JP6805896B2

JP6805896B2 - 全方向移動車両

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Publication number: JP6805896B2
Application number: JP2017043056A
Authority: JP
Inventors: 将哉南田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: JP2018148728A

Description

本発明は、全方向移動車両に関するものである。

オムニホイール車両が、例えば特許文献１において開示されており、この種の全方向移動車両は、切り返し動作が不要で、狭い場所や混み合った場所でも並進、旋回、斜行により自由な動作が可能である。

特開２０１０−６１４４２号公報

ところで、例えば４輪オムニホイール車両において駆動する場合、モータを有する駆動系において、例えば、車輪駆動関連のアクチュエータ（モータ）やセンサ（エンコーダ）が故障した場合、意図した経路を走行させることができない。例えば、図７に示すように、４つのオムニホイール１００，１０１，１０２，１０３のうちの１つのオムニホイール１００の駆動系が故障すると進行方向が前進であるべきものが右に曲がってしまう。このため、故障発生時には停止させてユーザに通知することが一般的である。しかし、全方向移動車両は無人自律走行車として利用されるケースが多く、故障車両の発見が遅れることが予測される。

本発明の目的は、早期に退避することができる全方向移動車両を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、少なくとも３つの全方向車輪と、各全方向車輪を駆動するモータを有する駆動系と、前記モータを制御する制御部と、を有する全方向移動車両において、前記制御部は、少なくとも２つの駆動系が正常な状態で、他の駆動系に異常を検出した場合に、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行する退避走行モードを設定することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、制御部により、少なくとも２つの駆動系が正常な状態で、他の駆動系に異常を検出した場合に退避走行モードが設定されて、正常な駆動系の全方向車輪が駆動されて走行する。これにより、早期に退避することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の全方向移動車両において、前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪により任意の方向に走行できる車両姿勢となるように、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して旋回させる処理を含むとよい。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の全方向移動車両において、前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、進行方向の前側に正常な駆動系の全方向車輪が位置するとともに、正常な駆動系の全方向車輪の後側に異常な駆動系の全方向車輪が位置する状態で走行させる処理を含むとよい。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか一項に記載の全方向移動車両において、前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有する場合に、２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動するとともに、残りの正常な駆動系の全方向車輪を駆動せずに走行させるとよい。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか一項に記載の全方向移動車両において、前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有するとともに、２つの正常な駆動系の全方向車輪が互いに平行かつ対向配置されている場合に、互いに平行かつ対向配置された２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行させるとよい。

本発明によれば、早期に退避することができる。

実施形態における４輪オムニホイール車両の概略平面図。車両のブロック図。作用を説明するためのフローチャート。（ａ），（ｂ），（ｃ）は作用を説明するための４輪オムニホイール車両の概略平面図。（ａ），（ｂ），（ｃ）は作用を説明するための４輪オムニホイール車両の概略平面図。（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は４輪オムニホイール車両の概略平面図。課題を説明するための４輪オムニホイール車両の動作を説明するための概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、車両１０は、全方向移動車両である。車両１０は、機台２０と４つの車輪３０，３１，３２，３３を備えている。４つの車輪３０，３１，３２，３３は、機台２０に設けられている。詳しくは、平面視において機台２０の中心に対し９０°毎に車輪３０，３１，３２，３３が配置されている。各車輪３０，３１，３２，３３は、それぞれ全方向車輪であって、具体的にはオムニホイールであり、各車輪３０，３１，３２，３３は、全方向に駆動可能に構成された車輪である。即ち、各車輪において、車輪の円周方向において自由回転するローラ（樽型を有する小輪）が複数設けられ、前後・左右に自由に動くことができる。このように構成された車輪を４つ用いて車軸を変動させないで機台を全方向に可動できるようになっている。

図２に示すように、車両１０は、モータ４０，４１，４２，４３と、ドライブ回路５０，５１，５２，５３と、制御部６０と、フィードバック用回転センサ７０，７１，７２，７３を備える。各モータ４０，４１，４２，４３として、それぞれＤＣモータを使用している。

モータ４０，４１，４２，４３、ドライブ回路５０，５１，５２，５３、制御部６０及びフィードバック用回転センサ７０，７１，７２，７３は機台２０に搭載されている。
モータ４０の出力軸が車輪３０と駆動連結されており、モータ４０により車輪３０を駆動することができる。同様に、モータ４１の出力軸が車輪３１と駆動連結されており、モータ４１により車輪３１を駆動することができる。モータ４２の出力軸が車輪３２と駆動連結されており、モータ４２により車輪３２を駆動することができる。モータ４３の出力軸が車輪３３と駆動連結されており、モータ４３により車輪３３を駆動することができる。

ドライブ回路５０によりモータ４０が駆動され、このモータ４０の駆動により車輪３０が駆動される。ドライブ回路５１によりモータ４１が駆動され、このモータ４１の駆動により車輪３１が駆動される。ドライブ回路５２によりモータ４２が駆動され、このモータ４２の駆動により車輪３２が駆動される。ドライブ回路５３によりモータ４３が駆動され、このモータ４３の駆動により車輪３３が駆動される。

制御部６０はドライブ回路５０，５１，５２，５３を介してモータ４０，４１，４２，４３を制御して各車輪３０，３１，３２，３３を駆動させる。これにより、機台２０を前後方向、左右方向及び回転方向に移動させることができる。

フィードバック用回転センサ７０はモータ４０の出力軸の回転を検出している。フィードバック用回転センサ７１はモータ４１の出力軸の回転を検出している。フィードバック用回転センサ７２はモータ４２の出力軸の回転を検出している。フィードバック用回転センサ７３はモータ４３の出力軸の回転を検出している。フィードバック用回転センサ７０，７１，７２，７３としてエンコーダを用いることができる。

制御部６０はフィードバック用回転センサ７０，７１，７２，７３からのモータ回転検出信号を入力して所望のモータ回転数となるようにドライブ回路５０，５１，５２，５３を介してモータ４０，４１，４２，４３を制御する。即ち、制御部６０はモータ４０，４１，４２，４３をフィードバック制御する。

制御部６０は駆動指令を入力してドライブ回路５０〜５３を介してモータ４０，４１，４２，４３を制御して車輪３０，３１，３２，３３の回転を制御する。
このように、全方向移動車両である車両１０は、少なくとも３つの全方向車輪３０，３１，３２，３３と、各全方向車輪３０，３１，３２，３３を駆動するモータ４０，４１，４２，４３と、モータ４０，４１，４２，４３を制御する制御部６０と、を有する。

本実施形態では、車輪３０を駆動するための駆動系（第１の駆動系）がドライブ回路５０とモータ４０と回転センサ（エンコーダ）７０である。車輪３１を駆動するための駆動系（第２の駆動系）がドライブ回路５１とモータ４１と回転センサ（エンコーダ）７１である。車輪３２を駆動するための駆動系（第３の駆動系）がドライブ回路５２とモータ４２と回転センサ（エンコーダ）７２である。車輪３３を駆動するための駆動系（第４の駆動系）がドライブ回路５３とモータ４３と回転センサ（エンコーダ）７３である。即ち、全方向移動車両である車両１０は、各全方向車輪３０，３１，３２，３３を駆動するモータ４０，４１，４２，４３を有する駆動系を有する。

各ドライブ回路５０，５１，５２，５３には、それぞれ、過電流保護回路及び過負荷保護回路が設けられており、各ドライブ回路５０，５１，５２，５３における過電流保護回路からの過電流検出信号及び過負荷保護回路からの過負荷検出信号が制御部６０に送られる。制御部６０は、過電流保護回路による過電流を検知することができるとともに過負荷保護回路による過負荷を検知することができるようになっている。

本実施形態では、モータ４０の回転状態を検出するセンサとしての回転センサ（エンコーダ）７０によりモータ４０の故障を検出することができ、モータ４１の回転状態を検出するセンサとしての回転センサ（エンコーダ）７１によりモータ４１の故障を検出することができるようになっている。また、モータ４２の回転状態を検出するセンサとしての回転センサ（エンコーダ）７２によりモータ４２の故障を検出することができ、モータ４３の回転状態を検出するセンサとしての回転センサ（エンコーダ）７３によりモータ４３の故障を検出することができるようになっている。

次に、作用について説明する。
まず、全方向移動車両である４輪オムニホイール車両における走行の際の動きを説明する。

図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、４輪オムニホイール車両の駆動例である。図６（ａ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を正転させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を逆転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を前進させることができる。図６（ｂ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を停止させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を停止させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を斜行させることができる。図６（ｃ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を逆転させ、車輪３１を逆転させ、車輪３２を正転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を横行させることができる。図６（ｄ）に示すように、４つの車輪３０，３１，３２，３３のうちの車輪３０を正転させ、車輪３１を正転させ、車輪３２を正転させ、車輪３３を正転させることにより、機台２０を旋回させることができる。このようにして、並進、旋回、斜行により自由な動作が可能である。

次に、駆動系の故障による制御切替えについて説明する。
制御部６０は図３に示すフローを実行する。図３に示す処理は一定時間ごとに行われる。

図３において、制御部６０は、ステップＳ１００で、駆動系の故障の有無を判定する。制御部６０は、駆動系の故障が発生していないと、ステップＳ１０１に移行して通常走行を行う。

一方、制御部６０は、ステップＳ１００において駆動系の故障が発生していると、その故障が１輪故障または２輪故障であればステップＳ１０２に移行し、３輪故障であればステップＳ１０５に移行する。

１輪故障または２輪故障の場合、制御部６０は、ステップＳ１０２において旋回を行い、その後、ステップＳ１０３で退避走行モードを設定してステップＳ１０４でモータ駆動を行って退避走行により走行レーンから外れて退避場所に走行させる。これにより、全方向移動車両は無人自律走行車として利用される場合において、故障車両の発見が早期に行われることになる。

このようにして、制御部６０は、少なくとも２つの駆動系が正常な状態で、他の駆動系に異常を検出した場合に、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行する退避走行モードを設定する。即ち、故障による車両制御方法として、１つまたは２つの駆動系（車輪）が故障した場合、他の２つの駆動系（２輪）を用いて退避走行を実施する。つまり、車輪駆動関連のアクチュエータ（モータ）やセンサ（エンコーダ）が故障した場合にも、車両の制御方法を変更し、車両を停止させることなく、退避走行させて任意の場所に帰還させる。

特に、制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪により任意の方向に走行できる車両姿勢となるように、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して旋回させる処理を含む。

このように、従来の制御では故障発生時には停止させてユーザに通知していたが、本実施形態では車両を停止させることなく、退避走行モードを設定して任意の場所に帰還させることが可能となる。

一方、３輪故障の場合、制御部６０は、ステップＳ１０５において車両の走行停止モードを設定し、その後、ステップＳ１０６でモータを停止する。さらに、制御部６０は、ステップＳ１０７で故障をユーザに知らせる。

次に、故障判定方法について説明する。
モータ故障については、以下の（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれかの条件が成立した時、モータ故障と判断する。

（ａ）として、制御部６０は各ドライブ回路５０〜５３からの過電流検出信号により過電流保護回路にて過電流を検知した場合には故障が発生したと判定する。
（ｂ）として、制御部６０は各ドライブ回路５０〜５３からの過負荷検出信号により過負荷保護回路にて過負荷を検知した場合にも故障が発生したと判定する。

（ｃ）として、制御部６０はセンサ（エンコーダ）７０〜７３からの信号によりモータの出力状態（回転状態）をモニタし、駆動要求値に比べて出力が一定閾値以下の状態が一定時間経過した場合にも故障が発生したと判定する。即ち、出力レベルが低い若しくは回転していない場合には故障が発生したと判定する。

エンコーダ故障については、以下の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）のいずれかの条件が成立した時、エンコーダ故障と判断する。
（Ａ）として、制御部６０はセンサ（エンコーダ）７０〜７３からの信号によりモータ出力とパルスロック（パルスがハイレベルで固定又はローレベルで固定）との関係においてモータ出力なしで、パルス波形がハイレベルで固定となっている状態が一定時間経過した場合にはエンコーダ故障と判断する。

（Ｂ）として、制御部６０はセンサ（エンコーダ）７０〜７３からの信号によりモータ出力とパルスロック（パルスがハイレベルで固定又はローレベルで固定）との関係においてモータ出力ありで、パルス波形がローレベルで固定となっている状態が一定時間経過した場合にもエンコーダ故障と判断する。

（Ｃ）として、制御部６０はセンサ（エンコーダ）７０〜７３からの信号によりパルス間隔が閾値以下の場合にもエンコーダ故障と判断する。即ち、パルス間隔が非常に短い場合にはノイズが乗っているので、故障と判定する。

次に、退避走行について説明する。
図４（ａ）に示すように、１つの車輪３０の駆動系が故障した場合（または対角にある２つの車輪の駆動系が故障した場合）には、図４（ｂ）に示すように、故障していない駆動系の２輪が左右にくるように旋回させ、図４（ｃ）に示すように、車輪３１と車輪３３による２輪走行を実施する。

このように、制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有する場合に、２つの正常な駆動系の全方向車輪３１，３３を駆動するとともに、残りの正常な駆動系の全方向車輪３２を駆動せずに走行させる。また、制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有するとともに、２つの正常な駆動系の全方向車輪３１，３３が互いに平行かつ対向配置されている場合に、互いに平行かつ対向配置された２つの正常な駆動系の全方向車輪３１，３３を駆動して走行させる。

図５（ａ）に示すように、隣接する２つの車輪３０，３１の駆動系が故障した場合には、図５（ｂ）に示すように、故障していない駆動系の２輪を前方に位置するように旋回させて、図５（ｃ）に示すように、前方の２輪である車輪３２，３３により走行を制御する。

このように、制御部６０は、退避走行モードにおいて、進行方向の前側に正常な駆動系の全方向車輪３２，３３が位置するとともに、正常な駆動系の全方向車輪３２，３３の後側に異常な駆動系の全方向車輪３０，３１が位置する状態で走行させる処理（前輪駆動走行処理）を含む。つまり、駆動する車輪３２，３３を機台２０の進行方向前側に配置した前輪駆動走行とする。この場合には、駆動する車輪を機台２０の進行方向後側に配置した後輪駆動走行よりも安定した走行が可能となる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）全方向移動車両の構成として、制御部６０は、少なくとも２つの駆動系が正常な状態で、他の駆動系に異常を検出した場合に、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行する退避走行モードを設定する。これにより、早期に退避することができる。

（２）制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪により任意の方向に走行できる車両姿勢となるように、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して旋回させる処理を含むので、実用的である。特に、駆動系の異常を検出して退避走行モードに切り替わる際に、異常を検出した位置にて、旋回して車両の姿勢を変更させた後に、正常な駆動系の全方向車輪により任意の方向に走行するように制御している。よって、異常を検出した後に全方向移動車両が予期しない方向へ走行することを抑制できる。

（３）制御部６０は、退避走行モードにおいて、進行方向の前側に正常な駆動系の全方向車輪が位置するとともに、正常な駆動系の全方向車輪の後側に異常な駆動系の全方向車輪が位置する状態で走行させる処理を含む。つまり、退避走行モードにおいて前輪駆動となり、走行が安定する。

（４）少なくとも４つの全方向車輪を有する全方向移動車両において、制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有する場合に、２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動するとともに、残りの正常な駆動系の全方向車輪を駆動せずに走行させる。これにより退避走行モードにおいて、２つの正常な駆動系の全方向車輪の駆動制御だけで走行させることができ、３つの正常な駆動系の全方向車輪の駆動制御により走行する場合と比較して、制御を簡素化できる。

（５）制御部６０は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有するとともに、２つの正常な駆動系の全方向車輪が互いに平行かつ対向配置されている場合に、互いに平行かつ対向配置された２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行させる。この場合、車輪が平行かつ対向配置された２輪車両となるため、直進走行が安定する。また、モータ負荷を小さくすることができる。

（６）センサを用いて検出しているので、モータ性能が低下した場合の故障も検出することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ オムニホイールを４輪有する車両について説明したが、オムニホイールが３輪以上有する車両に適用できる。
○ 全方向車輪としてオムニホイールを用いたが、他にも、メカナムホイール等を用いてもよい。

○ センサを用いないで故障を検出してもよい。
○ センサを用いたフィードバック制御の場合について説明したがオープン制御の場合に適用してもよく、この場合において別途センサを設けて故障を検出するようにしてもよい。

○ 故障判定方法については、各駆動系における断線や短絡を検出することにより判断しても良い。
○ 制御部は、退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有する場合に、２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動するとともに、残りの正常な駆動系の全方向車輪を駆動せずに走行させていたが、正常な駆動系の全方向車輪を全て駆動させて走行させても良い。退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪の駆動数は任意設定可能であり、少なくとも２つの正常な駆動系の全方向車輪が駆動できれば、退避走行モードにて走行可能である。

１０…車両、３０…全方向車輪、３１…全方向車輪、３２…全方向車輪、３３…全方向車輪、４０…モータ、４１…モータ、４２…モータ、４３…モータ、６０…制御部。

Claims

車輪の円周方向において自由回転する複数のローラが設けられた全方向車輪と、
前記全方向車輪が少なくとも３つ設けられた機台と、
各全方向車輪を駆動するモータを有する駆動系と、
前記モータを制御する制御部と、
を有し、前記全方向車輪の車軸の軸線を前記機台に対して変動させることなく当該全方向車輪の回転と前記ローラの回転とによって前記機台を全方向に移動させる全方向移動車両において、
前記制御部は、少なくとも２つの駆動系が正常な状態で、他の駆動系に異常を検出した場合に、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行する退避走行モードを設定し、当該退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪により任意の方向に走行できる車両姿勢となるように、正常な駆動系の全方向車輪を駆動して前記機台を旋回させることを特徴とする全方向移動車両。
前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、進行方向の前側に正常な駆動系の全方向車輪が位置するとともに、正常な駆動系の全方向車輪の後側に異常な駆動系の全方向車輪が位置する状態で走行させる処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の全方向移動車両。
前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有する場合に、２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動するとともに、残りの正常な駆動系の全方向車輪を駆動せずに走行させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の全方向移動車両。
前記制御部は、前記退避走行モードにおいて、正常な駆動系の全方向車輪を３つ以上有するとともに、２つの正常な駆動系の全方向車輪が互いに平行かつ対向配置されている場合に、互いに平行かつ対向配置された２つの正常な駆動系の全方向車輪を駆動して走行させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の全方向移動車両。