JP3093580B2 - Drive transmission mechanism for omnidirectional vehicles - Google Patents

Drive transmission mechanism for omnidirectional vehicles

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JP3093580B2
JP3093580B2 JP22873894A JP22873894A JP3093580B2 JP 3093580 B2 JP3093580 B2 JP 3093580B2 JP 22873894 A JP22873894 A JP 22873894A JP 22873894 A JP22873894 A JP 22873894A JP 3093580 B2 JP3093580 B2 JP 3093580B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、全方向移動車の駆動伝
達機構に関し、さらに詳細には、平面上を全方向に移動
するロボットなどの移動車、AGV(自動搬送車)、自
動車あるいはその他の平地走行機構の走行を高精度に制
御できる全方向移動車の駆動伝達機構に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive transmission mechanism for an omni-directional vehicle, and more particularly, to a vehicle such as a robot that moves in all directions on a plane, an AGV (automatic guided vehicle), an automobile, and others. The present invention relates to a drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle capable of controlling the traveling of a flat terrain traveling mechanism with high accuracy.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、平面上を走行する移動ロボット
には、走行安定性が要求されるとともに、狭い環境下で
の行動や他のロボットと協調して作業を行う場合には、
自らの姿勢と位置を全方向に自在に制御できることが望
ましく、全方向移動を可能にしたロボットの研究が多く
行われてきた。
2. Description of the Related Art In general, a mobile robot traveling on a flat surface is required to have a stable running. In addition, when a mobile robot behaves in a small environment or works in cooperation with another robot,
It is desirable to be able to freely control the posture and position of the robot in all directions, and many studies have been conducted on robots capable of moving in all directions.

【0003】すなわち、平面上を走行する全方向移動ロ
ボットは、X軸方向の移動とY軸方向の移動とを行う並
進の2自由度と、Z軸回りの回転を行う1自由度の合計
3自由度の運動性能が可能でなければならない。
That is, an omnidirectional mobile robot traveling on a plane has a total of three degrees of freedom, two degrees of translation for movement in the X-axis direction and movement in the Y-axis direction, and one degree of freedom for rotation about the Z-axis. Freedom of athletic performance must be possible.

【0004】また、ロボットの全方向移動を実現するた
めに、車輪機構について様々な工夫がなされ、この種の
移動車として、車軸の回転方向に対して傾斜した多数の
フリーローラを車輪の外周部に有する駆動輪を車軸の端
部に取付け、各駆動輪をそれぞれ任意の方向に駆動する
ことにより全方向への移動を可能にしたもの、車軸の端
部に球形の車輪を取付けて平面上を自由に移動出来るよ
うにしたもの、あるいは、クローラにフリーローラを取
付けたり、クローラ形態の2本のロッド間に複数の球形
車輪を接触させた機構のものなどがこれまで種々提案さ
れている。
In order to realize the omnidirectional movement of the robot, various improvements have been made to the wheel mechanism. As this kind of moving vehicle, a number of free rollers inclined with respect to the rotation direction of the axle are provided on the outer peripheral portion of the wheel. The drive wheels that are attached to the end of the axle, each of which can be moved in all directions by driving each drive wheel in any direction, the spherical wheel is attached to the end of the axle, Various types have been proposed so far, such as those that can move freely, those that have a free roller attached to a crawler, and those that have a plurality of spherical wheels in contact between two rods in the form of a crawler.

【0005】こうしたものの中で、多数のフリーローラ
を車輪の外周部に有する駆動輪を車軸の端部に取付け、
各駆動輪をそれぞれ任意の方向に駆動するようにした全
方向移動車としては、例えば、特開平5−61543号
公報に開示された全方向移動車がある。
[0005] Among these, a drive wheel having a large number of free rollers on the outer peripheral portion of a wheel is attached to an end of an axle,
As an omnidirectional vehicle that drives each drive wheel in an arbitrary direction, there is, for example, an omnidirectional vehicle disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-61543.

【0006】上記した特開平5−61543号公報に開
示された全方向移動車においては、多数のフリーローラ
を外周部に有する少なくとも4個の駆動輪を備え、駆動
制御部の3操作信号の指令によって各駆動輪の回転方向
および回転速度を制御することにより、全方向移動車の
走行を制御するようになされている。
The omnidirectional vehicle disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-61543 has at least four drive wheels having a large number of free rollers on the outer peripheral portion thereof. By controlling the rotation direction and the rotation speed of each drive wheel, the traveling of the omnidirectional vehicle is controlled.

【0007】また、車輪機構に球形車輪を使用した全方
向移動車として、例えば、飯田慎二,他による「球を使
った全方位移動機構及びその制御」(第3回ロボットシ
ンポジウム,1993年5月25日,26日)に開示さ
れたものが知られており、車輪機構に円柱形フリーロー
ラを使用した全方向移動車として、例えば、広瀬茂男,
他による「大荷重高効率全方向車両の開発」(日本機械
学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会 '93)
に開示されたものが知られている。
An omnidirectional vehicle using spherical wheels for the wheel mechanism is described in, for example, Shinji Iida, et al., “Omnidirectional Moving Mechanism Using Ball and Its Control” (3rd Robot Symposium, May 1993). On the other hand, as an omnidirectional vehicle using a cylindrical free roller for a wheel mechanism, for example, Shigeo Hirose,
"Development of High Load High Efficiency Omni-directional Vehicle" by others (JSME Robotics and Mechatronics Lecture '93)
Is disclosed.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の全方向移動車においては、フリーローラを組み
込んだ車輪を利用した上で、4個のアクチュエータ(モ
ータ)で4輪を駆動する方式か、3つのアクチュエータ
で3輪を駆動する方式が一般的であった。
However, in the above-described conventional omnidirectional vehicle, a system in which four wheels are driven by four actuators (motors) using wheels incorporating free rollers is used. A method of driving three wheels by three actuators was common.

【0009】前者の場合には、運動に必要な3自由度に
対し、4個のアクチュエータを駆動しなければならず、
冗長な機構となってしまうことが指摘されていた。すな
わち、3自由度に対して余分なアクチュエータが1個必
要となり、コスト高になるとともに、制御方策が一意的
に求まらないという問題点があった。
In the former case, four actuators must be driven for three degrees of freedom necessary for the movement.
It was pointed out that the mechanism became redundant. That is, there is a problem that one extra actuator is required for three degrees of freedom, the cost is increased, and a control measure cannot be uniquely determined.

【0010】また、後者の場合には、3個のアクチュエ
ータで3輪を駆動するために、冗長な機構とはならない
が、走行運動安定性が悪く、搬送などの場合に倒れやす
いなどの問題点があった。
In the case of the latter, three wheels are driven by three actuators, so that a redundant mechanism is not provided. However, there are problems such as poor running motion stability and easy fall in the case of transportation. was there.

【0011】また、前者、後者のいずれの場合にも、平
面上の並進および回転の合成運動をさせる場合には、各
運動を制御する各アクチュエータの速度に変換する必要
があるなどの問題点があった。
Further, in both the former case and the latter case, when performing a combined movement of translation and rotation on a plane, there is a problem that it is necessary to convert the movement into the speed of each actuator for controlling each movement. there were.

【0012】一方、車輪機構に球形車輪を使用したもの
では、球形車輪の支持面積が小さいので、負荷荷重が上
げられず、床面を傷つけ易いという問題点があるととも
に、複数の球形車輪を使用したものでは、複数の球がす
べて同一の回転運動を行うため、2自由度並進運動では
問題ないが、旋回中心が近い回転運動では各球間で生ず
べき回転速度が大きく変動するため、車輪と床面との間
で滑りが生じ、移動効率が低下して床面を傷つけること
があるなどの問題点があった。
On the other hand, in the case of using a spherical wheel for the wheel mechanism, since the supporting area of the spherical wheel is small, the load cannot be increased and the floor is easily damaged, and a plurality of spherical wheels are used. In this case, there is no problem in the two-degree-of-freedom translational motion because all the balls perform the same rotational motion. However, in the rotational motion near the turning center, the rotational speed to be generated between the balls greatly fluctuates. There is a problem that slippage occurs between the floor and the floor surface, which lowers the movement efficiency and may damage the floor surface.

【0013】本発明は、従来の技術の有するこのような
種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、任意の操作信号により走行する全方向移
動車において、3つのアクチュエータがそれぞれ並進の
2自由度と回転の1自由度の運動に独立に寄与する機構
を備え、平面上の並進および回転の合成運動をさせる際
には、それぞれの自由度に対応した各アクチュエータを
制御して高精度に走行制御することが可能な全方向移動
車の駆動伝達機構を提供しようとするものである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned various problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an omni-directional vehicle that travels by an arbitrary operation signal. Each of the actuators has a mechanism that independently contributes to two translational degrees of freedom and one rotational degree of freedom movement. When performing a combined translational and rotational movement on a plane, each actuator corresponding to each degree of freedom must be It is an object of the present invention to provide a drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle that can control the travel with high accuracy.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における全方向移動車の駆動伝達機構は、全
方向移動車を座標軸X方向に並進移動させるように対向
して配置された一対の車輪と、上記全方向移動車を座標
軸Y方向に並進移動させるように対向して配置された一
対の車輪と、上記各一対の車輪をX方向およびY方向に
デファレンシャルギヤを介して並進駆動するそれぞれの
アクチュエータと、上記各車輪の車軸をそれぞれデファ
レンシャルギヤを介して駆動軸に連結し、この駆動軸の
端部に固定した傘歯車を座標軸のZ軸回りに回転させる
よう配置したアクチュエータとを備え、上記各アクチュ
エータが、全方向移動車を並進移動の2自由度(X軸方
向の移動、Y軸方向の移動)と、回転(Z軸回りの回
転)の1自由度の合計3自由度に独立に寄与し、全方向
移動車を全方向に任意に移動させることができるように
したものである。
In order to achieve the above object, the drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle according to the present invention is disposed to face the omnidirectional vehicle so as to translate the omnidirectional vehicle in the coordinate axis X direction. A pair of wheels, a pair of wheels arranged so as to translate the omnidirectional vehicle in the coordinate axis Y direction, and a translation drive of the pair of wheels in the X direction and the Y direction via a differential gear. And an actuator in which the axle of each of the wheels is connected to a drive shaft via a differential gear, and the bevel gear fixed to the end of the drive shaft is arranged to rotate about the Z axis of the coordinate axis. Each of the actuators has two degrees of freedom (translation in the X-axis direction and movement in the Y-axis direction) and one degree of rotation (rotation around the Z-axis) for the omnidirectional vehicle. 3 contributes independently to the degree of freedom, in which to be able to move arbitrarily omnidirectional vehicle in all directions.

【0015】[0015]

【作用】このような構成に基づいて、本発明による全方
向移動車は、まず、全方向移動車をX方向に駆動するア
クチュエータを回転させると、その駆動力が全方向移動
車をX方向に移動させる車輪側のデファレンシャルギヤ
に伝達され、車輪の回転によって全方向移動車をX方向
に並進運動させることが可能になる。このとき、反対側
の対向する車輪は、車輪に取付けられたフリーローラの
作用によって、X方向の運動に対して抵抗力を発生しな
いような構造になっている。
Based on such a configuration, the omnidirectional vehicle according to the present invention first rotates an actuator that drives the omnidirectional vehicle in the X direction, and the driving force causes the omnidirectional vehicle to move in the X direction. It is transmitted to the differential gear on the side of the wheel to be moved, and the rotation of the wheel enables the omnidirectional vehicle to translate in the X direction. At this time, the opposing wheels on the opposite side are structured so as not to generate resistance to the movement in the X direction due to the action of the free rollers attached to the wheels.

【0016】同様に、全方向移動車をY方向に駆動する
アクチュエータを回転させると、その駆動力が全方向移
動車をY方向に移動させる車輪側のデファレンシャルギ
ヤに伝達され、車輪の回転によって全方向移動車をY方
向に並進運動させることが可能になる。
Similarly, when the actuator that drives the omnidirectional vehicle in the Y direction is rotated, the driving force is transmitted to the differential gear on the wheel side that moves the omnidirectional vehicle in the Y direction. It is possible to translate the directional moving vehicle in the Y direction.

【0017】さらに、全方向移動車を回転させるアクチ
ュエータを回転させると、その駆動力は、駆動軸の端部
に固定された傘歯車を介してデファレンシャルギヤに伝
達され、駆動軸の回転方向と反対方向に車輪が駆動され
る。四車輪を同じ回転方向に駆動することによって、全
方向移動車をZ軸回りに回転運動させることが可能にな
る。
Further, when the actuator for rotating the omnidirectional vehicle is rotated, the driving force is transmitted to the differential gear via the bevel gear fixed to the end of the drive shaft, and the driving force is opposite to the rotation direction of the drive shaft. The wheels are driven in the direction. By driving the four wheels in the same rotational direction, it becomes possible to cause the omnidirectional vehicle to rotate around the Z axis.

【0018】したがって、直交する車軸の端部に多数の
フリーローラを外周部に有する4個の駆動輪を備えてお
り、この駆動輪の回転方向および回転速度を制御するこ
とにより、移動車の前後、左右、斜行、スピンターンな
どの全方向移動が可能であり、移動車の位置および姿勢
を変化させる速度、例えば直交座標系における重心のX
方向ならびにY方向の並進速度および移動車の旋回角速
度の3出力が得られる。
Therefore, four drive wheels having a large number of free rollers on the outer periphery are provided at the end of the orthogonal axle, and by controlling the rotation direction and the rotation speed of these drive wheels, the front and rear of the moving vehicle can be controlled. , Can move in all directions such as left, right, skew, and spin turn, and can change the position and attitude of a moving vehicle, for example, X of the center of gravity in a rectangular coordinate system.
Three outputs are obtained: the translation speed in the direction and the Y direction, and the turning angular speed of the moving vehicle.

【0019】[0019]

【実施例】以下、添付の図面に基づいて、本発明による
全方向移動車の駆動伝達機構の実施例を詳細に説明する
ものとする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0020】図1は本発明による全方向移動車の駆動伝
達機構の概略構成を示す斜視図であり、図2は全方向移
動車の上面図であり、図3および図4は全方向移動車の
車輪を示す正面図および側面図であり、図5は図1にお
ける車輪のデファレンシャルギヤ機構を示す斜視図であ
り、図6は全方向移動車の車輪を支持しているサスペン
ションの取付け状態を示す正面図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle according to the present invention, FIG. 2 is a top view of the omnidirectional vehicle, and FIGS. 3 and 4 are omnidirectional vehicles. 5 is a perspective view showing a differential gear mechanism of the wheel in FIG. 1, and FIG. 6 is a perspective view showing a mounted state of a suspension supporting wheels of an omnidirectional vehicle. It is a front view.

【0021】図において、全方向移動車1は、直進安定
性が得られるように、図2に示すように、車輪2、3、
4、5がそれぞれ4方向に配置されている。この車輪
2、3、4、5は車輪の回転方向には駆動力を伝え、そ
の回転面に対して直角方向には摩擦を少なくするような
機構が要求されることから、図3および図4に示すよう
に、各車輪2、3、4、5は、外周上に4個の樽形(紡
錘状)のフリーローラ6を取付けるとともに、それを4
5度の位相をずらして複列に配置した構成になってお
り、これによって、各フリーローラ6は、その接地点が
車輪の曲率と等しくなるように配置され、車輪2、3、
4、5と床面との連続的な接触を可能にしている。
In FIG. 2, the omnidirectional vehicle 1 has wheels 2, 3,... As shown in FIG.
4 and 5 are respectively arranged in four directions. The wheels 2, 3, 4, and 5 are required to have a mechanism for transmitting a driving force in the direction of rotation of the wheels and reducing friction in a direction perpendicular to the plane of rotation. As shown in FIG. 2, each of the wheels 2, 3, 4, and 5 has four barrel-shaped (spindle-shaped) free rollers 6 mounted on its outer periphery.
The arrangement is such that the free rollers 6 are arranged in a double row with a phase shift of 5 degrees, whereby each free roller 6 is arranged such that its ground contact point is equal to the curvature of the wheel, and the wheels 2, 3,.
4, 5 and continuous contact with the floor surface are enabled.

【0022】ここで、全方向移動車1の座標を図1のよ
うに設定し、座標軸をX、Y、Zと呼ぶこととする。従
って、全方向移動車1がX方向に並進移動するとき、車
輪3、および車輪5が床面に駆動力を伝え、車輪2と車
輪4がフリーローラ6によりX方向フリーとなる。同様
に、全方向移動車1がY方向に並進移動するとき、車輪
2と車輪4が床面に駆動力を伝え、車輪3と車輪5がフ
リーローラ6によりY方向フリーとなる。
Here, the coordinates of the omnidirectional vehicle 1 are set as shown in FIG. 1, and the coordinate axes are called X, Y and Z. Therefore, when the omnidirectional vehicle 1 translates in the X direction, the wheels 3 and 5 transmit the driving force to the floor, and the wheels 2 and 4 are free in the X direction by the free rollers 6. Similarly, when the omnidirectional vehicle 1 translates in the Y direction, the wheels 2 and 4 transmit a driving force to the floor, and the wheels 3 and 5 are free in the Y direction by the free rollers 6.

【0023】上記全方向移動車1の各車輪2、3、4、
5の車軸は、それぞれデファレンシャルギヤ7、8、
9、10を介して駆動軸11、12、13、14に連結
されており、この駆動軸11、12、13、14の端部
に固定された傘歯車11a、12a、13a、14a
が、全方向移動車1を座標軸Zの回りに回転させるアク
チュエータ15の傘歯車15aに噛み合っている。
Each wheel 2, 3, 4,.
The axle 5 has differential gears 7, 8,
Bevel gears 11a, 12a, 13a, 14a connected to drive shafts 11, 12, 13, 14 via 9, 10 and fixed to the ends of the drive shafts 11, 12, 13, 14, respectively.
Are engaged with the bevel gear 15a of the actuator 15 that rotates the omnidirectional vehicle 1 around the coordinate axis Z.

【0024】一方、全方向移動車1の駆動伝達機構は、
車輪3と車輪5とを座標軸X方向に並進駆動するアクチ
ュエータ16と、車輪2と車輪4とを座標軸Y方向に並
進駆動するアクチュエータ17とを備えており、このア
クチュエータ16、17が回転すると、その駆動力はウ
ォームギヤ16a、17aから回転伝達軸18、19を
介して、回転伝達軸18、19の両端部にそれぞれ固定
された平歯車20,21および22,23に伝達される
ようになっている。
On the other hand, the drive transmission mechanism of the omnidirectional vehicle 1
An actuator 16 that translates the wheel 3 and the wheel 5 in the coordinate axis X direction, and an actuator 17 that translates the wheel 2 and the wheel 4 in the coordinate axis Y direction are provided. The driving force is transmitted from the worm gears 16a, 17a to the spur gears 20, 21, 22, and 23 fixed to both ends of the rotation transmission shafts 18, 19 via the rotation transmission shafts 18, 19, respectively. .

【0025】上記回転伝達軸18の両端部に固定された
平歯車20,21は、車輪3および車輪5のデファレン
シャルギヤ8および10に噛み合っているとともに、回
転伝達軸19の両端部に固定された平歯車22,23
は、車輪2および車輪4のデファレンシャルギヤ7およ
び9に噛み合っている。
The spur gears 20 and 21 fixed to both ends of the rotation transmission shaft 18 are engaged with the differential gears 8 and 10 of the wheels 3 and 5 and are fixed to both ends of the rotation transmission shaft 19. Spur gears 22, 23
Are engaged with the differential gears 7 and 9 of the wheels 2 and 4.

【0026】そして、上記アクチュエータ16、17
が、全方向移動車1を並進移動の2自由度(X軸方向の
移動、Y軸方向の移動)に寄与するとともに、アクチュ
エータ15が全方向移動車1の回転(Z軸回りの回転)
の1自由度に寄与するなど、各アクチュエータ15、1
6、17が3自由度に独立に寄与し、移動車を全方向に
任意に移動させることができるようになっている。
The actuators 16, 17
Contributes to the two degrees of freedom of translation of the omnidirectional vehicle 1 (movement in the X-axis direction, movement in the Y-axis direction), and the actuator 15 rotates the omnidirectional vehicle 1 (rotation about the Z-axis).
Each actuator 15, 1
6 and 17 independently contribute to the three degrees of freedom, so that the mobile vehicle can be arbitrarily moved in all directions.

【0027】なお、全方向移動車1の駆動伝達機構に
は、デファレンシャルギヤ7、8、9、10が各車輪
2、3、4、5側にそれぞれ設けられており、図5に示
すように、デファレンシャルギヤは、平歯車Zbの内部
で、傘歯車を組み合わせることにより平歯車Zbの両側
軸の間に回転差を発生させることができるようになって
いる。このために、デファレンシャルギヤの回転の関係
式は、ωaを左軸の回転速度とし、ωbを右軸の回転速度
とし、ωcを平歯車Zbの回転速度としたとき、 2ωc=ωa+ωb で表される。
The drive transmission mechanism of the omnidirectional vehicle 1 is provided with differential gears 7, 8, 9, and 10 on the respective wheels 2, 3, 4, and 5, respectively, as shown in FIG. , differential gear is an internal spur gear Z b, and is capable of generating rotational difference between the side shaft spur gear Z b by combining bevel gears. Therefore, relation of the differential gear rotation, the omega a is the rotational speed of the left axis, and a rotational speed of the right axis omega b, when the rotational speed of the omega c spur gear Z b, 2 [omega c = represented by ω a + ω b.

【0028】したがって、平歯車Zbの左右の軸の回転
速度の和が、平歯車Zaの回転速度によって与えられる
ので、左右の軸の回転速度の差を吸収することができる
ようになっている。
[0028] Thus, the sum of the rotational speeds of the left and right of the axis of the spur gear Z b, since given by the rotational speed of the spur gears Z a, so that it can absorb the difference in rotational speeds of the left and right of the axis I have.

【0029】また、全方向移動車1は、図6に示すよう
に、移動平面の凹凸に追従して必ず4つの車輪2、3、
4、5が床面に接地するように、平行リンク機構24が
設置されており、車軸が水平を保持したまま上下移動可
能なサスペンション25が組み込まれている。
Also, as shown in FIG. 6, the omnidirectional vehicle 1 always has four wheels 2, 3,.
A parallel link mechanism 24 is installed so that the floors 4 and 5 are in contact with the floor, and a suspension 25 that can move up and down while keeping the axle horizontal is incorporated.

【0030】さらに、本発明による全方向移動車1の駆
動伝達機構には、全方向移動車のみならず、2次元平面
上を各自由度方向に独立に駆動する一般的機構に発展さ
せることができる。
Further, the drive transmission mechanism of the omnidirectional vehicle 1 according to the present invention may be developed not only to the omnidirectional vehicle but also to a general mechanism that drives independently on a two-dimensional plane in each direction of freedom. it can.

【0031】以上の構成において、3つのアクチュエー
タ15、16、17の駆動力を、全方向移動車1の各運
動自由度の運動に独立に寄与するように、4輪2、3、
4、5に伝達する動作について説明する。
In the above configuration, the four wheels 2, 3,..., So that the driving forces of the three actuators 15, 16, 17 independently contribute to the movement of the omnidirectional vehicle 1 with the respective degrees of freedom of movement.
The operation to be transmitted to 4 and 5 is described.

【0032】まず、アクチュエータ16を回転させる
と、その駆動力はウォームギヤ16aから回転伝達軸1
8に伝達され、平歯車20、21からデファレンシャル
ギヤ8および10に伝達され、車輪3および車輪5が駆
動される。この車輪3および車輪5の回転によって、全
方向移動車1をX方向に並進運動させる(X方向の並進
速度は車輪3および車輪5の速度の平均値)ことが可能
になる。このとき、車輪2および車輪4は、車輪に取付
けられたフリーローラ6の作用によって、X方向の運動
に対して抵抗力を発生しないような構造になっている。
また、駆動力は、デファレンシャルギヤ8および10を
介して車輪3および車輪5に伝達されているので、並進
動作に加えて回転動作を伴う場合には、デファレンシャ
ルギヤ8および10によって車輪3および車輪5の回転
差が生じる仕組みになっている。
First, when the actuator 16 is rotated, its driving force is transmitted from the worm gear 16a to the rotation transmitting shaft 1a.
8 and from the spur gears 20 and 21 to the differential gears 8 and 10 to drive the wheels 3 and 5. The rotation of the wheels 3 and 5 enables the omnidirectional vehicle 1 to translate in the X direction (the translation speed in the X direction is the average value of the speeds of the wheels 3 and 5). At this time, the wheel 2 and the wheel 4 are structured so as not to generate a resistance to the movement in the X direction due to the action of the free roller 6 attached to the wheel.
Further, since the driving force is transmitted to the wheels 3 and 5 via the differential gears 8 and 10, when the rotation is performed in addition to the translation, the wheels 3 and 5 are driven by the differential gears 8 and 10. The rotation difference is generated.

【0033】同様に、アクチュエータ17を回転させる
と、その駆動力はウォームギヤ17aから回転伝達軸1
9に伝達され、平歯車22、23からデファレンシャル
ギヤ7および9に伝達され、車輪2および車輪4が駆動
される。この車輪2および車輪4の回転によって、全方
向移動車1をY方向に並進運動させることが可能にな
る。
Similarly, when the actuator 17 is rotated, the driving force is transmitted from the worm gear 17a to the rotation transmitting shaft 1a.
9 and from the spur gears 22 and 23 to the differential gears 7 and 9 to drive the wheels 2 and 4. The rotation of the wheels 2 and 4 allows the omnidirectional vehicle 1 to translate in the Y direction.

【0034】さらに、アクチュエータ15を回転させる
と、その駆動力は、傘歯車15aから駆動軸11、1
2、13、14の端部に固定された傘歯車11a、12
a、13a、14aを介してデファレンシャルギヤ7、
8、9、10に伝達され、駆動軸11、12、13、1
4の回転方向と反対方向に車輪2、3、4、5が駆動さ
れる。これによって、全方向移動車1をZ軸回りに回転
運動させる(Z軸回りの回転速度は車輪2、3、4、5
の速度の平均値)ことが可能になる。
Further, when the actuator 15 is rotated, the driving force is transmitted from the bevel gear 15a to the driving shafts 11, 1 and 1.
Bevel gears 11a, 12 fixed to the ends of 2, 13, 14
a, 13a, 14a through the differential gear 7,
To the drive shafts 11, 12, 13, 1
The wheels 2, 3, 4, 5 are driven in a direction opposite to the rotation direction of the wheel 4. As a result, the omnidirectional vehicle 1 is caused to rotate around the Z axis (the rotation speed around the Z axis is the wheels 2, 3, 4, 5
Average speed).

【0035】次いで、各アクチュエータ16、17が並
進の2自由度と、アクチュエータ15が回転の1自由度
との合計3自由度に独立に寄与していることを、運動学
的に証明する。
Next, it is kinematically proved that each of the actuators 16 and 17 independently contributes to a total of three degrees of freedom, that is, two degrees of freedom of translation and one degree of freedom of rotation of the actuator 15.

【0036】まず、アクチュエータ15の回転をV3
し、アクチュエータ16の回転をV2とし、アクチュエ
ータ17の回転をV1とし、車輪2、3、4、5に対応
した駆動軸11、12、13、14の回転速度をa1
2、a3、a4とし、車輪2、3、4、5を設置した車
軸側の回転速度をc1、c2、c3、c4とし、ウォームギ
ヤ16a、17aを有する回転伝達軸18、19の回転
速度をb2、b1としたとき、これらの速度変数の間には
次のような関係式が成り立つ。
First, the rotation of the actuator 15 is set to V 3 , the rotation of the actuator 16 is set to V 2 , the rotation of the actuator 17 is set to V 1, and the drive shafts 11, 12, 13 corresponding to the wheels 2, 3, 4, 5 are set. , 14 to a 1 ,
a 2 , a 3 , and a 4 , the rotational speeds on the axle side where the wheels 2, 3 , 4, and 5 are installed are c 1 , c 2 , c 3 , and c 4, and the rotation transmission shaft 18 having the worm gears 16 a and 17 a , 19 as b 2 and b 1 , the following relational expression holds between these speed variables.

【0037】 a1=a2=a3=a4=k3・V31=k1・V12=k1・V2 となり、デファレンシャルギヤ7、8、9、10の式
は、 −2b1・k2=a1+c1 2b1・k2=a3+c3 2b2・k2=a2+c2 −2b2・k2=a4+c4 となる。
A 1 = a 2 = a 3 = a 4 = k 3 · V 3 b 1 = k 1 · V 1 b 2 = k 1 · V 2 , and the equations of the differential gears 7, 8, 9, and 10 are as follows. , the -2b 1 · k 2 = a 1 + c 1 2b 1 · k 2 = a 3 + c 3 2b 2 · k 2 = a 2 + c 2 -2b 2 · k 2 = a 4 + c 4.

【0038】ただし、k1はウォームギヤ16a、17
aの減速比であり、k2は平歯車20、21に噛み合う
デファレンシャルギヤ8、10および平歯車22、23
に噛み合うデファレンシャルギヤ7、9の減速比であ
り、k3はアクチュエータ15の傘歯車15aに噛み合
う傘歯車11a、12a、13a、14aの減速比であ
る。
Where k 1 is the worm gear 16a, 17
a is the reduction ratio of a, and k 2 is the differential gears 8 and 10 and the spur gears 22 and 23 that mesh with the spur gears 20 and 21.
, And k 3 is the reduction ratio of the bevel gears 11a, 12a, 13a, and 14a that mesh with the bevel gear 15a of the actuator 15.

【0039】また、各自由度方向の速度X’(X方向の
速度)、Y’(Y方向の速度)、Z’(Z方向の速度)
は、車輪2、3、4、5の車軸側の回転速度c1、c2
3、c4によって次のように与えられる。
The speeds X '(speed in the X direction), Y' (speed in the Y direction), and Z '(speed in the Z direction) in the respective degrees of freedom.
Are the rotational speeds c 1 , c 2 , of the wheels 2, 3, 4, 5 on the axle side,
It is given as follows by c 3 and c 4 .

【0040】X’=1/2(c2・r−c4・r) Y’=1/2(−c1・r+c3・r) Z’=−1/4・r/R(c1+c2+c3+c4) ただし、Rは車輪間の距離(トレッド)の1/2、rは
車輪の径とする。
X ′ = 1 / (c 2 · r−c 4 · r) Y ′ = 1 / (− c 1 · r + c 3 · r) Z ′ = − / · r / R (c 1 + C 2 + c 3 + c 4 ) where R is 1 / of the distance (tread) between the wheels, and r is the diameter of the wheels.

【0041】したがって、速度変数の関係式を代入する
と、 X’=2k1・k2・r・V2 Y’=2k1・k2・r・V1 Z’=r/R・k3 ・V3 となり、各アクチュエータ15、16、17の速度
2、V1、V3が、各自由度の速度X’、Y’、Z’に
独立に寄与していることがわかる。
Therefore, when the relational expression of the speed variable is substituted, X ′ = 2k 1 · k 2 · r · V 2 Y ′ = 2k 1 · k 2 · r · V 1 Z ′ = r / R · k 3 · V 3, and the velocity V 2, V 1, V 3 of the actuators 15, 16 and 17, the speed X of each degree of freedom ', Y', it can be seen that contributes independently to Z '.

【0042】このように、本発明による駆動伝達機構を
用いると、各アクチュエータ15、16、17を回転さ
せることにより、各自由度の運動を生じさせるように4
輪を駆動して、全方向移動車1を全方向に移動制御する
ことが可能になる。
As described above, when the drive transmission mechanism according to the present invention is used, by rotating each of the actuators 15, 16, and 17, the movement of each degree of freedom is generated.
By driving the wheels, the omnidirectional vehicle 1 can be controlled to move in all directions.

【0043】以上の結果により、本発明による全方向移
動車は、一般的な人工環境(部屋、廊下)の走行に適し
た機構を備えており、走行安定性に優れ、高い運動性能
を備えているとともに、狭いクランク通路を走行した
り、長方形の障害物に沿った走行も可能である。また、
複数台の全方向移動車同士の作業において、協調行動の
際に生じる外乱からの軌道ずれの修正や、他の移動車に
よる進路妨害からの退避など、様々な状況に対して柔軟
に対応することが可能になる。よって、複数の移動車で
協調する移動車の走行部へも適応できるという利点があ
る。
From the above results, the omnidirectional vehicle according to the present invention has a mechanism suitable for traveling in a general artificial environment (room, corridor), has excellent traveling stability, and has high kinetic performance. In addition, it is possible to travel along a narrow crank passage or along a rectangular obstacle. Also,
When working with multiple omnidirectional vehicles, flexibly cope with various situations, such as correcting trajectory deviations from disturbances that occur during cooperative actions and evacuating from obstacles caused by other vehicles. Becomes possible. Therefore, there is an advantage that the present invention can be applied to a traveling unit of a moving vehicle that cooperates with a plurality of moving vehicles.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.

【0045】全方向移動車に接地された直交する車軸の
端部に多数のフリーローラを外周部に有する4個の駆動
輪を備えており、この駆動輪の回転方向および回転速度
を制御することにより、移動車の前後、左右、斜行、ス
ピンターンなどの全方向移動が可能であり、移動車の位
置および姿勢を変化させる速度、例えば、直交座標系に
おける重心のX方向ならびにY方向の並進速度および移
動車の旋回角速度の3出力が得られる。
At the end of an orthogonal axle grounded to an omnidirectional vehicle, there are provided four drive wheels having a large number of free rollers on the outer periphery, and the rotation direction and the rotation speed of the drive wheels are controlled. Allows the vehicle to move in all directions such as front and rear, left and right, skew, and spin turn, and changes the position and attitude of the vehicle, for example, the translation of the center of gravity in the X and Y directions in a rectangular coordinate system. Three outputs of the speed and the turning angular velocity of the moving vehicle are obtained.

【0046】また、3つのアクチュエータの駆動力を4
車輪に伝達する機構であり、3つのアクチュエータで4
輪を駆動することが可能であるために、余分なアクチュ
エータが不必要で、全方向移動車の平面上の並進および
回転の合成運動も、それぞれの自由度に対応した各アク
チュエータを制御することにより容易に実現することが
できる。
The driving force of the three actuators is 4
It is a mechanism that transmits to the wheel.
No extra actuators are required because the wheels can be driven, and the combined translational and rotational motions of the omni-directional vehicle in the plane are also controlled by controlling each actuator for each degree of freedom. It can be easily realized.

【0047】このため、本発明によれば、全方向移動車
の走行安定性が確保され、冗長性がなく自由度を直接的
に制御できる駆動伝達機構を得ることができる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a drive transmission mechanism which ensures the running stability of an omnidirectional vehicle, has no redundancy, and can directly control the degree of freedom.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による全方向移動車の駆動伝達機構の概
略構成を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a drive transmission mechanism of an omnidirectional vehicle according to the present invention.

【図2】全方向移動車の上面図である。FIG. 2 is a top view of the omnidirectional vehicle.

【図3】全方向移動車の車輪を示す正面図である。FIG. 3 is a front view showing wheels of an omnidirectional vehicle.

【図4】全方向移動車の車輪を示す側面図である。FIG. 4 is a side view showing wheels of an omnidirectional vehicle.

【図5】図1における車輪のデファレンシャルギヤ機構
を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a differential gear mechanism of the wheel in FIG. 1;

【図6】全方向移動車の車輪を支持しているサスペンシ
ョンの取付け状態を示す正面図である。
FIG. 6 is a front view showing a mounted state of a suspension supporting wheels of an omnidirectional vehicle.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 全方向移動車 2、3、4、5 車輪 6 フリーローラ 7、8、9、10 デファレンシャルギヤ 15、16、17 アクチュエータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Omnidirectional moving vehicle 2, 3, 4, 5 Wheel 6 Free roller 7, 8, 9, 10 Differential gear 15, 16, 17 Actuator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松元 明弘 埼玉県鶴ヶ島市藤金886−1−106 (72)発明者 遠藤 勲 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究 所内 (56)参考文献 特開 昭63−315377(JP,A) 特開 昭63−149270(JP,A) 特開 昭60−38271(JP,A) 特開 平5−61543(JP,A) 特開 昭60−113734(JP,A) 実開 昭58−30424(JP,U) 実公 昭40−4803(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B62D 15/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akihiro Matsumoto 886-1-106 Fujikin, Tsurugashima-shi, Saitama (72) Inventor Isao 2-1 Hirosawa, Wako-shi, Saitama Pref. RIKEN (56) References Special JP-A-63-315377 (JP, A) JP-A-63-149270 (JP, A) JP-A-60-38271 (JP, A) JP-A-5-61543 (JP, A) JP-A-60-1113734 (JP, A) JP, A) JP-A 58-30424 (JP, U) JP-A 40-4803 (JP, Y1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) B62D 15/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 全方向移動車を座標軸X方向に並進移動
させるように対向して配置された一対の車輪と、 前記全方向移動車を座標軸Y方向に並進移動させるよう
に対向して配置された一対の車輪と、 前記各一対の車輪をX方向およびY方向にデファレンシ
ャルギヤを介して並進駆動するそれぞれのアクチュエー
タと、 前記各車輪の車軸をそれぞれデファレンシャルギヤを介
して駆動軸に連結し、この駆動軸の端部に固定した傘歯
車を座標軸のZ軸回りに回転させるよう配置したアクチ
ュエータとを備え、前記各アクチュエータが、全方向移
動車を並進移動の2自由度(X軸方向の移動、Y軸方向
の移動)と、回転(Z軸回りの回転)の1自由度の合計
3自由度に独立に寄与し、全方向移動車を全方向に任意
に移動させることができるようにしたことを特徴とする
全方向移動車の駆動伝達機構。
1. A pair of wheels arranged so as to translate an omnidirectional vehicle in a coordinate axis X direction, and a pair of wheels opposed to each other so as to translate the omnidirectional vehicle in a coordinate axis Y direction. A pair of wheels, an actuator for translating the pair of wheels in the X direction and the Y direction via a differential gear, and an axle of each wheel connected to a drive shaft via a differential gear. An actuator arranged to rotate a bevel gear fixed to the end of the drive shaft around the Z axis of the coordinate axis, wherein each of the actuators has two degrees of freedom of translation of the omnidirectional vehicle (movement in the X axis direction, Independently contributes to a total of three degrees of freedom, one degree of freedom (movement in the Y axis direction) and rotation (rotation about the Z axis), so that the omnidirectional vehicle can be arbitrarily moved in all directions. A drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle.
【請求項2】 前記全方向移動車の各車輪は、外周上に
4個の樽形のフリーローラを取り付け、前記フリーロー
ラの接地点が車輪の曲率と等しくなるように車輪の外周
に配置し、これを45度の位相をずらして複列に組み付
けたことを特徴とする請求項1記載の全方向移動車の駆
動伝達機構。
2. Each of the wheels of the omnidirectional vehicle has four barrel-shaped free rollers mounted on its outer periphery, and is disposed on the outer periphery of the wheels such that the contact point of the free rollers is equal to the curvature of the wheels. 2. A drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle according to claim 1, wherein said drive transmission mechanism is assembled in a double row with a phase shift of 45 degrees.
【請求項3】 前記全方向移動車の各車輪が移動平面の
凹凸に追従するように、前記各車輪の前記車軸を水平に
保持したまま上下移動させる移動手段を備えた請求項1
または2のいずれか1項に記載の全方向移動車の駆動伝
達機構。
3. A moving means for moving up and down while keeping the axle of each wheel horizontal so that each wheel of the omnidirectional vehicle follows irregularities of a moving plane.
Or a drive transmission mechanism for an omnidirectional vehicle according to any one of the above.
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