(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
この車体に対して基端部分が水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部と、適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪が両端部分に配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持されて、前記回動脚部の回動により前記車体に対して水平軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪と、
前記多関節脚車輪の旋回脚部の両端部分に位置する駆動輪が接地しているか否かを判定する駆動輪接地状態検出手段を備え、
前記駆動輪接地状態検出手段が、前記多関節脚車輪のいずれか一方の駆動輪のみが接地していると判定した段階ではこの接地している駆動輪を制御対象として１輪接地モードの制御を行うと共に、両方の駆動輪がいずれも接地していると判定した段階ではこれらの駆動輪の接地状態を維持するべく２輪接地モードで制御し、且つまた、両方の駆動輪がいずれも接地していないと判定した段階では接地無しモードによる制御により制御対象となる駆動輪を自動的に選択する制御部を設けた
ことを特徴とする移動ロボット。
【請求項２】
前記制御部は、接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における駆動輪の移動指令及び前記回動脚部の先端部分に対する旋回脚部の回転方向の指令が与えられた段階で、この指令に従った前記旋回脚部の回転動作によって前記移動指令の方向に動く駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する請求項１に記載の移動ロボット。
【請求項３】
前記制御部は、接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における二個の駆動輪と前記車体の重心又は地面との位置関係に基づいて、姿勢が安定する方の駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する請求項１に記載の移動ロボット。
【請求項４】
車体を備えていると共に、この車体に対して基端部分が水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部と、適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪が両端部分に配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持されて、前記回動脚部の回動により前記車体に対して水平軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪を備えた移動ロボットの制御方法であって、
前記多関節脚車輪のいずれか一方の駆動輪のみが接地していると認識した段階ではこの接地している駆動輪を制御対象として１輪接地モードの制御を行うと共に、両方の駆動輪がいずれも接地していると認識した段階ではこれらの駆動輪の接地状態を維持するべく２輪接地モードで制御し、且つまた、両方の駆動輪がいずれも接地していないと認識した段階では接地無しモードによる制御により制御対象となる駆動輪を自動的に選択する
ことを特徴とする移動ロボットの制御方法。
【請求項５】
前記接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における駆動輪の移動指令及び前記回動脚部の先端部分に対する旋回脚部の回転方向の指令が与えられた段階で、この指令に従って前記旋回脚部を回転させ、この前記旋回脚部の回転動作により前記移動指令の方向に動く駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する請求項４に記載の移動ロボットの制御方法。
【請求項６】
前記接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における二個の駆動輪と前記車体の重心又は地面との位置関係を計測し、この計測結果から姿勢が安定する方の駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する請求項４に記載の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、不整地や災害現場などの走行の妨げになる要素が多い地帯において、運搬作業や牽引作業に用いたり、救助活動や監視活動や情報収集活動を行う際に用いたりするのに好適な移動ロボット及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したような移動ロボットとしては、例えば、車体と、基端がこの車体に回動可能に支持され且つ先端に車輪を有する複数の多関節脚車輪を備えたものがあるほか、この多関節脚車輪の先端に中央が回動可能に支持される旋回脚部を具備して、この旋回脚部の両端に車輪を配置した構成を成す移動ロボットがあり、これらの移動ロボットにおいて、平坦地ではいずれも車輪を用いて高速で移動し、一方、不整地では各多関節脚車輪を駆使して歩行をすることにより、例えば、高い段差を乗り越えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような、走行と障害物踏破を両立させようとする移動ロボットにおいて、先端に車輪を有する多関節脚車輪を備えた移動ロボットには、車輪の動く軌跡をあらかじめ設定して、その軌跡を通るように位置制御する方法や、多関節脚車輪の先端部分に配置した接地センサや距離計などにより車輪を移動させる軌跡を自動的に生成して、これで得た軌跡を通るように位置制御する方法が採用されている。
【特許文献１】特開平4-101791号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した従来の移動ロボットにおいて、多関節脚車輪の先端に有する旋回脚部の両端に車輪が配置してある移動ロボットの場合には、二個の車輪のうちの片方の車輪又は両方の車輪が地面に接地するケースがあるため、位置制御する車輪を一つに特定することができず、この際、位置制御する車輪を一つに特定することができたとしても、例えば、移動ロボットの操縦者がこの特定車輪以外の車輪を制御対象として操作すると、移動ロボットは操縦者の意図と違った脚動作をしてしまう可能性がある。
【０００５】
そこで、これに対処するべく、位置制御用に特定した車輪を操縦者に制御対象の車輪として選択させる方法や、多関節脚車輪の位置座標に基づいて低い位置にある車輪を位置制御用に特定する方法があるが、前者の場合には、車輪の選択操作に時間がかかってしまうのに加えて、操縦者が脚操作を行う毎に制御対象の車輪を選択しなければならず、操作性が良いとは言えないという問題があり、一方、後者の場合には、例えば、高い位置にある車輪が段差等に接地していると、この高い位置にある車輪を制御対象にしなければならないため、誤った動きをする可能性があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、多関節脚車輪の先端に配置した旋回脚部の両端に位置する車輪の接地制御を簡単な操作で安全且つ迅速に行うことができ、加えて、接地させたい車輪を自動選定することが可能になって、多関節脚車輪の制御の自動化をも実現することができる移動ロボット及びその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る発明は、車体と、この車体に対して基端部分が水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部と、適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪が両端部分に配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持されて、前記回動脚部の回動により前記車体に対して水平軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪と、前記多関節脚車輪の旋回脚部の両端部分に位置する駆動輪が接地しているか否かを判定する駆動輪接地状態検出手段を備え、前記駆動輪接地状態検出手段が、前記多関節脚車輪のいずれか一方の駆動輪のみが接地していると判定した段階ではこの接地している駆動輪を制御対象として１輪接地モードの制御を行うと共に、両方の駆動輪がいずれも接地していると判定した段階ではこれらの駆動輪の接地状態を維持するべく２輪接地モードで制御し、且つまた、両方の駆動輪がいずれも接地していないと判定した段階では接地無しモードによる制御により制御対象となる駆動輪を自動的に選択する制御部を設けた構成としたことを特徴としており、この構成の移動ロボットを前述の従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
また、本発明の請求項２に係る移動ロボットの場合、前記制御部は、接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における駆動輪の移動指令及び前記回動脚部の先端部分に対する旋回脚部の回転方向の指令が与えられた段階で、この指令に従った前記旋回脚部の回転動作によって前記移動指令の方向に動く駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する構成としている。
【０００９】
さらに、本発明の請求項３に係る移動ロボットの場合、前記制御部は、接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における二個の駆動輪と前記車体の重心又は地面との位置関係に基づいて、姿勢が安定する方の駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する構成としている。
一方、本発明の請求項４に係る発明は、車体を備えていると共に、この車体に対して基端部分が水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部と、適宜位置で固定可能に正逆回転する駆動輪が両端部分に配置されていると共に中央部分が前記回動脚部の先端部分に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持されて、前記回動脚部の回動により前記車体に対して水平軸回りに旋回する旋回脚部を具備した多関節脚車輪を備えた移動ロボットの制御方法であって、前記多関節脚車輪のいずれか一方の駆動輪のみが接地していると認識した段階ではこの接地している駆動輪を制御対象として１輪接地モードの制御を行うと共に、両方の駆動輪がいずれも接地していると認識した段階ではこれらの駆動輪の接地状態を維持するべく２輪接地モードで制御し、且つまた、両方の駆動輪がいずれも接地していないと認識した段階では接地無しモードによる制御により制御対象となる駆動輪を自動的に選択する構成としている。
【００１０】
また、本発明の請求項５に係る移動ロボットの制御方法は、前記接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における駆動輪の移動指令及び前記回動脚部の先端部分に対する旋回脚部の回転方向の指令が与えられた段階で、この指令に従って前記旋回脚部を回転させ、この前記旋回脚部の回転動作により前記移動指令の方向に動く駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する構成としている。
【００１１】
さらに、本発明の請求項６に係る移動ロボットの制御方法は、前記接地無しモードにおいて、前記多関節脚車輪における二個の駆動輪と前記車体の重心又は地面との位置関係を計測し、この計測結果から姿勢が安定する方の駆動輪を判別して、その駆動輪を制御対象の駆動輪として設定する構成としている。
本発明に係る移動ロボット及びその制御方法では、多関節脚車輪における二個の駆動輪がいずれも接地していると認識した段階において、これらの駆動輪の接地状態を維持するべく２輪接地モードで制御するようにしているが、二個の駆動輪の接地状態を維持する方法として、前記回動脚部と旋回脚部との連結部分に位置する脚駆動源（旋回脚部の関節）における電流値や荷重、又は、旋回脚部の両端部に位置する駆動輪に同じ駆動電流や同じ荷重がかかるように旋回脚部を駆動させる方法や、レーザ距離測定装置により二個の駆動輪と地面との距離を計測して、両輪が接地する位置を計算する方法や、旋回脚部の脚駆動源をオフしたり脚駆動源に付随するクラッチ機構を解除したりしてフリー状態とすることにより、旋回脚部を受動的に動かす方法を採用することができる。
【００１２】
また、上記のように、２輪接地モードでの制御を試みる際に、旋回脚部の脚駆動源や駆動輪への動作指令（位置，速度，トルク指令）を計算した結果、二個の駆動輪の接地が不可能と判断された場合には、二個の駆動輪と車体の重心との距離を測って、姿勢が安定する重心からの距離が長い方の車輪を制御対象の車輪として、1輪接地モードの制御へ移行する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の請求項１に係る移動ロボット及び請求項４に係る移動ロボットの制御方法では、上記した構成としているので、多関節脚車輪の先端に配置した旋回脚部の両端に位置する車輪の位置制御を簡単な操作で安全且つ迅速に行うことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、本発明の請求項２，３に係る移動ロボット及び請求項５，６に係る移動ロボットの制御方法では、上記した構成としていることから、車輪の位置制御において、接地させたい車輪を自動選定することができ、その結果、多関節脚車輪の制御の自動化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る移動ロボットを図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明に係る移動ロボットの一実施形態を示している。
図１に示すように、この移動ロボット１は、車体２と、この車体２の前後左右の合計四箇所に配置した多関節脚車輪１０を備えている。
車体２の前後左右の合計四箇所に配置した多関節脚車輪１０は、基端部分１１ａが車体２に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部１１と、車輪本体１３ａ及びこの車輪本体１３ａを正逆回転させる駆動モータ１３ｂを一体で有する駆動輪１３が両端部分２０ａ，２０ａに配置されていると共に中央部分２０ｂが回動脚部１１の先端部分１１ｂに対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持されて、回動脚部１１の回動により車体２に対して水平軸回りに旋回する旋回脚部２０を具備している。
【００１５】
この多関節脚車輪１０の回動脚部１１は、車体２内に配置したモータ１２からの出力により回動するようになっており、一方、多関節脚車輪１０の旋回脚部２０は、その中央部分２０ｂに配置したモータ１４からの出力により回動するようになっていて、旋回脚部２０に支持されている二個の駆動輪１３の接地状態は、旋回脚部２０の中央部分２０ｂに配置した接地検出センサ（駆動輪接地状態検出手段）１５により判定するようになっている。
【００１６】
この際、接地検出センサ１５には、駆動輪１３又旋回脚部２０を動作させたときに発生するモータ１２，１４の電流値から負荷トルクを計測して接地状態を認識するタイプのセンサや、駆動輪１３又旋回脚部２０にかかる荷重を計測するタイプのセンサを用いることができるほか、後述するように、車体２の上部（回動脚部１１上でも可）に設置した外界計測用のレーザレンジファインダ８により、地面と駆動輪１３との距離を測定して接地状態を認識するようにしてもよい。
【００１７】
また、この移動ロボット１は、駆動輪１３の移動指令及び前記回動脚部１１の先端部分に対する旋回脚部２０の回転方向の指令により、回動脚部１１，旋回脚部２０及び駆動輪１３を駆動する各モータ１２，１３ｂ，１４への指令値（位置指令値，速度指令値，トルク指令値）を計算して送信するモータ制御部（制御部）４を車体２に搭載している。
なお、この移動ロボット１に対して操作コマンドを作成して送信する操縦装置３と、この操縦装置３からのコマンドを受信してモータ制御部４に伝送する通信部５と、外界計測用のレーザレンジファインダ８を備えた構成としてもよく、移動ロボット１に対してコマンドを送信する操縦装置３には、一例として図２（ａ）に示すものを用いたり、他の例として図２（ｂ）に示すものを用いたりすることができる。
【００１８】
図２（ａ）に示す操縦装置３Ａでは、操縦装置本体３１に設置してあるジョイスティック３２を上下左右に動かすことにより多関節脚車輪１０の先端を動かす指令値を入力して、これと同時に、ジョイスティック３２に設置してあるロッカースイッチ３３をいずれかの方向に動かすことにより旋回脚部２０の回転方向を入力するようになっており、一方、図２（ｂ）に示す携帯型の操縦装置３Ｂでは、この操縦装置３Ｂ自体を上下左右前後に平行移動させることにより多関節脚車輪１０の先端を動かす指令値を入力して、操縦装置３Ｂ自体を特定の方向に傾けることにより旋回脚部２０の回転方向を入力するようになっている。
【００１９】
この際、移動ロボット１に対する操作コマンドは、操縦装置３に代えて上記モータ制御部４自体が周囲の状況から判断して作成するように成すことが可能である。
次に、このような構成を成す移動ロボット１の駆動輪１３の位置制御要領を説明する。
まず、操縦者が操縦装置３を操作して、又は、モータ制御部４自体が周囲の状況から判断して、移動ロボット１の多関節脚車輪１０、又は、特定の多関節脚車輪１０の選択する制御コマンド及び制御対象の駆動輪１３を移動させる制御コマンドを作成する。この制御コマンドは、上記多関節脚車輪１０における駆動輪１３の位置指令値，速度指令値，トルク指令値及び旋回脚部２０の回転方向指令値などから構成されるが、これらの指令値を抽象化したコマンドでもよい。
【００２０】
移動ロボット１の車体２側において、モータ制御部４は、図３のフローチャートに示すように、ステップＳ１において、モータ制御部４が現在接地されている多関節脚車輪１０の駆動輪１３を接地検出センサ１５にて判別する。
ステップＳ２において、このモータ制御部４が、片方の駆動輪１３のみが接地していると判別した場合は、ステップＳ３で動作モードを1輪接地モードに設定し、また、ステップＳ２において、両方の駆動輪１３が接地していると判別した場合は、ステップＳ４で動作モードを２輪接地モードに設定し、さらに、ステップＳ２において、多関節脚車輪１０の二個の駆動輪１３がいずれも接地されていないと判別した場合は、ステップＳ５でモードの切替が可能か否かを調べて、切替が可能な場合は、ステップＳ６で動作モードを接地無しモードに設定する。
【００２１】
このとき、動作モードの切替が可能か否かの判別の要素として、操縦者からの制御コマンドが一定時間（０）値入力されていることや、一定時間接地状態ではないことなどを挙げることができる。
そして、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ６において、上記モードの設定の後、以下に示すように、動作モードごとに回動脚部１１，旋回脚部２０及び駆動輪１３を駆動する各モータ１２，１３ｂ，１４に対する指令値を計算する。
【００２２】
すなわち、1輪接地モードでは、ステップＳ７において、この時点で接地している駆動輪１３の位置座標の計算の後、ステップＳ８を経たステップＳ９において、位置座標が算出された駆動輪１３を制御対象の車輪とし、ステップＳ１０において、モータ制御部４は、制御対象の駆動輪１３の位置座標及び上記制御コマンドに基づいて、各モータ１２，１３ｂ，１４への動作指令値（位置指令値，速度指令値，トルク指令値）を計算して、ステップＳ１１において、各モータ１２，１３ｂ，１４へ送信する。
【００２３】
また、２輪接地モードにおいて、ステップＳ７において、この時点で接地している駆動輪１３の位置座標の計算の後、ステップＳ８を経たステップＳ１２において、モータ制御部４は、多関節脚車輪１０の旋回脚部２０の関節の位置座標及び上記制御コマンドに基づいて、２個の駆動輪１３がいずれも地面に接地されているのを保持するべく、各モータ１２，１３ｂ，１４への動作指令値（位置指令値，速度指令値，トルク指令値）を計算して、ステップＳ１１において、各モータ１２，１３ｂ，１４へ送信する。
【００２４】
この間、ステップＳ１２における各モータ１２，１３ｂ，１４への動作指令値（位置指令値，速度指令値，トルク指令値）の計算の結果、ステップＳ１３において、２個の駆動輪１３双方の接地が不可能と判断された場合には、例えば、二個の駆動輪１３と車体２の重心との距離を測って、重心からの距離が長い方の駆動輪１３を制御対象の車輪とするなど、姿勢が安定する駆動輪１３を制御対象の駆動輪１３として、1輪接地モードへ移行する。
【００２５】
一方、接地無しモードにおいて、モータ制御部４は、ステップＳ１４において、移動コマンドに従った各モータ１２，１３ｂ，１４のいずれかに対する指令値を計算して送信する。
このとき、モータ制御部４では、操縦者からの制御コマンド（上記多関節脚車輪１０における駆動輪１３の位置指令値，速度指令値，トルク指令値及び旋回脚部２０の回転方向指令値など）により、制御対象の駆動輪１３を選択し、これに対応する各モータ１２，１３ｂ，１４への指令値を計算して送信する。
【００２６】
ここで、この状況下における操縦者の操作例を図４に示す。
図４に示すように、操縦者から、駆動輪１３を上下方向に動かすコマンド（直線矢印）及び旋回脚部２０の回転方向のコマンド（曲線矢印）が与えられた場合、モータ制御部４では、与えられたコマンドに従った回転方向に旋回脚部２０が回転するのに伴ってコマンド方向に上下動する駆動輪１３（斜線を付した駆動輪１３）を判別し、この駆動輪１３を制御対象の車輪として設定する。
【００２７】
この際、操縦者からのコマンドが抽象化されて旋回脚部２０の回転方向が未知の場合、又は、モータ制御部４にて制御コマンドを作成する場合には、モータ制御部４において、例えば、二個の駆動輪１３と車体２の重心との距離を測って、姿勢が安定する重心からの距離が長い方の駆動輪１３を制御対象の車輪とする。
次に、上記した移動ロボット１の動作を説明する。
【００２８】
図５（ａ）は、二個の駆動輪１３が接地している状態から、車体２に対して旋回脚部２０を下方向に動かしたときの動作を示している。接地検出センサ１５で二個の駆動輪１３の接地を認識しているため、２輪接地モードで動いているが、２輪接地状態では旋回脚部２０の関節の位置をこれ以上伸ばせないと判断したことにより、1輪接地モードに切り替えた例である。
【００２９】
図５（ｂ）は、一個の駆動輪１３が接地している状態から、車体２に対して旋回脚部２０を上方向に動かしたときの動作を示している。最初は接地検出センサ１５で一個の駆動輪１３の接地を認識しているため、１輪接地モードで動いているが、二個の駆動輪１３が接地したと判断して２輪接地モードに切り替わった例である。
図５（ｃ）は、旋回脚部２０を車体２に対して上方向に動かした場合に、接地する駆動輪１３が他の駆動輪１３と入れ替わった例である。
【００３０】
このように、この実施形態による移動ロボット１では、いずれの状況においてもスムーズに多関節脚車輪１０における駆動輪１３の位置制御を行うことができる。
上記した実施形態による移動ロボット１では、車体２の前後左右の四箇所のすべてに多関節脚車輪１０を配置するようにしているが、これに限定されるものではなく、図６に示すように、車体２の前部（又は後部）の左右二箇所に、多関節脚車輪１０を配置すると共に、車体２の後部（又は前部）の左右二箇所に、車体２に対して水平軸回りに回動可能で且つ適宜位置で固定可能に支持された回動脚部４１と、この回動脚部４１の先端部分に配置されて正逆回転する上記駆動輪１３と同じ駆動輪１３を具備した単関節の脚車輪４０を配置するようにしてもよいほか、車体２の後部（又は前部）の中央一箇所に、上記脚車輪４０を配置したりしてもよい。
【００３１】
また、上記した実施形態による移動ロボット１では、駆動輪１３が、車輪本体１３ａ及びこの車輪本体１３ａを正逆回転させる駆動機構１３ｂを一体で有している場合を示したが、これに限定されるものではなく、車輪本体１３ａと駆動機構１３ｂとが別体を成していてもよい。
さらに、上記した実施形態による移動ロボット１では、多関節脚車輪１０の旋回脚部２０の両端部分２０ａ，２０ａに配置した駆動輪１３，１３が互いに同じ大きさを成している場合を示したが、これに限定されるものではなく、旋回脚部２０の駆動輪１３，１３の径を互いに違えたりしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る移動ロボットの一実施形態を簡略的に示す走行状態の側面説明図である。
【図２】図１における移動ロボットの操縦装置の一構成例を示す斜視説明図（ａ）及び操縦装置の他の構成例を示す斜視説明図（ｂ）である。
【図３】図１に示した移動ロボットの制御方法を説明するフローチャートである。
【図４】図１に示した移動ロボットの接地無しモードにおける操縦者の操作による駆動輪の挙動説明図である。
【図５】図１に示した移動ロボットの動作説明図（ａ）〜（ｃ）である。
【図６】本発明に係る移動ロボットの他の実施形態を簡略的に示す走行状態の側面説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    移動ロボット
２    車体
４    モータ制御部（制御部）
１０  多関節脚車輪
１１  回動脚部
１３  駆動輪
１５  接地検出センサ（駆動輪接地状態検出手段）  
２０  旋回脚部
２０ａ  旋回脚部の両端部分
２０ｂ  旋回脚部の中央部分
【図１】
0004988625.tif 000002
【図２】
0004988625.tif 000003
【図３】
0004988625.tif 000004
【図４】
0004988625.tif 000005
【図５】
0004988625.tif 000006
【図６】
0004988625.tif 000007