JP2604112B2 - 全方向移動用車両 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば病院、倉庫、
さらに工場内等で床面を移動するように構成される搬送
車に係るものであり、特に狭い場所等において前後左
右、さらに任意な回転運動等も行えるようにする全方向
移動用車両に関する。

【０００２】

【従来の技術】行動可能領域の限られる工場、病院、さ
らに倉庫内等において作業する運搬車にあっては、狭い
床面上を任意の方向に自由自在に動き回ることができ、
且つ切り返し運転によらず目的に場所に正確に位置付け
されるようにする高度の運動性能が要求される。

【０００３】２個の操舵輪と共に２個の駆動輪を有する
自動車にあっては、例えば縦列駐車を行うためには切り
返し運転が必要となる。この様にその場旋回や横方向の
推進が行えない自動車のような運動性能は、限られた面
積の作業現場等においてはその運動能力に限界があり、
工場内等における搬送車として充分に機能を発揮させる
ことができない。

【０００４】このため、平面上で２自由度の並進運動と
１自由度の回転運動の３自由度運動を自在に生成できる
ようにした全方向（Omni-directional) 車両の開発が要
望される。その１つの試みとして、例えば４輪の各車輪
に対してそれぞれステアリング機構を取り付けるように
することが考えられるが、これでも例えば９０°の方向
転回をする場合には、その瞬間に車輪の方向を９０°回
転する準備動作が必要であって、連続的に全方向運動を
行うことができない。

【０００５】平面上の３自由度運動を、どの様な姿勢か
らも瞬間的に実現させるようにする機構は、ホロノミッ
ク(Holonomic) な特性を有する全方向車両と呼ばれてい
るもので、高い運動性能の実現を目的とするとこの様な
特性は不可欠である。

【０００６】この様な全方向車両を実現するために、こ
れまで複数のフリーローラを配した車両が種々試みられ
ている。例えば通常の車輪の外周部に、この車輪の回転
軸と直交する方向にそれぞれ軸が設定される多数のフリ
ーローラを配置するもので、これらのフリーローラはそ
れぞれ回転自在に設定される。したがって、この車輪に
よって支持された車両は、車輪の回転方向に駆動力が作
用するようになるものであるが、その車輪自体が接地部
分において横方向に移動自在にされる。このため、この
様な車輪をそれぞれ方向を異ならせて３個以上配置すれ
ば、この車輪に対して操舵力を作用させまた回転駆動力
を作用させることで、全方向車両が構成されるようにな
る。

【０００７】しかし、この様な構成では車輪の外周部に
フリーに回転されるローラが充分に密に配置されていな
いと、車輪と床面との接触が断続的な状態となり、円滑
な移動制御を司ることが困難である。

【０００８】この様な問題点に対処するため、回転駆動
される車輪の周囲に２列にして樽型の複数のローラを配
置する構造が考えられている。ここで、これらのローラ
の回転軸は車輪の回転方向と一致（車輪回転軸と直交）
するように構成され、２列にした各ローラの位置、各ロ
ーラの軸方向長さの半分づつ異ならせて設定されてい
る。しかし、この様に構成しても各車輪は床面に対して
点で接触されているものであり、充分な荷重に耐えるよ
うに構成することが困難である。また、荷重が集中する
ために移動する床面を傷をつけやすいものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、平面上での３自由度が確実
に設定されるようにして、極く限られた面積の床面上を
任意の方向に自由自在に動き回ることができ、切り返し
運転によらず目的場所に正確に位置付けできるような高
度の運転性能が実現できるホロノミックな特性を有する
全方向移動用車両を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る全方向移
動用車両は、基台の底面に、それぞれ直線移動方向を異
ならせて少なくとも３組のクローラを設け、このクロー
ラそれぞれの直線方向の移動量を制御するようにしたも
ので、それぞれ円筒状のフリーローラを回転自在に支持
した複数の支持部材と、この複数の支持部材を前記ロー
ラそれぞれの回転軸が一致する方向に設定されるように
して保持し、前記ローラの回転軸が一致する方向に駆動
されるようにしたそれぞれ無限軌道状に平行に設定され
る一対のベルト機構とを有し、前記支持部材は前記駆動
方向の両側で且つ前記ベルト機構の移動方向の前後に位
置して設けられた支持軸でそれぞれ前記一対のベルト機
構に軸支され、また前記一対のベルト機構は前記支持部
材に設けられた支持軸の前記方向の距離に対応して駆動
軸が異ならせて設定して前記クローラが構成されるよう
にしている。

【００１１】

【作用】この様に構成される全方向移動用車両にあって
は、基台を支持する各クローラは、それぞれ無限軌道状
の支持機構を構成するようになるものであり、例えば３
個のクローラを駆動することによって、基台に対して３
自由度の動きをさせるような動作制御が行われる。この
場合、各クローラはそれぞれ複数の円筒状のフリーロー
ラによって床面に多点で接触しているものであり、しか
も各フリーローラの回転軸が常に床面と平行に設定され
る状態となる。したがって、大きな荷重が作用された状
態でも床面に傷を付ける虞がなく、大荷重に対しても充
分に耐えられる構造とされる。また、各クローラはそれ
ぞれ多点で床面に接触しているものであるが、その接触
部を構成する各フリーローラが各クローラの駆動方向と
直角の方向に自由に転動するものであるため、３自由度
の動作が非常に円滑に行われる。

【００１２】

【実施例】実施例の説明に先立ち、運動学の分野で基本
的な原理を説明する。図４において、平面上の任意の点
Ｐ回りの角速度ωが、任意の作用線上に生ずるスライデ
ィングベクトルとしての速度ベクトルＶは、点Ｐから速
度ベクトルＶの垂線の長さをｒとするとき、作用線上に
どの点においても Ｖ＝ｒ・ω ………(1) の関係を満足する。逆に作用線Ｌに沿って速度Ｖを生ず
る並進運動は、点Ｐ回りに(1) 式で示される角速度ωを
生成することが知られている。

【００１３】この定理は、回転(rotation)と並進(trans
lation) 間の変換定理であるため、以降「Ｒ−Ｔ変換定
理」と呼んでおくことにする。ここで重要なことは、速
度ベクトルＶはスライディングベクトルであるので、作
用線Ｌ上であればどの位置でも上記(1) 式の関係が成り
立つことで、このことは図４で示しているように角速度
ωが作用線Ｌ上のどの位置でも速度Ｖを作用方向に生成
していることから明らかである。

【００１４】なお、この関係を力ベクトルＦとトルクＴ
との間の関係においても、 Ｔ＝ｒ・Ｆ ………(2) のように同様に成立する。

【００１５】このＲ−Ｔ変換定理は、任意の旋回運動と
任意の直線運動との変換を行う機構学にも適用できる。
例えば、図５に示したように軸11を中心に回転される円
盤12の側面に、ロッド13を中心に自由に回転されるフリ
ーローラ14を接触させた機構において、ロッド13を軸方
向に等速直進運動すれば円盤12は等速で回転し、ロッド
13の位置をこの図上で上下にずらせば、ロッド13の直線
運動量に対する円盤12の回転量の変換比は連続的に正負
の範囲で変動される。このため、この様な機構は無段変
速機構等において利用できる。

【００１６】この様なＲ−Ｔ変換定理に基づいて、例え
ば図６で示すように複数のフリーローラ151 、152 、…
を同軸的に配置し、１のリング状に連結して１つのクロ
ーラ(Crawler) 16を構成し、この様なクローラ16を用い
て１つの車両を構成することを考える。具体的には、図
７で示すように３台のクローラ161 、162 、163 を用意
して、これらのクローラ161 〜163 を正三角形状に配置
するもので、これらのクローラ161 〜163 をフリーロー
ラ151 、152 、…の並ぶ方向に適当な速度で駆動すれ
ば、原理的には滑りのない全方向移動が実現できる。

【００１７】例えば、図７において旋回中心Ｐ点回りに
角速度ωで旋回する動作を考える。この場合において、
それぞれのクローラ161 〜163 は“ｒ_i ・ω”（ｒ_i ＝
旋回中心からクローラｉへの垂線の距離）の速度で直進
運動を生成すれば、望みの旋回運動が実現できる。

【００１８】この様な旋回運動を実現するためには、各
フリーローラ151 、152 、…はその軸回りに旋回中心Ｐ
からの距離に応じた一様でない回転速度によって回転し
なければならないが、これらフリーローラ151 、152 、
…それぞれの軸回りの回転は自由であって拘束を受けな
い。そして、各フリーローラ151 、152 、…のクローラ
16の直進方向への速度は、Ｒ−Ｔ変換定理からそれぞれ
“ｒ_i ・ω“と全て等しいものであり、そのため３台の
クローラ161 〜163 による直進運動がＰ点回りの旋回運
動を生ずる。この様な旋回運動は、フリーローラ151 、
152 、…の軸方向の長さａが短ければ、滑りなしで実現
できる。

【００１９】但し、図６で示したような機構の場合にお
いては、フリーローラ151 、152 、…の軸方向長さａを
ある程度長くすると、フリーローラ151 、152 、…は円
筒型ではなく樽型にしなければならない。これはフリー
ローラ部はクローラのスプロケット部で旋回しながら接
地するものであるため、角を丸める必要があるからであ
る。しかし、フリーローラを樽型にすると床面に対する
接地面積が低下するようになり、望ましくない。

【００２０】以下、図面を参照してこの発明の一実施例
を説明する。図１は例えば図７のようにして使用される
クローラ16を取り出して示したもので、複数のフリーロ
ーラ151 、152 、…それぞれは、四辺形枠状の支持部材
211 、212 、…に対して回転自在に取り付けられる。そ
して、この支持部材211 、212 、…それぞれの対角線に
対応する部分には、各ローラの軸線と直交する方向に突
設して支持軸221 および222 が設けられているもので、
この支持軸221 および222 は前後方向（ローラ軸線の方
向）に距離“ｘ”が設定されている。

【００２１】この様にフリーローラ151 、152 、…それ
ぞれを支持するようになる支持部材211 、212 、…は、
平行な位置に配置された一対のチェーン231 および232
の間に、支持軸221 および222 によって支持される。

【００２２】このチェーン231 および232 は、図２およ
び図３において示されるように例えば歯付きのスプロケ
ット241 および242 の回転に伴って駆動されるようにリ
ング状に設定される。この場合、スプロケット241 およ
び242 のそれぞれ回転軸は距離“ｘ”だけ異ならせた位
置に設定され、スプロケット241 はモータ25によって回
転駆動される。そして、ローラ241 の回転軸に一体的に
設けたローラ26およびベルト27を介してローラ242 が回
転されるようにするもので、一対のスプロケット241 お
よび242 は“ｘ”の距離をもってチェーン231 および23
2 を同期的に駆動し、支持部材211 、212 、…それぞれ
に支持されたフリーローラ151 、152 、…を直線的に移
動させるようにしている。

【００２３】すなわち、フリーローラ151 、152 、…は
一対のチェーン231 および231 によって直列的に配置さ
れ、チェーン231 および232 の移動に伴って、そのチェ
ーン231 および232 の軌道に沿って移動されるもので、
フリーローラ151 、152 、…による無限軌道が構成され
るようになる。そして、この無限軌道状のクローラが図
７に示したように配置されて、車両基台に取り付けられ
る。

【００２４】すなわち、フリーローラ151 、152 、…を
それぞれ回転自在に支持した支持部材211 、212 、…
は、チェーン231 および232 によって支持されて無限軌
道状に移動されるもので、その移動運動中のどの位置に
おいても床面と平行に移動される。この支持部材211 、
212 、…に支持されたフリーローラ151 、152 、…は、
上面および下面においてチェーン231 および232 の延び
る方向と一致するように水平に設定されて移動するもの
であり、またチェーン231 および232 の折り返す端部に
おいては、支持軸221 および222 がチェーン231 および
232 のローラ241と242 の間隔と同じ間隔“ｘ”で設定
されているものであるため、同じく水平状態に設定され
たまま、チェーンの軌跡の上面から下面に移行する。

【００２５】すなわち、フリーローラ151 、152 、…
は、チェーン231 および232 の移動軌跡と同様に、床面
に接する下面と、この下面に所定間隔に設定される上面
とを移動するようになるものであるが、その移動する間
はチェーン231 および232 の上面および下面部にあって
水平状態に設定され、さらにチェーン231 および232 の
折り返し部分においても、常に床面に平行な状態に保た
れて、この状態のまま床面に接触されるようになる。し
たがって、フリーローラ151 、152 、…は軸線に平行な
接線が床面に平行な状態で上面から下面に移行し、床面
に初期接触されるようになるものであるため、各フリー
ローラ151 、152 、…が安定して床面と接触されてその
状態が保たれる。

【００２６】ここで、フリーローラ151 、152 、…がチ
ェーン231 および232 の下面を移動する状態のとき、そ
の各ローラが床面に接触して基台を支えるようになるも
のであるが、図２および図３で示すようにチェーン231
、232 等を支えるようになるクローラフレーム28に、
回転自在にした複数の支持ローラ291 、292 、…を配設
し、このローラ291 、292 、…によって移動する支持部
材211 、212 、…を支持させるようにする。したがっ
て、チェーン231 、232 の下側の部分で支えられるよう
になったフリーローラ151 、152 、…は、支持ローラ29
1 、292 、…によって床面と平行に支持されるようにな
り、床面との接触状態が安定して保持されるようにな
る。

【００２７】この様に構成されるクローラを３台用い
て、図７で示したように互いに異なる方向に向けて装備
した車両は、全方向でホロノミックな移動を実現でき
る。この様な車両の操舵は、車両に対してその並進運動
速度と回転運動速度が指令されたときに、その指令され
た運動を行うときの各クローラの進行方向速度を誘導
し、それを各クローラへの進行指令速度として与えれば
よい。

【００２８】例えば、図８で示すように４台のクローラ
161 〜165 を四辺形状に配置した最も簡単な配列の場合
においては、４つのクローラ161 〜165 それぞれに対す
る速度指令値Ｖi （ｉ＝１〜４）は、移動体座標系
（Ｘ、Ｙ）のそれぞれの方向への速度指令値（Ｖx 、Ｖ
y ）と原点回りの旋回角速度ωから

【００２９】

【数１】 と生成すればよい。

【００３０】但し、ｒo は車体原点から各クローラまで
の距離であり、クローラは反時計回りを正の回転方向と
して配備されているものとする。そして、この式の右辺
の第１行列がこの車両制御のためのヤコビ行列である。
この(3) 式の関係は、この車両を手動制御する際にその
まま利用できる。この様に構成される全方向移動用車両
にあっては、円筒形状の複数のフリーローラ151 、152
、…が常に水平な姿勢で上下するようになるため、接
地されているフリーローラは全て床面に線接触される。
このため、従来のように樽型のフリーローラを使用した
図６で示したような機構と比較すると、はるかに大きな
接地面積を確保することでかできると共に、接地圧力を
低下することができ、床面に損傷を与えない特性を有す
る。また、この様な床面を傷めない効果は、Ｒ・Ｔ変換
定理からどの様な運動をしても横滑りしない特性からも
得られる。さらに、円筒形状の複数のフリーローラ151
、152 、…が水平姿勢を保持した状態で接地されるよ
うに上方から下方に移動されるため、クローラの端部に
床面の凸部を当てるように操舵すると、この凸部の高さ
がそれほど高くなければ容易に踏破し得る特性も発揮す
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明に係る全方向移動
用車両にあっては、点接触ではない充分な接地面が設定
できると共に平面上での３自由度が確実に設定されるよ
うにして、極く限られた面積の床面上を任意の方向に自
由自在に動き回ることができ、切り返し運転によらず目
的場所に正確に位置付けできるような高度の運転性能が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例に係る全方向移動用車両に
用いられるクローラの原理的な構成を示す図。

【図２】上記クローラの一部を切り欠いて示す斜視図。

【図３】同じく側面から見た構成図。

【図４】上記実施例に係る装置の原理であるＲ−Ｔ変換
定理を説明するための図。

【図５】同じくＲ−Ｔ変換定理に基づく動作例を説明す
る図。

【図６】Ｒ−Ｔ変換定理に基づいて考えられるクローラ
の例を示す図。

【図７】上記クローラの配置例を示す図。

【図８】クローラの配置の他の例を示す図。

【符号の説明】

151 、152 、…フリーローラ、16、161 〜164 クロー
ラ、211 、212 、…支持部材、221 、222 …支持軸、23
1 、232 …チェーン、25…モータ、27…ベルト、28…ク
ローラフレーム、291 、292 、…支持ローラ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台の底面に、それぞれ接地面の直線移
   動方向を異ならせて少なくとも３組のクローラを設け、
   これらのクローラの前記接地面の直線移動方向の移動量
   を制御することによって、前記基台が特定される方向さ
   らには特定される方位に回転できるようにしてなり、 前記各クローラはそれぞれ それぞれ円筒状のフリーローラを回転自在に支持した複
   数の支持部材と、 この複数の支持部材を、前記フリーローラそれぞれの回
   転軸が、前記クローラの接地面の前記直線移動方向と常
   に一致するように姿勢を保持する機構と、 を備えて構成したことを特徴とする全方向移動用車両。
2. 【請求項２】 前記クローラは一対のスプロケットでそ
   れぞれ駆動される一対のベルト機構を含み構成され、こ
   れらベルト機構は平行に対向位置され、さらにこれらベ
   ルト機構のそれぞれスプロケットの回転軸がクローラの
   接地面の直線移動方向に所定距離“ｘ”ずれて設置され
   て、これら一対のベルト機構のそれぞれベルトの相互間
   に、前記支持部材が前記所定距離“ｘ”離れて設置され
   る前記スプロケットの軸と同一の方向に延びる回転自在
   にした支持軸で支持されるようにしたことを特徴とする
   請求項１記載の全方向移動用車両。