JP2008230548A - 倒立振子型移動体、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して走行可能な倒立振子型移動体、及びその制御方法を提供する。
【解決手段】本発明にかかる倒立振子型移動体は、車輪を回転可能に支持する車台１６と、駆動輪１８、２０と、車輪を回転駆動するモータ３４、３６と、ロッド２６を介して車台１６に対して回動可能に支持された車体１２と、車輪の車軸に対する車体１２の重心位置に応じて変化する変化量を測定するジャイロセンサ４８と、車体１２を駆動して、車軸の位置に対する車体１２の重心位置を変化させる姿勢制御用アクチュエータ４０と、車体１２の変化量がしきい値を越えた場合に、車体１２の傾斜角速度を低減させるに姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する制御部８０と、を備えるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は倒立振子型移動体、及びその制御方法に関する。

倒立振子型移動体は、通常、左右の駆動輪を駆動して安定状態を維持するように重心位置を修正しつつ、移動を行なうように制御している（特許文献１）。そのため、２輪の倒立振子型移動体は、不安定なシステムであり、不整地の走行には適していない。不整地を走行させるためには、外乱に強いロバストなコントローラを設計する必要がある。

従来の車輪駆動による倒立安定では、走行と倒立とのトレードオフのため、倒立の安定性に限界が生じる。よって、不整地に対応できるだけのロバスト性を得るのが困難であった。例えば、走行時は、走行するための指令動作の割合が高く、走行中に段差などの外乱が生じると、倒立安定の動作の割合が急に高くなるため、不安定になってしまう。

安定して走行するため、ビジョンセンサーで地面の段差を検出して、検出した段差の高さに応じた制御を行うことが可能である。しかしながら、ビジョンセンサーによる段差検出では、ある一定の高さ以下の段差しか検出することができない。よって、ビジョンセンサーで検出することができる高さ以下の段差が存在する場合、不安定になってしまう。よって、低い段差や砂利などが存在する不整地では、安定して走行することが困難になってしまう。

また、制御アームを用いて、制御を行う倒立振子型移動体が開示されている（特許文献２）。特許文献２の移動体では、制御アームによって慣性体をスライドしている。しかしながら、この移動体でも、段差などの急激な外乱に対して、安定走行できない場合があった。
特開昭６３−３０５０８２号公報 特開２００６−２０５８３９号公報

このように、従来の倒立振子型移動体では、段差などの外乱が生じた場合に、安定して走行することが困難であるという問題点があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、安定して走行することができる倒立振子型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様にかかる倒立振子型移動体は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された上体部と、前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置に応じて変化する変化量を測定するセンサと、前記上体部を駆動して、前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置を変化させる第２の駆動部と、前記上体部の傾斜角速度がしきい値を越えた場合に、前記上体部の傾斜角速度を低減させるように前記第２の駆動部を制御する制御部と、を備えるものである。これにより、外乱などによって上体部の傾斜角速度が急激に変化した場合でも、傾斜角速度が小さくなるよう第２の駆動部が上体部を駆動するため、安定して走行することができる。

本発明の第２の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記変化量がしきい値を越えた場合に、前記制御部が、前記上体部の重心位置が前記車軸上に配置されるよう前記第２の駆動部を駆動するものである。これにより、上体部の姿勢を即座に安定することができるため、安定した走行が可能になる。

本発明の第３の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記変化量が許容範囲内に収まった後、前記第２の駆動部が、前記車軸に対する前記上体部の重心位置を前記変化量がしきい値を越える前の位置に戻すことを特徴とするものである。これにより、連続して傾斜角速度がしきい値を越えた場合でも、安定して走行することができる。

本発明の第４の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記センサが、前記変化量として前記上体部の傾斜角速度を検出するジャイロセンサであることを特徴とするものである。これにより、応答性よく制御することができ、より安定した走行が可能になる。

本発明の第５の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記第２の駆動部が、前記支持部材に対する前記上体部の角度を変化させることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で、走行を安定させることができる。

本発明の第６の態様にかかる倒立振子型移動体の制御方法は、車輪を回転可能に支持する車台と、前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された上体部と、上体部を駆動して、前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置を変化させる第２の駆動部と、を備える倒立振子型移動体の制御方法であって、前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置に応じて変化する変化量を検出するステップと、前記変化量が、しきい値を越えているか否かを判定するステップと、前記変化量が前記しきい値を越えた場合に、前記上体部の傾斜角速度を低減させるように前記第２の駆動部を制御するステップとを備えるものである。これにより、外乱などによって上体部の傾斜角速度が急激に変化した場合でも、傾斜角速度が小さくなるよう第２の駆動部が上体部を駆動するため、安定して走行することができる。

本発明の第７の態様にかかる倒立振子型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記変化量がしきい値を越えた場合に、前記上体部の重心位置が前記車軸上に配置されるよう前記第２の駆動部を駆動するものである。これにより、上体部の姿勢を即座に安定することができるため、安定した走行が可能になる。

本発明の第８の態様にかかる倒立振子型移動体の制御方法は、上記の制御方法であって、前記変化量が許容範囲内に収まった後、前記第２の駆動部が、前記車軸に対する前記上体部の重心位置を前記変化量がしきい値を越える前の位置に戻すものである。これにより、連続して変化量がしきい値を越えた場合でも、安定して走行することができる。

本発明の第９の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記変化量として、前記上体部の傾斜角速度が検出されることを特徴とするものである。これにより、応答性よく制御することができ、より安定した走行が可能になる。

本発明の第１０の態様にかかる倒立振子型移動体は、上記の倒立振子型移動体であって、前記第２の駆動部が、前記支持部材に対する前記上体部の角度を変化させることを特徴とするものである。これにより、簡便な構成で、走行を安定させることができる。

本発明によれば、安定して走行することができる倒立振子型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。

本実施の形態にかかる移動体は倒立振子型の移動体である。よって、移動体は、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、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。

図１及び図２を用いて、本発明にかかる移動体１００の構成について説明する。図１は移動体１００の構成を模式的に示す側面図であり、図２は移動体１００の構成を模式的に示す正面図である。

図２に示されるように、移動体１００は、倒立車輪型の移動体（走行体）であり、右駆動輪１８と、左駆動輪２０と、車台１６と、車体１２、を備えている。車体１２には車台１６の上方に配置される上体部となる。

車台１６の側面側には、地面と接地する右駆動輪１８と左駆動輪２０が設けられている。右駆動輪１８と左駆動輪２０は、同軸上で回転する一対の車輪である。地面と接地する右駆動輪１８と左駆動輪２０とが回転することによって、移動体１００が移動する。車台１６は、ロッド２６とマウント２８を備えている。右駆動輪１８と左駆動輪２０との間にはマウント２８が配置されている。

マウント２８は、車軸３０を介して右駆動輪１８を回転可能に支持し、また車軸３２を介して左駆動輪２０を回転可能に支持している。右駆動輪１８は、車軸３０を介して右輪駆動モータ３４の回転軸に固定されている。左駆動輪２０は、車軸３２を介して左輪駆動モータ３６の回転軸に固定されている。車軸３０と車軸３２とは同一の回転軸Ｃ１上に配置されている。右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６は、マウント２８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。右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６は例えば、サーボモータである。なお、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。このように、車台１６は右駆動輪１８と左駆動輪２０を回転可能に支持している。そして、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６が右駆動輪１８と左駆動輪２０を回転駆動する。

マウント２８は、さらに機械式ブレーキ６０，６２を備えている。機械式ブレーキ６０は、通常の状態において右駆動輪１８と非接触状態にあり、ブレーキ動作時に当該右駆動輪１８と接触して摩擦力により右駆動輪１８の車台１６に対する回転を拘束する。また、機械式ブレーキ６２は、通常の状態において左駆動輪２０と非接触状態にあり、ブレーキ動作時に当該左駆動輪２０と接触して摩擦力により左駆動輪２０の車台１６に対する回転を拘束する。

また、マウント２８は、右輪エンコーダ５２と、左輪エンコーダ５４を備えている。右輪エンコーダ５２は、車台１６に対する右駆動輪１８の回転角を検出する。左輪エンコーダ５４は、車台１６に対する左駆動輪２０の回転角を検出する。

ロッド２６は、車台１６の側端に取り付けられている。ロッド２６の長手方向は、回転軸Ｃ１に対して垂直である。ロッド２６の上端には、車体１２が取り付けられている。すなわち、ロッド２６は、車体１２と、車台１６とを連結するリンクである。よって、ロッド２６の下端側が、車台１６の回転軸Ｃ１に接続され、上端側が車体１２に接続される。このロッド２６を介して、車体１２が車軸に対して回転可能に支持される。このように、ロッド２６の上方には、上体部である車体１２が配置されている。上体部である車体１２は、ロッド２６を介して車台１６に対して回動可能に支持されている。

ロッド２６は左駆動輪２０の外側、及び右駆動輪１８の外側にそれぞれ設けれてている。すなわち、移動体１００は、左右の車輪に対応して設けれられた２つのロッド２６を有している。このロッド２６が車体１２を車台１６に対して回動可能に支持する支持部材となる。左右のロッド２６には、それぞれ、姿勢制御用アクチュエータ４０が取り付けられている。姿勢制御用アクチュエータ４０は、本発明の特徴的な構成であり、ロッド２６に対する車体１２の角度を可変にする駆動部である。姿勢制御用アクチュエータ４０は、例えば、サーボモータであり、車体１２の姿勢角を制御する。なお、モータの動力をギアやベルトやプールなどを介して伝達してもよい。

車体１２は、台座７０、支柱７２、ジャイロセンサ４８、及び搭乗席２２を有している。平板状の台座７０は、姿勢制御用アクチュエータ４０を介してロッド２６と取り付けられている。台座７０の対向する側面には、ロッド２６が設けられている。左右のロッド２６の間に、台座７０が配置される。姿勢制御用アクチュエータ４０が駆動すると、ロッド２６に対する台座７０の角度が変化する。これにより、回転軸Ｃ２を回転中心として、台座７０が回転する。よって、姿勢制御用アクチュエータ４０が駆動すると、車体１２の姿勢が変化する。回転軸Ｃ２は回転軸Ｃ１と平行であり、回転軸Ｃ１の上方に位置する。そして、ロッド２６は、回転軸Ｃ２と回転軸Ｃ１との間に設けられている。この回転軸Ｃ２には、姿勢制御用アクチュエータ４０が設けられている。、ロッド２６が姿勢を制御するためのスイングアームとなる。

台座７０には、バッテリーモジュール４２と、障害物検知センサ５８が収納されている。障害物検知センサ５８は、光学式の障害物検知センサであり、移動体１００の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。バッテリーモジュール４２は、右輪駆動モータ３４、左輪駆動モータ３６、姿勢制御用アクチュエータ４０、制御部８０等に対して電力を供給する。

車体１２の台座７０上には、ジャイロセンサ４８が設けられている。ジャイロセンサ４８は、車体１２の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体１２の傾斜角は、鉛直方向に対する傾斜角であり、移動体１００の進行方向前方に車体１２が傾斜している場合を「正」とし、移動体１００の進行方向後方に車体１２が傾斜している場合を「負」として表わす。このように、ジャイロセンサ４８は、台座７０の傾斜角の変化を、車体１２の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ４８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４８で測定された傾斜角速度は、移動体１００の姿勢の変化に応じて変化する。すなわち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体１２の重心位置のずれ量に応じて変化する変化量である。このように、ジャイロセンサ４８は、車軸に対する車体１２の重心位置に応じて変化する変化量を検出する。従って、外乱などによって、車体１２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。

台座７０の中央近傍には、支柱７２が設けられている。この支柱７２によって、搭乗席２２が支持されている。すなわち、搭乗席２２は、支柱７２を介して台座７０に固定されている。搭乗席２２は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。

搭乗席２２の側面には、操作モジュール４６が設けられている。操作モジュール４６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、搭乗者が移動体１００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移動体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移動体１００の移動方向を調整することができる。移動体１００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、移動体１００を制動することができる。移動体１００の進行方向は、車軸３０、３２と垂直な方向になる。

さらに、搭乗席２２の背もたれ部分には、制御部８０が実装されている。制御部８０は、搭乗者が操作モジュール４６に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御し、移動体１００の走行（移動）を制御する。搭乗席２２の座面は台座７０の上面と平行に配置されている。制御部８０は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御する。これにより、操作モジュールでの操作に応じたトルク指令値で右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６が駆動する。

制御部８０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、移動体１００の各種動作を制御する。そして、この制御部８０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８０は、周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を相互に独立して所定の角度に制御する。

次に、制御部８０による制御について図３を用いて説明する。図３は、制御部８０の制御を説明するためのブロック図である。制御部８０は、走行制御モジュール８１と、姿勢制御モジュール８２とを有している。制御部８０は、走行制御モジュール８１と姿勢制御モジュール８２とを統括的に制御する。走行制御モジュール８１は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を制御するアンプを有している。走行制御モジュール８１は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６とに駆動信号を出力して、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０をフィードバック制御する。具体的には、右輪エンコーダ５２と、左輪エンコーダ５４で測定された測定値が走行制御モジュール８１に入力される。また、走行制御モジュール８１には、倒立を安定させるため、ジャイロセンサ４８からの傾斜角速度が入力されている。さらに、走行制御モジュール８１には、操作モジュール４６による操作の応じた指令値が入力される。そして、走行制御モジュール８１は、測定値、指令値及び傾斜角速度に基づいて、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を駆動する。このように、走行制御モジュール８１は、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０をフィードバック制御する。これにより、移動体１００は、操作モジュール４６での操作に応じて移動する。よって、倒立状態で安定して走行することができる。ここでのフィードバック制御としては公知の制御方法を用いることができる。

姿勢制御モジュール８２は、移動体１００の姿勢を制御する。すなわち、姿勢制御モジュール８２は、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動するためのアンプを有している。姿勢制御モジュール８２は、制御信号を出力して、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する。これにより、車体１２がロッド２６に対して回転し、移動体１００の姿勢を制御することができる。具体的には、姿勢制御モジュール８２には、ジャイロセンサ４８から、車体１２の傾斜角速度を示す検出信号が入力される。すなわち、ジャイロセンサ４８で検出された車体１２の傾斜角速度の値が姿勢制御モジュール８２に入力される。姿勢制御モジュール８２には、予め、しきい値が記憶されている。姿勢制御モジュール８２は、傾斜角速度と、しきい値とを比較する。そして、傾斜角速度がしきい値を越えているか否かを判定する。傾斜角速度がしきい値を越えた場合、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する。ここでは、姿勢制御モジュール８２が傾斜角速度を打ち消すように、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する。これにより、安定して走行することが可能になる。

このように、姿勢制御モジュール８２には、予め、しきい値が設定されている。なお、しきい値は、正負のそれぞれに対して設定されていてもよい。すなわち、進行方向前方に傾斜角度が変化した場合と、後方に傾斜角度が変化した場合とに、それぞれ、しきい値を設定してもよい。姿勢制御モジュール８２は、しきい値と、ジャイロセンサ４８で検出された傾斜角速度とを比較して、傾斜角速度がしきい値を越えているか否かを判定する。そして、傾斜角速度がしきい値を越えた場合に、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動させる。すなわち、しきい値を越えた場合に、姿勢制御用アクチュエータ４０の駆動が開始する。これにより、傾斜角速度が低減し、急激な傾斜角速度の変化が抑制される。従って、移動体１００に衝撃が加わった場合でも、安定走行させることができる。例えば、走行中に、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が段差に衝突した場合でも、衝撃を吸収することができる。このため、安定して走行することができる。すなわち、姿勢制御モジュール８２は、傾斜角速度がしきい値を越えた場合、段差に衝突する等の外乱が生じたと判定する。そして、その外乱により生じた傾斜角速度の変化を低減するように、姿勢を制御する。

次に、図４、図５及び図６を用いて、上記の姿勢制御について説明する。図４は、上記の制御方法を示すフローチャートである。図４では、左側に走行制御モジュール８１による制御を示し、右側に姿勢制御モジュール８２による制御を示している。図５は、走行中の移動体１００の様子を説明するための模式図である。図５では、説明のため、図１、及び図２で示された構成を適宜省略している。ここでは、障害物９０がある路面を走行中に、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が段差９１に衝突した場合について説明する。図５では、左側から右側に移動体１００が移動している。さらに、時系列に従って、移動体１００の様子を、左から順に、移動体１００ａ、移動体１００ｂ、移動体１００ｃ、移動体１００ｄとして示している。すなわち、移動体１００ａは、次のタイミングで移動体１００ｂとなる。同様に、移動体１００ｂは、次のタイミングで移動体１００ｃとなり、移動体１００ｃは次のタイミングで移動体１００ｄとなる。このように、移動体１００ａ、移動体１００ｂ、移動体１００ｃ、移動体１００ｄの順番で移動していく。さらに、図５では、搭乗席２２に搭乗者１０１が乗っている。図６は、上記の姿勢制御を行なっている間に、ジャイロセンサ４８で測定された傾斜角速度を示すグラフである。

走行制御モジュール８１は、通常の走行を行うように、２輪制御を行う（ステップＳ１０１）。ここでは、倒立状態で、安定して走行できるように、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を駆動する。姿勢制御モジュール８２は、ステップＳ１０１の制御と同期して、姿勢制御を行なっている（ステップＳ２０１）。すなわち、車体１２が一定の傾斜角度で保持されている。姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動せずに、ロッド２６に対する台座７０の角度を一定としている。通常の走行時に、図６のＡ点に示すように、傾斜角速度は変化しない。すなわち、通常走行時には、傾斜角速度は、ほぼ０のまま一定となっている。従って、段差に衝突するまでの間は、傾斜角速度がしきい値を越えたか否かを判定しても（ステップＳ２０２）、傾斜角速度がしきい値を越えない。よって、姿勢制御モジュール８２は、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動せずに、そのまま傾斜角度を保持する（ステップＳ２０５）。また、走行制御モジュール８１は、倒立走行を維持する（ステップＳ１０２）。すなわち、走行制御モジュール８１は操作モジュール４６での操作に応じた指令値通り、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を駆動する。また、ジャイロセンサ４８からの傾斜角速度に応じて、倒立するよう右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６が制御される。これにより、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が所望の回転速度で回転する。従って、車体１２の傾斜角度が略一定のままとなる。傾斜角速度がしきい値を越えていない間は、上記の処理を繰り返して、二輪倒立走行を継続する。

姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動しないで通常の走行をしているときに、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が段差９１に衝突する（移動体１００ａ参照）。これにより、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０に進行方向前方から衝撃が加わる。すると、慣性力によって車体１２が急激に前方に傾斜する（移動体１００ｂ参照）。右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が段差に衝突すると反力を受けるため、前方に進まない。また、車体１２にかかる慣性力によって、車体１２が前方に進む。よって、車体１２の重心位置が設定以上に車軸３０、３２よりも前方に位置し、車体１２が大きく前方に傾斜する。すなわち、ロッド２６が前方に倒れて、車体１２の傾斜角度が急激に変化する。車体１２の傾斜角度の変化が大きくなり、車軸３０、３２に対する車体１２の重心位置が前方にずれていく。ここで、傾斜角速度がしきい値を越えたか否かを判定する（ステップＳ２０２）と、車体１２の傾斜角速度がしきい値を越える。傾斜角速度は、徐々に大きくなっていき、図６のＢ点に示すように、しきい値を越える。

ステップＳ２０２で傾斜角速度がしきい値を越えたと判定されたら、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動して、傾斜角速度を打ち消す（ステップＳ２０３）。すなわち、段差９１との衝突によって生じた傾斜角速度を低減させるように姿勢制御用アクチュエータ４０が駆動する（移動体１００ｃ参照）。ここでは、矢印Ｆの方向に、車体１２を回転させる。すなわち、姿勢制御用アクチュエータ４０によって、衝突によって生じた傾斜角速度と反対方向の傾斜角速度を与える。例えば、ジャイロセンサ４８で測定された傾斜角速度に応じた値だけ、傾斜角速度を減少させることができる。この場合、測定された傾斜角速度が大きくなればなるほど、姿勢制御用アクチュエータ４０の駆動力が大きくなる。あるいは、測定された傾斜角速度によらず、一定の傾斜角速度を減少させるようにしてもよい。このように姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動すると、車体１２が後方に傾斜する。よって、進行方向における車体１２の重心位置が車軸に対して近くなる。なお、車体１２の重心位置が車軸上になるように、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動することが好ましい。すなわち、進行方向における車体１２の重心位置と車軸の位置を一致させる。姿勢制御用アクチュエータ４０、及びロッド２６は、衝突時の衝撃を緩和するサスペンションとして機能する。すなわち、姿勢制御用アクチュエータ４０は、衝突時にロッド２６をサスペンション駆動して、車体１２に伝わる衝撃を緩和する。

傾斜角速度が許容範囲内に収まっているか否かを判定する（ステップＳ２０４）。この許容範囲は、上記のしきい値よりも小さな設定値によって定まる。例えば、正負の設定値の間が許容範囲となる。傾斜角速度が許容範囲内に収まっていない場合、引き続き、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動して、傾斜角速度を打ち消す（ステップＳ２０３）。すなわち、ステップＳ２０３に戻り、許容範囲に収まっていない傾斜角速度と反対方向の傾斜角速度を姿勢制御用アクチュエータ４０によって与える。これにより、傾斜角速度が低減する。そして、図６のＣ点に示すように、傾斜角速度がある一定の許容範囲内になる。

ステップＳ２０４において、傾斜角速度が許容範囲内に収まっていると判定されたら、所定の傾斜角度を保持する（ステップＳ２０５）。ここでは、矢印Ｆと反対の方向に姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動して、車体１２を衝突前の傾斜角度に戻していく。傾斜角速度が許容範囲内に収まった後、進行方向における車軸の位置に対する車体１２の重心位置を、傾斜角度がしきい値を越える前の位置に戻す。すなわち、車体１２がしきい値を越える前の姿勢に戻るように、制御部８０が姿勢制御用アクチュエータ４０を制御する。従って、ロッド２６に対する台座７０の角度が衝突前の角度に戻る。ここでは、姿勢制御用アクチュエータ４０が徐々に駆動され、図６のＤ点に示すように、傾斜角速度が衝突前の値、すなわち０に戻る。そして、車体１２が衝突前の傾斜速度で一定となり、通常の走行制御が行われる（移動体１００ｄ参照）。なお、ここでは、傾斜角速度がしきい値を越えないように、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する。また、許容範囲を越えないように、姿勢制御用アクチュエータ４０を制御する。従って、衝突時の駆動よりも低い駆動力で姿勢制御用アクチュエータ４０が駆動する。そして、傾斜角度が元の値に戻ったら、姿勢制御用アクチュエータ４０の駆動を停止する。

これにより、車体１２が傾き過ぎることがなく、次の外乱に対応することができる。例えば、再度、段差に衝突した場合でも、安定走行することが可能になる。すなわち、連続して傾斜角速度がしきい値を越えるような場合でも安定走行が可能になる。また、上記の制御の間、通常の２輪倒立走行を維持する（ステップＳ１０２）。姿勢制御用アクチュエータ４０の駆動によって、傾斜角速度を速やかに小さくすることができる。このため、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６に過大な負荷がかからない。よって、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を小型化することができる。

上述のように、通常の走行時には、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動せず、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６のみを駆動する。そして、外乱がよって急激に姿勢が変化した場合は、姿勢制御用アクチュエータ４０を用いて車体１２を駆動する。従って、簡便な制御で安定した走行させることができる。すなわち、傾斜角速度がしきい値を越えない通常の走行時には、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する必要がないため、処理を簡素化することができる。さらに、傾斜角速度がしきい値を越えるほどの外乱が生じた場合、姿勢制御用アクチュエータ４０が駆動される。これにより、安定な走行が可能にできる。また、姿勢制御モジュール８２による姿勢制御用アクチュエータ４０の制御が走行制御モジュール８１による車輪の制御から独立しているため、処理を簡素化することができる。これにより、応答性が向上し、即座に安定させることができる。また、走行制御モジュール８１による倒立走行制御を継続することができる。よって、移動速度が遅くなり、移動時間が長くなるのを防ぐことができる。

加えて、外乱によって急激に姿勢が変化した場合でも、サスペンション機能によって衝撃が吸収される。そのため、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６のトルクを大きくする必要がない。すなわち、急激に変化した傾斜角速度を即座に元に戻すことができるほどトルクを右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６が出力しなくてもよくなる。よって、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を小型化することができる。移動体１００を軽量化、小型化することができる。さらに、トルクの小さいモータを用いることができるため、製造コストを低減するととができる。また、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６の最大トルクを低減することができるため、安全性を向上することができる。このように、外乱に対するロバスト性を向上することができるとともに、右輪駆動モータ３４、及び左輪駆動モータ３６の負荷を低減することができる。よって、外乱が生じた場合でも安定して移動することができる。もちろん、段差への衝突に限らず、移動体１００が人間や物体へ衝突した場合でも安定走行が可能になる。例えば、車体１２が障害物に衝突した場合でも安定して走行することができる。さらには、外乱に限らず、急ブレーキなどによって傾斜角速度がしきい値を越えた場合でも安定して走行することができる。

ジャイロセンサ４８によって、車体１２に傾斜角速度を検出している。そして、傾斜角速度がしきい値よりも大きい場合、外乱等が生じたと判定し、車体１２の姿勢を制御する。すなわち、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動して、ロッド２６に対して車体１２を回転させる。これにより、ロッド２６に対する車体１２の角度が変化して、進行方向における車軸の位置と、車体１２の重心位置とが近づく。外乱等によって生じた傾斜角速度が打ち消される。これにより、即座に倒立が安定する。このように、姿勢制御モジュール８２は、車軸の位置と車体１２の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する車体１２の傾斜角速度に応じて制御を行っている。傾斜角速度を検出するジャイロセンサ４８からの検出信号を用いることによって、応答性を向上することができ、より安定した走行が可能になる。なお、傾斜角速度は、ジャイロセンサ４８以外のセンサで測定してもよい。例えば、姿勢制御用アクチュエータ４０に、車体１２に姿勢角を検出する姿勢角センサや、回転角を検出するエンコーダを設けても、測定された角度の時間微分によって傾斜角速度を求めてもよい。

上記の説明では、車軸に対する車体１２の重心位置に応じて変化する変化量として、車体１２に傾斜角速度を検出している。なお、車軸に対する車体１２の重心位置に応じて変化する変化量は傾斜角速度以外であってもよい。すなわち、車軸の位置と車体１２の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量は、車体１２の傾斜角速度に限られるものではない。

例えば、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６の回転トルクに対して、しきい値を設定してもよい。すなわち、外乱等が生じると、車軸の位置と車体１２の重心位置とのずれ量が大きくなるため、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６のトルクを急激に上げる必要がある。従って、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６のトルクに対して設定されたしきい値によって、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動するか否かを判定することができる。例えば、右駆動輪１８、及び左駆動輪２０が段差９１に衝突すると、倒立状態を維持するため、走行制御モジュール８１は、右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６のトルクを大きくする。換言すると、このトルクがしきい値を越えたときは、外乱が生じていることになる。よって、トルクセンサによって測定されたトルクとしきい値とを比較して、トルクがしきい値を越えている場合に、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動する。このように制御することによって、傾斜角速度によって制御した場合と同様の効果を得ることができる。

移動体１００が段差に衝突すると高周波の揺れが生じる。このような揺れに対しては、慣性モーメントの大きい姿勢制御用アクチュエータ４０を用いて、倒立を安定させる。一方、低周波のゆれについては、慣性モーメントの小さい右輪駆動モータ３４と左輪駆動モータ３６を用いて、倒立を安定させる。このように、移動体１００の揺れの周波数に応じて、姿勢制御用アクチュエータ４０を駆動してもよい。このような移動体１００の揺れの周波数は、傾斜角速度の変化から求めることができる。

なお、上記の説明では姿勢制御用アクチュエータ４０によって、ロッド２６に対して車体１２を回転させる構成としたが、これに限るものではない。例えは、姿勢制御用アクチュエータ４０によって、車体１２をスライドさせるようにしてもよい。もちろん、姿勢制御用アクチュエータ４０によって、車体１２の全体を駆動する構成に限らず、車体１２の一部のみを駆動するようにしてもよい。すなわち、車体１２の少なくとも一部を駆動することによって、姿勢を制御してもよい。

左右の姿勢制御用アクチュエータ４０を独立して駆動させてもよい。例えば、右駆動輪のみ段差に衝突した場合、移動体１００の右側だけ、傾斜角速度が大きくなる。従って、右側の姿勢制御用アクチュエータ４０のみを駆動する。これにより、より安定した走行が可能になる。この場合、ロール、ピッチ、ヨーの３軸のジャイロセンサ４８を用いて、左右の傾斜角速度を測定することができる。

なお、上記の説明では、２輪型の移動体１００について説明したが、車輪の数は、これに限られるものではない。１輪型の移動体でもよく、３以上の車輪を有する移動体であってもよい。さらに、上記の説明では、搭乗席２２を有する移動体１００について説明したが、物体運搬用の移動台車であってもよい。もちろん、移動ロボットなどのその他の移動体であってもよい。

本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる移動体が移動している様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体が段差に衝突したときの傾斜角速度を示すグラフである。

符号の説明

１２ 車体、１６ 車台、１８ 右駆動輪、２０ 左駆動輪、２２ 搭乗席、
２６ ロッド、２８ マウント
３０ 車軸、３２ 車軸、３４ 右輪駆動モータ、３６ 左輪駆動モータ
４０ 姿勢制御用アクチュエータ、 ４８ ジャイロセンサ
６０ 機械式ブレーキ、６２ 機械式ブレーキ、７０ 台座、７２ 支柱、
８０ 制御部、８１ 走行制御モジュール、８２ 姿勢制御モジュール
９０ 障害物、９１ 段差、１００ 移動体、１０１ 搭乗者

Claims (10)

1. 車輪を回転可能に支持する車台と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された上体部と、
   前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置に応じて変化する変化量を検出するセンサと、
   前記上体部を駆動して、前記車輪の車軸に対する前記前記上体部の重心位置を変化させる第２の駆動部と、
   前記変化量がしきい値を越えた場合に、前記上体部の傾斜角速度を低減させるように前記第２の駆動部を制御する制御部と、を備える倒立振子型移動体。
2. 前記変化量がしきい値を越えた場合に、前記制御部が、前記上体部の重心位置が前記車軸上に配置されるよう前記第２の駆動部を制御する請求項１に記載の倒立振子型移動体。
3. 前記変化量が許容範囲内に収まった後、前記第２の駆動部が、前記車軸に対する前記上体部の重心位置を前記変化量がしきい値を越える前の位置に戻すことを特徴とする請求項１、又は２に記載の倒立振子型移動体。
4. 前記センサが、前記変化量として前記上体部の傾斜角速度を検出するジャイロセンサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の倒立振子型移動体。
5. 前記第２の駆動部が、前記支持部材に対する前記上体部の角度を変化させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の倒立振子型移動体。
6. 車輪を回転可能に支持する車台と、
   前記車輪を回転駆動する第１の駆動部と、
   支持部材を介して前記車台に対して回動可能に支持された上体部と、
   上体部を駆動して、前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置を変化させる第２の駆動部と、を備える倒立振子型移動体の制御方法であって、
   前記車輪の車軸に対する前記上体部の重心位置に応じて変化する変化量を検出するステップと、
   前記変化量が、しきい値を越えているか否かを判定するステップと、
   前記変化量が前記しきい値を越えた場合に、前記上体部の傾斜角速度を低減させるように前記第２の駆動部を制御するステップと、を備える倒立振子型移動体の制御方法。
7. 前記変化量がしきい値を越えた場合に、前記上体部の重心位置が前記車軸上に配置されるよう前記第２の駆動部を駆動する請求項６に記載の倒立振子型移動体の制御方法。
8. 前記変化量が許容範囲内に収まった後、前記第２の駆動部が、前記車軸に対する前記上体部の重心位置を前記変化量がしきい値を越える前の位置に戻すことを特徴とする請求項６、又は７に記載の倒立振子型移動体の制御方法。
9. 前記変化量として、前記上体部の傾斜角速度が検出されることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の倒立振子型移動体の制御方法。
10. 前記第２の駆動部が、前記支持部材に対する前記上体部の角度を変化させることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の倒立振子型移動体の制御方法。

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