JP2012051385A

JP2012051385A - 移動機構

Info

Publication number: JP2012051385A
Application number: JP2010193063A
Authority: JP
Inventors: Azusa Amino; 梓網野; Yukihiko Ono; 幸彦小野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15
Also published as: KR20120021199A; US20120053788A1; EP2423011B1; EP2423011A1

Abstract

【課題】路面凹凸からの外乱を吸収し、傾斜路面であっても車体フレームを水平に保ち安定に走行する移動機構を構成する。
【解決手段】車体フレームに車輪を接続し移動する移動機構において、それぞれの車輪をスイングアームで車体に取り付け、それぞれのスイングアームを支えるコイルバネを懸架するピッチ・ロール方向に回動可能なテーブルの傾きを適切に制御することによって、車体フレームを水平に保ち安定に走行する移動機構を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、凹凸路面を安定に車輪で走行する移動機構のサスペンションに関し、特に、機体を地面と水平に保ちながら移動する機構に関するものである。

走行路面の凹凸や傾きを吸収し、安定に走行する技術としては、例えば下記の特許文献１に記載の技術が知られている。

特許文献１に開示されている方法によれば、各車輪を伸縮可能なシリンダで車体から懸下し、車体の傾きから各シリンダを適切に制御する移動機構が示されている。

特開平９−１０９６４４号公報

解決しようとする課題は、車体フレームに車輪を接続し移動する移動機構において、路面凹凸からの外乱を吸収し、傾斜路面であっても車体フレームを水平に保ち安定に走行することである。このためには、サスペンションを搭載するという手段が考えられるが、路面の凹凸はサスペンションにより吸収が可能であるが、傾斜路面を走行する場合にあっては斜面下側に車体フレームが傾いてしまい、車体フレームを水平に保つことができない。また、前後、もしくは左右の車輪の間隔が小さい場合においては、コーナリング中の遠心力や、路面の凹凸，路面の傾き等の外乱で、サスペンションの沈み量が前後左右のいずれかに大きく傾き、転倒の可能性が高くなり安定性が損なわれるという課題があった。

特許文献１に開示されている方法によれば、センサにより車体のピッチ角とロール角を検出し、車体の４隅に取り付けられた懸架装置のアクチュエータを駆動することで車体を水平に制御している。しかしながら、平坦路を走行中も常にアクチュエータの駆動力を発生させなければならず消費電力が大きくなるという課題があった。また、懸架装置毎にアクチュエータを搭載する必要があるため、部品点数が多く重量が増加するという課題があった。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、車体フレームが３つ以上の車輪により支持され、前記車輪の一部もしくは全てが駆動することで移動する移動機構において、前記車体フレームと前記車輪との間に設けられたサスペンションと、前記サスペンションを懸架する所定方向に傾斜可能なテーブルと、前記テーブルを傾斜させる出力を備えたアクチュエータとを備え、前記車体フレームに搭載された傾斜検出手段が前記移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、前記移動機構の目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、前記アクチュエータを制御し、凹凸路面や傾斜路面での車体の揺れや傾きを軽減することを特徴とする。

本発明によれば、車体フレームに車輪を接続し移動する移動機構において、路面凹凸からの外乱を吸収し、傾斜路面であっても車体フレームを水平に保ち安定した走行が可能である。

本発明の実施例１における移動機構の全体構成図の例である。本発明の実施例１における移動機構のサスペンションのピッチ方向動作を表す模式図の例である。本発明の実施例１における移動機構のサスペンションのロール方向動作を表す模式図の例である。本発明の移動機構の制御ブロック図の例である。本発明の移動機構の制御フローチャートを示す図の例である。本発明の実施例２の移動機構のサスペンションの実装を示す図の例である。本発明の実施例２の移動機構のサスペンションの実装を示す図の例である。

本発明の課題を解決するため、例えば、第１の発明の移動機構は、車体フレームと車輪との間に、サスペンションと、サスペンションを伸縮する出力を備えたアクチュエータを備え、車体フレームに搭載された傾斜検出手段が移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、前記ロボットの目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、前記アクチュエータを適切に制御することで、凹凸路面や傾斜路面での車体の揺れや傾きを軽減する。

また、例えば、第２の発明の移動機構は、第１の発明の実装の例の一つであり、車体フレームと車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームと、車体フレームに対してピッチ方向とロール方向の２自由度に傾斜可能なテーブルと、テーブルに懸架され前記スイングアームの一部に接続されたサスペンションと、テーブルを傾斜させる出力を備えたアクチュエータとを備え、車体フレームに搭載された傾斜検出手段が前記移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、移動機構の目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、アクチュエータを適切に制御することで、凹凸路面や傾斜路面での車体の揺れや傾きを軽減する。

また、例えば、第３の発明の移動機構は、第１の発明の実装の例の一つであり、車体フレームと車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームと、車体フレームに対してロール方向に傾斜可能なテーブルと、テーブルに懸架されスイングアームの一部に接続されたサスペンションと、テーブルを傾斜させる出力を備えたアクチュエータとを備え、車体フレームに搭載された傾斜検出手段が移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、移動機構の目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、アクチュエータを適切に制御することで、凹凸路面や傾斜路面での車体の揺れや傾きを軽減する。

また、例えば、第４の発明の移動機構は、第１の発明の実装の例の一つであり、車体フレームと車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームと、車体フレームに対してピッチ方向に傾斜可能なテーブルと、テーブルに懸架されスイングアームの一部に接続されたサスペンションと、テーブルを傾斜させる出力を備えたアクチュエータとを備え、車体フレームに搭載された傾斜検出手段が移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、移動機構の目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、アクチュエータを適切に制御することで、凹凸路面や傾斜路面での車体の揺れや傾きを軽減する。

そして、例えば、車体フレームに車輪を接続し移動する移動機構において、路面凹凸からの外乱を吸収し、傾斜路面であっても車体フレームを水平に保ち安定した走行が可能である。また、例えば、各車輪のサスペンションを２自由度のテーブルにより懸架し、テーブルの２自由度の軸の位置を前後左右で力の釣り合いのとれている箇所に設定することで、平坦路での消費電力を抑えることができる。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施例の移動機構１は、車体フレーム２の四隅に４本のスイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲをピッチ方向にのみ回動可能に備え、それぞれのスイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲの長手方向先端に車輪１３ＦＬ，１３ＦＲ，１３ＲＬ，１３ＲＲを備える。スイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲの長手方向の中間にサスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲをピッチ・ロール方向の自由度を持って接続し、サスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲの長手方向逆端はテーブル４の４隅にピッチ、ロール両方向の自由度を持って懸下される。テーブル４は略前後左右対称の位置において、２自由度アクチュエータ３により、ピッチ、ロール両方向に揺動可能に車体フレーム２の略中央部に取り付けられる。ここで、車体フレーム２の進行方向の軸回りをロール（図１にはRollの矢印で表示）方向、進行方向軸と直角で、水平面と平行な軸回りをピッチ（図１にはPitchの矢印で表示）方向と称し、以降特別な表記のない場合はこれを用いるものとする。２自由度アクチュエータ３は、ピッチ・ロール方向に回動可能であり、動力源（例えばモータ）と減速機と角度検出器（ロータリエンコーダあるいはポテンショメータ）もしくは位置検出器（リニアエンコーダ）とを内蔵し、接続された部品を駆動する。

また、テーブル４におけるサスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲの懸架位置は、テーブル４が車体フレーム２に対して備えるピッチ・ロールの自由度の軸線に対して略対称の関係となっている。

また、図示しないが車体フレーム２には傾斜センサ１４を搭載し、車体フレーム２の重力方向に対する傾斜角度，角速度を検出する。

図２は、移動機構１をロボットの移動機構として用いる場合の一例であり、移動機構１のサスペンションのピッチ方向の運動を表す模式図である。

サスペンション１２ＦＬと１２ＦＲ，１２ＲＬと１２ＲＲはそれぞれ構成要素が等しく、構造がロボットの重心１００を通過するＸ−Ｚ平面に対して対称であるため、以下では、サスペンション１２ＦＬ，１２ＲＬについて説明する。

サスペンション１２ＦＬ，１２ＲＬは、それぞれ、車輪１３ＦＬ，１３ＲＬと車体フレーム２とを繋ぐスイングアーム１１ＦＬ，１１ＲＬの中間に、ピッチ・ロール方向の自由度を持って接続され、１２ＦＬ，１２ＲＬの長手方向逆端はテーブル４の隅にピッチ・ロール方向の自由度を持って懸下される。

ここで、２自由度アクチュエータ３はピッチ軸周りに力を出力することができ、これによりテーブル４をピッチ方向に傾けることで、サスペンション１２ＦＬと１２ＲＬを伸縮する。

図３も移動機構１をロボットの移動機構として用いる場合の一例であり、移動機構１のサスペンションのロール方向の運動を表す模式図である。

移動機構１の構造がロボットの重心１００を通過するＹ−Ｚ平面に対して対称であるため、以下では、サスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲについて説明する。

サスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲは、それぞれ、車輪１３ＦＬ，１３ＦＲと車体フレーム２とを繋ぐスイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲの中間に、ピッチ・ロール方向の自由度を持って接続され、１２ＦＬ，１２ＲＬの長手方向逆端はテーブル４の隅にピッチ・ロール方向の自由度を持って懸下される。

ここで、２自由度アクチュエータ３はロール軸周りに力を出力することができ、テーブル４をロール方向に傾けることで、サスペンション１２ＦＬと１２ＦＲを伸縮する。

図４は本実施例の制御ブロック図である。図１の移動機構１が凹凸のある路面や傾斜した路面を走行したり、コーナリング中の遠心力を受けたりすると、サスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲにより、ロボットの上下方向の振動は吸収されるが、前後のサスペンション１２ＦＬと１２ＲＬ，１２ＦＲと１２ＲＲ，左右のサスペンション１２ＦＬと１２ＦＲ，１２ＲＬと１２ＲＲの沈み量が異なった場合、移動機構１の車体フレーム２は沈みの大きい側に傾き、その復帰力によって前後左右のピッチ・ロールゆれを生じる。傾斜センサ２０５は、車体フレーム２に搭載され、車体フレーム２の重力方向に対する傾斜角度，角速度を検出し、制御装置２０６は、傾斜センサ２０５が検出した情報を元に、車体フレーム２の傾きと角速度を目標値に一致させるように、２自由度アクチュエータ３を適切に制御する。

図５は本実施例のロボットの制御フローチャートを示す図である。

この演算処理は、「スタート」すると、所定サンプリング時間ΔＴ毎に実行され、まずステップＳ２１０で、傾斜センサ２０５からの車体ピッチ・ロール角θ^p，θ^rおよび車体ピッチ・ロール角速度ω^p，ω^rを読み込む。次に、ステップＳ２１１において、予め与えられた車体ピッチ・ロール目標角度θ^p _{ref_c}，θ^r _{ref_c}と、車体ピッチ・ロール角度θ^p，θ^rとの差分に所定の制御ゲインＫ^p _p，Ｋ^r _pを乗じたものと、予め与えられた車体ピッチ・ロール目標角速度ω^p _{ref_c}，ω^r _{ref_c}と車体ピッチ・ロール角速度ω^p，ω^rの差分に所定の制御ゲインＫ^p _D，Ｋ^r _Dを乗じたものとを加えて、制御トルクＮ^p，Ｎ^rを算出する。最後にステップＳ２１２で、ピッチ制御トルクＮ^pとロール制御トルクＮ^rを、制御指令値出力として２自由度アクチュエータ３に出力する。

以上のように、本実施例によれば、車体フレーム２に搭載された傾斜検出手段である傾斜センサ２０５が、重力方向に対する傾斜角度，角速度を検出し、車体の２自由度アクチュエータ３には所定の中立を維持するトルクと、上体の傾きと角速度から求められた所定の制御量とを加算したものを入力することで、車体のピッチ・ロールゆれを軽減することができ、安定した走行が可能になる。また２自由度アクチュエータ３の応答性能を超える高周波の揺れに対しては、バネとダンパで吸収することで安定させる。

次に、実施例２の移動機構のサスペンションについて説明する。

移動機構１の用途や、移動する路面の凹凸や傾斜によっては、移動機構１のロール・ピッチ両方向への揺動を考慮する必要はなく、ロールもしくはピッチのどちらか一方の揺動を抑えればよい場合がある。

実施例１では、テーブル４はピッチ・ロール方向の２自由度に揺動可能に車体フレーム２に取り付けられていたが、実施例２は、テーブル４を１自由度アクチュエータ３１により、ピッチ方向もしくはロール方向の一方に揺動可能に取り付ける。

また、制御は図４に示した制御ブロック図および図５に示したフローチャートに沿って、実施例１と同様に行うが、図５に示したフローチャートでは、ピッチ方向もしくはロール方向の一方制御指令値を出力すればよい。

図６および図７は実施例２の移動機構１の模式図である。

移動機構１は、図６，図７に示すように車体フレーム２の四隅に４本のスイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲをピッチ方向もしくはロール方向にのみ回動可能に備え、それぞれのスイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲの長手方向先端に車輪１３ＦＬ，１３ＦＲ，１３ＲＬ，１３ＲＲを備える。スイングアーム１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲの長手方向の中間にサスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲをピッチ・ロール方向の自由度を持って接続し、サスペンション１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲの長手方向逆端はテーブル４の４隅にピッチ・ロール方向の自由度を持って懸下される。テーブル４は略前後左右対称の位置において、１自由度アクチュエータ３１により、ピッチ方向もしくはロール方向のみに揺動可能に（図６ではピッチ方向のみ、図７ではロール方向のみ）車体フレーム２の略中央部に取り付けられており、実施例１に記載のものと同様に動作する。

本発明は、例えば移動体の４輪の移動機構において、凹凸路面を安定して走行するため、各脚先と車輪の間にバネとダンパを備え、バネを懸架する位置をアクチュエータにより可変とすることで各脚先位置を調整可能なことを特徴とする。また、例えばバネを懸下する位置はピッチ・ロールの自由度を持つテーブルの四隅であり、車体に取り付けられたジャイロセンサにより、車体のピッチ・ロールを検知してテーブルの傾きを変化させ、車体の傾きを低減する。以上の構成により、路面の細かな凸凹はバネサスが吸収し、車体の傾きはテーブルのピッチ・ロール方向の駆動によりキャンセルすることができる。また、路面の凹凸だけでなく、傾斜にも任意に対応できる。よって、自律移動体であるロボットや段差のある都市交通に対応したビークルの安定化向上が図れる。本方式は、２自由度のアクチュエータ（場合によっては、１自由度のアクチュエータ）で実現できる。そして、平常時は、アクチュエータの電力不要とすることが可能である。

上記した実施例では、４輪の移動機構に関して述べたが、４輪に限定されるものではなく、車体フレームが３つ以上の車輪により支持され、前記車輪の一部もしくは全てが駆動することで移動する移動機構に適用できる。

また、例えば、図２または図３では、移動機構１をロボットの移動機構として用いる場合の一例を示したが、ロボットに限定されるものではなく、段差のある都市内交通用の自律移動体へ適用できる。

また、図１，図６，図７に示される移動機構を、軌道上を走行する車両の台車として使用可能である。その場合、車輪１３ＦＬ，１３ＦＲ，１３ＲＬ，１３ＲＲは、軌道が金属製レールの場合は、鍔部（フランジ）を有する金属製車輪を用いても良い。また、コンクリー製レールの場合は、ゴム製車輪を用いても良い。車両は、レール上を走行するための車輪を有する複数の台車と、前記複数の台車上に設けられた客室を有する。この車両は、台車の車輪をモータで駆動する場合電車となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成，機能，処理部，処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成，機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム，テーブル，ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク，ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード，ＳＤカード，ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１移動機構
２車体フレーム
３２自由度アクチュエータ
４テーブル
１１ＦＬ，１１ＦＲ，１１ＲＬ，１１ＲＲスイングアーム
１２ＦＬ，１２ＦＲ，１２ＲＬ，１２ＲＲサスペンション
１３ＦＬ，１３ＦＲ，１３ＲＬ，１３ＲＲ車輪
３１１自由度アクチュエータ
１００ロボットの重心
２０５傾斜センサ
２０６制御装置

Claims

車体フレームが３つ以上の車輪により支持され、前記車輪の一部もしくは全てが駆動することで移動する移動機構において、
前記車体フレームと前記車輪との間に設けられたサスペンションと、
前記サスペンションを懸架する所定方向に傾斜可能なテーブルと、
前記テーブルを傾斜させる出力を備えたアクチュエータとを備え、
前記車体フレームに搭載された傾斜検出手段が前記移動機構の重力方向に対する傾斜角度，傾斜角速度を検出し、制御指令値出力手段がその情報をもとに、前記移動機構の目標傾斜角度，目標傾斜角速度に沿うように、前記アクチュエータを制御することを特徴とした移動機構。
請求項１において、
前記サスペンションは、前記テーブルに懸架され、前記車体フレームと前記車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームの一部に接続され、
前記テーブルは、車体フレームに対してピッチ方向とロール方向の２自由度に傾斜可能なテーブルであることを特徴とした移動機構。
請求項１において、
前記サスペンションは、前記テーブルに懸架され、前記車体フレームと前記車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームの一部に接続され、
前記テーブルは、車体フレームに対してロール方向に傾斜可能なテーブルであることを特徴とした移動機構。
請求項１において、
前記サスペンションは、前記テーブルに懸架され、前記車体フレームと前記車輪とをつなぐピッチ方向にのみ回動可能なスイングアームの一部に接続され、
前記テーブルは、車体フレームに対してピッチ方向に傾斜可能なテーブルであることを特徴とした移動機構。
レール上を走行するための車輪を有する複数の台車と、前記複数の台車上に設けられた客室を有する車両において、
前記台車が、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の移動機構であることを特徴とする車両。