JP2003276610A

JP2003276610A - 全方向移動台車

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Publication number: JP2003276610A
Application number: JP2002086790A
Authority: JP
Inventors: Hideki Yamashita; 秀樹山下
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP3794340B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来よりも速度制御や位置制御を一層精度良
く行うことが可能な全方向移動台車を提供する。【解決手段】操作部３を備えた車体には、ユニバーサ
ルホイールｗ１〜ｗ４とこれらを駆動する駆動部３１〜
３４とが設けられ、操作力に応じて車体を前後方向、左
右方向、および旋回方向にそれぞれ移動させる駆動要素
Ｄを個別に算出する駆動要素算出手段１５と、この算出
結果から所定の演算式に基づいて各駆動部３１〜３４に
おける駆動出力ｖ１〜ｖ４を決定する駆動出力演算手段
１６とを有し、かつ、ユニバーサルホイールの接地点が
切り換わるタイミングを判別する接地点切換タイミング
判別手段１７を設けるとともに、駆動出力演算手段は、
この接地点切換タイミング判別手段で判別された切換タ
イミングに合わせて各駆動部における駆動出力ｖ１〜ｖ
４を決定する場合に使用する演算式の係数Ａ１〜Ａ４を
切り換えるように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全方向移動台車に
係り、特には全方向移動車輪を精度良く移動制御するた
めの技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】本願出願人は、この種の全方向移動台車
として、例えば、図１３ないし図１７に示す構成を備え
たものを提案している（たとえば、特開２００１−９７
２２１号公報参照）。この全方向移動台車は、車体１の
一側部に操作者２が意図する方向に車体１を誘導するた
めの操作部３が設けられ、また、車体１の底部の前後左
右の４箇所には、ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４（各
ホイールを総称する場合にはｗで表記する）が設けられ
ている。

【０００３】上記のユニバーサルホイールｗは、図１４
および図１５に示すように、駆動モータＭに直結された
主軸６に回転枠体７が回転可能に設けられ、この回転枠
体７には内側と外側の２組のローラ群８ｏｕｔ，８ｉｎ
が配置されている。これらの各ローラ群８ｏｕｔ，８ｉ
ｎは、紡錘状の４つのローラ９からなり、これらのロー
ラ９がそれぞれ主軸６に垂直な平面内において等間隔に
回転自在に保持されている。そして、内外の各ローラ９
は、それぞれ主軸６を中心とする円周の一部を構成して
おり、かつ、互いの不連続部分を補完するように回転枠
体７の周方向に沿って交互に半ピッチずつずらせて配置
されている。

【０００４】したがって、車体１が主軸６に直交する方
向に走行する時には、ローラ９自体は回転せずにローラ
９は回転枠体７とともに回転する。また、車体１が主軸
６の軸心に沿う方向に走行する時には、回転枠体７は回
転せずにローラ９のみが回転する。さらに、車体１が主
軸６に対して斜め方向に走行する時には、傾斜角度に対
応して回転枠体７とローラ９とが同時に回転する。そし
て、図１６に示すように、車体１の前後に配置された左
右一対の各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４は、互いの
主軸６が車体１の前後方向に沿う中心線上において交差
し、かつ、中心線からの角度θが互いに等しくなるよう
に配置されている。

【０００５】図１７はこのような全方向移動台車におけ
る駆動制御系の構成を示すブロック図である。すなわ
ち、操作者２が意図する方向に車体１を誘導するために
操作部３を操作すると、これに応じて操作力検出手段１
４は、その操作力Ｈを車体１の制御中心（たとえば車体
１の重心）Ａにおける前後方向の分力Ｈｘと、車体１の
左右方向の分力Ｈｙと、車体１の旋回方向の分力Ｈｍと
に分解する。そして、これらの値Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｍを駆
動要素値算出手段１５に与える。

【０００６】駆動要素値算出手段１５は、これらの各値
Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｍに対して予め設定されたゲイン（力増
倍率）を乗じて、車体１の制御中心Ｏにおける前後方向
の移動速度Ｖａｘと、車体の左右方向の移動速度Ｖａｙ
と、車体の旋回速度Ｖａψとからなる駆動要素値Ｄを求
める。この駆動要素値Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）が
求まると、続いて、駆動出力演算手段１６は、図１６に
示した幾何学的な関係から、次の演算式に基づいて、各
ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ３の速度指令値ｖ１，ｖ
２，ｖ３，ｖ４を求める。

【０００７】

【数１】

【０００８】ここに、Ｌｖは車体１の前後方向に沿う中
心線から左右の各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４まで
の平均的な接地点距離、Ｌ１，Ｌ２は制御中心から前後
の各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４までの平均的な接
地点距離、θは各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の主
軸６と中心線とのなす角度である。

【０００９】こうして、駆動出力演算手段１６が〔数
１〕により各ホイールｗ１〜ｗ４の制御目標となる速度
指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４を求めると、これらの各
速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４のデータが各ユニバ
ーサルホイールｗ１〜ｗ４ごとに個別に配置された制御
手段２１〜２４に与えられるので、各制御手段２１〜２
４は、各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の速度が各速
度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４となるように各駆動部
３１〜３４の駆動モータＭを制御する。このようにし
て、操作者２は、操作部３を操作することで車体１を意
図する方向に任意の速度で誘導することができるのであ
る。

【００１０】なお、全方向移動台車の現在の駆動要素値
Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）を知る必要があるときに
は、〔数１〕のベクトル演算式の逆行列を求めることで
得ることができる。すなわち、Ｌ１ｖ＝（Ｌ１・ｃｏｓθ＋Ｌｖ・ｓｉｎθ）Ｌ２ｖ＝（Ｌ２・ｃｏｓθ＋Ｌｖ・ｓｉｎθ）Ｌ１ｖ＋Ｌ２ｖ＝｛（Ｌ１＋Ｌ２）・ｃｏｓθ＋２・Ｌｖ・ｓｉｎθ｝＝ＬＬとおくと、次の〔数２〕〜〔数５〕のいずれかにより現
在の駆動要素値Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）が得られ
る。

【００１１】

【数２】

【００１２】

【数３】

【００１３】

【数４】

【００１４】

【数５】

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の全方
向移動台車において、ユニバーサルホイールｗを構成す
る内側と外側の２組のローラ群８ｏｕｔ，８ｉｎは、前
述のように、互いの不連続部分を補完するように各ロー
ラ９が回転枠体７の周方向に沿って交互に半ピッチずつ
ずらせて配置されている。したがって、図１５に示すよ
うに、ユニバーサルホイールｗの主軸６の回転によって
ローラ９が回転枠体７とともに回転する場合には、各ロ
ーラ９がπ・Ｒｕｗ／４（ただし、Ｒｕｗは主軸６の中
心からローラ９の外縁までの距離）移動するごとに接地
点が内側位置Ｐｉと外側位置Ｐｏとに切り換わる。

【００１６】ところが、従来のものでは、このようにロ
ーラ９の接地点の切り換わりを考慮することなく、常
に、ユニバーサルホイールｗの平均的な接地点Ｐａｖ
（たとえば、ＰｉとＰｏとの中間位置）を決定し、その
位置を基準にして駆動出力演算手段１６が各接地点距離
Ｌｖ，Ｌ１，Ｌ２を求めた後、各ユニバーサルホイール
ｗの速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４を〔数１〕の演
算式により決定するようにしていた。あるいは、ユニバ
ーサルホイールｗの平均的な位置Ｐａｖを基準にして各
接地点距離Ｌｖ，Ｌ１，Ｌ２を求めた後、〔数２〕〜
〔数５〕のいずれかの演算式により現在の駆動要素値Ｄ
（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）を決定するようにしてい
た。

【００１７】このため、操作者２が意図する方向に車体
１を誘導する場合の速度制御や位置制御のさらなる高精
度化を図ろうとすると、ユニバーサルホイールｗのロー
ラ９の接地点の変動が高精度化の阻害要因となる。

【００１８】また、上記した全方向移動台車は、操作者
が操作力を加える操作部を備えており、その操作力をア
シストするものであるが、操作者が操作力を加える操作
部を備えず、車体位置に基づいて自律的に移動方向を決
定し、その決定された移動方向へ駆動するものがある
（例えば、本願出願人が提案した特願２００１−３２９
９０３、特願２００１−３３６８６３など）。このもの
にあっても、決定された移動方向へ駆動する場合の速度
制御や位置制御のさらなる高精度化を図ろうとすると、
同様に、ユニバーサルホイールｗのローラ９の接地点の
変動が高精度化の阻害要因となる。

【００１９】本発明は、上記事由に鑑みてなしたもの
で、従来よりもさらに高精度な速度制御や位置制御が可
能な全方向移動台車を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、少なくとも３つのユニバ
ーサルホイールと各ユニバーサルホイールを駆動する駆
動部とを設けた車体であって、かつ車体が所定の動作制
御を行うために車体を前後方向、左右方向、および旋回
方向にそれぞれ移動させる駆動要素を個別に算出する駆
動要素値算出手段と、この駆動要素値算出手段の算出結
果から所定の演算式に基づいて前記各駆動部における駆
動出力を決定する駆動出力演算手段とを有している全方
向移動台車において、前記ユニバーサルホイールの接地
点が切り換わるタイミングを判別する接地点切換タイミ
ング判別手段を設けるとともに、前記駆動出力演算手段
は、この接地点切換タイミング判別手段で判別された切
換タイミングに合わせて前記各駆動部における駆動出力
を決定する場合に使用する演算式の係数を切り換えるよ
うに構成されていることを特徴としている。

【００２１】これにより、駆動出力演算手段は、従来の
ように、ユニバーサルホイールの平均的な接地位置に基
づいて決定された係数を用いて各駆動部における駆動出
力を決定するのではなく、ユニバーサルホイールの接地
点が切り換わるタイミングに合わせて各駆動部における
駆動出力を決定する場合に使用する演算式の係数を切り
換えるので、従来よりも速度制御や位置制御を一層精度
良く行うことが可能となる。

【００２２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成において、前記車体は、操作者が操作力を加え
る操作部を備えており、前記動作制御は操作部に加えら
れた操作力をアシストするものであって前記駆動要素値
算出手段は操作部に加えられた操作力に応じて算出する
ものであることを特徴としている。

【００２３】これにより、請求項１記載の効果が、操作
力をアシストする型の全方向移動台車において奏するこ
とができる。

【００２４】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明の構成において、前記車体は、ユニバーサルホイール
の回転から車体の速度を算出する車体速度検出手段と、
車体速度から車体位置を算出する車体位置算出手段とを
備えていて、車体位置と目標位置に基づいて自律的に移
動方向を決定するものであり、前記動作制御は自律的に
決定された移動方向へ駆動するものであって前記駆動要
素値算出手段は決定される移動方向に応じて算出するも
のであることを特徴とする。

【００２５】これにより、請求項１記載の効果が、自律
的に移動方向を決定し、その移動方向へ駆動する型の全
方向移動台車において奏することができる。

【００２６】請求項４記載の発明は、請求項１ないし請
求項３のいずれか１項に記載の発明の構成において、前
記駆動出力演算手段は、車体が動き始める初期の段階で
は、前記演算式の係数を切り換えずにユニバーサルホイ
ールの平均的な接地点位置に基づいて決定された係数を
用いて前記各駆動部における駆動出力を決定し、車体が
所定距離だけ移動した段階では前記接地点切換タイミン
グ判別手段で判別された切換タイミングに合わせて前記
演算式の係数を切り換えるものであることを特徴とす
る。

【００２７】これにより、ユニバーサルホイールの接地
点が切り換わるタイミングを判別する接地点切換タイミ
ング判別手段として高価な回路構成のものでなくて比較
的安価な回路構成のものを使用した場合であっても、駆
動出力演算手段は各駆動部における駆動出力を確実に決
定することができる。

【００２８】請求項５記載の発明は、請求項１ないし請
求項４のいずれか１項に記載の発明の構成において、前
記接地点切換タイミング判別手段で判別される切換タイ
ミングの前後に前記駆動出力演算手段で演算される駆動
出力と前記各駆動部における実際の駆動検出値との間に
偏差が有るか否かを監視し、偏差が有る場合には、前記
切換タイミングを補正する補正手段を備えることを特徴
としている。

【００２９】これにより、駆動出力演算手段において各
駆動部における駆動出力を決定する場合に使用する演算
式の係数の切換タイミングが一層正確になるので、速度
制御や位置制御の精度がさらに向上する。

【００３０】請求項６記載の発明は、請求項１ないし請
求項５のいずれか１項に記載の発明の構成において、前
記接地点切換タイミング判別手段は、ユニバーサルホイ
ールを構成する各ローラの接地の有無を直接に検出する
検出センサを備えることを特徴としている。

【００３１】これにより、ユニバーサルホイールの接地
点が切り換わるタイミングを判別する接地点切換タイミ
ング判別手段の構成をさらに一層簡素化するとができ、
安価に実現することができる。

【００３２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
に係る全方向移動台車の駆動制御系の構成を示すブロッ
ク図であり、図１３ないし図１７に示した従来技術と対
応する構成部分については同一の符号を付す。このもの
は、操作力をアシストする型の全方向移動台車である。

【００３３】図１において、２は操作者、３は操作者２
が操作力を加える操作部、ｗ１〜ｗ４は車体の底部に配
置された４つのユニバーサルホイール、３１〜３４は各
ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４を駆動する駆動モータ
Ｍを備えた駆動部、２１〜２４は後述の駆動出力演算手
段１６で演算して得られる駆動出力に基づいて各駆動部
３１〜３４を個別に制御する制御手段である。

【００３４】また、１４は操作部３に加えられる操作力
Ｈを車体の制御中心（たとえば車体の重心）における前
後方向の分力Ｈｘと、車体の左右方向の分力Ｈｙと、車
体の旋回方向の分力Ｈｍとに分解する操作力検出手段、
１５は操作力検出手段１４で検出されたこれらの各値Ｈ
ｘ，Ｈｙ，Ｈｍに対して予め設定されたゲイン（力増倍
率）を乗じて、車体の前後方向の移動速度Ｖａｘと、車
体の左右方向の移動速度Ｖａｙと、車体の旋回速度Ｖａ
ψとからなる駆動要素値Ｄを求める駆動要素値算出手段
であり、これらの各部の構成は、図１４に示した従来技
術の場合と基本的に同じであるから、ここでは詳しい説
明は省略する。

【００３５】この実施の形態では、さらにユニバーサル
ホイールｗのローラ９の接地点Ｐｉ，Ｐｏ（図１２参
照）が切り換わるタイミングを判別する接地点切換タイ
ミング判別手段１７を備えている。この接地点切換タイ
ミング判別手段１７は、図２に示すように、各々のユニ
バーサルホイールｗ（ｗ１〜ｗ４）の主軸６の端部に比
較的廉価なインクリメンタル型のロータリエンコーダ４
１〜４４（各エンコーダを総称する場合には符号４０で
表記する）が取り付けられるとともに、各ロータリエン
コーダ４１〜４４の出力に基づいて各ローラ９の接地点
の切り換わり周期Ｔｇを決定する接地周期決定手段１８
を備えて構成されている。

【００３６】また、この実施の形態において、駆動出力
演算手段１６は、駆動要素算出手段１５の算出結果から
所定の演算式に基づいて各駆動部３１〜３４における駆
動出力（ここでは速度指令値）ｖ１〜ｖ４を算出する場
合に、接地点切換タイミング判別手段１７で判別された
切換タイミングに合わせて各駆動部３１〜３４における
駆動出力（速度指令値）ｖ１〜ｖ４を決定する場合に使
用する演算式の係数を切り換えるように構成されてい
る。以下、このことについて、さらに詳しく説明する。

【００３７】図３に示すように、車体１の前後方向をｘ
方向、これに直交する幅方向をｙ方向としたとき、車体
１の前後に配置された左右一対の各ユニバーサルホイー
ルｗ１〜ｗ４は、互いの主軸６が車体１のｘ方向に沿う
中心線上において交差し、かつ、中心線からの角度θが
互いに等しくなるように配置されている。

【００３８】いま、中心線上にある制御中心Ｏから各々
のユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の接地点までのｘ方
向の距離をそれぞれＬ１ｘ，Ｌ２ｘ，Ｌ３ｘ，Ｌ４ｘと
し、また、制御中心Ｏから各ユニバーサルホイールｗ１
〜ｗ４の接地点までのｙ方向の距離をそれぞれＬ１ｙ，
Ｌ２ｙ，Ｌ３ｙ，Ｌ４ｙとする。さらに、各々のユニバ
ーサルホイールｗ１〜ｗ４を構成する内側と外側の２組
のローラ群８ｏｕｔ，８ｉｎについて、内側のローラ８
ｉｎ群を構成する各ローラ９の接地点をそれぞれＰ１
Ｓ，Ｐ２Ｓ，Ｐ３Ｓ，Ｐ４Ｓとし、また、外側のローラ
群８ｏｕｔを構成する各ローラ９の接地点をそれぞれＰ
１Ｌ，Ｐ２Ｌ，Ｐ３Ｌ，Ｐ４Ｌとする。

【００３９】このとき、制御中心Ｏから各ローラ９の接
地点Ｐ１Ｓ，Ｐ２Ｓ，Ｐ３Ｓ，Ｐ４Ｓ，Ｐ１Ｌ，Ｐ２
Ｌ，Ｐ３Ｌ，Ｐ４Ｌまでのｘ方向の距離Ｌ１ｘ，Ｌ２
ｘ，Ｌ３ｘ，Ｌ４ｘと、ｙ方向の距離Ｌ１ｙ，Ｌ２ｙ，
Ｌ３ｙ，Ｌ４ｙとは、それぞれ次のようになる。ローラがＰ１Ｓで接地しているときＬ１ｘ＝Ｌ１ａ，Ｌ１ｙ＝ＬｖａローラがＰ１Ｌで接地しているときＬ１ｘ＝Ｌ１ｂ，Ｌ１ｙ＝ＬｖｂローラがＰ２Ｓで接地しているときＬ２ｘ＝Ｌ２ａ，Ｌ２ｙ＝ＬｖａローラがＰ２Ｌで接地しているときＬ２ｘ＝Ｌ１ｂ，Ｌ２ｙ＝ＬｖｂローラがＰ３Ｓで接地しているときＬ３ｘ＝Ｌ２ａ，Ｌ３ｙ＝ＬｖａローラがＰ３Ｌで接地しているときＬ３ｘ＝Ｌ２ｂ，Ｌ３ｙ＝ＬｖｂローラがＰ４Ｓで接地しているときＬ４ｘ＝Ｌ１ａ，Ｌ４ｙ＝ＬｖａローラがＰ４Ｌで接地しているときＬ４ｘ＝Ｌ１ｂ，Ｌ４ｙ＝Ｌｖｂ

【００４０】このように、制御中心Ｏから各ユニバーサ
ルホイールｗ１〜ｗ４の接地点Ｐ１Ｓ，Ｐ２Ｓ，Ｐ３
Ｓ，Ｐ４Ｓ，Ｐ１Ｌ，Ｐ２Ｌ，Ｐ３Ｌ，Ｐ４Ｌまでのｘ
方向の距離Ｌ１ｘ，Ｌ２ｘ，Ｌ３ｘ，Ｌ４ｘと、ｙ方向
の距離Ｌ１ｙ，Ｌ２ｙ，Ｌ３ｙ，Ｌ４ｙとはホイールｗ
１〜ｗ４の回転に伴ってそれぞれ変化する。

【００４１】そこで、この実施の形態では、各々のユニ
バーサルホイールｗ１〜ｗ４の接地点の変化に応じて、
従来のように〔数１〕で示した演算式で使用するような
固定された係数Ｌ１，Ｌ２，Ｌｖを用いるのではなく、
接地点の変化に応じて演算式の係数が切り換わるよう
に、次の演算式に基づいて、各ユニバーサルホイールｗ
１〜ｗ４の駆動出力（速度指令値）ｖ１，ｖ２，ｖ３，
ｖ４を求めるようにしている。

【００４２】

【数６】

【００４３】上記の〔数６〕において、Ａ１＝（Ｌ１ｘ・ｃｏｓθ＋Ｌ１ｙ・ｓｉｎθ）Ａ２＝（Ｌ２ｘ・ｃｏｓθ＋Ｌ１ｙ・ｓｉｎθ）Ａ３＝（Ｌ３ｘ・ｃｏｓθ＋Ｌ３ｙ・ｓｉｎθ）Ａ４＝（Ｌ４ｘ・ｃｏｓθ＋Ｌ４ｙ・ｓｉｎθ）とおくと、〔数６〕はさらに次のように記述できる。

【００４４】

【数７】

【００４５】なお、全方向移動台車の現在の駆動要素値
Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）を逆に知る必要があると
きには、〔数７〕の演算式の逆行列を求めることで得る
ことができる。すなわち、ｖ１〜ｖ４の４つの速度から
駆動要素値Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）を求めるのは
冗長であるので、ｖ１を無視して算出することを考える
と、次の逆行列が得られる。

【００４６】

【数８】

【００４７】つまり、

【００４８】

【数９】

【００４９】これを書き直すと、

【００５０】

【数１０】

【００５１】ｖ２〜ｖ４をそれぞれ無視した場合につい
ては同様の計算で算出できるので説明は省略する。

【００５２】次に、この実施の形態において、上記構成
を備えた全方向移動台車の制御動作ついて説明する。操
作者２が意図する方向に車体１を誘導するために操作部
３を操作すると、これに応じて操作力検出手段１４は、
その操作力Ｈを車体１の制御中心Ｏにおける前後方向の
分力Ｈｘと、車体の左右方向の分力Ｈｙと、車体の旋回
方向の分力Ｈｍとに分解する。そして、これらの値Ｈ
ｘ，Ｈｙ，Ｈｍを駆動要素値算出手段１５に与える。

【００５３】駆動要素値算出手段１５は、これらの各値
Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｍに対して予め設定されたゲインを乗じ
て、車体１の制御中心Ｏにおける前後方向の移動速度Ｖ
ａｘと、車体１の左右方向の移動速度Ｖａｙと、車体１
の旋回速度Ｖａψとからなる駆動要素値Ｄを求める。こ
うして駆動要素値算出手段１５によって駆動要素値Ｄ
（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）が求まると、これらの駆動
要素値Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）が駆動出力演算手
段１６に与えられる。

【００５４】ここで、〔数７〕の演算式に基づいて速度
指令値ｖ１〜ｖ４を求める場合の係数Ａ１〜Ａ４には、
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌｖａ，Ｌｖｂの数
値が含まれるので、ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４が
回転して内側と外側のローラ９の接地点が切り換わるた
びに、図４に示すような脈動が起こる。なお、図４で
は、４つのユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の内の一つ
のホイールのみに着目した場合を示している。

【００５５】すなわち、ロータリエンコーダ４０の検出
出力に基づいて得られる単位時間当たりのユニバーサル
ホイールの実際の回転速度（図中、実線で示す）と、駆
動出力演算手段１６で算出される速度指令値の内の一つ
（図中、破線で示す）とを比較すると、ローラ９が外側
で接地している場合は速度指令値よりも実際の速度の方
が速くなり、ローラ９が内側で接地している場合には速
度指令値よりも実際の回転速度の方が遅くなる。このた
め、両者の間に偏差が現れて、両者の偏差が脈動（図
中、一点鎖線で示す）として現れる。そして、この場合
の脈動の半周期Ｔｆごとに、内側と外側のローラ９の接
地点が切り換わるので、このタイミングに合わせて〔数
７〕の演算式の係数Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を切り換え
る必要がある。

【００５６】そこで、まず、接地周期決定手段１８は、
ロータリエンコーダ４０（４１〜４４）の出力パルスを
カウントして単位時間当たりのカウント数からユニバー
サルホイールｗ１〜ｗ４の実際の回転速度を算出する。
次に、このユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の実際の回
転速度と駆動出力演算手段１６で算出される速度指令値
ｖ１〜ｖ４との差を取ることにより、両者間の偏差が図
４の一点鎖線で示すようなパルス波形として得られる。

【００５７】このパルス波形は、横軸を時間軸としてい
るために速度の大きさによって周期Ｔｆが変化する。そ
こで、この影響を除くために、図５の一点鎖線に示すよ
うに、ローラ９の移動量（移動距離）に換算し直し、そ
のパルス波形の半周期分の平均値をローラ９の接地点が
切り換わる切り換わり周期Ｔｇとして決定する。そし
て、この切り換わり周期Ｔｇごとに、〔数７〕の演算式
の係数Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を切り換える。なお、下
り坂などで車体全体に進行方向の外力が加わっているよ
うな場合には、図５の破線に示すように偏差が正方向に
オフセットするが、そのときには、ある一定範囲内の平
均値を差し引くことで一点鎖線のような波形を得ること
ができる。

【００５８】ただし、車体１が動き始める初期の段階
（内側のローラ９の一つと外側のローラ９の一つがそれ
ぞれ接地する少なくとも一周期分の期間、図４のＴｆ１
＋Ｔｆ２の期間）は、ローラ９の接地点の切り換わり周
期Ｔｇを決定するのに必要なロータリエンコーダ４０の
出力に基づくデータが未だ得られていない。

【００５９】そこで、駆動出力演算手段１６は、まず、
車体１が動き始める初期の段階では、演算式の係数を切
り換えずにユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の平均的な
接地点位置に基づいて決定された係数Ｌ１，Ｌ２，Ｌｖ
を用いて各駆動部３１〜３４における駆動出力ｖ１〜ｖ
４を決定する。つまり、前述の〔数１〕式に基づいて速
度指令値ｖ１〜ｖ４を決定する。

【００６０】そして、駆動出力演算手段１６は、車体が
所定距離だけ移動して接地周期決定手段１８によって切
り換わり周期Ｔｇが決定された段階で、以降は、この切
り換わり周期Ｔｇに合わせて〔図７〕の演算式の係数Ａ
１〜Ａ４を切り換えて速度指令値ｖ１〜ｖ４を算出す
る。この場合の具体的な手順は、図６のフローチャート
に示す通りである。

【００６１】こうして、駆動出力演算手段１６が〔数
７〕の演算式に基づいて各ユニバーサルホイールｗ１〜
ｗ４の速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４を求めると、
これらの各速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４のデータ
が各制御手段２１〜２４に与えられるので、各制御手段
２１〜２４は、各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の回
転速度が各速度指令値ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４となるよ
うにそれぞれの駆動部３１〜３４を制御する。このよう
にして、操作者２は、操作部３を操作することで車体１
を意図する方向に任意の速度で精度良く誘導することが
できる。

【００６２】なお、全方向移動台車の現在の駆動要素値
Ｄ（Ｖａｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）を逆に知る必要があると
きには、たとえば前述の〔数１０〕の演算式の逆行列を
求める。この場合の具体的な手順は、図７のフローチャ
ートに示す通りである。

【００６３】以上のように、駆動出力演算手段１６は、
従来のように、ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の平均
的な接地点に基づいて決定された係数を用いて各駆動部
３１〜３４の駆動出力ｖ１〜ｖ４を決定するのではな
く、ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の接地点が切り換
わるタイミングに合わせて〔数７〕の演算式の係数Ａ１
〜Ａ４を切り換えて駆動出力ｖ１〜ｖ４を決定するるの
で、従来よりも速度制御や位置制御を一層精度良く行う
ことが可能となる。

【００６４】なお、上記の実施の形態の全方向移動台車
において、次のような応用例や変形例を考えることがで
きる。

【００６５】（１）上記の実施の形態では、図８
（ａ）に示すように、接地周期決定手段１８で決定され
た接地点の切り換わり周期Ｔｇに合わせて〔数７〕の演
算式の係数Ａ１〜Ａ４を切り換えて速度指令値ｖ１〜ｖ
４を順次算出して速度制御を行うが、このような速度制
御を行っている途中でも、各制御手段２１〜２４におい
て、ロータリエンコーダ４０（４１〜４４）の検出出力
に基づいてユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の実際の回
転速度を算出し、この実際の回転速度と駆動出力演算手
段１６で算出される速度指令値ｖ１〜ｖ４との偏差Δｖ
を求めることで各ユニバーサルホイールｗ１〜ｗ４の速
度制御の切り換え時期を補正することが好ましい。

【００６６】すなわち、図８（ｂ）に示すように、ユニ
バーサルホイールｗの実際の回転速度と駆動出力演算手
段１６で算出される速度指令値ｖ１〜ｖ４との間に偏差
Δｖが存在する場合には、ローラ９の接地点の切り換わ
りタイミング、つまり〔図７〕の演算式の係数Ａ１〜Ａ
４を切り換えて速度指令値ｖ１〜ｖ４を算出するタイミ
ングが適切でなく時間的な誤差ΔＴが生じている。

【００６７】そこで、このようなときには、制御手段２
１〜２４（特許請求の範囲における補正手段に相当）
は、偏差Δｖが生じることなく速度指令値ｖ１〜ｖ４が
適切なタイミングでもって各駆動部３１〜３４に与えら
れるように、各駆動部３１〜３４への出力タイミングを
補正する。これにより、さらに精度良く速度制御や位置
制御を行うことができるようになる。

【００６８】（２）接地点切換タイミング判別手段１
７には、図９に示すように、ユニバーサルホイールｗを
構成する各ローラ９の接地の有無を直接に検出する検出
センサ５１を設けてもよい。この場合の検出センサ５１
としては、たとえば反射型赤外線センサを用い、このセ
ンサ５１からの出力を予め設定された基準値と比較し
て、検出センサ５１の出力が基準値よりも大きい場合に
は、ユニバーサルホイールｗの内側のローラ９が接地
し、逆に検出センサ５１の出力が基準値よりも小さい場
合には、ユニバーサルホイールｗの外側のローラ９が接
地したとして接地点の切り換わり周期Ｔｇを検出する。

【００６９】このようにすれば、ロータリエンコーダ４
０の検出出力に基づいて得られる脈動の周期Ｔｆから演
算式の係数Ａ１〜Ａ４を切り換えるタイミング周期Ｔｇ
を決定しなくても、ユニバーサルホイールｗの接地点が
切り換わるタイミングを直接に判別することができる。
このため、接地点切換タイミング判別手段１７の構成を
さらに一層簡素化するとができ、安価に実現することが
可能になる。

【００７０】（３）また、この実施の形態では、イン
クリメンタル型のロータリエンコーダ４０を使用した
が、アブソリュート型のロータリエンコーダを使用する
こともできる。このようなアブソリュート型のロータリ
エンコーダを使用するときには、少し高価にはなるが、
接地周期決定手段１８で脈動の周期Ｔｇを求めて演算式
の係数を切り換えるタイミングを決定したり、上記のよ
うな検出センサ５１を設けなくても、ローラ９の接地点
が切り換わるタイミングが直接に判別することができる
ため制御が容易になる。

【００７１】（４）上記の実施の形態の全方向移動台
車では、車体１にユニバーサルホイールｗを前後左右の
４箇所に設けた場合について説明したが、これに限ら
ず、ユニバーサルホイールｗを３箇所以上設けた台車で
あれば、本発明は適用可能である。また、上記の実施の
形態では、全方向移動台車の速度制御を行う場合につい
て説明したが、これに限らず、駆動力制御や加速度制御
を行う場合についても同様に本発明を適用することがで
きる。

【００７２】図１０ないし図１３は第２の実施の形態を
示すもので、このものは、自律的に移動方向を決定し、
その決定された移動方向へ駆動する型の全方向移動台車
である。

【００７３】このこのも、車体１の底部に、４つのユニ
バーサルホイールｗ１〜ｗ４、各ユニバーサルホイール
ｗ１〜ｗ４を駆動する駆動モータＭを備えた駆動部３１
〜３４を有する。また、車体１には、駆動出力演算手段
１６、接地点切換タイミング判別手段１７、接地周期決
定手段１８等を有してケーシング６１内に収容されてい
る。

【００７４】そして、この実施の形態では、先の実施の
形態にはない環境認識手段６２、ヒューマンインターフ
エイス６３、さらには、記憶手段６４、経路形成手段６
５、移動方向決定手段６６、車体速度検出手段６７、車
体位置算出手段６８等を備えている。

【００７５】環境認識手段６２は、例えば、レーザー装
置であって２次元水平面をスキャンして障害物までの距
離を測定するためにケーシング６１の外面に設けてあ
る。ヒューマンインターフエイス６３は、例えば、タッ
チパネルであって目的地や操作指令を入力するためにケ
ーシング６１の上面に設けてある。

【００７６】記憶手段６４は、稼動領域の地図と走行用
の各種パラメータを記憶するためのもの、経路形成手段
６５は、ヒューマンインターフエイス６３の入力内容に
基づき目標位置の設定、すなわち、目的地までの経路を
生成するものである。そして、環境認識手段６２、記憶
手段６４、経路形成手段６５のデータと車体位置算出手
段６８のデータに基づいて移動方向決定手段６６が自律
的に移動方向を決定する。この移動方向決定手段６６
は、先の実施の形態における駆動要素算出手段１５と実
質的に同様の駆動要素値、つまり、車体１の制御中心Ｏ
における前後方向の移動速度Ｖａｘと、車体１の左右方
向の移動速度Ｖａｙと、車体１の旋回速度Ｖａψとから
なる駆動要素値Ｄを得て、これらの駆動要素値Ｄ（Ｖａ
ｘ，Ｖａｙ，Ｖａψ）が駆動出力演算手段１６に与えら
れる。車体速度検出手段６７はユニバーサルホイールの
回転から車体の速度Ｖｂｘ，Ｖｂｙ，Ｖｂψを算出し、
車体位置算出手段６８は車体速度から車体位置ｘ，ｙ，
ψを算出する。これらは、ヒューマンインターフエイス
６３を除き、ケーシング６１内に収容してある。６９は
バンパーである。

【００７７】この実施の形態では、図１２に示すよう
に、先の実施の形態における駆動要素値算出手段１５が
移動方向決定手段６６に置き換わるとともに、その前段
に車体位置算出手段６８、その前段に車体速度検出手段
６７が設けられている。そして、車体駆動出力演算手段
１６は、先の実施の形態と同様に、従来のように、ユニ
バーサルホイールの平均的な接地位置に基づいて決定さ
れた係数を用いて各駆動部における駆動出力を決定する
のではなく、ユニバーサルホイールの接地点が切り換わ
るタイミングに合わせて各駆動部における駆動出力を決
定する場合に使用する演算式の係数を切り換えるので、
従来よりも速度制御や位置制御を一層精度良く行うこと
が可能となることが、自律的に移動方向を決定する移動
方向決定手段を備えていて、その移動方向決定手段によ
る移動方向へ駆動する型の全方向移動台車においても実
現できるのである。なお、この実施の形態に特有の構成
については、先に例示した本願出願人が提案している特
願２００１−３２９９０３、特願２００１−３３６８６
３などにも開示している。

【００７８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、駆動出力
演算手段は、従来のように、ユニバーサルホイールの平
均的な接地位置に基づいて決定された係数を用いて各駆
動部における駆動出力を決定するのではなく、接地点切
換タイミング判別手段で判別されるユニバーサルホイー
ルの接地点が切り換わるタイミングに合わせて各駆動部
における駆動出力を決定する演算式の係数を切り換える
ので、従来よりもさらに高精度の速度制御や位置制御が
可能となる。

【００７９】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の効果が、操作力をアシストする型の全方向移動台車
において奏することができる。

【００８０】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の効果が、自律的に移動方向を決定し、その決定され
た移動方向へ駆動する型の全方向移動台車において奏す
ることができる。

【００８１】請求項４記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項３のいずれかに記載の効果に加え、ユニバー
サルホイールの接地点が切り換わるタイミングを判別す
る接地点切換タイミング判別手段として高価な回路構成
のものでなくて比較的安価な回路構成のものを使用した
場合であっても、駆動出力演算手段は各駆動部における
駆動出力を確実に決定することができる。

【００８２】請求項５記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項４のいずれかに記載の効果に加え、駆動出力
演算手段において各駆動部における駆動出力を決定する
場合に使用する演算式の係数の切換タイミングが一層正
確になるので、速度制御や位置制御の精度がさらに向上
する。

【００８３】請求項６記載の発明によれば、請求項１な
いし５のいずれかに記載の効果に加え、ユニバーサルホ
イールの接地点が切り換わるタイミングを判別する接地
点切換タイミング判別手段の構成をさらに一層簡素化す
るとができ、安価に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る全方向移動台
車の駆動制御系の構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示す全方向移動台車において、ユニバー
サルホイールに対するロータリエンコーダの取り付け状
態を示す正面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る全方向移動台
車におけるユニバーサルホイールの幾何学的な取り付け
状態と力学モデルを示す説明図である。

【図４】同上の、ユニバーサルホイールの実際の回転速
度と駆動出力演算手段で算出される速度指令値との偏差
により生じる脈動の様子を示す説明図である。

【図５】ローラの接地点が切り換わる切り換わり周期Ｔ
ｇを決定する場合の説明図である。

【図６】駆動出力演算手段がローラの接地点が切り換わ
る切り換わり周期に合わせて演算式の係数を切り換えて
速度指令値決定する場合の手順を示すフローチャートで
ある。

【図７】ローラの接地点が切り換わる切り換わり周期に
合わせて全方向移動台車の現在の駆動要素値Ｄを求める
場合の手順を示すフローチャートである。

【図８】ユニバーサルホイールの接地点の切り換わり周
期に合わせて演算式の係数を切り換えて速度制御を行っ
ている途中で、切換タイミングが不適切なために生じる
偏差の状況を説明するためのタイミグチャートである。

【図９】ユニバーサルホイールに対する検出センサの取
り付け状態を示す正面図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る全方向移動
台車の斜視図である。

【図１１】同上のユニバーサルホイールを透視して描い
た平面図である。

【図１２】同上の駆動制御系の構成を示すブロック図で
ある。

【図１３】従来の全方向移動台車の全体を示す斜視図で
ある。

【図１４】ユニバーサルホイールの正面図である。

【図１５】ユニバーサルホイールの側面図である。

【図１６】従来の全方向移動台車におけるユニバーサル
ホイールの幾何学的な取り付け状態と力学モデルを示す
説明図である。

【図１７】従来の全方向移動台車の駆動制御系の構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１車体２操作者３操作部ｗ，ｗ１〜ｗ４ユニバーサルホイール９ローラ１４操作力検出手段１５駆動要素値算出手段１６駆動出力演算手段１７接地点切換タイミング判別手段１８接地周期決定手段２１〜２４制御手段（補正手段）３１〜３４駆動部４０，４１〜４４ロータリエンコーダ５１検出センサ６２環境認識手段６３ヒューマンインターフエイス６４記憶手段６５経路形成手段６６移動方向決定手段（実質的には、駆動要素値算
出手段）６７車体速度算出手段６８車体位置算出手段

───────────────────────────────────────────────────── 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 7/14 Ｂ６２Ｄ 15/00 15/00 Ｇ０５Ｄ 1/02 ＨＧ０５Ｄ 1/02 Ｂ６２Ｂ 3/00 ＧＡＦターム(参考） 3D033 CA11 CA21 3D034 CA01 CB09 CC09 CD04 CD10 CD15 CD18 CE01 CE13 3D050 BB04 DD01 EE08 EE15 GG06 JJ09 KK14 5H301 AA01 AA10 BB05 CC06 DD06 JJ01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも３つのユニバーサルホイール
と各ユニバーサルホイールを駆動する駆動部とを設けた
車体であって、かつ車体が所定の動作制御を行うために
車体を前後方向、左右方向、および旋回方向にそれぞれ
移動させる駆動要素を個別に算出する駆動要素値算出手
段と、この駆動要素値算出手段の算出結果から所定の演
算式に基づいて前記各駆動部における駆動出力を決定す
る駆動出力演算手段とを有している全方向移動台車にお
いて、前記ユニバーサルホイールの接地点が切り換わるタイミ
ングを判別する接地点切換タイミング判別手段を設ける
とともに、前記駆動出力演算手段は、この接地点切換タ
イミング判別手段で判別された切換タイミングに合わせ
て前記各駆動部における駆動出力を決定する場合に使用
する演算式の係数を切り換えるように構成されているこ
とを特徴とする全方向移動台車。
【請求項２】前記車体は、操作者が操作力を加える操
作部を備えており、前記動作制御は操作部に加えられた
操作力をアシストするものであって前記駆動要素値算出
手段は操作部に加えられた操作力に応じて算出するもの
であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動台
車。
【請求項３】前記車体は、ユニバーサルホイールの回
転から車体の速度を算出する車体速度検出手段と、車体
速度から車体位置を算出する車体位置算出手段とを備え
ていて、車体位置と目標位置に基づいて自律的に移動方
向を決定するものであり、前記動作制御は自律的に決定
された移動方向へ駆動するものであって前記駆動要素値
算出手段は決定される移動方向に応じて算出するもので
あることを特徴とする請求項１記載の全方向移動台車。
【請求項４】前記駆動出力演算手段は、車体が動き始
める初期の段階では、前記演算式の係数を切り換えずに
ユニバーサルホイールの平均的な接地点位置に基づいて
決定された係数を用いて前記各駆動部における駆動出力
を決定し、車体が所定距離だけ移動した段階では前記接
地点切換タイミング判別手段で判別された切換タイミン
グに合わせて前記演算式の係数を切り換えるものである
ことを特徴とする請求項１ないし３記載の全方向移動台
車。
【請求項５】前記接地点切換タイミング判別手段で判
別される切換タイミングの前後に前記駆動出力演算手段
で演算される駆動出力と前記各駆動部における実際の駆
動検出値との間に偏差が有るか否かを監視し、偏差が有
る場合には、前記切換タイミングを補正する補正手段を
備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいず
れか１項に記載の全方向移動台車。
【請求項６】前記接地点切換タイミング判別手段は、
ユニバーサルホイールを構成する各ローラの接地の有無
を直接に検出する検出センサを備えることを特徴とする
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の全方向
移動台車。