JP2008012642A - 移動型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】移動型ロボットに関し、転倒開始前に転倒の可能性を評価することにより、転倒を未然に防止することを目的とする。
【解決手段】 走行部１と、
走行部１上に搭載される操作アーム２と、
走行部１の接地面３におけるゼロモーメントポイントを検出するＺＭＰ検出センサ４と、
ゼロモーメントポイントの支持多角形に対する位置から転倒安定性を評価する安定性評価部５と、を有して構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動型ロボットに関するものである。

耐転倒性能に優れた移動型ロボットとしては、特許文献１に記載のものが知られている。この従来例において、移動型ロボットは、全方位移動台車（走行部）上にロボットアームを搭載して形成される。全方位移動台車には直動アクチュエータにより駆動される支持部材が搭載され、全方位移動台車上に固定される傾斜角センサが全方位移動台車の傾斜を検出すると、支持部材が全方位移動台車の側方に張り出し駆動され、移動型ロボットの転倒が防止される。
特開２００６-５３７３１号公報

しかし、上述した従来例において、支持部材による転倒防止動作は、傾斜角センサが転倒危険傾斜角を検出した際、すなわち、実際に転倒が開始した際のさらなる転倒を防止するためのもので、転倒を予め予見することができないという欠点を有する。

本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、転倒開始前に転倒の可能性を評価することにより、転倒を未然に防止することのできる移動型ロボットの提供を目的とする。

移動型ロボットは、車輪１ａ、あるいはクローラからなる移動手段を備える走行部１上に操作アーム２を搭載して構成される。移動型ロボットの転倒に対する安定性を評価するために、ＺＭＰ検出センサ４によりゼロモーメントポイント（以下、「ＺＭＰ」）が計測され、安定性評価部５において評価される。

ＺＭＰは、重力と慣性力との合力が接地面３と交わる交点であり、走行部１の接地点の凸包として定義される支持多角形内にあるときは、転倒の可能性はないと判定できる。ＺＭＰは、慣性力を考慮して決定されるために、例えば、加速移動等の動的安定性の評価も可能であり、安定性評価部５は、支持多角形内にＺＭＰが存在するか否かにより転倒の危険性を判定する。

安定性評価部５からの出力は、ロボットの運用方法によって種々の態様で利用することができ、例えば、ＺＭＰが支持多角形の辺縁近傍に位置する場合には、ＺＭＰが当該辺縁を超える方向の加速度運転を制限する等、走行部１での運転制御に加え、搬送物の積載状態の判定等に利用でき、安定性評価部５からの出力値も、利用方法によって、”ＯＫ”、”ＮＧ”の２値以外に、支持多角形に対する位置から求められた離散的、あっるいは連続的な安定性余裕値とすることができる。

したがってこの発明において、移動型ロボットは、ＺＭＰを利用した転倒安定性を評価可能であるために、安定的な走行、運用が可能になる。

本発明によれば、転倒開始前に転倒の可能性を評価することができるため、転倒を未然に防止し、安定した運用が可能になる。

図１、２に示すように、移動型ロボットは、走行部１上にアーム保持部６を保持して形成される。走行部１はベースプレート１ｂ上に走行部本体１ｃを積層、保持して形成され、ベースプレート１ｂに車軸１ｄが回転自在に保持されて４個の車輪１ａが取り付けられる。車輪１ａは、走行部１に組み込まれたモータ等の走行部用アクチュエータ１４により回転駆動され、さらに、図外の操舵部により方向転換できる。

アーム保持部６は、走行部１上に前後方向移動可能に立設される支柱９と、支柱９に上下移動可能に連結されるアーム連結部１０とを有する（以下、本明細書において、直進時の走行方向を「前方」とする。）。アーム保持部６の上端には、カメラ１５ａを備えた頭部１５が固定される。

上記支柱９、およびアーム連結部１０を駆動するために、アーム位置変更用アクチュエータ７が設けられる。図１（ａ）において、アーム位置変更用アクチュエータ７は、走行部１内に収容されて支柱９を前後に駆動する支柱駆動用アクチュエータ７Ａと、アーム連結部１０内に収容されてアーム連結部１０を支柱９に沿って上下駆動するアーム連結部駆動用アクチュエータ７Ｂとから構成される場合を示したが、配置、個数は適宜変更できる。

図１において２は先端に２枚の把持爪２ａを備えた操作アーム２であり、アーム連結部１０に回転自在に連結される。この操作アーム２は、関節部２ｂと把持爪２ａ間の連結部に回転自由度を有しており、図外のアーム駆動用アクチュエータにより、各部が回転駆動される。

したがってこの実施の形態において、アーム位置変更用アクチュエータ７を駆動することにより、用途に応じた種々の姿勢を取ることができる。図１（ａ）は、アーム連結部１０を支柱９の上端近傍に位置させるとともに、支柱９を走行部１の後端部近傍に位置させることにより、高い位置での搬送物の受け渡しを可能にし、かつ、走行部１前部を搬送物の載置部として利用可能にした姿勢を示す。

これに対し、図１（ｂ）は、アーム連結部１０を支柱９の下端近傍に位置させるとともに、支柱９を前方に移動させてアーム連結部１０を走行部１の中央部に位置させることにより重心位置を低く、かつ、走行部１中心に位置させ、高速走行時の安定性を高めた姿勢を示す。

上記走行部１には複数の単軸力センサから構成されるＺＭＰ検出センサ４が配置される。図２（ａ）に示すように、単軸力センサ４は、ベースプレート１ｂ上に固定され、荷重測定方向を鉛直方向に向けて走行部本体１ｃとの境界部に配置される。

図２（ａ）に示すように、ベースプレート１ｂの一部には上方への膨隆部１６が形成され、単軸力センサ４は、一般部と膨隆部１６の頂部により形成される２段の検出平面１２上に各々配置される（以下、上下検出平面１２を分ける必要がある場合、下段の検出平面を１２-１、上段の検出平面を１２-２と付番する。）各検出平面１２は、車輪１ａの走行面（接地面３）に平行であり、図２（ｂ）に示すように、各検出平面１２上に４個の単軸力センサ４が配置される。単軸力センサ４間の間隔を大きくして検出精度を高めるために、各検出平面１２の四隅部近傍に配置される。図２（ｂ）において、下段の検出平面１２-１に配置される単軸力センサを符号４-１で、上段の検出平面１２-２に配置される単軸力センサを符号４-２で示す。

上記単軸力センサ４を使用したＺＭＰの検出方法を図３に示す。ＺＭＰの検出に際し、まず、各検出平面１２における加重作用点１３を求める。ＺＭＰは接地面３上で定義される用語であるために、本明細書においては、検出平面１２を接地面３と仮定した場合の検出平面１２上のＺＭＰ相当点を加重作用点１３としてＺＭＰと区別する。

以上の定義に基づいて、加重作用点１３は、重力、慣性力の重心を支点とする合力の検出平面１２との交点として与えられ、図３（ａ）に示すように、単軸力センサ４・・が配置される検出平面１２上の加重作用点１３は、各単軸力センサ４での検出力をそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４とすると、
x=A(F3 + F4 - F1 - F2)/(F1 + F2 + F3 + F4)
y=B(F1 + F3 - F2 - F4)/(F1 + F2 + F3 + F4)
で与えられる。

以上のようにして２面の検出平面１２-１、１２-２上の荷重作用点１３を求めた後、接地面３上のＺＭＰを求める。ＺＭＰの検出は、図３（ｂ）に示すように、各検出平面１２上の荷重作用点１３を結ぶベクトルを求めた後、このベクトルと接地面３との交点を求めることにより行われる。ベクトル、および接地面３との交点は、上述した各検出平面１２上での荷重作用点位置、検出平面１２間の距離、および検出平面１２と接地面３との距離を使用して幾何学的に求めることができる。

次に、以上のようにして求められるＺＭＰを使用したロボットの制御について、図４（ａ）の制御用の機能ブロック図、図４（ｂ）の制御フローに基づいて説明する。上述した方法でＺＭＰ検出センサ４によるＺＭＰ検出が終了すると（ステップＳ１）、ＺＭＰ値は安定性評価部５に通知され、安定性評価部５において安定性評価が行われる（ステップＳ２）。

上述したように、安定性評価部５における転倒安定性は、ＺＭＰが支持多角形（本実施の形態においては、図２（ｃ）においてハッチングを施して示すように、車輪１ａの接地面３への接触点を四隅とする矩形状領域）内に包含される場合には”安定”、支持多角形外にあるときは”不安定”と評価すれば足りるが、この実施の形態においては、所定の評価マージンを設定するために、ＺＭＰが支持多角形に比して一回り小さな図心が一致する余裕支持多角形内に属する場合には”安全許容域内”、それ以外は”安全許容域外”の評価信号を生成し、ＺＭＰ制御部８に通知する。

安定性評価部５から評価信号を受領したＺＭＰ制御部８は、当該信号が”安全許容域内”である場合には（ステップＳ３）、最高許容速度設定値を上げて高速移動を可能にする（ステップＳ３-１）。これに対しステップＳ３においてＺＭＰ制御部８が”安全許容域外”の評価信号を受領した場合には、転倒を防止するために重心を下げることが可能か否かを検出し（ステップＳ４）、可能であれば、アーム位置変更用アクチュエータ７を駆動して重心位置を下げる（ステップＳ４-１）。

ステップＳ４-１での操作には、アーム連結部駆動用アクチュエータ７Ｂによるアーム連結部１０の降下操作に加え、支柱駆動用アクチュエータ７Ａの駆動による支柱９の前後方向駆動も含まれ、ステップＳ４において重心位置の調整による安定性向上の余地がない場合には、最高許容速度設定値を下げて不安定姿勢での高速走行による転倒危険性を低下させる（ステップＳ５）。

以上ステップＳ１からＳ５に至るルーチンはロボットの運用全期間に渡ってリアルタイムに繰り返され、転倒が防止される。

以上において、ＺＭＰは、２面の検出平面１２での加重作用点１３を外挿して求めたが、図５に示す方法により簡易的に求めることもできる。この変形例において、検出平面１２は１面設けられ、当該検出平面１２の四隅部に４個の単軸力センサ４が配置される。

ロボットに慣性力が与えられている場合には、図５（ｂ）において鎖線で示すように、重心を通る力の作用線は鉛直線に対して傾きを持ち、接地面３上におけるＺＭＰと検出平面１２上の加重作用点１３との間にはずれ（δ）が発生するが、検出平面１２と接地面３との間隔が小さければずれ（δ）も小さくなる。

この変形例は、この点に着目したもので、図５（ａ）に示すように、単軸力センサ４は接地面３に可及的に近接して配置される。また、このとき、上述した安定性評価部５におけるマージンを大きめに取り、誤差吸収することもできる。

さらに、図１において、アーム保持部６は、支柱９にアーム連結部１０を連結して形成されているが、図６に示すように、走行部１上に立設される固定支柱１１と、固定支柱１１に回転駆動可能に連結されるアーム連結部１０とから構成することができる。アーム連結部１０には操作アーム２と頭部１５とが各々回転軸１７、１８周りに回転操作可能に連結される。

この変形例において、ロボットは、アーム位置変更用アクチュエータ７を使用することにより、図６（ａ）における起立姿勢から、図６（ｂ）に示すように、固定支柱１１との回転軸周りにアーム連結部１０を前傾させて重心位置を落とした姿勢との間で姿勢変更できる。

本発明を示す図で、（ａ）は重心が高い姿勢を示す図、（ｂ）低重心姿勢を示す図である。 ＺＭＰ検出センサを示す図で、（ａ）は図１（ａ）の２Ａ部拡大図、（ｂ）単軸力センサの配置を示す図、（ｃ）は支持多角形を示す図である。 ＺＭＰ検出方法を示す図で、（ａ）は荷重作用点の検出方法を示す説明図、（ｂ）はＺＭＰの演算方法を示す説明図である。 姿勢制御を示す図で、（ａ）は機能ブロック図、（ｂ）は制御フローである。 ＺＭＰ検出センサの検出方法の変形例を示す図である。 アーム保持部の変形例を示す図で、（ａ）は重心が高い姿勢を示す図、（ｂ）低重心姿勢を示す図である。

符号の説明

１ 走行部
２ 操作アーム
３ 接地面
４ ＺＭＰ検出センサ
５ 安定性評価部
６ アーム保持部
７ アーム位置変更用アクチュエータ
８ ＺＭＰ制御部
９ 支柱
１０ アーム連結部
１１ 固定支柱
１２ 検出平面
１３ 加重作用点

Claims (6)

1. 走行部と、
   走行部上に搭載される操作アームと、
   走行部の接地面におけるゼロモーメントポイントを検出するＺＭＰ検出センサと、
   ゼロモーメントポイントの支持多角形に対する位置から転倒安定性を評価する安定性評価部と、
   を有する移動型ロボット。
2. 前記操作アームを走行部に対して支持点位置可変に支持するアーム保持部と、
   アーム保持部を駆動するアーム位置変更用アクチュエータと、
   ゼロモーメントポイントが支持多角形内に位置するようにアーム位置変更用アクチュエータを駆動制御するＺＭＰ制御部と、
   を有する請求項１記載の移動型ロボット。
3. 前記アーム保持部は、走行部上を水平移動可能に立設される支柱と、
   支柱に対して支持高さ可変に連結されて前記操作アームを回転駆動可能に支持するアーム連結部と、
   を有する請求項２記載の移動型ロボット。
4. 前記アーム保持部は、走行部上に固定される固定支柱と、
   固定支柱に対して垂直回転可能に連結されて前記操作アームを回転駆動可能に支持するアーム連結部と、
   を有する請求項２記載の移動型ロボット。
5. 前記ＺＭＰ検出センサは、走行部上に設定される接地面からの高さの異なる複数の検出平面上での加重作用点を決定可能な複数の単軸力センサにより構成され、
   接地面におけるゼロモーメントポイントが、前記加重作用点間で演算される荷重ベクトルを使用して検出される請求項１、２、３または４記載の移動型ロボット。
6. 前記複数の検出平面に代えて、接地面近傍の１面に対して演算された加重作用点を接地面におけるゼロモーメントポイントの近似値として使用する請求項５記載の移動型ロボット。
   
   
   
   

Images