JP5946844B2 - 移動体 - Google Patents

Description

本発明は、本体と、本体下部に進行方向に対して左右に１組の移動手段を備え、さらに跳躍可能な機構を搭載した移動体に関する。

従来の跳躍可能な移動体は、例えば下記の特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１に開示されている方法によれば、移動体の左右にスイングアームから成る移動機構を備え、スイングアームの駆動により圧縮されたバネを開放することで跳躍（ジャンプ）を行うようになっている。

特開２００９−３５１５７号公報

上記特許文献１の従来技術では、跳躍する手段としてバネに蓄えられた弾性エネルギーの解放のみを利用している。そのため、路面の段差や、機構摩擦の変化等の予期せぬ外乱を受けた場合、車体の荷重バランスによっては左右のバネの伸長速度にばらつきが生じ、跳躍の際に左右のバランスを崩す可能性があった。

つまり、移動体が跳躍中に体のバランスが崩れてしまい、着地したとき転倒してしまう可能性があった。

本発明の目的は、予期しない段差や、路面の傾き等の外乱で、走行中、または跳躍を行う際の車体の左右アンバランスを抑えることができるので、安定した走行もしくは跳躍が可能な移動体を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、車体下方の左右に２つ取り付けられた移動手段と、前記車体の姿勢を検知するセンサと、このセンサの情報を入力として演算を行う制御装置と、前記車体と前記移動手段との間に取り付けられて鉛直上下に力を発生させる2つの伸縮アクチュエータと、この2つの伸縮アクチュエータの中心部に設けられ前記車体の進行方向を軸として回転する回転アクチュエータと、この回転アクチュエータの出力部に接続されたロールリンクと、このロールリンクの左右端と前記移動手段とを連結する２本のサスペンションと、このサスペンションと前記移動手段との間に取り付けられて足先フレームとを備えた移動体において、前記制御手段は前記センサが前記車体の目標傾き角度と目標角速度に沿うように前記回転アクチュエータを制御するようしたものである。

上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記移動手段は前記足先フレームに内蔵されるモータと、このモータにより駆動される車輪とからなると良い。

上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記伸縮アクチュエータは位置検出器を内蔵すると良い。

上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記センサは前記車体の重力方向に対する左右傾斜角度と角速度を検出すると良い。

上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記制御装置は前記左右傾斜角度と角速度と、左右傾斜角度目標値及び角速度目標値との差にそれぞれ所定の位置ゲイン及び速度ゲインを乗じたものの和を制御指令値とする演算を行うようにすると良い。

上記目的を達成するために本発明は好ましくは、前記制御装置は前記制御指令値を前記回転アクチュエータに対して出力するようにすると良い。

本発明によれば，予期しない段差や、路面の傾き等の外乱で、走行中、または跳躍を行う際の車体の左右アンバランスを抑えることができるので、安定した走行もしくは跳躍が可能な移動体を提供できる。

本発明に係る移動体の全体構成図である。 本発明に係る移動体の制御ブロック図である。 本発明に係る移動体の制御を説明するフローチャート図である。 本発明に係る移動体の動作を示す図である。 本発明に係る移動体の動作を示す図である。

以下、本発明実施例を図にしたがって説明する。

本実施例の移動体１の構成を図１にしたがって説明する。
図１は、移動体１を進行方向に対して後方左上から見た図である。

図１では、ロボット１の進行方向をX軸とし、X軸の軸回りをロール方向、X軸と直角で進行方向の水平面と平行な軸をY軸、Y軸の軸回りをピッチ方向、X軸とY軸と直交する軸をZ軸、Z軸の軸回りをヨー方向とそれぞれ称し、以降特別な表記のない場合はこれらを用いるものとする。

図１において、本実施例の移動体１は、Y軸方向に左右に対称な形状の車体２と、車体２の左右端にZ方向に伸縮方向を備える伸縮アクチュエータ１０L、１０Rとそれぞれ接続されている。伸縮アクチュエータ１０Ｌと１０Rの長手方向逆端は足先フレーム１２L、１２Rとそれぞれ接続されている。車体２は移動体の姿勢を計測するジャイロなどの姿勢計測手段と、自己の姿勢や状況を元に移動体の各部を制御する制御装置を内部に搭載している。

伸縮アクチュエータ１０L、１０Rは伸展方向、または圧縮方向に出力端を伸縮可能なアクチュエータであり、Z方向に伸縮する自由度のみを備え、動力源（例えば油圧、空気圧、リニアモータ）と位置検出器（例えばリニアエンコ―ダ）を内蔵し、出力端に接続された部品を駆動するようになっている。また、車体２の中央部にX軸周りに遥動可能な回転アクチュエータ３を備え、この回転アクチュエータ３の出力軸には左右方向に長手方向を持つ形状であるロールリンク４が接続されている。

回転アクチュエータ３はX軸方向まわりに回動可能であり、動力源（例えばモータ）と減速機と角度検出器（ロータリエンコーダあるいはポテンショメータ）を内蔵し、出力軸に接続された部品を駆動する。ロールリンク４は長手方向中央部を回転アクチュエータ３の出力軸と接続し、長手方向両端にボールジョイントを介してサスペンション１１L、１１Rと接続される。このサスペンション１１L、１１Rはロールリンク４との接続の長手方向逆端をそれぞれ足先フレーム１２L、１２Rとボールジョイントを介して接続される。

またサスペンション１１Lおよび１１Rのバネ定数は、伸縮アクチュエータ１０Lおよび１０Rにかかる荷重が所定位置において０近傍となるように決定されており、通常の走行時においては伸縮アクチュエータ１０Lおよび１０Rの駆動に用いられるエネルギーは僅かである。

また、ロール剛性の確保のために、車体１の自重以上の反力を発生するようにサスペンション１１Lおよび１１Rをセットし、過大な荷重が入力されたときのみサスペンション１１Lおよび１１Rのバネが縮むような設定でも良い。

足先フレーム１２L、１２RはそれぞれY軸周りに回転可能に車輪１３L、１３Rを備えている。制御装置は車体２に内蔵された姿勢計測手段の値を読み取り、足先フレーム１２L、１２Rに内蔵された移動用アクチュエータを駆動して、車輪１３L、１３Rは倒立を維持するようにして制御される。

ここでは移動手段を足先フレーム１２L、１２Rに内蔵された移動用アクチュエータと車輪１３L、１３Rとで構成したが、移動手段として路面を移動可能なものならば車輪に限るものではない。また、ここでは伸縮アクチュエータ１０L、１０Rは油圧、空気圧、リニアモータ等で駆動されるZ方向に伸縮するものと表現したが、他にも例えば２節リンクにより構成されるスイングアームでZ方向に力を発生させるものでも良いし、バネを内蔵し、弾性エネルギーの解放によりＺ方向に力を発生するものでも良い。

図２は本発明の移動体１の制御ブロック図である。
図２において、図１の移動体１が凹凸のある路面や傾斜した路面を走行したり、コーナリング中の遠心力を受けたりすると、サスペンション１１L、１１Rおよび伸縮アクチュエータ１０L、１０Rの内部の摩擦抵抗により、移動体１の上下方向の振動は軽減される。しかし、左右のサスペンション１１L、１１Rの沈み量が異なった場合、移動体１の上体は沈みの大きい側に傾く。そこで、伸縮アクチュエータ１０Lおよび１０Rでこの傾きを復帰させようとすると、アクチュエータ１０Lおよび１０Rはエアシリンダのような比較的位置精度が粗い特性であるので、左右のロールゆれ（X軸回りの回転振動）を生じる。

傾斜センサ２０１は、車体２に搭載され、車体２の重力方向に対する傾斜角度、角速度を検出し、制御装置２０２は、傾斜センサ２０１が検出した情報を元に、車体２の傾きと角速度を目標値に一致させるように、回転アクチュエータ２０３を適切に制御する。

次に、本発明の移動体１の動作を図３と図４を用いて説明する。
図３は本発明の移動体１の制御のフローチャートを示す図である。

ステップ１：車体２に搭載された傾斜センサ２０１により、車体２の重力方向に対する左右傾斜角度θ、角速度ωを検出する（S１００）。

ステップ２：S１００にて得られた左右傾斜角度θおよび角速度ωと、左右傾斜角度目標値θ_{ref_c}および角速度目標値ω_{ref_c}との差にそれぞれ所定の位置ゲインK_pおよび速度ゲインK_dを乗じたものの和を制御指令値Fとする演算を行う（S１０１）。

ステップ３：S１０１にて演算された制御指令値Fを回転アクチュエータ３に対して出力する（S１０２）。

上記のステップ１〜ステップ３は、所定サンプリング時間ΔT毎に実行される。

続いて図４を用いて移動体１が段差を乗り越える時の動作について説明する。

図４(a)は本発明の移動体１が水平な路面を通常に走行している状態を示す模式図である。ここでは紙面奥から手前に向かい走行中である。このとき、ロールリンク４は左右端に接続されているサスペンション１１L、１１Rから荷重を受けているが、荷重は左右で釣り合っているため、ロールリンク４を駆動するための回転アクチュエータ３の駆動力は僅かである。

図４（b）では移動体１の片輪（ここでは左車輪）が段差に乗り上げた瞬間の図である。段差からの衝撃力は、車輪１３Lに入力された後にここでは図示されていない足先フレーム１２Lを伝わり伸縮アクチュエータ１０Lとサスペンション１１Lに並列に伝わる。伸縮アクチュエータ１０Lとサスペンション１１Lは所定の長さに縮むことで路面からの衝撃力を吸収する。

図４（ｃ）は片輪が段差に乗り上げた後しばらく経過し移動体１が傾いた時の図である。段差からの衝撃を吸収したサスペンション１１Lは再び伸び始め、右側に傾く。

図４(d)は移動体１が傾きから復帰した時の図である。図４（ｃ）で移動体１が傾くと、図３のフローチャートのように回転アクチュエータ３は移動体１の傾きを打ち消すように制御される。つまり、サスペンション１１Lから荷重を抜き、サスペンション１１Rに荷重をかけるように、紙面で左回りにロールリンク４を回転させる。このようにして移動体は傾きから復帰し安定に走行が可能となる。

図５は移動体１が跳躍する動作を説明する図である。
図５(a)は水平な路面を通常走行している状態である。図５(b)は跳躍した瞬間の図である。
移動体１は、左右の伸縮アクチュエータ１１L、１１Rを高速に伸長させることにより跳躍を行う。また、跳躍の瞬間に路面の凹凸や傾きにより車体１の姿勢が目標とずれた場合、図３に示した制御フローチャートに従い回転アクチュエータ３を制御し、姿勢の復帰を行う。

このように、本発明の移動体１は、跳躍に用いるアクチュエータとロール方向の姿勢保持に用いるアクチュエータとを分離することにより、跳躍に用いるアクチュエータは速度を優先し比較的精度の粗いものを用いることが可能であり、またロール方向の姿勢保持に用いるアクチュエータは位置精度を優先し、比較的速度の遅いものを用いることが可能である。

さて、本発明は図４（ｄ）に示したように、段差にさしかかった場合に段差からの衝撃力は、伸縮アクチュエータ１０Lとサスペンション１１Lに並列に伝わることにより、伸縮アクチュエータ１０Lとサスペンション１１Lは所定の長さに縮むことで路面からの衝撃力を吸収することができる。

そこで、本発明では図４（ｄ）に示したこの動作を利用し、段差のない平面上で移動体自らが荷重バランスを崩し、この状態から図５（ｂ）のように跳躍動作を行うと横飛びを行うことができる。つまり、例えば階段等の段差を移動体が横飛びをすることによって自ら駆け上がることができる。この場合、一般的な階段高さを考慮して最大２４０ｍｍの跳躍ができれば駆け上がることが可能と考えられる。

以上のごとく本発明によれば、安定な走行と跳躍を実現することが出来るばかりでなく、場合によっては階段を駆け上がることも可能な移動体を提供できる。

１・・・移動体、２・・・車体、３・・・回転アクチュエータ、４・・・ロールリンク、５・・・移動体、１０L、１０R・・・伸縮アクチュエータ、１１L、１１R・・・サスペンション、１２L、１２R・・・足先フレーム、１３L、１３R・・・車輪、２０１・・・傾斜センサ、２０２・・・制御装置、２０３・・・回転アクチュエータ。

Claims (4)

1. 車体下方の左右に２つ取り付けられた移動手段と、前記車体の姿勢を示す情報として前記車体の重力方向に対する左右傾斜角度と角速度を検知するセンサと、このセンサの情報を入力として演算を行う制御装置と、前記車体と前記移動手段との間に取り付けられて鉛直上下に力を発生させる２つの伸縮アクチュエータと、この２つの伸縮アクチュエータの中心部に設けられ前記車体の進行方向を軸として回転する回転アクチュエータと、この回転アクチュエータの出力部に接続されたロールリンクと、このロールリンクの左右端と前記移動手段とを連結する２本のサスペンションと、このサスペンションと前記移動手段との間に取り付けられている足先フレームとを備えた移動体において、
   前記制御装置は、前記左右傾斜角度と角速度と、左右傾斜角度目標値及び角速度目標値との差にそれぞれ所定の位置ゲイン及び速度ゲインを乗じたものの和を制御指令値とする演算を所定周期で行い、前記センサが前記車体の目標傾斜角度と目標角速度に沿うように前記回転アクチュエータを制御することを特徴とする移動体。
2. 請求項１記載の移動体において、
   前記移動手段は前記足先フレームに内蔵されるモータと、このモータにより駆動される車輪とからなることを特徴とする移動体。
3. 請求項１記載の移動体において、
   前記伸縮アクチュエータは位置検出器を内蔵していることを特徴とする移動体。
4. 請求項１乃至３のいずれか1項に記載の移動体において、
   前記制御装置は前記制御指令値を前記回転アクチュエータに対して出力することを特徴とする移動体。

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