JP2008254588A - 走行装置および自走式ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】小径の車輪を有する補助輪においても高い段差乗り越え性能と段差乗り越え時の直進性を確保し、また補助輪が段差を乗り越える際にも駆動輪の接地状態を保持して走行安定性を確保することのできる自走式ロボットの走行装置を提供する。
【解決手段】進行方向左右に第１駆動輪２および第２駆動輪３と進行方向前後に第１補助輪４および第２補助輪５とを備えた自走式ロボットの走行装置において、第１補助輪４および第２補助輪５をサスペンション１８を介して走行台１に連接する。また、第１補助輪２および第２補助輪３に補助輪車輪１０よりも先に段差に衝突し、該補助輪車輪１０よりも大きな曲率半径で進行方向後方へスライド動作する段差乗り越えスライド機構１６と、そのスライド動作に連動して段差乗り越え時に、第１補助輪２または第２補助輪３の旋回軸１３を固定する旋回ロック機構１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自走式ロボット用の走行装置、および該走行装置を搭載した自走式ロボットに係り、特に狭路や段差、傾斜面や路面状態が急激に変化する場所を含む一般公共空間を進行する自走式ロボットの走行装置に関するものである。

自走式ロボットの走行装置としては、ロッカーボギー機構やクローラ機構、二足歩行や多足歩行、あるいは倒立振子ロボットにおける二輪駆動方式の走行装置などが考えられるが、階段の昇降などを考慮せず数十ミリメートルの段差の乗り越えを想定した走路を進行する走行装置の構成を考えた場合、左右独立二輪駆動の大径駆動輪と一輪または二輪の小径補助輪を備えた車輪操舵方式を採用することが、コスト面や制御の簡易性を考慮したときに有効である。

車輪操舵方式の走行装置としては、例えば車椅子などの走行装置のように左右二つの駆動輪と、その前方に左右二つの補助輪を配置した走行装置が考えられる。しかし、駆動輪と補助輪の配置距離を大きくとって、転倒に対する安定性を確保しようとしたとき、最小旋回半径が大きくなり、狭路での小回り性が悪くなる。

ここで最小旋回半径とは、走行装置を、その場で３６０°方向転換させるのに最低限必要な円形スペースの半径のことを指し、最小旋回半径が小さいほど小回り性がよいということになる。

そこで、自走式ロボットの走行装置の車輪配置構成として、左右二つの駆動輪と、その前後に各１個ずつの補助輪を配置した走行装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図９は特許文献１に記載された従来の走行装置の概略構成を示す構成図である。

図９において、車輪１０１が移動機構ベース板１０２に取り付けられており、車輪１０１は、駆動ベルト１０３を介して駆動制御部１０４の回転を車輪１０１に伝達している。また、補助輪１０５は移動機構ベース板１０２の下面に固定され、移動平面と接触することで移動ロボット１００の直立を補助する。なお、補助輪１０５は移動ロボット１００の前後に一個ずつ備えられている。

このような車輪配置構成を有する走行装置では、前記車椅子などの走行装置における車輪配置構成と同等の支持脚多角形面積を確保したとき、最小旋回半径を大幅に小さくすることができ、小回り性を向上することができる。

ここで、支持脚多角形とは、各車輪の接地点を線分で結んで形成される多角形のことを指し、静止状態において重心位置が、この支持脚多角形の内部にあるとき、ロボットは転倒することなく直立姿勢を保持することができる。
特開２００６−１５０５３７号公報

しかしながら、前記従来の走行装置では、補助輪が段差を乗り上げた際に、どちらか一方の補助輪が路面より浮いた状態となるため、片側の補助輪の回転トルクのみで、ロボットの推進力と、補助輪が段差を乗り越えるために必要な推進力とを負担しなければならず、また、左右の補助輪の回転速度比を変化させることにより、進行方向を制御しているため、任意の方向にロボットを進行させることが不可能になるという問題があった。

また、小回り性を向上させるために、あるいは支持脚多角形の面積を大きくとり車体の安定性を良くするためには、補助輪の車輪をできるだけ小径にすることが望ましいが、それがゆえに補助輪は、段差衝突時に段差部より抵抗力を受けると容易に旋回してしまうため、直進性を保持することができない。また、車輪半径が小さくなるほど段差乗り越えに必要な推進トルクが大きくなり、車輪の半径よりも大きな段差は乗り越えることができないため、車輪を小さくするほど乗り越え可能な段差高さが低くなってしまうという問題もあった。

前記問題は、例えば手動式の車椅子などのように、人為的に不具合を回避することを想定した製品の走行装置としてはさほど問題とはならないが、自走式ロボットの走行装置としては不可避の問題である。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、小径の車輪を有する補助輪においても高い段差乗り越え性能と段差乗り越え時の直進性を確保し、また補助輪が段差を乗り越える際にも駆動輪の接地状態を保持して走行安定性を確保することのできる走行装置、および自走式ロボットを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の走行装置は、走行台と、前記走行台に取り付けられた第１駆動輪と、前記走行台に取り付けられた第２駆動輪と、第１移動回転軸と第１旋回軸とを有する第１補助輪と、第２移動回転軸と第２旋回軸とを有する第２補助輪と、前記走行台と前記第１補助輪とを連結する第１弾性体と、前記走行台と前記第２補助輪とを連結する第２弾性体とにより構成したことを特徴とする。

このような構成により、前記第１補助輪または前記第２補助輪が段差に乗り上げた状態においても、前記第１駆動輪および前記第２駆動輪を接地した状態に保持することができる。

本発明の走行装置において、好適には前記第１駆動輪の車輪の円と重なる平面と、前記第２駆動輪の車輪の円と重なる平面と、の間でかつ、前記第１駆動輪の駆動軸あるいは前記第２駆動輪の駆動軸から任意の距離離れた位置に、前記第１補助輪および前記第２補助輪を配置することが望ましい。さらに好適には前記第１駆動輪の車輪と前記第２駆動輪の車輪との中点を通り、前記第１駆動輪の駆動軸あるいは前記第２駆動輪の駆動軸に垂直な直線の延長線上に、前記第１補助輪および前記第２補助輪を配置することが望ましい。さらに好適には、前記第１駆動輪の駆動軸と前記第２駆動輪の駆動軸は同軸であり、前記第１駆動輪の駆動軸から同じ距離離れた位置に前記第１旋回軸と前記第２旋回軸を配置することが望ましい。

本発明の走行装置において、好適には前記第１駆動輪と前記第２駆動輪における回転速度あるいは回転方向を各々に独立制御可能な回転駆動手段を備えていることが望ましい。さらに好適には前記回転駆動手段が、前記第１駆動輪および前記第２駆動輪の回転速度検出部と、該回転速度検出装置により検出された信号により前記第１駆動輪および前記第２駆動輪の駆動トルクを変化させるトルク制御部とを有することが望ましい。

このような構成により、走行抵抗の変化に応じ、前記第１駆動輪および前記第２駆動輪の回転速度を任意に制御することができる。

本発明の走行装置において、好適には前記第１補助輪の車輪および前記第２補助輪の車輪が走行面の段差に接触する前に、該段差を検出する段差検出手段と、前記段差検出手段の段差検出により、前記第１旋回軸と前記第２旋回軸を固定する旋回固定手段とを設けることが望ましい。さらに好適には前記段差検出手段は、前記第１補助輪および前記第２補助輪の半径よりも大きい曲率半径で移動するスライド機構を有し、前記旋回固定手段は前記段差検出手段の前記スライド機構とリンクにて連結されていることが望ましい。

このような構成により、前記第１補助輪および前記第２補助輪が段差を乗り越える際に、補助輪車輪が単独で段差を乗り越えるときよりも小さな推進力で、かつ直進性を保持したまま段差を乗り越えることができる。

本発明の走行装置において、好適には前記走行台と前記第１駆動輪とを連結する第１駆動弾性体と、前記走行台と前記第２駆動輪とを連結する第２駆動弾性体とを有し、前記第１駆動弾性体と前記第２駆動弾性体の合成ばね定数の鉛直方向成分が、前記第１弾性体と前記第２弾性体の合成ばね定数の鉛直方向成分よりも大きいことが望ましい。

このような構成により、前記第１駆動輪および前記第２駆動輪の接地状態を安定させ、走行時の振動を吸収することができる。

また、本発明の自走式ロボットは、前記構成の本発明に係る走行装置と、物体載置手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、小径の車輪を有する補助輪においても、高い段差乗り越え性能と段差乗り越え時の直進性を確保することができ、また補助輪が段差を乗り越える際にも、駆動輪の接地状態を保持して走行安定性を確保することのできる走行装置および自走式ロボットが実現する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における自走式ロボットの走行装置を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図１において、走行台１には、第１駆動輪２，第２駆動輪３，第１補助輪４、および第２補助輪５が取り付けられている。

前記第１駆動輪２の駆動輪車輪６は駆動軸７を介して回転駆動手段である回転駆動装置８に取り付けられており、駆動軸７は駆動輪軸受９によって保持されている。そして、駆動輪軸受９が走行台１に取り付けられることによって、第１駆動輪２は走行台１に連接されている。また、回転駆動装置８には、回転速度検出部、および該回転速度検出部により検出された信号により駆動トルクを変化させるトルク制御部が備えられている。なお、回転速度検出部とトルク制御部は、回転駆動装置８に備えられているものであって、図示を省略する。

前記第２駆動輪３は、第１駆動輪２と同様の構成を有し、第１駆動輪２と同様の方法で走行台１に取り付けられており、第１駆動輪２と第２駆動輪３の駆動軸７は互いに同軸上となるように配置されている。また、第１駆動輪２と第２駆動輪３に備えられた回転駆動装置８はそれぞれ独立に制御可能になっている。

第１補助輪４の補助輪車輪１０は、第１移動回転軸１１を介して第１ブラケット１２に取り付けられており、また、第１旋回軸１３が第１補助輪軸受１４を介して第１補助輪取付板１５に取り付けられている。ここで、第１移動回転軸１１と第１旋回軸１３とは互いにねじれの位置に配置されており、第１補助輪４は、第１旋回軸１３の回転により、進行方向前方に第１旋回軸１３が、また進行方向後方に第１移動回転軸１１が来るように構成されている。

なお、以下の説明において、図１の左側を進行方向前方、右側を進行方向後方と定義し説明を行う。なお、本実施の形態において、第１補助輪４は段差検出手段として段差乗り越えスライド機構１６および旋回固定手段として旋回ロック機構１７を備えているが、その具体的構成については後述する。

第２補助輪５は第１補助輪４と同様の構成を有し、第２移動回転軸１１を介して第２ブラケット１２に取り付けられており、また、第２旋回軸１３が第２補助輪軸受１４を介して第２補助輪取付板１５に取り付けられている。第１補助輪４および第２補助輪５は、それぞれ第１弾性体および第２弾性体としてサスペンション１８を介して走行台１に連接されている。なお、本実施の形態においては、補助輪取付板１５にサスペンション１８を前後２箇所固定し、それを介して走行台１へ第１補助輪４および第２補助輪５を連接している。

第１補助輪４および第２補助輪５は、第１駆動輪２の駆動輪車輪６の円に重なる平面と第２駆動輪３の同様の平面との間に配置されており、かつその旋回軸１３の取付位置をそれぞれ路面に投影した点が、第１駆動輪２と第２駆動輪３との接地点を結ぶ線分の垂直二等分線上かつ、線分を挟んで互いに対称となるように配置されている。

以上、本実施の形態において第１駆動輪１からサスペンション１８までを総称して走行装置１９と称す。本実施の形態においては、図２に示すように、走行台１に物体載置手段として筐体取付板２０を備え、ロボット筐体部２１を載置する。

本実施の形態において、ロボットの重心位置を路面に投影した点が、第１駆動輪２と第２駆動輪３の接地点の中点にあることが望ましい。そのときロボットの重心位置は、第１駆動輪２，第２駆動輪３，第１補助輪４、および第２補助輪５の接地点を結んで形成される支持脚多角形の中心付近にあるため、ロボットの転倒に対する安定性が高くなる。また、補助輪と駆動輪の荷重配分において駆動輪にかかる荷重が最大となり、さらに第１駆動輪２と第２駆動輪３にかかる荷重が均等となる。

ここで重心位置が前記条件にあるとして、第１補助輪４が高さｔの段差Ｍに乗り上げたとき、仮に第１補助輪４が走行台１に剛性体で接続されているとすると、図３（ａ）に示すように、第１駆動輪２および第２駆動輪３は路面Ｒから浮いてしまう。そして通常はロボットを傾け、第１駆動輪２または第２駆動輪３のどちらかを路面Ｒに接地させた状態でロボットは静止する。

このとき、第１駆動輪２および第２駆動輪３をともに接地状態に保持しようとするとき、サスペンション１８の合成ばね定数Ｋの選定条件は、段差乗り上げによる車体の傾きを無視すると、以下のように算出される。

なお、本実施の形態においては、第１補助輪４および第２補助輪５はともに２本のサスペンション１８を並列に配置することによりにより接続されているので、サスペンション１８のばね定数をｋとしたとき、サスペンション１８の合成ばね定数はＫ＝２ｋとなる。

図３（ａ）において、ロボットの重量をＷ、第１駆動輪２と第２駆動輪３の接地点の中点をＯ，第１補助輪４の接地点をＡ、第２補助輪５の接地点をＢとしたとき、第１補助輪４にかかる荷重Ｗ_Ａおよび第２補助輪５に加わる荷重Ｗ_Ｂは、下記（数１）の式で算出される。

また、第１駆動輪２および第２駆動輪３の最下点と路面Ｒとの距離ｘは下記（数２）の式で算出される。

図３（ｂ）のように第１補助輪４のサスペンション１８がｘ_A、第２補助輪５のサスペンション１８がｘ_Ｂそれぞれ圧縮されたとき、第１駆動輪２および第２駆動輪３がちょうど路面に接地するとすると、下記（数３）の式が成り立つ。

以上よりＫを求めると、下記（数４）の式のようになる。

Ｋが（数４）を満たすとき、第１駆動輪２および第２駆動輪３は路面Ｒに接地する。また同様に、第２補助輪５が段差Ｍを乗り越えるときに、第１駆動輪２および第２駆動輪３がちょうど路面Ｒに接地するときのＫは下記（数５）の式で算出される。

なお、前記（数４）および（数５）の条件においては、第１補助輪４または第２補助輪５が高さｔの段差を乗り越える際、第１駆動輪２および第２駆動輪３は接地しているが、路面Ｒから受ける垂直抗力は０である。第１駆動輪２および第２駆動輪３にかかる荷重配分を大きくして、より大きな推進力を得るためには、（数４）および（数５）よりもＫをさらに小さくとらなければならないことは言うまでもない。

図４は本実施の形態における第１補助輪４および第２補助輪５の平地走行時の状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。以下、第一補助輪４および第二補助輪５に備えられた段差乗り越えスライド機構１６および旋回ロック機構１７の具体的構成について、詳細な説明を行う。

ブラケット１２には進行方向に対して左右両側にそり２２が備えられ、このそり２２のスライド動作を案内するためのガイド２３が取り付けられている。そり２２は、該そり２２に取り付けられたスライドブロック２４をガイド２３に沿わせて移動することによりスライド動作するが、そのとき、そり２２が補助輪車輪１０よりも大きい曲率半径をもってスライド動作をするように構成されている。

ガイド２３のそれぞれ進行方向前方と進行方向後方には、前ストッパ２５および後ストッパ２６が取り付けられている。ブラケット１２とそり２２は第１スプリング２７で接続されており、そり２２に進行方向後方への力が加わっていないときには、第１スプリング２７の引張力によってスライドブロック２４が、図３に示すように、前ストッパ２５に当接して、そり２２のスライド動作が停止するように構成されている。

また、そり２２に対して第１スプリング２７の引張力よりも大きな力が進行方向後方へ作用したとき、すなわち、そり２２の路面上への段差衝突を想定したとき、そり２２はガイド２３に沿って進行方向後方へスライド移動し、スライドブロック２４が後ストッパ２６に当接して、そり２２のスライド動作が停止するように構成されている。

図５は、そのときの第１補助輪４および第２補助輪５の状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

なお、図４（ａ）および図５（ａ）において、第１スプリング２７はブラケット１２の左右両側に取り付けられているが、便宜上片側のみの図示としてある。

ここで、そり２２，ガイド２３，スライドブロック２４，前ストッパ２５，後ストッパ２６、および第１スプリング２７を総称して、段差乗り越えスライド機構１６と称する。

また、補助輪取付板１５の下部には内歯車２８が取り付けられている。ブラケット１２には先端部に小歯車２９が取り付けられたアーム３０が、ピン３１を介してブラケット１２に取り付けられており、アーム３０はピン３１を軸として回転運動をすることができる。アーム３０とブラケット１２は第２スプリング３２で接続される一方、アーム３０とそり２２は第３スプリング３３で接続されている。

そり２２に進行方向後方への力が作用していないときには第３スプリング３２の引張力によってアーム３０は図４の位置で釣り合い、そり１９に進行方向後方への力が作用すると、第３スプリング３３の引張力の方が大きくなり、アーム３０は図５の位置で釣り合うように構成されている。

なお、図４（ａ）および図５（ａ）において、第３スプリング３３は左右両側のそり２２に取り付けられているが、便宜上片側のみの図示としてある。

ここで、内歯車２８，小歯車２９，アーム３０，ピン３１，第２スプリング３２、および第３スプリング３３を総称して、旋回ロック機構１７と称す。

かかる構成によれば、静止状態から第１駆動輪２および第２駆動輪３を回転駆動させると、ロボットは任意の進行方向に向かって移動を開始する。ロボットの進行方向は、それぞれ回転駆動装置８の回転速度により制御される。

平地において第１補助輪４および第２補助輪５は、ロボットの進行方向の変化に応じて旋回軸１３を回転させることによって適時旋回動作を行い、ロボットの車体支持を補助しながら補助輪車輪１０は回転移動する。

ここで、以下、本実施の形態における自走式ロボットの走行装置の段差乗り越え動作を、図６を参照しながら説明する。

ロボットが路面Ｒ上の段差Ｍに向かって進行し、第１補助輪４が段差に達すると、補助輪車輪１０よりも先にそり２２が段差Ｍに接触する。図６（ａ）にそのときの走行装置１９および第１補助輪４の状態図を示す。そのまま第１駆動輪２および第２駆動輪３を回転駆動し続けて推進力を加え続けると、そり２２は、段差から進行方向後方への反力を受け、その反力が第１スプリング２７の引張力よりも大きくなると、ガイド２３に沿って進行方向後方へのスライド移動を開始し、そのままさらに推進力が加わり続けると、スライドブロック２４が後ストッパ２６に当たって、そり２２のスライド動作が停止する。

そり２２が進行方向後方へスライド移動するのに伴い、第３スプリング３３は進行方向後方へ引張られ、第３スプリング３３の引張力の方が第２スプリング３２の引張力よりも大きくなると、アーム３０が図４の位置から図５の位置まで回転し、内歯車２８と小歯車２９がかみ合って旋回軸１３は旋回不能となる。図６（ｂ）にそのときの走行装置１９および第１補助輪４の状態図を示す。

さらにそのまま、第１駆動輪２および第２駆動輪３を回転駆動し続けて進行方向への推進力を加え続けると、第１補助輪４はそり２２と段差との接点を支点として、段差乗り上げ動作を開始する。このとき、第１補助輪４は進行方向へ移動するとともに、鉛直方向へ上昇移動する。

第１補助輪４が鉛直方向へ上昇動作をすると、第１補助輪４がロボットの自重より受ける接地方向への荷重が徐々に大きくなるため、それに伴い第１補助輪４が段差Ｍから受ける垂直抗力も徐々に大きくなる。するとサスペンション１８は圧縮され、第１駆動輪２および第２駆動輪３は接地状態を保持したまま、第１補助輪４の段差乗り上げ動作が完了するまで回転駆動を続け、推進力を加え続ける。

第１補助輪４が段差へ乗り上げ、補助輪車輪１０が段差上に着地すると、そり２２にかかっていた進行方向後方への力は解放され、そり２２は第１スプリング２７の引張力によってガイド２３に沿って進行方向前方に引き戻され、スライドブロック２４が前ストッパ２５に当接して、図４に示す位置に戻る。

そり２２が引き戻されることにより、第３スプリング３３に加わっていた引張力は解放され、アーム３０は第２スプリング３２の引張力によって図４に示す位置へ戻る。それに伴い、小歯車２９と内歯車２７との噛み合わせが解除される。すると旋回軸１３は、再び自由に旋回することができるようになる。図６（ｃ）に、そのときの走行装置１９および第１補助輪４の状態を示す。

さらに第１駆動輪２および第２駆動輪３を回転駆動し続けて進行方向への推進力を加え続けると、第１補助輪４の補助輪車輪１０は段差Ｍを越えて路面へと着地する。するとサスペンション１８にかかっていた段差からの垂直抗力は解放され、サスペンション１８はもとの状態に戻る。図６（ｄ）にそのときの走行装置１９および第１補助輪４の状態図を示す。

そして、第２補助輪５が段差を乗り越える際にも同様の動作が行われる。

前記の段差乗り越え動作中は、水平方向への推進力に加え、第１補助輪４が段差Ｍを乗り上げるための推進力も必要となるため、第１駆動輪２および第２駆動輪３が受ける走行抵抗は随時変化するが、回転駆動装置８に備えられた回転速度検出部によって検出された信号を、同じく回転駆動装置８に備えられたトルク制御部にフィードバックすることによって第１駆動輪２および第２駆動輪３を任意の回転速度に保持する。また、この動作は、斜面走行時などの重心移動による各車輪への荷重配分の変化、あるいは路面Ｒとの摩擦係数の変化により走行抵抗に変化が生じたときにも同様に行われる。

前記動作により、本自走式ロボットの走行装置は、段差乗り越え時に第１補助輪４および第２補助輪５は、補助輪車輪１０よりも大きな曲率半径でスライド動作をする段差乗り越えスライド機構１６により段差Ｍを乗り上げるため、そり２２がスライド移動する曲率半径と同等の車輪径をもつ車輪が段差Ｍを乗り上げるのに必要な駆動トルクと同程度まで段差乗り上げに必要な駆動トルクを低減することができ、また補助輪車輪１０のみでは乗り越えか不可能な車輪半径以上の高い段差Ｍも乗り上げることが可能となる。

また、第１補助輪４および第２補助輪５は、平地においては第１駆動輪２および第２駆動輪３の回転速度によって制御される進行方向の変化に応じて自在にその向きを旋回させることができる一方、段差乗り越え時には段差Ｍより受ける反力に屈することなく、その向きを一定に保持することができる。

また、第１補助輪４および第２補助輪５が段差Ｍに乗り上げた状態でも、第１駆動輪２および第２駆動輪３は接地状態を保持しているため、両駆動輪２，３の回転駆動による推進力を得ることができ、また走行抵抗に変化が生じても、任意の回転速度を保持することができる。

前記作用により、小径の車輪を有する補助輪においても高い段差乗り越え性能と段差乗り越え時の直進性を確保し、また補助輪が段差を乗り越える際にも駆動輪の接地状態を保持して走行安定性を確保することのできる自走式ロボットの走行装置を提供することができる。

本実施の形態において、第１補助輪４および第２補助輪５に設ける弾性体としては、本実施の形態で用いたサスペンションに限らず、スイングアーム式のショックアブソーバーなどを備えてもよい。その際には、合成ばね定数の鉛直方向成分を前記条件式（数４）および（数５）よりも小さくなるように構成すればよい。

また、本実施の形態においては、旋回ロック機構１７は段差乗り越えスライド機構１６の動作に機械的に連動させる構成としたが、例えば段差検出手段として接触センサーを備え、接触センサーの信号に応答して旋回固定手段を作動させるような構成にしてもよく、また、旋回固定手段としては、歯車の噛み合わせのみならず、例えばディスクブレーキやドラムブレーキのように摩擦力を利用したもの、あるいはカム機構を利用したものでもよい。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における自走式ロボットの走行装置を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図７において、図１から図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図７において、走行台１には、第１駆動輪２，第２駆動輪３，第１補助輪４および第２補助輪５が取り付けられている。

前記第１駆動輪２の駆動輪車輪６は駆動軸７を介して回転駆動手段である回転駆動装置８に取り付けられており、駆動軸７は駆動輪軸受９によって保持されている。そして、駆動輪軸受９を駆動輪サスペンション３４を介して走行台１に取り付けることによって、第１駆動輪２は走行台１に連接されている。第２駆動輪３は第１駆動輪２と同様の構成を有し、第１駆動輪２と同様の方法で走行台１に取り付けられており、第１駆動輪２と第２駆動輪３の駆動軸７は互いに同軸となるように配置されている。

なお、本実施の形態においては、駆動輪軸受９に駆動輪サスペンション３４を前後２箇所固定し、それを介して走行台１へ第１駆動輪２および第２駆動輪３を固定している。

第１補助輪４および第２補助輪５は、それぞれ第１弾性体および第２弾性体としてサスペンション１８を介して走行台１に連接されている。なお、本実施の形態においては、取付板１５にサスペンション１８を前後２箇所固定し、それを介して走行台１へ第１補助輪４および第２補助輪５を固定している。

第１補助輪４および第２補助輪５は、その旋回軸１３の取付位置をそれぞれ路面に投影した点が、第１駆動輪２と第２駆動輪３との接地点を結ぶ線分の垂直二等分線上にあり、かつ線分を挟んで互いに対称となるように配置されている。

ここで、サスペンション１８の合成ばね定数をＫ、駆動輪サスペンション３４の合成ばね係数をＫ´とする。本実施の形態においては、第１駆動輪２，第２駆動輪３，第１補助輪４および第２補助輪５は、すべて２本のサスペンション１８または駆動輪サスペンション３４を並列に２本配置することにより連接されているため、サスペンション１８および駆動輪サスペンション３４のばね定数をそれぞれｋおよびｋ´としたとき、サスペンション１８および駆動輪サスペンション３４の合成ばね係数は、それぞれＫ＝２ｋ、およびＫ´＝２ｋ´となる。

ここで重心位置が実施の形態１と同様に点Ｏにあるとする。このとき車体の傾きを無視すると、第１駆動輪２および第２駆動輪３の駆動輪サスペンション３４がｘ、第１補助輪４のサスペンション１８がｘ_A、第２補助輪５のサスペンション１８がｘ_B、それぞれ圧縮されたとして、力の釣り合いの条件式（数４）、点Ｏについてのモーメントの釣り合い式（数５）、およびサスペンションのたわみ量の関係式は下記（数６）に示すようになる。

これをｘについて解くと、下記（数７）に示すようになる。

ここで、簡便のため、条件式（数７）において、補助輪のオフセットを無視してＯＡ＝ＯＢとおきＫ＝Ｋ´としたとき、第１駆動輪２および第２駆動輪３に加わる荷重Ｗ_Ｏ１およびＷ_Ｏ２は下記（数８）の式で算出される。

すなわち、Ｋ＝Ｋ´とすると、第１駆動輪２および第２駆動輪３には、合わせてロボットの半分の荷重しか加わらず、また、その分、第１補助輪４および第２補助輪５には、大きな荷重が加わることとなる。この条件においては、明らかに駆動輪に加わる荷重が小さ過ぎるために推進力が低下し、また、補助輪に加わる荷重が大き過ぎるため、進行方向の変化に応じて車輪を自由に旋回させることが困難になり、制御性が低下する。

以上の理由により本実施の形態において、駆動輪サスペンション３４の合成ばね定数Ｋ´は、サスペンション１８の合成ばね定数Ｋよりも大きくしておくことが望ましい。

かかる構成によれば、第１駆動輪２および第２駆動輪３が段差Ｍや起伏の激しい路面Ｒを走行する際にも、路面Ｒの凸部では駆動輪サスペンション３４が縮み、凹部では駆動輪サスペンション３４が伸びるために、より安定した接地性を確保することができ、またロボットの振動を低減することができる。

なお、実施の形態２の自走式ロボットの走行装置におけるその他の構成，動作，作用および効果は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３における自走式ロボットの走行装置であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は平地における第１補助輪４および第２補助輪５の平面図、（ｃ）はそり２２が進行方向後方へスライド移動した状態における第１補助輪４および第２補助輪５の平面図である。図８において、図１から図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図８（ａ）において、第１駆動輪２と第２駆動輪３を路面に投影したとき、その外接円の半径をＲとする。第１駆動輪２と第２駆動輪３との駆動軸７が同軸であるとき、駆動軸外接円の中心点は点Ｏになる。また、図８（ｂ）において第１補助輪４および第２補助輪５を旋回軸１３に対して旋回させたときに、最外端部が描く軌跡円の半径をｒ_１、同様に図８（ｃ）のときの半径をｒ_２とする。また、第１補助輪４および第２補助輪５の旋回軸１３の中心軸を路面に投影した点を、それぞれ点Ｃ，点Ｄとする。

ここで、ＯＣ＝ＯＤとして、第１補助輪４および第２補助輪５を下記（数９）の条件式を共に満たす位置に配置する。

かかる構成において、第１駆動輪２および第２駆動輪３を、それぞれ逆方向に等速で回転駆動させ、点Ｏを中心としてロボットを、その場で３６０°旋回させると、第１補助輪４および第２補助輪５は、ロボットの進行方向の変化に応じて旋回軸１３を回転させて適時旋回し、ロボットの車体支持を補助しながら補助輪車輪１０を回転させるが、このとき、第１補助輪４および第２補助輪５の旋回動作は、常に中心点Ｏ，半径Ｒの円の内側で行われる。

すなわち、第１補助輪４および第２補助輪５は、いかなる場合においても第１駆動輪２および第２駆動輪３が通過する軌跡よりも外側に出ることはない。

よって本実施の形態においては、実施の形態１の効果に加えて、同様の駆動輪の配置構成を具備する倒立振子ロボットの二輪駆動方式の走行装置と同等の最小旋回半径を実現することができる。

なお、実施の形態３の自走式ロボットの走行装置におけるその他の構成，動作，作用、および効果は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

本発明の自走式ロボットの走行装置は、狭路での高い小回り性能と、段差や斜面、あるいは路面状態に急激な変化のある走路でも、制御不能となることなく優れた走行安定性を発揮することから、一般公共空間などを移動する自走式ロボットの走行装置としてのみならず、工場内を巡回する産業用ロボットあるいは電動車椅子の走行装置にも適用できる。

本発明の実施の形態１における自走式ロボットの走行装置を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図 本発明の実施の形態１における自走式ロボットの全体構成図 （ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態１における自走式ロボットの走行装置が段差に乗り上げた状態の説明図 本発明の実施の形態１における第１補助輪４および第２補助輪５の平地走行時の状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図 本発明の実施の形態１における第一補助輪および第二補助輪の段差乗り越え時の詳細図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図 （ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態１における自走式ロボットの走行装置の段差越え動作説明図であって、（ａ）〜（ｄ）において上図が側面図、下図が要部拡大側面図 本発明の実施の形態２における自走式ロボットの走行装置を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図 本発明の実施の形態３における自走式ロボットの走行装置を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は平地における第１補助輪４および第２補助輪５の平面図、（ｃ）はそり２２が進行方向後方へスライド移動した状態における第１補助輪４および第２補助輪５の平面図 従来の自走式ロボットの走行装置の全体構成図

符号の説明

１ 走行台
２，３ 駆動輪
４，５ 補助輪
６ 駆動輪車輪
７ 駆動軸
８ 回転駆動装置（回転駆動手段）
９ 駆動軸軸受
１０ 補助輪車輪
１１ 移動回転軸
１２ ブラケット
１３ 旋回軸
１４ 旋回軸軸受
１５ 補助輪取付板
１６ 段差乗り越えスライド機構（段差検出手段）
１７ 旋回ロック機構（旋回固定手段）
１８ サスペンション（弾性体）
１９ 走行装置
２０ 筐体取付板
２１ ロボット筐体部
２２ そり
２３ ガイド
２４ スライドブロック
２５ 前ストッパ
２６ 後ストッパ
２７ 第１スプリング
２８ 内歯車
２９ 小歯車
３０ アーム
３１ ピン
３２ 第２スプリング
３３ 第３スプリング
３４ 駆動輪サスペンション（駆動弾性体）
１１１ 車輪
１１３ 移動機構ベース板
１１０ 駆動ベルト
１０９ 駆動制御部
１１３ 補助輪
１００ 移動ロボット

Claims (10)

1. ２つの駆動輪を駆動させ走行する走行装置において、
   走行台と、
   前記走行台に取り付けられた第１駆動輪と、
   前記走行台に取り付けられた第２駆動輪と、
   第１移動回転軸と第１旋回軸とを有する第１補助輪と、
   第２移動回転軸と第２旋回軸とを有する第２補助輪と、
   前記走行台と前記第１補助輪とを連結する第１弾性体と、
   前記走行台と前記第２補助輪とを連結する第２弾性体と、
   により構成したことを特徴とする走行装置。
2. 前記第１駆動輪の車輪の円と重なる平面と、前記第２駆動輪の車輪の円と重なる平面との間で、かつ前記第１駆動輪の駆動軸あるいは前記第２駆動輪の駆動軸から任意の距離離れた位置に、前記第１補助輪と前記第２補助輪とを配置したことを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
3. 前記第１駆動輪の車輪と前記第２駆動輪の車輪との中点を通り、前記第１駆動輪の駆動軸あるいは前記第２駆動輪の駆動軸に垂直な直線の延長線上に、前記第１補助輪と前記第２補助輪とを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の走行装置。
4. 前記第１駆動輪の駆動軸と前記第２駆動輪の駆動軸は同軸であり、前記第１駆動輪の駆動軸から同じ距離離れた位置に、前記第１旋回軸と前記第２旋回軸とを配置したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の走行装置。
5. 前記第１駆動輪と前記第２駆動輪における回転速度あるいは回転方向を各々に独立制御可能な回転駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の走行装置。
6. 前記回転駆動手段は、前記第１駆動輪と前記第２駆動輪との回転速度検出部と、該回転速度検出装置により検出された信号により前記第１駆動輪と前記第２駆動輪の駆動トルクを変化させるトルク制御部とを有することを特徴とする請求項５に記載の走行装置。
7. 前記第１補助輪の車輪と前記第２補助輪の車輪とが走行面の段差に接触する前に、該段差を検出する段差検出手段と、
   前記段差検出手段の段差検出により、前記第１旋回軸と前記第２旋回軸とを固定する旋回固定手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の走行装置。
8. 前記段差検出手段は前記第１補助輪と前記第２補助輪との半径よりも大きい曲率半径で移動するスライド機構を有し、
   前記旋回固定手段は前記段差検出手段の前記スライド機構とリンクにて連結されていることを特徴とする請求項７に記載の走行装置。
9. 前記走行台と前記第１駆動輪とを連結する第１駆動弾性体と、
   前記走行台と前記第２駆動輪とを連結する第２駆動弾性体とを有し
   前記第１駆動弾性体と前記第２駆動弾性体との合成ばね定数の鉛直方向成分が、前記第１弾性体と前記第２弾性体の合成ばね定数の鉛直方向成分よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の走行装置。
10. 請求項１〜９いずれか１項に記載の走行装置と、物体載置手段とを備えたことを特徴とする自走式ロボット。

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