(57)【要約】【課題】外力Ｆを加えた方向に自立走行する自走車またはロボットを提供する。【解決手段】フロア上を任意の方向に自立して走行する自立走行装置１は、走行機構部１２と走行機構部１２の上方に位置する走行本体部１１と走行本体部１１に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサ１３とを有し、走行機構部１２は、駆動部１５と、駆動部１５を走行本体部１１に対して全周施回可能に操舵する操舵部１４とを有する走行ユニットを複数備えると共に、複数の荷重センサ１３により検出された荷重から自立走行装置１の重心を求め、重心の変位を算出し、自立走行装置１が安定な状態を維持できるように操舵部１４を制御する制御部１０と、を有する。【選択図】図２
2010009226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロア上を任意の方向に自立して走行する自立走行装置であって、
走行機構部と該走行機構部の上方に位置する走行本体部と該走行本体部に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサとを備え、
前記走行機構部は、
駆動部と、該駆動部を前記走行部本体部に対して全周旋回可能に操舵する操舵部とを有する走行ユニットを複数備えると共に、
前記複数の荷重センサにより検出された荷重から前記自立走行装置の重心を求め、該重心の変位を算出し、前記自立走行装置が安定な状態を維持できるように前記操舵部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする自立走行装置。
【請求項２】
前記制御部は前記自立走行装置の走行方向が前記重心の変位方向に一致するように前記操舵部を制御する、
請求項１に記載の自立走行装置。
【請求項３】
前記制御部は前記自立走行装置の重心から前記フロアへ向かう垂線と該フロア表面との交点が前記複数の荷重センサの荷重点を結んで囲む範囲内に維持されるように前記操舵部を制御する、
請求項１に記載の自立走行装置。
【請求項４】
前記荷重センサは前記走行本体部と前記走行機構部との間に設置されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の自立走行装置。
【請求項５】
前記荷重センサは前記走行機構部の底面に設置されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の自立走行装置。
【請求項６】
前記荷重センサは前記走行機構部の底面と前記フロアとの間に設置されている、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の自立走行装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自立走行装置に関し、特に自立走行する自走車またはロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
人と共存するロボット分野において、ロボットは安全性を考慮して一定速度以下を保ち、ロボットに搭載された各種センサにより障害物を検知し回避しながら走行を行っている。しかし、限られた空間や通路、出入り口付近ではロボットは歩行者の進路を妨害する恐れがある。例えば、ロボットは四方を塞がれると回避径路を見つけられずその場で停止し、歩行者の通行の邪魔となる。ロボットが歩行者と対面してすれ違う場合、ロボットにとっては歩行者が避ける方向を瞬時に察知することが困難なため、通路の真ん中で停止する恐れがある。このようにロボットは機敏性が劣るため、急いで走行している歩行者の邪魔になる。
【０００３】
図１は従来技術の二輪駆動によるロボットに力を外加えたときの走行方向の変化を示す図であり、（Ａ）はロボットを示す図であり、（Ｂ）は停止中のロボット外に力を加えた時のロボット底面を示す図であり、（Ｃ）はロボットに外力を加えた後に旋回し走行開始する時のロボット底面を示す図である。図１に示すロボット１０１は２つの車輪１０２と２つのキャスタ１０３を底面に設け、２つの車輪１０２の速度差により旋回し方向転換を行った後に走行開始する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
それゆえ、従来技術の二輪駆動によるロボット１０１は走行開始までの旋回動作に時間を要するという問題がある。また、ロボット１０１に外力Ｆが加えられると、外力Ｆが加えられた位置Ｐ１が旋回により旋回開始時の位置Ｐ１から旋回終了時の位置Ｐ２にずれるので、ロボット１０１が何れの方向ＦＷＤに走行開始するのか判断できず歩行者はロボット１０１と衝突する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、外力Ｆを加えた方向に自立走行する自走車またはロボット等の自立走行装置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】
【０００６】
上記目的を達成する自立走行装置は、フロア上を任意の方向に自立して走行する自立走行装置であって、走行機構部と該走行機構部の上方に位置する走行本体部と該走行本体部に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサとを備え、前記走行機構部は、駆動部と、該駆動部を前記走行部本体部に対して全周旋回可能に操舵する操舵部とを有する走行ユニットを複数備えると共に、前記複数の荷重センサにより検出された荷重から前記自立走行装置の重心を求め、該重心の変位を算出し、前記自立走行装置が安定な状態を維持できるように前記操舵部を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記自立走行装置において、自立走行装置の上体に位置する走行本体部に該自立走行装置を誘導させたい方向に力を加えることにより、自立走行装置を誘導させたい方向に容易に誘導させる全方位走行機構を実現する。
【０００８】
上記自立走行装置において、自律走行装置が人の経路を妨害している状況下において、自律走行装置の一端を押すことにより生じる自律走行装置の重心の変位を検出し、押された方向へ自律走行装置を走行させる操舵機構を実現する。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成により、自立走行装置を転倒させず安定な状態で移動させることができる。
上記構成により、自立走行装置を誘導させたい方向に誘導させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図２は第１実施形態の自立走行装置の側面図である。図２に示す第１実施形態の自立走行装置１は独立３輪ステアリング機構により全方位走行を可能とする。自立走行装置１はフロア上を任意の方向に自立して走行する。自立走行装置１は制御部１０と走行本体部１１と走行機構部１２を有する。制御部１０は走行本体部１１に設置しているが走行機構部１２に設置してもよい。走行本体部１１は走行機構部１２の上方に位置する。自立走行装置１はまた走行本体部１１に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサ１３を有する。第１実施形態では荷重センサ１３は走行本体部１１と走行機構部１２との間に設置される。
【００１１】
制御部１０は、不図示のＣＰＵ、ダイナミックラム（ＤＲＡＭ）、スタティックラム（ＳＲＡＭ）、フラッシュロム(ＦＲＯＭ)、入出力インターフェースおよび通信インターフェース等を有する。制御部１０は自立走行装置１に外力Ｆが加えられ、荷重センサ１３により検出された外力Ｆが加えられる前後の荷重を入力インターフェースを介して受け、取得した荷重から自立走行装置１の前後の重心を求め、重心の変位を算出し、自立走行装置１の走行方向が重心の変位方向に一致するように出力インターフェースを介して操舵部１４を制御する。この重心の算出方法については後で説明する。
【００１２】
図３は図２に示す自立走行装置の走行機構部の斜視図である。図３は走行本体部１１の台と走行機構部１２の構成を示している。図３に示す走行機構部１２は、自立走行装置１の走行方向を変える複数の操舵部（ステアリング）１４と自立走行装置１を走行させる複数の駆動部１５とサスペンション１６とを有する。駆動部１５は駆動輪１５−１を回転させるモータ１５−２を有する。モータ１５−２には扁平高トルクモータが用いられている。サスペンション１６は操舵部１４と駆動部１５との間に設置され、操舵部１４への振動を防止する。荷重センサ１３は操舵部（ステアリング）１４と走行本体部１１の台との間に設置される。
【００１３】
図４は図３に示す走行機構部の走行ユニットを示す図である。図示の走行機構部１２の走行ユニットは、操舵部（ステアリング）１４と駆動部１５とサスペンション１６が組み込まれたものであり、２輪や４輪駆動の自立走行装置１に適用できる。
【００１４】
図５は第１実施形態の自立走行装置１による走行方向、旋回方向を示す図であり、（Ａ）は走行時の走行方向５１を示す図であり、（Ｂ）は外力Ｆが加わった後の走行方向５２と旋回方向５３を示す図であり、（Ｃ）は走行せずに旋回方向５４に旋回のみを行っている状態を示す図であり、（Ｄ）は走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を示す図である。図５は自立走行装置１の走行機構部１２を底面から見た図を示し、３つの駆動輪１５−１が示されている。３つの駆動輪１５−１が放射状になるように不図示の操舵部を旋回させることにより（Ｄ）に示す走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を得ることができる。
【００１５】
図６は第２実施形態の自立走行装置の側面図である。図６に示す第２実施形態の自立走行装置２は荷重センサ（ロードセル）２３を走行機構部２２の底面付近に配置した点で第１実施形態の自立走行装置１と異なる。第２実施形態の自立走行装置２は荷重センサ２３が第１実施形態の自立走行装置１の荷重センサ１３の位置よりフロア近くにあるので移動時の重心２８をより正確に算出できる。その理由については図９を用いて後で説明する。
【００１６】
制御部２０は、自立走行装置２に外力Ｆが加えられる前後の荷重を荷重センサ２３により検出し、検出した荷重から自立走行装置２の重心２８を求め、重心２８の変位を算出し、自立走行装置２の走行方向が重心２８の変位方向に一致するように不図示の操舵部を制御する。この重心２８の算出方法については後で説明する。
【００１７】
第２実施形態の自立走行装置２では、フロアに近い高さで、走行機構部２２に荷重センサ２３としてロードセルを３箇所に配置することにより、静止・移動時の重心２８を測定する。
【００１８】
第２実施形態の自立走行装置２によれば、荷物積降時、加減速・外力Ｆが走行本体部２１に加わった際の重心の変化を自立走行装置２の走行方向が重心２８の変位方向に一致するように不図示の操舵部を制御することにより転倒防止を図ることができる。
【００１９】
また、第２実施形態の自立走行装置２によれば、歩行者が「手でよける」という直感的な動作で、ロボット等の自立走行装置２の走行方向を制御できる。
【００２０】
図７は第２実施形態の自立走行装置の重心の変化を示す図であり、（Ａ）は静止時の重心２８を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の重心２８を示す図であり、（Ｃ）は操舵部（ステアリング）回転後の重心２８の変化を示す図であり、（Ｄ）は走行後の重心２８の変化を示す図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は自立走行装置２の走行機構部２２を底面から見た図を示し、荷重センサ２３、３つの駆動輪２５−１および重心２８が示されている。図７の（Ａ）〜（Ｄ）に示すステップＳ１〜Ｓ４は不図示の制御部２０の処理ステップを示す。
【００２１】
図７の（Ａ）はステップＳ１において自立走行装置２の静止時の重心２８を計算するときの３つの駆動輪２５−１と重心２８の位置関係を示す。
【００２２】
図７の（Ｂ）はステップＳ２において自立走行装置２に外力Ｆが加えられた時の重心２８Ａの位置を示す。自立走行装置２に外力Ｆが加えられると、重心２８が図７の（Ａ）に示す重心２８の位置から図７の（Ｂ）に示す重心２８Ａの位置に移動したことが判る。
【００２３】
図７の（Ｃ）はステップＳ３において３つの駆動輪２５−１が図７の（Ａ）に示す重心２８の位置から図７の（Ｂ）に示す重心２８Ａの位置に変位する方向に一致するように操舵部（ステアリング）を回転した後の重心２８Ａの位置を示す。
【００２４】
図７の（Ｄ）はステップＳ４において３つの駆動輪２５−１の各モータ（不図示）を駆動して自立走行装置２を走行させることで外力が無くなり安定となった状態を示す。図７の（Ｄ）に示す重心２８の位置は図７の（Ａ）に示す重心２８の位置と同じになる。
【００２５】
図７に示すような３つ以上の駆動輪２５−１を有する自立走行装置２は、図６に示すような走行本体部２１そのものを回転させることなく、外力Ｆが加えられた方向、例えば人が自立走行装置２を押した方向に移動し得る。
【００２６】
図８は３つの荷重センサ（ロードセル）の出力から重心の位置ＲGを算出する方法を説明する図である。重心の位置ＲGは下記の一般式により求められる。
【００２７】
【数１】
2010009226.tif 000003
【００２８】
ここで、各ロードセルの位置、すなわち荷重点をR1〜R3とし、各ロードセルにおける荷重値をm1〜m3とする。
【００２９】
３点の荷重が同じ場合（外力無しの状態）、m1=m2=m3  であるため重心の位置ＲGは RG = RG0 = (0,0)である。
【００３０】
３点の荷重が異なる場合、RG=(m1R1+m2R2+m3R3)/Mである。よって、外力Fが加わった場合、重心のズレを補正する方向RG-RG0がRGとなる方向ＦＷＤへ移動する。ロードセルの個数が４個以上の場合も重心の位置は同様に上式（１）を用いて計算することができる。
【００３１】
図９は３つの荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図であり、（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｂ）は荷重センサの位置が二輪より高い位置にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｃ）は荷重センサの位置が二輪のフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。
【００３２】
図９の（Ａ）〜（Ｃ）は荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図である。図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、実際のＺＭＰ（Zero Moment Point）は走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧ（Center of Gravity）から路面ＦＬ（Floor Line）に向かう重力Ｇ（Gravity）と重心ＣＧに作用する慣性力Ｉ（Inertia）または外力の合力ＲＦ（Resultant Force）の重心ＣＧからの延長線と路面ＦＬ（Floor Line）との交点にある。
【００３３】
図９の（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図である。実際のＺＭＰが車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間にあれば本体９１は安定であり転倒しないが、図９の（Ａ）に示すように、実際のＺＭＰが車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れると本体９１は不安定となり転倒する。このような本体９１が転倒しない車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間のＺＭＰは目標ＺＭＰと呼ばれている。
【００３４】
図９の（Ｂ）は荷重センサの位置Ｌ１が二輪９２Ａ、９２Ｂより高い位置にあるときのＺＭＰを示す図である。走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧは重力Ｇ（Gravity）と重心ＣＧに作用する慣性力Ｉまたは外力の合力ＲＦの重心ＣＧからの延長線と荷重センサの位置Ｌ１との交点Ｊ１に変位する。すなわち、交点Ｊ１が重心となる。
【００３５】
重心Ｊ１から路面ＦＬに下ろした垂線と路面ＦＬとの交点Ｊ０１を本体９１が転倒する状態にあるか否かの判定に用いると、図９の（Ｂ）に示す例では、上記交点Ｊ０１が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間にあるので本体９１は安定であり転倒しないと判定される。しかしながら、ＺＭＰは車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定となり転倒する。すなわち、判定結果と実際とが異なる。
【００３６】
図９の（Ｃ）は荷重センサの位置Ｌ２が二輪２Ａ、９２Ｂのフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。走行機構９０の本体９１が静止状態のときの重心ＣＧは重力Ｇと重心ＣＧに作用する慣性力Ｉまたは外力の合力ＲＦの重心ＣＧからの延長線と荷重センサの位置Ｌ２との交点Ｊ２に変位する。すなわち、交点Ｊ２が重心となる。
【００３７】
重心Ｊ２から路面ＦＬに下ろした垂線と路面ＦＬとの交点Ｊ０２を本体９１が転倒する状態にあるか否かの判定に用いると、図９の（Ｃ）に示す例では、上記交点Ｊ０２が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定であり転倒すると判定される。一方、ＺＭＰは車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間から外れているので本体９１は不安定となり転倒する。すなわち、判定結果と実際とが一致する。
【００３８】
図９の（Ｂ）と（Ｃ）に示す例から判るように、荷重センサの位置が路面ＦＬに近くにある程、ＺＭＰと上記交点Ｊ０１、Ｊ０２とが近づくので交点Ｊ０１、Ｊ０２をＺＭＰの近似点とみなすことができ、本体９１が安定状態にあるか否かの判定、つまり本体９１が倒れるか否かの判定を正確に行うことができる。本体９１を安定な状態に維持し転倒しないようにするため、制御部１０は交点Ｊ０１、Ｊ０２が車輪９２Ａの接地点Ｒ１と車輪９２Ｂの接地点Ｒ２との間に入るように操舵部１４を制御するよう構成される。
【００３９】
（付記１）
フロア上を任意の方向に自立して走行する自立走行装置であって、
走行機構部と該走行機構部の上方に位置する走行本体部と該走行本体部に加えられた荷重を測定する複数の荷重センサとを備え、
前記走行機構部は、
駆動部と、該駆動部を前記走行部本体部に対して全周旋回可能に操舵する操舵部とを有する走行ユニットを複数備えると共に、
前記複数の荷重センサにより検出された荷重から前記自立走行装置の重心を求め、該重心の変位を算出し、前記自立走行装置が安定な状態を維持できるように前記操舵部を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする自立走行装置。
【００４０】
（付記２）
前記制御部は前記自立走行装置の走行方向が前記重心の変位方向に一致するように前記操舵部を制御する、
付記１に記載の自立走行装置。
【００４１】
（付記３）
前記制御部は前記自立走行装置の重心から前記フロアへ向かう垂線と該フロア表面との交点が前記複数の荷重センサの荷重点を結んで囲む範囲内に維持されるように前記操舵部を制御する、
付記１に記載の自立走行装置。
【００４２】
（付記４）
前記走行ユニットを２つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。
（付記５）
前記走行ユニットを３つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。
（付記６）
前記走行ユニットを４つ備えた、
付記１に記載の自立走行装置。
【００４３】
（付記７）
前記荷重センサは前記走行本体部と前記走行機構部との間に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。
【００４４】
（付記８）
前記荷重センサは前記走行機構部の底面に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。
【００４５】
（付記９）
前記荷重センサは前記走行機構部の底面と前記フロアとの間に設置されている、
付記１乃至６の何れか一つに記載の自立走行装置。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術の二輪駆動によるロボットに外力を加えたときの走行方向の変化を示す図であり、（Ａ）はロボットを示す図であり、（Ｂ）は停止中のロボットに外力を加えた時のロボット底面を示す図であり、（Ｃ）はロボットに外力を加えた後に旋回し走行開始する時のロボット底面を示す図である。
【図２】第１実施形態の自立走行装置の側面図である。
【図３】図２に示す自立走行装置の走行機構部の斜視図である。
【図４】図３に示す走行機構部のユニットを示す図である。
【図５】第１実施形態の自立走行装置１による走行方向、旋回方向を示す図であり、（Ａ）は走行時の走行方向を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の走行方向と旋回方向を示す図であり、（Ｃ）は走行せずに旋回方向に旋回のみを行っている状態を示す図であり、（Ｄ）は走行も旋回もしない停止（ブレーキ）状態を示す図である。
【図６】第２実施形態の自立走行装置の側面図である。
【図７】第２実施形態の自立走行装置の重心の変化を示す図であり、（Ａ）は静止時の重心を示す図であり、（Ｂ）は外力が加わった後の重心を示す図であり、（Ｃ）は操舵部回転後の重心の変化を示す図であり、（Ｄ）は走行後の重心の変化を示す図である。
【図８】３つの荷重センサ（ロードセル）の出力から重心の位置を算出する方法を説明する図である。
【図９】荷重センサ（ロードセル）の位置とＺＭＰ（Zero Moment Point）との関係を二輪の走行機構を用いて２次元平面で説明する図であり、（Ａ）は走行機構が転倒状態にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｂ）は荷重センサの位置が二輪より高い位置にあるときのＺＭＰを示す図であり、（Ｃ）は荷重センサの位置が二輪のフロア近傍にあるときのＺＭＰを示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１、２    自立走行装置
１０、２０    制御部
１１    走行本体部
１２、２２    走行機構部
１３、２３    荷重センサ（ロードセル）
１４    操舵部（ステアリング）
１５    駆動部
１６    サスペンション
１８、２８    重心
２９    ＺＭＰ
【図１】
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【図２】
2010009226.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010009226.tif 000009
【図７】
2010009226.tif 000010
【図８】
2010009226.tif 000011
【図９】
2010009226.tif 000012