(57)【要約】【課題】急旋回を伴う機敏な走行性能を持ち、かつ安定な走行が可能で、フットプリントが狭く人間共生作業に好適な移動ロボットを構成する。【解決手段】倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構２を用いて、移動機構２に対して上体３を側面方向に能動的に揺動させる揺動機構１０と制御装置１１を備えて移動ロボット１を構成し、移動ロボット１の重心に働く遠心力と重力の合成ベクトルＡの延長線と車輪の接地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。【選択図】図４
2006136962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構を備えた移動ロボットにおいて、
前記移動機構に対して上体を側面方向に能動的に揺動させる揺動機構と、前記揺動機構を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、ロボット重心に働く遠心力と重力との合成ベクトルの延長線と車輪接地面との交点位置を推定するセンシング手段を備え、前記センシング手段の推定結果に基づいて前記交点位置を左右の車輪の間の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御する
ことを特徴とする移動ロボット。
【請求項２】
請求項１に記載の移動ロボットにおいて、前記制御装置は、前記交点位置の所定の存在領域を前記左右の車輪の中央位置近傍を設定し、この設定された交点位置の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御することを特徴とする移動ロボット。
【請求項３】
請求項１または２に記載の移動ロボットにおいて、前記センシング手段は、前記移動機構の前後方向、左右方向及び上下方向の３方向の加速度を計測する加速度センサと、鉛直方向に対する前記移動機構の姿勢を計測する傾斜センサとを備え、前記制御装置は、前記加速度センサ及び前記傾斜センサの計測データに基づいてロボット重心に働く重力加速度とロボット旋回運動に伴い発生する遠心加速度との合力加速度のベクトルを推定し、この推定結果に基づいて揺動姿勢角を決定することを特徴とする移動ロボット。
【請求項４】
請求項１または２に記載の移動ロボットにおいて、前記制御装置は、予め生成された走行軌跡の曲率及び走行速度の時系列データに基づいてロボット重心に働く遠心加速度の時系列データを推定し、この推定結果に基づいて揺動姿勢角の時系列データを生成し、前記曲率及び走行速度の時系列データに基づく走行制御と同期して前記揺動姿勢角の時系列データに追従して揺動姿勢を制御することを特徴とする移動ロボット。
【請求項５】
請求項４に記載の移動ロボットにおいて、前記センシング手段は、前記移動機構に設けられて鉛直方向に対する前記移動機構の姿勢を計測する傾斜センサを備え、前記制御装置は、平地面走行の条件で推定したロボット重心に働く遠心加速度の時系列データを、走行時に前記傾斜センサにより計測した走行面のロボット側面方向の傾斜角と走行時の移動機構の進行方向の姿勢角とに基づいて補正することで、ロボット重心に働く重力加速度とロボット旋回運動に伴い発生する遠心加速度との合力加速度のベクトルを推定し、これに基づいて揺動姿勢を決定することを特徴とする移動ロボット。
【請求項６】
倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構と、前記移動機構に対して上体を側面方向に能動的に揺動させる揺動機構と、前記揺動機構を制御する制御装置とを備えた移動ロボットの制御方法において、
前記制御装置に備えたセンシング手段によりロボット重心に働く遠心力と重力との合成ベクトルの延長線と車輪接地面との交点位置を推定し、
前記センシング手段の推定結果に基づいて前記交点位置を左右の車輪の間の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
【請求項７】
請求項６に記載の移動ロボットの制御方法において、前記交点位置の所定の存在領域を前記左右の車輪の中央位置近傍を設定し、この設定された交点位置の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御することを特徴とする移動ロボットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動ロボット及びその制御方法に係り、特に人間と共存する環境で作業を行う移動ロボット及びその制御方法に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
人間と共存する環境で作業を行うロボットの形態を考えた場合、ロボットの身長は、人間に対する手作業や対話作業を有効に実施するために、人間と同等のサイズであるのが理想的である。さらに、人間が混在する空間で有効に移動を伴う作業を行う場合、ロボットのフットプリント（平面投影面積）を最小限にするのが望ましい。このような形態要求を実現する場合、ロボットの重心位置は必然的にフットプリントに対し高くなり、立ち姿勢の安定性を低下させる。一方、実用的な作業を実施させる場合、ロボットの機敏で安全な移動能力が求められる。この要求は、上記の重心位置の高度化と相反する。
【０００３】
このような要求から、例えば特許文献１（特開昭６３−３０５０８２号公報）、特許文献２（特開２００３−２７１２４３号公報）及び特許文献３（特開２００４−７４８１４号公報）に記載されるように、倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪機構を備えたものが提案されている。
【０００４】
特許文献１には、両端に一対の車輪を備えた車軸上の回動可能に支持された車体と、車体に装着された車輪駆動用モータと、車輪駆動用モータに作動指令を送る制御コンピュータと、車体の傾きを検出する角度検出手段とから構成される同軸二輪車を対象とし、前記角度検出手段により検出される車体の傾斜角度を短時間間隔にてサンプリングし、車体のサンプリング傾斜角度を状態変数、フィードバックゲインを係数として前記制御コンピュータ内に予め入力設定された制御入力算出式に前記サンプリング値を代入して演算し、この演算に基づいて前記車輪駆動用モータの制御トルクを算出すると共に、この算出された制御トルク相当の作動を制御コンピュータから前記車輪駆動用モータに指令して同軸二輪車における姿勢を制御するようにしたことが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、複数の軸を持つ上半身機構を台車上に載置したコミュニケーションロボットであって、前記台車に設けられる実質的に１本の車軸、前記車軸上に間隔を隔てて設けられる２つの車輪、および前記上半身機構の状態に応じて前記車輪の回転を制御する車輪制御手段を備えることが開示されている。
【０００６】
さらには、特許文献３には、同軸に配された左右の駆動輪を姿勢感知センサーの出力に応じて制御駆動することで前後方向のバランスの保持のための姿勢制御と走行制御とを行う人用移動機器において、駆動輪の前方側または及び後方側で接地する補助輪と、該補助輪を出没させる補助輪駆動部とを備えていることが開示されている。
【０００７】
これらは、フットプリントの狭い同軸二輪機構を用い、静的には不安定な倒立振子の運動特性をもつ同軸二輪機構を動的姿勢制御により安定に起立させ、重心の移動により安定かつ俊敏な加減速機動が可能である。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７１２４３号公報
【特許文献３】特開２００４−７４８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている従来技術は、ロボットの前進後退に関する走行安定性を向上することが可能であるが、急旋回運動を伴う俊敏な走行の安定性に対する配慮がなされていなかった。すなわち、急旋回時に発生する遠心力による、側面方向へのロボットの転倒、また、左右の車輪に対する接地力のアンバランスによる車輪のスリップの発生、これに伴う倒立振子制御の破綻による転倒などの問題に対する対処がなされていなかった。
【００１０】
また、上記特許文献３に開示されている従来技術は、乗り物としての２輪移動機構の技術であり、人が乗るサドル及び人が掴むハンドルの機構が移動機構に対し側面方向に揺動する受動的自由度を有し、移動機構の片輪が障害物に乗り上げた場合などに、搭乗する人間の反射運動により側面方向の姿勢の安定性を維持しやすくしたものである。しかしながら、特許文献３の技術での側面方向の姿勢安定手段は、人間の反射運動であり、上述した倒立２輪走行型の自律移動型ロボットの側面方向の姿勢安定化制御手段が提供されているとは言えなかった。
【００１１】
本発明の目的は、急旋回を伴う機敏な走行性能を持ち、かつ安定な走行が可能で、フットプリントが狭く人間共生作業に好適な移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述の目的を達成するために、本発明は、倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構を備えた移動ロボットにおいて、前記移動機構に対して上体を側面方向に能動的に揺動させる揺動機構と、前記揺動機構を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、ロボット重心に働く遠心力と重力との合成ベクトルの延長線と車輪接地面との交点位置を推定するセンシング手段を備え、前記センシング手段の推定結果に基づいて前記交点位置を左右の車輪の間の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御する構成にしたことにある。
【００１３】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御装置は、前記交点位置の所定の存在領域を前記左右の車輪の中央位置近傍を設定し、この設定された交点位置の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御すること。
（２）前記センシング手段は、前記移動機構の前後方向、左右方向及び上下方向の３方向の加速度を計測する加速度センサと、鉛直方向に対する前記移動機構の姿勢を計測する傾斜センサとを備え、前記制御装置は、前記加速度センサ及び前記傾斜センサの計測データに基づいてロボット重心に働く重力加速度とロボット旋回運動に伴い発生する遠心加速度との合力加速度のベクトルを推定し、この推定結果に基づいて揺動姿勢角を決定すること。
（３）前記制御装置は、予め生成された走行軌跡の曲率及び走行速度の時系列データに基づいてロボット重心に働く遠心加速度の時系列データを推定し、この推定結果に基づいて揺動姿勢角の時系列データを生成し、前記曲率及び走行速度の時系列データに基づく走行制御と同期して前記揺動姿勢角の時系列データに追従して揺動姿勢を制御すること。
（４）前記（３）に加えて、前記センシング手段は、前記移動機構に設けられて鉛直方向に対する前記移動機構の姿勢を計測する傾斜センサを備え、前記制御装置は、平地面走行の条件で推定したロボット重心に働く遠心加速度の時系列データを、走行時に前記傾斜センサにより計測した走行面のロボット側面方向の傾斜角と走行時の移動機構の進行方向の姿勢角とに基づいて補正することで、ロボット重心に働く重力加速度とロボット旋回運動に伴い発生する遠心加速度との合力加速度のベクトルを推定し、これに基づいて揺動姿勢を決定すること。
【００１４】
前述の目的を達成するために、本発明は、倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構と、前記移動機構に対して上体を側面方向に能動的に揺動させる揺動機構と、前記揺動機構を制御する制御装置とを備えた移動ロボットの制御方法において、前記制御装置に備えたセンシング手段によりロボット重心に働く遠心力と重力との合成ベクトルの延長線と車輪接地面との交点位置を推定し、前記センシング手段の推定結果に基づいて前記交点位置を左右の車輪の間の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御するようにしたことにある。
【００１５】
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記交点位置の所定の存在領域を前記左右の車輪の中央位置近傍を設定し、この設定された交点位置の所定の存在領域に維持するように揺動姿勢を制御すること。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、倒立振子制御により走行する同軸二輪機構の走行に対し、ロボットの上体を自律的に揺動傾斜させることで側面方向への重心移動を行い、急旋回に伴い発生する遠心力や走行面の傾斜に起因する側面方向の転倒モーメントを抑制して、常に安定した走行を実現できる。この技術により、急旋回を伴う機敏な走行性能を持ち、かつ安定な走行が可能な、フットプリントが狭く人間共生作業に好適な移動ロボット及びその制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る移動ロボット及びその制御方法の一実施例を、図面を用いて説明する。
【００１８】
本実施例の移動ロボット１は、倒立振子制御により前方推進方向の推力を制御する同軸二輪型の移動機構２を備えており、さらに、移動機構２に対して上体３を側面方向に能動的に揺動させて重心を側面方向に移動させるための揺動機構１０と、移動ロボット１を制御する制御装置１１とを備えている。さらに、制御装置１１は、移動機構２に搭載された加速度センサ９及び姿勢方位センサ８の情報に基づいて、急旋回走行や走行面の傾斜に起因する、移動ロボット１の重心に働く遠心力と重力の合成ベクトルを推定し、移動ロボットの重心位置を基点とした合成ベクトルの延長線と車輪の接地面との交点位置（以下ＺＭＰ：Zero Moment Point）を左右の車輪４、５の間の領域に維持するように揺動姿勢角を制御する。このようにして、左右の車輪４、５にかかる接地反力を均等に近づけることで、走行時の側面方向の姿勢安定性を補償するとともに、車輪スリップの低減効果により倒立振子制御による走行制御のロバスト化を図ることができる。
【００１９】
図１を用いて、移動ロボット１の全体構成を説明する。図１Ａ及び図１Ｂは本実施例の移動ロボット１の全体構成を説明する正面図及び側面図である。なお、図１Ｂでは一方のマニピュレータ１３及び車輪５を省略して示してある。
【００２０】
移動ロボット１は、大きく分けて移動機構２と上体３とに２分される。移動機構２は、左右の車輪４、５と、これらを回転駆動する走行モータ６、７とを備える。移動機構２の上部には、移動機構２のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸の加速度センサ９と、鉛直方向を基準とした姿勢及び鉛直方向周りの方位を検出する姿勢方位センサ８が設けられている。上体３には、作業用のマニピュレータ１３、対人インターフェース機能を持つ頭部１４等の作業装置が搭載されている。さらに、上体３には、ロボット全体を制御する制御装置１１が内蔵されており、また走行領域に存在する走行方向の障害物の位置及び形状を計測する障害物センサ１２が設けられている。以上の構成の移動体２と上体３は、Ｘ軸方向に回転自由度を持つ揺動機構１０で結合されており、揺動機構１０の位置制御により、移動機構２に対する上体３の姿勢を任意に設定できる。
【００２１】
次に、図２を用いて、移動ロボット１の制御系の構成について説明する。図２は本実施例の移動ロボットの制御系の構成図である。図１及び図２において、同じ構成要素に対しては同じ構成番号を記してある。
【００２２】
制御装置１１に含まれる右速度サーボ制御装置１９及び制御装置１１に含まれる左速度サーボ制御装置２０は、走行モータ６、７を駆動し、車輪４、５を、速度目標値Ｖ１ｒ、Ｖ２ｒに対し速度追従制御する。車輪４、５の速度Ｖ１、Ｖ２は、走行モータ６、７に付随するエンコーダ１５、１６で検出され、速度追従制御に用いられるとともに、移動位置計測のデータとして用いられる。制御装置１１に含まれる位置サーボ制御装置２１は、揺動機構１０の揺動モータ１７と付随するエンコーダ１８により、上体３の姿勢を位置目標値φｒに対し追従制御する。
【００２３】
走行目標速度生成部２７は、姿勢方位センサ８により計測される、姿勢角θとその角速度ωを取り込み、移動機構２の倒立振子制御を行う。ここで、走行面にＸ軸周りに傾斜角γの傾斜、すなわち移動ロボット１の側面方向に傾斜がある場合、移動機構２の座標のＹ'軸とＺ'軸は、水平面上のＹ軸及び鉛直方向であるＺ軸に対しＸ軸周りに傾斜角γ回転し、姿勢角θは、Ｚ'軸を基準としたＹ'軸周りの傾斜角として計測される。鉛直方向であるＺ軸にを基準とした傾斜角γは、姿勢方位センサ８により計測される。走行目標速度生成部２７においては、移動機構２の速度目標値Ｖｒと速度Ｖ１、Ｖ２の平均値として求めた走行速度との間の偏差を計算し、この偏差にゲインＫ０を乗じた値に、姿勢角θと角速度ωの各々にゲインＫ１、Ｋ２を乗じた値を減算して、速度制御目標値を生成する。このようにして得られた直進速度の目標値に、旋回走行に要する速度差目標値ΔＶの半値を加算また減算し、左右の車輪４、５の速度目標値Ｖ１ｒ、Ｖ２ｒを生成する。
【００２４】
以上の構成で、ゲインＫ０、Ｋ１及びＫ２を適切に設定することで、姿勢角θと角速度ωを０に近づけようとしながら、すなわち上体３の姿勢を安定に維持しながら、走行速度を速度目標値Ｖｒに追従させるように制御系が働く。また、速度差目標値ΔＶの絶対値を０以上にすることで、左右の車輪４、５の速度差を任意に設定し、任意の旋回走行ができる。
【００２５】
揺動姿勢角生成部２８では、移動ロボット１の重心に働く遠心加速度の情報に基づき、揺動姿勢角の目標値φｒを生成する。後に詳細に説明するが、揺動姿勢角生成部２８では、２種類の方式で揺動姿勢角の目標値φｒを生成する。
【００２６】
第１の方式は、加速度センサ９により計測される移動機構２の座標上での加速度Ａｘ、Ａｙ、Ａｚと、姿勢方位センサ８で計測される上体３の姿勢角θに基づき、移動ロボット１の重心に働く遠心加速度と重力加速度の合成ベクトルを推定し、これに基づき揺動姿勢角の目標値φｒを演算する。この第１の方式は、速度目標値Ｖｒ及び速度差目標値ΔＶｒの事前知識がない状態で、走行移動の状態に追従して逐次揺動姿勢角を修正する方式で、移動ロボット１の操縦型制御に好適な方式である。
【００２７】
第２の方式は、予め生成された走行軌跡により定められた速度目標値Ｖｒ及び速度差目標値ΔＶｒの時系列データより、水平面での走行を仮定した遠心加速度を推定し、これに対し、姿勢方位センサ８で計測される上体３の姿勢角θ及び走行面の側面方向の傾斜角に相当するＸ軸周りの姿勢角γに基づき補正演算を行い、移動ロボット１の重心に働く遠心加速度と重力加速度の合成ベクトルを推定し、これに基づき揺動姿勢角の目標値φｒを演算する。この第２の方式は、遠心加速度を、計画データで推定できる。このため、走行軌跡の計画段階で揺動姿勢の制御限界に無理の出ない範囲の走行条件を決定することができる。予め走行環境を把握して、走行開始前に走行計画を立てることが可能な自律走行に好適な方式である。
【００２８】
以上に述べた制御系の上位の制御部位として、走行軌跡生成部２６がある。走行軌跡生成部２６は、走行領域に存在する移動ロボット１の現在位置及び障害物の位置形状を記録した移動地図データベース２５の情報に基づき、障害物を回避し移動目標位置生成部２２で設定された移動到達位置に向け、最短距離もしくは最短時間で走行することが可能な走行軌跡を生成する。さらに、決定した走行軌跡より、速度目標値Ｖｒ及び速度差目標値ΔＶｒの時系列データを、走行目標速度生成部２７及び揺動姿勢角生成部２８に与え、走行制御を行う。
【００２９】
移動地図データベース２５上に記録される移動ロボット１の現在位置及び方位は、位置方位推定部２４で生成される。位置方位推定部２４では、走行目標速度生成部２７で得た走行速度Ｖと、姿勢方位センサ８で検出した方位ξのデータに基づき、移動ロボット１の現在位置を積算推定する。さらに、障害物センサ１２により、走行領域内に存在する位置同定用の指標の位置及び方位を計測することで、移動ロボット１の精度の高い現在位置及び方位を推定し、定期的に積算推定位置及び方向の誤差を校正する。
【００３０】
また、移動地図データベース２５上に記録される障害物の位置形状は、移動地図生成部２３で生成される。移動地図生成部２３では、障害物センサ１２により検出した障害物の距離情報により、走行領域内に存在する障害物を特定し、その存在領域の位置形状を推定する。
【００３１】
次に、移動ロボット１の倒立振子制御に基づく走行運動に関して、図３を用いて説明する。図３は、移動ロボット１を傾斜角ψの走行面で定常走行した状態を示している。ここで、簡単のために、走行面のＸ軸周りの傾斜γは０としている。
【００３２】
車輪４、５に連結する回転部位の重心２９及びその他の部位を集積した重心３０の２つの部位に機構を簡略化したモデルで動特性を評価する。重心２９には質量ｍ０が集中し、これを回転中心として慣性モーメントＪ０が存在し、重心３０には質量ｍ１が集中し、これを回転中心として慣性モーメントＪ１が存在するものと仮定し、重心２９、３０間の距離をＬ、車輪４、５の半径をＲとする。また、鉛直方向を基準として、車輪４、５の回転角をβ、移動ロボット１の傾斜姿勢角をθとする。重心２９の位置を（ｘ０、ｚ０）、重心３０の位置を（ｘ１、ｚ１）とすると、これらは、（数１）式、（数２）式と定式化され、これから、移動ロボット１の運動エネルギＪ及びポテンシャルエネルギＵは、（数３）式、（数４）式として求まり、これに基づきラグランジェの方程式から移動ロボット１の運動方程式は（数５）式のように得られる。
【００３３】
【数１】
2006136962.tif 000003
【００３４】
【数２】
2006136962.tif 000004
【００３５】
【数３】
2006136962.tif 000005
【００３６】
【数４】
2006136962.tif 000006
【００３７】
【数５】
2006136962.tif 000007
ここで、τは走行駆動トルク、Ｆｓは走行抵抗である。
【００３８】
（数５）式に示す運動方程式より、図３に示す定常走行状態の成立条件を検討してみる。定常走行状態では、移動ロボット１の姿勢が安定し静止するので、θ'、θ''が０となる。この条件を入れて（数５）式を整理し（数６）式を得る。さらに、走行面に平行な推進加速度をＡとした場合、（数７）式の関係を得る。これを入れて、（数６）式を整理し、定常走行状態の姿勢角θは（数８）式で得られる。
【００３９】
【数６】
2006136962.tif 000008
【００４０】
【数７】
2006136962.tif 000009
【００４１】
【数８】
2006136962.tif 000010
（数８）式に示すように、定常走行状態は、姿勢角θの傾斜により発生する重力トルクと、走行面を並進加速するための慣性反力と走行斜面の傾斜に留まるための重力に対する抗力及び走行抵抗との合計に起因する駆動トルクと、がつりあう形で継続する。したがって、前進加速や、傾斜面の登坂に際しては前傾姿勢で走行し、平地面での定速走行でも、走行抵抗に抗して若干前傾姿勢で走行を行う。減速については、逆に後退方向に倒れこみブレーキをかける。
【００４２】
次に、図４を用いて、揺動機構１０による側面方向姿勢の安定性確保の動作について説明する。図４は、姿勢角θ＝０の場合に、移動ロボット１を正面から見たものである。
【００４３】
移動ロボット１全体の重心３１が、移動ロボット１の正中線上の揺動機構１０の回転中心からＬｓの位置に存在すると仮定する。さらに、重心３１に働く遠心加速度ベクトルＡｃと重力加速度ベクトルＧとの合成ベクトルＡを、移動機構２の座標系（Ｘ',Ｙ',Ｚ'）上のＸ'Ｙ'平面とＸ'Ｚ'平面に、投影分解した加速度ベクトルをＡｙ、Ａｚｘとする。ここで、Ａｙは加速度センサ９で直接計測できる。また、Ａｚｘは、（数９）式にて、加速度センサ９で計測されるＡｘ、Ａｚと姿勢方位センサ８により計測される姿勢角θに基づき算出することができる。
【００４４】
【数９】
2006136962.tif 000011
加速度Ａｙ、Ａｚｘの合成ベクトルＡの延長線３２と走行面３３の交点が、ＺＭＰ３４となる。ここで、移動機構２の中心位置に対するＺＭＰ３４の位置をδとする。また、車輪４、５間の距離をＢとする。ＺＭＰ３４はこの位置でのＸ軸周りの回転モーメントが０になる点であり、ＺＭＰ３４が、車輪４もしくは５の外側に存在する場合、すなわちδ＜−Ｂ／２もしくはＢ／２＜δの場合、移動ロボット１は、ＺＭＰ３４が存在する方向に転倒する。したがって、移動ロボット１の姿勢を安定に保つためには、ＺＭＰ３４を、車輪４、５の間の領域に維持する、すなわち−Ｂ／２≦δ≦Ｂ／２とする必要がある。また、倒立振子制御を安定に行うためには、車輪４、５のスリップを可能な限り低減する必要がある。急旋回に伴い車輪４、５の接地反力のバランスが著しく崩れた場合、接地反力の小さい方の片輪のスリップが増加し、倒立振子制御の安定性が劣化すると共に、不確定な旋回運動が発生する可能性があり望ましくない。このため、旋回時においても、車輪４、５の接地反力Ｆｒ、Ｆｌを均等に近い形に維持する必要があり、可能な限りδを０に維持する必要がある。そこで、揺動機構１０により揺動角φだけ上体３を傾斜させて重心３１の位置をシフトすることで、−Ｂ／２≦δ≦Ｂ／２の条件を成立させ、さらにはδを０に近づける。（数１０）式にδの導出式を示す。ここでは、図４では省略した姿勢角θによる移動ロボット１全体の前傾に伴う幾何学条件を考慮している。さらに、（数１０）式から、揺動角φを算出する（数１１）式が導かれる。
【００４５】
【数１０】
2006136962.tif 000012
【００４６】
【数１１】
2006136962.tif 000013
図２に示した揺動姿勢角生成部２８では、（数９）式及び（数１１）式により、揺動角目標値φｒを算出している。先に述べた、揺動角目標値φｒを生成するための第１の方式は、上述した（数９）式により加速度センサ９の実時間情報から直に、揺動角目標値φｒを決定する方式である。
【００４７】
次に、第２の方式の具体的な実施方法について説明する。
【００４８】
図５は、走行軌跡生成部２６における走行軌跡４０の生成過程を模式的に示したものである。
【００４９】
移動地図３５には、障害物３８、３９の存在領域が記録されている。また、位置方位推定部２４の情報から、走行開始点Ｐｓ３６を定める。走行開始点Ｐｓ３６には現在位置、及び現在方位の情報が含まれている。同様にして、移動目標位置生成部２２からの情報から、目標移動点Ｐｇ３７を定める。目標移動点Ｐｇ３７には到着位置、及び到着時方位の情報が含まれている。この前提で、走行開始点Ｐｓ３６から目標移動点Ｐｇ３７までの走行軌跡４０を、障害物３８、３９と移動ロボット１の衝突回避、最短移動時間、最短移動距離等の目標規範に従い決定する。
【００５０】
走行軌跡４０の生成手法としては、円弧軌跡と直線軌跡の組合せによる方法や、ベジェ曲線、２次Ｂ−スプライン曲線等の多項式曲線による生成等の手法を選択できる。まず、障害物３８、３９を回避可能な曲線形状を求め、次に走行軌跡４０を移動する際の走行速度の推移を決定する。例えば、簡単な規範としては、全走行工程を一定速度で移動するといった決定を行う。あるいは、曲率が大きく走行時の遠心力が過大になりそうな場合は、適切な減速パターンを設定する。また、走行開始時の加速及び走行終了時の減速のパターンの設定などを行う。このような過程を経て、位置の時間関数として走行軌跡４０を定める。これにより、走行軌跡の時系列データＰ（ｔ）４１が決定される。時系列データＰ（ｔ）４１は、決定された位置データ［ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）］に基づき（数１２）式に示す算定式から、速度Ｖ（Ｔ）、走行方位ξ（ｔ）、走行軌跡の曲率κ（ｔ）を計算して得られる。
【００５１】
【数１２】
2006136962.tif 000014
走行目標速度生成部２７には、速度差ΔＶで操舵制御目標を与える。ここで、速度差ΔＶは、以下に述べるように、曲率κ（ｔ）と速度Ｖ（Ｔ）の関数として計算される。
【００５２】
図６は、２輪走行による旋回運動のモデルである。ここで、車輪４、５に一定の速度差がある場合、一定の曲率κで円弧旋回を行う。車輪４、５の速度をＶ１、Ｖ２、速度差をΔＶ、平均速度をＶとした場合、曲率κと平均速度Ｖからの速度差ΔＶの導出は、（数１３）式、（数１４）式、（数１５）式の展開から（数１６）式のように定式化できる。
【００５３】
【数１３】
2006136962.tif 000015
【００５４】
【数１４】
2006136962.tif 000016
【００５５】
【数１５】
2006136962.tif 000017
【００５６】
【数１６】
2006136962.tif 000018
さらに、揺動姿勢角生成部２８での、加速度Ａｙ、Ａｘｚは、水平面での旋回走行時の遠心加速度Ａｃを、（数１７）式から求め、さらに、姿勢方位センサ８により計測された走行面の傾斜角γに基づき、（数１８）式で算出する。
【００５７】
【数１７】
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【００５８】
【数１８】
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以上述べたように、第２の方式では、走行軌跡生成部２６で生成した走行軌跡４０の時系列データＰ（ｔ）４１から、速度目標値Ｖｒ及び速度差目標値ΔＶｒを導出し、（数１７）式及び（数１８）式により加速度Ａｙ、Ａｘｚを推定して、前述した（数１１）式により、揺動角目標値φｒを算出する。
【００５９】
図７に、揺動角φの生成過程の例を示す。走行軌跡４０上に示す丸は、軌跡通過の等時間刻みの位置を示す。この例では、急カーブでの速度Ｖを抑制するパターンを形成している。曲率κのピーク値が過大な場合は、速度Ｖを低減する。遠心加速度Ａｃは、上述したように速度Ｖと曲率κから（数１７）式により推定される。揺動角φは（数１１）式により計算されるが、この例では、δ＝０、すなわち左右の車輪の中間位置にＺＭＰを位置決めし、左右の車輪の接地反力を均等にすることを目標に制御している。図７に示すように、（数１１）式により計算される揺動角φが、揺動機構１０の揺動角制御範囲（−φｍａｘ＜φ＜φｍａｘ）を超える場合は、最大揺動角の状態で、−Ｂ／２≦δ≦Ｂ／２の安定性保証範囲内で走行することとしている。また、第２の方式では走行前に、走行軌跡４０の時系列パターンを任意に設定可能なので、揺動角φが揺動角制御範囲内で収まるように走行軌跡４０を再計画することも可能である。
【００６０】
本実施例によれば、倒立振子制御により走行する移動機構の走行速度及び左右車輪の速度差に応じて生じる移動ロボット１にかかる遠心加速度を推定することができる。さらに推定した遠心加速度と、姿勢方位センサ８及び加速度センサ９により検出した走行面の傾斜によって生じる側面方向に対する重力加速度成分の値に基づき走行面に投影されたＺＭＰの位置を推定できる。さらに、ＺＭＰを左右の車輪間の領域に位置するように揺動機構４により移動ロボットの重心を側面方向に移動することで、旋回走行にともない生じる遠心力及び走行面の傾斜に抗して、側面方向への転倒を防止し安定な走行を実現できる。さらに、ＺＭＰを左右の車輪４、５間の中央位置付近に位置するように、揺動機構４の揺動角を制御することにより、左右の車輪４、５の接地反力を均等に近くすることができ、車輪４、５のスリップの低減効果により、倒立振子制御による走行の信頼性を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】本発明の一実施例の移動ロボットの正面図。
【図１Ｂ】図１Ａの側面図。
【図２】本実施例の移動ロボットの制御系の構成図。
【図３】本実施例の移動ロボットの走行運動の説明図。
【図４】本実施例の移動ロボットの揺動角制御の説明図。
【図５】本実施例の移動ロボットの走行軌跡生成過程の説明図。
【図６】本実施例の移動ロボットの旋回動作の説明図。
【図７】本実施例の移動ロボットの揺動角φの生成過程の例の説明図。
【符号の説明】
【００６２】
１…移動ロボット、２…移動機構、３…上体、４，５…車輪、６，７…走行モータ、８…姿勢方位センサ、９…加速度センサ、１０…揺動機構、１１…制御装置、１２…障害物センサ、１３…マニピュレータ、１４…頭部、１５、１６…エンコーダ、１７…揺動モータ、１８…エンコーダ、１９…右速度サーボ制御装置、２０…左速度サーボ制御装置、２１…位置サーボ制御装置、２２…移動目標位置生成部、２３…移動地図生成部、２４…位置方位推定部、２５…移動地図データベース、２６…走行軌跡生成部、２７…走行目標速度生成部、２８…揺動姿勢角生成部、２９…回転部位の重心、３０、３１…ロボット重心。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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