WO2014002275A1 - 移動体および移動体システム - Google Patents

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moving
center
gravity
wheel
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善康 高瀬
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株式会社安川電機
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D37/00—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements
    • B62D37/04—Stabilising vehicle bodies without controlling suspension arrangements by means of movable masses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/024—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members specially adapted for moving on inclined or vertical surfaces

Definitions

  • the disclosed embodiment relates to a mobile object and a mobile object system.
  • a mobile robot that includes a moving mechanism using wheels and that can move by moving on a floor surface.
  • Such mobile robots are used for various purposes such as transporting objects and guiding guests in various scenes such as factories, laboratories, and offices.
  • step difference exceeds a wheel radius, it is difficult for the moving mechanism using a wheel to get over this.
  • the conventional mobile robot has room for further improvement in that a complicated mechanism such as a caterpillar or a leg wheel mechanism is required to overcome the step.
  • the moving mechanism since the mechanism is complicated, there is a problem that a lot of power is required for normal movement and the running efficiency is low.
  • the moving mechanism that simply uses the wheel has a simple configuration and high traveling efficiency.
  • the moving mechanism cannot be overcome.
  • an object of the present invention is to provide a moving body and a moving body system that can overcome a step with a simple configuration.
  • a moving body includes a moving unit, an upper body unit, and a control unit.
  • the moving part has a plurality of driving wheels arranged forward and backward along the traveling direction.
  • the upper body part is supported by the moving part, and is provided so that the position of the center of gravity in the traveling direction can be changed.
  • the control unit issues an instruction to the body part to change the position of the center of gravity according to a road surface state.
  • the level difference can be overcome with a simple configuration.
  • FIG. 1A is a schematic front view illustrating a configuration of a mobile robot according to an embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic side view illustrating the configuration of the mobile robot according to the embodiment.
  • FIG. 2A is an explanatory diagram (No. 1) of a basic concept of overstepping.
  • FIG. 2B is an explanatory diagram (No. 2) of the basic concept of overstepping.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the mobile robot.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the centroid position control process executed by the centroid position changing unit.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the anti-slip control process in the step difference control unit.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an operation sequence of the mobile robot.
  • FIG. 7A is a schematic side view illustrating a configuration of a mobile robot according to a modification.
  • FIG. 7B is a schematic side view illustrating a configuration of a moving object according to a modified example.
  • the moving body is a mobile robot provided with a moving mechanism.
  • the term “step surface” refers to a side wall surface that forms a step.
  • FIG. 1A is a schematic front view showing the configuration of the mobile robot 1 according to the embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic side view illustrating the configuration of the mobile robot 1 according to the embodiment.
  • the mobile robot 1 is very schematically shown from the viewpoint of making the explanation easy to understand. For this reason, the front wheel 22 and the rear wheel 24 (both described later) appear to be separated from the housing portion 21 (described later), but are actually connected.
  • FIG. 1A and 1B show a three-dimensional orthogonal coordinate system including the Z axis with the vertical upward direction as the positive direction for easy understanding. Therefore, the direction along the XY plane indicates the “horizontal direction”.
  • Such an orthogonal coordinate system may be appropriately shown in other drawings used in the following description. In the description of this embodiment, it is assumed that the mobile robot 1 moves with the positive direction of the X axis as the traveling direction (see FIG. 1B).
  • the mobile robot 1 includes an upper body part 10 and a moving part 20.
  • the upper body part 10 includes a body part 11 and a waist part 12.
  • the moving unit 20 includes a housing unit 21 and a pair of front wheels 22.
  • Each of the front wheels 22 has a motor m associated with one to one.
  • the motor m drives the corresponding front wheel 22 respectively. Therefore, all the front wheels 22 are drive wheels.
  • the moving unit 20 includes a rear wheel 24. Although not shown in FIG. 1B, a pair of rear wheels 24 are also provided. The rear wheels 24 also have motors m that are associated one-to-one, and are driven by the motors m, respectively. Therefore, both the rear wheels 24 are drive wheels. That is, the moving unit 20 employs a four-wheel drive system.
  • the moving unit 20 may not be a four-wheel drive system as long as the wheels and the motor m are associated with each other on a one-to-one basis.
  • a two-wheel drive system with one front and rear wheel may be used, or a three-wheel drive system with two front wheels and one rear wheel may be used.
  • each of the motors m is individually controlled by the control device 23 housed in the housing portion 21 (see arrow 102 in the figure).
  • the arrangement position of the control device 23 is not limited to the illustrated example.
  • the control apparatus 23 may be separated from the mobile robot 1 and arranged to perform remote control via wireless communication or the like. Details of the configuration of the control device 23 will be described later with reference to FIG.
  • the housing part 21 supports the upper body part 10 at the waist part 12 so as to be rotatable around the waist axis AXy (see a double-headed arrow 101 in FIG. 1A). Therefore, the whole body part 10 can change the position of the center of gravity by the rotation of the waist part 12 around the waist axis AXy.
  • the waist axis AXy is a rotation axis that is substantially orthogonal to the traveling direction when viewed from above. Further, the amount of rotation of the waist 12 is controlled by the control device 23 described above. Details of this point will be described later with reference to FIG.
  • the mobile robot 1 when the mobile robot 1 according to the embodiment abuts on the step surface 502 having a height h higher than the wheel radius R while traveling on the floor surface 501, the mobile robot 1 changes the above-described center of gravity position.
  • the front wheels 22 and the rear wheels 24 are surely gripped to the floor surface 501 and the step surface 502, and the step is overcome.
  • FIGS. 2A and 2B are explanatory views of the basic concept of step over.
  • FIG. 2A schematically shows the front wheel 22 and the rear wheel 24 that are necessary for explanation.
  • the weight of the mobile robot 1 (hereinafter referred to as “vehicle weight”) is M
  • the gravitational acceleration is g
  • the ratio of the weight of the front wheel 22 to the vehicle weight M is k.
  • the friction coefficient between the front wheel 22 and the step surface 502 is ⁇ f
  • the friction coefficient between the rear wheel 24 and the floor surface 501 is ⁇ r .
  • step difference control is performed to increase the friction coefficient ⁇ f and the friction coefficient ⁇ r .
  • the waist 12 is rotated around the waist axis AXy.
  • the center of gravity of the upper body 10 is changed by changing the inclination of the body 11 (see arrow 201 in the figure).
  • the parameter k can be reduced and the load F df applied to the front wheel 22 can be reduced.
  • the friction coefficient ⁇ f and the friction coefficient ⁇ r are maintained high by controlling the slip ratios of the front wheels 22 and the rear wheels 24 to be within an appropriate range, and are surrounded by the closed curve C1 and the closed curve C2.
  • the front wheel 22 is lifted (see the arrow 203 in the figure) by moving forward while keeping the attached portion in an adhesive state (see the arrow 202 in the figure).
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the mobile robot 1.
  • FIG. 3 only the components necessary for describing the present embodiment are shown, and descriptions of general components are omitted.
  • a plurality of components are numbered in the form of “-number” in the reference numerals, but when these components are described together, a “-number” number is assigned. In some cases, description will be made using only symbols without using.
  • the mobile robot 1 includes an upper body unit 10, a moving unit 20, a control device 23, and a speed detecting unit 25.
  • the upper body part 10 includes a center-of-gravity position changing mechanism 15.
  • the center-of-gravity position changing mechanism 15 is a mechanism that rotates the waist 12 described above around the waist axis AXy.
  • the moving part 20 is provided with the motor m corresponding to each wheel.
  • control device 23 includes a step difference control unit 23a, a gravity center position changing unit 23b, and a motor driving unit 23c corresponding to each motor m.
  • the step difference control unit 23a performs overall control related to the step difference control. Specifically, first, the step difference control unit 23a generates a command for operating the center of gravity position changing mechanism 15 to reduce the parameter k to the center of gravity position changing unit 23b when performing step difference control. Output.
  • the center-of-gravity position changing unit 23b determines the amount of rotation of the waist 12 so that the parameter k becomes an appropriate small value, and instructs the center-of-gravity position changing mechanism 15 to rotate the waist 12 by the determined amount of rotation. To do.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the centroid position control process executed by the centroid position changing unit 23b.
  • the ratio of the weight of the body portion 21 to the vehicle body weight M is ⁇
  • the ratio of the weight of the upper body portion 10 to the vehicle body weight M is (1- ⁇ )
  • the X-axis direction from the vehicle body center of gravity to the front wheels 22 the distance l f
  • the distance in the X-axis direction to the rear wheel 24 l r the inclination of the upper body portion 10 theta
  • the load applied to the front wheel 22 is F df
  • the load applied to the rear wheel 24 is F dr .
  • the load F df can be obtained from the following equations (2) and (3) in consideration of the balance of force in the vertical direction and the moment around the center of gravity of the vehicle body.
  • equation (3) is solved for parameter k, the following equation (4) can be derived.
  • the condition for the front wheel 22 to move up the step surface 502 is that the driving force F d applied to the step surface 502 described above is larger than the load F df applied to the front wheel 22. A relationship is established.
  • the center-of-gravity position changing unit 23b may determine the inclination ⁇ (that is, the amount of rotation of the waist 12) so as to satisfy the relationship of Equation (8).
  • the step beyond the control unit 23a is to maintain a high friction coefficient mu f and the friction coefficient mu r above, the front wheels 22 and rear wheels 24, securely grip without slipping on the stepped surface 502 and the floor 501 Control (hereinafter referred to as “anti-slip control”).
  • the step difference control unit 23a generates a command for driving the motor m based on the anti-slip control, and outputs the command to the motor driving unit 23c.
  • a command includes a control value for controlling the torque (driving force) of the motor m.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the anti-slip control process in the step difference control unit 23a.
  • the anti-slip control is a so-called “slip control” in which a slip rate indicating a speed difference between the motor m and the moving body (here, the mobile robot 1) is controlled based on the actual speed (including acceleration) of the moving body. "include. Since “slip control” is known as a known technique, a detailed description thereof is omitted here.
  • FIG. 5 shows a curve drawn when the slip ratio is taken on the horizontal axis and the friction coefficient is taken on the vertical axis. As shown in FIG. 5, the relationship between the slip ratio and the friction coefficient shows that the friction coefficient increases to a certain extent as the slip ratio increases, but if the slip ratio exceeds the “appropriate range”, the friction coefficient decreases. There is a tendency to go.
  • the step difference control unit 23a appropriately calculates a control value for controlling the torque of the motor m so that the slip ratio is within an appropriate range based on the speed of the mobile robot 1 acquired from the speed detection unit 25.
  • a command for driving the motor m with the controlled value is output to the motor drive unit 23c.
  • the motor driving unit 23c drives the motor m based on the control value included in the command received from the step difference control unit 23a.
  • the center-of-gravity position changing mechanism 15 actually rotates the waist 12 by the amount of rotation of the waist 12 included in the instruction received from the center-of-gravity position changing unit 23b, and changes the center of gravity of the upper body 10.
  • the motor m drives the corresponding drive wheels (the front wheels 22 and the rear wheels 24), and actually causes the moving unit 20 to travel.
  • the speed detection unit 25 appropriately detects the actual speed of the mobile robot 1 and feeds it back to the step difference control unit 23a.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an operation sequence of the mobile robot 1.
  • FIG. 6 mainly shows an operation sequence at the time of step over.
  • the operation control performed on the front wheel 22 side and the rear wheel 24 side is substantially the same, but both are shown in FIG.
  • the mobile robot 1 moves forward until the front wheel 22 contacts the step surface 502 (step S101), and secures the pressing force F against the step surface 502 (step S102).
  • step S103 based on the control of the step difference control unit 23a of the control device 23, the position of the center of gravity of the upper body part 10 is adjusted (step S103).
  • step S104 anti-slip control is performed on all the driving wheels (that is, the front wheels 22 and the rear wheels 24) so that the slip ratio is within an appropriate range (step S104).
  • step S105 while controlling the driving force of the front wheel 22 and the rear wheel 24 based on the above-described anti-slip control, the front wheel 22 is lifted while moving forward (step S105).
  • the rear wheel 24 side will be described.
  • the front wheel 22 is gripped and driven while maintaining a coefficient of friction with the floor surface on the stepped level.
  • the mobile robot 1 moves forward until the rear wheel 24 contacts the step surface 502 (step S106), as in the case of the front wheel 22, and ensures the pressing force F against the step surface 502. (Step S107).
  • step S108 based on the control of the step difference control unit 23a of the control device 23, the position of the center of gravity of the upper body part 10 is adjusted (step S108).
  • step S109 anti-slip control is performed on all the drive wheels so that the slip ratio is within an appropriate range.
  • step S110 while controlling the driving force of the front wheel 22 and the rear wheel 24 based on the above-described anti-slip control, the rear wheel 24 is lifted while moving forward (step S110), and a series of steps over the steps is completed.
  • the mobile robot (moving body) according to the embodiment includes a moving part, an upper body part, and a step difference control part (control part).
  • the moving part has a plurality of drive wheels arranged forward and backward along the traveling direction.
  • the upper body part is supported by the moving part and is provided so that the position of the center of gravity in the traveling direction can be changed.
  • the step difference control unit instructs the upper body part to change the position of the center of gravity according to the road surface state.
  • the steps can be overcome with a simple configuration.
  • the moving body may not be a mobile robot.
  • FIG. 7A is a schematic side view illustrating a configuration of a mobile robot 1A according to a modification
  • FIG. 7B is a schematic side view illustrating a configuration of a mobile body 1B according to the modification.
  • a mobile robot 1A includes an arm portion 13 in an upper body portion 10A.
  • the position of the center of gravity of the upper body portion 10A can be changed by swinging the arm portion 13 (see arrow 701 in the figure), for example.
  • the movement of the arm 13 and the movement around the waist axis may be used in combination.
  • FIG. 7B it is good also as comprising the mobile body 1B instead of a mobile robot, and providing the balancer 30 as the upper-body part 10B.
  • the center of gravity of the upper body portion 10B can be changed by giving the balancer 30 an inclination in the same manner as before (see the arrow 703 in the figure).
  • the center of gravity position is changed by changing the inclination
  • the method for changing the center of gravity position is not limited.
  • the position of the center of gravity may be changed by moving the fluid.
  • the motor is illustrated as an in-wheel motor installed in the hub of the wheel in FIG. 1, but the configuration of the drive unit that drives the wheel is not limited.
  • the structure which drives a wheel combining a reduction gear with a motor may be sufficient.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention may be applied when moving on an uneven floor with an undulating slope. That is, the moving body may be moved while performing anti-slip control while adjusting the inclination of the upper body portion according to the road surface state.

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Abstract

　簡素な構成で段差を乗り越えることができる移動体および移動体システムを提供することを課題とする。かかる課題を解決するために、実施形態の一態様に係る移動体（１）は、移動部（２０）と、上体部（１０）と、制御部（２３ａ）とを備える。移動部（２０）は、進行方向に沿って前後に配置された複数個の駆動輪（２２、２４）を有する。上体部（１０）は、移動部（２０）に支持され、進行方向についての重心位置を変更可能に設けられる。制御部（２３ａ）は、路面の状態に応じて重心位置を変更させる指示を上体部（１０）に対して行う。

Description

移動体および移動体システム
　開示の実施形態は、移動体および移動体システムに関する。
　従来、車輪を用いた移動機構を備え、床面などを走行して移動可能な移動ロボットが知られている。かかる移動ロボットは、たとえば、工場や研究所、オフィスといった多様な場面で、物を運搬したり、ゲストを案内したりといった多様な用途に用いられている。
　しかし、往々にして床面などは、たとえば、ケーブルの配線や作業レイアウトの都合などから段差があることも多い。そして、かかる段差の高さが車輪半径を上回る場合、車輪を用いた移動機構がこれを乗り越えることは困難である。
　そこで、段差による制限を受けることなく移動することができる移動機構、たとえば、キャタピラを備えたものや、本体に設けられた伸縮自在な脚部の先に車輪を有する脚車輪機構を備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００３－２０５４８０号公報
　しかしながら、従来の移動ロボットには、段差を乗り越えるうえでキャタピラや脚車輪機構のような複雑な機構を要するという点で更なる改善の余地がある。
　また、機構が複雑であるがゆえに平常時の移動にも多くの動力を要し、走行効率が低いという問題があった。この点、単に車輪を用いた移動機構は、簡素な構成で、かつ、走行効率も高いが、前述のように、段差の高さが車輪半径を上回る場合にはこれを乗り越えることができない。
　なお、かかる課題は、移動ロボットだけでなく、移動体全般に共通する課題である。
　実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、簡素な構成で段差を乗り越えることができる移動体および移動体システムを提供することを目的とする。
　実施形態の一態様に係る移動体は、移動部と、上体部と、制御部とを備える。前記移動部は、進行方向に沿って前後に配置された複数個の駆動輪を有する。前記上体部は、前記移動部に支持され、前記進行方向についての重心位置を変更可能に設けられる。前記制御部は、路面の状態に応じて前記重心位置を変更させる指示を前記上体部に対して行う。
　実施形態の一態様によれば、簡素な構成で段差を乗り越えることができる。
図１Ａは、実施形態に係る移動ロボットの構成を示す正面模式図である。 図１Ｂは、実施形態に係る移動ロボットの構成を示す側面模式図である。 図２Ａは、段差越えの基本的な考え方の説明図（その１）である。 図２Ｂは、段差越えの基本的な考え方の説明図（その２）である。 図３は、移動ロボットの構成を示すブロック図である。 図４は、重心位置変更部の実行する重心位置制御処理の説明図である。 図５は、段差越え制御部におけるアンチスリップ制御処理の説明図である。 図６は、移動ロボットの動作シーケンスを示すフローチャートである。 図７Ａは、変形例に係る移動ロボットの構成を示す側面模式図である。 図７Ｂは、変形例に係る移動体の構成を示す側面模式図である。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示する移動体および移動体システムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
　また、以下に示す実施形態では、移動体が、移動機構を備えた移動ロボットであるものとして説明を行う。また、以下では、「段差面」と記載した場合、段差を形成する側壁面のことを指すものとする。
　図１Ａは、実施形態に係る移動ロボット１の構成を示す正面模式図である。また、図１Ｂは、実施形態に係る移動ロボット１の構成を示す側面模式図である。
　なお、図１Ａおよび図１Ｂをはじめとする各図では、説明を分かりやすくする観点から、移動ロボット１をごく模式的に示している。このため、前輪２２および後輪２４（いずれも後述）が躯体部２１（後述）から分離してみえるが、実際には連結されている。
　また、図１Ａおよび図１Ｂには、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。したがって、ＸＹ平面に沿った方向は、「水平方向」を指す。かかる直交座標系は、以下の説明に用いる他の図面においても適宜示す場合がある。なお、本実施形態の説明において、移動ロボット１は、Ｘ軸の正方向を進行方向として移動するものとする（図１Ｂ参照）。
　図１Ａに示すように、移動ロボット１は、上体部１０と、移動部２０とを備える。上体部１０は、胴体部１１と、腰部１２とを備える。
　移動部２０は、躯体部２１と、１対の前輪２２とを備える。前輪２２のそれぞれは、１対１で対応付けられたモータｍを有する。モータｍは、対応する前輪２２をそれぞれ駆動する。したがって、前輪２２はいずれも駆動輪である。
　また、図１Ｂに示すように、移動部２０は、後輪２４を備える。なお、図１Ｂにはあらわれていないが、後輪２４もまた一対備えられている。そして、後輪２４もまた、それぞれ１対１で対応付けられたモータｍを有しており、かかるモータｍによってそれぞれ駆動される。したがって、後輪２４もいずれも駆動輪である。すなわち、移動部２０は、四輪駆動方式を採っている。
　なお、移動部２０は、車輪とモータｍとが１対１で対応付けられていれば、四輪駆動方式でなくともよい。たとえば、前後輪１輪ずつの二輪駆動方式であってもよいし、前２輪、後ろ１輪などの三輪駆動方式であってもよい。
　ここで、図１Ａに示すように、モータｍのそれぞれは、躯体部２１に収容された制御装置２３によって個別に制御される（図中の矢印１０２参照）。なお、制御装置２３の配置位置は図示した例に限られるものではなく、たとえば、移動ロボット１とは分離され、無線通信などを介して遠隔制御を行うように配置されてもよい。制御装置２３の構成の詳細については、図３を用いて後述する。
　また、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、躯体部２１は、上体部１０を腰部１２において、腰軸ＡＸｙまわりに回動可能に支持する（図１Ａの両矢印１０１参照）。したがって、上体部１０全体は、かかる腰部１２における腰軸ＡＸｙまわりの回動によって、重心位置を変更することが可能である。
　なお、腰軸ＡＸｙは、上面視した場合に進行方向と略直交する回動軸である。また、腰部１２の回動量は、上述の制御装置２３によって制御される。かかる点の詳細については、図４を用いて後述する。
　そして、図１Ｂに示すように、実施形態に係る移動ロボット１は、床面５０１を走行中に車輪半径Ｒを上回る高さｈの段差面５０２に当接した場合、前述の重心位置を変更しつつ、全駆動輪のスリップ率を制御することによって、前輪２２および後輪２４を床面５０１および段差面５０２へ確実にグリップさせ、段差を乗り越える。
　以下、かかる制御の詳細について順次説明してゆく。なお、本実施形態では、一対の前輪２２が、同時に段差面５０２に当接するものとして説明を進める。また、段差面５０２は、床面５０１に対して垂直であるものとする。
　まず、移動ロボット１を段差越えさせるための基本的な考え方について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、段差越えの基本的な考え方の説明図である。なお、図２Ａには、説明に必要となる前輪２２および後輪２４をごく模式的に示している。
　一般に、車輪を用いた移動機構の場合、車輪半径Ｒを上回る高さｈの段差を乗り越えることは困難である。しかし、ここで、前輪２２と段差面５０２、および、後輪２４と床面５０１を粘着状態に維持できれば、すなわち、前輪２２および後輪２４がスリップすることなくグリップし続けられれば、段差を乗り越えることが可能となる。
　具体的に説明する。まず、移動ロボット１の重量（以下、「車体重量」と記載する）をＭ、重力加速度をｇ、車体重量Ｍに対する前輪２２の重量の割合をｋとする。また、前輪２２および段差面５０２間の摩擦係数をμｆ、後輪２４および床面５０１間の摩擦係数をμｒとする。
　かかる場合、図２Ａに示すように、段差面５０２への押し付け力をＦとすれば、「Ｆ＝μｒ（１－ｋ）Ｍｇ」である。また、段差面５０２への駆動力をＦｄとすれば、「Ｆｄ＝μｆＦ」である。
　また、図２Ａに示すように、前輪２２にかかる荷重Ｆｄｆは、「Ｆｄｆ＝ｋＭｇ」となり、後輪２４にかかる荷重Ｆｄｒは、「Ｆｄｒ＝（１－ｋ）Ｍｇ」となる。
　これらの関係式から、上方向変位をＶｙとしたときの前輪２２の上下方向に関する運動は、次の式（１）であらわされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　かかる式（１）に基づき、本実施形態では、移動ロボット１を持ち上げるために、車体重量Ｍに対する前輪２２の重量の割合であるｋ（以下、「パラメータｋ」と記載する場合がある）を小さくし、摩擦係数μｆおよび摩擦係数μｒを大きくする「段差越え制御」を行うこととした。
　具体的には、本実施形態では、図２Ｂに示すように、前輪２２が段差面５０２に当接するまで前進し、押し付け力Ｆを確保したならば、腰部１２を腰軸ＡＸｙまわりに回動させて胴体部１１の傾きを変えることによって上体部１０の重心位置を変更する（図中の矢印２０１参照）。これにより、パラメータｋを小さくし、前輪２２にかかる荷重Ｆｄｆを小さくすることができる。
　そして、図２Ｂに示すように、前輪２２および後輪２４のスリップ率を適正範囲に収めるように制御することによって摩擦係数μｆおよび摩擦係数μｒを高く維持し、閉曲線Ｃ１および閉曲線Ｃ２に囲まれた部分を粘着状態に保ちながら前進して（図中の矢印２０２参照）、前輪２２を持ち上げる（図中の矢印２０３参照）。
　これにより、本実施形態によれば、車輪を用いた簡素な構成で、車輪半径を上回る高さの段差を乗り越えることができる。また、構成が簡素なため、小型化や低コスト化に資するというメリットも得ることができる。
　次に、上述の「段差越え制御」を行う制御装置２３を含む移動ロボット１のブロック構成について、図３を用いて説明する。図３は、移動ロボット１の構成を示すブロック図である。
　なお、図３では、本実施形態の説明にあたり必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。また、複数個の構成要素については、符号に「－番号」の形式の付番を付しているが、これら複数個の構成要素をまとめて説明する場合には、「－番号」の付番を用いずに符号のみを用いて説明する場合がある。
　図３に示すように、移動ロボット１は、上体部１０と、移動部２０と、制御装置２３と、速度検出部２５とを備える。
　また、上体部１０は、重心位置変更機構１５を備える。重心位置変更機構１５は、上述の腰部１２を腰軸ＡＸｙまわりに回動させる機構である。また、移動部２０は、車輪それぞれに対応したモータｍを備える。
　また、制御装置２３は、段差越え制御部２３ａと、重心位置変更部２３ｂと、モータｍそれぞれに対応したモータ駆動部２３ｃとを備える。
　段差越え制御部２３ａは、段差越え制御に関する全体制御を行う。具体的には、まず、段差越え制御部２３ａは、段差越え制御を行うにあたり、重心位置変更部２３ｂに対して上述のパラメータｋを小さくさせるべく重心位置変更機構１５を動作させる指令を生成し、出力する。
　重心位置変更部２３ｂは、パラメータｋが適正な小さな値となるように腰部１２の回動量を決定して、決定した回動量で腰部１２を回動させるように重心位置変更機構１５に対して指示する。
　ここで、重心位置変更部２３ｂの行う処理の詳細について、図４を用いて説明する。図４は、重心位置変更部２３ｂの実行する重心位置制御処理の説明図である。
　図４にあらわすように、車体重量Ｍに対する躯体部２１の重量の割合をα、車体重量Ｍに対する上体部１０の重量の割合を（１－α）、車体重心から前輪２２までのＸ軸方向の距離をｌｆ、同じく後輪２４までのＸ軸方向の距離をｌｒ、上体部１０の傾きをθ、車体重心から上体部１０の重心までの距離をｌｂとする。また、上述したように、前輪２２にかかる荷重はＦｄｆ、後輪２４にかかる荷重はＦｄｒであるものとする。
　ここで、荷重Ｆｄｆは、上下方向の力のつり合いと、車体重心まわりのモーメントを考慮して、次の式（２）および式（３）から求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　したがって、式（３）をパラメータｋについて解くと、次の式（４）を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、前輪２２が段差面５０２を上がるための条件は、上述の段差面５０２への駆動力Ｆｄが前輪２２にかかる荷重Ｆｄｆよりも大きいことであるから、次の式（５）の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　かかる式（５）の両辺に対して、図２Ａで説明した「Ｆｄ＝μｆＦ」および「Ｆｄｆ＝ｋＭｇ」を適用すれば、次の式（６）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　そして、式（６）をパラメータｋについて解くと、次の式（７）を導くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　そして、式（７）の左辺のパラメータｋに上述の式（４）を適用すれば、次の式（８）の関係が成り立つこととなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　したがって、重心位置変更部２３ｂは、かかる式（８）の関係を満たすように、傾きθ（すなわち、腰部１２の回動量）を決定すればよい。
　図３の説明に戻る。また、段差越え制御部２３ａは、上述の摩擦係数μｆおよび摩擦係数μｒを高く維持して、前輪２２および後輪２４が、段差面５０２および床面５０１にスリップすることなく確実にグリップするための制御（以下、「アンチスリップ制御」と記載する）を行う。
　段差越え制御部２３ａは、かかるアンチスリップ制御に基づいてモータｍを駆動させる指令を生成し、モータ駆動部２３ｃに対して出力する。なお、かかる指令には、モータｍのトルク（駆動力）を制御する制御値が含まれる。
　ここで、図５を用いて、段差越え制御部２３ａにおけるアンチスリップ制御処理の詳細について説明する。図５は、段差越え制御部２３ａにおけるアンチスリップ制御処理の説明図である。
　なお、アンチスリップ制御は、モータｍと移動体（ここでは、移動ロボット１）との速度差を示すスリップ率を、実際の移動体の速度（加速度を含む）に基づいて制御するいわゆる「スリップ制御」に含まれる。「スリップ制御」は、公知技術として知られているため、ここでの詳細な説明は省略する。
　図５には、スリップ率を横軸に、摩擦係数を縦軸にとった場合に描かれるカーブを示している。図５に示すように、スリップ率と摩擦係数との関係は、スリップ率が大きくなるにつれ、摩擦係数はある程度まで上昇傾向を示すものの、スリップ率が「適正範囲」を過ぎれば、摩擦係数は下降してゆく傾向にある。
　このため、一般に、大きな駆動力を得ようとして安易にモータｍのトルクを大きくした場合、モータｍと移動体の速度差は大きくなりやすい、すなわち、スリップ率が高まりやすいので、図５に示す摩擦係数の低い「滑走状態」に陥りやすい。
　したがって、かかる場合、移動ロボット１が段差を乗り越えることは困難である。また、逆に、モータｍのトルクを制限し過ぎれば、モータｍと移動体の速度差は小さくなるものの、摩擦係数が不足するおそれがある。
　そこで、段差越え制御部２３ａは、速度検出部２５から取得する移動ロボット１の速度に基づき、適宜、スリップ率が適正範囲に収まるようにモータｍのトルクを制御する制御値を算出して、算出した制御値でモータｍを駆動する指令をモータ駆動部２３ｃに対して出力する。
　図３の説明に戻る。そして、モータ駆動部２３ｃは、段差越え制御部２３ａから受け取った指令に含まれる制御値に基づいてモータｍを駆動する。
　重心位置変更機構１５は、重心位置変更部２３ｂから受け取った指示に含まれる腰部１２の回動量で実際に腰部１２を回動させ、上体部１０の重心位置を変更する。モータｍは、それぞれ対応する駆動輪（前輪２２および後輪２４）を駆動させ、実際に移動部２０を走行させる。
　速度検出部２５は、実際の移動ロボット１の速度を適宜検出して、段差越え制御部２３ａへフィードバックする。
　次に、図６を用いて、実施形態に係る移動ロボット１の動作シーケンスについて説明する。図６は、移動ロボット１の動作シーケンスを示すフローチャートである。なお、図６には、主に段差越え時の動作シーケンスを示している。また、前輪２２側および後輪２４側においてなされる動作制御は略同様であるが、図６にはその双方を示している。
　まず、前輪２２側から説明する。図６に示すように、移動ロボット１は、前輪２２が段差面５０２へ当接するまで前進して（ステップＳ１０１）、段差面５０２への押し付け力Ｆを確保する（ステップＳ１０２）。
　そして、制御装置２３の段差越え制御部２３ａの制御に基づき、上体部１０の重心位置を調整する（ステップＳ１０３）。
　つづいて、段差越え制御部２３ａの制御に基づき、スリップ率を適正範囲とするべく全駆動輪（すなわち、前輪２２および後輪２４）をアンチスリップ制御する（ステップＳ１０４）。
　そして、前輪２２および後輪２４の駆動力を前述のアンチスリップ制御に基づいて制御しつつ、前進しながら前輪２２を持ち上げる（ステップＳ１０５）。
　次に、後輪２４側を説明する。なお、後輪２４側の場合、前輪２２は、乗り越えた段差上の床面との摩擦係数を維持しながらグリップして駆動することとなる。
　図６に示すように、移動ロボット１は、前輪２２の場合と同様に、後輪２４が段差面５０２へ当接するまで前進して（ステップＳ１０６）、段差面５０２への押し付け力Ｆを確保する（ステップＳ１０７）。
　そして、制御装置２３の段差越え制御部２３ａの制御に基づき、上体部１０の重心位置を調整する（ステップＳ１０８）。
　つづいて、段差越え制御部２３ａの制御に基づき、スリップ率を適正範囲とするべく全駆動輪をアンチスリップ制御する（ステップＳ１０９）。
　そして、前輪２２および後輪２４の駆動力を前述のアンチスリップ制御に基づいて制御しつつ、前進しながら後輪２４を持ち上げて（ステップＳ１１０）、一連の段差越え動作を終了する。
　上述してきたように、実施形態に係る移動ロボット（移動体）は、移動部と、上体部と、段差越え制御部（制御部）とを備える。移動部は、進行方向に沿って前後に配置された複数個の駆動輪を有する。上体部は、移動部に支持され、進行方向についての重心位置を変更可能に設けられる。段差越え制御部は、路面の状態に応じて重心位置を変更させる指示を上体部に対して行う。
　したがって、実施形態に係る移動ロボットによれば、簡素な構成で段差を乗り越えることができる。
　ところで、上述した実施形態では、上体部の重心位置を変更するにあたり、上体部の腰部を腰軸まわりに回動させることによって、上体部全体へ傾きを与える場合を例に挙げたが、これに限られるものではない。また、移動体が、移動ロボットでなくともよい。
　かかる場合の変形例について、図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明しておく。図７Ａは、変形例に係る移動ロボット１Ａの構成を示す側面模式図であり、図７Ｂは、変形例に係る移動体１Ｂの構成を示す側面模式図である。
　図７Ａに示すように、変形例に係る移動ロボット１Ａは、上体部１０Ａにアーム部１３を備える。かかる移動ロボット１Ａの場合、アーム部１３を、たとえばスイングさせることによって（図中の矢印７０１参照）、上体部１０Ａの重心位置を変更することができる。
　なお、図７Ａに示すように、かかるアーム部１３の動きと、腰軸まわりの動き（図中の矢印７０２参照）とを組み合わせて用いてもよい。
　また、図７Ｂに示すように、移動ロボットでなく移動体１Ｂとして構成し、上体部１０Ｂとしてバランサ３０を備えることとしてもよい。かかる場合、これまでと同様にバランサ３０に傾きを与えることによって（図中の矢印７０３参照）、上体部１０Ｂの重心位置を変更することができる。
　また、これまでは、傾きを変えることによって重心位置を変更する場合について説明したが、重心位置を変更させるための手法を限定するものではない。たとえば、流体を移動させることによって重心位置を変更してもよい。
　また、上述した実施形態では、図１で、モータが車輪のハブ内部に装備されたインホイールモータであるように図示しているが、車輪を駆動させる駆動部の構成を限定するものではない。たとえば、モータに減速ギアを組み合わせて車輪を駆動するような構成であってもよい。
　また、上述した実施形態では、床面に対して垂直の段差面を有する段差を乗り越える場合を例に挙げたが、これに限られるものではない。たとえば、傾斜が起伏する凹凸状の床面を移動する場合に適用することとしてもよい。すなわち、移動体は、路面の状態に応じて上体部の傾きを調整しつつ、アンチスリップ制御を行いながら移動すればよい。
　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
　　　１、１Ａ　移動ロボット
　　　１Ｂ　移動体
　　１０、１０Ａ、１０Ｂ　上体部
　　１１　　胴体部
　　１２　　腰部
　　１３　　アーム部
　　１５　　重心位置変更機構
　　２０　　移動部
　　２１　　躯体部
　　２２　　前輪
　　２３　　制御装置
　　２３ａ　段差越え制御部
　　２３ｂ　重心位置変更部
　　２３ｃ　モータ駆動部
　　２４　　後輪
　　２５　　速度検出部
　　３０　　バランサ
　５０１　　床面
　５０２　　段差面
　　ＡＸｙ　腰軸
　　　ｍ　　モータ

Claims (7)

  1. 　進行方向に沿って前後に配置された複数個の駆動輪を有する移動部と、
    　前記移動部に支持され、前記進行方向についての重心位置を変更可能に設けられる上体部と、
    　路面の状態に応じて前記重心位置を変更させる指示を前記上体部に対して行う制御部と
    　を備えることを特徴とする移動体。
  2. 　前記移動体の速度を検出する速度検出部
    　をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　段差を形成する側壁面である段差面に前記駆動輪を当接させた状態で、前記速度検出部によって検出された速度に基づいて該駆動輪のスリップ率が所定の範囲の値に収まるように調整した駆動力で前記駆動輪を駆動させること
    　を特徴とする請求項１に記載の移動体。
  3. 　前記上体部は、
    　前記移動部に対し、上面視した場合に前記進行方向と略直交する回動軸まわりに回動可能に支持されており、
    　前記制御部は、
    　路面の状態に応じて前記上体部を前記回動軸まわりに回動させて前記重心位置を変更させること
    　を特徴とする請求項１または２に記載の移動体。
  4. 　前記制御部は、
    　前記段差面に前記駆動輪を当接させた状態で、該駆動輪によって該段差面へかかる駆動力よりも該駆動輪にかかる荷重が小さくなるように調整された回動量で前記上体部を前記回動軸まわりに回動させること
    　を特徴とする請求項３に記載の移動体。
  5. 　前記上体部は、
    　該上体部に対して基端部が回動可能に支持されたアーム部を有しており、
    　前記制御部は、
    　前記上体部に前記アーム部を回動させることによって前記重心位置を変更させること
    　を特徴とする請求項１に記載の移動体。
  6. 　進行方向に沿って前後に配置された複数個の駆動輪を有する移動部と、前記移動部に支持され、前記進行方向についての重心位置を変更可能に設けられる上体部と
    　を具備する移動体と、
    　路面の状態に応じて前記重心位置を変更させる指示を前記上体部に対して行う制御部と
    　を備える移動体システム。
  7. 　前記移動体の速度を検出する速度検出部
    　をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　段差を形成する側壁面である段差面に前記駆動輪を当接させた状態で、前記速度検出部によって検出された速度に基づいて該駆動輪のスリップ率が所定の範囲の値に収まるように調整した駆動力で前記駆動輪を駆動させること
    　を特徴とする請求項６に記載の移動体システム。
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