(57)【要約】【課題】移動ロボットにおいて、主制御装置の故障や主バッテリの電源喪失に対する信頼性の向上を図ること。【解決手段】移動ロボット１は、一対の走行車輪及びその駆動モータを有する走行駆動部と、本体部と、走行駆動部を制御する走行制御部２７と、走行制御部２７に必要な電力を供給する電源部と、本体部の傾斜角を計測する傾斜計１１と、計測した傾斜角に基づいて走行制御部２７を制御すると共に主バッテリ２４から電力を供給される主制御装置２０と、計測した傾斜角に基づいて走行制御部２７を制御すると共に補助バッテリ２６から電力を供給される異常時専用制御装置２１とを備える。そして、主制御装置２０の故障または主バッテリ２４の電源喪失などの異常要因を生じた場合に、傾斜計１１で計測した傾斜角に基づいて、主制御装置２０による走行制御部２７の制御から異常時専用制御装置２１による走行制御部の制御に切り替える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の走行車輪及びその走行車輪を駆動する駆動モータを有する走行駆動部と、
前記走行駆動部により走行される本体部と、
前記走行駆動部を制御する走行制御部と、
主バッテリ及び補助バッテリからなる電源部と、
前記本体部の傾斜角を計測する傾斜計と、
正常時に前記主バッテリから電力を供給されると共に前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記走行制御部及びその他の制御部を制御する主制御装置と、
異常時に前記補助バッテリから電力を供給されると共に前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記走行制御部を制御する異常時専用制御装置と、
前記主制御装置の故障または前記主バッテリの喪失などの異常時に、前記主制御装置による前記走行制御部の制御から前記異常時専用制御装置による前記走行制御部の制御に切り替える切り替え手段とを備えた
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、前記切り替え手段は、前記主制御装置から出力されるウオッチドックタイマー信号を受信し、このウオッチドックタイマー信号が途絶えた場合に前記主制御装置による前記走行制御部の制御から前記異常時専用制御装置による前記走行制御部の制御に切り替えるものであることを特徴とする移動ロボット。
【請求項３】
請求項１に記載の移動ロボットにおいて、前記本体部は作業アームを備え、前記主制御装置は前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記作業アームを所定の姿勢に位置決めすることを特徴とする移動ロボット。
【請求項４】
請求項１に記載の移動ロボットにおいて、前記本体部にコミュニケーション機器を備え、前記主制御装置は前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記コミュニケーション機器で警報を発することを特徴とする移動ロボット。
【請求項５】
請求項１に記載の移動ロボットにおいて、前記走行車輪は空気圧式であり、前記主バッテリの電源喪失に動作する無励磁作動型制御手段を備えて、前記傾斜計で計測した傾斜角に基づく指令か無励磁作動型制御手段からの信号に基づき前記走行車輪のタイヤの空気を開放する手段を備えたことを特徴とする移動ロボット。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載の移動ロボットにおいて、太陽または風による発電機能を保有し、前記主バッテリの電源が喪失した場合には補助バッテリに電源を切り替える手段を備えたことを特徴とする移動ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動ロボットに係り、特に同軸２輪型の走行駆動部を備えた自走式移動ロボットに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の同軸２輪型の走行駆動部を備えた移動ロボットとして、特開平２−１９０２７７号公報（特許文献１）に記載されているように、鉛直方向に対して所定以上に支持板が傾いたときに、車輪進退方向に突出し床面に接地する転倒防止板を設けるようにしたものがある。
【０００３】
また、従来の同軸２輪型の走行駆動部を備えた二輪車における姿勢制御方法として、特開昭６３−３０５０８２号公報（特許文献２）に記載されているように、車体の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駆動用モータの駆動トルクを算出して姿勢を安定的に制御する方法がある。
【０００４】
さらには、従来の同軸２輪型の走行駆動部を備えたコミュニケーションロボットとして、特開２００３−２７１２４３号公報（特許文献３）に記載されているように、同軸二輪の車輪を持つ台車上に人型上半身機構を設け、同軸二輪倒立振子モデルでロボットを制御するようにしたものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１９０２７７号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献３】特開２００３−２７１２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
同軸２輪型の走行駆動部を備えた移動ロボットまたは２輪車は、自然な状態では不安定なものを、車輪の駆動力を制御することにより安定化させているため、制御装置の故障や電源喪失などにより制御が不可能になった場合には、ロボットが転倒したり、運動エネルギーによって逸走したりする問題があった。しかしながら、上述した特許文献１〜３には、これらの問題点に関する配慮が開示されていない。
【０００７】
本発明の目的は、主制御装置の故障や主バッテリの電源喪失に対する信頼性の向上を図ることができる移動ロボットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、本発明は、一対の走行車輪及びその走行車輪を駆動する駆動モータを有する走行駆動部と、前記走行駆動部により走行される本体部と、前記走行駆動部を制御する走行制御部と、主バッテリ及び補助バッテリからなる電源部と、前記本体部の傾斜角を計測する傾斜計と、正常時に前記主バッテリから電力を供給されると共に前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記走行制御部及びその他の制御部を制御する主制御装置と、異常時に前記補助バッテリから電力を供給されると共に前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記走行制御部を制御する異常時専用制御装置と、前記主制御装置の故障または前記主バッテリの喪失などの異常時に、前記主制御装置による前記走行制御部の制御から前記異常時専用制御装置による前記走行制御部の制御に切り替える切り替え手段とを備えた構成にしたことにある。
【０００９】
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）前記切り替え手段は、前記主制御装置から出力されるウオッチドックタイマー信号を受信し、このウオッチドックタイマー信号が途絶えた場合に前記主制御装置による前記走行制御部の制御から前記異常時専用制御装置による前記走行制御部の制御に切り替えるものであること。
（２）前記本体部は作業アームを備え、前記主制御装置は前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記作業アームを所定の姿勢に位置決めすること。
（３）前記本体部にコミュニケーション機器を備え、前記主制御装置は前記傾斜計で計測した傾斜角に基づいて前記コミュニケーション機器で警報を発すること。
（４）前記走行車輪は空気圧式であり、前記主バッテリの電源喪失に動作する無励磁作動型制御手段を備えて、前記傾斜計で計測した傾斜角に基づく指令か無励磁作動型制御手段からの信号に基づき前記走行車輪のタイヤの空気を開放する手段を備えたこと。
（５）太陽または風による発電機能を保有し、前記主バッテリの電源が喪失した場合には補助バッテリに電源を切り替える手段を備えたこと。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の移動ロボットによれば、主制御装置の故障や主バッテリの電源喪失に対する信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の移動ロボットの一実施例について図面に基づいて説明する。
【００１２】
まず、本実施例の移動ロボット１の外観構造に関して図１を参照しながら説明する。図１は本実施例の移動ロボット１の外観図である。
【００１３】
移動ロボット１は、一対の走行車輪１８、１９及びその走行車輪１８、１９を駆動する駆動モータ１０を有する同軸２輪型の走行駆動部６１と、この走行駆動部６１により走行される本体部６２とを備えて構成されている。本体部６２は、走行駆動部６１に回動可能に支持され、倒立振子制御により直立し前後進されるようになっている。
【００１４】
本体部６２はボディ７、作業アーム６、頭部７１を基本構成要素として構成されている。ボディ７には、周辺とのコミュニケーションを行なうマイク２、スピーカ３及び表示灯などからなるコミュニケーション機器４が備えられている。また、頭部７１には状況監視用カメラ５が備えられている。
【００１５】
さらに、ボディ７には、電源喪失などの異常時に対応するための異常用機器の電力を確保するために、ソーラパネル８や風力発電機２８（図３参照）に通風するための通風口９などが備えられている。これらのソーラパネル８や風力発電機２８は、主バッテリ２４（図３参照）の電源喪失時でも、最低必要な電力を補助バッテリ２６（図３参照）に蓄えるために設けられ、正常時に使用する主バッテリ２４との二重系統を確保するようになっている。通風口９は必要な風圧があるかどうかを判定して開閉が行なわれるようになっている。また、単純な起立状態では、風の方向や、最初に設定された緯度、経度によって軌道計算された太陽の方向にロボット自身の向きを制御して電力を確保するようになっている。
【００１６】
さらには、コミュニケーション機器４や状況監視用カメラ５などの上部の機器に対する転倒時の衝撃を緩和するために、転倒時に左右の作業アーム６をボディ７の前面上部に移動させる衝撃緩和姿勢指令が作業アーム制御部２３（図３参照）に予め組込まれている。
【００１７】
次に、走行駆動部６１に関して、図２を参照しながら説明する。図２は本実施例の走行駆動部６１の断面斜視図である。なお、走行駆動部６１における左右の走行車輪１８、１９に係る機構は基本的には同一であるため、以下に左側の走行車輪１８に係る機構について説明し、右側の走行車輪１９に係る機構の説明を省略する。
【００１８】
走行車輪１８に係る機構は、走行車輪１８、車輪回転軸の無励磁作動型ディスクブレーキ１４、減速機１２、駆動モータ１０、エンコーダ１７、モータ軸の無励磁作動型ブレーキ１３、風力発電用の羽根１５、開放弁付き空気バルブ１６などで構成されている。
【００１９】
駆動モータ１０の駆動力はモータ軸、減速機１２、歯車を介して走行車輪１８の回転軸に伝達され、これによって走行車輪１８が回転される。エンコーダ１７は駆動モータ１０の回転角を検出するように取付けられ、検出された回転角は走行車輪１８の移動距離に換算され、移動ロボット１の移動制御に使用される。無励磁作動型ブレーキ１３及び無励磁作動型ディスクブレーキ１４は、電源が印加されていない保管状態で、外力により移動ロボット１が移動することを防止するためのものである。これらのブレーキ１３、１４を起立状態でかけると、２輪の倒立振子の制御ができなくなるため、これらのブレーキ１３、１４は正常動作時には使用されない。
【００２０】
電源喪失などの異常時に対応するため、走行車輪１８には開放弁付き空気バルブ１６が取付けられている。この開放弁付き空気バルブ１６は、開放指令によりバルブが開き、走行車輪１８のタイヤの空気を開放する。走行車輪１８のタイヤの空気が開放されると、本体部６２または走行駆動部６１の非回転部分が接地され、走行車輪１８のタイヤの接地が解かれる。これによって、走行車輪１８の車軸がいくら回っても、ロボットは移動されず、逸走を防止できる。
【００２１】
開放弁付き空気バルブ１６は回転体（車輪）に設けてあるので、直接ケーブルを接続することは難しい。そこで、開放指令は固定側の送信機５１（図５参照）から開放弁付き空気バルブの無線タグ経由で伝達して開放弁の動作を指令するようになっている。なお、開放指令の伝達には車軸にスリップリングを設けることでも可能である。
【００２２】
車輪の外側には風力発電用の羽根１５があり、ロボットの走行時や自然風により風力発電を行って異常用機器に対する電力を確保するようになっている。
【００２３】
傾斜計１１は、本体部６２の傾斜角を計測するものであり、走行駆動部６１における本体部６２と共に回動する部分に取付けられている。この傾斜計１１で計測された傾斜角は、通常時には、倒立振子の制御に基づいて走行駆動トルクを算出するために使用される。傾斜計１１の代わりに加速度計を使用して出力を積分して代用しても良い。
【００２４】
次に、本実施例の移動ロボット１の制御系におけるハードウェア構成に関して、図３を参照しながら説明する。図３は本実施例の移動ロボット１の制御系におけるハードウェア構成を示す図である。
【００２５】
移動ロボット１の制御系のハードウェアは、全体を制御する主制御装置２０、異常時に車輪安定化の制御のみを専用に行なう異常時専用制御装置２１、倒立振子制御ためのセンサである傾斜計１１、コミュニケーション機器４とインタフェースするコミュニケーション部制御用の付帯部制御部２２、作業や異常時の転倒衝撃緩和姿勢を行なう作業アーム制御部２３、正常時に電源を供給するための主バッテリ２４、異常時の場合に制御系を切り替えるための切り替え器２５、異常時に電源を供給するための補助バッテリ２６などで構成されている。
【００２６】
傾斜計１１の計測値から倒立振子の制御則に基づいて主制御装置２０で左右の駆動モータの制御トルクが演算され、走行制御部２７は指令トルクによりモータトルクを制御して二輪で前後進の走行制御を実現するように構成されている。
【００２７】
正常時には主バッテリ２４から作業アーム６、付帯部制御部２２などに電力を供給してデモや作業を実施し、異常時には補助バッテリ２６から異常時専用制御装置２１に電力を供給して起立専用制御を行なうように構成されている。また、主バッテリ２４から異常時専用制御装置２１の補助バッテリ２６を常時充電するように構成されている。また、ソーラパネル８や風力発電機２８からも補助バッテリ２６の充電を行い、常に起立専用制御可能な電力を確保するように構成されている。
【００２８】
そして、主バッテリ２４の電源喪失や主制御装置２０の故障などの場合には、制御ハードウェア系が傾斜計１１、走行モータアンプなどを含む走行部制御部２７、異常時専用制御装置２１、エンコーダ１７及び補助バッテリ２６で構成されるようになっている。補助バッテリ２６は、ロボットが異常に傾斜した場合などの異常時に、異常時専用制御装置２１、傾斜計１１、走行制御部２７へ電力を供給するように構成されている。補助バッテリ２６は短時間の起立専用制御が可能な程度の容量となっている。
【００２９】
また、各制御部２０〜２３、２７からはウオッチドックタイマー（ＷＤＴ）の出力がリレー回路２９に入力するように構成されている。リレー回路２９では、主制御装置２０のＷＤＴ信号が途絶えると、異常時専用制御装置２１に制御を渡して切り替え器２５を異常時専用制御装置２１に切り替えると共に、主バッテリ２４の電源供給から補助バッテリ２５の電源供給に切り替えるように構成されている。
【００３０】
通常の状態では、電力は主バッテリ２４から各制御部２０、２２、２３、２７に供給され、また、作業アーム６などは正常動作中であり、これによって作業アーム６に衝撃緩和姿勢をとらせること、周辺へコミュニケーション機器４のスピーカから警報を発することや表示灯で起立制御状態へ移行する警報を発することが可能である。異常時専用制御装置２１からのＷＤＴの信号が正常な場合には、異常時専用制御装置２１からの明示的なブレーキ指令やバルブ開放指令がないかぎり、ブレーキ１３、１４や空気バルブ１６の開放弁が動作しないように構成されている。また、異常時専用制御装置２１のＷＤＴが働かなくなると、リレー回路２９はモータ軸のブレーキ１３や車軸のディスクブレーキ１４の電源を遮断し、さらに、車輪の開放弁型空気バルブ１６へ開放信号を伝達するように構成されている。これらによって、ブレーキ１３、１４のブレーキ動作が行なわれると共に、走行車輪１８、１９のタイヤから空気が放出され、移動ロボット１の走行が強制的に停止される。
【００３１】
次に、本実施例の移動ロボット１の制御系におけるソフトウェア構成に関して、図４を参照しながら説明する。図４は本実施例の移動ロボット１の制御系におけるソフトウェア構成を示す図である。
【００３２】
移動ロボット１の制御系におけるソフトウェアは、主制御ルーチン３１及び異常処理制御ルーチン３２を備えて構成されている。主制御ルーチン３１は、状態解析ルーチン３３、アーム制御ルーチン３４、走行制御ルーチン３５、マンマシンインタフェースルーチン（Ｍ／Ｍインタフェースルーチン）３６を含む。異常処理制御ルーチン３２は異常内容に対する処理を行なうサブシステム４０〜４４を含む。異常時専用制御サブシステム４０は異常時専用制御装置２１内で処理される。
【００３３】
正常時おいて、主制御ルーチン３１は、状態解析ルーチン３３で正常かどうかを常に判断しており、正常の場合には、指令に基づき走行制御ルーチン３５やアーム制御ルーチン３４で走行車輪１８、１９や作業アーム６などの制御を行なう。また、マイク２、スピーカ３、表示灯などを使用してロボットの状態表示や操作者の指示をＭ／Ｍインタフェースルーチン３６で処理する。
【００３４】
傾斜計１１で計測した傾斜角が通常の範囲を越える異常要因４１が発生した場合には、状態解析ルーチン３３で異常と判定され、異常制御ルールチン３２へ制御が移る。このような異常時には、まず、走行速度を下げるためのスローダウン指令３７が出される。スローダウンサブシステム４４では、指令速度を零に設定して、主制御ルーチン３１へ戻る。状態解析ルーチン３３は、この走行速度の低下を監視しており、走行速度の低下を監視すると、緊急静止モード３８を起動する。緊急静止モード３８は、自然な状態では不安定な二輪型ロボットの安全を確保するため、ロボットの走行を停止してその場で起立静止させる。すなわち、異常時専用制御サブシステム４１は倒立振子の制御則に従ってその場で静止させるモータの指令を設定する。
【００３５】
緊急静止モード３８が起動されると、同時に、警報設定サブシステム４３により他のシステムへ異常を警告する指令を発する。衝撃緩和姿勢設定サブシステム４２では、作業アーム６に衝撃を緩和させるための受身姿勢、衝撃緩和姿勢の指令値を設定し、アーム制御ルーチン３４で作業アーム６の各軸位置を制御して衝撃緩和させる姿勢をとらせる。また、警報設定サブシステム４３はＬＥＤなどの点滅、音声情報を設定してマンマシンインタフェースルーチン（Ｍ／Ｍインタフェースルーチン）３６でコミュニケーション機器４から警報を発生させて周囲へ注意を促す。
【００３６】
主制御装置２０による緊急静止モード３８で起立静止が確認できない場合は、専用制御系を起動して異常時専用制御装置２１に制御を渡すと共に、走行制御部２７への指令を異常時専用制御装置２１から行なうように切り替える。以後、駆動モータ１０への指令は補助バッテリ２６で動作する異常時専用制御装置２１で制御する。異常時専用制御装置２１は傾斜計１１からの信号に基づき、静止起立のみの制御を行なう。この場合、主制御装置２０へ主バッテリ２４から正常に電力を供給していることを前提としている。
【００３７】
主バッテリ２４による電源喪失や主制御装置２０の故障による異常要因４２が発生し、主制御装置２０からのＷＤＴ信号が停止した場合には、リレー開路２９が自動的に動作して、主バッテリ２４による主電力供給から補助バッテリ２６による補助電力供給に切り替える。補助バッテリ２６による補助電力は、傾斜計１１、異常時専用制御装置２１、走行制御部２７及びリレー開路２９に供給される。係る異常要因によって異常時専用制御装置２１の制御に切り替えられると、異常時専用制御サブシステム４０が起動され、まず、走行速度を下げるためのスローダウン指令３７が出される。スローダウンサブシステム４４では、指令速度を零に設定して、異常時専用制御サブシステム４０に戻る。そして、異常時専用制御サブシステム４０は、二輪型ロボットの安全を確保するため、ロボットの走行を停止してその場で起立静止させる制御を行なう。すなわち、異常時専用制御サブシステム４０は倒立振子の制御則に従ってその場で起立静止させるモータ指令値を設定する。
【００３８】
係る異常時専用制御サブシステム４０による制御によっても起立静止が困難になった場合について図５を参照しながら説明する。図５は本実施例の移動ロボット１における走行動力伝達系の構成図である。
【００３９】
異常時専用制御サブシステム４０の制御による起立静止ができない場合には、図３に示すリレー回路２９において、開放弁付き空気バルブ１６に対する開放指令、無励磁動作型ブレーキ１３及び無励磁動作型ディスクブレーキ１４に対するブレーキを指令する。異常時専用制御サブシステム４０による制御中に補助バッテリが電源喪失すると、無励磁動作型ブレーキ１３はモータ軸にブレーキをかけてモータ軸をロックし、同時に、無励磁動作型ディスクブレーキ１４は走行軸をロックする。これにより、モータ軸、走行軸に新たな動力は伝達されず、ブレーキ１３、１４により走行を停止する。さらに、確実に走行を停止させるために、左右の走行タイヤの開放バルブを爆発させてタイヤの空気を開放しそれ以上の走行を停止させる。
【００４０】
開放弁付き空気バルブ１６は回転する車輪に取付けられているので、そのままでは開放指令を車軸経由で伝達できないが、無線を利用し開放指令を送信することで可能である。固定側にはリレー回路２９からの開放信号を入力する送信機５１、回転体のタイヤにはバッテリ、無線受信装置、弁開放リレー、車軸に風力発電機を設ける。風力発電は車輪１８にコイル５３を、軸上に磁石５２を付けた自由な回転羽車５１を設けて、羽車１５の回転によるコイル５３の起電力で無線受信機のバッテリ５０を充電する。
【００４１】
本実施例によれば、異常時専用制御装置２１を持つため、転倒防止する制御手段が複数になり信頼性が向上する効果がある。また、走行以外の正常に動作する他の機能を利用すること、主制御装置２０を介さず走行車輪１８、１９を使用不能にすることで、逸走距離を減らしてロボット本体部６２の損傷、周辺器物に対する被害を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施例の移動ロボットの外観図である。
【図２】本実施例の移動ロボットの走行駆動部の断面斜視図である。
【図３】本実施例の移動ロボットの制御系におけるハードウェア構成を示す図である。
【図４】本実施例の移動ロボットの制御系におけるソフトウェア構成を示す図である。
【図５】本実施例の移動ロボットにおける走行動力伝達系の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…移動ロボット、２…マイク、３…スピーカ、４…コミュニケーション機器、５…状況監視用カメラ、６…作業アーム、７…ボディ、８…ソーラパネル、９…風力発電用の通風口、１０…駆動モータ、１１…傾斜計、１２…減速機、１３…無励磁作動型ブレーキ、１４…無励磁作動型ディスクブレーキ、１５…羽根、１６…開放弁付き空気バルブ、１７…エンコーダ、１８、１９…走行車輪、２０…主制御装置、２１…異常時専用制御装置、２２…付帯部制御部、２３…作業アーム制御部、２４…主バッテリ、２５…切り替え器、２６…補助バッテリ、２７…走行制御部、２８…風力発電機、２９…リレー回路、３１…主制御ルーチン、３２…異常処理制御ルーチン、３３…状態解析ルーチン、３４…アーム制御ルーチン、３５…走行制御ルーチン、３６…マンマシンインタフェースルーチン、３７…スローダウン指令、３８…緊急静止モード、４０…異常時専用制御サブシステム、４１…起立静止制御サブシステム、４２…衝撃緩和姿勢設定サブシステム、４３…警報設定サブシステム、４４…スローダウンサブシステム、５０…無線受信機のバッテリ、５１…送信機、５２…磁石、５３…コイル、６１…走行駆動部、６２…本体部、７１…頭部。
【図１】
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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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