移动体以及移动体的控制方法与流程

1.本技术涉及移动体。具体地，本技术涉及可以使用多个支撑腿移动的移动体以及控制移动体的方法。


背景技术：

2.在相关技术中，操作多个支撑腿并且行走以能够越过障碍物、台阶等的移动体被用于各种目的，例如搬运载物以及提供安全或娱乐。这种移动体也被称为机器人。通常，在操作支撑腿的移动体行走时的移动中，移动速度比车轮行进时慢。因此，提出了一种移动体，在该移动体中，在支撑腿的远端安装脚轮，以便除了行走之外还能够执行驶轮行驶(例如，参见专利文献1)。
3.[引用列表]
[0004]
[专利文献]
[0005]
[专利文献1]
[0006]
jp2009
‑
154256a


技术实现要素：

[0007]
[技术问题]
[0008]
上述移动体在车轮行驶容易的平坦地面等上的移动中转换为执行驶轮行驶的行驶模式，并且在车轮行驶困难的不规则地面上的移动中转换为行走模式，因此可以实现移动速度的改进与不规则地面行进的改进之间的兼容性。然而，移动体在行驶模式下为了避开路面上的障碍物或台阶而改变支撑腿与地面接触的位置，从而在一些情况下改变其姿态。然而，在这些情况下，移动体可以通过暂时将其他支撑腿与地面分离并且走下台阶以稳定姿态来恢复其姿态。然而，在行驶期间用支撑腿走下台阶有倾倒的风险。当暂时降低行驶速度时，可以降低用支撑腿走下台阶时倾倒的风险。然而，由于平均速度降低，因此这不是优选的。因此，在上述移动体中，难以改进执行驶轮行驶时的稳定性。
[0009]
本技术是鉴于这种情况而设计的，并且本技术的目的是改进包括具有脚轮的多个支撑腿的移动体的车轮行驶的稳定性。
[0010]
[问题的解决方案]
[0011]
设计本技术以解决上述问题，并且第一方面是移动体以及控制该移动体的方法，该移动体包括：多个支撑腿，其中，基座被安装在本体上，并且脚轮被安装在远端上；稳定器，其被配置成基于本体的姿态的目标值来控制多个支撑腿中的每一个的脚轮与地面接触的位置；以及脚轮角度控制单元，其被配置成基于目标值来控制脚轮中的每一个的脚轮角度。因此，可以获得基于姿态的目标值来控制脚轮角度的操作效果。
[0012]
根据第一方面，在转换为其中移动体执行驶轮行驶的行驶模式时，脚轮角度控制单元可以基于机械阻抗以及多个支撑腿中的每一个的扭转刚度来获得从路面到基座的高度与脚轮的脚轮轨迹的比值和新目标值。因此，在行驶模式下，可以获得高度与脚轮轨迹的
比值和新目标值的操作效果。
[0013]
根据第一方面，在转换为其中移动体执行行走的行走模式时，脚轮角度控制单元可以基于多个支撑腿中的每一个的扭转刚度、目标值、从路面到基座的高度以及脚轮的脚轮轨迹来获得机械阻抗。因此，可以获得在行走模式下获得机械阻抗的操作效果。
[0014]
根据第一方面，移动体还可以包括：多个升降机，其被配置成支撑载物台；以及升降机控制单元，其被配置成基于目标值来控制多个升降机。因此，可以获得基于目标值来控制升降机的操作效果。
[0015]
根据第一方面，本体可以包括前本体、后本体以及将前本体连接至后本体的连接单元。因此，可以获得独立控制前本体和后本体的姿态的操作效果。
[0016]
根据第一方面，脚轮可以包括车轮单元以及在垂直于路面的方向上伸缩的阻尼器。因此，可以获得在施加重量时增大脚轮角度的操作效果。
[0017]
根据第一方面，多个支撑腿中的每一个包括设置在基座中的第一关节、第二关节和设置在远端中的第三关节。第一关节可以是双轴关节。因此，可以获得扩大支撑腿的可移动范围的操作效果。
[0018]
根据第一方面，多个支撑腿可以包括一对前支撑腿和一对后支撑腿。因此，可以获得控制四条腿的脚轮角度的操作效果。
[0019]
根据第一方面，一对前支撑腿中的每一个的基座的安装角度与一对后支撑腿中的每一个的基座的安装角度不同。因此，可以获得使初始状态下的脚轮角度在前侧与后侧之间不同的操作效果。
[0020]
根据第一方面，多个支撑腿的数目可以为两个。因此，可以获得控制两条腿的脚轮角度的操作效果。
附图说明
[0021]
图1是根据本技术的第一实施方式的移动体的外观图。
[0022]
图2是示出根据本技术的第一实施方式的移动体的示例性配置的框图。
[0023]
图3是示出根据本技术的第一实施方式的脚轮角度控制单元的示例性配置的框图。
[0024]
图4是示出根据本技术的第一实施方式的支撑腿的示例性配置的侧视图。
[0025]
图5是示出根据本技术的第一实施方式的第一关节和第三关节的旋转轴的图。
[0026]
图6是示出根据本技术的第一实施方式的行走模式控制单元的示例性配置的框图。
[0027]
图7是示出根据本技术的第一实施方式的行驶模式控制单元的示例性配置的框图。
[0028]
图8是示出根据本技术的第一实施方式的安装角度的示例的侧视图。
[0029]
图9是示出根据本技术的第一实施方式在倾斜表面上行驶的过程的图。
[0030]
图10是示出根据本技术的第一实施方式当给出脚轮角度时的有利效果的图。
[0031]
图11是示出根据本技术的第一实施方式的控制单元的控制的图。
[0032]
图12是示出根据本技术的第一实施方式的稳定器和脚轮角度控制单元的控制的图。
[0033]
图13是示出根据本技术的第一实施方式的控制单元的操作的示例的流程图。
[0034]
图14是示出根据本技术的第二实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
[0035]
图15是示出根据本技术的第二实施方式的移动体的示例性配置的框图。
[0036]
图16是示出根据本技术的第二实施方式的升降机控制方法的图。
[0037]
图17是示出根据本技术的第三实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
[0038]
图18是示出根据本技术的第四实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
[0039]
图19是示出根据本技术的第四实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
[0040]
图20是示出根据本技术的第六实施方式的脚轮的示例性配置的截面图。
[0041]
图21是示出根据本技术的第七实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
[0042]
图22是示出根据本技术的第八实施方式的移动体的示例性配置的侧视图。
具体实施方式
[0043]
在下文中，将描述用于实施本技术的模式(在下文中称为“实施方式”)。将按以下顺序进行描述。
[0044]
1.第一实施方式(控制脚轮角度的示例)
[0045]
2.第二实施方式(控制升降机和脚轮角度的示例)
[0046]
3.第三实施方式(本体被分成两部分并且控制脚轮角度的示例)
[0047]
4.第四实施方式(本体被分成两部分并且控制升降机和脚轮角度的示例)
[0048]
5.第五实施方式(通过将前安装角度设置为与后安装角度不同来控制脚轮角度的示例)
[0049]
6.第六实施方式(设置阻尼器并且控制脚轮角度的示例)
[0050]
7.第七实施方式(设置双轴关节并且控制脚轮角度的示例)
[0051]
8.第八实施方式(控制两条腿的脚轮角度的示例)
[0052]
9.移动体的应用的示例
[0053]
<1.第一实施方式>
[0054]
[移动体的示例性配置]
[0055]
图1示出了根据本技术的第一实施方式的移动体100的外观的示例。移动体100是用于诸如搬运载物、提供安全或娱乐的各种用途的无人机器人，移动体100包括本体110和多个支撑腿。例如，四个支撑腿120、130、140和150被设置在移动体100中。
[0056]
本体110是长形部件，并且控制四个支撑腿(支撑腿120等)的控制单元180被设置在内部。
[0057]
支撑腿120、130、140和150的基座被安装在本体110上并且脚轮161至164被安装在远端上。以这种方式安装在机器人的臂或腿的远端的构件也称为末端执行器。
[0058]
当从长形本体110的两端的一侧到另一侧的方向被设置为前侧时，支撑腿120和140被安装在前侧上，支撑腿130和150被安装在后侧上。支撑腿120和140是权利要求书中描述的前支撑腿的示例，支撑腿130和150是权利要求书中描述的后支撑腿的示例。
[0059]
每个支撑腿120包括多个关节以及驱动关节的致动器。关节的数目和关节轴将在后面描述。
[0060]
移动体100包括各种传感器(未示出)，例如检测致动器的角度的传感器、对路面进
行成像的图像传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器。加速度传感器和陀螺仪传感器被设置在例如惯性测量单元(imu)中。
[0061]
图2是示出根据本技术的第一实施方式的移动体100的示例性配置的框图。移动体100包括传感器组171、控制单元180和四个支撑腿(支撑腿120等)。在每个支撑腿中，设置了致动器组172。控制单元180包括稳定器181、路面状况分析单元182和脚轮角度控制单元200。
[0062]
传感器组171是检测移动体100的内部或外部状况的传感器组。例如，设置了检测致动器的角度的传感器、对路面进行成像的图像传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器等作为传感器组171。传感器组171将检测到的数据提供给控制单元180。
[0063]
致动器组172是操作支撑腿120等中的每一个的关节的致动器组。
[0064]
稳定器181执行用于避免倾倒的稳定控制(例如，zmp控制)。当执行zmp控制时，稳定器181基于零力矩点(zmp)和本体110的姿态的目标值来控制支撑腿120等的腿尖(脚轮161至164)的着地位置。这里，zmp是指竖直地面反作用力的操作重心，而使用zmp执行的姿态控制被称为zmp控制。本体110的姿态例如由本体110的俯仰角指示。
[0065]
稳定器181从imu等获取本体110的当前姿态(俯仰角等)的当前值。稳定器181根据当前值与zmp在支撑多边形内的位置处的姿态的目标值之间的差来计算当前抬起的腿随后着地的位置以及在当前着地的支撑腿的垂直方向上产生的力。这里，抬起的腿是腿尖远离路面的支撑腿，支撑多边形是腿尖绘制的多边形。稳定器181将计算出的值连同腿尖的当前着地位置和腿尖的机械阻抗一起输入到反向动力学求解器中。这里，反向动力学求解器是计算当输入了输入关节的角度、角速度和角加速度时给予关节的扭矩的程序。
[0066]
然后，稳定器181将根据姿态的目标值计算出的扭矩的值作为扭矩的目标值输出到致动器组172中的对应致动器。稳定器181将指示姿态的目标值的姿态信息提供给脚轮角度控制单元200。稳定器181是权利要求中书描述的稳定器的示例。
[0067]
路面状况分析单元182使用来自图像传感器等的数据来分析路面状况。路面状况分析单元182基于分析结果来生成指示行走模式和行驶模式之一的模式信号，并且将模式信号输出到脚轮角度控制单元200。这里，行走模式是其中移动体100通过行走来移动的模式，而行驶模式是其中移动体100通过车轮行驶来移动的模式。例如，当路面平坦并且几乎没有障碍物时，优选地设置行驶模式。当路面不平整或者有障碍物时，优选地设置行走模式。
[0068]
脚轮角度控制单元200基于姿态信息来控制脚轮161至164的脚轮角度。脚轮角度控制单元200基于控制内容来计算扭矩的目标值并且将目标值输出到致动器组172中的对应致动器。
[0069]
移动体100基于路面状况的分析结果在行走模式与行驶模式之间切换模式，但是本技术不限于这种配置。可以进一步包括与移动体100的外部通信的通信接口以根据来自外部的命令来切换模式。
[0070]
[脚轮角度控制单元的示例性配置]
[0071]
图3是示出根据本发明第一实施方式的脚轮角度控制单元200的示例性配置的框图。脚轮角度控制单元200包括基于相应姿态的扭转刚度图210、扭转刚度获取单元220、行走模式控制单元230、行驶模式控制单元240和选择单元250。
[0072]
基于相应姿态的扭转刚度图210针对本体110的每个代表性姿态存储支撑腿120等的相应扭转刚度。
[0073]
扭转刚度获取单元220基于来自稳定器181的姿态信息来获得每个支撑腿的扭转刚度。扭转刚度获取单元220从基于相应姿态的扭转刚度图210中读取与由姿态信息指示的姿态对应的扭转刚度。当未存储与该姿态对应的扭转刚度时，扭转刚度获取单元220通过线性插值获得扭转刚度。扭转刚度获取单元220将所获得的扭转刚度k
t
提供给行走模式控制单元230和行驶模式控制单元240。
[0074]
当来自路面状况分析单元182的模式信号指示行走模式时，行走模式控制单元230计算满足给定条件的关节的机械阻抗k1。行走模式控制单元230基于计算结果来生成支持致动器的角度或扭矩的致动器控制信息，并且将致动器控制信息提供给选择单元250。行走模式控制单元230将计算出的机械阻抗k1提供给行驶模式控制单元240。
[0075]
当模式信号指示行驶模式时，行驶模式控制单元240计算与脚轮角度相关的参数。计算出的参数的内容将在后面描述。行驶模式控制单元240基于计算结果来生成致动器控制信息并且将致动器控制信息提供给选择单元250。
[0076]
选择单元250根据模式信号选择行走模式控制单元230和行驶模式控制单元240之一的致动器控制信息，并且将致动器控制信息提供给致动器组172。在行走模式的情况下，选择行走模式控制单元230的输出。在行驶模式的情况下，选择行驶模式控制单元240的输出。
[0077]
[支撑腿的示例性配置]
[0078]
图4是示出根据本技术的第一实施方式的支撑腿120的示例性配置的侧视图。支撑腿120包括第一关节121、连杆122、第二关节123、连杆124和第三关节125。
[0079]
在下文中，将与移动体100的移动方向平行的轴称为“x轴”，将与路面垂直的方向称为“z轴”。将垂直于x轴和z轴的轴称为“z轴”。当关节绕轴旋转时，x轴对应于滚动轴，y轴对应于俯仰轴，z轴对应于偏航轴。
[0080]
第一关节121是设置在支撑腿120的基座中的关节，当将支撑腿120比作人的手臂时，第一关节121对应于肩关节。当垂直于连杆122的轴的直线与平行于本体110的纵向方向的直线之间形成的俯仰角被设置为安装角度时，安装第一关节121，使得安装角度变为固定值。致动器使第一关节121绕预定轴旋转，其中，与滚动轴的角度为。严格地说，当不是“0”度时，第一关节121的旋转轴不对应于滚动轴。然而，为了便于描述，即使在这种情况下，第一关节121的旋转轴也被视为下面的滚动轴。
[0081]
致动器使第二关节123绕俯仰轴旋转，当将支撑腿120比作人的手臂时，第二关节123对应于肘关节。致动器使第三关节125绕俯仰轴和偏航轴旋转，当将支撑腿120比作人的手臂时，第三关节125对应于腕关节。
[0082]
连杆122是将第一关节121连接至第二关节123的构件。连杆124是将第二关节123连接至第三关节125的构件。
[0083]
支撑腿130、140和150中的每一个的配置与支撑腿120的配置相同。
[0084]
图5是示出根据本技术的第一实施方式的第一关节121和第三关节125的旋转轴的图。在附图中，a是从第一关节121的旋转轴(即滚动轴)观察的第一关节121的视图。在附图中，b是从第三关节125的旋转轴之间的偏航轴观察的脚轮161的俯视图。
[0085]
如上所述，稳定器181执行稳定控制(zmp控制等)以避免倾倒。然而，与初始状态相比，该控制可能导致支撑腿的腿尖变宽(或变窄)。在行驶期间，可能会对脚轮161等施加干扰，并且在某些情况下位置可能会稍微偏离。当假设移动体100正在向前直行时，力在垂直于侧面的方向(换言之，水平方向)上施加到脚轮161等。该力在下文中被称为“水平力”。在此，可以想到当在向前直行期间发生水平力时脚轮161的方向或姿态已恢复而没有发散或振动并且特定方向或姿态收敛的条件。
[0086]
首先，可以想象施加绕第一关节121的滚动轴的力矩(即扭矩)，如图中的a所示，并且施加绕脚轮161的偏航轴的力矩，如图中的b所示。前者的扭矩t1与在脚轮161的侧面方向(即y方向)上施加的水平力f
s
的滚动轴分量平衡，因此下式成立。
[0087][0088]
在上式中，扭矩t1的单位是例如牛顿米(nm)。此处，p
z
是从路面到支撑腿120的基座的高度，其单位是例如米(m)。cos()指示正弦函数。是本体110的纵向方向与路面之间形成的角度(换言之，俯仰角)。δθ是脚轮161的偏航角的微小变化。和δθ的单位是例如弧度(rad)。水平力f
s
的单位是例如牛顿(n)。
[0089]
当k
t
是支撑腿120的扭转刚度并且脚轮161的偏航角由于由水平力f
s
引起的姿态改变而改变β
f
时，下式成立。
[0090]
k
t
β
f
＝f
s
p
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式2
[0091]
在上式中，扭转刚度k
t
的单位是例如牛顿每米(n/m)。角度β
f
的单位是例如弧度(rad)。
[0092]
当β
θ
是在第一关节121的滚动角改变θ时绕脚轮161的偏航轴的改变量时，由于几何约束，下式成立。
[0093][0094]
在上式中，tan是正切函数，sin是余弦函数。角度β
θ
和θ的单位是例如弧度(rad)。
[0095]
这里，当β是在脚轮161中出现的绕偏航轴的侧滑的角度时，下式成立。
[0096]
β＝β
θ
‑
β
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式4
[0097]
在将式2和3代入式4时，获得下式。
[0098][0099]
在上式中，atan()是反正切函数。在此，p
x
是在x轴上的、沿连杆124的直线与路面相交的点与基座之间的距离，其单位是例如米(m)。p
x
通常称为脚轮轨迹。
[0100]
当角度θ为δθ时，将式5替换为下式。
[0101][0102]
当式1被代入式6时，获得下式。
[0103][0104]
当角度是足够小的值时，式7可以近似为下式。
[0105]
[0106]
对于水平力f
s
，从本体110的外侧到内侧的方向是向前的方向。对于角度β，从本体110的内侧到外侧的改变量的极性为正。在这种情况下，由于水平力f
s
的性质，当关于式8的右侧的下条件式成立时，产生恢复力矩，并且脚轮161保持稳定而没有侧滑。
[0107][0108]
当修改式9时，获得下式。
[0109][0110]
可以想到如下情况：前支撑腿120和140的高度p
z
和脚轮轨迹p
x
被控制为使得它们具有相同的值。在控制前支撑腿期间，后支撑腿130和150的高度p
z
和脚轮轨迹p
x
被控制为使得它们具有固定值。在这种情况下，根据支撑腿120和140的可移动范围或可伸缩范围，下式成立。
[0111][0112]
在上式中，f()是指示比率p
z
/p
x
越小，俯仰角越大的关系的预定函数。
[0113]
当控制后支撑腿130和150的高度p
z
和脚轮轨迹p
x
时，可以在控制期间固定前支撑腿的高度等。
[0114]
在行走模式下，行走模式控制单元230将扭转刚度k
t
以及当前高度p
z
与脚轮轨迹px的比率代入式10以计算满足式10的最大机械阻抗k1。行走模式控制单元230基于计算出的值来控制每个关节的扭矩或角度。
[0115]
另一方面，在行驶模式下，行驶模式控制单元240将当前机械阻抗k1、扭转刚度k
t
和式11代入式10以计算满足式10的最小p
z
/p
x
，并且控制每个关节的扭矩等以获得该值。计算出的p
z
/p
x
越大，脚轮161的脚轮角度α越大。这里，脚轮角度α是在平行于连杆124的直线与垂直于路面的垂线之间形成的角度。将脚轮角度α设置为大于“0”度一般被表达为“给出脚轮角度”。
[0116]
对于脚轮的姿态(偏航角)，假设移动体100直线前进。然而，可以执行控制，使得在假定转弯时间等的特定姿态(偏航角)处实现稳定。
[0117]
对于固定脚轮的支撑腿的姿态(关节的俯仰角等)，也假设移动体直线前进。然而，可以考虑设计转弯等时的任何姿态。在这种情况下，可以根据转换、转弯等时的姿态依次执行计算。
[0118]
在上述计算中，通过单轴阻抗控制获得在车轮行驶中稳定的机械阻抗。然而，可以使用诸如闭合链路或斯图尔特(stewart)平台的结构通过对表达为两个或更多个轴的结果的虚拟轴的阻抗控制来实现。通过将支撑腿的扭转刚度设置为可变的并且改变该扭转刚度，可以实现对行驶模式的控制。
[0119]
[行走模式控制单元的示例性配置]
[0120]
图6是示出根据本技术的第一实施方式的行走模式控制单元230的示例性配置的框图。行走模式控制单元230包括参数计算单元231、机械阻抗计算单元232和致动器控制单元233。
[0121]
参数计算单元231根据姿态(俯仰角)计算比率p
z
/p
x
。当输入了来自稳定器181姿态时，参数计算单元231使用式11计算比率p
z
/p
x
并且将比率p
z
/p
x
提供给机械阻抗计算单元232。
[0122]
机械阻抗计算单元232计算关节的机械阻抗k1。当输入了来自稳定器181姿态时，机械阻抗计算单元232将姿态、来自扭转刚度获取单元220的扭转刚度k
t
以及来自参数计算单元231的比率p
z
/p
x
输入到式11中。然后，机械阻抗计算单元232计算满足式11的最大机械阻抗k1。机械阻抗计算单元232计算在行驶模式下给定周期处的机械阻抗k1，并且将计算出的值提供给致动器控制单元233和行驶模式控制单元240。
[0123]
致动器控制单元233基于机械阻抗k1来控制关节的扭矩或角度。致动器控制单元233预先保持将行走操作假设为当前值的机械阻抗k0。当重新计算机械阻抗k1时，致动器控制单元233使用致动器控制关节的扭矩等，使得假定速度范围内的阻抗增益k1/k0保持为给定值。
[0124]
[行驶模式控制单元的示例性配置]
[0125]
图7是示出根据本技术的第一实施方式的行驶模式控制单元240的示例性配置的框图。行驶模式控制单元240包括参数计算单元241、机械阻抗计算单元242和致动器控制单元243。
[0126]
参数计算单元241计算比率p
z
/p
x
。在转换为行驶模式时，参数计算单元241将来自行走模式控制单元230的机械阻抗k1、来自扭转刚度获取单元220的扭转刚度k
t
和式11代入式10以计算满足式10的最小比率p
z
/p
x
。参数计算单元241使用式11计算与计算出的比率p
z
/p
x
对应的新姿态(俯仰角)。参数计算单元241将计算出的值提供给机械阻抗计算单元242和致动器控制单元243。
[0127]
机械阻抗计算单元242计算行驶模式下给定周期处的机械阻抗k1。机械阻抗计算单元242从参数计算单元241获取与俯仰角对应的新的扭转刚度k
t
。例如，通过线性插值或者从基于相应姿态的扭转刚度图210中读取来获取扭转刚度k
t
。
[0128]
然后，机械阻抗计算单元242将所获取的扭转刚度k
t
、来自参数计算单元241的比率p
z
/p
x
以及俯仰角代入式10，以重新计算满足式10的最大机械阻抗k1。机械阻抗计算单元242将计算出的值提供给参数计算单元241和致动器控制单元243。
[0129]
参数计算单元241监测来自机械阻抗计算单元242的机械阻抗k1。当该值偏离在设计阶段决定的范围时，参数计算单元241重新计算比率p
z
/p
x
等，并且将重新计算的值提供给机械阻抗计算单元242和致动器控制单元243。
[0130]
致动器控制单元243基于由参数计算单元241或机械阻抗计算单元242计算的值来控制关节的扭矩或角度。
[0131]
如参照图1至图7所述，支撑腿120、130、140和150的基座被安装在本体110上，并且脚轮161至164被安装在远端上。稳定器181基于zmp和本体110的姿态的目标值来控制脚轮161至164的着地位置。脚轮角度控制单元200基于目标值来控制脚轮161至164的脚轮角度.
[0132]
脚轮角度控制单元200中的行走模式控制单元230基于扭转刚度k
t
、姿态的目标值(俯仰角等)以及在转换为行走模式时的比率p
z
/p
x
来获得关节的机械阻抗k1。
[0133]
在转换为行驶模式时，脚轮角度控制单元200中的行驶模式控制单元240基于机械阻抗k1和扭转刚度k
t
来获得比率p
z
/p
x
和新姿态的目标值。
[0134]
图8是示出根据本技术的第一实施方式的安装角度的示例的侧视图。在附图中，a是支撑腿以小于90度的安装角度安装在其上的移动体100的侧视图。在附图中，b是支撑
腿以90度的安装角度安装在其上的移动体100的侧视图。
[0135]
在附图中，如a所示，当安装角度小于90度时，脚轮角度α在初始状态下大于“0”度。即，在该状态下给出了脚轮角度。
[0136]
另一方面，在附图中，如b所示，当安装角度为90度时，脚轮角度α在初始状态下为“0”度。这里，在这种情况下，也可以在控制单元180的控制下给出脚轮角度。
[0137]
一般来说，脚轮角度α越大，移动体在直线运动时的行驶稳定性越好，但最小转弯半径增大。考虑到特性来确定适当的安装角度。
[0138]
图9是示出根据本技术的第一实施方式在倾斜表面上行驶的过程的图。在附图中，在垂直于重力的平面与围绕y轴(即俯仰轴)的斜面之间形成的角度称为梯度。在这样的倾斜平面上行驶时，控制单元180使用imu等获得梯度并且将梯度加到本体110的姿态(俯仰角)上。然后，控制单元180使用相加值作为式11中的来计算比率pz/px或机械阻抗k1。控制单元180还可以使用磁传感器、全球定位系统(gps)传感器等获得梯度。
[0139]
假设具有围绕y轴的梯度的倾斜表面，但是移动体100也可以在具有围绕x轴的梯度的倾斜表面上行驶。在这种情况下，当脚轮在左右方向上的宽度如两轮车那样足够窄时，不需要考虑着地表面的变化。控制单元180独立控制左右支撑腿，使得移动体100能够稳定地操作。
[0140]
图10是示出根据本技术的第一实施方式当给出脚轮角度时的有利效果的图。在附图中，a是示出当给定脚轮角度α时施加的路面阻力的侧视图。在附图中，b是示出脚轮161的俯视图，以描述路面阻力的恢复力矩。在附图中，c是示出由于恢复力矩而处于稳定状态的脚轮161的俯视图。
[0141]
在附图中，如a中所例示的，控制单元180通过在行驶模式下控制致动器来将脚轮角度α给予脚轮161。在这种情况下，当脚轮161摩擦路面时，路面阻力在与移动方向相反的方向上出现在着地面上。脚轮角度α越大，路面阻力越大。图中的空心箭头指示路面阻力。
[0142]
作为稳定控制(zmp控制等)的结果，如附图的b中所例示的，水平力被施加到脚轮161，并且脚轮161朝向与移动方向不同的方向。这里，脚轮161的方向是由平行于路面(即，由附图中的单点划线指示)并且垂直于脚轮161的轴的直线指示的方向。当产生表面阻力时，上述恢复力矩沿与脚轮161取向的方向相反的方向施加。路面阻力越大，恢复力矩越大。在附图中，粗虚线指示恢复力矩。
[0143]
当恢复力矩足够大时，如附图的c中所例示的，由于恢复力矩，脚轮161的方向与移动方向相同，从而防止了脚轮161的侧滑。
[0144]
这样，当施加水平力时，移动体100也可以通过增大脚轮角度α并产生路面阻力来施加与路面阻力相应的恢复力矩。由于恢复力矩，脚轮161的方向返回到移动方向，从而防止了侧滑。
[0145]
图11是示出根据本技术的第一实施方式的控制单元180的控制的图。在附图中，a是行驶模式下的移动体100的状态的示例的外观图。在附图中，b是当从正面观察时处于附图中a状态的移动体100的正视图。在附图中，c是示出支撑腿120张开的状态的示例的外观图。在附图中，d是示出当从正面观察时处于附图中c状态的移动体100的正视图。
[0146]
在行驶模式下，如附图的a和b中所示，假设本体110的俯仰角为“0”度并且脚轮角
度为α1。例如，当移动体100正在行驶时，假设移动体100例如通过分析由图像传感器捕获的图像数据来检测前方障碍物500的存在。
[0147]
在这种情况下，为了避免移动体倾倒，例如，如附图c和d中所例示的，控制单元180可以通过控制支撑腿120来张开腿尖。除了障碍物500以外，为了避开台阶，移动体100在某些情况下张开其支撑腿。替选地，在行驶期间，支撑腿可能会与障碍物或台阶发生碰撞，并且在某些情况下支撑腿可能会张开。
[0148]
图12是示出根据本技术的第一实施方式的稳定器181和脚轮角度控制单元200的控制的图。在附图中，a是示出稳定器181的控制的外观图。在附图中，b是当从正面观察时处于附图中a状态的移动体100的正视图。在附图中，c是示出脚轮角度控制单元200的控制的外观图。
[0149]
当控制单元180张开支撑腿120的腿尖，如附图的a和b中所例示的那样，以稳定移动体100时，稳定器181将支撑腿140的腿尖张开到与支撑腿120相同的程度。当支撑腿120和140的腿尖张开时，本体110的俯仰角增大。在这种情况下，水平力朝向外侧施加到支撑腿120和140的腿尖(脚轮)。在附图中，由实线指示的箭头指示水平力。当水平力较大时，脚轮在与移动方向不同的方向上倾斜，因此担心脚尖逐渐张开。
[0150]
此时，脚轮角度控制单元200通过控制致动器使脚轮角度随着俯仰角的增大而增大，如附图的c中所例示的那样。例如，脚轮角度被控制为α2，该α2大于腿尖张开之前的值α1。
[0151]
脚轮角度越大，施加在脚轮上的路面阻力越大。由于与路面阻力相应的恢复力矩，脚轮的方向返回到移动方向，从而阻止了脚尖进一步张开。
[0152]
这里，将假设在移动体100中未设置脚轮角度控制单元200的比较例。在该比较例中，如附图的a中所例示的那样，当腿尖张开时，稳定器也可以通过稳定控制(zmp控制)使支撑腿暂时离开地面并且走下台阶以稳定姿态，从而可以恢复本体110的姿态。然而，在行驶期间用腿走下台阶会有倾倒的风险。当行驶速度暂时降低时，可以减少用腿走下台阶时倾倒的风险。然而，由于平均速度降低，因此不是优选的。
[0153]
然而，在包括脚轮角度控制单元200的移动体100中，当在车轮行驶期间施加干扰时，也可以通过控制脚轮角度来校正脚轮的方向而不增加扭矩。因此，通过补偿施加到腿尖的干扰或者制造误差的影响，可以实现稳定的行驶。当行驶期间腿尖因干扰而偏移时，通过控制脚轮角度来实现补偿。因此，不需要特别考虑走下台阶等。上述有益效果可以在正常控制系统的范围内实现，而无需添加致动器或者添加特殊机构或传感器。
[0154]
当设置了脚轮角度控制单元200时，不必如比较例中那样对腿尖强烈地执行机械阻抗控制以保持腿尖相对于本体的位置。因此，干扰很少传递到本体，从而降低了路面上产生的干扰对移动体100的运动的影响。除了这种有益效果之外，还可以减少施加到将本体与腿尖结合的连杆或关节上的负荷，并且降低强度或刚度。因此，可以减轻连杆的重量。
[0155]
[控制单元的示例性操作]
[0156]
图13是示出根据本技术的第一实施方式的控制单元180的操作示例的流程图。例如，当执行用于使移动体100移动的预定应用时，该操作开始。
[0157]
控制单元180使稳定器181执行zmp控制(步骤s901)，并且计算扭转刚度k
t
(步骤s902)。然后，控制单元180确定当前模式是否为行驶模式(步骤s903)。
[0158]
在行驶模式的情况下(在步骤s903中为是)，控制单元180计算与脚轮角度相关的参数(p
z
/p
x
、等)(在步骤s904)。相比之下，在行走模式的情况下(在步骤s903中为否)，控制单元180计算机械阻抗k1(步骤s905)。在步骤s904或s905之后，控制单元180基于计算出的值来控制致动器(步骤s906)。在步骤s906之后，控制单元180结束操作。
[0159]
控制单元180可以不仅考虑腿尖的相对位置或姿态的稳定特性，而且考虑由魔术公式轮胎模型表达的轮胎的动态特性等来执行控制，使得仅针对具有特定频率带宽的干扰确保稳定性。例如，通过根据环路整形方法构建控制系统，可以设计为抑制期望的频带。具体地，在紧邻附图中的步骤s906之前，控制单元180可以在出现具有特定频率带宽的干扰时调整s904或s905的计算出的值。
[0160]
以此方式，根据本技术的第一实施方式，控制单元180基于姿态的目标值和zmp来控制支撑腿并且基于目标值来控制脚轮角度。因此，可以根据脚轮角度产生路面阻力。由于路面阻力，恢复力矩将被施加到脚轮，因此可以改进车轮行驶期间的稳定性。
[0161]
<2.第二实施方式>
[0162]
在上述第一实施方式中，移动体100在不假设搬运载物的情况下改变其姿态。然而，当移动体100在搬运载物时改变其姿态时，担心载物掉落。第二实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，还包括载物台和水平保持载物台的升降机。
[0163]
图14是示出根据本技术的第二实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。第二实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体的不同之处在于，还包括升降机191和192以及载物台193。
[0164]
载物台193是放置载物的平板状构件。升降机191和192是支撑载物台193的构件。升降机191被设置在本体110的前部，升降机192被设置在后部。升降机191和192中的每一个包括例如两个连杆以及连接连杆的关节。该关节可以由致动器绕俯仰轴旋转。升降机191和192的关节的俯仰角被控制用于伸缩，从而载物台193的前部与后部独立地升高和降低。
[0165]
升降机191和192均包括连杆和关节，但是本技术不限于这种配置，只要载物台可以升高和降低即可。例如，由致动器沿z轴伸缩的一个连杆也可以用作升降机191和192。
[0166]
图15是示出根据本技术的第二实施方式的移动体100的示例性配置的框图。第二实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体的不同之处在于，控制单元180中还包括升降机控制单元183。
[0167]
根据第二实施方式的稳定器181还向升降机控制单元183提供姿态信息。根据第二实施方式的传感器组171还包括检测升降机191和192中的每一个的角度的传感器，并且将传感器数据提供给升降机控制单元183。根据第二实施方式的致动器组172还包括驱动升降机191和192中的每一个的关节的致动器。
[0168]
升降机控制单元183基于由姿态信息指示的姿态来控制升降机191和192，使得载物台193保持水平。当本体110的俯仰角大于“0”度时，升降机控制单元183通过根据该角度控制致动器，使得升降机191和192中的一个升降机的高度高于另一个升降机的高度。。
[0169]
图16是示出根据本技术的第二实施方式的控制升降机191和192的方法的图。如附图所例示的那样，当本体110的前部的高度低于后部的高度时，升降机控制单元183扩展前升降机191并且收缩后升降机192。因此，可以使载物台193保持水平，以防止载物掉落。
[0170]
当本体110的前部的高度高于后部的高度时，升降机控制单元183可以收缩前升降
机191并且扩展后升降机192。
[0171]
这样，根据本技术的第二实施方式，升降机控制单元183基于姿态来控制升降机191和192。因此，当改变姿态时，载物台193也可以保持水平，从而可以防止载物台掉落。
[0172]
<3.第三实施方式>
[0173]
在上述第一实施方式中，本体110由一个构件构成，但本体110也可以分成两部分。第三实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体的不同之处在于，本体被分成两部分。
[0174]
图17是示出根据本技术的第三实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。第三实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体的不同之处在于，本体110包括前本体111、后本体112和连接单元310。
[0175]
前本体111是安装支撑腿120和140的构件并且被设置在移动体100的前侧。后本体112是安装支撑腿130和150的构件并且被设置在移动体100的后侧。
[0176]
连接单元310将前本体111连接至后本体112。连接单元310包括前关节311、连杆312和后关节313。
[0177]
前关节311是将前本体111连接至连杆312的关节，并且可以由致动器绕俯仰轴枢转。后关节313是将后本体112连接至连杆312的关节，并且可以由致动器绕俯仰轴枢转。连杆312是将前关节311连接至后本体112的构件。
[0178]
在上述配置中，控制单元180可以独立地控制前本体111的姿态和后本体112的姿态。因此，当前本体111和后本体112之一的姿态稍微改变时，这种变化不会显著影响另一个本体的姿态。因此，可以进一步改进整个移动体100的稳定性。
[0179]
这样，根据本技术的第三实施方式，控制单元180独立地控制前本体111和后本体112中的每一个的姿态。因此，可以进一步改进整个移动体100的稳定性。
[0180]
<4.第四实施方式>
[0181]
在上述第三实施方式中，移动体100在不假设搬运载物的情况下改变其姿态。然而，当移动体100在搬运载物时改变其姿态时，担心载物掉落。第四实施方式的移动体100与第三实施方式的移动体100的不同之处在于，还包括载物台和水平保持载物台的升降机。
[0182]
图18是示出根据本技术的第四实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。根据第四实施方式的移动体100与第三实施方式的移动体100的不同之处在于，还包括升降机194和195以及载物台193。升降机194和195支撑载物台193并且由在z方向上伸缩的一根连杆配置而成。
[0183]
第四实施方式的控制单元180的配置与第二实施方式的控制单元180的配置相同。
[0184]
这样，根据本技术的第四实施方式，升降机控制单元183基于姿态来控制升降机191和192。因此，当姿态改变时，载物台193保持水平，从而可以防止载物台掉落。
[0185]
<5.第五实施方式>
[0186]
在上述第一实施方式中，在移动体100中，通过使前支撑腿120和140的安装角度与后支撑腿130和150的安装角度相同，将初始状态下的脚轮角度设置为在前脚轮角度与后脚轮角度之间相同。然而，脚轮越大，最小转弯半径就越大。因此，为了便于转弯，特别是前支撑腿的脚轮优选地小于后支撑腿的脚轮。第五实施方式与第一实施方式的不同之处在于，前支撑腿120和140的安装角度不同于后支撑腿130和150的安装角度。
[0187]
图19是示出根据本技术的第五实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。第
五实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，前支撑腿120和140的安装角度不同于后支撑腿130和150的安装角度。例如，前安装角度被设置为小于后安装角度的值。因此，在初始状态下，前脚轮角度可以小于后脚轮角度。因此，当前安装角度与后安装角度相同时，移动体100容易转弯。
[0188]
通过将前安装角度设置为大于后安装角度，前支撑腿120和140的直线运动稳定性可以优于后支撑腿的直线运动稳定性。这样，通过改变前安装角度和后安装角度，可以在发生干扰时调整旋转特性或直线度。
[0189]
第一实施方式至第四实施方式中的每一个都可以应用于第五实施方式。
[0190]
这样，根据本技术的第五实施方式，前支撑腿120和140的安装角度不同于后支撑腿130和150的安装角度。因此，在初始状态下，脚轮角度可以被设置为前后不同。
[0191]
<6.第六实施方式>
[0192]
在上述第一实施方式中，控制单元180控制脚轮角度以改进移动体100的稳定性。然而，当路面上的不平整或台阶等于或大于假定的不平整或台阶时，担心姿态会改变。第六实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，在脚轮中设置了阻尼器以改进稳定性。
[0193]
图20是示出根据本技术的第六实施方式的脚轮161的示例性配置的截面图。根据第六实施方式的脚轮161包括车轮单元166和阻尼器165。
[0194]
车轮单元166是安装在轴上的圆形部件。阻尼器165是在垂直于路面的z方向上伸缩的部件。阻尼器165被设置在轴与连杆124的远端之间。例如，如弹性体(弹簧、油阻尼器等)用作阻尼器165。
[0195]
脚轮162至164中的每一个的配置与脚轮161的配置相同。
[0196]
阻尼器165根据载重、空气动力重量等收缩，因此脚轮轨迹扩大并且脚轮角度增大。因此，当克服不平坦或台阶时，可以改进移动体100的直线运动稳定性。
[0197]
第一实施方式至第四实施方式中的每一个都可以应用于第六实施方式。
[0198]
这样，根据本技术的第六实施方式，阻尼器165被伸缩。因此，通过根据重量增大脚轮角度，可以改进移动体100的稳定性。
[0199]
<7.第七实施方式>
[0200]
在上述第一实施方式中，支撑腿120等包括仅绕一个轴(滚动轴)枢转的第一关节121。在该配置中，担心不能充分确保第一关节的可移动范围。第七实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，设置了绕两个轴枢转的第一关节以扩大可移动范围。
[0201]
图21是示出根据本技术的第七实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。第七实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，在支撑腿120中设置了第一关节126而不是第一关节121。
[0202]
第一关节126是绕两个轴(滚动轴和俯仰轴)枢转的双轴关节。支撑腿130、140和150中的每一个还包括如支撑腿120中的双轴第一关节。
[0203]
当第一关节126为双轴关节时，与第一实施方式的单轴关节相比，第一关节121可以扩大支撑腿120的可移动范围。
[0204]
第一实施方式至第六实施方式中的每一个都可以应用于第七实施方式。
[0205]
这样，根据本技术的第七实施方式，提供了双轴第一关节126。因此，与设置了单轴第一关节的情况相比，能够扩大支撑腿的可移动范围。
[0206]
<8.第八实施方式>
[0207]
在上述第一实施方式中，四个支撑腿被安装在本体110上。然而，支撑腿的数目越多，部件的数目就越多。因此，担心存在移动体100的制造成本增加。支撑腿的数目越多，支撑多边形的面积就越大。因此，担心难以移动到狭窄的地方。第八实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，支撑腿的数目减少到两个。
[0208]
图22是示出根据本技术的第八实施方式的移动体100的示例性配置的侧视图。第八实施方式的移动体100与第一实施方式的移动体100的不同之处在于，支撑腿120和140被安装在本体110上。
[0209]
如附图所例示的那样，设置了两个支撑腿。因此，与设置了四个支撑腿的情况下相比，进一步降低了制造成本并且更容易移动到狭窄的地方。
[0210]
第六实施方式或第七实施方式可以应用于第八实施方式。
[0211]
这样，在本技术的第八实施方式中，设置了两个支撑腿。因此，与设置了四个支撑腿的情况相比，进一步降低了制造成本并且更容易移动到狭窄的地方。
[0212]
上述实施方式已被描述为用于实现本技术的示例，并且实施方式中的事项与权利要求书中的发明性具体事项具有对应关系。类似地，权利要求书中的发明性具体事项与本技术的实施方式的具有相同名称的事项具有对应关系。这里，本技术不限于实施方式，并且在不脱离本技术的主旨的情况下，可以在本技术的范围内对实施方式进行各种修改。
[0213]
上述实施方式中的处理过程可以被确定为包括一系列过程的方法，或者可以被确定为使计算机执行一系列过程的程序，或者存储该程序的记录介质。作为记录介质，例如，可以使用压缩盘(cd)、迷你盘(md)、数字多功能盘(dvd)、存储卡、蓝光(注册商标)盘等。
[0214]
本说明书中描述的有益效果仅是示例性的而非限制性的，并且可以实现其他有益效果。
[0215]
本技术可以配置如下。
[0216]
(1)一种移动体，包括：
[0217]
多个支撑腿，在所述支撑腿中，基座被安装在本体上，并且脚轮被安装在远端上；
[0218]
稳定器，其被配置成基于所述本体的姿态的目标值来控制所述多个支撑腿中的每一个的脚轮与地面接触的位置；以及
[0219]
脚轮角度控制单元，其被配置成基于所述目标值来控制所述脚轮中的每一个的脚轮角度。
[0220]
(2)根据(1)所述的移动体，其中，在转换为其中所述移动体执行车轮行驶的行驶模式时，所述脚轮角度控制单元基于机械阻抗以及所述多个支撑腿中的每一个的扭转刚度来获得从路面到所述基座的高度与所述脚轮的脚轮轨迹的比值以及新目标值。
[0221]
(3)根据(1)或(2)所述的移动体，其中，在转换为其中所述移动体执行行走的行走模式时，所述脚轮角度控制单元基于所述多个支撑腿中的每一个的扭转刚度、所述目标值、从路面到所述基座的高度以及所述脚轮的脚轮轨迹来获得机械阻抗。
[0222]
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的移动体，还包括：
[0223]
多个升降机，其被配置成支撑载物台；以及
[0224]
升降机控制单元，其被配置成基于所述目标值来控制所述多个升降机。
[0225]
(5)根据(1)至(4)中任一项所述的移动体，其中，所述本体包括前本体、后本体以及将所述前本体连接至所述后本体的连接单元。
[0226]
(6)根据(1)至(5)中任一项所述的移动体，其中，所述脚轮包括车轮单元以及在垂直于所述路面的方向上伸缩的阻尼器。
[0227]
(7)根据(1)至(6)中任一项所述的移动体，其中，
[0228]
其中，所述多个支撑腿中的每一个包括设置在所述基座中的第一关节、第二关节和设置在所述远端中的第三关节，以及
[0229]
其中，所述第一关节是双轴关节。
[0230]
(8)根据(1)至(7)中任一项所述的移动体，其中，所述多个支撑腿包括一对前支撑腿和一对后支撑腿。
[0231]
(9)根据(8)所述的移动体，其中，所述一对前支撑腿中的每一个的基座的安装角度与所述一对后支撑腿中的每一个的基座的安装角度不同。
[0232]
(10)根据(1)至(7)中任一项所述的移动体，其中，所述多个支撑腿的数目为两个。
[0233]
(11)一种控制移动体的方法，所述方法包括：
[0234]
稳定步骤，其基于本体的姿态的目标值来控制多个支撑腿中的每一个的脚轮与地面接触的位置，在所述支撑腿中，所述基座被安装在所述本体上，并且所述脚轮被安装在远端上；以及
[0235]
脚轮角度控制步骤，其基于所述目标值来控制所述脚轮中的每一个的脚轮角度。
[0236]
[附图标记列表]
[0237]
100
ꢀꢀ
移动体
[0238]
110
ꢀꢀ
本体
[0239]
111
ꢀꢀ
前本体
[0240]
112
ꢀꢀ
后本体
[0241]
120、130、140、150
ꢀꢀ
支撑腿
[0242]
121、126
ꢀꢀ
第一关节
[0243]
122、124、312
ꢀꢀ
连杆
[0244]
123
ꢀꢀ
第二关节
[0245]
125
ꢀꢀ
第三关节
[0246]
161至164
ꢀꢀ
脚轮
[0247]
165
ꢀꢀ
阻尼器
[0248]
166
ꢀꢀ
车轮单元
[0249]
171
ꢀꢀ
传感器组
[0250]
172
ꢀꢀ
致动器组
[0251]
180
ꢀꢀ
控制单元
[0252]
181
ꢀꢀ
稳定器
[0253]
182
ꢀꢀ
路面状况分析单元
[0254]
183
ꢀꢀ
升降机控制单元
[0255]
191、192、194、195
ꢀꢀ
升降机
[0256]
193
ꢀꢀ
载物台
[0257]
200
ꢀꢀ
脚轮角度控制单元
[0258]
210
ꢀꢀ
基于相应姿态的扭转刚度图
[0259]
220
ꢀꢀ
扭转刚度获取单元
[0260]
230
ꢀꢀ
行走模式控制单元
[0261]
231、241
ꢀꢀ
参数计算单元
[0262]
232、242
ꢀꢀ
机械阻抗计算单元
[0263]
233、243
ꢀꢀ
致动器控制单元
[0264]
240
ꢀꢀ
行驶模式控制单元
[0265]
250
ꢀꢀ
选择单位
[0266]
310
ꢀꢀ
连接单元
[0267]
311
ꢀꢀ
前关节
[0268]
313
ꢀꢀ
后关节