JP3791663B2

JP3791663B2 - 全方向移動車両とその制御方法

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Publication number: JP3791663B2
Application number: JP2000007969A
Authority: JP
Inventors: 正義和田
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2006-06-28
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の旋回速度、あるいは進行方向を変更する際、あるいは停止状態から走行、旋回を開始する際に、例えば、車輪の向きを変更するなどの車両の走行準備のための待機時間を必要とせず、任意の車両姿勢から、任意の方向へ即座に移動、旋回を開始、もしくは移動動作の途中においても移動の方向、旋回の速度を変更することができるような、または学術的にホロノミックな移動特性を有すると表現される、全方向移動車両とその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面上を移動する全方向移動車両とは、その車両の進行方向及び横方向への移動速度と、車両の鉛直軸まわりの角速度，すなわち車両の姿勢変化、の合計３自由度を制御できる車両であり、これに関しては多くの発明が知られている。それらの全方向移動車両は次の二つの種類に大別される。第一の種類の車両は、学術的には非ホロノミックである車両と呼ばれる車両である。
【０００３】
この第一の種類の車両においては、車両の走行方向を変更する、または旋回動作に移る際に、例えば各車輪の方向変換などの車両内部の一部の機構の設定を変更するための待機動作、および時間が必要となる。この車両は２自由度を有する機構であり、前記車両の３自由度を同時にかつそれぞれ独立に制御することはできず、前記車両の３自由度のうちの２つを順番に選択していくことによって、最終的に車両の３自由度を制御すると見なされる。
【０００４】
従って例えば、待機時間なしで、直角の経路に追従することはできず、円弧状に走行するか、もしくは、角にて一時停止、待機時間を経て再び走行を開始するといったことが必要となる。この第一の種類に分類される車両には、全輪操舵型全方向移動車両などが挙げられる。
【０００５】
これに対して、第二の種類の車両は学術的には、ホロノミックである車両と呼ばれるもので、この種類の車両は車両内部機構の設定変更の必要はなく、車両の任意の姿勢、任意の位置から即座に全方向への移動、旋回が開始可能であり、車両の３自由度を同時に、かつそれぞれ独立に制御できることが大きな特徴である。これに分類される車両には、球型の車輪を使用した全方向移動車両、あるいは大車輪の周囲に横方向に自由に回転するローラを多数配置した特殊車輪を使用する全方向移動車両などがある。
【０００６】
さらに特開平9-164968号公報に記載され、同一出願人によって提案された車両も、同様に第二の種類の全方向移動車両に分類されるもので、これはキャスタの形態をした車輪の車輪軸と、操舵軸の両方をアクチュエータにてそれぞれ独立に駆動し、かつこの駆動輪を２輪以上備えることで前記所定の３自由度の全方向移動を実現するものであった。この特開平9-164968号公報に記載された発明による車輪機構よれば、通常の形態のタイヤ（ゴムタイヤや空気圧タイヤなど）の装着が可能であるので、滑らかで、俊敏な全方向移動動作を実現することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特開平9-164968号公報に記載された発明において使用されている車輪機構では、連続的に無限回数回転する操舵軸を有するため、配線上の問題から、各車輪機構の車輪軸、操舵軸を駆動する２つのアクチュエータは、両方とも車両本体上に設置され、その回転運動は歯車などの伝達機構を介して伝達される。このことから、２つのアクチュエータの間に速度の干渉が生じる問題がある。
【０００８】
つまり、車輪駆動用アクチュエータを停止した状態にて、車輪の方向を変更するように操舵軸のアクチュエータのみを駆動しても、操舵および車輪の両方が回転してしまう現象が起こる。一方、操舵軸駆動用アクチュエータを停止した状態にて、車輪駆動用アクチュエータを駆動した場合には、車輪のみが回転する．これから、操舵軸駆動用アクチュエータから、車輪駆動用アクチュエータへの一方向の速度干渉が生じていることになる。
【０００９】
前述の発明においてはこの速度干渉を除去するため、操舵軸の回転速度の所定の割合の回転速度をあらかじめ車輪軸のアクチュエータに加算して運動制御を行う必要があった。つまり、この速度干渉を除去するために、実際に車輪に必要な最大回転速度よりも早くまわるアクチュエータを車輪駆動用として搭載する必要があった。
【００１０】
さらに、車輪を駆動するためのトルクは、操舵軸の伝達機構のある部分、例えばひとつの歯車を支点として作用するので、操舵軸が回転しているか、停止しているかにかかわらず、車輪に伝達されるトルクを支えるだけのトルクを操舵軸駆動用アクチュエータも発生しなくてはならないという問題があった。これは、加減速時や段差昇降時などには急激なトルクが操舵軸にかかり、これは操舵軸用アクチュエータにとって外乱に他ならない。
【００１１】
そして、この車輪用アクチュエータからのトルクによって、操舵軸に速度誤差が生じた場合には、車両の走行方向がずれることになるので、車両の走行誤差を生む結果となり、この誤差の発生は重要な問題であった。
【００１２】
また、同特開平9-164968号公報に記載された発明において、双輪キャスタの形態の駆動ユニットに車両本体の旋回用のアクチュエータを付加した全方向移動車両も提案されている。この車両は、二輪の駆動輪、及び駆動ユニットの操舵軸を駆動する３つのアクチュエータにより、車両の並進、回転の運動を制御できるもので、単輪キャスタを複数使用した車両の過拘束の状態（自由度よりも多くの数のアクチュエータにて制御する状態）を回避するものである。
【００１３】
この双輪キャスタの形態においては、操舵軸用のアクチュエータは駆動ユニット上に設置されており、車両が旋回動作を行わないとき（単純な並進運動など）であっても、駆動ユニットの方向変化の影響を補正するために、駆動ユニットの回転と逆方向に車両本体を駆動する必要があるため、車両本体の旋回軸用アクチュエータの制御計算に並進方向の運動を考慮する必要があった。またこれは、制御システムの複雑化を招くばかりでなく、必要以上に大きな容量を有する車両本体の旋回軸用アクチュエータを搭載する必要があった。
【００１４】
つまり上記の２つの問題は、車両を駆動する複数のアクチュエータ間の干渉が生じることにより、車両の走行精度を劣化させるだけでなく、その制御系を複雑にし、かつアクチュエータの容量を増大させていることになる。
【００１５】
以上の問題点に関して、図を用いて、以下に詳述する。従来のキャスタ型の一例の駆動輪機構の側面図を図１９に、および下面図を図２０にそれぞれ示す。この例は、同特開平9-164968号公報に記載された実施例の一部変形例である。
【００１６】
図１９および図２０において、車両本体１には、回転板３を有する操舵軸１３が操舵軸用軸受２によって鉛直軸周りの回転を自在に支持されている。さらに回転板３に固定された駆動輪支持部材４によって軸支された駆動輪５が、操舵軸回転軸心から駆動輪５の転がり方向に距離ｓだけ離間した位置に配置されている。操舵軸駆動用モータ１０、及び駆動輪軸駆動用モータ２０は、共に車両本体１に固定されるように搭載される。操舵軸１３は操舵軸駆動用モータ１０によって、モータ軸歯車１１、操舵軸が備える回転板歯車１２を介して回転駆動され、また、駆動輪５は駆動輪軸駆動用モータ２０によって、モータ軸歯車２１、平歯車２２、平歯車２３、平歯車２４、ベベル歯車２５、ベベル歯車２６を介して回転駆動される。
【００１７】
特開平9-164968におけるこの駆動輪の動作目的は、図２１に示すように、操舵軸の中心、つまり、操舵軸１３が備える回転板３の中心位置に水平面内の任意の方向への速度を発生させることである。つまり、駆動輪５の回転によって、駆動輪の転がりの方向への速度V_wを発生させ、また、操舵軸の回転による接地点を中心とした円運動の角速度ω_sによって車輪の転がりの方向と直交する方向への速度V_sを発生させ、これらの互いに直交する二つの速度の合成により結果的に、任意の方向への任意の大きさの速度Vが操舵軸中心に発生するものである。
【００１８】
ここで、上述の動作は駆動輪軸駆動用モータ２０が回転板３に搭載された状態にて駆動輪５が駆動される場合には、V_sおよびV_wは駆動輪軸駆動用モータ、操舵軸駆動用モータにより、それぞれ独立して制御が可能である。しかし、実際の車輪の設計においては、操舵軸が連続的に複数回転の動作を要求されることにより、その配線の問題から、車輪軸駆動用、操舵駆動用のモータは共に、車両本体に搭載される場合がほとんどである。このとき、操舵軸駆動用モータ１０の速度が駆動輪５の速度に干渉する問題が生じる。これについて以下に詳細に述べる．
図２２に示すように、操舵軸駆動用モータ１０を、例えば回転板３が、紙面上の反時計方向に回転するように駆動される場合を考える。このとき、駆動輪軸駆動用モータ２０は回転しないにもかかわらず、操舵軸駆動用モータ１０のみの動作によって車輪５はある角度回転してしまう現象が生じる。これは、歯車２３は車輪駆動用モータ２０、モータ軸歯車２１、歯車２２と共に車両本体１に対して停止した状態を保っている、つまり同図において紙面に固定されている状態である。
【００１９】
回転板３が回転することによって、回転板３上に配置、支持された歯車２４は歯車２３のまわりを遊星歯車の要領で回転するので、その結果、歯車２４は回転板３に対してある角度回転することになり、駆動輪５もこれに応じた角度だけ回転する。これは駆動輪軸駆動用モータ２０が停止していない状態においても常に発生し、回転板３のある割合の回転が駆動輪５に加算されることになる。
【００２０】
このときの回転板３の回転角度に対する駆動輪５の回転角度の比は、歯車２３、２４、およびベベル歯車２５、２６の歯数比によって決定する一定値であり、あらかじめこの回転を相殺するように駆動輪軸駆動用モータ２０への速度指令値に、操舵軸駆動用モータ１０への速度指令値の所定の割合の速度を加算することで、上記、速度干渉の影響を除去する方法が考えられる。
【００２１】
特開平9-164968の発明の実施において、図２１に示すような動作を達成するためにはこの速度干渉の除去手段は必須であった。このことから、車輪軸駆動用モータ２０に駆動輪５を最高回転数で駆動する以上の早い回転数が要求され、必要以上に大きな容量のモータを搭載する必要があった。
【００２２】
さらに、例えば駆動輪５が段差を乗り越える状態を考えると、段差の角に駆動輪５の一端が接触した状態の時には、車輪軸駆動用モータは段差を乗り上がるために、大きなトルクを発生する。しかし、このとき駆動輪５は一時ロックされた状態になり、車両を押し上げるに十分なトルクが伝達されるまで駆動輪５は回転できない。このとき、駆動輪５に伝えられるトルクは、平歯車２３、２４を介して回転板３を回転させようとする方向に作用し、操舵軸駆動用モータ１０にまで伝わる。この結果、回転板３に角度誤差が発生するか、さらに悪い場合には、操舵軸駆動用モータ１０が駆動輪軸駆動用モータ２０に負けて回転させられてしまう現象が発生する。
【００２３】
また、図２３には特開平9-164968に記載された異なる実施例に関わる構成を示す。この構成においては、双輪キャスタ型の駆動ユニットを用いることで、３つのアクチュエータにより、ホロノミックな全方向移動を達成する。これは、駆動ユニット５５上に搭載される操舵軸駆動用モータ１５０により、車両本体１が駆動ユニット５５に対して回転する。図２４にその動作の様子を示す。これは、駆動ユニット５５と車両本体１の角度が９０度ずれた状態から、車両の横方向の並進運動を行った例である。
【００２４】
このとき、車両本体１自体の姿勢を変化させる必要はないにもかかわらず、駆動ユニット５５は通常のキャスタと同様な動作を行うため、その姿勢は大きく変化する。この駆動ユニット５５の回転の影響を補正するために、操舵軸駆動用モータ１５０は車両本体１を逆方向に回転させることで、車両本体１の姿勢を一定に保たなければならない。
【００２５】
これより、駆動ユニット５５の回転を考慮した最大の速度、つまり、車両本体１の最大旋回速度に駆動ユニット５５の最大旋回速度を加算した速度、が操舵軸駆動用モータ１５０に要求されることとなる。また、駆動ユニット５５全体を旋回させる必要があるので、大きな駆動エネルギーを必要とし、バッテリにより走行する車両においては、電力の消費が大きく、一回の充電あたりの走行時間を短縮する要因にもなる。
【００２６】
この発明は上記の従来の全方向移動車両の有する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、車両を駆動するそれぞれのアクチュエータ間の速度干渉を除去することにより、制御系を簡素化し、さらには駆動輪軸駆動用モータ、及び、車両旋回駆動用モータの小容量化を図ることにある。
【００２７】
さらに、操舵軸にかかる外乱トルクを操舵軸駆動用アクチュエータにまで伝えることなく、操舵軸用のアクチュエータの更なる小容量化を図ることにある。
【００２８】
ひいては、全方向移動車両自身の小型、軽量化、低価格化と、エネルギー消費の低減、バッテリーによる自律走行車両などの長時間走行、あるいはバッテリーの小型、軽量化などを図ることにある。
【００２９】
【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、車両本体と、車両本体に取り付けられ，操舵軸と同操舵軸駆動用アクチュエータと，駆動輪と同駆動輪軸駆動用アクチュエータとを有する駆動ユニットと、前記車両本体に設けられ，前記操舵軸を軸支するための操舵軸回転用軸受とを備えた全方向移動車両において、前記操舵軸は、車両本体に取り付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって第一の動力伝達手段を介して駆動され、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を設けてなり、前記駆動輪は、車両本体に取り付けられた駆動輪軸駆動用アクチュエータによって第二の動力伝達手段を介して回転駆動され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であって，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）だけ離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに交差しないように水平軸周りに回動自在にしてなるものとする。
【００３０】
また、請求項２の発明によれば、請求項１に記載の全方向移動車両において、前記第二の動力伝達手段は、前記駆動輪軸駆動用アクチュエータによって前記操舵軸とは独立的に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ａと、この動力伝達部Ａに連結し，操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂとを有してなるものとし、この動力伝達部Ｂの減速比をＧ（但し、Ｇ＞１にて減速）とし、前記駆動輪の半径をｒとしたとき、前記所定の距離（ｄ）は、次式（数４）の関係を満たすものとする。
【００３１】
【数４】

上記のようにすることにより、駆動輪軸用アクチュエータと、操舵軸用アクチュエータの動作を非干渉化できる。また、駆動輪を車両本体中央より横に配置することから、動力伝達機構の配置、構成が容易になり、機構的に簡易になる。
【００３２】
また、請求項３の発明によれば、請求項２に記載の全方向移動車両において、前記駆動輪支持部材は、操舵軸に接続固定された操舵軸接続部材と、この操舵軸接続部材に軸支された歯車の回転軸と同一回転軸に軸支されて鉛直面内に回転できるように軸支され，かつ前記駆動輪を軸支する駆動輪支持用リンク部材とを備え、さらに、前記操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂを、前記歯車に連結し，操舵軸と共に水平軸周りに動き得る駆動輪用歯車からなる動力伝達部ｂに代えてなり、かつ、前記操舵軸と駆動輪支持用リンク部材との間に、駆動輪の床面走行中における振動を吸収するための振動吸収手段を設けたものとする。
【００３３】
上記構成によれば、床面に若干の凹凸があっても、駆動輪が接地した状態を保つことができることから、特に、駆動輪を複数設けた場合において、十分な車両駆動力、安定性を保持することができ、走行性能が向上する。
【００３４】
さらに、請求項４の発明によれば、請求項３に記載の全方向移動車両において、前記振動吸収手段は、ばねを備えるものとし、このばねと並列に直線駆動型のポテンシオメータなどの直線位置検出器を設け、ばねの変位を測定することにより駆動輪に作用する垂直抗力を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全体の重量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定手段を備えたものとする。上記構成により、各駆動輪機構に搭載されたサスペンションのばねの変位を計測することで、車両の総重量、重心位置などを推定することができ、車両の安定性をさらに向上させることができる。
【００３５】
さらに、請求項５の発明によれば、請求項３に記載の全方向移動車両において、前記操舵軸と共に回転する振動吸収手段の変位に応じて上下動を行う可動子を操舵軸の中心を貫通して設け、かつ操舵の動作により回転を行わない部位に配設置したポテンシオメーターなどの直線位置検出器を設け、この直線位置検出器にて前記可動子の変位を計測することにより前記振動吸収手段の変位を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全体の重量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定手段を備えたものとする。上記により、サスペンションのばねの変位を計測するセンサを車両本体に設置することが可能であるので、回転部に配線を渡す必要がなくなり、装置の信頼性を向上させることができる。
【００３６】
また、請求項６の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法であって、車両本体は、前記駆動ユニットを２つ以上備え、車両基準点に仮想的に設置された車両基準座標系に対するそれぞれの駆動ユニットの操舵軸の位置（座標）、姿勢情報を用いて、次式（数５）に従って、各駆動ユニットにおける操舵軸駆動用アクチュエータおよび駆動輪軸駆動用アクチュエータの回転角速度を制御することとする。
【００３７】
【数５】

上記制御方法によれば、各アクチュエータを他の駆動機構の運動状態などを考慮することなく、完全に独立して制御することができるので、機構的だけでなく、ソフト的にもモジュール性を高めることができ、設計の自由度が高くなる。
【００３８】
次に、請求項７の発明によれば、車両本体と、車両本体に取り付けられ，操舵軸と駆動輪とを有する複数個の駆動ユニットと，この複数個の駆動ユニットにおける操舵軸と駆動輪とを駆動するための駆動手段を備えた駆動セットと、この駆動セットに設けられ，前記車両本体の鉛直軸まわりの回転を自在にして支持するための車両本体回転用軸受と車両本体回転駆動用アクチュエータと同動力伝達手段とを備えた全方向移動車両であって、前記複数個の各操舵軸は、前記駆動セットに取り付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって，ベルトやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動され、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を設けてなり、前記複数個の各駆動輪は、前記駆動セットに取り付けられた駆動輪軸駆動用アクチュエータによって，ベルトやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であって，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）だけ離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに交差せぬように水平軸周りに回動自在にしてなるものとする。
【００３９】
また、請求項８の発明によれば、請求項７に記載の全方向移動車両の制御方法であって、駆動輪軸駆動用アクチュエータと操舵軸駆動用アクチュエータおよび車両本体回転駆動用アクチュエータの回転角速度を、次式（数６）に基づいて制御することにより、駆動ユニット及び車両本体の並進方向の速度とその方向を制御し、かつ、車両本体の方向を制御することとする。
【００４０】
【数６】

上記構成および制御方法によれば、車両に搭載される駆動輪および操舵軸の駆動をそれぞれ単一のアクチュエータにより行うことにより、必要最小限の数のアクチュエータにて駆動可能な車両を構成することができ、低コストな車両を提供することができる。また、車両の並進運動と、回転運動を非干渉化できることから、制御系の負担を軽減するばかりでなく、車両旋回用アクチュエータの小型化も可能である。
【００４１】
次に、請求項９ないし１０の発明は、制御方法のさらなる改良であって、請求項９の発明においては、請求項８に記載の全方向移動車両の制御方法において、車両本体に角度検出器を固定して設け、この角度検出器の軸を操舵軸駆動用アクチュエータの動力伝達手段により回転駆動されるように結合し、この角度検出器により車両本体に対する駆動輪の向きの相対角度を測定するための角度測定手段を設け、測定された相対角度を前記（数６）におけるθ_wとして、（数６）に基づいて車両の制御を行うこととする。
【００４２】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の全方向移動車両の制御方法において、前記角度測定手段は、操舵軸駆動用アクチュエータの軸の回転を検出する第一の積算型エンコーダと、車両本体回転駆動用アクチュエータの軸の回転を検出する第二の積算型エンコーダと、車両本体に対する駆動輪の向きを計測する比較的低分解能である絶対角度検出型エンコーダと、正逆回転を伴う積算型エンコーダからのパルス列に含まれるパルス数を数え，２系列のパルス数の減算を行い，その結果を出力する偏差カウンタとを備え、前記第一の積算型エンコーダから出力されるパルス列を前記偏差カウンタの正の入力に接続することにより検出し、第二の積算型エンコーダから出力されるパルス列を同偏差カウンタの負の入力に接続することにより検出し、この偏差カウンタの出力をもって、車両本体と駆動輪の向きの角度計測値の下位とし、絶対角度検出型エンコーダの出力を同角度計測値の上位とし、両方の計測値をあわせることにより、最終的な同角度計測値とすることとする。
【００４３】
上記方法によれば、ふたつのアクチュエータにより駆動される一つの軸に関して、比較的、低分解能である絶対角度検出型エンコーダを一つ設置し、二つのアクチュエータに取り付けられた積算型エンコーダにより、これをハード的に補正することで、ソフト的な負担を増大させることなく、安価なセンサにより、高精度の角度検出を実現することができる。
【００４４】
次に、請求項１１の発明は、請求項７に記載の全方向移動車両において、前記駆動輪に働く車両走行面からの外乱トルクの干渉を緩和するように、隣接する駆動ユニットにおける前記駆動輪と操舵軸との相対位置関係を逆に配設するものとする。
【００４５】
上記の構成によれば、床，段差からの外乱トルクを動力伝達機構にて消去、または緩和し、アクチュエータへの影響を軽減するので、アクチュエータの小容量化が可能となる。
【００４６】
また、請求項１２の発明によれば、請求項８から１０のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法において、前記駆動セットにジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、このセンサの出力により駆動輪と床との間の滑りを検出し、この滑り検出値により、前記車両本体に対する駆動輪の向きの相対角度測定値を補正することとする。
【００４７】
上記制御方法によれば、車両の姿勢誤差のみを検出することが可能となり、車両の姿勢認識のアルゴリズムが極めて簡易なものとなる。さらに、低レンジ、高感度の回転計測計を搭載することができ、従来の類似のシステムに比較して、高精度は測定、制御が可能となる。
【００４８】
さらに、請求項１３の発明によれば、請求項６，８，９，１０，１２のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法において、車両本体にジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、このセンサからの回転角度の測定値を、車両の制御装置において認識している車両本体の姿勢のデータに加算することにより、車両本体の姿勢の認識誤差を補正することとする。上記により、車両制御アルゴリズムの基本パラメータである車両姿勢値を瞬時に更新することができるので、制御系の負担を軽減できるばかりではなく、車両の走行精度を向上させることができる。
【００４９】
以上、前記一連の発明によれば、制御系、駆動系の非干渉化、簡単化、およびアクチュエータの小容量化、省電力駆動などを行うことにより、低コスト、高信頼性、高精度走行能力を有する実用的なホロノミック全方向移動車両を提供することができる。
【００５０】
【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。
【００５１】
（実施例１）
図１および図２は、請求項１，２の発明に関わる実施例の側面図および下側より見た平面図である。車両本体１には、駆動輪操舵用の回転板３を有する操舵軸１３が操舵軸回転用軸受２によって鉛直軸周りの回転を自在に支持されている。回転板３には駆動輪支持部材４によって駆動輪５が操舵軸から駆動輪５の転がり方向に距離ｓ、さらに、それと直交する方向、つまり駆動輪５の回転軸と平行な方向にｄだけ離間した位置に配置されている。操舵軸駆動用モータ１０、及び駆動輪軸駆動用モータ２０は共に車両本体１に固定されるように設置される。
【００５２】
回転板３は操舵軸駆動用モータ１０によって、モータ軸平歯車１１、操舵軸が有する平歯車１２を介して回転駆動される。また、駆動輪５は駆動輪軸駆動用モータ２０によって、モータ軸平歯車２１、平歯車２２、平歯車２３、平歯車２４、ベベル歯車２５、ベベル歯車２６を介して回転駆動される。
【００５３】
次に動作について説明する。駆動輪軸駆動用モータ２０を停止した状態にて、操舵軸駆動用モータ１０を回転駆動すると、回転板３が回転する。このとき、回転板３上に回転支持された平歯車２４は遊星歯車の要領で平歯車２３を中心として回転運動をするので、この平歯車２４は回転板３に対して回転することにより駆動輪５が回転する。
【００５４】
図３，図４に示すように、回転板３を紙面上にて反時計方向に回転させたとき、駆動輪軸駆動用モータ２０が回転していないにもかかわらず、駆動輪５は紙面右方向に移動するように回転する。このとき、駆動輪横方向のオフセット距離ｄを調節することで、操舵軸駆動用モータ１０の回転によって生じる駆動輪５の姿勢の変化に対する、速度干渉による駆動輪５の回転によって生じる駆動輪５の床に対する移動量を、距離ｄを適切な値とすることにより、駆動輪５が操舵軸からsの距離の点、つまり点O'を中心とする半径ｄの円の円周上を転がるようにすれば、操舵軸の中心点Oも点O'を中心とした半径sの円周上を運動する。
【００５５】
これより、前記特開平9-164968号公報に記載された発明の目的とする運動がこの車輪機構においても達成され、かつ駆動輪軸駆動用モータ２０を回転させなくとも、駆動輪５の転がりの方向への速度ベクトルは点Oに発生しないので、操舵軸駆動用モータ１０と駆動輪軸駆動用モータ２０との速度干渉を除去することができる。
【００５６】
次に、請求項２の発明に関わり、駆動輪５の転がりの方向、及びオフセット距離ｄの決定方法について説明する。駆動輪５の転がりの方向は、歯車の構成と操舵軸に対して駆動輪５の配置される方向により決定される。前述のように、図１、２に示す配置例では、回転板３が紙面上にて反時計周りに旋回駆動されたとき、駆動輪５も反時計方向に向きを変えながら紙面右方向に回転、移動する（図４）。このときの重要な関係は、駆動輪５の旋回方向と、その時の駆動輪５の床面に対して移動する方向である。
【００５７】
図４における例では、駆動輪５が反時計周りに旋回するときには、駆動輪５は右方向に移動しなければならない。例えばこの回転の方向を逆にするには、平歯車２３と平歯車２４の間にアイドラーとしての平歯車を挿入すれば良い。
【００５８】
また、距離ｄは、駆動輪の旋回中心を点O'と一致させるように調整する。平歯車２３〜２６のそれぞれの歯車の有効半径をr₂₃〜r₂₆とすると、この歯車２３から車輪５までの減速比Ｇ（Ｇ＞１にて減速）は、
【００５９】
【数７】

で与えられる。操舵軸駆動用アクチュエータ１０のみを駆動させ、回転板３を回転させるときを考える。回転板３が回転角θ_s回転したとき、平歯車２４は回転していない平歯車２３の周りをθ_sだけ遊星歯車の要領で回転する。このときの歯車２４は点O'周りにθ₂₃だけ回転したことになり、下記（数８）で与えられる。
【００６０】
【数８】

このとき、駆動輪５はθ_w回転するとすると、
【００６１】
【数９】

また、そのときの駆動輪５の走行距離aは、
【００６２】
【数１０】

ただし、ｒは駆動輪５の半径である。
式３、４を代入すると、
【００６３】
【数１１】

となる。駆動輪５を点O'を中心とする半径ｄの円周上を転がるようにするためには、図５に示すようなθ_sとθ_wの関係を満たすことが必要である。半径ｄの円弧と駆動輪５の走行距離が等しくなることより、
【００６４】
【数１２】

が条件として得られる。
（数１１）と（数１２）からθ_sを消去し、dを求めると、下記（数１３）が導出される。
【００６５】
【数１３】

以上に示した条件を満たすように距離ｄを調節することで、操舵軸駆動用モータ１０の駆動のみによる操舵軸の回転運動により、駆動輪５は点O'を中心として半径ｄの円上を旋回運動し、また操舵軸中心つまり点Oは、同様に点O'を中心として半径ｓの円上を旋回運動する。これより、操舵軸駆動用モータ１０の駆動により、操舵軸は、駆動輪の転がり方向と直交する方向の速度を操舵軸上に発生することができる。また、駆動輪軸駆動用モータ２０のみの駆動によっては、駆動輪が回転するのみであり、操舵軸は駆動輪の転がりの方向に速度を発生する。よって、操舵軸駆動用モータ１０のみの駆動と、駆動輪軸駆動用モータ２０のみの駆動によりそれぞれ直交する速度を操舵軸上に発生させることができるので、それぞれの駆動を独立に制御することにより、駆動輪の向きにかかわらず、操舵軸をあらゆる方向に移動させることが可能となる。
【００６６】
（実施例２）
次に請求項３に関わる全方向移動車両の実施例について、以下に説明する。図６、７は、実施例２の側面図、下側平面図をそれぞれ示す。この実施例は、平歯車２３、２４と、ベベル歯車２５、２６の動力伝達経路上の配置を、前記実施例１とは逆にしたものである。この構成により、平歯車を鉛直面内に配置できるばかりでなく、歯車２２により駆動される軸を、操舵軸中心から駆動輪５の中心付近の高さまで延長でき、駆動輪５の上部の歯車などを配置する必要がなくなることから、駆動輪５が上下動できる寸法の余裕ができる。
【００６７】
この実施例においては、平歯車２４、駆動輪５を支持する駆動輪支持用リンク部材７を、操舵軸１３に固着される操舵軸接続部材６とは分離して設け、これを平歯車２３、およびベベル歯車２６の回転軸まわりに鉛直面内の回転を自在にして支持する。さらに、駆動輪支持用リンク部材７の駆動輪５の配置されている側とは反対側の部分と操舵軸１３との間に、引張りばね８を渡し、駆動輪５が床面を押す方向に力を発生させるようにする。
【００６８】
また、押す形式のばねを使用する際には、駆動輪支持用リンク部材７の駆動輪５が配置されている側の部分と、操舵軸１３との間に押しばね９を挿入することにより、駆動輪５の床面方向への力を発生させる。また、上記引張りばね８、押しばね９とダンパを併設することも可能であり、ばね定数、粘性係数を調節することにより、上記構成によるサスペンション機構の振動吸収能力や、床面への接地能力などを変化させることができる。
【００６９】
（実施例３）
次に請求項４に関わる実施例の全方向移動車両について説明する。実施例２の全方向移動車両における車輪機構においては、各車輪機構は独立なサスペンションを搭載し、床面の凹凸に対応して、その駆動輪の上下動を行う。このとき、各サスペンション機構に備えられるばねは、その駆動輪にかかる垂直抗力を支え、また、これに比例した変位を伴っている。これより、サスペンション機構のばねの変位を測定することで、その駆動輪に作用している垂直抗力を測定することができる。
【００７０】
これは、ばねに図６には図示しない直線的な変位を測定するポテンシオメータなどの簡単なセンサを併設することにより実現できる。車両に搭載される複数の車輪に備えられる複数のセンサから力情報の総和から、車両搭載物を含めた総重量を、また、力分布から重心の位置を推定することが可能となる。
【００７１】
（実施例４）
次に請求項５の発明に関わる実施例の全方向移動車両について説明する。実施例３においては、ばねの横にその変位を計測するセンサを取り付けることにより、駆動輪５に作用する垂直抗力を測定したが、センサは駆動輪５と共に回転する部位に取り付けなければならず、配線の問題がある。そこで、図８に示すように、操舵軸中心を貫通する可動子６２を設置し、この変位を計測することで、ばねの変位を測定する。
【００７２】
可動子６２は、ばね６１により常に下方向に押付けられるように与力を受けている。また、その変位は車両本体１に固定された直線型ポテンシオメータなどの直線変位計測計６０により検出される．可動子６２の先端は、サスペンション機構の回転によって上下動の動きが得られるように、図９（ａ）から（ｃ）に示すような摺動部材６３に接触している。図９（ａ）から（ｃ）に示す例では、駆動輪５が車両本体方向に上昇した場合には、可動子６２が上昇し、また、駆動輪５が下降した場合には、可動子６２が下降する。
【００７３】
（実施例５）
次に請求項６の発明に関わる全方向移動車両の制御方法の実施例について説明する。図１０（ａ），（ｂ）は、この実施例に関わる模式図である。車両には、少なくとも請求項２の発明に関わる駆動ユニットが２ユニット搭載される。図１０は、４ユニット搭載の実施例を示す。
【００７４】
車両の制御基準点にその原点が仮想的に設置された車両座標系における、第i番めの駆動ユニットの操舵軸中心の位置をx_i、y_iとして定義する。このとき、車両がｘ軸方向にv_vx、ｙ軸方向にv_vyの速度で、旋回運動を伴わない並進運動を行うとき、これを実現するために各駆動ユニットに要求される各軸方向の速度は、それらの位置x_i、y_iとは無関係で、下記（数１４）のように車両速度と同じ速度がそれぞれ要求される。
【００７５】
【数１４】

次に、図１０（ｂ）に示すように、車両が基準点Ｏ周りに角速度ω_vにて定置旋回（並進運動を伴わない旋回運動）を行うとき、これを実現するために各駆動ユニットに要求されるｘ、ｙ軸方向の速度は、下記（数１５）で与えられる。
【００７６】
【数１５】

ただし、図１０（ｂ）に示すようにL_iは、車両基準点から第i番の駆動ユニットの操舵軸中心までの距離であり、またθ_iは車両基準座標原点から第i番の駆動ユニットの操舵軸中心に引いた直線の角度である。ここで、その幾何学的な条件から、下記（数１６）の関係があることが、図１０（ｂ）から求められる。
【００７７】
【数１６】

（
これを代入すると、L_i、θ_iは消去され、下記（数１７）を得る。
【００７８】
【数１７】

一方、車両が上述の並進運動と、旋回運動を同時に行う場合には、（数１４）および（数１５）で示される速度の和の速度が各駆動ユニットに要求されることになるので、（数１４）および（数１５）の右辺どうしを加算することにより、車両の任意の回転を伴った任意の並進動作を実現するための各駆動ユニットに要求されるｘ、ｙ軸方向の速度v_ix、v_iyが、下記（数１８）のように求められる。
【００７９】
【数１８】

これらから、各駆動ユニットにおける駆動輪５の進行方向の速度v_wix、および横方向の速度v_wiyは、車両座標系にて記述された（数１８）の速度を、駆動輪５の角度だけ回転変換を行うことにより、下記（数１９）のように求められる。
【００８０】
【数１９】

ただし、（i = 1,2,......）
ここで、θ_wiは、図１０（ａ）に示すように、車両基準座標系に対する各駆動輪５の姿勢である。
【００８１】
これらから、最終的に操舵軸駆動用、駆動輪軸駆動用の各モータに与える角速度指令値は、下記（数２０）のように求められる。この（数２０）は（数２）と同一である。
【００８２】
【数２０】

以上のように、各駆動ユニットは、その操舵軸の中心の座標、および姿勢の情報を使用するのみで、他の駆動ユニットの状態を考慮することなく、他の車輪の情報を用いなくとも、独立して１輪の運動を決定することができることがわかる。これは、各駆動ユニットの制御部分が車両全体の運動を管理する制御部分と一方向の情報のやりとりをするのみで達成されるので、装置としての拡張性、信頼性を向上させることができる。なお、以上の車両の動作を行うためには少なくとも２つの駆動ユニットが必要であり、２つ以上であれば、その配置、ユニットの数には制限がなく、柔軟に車両の設計を行うことができる。
【００８３】
（実施例６）
次に、請求項７、８および９の全方向移動車両とその制御方法に関わる実施例について説明する。図１１に実施例の上面図を、図１２に側面図を示す。駆動セット５５０には、請求項２における駆動ユニットのモータ１０、２０を除いた車輪機構としての駆動ユニット５５が複数ユニット（図１１では４ユニット）設けられ、全ての車輪機構の操舵を行う操舵動力用プーリ１９は、駆動セット５５０に設けられ、全ての駆動輪が同一の方向を向くようにして、ベルト１８をもって動力的に結合される。また、駆動輪５を駆動する各駆動輪動力用プーリ２９も同様にして、ベルト２８をもって動力的に結合される。
【００８４】
操舵動力用プーリ１９を結合するベルト１８は、単一の操舵軸駆動用モータ１０によって駆動され、その結果全ての駆動輪５の操舵が同時に行われ、全駆動輪５は常に同方向に向く。また、駆動輪動力用プーリ２９を結合するベルト２８は、別の単一の駆動輪軸駆動用モータ２０によって駆動され、その結果、全駆動輪５は常に同じ角速度にて回転、床面を移動する。これらの車輪機構において支持、駆動される駆動セット５５０は、上記２つのモータの同期制御によって、あらゆる方向の並進運動を行うことができる。以下にその同期制御の方法を説明する。
【００８５】
まず、駆動輪軸駆動用モータ２０を駆動すると、平行に保たれた駆動輪５は全て同速度にて回転するので、各駆動ユニットの操舵軸中心には、駆動輪５の転動方向に同じ速度が発生する。一方、操舵軸駆動用モータ１０を駆動すると、全駆動輪５は、同時に向きを変えるように動作し、その結果各操舵軸中心に駆動輪５の横方向の速度を発生する。これら駆動輪軸駆動用モータ２０によって発生する速度ベクトルと、操舵軸駆動用モータ１０によって発生する速度ベクトルは常に互いに直交し、かつそれぞれのモータの速度制御により独立に決定できる。
【００８６】
駆動セット５５０はこれら各操舵軸中心における速度ベクトルの合成速度ベクトルにより並進運動を行う。よって、要求される方向のベクトル（つまり車両の動作指令の速度ベクトル）を駆動輪５の床面に対する姿勢に応じて、瞬間瞬間における駆動輪５の方向と、それに直交する方向に分解し、それぞれを各モータ２０、１０への速度指令値として連続的、あるいは極めて短時間の繰り返し操作にて制御することで、動作指令に対応した合成速度ベクトルを発生させ、床面に対して任意な方向への全方向移動動作を実現することができる。車両本体１の動作指令の並進速度ベクトルから、車輪軸駆動用モータ２０、操舵軸駆動用モータ１０への速度分解の式を下記（数２１）に示す。
【００８７】
【数２１】

以上のアルゴリズムにより、駆動セット５５０は車輪本体１と共に、３６０度任意の方向への並進運動を行うことができる。しかし、ここで注意することは、駆動セット５５０の姿勢は常に一定であり、駆動輪５と床面との間の滑りが起こらない限り駆動ユニット５５の姿勢は初期状態から変化することはないということである。このため、駆動セット５５０上に旋回ステージ５３を設置し、この旋回ステージ５３を回転駆動することで車両本体１の回転動作を実現する。この旋回ステージ５３の回転は第三の旋回用モータ５０により駆動され、この旋回ステージ５３に固着される車両本体１の旋回速度、および姿勢が制御される。
【００８８】
ここで、前述のように、駆動セット５５０はいかなる並進方向の動作によっても鉛直軸まわりに旋回運動しないことから、旋回用モータ５０の速度制御においては、車両の並進運動を考慮する必要はなく、車両本体１の旋回運動が要求されるときにのみ、回転動作し、これを制御すれば良い。このことより、車両全体として並進運動と旋回運動が非干渉化された制御が可能となる。以上により、並進の制御式と組み合わせることで、車両全体の制御式は下記（数２２）のように求められる。（数２２）は、（数３）と同一である。
【００８９】
【数２２】

（実施例７）
次に、請求項９の全方向移動車両の制御方法に関わる実施例について、さらに説明する。図１２は実施例７に関わる側面図を示す。
【００９０】
駆動セット５５０には、駆動輪５を備える複数の駆動ユニットと、３つのモータ１０、２０、５０、およびこれらを結合する動力伝達機構であるベルト１８、１９、および旋回ステージ５３を搭載する。車両本体１は、旋回用モータ５０によって回転駆動される歯車５８、旋回ステージ５３を介して、車両中心を通る鉛直軸周りに旋回する。絶対角度検出型エンコーダ７０は、その回転中心を車両本体１の回転中心と同一になるようにして車両本体１に直接固定される。また、その測定軸７１は、操舵駆動用モータ１０によって駆動されるベルト１８によって、プーリ１９を介して回転される。これより、絶対角度検出型エンコーダ７０は、駆動セット５５０の状態にはよらず、車両本体１に対する駆動輪５の向きを計測することが可能となる。
【００９１】
（実施例８）
次に、請求項１０の全方向移動車両の制御方法に関わる実施例について、図１３により説明する。請求項９の全方向移動車両の制御方法の実現に際しては、車両本体１に対する駆動輪５の相対角度を計測するために、絶対角度検出型エンコーダ、または、ポテンシオメータを用いることが一般的である。近年では、コンピュータとの入出力が容易であること、ノイズに強いシステムを構築できること、などの理由から、デジタル出力のエンコーダの方が多く用いられる傾向にある。この発明の車両制御システムにおいては、この角度検出値に基づいて、車両の速度分解の計算が行われることから、高精度の角度検出が要求される。
【００９２】
しかし、絶対角度検出型エンコーダのうち、機械的に高分解能のスリットを用いているものは非常に高価であり、また、電池、あるいは微少電力によるバックアップにて高分解能を実現するものは、保守の点から好ましくない。そこで、比較的低分解能の絶対角度検出型エンコーダと、モータのシャフトに備えられた積算型エンコーダを用いて、高分解能の絶対角度検出を行う．これまでも、低分解能の絶対角度検出型エンコーダと、積算型エンコーダを併用した高分解能角度検出は存在し、積算型エンコーダの積算カウンタの値を、絶対角度検出型エンコーダの最小分解能以下の測定値とみなし、高分解能を実現していた。
【００９３】
例えば、８ビットの絶対角度検出型エンコーダと、４ビットの積算カウンタを用いたとすると、８ビットを上位、４ビットを下位とみなすことで、結果的に１２ビットの分解能を実現することが可能である．しかし、これは、ひとつのアクチュエータによって駆動される軸の角度計測についてのみに適用が可能なものである。
【００９４】
本システムにおいては、車両本体１と駆動輪５の相対角度を測定することが目的であるが、この角度は、操舵軸駆動用モータ１０、旋回用モータ５０のいずれか、あるいは両方を回転駆動することで変化する。請求項１０の発明の制御方法を実現するには、図１３に示す構成が採用される。本構成においては、旋回用モータ５０により絶対角度検出型エンコーダ７０本体を回転させ、操舵軸駆動用モータ１０によりその測定軸７１を回転させていることに相当する。つまり、二つのモータによって一つの軸が駆動される。
【００９５】
このことから、上記の従来の方法を適用することはできない。二つのモータ１０、５０に取り付けられた積算型エンコーダ８１、８２は偏差カウンタ１００の正、負の２つの入力に信号が接続される．また、絶対角度検出型エンコーダ７０の最下位ビットは偏差カウンタ１００のリセットを行うように接続される。演算部（ＣＰＵ）１０４の保持信号により、各４ビットずつ割り当てられた４ビット信号保持装置１０１〜１０３により、その瞬間の各ビットの状態を保持することで、絶対角度検出型エンコーダ７０、および偏差カウンタ１００により計測された値を同期して取り込むことができる。
【００９６】
次にこの動作について説明する。図１４（ａ）に示すように、操舵軸駆動用モータ１０が駆動輪５を反時計方向に操舵するとき、あるいは同図（ｂ）に示すように旋回用モータ５０が車両外郭部９０を負方向に回転するとき、さらにこの両方が同時に起こる場合において、車両外郭部９０と、駆動輪５の相対角度は増加するように変化する。よって、操舵軸駆動用モータ１０のエンコーダ８１は偏差カウンタ１００の正の入力に、旋回用モータ５０のエンコーダ８２は偏差カウンタ１００の負の入力に接続する。
【００９７】
これにより、駆動輪５が反時計方向にわずかに操舵されたときには、偏差カウンタ１００の出力は正の入力と等しくなり、これが車両本体１と駆動輪５の相対角度となる。また、車両本体１が時計方向にわずかに回転されたときには、偏差カウンタ１００の出力は車両本体１の駆動角度の逆符号の角度を示し、つまりこの場合正の値が出力され、このときにも出力は、車両本体１と駆動輪５の相対角度に等しくなる。また、例えば図１５に示すように、駆動輪５が反時計方向にある角度わずかに回転し、車両本体１も同方向にそれと同じ角度回転されたとすると、偏差カウンタ内部にて、正の入力と負の入力の加減算を行う結果、その出力は零となり、実際の車両本体１と駆動輪５の相対角度、つまり零、と一致することとなる。
【００９８】
また、絶対角度検出型エンコーダ７０の最下位ビットが変化するほど大きく相対角度が変化した場合には、このビットの変化により、偏差カウンタはリセットされるので、最下位ビットが変化した瞬間からの角度変化を再び記憶することとなる。つまり、偏差カウンタ１００は絶対角度エンコーダ７０の最下位ビットの分解能以下の角度を、ふたつの積算型エンコーダ８１、８２からのパルスを用いて常に計測することができる。図１３において、ＣＰＵ１０４は、絶対角度検出型エンコーダ７０からの上位８ビットと、偏差カウンタ１００からの下位４ビットを情報保持装置１０１から１０４を用いて同時に保持し、これを取り込むことで、ある瞬間における高分解能な角度を検出することができる。
【００９９】
（実施例９）
次に、請求項１１の全方向移動車両に関わる実施例について、図１６により説明する。請求項７、８の発明に関わる実施例（図１１、図１２）においては、駆動輪軸駆動用モータ２０と、操舵軸駆動用モータ１０の動作を速度的に非干渉化したことより、複数の駆動輪を搭載した車両において、横方向への偏りの形態の異なる駆動ユニット（右方向の横にオフセットしているか、左方向の横にオフセットしているか）が混在していても、これらを共通のモータにより駆動することが可能である。
【０１００】
よって、車両上の駆動輪の位置やその他の要因によって適した駆動ユニットの形態を選択することができる。ここでは、駆動輪軸駆動用モータ２０と操舵軸駆動用モータ１０との間のトルク干渉を除去、あるいは緩和するために、異なる形態の駆動ユニットを混在して配置する方法について説明する。
【０１０１】
図１６には、この実施例の平面図を示す。例えば、車両全体が紙面上方に移動し、駆動輪５が段差を乗上げようと、段差２５０の縁に駆動輪５の一部が接触した状態を考える。このとき、駆動輪５が段差２５０の縁に接触する瞬間に、車両からの慣性力を受ける結果、操舵軸まわりには大きなトルクが作用する。このとき、左前方の駆動ユニットにおいては操舵軸を反時計周り方向に回転させようとするトルクが作用し、また、右前方の駆動ユニットにおいては時計周り方向のトルクが操舵軸に作用する。
【０１０２】
しかし、これらの操舵軸駆動用プーリ１９はベルト１８にて結合されているので、上述の操舵軸にかかるトルクはベルト１８を互いに引き合うように作用し、駆動セット５５０に作用する内力として消去され、操舵軸駆動用モータ１０まで伝達しない。そのため、駆動輪５が２輪同時に段差に衝突する際には、段差に衝突した影響による外乱トルクはほとんど除去される。
【０１０３】
車両が全方向へ移動する場合には、いずれの方向へ向かう際にも進行方向前方の駆動輪はその形態が左右異なることが望ましい。これを実現するためには、図１６に示すように、隣接する駆動ユニットにおける前記駆動輪と操舵軸との相対位置関係を逆に配設する。つまり、一方の対角に位置するふたつの車輪が同様の形態の駆動ユニットとなり、また、他の対角に位置するふたつの駆動ユニットはこれと逆の形態をとる。
【０１０４】
（実施例１０）
次に、請求項１２の全方向移動車両の制御方法に関わる実施例について、図１７により説明する。請求項７〜１１のいずれかの全方向移動車両または制御方法においては、車両が理想的な動作を行っている際（つまり完全な平面上において駆動輪５と床との間の滑りが生じない状態）には駆動セット５５０は回転運動を行わないということがひとつの特徴である。図１７に駆動輪５の横方向へ移動する場合の動作例を示す。これから、車両本体１が鉛直軸まわりに回転運動をした場合には、駆動輪に滑りが生じた、即ち理想的な走行状態ではない状況であると判断することができる。
【０１０５】
これより、駆動セット５５０にジャイロスコープなどの回転計測器８４を設置し、その鉛直軸周りの回転を計測することで平坦地における駆動輪５と床の間の滑りを検出することができる。またこの場合、駆動セット５５０の回転はそれほど早くなく、上記のような状況の場合のみ起こることから、従来の車両に搭載される回転計測器よりも測定レンジの狭い、高分解能、高感度なセンサを使用できるので、角度検出精度が向上し、走行精度も向上させることができる。
【０１０６】
（実施例１１）
次に、請求項１３の全方向移動車両の制御方法に関わる実施例について、図１８により説明する。車両の姿勢誤差は、走行距離が長くなるにつれ位置誤差が増大することから、走行精度の影響が非常に大きく、これを高精度に制御することは重要な問題である。
【０１０７】
請求項７ないし１２のいずれかの全方向移動車両またはその制御方法においては、車両の運動状態（旋回運動や並進運動を行っているか）にかかわらず、駆動セット５５０に搭載された回転計測器８４は、駆動セット５５０の旋回のみを検出する。前述の検討から、駆動セット５５０は、駆動輪と床との間の滑りがあったときのみにその姿勢を変化させることから、回転計測器８４から出力があった場合には駆動輪に滑りが生じ、その滑りの大きさが駆動セット５５０の回転速度に比例するものとして捕らえることができる。
【０１０８】
図１８において、記号右肩の＊印は、その変数の目標値であることを示す。車両の操舵軸駆動用モータ１０、駆動輪軸駆動用モータ２０にそれぞれ取り付けられたエンコーダ８３、８１から送られるモータの角度の情報に基づき、車両の運動学モデルであるJ(θ_w)を計算することにより車両の実際位置x_v、y_v、および実際速度v_vx、v_vyの予想値を得る。この実際位置の予想値は、図示しない上位制御装置、または、図示しない操作装置から車両に指令される並進方向の位置目標値x_v*、y_v*と比較され位置誤差が検出される。
【０１０９】
さらにその位置誤差は速度目標値v_vx*、v_vy*として見なされ、実際速度v_vx、v_vyと比較される．これらフィードバック制御の計算により最終的に得られる速度誤差に基づいて車両の逆運動学モデルであるJ^-1(θ_w)を計算することにより操舵軸駆動用モータ１０、駆動輪軸駆動用モータ２０の目標回転角速度ω_ms*、ω_mw*を決定する．このモータの目標回転角速度に従って操舵軸駆動用モータ１０、駆動輪軸駆動用モータ２０が制御される。
【０１１０】
また、車両の姿勢は、車両旋回用モータ５０によってのみ制御される。車両の姿勢の実際値の予想値は、駆動セット５５０の姿勢の初期値（図はこれを零に設定した場合である）に車両旋回用モータ５０の回転角度を加算することにより得ることができる。この実際姿勢の予想値は、車両の並進方向の位置と同様、図示しない上位制御装置、または図示しない操作装置から指令される姿勢目標値θ_v*と比較され、姿勢誤差が検出される。さらにその姿勢誤差は車両旋回用モータ５０に搭載されるエンコーダ８２によって計測される実際角速度ω_vと比較され、その結果に基づき、車両の旋回の逆運動学モデルJ_r ^-1を計算することにより車両旋回用モータ５０の目標回転角速度ω_mr*が決定される．このモータの目標回転角速度に従って車両旋回用モータ２０が制御される。
【０１１１】
以上のように、操舵軸駆動用モータ１０と駆動輪軸駆動用モータ２０は車両の並進方向の動作を制御するために組みとなって制御、駆動され、また、車両旋回用モータ５０は車両本体の姿勢を制御するために単独にて制御、駆動される。ここで、並進運動の計算に使用される運動学モデルJ(θ_w)、および逆運動学モデルJ^-1(θ_w)は、車両本体に対する駆動輪の方向θ_wの関数となっており、この駆動輪の方向θ_wが不正確であった場合には、床面に対する目標軌道の方向と、車両の実際の走行方向に角度誤差が発生することから、この車両本体に対する駆動輪の方向θ_wを正確に把握する必要がある。
【０１１２】
ここで、この駆動輪の方向θ_wは、車両本体の姿勢θ_vから駆動セット５５０に対する駆動輪の角度θ_sを減じることによって得ることができる。このうち、駆動セット５５０に対する駆動輪の角度θ_sの変化は操舵軸駆動用モータ１０に搭載されたエンコーダ８３により正確に知ることができる。これに対して、車両本体の姿勢θ_vは、駆動セット５５０の初期姿勢に車両旋回用モータの回転θ_sを加算することで算出されるので、駆動セット５５０の実際の姿勢が初期姿勢に対してずれてしまった場合には、実際の値とは異なることになる。
【０１１３】
一方、駆動セット５５０が、初期姿勢からずれる場合に、この姿勢のずれのみを回転計測器８４を用いて計測可能であることから、その出力Δθ_vを姿勢の予想値に単純に加えあわせることで、駆動セット５５０の初期姿勢からの誤差姿勢、つまり駆動セット５５０の床に対する姿勢Δθ_vを得ることができ、これから車両本体の姿勢θ_v、車両本体に対する駆動輪の角度θ_wすべてを補正することが可能となる。このように正確に補正された車両本体に対する駆動輪の角度θ_wを使用して、並進運動の計算に使用される運動学モデルJ(θ_w)、および逆運動学モデルJ^-1(θ_w)を随時最新のものに更新（図１８において点線にて表記）することによって、旋回運動のみならず、並進運動も床面に対して正確に制御、あるいは実際位置を予想することが可能となる。
【０１１４】
以上の説明のように、従来のシステムのような駆動輪の回転、操舵角などの様々な計測値から車両の誤差を算出するといった計算処理が不要となり、極めて短時間、かつ容易に誤差の補正処理を完了することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上詳述したように、上記一連の発明によれば、車両を駆動するそれぞれのアクチュエータ間の速度干渉を除去することにより、制御系を簡素化し、さらには駆動輪軸駆動用モータ及び車両旋回駆動用モータの小容量化を図ることができる。さらに、操舵軸にかかる外乱トルクを操舵軸駆動用アクチュエータにまで伝えることなく、操舵軸用のアクチュエータの更なる小容量化を図ることができる。
【０１１６】
総じて、制御系、駆動系の非干渉化、簡単化、およびアクチュエータの小容量化、省電力駆動などを行うことにより、低コスト、高信頼性、高精度走行能力を有する実用的なホロノミック全方向移動車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１，２の発明に関わる実施例の側面図
【図２】請求項１，２の発明に関わる実施例の平面図
【図３】請求項１，２の発明の動作原理を概念的に説明するための図
【図４】請求項１，２の発明の動作原理を概念的に説明するための図
【図５】請求項２の発明の計算式を説明するための図
【図６】請求項３，４の発明に関わる実施例の側面図
【図７】請求項３，４の発明に関わる実施例の平面図
【図８】請求項５の発明に関わる実施例の側面図
【図９】請求項５の発明に関わる実施例の動作説明図
【図１０】請求項６の発明に関わる実施例の速度ベクトル図
【図１１】請求項７，８，９の発明に関わる実施例の平面図
【図１２】請求項７，８，９の発明に関わる実施例の側面図
【図１３】請求項１０の発明に関わる制御方法を説明するためのシステム構成図
【図１４】請求項１０の発明に関わる実施例の動作説明図
【図１５】請求項１０の発明に関わる実施例の動作説明図
【図１６】請求項１１の発明に関わる実施例の平面図
【図１７】請求項１２の発明に関わる実施例の動作説明図
【図１８】請求項１３の発明に関わる制御方法を説明するためのシステム構成図
【図１９】従来のキャスタ型駆動輪機構の一例の側面図
【図２０】従来のキャスタ型駆動輪機構の一例の平面図
【図２１】従来のキャスタ型駆動輪機構における速度ベクトル図
【図２２】従来のキャスタ型駆動輪機構の動作説明図
【図２３】従来の双輪キャスタ型駆動輪機構を用いた車両の模式図
【図２４】従来の双輪キャスタ型駆動輪機構を用いた車両の動作例を示す図
【符号の説明】
１：車両本体、２：操舵軸回転用軸受、３：回転板、４：駆動輪支持部材、５：駆動輪、６：操舵軸接続部材、７：駆動輪支持用リンク部材、８：引張りばね、９：押しばね、１０：操舵軸駆動用モータ、１１，２１，５１：モータ軸平歯車、１２，２２，２３，２４：平歯車、１８，２８：ベルト、１９：操舵動力用プーリ、２０：駆動輪軸駆動用モータ、２５，２６：ベベル歯車、２９：駆動輪動力用プーリ、５０：旋回用モータ、５２：歯車、５３：旋回ステージ、５５：駆動ユニット、７０：絶対角度検出型エンコーダ、８１，８２，８３：積算型エンコーダ、８４：回転計測器、１００：偏差カウンタ、１０１，１０２，１０３：４ビット信号保持装置、１０４：ＣＰＵ、５５０：駆動セット。

Claims

車両本体と、車両本体に取り付けられ，操舵軸と同操舵軸駆動用アクチュエータと，駆動輪と同駆動輪軸駆動用アクチュエータとを有する駆動ユニットと、前記車両本体に設けられ，前記操舵軸を軸支するための操舵軸回転用軸受とを備えた全方向移動車両において、
前記操舵軸は、車両本体に取り付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって第一の動力伝達手段を介して駆動され、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を設けてなり、
前記駆動輪は、車両本体に取り付けられた駆動輪軸駆動用アクチュエータによって第二の動力伝達手段を介して回転駆動され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であって，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）だけ離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに交差しないように水平軸周りに回動自在に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、前記第二の動力伝達手段は、前記駆動輪軸駆動用アクチュエータによって前記操舵軸とは独立的に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ａと、この動力伝達部Ａに連結し，操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂとを有してなるものとし、この動力伝達部Ｂの減速比をＧ（但し、Ｇ＞１にて減速）とし、前記駆動輪の半径をｒとしたとき、前記所定の距離（ｄ）は、次式（数１）の関係を満たすことを特徴とする全方向移動車両。
請求項２に記載の全方向移動車両において、前記駆動輪支持部材は、操舵軸に接続固定された操舵軸接続部材と、この操舵軸接続部材に軸支された歯車の回転軸と同一回転軸に軸支されて鉛直面内に回転できるように軸支され，かつ前記駆動輪を軸支する駆動輪支持用リンク部材とを備え、さらに、前記操舵軸と共に鉛直軸周りに動き得る動力伝達部Ｂを、前記歯車に連結し，操舵軸と共に水平軸周りに動き得る駆動輪用歯車からなる動力伝達部ｂに代えてなり、かつ、前記操舵軸と駆動輪支持用リンク部材との間に、駆動輪の床面走行中における振動を吸収するための振動吸収手段を設けた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、前記振動吸収手段は、ばねを備えるものとし、このばねと並列に直線駆動型のポテンシオメータなどの直線位置検出器を設け、ばねの変位を測定することにより駆動輪に作用する垂直抗力を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全体の重量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定手段を備えた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、前記操舵軸と共に回転する振動吸収手段の変位に応じて上下動を行う可動子を操舵軸の中心を貫通して設け、かつ操舵の動作により回転を行わない部位に配設置したポテンシオメーターなどの直線位置検出器を設け、この直線位置検出器にて前記可動子の変位を計測することにより前記振動吸収手段の変位を測定し、これにより、搭載物を含めた車両全体の重量または重心位置等を測定可能な車両重量等測定手段を備えたことを特徴とする全方向移動車両。
請求項１ないし５のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法であって、車両本体は、前記駆動ユニットを２つ以上備え、車両基準点に仮想的に設置された車両基準座標系に対するそれぞれの駆動ユニットの操舵軸の位置（座標）、姿勢情報を用いて、次式（数２）に従って、各駆動ユニットにおける操舵軸駆動用アクチュエータおよび駆動輪軸駆動用アクチュエータの回転角速度を制御することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
車両本体と、車両本体に取り付けられ，操舵軸と駆動輪とを有する複数個の駆動ユニットと，この複数個の駆動ユニットにおける操舵軸と駆動輪とを駆動するための駆動手段を備えた駆動セットと、この駆動セットに設けられ，前記車両本体の鉛直軸まわりの回転を自在にして支持するための車両本体回転用軸受と車両本体回転駆動用アクチュエータと同動力伝達手段とを備えた全方向移動車両であって、
前記複数個の各操舵軸は、前記駆動セットに取り付けられた操舵軸駆動用アクチュエータによって，ベルトやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動され、かつその下方に前記駆動輪を，軸受を介して軸支するための駆動輪支持部材を設けてなり、
前記複数個の各駆動輪は、前記駆動セットに取り付けられた駆動輪軸駆動用アクチュエータによって，ベルトやチェーンなどの動力伝達手段を介して一括駆動され、かつ前記駆動輪支持部材に軸支されて操舵軸と共に車両本体に対して鉛直軸周りに動き得るようになし、さらに、操舵軸の回転軸心を含みかつ駆動輪軸と直交する平面から所定の距離（ｄ）だけ離間した位置であって，操舵軸回転軸心から水平方向に所定の距離（ｓ）だけ離間した位置において，駆動輪軸と操舵軸が互いに交差せぬように水平軸周りに回動自在にしてなる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の制御方法であって、
駆動輪軸駆動用アクチュエータと操舵軸駆動用アクチュエータおよび車両本体回転駆動用アクチュエータの回転角速度を、次式（数３）に基づいて制御することにより、駆動ユニット及び車両本体の並進方向の速度とその方向を制御し、かつ、車両本体の方向を制御することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
請求項８に記載の全方向移動車両の制御方法において、
車両本体に角度検出器を固定して設け、この角度検出器の軸を操舵軸駆動用アクチュエータの動力伝達手段により回転駆動されるように結合し、この角度検出器により車両本体に対する駆動輪の向きの相対角度を測定するための角度測定手段を設け、測定された相対角度を前記（数３）におけるθ_wとして、（数３）に基づいて車両の制御を行うことを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
請求項９に記載の全方向移動車両の制御方法において、前記角度測定手段は、操舵軸駆動用アクチュエータの軸の回転を検出する第一の積算型エンコーダと、車両本体回転駆動用アクチュエータの軸の回転を検出する第二の積算型エンコーダと、車両本体に対する駆動輪の向きを計測する比較的低分解能である絶対角度検出型エンコーダと、正逆回転を伴う積算型エンコーダからのパルス列に含まれるパルス数を数え，２系列のパルス数の減算を行い，その結果を出力する偏差カウンタとを備え、前記第一の積算型エンコーダから出力されるパルス列を前記偏差カウンタの正の入力に接続することにより検出し、第二の積算型エンコーダから出力されるパルス列を同偏差カウンタの負の入力に接続することにより検出し、この偏差カウンタの出力をもって、車両本体と駆動輪の向きの角度計測値の下位とし、絶対角度検出型エンコーダの出力を同角度計測値の上位とし、両方の計測値をあわせることにより、最終的な同角度計測値とすることを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
請求項７に記載の全方向移動車両において、前記駆動輪に働く車両走行面からの外乱トルクの干渉を緩和するように、隣接する駆動ユニットにおける前記駆動輪と操舵軸との相対位置関係を逆に配設することを特徴とする全方向移動車両。
請求項８から１０のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法において、前記駆動セットにジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、このセンサの出力により駆動輪と床との間の滑りを検出し、この滑り検出値により、前記車両本体に対する駆動輪の向きの相対角度測定値を補正することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。
請求項６，８，９，１０，１２のいずれかに記載の全方向移動車両の制御方法において、車両本体にジャイロスコープなどの鉛直軸周りの回転を検出するセンサを設置し、このセンサからの回転角度の測定値を、車両の制御装置において認識している車両本体の姿勢のデータに加算することにより、車両本体の姿勢の認識誤差を補正することを特徴とする全方向移動車両の制御方法。