JP3791656B2 - 全方向移動車両とその操舵角の測定方法並びにその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両本体の方向を変えることなく任意の方向へ移動することが可能であるとともに、そのままの位置で旋回することができる全方向移動車両とその操舵角の測定方法並びにその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、全方向移動車両としては、特開昭６１−２１８４３２号公報に記載のものや、特開平９−１６４９６８号公報に記載のものが知られている。前者は同一軸上にある２個の駆動輪からなる駆動ユニットを垂直軸まわりで旋回自在に車両本体に支持し、車両本体に設けた旋回伝達機構と旋回モータにより回転駆動することで駆動ユニットの走行方向を変更することにより、全方向移動を行うものである。
【０００３】
後者は、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動する２つのアクチュエータと、両駆動輪の車軸を支持する操舵軸と、車両本体に形成されて、両駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で操舵軸を垂直軸まわりの回動を自在にして支持する軸受け部と、により構成される駆動ユニット、および操舵軸を回転駆動するアクチュエータとにより構成され、２つのアクチュエータの協調動作により、操舵軸に水平面内のあらゆる方向への速度を発生させることにより全方向移動を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の全方向移動車両はいずれも、全方向に移動するためには下記のような問題があった。まず、駆動ユニットと車両本体との相対角度つまり操舵角を常に知る必要があり、このためには絶対値エンコーダやポテンショメータ、あるいは積算型エンコーダと原点センサとの併用のシステムなど、高価または複雑な装置を使用する必要があった。さらに、この操舵角の検出値を用いて、操作者が要求する車両速度を制御演算部にて三角関数を用いた計算により分解することにより、２つの車輪の駆動速度を実時間で求める必要があるため、計算能力に優れた演算器を使用する必要があった。
【０００５】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、この発明の課題は、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能とすることにより、機構的な簡易化および低コスト化を図り、さらに、制御演算部における演算を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化を図った全方向移動車両ならびにその操舵角および駆動角速度の測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の問題を解決するために、請求項１の発明においては、台車に軸支された複数の駆動輪を有し、鉛直軸のまわりを回転自在に車両本体に支持された駆動ユニットと、操縦装置としての２軸ジョイスティックとを備え、駆動ユニットを車両本体に対して回転させることにより任意の方向に移動する全方向移動車両であって、前記ジョイスティックは、その並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、かつ前記車両本体上部から操作可能に配設されてなるものとする。
【０００７】
ジョイスティックが駆動ユニットと同期回転し車両本体も一体となって駆動されることにより、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能にすることができる。
【０００８】
また、請求項２の発明によれば、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するリンク機構を備えてなるものとする。これにより、操作部の設置自由度が向上する。
【０００９】
請求項３の発明によれば、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するワイヤ遠隔伝達手段とからなるものとし、さらに、請求項４の発明によれば、前記ワイヤ遠隔伝達手段は、操作部の操作レバーの動きに応じて回転自在に配設された半円リングと、この半円リングの動きに応じて回転するプーリーと、このプーリーに巻回して操作レバーの動きをジョイスティックの並進動作指令読み取り部側に伝達するワイヤーと、このワイヤーの動きに応じて回転するジョイスティック側に設けられたプーリーおよび半円リングとからなり、この半円リングの動きをジョイスティックのスティック部に伝達するように構成してなるものとする。上記構成により、操作部の設置自由度と操作性がさらに向上する。
【００１０】
請求項５の発明によれば、前記ジョイスティックは、車両本体上面部に配設された電気的指令信号発生装置からなる操作部を有するとともに、この操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、前記電気的指令信号により前記操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するようにしてなるものとする。さらに、請求項６の発明によれば、前記電気的指令信号発生装置は、回転式ポテンショメータの抵抗器に電圧が印加されてなる装置であり、前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するための装置は、前記電気的指令信号発生装置の出力電圧の指令値に基づき電極板の電位差によって変位する投光器と、この投光器の光を受光する受いして光器とを備え、受光強度に応じた出力信号によって前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するようにしてなるものとする。この構成によれば、操作装置の操作部が電気信号で駆動可能となるので、前記設置自由度や操作性の向上に加え、車両に搭乗している人間による操縦のみでなく、通信を用いた遠隔操縦や、自動操縦、または、地上制御装置によるナビゲーション制御などの用途にも適用が可能となる。
【００１１】
請求項７の発明によれば、ジョイスティックの操作部が、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置を備えたものとする。この構成によれば、操作棒は通常の３軸ジョイスティックと同じ構成になるので、操縦者は通常の操作と同じ要領にて全方向移動車両を操縦することが可能であり、習熟に要する時間を短縮することができる。
【００１２】
請求項８の発明によれば、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置は、並進操作装置と分離して車両本体の上部に設けるものとする。この構成によれば、操作棒をひねる動作が困難な操縦者にも、全方向移動車両が操作可能となる。これは、障害者を対象とした車椅子などの操縦装置に有効である。
【００１３】
請求項９ないし１０の発明は、請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、請求項９の発明においては、車両のシステム初期化時に、操作部があらかじめ決められた特定の方向への並進動作の擬似の指令値を出力し、この出力を並進動作指令読み込み部に読み込ませることにより、駆動ユニットと車両本体の相対角度の初期角度を検出することとする。この方法によれば、車両本体と駆動ユニットとの相対角度の初期値を基準として、旋回軸に設置された例えばエンコーダのような角度測定器や、タコジェネレータのような速度計測器からの情報により相対角度データの更新を行なうことで、逐次、相対角度を推定することができる。さらに、デッドレコニング法として知られるアルゴリズムを適用し、車両の位置、姿勢を逐次推定することで、ナビゲーション走行を行なうことが可能である。
【００１４】
請求項１０の発明は、請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、この全方向移動車両は、操作部および並進動作指令読み込み部の両方の情報を得ることができる１つの制御装置、あるいは、通信により情報交換ができる複数の制御装置を備え、操作部から出力した車両並進動作指令と、並進指令読み込み部から取り込まれた車両並進動作指令を比較し、それらの方向の角度差から駆動ユニットと車両本体の相対角度を検出することとする。
【００１５】
この方法によれば、車両本体と駆動ユニットの相対角度を常に測定することができるのでで、積算型の計算のように、誤差が累積することがない。これにより車両の位置、姿勢推定の精度を向上させることができる。
【００１６】
請求項１１の発明は、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動するアクチュエータと、前記台車上に配設された操舵軸と、前記一対の駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で、前記操舵軸の垂直軸心まわりの旋回を自在にして車両本体に連結された駆動ユニットと、さらに、この駆動ユニットに配設された前記操舵軸の回転駆動用のアクチュエータと、２軸ジョイスティックとを備えた全方向移動車両であって、前記ジョイスティックはその並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、ジョイスティックの中心軸を前記操舵軸の旋回軸心と一致させ、かつ車両本体部から操作可能に前記駆動ユニットの台車上に配設されてなるものとする。
【００１７】
上記の構成によれば、操舵角を検出するセンサが不要であるのは勿論のこと、伝達機構部品等を介在させずにジョイスティックを直接的に駆動ユニットに固定しているので、指令読み取り部まわりのより一層の簡素化を図ることができ、しかも、オフセット駆動輪の数を抑えた駆動ユニットを採用していることとあいまって、高度な移動性能を有する全方向移動車両を低コストで実現することができる。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の全方向移動車両における駆動角速度の測定方法であって、駆動ユニット上の車両並進指令読み取り部により検出された並進動作の速度指令値Ｖx，Ｖy(ここで、ｘ正方向は駆動ユニットの前進方向、ｙ正方向は駆動ユニットの左横方向とする)と、車両本体上部上の車両回転指令読み取り部により検出された回転動作の角速度指令値Ωz(ここで、旋回正方向は車両上部からみて反時計方向とする)とを用いて、駆動ユニットの２つの車輪の駆動角速度指令値と、車両本体部の旋回角速度指令値を以下の式により求めることとする。
【００１９】
【数４】
【００２０】
【数５】
【００２１】
【数６】
ただし、Ｗ：車輪間隔
ｓ：両駆動輪の設置位置の中点から操舵軸旋回中心までの距離
ｒ：車輪半径
Ｇw：車輪駆動用減速機の減速比
Ｇz：旋回軸駆動用減速機の減速比
ωmL：左車輪駆動角速度
ωmR：右車輪駆動角速度
ωmZ：車両本体の旋回駆動角速度
上記方法によれば、三角関数の計算なしで、車両の全方向動作のための車輪の駆動速度を求めることが可能となる。よって、演算速度の向上、または、演算能力の高くない演算装置の使用が可能となる。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の全方向移動車両において、操舵軸の駆動ユニット上の座標における旋回中心点、及び、２つの車輪の各設置位置の中点からなる三角形が、操舵軸の旋回中心点部の角度を直角とする直角二等辺三角形をなすように、車輪間隔、および操舵軸の位置を定めたものである。この構成により、２つの車輪の速度を算出するための演算が著しく単純になり、アナログ回路などで、演算機能の一部を補うことも可能になるので、車両制御システムの高速化、簡素化、低価格化が図れる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２４】
図１および図２は、請求項１，１１の発明に関わる実施例の平面図および側面図であり、図１は図２に於けるＡ−Ａ矢視図を示す。駆動ユニット１は、台車１５に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪２および３と、両駆動輪を回転駆動する２つのアクチュエータ４，５および歯車６，７からなる駆動力伝達手段と、前記台車１５上に配設された操舵軸１６と、車両本体１２に配設され，前記一対の駆動輪２，３の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で，前記操舵軸１６の垂直軸心（図２における旋回中心Ｃ）まわりの旋回を自在にするために車両本体１２に配設された軸受け部８とからなる。この軸受け部８は、本体支持シャフト８ａと軸受８ｂとからなり、駆動ユニット１の水平旋回を可能としている。
【００２５】
さらに、この駆動ユニット１には、前記操舵軸１６の回転駆動用のアクチュエータ９と歯車１０からなる駆動力伝達手段と、２軸ジョイスティック１１とが配設されている。この２軸ジョイスティック１１は、図示しないジョイスティックの並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニット１の回転と同期して回転するように，ジョイスティック１１の中心軸を前記操舵軸１６の旋回軸心Ｃと一致するように配設される。また、ジョイスティック１１の操作スティック部１１０は、前記車両本体１２の上部から操作可能に配設される。回転軸が同一直線状に位置する車輪２、３は減速歯車６，７を介して、アクチュエータ４、５によりそれぞれ独立に駆動される。さらに、本体車両１２は、複数個の自由輪１３を備えており、全方向に自由に移動できるように構成されている。
【００２６】
ジョイスティック１１のスティック部１１０は車両本体に形成された穴から車両本体１２の上部に突出しており、車両本体１２上に搭乗する操縦者は通常のジョイスティックと同様な方法でこれを操作可能としている。
【００２７】
次に動作原理について図３および図４により説明する。図３は、停止時の車両の様子を示す概略上面図である。車両本体１２に固定されている座標系をＯv−ＸvＹv、駆動ユニット１に固定された座標系をＯc−ＸcＹcとする。図３の状態では、車両本体１２と駆動ユニット１の方向は一致している．つまり、両座標系の方向は一致している。
【００２８】
このとき、車両本体１２に搭乗する、図示しない操縦者が横方向に移動しようとジョイスティック１１のスティック部１１０を紙面上方向に倒すことによって、Ｖの大きさの速度を車両横方向、つまりＹv方向に発生するように指令を与える場合を考える。図３の状態において車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢は一致しているので、駆動ユニット１に固定されたジョイスティック１１はＹc軸正方向に速度が指令されていると読み取る。
【００２９】
この指令によって、駆動ユニット１に搭載される駆動輪２、３は旋回軸中心を駆動ユニットＹc軸正方向に移動させるように駆動される。すると、駆動ユニット１の姿勢は少しずれる。このとき、旋回軸用アクチュエータ９は車両本体１２の姿勢を一定に保つために駆動ユニット１の回転する方向とは逆の方向に駆動される。
【００３０】
その結果車両本体１２はＹv方向に微少変位移動し、図４のように車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢がずれた状態となる。この車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢の相対角のずれをθとする。このとき、車両本体１２、駆動ユニット１にそれぞれに設定された、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹvと、駆動ユニット座標系Ｏc−ＸcＹcも同様に角度θだけずれる。
【００３１】
図４においても車両本体１２上の操縦者は、依然として横方向に移動するようにスティック部１１０を操作している。しかし、このときには、駆動ユニット１の姿勢がずれているので、駆動ユニット１に固定されたジョイスティック１１はＸc方向にＶsinθ、Ｙc方向にＶcosθの速度指令を読み取ることになる。これより、図示しない車両制御装置は駆動ユニット１のＸc軸方向にＶsinθ、Ｙc軸方向にＶcosθの速度を発生するように車輪２、３をそれぞれ駆動する。
【００３２】
この動作による旋回軸中心の移動する方向は車両本体１２からみたＹ軸方向、つまり操縦者が指示している方向に他ならない。これは、駆動ユニット１の姿勢が車両本体１２よりずれているにもかかわらず、要求される方向に移動できることを意味する。前述の説明は、説明の便宜上、駆動ユニット１の動きと車両本体１２の動きを別けて説明したが、実際上は一体となって操縦者が指示した方向に移動する。
【００３３】
上記によれば、車両本体１２と駆動ユニット１の相対角度θを測定しなくとも、ジョイスティック１１自体が駆動ユニット１とともに回転することにより、車両本体１２からの速度指令値Ｖがθの角度によりｘ軸、ｙ軸方向に自動的に分解された値を読み取ることができるので、ジョイスティック１１にて読み込まれるＸc、Ｙc各方向への速度を発生するように車輪２、３を駆動することで、車両本体１２の全方向への並進移動動作を行うことが可能である。
【００３４】
以上の動作は、車両本体１２と駆動ユニット１の相対角度θが初期状態において零でなくとも同様に成立し、いかなる相対角度が初期状態において存在しても、即座に車両本体１２の全方向移動を行うことが可能である。
【００３５】
次に請求項２に関わる実施例について説明する。図５、６はそれぞれその実施例の平面図、側面図であり、図５は、図６のＡ−Ａ矢視図を示す。車両本体１２の上部には操縦者の操作用として、操作レバー２０が設置され、その下端の車両本体１２の座標系Ｏv−ＸvＹvに対するＸ方向の変位が、リンク機構２１、２３を介して、またＹ方向の変位がリンク機構２２、２４を介して駆動ユニット１の旋回軸心Ｃに設置されたジョイスティック１１のスティック部１１０に伝達される。
【００３６】
例えば、操作レバー２０を紙面右方に倒すとリンク２１の下端はリンク２１の中点の支点を中心に矢視のように回転することにより、直動ガイド２５によって車両本体１２に設置されたリンク２３を紙面右方に平行移動するように動かす。その結果、ジョイスティック１１のスティック１１０は、紙面右方に倒されることになる。Ｙ方向の動作についても同様に、操作レバー２０と同じ方向にスティック１１０が倒される。ジョイスティック１１から読み込まれた並進動作の指令に対する車輪２、３の動作は、前述の請求項１に関わる実施例と同様である。
【００３７】
次に請求項３および４に関わる実施例について説明する。全方向移動車両における操作装置の図示しない並進動作指令読み取り部を含む駆動ユニット部を図７（ｂ）に、操作レバーを含む操作部を図７（ａ）に示す。図７（ａ）において操作レバー２０を、例えばＸvの方向に倒した時、回転自在に支持された半円リング３０は、操作棒２０の下端により押され、プーリ３２とともにＹ軸まわりに操作レバー２０と同じ角度回転する。プーリ３２の回転は、インナーワイヤ３６を介して、図７（ｂ）に示す車両本体１２上のプーリ４２、および半円リング４０を回転させ、その結果ジョイスティック１１のスティック部１１０は操作レバー２０と同じ方向、同じ角度倒されることになる。
【００３８】
以上の動作は、操作レバー２０をＹv方向だけでなく、３６０度あらゆる方向に倒した時にも同様であり、操作レバー２０と同じ方向、同じ角度にスティック部１１０が倒される。このとき、インナーワイヤ３６および３７の動作は、アウターワイヤ３８および３９により伝達されるので、操作レバー２０の車両本体上の取り付け位置はリンク機構による伝達方法に比較して制限を受けず、またワイヤの経路もワイヤが通る空間があれば実現可能である。
【００３９】
なお、前記ワイヤによる遠隔伝達手段の機構は、前述の実施例に限定されるものではなく、例えば、半円リングの代わりにカムを採用するなど、この発明の技術思想の範囲内において様々な変形例が採用し得る。
【００４０】
次に、請求項５および６に関わる実施例について説明する。図８は、この実施例を概念的に示す。操作レバー２０は、図示しない車両本体上の操縦者によって操作され、要求する方向に倒すことによって車両の並進動作を制御する。操作レバー２０のＸ方向、Ｙ方向への傾斜角度を計測するためにポテンショメータと等価の回路抵抗器２０１、２０２がそれぞれ設置され、その抵抗器の両端には＋Ｅと−Ｅの電圧が印加されている。
【００４１】
これらの抵抗器に接触する接触子の電圧Ｅx、Ｅyが、指令値として操作装置に送られる。操作装置の一部である投光器５０は複数のばね５１によって支持され、２組の電極板５２、５３および５４、５５間の電位差によって、水平方向の変位が与えられる。投光器５０から投光された光は、受光器５６、５７、５８、および５９によって同時に受光され、それぞれ受け取られる光の強度に比例した電圧を出力する。これらの受光器５６〜５９の出力値Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを用いて、車両の並進運動のＸ方向の指令は（Ｃ＋Ｄ）−（Ａ＋Ｂ）、また、Ｙ方向の指令は（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）として求められる。
【００４２】
ここで、投光器５０とその支持ばね５１及び電極板５２〜５５は、同図には図示されない車両本体に設置される。また、受光器５６〜５９は同図には図示されない駆動ユニットに設置され、投光器５０の中立点を通る鉛直軸まわりに旋回可能である。以上により、電気信号によって駆動される装置を用いて、この発明の全方向移動車両が構成可能であり、Ｅx、Ｅyを例えばナビゲーション制御装置や無線装置などの他の装置から制御することで、自動走行車両にも適用が可能となる。
【００４３】
なお、前記電気的ならびに光学的な各装置は、前述の実施例に限定されるものではなく、例えば、受光器５６〜５９の代わりに受光素子が密に設けられた光学アレイを採用するなど、この発明の技術思想の範囲内において様々な変形例が採用し得る。
【００４４】
次に図９について説明する。図９は、請求項７に関わる実施例を示すもので、操作レバー２０の先端には、操作レバーのひねり動作によって回転する握り２０３が設けられ、その回転角を検出するよう回転型ポテンシオメータ２０４が接続されている。車両本体の旋回速度指令は、この回転型ポテンシオメータ２０４によって検出された角度に比例した値として読み込まれる。この構成によれば、操作棒は通常の３軸ジョイスティックと同じ構成になるので、操縦者は通常の操作と同じ要領にて全方向移動車両を操縦することが可能となる。
【００４５】
次に、図１０について説明する。図１０は、請求項８に関わる実施例を示すもので、全方向移動車両における旋回回転操作部を車両上の別の場所に設置した例であって、車椅子への適用例を示す。
【００４６】
同図においては、操作レバー２０を右側のひじ置き部に設け、操作スイッチ６１、６２を左側のひじ置きに設置した例を示す。この例では、右側スイッチ６１を押すと椅子部５０は車両本体１２と共に右回転し、左側スイッチ６２を押すと左回転する。スイッチ６１、６２の代わりに圧力を検出するセンサも適用可能である。スイッチの場合には、あらかじめ設定した角速度で動くオンオフ制御であるのに対して、圧力センサを用いた場合には、センサを強く押すと角速度がそれに応じて大となるようにするアナログ制御が可能となる。
【００４７】
次に、請求項９に関わる実施例について図１１を用いて説明する。図１１には、初期角度検出の説明のための車両の概略平面図を示す。初期状態において、車両本体１２と駆動ユニット１は角度θだけずれているとする。ここで、図示しない車両制御装置とは別の操作部を制御する装置が、システム初期化時に、あらかじめ決められた車両座標系Ｏv−ＸvＹv上の特定の方向（ここでは仮にＸv軸の方向とする）に擬似的に車両並進速度指令Ｖを出力する。
【００４８】
このとき、車両本体１２と、駆動ユニット１に角度差θがあったとすると、駆動ユニット１上に固定されたジョイスティック１１は駆動ユニット１上の座標系Ｏc−ＸcＹcにおけるＸ軸、Ｙ軸の各方向に以下のＶx、Ｖyの速度指令を読み取ることになる。
【００４９】
【数７】
【００５０】
【数８】
これらの読み取り値から、求める角度θは、以下のようにＶx，Ｖyを使用して求めることができる。
【００５１】
【数９】
以上の原理は、あらかじめ決められた方向がＸ軸方向でなくとも同様に成立する。これにより、初期の車両本体１２と駆動ユニット１との相対角度θを絶対値角度検出装置がなくとも測定することができる。この測定結果を表示すれば、操縦者が車両方向を容易に認識できる。また、前述のように、車両本体と駆動ユニットとの相対角度の初期値を基準として、速度計測器からの情報により相対角度データの更新を行うことで、逐次、相対角度を推定することができるし、さらに、ナビゲーション走行を行うことも可能となる。
【００５２】
次に、請求項１０に関わる実施例について図１２を用いて説明する。図１２は、操舵角検出の説明ための車両の概略平面図を示す。ここでは、車両本体１２と駆動ユニット１は角度θだけずれている場合を考える。ここで図示していない、車両の制御装置は、操作部から指令した車両速度と、指令読み取り部で取り込んだ車両の速度指令値の両方の情報を得ることができる。
【００５３】
例えば、大きさＶの速度を、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹv上でφの方向に指令しているとする。このとき、操作部からは、車両本体座標系Ｘv方向にＶcosφ、Ｙv方向にＶsinφの指令が出力される。また、この指令値は指令読み込み部において、以下のように読み取れる。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
【数１１】
この測定値から、角度θ−φは、以下のように計算される。
【００５６】
【数１２】
また、角度φは、指令値の情報より知ることができるので、θは以下のように求められる。
【００５７】
【数１３】
次に、請求項１２に関わる実施例について図１３を用いて説明する。図１３は、駆動角速度検出の説明ための車両の概略平面図を示す。
【００５８】
本発明の全方向移動車両は、任意の方向への並進運動を行うためのそれぞれ独立に駆動される２つの駆動輪と、車両本体１２の中心まわりの旋回運動のための旋回用アクチュエータにより、回転を含む平面内３自由度の運動を行う。図１３の状態において、駆動ユニット１は、車両本体１２からθだけ回転した角度にあるとする。
【００５９】
ここでの目的は、車両本体の旋回軸の中心点を要求される任意の方向、かつ、任意の角速度で即座に移動、および旋回をさせることである。この全方向移動車両おいて、操縦者はジョイスティック１１を使用して、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹvを基準にした、並進方向の速度および、旋回の角速度を指令する。このときの指令値を並進速度Ｖ、並進運動の方向φ、車両の旋回の角速度をΩZとすると、駆動ユニット１上のジョイスティック１１では読み込まれる駆動ユニット座標系Ｏc―ＸcＹcを基準とした指令値は以下のようになる。
【００６０】
【数１４】
【００６１】
【数１５】
これは、駆動ユニット座標系Ｏc―ＸcＹcの基準に対し角度θ−φの方向に速度Ｖで移動するという指令である。駆動ユニットＸ軸方向の速度Ｖx、Ｙ軸方向の速度Ｖyと、２つの駆動輪２、３を駆動するアクチュエータ４、５の角速度ωL、ωRとの関係は、次式となる（詳細は、特開平９−１６４９６８号公報参照）。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
【数１７】
これより、Ｖx、Ｖyを発生させるのに必要な各駆動車輪の角速度は、
【００６４】
【数１８】
【００６５】
【数１９】
により求められる。これにより、車輪の駆動系の減速比Ｇwを考慮した車輪２、３を駆動するアクチュエータの駆動角速度ωmL、ωmRは、それぞれ以下で表される。
【００６６】
【数２０】
【００６７】
【数２１】
また、駆動ユニット１が、車両本体の旋回中心を横に移動させる際に回転してしまう角速度は、１/ｓ＊Ｖyで表されるので、これを補正するために逆に旋回することを考慮すると、要求される車両本体１２の旋回角速度Ωzを達成するための旋回用アクチュエータの減速比ＧZを考慮した駆動角速度ωmzは以下のようになる。
【００６８】
【数２２】
次に請求項１３に関する実施例について図１４を用いて説明する。前述の実施例では、数２０、２１により、２輪の駆動輪の駆動速度を求めた。ここでは、図１４に示すように操舵軸の中心の位置、及び、２つの車輪２、３の接地点からなる三角形が、操舵軸の中心を直角とする直角二等辺三角形をなすように車輪、操舵軸を配置すると、両駆動輪の設置位置の中点から操舵軸回転中心までの距離ｓと車輪間隔Ｗとの関係は、
【００６９】
【数２３】
となる。これを駆動輪の計算式数２０、２１にそれぞれ代入すると、次式を得る。
【００７０】
【数２４】
【００７１】
【数２５】
上記の式によれば、車両並進の各方向への指令値を単純に加算もしくは減算するだけで駆動輪２、３の駆動計算式の一部を簡単に算出することができ、演算の高速化と演算装置の単純化および低廉化が図れる。
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、操舵角を検出するセンサがなくとも、全方向移動を容易に行うことができ、機構の単純化と低コスト化を図った全方向移動車両が提供できる（請求項１，請求項１１）。また、請求項２ないし８に記載の発明により、操作部の設置自由度や操作性の向上を図ることができる。さらに、請求項９ないし１０の測定方法の発明や請求項１３の発明の構成を採用することにより、全方向移動車両における測定および制御演算等を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化を図った全方向移動車両ならびにその操舵角および駆動角速度の測定方法を提供することができる。さらにまた、この発明の全方向移動車両は、通信を用いた遠隔操縦や、自動操縦、ナビゲーション制御などの用途にも適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１，１１の発明に関わる実施例の概略構成の平面図である。
【図２】請求項１，１１の発明に関わる実施例の概略構成の側面図である。
【図３】この発明の動作原理を概念的に説明するための車両停止状態を示す図である。
【図４】この発明の動作原理を概念的に説明するための車両移動状態を示す図である。
【図５】請求項２の発明に関わる実施例の概略構成の平面図である。
【図６】請求項２の発明に関わる実施例の概略構成の側面図である。
【図７】請求項３および４の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図８】請求項５および６の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図９】請求項７の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図１０】請求項８の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図１１】請求項９の発明に関わる操舵角測定方法を説明するための概略図である。
【図１２】請求項１０の発明に関わる操舵角測定方法を説明するための概略図である。
【図１３】請求項１２の発明に関わる駆動角速度測定方法を説明するための概略図である。
【図１４】請求項１３の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【符号の説明】
１：駆動ユニット、２，３：駆動輪、４，５，９：アクチュエータ、６，７，１０：歯車、８：軸受部、１１：ジョイスティック、１２：車両本体、１３：自由輪、１５：台車、１６：操舵軸、２０：操作レバー、２１，２２，２３，２４：リンク機構、２５：直動ガイド３２，３３，４２，４３：プーリー、３６，３７：インナーワイヤ、３８，３９：アウターワイヤ、３０，３１，４０，４１：半円リング、５０：投光器、５７：受光器、６０：車椅子、６１，６２：スイッチ、１１０：ステイック部、２０１，２０２：抵抗器、２０３：握り、２０４：回転型ポテンシオメータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両本体の方向を変えることなく任意の方向へ移動することが可能であるとともに、そのままの位置で旋回することができる全方向移動車両とその操舵角の測定方法並びにその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、全方向移動車両としては、特開昭６１−２１８４３２号公報に記載のものや、特開平９−１６４９６８号公報に記載のものが知られている。前者は同一軸上にある２個の駆動輪からなる駆動ユニットを垂直軸まわりで旋回自在に車両本体に支持し、車両本体に設けた旋回伝達機構と旋回モータにより回転駆動することで駆動ユニットの走行方向を変更することにより、全方向移動を行うものである。
【０００３】
後者は、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動する２つのアクチュエータと、両駆動輪の車軸を支持する操舵軸と、車両本体に形成されて、両駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で操舵軸を垂直軸まわりの回動を自在にして支持する軸受け部と、により構成される駆動ユニット、および操舵軸を回転駆動するアクチュエータとにより構成され、２つのアクチュエータの協調動作により、操舵軸に水平面内のあらゆる方向への速度を発生させることにより全方向移動を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の全方向移動車両はいずれも、全方向に移動するためには下記のような問題があった。まず、駆動ユニットと車両本体との相対角度つまり操舵角を常に知る必要があり、このためには絶対値エンコーダやポテンショメータ、あるいは積算型エンコーダと原点センサとの併用のシステムなど、高価または複雑な装置を使用する必要があった。さらに、この操舵角の検出値を用いて、操作者が要求する車両速度を制御演算部にて三角関数を用いた計算により分解することにより、２つの車輪の駆動速度を実時間で求める必要があるため、計算能力に優れた演算器を使用する必要があった。
【０００５】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、この発明の課題は、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能とすることにより、機構的な簡易化および低コスト化を図り、さらに、制御演算部における演算を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化を図った全方向移動車両ならびにその操舵角および駆動角速度の測定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の問題を解決するために、請求項１の発明においては、台車に軸支された複数の駆動輪を有し、鉛直軸のまわりを回転自在に車両本体に支持された駆動ユニットと、操縦装置としての２軸ジョイスティックとを備え、駆動ユニットを車両本体に対して回転させることにより任意の方向に移動する全方向移動車両であって、前記ジョイスティックは、その並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、かつ前記車両本体上部から操作可能に配設されてなるものとする。
【０００７】
ジョイスティックが駆動ユニットと同期回転し車両本体も一体となって駆動されることにより、操舵角を検出するセンサがなくとも全方向移動を可能にすることができる。
【０００８】
また、請求項２の発明によれば、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するリンク機構を備えてなるものとする。これにより、操作部の設置自由度が向上する。
【０００９】
請求項３の発明によれば、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するワイヤ遠隔伝達手段とからなるものとし、さらに、請求項４の発明によれば、前記ワイヤ遠隔伝達手段は、操作部の操作レバーの動きに応じて回転自在に配設された半円リングと、この半円リングの動きに応じて回転するプーリーと、このプーリーに巻回して操作レバーの動きをジョイスティックの並進動作指令読み取り部側に伝達するワイヤーと、このワイヤーの動きに応じて回転するジョイスティック側に設けられたプーリーおよび半円リングとからなり、この半円リングの動きをジョイスティックのスティック部に伝達するように構成してなるものとする。上記構成により、操作部の設置自由度と操作性がさらに向上する。
【００１０】
請求項５の発明によれば、前記ジョイスティックは、車両本体上面部に配設された電気的指令信号発生装置からなる操作部を有するとともに、この操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、前記電気的指令信号により前記操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するようにしてなるものとする。さらに、請求項６の発明によれば、前記電気的指令信号発生装置は、回転式ポテンショメータの抵抗器に電圧が印加されてなる装置であり、前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するための装置は、前記電気的指令信号発生装置の出力電圧の指令値に基づき電極板の電位差によって変位する投光器と、この投光器の光を受光する受いして光器とを備え、受光強度に応じた出力信号によって前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するようにしてなるものとする。この構成によれば、操作装置の操作部が電気信号で駆動可能となるので、前記設置自由度や操作性の向上に加え、車両に搭乗している人間による操縦のみでなく、通信を用いた遠隔操縦や、自動操縦、または、地上制御装置によるナビゲーション制御などの用途にも適用が可能となる。
【００１１】
請求項７の発明によれば、ジョイスティックの操作部が、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置を備えたものとする。この構成によれば、操作棒は通常の３軸ジョイスティックと同じ構成になるので、操縦者は通常の操作と同じ要領にて全方向移動車両を操縦することが可能であり、習熟に要する時間を短縮することができる。
【００１２】
請求項８の発明によれば、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置は、並進操作装置と分離して車両本体の上部に設けるものとする。この構成によれば、操作棒をひねる動作が困難な操縦者にも、全方向移動車両が操作可能となる。これは、障害者を対象とした車椅子などの操縦装置に有効である。
【００１３】
請求項９ないし１０の発明は、請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、請求項９の発明においては、車両のシステム初期化時に、操作部があらかじめ決められた特定の方向への並進動作の擬似の指令値を出力し、この出力を並進動作指令読み込み部に読み込ませることにより、駆動ユニットと車両本体の相対角度の初期角度を検出することとする。この方法によれば、車両本体と駆動ユニットとの相対角度の初期値を基準として、旋回軸に設置された例えばエンコーダのような角度測定器や、タコジェネレータのような速度計測器からの情報により相対角度データの更新を行なうことで、逐次、相対角度を推定することができる。さらに、デッドレコニング法として知られるアルゴリズムを適用し、車両の位置、姿勢を逐次推定することで、ナビゲーション走行を行なうことが可能である。
【００１４】
請求項１０の発明は、請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、この全方向移動車両は、操作部および並進動作指令読み込み部の両方の情報を得ることができる１つの制御装置、あるいは、通信により情報交換ができる複数の制御装置を備え、操作部から出力した車両並進動作指令と、並進指令読み込み部から取り込まれた車両並進動作指令を比較し、それらの方向の角度差から駆動ユニットと車両本体の相対角度を検出することとする。
【００１５】
この方法によれば、車両本体と駆動ユニットの相対角度を常に測定することができるのでで、積算型の計算のように、誤差が累積することがない。これにより車両の位置、姿勢推定の精度を向上させることができる。
【００１６】
請求項１１の発明は、互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動するアクチュエータと、前記台車上に配設された操舵軸と、前記一対の駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で、前記操舵軸の垂直軸心まわりの旋回を自在にして車両本体に連結された駆動ユニットと、さらに、この駆動ユニットに配設された前記操舵軸の回転駆動用のアクチュエータと、２軸ジョイスティックとを備えた全方向移動車両であって、前記ジョイスティックはその並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、ジョイスティックの中心軸を前記操舵軸の旋回軸心と一致させ、かつ車両本体部から操作可能に前記駆動ユニットの台車上に配設されてなるものとする。
【００１７】
上記の構成によれば、操舵角を検出するセンサが不要であるのは勿論のこと、伝達機構部品等を介在させずにジョイスティックを直接的に駆動ユニットに固定しているので、指令読み取り部まわりのより一層の簡素化を図ることができ、しかも、オフセット駆動輪の数を抑えた駆動ユニットを採用していることとあいまって、高度な移動性能を有する全方向移動車両を低コストで実現することができる。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の全方向移動車両における駆動角速度の測定方法であって、駆動ユニット上の車両並進指令読み取り部により検出された並進動作の速度指令値Ｖx，Ｖy(ここで、ｘ正方向は駆動ユニットの前進方向、ｙ正方向は駆動ユニットの左横方向とする)と、車両本体上部上の車両回転指令読み取り部により検出された回転動作の角速度指令値Ωz(ここで、旋回正方向は車両上部からみて反時計方向とする)とを用いて、駆動ユニットの２つの車輪の駆動角速度指令値と、車両本体部の旋回角速度指令値を以下の式により求めることとする。
【００１９】
【数４】
【数５】
【数６】
ｓ：両駆動輪の設置位置の中点から操舵軸旋回中心までの距離
ｒ：車輪半径
Ｇw：車輪駆動用減速機の減速比
Ｇz：旋回軸駆動用減速機の減速比
ωmL：左車輪駆動角速度
ωmR：右車輪駆動角速度
ωmZ：車両本体の旋回駆動角速度
上記方法によれば、三角関数の計算なしで、車両の全方向動作のための車輪の駆動速度を求めることが可能となる。よって、演算速度の向上、または、演算能力の高くない演算装置の使用が可能となる。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の全方向移動車両において、操舵軸の駆動ユニット上の座標における旋回中心点、及び、２つの車輪の各設置位置の中点からなる三角形が、操舵軸の旋回中心点部の角度を直角とする直角二等辺三角形をなすように、車輪間隔、および操舵軸の位置を定めたものである。この構成により、２つの車輪の速度を算出するための演算が著しく単純になり、アナログ回路などで、演算機能の一部を補うことも可能になるので、車両制御システムの高速化、簡素化、低価格化が図れる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施の形態について以下に述べる。
【００２４】
図１および図２は、請求項１，１１の発明に関わる実施例の平面図および側面図であり、図１は図２に於けるＡ−Ａ矢視図を示す。駆動ユニット１は、台車１５に軸支された操舵輪をかねた一対の駆動輪２および３と、両駆動輪を回転駆動する２つのアクチュエータ４，５および歯車６，７からなる駆動力伝達手段と、前記台車１５上に配設された操舵軸１６と、車両本体１２に配設され，前記一対の駆動輪２，３の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で，前記操舵軸１６の垂直軸心（図２における旋回中心Ｃ）まわりの旋回を自在にするために車両本体１２に配設された軸受け部８とからなる。この軸受け部８は、本体支持シャフト８ａと軸受８ｂとからなり、駆動ユニット１の水平旋回を可能としている。
【００２５】
さらに、この駆動ユニット１には、前記操舵軸１６の回転駆動用のアクチュエータ９と歯車１０からなる駆動力伝達手段と、２軸ジョイスティック１１とが配設されている。この２軸ジョイスティック１１は、図示しないジョイスティックの並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニット１の回転と同期して回転するように，ジョイスティック１１の中心軸を前記操舵軸１６の旋回軸心Ｃと一致するように配設される。また、ジョイスティック１１の操作スティック部１１０は、前記車両本体１２の上部から操作可能に配設される。回転軸が同一直線状に位置する車輪２、３は減速歯車６，７を介して、アクチュエータ４、５によりそれぞれ独立に駆動される。さらに、本体車両１２は、複数個の自由輪１３を備えており、全方向に自由に移動できるように構成されている。
【００２６】
ジョイスティック１１のスティック部１１０は車両本体に形成された穴から車両本体１２の上部に突出しており、車両本体１２上に搭乗する操縦者は通常のジョイスティックと同様な方法でこれを操作可能としている。
【００２７】
次に動作原理について図３および図４により説明する。図３は、停止時の車両の様子を示す概略上面図である。車両本体１２に固定されている座標系をＯv−ＸvＹv、駆動ユニット１に固定された座標系をＯc−ＸcＹcとする。図３の状態では、車両本体１２と駆動ユニット１の方向は一致している．つまり、両座標系の方向は一致している。
【００２８】
このとき、車両本体１２に搭乗する、図示しない操縦者が横方向に移動しようとジョイスティック１１のスティック部１１０を紙面上方向に倒すことによって、Ｖの大きさの速度を車両横方向、つまりＹv方向に発生するように指令を与える場合を考える。図３の状態において車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢は一致しているので、駆動ユニット１に固定されたジョイスティック１１はＹc軸正方向に速度が指令されていると読み取る。
【００２９】
この指令によって、駆動ユニット１に搭載される駆動輪２、３は旋回軸中心を駆動ユニットＹc軸正方向に移動させるように駆動される。すると、駆動ユニット１の姿勢は少しずれる。このとき、旋回軸用アクチュエータ９は車両本体１２の姿勢を一定に保つために駆動ユニット１の回転する方向とは逆の方向に駆動される。
【００３０】
その結果車両本体１２はＹv方向に微少変位移動し、図４のように車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢がずれた状態となる。この車両本体１２と駆動ユニット１の姿勢の相対角のずれをθとする。このとき、車両本体１２、駆動ユニット１にそれぞれに設定された、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹvと、駆動ユニット座標系Ｏc−ＸcＹcも同様に角度θだけずれる。
【００３１】
図４においても車両本体１２上の操縦者は、依然として横方向に移動するようにスティック部１１０を操作している。しかし、このときには、駆動ユニット１の姿勢がずれているので、駆動ユニット１に固定されたジョイスティック１１はＸc方向にＶsinθ、Ｙc方向にＶcosθの速度指令を読み取ることになる。これより、図示しない車両制御装置は駆動ユニット１のＸc軸方向にＶsinθ、Ｙc軸方向にＶcosθの速度を発生するように車輪２、３をそれぞれ駆動する。
【００３２】
この動作による旋回軸中心の移動する方向は車両本体１２からみたＹ軸方向、つまり操縦者が指示している方向に他ならない。これは、駆動ユニット１の姿勢が車両本体１２よりずれているにもかかわらず、要求される方向に移動できることを意味する。前述の説明は、説明の便宜上、駆動ユニット１の動きと車両本体１２の動きを別けて説明したが、実際上は一体となって操縦者が指示した方向に移動する。
【００３３】
上記によれば、車両本体１２と駆動ユニット１の相対角度θを測定しなくとも、ジョイスティック１１自体が駆動ユニット１とともに回転することにより、車両本体１２からの速度指令値Ｖがθの角度によりｘ軸、ｙ軸方向に自動的に分解された値を読み取ることができるので、ジョイスティック１１にて読み込まれるＸc、Ｙc各方向への速度を発生するように車輪２、３を駆動することで、車両本体１２の全方向への並進移動動作を行うことが可能である。
【００３４】
以上の動作は、車両本体１２と駆動ユニット１の相対角度θが初期状態において零でなくとも同様に成立し、いかなる相対角度が初期状態において存在しても、即座に車両本体１２の全方向移動を行うことが可能である。
【００３５】
次に請求項２に関わる実施例について説明する。図５、６はそれぞれその実施例の平面図、側面図であり、図５は、図６のＡ−Ａ矢視図を示す。車両本体１２の上部には操縦者の操作用として、操作レバー２０が設置され、その下端の車両本体１２の座標系Ｏv−ＸvＹvに対するＸ方向の変位が、リンク機構２１、２３を介して、またＹ方向の変位がリンク機構２２、２４を介して駆動ユニット１の旋回軸心Ｃに設置されたジョイスティック１１のスティック部１１０に伝達される。
【００３６】
例えば、操作レバー２０を紙面右方に倒すとリンク２１の下端はリンク２１の中点の支点を中心に矢視のように回転することにより、直動ガイド２５によって車両本体１２に設置されたリンク２３を紙面右方に平行移動するように動かす。その結果、ジョイスティック１１のスティック１１０は、紙面右方に倒されることになる。Ｙ方向の動作についても同様に、操作レバー２０と同じ方向にスティック１１０が倒される。ジョイスティック１１から読み込まれた並進動作の指令に対する車輪２、３の動作は、前述の請求項１に関わる実施例と同様である。
【００３７】
次に請求項３および４に関わる実施例について説明する。全方向移動車両における操作装置の図示しない並進動作指令読み取り部を含む駆動ユニット部を図７（ｂ）に、操作レバーを含む操作部を図７（ａ）に示す。図７（ａ）において操作レバー２０を、例えばＸvの方向に倒した時、回転自在に支持された半円リング３０は、操作棒２０の下端により押され、プーリ３２とともにＹ軸まわりに操作レバー２０と同じ角度回転する。プーリ３２の回転は、インナーワイヤ３６を介して、図７（ｂ）に示す車両本体１２上のプーリ４２、および半円リング４０を回転させ、その結果ジョイスティック１１のスティック部１１０は操作レバー２０と同じ方向、同じ角度倒されることになる。
【００３８】
以上の動作は、操作レバー２０をＹv方向だけでなく、３６０度あらゆる方向に倒した時にも同様であり、操作レバー２０と同じ方向、同じ角度にスティック部１１０が倒される。このとき、インナーワイヤ３６および３７の動作は、アウターワイヤ３８および３９により伝達されるので、操作レバー２０の車両本体上の取り付け位置はリンク機構による伝達方法に比較して制限を受けず、またワイヤの経路もワイヤが通る空間があれば実現可能である。
【００３９】
なお、前記ワイヤによる遠隔伝達手段の機構は、前述の実施例に限定されるものではなく、例えば、半円リングの代わりにカムを採用するなど、この発明の技術思想の範囲内において様々な変形例が採用し得る。
【００４０】
次に、請求項５および６に関わる実施例について説明する。図８は、この実施例を概念的に示す。操作レバー２０は、図示しない車両本体上の操縦者によって操作され、要求する方向に倒すことによって車両の並進動作を制御する。操作レバー２０のＸ方向、Ｙ方向への傾斜角度を計測するためにポテンショメータと等価の回路抵抗器２０１、２０２がそれぞれ設置され、その抵抗器の両端には＋Ｅと−Ｅの電圧が印加されている。
【００４１】
これらの抵抗器に接触する接触子の電圧Ｅx、Ｅyが、指令値として操作装置に送られる。操作装置の一部である投光器５０は複数のばね５１によって支持され、２組の電極板５２、５３および５４、５５間の電位差によって、水平方向の変位が与えられる。投光器５０から投光された光は、受光器５６、５７、５８、および５９によって同時に受光され、それぞれ受け取られる光の強度に比例した電圧を出力する。これらの受光器５６〜５９の出力値Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを用いて、車両の並進運動のＸ方向の指令は（Ｃ＋Ｄ）−（Ａ＋Ｂ）、また、Ｙ方向の指令は（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）として求められる。
【００４２】
ここで、投光器５０とその支持ばね５１及び電極板５２〜５５は、同図には図示されない車両本体に設置される。また、受光器５６〜５９は同図には図示されない駆動ユニットに設置され、投光器５０の中立点を通る鉛直軸まわりに旋回可能である。以上により、電気信号によって駆動される装置を用いて、この発明の全方向移動車両が構成可能であり、Ｅx、Ｅyを例えばナビゲーション制御装置や無線装置などの他の装置から制御することで、自動走行車両にも適用が可能となる。
【００４３】
なお、前記電気的ならびに光学的な各装置は、前述の実施例に限定されるものではなく、例えば、受光器５６〜５９の代わりに受光素子が密に設けられた光学アレイを採用するなど、この発明の技術思想の範囲内において様々な変形例が採用し得る。
【００４４】
次に図９について説明する。図９は、請求項７に関わる実施例を示すもので、操作レバー２０の先端には、操作レバーのひねり動作によって回転する握り２０３が設けられ、その回転角を検出するよう回転型ポテンシオメータ２０４が接続されている。車両本体の旋回速度指令は、この回転型ポテンシオメータ２０４によって検出された角度に比例した値として読み込まれる。この構成によれば、操作棒は通常の３軸ジョイスティックと同じ構成になるので、操縦者は通常の操作と同じ要領にて全方向移動車両を操縦することが可能となる。
【００４５】
次に、図１０について説明する。図１０は、請求項８に関わる実施例を示すもので、全方向移動車両における旋回回転操作部を車両上の別の場所に設置した例であって、車椅子への適用例を示す。
【００４６】
同図においては、操作レバー２０を右側のひじ置き部に設け、操作スイッチ６１、６２を左側のひじ置きに設置した例を示す。この例では、右側スイッチ６１を押すと椅子部５０は車両本体１２と共に右回転し、左側スイッチ６２を押すと左回転する。スイッチ６１、６２の代わりに圧力を検出するセンサも適用可能である。スイッチの場合には、あらかじめ設定した角速度で動くオンオフ制御であるのに対して、圧力センサを用いた場合には、センサを強く押すと角速度がそれに応じて大となるようにするアナログ制御が可能となる。
【００４７】
次に、請求項９に関わる実施例について図１１を用いて説明する。図１１には、初期角度検出の説明のための車両の概略平面図を示す。初期状態において、車両本体１２と駆動ユニット１は角度θだけずれているとする。ここで、図示しない車両制御装置とは別の操作部を制御する装置が、システム初期化時に、あらかじめ決められた車両座標系Ｏv−ＸvＹv上の特定の方向（ここでは仮にＸv軸の方向とする）に擬似的に車両並進速度指令Ｖを出力する。
【００４８】
このとき、車両本体１２と、駆動ユニット１に角度差θがあったとすると、駆動ユニット１上に固定されたジョイスティック１１は駆動ユニット１上の座標系Ｏc−ＸcＹcにおけるＸ軸、Ｙ軸の各方向に以下のＶx、Ｖyの速度指令を読み取ることになる。
【００４９】
【数７】
【数８】
【００５１】
【数９】
【００５２】
次に、請求項１０に関わる実施例について図１２を用いて説明する。図１２は、操舵角検出の説明ための車両の概略平面図を示す。ここでは、車両本体１２と駆動ユニット１は角度θだけずれている場合を考える。ここで図示していない、車両の制御装置は、操作部から指令した車両速度と、指令読み取り部で取り込んだ車両の速度指令値の両方の情報を得ることができる。
【００５３】
例えば、大きさＶの速度を、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹv上でφの方向に指令しているとする。このとき、操作部からは、車両本体座標系Ｘv方向にＶcosφ、Ｙv方向にＶsinφの指令が出力される。また、この指令値は指令読み込み部において、以下のように読み取れる。
【００５４】
【数１０】
【数１１】
【００５６】
【数１２】
【００５７】
【数１３】
【００５８】
本発明の全方向移動車両は、任意の方向への並進運動を行うためのそれぞれ独立に駆動される２つの駆動輪と、車両本体１２の中心まわりの旋回運動のための旋回用アクチュエータにより、回転を含む平面内３自由度の運動を行う。図１３の状態において、駆動ユニット１は、車両本体１２からθだけ回転した角度にあるとする。
【００５９】
ここでの目的は、車両本体の旋回軸の中心点を要求される任意の方向、かつ、任意の角速度で即座に移動、および旋回をさせることである。この全方向移動車両おいて、操縦者はジョイスティック１１を使用して、車両本体座標系Ｏv−ＸvＹvを基準にした、並進方向の速度および、旋回の角速度を指令する。このときの指令値を並進速度Ｖ、並進運動の方向φ、車両の旋回の角速度をΩZとすると、駆動ユニット１上のジョイスティック１１では読み込まれる駆動ユニット座標系Ｏc―ＸcＹcを基準とした指令値は以下のようになる。
【００６０】
【数１４】
【数１５】
【００６２】
【数１６】
【数１７】
【００６４】
【数１８】
【数１９】
【００６６】
【数２０】
【数２１】
【００６８】
【数２２】
【００６９】
【数２３】
【００７０】
【数２４】
【数２５】
【００７２】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、操舵角を検出するセンサがなくとも、全方向移動を容易に行うことができ、機構の単純化と低コスト化を図った全方向移動車両が提供できる（請求項１，請求項１１）。また、請求項２ないし８に記載の発明により、操作部の設置自由度や操作性の向上を図ることができる。さらに、請求項９ないし１０の測定方法の発明や請求項１３の発明の構成を採用することにより、全方向移動車両における測定および制御演算等を簡略化して、全体として、制御の高速化、簡略化、低価格化を図った全方向移動車両ならびにその操舵角および駆動角速度の測定方法を提供することができる。さらにまた、この発明の全方向移動車両は、通信を用いた遠隔操縦や、自動操縦、ナビゲーション制御などの用途にも適用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１，１１の発明に関わる実施例の概略構成の平面図である。
【図２】請求項１，１１の発明に関わる実施例の概略構成の側面図である。
【図３】この発明の動作原理を概念的に説明するための車両停止状態を示す図である。
【図４】この発明の動作原理を概念的に説明するための車両移動状態を示す図である。
【図５】請求項２の発明に関わる実施例の概略構成の平面図である。
【図６】請求項２の発明に関わる実施例の概略構成の側面図である。
【図７】請求項３および４の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図８】請求項５および６の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図９】請求項７の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図１０】請求項８の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【図１１】請求項９の発明に関わる操舵角測定方法を説明するための概略図である。
【図１２】請求項１０の発明に関わる操舵角測定方法を説明するための概略図である。
【図１３】請求項１２の発明に関わる駆動角速度測定方法を説明するための概略図である。
【図１４】請求項１３の発明に関わる実施例の概略構成図である。
【符号の説明】
１：駆動ユニット、２，３：駆動輪、４，５，９：アクチュエータ、６，７，１０：歯車、８：軸受部、１１：ジョイスティック、１２：車両本体、１３：自由輪、１５：台車、１６：操舵軸、２０：操作レバー、２１，２２，２３，２４：リンク機構、２５：直動ガイド３２，３３，４２，４３：プーリー、３６，３７：インナーワイヤ、３８，３９：アウターワイヤ、３０，３１，４０，４１：半円リング、５０：投光器、５７：受光器、６０：車椅子、６１，６２：スイッチ、１１０：ステイック部、２０１，２０２：抵抗器、２０３：握り、２０４：回転型ポテンシオメータ。
Claims (13)
- 台車に軸支された複数の駆動輪を有し、鉛直軸のまわりを回転自在に車両本体に支持された駆動ユニットと、操作装置としての２軸ジョイスティックとを備え、駆動ユニットを車両本体に対して回転させることにより任意の方向に移動する全方向移動車両であって、前記ジョイスティックは、その並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、かつ前記車両本体上部から操作可能に配設されてなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項１に記載の全方向移動車両において、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するリンク機構を備えてなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項１に記載の全方向移動車両において、前記ジョイスティックは、操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、車両本体上面部に配設された操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するワイヤ遠隔伝達手段とからなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項３に記載の全方向移動車両において、ワイヤ遠隔伝達手段は、操作部の操作レバーの動きに応じて回転自在に配設された半円リングと、この半円リングの動きに応じて回転するプーリーと、このプーリーに巻回して操作レバーの動きをジョイスティックの並進動作指令読み取り部側に伝達するワイヤーと、このワイヤーの動きに応じて回転するジョイスティック側に設けられたプーリーおよび半円リングとからなり、この半円リングの動きをジョイスティックのスティック部に伝達するように構成してなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項１に記載の全方向移動車両において、前記ジョイスティックは、車両本体上面部に配設された電気的指令信号発生装置からなる操作部を有するとともに、この操作部と並進動作指令読み取り部とを分離してなり、前記電気的指令信号により前記操作部の動作を、駆動ユニットの回転と同期して回転する並進動作指令読み取り部へ伝達するようにしてなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項５に記載の全方向移動車両において、電気的指令信号発生装置は、回転式ポテンショメータの抵抗器に電圧が印加されてなる装置であり、前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するための装置は、前記電気的指令信号発生装置の出力電圧の指令値に基づき電極板の電位差によって変位する投光器と、この投光器の光を受光する受光器とを備え、受光強度に応じた出力信号によって前記操作部の動作を並進動作指令読み取り部に伝達するようにしてなるものであることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の全方向移動車両において、ジョイスティックの操作部が、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置を備えたことを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項７に記載の全方向移動車両において、車両本体の旋回動作を指令するための回転操作装置は、並進操作装置とを分離して車両本体の上部に設けたことを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、車両のシステム初期化時に、操作部があらかじめ決められた特定の方向への並進動作の擬似の指令値を出力し、この出力を並進指令読み込み部に読み込ませることにより、駆動ユニットと車両本体の相対角度の初期角度を検出するようにしたことを特徴とする全方向移動車両の操舵角測定方法。
- 請求項５に記載の全方向移動車両における操舵角の測定方法であって、この全方向移動車両は、操作部および並進指令読み込み部の両方の情報を得ることができる１つの制御装置、あるいは、通信により情報交換ができる複数の制御装置を備え、操作部から出力した車両並進動作指令と、並進指令読み込み部から取り込まれた車両並進動作指令を比較し、それらの方向の角度差から駆動ユニットと車両本体の相対角度を検出するようにしたことを特徴とする全方向移動車両の操舵角測定方法。
- 互いの車輪が同一直線上に配設されるとともに台車に軸支された一対の駆動輪と、両駆動輪を回転駆動するアクチュエータと、前記台車上に配設された操舵軸と、前記一対の駆動輪の設置位置の中点から水平方向に離間した位置で、前記操舵軸の垂直軸心まわりの旋回を自在にして車両本体に連結された駆動ユニットと、さらに、この駆動ユニットに配設された前記操舵軸の回転駆動用のアクチュエータと、２軸ジョイスティックとを備えた全方向移動車両であって、前記ジョイスティックはその並進動作指令読み取り部が前記駆動ユニットの回転と同期して回転するように、ジョイスティックの中心軸を前記操舵軸の旋回軸心と一致させ、かつ車両本体部から操作可能に前記駆動ユニットの台車上に配設されてなることを特徴とする全方向移動車両。
- 請求項１１に記載の全方向移動車両における駆動角速度の測定方法であって、駆動ユニット上の車両並進指令読み取り部により検出された並進動作の速度指令値Ｖx，Ｖy（ここで、ｘ正方向は駆動ユニットの前進方向、ｙ正方向は駆動ユニット左横方向とする。）と、車両本体上部上の車両回転指令読み取り部により検出された回転動作の角速度指令値Ωz（ここで、旋回正方向は車両上部からみて反時計方向とする。）とを用いて、駆動ユニットの２つの車輪の駆動角速度指令値と、車両本体部の旋回駆動角速度指令値を以下の式により求め、これらの角速度で回転するようにそれぞれのアクチュエータを駆動することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
ｓ：両駆動輪の設置位置の中点から操舵軸旋回中心までの距離
ｒ：車輪半径
Ｇw：車輪駆動用減速機の減速比
Ｇz：旋回軸駆動用減速機の減速比
ωmL：左車輪駆動角速度
ωmR：右車輪駆動角速度
ωmZ：車両本体の旋回駆動角速度 - 請求項１１に記載の全方向移動車両において、操舵軸の駆動ユニット上の座標における旋回中心点、及び、２つの車輪の各設置位置の中点からなる三角形が、操舵軸の旋回中心点部の角度を直角とする直角二等辺三角形をなすように、車輪間隔、および操舵軸の位置を定めたことを特徴とする全方向移動車両。
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