JP2011065231A - Mobile body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は移動体に関し、特に倒立二輪型の移動体に関する。 The present invention relates to a moving body, and more particularly to an inverted two-wheeled moving body.
移動体の倒立制御を実現するためには、移動体に対してジャイロセンサ及び加速度センサを組み込むことが一般的である。この場合、移動体に組み込まれるセンサ類は、センサ出力に含まれる誤差、及びセンサ出力の経時的な劣化に対して配慮することが求められる。 In order to realize the inversion control of the moving body, it is common to incorporate a gyro sensor and an acceleration sensor in the moving body. In this case, the sensors incorporated in the moving body are required to consider the errors included in the sensor output and the deterioration of the sensor output over time.
特許文献1には、倒立二輪型の移動体において、車輪に対する車体の傾斜角を高精度に推定する機構が開示されている。具体的には、加速度センサの検出した加速度に基づいて推定された傾斜角と、ジャイロセンサの検出した角速度に基づいて、移動体の線形モデル式をオブザーバとして、車体の傾斜角を推定する手段を有し、車体の傾斜角を推定する場合に、オブザーバゲインKの値を変化させて前記加速度センサによる傾斜角或いは前記ジャイロセンサによる傾斜角に近づける移動体が開示されている。 Patent Document 1 discloses a mechanism for estimating an inclination angle of a vehicle body with respect to a wheel with high accuracy in an inverted two-wheeled moving body. Specifically, a means for estimating the inclination angle of the vehicle body based on the inclination angle estimated based on the acceleration detected by the acceleration sensor and the angular velocity detected by the gyro sensor using the linear model equation of the moving body as an observer. And a movable body that changes the value of the observer gain K to approximate the inclination angle by the acceleration sensor or the inclination angle by the gyro sensor when estimating the inclination angle of the vehicle body.
上述のようにジャイロセンサ及び加速度センサを移動体に対して組み込むことによって、移動体の姿勢制御が行われる。しかしながら、これらのセンサに基づく移動体の姿勢制御は、移動体の路面(接地面)が平坦であることが前提となっている(つまり、路面=鉛直方向に沿う軸線が垂線となる面)。従って、そのような前提条件の下で移動体が傾斜面上を移動する場合には、鉛直方向に沿う軸線(以下、鉛直軸線と呼ぶこともある)に対して傾斜面がなす角度に応じて、車輪に対して本体が前方又は後方に傾き、本体に搭乗している搭乗者に対して不安感を与えてしまうおそれがある。なお、傾斜面とは、鉛直軸線に対して直角以外の角度で交差している路面に相当する。 As described above, the posture control of the moving body is performed by incorporating the gyro sensor and the acceleration sensor into the moving body. However, the posture control of the moving body based on these sensors is based on the premise that the road surface (grounding surface) of the moving body is flat (that is, the road surface = the surface in which the axis along the vertical direction is a perpendicular line). Therefore, when the moving body moves on the inclined surface under such a precondition, depending on the angle formed by the inclined surface with respect to the axis along the vertical direction (hereinafter also referred to as the vertical axis). The main body may be tilted forward or rearward with respect to the wheels, which may cause anxiety to passengers riding on the main body. The inclined surface corresponds to a road surface that intersects the vertical axis at an angle other than a right angle.
上述の説明から明らかなように、路面が傾斜していたとしても、搭乗者が不安感を覚えることを抑制する態様で移動体の姿勢制御を実現することが強く求められている。 As is clear from the above description, there is a strong demand to realize posture control of the moving body in a manner that suppresses the passenger from feeling uneasy even if the road surface is inclined.
本発明に係る移動体は、車輪部に対して本体部が回動可能に連結し、前記車輪部の駆動に応じて前記車輪部に対して前記本体部が倒立した倒立状態となって空間移動する移動体であって、当該移動体が倒立状態のとき、前記車輪部が接地する接地面と前記本体部間の距離を複数個所にて測定し、この測定結果に基づいて前記接地面の平坦性を評価し、当該接地面の平坦性の評価結果に応じて前記車輪部と前記本体部間の相対位置を制御することで倒立状態の当該移動体の姿勢を制御する。この構成を採用することによって、接地面が傾斜していたとしても、搭乗者が不安感を覚えることを抑制する態様で移動体の姿勢制御を実現することができる。 The mobile body according to the present invention is connected to the wheel portion so that the main body portion is rotatable, and the main body portion is turned upside down with respect to the wheel portion in accordance with the driving of the wheel portion. When the moving body is in an inverted state, the distance between the grounding surface to which the wheel unit contacts the ground and the main body is measured at a plurality of locations, and the flatness of the grounding surface is determined based on the measurement result. The posture of the mobile body in the inverted state is controlled by controlling the relative position between the wheel part and the main body part according to the evaluation result of the flatness of the ground contact surface. By adopting this configuration, even when the ground contact surface is inclined, the posture control of the moving body can be realized in a manner that suppresses the passenger from feeling uneasy.
前記接地面の平坦性の評価結果に応じて前記車輪部に対して前記本体部を回動させることで、倒立状態の当該移動体の姿勢を制御する、と良い。部品点数を増加させることなく移動体を実現させることができる。 It is good to control the attitude | position of the said mobile body in an inverted state by rotating the said main-body part with respect to the said wheel part according to the evaluation result of the flatness of the said ground plane. A moving body can be realized without increasing the number of parts.
前記接地面の平坦性の評価結果に応じて、前記接地面に対して交差する軸線に沿って前記車輪部と前記本体部間の相対位置を制御することで、倒立状態の当該移動体の姿勢を制御する、と良い。移動体の姿勢制御を高度に実現することができる。 The posture of the mobile body in an inverted state is controlled by controlling the relative position between the wheel part and the main body part along an axis intersecting the grounding surface according to the evaluation result of the flatness of the grounding surface. Control, and good. The attitude control of the moving body can be realized at a high level.
前記車輪部に対する前記本体部の角速度を検出する第1検出手段と、前記車輪部に対して前記本体部が倒立状態のとき、前記車輪部が接地する接地面と前記本体部間の距離を測定する距離測定手段と、少なくとも前記第1検出手段が検出した前記角速度に応じて当該ロボットの姿勢を制御するための信号を生成すると共に、前記距離測定手段による測定値に基づいて、倒立状態の当該ロボットの姿勢を補正するための信号を生成する信号生成手段と、を備える、と良い。 A first detecting means for detecting an angular velocity of the main body portion with respect to the wheel portion; and measuring a distance between a ground contact surface on which the wheel portion is grounded and the main body portion when the main body portion is in an inverted state with respect to the wheel portion. Generating a signal for controlling the posture of the robot in accordance with at least the angular velocity detected by the first detection unit, and based on a measurement value by the distance measurement unit, And signal generation means for generating a signal for correcting the posture of the robot.
前記第1検出手段は、MEMS技術を活用して製造されたジャイロセンサを含む、と良い。 The first detection means may include a gyro sensor manufactured using a MEMS technology.
前記本体部の加速度を複数の方向にて検出し、検出した加速度に基づいて鉛直方向に対して当該ロボットの固有軸が成す角度を算出する第2検出手段を更に備え、前記信号生成手段は、前記第1及び第2検出手段の出力値に基づいて、当該ロボットの姿勢を制御するための信号を生成する、と良い。 The apparatus further comprises second detecting means for detecting the acceleration of the main body in a plurality of directions, and calculating an angle formed by the natural axis of the robot with respect to the vertical direction based on the detected acceleration. A signal for controlling the posture of the robot may be generated based on the output values of the first and second detection means.
前記距離測定手段の測定値に基づいて、前記第2検出手段が算出した前記角度を補正する、と良い。 The angle calculated by the second detection unit may be corrected based on the measurement value of the distance measurement unit.
本発明によれば、接地面が傾斜していたとしても、搭乗者が不安感を覚えることを抑制する態様で移動体の姿勢制御を実現することができる。 According to the present invention, even if the ground contact surface is inclined, the posture control of the moving body can be realized in a manner that suppresses the passenger from feeling uneasy.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Each embodiment is simplified for convenience of explanation. Since the drawings are simple, the technical scope of the present invention should not be interpreted narrowly based on the drawings. The drawings are only for explaining the technical matters, and do not reflect the exact sizes or the like of the elements shown in the drawings. The same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Words indicating directions such as up, down, left, and right are used on the assumption that the drawing is viewed from the front.
[第1実施形態]
以下、図1乃至図12を参照して本発明の第1実施形態について説明する。図1は、倒立二輪型ロボットの概略的な斜視図である。図2は、倒立二輪型ロボットの概略的なブロック図である。図3は、平坦面を移動する倒立二輪型ロボットの概略的な模式図である。図4は、傾斜面を移動する倒立二輪型ロボットの概略的な模式図である。図5は、倒立二輪型ロボットに設定される軸線を示す概略的な説明図である。図6は、倒立二輪型ロボットの傾斜面の検出方法を示す説明図である。図7は、倒立二輪型ロボットの車体傾斜角度の検出方法を示す説明図である。図8及び図9は、倒立二輪型ロボットの概略的な底面図である。図10は、倒立二輪型ロボットの方向転換動作を示す説明図である。図11及び図12は、倒立二輪型ロボットの動作を示す概略的なフローチャートである。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view of an inverted two-wheeled robot. FIG. 2 is a schematic block diagram of an inverted two-wheeled robot. FIG. 3 is a schematic diagram of an inverted two-wheeled robot that moves on a flat surface. FIG. 4 is a schematic diagram of an inverted two-wheeled robot that moves on an inclined surface. FIG. 5 is a schematic explanatory diagram showing axes set for the inverted two-wheeled robot. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a method of detecting an inclined surface of an inverted two-wheeled robot. FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a method of detecting the vehicle body tilt angle of the inverted two-wheeled robot. 8 and 9 are schematic bottom views of the inverted two-wheeled robot. FIG. 10 is an explanatory view showing the direction changing operation of the inverted two-wheeled robot. 11 and 12 are schematic flowcharts showing the operation of the inverted two-wheeled robot.
図1に示すように、倒立二輪型ロボット(移動体)100は、本体部210、及び車輪部220を有する。本体部210は、座席部211、一組の肘掛部212、及び足台部213を有する。肘掛部212の先端部分には、ボールコントローラ215が設けられている。本体部210内には、各種センサ、マイコン、電源、及びリンク機構等の様々な電気/機械コンポーネントが内蔵されているものとする。
As shown in FIG. 1, the inverted two-wheeled robot (moving body) 100 includes a
倒立二輪型ロボット100(以下、単にロボット100と呼ぶ場合もある)の搭乗者は、座席部211に着座した状態でボールコントローラ215を操作する。ロボット100は、搭乗者によるボールコントローラ215の操作に応じて動作する。例えば、操縦者がボールコントローラ215を前方に回転させると、ロボット100は倒立状態を維持したまま前方に移動する。また、操縦者がボールコントローラ215を右に回転させると、倒立状態を維持したままロボット100はその場に居ながら右回転する。なお、ロボット100は、搭乗者によるスタートスイッチのスイッチオンに応じて、自動的に倒立状態になるものとする。
An occupant of the inverted two-wheeled robot 100 (hereinafter sometimes simply referred to as the robot 100) operates the
車輪部220に対して本体部210は、x軸に沿う方向(ピッチ方向)へ揺動可能に構成されている。車輪部220に対して本体部210は、y軸に沿う方向(ロール方向)へ揺動可能に構成されていない。なお、図1に示すz軸方向は、鉛直方向に一致する。
The
図2に示すように、ロボット100は、指示入力部(入力手段)10、加速度検出部(検出手段)11、角速度検出部(検出手段)12、距離測定部(距離測定手段)13、エンコーダ部(検出手段)14、メモリ(記憶手段)15、コントローラ(信号生成手段)20、及び駆動部(駆動手段)30を有する。駆動部30は、加算部31、モータアンプ部32、シャント抵抗部33、トルク計算部34、及びモータ部35を有する。なお、車輪部220を構成する一組の車輪に対応して、一組の駆動部30が設けられているものとする。
As shown in FIG. 2, the
ロボット100は、指示入力部10から出力されるデジタル値V0、加速度検出部11から出力されるデジタル値V1、角速度検出部12から出力されるデジタル値V2、距離測定部13から出力されるデジタル値V3、エンコーダ部14から出力されるデジタル値V4に基づいて、駆動部30(車輪部220)を駆動し、倒立状態を維持しながら、所望の方向へ移動し、又はその場に居ながら旋回する。本実施形態においては、ロボット100が倒立状態となった後、距離測定部13の測定値に基づいて、車輪部220に対する本体部210のピッチ方向の角度を補正する。この構成を採用することによって、路面(接地面)が傾斜していたとしても、車輪部220に対する本体部210の傾きを適正に保ち、搭乗者が不安を覚えることを効果的に抑制することができる。
The
指示入力部10は、ロボット100の操縦者の操作指示の入力を受け付け、入力された操作指示に対応する指令値V0を生成する。指示入力部10で生成された指令値V0は、コントローラ20に伝送される。なお、指示入力部10は、図1に示すボールコントローラ215に対応する。
The
加速度検出部11は、x軸、z軸方向の加速度を検出し、次の計算式を実行して傾斜角値V1を生成する。
The
V1=Atan(Gx/Gz)
但し、A:任意の定数、Gx:x軸方向の加速度、Gz:z軸方向の加速度とする。
V1 = Atan (Gx / Gz)
However, A is an arbitrary constant, Gx is acceleration in the x-axis direction, and Gz is acceleration in the z-axis direction.
加速度検出部11は、各軸に対応して加速度センサを有する。加速度センサの出力は、ローパス回路に接続される。ローパス回路の出力は、演算回路に接続される。加速度センサは、MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)を活用したセンサである。ローパス回路は、加速度センサの出力波形の高周波成分を除去し、その低周波成分を通過させる。演算回路は、ローパス回路の出力に基づいて上述の演算式を実行し、演算により求めた傾斜角値V1を出力する。なお、傾斜角値V1は、傾斜角度を示すデジタル値である。なお、加速度センサは、本体部210の中心に対して1個搭載される。本体部210の中心から相対的な距離が把握できる位置に加速度センサを配置しても良い。
The
角速度検出部12は、本体部210のx軸方向の角速度を検出して出力する。具体的には、角速度検出部12は、ジャイロセンサで角速度を検出し、これを出力する。
The
角速度検出部12は、機械式、ガス式、光学式等のタイプがある。角速度検出部12は、例えば、MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems)を活用したジャイロセンサを有する。ジャイロセンサは、半導体プロセス技術を活用して、半導体、ガラス等の基板上に3次元構造を高精細に形成して製造される。ジャイロセンサは、基板上に配置された振動体の空間的な変位を電気的に検出することによって、コリオリの力を電気的に検出する。例えば、ジャイロセンサは、振動体を振動状態とし、振動体と検出電極間の容量値の変化を検出することによって、コリオリの力を電気的に検出する。なお、ジャイロセンサの具体的な構造、コリオリの力の検出方法は任意である。角速度検出部12からコントローラ20へ角速度値V2が伝送される。なお、ジャイロセンサは、本体部210の中心に対して、X、Y、Z軸の3軸夫々に対応して搭載される。
The angular
距離測定部13は、本体部210の下面と路面間の距離を複数個所にて測定し、検出した距離を距離値V3としてコントローラ20に対して出力する。距離測定部13の具体的な構成は任意である。例えば、距離測定部13は、TOF(Time Of Flight)方式によって距離を測定する。距離測定部13は、複数の測距センサユニット、複数の信号処理回路を有する。光学的方式を採用する場合、センサユニットは、発光素子、受光素子のペアから構成される。信号処理回路は、発光素子を駆動したタイミングと受光素子で信号光を受光したタイミング間の時間差に基づいて所定の演算を行い、距離を算出する。
The
エンコーダ部14は、一組の車輪部220に対応付けられた一組のエンコーダ部から構成される。右輪に対応するエンコーダは、右輪の相対的な回転量を検出し、回転量に応じたエンコーダ値(カウント値)V4を出力する。左輪に対応するエンコーダも同様である。なお、エンコーダの具体的な構成は任意である。例えば、光学式又は磁気式エンコーダのいずれかを採用しても良い。光学式エンコーダの場合、エンコーダは、車輪に設けられた回転体の外周領域に形成されたスリットの数を光学的に検出し、スリット数に応じたカウント値を出力する。磁気式エンコーダの場合、エンコーダは、上述の回転体の外周領域に順次配置された磁石の個数を磁気的に検出し、磁石数に応じたカウント値を出力する。
The
メモリ15は、一般的な半導体メモリであり、コントローラ20に対して接続している。メモリ15は、各種の設定値を保持する。
The
コントローラ20は、値V0〜V4に基づいて、駆動部30を制御する。具体的には、コントローラ20は、値V0〜V4に基づいて制御値V10を生成し、これを駆動部30へ出力する。コントローラ20は、CPU(Central Processing Unit)等によってプログラムが実行されることにより実現される。
The
コントローラ20の動作については、図11及び図12に示すフローチャートにて詳述する。
The operation of the
駆動部30は、制御値V10に基づいてロボット100を駆動する。具体的には、次のとおりである。
The
加算部31は、制御値V10とトルク値V20に基づいて指令値V25を生成する。制御値V10、トルク値V20らのデジタル値は、加算部31で加算されて指令値V25となる。指令値V25は、制御値V10の絶対値とトルク値V20の絶対値間の差分値に対応する。制御値V10は、モータ部35に発生している現在のトルクを無視して算出される。モータ部35で発生している現在のトルクに応じた値を有するトルク値V20を制御値V10から差し引くことによって、意図したトルクを発生させることが可能になる。
The
モータアンプ部32は、指令値V25に応じた値の駆動電圧を生成し、モータ部35へ出力する。時間的に連続して指令値V25が入力するため、モータアンプ部32からモータ部35へは時間的に電圧値が変動する電圧波形が供給される。
The
モータ部35は、入力される電圧波形に応じて動力を生成する。モータ部35で生成された動力は、車輪部220に供給される。
The
モータアンプ部32とモータ部35間に接続されたシャント抵抗部33で検出される電流値に基づいてトルク計算部34はトルクを計算する。トルク計算部34は、計算したトルクをトルク値V20として加算部31へ出力する。
The
図3に示すように、ロボット100は、平坦面上にて倒立状態を維持する。図4に示すように、ロボット100は、傾斜面上にて倒立状態を維持する。図3に示すとき、コントローラ20は、角速度検出部12の出力値V2を加速度検出部11の出力値V1に対して引き戻すように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。図4に示すとき、コントローラ20は、後述のフローによって、本体部210のピッチ方向の傾斜を補正するように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。
As shown in FIG. 3, the
なお、図3及び図4に示すように、距離測定部13が有するセンサユニット13a、13bは、本体部210の下面に設けられる。なお、本体部210に対するセンサユニット13a、13bの具体的な取り付け方法は任意である。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図5に示すように、ロボット100の移動空間には、鉛直方向に沿って延在する軸線X1、軸線X1に対して直交する軸線X3が設定されている。また、ロボット100には、ロボット100の固有軸である軸線X2、軸線X2に対して直交する軸線X4が設定されている。なお、軸線X2は、車輪部220を構成する一組の車輪に共通する回転軸に対して直交する軸線である。
As shown in FIG. 5, in the movement space of the
上述のように、角速度検出部12の出力値V2を加速度検出部11の出力値V1に対して引き戻す(一致させる)ように駆動部30を駆動することによって、軸線X4が軸線X3に対して一致するようにロボット100は制御される。換言すると、同様にして、軸線X3と軸線X4とが成す角度θ1が零に近付くようにロボット100は制御される。
As described above, by driving the
また、同様に駆動部30を駆動することによって、軸線X2が軸線X1に対して一致するようにロボット100は制御される。換言すると、軸線X1と軸線X2とが成す角度θ2が零に近付くようにロボット100は制御される。なお、角速度検出部12の出力値V2のみではなく、加速度検出部11の出力値V1をも考慮して姿勢制御を行うことによって、ロボット100の動作を安定化することができる。
Similarly, by driving the
ところで、加速度検出部11の出力値は、本体部210に対する加速度センサの取付け精度に影響され、また、加速度センサ内の構成部材の磨耗等によって経時的に劣化してしまうという問題がある。従って、ロボット100を高精度に姿勢制御するためには、加速度検出部11の出力値の補正が必要になる。
By the way, the output value of the
また、加速度検出部11の出力値から、路面の傾斜と、車輪部220に対する本体部210の傾きとを区別することができない。したがって、図4に示す場合、角速度検出部12の出力値V2を加速度検出部11の出力値V1に対して引き戻すように駆動部30を制御することはロボット100の挙動を不安定化させ、ロボット100に搭乗している搭乗者に不安感を与えてしまう。
Further, from the output value of the
本実施形態では、距離測定部13の出力値に基づいてロボット100の姿勢制御を実行することによって、路面が傾斜している場合であってもロボット100の姿勢を適切に制御することができる。これによって、操縦者に不安感を与えることを抑制しつつ、ロボット100を傾斜面においても移動可能とすることができる。
In the present embodiment, by performing posture control of the
図6に示すように、距離測定部13は、センサユニット13aと路面間の距離L1を検知し、かつ、センサユニット13bと路面間の距離L2を検知する。コントローラ20は、距離値V3として入力される距離L1、L2に基づいて、路面が傾斜しているか否かを判定する。距離L1と距離L2間の差分値が所定値以上であれば、路面が傾斜しているものと判定することができる。また、コントローラ20は、距離値V3として入力される距離L1、L2に基づいて、軸線X3に対して路面がなす傾斜角θ3を算出することができる。なお、センサユニット13a、13b間の間隔は既知であり、メモリ15にストアされているものとする。
As shown in FIG. 6, the
コントローラ20は、図6で説明した手法により算出した値に基づいて軸線X1に対して軸線X2が成す角度を補正する。例えば、傾斜角θ3の値が所定値よりも大きい場合には、本体部210が前方に傾斜しすぎている状態と判断できる。この場合、コントローラ20は、距離測定部13の出力値V3に基づいて、傾斜角θ3の値が小さくなるように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。傾斜角θ3の値が所定値よりも小さい場合、本体部210は後方に傾斜しすぎている状態と判断できる。この場合、コントローラ20は、距離測定部13の出力値V3に基づいて、傾斜角θ3の値が大きくなるように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。
The
なお、図7に示すように、距離測定部13は、センサユニット13aと路面間の距離L1を検知し、かつ、センサユニット13bと路面間の距離L2を検知する。コントローラ20は、L1とL2間の差分値Δhを算出する(つまり、Δh=L1−L2を実行する)。そして、コントローラ20は、次の演算式を実行する。このようにして、コントローラ20は、車体傾斜角度(軸線X1と軸線X2とが成す角度)を算出することができる。
As shown in FIG. 7, the
atanθ4=|Δh|/L3
但し、L3は、センサユニット13aとセンサユニット13b間の配置間隔である。
atan θ4 = | Δh | / L3
However, L3 is an arrangement interval between the
加速度検出部11の出力値は、加速度センサの取付け精度に依存し、かつ、経時的に劣化してしまう場合がある。図7に示すように、距離測定部13の出力に基づいて軸線X1に対する軸線X2の傾斜角度を算出することによって、加速度検出部11の出力値V1を補正することが可能になる。具体的には、軸線X1と軸線X2とが成す角度値と加速度検出部11の出力値の差分値を補正値としてメモリ15にストアしておくと良い。そして、メモリ15にストアされた補正値を用いて、角速度検出部12の出力値V2を補正すると良い。これによって、加速度センサに盛り込まれたゼロ点ズレの影響を抑制し、ロボット100が自身の姿勢を高精度に制御することが可能になる。
The output value of the
距離測定部13が有するセンサユニットの個数は2以上であれば良く、その個数は任意である。例えば、図8に示すように、x軸に沿って離間して2つのセンサユニットを配置しても良い。また、図9に示すように、x軸に沿って離間した2つのセンサユニットの組をy軸に沿って2つ配置しても良い。図9に示すように4つのセンサユニットを配置することによって、センサユニットの故障等に対する耐性を高めることができる。
The number of sensor units included in the
図9に示すように、センサユニット13a、13dを一組とし、センサユニット13b、13cを一組とすることによって、xy平面における傾斜を検知することができる。このとき、図10に示すように、ロボット100の旋回機能によってロボット100のピッチ方向と路面の傾斜方向とを一致させ、この状態で本体部210をピッチ方向に傾斜させることによってロボット100の安定性を効果的に高め、搭乗者が不安感を抱くことを効果的に抑制することができる。
As shown in FIG. 9, the
次に、図11及び図12を参照して、ロボット100の動作について説明する。なお、本実施形態では、センサユニットは、図9に示すように配置されているものとする。
Next, the operation of the
まず、倒立制御を開始する(S101)。具体的には、コントローラ20は、加速度検出部11の出力値V1、及び角速度検出部12の出力値V2に基づいて、ロボット100の固有軸に一致する軸線X2が鉛直方向に沿う軸線X1に対して一致するように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。
First, the inversion control is started (S101). Specifically, the
次に、状態値を取得する(S102)。具体的には、コントローラ20は、ある時点における加速度検出部11の出力値V1と角速度検出部12の出力値V2とを取得する。つまり、加速度センサから求まるロボットの姿勢を示す値(姿勢値)、及びジャイロセンサから求まるロボットの姿勢を示す値(姿勢値)を取得する。
Next, a state value is acquired (S102). Specifically, the
次に、状態値の差が許容範囲か否かを判定する(S103)。具体的には、コントローラ20は、取得した出力値V1と出力値V2の差分値を求め、この差分値が所定値以下か否かを判定する。状態値の差が許容範囲内である場合、ロボット100は、加速度検出部11の出力値V1及び角速度検出部12の出力値V2に基づいて倒立制御をする。
Next, it is determined whether or not the state value difference is within an allowable range (S103). Specifically, the
状態値V1とV2の差が許容範囲外である場合、車体下面と路面間距離を測定する(S104)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13に対して距離測定を指示する。距離測定部13は、コントローラ20の指示に基づいて、本体部210と設置面間の距離L1、L2を複数の箇所にて測定し、この測定値をコントローラ20に対して出力する。
When the difference between the state values V1 and V2 is outside the allowable range, the distance between the lower surface of the vehicle body and the road surface is measured (S104). Specifically, the
次に、路面は平坦か否かを判定する(S105)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13から伝送される距離値V3に基づいて、図6を参照して説明した方法により路面が平坦か否かを判定する。
Next, it is determined whether or not the road surface is flat (S105). Specifically, the
路面が平坦でない場合には、ピッチ方向の傾き補正処理を実行する(S106)。このステップについては、図12を参照して説明する。 If the road surface is not flat, an inclination correction process in the pitch direction is executed (S106). This step will be described with reference to FIG.
路面が平坦の場合には、加速度センサに対して校正処理を実施し(S107)補正値を算出してストアする(S108)。具体的には、コントローラ20は、図5を参照して説明した方法により軸線X2が軸線X1に対して成す角度θ2を算出し、算出した角度と加速度検出部11の出力値V1との差分を求め、これをオフセット値としてメモリ15にストアする。なお、メモリ15にオフセット値がストアされているとき、コントローラ20は、加速度検出部11の出力値をオフセット値に基づいて補正し、補正後の値に基づいて姿勢制御を行う。
If the road surface is flat, the acceleration sensor is calibrated (S107), a correction value is calculated and stored (S108). Specifically, the
図12を参照して、S106の詳細について説明する。 Details of S106 will be described with reference to FIG.
はじめに、傾斜方向がピッチ方向か否かを判定する(S110)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13の出力値V3に基づいて路面の傾斜方向がピッチ方向であるか否かを判定する。
First, it is determined whether or not the tilt direction is the pitch direction (S110). Specifically, the
路面の傾斜方向がピッチ方向ではない場合、ロボット100は、平面内で90°旋回する(S111)。具体的には、ロボット100は、図10に示すように旋回する。これによって、路面の傾斜方向に対してロボットのピッチ方向が一致する。
If the slope direction of the road surface is not the pitch direction, the
次に、ピッチ方向に角度θだけ傾き補正する(S112)。具体的には、コントローラ20は、指定された角度θだけ、ロボット100の固有軸である軸線X2が傾くように駆動部30を制御するための制御値V10を生成する。初回時、角度θ=0度と初期設定されている。従って、初回、何らの制御も行われることはない。
Next, the inclination is corrected by an angle θ in the pitch direction (S112). Specifically, the
次に、車体下面と路面間距離を測定する(S113)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13に対して距離測定を指示する。距離測定部13は、コントローラ20の指示に基づいて、本体部210と設置面間の距離を複数の箇所にて測定し、この測定値をコントローラ20に対して出力する。
Next, the distance between the lower surface of the vehicle body and the road surface is measured (S113). Specifically, the
次に、傾斜角θ3を算出する(S114)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13の出力値V3に基づいて、図6を参照して説明した方法により傾斜角θ3を算出する。
Next, the inclination angle θ3 is calculated (S114). Specifically, the
次に、傾斜角θ3が許容範囲内か否かを判定する(S116)。具体的には、コントローラ20は、メモリ15に予め格納された上限値と下限値と傾斜角θ3との比較に基づいて、傾斜角θ3が許容範囲内か否かを判定する。
Next, it is determined whether or not the inclination angle θ3 is within an allowable range (S116). Specifically, the
傾斜角θ3が許容範囲内の場合には、そのまま処理を終了する。 If the inclination angle θ3 is within the allowable range, the process is terminated as it is.
傾斜角θ3が許容範囲外の場合には、角度を指定する(S116)。具体的には、コントローラ20は、傾斜角θ3の値に応じて定まる角度θをメモリ15からリードし、リードした値をS112の補正処理で参照される角度θとして指定する。そして、上述のステップS112に戻る。今回のS112では、角度θはメモリ15からリードした値に指定されている。従って、コントローラ20は、指定された角度θ(メモリ15からリードされた値)だけ、ロボット100の固有軸である軸線X2が傾くように駆動部30を制御する制御値V10を生成する。このようにして軸線X2は、路面の傾斜状態を踏まえて、搭乗者が不安感を抱くことを抑制するように修正される。S116、S112の後は、S113、S114が同様にして行われる。
If the inclination angle θ3 is outside the allowable range, the angle is designated (S116). Specifically, the
なお、S110にて傾斜方向=ピッチ方向である場合には、S113に推移する。図11及び図12に示すフローは非常に短いサイクルで実行される。従って、ロボット100が比較的早い速度で移動している場合であっても、その路面の傾斜角の変化に応じて、適宜、ロボット100の姿勢制御を行うことができる。また、傾斜面におけるロボット100の旋回動作も安定化させることが可能になる。
If the tilt direction = pitch direction in S110, the process proceeds to S113. The flow shown in FIGS. 11 and 12 is executed in a very short cycle. Therefore, even when the
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、距離測定部13の出力に基づいて、路面の傾斜の程度を評価し、この評価結果に応じて、ロボット100の本体部210をピッチ方向へ回動させ、搭乗者が不安感を感じることを抑制する。これによって、ロボット100を平坦面以外でも使用可能とすることができ、その適用範囲を効果的に拡大することができる。
As is apparent from the above description, in this embodiment, the degree of road surface inclination is evaluated based on the output of the
また、本実施形態では、距離測定部13の出力に基づいて角速度検出部12の出力を補正可能とする。これによって、角速度検出部12の出力に含まれる誤差、その経時的な劣化を補正することができ、効果的にロボット100の姿勢制御を高度化することができる。例えば、ロボット100が垂直に倒立していると判断しているときに、実際には、ロボット100が傾斜しているという事態が生じることを効果的に回避することができる。
In the present embodiment, the output of the angular
[第2実施形態]
以下、図13乃至図18を参照して本発明の第2実施形態について説明する。図13は、倒立二輪型ロボットの概略的なブロック図である。図14は、倒立二輪型ロボットの概略的な模式図である。図15は、倒立二輪型ロボットの昇降装置の概略的な構成を示す分解模式図である。図16は、倒立二輪型ロボットの昇降装置の概略的な構成を示す模式図である。図17は、倒立二輪型ロボットの動作を示す概略的なフローチャートである。図18は、倒立二輪型ロボットの動作を示す概略的なフローチャートである。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a schematic block diagram of an inverted two-wheeled robot. FIG. 14 is a schematic diagram of an inverted two-wheeled robot. FIG. 15 is an exploded schematic view showing a schematic configuration of the lifting device of the inverted two-wheeled robot. FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the lifting device of the inverted two-wheeled robot. FIG. 17 is a schematic flowchart showing the operation of the inverted two-wheeled robot. FIG. 18 is a schematic flowchart showing the operation of the inverted two-wheeled robot.
本実施形態では、第1実施形態で説明した機能に加えて、ロボット100は、本体部210と車輪部220との間の鉛直方向における相対位置が調整可能に構成されている。これにより、仮に、路面がロール方向(横方向)に傾斜していたとしても、ロボット100を旋回させることなく、その姿勢を補正することによって、搭乗者が不安感を覚えることを効果的に抑制することができる。また、本実施形態においても、第1実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, in addition to the functions described in the first embodiment, the
図13に示すように、ロボット100は、駆動部36を備える。駆動部36は、コントローラ20によって制御される。駆動部36により昇降機構が駆動されることにより、本体部210と車輪部220間の鉛直方向における間隔が調整される。
As shown in FIG. 13, the
図14に示すように、ロボット100は、軸240を有する。軸240は、軸240a〜240cから構成される。軸240aは、y軸に沿って延在する軸部材である。軸240b、240cは、z軸に沿って延在する軸部材であり、軸240aの各端部に対して連結している。
As shown in FIG. 14, the
車輪部220aは、軸240bに対して昇降可能に係合している。車輪部220aは、z軸方向において軸240b上にて可変である。換言すると、z軸方向における車輪部220aと本体部210間の相対位置は調整可能に構成されている。
The
車輪部220bは、軸240cに対して移動可能に係合している。車輪部220bは、z軸方向において軸240c上にて可変である。換言すると、z軸方向における車輪部220aと本体部210間の相対位置は調整可能に構成されている。なお、一組の車輪部220a、220bによって車輪部220が構成されている。
The
z軸方向において車輪部220と本体部210との間の間隔を可変とする具体的な機構は任意である。例えば、図15及び図16に示すような機構を採用すると良い。
A specific mechanism for changing the distance between the
図15及び図16に示すように、車輪部220aと軸240b間の係合部分には、車輪50、駆動モータ51、マウント52、リードスクリュー53、及び駆動モータ54が配される。車輪50は、一般的な車輪である。駆動モータ51は、車輪50に対して回転軸を介して連結されている。駆動モータ51で生じる回転力に応じて車輪50は回転する。マウント52は、駆動モータ51を収納する。また、マウント52の外面には、リードスクリュー53の山と噛み合わされる溝が設けられている。リードスクリュー53は、z軸を長手方向とする部材であり、その表面には螺旋状に形成された凸部が設けられている。駆動モータ54は、リードスクリュー53に対して連結されている。駆動モータ54で生じる回転力に応じてマウント52はz軸方向に変位する。マウント52と共に、駆動モータ51、車輪50がz軸方向に変位する。なお、リードスクリュー53は、軸240bに一致する。車輪部220は、車輪50、駆動モータ51、及びマウント52を含んで構成される。
As shown in FIGS. 15 and 16, the
図17及び図18を参照してロボット100の動作について説明する。
The operation of the
図17に示すように、本実施形態では、第1実施形態とは異なり、ロール方向の傾き補正処理(S120)を実行する。 As shown in FIG. 17, in the present embodiment, unlike the first embodiment, a roll direction inclination correction process (S120) is executed.
図14を参照しつつ、図18を参照してロール方向の傾き補正処理について説明する。なお、予め操縦者の指令(指令値V0)に基づいて、Δh=0となるようにロボット100は設定されているものとする。
With reference to FIG. 14, the roll direction inclination correction processing will be described with reference to FIG. It is assumed that the
まず、今回のΔhを算出する(S131)。具体的には、コントローラ20は、距離測定部13の出力値V3に基づいて図14で説明したようにΔhを算出する。より詳細には、コントローラ20は、L1−L2=Δhを算出する。
First, the current Δh is calculated (S131). Specifically, the
次に、前回、算出したΔhをリードする(S132)。具体的には、コントローラ20は、メモリ15から前回算出したΔhをリードする。なお、コントローラ20は、所定のルールに従って、Δhをメモリ15にストアするものとする。例えば、連続的に傾斜面をロボット100が移動している場合には、S132では、5秒前に取得したΔhがリードされる。
Next, the previously calculated Δh is read (S132). Specifically, the
次に、今回のΔhと前回のΔhとの差分値を求める(S133)。具体的には、コントローラ20は、今回算出したΔhとメモリ15からリードしたΔhとを比較し、両者の差分値を求める。
Next, a difference value between the current Δh and the previous Δh is obtained (S133). Specifically, the
次に、差分値が所定範囲内か否かを判定する(S134)。具体的には、S133により求めた差分値が所定の範囲内か否かを判定する。なお、上限値、下限値はメモリ15に予めストアされており、コントローラ20は、それらの値をメモリ15からリードし、差分値との比較を行うことにより、差分値が所定範囲内か否かを判定すると良い。
Next, it is determined whether or not the difference value is within a predetermined range (S134). Specifically, it is determined whether or not the difference value obtained in S133 is within a predetermined range. Note that the upper limit value and the lower limit value are stored in advance in the
差分値が所定範囲内の場合には処理を終了する。この場合には、路面の傾斜の変化が少ないと判断することができるためである。 If the difference value is within the predetermined range, the process is terminated. In this case, it can be determined that there is little change in the slope of the road surface.
差分値が所定範囲外の場合には、昇降動作を実行する(S135)。具体的には、コントローラ20は、差分値の値に応じて、ロボット100の安定性を向上させるように駆動部36を制御するための制御値V30を生成する。そして、駆動部36は、制御値V30に応じて、図15及び図16に示す駆動モータ54を駆動し、リードスクリュー53を回転させ、マウント52をz軸方向に変位させる。これによって、車輪50がz軸に沿って変位し、車輪50と本体部210間の配置間隔が変更される。これによって、路面の傾斜状態に応じて、例えば、図14に示すように、車輪部220bを本体部210側へ移動させ、ロボット100のロール方向の安定性をその場に居ながら高めることができる。
If the difference value is out of the predetermined range, the lifting / lowering operation is executed (S135). Specifically, the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。ロボット100の具体的な構成は任意である。ロボット100が具備する機能は、ソフトウェアで実現しても、ハードウェアで実現しても良い。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. The specific configuration of the
100 倒立二輪型ロボット
210 本体部
211 座席部
212 肘掛部
213 足台部
215 ボールコントローラ
220 車輪部
240 軸
10 指示入力部
11 加速度検出部
12 角速度検出部
13 距離測定部
14 エンコーダ部
15 メモリ
20 コントローラ
30 駆動部
31 加算部
32 モータアンプ部
33 シャント抵抗部
34 トルク計算部
35 モータ部
36 駆動部
V0 指令値
V1 傾斜角値
V2 角速度値
V3 距離値
V10 制御値
V20 トルク値
V25 指令値
V30 制御値
100 Inverted two-wheeled robot
210
DESCRIPTION OF
V0 Command value V1 Inclination angle value V2 Angular velocity value V3 Distance value V10 Control value V20 Torque value V25 Command value V30 Control value
Claims (7)
当該移動体が倒立状態のとき、前記車輪部が接地する接地面と前記本体部間の距離を複数個所にて測定し、
この測定結果に基づいて前記接地面の平坦性を評価し、当該接地面の平坦性の評価結果に応じて前記車輪部と前記本体部間の相対位置を制御することで倒立状態の当該移動体の姿勢を制御する、移動体。 A main body is rotatably connected to a wheel portion, and a moving body that moves in space in an inverted state in which the main body portion is inverted with respect to the wheel portion according to driving of the wheel portion,
When the moving body is in an inverted state, measure the distance between the grounding surface on which the wheel unit is grounded and the main body at a plurality of locations,
The flatness of the ground contact surface is evaluated based on the measurement result, and the movable body in an inverted state is controlled by controlling the relative position between the wheel portion and the main body portion according to the flatness evaluation result of the ground contact surface. A moving body that controls the posture of the body.
前記車輪部に対して前記本体部が倒立状態のとき、前記車輪部が接地する接地面と前記本体部間の距離を測定する距離測定手段と、
少なくとも前記第1検出手段が検出した前記角速度に応じて当該ロボットの姿勢を制御するための信号を生成すると共に、前記距離測定手段による測定値に基づいて、倒立状態の当該ロボットの姿勢を補正するための信号を生成する信号生成手段と、
を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の移動体。 First detecting means for detecting an angular velocity of the main body part with respect to the wheel part;
When the main body is in an inverted state with respect to the wheel portion, distance measuring means for measuring a distance between the ground surface on which the wheel portion is grounded and the main body portion;
A signal for controlling the posture of the robot is generated according to at least the angular velocity detected by the first detection unit, and the posture of the robot in an inverted state is corrected based on a measurement value by the distance measurement unit. Signal generating means for generating a signal for
The moving body according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
前記信号生成手段は、前記第1及び第2検出手段の出力値に基づいて、当該ロボットの姿勢を制御するための信号を生成することを特徴とする請求項4又は5に記載の移動体。 A second detector for detecting the acceleration of the main body in a plurality of directions and calculating an angle formed by the natural axis of the robot with respect to the vertical direction based on the detected acceleration;
The moving body according to claim 4 or 5, wherein the signal generation unit generates a signal for controlling the posture of the robot based on output values of the first and second detection units.
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Cited By (2)
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-
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