JP3241564B2 - 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法 - Google Patents

通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法

Info

Publication number
JP3241564B2
JP3241564B2 JP11213095A JP11213095A JP3241564B2 JP 3241564 B2 JP3241564 B2 JP 3241564B2 JP 11213095 A JP11213095 A JP 11213095A JP 11213095 A JP11213095 A JP 11213095A JP 3241564 B2 JP3241564 B2 JP 3241564B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vehicle body
motion
wheel
variable
mobile robot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP11213095A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH08305440A (ja
Inventor
訓治 ▲高▼山
栄二 中野
善一 森
隆行 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP11213095A priority Critical patent/JP3241564B2/ja
Priority to US08/640,319 priority patent/US5739657A/en
Publication of JPH08305440A publication Critical patent/JPH08305440A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3241564B2 publication Critical patent/JP3241564B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/021—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles
    • G05D1/0268—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using internal positioning means
    • G05D1/0272—Control of position or course in two dimensions specially adapted to land vehicles using internal positioning means comprising means for registering the travel distance, e.g. revolutions of wheels

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、面の上を移動する移動
ロボットの運動を認識し、その運動を制御する制御装置
およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】移動ロボットは、ロボットアームと共に
ロボットシステムの２大構成要素を成すものである。こ
れまでに様々な移動ロボットが考案されてきたが、それ
らは車輪型、クローラ（crawler ）型、脚型、体幹型な
どに大別される。車輪型移動ロボットは１つ以上の車輪
を備えた移動ロボットで、平面上での移動に適してお
り、クローラ型移動ロボットはキャタピラなどの移動用
ベルトを備えた移動ロボットで、段差等のある不整地で
の移動に適している。また、脚型移動ロボットは人間等
の生物に見られるような脚を備えた移動ロボットであ
り、体幹型移動ロボットはへびやみみずのように体を接
地させて移動する移動ロボットである。これらの移動ロ
ボットはより生物に近い動きを実現することができる。
【０００３】このうち、平坦地での移動に関しては、エ
ネルギー効率が高く、また機構も簡単であることから、
車輪型移動ロボットが最も広く研究されている。その中
心は３車輪型のものであり、その中にさらに２つの型が
ある。まず、１つは２駆動輪と１補助輪から成るもの
で、操舵は２つの独立な駆動輪の回転差によって実現さ
れる。もう１つは１組の共通駆動輪と１操舵輪から成る
もので、２つの駆動輪は差動歯車などを介して互いに結
合される。なお、４車輪型のものは３車輪型の変形とし
て捉えることができる。これらの３ないし４車輪型の移
動ロボットは基本的には駆動と操舵の２入力を有する非
ホロノミックなシステムとして捉えることができる。
【０００４】ここで、一般に、力学的な系に伴う変数の
拘束条件が代数方程式によって記述されるとき、その拘
束をホロノミックな（holonomic ）拘束と呼び、そうで
ないとき非ホロノミックな（nonholonomic）拘束と呼
ぶ。また、ホロノミックな拘束を伴うシステムをホロノ
ミックなシステムと呼び、非ホロノミックな拘束を伴う
システムを非ホロノミックなシステムと呼ぶ。物体の運
動に関しては、その位置に対する拘束条件が代数方程式
で記述される時、ホロノミックなシステムであり、微分
方程式等でしか表現できない時、非ホロノミックなシス
テムである。例えば、水平面上を滑らずに転がる鉛直な
円盤は非ホロノミックなシステムの一例としてよく知ら
れている。このため、このような円盤と同じ役目を果た
す車輪をその機構として備える車輪型移動ロボットの多
くは、非ホロノミックなシステムとなる。
【０００５】さて、このような拘束条件の非ホロノミッ
ク性により、これらの３ないし４車輪型の移動ロボット
は、我々の身近にある自動車と同様に、位置の２自由度
と方向の１自由度から成る平面３自由度内の任意の位置
に任意の姿勢で到達することができる。しかしながら、
そのためには非常に複雑な軌道を計画しなければなら
ず、現在、種々の手法が研究されている。特に、病院や
オフィス、工場などの屋内の狭い空間がこれらの移動ロ
ボットの活動の場として期待されているが、このような
場合、その軌道を設計する運動計画は一層その困難さを
増してしまう。
【０００６】このような困難な問題を根本的に克服する
ために、もう１つの試みとして、車輪のすえ切りなしに
任意の方向に移動することができる全方向移動ロボット
（omni-directional vehicle：ＯＤＶ）が考案された
（中野栄二，新井健生，橋野賢，山羽和夫，“全方向移
動試験車の機構（全方向移動車の開発：第１報），”日
本機械学会関西支部第５５期定時総会講演会論文集，１
９８０年３月，pp. 61-63.）。車輪のすえ切りとは、例
えば車輪の接地点を中心にして、その場で強制的に車輪
の向きを変える操作をいう。その後、様々なＯＤＶが研
究されてきたが、それらはホロノミックなＯＤＶと非ホ
ロノミックなＯＤＶとに大別される（中村仁彦，“非ホ
ロノミックロボットシステム，”日本ロボット学会誌，
vol. 11, no. 4-7, pp. 521-528, 655-662, 837-844, 9
99-1005, 1993, vol. 12, no. 2, pp. 231-239, 1994.
）。
【０００７】図１５は、従来のホロノミックなＯＤＶの
例を示している。図１５のＯＤＶは３つの車輪１−１、
１−２、および１−３を持ち、それらの回転軸が互いに
１２０°間隔で一点で交差するように配置されている。
このＯＤＶは、任意の位置および姿勢から直ちに任意の
方向に移動を開始することができ、そのために図１６に
示すような特殊な車輪機構を用いている。図１６におい
て、車輪１−１の周上には４つのローラ２−１、２−
２、２−３、および２−４が設けられ、これらのローラ
を用いて、接地したままで車輪の回転軸の方向に移動す
ることが可能になっている。
【０００８】一方、非ホロノミックなＯＤＶは図１６の
ような特殊な車輪機構を用いず、タイヤ製車輪に代表さ
れるような通常の車輪を用いることによって、機構的な
頑強さの実現、積載能力の増大、路面における小段差の
克服などを図っている。しかし、通常の車輪機構である
ため、任意の方向に移動を開始するためには車輪の準備
操舵を必要とする。
【０００９】このような非ホロノミックなＯＤＶを含む
様々な車輪型の移動ロボットの統一的な運動学の一般理
論は、車輪型移動ロボットに関する築島らの論文に記述
されている（築島隆尋，高野政晴，佐々木健，井上健
司，“車輪式移動ロボットの運動学および動力学の一般
理論に関する研究，”日本ロボット学会誌，vol.8, no.
6, pp. 59-71, 1990 ）。ここで、一般に、運動学（kin
ematics）とは順運動学（direct kinematics ）と逆運
動学（inverse kinematics）の２つを合わせて総称する
ものである。非ホロノミックなシステムとして特徴づけ
られる通常の車輪を用いたＯＤＶの場合、順運動学の方
程式を用いることによって、センサによって測定された
車輪の駆動速度や操舵角度の値から車体の進行速度や旋
回半径の値を計算することができる。また、車輪の駆動
速度や操舵角度の限界によって生じる車体の進行速度や
旋回半径の限界値を導出することもできる。一方、逆運
動学の方程式を用いることによって、与えられた車体の
運動を実現するのに必要な各車輪の運動を導き出すこと
ができる。この一般理論においては、車体の運動は外部
環境に固定された絶対的な座標系において記述されてい
る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の非ホロノミックなＯＤＶの運動記述方法に
は、以下のような問題がある。
【００１１】絶対的な座標系で車体の運動を記述するこ
とは、様々な車輪型移動ロボットを統一的に扱うために
は必然的であったと考えられる。一方、実際に個々の移
動ロボットを制作し、動作させる状況においては、ロボ
ット自身に固定された相対的な座標系においても車体の
運動を指定できた方が便利である。例えば、部屋の中を
移動する移動ロボットが、自身に搭載されているセンサ
からの情報により付近に障害物を検知し、それを回避す
るように移動する状況を考える。この場合、例えばその
部屋に固定されている絶対的なｘｙ座標系において、現
在位置から（ｘ，ｙ）座標がｍ単位で（12.34, 56.78）
の位置に移動せよという命令よりも、ロボットに対して
相対的な座標系において、現在位置から右４５°の方向
に６cmだけ進めという命令の方がずっと分かりやすい。
【００１２】したがって、理想的には、ロボットの運動
を絶対的な座標系と相対的な座標系の両方において、記
述および指定できることが望ましい。しかし、通常の車
輪型の全方向移動ロボットにおいては、未だそのような
相対的な座標系は考案されていないため、絶対的な座標
系でしか運動を指定することができない。
【００１３】本発明は、ＯＤＶ自身に固定された相対的
な座標系においてその運動を記述し、ＯＤＶを効率的に
制御する制御装置およびその方法を提供することを目的
とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】図１は、本発明のＯＤＶ
制御装置の原理図である。図１の制御装置は、記憶手段
１１、変換手段１２、モード指定手段１３、駆動手段１
４、および計測手段１５を備える。
【００１５】記憶手段１１は、ＯＤＶの車体に設定され
た相対座標系の相対変数を用いて車体の運動を指定した
制御指示を記憶する。記憶手段１１が記憶する上記相対
変数としては、例えば、車体の進行速度、車体の旋回半
径、車体の進行方向を表す角度などが挙げられる。
【００１６】変換手段１２は、上記相対座標系を用いた
逆運動学の計算により、上記制御指示をＯＤＶの車輪の
運動に変換して、車輪の運動を記述する駆動用変数を求
め、得られた駆動用変数に対応する制御信号を出力す
る。変換手段１２が求める上記駆動用変数は、例えば、
車輪の駆動速度、車輪の操舵角度などである。
【００１７】駆動手段１４は、変換手段１２から上記制
御信号を受け取り、上記制御指示を実現するために上記
車輪を駆動または操舵する。モード指定手段１３は、上
記旋回半径の大きさにより区別される前記ＯＤＶの複数
の運動モードのうちの１つを選択し、選択した運動モー
ドを変換手段１２に伝える。このとき、変換手段１２
は、受け取った運動モードに対応する上記駆動用変数を
求める。
【００１８】計測手段１５は、上記駆動用変数の値を計
測し、計測結果を変換手段１２に出力する。このとき、
変換手段１２は、受け取った計測結果を、順運動学の計
算により上記相対変数に変換して、その相対変数により
記述される車体の運動を認識し、認識結果を出力する。
また、記憶手段１１は、その認識結果を記憶する。
【００１９】図１の記憶手段１１は実施例の図４におけ
るメモリ５３に相当し、変換手段１２およびモード指定
手段１３はＣＰＵ（中央処理装置）５２に相当する。ま
た、駆動手段１４は、ブレーキ制御部５６、モータ駆動
部５７、および図３におけるブレーキ３３、モータ３１
に相当し、計測手段１５は、走行距離検出用エンコーダ
３４および操舵角検出用エンコーダ３２に相当する。
【００２０】また、上記車体の進行速度、車体の旋回半
径、車体の進行方向を表す角度は、それぞれ、例えば図
８に示すｖ、ρ、φに相当する。このうち、車体の進行
方向を表す角度については、車体に固定された任意の軸
と車体の進行方向とがなす角度として、自由に定義する
ことができる。上記車輪の駆動速度、車輪の操舵角度
は、それぞれ、例えば図８に示す車輪の変位λi の時間
微分、操舵角度ｑi に相当する（ｉ＝１，２，３，
４）。
【００２１】
【作用】ＯＤＶの車体の運動が、外部環境に設定された
絶対座標系ではなく、ＯＤＶの車体に設定された相対座
標系で指定される。これにより、変換手段１２は、車体
の運動に対する制御指示を、車体の位置と姿勢を基準に
して解釈することができる。例えば車体の進行速度、車
体の旋回半径、車体の進行方向を表す角度などの相対変
数を用いて車体の運動を指定することが可能になり、Ｏ
ＤＶ自身が検知した障害物を回避するための制御指示を
与える場合などに有効である。
【００２２】変換手段１２は、相対座標系を用いた逆運
動学の計算により上記制御指示をＯＤＶの車輪の運動に
変換して、指定された運動を実現するために必要な駆動
用変数を求める。これにより、実際に車輪が実現すべき
駆動速度、操舵角度などが得られる。駆動手段１４は、
得られた駆動用変数に対応する制御信号を変換手段１２
から受け取り、制御入力を車輪に与えて、車輪を駆動ま
たは操舵する。こうして、相対座標系で指定された運動
がＯＤＶにより行われる。
【００２３】ＯＤＶの運動は、上記相対変数のうち旋回
半径の大きさにより複数の運動モードに分類される。し
たがって、旋回半径の大きさを適当に指定すれば、その
うちの１つの運動モードを指定することができる。モー
ド指定手段は、指定された旋回半径の大きさから１つの
運動モードを選択して、変換手段１２に伝える。変換手
段１２は、受け取った運動モードに対応する逆運動学の
計算により、適切な駆動用変数を求めて、駆動手段１４
を制御する。これにより、運動モードの切り替えによる
ＯＤＶの制御が可能になる。
【００２４】計測手段１５は、駆動手段１４による駆動
の結果動作した車輪の駆動用変数の値を計測する。変換
手段１２は、計測手段１５から計測結果を受け取り、順
運動学の計算により上記相対変数に変換して、車体の運
動を認識する。これにより、認識結果を上記制御指示の
内容と比較して、指定した運動が行われたかどうかを確
認することができる。また、記憶手段１１が認識結果を
記憶しておけば、変換手段１２が次の制御指示を変換し
て制御信号を生成する時に、認識結果を反映した制御を
行うこともできる。
【００２５】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
詳細に説明する。本実施例においては、非ホロノミック
なシステムとして特徴づけられる通常の車輪型のＯＤＶ
（Normal Wheeled Omni-Directional Vehicle : ＮＷ−
ＯＤＶ）の順運動学および逆運動学の方程式を系統的に
導くことを試みる。ここでは、これまでに研究開発され
てきた種々のＮＷ−ＯＤＶが目指している理想的なＮＷ
−ＯＤＶの１つのモデルを対象とする。その結果、逆運
動学によって、与えられた車体の運動を実現するのに必
要な各車輪の運動が導き出され、また、順運動学によっ
て、車輪の駆動速度や操舵角度の限界によって生じる車
体の進行速度や旋回半径の限界値が導き出される。
【００２６】特に導出の過程において、車体の運動を記
述および指定するために絶対座標系と相対座標系の両方
を導入する。相対座標系は、車体に搭載されたセンサか
らの情報に基づいて付近の障害物を回避する場合などに
有効となる。また、相対座標系は、直進、旋回、あるい
は回転といったこの種のロボットに特有な運動モードと
深く関係することが示される。相対座標系を用いること
により、運動モードの概念と車体の運動との間の関係が
明らかになり、非ホロノミックなシステムの運動計画と
いう難問への１つの手掛かりが与えられる。
【００２７】図２は、実施例の通常車輪型ＯＤＶの構成
図である。図２のＯＤＶ２０は、車体（ボディ）２１、
車輪機構２２−１、２２−２、２２−３、および２２−
４、ホイール２３−１、２３−２、２３−３、および２
３−４から成る。ボディ２１には、各車輪機構を支える
サスペンション機構２４−１、２４−２、２４−３、お
よび２４−４、バッテリー２５、制御装置２６、および
センサ２７が搭載されている。車輪機構２２−１、２２
−２、２２−３、および２２−４は、ホイール２３−
１、２３−２、２３−３、および２３−４の駆動および
駆動結果の計測を行う。制御装置２６は車輪機構２２−
１、２２−２、２２−３、および２２−４を制御し、バ
ッテリー２５は車輪機構２２−１、２２−２、２２−
３、２２−４、および制御装置２６に電力を供給する。
センサ２７は障害物を検知して、制御装置２６に伝え
る。
【００２８】図３は、車輪機構２２−１およびホイール
２３−１の構成図である。図３において、車輪機構２２
−１の回転軸用歯車４２はステアリング軸４１を介して
ボディ２１に固定され、モータ３１、操舵角検出用エン
コーダ３２、走行距離検出用エンコーダ３４、およびブ
レーキ３３を備える。モータ３１の動力はモータ歯車４
４と中間歯車４５を介して、ホイール２３−１に固定さ
れたホイール歯車４６に伝えられる。ホイール歯車４６
のホイール軸４３は車輪機構２２−１に固定されてい
る。ブレーキ３３を開いた時、ホイール２３−１はステ
アリング軸４１を中心として回転し、操舵角度が変化す
る。そして、ブレーキ３３を閉じた時、操舵角度は固定
され、モータ３１がホイール２３−１を駆動する。
【００２９】操舵角検出用エンコーダ３２はホイール軸
４３の操舵角度を検出し、走行距離検出用エンコーダ３
４はホイール２３−１の回転角度（駆動角度）を検出し
て、走行距離に変換する。他の３組の車輪機構とホイー
ルについても同様である。
【００３０】図４は、制御装置２６の構成図である。図
４の制御装置２６はトランスピュータボード５１、ブレ
ーキ制御部５６、およびモータ駆動部５７を備える。ト
ランスピュータボード５１上には、ＣＰＵ５２、メモリ
５３、およびＩ／Ｏ（入出力）ポート５４が搭載されて
いる。ＣＰＵ５２は、Ｉ／Ｏポート５４を介して入力さ
れる操舵角検出用エンコーダ３２および走行距離検出用
エンコーダ３４からの情報をもとにＯＤＶ２０の運動を
認識し、認識結果をメモリ５３に格納する。また、与え
られたプログラムを実行して、ユーザにより指定された
運動を実現する制御信号をＩ／Ｏポート５４を介してブ
レーキ制御部５６およびモータ駆動部５７に与える。障
害物に関する情報は、センサ２７からＩ／Ｏポート５４
を介して入力される。ＣＰＵ５２が実行するプログラム
の開発は外部のワークステーション上で行われる。ブレ
ーキ制御部５６は、ＣＰＵ５２からの制御信号に基づい
てブレーキ３３を開閉し、モータ駆動部５７は、ＣＰＵ
５２からの制御信号に基づいてモータ３１を駆動する。
【００３１】図５は、プログラム開発のためのワークス
テーションとＯＤＶ２０の接続を示している。図５にお
いて、ワークステーション６１とＯＤＶ２０は、イーサ
ネット・ケーブル（Ethernet Cable）６３、リンクボッ
クス６２、およびリンク線６４を介して接続される。ワ
ークステーション６１で開発されたプログラムは、イー
サネット・ケーブル６３により制御装置２６のトランス
ピュータボード５１にダウンロードされメモリ５３に格
納されて、ＣＰＵ５２により実行される。
【００３２】次に、図６から図１４までを参照しなが
ら、ＣＰＵ５２の処理とそれにより実現されるＯＤＶ２
０の運動の例について説明する。図６は、ＣＰＵ５２に
よる制御処理のフローチャートである。図６において処
理が開始されると、まずＣＰＵ５２はユーザによりプロ
グラムに記述された命令を解釈し（ステップＳ１）、Ｏ
ＤＶ２０の動作を生成する（ステップＳ２）。ステップ
Ｓ１においては、メモリ５３に記憶されている過去の運
動の記録をもとに必要に応じて命令を変更・解釈し、大
局的な運動を決定する。ここでは、例えば運動モードの
選択などが行われる。ステップＳ２においては、メモリ
５３に記憶されている過去の運動の記録と、センサ２７
からの障害物に関する情報とをもとに、必要に応じて命
令解釈の結果を補正し、より具体的な動作を決定する。
ここでは、例えば離散的な通過点の座標の系列と、それ
らの間を結ぶ経路の大まかな形等が決められる。
【００３３】次に、それらの通過点を連続的に結ぶ目標
軌道をＯＤＶ２０の位置や速度の関数として生成し（ス
テップＳ３）、それが絶対座標で記述されているか相対
座標で記述されているかを判定する（ステップＳ４）。
目標軌道が相対座標の変数で記述されていれば、逆運動
学により、それらの変数から車輪に要求される動作を求
め（ステップＳ５）、絶対座標の変数で記述されていれ
ば、それらの変数から車輪の動作を求める（ステップＳ
６）。そして、得られた車輪の動作に対応する制御信号
をブレーキ制御部５６とモータ駆動部５７に与えて（ス
テップＳ７）、処理を終了する。この制御処理により、
ブレーキ制御部５６とモータ駆動部５７がそれぞれブレ
ーキ３３とモータ３１に制御入力を与え、指定されたＯ
ＤＶ２０の運動を実現する。
【００３４】図７は、ＣＰＵ５２による認識処理のフロ
ーチャートである。図７の認識処理は、図６の制御処理
が終了した後に行われる。図７において処理が開始され
ると、まずＣＰＵ５２は操舵角検出用エンコーダ３２と
走行距離検出用エンコーダ３４から車輪の動作の計測結
果を受け取り（ステップＳ１１）、制御処理においてＯ
ＤＶ２０の目標軌道が絶対座標で指定されたか相対座標
で指定されたかを判定する（ステップＳ１２）。目標軌
道が相対座標の変数で指定されていれば、計測結果から
順運動学によりそれらの変数を用いた車体軌道を求め
（ステップＳ１３）、絶対座標の変数で指定されていれ
ば、それらの変数を用いた車体軌道を求める（ステップ
Ｓ１４）。
【００３５】次に、得られた車体軌道を分解して、実際
に通過した通過点の座標の系列とそれらの間を結ぶ経路
の形等を求め（ステップＳ１５）、ＯＤＶ２０の動作を
解釈して各通過点の間における運動モードを推定する
（ステップＳ１６）。ここで得られた解釈の結果はメモ
リ５３に記憶されて、次回の制御処理のステップＳ２で
参照される。また、解釈結果を吟味してＯＤＶ２０が行
った大局的な運動を決定して、それを認識結果としてメ
モリ５３に格納し（ステップＳ１７）、処理を終了す
る。
【００３６】ここで、ＯＤＶ２０の運動の認識結果が制
御処理のステップＳ１で指定された運動と大きく異なる
場合には、例えば図示されないランプを点灯させたり、
異常音を発したりして、ユーザに異常を知らせ、ＯＤＶ
２０の運動を停止させる。そして、次回の制御処理にお
いて命令解釈の際に適切な補正を行う。
【００３７】次に、ＮＷ−ＯＤＶの１つであるＯＤＶ２
０のモデルを用いて、図６のステップＳ５、Ｓ６の処
理、および図７のステップＳ１３、Ｓ１４の処理につい
て詳しく説明する。
【００３８】図８は、２次元平面上に位置するＯＤＶ２
０のモデルを上方から模式的に示したものである。長方
形（正方形を含む）型の車体の４つの各頂点に、それぞ
れ独立に操舵可能な関節を介して、等長なオフセットリ
ンクの一端が接続され、その残りの一端はそれぞれ独立
に駆動可能な同型の車輪の中心に結合されている。車体
の中心から各頂点までの長さをｌ、各頂点からそれぞれ
対応する車輪の中心までのオフセットリンクの長さを
ａ、車体を形成する長方形の対角線がその横軸となす角
度をαとする。車体の中心の座標を（ｘ，ｙ）とし、ま
た、車体の横軸がｘ軸となす角度をθとする。このと
き、車体の位置および方向は（ｘ，ｙ，θ）により一意
に記述される。
【００３９】また、４つの車輪を、前方右側から反時計
回りに順に第１番目、第２番目、第３番目、第４番目の
車輪とし、第ｉ番目の車輪（ｉ＝１，２，３，４）に対
応するオフセットリンクおよび関節を、それぞれ第ｉ番
目のオフセットリンクおよび第ｉ番目の関節とする。さ
らに、第ｉ番目の関節の角度をｑi とし、第ｉ番目の車
輪に、局所的な並進座標系（λi ，μi ）および回転座
標系ψi を図８に示されるように設定する。なお、点ｏ
C および変数ｖ，ρ，φについては後述する。以下の数
式の記述において、任意の変数Ｘの１階の時間微分を
外１ （Ｘドッ
【００４０】
【外１】
【００４１】トと記す）と表し、２階の時間微分を 外
２ （Ｘダブルドットと記す）と表す
【００４２】
【外２】
【００４３】。このＯＤＶ２０は、各車輪の駆動速度λ
i ドット（ｉ＝１，２，３，４）をその限界内で、ま
た、操舵角度ｑi （ｉ＝１，２，３，４）をその可動範
囲内で、各々独立に設定することができ、これらを適切
に設定し制御することによって、広範な平面３自由度
（位置の２自由度と方向の１自由度）の運動を達成する
ことができる。また、オフセットリンクの存在により、
車体が静止状態にある場合にも各車輪をすえ切りなしに
操舵することができる。なお、このＯＤＶ２０は、（古
典）力学的には非ホロノミックなシステムとして特徴づ
けられる。
【００４４】車輪型移動ロボットの統一的な運動学の一
般理論によれば、ＮＷ−ＯＤＶの一理想モデルの運動学
の基礎方程式は次式のようになる。
【００４５】
【数１】
【００４６】ここで、αi （ｉ＝１，２，３，４）は次
式により定義される定数である。
【００４７】
【数２】
【００４８】（１）式において、全車輪の駆動速度およ
び操舵角度（操舵角速度）［λ1 ドット，λ2 ドット，
・・・ ，λ4 ドット，μ1 ドット，μ2 ドット，・・・ ，μ
4 ドット，ψ1 ドット，ψ2 ドット，・・・ ，ψ4 ドッ
ト，ｑ1 ドット，ｑ2 ドット，・・・ ，ｑ4 ドット］から
車体の位置（速度）および方向（角速度）［ｘドット，
ｙドット，θドット］への変換を順運動学といい、その
逆変換を逆運動学という。一般に、ロボットアームの場
合には、関節の変位および角度の値から先端の位置およ
び姿勢の値を求める順運動学の方が、逆運動学よりも容
易である。一方、ＮＷ−ＯＤＶの場合には、（１）式に
見られるように、車体の位置および姿勢から各車輪の駆
動速度および操舵角度を求める逆運動学の方が、順運動
学よりも容易である。そこで、まず逆運動学について考
察し、その後、順運動学について検討する。
【００４９】ＯＤＶ２０のモデルの逆運動学の方程式を
用いることによって、与えられた車体の運動（目標軌
道）を実現するのに必要な各車輪の運動を導き出すこと
ができる。なお、導出の過程において、ＯＤＶの運動を
絶対座標系と相対座標系の両方において指定および記述
することを考える。また、ＮＷ−ＯＤＶの運動を特徴づ
ける運動モード、すなわち、直進、旋回、および、回転
モードと、車体の運動軌道との関係を明らかにする。
【００５０】ＯＤＶ２０は、各車輪の駆動速度λi ドッ
ト（ｉ＝１，２，３，４）と操舵角度ｑi （ｉ＝１，
２，３，４）を制御することによって動作する。駆動速
度λiドットおよび操舵角度ｑi は、第ｉ番目の車輪を
駆動するモータ３１により与えられる。そこで、まず絶
対座標系で記述された車体の動作［ｘドット, ｙドッ
ト，θ］から各車輪の駆動速度および操舵角度［λ1 ド
ット，λ2 ドット，・・・，λ4 ドット，ｑ1 ，ｑ2 ，
・・・，ｑ4 ］への変換としての逆運動学について考察
する。この逆運動学の方程式は、運動学の基礎方程式
（１）に、各車輪が横方向にスリップしないという条件
【００５１】
【数３】
【００５２】を加え、それらを連立して解くことによっ
て得られる。このとき、式の数（＝３×４＋１×４＝１
６）が変数λ1 ドット、λ2 ドット、・・・、λ4 ドッ
ト、μ 1 、μ2 ドット、・・・、μ4 ドット、ψ1 ドッ
ト、ψ2 ドット、・・・、ψ4ドット、ｑ1 、ｑ2 、・
・・、ｑ4 の数（＝４×３＋４×１＝１６）と一致する
ため、構成される連立方程式の係数行列が正則であれ
ば、各変数は一意に決定される。そのとき、ＯＤＶ２０
の動作は［ｘドット，ｙドット，θ］を指定することに
よって完全に決定される。
【００５３】最終的に、この逆運動学は次のように計算
される。
【００５４】
【数４】
【００５５】ここで、Ｓi 、Ｃi （ｉ＝１，２，・・
・，４）は次式により定義され、
【００５６】
【数５】
【００５７】また、これらの時間微分は次式のように計
算される。
【００５８】
【数６】
【００５９】（４）式に（５）、（６）式を代入する
と、次式のようになる。
【００６０】
【数７】
【００６１】（４）式および（７）式における符号は複
号同順であり、これらの複号は、各車輪の操舵角度ｑi
が互いにπだけずれた２通りの解を有するということに
起因する。
【００６２】例えば、ＯＤＶ２０が自身に搭載されてい
るセンサ２７からの情報により付近に障害物を検知し、
それを回避するように移動する状況を考える。このよう
な場合には、環境に対して絶対的な座標系よりも、むし
ろ、ロボットに対して相対的な座標系において運動を指
定できた方が便利である。このような観点から、ここで
は、ＯＤＶ２０の運動を記述するための相対的な座標系
を新たに導入する。そして、その相対座標系において記
述された車体の動作［ｖ，ρ，φ］から各車輪の駆動速
度および操舵角度［λ1 ドット，λ2 ドット，・・・，
λ4 ドット，ｑ 1 ，ｑ2 ，・・・，ｑ4 ］への変換とし
ての逆運動学について考察する。
【００６３】図８には、変数ｖ，ρ，φおよび点ｏC が
示されている。点ｏC は車体の旋回中心である。変数ｖ
およびρは元々曲線理論においてそれぞれ曲線の接線速
度および曲率半径として定義されている量であり、ここ
では、それぞれ車体の進行速度および旋回半径を表すこ
とになる。また、φは車体の横軸と進行方向がなす角度
である。このとき、［ｘドット，ｙドット，θ］から
［ｖ，ρ，φ］への変換は次式のようになり、
【００６４】
【数８】
【００６５】また、その逆変換は次式のようになる。
【００６６】
【数９】
【００６７】（８）式より、ｖは常にｖ＞０を満たす。
｜ρ｜＝０のとき、車体はその場で回転し、０＜｜ρ｜
＜∞のとき旋回し（ρ＞０のとき反時計回り、ρ＜０の
とき時計回り）、また｜ρ｜＝∞のとき直進する。ここ
で、｜ρ｜はρの大きさを表している。また、０＜φ＜
πのとき車体は前進し、０＞φ＞−πのとき後退する。
したがって、｜ρ｜＝０、０＜｜ρ｜＜∞、｜ρ｜＝∞
のときは、それぞれ回転モード、旋回モード、直進モー
ドに対応しており、ρの大きさをそのように設定するこ
とにより、ＮＷ−ＯＤＶを特徴づけるいずれかの運動モ
ードを陽に指定することができる。
【００６８】［ｖ，ρ，φ］から［λ1 ドット，λ2 ド
ット，・・・，λ4 ドット，ｑ1 ，ｑ2 ，・・・，
ｑ4 ］への逆運動学の方程式は、（４）、（５）、
（６）式に（９）式を代入することにより得られ、次の
ようになる。
【００６９】
【数１０】
【００７０】ここで、Ｓi 、Ｃi （ｉ＝１，２，・・
・，４）は次式のようになり、
【００７１】
【数１１】
【００７２】また、その微分は次式のように計算され
る。
【００７３】
【数１２】
【００７４】（１０）式に（１１）、（１２）式を代入
すると、次式のようになる。
【００７５】
【数１３】
【００７６】特に、（１３）式において、条件
【００７７】
【数１４】
【００７８】が成り立つ場合について考えてみる。（１
４）式は、ρとφが定数であることを表している。この
とき、（１３）式は次のようになる。
【００７９】
【数１５】
【００８０】ここで、さらにρ→０の極限を考えるとｖ
→ρ・θドットとなり、（１５）式は次のようになる。
【００８１】
【数１６】
【００８２】一方、ρ→∞の極限を考えると、（１５）
式は次のようになる。
【００８３】
【数１７】
【００８４】（１５）、（１６）、（１７）式は、それ
ぞれ０＜｜ρ｜＜∞、｜ρ｜＝０、｜ρ｜＝∞の各場合
に相当する。つまり、条件（１４）が成り立場合には、
旋回、回転、および直進の各運動モードにおける逆運動
学の方程式が、それぞれ（１５）、（１６）、および
（１７）式によって簡潔に記述されることが分かる。
【００８５】図９、図１０、図１１は、それぞれ回転モ
ード、旋回モード、直進モードにおけるＯＤＶ２０を示
している。図９において、点ｏC は車体の中心にあり、
（１６）式から分かるように、各車輪のオフセットリン
クは車体の中心の方向を向いている。そして、ＯＤＶ２
０は点ｏC を中心として回転する。また、図１０におい
て、点ｏC は車体の外部にあり、各車輪のオフセットリ
ンクは点ｏC の方向を向いている。そして、ＯＤＶ２０
は点ｏC を中心として速度ｖで旋回する。また、図１１
において、点ｏC は車体から無限に遠い位置にあり、各
車輪のオフセットリンクはその点ｏC の方向を向いてい
る。点ｏC は無限に遠いため、（１７）式からも分かる
ように、すべてのオフセットリンクは平行になる。そし
て、ＯＤＶ２０はρ軸に垂直な方向に速度ｖで直進す
る。
【００８６】（８）式を用いることにより、図６のステ
ップＳ３で［ｘドット，ｙドット，θ］が指定された場
合と［ｖ，ρ，φ］が指定された場合とを、図１２に示
すように統合することができる。
【００８７】図１２において、［ｘドット，ｙドット，
θ］の時間依存性が時刻ｔの関数として指定されると、
それらから［ｘダブルドット，ｙダブルドット，θドッ
ト］が計算され、次に（８）式を用いて［ｖ，ρ，φ］
が求められる。そして、［ｖドット，ρドット，φドッ
ト］およびφダブルドットが計算され、（１１）、（１
２）、（１０）式、あるいは（１３）式により、
［ｑi ，ｑi ドット，λi ドット］の時間依存性が求め
られる。また、［ｖ，ρ，φ］の時間依存性が時刻ｔの
関数として指定されると、（８）式を用いることなく
［ｖドット，ρドット，φドット］およびφダブルドッ
トが計算され、（１１）、（１２）、（１０）式、ある
いは（１３）式により、［ｑi ，ｑi ドット，λi ドッ
ト］の時間依存性が求められる。
【００８８】次に、ＯＤＶ２０の順運動学について検討
する。順運動学の方程式を用いることによって、走行距
離検出用エンコーダ３４、操舵角検出用エンコーダ３２
により測定された車輪の駆動速度や操舵角度の値から車
体軌道（車体の運動）を計算することができる。車体の
運動は、絶対座標系においては［ｘドット，ｙドット，
θドット］の組により表され、相対座標系においては
［ｖ，ρ，φ］の組により表される。また、車輪の駆動
速度や操舵角度の限界によって生じる車体の進行速度や
旋回半径の限界値を導出することもできる。ただし、Ｎ
Ｗ−ＯＤＶの順運動学の方程式の導出は一般に非常に困
難であるため、ここでは、ある条件が成り立つ場合につ
いてのみ考察することにする。
【００８９】まず、［λi ドット，μi ドット，ψi ド
ット，ｑi ドット］（ｉ∈｛１，２，・・・，４｝）か
ら［ｘドット，ｙドット，θドット］への順運動学の方
程式について考える。この順運動学の方程式は、運動学
の基礎方程式である（１）式を［ｘドット，ｙドット，
θドット］について解くことによって得られ、次式のよ
うになる。
【００９０】
【数１８】
【００９１】ここで、（１８）式には２つの問題があ
る。まず１つ目の問題は、右辺にψドットが含まれてい
るということである。通常、ψドットの値の制御は困難
であり、実用的には、［ｘドット，ｙドット，θドッ
ト］の表現にψドットを含めることは望ましくない。２
つ目の問題は、右辺に含まれる行列の中に依然としてθ
が含まれているということである。このため、一般に
（１８）式を数値的に解くことは可能であるが、解析的
に解くことは困難である。
【００９２】しかし、測定された車輪の駆動速度や操舵
角度の値から車体の進行速度や旋回半径の値を計算する
場合には、数値的に解くだけでも十分な意味を持つ。こ
の場合には、（１）式におけるλi ドットおよびμi ド
ット（ｉ＝１，２，・・・，４）に関する８つの方程式
の中から、係数行列が正則になるような３つの方程式を
選び出し、それらを連立させて［ｘドット，ｙドット，
θドット］について解けばよい。
【００９３】一方、車輪の駆動速度や操舵角度の限界に
よって生じる車体の進行速度や旋回半径の限界値を導き
出すためには、解析的に解かれた表現が必要になる。そ
のために、ここでは［λi ドット，ｑj ，ｑk ］（ｉ，
ｊ，ｋ∈｛１，２，・・・，４｝，ｊ≠ｋ）から［ｖ，
ρ，φ］への順運動学の方程式を求めることを考える。
ただし、前述したように、一般的な場合についての導出
は非常に困難であるため、特に条件（１４）が成り立つ
場合についてのみ検討する。
【００９４】さて、このとき求めるべき順運動学の方程
式は、（１５）式の第１および第３式群、すなわち、
【００９５】
【数１９】
【００９６】を［ｖ，ρ，φ］について解くことにより
得られる。ところで、（１９）式は８つの式（２×４＝
８）を含むのに対して、求めるべき変数［ｖ，ρ，φ］
の数は３であるため、これらの式は冗長である。このこ
とは、言い換えると、例えば任意の［λi ドット，
ｑj ，ｑk ］（ｉ，ｊ，ｋ∈｛１，２，・・・，４｝，
ｊ≠ｋ）のみを指定すれば、［ｖ，ρ，φ］を決定でき
ることを意味する。すなわち、［λi ドット，ｑj ，ｑ
k ］をすべてのｉ、ｊ、ｋについて指定しなくとも、Ｏ
ＤＶ２０の運動を完全に決定することができる。得られ
た［ｖ，ρ，φ］の値をそのときの運動モードに従っ
て、（１５）、（１６）、（１７）式のいずれかに代入
すれば、残りの変数の値を得ることができる。最終的
に、この順運動学は次式のようになる。
【００９７】
【数２０】
【００９８】（２０）式より、車輪の駆動速度λi ドッ
トや操舵角度ｑi の限界値に対応する車体の進行速度ｖ
や旋回半径ρの限界値を求めることができる。（１４）
式はρおよびφが一定であることを意味するが、時間を
短い区間に分割して各区間において近似的に（１４）式
が成り立つと仮定すれば、（２０）式はρおよびφが変
化する場合にも適用可能である。言い換えれば、（２
０）式は、車輪の運動の計測結果から車体の運動を近似
的に導出する１つの方法を与えている。
【００９９】次に、［λi ドット，ｑj ，ｑk ］から
［ｘドット，ｙドット，θ］への順運動学について考え
る。［ｘドット，ｙドット，θ］は、（２０）式によっ
て得られた［ｖ，ρ，φ］を（９）式に代入することに
よって計算される。ただし、その結果も、条件（１４）
が成り立つ場合のものである。
【０１００】次に、図１３および図１４を参照しなが
ら、ＯＤＶ２０の運動モードの制御方法とその具体例に
ついて説明する。図１３は、ＣＰＵ５２によるモード制
御処理のフローチャートである。図１３のモード制御処
理は、車体の運動が相対座標の変数で指定され、さらに
条件（１４）が指定された場合に行われる。この処理
は、図６においては、ステップＳ５およびＳ７の処理に
対応している。図１３において処理が開始されると、ま
ずＣＰＵ５２は｜ρ｜＝０と指定されているかどうかを
判定する（ステップＳ２１）。｜ρ｜＝０の場合は、
（１６）式に示される回転モードの逆運動学により車輪
の動作を求め（ステップＳ２３）、対応する制御信号を
ブレーキ制御部５６とモータ駆動部５７に与えて（ステ
ップＳ２６）、処理を終了する。
【０１０１】｜ρ｜≠０の場合は、次に｜ρ｜＝∞と指
定されているかどうかを判定する（ステップＳ２２）。
｜ρ｜＝∞の場合は、（１７）式に示される直進モード
の逆運動学により車輪の動作を求め（ステップＳ２
５）、対応する制御信号をブレーキ制御部５６とモータ
駆動部５７に与えて（ステップＳ２６）、処理を終了す
る。また、｜ρ｜≠０の場合は、０＜｜ρ｜＜∞である
ので、（１５）式に示される旋回モードの逆運動学によ
り車輪の動作を求め（ステップＳ２４）、対応する制御
信号をブレーキ制御部５６とモータ駆動部５７に与えて
（ステップＳ２６）、処理を終了する。
【０１０２】図１４は、運動モードの切り替えの具体例
を示している。図１４において、４つの点Ｐ１、Ｐ２、
Ｐ３、Ｐ４は、例えば図６のステップＳ２で生成される
通過点の系列を表す。今、ＯＤＶ２０は点Ｐ１から出発
して点Ｐ２、Ｐ３を順に通過し点Ｐ４に到達するよう
に、その運動を指定されたとする。まず、区間Ｐ１−Ｐ
２において｜ρ｜＝∞と指定され、ＯＤＶ２０は点Ｐ１
から点Ｐ２まで直進モードで制御される。さらに、区間
Ｐ２−Ｐ３においても｜ρ｜＝∞と指定され、点Ｐ２で
一旦車輪の操舵角度を変更して、車輪の切り換えを行
う。そして、点Ｐ３まで直進モードで制御される。
【０１０３】次に、点Ｐ３においては｜ρ｜＝０と指定
されたため、ＯＤＶ２０は回転モードに入り、車体の向
きを変える。次に、区間Ｐ３−Ｐ４においては、｜ρ｜
＝∞、０＜｜ρ｜＜∞、｜ρ｜＝∞の順に指定され、直
進モード、旋回モード、直進モードの順に制御される。
旋回モードにおいては、車体の位置とともに向きが変化
し、点Ｐ４を目指すことになる。このように、相対座標
の変数で目標軌道を表し、旋回半径ρを定数により指定
すれば、３つの運動モードの切り替えによりＯＤＶ２０
の運動を制御することができる。
【０１０４】本実施例においては、直進、旋回、あるい
は回転といったＮＷ−ＯＤＶに特有な運動モードの概念
と、車体の運動との関係が明らかになった。一般に、非
ホロノミックなシステムの運動計画は非常に難しい問題
である。ＮＷ−ＯＤＶも非ホロノミックなシステムでは
あるが、運動モードの概念を導入することにより、その
運動計画は適切な運動モードの選択と、１つの運動モー
ドから他の運動モードへの切り替えの問題に置き換えら
れる。このことは、ＮＷ−ＯＤＶが非ホロノミックなシ
ステムであっても、同じく非ホロノミックなシステムで
ある従来の３車輪ないし４車輪型の移動ロボットより
は、格段に運動計画が容易であることを意味している。
言い換えると、ＯＤＶでない従来の車輪型移動ロボット
よりもＮＷ−ＯＤＶの方が制御しやすく、運動性能も高
いということができる。
【０１０５】
【発明の効果】本発明によれば、ＯＤＶ自身に固定され
た相対的な座標系において、その運動を指定することが
可能になる。したがって、車体に搭載されるセンサから
の情報に基づいて障害物を回避するような場合に、効率
の良い制御が行われる。また、ＯＤＶの車体の運動を記
述する座標系を、絶対座標系または相対座標系から必要
に応じて選択することもできる。特に、相対座標系はＯ
ＤＶの運動モードと直接関係しており、これを用いるこ
とにより運動モードを陽に指定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図である。
【図２】実施例の全方向移動ロボットの構成図である。
【図３】全方向移動ロボットの車輪機構を示す図であ
る。
【図４】全方向移動ロボットの制御装置の構成図であ
る。
【図５】ワークステーションと全方向移動ロボットの接
続を示す図である。
【図６】全方向移動ロボットの運動の制御処理のフロー
チャートである。
【図７】全方向移動ロボットの運動の認識処理のフロー
チャートである。
【図８】全方向移動ロボットのモデルを示す図である。
【図９】回転モードの全方向移動ロボットを示す図であ
る。
【図１０】旋回モードの全方向移動ロボットを示す図で
ある。
【図１１】直進モードの全方向移動ロボットを示す図で
ある。
【図１２】統合された逆運動学を示す図である。
【図１３】全方向移動ロボットのモード制御処理のフロ
ーチャートである。
【図１４】全方向移動ロボットの運動モードの切り替え
の具体例を示す図である。
【図１５】従来の全方向移動ロボットを示す図である。
【図１６】従来の全方向移動ロボットの車輪を示す図で
ある。
【符号の説明】
１−１、１−２、１−３ 車輪 ２−１、２−２、２−３、２−４ ローラ １１ 記憶手段 １２ 変換手段 １３ モード指定手段 １４ 駆動手段 １５ 計測手段 ２０ 全方向移動ロボット ２１ ボディ ２２−１、２２−２、２２−３、２２−４ 車輪機構 ２３−１、２３−２、２３−３、２３−４ ホイール ２４−１、２４−２、２４−３、２４−４ サスペンシ
ョン機構 ２５ バッテリー ２６ 制御装置 ２７ センサ ３１ モータ ３２ 操舵角検出用エンコーダ ３３ ブレーキ ３４ 走行距離検出用エンコーダ ４１ ステアリング軸 ４２ 回転軸用歯車 ４３ ホイール軸 ４４ モータ歯車 ４５ 中間歯車 ４６ ホイール歯車 ５１ トランスピュータボード ５２ ＣＰＵ ５３ メモリ ５４ Ｉ／Ｏポート ５６ ブレーキ制御部 ５７ モータ駆動部 ６１ ワークステーション ６２ リンクボックス ６３ イーサネット・ケーブル ６４ リンク線
フロントページの続き (72)発明者 中野 栄二 宮城県黒川郡富谷町ひより台１丁目33番 33号 (72)発明者 森 善一 宮城県仙台市青葉区新坂町15番４号 ホ ワイトファミール新坂105 (72)発明者 高橋 隆行 宮城県仙台市青葉区三条町20番２−41号 (56)参考文献 特開 平２−179587（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−210174（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 1/00 - 1/12

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 通常の車輪を用いて任意の方向に移動を
    開始することのできる車輪型の全方向移動ロボットの運
    動を制御するシステムにおいて、 前記全方向移動ロボットの車体に設定された相対座標系
    において、該車体の進行速度、該車体の旋回半径、およ
    び該車体の進行方向を表す角度を相対変数として用いて
    該車体の運動を指定した、第１の制御指示を記憶する記
    憶手段と、 前記相対座標系を用いた逆運動学の計算により、前記第
    １の制御指示を前記全方向移動ロボットの車輪の運動に
    変換して、前記車輪の駆動速度と操舵角度のうち少なく
    とも１つを、該車輪の運動を記述する駆動用変数として
    求め、得られた該駆動用変数に対応する制御信号を出力
    する変換手段とを備え、 前記変換手段は、前記駆動用変数の時間依存性を、前記
    第１の制御指示により指定された前記車体の進行速度、
    車体の旋回半径、および車体の進行方向を表す角度の時
    間依存性を用いて計算する ことを特徴とする制御装置。
  2. 【請求項２】 通常の車輪を用いて任意の方向に移動を
    開始することのできる車輪型の全方向移動ロボットの運
    動を制御するシステムにおいて、 前記全方向移動ロボットの車体に設定された相対座標系
    において、該車体の進行速度、該車体の旋回半径、およ
    び該車体の進行方向を表す角度を相対変数として用いて
    該車体の運動を指定した、第１の制御指示を記憶する記
    憶手段と、 前記相対座標系を用いた逆運動学の計算により、前記第
    １の制御指示を前記全方向移動ロボットの車輪の運動に
    変換して、該車輪の運動を記述する駆動用変数を求め、
    得られた該駆動用変数に対応する制御信号を出力する変
    換手段と、 前記車輪の運動を計測し、計測結果を前記変換手段に伝
    える計測手段とを備え、 前記 変換手段は、受け取った前記計測結果を前記相対変
    数を用いて記述された車体の運動に変換し、前記記憶手
    段は、該計測結果から得られた車体の運動を記憶し、該
    変換手段は、前記第１の制御指示の内容と該計測結果か
    ら得られた車体の運動の違いを用いて第２の制御指示を
    変換することを特徴とする制御装置。
  3. 【請求項３】 通常の車輪を用いて任意の方向に移動を
    開始することのできる車輪型の全方向移動ロボットの運
    動を制御するシステムにおいて、 前記全方向移動ロボットの車体に設定された相対座標系
    において、該車体の進行速度、該車体の旋回半径、およ
    び該車体の進行方向を表す角度を相対変数として用いて
    該車体の運動を指定した、第１の制御指示を記憶する記
    憶手段と、 前記相対座標系を用いた逆運動学の計算により、前記第
    １の制御指示を前記全方向移動ロボットの車輪の運動に
    変換して、該車輪の運動を記述する駆動用変数を求め、
    得られた該駆動用変数に対応する制御信号を出力する変
    換手段とを備え、 前記記憶手段は、さらに環境に設定された絶対座標系の
    絶対変数を用いて前記車体の運動を指定した第３の制御
    指示を記憶することができるように構成され、前記変換
    手段は、前記相対座標系および前記絶対座標系を統合し
    た逆運動学の計算により、前記第１または第３の制御指
    示から前記駆動用変数を求めることを特徴とする制御装
    置。
  4. 【請求項４】 通常の車輪を用いて任意の方向に移動を
    開始することのできる車輪型の全方向移動ロボットの運
    動を制御するシステムにおいて、 前記全方向移動ロボットの車輪の運動を記述する駆動用
    変数の値を計測し、計測結果を出力する計測手段と、 該計測結果を、順運動学の計算により前記全方向移動ロ
    ボットの車体に設定された相対座標系の相対変数に変換
    して、該相対変数により記述される該車体の運動を認識
    し、認識結果を出力する変換手段と、 該認識結果を記憶する記憶手段とを備えることを特徴と
    する制御装置。
  5. 【請求項５】 前記計測手段は、前記車輪の駆動速度と
    操舵角度のうち少なくとも１つを、前記駆動用変数とし
    て計測し、前記変換手段は、前記車体の進行速度、該車
    体の旋回半径、および該車体の進行方向を表す角度のう
    ち少なくとも１つを、前記相対変数として求めることを
    特徴とする請求項４記載の制御装置。
  6. 【請求項６】 前記変換手段は、前記車体の進行速度、
    車体の旋回半径、および車体の進行方向を表す角度の時
    間依存性を、前記車輪の駆動速度および操舵角度の時間
    依存性による近似的な表現を用いて計算することを特徴
    とする請求項５記載の制御装置。
  7. 【請求項７】 前記変換手段は、得られた前記車体の進
    行速度、車体の旋回半径、および車体の進行方向を表す
    角度の時間依存性を、環境に設定された絶対座標系の絶
    対変数の時間依存性に変換し、該絶対変数により表され
    る前記車体の位置および向きを認識することを特徴とす
    る請求項６記載の制御装置。
  8. 【請求項８】 通常の車輪を用いて任意の方向に移動を
    開始することのできる車輪型の全方向移動ロボットの運
    動を制御する方法において、 前記全方向移動ロボットの車輪の運動を記述する駆動用
    変数の値を計測し、 得られた計測結果を、順運動学の計算により前記全方向
    移動ロボットの車体に設定された相対座標系の相対変数
    に変換して、該相対変数により記述される該車体の運動
    を認識し、 認識結果を用いて、前記車体の運動を指定することを特
    徴とする制御方法。
JP11213095A 1995-05-10 1995-05-10 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法 Expired - Fee Related JP3241564B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11213095A JP3241564B2 (ja) 1995-05-10 1995-05-10 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法
US08/640,319 US5739657A (en) 1995-05-10 1996-04-30 Apparatus for controlling motion of normal wheeled omni-directional vehicle and method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11213095A JP3241564B2 (ja) 1995-05-10 1995-05-10 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH08305440A JPH08305440A (ja) 1996-11-22
JP3241564B2 true JP3241564B2 (ja) 2001-12-25

Family

ID=14578957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP11213095A Expired - Fee Related JP3241564B2 (ja) 1995-05-10 1995-05-10 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US5739657A (ja)
JP (1) JP3241564B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109669350A (zh) * 2017-10-13 2019-04-23 电子科技大学中山学院 一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法

Families Citing this family (92)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6853877B1 (en) 1996-09-06 2005-02-08 Nomadic Technologies Method and apparatus for mobile robot motion control
US6134486A (en) * 1998-04-20 2000-10-17 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Robot and method of control for an autonomous vehicle to track a path consisting of directed straight lines and circles with positional feedback and continuous curvature
US6283237B1 (en) 1999-06-01 2001-09-04 Caterpillar Inc. Method and apparatus for steering articulated machines using variable speed devices
JP2001038663A (ja) * 1999-07-28 2001-02-13 Yamaha Motor Co Ltd マシンの制御システム
US6314341B1 (en) * 1999-11-26 2001-11-06 Yutaka John Kanayama Method of recording trajectory data and sensor data for a manually-driven vehicle
AU2002325645B2 (en) * 2001-08-29 2007-05-31 Agjunction Llc Vehicle guidance software, method and system
AUPR733701A0 (en) * 2001-08-29 2001-09-20 Beeline Technologies Apparatus and method for assisted navigation of a land vehicle
US7399258B1 (en) 2001-11-20 2008-07-15 Sugar Thomas G Omni-directional treadmill
KR100478452B1 (ko) * 2002-06-12 2005-03-23 삼성전자주식회사 이동 로봇의 위치 및 방향 인식 장치 및 방법
US20040162637A1 (en) * 2002-07-25 2004-08-19 Yulun Wang Medical tele-robotic system with a master remote station with an arbitrator
US6925357B2 (en) * 2002-07-25 2005-08-02 Intouch Health, Inc. Medical tele-robotic system
WO2004020267A2 (en) * 2002-08-30 2004-03-11 Aethon, Inc. Robotic cart pulling vehicle
CA2412815A1 (fr) * 2002-11-27 2004-05-27 Martin Deschambault Plate-forme robotique mobile et modulaire offrant plusieurs modes de locomotion pour effectuer des mouvements evolues en trois dimensions
DE602004025099D1 (de) * 2003-05-07 2010-03-04 Evenzo Ab Markieren grosser oberflächen mit sichtbaren darstellungen
US7813836B2 (en) 2003-12-09 2010-10-12 Intouch Technologies, Inc. Protocol for a remotely controlled videoconferencing robot
US20050204438A1 (en) * 2004-02-26 2005-09-15 Yulun Wang Graphical interface for a remote presence system
US8077963B2 (en) * 2004-07-13 2011-12-13 Yulun Wang Mobile robot with a head-based movement mapping scheme
WO2006060854A1 (en) * 2004-12-07 2006-06-15 Ronald Lewis Lambert Robotic land transporter
US9198728B2 (en) 2005-09-30 2015-12-01 Intouch Technologies, Inc. Multi-camera mobile teleconferencing platform
WO2007047510A2 (en) * 2005-10-14 2007-04-26 Aethon, Inc. Robotic inventory management
US20070291128A1 (en) * 2006-06-15 2007-12-20 Yulun Wang Mobile teleconferencing system that projects an image provided by a mobile robot
US8849679B2 (en) 2006-06-15 2014-09-30 Intouch Technologies, Inc. Remote controlled robot system that provides medical images
US8068935B2 (en) * 2006-10-18 2011-11-29 Yutaka Kanayama Human-guided mapping method for mobile robot
JP2008143449A (ja) * 2006-12-13 2008-06-26 Nihon Bisoh Co Ltd 構造物への作業機吊下げ用支持台車装置およびその運転方法
US8265793B2 (en) 2007-03-20 2012-09-11 Irobot Corporation Mobile robot for telecommunication
US9160783B2 (en) 2007-05-09 2015-10-13 Intouch Technologies, Inc. Robot system that operates through a network firewall
US10875182B2 (en) 2008-03-20 2020-12-29 Teladoc Health, Inc. Remote presence system mounted to operating room hardware
US8179418B2 (en) 2008-04-14 2012-05-15 Intouch Technologies, Inc. Robotic based health care system
US8170241B2 (en) 2008-04-17 2012-05-01 Intouch Technologies, Inc. Mobile tele-presence system with a microphone system
JP5337408B2 (ja) * 2008-05-28 2013-11-06 村田機械株式会社 自律移動体及びその移動制御方法
US9193065B2 (en) 2008-07-10 2015-11-24 Intouch Technologies, Inc. Docking system for a tele-presence robot
US9842192B2 (en) * 2008-07-11 2017-12-12 Intouch Technologies, Inc. Tele-presence robot system with multi-cast features
US8340819B2 (en) 2008-09-18 2012-12-25 Intouch Technologies, Inc. Mobile videoconferencing robot system with network adaptive driving
US8996165B2 (en) 2008-10-21 2015-03-31 Intouch Technologies, Inc. Telepresence robot with a camera boom
US9138891B2 (en) * 2008-11-25 2015-09-22 Intouch Technologies, Inc. Server connectivity control for tele-presence robot
US8463435B2 (en) 2008-11-25 2013-06-11 Intouch Technologies, Inc. Server connectivity control for tele-presence robot
US8849680B2 (en) * 2009-01-29 2014-09-30 Intouch Technologies, Inc. Documentation through a remote presence robot
US8897920B2 (en) 2009-04-17 2014-11-25 Intouch Technologies, Inc. Tele-presence robot system with software modularity, projector and laser pointer
US8452599B2 (en) * 2009-06-10 2013-05-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method and system for extracting messages
GB2471267B8 (en) * 2009-06-16 2017-06-14 Vitec Group Plc Pedestal navigation system
US8269616B2 (en) * 2009-07-16 2012-09-18 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method and system for detecting gaps between objects
US11399153B2 (en) 2009-08-26 2022-07-26 Teladoc Health, Inc. Portable telepresence apparatus
US8384755B2 (en) 2009-08-26 2013-02-26 Intouch Technologies, Inc. Portable remote presence robot
CA2683140A1 (en) * 2009-09-22 2011-03-22 Rodrique Belzile Vehicle with revolving driver station
US8337160B2 (en) * 2009-10-19 2012-12-25 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. High efficiency turbine system
US8237792B2 (en) * 2009-12-18 2012-08-07 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method and system for describing and organizing image data
US11154981B2 (en) * 2010-02-04 2021-10-26 Teladoc Health, Inc. Robot user interface for telepresence robot system
US8670017B2 (en) 2010-03-04 2014-03-11 Intouch Technologies, Inc. Remote presence system including a cart that supports a robot face and an overhead camera
US8269447B2 (en) * 2010-03-17 2012-09-18 Disney Enterprises, Inc. Magnetic spherical balancing robot drive
US8918213B2 (en) 2010-05-20 2014-12-23 Irobot Corporation Mobile human interface robot
US8935005B2 (en) 2010-05-20 2015-01-13 Irobot Corporation Operating a mobile robot
US9014848B2 (en) 2010-05-20 2015-04-21 Irobot Corporation Mobile robot system
US10343283B2 (en) 2010-05-24 2019-07-09 Intouch Technologies, Inc. Telepresence robot system that can be accessed by a cellular phone
US10808882B2 (en) 2010-05-26 2020-10-20 Intouch Technologies, Inc. Tele-robotic system with a robot face placed on a chair
FR2960930A1 (fr) * 2010-06-04 2011-12-09 Peugeot Citroen Automobiles Sa Dispositif de mise en mouvement d'une roue spherique omnidirectionnelle pour vehicule
US8424621B2 (en) 2010-07-23 2013-04-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Omni traction wheel system and methods of operating the same
US9264664B2 (en) 2010-12-03 2016-02-16 Intouch Technologies, Inc. Systems and methods for dynamic bandwidth allocation
US8930019B2 (en) 2010-12-30 2015-01-06 Irobot Corporation Mobile human interface robot
US9429940B2 (en) 2011-01-05 2016-08-30 Sphero, Inc. Self propelled device with magnetic coupling
US9090214B2 (en) 2011-01-05 2015-07-28 Orbotix, Inc. Magnetically coupled accessory for a self-propelled device
US10281915B2 (en) 2011-01-05 2019-05-07 Sphero, Inc. Multi-purposed self-propelled device
US9218316B2 (en) 2011-01-05 2015-12-22 Sphero, Inc. Remotely controlling a self-propelled device in a virtualized environment
EP3659681A1 (en) 2011-01-05 2020-06-03 Sphero, Inc. Self-propelled device with actively engaged drive system
US9323250B2 (en) 2011-01-28 2016-04-26 Intouch Technologies, Inc. Time-dependent navigation of telepresence robots
EP2668008A4 (en) 2011-01-28 2018-01-24 Intouch Technologies, Inc. Interfacing with a mobile telepresence robot
US9188982B2 (en) 2011-04-11 2015-11-17 Crown Equipment Limited Method and apparatus for efficient scheduling for multiple automated non-holonomic vehicles using a coordinated path planner
US10769739B2 (en) 2011-04-25 2020-09-08 Intouch Technologies, Inc. Systems and methods for management of information among medical providers and facilities
US9098611B2 (en) 2012-11-26 2015-08-04 Intouch Technologies, Inc. Enhanced video interaction for a user interface of a telepresence network
US20140139616A1 (en) 2012-01-27 2014-05-22 Intouch Technologies, Inc. Enhanced Diagnostics for a Telepresence Robot
US20140058634A1 (en) 2012-08-24 2014-02-27 Crown Equipment Limited Method and apparatus for using unique landmarks to locate industrial vehicles at start-up
US8836751B2 (en) 2011-11-08 2014-09-16 Intouch Technologies, Inc. Tele-presence system with a user interface that displays different communication links
US8902278B2 (en) 2012-04-11 2014-12-02 Intouch Technologies, Inc. Systems and methods for visualizing and managing telepresence devices in healthcare networks
US9251313B2 (en) 2012-04-11 2016-02-02 Intouch Technologies, Inc. Systems and methods for visualizing and managing telepresence devices in healthcare networks
JP2015524951A (ja) 2012-05-14 2015-08-27 オルボティックス, インコーポレイテッドOrbotix, Inc. 画像内で丸い物体を検出することによるコンピューティングデバイスの操作
US9827487B2 (en) 2012-05-14 2017-11-28 Sphero, Inc. Interactive augmented reality using a self-propelled device
US9361021B2 (en) 2012-05-22 2016-06-07 Irobot Corporation Graphical user interfaces including touchpad driving interfaces for telemedicine devices
EP2852881A4 (en) 2012-05-22 2016-03-23 Intouch Technologies Inc GRAPHIC USER INTERFACES CONTAINING TOUCH PAD TOUCH INTERFACES FOR TELEMEDICINE DEVICES
US10056791B2 (en) 2012-07-13 2018-08-21 Sphero, Inc. Self-optimizing power transfer
CN103197681B (zh) * 2013-04-12 2015-09-23 北京空间飞行器总体设计部 一种适用于月面巡视器的通用移动控制方法
US9829882B2 (en) 2013-12-20 2017-11-28 Sphero, Inc. Self-propelled device with center of mass drive system
CN103970588A (zh) * 2014-05-08 2014-08-06 中国人民解放军军事交通学院 一种Mecanum万向轮滚子轮廓补偿和修正建模仿真的方法
US9751211B1 (en) * 2015-10-08 2017-09-05 Google Inc. Smart robot part
US11862302B2 (en) 2017-04-24 2024-01-02 Teladoc Health, Inc. Automated transcription and documentation of tele-health encounters
US10483007B2 (en) 2017-07-25 2019-11-19 Intouch Technologies, Inc. Modular telehealth cart with thermal imaging and touch screen user interface
US11636944B2 (en) 2017-08-25 2023-04-25 Teladoc Health, Inc. Connectivity infrastructure for a telehealth platform
CN108382458B (zh) * 2018-02-28 2020-06-16 广州市君望机器人自动化有限公司 移动机构及移动控制方法
CN108563227B (zh) * 2018-04-20 2020-12-18 武汉大学 一种基于活动脚轮的2d轮式机器人的运动控制方法
US10617299B2 (en) 2018-04-27 2020-04-14 Intouch Technologies, Inc. Telehealth cart that supports a removable tablet with seamless audio/video switching
US10800527B2 (en) * 2018-08-17 2020-10-13 Goodrich Corporation Omni directional turntable assembly
CN109591912A (zh) * 2019-01-04 2019-04-09 华北理工大学 一种8方位移动平台机构
WO2022261814A1 (zh) * 2021-06-15 2022-12-22 电子科技大学中山学院 移动机器人故障下同时fdd和slam的方法及系统
CN113547501B (zh) * 2021-07-29 2022-10-28 中国科学技术大学 一种基于slam的移动机械臂推车任务规划与控制方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4573548A (en) * 1983-07-23 1986-03-04 Cybermation, Inc. Mobile base for robots and the like
US5186270A (en) * 1991-10-24 1993-02-16 Massachusetts Institute Of Technology Omnidirectional vehicle
US5374879A (en) * 1992-11-04 1994-12-20 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Omni-directional and holonomic rolling platform with decoupled rotational and translational degrees of freedom

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109669350A (zh) * 2017-10-13 2019-04-23 电子科技大学中山学院 一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法
CN109669350B (zh) * 2017-10-13 2021-07-20 电子科技大学中山学院 一种三轮全向移动机器人车轮滑动定量估计方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPH08305440A (ja) 1996-11-22
US5739657A (en) 1998-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3241564B2 (ja) 通常車輪型全方向移動ロボットの運動制御のための制御装置および方法
Doroftei et al. Omnidirectional mobile robot-design and implementation
Laugier et al. Sensor-based control architecture for a car-like vehicle
Noguchi et al. Development of a master–slave robot system for farm operations
Gómez-Bravo et al. Parallel and diagonal parking in nonholonomic autonomous vehicles
Shi et al. Path tracking control of self-reconfigurable robot hTetro with four differential drive units
Braunstingl et al. Fuzzy logic wall following of a mobile robot based on the concept of general perception
JPH0324605A (ja) 移動ロボットの走行制御方法
Oftadeh et al. A novel time optimal path following controller with bounded velocities for mobile robots with independently steerable wheels
Okada et al. Shared autonomy system for tracked vehicles to traverse rough terrain based on continuous three-dimensional terrain scanning
Sekhavat et al. Motion planning and control for Hilare pulling a trailer: experimental issues
Shamah et al. Steering and control of a passively articulated robot
Bardaro et al. MPC-based control architecture of an autonomous wheelchair for indoor environments
Parhi et al. Navigational path analysis of mobile robots using an adaptive neuro-fuzzy inference system controller in a dynamic environment
Cuesta et al. Intelligent control of nonholonomic mobile robots with fuzzy perception
JP3022354B2 (ja) 移動車に任意の並行移動運動と任意の回転運動を組み合せた運動を実行させるための方法
KR101026596B1 (ko) 옴니휠을 이용한 이동로봇의 주행제어 장치 및 방법
Ollero et al. Integrated mechanical design and modelling of a new mobile robot
Bräunl Driving robots
Cuesta et al. Fuzzy control of reactive navigation with stability analysis based on conicity and Lyapunov theory
Cheng et al. Kinematics of automatic guided vehicles with an inclined steering column and an offset distance: Criterion for existence of inverse kinematic solution
Takigawa et al. Trajectory control and its application to approach a target: Part I. Development of trajectory control algorithms for an autonomous vehicle
Kouros et al. PANDORA monstertruck: A 4WS4WD car-like robot for autonomous exploration in unknown environments
WO1997036217A1 (fr) Technique permettant de commander le fonctionnement d'un mecanisme en mouvement et appareil correspondant
Zulli et al. Motion planning and control for non-holonomic mobile robots

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20010626

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20011002

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071019

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081019

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081019

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091019

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091019

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101019

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101019

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111019

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111019

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121019

Year of fee payment: 11

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121019

Year of fee payment: 11

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131019

Year of fee payment: 12

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees