JP2012224207A - 全方向移動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】全方向への移動走行と自転運動の組合せで構成される多種類の運動を、荷重センサの出力に基づき操作できる全方向移動車両を提供する。
【解決手段】荷重センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの方向と出力値により決まるベクトルを指令値として送出する操作手段と、全方向移動車両１の運動を設定する運動設定手段７１と、運動設定手段７１により設定された運動をさせるべくオムニローラ２ａ、２ｂ、２ｃ，２ｄに動作指令を出力する車輪駆動制御手段７２とを備える。運動設定手段７１が、指令値の総計である総計指令値により運動方向と運動速度の少なくも１方を設定し、複数の所定の指令値の合計である所定合計指令値を用いて運動の種類を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の荷重センサの出力を検知し、移動方向や回転方向を決める全方向移動車両に関するものである。

重心移動により操作可能な車両として、ステップボードと車両本体の間に複数の荷重センサを設け搭乗者の重心位置を検出して、検出信号に基づき車両の直線走行または旋回走行を行う従来技術１（例えば、特許文献１参照）がある。

特開２００４−３５９０９４号公報

全方向移動車両は、全方向への併進走行と自転運動及びその組合せである旋回走行など多種類の運動が可能であるが、従来技術１では制御できる運動の種類に制限がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、全方向への併進走行と自転運動の組合せで構成される多種類の運動を、センサの出力に基づき操作できる全方向移動車両を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、全方向移動車輪を備えた全方向移動車両において、
平面上の方向が割当てられ出力値が増減するセンサを少なくも3個備え、前記方向と前記出力の組合せで構成される指令値を送出する操作手段と、
前記全方向移動車両の運動を設定する運動設定手段と、
前記運動設定手段により設定された運動をさせるべく前記全方向移動車輪に動作指令を出力する車輪駆動制御手段と、を備え
前記運動設定手段が、前記指令値の総計である総計指令値により運動方向と運動速度の少なくも１方を設定し、複数の所定の前記指令値の合計である所定合計指令値を用いて運動の種類を設定することである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記センサを４個備え、前記所定合計指令値によって、直線運動と曲線運動の判定または自転運動の回転方向の判定をすることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２に係る発明において、前記センサが荷重センサであることである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に係る発明において、自転運動の回転方向と回転速度の少なくも１方を設定する回転設定手段を備えることである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に係る発明において、移動速度を設定する速度設定手段を備えることである。

請求項1から請求項３に係る発明によれば、全方向移動車両の多種類の運動をセンサを用いた操作手段を用いて容易に操作できる全方向移動車両を実現できる。

請求項４に係る発明によれば、自転運動の回転方向と回転速度の少なくも１方を操作手段と別の回転設定手段により設定できるので、移動運動と自転運動を組合せた運動を容易に操作可能な全方向移動車両を実現できる。

請求項５に係る発明によれば、移動速度を操作手段と別の速度設定手段により設定できるので、速度操作が容易な全方向移動車両を実現できる。

本実施形態の全方向移動車両の全体を示す図である。 図１のＡ矢視図である。 全方向移動車両の運動の種類を示す図である。 荷重センサのベクトルの関係を示す図である。 全方向移動車両の直線運動の方向と荷重センサのベクトルの関係を示す図である。 全方向移動車両の曲線運動の方向と曲り方向と荷重センサのベクトルの関係を示す図である。 全方向移動車両の停止と自転の方向と荷重センサのベクトルの関係を示す図である。 運動設定のフローチャートを示す図である。 ベクトルを用いない運動設定方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態を操作手段である操作ボード上に人が搭乗する全方向移動車両の事例で図１〜図７に基づき説明する。
図１に示すように、全方向移動車両１は４個のオムニローラ２により移動・回転自在に支持される本体４を備え、本体４の両端部には荷重センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを介して支持される操作ボード６ａ、６ｂを備えている。オムニローラ２ａ、２ｂ，２ｃ，２ｄは駆動モータ３ａ、３ｂ，３ｃ，３ｄにより回転駆動される。オムニローラは知られているように、主車輪の回転軸に直交して回転自在に支持された副車輪を円周方向に複数連結して主車輪を構成する構造で、主車輪回転方向へ駆動力を発生し、副車輪回転方向へは自由に移動できる機能を備えている。
全方向移動車両１は、所定のプログラムを実行することで自動化された運動制御を実行する制御装置７を備えている。制御装置７の機能的構成として、操作手段を構成する荷重センサの出力に基づき全方向移動車両１の運動の種類を設定する運動設定手段７１、設定された運動の種類に対応して全方向移動車輪の駆動モータの回転を制御する車輪駆動手段７２などを具備している。

ここで、全方向移動車両の可能な運動の種類について図３に基づき説明する。移動運動の種類として図３（ａ）に示す直線運動と図３（ｂ）に示す曲線運動がある。移動を伴わない運動として図３（ｃ）に示す自転運動があり、すべての運動をしない静止を含めて４種類の運動状態がある。夫々の運動は方向と速度のパラメータを持ち、曲線運動はさらに曲がり方向と、曲率半径のパラメータを持つ。さらに、旋回運動のような曲線運動と自転運動を同時に行う組合せ運動も可能である。

本実施形態は、上記のような各種の運動を４個の荷重センサを備えた操作ボードにより操作するものである。すなわち、人が操作ボード６ａ、６ｂ上に搭乗した際の４個の荷重センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの出力に基づき各種運動を操作する。
はじめに、荷重センサの出力と指令値の関係を図４に基づき説明する。
実物の操作ボードにおける荷重センサの配置にかかわらず、各センサに割り当てられる方向は所望の方向に決めてよいが、ここでは、荷重センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが同心円上に４等配され、同心円中心を基準点Ｏと仮定する。指令値は、基準点Ｏから各荷重センサの配置位置へ向かう方向と荷重センサの出力値を大きさとするベクトルであるセンサベクトルとする。センサベクトルは荷重センサ５ａのベクトルをベクトルａ、荷重センサ５ｂのベクトルをベクトルｂ、荷重センサ５ｃのベクトルをベクトルｃ、荷重センサ５ｄのベクトルをベクトルｄとする。

以下に、荷重センサの出力と運動の種類と方向の関係を図５〜図７に基づき説明する。
直線運動の場合を図５に基づき説明する。
図５（ａ）において、４個のセンサベクトルであるベクトルａ、ベクトルｂ、ベクトルｃ、ベクトルｄを加算した総合成ベクトルｓと、ベクトルｓを挟む２個のベクトルａ、ベクトルｄを加算した合成ベクトルであるベクトルａｄの方向が一致している場合にベクトルｓの方向を進行方向とする直線運動と判定する。なお、ベクトルｓの方向とセンサベクトルのどれか１つの方向が一致した場合も、ベクトルｓの方向を進行方向とする直線運動とする。図５（ｂ）に示すように総合成ベクトルｓの方向とベクトルｄの方向が一致する場合は、総合成ベクトルｓの方向に直交する方向のベクトルａ、ベクトルｃの値に係わらずベクトルｓの方向へ向かう直線運動と判定する。
ここで、総合成ベクトルｓの大きさを直線運動の速度設定値としてもよい。

曲線運動の場合を図６に基づき説明する。
図６（ａ）において、総合成ベクトルｓと、ベクトルｓを挟む２個のベクトルａとベクトルｄを加算した合成ベクトルであるベクトルａｄの方向が異なる場合に、総合成ベクトルｓの方向を初期進行方向とする曲線運動と判定する。曲線の曲がり方向はベクトルｓと合成ベクトルａｄの成す侠角においてベクトルａｄがベクトルｓに対して右側に位置する場合は右曲がりとし、合成ベクトルａｄが左側に位置する場合は左曲がりとする。
ここで、ベクトルｓの大きさを曲線運動の速度指令とし、ベクトルｓと合成ベクトルａｄの侠角Θの大きさで曲線の曲率半径を設定してもよい。

静止と自転運動の場合を図７に基づき説明する。
図７（ａ）に示すように総合成ベクトルｓの大きさが０で、全てのセンサベクトルの大きさが等しい場合は静止と判定する。
総合成ベクトルｓの大きさが０で、所定の隣接する２個のセンサベクトルのうちで大きいほうのベクトルに対して所定の２個のセンサベクトルの合成ベクトルの位置が右に位置すれば右回転、左に位置すれば左回転とする。所定の隣接するセンサベクトルをベクトルａ、ベクトルｄと設定した場合は、合成ベクトルはベクトルａｄとなる。このときの、右回転する場合を図７（ｂ）に、左回転する場合を図７（ｃ）に示す。

全方向移動車両１の運動設定手段７１の作動について図８のフローチャートに基づき説明する。
はじめに、荷重センサの出力値を大きさとする４個のセンサベクトルであるベクトルａ、ベクトルｂ、ベクトルｃ、ベクトルｄを取得する（Ｓ１）。全センサベクトルを合成し、総合成ベクトルｓを演算する（Ｓ２）。ベクトルｓの大きさ｜ｓ｜が所定の基準値Ｋ１を超えるかどうかを判定し、｜ｓ｜＞Ｋ１ならＳ１１へ移動し、｜ｓ｜≦Ｋ１ならＳ４へ移動する（Ｓ３）。ベクトルａの大きさ｜ａ｜、ベクトルｂの大きさ｜ｂ｜、ベクトルｃの大きさ｜ｃ｜、ベクトルｄの大きさ｜ｄ｜が全て同じか判定する、全て同じであればＳ５へ移動し、異なればＳ６へ移動する（Ｓ４）。静止指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ５）。ベクトルａとベクトルｄの合成ベクトルであるベクトルａｄを演算する（Ｓ６）。ベクトルａとベクトルｄの内の小さいほうのベクトルと、ベクトルａｄの侠角Φを演算する（Ｓ７）。侠角Φにおいてベクトルａｄが右にあるか判定し、右ならばＳ９へ移動し、左ならばＳ１０へ移動する（Ｓ８）。

回転速度ωがＫ２・Φである左回転指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ９）。回転速度ωがＫ２・Φである右回転指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ１０）。ベクトルｓの方向がいずれかのセンサベクトルの方向と一致するか判定する。一致していればＳ１７へ移動、一致していなければＳ１２へ移動する（Ｓ１１）。ベクトルｓの両隣に位置するセンサベクトルの合成ベクトルｔを演算する（Ｓ１２）。ベクトルｔの方向がベクトルｓの方向と一致するか判定する。一致するならＳ１８へ移動し、一致しないならＳ１４へ移動する（Ｓ１３）。曲線運動の曲率半径と速度を演算する。曲率半径ＲはＲ＝Ｋ３／Θ、速度ｖはｖ＝Ｋ４・｜ｓ｜で演算する（Ｓ１４）。曲がり方向の判定をする。ベクトルｓの両隣に位置するセンサベクトルの合成ベクトルがベクトルｓの右に位置すればＳ１７へ移動し、左に位置すればＳ１６へ移動する（Ｓ１５）。方向がベクトルｓの方向で、速度ｖがＫ４・｜ｓ｜で曲率半径ＲがＫ３／Θの左曲がり曲線運動指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ１６）。方向がベクトルｓの方向で、速度がＫ４・｜ｓ｜で曲率半径がＲの右曲がり曲線運動指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ１７）。方向がベクトルｓの方向で、速度がＫ３・｜ｓ｜である直線運動指令を車輪駆動制御手段７２に出力する（Ｓ１８）。

以上のように、本発明の全方向移動車両１は操作ボード６ａ、６ｂによる運動設定で移動・回転・静止の各種の運動を操作できる。人が操作ボード６ａ、６ｂ上に搭乗して操作すると従来に無い興趣に富んだ遊戯用の全方向移動車両を実現できる。また、車椅子に応用すると足の操作のみで全ての運動が可能な全方向移動車椅子を実現できる。

上記の実施例では指令値としてベクトルを用い、ベクトルの加減算により運動種類を設定する事例で説明したが、ベクトルを用いない演算で運動の種類を設定してもよい。
例えば、図９において、両隣のセンサ出力値の和（ａ＋ｄ）が最大となる象限を選定し、その象限の占める角度をαとしたとき、運動方向を示す角度βをβ＝α・ｄ／（ａ＋ｄ）で演算する。このとき、ａ・ｂ＝ｃ・ｄなら直線運動とし、ａ・ｂ≠ｃ・ｄならａとｄの値の大きい方向へ曲る曲線運動とする。全ての出力値が等しい場合は静止とし、両隣のセンサ出力値の和が全て等しい場合は自転運動とする。

また、上記の実施例では全ての運動を操作ボード６ａ、６ｂで設定したが、移動運動のみを操作ボードで設定し、自転運動を別の操作手段で設定してもよい。１例として操作ボード上に人が搭乗し、手で操作する回転設定手段により自転運動の回転方向や回転速度を設定し、移動運動と自転運動を複合した運動を制御してもよい。
操作ボードでは運動の種類のみ設定して、その速度は別に備えた速度設定手段で設定してもよい。
４個の荷重センサを備えた事例で説明したが、センサの数は２次元の方向が指示できる３個以上備えていればよく、センサの種類は変位センサなどの出力値が増減できるセンサであればよい。

１：全方向移動車輪 ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：オムニローラ ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：駆動モータ ４：本体 ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ：センサ ６ａ、６ｂ：操作ボード ７：制御装置 ７１：運動設定手段 ７２：車輪駆動制御手段

Claims (5)

1. 全方向移動車輪を備えた全方向移動車両において、
   平面上の方向が割当てられ出力値が増減するセンサを少なくも3個備え、前記方向と前記出力の組合せで構成される指令値を送出する操作手段と、
   前記全方向移動車両の運動を設定する運動設定手段と、
   前記運動設定手段により設定された運動をさせるべく前記全方向移動車輪に動作指令を出力する車輪駆動制御手段と、を備え
   前記運動設定手段が、前記指令値の総計である総計指令値により運動方向と運動速度の少なくも１方を設定し、複数の所定の前記指令値の合計である所定合計指令値を用いて運動の種類を設定する、全方向移動車両。
2. 前記センサを４個備え、前記所定合計指令値によって、直線運動と曲線運動の判定または自転運動の回転方向の判定をする、請求項１記載の全方向移動車両。
3. 前記センサが荷重センサである、請求項１または請求項２記載の全方向移動車両。
4. 自転運動の回転方向と回転速度の少なくも１方を設定する回転設定手段を備える、請求項１ないし請求項３のいずれか1項に記載の全方向移動車両。
5. 移動速度を設定する速度設定手段を備える、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車両。

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