JP5228156B2

JP5228156B2 - 差動機構による全方向移動機構

Info

Publication number: JP5228156B2
Application number: JP2007124490A
Authority: JP
Inventors: 寺嶋　　一彦; 貴大野
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: JP2008279848A

Description

本発明は、水平面内の全方向に移動が可能である車輪の駆動方法及び操舵方法に関する。

近年、急速に高齢化社会を迎え、介護者の負担軽減及び被介護者の自立を支援するため、移動手段である電動車椅子に関して多くの研究が行われている。

電動車椅子の使用される環境は、屋内も含まれるため、狭所でも容易に移動できる高い機動性が求められる。そのため、切り返し動作が不要で、車体の方向を変えずに、二次元平面を任意の方向に移動できる全方向移動機構の研究が行われている。

また、全方向移動機構は、工場等の生産現場で使用される自動搬送機など、狭く、込み入った環境で使用される車両全般において注目されている。

これまで行われている全方向移動機構の報告には、特殊な形状の車輪を用いるもの（特許文献１、特許文献２）と一般の車輪を用いた全方向移動機構（特許文献３、特許文献４）の二つの方式が見られた。
特開２００３−１２７６０５号公報特開２００５−６７３３４号公報特開２００４−２３１０４３号公報特開２００６−１５１８号公報

このように、二次元平面を任意の方向へ瞬時に移動可能な全方向移動機構に関する多くの機構が考案されている。しかし、それらの機構には多くの問題点がある。

全方向移動機構にオムニホイール、メカナムホイールに代表される特殊な形状の車輪を用いた場合は、車輪の構造が複雑なため、車輪製作が困難である。また、構造上ローラの継ぎ目で走行中に振動が発生するなど、運動性能に問題が生じる。（特許文献１、特許文献２）

一般の車輪を用いた全方向移動機構の場合は、次のような問題があった。

一つのモータを用いて、車輪の駆動及び操舵の切り替えを行う場合は、車体の移動を一旦停止した後でなければ、操舵を行うことができない。また、操舵を行っている間は、車輪の駆動が行えないため、移動を行うことが不可能である。この動作の切り替えには時間遅れが生じるため、運動性能に問題がある。（特許文献３）

車輪の駆動用モータ及び操舵用モータの二つのモータを用いて、全方向移動を行う機構では、操舵動作により車輪と進行方向を一致させた後は、駆動用モータのみを使用して移動動作を行うことになり、操舵用モータは使用しないことになる。また、操舵動作中は、駆動用モータを使用しないかまたは駆動用モータの出力を落として使用することになる。このため、車両に搭載する駆動用モータ及び操舵用モータは、それぞれの動作に必要な出力を単独で持つ必要がある。このため、駆動用モータ及び操舵用モータの総出力は、駆動・操舵に必要な総容量に比較して、大きなものになる。このため、駆動操舵機構の小型化が困難である。（特許文献４）

また、車輪の駆動用モータ及び操舵用モータの、二つのモータ出力の切り替えに時間遅れが生じるため、運動性能に問題がある。（特許文献４）

本発明では、従来の機構では実現が不可能であった、高い運動性能を持ち、小型・軽量・大出力の全方向移動機構を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、次の発明を完成させるに至った。

第１の発明は、二つの動力源の出力を、複数の歯車機構を用いて合成・再分配することにより、通常の車輪を駆動・操舵する機構である。

第２の発明は、車輪の接地点と操舵中心点を前後にオフセットすることにより、車輪の駆動力発生地点を二次元平面上で任意の方向に移動することを可能とした全方向移動機構である。

上記本発明の機構によれば、通常車輪を使用するため，移動中の振動が少なく、高い運動性能を得ることが可能である。

上記第1の発明の機構によれば、二つの動力源の出力を、複数の歯車機構を用いて、一度合成し、車輪の駆動動作及び操舵動作に再分配することから、駆動及び操舵の双方の動作に対して、二つの動力源が使用されるため動力源運用率が向上する。これにより、二つの動力源の出力を小型することが可能であり、運動性能を維持しつつ、機構の小型・軽量化が可能となり、低コスト化も期待できる。

また、上記第1の発明の機構によれば、二つの動力源の出力の差によって、車輪の駆動及び操舵の制御を行うため、
（１）移動動作から操舵動作への切り替え
（２）または操舵動作から移動動作への切り替え
（３）または移動動作に操舵動作の合成
（４）または操舵動作に移動動作の合成
を行う際に、どちらか一方の動力源の停止及び／または再起動が不要であるため、時間遅れが生じることがなく、高い運動性能を得ることができる。

次に、本発明の実施形態について説明するが、本発明の技術範囲は、これらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。

遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構の基本構造を図１に示す。

遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構は、中心のサンギアユニットＡ、Ａ
に保持されているリングギアユニットＢ、サンギアとリングギアに挟まれたプラネタリギアユニットＣおよび、Ａ、Ｃを保持するプラネタリキャリアＤ、Ｄを保持する車体Ｅで構成され，２つのモータはＥに取り付けられている。２つのモータからの入力はそれぞれＡ、Ｂに入力され、駆動出力はＣから、操舵出力はＤから出力される。Ｃはベベルギアにより回転方向を90[deg]変えられ、車輪を回転駆動させる。

図２に、上記第２の発明によるオフセット型駆動輪の動作原理を示す。本機構によれば、車輪接地点と操舵中心点に前後オフセットs が付いているため、車輪進行方向と接線方向にs と操舵回転速度ω_s に応じた速度V _s を発生させることが可能である。また、車輪進行方向に車輪半径r
と車輪の回転速度ω_w に応じた速度V _w を発生させることが可能である。つまり、二次元平面上で２つの独立した速度ベクトルを発生させることができるため，旋回成分および駆動成分を制御することにより車輪の接触点を二次元動作させることが可能となる。

図３に初期状態で上を向いているオフセット型駆動輪が右に向かって移動する動作を示す。移動初期は操舵速度が速く駆動速度は遅いが，機構の向きが変わるに従い，操舵速度を下げ，駆動速度を上げる．これにより，操舵中心点を真横に移動させることが可能である．このユニットを組み合わせることにより，上記したように車両の全方向移動が可能となる．

本発明を、実施例にもとづき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。

差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた第１実施例について、その動作原理を図４に示す。

２つのモータの入力は、ＡおよびＢに入力される。そして、Ｃから駆動成分が、Ｄから操舵成分が出力される。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの回転速度をω_A、ω_B、ω_C、ω_D とすると、ω_C のみが出力されると駆動成分のみが出力され、ω_C とω_D の関係がω_C = ω_D
となるとき操舵成分のみが出力される。これは，操舵成分のみを出力するためには、ＣとＤが一体となって回転しなければならないためである。このように、入力Ａ、Ｂの回転速度を制御することにより、出力Ｃ、Ｄの回転速度が制御することができる。

図５にもとづき遊星歯車機構の運動方程式を考える。

Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤそれぞれの回転速度をω_Ａ，ω_Ｂ，ω_Ｃ，ω_D とし、Ａ，Ｂ及びＣのそれぞれの歯数をZ_A，Z_B，Z_C とする。さらに、Ｃと車輪の減速比を１とし、車輪回転速度をω_D、操舵速度をω_Ｓとすると、機構の状態ベクトルω_P 及び入力ベクトルu_P はそれぞれω_P = [ω_C−ω_D
、ω_D]^T=[ω_D 、ω_Ｓ]^T、u_P
= [ω_A, ω_B]^T と表すことができる。

すると、以下のように、運動学モデルを得ることができる。

ただし、

である。

また、逆運動学モデルは、

となる。

ただし、

である。

これらの式から、駆動・操舵の双方において二つのモータを使用していることがわかる。

差動駆動操舵機構に差動傘歯車機構を用いた第２実施例について、その動作原理を図６に示す。

２つのモータからの入力はそれぞれＡ、Ｂに入力され、駆動出力はＣから、操舵出力はＣから出力される。入力Ａ、Ｂにそれぞれ逆方向に同回転速度を入力すると、Ｄは回転せず、Ｃのみ回転する。つまり、駆動成分のみ出力される。一方、入力Ａ、Ｂにそれぞれ同方向に同回転速度を入力すると、Ｃは回転せず、Ｄのみ回転する。つまり、操舵のみ出力される。入力Ａ、Ｂの回転速度を制御することにより、出力Ｃ、Ｄの回転速度を制御することができる。

本発明により、従来の全方向移動機構に比較して、格段に運動性能が向上した全方向移動機構を得ることができた。また、小型化・軽量化が容易であるため、電動車椅子、工場等の生産現場で使用する自動搬送機などに利用することが可能である。

また、運動性能が格段に向上するため上記のような低速移動機器のみではなく、高速移動機器にも適応することが期待できる。

遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構の基本構造オフセット型駆動輪の動作原理オフセット型駆動輪の移動動作差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた動作原理概念図差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた運動学モデル概念図差動駆動操舵機構に差動傘歯車機構を用いた動作原理概念図

符号の説明

Ａサンギアユニット
Ｂリングギアユニット
Ｃプラネタリギアユニット
Ｄプラネタリキャリア
Ｅ車体
ｓ車輪接地点と操舵中心点に前後オフセット
ω_s 操舵回転速度
V _s 速度
r 車輪半径
ω_w 車輪の回転速度
V _w 速度
ω_A Ａの回転速度
ω_B Ｂの回転速度
ω_C Ｃの回転速度
ω_D Ｄの回転速度
Z_A Ａの歯数
Z_B Ｂの歯数
Z_C Ｃの歯数
ω_D 車輪回転速度
ω_Ｓ操舵速度
ω_P 機構の状態ベクトル
u_P 入力ベクトル

Claims

二つの動力源を備える車体に保持されるプラネタリキャリアと、このプラネタリキャリアに保持されるサンギアユニットおよびプラネタリギアユニットと、前記サンギアユニットに保持されるリングギアユニットと、前記プラネタリギアユニットによって回転駆動される車輪とを備え、
前記プラネタリギアユニットは、前記サンギアユニットのサンギアと前記リングギアユニットのリングギアに挟まれつつ同時に歯合されており、
前記動力源のうち、第一の動力源をサンギアユニットに、第二の動力源をリングギアユニットにそれぞれ入力させ、
前記サンギアユニットとリングギアユニットに入力される二つの動力源の回転速度の差によって、前記プラネタリキャリアに操舵力を出力させることを特徴とする全方向移動車輪。
前記車輪の接地点と、前記プラネタリキャリアの操舵中心点とを、水平方向に異ならせてオフセットしたことを特徴とする請求項１に記載の全方向移動車輪。