JP2009241169A - 倒立振子型走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供する。
【解決手段】倒立振子走行装置であるロボット本体１０は、振子部２０と、固定手段２１と、台車部３０と、駆動輪４０、４１と、駆動回転軸４２と、補助輪５０、５１と、を備える。ロボット本体１０を停止させるときは、倒立振子制御をおこなわずに、固定手段２１で台車部３０に振子部２０を固定する。台車部３０に備えられた補助輪５０、５１により、ロボット本体１０を駆動輪４０、４１、補助輪５０、５１の支点で支えることができ、安定して、転倒を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、倒立振子型走行装置に関する。

近年、ヒューマノイド型を含む移動ロボットの開発が盛んになってきており、倒立振子の原理を利用して、軸線を共有するように並置した複数の車輪で安定的に直立・走行する技術が開発されている。

特許文献１には、台車機構と人体形状部とを有し、台車機構は駆動輪と、直動シリンダで伸縮または出没可能な補助輪とを設ける倒立振子ロボットが記載されている。台車移動モードと倒立振子移動モードとを動的に切り換えることができ、駆動輪と補助輪が地面に接触しているときには台車移動モードで移動し、駆動輪だけを地面に接触させるようにすれば同軸２輪倒立振子移動モードで移動する。

特許文献２には、同軸２輪倒立振子型の移動機構を有するもので、力が加わったとき、その力に抗うかどうかに応じて車輪モータを制御するときの制御ゲインを変化させるようにしたことを特徴とするコミュニケーションロボットが記載されている。外乱であると判断したとき高い制御ゲインを設定し、外乱の力が所定以上では抗う動きを倒立振子制御で行う。

特許文献３には、歩行ロボットにおいて、脚部に回動可能な関節部と関節軸を備えるもので、関節部の回動を規制する規制手段にロックピンを用いたものが記載されている。特許文献４には、所定の安定した姿勢となってからサーボオフすれば、倒立振り子型台車ロボットはその後ひとりでに転倒するといったおそれはないことが記載されている。

特許文献５には、台車の上に人型上半身機構を載置したコミュニケーションロボットが記載されている。コンピュータないしＣＰＵは、同軸２輪倒立振子モデルとして車輪および腰関節を制御し、転倒の可能性を排除できる。

特許文献６には、複数の車軸と該車軸に、回転制御可能な車輪を有する移動ロボットであって、前記複数の車軸は、ロボットの停止時には異なる軸線上に移動し、ロボットの移動時には同一軸線上に並び、倒立振子モードの制御を行うことができるロボットが記載されている。
特開２００５−２８８５８７号公報 特開２００５−２８８６０２号公報 特開２００６−０８２２０５号公報 特開２００６−３２６７３８号公報 特開２００７−２８０４０８号公報 特開２００７−３０１６５４号公報

倒立振子ロボットは、安定した倒立状態を保つには車輪の回転を常に制御して動的にバランスをとる必要がある。１カ所に停止した状態でも、転倒防止のため、常に車輪の回転を制御する。特許文献２の同軸２輪倒立振子型の移動機構を有するロボットや、特許文献５の同軸２輪倒立振子モデルでは、制御時において転倒の可能性を排除し、転倒を防止することが記載されているが、停止時における制御状態を解除した場合については記載されていない。また、特許文献１や特許文献６にあるように、制御しない場合において、転倒を防止するために、補助輪でバランスを取る方法があるが、駆動輪(あるいは補助輪)を出没させるための機構や車軸を移動するための機構などの大掛かりな動力機構の追加が必要であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供することを目的とする。

本発明の観点に係る倒立振子型走行装置は、
倒立振子の移動支点を移動せしめる駆動輪と、
その回転軸が前記駆動輪の回転中心線およびその延長に重ならない補助輪と、
前記駆動輪と前記補助輪をそれぞれの回転軸のまわりに回転可能に支持する台車と、
前記駆動輪の回転軸に平行な連結軸で前記台車に回動可能に支持される本体と、
前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうる固定手段と、
を備え、前記駆動輪の倒立振子の制御を解除した場合に、前記固定手段によって前記台車と前記本体とを連結固定することを特徴とする。

本発明によれば、倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供することができる。

以下、この発明の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。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。図１は、本発明の実施の形態に係る倒立振子走行装置の一例を示す構成図である。図２（ａ）は、図１の倒立振子走行装置の断面を示す概念図である。

倒立振子走行装置であるロボット本体１０は、振子部２０と、固定手段２１と、台車部３０と、駆動輪４０、４１と、駆動回転軸４２と、補助輪５０、５１と、制御部６０と、を備える。ロボット本体１０の移動支点である駆動輪４０、４１は、駆動回転軸４２に支持される。連結軸２２は、駆動回転軸４２と平行に設けられ、振子部２０と台車部３０とを連結する。振子部２０は、連結軸２２を中心に回動可能に支持され、ロボット本体１０が移動する前後方向に振り子運動が可能である。

制御部６０は、ロボット本体１０の駆動を制御し、倒立振子制御の実行・解除などを行う。制御部６０で駆動回転軸４２を制御することで、台車部３０を駆動させ、ロボット本体１０を移動させる。補助輪５０、５１は、駆動回転軸４２と同軸上ではない位置、かつ、その延長上ではない位置に配置される。駆動輪４０、４１が移動支点として地面と接する際に、補助輪５０、５１も地面に接する高さで台車に設けられる。

ロボット本体１０を停止させるときは、固定手段２１で振子部２０を台車部３０に固定し、倒立振子制御は行わない。駆動輪４０、４１の支点のみで支持された場合は、静的に不安定な状態であり、振子部２０の重心の位置のずれや外乱の力により静止状態を維持できずに転倒する。これに対し、駆動輪４０、４１および補助輪５０、５１の支点によって支えられたロボット本体１０は、台車部３０が安定して固定する。その台車部３０に振子部２０が固定されるので、倒立振子制御を行わなくても転倒しない状態を維持でき、転倒を防止することができる。このとき、振子部２０の傾きは、振子部２０の重心の位置が、駆動回転軸４２のほぼ鉛直上方になる状態で固定することで、より安定して静止することが可能となる。詳細については後述するように、固定手段２１によって振子部２０と台車部３０との相対的回転を規制して、振子部２０を台車部３０に固定して連結することができる。

ロボット本体１０を走行させるときは、固定手段２１で振子部２０を台車部３０に固定せず、振子部２０を自由に回動できる状態にし、倒立振子制御を行う。補助輪５０、５１は、ロボット本体１０が駆動する方向に合わせて、その移動する向きを変えられる。走行時に補助輪５０、５１は地面に接地しているが、その抵抗は充分に小さいので、ロボット本体１０は倒立振子走行することができる。

図３は、実施の形態に係る倒立振子走行装置の連結軸と固定手段の構成例を示す概念図であり、図２（ａ）の点線囲み部分Ｋの部分拡大図を示す。図３（ａ）は振子部２０に、図３（ｂ）は台車部３０に、固定手段であるブレーキ機構を設けた場合である。図３（ｃ）は、固定手段にロックピンによって固定する機構を用いた場合を示す図である。図３（ｄ）は、振子部２０から台車部３０に直接ブレーキで固定する形態を示す図である。

図３（ａ）の例では、固定手段２１ａはブレーキ機構であり、ブレーキディスク２３と、キャリパー２４を備える。キャリパー２４はブレーキディスク２３に対向する部分にパッド（図示せず）を備える。台車部３０に連結軸２２を固定して設け、連結軸２２にブレーキディスク２３を固持する。振子部２０にキャリパー２４を設け、固定手段２１ａはキャリパー２４を制御し、キャリパー２４でブレーキディスク２３を挟持して、振子部２０と台車部３０とを固定する。

図３（ｂ）は、台車部３０に固定手段２１ａを設ける。固定手段２１ａは、原理的に図３（ａ）のブレーキ機構と同じである。振子部２０と連結軸２２を固定し、連結軸２２にブレーキディスク２３を固持する。台車部３０に固定されたキャリパー２４でブレーキディスク２３を挟持して、振子部２０と台車部３０とを固定する。

図３（ａ）および図３（ｂ）の例では、ロボット本体１０を停止しているときは、キャリパー２４を閉じ、ブレーキディスク２３を挟持し、振子部２０と台車部３０の固定をする。振子部２０は、倒立しない傾きで固定され、安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体１０を駆動しているときは、キャリパー２４を開き、振子部２０と台車部３０の固定を解除し、振子が自由に行われる。

ここでは、ブレーキ機構の例として、ディスク式を用いたブレーキ機構を挙げたが、ドラム式、テンションベルト式などであっても構わない。

図３（ｃ）の固定手段２１ｂはロックピンによって固定する機構である。固定手段２１ｂは、振子部２０に、ピン凸部２７と、ピン伸縮部２８と、を備える。台車部３０にロック用連結軸２５が固持される。ロック用連結軸２５は、ロボット本体１０の安定して倒立が保たれる所定の傾きに合わせて、ピン凸部２７と嵌合するように凹部２６を形成しておく。ロボット本体１０を停止しているときは、ピン伸縮部２８を伸ばす向きに固定手段２１ｂは制御され、ピン凸部２７と凹部２６が嵌合し固定され、振子部２０は安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体１０を駆動しているときは、ピン伸縮部２８を縮める向きに固定手段２１ｂは制御され、ピン凸部２７と凹部２６がかみ合わずに、振子部２０はロック用連結軸２５を中心に回動し、振子が自由に行われる。凹部２６は１ケ所に限らず、ロック用連結軸２５に複数の凹部２６を設けることで、複数の傾きで振子部２０の固定ができるようになる。

図３（ｄ）の固定手段２１ｃは、振子部２０にあって、ブレーキディスク２３とバネ部２９とを備える。振子部２０と台車部３０とは連結軸２２で支持され、振子部２０は連結軸２２のまわりを自由に回動可能である。バネ部２９が伸びることで、振子部２０に備えられたブレーキディスク２３が台車部３０に押しつけられ、台車部３０に対して振子部２０が固定される。ロボット本体１０を停止しているときは、バネ部２９を伸ばす向きに固定手段２１ｃは制御され、台車部３０に対して振子部２０は固定し、安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体１０を駆動しているときは、バネ部２９を縮める向きに固定手段２１ｃは制御され、ブレーキディスク２３と台車部３０は接することなく固定は解除され、振子部２０は連結軸２２のまわりを回動し、振子が自由に行われる。

図４に示すように、ロボット本体１０が、水平面になく、斜面上にある場合であっても、安定して停止することが可能である。ロボット本体１０を停止させるとき、駆動輪４０、４１を固定し、駆動輪４０、４１、補助輪５０、５１の４つの支点で接地することで台車部３０は斜面に固定される。振子部２０は、倒立振子制御を解除するときに、地平面に対してほぼ垂直となる位置の、安定した倒立状態を維持できる傾きで、固定手段２１により固定され静止する。ロボット本体１０を走行させるときは倒立振子制御により転倒を防止できるので、ロボット本体１０が駆動および停止のどちらの状態においても、台車部３０と振子部２０とは安定し、ロボット本体１０の転倒を防止することができる。

図２（ｂ）は、倒立振子走行装置の断面図で、図２（ａ）の変形例を示す。基本的な構造は同じであるが、連結軸２２と駆動回転軸４２とが、同軸で一体となった場合で、共有軸４３と称する。共有軸４３は、振子部２０と台車部３０とを連結する機能と、その両端に駆動輪４０、４１を備え、駆動輪４０、４１と台車部２０とを支持する機能と、を有する。主制御手段から固定手段２１を介して共有軸４３を固定することで、振子部２０および駆動輪４０、４１は、台車部３０に支持、固定される。ロボット本体１０は、駆動時だけでなく、停止時においても、安定した倒立状態を維持し、転倒を防止することができる。

理解を容易にするために、図１では補助輪５０、５１と駆動回転軸４２の間を大きく空けて描いているが、倒立振子型走行装置としての動きを妨げないように、補助輪５０、５１は駆動回転軸４２に近く設置するほうがよい。ところが、補助輪５０、５１と駆動回転軸４２が近くなるほど、停止した状態で台車部３０と振子部２０を固定したときに、外乱で転倒しやすくなる。そこで、転倒を防止し、より安定して停止させるために、ロボット本体１０に振子部２０の傾きを検出する手段を備えることが望ましい。

図５に示すように、ロボット本体１１は、図１に示した実施の形態に係る倒立振子走行装置と基本的な構造は同じであるが、制御部６０に、倒立振子制御の実行・解除や、振子部２０と台車部３０との固定・解除を指示する主制御手段６１と、振子部２０の傾きを検出する傾斜検出手段６２と、を備える。傾斜検出手段６２は振子部２０の傾きを検出し、検出結果から重心の位置を求める。制御部６０は、傾斜検出手段６２と連結した主制御手段６１により、振子部２０の重心の位置が駆動回転軸４２のほぼ鉛直上方になる状態を維持するよう制御することで、よりロボット本体１１を安定させることができる。例えば傾斜検出手段６２はジャイロセンサなどを備える。

図６のフローチャートを用いて、実施の形態に係る倒立振子走行装置の、停止維持制御の動作について説明する。倒立振子走行装置は、図５のロボット本体１１を参照する。

ロボット本体１１の倒立振子制御を停止した状態、すなわち停止維持制御の状態は、倒立振子制御を行うことなく安定し、定常的にエネルギーを消費することがないことが望ましい。倒立振子制御で安定して倒立していたロボット本体１１を停止し、固定手段２１で振子部２０を台車部３０に固定した状態であるとする。停止状態の維持を解除する場合は（ステップＳ１；ＹＥＳ）、停止維持制御を終了し再び倒立振子制御を行う。

停止維持の状態を解除せずそのまま停止維持を続ける場合は（ステップＳ１；ＮＯ）、傾斜検出手段６２において、振子部２０の傾きを検出する（ステップＳ２）。予めロボット本体１１が転倒するときの振子部２０の傾斜の角度を測定しておき、その測定値をもとに、ロボット本体１１が転倒しない範囲の閾値を設定しておく。ステップ２で検出した傾きが閾値の範囲内であれば（ステップＳ３；ＹＥＳ）、そのまま停止状態が維持される（ステップＳ１〜ステップＳ２）。傾きが閾値の範囲にない場合は（ステップＳ３；ＮＯ）、制御部６０は、固定手段２１による振子部２０の固定を解除する（ステップＳ４）。そして、倒立振子制御を行って振子部２０を安定に停止させる（ステップＳ５）。

ここで再度、傾斜検出手段６２により、振子部２０の傾きを検出する（ステップＳ６）。ロボット本体１１が安定して倒立する位置で停止された場合（ステップＳ７；ＹＥＳ）は、制御部６０は固定手段２１によって振子部２０を固定し（ステップＳ８）、ステップＳ１にもどって停止維持制御を繰り返す。ステップＳ７において、振子部２０が安定して倒立する位置に停止しない場合は（ステップＳ７；ＮＯ）、停止する状態になるまでステップ５ないしステップ７を繰り返す。

上述の停止維持制御は、ロボット本体１１の駆動をせずに停止した場合に実行され、安定した倒立状態を維持し、転倒を防止する。ロボット本体１１が駆動している状態から停止している状態への切り替え時のほか、停止状態において、ロボット本体１１に外乱の力が加えられた場合にも、図６に示すような停止維持制御を行うことにより、ロボット本体１１の転倒を防止することができる。

図７は、実施の形態に係る倒立振子走行装置の駆動輪および補助輪の配置および動作状態を示すブロック図である。倒立振子走行装置は、図１および図２のロボット本体１０を参照する。図中の一点鎖線は、台車部３０の支点となる点を結んだものである。黒太矢印は駆動輪４０、４１の駆動方向、破線の黒太矢印は駆動輪４０、４１の駆動に連動する補助輪５０、５１の移動方向、白抜矢印は台車部３０の移動方向を示す。例えば、補助輪５０、５１は、その一部を支持されたキャスターであって、駆動輪４０、４１によって駆動する台車部３０の駆動方向に合わせて、補助輪５０、５１の向きが自由に変えられるタイプを用いる。

倒立振子走行装置は、駆動支点が一直線上にあり、駆動輪４０、４１の回転方向や回転速度を変えることで、前後方向だけでなく、色々な方向へ駆動させることができる。ロボット本体１０に、図７（ａ）のように、駆動輪４０と駆動輪４１に反対向きの力を加える。図７（ｂ）のように、補助輪５０、５１は、台車部３０の駆動する向きに合わせて向きが変えられる。補助輪５０、５１は、ロボット本体１０を停止させるときは支点として働き、安定して倒立した状態を維持するのを補助するが、ロボット本体１０を倒立振子制御で走行させるときは、限りなく抵抗を小さくし、その倒立振子走行を妨げない。

図８は、図７の変形例で、駆動輪４０、４１および補助輪５０、５１を任意に配置した例を示す。図８（ａ）は、補助輪５０、５１が、駆動回転輪４２で分けた台車部３０の片側に配置される場合を示す。図８（ｂ）は、補助輪５０が１つである場合を示す。図８（ｃ）では、駆動輪４０がある一定以上の幅を有し、その幅には支点となる点が連続して存在する。図８（ｄ）は、駆動輪４０が１つであり、補助輪５０、５１が２つ配置される場合を示す。図８の構成においても、補助輪５０、５１の向きが自由に変えられることが望ましい。

ロボット本体１０を停止させるときに、駆動輪４０、４１の駆動回転軸４２と同軸上もしくは延長線上にない補助輪５０、５１が支点となる。駆動輪４０、４１のみの場合とは異なり、所定以下の外乱の力がロボット本体１０に働いた場合であっても、転倒を防止することが可能となる。

図８に挙げた以外にも、駆動輪４０、４１、補助輪５０、５１は任意に配置可能である。少なくとも支点となる点が３点以上あり、その３点は一直線上に並ばなければよい。駆動輪もしくは補助輪のいずれかがある一定以上の幅を持ち、支点となる点が連続していてもよい。なお、補助輪５０、５１は、転がり摩擦を利用して移動するものであればよく、車軸を要するタイプや、キャスターなどを用いることができる。

以上、説明したように、本発明によれば、倒立振子型走行装置は倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる。

その他、前記の倒立振子型走行装置の形状、振子部と台車部との固定手段およびその位置、駆動輪と補助輪の配置などは一例であり、任意に変更及び修正が可能である。

その他、本発明の好適な変形として、以下の構成が含まれる。

本発明の第１の観点に係る倒立振子型走行装置について、好ましくは、前記固定手段は、前記連結軸を中心とする前記台車と前記本体との相対角度が異なる２以上の角度で、前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうるように構成してもよい。

または、あるいはさらに、前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は、一方の軸の中心線と他方の軸の中心線の延長が重なるように構成してもよい。

または、あるいはさらに、前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は連続して一体となるように構成してもよい。

前記本体の傾きを検出する傾斜検出手段を備え、
前記台車と前記本体とを連結固定した状態で、前記駆動輪と前記補助輪とで前記本体の姿勢を維持できる範囲を超える傾きを検出した場合に、前記固定手段に前記台車と前記本体との連結固定を解除させるとともに、前記駆動輪を倒立振子の移動支点とする制御となるように構成してもよい。

または、あるいはさらに、前記補助輪は２以上であり、そのうち少なくともいずれか２つは異なる位置に回転軸を有するように構成してもよい。

または、あるいはさらに、少なくとも１つの前記補助輪の回転軸は、前記駆動輪の回転軸の中心と同一平面上にない軸のまわりに、回動可能に前記台車に支持されるように構成してもよい。

本発明の実施の形態に係る倒立振子走行装置の一例を示す構成図である。 （ａ）は、図１の倒立振子走行装置の断面を示す概念図である。（ｂ）は、（ａ）の変形例を示す。 実施の形態に係る倒立振子走行装置の連結軸と固定手段の構成を示す概念図である。 実施の形態に係る倒立振子走行装置の斜面における使用の例を示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る倒立振子走行装置の変形例を示す構成図である。 実施の形態に係る倒立振子走行装置の、停止維持制御の動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係る倒立振子走行装置の駆動輪および補助輪の配置を示すブロック図である。 実施の形態に係る倒立振子走行装置の、駆動輪および補助輪の配置の例を示すブロック図である。

符号の説明

１０、１１ ロボット本体
２０ 振子部
２１ 固定手段
２２ 連結軸
３０ 台車部
４０、４１ 駆動輪
４２ 駆動回転軸
５０、５１ 補助輪
６０ 制御部
６２ 傾斜検出手段

Claims (7)

1. 倒立振子の移動支点を移動せしめる駆動輪と、
   その回転軸が前記駆動輪の回転中心線およびその延長に重ならない補助輪と、
   前記駆動輪と前記補助輪をそれぞれの回転軸のまわりに回転可能に支持する台車と、
   前記駆動輪の回転軸に平行な連結軸で前記台車に回動可能に支持される本体と、
   前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうる固定手段と、
   を備え、前記駆動輪の倒立振子の制御を解除した場合に、前記固定手段によって前記台車と前記本体とを連結固定することを特徴とする倒立振子型走行装置。
2. 前記固定手段は、前記連結軸を中心とする前記台車と前記本体との相対角度が異なる２以上の角度で、前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうることを特徴とする請求項１に記載の倒立振子型走行装置。
3. 前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は、一方の軸の中心線と他方の軸の中心線の延長が重なることを特徴とする請求項１または２に記載の倒立振子型走行装置。
4. 前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は連続して一体であることを特徴とする請求項３に記載の倒立振子型走行装置。
5. 前記本体の傾きを検出する傾斜検出手段を備え、
   前記台車と前記本体とを連結固定した状態で、前記駆動輪と前記補助輪とで前記本体の姿勢を維持できる範囲を超える傾きを検出した場合に、前記固定手段に前記台車と前記本体との連結固定を解除させるとともに、前記駆動輪を倒立振子の移動支点とする制御に移行する
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の倒立振子型走行装置。
6. 前記補助輪は２以上であり、そのうち少なくともいずれか２つは異なる位置に回転軸を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の倒立振子型走行装置。
7. 少なくとも１つの前記補助輪の回転軸は、前記駆動輪の回転軸の中心と同一平面上にない軸のまわりに、回動可能に前記台車に支持されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の倒立振子型走行装置。

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