JP4886201B2 - 移動ロボット - Google Patents
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Description
本発明の目的は、走行時の転倒防止が可能で、かつ段差、斜面が存在する走行環境での安定な走行が可能で、フットプリントが狭く人間共生作業に好適な移動ロボットを提供することにある。
図1は本実施例の移動ロボットの機構構成を説明する正面図及び側面図である。図2は、本実施例の移動ロボットの制御系の構成図である。図1及び図2において、同じ構成要素に対しては同じ構成番号を記してある。
V1r=ΔVr/2+Vrun ………………(2)
V2r=ΔVr/2-Vrun ………………(3)
ここで、V1r、V2rは、走行速度制御装置11に対して出力する主駆動輪2、3の速度指令値。さらに、Vr及びΔVrは、走行統括制御部8から発生される、走行速度目標値及び速度差目標値である。さらに、V1及びV2は、エンコーダ2b、3bにより検出される主駆動輪2、3の走行速度である。さらに、θ及びωは姿勢センサ6により検出される、重力方向に対する推進方向の移動ロボット1の姿勢角度およびその角速度である。K1及びK2は、倒立二輪走行制御のためのフィードバックゲイン関数である。
昇降機構4c、5cに設けられた、昇降モータ4i、5iは、昇降位置制御装置13により制御され、エンコーダ4h、5hにより検出された位置をフィードバック制御に用いて、支持脚4、5を所定の高さに位置決めする。また、昇降機構4c、5cに設けられた、ブレーキ4j、5jは、駆動電源遮断時、もしくは転倒防止制御部14の指令に基づき、支持脚4、5の位置を機械的に固定する。
φ=tan-1(((R-r)sinφ+Bcosθ-hsinθ)/((r-R)cosφ+Bsinθ-hcosθ))…(4)
ここで、Rは主駆動輪2,3の半径、rは副車輪4aの半径、θは移動ロボット1の傾斜角度、hは主駆動輪2,3の中心を基準とした接地状態の支持脚4の副車輪4aの中心の繰り出し距離、Bは主駆動輪2,3の中心と副車輪4aの中心との間の水平方向の軸間距離である。hは、床面距離センサ4eにより検出される。平面検出処理部10により推定された走行面18の傾斜角φが所定の値以下の場合、走行統括制御部8は、倒立走行制御部9に対し、倒立二輪走行の実施を指示で、支持姿勢制御部12に対し、第1の制御機能の実施を指示する。側面距離センサ4f、4g、5f、5gにより、走行面18上に突起物を発見した場合、倒立走行制御部9に対し、まず第3の機能の実施を指示し、倒立二輪走行の解除を実施し、後述する走行環境に応じた走行シーケンスを発生する。システム異常監視部15は、制御装置7を構成する制御ハードの健全性を判断し、姿勢センサ6で検出される移動ロボット1の姿勢角θが許容限界値を越えたか否かを判断し、更に、電源部17の出力が正常化否かを判断する。これらの判断を総合し、移動ロボット1の転倒が予測された場合は、転倒防止制御部14に非常停止指令を与え、転倒防止制御部14は、走行速度制御装置11、非常停止指示を与える。さらに、転倒防止制御部14は、非常停止の要求が、姿勢角θの限界越えに起因する場合は、支持姿勢制御部12に対し、第3の制御機能の実施を指示し、転倒方向にある支持脚4もしくは5を繰り出して、転倒に向けて過度に傾斜した姿勢を回復させる運動を発生する。それ以外の要因による非常停止の要求は、制御システムの問題が生じたとして、支持脚4及び5の繰り出し位置を現在値に維持し、さらに、ブレーキ4j、5jの電源を遮断し、支持脚4、5の位置を機械的に固定し、転倒防止を実施する。非常電源部16は、電源部17より供給される電力を一時保存しており、電源部17の異常により制御装置7全体がダウンした場合、転倒防止制御部14に対、電力を供給し、非常停止処理を完遂させる。
図4は、b)に示す移動ロボット1による倒立二輪走行に対する走行状態の変更の状況を示している。移動ロボット1が停止して休止状態の場合は、a)に示すように、第3及び第4の制御機能を実施し、支持脚4、5を走行面18に接地し機械的に固定状態として、静的に安全な起立姿勢で停止している。c)はb)に示す、姿勢傾斜を伴う倒立二輪走行途中で、姿勢角度が限界値を越えた場合の処理として、支持脚4を繰り出して、進行方向への転倒を防止する様子を示す。d)はb)に示す倒立二輪走行途中に電源部17のトラブルで電源が遮断された場合、ブレーキ4j、5jにより支持脚4、5の電源遮断時の位置を保ち転倒を防止する状況を示す。
図10は本実施例の移動ロボットの機構構成を説明する正面図及び側面図である。移動ロボット23は、倒立振子制御により制御される主駆動輪24、25と、主駆動輪24、25の前後に配置された支持脚26,27,28,29(但し29は図示されていない)と、重力方向に対する移動ロボット1の姿勢を検出する姿勢センサ30と、姿勢センサ30等の情報に基づき、移動ロボット1の機構を制御する制御装置31とから構成される。
図12は本実施例の移動ロボットの機構構成を説明する正面図及び側面図である。移動ロボット34は、倒立振子制御により制御される主駆動輪35、36と、主駆動輪35、36で挟む形で配置された支持脚37及び多自由度の腕43及び44を備える。支持脚37は、先端に倒立振子制御により制御される副車輪41、42、副車輪41、42を旋回させる旋回機構40、支持脚37を前後に揺動位置決めする支持脚旋回機構38、支持脚37の先端を繰り出し引き込み動作させる伸縮機構39を備える。
4、5、26、27、28、29、37…支持脚、6、30…姿勢センサ、
7、31…制御装置、43、44…腕。
Claims (4)
- 倒立振子制御により制御される主駆動輪と、この主駆動輪の前後に配置されて昇降する支持脚と、この支持脚の先端に取付けられた従動の副車輪とを備えた移動ロボットにおいて、
前記支持脚の先端と走行面との間の相互距離を計測する床面距離センサと、この床面距離センサから得られた前記相互距離の情報に基づき、前記相互距離を所定の値に維持するように、前記支持脚の先端繰り出し量を制御し前記支持脚の昇降動作を行う支持姿勢制御部と、を備え、
移動ロボットの転倒の危険性が判断されると転倒防止制御部を起動させて前記支持脚の昇降動作をロックする機構を備えることを特徴とする移動ロボット。 - 請求項1記載の移動ロボットにおいて、
前記移動ロボットはシステム異常監視部を有してなり、
前記主駆動輪を前記倒立振子制御に基づき駆動している状態で制御系に異常が生じた場合、または電源が遮断された場合に、
前記システム異常監視部の指示に基づき前記支持脚の昇降動作をロックすることを特徴とする移動ロボット。 - 請求項1記載の移動ロボットにおいて、
前記移動ロボットはシステム異常監視部を有してなり、
前記主駆動輪を前記倒立振子制御に基づき駆動している状態で移動ロボットの姿勢が許容値以上に傾斜した場合に、
前記移動ロボットは前記システム異常監視部の指示に基づき転倒方向の支持脚を繰り出して転倒した姿勢を回復させる制御手段を備えていることを特徴とする移動ロボット。 - 請求項1記載の移動ロボットにおいて、
接地した前記支持脚の繰り出し量から推定される移動ロボット本体を基準とした相対的な走行面の傾斜角と、鉛直方向に対する移動ロボット本体の傾斜角とから、鉛直方向を基準とした走行面の傾斜角を推定し、走行面の傾斜角が所定の値より小さい場合、走行面が水平面と判定し、前記主駆動輪の前記倒立振子制御を起動することを特徴とする移動ロボット。
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