JP2010221769A - センサ故障に耐性を有する車輪走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
車輪走行装置における速度または傾斜角度を感知するセンサが故障した場合においても、走行を停止するフェイルセーフを実現する。
【解決手段】
車軸を一周するドーナツ状の空洞を車輪に設けて粘性の流体を封入しておき、フォトインタラプタ等のセンサが前記粘性の流体が路面から所定の距離に達していないことを感知し、前記センサが制御部に対して前記達していないことを示す入力を行わない場合に、前記制御部が前記車輪を駆動する動力装置を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、速度及び傾斜角度を感知するセンサの故障に対するフェイルセーフを実現する車輪走行装置に関する。

モータ等の動力装置駆動により車輪で走行する車輪走行装置においては、一般に、速度の計測に回転方向の機械的変位量をデジタル量に変換する位置センサであるロータリエンコーダを、路面傾斜角度の計測に加速度センサをそれぞれ使用している。車輪走行装置がロボットのような自動走行を行うものである場合、走行を制御する制御部はこれらセンサから入力された信号に基づいて駆動部に対して種々の制御を行う。例えば、速度超過や傾斜角度超過に対して、モータ出力を停止するといった制御を行う。

車輪走行装置でセンサが故障した場合には、制御部による駆動部に対する適切な制御が働かず、速度超過による衝突、傾斜検知不能による転倒等の障害が発生する。そして、これに伴い、車両走行装置が重大な事故を引き起こすことがある。したがって、これらセンサが故障した場合に、駆動部を適切に制御することで、車両走行装置の安全を確保する技術（フェイルセーフ）が望まれている。

従来技術として、事故等により車両に不具合が発生した場合に、何らかのセンサにより不具合状態を検知し、車両の走行機能を制限する等により二次的な事故を回避する手段を講じる発明がある（特許文献１乃至３参照）。

特開2001-350516号公報 特開2002-200952号公報 特開2002-274295号公報

前記センサの故障時においては、フェイルセーフの考え方から、モータ出力を停止する必要がある。しかし、従来技術ではこのようなフェイルセーフが実現されていない。たとえばロータリエンコーダが故障した場合、ロータリエンコーダから制御部への入力信号はゼロのままとなる（パルスの無い一本線）ため、制御部からは速度がゼロであるケースと見分けが付かない。このため、モータ出力は停止されず、センサ故障に対するフェイルセーフになっていない。上記特許文献に記載されたように、センサを冗長化したり、センサの故障を検出する別のセンサを設けたとしても、この課題の解決にはならない。

開示の技術は、速度超過や傾斜角度超過に対応して車輪走行装置を制御するために用いられる、速度及び傾斜角度を感知するセンサに故障が生じた場合でも、フェイルセーフとなる車輪走行装置を実現することを課題とする。

車輪と同軸で共に回転する回転部の内部に粘性の流体を封入しておき、センサが当該流体が路面から所定の距離に達していないことを感知し、センサが制御部に対し前記達していないことを示す入力（以下では未達入力と呼ぶ）を行わない場合に、制御部が駆動部を停止するものである。

開示の車輪走行装置によれば、平常時は粘性流体が重力方向に溜まっているのに対し、速度超過時には摩擦力により、傾斜角度超過時には傾きにより、それぞれ粘性流体が路面から所定の距離に達する。そのため、速度超過時及び傾斜角度超過時には、制御部に前記未達入力が行われなくなる。一方、センサが故障した場合にも、制御部に前記未達入力が行われなくなる。すなわち、速度超過若しくは傾斜角度超過が発生した場合と、センサが故障した場合とで、制御部からの見え方が同じとなる。これにより、センサが故障した場合に制御部が駆動部を停止することができ、前記課題を解決することができる。

第１の実施形態に係る車輪走行装置の斜視図である。 第１の実施形態に係る車輪走行装置の側面図である。 第１の実施形態に係る車輪走行装置の前面図である。 第１の実施形態に係る車輪走行装置の上面図である。 検知用駆動輪の構造を示す図である。 車輪走行装置の走行時及び傾斜時における不透明粘性流体のふるまいを示す図である。 車輪走行装置に対する力学的考察を説明する図である。 第２の実施形態に係る車輪走行装置の構造を示す図である

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１乃至４に、本発明の第１の実施形態に係る車輪走行装置の全体図の例を示す。図１は斜視図、図２は側面図、図３は前面図、図４は上面図をそれぞれ示す。それぞれの図において、対応する部分については同じ番号を付している。

車輪走行装置は、ボディ１０１と、駆動輪１０２と、従動輪１０３と、発光部１０４１と受光部１０４２とから成るフォトインタラプタ１０４と、モータ１０５と、フレーム１０６と、不図示の制御部とを備える。

ボディ１０１は、下底から、前方及び後方それぞれに左右に１つずつで合計４つのフレーム１０６が伸びている。それらフレーム１０６の前方の左右一対にはそれぞれモータ１０５が固定され、モータ１０５のシャフトにそれぞれ駆動輪１０２が取り付けられる。また、フレーム１０６の後方の左右一対には従動輪１０３が垂直回転自在に軸支される。

左右一対の駆動輪１０２のうちの任意の１つ（以下では検知用駆動輪１０２ａと呼ぶ）には、不透明粘性流体１０２１を封入する。検知用駆動輪１０２ａの構造を図５に示す（なお、この図では便宜上、不透明粘性流体１０２１は図示していない）。検知用駆動輪１０２ａは、透過性及びある程度の耐衝撃性を有するアクリル樹脂などの材料で構成し、その内部に、車軸受け１０２２を一周するようなドーナツ型の空洞１０２３を設けておく。このドーナツ型空洞１０２３の内周及び外周は直径の異なる２つの同心円であり、車軸方向の幅は一定とする。そして、この空洞に潤滑油などの不透明粘性流体１０２１を所定の量封入し、当該流体が検知用駆動輪１０２ａの外部に漏れないよう密閉する。検知用駆動輪１０２ａは透過性を有するため、封入された不透明粘性流体１０２１は外部から観察可能である。これにより、検知用駆動輪１０２ａの外部に設置されるフォトインタラプタ１０４により、不透明粘性流体１０２１のふるまいに基づく速度超過若しくは傾斜角度超過の検知が可能となる。なお、検知用駆動輪１０２ａの詳細な構成については後述する。

フォトインタラプタ１０４は発光部１０４１及び受光部１０４２とを有し、発光部１０４１と受光部１０４２との間に遮光物がない時（透過時）に出力電流が規定値以上となり、発光部１０４１と受光部１０４２との間に遮光物が入っている時（遮光時）に出力電流が規定値未満となる性質を有する。車両走行装置において、フォトインタラプタ１０４は、発光部１０４１と受光部１０４２とで検知用駆動輪１０２ａを挟み込むような所定の位置に、ボディ１０１に対して固定される。当該所定の位置は、検知用駆動輪１０２ａに設けた空洞における、路面から所定の距離の部分を監視できる位置である。この所定の距離の詳細については後述する。フォトインタラプタ１０４は、車輪走行装置の前進・後進のいずれもが検出可能なように、検知用駆動輪１０２ａの後部及び前部を監視できる位置それぞれに対して配置するのが望ましいが、例えば前進のみ検出できれば十分な場合には検知用駆動輪１０２ａの後部側のみに配置する形でもかまわない。

モータ１０５は、サーボモータであり、制御部と電気的に接続され、制御部からの入力信号中のパルスに従ってシャフトを回転させる。モータは、パルスが入力されなくなると、回転を停止する。これにより、シャフトに固定された駆動輪１０２が回転したり停止したりする。

制御部は、フォトインタラプタ１０４からの出力電流が規定値未満である場合に、モータ１０５へのパルス信号の出力を停止する。制御部をこのように構成することで、フォトインタラプタ１０４の遮光時に、モータ１０５が停止することとなる。制御部は、不図示のＣＰＵにて実行されるプログラムにより実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアにより実現される。

図６及び図７を元に、第１の実施形態に係る車輪走行装置が速度及び傾斜角度を感知する方法とフェイルセーフを実現する方法を説明する。

図６（ａ）は速度がある基準速度以上となった場合に車輪走行装置が走行を停止する例を、図６（ｂ）は傾斜角がある基準角度以上となった場合に、車輪走行装置が走行を停止する場合を表す。検知駆動輪内の不透明粘性流体１０２１によりフォトインタラプタ１０４が遮光されている。図７（ａ）に示すように、平坦な路面を低速に走行している時には検知駆動輪内の不透明粘性流体１０２１はボディの下方（重力方向）に留まっていてフォトインタラプタ１０４は遮光されない。しかし、図７（ｂ）に示すように、速度が上がるにつれて、不透明粘性流体１０２１は、自身の摩擦力によって検知駆動輪の回転方向へ移動し、フォトインタラプタ１０４が遮光される。同様に、傾斜角があがるにつれて、不透明粘性流体１０２１は、車輪走行装置の傾きによって検知駆動輪の回転方向へ移動し、フォトインタラプタ１０４が遮光される。フォトインタラプタ１０４が遮光されるとその出力電流が規定値未満となるため、制御部によりモータが停止され、車輪走行装置は走行を停止する。なお、車両走行装置が横転または転覆した場合にも、不透明粘性流体１０２１が、フォトインタラプタ１０４を遮光させる位置に留まるため、モータ出力は停止される。

本実施の形態によれば、速度及び傾斜角度を感知するセンサであるフォトインタラプタ１０４が故障した場合にも、車輪走行装置は走行を停止する。これはフォトインタラプタ１０４が故障すると、その出力電流がゼロとなり、制御部によりモータが停止され、車輪走行装置は走行を停止するからである。このことによって、センサ（フォトインタラプタ）の故障に対するフェイルセーフを実現している。

図７を元に、前記検知用駆動輪１０２ａの各部のサイズ等、及びフォトインタラプタ１０４を固定するための路面からの前記所定の距離などのパラメータについて説明する。前述のように、車輪走行装置が速度超過時または傾斜角度超過時に停止するためには、力学的な考察から、これらパラメータが所定の条件を満たす必要がある。前提条件として、速度超過の基準となる基準速度をU_max、傾斜角度超過の基準となる基準角度をθ_maxと設定する。

まず、車輪走行装置が速度U_maxで走行している場合について考える。この場合に不透明粘性流体１０２１は、車輪の接触面との間に生ずる摩擦力により検知用駆動輪１０２ａの回転方向に移動する。そして、摩擦力Ｆ₁と重力Ｆ₂とが釣り合う位置に留まることとなる。ここで、この摩擦力Ｆ₁はニュートンの粘性法則によって計算できる。ニュートンの粘性法則によると、厚さhの流体（粘度をμとする）に挟んだ面積Aの２枚の平板が相対速度Ｕで運動するとき、液体と板の間に発生する力Ｆ₁は下記（式１）で表される。

F₁＝μAU/h ・・・（式１）
本実施例においては、簡単のため、不透明粘性流体１０２１の液量を検知用駆動輪１０２ａの車輪径の半分の高さまでとする。このとき、A=t(D-2b)π/2となる。ただし、tは液幅、Dは車輪径、bは車輪径と空洞の外径との差、πは円周率である。次に、本実施例において、Uは空洞の外周の速度に相当する。車輪走行装置が速度U_maxで走行するとき、検知用駆動輪１０２ａの外周の速度もU_maxとなることから、空洞の外周の速度はU=U_max(D−2b)/Dとなる。また、本実施例において不透明粘性流体１０２１には空洞の外周だけでなく内周からも力が掛かるので、当該流体と外周との間に掛かる力は当該流体の実際の液厚の半分の厚さの液の分とみなせることから、h=a/2となる。これらA、U、hを（式１）に代入すると、下記（式２）が導かれる。

F₁＝μ・t(D-2b)π/2・U_max(D-2b)/D / (a/2) ・・・（式２）
また、車輪走行装置の走行中に不透明粘性流体１０２１に掛かる重力Ｆ₂は、当該流体の上昇した側と下降した側との高さの差が2(H−D/2)であることから、下記（式３）が導かれる。

F₂＝ρ・2(H−D/2)at・g ・・・（式３）
ここで、ρは液体の粘度、Hはフォトインタラプタの路面からの距離、aは液厚（空洞の外径と内径との差）、gは重力加速度とする。

そして、F₁とF₂とは釣り合っているので、（式２）及び（式３）から下記（式４）が成立する。

μ・t(D-2b)π/2・U_max(D-2b)/D / (a/2)＝ρ・2(H−D/2)at・g ・・・（式４）
次に、車輪走行装置が傾斜角θ_maxとなっている場合について考える。このとき、下記（式５）が成立する。

tanθ_max＝(H−D/2)/(D/2−b−a/2) ・・・（式５）
以上から、前提条件であるU_max、θ_maxに対して、（式４）及び（式５）を満たすようにμ、t、D、b、a、ρ、Hの各パラメータを設定した車両走行装置を構成すればよいこととなる。具体的には、例えば、前提条件であるU_max=2m/s、θ_max=10°に加え、μ=0.5Pa・s（潤滑油相当）、t=0.03m、D=0.25m、b=0.01m、及びρ=900kg/m³と予め規定した場合には、H=0.143m、a=0.030mが自動的に定まる。このようにすれば、車輪走行装置が基準速度U_max又は基準角度θ_maxに達したときに、不透明粘性流体１０２１がフォトインタラプタ１０４の高さまで上昇し、フォトインタラプタ１０４が遮光される。これにより、車輪走行装置が基準速度U_max又は基準角度θ_maxに達すると、車輪走行装置は停止するよう振舞うこととなる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、平常時は粘性流体が重力方向に溜まっているのに対し、速度超過時には摩擦力により、傾斜角度超過時には傾きにより、それぞれ粘性流体が路面から所定の距離に達する。そのため、速度超過時及び傾斜角度超過時には、制御部に入力される電流がゼロとなる。一方、フォトインタラプタが故障した場合にも、制御部に入力される電流がゼロとなる。すなわち、速度超過若しくは傾斜角度超過が発生した場合と、センサが故障した場合とで、制御系からの見え方が同じとなる。これにより、センサが故障した場合に制御部がモータ出力を停止することができ、センサ故障に対するフェイルセーフを実現することができる。

図８に、本発明の第２の実施形態に係る車両走行装置の例を示す。基本的には第１の実施形態の構成を踏襲するが、以下の点が異なる。

第１の実施形態では、検知用駆動輪１０２ａの材料として透過性を有するものを使用するのに対し、第２の実施形態では、検知用駆動輪１０２ａの材料は任意のものを使用してよい。その代わりに、駆動輪１０２の任意の１つと連動して動くディスク状ケース１０７を設けた例である。

モータのシャフトに駆動輪１０２の他にディスク状ケース１０７を取り付ける。図８ではディスク状ケース１０７をモータ１０５と駆動輪１０２の間に取り付けているが、駆動輪１０２の外側に取り付けても良い。また、ディスク状ケース１０７は、透過性を有する材料で構成するとともに、内部の空洞に不透明粘性流体を封入し、当該流体が検知用駆動輪の外部に漏れないよう密閉する。そして、フォトインタラプタ１０４を、ディスク状ケース１０６を挟み込むような所定の位置に、ボディ１０１に対して固定する。以上の構成により、第１の実施形態における検知用駆動輪１０２ａ及びその周囲の構成を、ディスク状ケース１０７及びその周囲で実現したこととなる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同じ作用・効果を奏する。すなわち、速度超過時及び傾斜角度超過時のみならず、フォトインタラプタ故障時にもモータ出力を停止することができるため、センサ故障に対するフェイルセーフを実現することができる。さらに、第２の実施形態は、検知用駆動輪の材料として、アルミ合金やステンレスなどの金属、その他アクリル樹脂よりも強度のある任意の材料を用いることができる。したがって、第２の実施形態によれば、検知用駆動輪の強度を高めることができるという特有の効果を奏する。また、第２の実施形態は、特殊な構成を有する検知用駆動輪が必要なく、また駆動輪とディスク状ケースが別の部品となる。したがって、第２の実施形態によれば、駆動輪やディスク状ケース、引いては車輪走行装置の製造性やメンテナンス性が向上するという特有の効果をも奏する。

以上、本発明に係る車輪走行装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限るものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の設計変更が可能である。

たとえば、車輪走行装置を店舗案内ロボットのような移動体に組み込むことができる。係る実施形態においては、本発明が特に効果的となる。何故なら、係るロボットは低速（人間の徒歩の速度程度）且つほぼ等速で走行するため、急激な速度変化により不透明粘性流体が不規則にふるまうことがないため、走行停止について安定した制御が実現できるからである。

また、前記透過性の材料としては、前記アクリル樹脂の他に、PE(ポリエチレン）、PP（ポリプロプレン）、PA（ポリアミド）、塩化ビニル樹脂、ABS、PET（ポリエチレンテレフタラート）、ウレタン樹脂、ガラス、ポリカーボネートなどを使用しても良い。

前記不透明粘性流体としては、前記潤滑油の他に、グリス、保湿剤などを使用しても良い。また流体の代わりとして、流体ではないが流動性を有する、粉体などの物質を使用しても良い。なお、粉体の場合は、液体と異なり粒子間に一定の摩擦力が発生するため、特に粘性である必要はない。

前記センサとしては、前記フォトインタラプタの他に反射型フォトセンサを使用しても良く、その場合も前記例示した不透明粘性流体を用いることができる。反射型フォトセンサは、フォトインタラプタと異なり、車輪の片側から前記不透明粘性流体のふるまいを監視できる。したがって、反射型フォトセンサは、前記フォトインタラプタの発光部または受光部のいずれかと同じ位置に取り付ければよい。

前記モータの代わりに、動力装置として、蒸気機関のような外燃機関や、ガソリンエンジンのような内燃機関を用いることもできる。

また、上記実施形態は四輪の車輪走行装置について説明したが、車輪の数は４個でなくてもかまわない。また、上記実施形態では駆動輪が前方側であり従動輪が後方側であるが、駆動輪が後方側で従動輪が前方側であっても構わない。さらに、上記実施形態ではフォトインタラプタ等を駆動輪に設置しているが、フォトインタラプタ等を従動輪に設置しても構わない。

１０１ ボディ
１０２ 駆動輪
１０２ａ 検知用駆動輪
１０２１ 不透明粘性流体
１０２２ 車軸受け
１０２３ ドーナツ型空洞
１０３ 従動輪
１０４ フォトインタラプタ
１０４１ 発光部
１０４２ 受光部
１０５ モータ
１０６ フレーム
１０７ ディスク状ケース

Claims (6)

1. 動力装置により駆動される駆動輪と、
   前記駆動輪と同軸で共に回転し、内部に粘性を有する流体または粉体を封入した回転部と、
   前記回転部の近傍に設置され、前記回転部内の流体または粉体が駆動輪と路面との設置点から所定の距離に達したか否かを感知し、所定の距離に達した場合には出力を停止するセンサと、
   前記センサからの出力が停止した場合には、前記駆動輪を駆動する動力装置を停止する制御部と、
   を備える車輪走行装置。
2. 動力装置により駆動される駆動輪と、
   動力装置により駆動されない従動輪と、
   前記従動輪と同軸で共に回転し、内部に粘性を有する流体または粉体を封入した回転部と、
   前記回転部の近傍に設置され、前記回転部内の流体または粉体が従動輪と路面との設置点から所定の距離に達したか否かを感知し、所定の距離に達した場合には出力を停止するセンサと、
   前記センサからの出力が停止した場合には、前記駆動輪を駆動する動力装置を停止する制御部と、
   を備える車輪走行装置。
3. 前記センサは発光部と受光部を有するフォトインタラプタであって、前記回転部を前記発光部と受光部が挟むように構成され、
   前記回転部は前記フォトインタラプタで用いる光に対する透過性を有するように構成され、
   前記流体または粉体は前記フォトインタラプタで用いる光に対する不透過性を有するように構成されている請求項１又は２記載の車輪走行装置。
4. 前記回転部は前記駆動輪または従動輪の車軸のまわりに固定され、前記流体または粉体は前記回転部の内部のドーナツ型の空間に封入されている請求項１から３記載の車輪走行装置。
5. 前記回転部は駆動輪または従動輪であることを特徴とする請求項１から４記載の車輪走行装置。
6. 前記回転部は駆動輪または従動輪の外部に設置され当該駆動輪または従動輪と同軸で共に回転するケースで構成されることを特徴とする請求項１から５記載の車輪走行装置。

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