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JP6468127B2 - Omnidirectional moving body, control method and program thereof - Google Patents

Omnidirectional moving body, control method and program thereof Download PDF

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JP6468127B2 JP2015166860A JP2015166860A JP6468127B2 JP 6468127 B2 JP6468127 B2 JP 6468127B2 JP 2015166860 A JP2015166860 A JP 2015166860A JP 2015166860 A JP2015166860 A JP 2015166860A JP 6468127 B2 JP6468127 B2 JP 6468127B2
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

本発明は、複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体、その制御方法及びプログラムに関するものである。   The present invention comprises an omnidirectional mobile body including a trolley part provided with a plurality of drive wheels and a main body part rotatably provided on the trolley part via a turning shaft, and its control It relates to a method and a program.

局所地図データにおける経路条件(距離や路面状況)によりそれぞれ規定される各許容速度の値の中から最低速度の値を速度指令として速度計画を行い、駆動操舵系を制御する移動体が知られている(特許文献1参照)。   A moving body that controls a drive steering system by performing a speed plan using a minimum speed value as a speed command from values of each allowable speed specified by route conditions (distance and road surface condition) in local map data is known. (See Patent Document 1).

特開2010−039839号公報JP 2010-039839 A

ところで、全方位移動体において、台車部の駆動輪及び本体部の旋回軸を駆動するアクチュエータの出力性能には限界が存在する。このため、駆動輪及び旋回軸の駆動トルク及び回転速度に限界が生じる。また、全方位移動体を大きく加速させて移動させようとすると、駆動輪と路面との間にはスリップが発生する。しかしながら、上記移動体は、そのようなアクチュエータの出力性能を考慮して制御を行っていない。   By the way, in the omnidirectional mobile body, there is a limit to the output performance of the actuator that drives the drive wheel of the carriage and the turning shaft of the main body. This limits the driving torque and rotational speed of the driving wheels and the turning shaft. Further, if the omnidirectional mobile body is accelerated and moved, slip occurs between the drive wheels and the road surface. However, the moving body is not controlled in consideration of the output performance of such an actuator.

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、アクチュエータの出力性能を考慮して、最適な制御を行うことができる全方位移動体、その制御方法及びプログラムを提供することを主たる目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and provides an omnidirectional mobile body capable of performing optimal control in consideration of output performance of an actuator, a control method thereof, and a program. Main purpose.

上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体であって、前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式が算出され、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件が算出され、予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件が算出され、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道が算出され、前記算出された軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御する制御手段を備える、ことを特徴する全方位移動体である。
この一態様において、前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を最短時間で追従する最短時間軌道であってもよい。
この一態様において、前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータ及びその微分値の平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返して最小加速度から最大加速度へと切り替わるスイッチングポイントを探索することで算出された前記最短時間軌道であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体の制御方法であって、前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式を算出し、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件を算出するステップと、予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件を算出するステップと、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道を算出するステップと、
前記算出した軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御するステップと、を含む、ことを特徴する全方位移動体の制御方法であってもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体のプログラムであって、前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式を算出し、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件を算出する処理と、予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件を算出し、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道を算出する処理と、前記算出した軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御する処理と、をコンピュータに実行させる、ことを特徴するプログラムであってもよい。
In one aspect of the present invention for achieving the above object, a cart unit provided with a plurality of drive wheels, a main body unit rotatably provided on the cart unit via a turning shaft, and driving the drive wheels An omnidirectional mobile body comprising first drive means and second drive means for driving the swivel axis, the omnidirectional movable body being movable in all directions, the motion relating to the center of gravity and the vertical axis of the bogie part and the main body part Based on the equation, an equation of motion relating to the torque of the driving wheel and the turning shaft including the inertia term, centrifugal force and Coriolis term, viscous friction term, and gravity term is calculated, and the equation of motion is preset. The omnidirectional mobile object is a trajectory to be moved and is a condition for restricting the torque of the drive wheel and the turning shaft based on the command trajectory expressed by the trajectory parameter, and expressed by the trajectory parameter. Torque constraint condition is calculated A condition for restricting the speed of the drive wheel and the turning axis based on the preset restriction on the speed of the driving wheel and the turning axis, and the speed restriction condition expressed by the trajectory parameter is calculated, The trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and that follows the command trajectory and that is expressed on the plane of the trajectory parameter and its differential value is calculated and calculated. Control means for calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory, and controlling the first and second drive means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body. It is a featured omnidirectional mobile.
In this aspect, the calculated trajectory may be a shortest time trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and follows the command trajectory in the shortest time.
In this aspect, the calculated trajectory is based on the calculated torque constraint condition and speed constraint condition, and the forward integration and the backward integration are performed with a predetermined integration width from the start point and the end point in the plane of the trajectory parameter and its differential value. May be the shortest time trajectory calculated by searching for a switching point where the minimum acceleration is switched to the maximum acceleration by repeating the above.
In one aspect of the present invention for achieving the above object, a cart unit provided with a plurality of drive wheels, a main body unit rotatably provided on the cart unit via a turning shaft, and driving the drive wheels A control method for an omnidirectional mobile body comprising first drive means and second drive means for driving the pivot axis, wherein the omnidirectional mobile body is movable in all directions, and the center of gravity and vertical axis of the carriage and main body Based on an equation of motion related to the surroundings, an equation of motion relating to the torque of the driving wheel and the turning shaft including an inertial term, a centrifugal force and a Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term is calculated, The trajectory parameter is a condition for restricting the torque of the drive wheel and the turning axis based on a command trajectory expressed by a trajectory parameter that is a trajectory to which the omnidirectional mobile body is set in advance. Torque constraint expressed in And a condition for restricting the speed of the driving wheel and the turning axis based on the preset restriction on the speed of the driving wheel and the turning axis, and the speed restriction condition expressed by the trajectory parameter A trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and that follows the command trajectory, the trajectory expressed on the plane of the trajectory parameter and its differential value A calculating step;
Calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory, and controlling the first and second driving means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body. The control method of the omnidirectional mobile body characterized by this may be used.
In one aspect of the present invention for achieving the above object, a cart unit provided with a plurality of drive wheels, a main body unit rotatably provided on the cart unit via a turning shaft, and driving the drive wheels A program for an omnidirectional mobile body comprising first driving means and second driving means for driving the swivel axis, the omnidirectional moving body being movable in all directions, the center of gravity of the bogie part and the body part, and the vertical axis around A motion equation relating to the torque of the drive wheel and the turning shaft, including an inertial term, a centrifugal force and a Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term. Based on the set trajectory that the omnidirectional mobile body should move and the command trajectory expressed by the trajectory parameter, it is a condition that restricts the torque of the drive wheel and the turning axis, and the trajectory parameter Expressed torque constraint A condition for restricting the speed of the drive wheel and the turning axis based on a predetermined restriction on the speed of the driving wheel and the turning axis, and a speed restriction expressed by the trajectory parameter Calculate the conditions, and calculate the trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and that follows the command trajectory and that is expressed on the plane of the trajectory parameter and its differential value And a process of calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory, and controlling the first and second driving means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body And a program that causes a computer to execute.

本発明によれば、アクチュエータの出力性能を考慮して、最適な制御を行うことができる全方位移動体、その制御方法及びプログラムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the output performance of an actuator can be considered and the omnidirectional mobile body which can perform optimal control, its control method, and a program can be provided.

(a)本発明の一実施形態に係る全方位移動体の概略的構成を示す上面図である。(b)本発明の一実施形態に係る全方位移動体の概略的構成を示す正面図である。(c)本発明の一実施形態に係る全方位移動体の概略的構成を示す側面図である。(A) It is a top view which shows schematic structure of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. (B) It is a front view which shows schematic structure of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. (C) It is a side view which shows schematic structure of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全方位移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic system configuration | structure of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing a schematic system configuration of a control device concerning one embodiment of the present invention. 軌道パラメータs−s(ドット)平面上におけるMVC、VLC及び最短時間軌道を示す図である。It is a figure which shows MVC, VLC, and the shortest time orbit on an orbital parameter ss (dot) plane. 本発明の一実施形態に係る全方位移動体の座標系の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the coordinate system of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る全方位移動体の制御方法のフローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the control method of the omnidirectional mobile body which concerns on one Embodiment of this invention. 指令軌道を示す図である。It is a figure which shows a command track. 左駆動輪の駆動トルクを示す図である。It is a figure which shows the drive torque of a left drive wheel. 右駆動輪の駆動トルクを示す図である。It is a figure which shows the drive torque of a right drive wheel. 旋回軸の駆動トルクを示す図である。It is a figure which shows the drive torque of a rotating shaft. 左右駆動輪および旋回軸の駆動トルクが制約されたときの、軌道パラメータs−s(ドット)平面上の軌道を示す図である。It is a figure which shows the track | orbit on a track | orbit parameter ss (dot) plane when the drive torque of a left-right drive wheel and a turning shaft is restrained. MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、滑らかで実現可能な軌道の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the smooth | smooth and realizable trajectory, passing under the MVC and VLC curve.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1(a)乃至(b)は、本発明の一実施形態に係る全方位移動体の概略的構成を示す図である。本発明の実施形態に係る全方位移動体1は、例えば、アクティブキャスタ式の全方位移動ロボットとして構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A to 1B are diagrams showing a schematic configuration of an omnidirectional mobile body according to an embodiment of the present invention. The omnidirectional mobile body 1 according to the embodiment of the present invention is configured as, for example, an active caster omnidirectional mobile robot.

全方位移動体1は、移動を行う台車部2と、台車部2の上方側に旋回動可能に連結された本体部3と、を有している。台車部2は、一つの補助輪21と左右一対の駆動輪22が設けられている。本体部3は、台車部2に対して、旋回軸(Yaw回転軸)4を中心にして相対回動する。駆動輪22の駆動軸と本体部3の旋回軸4とはオフセットしている(交差しない)。   The omnidirectional mobile body 1 includes a cart unit 2 that moves and a main body unit 3 that is connected to the upper side of the cart unit 2 so as to be capable of turning. The carriage unit 2 is provided with one auxiliary wheel 21 and a pair of left and right drive wheels 22. The main body 3 rotates relative to the carriage unit 2 around a turning axis (Yaw rotation axis) 4. The drive shaft of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 of the main body 3 are offset (do not intersect).

全方位移動体1は、駆動軸と旋回軸4とを独立して駆動することで、全方位移動を実現する。全方位移動体1は、例えば、駆動軸による駆動輪22の回転差に加えて、旋回軸4による本体部3の相対回動によって全方位移動を実現する。また、本体部3には、例えば、物体を把持できる多関節型アームが回動可能に設けられていてもよい。これにより、全方位移動体1を任意の方向に移動させつつ、多関節型アームを動作させることで、物体を容易に把持し移動させることができる。   The omnidirectional mobile body 1 realizes omnidirectional movement by driving the drive shaft and the turning shaft 4 independently. The omnidirectional mobile body 1 realizes omnidirectional movement by, for example, relative rotation of the main body 3 by the turning shaft 4 in addition to the rotation difference of the drive wheel 22 by the drive shaft. In addition, for example, an articulated arm that can grip an object may be rotatably provided in the main body 3. Accordingly, the object can be easily grasped and moved by operating the articulated arm while moving the omnidirectional mobile body 1 in an arbitrary direction.

図2は、本実施形態に係る全方位移動体の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る全方位移動体1は、左右の駆動輪22の回転情報(回転角、回転速度、回転角加速度)を検出する一対の回転センサ5、旋回軸4の回転情報を検出する回転センサ6、一対の駆動輪22を駆動する一対の車輪アクチュエータ7と、旋回軸4を駆動する旋回アクチュエータ8と、車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御する制御装置9と、を備えている。
制御装置9は、回転センサ5、6により検出される回転情報に基づいて、車輪アクチュエータ7及び旋回アクチュエータ8を制御する。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic system configuration of the omnidirectional mobile body according to the present embodiment. The omnidirectional mobile body 1 according to this embodiment includes a pair of rotation sensors 5 that detect rotation information (rotation angle, rotation speed, rotation angle acceleration) of the left and right drive wheels 22 and rotation that detects rotation information of the turning shaft 4. A sensor 6, a pair of wheel actuators 7 that drive the pair of drive wheels 22, a turning actuator 8 that drives the turning shaft 4, and a control device 9 that controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 are provided.
The control device 9 controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 based on the rotation information detected by the rotation sensors 5 and 6.

制御装置9は、例えば、演算処理等を行うCPU(Central Processing Unit)9a、CPU9aによって実行される演算プログラム等が記憶されたROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)からなるメモリ9b、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部(I/F)9cなどからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。CPU9a、メモリ9b及びインターフェイス部9cは、データバスなどを介して相互に接続されている。   The control device 9 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) 9a that performs arithmetic processing and the like, a memory 9b that includes a ROM (Read Only Memory) and a RAM (Random Access Memory) in which an arithmetic program executed by the CPU 9a is stored, The hardware configuration is centered on a microcomputer including an interface unit (I / F) 9c for inputting / outputting signals to / from the outside. The CPU 9a, the memory 9b, and the interface unit 9c are connected to each other via a data bus or the like.

各回転センサ5は、例えば、左右の駆動輪22の駆動軸に夫々設けられている。各回転センサ5は、ポテンショメータ、エンコーダなどで構成されている。各車輪アクチュエータ7は、第1駆動手段の一具体例である。各車輪アクチュエータ7は、例えば、左右の駆動輪22の駆動軸に連結されている。各車輪アクチュエータ7は、モータなどで構成されている。   Each rotation sensor 5 is provided, for example, on the drive shafts of the left and right drive wheels 22. Each rotation sensor 5 includes a potentiometer, an encoder, and the like. Each wheel actuator 7 is a specific example of the first drive means. Each wheel actuator 7 is connected to the drive shafts of the left and right drive wheels 22, for example. Each wheel actuator 7 is constituted by a motor or the like.

旋回アクチュエータ8は、第2駆動手段の一具体例である。旋回アクチュエータ8は、例えば、旋回軸4に連結されている。各旋回アクチュエータ8は、モータなどで構成されている。車輪アクチュエータ7及び旋回アクチュエータ8は、制御装置9から出力される制御信号に応じて回転駆動する。   The turning actuator 8 is a specific example of the second driving means. The turning actuator 8 is connected to the turning shaft 4, for example. Each turning actuator 8 is configured by a motor or the like. The wheel actuator 7 and the turning actuator 8 are driven to rotate in response to a control signal output from the control device 9.

ところで、全方位移動体における駆動輪及び旋回軸を駆動するアクチュエータの出力性能には限界が存在する。このため、駆動輪及び旋回軸の駆動トルク及び回転速度に限界が生じる。また、台車部を大きく加速させて移動させようとすると、駆動輪と路面との間にはスリップが発生する。
特に、全方位移動体の制御において、上記アクチュエータの出力性能は、その軸のトルクだけで制約されるわけではなく、駆動輪が滑らない静摩擦や全方位移動体の重心の動的効果を合わせたZMP(Zero Moment Point)のような指標で律速させる点で特異である。
By the way, there is a limit to the output performance of the driving wheel and the actuator that drives the turning shaft in the omnidirectional mobile body. This limits the driving torque and rotational speed of the driving wheels and the turning shaft. In addition, when the carriage unit is greatly accelerated and moved, slip occurs between the drive wheel and the road surface.
In particular, in the control of an omnidirectional mobile body, the output performance of the actuator is not limited only by the torque of the shaft, but the dynamic effect of the static friction that the drive wheel does not slip and the dynamic center of gravity of the omnidirectional mobile body are combined. It is unique in that it is rate-determined by an index such as ZMP (Zero Moment Point).

これに対し、本実施形態における全方位移動体1は、上述した駆動輪22及び旋回軸4の駆動トルク及び回転速度の制約条件を満たしつつ、設定された指令軌道に最短時間で追従する最短時間制御(Time Optimal Control)を実行する。
これにより、上記静摩擦やZMPのような指標で律速させる特異な点を含めてアクチュエータの出力性能を考慮しつつ、最短時間での制御を行うことができる。
On the other hand, the omnidirectional mobile body 1 according to the present embodiment satisfies the above-described constraints on the drive torque and rotational speed of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 and follows the set command trajectory in the shortest time. Execute control (Time Optimal Control).
Thereby, it is possible to perform the control in the shortest time while taking into consideration the output performance of the actuator including the unique point that is controlled by the static friction or the index such as ZMP.

なお、最短時間制御は周知の制御方法であるため、詳細な説明は省略する。最短時間制御の詳細は、例えば非特許文献:J.Bobrow、“Optimal robot path planning using the minimum-time criterion”Robotics and Automation, IEEE Journal vol.4,pp.443(1988)などに開示されており、本実施形態において適宜これを援用できる。
一般に、全方位移動体は、低い自由度で全方位移動可能に構成でき、過拘束とならないことや耐荷重が高く取れるなどのメリットを有しているが、一方で、駆動輪及び旋回軸のトルク及び速度の制約条件を満たした軌道を求めることが困難であった。本実施形態においては、上述の如く、全方位移動体1の制御に最短時間制御を適用することで、駆動輪22及び旋回軸4の駆動トルク及び回転速度の制約条件を満たしつつ、設定された指令軌道に最短時間で追従する最短時間軌道を容易に生成できる。
Since the shortest time control is a well-known control method, detailed description is omitted. Details of the minimum time control are disclosed in, for example, non-patent literature: J. Bobrow, “Optimal robot path planning using the minimum-time criterion” Robotics and Automation, IEEE Journal vol.4, pp.443 (1988). In the present embodiment, this can be used as appropriate.
In general, an omnidirectional mobile body can be configured to be omnidirectionally movable with a low degree of freedom, and has advantages such as being not over-constrained and having a high load resistance. It is difficult to find a trajectory that satisfies the constraints of torque and speed. In the present embodiment, as described above, the shortest time control is applied to the control of the omnidirectional mobile body 1 so as to satisfy the constraint conditions of the drive torque and the rotational speed of the drive wheels 22 and the turning shaft 4. The shortest time trajectory that follows the command trajectory in the shortest time can be easily generated.

図3は、本実施形態に係る制御装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態に係る制御装置9は、トルク制約条件および速度制約条件を算出する制約条件算出部91と、最短時間軌道を算出する軌道算出部92と、最短時間軌道に基づいて車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御すると制御部93と、を有している。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic system configuration of the control device according to the present embodiment. The control device 9 according to the present embodiment includes a constraint condition calculation unit 91 that calculates torque constraint conditions and speed constraint conditions, a track calculation unit 92 that calculates the shortest time trajectory, and the wheel actuator 7 and the turn based on the shortest time trajectory. When the actuator 8 is controlled, a control unit 93 is provided.

制約条件算出部91は、台車部2及び本体部3の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む駆動輪22及び旋回軸4のトルクに関する運動方程式を算出する。さらに、制約条件算出部91は、この運動方程式と、予め設定された全方位移動体1が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4のトルクを制約する条件であって、軌道パラメータで表現されたトルク制約条件を示す式を算出する。   The constraint condition calculation unit 91 includes an inertia term, a centrifugal force and Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term based on the equations of motion related to the center of gravity and the vertical axis of the cart unit 2 and the main body unit 3. An equation of motion relating to the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 is calculated. Further, the constraint condition calculation unit 91 calculates the driving wheel 22 and the turn based on the equation of motion and the command trajectory expressed by the trajectory parameter, which is the trajectory to which the omnidirectional mobile body 1 is set in advance. A condition that constrains the torque of the shaft 4 and that indicates a torque constraint condition expressed by a trajectory parameter is calculated.

制約条件算出部91は、予め設定された駆動輪22及び旋回軸4の速度の制約に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4の速度を制約する条件であって、軌道パラメータで表現された速度制約条件を示す式を算出する。
なお、制約条件算出部91は、オフラインで、上記トルク制約条件及び速度制約条件を算出しているが、これに限定されず、オンラインで上記トルク制約条件及び速度制約条件を算出してもよい。
The restriction condition calculation unit 91 is a condition for restricting the speeds of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 based on the preset restriction on the speeds of the driving wheels 22 and the turning shaft 4, and the speed expressed by the trajectory parameters. An expression indicating the constraint condition is calculated.
The constraint condition calculation unit 91 calculates the torque constraint condition and the speed constraint condition offline, but is not limited thereto, and the torque constraint condition and the speed constraint condition may be calculated online.

軌道算出部92は、制約条件算出部91により算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、指令軌道を最短時間で追従する軌道であって、軌道パラメータを横軸とし、その微分値を縦軸とした平面(以下、軌道パラメータs−s(ドット)平面と称す)上に表現された最短時間軌道を算出する。なお、軌道算出部92は、オフラインで、上記最短時間軌道を算出しているが、これに限定されず、オンラインで上記最短時間軌道を算出してもよい。   The trajectory calculation unit 92 is a trajectory that satisfies the torque constraint condition and the speed constraint condition calculated by the constraint condition calculation unit 91 and follows the command trajectory in the shortest time. Is the shortest time trajectory expressed on a plane (hereinafter referred to as trajectory parameter s-s (dot) plane). The trajectory calculation unit 92 calculates the shortest time trajectory offline, but is not limited thereto, and the shortest time trajectory may be calculated online.

制御部93は、制御手段の一具体例である。制御部93は、軌道算出部92により算出された最短時間軌道に基づいて、全方位移動体1の位置姿勢の目標値を算出する。制御部93は、該算出した全方位移動体1の位置姿勢の目標値に基づいて、車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御することで、台車部2の駆動輪22および本体部3の旋回軸4を制御する。   The control unit 93 is a specific example of the control means. The control unit 93 calculates a target value of the position and orientation of the omnidirectional mobile body 1 based on the shortest time trajectory calculated by the trajectory calculation unit 92. The control unit 93 controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 on the basis of the calculated target values of the position and orientation of the omnidirectional mobile body 1, so that the driving wheel 22 of the carriage unit 2 and the turning axis of the main body unit 3 are controlled. 4 is controlled.

次に、全方位移動体の駆動輪及び旋回軸のトルクの制約条件について詳細に説明する。上述の如く、駆動輪22及び旋回軸4を駆動する車輪及び旋回アクチュエータ7、8の出力性能を考慮して、駆動輪22及び旋回軸4のトルクに制約条件を付加する必要がある。   Next, a detailed description will be given of the torque constraint conditions of the drive wheels and the turning shaft of the omnidirectional mobile body. As described above, it is necessary to add a constraint condition to the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 in consideration of the output performance of the wheels and the turning actuators 7 and 8 that drive the driving wheel 22 and the turning shaft 4.

ここで、全方位移動体1を、複数の関節を有するロボットとして考えることができる。すなわち、全方位移動体1の駆動輪22及び旋回軸4による本体部3の自由度は、仮想的なロボットの関節ととらえることができる。ロボットの関節において、その速度、加速度、トルク等に制約が存在する。この制約は、例えば、定数の上下限値や関数などの曲線で与えられる。ここで、ロボットが動作すべき指令軌道が空間軌道として与えられる場合を考える。この場合、空間軌道は、一つの軌道パラメータs(時間をパラメータ化したもの)で表現できるものとし、軌道パラメータsに対して空間軌道は区間的に2階微分まで連続であるとする。   Here, the omnidirectional mobile body 1 can be considered as a robot having a plurality of joints. That is, the degree of freedom of the main body 3 by the drive wheels 22 and the turning shaft 4 of the omnidirectional mobile body 1 can be regarded as a virtual robot joint. There are restrictions on the speed, acceleration, torque, etc. of the joints of the robot. This restriction is given by a curve such as a constant upper / lower limit value or a function. Here, consider a case where a command trajectory for the robot to operate is given as a spatial trajectory. In this case, it is assumed that the spatial trajectory can be expressed by a single trajectory parameter s (time parameterized), and the spatial trajectory is continuous up to the second order differential with respect to the trajectory parameter s.

ロボットの関節角は、その空間軌道上の1点が指定されれば、決定される。また、ロボットのある状態の速度や加速度も、空間軌道上の対応点における、軌道パラメータsの速度s(ドット)、加速度s(2ドット)で表現できる。   The joint angle of the robot is determined if one point on the spatial trajectory is designated. In addition, the speed and acceleration of a certain state of the robot can also be expressed by the speed s (dot) and acceleration s (2 dots) of the trajectory parameter s at corresponding points on the spatial trajectory.

以上の仮定に基づけば、ロボットの関節の速度、加速度、及びトルクに対する制約条件は、軌道パラメータs、s(ドット)、s(2ドット)に関する不等式として表現できる。なお、sの時間に対する1階微分値をs(ドット)、sの時間に対する2階微分値をs(2ドット)と表記し、以降の他のパラメータについても同様に表記する。   Based on the above assumptions, the constraints on the speed, acceleration, and torque of the joints of the robot can be expressed as inequalities regarding the trajectory parameters s, s (dots), and s (2 dots). The first-order differential value with respect to time s is expressed as s (dot), the second-order differential value with respect to time s is expressed as s (2 dots), and the other parameters thereafter are also expressed in the same manner.

仮に、この軌道パラメータの不等式が下記(1)式のような式である場合、関節に設定された制約条件を全て満たしながら、与えられた空間軌道を最短時間で追従するための速度軌道は、後述するアルゴリズムに従って求めることができる。

Figure 0006468127
If the inequality of the trajectory parameter is an expression such as the following formula (1), the speed trajectory for following the given spatial trajectory in the shortest time while satisfying all the constraints set for the joint is: It can be obtained according to an algorithm described later.
Figure 0006468127

但し、上記(1)式において、nは制約条件の数であり、上限及び下限の制約を分けて、それぞれ1つと数える。以下、本実施形態において、上記(1)式を最短時間制御の制約条件の標準形と称す。   However, in the above equation (1), n is the number of constraint conditions, and the upper limit and lower limit constraints are divided and counted as one each. Hereinafter, in the present embodiment, the above equation (1) is referred to as a standard form of the constraint condition of the shortest time control.

最短時間制御では、軌道パラメータs−s(ドット)平面上で軌道を探索する。図4は、軌道パラメータs−s(ドット)平面の一例を示す図である。図4において、ロボットの最短時間軌道は、始点(s=0)から終点(s=1)までの曲線となる。   In the shortest time control, the trajectory is searched on the trajectory parameter s-s (dot) plane. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the trajectory parameter s-s (dot) plane. In FIG. 4, the shortest time trajectory of the robot is a curve from the start point (s = 0) to the end point (s = 1).

最短時間制御の制約条件の標準形は、軌道パラメータs−s(ドット)平面上の曲線で区分された領域として表現される。これら曲線は、到達不可能な領域(inadmissible region)を示すMVC(Maximum Velocity Curve)と、速度の上限を示すVLC(Velocity Limit Curve)とを含む。ロボットの関節の速度、加速度、トルクの制約条件は、これらMVC及びVLCで表現できる。   The standard form of the constraint condition of the shortest time control is expressed as an area divided by a curve on the trajectory parameter s-s (dot) plane. These curves include an MVC (Maximum Velocity Curve) indicating an unreachable region and a VLC (Velocity Limit Curve) indicating an upper limit of speed. The constraints on the speed, acceleration, and torque of the joints of the robot can be expressed by these MVC and VLC.

与えられた空間軌道を最短時間で追従するための最短時間軌道は、MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、例えば、軌道上の各時刻では加速度の最大値もしくは最小値で加減速するものとなる。より詳細には、最短時間軌道は、MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、空間軌道を追従できるような駆動輪22及び旋回軸4の加速度のうちのいずれかが、最大加速度もしくは最小加速度になっているような軌道である。このような最短時間軌道は、例えば、図4において、Time optimal trajectoryとして示されている。   The shortest time trajectory for following a given space trajectory in the shortest time passes under the MVC and VLC curves, for example, and accelerates or decelerates at the maximum or minimum acceleration at each time on the trajectory. Become. More specifically, the shortest time trajectory passes under the MVC and VLC curves, and one of the accelerations of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 that can follow the spatial trajectory is the maximum acceleration or the minimum acceleration. It is an orbit like that. Such a shortest time trajectory is shown as, for example, Time optimal trajectory in FIG.

次に、本実施形態に係る全方位移動体1について、全方位移動体1の機構運動学および同力学モデルから、上記(1)式に示す最短時間制御の制約条件の標準形を導出する。
図5は、本実施形態に係る全方位移動体の座標系の定義を示す図である。ここで、世界座標系をΣとする。駆動輪22の車軸中心に台車座標系Σを設定し、台車部2の正面方向をx軸とする。本体部3の回転軸中心(旋回軸4)に本体座標系Σを設定し、本体部3の正面方向をx軸とする。なお、世界座標系Σ、台車座標系Σ、本体座標系Σにおいて、鉛直方向の軸(鉛直方向軸)をz軸とする。以降の数式において、座標系ΣからΣへの相対的な変換行列をのように、左上に基準となる座標系の添字、右下に対象座標系の添字を記述する。座標系ΣからΣへ相対位置をと記述し、相対角度をθと記述し、その他のパラメータ(速度、力、トルクなど)についても同様に記述する。省略された場合は0(世界座標系基準)とする。ベクトルをvのように太字で、その(x、y、z)の要素をそれぞれ(v1、x、v1、y、v1、z)のように記述する。
Next, for the omnidirectional mobile body 1 according to the present embodiment, the standard form of the constraint condition of the shortest time control shown in the above equation (1) is derived from the mechanism kinematics and the dynamic model of the omnidirectional mobile body 1.
FIG. 5 is a diagram showing the definition of the coordinate system of the omnidirectional mobile body according to the present embodiment. Here, the world coordinate system is Σ 0 . A carriage coordinate system Σ 1 is set at the axle center of the drive wheel 22, and the front direction of the carriage unit 2 is taken as the x-axis. A main body coordinate system Σ 2 is set at the rotation axis center (swivel axis 4) of the main body 3, and the front direction of the main body 3 is the x axis. In the world coordinate system Σ 0 , the carriage coordinate system Σ 1 , and the main body coordinate system Σ 2 , the vertical axis (vertical axis) is the z axis. In the following equations, the relative transformation matrix from the coordinate system Σ n to Σ m is described as a reference coordinate system subscript at the upper left and the target coordinate system subscript at the lower right, as in n T m . The relative position from the coordinate system Σ n to Σ m is described as n p m , the relative angle is described as n θ m, and other parameters (speed, force, torque, etc.) are also described in the same manner. If omitted, 0 (world coordinate system reference) is assumed. The vector is bold as v 1 and its (x, y, z) elements are described as (v 1, x , v 1, y , v 1, z ), respectively.

駆動輪22の速度と台車部2の速度及び角速度との関係は、下記(2)及び(3)式で与えられる。

Figure 0006468127
上記式において、vは台車部2の並進速度、ωは台車部2の角速度、ω、ωは左右駆動輪22の速度、rは駆動輪22の半径、dは台車部2のトレッドである。 The relationship between the speed of the drive wheel 22 and the speed and angular speed of the carriage unit 2 is given by the following equations (2) and (3).
Figure 0006468127
In the above equation, v 1 is the translation speed of the carriage unit 2, ω 1 is the angular velocity of the carriage unit 2, ω l and ω r are the speeds of the left and right drive wheels 22, r is the radius of the drive wheels 22, and d is the carriage unit 2. It is a tread.

世界座標系から台車座標系への姿勢行列は()であり、位置ベクトルは()であり、台車座標系から本体座標系への姿勢行列は()であり、相対位置ベクトルは()である。姿勢行列()及び()は、下記式で表現される。

Figure 0006468127
但し、θは台車部2の姿勢角度であり、θは旋回軸4の角度である。本体部3の姿勢角度θは、下記式で表現される。
θθθ(6) Posture matrix from the world coordinate system to the bogie coordinate system is (0 R 1), the position vector is (0 p 1), the posture matrix from trolley coordinate system to the body coordinate system is in (1 R 2) The relative position vector is ( 1 p 2 ). The posture matrices ( 0 R 1 ) and ( 1 R 2 ) are expressed by the following equations.
Figure 0006468127
However, 0 θ 1 is an attitude angle of the carriage unit 2, and 1 θ 2 is an angle of the turning shaft 4. The posture angle 0 θ 2 of the main body 3 is expressed by the following equation.
0 θ 2 = 0 θ 1 + 1 θ 2 (6)

次に、台車部2及び本体部3の運動方程式をニュートン・オイラー方法で定式化し、駆動輪22及び旋回軸4のトルクの関係式を導出する。
本体部3の重心の運動方程式は、下記式で表現できる。
=m p(2ドット)2,cog (7)
Next, the equations of motion of the carriage unit 2 and the body unit 3 are formulated by the Newton-Euler method, and a relational expression of the torques of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 is derived.
The equation of motion of the center of gravity of the main body 3 can be expressed by the following equation.
f 2 = m 2 0 p (2 dots) 2, cog (7)

上記式において、fは本体部3に対する外力、p2,cogは本体部3の重心位置、mは本体部3の質量である。
本体部3のz軸周りの運動方程式は、下記式で表現できる。

Figure 0006468127
In the above formula, f 2 is an external force on the main body 3, p 2, cog is the center of gravity of the main body 3, and m 2 is the mass of the main body 3.
The equation of motion around the z-axis of the main body 3 can be expressed by the following equation.
Figure 0006468127

上記式において、τは本体部3のz軸周りのトルク、I2、zは本体部3の重心z軸周りの慣性モーメントである。また、記号|は、ベクトルのz要素である。
台車部2の重心の運動方程式は、下記式で表現できる。

Figure 0006468127
In the above equation, 0 τ 2 is a torque around the z-axis of the main body 3, and I 2 and z are moments of inertia around the center of gravity z-axis of the main body 3. The symbol | z is the z element of the vector.
The equation of motion of the center of gravity of the carriage unit 2 can be expressed by the following equation.
Figure 0006468127

上記式において、fは台車部2が受ける力、mは台車部2の質量である。台車部2のz軸周りの運動方程式は、下記式で表現できる。

Figure 0006468127
In the above formula, f 1 is the force received by the carriage unit 2, and m 1 is the mass of the carriage unit 2. The equation of motion around the z-axis of the carriage unit 2 can be expressed by the following equation.
Figure 0006468127

上記式において、τは台車部2のz軸周りのトルク、I1、zは台車部2の重心z軸周りの慣性モーメントである。
台車部2への外力およびトルクと左右駆動輪22のトルクとの関係は下記式で表現できる。

Figure 0006468127
In the above equation, 0 τ 1 is a torque around the z-axis of the carriage unit 2, and I 1 and z are moments of inertia around the center of gravity z-axis of the carriage unit 2.
The relationship between the external force and torque to the carriage unit 2 and the torque of the left and right drive wheels 22 can be expressed by the following equation.
Figure 0006468127

上記(1)式乃至(12)式を連立して解くと、台車部2および本体部3の運動のための、左右駆動輪22および旋回軸4の駆動トルクτは、下記式のように導出される。

Figure 0006468127
When the above equations (1) to (12) are solved simultaneously, the driving torque τ of the left and right drive wheels 22 and the turning shaft 4 for the movement of the carriage unit 2 and the main body unit 3 is derived as the following equation. Is done.
Figure 0006468127

上記式において、τ=(τ、ττ)、q=(x、y、θ)である。M(q)、C(q、q(ドット))、B(q)、g(q)は、夫々、慣性行列、遠心力とコリオリの項、粘性摩擦行列、重力項、である。 In the above formula, τ = (τ 1 , τ r , 1 τ 2 ), q = (x 2 , y 2 , θ 2 ). M (q), C (q, q (dot)), B (q), and g (q) are an inertia matrix, a centrifugal force and Coriolis term, a viscous friction matrix, and a gravity term, respectively.

このように、台車部2及び本体部3の重心及びz軸周りに関する運動方程式(7)式乃至(10)式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む駆動輪22及び旋回軸4のトルクに関する運動方程式(13)式が算出される。   As described above, based on the equations of motion (7) to (10) about the center of gravity and the z-axis of the carriage unit 2 and the body unit 3, the inertial term, centrifugal force and Coriolis term, viscous friction term, gravity The equation of motion (13) relating to the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 is calculated.

全方位移動体1の本体部3の位置姿勢q=(x、y、z)の空間的な指令軌道は、予め設定されているものとする。この指令軌道は、例えば、複数の経由点で表現されたスプライン補間による軌道として与えられる。この指令軌道f(s)は、軌道パラメータsによってパラメータ化されているものとする。ここで、sは線長としてもよいが、簡略化のため、始点s=0、経由点nで終点s=nとなるようなパラメータとする。 The spatial command trajectory of the position and orientation q = (x 2 , y 2 , z 2 ) of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1 is set in advance. This command trajectory is given as a trajectory by spline interpolation expressed by a plurality of waypoints, for example. The command trajectory f (s) is assumed to be parameterized by the trajectory parameter s. Here, s may be a line length, but for simplification, a parameter is set such that the start point s = 0 and the end point s = n at the via point n.

上記運動方程式(13)式は、下記式を用いて、軌道パラメータsにより1次元化することができる。

Figure 0006468127
The equation of motion (13) can be made one-dimensional by the trajectory parameter s using the following equation.
Figure 0006468127

上記(13)式に、上記(14)乃至(16)式を代入することで、軌道パラメータsの下記(17)式を導出する。

Figure 0006468127
By substituting the above equations (14) to (16) into the above equation (13), the following equation (17) of the trajectory parameter s is derived.
Figure 0006468127

トルクの上下限制約条件(MVC)を示す上記(17)式は、上記(1)式に示す最短時間制御の制約条件の標準形となる。但し、上記(17)において、a(s)、b(s)、c(s)、d(s)は、軌道パラメータsで表される係数である。   The above equation (17) indicating the upper and lower limit constraints (MVC) of the torque is a standard form of the constraint condition of the shortest time control shown in the above equation (1). However, in the above (17), a (s), b (s), c (s), and d (s) are coefficients represented by the trajectory parameter s.

このように、制約条件算出部91は、運動方程式(13)式と、予め設定された全方位移動体1が移動すべき軌道であって軌道パラメータsを含む指令軌道f(s)と、に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4のトルクを制約する条件であって、軌道パラメータで表現されたトルク制約条件(MVC)を示す式(17)を算出する。   As described above, the constraint condition calculation unit 91 includes the equation of motion (13) and the command trajectory f (s) including the trajectory parameter s, which is the trajectory to which the omnidirectional mobile body 1 is set in advance. Based on this, an equation (17) indicating a torque constraint condition (MVC) expressed by the trajectory parameter, which is a condition for limiting the torque of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 is calculated.

次に、全方位移動体1の駆動輪22及び旋回軸4の回転速度の制約条件(VLC)について説明する。上述の如く、駆動輪22及び旋回軸4を駆動する車輪及び旋回アクチュエータ7、8の出力性能を考慮して、駆動輪22及び旋回軸4の速度に制約条件を付加する必要がある。   Next, the constraint condition (VLC) of the rotational speed of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 of the omnidirectional mobile body 1 will be described. As described above, in consideration of the output performance of the wheels and the turning actuators 7 and 8 that drive the drive wheels 22 and the turning shaft 4, it is necessary to add a constraint condition to the speeds of the driving wheels 22 and the turning shaft 4.

駆動輪22の速度の制約を下記式により設定する。

Figure 0006468127
The speed constraint of the drive wheel 22 is set by the following equation.
Figure 0006468127

旋回軸4の速度の制約を下記式により設定する。

Figure 0006468127
The speed constraint of the turning shaft 4 is set by the following formula.
Figure 0006468127

だだし、ωjointは旋回軸4の回転速度、ωjoint、minおよびωjoint、maxはそれぞれ旋回軸4の速度の上限値および下限値、ωl、minおよびωl、maxはそれぞれ左駆動輪22の速度の下限値および上限値、ωr、minおよびωr、maxはそれぞれ右駆動輪22の速度の下限値および上限値である。
上記(15)式と逆運動学の結果から、上記(20)、(21)、(22)式の不等式制約は、以下のように軌道パラメータ(sドット)に関する不等式制約に変形することができる。

Figure 0006468127
However, ω joint is the rotation speed of the turning shaft 4, ω joint, min and ω joint, max are the upper and lower limits of the speed of the turning shaft 4, respectively, ω l, min , ω l, and max are the left drive wheels, respectively. The lower limit value and the upper limit value of the speed 22, ω r, min and ω r, max are the lower limit value and the upper limit value of the speed of the right drive wheel 22, respectively.
From the results of the above equation (15) and inverse kinematics, the inequality constraints of the above equations (20), (21), and (22) can be transformed into the inequality constraints on the trajectory parameter (s dot) as follows. .
Figure 0006468127

ただし、s(ドット)l、max、s(ドット)r、max、s(ドット)joint、maxは、それぞれ左駆動輪22、右駆動輪22、旋回軸4に関する、式変形後のs(ドット)の最大値である。上記(23)式を用いて、駆動輪22及び旋回軸4の回転速度の制約条件を表す曲線VLCが算出される。
このように、制約条件算出部91は、予め設定された駆動輪22及び旋回軸4の速度の制約(20)、(21)、(22)式に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4の速度を制約する条件であって、軌道パラメータsで表現された速度制約条件(VLC)を上記不等式(23)より算出する。
However, s (dot) l, max , s (dot) r, max , s (dot) joint and max are s (dots) after transformation of the left drive wheel 22, right drive wheel 22, and turning shaft 4, respectively. ). Using the above equation (23), a curve VLC representing the constraint condition of the rotational speeds of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 is calculated.
As described above, the constraint condition calculation unit 91 determines the speeds of the drive wheels 22 and the swing shaft 4 based on the preset speed constraints (20), (21), and (22) of the drive wheels 22 and the swing shaft 4. The speed constraint condition (VLC) expressed by the trajectory parameter s is calculated from the inequality (23).

軌道算出部92は、制約条件算出部91により算出されたMVC及びVLC曲線の下を通過しながら、軌道上の各時刻では加速度の最大値もしくは最小値で加減速する、軌道パラメータs−s(ドット)平面上の最短時間軌道を算出する。   The trajectory calculation unit 92 accelerates or decelerates at the maximum or minimum acceleration at each time on the trajectory while passing under the MVC and VLC curves calculated by the constraint condition calculation unit 91. Dot) Calculate the shortest time trajectory on the plane.

ここで、最短時間軌道の算出方法の一例について詳細に説明する。
軌道算出部92は、軌道パラメータs−s(ドット)平面における始点(s=0)および終点(s=1)から夫々出発して、所定の積分幅で積分を繰り返して最短時間軌道を算出する(図4)。ここで、所定の積分幅は任意に設定可能であるが、実際のサンプリング周期より小さいのが好ましい(後に、補間を行うことも可能である)。
Here, an example of a method for calculating the shortest time trajectory will be described in detail.
The trajectory calculation unit 92 starts from the start point (s = 0) and the end point (s = 1) on the trajectory parameter s-s (dot) plane, repeats integration with a predetermined integration width, and calculates the shortest time trajectory. (FIG. 4). Here, the predetermined integration width can be arbitrarily set, but is preferably smaller than the actual sampling period (interpolation can be performed later).

始点側から終点側へ前進で積分(以下、前進積分)を行う場合は、最大加速度で積分を行う。終点側から始点側へ後退で積分(以下、後退積分)を行う場合は、最小加速度で積分を行う。軌道算出部92は、上記規則に基づいて前進積分及び後退積分を繰返し最短時間軌道を生成する。   When integration is performed forward from the start point to the end point (hereinafter, forward integration), the integration is performed at the maximum acceleration. When integrating from the end point side to the start point side by integration (hereinafter referred to as backward integration), the integration is performed at the minimum acceleration. The trajectory calculation unit 92 repeats forward integration and backward integration based on the above rules to generate a shortest time trajectory.

軌道算出部92は、前進積分において、VLC曲線と交差する際、VLC曲線に沿える場合はVLC曲線に沿って前進積分を進める(ステップS1)。これは、駆動輪22及び旋回軸4の最大速度での動作区間に相当する。   In the forward integration, the trajectory calculation unit 92 advances the forward integration along the VLC curve when it crosses the VLC curve (step S1). This corresponds to the operation section at the maximum speed of the drive wheel 22 and the turning shaft 4.

一方、前進積分において、VLC曲線と交差する際、このVLC曲線に沿えない場合、あるいはMVC曲線と交差する場合は、実行不可能な軌道となる。この場合、軌道算出部92は、スイッチングポイントの候補を探索する(ステップS2)。   On the other hand, in the forward integration, when intersecting with the VLC curve, if it does not follow the VLC curve or intersects with the MVC curve, it becomes an infeasible trajectory. In this case, the trajectory calculation unit 92 searches for switching point candidates (step S2).

ここで、スイッチングポイントとは、最小加速度から最大加速度へと切り替わる点であり、この点を通るとMVC曲線の下を通過する軌道を生成することができる。なお、スイッチングポイントの候補として、例えば、以下の点が知られている。
・MVC曲線上での加速度の方向が、MVC曲線自体の接線と一致する点(tangent switching point)。
・MVC曲線自体が不連続に変化する点(discontinuous switching point)。
・トルクの制約条件の項 a(s)がゼロとなる点(zero inertia switching point)。
Here, the switching point is a point where the minimum acceleration is switched to the maximum acceleration, and a trajectory passing under the MVC curve can be generated when passing through this point. For example, the following points are known as switching point candidates.
A point where the direction of acceleration on the MVC curve coincides with the tangent of the MVC curve itself (tangent switching point).
A point where the MVC curve itself changes discontinuously (discontinuous switching point).
The point where the torque constraint term a (s) becomes zero (zero inertia switching point).

軌道算出部92は、探索したスイッチングポイントの候補を始点として、最小加速度で後退積分を行う(ステップS3)。   The trajectory calculation unit 92 performs backward integration with minimum acceleration, starting from the searched switching point candidate (step S3).

軌道算出部92は、この後退積分の軌道がこれまで前進積分で生成した軌道と矛盾無く繋がる場合、このスイッチングポイントの候補を始点として前進積分を再開する。一方で、軌道算出部92は、この後退積分の軌道がこれまで前進積分で生成した軌道と矛盾して繋がらない場合、例えば、次の(図4の右側にある)スイッチングポイントの候補を探索する。そして、軌道算出部92は、この次のスイッチングポイントの候補を始点とした後退積分の軌道がこれまで前進積分で生成した軌道と矛盾無く繋がるかを判定する。軌道算出部92は、探索したスイッチングポイントの候補を始点とした後退積分の軌道がこれまで前進積分で生成した軌道と矛盾無く繋がるまで、スイッチングポイントの候補の探索を繰り返す(ステップS4)。   The trajectory calculation unit 92 resumes forward integration starting from this switching point candidate when the backward integration trajectory is connected to the trajectory generated by forward integration without contradiction. On the other hand, the trajectory calculation unit 92 searches for the next switching point candidate (on the right side in FIG. 4), for example, when the backward integration trajectory does not conflict with the trajectory generated by the forward integration. . Then, the trajectory calculation unit 92 determines whether or not the backward integration trajectory starting from the next switching point candidate is connected to the trajectory generated by the forward integration without contradiction. The trajectory calculation unit 92 repeats the search for switching point candidates until the backward integration trajectory starting from the searched switching point candidate is consistently connected with the trajectory generated by forward integration so far (step S4).

軌道算出部92は、上記(ステップS1)乃至(ステップS4)を繰返し、前進積分の軌道と後退積分の軌道とを接続した最短時間軌道(例えば、図4に示すTime optimal trajectory、s(ドット)=g(s))を算出する。このように、軌道算出部92は、算出されたトルク制約条件MVCおよび速度制約条件VLCに基づいて、軌道パラメータs−s(ドット)平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返して最小加速度から最大加速度へと切り替わるスイッチングポイントを探索することで最短時間軌道(s(ドット)=g(s))を算出する。   The trajectory calculation unit 92 repeats the above (Step S1) to (Step S4) to connect the trajectory for forward integration and the trajectory for backward integration (for example, Time optimal trajectory, s (dot) shown in FIG. 4). = G (s)) is calculated. In this way, the trajectory calculation unit 92, based on the calculated torque constraint condition MVC and speed constraint condition VLC, performs forward integration and backward integration with a predetermined integration width from the start point and end point in the trajectory parameter ss (dot) plane. The shortest time trajectory (s (dot) = g (s)) is calculated by searching for a switching point where the minimum acceleration is switched to the maximum acceleration by repeating the above.

制御部93は、軌道算出部92により算出された最短時間軌道(s(ドット)=g(s))に基づいて、車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御する。
制御部93は、最短時間軌道(s(ドット)=g(s))に基づいて、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)を算出する。制御部93は、算出した全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)に基づいて、車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御する。
The control unit 93 controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 based on the shortest time trajectory (s (dot) = g (s)) calculated by the trajectory calculation unit 92.
The controller 93 calculates a target value q (t) of the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1 based on the shortest time trajectory (s (dot) = g (s)). The controller 93 controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 based on the calculated target value q (t) of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1.

ここで、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)の算出方法の一例について、詳細に説明する。
まず、制御部93は、初期値i=0、si=0を設定する(ステップS11)。
制御部93は、時間tiにおけるqi=f(si)を算出する(ステップS12)。
制御部93は、サンプル時間Δt時間進んだ際のsiを下記式で算出する(ステップS13)。
si+1=si+g(si)*Δt
ti+1=ti+Δt
Here, an example of a method for calculating the target value q (t) of the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1 will be described in detail.
First, the control unit 93 sets initial values i = 0 and si = 0 (step S11).
The controller 93 calculates qi = f (si) at time ti (step S12).
The controller 93 calculates si when the sample time Δt has advanced by the following equation (step S13).
si + 1 = si + g (si) * Δt
ti + 1 = ti + Δt

制御部93は、si≦1であるか否かを判定する(ステップS14)。
制御部93は、si≦1であると判定したとき(ステップS14のYES)、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)の算出処理を終了する。一方、制御部93は、si≦1でないと判定したとき(ステップS14のNO)、iをインクリメントし(i=i+1)(ステップS15)、上記(ステップS13)に戻る。
The controller 93 determines whether or not si ≦ 1 (step S14).
When determining that si ≦ 1 (YES in step S14), the controller 93 ends the calculation process of the target value q (t) of the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1. On the other hand, when determining that si ≦ 1 is not satisfied (NO in step S14), the control unit 93 increments i (i = i + 1) (step S15) and returns to the above (step S13).

制御部93は、上記算出したqi及びtiの組合せを、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)とする。なお、制御部93は、上記(ステップS13)において、オイラー積分を用いてsiを算出しているが、これに限定されない。制御部93は、上記(ステップS13)において、台形積分を用いてsiを算出してもよい。これにより、より高精度にsiを算出でき、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)をより高精度に算出できる。   The control unit 93 sets the calculated combination of qi and ti as the target value q (t) for the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1. Note that the control unit 93 calculates si using Euler integration in the above (step S13), but is not limited thereto. The controller 93 may calculate si using trapezoidal integration in the above (step S13). Thereby, si can be calculated with higher accuracy, and the target value q (t) of the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1 can be calculated with higher accuracy.

図6は、本実施形態に係る全方位移動体の制御方法のフローを示すフローチャートである。
制約条件算出部91は、台車部2及び本体部3の重心及びz軸周りに関する運動方程式(7)式乃至(10)式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む駆動輪22及び旋回軸4のトルクに関する運動方程式(13)式を算出する。さらに、制約条件算出部91は、この運動方程式(13)式と、予め設定された全方位移動体1が移動すべき軌道であって軌道パラメータsで表現された指令軌道f(s)と、に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4のトルクを制約する条件であって、軌道パラメータsで表現されたトルク制約条件(MVC)を示す式(17)を算出する(ステップS101)。
FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the omnidirectional mobile body control method according to the present embodiment.
The constraint condition calculation unit 91 is based on the equations of motion (7) to (10) about the center of gravity and the z-axis of the carriage unit 2 and the main body unit 3, the inertial term, the centrifugal force and the Coriolis term, and the viscous friction term. And the equation of motion (13) regarding the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 including the gravity term are calculated. Further, the constraint condition calculation unit 91, the equation of motion (13), a command trajectory f (s) expressed by the trajectory parameter s, which is a trajectory to which the omnidirectional mobile body 1 is set in advance, Based on the above, the equation (17) indicating the torque constraint condition (MVC) expressed by the trajectory parameter s, which is a condition for limiting the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4, is calculated (step S101).

制約条件算出部91は、予め設定された駆動輪22及び旋回軸4の速度の制約(20)式乃至(22)式に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4の速度を制約する条件であって、軌道パラメータsで表現された速度制約条件(VLC)を示す式(19)を算出する(ステップS102)。   The restriction condition calculation unit 91 is a condition for restricting the speeds of the drive wheels 22 and the turning shaft 4 based on the preset restrictions (20) to (22) of the speeds of the driving wheels 22 and the turning shaft 4. Then, the equation (19) indicating the speed constraint condition (VLC) expressed by the trajectory parameter s is calculated (step S102).

軌道算出部92は、制約条件算出部91により算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータs−s(ドット)平面における始点(s=0)および終点(s=1)から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返してスイッチングポイントを探索することで、最短時間軌道を算出する(ステップS103)。   The trajectory calculation unit 92 starts from the start point (s = 0) and end point (s = 1) in the trajectory parameter s-s (dot) plane based on the torque constraint condition and the speed constraint condition calculated by the constraint condition calculation unit 91. The shortest time trajectory is calculated by searching for switching points by repeating forward integration and backward integration with a predetermined integration width (step S103).

制御部93は、軌道算出部92により算出された最短時間軌道(s(ドット)=g(s))に基づいて、全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)を算出する(ステップS104)。制御部93は、算出した全方位移動体1の本体部3の位置姿勢の目標値q(t)に基づいて、車輪アクチュエータ7および旋回アクチュエータ8を制御することで、台車部2の駆動輪22および本体部3の旋回軸4を制御する(ステップS105)。   Based on the shortest time trajectory (s (dot) = g (s)) calculated by the trajectory calculating unit 92, the control unit 93 sets the target posture q (t) of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1. Is calculated (step S104). The control unit 93 controls the wheel actuator 7 and the turning actuator 8 based on the calculated target value q (t) of the position and orientation of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1, thereby driving the drive wheels 22 of the carriage unit 2. And the turning axis 4 of the main-body part 3 is controlled (step S105).

次に、駆動輪22及び旋回軸4の駆動トルク及び回転速度の制約条件を付加し、設定された指令軌道に最短時間で追従する最短時間軌道の生成を行ったシミュレーション結果について説明する。   Next, a description will be given of a simulation result obtained by generating the shortest time trajectory that follows the set command trajectory in the shortest time by adding constraints on the driving torque and rotational speed of the drive wheels 22 and the turning shaft 4.

ここで、最短時間軌道生成のアルゴリズムは、例えば、Python及びC言語で生成し、その動作確認を行っている。本シミュレーションでは、図7に示す指令軌道を用いている。この指令軌道は、全方位移動体1の初期姿勢の前方向をx、左方向をyとした世界座標系において、(0、0)、(1、−1)、(1、1)、(−1、−1)、(−1、1)、(0、0)を経由点とした3次自然スプライン補間で生成されている。全方位移動体1の本体部3の向きは常に角度0を維持するように指示されている。左右駆動輪22の速度の上限値18rad/sとし、左右駆動輪22のトルクの上限値を0.3Nmとしている。旋回軸4の速度の上限値は、3.0rad/sとし、旋回軸4のトルクの上限値は、0.2Nmとしている。   Here, the algorithm for generating the shortest time trajectory is generated by, for example, Python and C language, and its operation is confirmed. In this simulation, the command trajectory shown in FIG. 7 is used. This command trajectory has (0, 0), (1, -1), (1, 1), (0) in the world coordinate system where the forward direction of the initial posture of the omnidirectional mobile body 1 is x and the left direction is y. −1, −1), (−1, 1), and (0, 0) are generated by cubic natural spline interpolation. The direction of the main body 3 of the omnidirectional mobile body 1 is instructed to always maintain the angle 0. The upper limit value of the speed of the left and right drive wheels 22 is 18 rad / s, and the upper limit value of the torque of the left and right drive wheels 22 is 0.3 Nm. The upper limit value of the speed of the turning shaft 4 is 3.0 rad / s, and the upper limit value of the torque of the turning shaft 4 is 0.2 Nm.

図8は、左駆動輪の駆動トルクを示す図である。図9は、右駆動輪の駆動トルクを示す図である。図10は、旋回軸の駆動トルクを示す図である。なお、図8乃至10において、破線は各駆動トルクの上下限値を示している。図8乃至10に示す如く、左右駆動輪22および旋回軸4の駆動トルクは、上下限値の制約内で推移していることが分かる。したがって、本シミュレーションにおいて、左右駆動輪22および旋回軸4の駆動トルクが正しく制約されていることが分かる。   FIG. 8 is a diagram illustrating the driving torque of the left driving wheel. FIG. 9 is a diagram showing the drive torque of the right drive wheel. FIG. 10 is a diagram showing the driving torque of the turning shaft. 8 to 10, broken lines indicate the upper and lower limit values of each driving torque. As shown in FIGS. 8 to 10, it can be seen that the drive torques of the left and right drive wheels 22 and the turning shaft 4 change within the upper and lower limit values. Therefore, in this simulation, it can be seen that the drive torques of the left and right drive wheels 22 and the turning shaft 4 are correctly restricted.

図11は、図8乃至10に示すように左右駆動輪および旋回軸の駆動トルクが制約されたときの、軌道パラメータs−s(ドット)平面上の軌道を示す図である。最短時間制御は、軌道上各点において、最大加速度もしくは最小加速度を取るアルゴリズであるため、得られた軌道は、最短時間軌道となる。   FIG. 11 is a diagram showing a trajectory on the trajectory parameter ss (dot) plane when the drive torques of the left and right drive wheels and the turning shaft are restricted as shown in FIGS. Since the shortest time control is an algorithm that takes the maximum acceleration or the minimum acceleration at each point on the trajectory, the obtained trajectory becomes the shortest time trajectory.

以上、本実施形態において、台車部2及び本体部3の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む駆動輪22及び旋回軸4のトルクに関する運動方程式が算出され、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体1が移動すべき軌道であって軌道パラメータsで表現された指令軌道f(s)と、に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4のトルクを制約する条件であって、軌道パラメータで表現されたトルク制約条件MVCが算出される。また、予め設定された駆動輪22及び旋回軸4の速度の制約に基づいて、駆動輪22及び旋回軸4の速度を制約する条件であって、軌道パラメータsで表現された速度制約条件VLCが算出される。算出されたトルク制約条件MVCおよび速度制約条件VLCを満たし、かつ、指令軌道f(s)を最短時間で追従する軌道であって、軌道パラメータs−s(ドット)平面上に表現された最短時間軌道が算出される。制御装置9の制御部93は、算出された最短時間軌道に基づいて本体部3の位置姿勢の目標値を算出する。そして、制御装置9の制御部93は、該算出した本体部3の位置姿勢の目標値に基づいて車輪及び旋回アクチュエータ7、8を制御する。
これにより、上記静摩擦やZMPのような指標で律速させる特異な点を含めてアクチュエータの出力性能を考慮しつつ、最短時間での最適な制御を行うことができる。
As described above, in the present embodiment, based on the equations of motion related to the center of gravity of the carriage unit 2 and the main body unit 3 and the vertical axis, the inertial term, the centrifugal force and the Coriolis term, the viscous friction term, and the gravity term are included. A motion equation relating to the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 is calculated, and the command trajectory f () expressed by the trajectory parameter s is a trajectory to which the omnidirectional mobile body 1 is to be moved in advance. s), the torque constraint condition MVC expressed by the trajectory parameter, which is a condition for constraining the torque of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 is calculated. The speed constraint condition VLC expressed by the trajectory parameter s is a condition for restricting the speed of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 based on the preset speed restriction of the driving wheel 22 and the turning shaft 4. Calculated. A trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition MVC and speed constraint condition VLC and follows the command trajectory f (s) in the shortest time, and is the shortest time expressed on the trajectory parameter ss (dot) plane. A trajectory is calculated. The control unit 93 of the control device 9 calculates a target value of the position and orientation of the main body 3 based on the calculated shortest time trajectory. And the control part 93 of the control apparatus 9 controls a wheel and the turning actuators 7 and 8 based on the calculated target value of the position and orientation of the main body part 3.
Thereby, it is possible to perform the optimum control in the shortest time while considering the output performance of the actuator including the unique point that is controlled by the static friction or the index such as ZMP.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態において、全方位移動体1の制御装置9が制約条件算出部91と、軌道算出部92とを有する構成であるが、これに限定されない。制約条件算出部91及び軌道算出部92のうちの少なくとも一方が、全方位移動体1とは別の装置に設けられる構成であってもよい。この場合、別の装置の制約条件算出部91で算出されたトルク制約条件及び速度制約条件あるいは、軌道算出部92により算出された最短時間軌道は、全方位移動体1の制御装置9に送信、あるいはユーザによって全方位移動体1の制御装置9に入力されてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
For example, in the above embodiment, the control device 9 of the omnidirectional mobile body 1 is configured to include the constraint condition calculation unit 91 and the trajectory calculation unit 92, but is not limited thereto. At least one of the constraint condition calculation unit 91 and the trajectory calculation unit 92 may be provided in a device different from the omnidirectional mobile body 1. In this case, the torque constraint condition and speed constraint condition calculated by the constraint condition calculation unit 91 of another device or the shortest time trajectory calculated by the trajectory calculation unit 92 is transmitted to the control device 9 of the omnidirectional mobile body 1, Or you may input into the control apparatus 9 of the omnidirectional mobile body 1 by the user.

上記実施形態において、軌道算出部92は、MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、空間軌道を追従できるような駆動輪22及び旋回軸4の加速度のうちのいずれかが、最大加速度もしくは最小加速度になっているような最短時間軌道を算出しているが、これに限定されない。軌道算出部92は、例えば、MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、最短でない(遅い)実現可能な軌道を算出してもよい。   In the above-described embodiment, the trajectory calculation unit 92 is either the maximum acceleration or the minimum acceleration, which is one of the accelerations of the drive wheel 22 and the turning shaft 4 that can follow the spatial trajectory while passing under the MVC and VLC curves. Although the shortest time trajectory such as is calculated, it is not limited to this. For example, the trajectory calculation unit 92 may calculate a feasible trajectory that is not the shortest (slow) while passing under the MVC and VLC curves.

上記最短時間制御による、最大加速度もしくは最小加速度になっているような最短時間軌道においては、加速度が不連続となる。このような加速度の不連続状態が好ましくない場合、軌道算出部92は、例えば、MVC及びVLC曲線の下を通過しながら、滑らかで(軌道上の各時刻の加速度が連続的となるような)実現可能な軌道を算出してもよい(図12)。これにより、上記静摩擦やZMPのような指標で律速させる特異な点を含めてアクチュエータの出力性能を考慮しつつ、最適な制御を行うことができる。   In the shortest time orbit where the maximum acceleration or the minimum acceleration is obtained by the shortest time control, the acceleration is discontinuous. When such a discontinuous state of acceleration is not preferable, the trajectory calculation unit 92 is smooth while passing under the MVC and VLC curves (such that the acceleration at each time on the trajectory is continuous). A feasible trajectory may be calculated (FIG. 12). Thereby, it is possible to perform optimal control while considering the output performance of the actuator including the unique point that is controlled by the static friction or the index such as ZMP.

また、本発明は、例えば、図6に示す処理を、CPUにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。
In addition, the present invention can realize the processing shown in FIG. 6 by causing a CPU to execute a computer program, for example.
The program may be stored using various types of non-transitory computer readable media and supplied to a computer. Non-transitory computer readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (for example, flexible disks, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (for example, magneto-optical disks), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-R / W and semiconductor memory (for example, mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (random access memory)) are included.

また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。   The program may also be supplied to the computer by various types of transitory computer readable media. Examples of transitory computer readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. The temporary computer-readable medium can supply the program to the computer via a wired communication path such as an electric wire and an optical fiber, or a wireless communication path.

1 全方位移動体、2 台車部、3 本体部、4 旋回軸、5 回転センサ、6 回転センサ、7 車輪アクチュエータ、8 旋回アクチュエータ、9 制御装置、21 補助輪、22 駆動輪、91 制約条件算出部、92 軌道算出部、93 制御部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Omni-directional mobile body, 2 trolley | bogie part, 3 main-body part, 4 turning axis, 5 rotation sensor, 6 rotation sensor, 7 wheel actuator, 8 turning actuator, 9 control apparatus, 21 auxiliary wheel, 22 drive wheel, 91 constraint condition calculation Section, 92 orbit calculation section, 93 control section

Claims (4)

複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体であって、
前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式が算出され、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件が算出され、
予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件が算出され、
前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道が算出され、
前記算出された軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御する制御手段を備え
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を最短時間で追従する最短時間軌道であり
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータ及びその微分値の平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返し、前記前進積分を行う場合、最大加速度で積分を行い、前記後退積分を行う場合、最小加速度で積分を行うことで算出された前記最短時間軌道である
ことを特徴する全方位移動体。
A carriage section provided with a plurality of drive wheels, a main body section rotatably provided on the carriage section via a turning shaft, a first driving means for driving the driving wheels, and a second for driving the turning shaft. And an omnidirectional mobile body that is movable in all directions,
Based on the equations of motion related to the center of gravity and the vertical axis of the bogie part and the main body part, the torque of the driving wheel and the turning shaft including an inertial term, a centrifugal force and Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term. Equation of motion is calculated, and based on the equation of motion and a preset command trajectory expressed by the trajectory parameter, which is a trajectory that the omnidirectional mobile body should move in advance, A condition for constraining torque, and the torque restriction condition expressed by the trajectory parameter is calculated;
Based on a preset restriction on the speed of the drive wheel and the turning axis, a condition for restricting the speed of the driving wheel and the turning axis, the speed restriction condition expressed by the trajectory parameter is calculated,
A trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and follows the command trajectory, the trajectory expressed on the plane of the trajectory parameter and its differential value is calculated,
Control means for calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory and controlling the first and second drive means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body. ,
The calculated trajectory is a shortest time trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and follows the command trajectory in the shortest time ,
Based on the calculated torque constraint condition and speed constraint condition, the calculated trajectory repeats forward integration and backward integration with a predetermined integration width from the start point and end point in the plane of the trajectory parameter and its differential value, and the forward trajectory When integrating, the integration is performed at the maximum acceleration, and when the backward integration is performed, the shortest time trajectory calculated by performing the integration at the minimum acceleration .
An omnidirectional mobile body characterized by that.
請求項1記載の全方位移動体であって、
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータ及びその微分値の平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返して最小加速度から最大加速度へと切り替わるスイッチングポイントを探索することで算出された前記最短時間軌道である、
ことを特徴とする全方位移動体。
The omnidirectional mobile body according to claim 1 ,
Based on the calculated torque constraint condition and speed constraint condition, the calculated trajectory repeats forward integration and backward integration with a predetermined integration width from the start point and end point in the plane of the trajectory parameter and its differential value, and minimizes the minimum acceleration. The shortest time trajectory calculated by searching for a switching point that switches from to maximum acceleration,
An omnidirectional mobile object characterized by that.
複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体の制御方法であって、
前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式を算出し、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件を算出するステップと、
予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件を算出するステップと、
前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道を算出するステップと、
前記算出した軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御するステップと、
を含み、
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を最短時間で追従する最短時間軌道であり
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータ及びその微分値の平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返し、前記前進積分を行う場合、最大加速度で積分を行い、前記後退積分を行う場合、最小加速度で積分を行うことで算出された前記最短時間軌道である
ことを特徴する全方位移動体の制御方法。
A carriage section provided with a plurality of drive wheels, a main body section rotatably provided on the carriage section via a turning shaft, a first driving means for driving the driving wheels, and a second for driving the turning shaft. An omnidirectional mobile body that is movable in all directions,
Based on the equations of motion related to the center of gravity and the vertical axis of the bogie part and the main body part, the torque of the driving wheel and the turning shaft including an inertial term, a centrifugal force and Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term. Equation of motion is calculated, and based on the equation of motion and a command trajectory expressed by a trajectory parameter that is a trajectory that the omnidirectional mobile body is set in advance, A condition for constraining torque, and calculating a torque constraint condition expressed by the trajectory parameter;
Calculating a speed constraint condition expressed by the trajectory parameter, which is a condition for limiting the speed of the drive wheel and the swing axis based on a preset speed constraint of the drive wheel and the swing axis;
Calculating the trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and that follows the command trajectory and that is expressed on a plane of the trajectory parameter and its differential value;
Calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory, and controlling the first and second driving means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body,
Only including,
The calculated trajectory is a shortest time trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and follows the command trajectory in the shortest time ,
Based on the calculated torque constraint condition and speed constraint condition, the calculated trajectory repeats forward integration and backward integration with a predetermined integration width from the start point and end point in the plane of the trajectory parameter and its differential value, and the forward trajectory When integrating, the integration is performed at the maximum acceleration, and when the backward integration is performed, the shortest time trajectory calculated by performing the integration at the minimum acceleration .
An omnidirectional mobile body control method characterized by the above.
複数の駆動輪が設けられた台車部と、台車部に旋回軸を介して回転可能に設けられた本体部と、前記駆動輪を駆動する第1駆動手段と、前記旋回軸を駆動する第2駆動手段と、を備え、全方位に移動可能な全方位移動体のプログラムであって、
前記台車部及び本体部の重心及び鉛直方向軸周りに関する運動方程式に基づいて、慣性項と、遠心力及びコリオリ項と、粘性摩擦項と、重力項と、を含む前記駆動輪及び旋回軸のトルクに関する運動方程式を算出し、該運動方程式と、予め設定された当該全方位移動体が移動すべき軌道であって軌道パラメータで表現された指令軌道と、に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸のトルクを制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現されたトルク制約条件を算出する処理と、
予め設定された前記駆動輪及び旋回軸の速度の制約に基づいて、前記駆動輪及び旋回軸の速度を制約する条件であって、前記軌道パラメータで表現された速度制約条件を算出し、
前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を追従する軌道であって、前記軌道パラメータ及びその微分値の平面上に表現された前記軌道を算出する処理と、
前記算出した軌道に基づいて前記本体部の位置姿勢の目標値を算出し、該算出した本体部の位置姿勢の目標値に基づいて前記第1及び第2駆動手段を制御する処理と、
をコンピュータに実行させ
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件を満たし、かつ、前記指令軌道を最短時間で追従する最短時間軌道であり
前記算出された軌道は、前記算出されたトルク制約条件および速度制約条件に基づいて、軌道パラメータ及びその微分値の平面における始点および終点から所定の積分幅で前進積分及び後退積分を繰り返し、前記前進積分を行う場合、最大加速度で積分を行い、前記後退積分を行う場合、最小加速度で積分を行うことで算出された前記最短時間軌道である、
ことを特徴するプログラム。
A carriage section provided with a plurality of drive wheels, a main body section rotatably provided on the carriage section via a turning shaft, a first driving means for driving the driving wheels, and a second for driving the turning shaft. A program for an omnidirectional mobile body comprising drive means and movable in all directions,
Based on the equations of motion related to the center of gravity and the vertical axis of the bogie part and the main body part, the torque of the driving wheel and the turning shaft including an inertial term, a centrifugal force and Coriolis term, a viscous friction term, and a gravity term. Equation of motion is calculated, and based on the equation of motion and a command trajectory expressed by a trajectory parameter that is a trajectory that the omnidirectional mobile body is set in advance, A condition for constraining torque, and calculating a torque constraint condition expressed by the trajectory parameter;
Based on the preset constraints on the speeds of the drive wheels and the turning axis, the conditions for restricting the speeds of the driving wheels and the turning axis are calculated, and the speed restriction conditions expressed by the trajectory parameters are calculated,
A process of calculating the trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and that follows the command trajectory and that is expressed on the plane of the trajectory parameter and its differential value;
A process for calculating a target value of the position and orientation of the main body based on the calculated trajectory, and controlling the first and second driving means based on the calculated target value of the position and orientation of the main body,
To the computer ,
The calculated trajectory is a shortest time trajectory that satisfies the calculated torque constraint condition and speed constraint condition and follows the command trajectory in the shortest time ,
Based on the calculated torque constraint condition and speed constraint condition, the calculated trajectory repeats forward integration and backward integration with a predetermined integration width from the start point and end point in the plane of the trajectory parameter and its differential value, and the forward trajectory When integrating, the integration is performed at the maximum acceleration, and when the backward integration is performed, the shortest time trajectory calculated by performing the integration at the minimum acceleration.
A program characterized by that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2699407B2 (en) * 2017-07-26 2020-03-13 Univ Catalunya Politecnica OMNIDIRECTIONAL PLATFORM
ES2697921B2 (en) * 2017-07-26 2020-06-22 Univ Catalunya Politecnica OMNIDIRECTIONAL PLATFORM
US10620634B2 (en) * 2017-08-23 2020-04-14 Uatc, Llc Vehicle interface for autonomous vehicle
CN108614560B (en) * 2018-05-31 2021-04-06 浙江工业大学 A mobile robot vision servo guaranteed performance tracking control method
CN118466484B (en) * 2024-04-25 2024-12-10 武汉理工大学 Unmanned carrying equipment, control method, device and medium thereof

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3791656B2 (en) * 1999-04-21 2006-06-28 富士電機ホールディングス株式会社 Omnidirectional vehicle, steering angle measurement method and control method thereof
US6577925B1 (en) * 1999-11-24 2003-06-10 Xerox Corporation Apparatus and method of distributed object handling
JP4464912B2 (en) * 2004-12-03 2010-05-19 パナソニック株式会社 Robot control apparatus and autonomous mobile robot
JP2006202213A (en) * 2005-01-24 2006-08-03 Yaskawa Electric Corp Omnidirectional mobile robot
CN101501598A (en) * 2006-08-11 2009-08-05 塞格威股份有限公司 Speed limiting in electric vehicles
JP5380672B2 (en) * 2007-02-20 2014-01-08 国立大学法人 名古屋工業大学 Motion planner, control system, and multi-axis servo system
JP2012190405A (en) * 2011-03-14 2012-10-04 Toyota Motor Corp Route information correcting device, track planning device, and robot
US9221175B2 (en) * 2013-03-28 2015-12-29 Denso Wave Incorporated Method of generating path of multiaxial robot and control apparatus for the multiaxial robot
JP6245860B2 (en) * 2013-06-26 2017-12-13 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター Mobile cart control apparatus and mobile cart control method

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