JP5107533B2 - Mobile robot - Google Patents
Mobile robot Download PDFInfo
- Publication number
- JP5107533B2 JP5107533B2 JP2006153423A JP2006153423A JP5107533B2 JP 5107533 B2 JP5107533 B2 JP 5107533B2 JP 2006153423 A JP2006153423 A JP 2006153423A JP 2006153423 A JP2006153423 A JP 2006153423A JP 5107533 B2 JP5107533 B2 JP 5107533B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- movement
- mobile robot
- target
- obstacle
- time series
- 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
Links
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 10
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Description
本発明は、移動ロボットに係り、特に倒立振子型移動ロボットに好適なものである。 The present invention relates to a mobile robot, and is particularly suitable for an inverted pendulum type mobile robot.
倒立振子型の移動ロボットとして、特開昭63−305082号公報(特許文献1)、特開2004−345030号公報(特許文献2)に記載されているものが知られている。 As an inverted pendulum type mobile robot, those described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-305082 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-345030 (Patent Document 2) are known.
これらの移動ロボットでは、一対の車輪と、両車輪間に架設された車軸と、車軸に支持された上体と、車輪駆動装置と、車輪を制御する制御装置とを備えている。移動ロボットの傾斜は上体の傾斜角度計測手段によって検知され、車輪の回転角度は車輪回転角度検出手段によって検知される。車輪駆動装置は、検知された上体の傾斜角度と車輪の回転角度とを予め設定されている制御入力式に代入することで駆動トルクを演算し、車輪駆動用モータを制御することにより倒立を行なう。制御入力式の算出は、移動ロボットの運動方程式を基にして、各種制御理論(例えば、LQR、LQG、H∞制御理論、H2制御理論、μ−設計法等)により求められる。 These mobile robots include a pair of wheels, an axle laid between the two wheels, an upper body supported by the axle, a wheel drive device, and a control device that controls the wheels. The inclination of the mobile robot is detected by the body inclination angle measuring means, and the rotation angle of the wheel is detected by the wheel rotation angle detection means. The wheel drive device calculates the drive torque by substituting the detected inclination angle of the body and the rotation angle of the wheel into a preset control input equation, and controls the wheel drive motor to invert the wheel drive device. Do. Calculation of the control input expression, based on the equation of motion of the mobile robot, various control theory (e.g., LQR, LQG, H∞ control theory, H 2 control theory, .mu. design method) is determined by.
人間の生活空間で移動ロボットを活用するためには、人間に対してストレスを与えない俊敏さと安定性、さらには邪魔にならないようなコンパクトさが重要である。これらの条件を満たす移動ロボットの形態として倒立振子が挙げられる。倒立振子型の移動ロボットでは重心を積極的に変移させて移動を行なうために機敏な動作を実現しつつも移動ロボットの底面積を削減できる利点がある。 In order to utilize a mobile robot in a human living space, agility and stability that do not give stress to human beings and compactness that does not get in the way are important. An example of a mobile robot that satisfies these conditions is an inverted pendulum. Inverted pendulum type mobile robots have the advantage that the bottom area of the mobile robot can be reduced while realizing agile movement because the center of gravity is actively changed to move.
しかし、一般的に倒立振子は動き始めと止まるときに逆方向に動く特性がある。従来技術では速度または位置を目標入力とした制御によって速度または位置を制御しているが、このような制御では倒立振子が逆に動く量の予測ができないため、移動ロボットが移動可能な領域を制限された場所では領域内に収まるよう制御することが難しかった。 However, an inverted pendulum generally has a characteristic of moving in the opposite direction when it starts and stops. In the conventional technology, the speed or position is controlled by the control using the speed or position as the target input. However, in such control, the amount of movement of the inverted pendulum cannot be predicted, so the area where the mobile robot can move is limited. It was difficult to control the location so that it was within the area.
また、モータ駆動トルクを予想できないためにモータ駆動トルクをモータの限界内に抑えることが難しかった。そのため出力トルクや移動可能な領域に対して余裕を持たせた目標入力を与えることしかできず、移動ロボット本来の性能が制限されて発揮できないという問題点があった。 In addition, since the motor driving torque cannot be predicted, it is difficult to keep the motor driving torque within the limits of the motor. For this reason, there is a problem in that only the target input with a margin can be given to the output torque and the movable region, and the original performance of the mobile robot is limited.
また、移動ロボットの経路上に移動している障害物が存在している場合または存在する可能性がある場合では、移動ロボットの挙動を正確に予測しなければ、障害物回避のために大きく目標入力に余裕をとることになり、移動ロボット本来の性能が制限されてしまう。 In addition, when there is or may be an obstacle moving on the path of the mobile robot, if the behavior of the mobile robot is not predicted accurately, the target will be greatly increased to avoid the obstacle. This leaves room for input, limiting the original performance of the mobile robot.
さらに、移動ロボットが移動中に作業を行なう場合では、上体の傾きを予測できると、移動ロボットと作業対象との位置関係が明確になり作業指示が容易になる。しかし、従来の倒立振子への移動指定方法では、移動速度・加速度を予測できないために、移動速度・加速度と密接な関係がある上体角度も予測できず、移動中の作業指示が難しかった。 Further, when the mobile robot performs work while moving, if the inclination of the upper body can be predicted, the positional relationship between the mobile robot and the work target is clarified, and work instructions are facilitated. However, in the conventional method for specifying the movement to the inverted pendulum, the moving speed / acceleration cannot be predicted. Therefore, the body angle closely related to the moving speed / acceleration cannot be predicted, and it is difficult to give a work instruction during movement.
本発明の目的は、移動距離、移動中の最大速度、移動中の最大モータ駆動トルクを指定でき、位置・速度・上体角度・上体角速度・モータ駆動トルクを移動ロボットが移動開始から停止するまで偏差なく追従可能な目標値の動作計画を得るための技術を提供することである。 The object of the present invention is to specify the movement distance, the maximum speed during movement, and the maximum motor drive torque during movement, and the mobile robot stops the position, speed, body angle, body angle speed, and motor drive torque from the start of movement. It is to provide a technique for obtaining an operation plan of a target value that can be followed without deviation .
前述の目的を達成するために、本発明は、左右の車輪及びこの車輪を回転駆動する走行モータを有する移動機構と、前記移動機構に回動可能に支持された上体と、前記移動機構を制御する制御装置とを備えた倒立振子型の移動ロボットにおいて、前記制御装置は、当該移動ロボットの移動目標である移動条件を生成する移動目標生成部と、時系列に沿った移動目標値を生成する動作計画部とを有し、前記動作計画部は、前記移動目標生成部より前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクを取得し、当該移動ロボットの位置及び上体角度の線形和である特徴点と特徴点の4階までの時間微分を変数として前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクの各々を表現することで、前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクの条件を特徴点と特徴点の4階までの時間微分の満たすべき制約条件として扱い、特徴点の4階微分の時系列に沿った値を、前記制約条件を満たすように設計することにより、前記移動条件を満たす時系列に沿った特徴点と特徴点の4階までの時間微分との線形和を当該移動ロボットの位置、速度、上体角度、トルクからなる時系列に沿った移動目標値として生成するものであり、さらには、前記時系列に沿った特徴点の4階時間微分を、特徴点の3階までの時間微分の値全部が計画開始時において0、移動条件の目標移動距離到達後に0となるように設計することで、当該移動ロボットの停止から停止までを計画するものである。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a moving mechanism having left and right wheels and a travel motor for rotationally driving the wheels, a body supported rotatably by the moving mechanism, and the moving mechanism. In an inverted pendulum type mobile robot having a control device to control, the control device generates a movement target value that is a movement target that is a movement target of the mobile robot, and a movement target value in time series The motion planning unit acquires the travel distance, the maximum speed, and the maximum motor drive torque that are the travel conditions from the movement target generation unit, and the position and body angle of the mobile robot. By representing each of the movement conditions, that is, the movement distance, the maximum speed, and the maximum driving torque of the movement motor, using the feature point that is a linear sum of the above and the time derivative of the feature point up to the fourth floor as variables. The conditions of the moving distance, the maximum speed, and the maximum driving torque of the moving motor are treated as the constraint conditions to be satisfied for the feature point and the time derivative up to the fourth floor of the feature point, and the values along the time series of the fourth derivative of the feature point are By designing so as to satisfy the constraint conditions, the linear sum of the feature point along the time series that satisfies the movement condition and the time derivative of the feature point up to the fourth floor is calculated as the position, speed, body angle of the mobile robot, It is generated as a movement target value along the time series consisting of torque. Furthermore, the fourth-order time differentiation of the feature points along the time series is planned with all the time differentiation values up to the third floor of the feature points. It is planned to stop from the stop of the mobile robot by designing it to be 0 at the start and 0 after reaching the target moving distance of the moving condition .
係る本発明の好ましい具体的な構成例は次の通りである。
(1)障害物センサと障害物挙動予測部とを備え、生成した時系列に沿った移動目標値と前記障害物挙動予測部からの障害物の予測値とから衝突を予測すること。
A preferred specific configuration example of the present invention is as follows.
(1) An obstacle sensor and an obstacle behavior prediction unit are provided, and a collision is predicted from the generated movement target value along the time series and the obstacle prediction value from the obstacle behavior prediction unit.
かかる本発明の倒立振子型移動ロボットによれば、移動時に偏差なく追従可能な目標値の動作計画を提供することができ、移動可能領域の制限を外し、移動ロボットの移動可能領域を広くとることができる。 According to the inverted pendulum type mobile robot of the present invention, it is possible to provide an operation plan of a target value that can be followed without deviation when moving, and to remove the restriction of the movable area and widen the movable area of the mobile robot. Can do .
以下、本発明の一実施例に係る移動ロボットについて図1から図5を用いて説明する。 A mobile robot according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
まず、本実施例の移動ロボット1の機構構成を図1を参照しながら説明する。図1A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、図1Bは図1Aの移動ロボットの側面図である。
First, the mechanism configuration of the
移動ロボット1は、倒立振子型の移動ロボットであり、大きく移動機構2と上体3とに2分される。移動機構2は、左右の車輪4、5と、これらを回転駆動する走行モータ6、7とを備えている。上体3は移動機構2の上部に回動可能に支持されている。移動機構2の上部には、鉛直方向を基準とした上体3の傾斜を検出する姿勢方位センサ8が設けられている。上体3には、作業用のマニピュレータ9、対人インターフェース機能を持つ頭部10等の作業装置が搭載されている。さらに、上体3には、ロボット全体を制御する制御装置11が内蔵されており、また、走行領域に存在する走行方向の障害物の位置及び形状を計測する障害物センサ12が設けられている。
The
次に、移動ロボット1の制御系の構成について図2を参照しながら説明する。図2は図1の移動ロボットの制御系構成図である。
Next, the configuration of the control system of the
制御装置11は、移動目標生成部22、動作計画部20、経路制御部21、走行目標生成部17、障害物挙動予測部18、衝突予測部19、左右モータ駆動装置13、14を備えている。
The
移動目標生成部22では、移動ロボット1の移動目標である、到着位置、移動時間、移動速度、最大移動加速度、最大モータ駆動トルクなどを生成する。
The movement
動作計画部20では、移動目標生成部22から到着位置、移動時間、移動速度、最大移動加速度、最大モータ駆動トルクを目標として受け、移動ロボットの時系列に沿った目標位置、目標速度、目標傾斜角度、移動モータ駆動トルクを生成する。以後、目標位置、目標速度、目標傾斜角度、移動モータ駆動トルクを総称して移動目標値と表記する。移動目標値の生成方法については後述する。
The
また、経路制御部21では、移動目標生成部22から到達位置を取得し、到達位置までの経路を生成し、その経路上における旋回角度目標値と旋回角速度目標値とを計算する。以後、旋回角度目標値と旋回角速度目標値とを纏めて旋回目標値と言う。
Further, the
走行目標生成部17では、動作計画部20から移動目標値を取得し、経路制御部21から旋回目標値を取得し、左右のエンコーダ15、16から車輪速度v1,v2を取得し、姿勢センサ8から上体3の傾斜角度θ1と傾斜角加速度dθ1/dtを取得し、それらに基づいて左右のモータ駆動装置13、14へ目標モータ駆動トルクτ1r、τ2rを指定する。
The travel
上体3に取り付けられた障害物センサ12は障害物の位置と速度を検知しており、この情報を基に障害物挙動予測部18は障害物がどのような移動を行なうか予測する。
The
衝突予測部19では、動作計画部20から移動目標値を取得し、経路制御部21から旋回目標値を取得し、障害物挙動予測部18から障害物の予測値を取得し、それらに基づいて障害物との接触の有無を判断し、衝突すると予測した場合は速やかに移動を取り止めるように走行目標生成部17へ信号を出力する。
The
左右モータ駆動装置13、14では、走行目標生成部17から目標モータ駆動トルクτ1r、τ2rを取得し、左右のエンコーダ15、16から車輪速度v1,v2を取得し、それぞれ左右の走行モータ5、6のモータ駆動トルクτ1、τ2が目標モータ駆動トルクτ1r、τ2rに等しくなるように制御を行なう。
In the left and right
次に、移動ロボット1の倒立振子制御を行っている制御装置11の動作に関して図2を参照しながら説明する。
Next, the operation of the
最初に、走行目標生成部17で移動ロボット1が起立状態を保つためのモータ駆動トルクをどのように算出しているかを述べる。
First, how the driving
移動ロボット1を2次元上で考え、車輪駆動機構2と上体3とから構成されているとする。車輪駆動機構2は、車輪4,5、走行モータ5,6、及び左右の車輪4,5と走行モータ5,6とを接続する車軸からなり、質量をm0、車軸の周りの慣性モーメントをJ0とする。上体3はそれ以外の部分とし、質量m1、重心周りの慣性モーメントj1、車軸と重心の間の距離をlとする質点で代表する。また、車輪の半径をrとし、車輪駆動部と上体3の間の粘性抵抗をdとする。これらのパラメータm0、m1、J0、J1、l、r、dは実機を測定しても良いし、設計値から計算することも出来る。車輪4,5の上体3となす回転角度をθ0とし、上体の鉛直方向からの傾きをθ1とする。さらにモータ5,6の出力トルクをτとすると、運動方程式は次の式(1)のように表される。
The
制御系の設計を簡単にするため、非線形項をθ1が十分に小さいとして、式(1)の線形化を行なう。これにより、簡略化運動方程式は次の式(2)のように表される。 In order to simplify the design of the control system, linearization of the equation (1) is performed assuming that the nonlinear term θ 1 is sufficiently small. Thereby, the simplified equation of motion is expressed as the following equation (2).
式(2)の簡略化運動方程式を状態空間表現にしたものを次の式(3)に示す。 The following equation (3) shows a simplified equation of motion of equation (2) expressed in state space.
式(3)で表わされる制御対象は、公知となっている様々な制御理論に基づいて状態フィードバックゲインを算出し、状態フィードバックを行なうことにより安定化することが可能である。簡単には、次の式(4)のように、θ0、dθ0/dt、θ1、dθ1/dtに対してそれぞれ状態フィードバックゲインK1、K2、K3、K4を乗じて加算したものをτに指定することにより、位置を保ち速度を0にしたまま倒立を保つことができる。
The controlled object represented by the expression (3) can be stabilized by calculating the state feedback gain based on various known control theories and performing the state feedback. Briefly, as shown in the following equation (4), θ 0 , dθ 0 / dt, θ 1 , dθ 1 / dt are multiplied by state feedback gains K 1 , K 2 , K 3 , and K 4 , respectively. By designating the added value as τ, it is possible to maintain the position while maintaining the position and maintaining the
また、走行目標生成部17で行なっている移動ロボットの位置(x,y)と方位(φ)は次のように算出している。
Further, the position (x, y) and direction (φ) of the mobile robot performed by the travel
左右のエンコーダ15、16より得られる左右の車輪角速度v1,v2を用いて、直交座標で時刻tにおける移動ロボット1の位置をp(t)=(x,y)、速度をv(t)=(dx/dt,dy/dt)、方位を(φ)、旋回速度を(dφ/dt)を式(5),式(6)のように得る。
Using the left and right wheel angular velocities v 1 and v 2 obtained from the left and
ここで、前記の現在位置を目標位置と現在位置との偏差に書き換えることにより、または前記の現在速度を目標速度と現在速度との偏差に変更することにより、移動ロボット1を移動させることが出来る。
Here, the
しかし、式(3)で示す移動ロボットのシステムでは、現在位置または現在速度が単純な目標位置または目標速度、例えばステップ上の入力や台形速度パターン、台形加速度パターンなどに対して偏差なく追従できない。従来の単純な目標指定方法では、目標位置または目標速度に追従する場合において、行き過ぎや、追従開始直後に逆方向に動く。これは目標として与えていない動作を移動ロボット1が行なうと言うことであり、計画時では発生しなかった衝突等の問題を引き起こす可能性がある。また、移動ロボットが目標とずれた動作を行なうことにより、実際に移動ロボットを走行させた場合にモータ駆動トルクがモータの能力以内に収まるかが目標位置、目標速度を指定する段階では知ることが出来ず、指定した目標位置または目標速度がモータに過剰な要求をしているかを調べるためには一度シミュレーションや実機を用いて確認しなければわからず、さらにその結果は状態フィードバックゲインK1、K2、K3、K4の大きさによって異なる。
However, the mobile robot system represented by Expression (3) cannot follow a target position or target speed whose current position or current speed is simple, such as an input on a step, a trapezoidal speed pattern, or a trapezoidal acceleration pattern without deviation. In a conventional simple target designation method, when following a target position or target speed, the robot moves in the opposite direction immediately after overshooting or following tracking. This means that the
そこで、上記の問題を解決するために、本実施形態の動作計画部20は、移動距離・最大速度・移動モータ最大駆動トルクの3つを設定した上で、倒立振子型移動ロボットが移動開始から移動停止まで偏差なく追従可能な時系列に沿った移動目標値を生成する。
Therefore, in order to solve the above problem, the
動作計画部20が移動距離・最大速度・移動モータ最大駆動トルクの3つを満たすような移動開始から移動停止まで偏差なく倒立振子型移動ロボットが追従可能な時系列に沿った移動目標値を生成する手段を図3を参照して説明する。図3は図1の移動ロボットの移動計画を得る手順を示すフローチャートである。
Generates a movement target value along the time series that the inverted pendulum type mobile robot can follow without any deviation from the movement start to the movement stop so that the
最初に動作計画部20は移動目標生成部より移動距離L、最大速度Vmax、移動モータ最大駆動トルクτmaxの3つからなる移動条件を取得する(S1)。次に移動距離L、最大速度Vmax、移動モータ最大駆動トルクτmaxを用いて式(7)に示すように、後述する特徴点q(t)の4階微分のパラメータである加速時間t1、等速時間t2、最大絶対値kを求める(S2)。
First, the
算出されたパラメータを基に時系列に沿った特徴点q(t)を次の式(8)によって求める(S3)。 Based on the calculated parameters, a feature point q (t) along the time series is obtained by the following equation (8) (S3).
最後に式(9)を用いて時系列に沿った移動目標値である移動ロボットの位置θ0r(t)、速度dθ0r/dt(t)、上体角度θ1r(t)、上体角速度dθ1r/dt(t)、トルクτr(t)を時系列に沿った特徴点q(t)から求める(S4) Finally, the position θ 0 r (t), the velocity dθ 0r / dt (t), the body angle θ 1r (t) of the mobile robot, which are the movement target values along the time series, using the formula (9), The angular velocity dθ 1r / dt (t) and the torque τ r (t) are obtained from the feature point q (t) along the time series (S4).
以下、上記の説明を行なう。 The above description will be given below.
まず、式(2)に対してd=0を仮定して整理することにより式(10)を得る。 First, formula (10) is obtained by arranging and formulating formula (2) assuming d = 0.
ここで特徴点qを式(11)のように定義する。 Here, the feature point q is defined as in Expression (11).
特徴点qは移動ロボットの接地点より上に存在する点であり、特徴点qを用いることにより移動目標値の位置θ0r、速度dθ0r/dt、上体角度θ1r、上体角速度dθ1r/dt、トルクτrは式(9)のように表わせる。式(9)より特徴点qを目標とする移動距離L、最大速度Vmax、移動モータ最大駆動トルクτmaxを満たすように設計すれば、移動目標値の位置θ0r、速度dθ0r/dt、上体θ1r、上体角速度dθ1r/dt、トルクτrの時系列に沿った目標値を得ることになる。また、移動目標値は、停止から停止までの指定であるとして、qの4階微分は式(8)のようにした。移動目標値を停止から停止までと指定することにより、車輪速度dθ0r/dt、及びその微分は移動開始と移動終了時において0をとる。また、停止時においては上体角度θ1rも0になる。ここから移動開始時と移動終了時においてqの1階微分、2階微分、3階微分値は0をとらねばならない。さらに、移動距離L、最大速度Vmax、移動モータ最大駆動トルクτmaxを同時に満たすためには3つの設計自由度がいる。式(8)で定義したqの4階微分は、加速時間t1、等速時間t2、最大絶対値kの3つの自由度を持つ、時間tに依存する値であり、以上の条件を全て満たす。移動距離L、最大速度Vmax、移動モータ最大駆動トルクτmaxの3つからなる移動条件を用いることによりqの4階微分のパラメータ加速時間t1、等速時間t2、最大絶対値kは式(8)、式(9)を連立させることにより解析的に得らことができる。加速時間t1、等速時間t2、最大絶対値kは実数であるので得られた解析解は式(7)になる。 The feature point q is a point that exists above the ground contact point of the mobile robot. By using the feature point q, the position θ 0r , the velocity dθ 0r / dt, the body angle θ 1r , and the body angular velocity dθ 1r of the movement target value are used. / Dt and torque τ r can be expressed as in equation (9). If it is designed to satisfy the movement distance L, the maximum speed V max , and the movement motor maximum drive torque τ max targeted for the feature point q from the equation (9), the movement target value position θ 0r , speed dθ 0r / dt, The target values along the time series of the body θ 1r , the body angular velocity dθ 1r / dt, and the torque τ r are obtained. Further, assuming that the movement target value is designated from the stop to the stop, the fourth-order differentiation of q is as shown in Expression (8). By designating the movement target value from stop to stop, the wheel speed dθ 0r / dt and its derivative take zero at the start and end of movement. In addition, the body angle θ 1r is also 0 when stopped. From here, the first-order differential, second-order differential, and third-order differential value of q must be 0 at the start and end of movement. Furthermore, there are three design degrees of freedom for simultaneously satisfying the movement distance L, the maximum speed V max , and the movement motor maximum drive torque τ max . The fourth-order derivative of q defined by Equation (8) is a value that depends on time t and has three degrees of freedom: acceleration time t 1 , constant velocity time t 2 , and maximum absolute value k. Satisfy all. By using a movement condition consisting of three, that is, a movement distance L, a maximum speed V max , and a maximum drive motor torque τ max , the parameter acceleration time t 1 , constant speed time t 2 , and maximum absolute value k of the fourth order differential of q are It can be obtained analytically by combining equations (8) and (9). Since the acceleration time t 1 , the constant velocity time t 2 , and the maximum absolute value k are real numbers, the analytical solution obtained is given by Equation (7).
得られる移動目標値と特徴点q及びその4階微分までの時系列値の例を図4(a)〜(e)に示す。 Examples of the obtained movement target value, the feature point q, and the time series values up to the fourth order differentiation thereof are shown in FIGS.
以上により、動作計画部20は、移動距離・最大速度・移動モータ最大駆動トルクの3つを設定した上で、倒立振子型移動ロボットの偏差なく追従可能な時系列に沿った移動目標値を生成する。移動目標値に移動ロボットを追従させるためには、次の式(12)に示すように、式(4)における現在位置を現在位置と目標位置との差に、現在速度を現在速度と目標速度との差に、現在上体角度を現在上体角度と目標上体角度との差に、現在上体角速度を現在上体角速度と目標上体角速度との差にそれぞれ変更することにより倒立用モータ駆動トルクτsを計算する。
As described above, the
次に衝突予測について説明する。障害物挙動予測部18は障害物センサ12より検知される障害物の位置と大きさを記録している。記録は障害物センサのスキャン時間e秒毎に行われており、時刻tにおいて記録されている一つの障害物oの位置をx、y平面におけるpo(t)で表わすと、障害物の速度vo(t)は次の式(13)のように表される。また、障害物は、障害物の位置po(t)を中心に半径Roの円柱であると考える。
Next, collision prediction will be described. The obstacle
衝突予測部の処理手順を図5のフローチャートで示す。最初に衝突予測部19は障害物挙動予測部18より障害物の位置po(t)と速度vo(t)、大きさである半径Roを取得し(S11)、次の式(14)を用いて障害物の予測位置pop(t+k)を得る(S12)。
The processing procedure of the collision prediction unit is shown in the flowchart of FIG. First, the
次に衝突予測部19は動作計画部20から移動ロボット1の移動計画を取得し、次の式(15)で表わされる予測速度vp(t)、経路制御部21より移動経路を取得する(S13)。
Next, the
得られた移動ロボットの経路上を移動ロボットが移動計画に偏差なく追従するとして、予測速度vp(t)の時刻tから時刻(t+k)までの積分と経路長が等しくなる地点を移動ロボットの予測位置pp(t+k)とする(S14)。衝突の判断は移動ロボットの予測位置pp(t+k)を中心とする半径Rの範囲に障害物の予測位置pop(t+k)が含まれているか次の式(16)を用いて判断する(S15)。ここでRrは移動ロボットを円柱とした場合の半径であり、Rpは移動ロボットの予測位置の誤差範囲とした。 Assuming that the mobile robot follows the movement plan without deviation on the path of the obtained mobile robot, a point where the integration from the time t to the time (t + k) of the predicted speed v p (t) and the path length are equal to each other. The predicted position is p p (t + k) (S14). Judgment of the collision is made by using the following equation (16) whether or not the predicted position p op (t + k) of the obstacle is included in the range of the radius R centering on the predicted position p p (t + k) of the mobile robot ( S15). Here, Rr is a radius when the mobile robot is a cylinder, and Rp is an error range of the predicted position of the mobile robot.
式(16)が成立した場合は衝突であると判断して走行目標生成部17に対して移動停止を指定する(S16)。 If the expression (16) is established, it is determined that a collision has occurred, and a movement stop is designated to the travel target generator 17 (S16).
従来手法では、移動ロボットが移動計画に対して偏差なく追従できなかったために、移動ロボットの予測位置の誤差範囲Rpを大きくとる必要があった。しかし、上記に示した偏差なく追従可能な移動計画を用いることにより移動ロボットの予測位置の誤差範囲Rpを小さくでき、従来の方法では移動ロボットが衝突と判断して停止しなければならなかった場面でも移動ロボットは障害物に接触しないと正しく判断でき、衝突や停止することなく移動することが出来るようになる。 In the conventional method, in order to move the robot is unable to follow the deviation without relative movement plan, it is necessary to increase the error range R p of the predicted position of the mobile robot. However, it is possible to reduce the error range R p of the predicted position of the mobile robot by using the deviation without tracking possible movement plan shown above, the conventional method had to be stopped to determine mobile robot collision Even in the scene, the mobile robot can correctly determine that it does not touch an obstacle, and can move without colliding or stopping.
本実施形態によれば、上述したように、倒立振子型移動ロボットに対して移動時において偏差なく追従可能な目標値の動作計画を動作計画装置により提供することができる。本実施形態の動作計画装置から得られる動作計画では移動ロボットは動作計画に偏差なく追従するために、前記の移動可能領域の制限を外し、移動ロボットの移動可能領域を広くとることができる。また、障害物との衝突予測精度を上げることにより障害物の近傍を通過でき、スムーズな移動を行なう移動ロボットを提供することができる。 According to the present embodiment, as described above, the motion planning device can provide a motion plan with a target value that can follow the inverted pendulum type mobile robot without deviation during movement. In the motion plan obtained from the motion planning device of the present embodiment, the mobile robot follows the motion plan without deviation, so that the restriction of the movable area can be removed and the movable area of the mobile robot can be widened. In addition, it is possible to provide a mobile robot that can pass through the vicinity of the obstacle and perform smooth movement by increasing the accuracy of collision prediction with the obstacle.
1…移動ロボット、2…移動機構、3…上体、4,5…車輪、6,7…走行モータ、8…姿勢センサ、9…マニピュレータ、10…頭部、11…制御装置、12…障害物センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記移動機構に回動可能に支持された上体と、
前記移動機構を制御する制御装置とを備えた倒立振子型の移動ロボットにおいて、
前記制御装置は、当該移動ロボットの移動目標である移動条件を生成する移動目標生成部と、時系列に沿った移動目標値を生成する動作計画部とを有し、
前記動作計画部は、前記移動目標生成部より前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクを取得し、当該移動ロボットの位置及び上体角度の線形和である特徴点と特徴点の4階までの時間微分を変数として前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクの各々を表現することで、前記移動条件である移動距離、最大速度、移動モータ最大駆動トルクの条件を特徴点と特徴点の4階までの時間微分の満たすべき制約条件として扱い、特徴点の4階微分の時系列に沿った値を、前記制約条件を満たすように設計することにより、前記移動条件を満たす時系列に沿った特徴点と特徴点の4階までの時間微分との線形和を当該移動ロボットの位置、速度、上体角度、トルクからなる時系列に沿った移動目標値として生成するものであり、さらには、前記時系列に沿った特徴点の4階時間微分を、特徴点の3階までの時間微分の値全部が計画開始時において0、移動条件の目標移動距離到達後に0となるように設計することで、当該移動ロボットの停止から停止までを計画するものである
ことを特徴とする移動ロボット。 A moving mechanism having left and right wheels and a travel motor that rotationally drives the wheels;
An upper body rotatably supported by the moving mechanism;
In an inverted pendulum type mobile robot provided with a control device for controlling the moving mechanism,
The control device includes a movement target generation unit that generates a movement condition that is a movement target of the mobile robot, and an operation planning unit that generates a movement target value along a time series,
The motion planning unit acquires the movement distance, maximum speed, and maximum motor driving torque that are the movement conditions from the movement target generation unit , and is a feature point and feature that is a linear sum of the position and body angle of the mobile robot By representing each of the movement distance, maximum speed, and movement motor maximum drive torque, which are the movement conditions, using the time differentiation of the points up to the fourth floor as variables, the movement distance, maximum speed, and movement motor maximum drive, which are the movement conditions, are expressed. By treating the torque condition as a constraint condition to be satisfied by the feature point and the time derivative of the feature point up to the fourth floor, and designing the values along the time series of the fourth derivative of the feature point so as to satisfy the constraint condition , The linear sum of the feature points along the time series satisfying the moving condition and the time differentiation of the feature points up to the fourth floor is the moving eye along the time series consisting of the position, speed, body angle, and torque of the mobile robot. In addition, the fourth-order time differentiation of the feature points along the time series is 0 for all the time differentiation values up to the third floor of the feature points at the start of planning, and the target movement of the movement condition A mobile robot characterized by planning from stop to stop of the mobile robot by designing it to be 0 after reaching the distance .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006153423A JP5107533B2 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Mobile robot |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006153423A JP5107533B2 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Mobile robot |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007319991A JP2007319991A (en) | 2007-12-13 |
JP5107533B2 true JP5107533B2 (en) | 2012-12-26 |
Family
ID=38853208
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006153423A Expired - Fee Related JP5107533B2 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | Mobile robot |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5107533B2 (en) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5112666B2 (en) * | 2006-09-11 | 2013-01-09 | 株式会社日立製作所 | Mobile device |
JP5291420B2 (en) * | 2008-09-26 | 2013-09-18 | 日産自動車株式会社 | Obstacle avoidance device and self-propelled vehicle |
WO2013001658A1 (en) | 2011-06-28 | 2013-01-03 | 株式会社日立製作所 | Inverted pendulum type moving body equipped with velocity planning device |
JP5873879B2 (en) * | 2011-12-09 | 2016-03-01 | 株式会社日立製作所 | Inverted pendulum type moving device |
JP2016024766A (en) * | 2014-07-24 | 2016-02-08 | 日本精工株式会社 | Robot for guidance |
KR101975934B1 (en) * | 2017-01-09 | 2019-05-07 | 경성대학교 산학협력단 | Self driving device haiving a function of moving direction angle compensation |
JP6897376B2 (en) * | 2017-07-11 | 2021-06-30 | トヨタ自動車株式会社 | Movement planning equipment, mobile robots, and movement planning programs |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004295429A (en) * | 2003-03-26 | 2004-10-21 | Toyota Motor Corp | Method for setting target orbit data of robot |
JP4138546B2 (en) * | 2003-03-26 | 2008-08-27 | トヨタ自動車株式会社 | Mobile cart and control method of mobile cart |
JP4089512B2 (en) * | 2003-05-22 | 2008-05-28 | トヨタ自動車株式会社 | Inverted pendulum type cart robot |
JP4327566B2 (en) * | 2003-11-17 | 2009-09-09 | トヨタ自動車株式会社 | Traveling body capable of switching between grounding and floating of front wheel and traveling state switching method |
JP4271070B2 (en) * | 2004-03-31 | 2009-06-03 | 株式会社国際電気通信基礎技術研究所 | Communication robot |
JP4278551B2 (en) * | 2004-03-31 | 2009-06-17 | 株式会社国際電気通信基礎技術研究所 | Inverted pendulum robot |
-
2006
- 2006-06-01 JP JP2006153423A patent/JP5107533B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2007319991A (en) | 2007-12-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5107533B2 (en) | Mobile robot | |
US10065306B2 (en) | Traveling robot, motion planning method for traveling robot, and storage medium storing program for traveling robot | |
Alonso-Mora et al. | Reciprocal collision avoidance for multiple car-like robots | |
Wang et al. | A hybrid visual servo controller for robust grasping by wheeled mobile robots | |
JP5398488B2 (en) | Autonomous mobile object and its control method | |
Mujahad et al. | Closest Gap based (CG) reactive obstacle avoidance navigation for highly cluttered environments | |
JP5398489B2 (en) | Autonomous mobile object and its control method | |
JP7199178B2 (en) | ROBOT CONTROL DEVICE, ROBOT DEVICE, ROBOT CONTROL PARAMETER ADJUSTMENT METHOD, AND PROGRAM | |
Hasanzadeh et al. | Ground adaptive and optimized locomotion of snake robot moving with a novel gait | |
JPH04324505A (en) | Autonomous moving machine and apparatus and method for controlling moving machine | |
JP2003241836A (en) | Control method and apparatus for free-running mobile unit | |
JP2018083274A (en) | Robot control device, robot control method and picking device | |
JP7130062B2 (en) | Route determination method | |
JP2008142841A (en) | Mobile robot | |
JPH03113513A (en) | Speed-sensitive steering controller for self-traveling vehicle | |
JP4518033B2 (en) | Route creation method, moving body, and moving body control system | |
Wu | Dynamic path planning of an omni-directional robot in a dynamic environment | |
JP2016062441A (en) | Omnidirectional transfer vehicle | |
JP7258046B2 (en) | Route determination device, robot and route determination method | |
Galgamuwa et al. | Simplified controller for three wheeled omni directional mobile robot | |
Potiris et al. | Terrain-based path planning and following for an experimental mars rover | |
JP2023075884A (en) | Dynamic action planning system | |
Wendler et al. | Er-force 2020 extended team description paper | |
JPH0248283A (en) | Walking leg movement locus controller | |
Varga et al. | Shared-Control Concepts for Large Vehicle-Manipulators |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080702 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110322 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110620 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111101 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111215 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120117 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120316 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121002 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121004 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151012 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |