの機能ブロック図 本発明に係る車輪移動型ロボットの動作を示すフローチャート。

符号の説明

１…ロボット本体
２…インタフェース部
３…移動機構
３１…移動ベース
３２…移動用車輪
３３…アクチュエータ
３４…エンコーダ
３５…補助車輪
３６…取り付け支持部材
３７…プッシュ・プル型ソレノイド
３７１…ベース
３７２…軸受け
３７３…シャフト
３７４…プランジャ
３７５…コイル
４…トルク補償機構
５…制御装置

Claims (7)

1. ロボット本体と、
   前記ロボット本体を移動させる少なくとも両側に設けられた車輪と、
   前記車輪を回転させるトルクを出力するアクチュエータと、
   前記アクチュエータによって前記車輪が回転され、前記ロボット本体が移動したか否か検出する移動検出手段と、
   前記移動検出手段の検出結果に応じて前記ロボット本体の前後に設けられた補助車輪を床面に向かってプッシュする補助動作を行うトルク補償機構と、
   を備えることを特徴とする車輪移動型ロボット。
2. 前記移動検出手段の検出結果に応じて前記アクチュエータへの出力トルクと前記トルク補償機構の補助動作を制御する制御装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の車輪移動型ロボット。
3. 前記移動検出手段は、前記車輪の回転量または回転速度に基づいて前記ロボット本体が移動したか否かを検出することを特徴とする請求項１記載の車輪移動型ロボット。
4. 前記トルク補償機構は、励磁時に前記補助車輪を前記床面に向かってプッシュし、非励磁時に前記補助車輪を元に戻す電磁ソレノイドを備えることを特徴とする請求項１に記載の車輪移動型ロボット。
5. 前記制御装置は、前記移動検出手段によって前記ロボット本体が移動していないと検出されたときに、前記ロボット本体が移動したと検出されるまで、前記アクチュエータへのトルク出力を増加させることを特徴とする請求項２に記載の車輪移動型ロボット。
6. 前記制御装置は、前記アクチュエータへのトルクを最大出力まで増加して、前記移動検出手段によって前記ロボット本体が移動していないと検出されたときに、前記トルク補償機構の補助動作を行うことを特徴とする請求項５に記載の車輪移動型ロボット。
7. 前記制御装置は、前記移動検出手段によって前記ロボット本体の移動が検出されない時、前記トルク補償機構の前記補助動作を複数回行うことを特徴とする請求項６に記載の車輪移動型ロボット。
   
   

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