JP3993883B2 - 倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法 - Google Patents

倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、荷物運搬作業を行うロボットのうち、同軸二輪車を用いた倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法に関するものであり、詳しくは、ロボット姿勢拘束時の倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法に関するものである。
荷物運搬作業を行うロボットしては、三輪型や四輪型など3点以上で必ず接触して安定を保つものが一般的である。しかしながら、三輪型、四輪型などは、面積を有すること、小回りが難しいことから倒立振子モデルに基づいて動作する同軸二輪車型のロボットが研究されてきている。
同軸二輪車型の移動ロボットとしては、例えば特許文献1、特許文献2に記載のものが知られている。
図13は、上記特許文献1に記載された従来の同軸二輪車型の移動ロボットを示すものである。
特許文献1に記載された同軸二輪車型移動ロボットは、両端に一対の車輪102,103を備えた車軸101上の回動可能に支持された車体104と、車体104に装着された車輪駆動用モータ105と、車輪駆動用モータ105に作動指令を送る制御コンピュータ106と、車体104の傾きを検出する角度検出手段107を備えている。そして、角度検出手段107により検出される車体104の傾斜角度を短時間間隔にてサンプリングし、車体104の傾斜角度を状態変数入力値、フィードバックゲインKを係数として、制御コンピュータ106内に予め入力設定された制御入力算出式に基づき、車輪駆動用モータ105の制御トルクを算出する状態フィードバック制御である。この算出された制御トルク相当の作動を制御コンピュータ106から、車輪駆動用モータ105に指令することにより、倒立の姿勢制御が維持される。
図14は、上記特許文献2に記載された人乗り型の同軸二輪車型移動ロボットを示すものである。
特許文献2に記載された人乗り型の同軸二輪車型移動ロボットは、プラットホーム201上に同軸に配された左右の駆動輪202を姿勢感知センサーの出力に応じて制御駆動することで前後方向のバランスの保持のための姿勢制御と走行制御とを行う。そして、駆動輪202の前方側又は及び後方側で接地する補助輪203と、補助輪203を出没させる補助輪駆動部204とを備えている。そして、障害物検知センサー205と走行速度及び姿勢の制御の状態に応じて補助輪駆動部204を駆動して補助輪203を出没させる制御回路を備えているため、転倒を招く原因となりやすい障害物があった時、補助輪203が出て安定性を高められるために、転倒の危険性を少なくすることができる。
特許2530652号 特開2004−74814
上述の特許文献1に示された技術においては、状態フィードバック制御を常に行っている。
そして、同軸二輪車の車体104と車輪102,103が共に拘束無く相対的に回転できる場合には、車輪駆動用モータ105で発生したトルクは、車輪102,103の回転に寄与すると同時に、反作用のトルクが車体104に働いて、全体として倒立姿勢制御を維持できる。
しかしながら、車体104の一部が壁や地面に接触し、それ以上回転できなくなるような拘束力を外部から受けると車体104が回転しないだけでなく、拘束力によるトルクが車輪102,103に伝達される。よって、拘束力がない場合に比べて、車輪102,103に対して過大なトルクがかかり、車輪回転が増し、走行速度が急上昇するという課題を有していた。
上述の特許文献2に示された技術においては、障害物検知センサー205で障害物を検知した場合、補助輪駆動部204を駆動して補助輪203を出没させる機構を有しているため、補助輪203が出没した場合には、左右の駆動輪202と補助輪203の3点接地になり、転倒の危険性を少なくできる。
しかし、本技術では障害物を認識して補助輪203を出すだけで、速度や姿勢は人の操縦に依存している構成となっている。本構成においても、人がバランスを崩してプラットホーム201を含めた本体部が地面に接触した場合や、プラットホーム201を含めた本体部が壁等に接触して回転できなくなるような拘束力を受けた場合、特許文献1の場合と同様に駆動輪202に過大なトルクがかかり、走行速度が急上昇するという課題を有していた。この場合は、人の操縦により停止指令を送るなどの、危険を回避することになるが、操作が人に依存するという点でユーザに負担をかけるという課題を有していた。
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するもので、倒立制御を行いながら移動する同軸二輪車の車体の一部が地面や壁などに接触して拘束力を受けた場合に、姿勢制御や走行状態を維持可能でかつユーザに負担をかけない安全な倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法を提供する。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体に対する接触力を検出する少なくとも一つの接触センサを上記車体に有するとともに、上記車体拘束認識手段は、上記接触センサで検出された接触情報を入力として、車体拘束状態を認識し、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する、倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第2態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する一方、車体拘束時には、上記車輪を回転駆動させるトルクに、上記車体への拘束力による発生するトルク分を加算する制御方法に切り替える倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第3態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体に対する接触力を検出する少なくとも一つの接触センサを上記車体に有するとともに、上記車体拘束認識手段は、上記接触センサで検出された接触情報を入力として、車体拘束状態を認識し、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する一方、車体拘束時には、上記車輪を回転駆動させるトルクに、上記車体への拘束力による発生するトルク分を加算する制御方法に切り替える倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の構成によれば、倒立して姿勢制御を行いながら走行する倒立二輪走行型ロボットの車体の一部が、地面や壁などに接触して回転を拘束された場合に、車体拘束認識手段又は車体拘束認識動作によって車体の回転方向の拘束が認識される。そして、認識された拘束状態に応じて、例えば車体回転に寄与するトルクの割合を変化させることで過大なトルクが車輪にかかって姿勢制御を維持できず走行速度が急上昇するという課題を回避することができる。
よって、本発明の構成によれば、倒立制御を行いながら移動する同軸二輪車型の倒立二輪走行型ロボットにおいて、車体の一部が地面や壁などに接触して回転を拘束された場合でも、姿勢制御や走行状態を維持でき、ユーザに負担をかけずに、安全に移動することができる。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
本発明の第1態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体に対する接触力を検出する少なくとも一つの接触センサを上記車体に有するとともに、上記車体拘束認識手段は、上記接触センサで検出された接触情報を入力として、車体拘束状態を認識し、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する、倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第2態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する一方、車体拘束時には、上記車輪を回転駆動させるトルクに、上記車体への拘束力による発生するトルク分を加算する制御方法に切り替える倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第3態様によれば、車体と、
上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
上記第1状態検出手段又は上記第2状態検出手段で検出された情報を入力として、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出する車体拘束認識手段と、
上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により複数の走行制御方法を切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
上記車体に対する接触力を検出する少なくとも一つの接触センサを上記車体に有するとともに、上記車体拘束認識手段は、上記接触センサで検出された接触情報を入力として、車体拘束状態を認識し、
上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する一方、車体拘束時には、上記車輪を回転駆動させるトルクに、上記車体への拘束力による発生するトルク分を加算する制御方法に切り替える倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第態様によれば、車体拘束時には上記車輪の回転角速度の誤差の積分値をリセットする第1の態様に記載の倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第態様によれば、車体拘束時には上記車輪の回転角速度の誤差の積分値をリセットする第2又は3の態様に記載の倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第態様によれば、車体拘束時には上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度に対するフィードバックを停止させる制御に切り替えるとともに、上記車輪の回転角速度の誤差の積分値をリセットする第1又は2又は3の態様に記載の倒立二輪走行型ロボットを提供する。
本発明の第態様によれば、車体拘束時には上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度に対するフィードバックを停止させ、かつ、上記車体の走行のみを継続する制御に切り替えるとともに、上記車輪の回転角速度の誤差の積分値をリセットする第1又は2又は3の態様に記載の倒立二輪走行型ロボットを提供する。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。
本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの傾いた状態での側面図を図1A、傾いた状態での正面図を図2に示す。ロボットの車体1に対し、概して同一軸上に2つの車輪2a,2bが配置される。ここで、車体1の図中矢印Aで示した進行方向に対して左車輪2a、右車輪2bとする。なお、車体1の進行方向から見た正面図が図2である。車輪2a,2bと車体1との間に独立してそれぞれ駆動力を発生させる駆動装置の一例として機能するアクチュエータ3a,3bは車体1の車輪2a,2bの近傍に取付けられ、各車輪2a,2bに連結されている。なお、説明のためアクチュエータ3a,3bは一例としてモータであるとする。なお、モータ3a,3bには、減速機4a,4bが取り付けられて、上記駆動装置の一例を構成するようにしてもよい。また、モータ3a,3bには、上記車輪2a,2bの回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを第2状態検出情報として検出する第2状態検出手段の一例として機能するエンコーダ5a,5bが取り付けられており、車体1と車輪2a,2bの回転角度を計測できる。回転角度を一定サンプリング時間(例えば、1msecおき)に計測し、その差分をサンプリング時間で除算することで、回転角速度が求まり、これを第2状態検出情報として扱うことができる。
また、車体1の車軸方向を法線とする鉛直平面内における姿勢を検出する姿勢センサ6の一例である2つのセンサ、すなわち、車体1の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを第1状態検出情報として検出する第1状態検出手段の一例として機能する1軸ジャイロ6aと2軸加速度センサ6bが車体1の上部に取り付けられている。1軸ジャイロ6aは、車軸方向を法線とする鉛直平面に、車軸方向の傾斜角速度を第1状態検出情報として検出できるように車体1に取り付けられ、車体1の車軸方向を法線とする鉛直平面内における傾斜角速度(円弧6a1で図示)を検出することができる。また、2軸加速度センサ6bは、車軸方向を法線とする鉛直平面の所定の2方向(6b1,6b2)に対する加速度を検出できるように取り付けられ、重力方向(6b3)を検出することを可能としている。第1状態検出情報としての車体1の姿勢角度(傾斜角度)は、1軸ジャイロ6aの積分値と2軸加速度センサ6bからの値をそれぞれ、制御コンピュータ部9でハイパスフィルター、ローパスフィルターにかけ、それらを制御コンピュータ部9で合成して求める。
また、車体1の前後の下部には接触センサ10a,10bが設けられ、車体1の当該車体1の前後の下部に対する他の物体などからの接触力を、接触情報としてそれぞれ測定することができる。
車体1の内部には、モータ3a,3bを駆動するためのモータドライバ7a,7b及びバッテリ8、制御手段及び車体拘束認識手段の一例して機能する制御コンピュータ部9が搭載されている。図1Bに示すように、制御コンピュータ部9は、A/D変換器9aとD/A変換器9bとエンコーダカウンタ部9cと演算部9dとから構成され、エンコーダ5a,5bの値はエンコーダカウンタ部9cを通じて演算部9dに入力される。また、1軸ジャイロ6aと2軸加速度センサ6b、接触センサ10a,10bの値はA/D変換器9aを通じて演算部9dに入力される。演算部9dでは、入力された接触センサ10a,10bからの値に基づき、上記車体1の傾斜方向への回転が拘束されているかどうかを検出して、車体拘束認識情報を作成することができる。この作成された車体拘束認識情報は、例えば、接触センサ10a,10bの入力により判断される車体1に対する拘束力の情報(第1実施形態参照)、接触センサ10a,10bの入力により判断される接触の有無の情報(第2実施形態参照)、車体1の傾斜角度情報(第3実施形態参照)などであって、後述するように、制御方法を切替えるときに使用することができる。制御コンピュータ部9の演算部9dは、演算部9dに入力された値より、姿勢制御及び走行制御の必要トルクを計算し、D/A変換器9bより、トルク指令値をモータドライバ7a,7bに指令する。モータドライバ7a,7bは、指令値に基づいてモータ3a,3bを駆動する。なお、入力値から出力値への計算方法は、後述する。
次に、本構成での倒立二輪走行型ロボットの制御方法について図3で説明する。図3はロボットを鉛直上方から見た図である。本機構においては、車軸方向を法線とする鉛直平面(B−B’面)内での姿勢及びその鉛直平面内の水平方向速度に関する並進制御11(姿勢制御+前後移動制御)と旋回方向の動作に関する旋回制御12の2つの制御に分けて考える。前者は、並進方向の
に追従するように、姿勢制御と走行制御を行って走行状態を維持するものである。後者は、旋回方向の
に追従するように制御するものである。後述するように、この2つの制御を合わせることで、移動制御(走行制御)を行って走行状態を維持することができる。
次に、この移動制御について、順に、説明を行う。
まず、並進制御11について、機構パラメータを示す図4を用いて説明する。なお、車軸方向を法線とする鉛直平面内での動作であるので、2次元モデルとして扱う。図4のように、パラメータを以下のように設定する。車輪2a,2b、モータ3a,3b、減速機4a,4b、エンコーダ5a,5b、はそれぞれ1つとみなして、車輪2、モータ3、減速機4、エンコーダ5とする。また、車体1の重心を車体重心13、車輪2の車軸を車軸14、車輪2の重心を車輪重心15とする。
:ロボットの車体1の質量[kg]
:車輪2の質量(2つの車輪の合計)[kg]、
:ロボットの車体1の車体重心13周りの慣性モーメント[kgm
:車輪2の車輪重心15周りの慣性モーメント(2つの車輪の合計)[kgm
:モータ3の慣性モーメント[kgm
r:車輪2の半径[m]
:車軸14からロボットの車体重心13までの距離[m]
:モータ3と減速機4と車軸2との間の粘性摩擦係数[Nm/(rad/s)]
:車輪2と地面800との間の粘性摩擦係数[Nm/(rad/s)]
:モータ3のトルク定数[Nm/A]
:減速機4のギア部減速比
g:重力加速度
:ロボットの車体1の傾き[rad]
:車輪2の地面800に対する回転角[rad]
u:モータ3に入力する電流[A]
また、記号を次のように定義する。
T:運動エネルギー、U:位置エネルギー,D:摩擦損失
:車体重心高さ,z:車輪重心高さ,s:車体重心並進位置,
:車軸並進位置,
ここで、倒立2輪走行型ロボットの運動方程式を、ラグランジェ法を用いて導出する。
ラグランジェの運動方程式は
各値とその微分値は次のように表される。
各エネルギーは
簡単なモデルとして、車体1にかかる外力が0とした場合、
よって、運動エネルギーTは
となる。
ロボットの車体1の傾きφについて、ラグランジェ法により運動方程式を導出する。
車輪2の地面800に対する回転角θについて、ラグランジェ法により運動方程式を導出する。
(式17)と(式18)を足し合わせると、
となる。
よって、2つの式(式17)と(式19)を
の周りで近似して
となる。
ここで変数を
とおいて、
の状態方程式の形に帰着できる。なお、
は、状態ベクトルである。
以上のモデル化は、状態ベクトルの各値が0での近似モデルであるので、前後方向の位置(速度指令)に関する追従性を考慮するために、このモデルに対してステップ状の目標入力に追従するモデルの制御系を構成する。なお、目標入力を一定速度目標値であるとする。
は、可観測であるとし、
と表せる。
をステップ状の
に定常偏差なく追従させるために、積分器を用いた制御系とする。なお、そのときの制御ブロックを図5に示す。ここで、
の閉ループシステムを安定にするためのフィードバックベクトルである。
この構成において、
より
制御入力は、
と表せる。ここで、Inは3行3列の単位行列、Im=1として
(式26)と(式30)より
ここで、定常値は、
なお、
となり、定常偏差がないことがわかる。
次に、定常値からの誤差システムを考える。
として式変形を行うと
となる。
として、
となり、出力をeとして
となる。(式39)、(式40)にwの状態フィードバックをしたレギュレータとみなせる。よって、この誤差システムのフィードバックゲインHを、最適レギュレータ法や極配置法、その他の種々の設計法によって導出する。このゲインを用いれば、
の過渡応答誤差の少ない最適なサーボシステムが設計できる。なお、(式37)より
となる。したがって、
を用いて、モータ3へ出力される
を、
とすれば、倒立の姿勢制御と速度制御が同時に実現できる。
ただし、
である。なお、
である。本構成では、車輪2は2つであるので、
の0.5倍を各車輪2(2a,2b)に出力すれば、並進方向の姿勢制御と速度制御を行える。そのときの、各車輪2a,2bの
として、
となる。
次に、旋回制御12について旋回制御模式図である図6を用いて説明する。
ロボットの車体1を上面から見て、ロボットの車体1の車輪2間の長さを
とし、水平面上でのロボットの車体1の移動速度を
とし、左車輪2aの回転速度を
とし、右車輪2bの回転速度を
とし、旋回半径をR、旋回速度を
とする。また、左車輪2aの回転角速度を
、右車輪2bの回転角速度を
とすると、
となる。
として、
との差に対してフィードバック(PD制御等)を行い、
を決定する。
は、左右の車輪2a,2bに発生するトルク差であるとみなせる。左右の車輪2a,2bに、それぞれ、その旋回方向のトルクの0.5倍を、旋回方向の目標トルクを算出できる両車輪2a,2bに、それぞれ加算、減算してやることで、旋回方向の制御が実現できる。
並進制御11、旋回制御12の統合された制御ブロック図を図7に示す。
そして、左輪2a、右輪2bに指令するトルク指令値を
とすると
以上のように、トルクを決定することにより、上記ロボットは、倒立姿勢を維持しながら旋回及び直線走行をすることができる。
図1Aのように、車体1が地面800から離れている場合には、これまで述べたような制御則に基づけば、倒立姿勢を維持しながらの走行を行うことができる。
次に、第1実施形態では、図8のように車体1の一部が回転方向に拘束を受けた場合の一例として、車体1が傾いて車体下部が地面800に接触した場合を示す。仮定として、車体1と地面800との摩擦力は0で
だけが、車軸14から水平移動した
の接触点において拘束力として発生するとする。接触センサ10b(接触センサ10aも同様であるため、代表的に接触センサ10bで説明する。)は、車体1に対する他の物体や地面800や壁などからの接触力を計測できるセンサとし、接触力センサ10bによって
が検出され、幾何学的な条件より
も既知である。このとき、車体1には拘束力による
が発生する。また、位置ずれ量が
の状態のときに、図8のような
接触が発生した場合を考える。このとき、(式42)に基づくモータ3のトルク指令値は、車輪2を正転させる方向(ロボットの車体1が図8において右方向に移動し、車体1が車軸14周りに左回転する方向)を正として、
となる。
であるので、傾斜方向の回転が拘束され、
となる。
このとき
となる。
は、モータ3からのトルクの
と、
の和になるため、
となる。この
の値によっては、
のいずれにもなりうる。
(式51)において
である場合には、車体1には、右回転させるようにするトルクが働くため、車軸14周りに右回転し、接触は解消され倒立状態に戻る事ができる。しかしながら、
である場合には、車体1には、左回転のトルクがかかり、車輪2には、反力として右へ移動する回転トルクが発生する。この時、車体1が
で拘束されているので、車輪2には、
によって発生した
も、車輪2への回転トルクとして伝達される。そのため、車輪2に余分のトルクがかかり、車輪2の過度の回転現象を生じ、暴走現象に陥ってしまう。
そこで、本発明の上記第1実施形態にかかるロボットの制御方法では、接触力センサ10bより接触情報を検知し、検知した接触力方向と
とを比較し、その回転方向が反対の場合には、モータ3への
を、接触力により発生する
を加算した
とする。
したがって、本発明による上記第1実施形態にかかるロボットの制御方法によれば、(式52)に基づきモータ3のトルクを算出することにより、地面800からの接触力による影響を除去でき、ユーザに負担をかけずに、安全な倒立二輪走行型ロボットを実現できる。
また、本構成において車体1と地面800との間に
が発生する場合、図9のように、その
によって発生する回転の反対方向のトルクを補償して走行することとすれば同様の効果を得られる
また、外乱オブザーバを用いて、接触センサ無しに外乱力を推定してその推定された接触力を用いて(式52)、(式53)と同様の制御を行ってもよい。
ここで、上記した第1実施形態での切替制御を用いた走行動作フローチャートを図12で説明する。
初期状態(ステップS1)では、ロボットの車体1は傾斜して停止している。初期設定として、
(=ステップS2)とする。次に、(式50)で示す倒立停止
制御(ステップS3)を行って起き上がる。倒立停止制御(ステップS3)の安定時間(例えば5秒程度)後(ステップS4)、車体1の地面800などに対する接触の有無を判別する(ステップS5)。
ステップS5で接触が無い場合には、
設定を行った(ステップS8)後、(式49)で示す倒立走行制御(ステップS9)を行って走行状態を維持した後、ステップS5に戻る。
ステップS5で接触がある場合には、
設定を行った(ステップS6)後、(式52又は式53)で示す倒立走行制御(ステップS7)を行って走行状態を維持した後、ステップS5に戻る。
なお、ステップS6とステップS8において、接地しているときも、接地していないときも、その差分トルクを補正するので、どちらの場合も、同様の走行が行える。
以上のように、上記第1実施形態によれば、制御コンピュータ部9の制御の下で、以下のような動作制御を行うことができる。
すなわち、初期の車体1が移動停止して地面800に接地している状態から、まず、倒立停止制御(式(49)、ステップS2〜S3)を行うことにより、車体1を倒立位置まで起き上がらせて、倒立状態(ただし、走行は停止している状態。)を維持する。次いで、所定時間(安定時間)経過して倒立状態が安定した(ステップS4)のち、接触センサ10a,10bによる接触の有無の検出を開始する(ステップS5)。ステップS5で接触(言い換えれば、車体拘束)が無ければ、倒立停止制御から倒立走行制御(式(49)、ステップS8〜S9)に移って走行状態を維持したのち、接触センサ10a,10bによる接触の有無の検出を再度行う(ステップS5)。ステップS5で接触(言い換えれば、車体拘束)が検出された場合には、倒立停止制御から倒立走行制御(式(52)又は式(53)、ステップS6〜S7)に移って走行状態を維持したのち、接触センサ10a,10bによる接触の有無の検出を再度行う(ステップS5)。
このように、倒立停止制御(ステップS3)、倒立走行制御(ステップS9)、倒立走行制御(ステップS7)とを適宜切替ながら、倒立二輪走行することによって、車体1に接触が発生しても、接触状態(すなわち車体拘束状態)に応じて、車体回転に寄与するトルクの割合を変化させることで、過大なトルクが車輪2にかかって姿勢制御を維持できず走行速度が急上昇するといった暴走を防止することができ、ユーザに負担をかけずに、安全に走行を継続することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を第1実施形態と同じ、図8で説明する。第1実施形態においては、接触センサを設けて接触力を検知していたが、第2実施形態では、接触センサ10bが、接触の有無を検知のみで力測定ができないセンサの場合や、力計測できるセンサであっても接触の有無のみを利用する場合とし、その制御方法を述べる。
車体1の一部が地面800などに接触している場合、車体1は回転できず、車体1は2つの車輪2a,2bと、少なくとも1点との3点以上で地面800に接していることとなる。従来からあるような独立二輪駆動で、補助輪等で接地している台車の移動制御においては、車輪2の回転速度に対して、PID制御等によって走行制御がなされて走行状態を維持している。そのため、この第2実施形態においても、接地時には同様の構成とみなすことができるので、接地した場合には、
に示すような、回転速度に対する略PI制御の速度制御の構成とする。したがって、接触がある場合には、(式54)、接触がない場合には(式50)の制御を切り替えて制御を行う。
第2実施形態での切替制御を用いた走行動作フローチャートを図10で説明する。
初期状態(ステップS11)では、ロボットの車体1は傾斜して停止している。初期設定として、
(=ステップS12)とする。次に、(式50)で示す倒立停止
制御(ステップS13)を行って起き上がる。倒立停止制御(ステップS13)の安定時間(例えば5秒程度)後(ステップS14)、接触の有無を判別する(ステップS15)。もし接触(ステップS15)のない場合は、
設定を行った(ステップS20)後、(式49)で示す倒立走行制御(ステップS21)を行って走行状態を維持している。(式49)に基づく倒立走行制御(ステップS21)から、接触時の(式54)に基づく速度制御(ステップS18)へと制御方法が移る条件として、積分項リセット履歴ビットbt1を設ける。積分項とは、速度差の
(車体1の現在位置に対して車体1のバランスが崩れたりなどして位置ずれが生じるときの位置ずれ量)である。そして、倒立走行制御(ステップS21)中に、接触の有無を判断する(ステップS22)。
ステップS22で車体1が地面800などに接触していない場合には、積分項リセット履歴ビットbt1をリセット(bt1=0)した(ステップS26)後(すなわち、積分項のリセットは行わずに)、ステップS20に戻る。
ステップS22で車体1が地面800などに接触している場合には、積分項リセット履歴がONか否か、すなわち、積分項リセット履歴ビットbt1=1か否かを判断する(ステップS23)。積分項リセット履歴ビットbt1=0のとき(接触後に積分項のリセットを行っていなかったとき)のみ、

した(ステップS27)後(積分項をリセットし、かつ、積分項をリセットしたことを示す履歴情報を残した後)、ステップS20に戻る。積分項をリセットするのは、接触する前に発生している位置ずれ(速度差の
)を、一度、0にして、接触時からのPI制御にするためである。このように、積分項をリセットすることによって、接触前の位置ずれ量を削除できて、接触後の車体1の位置ずれ量のみにより、動作制御が行われるため、車体1の暴走現象を防止することができる。
ステップS23で積分項リセット履歴ビットbt1=1であるとき、接触の有無を判別する(ステップS24)。
ステップS24で車体1が地面800などに接触していない場合は、積分項リセット履歴ビットbt1をリセット(bt1=0)した(ステップS28)後(すなわち、積分項のリセットは行わずに)、ステップS20に戻る。
ステップS24で、そのまま、車体1が地面800などに接触が続いている場合(bt1=1)は、安定時間(例えば1秒)(ステップS25)以内であれば、ステップS20に戻り、倒立走行(ステップS21)を継続する。
一方、安定時間(例えば1秒)が経過していれば、倒立走行(ステップS21)から速度制御(ステップS30〜S32)に移る。
ステップS15で車体1が地面800などに接触している場合又はステップS25で安定時間経過時には、
設定を行った(ステップS30)後、
か否かを判断する(ステップS31)。YESの場合には、起き上がれないと判断して終了する(ステップS19)。ステップS31で、NO、すなわち、
の場合には、(式54)で示す速度制御(ステップS32)で走行したのち、ステップS14に戻り、速度制御(ステップS32)の安定時間(例えば5秒程度)が経過したか否かを判断する(ステップS14)。
以上のように、上記第2実施形態によれば、制御コンピュータ部9の制御の下で、以下のような動作制御を行うことができる。
すなわち、初期の車体1が移動停止して地面800に接地している状態から、まず、倒立停止制御(式(49)、ステップS12〜S13)を行うことにより、車体1を倒立位置まで起き上がらせて、倒立状態(ただし、走行は停止している状態。)を維持する。次いで、所定時間(安定時間)経過して倒立状態が安定した(ステップS14)のち、接触センサ10a,10bによる接触の有無の検出を開始する(ステップS15)。ステップS15で接触(言い換えれば、車体拘束)が無ければ、倒立停止制御から倒立走行制御(式(49)、ステップS20〜S21)に移って走行状態を維持する。ステップS15で接触(言い換えれば、車体拘束)が検出された場合には、倒立停止制御から速度制御(ステップS30〜S32)に移る。次いで、所定時間(安定時間)経過して安定して速度制御が行われた(ステップS14)のち、接触センサ10a,10bによる接触の有無の検出を再度行い(ステップS15)、ステップS15で接触がなければ(起き上がりが成功したならば)、倒立走行制御(式(49)、ステップS20〜S21)に移って走行状態を維持する。ステップS15で接触があれば(起き上がりが不成功ならば)、そのまま、速度制御(ステップS30〜S32)を継続する。速度制御(ステップS30〜S32)を行うとき、速度及び角速度が0の場合には、車体1が物体又は地面800などに接触している場合など、車体1が起き上がれない場合であると判断して、車体1の起き上がり駆動を停止し、接地状態とする。
また、倒立走行制御(式(49)、ステップS20〜S21)中に接触があった場合(ステップS22)には、接触時までの位置ずれ量をリセットして0にしたのち、接触時からの位置ずれ量のみにより、動作制御が行われるため、車体1の暴走現象を防止することができる。さらに、倒立走行制御時に、接触時までの位置ずれ量をリセットして0にしたのち、接触が安定時間経過しても続いている場合には、車体1の倒立状態が崩れていると判断して、倒立走行制御から速度制御に切り替えて、倒立状態に復帰させるように動作制御することができる。
このように、倒立停止制御(ステップS13)、倒立走行制御(ステップS21)、速度制御(ステップS32)とを適宜切替ながら、倒立二輪走行することによって、車体1に接触が発生しても、接触状態(すなわち車体拘束状態)に応じて、車体回転に寄与するトルクの割合を変化させることで、過大なトルクが車輪2にかかって姿勢制御を維持できず走行速度が急上昇するといった暴走を防止することができ、ユーザに負担をかけずに、安全に走行を継続することができる。
(第3実施形態)
第2実施形態においては、実際の接触センサ10a,10bの入力によって接触の有無を検知して制御方法を切り替えたが、本発明の第3実施形態では、走行する地面800が、平坦な面であるということがわかっている場合として、接触センサ無しで、車体1の傾斜角度により制御方法の切替を行うものであって、車体1の傾斜角度が所定角度以上傾いたときには切替制御を行うものである。すなわち、図11のように、車体1が傾いて地面800に必ず接触する場合の車体1の傾斜角が、
として、車体1が傾いて地面800に接触しないとき、すなわち、
のときには、(式49)で示す倒立走行制御を行って走行状態を維持する一方、車体1が傾いて地面800に接触するとき、すなわち、
の時には、(式54)に基づく制御を行う。
ここで、一例として、図11のように、倒立停止又は走行状態(一点鎖線で示すI)に対して、傾斜位置(点線で示すII又はIII)のように10°傾斜すると、車体1が地面800に接触していると仮定するときには、0.5°の許容値を考慮して、9.5°以上傾くと、車体1が地面800に接触していると判断するようにすればよい。すなわち、
又は、
のときは、車体1が地面800に接触していると判断するようにすればよい。よって、車体1が傾いて地面800に接触しないとき、すなわち、
のときには、(式49)で示す倒立走行制御を行って走行状態を維持する一方、車体1が傾いて地面800に接触するとき、すなわち、
の時には、(式54)に基づく速度制御を行う。
以上のように、車体1の傾斜角度に応じて制御方法を切り替えながら走行することによって、平坦な面において接触が発生しても、暴走することなく安全にかつユーザに負担をかけずに走行を継続できる。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明にかかる倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法では、地面や壁などに接触して回転を拘束された場合でも、姿勢制御や走行状態を維持でき、かつユーザに負担をかけずに、安全に移動することができる倒立二輪走行型ロボット及びその制御方法を提供できる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図1Aは、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの傾いた状態での側面図である。 図1Bは、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの制御部などのブロック図である。 図2は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの傾いた状態での正面図である。 図3は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの移動構成の説明図である。 図4は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの機構パラメータ図である。 図5は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの制御ブロック図である。 図6は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの旋回制御模式図である。 図7は、本発明の第1実施形態における走行制御全体図である。 図8は、本発明の第2実施形態における倒立二輪走行型ロボットのフローチャートである。 図9は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットの接触状態図である。 図10は、本発明の第2実施形態における倒立二輪走行型ロボットのフローチャートである。 図11は、本発明の第3実施形態における倒立二輪走行型ロボットの車体が傾いて地面に必ず接触する場合の説明図である。 図12は、本発明の第1実施形態における倒立二輪走行型ロボットのフローチャートである。 図13は、従来の特許文献1に記載の同軸二輪車型の移動ロボットの図である。 図14は、従来の特許文献2に記載の人乗り型の同軸二輪車型移動ロボットの図である。

Claims (4)

  1. 車体と、
    上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
    上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
    上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
    上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
    上記車体に有しかつ上記車体が地面に接触するか否かの接触有無を検出する少なくとも一つの接触センサと、
    上記接触センサで検出された上記車体に対して接触していることが接触情報として入力されると、上記入力された接触情報により上記車体の傾斜方向への回転が拘束されている車体拘束状態を認識する車体拘束認識手段と、
    上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により、上記車体が移動停止して上記地面に接触している状態から、上記駆動装置を駆動して上記車体を倒立位置まで起き上がらせて上記車体を走行停止状態で倒立状態を維持させる倒立停止制御を行なう走行制御方法と、上記車体に対する接触を考慮することなく上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第1倒立走行制御を行なう走行制御方法と、上記車体に対する接触を考慮して上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第2倒立走行制御を行なう走行制御方法とを切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え
    上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する倒立二輪走行型ロボット。
  2. 車体と、
    上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
    上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
    上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
    上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
    上記第1状態検出手段により検出された上記車体の傾斜角度が所定角度以上傾いたとき、上記車体の傾斜方向への回転が拘束されている車体拘束状態を認識する車体拘束認識手段と、
    上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により、上記車体が移動停止して上記車体拘束状態から、上記駆動装置を駆動して上記車体を倒立位置まで起き上がらせて上記車体を走行停止状態で倒立状態を維持させる倒立停止制御を行なう走行制御方法と、上記車体拘束状態を考慮することなく上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第1倒立走行制御を行なう走行制御方法と、上記車体拘束状態を考慮して上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第2倒立走行制御を行なう走行制御方法とを切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
    上記車体拘束認識手段の検出結果に基づいて、上記制御手段が、上記複数の走行制御方法を切替える上記駆動装置への指令値を決定し、決定された上記指令値により上記駆動装置が駆動されて、上記車体の走行制御が行われて走行状態を維持する一方、車体拘束時には、上記車輪を回転駆動させるトルクに、上記車体への拘束力による発生するトルク分を加算する制御方法に切り替える倒立二輪走行型ロボット。
  3. 車体と、
    上記車体に同軸に配置された2つの車輪と、
    上記車輪を各々駆動する駆動装置と、
    上記車体の傾斜角度及び傾斜角速度の少なくとも1つを検出する第1状態検出手段と、
    上記車輪の回転角度及び回転角速度の少なくとも1つを検出する第2状態検出手段と、
    上記車体に有しかつ上記車体が地面に接触することにより上記車体が受ける接触力を検 出する少なくとも一つの接触センサと、
    上記接触センサで検出された上記車体に対する接触力が接触情報として入力されると、上記入力された接触情報により上記車体の傾斜方向への回転が拘束されている車体拘束状態を認識する車体拘束認識手段と、
    上記駆動装置への指令値を決定し、決定した指令値により、上記車体が移動停止して上記地面に接触している状態から、上記駆動装置を駆動して上記車体を倒立位置まで起き上がらせて上記車体を走行停止状態で倒立状態を維持させる倒立停止制御を行なう走行制御方法と、上記車体に対する接触を考慮することなく上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第1倒立走行制御を行なう走行制御方法と、上記車体に対する接触力を考慮して上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体を走行させる第2倒立走行制御を行なう走行制御方法とを切り替えて上記駆動装置が駆動され上記車体の走行制御が行われる制御手段とを備え、
    上記制御手段は、上記車体が移動停止して上記地面に接触している状態から、上記駆動装置を駆動して上記車体を倒立位置まで起き上がらせて上記倒立停止制御を行い、上記倒立状態が安定したのち、上記接触センサによる接触情報の有無の検出を上記車体拘束認識手段で開始し、上記接触センサによる接触情報が無く上記車体拘束認識手段で上記車体拘束状態を認識しないとき、上記倒立停止制御から上記第1倒立走行制御に切替えて走行状態を維持させるとともに、上記接触センサによる接触情報が有り上記車体拘束認識手段で上記車体拘束状態を認識したとき、上記倒立停止制御又は上記第1倒立走行制御から上記第2倒立走行制御に切替えて、上記接触力の方向と上記駆動装置へのトルク指令値(τ 1 )とを比較し、その回転方向が反対の場合には、上記駆動装置へのトルク指令値に上記接触力により発生するトルク(τa)を加算した値を新たなトルク指令値として、その新たなトルク指令値により上記駆動装置が駆動される倒立二輪走行型ロボット。
  4. 上記車体拘束認識手段で上記車体拘束状態を認識して上記制御手段により上記第2倒立走行制御を行なうとき、上記車体拘束状態を考慮して上記車体の上記倒立状態を維持しながら上記車体の回転速度に対するPID制御の速度制御により上記車体を走行させるとともに、上記車体の回転速度に対する上記PID制御の速度制御において、上記車輪の回転角速度の誤差の積分値をリセットすることにより、上記車体の上記地面に対する接触する前に発生している上記車体の位置ずれである速度差の積分値を一度ゼロにして接触時からのPID制御にする請求項1に記載の倒立二輪走行型ロボット。
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