JP3741432B2

JP3741432B2 - 全方向車輪および移動車両

Info

Publication number: JP3741432B2
Application number: JP2003123917A
Authority: JP
Inventors: 茂男廣瀬; 理一郎駄本
Original assignee: 財団法人理工学振興会
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2003326912A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全方向車輪および移動車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自在キャスターは地面に平行な車輪の車軸と地面に垂直なキャスターの支持軸とが交わらない位置にあったため、キャスターの支持軸まわりの旋回運動により生ずる車輪の接地点からの力により、キャスターを取り付けた荷重物の運動が予測の困難な方向へずれてしまうという問題が生じた。この問題を解決するために開発された従来の全方向車輪は、図１のように大型の車輪２の周りに放射状に小さい車輪１やフリーローラーを配置したものがある（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】
H.Asama,et al.:Development of an Omni-Directional Mobile Robot with 3 DOF Decoupling Drive Mechanism, Proc. IEEE Int. Conf. on Robitcs and Automation, pp.1925-1930, 1995
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の全方向車輪では、全方向車輪を荷重物の下に取り付けて移動させる場合、全方向車輪の大きさのために系の重心が高くなってしまい、荷重物の運動が不安定になり、また、車両に荷重物を搭載する際に高く持ち上げねばならないという問題を生ずる。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、キャスターを取り付けられた荷重物本体の運動の軌道が、キャスターの旋回で発生する接地点からの反力で歪むのを阻止することができるキャスターを提供することを目的とする。
さらに、本発明は車輪の大きさのために系の重心が高くなってしまい、荷重物の運動が不安定になるのを阻止することができる車輪を提供することを目的とする。
またさらに、本発明は台車にこの全方向車輪を取り付けた場合、その台車に荷重物を搭載する時に高く持ち上げる必要が無くなる全方向車輪を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、まず考えられる方法として、図２のように、大型の車輪２の周りに放射状に小さい車輪１やフリーローラーを配置したものを地面４に対して傾かせたものが考えられる。しかし、この車輪では、図３のように２つの小車輪１が進行方向５に向かって角度をなして接地している時に、２つの小車輪１に働く接地点からの摩擦力の、車体の進行方向と反対の方向の成分６で荷重物の運動が妨げられるというくさび効果の問題が生じる。そのため、図４のように、第１の回転フレーム９と第２の回転フレーム１０を、それらの回転軸を距離ｘだけ偏心させて固定し、その間に複数個の車輪１の支持軸７を自在に回転するようになるように取り付けることによって平行リンク機構を構成し、常に車輪の向きを一定に保つことが有効であると考えられる。これは、図５のように、第１の回転フレーム９と第２の回転フレーム１０を上下にずらして固定し、図６のように、第２の回転フレーム１０の穴に車輪の第２の支持軸８を挿入することによって、実現される。これが１番目の発明の原理である。
【０００６】
また、本発明の車輪の機構全体を支持する基盤１２は、１個または複数個の車輪１とフレーム１１とから構成される複数のキャスターがなす平面を走行床面４に対して傾かせるものである。
【０００７】
本発明の基盤１２によれば、１個または複数個の車輪１とフレーム１１とから構成される複数のキャスターがなす平面を走行床面４に対して傾かせることにより、機構全体が一つの車輪として機能することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
１番目の発明では、図７のように、１個または複数個の車輪１を自在に回転するように支持し、また第１の支持軸７と、第１の支持軸に平行で第１の支持軸から距離ｘの位置に第１の支持軸に接続するように設けられた第２の支持軸８とを有するキャスター２９と、
第１の回転フレーム９と、
第２の回転フレーム１０と、
そして基盤１２とから構成され、
第１の回転フレーム９は基盤１２に対して自在に回転するように支持され、その第１の回転フレーム９上には第１の回転フレーム９の回転軸から一定の距離となる円周上に、キャスター２９の第１の支持軸７が、第１の回転フレーム９の回転軸と平行でかつ第１の回転フレーム９に対して自在に回転するように複数個円周上に取り付け、
第２の回転フレーム１０は、その回転軸が第１の回転フレーム９の回転軸と平行で一定の距離ｘ離れた基盤１２上の位置に設けられ、その第２の回転フレーム１０上には、第１の回転フレーム９にキャスター２９の第１の支持軸７を取り付けたのと同じ半径の円周上の同じ位置に、キャスター２９のフレーム１１の第２の支持軸８を自在に回転するように取り付け、
これらの複数キャスターが、それらの複数キャスターの車軸が構成する平面を走行床面４に対して傾かせて接地するように車両に対して支持するようにしている。
【０００９】
図７を参照すると、１はフレーム１１により自在に回転するように支持されたキャスター２９の車輪を示しており、キャスター２９の第１の支持軸７は第１の回転フレーム９に自在に回転するように取り付けられている。フレーム１１の第２の支持軸８は第２の回転フレーム１０に対して自在に回転するように取り付けられている。また、第２の回転フレーム１０の回転軸は自在に回転するように基盤１２に支持されている。
【００１０】
図７に示される実施例では、フレーム１１の第２の支持軸８が第２の回転フレーム１０に自在に回転するように取り付けられている。第１の回転フレーム９の回転軸と第２の回転フレーム１０の回転軸との距離はキャスター２９の第１の支持軸７と第２の支持軸８との距離と同じ大きさｘにしてあるため、第２の支持軸８を第２の回転フレーム１０に自在に回転するように取り付けることで、キャスター２９の車輪１は常に同じ方向を向いている。また、第２の回転フレーム１０の回転軸を傾斜角のある基盤１２に固着することで、全方向車輪全体の機構は走行床４に対して斜めに接地している。
【００１１】
このように全方向車輪全体の機構を走行床面４に対して斜めに接地させることで、全方向車輪の先端の車輪１のみが接地するため、全方向車輪は図７（Ａ）の矢印２３の方向に滑らかに回転する。このことにより、キャスター車輪１の車軸方向に摩擦力の成分が存在した場合に、それによって全方向車輪を取り付けられた荷重物本体の運動の軌道が歪むのを阻止することができる。さらに、従来の自在キャスターを使用した場合とほぼ同じ高さに荷重物の高さを保てるため、全方向車輪を荷重物の下に取り付けて移動させる場合、全方向車輪の大きさのために系の重心が高くなってしまい、荷重物の運動が不安定になるのを阻止することができる。また、台車にこの全方向車輪を取り付けた場合、その台車に荷重物を搭載する時に高く持ち上げる必要が無くなる。
【００１２】
また、全方向車輪における第１あるいは第２の回転フレーム自身を板ばねやピアノ線で構成することにより弾性を持たせるか、または第１あるいは第２の回転フレームにばねを取り付けることにより、図８のように、キャスターが１輪のみ、全体の機構の先端にある状態と、２輪のキャスターが全体の機構の先端にある状態とにおいて、接地した後の車輪の鉛直方向における位置の差をばねのたわみのために小さくすることができる。このことについて具体的に説明する。まず、車体を支持する全方向車輪の数をｎとする。キャスターが１輪のみ、全体の機構の先端にある場合には、キャスターと、車体の底面との距離は図８の１３のように大きくなるが、この場合は車体の重量の１／ｎを１つのキャスターで支持することになるので、図８の１７に示すようにキャスターに取り付けられたばねのたわみも同じく大きくなる。次に、２輪のキャスターが全体の機構の先端にある場合には、キャスターと、車体の底面との距離は図８の１４のように小さくなるが、この場合は車体の重量の１／２ｎを１つのキャスターで支持することになるので、図８の１７に示すようにキャスターに取り付けられたばねのたわみも同じく小さくなる。従って、キャスターの車体の底面からの距離の差がばねのたわみで緩和されることになり、これによってキャスターの接地を連続的かつなめらかにすることができる。これは図７に示すような、モーター等の動力が付いておらず、地面からの摩擦力によって回転する受動型の全方向車輪の場合にも、後述する図９に示すような能動型の全方向車輪の場合にも応用が可能である。
【００１３】
全方向車輪において、下部にある第１のフレームの回転軸、上部にある第２のフレームの回転軸、あるいは第１と第２のフレームの回転軸両者を能動的に回転し、床面に対して一方向には能動的な推進力を生成し、それと直交する方向には自在回転運動性能を生成する、能動型の全方向車輪を構成することができる。これは、例えば、図９に示すように、第２の回転フレームを平歯車にし、それをギヤボックス２０とモーター１９で駆動することにより、図９（Ｄ）の矢印２２の方向に能動的な推進力を発生させることが可能となる。
【００１４】
移動台車を、図１０に示すように、３台以上の、上記のような能動型で自在性のある全方向車輪で支持することにより、台車が方向転換のために場所と時間を必要とすることなく全方向に能動的に移動することが可能になる。仮に４台の能動型全方向車輪を放射状に配置して台車を支持したとすると、その制御法の一例は以下に示すようになる。まず、図１１に示すように（ｘ，ｙ）座標系をとる。ｒ０は台車の中心から各車輪の接地点までの距離、ｖｉ（ｉ＝１〜４）は各全方向車輪の速度、ωは台車への中心まわりの回転角速度の指令値、（ｖｘ，ｖｙ）は台車への並進の速度指令値を示す。これらの値を用いて図１２に示す計算を行い、台車への速度の指令値（ｖｘ，ｖｙ，ω）から各全方向車輪の速度ｖｉ（ｉ＝１〜４）を算出して、各全方向車輪をその速度で回転させる。そのときの制御の手順は、図１３に示すブロック図のように、まず、ジョイスティックやパソコンなどから速度指令値を入力し、回路やコンピューターで図１２の式で示される速度の計算を行い、その結果を電流値として増幅器に伝え、増幅器よりモーターを駆動するための電流を発生してモーターを動かすことにより、全方向車輪を回転させる、というものになる。また、３台以上の、図７に示すような受動型で自在性のある全方向車輪で台車を支持した場合にも、台車が方向転換のために場所と時間を必要とすることなく全方向に能動的に移動することが可能になる。このときは台車を人間の手で移動させることが必要になる。
【００１５】
全方向車輪に使用するキャスターの数は、滑らかなかつ連続的な接地を可能とするために、最低限４つは存在することが望ましい。また、キャスターの数の上限は原理的には存在しない。
【００１６】
接地するキャスターは、図１４のように全方向車輪全体の接地部分２４の先端方向２５を前とした場合、原理的には全方向車輪全体の前半分に存在していればよい。ただ、広範囲にわたってキャスターが接地した場合には、全方向車輪全体の接地部分の後部に位置する車輪２６が車体に対して充分に大きな速度で移動することができず、むしろ相対的には減速効果を車体にもたらしてしまうため、接地するキャスターは図１５のように車輪機構全体の接地部分２４の中心から左右に３０°程度の範囲に位置していることが望ましい。
【００１７】
各キャスターは、効率を上げるためには全方向車輪全体の最大傾斜線方向を向いていることが望ましいが、原理的には多少の傾きは問題ない。
【００１８】
３台以上の、能動型で自在性のある全方向車輪を使用することにより、全方向に能動的に移動できるフォークリフトの移動台座や、工場・病院・倉庫内の搬送車が作成できる。また、３台以上の、図７に示すような受動型で自在性のある全方向車輪を使用することにより、全方向台車を作成できる。
【００１９】
また、本発明は上述の実施の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００２０】
【発明の効果】
キャスターを取り付けられた荷重物本体の運動の軌道が、キャスターの旋回で発生する接地点からの反力で歪むのを阻止することができる。また、車輪の大きさのために系の重心が高くなってしまい、荷重物の運動が不安定になるのを阻止することができる。また、台車にこの全方向車輪を取り付けた場合、その台車に荷重物を搭載する時に高く持ち上げる必要が無くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】大型の車輪の周りに放射状に小さい車輪を配置した全方向車輪の従来の例を示す。
【図２】大型の車輪の周りに放射状に小さい車輪やフリーローラーを配置したものを走行床面に対して傾かせた車輪を示す。
【図３】図２の車輪を構成する２つの小車輪が進行方向に向かって角度をなして接地している状態を示す。矢印は進行方向である。
【図４】２つの回転フレームを、それらの回転軸を偏心させて固定し、その間に複数個の車輪の支持軸を自在に回転するようになるように取り付けたものの概念図を示す。
【図５】２つの回転フレームを上下にずらして固定し、第２の回転フレームの穴に車輪の第２の支持軸を挿入したものの断面図を示す。
【図６】第２の回転フレームの穴に車輪の第２の支持軸を挿入した状態の拡大図を示す。
【図７】全方向車輪の全体図であり、（Ａ）は全方向車輪の平面図、（Ｂ）は全方向車輪の正面図、（Ｃ）は全方向車輪の側面図、（Ｄ）は全方向車輪の下面図、（Ｅ）は全方向車輪の斜視図を示す。
【図８】キャスターが１輪のみ、全体の機構の先端にある状態と、２輪のキャスターが全体の機構の先端にある状態とを比較し、接地した後の車輪の鉛直方向における位置の差がばねのたわみのために小さくなることを示す。
【図９】モーターによって駆動され、駆動車輪としての推力をキャスターの車軸方向に発生することのできる全方向車輪の全体図であり、（Ａ）は全方向車輪の平面図、（Ｂ）は全方向車輪の正面図、（Ｃ）は全方向車輪の側面図、（Ｄ）は全方向車輪の下面図、（Ｅ）は全方向車輪の斜視図を示す。
【図１０】モーターによって駆動される全方向車輪複数個によって支持され、全方向に移動できる台車の全体図であり、（Ａ）は台車の平面図、（Ｂ）は全方向車輪の側面図を示す。
【図１１】（ｘ，ｙ）座標系において、４個の全方向車輪を取り付けられた台車を制御するときの手法を示す。ｒ０は台車の中心から各車輪の接地点までの距離、ｖｉ（ｉ＝１〜４）は各全方向車輪の速度、ωは台車への中心まわりの回転角速度の指令値、（ｖｘ，ｖｙ）は台車への並進の速度指令値を示す。
【図１２】各全方向車輪の速度ｖｉ（ｉ＝１〜４）と、台車への速度の指令値（ｖｘ，ｖｙ，ω）との関係式を示す。
【図１３】モーターによって駆動される全方向車輪複数個によって支持され、全方向に移動できる台車の制御ブロック図を示す。「速度の計算」のブロックでは、図１２の式で示される計算を行っている。
【図１４】全方向車輪全体において、前半分にあるキャスターが接地する全方向車輪の見取り図を示す。
【図１５】全方向車輪全体において、車輪機構全体の接地部分の中心から左右に３０°の範囲に位置しているキャスターが接地する全方向車輪の見取り図を示す。
【符号の説明】
１・・・車輪
２・・・大型の車輪の本体
３・・・車体
４・・・地面（走行床面）
５・・・車体の進行方向
６・・・車輪に働く摩擦力の、車体の進行方向と反対の方向の成分
７・・・第１の支持軸
８・・・第２の支持軸
９・・・第１の回転フレーム
１０・・・第２の回転フレーム
１１・・・フレーム
１２・・・基盤
１３・・・キャスターが１輪のみ、全体の機構の先端にある状態
１４・・・２輪のキャスターが全体の機構の先端にある状態
１５・・・ばね
１６・・・接地する前の車輪の状態
１７・・・接地した後の車輪の状態
１８・・・平歯車を用いた第２のフレーム
１９・・・モーター
２０・・・ギヤボックス
２１・・・モーター用のアンプ回路
２２・・・車輪機構全体が発生する推進力の方向
２３・・・車輪機構全体の回転の方向
２４・・・接地部分
２５・・・接地部分の先端方向
２６・・・全方向車輪全体の接地部分の後部に位置する車輪
２７・・・車輪機構全体が発生する推進力の方向の、各キャスターの速度成分
２８・・・全方向車輪機構全体の回転方向の、各キャスターの速度
２９・・・キャスター

Claims

回転軸まわりに公転可能な車輪を複数個有し、
上記複数個の車輪のうち、一部の車輪が接地し、
上記一部の車輪が２個以上であるときは、上記一部の車輪の車軸が互いに平行であり、
上記回転軸が、接地平面の垂線に対して傾いている全方向車輪。
回転軸まわりに公転可能な車輪を複数個有する全方向車輪が取り付けられ、
上記複数個の車輪のうち、一部の車輪が接地し、
上記一部の車輪が２個以上であるときは、上記一部の車輪の車軸が互いに平行であり、
上記回転軸が、接地平面の垂線に対して傾いている移動車両。