JP2012240661A

JP2012240661A - 移動体

Info

Publication number: JP2012240661A
Application number: JP2011116280A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takagi; 健高木; Yutaro Nakagawa; 雄大朗仲川; Idaku Ishii; 抱石井
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】簡単な構造を備えるだけで、本体を大きく傾斜させることなく、段差を昇降することができる移動体を提供する。
【解決手段】軸３は、本体１に対して回転可能に連結され本体１を支持する。モータは、軸３を回転駆動する。プーリ４は、軸３に固定されている。軸７は、ホイール２を回転させる。プーリ６は、軸７に固定されプーリ４よりも半径が大きい。ベルト５は、プーリ４と、プーリ６とを連結する。アーム８は、プーリ４と、プーリ６とをベルト５と並行して連結し、ホイール２の半径よりも短い。
【選択図】図２

Description

本発明は、車輪走行により移動する移動体に関する。

従来より、車輪走行により移動する移動体として、倒立振子型のロボットが知られている。倒立振子とは、棒を垂直に立たせる振子のことである。倒立振子では、支点を移動させることにより、その姿勢を安定化させている。

倒立振子型のロボットは、形状が縦型であるため狭い空間も通り抜けられるうえ、機械的構造や制御系が単純であることから、人間の生活環境で活躍するロボットとして注目されている。

倒立振子型のロボットが苦手としているのが段差である。倒立振子型のロボットでは、段差により一時的に回転が停止した車輪を上段に上げるためには、本体を大きく傾ける必要があるため、転倒の可能性が大きくなる。

そこで、転倒せずに倒立振子型のロボットで段差を移動できるものとして、脚に車輪を取り付けたロボットや、特殊車輪を用いているロボットが提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。また、段差に強い段差走行公転車輪なども提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２１０５７７号公報

松本治：脚車輪型ロボットの動的段差・階段昇降に関する研究、機械技術研究所報告，Ｎｏ．１８１，１９９９高木健、稲垣詠一：特殊車輪を有する倒立振子型ロボットの段差・斜面の走行制御、日本機械学会ロボティックス・メカトロニクス講演会’０２講演論文集、２Ｐ２−Ｅ０２，２００２

しかしながら、これまでに開示された、段差を移動できる移動体は、構造が複雑であり、これにより、車体が重くなるなどの不都合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造を備えるだけで、本体を大きく傾斜させることなく、段差を昇降することができる移動体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の移動体は、
本体と、
前記本体に回転可能に連結され前記本体を支持する第１の回転軸と、
前記第１の回転軸を回転駆動するモータと、
前記第１の回転軸に固定された第１のプーリと、
車輪と、
前記車輪を回転させる第２の回転軸と、
前記第２の回転軸に固定され前記第１のプーリよりも半径が大きい第２のプーリと、
前記第１のプーリと、前記第２のプーリとを連結するベルトと、
前記第１のプーリと、前記第２のプーリとを前記ベルトと並行して連結する前記車輪の半径よりも短いアームと、
を備える。

この場合、前記本体の重心位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記重心が前記車輪の地面への接触点の鉛直線上に位置するように、前記モータの出力トルクを制御する制御部と、
をさらに備える、
こととしてもよい。

この場合、前記検出部は、
前記車輪の回転角度及び角速度と、前記本体の回転角度及び角速度と、前記アームの回転角度及び角速度と、を検出し、
前記制御部は、
前記検出部の各検出結果を入力とし、前記モータの出力トルクを出力とする関係式を用いて、前記モータの出力トルクを決定する、
こととしてもよい。

また、前記第１の回転軸、前記モータ、前記第１のプーリ、前記車輪、前記第２の回転軸、前記第２のプーリ、前記ベルト、前記アームとが、複数組設けられている、
こととしてもよい。

本発明によれば、２つのプーリ、ベルト、アームを備える伝達機構のような簡単な構造を備えるだけで、段差により車輪が一時的に停止したとしても、本体の姿勢を垂直に保ったままで、本体の重心を自動的に段差の鉛直線上に移動させることができるので、本体を大きく傾斜させることなく、段差を昇降することができる。

本発明の実施形態に係るロボットの概略的な構成を示す斜視図である。図１のロボットのホイール付近の拡大斜視図である。伝達機構に生ずる力を説明するための模式図である。制御系のブロック図である。姿勢制御に用いられる入力情報及び出力情報を説明するための模式図である。図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）は、ロボットが段差を乗り越える様子を示す図である。図７（Ａ）は、ロボットが平地を移動しているときの伝達機構の動きを説明するための図である。図７（Ｂ）は、このときに発生している力やトルクを説明するための図である。図８（Ａ）は、ロボットが段差に接触したときの伝達機構の動きを説明するための図である。図８（Ｂ）は、このときに発生している力やトルクを説明するための図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１には、本実施の形態に係るロボット１００の全体の斜視図が示されている。図１に示すように、ロボット１００は、本体１と、２つの車輪（ホイール）２とを備える。ロボット１００では、本体１の下部に２つのホイール２が、進行方向に直交する方向に略平行に配置されている。

ロボット１００は、２つのホイール２を用いた２輪走行により、前後に移動可能な倒立振子型のロボットである。すなわち、ロボット１００は、いわゆる倒立平行二輪車である。

ロボット１００の高さは、例えば１．１５ｍであり、全質量は例えば１６．２ｋｇである。本体１は、縦長であり、ロボット１００の高さは、本体１の高さにほぼ等しい。ホイール２のタイヤとしては、例えば、２０×１．１／８ｉｎｃｈのものが用いられている。

図２には、ロボット１００のホイール２付近の拡大斜視図が示されている。図２に示すように、ロボット１００は、本体１、ホイール２のほか、軸３と、プーリ４と、ベルト５と、プーリ６と、軸７と、アーム８と、を備える。

本体１は、第１の回転軸としての軸３と連結されている。軸３は、本体１に対して不図示のベアリングを介して回転可能に連結されている。

軸３は、モータ１１（図２では不図示、図４参照）の駆動軸である。モータ１１としては、例えば出力１２０Ｗのブラシレスモータを採用することができる。モータ１１を駆動するための電力は、例えば２つの６セルのリチウムポリマー電池から供給されている。

モータ１１の回転により、軸３は、本体１に対して回転する。モータ１１の出力は減速比５０のハーモニックドライブにより減速されて軸３に入力される。また、軸３は、本体１を直接的に支持する。軸３から本体１の重心までの距離は、例えば０．５４７ｍである。

軸３には、第１のプーリとしてのプーリ４が固定されている。プーリ４は、ベルト５を介して第２のプーリとしてのプーリ６と連結されている。プーリ４からプーリ６へはベルト５によって動力が伝達される。

プーリ６としては、プーリ４よりも半径が大きいものが選ばれている。プーリ４とプーリ６には、タイミングプーリを用いており、ベルト５は、タイミングベルトである。プーリ４、６の歯数は、例えば２４と７２であり、プーリ比は、１：３となっている。

プーリ６は第２の回転軸としての軸７の端部に固定されている。軸７はホイール２を回転させる回転軸である。

さらに、軸７は、アーム８を介して軸３と連結されている。アーム８は、ベルト５と平行に、不図示のベアリングを介して軸３、７と連結されている。これにより、軸３と軸７とは、アーム８に対して自由に回転することができるうえ、アーム８により軸３と軸７との間は、一定の間隔に保たれている。その間隔、すなわちアーム８の軸間距離は、例えば０．１９７ｍである。

なお、プーリ４、６のプーリ比やアーム８の長さは、プーリ４を所定角度だけ回転した場合に、アーム８を固定しホイール２を回転させたときの本体１の重心の移動量と、ホイール２やプーリ６を固定しアーム８を回転させたときの本体１の重心の移動量とがほぼ等しくなるように設定されている。

図２に示される伝達機構は、いわば遊星車輪機構ともいうべきものである。すなわち、この伝達機構では、プーリ４の回転により、プーリ６が回転することが可能であるが、アーム８を例えば軸７を中心に回転させることにより、プーリ４をプーリ６の周りに回転（公転）させることも可能である。

ここで、モータ１１の回転トルクτ_inと、ホイール２を回転駆動するトルクτ_wと、アーム８に働くプーリ６の軸周りのトルクτ_aとの関係について考える。ここで、各トルク及び力の正負の向きについては、図３の矢印の向きを正として定義する。また、プーリ４の半径をｒとし、プーリ６の半径をＲとする。また、ベルトの張力をｆとすると、トルクτ_wは、次式のようになる。

さらに、アーム８の軸間距離をｌとし、アーム８とベルト５となす角度を図３に示すようにαと定義する。ベルト５の張力ｆの反力が軸３に働くため、アーム８の回転トルクτ_aは、次式のようになる。

ｓｉｎαは、プーリ４、６の半径ｒ、Ｒから次式のように定められる。

上記式（１）、式（２）、式（３）より、ホイール２の回転トルクτ_wとアーム８の回転トルクτ_aの関係は次式のようになる。

図４には、ロボット１００の制御系が示されている。図４に示すように、この制御系は、ロボット１００内部に組み込まれた制御部１０を中心に構築されている。また、この制御系を構築すべく、ロボット１００は、モータ１１に加え、アームエンコーダ１２と、ジャイロセンサ１３と、ホイールエンコーダ１４とをさらに備える。

ロボット１００は、倒立振子型であり、本体１の重心が、ホイール２の地面との接触点の鉛直線上に位置するような姿勢制御を行う必要がある。制御部１０は、ＣＰＵ及びメモリ（いずれも不図示）を有する。ＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを実行することにより、制御部１０は、上述の姿勢制御を行う。

より具体的には、制御部１０は、モータ１１へのトルク指令τ_inを生成する。このトルク指令τ_inを生成するために、制御部１０は、アームエンコーダ１２、ジャイロセンサ１３、ホイールエンコーダ１４からそれぞれ出力される情報を入力し、入力した情報をトルク指令τ_inの算出に用いる。

アームエンコーダ１２は、アーム８における軸７との連結部分に組み込まれている。アームエンコーダ１２は、図５に示すように、鉛直線を基準として、軸７周りのアーム８の回転角度θ_aと、回転角速度ω_aとを検出して、制御部１０に出力する。

ジャイロセンサ１３は、本体１に組み込まれている。ジャイロセンサ１３は、図５に示すように、鉛直線を基準として、軸３周りの本体１の回転角度θ_bと、回転角速度ω_bとを検出して、制御部１０に出力する。

ホイールエンコーダ１４は、ホイール２に組み込まれている。ホイールエンコーダ１４は、ホイール２の回転角度θ_wと、回転角速度ω_wとを検出して、制御部１０に出力する。

制御部１０は、以下の演算式に基づいて、モータ１０の指令トルクτ_inを算出する。

ここで、Ｋ₁、Ｋ₂、Ｋ₃、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆は、制御パラメータである。上記式（５）に係る制御パラメータは、本体１の重心が、ホイール２の地面との接触点の鉛直線上の位置に制御されるように最適化されている。

また、ロボット１００を一定速度ｖで移動させようとする場合には、上記式（５）を次式のように変形し、変形された演算式を用いて制御を行う。

ここで、ｔは、移動を開始してからの時間である。

次に、本実施形態に係るロボット１００の動作について説明する。図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）には、ロボット１００が、平地を移動して段差を乗り越える様子が示されている。

まず、ロボット１００が、平地を例えば一定速度ｖで移動させる場合について説明する。図６（Ａ）に示すように、ロボット１００が平地を移動している場合、本体１の重心が一定速度ｖで移動するため、制御部１０は、本体１の重心の移動に合わせて、ホイール２を回転させる必要がある。そこで、制御部１０は、上記式（６）を用いて、モータ１１の回転トルクτ_inを算出し、算出された回転トルクτ_inでモータ１１を回転させる。

平地走行中は、ホイール２は、１点のみで地面と接触しているため、スムーズに回転可能となっている。このため、図７（Ａ）に示すように、モータ１１の回転にあわせて、プーリ６も回転する。

このような状況では、急加速でもしない限り、ホイール２の回転トルクτ_wは、大きな値を取らない。この場合、上記式（４）より、アーム８の回転トルクτ_aも大きな値を取らない。また、軸３に働く力は、本体１の荷重ｗが支配的であると考えられるため、この状態では、図７（Ｂ）に示すように、アーム８の駆動により、本体１は持ち上がらない。

続いて、図６（Ｂ）に示すように、ロボット１００のホイール２が、段差に接触すると、ホイール２と地面との接触点の数は２つとなる。この時点で、ホイール２の回転は、一旦停止する。これにより、図８（Ａ）に示すように、プーリ６の回転も停止するので、モータ１１の回転トルクτ_inによる張力ｆにより、軸７周りのアーム８の回転トルクτ_aが生まれる。この回転トルクτ_aにより、図８（Ｂ）に示すように、アーム８が、軸７を中心に半時計周りに回転し、本体１を持ち上げるとともに、本体１を傾斜させることなく、重心をさらに移動させる。

その後、図６（Ｃ）に示すように、アーム８の持ち上げにより、本体１の重心位置が、段差の位置を越えると、本体１の荷重ｗにより、アーム８の軸７周りの回転が停止した後、今度は、軸３周りに回転して、ホイール２を段差の上に引き上げる。その後、ロボット１００は、再び、図６（Ａ）の状態と同じ状態に戻り、全体が右側に移動するようになる。

本実施形態に係るロボット１００は、上記式（６）を用いた制御部１０の倒立振子制御により、転倒することなく、段差を降りることも可能である。

なお、図２の遊星車輪機構では、アーム８は、軸７を中心に３６０度回転可能であるが、アーム８の回転角度を、例えば鉛直線を基準として前後９０度以内に制限するストッパを設けるようにしてもよい。

アーム８の回転を制限するストッパが設けられている場合には、アーム８がストッパに衝突した反動で、ホイール２が段差の下から上に浮きあがるようにしてもよい。

本発明者は、実際に、ロボット１００を試作し、４ｃｍや８ｃｍの段差の昇降を成功させた。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、２つのプーリ４、６、ベルト５、アーム８を備える伝達機構のような簡単な構造を備えるだけで、段差によりホイール２が一時的に停止したとしても、本体１の姿勢を垂直に保ったままで、本体１の重心を自動的に段差の鉛直線上に移動させることができるので、本体１を大きく傾斜させることなく、段差を昇降することができる。

このロボット１００によれば、段差を認識するための外界センサを備えることなく、かつ、事前に段差の情報を入力することなく、段差を乗り越えることができる。

段差を乗り越えるために、ホイール２を駆動するアクチュエータとは別に、アーム８を駆動するための別のアクチュエータを用いる方法も考えられる。しかしながら、この方法では、２つものアクチュエータを用いる必要があり、機構が複雑になるのみならず、アームを制御するために段差を認識するためのセンサも追加する必要がある。これに対し、ロボット１００では、そのようなアクチュエータを備えることなく、段差を昇降することができる。

上記実施の形態では、ロボット１００の車輪の数は２つであったが、本発明はこれには限られない。例えば、車輪の数は１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。すなわち、本発明は、一輪車、三輪車、四輪車等、車輪で移動する移動体であれば、適用が可能である。

また、上記実施の形態では、制御部１０がロボット１００内に設けられているものとしたが、制御部１０は、ロボット１００外にあってもよい。この場合、センサからの情報は、有線通信又は無線通信（例えばＣＡＮ通信）を介して、外部のコントローラへ送信され、コントローラから送信されるモータ１１へのトルク指令も、有線通信又は無線通信により、モータ１１のドライバ（不図示）へ送信されるようにする必要がある。

また、本体１の構造には、本発明は限定されず、例えば、人間が乗れるようになっていてもよいし、人間が、車輪をペダルで漕ぐことができる自転車のようなものであってもよい。

なお、上記実施の形態において、制御部１０において実行される制御プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto-Optical Disc）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをインストールすることにより、上述のスレッドを実行するシステムを構成することとしてもよい。

また、制御プログラムをインターネット等の通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置等に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、ダウンロード等するようにしてもよい。

また、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、ダウンロード等してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、倒立振子型のロボットに適用するのに好適である。特に、人間の生活環境で活躍するロボットに適用するのが望ましい。

１００ロボット
１本体
２ホイール
３軸
４プーリ
５ベルト
６プーリ
７軸
８アーム
１０制御部
１１モータ
１２アームエンコーダ
１３ジャイロセンサ
１４ホイールエンコーダ

Claims

本体と、
前記本体に回転可能に連結され前記本体を支持する第１の回転軸と、
前記第１の回転軸を回転駆動するモータと、
前記第１の回転軸に固定された第１のプーリと、
車輪と、
前記車輪を回転させる第２の回転軸と、
前記第２の回転軸に固定され前記第１のプーリよりも半径が大きい第２のプーリと、
前記第１のプーリと、前記第２のプーリとを連結するベルトと、
前記第１のプーリと、前記第２のプーリとを前記ベルトと並行して連結する前記車輪の半径よりも短いアームと、
を備える移動体。
前記本体の重心位置を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記重心が前記車輪の地面への接触点の鉛直線上に位置するように、前記モータの出力トルクを制御する制御部と、
をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の移動体。
前記検出部は、
前記車輪の回転角度及び角速度と、前記本体の回転角度及び角速度と、前記アームの回転角度及び角速度と、を検出し、
前記制御部は、
前記検出部の各検出結果を入力とし、前記モータの出力トルクを出力とする関係式を用いて、前記モータの出力トルクを決定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の移動体。
前記第１の回転軸、前記モータ、前記第１のプーリ、前記車輪、前記第２の回転軸、前記第２のプーリ、前記ベルト、前記アームとが、複数組設けられている、
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。