JP2001199356A

JP2001199356A - 全方向移動車両とその制御方法

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Publication number: JP2001199356A
Application number: JP2000007969A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Wada; 正義和田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-24
Anticipated expiration: 2020-01-17
Also published as: JP3791663B2; EP1125827A1; DE60103191T2; US6408230B2; CA2331100C; CA2331100A1; DE60103191D1; US20010008985A1; EP1125827B1

Abstract

(57)【要約】【課題】制御系、駆動系の非干渉化、簡単化、および
アクチュエータの小容量化、省電力駆動などを行うこと
により、低コスト、高信頼性、高精度走行能力を有する
実用的なホロノミック全方向移動車両とその制御方法を
提供する。【解決手段】車両本体１に、駆動輪操舵用の回転板３
を有する操舵軸１３を操舵軸回転用軸受２によって軸支
し、回転板３には駆動輪支持部材４によって駆動輪５が
操舵軸から駆動輪５の転がり方向に距離ｓ、それと直交
する方向にｄだけ離間した位置に配置する。操舵軸駆動
用モータ１０及び駆動輪軸駆動用モータ２０は、車両本
体１に固定され、回転板３は操舵軸駆動用モータ１０に
よって、モータ軸平歯車１１、操舵軸が有する平歯車１
２を介して回転駆動される。また、駆動輪５は駆動輪軸
駆動用モータ２０によって、平歯車２１、２２、２３、
２４、ベベル歯車２５、２６を介して回転駆動されるも
のとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、車両の旋回速
度、あるいは進行方向を変更する際、あるいは停止状態
から走行、旋回を開始する際に、例えば、車輪の向きを
変更するなどの車両の走行準備のための待機時間を必要
とせず、任意の車両姿勢から、任意の方向へ即座に移
動、旋回を開始、もしくは移動動作の途中においても移
動の方向、旋回の速度を変更することができるような、
または学術的にホロノミックな移動特性を有すると表現
される、全方向移動車両とその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】平面上を移動する全方向移動車両とは、
その車両の進行方向及び横方向への移動速度と、車両の
鉛直軸まわりの角速度，すなわち車両の姿勢変化、の合
計３自由度を制御できる車両であり、これに関しては多
くの発明が知られている。それらの全方向移動車両は次
の二つの種類に大別される。第一の種類の車両は、学術
的には非ホロノミックである車両と呼ばれる車両であ
る。

【０００３】この第一の種類の車両においては、車両の
走行方向を変更する、または旋回動作に移る際に、例え
ば各車輪の方向変換などの車両内部の一部の機構の設定
を変更するための待機動作、および時間が必要となる。
この車両は２自由度を有する機構であり、前記車両の３
自由度を同時にかつそれぞれ独立に制御することはでき
ず、前記車両の３自由度のうちの２つを順番に選択して
いくことによって、最終的に車両の３自由度を制御する
と見なされる。

【０００４】従って例えば、待機時間なしで、直角の経
路に追従することはできず、円弧状に走行するか、もし
くは、角にて一時停止、待機時間を経て再び走行を開始
するといったことが必要となる。この第一の種類に分類
される車両には、全輪操舵型全方向移動車両などが挙げ
られる。

【０００５】これに対して、第二の種類の車両は学術的
には、ホロノミックである車両と呼ばれるもので、この
種類の車両は車両内部機構の設定変更の必要はなく、車
両の任意の姿勢、任意の位置から即座に全方向への移
動、旋回が開始可能であり、車両の３自由度を同時に、
かつそれぞれ独立に制御できることが大きな特徴であ
る。これに分類される車両には、球型の車輪を使用した
全方向移動車両、あるいは大車輪の周囲に横方向に自由
に回転するローラを多数配置した特殊車輪を使用する全
方向移動車両などがある。

【０００６】さらに特開平9-164968号公報に記載され、
同一出願人によって提案された車両も、同様に第二の種
類の全方向移動車両に分類されるもので、これはキャス
タの形態をした車輪の車輪軸と、操舵軸の両方をアクチ
ュエータにてそれぞれ独立に駆動し、かつこの駆動輪を
２輪以上備えることで前記所定の３自由度の全方向移動
を実現するものであった。この特開平9-164968号公報に
記載された発明による車輪機構よれば、通常の形態のタ
イヤ（ゴムタイヤや空気圧タイヤなど）の装着が可能で
あるので、滑らかで、俊敏な全方向移動動作を実現する
ことが可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
特開平9-164968号公報に記載された発明において使用さ
れている車輪機構では、連続的に無限回数回転する操舵
軸を有するため、配線上の問題から、各車輪機構の車輪
軸、操舵軸を駆動する２つのアクチュエータは、両方と
も車両本体上に設置され、その回転運動は歯車などの伝
達機構を介して伝達される。このことから、２つのアク
チュエータの間に速度の干渉が生じる問題がある。

【０００８】つまり、車輪駆動用アクチュエータを停止
した状態にて、車輪の方向を変更するように操舵軸のア
クチュエータのみを駆動しても、操舵および車輪の両方
が回転してしまう現象が起こる。一方、操舵軸駆動用ア
クチュエータを停止した状態にて、車輪駆動用アクチュ
エータを駆動した場合には、車輪のみが回転する．これ
から、操舵軸駆動用アクチュエータから、車輪駆動用ア
クチュエータへの一方向の速度干渉が生じていることに
なる。

【０００９】前述の発明においてはこの速度干渉を除去
するため、操舵軸の回転速度の所定の割合の回転速度を
あらかじめ車輪軸のアクチュエータに加算して運動制御
を行う必要があった。つまり、この速度干渉を除去する
ために、実際に車輪に必要な最大回転速度よりも早くま
わるアクチュエータを車輪駆動用として搭載する必要が
あった。

【００１０】さらに、車輪を駆動するためのトルクは、
操舵軸の伝達機構のある部分、例えばひとつの歯車を支
点として作用するので、操舵軸が回転しているか、停止
しているかにかかわらず、車輪に伝達されるトルクを支
えるだけのトルクを操舵軸駆動用アクチュエータも発生
しなくてはならないという問題があった。これは、加減
速時や段差昇降時などには急激なトルクが操舵軸にかか
り、これは操舵軸用アクチュエータにとって外乱に他な
らない。

【００１１】そして、この車輪用アクチュエータからの
トルクによって、操舵軸に速度誤差が生じた場合には、
車両の走行方向がずれることになるので、車両の走行誤
差を生む結果となり、この誤差の発生は重要な問題であ
った。

【００１２】また、同特開平9-164968号公報に記載され
た発明において、双輪キャスタの形態の駆動ユニットに
車両本体の旋回用のアクチュエータを付加した全方向移
動車両も提案されている。この車両は、二輪の駆動輪、
及び駆動ユニットの操舵軸を駆動する３つのアクチュエ
ータにより、車両の並進、回転の運動を制御できるもの
で、単輪キャスタを複数使用した車両の過拘束の状態
（自由度よりも多くの数のアクチュエータにて制御する
状態）を回避するものである。

【００１３】この双輪キャスタの形態においては、操舵
軸用のアクチュエータは駆動ユニット上に設置されてお
り、車両が旋回動作を行わないとき（単純な並進運動な
ど）であっても、駆動ユニットの方向変化の影響を補正
するために、駆動ユニットの回転と逆方向に車両本体を
駆動する必要があるため、車両本体の旋回軸用アクチュ
エータの制御計算に並進方向の運動を考慮する必要があ
った。またこれは、制御システムの複雑化を招くばかり
でなく、必要以上に大きな容量を有する車両本体の旋回
軸用アクチュエータを搭載する必要があった。

【００１４】つまり上記の２つの問題は、車両を駆動す
る複数のアクチュエータ間の干渉が生じることにより、
車両の走行精度を劣化させるだけでなく、その制御系を
複雑にし、かつアクチュエータの容量を増大させている
ことになる。

【００１５】以上の問題点に関して、図を用いて、以下
に詳述する。従来のキャスタ型の一例の駆動輪機構の側
面図を図１９に、および下面図を図２０にそれぞれ示
す。この例は、同特開平9-164968号公報に記載された実
施例の一部変形例である。

【００１６】図１９および図２０において、車両本体１
には、回転板３を有する操舵軸１３が操舵軸用軸受２に
よって鉛直軸周りの回転を自在に支持されている。さら
に回転板３に固定された駆動輪支持部材４によって軸支
された駆動輪５が、操舵軸回転軸心から駆動輪５の転が
り方向に距離ｓだけ離間した位置に配置されている。操
舵軸駆動用モータ１０、及び駆動輪軸駆動用モータ２０
は、共に車両本体１に固定されるように搭載される。操
舵軸１３は操舵軸駆動用モータ１０によって、モータ軸
歯車１１、操舵軸が備える回転板歯車１２を介して回転
駆動され、また、駆動輪５は駆動輪軸駆動用モータ２０
によって、モータ軸歯車２１、平歯車２２、平歯車２
３、平歯車２４、ベベル歯車２５、ベベル歯車２６を介
して回転駆動される。

【００１７】特開平9-164968におけるこの駆動輪の動作
目的は、図２１に示すように、操舵軸の中心、つまり、
操舵軸１３が備える回転板３の中心位置に水平面内の任
意の方向への速度を発生させることである。つまり、駆
動輪５の回転によって、駆動輪の転がりの方向への速度
V_wを発生させ、また、操舵軸の回転による接地点を中心
とした円運動の角速度ω_sによって車輪の転がりの方向
と直交する方向への速度V_sを発生させ、これらの互いに
直交する二つの速度の合成により結果的に、任意の方向
への任意の大きさの速度Vが操舵軸中心に発生するもの
である。

【００１８】ここで、上述の動作は駆動輪軸駆動用モー
タ２０が回転板３に搭載された状態にて駆動輪５が駆動
される場合には、V_sおよびV_wは駆動輪軸駆動用モータ、
操舵軸駆動用モータにより、それぞれ独立して制御が可
能である。しかし、実際の車輪の設計においては、操舵
軸が連続的に複数回転の動作を要求されることにより、
その配線の問題から、車輪軸駆動用、操舵駆動用のモー
タは共に、車両本体に搭載される場合がほとんどであ
る。このとき、操舵軸駆動用モータ１０の速度が駆動輪
５の速度に干渉する問題が生じる。これについて以下に
詳細に述べる．図２２に示すように、操舵軸駆動用モー
タ１０を、例えば回転板３が、紙面上の反時計方向に回
転するように駆動される場合を考える。このとき、駆動
輪軸駆動用モータ２０は回転しないにもかかわらず、操
舵軸駆動用モータ１０のみの動作によって車輪５はある
角度回転してしまう現象が生じる。これは、歯車２３は
車輪駆動用モータ２０、モータ軸歯車２１、歯車２２と
共に車両本体１に対して停止した状態を保っている、つ
まり同図において紙面に固定されている状態である。

【００１９】回転板３が回転することによって、回転板
３上に配置、支持された歯車２４は歯車２３のまわりを
遊星歯車の要領で回転するので、その結果、歯車２４は
回転板３に対してある角度回転することになり、駆動輪
５もこれに応じた角度だけ回転する。これは駆動輪軸駆
動用モータ２０が停止していない状態においても常に発
生し、回転板３のある割合の回転が駆動輪５に加算され
ることになる。

【００２０】このときの回転板３の回転角度に対する駆
動輪５の回転角度の比は、歯車２３、２４、およびベベ
ル歯車２５、２６の歯数比によって決定する一定値であ
り、あらかじめこの回転を相殺するように駆動輪軸駆動
用モータ２０への速度指令値に、操舵軸駆動用モータ１
０への速度指令値の所定の割合の速度を加算すること
で、上記、速度干渉の影響を除去する方法が考えられ
る。

【００２１】特開平9-164968の発明の実施において、図
２１に示すような動作を達成するためにはこの速度干渉
の除去手段は必須であった。このことから、車輪軸駆動
用モータ２０に駆動輪５を最高回転数で駆動する以上の
早い回転数が要求され、必要以上に大きな容量のモータ
を搭載する必要があった。

【００２２】さらに、例えば駆動輪５が段差を乗り越え
る状態を考えると、段差の角に駆動輪５の一端が接触し
た状態の時には、車輪軸駆動用モータは段差を乗り上が
るために、大きなトルクを発生する。しかし、このとき
駆動輪５は一時ロックされた状態になり、車両を押し上
げるに十分なトルクが伝達されるまで駆動輪５は回転で
きない。このとき、駆動輪５に伝えられるトルクは、平
歯車２３、２４を介して回転板３を回転させようとする
方向に作用し、操舵軸駆動用モータ１０にまで伝わる。
この結果、回転板３に角度誤差が発生するか、さらに悪
い場合には、操舵軸駆動用モータ１０が駆動輪軸駆動用
モータ２０に負けて回転させられてしまう現象が発生す
る。

【００２３】また、図２３には特開平9-164968に記載さ
れた異なる実施例に関わる構成を示す。この構成におい
ては、双輪キャスタ型の駆動ユニットを用いることで、
３つのアクチュエータにより、ホロノミックな全方向移
動を達成する。これは、駆動ユニット５５上に搭載され
る操舵軸駆動用モータ１５０により、車両本体１が駆動
ユニット５５に対して回転する。図２４にその動作の様
子を示す。これは、駆動ユニット５５と車両本体１の角
度が９０度ずれた状態から、車両の横方向の並進運動を
行った例である。

【００２４】このとき、車両本体１自体の姿勢を変化さ
せる必要はないにもかかわらず、駆動ユニット５５は通
常のキャスタと同様な動作を行うため、その姿勢は大き
く変化する。この駆動ユニット５５の回転の影響を補正
するために、操舵軸駆動用モータ１５０は車両本体１を
逆方向に回転させることで、車両本体１の姿勢を一定に
保たなければならない。

【００２５】これより、駆動ユニット５５の回転を考慮
した最大の速度、つまり、車両本体１の最大旋回速度に
駆動ユニット５５の最大旋回速度を加算した速度、が操
舵軸駆動用モータ１５０に要求されることとなる。ま
た、駆動ユニット５５全体を旋回させる必要があるの
で、大きな駆動エネルギーを必要とし、バッテリにより
走行する車両においては、電力の消費が大きく、一回の
充電あたりの走行時間を短縮する要因にもなる。

【００２６】この発明は上記の従来の全方向移動車両の
有する問題点を解決するためになされたもので、この発
明の課題は、車両を駆動するそれぞれのアクチュエータ
間の速度干渉を除去することにより、制御系を簡素化
し、さらには駆動輪軸駆動用モータ、及び、車両旋回駆
動用モータの小容量化を図ることにある。

【００２７】さらに、操舵軸にかかる外乱トルクを操舵
軸駆動用アクチュエータにまで伝えることなく、操舵軸
用のアクチュエータの更なる小容量化を図ることにあ
る。

【００２８】ひいては、全方向移動車両自身の小型、軽
量化、低価格化と、エネルギー消費の低減、バッテリー
による自律走行車両などの長時間走行、あるいはバッテ
リーの小型、軽量化などを図ることにある。

【００２９】

【課題を解決するための手段】前述の問題を解決するた
めに、請求項１の発明においては、車両本体と、車両本
体に取り付けられ，操舵軸と同操舵軸駆動用アクチュエ
ータと，駆動輪と同駆動輪軸駆動用アクチュエータとを
有する駆動ユニットと、前記車両本体に設けられ，前記
操舵軸を軸支するための操舵軸回転用軸受とを備えた全
方向移動車両において、前記操舵軸は、車両本体に取り
付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって第一の
動力伝達手段を介して駆動され、かつその下方に前記駆
動輪を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を
設けてなり、前記駆動輪は、車両本体に取り付けられた
駆動輪軸駆動用アクチュエータによって第二の動力伝達
手段を介して回転駆動され、かつ前記駆動輪支持部材に
軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直軸周りに
動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸心を含み
かつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離（ｄ）だけ
離間した位置であって，操舵軸回転軸心から水平方向に
所定の距離（ｓ）だけ離間した位置において，駆動輪軸
と操舵軸が互いに交差しないように水平軸周りに回動自
在にしてなるものとする。

【００３０】また、請求項２の発明によれば、請求項１
に記載の全方向移動車両において、前記第二の動力伝達
手段は、前記駆動輪軸駆動用アクチュエータによって前
記操舵軸とは独立的に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部
Ａと、この動力伝達部Ａに連結し，操舵軸と共に鉛直軸
周りに動き得る動力伝達部Ｂとを有してなるものとし、
この動力伝達部Ｂの減速比をＧ（但し、Ｇ＞１にて減
速）とし、前記駆動輪の半径をｒとしたとき、前記所定
の距離（ｄ）は、次式（数４）の関係を満たすものとす
る。

【００３１】

【数４】上記のようにすることにより、駆動輪軸用アクチュエー
タと、操舵軸用アクチュエータの動作を非干渉化でき
る。また、駆動輪を車両本体中央より横に配置すること
から、動力伝達機構の配置、構成が容易になり、機構的
に簡易になる。

【００３２】また、請求項３の発明によれば、請求項２
に記載の全方向移動車両において、前記駆動輪支持部材
は、操舵軸に接続固定された操舵軸接続部材と、この操
舵軸接続部材に軸支された歯車の回転軸と同一回転軸に
軸支されて鉛直面内に回転できるように軸支され，かつ
前記駆動輪を軸支する駆動輪支持用リンク部材とを備
え、さらに、前記操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動
力伝達部Ｂを、前記歯車に連結し，操舵軸と共に水平軸
周りに動き得る駆動輪用歯車からなる動力伝達部ｂに代
えてなり、かつ、前記操舵軸と駆動輪支持用リンク部材
との間に、駆動輪の床面走行中における振動を吸収する
ための振動吸収手段を設けたものとする。

【００３３】上記構成によれば、床面に若干の凹凸があ
っても、駆動輪が接地した状態を保つことができること
から、特に、駆動輪を複数設けた場合において、十分な
車両駆動力、安定性を保持することができ、走行性能が
向上する。

【００３４】さらに、請求項４の発明によれば、請求項
３に記載の全方向移動車両において、前記振動吸収手段
は、ばねを備えるものとし、このばねと並列に直線駆動
型のポテンシオメータなどの直線位置検出器を設け、ば
ねの変位を測定することにより駆動輪に作用する垂直抗
力を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全体の重
量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定手段を
備えたものとする。上記構成により、各駆動輪機構に搭
載されたサスペンションのばねの変位を計測すること
で、車両の総重量、重心位置などを推定することがで
き、車両の安定性をさらに向上させることができる。

【００３５】さらに、請求項５の発明によれば、請求項
３に記載の全方向移動車両において、前記操舵軸と共に
回転する振動吸収手段の変位に応じて上下動を行う可動
子を操舵軸の中心を貫通して設け、かつ操舵の動作によ
り回転を行わない部位に配設置したポテンシオメーター
などの直線位置検出器を設け、この直線位置検出器にて
前記可動子の変位を計測することにより前記振動吸収手
段の変位を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全
体の重量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定
手段を備えたものとする。上記により、サスペンション
のばねの変位を計測するセンサを車両本体に設置するこ
とが可能であるので、回転部に配線を渡す必要がなくな
り、装置の信頼性を向上させることができる。

【００３６】また、請求項６の発明によれば、請求項１
ないし５のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法
であって、車両本体は、前記駆動ユニットを２つ以上備
え、車両基準点に仮想的に設置された車両基準座標系に
対するそれぞれの駆動ユニットの操舵軸の位置（座
標）、姿勢情報を用いて、次式（数５）に従って、各駆
動ユニットにおける操舵軸駆動用アクチュエータおよび
駆動輪軸駆動用アクチュエータの回転角速度を制御する
こととする。

【００３７】

【数５】上記制御方法によれば、各アクチュエータを他の駆動機
構の運動状態などを考慮することなく、完全に独立して
制御することができるので、機構的だけでなく、ソフト
的にもモジュール性を高めることができ、設計の自由度
が高くなる。

【００３８】次に、請求項７の発明によれば、車両本体
と、車両本体に取り付けられ，操舵軸と駆動輪とを有す
る複数個の駆動ユニットと，この複数個の駆動ユニット
における操舵軸と駆動輪とを駆動するための駆動手段を
備えた駆動セットと、この駆動セットに設けられ，前記
車両本体の鉛直軸まわりの回転を自在にして支持するた
めの車両本体回転用軸受と車両本体回転駆動用アクチュ
エータと同動力伝達手段とを備えた全方向移動車両であ
って、前記複数個の各操舵軸は、前記駆動セットに取り
付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって，ベル
トやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動さ
れ、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介して軸支す
るための駆動輪支持部材を設けてなり、前記複数個の各
駆動輪は、前記駆動セットに取り付けられた駆動輪軸駆
動用アクチュエータによって，ベルトやチェーンなどの
動力伝達手段を介して一括駆動され、かつ前記駆動輪支
持部材に軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直
軸周りに動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸
心を含みかつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離
（ｄ）だけ離間した位置であって，操舵軸回転軸心から
水平方向に所定の距離（ｓ）だけ離間した位置におい
て，駆動輪軸と操舵軸が互いに交差せぬように水平軸周
りに回動自在にしてなるものとする。

【００３９】また、請求項８の発明によれば、請求項７
に記載の全方向移動車両の制御方法であって、駆動輪軸
駆動用アクチュエータと操舵軸駆動用アクチュエータお
よび車両本体回転駆動用アクチュエータの回転角速度
を、次式（数６）に基づいて制御することにより、駆動
ユニット及び車両本体の並進方向の速度とその方向を制
御し、かつ、車両本体の方向を制御することとする。

【００４０】

【数６】上記構成および制御方法によれば、車両に搭載される駆
動輪および操舵軸の駆動をそれぞれ単一のアクチュエー
タにより行うことにより、必要最小限の数のアクチュエ
ータにて駆動可能な車両を構成することができ、低コス
トな車両を提供することができる。また、車両の並進運
動と、回転運動を非干渉化できることから、制御系の負
担を軽減するばかりでなく、車両旋回用アクチュエータ
の小型化も可能である。

【００４１】次に、請求項９ないし１０の発明は、制御
方法のさらなる改良であって、請求項９の発明において
は、請求項８に記載の全方向移動車両の制御方法におい
て、車両本体に角度検出器を固定して設け、この角度検
出器の軸を操舵軸駆動用アクチュエータの動力伝達手段
により回転駆動されるように結合し、この角度検出器に
より車両本体に対する駆動輪の向きの相対角度を測定す
るための角度測定手段を設け、測定された相対角度を前
記（数６）におけるθ_wとして、（数６）に基づいて車
両の制御を行うこととする。

【００４２】また、請求項１０の発明は、請求項９に記
載の全方向移動車両の制御方法において、前記角度測定
手段は、操舵軸駆動用アクチュエータの軸の回転を検出
する第一の積算型エンコーダと、車両本体回転駆動用ア
クチュエータの軸の回転を検出する第二の積算型エンコ
ーダと、車両本体に対する駆動輪の向きを計測する比較
的低分解能である絶対角度検出型エンコーダと、正逆回
転を伴う積算型エンコーダからのパルス列に含まれるパ
ルス数を数え，２系列のパルス数の減算を行い，その結
果を出力する偏差カウンタとを備え、前記第一の積算型
エンコーダから出力されるパルス列を前記偏差カウンタ
の正の入力に接続することにより検出し、第二の積算型
エンコーダから出力されるパルス列を同偏差カウンタの
負の入力に接続することにより検出し、この偏差カウン
タの出力をもって、車両本体と駆動輪の向きの角度計測
値の下位とし、絶対角度検出型エンコーダの出力を同角
度計測値の上位とし、両方の計測値をあわせることによ
り、最終的な同角度計測値とすることとする。

【００４３】上記方法によれば、ふたつのアクチュエー
タにより駆動される一つの軸に関して、比較的、低分解
能である絶対角度検出型エンコーダを一つ設置し、二つ
のアクチュエータに取り付けられた積算型エンコーダに
より、これをハード的に補正することで、ソフト的な負
担を増大させることなく、安価なセンサにより、高精度
の角度検出を実現することができる。

【００４４】次に、請求項１１の発明は、請求項７に記
載の全方向移動車両において、前記駆動輪に働く車両走
行面からの外乱トルクの干渉を緩和するように、隣接す
る駆動ユニットにおける前記駆動輪と操舵軸との相対位
置関係を逆に配設するものとする。

【００４５】上記の構成によれば、床，段差からの外乱
トルクを動力伝達機構にて消去、または緩和し、アクチ
ュエータへの影響を軽減するので、アクチュエータの小
容量化が可能となる。

【００４６】また、請求項１２の発明によれば、請求項
８から１０のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方
法において、前記駆動セットにジャイロスコープなどの
鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、このセン
サの出力により駆動輪と床との間の滑りを検出し、この
滑り検出値により、前記車両本体に対する駆動輪の向き
の相対角度測定値を補正することとする。

【００４７】上記制御方法によれば、車両の姿勢誤差の
みを検出することが可能となり、車両の姿勢認識のアル
ゴリズムが極めて簡易なものとなる。さらに、低レン
ジ、高感度の回転計測計を搭載することができ、従来の
類似のシステムに比較して、高精度は測定、制御が可能
となる。

【００４８】さらに、請求項１３の発明によれば、請求
項６，８，９，１０，１２のいずれかに記載の全方向移
動車両の制御方法において、車両本体にジャイロスコー
プなどの鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、
このセンサからの回転角度の測定値を、車両の制御装置
において認識している車両本体の姿勢のデータに加算す
ることにより、車両本体の姿勢の認識誤差を補正するこ
ととする。上記により、車両制御アルゴリズムの基本パ
ラメータである車両姿勢値を瞬時に更新することができ
るので、制御系の負担を軽減できるばかりではなく、車
両の走行精度を向上させることができる。

【００４９】以上、前記一連の発明によれば、制御系、
駆動系の非干渉化、簡単化、およびアクチュエータの小
容量化、省電力駆動などを行うことにより、低コスト、
高信頼性、高精度走行能力を有する実用的なホロノミッ
ク全方向移動車両を提供することができる。

【００５０】

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下に述べる。

【００５１】（実施例１）図１および図２は、請求項
１，２の発明に関わる実施例の側面図および下側より見
た平面図である。車両本体１には、駆動輪操舵用の回転
板３を有する操舵軸１３が操舵軸回転用軸受２によって
鉛直軸周りの回転を自在に支持されている。回転板３に
は駆動輪支持部材４によって駆動輪５が操舵軸から駆動
輪５の転がり方向に距離ｓ、さらに、それと直交する方
向、つまり駆動輪５の回転軸と平行な方向にｄだけ離間
した位置に配置されている。操舵軸駆動用モータ１０、
及び駆動輪軸駆動用モータ２０は共に車両本体１に固定
されるように設置される。

【００５２】回転板３は操舵軸駆動用モータ１０によっ
て、モータ軸平歯車１１、操舵軸が有する平歯車１２を
介して回転駆動される。また、駆動輪５は駆動輪軸駆動
用モータ２０によって、モータ軸平歯車２１、平歯車２
２、平歯車２３、平歯車２４、ベベル歯車２５、ベベル
歯車２６を介して回転駆動される。

【００５３】次に動作について説明する。駆動輪軸駆動
用モータ２０を停止した状態にて、操舵軸駆動用モータ
１０を回転駆動すると、回転板３が回転する。このと
き、回転板３上に回転支持された平歯車２４は遊星歯車
の要領で平歯車２３を中心として回転運動をするので、
この平歯車２４は回転板３に対して回転することにより
駆動輪５が回転する。

【００５４】図３，図４に示すように、回転板３を紙面
上にて反時計方向に回転させたとき、駆動輪軸駆動用モ
ータ２０が回転していないにもかかわらず、駆動輪５は
紙面右方向に移動するように回転する。このとき、駆動
輪横方向のオフセット距離ｄを調節することで、操舵軸
駆動用モータ１０の回転によって生じる駆動輪５の姿勢
の変化に対する、速度干渉による駆動輪５の回転によっ
て生じる駆動輪５の床に対する移動量を、距離ｄを適切
な値とすることにより、駆動輪５が操舵軸からsの距離
の点、つまり点O'を中心とする半径ｄの円の円周上を転
がるようにすれば、操舵軸の中心点Oも点O'を中心とし
た半径sの円周上を運動する。

【００５５】これより、前記特開平9-164968号公報に記
載された発明の目的とする運動がこの車輪機構において
も達成され、かつ駆動輪軸駆動用モータ２０を回転させ
なくとも、駆動輪５の転がりの方向への速度ベクトルは
点Oに発生しないので、操舵軸駆動用モータ１０と駆動
輪軸駆動用モータ２０との速度干渉を除去することがで
きる。

【００５６】次に、請求項２の発明に関わり、駆動輪５
の転がりの方向、及びオフセット距離ｄの決定方法につ
いて説明する。駆動輪５の転がりの方向は、歯車の構成
と操舵軸に対して駆動輪５の配置される方向により決定
される。前述のように、図１、２に示す配置例では、回
転板３が紙面上にて反時計周りに旋回駆動されたとき、
駆動輪５も反時計方向に向きを変えながら紙面右方向に
回転、移動する（図４）。このときの重要な関係は、駆
動輪５の旋回方向と、その時の駆動輪５の床面に対して
移動する方向である。

【００５７】図４における例では、駆動輪５が反時計周
りに旋回するときには、駆動輪５は右方向に移動しなけ
ればならない。例えばこの回転の方向を逆にするには、
平歯車２３と平歯車２４の間にアイドラーとしての平歯
車を挿入すれば良い。

【００５８】また、距離ｄは、駆動輪の旋回中心を点O'
と一致させるように調整する。平歯車２３〜２６のそれ
ぞれの歯車の有効半径をr₂₃〜r₂₆とすると、この歯車２
３から車輪５までの減速比Ｇ（Ｇ＞１にて減速）は、

【００５９】

【数７】で与えられる。操舵軸駆動用アクチュエータ１０のみを
駆動させ、回転板３を回転させるときを考える。回転板
３が回転角θ_s回転したとき、平歯車２４は回転してい
ない平歯車２３の周りをθ_sだけ遊星歯車の要領で回転
する。このときの歯車２４は点O'周りにθ₂₃だけ回転し
たことになり、下記（数８）で与えられる。

【００６０】

【数８】このとき、駆動輪５はθ_w回転するとすると、

【００６１】

【数９】また、そのときの駆動輪５の走行距離aは、

【００６２】

【数１０】ただし、ｒは駆動輪５の半径である。式３、４を代入す
ると、

【００６３】

【数１１】となる。駆動輪５を点O'を中心とする半径ｄの円周上を
転がるようにするためには、図５に示すようなθ_sとθ_w
の関係を満たすことが必要である。半径ｄの円弧と駆動
輪５の走行距離が等しくなることより、

【００６４】

【数１２】が条件として得られる。（数１１）と（数１２）からθ
_sを消去し、dを求めると、下記（数１３）が導出され
る。

【００６５】

【数１３】以上に示した条件を満たすように距離ｄを調節すること
で、操舵軸駆動用モータ１０の駆動のみによる操舵軸の
回転運動により、駆動輪５は点O'を中心として半径ｄの
円上を旋回運動し、また操舵軸中心つまり点Oは、同様
に点O'を中心として半径ｓの円上を旋回運動する。これ
より、操舵軸駆動用モータ１０の駆動により、操舵軸
は、駆動輪の転がり方向と直交する方向の速度を操舵軸
上に発生することができる。また、駆動輪軸駆動用モー
タ２０のみの駆動によっては、駆動輪が回転するのみで
あり、操舵軸は駆動輪の転がりの方向に速度を発生す
る。よって、操舵軸駆動用モータ１０のみの駆動と、駆
動輪軸駆動用モータ２０のみの駆動によりそれぞれ直交
する速度を操舵軸上に発生させることができるので、そ
れぞれの駆動を独立に制御することにより、駆動輪の向
きにかかわらず、操舵軸をあらゆる方向に移動させるこ
とが可能となる。

【００６６】（実施例２）次に請求項３に関わる全方向
移動車両の実施例について、以下に説明する。図６、７
は、実施例２の側面図、下側平面図をそれぞれ示す。こ
の実施例は、平歯車２３、２４と、ベベル歯車２５、２
６の動力伝達経路上の配置を、前記実施例１とは逆にし
たものである。この構成により、平歯車を鉛直面内に配
置できるばかりでなく、歯車２２により駆動される軸
を、操舵軸中心から駆動輪５の中心付近の高さまで延長
でき、駆動輪５の上部の歯車などを配置する必要がなく
なることから、駆動輪５が上下動できる寸法の余裕がで
きる。

【００６７】この実施例においては、平歯車２４、駆動
輪５を支持する駆動輪支持用リンク部材７を、操舵軸１
３に固着される操舵軸接続部材６とは分離して設け、こ
れを平歯車２３、およびベベル歯車２６の回転軸まわり
に鉛直面内の回転を自在にして支持する。さらに、駆動
輪支持用リンク部材７の駆動輪５の配置されている側と
は反対側の部分と操舵軸１３との間に、引張りばね８を
渡し、駆動輪５が床面を押す方向に力を発生させるよう
にする。

【００６８】また、押す形式のばねを使用する際には、
駆動輪支持用リンク部材７の駆動輪５が配置されている
側の部分と、操舵軸１３との間に押しばね９を挿入する
ことにより、駆動輪５の床面方向への力を発生させる。
また、上記引張りばね８、押しばね９とダンパを併設す
ることも可能であり、ばね定数、粘性係数を調節するこ
とにより、上記構成によるサスペンション機構の振動吸
収能力や、床面への接地能力などを変化させることがで
きる。

【００６９】（実施例３）次に請求項４に関わる実施例
の全方向移動車両について説明する。実施例２の全方向
移動車両における車輪機構においては、各車輪機構は独
立なサスペンションを搭載し、床面の凹凸に対応して、
その駆動輪の上下動を行う。このとき、各サスペンショ
ン機構に備えられるばねは、その駆動輪にかかる垂直抗
力を支え、また、これに比例した変位を伴っている。こ
れより、サスペンション機構のばねの変位を測定するこ
とで、その駆動輪に作用している垂直抗力を測定するこ
とができる。

【００７０】これは、ばねに図６には図示しない直線的
な変位を測定するポテンシオメータなどの簡単なセンサ
を併設することにより実現できる。車両に搭載される複
数の車輪に備えられる複数のセンサから力情報の総和か
ら、車両搭載物を含めた総重量を、また、力分布から重
心の位置を推定することが可能となる。

【００７１】（実施例４）次に請求項５の発明に関わる
実施例の全方向移動車両について説明する。実施例３に
おいては、ばねの横にその変位を計測するセンサを取り
付けることにより、駆動輪５に作用する垂直抗力を測定
したが、センサは駆動輪５と共に回転する部位に取り付
けなければならず、配線の問題がある。そこで、図８に
示すように、操舵軸中心を貫通する可動子６２を設置
し、この変位を計測することで、ばねの変位を測定す
る。

【００７２】可動子６２は、ばね６１により常に下方向
に押付けられるように与力を受けている。また、その変
位は車両本体１に固定された直線型ポテンシオメータな
どの直線変位計測計６０により検出される．可動子６２
の先端は、サスペンション機構の回転によって上下動の
動きが得られるように、図９（ａ）から（ｃ）に示すよ
うな摺動部材６３に接触している。図９（ａ）から
（ｃ）に示す例では、駆動輪５が車両本体方向に上昇し
た場合には、可動子６２が上昇し、また、駆動輪５が下
降した場合には、可動子６２が下降する。

【００７３】（実施例５）次に請求項６の発明に関わる
全方向移動車両の制御方法の実施例について説明する。
図１０（ａ），（ｂ）は、この実施例に関わる模式図で
ある。車両には、少なくとも請求項２の発明に関わる駆
動ユニットが２ユニット搭載される。図１０は、４ユニ
ット搭載の実施例を示す。

【００７４】車両の制御基準点にその原点が仮想的に設
置された車両座標系における、第i番めの駆動ユニット
の操舵軸中心の位置をx_i、y_iとして定義する。このと
き、車両がｘ軸方向にv_vx、ｙ軸方向にv_vyの速度で、旋
回運動を伴わない並進運動を行うとき、これを実現する
ために各駆動ユニットに要求される各軸方向の速度は、
それらの位置x_i、y_iとは無関係で、下記（数１４）のよ
うに車両速度と同じ速度がそれぞれ要求される。

【００７５】

【数１４】次に、図１０（ｂ）に示すように、車両が基準点Ｏ周り
に角速度ω_vにて定置旋回（並進運動を伴わない旋回運
動）を行うとき、これを実現するために各駆動ユニット
に要求されるｘ、ｙ軸方向の速度は、下記（数１５）で
与えられる。

【００７６】

【数１５】ただし、図１０（ｂ）に示すようにL_iは、車両基準点か
ら第i番の駆動ユニットの操舵軸中心までの距離であ
り、またθ_iは車両基準座標原点から第i番の駆動ユニッ
トの操舵軸中心に引いた直線の角度である。ここで、そ
の幾何学的な条件から、下記（数１６）の関係があるこ
とが、図１０（ｂ）から求められる。

【００７７】

【数１６】（これを代入すると、L_i、θ_iは消去され、下記（数１
７）を得る。

【００７８】

【数１７】一方、車両が上述の並進運動と、旋回運動を同時に行う
場合には、（数１４）および（数１５）で示される速度
の和の速度が各駆動ユニットに要求されることになるの
で、（数１４）および（数１５）の右辺どうしを加算す
ることにより、車両の任意の回転を伴った任意の並進動
作を実現するための各駆動ユニットに要求されるｘ、ｙ
軸方向の速度v_ix、v_iyが、下記（数１８）のように求め
られる。

【００７９】

【数１８】これらから、各駆動ユニットにおける駆動輪５の進行方
向の速度v_wix、および横方向の速度v_wiyは、車両座標系
にて記述された（数１８）の速度を、駆動輪５の角度だ
け回転変換を行うことにより、下記（数１９）のように
求められる。

【００８０】

【数１９】ただし、（i = 1,2,......）ここで、θ_wiは、図１０（ａ）に示すように、車両基準
座標系に対する各駆動輪５の姿勢である。

【００８１】これらから、最終的に操舵軸駆動用、駆動
輪軸駆動用の各モータに与える角速度指令値は、下記
（数２０）のように求められる。この（数２０）は（数
２）と同一である。

【００８２】

【数２０】以上のように、各駆動ユニットは、その操舵軸の中心の
座標、および姿勢の情報を使用するのみで、他の駆動ユ
ニットの状態を考慮することなく、他の車輪の情報を用
いなくとも、独立して１輪の運動を決定することができ
ることがわかる。これは、各駆動ユニットの制御部分が
車両全体の運動を管理する制御部分と一方向の情報のや
りとりをするのみで達成されるので、装置としての拡張
性、信頼性を向上させることができる。なお、以上の車
両の動作を行うためには少なくとも２つの駆動ユニット
が必要であり、２つ以上であれば、その配置、ユニット
の数には制限がなく、柔軟に車両の設計を行うことがで
きる。

【００８３】（実施例６）次に、請求項７、８および９
の全方向移動車両とその制御方法に関わる実施例につい
て説明する。図１１に実施例の上面図を、図１２に側面
図を示す。駆動セット５５０には、請求項２における駆
動ユニットのモータ１０、２０を除いた車輪機構として
の駆動ユニット５５が複数ユニット（図１１では４ユニ
ット）設けられ、全ての車輪機構の操舵を行う操舵動力
用プーリ１９は、駆動セット５５０に設けられ、全ての
駆動輪が同一の方向を向くようにして、ベルト１８をも
って動力的に結合される。また、駆動輪５を駆動する各
駆動輪動力用プーリ２９も同様にして、ベルト２８をも
って動力的に結合される。

【００８４】操舵動力用プーリ１９を結合するベルト１
８は、単一の操舵軸駆動用モータ１０によって駆動さ
れ、その結果全ての駆動輪５の操舵が同時に行われ、全
駆動輪５は常に同方向に向く。また、駆動輪動力用プー
リ２９を結合するベルト２８は、別の単一の駆動輪軸駆
動用モータ２０によって駆動され、その結果、全駆動輪
５は常に同じ角速度にて回転、床面を移動する。これら
の車輪機構において支持、駆動される駆動セット５５０
は、上記２つのモータの同期制御によって、あらゆる方
向の並進運動を行うことができる。以下にその同期制御
の方法を説明する。

【００８５】まず、駆動輪軸駆動用モータ２０を駆動す
ると、平行に保たれた駆動輪５は全て同速度にて回転す
るので、各駆動ユニットの操舵軸中心には、駆動輪５の
転動方向に同じ速度が発生する。一方、操舵軸駆動用モ
ータ１０を駆動すると、全駆動輪５は、同時に向きを変
えるように動作し、その結果各操舵軸中心に駆動輪５の
横方向の速度を発生する。これら駆動輪軸駆動用モータ
２０によって発生する速度ベクトルと、操舵軸駆動用モ
ータ１０によって発生する速度ベクトルは常に互いに直
交し、かつそれぞれのモータの速度制御により独立に決
定できる。

【００８６】駆動セット５５０はこれら各操舵軸中心に
おける速度ベクトルの合成速度ベクトルにより並進運動
を行う。よって、要求される方向のベクトル（つまり車
両の動作指令の速度ベクトル）を駆動輪５の床面に対す
る姿勢に応じて、瞬間瞬間における駆動輪５の方向と、
それに直交する方向に分解し、それぞれを各モータ２
０、１０への速度指令値として連続的、あるいは極めて
短時間の繰り返し操作にて制御することで、動作指令に
対応した合成速度ベクトルを発生させ、床面に対して任
意な方向への全方向移動動作を実現することができる。
車両本体１の動作指令の並進速度ベクトルから、車輪軸
駆動用モータ２０、操舵軸駆動用モータ１０への速度分
解の式を下記（数２１）に示す。

【００８７】

【数２１】以上のアルゴリズムにより、駆動セット５５０は車輪本
体１と共に、３６０度任意の方向への並進運動を行うこ
とができる。しかし、ここで注意することは、駆動セッ
ト５５０の姿勢は常に一定であり、駆動輪５と床面との
間の滑りが起こらない限り駆動ユニット５５の姿勢は初
期状態から変化することはないということである。この
ため、駆動セット５５０上に旋回ステージ５３を設置
し、この旋回ステージ５３を回転駆動することで車両本
体１の回転動作を実現する。この旋回ステージ５３の回
転は第三の旋回用モータ５０により駆動され、この旋回
ステージ５３に固着される車両本体１の旋回速度、およ
び姿勢が制御される。

【００８８】ここで、前述のように、駆動セット５５０
はいかなる並進方向の動作によっても鉛直軸まわりに旋
回運動しないことから、旋回用モータ５０の速度制御に
おいては、車両の並進運動を考慮する必要はなく、車両
本体１の旋回運動が要求されるときにのみ、回転動作
し、これを制御すれば良い。このことより、車両全体と
して並進運動と旋回運動が非干渉化された制御が可能と
なる。以上により、並進の制御式と組み合わせること
で、車両全体の制御式は下記（数２２）のように求めら
れる。（数２２）は、（数３）と同一である。

【００８９】

【数２２】（実施例７）次に、請求項９の全方向移動車両の制御方
法に関わる実施例について、さらに説明する。図１２は
実施例７に関わる側面図を示す。

【００９０】駆動セット５５０には、駆動輪５を備える
複数の駆動ユニットと、３つのモータ１０、２０、５
０、およびこれらを結合する動力伝達機構であるベルト
１８、１９、および旋回ステージ５３を搭載する。車両
本体１は、旋回用モータ５０によって回転駆動される歯
車５８、旋回ステージ５３を介して、車両中心を通る鉛
直軸周りに旋回する。絶対角度検出型エンコーダ７０
は、その回転中心を車両本体１の回転中心と同一になる
ようにして車両本体１に直接固定される。また、その測
定軸７１は、操舵駆動用モータ１０によって駆動される
ベルト１８によって、プーリ１９を介して回転される。
これより、絶対角度検出型エンコーダ７０は、駆動セッ
ト５５０の状態にはよらず、車両本体１に対する駆動輪
５の向きを計測することが可能となる。

【００９１】（実施例８）次に、請求項１０の全方向移
動車両の制御方法に関わる実施例について、図１３によ
り説明する。請求項９の全方向移動車両の制御方法の実
現に際しては、車両本体１に対する駆動輪５の相対角度
を計測するために、絶対角度検出型エンコーダ、また
は、ポテンシオメータを用いることが一般的である。近
年では、コンピュータとの入出力が容易であること、ノ
イズに強いシステムを構築できること、などの理由か
ら、デジタル出力のエンコーダの方が多く用いられる傾
向にある。この発明の車両制御システムにおいては、こ
の角度検出値に基づいて、車両の速度分解の計算が行わ
れることから、高精度の角度検出が要求される。

【００９２】しかし、絶対角度検出型エンコーダのう
ち、機械的に高分解能のスリットを用いているものは非
常に高価であり、また、電池、あるいは微少電力による
バックアップにて高分解能を実現するものは、保守の点
から好ましくない。そこで、比較的低分解能の絶対角度
検出型エンコーダと、モータのシャフトに備えられた積
算型エンコーダを用いて、高分解能の絶対角度検出を行
う．これまでも、低分解能の絶対角度検出型エンコーダ
と、積算型エンコーダを併用した高分解能角度検出は存
在し、積算型エンコーダの積算カウンタの値を、絶対角
度検出型エンコーダの最小分解能以下の測定値とみな
し、高分解能を実現していた。

【００９３】例えば、８ビットの絶対角度検出型エンコ
ーダと、４ビットの積算カウンタを用いたとすると、８
ビットを上位、４ビットを下位とみなすことで、結果的
に１２ビットの分解能を実現することが可能である．し
かし、これは、ひとつのアクチュエータによって駆動さ
れる軸の角度計測についてのみに適用が可能なものであ
る。

【００９４】本システムにおいては、車両本体１と駆動
輪５の相対角度を測定することが目的であるが、この角
度は、操舵軸駆動用モータ１０、旋回用モータ５０のい
ずれか、あるいは両方を回転駆動することで変化する。
請求項１０の発明の制御方法を実現するには、図１３に
示す構成が採用される。本構成においては、旋回用モー
タ５０により絶対角度検出型エンコーダ７０本体を回転
させ、操舵軸駆動用モータ１０によりその測定軸７１を
回転させていることに相当する。つまり、二つのモータ
によって一つの軸が駆動される。

【００９５】このことから、上記の従来の方法を適用す
ることはできない。二つのモータ１０、５０に取り付け
られた積算型エンコーダ８１、８２は偏差カウンタ１０
０の正、負の２つの入力に信号が接続される．また、絶
対角度検出型エンコーダ７０の最下位ビットは偏差カウ
ンタ１００のリセットを行うように接続される。演算部
（ＣＰＵ）１０４の保持信号により、各４ビットずつ割
り当てられた４ビット信号保持装置１０１〜１０３によ
り、その瞬間の各ビットの状態を保持することで、絶対
角度検出型エンコーダ７０、および偏差カウンタ１００
により計測された値を同期して取り込むことができる。

【００９６】次にこの動作について説明する。図１４
（ａ）に示すように、操舵軸駆動用モータ１０が駆動輪
５を反時計方向に操舵するとき、あるいは同図（ｂ）に
示すように旋回用モータ５０が車両外郭部９０を負方向
に回転するとき、さらにこの両方が同時に起こる場合に
おいて、車両外郭部９０と、駆動輪５の相対角度は増加
するように変化する。よって、操舵軸駆動用モータ１０
のエンコーダ８１は偏差カウンタ１００の正の入力に、
旋回用モータ５０のエンコーダ８２は偏差カウンタ１０
０の負の入力に接続する。

【００９７】これにより、駆動輪５が反時計方向にわず
かに操舵されたときには、偏差カウンタ１００の出力は
正の入力と等しくなり、これが車両本体１と駆動輪５の
相対角度となる。また、車両本体１が時計方向にわずか
に回転されたときには、偏差カウンタ１００の出力は車
両本体１の駆動角度の逆符号の角度を示し、つまりこの
場合正の値が出力され、このときにも出力は、車両本体
１と駆動輪５の相対角度に等しくなる。また、例えば図
１５に示すように、駆動輪５が反時計方向にある角度わ
ずかに回転し、車両本体１も同方向にそれと同じ角度回
転されたとすると、偏差カウンタ内部にて、正の入力と
負の入力の加減算を行う結果、その出力は零となり、実
際の車両本体１と駆動輪５の相対角度、つまり零、と一
致することとなる。

【００９８】また、絶対角度検出型エンコーダ７０の最
下位ビットが変化するほど大きく相対角度が変化した場
合には、このビットの変化により、偏差カウンタはリセ
ットされるので、最下位ビットが変化した瞬間からの角
度変化を再び記憶することとなる。つまり、偏差カウン
タ１００は絶対角度エンコーダ７０の最下位ビットの分
解能以下の角度を、ふたつの積算型エンコーダ８１、８
２からのパルスを用いて常に計測することができる。図
１３において、ＣＰＵ１０４は、絶対角度検出型エンコ
ーダ７０からの上位８ビットと、偏差カウンタ１００か
らの下位４ビットを情報保持装置１０１から１０４を用
いて同時に保持し、これを取り込むことで、ある瞬間に
おける高分解能な角度を検出することができる。

【００９９】（実施例９）次に、請求項１１の全方向移
動車両に関わる実施例について、図１６により説明す
る。請求項７、８の発明に関わる実施例（図１１、図１
２）においては、駆動輪軸駆動用モータ２０と、操舵軸
駆動用モータ１０の動作を速度的に非干渉化したことよ
り、複数の駆動輪を搭載した車両において、横方向への
偏りの形態の異なる駆動ユニット（右方向の横にオフセ
ットしているか、左方向の横にオフセットしているか）
が混在していても、これらを共通のモータにより駆動す
ることが可能である。

【０１００】よって、車両上の駆動輪の位置やその他の
要因によって適した駆動ユニットの形態を選択すること
ができる。ここでは、駆動輪軸駆動用モータ２０と操舵
軸駆動用モータ１０との間のトルク干渉を除去、あるい
は緩和するために、異なる形態の駆動ユニットを混在し
て配置する方法について説明する。

【０１０１】図１６には、この実施例の平面図を示す。
例えば、車両全体が紙面上方に移動し、駆動輪５が段差
を乗上げようと、段差２５０の縁に駆動輪５の一部が接
触した状態を考える。このとき、駆動輪５が段差２５０
の縁に接触する瞬間に、車両からの慣性力を受ける結
果、操舵軸まわりには大きなトルクが作用する。このと
き、左前方の駆動ユニットにおいては操舵軸を反時計周
り方向に回転させようとするトルクが作用し、また、右
前方の駆動ユニットにおいては時計周り方向のトルクが
操舵軸に作用する。

【０１０２】しかし、これらの操舵軸駆動用プーリ１９
はベルト１８にて結合されているので、上述の操舵軸に
かかるトルクはベルト１８を互いに引き合うように作用
し、駆動セット５５０に作用する内力として消去され、
操舵軸駆動用モータ１０まで伝達しない。そのため、駆
動輪５が２輪同時に段差に衝突する際には、段差に衝突
した影響による外乱トルクはほとんど除去される。

【０１０３】車両が全方向へ移動する場合には、いずれ
の方向へ向かう際にも進行方向前方の駆動輪はその形態
が左右異なることが望ましい。これを実現するために
は、図１６に示すように、隣接する駆動ユニットにおけ
る前記駆動輪と操舵軸との相対位置関係を逆に配設す
る。つまり、一方の対角に位置するふたつの車輪が同様
の形態の駆動ユニットとなり、また、他の対角に位置す
るふたつの駆動ユニットはこれと逆の形態をとる。

【０１０４】（実施例１０）次に、請求項１２の全方向
移動車両の制御方法に関わる実施例について、図１７に
より説明する。請求項７〜１１のいずれかの全方向移動
車両または制御方法においては、車両が理想的な動作を
行っている際（つまり完全な平面上において駆動輪５と
床との間の滑りが生じない状態）には駆動セット５５０
は回転運動を行わないということがひとつの特徴であ
る。図１７に駆動輪５の横方向へ移動する場合の動作例
を示す。これから、車両本体１が鉛直軸まわりに回転運
動をした場合には、駆動輪に滑りが生じた、即ち理想的
な走行状態ではない状況であると判断することができ
る。

【０１０５】これより、駆動セット５５０にジャイロス
コープなどの回転計測器８４を設置し、その鉛直軸周り
の回転を計測することで平坦地における駆動輪５と床の
間の滑りを検出することができる。またこの場合、駆動
セット５５０の回転はそれほど早くなく、上記のような
状況の場合のみ起こることから、従来の車両に搭載され
る回転計測器よりも測定レンジの狭い、高分解能、高感
度なセンサを使用できるので、角度検出精度が向上し、
走行精度も向上させることができる。

【０１０６】（実施例１１）次に、請求項１３の全方向
移動車両の制御方法に関わる実施例について、図１８に
より説明する。車両の姿勢誤差は、走行距離が長くなる
につれ位置誤差が増大することから、走行精度の影響が
非常に大きく、これを高精度に制御することは重要な問
題である。

【０１０７】請求項７ないし１２のいずれかの全方向移
動車両またはその制御方法においては、車両の運動状態
（旋回運動や並進運動を行っているか）にかかわらず、
駆動セット５５０に搭載された回転計測器８４は、駆動
セット５５０の旋回のみを検出する。前述の検討から、
駆動セット５５０は、駆動輪と床との間の滑りがあった
ときのみにその姿勢を変化させることから、回転計測器
８４から出力があった場合には駆動輪に滑りが生じ、そ
の滑りの大きさが駆動セット５５０の回転速度に比例す
るものとして捕らえることができる。

【０１０８】図１８において、記号右肩の＊印は、その
変数の目標値であることを示す。車両の操舵軸駆動用モ
ータ１０、駆動輪軸駆動用モータ２０にそれぞれ取り付
けられたエンコーダ８３、８１から送られるモータの角
度の情報に基づき、車両の運動学モデルであるJ(θ_w)を
計算することにより車両の実際位置x_v、y_v、および実際
速度v_vx、v_vyの予想値を得る。この実際位置の予想値
は、図示しない上位制御装置、または、図示しない操作
装置から車両に指令される並進方向の位置目標値x_v*、y
_v*と比較され位置誤差が検出される。

【０１０９】さらにその位置誤差は速度目標値v_vx*、v
_vy*として見なされ、実際速度v_vx、v _vyと比較される．
これらフィードバック制御の計算により最終的に得られ
る速度誤差に基づいて車両の逆運動学モデルであるJ
^-1(θ_w)を計算することにより操舵軸駆動用モータ１
０、駆動輪軸駆動用モータ２０の目標回転角速度ω
_ms*、ω_mw*を決定する．このモータの目標回転角速度に
従って操舵軸駆動用モータ１０、駆動輪軸駆動用モータ
２０が制御される。

【０１１０】また、車両の姿勢は、車両旋回用モータ５
０によってのみ制御される。車両の姿勢の実際値の予想
値は、駆動セット５５０の姿勢の初期値（図はこれを零
に設定した場合である）に車両旋回用モータ５０の回転
角度を加算することにより得ることができる。この実際
姿勢の予想値は、車両の並進方向の位置と同様、図示し
ない上位制御装置、または図示しない操作装置から指令
される姿勢目標値θ_v*と比較され、姿勢誤差が検出され
る。さらにその姿勢誤差は車両旋回用モータ５０に搭載
されるエンコーダ８２によって計測される実際角速度ω
_vと比較され、その結果に基づき、車両の旋回の逆運動
学モデルJ_r ^-1を計算することにより車両旋回用モータ５
０の目標回転角速度ω_mr*が決定される．このモータの
目標回転角速度に従って車両旋回用モータ２０が制御さ
れる。

【０１１１】以上のように、操舵軸駆動用モータ１０と
駆動輪軸駆動用モータ２０は車両の並進方向の動作を制
御するために組みとなって制御、駆動され、また、車両
旋回用モータ５０は車両本体の姿勢を制御するために単
独にて制御、駆動される。ここで、並進運動の計算に使
用される運動学モデルJ(θ_w)、および逆運動学モデルJ
^-1(θ_w)は、車両本体に対する駆動輪の方向θ_wの関数と
なっており、この駆動輪の方向θ_wが不正確であった場
合には、床面に対する目標軌道の方向と、車両の実際の
走行方向に角度誤差が発生することから、この車両本体
に対する駆動輪の方向θ_wを正確に把握する必要があ
る。

【０１１２】ここで、この駆動輪の方向θ_wは、車両本
体の姿勢θ_vから駆動セット５５０に対する駆動輪の角
度θ_sを減じることによって得ることができる。このう
ち、駆動セット５５０に対する駆動輪の角度θ_sの変化
は操舵軸駆動用モータ１０に搭載されたエンコーダ８３
により正確に知ることができる。これに対して、車両本
体の姿勢θ_vは、駆動セット５５０の初期姿勢に車両旋
回用モータの回転θ_sを加算することで算出されるの
で、駆動セット５５０の実際の姿勢が初期姿勢に対して
ずれてしまった場合には、実際の値とは異なることにな
る。

【０１１３】一方、駆動セット５５０が、初期姿勢から
ずれる場合に、この姿勢のずれのみを回転計測器８４を
用いて計測可能であることから、その出力Δθ_vを姿勢
の予想値に単純に加えあわせることで、駆動セット５５
０の初期姿勢からの誤差姿勢、つまり駆動セット５５０
の床に対する姿勢Δθ_vを得ることができ、これから車
両本体の姿勢θ_v、車両本体に対する駆動輪の角度θ_wす
べてを補正することが可能となる。このように正確に補
正された車両本体に対する駆動輪の角度θ_wを使用し
て、並進運動の計算に使用される運動学モデルJ(θ_w)、
および逆運動学モデルJ^-1(θ_w)を随時最新のものに更新
（図１８において点線にて表記）することによって、旋
回運動のみならず、並進運動も床面に対して正確に制
御、あるいは実際位置を予想することが可能となる。

【０１１４】以上の説明のように、従来のシステムのよ
うな駆動輪の回転、操舵角などの様々な計測値から車両
の誤差を算出するといった計算処理が不要となり、極め
て短時間、かつ容易に誤差の補正処理を完了することが
できる。

【０１１５】

【発明の効果】以上詳述したように、上記一連の発明に
よれば、車両を駆動するそれぞれのアクチュエータ間の
速度干渉を除去することにより、制御系を簡素化し、さ
らには駆動輪軸駆動用モータ及び車両旋回駆動用モータ
の小容量化を図ることができる。さらに、操舵軸にかか
る外乱トルクを操舵軸駆動用アクチュエータにまで伝え
ることなく、操舵軸用のアクチュエータの更なる小容量
化を図ることができる。

【０１１６】総じて、制御系、駆動系の非干渉化、簡単
化、およびアクチュエータの小容量化、省電力駆動など
を行うことにより、低コスト、高信頼性、高精度走行能
力を有する実用的なホロノミック全方向移動車両を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２の発明に関わる実施例の側面図

【図２】請求項１，２の発明に関わる実施例の平面図

【図３】請求項１，２の発明の動作原理を概念的に説明
するための図

【図４】請求項１，２の発明の動作原理を概念的に説明
するための図

【図５】請求項２の発明の計算式を説明するための図

【図６】請求項３，４の発明に関わる実施例の側面図

【図７】請求項３，４の発明に関わる実施例の平面図

【図８】請求項５の発明に関わる実施例の側面図

【図９】請求項５の発明に関わる実施例の動作説明図

【図１０】請求項６の発明に関わる実施例の速度ベクト
ル図

【図１１】請求項７，８，９の発明に関わる実施例の平
面図

【図１２】請求項７，８，９の発明に関わる実施例の側
面図

【図１３】請求項１０の発明に関わる制御方法を説明す
るためのシステム構成図

【図１４】請求項１０の発明に関わる実施例の動作説明
図

【図１５】請求項１０の発明に関わる実施例の動作説明
図

【図１６】請求項１１の発明に関わる実施例の平面図

【図１７】請求項１２の発明に関わる実施例の動作説明
図

【図１８】請求項１３の発明に関わる制御方法を説明す
るためのシステム構成図

【図１９】従来のキャスタ型駆動輪機構の一例の側面図

【図２０】従来のキャスタ型駆動輪機構の一例の平面図

【図２１】従来のキャスタ型駆動輪機構における速度ベ
クトル図

【図２２】従来のキャスタ型駆動輪機構の動作説明図

【図２３】従来の双輪キャスタ型駆動輪機構を用いた車
両の模式図

【図２４】従来の双輪キャスタ型駆動輪機構を用いた車
両の動作例を示す図

【符号の説明】

１：車両本体、２：操舵軸回転用軸受、３：回転板、
４：駆動輪支持部材、５：駆動輪、６：操舵軸接続部
材、７：駆動輪支持用リンク部材、８：引張りばね、
９：押しばね、１０：操舵軸駆動用モータ、１１，２
１，５１：モータ軸平歯車、１２，２２，２３，２４：
平歯車、１８，２８：ベルト、１９：操舵動力用プー
リ、２０：駆動輪軸駆動用モータ、２５，２６：ベベル
歯車、２９：駆動輪動力用プーリ、５０：旋回用モー
タ、５２：歯車、５３：旋回ステージ、５５：駆動ユニ
ット、７０：絶対角度検出型エンコーダ、８１，８２，
８３：積算型エンコーダ、８４：回転計測器、１００：
偏差カウンタ、１０１，１０２，１０３：４ビット信号
保持装置、１０４：ＣＰＵ、５５０：駆動セット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ６２Ｄ 113:00 Ｂ６２Ｄ 113:00 Ｆターム(参考） 3D032 CC48 CC49 CC50 DA04 DA06 DA32 DA33 DA50 DB11 DC02 DD02 DD17 EA09 EB04 EC22 FF03 FF05 GG08 3D033 CA02 CA04 CA18 CA20 3D034 BB09 BC01 BC02 BD01 BD06 5H301 AA01 AA10 BB05 BB10 CC03 CC06 CC08 GG06 GG12 GG17 HH03 JJ05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車両本体と、車両本体に取り付けられ，
操舵軸と同操舵軸駆動用アクチュエータと，駆動輪と同
駆動輪軸駆動用アクチュエータとを有する駆動ユニット
と、前記車両本体に設けられ，前記操舵軸を軸支するた
めの操舵軸回転用軸受とを備えた全方向移動車両におい
て、前記操舵軸は、車両本体に取り付けられた操舵軸駆
動用アクチュエータによって第一の動力伝達手段を介し
て駆動され、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介し
て軸支するための駆動輪支持部材を設けてなり、前記駆
動輪は、車両本体に取り付けられた駆動輪軸駆動用アク
チュエータによって第二の動力伝達手段を介して回転駆
動され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と
共に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようにな
し、さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直
交する平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であ
って，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）
だけ離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに
交差しないように水平軸周りに回動自在にしてなること
を特徴とする全方向移動車両。
【請求項２】請求項１に記載の全方向移動車両におい
て、前記第二の動力伝達手段は、前記駆動輪軸駆動用ア
クチュエータによって前記操舵軸とは独立的に鉛直軸周
りに動き得る動力伝達部Ａと、この動力伝達部Ａに連結
し，操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂと
を有してなるものとし、この動力伝達部Ｂの減速比をＧ
（但し、Ｇ＞１にて減速）とし、前記駆動輪の半径をｒ
としたとき、前記所定の距離（ｄ）は、次式（数１）の
関係を満たすことを特徴とする全方向移動車両。【数１】
【請求項３】請求項２に記載の全方向移動車両におい
て、前記駆動輪支持部材は、操舵軸に接続固定された操
舵軸接続部材と、この操舵軸接続部材に軸支された歯車
の回転軸と同一回転軸に軸支されて鉛直面内に回転でき
るように軸支され，かつ前記駆動輪を軸支する駆動輪支
持用リンク部材とを備え、さらに、前記操舵軸と共に鉛
直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂを、前記歯車に連結
し，操舵軸と共に水平軸周りに動き得る駆動輪用歯車か
らなる動力伝達部ｂに代えてなり、かつ、前記操舵軸と
駆動輪支持用リンク部材との間に、駆動輪の床面走行中
における振動を吸収するための振動吸収手段を設けたこ
とを特徴とする全方向移動車両。
【請求項４】請求項３に記載の全方向移動車両におい
て、前記振動吸収手段は、ばねを備えるものとし、この
ばねと並列に直線駆動型のポテンシオメータなどの直線
位置検出器を設け、ばねの変位を測定することにより駆
動輪に作用する垂直抗力を測定し、これにより、搭載物
を含めた車両全体の重量または重心位置等を測定可能な
車両重量等測定手段を備えたことを特徴とする全方向移
動車両。
【請求項５】請求項３に記載の全方向移動車両におい
て、前記操舵軸と共に回転する振動吸収手段の変位に応
じて上下動を行う可動子を操舵軸の中心を貫通して設
け、かつ操舵の動作により回転を行わない部位に配設置
したポテンシオメーターなどの直線位置検出器を設け、
この直線位置検出器にて前記可動子の変位を計測するこ
とにより前記振動吸収手段の変位を測定し、これによ
り、搭載物を含めた車両全体の重量または重心位置等を
測定可能な車両重量等測定手段を備えたことを特徴とす
る全方向移動車両。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の全
方向移動車両の制御方法であって、車両本体は、前記駆
動ユニットを２つ以上備え、車両基準点に仮想的に設置
された車両基準座標系に対するそれぞれの駆動ユニット
の操舵軸の位置（座標）、姿勢情報を用いて、次式（数
２）に従って、各駆動ユニットにおける操舵軸駆動用ア
クチュエータおよび駆動輪軸駆動用アクチュエータの回
転角速度を制御することを特徴とする全方向移動車両の
制御方法。【数２】
【請求項７】車両本体と、車両本体に取り付けられ，
操舵軸と駆動輪とを有する複数個の駆動ユニットと，こ
の複数個の駆動ユニットにおける操舵軸と駆動輪とを駆
動するための駆動手段を備えた駆動セットと、この駆動
セットに設けられ，前記車両本体の鉛直軸まわりの回転
を自在にして支持するための車両本体回転用軸受と車両
本体回転駆動用アクチュエータと同動力伝達手段とを備
えた全方向移動車両であって、前記複数個の各操舵軸
は、前記駆動セットに取り付けられた操舵軸駆動用アク
チュエータによって，ベルトやチェーンなどの動力伝達
手段を介して一括駆動され、かつその下方に前記駆動輪
を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を設け
てなり、前記複数個の各駆動輪は、前記駆動セットに取
り付けられた駆動輪軸駆動用アクチュエータによって，
ベルトやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動
され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と共
に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようになし、
さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直交す
る平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であっ
て，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）だ
け離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに交
差せぬように水平軸周りに回動自在にしてなることを特
徴とする全方向移動車両。
【請求項８】請求項７に記載の全方向移動車両の制御
方法であって、駆動輪軸駆動用アクチュエータと操舵軸
駆動用アクチュエータおよび車両本体回転駆動用アクチ
ュエータの回転角速度を、次式（数３）に基づいて制御
することにより、駆動ユニット及び車両本体の並進方向
の速度とその方向を制御し、かつ、車両本体の方向を制
御することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。【数３】
【請求項９】請求項８に記載の全方向移動車両の制御
方法において、車両本体に角度検出器を固定して設け、
この角度検出器の軸を操舵軸駆動用アクチュエータの動
力伝達手段により回転駆動されるように結合し、この角
度検出器により車両本体に対する駆動輪の向きの相対角
度を測定するための角度測定手段を設け、測定された相
対角度を前記（数３）におけるθ_wとして、（数３）に
基づいて車両の制御を行うことを特徴とする全方向移動
車両の制御方法。
【請求項１０】請求項９に記載の全方向移動車両の制
御方法において、前記角度測定手段は、操舵軸駆動用ア
クチュエータの軸の回転を検出する第一の積算型エンコ
ーダと、車両本体回転駆動用アクチュエータの軸の回転
を検出する第二の積算型エンコーダと、車両本体に対す
る駆動輪の向きを計測する比較的低分解能である絶対角
度検出型エンコーダと、正逆回転を伴う積算型エンコー
ダからのパルス列に含まれるパルス数を数え，２系列の
パルス数の減算を行い，その結果を出力する偏差カウン
タとを備え、前記第一の積算型エンコーダから出力され
るパルス列を前記偏差カウンタの正の入力に接続するこ
とにより検出し、第二の積算型エンコーダから出力され
るパルス列を同偏差カウンタの負の入力に接続すること
により検出し、この偏差カウンタの出力をもって、車両
本体と駆動輪の向きの角度計測値の下位とし、絶対角度
検出型エンコーダの出力を同角度計測値の上位とし、両
方の計測値をあわせることにより、最終的な同角度計測
値とすることを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
【請求項１１】請求項７に記載の全方向移動車両にお
いて、前記駆動輪に働く車両走行面からの外乱トルクの
干渉を緩和するように、隣接する駆動ユニットにおける
前記駆動輪と操舵軸との相対位置関係を逆に配設するこ
とを特徴とする全方向移動車両。
【請求項１２】請求項８から１０のいずれかに記載の
全方向移動車両の制御方法において、前記駆動セットに
ジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出するセ
ンサを設置し、このセンサの出力により駆動輪と床との
間の滑りを検出し、この滑り検出値により、前記車両本
体に対する駆動輪の向きの相対角度測定値を補正するこ
とを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
【請求項１３】請求項６，８，９，１０，１２のいず
れかに記載の全方向移動車両の制御方法において、車両
本体にジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出
するセンサを設置し、このセンサからの回転角度の測定
値を、車両の制御装置において認識している車両本体の
姿勢のデータに加算することにより、車両本体の姿勢の
認識誤差を補正することを特徴とする全方向移動車両の
制御方法。