JP2024010484A - 移動装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】搬送台の高さ調整および車輪の段差、傾斜乗り越えを最小限のエネルギー損失で実現する、簡単な構成で小型化可能な移動装置を得ること。【解決手段】基体１と、搭載物Ｗが搭載される搬送台５と、上下に移動可能である搬送台支持部２と、回転軸を有する車輪３と、車輪３の回転軸と第１出力軸との変速比を無段変速する無段変速機と、無段変速機の第１出力軸および車輪３の回転軸が接続され、車輪３の回転軸と第１出力軸との回転速度差に応じた回転数で回転する第２出力軸を有する差動機構と、差動機構の第２出力軸の回転を上下の直動に変換して搬送台支持部２に伝達する回転－直動変換機構と、地面の傾斜、段差高さに応じて搬送台５が水平になるように変速比を制御する制御装置６と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、搬送台を支持して移動する移動装置および移動体に関する。

物品搬送用移動装置においては、地面の段差、勾配、凹凸は搬送台に振動を生じさせ、姿勢を変動させ、輸送品質劣化の原因となる。地面の変位によらず、搬送台の各部における慣性座標系から見た高さを一定とし、搬送台の姿勢を常に水平に保つことができれば、液体物、食品などを搭載物とした場合にも品質の劣化が生じない、安定で理想的な輸送が可能となる。しかしながら、地面上を走行する移動装置においては、搬送台支持部は搭載物の重量の荷重パスとなるため、地面変位に合わせて搬送台支持部を伸縮することは容易ではない。具体的には、アクチュエータに鉛直荷重が直接作用する効率の悪い構成をとるか、重心位置変化に対するロバスト性と地面変位に対する適応性との間で特性上のトレードオフが生ずるばね支持系を設けるか、あるいは、搭載荷重に合わせて補償値を調整可能とする複雑な荷重補償機構を設けるなどの方法をとらざるを得ない。

非特許文献１には、前輪操舵輪および左右駆動輪を有する移動ベースと、車体傾斜機構と、前輪操舵輪、左右駆動輪および車体傾斜機構をそれぞれ駆動するステッピングモータと、を有する車輪ユニットが示されている。

橋本雅文，他２名，"車体傾斜機構を有する全方向移動ロボットの走行制御に関する研究"，精密工学会誌，VOL．70,NO.7,2004，p.983-988

非特許文献１では、前輪操舵輪および左右駆動輪を有する移動ベースと、車体傾斜機構とは、別々に構成されており、移動ベースと車体傾斜機構との間でエネルギー収支を考慮した形態とはなってはおらず、移動ベースと車体傾斜機構とを電気的なアクチュエータであるステッピングモータを使用して駆動している。このため、非特許文献１では、静推力の発生に伴うジュール損失、低い変換効率などによって、ゼロパワーでの水平移動は実現しない。また、非特許文献１では、構成が煩雑で、装置が大型化する課題がある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、搬送台の高さ調整および車輪の段差、傾斜乗り越えを最小限のエネルギー損失で実現する、簡単な構成で小型化可能な移動装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の移動装置は、基体と、搭載物が搭載される搬送台と、基体に対して上下に移動可能であり、搬送台を支持する搬送台支持部と、基体に対して回転可能な回転軸を有する車輪と、車輪の回転軸が接続される第１入力軸と、第１出力軸と、を有し、第１入力軸と第１出力軸との変速比を無段変速する無段変速機と、無段変速機の第１出力軸および車輪の回転軸が接続され、第１出力軸と回転軸との回転速度差に応じた回転数で回転する第２出力軸を有する差動機構と、差動機構の第２出力軸の回転を上下の直動に変換して搬送台支持部に伝達する回転－直動変換機構と、地面の傾斜、段差高さに応じて搬送台が水平になるように変速比を制御する制御装置と、を備える。

本開示の移動装置によれば、搬送台の高さ調整および車輪の段差、傾斜乗り越えを最小限のエネルギー損失で実現する、簡単な構成で小型化可能な移動装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる移動装置の構成例を示す模式図 実施の形態１にかかる移動装置の力学的結合部の構成例を示す模式図 実施の形態１にかかる移動装置が平坦な地面を走行する状態を示す図 実施の形態１にかかる移動装置が上り坂を走行する状態を示す図 実施の形態１にかかる移動装置が下り坂を走行する状態を示す図 実施の形態１にかかる移動装置の力学的結合部の他の構成例を示す模式図 実施の形態４にかかる移動体の構成例を示す上面図 実施の形態４にかかる移動体の構成例を示す側面図 実施の形態５にかかる移動体の構成例を示す模式図

以下に、実施の形態にかかる移動装置および移動体を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる移動装置２０の構成例を示す模式図である。移動装置２０は、基体１と、搬送台支持部２と、車輪３と、力学的結合部４と、搬送台５と、制御装置６と、を備える。搬送台５には、移動装置２０によって搬送される搭載物Ｗが搭載される。

搬送台支持部２は、基体１に対して矢印Ｋ方向に上下移動が可能である。車輪３は、基体１に対して回動可能である。力学的結合部４は、基体１と搬送台支持部２とを力学的に結合する。力学的結合部４は、搬送台支持部２の上下動作と車輪３の回転動作との間で力学的エネルギーの授受を行う。力学的結合部４は、搬送台支持部２の上下動作と車輪３の回転動作との間の動作比Ｇを変化させる。制御装置６は、力学的結合部４での動作比Ｇを調整する制御を実行する。

移動装置２０が段差、または傾斜にさしかかった際、制御装置６が搬送台支持部２の上下動作と車輪３の回転動作との間の動作比Ｇを段差高さ、または傾斜角度に比例した値に能動的に調整することで、搬送台支持部２の上下動作と車輪３のトルク生成とが同時に行われ、搬送台５の安定化と外力不要の段差、傾斜乗り越えとが両立し、あたかも搭載物Ｗが水平移動しているような動作が実現される。

車輪３と、車輪３に付随して動作する部分の重量が、搭載物Ｗの重量に比べて十分小さければ、搭載物Ｗの位置エネルギーは不変であり、また、力学的結合部４の働きによって搬送台支持部２と車輪３との間でエネルギー収支が保たれる。このため、搬送台支持部２の上下動作と車輪３の回転動作との動作比Ｇを搭載物Ｗがあたかも水平移動しているような動作となる値に制御すれば、理論上、移動装置２０は、エネルギーを消費することなく段差、傾斜を通過することが可能となる。

搭載物Ｗの荷重をＦとし、搬送台支持部２の上下移動速度である伸縮速度をｖとし、車輪３の発生トルクをτとし、車輪３の角速度をωとすると、力学的結合部４の働きによりＦ・ｖ＝τ・ωが成立する。ここで、搭載物Ｗの荷重Ｆは搭載物Ｗの重量で決定されるため既知であり、移動装置２０の速度（車輪３の角速度ωに対応する）が既知である前提のもとでは、動作比Ｇを調整することは、搬送台支持部２の伸縮速度ｖを調整することに対応すると同時に、車輪３の発生トルクτを調整することにも対応する。

動作比Ｇが、地面の傾斜角度に比例して調整された場合の地面傾斜は、車輪３の半径をｒとしたときｖ／（ｒω）となるが、この際の車輪３の発生トルクτは、搭載物Ｗの重量を負担した状態において、地面傾斜上で釣り合いを保つだけの値に、意図せずとも調整されることとなる。すなわち、動作比Ｇを地面の傾斜角度に比例した値に調整するだけで、移動装置２０の速度に対して搬送台支持部２の伸縮速度ｖが比例した値となって、搭載物Ｗの水平保持が可能となると同時に、車輪３の発生トルクτは、搭載物Ｗの重量を負担した状態で段差、傾斜を通過するのに必要となる推力を打ち消す。

移動装置２０が地面の凸部に差し掛かったとする。動作比Ｇを適切な値に調整すると、車輪３には傾斜を上るのに必要なトルクが生じ、上り傾斜上で釣り合った状態となる。このとき、移動装置２０を進めるのに必要なエネルギーはゼロである。なぜなら、機構系でのエネルギー損失がゼロで、搭載物Ｗ以外の要素の重量が無視できると仮定すると、車輪３が勾配を上るためにしたエネルギーは、搬送台支持部２の上下移動でのエネルギーに等しく、トータルでのエネルギーに変化がないからである。移動装置２０が地面の凹部に差し掛かったときは逆の状況となる。動作比Ｇを適切な値に調整すると、車輪３には傾斜を下るトルクが生じ、下り傾斜上で釣り合った状態となる。この場合も、移動装置２０を進めるのに必要なエネルギーはゼロとなる。

このように、制御装置６が地面の傾斜、段差高さに応じて搬送台５が水平になるように力学的結合部４での動作比Ｇを調整することで、搬送台５の高さ調整および車輪３の段差、傾斜乗り越えを最小限のエネルギー損失で実現することができる。

図２は、実施の形態１にかかる移動装置２０の力学的結合部４の構成例を示す模式図である。図２は、図１の移動装置２０を上から見た場合の力学的結合部４の構成を示している。力学的結合部４は、搬送台支持部２と車輪３とを動作比Ｇを可変に接続する機械要素である。力学的結合部４は、無段変速機７と、回転－直動変換機構８と、差動機構としての差動歯車９と、増速機１０と、を備える。回転－直動変換機構８は、搬送台支持部２に接続されている。回転－直動変換機構８の右下に示した黒丸付き二重丸と×付き丸は、回転－直動変換機構８の出力軸が上下方向（紙面に垂直な方向）に移動することを示している。

差動歯車９の入力軸には、車輪３の回転軸３ａと無段変速機７の出力軸７ｂとが接続されている。差動歯車９の出力軸９ｅは、回転－直動変換機構８に接続されている。出力軸９ｅが第２出力軸に対応する。差動歯車９は、車輪３と無段変速機７の出力との回転速度の差が生じたときに、回転速度差に応じた回転速度で回転する。差動歯車９は、第１サイドギア９ａ、第２サイドギア９ｂ、第１ピニオンギア９ｃ、および第２ピニオンギア９ｄを有する。第１サイドギア９ａは無段変速機７の出力軸７ｂに接続されている。第２サイドギア９ｂは車輪３の回転軸３ａに接続されている。第１ピニオンギア９ｃは終端されている。第２ピニオンギア９ｄは出力軸９ｅに接続されている。第２ピニオンギア９ｄは、出力軸９ｅを介して回転－直動変換機構８に接続されている。

回転－直動変換機構８は、差動歯車９の出力軸９ｅの回転を、上下方向の直動動作に変換する。回転－直動変換機構８には、ラックアンドピニオン機構またはベルト巻取機構などが使用可能である。

無段変速機７は、第１入力軸としての入力軸７ａと第１出力軸としての出力軸７ｂとの変速比Ｇを連続的に変化させる動力伝達機構である。変速比Ｇは、前述した動作比Ｇに対応する。無段変速機７と車輪３の回転軸３ａとの間には、無段変速機７を許容トルク以下で使用するために、増速機１０を設けている。増速機１０は、車輪３の回転軸３ａの回転速度を増速して無段変速機７に入力する。無段変速機７としては、例えば、揺動リンクおよびワンウェイクラッチを用いたゼロマックス式無段変速機を使用する。ゼロマックス式無段変速機は、ゼロ回転から最高回転まで瞬時に変速可能な一方向クラッチ式無段変速機であり、小型軽量で、かつ変速動作が軽快である特徴を有する。そのため、車輪３に付随する重量を大きく増加させず、また、変速動作に小型のラジコンサーボを使用でき、電気的な制御が可能となる。また、増速機１０として、高効率の歯車を用いることで、増速機構の高効率化が期待される。高効率の歯車としては、複合遊星歯車機構の使用が考えられる。

図３は、実施の形態１にかかる移動装置２０が平坦な地面を走行する状態を示す図である。図４は、実施の形態１にかかる移動装置２０が上り坂を走行する状態を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる移動装置２０が下り坂を走行する状態を示す図である。

図３に示すように、平坦な地面３０を走行する場合は、制御装置６によって無段変速機７の変速比Ｇを増速機１０の増速比Ｇ０に等しくすれば、車輪３の回転数と無段変速機７の出力軸７ｂの回転数とが一致し、差動歯車９の出力軸９ｅは回転しない。これにより、回転－直動変換機構８は動作せず、搬送台支持部２および搬送台５は一定の高さを保つこととなる。

図４に示すように、上り坂の地面３０を走行する場合は、制御装置６によって無段変速機７の変速比Ｇを地面３０の傾斜角度に比例した値に増加させる。これにより、車輪３の回転数に対して無段変速機７の出力軸７ｂの回転数が減少し、搬送台支持部２および搬送台５の高さが、矢印Ｋ１に示すように、低下し、搭載物Ｗは水平移動するとともに、車輪３に正の発生トルクτが作用し、上り勾配に拮抗するだけの駆動力が生成される。

図５に示すように、下り坂の地面３０を走行する場合は、制御装置６によって無段変速機７の変速比Ｇを地面３０の傾斜角度に比例した値に減少させる。これにより、車輪３の回転数に対して無段変速機７の出力軸７ｂの回転数が増加し、搬送台支持部２および搬送台５の高さが、矢印Ｋ２に示すように、上昇し、搭載物Ｗは水平移動するとともに、車輪３に負の発生トルクτが作用し、下り勾配に拮抗するだけの制動力が生成される。

図６は、実施の形態１にかかる移動装置２０の力学的結合部４の他の構成例を示す模式図である。図６に示す力学的結合部４では、差動機構として遊星歯車１１を用いている。遊星歯車１１は、サンギア１１ａと、プラネタリーギア１１ｂと、インターナルギア１１ｃと、回転支持枠としてのキャリア１１ｄとを有する。遊星歯車１１においては、サンギア１１ａ、プラネタリーギア１１ｂ、およびインターナルギア１１ｃのいずれの要素も固定しなければ、２つの要素に車輪３の回転軸３ａおよび無段変速機７の出力軸７ｂを接続すると、残りの１つの要素の運動が差動歯車として機能する。図６の場合は、車輪３の回転軸３ａをインターナルギア１１ｃに接続し、無段変速機７の出力軸７ｂをサンギア１１ａに接続し、キャリア１１ｄを回転－直動変換機構８に接続している。

実施の形態１によれば、車輪３と搬送台支持部２とは、無段変速機７、差動機構、回転－直動変換機構８を介して力学的に結合されている。車輪３、無段変速機７、差動機構、回転－直動変換機構８、および搬送台支持部２を含む機構系でのエネルギー損失が十分小さければ、車輪３と搬送台支持部２との間でエネルギーがやり取りされていることになり、その大きさおよび向きを無段変速機７で調整しているとみることができる。このように、実施の形態１では、車輪３と搬送台支持部２との間でエネルギーのやり取りを行い、かつ搬送台支持部２の上下動作と車輪３の回転動作との間の変速比Ｇを無段変速機７によって地面形状に合わせて可変としているので、任意の地面傾斜に対して、最小限のエネルギー損失で段差、傾斜乗り越えおよび搭載物Ｗの姿勢安定化が可能となる。また、車輪３と搬送台支持部２とがそれぞれ独立に駆動する構成ではなく、無段変速機７の変速比Ｇのみを制御する構成であるため、装置構成が簡単かつ小型化される。

実施の形態２．
実施の形態１で説明した力学的結合部４に、油圧または空圧を利用した機器を使用すれば、大重量の搭載物Ｗの支持が可能となる。油圧を利用した機器を使用する場合は、動作比Ｇを可変にする無段変速機７として、ＨＳＴ（Hydro Static Transmission）、またはＨＭＴ（Hydro Mechanical Transmission）などの利用が考えられる。空圧を利用した機器を使用する場合は、直動の空圧シリンダと空圧ポンプ、空圧バルブとの組み合わせが考えられる。

実施の形態３．
実施の形態１，２で説明した移動装置２０では、車輪３が駆動輪である場合と従動輪である場合とが考えられる。車輪３が駆動輪であれば、車輪３にモータなどの駆動力源を付与し、従動輪であれば、駆動力源を付与せず、外力によって駆動される。移動装置２０に、段差を乗り越える際の衝撃を吸収する弾性体を設けるようにしてもよい。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４にかかる移動体４０の構成例を示す上面図である。図８は、実施の形態４にかかる移動体４０の構成例を示す側面図である。実施の形態４にかかる移動体４０においては、実施の形態１～３で説明した移動装置２０を、１個の単位支持機構２０´として捉え、移動装置２０を複数用いて搬送台５を支持することで、搬送台５の姿勢の安定化と段差、傾斜乗り越えとの両立が可能となる。すなわち、搬送台５は、複数の単位支持機構２０´にわたって設けられている。車輪３を駆動輪とする単位支持機構２０´と、車輪３を従動輪とする単位支持機構２０´とを組み合わせることで、自律的に移動可能でかつ姿勢の安定化を可能とする移動体４０の実現が可能となる。駆動輪および従動輪の組み合わせ、旋回方式など、様々な形式の移動体４０の実現可能性が考えられる。

実施の形態５．
図９は、実施の形態５にかかる移動体５０の構成例を示す模式図である。移動体５０は、画像センサ１２および慣性センサ１３を備える。第１センサとしての画像センサ１２は、移動体５０の前方を撮像する。制御装置６は、画像センサ１２の撮像データに基づき、前方の地面の段差高さ、地面の傾斜角度を算出する。慣性センサ１３は、移動体５０の加速度、または角速度を測定する。慣性センサ１３としては、加速度センサ、またはジャイロセンサなどを使用する。

制御装置６は、画像センサ１２の撮像データにより算出した前方の地面の段差高さ、地面の傾斜角度と、慣性センサ１３による加速度、または角速度情報に基づいて、複数の単位支持機構２０´における各動作比Ｇを地面の段差高さ、または傾斜角度に比例した値にフィードフォワードまたはフィードバックで調整する。すなわち、制御装置６は、画像センサ１２および慣性センサ１３の検出出力に基づき、地面の傾斜、段差高さに応じて搬送台５が水平になるように変速比Ｇを制御する。地面の傾斜、段差高さを検出するための第１センサとして、傾斜計を用いてもよい。

実施の形態５によれば、段差高さ、地面の傾斜角度を計測するためのセンサを設けているので、搬送台５の高さ調整および車輪３の段差、傾斜乗り越えの全自動化が可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
基体と、
搭載物が搭載される搬送台と、
前記基体に対して上下に移動可能であり、前記搬送台を支持する搬送台支持部と、
前記基体に対して回転可能な回転軸を有する車輪と、
前記車輪の回転軸が接続される第１入力軸と、第１出力軸と、を有し、前記第１入力軸と前記第１出力軸との変速比を無段変速する無段変速機と、
前記無段変速機の前記第１出力軸および前記車輪の前記回転軸が接続され、前記第１出力軸と前記回転軸との回転速度差に応じた回転数で回転する第２出力軸を有する差動機構と、
前記差動機構の前記第２出力軸の回転を上下の直動に変換して前記搬送台支持部に伝達する回転－直動変換機構と、
地面の傾斜、段差高さに応じて前記搬送台が水平になるように前記変速比を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする移動装置。
（付記２）
前記車輪と前記無段変速機の前記第１入力軸との間に、前記車輪の回転速度を増速する増速機を備えることを特徴とする付記１に記載の移動装置。
（付記３）
前記無段変速機は、ゼロ回転から最高回転まで変速可能な一方向クラッチ式無段変速機であることを特徴とする付記１または２に記載の移動装置。

１ 基体、２ 搬送台支持部、３ 車輪、３ａ 回転軸、４ 力学的結合部、５ 搬送台、６ 制御装置、７ 無段変速機、７ａ 入力軸、７ｂ，９ｅ 出力軸、８ 回転－直動変換機構、９ 差動歯車、９ａ 第１サイドギア、９ｂ 第２サイドギア、９ｃ 第１ピニオンギア、９ｄ 第２ピニオンギア、１０ 増速機、１１ 遊星歯車、１１ａ サンギア、１１ｂ プラネタリーギア、１１ｃ インターナルギア、１１ｄ キャリア、１２ 画像センサ、１３ 慣性センサ、２０ 移動装置、２０´ 単位支持機構、３０ 地面、４０，５０ 移動体、Ｗ 搭載物。

Claims (5)

1. 基体と、
   搭載物が搭載される搬送台と、
   前記基体に対して上下に移動可能であり、前記搬送台を支持する搬送台支持部と、
   前記基体に対して回転可能な回転軸を有する車輪と、
   前記車輪の回転軸が接続される第１入力軸と、第１出力軸と、を有し、前記第１入力軸と前記第１出力軸との変速比を無段変速する無段変速機と、
   前記無段変速機の前記第１出力軸および前記車輪の前記回転軸が接続され、前記第１出力軸と前記回転軸との回転速度差に応じた回転数で回転する第２出力軸を有する差動機構と、
   前記差動機構の前記第２出力軸の回転を上下の直動に変換して前記搬送台支持部に伝達する回転－直動変換機構と、
   地面の傾斜、段差高さに応じて前記搬送台が水平になるように前記変速比を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする移動装置。
2. 前記車輪と前記無段変速機の前記第１入力軸との間に、前記車輪の回転速度を増速する増速機を備えることを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
3. 前記無段変速機は、ゼロ回転から最高回転まで変速可能な一方向クラッチ式無段変速機であることを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
4. 請求項１から３の何れか一つに記載の移動装置を複数備え、
   前記搬送台は、複数の移動装置にわたって設けられることを特徴とする移動体。
5. 地面の傾斜、段差高さを検出するための第１センサを備え、
   前記制御装置は、前記第１センサの検出出力に基づき、地面の傾斜、段差高さに応じて前記搬送台が水平になるように前記変速比を制御することを特徴とする請求項４に記載の移動体。

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