WO2010032493A1 - 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム - Google Patents

転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム Download PDF

Info

Publication number
WO2010032493A1
WO2010032493A1 PCT/JP2009/053354 JP2009053354W WO2010032493A1 WO 2010032493 A1 WO2010032493 A1 WO 2010032493A1 JP 2009053354 W JP2009053354 W JP 2009053354W WO 2010032493 A1 WO2010032493 A1 WO 2010032493A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pitch
roll
angular velocity
angle
target
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/053354
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
滋 辻
福永　茂樹
光弘 名村
河合　康治
賢一 白土
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to JP2010529658A priority Critical patent/JP4743347B2/ja
Priority to EP09814338.1A priority patent/EP2328055B1/en
Priority to CN200980136967.XA priority patent/CN102160008B/zh
Priority to KR1020117005711A priority patent/KR101234302B1/ko
Publication of WO2010032493A1 publication Critical patent/WO2010032493A1/ja
Priority to US13/048,124 priority patent/US8335612B2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H17/00—Toy vehicles, e.g. with self-drive; ; Cranes, winches or the like; Accessories therefor
    • A63H17/25—Other wheeled vehicles with moving figures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007—Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0038—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K1/00—Unicycles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K11/00—Motorcycles, engine-assisted cycles or motor scooters with one or two wheels
    • B62K11/007—Automatic balancing machines with single main ground engaging wheel or coaxial wheels supporting a rider
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62K—CYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K17/00—Cycles not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0891—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for land vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/14—Vehicles with one wheel only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/423—Torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2260/00—Operating Modes
    • B60L2260/20—Drive modes; Transition between modes
    • B60L2260/34—Stabilising upright position of vehicles, e.g. of single axle vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2260/00—Operating Modes
    • B60L2260/40—Control modes
    • B60L2260/44—Control modes by parameter estimation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a fall prevention control device and a computer program that can prevent a fall in the pitch direction even in a unicycle.
  • the noise, offset and the like are amplified by integration. Since the amplified noise, offset, and the like are accumulated, there is a problem that the deviation from the target value increases and the tilt angle estimation and the overturn prevention control cannot be continued.
  • an angular velocity sensor having a detection axis directed substantially in the front-rear direction of the main body, a motor having a rotation axis directed substantially in the front-rear direction of the main body, a rotation sensor that detects the rotational position or rotational speed of the motor, and a motor
  • An inertia rotor connected to the rotating shaft of the main body, and the tilt angle of the main body relative to the balanced state is estimated from the angular velocity output of the angular velocity sensor and the torque command given to the motor, and the tilt of the main body is corrected using the estimated tilt angle.
  • a fall prevention control device has been proposed.
  • Patent Document 1 since it is not necessary to integrate the angular velocity output, noise, offset, and the like are not accumulated, and the inclination angle with respect to the balanced state can be estimated. It can be corrected to the state. However, in a two-wheeled vehicle, etc., it is possible to prevent a fall if the balance in the left-right direction can be controlled, but in a one-wheeled vehicle, etc. It will fall.
  • Non-Patent Document 1 uses a gyro sensor and two acceleration sensors. As the acceleration sensor is further away from the rotation axis, vibration is applied to the acceleration sensor. Thus, by using two acceleration sensors, the acceleration due to vibration is eliminated and a correct value is estimated.
  • the angle ⁇ a calculated from the two acceleration sensors and the angle ⁇ z of the integrated value of the angular velocity obtained by the gyro sensor are output, filtered to remove high frequency noise contained in ⁇ a and ⁇ z, and filtered
  • An output obtained by inputting the deviation e of the obtained value and applying the observer gain is defined as d ⁇ z, and an estimated value ⁇ z hat obtained by correcting the angle ⁇ z with d ⁇ z is used for control.
  • Non-Patent Document 1 the angle ⁇ z obtained by simply integrating the angular velocity obtained by the gyro sensor shifts with time, but the estimated value ⁇ z hat obtained by correcting the angle ⁇ z can be maintained at a constant value. By using the estimated value ⁇ z hat, it is possible to correct the deviation of the offset of the angle calculated from the angular velocity obtained by the gyro sensor.
  • International Publication No. 2007/063665 Takashi Kasai, "Attitude control of a unicycle", Master's thesis, graduate School of Systems and Information Engineering, University of Tsukuba, January 2005, p. 1-37
  • Non-Patent Document 1 the inclination with respect to the direction of gravity (vertical direction) is measured by the acceleration sensor, but the vertical direction is not always balanced in the front-rear direction as well as the left-right direction described above. Therefore, when the vertical direction is not in a balanced state, there is a problem that it cannot be corrected to a balanced state.
  • two acceleration sensors in addition to the gyro sensor are required, which makes it difficult to simplify and downsize the configuration of the fall prevention control device.
  • An object of the present invention is to provide a fall prevention control device and a computer program that can correct and prevent fall in the pitch direction.
  • a fall prevention control device includes a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and is connected to a rotation shaft of the wheel and swings in a pitch direction and a roll direction above the wheel.
  • a pitch angular velocity sensor that detects a pitch angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the pitch direction, a pitch motor that rotates the wheel in conjunction with the rotation of the wheel, and a main body that moves.
  • a pitch rotation sensor that detects a rotation position or a rotation speed of the pitch motor, and uses a reaction torque associated with the rotation of the wheel to correct the inclination of the main body in the pitch direction.
  • a forward / reverse instruction accepting unit for accepting an advance or reverse instruction for the wheel, and a pitch derived from the accepted forward or reverse instruction and the rotation angle detected by the pitch rotation sensor.
  • a target pitch angle calculation unit that calculates a target pitch angle that is a tilt angle in a target pitch direction based on a rotational speed deviation in a direction, a pitch angular speed detected by the pitch angular velocity sensor, and a target pitch angle
  • a pitch inclination angle estimation unit that estimates a pitch inclination angle that is an angle at which the main body is inclined in the pitch direction with respect to a balanced state from the pitch torque command that is generated to the pitch motor, and the target A pitch torque command generating unit that generates the pitch torque command based on the pitch angle and the pitch inclination angle is provided.
  • the fall prevention control device is characterized in that, in the first invention, the forward / reverse instruction receiving unit receives a forward or reverse instruction of the wheel as a rotational speed or a rotational angle.
  • the overturn prevention control device is the angular velocity of the target tilt angle in the pitch direction from the pitch angle deviation obtained by subtracting the pitch tilt angle from the target pitch angle in the first or second invention.
  • the pitch direction external torque for inclining the main body in the pitch direction is estimated based on the pitch inclination angle.
  • a rollover prevention control device is the roll prevention angular velocity sensor according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, wherein the main body detects a roll angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the roll direction.
  • An inertia rotor that rotates in the roll direction, a roll motor that rotates the inertia rotor in conjunction with the rotation of the inertia rotor, and a roll rotation sensor that detects the rotation position or rotation speed of the roll motor,
  • a target roll angle calculation unit that calculates a target roll angle that is a target tilt angle in the roll direction based on a rotation speed in the roll direction detected by the roll rotation sensor, and a roll detected by the roll angular velocity sensor From the angular velocity and the roll torque command given to the roll motor generated based on the target roll angle, the main body
  • a roll inclination angle estimator for estimating a roll inclination angle, which is an angle inclined in a roll direction, and a roll angle deviation obtained by subtracting the roll inclination angle from the target roll angle.
  • a target roll angular velocity calculation unit that calculates a target roll angular velocity that is an angular velocity, and a roll torque command generation unit that generates the roll torque command based on a deviation between the target roll angular velocity and the detected roll angular velocity. It is characterized by providing.
  • the fall prevention control device is the fifth aspect of the present invention, wherein the detection axis of the angular velocity sensor for rolls has a center of gravity on a vertical line where the main body intersects the rotation axis of the wheel, It is also characterized by facing in the horizontal direction.
  • the rotation ratio of the wheel is lower than the rotation of the pitch motor.
  • a computer program includes a wheel that rotates and moves in the front-rear direction, and is connected to a rotation shaft of the wheel in the pitch direction and the roll direction above the wheel.
  • a pitch angular velocity sensor that detects a pitch angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the pitch direction, and a pitch motor that rotates the wheel in conjunction with the rotation of the wheel.
  • a pitch rotation sensor for detecting the rotation position or rotation speed of the pitch motor, and mounted on a fall prevention control device that corrects the inclination of the main body in the pitch direction by using a reaction torque accompanying the rotation of the wheel.
  • a computer program that can be executed by a computer that is running, and that moves the computer forward / backward to receive a forward or reverse instruction for the wheel
  • a target pitch angle which is a target tilt angle in the pitch direction, is calculated based on the rotation speed deviation in the pitch direction derived from the indication receiving means, the received forward or backward instruction and the rotation angle detected by the pitch rotation sensor.
  • the main body Pitch inclination angle estimating means for estimating a pitch inclination angle that is an angle inclined in the pitch direction
  • pitch torque instruction generation for generating the pitch torque instruction based on the target pitch angle and the pitch inclination angle It is made to function as a means.
  • the computer program according to a ninth invention is characterized in that, in the eighth invention, the forward / reverse instruction receiving means functions as a means for receiving a forward or reverse instruction of the wheel as a rotational speed or a rotational angle.
  • a computer program according to a tenth aspect of the invention is the computer program according to the eighth or ninth aspect, wherein the angular velocity of the inclination angle in the target pitch direction is determined from the pitch angle deviation obtained by subtracting the pitch inclination angle from the target pitch angle.
  • a computer program according to an eleventh aspect of the invention is the computer program according to any one of the eighth to tenth aspects, wherein the computer estimates a pitch direction external torque that causes the computer to tilt in the pitch direction based on the pitch tilt angle.
  • the pitch direction external torque estimating means functions as a torque correcting means for correcting the pitch torque command in a direction in which the estimated pitch direction external torque is canceled.
  • a computer program according to a twelfth aspect of the present invention is the computer program according to any one of the eighth to eleventh aspects, wherein a roll angular velocity sensor that detects a roll angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the roll direction is provided on the main body, and the roll direction.
  • the computer comprising: an inertia rotor that rotates in rotation; a roll motor that rotates the inertia rotor in conjunction with rotation of the inertia rotor; and a roll rotation sensor that detects a rotation position or a rotation speed of the roll motor.
  • a target roll angle calculation means for calculating a target roll angle that is a tilt angle in the roll direction targeted based on the rotation speed in the roll direction detected by the roll rotation sensor. From the roll angular velocity and the torque command for the roll given to the roll motor generated based on the target roll angle A roll inclination angle estimating means for estimating a roll inclination angle which is an angle at which the main body is inclined in the roll direction with respect to a balanced state, and a target from a roll angle deviation obtained by subtracting the roll inclination angle from the target roll angle.
  • Target roll angular velocity calculation means for calculating a target roll angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the roll direction, and for a roll that generates the roll torque command based on a deviation between the target roll angular velocity and the detected roll angular velocity. It functions as a torque command generation means.
  • a forward or backward instruction for a wheel is received, and based on the received forward or backward instruction and the rotational speed deviation in the pitch direction derived from the rotation angle detected by the pitch rotation sensor, the target and A target pitch angle which is an inclination angle in the pitch direction to be calculated is calculated.
  • a pitch torque command is generated based on the target pitch angle and the pitch inclination angle.
  • the “pitch inclination angle” is a deviation angle between the main body at the basic position and the main body inclined in the pitch direction when the balanced state in the pitch direction is the basic position.
  • the “balanced state” is a state in which the sum of external torques such as torque generated by gravity applied to the main body or the like in the pitch direction, torque generated by headwinds, tailwinds, and the like becomes 0 (zero).
  • the pitch direction derived from the received wheel advance or retreat instruction and the rotation angle detected by the pitch rotation sensor by accepting the wheel advance or retreat instruction as the rotation speed or rotation angle. Since the target pitch angle is calculated on the basis of the rotational speed deviation, it is possible to correct the inclination in the pitch direction while ensuring the rotational speed for the instructed movement. Furthermore, it is possible to simplify and reduce the size of the fall prevention control device with a simple configuration in which an angular velocity sensor is added, in addition to a motor required for driving the wheels, etc., without requiring an acceleration sensor separately. It is.
  • the target pitch angular velocity which is the angular velocity of the inclination angle in the target pitch direction
  • the target pitch angular velocity is calculated from the pitch angle deviation obtained by subtracting the pitch inclination angle from the target pitch angle, and detected as the target pitch angular velocity.
  • the pitch direction external torque for tilting the main body in the pitch direction is estimated based on the pitch tilt angle, and the pitch direction external torque estimated by the torque correction unit is offset in the direction that cancels out.
  • the “pitch direction external torque” refers to the torque generated by gravity applied to the main body and the like when the main body is tilted in the pitch direction from the balanced state, and the direction in which the main body is tilted by the headwind and tailwind (pitch direction). Torque combined with torque.
  • the “torque correction unit” has a function of correcting the pitch torque command in a direction in which the pitch direction external torque is canceled, and a pitch motor torque command voltage calculation unit 50 described later is a part thereof. is there.
  • the target roll angle which is the target tilt angle in the roll direction
  • the target roll angle is calculated based on the rotational speed in the roll direction detected by the roll rotation sensor.
  • the angle at which the main body is inclined in the roll direction with respect to the balanced state from the roll angular velocity detected by the roll angular velocity sensor and the roll torque command applied to the roll motor generated based on the target roll angle.
  • Estimate the roll tilt angle From the roll angle deviation obtained by subtracting the roll tilt angle from the target roll angle, the target roll angular velocity that is the angular velocity of the tilt angle in the target roll direction is calculated, and based on the deviation between the target roll angular velocity and the detected roll angular velocity, A roll torque command is generated.
  • the roll angular velocity sensor has a center of gravity of the main body on a vertical line intersecting with the rotation axis of the wheel, and is oriented in the front-rear direction and the horizontal direction. Since an accurate angular velocity in the roll direction can be detected, the inclination in the roll direction can be accurately corrected.
  • a roll angular velocity sensor using a vibrator obtains an angular velocity by detecting a signal corresponding to a force in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrator.
  • the direction of the force detected by the roll angular velocity sensor is a substantially vertical direction orthogonal to the substantially front-rear detection axis.
  • the angular velocity is detected in a state where the center of gravity of the main body is biased and the detection axis of the roll angular velocity sensor is tilted forward and lower than the horizontal direction, for example, the direction of the vertical direction is shifted by a predetermined angle ⁇ . Since the angular velocity ⁇ cos ⁇ is obtained by detecting the force, an angular velocity slower than the actual angular velocity ⁇ is detected.
  • the wheel is driven from the pitch motor via a bevel gear, a pulley, and a belt so that the rotation ratio of the wheel is lower than that of the pitch motor.
  • the wheel can be controlled with a torque that is 1/3 of the torque by the pitch motor.
  • the substantial limit torque of the motor is increased, and the allowable angle of the tilt angle that can prevent overturning can be increased. It becomes possible.
  • the pitch inclination angle at which the main body is inclined in the pitch direction with respect to the balanced state since the pitch angular velocity by the pitch angular velocity sensor is not integrated, noise, There is no calculation error of the target pitch angle due to the accumulation of offset, etc., and using the reaction torque accompanying the rotation of the wheel, the inclination in the pitch direction from the balanced state is accurately corrected to prevent falling in the pitch direction can do. Instructed by calculating a target pitch angle based on an instruction to advance or retreat the wheel, and based on the received instruction and a rotational speed deviation in the pitch direction derived from the rotation angle detected by the pitch rotation sensor. The inclination in the pitch direction can be corrected while ensuring the rotational speed for movement. Furthermore, it is possible to simplify and reduce the size of the fall prevention control device with a simple configuration in which an angular velocity sensor is added, in addition to a motor required for driving the wheels, etc., without requiring an acceleration sensor separately. It is.
  • FIG. 1 is a front view and a side view schematically showing a configuration of a unicycle robot to which a fall prevention control device according to an embodiment of the present invention is applied.
  • 1A is a front view
  • FIG. 1B is a right side view.
  • the fall prevention control device according to the present embodiment functions to prevent the unicycle robot body from falling in the pitch direction and the roll direction.
  • the unicycle robot 1 includes a wheel 2 that rotates and moves in the front-rear direction, and a pitch direction and a roll direction that are connected to the rotation shaft of the wheel 2 and above the wheel 2. And a main body 3 which swings.
  • the main body 3 is a humanoid robot, but is not limited to this.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the pitch direction, the roll direction, and the yaw direction.
  • the rotation direction around the y axis is the pitch direction. It is.
  • the main body 3 tilts forward when it rotates counterclockwise in the (+) direction of the y axis, and the main body 3 moves backward when it rotates in the clockwise direction toward the (+) direction of the y axis. Tilt.
  • the rotation direction around the x axis is the roll direction, and is the rotation direction when the main body 3 swings in the left-right direction. Furthermore, the rotation direction around the z axis is the yaw direction, and is the rotation direction when the direction of the wheel 2 is tilted from the x axis direction.
  • the main body 3 includes a pitch gyro sensor (pitch angular velocity sensor) 31 that detects a pitch angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the pitch direction, and rotation of the wheels 2.
  • a pitch motor 32 that interlocks and rotates the wheel 2 and a pitch encoder (pitch rotation sensor) 33 that detects the rotational position or rotational speed of the pitch motor 32 are provided.
  • the pitch gyro sensor 31 is attached to the main body 3 with a detection shaft (not shown) for detecting the pitch angular velocity directed substantially in the left-right direction.
  • substantially left-right direction means that there may be a slight angle shift in the vertical direction with respect to the exact left-right direction.
  • the main body 3 and the wheel 2 are connected by a frame 4 that rotatably supports the wheel 2, and the rotation by the pitch motor 32 is transmitted to the wheel 2 via the bevel gear 5 and the belt 6 provided in the main body 3.
  • the frame 4 is a part of the main body 3.
  • the frame 4 is a foot of a humanoid robot that is the main body 3.
  • the pitch angular velocity sensor only needs to be able to detect the pitch angular velocity, and is not limited to a gyro sensor.
  • a control board 35 and a battery 36 for controlling the pitch motor 32 are mounted on the back of the humanoid robot as the main body 3.
  • a driver for rotating the pitch motor 32 an A / D converter, a D / A converter, a counter, a controller, and the like are mounted.
  • the controller is a microprocessor, CPU, LSI or the like.
  • the unicycle robot 1 controls to balance using the reaction when the wheels 2 are driven in order to balance the pitch direction.
  • FIG. 3 is a control block diagram showing an example of control for preventing the unicycle robot 1 from falling in the pitch direction.
  • the pitch counter unit 41 counts the output pulses of the pitch encoder 33.
  • the forward / backward instruction receiving unit 42 receives a forward instruction or a reverse instruction for the wheel 2 as a rotational speed or a rotational angle.
  • the pitch rotation speed calculation unit 43 subtracts the pulse number counted by the pitch counter unit 41 from the pulse number of the forward instruction or reverse instruction pulse signal, The number of pulses obtained by subtraction is converted into a rotation angle and then differentiated to obtain the rotation speed of the pitch motor 32. You may equip LPF (low-pass filter) for noise removal.
  • the target pitch angle calculation unit 44 when the rotation of the pitch motor 32 rotates in the direction in which the wheel 2 moves forward from the rotation speed of the pitch motor 32 obtained by the pitch rotation speed calculation unit 43, the target pitch is calculated.
  • the pitch motor 32 is set so that the target pitch angle becomes the direction in which the wheel 2 moves backward. It is obtained by multiplying the rotation speed of by a proportional coefficient. Thereby, the inclination in the pitch direction can be corrected while ensuring the rotational speed for the instructed movement.
  • the pitch AD converter unit 45 measures the pitch angular velocity output of the pitch gyro sensor 31.
  • the pitch angular velocity calculation unit 46 multiplies the pitch angular velocity output by the conversion coefficient to calculate the pitch angular velocity ⁇ 1p .
  • the pitch inclination angle estimation unit 47 is derived from the pitch angular velocity ⁇ 1p and a pitch torque command ⁇ 2p described later based on the equation of motion in the direction of the inclination angle (pitch direction) of the system including the main body 3 and the wheels 2. Further, the pitch inclination angle is calculated by (Equation 18) described later. Further, an estimated value of the pitch inclination angle is calculated by adding a first-order lag element for stabilizing the loop with an appropriate estimated speed in series. Specifically, for example, 1 / (0.1S + 1) is added in series as a first-order lag element to the calculated value using (Equation 18), but the present invention is not limited to this, and an appropriate estimated speed and Any delay element can be added.
  • the pitch direction external torque estimation unit 52 multiplies the estimated value of the pitch inclination angle by a conversion coefficient to calculate an estimated value of the pitch direction external torque acting on the main body 3, and corrects the pitch correction torque (pitch direction external torque (Corresponds to the estimated value) ⁇ 3p is generated.
  • the target pitch angular velocity calculation unit 48 calculates the target pitch angular velocity ⁇ 2p by multiplying the pitch angle deviation obtained by subtracting the estimated value of the pitch inclination angle from the target pitch angle by a proportional gain.
  • the pitch torque command generator 49 generates a pitch torque command ⁇ 0p by PI control, for example, with respect to the deviation between the target pitch angular velocity ⁇ 2p and the pitch angular velocity ⁇ 1p .
  • the pitch motor torque command voltage calculation unit 50 generates a command voltage by multiplying the pitch torque command ⁇ 2p obtained by adding the pitch torque command ⁇ 0p and the pitch correction torque ⁇ 3p by the conversion coefficient. .
  • the pitch DA converter unit 51 outputs a command voltage to the driver and controls the rotation of the pitch motor 32.
  • FIG. 4 is a schematic view of the model of the unicycle robot 1 seen from the side.
  • the wheel 2, the main body 3, and the pitch gyro sensor 31 attached to the main body 3 are schematically shown, the arrow direction is the forward direction, and the main body 3 is tilted forward.
  • the equation of motion is derived from the Lagrange equation.
  • the total kinetic energy T and potential energy U of the main body 3 and the wheel 2 are as follows.
  • the differential amount based on generalized coordinates and generalized speed is as follows.
  • the pitch inclination angle can also be obtained by integrating the output of the pitch gyro sensor 31. However, since the deviation accumulates and becomes inaccurate, it needs to be obtained by another method. Therefore, the pitch inclination angle is estimated from the pitch angular velocity ⁇ 1p output from the pitch gyro sensor 31 and the pitch torque command ⁇ 2p using the equation of motion of the model shown in FIG. When the equation of motion (Equation 14) is modified, (Equation 15) is obtained.
  • the deviation angle (pitch inclination angle) of the inclination angle ⁇ 1p in the current pitch direction with respect to the apparent balance inclination angle is derived from (Expression 18) from the above (Expression 15), (Expression 16), and (Expression 17). It can be estimated by calculating as follows. However, in order to stabilize the loop with an appropriate estimated speed, it is preferable to add a first-order lag element in series.
  • (Equation 18) is an example of a calculation formula for estimating the pitch tilt angle, and the calculation formula for estimating the pitch tilt angle may differ depending on the target model.
  • the main body 3 moves in the pitch direction with respect to the balanced state.
  • the pitch inclination angle that is the angle of inclination
  • the pitch inclination angle can be estimated with high accuracy.
  • the pitch angular velocity by the pitch gyro sensor 31 is not integrated, there is no calculation error of the target pitch angle due to accumulation of noise, offset, etc., and the counter torque associated with the rotation of the wheel 2 is used for balancing. The inclination in the pitch direction from the state can be accurately corrected, and the fall in the pitch direction can be prevented.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration in which the wheel 2 is driven from the pitch motor 32 via the bevel gear 5, the pulley, and the belt 6.
  • FIG. 5A shows a front view
  • FIG. 5B shows a right side view.
  • FIG. 5 shows only the wheel 2 involved in driving the wheel 2 and the wheel 2 side portion of the main body 3 in the unicycle robot 1.
  • the rotation by the pitch motor 32 is performed in the order of the motor shaft 321, the bevel gears 5 and 5, the pulley 7 on the main body 3 side, the belt 6, and the pulley 8 on the wheel 2 side. It is transmitted to the wheel 2 through.
  • the rotation ratio of the wheels 2 is set to be lower than the rotation of the pitch motor 32. Specifically, the reduction ratio of the pulley 7 on the pitch motor 32 side, that is, the main body 3 side, is higher than that of the pulley 8 on the wheel 2 side.
  • the wheel 2 can be controlled with the torque by the pitch motor 32, that is, the torque generated by the above-described corrected pitch torque command. Therefore, it is possible to increase the substantial limit torque of the pitch motor 32 and to increase the allowable angle of inclination that can prevent overturning.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a configuration in which the wheel 2 is directly driven from the pitch motor 32 via a gear.
  • 6A is a front view
  • FIG. 6B is a right side view.
  • the rotation by the pitch motor 32 is performed directly by the gear 324 that rotates around the same axis as the gear 323 that meshes with the gear 322 of the motor shaft 321 of the pitch motor 32.
  • the gear 324 that rotates around the same axis as the gear 323 that meshes with the gear 322 of the motor shaft 321 of the pitch motor 32.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing another example of a configuration in which the wheel 2 is directly driven from the pitch motor 32 via a gear.
  • FIG. 7A shows a front view
  • FIG. 7B shows a right side view.
  • the wheel 2 is shown in the cross section for description.
  • FIGS. 7A and 7B as with the configuration of FIG. 6, the rotation by the pitch motor 32 rotates coaxially with the gear 323 that meshes with the gear 322 of the motor shaft 321 of the pitch motor 32.
  • the gear 324 Although it is transmitted directly to the wheel 2 by the gear 324, it is not transmitted to the tire 325 of the wheel 2 as in the configuration of FIG. 6, but is different from the configuration of FIG. 6 in that it is transmitted to the gear formed on the wheel 326 of the wheel 2.
  • the drive configuration shown in FIG. 6 or 7 may be adopted.
  • the gear 324 is directly pressed against the tire of the wheel 2 to transmit the rotation, it is difficult to accurately control the rotation of the wheel 2 when a slip or the like occurs.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration in which the wheel 2 is driven from the pitch motor 32 via the bevel gears 5 and 5 and the gear 9.
  • FIG. 8A shows a front view
  • FIG. 8B shows a right side view.
  • the rotation by the pitch motor 32 is caused by the gear 9 rotating around the rotation shaft of the wheel 2 from the bevel gear 5 via the motor shaft 321 of the pitch motor 32. , Transmitted to wheel 2.
  • the drive configuration shown in FIG. 8 as in the drive configuration shown in FIG. 5, the drive configuration shown in FIGS. 6 and 7 is such that the backlash (backlash) corresponding to the engagement of the gear 5 or the gear 9 occurs. Therefore, the rotation of the wheel 2 can be controlled with high accuracy.
  • the drive configuration shown in FIG. 8 has a substantial pitch like the drive configuration shown in FIG. 5 by changing the gear ratio (reduction ratio) by further interposing a gear between the bevel gear 5 and the gear 9. It is also possible to increase the limit torque of the motor 32 for use.
  • FIG. 9 is an illustration of a realistic unicycle robot 1 that employs the drive configuration shown in FIG. FIG. 9A shows a front view, and FIG. 9B shows a right side view. Since the drive configuration shown in FIGS. 9A and 9B is the same as that in FIG. 5, the description of the configuration is omitted. As shown in FIG. 9, the bevel gear 5, the pulleys 7 and 8, and the belt 6 can be accommodated in the frame 4 so that they cannot be seen from the side surface. A design effect is also obtained as compared with the configuration that can be seen. Therefore, the unicycle robot 1 may employ any of the drive configurations shown in FIGS. 5 to 8, but it is particularly preferable to employ the drive configuration shown in FIG. 5 that can obtain the various effects described above.
  • the unicycle robot 1 functions to prevent the fall in the pitch direction and the roll direction as described above, a configuration for preventing the fall in the roll direction will be described below.
  • the main body 3 includes a roll gyro for detecting a roll angular velocity that is an angular velocity of an inclination angle in the roll direction.
  • a roll encoder (roll rotation sensor) 63 for detection is provided.
  • the roll gyro sensor 61 is attached to the main body 3 with a detection shaft (not shown) for detecting the roll angular velocity directed substantially in the front-rear direction.
  • substantially front-rear direction means that there may be a slight angle deviation in the vertical direction with respect to the strict front-rear direction.
  • the roll angular velocity sensor 61 only needs to be able to detect the roll angular velocity, and is not limited to a gyro sensor.
  • FIG. 10 is a control block diagram illustrating an example of control for preventing the unicycle robot 1 from falling in the roll direction.
  • the roll counter unit 71 counts the output pulses of the roll encoder 63.
  • the roll rotation speed calculation unit 73 converts the output of the roll counter unit 71 into a rotation angle and then differentiates to obtain the rotation speed of the roll motor 62. You may equip LPF (low-pass filter) for noise removal.
  • the target roll angle calculation unit 74 when the rotation of the roll motor 62 is counterclockwise when viewed from the front of the unicycle robot 1, the target roll angle is set to the right when viewed from the front of the unicycle robot 1.
  • the rotation speed of the roll motor 62 is multiplied by a proportional coefficient so that the target roll angle is left when viewed from the front of the unicycle robot 1. . It is preferable to add an integrator so that no steady rotation remains in the inertia rotor 64.
  • the roll AD converter unit 75 acquires the roll angular velocity output of the roll gyro sensor 61.
  • the roll angular velocity calculator 76 multiplies the roll angular velocity output by a conversion coefficient to calculate the roll angular velocity ⁇ 1r .
  • the inclination angle direction (roll) of the system including the main body 3 (part other than the inertia rotor 64) and the inertia rotor 64 is determined from the roll angular velocity ⁇ 1r and a roll torque command ⁇ 2r described later.
  • the roll inclination angle represented by (Expression 25) described later, which is derived based on the (direction) equation of motion, is calculated.
  • an estimated value of the roll tilt angle is calculated by adding a first-order lag element for stabilizing the loop with an appropriate estimated speed in series. Specifically, for example, 1 / (0.1S + 1) is added in series as a first-order lag element to the calculated value calculated using (Equation 25).
  • Arbitrary delay factors can be added that result in speed.
  • the roll direction external torque estimation unit 82 multiplies the estimated value of the roll inclination angle by a conversion coefficient to calculate an estimated value of the roll direction external torque acting on the main body 3, and calculates a roll correction torque (roll direction external torque). ⁇ 3r is generated.
  • the target roll angular velocity calculation unit 78 multiplies the roll angle deviation obtained by subtracting the estimated value of the roll tilt angle from the target roll angle to generate a target roll angular velocity ⁇ 2r .
  • the roll torque command generation unit 79 generates a roll torque command ⁇ 0r by PI control, for example, with respect to the deviation between the target roll angular velocity ⁇ 2r and the roll angular velocity ⁇ 1r .
  • the roll motor torque command voltage calculation unit 80 generates a command voltage by multiplying the roll torque command ⁇ 2r obtained by adding the roll torque command ⁇ 0r and the roll correction torque ⁇ 3r by a conversion coefficient. .
  • the roll DA converter 81 outputs a command voltage to the driver and controls the rotation of the roll motor 62.
  • FIG. 11 is a schematic view of the unicycle robot 1 as seen from the front.
  • the main body 3 and the inertia rotor 64 attached to the main body 3 are schematically shown.
  • the equation of motion is derived from the Lagrange equation.
  • the total kinetic energy T and potential energy U of the main body 3 (part other than the inertia rotor 64) and the inertia rotor 64 are as follows.
  • Equation 24 is obtained from (Equation 22) and (Equation 23) as if the calculation formula for calculating the pitch inclination angle is derived. From (Equation 24), the motion of the main body 3 becomes independent of the angle and angular velocity of the inertia rotor 64.
  • the roll inclination angle can be obtained by integrating the output of the roll gyro sensor 61. However, since the deviation becomes inaccurate, it is necessary to obtain it by another method. .
  • the roll angular velocity ⁇ 1r output from the roll gyro sensor 61 and the roll torque command ⁇ 2r are calculated using the equation of motion of the model shown in FIG. Estimate the tilt angle.
  • the main body 3 moves in the roll direction with respect to the balanced state.
  • the roll tilt angle which is the tilted angle
  • the roll tilt angle can be estimated with high accuracy in the same manner as the pitch tilt angle.
  • the roll angular velocity by the roll angular velocity sensor is not integrated, there is no error in calculating the target roll angle due to accumulation of noise, offset, etc., and the reaction torque associated with the rotation of the wheel 2 is used to It is possible to accurately correct the inclination in the roll direction and prevent the roll in the roll direction.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the sensitivity of the angular velocity detected by the roll gyro sensor 61 based on the position of the center of gravity of the main body 3.
  • FIG. 12 is a view as seen from the right side of the unicycle robot 1, and a thick arrow “a” indicates the forward direction, and shows a balanced state in the pitch direction of the unicycle robot 1.
  • the roll gyro sensor 61 is an angular velocity sensor using a vibrator, and obtains an angular velocity by detecting a signal corresponding to a force in a direction orthogonal to the vibration direction of the vibrator.
  • the direction of the force to be detected is a substantially vertical direction perpendicular to the detection axis in the substantially front-rear direction.
  • the center of gravity G of the main body 3 is not on the shaft 38 of the main body 3, but is located behind the main body 3, so that the unicycle robot 1 is in the state of balance in the pitch direction and the shaft 38 of the main body 3 is vertical. It is tilted forward, not in direction.
  • the roll gyro sensor 61 is attached to the main body 3 so that the detection axis is directed in the front-rear direction and the horizontal direction and the signal corresponding to the force in the vertical direction is detected in a state where the shaft 38 of the main body 3 is in the vertical direction. Yes.
  • the detection axis of the roll gyro sensor 61 is inclined forward and lower in the front direction than in the horizontal direction toward the arrow b. While the detection axis is tilted forward, the roll gyro sensor 61 detects a signal corresponding to the force indicated by the arrow d, and the angular velocity actually generated in the roll direction corresponds to the force indicated by the arrow c. If the angular velocity corresponding to the force indicated by the arrow c is ⁇ , the angular velocity corresponding to the force indicated by the arrow d is ⁇ cos ⁇ , and the angular velocity detected by the roll gyro sensor 61 is slower than the actual angular velocity. If the roll gyro sensor 61 cannot accurately detect the actual angular velocity, the roll tilt angle cannot be accurately estimated, and the roll direction tilt cannot be accurately corrected.
  • the detection axis of the roll gyro sensor 61 is in the balanced state in the pitch direction as shown in FIG. It is preferable to attach the roll gyro sensor 61 to the main body 3 so as to face in the front-rear direction and in the horizontal direction with the center of gravity G on the vertical line intersecting with the main body 3.
  • the roll gyro sensor 61 can accurately detect the angular velocity actually generated in the roll direction in a balanced state in the pitch direction, and swings by a minute angle in the pitch direction from the balanced state in the pitch direction.
  • the roll angular velocity can be detected with high sensitivity with an actual roll angular velocity and a small error.
  • FIG. 13 is a flowchart showing a pitch direction overturn prevention processing procedure by the controller of the control board 35 of the unicycle robot 1.
  • the controller of the control board 35 counts the number of pulses of the output (pulse signal) of the pitch encoder 33 that detects the rotation of the pitch motor 32 (step S1201).
  • the controller accepts a forward (or reverse) instruction for the wheel 2 as a rotational speed pulse signal (step S1202).
  • the controller calculates the rotational speed deviation in the pitch direction from the pulse number obtained by subtracting the pulse number of the output (pulse signal) of the pitch encoder 33 from the pulse number of the forward (or reverse) instruction pulse signal (Ste S1203). Specifically, the number of pulses obtained by subtraction is converted into a rotation angle and then differentiated to obtain a rotation speed deviation. The controller calculates a target pitch angle, which is a target tilt angle in the pitch direction, based on the rotational speed deviation in the pitch direction (step S1204).
  • the controller calculates a pitch angle deviation by subtracting a pitch inclination angle estimated in step S1212 described later from the calculated target pitch angle (step S1205), and multiplies the calculated pitch angle deviation by a proportional gain to obtain a target pitch angular velocity ⁇ 2p. Is calculated (step S1206).
  • the controller calculates a pitch angular velocity deviation between the target pitch angular velocity ⁇ 2p and a pitch angular velocity ⁇ 1p calculated in step S1211 described later (step S1207), and performs pitch torque command by PI control or the like for the calculated pitch angular velocity deviation.
  • ⁇ 0p is generated (step S1208).
  • the controller corrects the generated pitch torque command ⁇ 0p with the pitch direction external torque ⁇ 3p estimated in step S1213, which will be described later, and generates a pitch torque command ⁇ 2p (step S1209).
  • the controller obtains the output of the pitch angular velocity output from the pitch gyro sensor 31 by performing A / D conversion (step S1210).
  • the controller multiplies the obtained pitch angular velocity output by the conversion coefficient to calculate the pitch angular velocity ⁇ 1p (step S1211).
  • the controller uses (Equation 18) to calculate the pitch angular velocity ⁇ 1p and the pitch torque command ⁇ 2p generated in step S1209 described above, and the main body 3 is inclined in the pitch direction with respect to the balanced state.
  • the pitch inclination angle is estimated (step S1212).
  • the controller estimates a pitch direction external torque that causes the main body 3 to tilt in the pitch direction based on the estimated pitch tilt angle (step S1213).
  • the controller determines whether or not a pitch torque command ⁇ 2p has been generated in step S1209 (step S1214).
  • step S1214 When the controller determines that the pitch torque command ⁇ 2p has been generated (step S1214: YES), the controller multiplies the generated pitch torque command ⁇ 2p by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S1215). . The controller performs D / A conversion on the calculated command voltage, and outputs the converted command voltage to the driver that rotationally drives the pitch motor 32 (step S1216). The controller returns the process to step S1201 and step S1210, and repeats the above-described process.
  • step S1214 NO
  • the controller determines that the pitch torque command ⁇ 2p has not been generated (step S1214: NO)
  • the main body 3 is in a balanced state and there is no forward / backward instruction, and the controller ends the process.
  • the above-described example shows the processing procedure when the rotation angle is received as the forward instruction or the backward instruction.
  • the processing procedure is the same by obtaining the angular velocity deviation. With this processing procedure, it is possible to control the overturning prevention in the pitch direction.
  • FIG. 14 is a flow chart showing a roll direction overturn prevention processing procedure by the controller of the control board 35 of the unicycle robot 1. As shown in FIG. 14, the controller of the control board 35 counts the number of pulses of the output (pulse signal) of the roll encoder 63 that detects the rotation of the roll motor 62 (step S1301).
  • the controller calculates the rotational speed in the roll direction from the counted number of pulses (step S1302). Specifically, after converting the counted number of pulses into a rotation angle, the rotation speed is calculated by differentiation. The controller calculates a target roll angle, which is a target tilt angle in the roll direction, based on the rotational speed in the roll direction (step S1303).
  • the controller calculates a roll angle deviation by subtracting a roll inclination angle estimated in step S1311 described later from the calculated target roll angle (step S1304), and multiplies the calculated roll angle deviation by a proportional gain to obtain a target roll angular velocity ⁇ 2r. Is calculated (step S1305).
  • the controller calculates a roll angular velocity deviation between a target roll angular velocity ⁇ 2r and a roll angular velocity ⁇ 1r calculated in step S1310, which will be described later (step S1306), and performs a roll torque command by PI control or the like for the calculated roll angular velocity deviation.
  • ⁇ 0r is generated (step S1307).
  • the controller corrects the generated roll torque command ⁇ 0r with a roll direction external torque ⁇ 3r estimated in step S1312, which will be described later, and generates a roll torque command ⁇ 2r (step S1308).
  • the controller acquires the roll angular velocity output output by the roll gyro sensor 61 by A / D conversion (step S1309).
  • the controller multiplies the obtained roll angular velocity output by the conversion coefficient to calculate the roll angular velocity ⁇ 1r (step S1310).
  • the controller uses (Equation 25) to tilt the main body 3 in the roll direction with respect to the balanced state from the calculated roll angular velocity ⁇ 1r and the roll torque command ⁇ 2r generated in step S1308 described above.
  • the roll tilt angle is estimated (step S1311). Based on the estimated roll inclination angle, the controller estimates a roll direction external torque that causes the main body 3 to tilt in the roll direction (step S1312).
  • the controller determines whether or not a roll torque command ⁇ 2r has been generated in step S1308 (step S1313).
  • step S1313 When the controller determines that the roll torque command ⁇ 2r has been generated (step S1313: YES), the controller multiplies the generated roll torque command ⁇ 2r by a conversion coefficient to calculate a command voltage (step S1314). . The controller performs D / A conversion on the calculated command voltage, and outputs it to the driver that rotationally drives the roll motor 62 (step S1315). The controller returns the process to step S1301 and step S1309, and repeats the above-described process.
  • step S1313 NO
  • the controller determines that the roll torque command ⁇ 2r has not been generated (step S1313: NO)
  • the main body 3 is in a balanced state, and the controller ends the process.
  • the present embodiment it is possible to accurately estimate the pitch inclination angle at which the main body is inclined in the pitch direction with respect to the balanced state, and to integrate the pitch angular velocity by the pitch angular velocity sensor. Therefore, there is no calculation error of the target pitch angle due to accumulation of noise, offset, etc., using the reaction torque accompanying the rotation of the wheel, accurately correcting the pitch direction inclination from the balanced state, A fall in the pitch direction can be prevented. Also, the movement is instructed by calculating the target pitch angle on the basis of the received instruction and the rotation speed deviation in the pitch direction derived from the received instruction and the rotation angle detected by the pitch rotation sensor. The inclination in the pitch direction can be corrected while ensuring the rotational speed for the above. Furthermore, it is possible to simplify and reduce the size of the fall prevention control device with a simple configuration in which an angular velocity sensor is added, in addition to a motor required for driving the wheels, etc., without requiring an acceleration sensor separately. It is.
  • the fall prevention control device is not limited to application to a unicycle robot, but is applied to, for example, a biped robot, a two-wheeled vehicle that rotates and moves in the front-rear direction around one axis in the left-right direction.
  • a biped robot a two-wheeled vehicle that rotates and moves in the front-rear direction around one axis in the left-right direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Motorcycle And Bicycle Frame (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

　簡便な構成で、ノイズ、オフセット等が累積することなく、前後方向への移動を確保しながら釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正し、ピッチ方向への転倒を防止することができる転倒防止制御装置及びコンピュータプログラムを提供する。 車輪と、車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、車輪の前進又は後退指示を受け付ける前進／後退指示受付部（４２）と、受け付けた指示及び検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標ピッチ角を算出する目標ピッチ角計算部（４４）と、検出されたピッチ角速度と目標ピッチ角に基づいて生成されるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態からのピッチ傾斜角を推定するピッチ傾斜角推定部（４７）と、目標ピッチ角とピッチ傾斜角とに基づいてピッチ用トルク指令を生成するピッチ用トルク指令生成部（４９）とを備える。

Description

転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム
　本発明は、一輪車であってもピッチ方向への転倒を防止することができる転倒防止制御装置及びコンピュータプログラムに関する。
　従来、二輪車、二足歩行ロボット等は、移動する場合に本体が、略前後方向を軸とする回転（ロール）方向に揺動することから、ロール方向の釣合いを制御することにより、転倒することなく移動又は停止するよう動作を制御する必要があった。ロール方向の転倒を防止する場合、ロール方向の傾斜を正確に検出する必要がある。ロール方向の釣合いを制御するために本体の傾斜を検出する方法として、角速度センサを用いて角速度を検出し、検出した値を積分することによって傾斜を推定する方法、ウエイト（錘）を用いて傾斜を検出する方法等がある。
　しかし、角速度センサを用いて角速度を積分する方法では、角速度センサによって検出された角速度出力にノイズ、オフセットが含まれる場合、積分することによってノイズ、オフセット等が増幅される。増幅されたノイズ、オフセット等は累積していくので、目標値からのずれが増大して傾斜角推定及び転倒防止制御を継続することができなくなるという問題があった。
　一方、ウエイトを用いて傾斜を検出する方法では、重力の影響を受けて瞬時に傾斜を反映することができないことから応答性が悪く、また鉛直方向からの傾斜を検出するので、釣合い状態からの傾斜を検出することができないという問題があった。例えば重心位置がロール方向にずれている場合、横風を受けている場合等には、鉛直方向が釣合い状態とは限らない。転倒しないようにするためには、傾いた状態を釣合い状態に戻すことが必要であり、釣合い状態からの傾斜を検出する必要がある。
　例えば特許文献１では、本体の略前後方向に検出軸を向けた角速度センサと、本体の略前後方向に回転軸を向けたモータと、モータの回転位置又は回転速度を検出する回転センサと、モータの回転軸に連結された慣性ロータとを備え、角速度センサの角速度出力とモータに与えるトルク指令とから、釣合い状態に対する本体の傾斜角を推定し、推定した傾斜角を用いて本体の傾斜を補正する転倒防止制御装置が提案されている。
　特許文献１では、角速度出力を積分する必要がないのでノイズ、オフセット等が累積することがなく、また釣合い状態に対する傾斜角を推定することができるので、推定した傾斜角を用いて左右方向の釣合い状態に補正することができる。しかし、二輪車等では、左右方向の釣合いを制御することができれば転倒を防止することができるが、一輪車等では、左右方向の釣合いを制御しても前後方向の釣合いを制御しなければ前後方向に転倒することになる。
　一輪車の前後方向の傾斜を推定するため、非特許文献１では、ジャイロセンサと２個の加速度センサとを用いている。加速度センサが回転軸から離れるほど加速度センサに振動が加わるので、２個の加速度センサを用いることにより、振動による加速度を消去して正しい値を推定している。２個の加速度センサから算出された角度θａと、ジャイロセンサで得られた角速度の積分値の角度θｚとを出力し、θａとθｚとに含まれる高周波ノイズを除去するためにフィルタをかけ、フィルタリングされた値の偏差ｅを入力してオブザーバゲインをかけた出力をｄθｚとし、ｄθｚで角度θｚを修正した推定値θｚハットを制御に用いている。
　非特許文献１では、ジャイロセンサで得られた角速度を単純に積分した角度θｚは経時的にずれていくが、角度θｚを修正した推定値θｚハットは一定値を保つことができるので、修正した推定値θｚハットを用いることにより、ジャイロセンサで得られた角速度から算出される角度のオフセットのずれを修正することができる。
国際公開２００７／０６３６６５号 笠井崇史著、「一輪車の姿勢制御」、筑波大学大学院博士課程システム情報工学研究科修士論文、２００５年１月、ｐ．１－３７
　しかし、非特許文献１の一輪車では、加速度センサによって重力方向（鉛直方向）に対する傾斜を計測しているが、上述した左右方向と同様、前後方向でも鉛直方向が釣合い状態とは限らない。そのため、鉛直方向が釣合い状態でない場合には、釣合い状態に補正することができないという問題点があった。また、傾斜を推定するため、ジャイロセンサの他２個の加速度センサを必要とするので、転倒防止制御装置の構成の簡素化及び小型化が困難になるという問題点もあった。
　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で、ノイズ、オフセット等が累積することなく、前後方向への移動を確保しながら釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正し、ピッチ方向への転倒を防止することができる転倒防止制御装置及びコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために第１発明に係る転倒防止制御装置は、前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、該本体に、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用角速度センサと、前記車輪の回転と連動し、該車輪を回転させるピッチ用モータと、該ピッチ用モータの回転位置又は回転速度を検出するピッチ用回転センサとを備え、前記車輪の回転に伴う反動トルクを利用して前記本体のピッチ方向の傾斜を補正する転倒防止制御装置であって、前記車輪の前進又は後退指示を受け付ける前進／後退指示受付部と、受け付けた前進又は後退指示及び前記ピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する目標ピッチ角計算部と、前記ピッチ用角速度センサで検出されたピッチ角速度と、前記目標ピッチ角に基づいて生成される前記ピッチ用モータに与えるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がピッチ方向に傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定するピッチ傾斜角推定部と、前記目標ピッチ角と前記ピッチ傾斜角とに基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成するピッチ用トルク指令生成部とを備えることを特徴とする。
　また、第２発明に係る転倒防止制御装置は、第１発明において、前記前進／後退指示受付部は、前記車輪の前進又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付けることを特徴とする。
　また、第３発明に係る転倒防止制御装置は、第１又は第２発明において、前記目標ピッチ角から前記ピッチ傾斜角を減じたピッチ角度偏差から、目標とするピッチ方向の傾斜角度の角速度である目標ピッチ角速度を算出する目標ピッチ角速度計算部を備え、前記ピッチ用トルク指令生成部は、前記目標ピッチ角速度と検出された前記ピッチ角速度との偏差に基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成することを特徴とする。
　また、第４発明に係る転倒防止制御装置は、第１乃至第３発明のいずれか１つにおいて、前記ピッチ傾斜角に基づいて、前記本体をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定するピッチ方向外部トルク推定部と、推定された前記ピッチ方向外部トルクが相殺される方向に前記ピッチ用トルク指令を補正するトルク補正部とを備えることを特徴とする。
　また、第５発明に係る転倒防止制御装置は、第１乃至第４発明のいずれか１つにおいて、前記本体に、ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用角速度センサと、ロール方向に回転する慣性ロータと、該慣性ロータの回転と連動し、該慣性ロータを回転させるロール用モータと、該ロール用モータの回転位置又は回転速度を検出するロール用回転センサとを備え、前記ロール用回転センサで検出されたロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する目標ロール角計算部と、前記ロール用角速度センサで検出されたロール角速度と、前記目標ロール角に基づいて生成される前記ロール用モータに与えるロール用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定するロール傾斜角推定部と、前記目標ロール角から前記ロール傾斜角を減じたロール角度偏差から、目標とするロール方向の傾斜角度の角速度である目標ロール角速度を算出する目標ロール角速度計算部と、前記目標ロール角速度と検出された前記ロール角速度との偏差に基づいて、前記ロール用トルク指令を生成するロール用トルク指令生成部とを備えることを特徴とする。
　また、第６発明に係る転倒防止制御装置は、第５発明において、前記ロール用角速度センサの検出軸は、前記本体が前記車輪の回転軸と交差する鉛直線上に重心を有する状態で、前後方向かつ水平方向を向いていることを特徴とする。
　また、第７発明に係る転倒防止制御装置は、第１乃至第６発明のいずれか１つにおいて、前記車輪の回転は、前記ピッチ用モータの回転に対して回転比が低くなっていることを特徴とする。
　次に、上記目的を達成するために第８発明に係るコンピュータプログラムは、前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、該本体に、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用角速度センサと、前記車輪の回転と連動し、該車輪を回転させるピッチ用モータと、該ピッチ用モータの回転位置又は回転速度を検出するピッチ用回転センサとを備え、前記車輪の回転に伴う反動トルクを利用して前記本体のピッチ方向の傾斜を補正する転倒防止制御装置に搭載されているコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、前記コンピュータを、前記車輪の前進又は後退指示を受け付ける前進／後退指示受付手段、受け付けた前進又は後退指示及び前記ピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する目標ピッチ角計算手段、前記ピッチ用角速度センサで検出されたピッチ角速度と、前記目標ピッチ角に基づいて生成される前記ピッチ用モータに与えるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がピッチ方向に傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定するピッチ傾斜角推定手段、及び前記目標ピッチ角と前記ピッチ傾斜角とに基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成するピッチ用トルク指令生成手段として機能させることを特徴とする。
　また、第９発明に係るコンピュータプログラムは、第８発明において、前記前進／後退指示受付手段を、前記車輪の前進又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付ける手段として機能させることを特徴とする。
　また、第１０発明に係るコンピュータプログラムは、第８又は第９発明において、前記コンピュータを、前記目標ピッチ角から前記ピッチ傾斜角を減じたピッチ角度偏差から、目標とするピッチ方向の傾斜角度の角速度である目標ピッチ角速度を算出する目標ピッチ角速度計算手段として機能させ、前記ピッチ用トルク指令生成手段を、前記目標ピッチ角速度と検出された前記ピッチ角速度との偏差に基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成する手段として機能させることを特徴とする。
　また、第１１発明に係るコンピュータプログラムは、第８乃至第１０発明のいずれか１つにおいて、前記コンピュータを、前記ピッチ傾斜角に基づいて、前記本体をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定するピッチ方向外部トルク推定手段、及び推定された前記ピッチ方向外部トルクが相殺される方向に前記ピッチ用トルク指令を補正するトルク補正手段として機能させることを特徴とする。
　また、第１２発明に係るコンピュータプログラムは、第８乃至第１１発明のいずれか１つにおいて、前記本体に、ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用角速度センサと、ロール方向に回転する慣性ロータと、該慣性ロータの回転と連動し、該慣性ロータを回転させるロール用モータと、該ロール用モータの回転位置又は回転速度を検出するロール用回転センサとを備え、前記コンピュータを、前記ロール用回転センサで検出されたロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する目標ロール角計算手段、前記ロール用角速度センサで検出されたロール角速度と、前記目標ロール角に基づいて生成される前記ロール用モータに与えるロール用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定するロール傾斜角推定手段、前記目標ロール角から前記ロール傾斜角を減じたロール角度偏差から、目標とするロール方向の傾斜角度の角速度である目標ロール角速度を算出する目標ロール角速度計算手段、及び前記目標ロール角速度と検出された前記ロール角速度との偏差に基づいて、前記ロール用トルク指令を生成するロール用トルク指令生成手段として機能させることを特徴とする。
　第１発明及び第８発明では、車輪の前進又は後退指示を受け付け、受け付けた前進又は後退指示及びピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて、目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する。ピッチ用角速度センサで検出されたピッチ角速度と、目標ピッチ角に基づいて生成されるピッチ用モータに与えるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態に対して本体がピッチ方向に傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定する。目標ピッチ角とピッチ傾斜角とに基づいて、ピッチ用トルク指令を生成する。これにより、釣合い状態に対して本体がピッチ方向に傾斜しているピッチ傾斜角を精度良く推定することができるとともに、ピッチ用角速度センサによるピッチ角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、車輪の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。
　ここで、「ピッチ傾斜角」とは、ピッチ方向の釣合い状態を基本位置とした場合の、基本位置での本体とピッチ方向に傾斜した本体との偏差角である。「釣合い状態」とは、ピッチ方向での本体等に負荷される重力によって発生するトルク、向かい風、追い風等によって発生するトルク等の外部トルクの合計が０（ゼロ）になる状態である。
　第２発明及び第９発明では、車輪の前進又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付けることにより、受け付けた車輪の前進又は後退指示及びピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて、目標ピッチ角を算出するので、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。さらに、加速度センサ等を別個に必要とせず、車輪の駆動に必要なモータ等の他は、角速度センサを加えただけの簡便な構成で、転倒防止制御装置を簡素化及び小型化することが可能である。
　第３発明及び第１０発明では、目標ピッチ角からピッチ傾斜角を減じたピッチ角度偏差から、目標とするピッチ方向の傾斜角度の角速度である目標ピッチ角速度を算出し、目標ピッチ角速度と検出されたピッチ角速度との偏差に基づいて、ピッチ用トルク指令を生成することにより、誤差の累積を抑制しつつ、本体のピッチ方向の傾斜を適正に補正するピッチ用トルク指令を生成することができる。
　第４発明及び第１１発明では、ピッチ傾斜角に基づいて、本体をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定し、トルク補正部で推定されたピッチ方向外部トルクが相殺される方向にピッチ用トルク指令を補正することにより、ピッチ方向外部トルクによる影響を加味してピッチ用モータの回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜をより精度良く補正してピッチ方向への転倒を防止することができる。
　ここで、「ピッチ方向外部トルク」とは、釣合い状態からピッチ方向に本体が傾くことによって本体等に負荷される重力によって発生するトルクと、向かい風、追い風等によって本体が傾く方向（ピッチ方向）のトルクとを合わせたトルクである。また、「トルク補正部」とは、ピッチ方向外部トルクが相殺される方向にピッチ用トルク指令を補正する機能を有しており、後述するピッチ用モータトルク指令電圧計算部５０はその一部である。
　第５発明及び第１２発明では、ロール用回転センサで検出されたロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する。ロール用角速度センサで検出されたロール角速度と、目標ロール角に基づいて生成されるロール用モータに与えるロール用トルク指令とから、釣合い状態に対して本体がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定する。目標ロール角からロール傾斜角を減じたロール角度偏差から、目標とするロール方向の傾斜角度の角速度である目標ロール角速度を算出し、目標ロール角速度と検出されたロール角速度との偏差に基づいて、ロール用トルク指令を生成する。これにより、釣合い状態に対して本体がロール方向に傾斜しているロール傾斜角を精度良く推定することができるとともに、ロール用角速度センサによるロール角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ロール角の計算誤差が生じることがなく、慣性ロータの回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのロール方向の傾斜を精度良く補正して、ロール方向への転倒を防止することができる。
　第６発明では、ロール用角速度センサの検出軸は、車輪の回転軸と交差する鉛直線上に本体の重心を有する状態で、前後方向かつ水平方向を向くようにすることにより、ロール用角速度センサはロール方向の正確な角速度を検出することができるので、ロール方向の傾斜を精度良く補正することができる。振動子を使用したロール用角速度センサは、振動子の振動方向と直交する方向の力に応じた信号を検出することによって角速度を求める。ロール用角速度センサの検出軸は、略前後方向に向けて本体に取り付けられるので、ロール用角速度センサが検出する力の方向は、略前後方向の検出軸と直交する略鉛直方向となる。ロール用角速度センサの検出軸が、前後方向かつ水平方向を向く状態で角速度を検出する場合、鉛直方向の力を検出することができるので、ロール方向に実際に生じている角速度ωを正確に求めることができる。しかし、本体の重心に偏りがあり、ロール用角速度センサの検出軸が、例えば水平方向より前側が低く前傾した状態で角速度を検出する場合には、鉛直方向から所定角度θだけずれた方向の力を検出して角速度ωｃｏｓθが求まるので、実際の角速度ωより遅い角速度を検出することになる。
　第７発明では、車輪の回転は、ピッチ用モータの回転に対して回転比が低くなるように、例えば、ピッチ用モータからかさ歯車、プーリ、ベルトを介して車輪を駆動し、ピッチ用モータ側のプーリを車輪側のプーリに対して減速比を３倍高くすることにより、ピッチ用モータによるトルクの１／３のトルクで車輪を制御することができる。またピッチ用モータによるトルクに対して低いトルク比で車輪を制御することができることにより、実質的なモータの限界トルクが高くなり、転倒を防止することができる傾斜角の許容角を大きくすることが可能となる。
　上記構成によれば、本体が釣合い状態に対してピッチ方向に傾斜しているピッチ傾斜角を精度良く推定することができるとともに、ピッチ用角速度センサによるピッチ角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、車輪の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。また、車輪の前進又は後退指示を受け付け、受け付けた指示及びピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて、目標ピッチ角を算出することにより、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。さらに、加速度センサ等を別個に必要とせず、車輪の駆動に必要なモータ等の他は、角速度センサを加えただけの簡便な構成で、転倒防止制御装置を簡素化及び小型化することが可能である。
本発明の実施の形態に係る転倒防止制御装置を適用した一輪車ロボットの構成を模式的に示す正面図及び側面図である。 ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。 一輪車ロボットのピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。 一輪車ロボットのモデルを側面から見た模式図である。 ピッチ用モータからかさ歯車、プーリ、ベルトを介して車輪を駆動する構成を示す模式図である。 ピッチ用モータからギアを介して直接車輪を駆動する構成の一例を示す模式図である。 ピッチ用モータからギアを介して直接車輪を駆動する構成の他の例を示す模式図である。 ピッチ用モータからかさ歯車、ギアを介して車輪を駆動する構成を示す模式図である。 図５に示す駆動構成を採用する現実的な一輪車ロボットの例示図である。 一輪車ロボットのロール方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。 一輪車ロボットを正面から見た模式図である。 本体の重心位置によるロール用ジャイロセンサで検出される角速度の感度を説明する模式図である。 一輪車ロボットの制御基板のコントローラによるピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。 一輪車ロボットの制御基板のコントローラによるロール方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。
符号の説明
　１　一輪車ロボット（転倒防止制御装置）
　２　車輪
　３　本体
　４　フレーム
　５　かさ歯車
　６　ベルト
　３１　ピッチ用ジャイロセンサ（ピッチ用角速度センサ）
　３２　ピッチ用モータ
　３３　ピッチ用エンコーダ（ピッチ用回転センサ）
　３５　制御基板
　３６　電池
　４１　ピッチ用カウンタ部
　４２　前進／後退指示受付部
　４３　ピッチ用回転速度計算部
　４４　目標ピッチ角計算部
　４５　ピッチ用ＡＤコンバータ部
　４６　ピッチ角速度計算部
　４７　ピッチ傾斜角推定部
　４８　目標ピッチ角速度計算部
　４９　ピッチ用トルク指令生成部
　５０　ピッチ用モータトルク指令電圧計算部
　５１　ピッチ用ＤＡコンバータ部
　５２　ピッチ方向外部トルク推定部
　Ｏ、Ｏ1 、Ｏ2 　回転中心
　ｍ1 　本体質量
　ｍ2 　慣性ロータ質量
　Ｉ1p　Ｏまわりの本体の慣性モーメント
　Ｉ2p　Ｏまわりの車輪の慣性モーメント
　Ｉ1r　Ｏ1 まわりの本体の慣性モーメント
　Ｉ2r　Ｏ2 まわりの慣性ロータの慣性モーメント
　θ1p　垂直軸に対する本体のピッチ方向の傾斜角度
　θ2p　本体に対する車輪の回転角度
　θ1r　垂直軸に対する本体のロール方向の傾斜角度
　θ2r　本体に対する慣性ロータの回転角度
　τ1p　本体に働くＯまわりの外乱トルク
　τ2p　車輪に働くトルク
　ｌGp　Ｏから本体重心位置までの距離
　ｌr 　Ｏ1 からＯ2 までの距離
　ｌGr　Ｏ1 から本体重心位置までの距離
　ｒ　車輪の半径
　ｇ　重力加速度
　以下、本発明の実施の形態に係る転倒防止制御装置について、一輪車の上方に搭載してある本体が揺動しつつ一輪車の回転により転倒することなく前後に移動する一輪車ロボットに適用した例を図面に基づいて具体的に説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る転倒防止制御装置を適用した一輪車ロボットの構成を模式的に示す正面図及び側面図である。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は右側面図を示している。本実施の形態に係る転倒防止制御装置は、一輪車ロボット本体のピッチ方向及びロール方向への転倒を防止するよう機能する。
　図１（ａ）、（ｂ）に示すように、一輪車ロボット１は、前後方向に回転して移動する車輪２と、車輪２の回転軸に連結されて車輪２の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体３とで構成されている。図１（ａ）、（ｂ）の例では、本体３を人型ロボットとしているが、これに限定されるものではない。
　ここで、ピッチ方向及びロール方向を明確にしておく。図２は、ピッチ方向、ロール方向及びヨー方向を説明する模式図である。図２に示すように、一輪車ロボット１がｘｙ面上をｘ軸の（＋）方向へ前進又はｘ軸の（－）方向へ後退するように移動する場合、ｙ軸周りの回転方向がピッチ方向である。ｙ軸の（＋）方向を向いて反時計回りに回転した場合には本体３が前方へ傾斜し、ｙ軸の（＋）方向を向いて時計回りに回転した場合には本体３が後方へ傾斜する。また、ｘ軸周りの回転方向がロール方向であり、本体３が左右方向へ揺動する場合の回転方向である。さらに、ｚ軸周りの回転方向がヨー方向であり、車輪２の向きをｘ軸方向から傾ける場合の回転方向である。
　図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本体３には、ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用ジャイロセンサ（ピッチ用角速度センサ）３１、車輪２の回転と連動し、車輪２を回転させるピッチ用モータ３２、及びピッチ用モータ３２の回転位置又は回転速度を検出するピッチ用エンコーダ（ピッチ用回転センサ）３３を備える。ピッチ用ジャイロセンサ３１は、ピッチ角速度を検出する図示しない検出軸を略左右方向に向けて本体３に取り付けられている。ここで、略左右方向とは、厳密な左右方向に対して上下に若干の角度ずれがあってもよいことを意味する。本体３と車輪２とは、車輪２を回転自在に支持するフレーム４で連結され、ピッチ用モータ３２による回転は、本体３に備えたかさ歯車５とベルト６とを介して車輪２へ伝わる。フレーム４は、本体３の一部分であり、図１（ａ）、（ｂ）の例では、フレーム４は本体３である人型ロボットの足になっている。なお、ピッチ用角速度センサは、ピッチ角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。
　また、本体３である人型ロボットの背中には、ピッチ用モータ３２を制御する制御基板３５及び電池３６が装備されている。制御基板３５には、ピッチ用モータ３２を回転駆動するドライバ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、カウンタ、コントローラ等が搭載されている。コントローラは、具体的にはマイクロプロセッサ、ＣＰＵ、ＬＳＩ等である。一輪車ロボット１は、ピッチ方向の釣合いをとるため、車輪２を駆動するときの反動を利用して釣合いをとるように制御している。図３は、一輪車ロボット１のピッチ方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。
　図３に示すように、ピッチ用カウンタ部４１では、ピッチ用エンコーダ３３の出力パルスが計数される。前進／後退指示受付部４２では、車輪２の前進指示又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付ける。前進指示又は後退指示が回転角度として出力された場合、ピッチ用回転速度計算部４３では、前進指示又は後退指示のパルス信号のパルス数からピッチ用カウンタ部４１で計数されたパルス数を減算し、減算して得たパルス数を回転角度に変換した後、微分してピッチ用モータ３２の回転速度を求める。ノイズ除去のためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）を装備しても良い。
　目標ピッチ角計算部４４では、ピッチ用回転速度計算部４３で求めたピッチ用モータ３２の回転速度から、ピッチ用モータ３２の回転が、車輪２が前進する方向に回転する場合には、目標ピッチ角を車輪２が前進する方向に、ピッチ用モータ３２の回転が、車輪２が後退する方向に回転する場合には、目標ピッチ角を車輪２が後退する方向になるように、ピッチ用モータ３２の回転速度に比例係数を乗算して求める。これにより、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。
　一方、ピッチ用ＡＤコンバータ部４５では、ピッチ用ジャイロセンサ３１のピッチ角速度出力を測定する。ピッチ角速度計算部４６では、ピッチ角速度出力に変換係数を乗算して、ピッチ角速度ω1pを算出する。
　ピッチ傾斜角推定部４７では、ピッチ角速度ω1pと、後述のピッチ用トルク指令τ2pとから、本体３と車輪２とを含んだ系の傾斜角方向（ピッチ方向）の運動方程式に基づき導出された後述の（式１８）で、ピッチ傾斜角を算出する。さらに適切な推定速度を持たせてループを安定化させるための一次遅れ要素を直列に加えることで、ピッチ傾斜角の推定値を算出している。具体的には、（式１８）を用いた計算値に、一次遅れ要素として例えば１／（０．１Ｓ＋１）を直列に加えることになるが、これらに限られるものではなく、適切な推定速度となるような任意の遅れ要素を加えることができる。
　ピッチ方向外部トルク推定部５２では、ピッチ傾斜角の推定値に変換係数を乗算して、本体３に働いているピッチ方向外部トルクの推定値を算出し、ピッチ用補正トルク（ピッチ方向外部トルクの推定値に相当）τ3pを生成する。
　目標ピッチ角速度計算部４８では、目標ピッチ角からピッチ傾斜角の推定値を減じたピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ピッチ角速度ω2pを算出する。ピッチ用トルク指令生成部４９では、目標ピッチ角速度ω2pとピッチ角速度ω1pとの偏差に対して、例えばＰＩ制御によりピッチ用トルク指令τ0pを生成する。ピッチ用モータトルク指令電圧計算部５０では、ピッチ用トルク指令τ0pとピッチ用補正トルクτ3pとを加えたピッチ用トルク指令τ2pに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を生成する。最後に、ピッチ用ＤＡコンバータ部５１では、ドライバに指令電圧を出力し、ピッチ用モータ３２の回転を制御する。
　ここで、（式１８）で表わされるピッチ傾斜角の計算式の導出方法について、以下に説明する。図４は、一輪車ロボット１のモデルを側面から見た模式図である。図４では、車輪２、本体３及び本体３に取り付けられたピッチ用ジャイロセンサ３１のみを模式的に示し、矢印方向が前進方向であり、本体３が前傾した状態を示している。まずラグランジュ方程式により、運動方程式を導出する。本体３と車輪２とを合わせた、全体の運動エネルギーＴ及び位置エネルギーＵは以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　一般化座標と一般化速度による微分量は、以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ラグランジュ方程式（式９）、（式１０）に（式３）～（式８）を代入する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　この結果、運動方程式として、次の（式１１）、（式１２）を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　（式１２）を変形すると、（式１３）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　（式１３）を（式１１）に代入してｓｉｎθ1pをθ1pで近似すると、（式１４）を得る。（式１４）より、本体３の運動は、車輪２の角度及び角速度には無関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
－ピッチ傾斜角の推定－
　ピッチ傾斜角は、ピッチ用ジャイロセンサ３１の出力の積分で求めることも可能であるが、偏差が累積して不正確になるため、別の方法で求める必要がある。そこで、図４に示すモデルの運動方程式を用いて、ピッチ用ジャイロセンサ３１が出力するピッチ角速度ω1pと、ピッチ用トルク指令τ2pとから、ピッチ傾斜角を推定する。運動方程式（式１４）を変形すると、（式１５）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　一方、ピッチ用ジャイロセンサ３１が出力するピッチ角速度ω1pは、（式１６）で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、向かい風、追い風等によって本体３が傾く方向（ピッチ方向）のトルクτ1pが発生した場合、見かけの釣合い傾斜角θ0pは（式１７）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　従って、見かけの釣合い傾斜角に対する現在のピッチ方向の傾斜角θ1pの偏差角（ピッチ傾斜角）は、上記（式１５）、（式１６）、（式１７）より、（式１８）を導出して算出することによって推定することができる。ただし、適切な推定速度を持たせてループを安定化させるために、一次遅れ要素を直列に加えておくのが良い。なお、（式１８）はピッチ傾斜角を推定する計算式の一例であり、対象モデルによってピッチ傾斜角を推定する計算式は異なる場合がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ピッチ用ジャイロセンサ３１で出力されたピッチ角速度ω1pと、目標ピッチ角に基づいて生成されるピッチ用モータ３２に与えるピッチ用トルク指令τ2pとから、釣合い状態に対して本体３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定することにより、ピッチ傾斜角を精度良く推定することができる。また、ピッチ用ジャイロセンサ３１によるピッチ角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、車輪２の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。
－ピッチ方向外部トルクフィードフォワード－
　(式１８)で推定された偏差角（ピッチ傾斜角）によって、ピッチ方向外部トルクを補償する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　（式１９）として、トルクに加えておく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　（式２０）とすれば、運動方程式（式１４）は、（式２１）となるから、ピッチ方向外部トルクを補償することができる。釣合い状態から本体３がピッチ方向へ傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定した（式１８）によって、釣合い状態からのピッチ方向への傾斜角度によって生じるピッチ方向外部トルクを推定することができるので、推定したピッチ方向外部トルクを相殺する補正トルクを算出することができる。したがって、ピッチ方向外部トルクによる影響を加味してピッチ用モータ３２の回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜をより精度良く補正してピッチ方向への転倒を防止することができる。特に、傾斜角ループ、傾斜角速度ループの応答周波数が低い場合でも、ピッチ方向外部トルクをフィードフォワード制御で補償することにより、転倒防止制御を継続することができるため、安定な制御が可能となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　補正されたピッチ用トルク指令は、ピッチ用ＤＡコンバータ部５１を介してドライバへ出力され、ピッチ用モータ３２の回転が制御される。ピッチ用モータ３２による回転は、車輪２へ伝わる。図５は、ピッチ用モータ３２からかさ歯車５、プーリ、ベルト６を介して車輪２を駆動する構成を示す模式図である。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は右側面図を示している。図５は、一輪車ロボット１において車輪２の駆動にかかわる車輪２及び本体３の車輪２側部分のみを示している。
　図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ピッチ用モータ３２による回転は、順にモータ軸３２１、かさ歯車５、５、本体３側のプーリ７、ベルト６、車輪２側のプーリ８を介して車輪２へ伝わる。一輪車ロボット１では、車輪２の回転は、ピッチ用モータ３２の回転に対して回転比が低くなるようにしている。具体的には、ピッチ用モータ３２側、すなわち本体３側のプーリ７を車輪２側のプーリ８に対して減速比を高くしている。
　例えば減速比を３倍高くすることにより、ピッチ用モータ３２によるトルク、すなわち上述した補正されたピッチ用トルク指令によって発生するトルクの１／３のトルクで車輪２を制御することができる。したがって、実質的なピッチ用モータ３２の限界トルクを高くすることができ、転倒を防止することができる傾斜角の許容角を大きくすることが可能となる。
　図６は、ピッチ用モータ３２からギアを介して直接車輪２を駆動する構成の一例を示す模式図である。図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は右側面図を示している。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ピッチ用モータ３２による回転は、ピッチ用モータ３２のモータ軸３２１のギア３２２と噛み合うギア３２３と同軸につれまわり回転するギア３２４によって、直接車輪２のタイヤ３２５に伝わる。
　図７は、ピッチ用モータ３２からギアを介して直接車輪２を駆動する構成の他の例を示す模式図である。図７（ａ）は正面図、図７（ｂ）は右側面図を示している。なお、図７（ａ）の正面図では、説明のため車輪２を断面で示している。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、図６の構成と同様、ピッチ用モータ３２による回転は、ピッチ用モータ３２のモータ軸３２１のギア３２２と噛み合うギア３２３と同軸につれまわり回転するギア３２４によって、直接車輪２に伝わるが、図６の構成のように車輪２のタイヤ３２５に伝わるのではなく、車輪２のホイール３２６に形成された歯車に伝わる点で図６の構成と異なる。
　一輪車ロボット１では、図６又は図７に示す駆動構成を採用しても良い。ただし、図６に示す駆動構成では、ギア３２４を直接車輪２のタイヤに押し当てて回転を伝えるため、すべり等が発生すると、精度良く車輪２の回転を制御することは困難となる。
　図８は、ピッチ用モータ３２からかさ歯車５、５、ギア９を介して車輪２を駆動する構成を示す模式図である。図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は右側面図を示している。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ピッチ用モータ３２による回転は、ピッチ用モータ３２のモータ軸３２１を介してかさ歯車５から車輪２の回転軸とつれまわり回転するギア９によって、車輪２に伝わる。図８に示す駆動構成では、図５に示す駆動構成と同様、歯車５又はギア９のかみ合わせのいわゆるガタ分の揺り戻し（バックラッシュ）が発生する程度で、図６及び図７に示す駆動構成のようなすべり等は発生しないので、高精度に車輪２の回転を制御することができる。また図８に示す駆動構成は、かさ歯車５とギア９との間にさらにギアを介在させてギア比（減速比）を変更することにより、図５に示す駆動構成のように実質的なピッチ用モータ３２の限界トルクを高くすることも可能である。
　図９は、図５に示す駆動構成を採用する現実的な一輪車ロボット１の例示図である。図９（ａ）は正面図、図９（ｂ）は右側面図を示している。図９（ａ）、（ｂ）に示す駆動構成は図５と同じであるので、構成の説明は省略する。図９に示すように、かさ歯車５、プーリ７、８及びベルト６をフレーム４内に納めて、側面から見えないようにすることができ、図８に示す駆動構成のようにギア９等が見えてしまう構成と比較して意匠的な効果も得られる。したがって、一輪車ロボット１では、図５乃至図８に示すいずれの駆動構成を採用しても良いが、上述した種々の効果を得られる図５に示す駆動構成を採用することが特に好ましい。
　一輪車ロボット１は、上述のようにピッチ方向及びロール方向への転倒を防止するよう機能するので、以降、ロール方向への転倒を防止する構成について説明する。
　図１（a）、（ｂ）に示すように、上述したピッチ方向への転倒を防止する構成に加え、本体３には、ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用ジャイロセンサ（ロール用角速度センサ）６１、ロール方向に回転する慣性ロータ６４、慣性ロータ６４の回転と連動し、慣性ロータ６４を回転させるロール用モータ６２、及びロール用モータ６２の回転位置又は回転速度を検出するロール用エンコーダ（ロール用回転センサ）６３を備える。ロール用ジャイロセンサ６１は、ロール角速度を検出する図示しない検出軸を略前後方向に向けて本体３に取り付けられている。ここで、略前後方向とは、厳密な前後方向に対して上下に若干の角度ずれがあってもよいことを意味する。なお、ロール用角速度センサ６１は、ロール角速度を検出することができれば良く、ジャイロセンサに限定されるものではない。
　また本体３である人型ロボットの背中に装備されている上述した制御基板３５は、ピッチ用モータ３２を制御するだけでなく、ロール用モータ６２も制御する。図１０は、一輪車ロボット１のロール方向の転倒を防止する制御の一例を示す制御ブロック図である。
　図１０に示すように、ロール用カウンタ部７１では、ロール用エンコーダ６３の出力パルスが計数される。ロール用回転速度計算部７３では、ロール用カウンタ部７１の出力を回転角度に変換したあと、微分してロール用モータ６２の回転速度を求める。ノイズ除去のためのＬＰＦ（ローパスフィルタ）を装備しても良い。
　目標ロール角計算部７４では、ロール用モータ６２の回転が一輪車ロボット１の正面から見て左回転の場合は、目標ロール角を一輪車ロボット１の正面から見て右方向に、ロール用モータ６２の回転が一輪車ロボット１の正面から見て右回転の場合は、目標ロール角を一輪車ロボット１の正面から見て左方向になるように、ロール用モータ６２の回転速度に比例係数を乗算して求める。なお、積分器を追加して、慣性ロータ６４に定常回転が残留しないようにするのが良い。
　一方、ロール用ＡＤコンバータ部７５では、ロール用ジャイロセンサ６１のロール角速度出力を取得する。ロール角速度計算部７６では、ロール角速度出力に変換係数を乗算して、ロール角速度ω1rを算出する。
　ロール傾斜角推定部７７では、ロール角速度ω1rと、後述のロール用トルク指令τ2rとから、本体３（慣性ロータ６４以外の部分）と慣性ロータ６４とを含んだ系の傾斜角方向（ロール方向）の運動方程式に基づき導出された、後述の（式２５）で表されるロール傾斜角を算出する。さらに適切な推定速度を持たせてループを安定化させるための一次遅れ要素を直列に加えることで、ロール傾斜角の推定値を算出している。具体的には、（式２５）を用いて算出した計算値に、一次遅れ要素として例えば１／（０．１Ｓ＋１）を直列に加えることになるが、これらに限られるものではなく、適切な推定速度となるような任意の遅れ要素を加えることができる。
　ロール方向外部トルク推定部８２では、ロール傾斜角の推定値に変換係数を乗算して、本体３に働いているロール方向外部トルクの推定値を算出し、ロール用補正トルク（ロール方向外部トルクの推定値に相当）τ3rを生成する。
　目標ロール角速度計算部７８では、目標ロール角からロール傾斜角の推定値を減じたロール角度偏差に比例ゲインを乗算して、目標ロール角速度ω2rを生成する。ロール用トルク指令生成部７９では、目標ロール角速度ω2rとロール角速度ω1rとの偏差に対して、例えばＰＩ制御によりロール用トルク指令τ0rを生成する。ロール用モータトルク指令電圧計算部８０では、ロール用トルク指令τ0rとロール用補正トルクτ3rとを加えたロール用トルク指令τ2rに対して、変換係数を乗算して、指令電圧を生成する。最後に、ロール用ＤＡコンバータ部８１では、ドライバに指令電圧を出力し、ロール用モータ６２の回転を制御する。
　ここで、（式２５）で表わされるロール傾斜角の計算式の導出方法について、以下に説明する。図１１は、一輪車ロボット１を正面から見た模式図である。図１１では、本体３及び本体３に取り付けられた慣性ロータ６４のみを模式的に示している。まずラグランジュ方程式により、運動方程式を導出する。本体３（慣性ロータ６４以外の部分）と慣性ロータ６４とを合わせた、全体の運動エネルギーＴ及び位置エネルギーＵは以下のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　上述したピッチ傾斜角を算出する計算式を導出したようにして、（式２２）、（式２３）から、（式２４）が得られる。（式２４）より、本体３の運動は、慣性ロータ６４の角度及び角速度には無関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
－ロール傾斜角の推定－
　上述したピッチ傾斜角と同様、ロール傾斜角は、ロール用ジャイロセンサ６１の出力の積分で求めることも可能であるが、偏差が累積して不正確になるため、別の方法で求める必要がある。上述したピッチ傾斜角を推定する場合と同様にして、図１１に示すモデルの運動方程式を用いて、ロール用ジャイロセンサ６１が出力するロール角速度ω1rと、ロール用トルク指令τ2rとから、ロール傾斜角を推定する。
　横風、カーブ走行による遠心力等によって本体３が傾く方向（ロール方向）のトルクτ1rが発生した場合、見かけの釣合い傾斜角に対する現在のロール方向の傾斜角θ1rの偏差（ロール傾斜角）は、運動方程式（式２４）を変形した式と、ロール用ジャイロセンサ６１で出力されたロール角速度ω1rとから、（式２５）で推定することができる。なお、適切な推定速度を持たせてループを安定化させるために、一次遅れ要素を直列に加えておくのが良い。また（式２５）はロール傾斜角を推定する計算式の一例であり、対象モデルによってロール傾斜角を推定する計算式は異なる場合がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　ロール用ジャイロセンサ６１で出力されたロール角速度ω1rと、目標ロール角に基づいて生成されるロール用モータ６２に与えるロール用トルク指令τ2rとから、釣合い状態に対して本体３がロール方向へ傾斜している角度であるロール傾斜角を推定することにより、ピッチ傾斜角と同様に、ロール傾斜角を精度良く推定することができる。また、ロール角速度センサによるロール角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等が累積による目標ロール角の計算誤差が生じることがなく、車輪２の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのロール方向の傾斜を精度良く補正して、ロール方向への転倒を防止することができる。
－ロール方向外部トルクフィードフォワード－
　(式２５)で推定された偏差角度によって、ロール方向外部トルクを補償する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　（式２６）として、トルクに加えておく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　（式２７）とすれば、運動方程式（式２４）は、（式２８）となるから、ロール方向外部トルクを補償することができる。したがって、ピッチ方向と同様に、ロール方向外部トルクによる影響を加味してロール用モータ６２の回転をより適正に制御することができるので、釣合い状態からのロール方向の傾斜をより精度良く補正してロール方向への転倒を防止することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　図１２は、本体３の重心位置によるロール用ジャイロセンサ６１で検出される角速度の感度を説明する模式図である。図１２は、一輪車ロボット１の右側面から見た図であり、太矢印ａが前進方向を示し、一輪車ロボット１のピッチ方向の釣合い状態を示している。ロール用ジャイロセンサ６１は、振動子を使用した角速度センサであり、振動子の振動方向と直交する方向の力に応じた信号を検出することによって角速度を求める。なお、検出する力の方向は、略前後方向の検出軸と直交する略鉛直方向となる。図１２に示すように、本体３の重心Ｇは本体３の軸３８上にはなく、本体３の後ろ寄りにあるため、一輪車ロボット１は、ピッチ方向の釣合い状態で本体３の軸３８が鉛直方向ではなく、前傾している。ロール用ジャイロセンサ６１は、本体３の軸３８が鉛直方向になる状態で、検出軸が前後方向かつ水平方向を向き、鉛直方向の力に応じた信号を検出するように本体３に取り付けられている。
　図１２に示すようなピッチ方向の釣合い状態では、ロール用ジャイロセンサ６１の検出軸は、矢印ｂを向いて水平方向より前側が低く前傾している。検出軸が前傾した状態で、ロール用ジャイロセンサ６１は、矢印ｄで示す力に応じた信号を検出するが、ロール方向に実際に生じている角速度は、矢印ｃで示す力に対応する。矢印ｃで示す力に対応する角速度をωとすると、矢印ｄで示す力に対応する角速度はωｃｏｓθとなり、ロール用ジャイロセンサ６１が検出する角速度は実際の角速度より遅くなる。ロール用ジャイロセンサ６１が実際の角速度を正確に検出することができなければ、ロール傾斜角を精度良く推定することができず、ロール方向の傾斜を精度良く補正することができない。
　したがって、ロール方向に実際に生じている角速度を正確に検出するためには、ロール用ジャイロセンサ６１の検出軸が、図１２のようなピッチ方向の釣合い状態、すなわち、本体３が車輪２の軸と交差する鉛直線上に重心Ｇを有する状態で、前後方向かつ水平方向を向くようにして、ロール用ジャイロセンサ６１を本体３に取り付けることが好ましい。これにより、ロール用ジャイロセンサ６１は、ピッチ方向の釣合い状態でロール方向に実際に生じている角速度を正確に検出することができ、ピッチ方向の釣合い状態からピッチ方向に微小角だけ揺動する状態でも、実際のロール角速度と小さい誤差で感度良くロール角速度を検出することができる。
　次に、上述した図３に示す制御ブロックで構成される一輪車ロボット１の制御動作について、フロ－チャートに基づいて説明する。説明を簡易にするため、ピッチ方向の転倒防止制御とロール方向の転倒防止制御とを分けて説明する。図１３は、一輪車ロボット１の制御基板３５のコントローラによるピッチ方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。
　図１３に示すように制御基板３５のコントローラは、ピッチ用モータ３２の回転を検知したピッチ用エンコーダ３３の出力（パルス信号）のパルス数を計数する（ステップＳ１２０１）。コントローラは、車輪２の前進（又は後退）指示を回転速度のパルス信号として受け付ける（ステップＳ１２０２）。
　コントローラは、前進（又は後退）指示のパルス信号のパルス数から、ピッチ用エンコーダ３３の出力（パルス信号）のパルス数を減算して得たパルス数から、ピッチ方向の回転速度偏差を算出する（ステップＳ１２０３）。具体的には、減算して得たパルス数を回転角度に変換した後、微分して回転速度偏差を求める。コントローラは、ピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する（ステップＳ１２０４）。
　コントローラは、算出した目標ピッチ角から後述するステップＳ１２１２で推定したピッチ傾斜角を減じてピッチ角度偏差を算出し（ステップＳ１２０５）、算出したピッチ角度偏差に比例ゲインを乗算して目標ピッチ角速度ω2pを算出する（ステップＳ１２０６）。
　コントローラは、目標ピッチ角速度ω2pと、後述するステップＳ１２１１で算出したピッチ角速度ω1pとのピッチ角速度偏差を算出し（ステップＳ１２０７）、算出したピッチ角速度偏差に対してＰＩ制御等によってピッチ用トルク指令τ0pを生成する（ステップＳ１２０８）。
　コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ0pを後述するステップＳ１２１３で推定したピッチ方向外部トルクτ3pで補正し、ピッチ用トルク指令τ2pを生成する（ステップＳ１２０９）。
　コントローラは、ピッチ用ジャイロセンサ３１で出力されたピッチ角速度の出力をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ１２１０）。コントローラは、取得したピッチ角速度の出力に変換係数を乗算してピッチ角速度ω1pを算出する（ステップＳ１２１１）。
　コントローラは、（式１８）を用いて、算出したピッチ角速度ω1pと、上述したステップＳ１２０９で生成したピッチ用トルク指令τ2pとから、釣合い状態に対して本体３がピッチ方向に傾斜しているピッチ傾斜角を推定する（ステップＳ１２１２）。コントローラは、推定したピッチ傾斜角に基づいて、本体３をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定する（ステップＳ１２１３）。
　コントローラは、ステップＳ１２０９でピッチ用トルク指令τ2pを生成したか否かを判断する（ステップＳ１２１４）。
　コントローラが、ピッチ用トルク指令τ2pを生成したと判断した場合（ステップＳ１２１４：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したピッチ用トルク指令τ2pに変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ１２１５）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、ピッチ用モータ３２を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ１２１６）。コントローラは、処理をステップＳ１２０１及びステップＳ１２１０に戻し、上述した処理を繰り返す。
　一方、コントローラが、ピッチ用トルク指令τ2pを生成しなかったと判断した場合（ステップＳ１２１４：ＮＯ）、本体３は釣合い状態で前進／後退指示もない状態にあり、コントローラは、処理を終了する。上述した例は、前進指示又は後退指示として回転角度を受け付けた場合の処理手順を示しているが、前進指示又は後退指示として回転速度を受け付けた場合であっても、角速度偏差を求めることにより同様の処理手順によりピッチ方向の転倒防止制御が可能となる。
　図１４は、一輪車ロボット１の制御基板３５のコントローラによるロール方向の転倒防止処理手順を示すフローチャートである。図１４に示すように制御基板３５のコントローラは、ロール用モータ６２の回転を検知したロール用エンコーダ６３の出力（パルス信号）のパルス数を計数する（ステップＳ１３０１）。
　コントローラは、計数したパルス数からロール方向の回転速度を算出する（ステップＳ１３０２）。具体的には、計数したパルス数を回転角度に変換した後、微分して回転速度を算出する。コントローラは、ロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する（ステップＳ１３０３）。
　コントローラは、算出した目標ロール角から後述するステップＳ１３１１で推定したロール傾斜角を減じてロール角度偏差を算出し（ステップＳ１３０４）、算出したロール角度偏差に比例ゲインを乗算して目標ロール角速度ω2rを算出する（ステップＳ１３０５）。
　コントローラは、目標ロール角速度ω2rと、後述するステップＳ１３１０で算出したロール角速度ω1rとのロール角速度偏差を算出し（ステップＳ１３０６）、算出したロール角速度偏差に対してＰＩ制御等によってロール用トルク指令τ0rを生成する（ステップＳ１３０７）。
　コントローラは、生成したロール用トルク指令τ0rを後述するステップＳ１３１２で推定したロール方向外部トルクτ3rで補正し、ロール用トルク指令τ2rを生成する（ステップＳ１３０８）。
　コントローラは、ロール用ジャイロセンサ６１で出力されたロール角速度の出力をＡ／Ｄ変換して取得する（ステップＳ１３０９）。コントローラは、取得したロール角速度の出力に変換係数を乗算してロール角速度ω1rを算出する（ステップＳ１３１０）。
　コントローラは、（式２５）を用いて、算出したロール角速度ω1rと、上述したステップＳ１３０８で生成したロール用トルク指令τ2rとから、釣合い状態に対して本体３がロール方向に傾斜しているロール傾斜角を推定する（ステップＳ１３１１）。コントローラは、推定したロール傾斜角に基づいて、本体３をロール方向に傾斜させるロール方向外部トルクを推定する（ステップＳ１３１２）。
　コントローラは、ステップＳ１３０８でロール用トルク指令τ2rを生成したか否かを判断する（ステップＳ１３１３）。
　コントローラが、ロール用トルク指令τ2rを生成したと判断した場合（ステップＳ１３１３：ＹＥＳ）、コントローラは、生成したロール用トルク指令τ2rに変換係数を乗算して指令電圧を算出する（ステップＳ１３１４）。コントローラは、算出した指令電圧をＤ／Ａ変換し、ロール用モータ６２を回転駆動するドライバに出力する（ステップＳ１３１５）。コントローラは、処理をステップＳ１３０１及びステップＳ１３０９に戻し、上述した処理を繰り返す。
　一方、コントローラが、ロール用トルク指令τ2rを生成しなかったと判断した場合（ステップＳ１３１３：ＮＯ）、本体３は釣合い状態であり、コントローラは、処理を終了する。
　以上のように、本実施の形態によれば、釣合い状態に対して本体がピッチ方向に傾斜しているピッチ傾斜角を精度良く推定することができるとともに、ピッチ用角速度センサによるピッチ角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ピッチ角の計算誤差が生じることがなく、車輪の回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのピッチ方向の傾斜を精度良く補正して、ピッチ方向への転倒を防止することができる。また、車輪の前進又は後退指示を受け付け、受け付けた指示及びピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標ピッチ角を算出することにより、指示された移動のための回転速度を確保しつつ、ピッチ方向の傾斜を補正することができる。さらに、加速度センサ等を別個に必要とせず、車輪の駆動に必要なモータ等の他は、角速度センサを加えただけの簡便な構成で、転倒防止制御装置を簡素化及び小型化することが可能である。
　また、釣合い状態に対して本体がロール方向に傾斜しているロール傾斜角を精度良く推定することができるとともに、ロール用角速度センサによるロール角速度を積分することがないので、ノイズ、オフセット等の累積による目標ロール角の計算誤差が生じることがなく、慣性ロータの回転に伴う反動トルクを利用し、釣合い状態からのロール方向の傾斜を精度良く補正して、ロール方向への転倒を防止することができる。
　なお、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。上述した実施の形態に係る転倒防止制御装置は、一輪車ロボットへの適用に限らず、例えば二足歩行ロボット、左右方向の１つの軸を中心に前後方向に回転して移動する二輪車等に適用しても良く、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

Claims (12)

  1. 　前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、
    　該本体に、
    　ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用角速度センサと、
    　前記車輪の回転と連動し、該車輪を回転させるピッチ用モータと、
    　該ピッチ用モータの回転位置又は回転速度を検出するピッチ用回転センサと
    　を備え、
    　前記車輪の回転に伴う反動トルクを利用して前記本体のピッチ方向の傾斜を補正する転倒防止制御装置であって、
    　前記車輪の前進又は後退指示を受け付ける前進／後退指示受付部と、
    　受け付けた前進又は後退指示及び前記ピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する目標ピッチ角計算部と、
    　前記ピッチ用角速度センサで検出されたピッチ角速度と、前記目標ピッチ角に基づいて生成される前記ピッチ用モータに与えるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がピッチ方向に傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定するピッチ傾斜角推定部と、
    　前記目標ピッチ角と前記ピッチ傾斜角とに基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成するピッチ用トルク指令生成部と
    　を備えることを特徴とする転倒防止制御装置。
  2. 　前記前進／後退指示受付部は、前記車輪の前進又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付けることを特徴とする請求項１記載の転倒防止制御装置。
  3. 　前記目標ピッチ角から前記ピッチ傾斜角を減じたピッチ角度偏差から、目標とするピッチ方向の傾斜角度の角速度である目標ピッチ角速度を算出する目標ピッチ角速度計算部を備え、
    　前記ピッチ用トルク指令生成部は、前記目標ピッチ角速度と検出された前記ピッチ角速度との偏差に基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成することを特徴とする請求項１又は２記載の転倒防止制御装置。
  4. 　前記ピッチ傾斜角に基づいて、前記本体をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定するピッチ方向外部トルク推定部と、
    　推定された前記ピッチ方向外部トルクが相殺される方向に前記ピッチ用トルク指令を補正するトルク補正部と
    　を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の転倒防止制御装置。
  5. 　前記本体に、
    　ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用角速度センサと、
    　ロール方向に回転する慣性ロータと、
    　該慣性ロータの回転と連動し、該慣性ロータを回転させるロール用モータと、
    　該ロール用モータの回転位置又は回転速度を検出するロール用回転センサと
    　を備え、
    　前記ロール用回転センサで検出されたロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する目標ロール角計算部と、
    　前記ロール用角速度センサで検出されたロール角速度と、前記目標ロール角に基づいて生成される前記ロール用モータに与えるロール用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定するロール傾斜角推定部と、
    　前記目標ロール角から前記ロール傾斜角を減じたロール角度偏差から、目標とするロール方向の傾斜角度の角速度である目標ロール角速度を算出する目標ロール角速度計算部と、
    　前記目標ロール角速度と検出された前記ロール角速度との偏差に基づいて、前記ロール用トルク指令を生成するロール用トルク指令生成部と
    　を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の転倒防止制御装置。
  6. 　前記ロール用角速度センサの検出軸は、前記車輪の回転軸と交差する鉛直線上に前記本体の重心を有する状態で、前後方向かつ水平方向を向いていることを特徴とする請求項５記載の転倒防止制御装置。
  7. 　前記車輪の回転は、前記ピッチ用モータの回転に対して回転比が低くなっていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の転倒防止制御装置。
  8. 　前後方向に回転して移動する車輪と、該車輪の回転軸に連結されて該車輪の上方でピッチ方向及びロール方向に揺動する本体とで構成され、
    　該本体に、
    　ピッチ方向の傾斜角度の角速度であるピッチ角速度を検出するピッチ用角速度センサと、
    　前記車輪の回転と連動し、該車輪を回転させるピッチ用モータと、
    　該ピッチ用モータの回転位置又は回転速度を検出するピッチ用回転センサと
    　を備え、
    　前記車輪の回転に伴う反動トルクを利用して前記本体のピッチ方向の傾斜を補正する転倒防止制御装置に搭載されているコンピュータで実行することが可能なコンピュータプログラムであって、
    　前記コンピュータを、
    　前記車輪の前進又は後退指示を受け付ける前進／後退指示受付手段、
    　受け付けた前進又は後退指示及び前記ピッチ用回転センサで検出された回転角度から導出したピッチ方向の回転速度偏差に基づいて目標とするピッチ方向の傾斜角度である目標ピッチ角を算出する目標ピッチ角計算手段、
    　前記ピッチ用角速度センサで検出されたピッチ角速度と、前記目標ピッチ角に基づいて生成される前記ピッチ用モータに与えるピッチ用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がピッチ方向に傾斜している角度であるピッチ傾斜角を推定するピッチ傾斜角推定手段、及び
    　前記目標ピッチ角と前記ピッチ傾斜角とに基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成するピッチ用トルク指令生成手段
    　として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  9. 　前記前進／後退指示受付手段を、前記車輪の前進又は後退指示を回転速度又は回転角度として受け付ける手段として機能させることを特徴とする請求項８記載のコンピュータプログラム。
  10. 　前記コンピュータを、
    　前記目標ピッチ角から前記ピッチ傾斜角を減じたピッチ角度偏差から、目標とするピッチ方向の傾斜角度の角速度である目標ピッチ角速度を算出する目標ピッチ角速度計算手段
    　として機能させ、
    　前記ピッチ用トルク指令生成手段を、
    　前記目標ピッチ角速度と検出された前記ピッチ角速度との偏差に基づいて、前記ピッチ用トルク指令を生成する手段
    　として機能させることを特徴とする請求項８又は９記載のコンピュータプログラム。
  11. 　前記コンピュータを、
    　前記ピッチ傾斜角に基づいて、前記本体をピッチ方向に傾斜させるピッチ方向外部トルクを推定するピッチ方向外部トルク推定手段、及び
    　推定された前記ピッチ方向外部トルクが相殺される方向に前記ピッチ用トルク指令を補正するトルク補正手段
    　として機能させることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のコンピュータプログラム。
  12. 　前記本体に、
    　ロール方向の傾斜角度の角速度であるロール角速度を検出するロール用角速度センサと、
    　ロール方向に回転する慣性ロータと、
    　該慣性ロータの回転と連動し、該慣性ロータを回転させるロール用モータと、
    　該ロール用モータの回転位置又は回転速度を検出するロール用回転センサと
    　を備え、
    　前記コンピュータを、
    　前記ロール用回転センサで検出されたロール方向の回転速度に基づいて目標とするロール方向の傾斜角度である目標ロール角を算出する目標ロール角計算手段、
    　前記ロール用角速度センサで検出されたロール角速度と、前記目標ロール角に基づいて生成される前記ロール用モータに与えるロール用トルク指令とから、釣合い状態に対して前記本体がロール方向に傾斜している角度であるロール傾斜角を推定するロール傾斜角推定手段、
    　前記目標ロール角から前記ロール傾斜角を減じたロール角度偏差から、目標とするロール方向の傾斜角度の角速度である目標ロール角速度を算出する目標ロール角速度計算手段、及び
    　前記目標ロール角速度と検出された前記ロール角速度との偏差に基づいて、前記ロール用トルク指令を生成するロール用トルク指令生成手段
    　として機能させることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載のコンピュータプログラム。
PCT/JP2009/053354 2008-09-17 2009-02-25 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム WO2010032493A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010529658A JP4743347B2 (ja) 2008-09-17 2009-02-25 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム
EP09814338.1A EP2328055B1 (en) 2008-09-17 2009-02-25 Fall prevention controller and computer program
CN200980136967.XA CN102160008B (zh) 2008-09-17 2009-02-25 防摔倒控制装置及防摔倒控制方法
KR1020117005711A KR101234302B1 (ko) 2008-09-17 2009-02-25 전도 방지 제어장치 및 컴퓨터 프로그램
US13/048,124 US8335612B2 (en) 2008-09-17 2011-03-15 Falling prevention controlling device and computer program

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008-237483 2008-09-17
JP2008237483 2008-09-17

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US13/048,124 Continuation US8335612B2 (en) 2008-09-17 2011-03-15 Falling prevention controlling device and computer program

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2010032493A1 true WO2010032493A1 (ja) 2010-03-25

Family

ID=42039340

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2009/053354 WO2010032493A1 (ja) 2008-09-17 2009-02-25 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8335612B2 (ja)
EP (1) EP2328055B1 (ja)
JP (1) JP4743347B2 (ja)
KR (1) KR101234302B1 (ja)
CN (1) CN102160008B (ja)
WO (1) WO2010032493A1 (ja)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012188046A (ja) * 2011-03-11 2012-10-04 Univ Of Tokyo 全方向移動ロボット
JP2013066669A (ja) * 2011-09-26 2013-04-18 Sony Corp 運動補助装置及び運動補助方法、コンピューター・プログラム、並びにプログラム記録媒体
CN104155975A (zh) * 2014-06-23 2014-11-19 浙江亚特电器有限公司 一种机器人的控制***及其控制方法
JP2014233822A (ja) * 2013-06-05 2014-12-15 セイコーエプソン株式会社 ロボット、ロボット制御装置およびロボットシステム
US9242382B2 (en) 2013-07-10 2016-01-26 Fanuc Corporation Wrist structure unit of industrial robot
CN106078689A (zh) * 2016-07-14 2016-11-09 刘海涛 仿生行走旋翼机器人
CN107186736A (zh) * 2017-05-10 2017-09-22 华中科技大学 一种自动摆臂的两轮自平衡服务机器人
CN107407939A (zh) * 2015-03-12 2017-11-28 株式会社村田制作所 球平衡机器人
JP2021183197A (ja) * 2016-05-20 2021-12-02 デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ 移動支援デバイス

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4743347B2 (ja) * 2008-09-17 2011-08-10 株式会社村田製作所 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム
WO2011033587A1 (ja) * 2009-09-18 2011-03-24 本田技研工業株式会社 摩擦式駆動装置および倒立振子型移動体
JP2011068222A (ja) * 2009-09-24 2011-04-07 Honda Motor Co Ltd 倒立振子型車両の制御装置
CN103185652A (zh) * 2011-12-30 2013-07-03 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 物体防倾倒装置及方法
CN102717854A (zh) * 2012-07-05 2012-10-10 张军凯 自平衡单轮电动车
JP6095436B2 (ja) 2013-03-27 2017-03-15 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
JP6081270B2 (ja) 2013-03-29 2017-02-15 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
JP6111119B2 (ja) * 2013-03-29 2017-04-05 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
JP6081271B2 (ja) 2013-03-29 2017-02-15 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
JP6099485B2 (ja) 2013-05-31 2017-03-22 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
JP6099484B2 (ja) 2013-05-31 2017-03-22 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
GB2515794B (en) * 2013-07-04 2015-06-10 Velofeet Ltd Improvements Relating to Vehicles
CN103407532A (zh) * 2013-08-26 2013-11-27 刘石创 一种单轮单杆自平衡电动车
JP6184348B2 (ja) * 2014-03-07 2017-08-23 本田技研工業株式会社 倒立振子型車両
ES2746754T3 (es) * 2014-04-17 2020-03-06 Softbank Robotics Europe Robot humanoide con ruedas omnidireccionales basado en un controlador de posición y velocidad lineal predictivo
CN106597843B (zh) * 2015-10-20 2019-08-09 沈阳新松机器人自动化股份有限公司 一种前驱动轮式机器人安全控制方法及***
US10988032B2 (en) * 2016-04-19 2021-04-27 Walnut Technology Limited Self-propelled personal transportation device
CN105786010B (zh) * 2016-05-11 2021-01-29 上海明我信息技术有限公司 一种防摔控制方法、装置及电子设备
CN107449552B (zh) * 2016-05-30 2019-08-30 北京小米移动软件有限公司 重心检测方法及装置
JP6695061B2 (ja) * 2016-07-27 2020-05-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ロボット
JP6862796B2 (ja) * 2016-11-28 2021-04-21 株式会社エクォス・リサーチ 移動体
CN107281740B (zh) * 2017-07-27 2021-04-23 纳恩博（北京）科技有限公司 轮滑装置
CN107651080B (zh) * 2017-10-17 2023-11-21 桂林电子科技大学 基于脚轮原理的多节自行车机器人
CN109693747B (zh) * 2017-10-20 2022-04-26 深圳市亮点智控科技有限公司 一种摆动式平衡机器人以及平衡机器人控制方法
US10719085B2 (en) * 2018-02-22 2020-07-21 Boston Dynamics, Inc. Mobile robot sitting and standing
US20210103281A1 (en) * 2018-02-26 2021-04-08 Sony Corporation Information processor, information processing method, and program
WO2020235371A1 (ja) * 2019-05-17 2020-11-26 本田技研工業株式会社 自動二輪車
CN111546374B (zh) * 2020-03-25 2021-11-19 之江实验室 一种应用于足式机器人行走测试的主动牵引保护***
CN112179565A (zh) * 2020-08-28 2021-01-05 南京昱晟机器人科技有限公司 一种两足机器人步行平衡检测***及方法
DE102021102732A1 (de) 2021-02-05 2022-08-11 AUF Mobility UG (haftungsbeschränkt) Fahrzeug zur Fortbewegung entlang einer Oberfläche und Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeugs
CN114700955B (zh) * 2022-05-18 2023-07-25 山东交通学院 双轮腿-臂机器人全身运动规划与控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004276727A (ja) * 2003-03-14 2004-10-07 Matsushita Electric Works Ltd 人用移動機器とその制動方法
WO2007001083A1 (ja) * 2005-06-29 2007-01-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 移動台車の制御方法及び移動台車
WO2007063665A1 (ja) 2005-12-01 2007-06-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. 転倒防止制御装置
JP2008089531A (ja) * 2006-10-05 2008-04-17 Toyota Motor Corp 傾斜角推定機構を有する移動体

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3260324A (en) * 1963-11-12 1966-07-12 Caesar R Suarez Motorized unicycle
US4716980A (en) * 1986-02-14 1988-01-05 The Prime Mover Company Control system for rider vehicles
US4874055A (en) * 1987-12-16 1989-10-17 Beer Robin F C Chariot type golf cart
US5314034A (en) * 1991-11-14 1994-05-24 Chittal Nandan R Powered monocycle
US6003624A (en) * 1995-06-06 1999-12-21 University Of Washington Stabilizing wheeled passenger carrier capable of traversing stairs
US7740099B2 (en) * 1999-06-04 2010-06-22 Segway Inc. Enhanced control of a transporter
US6302230B1 (en) * 1999-06-04 2001-10-16 Deka Products Limited Partnership Personal mobility vehicles and methods
US7275607B2 (en) * 1999-06-04 2007-10-02 Deka Products Limited Partnership Control of a personal transporter based on user position
JP2003011888A (ja) * 2001-07-05 2003-01-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水中ロボット
JP4296852B2 (ja) * 2003-06-12 2009-07-15 トヨタ自動車株式会社 同軸二輪車
WO2005016735A1 (en) * 2003-08-18 2005-02-24 Canterprise Limited A powered unicycle
JP2005094858A (ja) * 2003-09-12 2005-04-07 Sony Corp 走行装置及びその制御方法
JP2005342818A (ja) * 2004-06-01 2005-12-15 Furukawa Electric Co Ltd:The 一足球体輪移動ロボット
JP2006123854A (ja) * 2004-11-01 2006-05-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd 荷物運搬ロボット
JP2006160082A (ja) * 2004-12-07 2006-06-22 Sony Corp 走行装置及びその制御方法
JP4291822B2 (ja) * 2006-02-03 2009-07-08 トヨタ自動車株式会社 倒立車輪型の走行体
US7798510B2 (en) * 2007-02-15 2010-09-21 Scott Patrick Comstock Multi-wheeled vehicle
JP4418905B2 (ja) * 2007-05-02 2010-02-24 株式会社国際電気通信基礎技術研究所 コミュニケーションロボット
JP4743347B2 (ja) * 2008-09-17 2011-08-10 株式会社村田製作所 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム
CN106406308A (zh) * 2009-03-16 2017-02-15 株式会社村田制作所 移动方向控制装置及移动方向控制方法
CN101590323B (zh) * 2009-07-08 2012-10-31 北京工业大学 独轮机器人***及其控制方法
US8219308B2 (en) * 2010-02-02 2012-07-10 Leeser Karl F Monowheel type vehicle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004276727A (ja) * 2003-03-14 2004-10-07 Matsushita Electric Works Ltd 人用移動機器とその制動方法
WO2007001083A1 (ja) * 2005-06-29 2007-01-04 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 移動台車の制御方法及び移動台車
WO2007063665A1 (ja) 2005-12-01 2007-06-07 Murata Manufacturing Co., Ltd. 転倒防止制御装置
JP2008089531A (ja) * 2006-10-05 2008-04-17 Toyota Motor Corp 傾斜角推定機構を有する移動体

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Takashi KASAI, master thesis of Doctoral Course in Graduate School of System Information Technology", January 2005, UNIVERSITY OF TSUKUBA, article "Monocycle Attitude Contro!", pages: 1 - 37
See also references of EP2328055A4

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012188046A (ja) * 2011-03-11 2012-10-04 Univ Of Tokyo 全方向移動ロボット
JP2013066669A (ja) * 2011-09-26 2013-04-18 Sony Corp 運動補助装置及び運動補助方法、コンピューター・プログラム、並びにプログラム記録媒体
US9980842B2 (en) 2011-09-26 2018-05-29 Sony Corporation Motion assist device and motion assist method, computer program, and program recording medium
JP2014233822A (ja) * 2013-06-05 2014-12-15 セイコーエプソン株式会社 ロボット、ロボット制御装置およびロボットシステム
US9895800B2 (en) 2013-06-05 2018-02-20 Seiko Epson Corporation Robot, robot control device, and robot system
US9242382B2 (en) 2013-07-10 2016-01-26 Fanuc Corporation Wrist structure unit of industrial robot
CN104155975A (zh) * 2014-06-23 2014-11-19 浙江亚特电器有限公司 一种机器人的控制***及其控制方法
CN107407939A (zh) * 2015-03-12 2017-11-28 株式会社村田制作所 球平衡机器人
JP2021183197A (ja) * 2016-05-20 2021-12-02 デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ 移動支援デバイス
JP2022095844A (ja) * 2016-05-20 2022-06-28 デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ 移動支援デバイス
JP7353332B2 (ja) 2016-05-20 2023-09-29 デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ 移動支援デバイス
JP7416850B2 (ja) 2016-05-20 2024-01-17 デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ 移動支援デバイス
CN106078689A (zh) * 2016-07-14 2016-11-09 刘海涛 仿生行走旋翼机器人
CN107186736A (zh) * 2017-05-10 2017-09-22 华中科技大学 一种自动摆臂的两轮自平衡服务机器人

Also Published As

Publication number Publication date
EP2328055A4 (en) 2014-07-16
US8335612B2 (en) 2012-12-18
CN102160008A (zh) 2011-08-17
CN102160008B (zh) 2014-04-30
JPWO2010032493A1 (ja) 2012-02-09
US20110166713A1 (en) 2011-07-07
EP2328055B1 (en) 2016-11-02
EP2328055A1 (en) 2011-06-01
KR101234302B1 (ko) 2013-02-18
JP4743347B2 (ja) 2011-08-10
KR20110044290A (ko) 2011-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4743347B2 (ja) 転倒防止制御装置及びコンピュータプログラム
JP4605227B2 (ja) 転倒防止制御装置
JP4743212B2 (ja) 二輪車の転倒防止制御装置
JP4600539B2 (ja) 走行装置、走行装置の制御方法
EP1512055B1 (en) Hybrid human/electric powered vehicle
US8831833B2 (en) Vehicle
EP2664528B1 (en) Inverted pendulum type vehicle
JP2011500423A (ja) 車両の運動を制御するための装置および方法
JPWO2009028133A1 (ja) 倒立二輪型搬送車及びその制御方法
JP6281594B2 (ja) 走行装置、走行装置の制御方法および走行装置の制御プログラム
US20100082204A1 (en) Inverted pendulum type moving mechanism
JP5333193B2 (ja) 車両用左右駆動力調整装置の制御装置
JP2021515340A (ja) コントロールモーメントジャイロ及びドライブ・バイ・ワイヤ式ステアリングシステムを用いて二輪車をバランスさせる統合制御方法
JP5240365B2 (ja) 移動方向制御装置及びコンピュータプログラム
JP5907037B2 (ja) 移動体
JPWO2015056686A1 (ja) 手押し車
JP5402435B2 (ja) 倒立型走行装置および走行装置の制御方法
CN113966296A (zh) 电动自行车的速度控制装置及其方法

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200980136967.X

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09814338

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010529658

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20117005711

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2009814338

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2009814338

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE