JP4779982B2 - 移動体及び移動体の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、回転駆動される２以上の回転体により走行する移動体に関する。特に、２以上の回転体によって走行状態において移動体の前後方向に揺動可能に支持される車体を有し、車体の傾斜角等を入力変数として車体の倒立を維持するための倒立安定化制御及び前後方向の走行制御を行う倒立振子型移動体に関する。
本明細書における倒立振子型移動体とは、車体と車体に連結された２以上回転体（車輪など）を有し、車体が移動体の前後方向に傾斜可能な状態で車体と回転体の間を連結して構成され、車体の重心又は車体及び車体上に支持される搭乗者等の対象を合計した総質量の重心が、回転体の回転中心位置より上方に位置する状態、つまり車体の倒立状態を維持しながら回転体の回転によって移動することが可能な移動体を指す。このような倒立振子型移動体は、例えば特許文献１及び２に開示されている。
特許文献１に開示される装置は、２以上の車輪と、これらの車輪に支持される車体を有する倒立振子型移動体である。さらに、車体は、２以上の車輪の中心を結ぶ車軸方向と直交する走行方向に延在し、搭乗者の左右の足が個別に置かれる一対の搭乗デッキを有する。さらに、一対の搭乗デッキのピッチ方向（車軸周り）の傾斜角と、ロール方向（走行方向に平行な移動体の前後軸周り）の傾斜角の検出結果に応じて移動体の走行制御を行う。
特許文献２に開示される装置は、倒立振子制御によって前方推進方向への推力を制御する同軸二輪型の移動機構を備える移動ロボットである。さらに当該移動ロボットは、ロボットの上体をロール方向（前方推進方向に平行な移動ロボットの前後軸周り）に自律的に揺動傾斜できるよう構成されており、移動ロボットの重心に働く遠心力と重力との合成ベクトルを延長した線と車輪の接地面（路面）との交点位置を左右の車輪の間の領域に維持するように揺動姿勢を制御する。このような重心移動を行う構成によって、急旋回時に発生する遠心力や路面の傾斜に起因する移動ロボットの転倒や車輪のスリップの発生を抑制されている。
特開２００６−１３８４号公報 特開２００６−１３６９６２号公報
倒立振子型移動体を支える車輪等の回転体と路面との間でスリップが発生すると、路面上での急旋回などの予期しない挙動が生じ、また、車体の倒立を維持するための倒立安定化制御及び前後方向の走行制御に支障が発生する。このため、倒立振子型移動体においては、回転体のスリップ発生を早期に検出し、当該検出の結果に応じてスリップ解消のための処置を速やかに実行できることが望ましい。
上述した特許文献２は、ロボット上体（車体）のロール方向の傾斜による重心移動によって、旋回時や傾斜した路面の走行時にスリップの発生を抑制できることを開示するが、車輪のスリップ発生を検出するための機構や、スリップ検出に応じてスリップを解消するための機構を開示していない。
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、回転体と路面との間におけるスリップの発生を検出することでスリップ解消のための処理の実行を可能とする移動体及び移動体の制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様にかかる移動体は、路面に接する第１及び第２の回転体と、前記第１及び第２の回転体に支持される車体とを備える移動体であって、前記第１及び第２の回転体は、前記第１の回転体及び前記路面が接する接点と前記第２の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、前記移動体の前後方向に回転駆動される。さらに、前記移動体は、前記第１及び第２の回転体の回転状態を示す物理量を検知して、検知された当該物理量の大きさに応じた信号を出力する回転センサと、前記第１及び第２の回転体が接する路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知して、検知された当該物理量の大きさに応じた信号を出力する旋回センサと、前記回転センサの出力信号を用いて、前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算出する算出部と、前記旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パラメータの実測値と前記予測値とを比較することで前記第１又は第２の回転体のスリップ発生を検出するスリップ検出部とを有する。このような構成によって、移動体のスリップ発生の検出が可能となり、スリップ検出に応じてスリップを解消するための制御を実行することが可能となる。
なお、前記回転センサによって検知される回転状態を表す物理量には、前記第１及び第２の回転体の回転数や回転方向、回転角、回転角速度、回転角加速度等が適宜用いられる。例えば、後述する発明の実施の形態１においては、エンコーダ１７Ｌ及びＲが本発明の第１の態様における回転センサに相当し、回転状態を表す物理量は、車輪１０Ｌ及びＲの回転角θＬ及びθＲである。また、前記旋回センサによって検知される旋回状態を表す物理量には、旋回数や旋回方向、旋回角、旋回角速度、旋回角加速度等を適宜用いられる。例えば、後述する発明の実施の形態１においては、レートジャイロ１８が本発明の第１の態様における旋回センサに相当し、旋回状態を表す物理量は、移動体１の旋回角速度ωＭである。
本発明の第２の態様にかかる移動体は、前記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記旋回パラメータを、前記路面に垂直な仮想軸を中心とする前記移動体の旋回角又は旋回角速度としたものである。
本発明の第３の態様にかかる移動体は、前記本発明の第１の態様にかかる移動体において、前記回転センサを、前記第１及び第２の回転体それぞれの回転量、回転角度又は回転位置を検知するエンコーダとしたものである。
本発明の第４の態様にかかる移動体は、前記本発明の第１乃至第３の態様のいずれかにかかる移動体において、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体と前記路面との間の動摩擦力が増大するように、前記車体の姿勢を制御する制御部をさらに備えるものである。このような構成により、スリップの解消が可能となる。
本発明の第５の態様にかかる移動体は、前記本発明の第４の態様にかかる移動体において、前記車体の姿勢の制御量を前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに応じて決定するものである。このような構成により、スリップの度合いに応じた適切な車体の姿勢制御を行うことができる。
本発明の第６の態様にかかる移動体は、前記本発明の第１乃至第３の態様のいずれかにかかる移動体において、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体に対する荷重割合を変更する制御部をさらに備えるものである。このような構成により、スリップが発生した回転体と路面との間の動摩擦力を増大させることができ、スリップの解消が可能となる。
本発明の第７の態様にかかる移動体は、前記本発明の第６の態様にかかる移動体において、前記第１及び第２の回転体が、前記車体に対する相対位置が上下方向に移動できるよう前記車体に取り付けられ、さらに、前記制御部が、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体を上方向に移動させるものである。このような構成によって、移動体の位置の移動量に対して相対的に大きな車体の重心移動を行うことができるため、第１及び第２の回転体に対する荷重割合の変更を効率よく速やかに行うことができる。
本発明の第８の態様にかかる移動体は、前記本発明の第７の態様にかかる移動体において、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体の移動量を前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに応じて決定するものである。このような構成により、荷重割合の変更制御をスリップの度合いに応じて適切に行うことができる。
本発明の第９の態様にかかる移動体は、前記本発明の第６の態様にかかる移動体において、前記制御部が、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記車体の重心を前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に近づけるよう前記車体の姿勢を変更させるものである。
本発明の第１０の態様にかかる移動体は、前記本発明の第４又は第６の態様にかかる移動体において、前記第１及び第２の回転体を駆動する駆動部を備えることとし、前記制御部がさらに、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に対する前記駆動部による駆動力の付与を停止させるものである。このような構成により、スリップ状態を速やかに解消できる
本発明の第１１の態様にかかる方法は、路面に接する第１及び第２の回転体と、前記第１及び第２の回転体に支持される車体とを備え、前記第１及び第２の回転体が、前記第１の回転体及び前記路面が接する接点と前記第２の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、前記移動体の前後方向に回転駆動される移動体の制御方法である。具体的には、本態様にかかる制御方法は、前記第１及び第２の回転体の回転状態を示す物理量を検知する回転センサの出力信号を用いて、前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算出する処理と、前記第１及び第２の回転体が接する路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知する旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パラメータの実測値と前記予測値とを比較することで前記第１又は第２の回転体のスリップ発生を検出する処理と、前記第１又は第２の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、前記第１及び第２の回転体に対する荷重割合を変更する処理とを含む。このような方法によって、移動体のスリップ発生の検出が可能となり、スリップ検出に応じてスリップを解消するための制御を実行することが可能となる。
本発明の第１２の態様にかかる方法は、前記本発明の第１１の態様にかかる方法において、前記第１又は第２の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、さらに、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に対する駆動力の付与を停止させるものである。これにより、スリップ状態を速やかに解消できる
本発明により、回転体と路面との間におけるスリップの発生を検出することでスリップ解消のための処理を実行可能とする移動体及び移動体の制御方法を提供できる。
以下では、本発明を適用した具体的な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。各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。
発明の実施の形態１．
本実施の形態にかかる倒立振子型移動体１（以下、単に移動体１と呼ぶ）は、搭乗者の操作に従って走行可能な移動体である。本実施の形態にかかる移動体１の外観を図１（ａ）及び（ｂ）に示す。図１（ａ）は移動体１の側面図であり、図１（ｂ）は移動体１の正面図である。なお、説明容易化のために、図１（ａ）及び（ｂ）には車体１１内部の構成を適宜図示されている。
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、移動体１の下部には左右の車輪１０Ｌ及びＲが設けられている。車輪１０Ｌ及びＲは、車輪１０Ｌ及び路面が接する接点と車輪１０Ｒ及び路面が接する接点との間を結ぶ直線が移動体１の前後方向に対して非平行となるよう配置され、移動体１の前後方向に回転駆動される。より具体的に述べると、本実施の形態では、２つの接点の間を結ぶ直線は、移動体１の前後方向に対して垂直である。また、車体１１は、移動体１の左右軸を中心として移動体１の前後方向（ピッチ方向）に揺動可能である。車体１１は、座席１２、操縦桿１３、コンピュータ１４、モータ１５Ｌ及びＲ、モータドライバ１６Ｌ及びＲ、エンコーダ１７Ｌ及びＲ、レートジャイロ１８、バッテリ１９及び車体フレーム２０を有している。
操縦桿１３は、座席１２に着座した搭乗者による操作入力を受け付け、搭乗者による操縦桿１３の操作量に応じた操作量信号を出力する。
コンピュータ１４は、移動体１が車体１１の倒立を維持しながら、搭乗者による操縦桿１３の操作に従って走行できるように制御を実行する。より具体的に述べると、コンピュータ１４は、例えば、操縦桿１３の操作量の大きさに対応付けられた移動体１の速度目標値又は加速度目標値と、車体１１の鉛直方向からの傾斜角の変化速度（傾斜角速度）の目標値とを算出し、これらを制御目標値とする倒立安定化制御及び走行制御を実行する。
さらに、コンピュータ１４は、車輪１０Ｌ及びＲとこれらが接する路面との間のスリップの発生を検出し、スリップ状態を解消するための制御を実行する。なお、スリップ検出及びスリップ解消のための制御内容の詳細については後述する。
モータ１５Ｌ及びＲは、それぞれ車輪１０Ｌ及びＲと連結されている。モータドライバ１６Ｌ及びＲは、コンピュータ１４が出力するトルク指令値τＬ及びτＲに応じて、それぞれモータ１５Ｌ及びＲを駆動する。移動体１は、車輪１０Ｌ及びＲがモータ１５Ｌ及びＲによって駆動されることにより、移動体１の前後方向に走行することができる。
さらに、モータ１５Ｌ及びＲは、車体１１の上下方向に移動できるよう車体フレーム２０に取り付けられている。モータ１５Ｌ及びＲの取り付け位置を移動可能とするためには、例えば、車体フレーム２０へのモータ１５Ｌ及びＲの取り付けにボールねじ駆動方式の直動ガイド（不図示）を使用してもよい。そして、直動ガイドのねじ軸又はナットを回転駆動することにより、車体フレーム２０とモータ１５Ｌ及びＲとの間の相対位置を変更可能とすればよい。モータ１５Ｌ及びＲの車体フレーム２０に対する取り付け位置を移動させることによって、車輪１０Ｌ及びＲの車体１１に対する相対位置を車体１１の上下方向に移動することができる。
エンコーダ１７Ｌ及びＲは、モータ１５Ｌ及びＲの回転角、つまりは車輪１０Ｌ及びＲの回転角θＬ及びθＲを計測するためのセンサである。エンコーダ１７Ｌ及びＲの出力を用いて車輪１０Ｌ及びＲの単位時間当たりの回転角を算出することにより、車輪１０Ｌ及びＲの回転角速度ωＬ及びωＲが得られる。また、車輪１０Ｌ及びＲの回転角速度ωＬ及びωＲ、車輪１０Ｌ及びＲの半径Ｒ、並びに車輪１０Ｌ及びＲの間の距離Ｌａを用いることで、移動体１が接する路面に垂直な仮想軸周りの移動体１の旋回角速度の予測値ωＰを算出することができる。
レートジャイロ１８は、路面上での移動体１の旋回状態を計測するセンサである。つまり、レートジャイロ１８により得られる角速度により、移動体１が接する路面に垂直な軸周りの移動体１の旋回角速度の実測値ωＭが得られる。
続いて以下では、本実施の形態にかかる移動体１の制御系について説明する。図２は、車輪１０Ｌ及びＲのスリップ検出及びスリップ抑制のための制御に関する移動体１の制御系を示している。図２において、予測値算出部１０１は、エンコーダ１７Ｌ及びＲによって計測される車輪１０Ｌ及びＲの回転角θＬ及びθＲを入力し、移動体１の旋回角速度の予測値ωＰを算出する。
いま、図３に示すように、車輪１０Ｌ及びＲの間の距離をＬＡとすると、路面に垂直な軸周りの移動体１の旋回角φは、以下の（１）式により表される。なお、図３は、移動体１が有する車輪１０Ｌ及びＲを上方から見た平面図である。また、（１）式において、Ｒは車輪１０Ｌ及びＲの半径である。したがって、移動体１の旋回角速度の予測値ωＰは、以下の（２）式により算出することができる。
Figure 0004779982
スリップ検出部１０２は、レートジャイロ１８によって得られる移動体１の旋回角速度の実測値ωＭと、予測値算出部１０１により算出される予測値ωＰを入力し、これらの値を比較することで車輪１０Ｌ及びＲのスリップ発生を検出する。具体的には、例えば、実測値ωＭと予測値ωＰとの差Δω＝ωＭ−ωＰを算出し、算出されたΔωの絶対値が予め定められた閾値Ｔｈｄより大きい場合にスリップ発生と判定すればよい。なお、車輪１０Ｌ及びＲのどちらがスリップしているかは、Δωの正負によって判定できる。つまり、上述したΔωの定義に従えば、Δωが正であるときに車輪１０Ｒがスリップしていると判定できる。他方、Δωが負であるときに車輪１０Ｌがスリップしていると判定できる。また、Δωの絶対値が大きいほど、スリップの程度が大きいことが分かる。
安定化・走行コントローラ１０３は、移動体１の倒立安定化制御及び走行制御を実行する制御部である。具体的には、操縦桿１３の操作量に応じて決定される目標速度又は目標化速度や車体１１の傾斜角速度などを制御目標値として、これらの制御偏差をゼロに近づけるように、モータドライバ１６Ｌ及びＲに対するトルク指令値τＬ及びτＲを算出する。
また、安定化・走行コントローラ１０３は、スリップ検出部１０２によって車輪１０Ｌ又はＲのスリップ発生が検出されたことに応じて、スリップ状態を解消するための制御を実行する。より具体的に述べると、本実施の形態では、車輪移動機構１０４として、モータ１５Ｌ及びＲを支持する直動ガイド１０７Ｌ及びＲ、直動ガイド１０７Ｌ及びＲのねじ軸又はナットを回転駆動するモータ１０５Ｌ及びＲと、モータ１０５Ｌ及びＲの回転量を計測するエンコーダ１０６Ｌ及びＲを移動体１に設けることとする。そして、安定化・走行コントローラ１０３は、モータ１０５Ｌ及びＲに対してトルク指令値を出力し、車輪１０Ｌ及びＲの取り付け位置の上下差によって車体１１を傾斜させることで、車輪１０Ｌ及びＲに対する荷重割合を変更する。なお、Δωの絶対値の大きさがスリップの程度を示すため、車輪１０Ｌ及びＲに対する荷重割合の変更の度合いは、Δωの大きさに応じて決定すればよい。
さらに、安定化・走行コントローラ１０３は、スリップ検出部１０２によるスリップ発生の検出に応じて、車輪１０Ｌ及びＲのうちスリップが発生した車輪に対するトルク指令値をゼロとする。
図４（ａ）及び（ｂ）を参照して、本実施の形態におけるスリップ解消の原理を説明する。図４（ａ）は、左右の車輪１０Ｌ及びＲが車体１１に対して同じ高さとなる位置に取り付けられた状態を示している。このような状態では、車輪１０Ｌ及びＲに対する荷重は均等となる。このため、車輪１０Ｌ及びＲに対する路面からの垂直抗力ＦＬ及びＦＲの大きさは理論上等しくなる。
一方、車輪１０Ｌがスリップしている場合は、図４（ｂ）に示すように、車輪１０Ｌの取り付け位置を車輪１０Ｒより相対的に高い位置に移動させればよい。これにより、車体１１が車輪１０Ｌ側に傾斜することになり、車輪１０Ｌに対する荷重が増大する。つまり、車輪１０Ｌに対する路面からの垂直抗力ＦＬが増大して、車輪１０Ｌと路面との間の動摩擦力が増大する。このため、車輪１０Ｌのスリップを解消することができる。
なお、制御系の構成を示す図２は、説明の容易化のために移動体１のスリップ検出及びスリップ解消のための制御に必要な要素のみを記載している。つまり、図２に示した要素のほかにも、移動体１の姿勢及び走行を制御するためのコントローラやセンサが、必要に応じて移動体１に対して追加されることはもちろんである。
上述した予測値算出部１０１、スリップ検出部１０２及び安定化・走行コントローラ１０３の処理は、コンピュータ１４を用いて実現可能である。具体的には、一定の時間間隔で発生するタイマ割り込みに応じて、図５に示す処理をコンピュータ１４に行わせるためのプログラムを実行すればよい。
図５のフローチャートにおけるステップＳ１１では、エンコーダ１７Ｌ及びＲによる車輪回転角θＬ及びθＲの計測情報を用いて旋回角速度の予測値ωＰを算出する。ステップＳ１２では、レートジャイロ１８から旋回角速度の実測値ωＭを取得する。なお、ステップＳ１１及びＳ１２の実行順序は便宜的なものであり、実行順序が逆でも良いし、並行して行われてもよい。
ステップＳ１３では、実測値ωＭと予測値ωＰの差Δωを計算する。ステップＳ１４では、算出されたΔωを所定の閾値Ｔｈｄと比較し、Δωの絶対値が閾値Ｔｈｄを超えて大きい場合にスリップ発生と判定する。なお、閾値Ｔｈｄの大きさは、エンコーダ１７Ｌ及びＲ並びにレートジャイロ１８の計測誤差を考慮して定めるとよい。
ステップＳ１４においてスリップ発生と判定された場合、スリップが発生した車輪に対するトルク指令値をゼロとして、モータ１５Ｌ又はＲによる駆動力の付与を停止させる（ステップＳ１５）。さらに、ステップＳ１６において、車輪１０Ｌ及びＲのうち、スリップが発生した車輪の車体１１に対する取り付け位置が他方の車輪の取り付け位置より相対的に高い位置となるように、車輪取り付け位置を移動させることで、車輪１０Ｌ及びＲに対する荷重割合を変更する。
以上に述べたように、本実施の形態にかかる移動体１は、レートジャイロ１８により得られる移動体１の旋回角速度の実測値ωＭと、車輪１０Ｌ及びＲの回転角より予測される旋回角速度の予測値ωＰとの比較によって、移動体１が有する車輪１０Ｌ及びＲのスリップ発生を検出することとした。これにより、倒立振子型移動体である移動体１のスリップ発生を検出することができ、スリップを解消するための制御を実行することができる。
なお、本発明の実施の形態にかかるスリップ検出の原理は、移動体１が坂道を走行する場合にも適用可能である。この場合は、レートジャイロ１８として、３軸レートジャイロを用いればよい。３軸レートジャイロの計測情報を用いれば、任意の軸周りの旋回角速度を得ることができる。さらに、車体１１の傾斜角を計測する傾斜角センサを移動体１に搭載し、車体１１の傾斜角に応じた座標変換によって、路面に垂直な軸周りの旋回角速度の実測値を得ればよい。これにより、車輪１０Ｌ及びＲの回転角θＬ及びθＲを用いて算出された旋回角速度の予測値ωＰと旋回角速度の実測値との比較を容易に行うことができる。
発明の実施の形態２．
本実施の形態にかかる移動体２は、車輪１０Ｌ及びＲの荷重割合を変更するために、車体２１の一部を移動させることで車体２１の重心を移動する機構を採用している点が、発明の実施の形態１にかかる移動体１と相違している。なお、移動体２における倒立安定化制御、走行制御、及びスリップ検出のための制御は、上述した発明の実施の形態１と同様であるため、これらの制御に関する詳細説明を省略する。
移動体２の外観を図６（ａ）に示す。図６（ａ）における車体２１は、車体基部２１１、車体上部２１２、及び車体連結部２１３を有している。車体基部２１１は、移動体２の左右軸を中心として移動体２の前後方向（ピッチ方向）に揺動可能となるよう車輪１０Ｌ及びＲによって支持される。車体連結部２１３は、車体基部２１１及び車体上部２１２を連結する。車体上部２１２は、移動体２の左右方向に摺動可能である。
移動体２が有する安定化・走行コントローラ１０３は、スリップ検出部１０２による車輪１０Ｌ又はＲのスリップ検出に応じて、スリップ状態を解消するための制御を実行する。より具体的に述べると、安定化・走行コントローラ１０３は、車輪１０Ｌ及びＲのうちスリップが発生した車輪側に車体上部２１２をスライドさせる。
例えば、車輪１０Ｌがスリップしている場合は、図６（ｂ）に示すように、車体上部２１２を車輪１０Ｌ側にスライドさせる。これにより、車体２１の重心が車輪１０Ｌ側に近づくため車輪１０Ｌに対する荷重が増大する。つまり、車輪１０Ｌに対する路面からの垂直抗力ＦＬが増大して、車輪１０Ｌと路面との間の動摩擦力が増大する。このため、車輪１０Ｌのスリップを解消することができる。
その他の実施の形態．
発明の実施の形態１及び２では、移動体１の旋回角速度の実測値と予測値の比較によってスリップ発生を検出することとした。しかしながら、旋回角速度は、スリップ発生の検出に用いる旋回パラメータの一例に過ぎない。例えば、旋回角速度に代えて、路面に垂直な軸周りの移動体１及び２の旋回角や旋回量を旋回パラメータとしてもよい。移動体１及び２の旋回角を旋回パラメータとする場合は、レートジャイロ１８の計測情報を積分して移動体１の方位角を算出すればよい。また、レートジャイロ１８に代えて方位角センサを移動体１に搭載し、方位角センサによって移動体１及び２の旋回角を得てもよい。
また、発明の実施の形態１及び２では、スリップが検出された車輪１０Ｌ及びＲに対する駆動力の付与を停止させることとした。車輪１０Ｌ及びＲのスリップは、車輪１０Ｌ及びＲに対する駆動トルクが車輪半径Ｒと動摩擦力との積を超える場合に発生する。このため、スリップ車輪の駆動トルクを低下させることで、スリップ状態を速やかに解消できるという利点がある。しかしながら、スリップが検出された車輪に対する駆動力を停止させずに、スリップ発生時の駆動力より小さくしてもよい。また、スリップが検出された車輪に対する駆動力を段階的に徐々に小さくしてもよい。また、車輪１０Ｌ及びＲに対する荷重割合の変更のみによってスリップの解消が可能であれば、スリップが検出された車輪の駆動力を小さくする制御を実行しなくてもよい。
また、発明の実施の形態１では、モータ１５Ｌ及びＲの車体１１に対する取り付け位置を上下させることで、車輪１０Ｌ及びＲの車体１１に対する相対位置を変更することとした。しかしながら、車輪１０Ｌ及びＲの車体１１に対する相対位置を変更するための構成は、発明の実施の形態１及び２に示した具体的な構成に限定されないことはもちろんである。例えば、車輪１０Ｌ及びＲが独立懸架式のサスペンションを介して車体１１に取り付けられる場合であれば、サスペンションを上下させることで車輪１０Ｌ及びＲの車体１１に対する相対位置を変更してもよい。
また、発明の実施の形態１及び２は、人間が搭乗可能な倒立振子型移動体に本発明を適用した具体例について説明したが、本発明はその他の移動体に対しても適用可能である。例えば、ヒューマノイドロボットの移動機構としてロボットの下半身に組み込まれた移動体、つまり、ヒューマノイドロボットの上半身が車体に搭載された移動体や、荷物などの積載物を搭載して移動する移動体などにも適用可能である。
また、発明の実施の形態１及び２にかかる移動体１及び２は、車輪１０Ｌ及びＲの取り付け位置の上下移動によって車体１１が傾斜している場合を除いて、２つの車輪１０Ｌ及びＲの回転軸が同軸上に位置するものである。つまり、車輪１０Ｌ及び路面が接する接点と車輪１０Ｒ及び路面が接する接点との間を結ぶ直線が移動体１及び２の前後方向に対して垂直である。しかしながら、本発明は、車輪１０Ｌの回転軸と車輪１０Ｒの回転軸が同軸上にない移動体、言い換えると、車輪１０Ｌ及び路面が接する接点と車輪１０Ｒ及び路面が接する接点との間を結ぶ直線が移動体１及び２の前後方向に対して垂直でない移動体にも適用可能である。
また、発明の実施の形態１及び２では、移動体１及び２が２つの車輪１０Ｌ及びＲを備えることとしたが、本発明はこのような構成の移動体に限らず適用可能である。例えば、車輪に代えて、断面が円形状である球形や円柱形の回転体を用いてもよい。また、移動体１及び２は３つ以上の車輪を有してもよい。
さらに、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
本発明の実施の形態にかかる移動体の外観図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体の制御系を示す図である。 スリップ検出の原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制するための車体の制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップ検出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかる移動体におけるスリップを抑制するための車体の制御を説明するための図である。
符号の説明
１、２ 移動体
１１ 車体
１２ 座席
１３ 操縦桿
１４ コンピュータ（ＭＣＵ）
１５Ｌ、１５Ｒ モータ
１６Ｌ、１６Ｒ モータドライバ
１７Ｌ、１７Ｒ エンコーダ
１８ レートジャイロ
１９ バッテリ
２０ 車体フレーム
２１ 車体
１０１ 予測値算出部
１０２ スリップ検出部
１０３ 安定化・走行コントローラ
１０４ 車輪移動機構
１０５Ｌ、１０５Ｒ モータ
１０６Ｌ、１０６Ｒ エンコーダ
１０７Ｌ、１０７Ｒ 直動ガイド
２１１ 車体基部
２１２ 車体上部
２１３ 車体連結部

Claims (12)

  1. 路面に接する第１及び第２の回転体と、前記第１及び第２の回転体に支持される車体とを備える移動体であって、
    前記第１及び第２の回転体は、前記第１の回転体及び前記路面が接する接点と前記第２の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、前記移動体の前後方向に回転駆動され、
    前記第１及び第２の回転体それぞれの回転状態を検知する回転センサと、
    前記路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知して、検知された当該物理量の大きさに応じた信号を出力する旋回センサと、
    前記回転センサの出力に基づいて得られる前記第１及び第２の回転体のそれぞれの前記回転状態を示す第１及び第２の物理量の差分を用いて、前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算出する算出部と、
    前記予測値と、前記旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パラメータの実測値とを比較することで前記第１又は第２の回転体のスリップ発生を検出するスリップ検出部と、
    を備える移動体。
  2. 前記旋回パラメータは、前記路面に垂直な仮想軸を中心とする前記移動体の旋回角又は旋回角速度である請求項１に記載の移動体。
  3. 前記回転センサは、前記第１及び第２の回転体それぞれの回転量、回転角度又は回転位置を検知するエンコーダである請求項１又は２に記載の移動体。
  4. 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体と前記路面との間の動摩擦力が増大するように、前記車体の姿勢を制御する制御部をさらに備える請求項１乃至３のいずれかに記載の移動体。
  5. 前記車体の姿勢の制御量が、前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに応じて決定される請求項４に記載の移動体。
  6. 前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体に対する荷重割合を変更する制御部をさらに備える請求項１乃至３のいずれかに記載の移動体。
  7. 前記第１及び第２の回転体は、前記車体に対する相対位置が上下方向に移動できるよう前記車体に取り付けられており、
    前記制御部は、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体を上方向に移動させる請求項６に記載の移動体。
  8. 前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体の上方向への移動量が、前記旋回パラメータの実測値と予測値との差の大きさに応じて決定される請求項７に記載の移動体。
  9. 前記制御部は、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記車体の重心を前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に近づけるよう前記車体の姿勢を変更させる請求項６に記載の移動体。
  10. 前記第１及び第２の回転体を駆動する駆動部を備え、
    前記制御部はさらに、前記スリップ検出部によるスリップ発生の検出に応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に対する前記駆動部による駆動力の付与を停止させる請求項４又は６のいずれかに記載の移動体。
  11. 路面に接する第１及び第２の回転体と、前記第１及び第２の回転体に支持される車体とを備え、前記第１及び第２の回転体が、前記第１の回転体及び前記路面が接する接点と前記第２の回転体及び前記路面が接する接点との間を結ぶ直線が前記移動体の前後方向に対して非平行となるよう配置されるとともに、前記移動体の前後方向に回転駆動される移動体の制御方法であって、
    前記第１及び第２の回転体のそれぞれの回転状態を示す第１及び第２の物理量の差分を用いて、前記移動体の旋回量を表す旋回パラメータの予測値を算出し、
    前記予測値と、前記路面上での前記移動体の旋回状態を示す物理量を検知する旋回センサの出力信号を入力して得られる前記旋回パラメータの実測値とを比較することで前記第１又は第２の回転体のスリップ発生を検出し、
    前記第１又は第２の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、前記第１及び第２の回転体に対する荷重割合を変更する、制御方法。
  12. 前記第１又は第２の回転体のスリップ発生が検出されたことに応じて、前記第１及び第２の回転体のうちスリップ発生が検出された回転体に対する駆動力の付与を停止させる請求項１１に記載の制御方法。
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