(57)【要約】【課題】筐体の着地時における衝撃を抑制することができるとともに、筐体の動作パターンを増加させることができるモータの制御装置及びそれを備えた転動ロボットを提供する。【解決手段】演算装置は、メインモータの回転角度を検出する回転角度検出手段の検出結果に基づいて、メインモータの回転速度を算出する回転速度変換器を備え、操作量演算部５０は、筐体の角速度を検出する角速度センサの検出結果に基づいて、筐体の傾斜角を算出する傾斜角算出手段５３と、筐体の現在の傾斜角と、目標値設定部で設定された目標傾斜角との傾斜角偏差信号に基づいて、傾斜角偏差に応じた出力信号を算出する傾斜角設定手段５４と、メインモータの現在の回転速度と、目標値設定部で設定された目標回転速度との回転速度偏差信号に基づいて、回転速度偏差に応じた回転速度設定手段５６とを備えていることを特徴とする。【選択図】図７
2010028902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多面体状の筐体内に収容されたモータを回転させて、前記モータのトルクの反力により前記筐体を一の面が接地する接地状態から、前記一の面の一辺を回転中心として前記筐体を転動させるモータの制御装置において、
前記筐体の動作パターンを指令する動作パターン信号を受信する受信モジュールと、
前記動作パターン信号に基づいて、前記モータの回転速度と前記筐体の傾斜角とに応じた出力信号を算出する演算装置と、
前記演算装置で算出された出力信号に基づいて前記モータに電流を供給し、前記モータを駆動させるモータ駆動回路とを備え、
前記演算装置は、
前記動作パターン信号に応じて前記モータの回転速度及び前記筐体の傾斜角の目標値の更新信号を出力する動作パターン設定部と、
前記目標値の更新信号に基づいて、前記筐体が動作パターンを行うための前記モータの目標回転速度及び前記筐体の目標傾斜角を設定し、これら目標回転速度及び目標傾斜角の指令信号を出力する目標値設定部と、
前記モータの回転速度及び前記筐体の傾斜角の実測値の検出信号と、前記目標値設定部から出力される前記目標回転速度及び前記目標傾斜角の指令信号とに基づいて、前記モータに流す電流の電流指令信号を算出する操作量演算部とを備えていることを特徴とするモータの制御装置。
【請求項２】
前記演算装置は、
前記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段の検出結果に基づいて、前記モータの回転速度を算出する回転速度変換器を備え、
前記操作量演算部は、
前記筐体の姿勢を検出する姿勢センサの検出結果に基づいて、前記筐体の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、
前記筐体の現在の傾斜角と、前記目標値設定部で設定された前記目標傾斜角との傾斜角偏差信号に基づいて、傾斜角偏差に応じた出力信号を算出する傾斜角設定手段と、
前記モータの現在の回転速度と、前記目標値設定部で設定された前記目標回転速度との回転速度偏差信号に基づいて、回転速度偏差に応じた出力信号を算出する回転速度設定手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
【請求項３】
前記傾斜角設定手段には、前記動作パターン信号に基づいて傾斜角設定用ゲイン更新信号が出力され、前記傾斜角設定手段は、前記傾斜角設定用ゲイン更新信号と前記傾斜角偏差信号とに基づいて、出力信号を算出することを特徴とする請求項１または請求項２記載のモータの制御装置。
【請求項４】
前記操作量演算部は、前記姿勢センサの検出結果に基づいて、前記筐体の角速度を減衰させる減衰モード設定手段を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のモータの制御装置。
【請求項５】
筐体と、
前記筐体内で回転自在に支持されたモータと、
前記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、
前記筐体の姿勢を検出する姿勢センサと、
請求項１記載のモータの制御装置とを備えていることを特徴とする転動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータの制御装置及びそれを備えた転動ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、多面体形状の筐体内に収容されたモータを回転させて、モータのトルクの反力により筐体を転動させる、いわゆる転動ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、図１１に基づいて、従来の転動ロボットについて説明する。
同図に示すように、転動ロボット１００は、略立方体形状の筐体１０１と、筐体１０１内に収容されたモータ１０２と、モータ１０２の回転軸１０３に回転自在に支持されたフライホイール１０４とで構成されている。そして、筐体１０１内のモータ１０２を急加速して回転させることで（図１１中矢印Ｆ参照）、この時生じるモータ１０２のトルクの反力により一の面１０１ａの一辺を回転中心Ｏとして、モータ１０２の回転の加速方向と逆方向（図１１中矢印Ｇ参照）に向けて筐体１０１を転動させることができる（図１１（ａ）〜（ｄ）参照）。
【特許文献１】特開２００７−５４２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、図１１に示すように、上述の転動ロボット１００にあっては、筐体１０１の傾斜角θが４５度（中立位置）を超えると（同図（ｂ）参照）、転動ロボット１００の重心が回転中心Ｏを通る垂線上から転動する方向に移る。これにより、図１１（ｃ）に示すように、その後はモータ１０２によるトルクを与えずに自然に一の面１０１ａに隣接する面１０１ｂが着地することになる。
【０００４】
しかしながら、筐体１０１の傾斜角θが４５度から大きくなるにつれ、筐体１０１の角速度は増加していく。その結果、筐体１０１の着地時の衝撃の反動により、着地する面１０１ｂが浮き上がってしまったり、着地する面１０１ｂが面方向にずれたりするため、目的の位置で着地させることが困難であった。
また、上述の転動ロボットにあっては、筐体１０１の傾斜角θが４５度を超えると、転動して隣接する面１０１ｂに着地するのみの動きであるため、動作パターンが限られてしまっていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、筐体の着地時における衝撃を抑制することができるとともに、筐体の動作パターンを増加させることができるモータの制御装置及びそれを備えた転動ロボットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、多面体状の筐体内に収容されたモータを回転させて、前記モータのトルクの反力により前記筐体を一の面が接地する接地状態から、前記一の面の一辺を回転中心として前記筐体を転動させるモータの制御装置において、前記筐体の動作パターンを指令する動作パターン信号を受信する受信モジュールと、前記動作パターン信号に基づいて、前記モータの回転速度と前記筐体の傾斜角とに応じた出力信号を算出する演算装置と、前記演算装置で算出された出力信号に基づいて前記モータに電流を供給し、前記モータを駆動させるモータ駆動回路とを備え、前記演算装置は、前記動作パターン信号に応じて前記モータの回転速度及び前記筐体の傾斜角の目標値の更新信号を出力する動作パターン設定部と、前記目標値の更新信号に基づいて、前記筐体が動作パターンを行うための前記モータの目標回転速度及び前記筐体の目標傾斜角を設定し、これら目標回転速度及び目標傾斜角の指令信号を出力する目標値設定部と、前記モータの回転速度及び前記筐体の傾斜角の実測値の検出信号と、前記目標値設定部から出力される前記目標回転速度及び前記目標傾斜角の指令信号とに基づいて、前記モータに流す電流の電流指令信号を算出する操作量演算部とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載した発明は、前記演算装置は、前記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段の検出結果に基づいて、前記モータの回転速度を算出する回転速度変換器を備え、前記操作量演算部は、前記筐体の姿勢を検出する姿勢センサの検出結果に基づいて、前記筐体の傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、前記筐体の現在の傾斜角と、前記目標値設定部で設定された前記目標傾斜角との傾斜角偏差信号に基づいて、傾斜角偏差に応じた出力信号を算出する傾斜角設定手段と、前記モータの現在の回転速度と、前記目標値設定部で設定された前記目標回転速度との回転速度偏差信号に基づいて、回転速度偏差に応じた出力信号を算出する回転速度設定手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載した発明は、前記傾斜角設定手段には、前記動作パターン信号に基づいて傾斜角設定用ゲイン更新信号が出力され、前記傾斜角設定手段は、前記傾斜角設定用ゲイン更新信号と前記傾斜角偏差信号とに基づいて、出力信号を算出することを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、前記操作量演算部は、前記姿勢センサの検出結果に基づいて、前記筐体の角速度を減衰させる減衰モード設定手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載した発明は、筐体と、前記筐体内で回転自在に支持されたモータと、前記モータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、前記筐体の姿勢を検出する姿勢センサと、上記本発明のモータの制御装置とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４記載の発明によれば、動作パターン信号に応じた筐体の目標傾斜角とモータの目標回転速度とを設定し、これら目標傾斜角及び目標回転速度と傾斜角及び回転速度の実測値との偏差を算出することができる。そして演算装置において、これらの偏差に基づいた値を算出し、信号として出力する。その後、算出された出力信号に基づいてモータを駆動させることで、筐体に動作パターン信号に応じた動作を行わせることができる。
さらに、動作パターン設定部から出力された減衰モード設定用ゲイン更新信号と、姿勢センサの検出結果とに基づいて、筐体の角速度を減衰させるために必要な減衰モード設定値を算出することで、筐体の転動方向とは逆方向のモーメントを発生させることができる。つまり、減衰モード設定値を調整することで、筐体の転動方向の角速度が減衰する向きに、筐体に発生するモーメントの大きさを調整することができる。
【００１２】
したがって、筐体がその自重のみで倒れる状態にあっても、その転動方向とは逆方向のモーメントを作用させて、筐体の角速度を抑えることができるため、筐体の着地時において、着地面を衝撃なく着地させることができる。よって、筐体の着地時の衝撃の反動により、着地面が浮き上がってしまったり、面方向にずれたりすることがなく、目的の位置で着地させることができる。
【００１３】
また、筐体の転動方向とは逆方向のモーメントと、転動方向に向かうモーメントとの大小を繰り返すことで、筐体が倒れずにバランスを保ち続け、回転中心周りに筐体を揺動させることも可能である。
【００１４】
請求項５記載の発明によれば、上記モータの制御装置を備えているので筐体の動作パターンを増加させることができるため、ユーザーの要望に応じた多種多様な転動ロボットを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明のモータの制御装置及びそれを備えた転動ロボットの実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１，２に示すように、本実施形態に係るモータの制御ユニット（制御装置）１０は、転動ロボット１に搭載されたメインモータ３やサブモータ８の駆動制御を行うものである。
【００１６】
この転動ロボット１は、例えば筐体２の内部に収容された、メインモータ３と、メインモータ３の回転軸４の一方の端部に固定されたフライホイール５と、回転軸４に略直交する方向に延在し、メインモータ３を回動可能に支持するモータ支持軸６，７と、メインモータ３をモータ支持軸６，７周りに回動駆動するサブモータ８と、転動ロボット１の姿勢状態を検出する角速度センサ（姿勢センサ）９と、メインモータ３の回転角度を検出するエンコーダ（回転角度検出手段）１１と、制御ユニット１０とを備えて構成されている。
【００１７】
筐体２は、多面体（例えば、略立方体）状に形成され、各面の交差稜線部は円弧状等に面取りされている。
筐体２を構成する適宜の１対の対向面の一方には、モータ支持軸６の一方の端部が装着される軸孔２１が形成され、メインモータ３を覆うカバー２２の外周面上にはモータ支持軸６の他方の端部が装着される凹溝２２ａが形成され、モータ支持軸６は軸孔２１および凹溝２２ａによって回転可能に支持されている。
【００１８】
また、モータ支持軸７は、モータ支持軸６と同軸に配置され、モータ支持軸７の一方の端部にはギア２４が固定され、モータ支持軸７の他方の端部は、筐体２を構成する適宜の１対の対向面の他方の内面上に設けられた支持部材２３によって回転可能に支持されている。
【００１９】
メインモータ３を覆うカバー２２の外周面上において、回転軸４に略直交する方向で凹溝２２ａと対向する位置にはギアボックス２５が設けられている。このギアボックス２５にはサブモータ８が固定され、サブモータ８の回転軸に固定されたピニオンギア２６と、モータ支持軸７に固定されたギア２４とが噛合状態に配置されている。これにより、サブモータ８から出力される駆動力によって、サブモータ８の回転軸がモータ支持軸７周りに旋回移動し、メインモータ３がモータ支持軸７周りに回動する。
【００２０】
角速度センサ９は、例えば前後方向および左右方向および上下方向の角速度を検出する３軸角速度センサであって、筐体２における他方の内面上に固定されている。この角速度センサ９は、転動ロボット１の姿勢状態に係る各検出信号（例えば、角速度の検出信号等）をアナログ信号として出力するものである。なお、角速度センサとしては、振動ジャイロ、マイクロジャイロ、光ジャイロ等のジャイロを使用してもよい。
エンコーダ１１は、回転軸４の他方の端部側に設けられ、回転軸４の時計回りおよび反時計回りの回転角度を検出するものである。具体的には、位相の異なるセンサから発生するパルス信号の位相差により、回転軸４の回転方向を検出する一方で、パルス信号をカウントして回転軸４の回転角度を検出できるようになっている。このように、回転軸４の回転方向及び回転角度を検出することで、フライホイール５の回転方向及び回転角度を検出するものである。
これら角速度センサ９及びエンコーダ１１は、電源であるバッテリ２７（図５参照）に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して接続されている。そして、バッテリ２７から出力された直流電力は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２８により変換されて角速度センサ９及びエンコーダ１１等に供給される。
【００２１】
次に、上述した転動ロボットの動作について説明する。まず、転動モードについて説明する。
転動ロボット１を転動させるには、メインモータ３を駆動させてフライホイール５を回転させる。フライホイール５が回転すると、この回転により得られるトルクの反力によりメインモータ３の回転方向とは逆方向のモーメントが筐体２に生じる。この反作用のモーメントを転動ロボット１の重心と回転中心の位置関係および、転動ロボット１の重力によって発生するモーメント（このモーメントのことを、重力によるモーメントともいうことにする。）よりも大きく発生させることにより、筐体２の着地面における回転軸４と平行な一辺を回転中心として、メインモータ３の回転の加速方向とは逆方向に向けて転動するようになっている。なお、この転動ロボット１において、サブモータ８の駆動力によりメインモータ３をモータ支持軸６，７周りに回動させることで、メインモータ３におけるモータ支持軸６，７周りの向きを変えることができるようになっている。これにより、筐体２の転動方向を変えることができる。
【００２２】
ここで、本実施形態では、メインモータ３の回転速度と、筐体２の傾斜角とをフィードバック制御することにより、転動中の転動ロボット１の姿勢状態を制御できるようになっている。具体的には、本実施形態の転動ロボット１は、上述した転動モードの他に、ソフトランディングモード、バランスモード等の動作が可能である。
まず、ソフトランディングモードについて説明する。
図３（ａ）に示すように、上述した転動モードと同様に、メインモータ３を駆動してフライホイール５を正転（図３（ａ）中矢印Ｂ参照）させる。そして、接地状態で接地していた第１面（一の面）２ａの一辺を回転中心Ｏとして、フライホイール５の回転方向とは逆方向に向けて回転中心Ｏ周りに転動ロボット１を転動させる（図３（ａ）中矢印Ｃ参照）。
【００２３】
続いて、図３（ｂ）に示すように、転動ロボット１の傾斜角θが４５度を超えて、転動ロボット１の重心が回転中心Ｏを通る垂線上から転動方向（図３（ａ）中矢印Ｂ方向）に移ると、転動ロボット１は転動ロボット１自体の自重により角速度を増しながら転動していく。
【００２４】
この時、図３（ｃ）に示すように、メインモータ３を逆転方向に駆動して、フライホイール５を逆転させる（図３（ｃ）中矢印Ｆ参照）。つまり、転動ロボット１の転動方向と同一の方向にフライホイール５を回転させると、この回転により発生するトルクの反力が転動ロボット１の転動方向とは逆方向に発生する。
つまり、転動方向のモーメント（転動ロボット１の自重）と、転動方向とは逆方向のモーメント（メインモータ３のトルクの反力）との差分により、転動ロボット１の転動方向に向かう力が小さくなる。その結果、転動ロボット１の角速度の増加を抑えた状態で、転動ロボット１を転動させることができる。
したがって、図３（ｄ）に示すように、転動ロボット１の着地時において、第１面２ａに転動ロボット１の転動方向に向けて隣接する第２面２ｂが衝撃なく着地することになる。なお、上述した傾斜角θは、接地面と第１面２ａとのなす角を示す。
【００２５】
次に、バランスモードについて説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、メインモータ３を駆動させてフライホイール５を正転（図４（ａ）中矢印Ｂ参照）させ、フライホイール５の回転方向とは逆方向に向けて回転中心Ｏ周りに転動ロボット１を転動させる（図４（ａ）中矢印Ｃ参照）。
【００２６】
そして、図４（ｂ）に示すように、例えば、転動ロボットの傾斜角θが４５度を超えたら、メインモータ３を逆転方向に駆動させ、フライホイール５を逆転させる。
この時、転動ロボット１の転動方向とは逆方向のモーメント（メインモータ３のトルクの反力）が、転動方向に向かう重力によるモーメント（転動ロボットの自重）よりも大きくなるように、メインモータ３を駆動させる。すると、転動ロボット１はメインモータ３のトルクの反力により、傾斜角θが小さくなる方向にむけて転動し始める。
【００２７】
さらに、例えば、傾斜角θが４５度を下回ると、再びフライホイール５を正転させ、転動方向とは逆方向のモーメント（メインモータ３のトルクの反力）が、転動方向に向かう重力によるモーメント（転動ロボットの自重）よりも大きくなるように、メインモータ３を駆動させる。すると、転動ロボット１はメインモータ３のトルクの反力により、傾斜角θが大きくなる方向にむけて再び転動し始める。
このような転動ロボット１の転動方向とは逆方向のモーメントに加え、転動方向に向かうモーメントとの大小を繰り返すことで（図４（ｂ）中矢印Ｄ参照）、転動ロボット１が倒れずにバランスを保ち続け、回転中心Ｏ周りに転動ロボット１を揺動する（図４（ｂ）中矢印Ｅ参照）。
【００２８】
次に、本実施形態におけるモータの制御ユニットについて説明する。
図５に示すように、モータの制御ユニット１０は、動作パターン送信手段３０からの出力信号を受信すると受信モジュール３３と、電流センサ３１と、モータ駆動回路３２と、これらを統括的に制御するマイコン３４とを備えている。
【００２９】
動作パターン送信手段３０は、操作者の入力操作により受信モジュール３３に向けて、転動ロボット１の動作パターンの指令信号Ｓを出力するものであり、動作パターン送信手段３０と転動ロボット１とは無線で接続されている。なお、動作パターン送信手段３０からは、上述した転動モード、バランスモード、ソフトランディングモード等の指令信号が出力される。
【００３０】
受信モジュール３３は、バッテリ２７に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して接続されている。受信モジュール３３は、動作パターン送信手段３０により出力された指令信号Ｓを受信し、その信号を動作パターン信号としてマイコン３４に向けて送信している。
【００３１】
モータ駆動回路３２は、マイコン３４から出力されるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）デューティパルス信号、つまりスイッチング素子のオン／オフ状態を制御するパルスからなる各ゲート信号に応じて、バッテリ２７から出力される直流電力を、メインモータ３に通電している。メインモータ３のコイルに流す電流（電力）の量は、スイッチング素子がＯＮになる割合、つまりＰＷＭ信号の駆動デューティを変化させることで制御できる。なお、上述したサブモータ８は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２９を介してバッテリ２７に接続されており、バッテリ２７から出力された直流電力は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２９により変換されてサブモータ８に供給される。
【００３２】
電流センサ３１は、バッテリ２７に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して接続されている。電流センサ３１は、メインモータ３の駆動電流を検出するものであり、検出した電流をマイコン３４に向けて出力するものである。
【００３３】
マイコン３４は、例えばメインモータ３の回転速度と、筐体２の傾斜角とのフィードバック制御を行うものであり、バッテリ２７に第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して接続されている。マイコン３４は、ＳＣＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）３５と、カウンタ３６と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）３７と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）３８と、アナログ／デジタル変換回路（以下、Ａ／Ｄ変換回路という）３９と、演算装置４０と、入力／出力ポート（以下、Ｉ／Ｏという）４１とがバス４２に接続されて構成されている。
【００３４】
ＳＣＩ３５は、受信モジュール３３から出力された動作パターン信号を受信し、この信号をＳＣＩ通信によりバス４２を介してＲＡＭ３７に向けて出力している。
カウンタ３６は、エンコーダ１１から出力されるエンコーダパルス信号をカウントし、この測定結果をバス４２を介してＲＡＭ３７に向けて出力している。
ＲＯＭ３８は、転動ロボット１の各種パラメータの初期値が記憶されたものである。
【００３５】
Ｉ／Ｏ４１は、演算装置４０により算出された演算結果をサブモータ８と、メインモータ３のモータ駆動回路３２とに向けてＰＷＭデューティパルス信号として出力するものである。
Ａ／Ｄ変換回路３９は、角速度センサ９から出力された角速度センサ信号と、電流センサ３１から出力された電流センサ信号とをアナログ信号として受信するものである。そして、Ａ／Ｄ変換回路３９は、受信したアナログ信号に対してアナログ・デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）を行い、デジタル信号としてバス４２を介してＲＡＭ３７に向けて出力している。
【００３６】
ＲＡＭ３７は、ＳＣＩ３５や、カウンタ３６、Ａ／Ｄ変換回路３９、Ｉ／Ｏ４１から出力された情報や、演算装置４０で演算された情報等の各種情報を記憶するものであり、これら情報が更新される度に随時書き換えられるようになっている。そして、タイマ割込（例えば、１ｍｓｅｃ毎）が許可されると、ＲＡＭ３７に記憶しているデジタル信号を演算装置４０が読み込むようになっている。
【００３７】
図６に示すように、演算装置４０は、姿勢安定化制御部４４と、電流制御器４５とで構成されている。
電流制御器４５は、姿勢安定化制御部４４で算出された電流指令値と電流センサ３１から出力された電流センサ信号とに基づいて、モータ駆動回路３２における各スイッチング素子のオン／オフ状態を制御するＰＷＭデューティ指令信号を生成するものである。そして、電流制御器４５は、生成したＰＷＭデューティ指令信号をモータ駆動回路３２に出力する。
【００３８】
姿勢安定化制御部４４は、動作パターン設定部４６と、回転速度変換器４９と、目標値設定部５１と、操作量演算部５０とを備えている。
【００３９】
動作パターン設定部４６は、受信モジュール３３から出力された動作パターン信号に基づいて転動ロボット１の目標傾斜角とメインモータ３の目標回転速度とのそれぞれの更新信号（目標傾斜角更新信号及び目標回転速度更新信号）を目標値設定部５１に向けて出力している。
また、動作パターン設定部４６は、動作パターン信号を信号レベルに応じて設定された傾斜角設定用ゲイン更新信号と減衰モード設定用ゲイン更新信号とを、操作量演算部５０に向けて出力している。
【００４０】
回転速度変換器４９は、ＲＡＭ３７に記憶されたエンコーダ１１のカウント値をエンコーダカウンタ信号として受信し、この信号に基づいてメインモータ３の回転速度を算出している。そして、算出されたメインモータ３の回転速度を回転速度信号として操作量演算部５０に向けて出力する。
【００４１】
目標値設定部５１は、目標傾斜角設定器４８と目標回転速度設定器４７とで構成されている。
目標回転速度設定器４７は、動作パターン設定部４６から出力された目標回転速度更新信号を受信し、この信号に基づいてメインモータ３の目標回転速度を設定している。そして、設定した目標回転速度を回転速度指令信号として操作量演算部５０に向けて出力する。
目標傾斜角設定器４８は、動作パターン設定部４６から出力された目標傾斜角更新信号を受信し、この信号に基づいて転動ロボット１の目標傾斜角を設定している。そして、設定した目標傾斜角を傾斜角指令信号として操作量演算部５０に向けて出力する。
【００４２】
図７に示すように、操作量演算部５０は、傾斜角算出手段５３と、傾斜角設定手段５４と、減衰モード設定手段５５と、電流値演算部６０とを備えている。
【００４３】
傾斜角算出手段５３は、ＲＡＭ３７に記憶された角速度センサ９の測定値（実測値）を角速度センサ信号として受信し、この値を積分することで転動ロボット１の傾斜角θを算出するものである（演算結果（１））。そして、算出された演算結果（１）を傾斜角信号として、演算回路５７へ出力する。
演算回路５７は、傾斜角算出手段５３により算出された転動ロボット１の現在の傾斜角θと、目標傾斜角設定器４８から出力された傾斜角指令信号との偏差を算出するものである（演算結果（２））。そして、算出された演算結果（２）を、現在の傾斜角θから目標傾斜角までの角度差を示す傾斜角偏差信号として傾斜角設定手段５４に出力する。
【００４４】
傾斜角設定手段５４は、動作パターン設定部４６から出力された傾斜角設定用ゲイン更新信号と、演算回路５７で算出された傾斜角偏差信号とを受信し、これらの信号に基づいて傾斜角設定値を設定するものである。つまり、傾斜角設定用ゲイン更新信号に基づいて例えばＰ（比例）動作により、目標傾斜角と現在の傾斜角θとの偏差を、その値に応じて制御増幅し、指令値を設定する（演算結果（３））（ただし、傾斜角設定用ゲインは、メインモータにより筐体２に発生するモーメントが傾斜角偏差をゼロに近づける向きに発生するように設定されている。）。そして、指令値の出力信号を電流値演算部６０に出力する。
【００４５】
減衰モード設定手段５５は、動作パターン設定部４６から出力された減衰モード設定用ゲイン更新信号と、角速度センサ９から出力された角速度信号とに基づいて、転動ロボット１の角速度を減衰させるために必要な減衰モード設定値を算出する（演算結果（４））。例えば、減衰モード設定用ゲイン更新信号に基づいてＰ（比例）動作により、角速度信号を、その値に応じて制御増幅して減衰モード設定値を設定する。そして、算出された減衰モード設定値を、減衰モード設定値信号として電流値演算部６０に向けて出力する。
【００４６】
ここで、減衰モード設定値は、筐体２に転動方向とは逆方向のモーメントを発生させるものであり、その値が大きい程、筐体２の転動方向とは逆方向のモーメントが大きい。このように、減衰モード設定値を調整することで、筐体２の転動方向の角速度が減衰する向きに発生するモーメントを、大きくしたり小さくしたりすることができる。
【００４７】
演算回路５８は、目標回転速度設定器４７から出力された回転速度指令信号と、回転速度変換器４９から出力された回転速度信号との偏差を算出するものである。そして、この演算結果（演算結果（６））を回転速度偏差信号として回転速度設定手段５６に出力する。なお、メインモータ３の始動時等において、回転速度変換器４９から回転速度信号が入力されていない場合には、演算回路５８は、回転速度指令信号に応じた値を回転速度設定手段５６に出力する。
【００４８】
回転速度設定手段５６は、演算回路５８で算出された回転速度偏差信号に基づき、回転速度設定値（演算結果（７））を設定するものである。つまり、例えばＰＩ（比例積分）動作により、目標回転速度と現在の回転速度との偏差を、その値に応じて制御増幅し、指令値を設定する（演算結果（７））。そして、設定された回転速度設定値を回転速度設定信号として、電流値演算部６０に出力する。
【００４９】
電流値演算部６０は、演算回路６１，６２で構成されている。
演算回路６１は、傾斜角設定手段５４から出力された傾斜角設定値と、減衰モード設定手段５５から出力された減衰モード設定値とを加算している（演算結果（５））。そして、算出された演算結果（５）を信号として演算回路６１に向けて出力する。
また、演算回路６２は、演算回路６１で算出された演算結果（５）の出力信号と、回転速度設定手段５６から出力された回転速度設定信号とに基づいて、電流値を算出し、電流指令信号として上述した電流制御器４５に出力するものである。
【００５０】
そして、電流制御器４５に出力された電流指令信号は、上述した電流センサ３１から出力された電流センサ信号と比較され、これらの信号に基づいてＰＷＭデューティ指令信号が生成される。そして、このＰＷＭデューティ指令信号がＩ／Ｏ４１を介してモータ駆動回路３２に出力されることで、このＰＷＭデューティ指令信号に応じた電流をメインモータ３に通電する。
これにより、指令された動作パターンに応じてメインモータ３を駆動させることができる。
【００５１】
次に、上述した転動ロボットの制御方法について説明する。
まず、図８に示すように、ステップＳ１において、ＲＯＭ３８に記憶された初期値に基づいて各種パラメータを初期化した後、ステップＳ２においてゲイン値等の設定を行う。
次に、ステップＳ３において、タイマ割込を許可し、例えば図９、図１０に示す割込みが発生するのを待つ。
【００５２】
次に、ＳＣＩ割込ルーチンについて説明する。
まず、図９に示すように、ステップＳ１１において、動作パターン送信手段３０から動作パターン信号が出力されると、受信モジュール３３がこの動作パターン信号を受信し、ＳＣＩ３５を通して、この動作パターン信号に応じた情報（例えば、転動モード、ソフトランディングモード、バランスモード等）がＲＡＭ３７に記憶される。そして、演算装置４０は、ＲＡＭ３７を通じて動作パターン信号を取得し、動作パターン設定部４６へ出力する。
【００５３】
次に、ステップＳ１２において、動作パターン信号を受信した動作パターン設定部４６は、その信号に基づいて各動作パターンを行うために必要な目標値更新信号を目標値設定部５１に向けて出力する。具体的には、目標傾斜角更新信号及び目標回転速度更新信号を、目標傾斜角設定器４８及び目標回転速度設定器４７にそれぞれ出力する。
【００５４】
次に、ステップＳ１３において、動作パターン設定部４６からゲイン更新信号を出力する。具体的には、傾斜角設定用ゲイン更新信号及び減衰モード設定用ゲイン更新信号を、傾斜角設定手段５４及び減衰モード設定手段５５にそれぞれ出力する。
【００５５】
ここで、図１０に基づいて、タイマ割込ルーチンについて説明する。このタイマ割込ルーチンは、動作パターン送信手段３０から出力された動作パターン信号に応じて、メインモータ３の回転速度と、筐体２の傾斜角とのフィードバック制御を行うものである。この割込ルーチンは所定時間（例えば、１ｍｓｅｃ）毎に割込が発生する。
同図に示すように、まずステップＳ１０１において、傾斜角指令値・回転速度指令値を取得する。具体的には、
動作パターン設定部４６で受信した動作パターン信号に基づいて、動作パターンを行うために必要な転動ロボット１の傾斜角θ及びメインモータ３の回転速度の目標値を設定する。
【００５６】
続いて、ステップＳ１０２において、メインモータ３の回転速度を算出する。具体的には、回転速度変換器４９で受信したエンコーダカウンタ信号に基づいて、メインモータ３の回転速度を算出する。
【００５７】
次に、ステップＳ１０３において、転動ロボット１の角速度及びメインモータ３の回転速度を取得する。具体的には、角速度センサ９で測定した転動ロボット１の現在の角速度と、上述したステップＳ１０２で算出したメインモータ３の現在の回転速度とを、それぞれ角速度信号及び回転速度信号として取得する。
続いて、ステップＳ１０４において、角速度信号に基づいて転動ロボット１の現在の傾斜角θを算出する。具体的には、傾斜角算出手段５３においてステップＳ１０３で取得した転動ロボット１の角速度を積分することで、転動ロボット１の傾斜角θの測定値を算出する（演算結果（１））。そして、ステップＳ１０４で得られた結果を傾斜角信号として演算回路５７に向けて出力する。
【００５８】
そして、ステップＳ１０５において、現在の傾斜角θと目標傾斜角との偏差を算出する。具体的には、演算回路５７において、ステップＳ１０４で演算された転動ロボット１の現在の傾斜角θを傾斜角信号として受信するとともに、目標傾斜角設定器４８から出力された傾斜角指令信号を受信し、これらの偏差を算出する（演算結果（２））。そして、算出された演算結果（２）を傾斜角偏差信号として、傾斜角設定手段５４に出力する。
【００５９】
続いて、ステップＳ１０６において、傾斜角設定値を演算する（演算結果（３））。具体的には、傾斜角設定手段５４において、傾斜角偏差信号として受信した演算結果（２）と、動作パターン設定部４６から出力された傾斜角設定用ゲイン更新信号に基づいて、例えばＰ（比例）動作により、目標傾斜角と現在の傾斜角θとの偏差を、その値に応じて制御増幅し、傾斜角設定値を演算する（演算結果（３））（ただし、傾斜角設定用ゲインは、メインモータにより筐体２に発生するモーメントが傾斜角偏差をゼロに近づける向きに発生するように設定されている。）。そして、出力信号（演算結果（３））を電流値演算部６０に出力する。
【００６０】
次に、ステップＳ１０７において減衰モード設定値を算出する（演算結果（４））。具体的には、動作パターン設定部４６から出力された減衰モード設定用ゲイン更新信号と、角速度センサ９から出力された角速度信号とに基づいて、転動ロボット１の角速度を減衰させるために必要な減衰モード設定値を算出する（演算結果（４））。例えば、減衰モード設定用ゲイン更新信号に基づいてＰ（比例）動作により、角速度信号を、その値に応じて制御増幅して減衰モード設定値を設定する。そして、算出された減衰モード設定値を、減衰モード設定値信号として電流値演算部６０に向けて出力する。
【００６１】
そして、電流値演算部６０の演算回路６１において、ステップＳ１０６で求めた傾斜角設定値（演算結果（３））の出力信号と、ステップＳ１０７で求めた減衰モード設定値（演算結果（４））の減衰モード設定値信号とを加算する（ステップＳ１０８）。そして、この加算結果を演算結果（５）として、演算結果（５）の信号を演算回路６２に向けて出力する。
【００６２】
一方、演算回路５８において、回転速度指令信号と回転速度信号とに基づいて、メインモータ３の回転速度の偏差を算出する（ステップＳ１０９）。そして、算出された結果を演算結果（６）とし、回転速度偏差信号として回転速度設定手段５６に出力する。
次に、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０９で演算された演算結果（６）の回転速度偏差信号に基づいて、回転速度設定値（演算結果（７））を設定する。具体的には、例えばＰＩ（比例積分）動作により、目標回転速度と現在の回転速度との偏差を、その値に応じて制御増幅し、指令値を設定する（演算結果（７））。そして、設定された回転速度設定値を回転速度設定信号として、電流値演算部６０に出力する。
【００６３】
そして、電流値演算部６０の演算回路６２において、指令された動作パターンを行うために必要な電流指令値を算出する（ステップＳ１１１）。具体的には、ステップＳ１０８で求めた演算結果（５）の出力信号と、ステップＳ１１０で求めた演算結果（７）の出力信号とを加算する。続いて、算出された電流指令値が電流制御器４５に向けて出力される。図１０のタイマ割込ルーチンについては以上。
電流指令値を受信した電流制御器４５は、電流指令値に基づいて各ゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成し、ＰＷＭデューティ指令信号としてモータ駆動回路３２に出力する。そして、ＰＷＭデューティ指令信号に基づいてメインモータ３が駆動する。
【００６４】
以上のステップを繰り返すことで、転動ロボット１の傾斜角θに応じて、指令された動作パターンに必要な出力信号がモータ駆動回路３２に出力されるように電流制御することができる（例えば、図３，４参照）。
【００６５】
したがって、上述の実施の形態によれば、動作パターン信号に応じた転動ロボット１の目標傾斜角とメインモータ３の目標回転速度を設定し、目標傾斜角と転動ロボット１の（実測した角速度データを基に算出した）傾斜角θとの偏差、及び目標回転速度とメインモータ３の回転速度の実測値との偏差を算出する（ただし、本明細書においては、この算出した傾斜角を実測値としている。）。そして、これらの偏差に基づいて、それぞれ傾斜角設定値、回転速度設定値を、信号（傾斜角設定信号、回転速度設定信号）として出力する。
【００６６】
さらに、動作パターン設定部４６から出力された減衰モード設定用ゲイン更新信号と、姿勢センサの検出結果とに基づいて、筐体２の角速度を減衰させるために必要な減衰モード設定値を算出し減衰モード設定信号として出力する。この減衰モード設定値に応じて筐体２の転動方向とは逆方向のモーメントを筐体２に発生させることができる。つまり、減衰モード設定値を調整することで、筐体２の転動方向の角速度が減衰する向きの、筐体２に発生するモーメントの大きさを調整することができる。
上記、傾斜角設定信号、回転速度設定信号および減衰モード設定信号から算出された出力信号に基づいて、メインモータ３を駆動させることで、転動ロボット１に動作パターン信号に応じた動作を行わせることができる。
【００６７】
したがって、転動ロボット１がその自重のみで倒れる状態にあっても、その転動方向とは逆方向のモーメントを作用させて、転動ロボット１の角速度を抑えることができるため、転動ロボット１の着地時において、第１面２ａに隣接する第２面２ｂを衝撃なく着地させることができる（ソフトランディングモード）。よって、転動ロボット１の着地時の衝撃の反動により、着地面である第２面２ｂが浮き上がってしまったり、第２面２ｂが面方向にずれたりすることがなく、目的の位置で着地させることができる。
【００６８】
また、転動ロボット１の転動方向とは逆方向のモーメントと、転動方向に向かうモーメントとの大小を繰り返すことで、転動ロボット１が倒れずにバランスを保ち続け、回転中心Ｏ周りに転動ロボット１を揺動させることも可能である（バランスモード）。
このように、転動ロボット１の動作パターンを増加させることができるため、操作者に大きな興味を持たせることが可能である。
【００６９】
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、筐体は立方体形状に限られず、直方体、４面体、６面体等の多面体を採用することが可能である。
【００７０】
さらに、上述した実施形態では、姿勢センサとして３軸角速度センサを用いた場合について説明したが、必ずしも３軸角速度センサを用いる必要はなく、１軸、２軸の角速度センサを用いることも可能である。また、角速度センサの他に、重力や転動時の加速度を検出する加速度センサを用いたり、角速度センサと加速度センサとの双方を用いたりすることも可能である。
また、上述した実施形態では、動作パターン送信手段と制御ユニットとを無線で接続した場合について説明したが、有線で接続してもよい。また、上述した実施形態では、電源を筐体内部のバッテリとして説明したが、外部電源から有線により電力を供給してもよい。
また、エンコーダの代わりに、角度検出器を用いる構成にしても構わない。
また、ブラシ付ＤＣモータにおいては回転速度と誘起電圧の間に、所定の関係（例えば、比例の関係）にあるということを利用すれば、メインモータの回転速度をエンコーダ等の角度を検出するセンサを用いずに、誘起電圧を検出することでメインモータの回転速度を取得しても構わない。
また、実際においては、転動ロボットの部品の配置や製造上の誤差等により、重心の位置は筐体の中心とは限らないが、本明細書においては、重心は筐体の中心にあるものとしている。
また、転動ロボットの筐体の形状は、図２のように交差稜線部は円弧状等に面取りされているが、転動ロボットの運動の説明を簡単化するために、図３、図４、図１１においては、筐体の回転中心Ｏの角部を直角としている。
また、実際においては、筐体の転動方向の角速度を検出する角速度センサの出力信号をＡ／Ｄ変換回路によって検出する際には、例えばセンサのオフセット誤差、ノイズ誤差、分解能、計算上の誤差等の影響を受けるため、ずれが無く角速度を検出することは困難である。しかし、本実施形態においては、ずれが無く角速度を扱えるものとする。また、角速度信号（測定値）から傾斜角算出手段（図７）によって算出された傾斜角もずれ無く算出できるものとする。
さらに、メインモータの回転速度においても同様に、本実施形態においては、ずれが無い回転速度を扱えるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態に係る転動ロボットの概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る転動ロボットの内部構造を示す一部破断斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る転動ロボットのソフトランディングモードの転動原理を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る転動ロボットのバランスモードの転動原理を説明するための説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る転動ロボットのブロック図である。
【図６】本発明の実施形態に係る演算装置のブロック図である。
【図７】本発明の実施形態に係る操作量演算部のブロック図である。
【図８】本発明の実施形態に係る転動ロボットのメインルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る転動ロボットのＳＣＩ割込ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係る転動ロボットのタイマ割込ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】従来の転動ロボットの転動原理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…転動ロボット  ２…筐体  ３…メインモータ（モータ）  ９…角速度センサ（姿勢センサ）  １１…エンコーダ（回転角度検出手段）  ３３…受信モジュール  ４０…演算装置  ３２…モータ駆動回路  ４６…動作パターン設定部  ４９…回転速度変換器  ５１…目標値設定部  ５０…操作量演算部  ５３…傾斜角算出手段  ５４…傾斜角設定手段  ５５…減衰モード設定手段  ５６…回転速度設定手段  
【図１】
2010028902.tif 000003
【図２】
2010028902.tif 000004
【図３】
2010028902.tif 000005
【図４】
2010028902.tif 000006
【図５】
2010028902.tif 000007
【図６】
2010028902.tif 000008
【図７】
2010028902.tif 000009
【図８】
2010028902.tif 000010
【図９】
2010028902.tif 000011
【図１０】
2010028902.tif 000012
【図１１】
2010028902.tif 000013