JP2009241169A - 倒立振子型走行装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供する。
【解決手段】倒立振子走行装置であるロボット本体10は、振子部20と、固定手段21と、台車部30と、駆動輪40、41と、駆動回転軸42と、補助輪50、51と、を備える。ロボット本体10を停止させるときは、倒立振子制御をおこなわずに、固定手段21で台車部30に振子部20を固定する。台車部30に備えられた補助輪50、51により、ロボット本体10を駆動輪40、41、補助輪50、51の支点で支えることができ、安定して、転倒を防止することができる。
【選択図】図1
【解決手段】倒立振子走行装置であるロボット本体10は、振子部20と、固定手段21と、台車部30と、駆動輪40、41と、駆動回転軸42と、補助輪50、51と、を備える。ロボット本体10を停止させるときは、倒立振子制御をおこなわずに、固定手段21で台車部30に振子部20を固定する。台車部30に備えられた補助輪50、51により、ロボット本体10を駆動輪40、41、補助輪50、51の支点で支えることができ、安定して、転倒を防止することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、倒立振子型走行装置に関する。
近年、ヒューマノイド型を含む移動ロボットの開発が盛んになってきており、倒立振子の原理を利用して、軸線を共有するように並置した複数の車輪で安定的に直立・走行する技術が開発されている。
特許文献1には、台車機構と人体形状部とを有し、台車機構は駆動輪と、直動シリンダで伸縮または出没可能な補助輪とを設ける倒立振子ロボットが記載されている。台車移動モードと倒立振子移動モードとを動的に切り換えることができ、駆動輪と補助輪が地面に接触しているときには台車移動モードで移動し、駆動輪だけを地面に接触させるようにすれば同軸2輪倒立振子移動モードで移動する。
特許文献2には、同軸2輪倒立振子型の移動機構を有するもので、力が加わったとき、その力に抗うかどうかに応じて車輪モータを制御するときの制御ゲインを変化させるようにしたことを特徴とするコミュニケーションロボットが記載されている。外乱であると判断したとき高い制御ゲインを設定し、外乱の力が所定以上では抗う動きを倒立振子制御で行う。
特許文献3には、歩行ロボットにおいて、脚部に回動可能な関節部と関節軸を備えるもので、関節部の回動を規制する規制手段にロックピンを用いたものが記載されている。特許文献4には、所定の安定した姿勢となってからサーボオフすれば、倒立振り子型台車ロボットはその後ひとりでに転倒するといったおそれはないことが記載されている。
特許文献5には、台車の上に人型上半身機構を載置したコミュニケーションロボットが記載されている。コンピュータないしCPUは、同軸2輪倒立振子モデルとして車輪および腰関節を制御し、転倒の可能性を排除できる。
特許文献6には、複数の車軸と該車軸に、回転制御可能な車輪を有する移動ロボットであって、前記複数の車軸は、ロボットの停止時には異なる軸線上に移動し、ロボットの移動時には同一軸線上に並び、倒立振子モードの制御を行うことができるロボットが記載されている。
特開2005−288587号公報
特開2005−288602号公報
特開2006−082205号公報
特開2006−326738号公報
特開2007−280408号公報
特開2007−301654号公報
倒立振子ロボットは、安定した倒立状態を保つには車輪の回転を常に制御して動的にバランスをとる必要がある。1カ所に停止した状態でも、転倒防止のため、常に車輪の回転を制御する。特許文献2の同軸2輪倒立振子型の移動機構を有するロボットや、特許文献5の同軸2輪倒立振子モデルでは、制御時において転倒の可能性を排除し、転倒を防止することが記載されているが、停止時における制御状態を解除した場合については記載されていない。また、特許文献1や特許文献6にあるように、制御しない場合において、転倒を防止するために、補助輪でバランスを取る方法があるが、駆動輪(あるいは補助輪)を出没させるための機構や車軸を移動するための機構などの大掛かりな動力機構の追加が必要であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供することを目的とする。
本発明の観点に係る倒立振子型走行装置は、
倒立振子の移動支点を移動せしめる駆動輪と、
その回転軸が前記駆動輪の回転中心線およびその延長に重ならない補助輪と、
前記駆動輪と前記補助輪をそれぞれの回転軸のまわりに回転可能に支持する台車と、
前記駆動輪の回転軸に平行な連結軸で前記台車に回動可能に支持される本体と、
前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうる固定手段と、
を備え、前記駆動輪の倒立振子の制御を解除した場合に、前記固定手段によって前記台車と前記本体とを連結固定することを特徴とする。
倒立振子の移動支点を移動せしめる駆動輪と、
その回転軸が前記駆動輪の回転中心線およびその延長に重ならない補助輪と、
前記駆動輪と前記補助輪をそれぞれの回転軸のまわりに回転可能に支持する台車と、
前記駆動輪の回転軸に平行な連結軸で前記台車に回動可能に支持される本体と、
前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうる固定手段と、
を備え、前記駆動輪の倒立振子の制御を解除した場合に、前記固定手段によって前記台車と前記本体とを連結固定することを特徴とする。
本発明によれば、倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる倒立振子型走行装置を提供することができる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。図1は、本発明の実施の形態に係る倒立振子走行装置の一例を示す構成図である。図2(a)は、図1の倒立振子走行装置の断面を示す概念図である。
倒立振子走行装置であるロボット本体10は、振子部20と、固定手段21と、台車部30と、駆動輪40、41と、駆動回転軸42と、補助輪50、51と、制御部60と、を備える。ロボット本体10の移動支点である駆動輪40、41は、駆動回転軸42に支持される。連結軸22は、駆動回転軸42と平行に設けられ、振子部20と台車部30とを連結する。振子部20は、連結軸22を中心に回動可能に支持され、ロボット本体10が移動する前後方向に振り子運動が可能である。
制御部60は、ロボット本体10の駆動を制御し、倒立振子制御の実行・解除などを行う。制御部60で駆動回転軸42を制御することで、台車部30を駆動させ、ロボット本体10を移動させる。補助輪50、51は、駆動回転軸42と同軸上ではない位置、かつ、その延長上ではない位置に配置される。駆動輪40、41が移動支点として地面と接する際に、補助輪50、51も地面に接する高さで台車に設けられる。
ロボット本体10を停止させるときは、固定手段21で振子部20を台車部30に固定し、倒立振子制御は行わない。駆動輪40、41の支点のみで支持された場合は、静的に不安定な状態であり、振子部20の重心の位置のずれや外乱の力により静止状態を維持できずに転倒する。これに対し、駆動輪40、41および補助輪50、51の支点によって支えられたロボット本体10は、台車部30が安定して固定する。その台車部30に振子部20が固定されるので、倒立振子制御を行わなくても転倒しない状態を維持でき、転倒を防止することができる。このとき、振子部20の傾きは、振子部20の重心の位置が、駆動回転軸42のほぼ鉛直上方になる状態で固定することで、より安定して静止することが可能となる。詳細については後述するように、固定手段21によって振子部20と台車部30との相対的回転を規制して、振子部20を台車部30に固定して連結することができる。
ロボット本体10を走行させるときは、固定手段21で振子部20を台車部30に固定せず、振子部20を自由に回動できる状態にし、倒立振子制御を行う。補助輪50、51は、ロボット本体10が駆動する方向に合わせて、その移動する向きを変えられる。走行時に補助輪50、51は地面に接地しているが、その抵抗は充分に小さいので、ロボット本体10は倒立振子走行することができる。
図3は、実施の形態に係る倒立振子走行装置の連結軸と固定手段の構成例を示す概念図であり、図2(a)の点線囲み部分Kの部分拡大図を示す。図3(a)は振子部20に、図3(b)は台車部30に、固定手段であるブレーキ機構を設けた場合である。図3(c)は、固定手段にロックピンによって固定する機構を用いた場合を示す図である。図3(d)は、振子部20から台車部30に直接ブレーキで固定する形態を示す図である。
図3(a)の例では、固定手段21aはブレーキ機構であり、ブレーキディスク23と、キャリパー24を備える。キャリパー24はブレーキディスク23に対向する部分にパッド(図示せず)を備える。台車部30に連結軸22を固定して設け、連結軸22にブレーキディスク23を固持する。振子部20にキャリパー24を設け、固定手段21aはキャリパー24を制御し、キャリパー24でブレーキディスク23を挟持して、振子部20と台車部30とを固定する。
図3(b)は、台車部30に固定手段21aを設ける。固定手段21aは、原理的に図3(a)のブレーキ機構と同じである。振子部20と連結軸22を固定し、連結軸22にブレーキディスク23を固持する。台車部30に固定されたキャリパー24でブレーキディスク23を挟持して、振子部20と台車部30とを固定する。
図3(a)および図3(b)の例では、ロボット本体10を停止しているときは、キャリパー24を閉じ、ブレーキディスク23を挟持し、振子部20と台車部30の固定をする。振子部20は、倒立しない傾きで固定され、安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体10を駆動しているときは、キャリパー24を開き、振子部20と台車部30の固定を解除し、振子が自由に行われる。
ここでは、ブレーキ機構の例として、ディスク式を用いたブレーキ機構を挙げたが、ドラム式、テンションベルト式などであっても構わない。
図3(c)の固定手段21bはロックピンによって固定する機構である。固定手段21bは、振子部20に、ピン凸部27と、ピン伸縮部28と、を備える。台車部30にロック用連結軸25が固持される。ロック用連結軸25は、ロボット本体10の安定して倒立が保たれる所定の傾きに合わせて、ピン凸部27と嵌合するように凹部26を形成しておく。ロボット本体10を停止しているときは、ピン伸縮部28を伸ばす向きに固定手段21bは制御され、ピン凸部27と凹部26が嵌合し固定され、振子部20は安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体10を駆動しているときは、ピン伸縮部28を縮める向きに固定手段21bは制御され、ピン凸部27と凹部26がかみ合わずに、振子部20はロック用連結軸25を中心に回動し、振子が自由に行われる。凹部26は1ケ所に限らず、ロック用連結軸25に複数の凹部26を設けることで、複数の傾きで振子部20の固定ができるようになる。
図3(d)の固定手段21cは、振子部20にあって、ブレーキディスク23とバネ部29とを備える。振子部20と台車部30とは連結軸22で支持され、振子部20は連結軸22のまわりを自由に回動可能である。バネ部29が伸びることで、振子部20に備えられたブレーキディスク23が台車部30に押しつけられ、台車部30に対して振子部20が固定される。ロボット本体10を停止しているときは、バネ部29を伸ばす向きに固定手段21cは制御され、台車部30に対して振子部20は固定し、安定して倒立状態が保たれる。ロボット本体10を駆動しているときは、バネ部29を縮める向きに固定手段21cは制御され、ブレーキディスク23と台車部30は接することなく固定は解除され、振子部20は連結軸22のまわりを回動し、振子が自由に行われる。
図4に示すように、ロボット本体10が、水平面になく、斜面上にある場合であっても、安定して停止することが可能である。ロボット本体10を停止させるとき、駆動輪40、41を固定し、駆動輪40、41、補助輪50、51の4つの支点で接地することで台車部30は斜面に固定される。振子部20は、倒立振子制御を解除するときに、地平面に対してほぼ垂直となる位置の、安定した倒立状態を維持できる傾きで、固定手段21により固定され静止する。ロボット本体10を走行させるときは倒立振子制御により転倒を防止できるので、ロボット本体10が駆動および停止のどちらの状態においても、台車部30と振子部20とは安定し、ロボット本体10の転倒を防止することができる。
図2(b)は、倒立振子走行装置の断面図で、図2(a)の変形例を示す。基本的な構造は同じであるが、連結軸22と駆動回転軸42とが、同軸で一体となった場合で、共有軸43と称する。共有軸43は、振子部20と台車部30とを連結する機能と、その両端に駆動輪40、41を備え、駆動輪40、41と台車部20とを支持する機能と、を有する。主制御手段から固定手段21を介して共有軸43を固定することで、振子部20および駆動輪40、41は、台車部30に支持、固定される。ロボット本体10は、駆動時だけでなく、停止時においても、安定した倒立状態を維持し、転倒を防止することができる。
理解を容易にするために、図1では補助輪50、51と駆動回転軸42の間を大きく空けて描いているが、倒立振子型走行装置としての動きを妨げないように、補助輪50、51は駆動回転軸42に近く設置するほうがよい。ところが、補助輪50、51と駆動回転軸42が近くなるほど、停止した状態で台車部30と振子部20を固定したときに、外乱で転倒しやすくなる。そこで、転倒を防止し、より安定して停止させるために、ロボット本体10に振子部20の傾きを検出する手段を備えることが望ましい。
図5に示すように、ロボット本体11は、図1に示した実施の形態に係る倒立振子走行装置と基本的な構造は同じであるが、制御部60に、倒立振子制御の実行・解除や、振子部20と台車部30との固定・解除を指示する主制御手段61と、振子部20の傾きを検出する傾斜検出手段62と、を備える。傾斜検出手段62は振子部20の傾きを検出し、検出結果から重心の位置を求める。制御部60は、傾斜検出手段62と連結した主制御手段61により、振子部20の重心の位置が駆動回転軸42のほぼ鉛直上方になる状態を維持するよう制御することで、よりロボット本体11を安定させることができる。例えば傾斜検出手段62はジャイロセンサなどを備える。
図6のフローチャートを用いて、実施の形態に係る倒立振子走行装置の、停止維持制御の動作について説明する。倒立振子走行装置は、図5のロボット本体11を参照する。
ロボット本体11の倒立振子制御を停止した状態、すなわち停止維持制御の状態は、倒立振子制御を行うことなく安定し、定常的にエネルギーを消費することがないことが望ましい。倒立振子制御で安定して倒立していたロボット本体11を停止し、固定手段21で振子部20を台車部30に固定した状態であるとする。停止状態の維持を解除する場合は(ステップS1;YES)、停止維持制御を終了し再び倒立振子制御を行う。
停止維持の状態を解除せずそのまま停止維持を続ける場合は(ステップS1;NO)、傾斜検出手段62において、振子部20の傾きを検出する(ステップS2)。予めロボット本体11が転倒するときの振子部20の傾斜の角度を測定しておき、その測定値をもとに、ロボット本体11が転倒しない範囲の閾値を設定しておく。ステップ2で検出した傾きが閾値の範囲内であれば(ステップS3;YES)、そのまま停止状態が維持される(ステップS1〜ステップS2)。傾きが閾値の範囲にない場合は(ステップS3;NO)、制御部60は、固定手段21による振子部20の固定を解除する(ステップS4)。そして、倒立振子制御を行って振子部20を安定に停止させる(ステップS5)。
ここで再度、傾斜検出手段62により、振子部20の傾きを検出する(ステップS6)。ロボット本体11が安定して倒立する位置で停止された場合(ステップS7;YES)は、制御部60は固定手段21によって振子部20を固定し(ステップS8)、ステップS1にもどって停止維持制御を繰り返す。ステップS7において、振子部20が安定して倒立する位置に停止しない場合は(ステップS7;NO)、停止する状態になるまでステップ5ないしステップ7を繰り返す。
上述の停止維持制御は、ロボット本体11の駆動をせずに停止した場合に実行され、安定した倒立状態を維持し、転倒を防止する。ロボット本体11が駆動している状態から停止している状態への切り替え時のほか、停止状態において、ロボット本体11に外乱の力が加えられた場合にも、図6に示すような停止維持制御を行うことにより、ロボット本体11の転倒を防止することができる。
図7は、実施の形態に係る倒立振子走行装置の駆動輪および補助輪の配置および動作状態を示すブロック図である。倒立振子走行装置は、図1および図2のロボット本体10を参照する。図中の一点鎖線は、台車部30の支点となる点を結んだものである。黒太矢印は駆動輪40、41の駆動方向、破線の黒太矢印は駆動輪40、41の駆動に連動する補助輪50、51の移動方向、白抜矢印は台車部30の移動方向を示す。例えば、補助輪50、51は、その一部を支持されたキャスターであって、駆動輪40、41によって駆動する台車部30の駆動方向に合わせて、補助輪50、51の向きが自由に変えられるタイプを用いる。
倒立振子走行装置は、駆動支点が一直線上にあり、駆動輪40、41の回転方向や回転速度を変えることで、前後方向だけでなく、色々な方向へ駆動させることができる。ロボット本体10に、図7(a)のように、駆動輪40と駆動輪41に反対向きの力を加える。図7(b)のように、補助輪50、51は、台車部30の駆動する向きに合わせて向きが変えられる。補助輪50、51は、ロボット本体10を停止させるときは支点として働き、安定して倒立した状態を維持するのを補助するが、ロボット本体10を倒立振子制御で走行させるときは、限りなく抵抗を小さくし、その倒立振子走行を妨げない。
図8は、図7の変形例で、駆動輪40、41および補助輪50、51を任意に配置した例を示す。図8(a)は、補助輪50、51が、駆動回転輪42で分けた台車部30の片側に配置される場合を示す。図8(b)は、補助輪50が1つである場合を示す。図8(c)では、駆動輪40がある一定以上の幅を有し、その幅には支点となる点が連続して存在する。図8(d)は、駆動輪40が1つであり、補助輪50、51が2つ配置される場合を示す。図8の構成においても、補助輪50、51の向きが自由に変えられることが望ましい。
ロボット本体10を停止させるときに、駆動輪40、41の駆動回転軸42と同軸上もしくは延長線上にない補助輪50、51が支点となる。駆動輪40、41のみの場合とは異なり、所定以下の外乱の力がロボット本体10に働いた場合であっても、転倒を防止することが可能となる。
図8に挙げた以外にも、駆動輪40、41、補助輪50、51は任意に配置可能である。少なくとも支点となる点が3点以上あり、その3点は一直線上に並ばなければよい。駆動輪もしくは補助輪のいずれかがある一定以上の幅を持ち、支点となる点が連続していてもよい。なお、補助輪50、51は、転がり摩擦を利用して移動するものであればよく、車軸を要するタイプや、キャスターなどを用いることができる。
以上、説明したように、本発明によれば、倒立振子型走行装置は倒立振子制御を停止したときにも簡易に転倒を防止できる。
その他、前記の倒立振子型走行装置の形状、振子部と台車部との固定手段およびその位置、駆動輪と補助輪の配置などは一例であり、任意に変更及び修正が可能である。
その他、本発明の好適な変形として、以下の構成が含まれる。
本発明の第1の観点に係る倒立振子型走行装置について、好ましくは、前記固定手段は、前記連結軸を中心とする前記台車と前記本体との相対角度が異なる2以上の角度で、前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうるように構成してもよい。
または、あるいはさらに、前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は、一方の軸の中心線と他方の軸の中心線の延長が重なるように構成してもよい。
または、あるいはさらに、前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は連続して一体となるように構成してもよい。
前記本体の傾きを検出する傾斜検出手段を備え、
前記台車と前記本体とを連結固定した状態で、前記駆動輪と前記補助輪とで前記本体の姿勢を維持できる範囲を超える傾きを検出した場合に、前記固定手段に前記台車と前記本体との連結固定を解除させるとともに、前記駆動輪を倒立振子の移動支点とする制御となるように構成してもよい。
前記台車と前記本体とを連結固定した状態で、前記駆動輪と前記補助輪とで前記本体の姿勢を維持できる範囲を超える傾きを検出した場合に、前記固定手段に前記台車と前記本体との連結固定を解除させるとともに、前記駆動輪を倒立振子の移動支点とする制御となるように構成してもよい。
または、あるいはさらに、前記補助輪は2以上であり、そのうち少なくともいずれか2つは異なる位置に回転軸を有するように構成してもよい。
または、あるいはさらに、少なくとも1つの前記補助輪の回転軸は、前記駆動輪の回転軸の中心と同一平面上にない軸のまわりに、回動可能に前記台車に支持されるように構成してもよい。
10、11 ロボット本体
20 振子部
21 固定手段
22 連結軸
30 台車部
40、41 駆動輪
42 駆動回転軸
50、51 補助輪
60 制御部
62 傾斜検出手段
20 振子部
21 固定手段
22 連結軸
30 台車部
40、41 駆動輪
42 駆動回転軸
50、51 補助輪
60 制御部
62 傾斜検出手段
Claims (7)
- 倒立振子の移動支点を移動せしめる駆動輪と、
その回転軸が前記駆動輪の回転中心線およびその延長に重ならない補助輪と、
前記駆動輪と前記補助輪をそれぞれの回転軸のまわりに回転可能に支持する台車と、
前記駆動輪の回転軸に平行な連結軸で前記台車に回動可能に支持される本体と、
前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうる固定手段と、
を備え、前記駆動輪の倒立振子の制御を解除した場合に、前記固定手段によって前記台車と前記本体とを連結固定することを特徴とする倒立振子型走行装置。 - 前記固定手段は、前記連結軸を中心とする前記台車と前記本体との相対角度が異なる2以上の角度で、前記台車と前記本体との前記連結軸を中心とする相対的回転を規制して、前記台車と前記本体とを連結固定しうることを特徴とする請求項1に記載の倒立振子型走行装置。
- 前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は、一方の軸の中心線と他方の軸の中心線の延長が重なることを特徴とする請求項1または2に記載の倒立振子型走行装置。
- 前記駆動輪の回転軸と前記連結軸は連続して一体であることを特徴とする請求項3に記載の倒立振子型走行装置。
- 前記本体の傾きを検出する傾斜検出手段を備え、
前記台車と前記本体とを連結固定した状態で、前記駆動輪と前記補助輪とで前記本体の姿勢を維持できる範囲を超える傾きを検出した場合に、前記固定手段に前記台車と前記本体との連結固定を解除させるとともに、前記駆動輪を倒立振子の移動支点とする制御に移行する
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の倒立振子型走行装置。 - 前記補助輪は2以上であり、そのうち少なくともいずれか2つは異なる位置に回転軸を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の倒立振子型走行装置。
- 少なくとも1つの前記補助輪の回転軸は、前記駆動輪の回転軸の中心と同一平面上にない軸のまわりに、回動可能に前記台車に支持されることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の倒立振子型走行装置。
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JP (1) | JP2009241169A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
- 2008-03-28 JP JP2008087683A patent/JP2009241169A/ja active Pending
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