JP6066166B2 - 全方向移動車両 - Google Patents

Description

本発明は、床面上を全方向に移動可能な全方向移動車両に関する。

床面上を全方向に移動可能なホロノミック全方向移動ロボットは動作方向に制限がないため動作計画が柔軟で扱いやすいうえに、人間が操縦するアプリケーションにおいても駆動原理や機構を理解する必要がないため、操縦が容易であるインターフェースを提供するという利点があり、これまでにも多くの研究がおこなわれてきている。

全方向移動車輪機構としては、ユニバーサルホイール（例えば、特許文献１参照）、メカナムホイール（例えば、特許文献２参照）、直交球形車輪機構（例えば、非特許文献１参照）、オムニトラック（例えば、非特許文献２参照）、ボールホイール（例えば、非特許文献３参照）、あるいはＶｕｔｏｎクローラ（例えば、非特許文献４参照）などが提案されている。これらの機構は、ある特定の方向に駆動力を発生し、能動的に移動する一方で、それと直交する方向には受動的に回転する機構を有していたため、例えば一般的な車輪を用いることができなかった。

これに対して、ひとつの車輪で任意の方向に発生した駆動力で移動できる全方向移動機構であるアクティブキャスタが提案された（例えば、非特許文献５，６及び特許文献１，２）。このようなアクティブキャスタは受動的な回転機構を持たないひとつの車輪、例えば一般的な車輪を用いることができる全方向移動機構である。しかしながら、これらの全方向移動機構においては、１つの車輪に必ず２つのモータを必要とし、２輪車であれば４つのモータを、３輪車であれば６つのモータを必要としていた。また、これらの全方向移動機構においては、モータ同士が高精度に同期動作を行わないと車輪同士が押し合ったり引き合ったりするような現象が生じ、動力伝達機構の効率低下及び動力伝達機構の破損を回避するため、車両の３自由度の移動のために４つ以上のモータを必要とする冗長性、車輪への速度の分配のための正確な計算、及びその実現のための正確なサーボを必要とし、比較的高価な機構であった。

米国特許第１，３０５，５３５公報 米国特許第３，７４６，１１２公報 特開平９−１６４９６８号公報 特開２００１-１９９３５６号公報

Ｆ．Ｇ．Ｐｉｎ ａｎｄ Ｓ．Ｍ．Ｋｉｌｌｏｕｇｈ："Ａ Ｎｅｗ Ｆａｍｉｌｙ ｏｆ Ｏｍｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ Ｗｈｅｅｌｅｄ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｆｏｒ Ｍｏｂｉｌｅ Ｒｏｂｏｔｓ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．１０Ｎｏ．４，ｐｐ４８０−４８９，１９９４ Ｍ．Ｗｅｓｔ ａｎｄ Ｈ．Ａｓａｄａ："Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ，"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９２ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｐｐ９７−１０３，Ｍａｙ．１９９２ Ｍ．Ｗａｄａ ａｎｄ Ｈ．Ｈ．Ａｓａｄａ，"Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒｓ，"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．６，ｐｐ９７８−９８９，１９９９ Ｓ．Ｈｉｒｏｓｅ ａｎｄ Ｓ．Ａｍａｎｏ："Ｔｈｅ ＶＵＴＯＮ：Ｈｉｇｈ Ｐａｙｌｏａｄ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ Ｏｍｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ，"６ｔｈ Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｏｃｔｏｂｅｒ，１９９３ Ｍ．Ｗａｄａ ａｎｄ Ｓ．Ｍｏｒｉ，"Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｔｉｒｅｓ，"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９６ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＩＣＲＡ９６），ｐｐ３６７１−３６７６，１９９６ Ｍ．Ｗａｄａ ， Ａ．Ｔａｋａｇｉ ａｎｄ Ｓ．Ｍｏｒｉ，"Ｃａｓｔｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｈｏｌｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ Ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｍｏｂｉｌｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ ｎｏ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２０００ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ（ＩＣＲＡ２０００），ｐｐ１５３１−１５３８，２０００

そこで、本発明は、一般的な車輪を用いても床面上を全方向に移動可能な全方向移動車両を提供することを目的とする。また、本発明は、球体を用いた新たな動力伝達機構により、従来の全方向移動車両に比べて駆動装置の数を減らすことを可能とし、従来の全方向移動車両のような冗長性を解消することも可能とした全方向移動車両を提供することを目的とする。さらに、本発明は、高価なサーボシステムを用いなくても全方向に移動可能な全方向移動車両を提供することを目的とする。

本発明に係る全方向移動車両は、
車輪と、
前記車輪を水平軸回りに回転自在に支持する車輪支持部材と、
前記車輪支持部材に軸受を介して鉛直軸回りに回転自在に支持された車両本体と、
前記車両本体に取り付けられた２以上の駆動装置と、
前記駆動装置によって回転する上部回転体と、
前記上部回転体と接触して回転する第１の球体と、
前記第１の球体と接触して回転する第２の球体と、
前記車両支持部材に固定され、前記第２の球体を回転自在に支持する支持部と、
前記第２の球体の回転運動を動力として取り出す第１の伝達機構及び第２の伝達機構と、
を有し、
前記第１の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪を
前記水平軸回りに回転させ、
前記第２の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪支持部材及び前記車輪を前記車両本体に対して前記鉛直軸回りに回転させることを特徴とする。

本発明に係る全方向移動車両によれば、第１の球体から第２の球体に伝達された動力を２つの伝達機構によって車輪の水平軸回りの回転と鉛直軸回りの回転とに分配させることができるため、床面上を全方向に移動できる。また、車両本体に対して車輪を鉛直軸回りに回転させて操舵することができるので、車輪の形状に影響されず、例えば一般的な車輪を用いても全方向に移動可能とすることができる。さらに、本発明に係る全方向移動車両によれば、従来の全方向移動車両に比べて駆動装置の数を減らすことを可能とし、従来の全方向移動車両のような冗長性を解消することも可能とすることができる。また、本発明に係る全方向移動車両によれば、高価なサーボシステムを用いなくても全方向に移動可能とすることができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記第１の伝達機構は、前記第２の球体と接触して回転する第１の下部回転体を有し、
前記第２の伝達機構は、前記第２の球体と接触して回転する第２の下部回転体を有し、
前記第１の下部回転体の回転軸と前記第２の下部回転体の回転軸とは平行に配置されていないことができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記駆動装置は、第１の駆動装置と第２の駆動装置とを含み、
前記上部回転体は、前記第１の駆動装置によって回転する第１の上部回転体と、前記第２の駆動装置によって回転する第２の上部回転体と、を含み、
前記第１の上部回転体の回転軸と前記第２の上部回転体の回転軸とは平行に配置されていないことができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記上部回転体は、第１の上部回転体と、第２の上部回転体と、を有し、
前記第１の上部回転体の回転軸と前記第２の上部回転体の回転軸とは平行でなく、
前記第２の上部回転体は、前記第１の球体の回転によって受動的に回転するかもしくは回転しないように拘束する、または受動的な回転と拘束とを切り替え可能とすることができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記車輪の回転軸の軸心と、前記車輪が前記車両本体に対して回転する前記鉛直軸の軸心とは互いに交わらず、所定距離を隔てて配置されていることができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記第１の球体と前記第２の球体との接触圧力を調節する第１の負荷調節機構と、
前記第１の球体と前記上部回転体との接触圧力を調節する第２の負荷調節機構と、
を有することができる。

本発明に係る全方向移動車両において、
前記車輪の半径をｒ、前記車輪の回転軸の軸心と前記車輪が前記車両本体に対して回転する前記鉛直軸の軸心との間隔をｓ、前記第１の下部回転体の半径をｒ_ｂｘ、前記第２の下部回転体の半径をｒ_ｂｙ、前記第１の伝達機構の減速比をＧ_ｗ、前記第２の伝達機構の減速比をＧ_ｓとしたとき、下記式（１）の関係を満たすことができる。

第１の実施形態に係る全方向移動車両の概略縦断面図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両の概略斜視図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両の概略正面図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両の概略平面図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両における第２の球体と第１、第２の伝達機構の概略平面図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両の動力伝達機構を説明する概念図である。 図６の平面図である。 図７の第１の球体の動力伝達機構を説明する平面図である。 図７の第２の球体の動力伝達機構を説明する平面図である。 第１の実施形態に係る全方向移動車両の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。 図１０のシミュレーション結果を床面上における車輪と床面との接地点と、操舵軸の中心点と、を示す図である。 第２の実施形態に係る全方向移動車両を模式的に示す平面図である。 第２の実施形態に係る全方向移動車両の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。 第２の実施形態に係る全方向移動車両の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる全方向移動車両について図面を用いて説明する。なお、以下に説明するものは本発明にかかる全方向移動車両の実施形態の一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者であれば特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇で各種の変更が可能である。なお、本願において、水平とは車両が移動する床面に平行な面内にある方向であり、鉛直とはその床面に対して垂直な方向である。

本実施形態に係る全方向移動車両は、車輪と、前記車輪を水平軸回りに回転自在に支持する車輪支持部材と、前記車輪支持部材に軸受を介して鉛直軸回りに回転自在に支持された車両本体と、前記車両本体に取り付けられた２以上の駆動装置と、前記駆動装置によって回転する上部回転体と、前記上部回転体と接触して回転する第１の球体と、前記第１の球体と接触して回転する第２の球体と、前記車両支持部材に固定され、前記第２の球体を回転自在に支持する支持部と、前記第２の球体の回転運動を動力として取り出す第１の伝達機構及び第２の伝達機構と、を有し、前記第１の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪を前記水平軸回りに回転させ、前記第２の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪支持部材及び前記車輪を前記車両本体に対して前記鉛直軸回りに回転させることを特徴とする。

１．第１の実施形態
図１は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１の概略縦断面図である。図２は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１の概略斜視図である。図３は、第１の実施形態に係る
全方向移動車両１の概略正面図である。図４は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１の概略平面図である。図５は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１における第２の球体５０と第１、第２の伝達機構６，８の概略平面図である。なお、図２〜図５においては、第１の負荷調節器４２と、車両本体１０と、軸受９０と、車両支持部材１２の板状部材１２ｃと、支持部５１と、が省略されている。

図１〜図５に示すように、全方向移動車両１は、車輪７０と、車輪７０を水平軸である回転中心Ｏ回りに回転自在に支持する車輪支持部材１２と、車輪支持部材１２に軸受９０を介して鉛直軸である操舵軸心Ｑ回りに回転自在に支持された車両本体１０と、車両本体１０に取り付けられた第１、第２の駆動装置２０，３０と、第１、第２の駆動装置２０，３０によって回転する第１、第２の上部回転体２５，３２と、第１、第２の上部回転体２５，３２と接触して回転する第１の球体４０と、第１の球体４０と接触して回転する第２の球体５０と、車両支持部材１２に固定され、第２の球体５０を回転自在に支持する支持部５１と、第２の球体５０の回転運動を動力として取り出す第１の伝達機構６及び第２の伝達機構８と、を有し、第１の伝達機構６は、第２の球体５０から取り出した動力の一部によって車輪７０を水平軸である回転中心Ｏ回りに回転させ、第２の伝達機構８は、第２の球体５０から取り出した動力の一部によって車輪支持部材１２及び車輪７０を車両本体１０に対して鉛直軸である操舵軸心Ｑ回りに回転させる。

図１に示すように、第１の球体４０と第２の球体５０とは、球体であって、第１、第２の球体４０，５０の中心を通って鉛直方向に延びる操舵軸心Ｑ上の接触点Ｐで接触している。このため、第１の球体４０が回転すると、接触点Ｐで第２の球体５０に動力が伝達され、第２の球体５０が回転する。第１、第２の球体４０，５０は、操舵軸心Ｑ上であって、その下方の支持部５１と、その上方の第１の負荷調節器４２との間で上下に挟み込まれるように支持されている。したがって、第１、第２の球体４０，５０は、車輪支持部材１２の支持部５１に支持されている。支持部５１は、車輪支持部材１２に固定されたボールベアリング５２を含み、ボールベアリング５２上で第２の球体５０を回転自在に支持する。第１の負荷調節機構４２は、第１の球体４０と第２の球体５０との接触圧力を調節するものであり、第１の球体４０と回転自在に接触するボールベアリング４３を含み、ボールベアリング４３を第１の球体４０に対して付勢する図１に示すようなばね等の付勢部材を含む。本実施形態においては第１の球体４０と第２の球体５０とは同じ直径を有する球体を用いたが、これに限らず用途に応じて違う大きさの球体を組み合わせて用いることもできる。

全方向移動車両１の車輪７０の回転軸７２の軸心（回転中心Ｏ）と、車輪７０が車両本体１０に対して旋回する操舵軸心Ｑとは互いに交わらず、所定距離を隔てて配置されていることができる。

全方向移動車両１は、その上方にある上部機構Ａと、下方にある下部機構Ｂとに分けて説明することができる。上部機構Ａは、車両本体１０に設けられ、第１の球体４０に駆動力を与える機構である。下部機構Ｂは、車輪支持部材１２に設けられ、第２の球体５０から動力を得て車輪７０を回転させ、かつ、車輪７０を車両本体１０に対して相対的に旋回させる機構である。

図２〜図５では省略されているが、図１に示すように、車両本体１０は、車輪支持部材１２の上端の板状部材１２ｃに固定された環状の軸受９０によって車輪支持部材１２上に回転自在に支持されている。車両本体１０の下面には、平歯車１４が固定されている。車両本体１０、平歯車１４、軸受９０及び板状部材１２ｃは、鉛直方向に貫通する貫通孔を形成し、その貫通孔には第１の球体４０と第２の球体５０とが貫通孔の壁面と非接触で配置されている。

上部機構Ａは、車両本体１０に設けられた第１の駆動装置２０、第２の駆動装置３０、第１の上部伝達機構２、第２の上部伝達機構３、第１の負荷調節器４２、及び第２の負荷調節器４４から構成されている。

第１の駆動装置２０及び第２の駆動装置３０は、第１の球体４０の駆動源であり、例えばサーボモータなどを用いることができる。

第１の上部伝達機構２及び第２の上部伝達機構３は、図４を用いて説明する。

第１の上部伝達機構２は、第１の駆動装置２０を駆動させることで第１の上部回転体２５を回転させる。第１の駆動装置２０によって回転する回転軸２１はその先端に傘歯車２２が設けられ、同じ水平面内で回転軸２１に対して垂直方向に延びる回転軸２４の先端に設けられた傘歯車２３と噛合う。回転軸２４の他端には回転軸２４の回転と共に一体的に回転する第１の上部回転体２５が設けられ、第１の上部回転体２５の環状表面が第１の球体４０の表面に接触する。したがって、第１の駆動装置２０は、第１の上部回転体２５を回転させることによって、第１の球体４０を回転させることができる。

第２の上部伝達機構３は、第２の駆動装置３０を駆動させることで回転軸３１が回転し、回転軸３１の他端に設けられた第２の回転体３２を回転させ、第２の球体５０を回転させることができる。第１の上部回転体２５の回転軸２４と第２の上部回転体３２の回転軸３１とは平行に配置されておらず、これら回転軸の軸心を延伸させると第１の球体４０の中心を通る水平面内で直交するように配置されている。

第２の負荷調節器４４は、第１の球体４０と、第１、第２の上部回転体２５、３２との接触圧力を調節するものであって、図４に示すようなばね等の付勢手段によって第１、第２の上部回転体２５，３２を第１の球体４０に押し付けることができる。

第１の上部回転体２５と第２の上部回転体３２は、水平面内で第１の球体４０に対して直交する位置に配置されており、第１の球体４０に対し互いに直交する方向の回転を与えることができる。第１の上部回転体２５、第２の上部回転体３２、第２の負荷調節器４４の回転軸心は、第１の球体４０の高さ方向の中心と同じ高さの水平面内にある。

なお、第１の上部回転体２５、第２の上部回転体３２、第２の負荷調節器４４、及び各回転軸の配置は、これに限らず、適宜配置することができる。第１、第２の上部回転体２５、３２は、第１の球体４０に回転力を与えるものであればよい。

図１に示すように、下部機構Ｂは、車輪支持部材１２に設けられた車輪７０、支持部５１、第１の下部伝達機構６、及び第２の下部伝達機構８から構成されている。

車輪支持部材１２は、３つの板状部材１２ａ，１２ｂ，１２ｃを逆Ｕ字状に組み合わせて構成されている。鉛直方向に延びる板状部材１２ａ，１２ｂにはその下端に水平方向に延びる回転軸７２が設けられ、車輪７０を回転自在に支持している。また、板状部材１２ａ，１２ｂは、車輪７０及び第２の球体５０を挟んでそれらの両側に設けられている。板状部材１２ａ，１２ｂの上端に固定された板状部材１２ｃは、その上面に軸受９０が固定されている。

図１及び図３に示すように、第１の下部伝達機構６は、車輪支持部材１２に支持された水平方向に延びる回転軸６２、第２の球体５０と接触して回転軸６２と共に回転する第１の下部回転体６０、回転軸６２と共に回転するプーリー６４、車輪７０の車輪軸７２に固
定されたプーリー７４、及びプーリー６４とプーリー７４に掛けまわされたベルト６６とを有する。回転軸６２には、板状部材１２ａを貫通してその両側に第１の下部回転体６０とプーリー６４が固定されている。本実施形態においては、車輪軸７２と回転軸６２とは常に平行であり、第２の球体５０が第１の下部回転体６０を回転させると、回転軸６２、プーリー６４、ベルト６６、プーリー７４、及び車輪軸７２を回転させて車輪７０を回転させることができる。

図２、図３及び図５に示すように、第２の下部伝達機構８は、車輪支持部材１２に支持された回転軸８２、第２の球体５０と接触して回転軸８２と共に回転する第２の下部回転体８０及び傘歯車１８、傘歯車１８に噛合う傘歯車１９、傘歯車１９と共に回転する回転軸１７、回転軸１７と共に回転する平歯車１６、及び平歯車１６に噛合う平歯車１４を有する。第２の下部回転体８０は第２の球体５０に接触し、平歯車１４は車両本体１０（図１を参照）に固定されているので、第２の球体５０が回転すると、第２の下部回転体８０が回転し、回転軸８２、傘歯車１８，１９、回転軸１７、及び平歯車１６，１４が回転することで、車両本体１０に対する車輪支持部材１２の向きすなわち車輪７０を操舵軸心Ｑ回りに相対的に旋回させて車両を操舵することができる。

第１の下部回転体６０の回転軸６２と第２の下部回転体８０の回転軸８２とは、平行に配置されておらず、これら回転軸の軸心を延伸させると第２の球体５０の中心を通る水平面内で直交するように配置されている。

第３の負荷調節器５４は、第２の球体５０と、第１、第２の下部回転体６０、８０との接触圧力を調節するものであって、図５に示すようなばね等の付勢手段によって第１、第２の下部回転体６０，８０を第２の球体５０に所定圧力で押し付けることができる。

第１の下部回転体６０と第２の下部回転体８０は、水平面内で第２の球体５０に対して直交する位置に配置されており、第２の球体５０に対し互いに直交する方向の回転を第２の球体５０から受けることができる。第１の下部回転体６０、第２の下部回転体８０、第３の負荷調節器５４の回転軸は、第２の球体５０の高さ方向の中心と同じ高さの水平面内にある。

なお、第１の下部回転体６０、第２の下部回転体８０、第３の負荷調節器５４、及び各回転軸の配置は、これに限らず、適宜配置することができる。第１、第２の下部回転体６０、８０は、第２の球体５０から２つの異なる方向の回転を得られればよい。

全方向移動車両１によれば、２つの駆動装置による２つの回転運動を第１の球体４０における１つの回転運動に合成し、第１の球体４０から第２の球体５０に伝達された回転運動を２つの伝達機構６，８によって車輪７０の回転と旋回（すなわち操舵軸心を中心とした回転）とからなる２つの回転運動に分解することができる。また、全方向移動車両１によれば、車輪７０の形状に影響されず、例えばイス、ベビーカーなどに用いられるキャスタを用いても、あるいは車椅子、自転車などに用いられる空気圧タイヤのような一般的な車輪を用いても全方向に移動可能とすることができる。

このように、全方向移動車両１によれば、１つの車輪７０に対して２つの駆動装置２０，３０を用いているが、２つの球体４０，５０の接触によって動力が伝達されているので、従来のようにモータ同士を高精度に同期動作させなくとも、動力伝達機構の著しい効率低下や破損などの問題を解消することができる。したがって、全方向移動車両１によれば、高価なサーボシステムを採用することなく、全方向の移動を実現させることが可能である。

また、本実施形態においては、第１の球体４０に接触する上部回転体は、第１の上部回転体２５と第２の上部回転体３２を用いたが、いずれか一方だけとすることができる。例えば、２以上の駆動装置を用いて第１の球体４０を回転させてもよい。全方向移動車両１によれば、第１の球体４０は第２の球体５０に回転を与えることができればよいので、第１の球体４０に所望の回転を与えることができる駆動装置であればよい。

さらに、例えば、第２の上部回転体３２は、第１の球体４０の回転によって受動的に回転するかもしくは回転しないように拘束する、または受動的な回転と拘束とを切り替え可能とすることができる。

また、本実施形態においては、１つの車輪７０に対し２つの駆動装置２０，３０を用いたが、例えば、１つの車両本体１０に対し複数の車輪（駆動輪）７０を有する場合には、１つの駆動装置の動力を複数の第１の球体４０に伝達することによって駆動装置の数を減らすことも可能である。

２．全方向移動車両の運動学
図６は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１の動力伝達機構を説明する概念図である。図７は、図６の平面図である。図８は、図７の第１の球体の動力伝達機構を説明する平面図である。図９は、図７の第２の球体５０の動力伝達機構を説明する平面図である。

ここで２つの座標系を設置する。ひとつは第１、第２の駆動装置２０，３０と第１の球体４０を含む上部機構Ａと、他方は第２の球体５０と車輪７０とを含む下部機構Ｂである。前述したように下部機構Ｂは、上部機構Ａに対して相対的にその角度を変えることができ、その相対角は図７においてθで示される。

図８は上部機構Ａのみを、図９は下部機構Ｂのみを表したものである。図８に示す通り、上部機構Ａの座標系は、半径Ｒ_ａの第１の球体４０の中心に設定する。第１の球体４０は鉛直軸回りには回転しないので第２の球体５０との接触点Ｐにおける接線速度と大きさＶはω_ａｘとω_ａｙの比率によって一意に決定される。第１の球体４０の回転軸の角度は速度Ｖに対して垂直な角度θ_ａとして図８に記される。Ω_ａは、第１の球体４０の回転軸周りの角速度を表している。第１、第２の上部回転体２５，３２の接触点の軌跡は、図８に破線で示したように、異なった半径の円を第１の球体４０の表面に描くようになる。速度ベクトルの大きさ｜Ｖ｜と角度θ_ａは、下記式（２）、式（３）のように示される。

ここでν_ａｘ、ν_ａｙは、第１の球体４０と第１、第２の上部回転体２５，３２との接点における周速度である。よって、ν_ａｘ＝ｒ_ａｘω_ａｘ、ν_ａｙ＝ｒ_ａｙω_ａｙとなる。また、ｒ_ａｘ、ｒ_ａｙは、第１、第２の上部回転体２５，３２の半径である。

図９には、下部機構Ｂを示す。第２の球体５０は、接触点を介して第１の球体４０によって周速度Ｖで回転駆動される。このとき、第２の球体５０の回転軸は、第１の球体４０の回転軸と平行であり、回転方向が逆になる。

下部機構Ｂの座標系は、第２の球体５０の中心に設定され、車輪７０の転動方向に沿ってｘ軸を設定する。第２の球体５０と第１、第２の下部回転体６０，８０は、第１の球体４０と第１、第２の上部回転体２５，３２の関係と同じ位置関係にあり、つまり、第１、第２の下部回転体６０，８０は直交して第２の球体５０に接し、回転駆動する。以上より、下記式（４）、式（５）の関係式が導かれる。

ν_ｂｘとν_ｂｙは第１、第２の下部回転体６０，８０と第２の球体５０の接触点での周速度である。θは、上部機構Ａの座標系と下部機構Ｂの座標系の相対角度であり、すなわち上部機構Ａの座標系における車輪７０の角度を示す。ここで、各下部回転体６０，８０の接点における周速度は下記式（６）によって示すことができる。

式（２）〜式（６）より、上部機構Ａと下部機構Ｂの球同士の接触点での速度の関係を下記式（７）のように導くことができる。

下部機構Ｂの第１、第２の下部回転体６０，８０の回転は、歯車やベルトを介して車輪軸７２と操舵軸心Ｑにそれぞれ伝達される。車輪７０は操舵軸心Ｑからオフセットした位置に取り付けられており、下部機構Ｂで発生する瞬間の速度は下記式（８）のように求められる。

ここで、ｒは車輪７０の半径、ｓは車輪７０の軸心Ｃと車輪７０が車両本体１０に対して相対的に旋回する操舵軸心Ｑとの間隔、Ｇ_ｗは第１の伝達機構６の減速比、Ｇ_ｓは第２の伝達機構８の減速比である。

以上から下部機構Ｂにおける瞬間の速度と、第１、第２の駆動装置２０，３０の回転との関係を下記式（９）のように導くことができる。

ここで、ｒ_ｂｘとｒ_ｂｙは、それぞれ第１、第２の下部回転体６０，８０の半径である。

また、上部機構Ａの座標系と下部機構Ｂの座標系の床面Ｇに対する瞬間速度の関係は、下記式（１０）のように表すことができる。

以上から、最終的に第１、第２の駆動装置２０，３０の回転と機構の動きの関係を下記式（１１）のように得ることができる。

ここで、Ｒは下記式（１２）である。

以上のように、第１の実施形態における運動学モデルを導出できた。

３．全方向移動車両の機械的条件
図６に示すような全方向移動車両１は、車輪７０と床面Ｇとの接地点Ｄから車輪７０の回転中心Ｏを通って鉛直方向に伸びる車輪軸心Ｃと、第１、第２の球体４０，５０の中心を通る操舵軸心Ｑとが所定距離ｓを隔ててオフセットされている。このような全方向移動車両１がショッピングカートや会議場のテーブルやイスの底面でみられるようなキャスタ動作を実現するためには、以下の機械的条件を満たさなければならない。式（１１）において、行列Ｒはθに依存しかつ０でない４つの要素を含んでいた。このＲを対角行列とするために、下記式（１）の条件が必要である。

式（１）を変形すると、下記式（１３）を得る。

この条件が満たされるとき、式（１１）は下記式（１４）のように簡潔に変形され、対角行列となる。

ここで、Ｋ１，Ｋ２は下記式（１５），式（１６）の通りである。

これより、全方向移動車両１の速度ベクトルは車輪７０の方向角θの関数とはならずに速度成分ｘ^・ _ａとｙ^・ _ａにのみ依存する。つまり、全方向移動車両１の上部機構Ａの向きに対して移動方向が決定されることがわかる。これは例えば第１の駆動装置２０によって第１の上部回転体２５が回転し第２の駆動装置３０によって第２の上部回転体３２が停止しているとき、車輪の向きによらず全方向移動車両１は常にｘ_ａ軸方向に移動することを
意味している。車輪７０がｘ_ａ軸方向を向いていないときは車輪７０の方向を移動方向に向ける動作が自発的に起こると予想できる。

４．全方向移動車両の動作シミュレーション
第１の実施形態に係る全方向移動車両１の動作を検証するためにコンピュータシミュレーションを行った。前記３で導いた運動学モデルを用いて、この機構の動作を検証する。

全方向移動車両１は、角度センサや第１、第２の駆動装置２０，３０の協調動作の制御なしにキャスタ的動作が発生することが期待される。その動作を検証するために、第１の駆動装置２０のみが一定速度で回転する場合の挙動をシミュレーションでテストした。

図１０は、第１の実施形態に係る全方向移動車両１の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。図１１は、図１０のシミュレーション結果を床面上における車輪７０と床面Ｇとの接地点Ｄと、操舵軸の中心点Ｑと、を示す図である。

シミュレーション中、上部機構Ａの第１の球体４０とそれに接する第１の上部回転体２５の角度は床面に対し一定に保たれていると仮定する。前述のとおり第２の球体５０と車輪７０を含む下部機構Ｂは上部機構Ａに対してその相対角を変えることができる。シミュレーションの初期状態では車輪機構は図１０の中で基準点となる右端に位置している。車輪７０の初期角度はｘ軸に対して０．０５°の状態であった。このシミュレーション内ではｘ軸方向に駆動力を発生するモータ（第１の駆動装置２０）を取り付け逆回転２００ｒｐｍの一定速度で回転させた。図１０からわかるように、シミュレーションの初期段階において車輪７０は後方に移動しているが途中でその方向を変え、全方向移動車両１の移動方向に収束している。これはキャスタに特有の反転動作であって、ここではキャスタ動作と呼ぶ。

図１１は、図１０のシミュレーション結果から３Ｄアニメーションを取り去ったものを上側から見たものである。長方形が示すのは車輪７０の位置であり、長方形の中心にある点は床面との設置点Ｄを表している。一方、長方形の端部にある他の点は操舵軸心Ｑを表している。図１１から、操舵軸心Ｑはｘ軸上を移動していることがわかる。これにより、全方向移動車両１はただ一つの駆動装置を駆動するだけでセンサや駆動装置の制御なしにキャスタ的動作をしていることがわかる。

実際に全方向移動車両１の試作機を製作して第１の駆動装置２０だけを駆動して第１の上部回転体２５を回転させ、第２の上部回転体３２は動かないように拘束したところ、シミュレーションと同じようにキャスタ動作を実現できた。

５．第２の実施形態
図１２は、第２の実施形態に係る全方向移動車両１００を模式的に示す平面図である。図１３は、第２の実施形態に係る全方向移動車両１００の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。図１４は、第２の実施形態に係る全方向移動車両１００の挙動をシミュレーションした結果を示す図である。

図１２に示す第２の実施形態に係る全方向移動車両１００は、三角形の車両本体１１０の３つの頂点に第１の実施形態に係る全方向移動車両１と同様の機構がそれぞれ装着された三輪車両である。図１２では車輪７０と操舵軸心Ｑのみを描き、他の構成については省略している。

全方向移動車両１００は、上部機構Ａの２つの回転体の内、第１の上部回転体２５のみを駆動させ、第２の上部回転体３２は非拘束、つまり自由回転できるように設定した。こ
のときには車輪７０の向きにかかわらず、上部機構Ａに対して第１の上部回転体２５の回転方向には駆動力を発生し、それと自由ローラである第２の上部回転体３２の回転方向、つまり駆動方向と直交する方向には受動的な動作を行うという、従来の全方向移動車両と同じ機能を有することが予想できる。なお、従来の全方向移動車両においては、床面と接する車輪部分に自由に転動するローラなどを配置していたのに対して、本車両において車輪自体はゴムタイヤや空気圧タイヤのような一般的な車輪を用いることができる。また、本実施形態に係る全方向移動車両１００は、一方向に受動的に移動するという機能を持ち合わせたものである。さらに、その受動的な移動状態も自由回転する第２の上部回転体３２の回転を計測することで測定が可能であり、利点がある。

全方向移動車両１００について動作シミュレーションを行った。

図１２において、各車輪７０のｘ軸方向（ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３）が能動的に駆動力を発生できる方向であり、ｙ軸方向（ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３）には受動的に移動が可能となっている。このとき、各車輪７０の第１の駆動装置２０により、車輪７０に発生させる速度は、全方向移動車両１００の車両中心Ｅにおける目標速度ｘ_Ｒ，ｙ_Ｒ及び目標角速度ω_Ｒを用いて下記式（１７）のように求められる。

ここで、ｎ＝１，２，３であり、図１２の符号と対応している。

図１３には全方向移動車両１００が回転しながら直線軌道に追従する動作を行ったシミュレーション結果を示す。また、図１４には、全方向移動車両１００が回転しながら円軌道に追従する動作を行ったシミュレーション結果を示す。いずれの場合においても、全方向移動車両１００は一つの車輪７０を一つの駆動装置で駆動しているにもかかわらず、反転を伴うキャスタ動作を行い、ロボットへ要求される動作を実行できていることが確認できる。すなわち、全方向移動車両１００は、従来のアクティブキャスタのように、必ずしも一つの車輪に対して２以上のモータを必要としないことがわかる。

１ 全方向移動車両、２ 第１の上部伝達機構、３ 第２の上部伝達機構、６ 第１の下部伝達機構、８ 第２の下部伝達機構、１０ 車両本体、１２ 車輪支持部材、１２ａ 板状部材、１２ｂ 板状部材、１２ｃ 板状部材、１４ 平歯車、１６ 平歯車、１７ 回転軸、１８ 傘歯車、１９ 傘歯車、２０ 第１の駆動装置、２１ 回転軸、２２ 傘歯車、２３ 傘歯車、２４ 回転軸、２５ 第１の上部回転体、３０ 第２の駆動装置、３１ 回転軸、３２ 第２の上部回転体、４０ 第１の球体、４２ 第１の負荷調節器、４３ ボールベアリング、４４ 第２の負荷調節器、５０ 第２の球体、５1 支持部、５２ ボールベアリング、５４ 第３の負荷調節器、６０ 第１の下部回転体、６２ 回転軸、６４ プーリー、６６ ベルト、７０ 車輪、７２ 車輪軸、７４ プーリー、８０ 第２の下部回転体、８２ 回転軸、９０ 軸受、１００ 全方向移動車両、１１０ 車両本体、Ａ 上部機構、Ｂ 下部機構、Ｃ 車輪軸心、Ｄ 接地点、Ｅ 車両中心、Ｇ
床面、Ｏ 回転中心、Ｐ 接触点、Ｑ 操舵軸心

Claims (7)

1. 車輪と、
   前記車輪を水平軸回りに回転自在に支持する車輪支持部材と、
   前記車輪支持部材に軸受を介して鉛直軸回りに回転自在に支持された車両本体と、
   前記車両本体に取り付けられた２以上の駆動装置と、
   前記駆動装置によって回転する上部回転体と、
   前記上部回転体と接触して回転する第１の球体と、
   前記第１の球体と接触して回転する第２の球体と、
   前記車輪支持部材に固定され、前記第２の球体を回転自在に支持する支持部と、
   前記第２の球体の回転運動を動力として取り出す第１の伝達機構及び第２の伝達機構と、
   を有し、
   前記第１の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪を前記水平軸回りに回転させ、
   前記第２の伝達機構は、前記第２の球体から取り出した動力の一部によって前記車輪支持部材及び前記車輪を前記車両本体に対して前記鉛直軸回りに回転させることを特徴とする、全方向移動車両。
2. 請求項１において、
   前記第１の伝達機構は、前記第２の球体と接触して回転する第１の下部回転体を有し、
   前記第２の伝達機構は、前記第２の球体と接触して回転する第２の下部回転体を有し、
   前記第１の下部回転体の回転軸と前記第２の下部回転体の回転軸とは平行に配置されていないことを特徴とする、全方向移動車両。
3. 請求項１または２において、
   前記駆動装置は、第１の駆動装置と第２の駆動装置とを含み、
   前記上部回転体は、前記第１の駆動装置によって回転する第１の上部回転体と、前記第２の駆動装置によって回転する第２の上部回転体と、を含み、
   前記第１の上部回転体の回転軸と前記第２の上部回転体の回転軸とは平行に配置されて
   いないことを特徴とする、全方向移動車両。
4. 請求項１または２において、
   前記上部回転体は、第１の上部回転体と、第２の上部回転体と、を有し、
   前記第１の上部回転体の回転軸と前記第２の上部回転体の回転軸とは平行でなく、
   前記第２の上部回転体は、前記第１の球体の回転によって受動的に回転するかもしくは回転しないように拘束する、または受動的な回転と拘束とを切り替え可能とすることを特徴とする、全方向移動車両。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記車輪の回転軸の軸心と、前記車輪が前記車両本体に対して回転する前記鉛直軸の軸心とは互いに交わらず、所定距離を隔てて配置されていることを特徴とする、全方向移動車両。
6. 請求項１において、
   前記第１の球体と前記第２の球体との接触圧力を調節する第１の負荷調節機構と、
   前記第１の球体と前記上部回転体との接触圧力を調節する第２の負荷調節機構と、
   を有することを特徴とする、全方向移動車両。
7. 請求項２において、
   前記車輪の半径をｒ、前記車輪の回転軸の軸心と前記車輪が前記車両本体に対して回転する前記鉛直軸の軸心との間隔をｓ、前記第１の下部回転体の半径をｒ_ｂｘ、前記第２の下部回転体の半径をｒ_ｂｙ、前記第１の伝達機構の減速比をＧ_ｗ、前記第２の伝達機構の減速比をＧ_ｓとしたとき、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする、全方向移動車両。
   

   

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