JP2016170616A - Contacting external force calculation system, rolling resistance torque detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接触外力算出システム、転がり抵抗トルク検出方法に関する。 The present invention relates to a contact external force calculation system and a rolling resistance torque detection method.
近年、障害物などの外部環境を回避しつつ、自律的に移動する移動体の開発が行われている。 In recent years, mobile bodies that move autonomously while avoiding external environments such as obstacles have been developed.
特許文献1は、特別な衝突センサを設けることなく、移動体が外部環境に接触することで移動体に作用する接触外力を算出する技術を開示している。具体的には、駆動輪の回転情報を検出し、この回転情報と駆動トルクを駆動輪の運動方程式に代入することで、移動体が外部環境に接触したことにより駆動輪に作用する接触外力トルクを算出し、この接触外力トルクに基いて移動体に作用する接触外力を算出している。
しかしながら、上記特許文献1の構成では、移動体が外部環境に接触していないのに、路面特性が変化すると、移動体が外部環境に接触して移動体に接触外力が作用したと誤認識してしまう問題があった。
However, in the configuration of
そこで、本発明の目的は、移動体が外部環境に接触することで移動体に作用する接触外力を駆動輪の運動方程式によって算出するに際し、移動体が外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると移動体が外部環境に接触して移動体に接触外力が作用したと誤認識してしまう問題を解消する技術を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to calculate the contact external force acting on the moving body by the moving body coming into contact with the external environment by the equation of motion of the driving wheel, even though the moving body is not in contact with the external environment. It is an object of the present invention to provide a technique for solving the problem that when a change occurs, the moving body comes into contact with the external environment and erroneously recognizes that a contact external force has acted on the moving body.
本願発明の第1の観点によれば、移動体が外部環境に接触することで移動体に作用する接触外力を駆動輪の回転の運動方程式によって算出する接触外力算出システムであって、前記駆動輪の回転情報を取得する回転情報取得手段と、前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得する駆動トルク取得手段と、現在移動している路面から前記駆動輪が受ける転がり抵抗トルクを取得する転がり抵抗トルク取得手段と、前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記転がり抵抗トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて、前記移動体が前記外部環境に接触したことにより前記駆動輪に作用する接触外力トルクを算出する接触外力トルク算出手段と、前記接触外力トルクに基いて、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する接触外力を算出する接触外力算出手段と、を備えた、接触外力算出システムが提供される。以上の構成によれば、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する前記接触外力を前記駆動輪の回転の運動方程式によって算出するに際し、現在移動している前記路面から前記駆動輪が受ける前記転がり抵抗トルクを考慮しているので、前記移動体が前記外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると前記移動体が前記外部環境に接触して前記移動体に前記接触外力が作用したと誤認識していまう問題を解消することができる。
上記接触外力算出システムは、前記路面の画像情報及び前記転がり抵抗トルクを関連付けて記憶する記憶手段を更に備える。前記転がり抵抗トルク取得手段は、現在移動している前記路面を撮像して得られる画像情報に基づいて、前記記憶手段を参照することで、現在移動している前記路面から前記駆動輪が受ける前記転がり抵抗トルクを取得する。以上の構成によれば、現在移動している前記路面を撮像して得られる画像情報を取得することで、その路面に対応する前記転がり抵抗トルクを取得することができる。
前記記憶手段に記憶されている前記転がり抵抗トルクは、前記移動体が外部環境に接触しない条件下で前記移動体を前記路面上で移動させ、前記移動体の移動中に前記駆動輪の回転情報、及び、前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得し、前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて算出したものである。
本願発明の第2の観点によれば、移動体が外部環境に接触することで移動体に作用する接触外力を駆動輪の回転の運動方程式によって算出する接触外力算出方法であって、前記駆動輪の回転情報を取得するステップと、前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得するステップと、現在移動している路面から前記駆動輪が受ける転がり抵抗トルクを取得するステップと、前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記転がり抵抗トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて、前記移動体が前記外部環境に接触したことにより前記駆動輪に作用する接触外力トルクを算出するステップと、前記接触外力トルクに基いて、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する接触外力を算出するステップと、を含む、接触外力算出方法が提供される。以上の方法によれば、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する前記接触外力を前記駆動輪の回転の運動方程式によって算出するに際し、現在移動している前記路面から前記駆動輪が受ける前記転がり抵抗トルクを考慮しているので、前記移動体が前記外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると前記移動体が前記外部環境に接触して前記移動体に前記接触外力が作用したと誤認識していまう問題を解消することができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a contact external force calculation system that calculates a contact external force that acts on a moving body by the moving body coming into contact with an external environment, based on an equation of motion of rotation of the driving wheel, the driving wheel Rotation information acquisition means for acquiring the rotation information of the vehicle, drive torque acquisition means for acquiring drive torque for driving the drive wheels, and rolling for acquiring the rolling resistance torque received by the drive wheels from the currently moving road surface Based on the resistance torque acquisition means, the rotation information, the driving torque, the rolling resistance torque, and the equation of motion of the rotation of the driving wheel, the moving body comes into contact with the external environment to the driving wheel. Based on the contact external force torque, the contact external force torque calculating means for calculating the contact external force torque that acts on the movable body is applied to the mobile body by contacting the external environment. A contact force calculating means for calculating the contact force that, with a contact force calculating system is provided. According to the above configuration, when calculating the contact external force acting on the moving body by the moving body coming into contact with the external environment by the equation of motion of the rotation of the driving wheel, from the road surface currently moving Since the rolling resistance torque received by the driving wheel is taken into account, when the road surface characteristic changes even though the moving body is not in contact with the external environment, the moving body comes into contact with the external environment and contacts the moving body. The problem of misrecognizing that the contact external force has acted can be solved.
The contact external force calculation system further includes storage means for storing the road surface image information and the rolling resistance torque in association with each other. The rolling resistance torque acquisition means refers to the storage means based on image information obtained by imaging the road surface that is currently moving, so that the driving wheel receives the driving wheel from the road surface that is currently moving. Get the rolling resistance torque. According to the above configuration, the rolling resistance torque corresponding to the road surface can be acquired by acquiring image information obtained by imaging the road surface that is currently moving.
The rolling resistance torque stored in the storage means moves the moving body on the road surface under the condition that the moving body does not come into contact with the external environment, and the rotation information of the driving wheel during the movement of the moving body. And a driving torque for driving the driving wheel is acquired and calculated based on the rotation information, the driving torque, and a motion equation of rotation of the driving wheel.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a contact external force calculation method for calculating a contact external force acting on a moving body by the moving body coming into contact with an external environment based on an equation of motion of rotation of the drive wheel, Obtaining rotation information, obtaining a driving torque for driving the driving wheel, obtaining a rolling resistance torque received by the driving wheel from a currently moving road surface, and the rotation information. Calculating, based on the driving torque, the rolling resistance torque, and the equation of motion of rotation of the driving wheel, a contact external force torque that acts on the driving wheel when the moving body contacts the external environment; Calculating a contact external force that acts on the moving body when the moving body comes into contact with the external environment based on the contact external force torque. A method is provided. According to the above method, when calculating the contact external force acting on the moving body by the moving body coming into contact with the external environment from the equation of motion of the rotation of the driving wheel, the road surface currently moving is calculated. Since the rolling resistance torque received by the driving wheel is taken into account, when the road surface characteristic changes even though the moving body is not in contact with the external environment, the moving body comes into contact with the external environment and contacts the moving body. The problem of misrecognizing that the contact external force has acted can be solved.
本発明によれば、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する前記接触外力を前記駆動輪の回転の運動方程式によって算出するに際し、現在移動している前記路面から前記駆動輪が受ける前記転がり抵抗トルクを考慮しているので、前記移動体が前記外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると前記移動体が前記外部環境に接触して前記移動体に前記接触外力が作用したと誤認識していまう問題を解消することができる。 According to the present invention, when calculating the contact external force acting on the moving body by the moving body coming into contact with the external environment from the road surface that is currently moving, Since the rolling resistance torque received by the driving wheel is taken into consideration, when the road surface characteristics change even though the moving body is not in contact with the external environment, the moving body comes into contact with the external environment and The problem of misrecognizing that a contact external force has been applied can be solved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1には、生活支援システム1(接触外力算出システム)の概略を示している。図1に示すように、生活支援システム1は、サービス環境2内で自律移動可能な複数の生活支援ロボット3(移動体)と、複数の生活支援ロボット3が例えばLANやWANなどのネットワーク4を介してアクセス可能なサーバー5と、によって構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of a life support system 1 (contact external force calculation system). As shown in FIG. 1, a
図2には、生活支援ロボット3の機能ブロック図を示している。図1及び図2に示すように、生活支援ロボット3は、移動体本体6と、左駆動輪7L(駆動輪)、右駆動輪7R(駆動輪)、前従動輪8F(従動輪)、後従動輪8B(従動輪)、制御部9、カメラ10(撮像手段)、通信ドライバ11(通信手段)、右モータ12R(駆動手段)、左モータ12L(駆動手段)、右エンコーダ13R、左エンコーダ13L、モータドライバ14、カウンタ15、姿勢センサ16(傾斜角検出手段)を備える。
FIG. 2 shows a functional block diagram of the
左駆動輪7L及び右駆動輪7R、前従動輪8F、後従動輪8Bは、移動体本体6に対して回転自在に取り付けられた車輪である。左駆動輪7L及び右駆動輪7Rは、駆動される車輪であって、進行方向に対して左右に配置されている。前従動輪8F及び後従動輪8Bは、駆動されない車輪であって、進行方向に対して前後に配置されている。
The left
右駆動輪7Rには、右モータ12R及び右エンコーダ13Rが取り付けられている。左駆動輪7Lには、左モータ12L及び左エンコーダ13Lが取り付けられている。モータドライバ14は、制御部9からの指令に基いて右モータ12R及び左モータ12Lの動作を制御する。これにより、生活支援ロボット3は、前後進、左右旋回、加減速などの任意の移動を行うことができる。
A right motor 12R and a
右エンコーダ13Rは右モータ12Rの出力軸の回転に応じたパルス信号を生成してカウンタ15に出力する。同様に、左エンコーダ13Lは左モータ12Lの出力軸の回転に応じたパルス信号を生成してカウンタ15に出力する。カウンタ15は、右エンコーダ13R及び左エンコーダ13Lから出力されたパルス信号をカウントし、そのカウント値を制御部9に出力する。これにより、制御部9は、カウンタ15から出力されたカウント値に基いて、右駆動輪7Rの回転情報、及び、左駆動輪7Lの回転情報を算出して取得することができる。ここで、回転情報とは、回転角度、回転角速度、回転角加速度のうち少なくとも何れかを含む情報、又は、回転角度、回転角速度、回転角加速度のすべてを含む情報である。
The
姿勢センサ16は、例えば、ジャイロセンサ及び加速度センサによって構成されており、生活支援ロボット3の姿勢を検出し、検出結果を制御部9に出力する。
The
図1に戻り、本実施形態のサービス環境2の路面17としては、フローリングが敷かれた路面17A、カーペットが敷かれた路面17B、畳が敷かれた路面17Cが含まれている。
Returning to FIG. 1, the
そして、カメラ10は、制御部9からの指令に基づき、生活支援ロボット3が現在移動している路面17を撮像して画像情報を生成し、生成した画像情報を制御部9に出力する。
Then, the
制御部9は、通信ドライバ11を介してネットワーク4に接続されている。
The
以上のように構成された生活支援ロボット3が安定的に移動するには、生活支援ロボット3が外部環境(例えば他の生活支援ロボット3など)に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を適切に把握することが重要である。上記接触外力を適切に把握すべく、例えば、生活支援ロボット3の移動体本体6の外周面に複数の接触センサを配置することが考えられる。しかしながら、生活支援ロボット3の移動体本体6の外周面に複数の接触センサを設けると、生活支援ロボット3の製造コスト増を招いてしまう。これに対し、本実施形態では、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの運動方程式を解くことで上記接触外力を算出するようにしている。
In order for the
ここで、図1に示すように、生活支援ロボット3が活躍するサービス環境2の路面17の素材は必ずしも統一されているわけではなく、本実施形態のように異なる素材の路面17が混在している場合がある。例えば、図1において白抜き矢印で示すように、生活支援ロボット3がフローリングである路面17Aからカーペットである路面17Bへと移動したとすると、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lが路面17から受ける転がり抵抗トルクが変化することになる。なお、転がり抵抗トルクとは、路面17の表面性状ごとに異なる値を取り、路面17の弾性変形や右駆動輪7R及び左駆動輪7L自体の弾性変形に起因して右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転に抗するように右駆動輪7R及び左駆動輪7Lに作用するトルクである。この変化は、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの運動方程式に対して外乱として作用し、もって、上記接触外力の算出に支障を来す。具体的には、生活支援ロボット3がフローリングである路面17Aからカーペットである路面17Bへと移動した際、実際には生活支援ロボット3が外部環境に接触していないにも拘らず、生活支援ロボット3が外部環境に接触したものとして生活支援ロボット3が誤って認識してしまう虞がある。
Here, as shown in FIG. 1, the material of the
この問題に対し、生活支援ロボット3を以下のように構成することで、本実施形態では上記誤認識を解決している。
With respect to this problem, the misrecognition is solved in the present embodiment by configuring the
図2に示すように、制御部9は、中央演算処理器としてのCPU20(Central Processing Unit)と、読み書き自由のRAM21(Random Access Memory)、読み出し専用のROM22(Read Only Memory)を備えている。そして、CPU20がROM22に記憶されている制御プログラムを読み出して実行することで、制御プログラムは、CPU20などのハードウェアを、回転角度検出部24(回転情報取得手段)、駆動トルク取得部25(駆動トルク取得手段)、転がり抵抗トルク取得部26(転がり抵抗トルク取得手段)、接触外力トルク算出部27(接触外力トルク算出手段)、接触外力算出部28(接触外力算出手段)、移動制御部29(移動制御手段)、転がり抵抗トルク検出部30(転がり抵抗トルク検出手段)、として機能させる。
As shown in FIG. 2, the
移動制御部29は、モータドライバ14に所望の指令を出力することで、生活支援ロボット3の移動を制御する。
The
回転角度検出部24は、カウンタ15から出力されたカウント値に基いて、右駆動輪7Rの回転情報、及び、左駆動輪7Lの回転情報を算出して取得する。
The
駆動トルク取得部25は、移動制御部29がモータドライバ14に出力する指令に基いて、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの駆動トルクを取得する。
The drive
転がり抵抗トルク取得部26は、サーバー5にアクセスして、現在移動している路面17から受ける転がり抵抗トルクを取得する。
The rolling resistance torque acquisition unit 26 accesses the
接触外力トルク算出部27は、回転角度検出部24が取得した回転情報と、駆動トルク取得部25が取得した駆動トルクと、転がり抵抗トルク取得部26が取得した転がり抵抗トルクと、に基いて、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転の運動方程式を解くことで、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより右駆動輪7R及び左駆動輪7Lに作用する接触外力トルクを算出する。
The contact external force
接触外力算出部28は、接触外力トルク算出部27が算出した接触外力トルクに基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を算出する。
Based on the contact external force torque calculated by the contact external force
そして、移動制御部29は、接触外力算出部28が算出した接触外力を考慮しつつ、生活支援ロボット3の移動を制御する。
Then, the
以下、上記各構成要素を詳しく説明する。 Hereafter, each said component is demonstrated in detail.
先ず、図3を参照して、生活支援ロボット3の座標系について考える。なお、生活支援ロボット3が移動する空間を水平な平面上と仮定する。図3は、生活支援ロボット3を上方から見たときの生活支援ロボット3の座標系を示す図である。絶対座標系の原点から見た生活支援ロボット3の座標をpB=[pBx、pBy、pBθ]Tとする。pBx及びpByは生活支援ロボット3の重心位置を示しており、pBθは生活支援ロボット3の向き(角度)を示している。また、生活支援ロボット3の右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの間隔を2lとし、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの半径をrとし、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転角度をθW=[θL、θR]Tとする。さらに、生活支援ロボット3の進行方向をX軸とする生活支援ロボット3の座標系を想定する。
First, the coordinate system of the
上記のように想定した生活支援ロボット3の座標系において、生活支援ロボット3に作用する接触外力fBをfB=[fBx、fBy、τB]Tとすると、絶対座標系では生活支援ロボット3に作用する接触外力fBAをfBA=R(pBθ)fBと表わすことができる。なお、R(pBθ)はpBθだけ回転させる回転変換行列を表わしており、下記(1)式のように表現される。但し、下記(1)式において、SpBθ=sin(pBθ)、CpBθ=cos(pBθ)である。
In the coordinate system of the
また、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lが路面17上を滑ることなく回転すると仮定する。この場合、右駆動輪7Rの回転角速度(θLの1階微分値)、及び、左駆動輪7Lの回転角速度(θRの1階微分値)を用いて、生活支援ロボット3の速度(pBxの1階微分値)、(pByの1階微分値)、及び姿勢の角速度(pBθの1階微分値)は、下記(2)式によって求められる。
Further, it is assumed that the
ところで、例えばデッドレコニング(Dead-Reckoning:DR)方式(又はオドメトリ)において、移動体の速度及び姿勢の角速度を積分することで移動体の自己位置を算出することができる。一方で、デッドレコニング方式を単に用いて自己位置を算出した場合、移動体の速度及び姿勢の角速度の誤差も積分されるため、最終的に算出された自己位置は絶対位置情報として精度上の問題が生じ得る。特に、移動体の旋回時には各駆動輪と路面との間に滑りが生じるため、上記誤差はさらに大きなものとなる。 By the way, for example, in the dead reckoning (DR) system (or odometry), the self position of the moving body can be calculated by integrating the speed of the moving body and the angular velocity of the posture. On the other hand, if the self-position is calculated simply using the dead reckoning method, the error of the velocity of the moving body and the angular velocity error of the posture are also integrated, so the finally calculated self-position is a problem in accuracy as absolute position information. Can occur. In particular, since the slip occurs between each drive wheel and the road surface when the mobile body turns, the above error becomes even larger.
これに対し、上記(2)式における行列JBはヤコビ行列を表わしている。そこで、このヤコビ行列JBの転置行列JBTを用いて、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBx、fBy、τBと、右駆動輪7Rの接触外力トルクτR、左駆動輪7Lの接触外力トルクτLとの関係を示す下記(3)式を得ることができる。ここで、接触外力トルクτWとは、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより右駆動輪7R及び左駆動輪7Lに作用するトルクである。
On the other hand, the matrix JB in the above equation (2) represents a Jacobian matrix. Therefore, using the transposed matrix JBT of the Jacobian matrix JB, the contact external forces fBx, fBy, τB acting on the center of gravity of the
上記のように最終的に得られた(3)式は生活支援ロボット3の向きpBθを含まない。このため、生活支援ロボット3の座標系において、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBx、fBy、τBと、右駆動輪7Rの接触外力トルクτR及び左駆動輪7Lの接触外力トルクτLは、生活支援ロボット3の向きpBθと無関係であることが分かる。すなわち、接触外力トルクτR及び接触外力トルクτLを推定できれば、上記(3)式を用いて生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBx、fBy、τBを逆算することができる。
The expression (3) finally obtained as described above does not include the orientation pBθ of the
なお、この算出過程で、生活支援ロボット3の向きpBθの影響を受けない(3)式を用いることから、デッドレコニング方式による積分誤差の影響を受けることもない。そのため、高精度に生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力を求めることができる。但し、上記ヤコビ行列JBは正方でないため、後述の如く疑似逆行列を用いることになる。
In this calculation process, the expression (3) that is not affected by the orientation pBθ of the
ここで、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式は、下記(4)式のように表わすことができる。
Here, the equation of motion of rotation of the
なお、上記(4)式において、IL及びIRはそれぞれ左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの等価慣性モーメント係数を示し、BL及びBRはそれぞれ左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの粘性摩擦係数を示し、EL及びERはそれぞれ左駆動輪7L及び右駆動輪7Rのクーロン摩擦係数を示している。なお、本実施の形態において、簡略化のため粘性摩擦及びクーロン摩擦を用いてモデル化した上記(4)式を示している。一方、例えば、減速機等の駆動系の特性により、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの正回転と逆回転で摩擦特性が異なる場合も存在する。その場合、実測などによって求めた特性を用いてもよい。
In the above equation (4), IL and IR represent the equivalent moment of inertia coefficients of the
上記(4)式において、τL及びτRは駆動トルクτLe及びτReは接触外力トルクτLr及びτRrは転がり抵抗トルクである。 In the above equation (4), τL and τR are driving torques τLe and τRe are contact external force torques τLr and τRr are rolling resistance torques.
駆動トルク取得部25は、上記(4)式における、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rを駆動するための駆動トルクτL及び駆動トルクτRを夫々算出する。なお、駆動トルク取得部25は、左モータ12L及び右モータ12Rや左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに取り付けたトルクセンサを用いて、駆動トルクτL及び駆動トルクτRを算出してもよい。
The drive
また、上記(4)式において、τLe及びτReは、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに作用する接触外力トルクである。
In the above equation (4), τLe and τRe are contact external force torques acting on the
転がり抵抗トルク取得部26は、カメラ10が現在移動している路面17を撮像するようカメラ10に指令を出し、カメラ10が生成した画像情報を取得し、その画像情報をサーバー5に送信することで、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクτLr及び転がり抵抗トルクτRrを取得する。
The rolling resistance torque acquisition unit 26 instructs the
ここで、図4及び図5を参照して、サーバー5を説明する。図4に示すように、サーバー5は、転がり抵抗トルクDB32(記憶手段)を有する。転がり抵抗トルクDB32は、例えばHDD(Hard Disk Drive)によって実現されている。図5に示すように、転がり抵抗トルクDB32には、路面17の識別情報、路面17の材質、路面17の転がり抵抗トルク、路面17の画像、路面17の製造メーカーが関連付けて記憶されている。従って、生活支援ロボット3の転がり抵抗トルク取得部26が路面17の画像情報をサーバー5に送信すると、サーバー5は、受信した画像情報に基いて路面17の識別情報を取得して路面17に対応する転がり抵抗トルクを生活支援ロボット3に送信し、もって、転がり抵抗トルク取得部26は現在移動している路面17の転がり抵抗トルクを取得する。
Here, the
なお、生活支援ロボット3の転がり抵抗トルク取得部26がサーバー5に送信した路面17の画像情報と、転がり抵抗トルクDB32に保存されている画像情報と、を照合するに際しては、いわゆる特徴量を用いるとよい。特徴量としては、例えばカラーヒストグラムや色統計、輪郭のヒストグラム、Haar-Like特徴量などが挙げられる。照合アルゴリズムとしては、例えばAdaboostアルゴリズムを用いることができる。サーバー5は、生活支援ロボット3から受信した画像情報の特徴量を算出し、算出した特徴量を、転がり抵抗トルクDB32に保存されている各画像情報の特徴量と比較する。サーバー5は、比較の結果、生活支援ロボット3から受信した画像情報の特徴量に最も近い特徴量を有する画像情報を転がり抵抗トルクDB32に保存されている複数の画像情報の中から特定し、その特定した画像情報に基いて路面17の識別情報を取得し、この路面17に対応する転がり抵抗トルクを生活支援ロボット3に送信する。
In addition, when collating the image information of the
図2に戻り、接触外力算出部28は、上記(4)式を用いて左駆動輪7Lの接触外力トルクτLe及び右駆動輪7Rの接触外力トルクτReを夫々算出する。なお、ハットは算出結果が推定値であることを意味している。
Returning to FIG. 2, the contact external force calculation unit 28 calculates the contact external force torque τLe of the
ここで、接触外力算出部28は、まず、回転角度検出部24により検出された左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転角加速度(θLの2階微分値)及び(θRの2階微分値)を用いて、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの等価慣性トルクIL・(θLの2階微分値)、IR・(θRの2階微分値)を算出する。そして、接触外力算出部28は、算出した左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの等価慣性トルクIL・(θLの2階微分値)、IR・(θRの2階微分値)と、駆動トルク取得部25が取得した駆動トルクτL及び駆動トルクτRと、転がり抵抗トルク取得部26が取得した転がり抵抗トルクτLr及び転がり抵抗トルクτRrと、に基いて、上記(4)式を用いて、接触外力トルクτLe及び接触外力トルクτReを夫々算出する。なお、生活支援ロボット3の加速度が低い状態のとき、接触外力算出部28は、上記(4)式において、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの等価慣性トルクIL・(θLの2階微分値)、IR・(θRの2階微分値)を含めずに(0として)、接触外力トルクτLe及び接触外力トルクτReを夫々算出してもよい。
Here, the contact external force calculation unit 28 first detects the rotation angular acceleration (second-order differential value of θL) and (second-order differential value of θR) of the
さらに、上記(3)式を用いて、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBを算出するための下記(5)式を導出することができる。ただし、ハットは推定値であることを意味している。
Further, the following equation (5) for calculating the contact external force fB acting on the center of gravity position of the
なお、上記(5)式において、(・)+は疑似逆行列を示しており、例えば、行列Aの疑似逆行列はAT(AAT)−1となる。 In the above equation (5), (•) + indicates a pseudo inverse matrix, and for example, the pseudo inverse matrix of the matrix A is AT (AAT) −1.
ここで、上記(5)式において、接触外力のy成分fByは常時0となる。この接触外力のy成分fByは、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに対して横方向に作用する力成分であり、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転トルクに影響しないため、0となる。
Here, in the above equation (5), the y component fBy of the contact external force is always zero. The y component fBy of the contact external force is a force component acting in the lateral direction with respect to the
接触外力算出部28は、上記算出した接触外力トルクτLe及び接触外力トルクτReと、上記(5)式とに基いて、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBを算出する。以上のようにして、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBを、その接触外力fBを計測するための特別なセンサを用いること無く、生活支援ロボット3の既存のセンサだけで算出することができる。従って、そのセンサにかかるコストを低減できる。
The contact external force calculation unit 28 calculates a contact external force fB that acts on the center of gravity of the
また、生活支援ロボット3の重心位置に作用する接触外力fBを、現在移動している路面17の転がり抵抗トルクを加味して算出しているので、例えば路面17Aと路面17Bの間の境界を跨ぐ際に、実際には生活支援ロボット3が外部環境に接触していないのに生活支援ロボット3が外部環境に接触したと誤認識してしまうこともない。
Further, since the contact external force fB acting on the center of gravity of the
次に、図6を参照して、生活支援ロボット3が傾斜面上に存在する場合について説明する。この場合、水平面上に存在する場合と比較して、生活支援ロボット3にはさらに鉛直下向きの重力Mgが接触外力の一部として作用することとなる。接触外力算出部28は、例えば、姿勢センサ16により検出された加速度情報に基いて重力加速度gの斜面方向成分(重力加速度gを斜面に投影したベクトル成分)aを算出する。そして、接触外力算出部28は、上記のように算出した接触外力fBから、接触外力fBに含まれる重力成分Maを減算する。このようにして、生活支援ロボット3が水平面上に存在する場合だけでなく、斜面上に存在する場合でも、外部環境との接触に伴う正味の接触外力fBを、その接触外力fBを検出するための特別なセンサを用いることなく算出することができる。
Next, with reference to FIG. 6, the case where the
移動制御部29は、例えば、接触外力算出部28により算出された接触外力fBを抑制するように生活支援ロボット3のインピーダンス制御を行う。具体的には、移動制御部29は、生活支援ロボット3の速度目標値(Pdの1階微分値)を、例えば、下記(6)式に示す仮想インピーダンスモデルに基いて算出する。なお、下記(6)式において、Mdは生活支援ロボット3の仮想質量であり、Ddは生活支援ロボット3の仮想の粘性摩擦であり、Pdは生活支援ロボット3の目標位置ベクトルであり、fBは、接触外力算出部28により算出される生活支援ロボット3に作用する接触外力ベクトルであり、Vcは仮想コンベアの速度ベクトルである。
The
そして、移動制御部29は、算出した生活支援ロボット3の速度目標値(Pdの1階微分値)に基いて、下記(7)式を用いて左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの速度目標値(θWdの1階微分値)を算出する。
Then, based on the calculated speed target value (first-order differential value of Pd) of the
移動制御部29は、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転角速度が上記算出した左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの速度目標値(θWdの1階微分値)となるように、左モータ12L及び右モータ12Rのフィードバック制御を行う。これにより、生活支援ロボット3に付加される接触外力fBの増加を緩和するように生活支援ロボット3を高精度に制御することができ、高い安全性が実現できる。
The
次に、図7を参照して、生活支援システム1における接触外力算出方法のフローチャートを説明する。
Next, with reference to FIG. 7, the flowchart of the contact external force calculation method in the
先ず、生活支援ロボット3の移動が開始する(S100:YES)と、回転角度検出部24は、カウンタ15から出力されたカウント値に基いて、右駆動輪7Rの回転情報、及び、左駆動輪7Lの回転情報を算出して取得する(S110)。
First, when the movement of the
次に、駆動トルク取得部25は、移動制御部29がモータドライバ14に出力する指令に基いて、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの駆動トルクを取得する(S120)。
Next, the drive
次に、転がり抵抗トルク取得部26は、カメラ10が現在移動している路面17を撮像するようにカメラ10に指令を出し、カメラ10が路面17を撮像して生成した画像情報を取得する(S130)。そして、転がり抵抗トルク取得部26は、カメラ10から取得した画像情報をサーバー5に送信することで、この画像情報に関連付けられた転がり抵抗トルクをサーバー5から受信して取得する(S140)。
Next, the rolling resistance torque acquisition unit 26 instructs the
次に、接触外力トルク算出部27は、回転角度検出部24が取得した回転情報と、駆動トルク取得部25が取得した駆動トルクと、転がり抵抗トルク取得部26が取得した転がり抵抗トルクと、に基いて、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転の運動方程式を解くことで、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより右駆動輪7R及び左駆動輪7Lに作用する接触外力トルクを算出する(S150)。
Next, the contact external force
次に、接触外力算出部28は、接触外力トルク算出部27が算出した接触外力トルクに基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を算出する(S160)。
Next, the contact external force calculation unit 28 calculates the contact external force that acts on the
そして、移動制御部29は、接触外力算出部28が算出した接触外力を考慮しつつ、生活支援ロボット3の移動をインピーダンス制御する(S170)。
Then, the
最後に、移動制御部29は、生活支援ロボット3が目的地に到達したか判定し(S180)、生活支援ロボット3が目的地に到達していないと判定した場合は(S180:NO)、処理をS110に戻し、生活支援ロボット3が目的地に到達したと判定した場合は(S180:YES)、生活支援ロボット3の移動を停止し(S190)、処理を終了する。
Finally, the
図8には、図1に示すように生活支援ロボット3が白抜き矢印の方向に移動した際に、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに作用する転がり抵抗トルクの時間変化を示している。図8に示すように、移動開始から15秒経過した時点で生活支援ロボット3はフローリングが敷かれた路面17Aとカーペットが敷かれた路面17Bの境界を跨いでおり、転がり抵抗トルクはステップ状に増大している。同様に、移動開始から30秒経過した時点で生活支援ロボット3はカーペットが敷かれた路面17Bと畳が敷かれた路面17Cの境界を跨いでおり、転がり抵抗トルクはステップ状に減少している。
FIG. 8 shows the time change of the rolling resistance torque acting on the
図9には、特許文献1のように現在移動している路面17に応じた転がり抵抗トルクの違いを考慮しないで算出した接触外力を細い実線で示し、本実施形態のように現在移動している路面17に応じた転がり抵抗トルクの違いを考慮して算出した接触外力を太い実線で示している。このように、特許文献1に開示の技術では、路面17に応じた転がり抵抗トルクの違いを考慮していないので、移動する路面17の種別が切り替わるたびに生活支援ロボット3が外部環境に接触したと誤認識している。一方で、本実施形態では、現在移動している路面17に応じた転がり抵抗トルクの違いを考慮して接触外力を算出しているので、移動する路面17の種別が切り替わっても、生活支援ロボット3が外部環境に接触していない限り、接触外力はゼロのままである。
In FIG. 9, the contact external force calculated without considering the difference of the rolling resistance torque according to the
以上に、本願発明の好適な実施形態を説明した。上記実施形態は、以下の特長を有する。 The preferred embodiment of the present invention has been described above. The above embodiment has the following features.
◆生活支援システム1(接触外力算出システム)は、生活支援ロボット3(移動体)が外部環境(例えば他の生活支援ロボット3)に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式によって算出する。生活支援システム1は、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転情報を取得する回転角度検出部24(回転情報取得手段)と、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rを駆動するための駆動トルクを取得する駆動トルク取得部25(駆動トルク取得手段)と、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクを取得する転がり抵抗トルク取得部26(転がり抵抗トルク取得手段)と、回転情報と、駆動トルクと、転がり抵抗トルクと、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式に基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに作用する接触外力トルクを算出する接触外力トルク算出部27(接触外力トルク算出手段)と、接触外力トルクに基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を算出する接触外力算出部28(接触外力算出手段)と、を備える。以上の構成によれば、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式によって算出するに際し、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクを考慮しているので、生活支援ロボット3が外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると生活支援ロボット3が外部環境に接触して生活支援ロボット3に接触外力が作用したと誤認識していまう問題を解消することができる。
The life support system 1 (contact external force calculation system) drives the contact external force acting on the
◆また、生活支援システム1は、路面17の画像情報及び転がり抵抗トルクを関連付けて記憶する転がり抵抗トルクDB32(記憶手段)を更に備える。転がり抵抗トルク取得部26は、現在移動している路面17を撮像して得られる画像情報に基づいて、転がり抵抗トルクDB32を参照することで、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクを取得する。以上の構成によれば、現在移動している路面17を撮像して得られる画像情報を取得することで、その路面17に対応する転がり抵抗トルクを取得することができるようになる。
The
なお、上記実施形態では、サーバー5が転がり抵抗トルクDB32を有することで、転がり抵抗トルクを他の生活支援ロボット3と共有できるようになっている。しかし、これに代えて、生活支援ロボット3が転がり抵抗トルクDB32を有し、複数の生活支援ロボット3間における相互通信によって転がり抵抗トルクを共有するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
◆接触外力算出方法は、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式によって算出する方法である。接触外力算出方法は、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転情報を取得するステップ(S110)と、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rを駆動するための駆動トルクを取得するステップ(S120)と、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクを取得するステップ(S130-S140)と、回転情報と、駆動トルクと、転がり抵抗トルクと、左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式に基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触したことにより左駆動輪7L及び右駆動輪7Rに作用する接触外力トルクを算出するステップ(S150)と、接触外力トルクに基いて、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を算出するステップ(S160)と、を含む。以上の方法によれば、生活支援ロボット3が外部環境に接触することで生活支援ロボット3に作用する接触外力を左駆動輪7L及び右駆動輪7Rの回転の運動方程式によって算出するに際し、現在移動している路面17から左駆動輪7L及び右駆動輪7Rが受ける転がり抵抗トルクを考慮しているので、生活支援ロボット3が外部環境に接触していないのに路面特性が変化すると生活支援ロボット3が外部環境に接触して生活支援ロボット3に接触外力が作用したと誤認識していまう問題を解消することができる。
The contact external force calculation method is a method of calculating the contact external force that acts on the
次に、図10を参照して、路面17の転がり抵抗トルクが未知であり、この転がり抵抗トルクを検出する転がり抵抗トルク検出方法を説明する。
Next, a rolling resistance torque detecting method for detecting the rolling resistance torque when the rolling resistance torque of the
先ず、生活支援ロボット3が特定環境下で移動を開始する(S300)。特定環境下とは、生活支援ロボット3が外部環境に接触しないこと、及び、生活支援ロボット3の移動する路面17が単一種類の素材によって構成されていること、が担保されている環境である。
First, the
次に、回転角度検出部24は、カウンタ15から出力されたカウント値に基いて、右駆動輪7Rの回転情報、及び、左駆動輪7Lの回転情報を算出して取得する(S310)。
Next, the rotation
次に、駆動トルク取得部25は、移動制御部29がモータドライバ14に出力する指令に基いて、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの駆動トルクを取得する(S320)。
Next, the drive
次に、移動制御部29は、生活支援ロボット3の移動を停止する(S330)。
Next, the
次に、転がり抵抗トルク検出部30は、カメラ10が現在位置している路面17を撮像するようにカメラ10に指令を出し、カメラ10が路面17を撮像して生成した画像情報を取得する(S340)。
Next, the rolling resistance
そして、転がり抵抗トルク検出部30は、回転情報と駆動トルク、下記(8)式に基いて、転がり抵抗トルクτLr及び転がり抵抗トルクτRrを算出する(S350)。下記(8)式は、(4)式から接触外力トルクの項を削除したものである。生活支援ロボット3は特定環境下で移動していたので、接触外力トルクは必ずゼロになることが担保されているから、接触外力トルクの項を削除することができる。
Then, the rolling
そして、転がり抵抗トルク検出部30は、算出した転がり抵抗トルクτLr及び転がり抵抗トルクτRrを画像情報と共にサーバー5にアップロードする(S360)。サーバー5にアップロードされた転がり抵抗トルクτLr及び転がり抵抗トルクτRrと画像情報は、関連付けて転がり抵抗トルクDB32に蓄積される。
Then, the rolling
このように、生活支援ロボット3は、検出した転がり抵抗トルクを都度、サーバー5にアップロードしているので、検出した転がり抵抗トルクを他の生活支援ロボット3と共有することができる。
In this way, the
上記実施形態は、以下の特長を有する。 The above embodiment has the following features.
◆転がり抵抗トルク検出方法は、生活支援ロボット3(移動体)が現在移動している路面17から右駆動輪7R及び左駆動輪7Lが受ける転がり抵抗トルクを検出する。転がり抵抗トルク検出方法は、特定環境下(生活支援ロボット3が外部環境に接触しない条件下)で生活支援ロボット3を路面17上で移動させるステップ(S300)と、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転情報を取得するステップ(S310)と、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lを駆動するための駆動トルクを取得するステップ(S320)と、回転情報と、駆動トルクと、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転の運動方程式に基いて、現在移動している路面17から右駆動輪7R及び左駆動輪7Lが受ける転がり抵抗トルクを算出するステップ(S350)と、を含む。以上の方法によれば、現在移動している路面17から右駆動輪7R及び左駆動輪7Lが受ける転がり抵抗トルクを検出することができる。
The rolling resistance torque detection method detects the rolling resistance torque received by the
◆転がり抵抗トルク検出方法は、現在移動している路面17を撮像して画像情報を生成するステップ(S340)と、画像情報と転がり抵抗トルクを関連付けてサーバー5にアップロードするステップ(S360)と、を含む。以上の方法によれば、転がり抵抗トルクを他機と共有することができる。 The rolling resistance torque detection method includes the step of generating image information by imaging the currently moving road surface 17 (S340), the step of uploading the image information and the rolling resistance torque in association with the server 5 (S360), including. According to the above method, the rolling resistance torque can be shared with other machines.
なお、図5に示す、転がり抵抗トルクDB32に記憶されている転がり抵抗トルクは、特定環境下(生活支援ロボット3が外部環境に接触しない条件下)で生活支援ロボット3を路面17上で移動させ(S300)、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転情報を取得し(S310)、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lを駆動するための駆動トルクを取得し(S320)、回転情報と、駆動トルクと、右駆動輪7R及び左駆動輪7Lの回転の運動方程式に基いて算出したものである(S350)。
Note that the rolling resistance torque stored in the rolling
1 生活支援システム
2 サービス環境
3 生活支援ロボット
4 ネットワーク
5 サーバー
6 移動体本体
7L 左駆動輪
7R 右駆動輪
9 制御部
10 カメラ
11 通信ドライバ
12R 右モータ
12L 左モータ
13R 右エンコーダ
13L 左エンコーダ
15 カウンタ
17 路面
24 回転角度検出部
25 駆動トルク取得部
26 転がり抵抗トルク取得部
27 接触外力トルク算出部
28 接触外力算出部
29 移動制御部
32 転がり抵抗トルクDB
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記駆動輪の回転情報を取得する回転情報取得手段と、
前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得する駆動トルク取得手段と、
現在移動している路面から前記駆動輪が受ける転がり抵抗トルクを取得する転がり抵抗トルク取得手段と、
前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記転がり抵抗トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて、前記移動体が前記外部環境に接触したことにより前記駆動輪に作用する接触外力トルクを算出する接触外力トルク算出手段と、
前記接触外力トルクに基いて、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する接触外力を算出する接触外力算出手段と、
を備えた、
接触外力算出システム。 A contact external force calculation system that calculates a contact external force acting on a moving body by the moving body coming into contact with an external environment, using a motion equation of rotation of a drive wheel,
Rotation information acquisition means for acquiring rotation information of the drive wheel;
Drive torque acquisition means for acquiring drive torque for driving the drive wheels;
Rolling resistance torque acquisition means for acquiring the rolling resistance torque received by the drive wheels from the road surface that is currently moving;
Based on the rotation information, the drive torque, the rolling resistance torque, and the equation of motion of the rotation of the drive wheel, the contact external force torque acting on the drive wheel when the moving body contacts the external environment is calculated. A contact external force torque calculating means for calculating;
Based on the contact external force torque, contact external force calculation means for calculating a contact external force acting on the mobile body by the mobile body coming into contact with the external environment;
With
Contact external force calculation system.
前記路面の画像情報及び前記転がり抵抗トルクを関連付けて記憶する記憶手段を更に備え、
前記転がり抵抗トルク取得手段は、現在移動している前記路面を撮像して得られる画像情報に基づいて、前記記憶手段を参照することで、現在移動している前記路面から前記駆動輪が受ける前記転がり抵抗トルクを取得する、
接触外力算出システム。 The contact external force calculation system according to claim 1,
Storage means for storing the image information of the road surface and the rolling resistance torque in association with each other;
The rolling resistance torque acquisition means refers to the storage means based on image information obtained by imaging the road surface that is currently moving, so that the driving wheel receives the driving wheel from the road surface that is currently moving. Get the rolling resistance torque,
Contact external force calculation system.
前記記憶手段に記憶されている前記転がり抵抗トルクは、前記移動体が外部環境に接触しない条件下で前記移動体を前記路面上で移動させ、前記移動体の移動中に前記駆動輪の回転情報、及び、前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得し、前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて算出したものである、
接触外力算出システム。 The contact external force calculation system according to claim 2,
The rolling resistance torque stored in the storage means moves the moving body on the road surface under the condition that the moving body does not come into contact with the external environment, and the rotation information of the driving wheel during the movement of the moving body. And a driving torque for driving the driving wheel is obtained and calculated based on the rotation information, the driving torque, and an equation of motion of rotation of the driving wheel.
Contact external force calculation system.
前記駆動輪の回転情報を取得するステップと、
前記駆動輪を駆動するための駆動トルクを取得するステップと、
現在移動している路面から前記駆動輪が受ける転がり抵抗トルクを取得するステップと、
前記回転情報と、前記駆動トルクと、前記転がり抵抗トルクと、前記駆動輪の回転の運動方程式に基いて、前記移動体が前記外部環境に接触したことにより前記駆動輪に作用する接触外力トルクを算出するステップと、
前記接触外力トルクに基いて、前記移動体が前記外部環境に接触することで前記移動体に作用する接触外力を算出するステップと、
を含む、
接触外力算出方法。 A contact external force calculation method for calculating a contact external force acting on a moving body by the moving body coming into contact with an external environment by an equation of motion of driving wheel rotation,
Obtaining rotation information of the drive wheels;
Obtaining a driving torque for driving the driving wheel;
Obtaining a rolling resistance torque received by the drive wheels from the road surface that is currently moving;
Based on the rotation information, the drive torque, the rolling resistance torque, and the equation of motion of the rotation of the drive wheel, the contact external force torque acting on the drive wheel when the moving body contacts the external environment is calculated. A calculating step;
Based on the contact external force torque, calculating a contact external force that acts on the moving body when the moving body contacts the external environment;
including,
Contact external force calculation method.
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