JP3022354B2 - 移動車に任意の並行移動運動と任意の回転運動を組み合せた運動を実行させるための方法 - Google Patents
移動車に任意の並行移動運動と任意の回転運動を組み合せた運動を実行させるための方法Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D61/00—Motor vehicles or trailers, characterised by the arrangement or number of wheels, not otherwise provided for, e.g. four wheels in diamond pattern
- B62D61/12—Motor vehicles or trailers, characterised by the arrangement or number of wheels, not otherwise provided for, e.g. four wheels in diamond pattern with variable number of ground engaging wheels, e.g. with some wheels arranged higher than others, or with retractable wheels
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、平担か、ある程度傾斜
した地表面を移動する、車輪をもつ有人車または無人車
に関わる。更に詳細に述べれば、本発明は有人車や無人
車の並行移動速度と方向、および、回転運動速度の制御
に関する。
した地表面を移動する、車輪をもつ有人車または無人車
に関わる。更に詳細に述べれば、本発明は有人車や無人
車の並行移動速度と方向、および、回転運動速度の制御
に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車、自転車、三輪車、および差動駆
動車は、その正面方向が自然なやり方で定義できる「普
通」の車両である。そのような移動車においては、その
正面方向とその軌跡の接線方向はつねに等しい（図１参
照）。この種の動きのことを「接線形式運動」とよぶ。
したがって、その種の移動車の軌跡が与えられると、そ
の正面方向はその軌跡上の各点における接線方向とつね
に等しくなるよう従属的にきめられてしまう。そのた
め、これらの移動車には回転（「回転」とは移動車の中
心点を通る垂直軸の周りの自転運動を言う）の自由度が
ない。
動車は、その正面方向が自然なやり方で定義できる「普
通」の車両である。そのような移動車においては、その
正面方向とその軌跡の接線方向はつねに等しい（図１参
照）。この種の動きのことを「接線形式運動」とよぶ。
したがって、その種の移動車の軌跡が与えられると、そ
の正面方向はその軌跡上の各点における接線方向とつね
に等しくなるよう従属的にきめられてしまう。そのた
め、これらの移動車には回転（「回転」とは移動車の中
心点を通る垂直軸の周りの自転運動を言う）の自由度が
ない。
【０００３】移動車に回転自由度を与えるためには、特
別の車輪機構が必要であると従来考えられてきた。受動
的ローラーを使うのがそのための方法の一つである。ス
タンフォード大学のライファー（Ｌｅｉｆｅｒ）教授に
よる全方向移動車はその方法を使っている（図２参
照）。この種の車輪は、車輪方向には力を発生するが、
それと直角方向には力を発生しない。この特性によっ
て、この移動車は任意の並行移動運動と任意の回転運動
の組み合せを実現することができる。しかし、普通の車
輪を用いて任意の並行移動運動と任意の回転運動の組み
合せを実現するような移動車機構はこれまでに知られて
いなかった。
別の車輪機構が必要であると従来考えられてきた。受動
的ローラーを使うのがそのための方法の一つである。ス
タンフォード大学のライファー（Ｌｅｉｆｅｒ）教授に
よる全方向移動車はその方法を使っている（図２参
照）。この種の車輪は、車輪方向には力を発生するが、
それと直角方向には力を発生しない。この特性によっ
て、この移動車は任意の並行移動運動と任意の回転運動
の組み合せを実現することができる。しかし、普通の車
輪を用いて任意の並行移動運動と任意の回転運動の組み
合せを実現するような移動車機構はこれまでに知られて
いなかった。
【０００４】
【発明の目的】移動車の並行移動方向を制御しながら、
接線形式運動に加えて任意の回転運動を重ねられる手段
を与えることが本発明の目的である。このような移動車
の運動の例としては、並行移動時に任意の回転を重疊さ
せた運動、正面方向が地上の一定点をつねにねらいなが
ら並行移動するような運動、指定された最終位置と方向
に滑らかに停止する運動、あるいは、停止位置から並行
移動運動と回転運動を同時に行いながら滑らかに発進す
る運動等がある。このような運動を可能にするために
は、移動車は少くとも２個の「駆動−操舵輪」を備えて
いなければならない。「駆動−操舵輪」とは、その進行
方向と移動速度の両方が独立かつ同時に制御可能な車輪
のことである。少くとも２個の駆動―操舵輪を備え、以
下に述べるような方法で制御される移動車を「ロータリ
移動車」と呼ぶ。
接線形式運動に加えて任意の回転運動を重ねられる手段
を与えることが本発明の目的である。このような移動車
の運動の例としては、並行移動時に任意の回転を重疊さ
せた運動、正面方向が地上の一定点をつねにねらいなが
ら並行移動するような運動、指定された最終位置と方向
に滑らかに停止する運動、あるいは、停止位置から並行
移動運動と回転運動を同時に行いながら滑らかに発進す
る運動等がある。このような運動を可能にするために
は、移動車は少くとも２個の「駆動−操舵輪」を備えて
いなければならない。「駆動−操舵輪」とは、その進行
方向と移動速度の両方が独立かつ同時に制御可能な車輪
のことである。少くとも２個の駆動―操舵輪を備え、以
下に述べるような方法で制御される移動車を「ロータリ
移動車」と呼ぶ。
【０００５】本発明の第二の目的は、車輪型の移動車の
けん引力をより強くする手段を与えることである。以下
に述べる移動車の運動制御方式を採用すると、駆動−操
舵輪は３自由度をもつ移動車の運動を実現するために必
要な力とトルクを、積極的に、正確に生ずることができ
る。ここでいう運動の３自由度とは、並行移動の速度と
方向および回転速度のことである。駆動−操舵輪による
合成力は、正しい方向への並行移動運動に必要な力を生
成し、また、駆動−操舵輪による中心回りの合成モーメ
ントは回転運動を生みだす。ロータリ移動車のタイヤを
太くするか溝をつければ、けん引力をさらに増すことが
できる。
けん引力をより強くする手段を与えることである。以下
に述べる移動車の運動制御方式を採用すると、駆動−操
舵輪は３自由度をもつ移動車の運動を実現するために必
要な力とトルクを、積極的に、正確に生ずることができ
る。ここでいう運動の３自由度とは、並行移動の速度と
方向および回転速度のことである。駆動−操舵輪による
合成力は、正しい方向への並行移動運動に必要な力を生
成し、また、駆動−操舵輪による中心回りの合成モーメ
ントは回転運動を生みだす。ロータリ移動車のタイヤを
太くするか溝をつければ、けん引力をさらに増すことが
できる。
【０００６】本発明の第三の目的は、ほ装道路と未ほ装
地の両方においてよりよく動作できるように移動車を制
御することである。無限軌道車をほ装道路上で走らせる
のは、道路を傷めるおそれがあるために望ましくない。
本発明ではロータリ移動車に通常のタイヤを装着するよ
う提案しているので、自然状態の未ほ装地において高速
で移動でき、ほ装道路をも傷めることなく走行できる。
地の両方においてよりよく動作できるように移動車を制
御することである。無限軌道車をほ装道路上で走らせる
のは、道路を傷めるおそれがあるために望ましくない。
本発明ではロータリ移動車に通常のタイヤを装着するよ
う提案しているので、自然状態の未ほ装地において高速
で移動でき、ほ装道路をも傷めることなく走行できる。
【０００７】本発明のもう一つの目的は、通常の接線形
式運動をする移動車の上に、別に回転可能なプラットフ
ォームを塔載するような必要なく、並行移動運動に重ね
て回転運動を実現する手段を与えることである。回転プ
ラットフォームを使うとセンサーその他の種々の装置の
邪魔をする可能性があるけれども、ここに述べる方法を
用いるとそれを避けることができる。通常の接線形式運
動をする移動車を使うと必要となる回転プラットフォー
ムのための複雑な結合機構が本発明ではいらないので、
移動車を軽くできる。更に、回転プラットフォームを回
転させるトルクのための動力が必要でないので、求めら
れている作業を効率的に行なえる。
式運動をする移動車の上に、別に回転可能なプラットフ
ォームを塔載するような必要なく、並行移動運動に重ね
て回転運動を実現する手段を与えることである。回転プ
ラットフォームを使うとセンサーその他の種々の装置の
邪魔をする可能性があるけれども、ここに述べる方法を
用いるとそれを避けることができる。通常の接線形式運
動をする移動車を使うと必要となる回転プラットフォー
ムのための複雑な結合機構が本発明ではいらないので、
移動車を軽くできる。更に、回転プラットフォームを回
転させるトルクのための動力が必要でないので、求めら
れている作業を効率的に行なえる。
【０００８】
【発明の応用】本ロータリ移動車は、つねに敵陣にねら
いをつけながら荒地を横切る軍用装甲車から、地雷検
出、探索および除去に至るまで、様々な無人または有人
の状況において用いることができる。放射性物質の取り
扱いもその応用の一つである。通常の移動車が有効に使
えないような緊急事態において、警察や消防署の作戦の
ために使うことも応用例に含まれる。この移動車は、生
産現場において自動運搬作業を行うこともできる。本ロ
ータリ移動車は２次元平面内のどんな運動も実現でき
る。本ロータリ移動車は、狭い空間の中でも、通常の移
動車のように切り返しを行なう必要がない。こういった
３自由度をもつ多様な運動が通常の車輪で実現できるの
で、無限軌道や、ローラーつきの車輪や、他の特殊な機
構を用いた移動車よりも、より精密な運動制御ができ
る。
いをつけながら荒地を横切る軍用装甲車から、地雷検
出、探索および除去に至るまで、様々な無人または有人
の状況において用いることができる。放射性物質の取り
扱いもその応用の一つである。通常の移動車が有効に使
えないような緊急事態において、警察や消防署の作戦の
ために使うことも応用例に含まれる。この移動車は、生
産現場において自動運搬作業を行うこともできる。本ロ
ータリ移動車は２次元平面内のどんな運動も実現でき
る。本ロータリ移動車は、狭い空間の中でも、通常の移
動車のように切り返しを行なう必要がない。こういった
３自由度をもつ多様な運動が通常の車輪で実現できるの
で、無限軌道や、ローラーつきの車輪や、他の特殊な機
構を用いた移動車よりも、より精密な運動制御ができ
る。
【０００９】
【実施例】世界座標系は、図３に示すような、原点Ｏ、
Ｘ軸、およびＹ軸からなる２次元の静的直角座標系であ
る。原点Ｏv、Ｘv軸、およびＹv軸からなる移動車座標
系は、この図に示すように、移動車に固定された２次元
の直角座標系であり、従って、この座標系は移動車と共
に、世界座標系の中で移動する。グローバルな移動方向
θgは移動車の、世界座標系における、並行運動方向で
ある。このグローバルな移動方向θgは移動車の現正面
方向ψを減ずることによって移動車座標系における移動
方向θへと変換される。
Ｘ軸、およびＹ軸からなる２次元の静的直角座標系であ
る。原点Ｏv、Ｘv軸、およびＹv軸からなる移動車座標
系は、この図に示すように、移動車に固定された２次元
の直角座標系であり、従って、この座標系は移動車と共
に、世界座標系の中で移動する。グローバルな移動方向
θgは移動車の、世界座標系における、並行運動方向で
ある。このグローバルな移動方向θgは移動車の現正面
方向ψを減ずることによって移動車座標系における移動
方向θへと変換される。
【００１０】図４に示すように、移動車上に２個の駆動
−操舵輪があるときは、回転中心Ｃは２本の車軸の交点
となる。（この図には表されていないが）もし２本の車
軸が並行であるが同一直線でないときには、回転中心Ｃ
は無限遠点となり、移動車は純並行移動運動を行ってい
る。もし２本の車軸が同一直線上にあるときは、回転中
心Ｃはその軸上の任意の点であってよい。更に、両車輪
の速度、ｕ1およびｕ2、は回転中心Ｃと両車輪との距
離、ｄ1およびｄ2に比例する。従って、両車輪の速度、
ｕ1およびｕ2、は独立ではあり得ない。結論として、２
個の駆動−操舵輪が有する４制御変数のうち、３変数
（２個の方向変数、φ1とφ2、および１速度、ｕ1また
はｕ2）のみが独立である、といえる。
−操舵輪があるときは、回転中心Ｃは２本の車軸の交点
となる。（この図には表されていないが）もし２本の車
軸が並行であるが同一直線でないときには、回転中心Ｃ
は無限遠点となり、移動車は純並行移動運動を行ってい
る。もし２本の車軸が同一直線上にあるときは、回転中
心Ｃはその軸上の任意の点であってよい。更に、両車輪
の速度、ｕ1およびｕ2、は回転中心Ｃと両車輪との距
離、ｄ1およびｄ2に比例する。従って、両車輪の速度、
ｕ1およびｕ2、は独立ではあり得ない。結論として、２
個の駆動−操舵輪が有する４制御変数のうち、３変数
（２個の方向変数、φ1とφ2、および１速度、ｕ1また
はｕ2）のみが独立である、といえる。
【００１１】図４において、このロータリー移動車は２
個の駆動−操舵輪をもち、それぞれが２自由度を有す
る。（ａ）各駆動−操舵輪はその局所方向φiを制御す
るモータをもち、（ｂ） 各駆動−操舵輪はその対地速
度ｕi（ｉ＝１，２）を制御するモータをもつ。２個の
キャスターも静的釣合いを保つために取り付けられてい
るが、この移動車の運動制御においては、これらは受動
的な役割を果すに過ぎない。
個の駆動−操舵輪をもち、それぞれが２自由度を有す
る。（ａ）各駆動−操舵輪はその局所方向φiを制御す
るモータをもち、（ｂ） 各駆動−操舵輪はその対地速
度ｕi（ｉ＝１，２）を制御するモータをもつ。２個の
キャスターも静的釣合いを保つために取り付けられてい
るが、この移動車の運動制御においては、これらは受動
的な役割を果すに過ぎない。
【００１２】図５に示すように、ロータリー移動車上に
２個より多く（ｎ個）の駆動−操舵輪があれば、回転中
心Ｃは任意に選ばれた２個の駆動−操舵輪の軸の交点に
よってきまる。他の車輪の方向φiは、回転中心Ｃを通
るように、従属的にきめられる。従って、すべての車輪
方向のうちで、２つの車輪方向、φiとφjだけが独立で
ある。各車輪速度ｕiは回転中心Ｃからの距離ｄiに比例
している。従って、ただひとつの速度のみが独立で、他
のすべては従属的にきめられる。結論として、ｎ個の駆
動−操舵輪による２ｎ個の制御変数のうち、３個（２個
の方向変数と１個の速度変数）のみが独立である。
２個より多く（ｎ個）の駆動−操舵輪があれば、回転中
心Ｃは任意に選ばれた２個の駆動−操舵輪の軸の交点に
よってきまる。他の車輪の方向φiは、回転中心Ｃを通
るように、従属的にきめられる。従って、すべての車輪
方向のうちで、２つの車輪方向、φiとφjだけが独立で
ある。各車輪速度ｕiは回転中心Ｃからの距離ｄiに比例
している。従って、ただひとつの速度のみが独立で、他
のすべては従属的にきめられる。結論として、ｎ個の駆
動−操舵輪による２ｎ個の制御変数のうち、３個（２個
の方向変数と１個の速度変数）のみが独立である。
【００１３】図６は２個の駆動−操舵輪をもつロータリ
ー移動車の制御構造の例を示している。この移動車はコ
ンピュータまたはオペレータＦによって制御される。ロ
ータリー移動車の運動指令Ｇは３つ組（α，κ，ω）で
あり、ここでαは加速度、κは経路の曲率、ωは回転速
度である。通常の移動車では、２個の自由度、加速度α
および曲率κのみが独立で、回転速度ωはαとκによっ
て従属的に決まる。かくして、本発明によるロータリー
移動車は余分な自由度即ち、回転速度ω、をもってい
る。
ー移動車の制御構造の例を示している。この移動車はコ
ンピュータまたはオペレータＦによって制御される。ロ
ータリー移動車の運動指令Ｇは３つ組（α，κ，ω）で
あり、ここでαは加速度、κは経路の曲率、ωは回転速
度である。通常の移動車では、２個の自由度、加速度α
および曲率κのみが独立で、回転速度ωはαとκによっ
て従属的に決まる。かくして、本発明によるロータリー
移動車は余分な自由度即ち、回転速度ω、をもってい
る。
【００１４】本ロータリー移動車の運動指令Ｇ、（α，
κ，ω）、は運動指令変換部Ｈによって運動コマンドＱ
＝（ν，θ，ω）へと変換される。ここで、任意のサン
プリング時点におけるνは並行移動速度、θは移動車座
標系による並行移動方向、ωは回転速度である。運動指
令変換部Ｈは加速度αを積分して速度νを得、曲率κを
積分してグローバルな移動方向θgを得、更に前述のよ
うに現正面方向ψを減ずることによってθを得る。
κ，ω）、は運動指令変換部Ｈによって運動コマンドＱ
＝（ν，θ，ω）へと変換される。ここで、任意のサン
プリング時点におけるνは並行移動速度、θは移動車座
標系による並行移動方向、ωは回転速度である。運動指
令変換部Ｈは加速度αを積分して速度νを得、曲率κを
積分してグローバルな移動方向θgを得、更に前述のよ
うに現正面方向ψを減ずることによってθを得る。
【００１５】更に図６に示すように、運動コマンドＱは
車輪運動変換部Ｉへの入力となる。ｗi（ａi，ｂi）
（ｉ＝１，２）を各駆動−操舵輪の移動車座標系におけ
る位置とする。この車輪運動変換部Ｉは車輪位置ｗiが
Ｑによってどのように動くかを、図７の原理によって計
算する。
車輪運動変換部Ｉへの入力となる。ｗi（ａi，ｂi）
（ｉ＝１，２）を各駆動−操舵輪の移動車座標系におけ
る位置とする。この車輪運動変換部Ｉは車輪位置ｗiが
Ｑによってどのように動くかを、図７の原理によって計
算する。
【００１６】
【式１】νi,x＝νｃｏｓθ−ｂiω
【００１７】
【式２】νi,y＝νｓｉｎθ＋ａiω 従って、点ｗiはνi＝（νi,x，νi,y）なる速度ベクト
ルで運動する（但しｉ＝１，２）。ここで、νi,xとν
i,yはそれぞれ、そのｘ成分とｙ成分である。従って、
制御車輪の運動速度νiは、次の式３によって求められ
る。
ルで運動する（但しｉ＝１，２）。ここで、νi,xとν
i,yはそれぞれ、そのｘ成分とｙ成分である。従って、
制御車輪の運動速度νiは、次の式３によって求められ
る。
【００１８】
【式３】νi=[(νi,x)2+(νi,y)2]1/2=[(νcosθ-biω)
2+(νsinθ+aiω)2]1/2 更に、ｗiの移動車座標系での運動方向θi（ｉ＝１，
２）はνiが０でないならば、次の式４によって求めら
れる。
2+(νsinθ+aiω)2]1/2 更に、ｗiの移動車座標系での運動方向θi（ｉ＝１，
２）はνiが０でないならば、次の式４によって求めら
れる。
【００１９】
【式４】θi=atan2(νi,y,νi,x)=atan2(νsinθ+aiω,
νcosθ-biω) かくして、移動車の車輪運動変換部Ｉは各駆動−操舵輪
の位置ｗiにおける並行移動速度νiとその局所方向θi
を計算したことになる。
νcosθ-biω) かくして、移動車の車輪運動変換部Ｉは各駆動−操舵輪
の位置ｗiにおける並行移動速度νiとその局所方向θi
を計算したことになる。
【００２０】再び図６に戻ると、駆動−操舵輪の速度ｕ
iと局所方向φiは各車輪位置における運動速度νiと方
向θiにそれぞれ等しくされる（ｉ＝１，２）。
iと局所方向φiは各車輪位置における運動速度νiと方
向θiにそれぞれ等しくされる（ｉ＝１，２）。
【００２１】
【式５】ｕi＝νi及びφi＝θi 本制御方法によると、移動車の運動は運動コマンドＱに
等しくなる。２個の駆動−操舵輪は４個の制御変数（ｕ
1，φ1，ｕ2，φ2）をもっているが、これらの値は結局
Ｑ（ν，θ，ω）の３変数できまるので、それらは完全
に独立なのではないことに注意されたい。
等しくなる。２個の駆動−操舵輪は４個の制御変数（ｕ
1，φ1，ｕ2，φ2）をもっているが、これらの値は結局
Ｑ（ν，θ，ω）の３変数できまるので、それらは完全
に独立なのではないことに注意されたい。
【００２２】２個の駆動−操舵輪の方向指令、φ1，
φ2、および速度指令ｕ1，ｕ2は車輪モータ・ドライバ
Ｊに与えられ、駆動モータＫを駆動する。２個の駆動モ
ータＫが移動車の各駆動−操舵輪Ｌを駆動する。駆動モ
ータＫの微少動作はシャフト・エンコーダＭによって検
出され、その「カウント」を生成する。そのカウントは
デッドレコニング・ルーチンＮへ入力され、このルーチ
ンＮがこのサンプリング時における新位置ｐと新正面方
向ψを評価する。新位置ｐはコンピュータまたはオペレ
ータＦへフィードバックされる。新正面方向ψは運動指
令変換部ＨおよびコンピュータまたはオペレータＦへフ
ィードバックされる。
φ2、および速度指令ｕ1，ｕ2は車輪モータ・ドライバ
Ｊに与えられ、駆動モータＫを駆動する。２個の駆動モ
ータＫが移動車の各駆動−操舵輪Ｌを駆動する。駆動モ
ータＫの微少動作はシャフト・エンコーダＭによって検
出され、その「カウント」を生成する。そのカウントは
デッドレコニング・ルーチンＮへ入力され、このルーチ
ンＮがこのサンプリング時における新位置ｐと新正面方
向ψを評価する。新位置ｐはコンピュータまたはオペレ
ータＦへフィードバックされる。新正面方向ψは運動指
令変換部ＨおよびコンピュータまたはオペレータＦへフ
ィードバックされる。
【００２３】かくして、コンピュータまたはオペレータ
Ｆは、まず絶対座標系で表現されたグローバルな運動、
即ち移動車の初期位置、初期方向、初期位置から初期方
向に向けて始まり最終位置に至る曲線の曲率、前記曲線
上の各点における加速度及び前記曲線上の各点における
回転速度の組からなる移動車の１回分の連続運動を選択
あるいは設定し、移動車の制御装置を初期化し、前記グ
ローバルな運動のためにモータを駆動し、最終目的地へ
と導くことがわかる。移動車が並行移動運動と回転運動
によって目的地に向う際に、制御装置は駆動モータのシ
ャフト・エンコーダからデータを集めて地上での移動車
の新しい正面方向と位置を計算する。これはデッドレコ
ニングの計算に他ならない。コンピュータまたはオペレ
ータは前記グローバルな運動と現在の移動車の位置及び
方向を比較した上で、３自由度の新しい運動指令（加速
度、経路の曲率、回転速度）を生成する。これらの３制
御変数は並行移動速度、並行移動方向、そして回転速度
即ち運動コマンドへと変換される。この運動コマンドは
次に各駆動−操舵輪の新しい方向と駆動速度へと変換さ
れる。各駆動−操舵輪の方向と駆動速度は次に各駆動−
操舵輪の２個のモータへのコマンドに変換され、各輪の
２個のモータ、方向制御モータおよび速度制御モータへ
と送られる。オペレータあるいはコンピュータは、移動
車が地表面を目的地へ向けて移動するにつれて、方向と
微少運動に関する情報を連続的に受け取り、最終目的が
達成されるまで、運動コマンドを更新しつづける。
Ｆは、まず絶対座標系で表現されたグローバルな運動、
即ち移動車の初期位置、初期方向、初期位置から初期方
向に向けて始まり最終位置に至る曲線の曲率、前記曲線
上の各点における加速度及び前記曲線上の各点における
回転速度の組からなる移動車の１回分の連続運動を選択
あるいは設定し、移動車の制御装置を初期化し、前記グ
ローバルな運動のためにモータを駆動し、最終目的地へ
と導くことがわかる。移動車が並行移動運動と回転運動
によって目的地に向う際に、制御装置は駆動モータのシ
ャフト・エンコーダからデータを集めて地上での移動車
の新しい正面方向と位置を計算する。これはデッドレコ
ニングの計算に他ならない。コンピュータまたはオペレ
ータは前記グローバルな運動と現在の移動車の位置及び
方向を比較した上で、３自由度の新しい運動指令（加速
度、経路の曲率、回転速度）を生成する。これらの３制
御変数は並行移動速度、並行移動方向、そして回転速度
即ち運動コマンドへと変換される。この運動コマンドは
次に各駆動−操舵輪の新しい方向と駆動速度へと変換さ
れる。各駆動−操舵輪の方向と駆動速度は次に各駆動−
操舵輪の２個のモータへのコマンドに変換され、各輪の
２個のモータ、方向制御モータおよび速度制御モータへ
と送られる。オペレータあるいはコンピュータは、移動
車が地表面を目的地へ向けて移動するにつれて、方向と
微少運動に関する情報を連続的に受け取り、最終目的が
達成されるまで、運動コマンドを更新しつづける。
【００２４】ここに開示した情報を用いれば、この方面
の技術に通じた者にとっては、２個の駆動−操舵輪をも
つロータリー移動車の他に、３個以上の駆動−操舵輪を
もつロータリー移動車を構成することが可能であること
は、容易に理解できる。各駆動−操舵輪の局所位置ｗi
（ｉ＝１，２，．．．）がわかれば、前記の式５ を用
いてその速度ｖiと方向φiを計算することができる。駆
動−操舵輪が３個以上あれば、それだけで静的バランス
がとれるので、キャスターは必要ない。
の技術に通じた者にとっては、２個の駆動−操舵輪をも
つロータリー移動車の他に、３個以上の駆動−操舵輪を
もつロータリー移動車を構成することが可能であること
は、容易に理解できる。各駆動−操舵輪の局所位置ｗi
（ｉ＝１，２，．．．）がわかれば、前記の式５ を用
いてその速度ｖiと方向φiを計算することができる。駆
動−操舵輪が３個以上あれば、それだけで静的バランス
がとれるので、キャスターは必要ない。
【００２５】最小数のモータによって運動を実現する立
場をとると、駆動−操舵輪を３個以上使うのは無意味で
あるようにみえる。しかし、より多くの駆動−操舵輪を
使うと、従って、より多くのモータを使うと、強いけん
引力を産み出すことができ、運動がより安定してくる。
従って、車輪数が少ないと経済的であるけれども、地面
や障害物の状況によっては、その条件は支配的なもので
はなくなる。
場をとると、駆動−操舵輪を３個以上使うのは無意味で
あるようにみえる。しかし、より多くの駆動−操舵輪を
使うと、従って、より多くのモータを使うと、強いけん
引力を産み出すことができ、運動がより安定してくる。
従って、車輪数が少ないと経済的であるけれども、地面
や障害物の状況によっては、その条件は支配的なもので
はなくなる。
【００２６】上記の考察によれば、本発明には、明らか
に様々な修正と変更を加えることが可能である。従っ
て、本発明は、上述の実施例ではなく、特許請求範囲内
で実施されるものと理解すべきである。
に様々な修正と変更を加えることが可能である。従っ
て、本発明は、上述の実施例ではなく、特許請求範囲内
で実施されるものと理解すべきである。
【００２７】
【実験結果】コンピュータプログラムによって並行−回
転運動の実現性がテストされた。
転運動の実現性がテストされた。
【００２８】様々な並行移動運動と回転運動の速度の組
み合わせについてコンピュータプログラムで得られたシ
ミュレーション結果を図８乃至図１１に示す。
み合わせについてコンピュータプログラムで得られたシ
ミュレーション結果を図８乃至図１１に示す。
【００２９】テスト番号１（図８）は車の中心から４０
ｃｍの位置に３個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動
車による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と５ラジアン
／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュレー
ション結果を図示したものである。
ｃｍの位置に３個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動
車による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と５ラジアン
／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュレー
ション結果を図示したものである。
【００３０】テスト番号２（図９）は車の中心から４０
ｃｍの位置に３個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動
車による、２００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と５ラジアン
／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュレー
ション結果を図示したものである。
ｃｍの位置に３個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動
車による、２００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と５ラジアン
／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュレー
ション結果を図示したものである。
【００３１】テスト番号３（図１０）は車の中心から４
０ｃｍの位置に２個の駆動−操舵輪をもつロータリー移
動車による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と１０ラジ
アン／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュ
レーション結果を図示したものである。
０ｃｍの位置に２個の駆動−操舵輪をもつロータリー移
動車による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動と１０ラジ
アン／ｓｅｃの回転との合成運動のコンピュータシミュ
レーション結果を図示したものである。
【００３２】テスト番号４（図１１）は２個の駆動−操
舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動を維持しながら地上にある固定目標をつね
にねらいつづけている運動をコンピュータシミュレーシ
ョンした結果である。この移動車の正面方向は初め目標
方向にはなく、目標を捕えるために、並行移動運動しな
がら回転して、その正面方向を調整している。
舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動を維持しながら地上にある固定目標をつね
にねらいつづけている運動をコンピュータシミュレーシ
ョンした結果である。この移動車の正面方向は初め目標
方向にはなく、目標を捕えるために、並行移動運動しな
がら回転して、その正面方向を調整している。
【図１】通常の移動車において、正面方向と軌道接線方
向が等しいことを示す図。
向が等しいことを示す図。
【図２】スタンフォード大学のライファー教授によって
作られたローラー付きの車輪を用いた３輪車を示す図。
作られたローラー付きの車輪を用いた３輪車を示す図。
【図３】世界座標系と移動車座標系の関係を示す図。
【図４】２個の独立な駆動−操舵輪と、静的安定のため
の、２個のキャスターをもつロータリー移動車を示す
図。
の、２個のキャスターをもつロータリー移動車を示す
図。
【図５】４個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動車を
示す図。
示す図。
【図６】ロータリー移動車の制御装置の一例を示すブロ
ック図。
ック図。
【図７】ロータリー移動車の任意の時点における駆動ー
操舵輪の微少運動を示す図。
操舵輪の微少運動を示す図。
【図８】車の中心から４０ｃｍの位置に３個の駆動−操
舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動と５ラジアン／ｓｅｃの回転との合成運動
のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動と５ラジアン／ｓｅｃの回転との合成運動
のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
【図９】車の中心から４０ｃｍの位置に３個の駆動−操
舵輪をもつロータリー移動車による、２００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動と５ラジアン／ｓｅｃの回転との合成運動
のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
舵輪をもつロータリー移動車による、２００ｃｍ／ｓｅ
ｃの直線運動と５ラジアン／ｓｅｃの回転との合成運動
のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
【図１０】車の中心から４０ｃｍの位置に２個の駆動−
操舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓ
ｅｃの直線運動と１０ラジアン／ｓｅｃの回転との合成
運動のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
操舵輪をもつロータリー移動車による、４００ｃｍ／ｓ
ｅｃの直線運動と１０ラジアン／ｓｅｃの回転との合成
運動のコンピュータシミュレーション結果を示す図。
【図１１】２個の駆動−操舵輪をもつロータリー移動車
による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動を維持しながら
地上にある固定目標をつねにねらいつづけている運動を
コンピュータシミュレーションした結果を示す図。この
移動車の正面方向は初め目標方向にはなく、目標を捕え
るために、並行移動運動しながら回転して、その正面方
向を調整している。
による、４００ｃｍ／ｓｅｃの直線運動を維持しながら
地上にある固定目標をつねにねらいつづけている運動を
コンピュータシミュレーションした結果を示す図。この
移動車の正面方向は初め目標方向にはなく、目標を捕え
るために、並行移動運動しながら回転して、その正面方
向を調整している。
Ｆ − コンピュータまたはオペレータ Ｇ − 移動車の運動指令 Ｈ − 運動指令変換部 Ｑ − 運動コマンド Ｉ − 車輪運動変換部 Ｊ − 車輪モータ駆動回路 Ｋ − 駆動モータ Ｌ − 駆動−操舵輪 Ｍ − シャフト・エンコーダ Ｎ − デッドレコニング・ルーチン ｐ − 新しい位置 ψ − 新しい正面方向
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−305440（ＪＰ，Ａ) 米国特許5739657（ＵＳ，Ａ) 米国特許4573548（ＵＳ，Ａ) 米国特許5374879（ＵＳ，Ａ) Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｇ．Ｐｉｎ「Ａ Ｎｅｗ Ｆａｍｉｌｙ ｏｆ Ｏｍｎｉ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｈｏ ｌｏｎｏｍｉｃ Ｗｈｅｅｌｅｄ Ｐｌ ａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃ ｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｖ ｏｌ．10，Ｎｏ．４ ｐｐ．480−489、 1994 和田正義（外２名）「全方向移動車両 の開発」日本機械学会第73期全国大会論 文集（▲Ｖ▼）ｐｐ．233−234、1995 和田正義（外２名）「ホロノミック全 方向移動車両の開発（第３報試作機の設 計と走行試験）」第13回日本ロボット学 会学術講演会予稿集 ｐｐ．145−146、 1995 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 1/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 方向と駆動速度の制御が独立かつ同時に
可能であるような駆動−操舵輪を少なくとも２個有する
有人または無人の移動車において、グローバルな運動が
初期位置及び方向から最終目的地及び方向までの移動車
の方向つきの軌跡で与えられたとき、 （ａ） 前記移動車のグローバルな運動と移動車の現在
位置及び方向とを比較して、３自由度の運動指令即ち、
加速度、経路の曲率、および回転速度の組を計算し、 （ｂ） 前記運動指令を並行移動速度、並行移動方向、
および回転速度へ変換し、そして （ｃ） 前記並行移動速度、並行移動方向、および回転
速度を独立な各駆動−操舵輪の方向と駆動速度に変換す
る、 ことから構成される、移動車に任意の並行移動運動と任
意の回転運動を組み合せた運動を実行させるための方
法。 - 【請求項２】 方向と駆動速度の制御が独立かつ同時に
可能であるような駆動−操舵輪を少なくとも２個有する
有人または無人の移動車において、グローバルな運動が
初期位置及び方向から最終目的地及び方向までの移動車
の方向つきの軌跡で与えられたとき、 （ａ） 前記移動車のために、３自由度のグローバルな
車体の望ましい運動の形を選択し、 （ｂ） 前記移動車の制御装置と駆動モータを初期化
し、 （ｃ） 上記のグローバルな運動が完了するまで、一定
間隔で以下の一連の操作を繰り返し、 前記一連の操作が、 （ｄ） 各駆動−操舵輪について、シャフト・エンコー
ダの出力を検出することにより、新しい方向と対地速度
を計算し、 （ｅ） 上記ステップ（ｄ）の結果を用いて移動車の微
少な並行移動と回転運動を計算し、 （ｆ） 上記ステップ（ｅ）の結果を用いて移動車の位
置及び方向を更新し、 （ｇ） 移動車の前記グローバルな運動と移動車の現在
位置及び方向とを比較して、３自由度の運動指令即ち、
加速度、経路の曲率、および回転速度の組を計算し、 （ｈ） 前記運動指令を並行移動速度、並行移動方向、
および回転速度へ変換し、 （ｉ） 前記並行移動速度、並行移動方向、および回転
速度を独立な各駆動−操舵輪の方向及び駆動速度に変換
し、 （ｊ） 前記各駆動−操舵輪の方向及び駆動速度を夫々
２つの独立なモータ・コマンドに変換し、 （ｋ） 前記２つのコマンドを各輪の２個のモータに送
り、 （ｌ） グローバルな運動が完了していなければ、ステ
ップ（ｄ）に戻り、そして、 （ｍ） グローバルな運動が完了したときに、移動車を
停止させる、ステップから構成される、移動車に任意の
並行移動運動と任意の回転運動を組み合せた運動を実行
させるための方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/553,904 US5719762A (en) | 1995-11-06 | 1995-11-06 | Method of controlling a vehicle to make a combination of arbitrary translational and rotational motions |
| US553904 | 1995-11-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09167018A JPH09167018A (ja) | 1997-06-24 |
| JP3022354B2 true JP3022354B2 (ja) | 2000-03-21 |
Family
ID=24211249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8292630A Expired - Fee Related JP3022354B2 (ja) | 1995-11-06 | 1996-11-05 | 移動車に任意の並行移動運動と任意の回転運動を組み合せた運動を実行させるための方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5719762A (ja) |
| JP (1) | JP3022354B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6853877B1 (en) | 1996-09-06 | 2005-02-08 | Nomadic Technologies | Method and apparatus for mobile robot motion control |
| US6488504B1 (en) * | 1999-10-13 | 2002-12-03 | Scott D. Patterson | Helicopter flight training vehicle |
| US6721638B2 (en) * | 2001-05-07 | 2004-04-13 | Rapistan Systems Advertising Corp. | AGV position and heading controller |
| IL145680A0 (en) | 2001-09-26 | 2002-06-30 | Friendly Robotics Ltd | Robotic vacuum cleaner |
| EP1441632B1 (en) * | 2001-09-26 | 2013-05-01 | F. Robotics Acquisitions Ltd. | Robotic vacuum cleaner |
| WO2004095170A2 (en) * | 2003-04-17 | 2004-11-04 | New York University | Manipulation of objects |
| US7024842B2 (en) * | 2003-11-21 | 2006-04-11 | Deere & Company | Self-propelled mower having enhanced maneuverability |
| US7024843B2 (en) * | 2003-11-21 | 2006-04-11 | Deere & Company | Self-propelled mower having enhanced maneuverability |
| US9824781B2 (en) * | 2009-09-25 | 2017-11-21 | Mhe Technologies, Inc. | Cask handling system and method |
| DE102010022171B4 (de) * | 2010-05-20 | 2013-11-21 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein Fahrzeug |
| US10800527B2 (en) * | 2018-08-17 | 2020-10-13 | Goodrich Corporation | Omni directional turntable assembly |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07111734B2 (ja) * | 1989-03-30 | 1995-11-29 | 本田技研工業株式会社 | 走行路判別方法 |
| KR940009860B1 (ko) * | 1989-12-08 | 1994-10-18 | 가부시끼가이샤 히다찌세이사꾸쇼 | 자주식 수송기구 |
| US5307419A (en) * | 1990-11-30 | 1994-04-26 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Control device of an autonomously moving body and evaluation method for data thereof |
| US5186270A (en) * | 1991-10-24 | 1993-02-16 | Massachusetts Institute Of Technology | Omnidirectional vehicle |
-
1995
- 1995-11-06 US US08/553,904 patent/US5719762A/en not_active Expired - Fee Related
-
1996
- 1996-11-05 JP JP8292630A patent/JP3022354B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｇ．Ｐｉｎ「Ａ Ｎｅｗ Ｆａｍｉｌｙ ｏｆ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ Ｗｈｅｅｌｅｄ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ」ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．４ ｐｐ．４８０−４８９、１９９４ |
| 和田正義（外２名）「ホロノミック全方向移動車両の開発（第３報試作機の設計と走行試験）」第１３回日本ロボット学会学術講演会予稿集 ｐｐ．１４５−１４６、１９９５ |
| 和田正義（外２名）「全方向移動車両の開発」日本機械学会第７３期全国大会論文集（▲Ｖ▼）ｐｐ．２３３−２３４、１９９５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09167018A (ja) | 1997-06-24 |
| US5719762A (en) | 1998-02-17 |
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