JP2009297876A - 車輪型ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化および軽量化を図り、段差に対して高い適応性を実現することができる車輪型ロボットを提供する。
【解決手段】 車輪型ロボット１００は、基体１０の上下方向にキャスタ３１を伸縮駆動するキャスタ装置３０と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを備える。そして、感圧センサ３３ｃからセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号に基づいて、前部および後部のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦ、ＦＢを算出し、算出した床反力ＦＦ、ＦＢに基づいてリニアアクチュエータ３２を制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、キャスタを備えるキャスタ装置およびこれを適用した車輪型ロボットに係り、特に、小型化および軽量化を図り、段差に対して高い適応性を実現することができる車輪型ロボットに関する。

従来、車輪型ロボットとしては、特許文献１記載の移動ロボットが知られている。
特許文献１記載の移動ロボットは、本体フレームと、走路方向前方に設けられている従動輪と、走路方向の距離をある俯角で検出する距離センサ部と、俯角をほぼ一定に維持したまま従動輪および距離センサを一体的に本体フレーム上で上下動させる上下動機構とを有して構成されている。上下動機構は、一端が回転可能に本体フレームに支持されたリンクアームと、リンクアームの他端を回転可能に支持し従動輪を連結するブラケットと、リンクアームの他端に設けられた支持回転軸を回転させるモータとを有して構成されている（同文献〔００１６〕、〔００１７〕、図１、２）。

また、床反力を検出する移動ロボットとしては、特許文献２記載の移動ロボットが知られている。
特許文献２記載の移動ロボットは、上体と、上体に第１関節を介して連結される複数本の脚部と、脚部の先端に第２関節を介して連結される足部と、第２関節と足部の接地端の間に配置された弾性体の内部および弾性体の付近の少なくともいずれかに設けられ、第２関節に対する足部の接地端の変位を示す出力を生じる変位センサと、変位センサの出力に基づいて足部に作用する床反力を算出する床反力算出部とを有して構成されている。
特開２００６−１９０１０５号公報 特開２００３−２０５４８４号公報

しかしながら、特許文献１記載の移動ロボットにあっては、距離センサ部を用いて段差を検出するため、距離センサ部の検出範囲に突然現れる段差や床全体の傾きを検出することができず、段差への適用性が低いという問題があった。
また、上下動機構がリンク機構として構成されているため、上下動の範囲を大きくするにはリンクアームを長くする必要があるところ、リンクアームの長さに応じてモータの必要トルクが大きくなり、大型のモータおよび減速機が必要となる。したがって、全体として大型化するとともに重量が増加するという問題があった。

また、特許文献２記載の移動ロボットにあっては、脚型ロボット用の検出機構であり、車輪型ロボットには適用が困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、小型化および軽量化を図り、段差に対して高い適応性を実現することができる車輪型ロボットを提供することを目的としている。

〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の車輪型ロボットは、基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、前記基体の上下方向にキャスタを伸縮駆動するキャスタ装置と、前記キャスタが受けた床反力を検出する床反力検出手段と、前記床反力検出手段の検出結果に基づいて前記キャスタ装置の駆動を制御する制御手段とを備える。

このような構成であれば、キャスタが床反力を受けると、床反力検出手段により床反力が検出され、制御手段により、床反力検出手段の検出結果に基づいてキャスタ装置の駆動が制御される。その結果、キャスタが伸縮し上下動する。

〔発明２〕 一方、上記目的を達成するために、発明２のキャスタ装置は、発明１のキャスタ装置において、さらに、直動軸を有するリニアアクチュエータを備え、前記キャスタは、第２車輪と、前記第２車輪を回転可能に支持する車輪支持部と、前記第２車輪の回転軸と直交する方向を軸方向として前記車輪支持部に取り付けられたキャスタ支持軸とを有し、前記キャスタ支持軸および前記直動軸が前記床反力検出手段を介して軸方向に連結されている。

このような構成であれば、キャスタおよびリニアアクチュエータを軸方向に連結した構成を採用しているので、上下動の範囲を大きくする場合でも、必要トルクがさほど大きくならず、リニアアクチュエータが極端に大型化することがない。また、減速機も必要ない。
そして、キャスタが床反力を受けると、キャスタ支持軸と直動軸の間に床反力検出手段が介在しているので、床反力検出手段により床反力が検出される。

〔発明３〕 一方、上記目的を達成するために、発明３の車輪型ロボットは、発明１および２のいずれか１の車輪型ロボットにおいて、さらに、前記車輪の前方および後方に設けられた複数の前記キャスタ装置と、前記各キャスタ装置のキャスタが受けた床反力を検出する複数の前記床反力検出手段と、前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第１床反力を検出する前記床反力検出手段の検出結果に基づいて当該第１床反力を算出する第１床反力算出手段と、前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第２床反力を検出する前記床反力検出手段の検出結果に基づいて当該第２床反力を算出する第２床反力算出手段とを備え、前記制御手段は、前記第１床反力算出手段で算出した第１床反力および前記第２床反力算出手段で算出した第２床反力に基づいて前記各キャスタ装置の駆動を制御する。

このような構成であれば、床反力検出手段により、前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第１床反力が検出され、第１床反力算出手段により、その検出結果に基づいて第１床反力が算出される。また、他の床反力検出手段により、後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第２床反力が検出され、第２床反力算出手段により、その検出結果に基づいて第２床反力が算出される。そして、制御手段により、算出された第１床反力および第２床反力に基づいて各キャスタ装置の駆動が制御される。その結果、各キャスタが伸縮し上下動する。

〔発明４〕 さらに、発明４の車輪型ロボットは、発明３の車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第１床反力および前記第２床反力がいずれも、前記キャスタが受ける標準的な床反力である標準床反力よりも大きいと判定したときは、前記両キャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御する。
このような構成であれば、制御手段により、第１床反力および第２床反力がいずれも標準床反力よりも大きいと判定されると、両キャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動が制御される。その結果、キャスタが伸縮し上下動する。

〔発明５〕 さらに、発明５の車輪型ロボットは、発明３の車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第１床反力および前記第２床反力がいずれも、前記キャスタが受ける標準的な床反力である標準床反力よりも小さいと判定したときは、前記両キャスタ装置のキャスタが伸長するようにその駆動を制御する。
このような構成であれば、制御手段により、第１床反力および第２床反力がいずれも標準床反力よりも小さいと判定されると、両キャスタ装置のキャスタが伸長するようにその駆動が制御される。

〔発明６〕 さらに、発明６の車輪型ロボットは、発明３の車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第１床反力が前記第２床反力よりも大きいと判定したときは、前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御する。
このような構成であれば、制御手段により、第１床反力が第２床反力よりも大きいと判定されると、前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動が制御される。

〔発明７〕 さらに、発明７の車輪型ロボットは、発明３の車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記第２床反力が前記第１床反力よりも大きいと判定したときは、前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御する。
このような構成であれば、制御手段により、第２床反力が第１床反力よりも大きいと判定されると、後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動が制御される。

以上説明したように、発明１の車輪型ロボットによれば、床反力検出手段の検出結果に基づいてキャスタ装置の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きに対応することができる。したがって、段差や傾斜のある環境であってもスムースに移動することができるので、従来に比して、段差に対して高い適応性を実現することができるという効果が得られる。

一方、発明２のキャスタ装置によれば、キャスタおよびリニアアクチュエータを軸方向に連結した構成を採用しているので、従来に比して、大型化および重量の増加を抑制することができるという効果が得られる。また、キャスタ支持軸と直動軸の間に床反力検出手段が介在しているので、キャスタが受けた床反力を容易に検出することができるという効果が得られる。

一方、発明３の車輪型ロボットによれば、複数の床反力検出手段の検出結果に基づいて各キャスタ装置の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きにさらに好適に対応することができる。したがって、段差に対してさらに高い適応性を実現することができるという効果が得られる。
さらに、発明４の車輪型ロボットによれば、両方のキャスタに荷重がかかり過ぎているような場合に、車輪型ロボットを安定な姿勢に保つことができるという効果が得られる。

さらに、発明５の車輪型ロボットによれば、両方のキャスタが浮いているような場合に、車輪型ロボットを安定な姿勢に保つことができるという効果が得られる。
さらに、発明６の車輪型ロボットによれば、車輪型ロボットが前傾姿勢または下り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボットを安定な姿勢に保つことができるという効果が得られる。

さらに、発明７の車輪型ロボットによれば、車輪型ロボットが後傾姿勢または上り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボットを安定な姿勢に保つことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図７は、本発明に係る車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１は、車輪型ロボット１００の正面図である。
図２は、車輪型ロボット１００の側面図である。

車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０の両側面にそれぞれ回転可能に設けられた１対の駆動輪２０と、基体１０の前部および後部にそれぞれ設けられた２つのキャスタ装置３０と、基体１０の後上部に設けられたハンドル４０とを有して構成されている。

次に、キャスタ装置３０の構成を説明する。
図３は、キャスタ装置３０の正面図である。
キャスタ装置３０は、図３に示すように、キャスタ３１と、キャスタ３１を上下動させるリニアアクチュエータ３２と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを有して構成されている。
リニアアクチュエータ３２は、直線運動する直動軸３２ａを有し、フレーム３４により支持されている。

フレーム３４は、金属板を断面逆Ｕ字状に形成してなり、Ｕ字の開口端部の両側から水平方向にそれぞれ伸長するフランジ３４ａを有する。フランジ３４ａは、基体１０の内底面に取り付けられている。フレーム３４の上面には、貫通穴（不図示）が形成されている。リニアアクチュエータ３２は、出力軸面３２ｂを下向きにし、フレーム３４の貫通穴に直動軸３２ａを挿通させてフレーム３４の上方に設置されている。出力軸面３２ｂは、ボルト３４ｂによりフレーム３４の上面に固定されている。

床反力検出部３３は、基体１０の下方に設置され、高剛性ニードルガイド３５を介してリニアアクチュエータ３２に連結されている。リニアアクチュエータ３２は、推力は強いが軸方向に直交する曲げモーメントに弱いという性質がある。そこで、高剛性ニードルガイド３５で曲げモーメントを受ける構成を採用することにより、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。

基体１０の底面のうちフレーム３４の開口部の真下には、貫通穴１０ａが形成されている。高剛性ニードルガイド３５は、シャフト３５ａを有し、シャフト３５ａを貫通穴１０ａに挿通させてフレーム３４に固定されている。シャフト３５ａの上端は、直動軸３２ａに連結され、シャフト３５ａの下端は、床反力検出部３３の上部に連結されている。
一方、キャスタ３１は、従動輪３１ａと、従動輪３１ａを回転可能に支持し収容する車輪支持枠３１ｂと、車輪支持枠３１ｂの上部に取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃとを有して構成されている。

キャスタ支持軸３１ｃは、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられている。キャスタ支持軸３１ｃの上端は、床反力検出部３３の下部に連結されている。

次に、床反力検出部３３の構成を説明する。
図４は、床反力検出部３３の軸方向の断面図である。
床反力検出部３３は、図４に示すように、上板３３ａと、下板３３ｂと、上板３３ａと下板３３ｂの間に配置された感圧センサ３３ｃとを有して構成されている。
上板３３ａには、２つの貫通穴３３ｄが形成されている。上板３３ａの上面には、シャフト３５ａの下端が連結されている。
下板３３ｂには、各貫通穴３３ｄに対向する位置に２つのボルト穴３３ｅが形成されている。下板３３ｂの下面には、キャスタ支持軸３１ｃの上端が連結されている。

感圧センサ３３ｃは、印加される圧力に応じた電圧のセンサ信号を出力する。例えば、印加される圧力の変化に伴って電気抵抗値が変化する特性を有する感圧センサを採用することができる。
床反力検出部３３は、さらに、貫通穴３３ｄにそれぞれ嵌挿された２つのリニアブッシュ３３ｆと、リニアブッシュ３３ｆに嵌挿され、ボルト穴３３ｅにその先端がそれぞれ螺合した２つのストリッパボルト３３ｇと、ストリッパボルト３３ｇの軸部を挿通し、ストリッパボルト３３ｇの頭部とリニアブッシュ３３ｆの間に介挿された２つのコイルばね３３ｈとを有して構成されている。

これにより、キャスタ３１が接地していない場合は、キャスタ３１および下板３３ｂの自重により各ストリッパボルト３３ｇが押し下げられ、ストリッパボルト３３ｇの頭部とリニアブッシュ３３ｆの間でコイルばね３３ｈが付勢されて収縮する。そのため、コイルばね３３ｈの付勢力により上板３３ａと下板３３ｂの間に間隔が生じにくく、接地時に感圧センサ３３ｃに強い衝撃が加わるのを防止することができる。また、感圧センサ３３ｃとして予圧を必要とする感圧センサを用いる場合、コイルばね３３ｈを強くすることで対応することができる。

また、リニアブッシュ３３ｆによりストリッパボルト３３ｇが支持されるので、キャスタ支持軸３１ｃが床面に対して垂直な状態に保持される。そのため、床面に接地したキャスタ３１がキャスタ支持軸３１ｃを軸回り（ヨー軸回り）に回転しやすい。

次に、車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図５は、車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各リニアアクチュエータ３２には、図５に示すように、リニアアクチュエータ３２の直動位置を検出するエンコーダ４２と、アクチュエータ指令信号およびエンコーダ４２の直動位置検出信号に基づいてリニアアクチュエータ３２の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。

各駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の角度位置検出信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。

車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成されている。
ＣＰＵ６０は、指令信号出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４に指令信号を出力し、位置検出信号入力Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の位置検出信号を入力する。また、センサ信号入力Ｉ／Ｆ６３を介して各感圧センサ３３ｃからセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。

次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図６のフローチャートに示すキャスタ装置制御処理を実行する。

図６は、キャスタ装置制御処理を示すフローチャートである。
キャスタ装置制御処理は、キャスタ装置３０を上下動させる制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図６に示すように、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、前部のキャスタ装置３０の感圧センサ３３ｃからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０２に移行して、入力したセンサ信号に基づいて、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦを算出し、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、後部のキャスタ装置３０の感圧センサ３３ｃからセンサ信号を入力し、ステップＳ１０６に移行して、入力したセンサ信号に基づいて、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が受けた床反力ＦＢを算出し、ステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８では、算出した床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいか否かを判定し、標準床反力ＦＮよりも大きいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１０に移行する。ここで、標準床反力ＦＮとは、キャスタ３１が受ける標準的な床反力をいい、例えば、両方のキャスタ装置３０を標準の長さに設定し、車輪型ロボット１００を平面に接地させたときにキャスタ３１が受ける床反力として設定することができる。

ステップＳ１１０では、両方のキャスタ３１に荷重がかかり過ぎていると判定し、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を短縮（上移動）させるため、ドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

一方、ステップＳ１０８で、床反力ＦＦ、ＦＢのいずれかが標準床反力ＦＮ以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行して、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいか否かを判定し、標準床反力ＦＮよりも小さいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１４に移行する。
ステップＳ１１４では、両方のキャスタ３１が浮いていると判定し、床反力ＦＦ、ＦＢと標準床反力ＦＮの差が小さくなるように、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長（下移動）させるため、ドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

一方、ステップＳ１１２で、床反力ＦＦ、ＦＢのいずれかが標準床反力ＦＮ以上であると判定したとき(No)は、ステップＳ１１６に移行して、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいか否かを判定し、床反力ＦＢよりも大きいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１８に移行する。
ステップＳ１１８では、車輪型ロボット１００が前傾姿勢または下り坂を走行中であると判定し、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させるため、ドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

一方、ステップＳ１１６で、床反力ＦＦが床反力ＦＢ以下であると判定したとき(No)は、ステップＳ１２０に移行して、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいか否かを判定し、床反力ＦＦよりも大きいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１２２に移行する。
ステップＳ１２２では、車輪型ロボット１００が後傾姿勢または上り坂を走行中であると判定し、床反力ＦＦと床反力ＦＢの差が小さくなるように、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１を伸長させるため、ドライバ４４へのアクチュエータ指令信号を生成し、生成したアクチュエータ指令信号をドライバ４４に出力し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１２０で、床反力ＦＢが床反力ＦＦ以下であると判定したとき(No)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。

次に、本実施の形態の動作を説明する。
車輪型ロボット１００は、車輪モータ５０が駆動されると、車輪モータ５０の動力が駆動輪２０に伝達され、駆動輪２０の駆動により走行することができる。前部および後部のキャスタ装置３０は、従動輪３１ａであるので、車輪型ロボット１００の走行に伴って回転する。このとき、接地したキャスタ３１のキャスタ支持軸３１ｃと直動軸３２ａの間に床反力検出部３３が介在しているので、感圧センサ３３ｃにより、キャスタ３１が受けた床反力が検出される。そして、ステップＳ１００〜Ｓ１０６を経て、感圧センサ３３ｃからのセンサ信号に基づいて床反力ＦＦ、ＦＢが算出される。

両方のキャスタ３１に荷重がかかり過ぎている場合は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きくなるので、ステップＳ１０８、Ｓ１１０を経て、アクチュエータ指令信号に基づいてドライバ４４がリニアアクチュエータ３２を駆動し、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮する。
両方のキャスタ３１が浮いている場合は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さくなるので、ステップＳ１１２、Ｓ１１４を経て、アクチュエータ指令信号に基づいてドライバ４４がリニアアクチュエータ３２を駆動し、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長する。

車輪型ロボット１００が前傾姿勢または下り坂を走行中である場合は、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きくなるので、ステップＳ１１６、Ｓ１１８を経て、アクチュエータ指令信号に基づいてドライバ４４がリニアアクチュエータ３２を駆動し、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長する。

図７は、車輪型ロボット１００が上り坂を走行中である場合を示す図である。
車輪型ロボット１００が上り坂を走行中である場合は、図７（ａ）に示すように、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きくなるので、ステップＳ１２０、Ｓ１２２を経て、図７（ｂ）に示すように、アクチュエータ指令信号に基づいてドライバ４４がリニアアクチュエータ３２を駆動し、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長する。
この制御は、車輪型ロボット１００が後傾姿勢である場合も同様に行われる。

なお、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮに等しいときは、キャスタ３１にかかる荷重が適切な状態であるので、キャスタ装置３０を上下動させる制御は行われない。
このようにして、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、基体１０の上下方向にキャスタ３１を伸縮駆動するキャスタ装置３０と、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３とを備え、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動を制御する。

これにより、床反力検出部３３の検出結果に基づいてキャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きに対応することができる。したがって、段差や傾斜のある環境であってもスムースに移動することができるので、従来に比して、段差に対して高い適応性を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、感圧センサ３３ｃからセンサ信号を入力し、入力したセンサ信号に基づいて、前部および後部のキャスタ３１が受けた床反力ＦＦ、ＦＢを算出し、算出した床反力ＦＦ、ＦＢに基づいてリニアアクチュエータ３２を制御する。

これにより、複数の床反力検出部３３の検出結果に基づいて各キャスタ装置３０の駆動が制御されるので、距離センサでは検出しにくい段差や床全体の傾きにさらに好適に対応することができる。したがって、段差に対してさらに高い適応性を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも大きいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。

これにより、両方のキャスタ３１に荷重がかかり過ぎているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦ、ＦＢがいずれも標準床反力ＦＮよりも小さいと判定したときは、両方のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。

これにより、両方のキャスタ３１が浮いているような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。

これにより、車輪型ロボット１００が前傾姿勢または下り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
さらに、本実施の形態では、車輪型ロボット１００は、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御する。

これにより、車輪型ロボット１００が後傾姿勢または上り坂を走行中であるような場合に、車輪型ロボット１００を安定な姿勢に保つことができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、従動輪３１ａの回転軸と直交する方向に回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けられたキャスタ支持軸３１ｃを有するキャスタ３１と、直動軸３２ａを有するリニアアクチュエータ３２とを備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが軸方向に連結されている。

これにより、キャスタ３１およびリニアアクチュエータ３２を軸方向に連結した構成を採用しているので、上下動の範囲を大きくする場合でも、必要トルクがさほど大きくならず、リニアアクチュエータ３２が極端に大型化することがない。また、減速機も必要ない。したがって、大型化および重量の増加を抑制することができる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ装置３０は、キャスタ３１が受けた床反力を検出する床反力検出部３３を備え、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａが床反力検出部３３を介して軸方向に連結されている。

これにより、キャスタ支持軸３１ｃと直動軸３２ａの間に床反力検出部３３が介在しているので、キャスタ３１が受けた床反力を容易に検出することができる。
さらに、本実施の形態では、床反力検出部３３は、複数の貫通穴３３ｄが形成され、その上面に直動軸３２ａが連結された上板３３ａと、その下面にキャスタ支持軸３１ｃが連結された下板３３ｂと、上板３３ａと下板３３ｂの間に配置された感圧センサ３３ｃと、貫通穴３３ｄに挿通され、下板３３ｂにその先端がそれぞれ固定された複数のストリッパボルト３３ｇと、ストリッパボルト３３ｇの軸部を挿通し、ストリッパボルト３３ｇの頭部と上板３３ａの間に介挿された複数のコイルばね３３ｈとを有する。

これにより、キャスタ３１が接地していない場合、コイルばね３３ｈの付勢力により上板３３ａと下板３３ｂの間に間隔が生じにくく、接地時に感圧センサ３３ｃに強い衝撃が加わるのを防止することができる。また、感圧センサ３３ｃとして予圧を必要とする感圧センサを用いる場合、コイルばね３３ｈを強くすることで対応することができる。
さらに、本実施の形態では、床反力検出部３３は、貫通穴３３ｄに嵌挿され、ストリッパボルト３３ｇをそれぞれ嵌挿する複数のリニアブッシュ３３ｆを有する。

これにより、キャスタ支持軸３１ｃが床面に対して垂直な状態に保持されるので、床面に接地したキャスタ３１がキャスタ支持軸３１ｃを軸回りに回転しやすくなる。
さらに、本実施の形態では、キャスタ支持軸３１ｃおよび直動軸３２ａは、高剛性ニードルガイド３５を介して連結されている。
これにより、高剛性ニードルガイド３５により、軸方向に直交する曲げモーメントを受けることができるので、曲げモーメントに対する強度を向上することができる。

上記実施の形態において、車輪支持枠３１ｂは、発明２の車輪支持部に対応し、床反力検出部３３は、発明１ないし３の床反力検出手段に対応し、ステップＳ１０２は、発明３の第１床反力算出手段に対応し、ステップＳ１０６は、発明３の第２床反力算出手段に対応している。また、ステップＳ１１０、Ｓ１１４、Ｓ１１８、Ｓ１２２は、発明１、３ないし７の制御手段に対応している。

〔他の実施の形態〕
なお、上記実施の形態においては、リニアブッシュ３３ｆにストリッパボルト３３ｇを嵌挿し支持したが、これに限らず、リニアブッシュ３３ｆを設けず、ストリッパボルト３３ｇを貫通穴３３ｄに挿通するだけの構成であってもよい。

また、上記実施の形態において、キャスタ支持軸３１ｃを回転可能に車輪支持枠３１ｂに取り付けたが、これに限らず、下板３３ｂに回転可能に取り付けてもよい。
また、上記実施の形態においては、床反力ＦＦが床反力ＦＢよりも大きいと判定したときは、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。

また、上記実施の形態においては、床反力ＦＢが床反力ＦＦよりも大きいと判定したときは、後部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が伸長するようにリニアアクチュエータ３２を制御したが、これに限らず、前部のキャスタ装置３０のキャスタ３１が短縮するようにリニアアクチュエータ３２を制御することもできる。
また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を用いて構成したが、リニアアクチュエータとしては、電気式（電磁式、静電式、圧電式等）、流体圧式（油圧式、水圧式等）、空圧式その他任意の方式のアクチュエータを採用することができる。

また、上記実施の形態においては、リニアアクチュエータ３２を往復直線運動を行うものとして構成したが、これに限らず、一方向にのみ直線運動を行うものとして構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、本発明に係る車輪型ロボットを、車輪型ロボット１００の車輪として適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、台車、荷台、椅子、自転車、車椅子等の車輪として適用することができる。

車輪型ロボット１００の正面図である。 車輪型ロボット１００の側面図である。 キャスタ装置３０の正面図である。 床反力検出部３３の軸方向の断面図である。 車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。 キャスタ装置制御処理を示すフローチャートである。 車輪型ロボット１００が上り坂を走行中である場合を示す図である。

符号の説明

１００ 車輪型ロボット
１０ 基体
２０ 駆動輪
３０ キャスタ装置
３１ キャスタ
３１ａ 従動輪
３１ｂ 車輪支持枠
３１ｃ キャスタ支持軸
３２ リニアアクチュエータ
３２ａ 直動軸
３２ｂ 出力軸面
３３ 床反力検出部
３３ａ 上板
３３ｂ 下板
３３ｃ 感圧センサ
１０ａ、３３ｄ 貫通穴
３３ｅ ボルト穴
３３ｆ リニアブッシュ
３３ｇ ストリッパボルト
３３ｈ コイルばね
３４ フレーム
３４ａ フランジ
３４ｂ ボルト
３５ 高剛性ニードルガイド
３５ａ シャフト
４０ ハンドル
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
５０ 車輪モータ
６０ ＣＰＵ
６１〜６５ Ｉ／Ｆ
７４ 無線通信部

Claims (7)

1. 基体と、前記基体に取り付けられた車輪とを備え、前記車輪の回転により移動する車輪型ロボットであって、
   前記基体の上下方向にキャスタを伸縮駆動するキャスタ装置と、
   前記キャスタが受けた床反力を検出する床反力検出手段と、
   前記床反力検出手段の検出結果に基づいて前記キャスタ装置の駆動を制御する制御手段とを備えることを特徴とする車輪型ロボット。
2. 請求項１において、
   さらに、直動軸を有するリニアアクチュエータを備え、
   前記キャスタは、
   第２車輪と、
   前記第２車輪を回転可能に支持する車輪支持部と、
   前記第２車輪の回転軸と直交する方向を軸方向として前記車輪支持部に取り付けられたキャスタ支持軸とを有し、
   前記キャスタ支持軸および前記直動軸が前記床反力検出手段を介して軸方向に連結されていることを特徴とするキャスタ装置。
3. 請求項１および２のいずれか１項において、
   さらに、前記車輪の前方および後方に設けられた複数の前記キャスタ装置と、
   前記各キャスタ装置のキャスタが受けた床反力を検出する複数の前記床反力検出手段と、
   前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第１床反力を検出する前記床反力検出手段の検出結果に基づいて当該第１床反力を算出する第１床反力算出手段と、
   前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが受けた第２床反力を検出する前記床反力検出手段の検出結果に基づいて当該第２床反力を算出する第２床反力算出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記第１床反力算出手段で算出した第１床反力および前記第２床反力算出手段で算出した第２床反力に基づいて前記各キャスタ装置の駆動を制御することを特徴とする車輪型ロボット。
4. 請求項３において、
   前記制御手段は、前記第１床反力および前記第２床反力がいずれも、前記キャスタが受ける標準的な床反力である標準床反力よりも大きいと判定したときは、前記両キャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御することを特徴とする車輪型ロボット。
5. 請求項３において、
   前記制御手段は、前記第１床反力および前記第２床反力がいずれも、前記キャスタが受ける標準的な床反力である標準床反力よりも小さいと判定したときは、前記両キャスタ装置のキャスタが伸長するようにその駆動を制御することを特徴とする車輪型ロボット。
6. 請求項３において、
   前記制御手段は、前記第１床反力が前記第２床反力よりも大きいと判定したときは、前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御することを特徴とする車輪型ロボット。
7. 請求項３において、
   前記制御手段は、前記第２床反力が前記第１床反力よりも大きいと判定したときは、前記後方に設けられたキャスタ装置のキャスタが伸長し、または前記前方に設けられたキャスタ装置のキャスタが短縮するようにその駆動を制御することを特徴とする車輪型ロボット。

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