JP2010215082A - Omnidirectional moving device of sphere driving type - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、床面上で全方向移動及びピボットターンができる球体駆動式全方向移動装置に係り、例えば、搬送台車(AGV)、搬送ロボット、電気自動車、家庭用ロボット、電動車椅子等に使用可能な球体駆動式全方向移動装置に関する。 The present invention relates to a sphere-driven omnidirectional movement device capable of omnidirectional movement and pivot turn on a floor surface, and can be used for, for example, a conveyance carriage (AGV), a conveyance robot, an electric vehicle, a home robot, an electric wheelchair, etc. The present invention relates to a spherical drive type omnidirectional movement device.
球体駆動方式の全方向移動装置は簡単な構造で床面上の全方向並進運動及び回転運動を可能にし、また、床面上のどの方向への移動も速度ムラが出にくい等の特徴がある。
このような、球体駆動方式を用いた移動装置としては、例えば、3つの球体にそれぞれ1つの駆動用モータが設けられた三球式移動装置(例えば、非特許文献1参照)がある。
ところが、この球体駆動方式の三球式移動装置は、例えば搬送台車として用いられ、移動装置の頂上部に配置された載置台に荷物が置かれた状態で走行する場合、荷物の重心の位置によって、走行中の挙動が不安定になることがある。
The sphere-driven omnidirectional movement device has a simple structure that enables omnidirectional translation and rotation on the floor, and has features such as being less susceptible to uneven speed in movement in any direction on the floor. .
As such a moving device using a sphere driving method, for example, there is a three-sphere moving device in which one driving motor is provided for each of three spheres (see, for example, Non-Patent Document 1).
However, this sphere-driven three-ball type moving device is used as, for example, a transport carriage, and when traveling with a load placed on a mounting table arranged at the top of the moving device, depending on the position of the center of gravity of the load. , Behavior during running may become unstable.
これは、三球式移動装置は3つの球体によって床面と3点で接し、床面と4点以上で接する他の移動装置に比べ荷物の重心位置が走行中の挙動に与える影響が大きいことによる。
また、静止状態で三球式移動装置と床面の3つの接点に均一の重量が加わっていたとしても、床面の凹凸等の影響により、球体の1つと床面の間に生じる摩擦力が他の球体よりも小さいときは、著しく走行が不安定となる可能性がある。
This is because the three-ball mobile device touches the floor surface with three spheres at three points, and the center of gravity of the load has a greater influence on the behavior during travel than other mobile devices that touch the floor surface with four or more points. by.
In addition, even if a uniform weight is applied to the three contact points of the three-ball moving device and the floor surface in a stationary state, the frictional force generated between one of the spheres and the floor surface is affected by the unevenness of the floor surface. When it is smaller than other spheres, running may become extremely unstable.
そこで、床面と3点で接する三球式移動装置に比して走行時の安定性が高い移動装置として、床面と4点で接する4つの球体を備えた四球式移動装置が提案されている。
四球式移動装置の形態の1つとして、モータを1つずつ設けた駆動力伝達機構を4つ有し、その駆動力伝達機構が4つの球体それぞれに水平の異なる2方向から当接して配置され、各球体が床面上でどの方向にも回転するように駆動力を与えることが可能で、各モータにつき1つのコントローラ、ドライバが用いられ、コントローラ、ドライバ、モータをそれぞれ4つ有するものが挙げられる。
Therefore, a four-ball type moving device having four spheres in contact with the floor surface has been proposed as a moving device having higher stability during traveling than the three-ball type moving device in contact with the floor surface at three points. Yes.
As one form of the four-ball type moving device, there are four driving force transmission mechanisms each provided with a motor, and the driving force transmission mechanisms are arranged in contact with the four spheres from two different horizontal directions. A driving force can be applied so that each sphere rotates in any direction on the floor surface, and one controller and driver are used for each motor, and there are four controllers, drivers, and motors. It is done.
この四球式移動装置が所望方向への移動、方向転換(ピボットターン)をするためには、各モータの回転速度、回転方向を制御すればよく、その制御は理論的に可能であるが、簡単ではなく、更に、この各モータの回転速度、回転方向の制御を実現するための構成は簡素化が困難であり、複雑な構成となれば、移動装置の製造コストが押し上げられる。
よって、この構成を簡素化し、製造コストを抑制することが課題の一つである。
また、この四球式移動装置はコントローラ、ドライバ、モータを各4つずつ有するが、これらの数を少なくできれば、製造コストを抑えた経済性に優れる移動装置を提供できる。
In order for this four-ball type moving device to move in a desired direction and change direction (pivot turn), it is only necessary to control the rotational speed and direction of each motor. In addition, the configuration for realizing the control of the rotation speed and the rotation direction of each motor is difficult to simplify, and if the configuration is complicated, the manufacturing cost of the moving device is increased.
Therefore, it is one of the problems to simplify this configuration and reduce the manufacturing cost.
Further, this four-ball type moving device has four controllers, drivers, and motors, but if these numbers can be reduced, it is possible to provide a moving device excellent in economy with reduced manufacturing costs.
本発明は4つの球体を有し、製造コストが抑えられ、かつ安定した走行を実現する球体駆動式全方向移動装置の提供を目的とする。 It is an object of the present invention to provide a sphere-driven omnidirectional movement device that has four spheres, can be manufactured at a low cost, and realizes stable travel.
前記目的に沿う本発明に係る球体駆動式全方向移動装置は、台車本体と、前記台車本体の底部に転動可能に配置され、かつそれぞれの球心が平面視して長方形又は正方形を形成する4つの球体1〜4とを有する球体駆動式全方向移動装置において、
前記台車本体に取付けられ、前記4つの球体1〜4のうち、隣り合って位置する前記球体(4、1)、(1、2)、(2、3)、(3、4)の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラをそれぞれ備える第1〜第4の駆動力伝達機構と、前記第4の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第2の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して回転駆動可能な動力制御機構とを有し、
前記第1〜第3の駆動力伝達機構には、それぞれ該第1〜第3の駆動力伝達機構それぞれに駆動力を与える第1〜第3のモータが設けられ、該第1〜第3のモータは、それぞれ第1のコントローラ及び第1のドライバ、第2のコントローラ及び第2のドライバ、第3のコントローラ及び第3のドライバによって駆動される。
The sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention that meets the above-mentioned object is arranged to be rollable at the bottom of the carriage main body and the carriage main body, and each spherical center forms a rectangle or a square in plan view. In a sphere-driven omnidirectional mobile device having four
Peripheral surfaces of the spheres (4, 1), (1, 2), (2, 3), (3, 4) that are attached to the cart body and are adjacent to each other among the four
The first to third driving force transmission mechanisms are provided with first to third motors that respectively apply driving force to the first to third driving force transmission mechanisms, respectively. The motors are driven by a first controller and a first driver, a second controller and a second driver, a third controller and a third driver, respectively.
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記第2のモータは、前記第1、第3のモータよりモータ容量(出力)が小さく、前記第4の駆動力伝達機構には、前記第2のコントローラ及び前記第2のドライバによって駆動されて、前記第4の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに駆動力を与えるモータ容量が前記第2のモータに等しい第4のモータが設けられ、前記動力制御機構は、前記第4の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第2の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して同一方向に回転駆動させる他、同期して逆方向にも回転駆動させることが可能な電気制御部を有するのが好ましい。 In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, the second motor has a smaller motor capacity (output) than the first and third motors, and the fourth driving force transmission mechanism includes the first motor. And a second motor that is driven by the second controller and the second driver to provide a driving force to the pair of rollers provided in the fourth driving force transmission mechanism is equal to the second motor. And the power control mechanism rotates the pair of rollers provided in the fourth driving force transmission mechanism in the same direction in synchronization with the pair of rollers provided in the second driving force transmission mechanism. It is preferable to have an electric control unit that can be synchronously rotated in the reverse direction.
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記動力制御機構は、前記第4の駆動力伝達機構に設けられ、該第4の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに回転力を与える歯付プーリと、前記第2のモータの出力軸に連結され、該第2のモータの駆動を前記歯付プーリの入力軸に伝達して該歯付プーリを回転駆動可能なシャフトと、該シャフトの前記入力軸への連結及び該入力軸からの切り離しによって、前記歯付プーリへの駆動伝達の入り切りを行うクラッチとを有することもできる。 In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, the power control mechanism is provided in the fourth driving force transmission mechanism, and a rotational force is applied to the pair of rollers provided in the fourth driving force transmission mechanism. A toothed pulley to be applied, a shaft connected to the output shaft of the second motor, the drive of the second motor being transmitted to the input shaft of the toothed pulley, and the toothed pulley being rotatable. It is also possible to have a clutch for turning on and off the drive transmission to the toothed pulley by connecting the shaft to the input shaft and disconnecting it from the input shaft.
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体1〜4は、ボールキャスターを介して前記台車本体に取付けられていることが好ましい。
また、本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記第1〜第4の駆動力伝達機構はそれぞれ2つの対となる前記ローラの一方の回転を他方に伝える動力伝達手段を有することが好ましい。
In the sphere driven omnidirectional movement device according to the present invention, it is preferable that the
In the sphere drive omnidirectional movement device according to the present invention, each of the first to fourth driving force transmission mechanisms may include power transmission means for transmitting one rotation of the two pairs of rollers to the other. preferable.
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記動力伝達手段は、2つの対となる前記ローラのそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車と、対となる前記補助歯付き車に噛合するベルト又はチェーンとを有することが好ましい。
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体1〜4は同一半径の球体であることが好ましい。
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, the power transmission means is provided on a pair of auxiliary teeth mounted on the same axis of the two pairs of rollers and the pair of auxiliary teeth mounted on the vehicle. It is preferable to have a meshing belt or chain.
In the sphere driven omnidirectional movement device according to the present invention, the
請求項1〜7記載の球体駆動式全方向移動装置は、台車本体の底部に転動可能に配置された4つの球体が床面と4点で接して走行するので、床面と3点で接する移動装置に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置による影響を受けにくく、更に、床面表面の凹凸等により、球体の1つと床面の間に生じる摩擦力が他の球体に生じるものより小さくなっても、走行が不安定になりにくい。
また、平面視して球体の球心が長方形又は正方形を形成するので、長方形又は正方形と辺の長さが同一条件の長方形、正方形以外の四角形の場合に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置が走行の安定性に及ぼす影響を少なくできる。
Since the sphere-driven omnidirectional movement device according to any one of
In addition, since the spherical center of the sphere forms a rectangle or a square when viewed in plan, the length of the luggage placed on the cart body compared to a rectangle or a rectangle other than a square or a rectangle other than a square with the same side length. The influence of the position of the center of gravity on the running stability can be reduced.
特に、請求項2記載の球体駆動式全方向移動装置は、第4の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを第2の駆動力伝達機構に備わる対となるローラと同期して同一方向に回転駆動させる他、同期して逆方向にも回転駆動させることができるので、台車本体の床面との相対的な方向を変えない並進運動及び回転運動を安定して行うことができる。
また、第2、第4のモータは共に、第1、第3のモータよりモータ容量(出力)が小さく、更に、同一のコントローラ及びドライバで駆動されるので、各モータの容量を第1、第3のモータと同じ容量とする場合や各モータに対してそれぞれ1組のコントローラ及びドライバを用いる場合に比べて、製造コストを抑制することが可能である。
In particular, the spherically driven omnidirectional movement device according to
Further, both the second and fourth motors have smaller motor capacities (outputs) than the first and third motors, and are driven by the same controller and driver. The manufacturing cost can be reduced as compared with the case of using the same capacity as that of the three motors or the case of using one set of controller and driver for each motor.
請求項3記載の球体駆動式全方向移動装置は、第2のモータの駆動により、第4の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを回転する歯付プーリを回転駆動でき、また、第2のモータの駆動を歯付プーリに伝達しないこともできるので、第4の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを第2の駆動力伝達機構に備わる対となるローラと同期して同一方向に回転させる他、同期して回転させないことも可能である。
The sphere-driven omnidirectional movement device according to
請求項4記載の球体駆動式全方向移動装置は、球体1〜4がボールキャスターを介して台車本体に取り付けられているので、床面に対して垂直方向における各球体の球心位置と台車本体間の距離を一定に保ち、また、球体1〜4は台車本体との間に大きな抵抗力を発生させることなく転動することができる。
請求項5記載の球体駆動式全方向移動装置は、動力伝達手段により、駆動力伝達機構が有するローラの一方の回転が、他方のローラに伝わるので、この動力伝達手段によって対となるローラに当接する2つの球体へ安定した同じ向きの回転力を与えることができる。
In the sphere-driven omnidirectional moving device according to
In the spherical drive type omnidirectional movement device according to claim 5, since one rotation of the roller of the driving force transmission mechanism is transmitted to the other roller by the power transmission means, the power transmission means contacts the pair of rollers. A stable rotational force in the same direction can be given to two spheres in contact.
請求項6記載の球体駆動式全方向移動装置は、動力伝達手段が2つのローラのそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車とこれらに噛合するベルト又はチェーンとを有するので、補助歯付き車とベルト又はチェーンの間で滑りを生じることなく、ローラの一方の回転を他方へ伝えることができる。
請求項7記載の球体駆動式全方向移動装置は、球体1〜4が同一半径であるため、各球体が床面と滑りを生じずに走行するための制御を容易にできる。
The sphere-driven omnidirectional movement device according to claim 6 is provided with auxiliary teeth since the power transmission means includes an auxiliary toothed wheel on which the two rollers are coaxially mounted and a belt or a chain meshing with them. One rotation of the roller can be transmitted to the other without slippage between the car and the belt or chain.
Since the
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
図1、図2に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置(以下、単に「移動装置」ともいう)10は、台車本体11と、台車本体11の底部に転動可能に配置され、それぞれの球心が平面視して正方形を形成するように配置された同一半径の4つの球体1〜4と、隣り合って位置する球体(4、1)、(1、2)、(2、3)、(3、4)の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラ(31、32)、(33、34)、(35、36)、(37、38)をそれぞれ備える第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15とを有する。
第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15にはそれぞれ駆動力を与える第1〜第4のモータ16〜19が設けられ、移動装置10は第1〜第4のモータ16〜19の駆動によって水平な床面20上で任意の方向に移動する。
As shown in FIGS. 1 and 2, a sphere-driven omnidirectional moving device (hereinafter also simply referred to as “moving device”) 10 according to the first embodiment of the present invention includes a
The first to fourth driving
また、第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15はそれぞれ内部に図示しない軸受とそのハウジングを有する支持部材21によって台車本体11に固定されている。
台車本体11は正方形の平板からなる載置台22と、載置台22の下部で内側に球体1〜4を有する位置に、高さ調整部材23を介して取付けられた全部で8枚の側板24とを有している。各側板24の内側には、車輪型キャスター25が長尺の4本のボルト26を介して取付けられており、各車輪型キャスター25には、球体1〜4に水平の異なる2方向から当接して転動するガイド車輪27がそれぞれ設けられている。
なお、正確には各球体1〜4に異なる方向から当接する2つのガイド車輪27の向きのなす角度は直角であり、また、ガイド車輪27はその高さ位置が球体1〜4の球心高さと同一となるように配置されている。
4本のボルト26はスプリング28によって載置台22の内側方向に付勢され、車輪型キャスター25が一定の圧力で各球体1〜4の周面に当接するようにしている。
The first to fourth driving
The
More precisely, the angle formed by the directions of the two
The four
載置台22の四隅近傍の下面であって、球体1〜4の球心位置にはボールキャスター29がそれぞれ設けられ、それぞれのボールキャスター29は、同一半径の転動可能なボール30を1つ有している。
第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15はそれぞれ載置台22の底部に2つの支持部材21を介して取付けられ、対となる球体(4、1)、(1、2)、(2、3)、(3、4)の周面に当接する2つのローラ(31、32)、(33、34)、(35、36)、(37、38)を有している。
これらのローラ31〜38は同一半径であって、それぞれ回転軸39を介して支持部材21の下部に、球体1〜4の球心高さ位置で回転自在に取付けられ、かつ各回転軸39には、ローラ31〜38それぞれと軸心と角速度が共に同一となる補助歯付き車41〜48が設けられている。
なお、補助歯付き車41〜48は全て半径が同一である。
A
The first to fourth driving
These
In addition, all the wheels 41-48 with an auxiliary tooth have the same radius.
対となる補助歯付き車(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)にはそれぞれ歯付きベルト49〜52が噛合するようにかけ渡されている。ここで、対となる補助歯付き車(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)とそれぞれに対応する歯付きベルト49〜52とで、対となるローラの一方の回転を他方に伝える動力伝達手段を形成している。
第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15にはそれぞれ第1〜第4のモータ16〜19が設けられ、第1〜第4のモータ16〜19の駆動によって、その出力軸に軸心が同一となるように固定されている動力歯付き車53〜56がそれぞれ第1〜第4のモータ16〜19の駆動と同期して回転し、この動力歯付き車53〜56に噛合する動力歯付きベルト57〜60を駆動する。
この動力歯付きベルト57〜60の駆動に伴って動力歯付きベルト57〜60に噛合する伝達歯付き車61〜64がそれぞれ動力歯付き車53〜56と同期して同一方向に回転する。なお、伝達歯付き車61〜64は全て同一半径である。
The pair of auxiliary toothed wheels (41, 42), (43, 44), (45, 46), and (47, 48) are spanned so that the
The first to fourth driving
As the power
そして、この伝達歯付き車61〜64の回転と同期して、伝達歯付き車61〜64と軸心及び角速度がそれぞれ同じとなる補助歯付き車42、44、46、48が回転するので、これらに噛合する歯付きベルト49〜52がそれぞれ駆動し、この駆動に伴って補助歯付き車41、43、45、47がそれぞれ回転する。
なお、対となる補助歯付き車(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)はそれぞれ同一方向、同一角速度の回転となり、この回転に伴って対となるローラ(31、32)、(33、34)、(35、36)、(37、38)がそれぞれ同一方向、同一角速度に回転する。
Then, in synchronization with the rotation of the transmission
Incidentally, the pair of auxiliary toothed wheels (41, 42), (43, 44), (45, 46), (47, 48) are rotated in the same direction and the same angular velocity, respectively. The rollers (31, 32), (33, 34), (35, 36), (37, 38) are rotated in the same direction and the same angular velocity, respectively.
また、第1〜第4のモータ16〜19はそれぞれ台車本体11の底部に固着され、駆動速度(回転駆動の角速度)が制御されているので、第1〜第4の駆動力伝達機構12〜15のローラ31〜38が当接する球体1〜4が所定方向に回転するようになっている。
第2、第4のモータ17、19は相互に同期して同一方向に駆動するか、もしくは同期して逆方向に駆動するかの切替え制御が可能であり、第2の駆動力伝達機構13に備わる対となるローラ(33、34)と第4の駆動力伝達機構15に備わる対となるローラ(37、38)が同期して同一方向に回転駆動するか、同期して逆方向に回転駆動するかを切替えられる。
The first to
The second and
図3に示すように、第1〜第4のモータ16〜19の駆動は、第1〜第3のコントローラ71〜73と、第1〜第3のコントローラ71〜73にそれぞれ接続された第1〜第3のドライバ74〜76と、正逆切替えスイッチ77とを有する電気制御部70によって制御される。
第1、第3のモータ16、18は、それぞれ第1のコントローラ71及び第1のドライバ74、第3のコントローラ73及び第3のドライバ76によって駆動され、また、第2、第4のモータ17、19は、共に第2のコントローラ72及び第2のドライバ75によって駆動される。
なお、第1〜第4のモータ16〜19としてパルスモータを用いている。
第1、第3のドライバ74、76はそれぞれ第1、第3のモータ16、18に電気回路で接続され、また、第2のドライバ75は第2のモータ17と、正逆切替えスイッチ77を介して第4のモータ19とに電気回路で接続され、更に、正逆切替えスイッチ77は第2のコントローラ72にも接続されている。
第1〜第3のコントローラ71〜73はそれぞれ、図示しない駆動指示部から送信された第1〜第3のコントローラ71〜73に対応する駆動指示データをパルス信号に変換し、このパルス信号をそれぞれ第1〜第3のドライバ74〜76に送信する。
As shown in FIG. 3, the first to
The first and
Note that pulse motors are used as the first to
The first and
Each of the first to
第1、第3のドライバ74、76はこのパルス信号を駆動電流に変換して、この駆動電流により第1、第3のモータ16、18を駆動する。
第2のドライバ75は受信したパルス信号を駆動電流に変換し、この駆動電流により第2、第4のモータ17、19を同一の角速度で駆動する。
また、正逆切替えスイッチ77は第2のコントローラ72からの出力信号に従って電気回路の切替えをし、第4のモータ19が駆動する回転方向を、第2のモータ17と同一方向とするか、あるいは逆方向とするかの切替え制御をする。
移動装置10はコントローラ、ドライバをそれぞれ3つずつ有する構成のため、4つのモータに対してコントローラ、ドライバをそれぞれ4つずつ有する構成の移動装置と比較して製造コストを抑制できる。
更に、第2、第4のモータ17、19は、共にモータ容量(出力)が等しく、第1、第3のモータ16、18よりモータ容量が小さい、例えば半分のモータ容量のモータを用いているので、第1、第3のモータ16、18とモータ容量が同一のモータを用いることに比べて安価なモータを採用することができる。
なお、電気制御部70及び図示されない駆動指示部によって動力制御機構が構成されている。
The first and
The
Further, the forward /
Since the moving
Further, the second and
The
図1、図2に示すように、各球体1〜4は、その周面の上方向からボールキャスター29が、水平の異なる2方向(直角)から車輪型キャスター25が、更に、異なる水平2方向からそれぞれローラ(32、33)、(34、35)、(36、37)、(38、31)が当接して、台車本体11に固定されており、球体1〜4が回転することで、移動装置10が水平な床面20上を移動することができる。
また、球体1〜4は、同一半径の球体となっているので、移動装置10は床面20に対して載置台22を平行に保つことができ、更に、各球体1〜4が床面20と滑りを生じることなく走行するための制御を容易にする。
更に、球体1〜4は、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のような硬質弾性材料を使用しているが、例えば、鉄、ステンレス、銅合金、セラミック、プラスチック等を原材料とすることもできる。
As shown in FIGS. 1 and 2, each of the
Since the
Furthermore, although the spheres 1-4 use hard elastic materials such as silicon resin and urethane resin, for example, iron, stainless steel, copper alloy, ceramic, plastic, and the like can be used as raw materials.
図4に示すように、球体1〜4それぞれの球心P1〜P4を結んで形成される正方形又は長方形の中心に位置する点を原点Oとし、dx、dyを正の値として、球心P1〜P4の原点Oを基準とするx軸、y軸上の座標をそれぞれ(dx、dy)、(−dx、dy)、(−dx、−dy)、(dx、−dy)とする。
また、床面20に対する移動装置10の原点Oを基準とする回転運動の角速度を反時計回りを正としてrZとし、原点Oの床面20に対する並進運動の速度について、x成分をvx、y成分をvyとする。
As shown in FIG. 4, a point located at the center of a square or rectangle formed by connecting the spheres P1 to P4 of the
Further, the angular velocity of the rotational motion relative to the
図5(A)、(B)、(C)、(D)に示すように、球体1〜4の回転について、それぞれの角速度をx成分、y成分の順にw1x、w1y、w2x、w2y、w3x、w3y、w4x、w4yとし、w1x、w2x、w3x、w4xは、それぞれ球体1〜4がx軸の正方向に転動したときの回転方向を正の向きとし、w1y、w2y、w2y、w3yは、それぞれ球体1〜4がy軸の正方向に転動したときの回転方向を正の向きとする。また、動力歯付き車53〜56の回転による角速度をλ41、λ12、λ23、λ34、とし、これらの正の向きを、λ41はx軸の正から負の向きにみて、λ12はy軸の正から負の向きにみて、λ23はx軸の負から正の向きにみて、λ34はy軸の負から正の向きにみてそれぞれ時計回りとする。
更に、球体1〜4の半径をrB、動力歯付き車53〜56の半径をrMとする。
As shown in FIGS. 5 (A), (B), (C), and (D), with respect to the rotation of the
Furthermore, the radius of the
そうすると、w1x、w1y、w2x、w2y、w3x、w3y、w4x、w4y、vx、vy、rZには以下の式1の関係が成り立つ。
Then, w 1x, w 1y, w 2x, w 2y, w 3x, w 3y, w 4x, w 4y, v x, v y, the following relationship holds in the
また、w1x、w1y、w2x、w2y、w3x、w3y、w4x、w4y、λ12、λ23、λ34、λ41には以下の式2の関係が成り立つ。
Also, w 1x, w 1y, w 2x, w 2y, w 3x, w 3y, w 4x, w 4y,
よって、式1、式2から以下の式3の関係が成り立つ。
Therefore, the following
式3を整理すると、λ12、λ23、λ34、λ41とvx、vy、rZの間に以下の式4の関係が成り立つ。
When
式4は3列4行からなる行列式を有し、この行列式は正方行列でないため一般的に逆行列が得られない。
したがって、λ12、λ23、λ34、λ41からvx、vy、rZを一意的に決めることができず、これは第1〜第4のモータ16〜19それぞれが他のモータと一定の関係を有することなく回転駆動する場合、移動装置10の並進運動、回転運動を所定の方向、速度で制御することができないことを意味する。
そこで、λ12、λ23、λ41はそれぞれ独立した値とし、λ34はλ12、λ23、λ41の値と一定の関係を有する値として、以下、移動装置10の並進運動、回転運動の制御について説明する。
式4からλ12、λ23、λ41とvx、vy、rZの間には以下の式5の関係が成り立つ。
Therefore, v x , v y , and r Z cannot be uniquely determined from λ 12 , λ 23 , λ 34 , and λ 41. This is because each of the first to
Therefore, λ 12 , λ 23 , and λ 41 are independent values, and λ 34 is a value that has a certain relationship with the values of λ 12 , λ 23 , and λ 41. The control will be described.
From
式5の正方行列から逆行列を求め、vx、vy、rZに対するλ12、λ23、λ41関係を導くと以下の式6が得られる。 When an inverse matrix is obtained from the square matrix of Equation 5 and λ 12 , λ 23 , and λ 41 relationships with respect to v x , v y , and r Z are derived, Equation 6 below is obtained.
式6からλ12、λ23、λ41によって、vx、vy、rZが一意的に決定されることがわかる。
そして、球心P1〜P4が正方形を形成することからdxとdyは同値となり、これらをdと置き換えた上で、式4、式6からλ34とλ12、λ23、λ41との関係を導くと、以下の式7の関係が成り立つ。
It can be seen from Equation 6 that v x , v y , and r Z are uniquely determined by λ 12 , λ 23 , and λ 41 .
Since the spherical centers P1 to P4 form a square, d x and dy have the same value, and after replacing these with d, λ 34 and λ 12 , λ 23 , λ 41 and Is derived, the following relationship is established.
したがって、式7に示すλ34とλ12、λ23、λ41との関係を具備すれば、移動装置10は所定の並進運動、回転運動をすることが可能となるが、λ34に何らの条件も与えずにこの関係を常に具備するためには複雑な制御構成を要する。
そして、式7の関係を満たさないときは、移動装置10の内部に大きな負荷、球体1〜4とこれに当接するローラ31〜38間に滑り等が発生し、故障、破損等の原因となる。
そこで第1〜第4のモータ16〜19の駆動について、その制御の簡素化をするため、移動装置10は以下に説明する一定の条件を有する構成となっている。
λ12、λ34に対する移動装置10の並進運動及び回転運動の速度成分、すなわちvx、vy、rZの関係は以下の式8、式9となる。
Thus, 12 and lambda 34 shown in Equation 7 lambda, lambda 23, if provided with a relationship between lambda 41, the
When the relationship of Expression 7 is not satisfied, a large load is generated inside the moving
Therefore, in order to simplify the control of the driving of the first to
The relationship between the velocity components of the translational motion and the rotational motion of the moving
式8、式9はλ12、λ34が共にvx、rZと一定の関係を有し、vyとは関係を有さないことを示す。
よって、第2、第4のモータ17、19の駆動は移動装置10の動作について、並進運動のx成分と回転運動の回転速度に影響を与えるが、並進運動のy成分には影響を与えないことになる。ここで、正確には移動装置10の動作とは、移動装置10の原点Oの動作を意味し、以下も同様とする。
また、式8、式9からλ12、λ34の相互関係は、移動装置10が並進運動のx成分を有しない動作をするとき、同一となり、回転運動を伴わない動作をするとき、正負が逆で同一の大きさとなる。
Equation 8, Equation 9 lambda 12, lambda 34 are both v x, and r Z has a constant relationship indicates that no relationship to the v y.
Accordingly, the driving of the second and
In addition, the mutual relationship between λ 12 and λ 34 from Equations 8 and 9 is the same when the moving
ここで、x軸、y軸上での並進運動、回転運動、又はこれらを混合した運動で物理的にあり得る種類は、回転を伴わない並進運動で、x成分のみの並進運動(動作A)、y成分のみの並進運動(動作B)、x成分とy成分を有する並進運動(動作C)となる。
また、回転運動を伴う動作で、並進運動を伴わない回転運動(動作D)、x成分のみの並進運動を伴う回転運動(動作E)、y成分のみの並進運動を伴う回転運動(動作F)、x成分とy成分を有する並進運動を伴う回転運動(動作G)となる。
前述の並進運動のx成分を有しない動作とは、移動装置10の動作が動作B、動作D、動作Fであること、また、回転運動を伴わない動作とは、移動装置10の動作が動作A、動作B、動作Cであることを意味する。
Here, the kind that can physically be a translational motion, a rotational motion on the x-axis and a y-axis, or a motion that is a mixture of these is a translational motion that does not involve rotation, and a translational motion that includes only the x component (motion A). , Y translational motion (motion B), and x motion and y motion (motion C).
In addition, rotational motion that does not involve translation (motion D), rotational motion that involves translation of only the x component (motion E), and rotational motion that involves translation of only the y component (motion F) , A rotational motion (motion G) accompanied by a translational motion having an x component and a y component.
The operation having no x component of the translational motion described above means that the motion of the moving
したがって、λ34がλ12に対して同一、又は正負が逆で同一の大きさとなる関係を常に満たすとき、移動装置10は動作A、動作B、動作C、動作D、動作Fをすることができる。
そして、このλ12に対するλ34の関係は、前述した移動装置10が制御可能な第4のモータ19が第2のモータ17に対して同期して反対方向、又は同期して同一方向に回転駆動をすることと一致する。
よって、移動装置10について前方、右方向をそれぞれy軸、x軸の正の向きとすると、移動装置10は方向変化を伴わない左右、前後、斜めへの並進運動(動作A、動作B、動作C)、その場での旋回運動(動作D)、並びに回転を伴う前後への並進運動(動作F)を所望の速度で行うことができ、狭い場所での移動、方向転換をするため移動装置に求められる動作を実現可能となる。
Accordingly, when λ 34 is the same as λ 12 or the relationship where the sign is opposite and the same magnitude is always satisfied, the
The relationship of λ 34 with respect to λ 12 indicates that the above-described
Therefore, assuming that the forward and right directions of the moving
また、無制限で式7を満たすように第4のモータ19を決定する制御と比して、第4のモータ19が第2のモータ17のみに拘束され、第2のモータ17と同期して反対方向、又は同期して同一方向に回転駆動することだけを満たす構成は複雑でなく、これを実現するためのコストを抑えることができる。
更に、移動措置10は推進運動の主な方向を前後とすることを想定している。
よって、移動装置10に左右の動力を与える第2、第4のモータ17、19は主に方向変化のために駆動され、前後に動力を与える第1、第3のモータ16、18は主に推進運動のために駆動される。
したがって、第2、第4のモータ17、19には、第1、第3のモータ16、18よりモータ容量が小さい安価なモータを採用することができる。
なお、球体1〜4の球心が平面視して形成する正方形は長方形としてもよく、また、対となる補助歯付き車(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)にそれぞれ噛合して掛け渡されている歯付きベルト49〜52はチェーンとしてもよい。
Further, as compared with the control for determining the
Further, it is assumed that the
Therefore, the second and
Therefore, an inexpensive motor having a smaller motor capacity than the first and
In addition, the square formed by the spherical centers of the
次に図6〜図10を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置90を説明する。なお、移動装置10と同一の構成要素については一部の番号の記載及び詳しい説明を省略する。
図6、図7に示すように、移動装置90は、移動装置10が第4のモータ19を有していたのに対し、第4のモータを設けず歯付プーリ92を備えていることが特徴となっている。なお、移動装置90の第2のモータ91は台車本体11の底部に固着されたパルスモータであって、第2の駆動力伝達機構13に設けられており、その駆動によって第2のモータ91の出力軸に軸心を同じくして、固定されている動力歯付き車54を回転させている。
Next, with reference to FIGS. 6-10, the spherical body drive type
As shown in FIGS. 6 and 7, the moving
歯付プーリ92は動力歯付き車54と同一半径であり、台車本体11の底部に内部に図示しない軸受とそのハウジングを有する支持部材96によって固定され、平面視して第4の駆動力伝達機構15の中心近傍に位置するように配置されている。
更に、第2のモータ91の軸心上には、動力歯付き車54が設けられている反対側の位置に、固定部材93により第2のモータ91の出力軸に連結されたシャフト94が設けられている。
シャフト94は歯付プーリ92と同軸上に配置され、シャフト94と歯付プーリ92の間に設けられたクラッチの一例である電磁クラッチ95の制御によって、歯付プーリ92の入力軸への連結及び歯付プーリ92の入力軸からの切り離しが可能である。
よって、電磁クラッチ95により、シャフト94が歯付プーリ92へ連結されているときは、シャフト94と歯付プーリ92は同期して同一方向に回転し、シャフト94が歯付プーリ92から切り離されているときは、歯付プーリ92はシャフト94の回転に拘束されることなく回動可能な状態となる。
The
Further, a
The
Therefore, when the
歯付プーリ92は歯付き車輪であり、その外周に噛合する動力歯付きベルト60は歯付プーリ92の回転により駆動し、歯付プーリ92の回転によって第4の駆動力伝達機構15に備わるローラ37、38は同期して同一方向に回転する。
したがって、電磁クラッチ95の制御により、任意のタイミングで第4の駆動力伝達機構15に備わる対となるローラ(37、38)の回転を第2の駆動力伝達機構13に備わる対となるローラ(33、34)の回転と同期して同一方向にすること、あるいは同期させないことが切替え可能である。
The
Therefore, under the control of the electromagnetic clutch 95, the rotation of the pair of rollers (37, 38) provided in the fourth driving
図8に示すように、第1〜第3のモータ16、91、18の駆動は第1〜第3のコントローラ71、101、73と、第1〜第3のコントローラ71、101、73にそれぞれ接続された第1〜第3のドライバ74、102、76と、電磁クラッチ95とを有する電気制御部103によって制御される。
第2のドライバ102は第2のモータ91及び第2のコントローラ101に、第2のコントローラ101は電磁クラッチ95に、それぞれ接続されている。
第2のコントローラ101は、図示しない駆動指示部から送信された駆動指示指令(駆動指示コマンド)及びクラッチ制御指令(クラッチ制御コマンド)をそれぞれパルス信号及びクラッチ入り切り信号に変換し、各信号を第2のドライバ102及び電磁クラッチ95にそれぞれ送信する。
第2のドライバ102はこの駆動指示信号から変換されたパルス信号を駆動電流に変換して、この駆動電流により第2のモータ91を駆動する。
As shown in FIG. 8, the driving of the first to
The
The
The
また、電磁クラッチ95は第2のコントローラ101からのクラッチ制御データから変換されたパルス信号により、シャフト94から歯付プーリ92への回転伝達の入り切りを行い、歯付プーリ92の回転を、第2のモータ91と同期して同一方向にさせるか、あるいは同期させないかを制御する。
移動装置90は、コントローラ、ドライバをそれぞれ3つずつ有する構成のため、4つのモータに対してコントローラ、ドライバをそれぞれ有する移動装置と比較して製造コストを抑制することができる。
なお、電磁クラッチ95を有する電気制御部103、歯付プーリ92、固定部材93、シャフト94及び図示されない駆動指示部によって動力制御機構が構成される。
Further, the
Since the moving
The
図9、図10に示すように、移動装置90の動作についても、移動装置10での動力歯付き車56を歯付プーリ92と置き換えて式1〜式9の関係が成り立つ。ここで、歯付プーリ92の半径はrM、回転による角速度はλ34としている。
移動装置90は歯付プーリ92を第2のモータ91と同期して同一方向に回転可能なため、λ34をλ12と同値にでき、式8、式9の関係式について、これを満たすのはrzの値が0(零)のとき、すなわち移動装置90が回転運動を伴わない並進運動による進行(動作A、動作B、動作C)をするときとなる。
したがって、移動装置90は床面20上で自由な並進運動が可能である。
As shown in FIGS. 9 and 10, the operation of the moving
Since the moving
Therefore, the moving
また、移動装置90について前方、右方向をそれぞれy軸、x軸の正の向きとすると、電磁クラッチ95を歯付プーリ92とシャフト94が切り離された状態にすれば、歯付プーリ92は第2のモータ91の駆動に同期せずに回動可能となり、球体3、4の転動についてのx軸方向の成分は球体3、4の床面20との摩擦力や、移動装置90の構成、部材から受ける力等によって決定されることとなる。
したがって、移動装置90は、第1、第3のモータ16、18の駆動によりy軸方向へ進行しながら、第2のモータ91を駆動して球体1、2にx軸方向の回転力を与えるとともに、歯付プーリ92とシャフト94を切り離した状態にすることで、y軸方向へ進行しながらx軸方向に方向転換することが可能となる。
Further, assuming that the forward and right directions of the moving
Accordingly, the moving
よって、移動装置90は床面20上で方向転換、並進運動、及びこれらを混合した動作が可能となり、狭い場所での使用をするにあたって移動装置90に要求される動作を実現できる。
また、無制限で式7を満たすような機構を有する移動装置に比べ、移動装置90は構成、特に各球体1〜4の転動方向、速度を制御する部分の単純化が図れるため、移動装置90全体の製造コストを低くでき、経済的である。
Therefore, the moving
Compared to a moving device having an unrestricted mechanism that satisfies Equation 7, the moving
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の球体駆動式全方向移動装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、モータについてもパルスモータ以外の例えばサーボモータ等を用いることができる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to above-described embodiment, The change in the range which does not change the summary of this invention is possible, Each above-mentioned The case where the sphere-driven omnidirectional moving device of the present invention is configured by combining some or all of the embodiments and modifications is also included in the scope of the right of the present invention.
For example, a servo motor other than the pulse motor can be used for the motor.
1〜4:球体、10:球体駆動式全方向移動装置、11:台車本体、12:第1の駆動力伝達機構、13:第2の駆動力伝達機構、14:第3の駆動力伝達機構、15:第4の駆動力伝達機構、16:第1のモータ、17:第2のモータ、18:第3のモータ、19:第4のモータ、20:床面、21:支持部材、22:載置台、23:高さ調整部材、24:側板、25:車輪型キャスター、26:ボルト、27:ガイド車輪、28:スプリング、29:ボールキャスター、30:ボール、31〜38:ローラ、39:回転軸、41〜48:補助歯付き車、49〜52:歯付きベルト、53〜56:動力歯付き車、57〜60:動力歯付きベルト、61〜64:伝達歯付き車、70:電気制御部、71:第1のコントローラ、72:第2のコントローラ、73:第3のコントローラ、74:第1のドライバ、75:第2のドライバ、76:第3のドライバ、77:正逆切替スイッチ、90:球体駆動式全方向移動装置、91:第2のモータ、92:歯付プーリ、93:固定部材、94:シャフト、95:電磁クラッチ、96:支持部材、101:第2のコントローラ、102:第2のドライバ、103:電気制御部 1-4: Sphere, 10: Sphere drive omnidirectional movement device, 11: Cart body, 12: First drive force transmission mechanism, 13: Second drive force transmission mechanism, 14: Third drive force transmission mechanism , 15: fourth driving force transmission mechanism, 16: first motor, 17: second motor, 18: third motor, 19: fourth motor, 20: floor surface, 21: support member, 22 : Mounting table, 23: height adjusting member, 24: side plate, 25: wheel caster, 26: bolt, 27: guide wheel, 28: spring, 29: ball caster, 30: ball, 31-38: roller, 39 : Rotating shaft, 41-48: car with auxiliary teeth, 49-52: toothed belt, 53-56: car with power tooth, 57-60: belt with power tooth, 61-64: car with transmission tooth, 70: Electric control unit 71: first controller 72: second controller Troller, 73: third controller, 74: first driver, 75: second driver, 76: third driver, 77: forward / reverse selector switch, 90: sphere-driven omnidirectional movement device, 91: first 2 motor, 92: toothed pulley, 93: fixed member, 94: shaft, 95: electromagnetic clutch, 96: support member, 101: second controller, 102: second driver, 103: electric control unit
Claims (7)
前記台車本体に取付けられ、前記4つの球体1〜4のうち、隣り合って位置する前記球体(4、1)、(1、2)、(2、3)、(3、4)の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラをそれぞれ備える第1〜第4の駆動力伝達機構と、前記第4の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第2の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して回転駆動可能な動力制御機構とを有し、
前記第1〜第3の駆動力伝達機構には、それぞれ該第1〜第3の駆動力伝達機構それぞれに駆動力を与える第1〜第3のモータが設けられ、該第1〜第3のモータは、それぞれ第1のコントローラ及び第1のドライバ、第2のコントローラ及び第2のドライバ、第3のコントローラ及び第3のドライバによって駆動されることを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。 In a sphere-driven omnidirectional mobile device including a trolley body and four spheres 1 to 4 that are arranged to be rollable at the bottom of the trolley body and each sphere center forms a rectangle or square in plan view. ,
Peripheral surfaces of the spheres (4, 1), (1, 2), (2, 3), (3, 4) that are attached to the cart body and are adjacent to each other among the four spheres 1 to 4 The first to fourth driving force transmission mechanisms each having a pair of rollers that are in contact with each other and synchronously rotate in the same direction, and the pair of rollers provided to the fourth driving force transmission mechanism are the second drive. A power control mechanism that can be driven to rotate in synchronization with the pair of rollers provided in the force transmission mechanism;
The first to third driving force transmission mechanisms are provided with first to third motors that respectively apply driving force to the first to third driving force transmission mechanisms, respectively. A sphere-driven omnidirectional moving device, wherein the motor is driven by a first controller and a first driver, a second controller and a second driver, a third controller and a third driver, respectively.
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