KR100685339B1

KR100685339B1 - 이동 로봇

Info

Publication number: KR100685339B1
Application number: KR1020050099971A
Authority: KR
Inventors: 유우지 호소다; 사꾸 에가와; 준이찌 다마모또; 료오스께 나까무라; 도시히꼬 호리우찌
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-02-26
Also published as: KR20060049149A; JP2006136962A; US20060097683A1; US7649331B2

Abstract

본 발명의 이동 로봇은 이동 기구와, 요동 기구와, 제어 장치를 갖는다. 이동 기구는 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형이다. 요동 기구는 이동 기구에 대해 상체를 측면 방향으로 능동적으로 요동시킨다. 이동 로봇의 무게 중심에는 원심력과 중력이 작용한다. 무게 중심에 작용하는 힘의 합성 벡터의 연장선과 차륜의 접지면과의 교점 위치가 좌우의 차륜 사이에 유지되도록 요동 자세를 제어한다.

이동 로봇, 이동 기구, 상체, 요동 기구, 제어 장치, 주행 모터

Description

이동 로봇 {MOVING ROBOT}

도1a 내지 도6은 본 발명에 관한 이동 로봇의 일실시예의 도면으로, 도1a는 그 정면도, 도1b는 그 측면도.

도2는 이동 로봇의 제어계의 블럭선도.

도3은 주행 운동을 설명하는 도면.

도4는 요동각 제어를 설명하는 도면.

도5는 주행 궤적 생성 과정을 설명하는 도면.

도6은 선회 동작을 설명하는 도면.

도7은 요동각의 생성 과정의 예를 나타내는 도면.

[문헌 1] 일본 특허 공개 소63-305082호 공보

[문헌 2] 일본 특허 공개 2003-271243호 공보

[문헌 3] 일본 특허 공개 2004-74814호 공보

본 발명은 본 명세서에서 참조하는 것으로, 2004년 11월 11일자로 출원된 일 본 출원 JP2004-327451호를 우선권으로 주장한다.

본 발명은 이동 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 인간과 공존하는 환경에서 작업을 행하는 이동 로봇 및 그 제어 방법에 적합한 것이다.

인간과 공존하는 환경에서 작업을 행하는 로봇의 형태를 생각한 경우, 로봇의 신장은 인간에 대한 수작업이나 대화 작업을 유효하게 실시하기 위해, 인간과 동등한 크기인 것이 이상적이다. 또한, 인간이 혼재하는 공간에서 유효하게 이동을 수반하는 작업을 행하는 경우, 로봇의 풋프린트(평면 투영 면적)를 최소한으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 형태 요구를 실현하는 경우, 로봇의 무게 중심 위치는 필연적으로 풋프린트에 대해 높아져 선 자세의 안정성을 저하시킨다. 한편, 실용적인 작업을 실시하게 하는 경우, 로봇의 기민하고 안전한 이동 능력이 요구된다. 이러한 요구는 상기의 무게 중심 위치의 고도화와 상반된다.

이와 같은 요구로부터, 예를 들어 일본 특허 공개 소63-305082호 공보, 일본 특허 공개 2003-271243호 공보 및 일본 특허 공개2004-74814호 공보에 기재된 바와 같이, 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜 기구를 구비한 것이 제안되고 있다.

특허 문헌 1에는 양단부에 한 쌍의 차륜을 구비한 차축 상의 회전 가능하게 지지된 차체와, 차체에 장착된 차륜 구동용 모터와, 차륜 구동용 모터로 작동 지령을 전송하는 제어 컴퓨터와, 차체의 경사를 검출하는 각도 검출 수단으로 구성되는 동축 2륜차를 대상으로 하여 상기 각도 검출 수단에 의해 검출되는 차체의 경사 각도를 단시간 간격으로 샘플링하고, 차체의 샘플링 경사 각도를 상태 변수, 피드백 게인을 계수로 하여 상기 제어 컴퓨터 내에 미리 입력 설정된 제어 입력 산출식에 상기 샘플링 값을 대입하여 연산하고, 이 연산을 기초로 하여 상기 차륜 구동용 모터의 제어 토크를 산출하는 동시에, 이 산출된 제어 토크 상당의 작동을 제어 컴퓨터로부터 상기 차륜 구동용 모터로 지령하여 동축 2륜차에 있어서의 자세를 제어하도록 한 것이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 2003-271243호 공보에는 복수의 축을 갖는 상반신 기구를 롤러 상에 적재한 커뮤니케이션 로봇이며, 상기 롤러에 설치되는 실질적으로 1개의 차축, 상기 차축 상에 간격을 두고 설치되는 2개의 차륜 및 상기 상반신 기구의 상태에 따라서 상기 차륜의 회전을 제어하는 차륜 제어 수단을 구비하는 것이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 2004-74814호 공보에는 상기 축에 배치된 좌우의 구동륜을 자세 감지 센서의 출력에 따라서 제어 구동함으로써 전후 방향의 균형의 유지를 위한 자세 제어와 주행 제어를 행하는 인간 이용식 이동 기기에 있어서, 구동륜의 전방측 또는 및 후방측에서 접지하는 보조륜과, 상기 보조륜을 출몰시키는 보조륜 구동부를 구비하고 있는 것이 개시되어 있다.

이들은 풋프린트가 좁은 동축 2륜 기구를 이용하고, 정적으로는 불안정한 도립 진자의 운동 특성을 갖는 동축 2륜 기구를 동적 자세 제어에 의해 안정적으로 기립시켜, 무게 중심의 이동에 의해 안정되면서 준민한 가감속 기동이 가능하다.

그러나, 상기 일본 특허 공개 소63-305082호 공보 및 일본 특허 공개 2003- 271243호 공보에 개시되어 있는 종래 기술은 로봇의 전진 후퇴에 관한 주행 안정성을 향상시키는 것이 가능하지만, 급선회 운동을 수반하는 준민한 주행의 안정성에 대한 배려가 이루어져 있지 않았다. 즉, 급선회시에 발생하는 원심력에 의한 측면 방향으로의 로봇의 전도, 또한 좌우의 차륜에 대한 접지력의 불균형에 의한 차륜 슬립의 발생, 이에 수반하는 도립 진자 제어의 파탄에 의한 전도(輾倒) 등의 문제에 대한 대처가 이루어져 있지 않았다.

또한, 일본 특허 공개 2004-74814호 공보에 개시되어 있는 종래 기술은 탈것으로서의 이륜 이동 기구의 기술로, 사람이 타는 새들 및 사람이 파지하는 핸들의 기구가 이동 기구에 대해 측면 방향으로 요동하는 수동적 자유도를 갖고, 이동 기구의 편륜이 장해물을 올라앉은 경우 등에 탑승하는 인간의 반사 운동에 의해 측면 방향의 자세의 안정성을 유지하기 쉽게 한 것이다. 그러나, 특허 문헌 3의 기술에서의 측면 방향의 자세 안정 수단은 인간의 반사 운동이고, 상술한 도립 2륜 주행형의 자율 이동형 로봇의 측면 방향의 자세 안정화 제어 수단이 제공되어 있다고는 말할 수 없었다.

본 발명의 목적은 급선회를 수반하는 기민한 주행 성능을 가지면서 안정된 주행이 가능하고, 풋프린트가 좁아 인간 공생 작업에 적합한 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형의 이동 기구를 구비한 이동 로봇에 있어서, 상기 이동 기구에 대해 상체를 측면 방향으로 능동적으로 요동시키는 요동 기구와, 상기 요동 기구를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심력과 중력의 합성 벡터의 연장선과 차륜 접지면과의 교점 위치를 추정하는 센싱 수단을 구비하고, 상기 센싱 수단의 추정 결과를 기초로 하여 상기 교점 위치를 좌우의 차륜 사이의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하는 구성으로 한 것에 있다.

이러한 본 발명의 보다 바람직한 구체적인 구성예는, 상기 제어 장치는 상기 교점 위치의 소정의 존재 영역을 상기 좌우의 차륜의 중앙 위치 근방을 설정하고, 이 설정된 교점 위치의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어한다.

또한, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구의 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향의 3방향의 가속도를 계측하는 가속도 센서와, 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 가속도 센서 및 상기 경사 센서의 계측 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동에 수반하여 발생하는 원심 가속도의 합력 가속도의 벡터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각을 결정한다.

상기 제어 장치는 미리 생성된 주행 궤적의 곡률 및 주행 속도의 시계열(時系列) 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 데이터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각의 시계열 데이터를 생성하고, 상기 곡률 및 주행 속도의 시계열 데이터를 기초로 하는 주행 제어와 동기하여 상기 요동 자세각의 시계열 데이터에 추종하여 요동 자세를 제어한다.

또한, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구에 마련되어 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서를 구비하고, 상기 제어 장치는 평지면 주행의 조건에서 추정한 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 데이터를 주행시에 상기 경사 센서에 의해 계측한 주행면의 로봇 측면 방향의 경사각과 주행시의 이동 기구의 진행 방향의 자세각을 기초로 하여 보정함으로써, 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동을 수반하여 발생하는 원심 가속도의 합력 가속도의 벡터를 추정하고, 이를 기초로 하여 요동 자세를 결정한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형의 이동 기구와, 상기 이동 기구에 대해 상체를 측면 방향으로 능동적으로 요동시키는 요동 기구와, 상기 요동 기구를 제어하는 제어 장치를 구비한 이동 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 제어 장치에 구비한 센싱 수단에 의해 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심력과 중력의 합성 벡터의 연장선과 차륜 접지면과의 교점 위치를 추정하고, 상기 센싱 수단의 추정 결과를 기초로 하여 상기 교점 위치를 좌우의 차륜 사이의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하도록 한 것에 있다. 또한, 상기 교점 위치의 소정의 존재 영역을 상기 좌우의 차륜의 중앙 위치 근방에 설정하고, 이 설정된 교점 위치의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어한다.

본 발명에 따르면, 도립 진자 제어에 의해 주행하는 동축 2륜 기구의 주행에 대해, 로봇의 상체를 자율적으로 요동 경사지게 함으로써 측면 방향으로의 무게 중심 이동을 행하고, 급선회에 수반하여 발생하는 원심력이나 주행면의 경사에 기인하는 측면 방향의 전도 모멘트를 억제하여 항상 안정된 주행을 실현할 수 있다. 이러한 기술에 의해 급선회를 수반하는 기민한 주행 성능을 가지면서 안정된 주행이 가능한 풋프린트가 좁아 인간 공생 작업에 적합한 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 이동 로봇 및 그 제어 방법의 일실시예를, 도면을 이용하여 설명한다.

본 실시예의 이동 로봇(1)은 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형의 이동 기구(2)를 구비하고 있고, 또한 이동 기구(2)에 대해 상체(3)를 측면 방향으로 능동적으로 요동시키고 무게 중심을 측면 방향으로 이동시키기 위한 요동 기구(10)와, 이동 로봇(1)을 제어하는 제어 장치(11)를 구비하고 있다. 또한, 제어 장치(11)는 이동 기구(2)에 탑재된 가속도 센서(9) 및 자세 방위 센서(8)의 정보를 기초로 하여 급선회 주행이나 주행면의 경사에 기인하는 이동 로봇(1)의 무게 중심에 작용하는 원심력과 중력의 합성 벡터를 추정하고, 이동 로봇의 무게 중심 위치를 기점으로 한 합성 벡터의 연장선과 차륜의 접지면과의 교점 위치(이하 ZMP : Zero Moment Point)를 좌우의 차륜(4, 5) 사이의 영역에 유지하도록 요동 자세각을 제어한다. 이와 같이 하여, 좌우의 차륜(4, 5)에 가해지는 접지 반력을 균등하게 근접함으로써 주행시의 측면 방향의 자세 안정성을 보상하는 동시에, 차륜 슬립의 저감 효과에 의해 도립 진자 제어에 의한 주행 제어의 로버스트화를 도모할 수 있다.

도1a 및 도1b를 이용하여 이동 로봇(1)의 전체 구성을 설명한다. 도1a 및 도1b는 본 실시예의 이동 로봇(1)의 전체 구성을 설명하는 정면도 및 측면도이다. 또한, 도1b에서는 한 쪽의 매니퓰레이터(13) 및 차륜(5)을 생략하여 도시하고 있다.

이동 로봇(1)은 크게 나누어 이동 기구(2)와 상체(3) 2개로 나누어진다. 이동 기구(2)는 좌우의 차륜(4, 5)과, 이들을 회전 구동하는 주행 모터(6, 7)를 구비한다. 이동 기구(2)의 상부에는 이동 기구(2)의 X, Y, Z축 방향의 가속도를 검출하는 3축의 가속도 센서(9)와, 수직 방향을 기준으로 한 자세 및 수직 방향 주위의 방위를 검출하는 자세 방위 센서(8)가 설치되어 있다. 상체(3)에는 작업용 매니퓰레이터(13), 인간에 대한 인터페이스 기능을 갖는 헤드부(14) 등의 작업 장치가 탑재되어 있다. 또한, 상체(3)에는 로봇 전체를 제어하는 제어 장치(11)가 내장되어 있고, 또한 주행 영역에 존재하는 주행 방향의 장해물의 위치 및 형상을 계측하는 장해물 센서(12)가 설치되어 있다. 이상의 구성의 이동체(2)와 상체(3)는 X축 방향에 회전 자유도를 갖는 요동 기구(10)로 결합되어 있고, 요동 기구(10)의 위치 제어에 의해 이동 기구(2)에 대한 상체(3)의 자세를 임의로 설정할 수 있다.

다음에, 도2를 이용하여 이동 로봇(1)의 제어계의 구성에 대해서 설명한다. 도2는 본 실시예의 이동 로봇의 제어계의 구성도이다. 도1 및 도2에 있어서, 동일 구성 요소에 대해서는 동일 구성 번호를 기입하고 있다.

제어 장치(11)에 포함되는 우측 속도 서보 제어 장치(19) 및 제어 장치(11)에 포함되는 좌측 속도 서보 제어 장치(20)는 주행 모터(6, 7)를 구동하고, 차륜(4, 5)을 속도 목표치(V1r, V2r)에 대해 속도 추종 제어한다. 차륜(4, 5)의 속도 (V1, V2)는 주행 모터(6, 7)에 부수되는 인코더(15, 16)로 검출되어 속도 추종 제어에 이용되는 동시에, 이동 위치 계측의 데이터로서 이용된다. 제어 장치(11)에 포함되는 위치 서보 제어 장치(21)는 요동 기구(10)의 요동 모터(17)와 부수되는 인코더(18)에 의해 상체(3)의 자세를 위치 목표치(ør)에 대해 추종 제어한다.

주행 목표 속도 생성부(27)는 자세 방위 센서(8)에 의해 계측되는 자세각(θ)과 그 각속도(ω)를 취입하고, 이동 기구(2)의 도립 진자 제어를 행한다. 여기서, 주행면에 X축 주위에 경사각(γ)의 경사, 즉 이동 로봇(1)의 측면 방향으로 경사가 있는 경우, 이동 기구(2)의 좌표의 Y'축과 Z'축은 수평면 상의 Y축 및 수직 방향인 Z축에 대해 X축 주위에 경사각(γ) 회전하고, 자세각(θ)은 Z'축을 기준으로 한 Y'축 주위의 경사각으로서 계측된다. 수직 방향인 Z축을 기준으로 한 경사각(γ)은 자세 방위 센서(8)에 의해 계측된다. 주행 목표 속도 생성부(27)에 있어서는 이동 기구(2)의 속도 목표치(Vr)와 속도(V1, V2)의 평균치로서 구한 주행 속도 사이의 편차를 계산하고, 이 편차에 게인(K0)을 곱한 값에 자세각(θ)과 각속도(ω) 각각에 게인(K1, K2)을 곱한 값을 감산하여 속도 제어 목표치를 생성한다. 이와 같이 하여 얻게 된 직진 속도의 목표치에 선회 주행에 필요로 하는 속도차 목표치(ΔV)의 반값을 가산 또 감산하여 좌우의 차륜(4, 5)의 속도 목표치(V1r, V2r)를 생성한다.

이상의 구성으로 게인(K0, K1, K2)을 적절하게 설정함으로써 자세각(θ)과 각속도(ω)를 0에 근접시키고자 하면서, 즉 상체(3)의 자세를 안정적으로 유지하면서 주행 속도를 속도 목표치(Vr)로 추종시키도록 제어계가 작용한다. 또한, 속도 차 목표치(ΔV)의 절대치를 0 이상으로 함으로써 좌우의 차륜(4, 5)의 속도차를 임의로 설정하여 임의의 선회 주행을 할 수 있다.

요동 자세각 생성부(28)에서는 이동 로봇(1)의 무게 중심에 작용하는 원심 가속도의 정보를 기초로 하여 요동 자세각의 목표치(ør)를 생성한다. 후에 상세하게 설명하지만, 요동 자세각 생성부(28)에서는 2종류의 방식으로 요동 자세각의 목표치(ør)를 생성한다.

제1 방식은 가속도 센서(9)에 의해 계측되는 이동 기구(2)의 좌표 상에서의 가속도(Ax, Ay, Az)와, 자세 방위 센서(8)로 계측되는 상체(3)의 자세각(θ)을 기초로 하여 이동 로봇(1)의 무게 중심에 작용하는 원심 가속도와 중력 가속도의 합성 벡터를 추정하고, 이를 기초로 하여 요동 자세각의 목표치(ør)를 연산한다. 이 제1 방식은 속도 목표치(Vr) 및 속도차 목표치(ΔVr)의 사전 지식이 없는 상태에서 주행 이동의 상태로 추종하여 차차 요동 자세각을 수정하는 방식으로, 이동 로봇(1)의 조종형 제어에 적합한 방식이다.

제2 방식은 미리 생성된 주행 궤적에 의해 정해진 속도 목표치(Vr) 및 속도차 목표치(ΔVr)의 시계열 데이터로부터 수평면에서의 주행을 가정한 원심 가속도를 추정하고, 이에 대해 자세 방위 센서(8)로 계측되는 상체(3)의 자세각(θ) 및 주행면의 측면 방향의 경사각에 상당하는 X축 주위의 자세각(γ)을 기초로 하여 보정 연산을 행하고, 이동 로봇(1)의 무게 중심에 작용하는 원심 가속도와 중력 가속도의 합성 벡터를 추정하고, 이를 기초로 하여 요동 자세각의 목표치(ør)를 연산한다. 이 제2 방식은 원심 가속도를 계획 데이터로 추정할 수 있다. 이로 인해, 주행 궤적의 계획 단계에서 요동 자세의 제어 한계에 무리가 가지 않는 범위의 주행 조건을 결정할 수 있다. 미리 주행 환경을 파악하여 주행 개시전에 주행 계획을 세우는 것이 가능한 자율 주행에 적합한 방식이다.

이상에 서술한 제어계의 상위의 제어 부위로서 주행 궤적 생성부(26)가 있다. 주행 궤적 생성부(26)는 주행 영역에 존재하는 이동 로봇(1)의 현재 위치 및 장해물의 위치 형상을 기록한 이동 지도 데이터 베이스(25)의 정보를 기초로 하고, 장해물을 회피하여 이동 목표 위치 생성부(22)에서 설정된 이동 도달 위치를 향하여 최단 거리 혹은 최단 시간에 주행하는 것이 가능한 주행 궤적을 생성한다. 또한, 결정한 주행 궤적으로부터 속도 목표치(Vr) 및 속도차 목표치(ΔVr)의 시계열 데이터를 주행 목표 속도 생성부(27) 및 요동 자세각 생성부(28)에 부여하여 주행 제어한다.

이동 지도 데이터 베이스(25) 상에 기록되는 이동 로봇(1)의 현재 위치 및 방위는 위치 방위 추정부(24)에서 생성된다. 위치 방위 추정부(24)에서는 주행 목표 속도 생성부(27)에서 얻은 주행 속도(V)와, 자세 방위 센서(8)로 검출한 방위(ξ)의 데이터를 기초로 하여 이동 로봇(1)의 현재 위치를 적산 추정한다. 또한, 장해물 센서(12)에 의해 주행 영역 내에 존재하는 위치 동정용의 지표의 위치 및 방위를 계측함으로써, 이동 로봇(1)의 정밀도가 높은 현재 위치 및 방위를 추정하여 정기적으로 적산 추정 위치 및 방향의 오차를 교정한다.

또한, 이동 지도 데이터 베이스(25) 상에 기록되는 장해물의 위치 형상은 이동 지도 생성부(23)에서 생성된다. 이동 지도 생성부(23)에서는 장해물 센서(12) 에 의해 검출한 장해물의 거리 정보에 의해 주행 영역 내에 존재하는 장해물을 특정하고, 그 존재 영역의 위치 형상을 추정한다.

다음에, 이동 로봇(1)의 도립 진자 제어를 기초로 하는 주행 운동에 관해 도3을 이용하여 설명한다. 도3은 이동 로봇(1)을 경사각(Ψ)의 주행면에서 정상 주행한 상태를 도시하고 있다. 여기서, 간단하게 하기 위해 주행면의 X축 주위의 경사(γ)는 0으로 하고 있다.

차륜(4, 5)에 연결하는 회전 부위의 무게 중심(29) 및 그 밖의 부위를 집적한 무게 중심(30)의 2개 부위에 기구를 간략화한 모델로 동적 특성을 평가한다. 무게 중심(29)에는 질량(m0)이 집중하여, 이를 회전 중심으로 하여 관성 모멘트(J0)가 존재하고, 무게 중심(30)에는 질량(m1)이 집중하여, 이를 회전 중심으로 하여 관성 모멘트(J1)가 존재하는 것으로 가정하고, 무게 중심(29, 30) 사이의 거리를 L, 차륜(4, 5)의 반경을 R로 한다. 또한, 수직 방향을 기준으로 하여 차륜(4, 5)의 회전각을 β, 이동 로봇(1)의 경사 자세각을 θ로 한다. 무게 중심(29)의 위치를 (x0, z0), 무게 중심(30)의 위치를 (x1, z1)로 하면, 이들은 [수 1]식, [수 2]식으로 정식화되고, 이로부터 이동 로봇(1)의 운동 에너지(J) 및 위치 에너지(U)는 [수 3]식, [수 4]식으로서 구해지고, 이를 기초로 하여 라그랑지 방정식으로부터 이동 로봇(1)의 운동 방정식은 [수 5]식과 같이 얻을 수 있다.

[수 1]

[수 2]

[수 3]

[수 4]

[수 5]

여기서, τ는 주행 구동 토크, Fs는 주행 저항이다.

[수 5]식에 나타내는 운동 방정식으로부터 도3에 도시하는 정상 주행 상태의 성립 조건을 검토해 본다. 정상 주행 상태에서는 이동 로봇(1)의 자세가 안정되어 정지하므로 θ', θ"가 0이 된다. 이 조건을 넣어 [수 5]식을 정리하여 [수 6]식을 얻는다. 또한, 주행면에 평행한 추진 가속도를 A로 한 경우, [수 7]식의 관계를 얻는다. 이를 넣어 [수 6]식을 정리하여 정상 주행 상태의 자세각(θ)은 [수 8]식에서 얻을 수 있다.

[수 6]

[수 7]

[수 8]

[수 8]식에 나타낸 바와 같이, 정상 주행 상태는 자세각(θ)의 경사에 의해 발생하는 중력 토크와, 주행면을 병진 가속하기 위한 관성 반력과 주행 경사면의 경사에서 머무르기 위한 중력에 대한 항력 및 주행 저항의 합계에 기인하는 구동 토크가 평형을 이룬 형태로 계속한다. 따라서, 전진 가속이나 경사면을 등판할 때에는 전방 기울기 자세로 주행하고, 평지면에서의 정속 주행에서도 주행 저항에 저항하여 약간 전방 기울기 자세로 주행을 행한다. 감속에 대해서는 반대로 후퇴 방향으로 쓰러져 브레이크를 건다.

다음에, 도4를 이용하여 요동 기구(10)에 의한 측면 방향 자세의 안정성 확보의 동작에 대해 설명한다. 도4는 자세각 θ ＝ 0인 경우에 이동 로봇(1)을 정면으로부터 본 것이다.

이동 로봇(1) 전체의 무게 중심(31)이 이동 로봇(1)의 정중선(正中線) 상의 요동 기구(10)의 회전 중심으로부터 Ls의 위치에 존재한다고 가정한다. 또한, 무게 중심(31)으로 작용하는 원심 가속도 벡터(Ac)와 중력 가속도 벡터(G)의 합성 벡터(A)를 이동 기구(2)의 좌표계(X', Y', Z') 상의 X' Y'평면과 X' Z'평면에 투영 분해한 가속도 벡터를 Ay, Azx로 한다. 여기서, 부호 Ay는 가속도 센서(9)로 직접 계측할 수 있다. 또한, 부호 Azx는 [수 9]식에서 가속도 센서(9)로 계측되는 Ax, Az와 자세 방위 센서(8)에 의해 계측되는 자세각(θ)을 기초로 하여 산출할 수 있다.

[수 9]

가속도(Ay, Azx)의 합성 벡터(A)의 연장선(32)과 주행면(33)의 교점이 ZMP(34)가 된다. 여기서, 이동 기구(2)의 중심 위치에 대한 ZMP(34)의 위치를 δ로 한다. 또한, 차륜(4, 5) 사이의 거리를 B로 한다. ZMP(34)는 이 위치에서의 X축 주위의 회전 모멘트가 0이 되는 점이고, ZMP(34)가 차륜(4) 혹은 차륜(5)의 외측에 존재하는 경우, 즉 δ ＜ ―B/2 혹은 B/2 ＜ δ인 경우, 이동 로봇(1)은 ZMP(34)가 존재하는 방향으로 전도된다. 따라서, 이동 로봇(1)의 자세를 안정적으로 유지하기 위해서는 ZMP(34)를 차륜(4, 5) 사이의 영역에 유지, 즉 ―B/2 ≤ δ ≤ B/2로 할 필요가 있다. 또한, 도립 진자 제어를 안정적으로 행하기 위해서는 차륜(4, 5)의 슬립을 가능한 한 저감시킬 필요가 있다. 급선회에 수반하여 차륜(4, 5)의 접지 반력의 균형이 현저하게 무너진 경우, 접지 반력이 작은 쪽의 편륜의 슬립이 증가하여 도립 진자 제어의 안정성이 열화되는 동시에, 불확정한 선회 운동이 발생할 가능성이 있어 바람직하지 않다. 이로 인해, 선회시에 있어서도 차륜(4, 5)의 접지 반력(Fr, F1)을 균등하게 근접하는 형태로 유지할 필요가 있고, 가능한 한 δ를 0으로 유지할 필요가 있다. 그래서, 요동 기구(10)에 의해 요동각(ø)만큼 상체(3)를 경사지게 하여 무게 중심(31)의 위치를 시프트함으로써 ―B/2 ≤ δ ≤ B/2의 조건을 성립시켜 δ를 0에 더 근접하게 한다. [수 10]식에 δ의 도출식을 나타낸다. 여기서는, 도4에서는 생략한 자세각(θ)에 의한 이동 로봇(1) 전체의 전방 기울기에 수반하는 기하학 조건을 고려하고 있다. 또한, [수 10]식으로부터 요동각(ø)을 산출하는 [수 11]식이 유도된다.

[수 10]

[수 11]

도2에 도시한 요동 자세각 생성부(28)에서는 [수 9]식 및 [수 11]식에 의해 요동각 목표치(ør)를 산출하고 있다. 앞에 서술한 요동각 목표치(ør)를 생성하기 위한 제1 방식은 상술한 [수 9]식에 의해 가속도 센서(9)의 실시간 정보로부터 곧 요동각 목표치(ør)를 결정하는 방식이다.

다음에, 제2 방식의 구체적인 실시 방법에 대해 설명한다. 도5는 주행 궤적 생성부(26)에 있어서의 주행 궤적(40)의 생성 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 이동 지도(35)에는 장해물(38, 39)의 존재 영역이 기록되어 있다. 또한, 위치 방위 추정부(24)의 정보로부터 주행 개시점(Ps36)을 정한다. 주행 개시점(Ps36)에는 현재 위치 및 현재 방위의 정보가 포함되어 있다. 마찬가지로 하여, 이동 목표 위치 생성부(22)로부터의 정보로부터 목표 이동점(Pg37)을 정한다. 목표 이동점(Pg37)에는 도착 위치 및 도착시 방위의 정보가 포함되어 있다. 이러한 전제에서, 주행 개시점(Ps36)으로부터 목표 이동점(Pg37)까지의 주행 궤적(40)을 장해물(38, 39)과 이동 로봇(1)의 충돌 회피, 최단 이동 시간, 최단 이동 거리 등의 목표 규범에 수반하여 결정한다.

주행 궤적(40)의 생성 수법으로서는 원호 궤적과 직선 궤적의 조합에 의한 방법이나 베지어 곡선, 2차 B-스플라인 곡선 등의 다항식 곡선에 의한 생성 등의 수법을 선택할 수 있다. 우선, 장해물(38, 39)을 회피 가능한 곡선 형상을 구하고, 다음에 주행 궤적(40)을 이동할 때의 주행 속도의 추이를 결정한다. 예를 들어, 간단한 규범으로서는 전체 주행 공정을 일정 속도로 이동하는 결정을 행한다. 혹은, 곡률이 커 주행시의 원심력이 과대해지는 경우에는 적절한 감속 패턴을 설정한다. 또한, 주행 개시시의 가속 및 주행 종료시의 감속의 패턴의 설정 등을 행한다. 이와 같은 과정을 경유하여 위치의 시간 함수로서 주행 궤적(40)을 결정한다. 이에 의해, 주행 궤적의 시계열 데이터[P(t)(41)]가 결정된다. 시계열 데이터[P(t)(41)]는 결정된 위치 데이터[x(t), y(t)]를 기초로 하여 [수 12]식에 나타낸 산정식으로부터 속도 V(T), 주행 방위 ξ(t), 주행 궤적의 곡률(κ)(t)을 계산하여 얻을 수 있다.

[수 12]

주행 목표 속도 생성부(27)에는 속도차(ΔV)에서 조타 제어 목표를 부여한다. 여기서, 속도차(ΔV)는 이하에 서술하는 바와 같이 곡률(κ)(t)과 속도 V(T)의 함수로서 계산된다.

도6은 이륜 주행에 의한 선회 운동의 모델이다. 여기서, 차륜(4, 5)에 일정한 속도차가 있는 경우, 일정한 곡률(κ)로 원호 선회를 행한다. 차륜(4, 5)의 속도를 V1, V2, 속도차를 ΔV, 평균 속도를 V로 한 경우, 곡률(κ)과 평균 속도(V)로부터의 속도차(ΔV)의 도출은 [수 13]식, [수 14]식, [수 15]식의 전개로부터 [수 16]식과 같이 정식화할 수 있다.

[수 13]

[수 14]

[수 15]

[수 16]

또한, 요동 자세각 생성부(28)에서의 가속도(Ay, Axz)는 수평면에서의 선회 주행시의 원심 가속도(Ac)를 [수 17]식으로부터 구하고, 또한 자세 방위 센서(8)에 의해 계측된 주행면의 경사각(γ)을 기초로 하여 [수 18]식에서 산출한다.

[수 17]

[수 18]

이상 서술한 바와 같이, 제2 방식에서는 주행 궤적 생성부(26)에서 생성한 주행 궤적(40)의 시계열 데이터[P(t)41]로부터 속도 목표치(Vr) 및 속도차 목표치(ΔVr)를 도출하고, [수 17]식 및 [수 18]식에 의해 가속도(Ay, Axz)를 추정하여 전술한 [수 11]식에 의해 요동각 목표치(ør)를 산출한다.

도7에 요동각(ø)의 생성 과정의 예를 나타낸다. 주행 궤적(40) 상에 나타내는 동그라미는 궤적 통과 등 시간마다의 위치를 나타낸다. 본 예에서는 급커브 에서의 속도(V)를 억제하는 패턴을 형성하고 있다. 곡률(κ)의 피크치가 과대한 경우에는 속도(V)를 저감시킨다. 원심 가속도(Ac)는, 상술한 바와 같이 속도(V)와 곡률(κ)로부터 [수 17]식에 의해 추정된다. 요동각(ø)은 [수 11]식에 의해 계산되지만, 본 예에서는 δ = 0, 즉 좌우의 차륜의 중간 위치에 ZMP를 위치 결정하고, 좌우의 차륜의 접지 반력을 균등하게 하는 것을 목표로 제어하고 있다. 도7에 도시한 바와 같이, [수 11]식에 의해 계산되는 요동각(ø)이 요동 기구(10)의 요동각 제어 범위(―ø 최대 ＜ ø ＜ ø 최대)를 넘는 경우에는 최대 요동각의 상태에서 ―B/2 ≤ δ ≤ B/2의 안정성 보증 범위 내에서 주행하는 것으로 하고 있다. 또한, 제2 방식에서는 주행 전에 주행 궤적(40)의 시계열 패턴을 임의로 설정 가능하므로, 요동각(ø)이 요동각 제어범위 내로 억제되도록 주행 궤적(40)을 재계획하는 것도 가능하다.

본 실시예에 따르면, 도립 진자 제어에 의해 주행하는 이동 기구의 주행 속도 및 좌우 차륜의 속도차에 따라서 생기는 이동 로봇(1)에 관한 원심 가속도를 추정할 수 있다. 또한 추정한 원심 가속도와, 자세 방위 센서(8) 및 가속도 센서(9)에 의해 검출된 주행면의 경사에 의해 생기는 측면 방향에 대한 중력 가속도 성분의 값을 기초로 하여 주행면에 투영된 ZMP의 위치를 추정할 수 있다. 또한, ZMP를 좌우의 차륜 사이의 영역에 위치하도록 요동 기구(4)에 의해 이동 로봇의 무게 중심을 측면 방향으로 이동함으로써 선회 주행에 수반하여 생기는 원심력 및 주행면의 경사에 저항하고, 측면 방향으로의 전도를 방지하여 안정된 주행을 실현할 수 있다. 또한, ZMP를 좌우의 차륜(4, 5) 사이의 중앙 위치 부근에 위치하도록 요동 기구(4)의 요동각을 제어함으로써 좌우의 차륜(4, 5)의 접지 반력을 균등하게 근접하게 할 수 있고, 차륜(4, 5)의 슬립의 저감 효과에 의해 도립 진자 제어에 의한 주행의 신뢰성을 올릴 수 있다.

본 발명은 급선회를 수반하는 기민한 주행 성능을 가지면서 안정된 주행이 가능하고, 풋프린트가 좁아 인간 공생 작업에 적합한 이동 로봇 및 그 제어 방법을 제공할 수 있다.

Claims

좌우에 차륜(4,5)을 구비한 동축 2륜형의 이동 기구(2)와, 이 이동 기구(2)의 상부에 접속한 상체(3)를 갖는 이동 로봇(1)에 있어서, 상기 이동 기구(2)에 대해 상기 상체(3)를 측면 방향으로 요동시키는 요동 기구(10)와, 이 요동 기구(10)를 제어하는 제어 장치(11)를 설치하고, 상기 이동 기구(2)는 도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력이 제어되고, 상기 제어 장치(11)는 이 이동 로봇(1)이 직진시에 상기 상체가 소정치보다도 경사졌을 때에 상체(3)를 복원시키도록 상기 요동 기구(10)를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치(11)는, 이 이동 로봇(1)이 선회 운동할 때에는 이동 로봇(1)의 무게 중심에 작용하는 힘의 방향이 차륜(4,5) 사이에 위치하도록 상기 요동 기구(10)를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형의 이동 기구(2)를 구비한 이동 로봇(1)에 있어서,

상기 이동 기구(2)에 대해 상체(3)를 측면 방향으로 능동적으로 요동시키는 요동 기구(10)와, 상기 요동 기구(10)를 제어하는 제어 장치(11)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)는 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심력과 중력의 합성 벡터의 연장선과 차륜 접지면과의 교점 위치를 추정하는 센싱 수단을 구비하고, 상기 센싱 수단의 추정 결과를 기초로 하여 상기 교점 위치를 좌우의 차륜(4,5) 사이의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제3항에 있어서, 상기 제어 장치(11)는 상기 교점 위치의 소정의 존재 영역을 상기 좌우의 차륜(4,5)의 중앙 위치 근방을 설정하고, 이 설정된 교점 위치의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제3항에 있어서, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구의 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향의 3방향의 가속도를 계측하는 가속도 센서(9)와, 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서(8)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)는 상기 가속도 센서(9) 및 상기 경사 센서(8)의 계측 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동에 수반하여 발생하는 원심 가속도와의 합력 가속도의 벡터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각을 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제4항에 있어서, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구의 전후 방향, 좌우 방향 및 상하 방향의 3방향의 가속도를 계측하는 가속도 센서(9)와, 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서(8)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)는 상기 가속도 센서(9) 및 상기 경사 센서(8)의 계측 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동에 수반하여 발생하는 원심 가속도와의 합력 가속도의 벡터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각을 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제3항에 있어서, 상기 제어 장치(11)는 미리 생성된 주행 궤적의 곡률 및 주행 속도의 시계열 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 데이터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각의 시계열 데이터를 생성하고, 상기 곡률 및 주행 속도의 시계열 데이터를 기초로 하는 주행 제어와 동기하여 상기 요동 자세각의 시계열 데이터에 추종하여 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제4항에 있어서, 상기 제어 장치(11)는 미리 생성된 주행 궤적의 곡률 및 주행 속도의 시계열 데이터를 기초로 하여 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 데이터를 추정하고, 이 추정 결과를 기초로 하여 요동 자세각의 시계열 데이터를 생성하고, 상기 곡률 및 주행 속도의 시계열 데이터를 기초로 하는 주행 제어와 동기하여 상기 요동 자세각의 시계열 데이터에 추종하여 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제7항에 있어서, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구에 설치되어 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서(8)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)는 평지면 주행의 조건에서 추정한 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 데이터를 주행시에 상기 경사 센서(8)에 의해 계측한 주행면의 로봇 측면 방향의 경사각과 주행시의 이동 기구의 진행 방향의 자세각을 기초로 하여 보정함으로써, 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동을 수반하여 발생하는 원심 가속도의 합력 가속도와의 벡터를 추정하고, 이를 기초로 하여 요동 자세를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
제8항에 있어서, 상기 센싱 수단은 상기 이동 기구에 설치되어 수직 방향에 대한 상기 이동 기구의 자세를 계측하는 경사 센서(8)를 구비하고, 상기 제어 장치(11)는 평지면 주행의 조건에서 추정한 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심 가속도의 시계열 테이터를, 주행시에 상기 경사 센서에 의해 계측된 주행면의 로봇 측면 방향의 경사각과 주행시의 이동 기구의 진행 방향의 자세각을 기초로 하여 보정함으로써, 로봇 무게 중심으로 작용하는 중력 가속도와 로봇 선회 운동에 수반하여 발생하는 원심 가속도의 합력 가속도의 벡터를 추정하고, 이를 기초로 하여 요동 자세를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
도립 진자 제어에 의해 전방 추진 방향의 추력을 제어하는 동축 2륜형의 이동 기구(2)와, 상기 이동 기구(2)에 대해 상체(3)를 측면 방향으로 능동적으로 요동시키는 요동 기구(10)와, 상기 요동 기구(10)를 제어하는 제어 장치(11)를 구비한 이동 로봇(1)의 제어 방법에 있어서,

상기 제어 장치(11)에 구비한 센싱 수단에 의해 로봇 무게 중심으로 작용하는 원심력과 중력의 합성 벡터의 연장선과 차륜 접지면의 교점 위치를 추정하고, 상기 센싱 수단의 추정 결과를 기초로 하여 상기 교점 위치를 좌우의 차륜(4,5) 사이의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
제9항에 기재된 이동 로봇(1)의 제어 방법에 있어서, 상기 교점 위치의 소정의 존재 영역을 상기 좌우의 차륜(4,5)의 중앙 위치 근방을 설정하고, 이 설정된 교점 위치의 소정의 존재 영역에 유지하도록 요동 자세를 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.