移動方向控制裝置及電腦程式的製作方法

2023-04-24 02:00:11

專利名稱：移動方向控制裝置及電腦程式的製作方法
技術領域：
本發明涉及即使是單輪車、也能向偏轉方向自由地轉換方向的移動控制裝置及電腦程式。
背景技術：
以往，在使單輪車移動時，主體朝以大致前後方向為軸的旋轉方向(以下，稱為搖擺)、以及以大致左右方向為軸的旋轉方向(以下，稱為俯仰方向)進行搖動，因此，需要對動作進行控制，從而通過控制搖擺方向及旋轉方向的平衡進行控制，以使得主體進行移動或停止而不會摔倒。為了控制搖擺方向及俯仰方向的平衡而需要正確地檢測主體的傾斜度，例如採用通過利用角速度傳感器來檢測角速度並對檢測出的角速度進行積分以推定主體的傾斜度的方法等(參照專利文獻1)。另外，在單輪車的情況下，無法像雙輪車那樣通過改變前輪的角度而輕易地轉換方向，大多數情況下例如通過將主體搖動至搖擺方向及俯仰方向，從而在以主體的大致垂直方向為軸的旋轉方向(以下，稱為偏轉方向yaw direction)上進行旋轉，以改變前進方向。即，如非專利文獻1所揭示的那樣，對搖擺方向及俯仰方向施加正弦波輸入，改變所施加的兩個正弦波輸入的相位，以改變偏轉角變化量，對車輛的搖擺角進行反饋控制，從而向著所希望的移動方向來轉換方向。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 國際公開2007/063665號非專利文獻非專利文獻1 笠井崇史著，「單輪車的姿勢控制」，筑波大學研究生院博士課程系統信息學研究科碩士論文，2005年1月，p. 1-3
發明內容
但是，在非專利文獻1的單輪車中，雖然利用加速度傳感器來測量主體相對於重力方向(垂直方向)的傾斜度，但對於搖擺方向及俯仰方向，垂直方向也未必是平衡狀態。 因此，在垂直方向不是平衡狀態的情況下，存在無法修正成平衡狀態的問題。此外，為了推定主體的傾斜度，除了陀螺傳感器之外，還需要多個加速度傳感器，因此，存在難以使裝置結構簡化並小型化的問題。另外，在雙輪車的情況下，通過控制致動器的動作，能夠向著所希望的移動方向來轉換方向，上述致動器能夠操縱設置於主體的前部的、可進行掌舵的前輪。然而，在單輪車中，由於方向輪和驅動輪一致，在移動時和停止時摩擦係數大不相同，因此存在相對於所希望的旋轉角難以確定所要施加的轉矩的問題。本發明是鑑於上述問題而發明的，其目的在於提供一種能夠以簡單的結構來高精度地控制單輪車的移動方向的移動方向控制裝置及電腦程式。
為了達成上述目的，第一發明的移動方向控制裝置的特徵在於，包括車輪，該車輪朝前後方向旋轉來進行移動；以及主體，該主體與該車輪的旋轉軸連接，且在該車輪的上方朝俯仰方向及搖擺方向搖動，該主體中包括偏轉用角速度傳感器，該偏轉用角速度傳感器檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度；轉子，該轉子將主體的大致垂直方向設為旋轉中心軸；以及偏轉用電動機，該偏轉用電動機使該轉子旋轉，根據伴隨上述轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制上述主體的偏轉方向的旋轉角。另外，第二發明的移動方向控制裝置的特徵在於，在第一發明中，包括偏轉角指定接收部，該偏轉角指定接收部接收作為移動方向目標的所述車輪的偏轉角的指定；摩擦轉矩信息獲取單元，該摩擦轉矩信息獲取單元獲取與包含摩擦轉矩的大小及方向的摩擦轉矩相關的信息；偏轉方向角加速度計算部，該偏轉方向角加速度計算部基於接收到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的偏轉角加速度；反作用轉矩計算單元，該反作用轉矩計算單元基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度來計算反作用轉矩；以及偏轉用電動機動作指令生成部，該偏轉用電動機動作指令生成部基於與計算出的反作用轉矩和獲得的摩擦轉矩相關的信息，來生成上述偏轉用電動機的動作指令。另外，第三發明的移動方向控制裝置的特徵在於，在第二發明中，上述摩擦轉矩信息獲取單元包括對摩擦轉矩的大小及方向的指定進行接收的摩擦轉矩接收單元。另外，第四發明的移動方向控制裝置的特徵在於，在第二發明中，上述摩擦轉矩信息獲取單元包括偏轉角檢測單元，該偏轉角檢測單元檢測車輪的偏轉方向的旋轉角；變動轉矩檢測單元，該變動轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始變動的時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；以及靜摩擦轉矩計算單元，該靜摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算靜摩擦轉矩的大小，獲取所計算出的靜摩擦轉矩來作為上述摩擦轉矩。另外，第五發明的移動方向控制裝置的特徵在於，在第二或第四發明中，上述摩擦轉矩信息獲取單元包括收斂轉矩檢測單元，該收斂轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始收斂時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；以及動摩擦轉矩計算單元，該動摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算動摩擦轉矩的大小，獲取所計算出的動摩擦轉矩來作為上述摩擦轉矩。接著，為了達成上述目的，第六發明的電腦程式是安裝於移動方向控制裝置的計算機所能執行的電腦程式，上述移動方向控制裝置包括車輪，該車輪朝前後方向旋轉來進行移動；以及主體，該主體與該車輪的旋轉軸連接，且在該車輪的上方，向俯仰方向及搖擺方向搖動，該主體中包括偏轉用角速度傳感器，該偏轉用角速度傳感器檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度；轉子，該轉子將主體的大致垂直方向設為旋轉中心軸；以及偏轉用電動機，該偏轉用電動機使該轉子旋轉，上述電腦程式的特徵在於，能夠使上述計算機作為以下單元來起作用，上述單元根據伴隨上述轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制上述主體的偏轉方向的旋轉角。另外，第七發明的電腦程式的特徵在於，在第六發明中，使上述計算機作為以下單元來起作用，即偏轉角指定接收部，該偏轉角指定接收部接收作為移動方向目標的所述車輪的偏轉角的指定；摩擦轉矩信息獲取單元，該摩擦轉矩信息獲取單元獲取與包含摩擦轉矩的大小及方向的摩擦轉矩相關的信息；偏轉方向角加速度計算部，該偏轉方向角加速度計算部基於接收到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的偏轉角加速度；反作用轉矩計算單元，該反作用轉矩計算單元基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度計算反作用轉矩；以及偏轉用電動機動作指令生成部，該偏轉用電動機動作指令生成部基於與計算出的反作用轉矩和獲得的摩擦轉矩相關的信息，來生成上述偏轉用電動機的動作指令。另外，第八發明的電腦程式的特徵在於，在第七發明中，使上述摩擦轉矩信息獲取單元作為摩擦轉矩接收單元起作用，上述摩擦轉矩接收單元對摩擦轉矩的大小及方向的指定進行接收。另外，第九發明的電腦程式的特徵在於，在第七發明中，使上述摩擦轉矩信息獲取單元作為以下單元來起作用，即偏轉角檢測單元，該偏轉角檢測單元檢測車輪的偏轉方向的旋轉角；變動轉矩檢測單元，該變動轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始變動的時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；靜摩擦轉矩計算單元，該靜摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算靜摩擦轉矩的大小；以及獲取所計算出的靜摩擦轉矩來作為上述摩擦轉矩的單元。另外，第十發明的電腦程式的特徵在於，在第七或第九發明中，使上述摩擦轉矩信息獲取單元作為以下單元來起作用，即收斂轉矩檢測單元，該收斂轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始收斂時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；動摩擦轉矩計算單元，該動摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算動摩擦轉矩的大小；以及獲取所計算出的動摩擦轉矩來作為上述摩擦轉矩的單元。在第一發明及第六發明中，包括車輪，該車輪朝前後方向旋轉來進行移動；以及主體，該主體與該車輪的旋轉軸連接且在該車輪的上方、向俯仰方向及搖擺方向搖動。該主體包括偏轉用角速度傳感器，該偏轉用角速度傳感器檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度；轉子，該轉子將主體的大致垂直方向設為旋轉中心軸；以及偏轉用電動機，該偏轉用電動機使該轉子旋轉，根據伴隨轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制主體的偏轉方向的旋轉角。由此，能夠以簡單的結構來高精度地控制單輪車的移動方向。在第二及第七發明中，對設為移動方向目標的車輪的偏轉角的指定進行接收，獲取與包含摩擦轉矩的大小及方向的摩擦轉矩相關的信息。基於接受到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的旋轉角加速度，基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度，來計算反作用轉矩。 基於計算出的反作用轉矩和獲取的摩擦轉矩相關的信息，來生成偏轉用電動機的動作指令。由此，基於接收到指定的目標偏轉角，能夠高精度地推定產生反作用轉矩的轉子的、要產生於偏轉方向的轉矩，並能夠根據接受到指定的偏轉角，來控制使轉子旋轉的偏轉用電動機的轉數及旋轉方向，從而能夠對主體進行方向轉換以轉換至所希望的移動方向。此處，所謂「偏轉角」是指在以主體的前進方向即當前的車輪的方向為基準的情況下的、主體的前進方向與要進行方向轉換的方向之間的角度差。在第三發明及第八發明中，通過接收摩擦轉矩的大小及方向的指定，能夠在考慮了車輪與路面的接觸所引起的摩擦轉矩的條件下，來推定產生反作用轉矩的轉子的、偏轉方向的旋轉角加速度，能夠更加高精度地計算出使轉子旋轉的偏轉用電動機的轉數及旋轉方向。在第四發明及第九發明中，檢測車輪的偏轉方向的旋轉角，檢測偏轉方向的旋轉角開始變動的時刻的偏轉方向的轉矩，基於檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算靜摩擦轉矩的大小。獲取計算出的靜摩擦轉矩作為摩擦轉矩，從而能夠在考慮了反向轉換開始時較大的靜摩擦轉矩的情況下，來推定產生反作用轉矩的轉子的、偏轉方向的旋轉角加速度。在第五發明及第十發明中，檢測偏轉方向的旋轉角收斂時刻的偏轉方向的轉矩， 基於檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算動摩擦轉矩的大小。通過獲取計算出的動摩擦轉矩來作為摩擦轉矩，從而能夠求出在方向轉換時產生的動摩擦轉矩，能夠高精度地對主體的移動方向進行方向轉換以轉換至所希望的移動方向。根據上述結構，基於接收到指定的偏轉角，能夠高精度地推定產生反作用轉矩的轉子的、要產生於偏轉方向的轉矩，並能夠根據接受到指定的偏轉角，來控制使轉子旋轉的偏轉用電動機的轉數及旋轉方向，從而能夠對主體進行方向轉換以來轉換至所希望的移動方向。


圖1是示意性地表示應用了本發明的實施方式的移動方向控制裝置的單輪車機器人的結構的主視圖及側視圖。圖2是說明俯仰方向、搖擺方向、以及偏轉方向的示意圖。圖3是表示控制單輪車機器人的移動方向的一個示例的控制框圖。圖4是示意性地表示應用了本發明實施方式的移動方向控制裝置的單輪車機器人的下部結構的主視圖及側視圖。圖5是說明慣性轉子和主體所產生的轉矩的示意圖。圖6的表示基於偏轉角來計算偏轉角加速度的順序的例子的曲線圖。圖7是表示基於慣性轉子的旋轉角加速度來計算慣性轉子的旋轉角的順序的例子的曲線圖。圖8是說明對要指定的摩擦轉矩的方法進行確定的曲線圖。圖9是表示由本發明的實施方式的移動方向控制裝置的控制基板的控制器所進行的方向轉換處理的順序的流程圖。
具體實施例方式下面，對於本發明的實施方式的移動方向控制裝置，基於附圖具體說明應用於單輪車機器人的示例，該單輪車機器人的安裝在車輪上方的主體一邊搖動、一邊前後移動而不會因車輪的旋轉造成摔倒。圖1是示意性地表示應用了本發明的實施方式的移動方向控制裝置的單輪車機器人的結構的主視圖及側視圖。圖1(a)示出了主視圖，圖1(b)示出了左側視圖。本實施方式的移動方向控制裝置進行控制，使得單輪車機器人1的主體3的移動方向變為所希望的方向。如圖1 (a)、(b)所示，單輪車機器人1包括車輪2，該車輪2朝前後方向旋轉並移動；以及主體3，該主體3與車輪2的旋轉軸連接，且在車輪2的上方，一邊向俯仰方向及搖擺方向搖動，一邊轉換至偏轉方向。雖然在圖1(a)、圖1(b)的示例中，設主體3為人形機器人，但並不限於此。此處，預先明確俯仰方向、搖擺方向、及偏轉方向。圖2是說明俯仰方向、搖擺方向、以及偏轉方向的示意圖。如圖2所示，當單輪車機器人1在xy平面上以沿χ軸的(+)方向前進或沿χ軸的(_)方向後退的方式進行移動的情況下，繞y軸的旋轉方向是俯仰方向。在朝y軸的⑴方向逆時針旋轉的情況下，主體3向前方傾斜，在朝y軸的⑴方向順時針旋轉的情況下，主體3向後方傾斜。此外，繞χ軸的旋轉方向是搖擺方向，是主體3朝左右方向搖動的情況下的旋轉方向。此外，繞ζ軸的旋轉方向是偏轉方向，是使車輪2的方向與χ軸方向傾斜的情況下的旋轉方向。如圖1(a)、(b)所示，主體3包括檢測俯仰方向的旋轉角速度即俯仰角速度的俯仰用陀螺傳感器(俯仰用角速度傳感器)31、與車輪2的旋轉聯動而使車輪2旋轉的俯仰用電動機32、以及檢測俯仰用電動機32的旋轉位置或旋轉速度的俯仰用編碼器(俯仰用旋轉傳感器)33。俯仰用陀螺傳感器31使檢測俯仰角速度的未圖示的檢測軸朝向大致左右方向以安裝於主體3。此處，所謂大致左右方向是指相對於嚴格的左右方向(圖2的y軸方向) 稍微偏離一點角度，當然優選檢測軸與y軸方向一致。主體3和車輪2通過旋轉自如地支承車輪2的框架4來連接，俯仰用電動機32的旋轉通過主體3所具有的錐形齒輪5和傳送帶6傳送到車輪2。框架4是主體3的一部分，在圖1 (a)、圖1 (b)的示例中，框架4成為主體3即人形機器人的腿。另外，俯仰用角速度傳感器只要能檢測俯仰角速度即可，並不限於陀螺傳感器。另外，除了上述的防止朝俯仰方向摔倒的結構之外，主體3包括檢測搖擺方向的旋轉角速度即搖擺角速度的搖擺用陀螺傳感器(搖擺用角速度傳感器)61、朝搖擺方向旋轉的慣性轉子64、與慣性轉子64的旋轉聯動而使慣性轉子64旋轉的搖擺用電動機62、以及檢測搖擺用電動機62的旋轉位置或旋轉速度的搖擺用編碼器(搖擺用旋轉傳感器)63。 搖擺用陀螺傳感器61使檢測搖擺角速度的未圖示的檢測軸朝向大致前後方向以安裝於主體3。此處，所謂大致前後方向是指相對於嚴格的前後方向(圖2的χ軸方向)稍微偏離一點角度，當然優選檢測軸與χ軸方向一致。另外，搖擺用角速度傳感器只要能檢測搖擺角速度即可，並不限於陀螺傳感器。主體3還包括檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度的偏轉用陀螺傳感器 (偏轉用角速度傳感器)71、繞偏轉方向旋轉的慣性轉子74、與慣性轉子74的旋轉聯動而使慣性轉子74旋轉的偏轉用電動機72、以及檢測偏轉用電動機72的旋轉位置或旋轉速度的偏轉用編碼器(偏轉用旋轉傳感器)73。偏轉用陀螺傳感器71使檢測偏轉角速度的未圖示的檢測軸朝向大致垂直方向以安裝於主體3。此處，所謂大致垂直方向是指相對於嚴格的垂直方向(圖2的ζ軸方向)稍微偏離一點角度，當然優選檢測軸與ζ軸方向一致。另外，偏轉用角速度傳感器只要能檢測偏轉角速度即可，並不限於陀螺傳感器。在主體3即人形機器人的背部，裝備有對俯仰用電動機32、搖擺用電動機62、偏轉用電動機72的動作進行控制的控制基板35及電池36。在控制基板35上，裝載有驅動器， 該驅動器對俯仰用電動機32、搖擺用電動機62、偏轉用電動機72進行旋轉驅動；A/D轉換器；D/A轉換器；計數器；以及控制器等。具體而言，控制器是微處理器、CPU、LSI等。控制單輪車機器人1，從而利用使車輪2旋轉時的反作用轉矩來獲得俯仰方向的平衡，利用使慣性轉子64旋轉時的反作用轉矩來獲得搖擺方向的平衡，並且利用使慣性轉子74旋轉時的反作用轉矩來控制偏轉方向的旋轉角。圖3是表示控制單輪車機器人1的移動方向的一個示例的控制框圖。目標偏轉角指定接收部301將所希望的移動方向設為目標偏轉角et，接收目標偏轉角et的指定。艮口，所謂目標偏轉角θt是指偏離當前車輪2的前進方向的偏差角。並不特別限定接收目標偏轉角θ t的指定的方法，可以通過藍牙(Bluetooth)(登錄商標)等無線通信來從外部接收要指定的目標偏轉角θ t，也可將存儲器內置於控制基板35的控制器，在該存儲器內預先存儲有目標偏轉角9t。另外，還能夠預先設置能插入存儲卡等的槽，隨時將存儲有目標偏轉角θ 存儲卡等插入上述槽，來讀取目標偏轉角0t。此外，若將偏轉方向的旋轉角即偏轉角θ到達目標偏轉角θ 到達時間設為t，則優選接收例如將t設為1秒的指定。將偏轉方向的旋轉角加速度即橫向角加速度ω 』假設成在到達時間t的中間為正負反轉的固定值，在這種情況下，容易近似地算出偏轉角速度ω及偏轉角θ的變化(參照之後敘述的圖 7(a))。偏轉方向角加速度計算部302基於接收到指定的目標偏轉角θ t、及偏轉角θ到達目標偏轉角θ t所需的時間t，來對偏轉角θ進行時間微分，從而計算出偏轉角速度ω， 通過對所計算出的偏轉角速度ω進行時間微分，從而計算出偏轉角加速度ω』(偏轉方向的旋轉角加速度)。將偏轉角加速度ω 』假定成在到達時間t的中間為正負反轉的固定值， 在這種情況下，在經過了到達目標偏轉角θ t為止的到達時間t的二分之一之前，偏轉角度 ω呈單調增加，在經過了到達目標偏轉角θ 止的到達時間t的二分之一之後，偏轉角度 ω以一定比例單調減小(參照後述的圖7(b))。在例如上述的例子中，對於偏轉角加速度ω 』，在經過了到達目標偏轉角θ t為止的到達時間t的二分之一之前，將其設為正的固定值，在經過了到達目標偏轉角θ t為止的到達時間t的二分之一之後，將其設為負的固定值，從而能夠分別進行計算。反作用轉矩計算部303中，基於由偏轉方向角加速度計算部302計算出的偏轉角加速度ω，，能夠計算出使主體3旋轉到目標偏轉角θ t為止所需的轉矩T2。施加與主體3 的偏轉方向的轉矩T2相同的轉矩作為慣性轉子74的旋轉的反作用轉矩，從而能夠控制主體3的偏轉角θ t(參照後述的圖7(c))。摩擦轉矩接收部304接收與車輪2和路面的摩擦係數對應的摩擦轉矩Tr的指定。 接收到的摩擦轉矩Tr的指定中至少包含摩擦轉矩Tr的大小及方向的指定。另外，並不特別限定摩擦轉矩Tr的指定的接收方法，可以通過藍牙(Bluetooth)(登錄商標)等無線通信以從外部接收摩擦轉矩Tr的大小及方向。另外，以摩擦轉矩信息獲取部來代替摩擦轉矩接收部304，作為該摩擦轉矩信息獲取部，也可利用控制基板35的控制器來獲取摩擦轉矩Tr 的大小及方向、並作為常數存儲到控制基板35的控制器的存儲器內。另外，還可以預先設置能插入存儲卡等的槽，隨時將存儲有摩擦轉矩Tr的大小及方向的存儲卡等插入上述槽， 來進行讀取。此處，若未將反作用轉矩額外地加入摩擦轉矩Tr，則主體3不能旋轉至接收到指定的目標偏轉角9t。因而，因慣性轉子74的旋轉所要施加的轉矩Tl能利用(式1)求出。Tl = T2+Tr (式 1)慣性轉子角加速度計算部305基於由(式1)計算出的轉矩Tl，來計算慣性轉子 74的旋轉角加速度ω/。S卩，在將慣性轉子74的慣性力矩設為Jl的情況下，能夠利用(式 2)來計算慣性轉子74的旋轉角加速度ω/。ω/ = T1/J1 (式 2)偏轉用電動機動作指令生成部306通過對由(式2)計算出的慣性轉子74的旋轉角加速度ω/進行兩次積分，從而計算出慣性轉子74的轉數(旋轉角)及旋轉方向，利用計算出的轉數(旋轉角)及旋轉方向來生成偏轉用電動機72的動作指令，以使偏轉用電動機72進行旋轉。此外，也可通過對由(式1)計算出的Tl乘上變換係數，來計算慣性轉子74的轉數(旋轉角)及旋轉方向，利用計算出的轉數(旋轉角)及旋轉方向來生成偏轉用電動機 72的動作指令，以使偏轉用電動機72進行旋轉。在偏轉用電動機指令電壓計算部307中，對所生成的偏轉用電動機72的動作指令乘上變換係數，來計算指令電壓。在偏轉用DA轉換器部308中，對驅動器輸出指令電壓，控制偏轉用電動機72的旋轉。此處，對基於接收到指定的目標偏轉角θ t來計算偏轉用電動機72的轉數及旋轉方向的計算方法進行說明。圖4是示意性地表示應用了本發明實施方式的移動方向控制裝置的單輪車機器人1的下部結構的主視圖及側視圖。圖4(a)示出了主視圖，圖4(b)示出了左側視圖。在圖4中，配置車輪2的中心點，使其位於偏轉方向的慣性轉子74的旋轉中心軸及偏轉用電動機72的旋轉中心軸的延長線上。因而，由慣性轉子74的旋轉所產生的反作用轉矩直接作用於主體3的方向轉換上，儘管上述反作用轉矩會減少摩擦轉矩的量。圖5是說明慣性轉子74和主體3中產生的轉矩的示意圖。圖5(a)表示慣性轉子 74的俯視圖，將圓形平板上的慣性轉子74以主體3的中心軸作為旋轉中心軸來進行配置。 設慣性轉子74的切線方向的力為Fl (N)，設轉矩為Tl，設慣性轉子74的半徑為Rl (m)。圖5(b)是表示安裝有慣性轉子74的主體3的側面的示意圖，圖5 (c)是表示與主體3相連接的車輪2與路面相接觸的接地面的示意圖。在圖5(c)中，將車輪2與路面相接觸的接地面51設為圓形，設接地面51的切線方向的力為F2(N)，設轉矩為T2，設接地面51 的半徑為R2(m)。在接收到目標偏轉角θ t的指定的情況下，根據從當前的前進方向即車輪2當前的前進方向到達目標偏轉角θ 需的到達時間t，來計算偏轉角速度ω。圖6是表示基於偏轉角θ來計算偏轉角加速度ω』的順序的例子的曲線圖。圖6 (a)是表示從車輪2當前的前進方向起的、偏轉角θ的時間變化的曲線圖，在接收到指定的到達時間t到達同樣是接收到指定的目標偏轉角9t。在圖6(a)的例子中，示出了接收到指定內容為目標偏轉角 θ t為30度(約0. 5rad)、到達時間為1秒的情況，對偏轉角θ的時間變化進行近似，以使其成為經過0. 5秒時連接兩個兩次函數的時間變化。圖6(b)是表示對車輪2施加了轉矩之後的偏轉角速度ω的時間變化的曲線圖， 圖6(c)是表示對車輪2施加了轉矩之後的偏轉角加速度ω』的時間變化的曲線圖。如圖 6(b)所示，在本實施方式中，為了在到達時間t = 1秒時到達目標偏轉角θ t = 0.5(rad)， 則在0.5秒之前利用一定的偏轉角加速度ω』將偏轉角速度ω增加至l(rad/S)，在經過 0. 5秒後利用一定的偏轉角加速度ω，將偏轉角速度ω減小至0(rad/S)。如圖6(c)所示，偏轉角加速度ω 』是對偏轉角速度ω進行時間微分後的值，即在本實施方式中，在0. 5秒之間偏轉角加速度ω 』為固定值即2(rad/S2)，在經過0. 5秒之後， 偏轉角加速度ω，為固定值即-2(rad/S2)。在求出偏轉角加速度ω 』的時刻，利用主體3的慣性力矩J2，來計算出為了將主體3旋轉至目標偏轉角需的偏轉方向的轉矩T2。即，利用(式；3)來計算偏轉方向的轉矩T2。T2 = J2X ω，(式 3)此處，將主體3的質量m (kg)設為5 (kg)，將車輪2與路面相接觸的接地面51的半徑R2 (m)設為0. 05 (m)，在這種情況下，可利用(式4)來求出主體3的慣性力矩J2 (kgm2)。J2 = mXR22/2 = 5 X 0 . 05 X 0 . 05/2= 6· 25 X 1(Γ3 (kgm2)…(式 4)通過將其代入(式幻，從而求出使主體3旋轉至目標偏轉角01即30度為止所需的偏轉方向的轉矩T2為6. 25 Χ1(Γ3Χ 2 = 0. 0125 (N · m)。若車輪2與路面相接觸的接地面51極小且摩擦轉矩Tr大到能夠被忽略，則通過將與主體3的偏轉方向的轉矩T2相同的轉矩作為由慣性轉子74的旋轉所產生的反作用轉矩來進行施加，從而能夠控制主體3的移動方向。基於慣性轉子74的慣性力矩Jl以及計算出的轉矩Tl，來計算要施加到慣性轉子74的旋轉角加速度ω/。首先，在將慣性轉子74的質量設為M (kg)的情況下，能夠利用(式幻來計算慣性轉子74的慣性力矩Jl (kgm2)。此處，將慣性轉子74的質量M (kg)設為0. 134 (kg)，將慣性轉子74的半徑Rl (m)設為0. 024 (m)。Jl = MXRl2/2 = 0. 134X0. 024X0. 024/2= 3. 86 X 1(Γ5 (kgm2)…(式 5)基於所求出的慣性轉子74的慣性力矩Jl (kgm2)、以及由慣性轉子74的旋轉所產生的反作用轉矩即與主體3的偏轉方向的轉矩T2具有相同大小的轉矩Tl，能夠利用(式 6)來計算出慣性轉子74的旋轉角加速度ω/。ω/ = Tl/Jl= 0. 0125 (N · m)/3. 86 X 10-5 (kgm2)= 324(rad/s2) ...(式 6)通過求出慣性轉子74的旋轉角加速度ω/，從而與圖6所示的順序相反，通過進行兩次積分，能夠求出慣性轉子74的旋轉角θ R，能夠基於慣性轉子74的旋轉角θκ來求出慣性轉子74的旋轉角速度ωκ。圖7是表示基於慣性轉子74的旋轉角加速度ω /來計算慣性轉子74的旋轉角θ R的順序的例子的曲線圖。圖7(a)是表示在到達時間t之前的慣性轉子74的旋轉角加速度ω/的時間變化的曲線圖。在本實施方式中，計算出的慣性轉子74的旋轉角加速度ω/在0.5秒之前為固定值324(rad/s2)，在經過0. 5秒之後為固定值-3M(rad/s2)。圖7(b)是表示在到達時間t之前的慣性轉子74的旋轉角速度ωκ的時間變化的曲線圖，圖7(c)是表示到達時間t之前的慣性轉子74的旋轉角θ R的時間變化的曲線圖。 慣性轉子74的旋轉角速度ωκ如圖7(b)所示，對計算出的慣性轉子74的旋轉角速度ω/ 進行積分，在0.5秒之前利用一定的旋轉角加速度ω/將旋轉角速度ωκ增加至162 (rad/ s)，在經過0.5秒之後，利用一定的旋轉角加速度ω/將旋轉角速度ωκ減少為0(rad/S)。因而，通過使慣性轉子74以大約每秒25. 8轉即每分鐘1547轉的方式進行旋轉， 以獲得旋轉角速度162(rad/S)，從而能夠向主體3施加所希望的反作用轉矩。而且，慣性轉子74的旋轉角θκ如圖7(c)所示，通過對計算出的慣性轉子74的旋轉角速度ω Ε進行積分，從而在到達時間t = 1秒時使固定的旋轉角θ R收斂到81 (rad)。 因而，慣性轉子74在到達時間=1秒內能夠旋轉到旋轉角θ 81 (rad)，即大約4640度。 由此，通過使慣性轉子74在1秒內大約進行12. 9次旋轉，從而能夠將主體3的方向轉換至接收到指定的目標偏轉角et。此外，實際上，基於接地面51的粘性摩擦係數μ的摩擦轉矩Tr不是能夠忽視的大小，因此，若未向反作用轉矩額外地施加摩擦力矩Tr，則主體3不能旋轉至接收到指定的目標偏轉角0t。此處，在將重力加速度g設為9.8 (m/s2)的情況下，能夠利用(式7)求出摩擦轉矩Tr。Tr = μ · m · g · R2...(式 7)因而，要利用慣性轉子74的旋轉來施加的旋矩Tl如(式1)所示那樣為(T2+Tr)。摩擦轉矩Tr的大小根據車輪2與路面相接觸的接觸面51的粘性摩擦係數μ而發生變動。圖8是對確定要指定的摩擦轉矩Tr的方法進行說明的曲線圖。圖8(a)是表示慣性轉子74開始旋轉起的偏轉角θ (rad)的實際時間變化的曲線圖，圖8 (b)是表示從慣性轉子74開始旋轉起的偏轉方向的轉矩τ (Ν·πι)的時間變化的曲線圖。如圖8(b)所示，偏轉方向的轉矩τ (N-m)從慣性轉子74開始旋轉起以一定的比例增加，與此相對，如圖8(a)所示，偏轉角θ從慣性轉子74開始旋轉起的一定時間後即到時刻tl為止都不發生變化。其原因在於，在接地面51的摩擦轉矩Tr小於等於基於靜摩擦力的摩擦轉矩時，不開始旋轉，直至接地面51的摩擦轉矩Tr超過基於靜摩擦力的摩擦轉矩時即從時刻tl開始，主體3開始沿偏轉方向旋轉。因而，能夠認為與時刻tl的偏轉方向的轉矩τ 1 (N -m)相對應的轉矩是靜摩擦轉矩。因而，在將與偏轉方向的轉矩τ 1 (N ·πι)相對應的轉矩指定為摩擦轉矩Tr的情況下， 能夠高精度地控制接收到指定的目標偏轉角9t。另一方面，一旦主體3開始沿偏轉方向旋轉後，粘性摩擦係數μ大幅減小。因而， 在將與偏轉方向的轉矩τ 1(Ν·πι)相對應的轉矩指定為摩擦轉矩Tr的情況下，容易出現所施加的反作用轉矩過大的傾向。因而，也可將主體3沿偏轉方向旋轉的狀態下的動摩擦轉矩設為摩擦轉矩Tr。在這種情況下，如圖8(a)所示，慣性轉子74開始旋轉，在經過到達時間t的中間時刻tm之後，在時刻t2收斂到目標偏轉角9t。其原因在於，接地面51的摩擦轉矩與由慣性轉子74所產生的反作用轉矩相平衡。因而，如圖8(b)所示，能夠認為與時刻t2的偏轉方向的轉矩τ 2 (N ·πι)相對應的轉矩是動摩擦轉矩。因而，在將與偏轉方向的轉矩τ2(Ν·πι) 相對應的轉矩指定為摩擦轉矩Tr的情況下，能夠高精度地控制接收到指定的目標偏轉角叭。圖9是表示由本發明的實施方式的移動方向控制裝置的控制基板35的控制器所進行的方向轉換處理的順序的流程圖。控制基板35的控制器接收對目標偏轉角指定(步驟S901)。對於接收目標偏轉角θ 指定的方法並不特別限定，可以通過藍牙 (Bluetooth)(登錄商標)等無線通信來從外部接收要指定的目標偏轉角θ t，也可將存儲器內置於控制基板35的控制器中，且在該存儲器內預先存儲有目標偏轉角et。另外，還能夠預先設置能插入存儲卡等的槽，隨時將存儲有目標偏轉角θ t的存儲卡等插入上述槽，來讀取目標偏轉角9t。此外，對於偏轉方向的旋轉角即偏轉角91到達目標偏轉角et所需的到達時間t，可在接收目標偏轉角θt的指定的同時，對到達時間t進行接收，也可預先將其作為固定時間存儲在控制器的存儲器中。控制器通過對接受到指定的目標偏轉角θ t進行兩次時間微分，從而計算偏轉角加速度ω 』(步驟S902)。若將偏轉角加速度ω，假定為在到達時間t的中間為正負反轉的固定值，在這種情況下，在到達目標偏轉角θ t為止的到達時間t的二分之一之前，偏轉角度ω以一定比例單調增加，在經過了到達目標偏轉角θ 止的到達時間t的二分之一之後，偏轉角度ω以一定比例單調減小。通過對假定的偏轉角速度ω進行時間微分，從而能夠計算出偏轉角加速度ω』。 在上述的例子中，對於偏轉角加速度ω 』，在到達目標偏轉角θ 止的到達時間t的二分之一之前，將其設為正的固定值，在經過了到達目標偏轉角θ t為止的到達時間t的二分之一之後，將其設為負的固定值，能夠分別進行計算。控制器基於計算出的偏轉角加速度ω，，能夠計算出使主體3旋轉到目標偏轉角 θ t為止所需的旋轉力矩T2 (步驟S90;3)。控制器接收與車輪2和路面的粘性摩擦係數μ 相對應的摩擦力矩Tr的指定(步驟S904)。控制器將計算出的轉矩Τ2和接收到指定的摩擦轉矩Tr加起來，計算出因慣性轉子74的旋轉所要施加的轉矩Tl (步驟S905)。控制器基於計算出的轉矩Tl來計算慣性轉子74的旋轉角速度ω / (步驟S906)， 通過對計算出的慣性轉子74的旋轉角加速度ω /進行兩次積分，從而計算慣性轉子74的轉數(旋轉角)及旋轉方向(步驟S907)，利用計算出的轉數(旋轉角)及旋轉方向來生成偏轉用電動機72的動作指令，以使偏轉用電動機72旋轉(步驟S908)。此外，在步驟S906 至步驟S908中，也可通過對由步驟S905計算出的轉矩Tl乘上變換係數，來計算慣性轉子 74的轉數(旋轉角)及旋轉方向，利用計算出的轉數(旋轉角)及旋轉方向來生成偏轉用電動機72的動作指令，以使偏轉用電動機72旋轉。控制器對所生成的偏轉用電動機72的動作指令乘上變換係數，計算指令電壓，來向驅動器輸出指令電壓(步驟S909)。控制器對是否經過了到達時間t進行判斷(步驟S910)，在控制器判斷為未經過到達時間t的情況下(步驟S910:否)，控制器成為經過等待狀態。在控制器判斷為經過了到達時間t (步驟S910:是)的情況下，控制器獲取當前的偏轉角(步驟S911)，計算與目標偏轉角角度差(步驟S912)。控制器對所計算出的角度差是否小於規定值進行判斷(步驟S913)，在控制器判斷為角度差為規定值以上的情況下(步驟S913 否)，控制器將計算出的角度差設定為新的目標偏轉角et (步驟S914)，處理返回步驟S902，並重複上述處理。在控制器判斷為所計算出的角度差小於規定值的情況下(步驟S913:是)，控制器判斷為方向轉換結束，並結束處理。如上所述，根據本實施方式，基於接收到指定的目標偏轉角θ t，能夠高精度地推定產生反作用轉矩的慣性轉子74的、要產生於偏轉方向的旋轉角加速度ωκ』，並能夠控制使慣性轉子74旋轉的偏轉用電動機72的轉數及旋轉方向，從而能夠對主體3進行方向轉換以轉換至所希望的移動方向。另外，上述實施方式當然可以在不脫離本發明的要點範圍內進行變更。例如，作為摩擦轉矩，並不限於指定為基於靜摩擦係數的靜摩擦轉矩、或基於動摩擦係數的動摩擦轉矩，也可是例如在到時刻tl為止的時間內將摩擦轉矩指定為靜摩擦轉矩，在時刻tl之後將摩擦轉矩指定為動摩擦轉矩。標號說明
1單輪車機器人(移動方向控制裝置)
2車輪
3主體
35控制基板
36電池
71偏轉用陀螺傳感器(偏轉用角速度傳感器)
72偏轉用電動機
73偏轉用編碼器(encoder)(偏轉用旋轉傳感器)
74慣性轉子(轉子)
m主體質量
M慣性轉子質量
Jl繞旋轉中心軸的慣性轉子的慣性力矩
J2繞旋轉中心軸的主體的慣性力矩
權利要求
1. 一種移動方向控制裝置，其特徵在於，包括車輪，該車輪朝前後方向旋轉來進行移動；以及主體，該主體與所述車輪的旋轉軸連接，且在所述車輪的上方，向俯仰方向及搖擺方向搖動， 所述主體中包括偏轉用角速度傳感器，該偏轉用角速度傳感器檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度；轉子，該轉子將主體的大致垂直方向設為旋轉中心軸；以及偏轉用電動機，該偏轉用電動機使所述轉子旋轉，根據伴隨所述轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制所述主體的偏轉方向的旋轉
2.如權利要求1所述的移動方向控制裝置，其特徵在於，包括偏轉角指定接收部，該偏轉角指定接收部接收作為移動方向目標的所述車輪的偏轉角的指定；摩擦轉矩信息獲取單元，該摩擦轉矩信息獲取單元獲取與包含摩擦轉矩的大小及方向的摩擦轉矩相關的信息；偏轉方向角加速度計算部，該偏轉方向角加速度計算部基於接收到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的旋轉角加速度；反作用轉矩計算單元，該反作用轉矩計算單元基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度來計算反作用轉矩；以及偏轉用電動機動作指令生成部，該偏轉用電動機動作指令生成部基於與計算出的反作用轉矩和獲得的摩擦轉矩相關的信息，來生成所述偏轉用電動機的動作指令。
3.如權利要求2所述的移動方向控制裝置，其特徵在於，所述摩擦轉矩信息獲取單元包括對摩擦轉矩的大小及方向的指定進行接收的摩擦轉矩接收單元。
4.如權利要求2所述的移動方向控制裝置，其特徵在於， 所述摩擦轉矩信息獲取單元包括偏轉旋轉角檢測單元，該偏轉旋轉角檢測單元檢測車輪的偏轉方向的旋轉角； 變動轉矩檢測單元，該變動轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始變動的時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；以及靜摩擦轉矩計算單元，該靜摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算靜摩擦轉矩的大小，獲取所計算出的靜摩擦轉矩來作為所述摩擦轉矩。
5.如權利要求2或4所述的移動方向控制裝置，其特徵在於， 所述摩擦轉矩信息獲取單元包括收斂轉矩檢測單元，該收斂轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角收斂時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；以及動摩擦轉矩計算單元，該動摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算動摩擦轉矩的大小，獲取所計算出的動摩擦轉矩來作為所述摩擦轉矩。
6.一種電腦程式，是安裝於移動方向控制裝置的計算機所能執行的電腦程式，所述移動方向控制裝置包括車輪，該車輪朝前後方向旋轉來進行移動；以及主體，該主體與所述車輪的旋轉軸連接，且在該車輪的上方，向俯仰方向及搖擺方向搖動， 所述主體中包括偏轉用角速度傳感器，該偏轉用角速度傳感器檢測偏轉方向的旋轉角速度即偏轉角速度；轉子，該轉子將主體的大致垂直方向設為旋轉中心軸；以及偏轉用電動機，該偏轉用電動機使所述轉子旋轉，所述電腦程式的特徵在於，能夠使所述計算機作為以下單元來起作用，所述單元根據伴隨所述轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制所述主體的偏轉方向的旋轉角。
7.如權利要求6所述的電腦程式，其特徵在於， 使所述計算機作為以下單元來起作用，即偏轉角指定接收部，該偏轉角指定接收部接收作為移動方向目標的所述車輪的偏轉角的指定；摩擦轉矩信息獲取單元，該摩擦轉矩信息獲取單元獲取與包含摩擦轉矩的大小及方向的摩擦轉矩相關的信息；偏轉方向角加速度計算部，該偏轉方向角加速度計算部基於接收到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的旋轉角加速度；反作用轉矩計算單元，該反作用轉矩計算單元基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度來計算反作用轉矩；以及偏轉用電動機動作指令生成部，該偏轉用電動機動作指令生成部基於與計算出的反作用轉矩和獲得的摩擦轉矩相關的信息，來生成所述偏轉用電動機的動作指令。
8.如權利要求7所述的電腦程式，其特徵在於，使所述摩擦轉矩信息獲取單元作為摩擦轉矩接收單元來起作用，該摩擦轉矩接收單元對摩擦轉矩的大小及方向的指定進行接收。
9.如權利要求7所述的電腦程式，其特徵在於，使所述摩擦轉矩信息獲取單元作為以下單元來起作用，即 偏轉旋轉角檢測單元，該偏轉旋轉角檢測單元檢測車輪的偏轉方向的旋轉角； 變動轉矩檢測單元，該變動轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始變動的時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；靜摩擦轉矩計算單元，該靜摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算靜摩擦轉矩的大小；以及獲取所計算出的靜摩擦轉矩來作為所述摩擦轉矩的單元。
10.如權利要求7或9所述的電腦程式，其特徵在於， 使所述摩擦轉矩信息獲取單元作為以下單元起作用，即收斂轉矩檢測單元，該收斂轉矩檢測單元對偏轉方向的旋轉角開始收斂時刻的偏轉方向的轉矩進行檢測；動摩擦轉矩計算單元，該動摩擦轉矩計算單元基於所檢測出的偏轉方向的轉矩，來計算動摩擦轉矩的大小；以及獲取所計算出的動摩擦轉矩來作為所述摩擦轉矩的單元。
全文摘要
本發明的目的在於提供一種能夠以簡單的結構來高精度地控制單輪車的移動方向的移動方向控制裝置及電腦程式。利用伴隨轉子的旋轉而產生的反作用轉矩，來控制主體的偏轉方向的旋轉角。接收對作為移動方向的目標的車輪的偏轉角的指定，獲取與摩擦轉矩相關的信息。基於接收到指定的偏轉角，來計算偏轉方向的旋轉角加速度，基於計算出的偏轉方向的旋轉角加速度，來計算反作用力矩。基於計算出的反作用轉矩和獲取的與摩擦轉矩相關的信息，來生成偏轉用電動機的動作指令。
文檔編號B62K1/00GK102349032SQ20108001266
公開日2012年2月8日 申請日期2010年2月9日 優先權日2009年3月16日
發明者名村光弘, 河合康治, 白土賢一, 福永茂樹, 辻滋 申請人:株式會社村田製作所