WO2008096500A1 - 移動体及び移動体の制御方法 - Google Patents

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WO2008096500A1
WO2008096500A1 PCT/JP2007/073739 JP2007073739W WO2008096500A1 WO 2008096500 A1 WO2008096500 A1 WO 2008096500A1 JP 2007073739 W JP2007073739 W JP 2007073739W WO 2008096500 A1 WO2008096500 A1 WO 2008096500A1
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WO
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slip
moving body
turning
occurrence
rotating
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Application number
PCT/JP2007/073739
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French (fr)
Inventor
Issei Nakashima
Toshio Fuwa
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • B62K11/007—Automatic balancing machines with single main ground engaging wheel or coaxial wheels supporting a rider
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    • A61G5/00—Chairs or personal conveyances specially adapted for patients or disabled persons, e.g. wheelchairs
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
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    • G05D1/0891—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles
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    • A63C17/08—Roller skates; Skate-boards with wheels arranged otherwise than in two pairs single-track type single-wheel type with single axis
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    • A63C—SKATES; SKIS; ROLLER SKATES; DESIGN OR LAYOUT OF COURTS, RINKS OR THE LIKE
    • A63C17/00—Roller skates; Skate-boards
    • A63C17/12—Roller skates; Skate-boards with driving mechanisms

Definitions

  • the present invention relates to a moving body that travels by two or more bright rotating bodies that are driven to rotate.
  • a moving body that travels by two or more bright rotating bodies that are driven to rotate.
  • the present invention relates to an inverted pendulum type moving body that performs inversion stabilization control and longitudinal traveling control.
  • an inverted pendulum type moving body has a vehicle body and two or more rotating bodies (wheels, etc.) connected to the vehicle body, and the vehicle body and the rotating body can be tilted in the longitudinal direction of the moving body.
  • the center of gravity of the vehicle body or the total mass of the total mass of objects such as passengers supported on the vehicle body is located above the rotational center position of the rotating body, that is, the vehicle body.
  • Such an inverted pendulum type moving body is disclosed in Patent Documents 1 and 2, for example.
  • the device disclosed in Patent Document 1 is an inverted pendulum type moving body having two or more wheels and a vehicle body supported by these wheels. Further, the vehicle body has a pair of boarding decks that extend in a traveling direction perpendicular to the axle direction connecting the centers of two or more wheels, and on which the left and right feet of the passenger are individually placed. In addition, the picks on the pair of boarding decks The traveling control of the moving body is performed according to the detection result of the tilt angle in the hull direction (around the axle) and the tilt angle in the roll direction (around the front and rear axes of the moving body parallel to the traveling direction).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 6-1 3 8 4
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 6-1 3 6 9 6 2 Disclosure of Invention
  • Patent Document 2 mentioned above is based on the tilt of the roll direction of the robot body (vehicle body). Although it is disclosed that the occurrence of slip can be suppressed by turning the center of gravity and traveling on an inclined road surface, a mechanism for detecting the occurrence of wheel slip and a mechanism for eliminating slip according to slip detection are disclosed. Not disclosed.
  • the present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and a movable body and a movable body capable of executing processing for eliminating slip by detecting occurrence of slip between the rotating body and the road surface. It is an object to provide a control method. Means for solving the problem
  • the moving body according to the first aspect of the present invention is a moving body comprising first and second rotating bodies that are in contact with a road surface, and a vehicle body supported by the first and second rotating bodies,
  • the first and second rotating bodies are configured such that a straight line connecting a contact point where the first rotating body and the road surface are in contact with a contact point where the second rotating body and the road surface are in contact with respect to the longitudinal direction of the moving body. And are driven to rotate in the front-rear direction of the movable body.
  • the moving body detects a physical quantity indicating a rotation state of the first and second rotating bodies, and outputs a signal corresponding to the detected magnitude of the physical quantity;
  • a rotation sensor that detects a physical quantity indicating a turning state of the moving body on a road surface in contact with a second rotating body and outputs a signal corresponding to the detected magnitude of the physical quantity;
  • the rotation sensor A calculation unit that calculates a predicted value of a turning parameter that represents a turning amount of the moving body, and an actual value of the turning parameter obtained by inputting the output signal of the turning sensor and the prediction.
  • a slip detection unit that detects the occurrence of slip of the first or second rotating body by comparing the values. With such a configuration, it is possible to detect the occurrence of slip of the moving body, and it is possible to execute control for eliminating slip according to the slip detection. [0 0 0 9]
  • the rotation speed, rotation direction, rotation angle, rotation angular velocity, rotation angle acceleration, and the like of the first and second rotating bodies are appropriately used.
  • the encoders 17 L and R correspond to the rotation sensor in the first aspect of the present invention
  • the physical quantity representing the rotation state is the rotation of the wheels 10 L and R. Angles 0 L and e R.
  • the number of turns, the turning direction, the turning angle, the turning angular velocity, the turning angular acceleration, and the like are appropriately used as physical quantities representing the turning state detected by the turning sensor.
  • the rate gyro 18 corresponds to the turning sensor in the first aspect of the present invention, and the physical quantity representing the turning state is the turning angular velocity ⁇ ⁇ of the moving body 1.
  • the moving body according to the second aspect of the present invention is the moving body according to the first aspect of the present invention, wherein the turning parameter is a turning angle of the moving body about a virtual axis perpendicular to the road surface, or It is a turning angular velocity.
  • the moving body according to a third aspect of the present invention is the moving body according to the first aspect of the present invention, wherein the rotation sensor is configured to rotate the rotation amount, the rotation angle, or the rotation of each of the first and second rotating bodies.
  • This is an encoder that detects the position.
  • the mobile body according to the fourth aspect of the present invention is the mobile body according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the first mobile station according to the first aspect of the present invention is configured to detect the occurrence of slip by the slip detector. And a control unit for controlling the posture of the vehicle body so that a dynamic frictional force between the rotating body in which slip generation is detected in the second rotating body and the road surface is increased. Such a configuration makes it possible to eliminate slipping. [0 0 1 3]
  • the mobile body according to the fifth aspect of the present invention is the mobile body according to the fourth aspect of the present invention, wherein the control amount of the posture of the vehicle body is the magnitude of the difference between the actual measured value and the predicted value of the turning parameter. It is decided according to. With such a configuration, the vehicle body posture can be appropriately controlled according to the degree of slip.
  • a mobile body according to a sixth aspect of the present invention is the mobile body according to any one of the first to third aspects of the present invention, wherein the first mobile station according to the first aspect of the present invention is configured to detect the occurrence of slip by the slip detector. And a controller for changing a load ratio with respect to the second rotating body. With such a configuration, it is possible to increase the dynamic frictional force between the rotating body where the slip has occurred and the road surface, and it is possible to eliminate the slip angle.
  • a moving body according to a seventh aspect of the present invention is the moving body according to the sixth aspect of the present invention, wherein the first and second rotating bodies are capable of moving in a vertical direction relative to the vehicle body.
  • the rotating body attached to the vehicle body, and further moving the rotating body in which the occurrence of slipping is detected, of the first and second rotating bodies, in response to detection of the occurrence of slip by the control unit force and the slip detection unit.
  • the movable body according to the eighth aspect of the present invention is the movable body according to the seventh aspect of the present invention, wherein the amount of movement of the rotational body in which slip occurrence is detected among the first and second rotational bodies is determined. It is determined according to the magnitude of the difference between the actual measured value and the predicted value of the turning parameter. With this configuration, load ratio change control It can be appropriately performed according to the degree of slip.
  • the mobile body according to a ninth aspect of the present invention is the mobile body according to the sixth aspect of the present invention, wherein the control unit determines the center of gravity of the vehicle body according to the detection of the occurrence of slip by the slip detection unit.
  • the posture of the vehicle body is changed so as to be close to the rotating body in which the occurrence of slip is detected among the first and second rotating bodies.
  • the moving body according to the tenth aspect of the present invention is the moving body according to the fourth or sixth aspect of the present invention, further comprising a drive unit that drives the first and second rotating bodies.
  • the control unit further applies a driving force by the driving unit to the rotating body in which the occurrence of slip is detected among the first and second rotating bodies in response to the detection of the occurrence of slip by the slip detecting unit. It will be stopped. With such a configuration, the slip state can be quickly eliminated.
  • a method includes first and second rotating bodies in contact with a road surface, and a vehicle body supported by the first and second rotating bodies, and the first and second rotating bodies.
  • a straight line connecting the contact point where the first rotary body and the road surface are in contact with the contact point where the second rotary body and the road surface are in contact is non-parallel to the front-rear direction of the movable body.
  • a moving body control method that is rotationally driven in the front-rear direction of the moving body.
  • the control method represents the turning amount of the moving body using the output signal of the rotating sensor that detects the physical quantity indicating the rotation state of the first and second rotating bodies.
  • the method according to the first aspect of the present invention is the method according to the first aspect of the present invention, wherein the occurrence of slip of the first or second rotating body is detected. Furthermore, the application of the driving force to the rotating body in which the occurrence of slip is detected among the first and second rotating bodies is stopped. As a result, the slip state can be quickly eliminated.
  • the invention's effect is the method according to the first aspect of the present invention, wherein the occurrence of slip of the first or second rotating body is detected. Furthermore, the application of the driving force to the rotating body in which the occurrence of slip is detected among the first and second rotating bodies is stopped. As a result, the slip state can be quickly eliminated.
  • FIG. 1A is a side view showing the appearance of a moving object according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a front view showing the appearance of the moving body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a control system for a moving body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of slip detection.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining control of the vehicle body for suppressing slip in the moving body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the control of the vehicle body for suppressing the slip in the moving body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a slip detection process in the moving object according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a view for explaining control of the vehicle body for suppressing slip in the moving body according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining the control of the vehicle body for suppressing the slip in the moving body according to the embodiment of the present invention. Explanation of symbols
  • the inverted pendulum type moving body 1 (hereinafter simply referred to as the moving body 1) according to the present embodiment is a moving body that can travel according to the operation of the passenger.
  • FIGS. 1A and 1B show the appearance of the moving body 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 1A is a side view of the moving body 1
  • FIG. 1B is a front view of the moving body 1.
  • the internal structure of the vehicle body 11 is shown in FIGS. 1A and 1B as appropriate.
  • left and right wheels 10 L and R are provided at the lower part of the moving body 1.
  • the straight line connecting the contact point between the wheel 10 0 L and the road surface and the contact point between the wheel 10 0 R and the road surface is the longitudinal direction of the moving body 1.
  • the moving body 1 is driven to rotate in the front-rear direction. More specifically, in the present embodiment, the straight line connecting the two contact points is perpendicular to the front-rear direction of the moving body 1.
  • the vehicle body 11 can swing in the front-rear direction (pitch direction) of the mobile body 1 around the left and right axes of the mobile body 1.
  • Car body 1 1 is seat 1 2, control stick 1 3, computer 1 4, motor 1 5 L and R, motor driver 1 6 L and R, encoder 1 7 L and R, rate gyro 1 8, battery 1 9 and It has a body frame 20.
  • the control stick 1 3 accepts an operation input by the passenger seated in the seat 12 and outputs an operation amount signal corresponding to the operation amount of the control stick 1 3 by the passenger.
  • the computer 14 executes control so that the moving body 1 can travel according to the operation of the control stick 1 3 by the passenger while the vehicle body 1 1 is inverted. More specifically, the computer 14 is, for example, from the speed target value or acceleration target value of the moving body 1 associated with the magnitude of the operation amount of the control stick 1 3 and the vertical direction of the vehicle body 1 1. The target value of the change rate of the inclination angle (inclination angular velocity) is calculated, and the inversion stabilization control and the traveling control are executed with these target values as the control target values.
  • the computer 14 detects the occurrence of slip between the wheels 10 L and R and the road surface in contact with them, and executes control for eliminating the slip condition. The details of control for slip detection and slip cancellation will be described later.
  • Motors 15 L and R are connected to wheels 10 L and R, respectively.
  • the motor drivers 16 L and R drive the motors 15 L and R according to the torque command values ⁇ L and, respectively, output from the computer 14.
  • Mobile 1 When the wheels 10 L and R are driven by the motors 15 L and R, the vehicle 1 can travel in the front-rear direction.
  • the motor 15 and the extension 1 are attached to the vehicle frame 20 so as to be movable in the vertical direction of the vehicle body 11.
  • a ball screw drive type linear motion guide (not shown) is used to mount the motor 15 L and R to the body frame 20 May be.
  • the relative position between the body frame 20 and the motors 15 L and R may be changed by rotationally driving the screw shaft or nut of the linear guide.
  • Encoder 1 7 L and R the rotation angle of the motor 1 5 L and R, that is, a sensor for measuring the wheel 1 0 rotation angle of the L and R 0 L and theta kappa.
  • Encoder 1 7 By calculating the rotation angle per unit time of wheels 10 L and R using the outputs of 7 L and R, the rotation angular speeds of wheels 10 L and R (0 L and (o R are obtained).
  • the rotational angular velocities of wheels 10 L and R ot) L and 0) R the radius R of wheels 10 L and R, and the distance La between wheels 10 L and R are used.
  • the predicted value ⁇ ⁇ of the turning angular velocity of the moving body 1 around the virtual axis perpendicular to the road surface with which the moving body 1 is in contact can be calculated.
  • the rate gyro 18 is a sensor that measures the turning state of the moving body 1 on the road surface.
  • the rate by the resulting angular velocity by the gyro 1 8 found omega Micromax of the turning angular velocity of the moving body 1 about an axis perpendicular to the road surface on which the moving body 1 is in contact is obtained, et al. [0 0 3 4]
  • FIG. 2 shows a control system of the moving body 1 related to the control for detecting and suppressing slip of the wheels 10 L and R.
  • the predicted value calculation unit 1 0 1 inputs the rotation angles e L and e R of the wheels 1 0 L and R measured by the encoders 1 7 L and R, and predicts the turning angular velocity of the moving body 1. Calculate the value ⁇ ⁇ .
  • FIG. 3 is a plan view of the wheels 10 L and R of the moving body 1 as viewed from above. Further, in (1), R represents therefore c is the radius of the wheel 1 0 L and R, the predicted value omega [rho of the turning angular velocity of the moving body 1 can be calculated by the following equation (2).
  • Stabilization / travel controller 1 0 3 is a control unit that performs the inversion stabilization control and the travel control of the moving body 1. Specifically, the target speed or target speed determined according to the amount of operation of the control stick 1 3 or the inclination angular speed of the vehicle body 11 is used as a control target value so that these control deviations approach zero.
  • Motor driver 1 6 Calculate torque command value T l and L for L and R.
  • the stabilization / travel controller 10 3 performs control for eliminating the slip state when the slip detection unit 10 2 detects the occurrence of slip of the wheel 10 L or R. Execute. More specifically, in the present embodiment, as the wheel moving mechanism 104, the linear motion guides 10 07 L and 1 that support the motors 15 L and R, the linear motion guides 10 07 L and The moving body 1 is provided with motors 105 L and R for rotating the screw shaft or nut of R and encoders 10 6 L and R for measuring the rotation amounts of the motors 105 L and R. Then, the stability controller 10 3 outputs the torque command value to the motors 10 5 L and R, and tilts the vehicle body 11 by the vertical difference of the mounting positions of the wheels 10 L and R. Then, change the load ratio for the wheels 10 L and R. Since the absolute value of ⁇ indicates the degree of slipping, the degree of change of the load ratio for the wheels 10 L and R may be determined according to the size of ⁇ .
  • the stabilization / travel controller 10 3 generates a slip of the wheels 10 L and R in response to the detection of the occurrence of slip by the slip detector 1 0 2.
  • the torque command value for the wheel is zero.
  • FIG. 4A shows a state in which the left and right wheels 1 OL and R are mounted at the same height with respect to the vehicle body 11. In such a state, the loads on the wheels 10 L and R are equal. For this reason, the magnitudes of the vertical resistances F L and F R from the road surface to the wheels 10 L and R are theoretically equal.
  • the mounting position of the wheel 10L may be moved to a position relatively higher than the wheel 1OR.
  • the vehicle body 11 tilts toward the wheel 10L, and the load on the wheel 10L increases. That is, the vertical drag F L from the road surface to the wheel 10 L increases, and the dynamic friction force between the wheel 1 OL and the road surface increases. For this reason, the slip of the wheel 10 L can be eliminated.
  • FIG. 2 showing the configuration of the control system shows only elements necessary for slip detection and slip control of the moving body 1 for ease of explanation.
  • a controller and a sensor for controlling the posture and traveling of the moving body 1 are added to the moving body 1 as necessary.
  • the processes of the predicted value calculation unit 101, the slip detection unit 102, and the stabilization / traveling controller 103 described above can be realized using the computer 14.
  • a program for causing the computer 14 to perform the processing shown in FIG. 5 may be executed in response to a timer interrupt that occurs at regular time intervals.
  • step S 11 in the flowchart of FIG. 5 the predicted value ⁇ ⁇ of the turning angular velocity is calculated using the measurement information of the wheel rotation angles 0 L and 6 13 ⁇ 4 by the encoders 17 L and R.
  • step S 12 the actual measured value ⁇ ⁇ of the turning angular velocity is obtained from the rate gyro 18. Note that the execution order of steps S 1 1 and S 12 is convenient, and the execution order may be reversed or may be performed in parallel.
  • step S 1 the difference ⁇ between the actual measurement value ⁇ ⁇ and the predicted value ⁇ ⁇ is calculated.
  • step S 14 the calculated ⁇ is compared with a predetermined threshold value T hd, and if the absolute value of ⁇ is greater than the threshold value T hd, it is determined that slip has occurred.
  • the size of the threshold T hd should be determined in consideration of the measurement errors of the encoders 17 L and R and the rate gyro 18.
  • step S 14 If it is determined in step S 14 that slip has occurred, the torque command value for the wheel in which the slip has occurred is set to zero, and the application of drive power by the motor 15 L or R is stopped (step S 15). Further, in step S 16, among wheels 10 L and R, the mounting position of the slipped wheel on the vehicle body 11 is relatively higher than the mounting position of the other wheel. By changing the wheel mounting position, change the load ratio for the wheels 10 L and R.
  • the moving body 1 is predicted from the measured value ⁇ ⁇ of the turning angular velocity of the moving body 1 obtained by the rate gyro 18 and the rotation angles of the wheels 10 L and R.
  • the occurrence of slips on the wheels 10 L and R of the moving body 1 is detected by comparison with the predicted value ⁇ ⁇ of the turning angular velocity.
  • the principle of slip detection according to the embodiment of the present invention is also applicable when the moving body 1 travels on a slope.
  • a three-axis rate gyro may be used as the rate gyro 18.
  • the turning angular velocity around any axis can be obtained.
  • a tilt angle sensor that measures the tilt angle of the vehicle body 1 1 is mounted on the moving body 1, and the measured value of the turning angular velocity around the axis perpendicular to the road surface can be obtained by coordinate conversion according to the tilt angle of the vehicle body 1 1. That's fine.
  • the moving body 2 employs a mechanism that moves the center of gravity of the vehicle body 21 by moving a part of the vehicle body 21 in order to change the load ratio of the wheels 10 L and R. This is different from the moving body 1 according to the first embodiment of the present invention. Note that the inversion stabilization control, the traveling control, and the control for slip detection in the moving body 2 are the same as those in the first embodiment of the invention described above, and therefore detailed description regarding these controls is omitted.
  • the appearance of moving body 2 is shown in Fig. 6 IV.
  • the vehicle body 21 in FIG. 6A has a vehicle body base portion 2 11, a vehicle body upper portion 2 1 2, and a vehicle body connection portion 2 1 3.
  • the vehicle body base 2 1 1 is supported by wheels 10 L and R so as to be swingable in the front-rear direction (pitch direction) of the moving body 2 around the left and right axis of the moving body 2.
  • the vehicle body connecting portion 2 1 3 connects the vehicle body base portion 2 1 1 and the vehicle body upper portion 2 1 2.
  • the upper body 2 1 2 can slide in the left-right direction of the moving body 2.
  • the stabilizing travel controller 10 3 of the moving body 2 executes control for canceling the slip state in response to the slip detection of the wheel 10 L or R by the slip detection unit 10 2. More specifically, the stabilization / travel controller 10 3 slides the upper body 2 1 2 to the wheel side of the wheels 10 L and R where the slip occurred.
  • the upper body 2 1 2 is slid to the wheel 10 L side as shown in FIG. 6B.
  • the load on the wheel 10 L increases because the weight of the vehicle body 21 approaches the wheel 1 OL side. That is, the vertical resistance F L from the road surface to the wheel 10 L increases, and the dynamic friction force between the wheel 10 L and the road surface increases. For this reason, the slip of the wheel 10 L can be eliminated.
  • the occurrence of slip is detected by comparing the measured value and the predicted value of the turning angular velocity of the moving body 1.
  • the turning angular velocity is just one example of turning parameters used to detect the occurrence of slip.
  • the turning angle or turning amount of the moving bodies 1 and 2 around the axis perpendicular to the road surface may be used as the turning parameter.
  • the azimuth angle of the moving body 1 may be calculated by integrating the rate gyro 18 measurement information.
  • an azimuth angle sensor may be mounted on the moving body 1 and the turning angles of the moving bodies 1 and 2 may be obtained by an azimuth angle sensor.
  • the application of the driving force to the wheels 10 L and R where the slip is detected is stopped.
  • Wheel 1 0 L & R Slip occurs when the driving torque for wheels 10 L and R exceeds the product of wheel radius R and dynamic friction force. For this reason, there is an advantage that the slip state can be quickly eliminated by reducing the driving torque of the slip wheel.
  • the driving force for the wheel in which the slip is detected may be made smaller than the driving force when the slip is generated without stopping. Further, the driving force for the wheel in which the slip is detected may be gradually reduced stepwise.
  • the slip can be resolved only by changing the load ratio with respect to the wheels 10 L and R, it is not necessary to execute the control for reducing the driving force of the wheel in which the slip is detected.
  • the relative positions of the wheels 1 OL and R with respect to the vehicle body 11 are changed by moving the mounting positions of the motors 15 L and R relative to the vehicle body 11 up and down.
  • the configuration for changing the relative positions of the wheels 10 L and R with respect to the vehicle body 11 is not limited to the specific configurations shown in the first and second embodiments.
  • the relative positions of the wheels 1 OL and R with respect to the vehicle body 1 1 can be changed by moving the suspension up and down. Also good.
  • the present invention can also be applied to other mobile bodies.
  • a moving body built into the lower half of the mouth pot as a moving mechanism for the humanoid mouth pot that is, a moving body in which the upper body of the humanoid robot is mounted on the vehicle body, or a load that moves with a load such as luggage It can also be applied to the body.
  • the moving bodies 1 and 2 according to the first and second embodiments of the present invention have wheels 1 0 L
  • the rotating shafts of the two wheels 10 L and R are coaxially positioned except when the vehicle body 11 is inclined due to vertical movement of the mounting position of R and R.
  • the straight line connecting the contact point between the wheel 10 L and the road surface and the contact point between the wheel 1 OR and the road surface is perpendicular to the longitudinal direction of the moving bodies 1 and 2.
  • the present invention is a moving body in which the rotating shaft of the wheel 10 L and the rotating shaft of the wheel 1 OR are not coaxial, in other words, the contact point between the wheel 10 L and the road surface and the wheel 1 OR and the road surface are
  • the present invention can also be applied to a moving body in which the straight line connecting the contact points is not perpendicular to the longitudinal direction of the moving bodies 1 and 2.
  • the moving bodies 1 and 2 are provided with the two wheels 10 L and R.
  • the present invention is not limited to such a moving body and can be applied.
  • a spherical or cylindrical rotating body having a circular cross section may be used.
  • the moving bodies 1 and 2 may have three or more wheels.
  • It can be applied to a moving body that travels by two or more rotating bodies that are driven to rotate.

Abstract

　回転体と路面との間におけるスリップの発生を検出することでスリップ解消のための処理の実行を可能とする。倒立振子型移動体１は、車輪１０Ｌ及びＲの回転状態を示す物理量を検知して、検知された当該物理量の大きさに応じた信号を出力するエンコーダ１７Ｌ及びＲと、車輪１０Ｌ及びＲが接する路面上での移動体１の旋回状態を示す物理量を検知して、検知された当該物理量の大きさに応じた信号を出力するレートジャイロ１８と、エンコーダ１７Ｌ及びＲの出力信号を用いて、移動体１の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算出する予測値算出部１０１と、予測値算出部１０１により得られた予測値とレートジャイロ１８の出力信号を入力して得られる旋回パラメータの実測値とを比較することで車輪１０Ｌ及びＲのスリップ発生を検出するスリップ検出部１０２とを有する。

Description

移動体及び移動体の制御方法 技術分野
[ 0 0 0 1 ]
本発明は、 回転駆動される 2以上明の回転体により走行する移動体に関する。 特に、 2以上の回転体によって走行状田態 1において移動体の前後方向に揺動可 能に支持される車体を有し、 車体の傾斜角書等を入力変数として車体の倒立を 維持するための倒立安定化制御及び前後方向の走行制御を行う倒立振子型移 動体に関する。 背景技術
[ 0 0 0 2 ]
本明細書における倒立振子型移動体とは、 車体と車体に連結された 2以上回 転体 （車輪など） を有し、 車体が移動体の前後方向に傾斜可能な状態で車体 と回転体の間を連結して構成され、 車体の重心又は車体及ぴ車体上に支持さ れる搭乗者等の対象を合計した総質量の重心が、 回転体の回転中心位置より 上方に位置する状態、 つまり車体の倒立状態を維持しながら回転体の回転に よって移動することが可能な移動体を指す。 このような倒立振子型移動体は、 例えば特許文献 1及び 2に開示されている。
[ 0 0 0 3 ]
特許文献 1に開示される装置は、 2以上の車輪と、 これらの車輪に支持さ れる車体を有する倒立振子型移動体である。 さらに、 車体は、 2以上の車輪 の中心を結ぶ車軸方向と直交する走行方向に延在し、 搭乗者の左右の足が個 別に置かれる一対の搭乗デッキを有する。 さらに、 一対の搭乗デッキのピッ チ方向 （車軸周り） の傾斜角と、 ロール方向 （走行方向に平行な移動体の前 後軸周り） の傾斜角の検出結果に応じて移動体の走行制御を行う。
[ 0 0 0 4 ]
特許文献 2に開示される装置は、 倒立振子制御によって前方推進方向への 推力を制御する同軸二輪型の移動機構を備える移動口ポットである。 さらに 当該移動ロボットは、 口ポットの上体をロール方向 （前方推進方向に平行な 移動ロボットの前後軸周り） に自律的に揺動傾斜できるよう構成されており、 移動ロボットの重心に働く遠心力と重力との合成べクトルを延長した線と車 輪の接地面 （路面） との交点位置を左右の車輪の間の領域に維持するように 揺動姿勢を制御する。 このような重心移動を行う構成によって、 急旋回時に 発生する遠心力や路面の傾斜に起因する移動ロボットの転倒や車輪のスリッ プの発生が抑制されている。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 6— 1 3 8 4号公報
[特許文献 2 ] 特開 2 0 0 6— 1 3 6 9 6 2号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[ 0 0 0 5 ]
倒立振子型移動体を支える車輪等の回転体と路面との間でスリップが発生 すると、 路面上での急旋回などの予期しない挙動が生じ、 また、 車体の倒立 を維持するための倒立安定化制御及び前後方向の走行制御に支障が発生する。 このため、 倒立振子型移動体においては、 回転体のスリップ発生を早期に検 出し、 当該検出の結果に応じてスリップ解消のための処置を速やかに実行で きることが望ましい。
[ 0 0 0 6 ]
上述した特許文献 2は、 ロボット上体 （車体） のロール方向の傾斜による 重心移動によって、 旋回時や傾斜した路面の走行時にスリップの発生を抑制 できることを開示するが、 車輪のスリップ発生を検出するための機構や、 ス リップ検出に応じてスリップを解消するための機構を開示していない。
[ 0 0 0 7 ]
本発明は、 上述した事情を考慮してなされたものであり、 回転体と路面と の間におけるスリップの発生を検出することでスリップ解消のための処理の 実行を可能とする移動体及び移動体の制御方法を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[ 0 0 0 8 ]
本発明の第 1の態様にかかる移動体は、 路面に接する第 1及び第 2の回転 体と、 前記第 1及び第 2の回転体に支持される車体とを備える移動体であつ て、 前記第 1及び第 2の回転体は、 前記第 1の回転体及び前記路面が接する 接点と前記第 2の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記 移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、 前記移動 体の前後方向に回転駆動される。 さらに、 前記移動体は、 前記第 1及び第 2 の回転体の回転状態を示す物理量を検知して、 検知された当該物理量の大き さに応じた信号を出力する回転センサと、 前記第 1及び第 2の回転体が接す る路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知して、 検知された当 該物理量の大きさに応じた信号を出力する旋回センサと、 前記回転センサの 出力信号を用いて、 前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算 出する算出部と、 前記旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パ ラメータの実測値と前記予測値とを比較することで前記第 1又は第 2の回転 体のスリップ発生を検出するスリップ検出部とを有する。 このような構成に よって、 移動体のスリップ発生の検出が可能となり、 スリップ検出に応じて スリツプを解消するための制御を実行することが可能となる。 [ 0 0 0 9 ]
なお、 前記回転センサによって検知される回転状態を表す物理量には、 前 記第 1及び第 2の回転体の回転数や回転方向、 回転角、 回転角速度、 回転角 加速度等が適宜用いられる。 例えば、 後述する発明の実施の形態 1において は、 エンコーダ 1 7 L及び Rが本発明の第 1の態様における回転センサに相 当し、 回転状態を表す物理量は、 車輪 1 0 L及び Rの回転角 0L及び eRであ る。 また、 前記旋回センサによって検知される旋回状態を表す物理量には、 旋回数や旋回方向、 旋回角、 旋回角速度、 旋回角加速度等を適宜用いられる。 例えば、 後述する発明の実施の形態 1においては、 レートジャイロ 1 8が本 発明の第 1の態様における旋回センサに相当し、 旋回状態を表す物理量は、 移動体 1の旋回角速度 ωΜである。
[ 0 0 1 0 ]
本発明の第 2の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 1の態様にかかる 移動体において、 前記旋回パラメータを、 前記路面に垂直な仮想軸を中心と する前記移動体の旋回角又は旋回角速度としたものである。
[ 0 0 1 1 ]
本発明の第 3の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 1の態様にかかる 移動体において、 前記回転センサを、 前記第 1及び第 2の回転体それぞれの 回転量、 回転角度又は回転位置を検知するエンコーダとしたものである。
[ 0 0 1 2 ]
本発明の第 4の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 1乃至第 3の態様 のいずれかにかかる移動体において、 前記スリップ検出部によるスリップ発 生の検出に応じて、 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリツプ発生が検出さ れた回転体と前記路面との間の動摩擦力が増大するように、 前記車体の姿勢 を制御する制御部をさらに備えるものである。 このような構成により、 スリ ップの解消が可能となる。 [ 0 0 1 3 ]
本発明の第 5の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 4の態様にかかる 移動体において、 前記車体の姿勢の制御量を前記旋回パラメータの実測値と 予測値との差の大きさに応じて決定するものである。 このような構成により、 スリップの度合いに応じた適切な車体の姿勢制御を行うことができる。
[ 0 0 1 4 ]
本発明の第 6の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 1乃至第 3の態様 のいずれかにかかる移動体において、 前記スリップ検出部によるスリップ発 生の検出に応じて、 前記第 1及び第 2の回転体に対する荷重割合を変更する 制御部をさらに備えるものである。 このような構成により、 スリップが発生 した回転体と路面との間の動摩擦力を増大させることができ、 スリップの角军 消が可能となる。
[ 0 0 1 5 ]
本発明の第 7の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 6の態様にかかる 移動体において、 前記第 1及び第 2の回転体が、 前記車体に対する相対位置 が上下方向に移動できるよう前記車体に取り付けられ、 さらに、 前記制御部 力 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、 前記第 1及び 第 2の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体を上方向に移動させる ものである。 このような構成によって、 移動体の位置の移動量に対して相対 的に大きな車体の重心移動を行うことができるため、 第 1及び第 2の回転体 に対する荷重割合の変更を効率よく速やかに行うことができる。
[ 0 0 1 6 ]
本発明の第 8の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 7の態様にかかる 移動体において、 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリップ発生が検出され た回転体の移動量を前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに 応じて決定するものである。 このような構成により、 荷重割合の変更制御を スリップの度合いに応じて適切に行うことができる。
[ 0 0 1 7 ]
本発明の第 9の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 6の態様にかかる 移動体において、 前記制御部が、 前記スリップ検出部によるスリップ発生の 検出に応じて、 前記車体の重心を前記第 1及び第 2の回転体のうちスリップ 発生が検出された回転体に近づけるよう前記車体の姿勢を変更させるもので ある。
[ 0 0 1 8 ]
本発明の第 1 0の態様にかかる移動体は、 前記本発明の第 4又は第 6の態 様にかかる移動体において、 前記第 1及び第 2の回転体を駆動する駆動部を 備えることとし、 前記制御部がさらに、 前記スリップ検出部によるスリップ 発生の検出に応じて、 前記第 1及ぴ第 2の回転体のうちスリップ発生が検出 された回転体に対する前記駆動部による駆動力の付与を停止させるものであ る。 このような構成により、 スリップ状態を速やかに解消できる。
[ 0 0 1 9 ]
本発明の第 1 1の態様にかかる方法は、 路面に接する第 1及び第 2の回転 体と、 前記第 1及び第 2の回転体に支持される車体とを備え、 前記第 1及び 第 2の回転体が、 前記第 1の回転体及び前記路面が接する接点と前記第 2の 回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向 に対して非平行となるよう配置されるとともに、 前記移動体の前後方向に回 転駆動される移動体の制御方法である。 具体的には、 本態様にかかる制御方 法は、 前記第 1及び第 2の回転体の回転状態を示す物理量を検知する回転セ ンサの出力信号を用いて、 前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測 値を算出する処理と、 前記第 1及び第 2の回転体が接する路面上での前記移 動体の旋回状態を示す物理量を検知する旋回センサの出力信号を入力して得 られる前記旋回パラメータの実測値と前記予測値とを比較することで前記第 1又は第 2の回転体のスリップ発生を検出する処理と、 前記第 1又は第 2の 回転体のスリ ップ発生が検出されたことに応じて、 前記第 1及び第 2の回転 体に対する荷重割合を変更する処理とを含む。 このような方法によって、 移 動体のスリップ発生の検出が可能となり、 スリップ検出に応じてスリップを 解消するための制御を実行することが可能となる。
[ 0 0 2 0 ]
本発明の第 1 2の態様にかかる方法は、 前記本発明の第 1 1の態様にかか る方法において、 前記第 1又は第 2の回転体のスリップ発生が検出されたこ とに応じて、 さらに、 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリ ップ発生が検出 された回転体に対する駆動力の付与を停止させるものである。 これにより、 スリップ状態を速やかに解消できる。 発明の効果
[ 0 0 2 1 ]
本発明により、 回転体と路面との間におけるスリ ップの発生を検出するこ とでスリップ解消のための処理を実行可能とする移動体及び移動体の制御方 法を提供できる。 図面の簡単な説明
[ 0 0 2 2 ]
[図 1 A] 本発明の実施の形態にかかる移動体の外観を示す側面図であ る。
[図 1 B ] 本発明の実施の形態にかかる移動体の外観を示す正面図であ る。
[図 2 ] 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御系を示す図である。
[図 3 ] スリップ検出の原理を説明するための図である。 [図 4 A] 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制 するための車体の制御を説明するための図である。
[図 4B] 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制 するための車体の制御を説明するための図である。
[図 5] 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップ検出処理 を示すフローチヤ一トである。
[図 6 A] 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制 するための車体の制御を説明するための図である。
[図 6 B] 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制 するための車体の制御を説明するための図である。 符号の説明
[0023]
1 、 2 移動体
1 1 車体
1 2 座席
1 3 操縦桿
1 4 コンビユ -タ （MCU)
1 5 L, 1 5 R モータ
1 6 L, 16 R モータドラ
1 7 L, 1 7 R ェン： タ
1 8 レー卜ジャィ口
1 9 ノ ッテリ
2 0 車体フレ -ム
2 1 車体
1 0 1 予測値算出部 102 スリップ検出部
103 安定化'走行コントローラ
1 04 車輪移動機構
1 05 L、 1 05 R モ一タ
1 06 L、 1 06 R エンコーダ
107 L、 1 07 R 直動ガイド
2 1 1 車体基部
21 2 車体上部
2 1 3 車体連結部 発明を実施するための最良の形態
[0024]
以下では、 本発明を適用した具体的な実施の形態について、 図面を参照し ながら詳細に説明する。 各図面において、 同一要素には同一の符号が付され ており、 説明の明確化のため、 必要に応じて重複説明は省略される。
[0025]
発明の実施の形態 1.
本実施の形態にかかる倒立振子型移動体 1 (以下、 単に移動体 1と呼ぶ） は、 搭乗者の操作に従って走行可能な移動体である。 本実施の形態にかかる 移動体 1の外観を図 1 A及び Bに示す。 図 1 Aは移動体 1の側面図であり、 図 1 Bは移動体 1の正面図である。 なお、 説明容易化のために、 図 1 A及び Bには車体 1 1内部の構成を適宜図示されている。
[0026]
図 1 A及び Bに示すように、 移動体 1の下部には左右の車輪 1 0 L及び R が設けられている。 車輪 1 0 L及び Rは、 車輪 1 0 L及び路面が接する接点 と車輪 1 0 R及び路面が接する接点との間を結ぶ直線が移動体 1の前後方向 に対して非平行となるよう配置され、 移動体 1の前後方向に回転駆動される。 より具体的に述べると、 本実施の形態では、 2つの接点の間を結ぶ直線は、 移動体 1の前後方向に対して垂直である。 また、 車体 1 1は、 移動体 1の左 右軸を中心として移動体 1の前後方向 （ピッチ方向） に揺動可能である。 車 体 1 1は、 座席 1 2、 操縦桿 1 3、 コンピュータ 1 4、 モータ 1 5 L及び R、 モータドライバ 1 6 L及び R、 エンコーダ 1 7 L及び R、 レートジャイロ 1 8、 バッテリ 1 9及び車体フレーム 2 0を有している。
[ 0 0 2 7 ]
操縦桿 1 3は、 座席 1 2に着座した搭乗者による操作入力を受け付け、 搭 乗者による操縦桿 1 3の操作量に応じた操作量信号を出力する。
[ 0 0 2 8 ]
コンピュータ 1 4は、 移動体 1が車体 1 1の倒立を維持しながら、 搭乗者 による操縦桿 1 3の操作に従って走行できるように制御を実行する。 より具 体的に述べると、 コンピュータ 1 4は、 例えば、 操縦桿 1 3の操作量の大き さに対応付けられた移動体 1の速度目標値又は加速度目標値と、 車体 1 1の 鉛直方向からの傾斜角の変化速度 （傾斜角速度） の目標値とを算出し、 これ らを制御目標値とする倒立安定化制御及び走行制御を実行する。
[ 0 0 2 9 ]
さらに、 コンピュータ 1 4は、 車輪 1 0 L及び Rとこれらが接する路面と の間のスリップの発生を検出し、 スリップ状態を解消するための制御を実行 ノ する。 なお、 スリップ検出及びスリップ解消のための制御内容の詳細につい ては後述する。
[ 0 0 3 0 ]
モータ 1 5 L及び Rは、 それぞれ車輪 1 0 L及び Rと連結されている。 モ ータドライバ 1 6 L及び Rは、 コンピュータ 1 4が出力するトルク指令値 τ L及び に応じて、 それぞれモータ 1 5 L及び Rを駆動する。 移動体 1は、 車輪 1 0 L及び Rがモータ 1 5 L及び Rによって駆動されることにより、 移 動体 1の前後方向に走行することができる。
[ 0 0 3 1 ]
さらに、 モータ 1 5し及ぴ1 は、 車体 1 1の上下方向に移動できるよう車 体フレーム 2 0に取り付けられている。 モータ 1 5 L及び Rの取り付け位置 を移動可能とするためには、 例えば、 車体フレーム 2 0へのモータ 1 5 L及 び Rの取り付けにボールねじ駆動方式の直動ガイド （不図示） を使用しても よい。 そして、 直動ガイドのねじ軸又はナットを回転駆動することにより、 車体フレーム 2 0とモータ 1 5 L及び Rとの間の相対位置を変更可能とすれ ばよい。 モータ 1 5 L及び Rの車体フレーム 2 0に対する取り付け位置を移 動させることによって、 車輪 1 0 L及び Rの車体 1 1に対する相対位置を車 体 1 1の上下方向に移動することができる。
[ 0 0 3 2 ]
エンコーダ 1 7 L及び Rは、 モータ 1 5 L及び Rの回転角、 つまりは車輪 1 0 L及び Rの回転角 0L及び θκを計測するためのセンサである。 ェンコ一 ダ 1 7 L及び Rの出力を用いて車輪 1 0 L及び Rの単位時間当たりの回転角 を算出することにより、 車輪 1 0 L及び Rの回転角速度 (0 L及び (oRが得ら れる。 また、 車輪 1 0 L及び Rの回転角速度 ot)L及び 0)R、 車輪 1 0 L及び Rの半径 R、 並びに車輪 1 0 L及ぴ Rの間の距離 L aを用いることで、 移動 体 1が接する路面に垂直な仮想軸周りの移動体 1の旋回角速度の予測値 ωΡ を算出することができる。
[ 0 0 3 3 ]
レートジャイロ 1 8は、 路面上での移動体 1の旋回状態を計測するセンサ である。 つまり、 レートジャイロ 1 8により得られる角速度により、 移動体 1が接する路面に垂直な軸周りの移動体 1の旋回角速度の実測値 ωΜが得ら れる。 [ 0 0 3 4 ]
続いて以下では、 本実施の形態にかかる移動体 1の制御系について説明す る。 図 2は、 車輪 1 0 L及び Rのスリップ検出及びスリップ抑制のための制 御に関する移動体 1の制御系を示している。 図 2において、 予測値算出部 1 0 1は、 エンコーダ 1 7 L及び Rによって計測される車輪 1 0 L及び Rの回 転角 eL及び eRを入力し、 移動体 1の旋回角速度の予測値 ωΡを算出する。
[ 0 0 3 5 ]
いま、 図 3に示すように、 車輪 1 0 L及び Rの間の距離を L Aとすると、 路面に垂直な軸周りの移動体 1の旋回角 φは、 以下の （1 ) 式により表さ れる。 なお、 図 3は、 移動体 1が有する車輪 1 0 L及び Rを上方から見た平 面図である。 また、 （1 ) 式において、 Rは車輪 1 0 L及び Rの半径である c したがって、 移動体 1の旋回角速度の予測値 ωΡは、 以下の （2 ) 式により 算出することができる。
[ 0 0 3 6 ]
Figure imgf000014_0001
[ 0 0 3 7 ]
スリップ検出部 1 0 2は、 レートジャイロ 1 8によって得られる移動体 1 の旋回角速度の実測値 ωΜと、 予測値算出部 1 0 1により算出される予測俥 ωΡを入力し、 これらの値を比較することで車輪 1 0 L及び Rのスリップ発 生を検出する。 具体的には、 例えば、 実測値 ωΜと予測値 ωΡとの差 Δω=ωΜ 一 ωΡを算出し、 算出された Δ(ΰの絶対値が予め定められた閾値 T h dより 大きい場合にスリップ発生と判定すればよい。 なお、 車輪 1 0 L及び Rのど ちらがスリップしているかは、 Δωの正負によって判定できる。 つまり、 上 述した Δωの定義に従えば、 Δωが正であるときに車輪 1 O Rがスリップし ていると判定できる。 他方、 Δωが負であるときに車輪 1 0 Lがスリップし ていると判定できる。 また、 Δωの絶対値が大きいほど、 スリップの程度が 大きいことが分かる。
[ 0 0 3 8 ]
安定化 ·走行コントローラ 1 0 3は、 移動体 1の倒立安定化制御及び走行 制御を実行する制御部である。 具体的には、 操縦桿 1 3の操作量に応じて決 定される目標速度又は目標化速度や車体 1 1の傾斜角速度などを制御目標値 として、 これらの制御偏差をゼロに近づけるように、 モータドライバ 1 6 L 及び Rに対するトルク指令値 Tl及ぴ を算出する。
[ 0 0 3 9 ]
また、 安定化 ·走行コントローラ 1 0 3は、 スリップ検出部 1 0 2によつ て車輪 1 0 L又は Rのスリップ発生が検出されたことに応じて、 スリップ状 態を解消するための制御を実行する。 より具体的に述べると、 本実施の形態 では、 車輪移動機構 1 0 4として、 モータ 1 5 L及び Rを支持する直動ガイ ド 1 0 7 L及ぴ1、 直動ガイド 1 0 7 L及び Rのねじ軸又はナツトを回転駆 動するモータ 1 0 5 L及び Rと、 モータ 1 0 5 L及び Rの回転量を計測する エンコーダ 1 0 6 L及び Rを移動体 1に設けることとする。 そして、 安定 ィ匕 ·走行コントローラ 1 0 3は、 モータ 1 0 5 L及び Rに対してトルク指令 値を出力し、 車輪 1 0 L及び Rの取り付け位置の上下差によって車体 1 1を 傾斜させることで、 車輪 1 0 L及び Rに対する荷重割合を変更する。 なお、 Δωの絶対値の大きさがスリップの程度を示すため、 車輪 1 0 L及び Rに対 する荷重割合の変更の度合いは、 Δωの大きさに応じて決定すればよい。
[ 0 0 4 0 ]
さらに、 安定化 ·走行コントローラ 1 0 3は、 スリップ検出部 1 0 2によ るスリップ発生の検出に応じて、 車輪 1 0 L及び Rのうちスリップが発生し た車輪に対するトルク指令値をゼロとする。
[0041]
図 4 A及び Bを参照して、 本実施の形態におけるスリップ解消の原理を説 明する。 図 4 Aは、 左右の車輪 1 O L及び Rが車体 1 1に対して同じ高さと なる位置に取り付けられた状態を示している。 このような状態では、 車輪 1 0 L及び Rに対する荷重は均等となる。 このため、 車輪 10 L及び Rに対す る路面からの垂直抗カ F L及び F Rの大きさは理論上等しくなる。
[0042]
一方、 車輪 10 Lがスリップしている場合は、 図 4Bに示すように、 車輪 10 Lの取り付け位置を車輪 1 ORより相対的に高い位置に移動させればよ い。 これにより、 車体 1 1が車輪 10 L側に傾斜することになり、 車輪 10 Lに対する荷重が増大する。 つまり、 車輪 10 Lに対する路面からの垂直抗 力 FLが増大して、 車輪 1 O Lと路面との間の動摩擦力が増大する。 このた め、 車輪 10 Lのスリップを解消することができる。
[0043]
なお、 制御系の構成を示す図 2は、 説明の容易化のために移動体 1のスリ ップ検出及びスリップ解消のための制御に必要な要素のみを記載している。 つまり、 図 2に示した要素のほかにも、 移動体 1の姿勢及び走行を制御する ためのコントローラやセンサが、 必要に応じて移動体 1に対して追加される ことはもちろんである。
[0044]
上述した予測値算出部 101、 スリップ検出部 102及び安定化 ·走行コ ントローラ 103の処理は、 コンピュータ 14を用いて実現可能である。 具 体的には、 一定の時間間隔で発生するタイマ割り込みに応じて、 図 5に示す 処理をコンピュータ 14に行わせるためのプログラムを実行すればよい。
[0045] 図 5のフローチャートにおけるステップ S 1 1では、 エンコーダ 1 7 L及 び Rによる車輪回転角 0L及ぴ61¾の計測情報を用いて旋回角速度の予測値 ω ρを算出する。 ステップ S 1 2では、 レートジャイロ 1 8から旋回角速度の 実測値 ωΜを取得する。 なお、 ステップ S 1 1及び S 1 2の実行順序は便宜 的なものであり、 実行順序が逆でも良いし、 並行して行われてもよい。
[ 0 0 4 6 ]
ステップ S 1 3では、 実測値 ωΜと予測値 ωΡの差 Δωを計算する。 ステツ プ S 1 4では、 算出された Δωを所定の閾値 T h dと比較し、 Δωの絶対値 が閾値 T h dを超えて大きい場合にスリップ発生と判定する。 なお、 閾値 T h dの大きさは、 エンコーダ 1 7 L及び R並びにレートジャイロ 1 8の計測 誤差を考慮して定めるとよい。
[ 0 0 4 7 ]
ステップ S 1 4においてスリップ発生と判定された場合、 スリップが発生 した車輪に対するトルク指令値をゼロとして、 モータ 1 5 L又は Rによる駆 動力の付与を停止させる （ステップ S 1 5 ) 。 さらに、 ステップ S 1 6にお いて、 車輪 1 0 L及び Rのうち、 スリップが発生した車輪の車体 1 1に対す る取り付け位置が他方の車輪の取り付け位置より相対的に高い位置となるよ うに、 車輪取り付け位置を移動させることで、 車輪 1 0 L及び Rに対する荷 重割合を変更する。
[ 0 0 4 8 ]
以上に述べたように、 本実施の形態にかかる移動体 1は、 レートジャイロ 1 8により得られる移動体 1の旋回角速度の実測値 ωΜと、 車輪 1 0 L及ぴ Rの回転角より予測される旋回角速度の予測値 ωΡとの比較によって、 移動 体 1が有する車輪 1 0 L及び Rのスリップ発生を検出することとした。 これ により、 倒立振子型移動体である移動体 1のスリップ発生を検出することが でき、 スリップを解消するための制御を実行することができる。 [ 0 0 4 9 ]
なお、 本発明の実施の形態にかかるスリップ検出の原理は、 移動体 1が坂 道を走行する場合にも適用可能である。 この場合は、 レートジャイロ 1 8と して、 3軸レートジャイロを用いればよい。 3軸レートジャイロの計測情報 を用いれば、 任意の軸周りの旋回角速度を得ることができる。 さらに、 車体 1 1の傾斜角を計測する傾斜角センサを移動体 1に搭載し、 車体 1 1の傾斜 角に応じた座標変換によって、 路面に垂直な軸周りの旋回角速度の実測値を 得ればよい。 これにより、 車輪 1 0 L及び Rの回転角 eL及び 0Rを用いて算 出された旋回角速度の予測値 ωΡと旋回角速度の実測値との比較を容易に行 うことができる。
[ 0 0 5 0 ]
発明の実施の形態 2 .
本実施の形態にかかる移動体 2は、 車輪 1 0 L及び Rの荷重割合を変更す るために、 車体 2 1の一部を移動させることで車体 2 1の重心を移動する機 構を採用している点が、 発明の実施の形態 1にかかる移動体 1と相違してい る。 なお、 移動体 2における倒立安定化制御、 走行制御、 及びスリップ検出 のための制御は、 上述した発明の実施の形態 1と同様であるため、 これらの 制御に関する詳細説明を省略する。
[ 0 0 5 1 ]
移動体 2の外観を図 6 Αに示す。 図 6 Aにおける車体 2 1は、 車体基部 2 1 1、 車体上部 2 1 2、 及び車体連結部 2 1 3を有している。 車体基部 2 1 1は、 移動体 2の左右軸を中心として移動体 2の前後方向 （ピッチ方向） に 揺動可能となるよう車輪 1 0 L及び Rによって支持される。 車体連結部 2 1 3は、 車体基部 2 1 1及び車体上部 2 1 2を連結する。 車体上部 2 1 2は、 移動体 2の左右方向に摺動可能である。
[ 0 0 5 2 ] 移動体 2が有する安定化'走行コントローラ 1 0 3は、 スリップ検出部 1 0 2による車輪 1 0 L又は Rのスリップ検出に応じて、 スリップ状態を解消 するための制御を実行する。 より具体的に述べると、 安定化 ·走行コント口 ーラ 1 0 3は、 車輪 1 0 L及び Rのうちスリップが発生した車輪側に車体上 部 2 1 2をスライドさせる。
[ 0 0 5 3 ]
例えば、 車輪 1 0 Lがスリップしている場合は、 図 6 Bに示すように、 車 体上部 2 1 2を車輪 1 0 L側にスライドさせる。 これにより、 車体 2 1の重 心が車輪 1 O L側に近づくため車輪 1 0 Lに対する荷重が増大する。 つまり、 車輪 1 0 Lに対する路面からの垂直抗カ F Lが増大して、 車輪 1 0 Lと路面 との間の動摩擦力が増大する。 このため、 車輪 1 0 Lのスリップを解消する ことができる。
[ 0 0 5 4 ]
その他の実施の形態.
発明の実施の形態 1及び 2では、 移動体 1の旋回角速度の実測値と予測値 の比較によってスリップ発生を検出することとした。 しかしながら、 旋回角 速度は、 スリップ発生の検出に用いる旋回パラメータの一例に過ぎない。 例 えば、 旋回角速度に代えて、 路面に垂直な軸周りの移動体 1及ぴ 2の旋回角 や旋回量を旋回パラメータとしてもよい。 移動体 1及び 2の旋回角を旋回パ ラメータとする場合は、 レートジャイロ 1 8の計測情報を積分して移動体 1 の方位角を算出すればよい。 また、 レートジャイロ 1 8に代えて方位角セン サを移動体 1に搭載し、 方位角センサによって移動体 1及び 2の旋回角を得 てもよい。
[ 0 0 5 5 ]
また、 発明の実施の形態 1及び 2では、 スリップが検出された車輪 1 0 L 及び Rに対する駆動力の付与を停止させることとした。 車輪 1 0 L及び Rの スリップは、 車輪 1 0 L及び Rに対する駆動トルクが車輪半径 Rと動摩擦力 との積を超える場合に発生する。 このため、 スリップ車輪の駆動トルクを低 下させることで、 スリップ状態を速やかに解消できるという利点がある。 し かしながら、 スリップが検出された車輪に対する駆動力を停止させずに、 ス リップ発生時の駆動力より小さくしてもよい。 また、 スリップが検出された 車輪に対する駆動力を段階的に徐々に小さくしてもよい。 また、 車輪 1 0 L 及び Rに対する荷重割合の変更のみによってスリップの解消が可能であれば、 スリップが検出された車輪の駆動力を小さくする制御を実行しなくてもよレ、。
[ 0 0 5 6 ]
また、 発明の実施の形態 1では、 モータ 1 5 L及び Rの車体 1 1に対する 取り付け位置を上下させることで、 車輪 1 O L及び Rの車体 1 1に対する相 対位置を変更することとした。 しかしながら、 車輪 1 0 L及び Rの車体 1 1 に対する相対位置を変更するための構成は、 発明の実施の形態 1及び 2に示 した具体的な構成に限定されないことはもちろんである。 例えば、 車輪 1 0 L及び Rが独立懸架式のサスペンションを介して車体 1 1に取り付けられる 場合であれば、 サスペンションを上下させることで車輪 1 O L及び Rの車体 1 1に対する相対位置を変更してもよい。
[ 0 0 5 7 ]
また、 発明の実施の形態 1及び 2は、 人間が搭乗可能な倒立振子型移動体 に本発明を適用した具体例について説明したが、 本発明はその他の移動体に 対しても適用可能である。 例えば、 ヒューマノイド口ポットの移動機構とし て口ポットの下半身に組み込まれた移動体、 つまり、 ヒューマノイ ドロボッ トの上半身が車体に搭載された移動体や、 荷物などの積載物を搭載して移動 する移動体などにも適用可能である。
[ 0 0 5 8 ]
また、 発明の実施の形態 1及び 2にかかる移動体 1及び 2は、 車輪 1 0 L 及び Rの取り付け位置の上下移動によって車体 1 1が傾斜している場合を除 いて、 2つの車輪 1 0 L及び Rの回転軸が同軸上に位置するものである。 つ まり、 車輪 1 0 L及び路面が接する接点と車輪 1 O R及び路面が接する接点 との間を結ぶ直線が移動体 1及び 2の前後方向に対して垂直である。 しかし ながら、 本発明は、 車輪 1 0 Lの回転軸と車輪 1 O Rの回転軸が同軸上にな い移動体、 言い換えると、 車輪 1 0 L及び路面が接する接点と車輪 1 O R及 ぴ路面が接する接点との間を結ぶ直線が移動体 1及び 2の前後方向に対して 垂直でない移動体にも適用可能である。
[ 0 0 5 9 ]
また、 発明の実施の形態 1及び 2では、 移動体 1及び 2が 2つの車輪 1 0 L及び Rを備えることとしたが、 本発明はこのような構成の移動体に限らず 適用可能である。 例えば、 車輪に代えて、 断面が円形状である球形や円柱形 の回転体を用いてもよい。 また、 移動体 1及び 2は 3つ以上の車輪を有して もよい。
[ 0 0 6 0 ]
さらに、 本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、 既 に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であるこ とは勿論である。 産業上の利用可能性
[ 0 0 6 1 ]
回転駆動される 2以上の回転体により走行する移動体に適用することがで きる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 路面に接する第 1及び第 2の回転体と、 前記第 1及び第 2の回転体に支 持される車体とを備える移動体であって、
前記第 1及び第 2の回転体は、 前記第 1の回転体及び前記路面が接する接 点と前記第 2の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移 動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、 前記移動体 の前後方向に回転駆動され、
前記第 1及び第 2の回転体の回転状態を示す物理量を検知して、 検知され た当該物理量の大きさに応じた信号を出力する回転センサと、
前記路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知して、 検知され た当該物理量の大きさに応じた信号を出力する旋回センサと、
前記回転センサの出力信号を用いて、 前記移動体の旋回量を表す旋回パラ メータの予測値を算出する算出部と、
前記予測値と、 前記旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パ ラメータの実測値とを比較することで前記第 1又は第 2の回転体のスリップ 発生を検出するスリップ検出部と、
を備える移動体。
2. 前記旋回パラメータは、 前記路面に垂直な仮想軸を中心とする前記移動 体の旋回角又は旋回角速度である請求項 1に記載の移動体。
3. 前記回転センサは、 前記第 1及び第 2の回転体それぞれの回転量、 回転 角度又は回転位置を検知するエンコーダである請求項 1又は 2に記載の移動 体。
4. 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、 前記第 1及び 第 2の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体と前記路面との間の動 摩擦力が増大するように、 前記車体の姿勢を制御する制御部をさらに備える 請求項 1乃至 3のいずれか 1項に記載の移動体。
5. 前記車体の姿勢の制御量が、 前記旋回パラメータの実測値と予測値との 差の大きさに応じて決定される請求項 4に記載の移動体。
6. 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、 前記第 1及び 第 2の回転体に対する荷重割合を変更する制御部をさらに備える請求項 1乃 至 3のいずれか 1項に記載の移動体。
7. 前記第 1及び第 2の回転体は、 前記車体に対する相対位置が上下方向に 移動できるよう前記車体に取り付けられており、
前記制御部は、 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、 前記第 1及ぴ第 2の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体を上方向 に移動させる請求項 6に記載の移動体。
8. 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体の上 方向への移動量が、 前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに 応じて決定される請求項 7に記載の移動体。
9. 前記制御部は、 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、 前記車体の重心を前記第 1及ぴ第 2の回転体のうちスリップ発生が検出され た回転体に近づけるよう前記車体の姿勢を変更させる請求項 6に記載の移動 体。
10. 前記第 1及び第 2の回転体を駆動する駆動部を備え、
前記制御部はさらに、 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応 じて、 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に 対する前記駆動部による駆動力の付与を停止させる請求項 4又は 6のいずれ かに記載の移動体。
11. 路面に接する第 1及び第 2の回転体と、 前記第 1及び第 2の回転体に 支持される車体とを備え、 前記第 1及び第 2の回転体が、 前記第 1の回転体 及び前記路面が接する接点と前記第 2の回転体及び前記路面が接する接点と の間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置され るとともに、 前記移動体の前後方向に回転駆動される移動体の制御方法であ つて、
前記第 1及び第 2の回転体の回転状態を示す物理量を検知する回転センサ の出力信号を用いて、 前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を ^出し、
前記予測値と、 前記路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知 する旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パラメータの実測値 とを比較することで前記第 1又は第 2の回転体のスリップ発生を検出し、 前記第 1又は第 2の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、 前 記第 1及び第 2の回転体に対する荷重割合を変更する、 制御方法。
12. 前記第 1又は第 2の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、 前記第 1及び第 2の回転体のうちスリツプ発生が検出された回転体に対する 駆動力の付与を停止させる請求項 1 1に記載の制御方法。
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