JP3381141B2 - 全方向移動ロボット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運搬作業や監視用
ロボットに関するものであり、詳しくは、進行方向をモ
ニタしながら走行する全方向に移動可能なロボットに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】無人環境等において、運搬作業や監視を
行うための移動ロボットには、全方向への移動が必要と
なる。さらに、安定で、且つ狭い場所や障害物の多い場
所でも小回りが利く走行性も望まれる。

【０００３】現在、このような全方向移動ロボットの開
発が進められている。たとえば、特開平８−６７２６８
号には、第１のアクチュエータで移動車の一対の車輪を
Ｘ軸方向に並進させ、第２のアクチュエータで他の一対
の車輪をＹ軸方向に並進させ、第３のアクチュエータで
Ｚ軸周りに移動車を回転させることのできる全方向移動
車が開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来の全方向移動車は、少なくとも３つのアクチュ
エータを必要とし、未だ機構設計が複雑で制御操作も煩
雑であり、設計や制御がより簡便なものが望まれてい
る。

【０００５】さらに、移動ロボットでは、通常、進路を
確保するために、走行方向を確認するカメラやセンサ等
のモニタ装置が搭載されている。このモニタ装置による
モニタ方向が常にロボット進行（走行）方向と一致して
いなければ、障害物をよけるなどスムーズな走行が維持
できないのは言うまでもないが、現状では、確実にモニ
タ方向を走行方向に合致させる構成、即ち、モニタ装置
の回頭をロボットの移動車のステアリングと同期させ得
る構成を持つものはなかった。

【０００６】従って、従来の全方向移動ロボットでは、
特に無線操縦の場合などに不十分な情報に基づいてロボ
ットの移動制御を行わなければならず、非常に困難であ
り、カメラ等のモニタ装置の死角方向へ動いて障害物と
衝突するといった危険が存在していた。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、簡便な構成
でありながら、常にモニタ装置によるモニタ方向をロボ
ットの走行方向に一致させられる全方向移動ロボットを
得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る全方向移動ロボットで
は、複数の車輪を有する本体と、本体に枢支されたモニ
タ装置と、モニタ装置を本体に対して枢支軸周りに回頭
させる回頭手段と、前記複数の車輪を走行させる電動駆
動装置と、車輪の軸心方向を変更させる操向装置と、を
備えた全方向移動ロボットであって、前記操向装置の操
向操作力を各車輪に伝達して各車輪を共通に回動する第
１の伝達機構と、前記第１の伝達機構の回動運動を前記
回頭手段に機械的に伝達してモニタ装置を操向方向へ連
動して回頭させる連動機構と、前記回頭手段の操向装置
との連動を選択的に切り離すクラッチ機構と、該クラッ
チ機構によって切り離された回頭手段を独立して駆動さ
せる電動回頭装置と、を備えたものである。

【０００９】また、請求項２に記載の発明に係る全方向
移動ロボットでは、請求項１に記載の全方向移動ロボッ
トにおいて、垂直軸周りで回動可能に本体に取付けら
れ、車輪のそれぞれを軸受する複数の操向ブロックに前
記複数の車輪がそれぞれ格納され、前記操向装置の操向
操作力を各操向ブロックに伝達して各操向ブロックを共
通に回動するように前記第１の伝達機構が装着されてい
ることを特徴とするものである。

【００１０】また、請求項３に記載の発明に係る全方向
移動ロボットでは、請求項２に記載の全方向移動ロボッ
トにおいて、前記電動駆動装置の回転動力を各操向ブロ
ックの回動軸心と同軸に導いて各車輪に伝達する第２の
伝達機構をさらに備えたものである。

【００１１】

【００１２】本発明は、移動ロボットの車輪軸心方向を
変更させる走行装置と、モニタ装置を枢支軸周りに回頭
させる回頭手段とを、連動機構によって連動させるもの
であるため、モニタ装置の回頭を車輪軸心方向の偏向に
対応させ、常にモニタ装置によるモニタ方向を走行方向
と一致させることができる。

【００１３】従って、本発明の全方向移動ロボットによ
れば、走行方向、すなわち進行方向の情報がリアルタイ
ムで得られるため、特に無線操縦などの遠隔操作におい
て、ロボット前方に障害物があっても衝突することなく
避けることができ、また狭い通路での走行であっても、
側壁に接触することなく良好に走行でき、スムーズな運
搬作業や監視作業が行える。

【００１４】操向装置は、通常、操向用の電動モータを
駆動制御し、車輪の軸心の向きを変更させるものであ
る。一方、回頭手段としては、たとえば、電動モータの
回転を無端タイミングベルトやチェーン式、あるいはギ
ア式電動機構を介して枢支軸に伝達することによって枢
支軸周りの回転に伴ってモニタ装置を回頭させる構成が
簡便なものとして挙げられる。

【００１５】そこで、本発明においては、連動機構とし
て、操向用電動モータの回転を、回頭手段側へも伝達で
きる構成が考えられる。たとえば、ベルト伝達機構で構
成する場合、操向用の電動モータの回転を第１と第２の
無端ベルトに伝達し、第１のベルトの循環動作を介して
モニタ装置枢支軸の軸周りの回動を行わせ、第２のベル
トの循環動作を介して車輪の軸心の向きを変えさせる構
成が挙げられる。

【００１６】この第１のベルトと第２のベルトとは、同
じ操向用電動モータによって周回循環運動をされるた
め、操向装置によって操向用電動モータを駆動すると、
車輪の軸心の回動と、枢支軸の軸周りの回転とが同期す
ることとなり、車輪軸心の向きの変更、すなわち操向動
作に対応して、モニタ装置が進行方向に回頭することと
なる。

【００１７】以上のように、第１のベルトおよび第２の
ベルトのような連動機構を設けると、同じ操向用電動モ
ータを車輪操向とモニタ装置の回頭とに兼用させること
ができるため、各々にモータを設ける場合よりも装置設
計が簡略化できる。

【００１８】なお、車輪の操向は、複数の車輪のうちの
一つあるいは一部の車輪軸心の向きを変更することによ
って残りの車輪軸心を誘導的に追随させる、たとえばキ
ャスター方式の如き構成としても、全車輪の軸心を連結
して同時に車輪の向きを変更する構成としても良い。

【００１９】全車輪の向きを同時に変更する構成とし
て、たとえば、請求項２に記載したように、垂直軸周り
で回動可能に本体に取付けられた複数の操向ブロックに
それぞれ車輪を軸受させ、第１の伝達機構によって操向
装置の操向操作力を各操向ブロックに伝達して各操向ブ
ロックを共通に回動させる構成が挙げられる。この構成
により、すべての操向ブロックが同じように向きを変え
られるので、全車輪の向きがほぼ同時に同じだけ変更さ
れることとなる。

【００２０】たとえば、第１の伝達機構に無端ベルト方
式を用いる場合、単一の無端ベルトの周回循環経路中の
異なる各位置に各操向ベルトを配置して単一のベルトに
よる回動機構を構成することができる。この場合、ベル
トと各操向ブロックは、ベルトが循環運動すると各操向
ブロックが確実に回動する構成となっている必要があ
る。このため、例えば、ベルトと各操向ブロックとの連
絡をタイミングベルト方式で構成したり、チェーンとス
プロケットによる方式、あるいはギヤ伝達機構による方
式等を利用すると良い。

【００２１】また、電動駆動装置によって車輪を走行さ
せる構成としては、前記の如く車輪がそれぞれ操向ブロ
ックに軸受されている場合、請求項３に記載したよう
に、電動駆動装置の回転動力を、各操向ブロックの回動
軸心と同軸に導いて各車輪に伝達する第２の伝達機構を
備える構成が挙げられる。

【００２２】この第２の伝達機構も、無端タイミングベ
ルト方式や、チェーンとスプロケットによる方式、ある
いはギヤ伝達機構による方式等を利用して構成すること
ができる。

【００２３】なお、第１の伝達機構と第２の伝達機構と
は、基本的に互いに独立して動力伝達を行うものであ
る。従って、モータ等の動力源を別個に設ける構成が簡
便である。しかしながら、一つの動力源を共通としクラ
ッチ機構を組み合わせることによって２つの伝達機構に
一つの動力源を共通に利用する構成も可能である。この
際、別個の動力源を搭載する場合より、占有面積や重量
が軽減できる。

【００２４】このような動力源を兼用させる場合、クラ
ッチ機構の切換え制御によって、車輪の操向と走行とを
連動させたり、あるいは例えばロボットの走行速度のみ
を変更したいときなどに独立して操作したり等、様々な
状況に対応して適宜ロボットの動作モードを変えること
が可能となる。

【００２５】また、モニタ装置として監視用カメラを搭
載するロボットの場合、カメラは走行方向だけでなく周
辺をモニタすることが望まれる。そこで、請求項１に記
載したように、回頭手段の操向装置との連動を選択的に
切り離すクラッチ機構と、該クラッチ機構によって切り
離された回頭手段を独立して駆動させる電動回頭装置を
備えておけば、特に走行しながらの周囲のモニタなどモ
ニタ装置の独自の回頭を必要とする場合に有効である。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態として、走
行モニタ用カメラを搭載し、４つの車輪を持つ運搬用の
全方向移動ロボットを以下に示す。図１は、本実施形態
によるロボットの概略構成を示す側面図であり、図２
は、図１で示したロボットの操向ブロックとしての車輪
受け部１０の機構を説明するための部分正面図である。

【００２７】また、図３は、ロボットを上面から見たと
きのカメラ９の回頭手段および車輪４の操向装置の機構
を簡単な概念で示す説明図である。なお、図３では説明
を容易にするため、カメラ９を省略して枢支軸１で表
し、本体６の下面側に配置されている操向ブロックとし
ての車輪受け１０上部の操向軸３を円で表し、車輪４を
点線で示した。

【００２８】本実施例による全方向移動ロボットは、搬
送物２１の載置部２０を上面に持つ本体６と、本体６の
ほぼ中央上部に、枢支軸１を介して回頭可能に支持され
た走行モニタ用カメラ９と、本体６下面側に、電動の操
向駆動用モータ２ａと電動の走行駆動用モータ２ｂを含
む各種駆動系を介して配置された４つの車輪４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄから主に構成されるものである。

【００２９】各車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、図２に
示したように、それぞれ本体１に対してベアリング１５
によって回動可能に取付けられた４つの車輪受け１０に
各々軸受けされている。車輪受け１０の構成は、４つの
車輪用すべて共通するものであるが、ここでは、車輪４
ａ用のものを代表として図示した。

【００３０】この軸受け１０の上端部は、それぞれ操向
軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成されており、これら操
向軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの外周面には、タイミング
ベルト構造を持つ同一の無端の操向ベルト５ｂが噛合さ
れ、操向駆動モータ２ａの回転軸に連結されている。ま
た、枢支軸１の下部外周面には、無端の回頭ベルト５ａ
がタイミングベルト構造で噛合されており、操向駆動用
モータ２ａの回転軸に連結されている。

【００３１】従って、操向駆動モータ２ａの駆動によっ
て回転軸から動力が伝達されると、操向ベルト５ａは循
環運動を始め、操向ベルト５ａにそれぞれ外周面が噛合
している全操向軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが回動し、こ
れによって全軸受け１０が本体６ に対して回動するた
め、例えば、図３の（ａ）から（ｂ）の状態へとすべて
の車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの向きが一斉に変わり
（４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’）、方向転換が行わ
れる。

【００３２】このとき、同時に操向駆動モータ２ａの回
転軸から回頭ベルト５ｂへも動力が伝達され、回頭ベル
ト５ｂの循環運動によって、枢支軸１も軸周りに回転し
（１→１’）、これに伴ってカメラ９が本体６に対して
車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの回動方向と同方向へ回頭
する。ただし、本体６自体の正面方向６ａは変わってい
ない。

【００３３】従って、操向制御装置（不図示）によって
操向駆動モータ２ａを駆動制御することにより、回頭ベ
ルト５ｂと操向ベルト５ａの循環運動を介して枢支軸１
と全操向軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄとをそれぞれ同一の
角度間隔分だけ回動させ、カメラ９と車輪４とを同時
に、且つ任意の同一角度分方向に転換させることができ
る。

【００３４】即ち、上記構成の初期設定における車輪４
の進行（走行）方向とカメラ９のモニタ方向１ａとが一
致していれば、ロボットの運搬作業において、方向転換
を含む移動の間中、常に進行方向とモニタ方向１ａとは
一致し、進行方向の状況をカメラ１で確認できる。操向
制御装置の操縦は、無線操縦等の遠隔操作で行えるが、
ロボットの進行方向を常にカメラ９によってモニタでき
るため、障害物を避ける等の進路変更も容易に行える。

【００３５】次に、車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの走行
のための駆動機構を説明する。図４は、車輪駆動機構を
簡単な概念で示したものである。なお、図４は説明を容
易にするため、図３と同様に、カメラ９を省略し、本体
６の下面側に配置されている車輪受け１０上端部の操向
軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、後述のタイミングベルト
車７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄとを円で表し、車輪４ａ，４
ｂ，４ｃ，４ｄを点線で示した。

【００３６】まず、図２にも示すように、各車輪受け１
０の操作軸３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ上面には、それぞれ
ベアリング１６を介し垂直方向に突出する車輪駆動軸７
が貫通状態で取付けられている。各車輪駆動軸７の上端
部には、それぞれタイミングベルト車７ａ，７ｂ，７
ｃ，７ｄが取付けられている。

【００３７】各車輪駆動軸７の下端には、それぞれ、傘
歯車１４ａとこれに噛合する傘歯車１４ｂ、傘歯車１４
ｂが取付けられた回転軸１３、その外周のベルト車１３
ａ、ベルト車１３ａに噛合するタイミングベルト１２、
車軸１１に取付けられ、タイミングベルト１２に噛合す
るベルト車１１ａ、とからなる回転伝達系が構成されて
いる。この回転伝達系により、各タイミングベルト車７
ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄおよび車輪駆動軸７の回転が順
次、各車軸１１まで伝達され、車軸１１の回転により各
車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが回転駆動し、ロボットの
走行が可能となる。

【００３８】各タイミングベルト車７ａ，７ｂ，７ｃ，
７ｄは、これらの外周に噛合する同一の無端タイミング
ベルト８によって、該タイミングベルト８に外周が噛合
する電動駆動装置としての走行駆動用モータ２ｂの回転
軸と連結されている。

【００３９】従って、走行駆動用モータ２ｂの駆動を開
始すると、回転軸から回転動力が伝達され、タイミング
ベルト８は循環運動を始め、全タイミングベルト車７
ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが同時に回転される。そして、各
タイミングベルト車７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの回転は、
各車輪軸１０内においてそれぞれ回転伝達系（１４ａ，
１４ｂ，１３，１３ａ，１２，１１ａ）を介して各車輪
１１へ伝達され各車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを同時に
同じ速度で回転させ、ロボットの走行が始まる。

【００４０】走行駆動用モータ２ｂの駆動制御によっ
て、全車輪４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの回転速度、即ちロ
ボットの走行速度を任意に設定、変更することができ
る。この駆動制御は、無線操縦等の遠隔操作で行える
が、前述の如く、ロボットの進行方向を常にカメラ９に
よってモニタできるため、障害物の有無や走行空間の大
小等の状況によって適当な走行速度となるようにコント
ロールするのも容易である。

【００４１】なお、上記実施形態においては、操向駆動
用モータ２ａと走行駆動用モータ２ｂと二つの動力源を
用いたロボットの構成を示したが、本発明はこれに限定
されるものではなく、クラッチ機構との組み合わせによ
ってこれら二つの駆動（伝達）系の動力源として共通の
一つのモータを利用する構成とすることも可能である。

【００４２】また、操向駆動及び走行駆動のための回転
伝達系の構成は、それぞれ上記実施の形態に示されたも
のに限定されるものではなく、常に進行方向とモニタ方
向が一致するように車輪の操向に対応してモニタ装置の
回頭が行え、全車輪の駆動が同期し同速度で走行できる
構成であれば良い。

【００４３】例えば、上記実施の形態では、４つの車輪
の操向軸全部に同一のタイミングベルトが噛合し、モー
タ回転軸に連結するタイミングベルトの循環運動によっ
て同時に且つ直接的に各操向軸が回転させられる構成で
あるが、タイミングベルトに噛合して直接回転させられ
る操向軸を４つのうちの一つとし、この操向軸と他の操
向軸とをリンク部材によって連結するという構成も挙げ
られる。このリンク部材は、タイミングベルトに噛合す
る操向軸の回転運動を同じ方向に同じ運動量だけ伝達で
きるもので良い。

【００４４】また、本発明は、上記の如く運搬用ロボッ
トに限らず、監視用ロボット等、モニタ装置を搭載した
全方向移動ロボットに広く有効であることは言うまでも
ない。なお、監視用ロボットの場合、進行方向だけでな
くできるだけ広範囲をモニタすることが望まれる。従っ
て、カメラの回頭のみを目的に駆動制御を行いたい状況
が生じる。

【００４５】本発明による全方向移動ロボットでは、連
動機構によってカメラの回頭手段と操向手段とが連動し
ているため、走行中にカメラを回頭しようとすればもち
ろんロボットの進行方向も変わってしまう。しかしなが
ら、電動駆動装置の駆動を一旦停止した状態であれば、
定位置で車輪の向きが変わるだけである。カメラを一回
り（３６０度）回頭した後、停止前の進行方向に車輪お
よびカメラの向きをあわせて再び走行を始めれば、結果
としてロボットの進行方向に変化はない。

【００４６】ただし、走行しながらの周辺のモニタなど
カメラの独自の回頭を必要とする場合には、例えばクラ
ッチ機構を利用して、連動機構によるカメラの回頭手段
と操向装置との連動を選択的に切り離すことのできる構
成が考えられる。

【００４７】このとき、カメラの回頭を独立して駆動す
るための電動回頭装置を別に設けておき、回頭手段が操
向装置との連動を切り離されると同時に、電動回頭装置
に連動する構成とすれば良い。

【００４８】例えば、図５に示すように、監視用移動ロ
ボット（搬送用載置部以外は図１の運搬用ロボットと基
本的に同じ構成であり、共通の部分は同じ番号を付与し
た）において、電動回頭装置として回頭駆動用モータ３
１を更に備え、クラッチ機構３０によって、枢止軸１を
回頭ベルト５ａとの歯合から切り離すと同時に、回頭駆
動用モータ３１の回転軸に歯合する回頭駆動ベルト３２
の方に歯合させる構成が簡便である。

【００４９】このように、クラッチ機構３０を介して、
枢支軸１の歯合を回頭ベルト５ａと回頭駆動ベルト３２
との間でへ切換えることにより、カメラ９の回頭を独立
して行うことができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、従来より
簡便な構成でありながら、全方向移動ロボットの走行
中、進行方向とカメラやセンサ等のモニタ装置によるモ
ニタ方向を常に一致させることができるため、ロボット
の進行方向の状況に応じて容易に操向方向や操向速度を
制御でき、運搬、監視等のロボット作業がスームズに行
えるという効果がある。

【００５１】更に、クラッチ機構で回頭手段を操向装置
との連動から選択的に切り離し、モニタ装置の回頭を独
自に駆動させ得る構成とした場合、進行方向だけでなく
走行しながらの周辺部のモニタも可能となるため、特に
監視用に最適な移動ロボットが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による運搬用の全方向移
動ロボットを示す概略側面図である。

【図２】図１中に示された車輪受け１０の概略構成を示
す部分説明図である。

【図３】図１のロボットの回頭機構と操向機構を説明す
る概念図であり、（ａ）（ｂ）はぞれぞれ車輪の向きが
異なる方向転換の状態を示す。

【図４】図１のロボットの車輪駆動機構を説明する概念
図である。

【図５】本発明の他の実施形態による監視用全方向移動
ロボットを示す概略側面図である。

【符号の説明】

１：枢支軸 ２ａ：操向駆動用モータ ２ｂ：走行駆動用モータ ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ：操向軸 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：車輪 ５ａ：回頭ベルト ５ｂ：操向ベルト ６：本体 ７：車輪駆動軸 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ：タイミングベルト車 ８：タイミングベルト ９：カメラ １０：車輪受け ２０：載置部 ２１：搬送物 ３０：クラッチ機構 ３１：回頭駆動用モータ ３２：回頭駆動ベルト

フロントページの続き (72)発明者 伊東 光一 富山県魚津市本江2410 株式会社スギノ マシン内 (56)参考文献 特開 平６−110548（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−44512（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−235220（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−324061（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−84911（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05D 1/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の車輪を有する本体と、本体に枢支
   されたモニタ装置と、モニタ装置を本体に対して枢支軸
   周りに回頭させる回頭手段と、前記複数の車輪を走行さ
   せる電動駆動装置と、車輪の軸心方向を変更させる操向
   装置と、を備えた全方向移動ロボットであって、 前記操向装置の操向操作力を各車輪に伝達して各車輪を
   共通に回動する第１の伝達機構と、 前記第１の伝達機構の回動運動を前記回頭手段に機械的
   に伝達してモニタ装置を操向方向へ連動して回頭させる
   連動機構と、前記回頭手段の操向装置との連動を選択的に切り離すク
   ラッチ機構と、 該クラッチ機構によって切り離された回頭手段を独立し
   て駆動させる電動回頭装置と、 を備えたことを特徴とする全方向移動ロボット。
2. 【請求項２】 垂直軸周りで回動可能に本体に取付けら
   れ、車輪のそれぞれを軸受する複数の操向ブロックに前
   記複数の車輪がそれぞれ格納され、 前記操向装置の操向操作力を各操向ブロックに伝達して
   各操向ブロックを共通に回動するように前記第１の伝達
   機構が装着されていることを特徴とする請求項１に記載
   の全方向移動ロボット。
3. 【請求項３】 前記電動駆動装置の回転動力を各操向ブ
   ロックの回動軸心と同軸に導いて各車輪に伝達する第２
   の伝達機構をさらに備えたことを特徴とする請求項２に
   記載の全方向移動ロボット。