JP2010076630A - Mobile truck - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は移動台車に関する。 The present invention relates to a mobile carriage.
家庭環境など一般環境では、ロボット用に通路が幅広にされているとは限らない。通路幅がロボットの横幅よりも広くされていても、ある場所だけ通路幅が狭くなっていることや、物体が通路に置かれているため一箇所だけ通路幅が狭くなっていることがある。胴周りが極めて細いロボットでは、物体を掴む作業を行うときにバランスを崩すおそれがある。ロボットの足周りの面積は広くする必要があり、ロボットの前方に物体の存在を検知し制御系が駆動系に対し停止を指令した場合でも、転倒しないようロボットには安定性が求められる。 In a general environment such as a home environment, a passage for a robot is not always wide. Even if the passage width is wider than the lateral width of the robot, the passage width may be narrowed only at a certain place, or the passage width may be narrowed only at one place because an object is placed in the passage. In a robot with a very thin trunk, there is a risk of losing balance when performing an operation of grasping an object. The area around the leg of the robot needs to be wide, and even when the presence of an object is detected in front of the robot and the control system instructs the drive system to stop, the robot is required to be stable so as not to fall.
走破性を高めるため、車輪と胴体との間に駆動用のアームを設けた脚車輪型の移動台車が知られている。車両幅可変型全方向移動ロボットと呼ばれる脚車輪ロボットは、脚部をステアリング代わりに使用したものである（非特許文献１参照）。ローラーウォーカーと呼ばれる脚車輪ロボットは、車輪部に受動輪を備えた普及型４脚歩行機械を有し、この機械の脚部の運動でローラースケートのような動きを可能としている（非特許文献２参照）。 In order to improve the running performance, a leg wheel type moving carriage provided with a driving arm between the wheel and the body is known. A leg-wheel robot called a vehicle width variable type omnidirectional mobile robot uses a leg portion instead of steering (see Non-Patent Document 1). A leg-wheel robot called a roller walker has a popular four-legged walking machine having a passive wheel in a wheel part, and enables movement like a roller skate by movement of the leg part of the machine (Non-patent Document 2). reference).
また機敏性を高めるためには、ロボットに高加減速動作をさせる時や高速旋回をさせる時に姿勢制御が必要となる。ＥＭＩＥＷ（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ Ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ａｓ Ｗｏｒｋｍａｔｅ）と呼ばれるロボットは倒立移動型台車を有し、胴体腰部に自由度を設け、移動時のピッチ及びロール各姿勢を動的に変更可能としている。下半身の径を大きくし、低重心化されたロボットも提案されている（非特許文献３参照）。非特許文献３に記載のロボットでは、下肢部の最下部の外周が大きくされており、下肢部によって占められる床面の面積が大きいため、広いフットプリントエリアのサイズを確保でき、静的な姿勢安定性が高められるようにされている。フットプリントエリアとは、ロボットが床面を占める面積ないしはロボットの床面への投影面積を指す。
In order to increase agility, posture control is required when the robot is to be accelerated or decelerated or to turn at high speed. A robot called EMIEW (Excellent Mobility and Interactive Extensibility as Workmate) has an inverted moving carriage, and provides flexibility to the waist of the body, and can dynamically change the posture of the pitch and roll during movement. There has also been proposed a robot having a lower body diameter and a low center of gravity (see Non-Patent Document 3). In the robot described in Non-Patent
また実用を考慮した場合、ロボットには、実環境に合わせたサイズの上限が存在する。ＥＭＩＥＷ２と呼ばれるロボットは全体サイズを小型化することでロボットの狭所での通行を可能としている。 In consideration of practical use, there is an upper limit for the size of the robot in accordance with the actual environment. The robot called EMIEW2 allows the robot to pass in a narrow space by reducing the overall size.
フットプリントエリアのサイズはロボットの狭所走破性に影響を与える値であり、一般にフットプリントエリアのサイズと、作業性（可能となる作業）及び運動性（ロボットが素早く機敏に動作可能であるという特性）との間にはトレードオフが存在する。 The size of the footprint area is a value that affects the robot's ability to run in a narrow space. In general, the size of the footprint area, workability (possible work), and mobility (the robot can move quickly and quickly) There is a trade-off between these characteristics.
家庭用途のロボットに関しては、傾斜床でも姿勢維持を容易に行えるようにした移動ロボットが提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載の移動ロボットは、本体ユニットと、それぞれが床面に接触する接地部及び回転軸を有する３つの車輪ユニットとで構成し、床面への回転軸の投影線が互いに略等角度を成しすべての回転軸が同一平面に含まれないように車輪ユニットを備えている。また、全方向移動性を持つ移動機構に用いられる車輪に関しては、平面上を全方向に移動するロボットや自動搬送車、自動車といった全方向移動車に用いる全方向移動車用車輪が知られている（特許文献２参照）。
しかしながら、車両幅可変型全方向移動ロボットでは姿勢変形と移動とが独立して行われており、制御動作にタイムロスが生じる。車輪の移動もノンホロノミックな拘束条件下でおこなわれる。従って車両幅可変型全方向移動ロボットは作業性及び運動性が十分ではない。 However, in a vehicle width variable omnidirectional mobile robot, posture deformation and movement are performed independently, and a time loss occurs in the control operation. Wheel movement is also performed under nonholonomic restraint conditions. Therefore, the variable width vehicle type omnidirectional mobile robot does not have sufficient workability and mobility.
ローラーウォーカーではローラーウォーク時においてロボット自身の駆動原理に基づいたノンホロノミックな条件が存在する。そのためローラーウォーカーは車輪回転時には自由な方向への移動を行えない。ローラーウォーカーがホロノミックな自由移動を行うためには脚部を使用した一般的な４足歩行運動をとる必要があるが、このローラーウォーカー本体の移動速度は、車輪の移動速度に比べて極端に低下する。従ってローラーウォーカーも作業性及び運動性が十分ではない。 In roller walker, there is a nonholonomic condition based on the driving principle of the robot itself during the roller walk. Therefore, the roller walker cannot move in a free direction when the wheel rotates. In order for a roller walker to move freely in a holonomic manner, it is necessary to take a general four-legged walking motion using the legs, but the moving speed of this roller walker body is extremely lower than the moving speed of the wheels. To do. Accordingly, the workability and mobility of the roller walker are not sufficient.
ＥＭＩＥＷでは倒立台車の位置とピッチ姿勢とを同時に制御する必要がある。ロボット本体を任意の姿勢に移行させるためには制御手段が倒立台車を移動させるという予備動作をこの倒立台車に行わせなければならない。この制御上の制約が存在するため、ＥＭＩＥＷは自由な移動もしくは姿勢制御を行えない。またＥＭＩＥＷでは、関節部の高さが上方へ上がるほど、ロボット本体が扱える質量及び重心変化量が小さくなるため、腰関節の重心位置を上げる場合、姿勢制御を行うためには関節軸は大きな角度変化を必要とする。従ってＥＭＩＥＷも作業性及び運動性が十分ではない。 In EMIEW, it is necessary to simultaneously control the position and pitch posture of the inverted carriage. In order to shift the robot body to an arbitrary posture, it is necessary to cause the inverted carriage to perform a preliminary operation in which the control means moves the inverted carriage. Because of this control restriction, EMIEW cannot perform free movement or attitude control. In addition, in EMIEW, as the height of the joint portion increases, the mass and the amount of change in the center of gravity that the robot body can handle become smaller. Therefore, when raising the center of gravity position of the hip joint, the joint axis has a large angle for posture control. Need change. Therefore, EMIEW is not sufficient in workability and mobility.
ロボットが自分自身の姿勢を制御せずに、高加減速動作や高速旋回移動動作を安定して行うためには、フットプリントエリアサイズを十分広く取り、ＺＭＰ（ゼロ・モーメント・ポイント）がこのフットプリントエリア内に収まるように制御しなくてはならない。ＺＭＰとは接地点の抗力中心であり、抗力によるモーメントが０になる床面上の点である。ＺＭＰがフットプリントエリア内に収まるように制御する場合、ロボットの狭所での通行やすれ違い動作時に支障をきたす。狭所を通行するため横方向のサイズ（半径サイズ）が小さいロボットを作る場合、姿勢を安定化させる必要があるため、高さ方向にも小型化がすすみ、可能な作業が限定されてしまう。従ってＥＭＩＥＷ２もやはり作業性及び運動性が十分ではない。 In order for the robot to stably perform high acceleration / deceleration operations and high-speed turning movements without controlling its own posture, the footprint area size must be sufficiently wide and the ZMP (zero moment point) is It must be controlled to fit within the print area. ZMP is the center of drag at the contact point, and is the point on the floor where the moment due to drag is zero. When the ZMP is controlled so as to be within the footprint area, there is a problem when the robot is passing in a narrow space or passing each other. When making a robot with a small lateral size (radius size) to pass through a narrow space, it is necessary to stabilize the posture, so miniaturization is promoted in the height direction and possible operations are limited. Therefore, EMIEW2 is still not sufficient in workability and mobility.
上述した特許文献１に記載の移動ロボットは、脚車輪と床面との摩擦力によって発生する推進力を用いて駆動を行っているため、制御が現実上困難であるうえ、脚数が４脚以上である場合には床面との接地手法が考慮されておらず、また冗長自由度の扱いが不明である。
Since the mobile robot described in
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、各脚部の関節軸の駆動により台車本体の姿勢が任意の姿勢角になるよう保ちつつ、全方向移動用車輪を回転させ且つこの全方向移動用車輪の周囲に設けられた複数の小回転体を自由回転させることによりこの台車本体が床面上で任意の方向に移動することが可能な移動台車を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above-described problems, the present invention rotates the omnidirectional wheel while keeping the posture of the cart body at an arbitrary posture angle by driving the joint shaft of each leg, and for this omnidirectional movement. It is an object of the present invention to provide a movable carriage in which the carriage main body can move in an arbitrary direction on a floor surface by freely rotating a plurality of small rotators provided around wheels.
このような課題を解決するため、本発明の一態様によれば、台車本体と、この台車本体にこの台車本体を床面に対して任意の高さに保持するように一端が前記台車本体に関節軸を介して枢着された少なくとも３個の脚部と、これらの脚部の他端に設けられ、車輪部およびこの車輪部周囲に回転可能に設けられた複数の小回転体からなる少なくとも３個の全方向移動用車輪と、前記台車本体および前記脚部の一端間に設けられた前記関節軸を回動駆動して前記脚部の枢着角度を変化させる複数の回転駆動手段と、を備え、前記関節軸周りの回転ベクトル、および前記複数の小回転体のうち、前記床面に接地している小回転体の回転ベクトルとがほぼ平行に配置されていることを特徴とする移動台車が提供される。 In order to solve such a problem, according to one aspect of the present invention, one end of the carriage body and the carriage body so that the carriage body is held at an arbitrary height with respect to the floor surface. At least three leg parts pivotally attached via a joint shaft, and provided at the other end of these leg parts, at least comprising a wheel part and a plurality of small rotating bodies rotatably provided around the wheel part A plurality of omnidirectional wheels, and a plurality of rotation driving means for rotating the joint shaft provided between one end of the carriage main body and the leg portion to change the pivot angle of the leg portion; And a rotation vector around the joint axis and a rotation vector of the small rotator that is grounded to the floor among the plurality of small rotators are arranged substantially in parallel. A dolly is provided.
また、本発明の別の一態様によれば、台車本体と、この台車本体にこの台車本体を床面に対して任意の高さに保持するように一端が前記台車本体に関節軸を介して枢着された少なくとも３個の脚部と、これらの脚部の他端に設けられ、車輪部およびこの車輪部周囲に回転可能に設けられた複数の小回転体からなる少なくとも３個の全方向移動用車輪と、前記台車本体および各脚部の一端間に設けられ、これらの脚部を、前記床面に平行な面内で直動駆動する複数の直動機構と、を備え、これらの直動機構による駆動時に、これらの脚部が伸縮する方向、および前記複数の小回転体のうち、前記床面に接地している小回転体の回転ベクトルの方向とがほぼ直交することを特徴とする移動台車が提供される。 Further, according to another aspect of the present invention, the carriage main body and one end of the carriage main body via the joint shaft so as to hold the carriage main body at an arbitrary height with respect to the floor surface. At least three omnidirectionally composed of at least three leg portions pivoted and a wheel portion and a plurality of small rotating bodies rotatably provided around the wheel portion. A moving wheel; and a plurality of linear motion mechanisms provided between one end of the carriage main body and each leg portion, and linearly driving these leg portions in a plane parallel to the floor surface. When driven by a linear motion mechanism, the direction in which these leg portions expand and contract and the direction of the rotation vector of the small rotator that is grounded to the floor among the plurality of small rotators are substantially orthogonal to each other. A mobile trolley is provided.
本発明によれば、全方向移動用車輪の周囲に設けられた各小回転体が自由回転した状態でこの全方向移動用車輪が床面上で回転できるため、台車本体の姿勢が任意の姿勢角になるよう保たれつつ、この台車本体が床面上で任意の方向に移動することができるようになる。 According to the present invention, since the omnidirectional moving wheels can rotate on the floor surface in a state in which the small rotators provided around the omnidirectional moving wheels are freely rotated, the position of the carriage main body can be arbitrarily set. This cart body can be moved in any direction on the floor surface while being kept in a corner.
以下、本発明の実施の形態に係る移動台車について、図１乃至図１２を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。 Hereinafter, a mobile carriage according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 12. In the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
（第１の実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る移動台車の平面図である。図１（ｂ）は同図Ａ方向から見たこの移動台車の正面図である。移動台車１は４本の脚を有する。移動台車１は、台車ベースである台車本体２と、それぞれ各一端部がこの台車本体２に回転可能に軸着された４本の脚部３と、それぞれが各脚部３の各他端部に回転自在に連結された４個のオムニホイール４と、それぞれが各脚部３をこれらの脚部３の軸線を含み床面と直交する面上で回動駆動する４個の脚軸アクチュエータ５（回転駆動手段）と、各脚部３に取付けられ、各オムニホイール４を回転駆動する車軸アクチュエータ６とを備えている。台車本体２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭからなるコントローラ１１を有する。この台車本体２は、各オムニホイール４の車軸に設けられた回転角度センサ１２ａと、台車本体２の並進移動量を検出するための位置センサ１２ｂと、台車本体２の姿勢角を検出するための姿勢センサ１２ｃと、各脚部先端に設けられ脚部先端及び障害物間の距離を検出するための距離センサ１２ｄとを有し、このコントローラ１１及びこれらのセンサ類によって制御システムが構成されている。
(First embodiment)
Fig.1 (a) is a top view of the mobile trolley | bogie which concerns on the 1st Embodiment of this invention. FIG.1 (b) is a front view of this moving trolley | bogie seen from the same figure A direction. The
各脚軸アクチュエータ５には電動モータが用いられている。これらの脚軸アクチュエータ５は、台車本体２と各脚部３との接合部に設けられており、台車本体２、各脚部３及び各脚軸アクチュエータ５によって４箇所の脚関節７が構成されている。各脚軸アクチュエータ５がコントローラ１１から変位指令を受けることにより、これらの脚関節７は各関節軸周りに稼動される。各脚部３の一端は台車本体２に枢支されているため、これらの脚部３は、各脚部３の脚軸を含む一垂直面内で床面を垂直に切るようにして動かされる。図１（ａ）の斜行する４本の点線は各垂直面を表す。
An electric motor is used for each
脚関節７の動きに伴い、台車移動方向から見て前方に位置する２本の脚部３の先端（接地端）と、台車移動方向に向かって後方に位置する２本の脚部３の先端とはいずれも内方から外方へと拡げられ、あるいは外方から内方へと狭められるようにされている。
Along with the movement of the
車軸アクチュエータ６には電動モータが用いられる。この車軸アクチュエータ６は、図示しない駆動力伝達部材を介してオムニホイール４に対して車軸回りの回転力を与えることが可能にされている。
An electric motor is used for the
また、各脚関節７の関節軸及び各オムニホイール４の車輪回転軸９に取付けられた回転角度センサ１２ａは、ポテンショメータやロータリーエンコーダである。これらの回転角度センサ１２ａによって各関節軸周りの回転角度量や車軸周りの回転角度量が計測される。各回転角度センサ１２ａからの回転角度量がコントローラ１１へ出力されることにより、コントローラ１１は、脚関節７の実関節変位を検知可能にされている。このコントローラ１１は、目標脚関節変位に実関節変位が追従するよう、４つの脚関節７のそれぞれについて、脚軸アクチュエータ５へ変位指令を出力するようにしている。
The
脚関節７を含む各脚部３の先端にはオムニホイール４が取付けられている。オムニホイール４は床面上で回転しながらこの床面でスライド可能な全方向移動用車輪である。図２はオムニホイール４単体の分解斜視図である。１個のオムニホイール４は、車輪部８と、それぞれがこの車輪部８の周囲に車輪部８の車輪回転軸９と直交する方向に軸支された複数のフリーローラ１０（小回転体）とを備えている。これらのフリーローラ１０は、車輪回転軸９の軸方向と直交する面内で自由回転可能になっている。
An
図３はオムニホイール４と脚軸アクチュエータ５との配置関係を示す図である。同図には、４脚の脚部３のうちの１脚分の脚部３、オムニホイール４及び脚軸アクチュエータ５を上方から見た配置関係が示されている。同図に示す符号のうち上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素を表す。オムニホイール４は、複数のフリーローラ１０のうちの接地点でのフリーローラ１０の自由回転による自由回転軸ベクトルＶ（回転ベクトル）と、脚関節７の関節軸の回転による脚関節軸回転ベクトルＷ（関節軸周りの回転ベクトル）とが平行になるように脚部先端に配置されている。脚軸アクチュエータ５が生成する回転駆動力の成分のうち、脚部３の基部からこの脚部３の脚軸方向に沿ってオムニホイール４へと向かう方向に作用する力の成分が接地点でのフリーローラ１０に伝わらないようになっている。４脚の脚部３のうちの残りの３脚分のオムニホイール４及び脚軸アクチュエータ５の配置関係も、図３の例と同じである。
FIG. 3 is a diagram showing the positional relationship between the
本実施形態に係る移動台車１では、床面に接地しているフリーローラ１０の回転軸と車輪部８の回転軸とが平行に配置されることにより、脚部３の回動運動に対して、オムニホイール４の移動とこのオムニホイール４の床面上でのスライド動作とが互いに干渉しない。移動に使用するオムニホイール４の回転力と、脚部３の回動運動時におけるオムニホイール４のスライド動作とが互いに干渉せず、これらのオムニホイール４の回転と、脚軸アクチュエータ５の回転とを同時にそれぞれ独立して制御できるようにされている。オムニホイール４が全方向に移動可能な状態で移動台車１は姿勢制御を受けられるようになっている。従って、台車本体２の姿勢が任意の姿勢角になるよう保たれつつ、この台車本体２が床面上で任意の方向に移動可能にされている。
In the
厳密には、フリーローラ１０の自由回転軸ベクトルＶは、床面と、脚部３の軸線を含む一つの垂直面との双方に直交する面（以下、直交平面という）内に含まれるようにする必要がある。自由回転軸ベクトルＶが、この直交平面の法線方向の成分を含まないようにこれらの２つのベクトルＶ、Ｗが配置されていればよい。
Strictly speaking, the free rotation axis vector V of the
仮にこの自由回転軸ベクトルＶが直交平面の法線方向成分を含むような配置関係の下では、コントローラ１１は特異状態を検知する。特異状態では、脚軸アクチュエータ５が出している駆動力が、オムニホイール４の車輪部８の車輪回転軸９に作用してしまう。オムニホイール４が用いられていない従来例による配置構造の移動台車では、４本の車輪が設けられている場合、これらの車輪に加わる力どうしが相互に干渉し合い、移動台車は動くことができない。これに対して、本実施形態に係る移動台車１では、各オムニホイール４とも、脚部３から伝えられる力をフリーローラ１０の自由回転により逃がすことができるようになっている。進行方向に向かって前方の２つのオムニホイール４と、後方の２つのオムニホイール４との間でも力が及ぼされず、また、左右一組のオムニホイール４の間でも力が及ぼされないようにされている。各オムニホイール４は、本来、自分自身が前進、後退及び回転するときに、車輪回転軸９に与えられる回転力や接地力以外の力は加えられないものである。単に４個の車輪を台車本体に取付けただけのような配置では、台車本体の姿勢に応じて様々な角度から各車輪に回転力や接地力以外の力が作用するため、車軸間で干渉力が及ぼしあって自由回転ができない。本実施形態に係る移動台車１では、回転をしにくくする力の影響がオムニホイール４間で互いに及ぼされずに互いに独立して回転可能である。各脚軸アクチュエータ５が独立してオムニホイール４の運動を制御することができるようになっている。
Under the arrangement relationship in which the free rotation axis vector V includes the normal direction component of the orthogonal plane, the
（姿勢制御）
図１の例では、正面視で前方２つの脚部３の先端側が拡がったハの状にこれらの前方の脚部３は保持されている。後方２つの脚部３もこれらの接地端側が拡がった状態に保持されている。４本の脚部３間の広がり具合を個別にコントローラ１１が狭めるあるいは拡げることが可能になっている。４箇所の接地点を頂点とする長方形状のフットプリントエリアのサイズが決まる。このフットプリントエリアサイズをコントローラ１１が小さくすることにより、移動台車１は狭所でも通行可能になっている。また、コントローラ１１は、前方２つのオムニホイール４を互いにハの字になるように拡げる場合、拡げられた前方２つのオムニホイール４の床面からの高さと、後方２つのオムニホイール４の床面からの高さとを合わせるために、後方２つのオムニホイール４は先に動かされた前方２つのオムニホイール４を拡げた後、これらに追随して拡げるなど個別制御も可能にされている。
(Attitude control)
In the example of FIG. 1, the
また、コントローラ１１は、４本の脚部３を駆動制御する際に、これらの脚部３を個別に所望の量で動かすことができるようにされている。例えば前方２つのオムニホイール４のうちの一方を動かさずに、他方のオムニホイール４だけを、大きな移動量で動かすなどをコントローラ１１は行う。コントローラ１１は、各脚部３を個別に駆動することにより台車姿勢を制御しつつ、床面上のフットプリントエリアサイズを取得するようにしている。コントローラ１１は、このフットプリントエリアサイズに基づいて、オムニホイール４の回転角速度を変化させるようにもしており、フットプリントエリアサイズが小さいときに生じる転倒などが起こらないように各脚関節７や車輪回転軸９の回転制御を行う。つまり、フットプリントエリアサイズは、台車本体２の姿勢制御や速度制御の指標にされている。
Further, when the
また、コントローラ１１は、台車本体２を大きな速度で移動させるときは脚部３どうしの間隔を拡げるように制御する。移動台車１の進行方向の先に、狭所が現れたときだけ、このコントローラ１１は脚部３の間の間隔をすぼめるなどの制御を行う。この場合、コントローラ１１は、移動台車１の並進速度を、通路幅など通行場所に見合った速度に制限するようにする。狭所を移動台車１が通過後、コントローラ１１が各脚部３の間隔を拡げるなどの制御も行うようにしている。
Moreover, the
また、本実施形態に係る移動台車１は、オムニホイール４が床面から離れないように各脚軸アクチュエータ５が制御される。床面に常時オムニホイール４が接地するように制御することによって、移動台車１自体の推進力を確保するようにしている。コントローラ１１が、４脚のバランスを制御することによって、全てのオムニホイール４が接地するよう４脚の上げ下げも制御されている。コントローラ１１は、移動台車１の自分自身の幾何学的構造の情報を保持しており、この情報を元に４脚の各脚をどう動かせば台車本体２がどのような姿勢になるかを演算取得可能になっている。
Further, in the
本実施形態に係る移動台車１は、接地力を計測するための後述する圧力センサを配置しており、この圧力センサから床面からの接地力を計測するようにしている。接地力とはオムニホイール４が床面を押しつける押圧力に対抗する抗力である。コントローラ１１が、このセンサ情報を、フィードバックする状態量の中に加えてやることにより、各オムニホイール４の床面との接地力を指標として、これらのオムニホイール４の上げ下げを制御することもできるようにされている。いずれかのオムニホイール４が床面から浮き上がったときにも、脚関節７の駆動時に、接地力がフィードバックされて回転角速度に制御がかかるようにし、４本の脚部３の間の相対的な位置関係を定めることができるようになっている。床面に凹凸や起伏がある場合でも、コントローラ１１が、台車本体２の姿勢角を演算できるようにされ、台車本体２が予期せぬ段差などを通行している際にも、姿勢制御を行えるようになっている。
The
移動台車１には、前後方向、左右方向及び上下方向の３つの並進運動と、ロール、ピッチ及びヨーの３つの回転運動の６自由度の運動が存在するため、この移動台車１に設けられた位置センサ１２ｂ及び姿勢センサ１２ｃは、これらの６自由度の運動を検出する。
The
図４は移動台車１の並進３軸成分及び回転３軸成分を示す図である。同図においても既出の符号と同じ符号を持つ要素はそれらと同じ要素である。平面ＸＹは床面であり、＋Ｘ方向は移動台車１の前進方向を表す。コントローラ１１は姿勢センサ１２ｃ及び位置センサ１２ｂからのセンサ値を入力されるようになっており、移動台車１の位置を、Ｘ、Ｙ及びＺの座標を用いた演算によって取得し、移動台車１の姿勢を、Ｘ軸周りの回転角ロール、Ｙ軸周りの回転角ピッチ、及びＺ軸周りの回転角ヨーを用いた演算によって取得するようにしている。
FIG. 4 is a diagram showing a translational triaxial component and a rotational triaxial component of the
ここでは、移動台車部にジャイロセンサが回転３軸分備えられており、これらのジャイロセンサにより姿勢センサ１２ｃの機能が実現される。姿勢センサ１２ｃは、ロール軸の角速度を検出するジャイロセンサと、ピッチ軸の角速度を検出するジャイロセンサと、ヨー軸の角速度を検出するジャイロセンサとからなる。これらのジャイロセンサが計測する角速度情報はコントローラ１１に入力され、このコントローラ１１がロール、ピッチ及びヨーの各軸の姿勢角度を推定する。ここで、姿勢センサ１２ｃは特にジャイロセンサに限定するものではない。傾斜センサや地磁気センサなど他の角度測定センサ等をコントローラ１１は使用することができる。もしくはジャイロセンサと角度測定センサとを併用して姿勢センサ１２ｃを構成しても構わない。
Here, the moving carriage unit is provided with gyro sensors for three rotations, and the function of the
また移動台車部には慣性センサが並進３軸分備えられており、これらの慣性センサにより位置センサ１２ｂの機能が実現される。位置センサ１２ｂは、Ｘ、Ｙ及びＺの各方向についての移動台車１の角速度及び加速度を計測する慣性センサである。各慣性センサが計測するセンサ値はコントローラ１１に入力されて、このコントローラ１１がＸ、Ｙ、Ｚの各方向の並進移動量を推定する。各慣性センサのほか、移動台車１には、脚関節７の関節軸の角度とオムニホイール４の回転量とによりこの移動台車１の移動量を推定するデッドレコニングが備えられており、このデッドレコニングと、Ｘ、Ｙ及びＺの各方向の慣性センサからなる位置センサ１２ｂとによって、並進移動量が推定される。ここで、移動台車１の並進移動量を計測する位置センサ１２ｂとしては、慣性センサに限られるものではない。コントローラ１１は、位置センサ１２ｂとして、カメラ等外界センサを使用して微小移動変位量を計測してもよい。コントローラ１１はレーザレンジファインダ等を使用した地形スキャンマッチングを用いて移動量を計測してもよい。台車本体２にＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信器を設け、コントローラ１１がＧＰＳ情報などの外部からの入力により移動台車１自身の絶対位置を得るなど他の位置計測システムを使用して移動量を計測してもよい。もしくは位置センサ１２ｂには、慣性センサと、これらの外界センサ、地形スキャンマッチングやＧＰＳとが併用されても構わない。
In addition, the movable carriage unit is provided with three translational inertial sensors, and the function of the
また各脚関節７及び車軸３に取付けられた回転角度センサ１２ａが計測したセンサ値はコントローラ１１に入力され、このコントローラ１１は各軸の回転角度量を計測する。移動台車１に設けられたＲＯＭには、脚部３の脚長など移動台車１自身の幾何パラメータが予め記憶されている。コントローラ１１は、この各軸の現在角度情報と、この幾何パラメータとから、移動台車１自身の保有する内部座標系における各脚の先端の３次元位置情報や、オムニホイール４の接地地点の部位の３次元位置情報などをリアルタイムで把握することが可能となっている。
The sensor values measured by the
また移動台車１にはサスペンション機構が設けられている。図５はサスペンション機構の概略構成図である。サスペンション機構１３は、脚部３と、オムニホイール４と、車軸アクチュエータ６と、この脚部３の先端に取付けられた固定部材１４ａと、オムニホイール４が直接取付けられる可動部材１４ｂと、車軸アクチュエータ６が固定されこれらの固定部材１４ａ及び可動部材１４ｂを可動状態で連結する緩衝部材１５と、可動部材１４ｂに設けられこの可動部材１４ｂ及び緩衝部材１５間の当接点に加えられる押圧力を検出する圧力センサ１６とを備えている。圧力センサ１６には感圧センサが用いられる。緩衝部材１５の上端部は固定部材１４ａに連結され、この緩衝部材１５の下端部は可動部材１４ｂに連結されている。オムニホイール４は脚部３に対して上下動自在にされており、台車本体２はオムニホイール及び緩衝部材１５によって弾性支持されている。
The
脚部３の脚軸の軸線を含み床面に垂直な面内で脚部３が駆動されると、この駆動と連動して、オムニホイール４は、床面上を図５で左右にスライドするように配置されている。サスペンション機構１３では、スライドする部分に圧力センサ１６が取付けられているといえる。この圧力センサ１６が計測したセンサ値はコントローラ１１に入力され、このコントローラ１１が床面から脚部３へ作用する接地力を計測するようになっている。この圧力センサ１６のほか、脚関節７にはトルクセンサ１７ａが設けられている。脚関節駆動モータ（脚軸アクチュエータ５を構成するモータ）には、電力線を介して電源から電力が供給されており、この電力線には電流センサ１７ｂが備えられている。これらのトルクセンサ１７ａ及び電流センサ１７ｂのセンサ値はコントローラ１１へ入力されており、コントローラ１１は、これらのセンサ１７ａ、１７ｂからのセンサ出力よりトルクの大きさを検知し、接地力の大きさを推定する。脚関節駆動モータから出力されているトルクの大きさが、現在の姿勢角を移動台車１が保つために必要なトルク値であるかをコントローラ１１が検知することにより、コントローラ１１は接地力を推定することが可能にされている。コントローラ１１はこれら以外の接地力計測センサを使用しても構わない。
When the
また４本の各脚部３には距離センサ１２ｄが備えられている。距離センサ１２ｄには、超音波発信源及び超音波エコー信号を受信する超音波センサが用いられたり、あるいは、赤外線の送信器及び赤外線反射波を受光する赤外線センサが用いられてもよい。この距離センサ１２ｄは、脚部先端からオムニホイール４が床面に対して水平方向にスライドする方向に障害物が有るかどうかを検知する。距離センサ１２ｄ及びＣＰＵによって、床面上で各オムニホイール４がスライドする方向に障害物が存在することを検出し、この障害物及び各脚部先端間の距離を計測する障害物検出部としての機能が実現される。この距離センサ１２ｄからのセンサ値に基づき、コントローラ１１が距離センサ１２ｄの感度方向に障害物が存在すると判定した場合、測定された距離に基づき脚軸角速度が制御されるようになっている。
Each of the four
（制御システム）
図６は制御システムのブロック図である。制御システム１８は、４つの車軸部からなる車軸部ユニット１９ａと、４つの脚軸部からなる脚軸部ユニット１９ｂと、センサ類と、４個のオムニホイール４がそれぞれ床面から受ける接地力を推定する接地力推定部２０と、台車本体２の並進移動量を推定する位置推定部２１と、台車本体２の姿勢を推定する姿勢推定部２２と、台車本体２の床面上での位置及び台車本体２の旋回姿勢を制御するサブシステム２３と、接地点により形成されるフットプリントエリアのサイズの目標値に基づき台車本体２のピッチ角及びロール角を制御するサブシステム２４とを有する。接地力推定部２０、位置推定部２１、姿勢推定部２２、サブシステム２３及びサブシステム２４によりコントローラ１１が構成される。
(Control system)
FIG. 6 is a block diagram of the control system. The
本実施形態に係る移動台車１では、制御システム１８にこのサブシステム２４が設けられている点が従来例の移動台車やロボットの制御システムと異なる。サブシステム２４はＲＯＭを持っており、このＲＯＭに、４本の脚部３の台車本体２への取付け位置や各取付け位置の間の距離、及びこれらの脚部３の軸長や各オムニホイール４の半径等を記憶してある。サブシステム２４は、記憶してある脚部３の取付け位置間の距離、脚部３の長さ及びオムニホイール４の半径などから、台車本体２、４本の脚部３及び４個のオムニホイール４の間の幾何学的な位置関係を求めることができるようにされている。
The
車軸部ユニット１９ａを構成する４つの車軸部は、それぞれ脚部３、オムニホイール４及び車軸アクチュエータ６からなる。脚軸部ユニット１９ｂを構成する４つの脚軸部は、それぞれ台車本体２、脚部３及び脚軸アクチュエータ５からなる。台車本体２にはフットプリントエリアのサイズを取得する手段が設けられており、この手段は、脚軸部ユニット１９ｂからのセンサ出力と、幾何学的位置関係により決まる４個のオムニホイール４の各接地点とに基づいて、移動台車１の現在のフットプリントエリアサイズＳを求めるようにしている。
The four axle parts constituting the
接地力推定部２０は、圧力センサ１６からの出力に基づき推定した４つの現在の車輪接地力Ｎnを出力する。位置推定部２１、姿勢推定部２２は、各軸の回転角情報及びジャイロ・加速度センサの情報から移動台車１の位置・姿勢を推定する。接地力、姿勢角及び並進移動量はそれぞれ圧力センサ１６、姿勢推定部２２及び位置推定部２１によって直接計測される。もしくは接地力、姿勢角及び並進移動量はそれぞれオブザーバ等により間接的に推定される。
The contact
サブシステム２３は、１ｍ前進といった台車本体２の位置Ｘr、Ｙrや、４５°右回りなど台車本体２のヨー角θzrを出力する目標位置・旋回姿勢出力部２５と、この目標位置・旋回姿勢出力部２５が発行した目標情報Ｘr、Ｙr、θzrと位置推定部２１からの現在並進位置ｘ、ｙ及び姿勢推定部２２からの現在姿勢角θzとを比較演算する演算部２６とを有する。更にサブシステム２３は、この演算部２６から出力される差分を埋めるよう移動の目標並進移動速度や旋回の目標角速度を計算する台車移動旋回目標計算部２７と、台車移動旋回目標計算部２７が出力した並進移動目標速度Ｖr及び旋回目標角速度ωrを達成するために必要な４個のオムニホイール４の各車軸の目標回転角速度を生成する車軸目標角速度生成部２８とを有する。更にサブシステム２３は、この車軸目標角速度生成部２８が出力した車軸回転目標角速度ｄψnr／ｄｔと、車軸部ユニット１９ａから出力された現在の車軸回転角速度ｄψn／ｄｔとを比較演算する演算部２９と、この演算部２９から出力される差分を埋めるように車軸の回転角速度を求めて４個のオムニホイール４の各回転軸の電流指令値ｉψｎを出力する車軸回転制御部３０とを有する。
The
なお、「ｄψ／ｄｔ」と表記した記号は「ψドット」を表す。即ち、
これにより、サブシステム２３では、台車移動旋回目標計算部２７により台車本体２の並進移動量及び旋回量が計算され、車軸目標角速度生成部２８によりこれらの並進移動量及び旋回量を実現するために要するオムニホイール４の目標回転角速度が計算される。演算部２９においてこの目標値と現在の回転角速度値との差分が比較され、車軸回転制御部３０によりこの差分が小さくなるように計算された値の電流が車軸部ユニット１９ａへ指令され、車軸の回転制御が行われるようになっている。車軸回転制御部３０からの電流による指令値が各オムニホイール４毎に生成され、各指令値はアクチュエータドライバに出力され、各車軸アクチュエータ６が駆動される。目標位置・旋回姿勢出力部２５、演算部２６、２９、台車移動旋回目標計算部２７、車軸目標角速度生成部２８、車軸回転制御部３０の機能はＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭにより実現される。
Thereby, in the
サブシステム２４は、台車本体２の目標姿勢角（目標ロール角θxr及び目標ピッチ角θyr）を出力する目標姿勢角出力部３１と、移動台車１が床面を占有する面積であるフットプリントエリアサイズの目標値を出力する目標フットプリントエリアサイズ出力部３２と、目標姿勢角出力部３１が発行した目標ロール角θxr、目標ピッチ角θyr及び姿勢推定部２２が出力した現在のロール角θx、ピッチ角θyをそれぞれ比較演算する演算部３３と、目標フットプリントエリアサイズ出力部３２が出力した目標フットプリントエリアサイズＳr及び脚軸部ユニット１９ｂが出力する現在のフットプリントエリアサイズＳを比較演算する演算部３４とを備えている。
The
更にサブシステム２４は、目標姿勢角情報、目標フットプリントエリアサイズ、及び接地力推定部２０により推定された床面からの抗力値に基づき、各脚部３の角速度の目標値を生成する脚軸目標角速度生成部３５を備えている。この脚軸目標角速度生成部３５は、演算部３３により演算された差分と、演算部３４により演算された差分とに基づいて、４本の脚部３の回転目標角速度ｄφnr／ｄｔを出力する。
Further, the
更にサブシステム２４は、脚軸部ユニット１９ｂから出力される４つの関節軸７の現在の脚軸回転角度φnを微分して現在の脚軸回転角速度ｄφn／ｄｔを出力する微分演算部３６と、脚軸目標角速度生成部３５からの各脚部３の回転目標角速度ｄφnr／ｄｔ及び微分演算部３６からの現在の脚軸回転角速度ｄφn／ｄｔを比較演算する演算部３７と、この演算部３７から出力される差分を埋めるように各脚部３の回転角速度を求めて４脚各軸の電流指令値ｉφｎを出力する脚軸回転制御部３８とを備えている。なお、目標姿勢角出力部３１、目標フットプリントエリアサイズ出力部３２、演算部３３、３４、３７、脚軸目標角速度生成部３５、微分演算部３６、脚軸回転制御部３８の機能はＣＰＵ等により実現される。
Further, the
全体の制御システム１８は図６のようになっている。サブシステム２４では、ピッチ軸、ロール軸及びヨー軸の各角度情報と、推定された位置、姿勢角及び接地力とがフィードバックされ、これらの各軸角度情報と目標入力との偏差情報から各軸の制御指令値が生成される。フィードバックされる状態量のうち、次の（１）から（４）の状態量が脚軸目標角速度生成部３５へ入力されている。（１）姿勢推定部２２により推定された３軸姿勢角のうちロール角θx及びピッチ角θyと、目標ロール角θxr，目標ピッチ角θyrとの偏差情報θxe，θye。（２）接地力推定部２０により推定された各オムニホイール４の床面との接地力Ｎn（ｎは車輪番号を表す）と、各オムニホイール４の床面との接地力の規定値Ｎrnとの偏差情報Ｎen。（３）各脚部３の幾何情報に基づき求められる各オムニホイール接地点により形成される移動台車１のフットプリントエリアサイズ（床占有面積）Ｓと、フットプリントエリアサイズの規定サイズＳrとの偏差情報Ｓe。（４）各脚軸先端においてオムニホイール４がスライドする方向に存在する障害物とこれらの脚軸先端との間の距離ｌn（ｎは車輪番号を表す）。脚軸目標角速度生成部３５はこれらの（１）から（４）の状態量を入力として各脚部３の目標角度を生成する。
The
（作用）
このような構成の本実施形態に係る移動台車１における４脚の脚部３及び４本のオムニホイール４の各駆動動作について図７から図９を参照して説明する。以下の各フローチャートで示される処理は、ＣＰＵがＲＯＭからプログラムを読込み、このＣＰＵが脚軸目標角速度生成部３５として機能する場合の処理である。移動台車１は脚軸目標角速度生成部３５によるプログラム処理に沿った動作を行う。
(Function)
Each drive operation of the four
図７は姿勢制御用の脚軸目標角速度指令値を生成する処理を説明するためのフローチャートである。脚軸目標角速度生成部３５は、車軸部ユニット１９ａ及び脚軸部ユニット１９ｂを制御対象としてアクチュエータモータの回転制御等のサーボ周期毎に制御動作を実行する。脚軸目標角速度生成部３５はステップＡ１において、各脚軸先端からオムニホイール４がスライドする方向の先に障害物が存在しているかどうかを判定し、障害物が存在する場合、各脚部３の関節軸７周りの角速度を補正する。ここで、角速度の補正が必要とされる例を述べると、脚軸目標角速度生成部３５により各脚部３が内方から外方へ拡げられると、各オムニホイール４は床面上を外方へ向かってスライドし始める。このとき、４脚の脚部３のうちのいずれかの脚部３の距離センサ１２ｄにより障害物の存在が検知された場合、この障害物有りと検知された脚部３についてはこの脚部３が展開する動作を停止させるよう脚軸目標角速度生成部３５は角速度を出力する。脚軸目標角速度生成部３５が残りの３脚の脚部３を動かすことによって、システム指定の接地力や姿勢を台車本体２が得られるように制御している。
FIG. 7 is a flowchart for explaining processing for generating a leg axis target angular velocity command value for posture control. The leg axis target angular
ステップＡ２において、脚軸目標角速度生成部３５は、４脚分の各距離センサ１２ｄの出力値ｌnと予め決めておいた閾値ｄ2とを比較して、ｌn＜ｄ2となる脚部３の数が３本以上あるかどうかを判定する。脚部３の数が３以上である場合、ｙ（Ｙｅｓ）ルートを通り、ステップＡ３において脚軸目標角速度生成部３５は台車本体２の位置を復帰させるためのモードの処理を行う。また、ステップＡ２において、脚部３の数が３未満である場合、ｎ（Ｎｏ）ルートを通り、ステップＡ４において、脚軸目標角速度生成部３５はロール角θx及びピッチ角θyと、目標ロール角θxr，目標ピッチ角θyrとの偏差情報θxe，θyeを計算する。
In step A2, the leg axis target angular
ステップＡ５において、脚軸目標角速度生成部３５は、各距離センサ１２ｄの出力値ｌnと閾値ｄ2とを比較して、ｌn＜ｄ2となる脚部３の数が２本であるかどうかを判定する。脚部３の数が２本である場合、ｙルートを通り、ステップＡ６において、脚軸目標角速度生成部３５は、制御姿勢角を、障害物有りと検知された２脚の接地点間を直線で結び、台車本体２の運動の自由度を、この直線を回転軸とする方向のみに限定する処理を行う。ステップＡ７において、脚軸目標角速度生成部３５は、この限定を行った方向のみに関する姿勢制御を行うことによって目標姿勢角を達成することが可能であるかどうかを判定する。達成可能でないと脚軸目標角速度生成部３５が判定した場合、ｎルートを通り、ステップＡ３の処理を行う。達成可能であると判定した場合、ｙルートを通り、ステップＡ８において、脚軸目標角速度生成部３５は、限定方向を考慮して姿勢角速度指令値を生成する。なお、ステップＡ５において、ｌn＜ｄ2となる脚部３の数が１本以下である場合、ｎルートを通り、ステップＡ９において脚軸目標角速度生成部３５は姿勢回転方向の限定はないものとする処理を行った上で、ステップＡ８の処理に移る。
In step A5, the trunnion target angular
次に、ステップＡ１０において、脚軸目標角速度生成部３５は、現在のフットプリントエリアサイズが規定値のフットプリントエリアサイズよりも小さいかどうかを比較判定する。現在のフットプリントエリアサイズが第１の規定値Ｓo−ｄＳ1のフットプリントエリアサイズよりも大きい場合、ｎルートを通り、脚軸目標角速度生成部３５はステップＡ１１の処理に進む。引き続きステップＡ１１において、現在のフットプリントエリアサイズが第２の規定値Ｓo−ｄＳ2のフットプリントエリアサイズよりも大きいかどうかを脚軸目標角速度生成部３５は判定する。現在のフットプリントエリアサイズが第２の規定値のフットプリントエリアサイズよりも小さい場合、脚軸目標角速度生成部３５は、現在のフットプリントエリアサイズが予め保持する範囲内の値であると判断して、ｎルートを通り、ステップＡ１２の処理を行う。ステップＡ１２において、脚軸目標角速度生成部３５は係数補正の演算処理を実行し、各脚関節７の回転角速度の指令値を生成する。ステップＡ１３において、脚軸目標角速度生成部３５は、この指令値を、姿勢制御用の各脚部３の角速度指令値として出力する。この係数補正計算には後述する式（Ａ）が用いられる。
Next, in Step A10, the leg axis target angular
また、ステップＡ１０において、現在のフットプリントエリアサイズが第１の規定値のフットプリントエリアサイズよりも小さいと判定した場合、ｙルートを通り、ステップＡ１４において、脚軸目標角速度生成部３５は、１本以上の脚部３について、これらの脚部３が、現在のフットプリントエリアサイズが縮小する方向へ駆動されることを不許可にする。ステップＡ１５において、脚軸目標角速度生成部３５は、障害物の存在により行った方向限定についての制限に合わせて、台車本体２に姿勢制御の自由度が残っているかどうかを判定する。自由度が残っていないと判断すると、ｎルートを通り、脚軸目標角速度生成部３５は、ステップＡ３の処理を行う。ステップＡ１５において、自由度が残っていると判断すると、ｙルートを通り、ステップＡ１６において、脚軸目標角速度生成部３５は、脚軸駆動制限に合わせて係数補正を行う。脚軸目標角速度生成部３５はこの後ステップＡ１２の処理を行う。
If it is determined in step A10 that the current footprint area size is smaller than the first specified footprint area size, the y-route is passed, and in step A14, the leg axis target angular
また、ステップＡ１１において、現在のフットプリントエリアサイズが第２の規定値のフットプリントエリアサイズよりも大きいと判定した場合、ｙルートを通り、ステップＡ１７において、脚軸目標角速度生成部３５は、１本以上の脚部３について、これらの脚部３が、現在のフットプリントエリアサイズが拡大する方向へ駆動されることを不許可にする。脚軸目標角速度生成部３５はこの後ステップＡ１５の処理を行う。このようにして、姿勢制御用の脚軸目標角速度指令値が生成される。また、第１の規定値及び第２の規定値は可変であり、自由に設定可能である。これによりフットプリントエリアサイズの大きさが制御される。
If it is determined in step A11 that the current footprint area size is larger than the footprint area size of the second specified value, the y-route is passed, and in step A17, the leg axis target angular
換言すれば、脚軸目標角速度生成部３５は、モータの回転数をどの程度にするかを決定するためのルール（駆動則）に基づき、各脚部３の角速度の目標値を生成している。この駆動則は、脚部先端と障害物との間の距離を考慮したものである。脚軸目標角速度生成部３５は、各脚部先端においてこれらの脚部先端からオムニホイール４のスライド方向に存在する障害物までの距離ｌnに関し、ｌnが閾値ｄ1よりも小さい場合、オムニホイール４のスライド時の脚部３の最大角速度出力ｄψMax n／ｄｔに対して速度制限をかける。距離ｌnが小さくなればなるほど、ｄψMax n／ｄｔが小さくなるよう速度制限が施される。またｌnが閾値ｄ2（ｄ2＜ｄ1）よりも小さい場合、脚軸目標角速度生成部３５は目標角速度の値を０にする。角速度出力が完全にカットされるように障害物補正がかかる。即ち障害物方向へ脚部先端がスライドしないように脚部３についての障害物補正が行われる。このように、コントローラ１１は、障害物の存在を検出された該当脚部の関節軸の最大駆動角速度をその距離に基づき制限し、距離が一定距離以下である場合、距離がさらに小さくなる方向へ該当脚部の関節軸の角速度出力指令が出されている場合にその該当脚部の関節軸の角速度の出力をゼロとし、該当脚部以外の残りの脚部の関節軸を駆動することにより、台車本体２の姿勢及び接地力を制御している。例えば障害物が無い時の最大角速度出力がｄψM n／ｄｔであった場合、制限補正を考慮した処理が行われた後の実最大速度出力ｄψ′Max n／ｄｔは、次式で記述される。
なおｄ1＞ｌn＞ｄ2の遷移区間では、脚軸目標角速度生成部３５は上式のような線形な演算を行う代わりに、非線形な遷移形態をとって演算を行うようにしてもよい。また速度制限は方向性も有し、速度制限がかけられている方向とは逆向きの方向に関しては通常通りの速度出力が許可されるような処理を脚軸目標角速度生成部３５は行う。
In the transition section where d 1 > l n > d 2 , the leg axis target angular
また、角速度出力をカットするという制限を受ける脚部３の対象脚数が１脚以下である場合、ロール及びピッチの２軸姿勢が制御対象とされる。角速度出力をカットするという制限を受ける脚部３の対象脚数が２脚である場合、２脚の接地点を結ぶ直線を回転軸とする１軸の姿勢のみが制御対象とされる。制限を受ける脚部３の対象脚数が３脚以上である場合、脚軸目標角速度生成部３５は台車本体２のモードを通常の動作モードから外し、この台車本体２のモードを、台車本体２がこれまで来た道を引き返す等の現状を脱却するといった特別な動作モードへ移行させる。なお特別な動作モードへ移行させる処理は、角速度出力をカットする制限が加えられる対象の脚部３の脚数が３脚未満である段階から実行させるようにしても良い。
Further, when the number of target legs of the
障害物補正に続き、フットプリントエリアサイズを考慮した各脚部３の動作制限が脚軸目標角速度生成部３５により行われる。現在のフットプリントエリアサイズＳが規定のサイズの範囲内に収まっているか否かを脚軸目標角速度生成部３５は判定する。予め決められた規定のサイズの下限Ｓo−ｄＳ1と、予め決められた規定のサイズの上限Ｓo−ｄＳ2との間に、現在のフットプリントエリアサイズＳが収まっているか（Ｓo−ｄＳ1 ＜ Ｓ ＜Ｓo−ｄＳ2）が判定される。現在のフットプリントエリアサイズＳが規定のサイズの範囲内に収まっている場合、脚軸目標角速度生成部３５は各脚部３の動作方向に関して新たに特別な制約を設けずに、図７のステップＡ１２の処理を行う。
Following the obstacle correction, the leg axis target
現在のフットプリントエリアサイズＳが規定のサイズ値よりも大きくなってしまった場合（Ｓo−ｄＳ2 ＜ Ｓ）、脚軸目標角速度生成部３５は各脚関節７の回転を制限する。フットプリントエリアサイズＳが拡大する方向への各脚関節７の動作が許可されないよう、各脚関節７の運動は１方向に制限される。同様に、現在のフットプリントエリアサイズＳが規定のサイズ値よりも小さくなってしまった場合（Ｓ ＜ Ｓo−ｄＳ1）、脚軸目標角速度生成部３５は各脚関節７の回転を制限する。フットプリントエリアサイズＳが縮小する方向への各脚関節７の動作が許可されないよう、各脚関節７には運動制限がかけられる。ここでＳo及びｄＳ1、ｄＳ2はフットプリントエリアサイズＳが取りうる値の範囲内の任意の正数値として自由に設定をすることができる。
If the current footprint area size S has become greater than the size value of the specified (S o -dS 2 <S) , the trunnion target angular
以上の補正準備に続き、姿勢制御及び床面接地制御が脚軸目標角速度生成部３５により行われる。脚軸目標角速度生成部３５は、通常、姿勢制御を、台車本体２のロール姿勢角についての姿勢角偏差θxeと台車本体２のピッチ姿勢角についての姿勢角偏差θyeとに応じて適切な姿勢角速度指令値ｄθx／ｄｔ、ｄθy／ｄｔを決定する。これより、
上記手順は、脚軸目標角速度生成部３５が各脚部３の角速度を補正する準備段階において、特に各脚部３の角速度制限がなされていない通常状態における手順である。この角速度制限を行う必要が生じている場合、例えば第１脚軸（車輪番号ｎ＝１の脚軸）が、脚部３が展開される方向（脚が台車本体２の中心から外方に遠ざかる方向）に角速度制限を受けている場合、脚軸目標角速度生成部３５は、その軸の出力値が制限角速度以上であるならばこの軸の出力値を制限角速度に置き換えてから出力する。
The above procedure is a procedure in a normal state in which the angular velocity of each
また４本の脚部３のうちの１本を移動制限の生じている方向へ動かすことにより姿勢角を実現する必要がある場合、移動制限が生じている同じ方向へ動かすことを要する他の脚部３に関し、これらの他の脚部３の配置位置に応じて角速度を減速するよう脚軸目標角速度生成部３５は制限を行う。この制限を行うことで、目標姿勢への収束を早めることが可能になる。例えば障害物などにより第１脚軸に速度制限がかかっている場合、ピッチ軸（Ｙ軸まわり）正方向に台車本体２の姿勢制御を行うに際し、脚軸目標角速度生成部３５は、第２脚軸に関しても第１脚軸の速度制限と同様の速度制限をかける。ロール軸（Ｘ軸まわり）正方向に台車本体２の姿勢制御を行う場合、脚軸目標角速度生成部３５は第３脚軸に関しても第１脚軸の速度制限と同様の速度制限をかけるようにする。また台車姿勢角を実現するために、４本の脚部３のうちの１本を移動制限が生じている方向へ動かすとともに他の３本の脚部３をこの方向とは逆方向へ動かす必要がある場合、係数を角速度に乗じる処理を脚軸目標角速度生成部３５は行う。この逆方向へ動かす必要がある他の脚部３に関し、これらの他の脚部３の配置位置に応じて増速するように係数を角速度に乗算する。このようにしても有効である。
In addition, when it is necessary to realize the posture angle by moving one of the four
次に、接地力を考慮した姿勢についての脚軸角速度指令値の追加補正処理について図８を参照して説明する。図８は接地制御用の脚軸目標角速度指令値を生成する処理を説明するためのフローチャートである。図８の処理は図７の処理とは独立して行われる。移動台車１に最大の性能を発揮させる場合、脚軸目標角速度生成部３５は図７及び図８の両方の処理を行うようにしている。
Next, the additional correction processing of the leg axis angular velocity command value for the posture in consideration of the ground contact force will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart for explaining processing for generating a leg axis target angular velocity command value for ground contact control. The process of FIG. 8 is performed independently of the process of FIG. In order to make the
ステップＢ１において、脚軸目標角速度生成部３５は、４つのオムニホイール４についてそれぞれ車輪接地力Ｎnを取得する。ステップＢ２において、脚軸目標角速度生成部３５は４つの全ての接地力が予め保持する規定値以上であるかどうかを判定する。ここで、全てのオムニホイール４の接地力Ｎnが規定値Ｎo以上となっている場合、各オムニホイール４は床面と十分に接地できているものと考えられる。全オムニホイール４の接地力が規定値以上であると判定された場合、ｙルートを通り、ステップＢ３において、脚軸目標角速度生成部３５は特に追加補正を行わないと判定する。ステップＢ４において、脚軸目標角速度生成部３５は、追加補正を行わずに、接地制御用の脚軸角速度指令値を生成して出力する。
In step B <b> 1, the leg axis target angular
ステップＢ２において、いずれかのオムニホイール４の接地力が規定値以下であると判定した場合、ｎルートを通り、ステップＢ５において、脚軸目標角速度生成部３５は、オムニホイール４のスライド方向の先の規定距離範囲内に障害物が存在するかどうかを判定する。障害物が存在すると判定した場合、ｙルートを通り、ステップＢ６において、脚軸目標角速度生成部３５は該当する脚部３が展開方向に向かって駆動されることを不許可にする。
If it is determined in step B2 that the contact force of any of the
また、ステップＢ５において障害物が存在しないと判定した場合、及びステップＢ６において展開方向への駆動を不許可にした場合、ステップＢ７において、脚軸目標角速度生成部３５は、現在のフットプリントエリアサイズＳが第１の規定値Ｓo−ｄＳ1よりも小さいかどうかを判定する。現在のフットプリントエリアサイズがこの第１の規定値Ｓo−ｄＳ1よりも小さいと判定した場合、ｙルートを通り、ステップＢ８において、脚軸目標角速度生成部３５は、接地力が第１の規定値以下であるオムニホイール４が取付けられた脚部３の収納を不許可にする処理を行う。ステップＢ７において、現在のフットプリントエリアサイズが第１の規定値Ｓo−ｄＳ1よりも大きいと判定した場合、ｎルートを通り、ステップＢ９において、脚軸目標角速度生成部３５は、現在のフットプリントエリアサイズが第２の規定値Ｓo−ｄＳ2よりも大きいかどうかを判定する。現在のフットプリントエリアサイズがこの第２の規定値Ｓo−ｄＳ2よりも大きいと判定した場合、ｙルートを通り、ステップＢ１０において、脚軸目標角速度生成部３５は、接地力が第２の規定値以上であるオムニホイール４が取付けられた脚部３の展開を不許可にする処理を行う。
If it is determined in step B5 that there is no obstacle, and if driving in the unfolding direction is not permitted in step B6, the leg axis target angular
ステップＢ８の処理を行った場合と、ステップＢ１０の処理を行った場合と、ステップＢ９において現在のフットプリントエリアサイズが第２の規定値Ｓo−ｄＳ2よりも小さいと判定した場合とにおいて、それぞれ、脚軸目標角速度生成部３５は、ステップＢ１１の処理を行う。ステップＢ１１では、脚軸目標角速度生成部３５は、駆動を許可される方向の所定範囲内において、接地力が第２の規定値Ｓo−ｄＳ2以下の脚部３を、この脚部３が収納される方向に駆動し、且つ接地力が第１の規定値Ｓo−ｄＳ1以上である脚部３をこの脚部３が展開される方向に駆動するよう、脚軸回転角速度を生成する。ステップＢ４において、脚軸目標角速度生成部３５は、この生成した脚軸回転角速度を、接地制御用脚軸角速度指令値として出力する。
A case of performing the process of step B8, the case of performing the process of step B10, in the case where the current footprint area size in step B9 is determined to be smaller than the second predetermined value S o -dS 2, Each of the leg axis target angular
このようにして、接地制御用の脚軸角速度指令値の追加補正が行われる。図９は補正後の脚軸角速度指令値を生成する処理を説明するためのフローチャートである。脚軸目標角速度生成部３５は、図７の処理により生成された姿勢制御用の脚軸角速度指令値と、図８の処理により生成された接地制御用の脚軸角速度指令値とを足し合わせて（ステップＣ１）、これらの指令値を足し合わせた結果を最終脚軸角速度指令値として出力する（ステップＣ２）。
In this manner, additional correction of the leg shaft angular velocity command value for ground contact control is performed. FIG. 9 is a flowchart for explaining processing for generating a corrected leg axis angular velocity command value. The leg axis target angular
一般に車輪が４個以上存在する台車が床面を走行する場合、床面の形状に対し、各脚軸の関節角度が床面形状に対応して適切に与えられていないと、４個中幾つかの脚軸が十分に床面に接していない、もしくは床面から宙に浮いた状態になってしまう可能性がある。この場合、台車は３点接地となっている可能性があり、ｎ−３軸（本実施例の制御システム１８では１軸）が不十分な接地状態になる可能性を制御システムが持つことになる。また瞬間的には２点接地となる可能性もあり、３輪の台車でもこの接地状態と同様の非接地状態になるという問題はつきまとう。
In general, when a cart having four or more wheels travels on the floor surface, the joint angle of each leg shaft is not properly given to the floor surface shape according to the floor surface shape. There is a possibility that the leg shaft is not sufficiently in contact with the floor surface or floats in the air from the floor surface. In this case, there is a possibility that the carriage is grounded at three points, and the control system has a possibility that the n-3 axis (one axis in the
これに対して、本実施形態に係る移動台車１では、いずれか第i軸(１＜ｉ＜ｎ)の車輪の接地力Ｎiが規定値Ｎo以下であった場合（Ｎi＜Ｎo）、脚軸目標角速度生成部３５は、第i軸の脚を、これらの脚が折りたたまれる方向（収納方向）へ駆動させるような回転速度値ａ（ａ＜０：各脚軸展開方向を正方向とする）をその脚軸の速度出力に足し込むようにしている。回転速度補正値aの大きさは、目標接地力と現在の接地力との差が大きいほど大きくなるように与えられる。
In contrast, in the
また脚部３の接地力を大きくするためには前述のように該当する脚を収納方向へ駆動させるほかに、該当する脚以外の接地している脚の脚軸を展開方向へ駆動させることによっても実現できる。つまり脚を展開する方向へ駆動させるような回転角速度値ｂ（ｂ＞０）を予め脚軸目標角速度生成部３５は用意しておき、この回転角速度値ｂを、該当脚以外の脚の脚部３の角速度出力に足し込むようにする。ここでの回転角速度補正値ｂの大きさは、該当脚の目標接地力と現在の接地力との差が大きいほど大きくなるように与えられる。
Further, in order to increase the ground contact force of the
ここでの接地力の制御は、姿勢の制御と同様に、脚軸先端がスライドする方向に障害物が無く、且つフットプリントエリアサイズの値も規定範囲内である場合、該当脚の収納と、それ以外の脚の展開との両方について脚軸の駆動を実行することになる。脚軸先端がスライドする方向に障害物が存在する場合、もしくはフットプリントエリアサイズＳについてＳ＞Ｓo−ｄＳ2となっている場合、該当脚が収納される方向の補正のみを脚軸目標角速度生成部３５が実行する。フットプリントエリアサイズＳについてＳ＜Ｓo−ｄＳ1となっている場合、該当脚以外の脚が展開される方向の補正のみを脚軸目標角速度生成部３５が実行することで接地力の制御が行われる。
The control of the contact force here is the same as the posture control, when there is no obstacle in the direction in which the tip of the leg shaft slides, and the footprint area size value is within the specified range, The drive of the leg shaft is executed for both of the other leg deployments. If there is an obstacle in the direction in which the tip of the leg shaft slides, or if S> S o −dS 2 for the footprint area size S, only the correction in the direction in which the corresponding leg is accommodated will be performed. The
このように、本実施形態に係る移動台車１によれば、脚関節７の関節軸の冗長自由度を利用し、姿勢及び接地力の制御をその周囲の障害物やフットプリントエリアサイズによって切り替えることができる。姿勢及び接地力の制御をその周囲の障害物やフットプリントエリアサイズによって切り替えることができるため、各オムニホイール４が障害物等に接触することなく、かつ安定して移動台車１が移動することを実現することができるようになる。
As described above, according to the
制御システム１８では、車軸目標角速度生成部２８において、各脚部３の関節角度を常にフィードバックさせている。姿勢（各脚軸角度）が変わると、移動中心（略ロボット重心）から各オムニホイール４の床面接地点までの位置関係が変わってくるため、同じ並進速度や旋回速度を実現する場合でも、各オムニホイール４が出力しなくてはならない回転速度が変わってくる。車軸目標角速度生成部２８は、脚長やオムニホイール半径等の既知な幾何パラメータをもとに、現在の接地点位置を算出し、台車移動旋回目標計算部２７は並進及び旋回（ヨー軸）方向の位置・姿勢制御に必要な速度ｖ、及び旋回角速度ωを生成し、これらのｖ、ωを実現するための各オムニホイール４の回転軸の回転速度を算出することで、移動台車１のロール・ピッチ軸姿勢制御と同時に位置及び旋回方位姿勢の制御が可能となる。
In the
以上のように、本実施形態に係る移動台車１は、台車本体２と各車輪部８との間に稼動用の各脚部３を有し、脚部稼動時には各脚部３が垂直面内で床面を垂直に切るような脚関節軸配置を有する。この移動台車１は、その脚部先端に、接地点でのフリーローラ１０の自由回転面と、脚部３が移動する稼動面とが並行に配置された全方向車輪を配置している。つまり接地点において脚部駆動により、床面とフリーローラ１０との間に生じる力ベクトルが、フリーローラ自由回転軸ベクトルと常に直交関係になるように全方向車輪が配置されている。これによって、脚関節７が駆動制御され、常に台車本体２が任意の姿勢角になるよう保ちつつ、オムニホイール４を駆動させることにより同時に台車本体２が任意の移動を行う。このようにして、機敏性を損うことなく、自由度及び通行性能の高い移動台車１が提供される。
As described above, the
また、移動台車１は、脚軸角速度指令値を生成する脚軸目標角速度生成部３５を設けてもよい。更に移動台車１は、この脚軸目標角速度生成部３５と、床面との接地力を計測可能な圧力センサ１６と、脚関節７の関節軸周りに生じるモーメントを計測可能なトルクセンサ１７ａと、脚部３周りのトルクの大きさの検知や接地力の大きさの推定のための電流センサ１７ｂと、これらのセンサ１７ａ、１７ｂからのセンサ値を入力され、各脚部先端のオムニホイール４及び床面の接地力を計測する状態オブザーバとを備えてもよい。このようにすれば、脚関節７の関節軸周りに生じるモーメントから各脚部先端のオムニホイール接地状態を推定することができ、各オムニホイール４が床面と密着するよう軸関節角度を調整しつつ、目的の姿勢及び移動出力を維持するよう制御を行うことができる。
Further, the
また、この移動台車１では、周囲の障害物の存在状況や現在のフットプリントエリアのサイズに応じて、床面接地力を確保し、または姿勢制御のための脚軸の動作方法を変更させることもできるようになる。
In addition, in this
（第２の実施形態）
脚軸先端に取付けられた全方向移動用車輪は、図２の例のオムニホイール４に限られるものではなく、例えば特許文献２に記載の全方向移動車用車輪や、メカナムホイールといったオムニホイール４の構造とは別の構造を有するフリーローラ構成のものを用いてもよい。
(Second Embodiment)
The omnidirectional movement wheel attached to the tip of the leg shaft is not limited to the
図１０は本発明の第２の実施形態に係る移動台車に用いられる全方向移動車用車輪と脚軸アクチュエータ５との配置関係を示す図である。同図には、４脚の脚部３のうちの１脚分の脚部３等を上方から見た状態が示されている。上述した符号と同じ符号を持つ要素はそれらと同じ要素である。
FIG. 10 is a diagram showing an arrangement relationship between the omnidirectional vehicle wheel and the
全方向移動車用車輪３９は、複数の第１の樽型フリーローラ４０と複数の第２の樽型フリーローラ４１とを有し、第２の樽型フリーローラ４１に形成された空所に第１の樽型フリーローラ４０の一部が位置するようにして、軸方向が駆動軸に対して直交するとともに外形が円周を形成するようにして互いに交互に配置されている。樽型フリーローラ４０及び樽型フリーローラ４１はいずれも床面と接地する。全方向移動車用車輪３９は、樽型フリーローラ４０又は樽型フリーローラ４１の自由回転による自由回転軸ベクトルと、脚関節７の関節軸の回転による脚関節軸回転ベクトルとが平行になるように台車本体２に配置されている。脚軸アクチュエータ５によって生成される回転駆動力が、接地点における樽型フリーローラ４０又は樽型フリーローラ４１の回転に影響を及ぼさないように全方向移動車用車輪３９が配置されている。脚部３が脚軸アクチュエータ５により回転駆動されているときに、床面に接地している樽型フリーローラ４０又は樽型フリーローラ４１の回転軸と、全方向移動用車輪３９の車輪回転軸とが平行に配置されることにより、脚部３の回動運動に対して、全方向移動用車輪３９の移動とこの全方向移動用車輪３９のスライド動作とが互いに干渉しないようになっている。
The
また、図１１は本実施形態に係る移動台車に用いられるメカナムホイールと脚軸アクチュエータ５との配置関係を示す図である。同図でも、既出の符号はそれらと同じ要素を表し、４脚の脚部３のうちの１脚分の脚部３等を上方から見た状態が示されている。メカナムホイール４２は、車輪の外周にそれぞれの回転軸方向がこの車輪の回転軸に対して傾斜した状態で配置された複数のフリーローラ４３を設けてなる。メカナムホイール４２は、フリーローラ４３の自由回転による自由回転軸ベクトル（小回転体の自由回転による回転ベクトル）と、脚関節７の関節軸の回転による脚関節軸回転ベクトル（関節軸周りの回転ベクトル）とが平行になるように台車本体２に配置されている。脚部３が脚軸アクチュエータ５により回転駆動されているときに、接地点におけるフリーローラ４３の回転軸と、メカナムホイール４２の車輪回転軸とが平行に配置されることによって、メカナムホイール４２の移動とこのメカナムホイール４２のスライド動作とが互いに干渉しないようにされている。
FIG. 11 is a diagram showing an arrangement relationship between the Mecanum wheel and the
図１０や図１１の配置構造を有する本実施形態に係る移動台車は、制御システムにより、第１の実施形態の例と同様に姿勢制御を受ける。 The mobile trolley according to the present embodiment having the arrangement structure of FIG. 10 and FIG. 11 is subjected to posture control by the control system in the same manner as the example of the first embodiment.
本発明のこの実施形態に係る移動台車によれば、２つのベクトルの向きが同じになるように配置されているため、脚軸アクチュエータ５による回転駆動力が、車輪接地点において床面からフリーローラ４３へ作用する推進力に影響を与えずに、この移動台車は移動を行える。
According to the movable carriage according to this embodiment of the present invention, since the two vectors are arranged in the same direction, the rotational driving force by the
（第３の実施形態）
上記の第１の実施形態では、脚軸目標角速度生成部３５へ入力される規定接地力Ｎrn及び規定フットプリントサイズＳrは基本的には一定値でよく、一定の規定接地力Ｎrn及び規定フットプリントサイズＳrが用いられていたが、脚軸目標角速度生成部３５へ入力されるこれらの規定接地力Ｎrn及び規定フットプリントサイズＳrは動的に値が変更するものであってもよい。本発明の第３の実施形態に係る移動台車の構成も、第１の実施形態に係る移動台車１の構成と同じである。
(Third embodiment)
In the first embodiment described above, the specified ground contact force N rn and the specified footprint size S r input to the leg axis target angular
例えばフットプリントエリアサイズが一般走行時用のサイズ値では通行できない狭所にロボットが遭遇した場合、脚軸目標角速度生成部３５は、フットプリントエリアサイズに、通常時のサイズ値よりも小さな値を指定することで、ロボットの最大横幅を小さくし、ロボットが狭所を通行可能とすることができる。このような通路が通行エリアの１ヶ所にでも存在すると、従来例のロボットでは立ち往生してしまいその先に進めず、たちまち移動範囲が非常に小さくなってしまっていた。本実施形態に係る移動台車によれば、台車本体２の最大横幅を小さくすることができ、この移動台車を備えたロボットが狭所を走破することができるようになり、移動可能エリアを格段に広げることが可能となる。
For example, when the robot encounters a narrow space where the footprint area size cannot pass with the size value for general running, the leg axis target angular
またこのとき、フットプリントエリアサイズが縮小される動作と、フットプリントエリアサイズが拡大される動作とに連動して、脚軸目標角速度生成部３５が移動台車１の許容最大速度及び許容最大加速度も小さくすることによって、フットプリントエリアサイズの変化により低下することのある安定性を補償することができるようになる。逆に移動台車１の進行方向の前方に見通し空間が存在し、移動台車１がこの見通し空間中を高速に移動する場合、脚軸目標角速度生成部３５はより大きなフットプリントエリアサイズを指定するようにして、安定性を確保した上で許容最大速度及び許容最大加速度を大きくすることも可能である。
At this time, the leg axis target angular
このように、本発明のこの実施形態に係る移動台車によれば、制御システムによって、移動台車の許容最大速度及び許容最大加速度をフットプリントエリアサイズが大きいときには大きくし、また同サイズが小さいときには小さくなるように、フットプリントエリアサイズに応じて動的に変化させることができるようになる。 Thus, according to the mobile carriage according to this embodiment of the present invention, the control system increases the allowable maximum speed and the allowable maximum acceleration of the mobile truck when the footprint area size is large and decreases when the size is small. Thus, it can be changed dynamically according to the footprint area size.
（第４の実施形態）
また、凹凸や傾斜がない平坦な床面を移動台車１が移動する場合、脚軸アクチュエータの駆動方向を床面と平行にした状態で関節軸７を駆動するようにこの脚軸アクチュエータを配置してもよい。図１２は本発明の第４の実施形態に係る移動台車に用いられるオムニホイール４と脚軸アクチュエータとの配置関係を示す図である。同図には、４脚の脚部３のうちの１脚分のオムニホイール４及び脚軸アクチュエータを上方から見た状態が示されている。同図に示す符号のうち上述した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じ要素を表す。
(Fourth embodiment)
Further, when the
脚軸アクチュエータ４４は直動機構である。この脚軸アクチュエータ４４には電流制御によって伸縮駆動される直動機構駆動用アクチュエータが用いられる。脚軸アクチュエータ４４は、この脚軸アクチュエータ４４の体軸が床面と平行になるように、取付具４５を介在させて台車本体２の台車下面に取付けられている。オムニホイール４は、脚車輪接地点でのフリーローラ１０の自由回転による自由回転軸ベクトルの方向と、脚軸アクチュエータ４４の伸縮動作によって駆動力が伝達される方向とが直交するように脚部先端に配置されている。脚軸アクチュエータ４４によって生成される伸縮駆動力が、接地点におけるフリーローラ１０の回転に影響を及ぼさないようにされている。本実施形態に係る移動台車は、床面と平行な水平方向に伸縮駆動される図示しない他の３本の脚軸アクチュエータ４４も設けている。
The
このような構成の本実施形態に係る移動台車が、平坦な移動領域を走行する場合、また移動台車１自身の姿勢制御の必要も無い場合などには、床面に平行且つ脚軸アクチュエータ４４の体軸を含む平面内において接地点でのフリーローラ１０の自由回転ベクトルと直交する方向に脚軸アクチュエータ４４は伸縮する。
When the mobile carriage according to the present embodiment having such a configuration travels in a flat movement area, or when it is not necessary to control the attitude of the
本発明のこの実施形態に係る移動台車によれば、直動型の脚軸機構を用いることによっても、フットプリントエリアサイズのみを移動動作と干渉することなく、所望の値に変更でき、これによって、台車本体２の自由な姿勢制御及び移動制御が可能となる。
According to the movable carriage according to this embodiment of the present invention, the footprint area size alone can be changed to a desired value without interfering with the movement operation even by using a direct-acting leg shaft mechanism. , Free attitude control and movement control of the
（その他）
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記実施形態では、脚数は４であったが、本発明の実施の形態に係る移動台車は、脚数が３でもよい。脚数は５以上であってもよい。３脚又は５脚以上の脚を移動台車が有する場合でも、各脚については、関節軸周りの回転ベクトルおよび床面に接地している小回転体の回転ベクトルとがほぼ平行に配置される。床面に接地している小回転体の回転軸と、全方向移動用車輪の車輪部回転軸とが平行に配置されることにより、脚部３の回動運動に対して、全方向移動用車輪の移動とこの全方向移動用車輪のスライド動作とが互いに干渉しないようにでき、この移動台車はスムーズな移動を行うことができる。
(Other)
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In the above embodiment, the number of legs is four, but the mobile cart according to the embodiment of the present invention may have three legs. The number of legs may be 5 or more. Even when the movable carriage has three legs or five legs or more, the rotation vector around the joint axis and the rotation vector of the small rotator that is in contact with the floor surface are arranged substantially in parallel with each leg. The rotational axis of the small rotating body that is in contact with the floor surface and the wheel part rotational axis of the omnidirectional moving wheel are arranged in parallel, so that the rotational movement of the
上記の実施形態では、脚軸制御のために参照される変数を、フットプリントエリアサイズでなく、移動台車１の進行方向に関する最大横幅（ほぼ車幅）で指定しても良い。このとき、制御システム１８は、指定した横幅で移動台車１が指定した姿勢をとりつつ実現可能な最大フットプリントエリアサイズを取りうる脚軸角度配置を脚軸目標角速度生成部３５が出力し、同時に同フットプリントエリアサイズに応じた許容最大速度出力を計算するようなシステム構成としても良い。
In the above embodiment, the variable referred to for the leg axis control may be specified not by the footprint area size but by the maximum lateral width (substantially vehicle width) in the traveling direction of the
上記の実施形態では、移動台車は床面上を移動していたが、屋外ではこの移動台車は地面を接地面とする。 In the above-described embodiment, the movable carriage moves on the floor surface. However, in the outdoors, the movable carriage uses the ground as a ground plane.
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
１…移動台車、２…台車本体、３…脚部、４…オムニホイール（全方向移動用車輪）、５…脚軸アクチュエータ（回転駆動手段）、６…車軸アクチュエータ、７…脚関節、８…車輪部、９…車輪回転軸、１０，４３…フリーローラ（小回転体）、１１…コントローラ（制御部）、１２ａ…回転角度センサ、１２ｂ…位置センサ、１２ｃ…姿勢センサ、１２ｄ…距離センサ、１３…サスペンション機構、１４ａ…固定部材、１４ｂ…可動部材、１５…緩衝部材、１６…圧力センサ、１７ａ…トルクセンサ、１７ｂ…電流センサ、１８…制御システム、１９ａ…車軸部ユニット、１９ｂ…脚軸部ユニット、２０…接地力推定部、２１…位置推定部、２２…姿勢推定部、２３，２４…サブシステム、２５…目標位置・旋回姿勢出力部、２６，２９，３３，３４，３７…演算部、２７…台車移動旋回目標計算部、２８…車軸目標角速度生成部、３０…車軸回転制御部、３１…目標姿勢角出力部、３２…目標フットプリントエリアサイズ出力部、３５…脚軸目標角速度生成部、３６…微分演算部、３８…脚軸回転制御部、３９…全方向移動車用車輪、４０…第１の樽型フリーローラ（小回転体）、４１…第２の樽型フリーローラ（小回転体）、４２…メカナムホイール（全方向移動用車輪）、脚軸アクチュエータ（直動機構）、４５…取付具。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
この台車本体にこの台車本体を床面に対して任意の高さに保持するように一端が前記台車本体に関節軸を介して枢着された少なくとも３個の脚部と、
これらの脚部の他端に設けられ、車輪部およびこの車輪部周囲に回転可能に設けられた複数の小回転体からなる少なくとも３個の全方向移動用車輪と、
前記台車本体および前記脚部の一端間に設けられた前記関節軸を回動駆動して前記脚部の枢着角度を変化させる複数の回転駆動手段と、を備え、
前記関節軸周りの回転ベクトル、および前記複数の小回転体のうち、前記床面に接地している小回転体の回転ベクトルとがほぼ平行に配置されていることを特徴とする移動台車。 The cart body,
At least three legs, one end of which is pivotally attached to the carriage body via a joint shaft so as to hold the carriage body at an arbitrary height with respect to the floor surface.
Provided at the other end of these legs, at least three wheels for omnidirectional movement comprising a wheel portion and a plurality of small rotating bodies rotatably provided around the wheel portion;
A plurality of rotational drive means for rotationally driving the joint shaft provided between one end of the cart body and the leg portion to change the pivot angle of the leg portion;
A moving carriage in which a rotation vector around the joint axis and a rotation vector of a small rotating body that is in contact with the floor among the plurality of small rotating bodies are arranged substantially in parallel.
この制御部が前記各関節軸の回転角速度の目標値を生成し、各回転駆動手段がこの目標値に基づき前記各関節軸を駆動することにより、任意のタイミングで、前記台車本体の姿勢が任意の姿勢に変更され、前記各全方向移動用車輪の前記床面との接地点によって形成されるフットプリントエリアのサイズが任意の値に変更されることを特徴とする請求項２記載の移動台車。 Based on attitude information provided from the carriage main body and capable of measuring the attitude angle of the carriage main body, position sensors capable of measuring the translational movement of the carriage main body, and sensor information from these attitude sensors and position sensors. A control unit that performs drive control of each joint axis,
The control unit generates a target value of the rotational angular velocity of each joint axis, and each rotation driving unit drives each joint axis based on the target value, so that the posture of the cart body can be arbitrarily determined at an arbitrary timing. The moving carriage according to claim 2, wherein the size of the footprint area formed by the ground contact point of each omnidirectional moving wheel with the floor is changed to an arbitrary value. .
この制御部は、前記各全方向移動用車輪の前記床面との接地点によって形成されるフットプリントエリアのサイズが規定値以下である場合、前記複数の回転駆動手段に対して前記各脚部が前記台車本体の内方に向かって収納される方向へこれらの脚部を駆動することを不許可とし、また前記フットプリントエリアのサイズが既定値以上である場合、前記複数の回転駆動手段に対して前記各脚部が前記台車本体から外方へ拡げられる方向へこれらの脚部を駆動することを不許可とし、この不許可とされた方向以外の方向について残された駆動自由度を使用して前記台車本体の姿勢を制御し、前記各全方向移動用車輪及び前記床面との接地力が確保されるように前記各関節軸を制御することを特徴とする請求項１記載の移動台車。 Based on an attitude sensor provided on the cart body, capable of measuring the attitude angle of the cart body, a position sensor capable of measuring a translational movement amount of the carriage body, and sensor information from these attitude sensors and position sensors. A control unit that performs drive control of each joint axis,
When the size of the footprint area formed by the ground contact point with the floor surface of each omnidirectional moving wheel is equal to or less than a predetermined value, the control unit is configured so that each leg unit is connected to the plurality of rotation driving units. Is not permitted to drive these legs in the direction of being stored inwardly of the cart body, and the size of the footprint area is equal to or greater than a predetermined value, the plurality of rotation driving means On the other hand, it is not permitted to drive these legs in the direction in which each leg is expanded outward from the main body of the carriage, and the remaining degree of freedom of driving is used for directions other than the prohibited directions. 2. The movement according to claim 1, wherein the position of the carriage main body is controlled, and the joint shafts are controlled such that a ground contact force between the omnidirectional moving wheels and the floor surface is ensured. Trolley.
この台車本体にこの台車本体を床面に対して任意の高さに保持するように一端が前記台車本体に関節軸を介して枢着された少なくとも３個の脚部と、
これらの脚部の他端に設けられ、車輪部およびこの車輪部周囲に回転可能に設けられた複数の小回転体からなる少なくとも３個の全方向移動用車輪と、
前記台車本体および各脚部の一端間に設けられ、これらの脚部を、前記床面に平行な面内で直動駆動する複数の直動機構と、を備え、
これらの直動機構による駆動時に、これらの脚部が伸縮する方向、および前記複数の小回転体のうち、前記床面に接地している小回転体の回転ベクトルの方向とがほぼ直交することを特徴とする移動台車。 The cart body,
At least three legs, one end of which is pivotally attached to the carriage body via a joint shaft so as to hold the carriage body at an arbitrary height with respect to the floor surface.
Provided at the other end of these legs, at least three wheels for omnidirectional movement comprising a wheel portion and a plurality of small rotating bodies rotatably provided around the wheel portion;
A plurality of linear motion mechanisms that are provided between one end of the cart body and each leg portion and linearly drive these leg portions in a plane parallel to the floor surface;
When driven by these linear motion mechanisms, the direction in which these leg portions expand and contract and the direction of the rotation vector of the small rotator that is grounded to the floor among the plurality of small rotators are substantially orthogonal. A moving trolley characterized by
この制御部は、前記台車本体のロール方向及びピッチ方向の各軸周りの回転角が目的の角度になるよう前記各関節軸を駆動制御し、前記台車本体のヨー方向の軸周りの回転角及び前記並進移動量が目的の角度及び位置になるよう前記各全方向移動用車輪の回転を制御することを特徴とする請求項１記載の移動台車。 A posture sensor provided in the cart body, capable of measuring a posture angle of the cart body, or a first state observer for indirectly estimating the posture angle; and a position sensor capable of measuring a translational movement amount of the cart body; or A second state observer for indirectly estimating the translational movement amount, an output of the posture sensor or the first state observer, and an output of each joint axis and each omnidirectional movement wheel based on the output of the position sensor or the second state observer. A control unit that performs drive control of the rotation shaft,
The control unit drives and controls the joint shafts so that the rotation angles of the cart body in the roll direction and the pitch direction become the target angles, and the rotation angle of the carriage body around the yaw direction axis and The moving carriage according to claim 1, wherein the rotation of each omnidirectional moving wheel is controlled so that the translational movement amount becomes a target angle and position.
この制御部は、各接地力が全て規定値以上になるよう前記各関節軸を駆動制御し、これらの関節軸の冗長自由度を利用して前記台車本体のロール方向及びピッチ方向の各軸周りの回転角が同時に目的角度になるように前記各関節軸を駆動制御することを特徴とする請求項１記載の移動台車。 A pressure sensor provided on each leg and capable of measuring the contact force between each omnidirectional wheel and the floor, or a state observer that indirectly estimates the contact force, and an output of the pressure sensor or the state observer And a control unit that performs drive control of each joint axis based on
The control unit drives and controls each joint shaft so that each grounding force becomes equal to or more than a predetermined value, and uses the redundancy degree of freedom of these joint shafts around each axis in the roll direction and the pitch direction of the cart body. 2. The movable carriage according to claim 1, wherein the joint shafts are driven and controlled so that the rotation angles of the two simultaneously become the target angles.
この制御部は、前記少なくとも３個の脚部のうち、前記障害物の存在を検出された該当脚部の関節軸の最大駆動角速度を前記距離に基づき制限し、前記距離が一定距離以下である場合、前記距離がさらに小さくなる方向へ前記該当脚部の関節軸の角速度出力指令が出されている場合にその該当脚部の関節軸の角速度の出力をゼロとし、前記該当脚部以外の残りの脚部の関節軸を駆動することにより、前記台車本体の姿勢及び接地力を制御することを特徴とする請求項１記載の移動台車。 It is provided in each leg, and when each joint shaft is driven, it detects that an obstacle exists in the direction in which each omnidirectional moving wheel slides on the floor surface, and the other end of the obstacle and each leg is detected. An obstacle detection unit that measures the distance between and a control unit that performs drive control of each joint axis,
The control unit limits, based on the distance, a maximum driving angular velocity of the joint axis of the corresponding leg where the presence of the obstacle is detected among the at least three legs, and the distance is equal to or less than a certain distance. In the case where the angular velocity output command of the joint axis of the corresponding leg is issued in the direction in which the distance is further reduced, the output of the angular velocity of the joint axis of the corresponding leg is set to zero, and the rest other than the corresponding leg The movable carriage according to claim 1, wherein the posture and the grounding force of the carriage main body are controlled by driving the joint shaft of the leg portion of the carriage.
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