專利名稱：倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及進(jìn)行貨物搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)器人中使用同軸二輪車的倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法，更詳細(xì)地說(shuō)，是涉及機(jī)器人姿勢(shì)受拘束時(shí)的倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法。
背景技術(shù)：
作為進(jìn)行貨物搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)器人，一般都是三輪型或四輪型等必須以三點(diǎn)以上進(jìn)行接觸來(lái)保持穩(wěn)定。但是，關(guān)于三輪型、四輪型等由于具有面積和難以轉(zhuǎn)小彎，因而正在研究基于倒立擺模型進(jìn)行動(dòng)作的同軸二輪車型的機(jī)器人。
作為同軸二輪車型的移動(dòng)機(jī)器人，公知例如專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2中記載的機(jī)器人。
圖13是表示上述專利文獻(xiàn)1中記載的現(xiàn)有的同軸二輪車型的移動(dòng)機(jī)器人。
專利文獻(xiàn)1中記載的同軸二輪車型移動(dòng)機(jī)器人包括車體104，其可以轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐于車軸101上，該車軸101在其兩端具有一對(duì)車輪102、103；安裝于車體104的車輪驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)105；向車輪驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)105發(fā)出動(dòng)作指令的控制計(jì)算機(jī)106；和檢測(cè)車體104的傾斜度的角度檢測(cè)機(jī)構(gòu)107。并進(jìn)行狀態(tài)反饋控制，其中以短時(shí)間間隔采樣由角度檢測(cè)機(jī)構(gòu)107檢測(cè)出的車體104的傾斜角度，將車體104的傾斜角度作為狀態(tài)變量輸入值，將反饋增益K作為系數(shù)，基于預(yù)先在控制計(jì)算機(jī)106內(nèi)設(shè)定的控制輸入計(jì)算式，計(jì)算車輪驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)105的控制轉(zhuǎn)矩。由控制計(jì)算機(jī)106對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)105作出指令進(jìn)行與所述算出的控制轉(zhuǎn)矩相當(dāng)?shù)膭?dòng)作，來(lái)維持倒立的姿勢(shì)控制。
圖14是表示上述專利文獻(xiàn)2中記載的載人型的同軸二輪車型移動(dòng)機(jī)器人的圖。
專利文獻(xiàn)2中記載的載人型的同軸二輪車型移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)根據(jù)姿勢(shì)感知傳感器的輸出控制同軸配于平臺(tái)201上的左右驅(qū)動(dòng)輪，由此來(lái)進(jìn)行用于保持前后方向平衡的姿勢(shì)控制和行走控制。而且包括在驅(qū)動(dòng)輪202的前方側(cè)以及后方側(cè)接地的輔助輪203；和使輔助輪203伸縮的輔助輪驅(qū)動(dòng)部204。而且，由于具有障礙物探測(cè)傳感器205和根據(jù)行走速度以及姿勢(shì)的控制狀態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)輔助輪驅(qū)動(dòng)部204而使輔助輪203伸縮的控制電路，所以當(dāng)存在容易導(dǎo)致跌倒的障礙物時(shí)，由于輔助輪203伸出提高了穩(wěn)定性，所以可以減少跌倒的危險(xiǎn)性。
專利文獻(xiàn)1日本特許2530652號(hào)專利文獻(xiàn)2日本特開(kāi)2004-74814在上述專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的技術(shù)中，經(jīng)常進(jìn)行狀態(tài)反饋控制。
而且，當(dāng)同軸二輪車的車體104和車輪102、103可以共同無(wú)拘束地相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在車輪驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)105產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩用于車輪102、103的旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，反作用的轉(zhuǎn)矩作用于車體104，從而可維持整體倒立姿勢(shì)控制。
但是，若車體104的一部分與墻壁或地面接觸，而從外部受到不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的拘束力時(shí)，則車體104不旋轉(zhuǎn)，不僅如此，拘束力帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩被傳遞到車輪102、103。由此，與沒(méi)有拘束力的情況相比，給車輪102、103帶來(lái)過(guò)大的轉(zhuǎn)矩，從而存在車輪旋轉(zhuǎn)增加、行走速度急劇上升的問(wèn)題。
在上述的專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)的技術(shù)中，由于具有當(dāng)由障礙物探測(cè)傳感器205探測(cè)到障礙物時(shí)驅(qū)動(dòng)輔助輪驅(qū)動(dòng)部204使輔助輪203伸縮的機(jī)構(gòu)，所以當(dāng)輔助輪203伸出時(shí)，左右的驅(qū)動(dòng)輪202和輔助輪203三點(diǎn)接地，從而可以減少危險(xiǎn)性。
但是，在該技術(shù)中，采用的結(jié)構(gòu)是通過(guò)識(shí)別障礙物而僅伸出輔助輪203，速度和姿勢(shì)依賴于人的操縱。在該結(jié)構(gòu)中同樣存在下述問(wèn)題當(dāng)人失去平衡而使得包含平臺(tái)的主體部與地面接觸時(shí)，或包含平臺(tái)201的主體部與墻壁等接觸而受到不能旋轉(zhuǎn)的拘束力時(shí)，與專利文獻(xiàn)1的情況同樣對(duì)驅(qū)動(dòng)輪202施加了過(guò)大的轉(zhuǎn)矩，使得行走速度急劇上升。在該情況下，存在下述問(wèn)題雖然通過(guò)人的操縱來(lái)發(fā)送停止指令等來(lái)避免危險(xiǎn)，但在操作依賴于人這一點(diǎn)上給用戶增加了負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有的問(wèn)題，提供一種在進(jìn)行倒立控制的同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)的同軸二輪車的車體的一部分與地面或墻壁接觸而受到拘束力時(shí)，可以維持姿勢(shì)控制和行走狀態(tài)并且不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)的安全的倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明按照下述構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第一方式，提供一種倒立二輪行走型機(jī)器人，其包括車體；兩個(gè)車輪，其同軸配置于所述車體；驅(qū)動(dòng)裝置，其分別驅(qū)動(dòng)所述車輪；第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度中的至少一個(gè)；第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)；其檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中的至少一個(gè)；車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)，其將所述第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)出的信息作為輸入，檢測(cè)向所述車體的傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否受到拘束；和控制機(jī)構(gòu)，其決定向所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的指令值切換多個(gè)行走控制方法來(lái)驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置而進(jìn)行所述車體的行走控制，根據(jù)所述車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，所述控制機(jī)構(gòu)決定對(duì)切換所述多個(gè)行走控制方法的所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的所述指令值驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的第十方式，提供一種倒立二輪行走型機(jī)器人的控制方法，其包括下述步驟檢測(cè)車體的傾斜角度以及傾斜角速度中至少一個(gè)作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息；檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中至少一個(gè)作為第二狀態(tài)檢測(cè)信息；將所述第一狀態(tài)檢測(cè)信息或所述第二狀態(tài)檢測(cè)信息作為輸入，檢測(cè)所述車體向傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否被拘束來(lái)作為車體受拘束識(shí)別信息；基于上述所檢測(cè)出的車體受拘束識(shí)別信息，控制機(jī)構(gòu)切換多個(gè)行走控制方法，決定向分別對(duì)同軸配置于所述車體的兩個(gè)車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，根據(jù)所決定的所述指令值切換多個(gè)行走控制方法，驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成，在倒立地一邊進(jìn)行姿勢(shì)控制一邊進(jìn)行行走的倒立二輪行走型機(jī)器人的車體的一部分與地面或墻壁等接觸使旋轉(zhuǎn)受到拘束的情況下，通過(guò)車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)或車體受拘束識(shí)別動(dòng)作識(shí)別車體的旋轉(zhuǎn)方向的拘束。然后根據(jù)所識(shí)別的拘束狀態(tài)使例如用于車體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩的比例變化，從而不會(huì)對(duì)車輪施加過(guò)大的轉(zhuǎn)矩來(lái)維持姿勢(shì)控制，可以避免行走速度急劇上升等的問(wèn)題。
由此，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成，在一邊進(jìn)行倒立控制一邊進(jìn)行移動(dòng)的同軸二輪車型的倒立二輪行走型機(jī)器人中，即使在車體的一部分與地面或墻壁接觸而是旋轉(zhuǎn)受到拘束的情況下，也可以維持姿勢(shì)控制或行走狀態(tài)，不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可以安全地進(jìn)行移動(dòng)。


本發(fā)明的上述和其他的目的以及特征通過(guò)與添加的附圖的優(yōu)選實(shí)施方式相關(guān)聯(lián)的下面的記述能夠明確。在這些附圖中圖1A是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的傾斜狀態(tài)下的側(cè)視圖；圖1B是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的控制部等的框圖；圖2是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的傾斜狀態(tài)下的主視圖；圖3是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的移動(dòng)構(gòu)成的說(shuō)明圖；圖4是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)圖；圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的控制框圖；圖6是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的回旋控制模式圖；圖7是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的行走控制整體圖；圖8是本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的流程圖；圖9是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的接觸狀態(tài)圖；圖10是本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的流程圖；圖11是本發(fā)明的第三實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的車體傾斜地與地面接觸時(shí)的說(shuō)明圖；圖12是本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的流程圖；圖13是現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)1中記載的同軸二輪車型的移動(dòng)機(jī)器人的圖；圖14是現(xiàn)有的專利文獻(xiàn)2中記載的載人型的同軸二輪車型移動(dòng)機(jī)器人的圖。
具體實(shí)施例方式
在繼續(xù)本發(fā)明的描述之前，在添加附圖中對(duì)相同部件賦予相同的參考符號(hào)。
下面，在說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式之前，對(duì)本發(fā)明的各方式進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明的方式，提供一種倒立二輪行走型機(jī)器人，其包括車體；兩個(gè)車輪，其同軸配置于所述車體；驅(qū)動(dòng)裝置，其分別驅(qū)動(dòng)所述車輪；第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度中的至少一個(gè)；第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中的至少一個(gè)；車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)，其將所述第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)出的信息作為輸入，檢測(cè)向所述車體的傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否受到拘束；和控制機(jī)構(gòu)，其決定給所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的指令值切換多個(gè)行走控制方法驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置而進(jìn)行所述車體的行走控制，根據(jù)所述車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，所述控制機(jī)構(gòu)決定向切換所述多個(gè)行走控制方法的所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的所述指令值驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
本發(fā)明的第二方式，根據(jù)第一方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在所述車體具有檢測(cè)對(duì)所述車體的接觸力的至少一個(gè)接觸傳感器，并且所述車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)將由所述接觸傳感器檢測(cè)出的接觸信息作為輸入，來(lái)識(shí)別車體受拘束狀態(tài)。
本發(fā)明的第三方式，根據(jù)第一或第二方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)，切換成在使所述車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩中加入因所述車體的拘束力而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩量的控制方法。
本發(fā)明的第四方式，根據(jù)第一或第二方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)，切換成使對(duì)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度的反饋停止的控制。
本發(fā)明的第五方式，根據(jù)第一方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)，切換成下述的控制使對(duì)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度的反饋停止，并且僅繼續(xù)所述車體的行走。
本發(fā)明的第六方式，根據(jù)第一或第二方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
本發(fā)明的第七方式，根據(jù)第三方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
本發(fā)明的第八方式，根據(jù)第四方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
本發(fā)明的第九方式，根據(jù)第五方式中記載的倒立二輪行走型機(jī)器人，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
本發(fā)明的第十方式，根據(jù)倒立二輪行走型機(jī)器人的控制方法，其包括下述步驟
檢測(cè)車體的傾斜角度以及傾斜角速度至少一個(gè)作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息；檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度至少一個(gè)作為第二狀態(tài)檢測(cè)信息；將所述第一狀態(tài)檢測(cè)信息或所述第二狀態(tài)檢測(cè)信息作為輸入，檢測(cè)所述車體向傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否被拘束來(lái)作為車體受拘束識(shí)別信息；基于上述所檢測(cè)出的車體受拘束識(shí)別信息，控制機(jī)構(gòu)切換多個(gè)行走控制方法，決定給分別對(duì)同軸配置于所述車體的兩個(gè)車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，根據(jù)所決定的所述指令值切換多個(gè)行走控制方法，而驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
(第一實(shí)施方式)下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法進(jìn)行說(shuō)明。
圖1A表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的倒立二輪行走型機(jī)器人的傾斜狀態(tài)下的側(cè)視圖，圖2表示傾斜狀態(tài)下的主視圖。相對(duì)于機(jī)器人的車體1，將兩個(gè)車輪2a、2b大體配置于同一軸上。這里，車體1對(duì)著圖中箭頭A所示的行進(jìn)方向，左車輪為2a，右車輪為2b。另外，圖2是從車體1的行進(jìn)方向觀察的主視圖。作為在車輪2a、2b和車體1之間分別獨(dú)立產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置的一個(gè)例子而發(fā)揮作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)3a、3b被安裝于車體1的車輪2a、2b的附近，與各車輪2a、2b相連。另外，為了進(jìn)行說(shuō)明，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)3a、3b的一個(gè)例子為電動(dòng)機(jī)。另外，在電動(dòng)機(jī)3a、3b安裝有減速器4a、4b，也可以構(gòu)成上述驅(qū)動(dòng)裝置的一個(gè)例子。另外，在電動(dòng)機(jī)3a、3b安裝有編碼器5a、5b，其作為第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子發(fā)揮作用，用于檢測(cè)上述車輪2a、2b的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中的至少一個(gè)作為第二狀態(tài)檢測(cè)信息，可以測(cè)量車體1和車輪2a、2b的旋轉(zhuǎn)角度。以一定采樣時(shí)間(例如每隔1msec)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度，并用其差值除以采樣時(shí)間，來(lái)求得旋轉(zhuǎn)角速度，可以將此作為第二狀態(tài)檢測(cè)信息。
另外，作為對(duì)以車體1的車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面內(nèi)的姿勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)的姿勢(shì)傳感器6的一個(gè)例子的兩個(gè)傳感器，即，作為檢測(cè)車體1的傾斜角度以及傾斜角速度的至少一個(gè)作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息的第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子而發(fā)揮作用的單軸陀螺儀6a和雙軸加速度傳感器6b被安裝于車體1的上部。單軸陀螺儀6a安裝于車體1上，以車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面可以檢測(cè)車軸方向的傾斜角速度作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息，可以檢測(cè)以車體1的車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面內(nèi)的傾斜角速度(用圓弧6a1表示)。另外，雙軸加速度傳感器6b被安裝成可以檢測(cè)以車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面的兩個(gè)規(guī)定方向(6b1、6b2)的加速度，可以檢測(cè)重力方向(6b3)。作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息的車體1的姿勢(shì)角度(傾斜角度)，是通過(guò)將單軸陀螺儀6a的積分值和來(lái)自雙軸加速度傳感器6b的值分別用控制計(jì)算機(jī)部9施加到高通濾波器、低通濾波器，并將其用控制計(jì)算機(jī)部9合成而求得。
另外，在車體1的前后的下部設(shè)有接觸傳感器10a、10b，可以分別測(cè)量其他物體等對(duì)車體1的前后下部的接觸力作為接觸信息。
在車體1的內(nèi)部，搭載有用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3a、3b的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器7a、7b以及電池8，和作為控制機(jī)構(gòu)以及車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)的一個(gè)例子發(fā)揮作用的控制計(jì)算機(jī)部9。如圖1B所示，控制計(jì)算機(jī)部9由A/D轉(zhuǎn)換器9a和D/A轉(zhuǎn)換器9b以及編碼計(jì)數(shù)器部9c和運(yùn)算部9d構(gòu)成，編碼器5a、5b的值通過(guò)編碼計(jì)數(shù)器部9c被輸入到運(yùn)算部9d。另外，單軸陀螺儀6a和雙軸加速度傳感器6b、接觸傳感器10a、10b的值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器9a被輸入到運(yùn)算部9d。在運(yùn)算部9d中，根據(jù)所輸入的來(lái)自接觸傳感器10a、10b的值，檢測(cè)向上述車體1的傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否被拘束，可以生成車體受拘束識(shí)別信息。該生成的車體受拘束識(shí)別信息例如是通過(guò)接觸傳感器10a、10b的輸入而判斷的對(duì)車體1的拘束力的信息(參照第一實(shí)施方式)、通過(guò)接觸傳感器10a、10b的輸入而判斷的有無(wú)接觸的信息(參照第二實(shí)施方式)、車體1的傾斜角度信息(參照第三實(shí)施方式)等，如后面所述，該信息可以在切換控制方法時(shí)使用?？刂朴?jì)算機(jī)部9的運(yùn)算部9d根據(jù)輸入到運(yùn)算部9d的值計(jì)算姿勢(shì)控制以及行走控制所需的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器9b對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器7a、7b發(fā)出轉(zhuǎn)矩指令值。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器7a、7b根據(jù)指令值驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3a、3b。另外，從輸入值到輸出值的計(jì)算方法在后面描述。
接著，通過(guò)圖3對(duì)本構(gòu)成的倒立二輪行走型機(jī)器人的控制方法進(jìn)行說(shuō)明。圖3是從垂直上方觀察機(jī)器人的圖。在本機(jī)構(gòu)中，分成以車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面(B-B’面)內(nèi)的姿勢(shì)以及該垂直平面內(nèi)的水平方向速度相關(guān)的并行控制11(姿勢(shì)控制+前后移動(dòng)控制)和回旋方向的動(dòng)作相關(guān)回旋控制12這兩個(gè)控制來(lái)考慮。前者是按照跟蹤并行方向的編號(hào)1速度ν的方式進(jìn)行姿勢(shì)控制和行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)的。后者是按照跟蹤回旋方向的編號(hào)2角速度ω的方式進(jìn)行控制的。如后面所述，通過(guò)合并兩個(gè)控制，可以進(jìn)行移動(dòng)控制(行走控制)來(lái)維持行走狀態(tài)。
接著，對(duì)該移動(dòng)控制按照順序進(jìn)行說(shuō)明。
首先，利用表示機(jī)構(gòu)參數(shù)的圖4對(duì)并行控制11進(jìn)行說(shuō)明。另外，由于是以車軸方向?yàn)榉ň€的垂直平面內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作，所以作為二維模型來(lái)處理。如圖4所示，如下所述來(lái)設(shè)定參數(shù)。分別將車輪2a、2b、電動(dòng)機(jī)3a、3b、減速器4a、4b、編碼器5a、5b看作一個(gè)，并設(shè)為車輪2、電動(dòng)機(jī)3、減速器4、編碼器5。另外，將車體1的重心設(shè)為車體重心13，將車輪2的車軸設(shè)為車軸14，將車輪2的重心設(shè)為車輪重心15。
Mb機(jī)器人車體1的質(zhì)量[kg]Mw車輪2的質(zhì)量(兩個(gè)車輪的合計(jì))[kg]、Ib機(jī)器人車體1的繞車體重心13的慣性矩[kgm2]Iw車輪2的繞車輪重心15的慣性矩(兩個(gè)車輪的合計(jì))[kgm2]Im電動(dòng)機(jī)3的慣性矩[kgm2]r車輪2的半徑[m]Lg從車軸14到機(jī)器人的車體重心13的距離[m]編號(hào)3

μs電動(dòng)機(jī)3和減速器4和車輪2之間的粘性摩擦系數(shù)[Nm/(rad/s)]編號(hào)4μg車輪2和地面800之間的粘性摩擦系數(shù)[Nm/(rad/s)]編號(hào)5τt電動(dòng)機(jī)3的轉(zhuǎn)矩常數(shù)[Nm/A]編號(hào)6η減速器4的齒輪部減速比g重力加速度編號(hào)7φ機(jī)器人車體1的傾斜度[rad]編號(hào)8θ車輪2對(duì)地面800的旋轉(zhuǎn)角[rad]u輸入到電動(dòng)機(jī)3的電流[A]另外，如下所述對(duì)符號(hào)進(jìn)行定義。
T動(dòng)能，U勢(shì)能，D摩擦損失z1車體重心高度，z2車輪重心高度，s1車體重心并進(jìn)位置，s2車輪并進(jìn)位置，
這里，使用拉格朗日法導(dǎo)出倒立二輪行走型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程式。
拉格朗日的運(yùn)動(dòng)方程式編號(hào)9ddt(∂T∂φ·)-∂T∂φ+∂U∂φ+∂D∂φ=Q1]]>(式1)編號(hào)10ddt(∂T∂θ·)-∂T∂θ+∂U∂θ+∂D∂θ=Q2]]>(式2)如下所述表示各值及其微分值。
編號(hào)11s1＝rθ+Lgsinφ(式3)編號(hào)12s2＝rθ (式4)編號(hào)13s·1=rθ·+Lgφ·cosφ]]>(式5)編號(hào)14s·2=rθ·]]>(式6)編號(hào)15z1＝r+Lgcosφ (式7)編號(hào)16z2＝r (式8)編號(hào)17z·1=-Lgφ·sinφ]]>(式9)
編號(hào)18z·2=0]]>(式10)各能量編號(hào)19T=12Mw(s·22+z·22)+12Mb(s·12+z·12)+12Iwθ·2+12Ibφ·2+12Imη2(θ·-φ·)2]]>(式11)編號(hào)20U＝Mwgr+Mbg(r+lcosφ)(式12)編號(hào)21D=12(μs(θ·-φ·)2+ugθ·2)]]>(式13)作為簡(jiǎn)單的模型，將施加到車體1的外力設(shè)為0的情況編號(hào)22Q1＝-ητtu (式14)編號(hào)23Q2＝ητtu (式15)由此，動(dòng)能T是編號(hào)24T=12Mw(r2θ·2)+12Mb(r2θ·2+2rθ·Lgφ·cosφ+Lg2φ·2)+12Iwθ·2+12Ibφ·2+12Imη2(θ·-φ·)2]]>(式16)。
關(guān)于機(jī)器人車體1的傾斜度φ，利用拉格朗日法導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程式。
編號(hào)25Mb=(rθ··Lgcosφ+Lg2φ··)+Ibφ··-Imη2(θ··-φ··)-Mbglsinφ-(μs(θ·-φ·))]]>=(MbLg2+Ib+Imη2)φ··+(MbrLgcosφ-Imη2)θ··-Mbglsinφ-μsθ·+μsφ·=-ητtu]]>(式17)關(guān)于車輪2對(duì)地面800的旋轉(zhuǎn)角θ，利用拉格朗日法導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程式。
編號(hào)26Mw(r2θ··)+Mb(r2θ··+rLgφ··cosφ-rLgφ·2sinφ)+Iwθ··+Imη2(θ··-φ··)+(μs(θ·-φ·)+ugθ·)]]>=(MbrLgcosφ-Imη2)φ··+((Mb+Mw)r2+Iw+Imη2)θ··-MbrLgφ·2sinφ+μsθ·]]>-μsφ·+ugθ·=ητtu]]>(式18)若合并(式17)和(式18)，則編號(hào)27(MbrLgcosφ+MbLg2+Ib)φ··+((Mb+Mw)r2+Iw+MbrLgcosφ)θ··]]>-Mbglsinφ-MbrLgφ·2sinφ+ugθ·=0]]>(式19)。
由此，在編號(hào)28φ＝0，φ·=0]]>附近近似兩個(gè)式(式17)和(式19)，成為編號(hào)29(sinφ＝φ，cosφ＝1，φ·2=0]]>)編號(hào)30(MbLg2+Ib+η2Im)φ··+(MbrLgcosφ-η2Im)θ··-Mbglφ-μsθ·+μsφ·=-ητtu]]>(式20)(MbrLg+MbLg2+Ib)φ··+((Mb+Mw)r2+MbrLg+Iw)θ··-Mbglφ+ugθ·=0]]>(式21)。
這里，可以將變量設(shè)為編號(hào)31a11a12a21a22=MbLg2+Ib+η2ImMbrLgcosφ-η2ImMbrLg+MbLg2+Ib(Mb+Mw)r2+MbrLg+Iw]]>(式22)Δ＝a11a22-a12a21(式23)a1a2a3a4a5a6=1Δ(a22-a12)MbgLg(a11-a21)MbgLg-μsa22μsa21μsa22+μga12-(μsa21+μga11)]]>(式24)編號(hào)32b1b2=1Δ-a22ητta21ητt]]>(式25)復(fù)原成編號(hào)33ddtφφ·θ·=x·=010a1a3a5a2a4a6φφ·θ·+0b1b2u=Ax+Bu]]>(式26)編號(hào)34A=010a1a3a5a2a4a6B=0b1b2x=φφ·θ·]]>(式27)的狀態(tài)方程式的形狀。另外，編號(hào)35x=φφ·θ·]]>是狀態(tài)矢量。
以上的模型化由于是狀態(tài)矢量的各值為0的近似模型，所以為了考慮與前后方向的位置(速度指令)相關(guān)的跟蹤性，對(duì)該模型構(gòu)成跟蹤階梯狀的目標(biāo)輸入的模型的控制系統(tǒng)。另外，將目標(biāo)輸入設(shè)為一定速度目標(biāo)值。
編號(hào)36速度y(=θ·)]]>為可觀測(cè)，并表示為編號(hào)37y=θ·=Cx=(0,0,1)x.]]>編號(hào)38為了使速度y(t)沒(méi)有穩(wěn)定偏差地跟蹤階梯狀的編號(hào)39目標(biāo)角速度θ·d=ν/r]]>，而設(shè)為采用了積分器的控制系統(tǒng)。另外，在圖5中表示此時(shí)的控制方框。這里，是用于使編號(hào)40K(1×3)、G(1×1)的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的反饋矢量。
在該構(gòu)成中，編號(hào)41z=∫(θ·d-θ·)dt]]>編號(hào)42z·=-Cx+θ·d]]>(式28)
控制輸入表示為編號(hào)43u＝-Kx+Gz(式29)這里，設(shè)In為3行3列的單位行列，設(shè)Im＝1，編號(hào)44u·=-Kx·+Gz·=-K(Ax+Bu)+G(-Cx+θd)]]>=-KGABC0xu+Gθd]]>(式30)通過(guò)(式26)和(式30)編號(hào)45x·u·=In0-K-GABC0xu+0Gθ·d]]>(式31)編號(hào)46y＝[C 0][xTuT]T(式32)這里，常數(shù)值編號(hào)47x(∞)u(∞)=-ABC0-1In0-K-G-10Gθ·d=-ABC0-1In0-G-1K-G-10Gθ·d=ABC0-10Imθ·d]]>(式33)編號(hào)48y(∞)＝[C 0][x(∞)Tu(∞)T]T(式34)另外，
編號(hào)49y(∞)=C0x(∞)Tu(∞)TT=C0ABC0-10Imθ·d=θ·d]]>(式35)，可知沒(méi)有穩(wěn)定偏差。
接著，考慮由常數(shù)值而來(lái)的誤差系統(tǒng)。
編號(hào)50若作為xe＝x-x(∞)，ue＝u-u(∞)，e=θ·-θ·d]]>進(jìn)行公式變形，則成為編號(hào)51x·eu·e=x·u·=In0-K-GABC0xu+0Gθ·d]]>=In0-K-GABC0xe+x(∞)ue+u(∞)+0Gθ·d]]>=In0-K-GABC0{xeue+ABC0-10Imur}+0Gθ·d]]>=In0-K-GABC0xeue]]>=AB00xeue+00-K-GABC0xeue]]>=AB00xeue-0ImKGABC0xeue]]>(式36)編號(hào)52設(shè)H=KGABC0]]>(式37)編號(hào)53設(shè)w=-Hxeue]]>(式38)
編號(hào)54則x·eu·e=AB00xeue-0ImHxeue=AB00xeue+0Imw]]>(式39)將出力設(shè)為e，編號(hào)55則e＝[C 0][xeTueT]T(式40)。
看作是將w的狀態(tài)反饋加到(式39)、(式40)的調(diào)節(jié)器。由此，通過(guò)最佳調(diào)節(jié)法或極點(diǎn)配置法、及其他各種設(shè)計(jì)法來(lái)導(dǎo)出該誤差系統(tǒng)的反饋增益H。若使用該增益，則可以設(shè)計(jì)編號(hào)56偏差e(t)的過(guò)渡響應(yīng)誤差少的最佳伺服系統(tǒng)。另外，通過(guò)(式37)編號(hào)57KG=HABC0-1=[k1,k2,k3,k4]]]>(式41)。
由此，編號(hào)58使用增益[k1，k2，k3，k4]，并向電動(dòng)機(jī)3輸出。
編號(hào)59若將轉(zhuǎn)矩指令值τ1設(shè)為
編號(hào)60τ1＝ητtu＝-ητt[k1，k2，k3，k4]x1(式42)，則可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)倒立的姿勢(shì)控制和速度控制。
其中，編號(hào)61x1=φφ·θ·z1]]>(式43)編號(hào)62z1=-∫(θ·d-θ·)dt=-z]]>(式44)。
另外，編號(hào)63k1＜0，k2＜0，k3＜0，k4＜0。
在本構(gòu)成中，由于車輪2有兩個(gè)，所以若向各車輪2(2a、2b)輸出0.5倍的編號(hào)64轉(zhuǎn)矩指令值τ1，則可進(jìn)行并行方向的姿勢(shì)控制和速度控制。設(shè)此時(shí)的各車輪2a、2b的編號(hào)65轉(zhuǎn)矩指令值為左車輪τ1L、右車輪τ2R，則
編號(hào)66τ1L＝0.5τ1(式45)τ1R＝0.5τ1(式46)。
接著，利用回旋控制模式圖的圖6對(duì)回旋控制12進(jìn)行說(shuō)明。
從上面觀察機(jī)器人車體1，設(shè)機(jī)器人車體1的車輪2間的長(zhǎng)度為編號(hào)67Lw設(shè)機(jī)器人車體1在水平面上的移動(dòng)速度為編號(hào)68ν設(shè)左車輪2a的旋轉(zhuǎn)速度為編號(hào)69νL設(shè)右車輪2b的旋轉(zhuǎn)速度為編號(hào)70νR設(shè)回旋半徑為R，設(shè)回旋速度為編號(hào)71ω。
另外，設(shè)左車輪2a旋轉(zhuǎn)角速度為編號(hào)72θ·L]]>
設(shè)右車輪2b的旋轉(zhuǎn)角速度為編號(hào)73θ·R]]>則編號(hào)74νω=r2r2-rLwrLwθ·Lθ·R]]>(式47)。
編號(hào)75設(shè)回旋速度目標(biāo)值為ωd編號(hào)76對(duì)與實(shí)際的回旋速度ω之差進(jìn)行反饋控制(PD控制等)，編號(hào)77決定回旋方向的轉(zhuǎn)矩τ2。
編號(hào)78回旋方向的轉(zhuǎn)矩τ2被看作左右車輪2a、2b上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差。在左右車輪2a、2b上，分別通過(guò)將其回旋方向的轉(zhuǎn)矩的0.5倍加到可以算出回旋方向的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的兩車輪2a、2b上或從該兩車輪2a、2b減去回旋方向的轉(zhuǎn)矩的0.5倍，從而可以實(shí)現(xiàn)回旋方向的控制。
在圖7中表示整合了并行控制11和回旋控制12的控制框圖。
若將對(duì)左輪2a、右輪2b指令的轉(zhuǎn)矩指令值設(shè)為編號(hào)79τL、τR，則
編號(hào)80τLτR=12-121212τ1τ2]]>(式48)如上所述，通過(guò)決定轉(zhuǎn)矩，上述機(jī)器人可以一邊維持倒立姿勢(shì)，一邊進(jìn)行回旋以及直線行走。
如圖1A所示，在車體1從地面800離開(kāi)的情況下，若根據(jù)以上描述的控制規(guī)則，則可以一邊維持倒立姿勢(shì)一邊進(jìn)行行走。
接著，在第一實(shí)施方式中表示下述情況如圖8所示，以車體1的一部分在旋轉(zhuǎn)方向受到拘束的情況為例，車體1傾斜，使得車體下部與地面800接觸。假設(shè)車體1和地面800的摩擦力為0，在從車軸14水平移動(dòng)了編號(hào)81垂直阻力F1的接觸點(diǎn)作為拘束力產(chǎn)生了編號(hào)82距離r1。
接觸傳感器10b(由于接觸傳感器10a也一樣，所以以接觸傳感器10b為代表進(jìn)行說(shuō)明。)可以測(cè)量其他物體或地面800或墻壁等對(duì)車體1的接觸力，通過(guò)接觸力傳感器10b，檢測(cè)編號(hào)83垂直方向的拘束力F1，根據(jù)幾何學(xué)的條件，編號(hào)84距離r1也已知。此時(shí)，在車體1產(chǎn)生由拘束力而引起的
編號(hào)85轉(zhuǎn)矩τa＝F1r1。
另外，位置偏移量為編號(hào)86s3＞0的狀態(tài)時(shí)，考慮圖8所示的編號(hào)87(傾斜角φa＜0)產(chǎn)生接觸的情況。此時(shí)，設(shè)使車輪2正轉(zhuǎn)的方向(機(jī)器人車體1在圖8中向右方向移動(dòng)，車體1繞車軸14進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)的方向)為正，基于(式42)的電動(dòng)機(jī)3的轉(zhuǎn)矩指令值為編號(hào)88τ1=ητt[-k1,-k2,-k3,-k4]x1=-ητt(k1φ+k2φ·+k3θ·+k4z1)]]>(式49)。
編號(hào)89由于垂直阻力F1＞0，所以傾斜方向的旋轉(zhuǎn)受到拘束，編號(hào)90φ＝φa、φ·=0.]]>此時(shí)，編號(hào)91τ1=-ητt(k1φa+k3θ·+k4z1)]]>(式50)。
編號(hào)92由于施加到車體1的轉(zhuǎn)矩τb是來(lái)自電動(dòng)機(jī)3的轉(zhuǎn)矩的編號(hào)93反作用力(-τ1)與編號(hào)94接觸引起的轉(zhuǎn)矩τd之和，所以編號(hào)95τb=τa-τ1=F1r1+ητt(k1φa+k3θ·+k4z1)]]>(式51)。
編號(hào)96τb根據(jù) Z1的值，能成為編號(hào)97τb＞0、τb＜0中的任意一種。
在(式51)中，當(dāng)編號(hào)98τb＞0時(shí)，由于轉(zhuǎn)矩以進(jìn)行右旋轉(zhuǎn)的方式作用于車體1，所以若車軸14右旋轉(zhuǎn)，接觸被消除，可返回到倒立狀態(tài)。但是，當(dāng)
編號(hào)99τb＜0時(shí)，左旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩施加于車體1，在車輪2作為反力而產(chǎn)生向右移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，車體由于受到編號(hào)100外力F1的拘束，所以，通過(guò)編號(hào)101外力F1而產(chǎn)生的編號(hào)102轉(zhuǎn)矩τa＝F1r1作為向車輪2旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也被傳遞到車輪2。因此，在車輪2上施加多余的轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生車輪2過(guò)度旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致陷入失控狀態(tài)。
因此，在本發(fā)明的上述第一實(shí)施方式的機(jī)器人控制方法中，通過(guò)接觸力傳感器10b探測(cè)接觸信息，比較所探測(cè)到的接觸力方向和編號(hào)103轉(zhuǎn)矩τ1，在其旋轉(zhuǎn)方向相反的情況下，將向電動(dòng)機(jī)3的編號(hào)104轉(zhuǎn)矩指令值τ1設(shè)為加上由接觸力產(chǎn)生的
編號(hào)105轉(zhuǎn)矩量τa＝F1r1而得到編號(hào)106τ1=-ητt(k1φa+k3θ·+k4z1)+F1r1]]>(式52)。
由此，根據(jù)本發(fā)明的上述第一實(shí)施方式的機(jī)器人的控制方法，通過(guò)根據(jù)(式52)算出電動(dòng)機(jī)3的轉(zhuǎn)矩，從而可以消除來(lái)自地面800的接觸力帶來(lái)的影響，不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可以實(shí)現(xiàn)安全的倒立二輪行走型機(jī)器人。
另外，當(dāng)在本構(gòu)成中于車體1和地面800之間產(chǎn)生編號(hào)107摩擦力F2時(shí)，如圖9所示，若補(bǔ)償由其編號(hào)108合力F3產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的反方向的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行行走的話，則會(huì)得到同樣的效果編號(hào)109τ1=-ητt(k1φa+k3θ·+k4z1)+F3r3]]>(式53)另外，也可以不用接觸傳感器而使用干擾觀測(cè)器來(lái)推定干擾力，利用該推定出的接觸力進(jìn)行與(式52)、(式53)同樣的控制。
這里，通過(guò)圖12對(duì)使用上述的第一實(shí)施方式中的切換控制的行走動(dòng)作流程進(jìn)行說(shuō)明。
在初始狀態(tài)下(步驟S1)，機(jī)器人車體1傾斜停止。作為初始設(shè)定，編號(hào)110(z1ν ω)＝(0，0，0)(＝步驟S2)。接著，進(jìn)行(式50)所示的倒立停止編號(hào)111(θ·d=ν/r=0)]]>控制(步驟S3)而站起來(lái)。在倒立停止控制(步驟S3)的穩(wěn)定時(shí)間(例如5秒左右)后，判斷有無(wú)車體1對(duì)地面800等的接觸(步驟S5)。步驟S5中沒(méi)有接觸的情況下，編號(hào)112進(jìn)行速度(νω)設(shè)定(步驟S8)，之后進(jìn)行(式49)所示的倒立行走控制(步驟S9)維持行走狀態(tài)，然后返回到步驟S5。
當(dāng)在步驟S5中有接觸的情況下，編號(hào)113進(jìn)行速度(νω)設(shè)定(步驟S6)，之后進(jìn)行(式52或式53)所示的倒立行走控制(步驟S7)維持行走狀態(tài)，然后返回到步驟S5。
另外，在步驟S6和步驟S8中，由于在接地時(shí)和不接地時(shí)，都補(bǔ)償其差值轉(zhuǎn)矩，所以在任意情況下都進(jìn)行同樣的行走。
如上所述，從初始的車體1移動(dòng)停止與地面800接地的狀態(tài)，首先通過(guò)進(jìn)行倒立停止控制(式(49)、步驟S2～S3)，到倒立位置為止使車體1站起來(lái)，維持倒立狀態(tài)(停止行走的狀態(tài))。接著，在經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間(穩(wěn)定時(shí)間)倒立狀態(tài)穩(wěn)定(步驟S4)之后，由接觸傳感器10a、10b開(kāi)始有無(wú)接觸的檢測(cè)(步驟S5)。若在步驟S5中沒(méi)有接觸(換句話說(shuō)車體受拘束)，則從倒立停止控制過(guò)渡到倒立行走控制(式(49)、步驟S8～S9)維持行走狀態(tài)，之后由接觸傳感器10a、10b再次進(jìn)行有無(wú)接觸的檢測(cè)(步驟S5)。當(dāng)在步驟S5中檢測(cè)到接觸(換句話說(shuō)車體受拘束)的情況下，從倒立停止控制移至倒立行走控制(式(52)或式(53)、步驟S6～S7)維持行走狀態(tài)，之后由接觸傳感器10a、10b再次進(jìn)行有無(wú)接觸的檢測(cè)(步驟S5)。
這樣，通過(guò)適當(dāng)切換倒立停止控制(步驟S3)、倒立行走控制(步驟S9)、倒立行走控制(步驟S7)，同時(shí)進(jìn)行二輪行走，從而即使與車體1產(chǎn)生接觸，通過(guò)根據(jù)接觸狀態(tài)(即，車體受拘束狀態(tài))使用于車體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩的比例變化，從而不會(huì)對(duì)車輪2施加過(guò)大的轉(zhuǎn)矩來(lái)維持姿勢(shì)控制，可以防止行走速度急劇上升的所謂的失控現(xiàn)象，不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可以安全地繼續(xù)行走。
(第二實(shí)施方式)與第一實(shí)施方式相同，用圖8來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。在第一實(shí)施方式中，設(shè)置接觸傳感器來(lái)探測(cè)接觸力，而在第二實(shí)施方式中，設(shè)接觸傳感器10b為僅探測(cè)有無(wú)接觸而不進(jìn)行力測(cè)量的傳感器的情況、或即使是可以進(jìn)行力測(cè)量的傳感器也僅利用有無(wú)接觸的情況，敘述其控制方法。
當(dāng)車體1的一部分與地面800等接觸的情況下，車體1可以不旋轉(zhuǎn)，車體1通過(guò)兩個(gè)車輪2a、2b和至少1點(diǎn)的三點(diǎn)以上與地面800接觸。在通過(guò)以往的獨(dú)立二輪驅(qū)動(dòng)由輔助輪等接地的貨車的移動(dòng)控制中，通過(guò)PID控制等對(duì)車輪2的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行行走控制維持行走狀態(tài)。為此，在該第二實(shí)施方式中，由于在接地時(shí)也可看作同樣的構(gòu)成，所以在接地的情況下，被構(gòu)成為編號(hào)114τ1=k5(θ·-θ·d)+k6∫(θ·-θ·d)dt=k5(θ·-θ·d)+k6z1]]>(式54)所示的對(duì)旋轉(zhuǎn)速度的大致PI控制的速度控制。由此，在存在接觸的情況下，切換(式54)的控制進(jìn)行控制，在沒(méi)有接觸的情況下切換(式50)的控制進(jìn)行控制。
利用圖10對(duì)使用第二實(shí)施方式的切換控制的行走動(dòng)作流程進(jìn)行說(shuō)明。在初始狀態(tài)(步驟S11)下，機(jī)器人車體1傾斜停止。作為初始設(shè)定，
編號(hào)115(z1ν ω)＝(0，0，0)(＝步驟S12)。接著，進(jìn)行(式50)所示的倒立停止編號(hào)116(θ·d=ν/r=0)]]>控制(步驟S13)而站起來(lái)。在倒立停止控制(步驟S13)的穩(wěn)定時(shí)間(例如5秒左右)后(步驟S14)，判斷有無(wú)接觸(步驟S15)。如果沒(méi)有接觸(步驟S15)，則進(jìn)行編號(hào)117速度(ν ω)設(shè)定(步驟S20)，之后進(jìn)行(式49)所示的倒立行走控制(步驟S21)維持行走狀態(tài)。作為從基于(式49)的倒立行走控制(步驟S21)開(kāi)始向接觸時(shí)的基于(式54)的速度控制(步驟S18)的控制方法過(guò)渡的條件，設(shè)置積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1。所謂積分項(xiàng)是指速度差的編號(hào)118積分Z1(車體1的平衡相對(duì)于車體的當(dāng)前位置被破壞等產(chǎn)生位置偏移時(shí)的位置偏移量)。然后，在倒立行走控制(步驟S21)中，判斷有無(wú)接觸(步驟S22)。
當(dāng)在步驟S22中車體1沒(méi)有與地面800等接觸的情況下，將積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1復(fù)位(bt1＝0)(步驟S26)后(即不進(jìn)行積分項(xiàng)的復(fù)位)，返回到步驟S20。
當(dāng)在步驟S22中車體1與地面800等接觸的情況下，判斷是否對(duì)積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1進(jìn)行復(fù)位，即積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1是否等于1(步驟S23)。僅在積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1＝0時(shí)(接觸后不進(jìn)行積分項(xiàng)的復(fù)位時(shí))，將編號(hào)119

積分項(xiàng)Z1設(shè)為編號(hào)120復(fù)位Z1＝0(步驟S27)后(復(fù)位積分項(xiàng)，且殘留表示復(fù)位了積分項(xiàng)的歷史信息后)，返回到步驟S20。對(duì)積分項(xiàng)進(jìn)行復(fù)位是用于使接觸前產(chǎn)生的位置偏移(速度差的編號(hào)121積分Z1)一次為0并成為接觸時(shí)的PI控制。這樣，通過(guò)復(fù)位積分項(xiàng)，可以消除接觸前的位置偏移量，僅通過(guò)接觸后的車體1的位置偏移量來(lái)進(jìn)行動(dòng)作控制，所以可以防止車體1的失控現(xiàn)象。
當(dāng)在到步驟S23中積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1＝1時(shí)，判斷有無(wú)接觸(步驟S24)。
當(dāng)在步驟S24中車體1沒(méi)有與地面800等接觸的情況下，將積分項(xiàng)復(fù)位歷史位bt1復(fù)位(bt1＝0)(步驟S28)后(即不進(jìn)行積分項(xiàng)的復(fù)位)，返回到步驟S20。
在步驟S24中車體1與地面800等持續(xù)接觸的情況下(bt1＝1)，若在穩(wěn)定時(shí)間(例如1秒)(步驟S25)以內(nèi)，則返回到步驟S20，繼續(xù)倒立行走(步驟S21)。
另一方面，若經(jīng)過(guò)穩(wěn)定時(shí)間(例如1秒)，則從倒立行走(步驟S21)移至速度控制(步驟S30～S32)。
在步驟S15中車體1與地面800等接觸的情況下或在步驟S25中經(jīng)過(guò)穩(wěn)定時(shí)間時(shí)，編號(hào)122進(jìn)行速度(ν ω)設(shè)定(步驟S30)，之后判斷是否為編號(hào)123(ν ω)＝(0，0)
(步驟S31)。在“是”的情況下判斷為無(wú)法站起并結(jié)束(步驟S19)。在步驟S31中判斷為“否”，即編號(hào)124(ν ω)≠(0，0)的情況下，通過(guò)(式54)所示的速度控制(步驟S32)進(jìn)行行走，之后返回到步驟S14，判斷速度控制(步驟S32)是否經(jīng)過(guò)穩(wěn)定時(shí)間(例如5秒左右)(步驟S14)。
如上所述，根據(jù)上述第二實(shí)施方式，在控制計(jì)算機(jī)部9的控制下，可以進(jìn)行以下所述的動(dòng)作控制。
即，從初始的車體1移動(dòng)停止與地面800接地的狀態(tài)，首先通過(guò)進(jìn)行倒立停止控制(式(49)、步驟S12～S13)，使車體1在倒立位置站起，維持倒立狀態(tài)(停止行走的狀態(tài))。接著，在經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間(穩(wěn)定時(shí)間)倒立狀態(tài)穩(wěn)定(步驟S14)之后，由接觸傳感器10a、10b開(kāi)始有無(wú)接觸的檢測(cè)(步驟S15)。若在步驟S15中沒(méi)有接觸(換句話說(shuō)車體受拘束)，則從倒立停止控制移至倒立行走控制(式(49)、步驟S20～S21)維持行走狀態(tài)。當(dāng)在步驟S15中檢測(cè)到接觸(換句話說(shuō)車體受拘束)的情況下，從倒立停止控制移至行走控制(步驟S30～S32)。接著，在經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間(穩(wěn)定時(shí)間)穩(wěn)定進(jìn)行速度控制(步驟S14)之后，由接觸傳感器10a、10b再次開(kāi)始有無(wú)接觸的檢測(cè)(步驟S15)，當(dāng)在步驟S15中沒(méi)有接觸(若站起成功)，則移至倒立行走控制(式(49)、步驟S20～S21)維持行走狀態(tài)。若在步驟S15中有接觸(若站起成功)，直接繼續(xù)速度控制(步驟S30～S32)。在進(jìn)行速度控制(步驟S30～S32)時(shí)，在速度以及加速度為0的情況下，車體1與物體或地面800等接觸時(shí)等，判斷為車體1沒(méi)有站起的情況，停止車體1的站起驅(qū)動(dòng)，并設(shè)為設(shè)為接地狀態(tài)。
另外，當(dāng)在倒立行走控制(式(49)、步驟S20～S21)中有接觸時(shí)(步驟S22)，在復(fù)位接觸時(shí)為止的位置偏移量使其為0之后，僅通過(guò)接觸時(shí)的位置偏移量進(jìn)行動(dòng)作控制，所以可以防止車體1的失控現(xiàn)象。而且，在倒立行走控制時(shí)，在復(fù)位接觸時(shí)為止的位置偏移量使其為0之后，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定時(shí)間還繼續(xù)接觸的情況下，判斷為車體1的倒立狀態(tài)被破壞，可以按照從倒立行走控制切換為速度控制而恢復(fù)到倒立狀態(tài)的方式進(jìn)行動(dòng)作控制。
這樣，通過(guò)一邊適當(dāng)切換倒立停止控制(步驟S13)、倒立行走控制(步驟S21)、速度控制(步驟S32)，一邊進(jìn)行倒立二輪行走，從而即使與車體1產(chǎn)生接觸，通過(guò)根據(jù)接觸狀態(tài)(即車體受拘束狀態(tài))改變用于車體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩的比例，從而不會(huì)對(duì)車輪2施加過(guò)大的轉(zhuǎn)矩來(lái)維持姿勢(shì)控制，可以方式速度急劇上升等所謂的失控，不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可以安全地進(jìn)行行走。
(第三實(shí)施方式)在第二實(shí)施方式中，通過(guò)實(shí)際的接觸傳感器10a、10b的輸入檢測(cè)有無(wú)接觸來(lái)切換控制方法，而在本發(fā)明的第三實(shí)施方式中，在得知行走的地面800是平坦的面的情況下，沒(méi)有接觸傳感器，通過(guò)車體1的傾斜角度進(jìn)行控制方法的切換，并在車體1的傾斜角度傾斜規(guī)定角度以上時(shí)進(jìn)行切換控制。即，如圖11所示，車體1傾斜并與地面800接觸的情況下的車體1的傾斜角為編號(hào)125φ＞φb＞0 φ＜φc＜0車體1傾斜不與地面800接觸時(shí)，即編號(hào)126(φb≥φ≥φc)時(shí)，進(jìn)行(式49)所示的倒立行走控制維持行走狀態(tài)，另一方面，當(dāng)車體1傾斜與地面800接觸時(shí)，即編號(hào)127(φ＞φb或φ＜φc)時(shí)，進(jìn)行基于(式54)的控制。
這里，作為一個(gè)例子如圖11所示，若相對(duì)于倒立停止或行走狀態(tài)(單點(diǎn)劃線所示的I)如傾斜位置(由虛線所示的II或III)那樣傾斜10°，則在假設(shè)為車體1與地面800接觸時(shí)，考慮5°的容許值，若傾斜9.5°以上，則只要判斷為車體1與地面800接觸即可。即在編號(hào)128φ＞φb＝9.5°＞0或者編號(hào)129φ＜φc＝-9.5°＜0時(shí)，只要判斷為車體1與地面800接觸即可。由此，當(dāng)車體1傾斜不與地面800接觸時(shí)，即在編號(hào)130(φb＝9.5°≥φ≥φc＝-9.5°)時(shí)，進(jìn)行(式49)所示的倒立行走控制維持行走狀態(tài)，另一方面，在車體1傾斜與地面800接觸時(shí)，即在編號(hào)131(φ＞φb＝9.5°又はφ＜φc＝-9.5°)時(shí)，進(jìn)行基于(式54)的速度控制。
如上所述，通過(guò)根據(jù)車體1的傾斜角度切換控制方法，同時(shí)進(jìn)行行走，從而即使在平坦的面產(chǎn)生接觸，也不會(huì)失控且不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可安全地繼續(xù)行走。
另外，通過(guò)適當(dāng)組合上述各實(shí)施方式中的任意的實(shí)施方式，可以起到各自所具有的效果。
(工業(yè)上的可利用性)在本發(fā)明的倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法中，提供了一種倒立二輪行走型機(jī)器人及其控制方法，即使在與地面或避免等接觸而使旋轉(zhuǎn)受拘束的情況下，可以維持姿勢(shì)控制或行走狀態(tài)，且不會(huì)給用戶帶來(lái)負(fù)擔(dān)，可以安全地移動(dòng)。
雖然參照附圖并與優(yōu)選的實(shí)施方式相關(guān)聯(lián)地充分記載了本發(fā)明，但對(duì)于該技術(shù)熟練的人來(lái)說(shuō)，可以推導(dǎo)出各種變形或修正。這些變形或修正在不脫離本申請(qǐng)附加的權(quán)利要求的范圍的情況下，應(yīng)該理解為包含于本申請(qǐng)。
權(quán)利要求
1.一種倒立二輪行走型機(jī)器人，其包括車體；兩個(gè)車輪，其同軸配置于所述車體；驅(qū)動(dòng)裝置，其分別驅(qū)動(dòng)所述車輪；第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度中的至少一個(gè)；第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)；其檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中的至少一個(gè)；車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)，其將由所述第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)或第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)出的信息作為輸入，檢測(cè)向所述車體的傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否受到拘束；和控制機(jī)構(gòu)，其決定向所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的指令值切換多個(gè)行走控制方法來(lái)驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置而進(jìn)行所述車體的行走控制，根據(jù)所述車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，所述控制機(jī)構(gòu)決定切換所述多個(gè)行走控制方法的對(duì)所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，通過(guò)所決定的所述指令值驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在所述車體具有檢測(cè)對(duì)所述車體的接觸力的至少一個(gè)接觸傳感器，并且所述車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)將由所述接觸傳感器檢測(cè)出的接觸信息作為輸入，來(lái)識(shí)別車體受拘束狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)，切換成在使所述車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩中加入了由所述車體受到的拘束力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩量的控制方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)，切換成使對(duì)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度的反饋停止的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)，切換成下述的控制使對(duì)所述車體的傾斜角度以及傾斜角速度的反饋停止，并且僅繼續(xù)所述車體的行走。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倒立二輪行走型機(jī)器人，其特征在于，在車體受拘束時(shí)復(fù)位所述車輪的旋轉(zhuǎn)角速度的誤差的積分值。
10.一種倒立二輪行走型機(jī)器人的控制方法，其包括下述步驟檢測(cè)車體的傾斜角度以及傾斜角速度至少一個(gè)作為第一狀態(tài)檢測(cè)信息；檢測(cè)所述車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度至少一個(gè)作為第二狀態(tài)檢測(cè)信息；將所述第一狀態(tài)檢測(cè)信息或所述第二狀態(tài)檢測(cè)信息作為輸入，檢測(cè)所述車體向傾斜方向的旋轉(zhuǎn)是否被拘束來(lái)作為車體受拘束識(shí)別信息；基于上述所檢測(cè)出的車體受拘束識(shí)別信息，控制機(jī)構(gòu)切換多個(gè)行走控制方法，決定給分別對(duì)同軸配置于所述車體的兩個(gè)車輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置的指令值，根據(jù)所決定的所述指令值切換多個(gè)行走控制方法，驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)行所述車體的行走控制來(lái)維持行走狀態(tài)。
全文摘要
一種倒立二輪行走型機(jī)器人，其包括車體；兩個(gè)車輪，其同軸配置于車體；驅(qū)動(dòng)裝置，其分別驅(qū)動(dòng)車輪；第一狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)車體的傾斜角度以及傾斜角速度中的至少一個(gè)；第二狀態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)；其檢測(cè)車輪的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)角速度中的至少一個(gè)；車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)，其檢測(cè)車體的旋轉(zhuǎn)是否受到拘束；和控制機(jī)構(gòu)，其決定向所述驅(qū)動(dòng)裝置的指令值。根據(jù)車體受拘束識(shí)別機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果，控制機(jī)構(gòu)決定使用于車體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩的比例變化的指令值。
文檔編號(hào)B62D37/04GK101052929SQ20068000111
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月26日
發(fā)明者足達(dá)勇治 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社