JP4605204B2 - 倒立振子型移動体、及びその制御方法 - Google Patents

倒立振子型移動体、及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は倒立振子型移動体、及びその制御方法に関する。
倒立振子型移動体は、倒立状態を維持しつつ平面上を走行する。この際、倒立振子型移動体は、左右の駆動輪を駆動して、車体の重心位置が車軸の鉛直上方に位置するように重心位置を修正することにより倒立制御を行う。例えば、特許文献1には、倒立制御及び位置制御を融合した制御系を備え、予め設定された経路に沿って倒立2輪型台車ロボットを走行させる技術が開示されている。
倒立振子型移動体が走行中に障害物と衝突し、障害物を乗り越えることができない場合には、これ以上進行方向へ車輪を駆動させることができなくなる。このため、障害物と衝突した場合に、車輪には進行方向とは反対方向への力(衝突反力)が発生する。衝突反力により、車輪の回転が止められると、車輪を駆動する力が駆動反力として車体に加わり、駆動反力が、倒立振子型移動体の車体を後方へと大きく回転させてしまう。このとき、従来の倒立振子型移動体では、後方へと回転してしまう車体の重心位置が車軸の鉛直上方に位置するように、進行方向とは反対方向(即ち後方)へと車輪を駆動して倒立状態を維持しようとする。
しかし、倒立状態を維持しようとして後方へ車輪を駆動することで、今度は、車体に対して前方への回転力が生じてしまう。従って、倒立振子型移動体は更に、車体の前方への回転を打ち消すように車輪を前方へと駆動して倒立状態を維持しようとする。このように、倒立振子型移動体は、障害物との接触による外乱によって、前後方向に回転力を受け、このような外乱に対して、倒立状態を維持しようとして前後方向に大きく揺動する。このため、倒立振子型移動体の搭乗者も前後方向に大きく振られることになる。特に、搭乗者にとって後ろ方向は死角のため、後ろ方向への揺れは非常に大きな不安感を与える。また、衝撃の大きさによっては倒立状態を維持できないこともあり、後ろ方向への揺れは危険である。
一方、特許文献2には、制御アームを用いて倒立制御を行う倒立振子型移動体が開示されている。
特開2005−145293号公報 特表2003−508285号公報
しかしながら、特許文献2記載の技術は、制御アームにより搭乗者を支持することで安定して倒立振子型移動体の制御を行うことができるものの、障害物と衝突した場合に安全に回避することが困難であるという問題点があった。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、障害物と衝突した場合に安全に回避することができる倒立振子型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
本発明にかかる第1の倒立振子型移動体は、車軸上に配置された2以上の車輪を回転駆動する第1のアクチュエータを備える倒立振子型移動体であって、前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、前記第1のアクチュエータを制御して当該倒立振子型移動体を旋回運動させる旋回運動制御部を備えるものである。
これにより、障害物と衝突した場合であっても、移動体を障害物に対して概平行な位置・姿勢へと旋回させることにより、移動体の進行方向前方には障害物がなくなる。従って、障害物と衝突後に、移動体は地面に対して水平な軸回りである前後方向に倒立状態を維持するための制御をより容易に行うことができる。また、前方に障害物がないため、移動体が倒立状態となり安定した後には、速やかに移動を開始することができる。
さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、接触によって発生する前後揺動運動を当該倒立振子型移動体が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出する旋回運動算出部を備え、前記旋回運動制御部は、前記旋回運動を行うように前記第1のアクチュエータを駆動制御して前記倒立振子型移動体を旋回させるようにしてもよい
さらにまた、前記旋回運動算出部は、前記車輪の車軸の位置と前記倒立振子型移動体の上体部の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するセンサの出力に基づいて旋回運動を算出するようにしてもよい。これにより、旋回運動をより精度よく算出することができる。
また、前記倒立振子型移動体の上体部を駆動して、前記車軸の位置に対する当該上体部の重心位置を変化させる第2のアクチュエータと、前記第2のアクチュエータを制御して前記上体部を旋回中心側が前記車輪が接地する接地面に対して低くなるように傾斜させる姿勢制御部と、を更に備えるようにしてもよい。これにより、旋回により発生する遠心力を打ち消して、より安定して旋回することができる。さらに、旋回半径を小さくすることができ、より素早く旋回することができる。
また、前記センサが、前記変化量として前記上体部の傾斜角速度を検出するジャイロセンサであるようにしてもよい。これにより、倒立振子型移動体の傾斜角速度を応答性よく検出することができる。
さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触したことを判定する接触判定部を備えるようにしてもよい。これにより、接触したタイミングを特定し、接触したタイミングに応じて回避制御することができるため、より安全に回避することができる。
また、前記接触判定部が、前記車輪の回転量に基づいて前記倒立振子型移動体の現在位置を測定するエンコーダの出力に基づいて接触を判定するようにしてもよい。これにより、倒立振子型移動体の現在位置に基づいて、より精度よく接触を判定することができる。
本発明にかかる第5の倒立振子型移動体の制御方法は、車軸上に配置された2以上の車輪を回転駆動する倒立振子型移動体の制御方法であって、前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、当該倒立振子型移動体を旋回させるステップを備えるものである。
これにより、障害物と衝突した場合であっても、移動体を障害物に対して概平行な位置・姿勢へと旋回させることにより、移動体の進行方向前方には障害物がなくなる。従って、障害物と衝突後に、移動体は地面に対して水平な軸回りである前後方向に倒立状態を維持するための制御をより容易に行うことができる。また、前方に障害物がないため、移動体が倒立状態となり安定した後には、速やかに移動を開始することができる。
さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、接触によって発生する前後揺動運動を当該倒立振子型移動体が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出するステップと、前記旋回運動を行うように前記倒立振子型移動体を旋回させるステップと、を備えるようにしてもよい
さらにまた、前記車輪の車軸の位置と前記倒立振子型移動体の上体部の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するステップと、前記測定された変化量の出力に基づいて旋回運動を算出するステップと、を備えるようにしてもよい。これにより、旋回運動をより精度よく算出することができる。
また、前記倒立振子型移動体の上体部を駆動して、前記車軸の位置に対する当該上体部の重心位置を変化させて前記上体部を旋回中心側が前記車輪が接地する接地面に対して低くなるように傾斜させるステップと、を更に備えるようにしてもよい。これにより、旋回による遠心力を打ち消してより安定して旋回することができる。さらに、旋回半径を小さくすることができ、より素早く旋回することができる。
また、前記変化量として前記上体部の傾斜角速度が検出されるようにしてもよい。これにより、倒立振子型移動体の傾斜角速度を応答性よく検出することができる。
さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触したことを判定するステップを備えるようにしてもよい。これにより、接触したタイミングを特定し、接触したタイミングに応じて制御することができるため、より安全に回避することができる。
また、前記車輪の回転量に基づいて前記倒立振子型移動体の現在位置が測定されるステップと、前記測定された現在位置に基づいて接触を判定するステップと、を備えるようにしてもよい。これにより、倒立振子型移動体の現在位置に基づいてより精度よく接触を判定することができる。
本発明によれば、障害物と衝突した場合に安全に回避することができる倒立振子型移動体、及びその制御方法を提供することを目的とする。
発明の実施の形態1.
本実施の形態1にかかる移動体は倒立振子型の移動体である。よって、移動体は、地面に接地した車輪を駆動することによって、所定の位置・姿勢まで移動する。さらに、車輪を駆動することによって、倒立状態を維持することができる。
図1及び図2を用いて、本発明にかかる移動体100の構成について説明する。図1は移動体100の構成を模式的に示す側面図であり、図2は移動体100の構成を模式的に示す正面図である。図2に示されるように、移動体100は、倒立車輪型の移動体(走行体)であり、右駆動輪18と、左駆動輪20と、右ロッド14と、左ロッド16と、車体12とを備えている。車体12は移動体100の上体部である。
右ロッド14の側面側には、右マウント26を介して、地面と接地する右駆動輪18が設けられている。左ロッド16の側面側には、左マウント28を介して、地面と接地する左駆動輪20が設けられている。右駆動輪18及び左駆動輪20を回転することによって、移動体100が移動する。
右駆動輪18及び右ロッド14の間には、右マウント26が配置されている。右マウント26は、右ロッド14の側端に固定されている。右マウント26は、車軸30を介して右駆動輪18を回転可能に支持する。右駆動輪18は、車軸30を介して右輪駆動モータ34の回転軸C1に固定されている。右輪駆動モータ34は、右マウント26内に固定され、車輪用アクチュエータとして機能する。即ち、右輪駆動モータ34が右駆動輪18を回転駆動する。左駆動輪20及び左ロッド16の間には、左マウント28が配置されている。左マウント28は、左ロッド16の側端に固定されている。左マウント28は、車軸32を介して左駆動輪20を回転可能に支持する。
左駆動輪20は、車軸32を介して左輪駆動モータ36の回転軸C2に固定されている。左輪駆動モータ36は、左マウント28内に固定され、車輪用アクチュエータとして機能する。即ち、左輪駆動モータ36が左駆動輪20を回転駆動する。第1のアクチュエータとしての右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36は、例えば、サーボモータである。尚、車輪用アクチュエータは、電気的なモータに限らず、空圧、油圧を使用したアクチュエータでもよい。
また、右マウント26は、右輪エンコーダ52を備えている。右輪エンコーダ52は、右駆動輪18の回転量としての回転角を検出する。左マウント28は、左輪エンコーダ54を備えている。左輪エンコーダ54は、左駆動輪20の回転量としての回転角を検出する。
右ロッド14は、右マウント26を介して右駆動輪18の側端に取り付けられている。右ロッド14の長手方向は、回転軸C1に対して垂直である。右ロッド14の上端には、右姿勢制御用アクチュエータ40を介して車体12が取り付けられている。即ち、右ロッド14は、車体12及び右駆動輪18を連結するリンクである。よって、右ロッド14の下端側が、右駆動輪18の回転軸C1に接続され、上端側が車体12の回転軸C3に接続される。この右ロッド14を介して、車体12が車軸C1に対して回転可能に支持される。左ロッド16は、左マウント28を介して左駆動輪20の側端に取り付けられている。左ロッド16の長手方向は、回転軸C2に対して垂直である。左ロッド16の上端には、左姿勢制御用アクチュエータ42を介して車体12が取り付けられている。即ち、左ロッド16は、車体12及び左駆動輪20を連結するリンクである。よって、左ロッド16の下端側が、左駆動輪20の回転軸C2に接続され、上端側が車体12の回転軸C3に接続される。この左ロッド16を介して、車体12が車軸C2に対して回転可能に支持される。このように、右ロッド14及び左ロッド16が、車体12を車軸C1及びC2に対して回動可能に支持する支持部材となる。そして、右ロッド14及び左ロッド16の上方には、移動体100の上体部である車体12が配置されている。
右ロッド14及び左ロッド16は、それぞれ右駆動輪18及び左駆動輪20の内側に設けられている。即ち、移動体100は、左右の車輪に対応して設けられた2つの右ロッド14及び左ロッド16を有している。右ロッド14及び左ロッド16には、それぞれ右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42が取り付けられている。右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42は、車体12に対する右ロッド14及び左ロッド16の角度を可変にする。第2のアクチュエータとしての姿勢制御用アクチュエータ40、42は、例えば、サーボモータであり、車体12の姿勢角を制御する。尚、モータの動力をギアやベルトやプーリなどを介して伝達してもよい。
車体12は、台座70、支柱72、ジャイロセンサ48、及び搭乗席22を有している。平板状の台座70は、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を介して、それぞれ右ロッド14及び左ロッド16と取り付けられている。台座70の対向する側面には、右ロッド14及び左ロッド16が設けられている。即ち、右ロッド14及び左ロッド16の間に、台座70が配置される。
右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42が駆動すると、右ロッド14及び左ロッド16に対する台座70の角度が変化する。これにより、回転軸C3を回転中心として、台座70を地面に対して水平な軸回りに前後方向に回転することができる。回転軸C3は回転軸C1及びC2と平行であり、回転軸C1及びC2の上方に位置する。回転軸C3と回転軸C1との間に右ロッド14が設けられている。回転軸C3と回転軸C2との間に左ロッド16が設けられている。この回転軸C3には、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42が設けられている。即ち、右ロッド14及び左ロッド16が姿勢を制御するためのスイングアームとなる。
また、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42が駆動すると、台座70に対する右ロッド14及び左ロッド16の角度が変化する。これにより、回転軸C3に垂直な軸に対して、台座70を左右方向に傾斜することができる。即ち、移動体100の車体12をロール方向(前方移動方向に平行な移動体100の前後軸周り)に自律的に揺動傾斜させることができる。より具体的には、例えば、右姿勢制御用アクチュエータ40のみを駆動し、台座70に対して右ロッド14を前方へと回転させることで、台座70は右駆動輪18側が低くなるように傾斜する。
もちろん、右ロッド14を後方へと回転させてもよいし、これに限定されない。即ち、台座70の回転軸C3が傾斜するように、少なくとも一方のロッドを前後方向に駆動してもよいし、任意の方向にロッドを駆動してもよい。このように、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42が駆動すると、車体12の姿勢が前後方向及び左右方向に変化する。
台座70には、バッテリーモジュール44と、障害物検知センサ58が収納されている。障害物検知センサ58は、光学式の障害物検知センサであり、移動体100の前方に障害物を検知すると、検知信号を出力する。バッテリーモジュール44は、右輪駆動モータ34、左輪駆動モータ36、右姿勢制御用アクチュエータ40、左姿勢制御用アクチュエータ42、制御部80等に対して電力を供給する。
車体12の台座70上には、ジャイロセンサ48が設けられている。ジャイロセンサ48は、車体12の傾斜角に対する角速度を検出する。ここで、車体12の傾斜角は、移動体100の重心位置が車軸30,32の鉛直上方に伸びる軸からの傾斜度合いであり、例えば移動体100の進行方向前方に車体12が傾斜している場合を「正」とし、移動体100の進行方向後方に車体12が傾斜している場合を「負」として表わす。
また、進行方向の前後方向に加えて、左右方向の傾斜角速度はロール、ピッチ、ヨーの3軸のジャイロセンサ48を用いて測定する。このように、ジャイロセンサ48は、台座70の傾斜角の変化を、車体12の傾斜角速度として測定する。もちろん、ジャイロセンサ48は他の箇所に取り付けられていてもよい。ジャイロセンサ48で測定された傾斜角速度は、移動体100の姿勢の変化に応じて変化する。即ち、傾斜角速度は、車軸の位置に対する車体12の重心位置のずれ量に応じて変化する変化量である。従って、外乱などによって、車体12の傾斜角度が急激に変化すると、傾斜角速度の値が大きくなる。
台座70の中央近傍には、支柱72が設けられている。この支柱72によって、搭乗席22が支持されている。即ち、搭乗席22は、支柱72を介して台座70に固定されている。搭乗席22は、搭乗者が座ることができる椅子の形状を有する。搭乗席22の側面には、操作モジュール46が設けられている。操作モジュール46には、操作レバー(図示せず)及びブレーキレバー(図示せず)が設けられている。操作レバーは、搭乗者が移動体100の走行速度や走行方向を調整するための操作部材である、搭乗者は、操作レバーの操作量を調整することによって移動体100の移動速度を調整することができる、また、搭乗者は、操作レバーの操作方向を調整することによって移動体100の移動方向を調整することができる。移動体100は、操作レバーに加えられた操作に応じて、前進、停止、後退、左折、右折、左旋回、右旋回することができる。搭乗者がブレーキレバーを倒すことによって、移動体100を制動することができる。移動体100の進行方向は、車軸30、32と垂直な方向になる。
さらに、搭乗席22の背もたれ部分には、制御部80が実装されている。制御部80は、搭乗者が操作モジュール46に対して行なった操作に追従して、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御し、移動体100の走行(移動)を制御する。搭乗席22の座面は台座70の上面と平行に配置されている。制御部80は、操作モジュールでの操作に応じて、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御する。これにより、操作モジュール46での操作に応じたトルク指令値で右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36が駆動する。
制御部80は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信用のインターフェースなどを有し、移動体100の各種動作を制御する。そして、この制御部80は、例えばROMに格納された制御プログラムに従って各種の制御を実行する。制御部80は、周知のフィードバック制御により、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を相互に独立して所定の角度に制御する。
続いて以下では、制御部80による制御について図3を用いて説明する。図3は、制御部80の制御を説明するためのブロック図である。制御部80は、走行制御モジュール81と、旋回制御モジュール82と、姿勢制御部としての姿勢制御モジュール83と、接触判定部としての接触判定モジュール84とを有している。制御部80は、走行制御モジュール81、旋回制御モジュール82、姿勢制御モジュール83、及び接触判定モジュール84を統括的に制御する。
走行制御モジュール81は、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御するアンプを有している。走行制御モジュール81は、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36に駆動信号を出力して、右駆動輪18及び左駆動輪20をフィードバック制御する。具体的には、右輪エンコーダ52と、左輪エンコーダ54により測定された測定値が走行制御モジュール81に入力される。
また、走行制御モジュール81には、倒立を安定させるため、ジャイロセンサ48からの傾斜角速度が入力されている。さらに、走行制御モジュール81には、操作モジュール46による操作に応じた指令値が入力される。そして、走行制御モジュール81は、測定値、傾斜角速度及び指令値に基づいて、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動する。このように、走行制御モジュール81は、右駆動輪18及び左駆動輪20をフィードバック制御する。これにより、移動体100は、操作モジュール46での操作に応じて移動する。よって、倒立状態で安定して走行することができる。尚、ここでのフィードバック制御としては公知の制御方法を用いることができる。
旋回制御モジュール82は、移動体100が障害物と接触した後における、移動体100の旋回運動を制御する旋回運動制御部(図示せず)を有している。即ち、旋回制御モジュール82は、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御するアンプを有しており、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36に駆動信号を出力して、右駆動輪18及び左駆動輪20をフィードバック制御する。具体的には、右輪エンコーダ52及び左輪エンコーダ54により測定された測定値が旋回制御モジュール82に入力される。そして、旋回制御モジュール82は、測定値に基づいて、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動して旋回運動させる。ここでは、旋回制御モジュール82が、移動体100が鉛直軸中心に旋回するように右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動する。
これにより、障害物と衝突した場合であっても、移動体100を障害物に対して概平行な位置・姿勢へと旋回させることにより、移動体100の進行方向前方には障害物がなくなる。従って、障害物と衝突後に、移動体100は地面に対して水平な軸回りである前後方向に倒立状態を維持するための制御をより容易に行うことができる。また、前方に障害物がないため、移動体100が倒立状態となり安定した後には、速やかに移動を開始することができる。
また、旋回制御モジュール82は、移動体100が障害物と接触した場合に、接触によって発生する前後揺動運動を当該倒立振子型移動体が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出する旋回運動算出部(図示せず)を有している。旋回制御モジュール82は、接触により発生した前後揺動を打ち消す方向に右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を制御して移動体100を鉛直軸中心に旋回運動させる。旋回制御モジュール82は、旋回運動算出部により与えられた、例えば旋回速度や旋回半径などの指令値に基づいて移動体100を旋回運動させる。
ここで、旋回運動算出部は、例えば、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するセンサの出力に基づいて旋回運動を算出する。これにより、旋回運動をより精度よく算出することができる。センサは、変化量として車体12の傾斜角速度を検出する。傾斜角速度を検出するセンサとして、例えばジャイロセンサ48を採用することができる。傾斜角速度を検出するジャイロセンサ48からの検出信号を用いることによって、応答性を向上することができる。尚、傾斜角速度は、ジャイロセンサ48以外のセンサで測定してもよい。例えば、姿勢制御用アクチュエータ40、42に回転角を検出するエンコーダを設けてもよいし、車体12に姿勢角を検出する姿勢角センサや、回転角を検出するエンコーダを設けて、検出された角度の時間微分によって傾斜角速度を求めてもよい。
また、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量は傾斜角速度以外であってもよい。即ち、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量は、車体12の傾斜角速度に限定されない。例えば、変化量として右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36の回転量や、加速度センサにより測定される車体の加速度に基づいて旋回運動を算出してもよい。具体的には、障害物との接触直前における移動体100の速度、及び接触により車輪が停止するのに要した時間に基づいて旋回運動を算出することができる。
姿勢制御モジュール83は、移動体100の姿勢を制御する。即ち、姿勢制御モジュール83は、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動するためのアンプを有している。姿勢制御モジュール83は、制御信号を出力して、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動する。これにより、車体12を前後方向に回転することができ、また、車体12を左右方向に傾斜することもできる。即ち、移動体100の姿勢を制御することができる。ここでは、姿勢制御モジュール83が、車体12を旋回中心側が車輪が接地する接地面に対して低くなるように、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動して傾斜させる。これにより、移動体100が旋回する場合に発生する遠心力を打ち消して、より安定して旋回することができる。さらに、旋回半径を小さくすることができ、より素早く旋回することができる。
接触判定モジュール84は、移動体100が障害物と接触したか否かを判定する。例えば、車輪18、20の回転量から移動体100の現在位置を測定するエンコーダの出力に基づいて、移動体100が障害物と接触したか否かを判定することができる。具体的には、エンコーダは、車輪の回転量として車輪の回転数を計測することにより、移動体100の現在位置を測定することができる。従って、エンコーダにより出力される移動体100の現在位置及び目標位置の差が所定の閾値以上となる場合には、移動体100が障害物と接触しているものと判定することができる。これにより、接触したタイミングを特定し、接触したタイミングに応じて回避制御することができるため、より安全に回避することができる。さらに、移動体100の現在位置に基づいて、より精度よく接触を判定することができる。
さらに、上記のエンコーダの出力に基づいて判定する手段に加えて、例えば、判定の際に車輪の回転トルクを用いることで、より精確に接触を判定することができる。具体的には、移動体100は、目標位置へと到達するのに必要な回転トルクを決定する。そして、移動の際に、例えば各軸に設けられた圧力センサにより、車輪の回転量として車輪の回転トルクの大きさを時系列的に検出することができる。従って、移動するために決定した車輪の目標回転トルク及び検出した実回転トルクの差が所定の閾値以上となる場合には、移動体100が障害物と接触しているものと判定することができる。このように、回転トルクによる判定を組み合わせることで、より精度の高い接触判定を行うことができる。
さらにまた、障害物との接触判定手段は上記のエンコーダの出力に基づいて判定する手段や、車輪の回転トルクに基づいて判定する手段に限定されない。例えば、障害物検知センサ58を用いて障害物との接触を判定させてもよい。さらには、操作モジュール46に移動体100の制御モードを切り替え可能なスイッチを備え、障害物との接触が予測される場合に、搭乗者自らがスイッチを押すことにより、障害物との接触後に旋回制御を行わせる制御モードへと切替えるようにしてもよい。
続いて以下では、図4乃至9を用いて、移動体100が障害物と接触した後の、上記の旋回運動制御及び姿勢制御について説明する。図4は、上記の制御方法を示すフローチャートである。図4において破線により囲まれた部分は、左から順にそれぞれ接触判定モジュール84、旋回制御モジュール82、及び姿勢制御モジュール83が実行する制御内容を示している。図5乃至9は、移動体100が障害物と接触した後の回避行動の様子を説明するための模式図である。ここでは、移動体100が走行中に障害物90に接触した場合について説明する。尚、図5乃至9では、説明のため、図1及び図2で示された構成を適宜省略している。
図5では、左側から右側に移動体100が移動している。さらに、時系列に従って、移動体100の様子を、図5乃至7に渡って順に、移動体100a、移動体100b、移動体100cとして示している。移動体100aは、障害物90と接触した後、次のタイミングで移動体100bとなる。同様に、移動体100bは、接触し旋回した後、次のタイミングで移動体100cとなる。このように、移動体100a、移動体100b、移動体100cの順番で移動していく。尚、図8は、上記の図5乃至7に示した移動体100の走行中の様子を上面から見た図である。図9は、上記の旋回制御を行なっている間に、姿勢制御によって車体12が傾斜する様子を示す側面図である。即ち、障害物90と接触した後に、移動体100が旋回する際に行う姿勢制御の様子を示す側面図である。
走行制御モジュール81は、通常の走行を行うように、2輪制御を行う(ステップS101)。ここでは、倒立状態で安定して走行できるように、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動する。
接触判定モジュール84は、エンコーダの出力に基づいて、移動体100の現在位置について判定を行う(ステップS201)。即ち、エンコーダにより出力される移動体100の現在位置及び目標位置の差が所定の閾値以上となる場合には、移動体100が障害物90と接触している可能性があるものと判定する。障害物90と接触していない通常の走行時には、現在位置及び目標位置の差は通常の走行時に予想される程度の範囲に収まる。即ち、通常の走行時に予想される範囲に基づいて設定される所定の閾値を超えない。
従って、移動体100の現在位置及び目標位置の差が所定の閾値を超えない間は、走行制御モジュール81は、倒立走行を維持する(ステップS102)。具体的には、走行制御モジュール81は操作モジュール46での操作に応じた指令値通り、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動する。また、ジャイロセンサ48からの傾斜角速度に応じて、倒立するよう右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36が制御される。これにより、右駆動輪18、及び左駆動輪20が所望の回転速度で回転する。障害物90と接触しない間は、上記の処理を繰り返して、2輪倒立走行を継続する。
一方、通常の走行をしている場合に、移動体100の車輪が障害物90に接触する(図5に示す移動体100a参照)。移動体100が障害物90に接触すると、車輪18、20が前方に進まず停止し、進行方向とは反対方向への反力(衝突反力)が発生する。衝突反力に基づく前後揺動により、目標位置に対して現在位置が大きく離れる。ここで、接触判定モジュール84が、エンコーダの出力結果に基づいて、現在位置を判定する(ステップS201)と、現在位置と目標位置との差が所定の閾値を超える。さらに、接触判定モジュール84は、車輪の実回転トルク及び目標回転トルクの差が所定の閾値を超えているか否かを判定する(ステップS202)。回転トルクの差が、所定の閾値を超えていないと判定された場合には、障害物90と接触したのではなく、スリップなどの原因によってその車輪の回転により十分な移動量が得られなかったものと判断し、走行制御モジュール81は、倒立走行を維持する(ステップS102)。
ステップS202において、回転トルクの差が所定の閾値を越えたと判定した場合には、旋回制御モジュール82は、現在位置を目標位置に置き換え、走行制御モジュール81に指令し、車輪駆動モータによる駆動力の付与を停止させる(ステップS301)。これにより、接触後に、位置指令に基づいて前方へ移動しようとする制御を速やかに解除することができる。従って、接触後に再び障害物と接触を繰り返さずに済む。このため、より安全に回避することができる。次いで、旋回制御モジュール82は、障害物90との接触によって発生した反力によって生ずる前後揺動を移動体100が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出する(ステップS302)。例えば、ジャイロセンサ48を用いて、車体12の傾斜角速度を測定し、センサの出力に基づいて旋回運動を算出する。
次いで、旋回制御モジュール82は、接触により発生した前後揺動を打ち消す方向に、移動体100を鉛直軸中心に旋回走行させる(ステップS303)。旋回制御モジュール82は、旋回運動として、例えば旋回速度や旋回半径などの指令値を与えて、移動体100を旋回走行させる(図6に示す移動体100b、及び図7に示す移動体100c参照)。ここでは、鉛直軸(z軸)中心に、白抜矢印Dの方向に、移動体100を旋回走行させる。このようにして、右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36を駆動して旋回走行させることで、接触により発生した反力によって生ずる前後揺動を旋回運動によって避ける。
次いで、旋回制御モジュール82は、移動体100が旋回した旋回角度が目標値に到達しているか否かを判定する(ステップS304)。例えば、旋回軸中心に対して90度を旋回角度の目標値とする。旋回軸を中心に90度旋回させることにより、移動体100を障害物90に対して略平行となる位置・姿勢へと移動させることができる。旋回角度が目標値に到達していない場合には、現在位置を目標位置に置き換え、走行制御モジュール81に指令し、車輪駆動モータによる駆動力の付与を停止させ(ステップS301)、算出される旋回運動に基づいて、引き続き、移動体100を鉛直軸中心に旋回走行させる(ステップS303)。
一方、ステップS304において、旋回角度が目標値に到達していると判定された場合には、走行制御モジュール81は、倒立走行を再び開始する(ステップS102)。搭乗者自身による操作を行う場合には、操作モジュール46を操作しての倒立走行を行い、自律走行を行う場合には、現在位置から新たな行き先まで走行するのに必要な位置指令値を求め、走行制御モジュール81に位置指令値を与えることで倒立走行を継続する。
姿勢制御ジュール83は、ステップS303の旋回制御と同期して、姿勢制御を行なう。姿勢制御モジュール83が、車体12を旋回軸中心側が車輪が設置する接地面に対して低くなるように、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動して傾斜させる(ステップS401)。即ち、ステップS303の旋回走行時において、旋回軸中心側が低くなるように、車体12を傾斜させながら旋回走行する。ここでは、障害物90が存在する側を旋回軸中心側として、旋回軸中心側に車体12の回転軸C3が低くなるように傾斜させる(図9参照)。尚、車体12を傾斜させる傾斜角度は、例えば、旋回走行時の旋回速度及び旋回半径に基づいて算出してもよいし、ジャイロセンサ48で測定された傾斜角速度に基づいて算出してもよい。この場合、旋回によって発生する遠心力が大きくなればなるほど、旋回走行時の傾斜角度が大きくなる。このように、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動して傾斜させることで、旋回時に発生する遠心力を低減させることができる。
次いで、姿勢制御モジュール83は、S303の旋回制御における旋回速度の指令が与えられているか否かを判定する(ステップS402)。旋回速度の指令が与えられている場合には、引き続き、姿勢制御モジュール83は車体12を傾斜させる。一方、ステップS402において、旋回速度の指令が与えられていない場合には、車体12を傾斜状態から元の水平状態へと戻す。そして、走行制御モジュール81は、倒立走行を再び開始する(ステップS102)。
尚、上記の説明では右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42によって、車体12に対して右ロッド14及び左ロッド16を回転させる構成としたが、これに限るものではない。例えば、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42に直動関節を備え、車体12の右駆動輪18側及び左駆動輪20側のいずれか一方を上下方向にスライドさせるようにしてもよい。具体的には、例えば鉛直軸中心に旋回する場合に、左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動して車体12の左駆動輪20側を鉛直軸下方へとスライドさせると共に、右姿勢制御用アクチュエータ40を駆動して車体12の右駆動輪18側を鉛直軸上方へとスライドさせる。即ち、鉛直軸方向において、車体12の右駆動輪18側から左駆動輪20側へと車体12が低くなるように傾斜させる。もちろん、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42によって、右ロッド14及び左ロッド16の両方を駆動する構成に限らず、右ロッド14及び左ロッド16の少なくとも一方のみを駆動するようにしてもよい。即ち、右ロッド14及び左ロッド16の少なくとも一方を独立に駆動することによって、姿勢を制御してもよい。
尚、上記のステップS202において、決定した車輪の目標回転トルクと、検出した実回転トルクとの差が所定の閾値を超えているか否かを判定する手法としては、例えば、時系列的に連続して取得した車輪の実回転トルクの値を連側して複数(例えば3つ)取得し、これらの値の平均値と、設定した目標回転トルクの値とを比較する。このようにすると、突発的に発生した大きな実回転トルクの値がならされるため、より精度よく障害物に起因する実回転トルクの増大を検出することが可能となる。
尚、このように障害物90との接触を判定するための閾値としては、予め所定の実験を行い、妥当な判断を行うための適切な値を決定することが好ましい。この実験においては、様々なパラメータ、例えば移動体100の速度や床面の材質を変化させて実験データを統計的に取得し、これらのデータから適切な値を決定する。
発明の実施の形態2.
次に本発明の実施の形態2にかかる倒立振子型移動体について、図10に示すブロック図を用いて説明する。尚、この発明の実施の形態2にかかる倒立振子型移動体の構成は、図1及び図2に示す構成と同様であり、説明を省略する。尚、本実施形態においては、上記の実施形態において説明した移動体100の各構成と同一又は同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略するものとする。
図10は、制御部80の制御を説明するためのブロック図である。制御部80は、走行制御モジュール81、回転制御モジュール85、及び接触判定部としての接触判定モジュール84とを有している。制御部80は、走行制御モジュール81、回転制御モジュール85、及び接触判定モジュール84を統括的に制御する。尚、走行制御モジュール81及び接触判定モジュール84については、実施の形態1と同様の構成であるため説明を省略するものとする。
回転制御モジュール85は、車軸30、32と平行な軸周りに対する移動体100の上体部の回転運動を制御する回転運動制御部(図示せず)を有している。即ち、回転制御モジュール85は、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動するためのアンプを有している。回転制御モジュール85は、制御信号を出力して、右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動する。これにより、車体12の上体部を車軸30、32に対して平行な軸回りである前後方向に回転することができる。
これにより、接触により発生した前後揺動を打ち消す方向に移動体100の上体部を回転運動させ、障害物と接触した場合に発生する不安定動作を低減させることができる。このため、障害物と衝突した場合であっても、搭乗者を大きく揺れ動かさずに安全に回避することができる。
また、回転制御モジュール85は、移動体100が障害物と接触した場合に、接触によって発生する移動体100の前後揺動運動を移動体100の車軸30、32と平行な軸周りの上体部の相当する回転運動として算出する回転運動算出部(図示せず)を有している。回転制御モジュール85は、回転運動を行って前後揺動運動を打ち消すようにアクチュエータ40、42を制御して移動体100の上体部を前後方向に回転運動させる。回転制御モジュール85は、回転運動算出部により与えられた、例えば回転速度などの指令値に応じて移動体100の上体部を回転運動させる。
ここで、回転運動算出部は、例えば、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するセンサの出力に基づいて前後揺動回転角を算出する。これにより、回転運動をより精度よく算出することができる。センサは、例えば変化量として車体12の傾斜角速度を検出するジャイロセンサ48を採用することができる。ジャイロセンサ48からの検出信号を用いることによって、応答性を向上することができる。尚、傾斜角速度は、ジャイロセンサ48以外のセンサで測定してもよい。例えば、姿勢制御用アクチュエータ40、42に回転角を検出するエンコーダを設けてもよいし、車体12に姿勢角を検出する姿勢角センサや、回転角を検出するエンコーダを設けて、検出された角度の時間微分によって傾斜角速度を求めてもよい。
また、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量は傾斜角速度以外であってもよい。即ち、車軸30、32の位置と車体12の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量は、車体12の傾斜角速度に限定されない。例えば、変化量として右輪駆動モータ34及び左輪駆動モータ36の回転量や、加速度センサにより測定される車体の加速度に基づいて回転力を算出してもよい。具体的には、障害物との接触直前における移動体100の速度、及び接触により車輪が停止するのに要した時間に基づいて回転揺動を検出することができる。
続いて、図11及び図12を用いて、移動体100が障害物と接触した後の、上記の回転制御について説明する。図11は、上記の制御を示すフローチャートである。図12は、移動体100が障害物と接触した後の回避行動の様子を説明するための模式図である。ここでは、移動体100が走行中に、移動体100の右駆動輪18及び左駆動輪20が障害物90に接触した場合について説明する。尚、図12では、説明のため、図1及び図2で示された構成を適宜省略している。
図12(a)では、左側から右側に移動体100aが移動している。さらに、時系列に従って、移動体100aは、障害物90と接触した後、次のタイミングで図12(b)に示す移動体100bとなる。
移動体100が通常の走行をしている場合に、移動体100の車輪が障害物90に接触する(図12(a)に示す移動体100a参照)。移動体100が障害物90に接触すると、車輪18、20が前方に進まず停止し、進行方向とは反対方向への反力(衝突反力)が発生する。衝突反力による前後揺動によって、目標位置に対して現在位置が大きく離れる。ここで、接触判定モジュール84が、エンコーダの出力結果に基づいて、現在位置を判定する(ステップS201)と、現在位置と目標位置との差が所定の閾値を超える。さらに、接触判定モジュール84は、車輪の実回転トルク及び目標回転トルクの差が所定の閾値を超えているか否かを判定する(ステップS202)。回転トルクの差が、所定の閾値を超えていないと判定された場合には、障害物90と接触したのではなく、スリップなどの原因によってその車輪の回転により十分な移動量が得られなかったものと判断し、走行制御モジュール81は、倒立走行を維持する(ステップS102)。
ステップS202において、回転トルクの差が所定の閾値を越えたと判定した場合には、回転制御モジュール85は、現在位置を目標位置に置き換え、走行制御モジュール81に指令し、車輪駆動モータによる駆動力の付与を停止させる(ステップS501)。これにより、接触後に、位置指令に基づいて前方へ移動しようとする制御を速やかに解除することができる。従って、接触後に再び障害物と接触を繰り返さずに済む。このため、より安全に回避することができる。次いで、回転制御モジュール85は、障害物90との接触によって発生する移動体100の前後揺動運動を移動体100の車軸と平行な軸周りの上体部の相当する回転運動として算出する(ステップS502)。例えば、ジャイロセンサ48を用いて、車体12の傾斜角速度を測定し、センサの出力に基づいて回転運動を算出する。
次いで、回転制御モジュール85は、前後揺動運動を打ち消すように移動体100の上体部を前後方向に回転させる(ステップS503)。回転制御モジュール85は、例えば回転速度などの指令値を与えて、移動体100の上体部を回転させる。即ち、障害物90との接触による反力に基づいて発生する、移動体100が前後方向に回転する方向についての前後揺動を打ち消すように、アクチュエータ40、42を駆動して回転する(図12(b)に示す移動体100b参照)。ここでは、矢印E1は、障害物90に衝突する直前の車輪の駆動力の方向を示す。矢印E2は、衝突後、衝突反力により生じる車輪への駆動反力の方向を示す。矢印E3は、駆動反力を打ち消すように、移動体100の上体部を回転運動する方向を示す。即ち、アクチュエータ40、42を駆動して回転させることで、接触により発生した前後揺動を低減させる。例えば、接触した場合にジャイロセンサ48で測定された傾斜角速度(前後揺動)に応じて、前後揺動を低減させることができる。この場合、測定された傾斜角速度(前後揺動)が大きくなればなるほど、回転時の回転速度が大きくなる。
その他の実施の形態.
上記の実施の形態1においては、移動体100が障害物90と接触した後に旋回制御を行う場合を示した。そして、上記の実施の形態2においては、移動体100が障害物90と接触した後に回転制御を行う場合を示したが、本発明はこれらに限定されない。即ち、移動体100が障害物90と接触した場合に、接触による前後揺動を打ち消すように旋回運動及び回転運動を行うように構成しても良い。具体的には、旋回運動算出部により旋回運動を算出すると共に、回転運動算出部により回転運動を算出し、例えば、車体12を回転させるよりも、移動体100を旋回させることでより安全に回避することができるものと判断した場合には、旋回制御モジュール82により旋回制御を行うように構成する。これにより、接触による前後揺動に基づいて制御を切替えることで、障害物90との接触により発生した前後揺動をより効果的に低減させることができる。
尚、上記の説明では、移動体100が障害物90と接触した場合に、第2のアクチュエータとしての右姿勢制御用アクチュエータ40及び左姿勢制御用アクチュエータ42を駆動して、車体12の上体部を車軸30、32に対して平行な軸回りである前後方向に回転することで前後方向の不安定動作を低減させるものとしたが本発明はこれに限定されない。即ち、第1のアクチュエータとしての車輪とは独立した自由度によって車体12の上体部を駆動する手段は、回転運動に限定されず、前後揺動運動を移動体100の車軸と直交する方向に上体部の相当する並進運動を行ってもよい。回転運動に加えて並進運動を行ってもよいし、両者を混合して行ってもよい。これにより、接触により発生する移動体100の前後方向の不安定動作をより効果的に低減することができる。
尚、上記の説明では、2輪型の移動体100について説明したが、車輪の数は、これに限られるものではない。1輪型の移動体でもよく、3以上の車輪を有する移動体であってもよい。さらに、上記の説明では、搭乗席22を有する移動体100について説明したが、物体運搬用の移動台車であってもよい。もちろん、移動ロボットなどのその他の移動体であってもよい。
本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態1にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を上面から示す模式図である。 本発明の実施の形態1にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を示す模式図である。 本発明の実施の形態2にかかる移動体の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態2にかかる移動体の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態2にかかる移動体が障害物と接触した後の回避行動の様子を示す模式図である。
符号の説明
12 車体、14 右ロッド、16 左ロッド、18 右駆動輪、20 左駆動輪、
22 搭乗席、26 右マウント、28 左マウント
30 車軸、32 車軸、34 右輪駆動モータ、36 左輪駆動モータ、
40 右姿勢制御用アクチュエータ、42 左姿勢制御用アクチュエータ、
44 バッテリーモジュール、46 操作モジュール、48 ジャイロセンサ、
70 台座、72 支柱、
80 制御部、81 走行制御モジュール、82 旋回制御モジュール、83 姿勢制御モジュール、84 接触判定モジュール、85 回転制御モジュール、
90 障害物、100 移動体、101 搭乗者

Claims (12)

  1. 車軸上に配置された2以上の車輪を回転駆動する第1のアクチュエータを備える倒立振子型移動体であって、
    前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、前記第1のアクチュエータを制御して当該倒立振子型移動体を旋回運動させる旋回運動制御部と、
    前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、接触によって発生する前後揺動運動を当該倒立振子型移動体が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出する旋回運動算出部と、を備え、
    前記旋回運動制御部は、前記旋回運動を行うように前記第1のアクチュエータを駆動制御して前記倒立振子型移動体を旋回させる
    ことを特徴とする倒立振子型移動体。
  2. 前記旋回運動算出部は、前記車輪の車軸の位置と前記倒立振子型移動体の上体部の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するセンサの出力に基づいて旋回運動を算出する
    ことを特徴とする請求項記載の倒立振子型移動体。
  3. 前記倒立振子型移動体の上体部を駆動して、前記車軸の位置に対する前記上体部の重心位置を変化させる第2のアクチュエータと、
    前記第2のアクチュエータを制御して前記上体部を旋回中心側が前記車輪が接地する接地面に対して低くなるように傾斜させる姿勢制御部と、を更に備える
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の倒立振子型移動体。
  4. 前記センサが、前記変化量として前記上体部の傾斜角速度を検出するジャイロセンサである
    ことを特徴とする請求項1記載の倒立振子型移動体。
  5. さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触したことを判定する接触判定部を備える
    ことを特徴とする請求項1記載の倒立振子型移動体。
  6. 前記接触判定部が、前記車輪の回転量に基づいて前記倒立振子型移動体の現在位置を測定するエンコーダの出力に基づいて接触を判定する
    ことを特徴とする請求項記載の倒立振子型移動体。
  7. 車軸上に配置された2以上の車輪を回転駆動する倒立振子型移動体の制御方法であって、
    前記倒立振子型移動体が障害物と接触した場合に、接触によって発生する前後揺動運動を当該倒立振子型移動体が旋回する方向についての相当する旋回運動として算出するステップと、
    前記旋回運動を行うように前記倒立振子型移動体を旋回させるステップと、を備える
    ことを特徴とする倒立振子型移動体の制御方法。
  8. 前記車輪の車軸の位置と前記倒立振子型移動体の上体部の重心位置との進行方向における距離に応じて変化する変化量を測定するステップと、
    前記測定された変化量の出力に基づいて旋回運動を算出するステップと、を備える
    ことを特徴とする請求項記載の倒立振子型移動体の制御方法。
  9. 前記倒立振子型移動体の上体部を駆動して、前記車軸の位置に対する前記上体部の重心位置を変化させて当該上体部を旋回中心側が前記車輪が接地する接地面に対して低くなるように傾斜させるステップと、を更に備える
    ことを特徴とする請求項7又は8記載の倒立振子型移動体の制御方法。
  10. 前記変化量として前記上体部の傾斜角速度が検出される
    ことを特徴とする請求項記載の倒立振子型移動体の制御方法。
  11. さらに、前記倒立振子型移動体が障害物と接触したことを判定するステップを備える
    ことを特徴とする請求項記載の倒立振子型移動体の制御方法。
  12. 前記車輪の回転量に基づいて倒立振子型移動体の現在位置が測定されるステップと、
    前記測定された現在位置に基づいて接触を判定するステップと、を備える
    ことを特徴とする請求項11記載の倒立振子型移動体の制御方法。
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