JP2013163457A - Overturn-prevention device for two-wheeled inversion type robot - Google Patents

Overturn-prevention device for two-wheeled inversion type robot Download PDF

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聡 加賀美
Mitsutaka Kabasawa
光隆 椛澤
Masashi Okajima
雅史 岡嶋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an overturn-prevention device for a two-wheeled inversion type robot that when a two-wheeled type robot is stopped, functions as a stand, and when the tilt of the two-wheeled type robot is excessive or a normal inversion control can not be performed, legs can be vertically grounded on a grounding surface and as a result the robot can be stably prevented from being overturned.SOLUTION: An overturn-prevention device is attached to a two-wheeled inversion type robot body for preventing a two-wheeled inversion type robot having a pair of right and left driving wheels from being overturned. The overturn-prevention device includes: a pair of overturn-prevention legs that are attached to at least front and rear of the two-wheeled inversion type robot for preventing the two-wheeled inversion type robot from being overturned; a driving mechanism that makes the overturn-prevention legs drive; and an overturn-prevention control part that controls overturn-prevention operation of the overturn-prevention legs.

Description

本発明は、二輪倒立型ロボットに装着可能な転倒防止装置に関するものである。   The present invention relates to a fall prevention device that can be attached to a two-wheel inverted robot.

近年、二輪倒立型ロボットの開発がさかんに行われている。この二輪倒立型ロボットは、通常、下部左右水平方向に車軸を備え、該車軸の両端にはそれぞれ1つの駆動輪が配置され、その車軸の上方に二輪倒立型ロボットの姿勢を制御するための本体制御部、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の電源部、駆動輪を駆動させるための左右それぞれに独立したモーター等の駆動機構を含むボディを備えた構成となっている。   In recent years, two-wheel inverted robots have been developed extensively. This two-wheel inverted robot usually has an axle in the lower left and right horizontal direction, one drive wheel is disposed at each end of the axle, and a main body for controlling the attitude of the two-wheel inverted robot above the axle It has a configuration including a control unit, a power source unit such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery, and a body including drive mechanisms such as independent motors for driving the driving wheels.

そして倒立動作は、本体制御部のジャイロセンサ等により、二輪倒立型ロボットの傾きを検知し、倒立振子の原理により傾きを補正するように駆動輪を駆動制御して倒立させるようにしている(例えば、特許文献1、2参照)。   In the inversion operation, the inclination of the two-wheel inverted robot is detected by a gyro sensor or the like of the main body control unit, and the driving wheel is driven and inverted so as to correct the inclination by the principle of the inverted pendulum (for example, Patent Documents 1 and 2).

二輪倒立型ロボットの移動は、二輪を同じ向きに駆動することで前後へ移動させることができる。また、二輪それぞれの回転速度を変化させることにより進行方向を変えることができ、さらに、二輪を異なる向きに駆動することにより旋回させることができる。   The two-wheel inverted robot can be moved back and forth by driving the two wheels in the same direction. Further, the traveling direction can be changed by changing the rotational speed of each of the two wheels, and further, the two wheels can be turned by driving in different directions.

このような構成及び動作の二輪倒立型ロボットは、動的にバランスを取るため、重心を高くすることができ、かつ接地面積を小さくすることができるという利点を有する。   The two-wheel inverted robot having such a configuration and operation has an advantage that the center of gravity can be increased and the ground contact area can be reduced because the dynamic balance is achieved.

また、このような従来の倒立型ロボットは以下に挙げる特徴を有する。
・重量によるモーメントや前後への加速によるモーメントでボディの傾斜が変化する。
・傾斜を一定角に保つには、重力によるモーメントを打ち消すために、前後への一定の加速度が必要である。
Such a conventional inverted robot has the following characteristics.
-The tilt of the body changes with moments due to weight and moments due to acceleration in the front-rear direction.
・ In order to keep the inclination at a constant angle, a constant acceleration in the front-rear direction is necessary to cancel out the moment due to gravity.

一方、上記従来の二輪倒立型ロボットにおいては、転倒を防止するために制御機能の精度を向上させる等、種々の提案がなされている。   On the other hand, in the conventional two-wheel inverted robot, various proposals have been made such as improving the accuracy of the control function in order to prevent the vehicle from falling.

しかしながら、不整地等の走行においては予期しない走行条件の変化に制御機能が対応しきれず、転倒に到る場合がある。   However, when traveling on rough terrain or the like, the control function may not be able to cope with unexpected changes in traveling conditions, leading to a fall.

また、二輪倒立型ロボットの加速度及び速度は、モーターの最大出力等で制限されるため、状態の傾きが過大になった場合や、予期しないモーターの停止等でも転倒に到る場合がある。   In addition, since the acceleration and speed of the two-wheel inverted robot are limited by the maximum output of the motor or the like, there may be a case where the inclination of the state becomes excessive, or even when the motor is unexpectedly stopped, etc.

さらに、二輪倒立型ロボットの停止時には、本体の転倒を防止するためのスタンドを用いて支持する必要があった。   Furthermore, when the two-wheel inverted robot is stopped, it is necessary to support it using a stand for preventing the main body from falling.

このような状況に対し、本発明者らは二輪倒立型ロボットの安定した転倒防止効果を得るために、図5に示すような二輪倒立型ロボット用転倒防止装置の試作装置を作成して実験を繰り返した。   In order to obtain a stable fall-preventing effect of the two-wheel inverted robot, the present inventors created a prototype of a two-wheel inverted robot fall prevention device as shown in FIG. Repeated.

図5(a)に示す試作装置は、二輪倒立型ロボットの駆動輪の車軸と一致した回転軸を有する脚を設けた試作装置である。   The prototype device shown in FIG. 5A is a prototype device provided with a leg having a rotation axis that coincides with the axle of the drive wheel of the two-wheel inverted robot.

この構成の試作装置では、以下の好ましい特徴を有することが確認された。
・転倒防止装置の機構が単純である。
・二輪倒立型ロボットがどのような姿勢であっても、脚の床に対する接地角を垂直にすることができ、安定した転倒防止効果を得ることができる。
It was confirmed that the prototype device having this configuration has the following preferable characteristics.
-The mechanism of the fall prevention device is simple.
-Regardless of the posture of the two-wheel inverted robot, the contact angle of the leg with respect to the floor can be made vertical, and a stable fall prevention effect can be obtained.

しかしながら、上記のような好ましい特徴を有する半面、以下の問題も併せて確認された。
・脚が動く範囲が大きくなり、脚自体も大型化し、二輪倒立型ロボットの本体中央部に集中して配置されている他の部品と干渉しやすくなり、転倒防止装置の実装が困難になる。
・脚を駆動させるために必要な回転軸のトルクが大きくなり、大きな減速比が必要になる。
・脚にかかる曲げモーメントが大きくなり、床に対する剛性の確保や脚の軽量化が困難になる。
However, on the other hand, the following problems were also confirmed in addition to the above preferable features.
-The range of movement of the legs is increased, the legs themselves are increased in size, and they tend to interfere with other parts that are concentrated in the center of the main body of the two-wheel inverted robot, making it difficult to mount the fall prevention device.
・ The torque of the rotating shaft required to drive the legs increases, and a large reduction ratio is required.
-The bending moment applied to the legs increases, making it difficult to secure rigidity to the floor and to reduce the weight of the legs.

次に、上記の問題を解決するために、図5(b)に示す、前後に独立した回転軸を有する脚を備えた試作装置を作成した。   Next, in order to solve the above-mentioned problem, a prototype device including legs having independent rotating shafts at the front and rear as shown in FIG.

この試作装置では、二輪倒立型ロボットの駆動輪の車軸から離れた位置に脚の回転軸を設けているため、脚を短くすることができ、軽量化しやすく、転倒防止装置の実装が容易であるという特徴を有することが確認された。   In this prototype device, since the rotation shaft of the leg is provided at a position away from the axle of the drive wheel of the two-wheel inverted robot, the leg can be shortened, it is easy to reduce the weight, and it is easy to mount the fall prevention device. It was confirmed that it has the characteristics.

しかしながらこの試作装置の構成の場合、二輪倒立型ロボットの姿勢の変化に対応する脚の接地角の変化が大きくなり、床に対して垂直に接地することができず、安定した転倒防止効果が得られないといった問題が確認された。   However, in the case of this prototype device configuration, the change in the contact angle of the leg corresponding to the change in the posture of the two-wheel inverted robot becomes large, and it is impossible to make contact with the floor perpendicularly, and a stable fall prevention effect is obtained. The problem of not being able to be confirmed was confirmed.

特開2004−295430号公報JP 2004-295430 A 特開2008−230548号公報JP 2008-230548 A

本発明は、上記のような背景から従来の問題点を解消し、二輪倒立型ロボットの停止時にはスタンドとして機能するとともに、二輪倒立型ロボットの傾きが過大になった場合や、正常な倒立制御が行えない場合にも、接地面に対して垂直に脚を接地させることができ、安定して転倒を防止することが可能な、二輪倒立型ロボット用転倒防止装置を提供することを課題としている。   The present invention solves the conventional problems from the above background, functions as a stand when the two-wheel inverted robot is stopped, and when the tilt of the two-wheel inverted robot becomes excessive, or normal inverted control is performed. It is an object of the present invention to provide a two-wheel inverted robot tipping prevention device for an inverted robot that can ground a leg perpendicular to the grounding surface even when it cannot be performed and can stably prevent tipping.

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。   The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.

第1に、本発明の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置は、左右に一対の駆動輪を有する二輪倒立型ロボットの転倒を防止するために前記二輪倒立型ロボット本体に取り付けられる転倒防止装置であって、少なくとも、前記二輪倒立型ロボット本体の前後に取り付けられ、前記二輪倒立型ロボットの転倒を防止するための一対の転倒防止用脚部と、前記転倒防止用脚部を駆動させる駆動機構と、前記転倒防止用脚部の転倒防止動作を制御するための転倒防止制御部とを備え、前記転倒防止用脚部は、前記二輪倒立型ロボット本体の動作停止時にはその脚部下端部が接地した第1の状態となり、動作時には接地位置から上方に持ち上げられ、固定保持される第2の状態となる柱状体より構成された支持脚と、一端が前記二輪倒立型ロボット本体側の前記駆動輪の車軸より前方側又は後方側に回転自在に軸支されるとともに、他端が前記支持脚の上側適所に回転自在に軸支される第1のアームと、一端が前記二輪倒立型ロボット本体の前記第1のアームの一端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支され、他端が前記支持脚の前記第1のアームの他端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支された第2のアームより構成され、前記第1のアーム及び第2のアームのいずれか一方の、前記二輪倒立型ロボット本体側に、回転駆動のためのギヤ部が取り付けられ、前記駆動機構は、回転駆動力を発生するモーターと、この回転駆動力を前記第1又は第2のアームの前記ギヤ部に伝達するための駆動力伝達部とを有し、前記転倒防止制御部は、前記二輪倒立型ロボットの動作停止時には前記支持脚が接地した第1の状態となり、動作時には前記支持脚が上方に持ち上げられた第2の状態となるように、前記駆動機構を介して前記転倒防止用脚部の前記第1又は第2のアームを回転動作させ、前記二輪倒立型ロボットが許容しうる最大傾斜角まで傾斜した時には、前記第1のアーム及び前記第2のアームの動作により、前記第2の状態にある前記支持脚が接地面に対して垂直となるように構成されている。   First, the fall prevention device for a two-wheel inverted robot of the present invention is a fall prevention device attached to the two-wheel inverted robot body in order to prevent the two-wheel inverted robot having a pair of drive wheels on the left and right. A pair of fall prevention legs attached to the front and rear of the two-wheel inverted robot body to prevent the two-wheel inverted robot from overturning, and a drive mechanism for driving the fall prevention legs, A fall prevention control unit for controlling the fall prevention operation of the fall prevention leg, and the fall prevention leg is configured to contact the lower end of the leg when the operation of the two-wheel inverted robot body is stopped. The support leg composed of a columnar body that is in a state of 1 and is lifted upward from the ground contact position during operation and is fixedly held, and one end of the support leg on the two-wheel inverted robot main body side A first arm that is pivotally supported forward or rearward from the axle of the drive wheel, the other end of which is pivotally supported at an appropriate position on the upper side of the support leg, and one end of the two-wheel inverted type A robot body is rotatably supported at a lower portion of the position where the one end of the first arm is attached, and the other end is located at a lower portion of the support leg where the other end of the first arm is attached. The second arm is rotatably supported, and a gear portion for rotational driving is attached to one of the first arm and the second arm on the two-wheel inverted robot body side. The drive mechanism includes a motor that generates a rotational driving force and a driving force transmission unit that transmits the rotational driving force to the gear portion of the first or second arm, and the overturn prevention control. Part of the two-wheel inverted robot The first leg of the fall prevention leg is connected via the drive mechanism so that the support leg is in a first state in which the support leg is grounded when stopped and the support leg is in a second state in which the support leg is lifted upward during operation. Alternatively, when the second arm is rotated and tilted to the maximum tilt angle allowable by the two-wheel inverted robot, the first arm and the second arm are in the second state due to the operation of the first arm and the second arm. The support leg is configured to be perpendicular to the ground plane.

第2に、上記第1の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置において、前記支持脚の上下位置が第1の状態と第2の状態の途中である第3の状態を設定しておき、第1の状態から第3の状態への移行は第3の状態から第2の状態への移行よりも高速で行うように制御し、第3の状態となったときに一旦前記支持脚を停止させた後、前記二輪倒立型ロボットの倒立制御を開始させる。   Second, in the first two-wheel inverted robot tipping prevention device, a third state is set in which the vertical position of the support leg is halfway between the first state and the second state. The transition from the state 3 to the third state was controlled to be performed at a higher speed than the transition from the third state to the second state, and when the third state was reached, the support leg was temporarily stopped. Thereafter, the inversion control of the two-wheel inverted robot is started.

第3に、上記第1又は第2のいずれかの二輪倒立型ロボット用転倒防止装置において、前記支持脚の先端に、それぞれキャスターを設けたものである。   Third, in either the first or second two-wheel inverted robot tipping prevention device, a caster is provided at each end of the support leg.

本願発明の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置によれば、二輪倒立型ロボットの停止時にはスタンドとして機能させることができ、二輪倒立型ロボットの傾きが過大になった場合や、正常な倒立制御が行えない場合にも接地面に対して垂直に脚を接地させることができ、安定して転倒を防止することが可能となる。   According to the fall prevention device for a two-wheel inverted robot of the present invention, it can function as a stand when the two-wheel inverted robot is stopped, and when the tilt of the two-wheel inverted robot becomes excessive, normal inversion control can be performed. Even when there is not, the leg can be grounded perpendicularly to the ground surface, and it is possible to stably prevent falling.

転倒防止用脚部をスタンドとして機能させた状態の要部を切欠して示した斜視図である。It is the perspective view which notched and showed the principal part of the state which made the fall prevention leg part function as a stand. 転倒防止用脚部をスタンドとして機能させた状態の要部を切欠して示した斜視図である。It is the perspective view which notched and showed the principal part of the state which made the fall prevention leg part function as a stand. 二輪倒立型ロボットが傾いて、転倒防止用脚部により支持された状態の要部を切欠して示した斜視図である。It is the perspective view which cut and showed the principal part of the state which the two-wheel inverted type robot inclined and was supported by the leg part for fall prevention. 二輪倒立型ロボットが傾いて、転倒防止用脚部により支持された状態の要部を切欠して示した斜視図である。It is the perspective view which cut and showed the principal part of the state which the two-wheel inverted type robot inclined and was supported by the leg part for fall prevention. (a)は、二輪倒立型ロボットの駆動輪の車軸と一致した回転軸を有する脚を取り付けた二輪倒立型ロボットを示す概略図であり、(b)は、前後に独立した回転軸を有する脚を備えた試作装置を取り付けた二輪倒立型ロボットを示す概略図である。(A) is the schematic which shows the two-wheel inverted robot which attached the leg which has a rotating shaft corresponding to the axle of the drive wheel of a two-wheel inverted robot, (b) is a leg which has an independent rotating shaft before and behind. It is the schematic which shows the two-wheel inverted robot which attached the prototype device provided with. 二輪倒立型ロボットの傾きに対する脚の接地角の変化を示したグラフである。It is the graph which showed the change of the contact angle of the leg with respect to the inclination of a two-wheel inverted robot. 倒立制御停止状態から倒立制御状態までの動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the operation | movement from an inverted control stop state to an inverted control state. 倒立制御状態から倒立制御停止状態までの動作を示すフロー図である。It is a flowchart which shows operation | movement from an inverted control state to an inverted control stop state.

以下に本発明の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the overturn prevention device for a two-wheel inverted robot of the present invention will be described in detail.

二輪倒立型ロボット(以下、単にロボットと略称する)は、下部左右水平方向に車軸を備え、該車軸の両端にはそれぞれ1つの駆動輪が配置され、ロボット本体内にロボットの倒立姿勢を制御するための本体制御部、リチウムイオン電池等の電源部、駆動輪を駆動させるための左右それぞれに独立したモーター等の駆動機構から構成されている。   A two-wheel inverted robot (hereinafter simply referred to as a robot) includes an axle in the lower left and right horizontal direction, and one drive wheel is disposed at each end of the axle to control the inverted posture of the robot within the robot body. And a drive mechanism such as an independent motor for driving left and right for driving the drive wheels.

そして倒立動作は、本体制御部のジャイロセンサ等によりロボットの傾きを検知し、倒立振子の原理により傾きを補正するように駆動輪を駆動制御して倒立動作を実現している。   In the inversion operation, the tilt of the robot is detected by a gyro sensor or the like of the main body control unit, and the driving wheel is driven and controlled to correct the inclination by the principle of the inverted pendulum, thereby realizing the inversion operation.

ロボットの移動は、左右の駆動輪を同じ向きに駆動することで前後へ移動させることができる。また、二輪それぞれの回転速度を変化させることにより進行方向を変えることができ、さらに、二輪を異なる向きに駆動することにより旋回させることができる。   The robot can be moved back and forth by driving the left and right drive wheels in the same direction. Further, the traveling direction can be changed by changing the rotational speed of each of the two wheels, and further, the two wheels can be turned by driving in different directions.

本発明の転倒防止装置は、上記のロボットの進行方向の前後に取り付けられ、ロボットの停止時のスタンドとして、また、移動時の転倒防止用の補助脚として機能するものである。   The fall prevention device of the present invention is attached before and after the robot in the traveling direction, and functions as a stand when the robot is stopped and as an auxiliary leg for preventing fall when moving.

図1〜図4は本発明の転倒防止装置の一実施形態の要部を一部切欠して示した斜視図である。   1 to 4 are perspective views showing a part of an essential part of an embodiment of the fall prevention device of the present invention with a part cut away.

本発明の転倒防止装置は、ロボット本体の前後に取り付けられ、ロボットの転倒を防止するための一対の転倒防止用脚部と、転倒防止用脚部を駆動させるための駆動機構と、転倒防止用脚部の転倒防止動作を制御するための転倒防止制御部とを備えている。   The fall prevention device of the present invention is attached to the front and rear of a robot body, and includes a pair of fall prevention legs for preventing the robot from falling, a drive mechanism for driving the fall prevention legs, and an overturn prevention A fall prevention control unit for controlling the fall prevention operation of the leg.

なお、図1〜図4では、一対の反対側に設けられる転倒防止用脚部、転倒防止制御部及び、ロボットの姿勢を制御するための本体制御部、電源部、駆動輪の駆動用モーター等は省略されている。   1 to 4, a pair of anti-tip legs provided on a pair of opposite sides, an anti-tip control unit, a main body control unit for controlling the posture of the robot, a power supply unit, a driving wheel driving motor, and the like. Is omitted.

転倒防止用脚部は、駆動アーム11、支持アーム12、支持脚10から構成されている。これらの各部材は、非常に重量のある高価なロボットを安定して支持するために、強度を有する材料で形成され、最も重量負荷のかかる支持脚10は柱状体により構成されている。   The fall prevention leg portion includes a drive arm 11, a support arm 12, and a support leg 10. Each of these members is formed of a material having strength in order to stably support an expensive robot having a very heavy weight, and the support leg 10 with the most weight load is constituted by a columnar body.

駆動アーム11は、一端がロボット本体のフレーム31のロボット本体側の駆動輪30の車軸から離れた位置に回転自在に軸支されるとともに、他端は支持脚10の上側に回転自在に軸支されている。また、ロボット本体側の軸支部には、回転駆動のためのギヤ22が取り付けられている。   One end of the drive arm 11 is rotatably supported at a position away from the axle of the drive wheel 30 on the robot body side of the robot body frame 31, and the other end is rotatably supported on the upper side of the support leg 10. Has been. A gear 22 for rotational driving is attached to the shaft support on the robot body side.

支持アーム12は、一端がロボット本体のフレーム31の駆動アーム11の一端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支され、他端は支持脚10の駆動アーム11の他端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支されている。   One end of the support arm 12 is rotatably supported by a lower portion of the position where one end of the drive arm 11 of the frame 31 of the robot body is attached, and the other end is attached to the other end of the drive arm 11 of the support leg 10. It is rotatably supported at the lower part of the position.

上記のように、駆動アーム11及び支持アーム12の一端を、ロボット本体のフレーム31の、駆動輪30の車軸から離れた位置に回転自在に軸支することにより、ロボットの本体中央部に集中して配置されている重要な部品と干渉することなく、転倒防止装置を取り付けることが可能となる。   As described above, one end of the drive arm 11 and the support arm 12 is rotatably supported at a position away from the axle of the drive wheel 30 of the frame 31 of the robot body, thereby concentrating on the central part of the robot body. Thus, it is possible to attach the fall prevention device without interfering with important parts arranged.

駆動機構は、少なくとも、回転駆動力を発生するモーター20と、この回転駆動力を駆動アーム11のギヤ22に伝達するための駆動力伝達部21から構成されている。   The driving mechanism includes at least a motor 20 that generates a rotational driving force and a driving force transmission unit 21 that transmits the rotational driving force to the gear 22 of the driving arm 11.

回転駆動力を発生するモーター20は、ロボット本体に設けられた転倒防止制御部によって制御されており、転倒防止制御部は、ロボット本体を制御している本体制御部によって制御されている。   The motor 20 that generates the rotational driving force is controlled by a fall prevention control unit provided in the robot body, and the fall prevention control unit is controlled by a body control unit that controls the robot body.

なお、モーター20は、駆動伝達部21との組み合わせによって転倒防止用脚部を駆動可能なモーターであれば特に制限なく用いることができ、例えばACモーター、DCモーター、ステッピングモーター等を挙げることができる。これらの中でも、モーター20の回転速度及び正確な回転角度を制御するために、また、強力な静止トルクを得るためにステッピングモーターを用いるのが好ましい。   The motor 20 can be used without particular limitation as long as the motor 20 can drive the fall-preventing leg portion in combination with the drive transmission unit 21, and examples thereof include an AC motor, a DC motor, and a stepping motor. . Among these, it is preferable to use a stepping motor in order to control the rotation speed and accurate rotation angle of the motor 20 and to obtain a strong static torque.

上記の構成による本発明の転倒防止装置によれば、ロボット本体に設けられた本体制御部からの情報が転倒防止制御部に入力され、この情報に従って駆動機構が動作し、駆動機構に接続された転倒防止用脚部が所定の駆動を行うことができる。   According to the fall prevention device of the present invention having the above configuration, information from the body control unit provided in the robot body is input to the fall prevention control unit, and the drive mechanism operates according to this information and is connected to the drive mechanism. The fall prevention leg can perform a predetermined drive.

本発明の転倒防止装置の転倒防止用脚部は、ロボットの停止時及び、ロボットが傾いてロボットが許容しうる最大傾斜角に達して、転倒防止用脚部の支持脚10が接地する場合においては、支持脚10が床に対してほぼ垂直に接地するように設計するのが好ましい。図3、図4はロボットが傾いて支持脚10が床に対してほぼ垂直に接地している状態を示している。   The fall prevention leg of the fall prevention device of the present invention is used when the robot is stopped and when the support leg 10 of the fall prevention leg is grounded when the robot tilts and reaches the maximum tilt angle that the robot can tolerate. Is preferably designed so that the support legs 10 are grounded substantially perpendicular to the floor. 3 and 4 show a state where the robot is tilted and the support leg 10 is in contact with the floor substantially perpendicularly to the floor.

なお、転倒防止用脚部を駆動させて、ロボットが傾いて支持脚10が床に対してほぼ垂直に接地する状態に維持、固定する方法としては、例えば、図3、図4に示すストッパー23を設けて、駆動機構により駆動アーム11の片側をストッパー23に当接させて固定する方法や、ロータリーエンコーダーや位置センサ等からの位置データのフィードバックによる静止トルクにより固定する方法、また、DCモーターの短絡による電磁ブレーキにより固定する方法等を用いることができ、またこれらの方法を組み合わせることができる。   In addition, as a method of driving the fall prevention leg portion to maintain and fix the robot in a state where the robot tilts and the support leg 10 is in contact with the floor almost perpendicularly to the floor, for example, the stopper 23 shown in FIGS. And a method of fixing one side of the driving arm 11 by contacting the stopper 23 with a driving mechanism, a method of fixing by stationary torque by feedback of position data from a rotary encoder, a position sensor, etc. A method of fixing by an electromagnetic brake due to a short circuit can be used, and these methods can be combined.

例えば、通常制御時には位置データのフィードバックによる静止トルクと電磁ブレーキを併用する。これは、電磁ブレーキでは静止トルクが不足するため、必要に応じて位置制御によって位置の微修正と共に十分な静止トルクを発生させるものである。   For example, at the time of normal control, a stationary torque based on feedback of position data and an electromagnetic brake are used together. This is because the electromagnetic brake lacks the static torque, and generates a sufficient static torque as well as fine correction of the position by position control as necessary.

また、全ての電源切断時等の緊急時には前記ストッパー23により転倒防止脚部の動作を制限し、同時にロボット本体の傾斜、転倒を防止することができる。   Further, in the event of an emergency such as when all the power is turned off, the operation of the fall prevention leg can be limited by the stopper 23, and at the same time, the robot body can be prevented from tilting and falling.

ロボットが許容しうる最大傾斜角については、これまでに行った実験により得られたデータから、倒立制御時にロボットの傾きが±20°を超えると、高い確率でロボットの倒立制御が困難となり転倒に至ることが確認されている。そのため本発明では、ロボットが許容しうる最大傾斜角を±20°と設定して、ロボットが±20°の角度で支持脚が床に対して垂直に接地するように設定するのが好ましい。   As for the maximum tilt angle that the robot can tolerate, from the data obtained in the experiments conducted so far, if the tilt of the robot exceeds ± 20 ° during the inversion control, the inversion control of the robot becomes difficult with a high probability, and the robot falls over. Has been confirmed. Therefore, in the present invention, it is preferable that the maximum inclination angle allowed by the robot is set to ± 20 °, and the robot is set so that the support leg contacts the floor perpendicularly to the floor at an angle of ± 20 °.

転倒防止用脚部を、ロボットが±20°の角度で支持脚10が床に対して垂直に接地するように設定することにより、ロボットの倒立制御時の前後の揺れ幅及び、支持脚10と床とのクリアランスを最大限に確保することが可能となる。   By setting the leg for preventing the fall so that the robot contacts the support leg 10 perpendicularly with respect to the floor at an angle of ± 20 °, the swing width before and after the robot inversion control, and the support leg 10 and It becomes possible to secure the maximum clearance from the floor.

上記の条件を満足する転倒防止用脚部の具体的な設計としては、例えば、駆動輪30の半径を260mmとして、駆動アーム11と支持アーム12のロボット本体のフレーム31の取付位置が駆動輪30の中心から260mmで、それぞれの取付間隔が100mm、駆動アーム11と支持アーム12の長さを150mm、駆動アーム11と支持アーム12の支持脚10の取付間隔を140mmとする設計を例示することができる。この設計によればロボット本体が±20°傾いた場合に支持脚10を床に対して垂直に接地させることができる。   As a specific design of the fall prevention leg that satisfies the above conditions, for example, the radius of the drive wheel 30 is 260 mm, and the mounting position of the frame 31 of the robot body of the drive arm 11 and the support arm 12 is the drive wheel 30. The design may be 260 mm from the center, the mounting interval is 100 mm, the length of the drive arm 11 and the support arm 12 is 150 mm, and the mounting interval of the support leg 10 of the drive arm 11 and the support arm 12 is 140 mm. it can. According to this design, the support leg 10 can be grounded perpendicularly to the floor when the robot body is inclined ± 20 °.

なお、上記の設計は一実施形態についての設計であり、本発明はこれに限定されるものではない。   In addition, said design is a design about one Embodiment, This invention is not limited to this.

上記の設計転倒防止装置を備えたロボットの傾き角度に対する支持脚10の接地角度と、図5(b)に示す、前後に独立した回転軸を有する脚を備えた試作装置を装着したロボットの傾きに対する脚の接地角度をそれぞれ測定した。その結果を図6のグラフに示す。   The angle of contact of the support leg 10 with respect to the tilt angle of the robot equipped with the above-described design overturn prevention device, and the tilt of the robot equipped with the prototype device including the legs having independent rotation axes shown in FIG. The contact angle of the leg with respect to was measured. The result is shown in the graph of FIG.

この結果から、上記の設計による本発明の転倒防止装置を備えたロボットでは、ロボットの傾きが70°〜110°に亘って、支持脚10が床に対してほぼ垂直に接していることがわかる。   From this result, it can be seen that, in the robot equipped with the fall prevention device of the present invention having the above design, the support leg 10 is in contact with the floor substantially perpendicularly over the inclination of 70 to 110 degrees. .

これに対して、前後に独立した回転軸を有する脚を備えた図5(b)に示すロボットでは、ロボットの傾きの変化に対して、脚の床に対する接地角が大きく変化していることがわかる。   On the other hand, in the robot shown in FIG. 5B provided with legs having independent rotation axes at the front and rear, the contact angle of the legs with respect to the floor greatly changes with respect to the change in the tilt of the robot. Recognize.

これらの結果から、上記の設計による本発明の転倒防止装置を備えたロボットは、ロボットの傾きの変化に応じて、転倒防止用脚部の支持脚が常に安定して接地することが確認された。   From these results, it was confirmed that in the robot equipped with the fall prevention device of the present invention having the above design, the support leg of the fall prevention leg portion is always stably grounded according to the change in the tilt of the robot. .

本発明の転倒防止装置では、転倒防止用脚部の支持脚10の先端に自在式キャスターを設けるのが好ましい。支持脚10の先端に自在式キャスターを設けることにより、ロボットの移動時にロボット本体が傾いて支持脚10が接地した場合であっても、ロボットの移動状態を維持したまま支持することが可能となる。   In the fall prevention device of the present invention, it is preferable to provide a free caster at the tip of the support leg 10 of the fall prevention leg. By providing a universal caster at the tip of the support leg 10, it is possible to support the robot while maintaining the moving state of the robot even when the robot body is tilted and the support leg 10 is grounded when the robot moves. .

本発明の転倒防止装置は、ロボット本体に設けられた本体制御部からの情報を受けた転倒防止制御部がモーター20を駆動させ、これにより転倒防止用脚部を特定の条件で駆動させるものである。   In the fall prevention device of the present invention, the fall prevention control unit that receives information from the main body control unit provided in the robot body drives the motor 20, thereby driving the fall prevention leg under specific conditions. is there.

以下に、本発明の転倒防止装置の1)ロボットの倒立制御停止状態から倒立制御状態までの動作及び、2)ロボットの倒立制御状態から倒立制御停止状態までの動作の実施形態についてフロー図を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、床は水平面であり、ロボットの前後一対の転倒防止用脚部は同時に同様の動作をすることを前提として説明する。   In the following, a flow diagram is used for an embodiment of the fall prevention device of the present invention 1) operation from the inverted control stop state of the robot to the inverted control state and 2) operation from the inverted control state of the robot to the inverted control stopped state. Will be described in detail. In the following embodiments, the description will be made on the assumption that the floor is a horizontal plane and the pair of front and rear fall prevention legs of the robot simultaneously perform the same operation.

図7は、ロボットの倒立制御停止状態から倒立制御状態までにおける、転倒防止用脚部の動作を示したフロー図である。   FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the overturning prevention leg from the inversion control stop state to the inversion control state of the robot.

まず初期状態は、ロボットの倒立制御が停止した状態であって、転倒防止用脚部がスタンドとして床に対して垂直に接地した状態となっている。   First, the initial state is a state in which the inversion control of the robot is stopped, and a state in which the fall prevention leg is in contact with the floor vertically as a stand.

この状態に対し、ユーザーからの倒立制御開始命令(S10)が本体制御部に入力されると、本体制御部は倒立制御を開始する前に、倒立制御開始命令を転倒防止制御部に出力する。そして転倒防止制御部はモーターを駆動させて転倒防止用脚部の第1脚上げ動作(S11)を行う。   In response to this state, when an inversion control start command (S10) from the user is input to the main body control unit, the main body control unit outputs the inversion control start command to the overturn prevention control unit before starting the inversion control. The fall prevention control unit drives the motor to perform the first leg raising operation (S11) of the fall prevention leg.

この第1脚上げ動作(S11)は、高速で転倒防止用脚部の可動脚を床から少しだけ上げる動作であって、ロボットが±7°の傾きで支持脚が床に垂直に接する位置まで転倒防止用脚部を引き上げる動作であり、例えば床から50mm程度の高さの引き上げが考慮される。   This first leg raising operation (S11) is an operation for slightly raising the movable leg of the fall prevention leg from the floor at a high speed, up to a position where the support leg comes in contact with the floor perpendicularly with an inclination of ± 7 °. This is an operation of lifting the fall prevention leg, and for example, lifting about 50 mm in height from the floor is considered.

この±7°の傾きは、これまでに行った実験により得られた角度であり、±7°より小さい角度では、前後の支持脚が床に接触してロボットの倒立制御の妨げになる場合があり、±7°より大きい角度では、ロボット本体が傾いた状態で倒立制御を開始した場合、駆動輪の動作による前後の動きが大きくなり、ロボットの近の人や、物、建物に接触する可能性があるため好ましくない。   This inclination of ± 7 ° is an angle obtained by experiments conducted so far. At angles smaller than ± 7 °, the front and rear support legs may come into contact with the floor and hinder the control of the robot's inversion. Yes, at an angle greater than ± 7 °, when the inversion control is started with the robot body tilted, the movement of the drive wheel increases and decreases, and the robot can come into contact with people, objects, and buildings near the robot. It is not preferable because of its properties.

第1脚上げ動作が完了した旨の情報(S12)は、転倒防止制御部から本体制御部に出力され、これによりロボットの倒立制御が開始される(S13)。また、この第1脚上げ動作が完了した旨の情報の出力から、倒立制御が開始されるまでの時間を短く設定することにより、ロボットの状態変化を最小限に抑えることが可能となる。なお、この時点ではロボットは移動可能な状態とはなっていない。   Information indicating that the first leg raising operation is completed (S12) is output from the fall prevention control unit to the main body control unit, thereby starting the inversion control of the robot (S13). In addition, it is possible to minimize the change in the state of the robot by setting a short time from the output of the information indicating that the first leg raising operation is completed until the inversion control is started. At this point, the robot is not movable.

次に、本体制御部から出力された倒立制御を開始した旨の情報(S14)により、転倒防止制御部は、モーターを駆動させて転倒防止用脚部の第2脚上げ動作(S15)を行わせる。   Next, based on the information (S14) indicating that the inverted control started from the main body control unit is started, the fall prevention control unit drives the motor to perform the second leg raising operation (S15) of the fall prevention leg unit. Make it.

この第2脚上げ動作(S15)は、ロボットの傾きが±20°の角度になったときに支持脚が床に垂直に接する位置まで、ゆっくりとした速度で転倒防止用脚部を引き上げる動作である。   This second leg raising operation (S15) is an operation of pulling up the fall-preventing leg at a slow speed to a position where the support leg is in contact with the floor perpendicularly when the robot has an angle of ± 20 °. is there.

第2脚上げ動作が完了した旨の情報(S16)は、転倒防止制御部から本体制御部に出力され、これを受けて本体制御部はロボットを移動可能な状態とする(S17)。   Information indicating that the second leg raising operation is completed (S16) is output from the fall prevention control unit to the main body control unit, and in response to this, the main body control unit sets the robot in a movable state (S17).

上記のような、本体制御部と転倒防止制御部の情報のやり取り及び転倒防止装置の動作により、ロボットが停止して転倒防止用脚部をスタンドとして機能させた状態から、倒立制御して移動可能な状態へと移行することができる。   As described above, the robot is stopped and the fall prevention leg can function as a stand by exchanging information between the main body control unit and the fall prevention control unit and the operation of the fall prevention device. Transition to a new state.

次に、ロボットの倒立制御状態から倒立制御停止状態に移行するまでの、転倒防止装置の動作を、図8に示すフロー図に従って説明する。   Next, the operation of the overturn prevention device from the transition from the inverted control state of the robot to the inverted control stop state will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、ロボットは倒立制御して移動可能な状態となっている。この状態に対してユーザーから本体制御部に倒立制御停止命令(S20)が入力されると、本体制御部はロボットの移動を停止(S21)、(S22)してから、倒立制御停止命令を転倒防止制御部に出力する。転倒防止制御部は、モーターを駆動させて転倒防止用脚部の第1脚下げ動作を行う(S23)。   First, the robot is in an invertible control and movable state. In response to this state, when an inverted control stop command (S20) is input from the user to the main body control unit, the main body control unit stops moving the robot (S21) and (S22), and then inverts the inverted control stop command. Output to prevention control unit. The fall prevention control unit drives the motor to perform the first leg lowering operation of the fall prevention leg (S23).

この第1脚下げ動作(S23)は、転倒防止用脚部の支持脚を床から少しだけ上がった位置までゆっくりと下げる動作であって、ロボットが±7°の傾きで支持脚が床に垂直に接する位置まで転倒防止用脚部を下げる動作である。なお、この時点では倒立制御を行っている状態である。   This first leg lowering operation (S23) is an operation for slowly lowering the support leg of the fall prevention leg part to a position slightly raised from the floor, and the support leg is perpendicular to the floor with a tilt of ± 7 °. This is an operation of lowering the fall-preventing leg portion to a position in contact with the. At this time, the inverted control is being performed.

第1脚下げ動作が完了した旨の情報(S24)は、転倒防止制御部から本体制御部に出力され、これを受けた本体制御部はロボットの倒立制御を停止する(S25)。   Information indicating that the first leg lowering operation has been completed (S24) is output from the fall prevention control unit to the main body control unit, and the main body control unit receiving the information stops the inversion control of the robot (S25).

次に、本体制御部から送られた倒立制御を停止した旨の情報(S26)が転倒防止制御部に出力されると、転倒防止制御部は、モーターを駆動させて転倒防止用脚部の第2脚下げ動作(S27)を行う。   Next, when the information indicating that the inversion control has been stopped (S26) sent from the main body control unit is output to the overturn prevention control unit, the overturn prevention control unit drives the motor to change the number of the fall prevention leg unit. A two-leg lowering operation (S27) is performed.

この第2脚下げ動作(S27)は、転倒防止用脚部の支持脚が床に対して垂直に接地するように、高速で下げられ、ロボットは転倒防止用脚部をスタンドとして支えられた状態となる(S28)。   The second leg lowering operation (S27) is performed at a high speed so that the support leg of the fall prevention leg is in contact with the floor vertically, and the robot is supported by the fall prevention leg as a stand. (S28).

なお、ロボットの倒立制御の停止(S25)から第2脚下げ動作が完了(S28)するまでの時間を短くすることにより、ロボットの状態変化を最小限に抑えることが可能となる。   In addition, it is possible to minimize the change in the state of the robot by shortening the time from the stop of the robot inversion control (S25) to the completion of the second leg lowering operation (S28).

上記のような、本体制御部と転倒防止制御部の情報のやり取り及び転倒防止装置の動作により、ロボットは倒立制御して移動可能な状態から、倒立制御を停止して転倒防止用脚部をスタンドとして支持された状態へと移行することができる。   From the state in which the robot can be inverted and moved by exchanging information between the main body controller and the anti-tip controller and the operation of the anti-tip device as described above, the inversion control is stopped and the anti-tip leg is placed on the stand. Can be transferred to a supported state.

なお、上記の各状態で行われている駆動アームを特定の速度で駆動させ、停止維持する方法としては、例えば、モーターのロータリーエンコーダーの値を予め設定しておき、この値に従って駆動機構を制御することによって特定の駆動をさせることができる。   In addition, as a method of driving and maintaining the driving arm in each of the above states at a specific speed, for example, a value of the rotary encoder of the motor is set in advance, and the driving mechanism is controlled according to this value. By doing so, a specific driving can be performed.

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。   While the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、図1〜図4に示す本発明の転倒防止装置の実施形態では、ロボット本体を確実に支持するために、支持脚を左右2本とする構成となっているが、強度が十分に確保できる範囲において1本の設計としたり、また3本以上の構成とすることもできる。   For example, in the embodiment of the fall prevention device of the present invention shown in FIGS. 1 to 4, in order to reliably support the robot body, the support legs are configured to have two left and right support legs, but sufficient strength is ensured. One design can be used as long as possible, or three or more configurations can be adopted.

また、前記実施形態では、駆動アームを上にして、支持アームを下にする構成としているが、これを逆の構成、即ち、支持アームを上にして、駆動アームを下にする構成としてもよい。   In the above embodiment, the drive arm is up and the support arm is down. However, this may be reversed, that is, the support arm is up and the drive arm is down. .

また、前記実施形態では、前後一対の転倒防止用脚部の動作を同時に同様の動作することを前提としたが、前後それぞれの転倒防止用脚部の動作タイミングを調整してそれぞれを別の動作とすることもできる。   In the above embodiment, it is assumed that the pair of front and rear anti-falling legs are operated in the same manner at the same time. However, the operation timing of the front and rear anti-falling legs is adjusted to perform different operations. It can also be.

さらに、転倒防止用脚部を駆動輪の接地部より低い位置まで下げることにより、ジャッキとして使用することもできる。転倒防止用脚部をジャッキとして使用してロボット本体を上方に持ち上げることにより、駆動輪の交換やロボット下部に設置されている駆動輪用の電源装置等のメンテナンス等を容易に行うことができる。   Furthermore, it can also be used as a jack by lowering the fall prevention leg to a position lower than the grounding part of the drive wheel. By using the fall-preventing leg as a jack and lifting the robot body upward, it is possible to easily replace the drive wheels, maintain the power supply device for the drive wheels installed under the robot, and the like.

10 支持脚
11 駆動アーム
12 支持アーム
20 モーター
21 駆動力伝達部
22 ギヤ
23 ストッパー
30 駆動輪
31 フレーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Support leg 11 Drive arm 12 Support arm 20 Motor 21 Drive force transmission part 22 Gear 23 Stopper 30 Drive wheel 31 Frame

Claims (3)

左右に一対の駆動輪を有する二輪倒立型ロボットの転倒を防止するために前記二輪倒立型ロボット本体に取り付けられる転倒防止装置であって、
少なくとも、前記二輪倒立型ロボット本体の前後に取り付けられ、前記二輪倒立型ロボットの転倒を防止するための一対の転倒防止用脚部と、前記転倒防止用脚部を駆動させる駆動機構と、前記転倒防止用脚部の転倒防止動作を制御するための転倒防止制御部とを備え、
前記転倒防止用脚部は、前記二輪倒立型ロボット本体の動作停止時にはその脚部下端部が接地した第1の状態となり、動作時には接地位置から上方に持ち上げられ、固定保持される第2の状態となる柱状体より構成された支持脚と、一端が前記二輪倒立型ロボット本体側の前記駆動輪の車軸より前方側又は後方側に回転自在に軸支されるとともに、他端が前記支持脚の上側適所に回転自在に軸支される第1のアームと、一端が前記二輪倒立型ロボット本体の前記第1のアームの一端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支され、他端が前記支持脚の前記第1のアームの他端が取り付けられた位置の下方部分に回転可能に軸支された第2のアームより構成され、前記第1のアーム及び第2のアームのいずれか一方の、前記二輪倒立型ロボット本体側に、回転駆動のためのギヤ部が取り付けられ、
前記駆動機構は、回転駆動力を発生するモーターと、この回転駆動力を前記第1又は第2のアームの前記ギヤ部に伝達するための駆動力伝達部とを有し、
前記転倒防止制御部は、前記二輪倒立型ロボットの動作停止時には前記支持脚が接地した第1の状態となり、動作時には前記支持脚が上方に持ち上げられた第2の状態となるように、前記駆動機構を介して前記転倒防止用脚部の前記第1又は第2のアームを回転動作させ、前記二輪倒立型ロボットが許容しうる最大傾斜角まで傾斜した時には、前記第1のアーム及び前記第2のアームの動作により、前記第2の状態にある前記支持脚が接地面に対して垂直となるように構成されていることを特徴とする二輪倒立型ロボット用転倒防止装置。
An overturn prevention device attached to the two-wheel inverted robot body in order to prevent the two-wheel inverted robot having a pair of drive wheels on the left and right from falling.
At least a pair of fall prevention legs attached to the front and rear of the two-wheel inverted robot body to prevent the two-wheel inverted robot from falling, a drive mechanism for driving the fall prevention legs, and the fall A fall prevention control unit for controlling the fall prevention operation of the prevention leg,
The fall prevention leg is in a first state where the lower end of the leg is grounded when the operation of the two-wheel inverted robot main body is stopped, and in a second state where the leg is lifted upward from the ground position and fixedly held during operation. A support leg composed of a columnar body, and one end of which is rotatably supported forward or rearward from the axle of the drive wheel on the two-wheel inverted robot body side, and the other end of the support leg. A first arm that is pivotally supported at an appropriate position on the upper side, and one end of which is pivotally supported at a lower portion of the position where one end of the first arm of the two-wheel inverted robot body is attached, and the other end Is composed of a second arm rotatably supported at a lower portion of the position where the other end of the first arm of the support leg is attached, and one of the first arm and the second arm On the other hand, the two-wheel inverted type Bot body side, a gear portion for driving the rotation is mounted,
The drive mechanism includes a motor that generates a rotational driving force, and a driving force transmission unit that transmits the rotational driving force to the gear portion of the first or second arm.
The overturn prevention control unit is configured so that the support leg is in a first state where the support leg is grounded when the two-wheel inverted robot is stopped, and is in a second state where the support leg is lifted upward during the operation. When the first or second arm of the fall prevention leg is rotated through a mechanism and tilted to a maximum tilt angle allowable for the two-wheel inverted robot, the first arm and the second arm An overturn prevention device for a two-wheel inverted robot, wherein the support leg in the second state is configured to be perpendicular to the ground plane by the movement of the arm.
前記支持脚の上下位置が第1の状態と第2の状態の途中である第3の状態を設定しておき、第1の状態から第3の状態への移行は第3の状態から第2の状態への移行よりも高速で行うように制御し、第3の状態となったときに一旦前記支持脚を停止させた後、前記二輪倒立型ロボットの倒立制御を開始させることを特徴とする請求項1に記載の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置。   A third state in which the vertical position of the support leg is in the middle of the first state and the second state is set, and the transition from the first state to the third state is the second state to the second state. Control to be performed at a higher speed than the transition to the state, and when the third state is reached, the support leg is once stopped, and then the inverted control of the two-wheel inverted robot is started. The overturn prevention device for a two-wheel inverted robot according to claim 1. 前記支持脚の先端に、それぞれキャスターを設けたことを特徴とする請求項1又は2に記載の二輪倒立型ロボット用転倒防止装置。   The fall prevention device for a two-wheel inverted robot according to claim 1 or 2, wherein a caster is provided at each end of the support leg.
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