(57)【要約】【課題】簡単な制御により、移動時において、慣性力、反力又は予期せぬ外力等により移動体に生じる転倒モーメントを緩和し、かつ転倒を防止して姿勢を安定化させることが可能な自律移動装置を提供する。【解決手段】ロボットが、移動体３と、トルクを発生させる１又は複数のコントロール・モーメント・ジャイロ６に軸受けされたジャイロユニット１と、ジャイロユニット１に軸受けされた回転軸部４を有し、移動体３に対して回転軸部４の回転軸と直交する軸のまわりに回転自在なジンバル２とを備える。【選択図】図１
2008052362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体と、
トルクを発生させるコントロール・モーメント・ジャイロを軸受支持するジャイロユニットと、
前記ジャイロユニットを軸受支持するための回転軸部を有し、前記移動体に対して前記回転軸部の回転軸と直交する軸のまわりに回転自在なジンバルとを備えたことを特徴とする自律移動装置。
【請求項２】
前記ジンバルを前記移動体に対して移動させる移動機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項３】
前記自立移動装置は、前記コントロール・モーメント・ジャイロを複数備え、
前記コントロール・モーメント・ジャイロは、回転体と、前記回転体の回転軸と直交する軸のまわりに回転する内部ジンバルとを備え、
前記ジャイロユニットが、少なくとも２個の前記コントロール・モーメント・ジャイロの内部ジンバルの回転軸が平行に配置されたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項４】
トルクを計測するトルクセンサが、前記ジャイロユニットから外部に出力されるトルクの出力経路上に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項５】
前記ジンバルと前記ジャイロユニットとの間に、前記ジンバルに軸受けされた外装部材が設けられ、前記ジャイロユニットが、前記外装部材と連動して回転自在に構成されたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項６】
トルクを計測するトルクセンサが、前記外装部材と前記ジャイロユニットとの間に取り付けられたことを特徴とする請求項６記載の自律移動装置。
【請求項７】
前記コントロール・モーメント・ジャイロは、回転体と前記回転体の回転軸と直交する回転軸のまわりに回転する内部ジンバルとを備え、
トルクを計測するトルクセンサが、前記内部ジンバルと前記ジャイロユニットとの間に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項８】
前記ジンバルと前記移動体との間に、前記ジンバルに軸受けされた支持部材が設けられ、
トルクを計測するトルクセンサが、前記支持部材と前記移動体との間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項９】
前記移動体の重心を調節する重心調節機構が設けられ、
前記制御部の制御は、前記ジンバルの制御量と、前記重心調節機構の制御量とを分配することを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【請求項１０】
前記移動体が移動する面と接触する車輪を有し、
前記車輪を介して前記面からの抗力を検出する抗力センサを備えたことを特徴とする請求項１記載の自律移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば移動体の姿勢制御装置に用いて好適な自律移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
移動型のロボットの姿勢を自律的に制御する方法は、種々の手法が知られている。コントロール・モーメント・ジャイロ（ＣＭＧ）と呼ばれる装置は、高速回転体を回転軸と異なる軸のまわりに回転させることにより姿勢制御用のトルクを発生させている。ＣＭＧを用いた制御は、リアクション・ホイール（ＲＷ）に比べて非常に大きなトルクを得ることができる半面、ＣＭＧは、特異点の回避や、駆動則の制限等の複雑な制御を必要とする。移動体に複数のＣＭＧを設ける手法としては、従来、双子型ＣＭＧを設けた二足歩行ロボットが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−９２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１記載の二足歩行ロボットは、同一特性の２つのジンバルを左右に並べて配置し互いに逆方向に同一速度で回転させる等、特殊な条件を要するものである。ジンバルの配置にかかわらずに、ＣＭＧをロボット等の移動体に搭載することは、やはり、意図せぬ方向にモーメントが発生し、十分な姿勢制御が困難である。
【０００４】
そこで本発明は、上記の課題に鑑み、簡単な制御により、ジャイロユニット内へ移動体の運動の伝達を抑制し、コントロール・モーメント・ジャイロを制御することにより、移動体の姿勢を安定化させることができる自律移動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】
【０００５】
本発明の一態様によれば、移動体と、トルクを発生させるコントロール・モーメント・ジャイロを軸受支持するジャイロユニットと、前記ジャイロユニットを軸受支持するための回転軸部を有し、前記移動体に対して前記回転軸部の回転軸と直交する軸のまわりに回転自在なジンバルとを備えたことを特徴とする自律移動装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ジャイロユニット内へ移動体の運動の伝達を抑制し、コントロール・モーメント・ジャイロを制御することにより、移動体の姿勢を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態に係る自律移動装置について、図面を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【０００８】
本発明の実施の形態に係る自律移動装置は、倒立型移動台車のようなロボットの姿勢制御装置に適用される。本実施形態に係るロボットは、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、独立二輪駆動型の移動台車であり、移動体としてのロボット本体３と、ロボットが移動する床面３０に接触する車輪１３と、ロボット本体３の姿勢に関する姿勢状態量を計測するセンサ１０とを備えている。
【０００９】
この車輪１３は、モータ等によって駆動される車軸部を有する。ロボットは、車輪１３の拘束条件にしたがって、前後方向や斜め方向に移動する。ロボットは、車輪１３の代わりに、脚等の移動手段により移動することもできる。
【００１０】
センサ１０は、計測部として機能する。姿勢状態量とは、絶対座標系ｘ、ｙ、ｚにおけるロボットの位置及び速度等や、ロボット座標系におけるロボットの姿勢等である。センサ１０は、傾斜センサ、角速度及び加速度センサ、ロータリーエンコーダを有する。ここで、傾斜センサは、ロボット本体３の傾斜角や姿勢角を計測するものであり、姿勢ジャイロやレートジャイロが用いられる。角速度及び加速度センサは、ロボット本体３の角速度及び加速度を検出するものであり、ｘ、ｙの２軸方向の角速度及び加速度を検出するセンサモジュールである。ロータリーエンコーダは、車軸の回転角速度等を計測するものである。傾斜センサ、角速度及び加速度センサ、ロータリーエンコーダは、それぞれ、ロボット本体３について、ｘ、ｙ、ｚ軸それぞれの方向の位置や、速度又は加速度を計測し、また、ロボット本体３の姿勢について、ロール，ピッチ，ヨーの各軸それぞれの角度や角速度等を計測できるようにロボット本体３に取り付けられている。ロボットは、姿勢状態量として、ロボットに加わる外力をも監視している。この外力を検出する力センサや感圧センサが外力センサとしてロボット本体３に設けられている。
【００１１】
車軸部には、抗力センサ２１が設けられる。抗力センサ２１は、車輪１３を介して、床面３０や、地面、壁面又はロボット以外の物体との接触面等の面（面部）からの抗力を検出するものである。抗力センサ２１としては、力覚センサやロードセルが用いられ、抗力センサ２１は、車輪１３又はロボット自身の接面箇所が床面３０から受ける抗力を検出する。
【００１２】
また、ロボット本体３には、ＣＭＧユニット１と、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２と、図示しないジンバル駆動部（ジンバル駆動装置）と、ジンバル回転軸４及びジンバル回転軸５と、バランスウェイト１１と、バランスウェイト支持機構１２とが設けられている。
【００１３】
ＣＭＧユニット１は、トルクを発生させる１又は複数個のコントロール・モーメント・ジャイロに軸受けされたジャイロユニットである。ＣＭＧユニット１は、図２に示すように、ＣＭＧユニット外殻１６の内部に、例えばシングルジンバルタイプの２個のＣＭＧ（シングルＣＭＧ：Ｓ−ＣＭＧ）６を収納したパッケージからなる。ＣＭＧユニット１は、１個のＣＭＧ６を収納することもできる。ＣＭＧユニット１が、２個以上のＣＭＧ６に軸受けされた場合は、２個のＣＭＧ６の内部ジンバル６ｂの回転軸が平行に配置される。各ＣＭＧ６は、いずれも、回転体であるジャイロホイール６ａと、ジャイロホイール回転軸６ｄを支持しジャイロホイール回転軸６ｄと直交する上下方向（垂直方向）のジンバル回転軸６ｃのまわりに回転する内部ジンバル６ｂとを有する。
【００１４】
ジャイロホイール６ａのような回転体には、図３に示すように、回転体が、回転体自身の回転軸（Ｈ軸）のまわりに高速に回転した状態で、モーメントμが、Ｈ軸と直交する回転軸（μ軸）方向に回転体に加えられると、ジャイロモーメントＮが、Ｈ軸及びμ軸に直交する回転軸方向に生じる（これをジャイロ効果という）。このジャイロモーメントＮは、式１により表される。
【数１】
2008052362.tif 000003
【００１５】
ここで、Ｉは回転体の慣性モーメント、Ｉｘ，Ｉｙ，ＩｚはＩの絶対座標系ｘ、ｙ、ｚの各成分、ωは回転体の回転角速度、μはジンバル回転角速度、Ｍは回転体の質量、ｒは円筒型回転体の半径、ｈは円筒型の回転体の高さ（厚さ）をそれぞれ表す。
【００１６】
各ＣＭＧ６は、いずれも、外部に非接触な状態でジャイロモーメントＮを発生させ、発生させたジャイロモーメントＮを生成トルクとして利用する。すなわち、ＣＭＧ６は、トルカ（トルクを発生させる装置）として機能する。
【００１７】
１個のシングルジンバルタイプのＣＭＧ６は、１軸又は２軸のトルクを発生可能であるため、本実施形態に係るロボットは、３軸制御を行う場合には、複数のＣＭＧ６を搭載しておき、各ＣＭＧ６のトルクを適宜制御する。ロボットは、複数のＣＭＧ６を搭載することにより、制御について冗長な自由度を得るため、各ＣＭＧ６に含まれる制御上の特異点を回避するように複数のＣＭＧ６を制御することができる。なお、ＣＭＧ６は、ダブルジンバル型又はそれ以上の型をもつものを用いることができる。
【００１８】
また、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２は、図４に示すように、ＣＭＧユニット１に軸受けされたジンバル回転軸４を有し、ロボット本体３に対してジンバル回転軸４の回転軸と直交する軸のまわりに回転自在なジンバルである。ジンバル回転軸４は、ＣＭＧユニット１とＣＭＧユニット制御用ジンバル２とを軸支又は枢支等するための回転軸部である。ジンバル回転軸４は、一部材として、ＣＭＧユニット１及びＣＭＧユニット制御用ジンバル２の双方に取り付けられてもよく、あるいは、ＣＭＧユニット１又はＣＭＧユニット制御用ジンバル２のいずれか一方に形成されてもよい。また、ジンバル回転軸５は、ロボット本体３に軸止め、軸支又は枢支等された回転軸部であり、一部材として、ロボット本体３及びＣＭＧユニット制御用ジンバル２の双方に取り付けられてもよく、あるいは、ロボット本体３又はＣＭＧユニット制御用ジンバル２のいずれか一方に形成されてもよい。
【００１９】
ジンバル駆動部７、８は、それぞれ、ジンバル回転軸４、５を駆動するものであり、例えばモータである。ジンバル駆動部７、８は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２の外部に設けたり、ＣＭＧユニット１の内部に設けたり、又はジンバル回転軸４、５と一体形成することもできる。
【００２０】
また、ＣＭＧユニット１は、ジンバル回転軸４のまわりと、ジンバル回転軸５のまわりとにそれぞれ１つの回転の自由度を有し、ジンバル回転軸４、５は、いずれも、ロボットに組み込まれた制御系により軸サーボ制御可能である。
【００２１】
これにより、本実施形態に係るロボットは、ジンバル回転軸４、５を用いて、ＣＭＧユニット１のロボット本体３に対する相対的な姿勢を所望の姿勢に誘導する。換言すれば、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２は、１軸以上の自由度を有し、２方向に対してトルクを生成可能である。そして、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２と、このＣＭＧユニット制御用ジンバル２を駆動するためのジンバル駆動部７、８と、制御系とが協働して、ＣＭＧユニット１のロボット本体３に対する相対的な姿勢を決定する。
【００２２】
さらに、本実施形態に係るロボットは、２個以上のＣＭＧ６の組が冗長性をもつように構成されたジンバル機構を設け、この冗長性を有するジンバル機構により、ロボット本体３の姿勢状態変化量を相殺するようにもできる。また、ロボットは、複数のＣＭＧユニット制御用ジンバル２を設けてもよい。
【００２３】
本実施形態に係るＣＭＧユニット１は、トルクセンサを取り付けることができる。トルクセンサを有するロボットは、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、制御部９を設ける。
【００２４】
トルクセンサ１７は、ＣＭＧユニット１を自由度２の回転方向に回転させる２本の回転軸のまわりのトルクの大きさを計測するものであり、例えば分力計が用いられる。ＣＭＧユニット１は、図６に示すように、外観略ケース状の外部ユニット１８におさめられており、６個の分力計は、ＣＭＧユニット１と、外部ユニット１８の側壁部及び底部との間に固定され、ＣＭＧユニット１と外部ユニット１８とを物理的に結合させている。ここで、外部ユニット１８は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２とＣＭＧユニット１との間に設けられ、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２に軸受けされた外装部材である。外部ユニット１８の側面部は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２に軸受けされている。そして、外部ユニット１８は、このＣＭＧユニット制御用ジンバル２と外部ユニット１８との間に介装されたジンバル回転軸４のまわりに回転可能になっている。これにより、ＣＭＧユニット１は、外部ユニット１８と連動して、ジンバル回転軸４のまわりに回転自在である。
【００２５】
ＣＭＧユニット１と外部ユニット１８の側壁部との間に固定された４個の分力計は、それぞれ、ジンバル回転軸４にまわりのトルクを検出し、また、ＣＭＧユニット１と外部ユニット１８の底部との間に固定された２個の分力計は、それぞれ、ジンバル回転軸５のまわりのトルクを検出する。従って、トルクセンサ１７は、ＣＭＧユニット１から外部に出力されるトルクの出力経路上に取り付けられ、取り付けられた各部分において各軸成分のトルクを検出する。すなわち、ＣＭＧユニット１のユニット構造は、複数のＣＭＧ６を用いて制御トルクを作り出す場合に、これらのＣＭＧ６が一定領域内におさめられ、ロボット本体３へ出力されるトルクがトルクセンサ１７により監視可能な１以上の伝達経路上を通過するように配置されている。
【００２６】
このように、本実施形態に係るロボットは、例えば６箇所の取り付け箇所のような特定の点又は特定箇所におけるトルクをそれぞれ観測することにより、ＣＭＧ６が出力するトルクを計測する。従って、ロボットが有する力伝達構造は、トルクを発生させる１個以上のＣＭＧ６を収納したＣＭＧユニット１が生成する１方向以上のトルクをＣＭＧユニット１の外部に伝達するとともに、ＣＭＧユニット１からの生成トルクを計測する。さらに、計測されたトルクは監視され、これにより、トルクセンサ１７は、パッケージ化されたＣＭＧユニット１からロボット本体３に出力されるトルクを一手に（一括して）検出している。
【００２７】
そして、制御部９は、ジンバル回転軸４、５のまわりにて計測されるこれらのトルクセンサ１７のトルク値を加算することにより、ＣＭＧユニット１全体が生成したトルクを計測する。また、加算された値を用いて、目標トルクに対するトルク制御についてのフィードバックループを形成する。このトルクセンサ１７を用いたフィードバック制御により、ロボット本体３の姿勢角や角速度レベルのフィードバックループの内側をオープンループで制御する手法に比べて、より高精度の制御が実現する。
【００２８】
なお、本実施形態に係る力伝達構造は、図７に示すように、トルクセンサ１７を、１個以上の内部ジンバル６ｂとＣＭＧユニット１の底部との間に取り付けし、各内部ジンバル６ｂのジンバル回転軸６ｃのまわりのトルクを検出するようにもできる。また、本実施形態に係る力伝達構造は、図８に示すように、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２に軸受けされたジンバル回転軸１９と、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２に軸受けされた略平板等の支持部材２０とを設け、トルクセンサ１７を、支持部材２０とロボット本体３との間に固定し、ジンバル回転軸１９のまわりのトルクを検出するようにしてもよい。このような力伝達構造を用いても、高性能なフィードバック制御が行える。
【００２９】
制御部９（図５（ａ）、図５（ｂ））は、ロボット本体３の動作を制御するものであり、姿勢状態量と姿勢目標値や姿勢変化量とに基づいてＣＭＧユニット制御用ジンバル２の回転を制御する。制御部９は、ＣＭＧ６の動作を個々に制御する。さらに、本実施形態に係るロボットは、出力トルクを分配するトルク分配部又はトルクフィルタを設けることができ、制御部９は、帯域又は最大出力制限に応じて、トルク分配部を制御し、出力トルクを分配又は分解する。また、制御部９は、姿勢制御の目標値を、内的に生成するのみならず、外部から得るようにもできる。なお、制御部９は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＩＣ、ＬＳＩ等により実現される。制御部９は、ロボット本体３の外部及び内部のいずれにも設けることができる。
【００３０】
バランスウェイト１１は、ロボット本体３の重心を調節するためのウェイである。バランスウェイト支持機構１２は、バランスウェイト１１を前後、左右及び上下の各方向に移動させるための支持部材であり、ロボット本体３の内部又は外部に固定することができる。バランスウェイト１１及びバランスウェイト支持機構１２は、ともに重心調節機構として機能する。このバランスウェイト支持機構１２によってバランスウェイト１１がロボット本体３の内部を移動することにより、ロボットの重心位置が、所望の位置に変更調節される。
【００３１】
また、制御部９は、ＣＭＧユニット１のトルク生成と、バランスウェイト１１の重心移動とを併用してロボット本体３の姿勢を制御するようにもできる。具体的には、制御部９は、ロボットに取り付けられた外乱センサを監視し、外乱センサが衝撃等の外乱を検知すると、バランスウェイト１１を移動させて外乱に対する反力を生成するように制御する。制御部９は、このバランスウェイト１１を用いた制御に加えて、ＣＭＧユニット１を用いたトルク生成をも併用し、これにより、ＣＭＧユニット１単独で生成できない大きさの外力がロボットに加わった場合においても、ロボット本体３を適切に制御できるようにしている。
【００３２】
上述の構成により、本発明の実施形態に係るロボットの自律姿勢制御動作について説明する。
【００３３】
トルクセンサ１７は、ＣＭＧユニット１外部に伝達されるトルクを監視する。
【００３４】
制御部９は、センサ１０を用いて、ロボット本体３の姿勢変化量を計測する。制御部９は、１個又は２個や６個等、複数のトルクセンサ１７を用いる場合は、各トルクセンサ１７が計測した各軸成分の和を用いてＣＭＧユニット１を制御する。制御部９は、トルクセンサ１７が計測した各軸のトルクを用いて、姿勢変化量を打ち消すように、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２をフィードバック制御する。
【００３５】
また、制御部９は、ロボット本体３の実空間中における動きの、ロボット内部に搭載されたＣＭＧユニット１への伝達を抑制するように制御する。具体的には、ロボットが、例えば垂直方向のｚ軸のまわりに９０°の旋回を行った場合、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２は、ｚ軸まわりに−９０°旋回を行うように動作する。従って、絶対座標系ｘ、ｙ、ｚにおけるＣＭＧユニット１の姿勢が変化しないように制御がなされる。このようにして、ロボットの動作が、ＣＭＧユニット１内部のＣＭＧ６に伝達されにくくなるため、ロボットの動作による不要なジャイロモーメントＮの発生を、より効果的に抑制することができる。
【００３６】
センサ１０は、ロボットの姿勢角や回転角速度等の姿勢状態量を検出する。制御部９は、検出又は計測された姿勢状態量と予め設定された姿勢状態量との偏差（又は姿勢状態量の予定変化量）を計算し、その偏差が小さくなる方向に姿勢状態量を変化させて、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２を動作させ、トルクモーメントＮを生成する。これにより、複数のＣＭＧ６を用いた場合において、自律姿勢制御のためのトルクが生成される。
【００３７】
また、ロボットは、内部で生成するロボット自身の姿勢制御目標値を用いてロボット姿勢の予定変化量を計算し、この予定変化量に適切なゲイン又は重み係数を乗じて、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２をフィードフォワード制御する。これにより、より精度良くロボット動作による不要なジャイロモーメントＮの発生が防止される。
【００３８】
ロボットがシングルジンバルタイプのＣＭＧ６を用いる場合、ロボットは、姿勢制御できない状態になることがある。この理由は、ＣＭＧ６が、その構造上、数箇所の特異点を含むため、ジンバルロックによってＣＭＧユニット１が合成トルクを出力できない特異点状態が生じるからである。本実施形態に係るロボットは、特異姿勢を回避するために、ＣＭＧユニット１の２個以上のＣＭＧ６、又は２個以上のＣＭＧ６の組が冗長性を有するように構成されたジンバル機構を用いて制御を行う。制御部９は、線型方程式の一般解中に現れる斉次解を利用する等の手法により、冗長性をもつジンバル機構を用いて、必要なトルクを出力するためのジンバル角動作を決定する。そして、制御部９は、冗長性をもつジンバル機構が、ロボット本体３の姿勢状態変化量を相殺するように動作させながら、姿勢制御に必要なトルクを生成するためのジャイロ制御を同時に実行する。これにより、シングルジンバルタイプのＣＭＧ６を搭載した本実施形態に係るロボットは、特異点状態においても、意図する方向にトルクを出力することができる。
【００３９】
また、本実施形態に係るロボットは、使用するＣＭＧ６の内部ジンバル６ｂに冗長自由度をもたせ、各ＣＭＧ６それぞれに、上述したＣＭＧユニット制御用ジンバル２と同じ動作を行わせることができる。これにより、上述した効果と同じように、シングルジンバルタイプのＣＭＧ６を搭載した本実施形態に係るロボットは、特異姿勢を回避することができる。この場合、各ＣＭＧ６のジンバル動作は、ジャイロモーメントＮの生成のための動作と、ロボットの動作を相殺するための動作とを合成した動作となる。
【００４０】
別の制御手法として、制御部９が内部ジンバル６ｂを直接制御する場合、制御部９は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２の１又は２本の回転軸についてのサーボをオフ（又はサーボフリー状態）にして、オフにした１又は２本の軸まわりのトルクが外部へ伝達しないように制御する。制御部９は、外側のＣＭＧユニット制御用ジンバル２について例えばＮ軸方向のサーボをオフにし、この状況下において、ＣＭＧユニット１内側の内部ジンバル６ｂに、サーボオフにした軸（例えばＮ軸）まわりのトルクを発生させる。そして、制御部９は、内部ジンバル６ｂにトルクを発生させた状態で、ロボット本体３の姿勢を制御に都合の良い姿勢へ移行させるのである。すなわち、制御部９は、ＣＭＧユニット１に設けられたジャイロ姿勢制御用の内部ジンバル６ｂが、初期姿勢又は予め設定した所定姿勢になるまで内部ジンバル６ｂを誘導する。また、この際、制御部９は、重力により生じるモーメントを利用して、ＣＭＧユニット１内側のＣＭＧ６が発生するトルクを打ち消した状態で、ロボット本体３の姿勢を所望の姿勢に移行するようにもできる。
【００４１】
このようにして、自律移動装置は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２及び内部ジンバル６ｂのいずれか一方又は両方の姿勢を所望の姿勢に変化させることにより、特異点を回避することができ、また、ＣＭＧ６の出力トルクが一層大きくなるような状態に修正することができる。
【００４２】
ロボットが床面からの抗力を用いて姿勢を制御する場合、ロボットは、車輪１３又はロボット自身の接面箇所に取り付けられた抗力センサ２１の抗力による制御系を利用する。例えば独立二輪駆動の倒立型ロボットを制御する場合、制御部９は、ロボット座標系における例えばロール軸方向（ここではロボット正面方向）の回転に関してある程度の大きさをもつモーメントを車輪１３で吸収させる。抗力センサ２１が検出した値が、ロボットがロール方向に転倒する大きさ（又は、車輪１３が浮き上がる程度の大きさ）のモーメント未満である場合は、制御部９は、ロール方向のモーメントの生成を許容し、ロール方向のトルクを出力した状態でＣＭＧユニット１の内部ジンバル６ｂの姿勢を調節する。ここで、ロボットが、キャスター付きである場合、制御部９は、ロール軸に加えてピッチ軸方向（ここではロボット横方向）に対しても、ある程度の大きさをもつトルクの出力を許容し、この状態で、ＣＭＧユニット１の内部ジンバル６ｂの姿勢を変更調節する。
【００４３】
また、２個の車輪１３のそれぞれの力覚センサやロードセルが、床面から受ける抗力を検出した場合、制御部９は、床面３０からの抗力が０にならない範囲内でロボット本体３を制御する。制御部９は、各車輪１３の力覚センサ又はロードセルからの抗力を監視し、２本の車輪１３のうちの一方の抗力が小さくなり、かつ他方の抗力が大きくなる場合には、姿勢が傾いたことを検知し、その姿勢が水平になるようにロボット本体３を制御する。
【００４４】
このように、制御部９は、抗力が０よりも大きくなるようにして、ＣＭＧユニット１内部のジャイロ姿勢を制御する。従って、制御部９は、ロボットの構造上の特性を利用して姿勢移行を制御しているともいえる。
【００４５】
ロボットの形態が、二足歩行ロボットや多脚ロボット等の人型ロボットである場合や、ロボットが、接面位置を任意に決定できるものである場合には、ロボットは、ロボットの脚が、ＣＭＧユニット１が発生するモーメントを打ち消すように配置される。この脚配置にされた状態において、制御部９は、ロボットの脚裏に設けられた力覚センサが検出した抗力値に基づいて、ロボット本体３を制御する。制御部９は、ジャイロ姿勢制御用の内部ジンバル６ｂを、初期姿勢又は指定された姿勢にまで誘導する。従って、本実施形態に係るロボットが、ロボット自身の脚配置を内部ジンバル６ｂの姿勢変形に都合のよい状態に配置することにより、制御部９は、ロボットの形態が二足ロボット又は多脚ロボットである場合においても、内部ジンバル６ｂの姿勢を適宜、変更調節できる。
【００４６】
また、抗力センサ２１を用いる場合、制御部９は、ロボットに最終的に加えられる合成モーメント値がロボットの転倒開始臨界値未満になる状態において、ＣＭＧユニット１内側に設けられたジャイロ姿勢制御用の内部ジンバル６ｂを初期姿勢又は予めは設定した所定姿勢になるまで内部ジンバル６ｂを誘導する。
【００４７】
傾斜センサやレートジャイロセンサを用いてロボット自身の姿勢角や回転角速度を計測する場合、制御部９は、検出されたロボットの姿勢角、回転角速度又は回転角加速度等の姿勢状態量を用いて、ロボットの姿勢状態量の変化分を計算する。制御部９は、この変化分をＣＭＧユニット制御用ジンバル２にて相殺するようロボットを動作させる。
【００４８】
また、制御部９は、計測した状態量と内部で指定されている目標値との偏差を計算し、その偏差に適当なゲインを乗じて、乗じた値をＣＭＧユニット制御用ジンバル２で相殺するようにロボットを動作させる。すなわち、制御部９は、ＣＭＧユニット１の出力トルクの目標値を決定するように、やはり、フィードバック制御する。制御部９は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２の姿勢を考慮し、ジャイロ制御用の内部ジンバル６ｂの駆動則にしたがって、目標トルクを、各ＣＭＧ６の動作に分配する。
【００４９】
また、本実施形態に係るロボットが、力センサや感圧センサを用いてロボットに加わる外力を検出する場合、力センサや感圧センサは、ロボットに加えられた外力を検出する。制御部９は、検出された外力と、検出した位置及び既知の情報として保有するロボット自身の回転中心との位置関係から、外力により生ずる転倒モーメントを計算する。制御部９は、計算した転倒モーメントを相殺する方向へＣＭＧユニット１の出力トルク又はジャイロモーメントＮを生成する。これにより、ロボットが外部より衝撃力を受けた場合においても、ロボットの転倒を抑制することができる。
【００５０】
このように、本発明によれば、個々のＣＭＧ６に同じ動作をさせる制御が必要な場合においても、ロボットは、ＣＭＧユニット１を一括して動作させる制御が可能になり、制御の簡単化を図れる。
【００５１】
そして、本発明によれば、ロボット本体３及びＣＭＧユニット１間の姿勢を相対的に制御可能なジンバル駆動構造を設けることにより、ロボットの意図的な動作がこのジンバル駆動構造にて吸収され、ＣＭＧユニット１内へロボットの運動の伝達を抑制するようにＣＭＧ６を正確に制御することができる。これにより、移動体であるロボット本体３の姿勢を自律的に安定化させることができる。
【００５２】
このようにして、比較的簡単な制御により、加減速が高い移動時においても、慣性力、反力又は予期せぬ外力等により移動体に生じる転倒モーメントを緩和し、かつ転倒を防止して移動体の姿勢を安定化できるようになる。
【００５３】
（ａ）バランスウェイト１１を用いた制御手法について
制御部９は、バランスウェイト１１の位置を制御することや車輪１３を駆動させロボット自身の位置を制御することによって、ロボットの姿勢を制御してもよい。この場合、ロボットは、バランスウェイト１１や車輪１３の制御を行う制御系を用いて、ＣＭＧユニット１が必要な出力トルクを単独で生成する。これにより、ロボットは、バランスウェイト１１や車輪１３による姿勢制御のみならず、他の姿勢制御手段とともに協調して自律姿勢の制御を行う。この際、ロボットは、必要なトルクを各姿勢制御手段の最大出力を考慮した状態で、必要な出力トルクを、ＣＭＧ６及びバランスウェイト１１にそれぞれ分配して姿勢制御する。
【００５４】
また、制御部９又はトルク分配部は、周波数帯域を基準に、各姿勢制御手段の応答特性に応じて、低速な動きと高速な動きとを分離する等のフィルタリングを行い、周波数帯域を基準にトルクを分配する。制御部９は、このフィルタリングにより、各姿勢制御手段へ出力目標トルクを定めるように制御する。具体的には、制御部９は、高速のトルク成分をＣＭＧ６により生成し、低速のトルク成分をバランスウェイト１１により生成する。
【００５５】
本実施形態に係るロボットは、重心調節機構として、バランスウェイト１１とともに（又はバランスウェイト１１に代えて）、必要に応じて腰関節等の姿勢変形可能な駆動軸等、ＣＭＧ６以外の姿勢制御手段を用いてロボットの姿勢を制御することもできる。この場合、フィルタが、制御部９が算出した姿勢制御に要するトルクを、帯域又は最大出力制限に応じて分解する。制御部９は、ＣＭＧユニット１及びその他の姿勢制御手段にそれぞれトルクを分配し、協調して姿勢を制御する。
【００５６】
このように、本発明は、ＣＭＧユニット１と、バランスウェイト１１等の重心調節機構とを併用して、ロボット本体３の姿勢を自律的に制御することができる。
【００５７】
（ｂ）移動機構を用いた制御手法について
本実施形態に係るロボットは、車輪１３や脚等の加減速移動可能な移動機構による重心位置の移動と、ＣＭＧユニット１によるトルク生成とを併用することもできる。
【００５８】
スライド機構１４は、図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２をロボット本体３に対して移動させる移動機構である。この移動機構は、ロボット本体３内部又は外部に取り付けられた基台部材と、基台部材に沿ってスライドする摺動体とからなる直動機構を用いることができる。制御部９は、摺動体としてのＣＭＧユニット制御用ジンバル２を前後及び左右の２方向にスライドさせる。本実施形態に係るロボットは、直動機構の一例として、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２のスライド方向と異なる方向のスライド動作を拘束するリニアガイド機構を用いる。スライド機構１４により、ＣＭＧユニット１は、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２とともに、ロボット本体３に対して、前後左右にスライドする。パッケージ化されたＣＭＧユニット１のスライド動作によって、ロボットの重心位置が制御される。これにより、ＣＭＧユニット１の生成するトルクは、外部のロボット本体３に伝達される。
【００５９】
ＣＭＧ６が大きなトルクを生成するために設けられる一方、ＣＭＧ６内部の回転体自体は比較的大きな重量をもつため、ＣＭＧユニット１は相当の重量を有する。従って、ロボットは、この重量を活用して、重心制御を有効に行う。また、ロボットは、並進成分の変化がＣＭＧ６の動作に影響を及ぼさないという特性を利用して自律的に姿勢を制御する。スライド機構１４は、ロボット本体３が直立した姿勢で、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２が水平面に関して２自由度（ｘ、ｙ方向）を有するものであればよい。
【００６０】
また、ロボットは、移動機構として、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２を水平面に対して垂直なｚ方向に移動させるものを用いてもよい。ロボットは、ＣＭＧユニット制御用ジンバル２を、ｘ、ｙ、ｚの各方向に沿って移動させたり、あるいは、ｘ、ｙ、ｚの各方向と斜めにＣＭＧユニット制御用ジンバル２を移動させるもの等を移動機構として用いることもできる。
【００６１】
このように、移動機構を用いて、ＣＭＧユニット１がロボット本体３に対して相対的に並進移動することにより、ＣＭＧユニット１の位置変化による重心移動を用いてロボットの姿勢を安定化させることができる。従って、本発明は、ＣＭＧユニット１自体を移動させて、ロボット本体３の姿勢を自律的に制御することができる。
【００６２】
本発明は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、ＣＭＧユニット１と、スライド機構１４等の移動機構と、バランスウェイト１１等の重心調節機構とをそれぞれ併用して、ロボット本体３の姿勢を自律的に制御してもよい。
【００６３】
このようにして、本発明によれば、転倒モーメントを緩和でき、転倒を防止して姿勢を安定化させることができる。
【００６４】
そして、本発明によれば、ロボット等の移動体の意図的な動作が吸収され、ＣＭＧユニット１内へロボットの運動が伝達しないようにＣＭＧ６が正確に制御されるため、移動体の姿勢を安定化させることができる。
【００６５】
（ｃ）変形例等について
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、ロボットは、前後にキャスターが設けられていない倒立型のものであるが、キャスターを前後等に取り付けてもよい。
【００６６】
上記の説明では、ロボットが床面３０等から抗力を受けているものであるが、本発明は、重力がロボットに加わらない状況、または重力の影響が小さい状況において用いることができる。本発明は、ロボットが水等の媒体中におかれる場合や、水面上を移動する場合にも用いることができ、このような場合は、水等から受ける力を計測するセンサや、水等の媒体におけるロボットの位置、速度及び姿勢を計測するセンサを設けることにより、上述した制御と同じ制御を行うことができる。
【００６７】
ＣＭＧユニット１は、パッケージ化された形態のほかに、例えば、１個以上のＣＭＧ６が一定領域におさまるように、各ＣＭＧ６を板状や面状の部材に軸止めさせ、この部材に軸受けされた軸受け部を設けることもできる。
【００６８】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００６９】
（ｄ）その他
ロボットが高度化するにつれて、ロボットの用途が多様化している。これに伴い、高度な姿勢制御が必要になってきている。人間を物理的に支援するロボットは、例えば警護ロボットや荷物運搬ロボット等のサービスロボットが知られている。ロボットは、サービス用途によっては、ユーザである人間に不快感を与えないために、ユーザと同等もしくはそれ以上の機動性を要求されている。ロボットは、相当な大きさの加減速で移動する必要があり、また、物理的な作業を行うために必要な高さを伴い、ある程度大きなサイズを要する。本発明は、このような状況においても適用できる。本発明によれば、このような移動時において、ロボットの姿勢が不安定になる場合においても有効である。さらに、本発明によれば、ユーザと密接な距離で作業する場合においても、安定な姿勢制御が可能となり、人間に対して好ましくない動きが生じることを防止できる。
【００７０】
移動型のロボットの姿勢を自律的に制御する方法としては、例えば倒立振子型のロボットについては、ロボット自身の姿勢角を予め傾けて加減速時における転倒を抑制する手法や、ロボットの重心が足裏の安定領域にくるようにして姿勢を安定化させるゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ：Zero Moment Point）や、ロボット自身の動力学特性を脚位置の移動により変化させて転倒を回避させる手法や、リアクション・ホイールのように、高速回転体の回転軸上に生じる反力を姿勢制御トルクとして利用する手法がある。ところが、転倒を抑制する制御は、加減速を行う前に姿勢を予め傾ける予備動作を要する。ＺＭＰを用いた制御は予期せぬ外力に対して不安定であり、また、姿勢復帰時の速度や加速度の制御が困難である。本発明によれば、リアクション・ホイールに比べて非常に大きなトルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明を適用される倒立型移動台車を説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態に係るジャイロユニットの構成を模式的に示す図である。
【図３】ジャイロ効果を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係るジンバルを模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る制御系を説明するための図である。
【図６】本発明の実施形態に係るトルクセンサを用いたトルク監視伝達構造の第１の例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るトルクセンサを用いたトルク監視伝達構造の第２の例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係るトルクセンサを用いたトルク監視伝達構造の第３の例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る移動機構を用いた制御例を説明するための図である。
【図１０】本実施形態の実施形態に係る他の制御例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…ＣＭＧユニット１（ジャイロユニット）、２…ＣＭＧユニット制御用ジンバル（ジンバル）、３…ロボット本体（移動体）、４…ジンバル回転軸（回転軸部），５…ジンバル回転軸、６…ＣＭＧ（コントロール・モーメント・ジャイロ）、６ａ…ジャイロホイール、６ｂ…内部ジンバル、６ｃ…ジンバル回転軸、６ｄ…ジャイロホイール回転軸、７，８…ジンバル駆動部、９…制御部、１０…センサ（計測部）、１１…バランスウェイト（重心調節機構）、１２…バランスウェイト支持機構（重心調節機構）、１３…車輪、１４…スライド機構（移動機構）、１６…ＣＭＧユニット外殻、１７…トルクセンサ（計測部）、１８…外部ユニット（外装部材）、１９…ジンバル回転軸、２０…支持部材、２１…抗力センサ、３０…床面（面）。
【図１】
2008052362.tif 000004
【図２】
2008052362.tif 000005
【図３】
2008052362.tif 000006
【図４】
2008052362.tif 000007
【図５】
2008052362.tif 000008
【図６】
2008052362.tif 000009
【図７】
2008052362.tif 000010
【図８】
2008052362.tif 000011
【図９】
2008052362.tif 000012
【図１０】
2008052362.tif 000013