JP2001354155A - 全方向移動装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走行指令に対する応答性を向上することがで
きる全方向移動装置の制御装置を提供する。 【解決手段】 基台３２に３以上の駆動輪３３が設けら
れ、各駆動輪３３は回転駆動源３９によって個別に回転
駆動される。入力手段１３８によって、進行方向前方に
向かって左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度
Ｙ′および左右の旋回方向の指令速度φ′が制御手段１
６２に入力されると、制御手段１６２は、各回転駆動源
３９を制御して、各駆動輪３３を各指令速度Ｘ′、
Ｙ′、φ′に対応する回転速度ｖ１〜ｖｉで個別に回転
駆動させ、全方向移動装置が、各駆動輪３３が走行面に
対して発生する各駆動力のベクトル和の方向に進行する
ように制御し、前後方向、斜め方向、左右の旋回方向の
全方向に対して、全ての駆動輪を用いて走行し、入力手
段によって指令された方向および速度で全方向移動装置
を走行させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば電動車椅
子の駆動輪などとして好適に実施することができる全方
向移動装置の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電動車椅子の駆動輪などとして各
種の機構が開発されており、特に前後方向、左右方向、
斜め方向および左右旋回の任意の方向に移動することが
できるホロノミック移動機構とも呼ばれる全方向移動装
置として着目されており、このような全方向移動装置を
電動車椅子として実施することによって、屋内での狭い
スペースで任意の方向に、車体の向きを変えずに自在に
移動することが可能である。

【０００３】典型的な従来の技術では、２つ以上の駆動
輪と所要数のキャスタとを有し、各駆動輪の方向を各駆
動輪毎に設けられる旋回装置によって傾動させて、希望
する方向へ移動することができる電動車椅子が周知であ
る。この電動車椅子は、旋回装置によってジョイスティ
ックの入力操作に対応する向きに各駆動輪の方向を変え
てから走行を開始するように構成されている。そのため
ジョイスティックの入力操作から動き出すまでに時間が
かかるという問題がある。この問題を解決するために、
他の従来の技術では車椅子の移動方向を瞬時に直角方向
に変えられるオムニ車輪を用いた全方向移動車椅子が知
られている。

【０００４】図１１は、他の従来の技術の全方向移動車
椅子に用いられる駆動輪組立体１を簡略化して示す図で
あり、図１１（１）は駆動輪組立体１の側面図であり、
図１１（２）は駆動輪組立体１の正面図である。この駆
動輪組立体１は、メカナムホイールとも呼ばれ、回転軸
２に固定されるホイールベース３の外周部に、一半径線
４に垂直な第１の仮想一平面５上で、回転軸２の回転軸
線６と前記一半径線４とを含む第２の仮想一平面７が前
記第１の仮想一平面５と交差する交線８に対して角度θ
１を成す回転軸線９まわりに回転自在に複数のローラ１
０が周方向に等間隔をあけて設けられる。前記角度θ１
は、４５度に選ばれている。

【０００５】このような駆動輪組立体１は、車体に４輪
を設けられ、それぞれの駆動輪組立体１は操舵されず
に、個別にモータによって回転軸線９まわりに回転駆動
され、車体に設けられる前後、左右、回転の３軸のジョ
イスティックの操作によって速度および進行方向を制御
して、任意の方向にその場で移動することができ、この
ような駆動輪組立体１を用いた全方向移動車両が既に提
案されている。

【０００６】図１２は、さらに他の従来の技術の全方向
移動車椅子に用いられる駆動輪組立体１１を簡略化して
示す図であり、図１２（１）は駆動輪組立体１１の側面
図であり、図１２（２）は駆動輪組立体１１の正面図で
ある。この駆動輪組立体１１は、球状駆動輪１２と、球
状駆動輪１２の上部に上方から弾発的に当接して支持す
る駆動ローラ１３と、一対の支持ローラ１４ａ，１４ｂ
とを有する。前記駆動ローラ１３は、ユニバーサルホイ
ールとも呼ばれ、回転軸線１５まわりに回転駆動され、
周方向に等間隔に配置される複数の従動ローラ１６を有
する。各従動ローラ１６は、球状駆動輪１２の中心１７
を含む鉛直な第１の仮想一平面１８に対して角度θ２を
成しかつ前記中心１７を含む第２の仮想一平面１９上
で、この第２の仮想一平面１９に垂直な駆動ローラ１３
の回転軸線１５を中心とする仮想円に対する接線２０を
回転軸線２１とし、この回転軸線２１まわりに回転自在
である。

【０００７】これらの従動ローラ１６は、前記回転軸線
まわりに回転駆動される回転軸２２に、周方向に等間隔
をあけて前記回転軸線２１まわりに回転自在に保持され
る。回転軸２２は、ばね２３によって球状駆動輪１２の
中心１７に近接する方向に弾発的に押圧され、球状駆動
輪１２の走行時の振動を吸収し、かつ駆動ローラ１３の
回転力を球状駆動輪１２に確実に伝達することができる
ように構成されている。

【０００８】また各支持ローラ１４ａ，１４ｂは、球状
であって、前記第１の仮想一平面１８に関して前記第２
の仮想一平面１９とは反対側に角度θ３を成す第３の仮
想一平面２４上で、第１の仮想一平面２４に垂直でかつ
中心１７を含む第４の仮想一平面２５に関して両側に角
度θ４，θ５を成す第５および第６の仮想一平面２６，
２７と、前記第３の仮想一平面２４との各交線２８，２
９上に回転中心を有し、前記駆動ローラ１３と共働し
て、いわば３点支持によって球状駆動輪１２を全方向に
回転自在に支持している。前記角度θ２〜θ５は、それ
ぞれ４５°である。

【０００９】このような駆動輪組立体１１は、各駆動ロ
ーラ１３の回転軸線１５が接地面から上方になるにつれ
て相互に近接する方向に傾斜するようにして車体に設け
られ、各駆動ローラ１３の速度を制御することによっ
て、たとえばジョイスティックなどの操作による速度お
よび方向の入力指令に応じて希望する方向に移動するこ
とができる全方向移動車両を構成している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の図１１および図
１２に示される従来の技術では、入力手段である前記ジ
ョイスティックの操作に対応して、前後方向、左右方
向、斜め方向および旋回方向に、接地した各駆動輪が直
接制御されるものではなく、図１１の従来の技術では前
記複数のローラ１０が、また図１２の従来の技術では前
記駆動ローラ１３の回転が選択的に制御され、各駆動輪
の接地面に対する駆動力のベクトル和が全体の駆動力と
され、このベクトル和の方向に車両を移動させるだけで
あるので、前記ジョイスティックの操作指令に応じて各
駆動輪を制御して、忠実に車両を動作させることができ
ず、指令に対して進行方向のずれおよび速度の違いが生
じてしまう問題がある。あるいは、その場旋回させたと
きの中心が車体の中心にないため旋回スペースが大きく
なるという問題がある。

【００１１】本発明の目的は、移動方向および速度を指
令に対して忠実に動作させることができる応答性の向上
された全方向移動装置の制御装置を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、基台と、基台に走行面の法線に対して所定の角度で
相互に異なる方向に傾斜して設けられる３以上の駆動輪
と、各駆動輪毎に設けられ、各駆動輪を個別に回転駆動
する回転駆動源とを備え、各駆動輪が走行面に対して発
生する各駆動力のベクトル和の方向に進行する全方向移
動装置の制御装置において、左右方向の指令速度Ｘ′、
前後方向の指令速度Ｙ′および左右の旋回方向指令速度
φ′入力する入力手段と、入力手段からの各指令速度
Ｘ′，Ｙ′，φ′に応答して各回転駆動源を個別に制御
し、各駆動輪を前記各指令速度Ｘ′，Ｙ′，φ′に対応
する回転速度で回転駆動する制御手段とを含むことを特
徴とする全方向移動装置の制御装置である。

【００１３】本発明に従えば、基台には３以上の駆動輪
が設けられ、各駆動輪は回転駆動源によって個別に回転
駆動される。入力手段によって、進行方向前方に向かっ
て左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度Ｙ′お
よび左右の旋回方向の指令速度φ′が制御手段に入力さ
れると、制御手段は、各回転駆動源を制御して、各駆動
輪を各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′に対応する回転速度で
個別に回転駆動させ、全方向移動装置は、各駆動輪が走
行面に対して発生する各駆動力のベクトル和の方向に進
行する。

【００１４】このように制御手段は、各駆動輪に走行面
に対してそれぞれ発生する各駆動力のベクトル和が、前
記入力手段によって入力された各指令速度Ｘ′、Ｙ′、
φ′となるように、各駆動輪ごとに設けられる回転駆動
源を制御するので、前後方向、斜め方向、左右の旋回方
向の全方向に対して、全ての駆動輪を用いて走行し、入
力手段によって指令された方向および速度で全方向移動
装置を走行させることができ、前記従来の技術に関連し
て述べたように、指令に対して進行方向のずれおよび応
答遅れが生じてしまうという不具合が防がれ、応答性が
向上される。

【００１５】請求項２記載の本発明は、前記各駆動輪
は、球状であり、この球状駆動輪の頂部を、球状駆動輪
の一半径線に直交する第１の回転軸線まわりに回転自在
に設けられる頂部支持ローラによって支持し、この球状
駆動輪の外周部を球状駆動輪の中心を通りかつ前記一半
径線に垂直な第２の仮想一平面上で外周円に対する接線
に平行な第２の回転軸線まわりに回転自在な３以上の外
周部支持ローラによって支持し、各外周部支持ローラ
を、環状のローラ保持体によって保持し、このローラ保
持体を、回転駆動源によって回転駆動することによっ
て、前記球状駆動輪を回転させる球状駆動輪組立体を構
成し、駆動輪組立体は、基台に、車体中心Ｏ_Bから予め
定める距離Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｉ−１，Ｌｉ（ｉは正の
整数）をあけてそれぞれ設けられ、前記制御手段は、一
平面上に想定したＸＹ基準座標系のＸ軸に対して、各球
状駆動輪の接地点と前記回転中心とを結ぶ各直線が成す
角度を、φ１，φ２，…，φｉ−１，φｉとし、各線分
に対して各球状駆動輪の能動的回転の速度成分の方向が
成す角度をψ１，ψ２，…，ψｉ−１，ψｉとしたと
き、前記入力手段によって入力された左右方向の指令速
度Ｘ′、前後方向の指令速度Ｙ′および左右の旋回方向
の指令速度φ′をパラメータとして各球状駆動輪Ｗ１，
Ｗ２，…，Ｗｉ−１，Ｗｉの回転速度ｖ１，ｖ２，…ｖ
ｉ−１，ｖｉを、

【００１６】

【数２】

【００１７】によって求め、これらの回転速度ｖ１，ｖ
２，…，ｖｉ−１，ｖｉに基づいて各回転駆動源を制御
することを特徴とする。

【００１８】本発明に従えば、各駆動輪として、球状駆
動輪が用いられ、各球状駆動輪の頂部は頂部支持ローラ
によって支持され、各球状駆動輪の外周部は、ローラ保
持体に設けられる３以上の外周部支持ローラによって支
持される。制御手段は、入力手段によって入力された各
指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′をパラメータとして入力し、
上記の演算式によって各球状駆動輪の速度ｖ１〜ｖｉを
求めて、各回転駆動源を制御する。

【００１９】したがって入力手段から入力される各指令
速度Ｘ′、Ｙ′、φ′が、全方向移動装置の使用者の入
力操作によって変化しても、常に入力された各指令速度
Ｘ′、Ｙ′、φ′に対応する方向および速度に全方向移
動装置を走行させることができ、入力指令に対して高い
応答性を達成することができる。

【００２０】請求項３記載の本発明は、前記予め定める
回転中心に対するＸ軸方向の偏心量ａおよびＹ軸方向の
偏心量ｂを前記制御手段に入力して、新たな回転中心を
設定するための設定手段を含み、前記制御手段は、各球
状駆動輪の接地点と、前記設定手段によって設定された
新たな回転中心とを結ぶ直線がＸ軸に対して成す角度ψ
１，ψ２，…，ψｉ−１，ψｉを用いて前記各回転速度
ｖ１，ｖ２，…，ｖｉ−１，ｖｉを求め、これらの回転
速度ｖ１，ｖ２，…，ｖｉ−１，ｖｉに基づいて各回転
駆動源を制御することを特徴とする。

【００２１】本発明に従えば、前記制御手段には、設定
手段によって非走行時の回転中心に対するＸ軸方向の偏
心量ａおよびＹ軸方向の偏心量ｂを設定することができ
るので、全方向移動装置の走行時における重心位置の移
動に対して、走行前に予想される各偏心量ａ、ｂを入力
して走行中の回転中心を、走行時の重心位置またはその
近傍に設定し、この新たに設定した回転中心に関して上
記の演算を行い、各球状駆動輪の回転速度ｖ１〜ｖｉを
求め、全方向移動装置を入力した各指令速度Ｘ′、
Ｙ′、φ′で走行させることができる。これによってそ
の場旋回における旋回中心を、車体の中心にすること
で、旋回スペースを最小にするとともに、全方向移動装
置の走行時における重心位置に応じた実走行を達成する
ことが可能となり、曲線走行または旋回走行などの車体
中心に対して重心の移動が大きくなるような走行におい
て、転倒および横滑りなどが生じにくくなり、走行安定
性が向上されるとともに、最小半径で旋回することがで
き、狭い領域であっても容易に旋回することが可能とな
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の
全方向移動装置３１に用いられる駆動輪組立体Ｗを側方
から見た断面図であり、図２は駆動輪組立体Ｗを図１の
切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図であり、図３は駆動
輪組立体Ｗを図１の下側から見た底面図である。本実施
の形態の全方向移動装置３１は、後述の図６に示される
ように、身体障害者および高齢者などによって用いられ
る電動車椅子であって、基台３２と、この基台３２に設
けられる４つの駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４（総称する場合
には駆動輪組立体Ｗと略記する）が設けられる。

【００２３】駆動輪組立体Ｗは、球状駆動輪３３と、球
状駆動輪３３の外周部３４を支持し、周方向に間隔をあ
けて複数（本実施の形態では６）設けられる外周部支持
ローラ３５と、球状駆動輪３３の頂部３６を支持する頂
部支持ローラ３７と、各外周部支持ローラ３５を周方向
に前記間隔をあけて保持する環状のローラ保持体３８
と、ローラ保持体３８を回転駆動する回転駆動源３９
と、球状駆動輪３３の前記頂部３６を含む略上半部を覆
う上カバー体４１と、球状駆動輪３３の略下半部が着脱
可能に嵌まり込み、上カバー体４１の開口周縁部４２に
固定される下カバー体４３と、ローラ保持体３８を回転
自在に支持し、上カバー体４１の開口周縁部４２と下カ
バー体４３とによって挟持される軸受４４と、上カバー
体４１と基台３２との間に介在される弾性支持手段４５
とを含む。

【００２４】各外周部支持ローラ３５は、球状駆動輪３
３の中心Ｏ_Wを含む第１の仮想一平面４６上で外周円４
７（図３参照）に対する接線４８に平行な第１の回転軸
線４９まわりに回転自在に支持される各一対のローラ５
０ａ，５０ｂと、各ローラ５０ａ，５０ｂを前記第１の
回転軸線４９まわりに回転自在に支持するローラ軸５１
と、ローラ軸５１をその長手方向両端部付近で前記第１
の回転軸線４９まわりに回転自在に支持し、前記ローラ
保持体３８の一表面上に周方向に前記間隔をあけて固定
されるブラケット５２とを有する。

【００２５】このような各外周部支持ローラ３５の前記
ローラ保持体３８への取付間隔は、前記第１の仮想一平
面（図３参照）上において、ローラ中心Ｏ_Wに関して周
方向に角度βを成して設けられ、この角度βは、本実施
の形態において６０°に選ばれる。このような外周部支
持ローラ３５は、少なくとも周方向に間隔をあけて３以
上必要であり、本実施の形態では球状駆動輪３３に外周
部支持ローラ３５から局部的に大きな外力が作用するこ
とを避けて、その外力を分散し、円滑に球状駆動輪３３
の回転を許容した状態で支持するために周方向に等間隔
をあけて６つの外周部支持ローラ３５が設けられてい
る。

【００２６】前記頂部支持ローラ３７は、球状駆動輪３
３の中心Ｏ_Wを含みかつ第１の仮想一平面４６に垂直な
第２の仮想一平面５３上で、前記球状駆動輪３３の中心
Ｏ_Wを通りかつ第１および第２の仮想一平面４６，５３
の交線に平行な第２の回転軸線５５まわりに回転自在に
設けられる金属製の一対のローラ５６ａ，５６ｂと、各
ローラ５６ａ，５６ｂを前記第２の回転軸線５５まわり
に回転自在に支持するローラ軸５７と、ローラ軸５７を
支持するブラケット５８と、各ローラ５６ａ，５６ｂを
ローラ軸５７に対して第２の回転軸線５５まわりに回転
自在に軸支するローラ軸受５９ａ，５９ｂと、各ローラ
軸受５９ａ，５９ｂの各内輪６０ａ，６０ｂ間に前記ロ
ーラ軸５７に装着された状態で介在され、各ローラ５６
ａ，５６ｂおよび各ローラ軸受５９ａ，５９ｂの変位を
阻止する直円筒状のスペーサ６１とを有する。

【００２７】各ローラ５６ａ，５６ｂの外周面６３ａ，
６３ｂは、相互に近接する方向に小径となる円錐台状に
形成され、各ローラ５６ａ，５６ｂが球状駆動輪３３に
接触した位置で、球状駆動輪３３の外周面の曲率に比例
した傾斜角で傾斜する円錐台面を成し、わずかな接触面
積で接触して各球状駆動輪３３の各駆動力の方向とは接
地面８９上で直交する非駆動方向への自由回転を許容
し、球状駆動輪３３の回転に安定して従動回転すること
ができるように構成されている。このことは前述の外周
部支持ローラ３５の各ローラ５０ａ，５０ｂに対しても
同様であり、これらのローラ５０ａ，５０ｂの外周面６
４ａ，６４ｂもまた、球状駆動輪３３の外周面の曲率に
沿った傾斜を成す円錐台状のテーパ面とされる。

【００２８】前記ローラ保持体３８は、前記軸受４４に
よって球状駆動輪３３の中心Ｏ_Wを含む第３の回転軸線
６８まわりに矢符Ａ１，Ａ２方向に回転自在に保持され
る。この第３の回転軸線６８は、頂部支持ローラ３７の
第２の回転軸線５５に前記第２の仮想一平面５３上で直
交する一直線上に存在している。ローラ保持体３８は、
前記各外周部支持ローラ３５のブラケット５２が固定さ
れる円環状の取付リング６９と、この取付リング６９に
同軸に積重された状態でボルト７０によって固定される
円環状のラック７１とを有する。

【００２９】このようなローラ保持体３８を保持する前
記軸受４４は、取付リング６９の外周に嵌まり込む内輪
７２と、上カバー体４１の開口周縁部４２と下カバー体
４３の開口周縁部７３とによって挟持される外輪７４
と、内輪７２および外輪７４間に介在される複数の球状
の転動体７５とを有する。

【００３０】カバー体４１の開口周縁部４２と下カバー
体４３の開口周縁部７３とは、ボルト７６によって着脱
可能に連結される。下カバー体４３の最も球状駆動輪３
３に近接した内周部７７には、半径方向内方に部分的に
突出する環状のフェルトからなるシール材７８が嵌着さ
れ、球状駆動輪３３の外周面に接触している。このシー
ル材７８によって、球状駆動輪３３の表面に付着したご
みおよび水などが掻き落とされ、外周部支持ローラ３５
および頂部支持ローラ３７への異物の係着、ならびに各
軸受４４；５９ａ，５９ｂへの異物の噛込みが防がれ、
球状駆動輪３３の円滑な回転が維持される。

【００３１】このようなローラ保持体３８は、各外周部
支持ローラ３５を、前記第１の仮想一平面４６上の第２
の回転軸線５５まわりに回転自在に保持し、前記球状駆
動輪３３の中心Ｏｗを通りかつ第１の仮想一平面４６に
垂直な第３の回転軸線６８まわりに矢符Ａ１，Ａ２方向
に回転駆動源３９によって選択的に回転駆動される。こ
の回転駆動源３９は、サーボモータ８１と、サーボモー
タ８１の出力軸８２に固定されるピニオン８３とを有す
る。ピニオン８３は、ローラ保持体３８のラック７１に
噛合し、サーボモータ８１からの回転力が伝達される。

【００３２】球状駆動輪３３は、金属製の球体８７と、
この球体８７の表面上に可撓性および弾発性を有する材
料であるたとえばごむから成る表層８８とを有する。球
体８７は、中空であり、前記外周部支持ローラ３５およ
び頂部支持ローラ３７からの局部的に大きな押圧力に対
して充分な強度を有する。また表層８８は、上記のよう
に可撓性および弾発性を有するので、車体の振動および
走行面８９の凹凸による衝撃を吸収し、基台３２への振
動および衝撃が緩和される。また前記可撓性および弾発
性を有する材料として、ごむを用いることによって、走
行面８９に対して大きな摩擦力を発生させることがで
き、これによって球状駆動輪３３の不所望な滑りを防止
して、走行面８９に対する滑りを防ぎ、所定の進行方向
へ向かって確実に走行し、進路を変更し、加減速するこ
とができる。

【００３３】前記上カバー体４１は、球状駆動輪３３の
略上半部を覆う中空の略半球状のカバー部９０と、カバ
ー部９０に一体的に連なり、前記サーボモータ８１が取
付けられるモータ取付部９１と、このモータ取付部９１
からさらに突出して連なる連結部９２とを有し、この連
結部９２は連結ピン９３によって基台３２の連結突部９
４に水平な軸線９５まわりに矢符Ｂ１，Ｂ２方向に角変
位自在に連結される。

【００３４】基台３２の前記連結突部９４の上方には、
ブラケット９７が固定される。このブラケット９７と前
記上カバー体４１のカバー部９０との間には、前記弾性
支持手段４５が介在される。この弾性支持手段４５は、
２本のばねダンバ１０１ａ，１０１ｂと、１本の油圧ダ
ンパ１０２とから成る。各ばねダンバ１０１ａ，１０１
ｂは、案内軸１０３と、案内軸１０３の軸線方向一端部
寄りに形成される、ねじ部１０４に螺着されるばね力調
整ナット１０５と、案内軸１０３に装着され、ばね力調
整ナット１０５上に支持される円環状のばね受け片１０
６と、案内軸１０３に装着され、一端部が前記ばね受け
片１０６上に支持される圧縮コイルばね１０７と、各案
内軸１０３に装着され、圧縮コイルばね１０７の他端部
を支持するばね受け片１０８と、各案内軸１０３が挿通
し、ばね受け片１０８を長手方向（図２の左右方向）両
端部で支持する連結部材１０９と、この連結部材１０９
から上方に突出した各案内軸１０３の突出部分に装着さ
れる押えばね１１０と、各押えばね１１０を抜止めする
抜止め片１１１と、抜止め片１１１を案内軸１０３に抜
止めする抜止めピン１１２とを有する。

【００３５】前記連結部材１０９は、前記基台３２に設
けられるブラケット９７の先端部付近が嵌まり込む嵌合
凹所１１３が形成され、この嵌合凹所１１３の両側で対
向する一対の凸部１１４には、連結ピン１１５の軸線方
向両端部が挿通して支持される。連結ピン１１５は、前
記基台３２のブラケット９７の先端部に軸線まわりに回
動自在に挿入され、抜止めピン１１６によって抜止めさ
れた状態で、ブラケット９７に連結部１０９が相対的に
角変位自在に連結される。

【００３６】前記油圧ダンパ１０２は、軸線方向一端部
がピン１２１によって上カバー体４１のカバー部９０に
回動自在に連結されるシリンダチューブ１２２と、シリ
ンダチューブ１２２内で軸線方向に移動自在に収容され
るピストン１２３と、ピストン１２３に軸線方向一端部
が固定され、軸線方向他端部がピン１２４によって回動
自在にブラケット９７に連結されるピストンロッド１２
５とを有する。ピストン１２３には、シリンダチューブ
１２２内の圧力室１２６ａ，１２６ｂを連通する細い通
路がオフィスとして設けられ、各圧力室１２６ａ，１２
６ｂ間で空気が相互に熱化して、その時間的遅れによる
ダンピング効果によって緩衝することができるように構
成されている。

【００３７】このような弾性支持手段４５によって、走
行時に接地面８９の起伏および段差を吸収し、常に全て
の球状駆動輪３３を接地面８９に接地させた状態とし
て、各球状駆動輪３３の接地面８９に対する各駆動力の
ベクトル和の方向を進行方向として、全方向移動装置３
１を後述の入力手段１３８のジョイスティック１３７の
入力操作指令に対応する方向および速度に正確に動作さ
せることができ、少なくとも１つの球状駆動輪３３の浮
上がりによって、全ての球状駆動輪３３の各駆動力のベ
クトル和が崩れ、進行方向および速度が前記ジョイステ
ィック１３７の入力操作指令に対してずれてしまうとい
う不具合の発生が防がれる。

【００３８】図４は、駆動輪組立体Ｗの外観および基台
３２への取付状態を示す側方から見た断面図であり、図
５は駆動輪組立体Ｗを図４の上方から見た平面図であ
り、図６は各駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４を備える全方向移
動装置３１の外観を示す斜視図である。全方向移動装置
３１は、前述したように電動車椅子であって、基台３２
には使用者が着座する座板シート１３１と、背板シート
１３２と、左右一対の肘掛け１３３ａ，１３３ｂとが設
けられる。

【００３９】基台３２の前部には、左右一対の足置き部
１３４ａ，１３４ｂが前後方向に沿う軸線まわりに矢符
Ｃ１，Ｃ２；Ｄ１，Ｄ２方向に角変位可能には設けられ
る。各足置き部１３４ａ，１３４ｂは図６に示される使
用状態ではほぼ水平に配置され、未使用時には矢符Ｃ
１，Ｄ１方向に角変位させてほぼ垂直に立上げておくこ
とができる。一方の肘掛け部１３３ａの前部には、ジョ
イスティック１３７の操作によって走行制御するための
入力手段１３８が設けられる。このジョイスティック１
３７を把持して前後方向、左右方向、斜め方向左右旋回
方向に操作することによって、その操作方向に応じた方
向および速度で全方向移動装置３１を走行させることが
できる。

【００４０】前記基台３２は、フレーム本体１４１と、
フレーム本体１４１に、その平面視において対角線方向
に固定され、前記連結突部９４を有する４つの取付体１
４２ａ〜１２４ｄ（総称する場合は取付体１４２と記
す）と、各取付体１４２に固定される前記ブラケット９
７とを含む。

【００４１】図７は、基台３２の具体的構成を示す平面
図であり、図８は図７の切断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩか
ら見た断面図であり、図９は取付体１４２の表面図であ
る。なお、図７においては、図解を容易にするため、上
方のブラケット９７は省略されている。フレーム本体１
４１は、図７に示される平面形状が大略的に四角形の外
枠フレーム１４３と、外枠フレーム１４３から上方に突
出して連なり、前記座板シート１３１から乗載される上
フレーム１４４と、外枠フレーム１４３から下方に連な
り、各取付体１４２ａ〜１４２ｄが固定される下フレー
ム１４５とを有する。

【００４２】各取付体１４２ａ，１４２ｂは左右両側に
車体中心Ｏ_Bを含む一鉛直面に関して４５°の角１度で
対象に一体的に形成される。また後方に設けられる取付
体１４２ｃ，１４２ｄは、前記鉛直面に関して左右両側
にそれぞれ角度４５°を成して対称に一体的に形成さ
れ、前部および後部で取付体ユニット１４６ａ，１４６
ｂをそれぞれ構成している。

【００４３】図１０は、本発明の実施の一形態の全方向
移動装置３１の制御装置１６１の電気的構成を示すブロ
ック図である。前述した前後方向移動装置３１には、走
行方向および走行速度を制御するために、制御装置１６
１が備えられる。この制御装置１６１は、進行方向に向
かって左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度
Ｙ′および左右の旋回方向の指令速度φ′を入力する前
記入力手段１３８と、入力手段１３８からの各指令速度
Ｘ′，Ｙ′，ψ′に応答して各回転駆動源３９のサーボ
モータ８１を個別に制御し、各球状駆動輪３３を前記各
指令速度Ｘ′，Ｙ′，φ′に対応する回転速度で回転駆
動する回転速度指令信号ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４をそれ
ぞれ出力する制御手段１６２と、制御手段１６２から出
力される各回転速度指令信号ｖ１〜ｖ４に応答して、各
増幅回路１６４ａ〜１６４ｄによって増幅し、各回転駆
動源３９のサーボモータ８１ａ〜８１ｄに各回転速度指
令信号ｖ１〜ｖ４に対応する駆動電流を供給して、各球
状駆動輪３３の回転速度を個別に制御し、入力手段１３
８のジョイスティック１３７の操作方向および各変位量
に対応する各速度Ｘ′，Ｙ′，φ′で全方向移動装置３
１を走行制御することができる。

【００４４】このような制御手段１６１は、全方向移動
装置３１の走行によって非走行時における車体の回転中
心Ｏ_Bが図１１に関連して述べたように、Ｘ軸方向に偏
心量ａ（右方を正とする）だけ偏心し、Ｙ軸方向に偏心
量ｂ（前方を正とする）だけ偏心した位置に新たな回転
中心Ｏ_B１を設定するための設定手段１６３を含む。こ
の設定手段１６３は、たとえば全方向移動装置３１の姿
勢などによって重心が車体中心Ｏ_Bから常にずれている
ような場合に旋回すると、転倒する恐れがあるため、予
め姿勢を容易に変更できないような使用者に対しては、
回転中心を予め車体中心Ｏ_Bからずらせておくことによ
って、旋回時などに車体中心Ｏ_Bに対する重心位置の偏
心量が少なくててすみ、転倒する危険性を予め少なく設
定するために用いられる。

【００４５】このような設定手段１６３によって前記制
御手段１６２は、新たな回転中心Ｏ _B１から各球状駆動
輪３３の設置点までの距離Ｌ１〜Ｌ４を用いて下記の式
１によって演算し、回転速度指令信号ｖ１〜ｖ４を出力
し、各サーボモータ８１の回転数を変化させ、旋回走行
時に全方向移動装置３１およびその使用者に過大な遠心
力が作用することが防がれ、転倒を防止することができ
る。

【００４６】ｘ軸を右進方向、ｙ軸を前進方向とし、回
転角φは反時計まわりを正とする。また駆動輪組立体を
Ｗ１を右前、Ｗ２を左前、Ｗ３を左後、Ｗ４を右後と
し、さらにまた、走行時の回転中心（移動前、すなわち
対角線の交点）Ｏ_Bと各駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４の接地
点との長さをＬ１〜Ｌ４とする。このとき、車体中心Ｏ
_Bの速度Ｘ′，Ｙ′，φ′と各駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４
の速度ｘｉ′，ｙｉ′（ｉ＝１，２，３，４）との関係
は、次のようになる。

【００４７】

【数３】

【００４８】本実施の形態によれば、基台３２に設けら
れる各球状駆動輪３３は回転駆動源３９によって個別に
回転駆動し、入力手段１３８によって、進行方向前方に
向かって左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度
Ｙ′および左右の旋回方向の指令速度φ′が制御手段１
６２に入力されると、制御手段１６２は、各回転駆動源
３９を制御して、各球状駆動輪３３を各指令速度Ｘ′、
Ｙ′、φ′に対応する回転速度で個別に回転駆動させ、
全方向移動装置３１は、各球状駆動輪３３が接地面に対
して発生する各駆動力のベクトル和の方向に進行させる
ことができる。

【００４９】このように制御手段１６２は、各球状駆動
輪３３に接地面に対してそれぞれ発生する各駆動力のベ
クトル和が、前記入力手段１３８によって入力された各
指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′となるように、式１によって
各球状駆動輪３３ごとに設けられる回転駆動源３９を制
御するので、前後方向、斜め方向、左右の旋回方向の全
方向に対して、全ての駆動輪を用いて走行し、入力手段
１３８によって指令された方向および速度で全方向移動
装置を走行させることができ、指令に対して進行方向の
ずれおよび応答遅れが生じてしまうという不具合が防が
れ、応答性が向上される。

【００５０】このように制御手段１６２は、入力手段１
３８によって入力された各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′を
パラメータとして入力し、上記の演算式によって各球状
駆動輪３３の速度ｖ１〜ｖｉを求めて、各回転駆動源３
９を制御する。したがって入力手段１３８から入力され
る各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′が、全方向移動装置の使
用者の入力操作によって変化しても、常に入力された各
指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′に対応する方向および速度に
全方向移動装置を走行させることができ、入力指令に対
して高い応答性を達成することができる。

【００５１】さらに、前記制御手段１６２には、設定手
段１６３によって非走行時の回転中心Ｏ_Bに対するＸ軸
方向の偏心量ａおよびＹ軸方向の偏心量ｂを設定するこ
とができるので、全方向移動装置の走行時における重心
位置の移動に対して、走行前に予想される各偏心量ａ、
ｂを入力して走行中の回転中心を、走行時の重心位置ま
たはその近傍に設定し、この新たに設定した回転中心に
関して上記の演算を行い、各球状駆動輪の回転速度ｖ１
〜ｖｉを求め、全方向移動装置を入力した各指令速度
Ｘ′、Ｙ′、φ′で走行させることができる。これによ
ってその場で旋回するときの旋回中心を、車体の中心と
し、旋回スペースを最小にすることができるとともに、
全方向移動装置の走行時における重心位置に応じた実走
行を達成することが可能となり、曲線走行または旋回走
行などの車体中心に対して重心の移動が大きくなるよう
な走行において、転倒および横滑りなどが生じにくくな
り、走行安定性が向上されるとともに、最小半径で旋回
することができ、狭い領域であっても容易に旋回するこ
とが可能となる。

【００５２】上記の実施の形態では、基台３２に４つの
駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４を備える。全方向移動装置３１
について述べたけれども、本発明の実施の他の形態とし
て３つの駆動輪組立体を備える全方向移動装置において
も、入力手段１３８へのジョイスティック１３７の操作
方向および各変位量に応じて任意の方向に高い走行安定
性で走行することが可能であり、さらに本発明の他の実
施の形態では、５以上のｉ個の駆動輪組立体を用いた全
方向移動装置であっても、当業者にとって容易に想定す
ることが可能である。この場合、前記制御手段１６２に
は、式２に示す演算式が設定されている。

【００５３】

【数４】

【００５４】さらに本発明の実施の他の形態では、上か
バー体と下カバー体とによって軸受が挟持され、この軸
受によって前記ローラ保持体が第３の回転軸線まわりに
回転自在に支持される。上カバー体にはまた、頂部支持
ローラが第２の回転軸線まわりに回転自在に支持され、
このようにして上部支持ローラとローラ保持輪とが位置
決めされた状態で安定に球状駆動輪を支持し、下半部を
下カバー体から下方に突出させた状態で外囲している。
このような上カバー体および下カバー体によって外部か
ら球状駆動輪に使用者の足またはその他の物品が直接接
触することが防がれ、こうして球状駆動輪の回転に対す
る外乱が作用することが防がれ、したがって進行方向が
外乱によって不所望に変化してしまうことが防がれる。

【００５５】また上記の実施の各形態では、全方向移動
装置として電動車椅子について述べたけれども、本発明
はこれに限るものではなく、３以上の駆動輪組立体によ
って各種の移動装置、たとえば無人搬送台車（略称ＡＧ
Ｖ）、移動ロボット、作業用台車などへの実施が可能で
ある。

【００５６】さらに本発明の実施の他の形態では、各球
状駆動輪３３を金属製または硬質合成樹脂製とし、頂部
支持ローラ３７によって弾発的に支持するように構成さ
れていもよい。頂部支持ローラ３７によって前記金属製
または硬質合成樹脂製の各球状駆動輪３３を支持するこ
とによって、接地面に対してほぼ点接触し、室内の床な
どのように大きなトルクを必要としない場合に好適に用
いることができ、接地面との摩擦による無駄な動力が削
減される。このような球状駆動輪は頂部支持ローラによ
って弾発的に支持され、走行時に接地面の微小な起伏に
よる振動が吸収され、この起伏による振動および走行音
の発生が防がれる。

【００５７】このような頂部支持ローラ３７は、各ロー
ラ５６ａ，５６ｂがゴムなどの可撓性および弾発性を有
する材料によって形成されてもよく、あるいは各ローラ
５６ａ，５６ｂの軸受５９ａ，５９ｂとローラ軸５７と
の間に弾性部材を介在させてもよい。

【００５８】本発明の実施のさらに他の形態では、３以
上の駆動輪組立体を用いて、球状駆動輪を上方にして所
定の間隔で配置し、製造ラインなどにおける製品の搬送
用コンベアとして実施することもまた、可能である。

【００５９】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、制御手
段は、各駆動輪に走行面に対してそれぞれ発生する各駆
動力のベクトル和が、前記入力手段によって入力された
各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′となるように、各駆動輪ご
とに設けられる回転駆動源を制御するので、前後方向、
斜め方向、左右の旋回方向の全方向に対して、全ての駆
動輪を用いて走行し、入力手段によって指令された方向
および速度で全方向移動装置を走行させることができ、
前記従来の技術に関連して述べたように、指令に対して
進行方向のずれおよび応答遅れが生じるという不具合が
防がれ、高精度で応答性を向上することができる。

【００６０】請求項２記載の本発明によれば、入力手段
から入力される各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′が、全方向
移動装置の使用者の入力操作によって変化しても、常に
入力された各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′に対応する方向
および速度で全方向移動装置を走行させることができる
ので、入力指令に対して高い応答性を達成することがで
きる。

【００６１】請求項３記載の本発明によれば、設定手段
によって全方向移動装置の走行時における重心位置の移
動に対して、走行前に予想される各偏心量ａ、ｂを入力
して走行中の回転中心を、走行時の重心位置またはその
近傍に設定し、この新たに設定した回転中心に関して各
球状駆動輪の回転速度ｖ１〜ｖｉを求め、全方向移動装
置を入力した各指令速度Ｘ′、Ｙ′、φ′で走行させる
ことができる。これによって全方向移動装置の走行時に
おける重心位置に応じた実走行を達成することが可能と
なり、曲線走行または旋回走行などの車体中心に対して
重心の移動が大きくなるような走行において、転倒およ
び横滑りなどが生じにくくなり、走行安定性が向上さ
れ、最小の旋回半径で旋回することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の全方向移動装置３１に
用いられる駆動輪組立体Ｗを側方から見た断面図であ
る。

【図２】駆動輪組立体Ｗを図１の切断面線ＩＩ−ＩＩか
ら見た断面図である。

【図３】駆動輪組立体Ｗを図１の下側から見た断面図で
ある。

【図４】駆動輪組立体Ｗの外観および基台３２の取付状
態を示す側方から見た断面図である。

【図５】駆動輪組立体Ｗを図４の上側からみた平面図で
ある。

【図６】各駆動輪組立体Ｗ１〜Ｗ４を備える全方向移動
装置３１の外観を示す斜視図である。

【図７】基台３２の具体的構成を示す平面図である。

【図８】図７の切断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩから見た断
面図である。

【図９】取付体１４２に正面図である。

【図１０】本発明の実施の一形態の全方向移動装置３１
の制御装置１６１の電気的構成を示すブロック図であ
る。

【図１１】従来の技術の駆動輪組立体１を簡略化して示
す図であり、図１１（１）は駆動輪組立体１の側面図で
あり、図１１（２）は駆動輪組立体１の正面図である。

【図１２】他の従来の技術の駆動輪組立体１１を簡略化
して示す図であり、図１２（１）は駆動輪組立体１１の
側面図であり、図１２（２）は駆動輪組立体１１の正面
図である。

【符号の説明】

３１ 全方向移動装置 ３２ 基台 ３３ 球状駆動輪 ３４ 外周部 ３５ 外周部支持ローラ ３６ 頂部 ３７ 頂部支持ローラ ３８ ローラ保持体 ３９ 回転駆動源 ４１ 上カバー体 ４２ 上カバー４１の開講周縁部 ４３ 下カバー体 ４４ 軸受 ４５ 緩衝手段 ４６ 第１の仮想一平面 ４７ 外周円 ４８ 接線 ４９ 第１の回転軸線 ５０ａ，５０ｂ；５６ａ，５６ｂ ローラ ５３ 第２の仮想一平面 ５５ 第２の回転軸線 ６３ａ，６３ｂ 頂部支持ローラ３７の外周面 ６４ａ，６４ｂ 外周部支持ローラ３５の外周面 ６８ 第３の回転軸線 ６９ 取付リング ７１ ラック ７３ 下カバー体４３の開口周縁部 ８１ サーボモータ ８７ 球体 ８８ 表層 ８９ 走行面 １０１ａ，１０１ｂ ばねダンパ １０２ 油圧ダンパ １３７ ジョイスティック １３８ 入力手段 １６１ 制御装置 １６２ 制御手段 １６３ 設定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 哲也 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 土井 利尚 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 志子田 繁一 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 三隅 隆也 兵庫県神戸市中央区港島南町１丁目５番２ 号 財団法人新産業創造研究機構内 (72)発明者 中嶋 勝己 兵庫県神戸市中央区港島南町１丁目５番２ 号 財団法人新産業創造研究機構内 (72)発明者 桂川 敬史 兵庫県神戸市中央区港島南町１丁目５番２ 号 財団法人新産業創造研究機構内 Ｆターム(参考） 3D052 AA02 AA16 BB08 BB09 DD00 EE00 FF03 FF05 GG04 GG07 HH03 JJ00

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台と、 基台に走行面の法線に対して所定の角度で相互に異なる
   方向に傾斜して設けられる３以上の駆動輪と、 各駆動輪毎に設けられ、各駆動輪を個別に回転駆動する
   回転駆動源とを備え、各駆動輪が走行面に対して発生す
   る各駆動力のベクトル和の方向に進行する全方向移動装
   置の制御装置において、 左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度Ｙ′およ
   び左右の旋回方向指令速度φ′入力する入力手段と、 入力手段からの各指令速度Ｘ′，Ｙ′，φ′に応答して
   各回転駆動源を個別に制御し、各駆動輪を前記各指令速
   度Ｘ′，Ｙ′，φ′に対応する回転速度で回転駆動する
   制御手段とを含むことを特徴とする全方向移動装置の制
   御装置。
2. 【請求項２】 前記各駆動輪は、球状であり、この球状
   駆動輪の頂部を、球状駆動輪の一半径線に直交する第２
   の回転軸線まわりに回転自在に設けられる頂部支持ロー
   ラによって支持し、 この球状駆動輪の外周部を球状駆動輪の中心を通りかつ
   前記一半径線に垂直な第１の仮想一平面上で外周円に対
   する接線に平行な第１の回転軸線まわりに回転自在な３
   以上の外周部支持ローラによって支持し、 各外周部支持ローラを、環状のローラ保持体によって保
   持し、 このローラ保持体を、回転駆動源によって回転駆動する
   ことによって、前記球状駆動輪を回転させる球状駆動輪
   組立体を構成し、 駆動輪組立体は、基台に、車体中心Ｏ_Bから予め定める
   距離Ｌ１，Ｌ２，…，Ｌｉ−１，Ｌｉ（ｉは正の整数）
   をあけてそれぞれ設けられ、 前記制御手段は、一平面上に想定したＸＹ基準座標系の
   Ｘ軸に対して、各球状駆動輪の接地点と前記回転中心と
   を結ぶ各直線が成す角度を、φ１，φ２，…，φｉ−
   １，φｉとし、各線分に対して各球状駆動輪の能動的回
   転の速度成分の方向が成す角度をψ１，ψ２，…，ψｉ
   −１，ψｉとしたとき、前記入力手段によって入力され
   た左右方向の指令速度Ｘ′、前後方向の指令速度Ｙ′お
   よび左右の旋回方向の指令速度φ′をパラメータとして
   各球状駆動輪Ｗ１，Ｗ２，…，Ｗｉ−１，Ｗｉの回転速
   度ｖ１，ｖ２，…ｖｉ−１，ｖｉを、 【数１】 によって求め、これらの回転速度ｖ１，ｖ２，…，ｖｉ
   −１，ｖｉに基づいて各回転駆動源を制御することを特
   徴とする請求項１記載の全方向移動装置の制御装置。
3. 【請求項３】 前記予め定める回転中心に対するＸ軸方
   向の偏心量ａおよびＹ軸方向の偏心量ｂを前記制御手段
   に入力して、新たな回転中心を設定するための設定手段
   を含み、 前記制御手段は、各球状駆動輪の接地点と、前記設定手
   段によって設定された新たな回転中心とを結ぶ直線がＸ
   軸に対して成す角度ψ１，ψ２，…，ψｉ−１，ψｉを
   用いて前記各回転速度ｖ１，ｖ２，…，ｖｉ−１，ｖｉ
   を求め、これらの回転速度ｖ１，ｖ２，…，ｖｉ−１，
   ｖｉに基づいて各回転駆動源を制御することを特徴とす
   る請求項１または２記載の全方向移動装置の制御装置。