JP5700337B2

JP5700337B2 - 全方向移動ロボット

Info

Publication number: JP5700337B2
Application number: JP2011054471A
Authority: JP
Inventors: 中村　仁彦; 仁彦中村; 成錫玉
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: JP2012188046A

Description

本発明は、全方向移動ロボットに関し、特に球状車輪を用いたロボットに関するものである。

全方向移動ロボットとして、球状タイヤと、全方向移動駆動手段を備えたロボット本体と、ロボット本体を倒立振子型モデルで制御する制御手段とを有する全方向移動ロボットが開示されている（例えば、特許文献１）。

上記特許文献１では、いくつかのアクティブな小車輪とそれに直交する方向へのパッシブな小車輪が球状タイヤと摩擦で接することによって小車輪の駆動力を球状タイヤに伝達するように構成されている。

特開２００６−２８２１６０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、アクティブな小車輪の駆動力が球状タイヤまで滑りなく伝達されるためには一定以上の接触摩擦を維持しなければならない。また、適切な接触摩擦より大きい場合には伝達効率が悪くなるという問題がある。小車輪と球車輪間の摩擦が小さい場合はすべりが生じ駆動力伝達が困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、駆動力を効率的に球状車輪に伝達することができる全方向移動ロボットを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、１又は２以上の球状車輪と、前記球状車輪の中心で交差するピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りに回転自在に前記球状車輪を支持し、直列に連結されたピッチリンク、ロールリンク、及びヨーリンクと、前記各リンクを回転駆動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを動作制御する制御部と、前記ヨーリンクに固定された搭乗部と、前記搭乗部の姿勢を検出する変化量検出センサとを備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る発明は、前記ピッチリンクは一端において、前記球状車輪内に設けられた前記アクチュエータを介して前記球状車輪に回転可能に連結されたことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発明は、搭乗者が加える力及びモーメントを検出する力センサを備え、前記制御部は、前記力センサで検出された前記力に基づき前記球状車輪を回転させ、前記力の方向に前記搭乗部を移動させることを特徴とする。

本発明によれば、球状車輪に連結されたピッチリンク、ロールリンク、ヨーリンクの３つのリンクを介してアクチュエータの駆動力を直接球状車輪に伝達する構成としたから、駆動源と車輪の間に滑りがない駆動メカニズムを実現することができるので、駆動力をより効率的に球状車輪に伝達することができる。

本実施形態に係る全方向移動ロボットの全体構成を示す斜視図である。本実施形態に係る全方向移動ロボットの全体構成を示す背面図である。本実施形態に係る全方向移動ロボットの構成を示す部分断面図１である。本実施形態に係る全方向移動ロボットの構成を示す部分断面図２である。

（全体構成）
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に示す全方向移動ロボット１は、１つの球状車輪２と、一端が前記球状車輪２に連結されたリンク機構３と、前記リンク機構３の他端に連結された搭乗部４と、前記リンク機構３を作動させるアクチュエータ５と、前記アクチュエータ５を制御する制御部６と、前記搭乗部４の姿勢を検出する変化量検出センサ７とを備える。

球状車輪２は、床面と必要な摩擦を有する部材、例えば、ゴム製（タイヤ状のものを含む）あるいは合成樹脂製の部材で構成されており、リンク機構３により、全方向、すなわち、前後左右方向に回転可能に支持されている。

リンク機構３は、ピッチリンク１０と、ロールリンク１１と、ヨーリンク１２とからなり、各リンクは、シリアルに接続されている。ピッチリンク１０は、球状車輪２の外周の約１／４を囲むように湾曲状に形成されており、一端１０Ａにおいて球状車輪２内に設けられたピッチ軸アクチュエータ２０を介して球状車輪２と回転自在に連結されている。また、ピッチリンク１０は、他端１０Ｂにおいてロールリンク１１の一端１１Ａとロール軸アクチュエータ２１を介して回転可能に連結されている。ロールリンク１１は、ピッチリンク１０に対し垂直方向に立設されており、他端１１Ｂにおいてヨーリンク１２とヨー軸アクチュエータ２２を介して回転可能に連結されている。ヨーリンク１２は、搭乗部４が一体的に形成されている。

なお、球状車輪２の中心を通り、ピッチリンク１０とロールリンク１１の連結部分を結ぶ軸をＸ軸又はロール軸、ピッチリンク１０の一端１０Ａを結ぶ軸をＹ軸又はピッチ軸、ロールリンク１１の他端１１Ｂとヨーリンク１２の連結部分を結ぶ軸をＺ軸又はヨー軸とする。また、本図中、Ｆ方向を全方向移動ロボット１の前方向、Ｒ方向を右方向、Ｕ方向を上方向とする。ヨーリンク１２は、ヨー軸上に設けられている。

なお、ピッチは全方向移動ロボット１の前後方向すなわちＹ軸周りの回転をいい、ロールは全方向移動ロボット１の左右方向すなわちＸ軸周りの回転をいい、ヨーは地面に対し平行な面における回転すなわちＺ軸周りの回転をいう。

ロール軸アクチュエータ２１は、２つの電動モータ２３を有している。ロール軸アクチュエータ２１の構成は特に限定されるものではないが、例えば、２つの電動モータ２３がベルト２４を介して１つのプーリ２５に接続されている。当該プーリ２５は、ピッチリンク１０の他端１０Ｂに固定されている。これにより、ロールリンク１１は、ピッチリンク１０を基準として、ロール軸アクチュエータ２１の駆動力によってＸ軸周りに回転する。これはすなわち、ロールリンク１１がピッチリンク１０をＸ軸周りに相対的に回転させることに等しくなる。

搭乗部４は、杆状部３０と、当該杆状部３０に連結されたフレーム部３１と、当該フレーム部３１に設けられたステップ部３２とを有する。本実施形態の場合、搭乗者は、杆状部３０を背にしてステップ部３２に乗り前記杆状部３０に腰掛けたり、又は杆状部３０に向かってステップに乗り前記杆状部３０に膝や太ももを押し当てたりして、搭乗することができる。

杆状部３０は、筒状の部材で構成され、左右方向を長手方向として配置されている。杆状部３０は、略中央においてヨーリンク１２の他端１２Ｂに連結されている。この杆状部３０の内部には、図示しないが、動力源としてのバッテリ、及び力センサとしての第１の力センサ３３が設けられている。

フレーム部３１は、垂直部３４と水平部３５とを略直角に接続してなる一対のＬ字型部材を有し、上端において前記杆状部３０の両側端３０Ａ，３０Ｂに固定されている。また、水平部３５の一端は、互いに連結されている。水平部３５には、板状部材３６が固定されており、当該板状部材３６上に力センサとしての第２の力センサ３７が設けられている。

第１の力センサ３３及び第２の力センサ３７は、特に限定されるものではないが、例えば、６軸センサ（直交する３方向、及び各モーメント）を用いることができる。

制御部６と変化量検出センサ７は、本実施形態の場合、ロールリンク１１に固定されている。変化量検出センサ７は、例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、地磁気センサのいずれか１つ以上を用いることができる。また、加速度センサはこれを積分した速度センサを含み、ジャイロセンサは、これを積分した姿勢センサを含む。この場合、重力方向を変化量検出センサ７で検出することにより、重力方向に対する搭乗部４の姿勢を検出して、制御部６に検出結果を出力する。当該検出結果に基づき制御部６がピッチ軸アクチュエータ２０、ロール軸アクチュエータ２１、ヨー軸アクチュエータ２２に対して適切なトルク指示を出力し、これにより搭乗部４の姿勢の安定化を図る。本実施形態において、制御方法は特に限定されないが、例えば倒立振子型モデルにより制御することとしてもよい。

図２に示すように、ピッチリンク１０は、ロール軸アクチュエータ２１とベルト２４を介して接続されたプーリ２５に他端１０Ｂが固定され、当該プーリ２５からＹ軸に平行に一側に突出し、一端１０Ａが球状車輪２内に設けられたピッチ軸アクチュエータ２０（本図には図示しない）に連結されている。また、ロール軸アクチュエータ２１及びプーリ２５は、Ｖ字状に配置されている。

図３に示すように、球状車輪２は、中心を通りＹ軸に平行にくりぬかれた有底筒状のリンク設置部４０が形成されている。当該リンク設置部４０には、ピッチ軸アクチュエータ２０が設置されている。ピッチ軸アクチュエータ２０は２個の電動モータ２３を有している。ピッチ軸アクチュエータ２０の構成は特に限定されるものではないが、例えば、球状車輪２に固定された筒部４３と、当該筒部４３内に軸支された軸部４４とを備える。軸部４４には、上記電動モータ２３及びモータドライバ４５が設けられており、当該電動モータ２３と筒部４３とが伝導部（図示しない）を介して接続される。また軸部４４の端部はピッチリンク１０の一端１０Ａに固定される。これにより、球状車輪２は、ピッチリンク１０を基準として、ピッチ軸アクチュエータ２０の駆動力によってＹ軸周りに回転する。

図４に示すように、ヨーリンク１２には、ケース体４２が設けられている。当該ケース体４２には、ヨーリンク１２を作動するヨー軸アクチュエータ２２が収容されている。ヨー軸アクチュエータ２２は２個の電動モータ２３を有している。ヨー軸アクチュエータ２２の構成は特に限定されるものではないが、例えば、ケース体４２の上部開口に基部４７が設けられており、当該基部４７に電動モータ２３が固定されている。当該電動モータ２３とロールリンク１１とが伝導部（図示しない）を介して接続される。ケース体４２はロールリンク１１と接続されていない。これにより、ヨーリンク１２は、ロールリンク１１を基準として、ヨー軸アクチュエータ２２の駆動力によってＺ軸周りに回転する。これはすなわち、ヨーリンク１２がロールリンク１１をＺ軸周りに相対的に回転させることに等しくなる。

（動作及び効果）
次に上記のように構成された全方向移動ロボット１の動作及び効果について説明する。まず、全方向移動ロボット１が前後方向に動作する場合について説明する。例えば、倒立振子制御によって搭載された変化量検出センサ７を用いて安定化された状態で、第１の力センサ３３または第２の力センサ３７は、搭乗者が前向き又は後ろ向きに加えた力を検出すると、当該検出結果を制御部６に出力する。制御部６は、検出結果に基づき、所定のトルク指示をピッチ軸アクチュエータ２０に出力する。ピッチ軸アクチュエータ２０は、トルク指示に基づき駆動力を発生し、ピッチリンク１０を作動する。そうすると、ピッチリンク１０を基準として、球状車輪２がＹ軸周りに回転する。これにより、全方向移動ロボット１は、前方向又は後方向に移動することができる。

次いで、全方向移動ロボット１が左右方向に動作する場合について説明する。第１の力センサ３３または第２の力センサ３７により、搭乗者が右向き又は左向きに加えた力を検出すると、当該検出結果を制御部６に出力する。制御部６は、検出結果に基づき、所定のトルク指示をまずロール軸アクチュエータ２１に出力する。ロール軸アクチュエータ２１は、トルク指示に基づき駆動力を発生し、ロールリンク１１を作動する。そうすると、ロールリンク１１を基準としてピッチリンク１０Ｘ軸周りに回転するので、球状車輪２がＸ軸周りに回転する。これにより、全方向移動ロボット１は、左又は右方向に移動する。

ところで、球状車輪２は、ピッチリンク１０とピッチ軸アクチュエータ２０とが連結されている部分において球面ではないので、左右方向の移動量はわずかで、ロールリンク１１を作動させただけでは全方向移動ロボット１は左右方向に継続的に移動することはできない。そこで、本実施形態に係る全方向移動ロボット１では、球状車輪２の球面ではない面が地面に接する前にヨーリンク１２を作動させる。

すなわち、制御部６は、所定のトルク指示を上記トルク指示に次いでヨー軸アクチュエータ２２に出力する。ヨー軸アクチュエータ２２は、トルク指示に基づき駆動力を発生し、ヨーリンク１２を作動する。そうすると、ヨーリンク１２を基準としてロールリンク１１がＺ軸周りに回転するので、球状車輪２がＺ軸周りに回転する。これにより、ピッチリンク１０を左右方向に垂直に配置することができる。

次いで、制御部６は、所定のトルク指示をピッチ軸アクチュエータ２０に出力する。そうすると、ピッチリンク１０を基準として球状車輪２がＹ軸周りに回転する。これにより、全方向移動ロボット１は、継続的に左又は右方向に移動することができる。

次に、全方向移動ロボット１が回転する場合について説明する。第１の力センサ３３または第２の力センサ３７により、搭乗者が加えたモーメント、すなわちＺ軸を中心とする回転方向に加えた力を検出すると、当該検出結果を制御部６に出力する。制御部６は、検出結果に基づき、所定のトルク指示をヨー軸アクチュエータ２２に出力する。ヨー軸アクチュエータ２２は、トルク指示に基づき駆動力を発生し、ヨーリンク１２を作動する。そうすると、ロールリンク１１を基準としてヨーリンク１２すなわち搭乗部４がＺ軸周りに回転する。

上記したように、全方向移動ロボット１は、球状車輪２に連結されたピッチリンク１０、ロールリンク１１、ヨーリンク１２の３つのリンクを介してアクチュエータの駆動力を直接球状車輪２に伝達する構成としたから、駆動源と車輪の間に滑りがない駆動メカニズムを実現することができる。したがって、全方向移動ロボット１は、小車輪と球状車輪２との摩擦力により駆動力を伝達していた従来に比べ、駆動力をより効率的に球状車輪２に伝達することができる。

全方向移動ロボット１は、左右方向へ移動する際、まずロールリンク１１を作動させて左右方向に移動することとしたので、搭乗者の動作に対する応答性を向上することができる。

また、必要に応じヨーリンク１２を作動させてピッチリンク１０の向きを移動方向に対し垂直方向とすることでピッチリンク１０の回転により、前後方向、及び左右方向共に、継続的に移動可能とした。これにより、ピッチリンク１０のみが継続的な移動機構を備えればよいので、全体として構成を簡略化することができる。
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

例えば、上記した実施形態では、球状車輪２が１つである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２つ又は３つ等と複数設けてもよい。

また、上記した実施形態では、各アクチュエータとして電動モータを用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、油圧モータを用いてもよい。各アクチュエータとして油圧モータを用いることにより、デザインの自由度を向上することができる。

１全方向移動ロボット
２球状車輪
４搭乗部
６制御部
７変化量検出センサ
１０ピッチリンク
１１ロールリンク
１２ヨーリンク
２０ピッチ軸アクチュエータ（アクチュエータ）
２１ロール軸アクチュエータ（アクチュエータ）
２２ヨー軸アクチュエータ（アクチュエータ）
３３第１の力センサ（力センサ）
３７第２の力センサ（力センサ）

Claims

１又は２以上の球状車輪と、
前記球状車輪の中心で交差するピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸周りに回転自在に前記球状車輪を支持し、直列に連結されたピッチリンク、ロールリンク、及びヨーリンクと、
前記各リンクを回転駆動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを動作制御する制御部と、
前記ヨーリンクに固定された搭乗部と、
前記搭乗部の姿勢を検出する変化量検出センサと
を備えることを特徴とする全方向移動ロボット。
前記ピッチリンクは一端において、前記球状車輪内に設けられた前記アクチュエータを介して前記球状車輪に回転可能に連結されたことを特徴とする請求項１記載の全方向移動ロボット。
搭乗者が加える力及びモーメントを検出する力センサを備え、
前記制御部は、前記力センサで検出された前記力に基づき前記球状車輪を回転させ、前記力の方向に前記搭乗部を移動させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の全方向移動ロボット。