JP3952002B2

JP3952002B2 - 段差走行機構

Info

Publication number: JP3952002B2
Application number: JP2003365806A
Authority: JP
Inventors: 宏一三谷
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005125992A

Description

本発明は、自律搬送ロボットに好適な段差走行機構に関するものである。

従来から自律搬送ロボットにおいては、その場旋回機能を実現するため、２つの駆動車輪を車体前後方向の略中心に対向配置し、左右の駆動車輪の回転速度差で直進走行及び旋回走行を行うように構成された走行機構を備えたものがある。この種の走行機構にあっては、図１０に示すように、段差Ｓを有する路面Ｒ上を走行する自律搬送ロボット１０１の姿勢を安定させるため補助車輪４が駆動車輪３の前後に配置されている。

また、このような従来の自律搬送ロボット１０１とは別に、前後に各１輪の操舵式駆動車輪と、前側駆動車輪の後方及び後側駆動車輪の前方に配置されたキャスタ式従動車輪とを有し、容易に段差を乗り越え可能とするために、従動車輪を吊り上げ方向に付勢した無人搬送車が知られている（例えば、特許文献１参照）
特開２０００−３５１３８５号公報

しかしながら、上述した従来の自律搬送ロボット１０１の走行機構においては、車輪を収容するスペースの制約から補助車輪４の径を小さく設定する必要がある。このような小さな径の補助車輪４は、段差に引っかかり易く、図１０に示すように、補助車輪４に対して大きな段差（例えば、補助車輪４の半径より大きい段差）Ｓを乗り越えることができなかった。また、補助車輪４の半径より若干小さい段差については、辛うじて乗り越え可能であるが、段差乗り越えの際に車両に加えられる衝撃は大きく、積載物に損傷を与える虞がある。

また、上記特許文献１に示される無人搬送車においては、段差の走破性を高めるために、最初に段差に当接する車輪（前側駆動車輪又は後側駆動車輪）の径を大きくしなければならず、車体の前部又は後部に車輪を収容するための大きなスペースが必要で、装置の小型化を図ることが困難である。さらに、その場旋回を実現するために、前側駆動車輪及び後側駆動車輪を前進方向に対して９０゜転舵可能に構成しなければならず、装置の構造が複雑になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、駆動輪の速度差で直進走行及びその場旋回を行い、かつ、補助輪の径を小さく設定しながらも、優れた段差走破性を有する段差走行機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、対向する２つの駆動車輪と、この駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に設けられた補助車輪とを備え、２つの駆動車輪による速度差で直進走行及び旋回走行を行う走行機構において、駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に、補助車輪で乗り越え可能な段差に相当する高さ分、路面より上方へ間隙を空けて、かつ、補助車輪で乗り越えられない段差に対して該補助車輪より先に当接するように、駆動車輪と同一方向に回転可能な段差乗り越え用車輪を配置し、段差乗り越え用車輪を、車体の直進方向と直交する方向にさらに配置したものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の段差走行機構において、段差乗り越え用車輪の高さ位置を変更して、該段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備したものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の段差走行機構において、段差乗り越え用車輪と路面との間隙を走行エリア毎に変更するものである。

請求項４の発明は、請求項２に記載の段差走行機構において、段差乗り越え用車輪より前方側に、路面の段差量を計測する少なくとも１つの段差センサを設け、路面の段差量に応じて段差乗り越え用車輪と路面との間隙を変更するものである。

請求項５の発明は、対向する２つの駆動車輪と、この駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に設けられた補助車輪とを備え、前記２つの駆動車輪による速度差で直進走行及び旋回走行を行う走行機構において、前記駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に、前記補助車輪で乗り越え可能な段差に相当する高さ分、路面より上方へ間隙を空けて、かつ、前記補助車輪で乗り越えられない段差に対して該補助車輪より先に当接するように、前記駆動車輪と同一方向に回転可能な段差乗り越え用車輪を配置し、前記段差乗り越え用車輪の高さ位置を変更して、該段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備したものである。

請求項１の発明によれば、補助車輪が単独で乗り越えることができない大きな段差にさしかかったときに、補助車輪に対して上方に位置する段差乗り越え用車輪が先に段差に当接することにより車体を持上げ、補助車輪に対する段差の相対的な高さを低くすることができるので、補助車輪の車輪径を小さくしても、大きな段差を乗り越えることができるようになる。また、段差乗り越え用車輪を車体の直進方向と直交する方向にも配置しているので、旋回時にも大きな段差を乗り越えることができるようになる。

請求項２の発明によれば、段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備しているので、段差の高さに応じて該間隙を適宜調整でき、段差乗り越え時の衝撃を和らげることができるようになる。

請求項３の発明によれば、走行エリア毎に段差乗り越え用車輪と路面との間隙を適宜調整できるので、各走行エリア内でほぼ同等の段差量となるように走行経路を設定することにより、段差量に合わせて該間隙を最適化することが可能となり段差乗り越え時の衝撃を和らげることができる。

請求項４の発明によれば、段差センサによって計測された段差量に応じて段差乗り越え用車輪と路面との間隙を変更するので、走行中に遭遇する段差毎に段差乗り越え用車輪と路面との間隙をきめ細かく調整でき、段差走行時の衝撃をさらに和らげることができる。

請求項５の発明によれば、補助車輪が単独で乗り越えることができない大きな段差にさしかかったときに、補助車輪に対して上方に位置する段差乗り越え用車輪が先に段差に当接することにより車体を持上げ、補助車輪に対する段差の相対的な高さを低くすることができるので、補助車輪の車輪径を小さくしても、大きな段差を乗り越えることができるようになる。また、段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備しているので、段差の高さに応じて該間隙を適宜調整でき、段差乗り越え時の衝撃を和らげることができるようになる。

（実施形態１）
本発明を実施するための最良の実施形態による段差走行機構について図面を参照して説明する。図１は段差走行機構の応用例である自動搬送ロボットを、図２は段差走行機構の要部を拡大して示している。また、図３は、同機構の車輪の配置を示している。自動搬送ロボット１は、病院等において自律走行により薬品や医療器具を搬送する車両である。段差走行機構２は、自動搬送ロボット１を駆動する２つの駆動車輪３と、各駆動車輪３の前後に設けられた４つの補助車輪４と、各補助車輪４の近傍に設けられ、段差乗り越時に機能する４つの段差乗り越え用車輪５等によって構成されている。

駆動車輪３は、アーム部材６を介して車体の略中央の左右に同軸に対向配置され、走行駆動用モータ７によって回転駆動される。左右の駆動車輪３を同じ速度で同一方向に回転させると自動搬送ロボット１は前進・後退動作を行うことができ、左右の駆動車輪３を逆方向に駆動させると自動搬送ロボット１はその場で旋回動作を行うことができる。補助車輪４は、自動搬送ロボット１の安定性を保つために、各駆動車輪３の前後に支持部材８を介して設けられている。支持部材８は、自動搬送ロボット１がその場旋回を円滑に行なえるようにするために、シャーシ１０に対して転回自在に取り付けられている。段差乗り越え用車輪５は、駆動車輪３と同一の方向に回転可能であり、支持部材９を介して路面Ｒに対して所定の間隙Ｇを空けて配置されている。ここで、間隙Ｇとは、補助車輪４が単独で乗り越え可能な最高の段差の高さに相当し、例えば、補助車輪４の半径程度とされる。

上述したように、左右の駆動車輪３を逆方向に駆動させてその場旋回を行うためには、駆動車輪３の回転軸３ｂを自動搬送ロボット１の前後方向の略中央に配置する必要がある。このような駆動車輪３の前後には４つの補助車輪４が配置されているので、自動搬送ロボット１の小型化を図るためには、車輪径の小さな補助車輪４を用いなければならない。

車輪径の小さな補助車輪４を用いた場合、補助車輪４がその半径より大きな段差にさしかかったとき、単独で乗り越えることができない。そこで、段差走行機構２は、路面Ｒに対して間隙Ｇを空けて配置されている段差乗り越え用車輪５が補助車輪４より先に段差と当接して、補助車輪４が段差を乗り越えることができる高さまで自動搬送ロボット１を持上げるように構成されている。

補助車輪４が単独で乗り越えることができない大きな段差を、段差乗り越え用車輪５を併用して乗り越える要領について、図４及び図５を参照して説明する。まず、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、自動搬送ロボット１が矢印Ａ方向に直進し、補助車輪３の半径を超える大きな段差Ｓにさしかかったとき、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、段差乗り越え用車輪５が補助車輪４より先に段差Ｓと当接する。このとき、段差乗り越え用車輪５は、路面Ｒより間隙Ｇだけ上方に配置されているので、容易に段差Ｓを乗り越えることができ、補助車輪４が乗り越え可能なように自動搬送ロボット１の前部を持上げる。そして、図４（ｃ）、図５（ｃ）に示すように、補助車輪４が、その最大乗り越え可能量の１／２に相当する高さｈ以上浮き上がった時点、すなわち、段差Ｓを乗り越え可能な高さまで持上げられた状態で、段差Ｓに当たる。このように、段差乗り越え用車輪５が補助車輪４より先に段差Ｓと当接し、補助車輪４が高さｈ以上浮き上がった時点で段差Ｓに当接できるように、補助車輪４と段差乗り越え用車輪５の位置関係が設計されている。これにより、図４（ｄ）、図５（ｄ）に示すように、補助車輪４は、その半径を超える大きな段差Ｓを乗り越えることができるようになる。このように、段差乗り越え時に、段差乗り越え用車輪５と補助車輪４とによって２段階に自動搬送ロボット１の前部を持上げ、段差Ｓを乗り越える動作を行っているので、補助車輪４を小径化しながらも、その半径を超える大きな段差Ｓを乗り越えることができるようになる。なお、段差乗り越え用車輪５の外径及び幅に関しては、自律搬送ロボット１の重量等に応じて適宜設定することができる。例えば、図１等においては、補助車輪４よりも径の大きい段差乗り越え用車輪５が用いられているが、図５に示したように、補助車輪４と同等程度まで小径な車輪を適用してもよい。

（実施形態２）
本発明の別の実施形態による段差走行機構について図６を参照して説明する。本実施形態の段差走行機構２０は、自律搬送ロボット１の直進方向Ａと直交する方向Ｂに配置された２対の段差乗り越え用車輪２１を備えている点で、実施形態１の段差走行機構２と相違する。自律搬送ロボット１がその場旋回している途中において、補助車輪４が単独で乗り越えることができない大きな段差に遭遇すると、段差乗り越え用車輪５だけでは、車輪の側方から段差に当たるため、段差乗り越えができないとことがある。そこで、本実施形態では、追加した段差乗り越え用車輪２１を段差乗り越え用車輪５と直交する方向に配置することにより、段差乗り越え用車輪２１を段差に対して比較的直角に近い角度で当接させ、段差乗り越え用車輪２１によって自律搬送ロボット１を持上げる。従って、このような構成を有する本実施形態の段差走行機構２０によれば、直進方向Ａと直交する方向Ｂに段差乗り越え用車輪２１を備えているので、直進方向Ａ以外の方向、特に方向Ｂに対する段差乗り越え性を高めることができ、その場旋回時の途中においても大きな段差を乗り越えることができるようになる。

（実施形態３）
次に、本発明のさらに別の実施形態による段差走行機構について説明する。図７は、本実施形態の段差走行機構に用いられる間隙可変機構２５を示している。間隙可変機構２５は、実施形態１又は実施形態２における段差乗り越え用車輪５，２１（以下、段差乗り越え用車輪５について説明する。）と路面Ｒとの間隙Ｇを調整するために、段差乗り越え用車輪５の高さ位置を変更する機構である。実施形態１の段差走行機構２において示したように、段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを補助車輪４が乗り越え可能な段差の最大値に設定した場合、段差乗り越え用車輪５が当接しない程度の段差（間隙Ｇより僅かに小さい段差）を乗り越えるとき、補助車輪４が単独で段差を乗り越えなければならないので、段差乗り越え時の衝撃が大きくなってしまうことがある。そこで、乗り越えるべき段差が小さい場合は、間隙Ｇを小さくしておけば、上述した２段階の段差乗り越えが行なえるようになり、段差乗り越え時の衝撃を小さくして無理なく段差乗り越えができるようになる。

上述の図７において、間隙可変機構２５は、段差乗り越え用車輪５を回転自在に支持する支持部材２６と、支持部材２６の上部に上下方向に起立姿勢で結合されたシャフト２７と、シャフト２７を上下方向に移動自在にガイドする一対のベアリング２８，２９と、各ベアリング２８，２９を上下方向に所定の間隔だけ離間させて支持し、自律搬送ロボット１のシャーシ１０に固定される筒部材３０と、段差乗り越え用車輪５を上下に駆動するための上下駆動モータ３１と、上下駆動モータ３１の出力軸に結合されるスクリュー軸３２と、スクリュー軸３２とシャフト２７とを連結するための連結部材３３等によって構成されている。上下駆動モータ３１は、例えば、駆動車輪３（図１参照）の上部に配置されている。連結部材３３は各ベアリング２８，２９の間において、シャフト２７に結合されており、シャフト２７と共に上下に移動可能とされる。スクリュー軸３２と連結部材３３の結合部には、上下駆動モータ３１の回転駆動力を往復駆動力に変換するためのボールねじ３４が形成されており、上下駆動モータ３１の回転駆動力は、上下方向への往復駆動力に変換された後、連結部材３３、シャフト２７を介して支持部材２６に伝達され、段差乗り越え用車輪５の高さ位置が調整可能とされる。例えば、図７（ｂ）において、上下駆動モータ３１によって、スクリュー軸３２が矢印方向Ｃに回転駆動されると、その回転量に応じて、段差乗り越え用車輪５が矢印方向Ｄに上昇し、間隙Ｇを大きくすることができる。

このように構成された本実施形態の段差走行機構によれば、段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを調整する間隙可変機構２５を具備しているので、段差の高さに応じて間隙Ｇを適宜調整でき、段差乗り越え時の衝撃を和らげることができるようになる。

（実施形態４）
本実施形態の段差走行機構は、図８に示すように、実施形態３の段差走行機構に対して、走行駆動用モータ７を制御する制御コントローラに上下駆動モータ３１を制御する機能を持たせて、段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを自律搬送ロボット１の走行エリア毎に変更するように構成されたものである。制御コントローラ４１は、上下駆動モータ３１と接続されており、上下駆動モータ３１に印加される駆動電圧を制御することにより、上下駆動モータ３１の回転を制御する。制御コントローラ４１は、各種のデータを記憶するためのメモリを有しており、メモリには複数の走行経路のデータを含む走行エリアの地図データが予め入力されている。制御コントローラ４１はこの地図データをもとに自律搬送ロボット１の走行経路を計画し、該走行経路に応じて走行駆動用モータ７を制御する。このとき、走行駆動用モータ７の回転数等から自律搬送ロボット１の位置を算出し、走行駆動用モータ７の制御にフィードバックする。走行中に路面Ｒと駆動車輪３との間に生ずるすべりに起因する誤差については、自律搬送ロボット１に取り付けた各種センサにより補正を行う。

本実施形態では、走行エリア毎に段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを変更するので、各走行エリアにある段差は同等の大きさであることが望ましい。従って、走行エリア及び走行経路を設定するにあたっては、１つの走行エリア内において自律搬送ロボット１が略同等の大きさの段差を通過するように留意し、各エリア内の段差に応じて段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを調整する。

このように本実施形態の段差走行機構によれば、走行エリア毎に段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを適宜調整できるので、各走行エリア内でほぼ同等の段差量となるように走行経路を設定することにより、段差量に合わせて間隙Ｇを最適化することが可能となり段差乗り越え時の衝撃を和らげることができる。

（実施形態５）
本実施形態の段差走行機構は、図９に示すように、実施形態３の段差走行機構に対して、走行駆動用モータ７を制御する制御コントローラ４１に上下駆動モータ３１を制御する機能を持たせると共に、段差を検出する段差センサ４５をさらに備え、段差センサ４５の出力に応じて段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを変更するように構成されたものである。段差センサ４５は、段差乗り越え用車輪５より前方側に２個設けられている。この段差センサ４５には、路面Ｒに赤外線、レーザー光、超音波等を照射してその反射波を検知することによって路面Ｒとの距離を測定する非接触式の距離センサが用いられている。

本実施形態の段差走行機構にあっては、平地での段差センサ４５の出力値を予め制御コントローラ４１のメモリに記憶させておき、この平地での段差センサ４５の出力値と走行中における段差センサ４５の出力値とを比較することにより、路面Ｒの段差を検知する。そして、自律搬送ロボット１が走行中に段差を検出すると、制御コントローラ４１は、段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇが検出した段差量の２分の１になるように、上下駆動モータ３１を駆動させて、段差乗り越え用車輪５の高さ位置を調整する。

このように、本実施形態の段差走行機構によれば、段差センサ４５によって計測された段差量に応じて段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇを変更するので、走行中に遭遇する段差毎に段差乗り越え用車輪５と路面Ｒとの間隙Ｇをきめ細かく調整でき、段差走行時の衝撃をさらに和らげることができる。なお、段差センサ４５の出力により段差乗り越え用車輪５の高さを調整する制御には、ある一定の不感帯を設けてあり、制御コントローラ４１は、僅かな段差に対しては上下駆動モータ３１を駆動させないように構成されている。また、段差センサ４５により段差を検出したとき、制御コントローラ４１は、走行駆動用モータ７の回転数を抑える制御を行う。これにより、段差の手前で自律搬送ロボット１は減速した後、段差に進入することになるので、段差乗り越えによる衝撃をさらに緩和することができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限られることなく種々の変形が可能であり、例えば、補助車輪４は、各駆動車輪３の前後に２対設けられているが、駆動車輪３の前方又は後方の少なくとも一方に１つだけ設ける構成であってもよい。また、段差乗り越え用車輪５も、各駆動車輪３の前後に２対設けられているが、駆動車輪３の前方又は後方の少なくとも一方に１つだけ設ける構成であってもよい。さらに、段差乗り越え用車輪２１についても、自律搬送ロボット１の左側又は右側の少なくとも一方に１つだけ設ける構成であっても構わない。また、間隙可変機構２５は、図７に示した構成に限られることなく、段差乗り越え用車輪５の高さ位置を適宜調整できる構成であれば他の構成を適用しても構わない。

（ａ）は本発明の一実施形態による段差走行機構を備えた自律搬送ロボットの正面図、（ｂ）は同側面図。（ａ）は同機構の要部を拡大した正面図、（ｂ）は同側面図。同機構の車輪の配置を示した裏面図。（ａ）乃至（ｄ）は同機構によって補助車輪が段差を乗り越える要領を示した側面図。（ａ）乃至（ｄ）は図４における補助車輪及び段差乗り越え用車輪を拡大して示した側面図。本発明の別の実施形態による段差走行機構の車輪の配置を示した裏面図。（ａ）は本発明のさらに別の実施形態による段差走行機構の間隙可変機構の段差乗り越え用車輪を下降させた状態を示した正面図、（ｂ）は同車輪を上昇させた状態を示した図。本発明のさらに別の実施形態による段差走行機構の制御コントローラを示したブロック図。（ａ）は本発明のさらに別の実施形態による段差走行機構を示した側面図、（ｂ）は同裏面図。従来の段差走行機構の補助車輪と段差の関係を示した図

符号の説明

１自動搬送ロボット
２段差走行機構
３駆動車輪
４補助車輪
５段差乗り越え用車輪
２０段差走行機構
２１段差乗り越え用車輪
２５間隙可変機構
４５段差センサ

Claims

対向する２つの駆動車輪と、この駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に設けられた補助車輪とを備え、前記２つの駆動車輪による速度差で直進走行及び旋回走行を行う走行機構において、
前記駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に、前記補助車輪で乗り越え可能な段差に相当する高さ分、路面より上方へ間隙を空けて、かつ、前記補助車輪で乗り越えられない段差に対して該補助車輪より先に当接するように、前記駆動車輪と同一方向に回転可能な段差乗り越え用車輪を配置し、
前記段差乗り越え用車輪を、車体の直進方向と直交する方向にさらに配置したことを特徴とする段差走行機構。
前記段差乗り越え用車輪の高さ位置を変更して、該段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備したことを特徴とする請求項１に記載の段差走行機構。
前記段差乗り越え用車輪と路面との間隙を走行エリア毎に変更することを特徴とする請
求項２に記載の段差走行機構。
前記段差乗り越え用車輪より前方側に、路面の段差量を計測する少なくとも１つの段差
センサを設け、路面の段差量に応じて前記段差乗り越え用車輪と路面との間隙を変更する
ことを特徴とする請求項２に記載の段差走行機構。
対向する２つの駆動車輪と、この駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に設けられた補助車輪とを備え、前記２つの駆動車輪による速度差で直進走行及び旋回走行を行う走行機構において、
前記駆動車輪の前方又は後方の少なくとも一方に、前記補助車輪で乗り越え可能な段差に相当する高さ分、路面より上方へ間隙を空けて、かつ、前記補助車輪で乗り越えられない段差に対して該補助車輪より先に当接するように、前記駆動車輪と同一方向に回転可能な段差乗り越え用車輪を配置し、
前記段差乗り越え用車輪の高さ位置を変更して、該段差乗り越え用車輪と路面との間隙を調整する間隙可変機構を具備したことを特徴とする段差走行機構。