JP2008097349A - 全方向移動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】移動ユニットを小型化できるとともに、起伏のある路面であっても所望の方向に安定してかつ滑らかに移動することのできる全方向移動機構を提供する。
【解決手段】摩擦シート１１と、この摩擦シート１１を保持するシート保持部材１２と、上記シート保持部材１２の上部側を支持する支持板１３と、上記支持板１３を両側から支持する、底板１４ａと平行リンク機構１４ｂとを備えた脚部１４Ａ，１４Ｂを備えるとともに、上記一方の脚部１４Ａの底板１４ａ上に搭載したサーボモータ１５と他方の脚部１４Ｂの底板１４ａ上に設置した連結用の基台１６とをクランク機構１７により接続した移動ユニット１０Ａを環状に配列し、各移動ユニット１０Ａを駆動するサーボモータ１５の駆動位相を位相制御装置により制御して、各摩擦シート１１の接地点に進行波を発生させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、搬送用ロボット車体などに用いられる車体の移動機構に関するもので、特に、車輪を用いずに走行面上を所望の方向に移動または回転することのできる全方向移動機構に関する。

従来、搬送用ロボット車体などに用いられる車体の移動機構としては、駆動輪と従動輪とを備えた車輪型移動機構が多く用いられている(例えば、特許文献１〜３参照)。しかしながら、これらの車輪型移動機構では、精密なステアリング機構が必要なことや、旋回時における制御が複雑であるだけでなく、接地点が車輪だけなので、起伏のある路面での走行には適していないといった問題点があった。
一方、車輪を用いない移動機構としてカタツムリなどの陸棲軟体動物の腹足運動を規範とした移動機構が提案されている（例えば、非特許文献１，２参照)。
図８（ａ），（ｂ）は従来の腹足移動機構を構成する移動ユニット５０Ａの一例を示す図で、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は側面図である。この移動ユニット５０Ａは、軸棒５１に沿ってスライドする２個のスライダー５２をそれぞれ端部品５３に固定されたワイヤー状の形状記憶合金（ＳＭＡ）５４をアクチュエータとして用いて上記軸棒５１に沿ってスライドさせるとともに、上記スライダー５２に連結部品５５と接地部品である底板５６とを水平リンク５５Ｌと垂直リンク５６Ｌを用いてそれぞれ回転自在に取付け、上記ＳＭＡ５４にパルス電圧を印加して伸縮させて、上記連結部品５５と上記底板５６とを上記軸棒５１方向へ引き付ける方向へ移動させたり、上記軸棒５１から離れる方向へ移動させるように構成したものである。
図９（ａ），（ｂ）は、上記複数の移動ユニット５０Ａを上記連結部品５５方向、すなわち、上記ＳＭＡ５４の伸縮方向とは直交する方向に連結して構成した腹足移動機構５０の概要を示す図で、この腹足移動機構５０では、上記各移動ユニット５０Ａの接地点を結んだ線を腹足表面とし、上記各移動ユニット５０Ａに設けられたＳＭＡ５４の伸縮の位相を上記移動ユニット５０Ａの連結方向に時間的にずらして、上記腹足表面に三角波を基本とした腹足波を伝播させることにより、前進または後退の動作を行うもので、同図の濃い線で描かれた移動ユニット５０ＰではＳＭＡが、同図の薄い線で描かれた移動ユニット５０ＱのＳＭＡよりも縮んだ状態にあり、当該移動ユニット５０Ｐの底板５６が上記三角波の頂点に位置している。
特開平８−３０５４４０号公報 特開２００１−２５５９３９号公報 特開２００１−３１５６７３号公報 日本機械学会２００２年度年次大会講演論文集（VI） pp123-124 「陸棲軟体動物の腹足による推進機構を規範とした腹足移動機構」 日本機械学会論文集（Ｃ編）７０巻６９５号(2004-7) pp215-221 「陸棲軟体動物の腹足による推進機構を規範とした腹足移動機構」

しかしながら、上記腹足移動機構５０を構成する移動ユニット５０Ａは、アクチュエータであるＳＭＡ５４の収縮歪が小さいため、進行方向の長さである連結部品５５方向の長さに比べて、幅方向の長さである上記ＳＭ５４の伸縮方向の長さがはるかに大きいため、移動機構が大型化してしまうといった問題点があった。
また、上記非特許文献２では、移動ユニット５０Ａを左右２列として、２つのユニット列の移動速度を変化させ、移動速度の遅い列側へ移動方向を変えるようにすれば、上記腹足移動機構５０に方向転換機能を持たせることができることを示唆しているが、この場合にも、移動機構が大型化してしまうだけでなく、上記のような方向転換機能では、当該移動機構を搭載した装置の姿勢を維持したまま全方向へ移動する、いわゆるホロノミックな移動を行わせることが困難であった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、移動ユニットを小型化することができるとともに、直線移動だけでなく、起伏のある路面であっても所望の方向に安定してかつ滑らかに移動することのできる、ホロノミックな全方向移動機構を提供することを目的とする。

本願の請求項１に記載の発明は、平板状の摩擦シートと、下面側にて上記摩擦シートを保持するシート保持部材と、このシート保持部材の両側にそれぞれ設けられた、平行リンク機構を備えた２つの脚部と、上記２つの脚部の接地面側同士を連結するとともに、上記脚部間の接地面側の間隔を上記平行リンク機構の移動面内で伸縮させるアクチュエータとを備えた複数のユニットを環状に配列して成る移動装置と、上記各アクチュエータを駆動する駆動位相を制御する位相制御装置とを備えた移動機構であって、上記位相制御装置は、上記摩擦シートの各接地点に、当該移動機構の移動方向に進行する進行波を発生させるように、上記各アクチュエータの駆動位相を制御することを特徴とするものである。
なお、上記「環状」は円環状だけでなく、四角形、六角形などの多角形状を含む、連結されたユニットが閉じた形状を成すものを指す。

本発明によれば、移動ロボットなどに用いられる車輪を有しない移動機構を、平板状の摩擦シートと、下面側にて上記摩擦シートを保持するシート保持部材と、このシート保持部材の両側にそれぞれ設けられた、平行リンク機構を備えた２つの脚部と、上記２つの脚部の接地面側同士を連結するとともに、上記脚部間の接地面側の間隔を上記平行リンク機構の移動面内で伸縮させるアクチュエータとを備えた複数のユニットを環状に配列して成る移動装置と、上記各駆動手段の駆動位相を制御する位相制御装置とから構成するとともに、上記位相制御装置により、上記摩擦シートの各接地点に、当該移動機構の移動方向に進行する進行波を発生させるように、上記各アクチュエータの駆動位相を制御するようにしたので、車輪のようにステアリングすることなく、当該移動機構を所望の方向に安定してかつ滑らかに移動させることができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は、本最良の形態に係る移動機構１０の概要を示す図で、図２はこの移動機構１０を構成する移動ユニット１０Ａを示す斜視図、図３、図４は上記移動ユニット１０Ａの平面図と正面図である。
本発明による移動ユニット１０Ａは、走行面と接触する接触面１１ａが所定の大きさの摩擦係数を有する摩擦面となっている平板状の摩擦シート１１と、下端側で上記摩擦シート１１を保持するシート保持部材１２と、上記シート保持部材１２の上部側を支持する支持板１３と、この支持板１３の両側に設けられ、上記支持板１３を支持する２つの脚部１４Ａ，１４Ｂとを備えており、これらの脚部１４Ａ，１４Ｂは、走行面Ｐに接地する底板１４ａと一端側がこの底板１４ａに取付けられ、他端側が上記支持板１３に取付けられる平行リンク機構１４ｂを備えている。本例では、上記支持板１３を支持する一方の脚部１４Ａの底板１４ａ上にサーボモータ１５を搭載し、他方の脚部１４Ｂの底板１４ａ上に連結用の基台１６を設置し、上記サーボモータ１５と上記基台１６とを、一端が上記基台１６に接続される連結用リンク１７ａと一端が上記サーボモータ１５の出力軸に連結された回転用リンク１７ｂとを回転自在に連結して成るクランク機構１７により接続することにより、上記脚部１４Ａ，１４Ｂの間隔、詳細には、当該移動ユニット１０Ａの接地部である上記脚部１４Ａの底板１４ａと上記脚部１４Ｂの底板１４ａとの間隔を伸縮できるようにしている。
本例の移動機構１０は、上記移動ユニット１０Ａの底板１４ａ，１４ａ同士を上記２つの脚部１４Ａ，１４Ｂの伸縮方向に連結し、これを円環状に配列して成る移動装置と、各移動ユニット１０Ａを駆動するサーボモータ１５の駆動位相を制御する位相制御装置１８とを備えており、上記位相制御装置１８により、上記各サーボモータ１５の駆動位相を制御して、各移動ユニット１０Ａの摩擦シート１１の接地点に当該移動機構１０の移動方向に進行する進行波を発生させることにより、上記移動機構１０を任意の方向に移動させることができる。
なお、移動機構１０を構成する移動ユニット１０Ａの数が少ない場合には、上記連結方向と上記伸縮方向との角度がずれてしまい、上記各移動ユニット１０Ａに余分な応力がかかり、動きがスムースでなくなる場合がある。そこで、本例では、移動ユニット１０Ａを円環状に配置する際に、隣接する移動ユニット１０Ａ同士をバネ部材１９，１９により連結して上記応力を緩和するようにしているが、ある程度の剛性を有し、かつ、隣接する移動ユニット１０Ａ同士を連結するときの角度差を吸収することのできる連結部材であれば、バネ部材１９に限らず、他の形態の連結部材を用いてもよい。

はじめに、上記移動ユニット１０Ａの動作について説明する。
図３（ａ），（ｂ）に示すように、サーボモータ１５を駆動して上記回転用リンク１７ｂを時計回りに回転させると、クランク機構１７の連結用リンク１７ａはサーボモータ１５側、すなわち、サーボモータ１５が搭載されている側の脚部１４Ａの底板１４ａ側に引寄せられるので、上記脚部１４Ａの底板１４ａと基台１６が設置されている側の脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離が縮小する。これに伴って、平行リンク機構１４ｂを介して上記底板１４ａ，１４ａに接続されている支持板１３は上方に持ち上げられるので、上記摩擦シート１１も上昇する。一方、図４（ａ），（ｂ）に示すように、上記回転用リンク１７ｂを反時計回りに回転させると、脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離が伸長するので、上記摩擦シート１１は下降する。したがって、サーボモータ１５の駆動位相を制御することで、脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離を伸縮させるとともに、摩擦シート１１を上下動させることができる。

次に、図５（ａ），（ｂ）に示すような、移動ユニット１０Ａの底板１４ａ，１４ａ同士を上記２つの脚部１４Ａ，１４Ｂの伸縮方向に連結するとともに、これを直線状に配列した直線移動機構１０Ｚを例にとって、本発明による駆動位相制御について説明する。
図６（ａ）〜（ｆ）は移動ユニットが４個の場合の直線移動機構１０Ｚの動作を示すモデル図である。図６（ａ）に示す初期状態では、直線移動機構１０Ｚの全ての移動ユニット１０１〜１０４の摩擦シート１１が接地している。図６（ｂ）に示すように、最後部の移動ユニット１０１のサーボモータ１５を制御して脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離を縮小させるとともに、摩擦シート１１を上昇させることにより、進行波を発生させる。次に、上記最後部の移動ユニット１０１の脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離を戻すとともに、上記移動ユニット１０１に隣接する移動ユニット１０２のサーボモータ１５を制御して当該移動ユニット１０２の脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離を縮小させて摩擦シート１１を上昇させる。これにより、進行波の振幅の最大点は移動ユニット１０１から移動ユニット１０２に移動する。そして、図６（ｃ）〜（ｅ）に示すように、上記動作を繰り返すことにより、進行波は最前部の移動ユニット１０４まで伝播する。その後、図６（ｆ）に示すように、上記最前部の移動ユニット１０４の脚部１４Ａの底板１４ａと脚部１４Ｂの底板１４ａとの距離と摩擦シート１１の高さとを戻すと、上記連結された各移動ユニット１０１〜１０４は、上記初期状態と同じように、全ての移動ユニット１０１〜１０４の摩擦シート１１が接地している状態に戻るとともに、直線移動機構１０Ｚは前方向へ移動する。
このように、上記各移動ユニット１０１〜１０４のサーボモータ１５の駆動位相を時間的にずらすように制御して、各移動ユニット１０１〜１０４の摩擦シート１１の接地点に配列方向に進行する進行波を発生させるようにすれば、上記直線移動機構１０Ｚを容易に連結方向に直線移動させることができる。なお、移動ユニット１０Ａの個数を増やした場合、もしくは、減らした場合も同様である。
また、上記移動ユニット１０Ａを左右２列として、２つのユニット列の移動速度を変化させ、移動速度の遅い列側へ移動方向を変えるようにすれば、方向転換も可能である。

次に、本発明による移動機構１０の動作について説明する。
移動ユニット１０Ａを円環状に配置した場合には、図７に示すように、位相制御装置１８により、上記各サーボモータ１５の駆動位相を制御して、当該移動機構１０の移動方向のベクトルを対象軸として右回りの進行波と左回りの進行波を発生させるとともに、上記矢印の方向に直交する方向に位置する移動ユニット１０Ａの底板１４ａ，１４ａ間の距離を揃えるように、上記駆動位相をそれぞれ時間的にずらすようにすれば、移動機構１０には、同図の一点鎖線で示す、同じ濃さの移動ユニット１０Ａが並んでいるラインを波面とする進行波が発生するので、上記移動機構１０を上記波面に直交する方向に移動させることができる。
この場合には、上記のように、移動ユニット１０Ａを左右２列とした場合とは異なり、当該移動機構１０を搭載した装置の姿勢を維持したまま全方向へ移動させる、ホロミックな移動を行わせることが可能である。
また、進行波として、上記環状の移動機構１０の周上に沿った右回りもしくは左回りに進行する進行波のみを発生させるようにすれば、当該環状の移動機構１０を右回りまたは左回りに旋回させることができる。

このように、本最良の形態によれば、平板状の摩擦シート１１と、下端側で上記摩擦シート１１を保持するシート保持部材１２と、上記シート保持部材１２の上部側を支持する支持板１３と、上記支持板１３を両側から支持する、底板１４ａと一端側がこの底板１４ａに取付けられ、他端側が上記支持板１３に取付けられる平行リンク機構１４ｂを備えた脚部１４Ａ，１４Ｂを備えるとともに、上記支持板１３を支持する一方の脚部１４Ａの底板１４ａ上にサーボモータ１５を搭載し、他方の脚部１４Ｂの底板１４ａ上に連結用の基台１６を設置し、上記サーボモータ１５と上記基台１６とを、一端が上記基台１６に接続される連結用リンク１７ａと一端が上記サーボモータ１５の出力軸に連結された回転用リンク１７ｂとを回転自在に連結して成るクランク機構１７により接続した、上記脚部１４Ａ，１４Ｂの間隔が伸縮可能な移動ユニット１０Ａを円環状に配列した移動装置と、各移動ユニット１０Ａを駆動するサーボモータ１５の駆動位相を制御する位相制御装置１８とを備えた移動機構１０を構成し、上記位相制御装置１８により上各移動ユニット１０Ａのサーボモータ１５の駆動位相を制御して、進行方向に対して直交する方向に配列された各摩擦シート１１の接地点の位相が揃うような、進行波を発生させるようにしたので、当該移動機構１０を一方向だけでなく、任意の方向に滑らかにかつ安定して移動させることができる。

なお、本最良の形態では、移動ユニット１０Ａを円環状に配列したが、配列の仕方は上記円環状に限るものではなく、四角形、六角形などの多角形状を含む、連結されたユニットが閉じた形状を成すような配列であればよい。
また、本例では、装置の安定性を考慮して、摩擦シート１１を保持するシート保持部材１２を支持する支持板１３と、この支持板１３をその両側から支持する平行リンク機構１４ｂを備えた脚部１４Ａ，１４Ｂとを、上記サーボモータ１５の両側に設けているが、上記平行リンク機構１４ｂを備えた脚部１４Ａ，１４Ｂは、サーボモータ１５の一方の側だけに設けても、移動機構１０を任意の方向へ移動または回転させることができることはいうまでもない。
本発明の移動機構１０は、従来の腹足移動機構５０とは異なり、移動ユニット１０Ａを底板１４ａ，１４ａの伸縮方向に連結するようにしているので、小型化が可能であり、また、容易に平面配置することができる。また、底板１４ａ，１４ａが常に接地しているので、隣接する摩擦シート１１がいずれも接地していない場合でも、支持板１３には負荷がかからないので、安定した移動を行うことができる。

このように、本発明の移動機構は、簡単な構成で、車輪を用いずに平面上を所望の方向に、安定的にかつ滑らかに、移動または回転することができるので、例えば、起伏のある路面や狭い場所などを走行する搬送用ロボット車体などに好適に用いることができる。

本発明の最良の形態に係る環状の移動機構の概要を示す図である。 本発明による移動ユニットの斜視図である。 本発明による移動ユニットの縮小時の平面図と正面図である。 本発明による移動ユニットの伸長時の平面図と正面図である。 直線移動機構の概要を示す図である。 直線移動機構の動作を説明するための図である。 環状の移動機構の動作を説明するための図である。 従来の腹足移動機構を構成する移動ユニットの構成を示す図である。 従来の腹足移動機構の動作を説明するための図である。

符号の説明

１０ 環状の移動機構、１０Ｚ 直線移動機構、１０Ａ 移動ユニット、
１１ 摩擦シート、１２ シート保持部材、１３ 支持板、１４Ａ，１４Ｂ 脚部、
１４ａ 底盤、１４ｂ 平行リンク機構、１５ サーボモータ、１６ 基台、
１７ クランク機構、１７ａ 連結用リンク、１７ｂ 回転用リンク、
１８ 位相制御装置、１９ バネ部材、Ｐ 走行面。

Claims (1)

1. 平板状の摩擦シートと、下面側にて上記摩擦シートを保持するシート保持部材と、このシート保持部材の両側にそれぞれ設けられた、平行リンク機構を備えた２つの脚部と、上記２つの脚部の接地面側同士を連結するとともに、上記脚部間の接地面側の間隔を上記平行リンク機構の移動面内で伸縮させるアクチュエータとを備えた複数のユニットを環状に配列して成る移動装置と、上記各アクチュエータを駆動する駆動位相を制御する位相制御装置とを備えた移動機構であって、上記位相制御装置は、上記摩擦シートの各接地点に、当該移動機構の移動方向に進行する進行波を発生させるように、上記各アクチュエータの駆動位相を制御することを特徴とする全方向移動機構。

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