JP4278551B2 - Inverted pendulum robot - Google Patents
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Description
この発明は倒立振子ロボットに関し、特にたとえば、駆動輪を同軸2輪倒立振子モードで制御する、倒立振子ロボットに関する。 The present invention relates to an inverted pendulum robot, and more particularly to an inverted pendulum robot that controls drive wheels in a coaxial two-wheel inverted pendulum mode.
本件発明者等は、特許文献1で、この種の同軸2輪倒立振子コミュニケーションロボットを提案した。この特許文献1の同軸2輪倒立振子ロボットでは、上半身機構の状態に応じて車輪の回転を制御するので、転倒の可能性を可及的排除できる。
特許文献1で提案される倒立振子ロボットは、バランスを動的にとることで外力に抗することができ、また相手に対して人間らしいフラフラした印象を与えることができるのでコミュニケーションロボットに適しているが、上半身機構の状態や内部状態の変化で不安定な状態になることもある。この不安定状態は近くに人間特に子供が存在するときには危険を感じさせることになり、このようなことは、コミュニケーションロボットとしはできるだけ防止する必要がある。 The inverted pendulum robot proposed in Patent Document 1 is suitable for a communication robot because it can resist external forces by dynamically balancing and can give a human-like fluffy impression to the opponent. In some cases, the state of the upper body mechanism and the internal state may change, resulting in an unstable state. This unstable state makes people feel dangerous when there are humans, especially children, nearby, and such a situation needs to be prevented as much as possible for a communication robot.
それゆえに、この発明の主たる目的は、より安全でコミュニケーションロボットに一層適する、倒立振子ロボットを提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide an inverted pendulum robot that is safer and more suitable for a communication robot.
請求項1の発明は、駆動輪を備え、この駆動輪を倒立振子モデルとして制御する、倒立振子ロボットであって、駆動輪の前方に配置された前輪、駆動輪の後方に配置された後輪、および駆動輪の高さ方向の位置を変更する伸縮機構を備える、倒立振子ロボットである。 The invention of claim 1 includes a drive wheel, and controls the driving wheel as an inverted pendulum model, a inverted pendulum robot, the front wheel disposed in front of the driving wheels, rear wheels disposed behind the drive wheel And an inverted pendulum robot provided with an expansion / contraction mechanism for changing the position of the drive wheel in the height direction .
請求項2の発明は、伸縮機構は直動シリンダを含む、請求項1記載の倒立振子ロボットである。 The invention according to claim 2 is the inverted pendulum robot according to claim 1, wherein the telescopic mechanism includes a linear motion cylinder.
請求項2の発明では、直動シリンダをたとえばコンピュータで制御することによって、上記台車移動モードおよび倒立振子移動モードを動的に切り換えることができる。 In the invention of claim 2, the carriage moving mode and the inverted pendulum moving mode can be dynamically switched by controlling the linear motion cylinder by, for example, a computer.
請求項3の発明は、駆動輪を備え、この駆動輪を倒立振子モデルとして制御する、倒立振子ロボットであって、駆動輪の前方に配置された前輪、駆動輪の後方に配置された後輪、前輪の高さ方向の位置を変更する前輪伸縮機構、後輪の高さ方向の位置を変更する後輪伸縮機構、および前輪伸縮機構と後輪伸縮機構とを個別に制御する制御手段を備え、制御手段は、段差を上る際に、前輪が段差の上段と同じ高さになるように前輪伸縮機構を制御するとともに、後輪が段差の下段と同じ高さになるように後輪伸縮機構を制御する、倒立振子ロボットである。 The invention of claim 3 is an inverted pendulum robot that includes driving wheels and controls the driving wheels as an inverted pendulum model, and includes a front wheel disposed in front of the driving wheels and a rear wheel disposed in the rear of the driving wheels. A front wheel telescopic mechanism for changing the position of the front wheel in the height direction, a rear wheel telescopic mechanism for changing the position of the rear wheel in the height direction, and a control means for individually controlling the front wheel telescopic mechanism and the rear wheel telescopic mechanism. The control means controls the front wheel expansion / contraction mechanism so that the front wheel is at the same height as the upper stage of the step when climbing the step, and the rear wheel extension mechanism so that the rear wheel is the same height as the lower stage of the step. It is an inverted pendulum robot that controls .
請求項4の発明は、駆動輪を備え、この駆動輪を倒立振子モデルとして制御する、倒立振子ロボットであって、駆動輪の前方に配置された前輪、駆動輪の後方に配置された後輪、前輪の高さ方向の位置を変更する前輪伸縮機構、後輪の高さ方向の位置を変更する後輪伸縮機構、および前輪伸縮機構と後輪伸縮機構とを個別に制御する制御手段を備え、制御手段は、段差を上る際に、前輪が段差の下段と同じ高さになるように前輪伸縮機構を制御するとともに、後輪が段差の上段と同じ高さになるように後輪伸縮機構を制御する、倒立振子ロボットである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an inverted pendulum robot comprising a drive wheel and controlling the drive wheel as an inverted pendulum model, wherein the front wheel is disposed in front of the drive wheel, and the rear wheel is disposed behind the drive wheel. A front wheel telescopic mechanism for changing the position of the front wheel in the height direction, a rear wheel telescopic mechanism for changing the position of the rear wheel in the height direction, and a control means for individually controlling the front wheel telescopic mechanism and the rear wheel telescopic mechanism. The control means controls the front wheel expansion / contraction mechanism so that the front wheel is at the same height as the lower step of the step when climbing the step, and the rear wheel extension mechanism so that the rear wheel is the same height as the upper step of the step. It is an inverted pendulum robot that controls .
この発明によれば、倒立振子モードと台車移動モードとを切り換えることができるので、より安全で、コミュニケーションロボットに適した、倒立振子ロボットが得られる。 According to the present invention, since the inverted pendulum mode and the cart movement mode can be switched, an inverted pendulum robot that is safer and suitable for a communication robot can be obtained.
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the drawings.
図1および図2に示すこの発明の一実施例の同軸2輪倒立振子ロボット(以下、単に「ロボット」ということがある。)10は、一例として、本件発明者等が既に提案している、商品名「Robovie−IV」という柔軟な皮膚を有するコミュニケーションロボットである。 A coaxial two-wheel inverted pendulum robot (hereinafter, simply referred to as “robot”) 10 according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 has already been proposed by the present inventors as an example. It is a communication robot having a flexible skin with the brand name “Robovie-IV”.
このロボット10は、人体形状部12を含み、この人体形状部12は、全身を覆うたとえば発泡ウレタンのような柔軟素材からなる皮膚を有し、その下に多数のピエゾ圧力センサを配し、頭部14と、2本の腕部16とを有する。ピエゾ圧力センサは接触センサとして機能し、多数のセンサの検知信号によって、どこの部位がどの程度の圧力で触られているかを知ることができる。そして、たとえば首の部分に関節機構(図示せず)が設けられていて、その関節機構によって頭部14が旋回俯仰可能に取り付けられる。いずれも図示しないが、頭部14には、前方を撮影するCCDカメラや、周囲の音を取り込むマイクあるいは対面者に声を発するスピーカなどが組み込まれる。また、腕部16は肩、肘および手首のそれぞれの関節を有する。なお、この発明は人体形状部12の形状や構造に関するものではなく、したがって、人体形状部12の形状や構造はこの発明には関係しないので、これ以上の説明は省略する。
The
人体形状部12は台車機構18上に載置される。この台車機構18は、人体形状部12を固定的に取り付けるための取付け部20を有し、この取付け部20の下方に、駆動輪22を前補助輪24ならびに後補助輪26を設けている。ただし、これら駆動輪22、補助輪24および26は、図1や図3以降の各図では1つの車輪しか見えないが、図2からよく分かるように、それぞれ左右1対の車輪を有するものである。ただし、それぞれの左右1対の車輪は同じ車軸に取り付けられかつ一体に回転する。
The human
図3にこの台車機構18を詳細に図解するが、この図3に示すように、駆動輪22は支持部28によって回転可能に保持されていて、この支持部28が直動シリンダ30のロッドに結合される。ただし、直動シリンダ30のロッドがそのまま支持部28として利用されてもよい。直動シリンダ30が取付け部20の下面に取り付けられる。直動シリンダ30は、ロッドすなわち支持部28を直線的に伸縮する機能を持ち、したがって、この実施例では、直動シリンダ30をコンピュータ(図示せず)で制御することによって、支持部28を伸縮でき、結果的に、駆動輪22の高さ方向の位置を変更することができる。なお、この直動シリンダ30としては、油圧シリンダなどの流体シリンダや他の任意の形式のものが利用可能であるが、実施例では、応答が速く保持力が大きいので好ましいという理由で、ボールねじを利用した直動シリンダを用いる。
FIG. 3 illustrates the
駆動輪22の高さ方向位置をコンピュータからの指令によって伸長位置と縮減位置とを自動的に切り替えできるという点で、直動シリンダ30として、コンピュータ制御可能な直動シリンダを用いることが望ましい。しかしながら、駆動輪22の高さ方向位置を手導的に変更するものでよいなら、他の伸縮機構または出没機構、たとえばリンク機構などを利用することも考えられる。
It is desirable to use a computer-controllable direct-acting cylinder as the direct-acting
なお、図3に示すように、前補助輪24および後補助輪26は、それぞれ、支持部32および34によって取付け部20に固定的に取り付けられる。したがって、前後補助輪24および26は、その高さ方向の位置を変更することはできない。
As shown in FIG. 3, the front
この実施例において、図3のように直動シリンダ30を縮めた状態では、直動シリンダ30のロッドすなわち支持部28が「没」位置にある。したがって、駆動輪22と前後補助輪24お26とはともに、地面(または床面)36に接触する。そのため、コンピュータによって駆動輪22に駆動力を付与すると、この駆動輪22が前後いずれかの方向に回転され、ロボット10(図1、図2)が前後いずれかの方向に、台車移動モードで移動する。この台車移動モードでは補助輪24および26によって駆動輪22の前後を支えるので、転倒に関しては非常に安定している。したがって、整地であれば、かなり安全にかつ安定的に移動することができる。
In this embodiment, when the
これに対して、直動シリンダ30を伸ばした状態では、直動シリンダ30のロッドすなわち支持部28が「出」位置に伸ばされる。したがって、図4に示すように、駆動輪22だけが地面36Aに接触し、前後補助輪24および26はともに、地面36Aから浮いた状態となる。この状態では、ロボット10は、同軸2輪倒立振子モードで移動するので、図3に示す台車移動モードでは移動できなかった図4に示すような不整地(地表に凹凸がある)でも移動することができる。ここで、参照符号36Aは地面が不整地であることを示している。
On the other hand, when the
なお、同軸2輪倒立振子モードでの具体的な制御方法は、先に挙げた特許文献1に詳細に説明されているので、ここでは詳細な説明は省略し、この特許文献1の記述を援用することにする。 Note that the specific control method in the coaxial two-wheel inverted pendulum mode is described in detail in Patent Document 1 mentioned above, so detailed description is omitted here, and the description in Patent Document 1 is used. I will do it.
駆動輪22と補助輪24および26とがともに地面に接触している図3の状態と駆動輪22だけが地面に接触している図4の状態とを動的に切り換えるためには、たとえばコンピュータによって直動シリンダ30の出没を制御するようにすればよい。そうすれば、倒立振子で全体がフラフラすることによってコミュニケーション時に相手に与える印象を人間らしいものにすることができる。この倒立振子モードでは、体を押されたときその押圧力に対抗して踏ん張ることができるので、基本的には転倒の可能性は小さいものの、たとえば内部状態の変化によって倒立振子が不安定になった場合またはなりそうな場合には補助輪24および26を使って安定させることができる。
In order to dynamically switch between the state shown in FIG. 3 in which both the
なお、上述の実施例では、駆動輪を補助輪に対して相対的に出没させるために、駆動輪22の支持部28を直動シリンダ30のロッドに結合した。しかしながら、図5に示すように、駆動輪22が固定され、前後補助輪24および26がともに直動シリンダ36および38のロッドにそれぞれ連結されてもよい。ただし、この実施例の直動シリンダ36および38は先の実施例の直動シリンダ30と同様であるので、重複する説明は省略する。
In the above-described embodiment, the
この実施例において、コンピュータ(図示せず)が2つの直動シリンダ36および38をともに「出」位置に制御したときには、図5に示すように、駆動輪22および補助輪24および26がともに地面に接触し、図3と同じく、台車移動モードとなる。これに対して、コンピュータが2つの直動シリンダ36および38をともに「没」位置に制御したときには、図6に示すように、駆動輪22だけが地面36Aに接触し、2つの補助輪24および26は、浮いた状態になる。この状態では、図4と同様に、倒立振子モードで移動する。したがって、この実施例においても、コンピュータによって直動シリンダ36および38を適宜制御することによって、先の実施例と同様に、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る。
In this embodiment, when the computer (not shown) controls the two
図5の実施例では、さらに、従来の同軸2輪倒立振子機構ではできなかった階段の昇降が可能である。 In the embodiment shown in FIG. 5, the stairs can be raised and lowered which is not possible with the conventional coaxial two-wheel inverted pendulum mechanism.
図7に示すように、直動シリンダ38だけを「没」位置にすると、後補助輪26だけが没位置になり、駆動輪22と前補助輪24が同じ出位置となる。したがって、階段の下段から上段に移動しようとするときに図7の状態にすれば、補助輪26と、駆動輪22および補助輪24との高さ方向の位置の違いを形成でき、階段を上ることができる。ただし、階段の上段から下段へ移動しようとするときに図7の状態に制御すれば、同様に、補助輪26と、駆動輪22および補助輪24との段差を形成でき、階段を下ることができる。
As shown in FIG. 7, when only the
図8の場合にも同様に、直動シリンダ36だけを「没」位置にすると、前補助輪24だけが没位置になり、駆動輪22と後補助輪26が同じ出位置となる。したがって、図7の場合と同じようにして、補助輪24と、駆動輪22および補助輪26との間の段差を形成できるので、階段を上ったり下ったりすることができる。
Similarly in the case of FIG. 8, when only the
10 …同軸2輪倒立振子ロボット
12 …人体形状部
18 …台車機構
20 …取付け部
22 …駆動輪
24 …前補助輪
26 …後補助輪
28、32、34 …支持部
30、36、38 …直動シリンダ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記駆動輪の前方に配置された前輪、
前記駆動輪の後方に配置された後輪、および
前記駆動輪の高さ方向の位置を変更する伸縮機構を備える、倒立振子ロボット。 An inverted pendulum robot that has drive wheels and controls the drive wheels as an inverted pendulum model,
A front wheel disposed in front of the drive wheel;
An inverted pendulum robot comprising: a rear wheel disposed behind the drive wheel; and an expansion / contraction mechanism that changes a position of the drive wheel in a height direction.
前記駆動輪の前方に配置された前輪、
前記駆動輪の後方に配置された後輪、
前記前輪の高さ方向の位置を変更する前輪伸縮機構、
前記後輪の高さ方向の位置を変更する後輪伸縮機構、および
前記前輪伸縮機構と前記後輪伸縮機構とを個別に制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
段差を上る際に、前記前輪が段差の上段と同じ高さになるように前記前輪伸縮機構を制御するとともに、前記後輪が段差の下段と同じ高さになるように前記後輪伸縮機構を制御する、倒立振子ロボット。 An inverted pendulum robot that has drive wheels and controls the drive wheels as an inverted pendulum model,
A front wheel disposed in front of the drive wheel;
A rear wheel disposed behind the drive wheel;
A front wheel telescopic mechanism for changing the position of the front wheel in the height direction;
A rear wheel expansion / contraction mechanism for changing the position in the height direction of the rear wheel, and a control means for individually controlling the front wheel expansion / contraction mechanism and the rear wheel expansion / contraction mechanism ,
The control means includes
When climbing the step, the front wheel telescopic mechanism is controlled so that the front wheel is at the same height as the upper step of the step, and the rear wheel telescopic mechanism is adjusted so that the rear wheel is at the same height as the lower step of the step. An inverted pendulum robot to control .
前記駆動輪の前方に配置された前輪、
前記駆動輪の後方に配置された後輪、
前記前輪の高さ方向の位置を変更する前輪伸縮機構、
前記後輪の高さ方向の位置を変更する後輪伸縮機構、および
前記前輪伸縮機構と前記後輪伸縮機構とを個別に制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
段差を上る際に、前記前輪が段差の下段と同じ高さになるように前記前輪伸縮機構を制御するとともに、前記後輪が段差の上段と同じ高さになるように前記後輪伸縮機構を制御する、倒立振子ロボット。 An inverted pendulum robot that has drive wheels and controls the drive wheels as an inverted pendulum model,
A front wheel disposed in front of the drive wheel;
A rear wheel disposed behind the drive wheel;
A front wheel telescopic mechanism for changing the position of the front wheel in the height direction;
A rear wheel telescopic mechanism for changing the position of the rear wheel in the height direction, and
A control means for individually controlling the front wheel extension mechanism and the rear wheel extension mechanism;
The control means includes
When climbing a step, the front wheel telescopic mechanism is controlled so that the front wheel is the same height as the lower step of the step, and the rear wheel telescopic mechanism is adjusted so that the rear wheel is the same height as the upper step of the step. An inverted pendulum robot to control .
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