JP5125806B2

JP5125806B2 - Independent running device

Info

Publication number: JP5125806B2
Application number: JP2008166245A
Authority: JP
Inventors: 洋士日高
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: JP2010009226A

Description

本発明は、自立走行装置に関し、特に自立走行する自走車またはロボットに関する。 The present invention relates to a self-propelled traveling device, and more particularly to a self-propelled vehicle or a robot that travels independently.

人と共存するロボット分野において、ロボットは安全性を考慮して一定速度以下を保ち、ロボットに搭載された各種センサにより障害物を検知し回避しながら走行を行っている。しかし、限られた空間や通路、出入り口付近ではロボットは歩行者の進路を妨害する恐れがある。例えば、ロボットは四方を塞がれると回避径路を見つけられずその場で停止し、歩行者の通行の邪魔となる。ロボットが歩行者と対面してすれ違う場合、ロボットにとっては歩行者が避ける方向を瞬時に察知することが困難なため、通路の真ん中で停止する恐れがある。このようにロボットは機敏性が劣るため、急いで走行している歩行者の邪魔になる。 In the field of robots that coexist with humans, robots keep a certain speed or less in consideration of safety, and travel while detecting and avoiding obstacles with various sensors mounted on the robot. However, there is a risk that the robot may interfere with the path of the pedestrian in a limited space, passage, or near the entrance / exit. For example, if the robot is blocked on all four sides, the robot cannot find an avoidance path and stops on the spot, obstructing pedestrian traffic. When the robot passes the pedestrian, it is difficult for the robot to instantly detect the direction that the pedestrian avoids, and there is a risk of stopping in the middle of the passage. Thus, the robot is insensitive to pedestrians traveling in a hurry.

図１は従来技術の二輪駆動によるロボットに力を外加えたときの走行方向の変化を示す図であり、（Ａ）はロボットを示す図であり、（Ｂ）は停止中のロボット外に力を加えた時のロボット底面を示す図であり、（Ｃ）はロボットに外力を加えた後に旋回し走行開始する時のロボット底面を示す図である。図１に示すロボット１０１は２つの車輪１０２と２つのキャスタ１０３を底面に設け、２つの車輪１０２の速度差により旋回し方向転換を行った後に走行開始する。 FIG. 1 is a diagram showing a change in traveling direction when a force is externally applied to a conventional two-wheel drive robot, (A) is a diagram showing the robot, and (B) is a diagram showing force applied to the outside of the stopped robot. FIG. 4C is a diagram showing the bottom surface of the robot when turning and starting running after applying an external force to the robot. The robot 101 shown in FIG. 1 has two wheels 102 and two casters 103 provided on the bottom surface, and starts running after turning and changing direction due to a speed difference between the two wheels 102.

それゆえ、従来技術の二輪駆動によるロボット１０１は走行開始までの旋回動作に時間を要するという問題がある。また、ロボット１０１に外力Ｆが加えられると、外力Ｆが加えられた位置Ｐ１が旋回により旋回開始時の位置Ｐ１から旋回終了時の位置Ｐ２にずれるので、ロボット１０１が何れの方向ＦＷＤに走行開始するのか判断できず歩行者はロボット１０１と衝突する虞がある。 Therefore, the conventional robot 101 using the two-wheel drive has a problem that it takes time for the turning operation until the start of traveling. Further, when the external force F is applied to the robot 101, the position P1 where the external force F is applied shifts from the position P1 at the start of the turn to the position P2 at the end of the turn by turning, so the robot 101 starts to travel in any direction FWD. The pedestrian may collide with the robot 101 because it cannot be determined whether to do so.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、外力Ｆを加えた方向に自立走行する自走車またはロボット等の自立走行装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a self-propelled vehicle such as a self-propelled vehicle or a robot that independently travels in a direction in which an external force F is applied.

上記目的を達成する自立走行装置は、走行本体部と、路面に接地する複数の駆動部と該複数の駆動部のそれぞれを前記走行本体部に対して全周旋回可能に操舵する操舵部とを有する走行機構部と、前記走行機構部の底面に設置され、外力による荷重を測定する３個の荷重センサと、前記３個の荷重センサにより測定された荷重から重心を求め、該重心の変位を算出し、前記走行本体部の走行方向が前記重心の変位方向に一致するように前記操舵部を制御する制御部と，を備えたことを特徴とする。 A self-propelled traveling apparatus that achieves the above object includes a traveling main body, a plurality of driving units that are grounded on a road surface, and a steering unit that steers each of the plurality of driving units so as to be capable of turning around the traveling main body. a traveling mechanism having, disposed on a bottom surface of the running mechanism section, obtains the three load sensors for measuring the load applied by the external force, the three load or RaShigeru heart measured by the load sensor, the centroid And a control unit that calculates the displacement and controls the steering unit so that the traveling direction of the traveling main body matches the displacement direction of the center of gravity .

上記自立走行装置において、自立走行装置の上体に位置する走行本体部に該自立走行装置を誘導させたい方向に力を加えることにより、自立走行装置を誘導させたい方向に容易に誘導させる全方位走行機構を実現する。 In the above self-supporting traveling device, the omni-direction that easily guides the self-supporting traveling device in the direction in which the self-supporting traveling device is guided by applying a force in the direction in which the self-supporting traveling device is to be guided to the traveling main body located on the upper body of the self-supporting traveling device. Realize the travel mechanism.

上記自立走行装置において、自律走行装置が人の経路を妨害している状況下において、自律走行装置の一端を押すことにより生じる自律走行装置の重心の変位を検出し、押された方向へ自律走行装置を走行させる操舵機構を実現する。 In the above autonomous traveling device, the autonomous traveling device detects a displacement of the center of gravity of the autonomous traveling device caused by pressing one end of the autonomous traveling device in a situation where the autonomous traveling device is obstructing a person's route, and autonomously travels in the pressed direction. A steering mechanism for running the device is realized.

上記構成により、自立走行装置を転倒させず安定な状態で移動させることができる。
上記構成により、自立走行装置を誘導させたい方向に誘導させることができる。 With the above configuration, the self-supporting traveling device can be moved in a stable state without falling down.
With the above configuration, the self-supporting traveling device can be guided in a desired direction.

図２は第１実施形態の自立走行装置の側面図である。図２に示す第１実施形態の自立走行装置１は独立３輪ステアリング機構により全方位走行を可能とする。自立走行装置１はフロア上を任意の方向に自立して走行する。自立走行装置１は制御部１０と走行本体部１１と走行機構部１２を有する。制御部１０は走行本体部１１に設置しているが走行機構部１２に設置してもよい。走行本体部１１は走行機構部１２の上方に位置する。自立走行装置１はまた走行本体部１１に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサ１３を有する。第１実施形態では荷重センサ１３は走行本体部１１と走行機構部１２との間に設置される。 FIG. 2 is a side view of the self-supporting traveling device of the first embodiment. The self-propelled traveling device 1 of the first embodiment shown in FIG. 2 enables omnidirectional traveling by an independent three-wheel steering mechanism. The self-supporting traveling device 1 travels independently on a floor in an arbitrary direction. The self-supporting traveling device 1 includes a control unit 10, a traveling main body unit 11, and a traveling mechanism unit 12. The control unit 10 is installed in the traveling main body unit 11, but may be installed in the traveling mechanism unit 12. The traveling body 11 is located above the traveling mechanism 12. The self-supporting traveling device 1 also includes a plurality of load sensors 13 that measure a load applied to the traveling main body 11. In the first embodiment, the load sensor 13 is installed between the traveling main body 11 and the traveling mechanism 12.

制御部１０は、不図示のＣＰＵ、ダイナミックラム（ＤＲＡＭ）、スタティックラム（ＳＲＡＭ）、フラッシュロム(ＦＲＯＭ)、入出力インターフェースおよび通信インターフェース等を有する。制御部１０は自立走行装置１に外力Ｆが加えられ、荷重センサ１３により検出された外力Ｆが加えられる前後の荷重を入力インターフェースを介して受け、取得した荷重から自立走行装置１の前後の重心を求め、重心の変位を算出し、自立走行装置１の走行方向が重心の変位方向に一致するように出力インターフェースを介して操舵部１４を制御する。この重心の算出方法については後で説明する。 The control unit 10 includes a CPU (not shown), a dynamic ram (DRAM), a static ram (SRAM), a flash ROM (FROM), an input / output interface, a communication interface, and the like. The control unit 10 receives an external force F applied to the self-supporting traveling device 1 and receives a load before and after the external force F detected by the load sensor 13 is applied via an input interface, and the center of gravity of the self-supporting traveling device 1 before and after the acquired load. , The displacement of the center of gravity is calculated, and the steering unit 14 is controlled via the output interface so that the traveling direction of the self-supporting traveling device 1 matches the displacement direction of the center of gravity. A method for calculating the center of gravity will be described later.

図３は図２に示す自立走行装置の走行機構部の斜視図である。図３は走行本体部１１の台と走行機構部１２の構成を示している。図３に示す走行機構部１２は、自立走行装置１の走行方向を変える複数の操舵部（ステアリング）１４と自立走行装置１を走行させる複数の駆動部１５とサスペンション１６とを有する。駆動部１５は駆動輪１５−１を回転させるモータ１５−２を有する。モータ１５−２には扁平高トルクモータが用いられている。サスペンション１６は操舵部１４と駆動部１５との間に設置され、操舵部１４への振動を防止する。荷重センサ１３は操舵部（ステアリング）１４と走行本体部１１の台との間に設置される。 FIG. 3 is a perspective view of a traveling mechanism portion of the self-supporting traveling apparatus shown in FIG. FIG. 3 shows the configuration of the base of the travel main body 11 and the travel mechanism 12. The traveling mechanism unit 12 shown in FIG. 3 includes a plurality of steering units (steers) 14 that change the traveling direction of the self-supporting traveling device 1, a plurality of driving units 15 that cause the self-supporting traveling device 1 to travel, and a suspension 16. The drive unit 15 includes a motor 15-2 that rotates the drive wheel 15-1. A flat high torque motor is used as the motor 15-2. The suspension 16 is installed between the steering unit 14 and the drive unit 15 and prevents vibration to the steering unit 14. The load sensor 13 is installed between the steering part (steering) 14 and the base of the traveling main body part 11.

図４は図３に示す走行機構部の走行ユニットを示す図である。図示の走行機構部１２の走行ユニットは、操舵部（ステアリング）１４と駆動部１５とサスペンション１６が組み込まれたものであり、２輪や４輪駆動の自立走行装置１に適用できる。 4 is a diagram showing a traveling unit of the traveling mechanism section shown in FIG. The traveling unit of the illustrated traveling mechanism unit 12 includes a steering unit (steering) 14, a drive unit 15, and a suspension 16, and can be applied to a two-wheel or four-wheel drive self-supporting traveling device 1.

図５は第１実施形態の自立走行装置１による走行方向、旋回方向を示す図であり、（Ａ）は走行時の走行方向５１を示す図であり、（Ｂ）は外力Ｆが加わった後の走行方向５２と旋回方向５３を示す図であり、（Ｃ）は走行せずに旋回方向５４に旋回のみを行っている状態を示す図であり、（Ｄ）は走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を示す図である。図５は自立走行装置１の走行機構部１２を底面から見た図を示し、３つの駆動輪１５−１が示されている。３つの駆動輪１５−１が放射状になるように不図示の操舵部を旋回させることにより（Ｄ）に示す走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を得ることができる。 5A and 5B are diagrams showing a traveling direction and a turning direction by the self-supporting traveling device 1 of the first embodiment. FIG. 5A is a diagram illustrating a traveling direction 51 during traveling. FIG. 5B is a diagram after an external force F is applied. (C) is a figure which shows the state which is only turning in the turning direction 54, without driving | running | working, (D) is a stop which does not drive | run and turn ( It is a figure which shows a brake state. FIG. 5 is a view of the traveling mechanism unit 12 of the self-supporting traveling device 1 as viewed from the bottom, and shows three drive wheels 15-1. By turning a steering unit (not shown) so that the three drive wheels 15-1 become radial, the stop (brake) state in which neither traveling nor turning shown in (D) can be obtained.

図６は第２実施形態の自立走行装置の側面図である。図６に示す第２実施形態の自立走行装置２は荷重センサ（ロードセル）２３を走行機構部２２の底面付近に配置した点で第１実施形態の自立走行装置１と異なる。第２実施形態の自立走行装置２は荷重センサ２３が第１実施形態の自立走行装置１の荷重センサ１３の位置よりフロア近くにあるので移動時の重心２８をより正確に算出できる。その理由については図９を用いて後で説明する。 FIG. 6 is a side view of the self-supporting traveling device of the second embodiment. The self-supporting traveling device 2 of the second embodiment shown in FIG. 6 is different from the self-supporting traveling device 1 of the first embodiment in that a load sensor (load cell) 23 is disposed near the bottom surface of the traveling mechanism unit 22. In the self-supporting traveling device 2 of the second embodiment, the load sensor 23 is closer to the floor than the position of the load sensor 13 of the self-supporting traveling device 1 of the first embodiment, so that the center of gravity 28 during movement can be calculated more accurately. The reason will be described later with reference to FIG.

制御部２０は、自立走行装置２に外力Ｆが加えられる前後の荷重を荷重センサ２３により検出し、検出した荷重から自立走行装置２の重心２８を求め、重心２８の変位を算出し、自立走行装置２の走行方向が重心２８の変位方向に一致するように不図示の操舵部を制御する。この重心２８の算出方法については後で説明する。 The control unit 20 detects the load before and after the external force F is applied to the autonomous traveling device 2 by the load sensor 23, obtains the center of gravity 28 of the autonomous traveling device 2 from the detected load, calculates the displacement of the gravity center 28, and autonomously travels. A steering unit (not shown) is controlled so that the traveling direction of the device 2 coincides with the displacement direction of the center of gravity 28. A method for calculating the center of gravity 28 will be described later.

第２実施形態の自立走行装置２では、フロアに近い高さで、走行機構部２２に荷重センサ２３としてロードセルを３箇所に配置することにより、静止・移動時の重心２８を測定する。 In the self-propelled traveling device 2 according to the second embodiment, the load cell 23 is arranged at three positions as the load sensor 23 in the traveling mechanism unit 22 at a height close to the floor, thereby measuring the center of gravity 28 when stationary and moving.

第２実施形態の自立走行装置２によれば、荷物積降時、加減速・外力Ｆが走行本体部２１に加わった際の重心の変化を自立走行装置２の走行方向が重心２８の変位方向に一致するように不図示の操舵部を制御することにより転倒防止を図ることができる。 According to the self-propelled traveling device 2 of the second embodiment, the change in the center of gravity when acceleration / deceleration / external force F is applied to the traveling main body 21 during loading / unloading is determined by the direction of travel of the self-supporting traveling device 2 being the direction of displacement of the center of gravity 28. By controlling a steering unit (not shown) so as to match the above, it is possible to prevent overturning.

また、第２実施形態の自立走行装置２によれば、歩行者が「手でよける」という直感的な動作で、ロボット等の自立走行装置２の走行方向を制御できる。 Moreover, according to the self-supporting traveling device 2 of the second embodiment, the traveling direction of the self-supporting traveling device 2 such as a robot can be controlled by an intuitive operation that a pedestrian “gets hands”.

図７は第２実施形態の自立走行装置の重心の変化を示す図であり、（Ａ）は静止時の重心２８を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の重心２８を示す図であり、（Ｃ）は操舵部（ステアリング）回転後の重心２８の変化を示す図であり、（Ｄ）は走行後の重心２８の変化を示す図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は自立走行装置２の走行機構部２２を底面から見た図を示し、荷重センサ２３、３つの駆動輪２５−１および重心２８が示されている。図７の（Ａ）〜（Ｄ）に示すステップＳ１〜Ｓ４は不図示の制御部２０の処理ステップを示す。 7A and 7B are diagrams showing changes in the center of gravity of the self-propelled traveling device according to the second embodiment. FIG. 7A is a diagram showing the center of gravity 28 when stationary, and FIG. 7B shows the center of gravity 28 after an external force is applied. (C) is a figure which shows the change of the gravity center 28 after a steering part (steering) rotation, (D) is a figure which shows the change of the gravity center 28 after driving | running | working. FIGS. 7A to 7D are views of the traveling mechanism 22 of the self-supporting traveling device 2 as viewed from the bottom, in which a load sensor 23, three drive wheels 25-1, and a center of gravity 28 are illustrated. Steps S1 to S4 shown in FIGS. 7A to 7D show processing steps of the control unit 20 (not shown).

図７の（Ａ）はステップＳ１において自立走行装置２の静止時の重心２８を計算するときの３つの駆動輪２５−１と重心２８の位置関係を示す。 FIG. 7A shows the positional relationship between the three driving wheels 25-1 and the center of gravity 28 when calculating the center of gravity 28 when the self-propelled traveling device 2 is stationary in step S1.

図７の（Ｂ）はステップＳ２において自立走行装置２に外力Ｆが加えられた時の重心２８Ａの位置を示す。自立走行装置２に外力Ｆが加えられると、重心２８が図７の（Ａ）に示す重心２８の位置から図７の（Ｂ）に示す重心２８Ａの位置に移動したことが判る。 FIG. 7B shows the position of the center of gravity 28A when the external force F is applied to the self-supporting traveling device 2 in step S2. When an external force F is applied to the self-supporting traveling device 2, it can be seen that the center of gravity 28 has moved from the position of the center of gravity 28 shown in FIG. 7A to the position of the center of gravity 28A shown in FIG.

図７の（Ｃ）はステップＳ３において３つの駆動輪２５−１が図７の（Ａ）に示す重心２８の位置から図７の（Ｂ）に示す重心２８Ａの位置に変位する方向に一致するように操舵部（ステアリング）を回転した後の重心２８Ａの位置を示す。 7C corresponds to the direction in which the three drive wheels 25-1 are displaced from the position of the center of gravity 28 shown in FIG. 7A to the position of the center of gravity 28A shown in FIG. 7B in step S3. Thus, the position of the center of gravity 28A after rotating the steering part (steering) is shown.

図７の（Ｄ）はステップＳ４において３つの駆動輪２５−１の各モータ（不図示）を駆動して自立走行装置２を走行させることで外力が無くなり安定となった状態を示す。図７の（Ｄ）に示す重心２８の位置は図７の（Ａ）に示す重心２８の位置と同じになる。 FIG. 7D shows a state in which the external force is eliminated and stabilized by driving the motors (not shown) of the three drive wheels 25-1 to drive the self-supporting traveling device 2 in step S4. The position of the center of gravity 28 shown in FIG. 7D is the same as the position of the center of gravity 28 shown in FIG.

図７に示すような３つ以上の駆動輪２５−１を有する自立走行装置２は、図６に示すような走行本体部２１そのものを回転させることなく、外力Ｆが加えられた方向、例えば人が自立走行装置２を押した方向に移動し得る。 A self-supporting traveling device 2 having three or more drive wheels 25-1 as shown in FIG. 7 does not rotate the traveling main body 21 itself as shown in FIG. Can move in the direction in which the self-supporting traveling device 2 is pressed.

図８は３つの荷重センサ（ロードセル）の出力から重心の位置ＲGを算出する方法を説明する図である。重心の位置ＲGは下記の一般式により求められる。 FIG. 8 is a diagram for explaining a method of calculating the center of gravity position RG from the outputs of three load sensors (load cells). The position RG of the center of gravity is obtained by the following general formula.

ここで、各ロードセルの位置、すなわち荷重点をR₁〜R₃とし、各ロードセルにおける荷重値をm₁〜m₃とする。 Here, the position of each load cell, that is, the load point is R _{1 to} R _3, and the load value in each load cell is m _{1 to} m ₃ .

３点の荷重が同じ場合（外力無しの状態）、m₁=m₂=m₃ であるため重心の位置ＲGは R_G = R_G0 = (0,0)である。 When the loads at the three points are the same (state without external force), since m ₁ = m ₂ = m ₃ , the center of gravity position RG is R _G = R _G0 = (0,0).

３点の荷重が異なる場合、R_G=(m₁R₁+m₂R₂+m₃R₃)/Mである。よって、外力Fが加わった場合、重心のズレを補正する方向R_G-R_G0がR_Gとなる方向ＦＷＤへ移動する。ロードセルの個数が４個以上の場合も重心の位置は同様に上式（１）を用いて計算することができる。 When the loads at the three points are different, R _G = (m ₁ R ₁ + m ₂ R ₂ + m ₃ R ₃ ) / M. Therefore, when the external force F is applied, the direction R _G -R _G0 for correcting the deviation of the center of gravity moves to the direction FWD in which R _G becomes R _G. When the number of load cells is four or more, the position of the center of gravity can be similarly calculated using the above equation (1).

図９は３つの荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図であり、（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｂ）は荷重センサの位置が二輪より高い位置にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｃ）は荷重センサの位置が二輪のフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。 FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the positions of three load sensors (load cells) and ZMP (Zero Moment Point) in a two-dimensional plane using a two-wheel traveling mechanism, and FIG. It is a figure which shows ZMP at a certain time, (B) is a figure which shows ZMP when the position of a load sensor is in a position higher than two wheels, and (C) is when the position of a load sensor is near the floor of two wheels It is a figure which shows ZMP.

図９の（Ａ）〜（Ｃ）は荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図である。図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、実際のＺＭＰ（Zero Moment Point）は走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧ（Center of Gravity）から路面ＦＬ（Floor Line）に向かう重力Ｇ（Gravity）と重心ＣＧに作用する慣性力Ｉ（Inertia）または外力の合力ＲＦ（Resultant Force）の重心ＣＧからの延長線と路面ＦＬ（Floor Line）との交点にある。 FIGS. 9A to 9C are diagrams illustrating the relationship between the position of the load sensor (load cell) and ZMP (Zero Moment Point) on a two-dimensional plane using a two-wheel traveling mechanism. As shown in FIGS. 9A to 9C, the actual ZMP (Zero Moment Point) is calculated from the center of gravity CG (Center of Gravity) when the main body 91 of the traveling mechanism 90 is stationary to the road surface FL (Floor Line). Is an intersection of an extension line from the center of gravity CG of the inertial force I (Inertia) acting on the center of gravity CG or the resultant force RF (Resultant Force) acting on the center of gravity CG and the road surface FL (Floor Line).

図９の（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図である。実際のＺＭＰが車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間にあれば本体９１は安定であり転倒しないが、図９の（Ａ）に示すように、実際のＺＭＰが車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れると本体９１は不安定となり転倒する。このような本体９１が転倒しない車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間のＺＭＰは目標ＺＭＰと呼ばれている。 FIG. 9A is a diagram showing ZMP when the traveling mechanism is in a fallen state. If the actual ZMP is between the grounding point R1 of the wheel 92A and the grounding point R2 of the wheel 92B, the main body 91 is stable and does not fall down. However, as shown in FIG. The main body 91 becomes unstable and falls over when it comes off between the ground contact point R1 and the ground contact point R2 of the wheel 92B. The ZMP between the ground point R1 of the wheel 92A and the ground point R2 of the wheel 92B where the main body 91 does not fall is referred to as a target ZMP.

図９の（Ｂ）は荷重センサの位置Ｌ１が二輪９２Ａ、９２Ｂより高い位置にあるときのＺＭＰを示す図である。走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧは重力Ｇ（Gravity）と重心ＣＧに作用する慣性力Ｉまたは外力の合力ＲＦの重心ＣＧからの延長線と荷重センサの位置Ｌ１との交点Ｊ１に変位する。すなわち、交点Ｊ１が重心となる。 FIG. 9B is a diagram showing ZMP when the load sensor position L1 is higher than the two wheels 92A and 92B. The center of gravity CG when the main body 91 of the traveling mechanism 90 is stationary is the intersection of gravity G (Gravity) and the extension line from the center of gravity CG of the resultant force RF of inertial force I or external force acting on the center of gravity CG and the position L1 of the load sensor. Displacement to J1. That is, the intersection point J1 is the center of gravity.

重心Ｊ１から路面ＦＬに下ろした垂線と路面ＦＬとの交点Ｊ０１を本体９１が転倒する状態にあるか否かの判定に用いると、図９の（Ｂ）に示す例では、上記交点Ｊ０１が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間にあるので本体９１は安定であり転倒しないと判定される。しかしながら、ＺＭＰは車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定となり転倒する。すなわち、判定結果と実際とが異なる。 When the intersection point J01 between the perpendicular line dropped from the center of gravity J1 to the road surface FL and the road surface FL is used to determine whether or not the main body 91 is in a state of falling, in the example shown in FIG. 9B, the intersection point J01 is the wheel. Since it is between the grounding point R1 of 92A and the grounding point R2 of the wheel 92B, it is determined that the main body 91 is stable and does not fall down. However, since ZMP is out of contact between the ground contact point R1 of the wheel 92A and the ground contact point R2 of the wheel 92B, the main body 91 becomes unstable and falls. That is, the determination result is different from the actual result.

図９の（Ｃ）は荷重センサの位置Ｌ２が二輪２Ａ、９２Ｂのフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧは重力Ｇと重心ＣＧに作用する慣性力Ｉまたは外力の合力ＲＦの重心ＣＧからの延長線と荷重センサの位置Ｌ２との交点Ｊ２に変位する。すなわち、交点Ｊ２が重心となる。 FIG. 9C is a diagram showing ZMP when the position L2 of the load sensor is in the vicinity of the floor of the two wheels 2A and 92B. When the main body 91 of the traveling mechanism 90 is stationary, the center of gravity CG is displaced to the intersection J2 between the extension line from the center of gravity CG of the inertia force I acting on the gravity G and the center of gravity CG or the resultant force RF of the external force and the position L2 of the load sensor. To do. That is, the intersection J2 becomes the center of gravity.

重心Ｊ２から路面ＦＬに下ろした垂線と路面ＦＬとの交点Ｊ０２を本体９１が転倒する状態にあるか否かの判定に用いると、図９の（Ｃ）に示す例では、上記交点Ｊ０２が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定であり転倒すると判定される。一方、ＺＭＰは車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定となり転倒する。すなわち、判定結果と実際とが一致する。 When the intersection point J02 between the perpendicular line dropped from the center of gravity J2 to the road surface FL and the road surface FL is used to determine whether or not the main body 91 is in a state of falling, in the example shown in FIG. 9C, the intersection point J02 is the wheel. Since the ground contact point R1 of 92A and the ground contact point R2 of the wheel 92B are off, it is determined that the main body 91 is unstable and falls. On the other hand, since ZMP is out of contact between the ground contact point R1 of the wheel 92A and the ground contact point R2 of the wheel 92B, the main body 91 becomes unstable and falls. That is, the determination result matches the actual result.

図９の（Ｂ）と（Ｃ）に示す例から判るように、荷重センサの位置が路面ＦＬに近くにある程、ＺＭＰと上記交点Ｊ０１、Ｊ０２とが近づくので交点Ｊ０１、Ｊ０２をＺＭＰの近似点とみなすことができ、本体９１が安定状態にあるか否かの判定、つまり本体９１が倒れるか否かの判定を正確に行うことができる。本体９１を安定な状態に維持し転倒しないようにするため、制御部１０は交点Ｊ０１、Ｊ０２が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間に入るように操舵部１４を制御するよう構成される。 As can be seen from the examples shown in FIGS. 9B and 9C, the closer the position of the load sensor is to the road surface FL, the closer the ZMP and the intersections J01 and J02 approach, so the intersections J01 and J02 are approximated by ZMP. It can be regarded as a point, and it can be accurately determined whether or not the main body 91 is in a stable state, that is, whether or not the main body 91 falls down. In order to maintain the main body 91 in a stable state so as not to fall, the control unit 10 controls the steering unit 14 so that the intersections J01 and J02 are between the ground point R1 of the wheel 92A and the ground point R2 of the wheel 92B. Configured to do.

（付記１）
フロア上を任意の方向に自立して走行する自立走行装置であって、
走行機構部と該走行機構部の上方に位置する走行本体部と該走行本体部に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサとを備え、
前記走行機構部は、
駆動部と、該駆動部を前記走行部本体部に対して全周旋回可能に操舵する操舵部とを有する走行ユニットを複数備えると共に、
前記複数の荷重センサにより検出された荷重から前記自立走行装置の重心を求め、該重心の変位を算出し、前記自立走行装置が安定な状態を維持できるように前記操舵部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする自立走行装置。 (Appendix 1)
A self-propelled traveling device that independently travels on the floor in any direction,
A traveling mechanism, a traveling body located above the traveling mechanism, and a plurality of load sensors for measuring a load applied to the traveling body,
The traveling mechanism section is
A plurality of travel units having a drive unit and a steering unit that steers the drive unit so as to be able to turn all around the travel unit main body unit,
A control unit that obtains a center of gravity of the self-supporting traveling device from loads detected by the plurality of load sensors, calculates a displacement of the center of gravity, and controls the steering unit so that the self-supporting traveling device can maintain a stable state; ,
A self-supporting traveling device characterized by comprising:

（付記２）
前記制御部は前記自立走行装置の走行方向が前記重心の変位方向に一致するように前記操舵部を制御する、
付記１に記載の自立走行装置。 (Appendix 2)
The control unit controls the steering unit so that a traveling direction of the self-supporting traveling device matches a displacement direction of the center of gravity;
The self-supporting traveling device according to appendix 1.

（付記３）
前記制御部は前記自立走行装置の重心から前記フロアへ向かう垂線と該フロア表面との交点が前記複数の荷重センサの荷重点を結んで囲む範囲内に維持されるように前記操舵部を制御する、
付記１に記載の自立走行装置。 (Appendix 3)
The control unit controls the steering unit so that an intersection of a perpendicular line from the center of gravity of the self-supporting traveling device to the floor and the floor surface is maintained within a range surrounding the load points of the plurality of load sensors. ,
The self-supporting traveling device according to appendix 1.

（付記４）
前記走行ユニットを２つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。
（付記５）
前記走行ユニットを３つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。
（付記６）
前記走行ユニットを４つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。 (Appendix 4)
Two traveling units are provided,
The self-supporting traveling device according to appendix 1.
(Appendix 5)
Comprising three traveling units,
The self-supporting traveling device according to appendix 1.
(Appendix 6)
Comprising four traveling units,
The self-supporting traveling device according to appendix 1.

（付記７）
前記荷重センサは前記走行本体部と前記走行機構部との間に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。 (Appendix 7)
The load sensor is installed between the traveling main body and the traveling mechanism.
The self-supporting traveling device according to any one of appendices 1 to 6.

（付記８）
前記荷重センサは前記走行機構部の底面に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。 (Appendix 8)
The load sensor is installed on the bottom surface of the traveling mechanism unit,
The self-supporting traveling device according to any one of appendices 1 to 6.

（付記９）
前記荷重センサは前記走行機構部の底面と前記フロアとの間に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。 (Appendix 9)
The load sensor is installed between a bottom surface of the traveling mechanism unit and the floor,
The self-supporting traveling device according to any one of appendices 1 to 6.

従来技術の二輪駆動によるロボットに外力を加えたときの走行方向の変化を示す図であり、（Ａ）はロボットを示す図であり、（Ｂ）は停止中のロボットに外力を加えた時のロボット底面を示す図であり、（Ｃ）はロボットに外力を加えた後に旋回し走行開始する時のロボット底面を示す図である。It is a figure which shows the change of a running direction when external force is applied to the robot by the two-wheel drive of a prior art, (A) is a figure which shows a robot, (B) is the time when external force is applied to the robot which has stopped It is a figure which shows a robot bottom face, (C) is a figure which shows a robot bottom face when turning and starting a run after applying external force to a robot. 第１実施形態の自立走行装置の側面図である。It is a side view of the self-supporting traveling device of the first embodiment. 図２に示す自立走行装置の走行機構部の斜視図である。It is a perspective view of the traveling mechanism part of the self-supporting traveling device shown in FIG. 図３に示す走行機構部のユニットを示す図である。It is a figure which shows the unit of the traveling mechanism part shown in FIG. 第１実施形態の自立走行装置１による走行方向、旋回方向を示す図であり、（Ａ）は走行時の走行方向を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の走行方向と旋回方向を示す図であり、（Ｃ）は走行せずに旋回方向に旋回のみを行っている状態を示す図であり、（Ｄ）は走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を示す図である。It is a figure which shows the running direction and turning direction by the self-supporting traveling apparatus 1 of 1st Embodiment, (A) is a figure which shows the running direction at the time of driving | running | working, (B) is the running direction and turning after external force is added. It is a figure which shows a direction, (C) is a figure which shows the state which is only turning in the turning direction, without driving | running | working, (D) is a figure which shows the stop (brake) state which does not drive | work and turn. . 第２実施形態の自立走行装置の側面図である。It is a side view of the self-supporting traveling device of the second embodiment. 第２実施形態の自立走行装置の重心の変化を示す図であり、（Ａ）は静止時の重心を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の重心を示す図であり、（Ｃ）は操舵部回転後の重心の変化を示す図であり、（Ｄ）は走行後の重心の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the gravity center of the self-supporting traveling apparatus of 2nd Embodiment, (A) is a figure which shows the gravity center at the time of stationary, (B) is a figure which shows the gravity center after external force is added, ( (C) is a figure which shows the change of the gravity center after steering part rotation, (D) is a figure which shows the change of the gravity center after driving | running | working. ３つの荷重センサ（ロードセル）の出力から重心の位置を算出する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating the position of a gravity center from the output of three load sensors (load cell). 荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図であり、（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｂ）は荷重センサの位置が二輪より高い位置にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｃ）は荷重センサの位置が二輪のフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。It is a figure explaining the relationship between the position of a load sensor (load cell) and ZMP (Zero Moment Point) on a two-dimensional plane using a two-wheel traveling mechanism, and (A) shows ZMP when the traveling mechanism is in a falling state. (B) is a diagram showing ZMP when the position of the load sensor is higher than the two wheels, and (C) is a diagram showing ZMP when the position of the load sensor is near the floor of the two wheels. It is.

Explanation of symbols

１、２自立走行装置
１０、２０制御部
１１走行本体部
１２、２２走行機構部
１３、２３荷重センサ（ロードセル）
１４操舵部（ステアリング）
１５駆動部
１６サスペンション
１８、２８重心
２９ＺＭＰ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2, Self-supporting traveling apparatus 10, 20 Control part 11 Traveling body part 12, 22 Traveling mechanism part 13, 23 Load sensor (load cell)
14 Steering part (steering)
15 Drive unit 16 Suspension 18, 28 Center of gravity 29 ZMP

Claims

Traveling body part,
A traveling mechanism unit having a plurality of driving units that are in contact with the road surface and a steering unit that steers each of the plurality of driving units so as to be capable of turning around the traveling main body unit ;
Three load sensors installed on the bottom surface of the travel mechanism section for measuring a load due to an external force ;
The calculated three load or RaShigeru heart measured by the load sensor, calculates the displacement of the centroid, and controls the steering section as the traveling direction of the traveling body part coincides with the direction of displacement of the center of gravity A control unit;
A self-supporting traveling device characterized by comprising:

The control unit controls the steering unit such that an intersection of a perpendicular line from the center of gravity of the self-supporting traveling device to the floor and the floor surface is maintained within a range surrounding the ground points of the plurality of driving units. ,
The self-supporting traveling device according to claim 1.

The load sensor is installed between a bottom surface of the traveling mechanism unit and the floor,
The self-supporting traveling device according to claim 1 or 2.