JP6837910B2

JP6837910B2 - 全方向移動車両

Info

Publication number: JP6837910B2
Application number: JP2017094188A
Authority: JP
Inventors: 和田　正義; 正義和田; 北野　斉; 斉北野; 飯村　彰浩; 彰浩飯村; 隆内藤
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY; THK Co Ltd
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY; THK Co Ltd
Priority date: 2017-05-10
Filing date: 2017-05-10
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2037-05-10
Also published as: JP2018188064A

Description

本発明は、車両本体の方向を変えることなく、床面上を任意の方向へ移動することが可能であると共に、そのままの位置で旋回運動をすることが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全方向移動車両のうち、所謂ホロノミックである車両は、動作方向に制限がないため、車両の任意の姿勢、任意の位置から即座に全方向への移動、旋回が開始可能である。車両の進行方向への移動速度、横方向への移動速度、及び車両の鉛直軸周りの角速度の３自由度を同時に且つ独立に制御できることから、動作計画が柔軟で扱い易く、操縦が容易なインターフェースを提供できるといった利点がある。

このホロノミックである全方向移動車両の一例としては、特許文献１に開示されるアクティブキャスタを備えた全方向移動車両が知られている。前記アクティブキャスタは、車両本体に対して鉛直軸周りに回転自在に保持された操舵軸と、この操舵軸に固定された支持部材に対して車軸が回転自在に保持された駆動輪とを有しており、前記操舵軸及び車軸の双方をアクチュエータにて独立に駆動することが可能である。また、前記車軸は前記操舵軸の回転軸心から前記駆動輪の転がり方向へ所定距離だけ離間した位置に配置されており、前記駆動輪は前記操舵軸に対して所謂キャスタの形態で配置されている。このようなアクティブキャスタを車両本体に対して２輪以上備えることで、前記３自由度を独立して制御可能な全方向移動車が実現される。

前記アクティブキャスタにおいては、前記駆動輪を保持する支持部材が前記操舵軸を中心にして360度以上回転可能であることから、前記駆動輪に回転を与える駆動用アクチュエータを前記支持部材上に設けた場合、前記車両本体から駆動用アクチュエータに対する配線構造が複雑なものになってしまうといった不利益がある。このため、特許文献１に示されるアクティブキャスタでは、操舵用アクチュエータ及び駆動用アクチュエータの双方を車両本体上に設け、前記駆動用アクチュエータの回転運動は歯車などの伝達機構を介して前記駆動輪に伝達されている。具体的には、前記操舵軸を中心としてその周囲に回転自在に歯車を設け、この歯車を含む伝達機構を経由して、前記車両本体に設けられた駆動用アクチュエータから前記支持部材に保持された駆動輪に回転トルクを伝達している。

特開２００１−１９９３５６

しかし、前述した従来のアクティブキャスタでは、前記駆動用アクチュエータで発生した回転トルクが前記操舵軸の周囲に配置された歯車を介して前記駆動輪に伝達されていることから、前記駆動用アクチュエータを駆動して駆動輪を回転させると、前記操舵軸が回転しているか否かにかかわらず、前記操舵軸に対して前記駆動輪に伝達するトルクの大きさに対応するトルクが作用してしまう現象が生じる。特に、前記駆動輪の加減速時や段差昇降時などには前記操舵軸に対して急激なトルクが作用し易い。この駆動用アクチュエータからのトルク外乱によって前記操舵軸の回転角速度に誤差が生じた場合には、車両の走行軌道に誤差が生まれる結果となる。

このような駆動用アクチュエータの発生トルクに起因する車両の走行軌道のずれを防止するためには、前記操舵用アクチュエータが前記駆動用アクチュエータの発生トルクに対応したカウンタトルクを発生し、前記操舵軸に対して所謂保持力を常に作用させていることが必要である。

しかし、前記操舵軸が回転していない場合でも当該操舵軸に対して保持力を働かせるためには、高価なサーボモータを使用する必要があり、また、車両の段差踏破能力を高めるために前記駆動用アクチュエータの発生トルクを大きく設定すれば、その分だけ前記操舵用アクチュエータの発生トルクも高める必要があり、小型且つ安価なアクティブキャスタを実現することが難しかった。

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、前記駆動用アクチュエータの動作に起因して前記操舵軸に作用する外乱トルクを可及的に小さくし、小型且つ安価な操舵用アクチュエータを使用しても前記操舵軸の操舵角を精度よく制御することが可能な全方向移動車両を提供することにある。

すなわち、本発明は、車両本体に対して複数基のアクティブキャスタが装着され、床面上で前記車両本体を全方向へ移動可能な全方向移動車両に関するものであり、前記アクティブキャスタは、鉛直方向に沿って配置される操舵軸と、前記車両本体に固定されると共に前記操舵軸を回転自在に保持する取付け部と、前記操舵軸に固定されると共に当該操舵軸の回転に応じ操舵角が与えられる支持部材と、前記操舵軸の回転中心から水平方向へ所定距離だけ離間した位置で前記支持部材に保持される水平方向に沿った車軸を有して前記床面を走行する駆動輪と、前記取り付け部に固定されると共に前記操舵軸を回転駆動する操舵用アクチュエータと、前記取り付け部に固定されると共に前記駆動輪を回転駆動する駆動用アクチュエータと、前記操舵軸に対して回転自在に保持された少なくとも一つの回転伝達部材を含み、鉛直軸周りの回転を水平軸周りの回転に変換し、前記駆動用アクチュエータから前記駆動輪に対して回転トルクを伝達する伝達手段と、を備えている。そして、前記複数基のアクティブキャスタは、鉛直軸に対して互いに鏡面対称の構造を有する第一のアクティブキャスタ及び第二のアクティブキャスタを含んでいる。

本発明によれば、前記車両本体に対して複数基のアクティブキャスタが装着され、これらアクティブキャスタは鉛直軸に対して互いに鏡面対称の構造を有する第一のアクティブキャスタ及び第二のアクティブキャスタを含んでいるので、前記駆動用アクチュエータの発生トルクに起因して前記操舵軸に作用する外乱トルクは、前記第一のアクティブキャスタと前記第二のアクティブキャスタで互いに逆方向となる。このため、前記第一のアクティブキャスタの操舵軸と前記第二のアクティブキャスタの操舵軸に作用する外乱トルクを互いに相殺することで、前記駆動用アクチュエータの動作に起因して前記操舵軸に作用する外乱トルクを可及的に小さくし、小型且つ安価な操舵用アクチュエータを使用しても前記操舵軸の操舵角を精度よく制御することが可能となる。

本発明を適用可能な全方向移動車両の一例を示す概略正面図である。本発明を適用可能な全方向移動車両の一例を示す概略側面図である。本発明を適用可能なアクティブキャスタの一例を示す正面図である。操舵軸に固定された支持部材を示す側面図である。車両本体に対する第一のアクティブキャスタ及び第二のアクティブキャスタの配置を示す正面図である。第一のアクティブキャスタ及び第二のアクティブキャスタの操舵軸に作用する外乱トルクを示す平面図である。

以下、添付図面を用いながら本発明の全方向移動車両を詳細に説明する。

図１及び図２は本発明を適用した全方向移動車両の一例を示す概略図である。この全方向移動車両１は車両本体２に対して４基のキャスタが設けられており、これら４基のキャスタで床面３に対する車両本体２の自在な移動が可能となっている。４基のキャスタのうち、２基は回転トルクが伝達される駆動輪４を備えたアクティブキャスタ５であり、残りの2基は前記車両本体２から引っ張られて回転する従動キャスタ６である。ここで、キャスタとは、鉛直方向に沿って配置された回転自在な操舵軸を有して、車両本体２に対して車輪の進行方向を３６０度変更することが可能であると共に、前記車輪の車軸が前記操舵軸から所定距離だけ離間した車輪の支持構造を言う。

２基のアクティブキャスタ５は前記車両本体２の側面の前方（図２の紙面左方向）寄りに設けられており、２基の従動キャスタ６は前記車両本体２の後方で当該車両本体２と前記床面３との間に設けられている。この実施形態では、前記２基のアクティブキャスタ５は、前記駆動輪４の進行方向が前方に合致した状態で、それぞれの駆動輪４の車軸が同一軸心を構成するように前記車両本体２に対して配置されている。

図３は前記アクティブキャスタ５の一例を示す正面図である。

前記アクティブキャスタ５は、前記車両本体２に固定される取付け部５０と、鉛直方向に沿って配置されると共に前記取付け部５０に対して回転自在に保持された操舵軸７と、前記操舵軸７の下端に固定されると共に前記駆動輪４の車軸４０を保持する支持部材５１とを備えている。前記駆動輪４の車軸４０は水平方向に合致しており、前記操舵軸７を回転させると、これに伴って前記支持部材５１が回転し、前記駆動輪４の進行方向が変化する。前記支持部材５１は前記操舵軸７を中心として３６０度回転することが可能である。

前記取付け部５０には操舵用アクチュエータ８が固定されている。この操舵用アクチュエータ８の回転出力は歯車８０，８１を介して前記操舵軸７に伝達されており、当該操舵用アクチュエータ８の回転量を制御することによって前記操舵軸７の回転角度、ひいては前記駆動輪４の進行方向が制御されている。また、前記操舵軸７の上端には当該操舵軸７の回転角度を検出するエンコーダ１０が装着されており、当該エンコーダ１０の出力を参照して前記操舵用アクチュエータ８の回転を制御することが可能となっている。

一方、前記取付け部５０には駆動用アクチュエータ９も固定されている。この駆動用アクチュエータ９の回転出力は複数の歯車を含む伝達手段１１によって前記支持部材５１に保持された前記駆動輪４に伝達される。前記駆動輪４を保持した前記支持部材５１は前記取付け部５０に対して３６０度回転することが可能なので、前記駆動用アクチュエータ９を前記支持部材５１ではなく、前記取付け部５０に固定することによって、当該駆動用アクチュエータ９に対する配線が容易なものとなっている。

前記駆動輪４は前記操舵軸７を回転軸とする支持部材５１に保持されており、当該駆動輪４の車軸４０はその軸方向が水平方向に合致している。前記駆動用アクチュエータ９の駆動軸は鉛直方向に合致しているので、前記伝達手段１１は鉛直軸周りの回転を水平軸周りの回転に変換して、前記駆動用アクチュエータ９から前記駆動輪４に回転トルクを伝達している。

前記伝達手段１１は前記操舵軸７を中心として当該操舵軸７に対して回転自在なセンター歯車１２を含み、前記駆動用アクチュエータ９の駆動軸に固定された出力歯車１３は前記センター歯車１２に噛み合っている。前記センター歯車１２は前記操舵軸７を中心として回転し、その回転は鉛直方向に沿って前記支持部材５１に保持された第二駆動軸１４へ伝達される。前記支持部材５１には前記駆動輪４の車軸４０と平行に第三駆動軸１５が設けられており、前記第二駆動軸１４の回転は傘歯車を介して前記第三駆動軸１５に伝達される。これにより、鉛直軸周りの回転が水平軸周りの回転に変換される。

前記第三駆動軸１５と前記車軸４０にはプーリ１６，１７を介してタイミングベルト１８が架け回されており、前記第三駆動軸１５の回転が前記車軸４０に伝達される。これにより、前記駆動用アクチュエータ９が回転すると、前記支持部材５１に保持された駆動輪４が回転する。

図３を用いて説明したアクティブキャスタ５の実施形態では、前記センター歯車１２が本発明の回転伝達部材に相当する。前記回転伝達部材としては、前記操舵軸７に対して回転自在に保持されており、且つ、前記駆動用アクチュエータ９の発生する回転トルクを前記駆動輪４へ伝達する経路を構成するものであれば、歯車に限定されるものではない。例えば、前記操舵軸７を中心として回転自在に保持されたプーリを設け、このプーリにタイミングベルトを駆けまわして回転トルクの伝達を行ってもよい。また、磁気カップリングを用いて、二本の回転軸の間で回転トルクを伝達するように構成してもよい。

図４に示すように、前記支持部材５１は、前記操舵軸７に固定された本体部材５１ａと、前記駆動輪４の車軸４０を保持すると共に前記本体部材５１ａに対して揺動自在な可動アーム部５１ｂと、から構成されている。前記可動アーム部５１ｂはピン５２によって前記本体部材５１ａと結合されており、当該ピン５２を中心として揺動自在に設けられている。また、前記本体部材５１ａと前記可動アーム部５１ｂの間には弾性部材５３が設けられており、当該弾性部材５３は前記可動アーム５１ｂに保持された前記駆動輪４を床面３に対して付勢している。すなわち、前記本体部材５１ａ、前記可動アーム部５１ｂ及び弾性部材５３は、前記駆動輪４のサスペンション機構を構成している。

前記駆動輪４へ回転トルクを伝達する前記伝達手段１１のうち、前記第二駆動軸１４及び第三駆動軸１５は前記本体部材５１ａに設けられる一方、前記駆動輪４の車軸４０は前記可動アーム部５１ｂに設けられている。前記第三駆動軸１５から前記車軸４０への回転トルクの伝達は前述のようにタイミングベルト１８によって行われており、例えば床面３の段差を乗り越えるために前記可動アーム部５１ｂが前記本体部材５１ａに対して揺れ動いたとしても、車軸４０への回転トルクの伝達が確実に行われるようになっている。

また、図４から把握されるように、前記駆動輪４の車軸４０は前記操舵軸７の回転中心に対して水平方向へ距離ｄだけ離間した位置に配置されており、当該駆動輪４は前記操舵軸７に対して所謂キャスタの形態で設けられている。

前記車両本体２に装着された2基のアクティブキャスタ５は同一の構造を有するものではなく、図５に示すように、鉛直軸に対して互いに鏡面対称の構造を有している。すなわち、前記車両本体２の一方の側面に設けられた第一のアクティブキャスタ５Ａと他方の側面に設けられた第二のアクティブキャスタ５Ｂを比較した場合、前記操舵用アクチュエータ８の回転トルクを前記操舵軸７に伝達する歯車の配置、前記駆動用アクチュエータ９の回転トルクを前記駆動輪４に伝える伝達手段１１の歯車１２，１３の位置関係が、鉛直軸に対して互いに鏡面対称、より具体的には前記車両本体２を挟んで鏡面対称の構造を有している。従って、前記第一アクティブキャスタ５Ａ及び前記第二アクティブキャスタ５Ｂにおいて、これらの駆動輪４を同一方向へ進行させる場合、前記駆動用アクチュエータ９の回転方向は互いに逆向きとなり、前記伝達手段１１を構成する各歯車の回転方向は互いに逆向きとなる。

このように構成された全方向移動車両１では、前記第一のアクティブキャスタ５Ａ及び第二のアクティブキャスタ５Ｂの操舵用アクチュエータ８及び駆動用アクチュエータ９を協調制御することにより、前記車両本体２を任意の方向へ任意に速度で移動させることが可能となる。

このとき、各アクティブキャスタ５Ａ，５Ｂでは、前記駆動用アクチュエータ９の駆動軸が回転して、当該駆動軸に固定された出力歯車１３が前記センター歯車１２に回転トルクを伝達すると、その反力が前記センター歯車１２の周方向に沿って前記出力歯車１３に作用する。すなわち、前記駆動用アクチュエータ９によって前記駆動輪４を回転駆動すると、前記駆動用アクチュエータ９を固定した取付け部５０と前記操舵軸７との間に回転トルクが作用し、前記操舵用アクチュエータ８の動作と関係なく前記操舵軸７に回転が生じてしまうことになる。すなわち、駆動輪４の回転に起因して各アクティブキャスタの操舵軸７に意図しない回転トルク（以下、「外乱トルク」という）が作用してしまう。この外乱トルクの大きさは前記駆動用アクチュエータ９が発生する回転トルクの大きさに相応する。

しかし、本発明の全方向移動車両１では、前述のように、第一のアクティブキャスタ５Ａと第二のアクティブキャスタ５Ｂは鉛直軸に対して互いに鏡面対称の構造を有しているので、図６中に矢線で示すように、第一のアクティブキャスタ５Ａの操舵軸７に作用する外乱トルク（矢線Ｘ）と第二のアクティブキャスタ５Ｂの操舵軸７に作用する外乱トルク（矢線Ｙ）は互いに逆向きとなる。

例えば、全方向移動車両１を一直線に移動させる場合を想定すると、第一のアクティブキャスタ５Ａの駆動輪４と第二のアクティブキャスタ５Ｂの駆動輪４の回転を同じように加減速するのであれば、第一のアクティブキャスタ５Ａの操舵軸７に作用する外乱トルクと第二のアクティブキャスタ５Ｂの操舵軸７に作用する外乱トルクは同程度の大きさで互いに逆向きに作用することになり、両者は互いに打ち消しあう結果となる。

また、全方向移動車両１に曲線運動を行わせる場合、第一のアクティブキャスタ５Ａの操舵軸７に作用する外乱トルクの大きさは第二のアクティブキャスタ５Ｂの操舵軸７に作用する外乱トルクの大きさと異なったものになるが、それであっても両者が互いに打ち消しあうことにより、操舵軸７に作用する外乱トルクを可及的に小さなものにすることが可能となる。

このため、本発明の全方向移動車両では、前記操舵用アクチュエータ８として大きな保持力を発揮可能な高価なサーボモータを使用する必要はなく、例えば、ブラシレスＤＣモータのような速度制御のみで回転駆動することが可能な安価なモータと電磁ブレーキを組み合わせて使用することが可能である。これにより、小型且つ安価な操舵用アクチュエータ８を使用しても前記操舵軸７の操舵角を精度よく制御することが可能となる。

尚、以上説明してきた実施形態では前記車両本体２に対して２基のアクティブキャスタ５を装着したが、これに限られるものではなく、３基以上のアクティブキャスタ５を前記車両本体２に装着してもよい。その場合、前記第一のアクティブキャスタ５Ａと前記第二のアクティブキャスタ５Ｂは同じ基数を装着するのが好ましい。

１…全方向移動車両、２…車両本体、４駆動輪、５…アクティブキャスタ、７…操舵軸、８…操舵用アクチュエータ、９…駆動用アクチュエータ、４０…車軸、５０…取付け部、５１…支持部材、５Ａ…第一のアクティブキャスタ、５Ｂ…第二のアクティブキャスタ

Claims

車両本体に対して複数基のアクティブキャスタが装着され、床面上で前記車両本体を全方向へ移動可能な全方向移動車両であって、
前記アクティブキャスタは、
鉛直方向に沿って配置される操舵軸と、
前記車両本体に固定されると共に前記操舵軸を回転自在に保持する取付け部と、
前記操舵軸に固定されると共に当該操舵軸の回転に応じ操舵角が与えられる支持部材と、
前記操舵軸の回転中心から水平方向へ所定距離だけ離間した位置で前記支持部材に保持される水平方向に沿った車軸を有して前記床面を走行する駆動輪と、
前記取り付け部に固定されると共に前記操舵軸を回転駆動する操舵用アクチュエータと、
前記取り付け部に固定されると共に前記駆動輪を回転駆動する駆動用アクチュエータと、
前記操舵軸に対して回転自在に保持された少なくとも一つの回転伝達部材を含み、鉛直軸周りの回転を水平軸周りの回転に変換し、前記駆動用アクチュエータから前記駆動輪に対して回転トルクを伝達する伝達手段と、
を備え、
前記複数基のアクティブキャスタは、鉛直軸に対して互いに鏡面対称の構造を有する第一のアクティブキャスタ及び第二のアクティブキャスタを含むことを特徴とする全方向移動車両。
前記第一のアクティブキャスタ及び前記第二のアクティブキャスタは、前記操舵軸を回転させた際に、前記駆動輪の回転軸心が互いに一致する位置で前記車両本体に配置されていることを特徴とする請求項１記載の全方向移動車両。