JP3763249B2 - 全方向移動型台車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はユニバーサルホイールやボールホイールのような全方向駆動車輪を備えている全方向移動型台車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
全方向駆動車輪を備えた全方向移動型台車は各種のものが提案されており、たとえば特開平６−１７１５６２号公報にはボールホイールである全方向駆動車輪を備えたものが示されており、実公昭６３−３９１６４号公報にはユニバーサルホイール（オールサイドローラ）と称される全方向駆動車輪を備えたものが示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、全方向駆動車輪を備えた全方向移動型台車は、その全方向駆動車輪の特性から超信地旋回も可能な小回りが効くものとなっているが、この自由度の高さが真っ直ぐ進行させたいにもかかわらず横ずれしていったりする原因にもなっているほか、コーナーを曲がる時の動きが慣れ親しんだ操舵用の車輪を有している車の動きと異なることが問題となりやすい。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは全方向駆動車輪を備えたものにおいて高い直進安定性や良好な操縦性を得ることができる全方向移動型台車を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る全方向移動型台車は、駆動力を個別に付与することができる少なくとも３個の全方向駆動車輪と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された駆動力を上記駆動車輪の駆動源に発生させる制御部とを備えたものにおいて、上記制御部は、前後左右または旋回の少なくとも１つの方向で且つ抑制したい動きの方向について予め与えた位置目標に基づいて演算された補助駆動力と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された上記駆動力との合成力を駆動車輪の駆動源に発生させるものであることに特徴を有している。抑制したい方向の動きを抑制することができるために、ふらつきやずれなどを抑えた高い操安性を得ることができるものである。
【０００６】
この時、補助駆動力が台車の前後走行方向と直交する横方向についてのみ位置制御するための出力であると、直進安定性を高めることができ、補助駆動力が台車の前後走行方向及び旋回方向について位置制御するための出力であると、横移動を簡単且つ確実に行わせることができ、補助駆動力が台車の前後走行方向及びこれと直交する横方向について位置制御するための出力であると、その場旋回（超信地旋回）が簡単となる。
【０００７】
そして、制御部が補助駆動力による位置制御方向を駆動指示部からの指示状況に応じて切り換えるものであれば、どのような方向に動かす時にも高い操安性を得ることができる。
【０００８】
また、制御部が制御中心を後方側の全駆動車輪よりも後方に設定して駆動力を演算するものであると、直進安定性をさらに高めることができ、制御部が制御中心を台車のほぼ中央に設定して駆動力を演算するものであると、回転・旋回性が向上し、制御部が制御中心を台車に設けた操作部付近に設定して駆動力を演算するものであると、横移動や斜め移動での操作性が向上する。
【０００９】
さらに本発明は、駆動力を個別に付与することができる少なくとも３個の全方向駆動車輪と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された駆動力を上記駆動車輪の駆動源に発生させる制御部とを備えたものにおいて、制御部が駆動力演算のための制御中心の位置設定を可変としていることに他の特徴を有している。走行方向や状況によって制御中心を変えることで、安定した走行を行わせることができる。
【００１０】
特に走行状況や駆動指示部からの指示状況に応じて制御中心の位置設定を変更するものであると、常に高い操作性及び操安性を得ることができるものとなる。
【００１１】
駆動方向指示部が台車の操作部に加えられた操作力に応じた出力を出すものであってもよく、この場合にも操安性を高めることができる。
【００１２】
また、台車が配膳車である時には、操作性及び操安性に優れた配膳車を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２に示すように、この台車１は前端側の左右方向中央に全方向駆動車輪２ａを、後端側の左右に全方向駆動車輪２ｂ，２ｃを備え、さらに前端面に操作ハンドル４を備えたものとなっており、操作ハンドル４にはオンオフ用のスイッチＳＷと駆動方向指示を与えるためのジョイスティックＪとが設けられている。このジョイスティックＪは、図４に示すように３軸タイプのもので、操作された方向と量に応じた操作量ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｊθを出力する。
【００１４】
上記全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃにはボールホイールやユニバーサルホイール等、任意の形式のものを用いることができるが、ここでは図３に示すユニバーサルホイール型のものを用いている。このユニバーサルホイール型全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃは、中央車軸２０を備えたフレーム２１の外周部に中央車軸２０の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレル２２を配したもので、各バレル２２の支持軸を含む縦断面の外形が中央車軸２０を中心とする円弧を形成していることから、該全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃは、中央車軸２０を中心とする回転と、各バレル２２の夫々の軸回りの回転とによって、全方向移動が可能となっている。なお、複数個のバレル２２は２列で設けているとともに、両列においてバレル２２の中央車軸２０の軸回りにおける位置を半ピッチずらすことで、いずれかのバレル２２が常に接地する状態を得られるようにしている。
【００１５】
そして、上記３つの全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃは、各中央車軸２０に夫々モータ２５が連結されて該モータ２５によって中央車軸２０の回りの駆動力を受けることができるものとなっており、また、台車１の前端側の中央に配した全方向駆動車輪２ａはその中央車軸２０が前後方向となるように台車１に取り付けられ、後端左右に配した２つの全方向駆動車輪２ｂ，２ｃは、その中央車軸２０，２０の軸方向延長線が台車１の中央寄りの部分で交差するように前後方向から左右に振った状態で台車１に取り付けられて、台車の左右方向中央で後端寄りの部分Ｏで３つの車軸が交わるようにされている。図２中の黒塗り矢印は各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの駆動回転方向を、白抜き矢印は各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの自由回転方向を示している。また、これら全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃにはその回転速度を検出する速度検出手段（図示せず）を設けてある。
【００１６】
そして、上記３つの全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの個別駆動制御を行う制御部は、上記ジョイスティックＪに与えられた操作量ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｊθに応じて、各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃに配分すべき駆動力を演算して各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃを駆動するのであるが、この時、図１に示すように、操作量ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｊθからいったん台車１の速度Ｖ１（ベクトル）を算出して、ここから各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの速度を演算し、さらに各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃ毎に速度のフィードバックをかけたＰＩＤ制御により、各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃのトルク制御を行っていると同時に、予め設定した方向（たとえば横（ｙ）方向）の動きを抑制するために、図５にも示すように、全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの速度から台車１の速度（ベクトル）を算出し、この値の積分で台車１の位置（動作方向上方）と抑制したい方向の位置目標（たとえばｙ位置目標＝０）との偏差を求め、この偏差のＰＩＤ制御出力である速度Ｖ２と前記操作量ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｊθから求めた台車速度指令Ｖ１との和から上記各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃ毎の速度指令値を求めるものとしている。
【００１７】
図６は抑制したい方向の位置目標をｙ位置目標＝０としている場合を示しており、図７は抑制したい方向の位置目標をｘ，ψ位置目標＝０としている場合を示しており、さらに図８は抑制したい方向の位置目標をｘ，ｙ位置目標＝０としている場合を示している。この抑制したい方向の位置目標は固定したものであってもよいが、操作量ｆｊｘ，ｆｊｙ，ｆｊθの各成分の値に応じて自動で切り換えられるようにしておいてもよい。いずれにしても、ｙ位置目標＝０としている時には、ｙ方向（横方向）の動きが抑制されることになるために、直進走行安定性が向上するものであり、ｘ，ψ位置目標＝０としている時には、操作ハンドル４が台車１の前端にあるものの、横方向走行（かに歩き）させる時に振れたりすることがなくなるものであり、さらにｘ，ｙ位置目標＝０としている時には、図２に示す制御中心ＣＣ（通常は台車１の重心位置Ｇと一致させる）を中心とした超信地旋回が容易となる。
【００１８】
このような制御は、駆動方向指示部が操作ハンドル４に加えられた操作力を検出して該操作力に基づいて駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの駆動制御を行う場合にも適用することができる。この場合、操作ハンドル４に加えられた前後方向の力（推進力）Ｆｈｘと左右方向の力（横移動力）ＦｈｙとモーメントＦｈψを検出することができるようにしておく。図９は上記の操作力Ｆｈｘ、Ｆｈｙ、Ｆｈψを検出することができる操作ハンドル４の構成の一例を示しており、台車１の前端面にばね４１，４１に抗して左右方向にスライド自在となっているベース４０に操作ハンドル４の両端を夫々板ばね４２，４２を介して連結したもので、操作ハンドル４はベース４０に対して板ばね４２を撓ませることで前後に可動となっている。そして、ここではベース４０に設けた被検知部４４に非接触式距離センサー４５を対向させて、左右方向の力を操作ハンドル４に加えた時のばね４１に抗したベース４０の左右方向の移動量ｄｃを検知し、さらに各板ばね４２に非接触式距離センサー４６，４６を対向させて各板ばね４２、４２の撓み量ｄｌ、ｄｒを検知し、これら非接触式距離センサー４５，４６，４６の出力から、操作力Ｆｈｘ、Ｆｈｙ、Ｆｈψを求めている。
【００１９】
これらの力は、台車１の重心Ｇ位置では図１０に示すようにＦｇｘ，Ｆｇｙ，Ｆｇψとして働くが、前後左右方向（ｘ，ｙ方向）については重心Ｇにそのまま作用するために
Ｆｈｘ＝ｆｇｘ Ｆｈｙ＝ｆｇｙ
となる。一方、モーメントｆｇψについては操作ハンドル４に働いたモーメントＦｈψと、操作ハンドル４に働いたｙ方向の力Ｆｈｙによって作用するモーメントとの和となるために、重心Ｇ（制御中心ＣＣ）から操作ハンドル４までの距離をＬｈとすると、
ｆｇψ＝Ｆｈψ＋Ｌｈ・Ｆｈｙ
となる。
【００２０】
このようにして求めた力ｆｇｘ，ｆｇｙ，ｆｇψに各方向についてのアシストゲインｋｘ，ｋｙ，ｋψを夫々乗じた値を基に台車速度Ｖ１を演算し、図１１に示すように、台車１の位置と位置目標（たとえばｙ位置目標＝０）との偏差から求めた速度Ｖ２との和から各全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃ毎の駆動速度を演算して駆動制御を行う。
【００２１】
ところで、上記の制御に際しての制御中心ＣＣは前述のように通常は台車１の重心Ｇに一致させておくが、この制御中心ＣＣは図１２に示すように変更できるようにしておくとよい。この変更は、図１３及び図１４に示すように、操作ハンドル４に設けたスイッチＳのオンオフで操作ハンドル４から制御中心までの前記距離Ｌｈの値を変更することで行ったり、あるいは図１５に示すように、走行状況に応じて自動で切り換えられるようにしてもよい。
【００２２】
走行状況に応じて切り換える場合、直進（前進）時には後端側の全方向駆動車輪２ｂ，２ｃよりもさらに後方に制御中心ＣＣを設定することで、直進安定性がさらに向上することになる。また、コーナリング時や旋回時には、台車１のほぼ中央（重心Ｇ付近）に制御中心ＣＣを設定することで、回転及び旋回性が向上することになり、さらに横方向（ｙ方向）移動時や斜め移動時には、操作ハンドル４の付近に制御中心ＣＣを設定することで、これらの移動時の操作性が向上する。
【００２３】
表１はこの走行状況に応じた制御中心ＣＣの自動切換と、前述の抑制したい方向の位置目標（表中では位置補正力で代替している）の自動切換とを共に適用させる場合の一例である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
なお、制御中心ＣＣを変更することは、前後左右や旋回についての抑制したい方向の位置目標に基づいて演算された補助駆動力を利用しない場合（位置補正力無し）においても、操作性や走行安定性の向上に大きく寄与する。この場合においても、走行状況に応じて切り換えるのであれば、直進（前進）時には後端側の全方向駆動車輪２ｂ，２ｃよりもさらに後方に制御中心ＣＣを設定し、コーナリング時や旋回時には、台車１のほぼ中央（重心Ｇ付近）に制御中心ＣＣを設定し、さらに横方向（ｙ方向）移動時や斜め移動時には、操作ハンドル４の付近に制御中心ＣＣを設定することが好ましい。また、駆動方向指示部が操作ハンドル４に加えられた操作力を検出するものであり、該操作力に基づいて駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの駆動制御を行う場合にも適用することができるのはもちろんである。
【００２６】
ところで、全方向駆動車輪２ａ，２ｂ，２ｃの駆動制御について、そのモータ２５の制御をトルク制御で行うのがパワーアシスト制御への適用としては最適であるが、速度制御としてもよく、この場合、坂道等の走行時のように負荷変動が大きい場合でも同じ速度となって操作感が一定となるために操作しやすいものを得ることができ、加速度制御とした場合には、摩擦を意識しなくてもよいものとなるために、負荷変動が大きい場合でも操作感が一定となるほか、トルク制御時と同様の自然な操作感を得ることができる。
【００２７】
また、上記台車１は、病院などでの配膳に使用する配膳車に好適に適用することができる。温冷機能を備えた最近の多機能型配膳車は重量がある上に、運行場所が身体的弱者が多い病院という場所であるために、小回りが効くと同時に操安性に優れた動力駆動型のものが求められるが、この要求を満足させることができる。
【００２８】
なお、以上の説明において、台車１の前後が入れ代わったもの、つまり操作ハンドル４が台車１の後端面にあって押すことで台車１を動かすものにも適用することができるのはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明は、駆動力を個別に付与することができる少なくとも３個の全方向駆動車輪と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された駆動力を上記駆動車輪の駆動源に発生させる制御部とを備えた全方向移動型台車において、上記制御部は、前後左右または旋回の少なくとも１つの方向で且つ抑制したい動きの方向について予め与えた位置目標に基づいて補助駆動力と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された上記駆動力との合成力を駆動車輪の駆動源に発生させるものであるために、全方向駆動が可能な駆動車輪を備えたものであるにもかかわらず、抑制したい方向の動きを抑制することができるものであり、小回りが効きつつも、ふらつきやずれなどを抑えた高い操安性を有するものを得ることができる。
【００３０】
この時、補助駆動力が台車の前後走行方向と直交する横方向についてのみ位置制御するための出力であると、直進安定性を高めることができ、補助駆動力が台車の前後走行方向及び旋回方向について位置制御するための出力であると、横移動を簡単且つ確実に行わせることができ、補助駆動力が台車の前後走行方向及びこれと直交する横方向について位置制御するための出力であると、その場旋回（超信地旋回）が簡単となる。
【００３１】
そして、制御部が補助駆動力による位置制御方向を駆動指示部からの指示状況に応じて切り換えるものであると、どのような方向に動かす時にも不要な方向の動きを抑制することができるために、高い操安性を得ることができる。
【００３２】
また、制御部が制御中心を後方側の全駆動車輪よりも後方に設定して駆動力を演算するものであると、直進安定性をさらに高めることができ、制御部が制御中心を台車のほぼ中央に設定して駆動力を演算するものであると、回転・旋回性が向上し、制御部が制御中心を台車に設けた操作部付近に設定して駆動力を演算するものであると、横移動や斜め移動での操作性が向上する。
【００３３】
そして、制御部における駆動力演算のための制御中心の位置設定を可変としたものでは、現在の走行方向や走行状況における走行安定性を高めることができるとともに操作性も向上させることができるものであり、特に走行状況や駆動指示部からの指示状況に応じて制御中心の位置設定を変更するものであれば、高い操作性及び操安性を常時得ることができるものとなる。
【００３４】
駆動方向指示部が台車の操作部に加えられた操作力に応じた出力を出すものにおいても適用することができるとともに、この場合にも操安性を高めることができる。
【００３５】
そして、台車が配膳車である時には、操作性及び操安性に優れた配膳車を得ることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック回路図である。
【図２】同上の概略平面図である。
【図３】同上の全方向駆動車輪を示すもので、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【図４】同上の駆動方向指示部の一例を示す斜視図である
【図５】同上の動作のフローチャートである。
【図６】同上の一具体例のブロック回路図である。
【図７】同上の他の具体例のブロック回路図である。
【図８】同上のさらに他の具体例のブロック回路図である。
【図９】他例における操作ハンドル部分の概略平面図である。
【図１０】同上の動作説明のための概略平面図である。
【図１１】同上のブロック回路図である。
【図１２】他例のフローチャートである。
【図１３】別の例の概略平面図である。
【図１４】同上のフローチャートである。
【図１５】さらに別の例のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 台車
２ａ，２ｂ，２ｃ 全方向駆動車輪
４ 操作ハンドル

Claims (13)

1. 駆動力を個別に付与することができる少なくとも３個の全方向駆動車輪と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された駆動力を上記駆動車輪の駆動源に発生させる制御部とを備えた全方向移動型台車において、上記制御部は、前後左右または旋回の少なくとも１つの方向で且つ抑制したい動きの方向について予め与えた位置目標に基づいて演算された補助駆動力と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された上記駆動力との合成力を駆動車輪の駆動源に発生させるものであることを特徴とする全方向移動型台車。
2. 補助駆動力は、台車の前後走行方向と直交する横方向についてのみ位置制御するための出力であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動型台車。
3. 補助駆動力は、台車の前後走行方向及び旋回方向について位置制御するための出力であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動型台車。
4. 補助駆動力は、台車の前後走行方向及びこれと直交する横方向について位置制御するための出力であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動型台車。
5. 制御部は、補助駆動力による位置制御方向を駆動指示部からの指示状況に応じて切り換えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
6. 制御部は、制御中心を後方側の全駆動車輪よりも後方に設定して駆動力を演算するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
7. 制御部は、制御中心を台車のほぼ中央に設定して駆動力を演算するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
8. 制御部は、制御中心を台車に設けた操作部付近に設定して駆動力を演算するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
9. 駆動力を個別に付与することができる少なくとも３個の全方向駆動車輪と、駆動方向指示部からの指示に基づいて演算された駆動力を上記駆動車輪の駆動源に発生させる制御部とを備えた全方向移動型台車において、上記制御部は、駆動力演算のための制御中心の位置設定を可変としていることを特徴とする全方向移動型台車。
10. 制御部は、走行状況に応じて制御中心の位置設定を変更するものであることを特徴とする請求項９記載の全方向移動型台車。
11. 制御部は、駆動指示部からの指示状況に応じて制御中心の位置設定を変更するものであることを特徴とする請求項９記載の全方向移動型台車。
12. 駆動方向指示部は台車の操作部に加えられた操作力に応じた出力を出すものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
13. 台車が配膳車であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。

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