JP2016159700A - 走行装置の駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】定置旋回における消費電力の増加をできるだけ抑えることができる走行装置の駆動機構を提供する。【解決手段】走行装置（１０）は、スキッドステア方式の走行を行うものであり、車台の前後に取付けられた左右一対の車輪（１２）と、前記車輪を駆動する電動モータ（１３）と、前記電動モータの回転を前記車輪に伝える減速比を変えることができる変速機構（１４）と、を備える。前記変速機構によって、一定位置で旋回する定置旋回の減速比を、前後へ直進する定常走行の減速比より大きくする。【選択図】図２

Description

本発明は、一定位置での旋回を行うことのできる走行装置の駆動機構に関する。

操舵方法として左右の車輪の回転差で操舵を行うスキッドステア方式が知られている。特に電動モータを動力源とする自律走行装置は、左右の駆動を別々の電動モータを用いることでモータの回転制御のみで操舵が可能となる。スキッドステア方式において、定位置で旋回（定置旋回）させるには、左右の車輪を互いに反対方向に回転させる。これには電動モータを用いて４輪を駆動制御したり、２輪を制御したりして走行装置を回転させる。

たとえば、特許文献１には、スキッドステア方式により定置旋回可能な走行装置が開示されている。

国際公開第２０１１／１０２５２７号

スキッドステア方式で定置旋回する場合、タイヤは互いに逆方向に駆動するので、路面との摩擦が非常に小さい場合であっても負荷がかかって、前後へ直進する定常走行時の２倍程度のトルクが必要となる。従って、定置旋回の場合はトルクを２倍以上に上げるために、電動モータの動力を突出して多くする必要がある。このため、電動モータによる消費電力が極端に多くなり、搭載バッテリの容量も増やす必要が出てきて、他の部品レイアウトが限定されると共に重量増加を招き、さらにトルクを上げるために消費電力を増加させてしまうことにもなる。また、走行時間を延ばすために、定常走行の速度制限も行う必要も出てくる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、定置旋回における消費電力の増加をできるだけ抑えることができる走行装置の駆動機構を提供しようとするものである。

本発明は、スキッドステア方式の走行を行う走行装置の駆動機構であって、車台の前後に取付けられた左右一対の車輪と、前記車輪を駆動する電動モータと、前記電動モータの回転を前記車輪に伝える減速比を変えることができる変速機構と、を備え、定置旋回の場合に、前記変速機構によって、一定位置で旋回する定置旋回の減速比を、前後へ直進する定常走行の減速比より大きくする。

本発明によれば、定置旋回を行う場合、変速機構の変速比を変えてトルクを増加させるので、電動モータに供給する動力を大幅に増大させる必要が無く、消費電力の増大が抑えられる。

第１実施形態における走行装置を示す側面図である。 第１実施形態における走行装置を示す平面図である。 走行装置を示すブロック図である。 第１実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における走行装置を示す平面図である。 第３実施形態における走行装置を示す平面図である。 第３実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。 第５実施形態における走行装置を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態における走行装置を示す側面図であり、図２は第１実施形態における走行装置を示す平面図である。

図に示されるように、走行装置１０は、車台１１と４つの車輪１２を具備している。本実施形態では、４つの車輪１２のうちの、左右一対の前輪１２−１Ｌ，１２−Ｒと、左右一対の後輪１２−２Ｌ，１２−２Ｒとを備える。車台１１の内部には、図示しないがバッテリが収容されている。

左右の前輪用軸１５−１Ｌ，１５−１Ｒは、それぞれ、その一端が左右の前輪１２−１Ｌ，１２−１Ｒに接続され、その他端が駆動輪である左右の前輪用スプロケット１６−１Ｌ，１６−１Ｒと変速機構１４Ｌ，１４Ｒに接続されている。前輪１２−１Ｌ，１２−１Ｒと前輪用軸１５−１Ｌ，１５−１Ｒと前輪用スプロケット１６−１Ｌ，１６−１Ｒは一体的に構成されて動作する。左右の変速機構１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれ、左右の電動モータ１３Ｌ，１３Ｒに接続されている。

左右の後輪用軸１５−２Ｌ，１５−２Ｒは、それぞれ、その一端が左右の後輪１２−２Ｌ，１２−２Ｒに接続され、その他端が遊動輪である左右の後輪用スプロケット１６−２Ｌ，１６−２Ｒと軸受１８Ｌ，１８Ｒに接続されている。後輪１２−２Ｌ，１２−２Ｒと後輪用軸１５−２Ｌ，１５−２Ｒと後輪用スプロケット１６−２Ｌ，１６−２Ｒは一体的に構成されて動作する。

前輪用スプロケット１６−１Ｌ，１６−１Ｒと後輪用スプロケット１６−２Ｌ，１６−２Ｒとの外周には、無端状部材であるベルト１７Ｌ，１７Ｒが懸架され、前輪１２−１Ｌ，１２−１Ｒと後輪１２−２Ｌ，１２−２Ｒとはベルト１７Ｌ，１７Ｒにより連結されている。ベルト１７Ｌ，１７Ｒは、スプロケット１６に接する内面に一定間隔で突起部が形成され、スプロケット１６−１Ｌ，１６−２Ｌ及びスプロケット１６−１Ｒ，１６−２Ｒと歯合する構造である。

前輪１２−１Ｌ，１２−１Ｒは、電動モータ１３Ｌ，１３Ｒの動力を変速機構１４Ｌ，１４Ｒを介して受けて、その動力に基づいて、前輪用軸１５−１Ｌ，１５−１Ｒ及び前輪用スプロケット１６−１Ｌ，１６−１Ｒと共に回転する。後輪１２−２Ｌ，１２−２Ｒは、前輪１２−１Ｌ，１２−１Ｒの回転運動をベルト１７Ｌ，１７Ｒにより受けて、その回転運動に基づいて、後輪用軸１５−２Ｌ，１５−２Ｒ及び左右の後輪用スプロケット１６−２Ｌ，１６−２Ｒと共に回転する。

変速機構１４Ｌ，１４Ｒは、例えば、クラッチ、ギアボックスを含んでいる。ギアボックスは、その一端が電動モータ１３Ｌ，１３Ｒに接続された軸と、その軸の外周に設けられた歯車（図示しない）などからなり、動力源（電動モータ１３Ｌ，１３Ｒ）の動力を減速比を変えることによりトルクや回転数を変え、また回転方向を変えて伝達する。そのため、変速機構１４Ｌ，１４Ｒと前輪用軸１５−１Ｌ，１５−１Ｒと後輪用軸１５−２Ｌ，１５−２Ｒと前輪用スプロケット１６−１Ｌ，１６−１Ｒと後輪用スプロケット１６−２Ｌ，１６−２Ｒとベルト１７Ｌ，１７Ｒとは、動力伝達部材として構成される。

左右の電動モータ１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ左右の動力伝達部材に動力を伝達することにより、４つの車輪１２を駆動させて車台１１の走行や停止を行う。

図３は、走行装置１０を示すブロック図であり、巡回走行に必要な機能ブロックを記載している。
図３に示されるように、走行装置１０の機能ブロックは、電動モータ１３Ｌ，１３Ｒ、変速機構１４Ｌ，１４Ｒ、走行制御部３１、記憶部３２、ＧＰＳ受信部３５、センサ部３６、バッテリ３７である。

走行制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）からなり、走行動作を行うため各部を制御する。特に、左右の電動モータ１３Ｌ，１３Ｒと左右の変速機構１４Ｌ，１４Ｒを制御することでスキッドステア方式による走行を制御する。変速機構１４Ｌ，１４Ｒにより減速比を制御することにより、定置旋回や前後の定常走行などを可能とする。

記憶部３２は、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリやＨＤＤなどの大容量記憶装置からなるものであり、コンピュータプログラムや各種データが格納されている。走行制御部３１であるＣＰＵは、このコンピュータプログラムを記憶部３２より読み込み、実行することにより、走行制御に関わる処理機能を実現することができる。処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリなどがある。また、プログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、そのプログラムを、サーバコンピュータからネットワークを介して他のコンピュータに転送することもできる。

ＧＰＳ受信部３５は、ＧＰＳより電波を受信して走行装置１０の位置情報を取得する。
センサ部３６は、走行装置１０の走行状態や障害物などを検出するためのもので、様々のセンサを備える。たとえば、バンパ、傾斜センサ、加速度センサ、方位センサ、距離センサなどである。バンパは、前方に生じた外力を検出するためのセンサで、たとえば振動センサや加速度センサ等の衝撃センサを適用することができる。傾斜センサは、走行装置１０の傾斜角度を検出する。方位センサは、たとえば地磁気を利用した地磁気センサなどであり、走行方向の方位を検出する。距離センサは、周知の光を利用したものや超音波を利用したもの等であり、対象物までの距離を測定する。

次に、走行制御部３１による走行制御について説明する。
図４は、第１実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。
走行制御部３１は、走行指示が前進・後退の定常走行かを判断する（ステップＳ１１）。走行指示は、予め記憶部３２に記憶された走行指示でもよいし、ユーザからの指示でもよい。定常走行であると判断した場合、走行制御部３１は、予め設定された減速比に、変速機構１４Ｌ，１４Ｒを設定する（ステップＳ１２）。また、変速機構１４Ｒ，１４Ｌを、ベルト１７が左右同一方向に駆動されるように設定する（ステップＳ１３）。このとき、減速比は左右同じであり、トルクも車輪１２の回転数も同じになる。

次に走行制御部３１は、電動モータ１３Ｌ，１３Ｒを駆動させて、自律走行を開始する（ステップＳ１４）。ＧＰＳ受信部３５により位置を確認し、センサ部３６で走行状態を確認しながら、走行制御部３１は自律走行を行う。

定置旋回であると判断した場合、走行制御部３１は、変速機構１４Ｌ，１４Ｒを定置旋回の減速比に設定する（ステップＳ１５）。定置旋回の減速比は、定常走行よりも高く設定し、左右同じ大きさとする。また、ベルト１７が左右逆向きに駆動するように設定する（ステップＳ１６）。図２の矢印５１Ｌ，５１Ｒは、定置旋回における駆動方向とトルクの大きさ（減速比）を示している。

定置旋回の時、車輪１２は、左右で逆向きに回転駆動されるので、定常走行よりも負荷がかかり、路面との摩擦が小さい場合であっても、定常走行に比較して２倍程度のトルクが必要となる。路面との摩擦が大きい場合は、さらに負荷がかかるため、２倍以上のトルクが必要となる。通常の路面では、定常走行に比較して３倍以上の減速比であれば、確実に定置旋回が可能となる。

減速比が大きくなると、トルクは大きくなるが、回転速度が遅くなってくる。そのため定置走行の速度が遅くなってくる。路面との摩擦などの負荷を考えても、減速比が定常走行の５倍あれば、十分に定置旋回が可能で有り、５倍を超えると，むしろ定置旋回の速度が遅くなりすぎる。
以上により、定置旋回の場合、減速比を、
定置旋回の減速比：定常走行の減速比＝（３〜５）：１
に設定する。

走行制御部３１は、電動モータ１３Ｌ，１３Ｒを駆動させて、走行を開始する（ステップＳ１４）。この場合は、走行装置１０は定位置で旋回を行う。

こうして、定置旋回を行う場合、変速機構１４の変速比を変えてトルクを増加させるので、電動モータ１３に供給する動力を大幅に増大させる必要が無く、消費電力の増大が抑えられ、バッテリの容量増加などの対処が不要になる。従って、部品スペースがバッテリに取られることなく、他の部品にも確保され、部品レイアウトにも余裕が生まれる。また、重量も軽くなるために、たとえば直進するときの速度も上げるがこと可能となる。

〔第２実施形態〕
図５は第２実施形態における走行装置を示す平面図である。
走行装置１０の構造は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。

第１実施形態と異なるのは、走行制御において、ステップＳ１６の減速比が異なる。図５の矢印５２Ｌ，５２Ｒに示すように、定置旋回するときに、車輪を左右逆方向に駆動するが、右側の減速比（矢印５２Ｒ）のほうが左側の減速比（矢印５２Ｌ）より大きい。車輪の回転速度が左右で異なるが、走行装置１０は、なんら問題無く定置旋回する。なお、右側の大きい方の減速比は、
定置旋回の減速比：定常走行の減速比＝（３〜５）：１
で設定される。

こうして、第１実施形態と同じように、定置旋回において、消費電力の増加を抑えるという効果が得られる。

〔第３実施形態〕
図６は第３実施形態における走行装置を示す平面図である。
走行装置１０の構造は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。

図７は、第３実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ２１〜Ｓ２４は、ステップＳ１１〜Ｓ１４と処理が同じなので説明は省略する。ステップＳ２１で走行制御部３１が定置旋回であると判断した場合、走行制御部３１は、変速機構１４Ｌ，１４Ｒの減速比を設定する（ステップＳ２５）。図６の矢印５３Ｌ，５３Ｒに示すように、左の減速比を右の減速比よりも小さくする。そして、車輪を左右同一方向に駆動する（ステップＳ２６）。こうすると、左の車輪１２−１Ｌ，１２−２Ｌのトルクは小さくなり、回転しにくくなる。右の車輪１２−１Ｒ，１２−２Ｒのトルクは大きいので、確実に回転する。こうして、右と左の車輪の実際の回転数が異なるようにすると、第１実施形態や第２実施形態に比べると、大回りではあるが、走行装置１０は一定の半径で一定位置で回り始める。

こうして、左右同一方向に駆動していても変速手段によって減速比を変えることにより、大回りであるが一定位置で走行装置を旋回させることができるので、第１実施形態と同じように、定置旋回において消費電力の増加を抑えるという効果が得られる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態の走行装置１０の構造は、第１実施形態と同じであるので、説明は省略する。
図８は、第４実施形態における走行制御の手順を示すフローチャートである。

ステップＳ３１〜Ｓ３４は、ステップＳ１１〜Ｓ１４と処理が同じなので説明は省略する。第３実施形態と同様にステップＳ３１で走行制御部３１が定置旋回であると判断した場合、走行制御部３１は、変速機構１４Ｌ，１４Ｒの減速比を設定する（ステップＳ３５）。図６の矢印５３Ｌ，５３Ｒに示すように、左の減速比を右の減速比よりも小さくする。そして、車輪を左右同一方向に駆動する（ステップＳ３６）。走行制御部３１が走行装置１０を走行させて（ステップＳ３７）、センサ部３６を用いて定置旋回をしているかを確認する（ステップＳ３８）。定置旋回をしていない場合は減速比を再設定する（ステップＳ３９）。たとえば、センサ部３６により車輪１２の回転数を検知し、左の回転数が右の回転数より少なくなるように減速比を小さくする設定を行う。そして、再びステップＳ３７に戻る。

こうして、走行制御部３１が、定置旋回できるように減速比を変えていくので、路面や負荷が変っても、それに応じて確実に定置旋回ができる。

〔第５実施形態〕
図９は第５実施形態における走行装置を示す平面図である。
第５実施形態の走行装置１０は、スプロケット及びベルトを装着せず、変速機構と車輪を接続し、２輪駆動とする。走行装置１０の構造は、これ以外は第１実施形態と同じであるので、同じ箇所に同じ符号を付し、説明は省略する。２輪だけの駆動であるが、走行制御部３１の制御は、図４に示すフローチャートと同じであり、定常走行及び定置旋回を行うことができる。
この場合は、２輪駆動で第１実施形態の定置旋回を実現したものであるが、同様に２輪駆動で第２、第３、第４実施形態を実現することも可能である。

こうして、定置旋回を行う場合、変速機構１４の変速比を変えてトルクを増加させるので、電動モータ１３に供給する動力を大幅に増大させる必要が無く、消費電力の増大を抑えることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等された発明も含まれる。

１０ ：走行装置
１１ ：車台
１２ ：車輪
１３ ：電動モータ
１４ ：変速機構
１５ ：車輪用軸
１６ ：スプロケット
１７ ：ベルト
１８ ：軸受
３１ ：走行制御部
３２ ：記憶部
３５ ：ＧＰＳ受信部
３６ ：センサ部
３７ ：バッテリ

Claims (5)

1. スキッドステア方式の走行を行う走行装置の駆動機構であって、
   車台の前後に取付けられた左右一対の車輪と、
   前記車輪を駆動する電動モータと、
   前記電動モータの回転を前記車輪に伝える減速比を変えることができる変速機構と、
   を備え、
   前記変速機構によって、一定位置で旋回する定置旋回の減速比を、前後へ直進する定常走行の減速比より大きくすることを特徴とする走行装置の駆動機構。
2. 前記定置旋回の減速比は、少なくとも左右の前記車輪の一方において、前記定常走行の減速比に比べて３〜５倍とすることを特徴とする請求項１に記載の走行装置の駆動機構。
3. 前記定置旋回の場合に、左右の前記車輪の駆動方向を逆方向とし、左右の前記車輪の減速比を同じにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の走行装置の駆動機構。
4. 前記定置旋回の場合に、左右の前記車輪の駆動方向を逆方向とし、左右の減速比を異なることとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の走行装置の駆動機構。
5. 前記定置旋回の場合に、左右の前記車輪の駆動方向を同一方向とし、左右の減速比が異なるようにして、左右の一方の前記車輪の実際の回転数が他方より大きくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の走行装置の駆動機構。

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