JP2009090404A - 移動ロボットの姿勢制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動ロボットにおいて、狭い通路や場所での旋回性を確保しつつ、高速走行時の転倒に対する安定性を高めることができる移動ロボットの姿勢制御装置及び方法を提供する。
【解決手段】移動ロボット１の走行速度が相対的に遅い場合にはホイールベースＷＢを相対的に狭くし、走行速度が相対的に速い場合にホイールベースＷＢを相対的に広くする。また、移動ロボット１の重心位置をホイールベースＷＢの中央に置く。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動ロボットの姿勢制御装置及び方法に関する。

一般家庭内やビル内、向上などを作業空間としてバッテリ駆動により自律的に移動するサービスロボット（以下、「移動ロボット」という）は、人とのコミュニケーションや作業代行を行うことを目的としていることから、人と目線を合わせる、人がアクセスする環境に合わせる等の制約があり、このため人に近いサイズ・形を取っているものが多い。
一方、狭い場所での旋回が可能なように接地投影面積が狭い構成となっているため、転倒に対する安定性を高めるためにバッテリ等の重い機材をできるだけ下方に配置することで重心を下げる機構的な工夫などがなされているが、一般的には狭い接地投影面積に、高い重心を併せ持つことになる。

このような移動ロボットではその目的から人と同じ環境を人と同じような速度で移動することが求められる。しかし、走行速度を早くしたり、使用環境を屋外などの凹凸の多い場所にしたりすると、転倒の可能性が高まるため、走行速度を実用的に不十分な遅い速度に設定したり、使用環境を屋内の平面に限定したりするなどの制約を設けざるをえない。
したがって、移動ロボットにおいて、狭い通路や場所での旋回性を確保しつつ、高速走行時の安定性を高めることが可能な技術が要望されている。

移動ロボットに関する先行技術を開示するものとして、下記特許文献１，２等が挙げられるが、上記の要望を満たす技術は提案されていない。
また、走行中の姿勢変更を行う車両に関する技術を開示するものとして、下記特許文献３，４等が挙げられるが、いずれも路面の変化に姿勢を合わせる技術であり、上記の要望を満たす技術は提案されていない。

特開２００３−２０５４８０号公報 特開２００４−０４２１４８号公報 特開２０００−１２７７３２号公報 特開２００４−３０６７３３号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、移動ロボットにおいて、狭い通路や場所での旋回性を確保しつつ、高速走行時の転倒に対する安定性を高めることができる移動ロボットの姿勢制御装置及び方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の移動ロボットの姿勢制御装置及び方法は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、前輪及び後輪を有するとともにそのホイールベースの長さを変更可能な移動ロボットの姿勢制御装置であって、前記移動ロボットの走行速度が相対的に遅い場合には前記ホイールベースが相対的に狭くなり、前記走行速度が相対的に速い場合に前記ホイールベースが相対的に広くなるように、前記ホイールベースの長さを制御するホイールベース制御部を備える、ことを特徴とする。

上記本発明によれば、速度が遅いときにはホイールベースを小さく閉じ、速度が速いときにはホイールベースを大きく開く。これにより、低速走行中においては接地投影面積が小さくなり狭い通路や場所での旋回性を高め、高速走行中においては転倒に対する安定性を高めることができる。

（２）また、上記（１）の姿勢制御装置において、前記移動ロボットはその重心の進行方向位置を変更可能であり、さらに、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を制御する重心制御部を備え、前記ホイールベース制御部と前記重心制御部により、移動ロボットの停止状態から走行状態にわたって、前記移動ロボット自身の加減速によって発生し得る最大加速度に基づく慣性力によって該移動ロボットが転倒しないように、前記ホイールベースの長さ及び重心位置を制御する。

上記構成のように移動ロボットの最大加速度に基づいて、ホイールベースの長さ及び重心位置が、移動ロボットが転倒しない姿勢となるように制御されるので、移動ロボットの機動性に応じて最適な姿勢制御が可能となる。
また、移動ロボットは、最大加速度を守り、平坦地を走行している限り、転倒しないことになるが、路面上の凹凸に車輪が衝突した場合には急激な減速による大きな慣性力が作用することにより、転倒リスクが発生する。この転倒リスクは、走行速度が速いほど大きくなるが、速度が速いときにはホイールベースを大きく開く（上記（１）の構成）ので安定余裕を大きくとることができる。これにより、高速走行時における転倒に対する安定性が高まる。

（３）また、上記（２）の姿勢制御装置において、前記重心制御部は、前記移動ロボットの停止状態において、前記重心位置をホイールベースの中央に置く制御を行う。

重心位置をホイールベースの中央に置くことで、重心位置から前輪及び後輪までのそれぞれの距離が同一となる。これにより、停止状態から走行状態への移行に際して発生しうる慣性力に対して、前方加速と後方加速のいずれにおいても、転倒しないための停止姿勢（待機姿勢）を取ることができる。

（４）また、上記（３）の姿勢制御装置において、前記移動ロボットが停止状態から定常速度まで加速するに際して、前記ホイールベース制御部は、加速開始と同時に前記ホイールベースを拡大させるとともに速度上昇に応じて前記ホイールベースを拡大させる制御を行い、前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う。

ホイールベースは停止状態のときが最小であり、加速に応じて広がることを考えると、走り出しの際に最も転倒してしまうリスクが高いが、加速開始と同時にホイールベースを拡大するとともに移動ロボットの重心位置をホイールベースの中央に置くことで、重心位置から進行方向後側の車輪（前進走行の場合は後輪、後進走行の場合は前輪）までの距離を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある。これにより、走行開始直後のウイリー（進行方向前側の車輪の持ち上げ）状態の発生を回避できる。
また、重心位置から前輪及び後輪までの距離を初期状態よりも大きくする効果もあるので、前進走行と後進走行のいずれの場合においても、路面状況に起因する急激な減速による転倒リスクを軽減することができる。

（５）また、上記（３）の姿勢制御装置において、前記移動ロボットの前輪と後輪はともに駆動輪であり、さらに、前記移動ロボットの前輪又は後輪に対する速度指令値を補正する速度補正部を備え、前記移動ロボットが停止状態から定常速度まで加速するに際して、
（ａ１）前記ホイールベース制御部は、加速開始と同時に前記ホイールベースを拡大させるとともに速度上昇に応じて前記ホイールベースを拡大させる制御を行い、（ｂ１）前記速度補正部は、前記移動ロボットが前進走行で加速する場合には後輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの拡大速度分を減算し、前記移動ロボットが後進走行で加速する場合には前輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの拡大速度分を減算し、（ｃ１）前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う。

上記（ａ１）及び（ｃ１）により、前進走行で加速する場合、加速状態では重心位置から後輪までの距離を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある。また、後進走行で加速する場合、加速状態では重心位置から前輪までの距離を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある。
上記（ｂ１）により、加速終了時は加速度が高くなるが、安定性が最も低い走行開始直後において、進行方向後側の車輪の加速度を落とす効果があり、進行方向後側の車輪の加速度を落とすことで、当該車輪トルク（前進走行の場合は後輪トルク、後進走行の場合は前輪トルク）が小さくなるので、反力である転倒トルクを抑制する効果がある。
上記（ｂ１）及び（ｃ１）により、進行方向後側の車輪には速度指令に対してホイールベースの拡大速度分の減速が働くので、中間に位置する重心位置ではちょうど中間的な加速度を取ることになり、重心加速度を最大加速度よりも小さくする効果がある。
上記の３つの効果から、走行開始直後のウイリー状態を回避し、スムーズに加速しながらホイールベースを広げることが可能となる。

（６）また、上記（３）〜（５）のいずれかの姿勢制御装置において、前記移動ロボットが定常速度から停止状態まで減速するに際して、前記ホイールベース制御部は、速度降下に応じて前記ホイールベースを縮小させる制御を行い、前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う。

上記構成によれば、速度降下に応じてホイールベースを縮小するとともに移動ロボットの重心位置をホイールベースの中央に置く。減速の最終段階の停止直前では、最大加速度を受けつつ、ホイールベースは最小（最も不安定な状態）に近づいている状態であるが、停止の際にホイールベースが最小となるように設定しているので、重心位置から進行方向前側の車輪（前進走行の場合は前輪、後進走行の場合は後輪）までの距離を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある。これにより、路面状況に起因する急激な減速による転倒リスクを軽減することができる。

（７）また、上記（３）〜（５）のいずれかの姿勢制御装置において、前記移動ロボットの前輪と後輪はともに駆動輪であり、さらに、前記移動ロボットの前輪又は後輪に対する速度指令値を補正する速度補正部を備え、前記移動ロボットが定常速度から停止状態まで減速するに際して、（ａ２）前記ホイールベース制御部は、速度降下に応じて前記ホイールベースを縮小させる制御を行い、（ｂ２）前記速度補正部は、前記移動ロボットが前進走行で減速する場合には前輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの縮小速度分を減算し、前記移動ロボットが後進走行で減速する場合には後輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの縮小速度分を減算し、（ｃ２）前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う。

上記（ａ２）及び（ｃ２）により、重心位置から進行方向前側の車輪（前進走行の場合は前輪、後進走行の場合は後輪）までの距離を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある。
上記（ｂ２）により、減速開始時は減速度が高くなるが、特に安定性が最も低い停止直前において進行方向前側の車輪の減速度を落とす効果がある。進行方向前側の車輪の減速度を落とすことで、当該車輪トルクが小さくなるので、反力である転倒トルクを抑制する効果がある。
上記（ｂ２）及び（ｃ２）により、進行方向前側の車輪には速度指令に対してホイールベースの縮小速度分の減速が働くので、中間に位置する重心位置ではちょうど中間的な加速度を取ることになり、重心加速度を最大加速度よりも小さくする効果がある。
上記の３つの効果から、停止直前のつまずき（進行方向後側の車輪の持ち上り）状態を回避し、スムーズに減速しながらホイールベースを縮めることが可能となる。

（８）また、本発明は、前輪及び後輪を有するとともにそのホイールベースの長さを変更可能な移動ロボットの姿勢制御方法であって、前記移動ロボットの走行速度が相対的に遅い場合には前記ホイールベースを相対的に狭くし、前記走行速度が相対的に速い場合に前記ホイールベースを相対的に広くする、ことを特徴とする。

（９）また、上記（８）の姿勢制御方法において、前記移動ロボットはその重心の進行方向位置を変更可能であり、前記移動ロボットの停止状態から走行状態にわたって、前記移動ロボット自身の加減速によって発生し得る最大加速度に基づく慣性力によって該移動ロボットが転倒しないように、前記ホイールベースの長さ及び重心位置を制御する。

（１０）また、上記（９）の姿勢制御方法において、前記移動ロボットの停止状態において、前記重心位置をホイールベースの中央に置く。

本発明によれば、移動ロボットにおいて、狭い通路や場所での旋回性を確保しつつ、高速走行時の転倒に対する安定性を高めることができる、という優れた効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明に係る姿勢制御装置及び方法を適用することができる移動ロボット１の一構成例を示す図である。まず、この移動ロボット１の構成について説明する。

図１において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。図１に示すように、移動ロボット１は、ロボット本体２と、ロボット本体２内から下方に伸び且つ伸縮駆動可能な中央脚３と、ロボット本体２の左右両側に水平軸心を中心に回動自在に連結され且つ伸縮駆動可能な一対の側脚４とを備えている。側脚４は、図示しない駆動モータによって、ロボット本体２に対してそれぞれ独立に回動駆動されるようになっている。中央脚３と側脚４の各々の下端には、水平軸心を中心に回動駆動可能な足首部５が設けられている。足首部５には、接地面上を転動可能な車輪６，７が取り付けられている。また、図示しないが、ロボット本体２には、移動ロボット１の動作を制御する制御装置、各種状態を検出するセンサ類、移動ロボット１の動作に必要な電力を供給するバッテリ、等が搭載されている。

この移動ロボット１では、図１（Ｂ）に示すように、中央脚３と側脚４とを、中央脚３を前脚とし側脚４を後脚として開いた状態にして、車輪６，７を回転駆動することで前進走行及び後進走行を行うことができる。また、中央脚３に対する側脚４の開閉動作と、中央脚３の伸縮と、側脚４の伸縮とを組み合わせることによって、松葉杖を用いた歩行のようにして段部の乗り越え、及び階段の昇降を行うことができる。以下、中央脚３を「前脚」と呼び、その前脚３に取り付けられた車輪６を「前輪」と呼ぶ。また、側脚４を「後脚」と呼び、その後脚４に取り付けられた車輪７を「後輪」と呼ぶ。

図２は、図１に示した移動ロボット１の模式図である。移動ロボット１は、上記のように構成されているから、そのホイールベースＷＢの長さを変更可能である。すなわち、移動ロボット１は、ホイールベースＷＢを、図２（Ａ）に示すように広げたり、図２（Ｂ）に示すように縮めたりすることができる。
また、移動ロボット１は、その重心Ｇの進行方向位置を変更可能である。すなわち、移動ロボット１は、その重心位置を、図２（Ａ）及び（Ｂ）において点線で示すように、進行方向の前後に移動させることができる。

図３は、本発明に係る移動ロボット１の姿勢制御装置１０の概要を示す図である。この姿勢制御装置１０は、上記の制御装置の一部を構成する。図３に示すように、姿勢制御装置１０は、ホイールベース制御部１１と、重心制御部１２と、速度補正部１３とを備える。

上記のホイールベース制御部１１は、移動ロボット１の走行速度が相対的に遅い場合にはホイールベースＷＢが相対的に狭くなり、走行速度が相対的に速い場合にホイールベースＷＢが相対的に広くなるように、ホイールベースＷＢの長さを制御する。またこのホイールベースＷＢの長さの制御は、移動ロボット１の走行中に動的・連続的に行われる。
このような制御によれば、速度が遅いときにはホイールベースＷＢを小さく閉じ、速度が速いときにはホイールベースＷＢを大きく開く。これにより、低速走行中においては接地投影面積が小さくなり狭い通路や場所での旋回性を高め、高速走行中においては転倒に対する安定性を高めることができる。

上記の重心制御部１２は、移動ロボット１の重心Ｇの進行方向位置を制御する。そして、ホイールベース制御部１１と重心制御部１２により、移動ロボット１の停止状態から走行状態にわたって、移動ロボット１自身の加減速によって発生し得る最大加速度に基づく慣性力によって移動ロボット１が転倒しないように、ホイールベースＷＢの長さ及び重心位置を制御する。ここで、移動ロボット１自身の加減速とは、移動ロボット１の車輪（前輪６及び／又は後輪７）の回転駆動によって生じる加速および移動ロボット１の車輪を制動することによって生じる減速をいい、外的要因によって生じる加減速を含まない。

上記構成のように移動ロボット１の最大加速度に基づいて、ホイールベースＷＢの長さ及び重心位置が、移動ロボット１が転倒しない姿勢となるように制御されるので、移動ロボット１の機動性に応じて最適な姿勢制御が可能となる。
移動ロボット１は、最大加速度を守り、平坦地を走行している限り、転倒しないことになるが、路面上の凹凸に車輪が衝突した場合には急激な減速による大きな慣性力が作用することにより、転倒リスクが発生する。この転倒リスクは、走行速度が速いほど大きくなるが、ホイールベース制御部１１の制御により、速度が速いときにはホイールベースＷＢを大きく開くので安定余裕を大きくとることができる。これにより、高速走行時における転倒に対する安定性が高まる。

なお、上記の速度補正部１３の機能については後述する。

次に、本発明の移動ロボット１の姿勢制御装置１０及び方法における制御アルゴリズムについて、より詳細に説明する。

１．アルゴリズムの検討
（１）簡易モデル化
図２に示した移動ロボット１は、足首軸の位置から前後にオフセットした２つの車輪軸を持つが、これらオフセット量は重心位置やホイールベースＷＢに比べ小さく、また各可動部の慣性モーメント影響も無視小と考え、重心の１質点系で示すと図４のようなモデルで表すことができる。

（２）移動状態の想定
通常、前進走行を開始／停止する場合、停止状態から加速し、ある走行速度を持つ。そこから減速し、停止するというプロセスとなる。ここで、加減速度を一定として、中間に定速区間を設けると図５に示すような動きになる。

（３）待機（停止）姿勢の検討
移動ロボット１は加速時に下記数１の慣性力ｆ_Ｈ＿ｉを受ける。

また加速トルクＴ_ｒｅａｒを車輪に与えるが、Ｔ_ｒｅａｒの反力は移動ロボット１を後方に倒すように働くことになる。このような作用の中、移動ロボット１の姿勢変化がないとすると、移動ロボット１が前方に加速した場合に、後方に転倒しない条件は、下記数２の（１）式のように示される。

この条件式から、減速時も同様に考えると、接地端（前輪６軸、後輪７軸）から重心Ｇまでの距離は下記数３の（２）式及び（３）式のようになる。

加速トルクＴ_ｒｅａｒについては平坦地走行とみなし、加速成分（車輪等の回転慣性モーメントを無視小とし、車体等価慣性モーメントのみを考慮する。正確には後輪７に負担される荷重に対して効果するが、ここでは半分を後輪７が負担するものと仮定）＋定常成分（摩擦トルクの半分を後輪７が負担するものと仮定）を考慮して、下記数４の（４）式のようにする。

移動ロボット１が走行時に発生可能な加速度上限を設定すると、Ｇ_ｘには具体的な数値を設定することが出来る。待機（停止）状態からは、前方に加速するか、後方に加速するか、どちらも考えられるとすると、Ｄ_ｘ−Ｇ_ｘ=Ｇ_ｘと取ることが望ましい。Ｄ_ｘ=２Ｇ_ｘ（Ｇ_ｘがＤ_ｘ中央に位置する状態）となり、これからの走行で発生しうる慣性力に対して、転倒しないための待機姿勢Ｄ_ｘ，Ｇ_ｘが導出できる。Ｄ_ｘ=２Ｇ_ｘの状態は、重心位置がホイールベースＷＢの中央に位置する状態であり、重心位置から前輪６及び後輪７までのそれぞれの距離が同一となる。これにより、停止状態から走行状態への移行に際して発生しうる慣性力に対して、前方加速と後方加速のいずれにおいても、転倒しないための停止姿勢（待機姿勢）を取ることができる。

なお、図４に示したモデルでは各可動部の慣性モーメントの影響を無視小として近似しているが、実際の移動ロボット１では慣性モーメントの影響があるため、算出したＤ_ｘには安全率が必要である。実際のロボットの移動では速度に対応して姿勢を変更するため、姿勢変更速度が十分に間に合う速度変化率＝加速度を設定する必要がある。

図４のモデルの場合に、姿勢変更速度も考慮して、走行時想定最大加速度を１．０［ｓｅｃ］で最大速度１０［ｋｍ／ｈｒ］に加速／最大速度から減速する加速度として、下記数５の（５）式のように規定すると、本仕様では最大速度からの加速・制動距離で約１．４ｍとなり、実際の運用においても、ほぼ人間と同程度と考えられ、十分な性能と考えられる。

以上よりロボットのプロファイルを用いて、下記数６のような待機時のＤ_ｘが得られる。最低時の接地幅としては十分に小さく、現実的な値と言える。

（４）加減速状態における姿勢の検討
まず、停止→加速（最大加速度（＋））→定常走行（最大速度）→減速（限界加速度（−））→停止までの一連の流れに沿って、姿勢変更する方法を考える。
待機（停止）中は先に算出した待機時のＤ_ｘ（ホイールベースＷＢ）の中央にＧ_ｘ（重心位置）を位置する姿勢をとる。

移動ロボット１が停止状態の姿勢から加速を開始し定常速度（加減速が無い状態）まで加速するに際し、以下の制御を行う。
（ａ１）加速開始と同時にＤ_ｘを拡大させるとともに速度上昇に応じてＤ_ｘを拡大させる。この制御は、上記のホイールベース制御部１１によって行われる。
（ｂ１）移動ロボット１が前進走行で加速する場合には、前輪６には速度指令をそのまま与え、後輪７の速度指令値に対してＤ_ｘ拡大速度分（ｄＤ_ｘ／ｄｔ）を減算する。移動ロボット１が後進走行で加速する場合には、後輪７には速度指令をそのまま与え、前輪６の速度指令値に対してＤ_ｘ拡大速度分を減算する。この制御は、上記の速度補正部１３によって行われる。
（ｃ１）移動ロボット１の重心Ｇの進行方向位置Ｇ_ｘをＤ_ｘの中央に置く。この制御は、上記の重心制御部１２によって行われる。

上記（ａ１）及び（ｃ１）により、以下の効果が得られる。
Ｄ_ｘは停止状態のときが最小であり、加速に応じて広がることを考えると、走り出しの際に最も転倒してしまうリスクが高いが、加速開始と同時にＤ_ｘを拡大するとともに移動ロボット１の重心位置Ｇ_ｘをＤ_ｘの中央に置くことで、前進走行で加速する場合には、加速状態では重心位置から後輪７までの距離（Ｄ_ｘ−Ｇ_ｘ）を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果があり、後進走行で加速する場合には、加速状態では重心位置から前輪６までの距離（Ｇｘ）を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある（Ｋ１）。

上記（ｂ１）により、加速終了時は加速度が高くなるが、安定性が最も低い走行開始直後において、進行方向後側の車輪の加速度を落とす効果があり、進行方向後側の車輪の加速度を落とすことで、当該車輪トルク（前進走行の場合は後輪トルク_{Ｔｒｅａｒ}、後進走行の場合は前輪トルクＴ_{ｆｒｏｎｔ}）が小さくなるので、反力である転倒トルクを抑制する効果がある（Ｋ２）。

上記（ｂ１）及び（ｃ１）により、進行方向後側の車輪には速度指令に対してＤ_ｘの拡大速度分（ｄＤ_ｘ／ｄｔ）の減速が働くので、中間に位置する重心位置ではちょうど中間的な加速度を取ることになり、重心加速度を最大加速度よりも小さくする効果がある（Ｋ３）。

上記の効果（Ｋ１）〜（Ｋ３）から、走行開始直後のウイリー（進行方向前側の車輪の持ち上り）状態を回避し、スムーズに加速しながらＤ_ｘを広げることが可能となる。最大速度でＤ_ｘが最大となり、定常走行（加減速しない状態）に入る。

移動ロボット１が定常速度から減速を開始し停止状態まで減速するに際し、以下の制御を行う。
（ａ２）速度降下に応じてＤ_ｘを縮小させる。この制御は、ホイールベース制御部１１によって行われる。
（ｂ２）移動ロボット１が前進走行で減速する場合には、後輪７には速度指令をそのまま与え、前輪６の速度指令値に対してＤ_ｘの縮小速度分（ｄＤ_ｘ／ｄｔ）を減算する。移動ロボット１が後進走行で減速する場合には、前輪６には速度指令をそのまま与え、後輪７の速度指令値に対してＤ_ｘの縮小速度分を減算する。この制御は、速度補正部１３によって行われる。
（ｃ２）前記移動ロボット１の重心Ｇの進行方向位置Ｇ_ｘをＤ_ｘの中央に置く。この制御は、重心制御部１２によって行われる。

上記（ａ２）及び（ｃ２）により、以下の効果が得られる。
減速の最終段階の停止直前では、最大加速度を受けつつ、Ｄ_ｘは最小（最も不安定な状態）に近づいている状態であるが、停止の際にＤ_ｘが最小となるように設定しているので、前進走行の場合には、減速状態において重心位置から前輪６までの距離（Ｇ_ｘ）を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果があり、後進走行の場合には減速状態において重心位置から後輪７までの距離（Ｄ_ｘ−Ｇ_ｘ）を初期状態（停止状態）よりも大きくする効果がある（Ｋ４）。

上記（ｂ２）により、減速開始時は減速度が高くなるが、特に安定性が最も低い停止直前において進行方向前側の車輪の減速度を落とす効果があり、進行方向前側の車輪の減速度を落とすことで、当該車輪トルク（前進走行の場合は前輪トルクＴ_{ｆｒｏｎｔ}、後進走行の場合は後輪トルク_{Ｔｒｅａｒ}）が小さくなるので、反力である転倒トルクを抑制する効果がある（Ｋ５）。

上記（ｂ２）及び（ｃ２）により、進行方向前側の車輪には速度指令に対してＤ_ｘ縮小速度分の減速が働くので、中間に位置する重心位置ではちょうど中間的な加速度を取ることになり、重心加速度を最大加速度よりも小さくする効果がある（Ｋ６）。

上記の効果（Ｋ４）〜（Ｋ６）から、停止直前のつまずき（進行方向後側の車輪の持ち上り）状態を回避し、スムーズに減速しながらＤ_ｘを縮めることが可能となる。減速に伴いＤ_ｘを縮め、停止状態でＤ_ｘが最小となる。
以上の手法をまとめると図６のようになる。だだし図６では、前進走行で加速、減速する場合を示している。

２．計算による検証
上記（１）〜（４）において提案したルールベースのあるアルゴリズムを計算によって検証する。計算を行うために上記（１）〜（４）のルールに、更に速度に応じてどのようにＤ_ｘを動かすかのルールを具体的に設定する必要がある。ここではまず初めに、速度に比例してＤ_ｘを変化させる場合を考える。具体的には待機時のホイールベースＷＢをＤ_ｘｍｉｎ、最大開脚ホイールベースＷＢをＤ_ｘｍａｘとすると、下記数７の（７）式となる。

これに上記（１）〜（４）のルールを加え、停止→加速（限界加速度（＋））→定常走行（最大速度）→減速（最大加速度（−））→停止までの一連の流れで移動したときの、Ｄ_ｘの変化を図７に、前輪６／後輪７／重心位置での加速度、速度、位置の結果を図８に示す。図８において、加速度Ａ、速度Ｖ、位置Ｐについての添字ｆ、ｒ、ｇはそれぞれ前輪６、後輪７、重心Ｇを示す。

図８の速度（Ｂ）、位置（Ｃ）に着目するとスムーズに移行していることが分かる。また加速度（Ａ）についてはインパルス状に発生している様子が分かる。これはＤ_ｘを線形式で設定しているため、両端部で変曲点が存在するためである。問題となる走行開始直後、走行停止直前の加速度（Ａ）を拡大すると図９のようになる。図９において、（Ａ）は走行開始直後の加速度変化の様子であり、（Ｂ）は走行停止直前の加速度変化の様子である。

図９において、重心加速度を示すＡｇをみると、走行開始直後（Ａ）では加速度がマイナス側に抑制され、走行停止直前（Ｂ）では逆にプラス側に抑制される期待通りの効果が見られる。しかし、走行停止直前では設定した加速度限界値をも超え、反転し、逆効果が発生している。本計算はサンプリング０．０２ｓｅｃであり、実物がこのように動くわけではなく、ロボット自身動きを予想するためには動特性の領域に踏み込む必要がある。また指令と考えた場合このインパルスは式の変曲点影響のため、サンプリングが小さくなればなるほど時間が短く、レベルの高いインパルスとなる。以上のような点から効果が見づらい、またロボットの動特性を考慮してもこの反転現象が避けられない可能性もあるため、上記の（７）式を変更して、検討を行う。具体的には速度レベルで変曲点を持たさないよう、両端で速度０となる下記数８の（８）式のような３次多項式曲線を使用した。

先と同様に（８）式を使用した場合のＤ_ｘの変化を図１０に、前輪６／後輪７／重心位置での加速度（走行開始直後及び走行停止直前）の結果を図１１に示す。なお、速度、位置については大きく変化しないため、省略する。
重心加速度を示すＡｇをみると、走行開始直後（Ａ）では加速度がマイナス側に抑制され、走行停止直前（Ｂ）では逆にプラス側に抑制される、反転現象もなく、期待通りの効果が見られる。

また次に加速度レベルを０と設定し、速度レベルで変曲点を持たさないよう、両端で速度０となる下記数９の（９）式のような５次多項式曲線−１を使用した。

先と同様に、（９）式を使用した場合のＤ_ｘの変化を図１２に、前輪６／後輪７／重心位置での加速度（走行開始直後及び走行停止直前）の結果を図１３に示す。なお、速度、位置については大きく変化しないため、省略する。
この設定では重心加速度を示すＡｇをみると、走行開始直後（Ａ）、走行停止直前（Ｂ）での効果が現れず、その後効果が出ることになる。このため５次多項式曲線を設定する際に、速度が遅い=Ｄ_ｘ縮み側の加速度初期値がプラス側に設定することで、期待する効果が得られる。ただしそれぞれの値の絶対値を極度に大きくすると、速度が高い側で大きな加速度となって現れる可能性があり適度の調整が必要である。下記数１０の（１０）式のような調整した例を示す。

先と同様に、（１０）式を使用した場合のＤ_ｘの変化を図１４に、前輪６／後輪７／重心位置での加速度（走行開始直後及び走行停止直前）の結果を図１５に示す。なお、速度、位置については大きく変化しないため、省略する。

以上より、３次式、５次式（以上）を利用することで、転倒しない条件を作ることが可能である。なお、上記において、Ｄ_ｘの変化についての検討は５次式までに留めたが、５次以上でさらに曲線形状を有利な形に成型してもよい。

３．走行試験
上述した制御アルゴリズムを図１に示す構成の移動ロボット１に実装し、走行試験を行った。試験に使用した移動ロボット１は最大速度８．２ｋｍ／ｈｒまでしか出せないため、停止状態から最大速度まで設定した最大加速度で加速し、数秒の定常走行後に、最大減速で停止する試験を実施した。Ｄ_ｘの変化には上記の（７）式を使用した。
試験を数回行ったが、特に車輪が浮き上がるなどの状態はなく安定に加減速をした。上記の（７）式を使用した場合、理論的には切り替え時のピークが発生するが、実際の動特性の影響から、線形式でも特別に問題は発生しなかった。目算ではあるが、停止指令からの制動距離は１ｍ強であった。速度８．２ｋｍ／ｈｒ時の理論的な制動距離１．１４ｍであることから大きなスリップなどもなく、よく追従して動作しているものと考えられる。

以上説明したように、本発明によれば、速度が遅いときにはホイールベースＷＢを小さく閉じ、速度が速いときにはホイールベースＷＢを大きく開くので、低速走行中においては接地投影面積が小さくなり狭い通路や場所での旋回性を高め、高速走行中においては転倒に対する安定性を高めることができる。また、また速度をベースにホイールベースＷＢの状態を連続的に設定することが可能であるため、例えば、ロボットが一旦停止した後、改めてホイールベースＷＢを閉じる等の、ロボット特有のシーケンス的な動作（ロボットのオペレーション速度を落とす大きな原因のひとつ）をすることなしに、素早く次のオペレーションに移ることが可能である。

なお、本発明の適用対象は、図１に示した構成の移動ロボット１に限られず、ホイールベースＷＢの長さと重心位置を変更可能な構成であれば、例えば図４のモデル図のような構成の移動ロボットにも適用可能である。
また、上述した実施形態では、前輪６と後輪７がともに駆動輪である構成について説明したが、駆動輪が前輪６のみ又は後輪７のみの構成であってもよい。この場合の姿勢制御は、上記（ｂ１）及び（ｂ２）の部分を除いて、実施形態において説明した制御と同様に行うことができる。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明に係る姿勢制御装置及び方法を適用することができる移動ロボットの一構成例を示す図である。 図１に示す移動ロボットの模式図である。 本発明に係る姿勢制御装置の概要図である。 図２に示す移動ロボットをモデル化した図である。 移動ロボットの動きを想定した図である。 本発明の姿勢制御方法のアルゴリズムをまとめた図である。 Ｄ_ｘ（線形）の変化を示す図ある。 Ｄ_ｘ（線形）を使用した場合の前輪／後輪／重心位置での加速度、速度、位置の結果を示す図である。 図８（Ａ）の拡大図である。 Ｄ_ｘ（３次多項式曲線）の変化を示す図である。 Ｄ_ｘ（３次多項式曲線）を使用した場合の前輪／後輪／重心位置での加速度の結果を示す図（拡大）である。 Ｄ_ｘ（５次多項式曲線−１）の変化を示す図である。 Ｄ_ｘ（５次多項式曲線−１）を使用した場合の前輪／後輪／重心位置での加速度の結果を示す図（拡大）である。 Ｄ_ｘ（５次多項式曲線−２）の変化を示す図である。 Ｄ_ｘ（５次多項式曲線−２）を使用した場合の前輪／後輪／重心位置での加速度の結果を示す図（拡大）である。

符号の説明

Ｇ 重心
ＷＢ ホイールベース
１ 移動ロボット
２ ロボット本体
３ 中央脚（前脚）
４ 側脚（後脚）
５ 足首部
６ 車輪（前輪）
７ 車輪（後輪）
１０ 姿勢制御装置
１１ ホイールベース制御部
１２ 重心制御部
１３ 速度補正部

Claims (10)

1. 前輪及び後輪を有するとともにそのホイールベースの長さを変更可能な移動ロボットの姿勢制御装置であって、
   前記移動ロボットの走行速度が相対的に遅い場合には前記ホイールベースが相対的に狭くなり、前記走行速度が相対的に速い場合に前記ホイールベースが相対的に広くなるように、前記ホイールベースの長さを制御するホイールベース制御部を備える、ことを特徴とする移動ロボットの姿勢制御装置。
2. 前記移動ロボットはその重心の進行方向位置を変更可能であり、
   さらに、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を制御する重心制御部を備え、
   前記ホイールベース制御部と前記重心制御部により、移動ロボットの停止状態から走行状態にわたって、前記移動ロボット自身の加減速によって発生し得る最大加速度に基づく慣性力によって該移動ロボットが転倒しないように、前記ホイールベースの長さ及び重心位置を制御する、請求項１記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
3. 前記重心制御部は、前記移動ロボットの停止状態において、前記重心位置をホイールベースの中央に置く制御を行う、請求項２記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
4. 前記移動ロボットが停止状態から定常速度まで加速するに際して、
   前記ホイールベース制御部は、加速開始と同時に前記ホイールベースを拡大させるとともに速度上昇に応じて前記ホイールベースを拡大させる制御を行い、
   前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う、請求項３記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
5. 前記移動ロボットの前輪と後輪はともに駆動輪であり、
   さらに、前記移動ロボットの前輪又は後輪に対する速度指令値を補正する速度補正部を備え、
   前記移動ロボットが停止状態から定常速度まで加速するに際して、
   （ａ１）前記ホイールベース制御部は、加速開始と同時に前記ホイールベースを拡大させるとともに速度上昇に応じて前記ホイールベースを拡大させる制御を行い、
   （ｂ１）前記速度補正部は、前記移動ロボットが前進走行で加速する場合には後輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの拡大速度分を減算し、前記移動ロボットが後進走行で加速する場合には前輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの拡大速度分を減算し、
   （ｃ１）前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う、請求項３記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
6. 前記移動ロボットが定常速度から停止状態まで減速するに際して、
   前記ホイールベース制御部は、速度降下に応じて前記ホイールベースを縮小させる制御を行い、
   前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う、請求項３乃至５のいずれか記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
7. 前記移動ロボットの前輪と後輪はともに駆動輪であり、
   さらに、前記移動ロボットの前輪又は後輪に対する速度指令値を補正する速度補正部を備え、
   前記移動ロボットが定常速度から停止状態まで減速するに際して、
   （ａ２）前記ホイールベース制御部は、速度降下に応じて前記ホイールベースを縮小させる制御を行い、
   （ｂ２）前記速度補正部は、前記移動ロボットが前進走行で減速する場合には前輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの縮小速度分を減算し、前記移動ロボットが後進走行で減速する場合には後輪の速度指令値に対して前記ホイールベースの縮小速度分を減算し、
   （ｃ２）前記重心制御部は、前記移動ロボットの重心の進行方向位置を前記ホイールベースの中央に置く制御を行う、請求項３乃至５記載の移動ロボットの姿勢制御装置。
8. 前輪及び後輪を有するとともにそのホイールベースの長さを変更可能な移動ロボットの姿勢制御方法であって、
   前記移動ロボットの走行速度が相対的に遅い場合には前記ホイールベースを相対的に狭くし、前記走行速度が相対的に速い場合に前記ホイールベースを相対的に広くする、ことを特徴とする移動ロボットの姿勢制御方法。
9. 前記移動ロボットはその重心の進行方向位置を変更可能であり、
   前記移動ロボットの停止状態から走行状態にわたって、前記移動ロボット自身の加減速によって発生し得る最大加速度に基づく慣性力によって該移動ロボットが転倒しないように、前記ホイールベースの長さ及び重心位置を制御する、請求項８記載の移動ロボットの姿勢制御方法。
10. 前記移動ロボットの停止状態において、前記重心位置をホイールベースの中央に置く、請求項９記載の移動ロボットの姿勢制御方法。

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