JP5305290B2 - Sphere drive omnidirectional movement device - Google Patents
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Description
本発明は、狭い場所でも床面上で移動及び回転が自由にできる球体駆動式全方向移動装置に係り、例えば、搬送台車、家庭用ロボット、電動車椅子等に使用可能な球体駆動式全方向移動装置に関する。 The present invention relates to a sphere-driven omnidirectional movement device that can freely move and rotate on a floor surface even in a narrow place, for example, a sphere-driven omnidirectional movement that can be used for a carriage, a home robot, an electric wheelchair, etc. Relates to the device.
従来、比較的高速移動が可能で制御が容易なオムニホイール方式が全方向移動装置(以下、単に移動装置ともいう)として多く用いられてきた。この方式は、台車本体の底部に配置されたホイールの外周部に、回転が自由なフリーローラをホイールの円周方向に設けたもので、ホイールの駆動に加えて、ホイールの幅方向の移動が可能である(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, an omni-wheel system capable of relatively high-speed movement and easy control has been widely used as an omnidirectional movement apparatus (hereinafter also simply referred to as a movement apparatus). In this system, a free roller that can rotate freely is provided in the circumferential direction of the wheel on the outer periphery of the wheel arranged at the bottom of the carriage body. In addition to driving the wheel, movement in the width direction of the wheel is possible. It is possible (for example, refer nonpatent literature 1).
しかしながら、フリーローラがホイールの幅方向の移動を可能にしているため、全方向移動装置の床面上での並進運動や回転運動において、全方向移動装置の走行が安定性を欠く等が課題となる。
このため、床面の表面が凹凸状となっている場合、1のホイールに備えられたフリーローラと床面との摩擦が小さい場合は、走行の安定性が著しく欠く可能性があった。
従って、例えば、絨毯のように床面の状態が一様でない場所での走行には適さず、安定した走行ができる場所に制限がある。
However, since the free roller enables the movement of the wheel in the width direction, it is a problem that the omnidirectional movement device lacks stability in the translational movement and the rotation movement on the floor surface of the omnidirectional movement device. Become.
For this reason, when the surface of the floor surface is uneven, if the friction between the free roller provided on one wheel and the floor surface is small, there is a possibility that the running stability is remarkably lacking.
Therefore, for example, it is not suitable for traveling in a place where the state of the floor surface is not uniform, such as a carpet, and there is a limit to a place where stable traveling is possible.
一方、球体駆動方式の全方向移動装置は簡単な構造で床面上の並進運動及び回転運動を可能にし、また、床面上のどの方向への移動も速度ムラが出にくい等の特徴がある。
更に、床面との接点において、球体の駆動方向と異なる方向で自由に移動できる機構を有していないため、例えば、絨毯上でも安定した走行が可能となる。このような、球体駆動方式を用いた移動装置としては、例えば、3つの球体にそれぞれ1つの駆動用モータが設けられた三球式移動装置(例えば、非特許文献2参照)がある。
On the other hand, the spherical drive type omnidirectional movement device has a simple structure that enables translational and rotational movements on the floor surface, and has features such as being less susceptible to uneven speed in movement in any direction on the floor surface. .
Furthermore, since there is no mechanism that can freely move in a direction different from the driving direction of the sphere at the contact point with the floor surface, for example, stable running is possible even on a carpet. As such a moving device using the sphere driving method, for example, there is a three-sphere moving device in which one driving motor is provided for each of three spheres (for example, see Non-Patent Document 2).
ところが、この球体駆動方式の三球式移動装置は、例えば搬送台車として用いられ、移動装置の頂上部に配置された載置台に荷物が置かれた状態で走行する場合、荷物の重心の位置によって、走行中の挙動が不安定となることがある。これは、図9(A)、(B)で示すように、三球式移動装置100はそれぞれ1つの駆動用モータ104が設けられた3つの球体101〜103が床面106と3点で接するが、重心位置により、それぞれの接点に加わる重量が異なるためで、走行状態等によっては全方向移動装置の台車本体105が傾き、その一部が床面106に接することもあり得ることによる。
However, this sphere-driven three-ball type moving device is used as, for example, a transport carriage, and when traveling with a load placed on a mounting table arranged at the top of the moving device, depending on the position of the center of gravity of the load. , Behavior during running may become unstable. As shown in FIGS. 9A and 9B, the three-sphere moving
また、静止状態で三球式移動装置100と床面106の3つの接点に均一の重量が加わっていたとしても、床面の凹凸等の影響により、球体101(球体102、103も同様)と床面106の間に生じる摩擦力が他の球体102、103と床面106の間の摩擦力よりも小さいときは、著しく走行が不安定となる可能性がある。
In addition, even when a uniform weight is applied to the three contact points of the three-sphere moving
そこで、4つの球体にそれぞれ2つの駆動力伝達機構が当接して配置され、駆動力伝達機構にそれぞれ1つの駆動用モータが設けられた四球式移動装置が提案されている。
図10(A)、(B)に示すように、この四球式移動装置110は、台車本体116の底部に配置された4つの球体111〜114それぞれが床面117と接し、合計4つの接点が存するため、接点が3つとなる三球式移動装置に比して走行の安定性が増す。しかしながら、床面117上の自由な並進運動及び回転運動を可能とするには、原理的に異なる3方向の駆動力、即ちx及びy方向の移動用と回転用の3つの駆動用モータがあればよいが、この四球式移動装置110は駆動用モータ115を4つ要するため、製造コストが高くなり経済的ではない。
Therefore, a four-ball type moving device has been proposed in which two driving force transmission mechanisms are disposed in contact with four spheres, and one driving motor is provided for each driving force transmission mechanism.
As shown in FIGS. 10A and 10B, in this four-
本発明はこのような四球式移動装置が抱える課題を解決し、製造コストを抑え、かつ安定した走行を実現する球体駆動式全方向移動装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the problems of such a four-ball type moving device, and to provide a sphere-driven omnidirectional moving device that suppresses manufacturing costs and realizes stable traveling.
前記目的に沿う本発明に係る球体駆動式全方向移動装置は、台車本体と、前記台車本体の底部に転動可能に配置され、かつそれぞれの球心が平面視して四角形を形成する4つの球体1〜4と、前記台車本体に取付けられ、前記4つの球体1〜4のうち、隣り合って又は対角線上に位置する前記球体1〜4の周面に当接する車輪を有し、該球体1〜4に同時にそれぞれ同一方向の回転力を与える少なくとも5つの駆動力伝達機構と、前記駆動力伝達機構の3つに設けられ、該駆動力伝達機構に駆動力を与えるモータとを備え、しかも、それぞれの前記球体1〜4には、2又は3の前記駆動力伝達機構が異なる方向から当接し、更に異なる方向から当接した前記駆動力伝達機構には、0若しくは1又は2の前記モータが設けられている。
The sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention that meets the above-mentioned object is arranged in a trolley main body and a bottom portion of the trolley main body so as to be able to roll, and each sphere center forms a quadrangle in plan view. A
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体1〜4は、ボールキャスターを介して前記台車本体に取付けられていることが好ましい。
また、本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記駆動力伝達機構は対となる前記球体1〜4の周面にそれぞれ当接する2つの前記車輪と、前記2つの車輪の一方の回転を他方に伝える動力伝達手段とを有するのが好ましい。
In the sphere driven omnidirectional movement device according to the present invention, it is preferable that the
Moreover, in the spherical body drive type omnidirectional movement apparatus according to the present invention, the driving force transmission mechanism is configured such that the two wheels that respectively contact the peripheral surfaces of the pair of the
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記動力伝達手段は、前記2つの車輪のそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車(タイミングベルト用の歯付き車、及びチェーンに噛合するスプロケットを含む)と、対となる前記補助歯付き車に噛合するベルト又はチェーンとを有するのが好ましい。
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体1〜4は同一半径の球体であって、該球体1〜4の球心によって形成される四角形は長方形又は正方形であることが好ましい。
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, the power transmission means meshes with a toothed vehicle (a toothed vehicle for a timing belt and a chain) attached on the same axis of each of the two wheels. (Including a sprocket) and a belt or chain that meshes with the auxiliary toothed wheel.
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, it is preferable that the
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記駆動力伝達機構に備えられる前記車輪と前記球体1〜4が当接する箇所それぞれについて、該車輪の外周と該球体1〜4の周面の速度及び向きが同一であるのが望ましい。
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the present invention, the outer periphery of the wheel and the peripheral surfaces of the
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、(1)前記球体1〜4の球心の座標をそれぞれ(dR、dF)、(−dL、dF)、(−dL、−dB)、(dR、−dB)とし、(2)前記球体1、2、前記球体2、3、前記球体3、4、前記球体4、1、前記球体1、3、並びに前記球体2、4と当接するそれぞれ同一半径の前記駆動力伝達機構の車輪の半径をそれぞれQ12、Q23、Q34、Q41、Q13、Q24とし、(3)それぞれの前記車輪の角速度をλ12、λ23、λ34、λ41、λ13、λ24とし、(4)更に、床面に対する該球体駆動式全方向移動装置の原点Oを基準とする角速度をrとすると共に、原点Oの前記床面に対する並進運動の速度について、x成分をvx、y成分をvyとし、(5)以下の式1、式2が成り立つことを条件として、
以下の式3から、左辺に記載した行列(λ12、λ23、λ34、λ41、λ13、λ24)と右辺の6行行列について同一の3行を除いて得た正方行列に、逆行列が存在する条件で、選ばれた左辺の3個の角速度となる前記車輪を備える前記駆動力伝達機構に、前記モータを設けるのがよい。即ち、左辺の行列と右辺の6行行列について同一の3行を除いて得た右辺に3次正方行列を有する関係式のうち、前記3次正方行列に逆行列が存在する関係式において、左辺に存する車輪の角速度に係る該車輪を備える前記駆動力伝達機構に、前記モータを設けている。
In the sphere-driven omnidirectional movement apparatus according to the present invention, (1) the coordinates of the sphere centers of the
From the following
請求項1〜7記載の球体駆動式全方向移動装置は、台車本体の底部に転動可能に配置された4つの球体それぞれが、異なる2又は3方向から駆動力を与えられるので、床面上の自由な並進運動及び回転運動を可能とする。
また、床面と4点で接して走行するので、床面と3点で接する移動装置に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置による影響を受けにくく、更に、床面表面の凹凸等により、球体の1つと床面の間に生じる摩擦力が他の球体に生じるものよりも小さいことによっても、走行が不安定になりにくい。
しかも、用いられるモータの数は、床面上の自由な並進運動及び回転運動を可能とするのに必要な最小値にあたる3つのため、製造コストを抑え、経済的である。
Since the sphere-driven omnidirectional movement device according to any one of
In addition, since it travels in contact with the floor surface at four points, it is less affected by the center of gravity position of the load placed on the cart body than the moving device that contacts the floor surface at three points, and further, unevenness on the floor surface, etc. Thus, even when the frictional force generated between one of the spheres and the floor surface is smaller than that generated on the other spheres, the traveling is less likely to become unstable.
In addition, since the number of motors used is three, which is the minimum value required to enable free translational and rotational movement on the floor surface, the manufacturing cost is reduced and it is economical.
特に、請求項2記載の球体駆動式全方向移動装置は、4つの球体がボールキャスターを介して台車本体に取り付けられているので、床面に対して垂直方向における球体の球心と台車本体間の距離を一定に保ち、また、球体が大きな抵抗を受けることなく転動することができる。
In particular, in the sphere-driven omnidirectional movement device according to
請求項3記載の球体駆動式全方向移動装置は、駆動力伝達機構が有する2つの車輪の一方の回転が、動力伝達手段により、他方に伝わるので、車輪に当接する2つの球体に同じ向きの回転成分を与えることができる。
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to
請求項4記載の球体駆動式全方向移動装置は、2つの車輪のそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車に噛合するベルト又はチェーンとを有するので、補助歯付き車とベルト又はチェーンの間で滑りを生じることなく、車輪の一方の回転を他方へ確実に伝えることができる。
The spherically driven omnidirectional movement device according to
請求項5記載の球体駆動式全方向移動装置は、それぞれの球体が同一半径の球体のため、各球体が床面と滑りを生じずに走行するための制御を容易にできる。
また、平面視して球体の球心が長方形又は正方形を形成するので、長方形又は正方形と辺の長さが同一である他の四角形の場合に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置が走行の安定性に及ぼす影響を少なくできる。
In the sphere-driven omnidirectional movement device according to the fifth aspect, since each sphere has the same radius, it is easy to control each sphere to travel without causing a slip on the floor surface.
In addition, since the spherical center of the sphere forms a rectangle or square in plan view, the position of the center of gravity of the load placed on the main body of the cart is larger than in the case of the rectangle or the other square having the same side length. The influence on running stability can be reduced.
請求項6記載の球体駆動式全方向移動装置は、駆動力伝達機構に備えられる車輪と球体が当接する箇所それぞれについて、車輪の外周と球体の周面の速度及び向きが同一であるので、球体と車輪との間に滑りを生じることなく各球体が回転し、球体及び車輪の磨耗が発生するのを防ぎ、また、球体駆動式全方向移動装置の各部品の破損を抑えることができる。 Since the sphere-driven omnidirectional movement device according to claim 6 has the same speed and direction of the outer periphery of the wheel and the peripheral surface of the sphere at each of the locations where the wheel and the sphere are provided in the driving force transmission mechanism, Each sphere rotates without causing a slip between the wheel and the wheel, and wear of the sphere and the wheel can be prevented, and damage to each part of the sphere driven omnidirectional movement device can be suppressed.
そして、請求項7記載の球体駆動式全方向移動装置は、少なくとも5つある駆動力伝達機構のうち3つにモータが設けられるが、安定した走行を確保するために、いずれの駆動力伝達機構にモータを設ければよいかを確実に決定することができる。 In the spherical drive omnidirectional movement device according to claim 7, motors are provided in three of at least five drive force transmission mechanisms. Any of the drive force transmission mechanisms may be used to ensure stable running. It is possible to reliably determine whether or not a motor should be provided.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
図1(A)、(B)に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置(以下、単に「移動装置」ともいう)10は、台車本体11と、台車本体11の底部に転動可能に配置され、それぞれの球心が平面視して四角形を形成するように配置された4つの球体1〜4と、隣り合って位置する球体(1、2)、(2、3)、(3、4)、(4、1)及び対角線上に位置する球体(1、3)、(2、4)に同時にそれぞれ同一方向の回転力を与える6つの駆動力伝達機構12〜17とを有する。このうち3つの駆動力伝達機構13〜15にはそれぞれ駆動力を与えるモータ18〜20が設けられ、水平な床面72上で任意の方向に移動できる装置である。なお、各モータ18〜20は図示しない制御部により、その回転の角速度が制御されている。また、駆動力伝達機構12〜17は内部に図示しない軸受とそのハウジングからなる支持部材21によって台車本体11に固定されている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a sphere-driven omnidirectional moving device (hereinafter, also simply referred to as “moving device”) 10 according to the first embodiment of the present invention includes a cart body 11 and The four
図1に示すように、台車本体11は正方形の平板からなる載置台22と載置台22の周囲に垂下して取付けられた4枚の側板23を備える。また、載置台22の四隅近傍の下面であって、球体1〜4の球心位置にはボールキャスター24〜27がそれぞれ設けられ、それぞれのボールキャスター24〜27には、同一半径の転動可能なボール28を1つ有する。更に、4枚の側板23の内側には車輪型キャスター29〜36が2つずつ取付けられており、それぞれの車輪型キャスター29〜36には、球体1〜4にx方向、y方向から当接して転動するガイド車輪37が設けられている。なお、ガイド車輪37の位置は、球体1〜4の球心高さに配置されている。
As shown in FIG. 1, the cart body 11 includes a mounting table 22 made of a square flat plate and four
それぞれの駆動力伝達機構12〜17は載置台22の底部に2つの支持部材21を介して取り付けられ、対となる球体1〜4の周面に当接する2つの車輪(39、40)、(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)、(49、50)を有している。これらの車輪39〜50は回転軸51を介して支持部材21の下部に、球体1〜4の球心高さ位置で回転自在に取付けられ、かつ各回転軸51には、車輪39〜50それぞれと軸心と角速度が共に同一となる補助歯付き車52〜63が設けられている。
対となる補助歯付き車(52、53)、(54、55)、(56、57)、(58、59)、(60、61)、(62、63)にはそれぞれ歯付きベルト(タイミングベルト)64〜69がかけ渡されている。ここで、対応する補助歯付き車(52、53)、(54、55)、(56、57)、(58、59)、(60、61)、(62、63)と歯付きベルト64〜69とで動力伝達手段を形成している。
Each of the driving
A pair of auxiliary toothed wheels (52, 53), (54, 55), (56, 57), (58, 59), (60, 61), (62, 63) have toothed belts (timing). Belt) 64 to 69 is stretched over. Here, the corresponding auxiliary toothed wheels (52, 53), (54, 55), (56, 57), (58, 59), (60, 61), (62, 63) and the
前述のように、駆動力伝達機構13〜15にはモータ18〜20が設けられ、モータ18〜20の回転によって、その出力軸に設けられている動力歯付き車70が回転し、この動力歯付き車70に噛合する歯付きベルト65〜67を駆動するため、対となる補助歯付き車(54、55)、(56、57)、(58、59)がそれぞれ同一方向に回転し、この回転に伴って対となる車輪(41、42)、(43、44)、(45、46)もそれぞれ同一方向に回転する。
また、モータ18〜20はそれぞれ支持部材を介して台車本体11の底部に固定されている。駆動力伝達機構13〜15の車輪41〜46が当接する球体1〜4が所定方向に回転するようになっている。
なお、この実施の形態では、球体3(球体4も原理的には同様)には、モータ18、19付きの駆動力伝達機構13、14(正確には車輪)が異なる水平2方向から当接され、その2方向から駆動力が与えられるため、モータ18、19それぞれの回転速度を調整することで球体3の回転について、回転軸の方向及び回転速度を自在に制御できる。
As described above, the driving
The
In this embodiment, the sphere 3 (the
また、球体1(球体2も原理的には同様)には、球体3に一端を当接する駆動力伝達機構16の他端が当接されているので、球体1と球体3の球心を結ぶ直線の成分について、球体1に球体3の回転が伝わると共に、異なる水平方向からモータ20付きの駆動力伝達機構15が当接されている。ここで、球体3は床面72上で、球体1と球体3の球心を結ぶ直線上の方向を含むどの方向にも回転するので、球体1は駆動力伝達機構15、16が当接する異なる水平2方向から回転力が与えられ、床面72上でどの方向にも転動可能な力を受けることができる。
よって、この実施の形態では3つの駆動力伝達機構13〜15にモータ18〜20が設けられているが、一つの球体に対して異なる方向から当接して駆動力を与えるモータ付きの駆動力伝達機構(正確には車輪)が最大で2つのため、モータ18〜20を任意の回転速度で回転させても、球体1〜4はスリップ等を生じることなく回転する。
なお、1つの球体にモータ付きの駆動力伝達機構が異なる3方向以上から当接し駆動力が与えられる形態の移動装置の場合は、モータを任意の回転速度で回転させると、球体と駆動力伝達機構との間にスリップ、移動装置内部に大きな負荷等が生じ、破損等を招来する。
Further, since the other end of the driving force transmission mechanism 16 that abuts one end of the sphere 1 (the
Therefore, in this embodiment, the three driving
In the case of a moving device in which a driving force transmission mechanism with a motor is in contact with one sphere from three or more different directions and a driving force is applied, when the motor is rotated at an arbitrary rotational speed, the driving force is transmitted to the sphere. Slip between the mechanism and a large load or the like is generated inside the moving device, causing damage or the like.
各球体1〜4は、その周面の上方向からボールキャスター24〜27が、水平の異なる2方向(直角)から車輪型キャスター29〜36が、更に、異なる水平3方向から駆動力伝達機構12〜17の車輪39〜50が、それぞれ当接して、台車本体11に固定されており、球体1〜4の回転により移動装置10が水平な床面72上を球体1〜4が当接状態で移動することができる。
また、球体1〜4は、同一半径の球体となっている。これによって、移動装置10は載置台22を床面72と平行な位置関係で保ち、各球体1〜4が床面72と滑りを生じることなく走行するための制御を容易にできる。なお、4つの球体1〜4の球心は平面視して長方形、正方形、ひし形や他の形状の四角形でもよい。
更に、球体1〜4は、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のような硬質弾性材料を使用しているが、例えば、ステンレス、銅合金、セラミック、プラスチック等を原材料とすることができる。
Each of the
The
Furthermore, although the spheres 1-4 use hard elastic materials such as silicon resin and urethane resin, for example, stainless steel, copper alloy, ceramic, plastic, and the like can be used as raw materials.
以上に説明した駆動力伝達機構13〜15にモータ18〜20を備えることによって、移動装置10は、安定した走行をし、更に、床面72上で任意方向への進行、旋回を行うことが可能である。
しかも、モータ18〜20各々を任意の回転速度で駆動しても、駆動力伝達機構13〜15に備わる車輪41〜46と球体1〜4が当接する箇所それぞれについて、車輪41〜46の外周と球体1〜4の周面が共に同一の速度及び向きを保ちながら回転することとなり、車輪41〜46と球体1〜4との間に滑りが発生しない。この理由について図5〜図8を参照し詳細に説明する。
By providing the
In addition, even if each of the
図5に示すように、dR、dL、dF、dBは全て正の値として、球体1〜4の球心P1〜P4の座標をそれぞれ(dR、dF)、(−dL、dF)、(−dL、−dB)、(dR、−dB)とし、球心P1、P3を結ぶ直線と球心P1、P4を結ぶ直線の成す鋭角の角度をξとする。そして、球体1、2、球体2、3、球体3、4、球体4、1、球体1、3、並びに球体2、4と当接するそれぞれ同一半径の駆動力伝達機構12〜17の車輪39〜50の半径をそれぞれQ12、Q23、Q34、Q41、Q13、Q24とする。
また、図1(A)に示すそれぞれ対となる車輪(39、40)、(41、42)、(43、44)、(45、46)、(47、48)、(49、50)の角速度をλ12、λ23、λ34、λ41、λ13、λ24とし、これらの角速度の正の向きは、角速度λ12はy軸の正から負の向きにみて、λ23はx軸の負から正の向きにみて、λ34はy軸の負から正の向きにみて、λ41はx軸の正から負の向きにみて、λ13は球心P1、P3を結ぶ直線に垂直な方向で球体4側からみて、λ24は球心P2、P4を結ぶ直線に垂直な方向で球体3側からみて時計回りとする。
更に、床面72に対する移動装置10の原点Oを基準とする回転運動に係る角速度は、反時計回りを正としてrで表し、原点Oの床面72に対する並進運動の速度について、x成分をvx、y成分をvyと表す(図5参照)。
As shown in FIG. 5, d R , d L , d F , and d B are all positive values, and the coordinates of the spherical centers P1 to P4 of the
Further, the pair of wheels (39, 40), (41, 42), (43, 44), (45, 46), (47, 48), (49, 50) shown in FIG. 12 an angular velocity λ, λ 23, λ 34, λ 41,
Furthermore, the angular velocity related to the rotational motion relative to the
ここで球体1〜4の球心の床面72に対する並進運動の速度について、それぞれをx成分、y成分の順にwx1、wy1、wx2、wy2、wx3、wy3、wx4、wy4とすると以下の式4〜式7の関係が成り立つ。
Here, with regard to the speed of the translational motion of the
また、隣り合う又は対角線上に位置する球体1〜4の周面に当接する車輪39〜50の角速度及び半径と球体1〜4の並進運動の速度との間に以下の式8〜式11が成り立つ。図6(A)〜(C)には球体1について角速度と並進運動の速度を示し、wx1、wy1、λ12、λ41について矢印の向きが正の向きを示す。
Further, the following
更に、sξ、cξをdF、dB、dR、dLからなる式1及び式2で定義する。
Further, s ξ and c ξ are defined by
対角線上に位置する球体(1、3)、(2、4)の周面に当接する車輪47〜50の角速度及び半径と球体1〜4の並進運動の速度との間に以下の式12〜式15が成り立つ。図7(A)、(B)には球体1について角速度と並進運動の速度を示し、wx1、wy1、λ12、λ41、λ13について矢印の向きが正の向きを示す。
Between the angular velocities and radii of the
ここで、式4〜式11から以下の式16〜式19が導かれる。
Here, the following equations 16 to 19 are derived from the
また、式4〜式7、式12〜式15から以下の式20〜式23が導かれる。
Further, the following
式16〜式21をまとめて行列式で表すと、以下の式24が得られる。
When Expression 16 to
したがって、この移動装置10の原点Oを基準とする回転運動の角速度と原点Oの床面72に対する並進運動の速度から、車輪39〜50の角速度が式3で求まる。
Therefore, the angular velocity of the
式3の行列は正方行列ではなく、一般に逆行列は得られない。ここで、移動装置10は3つのモータ18〜20を備えることに着目し、式3の左辺の行列と右辺の6行行列について同一の3行を除くと、3次正方行列を含む、全てが3行行列式で構成された関係式を得ることができる。
The matrix of
そして、この全てが3行行列式で構成された関係式において、前記3次正方行列に逆行列が存在するとき、3つの車輪の角速度値を決めれば、球体駆動式全方向移動装置10の床面72に対する原点Oにおける回転運動に係る角速度と原点Oの球体1〜4の床面72に対する並進運動の速度の値が定まるとの関係が成り立つ。
すなわち、3つの車輪が駆動することで、移動装置10が床面72上で任意の方向に移動できる。
Then, in the relational expression constituted by a three-row determinant, when there is an inverse matrix in the cubic square matrix, if the angular velocity values of the three wheels are determined, the floor of the sphere-driven omnidirectional
That is, the driving
図8(A)に示す配置で、モータ18〜20が駆動力伝達機構13〜15に設けられた本発明の第1の実施の形態に係る移動装置10では、車輪(41、42)、(43、44)、(45、46)に係る角速度λ23、λ34、λ41と、vx、vy、rについて以下の式25が成り立つ。
In the arrangement shown in FIG. 8A, in the moving
ここで、式25の右辺にある3次正方行列は式26に示すように逆行列が存在する。
Here, the cubic matrix on the right side of
したがって、図8(A)のモータ18、19、20の配置では、移動装置10が床面72上で任意の方向に移動できる。
一方、図8(B)はモータ73、74、75が駆動機構14、15、17にそれぞれ設けられているので、モータ73、74、75で駆動される車輪(43、44)、(45、46)、(49、50)に係る角速度λ34、λ41、λ24と、vx、vy、rについて以下の式27が成り立つ。
Therefore, in the arrangement of the
On the other hand, in FIG. 8B, since the
ここで、式27の右辺にある3次正方行列は、式1、式2よりsξ(dF+dB)とcξ(dL+dR)が常に同値となることが明らかなため、以下の式28に示すように逆行列が存在しない。
Here, since the cubic square matrix on the right side of
したがって、図8(B)のモータ73〜75の配置では、モータ73〜75それぞれの回転速度の制御により球体駆動式全方向移動装置が床面72上で任意の方向に移動できるが、モータ73〜75の回転制御によっては、例えば車輪44、45、50と球体4との間の当接箇所において、車輪44、45、50の外周面と球体4の周面の速度の速さや向きが異なることによる滑りや、球体駆動式全方向移動装置の内部に大きな負荷等が発生し得る。
Therefore, in the arrangement of the
図2に示すように、本発明の第2の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置76について説明する。この移動装置76は、第1の実施の形態に係る移動装置10において、6つの駆動力伝達機構12〜17を有する代わりに、駆動力伝達機構16を省略し、5つの駆動力伝達機構12〜15、17を有している。なお、移動装置10と同一の構成要素については同一の番号を付して詳しい説明を省略する(以下の実施の形態においても同じ)。
As shown in FIG. 2, a sphere-driven omnidirectional moving
この移動装置76においては、モータ18〜20が設けられた駆動力伝達機構13〜15の配置は本発明の第1の実施の形態に係る移動装置10と同じであり、駆動力伝達機構13〜15に備わる対となる車輪(41、42)、(43、44)、(45、46)に係る角速度λ23、λ34、λ41について成り立つ式25の右辺にある3次正方行列は式26に示すように逆行列が存在する。
本発明の第1の実施の形態に係る移動装置10に比べて移動装置76は、対角線上に位置する球体に当接する駆動力伝達機構を1つ除いて、駆動力伝達機構の数を6つから5つにし、製造コストを安価にできる。
In this moving
Compared to the moving
ただし、球体1(球体3も同様)は、球体1の周面に当接する2つの車輪39、46のうち一方の車輪が磨耗等によって球体1と滑りを生じるような状態になったとき、滑りを生じずに球体1に駆動力を与えるのは他方の車輪、即ち一方向からのみとなり、走行が不安定になることがある。
これに対し、図1に示すように6つの駆動力伝達機構12〜17を配置すれば、各球体1〜4は異なる3方向から車輪によって駆動力を与えられるので、たとえ1方向から当接される車輪との間に滑りが生じるようになっても、他の異なる2方向から車輪によって駆動力を与えられ、移動装置10は安定した走行ができる。
However, the sphere 1 (same for the sphere 3) slips when one of the two
On the other hand, if the six driving
次に、図3、図4を参照しながら、本発明の第3の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置77について説明する。
この球体駆動式全方向移動装置77は、図3に示すように、4つの球体1〜4と5つの駆動力伝達機構78〜82を有する。
Next, a sphere-driven omnidirectional moving
As shown in FIG. 3, the sphere-driven omnidirectional moving
台車本体83は正方形状の載置台83aと、その下部で内側には球体1〜4を有する位置には、高さ調整部材85を介して取付けられた全部で8枚の側板84とを有している。各側板84の内側には、車輪型キャスター86が長尺の4本のボルト87を介して取り付けられている。この4本のボルト87はスプリング88によって内側方向に付勢され、車輪型キャスター86が一定の圧力で各球体1〜4の側面に当接するようになっている。
The carriage
各球体1〜4において、車輪型キャスター86が当接する側の反対側に、駆動力伝達機構78〜81の端部に設けられている車輪(78a、78b)、(79a、79b)、(80a、80b)、(81a、81b)が当接している。なお、駆動力伝達機構79〜81の車輪(79a、79b)、(80a、80b)、(81a、81b)は、歯付きベルト93〜95及び歯付き車を介してモータ90〜92によって回転駆動されている。
この実施の形態では、球体1〜4の駆動は第2の実施の形態と同様(すなわち、球体2、4の周面に当接する車輪を備えた駆動力伝達機構を有していない)であるので、モータ90〜92の回転によって球体駆動式全方向移動装置77を任意の方向に移動させることができる。
In each sphere 1-4, the wheels (78a, 78b), (79a, 79b), (80a) provided at the ends of the driving force transmission mechanisms 78-81 on the opposite side to the side on which the
In this embodiment, the driving of the
また、球体1〜4は2方向からスプリング88によって押圧される車輪型キャスター86によって保持されているので、車輪型キャスター86の車輪が磨耗等によりその半径が小さくなっても、車輪型キャスター86が球体1〜4の周面に圧接され、駆動力伝達機構78〜82と球体1〜4の間に滑りが生じない。
Further, since the
本発明は、狭い場所でも床面上で方向転換を伴った移動や旋回動作を含む自由な移動、動作をすることが求められる、例えば、搬送台車、家庭用ロボット、電動車椅子、電気自動車等に適用できる。 The present invention is required to move freely and move including turning and turning operations on a floor surface even in a narrow place. For example, in a transport carriage, a home robot, an electric wheelchair, an electric vehicle, etc. Applicable.
1〜4:球体、10:球体駆動式全方向移動装置、11:台車本体、12〜17:駆動力伝達機構、18〜20:モータ、21:支持部材、22:載置台、23:側板、24〜27:ボールキャスター、28:ボール、29〜36:車輪型キャスター、37:ガイド車輪、39〜50:車輪、51:回転軸、52〜63:補助歯付き車、64〜69:歯付きベルト、70:動力歯付き車、72:床面、73〜75:モータ、76:球体駆動式全方向移動装置、77:球体駆動式全方向移動装置、78〜82:駆動力伝達機構、78a〜81a、78b〜81b:車輪、83:台車本体、83a:載置台、84:側板、85:高さ調整部材、86:車輪型キャスター、87:ボルト、88:スプリング、90〜92:モータ、93〜95:歯付きベルト 1-4: Sphere, 10: Sphere drive omnidirectional movement device, 11: Cart body, 12-17: Driving force transmission mechanism, 18-20: Motor, 21: Support member, 22: Mounting table, 23: Side plate, 24-27: Ball caster, 28: Ball, 29-36: Wheel type caster, 37: Guide wheel, 39-50: Wheel, 51: Rotating shaft, 52-63: Car with auxiliary teeth, 64-69: With tooth Belt: 70: Power toothed vehicle, 72: Floor surface, 73 to 75: Motor, 76: Spherical drive type omnidirectional movement device, 77: Spherical drive type omnidirectional movement device, 78 to 82: Driving force transmission mechanism, 78a ˜81a, 78b˜81b: wheels, 83: carriage main body, 83a: mounting table, 84: side plate, 85: height adjusting member, 86: wheel caster, 87: bolt, 88: spring, 90 to 92: motor, 93-95: Toothed Belt
Claims (7)
以下の式3から、左辺に記載した行列(λ12、λ23、λ34、λ41、λ13、λ24)と右辺の6行行列について同一の3行を除いて得た正方行列に、逆行列が存在する条件で、選ばれた左辺の3個の角速度となる前記車輪を備える前記駆動力伝達機構に、前記モータを設けることを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
From the following Equation 3, a square matrix obtained by excluding the same three rows for the matrix (λ 12 , λ 23 , λ 34 , λ 41 , λ 13 , λ 24 ) described on the left side and the 6-row matrix on the right side, A sphere-driven omnidirectional movement device characterized in that the motor is provided in the driving force transmission mechanism including the wheels having three angular velocities on a selected left side under the condition that an inverse matrix exists.
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