(57)【要約】  移動体本体に懸架されて床面を走行面とし、進行方向に垂直な同一平面上に備えられた一対の車輪と、前記車輪を回転させる駆動機構と、前記駆動機構を制御することで移動ロボット本体の倒立状態を維持する駆動制御部を備えた倒立振子型移動体において、前記車輪の回転速度を計測する車輪回転速度計測部と、前記移動体本体の前後方向の傾斜角速度を計測する本体前後方向角速度計測部と、前記車輪を上下方向に動かすためのサスペンションアクチュエータと、サスペンションアクチュエータを駆動するサスペンションアクチュエータ駆動部を備え、計測した本体前後方向角速度と、少なくとも一つの前記車輪速度が設定した値以上に変化した際において、設定した値以上に変化した車輪側の前記サスペンションアクチュエータを駆動し、前記車輪の上下位置を変化させることを特徴とする倒立振子型移動体。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体本体に懸架された一対の車輪と、この車輪を回転させる駆動機構と、この駆動機構を制御することで移動ロボット本体の倒立状態を維持する駆動制御部とを備えた倒立振子型移動体において、
前記車輪の回転速度を計測する車輪回転速度計測部と、
前記移動体本体の前後方向の傾斜角速度を計測する本体前後方向角速度計測部と、
前記車輪を上下方向に動かすためのサスペンションアクチュエータと、
前記サスペンションアクチュエータを駆動するサスペンションアクチュエータ駆動部とを備え、
前記本体前後方向角速度計測部によって計測された本体前後方向角速度と一対の車輪の左右いずれか一方の速度が設定した値以上に変化した際、設定した値以上に変化した車輪側の前記サスペンションアクチュエータを駆動させて前記車輪を上下に変化させることを特徴とする倒立振子型移動体。
【請求項２】
請求項１記載の倒立振子型移動体において、
前記移動体本体の前後方向の傾斜角速度を計測する本体前後方向角度計測部と、
前記本体前後方向角度計測部によって計測された本体前後方向角度と一対の車輪の左右いずれか一方の速度が設定した値以上に変化した際、設定した値以上に変化した車輪側の前記サスペンションアクチュエータを駆動し、前記車輪の上下位置を変化させることを特徴とする倒立振子型移動体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の倒立振子型移動体において  車輪位置を上方向に移動させた側の車輪に対し、車輪の移動量に対応して駆動トルクを追加することを特徴とする車輪駆動機構を備えることを特徴とする倒立振子型移動体。
【請求項４】
請求項１または２のいずれかに記載の倒立振子型移動体において、
前記移動体本体の前後方向傾斜角速度若しくは前後方向傾斜角度が設定値以下になった際、前記一対の車輪の上下位置を等しくするようにサスペンションアクチュエータを駆動させることを特徴とする倒立振子型移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走行安定化装置を備えた倒立振子型移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
段差がある路面を倒立振子型移動体（いわゆる、自立移動ロボット）が路面を移動する場合の段差乗越えに関する従来技術としては、特許文献１や特許文献２等の様々な走行動作が提案されている。【０００３】
例えば、特許文献１に記載の倒立振子型移動体では、段差に車輪を接触させて移動体の重心を前方移動させた状態で倒立制御により車輪駆動制御を行い、段差を乗越えるトルクを与える例が記載されている。【０００４】
また特許文献２に記載された倒立振子型移動体では、障害物センサを備え、段差の直前でバネの圧縮を開放させて移動体を浮上させて段差を乗越える例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−５５６８２号公報
【特許文献２】特開２００９−３５１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術では小型で移動速度の速い倒立振子型移動体においては、確実な段差乗り上げ動作が行えるかどうかについて疑問があった。  
また、小型で移動速度の速い倒立振子型移動体では、外環境から受ける影響が大きくなるため、より小さな段差を検出する必要がある。しかしながら一般に高精度のセンサは体積が大きいという欠点がある。【０００７】
また、小型化にするため車輪駆動トルクが小さくなってしまい、段差乗越え時の倒立振子の姿勢維持に使えるトルクの余裕が少なくなるという問題もある。【０００８】
例えば、特許文献１に記載の技術では、段差の位置を光学センサ、または車輪回転角度の偏差から取得している。この場合、光学センサでは一般に段差検出精度と検出距離にトレードオフがあり小さな段差は近距離でないと検出できない。そのために，段差を検出した際には動作が間に合わない、または、段差そのものが検出できない等の課題がある。また、車輪回転角度を用いた場合では、傾斜面でも車輪回転角度に偏差が生じるため、誤検出の可能性がある。【０００９】
また、特許文献２に記載の技術では弾性体に蓄えられたエネルギーを用い、移動体が段差に差し掛かった際に一気に移動体を持ち上げるようになっている。そのため、段差高さに応じた対応が難しく、場合によっては移動体に引きずられ車輪が浮上して空転する可能性がある。【００１０】
本発明の目的は、倒立振子型移動体が段差乗越えに際し、確実に段差を検出し、段差乗越えに必要なトルクを軽減することで安定した走行を実現した走行安定化装置を備えた倒立振子型移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、移動体本体に懸架された一対の車輪と、この車輪を回転させる駆動機構と、この駆動機構を制御することで移動ロボット本体の倒立状態を維持する駆動制御部とを備えた倒立振子型移動体において、前記車輪の回転速度を計測する車輪回転速度計測部と、前記移動体本体の前後方向の傾斜角速度を計測する本体前後方向角速度計測部と、前記車輪を上下方向に動かすためのサスペンションアクチュエータと、前記サスペンションアクチュエータを駆動するサスペンションアクチュエータ駆動部とを備え、前記本体前後方向角速度計測部によって計測された本体前後方向角速度と一対の車輪の左右いずれか一方の速度が設定した値以上に変化した際、設定した値以上に変化した車輪側の前記サスペンションアクチュエータを駆動させて前記車輪を上下に変化させることにより達成される。【００１２】
また上記目的は、前記移動体本体の前後方向の傾斜角速度を計測する本体前後方向角度計測部と、前記本体前後方向角度計測部によって計測された本体前後方向角度と一対の車輪の左右いずれか一方の速度が設定した値以上に変化した際、設定した値以上に変化した車輪側の前記サスペンションアクチュエータを駆動し、前記車輪の上下位置を変化させることがより好ましい。【００１３】
また上記目的は、車輪位置を上方向に移動させた側の車輪に対し、車輪の移動量に対応して駆動トルクを追加することを特徴とする車輪駆動機構を備えることがより好ましい。【００１４】
また上記目的は、前記移動体本体の前後方向傾斜角速度若しくは前後方向傾斜角度が設定値以下になった際、前記一対の車輪の上下位置を等しくするようにサスペンションアクチュエータを駆動させることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、倒立振子型移動体が段差乗越えに際し、確実に段差を検出し、段差乗越えに必要なトルクを軽減することで安定した走行を実現した走行安定化装置を備えた倒立振子型移動体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の倒立振子型移動体の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施例にかかる移動体の概略構成図である。
【図３】本発明の一実施例にかかる移動体のシステム構成図である。
【図４】本発明の一実施例にかかる走行安定化装置の処理を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
さて、本発明が対象としている倒立振子型移動体の従来構造を図１に示した倒立振子型移動体で説明する。  
図１は従来の倒立振子型移動体の概略構成図である。  
図１において、倒立振子移動体１は移動体本体(筺体)１０内部に移動機構２を備え付けている。この移動機構２は移動制御部３と乗越え補助動作生成部４によって制御される。倒立振子移動体１は移動体本体１０の前後方向、左右方向の傾斜角度取得手段としてジャイロ１１が移動体本体１０の内部に備えられている。
【００１８】
移動機構２は倒立振子移動体１の下部の左右それぞれにアクチュエータ１４、駆動輪１３、車輪モータ１２を備えている。倒立振子移動体１の左右それぞれに備えられた駆動輪１３はそれぞれアクチュエータ１４を介して移動体本体１０に接続されている。このアクチュエータ１４は移動体本体１０の傾きに応じて姿勢を修正するものである。駆動輪１３は車輪モータ１２により駆動される。ジャイロ１１は移動制御部３と乗越え補助動作生成部４に電気信号により接続されている。
【００１９】
以上のごとき従来の倒立振子移動体１はアクチュエータ１４を備えているものの、このアクチュエータ１４は段差による倒立振子移動体１の傾きについては対応しておらず、高い段差を乗越えることができなかった。
【００２０】
そこで本発明の発明者らは、そもそも傾きながら走行する倒立振子移動体１の傾斜角度と段差に接触したときの倒立振子移動体１の傾き角度との角度偏差から段差の高さを検出し、段差の高さに応じて駆動輪１３を上昇させることを検討した。  
検討の結果、以下のごとき実施例を得た。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の一実施例を図２にしたがって説明する。  
図２は本発明の一実施例を備えた倒立振子型移動体の概略機構構成図であり、図２(a)はその側面図である。図２(b)はその正面図である。  
図２において、倒立振子移動体１は移動体本体(筺体)１０内部には移動機構２が備え付けられている。この移動機構２は移動制御部３と乗越え補助動作生成部４によって制御される。倒立振子移動体１は移動体本体１０の前後方向、左右方向の傾斜角度取得手段としてジャイロ１１を移動体本体１０内部に備えている。【００２２】
移動機構２は倒立振子移動体１の下部の左右それぞれにアクチュエータ１４、駆動輪１３、車輪モータ１２を備えている。倒立振子移動体１の左右それぞれに備えられた駆動輪１３はそれぞれアクチュエータ１４を介して移動体本体１０に接続されており、アクチュエータ１４が動作することにより移動体本体１０との距離を変更することができる。駆動輪１３は車輪モータ１２により駆動される。【００２３】
ジャイロ１１は移動制御部３と乗越え補助動作生成部４に電気信号により接続されている。このジャイロ１１は図２（ａ）に示す移動体本体１０の鉛直面に対する前後方向傾斜角度θと前後方向傾斜角速度ｄθを計測する。【００２４】
図２（ａ）（ｂ）の各図に記載したXYZ座標軸は、説明を容易にするために設けた座標軸であり、移動体本体１０に対する座標軸である。＋Ｙ方向を前、−Ｙ方向を後ろ、＋Ｘ方向を右、−Ｘ方向を左、＋Ｚ方向を上と称し、倒立振子移動体１は前後方向に移動可能である。また、図２（ｂ）は車輪１３の左右いずれか一方は段差Ａ部に乗り上げた状態を示した。【００２５】
次に図３を用いて、システム構成を説明する。  
図３は本発明の一実施例にかかる移動体のシステム構成図である。  
図３において、ジャイロ１１と乗越え補助動作生成部４、車輪制御部５に接続された移動制御部３、及びジャイロ１１と車輪制御部５とアクチュエータ制御部６に接続された乗越え補助動作生成部４は計算機として構成されている。移動制御部３はその内部にソフトウェアで実装された移動指令部７と倒立制御部８から構成されている。【００２６】
車輪制御部５は移動制御部３から取得する倒立トルクτｉと乗越え補助動作生成部より与えられたトルクτｃを加算し、車輪モータ１２が加算されたトルクを出力するように制御する。また、車輪制御部５は車輪モータ１２より車輪モータの現在の回転角度を取得する。アクチュエータ制御部６は乗越え補助動作生成部４から目標となる長さを受け取り、アクチュエータ１４が目標長さになるように制御する。【００２７】
移動制御部３内部の処理及び動作について説明する。  
移動指令部７は移動命令に従い、倒立振子移動体１の従うべき移動目標軌跡である、モータ１２の目標回転角度θｒ、目標回転角速度ｄθｒ、移動体本体１０の目標前後方向傾斜角度φｒ、目標前後方向傾斜角度ｄφｒを生成する。【００２８】
移動命令は予めプログラムにより決定されていても、移動指令部７に接続されたインターフェースにより人間がリアルタイムに決定しても良い。また、駆動輪１３の目標回転角度θｒは目標回転角速度ｄθｒを積分したものであり、同様に目標前後方向傾斜角度φｒは目標前後方向傾斜角速度ｄφｒを積分した関係にある。【００２９】
目標回転角速度ｄθｒは例えば台形パターンで与えることができ、目標前後方向傾斜角速度は常に０でも良い。倒立制御部８は移動指令部７から上記移動目標軌跡とジャイロ１１より移動体本体１０の前後方向傾斜角度θ、前後方向傾斜角速度ｄθ、車輪制御部５より車輪モータの回転角度θ、回転角速度ｄθを取得し、数式１に従い倒立トルクτｉを算出する。【００３０】
【数１】
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【００３１】
ここでK１、K２、K３、K４は倒立ゲインであり、LQR等の各種制御理論や機械学習などを用いることにより決定される。倒立トルクτｉが車輪モータ１２より出力され、且つ、倒立振子移動体１が平坦、平滑な路面上にあるならば倒立振子移動体１の倒立は達成される。【００３２】
乗越え補助動作生成部４の処理について、段差に接触する可能性が有る片側の車輪のみに注目して、図４のフローチャートを用いて説明する。乗越え補助動作は一定周期で実行される。【００３３】
図４は本発明の一実施例にかかる走行安定化装置の処理を説明するフロー図である。【００３４】
S１において、乗越え補助動作生成部４は車輪制御部５から車輪モータの回転角速度ｄθ、ジャイロ１１から前後方向傾斜角度φと前後方向傾斜角速度ｄφ、移動指令部より移動目標軌跡であるｄθｒ、φｒ、ｄφｒを取得する。【００３５】
Ｓ２において、乗越え補助動作生成部４はｄθｒとｄθの差分とφｒとｄφｒの差分を求め、両方の差分が予めそれぞれ設定された値以上であった場合、図２に示す段差部Ａに接触していると判定する。段差部Ａに接触していると判定された場合は処理をＳ３に進み、段差部Ａに接触していないと判定された場合は乗越え補助を終了する。【００３６】
Ｓ３において、乗越え補助動作生成部４は数式２に従いアクチュエータの引き上げ量Ｈuを決定する。Hu分アクチュエータ１４が引き上げられることにより、駆動輪１３からの見かけ上の段差高さが減少し、少ないエネルギーで駆動輪１３は段差部Ａを乗り越えることができる。【００３７】
【数２】
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【００３８】
また、数式３に従い、乗越え補助車輪トルクτｃを決定する。乗越え補助車輪トルクτｃにより車輪モータ１２に倒立振子移動体１が段差部Ａを乗越えるために必要なトルクが補われる。【００３９】
【数３】
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【００４０】
数式２、及び数式３中のP１、P２、R１、R２はアクチュエータ引き上げ量Ｈｕと乗越え補助車輪トルクτｃを調整するためのスカラー量であり、実験で経験的に決定できる。【００４１】
Ｓ４において、乗越え補助動作生成部４はアクチュエータ制御部６にアクチュエータ引き上げ量Huを、車輪制御部５に乗越え補助車輪トルクτｃを出力する。【００４２】
S５において、乗越え補助動作生成部４はジャイロ１１より前後方向傾斜角速度ｄθと左右方向傾斜角度Ψを取得する。【００４３】
S６において、乗越え補助動作生成部４は前後方向傾斜角速度ｄθの正負を判別し、ｄθが正の場合は段差乗越えが終了したと判定し、負の場合は段差乗越えが継続中だと判定する。段差乗越えが終了していない場合はＳ２に処理を戻す。【００４４】
Ｓ７において、乗越え補助動作生成部４はアクチュエータ引き上げ量Ｈｕを移動体本体１０の左右方向傾斜角度Ψを０に保ったまま、徐々に０に戻すように所定の値をアクチュエータ引き上げ量Huから減じて、算出する。これにより倒立振子移動体１の左右方向への転倒を防ぐことができる。また、乗越え補助車輪トルクτｃを０にする。【００４５】
S８において、乗越え補助動作生成部４はS４と同様にアクチュエータ引き上げ量Huを、車輪制御部５に乗越え補助車輪トルクτｃを出力する。【００４６】
S９において、乗越え補助動作生成部４はアクチュエータ引き上げ量Huが０ならば乗越え補助を終了し、そうでないならばS７に処理を戻す。【００４７】
これらにより段差部Ａの乗越え補助の一連の処理が終了するが、終了次第、再び段差部乗越え補助を開始することにより常に段差乗越え補助処理を行っていても良い。【００４８】
以上、図４では段差に接触する可能性のある片輪のみに注目した段差乗越え補助動作を説明したが、両輪が段差に接触する可能性がある。その場合は上記の動作が左右独立に行われる。また、アクチュエータ制御部６がアクチュエータを駆動する際はアクチュエータを重力加速度以上の加速度で動作させる。【００４９】
これにより両輪が同時に段差を乗越える場合でも駆動輪１３にかかる荷重が減るため、より少ない車輪トルクで段差部を乗越えることができる。また、右駆動輪１３の左右それぞれのアクチュエータの引き上げ量をHurとHulとし、この時S７において乗越え補助動作生成部４は左右それぞれのアクチュエータ引き上げ量HuｒとHulを０に戻す際にジャイロ１１から取得できる左右方向傾斜角度を用いて、移動体本体１０の左右方向傾斜角度Ψが０となるように徐々に減少させる。これにより倒立振子移動体１の左右方向への転倒を防ぐことができる。【００５０】
以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、使用目的と実装上の理由により様々な変形が可能である。【００５１】
例えば、数式２の代わりに数式４を用いても良い。【００５２】
【数４】
2012095959.tif 000006
【００５３】
この場合数式２と比較して移動体本体１０の前後方向傾斜角速度ｄφについての偏差を用いるため、アクチュエータ引き上げ量Huが段差接触の早い段階で大きくなる。そのため、より移動体本体１０の前後方向傾斜角度θの偏差を小さく保ったまま段差を乗り越えることができる。【００５４】
同様に数式３の代わりに数式５を用いても良い。【００５５】
【数５】
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【００５６】
この場合、数式３と比較して移動体本体１０の前後方向傾斜角速度ｄφについての偏差を用いるため、乗越え補助トルクτｃが段差接触の早い段階で大きくなる。したがって、より素早く段差を乗越えることができるようになり、移動体本体１０の移動速度の段差による影響が小さくなる。【００５７】
数式４及び数式５中のP３、R３はアクチュエータ引き上げ量Ｈｕと乗越え補助車輪トルクτｃを調整するためのスカラー量であり、実験で経験的に決定できる。【００５８】
以上のごとく本発明よれば、倒立振子型移動体が走行し、段差乗越えに際し、段差により倒立振子型移動体に現れる影響である、本体前後方向角速度と車輪速度を計測し、これらが設定した値以上に変化しているかを判別することにより、確実に段差を検出し、設定した値以上に変化した車輪側の前記アクチュエータを駆動し、前記車輪の上下位置を変化させることによって、段差の高さが車輪より見かけ上小さくなることにより、段差乗越えに必要なトルクが減少するため安定した走行を実現することのできる倒立安定化走行装置を提供できる。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・移動体、２・・・移動機構、３・・・移動制御部、４・・・乗越え補助動作生成部、５・・・車輪制御部、６・・・アクチュエータ制御部、７・・・移動指令部、８・・・倒立制御部、１０・・・移動体本体、１１・・・ジャイロ、１２・・・車輪モータ、１３・・・駆動輪、１４・・・アクチュエータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2012095959.tif 000012
2012095959.tif 000013
2012095959.tif 000014
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