JP2009095933A - Overturning prevention device of vehicle and leg-wheel type robot - Google Patents

Overturning prevention device of vehicle and leg-wheel type robot Download PDF

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和輝 飛田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an overturning prevention device of a vehicle suitable for preventing overturning of the vehicle during deceleration or acceleration. <P>SOLUTION: This leg wheel type robot 100 is provided with a base body 10, a leg part 12 connected to the base body 10 to have a degree of freedom around a pitch shaft, a driving wheel 20 rotatably provided in the leg part 12 and a joint motor 40 for imparting power to drive the leg part 12 in the range of the degree of freedom around the pitch shaft. Acceleration in an advancing direction of the leg wheel type robot 100 is detected. The joint motor 40 is controlled based on the detected acceleration so that a pitch angle θ of the robot 100 may have a direction to incline the robot 100 in an acceleration direction and a necessary size to avoid overturning. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、車両の転倒を防止する装置および段差を乗り越えて移動できる脚車輪型ロボットに係り、特に、減速時または加速時の車両の転倒を防止するのに好適な車両の転倒防止装置および脚車輪型ロボットに関する。   The present invention relates to a device for preventing a vehicle from overturning and a leg-wheel type robot that can move over a step, and more particularly to a vehicle overturn prevention device and a leg suitable for preventing the vehicle from overturning during deceleration or acceleration. It relates to wheel type robots.

ロボットの移動機構は、車輪型、クローラ型、脚型またはこれらを組み合わせた機構に分類される。一般に、車輪型ロボットは、平地での移動性は高いが、段差への適応性が低いという問題がある。また、クローラ型ロボットは、不整地に適し、多少の段差であれば乗り越えられるが、積極的な重心移動ができないために急な階段への適応性が低く、平地における移動性が車輪型ロボットより低いという問題があった。また、脚型ロボットは、階段への適応性が最も優れているが、平地での移動性が極端に低いという問題がある。   The moving mechanism of the robot is classified into a wheel type, a crawler type, a leg type, or a combination thereof. In general, a wheel type robot has a problem of high mobility on a flat ground but low adaptability to a step. Crawler type robots are suitable for rough terrain, and can be overcome if there are a few steps. However, because they cannot actively move the center of gravity, they are less adaptable to steep stairs and are more mobile on flat ground than wheel type robots. There was a problem of being low. In addition, the legged robot has the best adaptability to the stairs, but has the problem of extremely low mobility on flat ground.

車輪型、クローラ型および脚型の問題を解決するため、脚型と車輪型を組み合わせた脚車輪型ロボットが提案されている。脚車輪型ロボットとしては、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。
特許文献１には、サーボモータによって駆動される４本の脚部を自在に駆動しての歩行移動と、４本の脚部の内の後ろ側の２本の脚部に備えられた２つの駆動輪と、前側の２本の脚部に備えられた２つの従動輪とによる車輪移動と、さらに歩行移動と車輪移動を組み合わせたハイブリッド移動を行う脚式移動ロボット装置が開示されている（同文献〔０１２３〕および図３１（ａ））。
特開２００４−３４１６９号公報 In order to solve the problems of the wheel type, the crawler type and the leg type, a leg wheel type robot combining the leg type and the wheel type has been proposed. As a leg wheel type robot, for example, a technique described in Patent Document 1 is known.
In Patent Document 1, walking movement is performed by freely driving four legs driven by a servo motor, and two legs provided on two rear legs of the four legs are provided. There is disclosed a legged mobile robot device that performs wheel movement by a driving wheel and two driven wheels provided on two front leg portions, and further hybrid movement that combines walking movement and wheel movement (same as above). Literature [0123] and FIG. 31 (a)).
JP 2004-34169 A

このように、脚車輪型ロボットは、脚部を折り曲げる構造となっているので、通常の車輪型ロボットと比較すると重心が高くなる傾向にある。したがって、重心の高さと、減速時または加速時の加速度との関係によっては転倒の可能性がある。
図１１は、脚車輪型ロボットの走行姿勢における減速モデルを示す図である。
図１１に示すように、脚車輪型ロボットの質量をＭ（図１１のモデルでは、重心点に質量が集中していると仮定）、前輪の床反力をＮf、後輪の床反力をＮb、ホイールベースをＷb、重心の高さをＨ、進行方向の加速度をａとすると、垂直方向の力のつり合いから下式（１）が得られる。 Thus, since the leg-wheel type robot has a structure in which the leg portion is bent, the center of gravity tends to be higher than that of a normal wheel-type robot. Therefore, there is a possibility of falling depending on the relationship between the height of the center of gravity and the acceleration during deceleration or acceleration.
FIG. 11 is a diagram illustrating a deceleration model in a running posture of a leg wheel type robot.
As shown in FIG. 11, the mass of the leg wheel type robot is M (in the model of FIG. 11, it is assumed that the mass is concentrated at the center of gravity), the floor reaction force of the front wheel is Nf, and the floor reaction force of the rear wheel is When Nb, the wheel base is Wb, the height of the center of gravity is H, and the acceleration in the traveling direction is a, the following equation (1) is obtained from the balance of forces in the vertical direction.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

また、重心の床面への投影点まわりのモーメントのつり合いから下式（２）が得られる。   Also, the following equation (2) is obtained from the balance of moments around the projected point of the center of gravity on the floor surface.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

図１１のモデルにおいて、Ｎb＝０のとき、後輪が浮く状態となる。
Ｎb＝０を上式（１）に代入すると、Ｍｇ＝Ｎfとなり、これを上式（２）に代入すると、−Ｍａ・Ｈ−Ｍｇ・Ｗb／２＝０となる。これにより、下式（３）が得られる。 In the model of FIG. 11, when Nb = 0, the rear wheel is in a floating state.
Substituting Nb = 0 into the above equation (1) results in Mg = Nf. Substituting this into the above equation (2) results in -Ma.H-Mg.Wb / 2 = 0. Thereby, the following formula (3) is obtained.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

図１２は、進行方向の加速度の変化に対して、後輪が浮上する重心の高さの変化を示すグラフである。
上式（３）においてＷb＝350[mm]とすると、図１２に示すような変化曲線が得られる。転倒を防止するためには、加速度が大きいほど重心を低くしなければならないことが分かる。 FIG. 12 is a graph showing a change in the height of the center of gravity at which the rear wheel rises with respect to a change in acceleration in the traveling direction.
When Wb = 350 [mm] in the above equation (3), a change curve as shown in FIG. 12 is obtained. It can be seen that the center of gravity must be lowered as the acceleration increases in order to prevent a fall.

例えば、4[km/m]での走行から0.5[ｓ]で停止することを考えると、ａ＝-2.22[m/s2]である。このとき、後輪が浮上する重心の高さ（以下、許容重心高さという。）はＨ＝772.5[mm]であり、これよりも重心が高いと転倒する可能性がある。
このことは、減速時に限らず加速時にも同様の問題が、また、脚車輪型ロボットに限らず一般の車両にも同様の問題が想定される。 For example, considering that the vehicle stops at 0.5 [s] after traveling at 4 [km / m], a = −2.22 [m / s 2 ]. At this time, the height of the center of gravity at which the rear wheel floats (hereinafter referred to as the allowable center of gravity height) is H = 772.5 [mm], and if the center of gravity is higher than this, there is a possibility of falling.
The same problem is assumed not only when decelerating but also when accelerating, and not only with leg-wheel type robots but also with general vehicles.

そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、減速時または加速時の車両の転倒を防止するのに好適な車両の転倒防止装置および脚車輪型ロボットを提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made paying attention to such an unsolved problem of the conventional technology, and is suitable for preventing the vehicle from overturning at the time of deceleration or acceleration. It aims at providing a leg-wheel type robot.

〔発明１〕 上記目的を達成するために、発明１の車両の転倒防止装置は、減速時または加速時の車両の転倒を防止する車両の転倒防止装置であって、前記車両の進行方向の加速度を検出する加速度検出手段と、前記車両のピッチ角を調整するピッチ角調整手段と、前記車両のピッチ角が、前記加速度の方向に前記車両が傾倒する向きで、かつ、前記加速度による前記車両の転倒を回避するために必要な大きさとなるように、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角調整手段を制御する制御手段とを備える。   [Invention 1] In order to achieve the above object, a vehicle overturn prevention device of the invention 1 is a vehicle overturn prevention device that prevents the vehicle from overturning at the time of deceleration or acceleration, and the acceleration in the traveling direction of the vehicle. Acceleration detecting means for detecting the vehicle, pitch angle adjusting means for adjusting the pitch angle of the vehicle, the pitch angle of the vehicle is such that the vehicle tilts in the direction of the acceleration, and the vehicle is driven by the acceleration. Control means for controlling the pitch angle adjusting means on the basis of the detection result of the acceleration detecting means so as to have a size necessary for avoiding overturning.

このような構成であれば、減速時または加速時は進行方向の加速度が発生するので、加速度検出手段により、進行方向の加速度が検出される。そして、制御手段により、車両のピッチ角が、加速度の方向に車両が傾倒する向きで、かつ、加速度による車両の転倒を回避するために必要な大きさとなるように、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角調整手段が制御される。その結果、ピッチ角調整手段により、車両のピッチ角が調整される。これにより、減速時または加速時に車両が転倒する可能性を低減することができる。   With such a configuration, since acceleration in the traveling direction occurs during deceleration or acceleration, the acceleration in the traveling direction is detected by the acceleration detecting means. Then, by the control means, the detection result of the acceleration detection means is set so that the pitch angle of the vehicle is in a direction in which the vehicle tilts in the direction of acceleration and is a size necessary for avoiding the vehicle falling due to acceleration. Based on this, the pitch angle adjusting means is controlled. As a result, the pitch angle of the vehicle is adjusted by the pitch angle adjusting means. As a result, the possibility of the vehicle falling over during deceleration or acceleration can be reduced.

ここで、進行方向の加速度とは、車両の進行方向またはその逆向きに発生する加速度をいう。例えば、車両が前後方向に進行する場合は車両の前後方向をいい、車両が横方向に進行する場合は車両の横方向をいう。
また、加速度の方向に車両が傾倒する向きとは、例えば、車両が前方に進行する場合、減速時は後傾姿勢となる向きをいい、加速時は前傾姿勢となる向きをいう。 Here, the acceleration in the traveling direction means acceleration generated in the traveling direction of the vehicle or in the opposite direction. For example, when the vehicle travels in the front-rear direction, it refers to the front-rear direction of the vehicle, and when the vehicle travels in the lateral direction, it refers to the lateral direction of the vehicle.
The direction in which the vehicle tilts in the direction of acceleration refers to, for example, the direction in which the vehicle leans forward when decelerating and the direction in which the vehicle leans forward during acceleration.

〔発明２〕 一方、上記目的を達成するために、発明２の脚車輪型ロボットは、基体と、前記基体に対して少なくともピッチ軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ピッチ軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、当該脚車輪型ロボットの進行方向の加速度を検出する加速度検出手段を備え、前記制御手段は、当該脚車輪型ロボットのピッチ角が、前記加速度の方向に当該脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるように、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記アクチュエータを制御する。   [Invention 2] On the other hand, in order to achieve the above object, a leg-wheel robot of Invention 2 includes a base, a leg connected to the base with at least a degree of freedom around the pitch axis, A wheel provided rotatably on the leg, an actuator for applying power for driving the leg within a range of freedom around the pitch axis, and a control means for controlling the actuator; A leg-wheel type robot that moves by driving a part and rotating the wheel, and includes an acceleration detection means for detecting an acceleration in a traveling direction of the leg-wheel type robot, and the control means is a pitch of the leg-wheel type robot. The angle is such that the leg-wheel robot is tilted in the direction of the acceleration and is large enough to avoid the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. Controlling the actuator based on the detection result of the acceleration detecting means.

このような構成であれば、平地では、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。このとき、減速時または加速時は進行方向の加速度が発生するので、加速度検出手段により、進行方向の加速度が検出される。そして、制御手段により、脚車輪型ロボットのピッチ角が、加速度の方向に脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、加速度による脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるように、加速度検出手段の検出結果に基づいてアクチュエータが制御される。その結果、アクチュエータにより、脚車輪型ロボットのピッチ角が調整される。これにより、減速時または加速時に脚車輪型ロボットが転倒する可能性を低減することができる。   If it is such composition, it can move by wheel run on a flat ground. Therefore, the mobility on the flat ground is high like the wheel type robot. At this time, since acceleration in the traveling direction occurs during deceleration or acceleration, the acceleration in the traveling direction is detected by the acceleration detecting means. Then, the pitch angle of the leg-wheel type robot is controlled by the control means so that the leg-wheel type robot is inclined in the direction of acceleration and is necessary to avoid the fall of the leg-wheel type robot due to the acceleration. In addition, the actuator is controlled based on the detection result of the acceleration detecting means. As a result, the pitch angle of the leg wheel type robot is adjusted by the actuator. Thereby, it is possible to reduce the possibility that the leg wheel type robot will fall during deceleration or acceleration.

また、段差等の障害物が存在するところでは、制御手段により、アクチュエータを用いて脚部の駆動制御が行われる。アクチュエータが駆動すると、脚部に動力が付与され、ピッチ軸回りの自由度の範囲で脚部が駆動し、段差を乗り越えることができる。したがって、脚型ロボットと同様に段差への適応性が高い。
ここで、進行方向の加速度とは、脚車輪型ロボットの進行方向またはその逆向きに発生する加速度をいう。例えば、脚車輪型ロボットが前後方向に進行する場合は脚車輪型ロボットの前後方向をいい、脚車輪型ロボットが横方向に進行する場合は脚車輪型ロボットの横方向をいう。
また、加速度の方向に脚車輪型ロボットが傾倒する向きとは、例えば、脚車輪型ロボットが前方に進行する場合、減速時は後傾姿勢となる向きをいい、加速時は前傾姿勢となる向きをいう。 Further, where there is an obstacle such as a step, the control means performs drive control of the leg using an actuator. When the actuator is driven, power is applied to the leg portion, and the leg portion is driven within a range of the degree of freedom around the pitch axis, so that the step can be overcome. Therefore, the adaptability to a level difference is high like a legged robot.
Here, the acceleration in the traveling direction refers to an acceleration generated in the traveling direction of the leg-wheel type robot or in the opposite direction. For example, when the leg-wheel type robot travels in the front-rear direction, it refers to the front-rear direction of the leg-wheel type robot, and when the leg-wheel type robot proceeds in the lateral direction, it refers to the lateral direction of the leg-wheel type robot.
The direction in which the leg-wheel robot tilts in the direction of acceleration is, for example, the direction in which the leg-wheel robot moves forward, the rearward tilting posture when decelerating, and the forward tilting posture when accelerating. Say the direction.

〔発明３〕 さらに、発明３の脚車輪型ロボットは、発明２の脚車輪型ロボットにおいて、複数の前記脚部と、前記各脚部に回転可能に設けられた複数の前記車輪とを備え、前記制御手段は、当該脚車輪型ロボットのピッチ角が、前記加速度の方向に当該脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるように前記アクチュエータを制御するピッチ角制御、または、当該脚車輪型ロボットの重心が、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な高さとなるように前記アクチュエータを制御する高さ制御を前記加速度検出手段の検出結果に基づいて行う。   [Invention 3] Further, the leg-wheel type robot of Invention 3 is the leg-wheel type robot of Invention 2, comprising a plurality of the leg portions and a plurality of the wheels rotatably provided on the leg portions, The control means is necessary for the pitch angle of the leg-wheel robot to be in the direction in which the leg-wheel robot tilts in the direction of the acceleration, and to prevent the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. Pitch angle control for controlling the actuator to be the size, or the actuator so that the center of gravity of the leg-wheel robot is at a height necessary to avoid the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. The height control to be controlled is performed based on the detection result of the acceleration detecting means.

このような構成であれば、制御手段により、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角制御または高さ制御が行われる。ピッチ角制御では、脚車輪型ロボットのピッチ角が、加速度の方向に脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、加速度による脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるようにアクチュエータが制御される。一方、高さ制御では、脚車輪型ロボットの重心が、加速度による脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な高さとなるようにアクチュエータが制御される。   With such a configuration, the control unit performs pitch angle control or height control based on the detection result of the acceleration detection unit. In the pitch angle control, the pitch angle of the leg wheel type robot is such that the leg wheel type robot is tilted in the direction of acceleration and the size is necessary to avoid the fall of the leg wheel type robot due to the acceleration. The actuator is controlled. On the other hand, in the height control, the actuator is controlled so that the center of gravity of the leg wheel type robot becomes a height necessary for avoiding the fall of the leg wheel type robot due to acceleration.

〔発明４〕 さらに、発明４の脚車輪型ロボットは、発明３の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御により転倒を回避できるが前記高さ制御では転倒を回避できないと判定したときは、前記ピッチ角制御のみを行い、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記高さ制御により転倒を回避できるが前記ピッチ角制御では転倒を回避できないと判定したときは、前記高さ制御のみを行う。   [Invention 4] Further, the leg wheel type robot of the invention 4 is the leg wheel type robot of the invention 3, wherein the control means can avoid the fall by the pitch angle control based on the detection result of the acceleration detection means. When it is determined that the fall cannot be avoided by the height control, only the pitch angle control is performed, and the fall can be avoided by the height control based on the detection result of the acceleration detecting means, but the fall is avoided by the pitch angle control. When it is determined that it cannot be performed, only the height control is performed.

このような構成であれば、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角制御により転倒を回避できるが高さ制御では転倒を回避できないと判定されると、制御手段により、ピッチ角制御のみが行われる。また、加速度検出手段の検出結果に基づいて高さ制御により転倒を回避できるがピッチ角制御では転倒を回避できないと判定されると、制御手段により、高さ制御のみが行われる。   With such a configuration, if it is determined that the tipping can be avoided by the pitch angle control based on the detection result of the acceleration detecting unit, but the height control cannot determine the tipping, the control unit performs only the pitch angle control. Is called. If it is determined that the fall can be avoided by the height control based on the detection result of the acceleration detection means, but the fall cannot be avoided by the pitch angle control, only the height control is performed by the control means.

〔発明５〕 さらに、発明５の脚車輪型ロボットは、発明３および４のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御または前記高さ制御のいずれによっても転倒を回避できると判定したときは、前記ピッチ角制御および前記高さ制御に必要なコストをそれぞれ算出し、前記ピッチ角制御および前記高さ制御のうち前記コストの低い方を行う。   [Invention 5] Further, the leg-wheel type robot according to Invention 5 is the leg-wheel type robot according to any one of Inventions 3 and 4, wherein the control means is configured to control the pitch angle based on the detection result of the acceleration detection means. When it is determined that the fall can be avoided by any of the height control, the costs necessary for the pitch angle control and the height control are calculated, respectively, and the cost of the pitch angle control and the height control is calculated. Do the lower one.

このような構成であれば、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角制御または高さ制御のいずれによっても転倒を回避できると判定されると、制御手段により、ピッチ角制御および高さ制御に必要なコストがそれぞれ算出され、ピッチ角制御および高さ制御のうちコストの低い方が行われる。   With such a configuration, when it is determined that the fall can be avoided by either the pitch angle control or the height control based on the detection result of the acceleration detecting means, the control means performs the pitch angle control and the height control. Necessary costs are respectively calculated, and the lower one of the pitch angle control and the height control is performed.

〔発明６〕 さらに、発明６の脚車輪型ロボットは、発明３ないし５のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御および前記高さ制御の両方により転倒を回避できると判定したときは、前記ピッチ角制御および前記高さ制御を行う。
このような構成であれば、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角制御および高さ制御の両方により転倒を回避できると判定されると、制御手段により、ピッチ角制御および高さ制御が行われる。 [Invention 6] Further, the leg-wheel type robot of the invention 6 is the leg-wheel type robot according to any one of the inventions 3 to 5, wherein the control means performs the pitch angle control and the control based on the detection result of the acceleration detection means. When it is determined that the fall can be avoided by both the height control, the pitch angle control and the height control are performed.
With such a configuration, when it is determined that the fall can be avoided by both the pitch angle control and the height control based on the detection result of the acceleration detection means, the control means performs the pitch angle control and the height control. Is called.

〔発明７〕 さらに、発明７の脚車輪型ロボットは、発明３ないし６のいずれか１の脚車輪型ロボットにおいて、前記車輪を駆動するための動力を付与する第２アクチュエータを備え、前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御および前記高さ制御の両方によっても転倒を回避できないと判定したときは、前記加速度が減少するように前記第２アクチュエータを制御する。   [Invention 7] The leg-wheel robot according to Invention 7 is the leg-wheel robot according to any one of Inventions 3 to 6, further comprising a second actuator for applying power for driving the wheel, and the control means. When it is determined that the fall cannot be avoided by both the pitch angle control and the height control based on the detection result of the acceleration detecting means, the second actuator is controlled so that the acceleration decreases.

このような構成であれば、加速度検出手段の検出結果に基づいてピッチ角制御および高さ制御の両方によっても転倒を回避できないと判定されると、制御手段により、加速度が減少するように第２アクチュエータが制御される。第２アクチュエータが駆動すると、車輪に減速力が付与され、加速度が減少する。   With such a configuration, when it is determined that the fall cannot be avoided by both the pitch angle control and the height control based on the detection result of the acceleration detection means, the control means causes the second acceleration to decrease. The actuator is controlled. When the second actuator is driven, a deceleration force is applied to the wheel, and the acceleration decreases.

以上説明したように、発明１の車両の転倒防止装置によれば、車両のピッチ角が転倒回避に必要な角度となるように調整されるので、従来に比して、減速時または加速時に車両が転倒する可能性を低減することができるという効果が得られる。
一方、発明２の脚車輪型ロボットによれば、脚車輪型ロボットのピッチ角が転倒回避に必要な角度となるように調整されるので、従来に比して、減速時または加速時に脚車輪型ロボットが転倒する可能性を低減することができるという効果が得られる。 As described above, according to the vehicle overturn prevention device of the first aspect of the present invention, the vehicle pitch angle is adjusted so as to be an angle necessary for avoiding overturning. The effect that the possibility of falling can be reduced is obtained.
On the other hand, according to the leg-wheel type robot of the invention 2, the pitch angle of the leg-wheel type robot is adjusted so as to be an angle necessary for avoiding overturning. The effect that the possibility of the robot falling can be reduced.

さらに、発明３の脚車輪型ロボットによれば、ピッチ角制御だけでなく高さ制御によっても転倒回避が可能となるので、制御の自由度を向上することができるという効果が得られる。
さらに、発明４の脚車輪型ロボットによれば、加速度に応じてピッチ角制御および高さ制御のうち適切な制御を実現することができるという効果が得られる。 Furthermore, according to the leg-wheel type robot of the invention 3, it is possible to avoid the fall by not only the pitch angle control but also the height control, so that the effect of improving the degree of freedom of control can be obtained.
Furthermore, according to the leg-wheel type robot of the invention 4, it is possible to achieve an effect that appropriate control can be realized among pitch angle control and height control according to acceleration.

さらに、発明５の脚車輪型ロボットによれば、ピッチ角制御または高さ制御に必要なコストを低減することができるという効果が得られる。
さらに、発明６の脚車輪型ロボットによれば、ピッチ角制御および高さ制御により転倒回避が可能となるので、加速度の許容範囲が大きくなるという効果が得られる。
さらに、発明７の脚車輪型ロボットによれば、ピッチ角制御または高さ制御だけでなく加速度制御によっても転倒回避が可能となるので、制御の自由度を向上することができるという効果が得られる。 Furthermore, according to the leg-wheel type robot of the fifth aspect of the invention, an effect that the cost required for pitch angle control or height control can be reduced is obtained.
Furthermore, according to the leg-wheel type robot of the sixth aspect, the fall can be avoided by the pitch angle control and the height control, so that an effect of increasing the allowable range of acceleration can be obtained.
Furthermore, according to the leg-wheel type robot of the seventh aspect, the fall can be avoided not only by the pitch angle control or the height control but also by the acceleration control, so that it is possible to improve the degree of freedom of control. .

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図１０は、本発明に係る車両の転倒防止装置および脚車輪型ロボットの実施の形態を示す図である。
まず、本発明を適用する脚車輪型ロボット１００の構成を説明する。
図１は、脚車輪型ロボット１００の正面図である。
図２は、脚車輪型ロボット１００の側面図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 10 are diagrams showing an embodiment of a vehicle overturn prevention device and a leg wheel type robot according to the present invention.
First, the configuration of a leg wheel type robot 100 to which the present invention is applied will be described.
FIG. 1 is a front view of a leg wheel type robot 100.
FIG. 2 is a side view of the leg wheel type robot 100.

脚車輪型ロボット１００は、図１および図２に示すように、基体１０と、基体１０に連結された４つの脚部１２とを有して構成されている。
基体１０の前部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。また、基体１０の後部には、２本の脚部１２が回転関節１４を介して左右対称の位置に連結されている。回転関節１４は、脚車輪型ロボット１００の底面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、ヨー軸回りに回転する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the leg-wheel type robot 100 includes a base body 10 and four leg portions 12 coupled to the base body 10.
Two legs 12 are connected to the front portion of the base body 10 via a rotary joint 14 at symmetrical positions. In addition, two legs 12 are connected to the rear part of the base body 10 via a rotary joint 14 at symmetrical positions. The rotary joint 14 rotates with the direction orthogonal to the bottom surface of the leg wheel type robot 100 as an axial direction. That is, it rotates around the yaw axis.

各脚部１２には、２つの回転関節１６、１８が設けられている。回転関節１４は、下方を軸方向として回転し、回転関節１６、１８は、回転関節１４が図１の状態であるときは、脚車輪型ロボット１００の側面と直交する方向を軸方向として回転する。すなわち、回転関節１４が図１の状態であるときは、ピッチ軸回りに回転し、回転関節１４が図１の状態から９０度回転した状態であるときは、ロール軸回りに回転する。したがって、脚部１２は、それぞれ３自由度を有する。   Each leg portion 12 is provided with two rotary joints 16 and 18. The rotary joint 14 rotates with the lower side as the axial direction, and the rotary joints 16 and 18 rotate with the direction orthogonal to the side surface of the leg wheel type robot 100 as the axial direction when the rotary joint 14 is in the state of FIG. . That is, when the rotary joint 14 is in the state of FIG. 1, it rotates about the pitch axis, and when the rotary joint 14 is rotated 90 degrees from the state of FIG. 1, it rotates about the roll axis. Therefore, each leg 12 has three degrees of freedom.

各脚部１２の先端には、回転関節１６、１８と軸方向を同一にして駆動輪２０が回転可能に設けられている。
各脚部１２の先端には、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体までの距離を測定する前方脚先センサ２２と、接地面までの距離を測定する下方脚先センサ２４とが設けられている。 A driving wheel 20 is rotatably provided at the tip of each leg 12 with the same axial direction as the rotary joints 16 and 18.
At the tip of each leg 12, a front leg tip sensor 22 for measuring the distance to an object existing on the movement path of the leg wheel type robot 100 and a lower leg tip sensor 24 for measuring the distance to the ground plane are provided. Is provided.

一方、基体１０の正面の上部中央には、水平面レーザ光を照射する水平レーザ２６が設けられている。また、基体１０の正面の中央左右には、垂直面レーザ光を照射する垂直レーザ２８、３０がそれぞれ設けられている。
基体１０の正面の下部中央には、水平面レーザ光および垂直面レーザ光の反射光を含む画像を撮影するカメラ３２が設けられている。 On the other hand, a horizontal laser 26 that irradiates a horizontal laser beam is provided in the upper center of the front surface of the substrate 10. In addition, vertical lasers 28 and 30 for irradiating vertical surface laser light are respectively provided on the center left and right of the front surface of the substrate 10.
A camera 32 that captures an image including reflected light of a horizontal plane laser beam and a vertical plane laser beam is provided at the lower center of the front surface of the substrate 10.

水平レーザ２６は、カメラ３２で水平面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように下方に所定角度傾けて設けられている。同様に、垂直レーザ２８は、カメラ３２で垂直面レーザ光の反射光を含む画像が撮影できるように右方に所定角度傾けて設けられ、垂直レーザ３０は、左方に所定角度傾けて設けられている。
カメラ３２の左右には、障害物を検出する障害物センサ３４、３６がそれぞれ設けられている。 The horizontal laser 26 is provided so as to be inclined downward by a predetermined angle so that the camera 32 can capture an image including the reflected light of the horizontal laser beam. Similarly, the vertical laser 28 is tilted to the right by a predetermined angle so that the camera 32 can capture an image including reflected light of the vertical plane laser beam, and the vertical laser 30 is tilted to the left by a predetermined angle. ing.
Obstacle sensors 34 and 36 for detecting an obstacle are provided on the left and right of the camera 32, respectively.

図３は、障害物センサ３４、３６の構成を示す図である。
障害物センサ３４、３６は、図３（ａ）に示すように、指向性の低い超音波測距センサを複数アレイ状に配列して構成することができる。また、図３（ｂ）に示すように、指向性の高い赤外線測距センサを複数アレイ状に配列して構成することもできる。アレイ状に配列する構成に限らず、単体で構成してもよい。また、超音波測距センサまたは赤外線測距センサを複数平面上に配列したエリアセンサで構成してもよい。これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体を大まかに検出することができる。 FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the obstacle sensors 34 and 36.
As shown in FIG. 3A, the obstacle sensors 34 and 36 can be configured by arranging a plurality of ultrasonic ranging sensors having low directivity in an array. Further, as shown in FIG. 3B, a plurality of infrared ranging sensors having high directivity can be arranged in an array. It is not limited to the configuration arranged in an array, and may be configured as a single unit. Moreover, you may comprise with the area sensor which arranged the ultrasonic ranging sensor or the infrared ranging sensor on the several plane. Thereby, the object which exists on the movement path | route of the leg wheel type robot 100 can be detected roughly.

次に、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを説明する。
図４は、脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。
各脚部１２の回転関節１４〜１８には、図４に示すように、回転関節１４〜１８を回転駆動する関節モータ４０がそれぞれ設けられている。各関節モータ４０には、関節モータ４０の回転角度位置を検出するエンコーダ４２と、モータ指令信号およびエンコーダ４２の出力信号に基づいて関節モータ４０の駆動を制御するドライバ４４が設けられている。 Next, the movement control system of the leg wheel type robot 100 will be described.
FIG. 4 is a block diagram showing a movement control system of the leg wheel type robot 100.
As shown in FIG. 4, joint motors 40 that rotationally drive the rotary joints 14 to 18 are respectively provided in the rotary joints 14 to 18 of the respective leg portions 12. Each joint motor 40 is provided with an encoder 42 that detects the rotational angle position of the joint motor 40, and a driver 44 that controls the driving of the joint motor 40 based on the motor command signal and the output signal of the encoder 42.

各脚部１２の駆動輪２０には、駆動輪２０を回転駆動する車輪モータ５０がそれぞれ設けられている。各車輪モータ５０には、車輪モータ５０の回転角度位置を検出するエンコーダ５２と、モータ指令信号およびエンコーダ５２の出力信号に基づいて車輪モータ５０の駆動を制御するドライバ５４が設けられている。
脚車輪型ロボット１００は、さらに、ＣＰＵ６０と、脚車輪型ロボット１００の姿勢を検出する３軸姿勢センサ７０と、カメラ３２の画像信号を処理するビジョンプロセッサ７２と、外部のＰＣ等と無線通信を行う無線通信部７４と、ビジョンプロセッサ７２および無線通信部７４とＣＰＵ６０の入出力を中継するハブ７６と、警告音等を出力するスピーカ７８とを有して構成される。 A wheel motor 50 that rotationally drives the drive wheel 20 is provided on the drive wheel 20 of each leg 12. Each wheel motor 50 is provided with an encoder 52 that detects the rotational angle position of the wheel motor 50, and a driver 54 that controls the driving of the wheel motor 50 based on the motor command signal and the output signal of the encoder 52.
The leg wheel type robot 100 further performs wireless communication with the CPU 60, the three-axis attitude sensor 70 that detects the attitude of the leg wheel type robot 100, the vision processor 72 that processes the image signal of the camera 32, and an external PC. The wireless communication unit 74 is configured to include a vision processor 72, a wireless communication unit 74, a hub 76 that relays input / output of the CPU 60, and a speaker 78 that outputs a warning sound or the like.

３軸姿勢センサ７０は、ジャイロ若しくは加速度センサ、またはその両方を有し、地軸に対して脚車輪型ロボット１００の姿勢の傾きを検出する。
ＣＰＵ６０は、モータ指令出力Ｉ／Ｆ６１を介してドライバ４４、５４にモータ指令信号を出力し、角度取込Ｉ／Ｆ６２を介してエンコーダ４２、５２の出力信号を入力する。また、センサ入力Ｉ／Ｆ６３を介して、前方脚先センサ２２、下方脚先センサ２４、障害物センサ３４、３６および３軸姿勢センサ７０からそれぞれセンサ信号を入力する。また、通信Ｉ／Ｆ６４を介してハブ７６と信号の入出力を行い、サウンド出力Ｉ／Ｆ６５を介してスピーカ７８に音声信号を出力する。 The triaxial attitude sensor 70 includes a gyroscope or an acceleration sensor, or both, and detects the inclination of the attitude of the leg wheel type robot 100 with respect to the ground axis.
The CPU 60 outputs motor command signals to the drivers 44 and 54 via the motor command output I / F 61 and inputs output signals of the encoders 42 and 52 via the angle fetch I / F 62. In addition, sensor signals are input from the front leg tip sensor 22, the lower leg tip sensor 24, the obstacle sensors 34 and 36, and the triaxial posture sensor 70 via the sensor input I / F 63. Further, signals are input / output to / from the hub 76 via the communication I / F 64, and an audio signal is output to the speaker 78 via the sound output I / F 65.

次に、ＣＰＵ６０で実行される処理を説明する。
ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ等の所定領域に格納されている制御プログラムを起動させ、その制御プログラムに従って、図７および図８のフローチャートに示す走行制御処理および昇降制御処理を時分割で実行する。
初めに、走行制御処理を説明する。 Next, processing executed by the CPU 60 will be described.
The CPU 60 starts a control program stored in a predetermined area such as a ROM, and executes the travel control process and the lift control process shown in the flowcharts of FIGS. 7 and 8 in a time-sharing manner according to the control program.
First, the travel control process will be described.

図５は、脚車輪型ロボット１００の走行姿勢における減速モデルを示す図である。
なお、図５のモデルは、厳密にはタイヤ径を考慮し、車輪接地位置の誤差を考慮すべきであるが、これらが十分に小さいとして無視したモデルである。
図５に示すように、脚車輪型ロボット１００の質量をＭ（図５のモデルでは、重心点に質量が集中していると仮定）、前輪の床反力をＮf、後輪の床反力をＮb、ホイールベースをＷb、重心の高さをＨ、進行方向の加速度をａ、脚車輪型ロボット１００のピッチ角をθ、重心点と前輪接地点を結んだ線と、垂直方向下向きの軸とのなす角度をθf、重心点と後輪接地点を結んだ線と、垂直方向下向きの軸とのなす角度をθb、重心点を通る傾きθの直線と前輪股関節の軸心を通る直線との交点から前輪接地点までの距離をＬf、重心点を通る傾きθの直線と後輪股関節の軸心を通る直線との交点から後輪接地点までの距離をＬbとすると、垂直方向の力のつり合いから下式（４）が得られる。 FIG. 5 is a diagram showing a deceleration model in the running posture of the leg wheel type robot 100.
The model in FIG. 5 should strictly be considered in consideration of the tire diameter, and the wheel contact position error should be considered. However, these models are ignored because they are sufficiently small.
As shown in FIG. 5, the mass of the leg wheel type robot 100 is M (in the model of FIG. 5, it is assumed that the mass is concentrated at the center of gravity), the floor reaction force of the front wheel is Nf, and the floor reaction force of the rear wheel. Nb, wheel base Wb, center of gravity height H, travel direction acceleration a, pitch angle of leg wheel type robot 100 θ, line connecting center of gravity point and front wheel grounding point, vertical downward axis Θf is the angle between the center of gravity and the rear wheel ground contact point, and θb is the angle between the vertical downward axis and the straight line of the slope θ passing through the center of gravity and the axis of the front hip joint. If the distance from the intersection of the front wheel to the front wheel ground point is Lf, and the distance from the intersection of the straight line with the slope θ passing through the center of gravity and the straight line passing through the axis of the rear hip joint to the rear wheel ground point is Lb, the vertical force From the balance, the following equation (4) is obtained.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

また、重心の床面への投影点まわりのモーメントのつり合いから下式（５）、（５）′が得られる。   Further, the following equations (5) and (5) ′ are obtained from the balance of moments around the projected point of the center of gravity on the floor surface.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

一方、幾何学的な関係より下式（６）〜（10）が得られる。   On the other hand, the following equations (6) to (10) are obtained from the geometric relationship.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

図５のモデルにおいて、Ｎb＝０のとき、後輪が浮く状態となる。
Ｎb＝０を上式（４）に代入すると、Ｍｇ＝Ｎfとなり、これを上式（５）′に代入すると、−Ｍａ−Ｎf・tanθf＝０となる。そして、これを上式（７）に代入すると、下式（11）が得られる。 In the model of FIG. 5, when Nb = 0, the rear wheel is in a floating state.
Substituting Nb = 0 into the above equation (4) results in Mg = Nf, and substituting this into the above equation (5) ′ results in −Ma−Nf · tan θf = 0. Then, by substituting this into the above equation (7), the following equation (11) is obtained.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

上式（11）を上式（10）に代入すると、下式（12）が得られ、Ｈ、θ、ａの関係式が導ける。   By substituting the above equation (11) into the above equation (10), the following equation (12) is obtained, and the relational expression of H, θ, and a can be derived.

Figure 2009095933
Figure 2009095933

なお、θ＝０を上式（12）に代入すると、下式（13）が得られ、上式（３）と等しくなることが確認できる。   When θ = 0 is substituted into the above equation (12), the following equation (13) is obtained, which can be confirmed to be equal to the above equation (3).

Figure 2009095933
Figure 2009095933

図６は、進行方向の加速度の変化に対して、後輪が浮上する重心の高さの変化を示すグラフである。
上式（12）においてＷb＝350[mm]とすると、θ＝０[°]、２[°]、４[°]の場合について、図６に示すような変化曲線がそれぞれ得られる。転倒を防止するためには、加速度が大きいほど重心を低くしなければならないことが分かる。 FIG. 6 is a graph showing a change in the height of the center of gravity at which the rear wheel rises with respect to a change in acceleration in the traveling direction.
When Wb = 350 [mm] in the above equation (12), change curves as shown in FIG. 6 are obtained for θ = 0 [°], 2 [°], and 4 [°], respectively. It can be seen that the center of gravity must be lowered as the acceleration increases in order to prevent a fall.

例えば、4[km/m]での走行から0.5[ｓ]で停止することを考えると、ａ＝-2.22[m/s2]である。このとき、θ＝０[°]のときの許容重心高さはＨ＝772.5[mm]、θ＝２[°]のときの許容重心高さはＨ＝914.4[mm]、θ＝４[°]のときの許容重心高さはＨ＝1123.0[mm]であり、ピッチ角を大きくすれば許容重心高さを大きくできることが分かる。
図７は、走行制御処理を示すフローチャートである。 For example, considering that the vehicle stops at 0.5 [s] after traveling at 4 [km / m], a = −2.22 [m / s 2 ]. At this time, the allowable center-of-gravity height when θ = 0 [°] is H = 772.5 [mm], and the allowable center-of-gravity height when θ = 2 [°] is H = 914.4 [mm], θ = 4 [° ], The allowable center of gravity height is H = 1123.0 [mm], and it can be seen that the allowable center of gravity height can be increased by increasing the pitch angle.
FIG. 7 is a flowchart showing the travel control process.

走行制御処理は、図５のモデルを利用し、加速度に応じて脚車輪型ロボット１００のピッチ角、重心高さおよび加速度を制御する処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図７に示すように、ステップＳ１００に移行する。
ステップＳ１００では、脚車輪型ロボット１００の速度パターンから進行方向の加速度を検出する。速度パターンは、例えば、駆動輪２０に速度センサを設け、速度センサからの入力に基づいて生成することができる。また、速度パターンから加速度を検出する場合に限らず、脚車輪型ロボット１００に加速度センサを設け、加速度センサにより加速度を検出するようにしてもよい。 The running control process is a process for controlling the pitch angle, the height of the center of gravity, and the acceleration of the leg-wheel type robot 100 according to the acceleration using the model of FIG. As shown in FIG.
In step S <b> 100, the acceleration in the traveling direction is detected from the speed pattern of the leg wheel type robot 100. The speed pattern can be generated based on, for example, a speed sensor provided on the drive wheel 20 and an input from the speed sensor. Further, the present invention is not limited to the case where acceleration is detected from the speed pattern, and an acceleration sensor may be provided in the leg wheel type robot 100 so that the acceleration is detected by the acceleration sensor.

次いで、ステップＳ１０２に移行して、検出した加速度および上式（12）に基づいて、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θを制御すること（以下、θ制御と略記する。）のみにより転倒が回避できるか否かを判定し、θ制御のみにより転倒が回避できると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１０４に移行する。
ステップＳ１０４では、検出した加速度および上式（12）に基づいて、脚車輪型ロボット１００の重心の高さＨを制御すること（以下、Ｈ制御と略記する。）のみにより転倒が回避できるか否かを判定し、Ｈ制御のみによっては転倒が回避できないと判定したとき(No)は、ステップＳ１０６に移行する。 Next, the process proceeds to step S102, and the fall is avoided only by controlling the pitch angle θ of the leg-wheel type robot 100 (hereinafter abbreviated as θ control) based on the detected acceleration and the above equation (12). When it is determined whether or not it is possible to determine that the fall can be avoided only by the θ control (Yes), the process proceeds to step S104.
In step S104, whether or not a fall can be avoided only by controlling the height H of the center of gravity of the leg-wheel type robot 100 (hereinafter abbreviated as H control) based on the detected acceleration and the above equation (12). If it is determined that the fall cannot be avoided only by the H control (No), the process proceeds to step S106.

ステップＳ１０６では、θ制御として、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが、加速度の方向に脚車輪型ロボット１００が傾倒する向きで、かつ、転倒回避に必要な大きさとなるように関節モータ４０の制御を行う。具体的には、例えば、検出した加速度、脚車輪型ロボット１００の現在の重心の高さＨおよびホイールベースＷbに基づいて、上式（12）により、転倒回避に必要な目標ピッチ角θtを算出し、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが目標ピッチ角θtとなるようにドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力する。なお、加速度の方向に傾倒する向きとは、脚車輪型ロボット１００が図５の右方向に進行する場合、減速時は後傾姿勢となる向きを、加速時は前傾姿勢となる向きをいう。   In step S106, as the θ control, the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is set in the direction in which the leg wheel type robot 100 tilts in the direction of acceleration, and the magnitude necessary for avoiding the fall. Take control. Specifically, for example, based on the detected acceleration, the current center-of-gravity height H of the leg wheel type robot 100, and the wheel base Wb, the target pitch angle θt necessary for avoiding the fall is calculated by the above equation (12). Then, a motor command signal to the driver 44 is generated so that the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 becomes the target pitch angle θt, and the generated motor command signal is output to the driver 44. Note that the direction of tilting in the direction of acceleration refers to the direction in which the leg-wheel type robot 100 moves in the right direction in FIG. .

一方、ステップＳ１０４で、Ｈ制御のみにより転倒が回避できると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１０８に移行して、θ制御およびＨ制御に必要なコスト（移動エネルギー、移動時間その他のコスト）をそれぞれ算出し、ステップＳ１１０に移行する。
ステップＳ１１０では、Ｈ制御に必要なコストがθ制御に必要なコストよりも大きいか否かを判定し、Ｈ制御に必要なコストがθ制御に必要なコストよりも大きいと判定したとき(Yes)は、ステップＳ１０６に移行するが、そうでないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１２に移行する。 On the other hand, when it is determined in step S104 that the fall can be avoided only by the H control (Yes), the process proceeds to step S108, and the costs (movement energy, movement time and other costs) necessary for the θ control and the H control are obtained. Each is calculated, and the process proceeds to step S110.
In step S110, it is determined whether the cost required for the H control is higher than the cost required for the θ control, and when it is determined that the cost required for the H control is higher than the cost required for the θ control (Yes). Shifts to step S106, but when it is determined that this is not the case (No), shifts to step S112.

ステップＳ１１２では、Ｈ制御として、脚車輪型ロボット１００の重心が転倒回避に必要な高さとなるように関節モータ４０の制御を行う。具体的には、例えば、検出した加速度、脚車輪型ロボット１００の現在のピッチ角θおよびホイールベースＷbに基づいて、上式（12）により、転倒回避に必要な目標重心高さＨtを算出し、脚車輪型ロボット１００の重心が目標重心高さＨtとなるようにドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力する。   In step S112, as the H control, the joint motor 40 is controlled so that the center of gravity of the leg wheel type robot 100 becomes a height necessary for avoiding the fall. Specifically, for example, based on the detected acceleration, the current pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 and the wheel base Wb, the target center-of-gravity height Ht necessary for avoiding the fall is calculated by the above equation (12). The motor command signal to the driver 44 is generated so that the center of gravity of the leg wheel type robot 100 becomes the target center of gravity height Ht, and the generated motor command signal is output to the driver 44.

一方、ステップＳ１０２で、θ制御のみによっては転倒が回避できないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１４に移行して、Ｈ制御のみにより転倒が回避できるか否かを判定し、Ｈ制御のみにより転倒が回避できると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１２に移行するが、そうでないと判定したとき(No)は、ステップＳ１１６に移行する。
ステップＳ１１６では、θ制御およびＨ制御により転倒が回避できるか否かを判定し、θ制御およびＨ制御により転倒が回避できると判定したとき(Yes)は、ステップＳ１１８に移行する。 On the other hand, when it is determined in step S102 that the overturn cannot be avoided only by the θ control (No), the process proceeds to step S114 to determine whether the overturn can be avoided only by the H control, and only by the H control. When it is determined that the fall can be avoided (Yes), the process proceeds to step S112. When it is determined that the fall is not possible (No), the process proceeds to step S116.
In step S116, it is determined whether or not a fall can be avoided by θ control and H control. If it is determined that a fall can be avoided by θ control and H control (Yes), the process proceeds to step S118.

ステップＳ１１８では、θ制御およびＨ制御として、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが、加速度の方向に脚車輪型ロボット１００が傾倒する向きで、かつ、転倒回避に必要な大きさとなるように、および、脚車輪型ロボット１００の重心が転倒回避に必要な高さとなるように、関節モータ４０の制御を行う。具体的には、例えば、検出した加速度、脚車輪型ロボット１００の現在のピッチ角θ、現在の重心の高さＨおよびホイールベースＷbに基づいて、上式（12）により、限界ピッチ角θmaxおよび限界重心高さＨminを超えない範囲で、転倒回避に必要な目標ピッチ角θtおよび目標重心高さＨtを算出し、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが目標ピッチ角θtとなるように、および、脚車輪型ロボット１００の重心が目標重心高さＨtとなるように、ドライバ４４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ４４に出力する。   In step S118, as the θ control and the H control, the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is such that the leg wheel type robot 100 is tilted in the direction of acceleration and has a size necessary for avoiding the fall. Further, the joint motor 40 is controlled so that the center of gravity of the leg wheel type robot 100 becomes a height necessary for avoiding the fall. Specifically, for example, based on the detected acceleration, the current pitch angle θ of the leg wheel type robot 100, the current height H of the center of gravity, and the wheel base Wb, the limit pitch angle θmax and The target pitch angle θt and the target center-of-gravity height Ht necessary for avoiding falling are calculated within a range not exceeding the limit center-of-gravity height Hmin, so that the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 becomes the target pitch angle θt, and The motor command signal to the driver 44 is generated so that the center of gravity of the leg wheel type robot 100 becomes the target center of gravity height Ht, and the generated motor command signal is output to the driver 44.

ステップＳ１０６、Ｓ１１２、Ｓ１１８の処理が終了すると、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
一方、ステップＳ１１６で、θ制御およびＨ制御の両方によっても転倒が回避できないと判定したとき(No)は、ステップＳ１２０に移行して、加速度が減少するように車輪モータ５０を制御する。具体的には、例えば、検出した加速度、限界ピッチ角θmax、限界重心高さＨminおよびホイールベースＷbに基づいて、上式（12）により、θ制御およびＨ制御が可能となる目標加速度を算出し、脚車輪型ロボット１００の加速度が目標加速度となるように、ドライバ５４へのモータ指令信号を生成し、生成したモータ指令信号をドライバ５４に出力する。
ステップＳ１２０の処理が終了すると、ステップＳ１０２に移行する。 When the processes of steps S106, S112, and S118 are completed, the series of processes is terminated and the original process is restored.
On the other hand, when it is determined in step S116 that the fall cannot be avoided by both the θ control and the H control (No), the process proceeds to step S120 and the wheel motor 50 is controlled so that the acceleration decreases. Specifically, for example, based on the detected acceleration, the limit pitch angle θmax, the limit center of gravity height Hmin, and the wheel base Wb, the target acceleration that enables θ control and H control is calculated by the above equation (12). The motor command signal to the driver 54 is generated so that the acceleration of the leg wheel type robot 100 becomes the target acceleration, and the generated motor command signal is output to the driver 54.
When the process of step S120 ends, the process proceeds to step S102.

次に、昇降制御処理を説明する。
図８は、昇降制御処理を示すフローチャートである。
昇降制御処理は、脚部１２の昇降制御を行う処理であって、ＣＰＵ６０において実行されると、まず、図８に示すように、ステップＳ２００に移行する。 Next, the elevation control process will be described.
FIG. 8 is a flowchart showing the elevation control process.
The raising / lowering control process is a process for performing the raising / lowering control of the leg part 12. When the raising / lowering control process is executed by the CPU 60, first, the process proceeds to step S 200 as shown in FIG. 8.

ステップＳ２００では、ビジョンプロセッサ７２から画像を取り込み、ステップＳ２０２に移行する。
ステップＳ２０２では、取り込んだ画像に基づいて光切断法により階段の特徴点を抽出する。
図９は、光切断法の原理を説明するための図である。 In step S200, an image is captured from the vision processor 72, and the process proceeds to step S202.
In step S202, feature points of stairs are extracted by a light cutting method based on the captured image.
FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of the light cutting method.

光切断法は、三角測量の原理により計測対象上の座標を求める計測法である。図９に計測座標系を示す。
計測対象上の座標Ｐ（x0、y0、z0）は、カメラ３２の撮像素子上の任意の座標をＰs（xi、yi、zi）とすると、下式（14）により求められる。 The light section method is a measurement method for obtaining coordinates on a measurement object based on the principle of triangulation. FIG. 9 shows a measurement coordinate system.
The coordinates P (x0, y0, z0) on the measurement target are obtained by the following equation (14), where arbitrary coordinates on the image sensor of the camera 32 are Ps (xi, yi, zi).

Figure 2009095933
Figure 2009095933

次に、得られた三次元座標から、レーザ光の反射光の不連続点または屈曲点を階段の特徴点として抽出する。
図１０は、階段にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。 Next, from the obtained three-dimensional coordinates, a discontinuous point or a bent point of the reflected light of the laser beam is extracted as a feature point of the staircase.
FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which the staircase is irradiated with laser light and an image of the imaging element of the camera 32.

脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在すると、図１０（ａ）左側に示すように、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光が階段の蹴込板および床面で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む階段の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図１０（ａ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび床面での反射光エッジを抽出することができる。そして、そのエッジ画像および上式（14）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの不連続点に対応する実座標を算出することができる。   When a stairway is present on the movement path of the leg wheel type robot 100, as shown on the left side of FIG. 10 (a), the horizontal surface laser beam emitted from the horizontal laser 26 is reflected by the kick plate and the floor surface of the staircase, and the camera 32 Thus, an image of the stairs including the reflected light is taken. When image processing is performed on the image, as shown on the right side of FIG. 10A, the reflected light edge on the kick plate and the reflected light edge on the floor surface can be extracted. Then, based on the edge image and the three-dimensional coordinates obtained by the above equation (14), the actual coordinates corresponding to the discontinuous points of the reflected light edge can be calculated.

また、図１０（ｂ）左側に示すように、垂直レーザ２８から照射された垂直面レーザ光が階段の蹴込板および踏板で反射し、カメラ３２により、その反射光を含む階段の画像が撮影される。その画像に対して画像処理を行うと、図１０（ｂ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび踏板での反射光エッジを抽出することができる。また、垂直レーザ３０についても同様であり、図１０（ｃ）右側に示すように、蹴込板での反射光エッジおよび踏板での反射光エッジを抽出することができる。そして、それらエッジ画像および上式（14）により得られた三次元座標に基づいて、反射光エッジの屈曲点に対する実座標を算出することができる。   Further, as shown on the left side of FIG. 10B, the vertical plane laser light emitted from the vertical laser 28 is reflected by the stair kick plate and the step board, and the camera 32 captures an image of the stair including the reflected light. The When image processing is performed on the image, as shown on the right side of FIG. 10B, the reflected light edge on the kick board and the reflected light edge on the tread board can be extracted. The same applies to the vertical laser 30. As shown on the right side of FIG. 10C, the reflected light edge on the kick board and the reflected light edge on the tread board can be extracted. Based on these edge images and the three-dimensional coordinates obtained by the above equation (14), the actual coordinates for the bent point of the reflected light edge can be calculated.

図８に戻り、次いで、ステップＳ２０４に移行して、抽出した特徴点に基づいて階段の幅を算出し、ステップＳ２０６に移行して、抽出した特徴点に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出し、ステップＳ２０８に移行する。
ステップＳ２０８では、算出した階段の幅および段鼻部の実座標、並びに３軸姿勢センサ７０のセンサ信号に基づいて逆運動学計算および重心計算を行い、ステップＳ２１０に移行して、ステップＳ２０８の計算結果に基づいて脚先（駆動輪２０）の着地位置を決定し、ステップＳ２１２に移行する。 Returning to FIG. 8, then, the process proceeds to step S204, where the width of the staircase is calculated based on the extracted feature points, and the process proceeds to step S206, where the actual coordinates of the stair nosing part of the staircase are calculated based on the extracted feature points. Then, the process proceeds to step S208.
In step S208, inverse kinematics calculation and centroid calculation are performed based on the calculated width of the staircase and the actual coordinates of the nose and the sensor signal of the three-axis posture sensor 70, and the process proceeds to step S210 and the calculation result of step S208. The landing position of the leg tip (drive wheel 20) is determined based on the above, and the process proceeds to step S212.

ステップＳ２１２では、前方脚先センサ２２および下方脚先センサ２４からそれぞれセンサ信号を入力し、ステップＳ２１４に移行して、入力した前方脚先センサ２２のセンサ信号に基づいて蹴込板までの距離を算出し、ステップＳ２１６に移行して、入力した下方脚先センサ２４のセンサ信号に基づいて脚先と踏板の位置関係を算出し、ステップＳ２１８に移行する。   In step S212, sensor signals are input from the front leg tip sensor 22 and the lower leg tip sensor 24, respectively, the process proceeds to step S214, and the distance to the kick plate is calculated based on the input sensor signal of the front leg tip sensor 22. Then, the process proceeds to step S216, where the positional relationship between the leg tip and the tread is calculated based on the input sensor signal of the lower leg tip sensor 24, and the process proceeds to step S218.

ステップＳ２１８では、決定した着地位置および算出した両距離に基づいてドライバ４４、５４へのモータ指令信号を生成し、ステップＳ２２０に移行して、生成したモータ指令信号をドライバ４４、５４に出力し、ステップＳ２２２に移行する。
ステップＳ２２２では、脚先が踏板に着地したか否かを判定し、脚先が着地したと判定したとき(Yes)は、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。 In step S218, a motor command signal to the drivers 44 and 54 is generated based on the determined landing position and the calculated both distances, the process proceeds to step S220, and the generated motor command signal is output to the drivers 44 and 54. The process proceeds to step S222.
In step S222, it is determined whether or not the leg tip has landed on the tread. If it is determined that the leg tip has landed (Yes), the series of processes is terminated and the original process is restored.

一方、ステップＳ２２２で、脚先が着地しないと判定したとき(No)は、ステップＳ２１２に移行する。
次に、本実施の形態の動作を説明する。
平地では、脚車輪型ロボット１００は、車輪走行で移動することができる。したがって、車輪型ロボットと同様に平地での移動性が高い。このとき、減速時または加速時は進行方向の加速度が発生するので、ステップＳ１００を経て、脚車輪型ロボット１００の進行方向の加速度が検出される。 On the other hand, when it is determined in step S222 that the leg tip does not land (No), the process proceeds to step S212.
Next, the operation of the present embodiment will be described.
On a flat ground, the leg wheel type robot 100 can move by wheel running. Therefore, the mobility on the flat ground is high like the wheel type robot. At this time, since acceleration in the traveling direction is generated during deceleration or acceleration, the acceleration in the traveling direction of the leg wheel type robot 100 is detected through step S100.

ここで、ステップＳ１０２、Ｓ１０４を経て、検出された加速度に基づいてθ制御により転倒を回避できるがＨ制御では転倒を回避できないと判定されると、ステップＳ１０６を経て、θ制御のみが行われる。θ制御では、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが、加速度の方向に脚車輪型ロボット１００が傾倒する向きで、かつ、転倒回避に必要な大きさとなるように関節モータ４０が制御される。   Here, after steps S102 and S104, if it is determined that the fall can be avoided by the θ control based on the detected acceleration, but the H control cannot determine the fall, only the θ control is performed via step S106. In the θ control, the joint motor 40 is controlled so that the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is in the direction in which the leg wheel type robot 100 tilts in the direction of acceleration and is a size necessary for avoiding the fall.

また、ステップＳ１０２、Ｓ１１４を経て、検出された加速度に基づいてＨ制御により転倒を回避できるがθ制御では転倒を回避できないと判定されると、ステップＳ１１２を経て、Ｈ制御のみが行われる。Ｈ制御では、脚車輪型ロボット１００の重心が転倒回避に必要な高さとなるように関節モータ４０が制御される。
また、ステップＳ１０２、Ｓ１０４を経て、検出された加速度に基づいてθ制御またはＨ制御のいずれによっても転倒を回避できると判定されると、ステップＳ１０８を経て、θ制御およびＨ制御に必要なコストがそれぞれ算出され、ステップＳ１１０、Ｓ１０６またはステップＳ１１０、Ｓ１１２を経て、θ制御およびＨ制御のうちコストの低い方が行われる。 If it is determined that the fall can be avoided by the H control based on the detected acceleration through steps S102 and S114, but the fall cannot be avoided by the θ control, only the H control is performed via step S112. In the H control, the joint motor 40 is controlled so that the center of gravity of the leg wheel type robot 100 becomes a height necessary for avoiding the fall.
If it is determined that the fall can be avoided by either θ control or H control based on the detected acceleration through steps S102 and S104, the cost required for θ control and H control is obtained through step S108. Each is calculated, and through steps S110 and S106 or steps S110 and S112, the lower one of the θ control and the H control is performed.

また、ステップＳ１０２、Ｓ１１４、Ｓ１１６を経て、検出された加速度に基づいてθ制御およびＨ制御の両方により転倒を回避できると判定されると、ステップＳ１１８を経て、θ制御およびＨ制御が行われる。
また、ステップＳ１０２、Ｓ１１４、Ｓ１１６を経て、検出された加速度に基づいてθ制御およびＨ制御の両方によっても転倒を回避できないと判定されると、ステップＳ１２０を経て、加速度が減少するように車輪モータ５０が制御される。そして、θ制御およびＨ制御が可能な加速度にまで減少すると、ステップＳ１１８を経て、θ制御およびＨ制御が行われる。 If it is determined through steps S102, S114, and S116 that a fall can be avoided by both θ control and H control based on the detected acceleration, θ control and H control are performed through step S118.
If it is determined that the fall cannot be avoided by both θ control and H control based on the detected acceleration through steps S102, S114, and S116, the wheel motor is set so that the acceleration decreases through step S120. 50 is controlled. When the acceleration is reduced to an acceleration at which θ control and H control are possible, θ control and H control are performed through step S118.

一方、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に階段が存在すると、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光、および垂直レーザ２８、３０から照射された垂直面レーザ光がそれぞれ階段で反射し、カメラ３２により、それら反射光を含む画像が撮影される。次いで、ステップＳ２００、Ｓ２０２を経て、カメラ３２で撮影された画像が取り込まれ、取り込まれた画像から階段の特徴点が抽出される。そして、ステップＳ２０４〜Ｓ２１０を経て、抽出された特徴点に基づいて階段の幅および段鼻部の実座標が算出され、算出された階段の幅および段鼻部の実座標に基づいて脚先の着地位置が決定される。   On the other hand, if there are stairs on the moving path of the leg-wheel type robot 100, the horizontal plane laser light emitted from the horizontal laser 26 and the vertical surface laser lights emitted from the vertical lasers 28 and 30 are reflected by the stairs, respectively. By 32, an image including the reflected light is taken. Next, through steps S200 and S202, an image captured by the camera 32 is captured, and feature points of stairs are extracted from the captured image. Through steps S204 to S210, the width of the staircase and the actual coordinates of the nose portion are calculated based on the extracted feature points, and the landing position of the leg tip is calculated based on the calculated width of the staircase and the actual coordinates of the nose portion. Is determined.

さらに、ステップＳ２１２〜Ｓ２１６を経て、脚先センサ２２、２４からそれぞれセンサ信号が入力され、蹴込板までの距離および脚先と踏板の位置関係が算出される。そして、ステップＳ２１８、Ｓ２２０を経て、決定された着地位置および算出された両距離に基づいてモータ指令信号が生成され、生成されたモータ指令信号がドライバ４４、５４に出力される。これにより、駆動輪２０が回転するとともに回転関節１４〜１８が駆動し、脚車輪型ロボット１００が姿勢を適切に保ちつつ階段を乗り越える。また、状況によっては階段を回避、停止する。したがって、脚型ロボットと同様に階段への適応性が高い。   Further, through steps S212 to S216, sensor signals are input from the leg tip sensors 22 and 24, respectively, and the distance to the kick plate and the positional relationship between the leg tip and the tread plate are calculated. Then, through steps S218 and S220, a motor command signal is generated based on the determined landing position and the calculated both distances, and the generated motor command signal is output to the drivers 44 and 54. As a result, the driving wheel 20 rotates and the rotary joints 14 to 18 are driven, and the leg-wheel type robot 100 gets over the stairs while keeping its posture properly. Depending on the situation, the stairs are avoided and stopped. Therefore, the adaptability to the stairs is high like the legged robot.

このようにして、本実施の形態では、脚車輪型ロボット１００の進行方向の加速度を検出し、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが、加速度の方向に脚車輪型ロボット１００が傾倒する向きで、かつ、転倒回避に必要な大きさとなるように、検出した加速度に基づいて関節モータ４０を制御する。
これにより、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが転倒回避に必要な角度となるように調整されるので、従来に比して、減速時または加速時に脚車輪型ロボット１００が転倒する可能性を低減することができる。 Thus, in the present embodiment, the acceleration in the traveling direction of the leg wheel type robot 100 is detected, and the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is such that the leg wheel type robot 100 tilts in the direction of acceleration. In addition, the joint motor 40 is controlled based on the detected acceleration so as to have a size necessary for avoiding falling.
As a result, the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is adjusted so as to be an angle necessary for avoiding the fall. Therefore, the possibility that the leg wheel type robot 100 may fall during deceleration or acceleration as compared with the prior art. Can be reduced.

さらに、本実施の形態では、脚車輪型ロボット１００のピッチ角θが、加速度の方向に脚車輪型ロボット１００が傾倒する向きで、かつ、転倒回避に必要な大きさとなるように関節モータ４０を制御するθ制御、または、脚車輪型ロボット１００の重心が転倒回避に必要な高さとなるように関節モータ４０を制御するＨ制御を行う。
これにより、θ制御だけでなくＨ制御によっても転倒回避が可能となるので、制御の自由度を向上することができる。 Furthermore, in the present embodiment, the joint motor 40 is set so that the pitch angle θ of the leg wheel type robot 100 is in the direction in which the leg wheel type robot 100 tilts in the direction of acceleration and is necessary to avoid the fall. Θ control to be controlled or H control to control the joint motor 40 so that the center of gravity of the leg-wheel type robot 100 becomes a height necessary for avoiding the fall is performed.
As a result, it is possible to avoid the overturn not only by the θ control but also by the H control, so that the degree of freedom of control can be improved.

さらに、本実施の形態では、検出した加速度に基づいてθ制御により転倒を回避できるがＨ制御では転倒を回避できないと判定したときは、θ制御のみを行い、検出した加速度に基づいてＨ制御により転倒を回避できるがθ制御では転倒を回避できないと判定したときは、Ｈ制御のみを行う。
これにより、加速度に応じてθ制御およびＨ制御のうち適切な制御を実現することができる。 Further, in the present embodiment, when it is determined that the fall can be avoided by the θ control based on the detected acceleration, but the fall cannot be avoided by the H control, only the θ control is performed, and the H control is performed based on the detected acceleration. If it is determined that the fall can be avoided but the θ control cannot avoid the fall, only the H control is performed.
As a result, it is possible to realize appropriate control of θ control and H control according to the acceleration.

さらに、本実施の形態では、検出した加速度に基づいてθ制御またはＨ制御のいずれによっても転倒を回避できると判定したときは、θ制御およびＨ制御に必要なコストをそれぞれ算出し、θ制御およびＨ制御のうちコストの低い方を行う。
これにより、θ制御またはＨ制御に必要なコストを低減することができる。
さらに、本実施の形態では、検出した加速度に基づいてθ制御およびＨ制御の両方により転倒を回避できると判定したときは、θ制御およびＨ制御を行う。 Furthermore, in this embodiment, when it is determined that the fall can be avoided by either θ control or H control based on the detected acceleration, the costs necessary for θ control and H control are calculated, respectively, The lower one of the H controls is performed.
Thereby, the cost required for θ control or H control can be reduced.
Furthermore, in this embodiment, when it is determined that the fall can be avoided by both the θ control and the H control based on the detected acceleration, the θ control and the H control are performed.

これにより、θ制御およびＨ制御により転倒回避が可能となるので、加速度の許容範囲が大きくなる。
さらに、本実施の形態では、検出した加速度に基づいてθ制御およびＨ制御の両方によっても転倒を回避できないと判定したときは、加速度が減少するように車輪モータ５０を制御する。 As a result, the fall control can be avoided by the θ control and the H control, and the allowable range of acceleration is increased.
Furthermore, in this embodiment, when it is determined that the fall cannot be avoided by both the θ control and the H control based on the detected acceleration, the wheel motor 50 is controlled so that the acceleration decreases.

これにより、θ制御またはＨ制御だけでなく加速度制御によっても転倒回避が可能となるので、制御の自由度を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、レーザ２６〜３０およびカメラ３２からなる画像センサと、脚先センサ２２、２４とを備え、カメラ３２で撮影した画像および脚先センサ２２、２４で測定した距離に基づいて階段を認識し、その認識結果に基づいてモータ４０、５０を制御する。 As a result, it is possible to avoid overturning by acceleration control as well as θ control or H control, so that the degree of freedom of control can be improved.
Further, in the present embodiment, the image sensor including the lasers 26 to 30 and the camera 32 and the leg tip sensors 22 and 24 are provided. Based on the image captured by the camera 32 and the distance measured by the leg tip sensors 22 and 24. The stairs are recognized, and the motors 40 and 50 are controlled based on the recognition result.

これにより、画像センサおよび脚先センサ２２、２４を用いて未知の階段を認識しながら脚部１２の昇降制御を行うので、従来に比して、未知の階段に対して高い適応性を実現することができる。また、人が活動する環境での動作を行えるので、人と一緒に行動する用途に用いられるホームロボット、パーソナルロボット等に好適である。
さらに、本実施の形態では、画像センサを基体１０の正面に設け、脚先センサ２２、２４を脚部１２の先端に設けた。 Thereby, since the raising / lowering control of the leg part 12 is performed while recognizing an unknown staircase using the image sensor and the leg tip sensors 22 and 24, higher adaptability is realized with respect to the unknown staircase than in the past. be able to. In addition, since it can operate in an environment where people are active, it is suitable for home robots, personal robots, and the like that are used for acting with people.
Further, in the present embodiment, the image sensor is provided on the front surface of the base body 10, and the leg tip sensors 22 and 24 are provided on the distal ends of the leg portions 12.

これにより、脚車輪型ロボット１００の移動経路上に存在する物体を広い視野で検出することができるとともに、階段昇降時に駆動輪２０と階段の距離を精度よく測定することができる。
さらに、本実施の形態では、進行方向に対して所定角度にレーザ光を照射するレーザ２６〜３０と、レーザ２６〜３０から所定距離隔てて設けられかつレーザ光の反射光を含む画像を撮像するカメラ３２とを備え、カメラ３２で撮影した画像に基づいて光切断法により階段を認識する。 As a result, it is possible to detect an object existing on the movement path of the leg wheel type robot 100 with a wide field of view, and to accurately measure the distance between the drive wheel 20 and the staircase when moving up and down the stairs.
Further, in the present embodiment, the lasers 26 to 30 that irradiate the laser beam at a predetermined angle with respect to the traveling direction, and an image that is provided at a predetermined distance from the lasers 26 to 30 and includes the reflected light of the laser beam are captured. The camera 32 is provided, and the staircase is recognized by the light cutting method based on the image photographed by the camera 32.

これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御に有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、水平レーザ２６から照射された水平面レーザ光の反射光の撮影状態に基づいて階段の幅を算出し、垂直レーザ２８、３０から照射された２つの垂直面レーザ光の反射光の撮影状態に基づいて階段の段鼻部の実座標を算出する。 Thereby, since the characteristic effective for the raising / lowering control of the leg part 12 can be detected among the characteristics of the staircase, higher adaptability can be realized for the unknown staircase.
Furthermore, in the present embodiment, the width of the staircase is calculated based on the imaging state of the reflected light of the horizontal plane laser light emitted from the horizontal laser 26, and the two vertical surface laser lights emitted from the vertical lasers 28 and 30 are calculated. The actual coordinates of the stair nosing part of the staircase are calculated based on the reflected light imaging state.

これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
さらに、本実施の形態では、前方脚先センサ２２の測定結果に基づいて階段の蹴込板までの距離を算出し、下方脚先センサ２４の測定結果に基づいて駆動輪２０と階段の踏板の位置関係を算出する。 Thereby, since the characteristic more effective for the raising / lowering control of the leg part 12 can be detected among the characteristics of the staircase, higher adaptability can be realized for the unknown staircase.
Further, in the present embodiment, the distance to the stair riser plate is calculated based on the measurement result of the front leg tip sensor 22, and the positions of the drive wheels 20 and the step board of the staircase are calculated based on the measurement result of the lower leg tip sensor 24. Calculate the relationship.

これにより、階段の特徴のうち脚部１２の昇降制御にさらに有効な特徴を検出することができるので、未知の階段に対してさらに高い適応性を実現することができる。
上記実施の形態において、関節モータ４０は、発明２若しくは３のアクチュエータ、または発明１のピッチ角調整手段に対応し、車輪モータ５０は、発明７の第２アクチュエータに対応し、ステップＳ１００は、発明１ないし７の加速度検出手段に対応している。また、ステップＳ１０２〜Ｓ１２０は、発明１ないし７の制御手段に対応している。 Thereby, since the characteristic more effective for the raising / lowering control of the leg part 12 can be detected among the characteristics of the staircase, higher adaptability can be realized for the unknown staircase.
In the above embodiment, the joint motor 40 corresponds to the actuator of the invention 2 or 3, or the pitch angle adjusting means of the invention 1, the wheel motor 50 corresponds to the second actuator of the invention 7, and step S100 is an invention. It corresponds to 1 to 7 acceleration detecting means. Steps S102 to S120 correspond to the control means of inventions 1 to 7.

なお、上記実施の形態においては、加速度が発生したときは、θ制御、Ｈ制御または加速度制御を常に行うように構成したが、これに限らず、θ制御またはＨ制御のいずれを行わなくても転倒を回避できると判定したときは、θ制御、Ｈ制御または加速度制御を行わないように構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、θ制御、Ｈ制御または加速度制御を行うように構成したが、これに限らず、Ｈ制御（Ｓ１１２）を行わないように構成してもよいし、θ制御およびＨ制御（Ｓ１１８）を行わないように構成してもよいし、加速度制御（Ｓ１２０）を行わないように構成してもよい。 In the above-described embodiment, when acceleration occurs, θ control, H control, or acceleration control is always performed. However, the present invention is not limited to this, and neither θ control nor H control is performed. When it is determined that the fall can be avoided, the θ control, the H control, or the acceleration control may not be performed.
In the above embodiment, the θ control, the H control, or the acceleration control is performed. However, the present invention is not limited to this, and the H control (S112) may not be performed. The H control (S118) may not be performed, or the acceleration control (S120) may not be performed.

また、上記実施の形態においては、特に旋回時については説明しなかったが、旋回時に制動または加速により進行方向の加速度が発生するときも、同様に適用することができる。
また、上記実施の形態においては、本発明に係る車両の転倒防止装置および脚車輪型ロボットを、階段を乗り越える場合について適用したが、これに限らず、階段以外の段差を乗り越える場合についても同様に適用することができる。 In the above-described embodiment, the turning operation is not particularly described. However, the invention can be similarly applied when acceleration in the traveling direction is generated by braking or acceleration during turning.
In the above embodiment, the vehicle overturn prevention device and leg-wheel type robot according to the present invention are applied to the case where the vehicle climbs over the stairs. Can be applied.

また、上記実施の形態においては、本発明に係る車両の転倒防止装置および脚車輪型ロボットを脚車輪型ロボット１００に適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。例えば、直動関節で脚構造を実現する脚車輪型ロボットや、一般の車両に適用することもできる。   Further, in the above embodiment, the vehicle overturn prevention device and leg-wheel type robot according to the present invention are applied to the leg-wheel type robot 100. However, the present invention is not limited to this, and other scopes can be used without departing from the gist of the present invention. It is also applicable to cases. For example, the present invention can be applied to a leg-wheel type robot that realizes a leg structure with a linear motion joint or a general vehicle.

脚車輪型ロボット１００の正面図である。1 is a front view of a leg wheel type robot 100. FIG. 脚車輪型ロボット１００の側面図である。1 is a side view of a leg wheel type robot 100. FIG. 障害物センサ３４、３６の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the obstruction sensors 34 and 36. FIG. 脚車輪型ロボット１００の移動制御システムを示すブロック図である。2 is a block diagram showing a movement control system of a leg wheel type robot 100. FIG. 脚車輪型ロボット１００の走行姿勢における減速モデルを示す図である。3 is a diagram illustrating a deceleration model in a running posture of a leg wheel type robot 100. FIG. 進行方向の加速度の変化に対して、後輪が浮上する重心の高さの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the height of the gravity center in which a rear wheel floats with respect to the change of the acceleration of advancing direction. 走行制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a traveling control process. 昇降制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a raising / lowering control process. 光切断法の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of a light cutting method. 階段にレーザ光を照射した状態およびカメラ３２の撮像素子の画像を示す図である。It is a figure which shows the state which irradiated the laser beam to the staircase, and the image of the image pick-up element of the camera. 脚車輪型ロボットの走行姿勢における減速モデルを示す図である。It is a figure which shows the deceleration model in the running posture of a leg-wheel type robot. 進行方向の加速度の変化に対して、後輪が浮上する重心の高さの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the height of the gravity center in which a rear wheel floats with respect to the change of the acceleration of advancing direction.

符号の説明Explanation of symbols

１００ 脚車輪型ロボット
１０ 基体
１２ 脚部
１４〜１８ 回転関節
２０ 駆動輪
２２、２４ 脚先センサ
２６ 水平レーザ
２８、３０ 垂直レーザ
３２ カメラ
３４、３６ 障害物センサ
４０、５０ モータ
４２、５２ エンコーダ
４４、５４ ドライバ
７０ ３軸姿勢センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Leg wheel type robot 10 Base body 12 Legs 14-18 Rotary joint 20 Driving wheel 22, 24 Leg tip sensor 26 Horizontal laser 28, 30 Vertical laser 32 Camera 34, 36 Obstacle sensor 40, 50 Motor 42, 52 Encoder 44, 54 Driver 70 3-axis attitude sensor

Claims (7)

減速時または加速時の車両の転倒を防止する車両の転倒防止装置であって、
前記車両の進行方向の加速度を検出する加速度検出手段と、前記車両のピッチ角を調整するピッチ角調整手段と、前記車両のピッチ角が、前記加速度の方向に前記車両が傾倒する向きで、かつ、前記加速度による前記車両の転倒を回避するために必要な大きさとなるように、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする車両の転倒防止装置。 A vehicle overturn prevention device that prevents the vehicle from overturning during deceleration or acceleration,
Acceleration detecting means for detecting acceleration in the traveling direction of the vehicle; pitch angle adjusting means for adjusting the pitch angle of the vehicle; and the pitch angle of the vehicle is such that the vehicle tilts in the direction of the acceleration, and And a control means for controlling the pitch angle adjusting means based on a detection result of the acceleration detecting means so as to have a size necessary for avoiding the vehicle from falling due to the acceleration. Fall prevention device. 基体と、前記基体に対して少なくともピッチ軸回りの自由度を有して連結された脚部と、前記脚部に回転可能に設けられた車輪と、前記ピッチ軸回りの自由度の範囲で前記脚部を駆動するための動力を付与するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御手段とを備え、前記脚部の駆動および前記車輪の回転により移動する脚車輪型ロボットであって、
当該脚車輪型ロボットの進行方向の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
前記制御手段は、当該脚車輪型ロボットのピッチ角が、前記加速度の方向に当該脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるように、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。 A base, a leg connected to the base with at least a degree of freedom around the pitch axis, a wheel rotatably provided on the leg, and a range of degrees of freedom around the pitch axis A leg-wheel type robot that includes an actuator for applying power for driving the leg and a control means for controlling the actuator, and moves by driving the leg and rotating the wheel;
Acceleration detecting means for detecting acceleration in the direction of travel of the leg-wheel type robot,
The control means is necessary for the pitch angle of the leg-wheel robot to be in the direction in which the leg-wheel robot tilts in the direction of the acceleration, and to prevent the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. A leg-wheel robot, wherein the actuator is controlled based on a detection result of the acceleration detection means so as to have a size. 請求項２において、
複数の前記脚部と、前記各脚部に回転可能に設けられた複数の前記車輪とを備え、
前記制御手段は、当該脚車輪型ロボットのピッチ角が、前記加速度の方向に当該脚車輪型ロボットが傾倒する向きで、かつ、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な大きさとなるように前記アクチュエータを制御するピッチ角制御、または、当該脚車輪型ロボットの重心が、前記加速度による当該脚車輪型ロボットの転倒を回避するために必要な高さとなるように前記アクチュエータを制御する高さ制御を前記加速度検出手段の検出結果に基づいて行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。 In claim 2,
A plurality of the leg portions, and a plurality of the wheels provided rotatably on each leg portion,
The control means is necessary for the pitch angle of the leg-wheel robot to be in the direction in which the leg-wheel robot tilts in the direction of the acceleration, and to prevent the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. Pitch angle control for controlling the actuator to be the size, or the actuator so that the center of gravity of the leg-wheel robot is at a height necessary to avoid the leg-wheel robot from falling due to the acceleration. A leg-wheel robot characterized in that height control is performed based on a detection result of the acceleration detection means. 請求項３において、
前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御により転倒を回避できるが前記高さ制御では転倒を回避できないと判定したときは、前記ピッチ角制御のみを行い、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記高さ制御により転倒を回避できるが前記ピッチ角制御では転倒を回避できないと判定したときは、前記高さ制御のみを行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。 In claim 3,
When it is determined that the control means can avoid a fall by the pitch angle control based on the detection result of the acceleration detection means, but the height control cannot avoid the fall, the control means performs only the pitch angle control and performs the acceleration. A leg-wheel type robot that performs only the height control when it is determined that the fall can be avoided by the height control based on the detection result of the detection means, but the pitch angle control cannot avoid the fall. 請求項３および４のいずれか１項において、
前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御または前記高さ制御のいずれによっても転倒を回避できると判定したときは、前記ピッチ角制御および前記高さ制御に必要なコストをそれぞれ算出し、前記ピッチ角制御および前記高さ制御のうち前記コストの低い方を行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。 In any one of Claims 3 and 4,
When the control means determines that a fall can be avoided by either the pitch angle control or the height control based on the detection result of the acceleration detection means, the control means is necessary for the pitch angle control and the height control. A leg-and-wheel type robot characterized in that costs are respectively calculated and the lower one of the pitch angle control and the height control is performed. 請求項３ないし５のいずれか１項において、
前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御および前記高さ制御の両方により転倒を回避できると判定したときは、前記ピッチ角制御および前記高さ制御を行うことを特徴とする脚車輪型ロボット。 In any one of Claims 3 thru | or 5,
The control means performs the pitch angle control and the height control when it is determined that the fall can be avoided by both the pitch angle control and the height control based on the detection result of the acceleration detection means. Characteristic leg-wheel robot. 請求項３ないし６のいずれか１項において、
前記車輪を駆動するための動力を付与する第２アクチュエータを備え、
前記制御手段は、前記加速度検出手段の検出結果に基づいて前記ピッチ角制御および前記高さ制御の両方によっても転倒を回避できないと判定したときは、前記加速度が減少するように前記第２アクチュエータを制御することを特徴とする脚車輪型ロボット。 In any one of Claims 3 thru | or 6,
A second actuator for applying power for driving the wheel;
When the control means determines that the fall cannot be avoided by both the pitch angle control and the height control based on the detection result of the acceleration detection means, the control means moves the second actuator so that the acceleration decreases. A leg-wheel type robot characterized by control.
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