JP7229537B2 - 全方向移動装置及びその姿勢制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、全方向移動装置及びその姿勢制御方法に関する。

日本国特許第３０７００１５号公報には、全方向移動装置（全方向移動車両）が開示されている。この全方向移動装置では、フレームに単一の球体（回転体）が回転自在に装着されているので、フレームは静力学的に不安定である。そして、全方向移動装置では、球体を回転させて走行し、走行中のフレームの姿勢が安定に維持されるので、フレームは動力学的に安定化される。

ところで、上記全方向移動装置では、球体と走行路（地面）との接触が点接触である。つまり、球体と走行路との接触面積が小さく、走行時に球体は十分なグリップ力を得られない。
加えて、上記全方向移動装置では、走行時に球体が走行路を転動する。走行路の粉塵や液体は球体表面に付着し、粉塵や液体により球体が走行路に対して滑りを生じると、走行時に球体は十分なグリップ力を得られない。このため、前記全方向移動装置の推進力を向上させるには、改善の余地があった。
また、上記全方向移動装置では、球体が走行路に一点で接触するので、複数の車輪が走行路に接触する場合に比べると、段差や不整地の走行時に振動がフレームに直接的に伝わる。このため、上記全方向移動装置の乗り心地を含めて走行時の静粛性について、改善の余地があった。

本発明は、上記課題を考慮し、静力学的に不安定な車体を動力学的に安定化し、しかも推進力を向上させ、かつ、静粛性を改善することができる全方向移動装置及びその姿勢制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の第１実施態様に係る全方向移動装置は、全方向へ移動可能なホイールが複数配設された車台と、車台上に配設された車体と、車台と車体とを連結し、車台に対して車体の姿勢が変化可能とされる自在継手と、車体の姿勢が変化した方向へ車台を移動させ、かつ、車体の姿勢を安定に維持する姿勢安定システムと、を備えている。

第１実施態様に係る全方向移動装置は、車台と、車台上に配設された車体とを備えている。車台にはホイールが配設され、ホイールは全方向へ移動可能とされる。

ここで、上記全方向移動装置は自在継手及び姿勢安定システムを備え、更に車台には複数のホイールが配設される。自在継手は、車台と車体とを連結し、車台に対して車体の姿勢を変化可能とする。
ホイールが複数配設されると、これらのホイールのすべてが走行路に接地される。このため、車台の姿勢は走行路の路面の傾斜に合わせて変化する。これに対して、車体は自在継手を介して車台に連結されるので、車体の姿勢は車台の姿勢に連動しない。つまり、車体は、単に自在継手を介して車台に連結されているので、車台に対して静力学的に不安定である。
姿勢安定システムは、車体の姿勢が変化した方向へ車台を移動させ、かつ、車体の姿勢を安定に維持する。つまり、姿勢安定システムを備えるので、車台が移動すると車体の姿勢が安定に維持され、車体は動力学的に安定化される。
そして、複数配設されたホイールと走行路との接地箇所が複数箇所とされるので、ホイールと走行路との接地面積が増加され、移動時にホイールは十分なグリップ力を得られる。十分なグリップ力が得られるので、走行路の粉塵や液体がたとえホイール表面に付着したとしても、走行路に対するホイールの滑りが小さくなる。
さらに、複数のホイールが走行路に接地するので、単一の球体が走行路に接地する場合に比べると、段差や不整地の移動時に車台及び車体に伝わる振動が小さくなる。

本発明の第２実施態様に係る全方向移動装置では、第１実施態様に係る全方向移動装置において、自在継手の対偶が２である。

第２実施態様に係る全方向移動装置によれば、自在継手の対偶が２とされるので、車体は車台に対して２つの方向に自由度があり、この２つの方向において車体の姿勢を変化させることができる。例えば、仮に三次元座標のY 軸方向を第１回転軸として第１回転軸周りに回動する自由度と、X 軸方向を第２回転軸として第２回転軸周りに回動する自由度との２つの自由度が設定されると、２つの自由度の範囲で車体の姿勢を変化させることができる。ここで、Z 軸方向を第３回転軸とする軸周りに回動する自由度は設定されない。このため、車台を旋回させたときに、車台の旋回に追従させて車体を旋回させることができる。

本発明の第３実施態様に係る全方向移動装置では、第２実施態様に係る全方向移動装置において、自在継手は、車台上部に支持され、車台の移動方向の１つを第１軸方向とする第１回転軸と、車体下部に支持され、車台の移動方向の他の１つであって第１軸方向に交差する方向を第２軸方向とする第２回転軸と、第１回転軸を中心として回転可能とされ、かつ、第２回転軸を中心として回転可能とされるスパイダと、を含んで構成されている。

第３実施態様に係る全方向移動装置によれば、自在継手は第１回転軸、第２回転軸及びスパイダを備える。第１回転軸は、車台上部に支持され、車台の移動方向の１つを第１軸方向とする。例えば、第２実施態様において例示されたY 軸方向が第１軸方向とされる。第２回転軸は、車体下部に支持され、車台の移動方向の他の１つであって第１軸方向に交差する方向を第２軸方向とする。例えば、第２実施態様において例示されたY 軸方向に直交するX 軸方向が第２軸方向とされる。スパイダは、第１回転軸を中心として回転可能とされ、かつ、第２回転軸を中心として回転可能とされる。
このため、第１回転軸及び第２回転軸の２つの回転軸を中心としてスパイダが回転可能とされるので、対偶が２の自在継手を簡単に実現することができる。

本発明の第４実施態様に係る全方向移動装置では、第１実施態様～第３実施態様のいずれか１つに係る全方向移動装置において、姿勢安定システムは、車台に設けられたモータと、車台に設けられ、モータの回転駆動力を減速してホイールに伝達する減速機と、車体に設けられ、モータに連結されてモータを駆動するサーボアンプと、を有する駆動ユニットを備えている。

第４実施態様に係る全方向移動装置によれば、姿勢安定システムは駆動ユニットを備える。駆動ユニットは、モータと、減速機と、サーボアンプとを含んで構成される。モータは車台に設けられる。減速機は、車台に設けられ、モータの回転駆動力を減速してホイールに伝達する。サーボアンプは、車体に設けられ、モータに連結されてモータを駆動する。これらを含んで構成される駆動ユニットを備えるので、姿勢安定システムでは、車台が移動すると車体の姿勢が安定に維持され、車体を動力学的に安定化させることができる。

本発明の第５実施態様に係る全方向移動装置では、第１実施態様～第４実施態様に係る全方向移動装置において、ホイールは、オムニホイール及びメカナムホイールの少なくとも一方である。

第５実施態様に係る全方向移動装置によれば、ホイールはオムニホイール及びメカナムホイールの少なくとも一方とされる。オムニホイールは、駆動車輪の円周上に、円周方向を軸方向としてフリーに回転するローラを複数配設して構成される。一方、メカナムホイールは、駆動車輪の円周上に、駆動車輪の回転軸に対して傾斜する方向を軸方向としてフリーに回転するローラを複数配設して構成される。
このため、いずれのホイールを用いても、駆動車輪の回転による移動方向に加えて、ローラの回転による移動方向へ車台を移動させることができるので、平面上のすべての方向へ移動可能な全方向移動装置を実現することができる。

本発明の第６実施態様に係る全方向移動装置では、第４実施態様に係る全方向移動装置において、姿勢安定システムは、モータの回転角を取得する角度検出部と、車体の姿勢角及び車体の角速度を取得する姿勢角度検出部と、角度検出部により取得された回転角と、姿勢角度検出部により取得された姿勢角及び角速度とに基づいて、姿勢を安定に維持する車体の運動状態を演算し、この演算結果に基づいてサーボアンプを制御する演算処理部と、を有する制御ユニットを備えている。

第６実施態様に係る全方向移動装置によれば、姿勢安定システムは、角度検出部と、姿勢角度検出部と、演算処理部とを有する制御ユニットを備える。制御ユニットの角度検出部はモータの回転角を取得する。姿勢角度検出部は、車体の姿勢角及び車体の角速度を取得する。演算処理部は、取得された回転角、姿勢角及び角速度に基づいて、姿勢を安定に維持する車体の運動状態を演算する。さらに、演算処理部では、演算結果に基づいてサーボアンプが制御される。このため、姿勢安定システムでは、車台が移動すると車体の姿勢が安定に維持され、車体を動力学的に安定化させることができる。

本発明の第７実施態様に係る全方向移動装置では、第１実施態様～第６実施態様のいずれか１つに係る全方向移動装置において、ホイールと車台との間に、ホイールから車台に伝達される振動を減少させる緩衝装置を更に備えている。

第７実施態様に係る全方向移動装置によれば、緩衝装置がホイールと車台との間に設けられる。このため、走行路を移動中に走行路の路面状態に応じてホイールに発生する振動は緩衝装置により減少され、ホイールから車台及び車体に伝わる振動を小さくすることができる。

本発明の第８実施態様に係る全方向移動装置では、第３実施態様に係る全方向移動装置において、車台の移動の際に車体の姿勢を変化可能とし、車台の移動を停止する際に車体の姿勢をロックするロック装置が、第１回転軸及び第２回転軸に装着されている。

第８実施態様に係る全方向移動装置によれば、ロック装置が第１回転軸及び第２回転軸に装着される。このロック装置は、車台の移動の際に車体の姿勢を変化可能とし、車台の移動を停止する際に車体の姿勢をロックする。また、ロック装置は車台の停止状態においても車体の姿勢をロック可能とする。
このため、車台の移動を停止したときでも、車体の姿勢が安定に保持されるので、全方向移動装置の乗降時や緊急時における搭乗者の安全性を向上させることができる。

本発明の第９実施態様に係る全方向移動装置の姿勢制御方法は、第６実施態様に係る全方向移動装置の姿勢安定システムを備え、姿勢安定システムに、モータの回転角を取得するステップと、車体の姿勢角及び車体の角速度を取得するステップと、回転角、姿勢角及び角速度に基づいて、姿勢を安定に維持する車体の運動状態を演算するステップと、この演算結果に基づいてサーボアンプを制御して姿勢を安定に維持させた状態において車台を移動させるステップと、を実行させる。

第９実施態様に係る全方向移動装置の姿勢制御方法では、まず、モータの回転角が取得され、車体の姿勢角及び車体の角速度が取得される。次に、これらの取得された回転角、姿勢角及び角速度に基づいて、姿勢を安定に維持する車体の運動状態が演算される。演算結果に基づいて、車体の姿勢を安定に維持させた状態において、車台が移動する。このため、姿勢制御方法では、全方向移動装置の車体を動力学的に安定化させて、車台を移動させることができる。

本発明によれば、静力学的に不安定な車体を動力学的に安定化し、しかも推進力を向上させ、かつ、静粛性を改善することができる全方向移動装置及びその姿勢制御方法を提供することができる。

本発明の第１実施の形態に係る全方向移動装置を前方右斜め上方から見た外観斜視図である。 （Ａ）は図１に示される全方向移動装置を上方から見た平面図、（Ｂ）は同全方向移動装置を前方から見た正面図、（Ｃ）は同全方向移動装置を側面から見た側面図である。 （Ａ）は図１に示される全方向移動装置の車台を前方右斜め上方から見た外観斜視図、（Ｂ）は車台を上方から見た平面図、（Ｃ）は車台を前方から見た正面図、（Ｄ）は車台を側面から見た側面図である。 （Ａ）は図３に示される車台の１つのホイール及びこのホイールを有する駆動ユニットを前方斜め上方から見た外観斜視図、（Ｂ）は駆動ユニットを上方から見た平面図、（Ｃ）はホイール及び駆動ユニットを前方側から見た正面図、（Ｄ）はホイール及び駆動ユニットを側面側から見た側面図である。 （Ａ）図１に示される全方向移動装置の自在継手及びロック装置を上方から見た一部断面を含む要部拡大平面図、（Ｂ）は自在継手及びロック装置を側面から見た要部拡大側面図である。 図１に示される全方向移動装置に組み込まれる姿勢安定システムを説明するブロック図である。 （Ａ）は三次元座標系において第１実施の形態に係る全方向移動装置をモデル化して示す概略斜視図、（Ｂ）は第１実施の形態に係る全方向移動装置の車台及びホイールをモデル化して示す概略平面図である。 図６に示される姿勢安定システムのアルゴリズムを説明するブロック図である。 図６に示される姿勢安定システムの姿勢制御方法を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施の形態に係る全方向移動装置を前方右斜め上方から見た外観斜視図である。 （Ａ）は図１０に示される全方向移動装置を上方から見た平面図、（Ｂ）は同全方向移動装置を後方から見た背面図、（Ｃ）は同全方向移動装置を側面から見た側面図である。 （Ａ）は図１０に示される全方向移動装置の車台を後方左斜め上方から見た外観斜視図、（Ｂ）は車台を上方から見た平面図、（Ｃ）は車台を前方から見た正面図、（Ｄ）は車台を側面から見た側面図である。 （Ａ）は図１２に示される車台の１つのホイール及びこのホイールを有する駆動ユニットを前方右斜め上方から見た外観斜視図、（Ｂ）はホイール及び駆動ユニットを上方向から見た平面図、（Ｃ）はホイール及び駆動ユニットを前方から見た正面図、（Ｄ）はホイール及び駆動ユニットを側面から見た側面図である。 （Ａ）は三次元座標系において第２実施の形態に係る全方向移動装置をモデル化して示す概略斜視図、（Ｂ）は第２実施の形態に係る全方向移動装置の車台及びホイールをモデル化して示す概略平面図である。

（第１実施の形態）
以下、図１～図９を用いて、本発明の第１実施の形態に係る全方向移動装置及びその姿勢制御方法を説明する。
なお、図中、適宜示される矢印X 方向は全方向移動装置（車両）の車両前方向を示し、矢印Y 方向は矢印X 方向と直交する全方向移動装置の車両幅方向を示している。すなわち、矢印X 方向、矢印Y 方向は、三次元座標の水平面を示すX 軸方向、Y 軸方向に一致する。また、矢印Z 方向は矢印X 方向及び矢印Y 方向に対して直交する方向において車両上方向を示している。矢印Z 方向は三次元座標の垂直方向を示すZ 軸方向に一致する。
ここで、全方向移動装置の適用方向が本実施の形態に限定されるものではない。

［全方向移動装置の構成］
図１及び図２（Ａ）～図２（Ｃ）に示されるように、本実施の形態に係る全方向移動装置１は、全方向へ移動可能な車台２と、車台２上に配設された車体３と、車台２を移動させ、かつ、車体３の姿勢を安定に維持する姿勢安定システム４とを備えている。さらに、全方向移動装置１は車台２と車体３とを連結する自在継手５を含んで構成されている。ここで、全方向とは、旋回を含めて、平面上の前後左右、斜め方向の全ての方向という意味において使用されている。

（１）車台２の構成
図１及び図２（Ａ）～図２（Ｃ）、特に図３（Ａ）～図３（Ｄ）に示されるように、車台２は車台本体２１を備えている。この車台本体２１は、底板部２１１と、天板部２１２と、側板部２１３とを含んで構成されている。
底板部２１１は、車両上下方向を厚さ方向とする板材を用いて形成され、平面視において車両前後方向及び車両左右幅方向に突出する十字形状に形成されている。
天板部２１２は底板部２１１の上方に底板部２１１から離間して配置されている。天板部２１２は、底板部２１１と同様に、車両上下方向を板厚方向とする板材を用いて形成され、平面視において十字形状の板材により形成されている。
側板部２１３は底板部２１１と天板部２１２との間に設けられている。この側板部２１３は、平面方向を板厚方向とする板材を用い、板厚方向を直交させた２枚の板材を繋いで形成され、平面視において周辺側に開口されたＶ字形状に形成されている。この２枚の板材を繋いだＶ字形状の側板部２１３は、平面視において底板部２１１及び天板部２１２の十字形状に突出する部位に、ここでは４箇所に配置されている。なお、Ｖ字形状の側板部２１３は１枚の板材を折り曲げて形成してもよい。

底板部２１１、天板部２１２、側板部２１３はここでは十分な機械的強度を有する金属材料又は樹脂材料により形成されている。例えば、金属材料として、鉄、ステンレス鋼を含む鉄合金及びアルミニウム合金から選択された少なくとも１つが使用されている。樹脂材料として、炭素繊維強化プラスチック（CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic）及びガラス繊維強化プラスチック（GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastic）から選択された少なくとも１つが使用されている。

隣合うＶ字形状の側板部２１３間において、車台本体２１には姿勢安定システム４を構築する駆動ユニット２２が配設されている。詳しく説明すると、底板部２１１及び天板部２１２の十字形状の車両前方側に突出した部位と、全方向移動装置１に搭乗した搭乗者から見て車両幅方向右側に突出した部位との間に駆動ユニット２２Ａが配設されている。同様に、底板部２１１及び天板部２１２の十字形状の車両後方側に突出した部位と車両幅方向右側に突出した部位との間に駆動ユニット２２Ｂが配設されている。底板部２１１及び天板部２１２の十字形状の車両後方側に突出した部位と車両幅方向左側に突出した部位との間に駆動ユニット２２Ｃが配設されている。そして、底板部２１１及び天板部２１２の十字形状の車両前方側に突出した部位と車両幅方向左側に突出した部位との間に駆動ユニット２２Ｄが配設されている。
すなわち、駆動ユニット２２は合計４個の駆動ユニット２２Ａ～駆動ユニット２２Ｄを備えている。駆動ユニット２２は、２個以上を備えることを基本構成としているが、本実施の形態では３個以上を備え、走行路に対する車台２の静力学的な安定性が確保されている。

特に図４（Ａ）～図４（Ｄ）に示されるように、駆動ユニット２２の駆動ユニット２２Ａは、駆動ユニット筐体２２１を備え、モータ２６と、減速機２４と、図１及び図２に示されるサーボアンプ２８と、を含んで構成されている。
駆動ユニット筐体２２１は、前壁２２１Ａと、後壁２２１Ｂと、左右一対に配置された側壁２２１Ｃ及び側壁２２１Ｄと、天壁２２１Ｅとを有し、底面の一部（後述するホイール２３の配設部分）が開放された箱状に形成されている。前壁２２１Ａは車台外側に配置され、後壁２２１Ｂは前壁２２１Ａよりも車台内側に配置されている。側壁２２１Ｃ及び側壁２２１Ｄは前壁２２１Ａと後壁２２１Ｂとの間に互いに離間して配置されている。天壁２２１Ｅは前壁２２１Ａ、後壁２２１Ｂ、側壁２２１Ｃ、側壁２２１Ｄのそれぞれの上部に配置されている。

モータ２６は、電動モータであり、駆動ユニット筐体２２１の後壁２２１Ｂに装着されている。このモータ２６の図示を省略した駆動回転軸は、駆動ユニット筐体２２１内部に配設された図示を省略した減速機２４の減速回転軸２４１の一端（図示省略）に連結されている。減速回転軸２４１の他端は、駆動ユニット筐体２２１の前壁２２１Ａに、回転軸ａ（図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）参照）を中心として回転自在に支持されている。

減速回転軸２４１には全方向へ車台２を移動可能なホイール２３が配設されている。図４（Ｄ）に示されるように、ホイール２３は、減速回転軸２４１の車台外側に取り付けられた第１オムニホイール２３１と、減速回転軸２４１の車台内側に取り付けられた第２オムニホイール２３２とを備えている。すなわち、第１オムニホイール２３１、第２オムニホイール２３２は、減速回転軸２４１の回転軸ａ方向に沿ってこの減速回転軸２４１に２連構成により取付けられている。

図４（Ｃ）に示されるように、第１オムニホイール２３１は、減速回転軸２４１に固定された円板状の駆動車輪２３１Ａの円周上に、円周方向を回転軸ｂ方向としてフリーに回転する樽状のローラ２３１Ｂを複数配設して構成されている。回転軸ｂは回転軸ａに対してねじれの位置において直交している。ローラ２３１Ｂは、駆動車輪２３１Ａの円周上に、等間隔の配列ピッチにおいて、ここでは５個配列されている。
一方、図４（Ｄ）に示されるように、第２オムニホイール２３２は、第１オムニホイール２３１と同様に、減速回転軸２４１に固定された円板状の駆動車輪２３２Ａの円周上に、円周方向を回転軸方向としてフリーに回転する樽状のローラ２３２Ｂを複数配設して構成されている。ローラ２３２Ｂは、駆動車輪２３２Ａの円周上に等間隔の配列ピッチにおいてローラ２３１Ｂと同数配列され、ローラ２３１Ｂの配列ピッチに対して半ピッチ分ずらして配列されている。

図３（Ａ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）及び図４（Ａ）～図４（Ｄ）示されるように、駆動ユニット２２Ａは緩衝装置２７を介して車台本体２１に配設されている。緩衝装置２７は、走行路からホイール２３を介して車台２に伝達される振動を減衰させて小さくする。詳しく説明すると、この個数に限定されるものではないが、図４（Ａ）～図４（Ｄ）に示されるように、緩衝装置２７は、駆動ユニット筐体２２１の側壁２２１Ｃに配設された第１緩衝セル２７１及び第２緩衝セル２７２と、側壁２２１Ｄに配設された第３緩衝セル２７３及び第４緩衝セル２７４との合計４個を含んで構成されている。

第１緩衝セル２７１は、側壁２２１Ｃの下部に配設され、第１支持部２７Ａと、第２支持部２７Ｂと、連結部２７Ｃと、図示を省略した緩衝材とを備えている。
第１支持部２７Ａは、側壁２２１Ｃに支持され、この側壁２２１Ｃから外側へ立設されている。第２支持部２７Ｂは、図３（Ａ）～図３（Ｄ）に示される車台本体２１の側板部２１３の下部に支持され、この側板部２１３から外側へ立設されて第１支持部２７Ａと平行に配置されている。連結部２７Ｃは、第１支持部２７Ａ及び第２支持部２７Ｂを取り囲むリング状に形成され、第１支持部２７Ａと第２支持部２７Ｂとを連結すると共に、第１支持部２７Ａ、第２支持部２７Ｂのそれぞれを中心として回動する構成とされている。緩衝材には例えばラバースプリングが使用されている。
この緩衝材は、第１支持部２７Ａと連結部２７Ｃとの間と、第２支持部２７Ｂと連結部２７Ｃとの間に挿入され、第１支持部２７Ａ、第２支持部２７Ｂのそれぞれに対して連結部２７Ｃを回動可能に支持している。そして、緩衝材では、第１支持部２７Ａから連結部２７Ｃへ伝達される振動を減衰し、連結部２７Ｃから第２支持部２７Ｂへ伝達される振動を減衰させることができる。

第２緩衝セル２７２は、側壁２２１Ｃの上部において、第１緩衝セル２７１の上方に第１緩衝セル２７１と平行に配設されている。第２緩衝セル２７２は、第１緩衝セル２７１と同一の構成とされ、第１支持部２７Ａ、第２支持部２７Ｂ、連結部２７Ｃ及び緩衝材を備えている。
第３緩衝セル２７３及び第４緩衝セル２７４は、駆動ユニット筐体２２１の側壁２２１Ｄと車台本体２１の側板部２１３との間に配設され、第１緩衝セル２７１及び第２緩衝セル２７２と同一の構成とされている。

そして、図３（Ａ）～図３（Ｄ）に示される駆動ユニット２２の駆動ユニット２２Ｂ～駆動ユニット２２Ｄは、駆動ユニット２２Ａと同一の構成とされている。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、車台本体２１の底板部２１１及び天板部２１２の車両前後方向へ突出する方向（矢印X 方向）に対して、駆動ユニット２２Ａ及び駆動ユニット２２Ｃの配列方向は平面視において時計回りに４５度傾けて設定されている。駆動ユニット２２Ｄ及び駆動ユニット２２Ｂの配列方向は、同一方向に対して、反時計回りに４５度傾けて設定されている。
なお、駆動ユニット２２Ａ～駆動ユニット２２Ｄの配列方向は本実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記同一方向に対して、駆動ユニット２２Ａ及び駆動ユニット２２Ｃの配列方向は時計回りに３０度又は６０度傾けて設定し、駆動ユニット２２Ｄ及び駆動ユニット２２Ｂの配列方向は反時計回りに３０度又は６０度傾けて設定してもよい。

（２）車体３の構成
図１及び図２（Ａ）～図２（Ｃ）に戻って、車体３は、車体本体３１と、ハンドル３２と、足置き部３３とを含んで構成されている。車体本体３１は車台２上に配設されている。車体本体３１は、平面視において、車台２を覆う、大凡、矩形状に形成されている。車体本体３１の車両上下方向の外径寸法は、車台２の同一方向の外径寸法と同等か、それよりも大きい設定とされている。

車体本体３１の車両前端部中央には上方に立設されたハンドルサポート３２１が配設され、ハンドルサポート３２１の上端部にハンドル３２が装着されている。ハンドル３２は車両幅方向外側へ向かって左右にそれぞれ突出された棒状に形成され、搭乗者はハンドル３２に捕まって立ち状態において全方向移動装置１を走行させる。ハンドル３２は、ここでは、垂直軸（Z 軸）周りに旋回しない固定式とされている。
図示を省略しているが、全方向移動装置１の走行の開始や停止を行う始動スイッチ、全方向移動装置１の走行中の速度を制動するブレーキ等はハンドル３２周りに装着されている。また、保安部品として、ライト、フロントウインカ等が、ハンドル３２又はハンドルサポート３２１に装着可能である。さらに、保安部品としてのリアウインカ、ブレーキランプ等が、車体本体３１の車両後端部の適正箇所に装着可能である。
なお、車体本体３１は、車台本体２１の底板部２１１等と同様に、金属材料又は樹脂材料により形成されている。

足置き部３３は、車体本体３１の車両前後方向中間部において、車両幅方向外側に左右一対に配設されている。足置き部３３は、車両前後方向及び車両幅方向に広がる平坦部位を備え、搭乗者の右足及び左足を載せる部位として使用されている。

車体本体３１の前端部において、ハンドルサポート３２１よりも車両幅方向外側には左右一対に車体カバー３４が取り付けられている。この車体カバー３４の内部には、前述の駆動ユニット２２を構築するサーボアンプ２８が収納されている。
また、車体本体３１の車両前後方向中間部から後端部にわたって、一対の足置き部３３に挟まれた部位には車体カバー３５が取り付けられている。この車体カバー３５の内部には、姿勢安定システム４の制御ユニット４０（図６参照）の一部が収納されている。
なお、足置き部３３を含み、車体カバー３４及び車体カバー３５は、車台本体２１の底板部２１１等に使用される樹脂材料と同一樹脂材料により形成されている。樹脂材料が使用されることにより、複雑な形状が簡単に成形可能である。

（３）自在継手５の構成
図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図３（Ａ）～図３（Ｄ）、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）、特に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、自在継手５は、第１回転軸５１と、第２回転軸５２と、スパイダ５５とを含んで構成されている。

スパイダ５５は、車両上下方向を軸方向とする中空角筒状に形成され、車両前後方向に対向する外周面５５Ａ及び外周面５５Ｂと、車両幅方向左右に対向する外周面５５Ｃ及び外周面５５Ｄとを有し、平面視において矩形状の端面形状に形成されている。実際には、隣接する外周面５５Ａと外周面５５Ｃとの間等、外周面間に面取りが施されているので、スパイダ５５の端面形状は八角形状に形成されている。

第１回転軸５１は、車台２の移動方向の１つ、ここでは車両幅方向を第１軸方向y として構成され、車体本体３１の車両前後方向の中間下部に第１軸方向y に沿って互いに離間されて一対に設けられている。一対のうちの一方の第１回転軸５１は、スパイダ５５の外周面５５Ｃにこの外周面５５Ｃから車両幅方向右側へ突出して形成されている。他方の第１回転軸５１は、外周面５５Ｄにこの外周面５５Ｄから車両幅方向左側へ突出して形成されている。一方の第１回転軸５１よりも他方の第１回転軸５１の第１軸方向y の長さは長く設定されている。第１回転軸５１は、スパイダ５５に固定され、スパイダ５５に一体に、又は接合されて形成されている。

この一対の第１回転軸５１は、第１軸方向y において互いに離間された一対の第１支持部５３を介して車体本体３１の車両前後方向中間部に支持されている。
詳しく説明すると、一方の第１回転軸５１は、スパイダ５５の車両幅方向右側に配置され、かつ、外周面５５Ｃに対向して配置された一対のうちの一方の第１支持部５３に固定されたベアリング５３Ａに嵌込まれている。他方の第１回転軸５１は、スパイダ５５の車両幅方向左側に配置され、かつ、外周面５５Ｄに対向して配置された他方の第１支持部５３に固定されたベアリング５３Ｂに嵌込まれている。

第２回転軸５２は、車台２の移動方向の他の１つであって第１軸方向y と交差する、ここでは直交する車両前後方向を第２軸方向x として構成され、車台２の天板部２１２の中央上部に第２軸方向x に沿って互いに離間されて一対に設けられている。本実施の形態では、第２軸方向x は第１軸方向y と同一平面上に設定されている。一対のうちの一方の第２回転軸５２は、スパイダ５５の外周面５５Ａにこの外周面５５Ａから車両前方側へ突出して形成されている。他方の第２回転軸５２は、外周面５５Ｂにこの外周面５５Ｂから車両後方側へ突出して形成されている。一方の第２回転軸５２よりも他方の第２回転軸５２の第２軸方向x の長さは長く設定されている。第２回転軸５２は、第１回転軸５１と同様にスパイダ５５に固定されている。

この一対の第２回転軸５２は、第２回転軸x において互いに離間された一対の第２支持部５４を介して天板部２１２の中央部位に支持されている。
詳しく説明すると、一方の第２回転軸５２は、スパイダ５５の車両前方側に配置され、かつ、外周面５５Ａに対向して配置された一対のうちの一方の第１支持部５４に固定されたベアリング５４Ａに嵌込まれている。他方の第２回転軸５２は、スパイダ５５の車両後方側に配置され、かつ、外周面５５Ｂに対向して配置された他方の第２支持部５４に固定されたベアリング５４Ｂに嵌込まれている。

このように構成される自在継手５は第１回転軸５１を中心として車台２に対して車体３を回転可能（回動可能）とし、かつ、第２回転軸５２を中心として車台２に対して車体３を回転可能（回動可能）としている。従って、自在継手５の対偶は２に設定されている。
自在継手５の第１回転軸５１、第２回転軸５２、スパイダ５５は、いずれも、機械的強度が高い、例えば金属材料により形成されている。
また、本実施の形態では、自在継手５の第１回転軸５１及び第２回転軸５２は同一平面上に設定されているが、第１回転軸５１が第２回転軸５２よりも車両下方側に配置されて第１回転軸５１と第２回転軸５２とがねじれの位置とされてもよい。

（４）ロック装置７の構成
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、ロック装置７は、自在継手５の第１回転軸５１に装着された第１ロック装置７１と、第２回転軸５２に装着された第２ロック装置７２とを含んで構成されている。さらに、ロック装置７は、第１ロック装置７１及び第２ロック装置７２を作動させるロック作動部７３を備えている。

第１ロック装置７１は、フランジ継手７１１と、ブレーキプレート（ディスク）７１２と、ブレーキキャリパ７１３とを含んで構成されている。
フランジ継手７１１は、他方の第１回転軸５１の第１支持部５３よりも車両幅方向左側へ突出された端部に固定され、ブレーキプレート７１２を連結する構成とされている。連結には、ボルトナット等の締結部材が使用されている。
ブレーキプレート７１２は、フランジ継手７１１との連結部位から車両後方側へ向かって延設され、車両幅方向を板厚方向とし、車両側面視において扇形状（図５（Ｂ）に示されるブレーキプレート７２２を参照）の金属製板材により形成されている。第１回転軸５１の回転範囲は例えば最大３０度以内の角度範囲に限られている。このため、ブレーキプレート７１２は、円形状ではなく、第１回転軸５１を中心として第１回転軸５１の回転範囲と同等の角度から二倍の角度までの範囲において広がりを有する扇形状を持って足りる。

ブレーキキャリパ７１３は、ブレーキプレート７１２の延設された部位をブレーキパッド７１４を介して両面から挟込む構成とされている。つまり、ブレーキキャリパ７１３は、ブレーキプレート７１２を挟込み、ブレーキプレート７１２とブレーキパッド７１４との間に摩擦を発生させて第１回転軸５１周りのブレーキプレート７１２の回転をロックする。ブレーキキャリパ７１３はブラケット７１５を介して車体本体３１に取付けられている。取付けには、ボルトナット等の締結部材が使用されている。

第２ロック装置７２は、第１ロック装置７１と同様の構成とされ、フランジ継手７２１と、ブレーキプレート７２２と、ブレーキキャリパ７２３とを含んで構成されている。
フランジ継手７２１は、他方の第２回転軸５２の第２支持部５４よりも車両後方側へ突出された端部に固定され、ブレーキプレート７２２を連結する構成とされている。
ブレーキプレート７２２は、フランジ継手７２１との連結部位から車両幅方向右側へ向かって延設され、車両前後方向を板厚方向とし、車両後方視においてブレーキプレート７１２と同様に扇形状の金属製板材により形成されている。

ブレーキキャリパ７２３は、ブレーキプレート７２２の延設された部位をブレーキパッド７２４を介して両面から挟込む構成とされている。つまり、ブレーキキャリパ７２３は、ブレーキプレート７２２を挟込み、ブレーキプレート７２２とブレーキパッド７２４との間に摩擦を発生させて第２回転軸５２周りのブレーキプレート７２２の回転をロックする。ブレーキキャリパ７２３はブラケット７２５を介して天板部２１２に取付けられている。

ロック作動部７３は、図５（Ａ）に簡略化してブロックとして示されているが、本実施の形態では、油圧式ロック作動部又は機械式ロック作動部として構成されている。
図示は省略するが、油圧式ロック作動部は、ブレーキレバーと、マスタシリンダと、マスタシリンダとブレーキキャリパ７１３及びブレーキキャリパ７２３との間を連結するブレーキホースとを含んで構成されている。ブレーキレバー及びマスタシリンダは図１等に示されるハンドル３２に装着されている。搭乗者がブレーキレバーを握ると、マスタシリンダ内のブレーキフルードが加圧され、ブレーキフルードはブレーキホースを通してブレーキキャリパ７１３、ブレーキキャリパ７２３のそれぞれの内部のピストンを加圧する。これにより、ブレーキパッド７１４はブレーキプレート７１２に押付けられ、双方の間に摩擦が発生する。同様に、ブレーキパッド７２４はブレーキプレート７２２に押付けられ、双方の間に摩擦が発生する。
機械式ロック作動部では、油圧式ロック作動部のブレーキレバーからブレーキパッドへの力の伝達にワイヤと梃の原理とが使用されている。

また、ロック作動部７３は、図５（Ａ）及び図６に示されるように、後述する姿勢安定システム４を構築する演算処理部４３に接続されている。ロック作動部７３では、車台２の移動を停止する際に、演算処理部４３へロック作動を表す信号が出力される構成とされている。すなわち、ロック装置７は、車台２の移動の際に車体３の姿勢を変化可能とし、車台２の移動を停止する際において車体３の姿勢をロックし、かつ、演算処理部４３を介して車台２の移動を停止させる構成とされている。
さらに、車台２が停止状態の際には、演算処理部４３からロック作動を表す信号がロック作動部７３へ出力される構成とされている。これにより、ロック装置７では、車台２の停止状態の際に車体３の姿勢をロックすることができる。

なお、ロック作動部７３は、ブレーキレバー方式に代えて、図１等に示される足置き部３３に装着されるフットブレーキ方式としてもよい。また、ロック作動部７３は、電磁石を用いてブレーキパッド７１４及びブレーキパッド７２４を移動させる電磁式ロック作動部としてもよい。
さらに、ロック装置７の第１ロック装置７１は一対として第１回転軸５１の両端部に各々装着し、同様に第２ロック装置は一対として第２回転軸５２の両端部に各々装着してもよい。この場合、車体３の姿勢をロックする制動力を向上させることができる。

（５）姿勢安定システムの構成
姿勢安定システム４は、図１～図４に示される駆動ユニット２２と、図６に示される制御ユニット４０とを含んで構成されている。制御ユニット４０は、角度検出部と、姿勢角度検出部４２と、演算処理部４３とを含んで構築されている。制御ユニット４０は、更にデジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）４４を備えている。制御ユニット４０の大半の構成要素は、図１及び図２（Ａ）～図２（Ｃ）に示される車体本体３１に搭載され、車体カバー３５の内部に収納されている。

また、姿勢安定システム４は、操作表示部４１、電源４６のそれぞれを備えている。
姿勢安定システム４では、車体３の姿勢を安定に維持した状態において、車台２を走行させることができる。

詳しく説明すると、角度検出部は、符号を付していないが、図６に示されるように、モータ２６に装着されたセンサと、サーボモータ２８と、パルスカウンタ４５とを含んで構成されている。センサには、モータ２６の回転軸の回転速度と位置とを検出するエンコーダ（Encoder）、又は回転軸の回転角度を検出するレゾルバ（Resolver）が使用されている。サーボモータ２８は、センサから出力される信号を増幅し、パルスカウンタ４５に出力する。パルスカウンタ４５は、回転軸の単位時間当たりの回転数をカウントして回転角情報を生成し、この回転角情報を演算処理部４３へ出力する。

図６に示される姿勢角度検出部４２は車体本体３１に装着されている。姿勢角度検出部４２には、例えば慣性計測装置（IMU：Inertial Measurement Unit）が使用されている。姿勢角度検出部４２は、車体３の姿勢角を検知して姿勢角情報を取得し、更に車体３の各軸周りの姿勢角の変化に伴う角速度を検知して角加速度情報を取得する。
ここで、姿勢角度検出部４２では、自在継手５の第１回転軸５１を中心として回転する車体３の姿勢角及び角速度、第２回転軸５２を中心として回転する車体３の姿勢角及び角速度のそれぞれに基づく姿勢角情報及び角速度情報が取得される。

演算処理部４３は、車台２に対する車体３の姿勢を安定に維持する車体３の運動状態を演算し、この演算結果に基づいてサーボアンプ２８を介してホイール２３の回転を制御して、車体３の姿勢を安定に維持させて車台２を走行させるトルク指令情報を生成する。このトルク指令情報はデジタルアナログ変換器４４へ出力される。演算処理部４３には例えばmini-ITX規格準拠の組込み用パーソナルコンピュータが使用されている。詳細な制御方法は後述する。

デジタルアナログ変換器４４はトルク指令情報を取得する。デジタルアナログ変換器４４では、トルク指令情報がデジタル情報からアナログ情報に変換される。このアナログ情報に変換されたトルク指令情報はサーボアンプ２８へ出力され、トルク指令情報に基づいてサーボアンプ２８はモータ２６の回転を制御する。また、演算処理部４３はサーボアンプ２８へシーケンス指令情報を出力する。

操作表示部４１は、姿勢安定システム４の起動及び終了の操作、姿勢安定システム４の動作状態の表示等を行う。
そして、姿勢安定システム４には着脱自在とされる電源４６が搭載されている。電源４６には二次電池、具体的にはバッテリが使用されている。また、電源４６は、制御系に電源を供給する二次電池と、動力系に電源を供給する二次電池とを含んで構成されている。詳しく説明すると、制御系には、姿勢角度検出部４２、操作表示部４１、演算処理部４３、デジタルアナログ変換器４４及びパルスカウンタ４５が含まれている。一方、動力系には、サーボアンプ２８及びモータ２６が含まれている。電源４６は、車体カバー３５の内部に収納されている。

［全方向移動装置の姿勢制御方法］
前述の全方向移動装置１の姿勢制御方法は以下の通りである。ここで、図７（Ａ）は三次元座標系において第１実施の形態に係る全方向移動装置１をモデル化して示す概略斜視図、図７（Ｂ）は全方向移動装置１の車台２及びホイール（オムニホイール）２３をモデル化して示す概略平面図である。図８は姿勢制御方法を実現するアルゴリズムを説明するブロック図である。図９は姿勢制御方法を説明するフローチャートである。また、姿勢制御方法の説明では、適宜、図１～図６が参酌される。

（１）全方向移動装置１の車台２の運動学
まず最初に、図１～図６に示される全方向移動装置１の車台２及び車体３の運動学を、図７（Ａ）を用いて説明する。ここで、三次元座標はX 軸X₀ 、Y 軸Y₀ 、Z 軸Z₀ により表されている。

全方向移動装置１において、車台２の車両前後方向の軸はX_c 軸、車台２の車両幅方向の軸はY_c 軸、自在継手５の中心を通る車台２の上下方向の軸はZ_c 軸と定義される。

車台２に取り付けられた自在継手５の位置の速度ベクトルv_c は下記式（１）により表される。

車台２の角速度ベクトルω_c は下記式（２）により表される。

車台２の中心２Ｃを始点とするk 番目のホイール２３の中心の位置ベクトルp_k は下記式（３）により表される。ここで、本実施の形態では４つの駆動ユニット２２Ａ～２２Ｄを備え、４つのホイール２３を備えているので、k は１、…、４である。ホイール２３は、図４（Ｄ）に示される第１オムニホイール２３１及び第２オムニホイール２３２を１つのオムニホイールと見なしている。

k 番目のホイール２３の角速度ベクトルをω_k とし、角速度ベクトルω_k は角速度ベクトルω_k の大きさ（|ω_k|）とされる。
ホイール２３の中心を始点とするホイール２３の接地点の位置ベクトルは下記式（４）により表される。r_w はホイール２３の半径である。

k 番目のホイール２３の接地点を始点とするローラ２３１Ｂ又はローラ２３２Ｂ（以下、単に「ローラ２３Ｂ」と省略する）の回転軸ｂと平行な単位ベクトル（オムニホイールの接線ベクトル）t_k は下記式（５）により表される。

上記定義により、k 番目のホイール２３の接地点の速度v_k は下記式（６）により表される。ここで、下記式（６）において、記号「×」はベクトル積を表す。

k 番目のホイール２３のローラ２３Ｂが接地点において接地し、ローラ２３Ｂが軸方向に滑らないと仮定すると、速度v_k と単位ベクトルt_k との間に下記式（７）の関係が成立する。ここで、下記式（７）において、記号「・」はスカラー積を表す。

上記式（６）を式（７）に代入し、角速度ベクトルω_c 、位置ベクトルp_k 、角速度ベクトルω_k 及び単位ベクトルt_k がZ 軸Z₀ と直交し、角速度ベクトルω_c 及び半径r_wがZ 軸Z₀ に平行であり、更に角速度ベクトルω_k と単位ベクトルt_k とが直交していることを考慮すると、下記式（８）が得られる。

k を１、…、４として上記式（８）を纏めて表記すると、下記式（９）が得られる。

特に、位置ベクトルp_k と単位ベクトルt_k とが直交する場合（位置ベクトルp_k と角速度ベクトルω_k とが平行な場合）、上記式（９）は下記式（１０）により表される。

車台２の一般化速度ベクトル、ホイール２３の角速度を纏めたベクトルω_w 、速度伝達行列T は、各々、下記式（１１）～下記式（１３）により定義される。

上記定義により、ホイール２３の角速度ω_w と車台２の一般化速度ベクトルとの関係は下記式（１４）により表される。ここで、一般化速度ベクトルは台車２の一般化座標q_c の時間微分である。

上記式（１４）は一般化速度ベクトルの優決定系であり、一般化速度ベクトルの最小二乗解は速度伝達行列T の一般化逆行列を用いて、下記式（１５）により与えられる。

T^T は速度伝達行列T の転置行列を表す。ホイール２３の配置が適切であれば、T^TT の逆行列が存在する。

仮想仕事の原理に基づいて、ホイール２３のトルクを纏めたベクトルτ_w と車台２の下記式（１６）により表される一般化力ベクトルとは下記式（１７）の関係を満たす。

ここで、単位ベクトルf_x は車台２のX_c軸方向の推進力、f_y は車台２のY_c 軸方向の推進力、τ_z は車台２のZ_c 軸周りの旋回トルクである。

上記式（１７）はベクトルτ_w の劣決定系であり、ベクトルτ_w の最小ノルム解はT^T の一般化逆行列を用いて、下記式（１８）により与えられる。

例えば、図７（Ｂ）に示されるように、車台２の中心２Ｃから各ホイール２３までの距離p がすべて等しい場合、かつ、各ホイール２３が互いに９０度に等間隔に配列された場合、上記式（１３）に記述された速度伝達行列T のそれぞれの行列成分は下記式（１９）に示される値となる。

この値を上記式（１３）に代入すると、下記式（２０）に示される通り、速度伝達行列T を算出することができる。

（２）全方向移動装置１の車体３の運動学
全方向移動装置１において、車体３の車両前後方向の軸はX_b 軸、車体３の車両幅方向の軸はY_b 軸、車体３の上下方向の軸はZ_b 軸と定義される。
車体３は、X₀ 軸－Y₀ 軸水平面内を移動（走行）する全方向移動装置１の車台２に自在継手５を介して連結されている。自在継手５により、車体３は、車台２に対して、Y 軸（第１軸方向y ）周り及びX軸（第２軸方向x ）周りに自由に回転して傾く構成とされている。また、車体３は、車台２の旋回に追従して、Z 軸周りに旋回する構成とされている。

車体３の姿勢行列R_b は、これらの３軸に関する姿勢角を使って、下記式（２１）により表される。

Rot(A, θ )はA 軸周りに角度θ だけ回転させるときの回転変換行列を表している。ここで、α 、β 、γ はそれぞれヨー角、ピッチ角、ロール角である。

図７（Ａ）に示される車体３の重心３Ｇは、車体３に固定された座標系では下記式（２２）に示される定数ベクトルである。この定数ベクトルは基準座標系では下記式（２３）により表される。

車体３の角速度ω_b はX軸周り、Y 軸周り及びZ軸周りの回転に起因するので、下記式（２４）に示す通り、角速度ω_b を計算することができる。

車体３の旋回は、車台２の旋回と等しく、下記式（２５）により表される。

車体３の速度v_b は下記式（２６）により与えられる。

（３）全方向移動装置１の動力学
１．運動方程式の導出
全方向移動装置１において、車台２の質量はm_c、車台２のZ 軸周りの慣性モーメントはJ_czと定義される。車台２の運動エネルギは、車台２の並進運動の運動エネルギと回転運動の運動エネルギとの和であり、下記式（２７）により表される。

一方、車体３の質量はm_b と定義される。車体３に固定された座標系において、車体３の重心３Ｇ周りの慣性テンソルは、定数行列となり、下記式（２８）により表される。

車体３の運動エネルギは、車体３の並進運動の運動エネルギと回転運動の運動エネルギとの和であり、下記式（２９）により表される。

車体３のポテンシャルエネルギは下記式（３０）により与えられる。ここで、g は重力加速度ベクトルである。

下記式（３１）に示される全方向移動装置１全体のラグランジュアン（Lagrangian）を用いて、全方向移動装置１の運動方程式は下記式（３２）により与えられる。

ここで、f_x は車台２の車両前後方向の推進力、f_y は車台２の車両前後方向の推進力、τ_z は車台２の旋回トルクである。

基準座標系において、車台２の自在継手５の水平方向の位置座標を(x,y) と定義する。
下記式（３３）に示される全方向移動装置１の一般化座標を選ぶと、上記式（３２）に示される運動方程式は下記式（３４）により表される。

２．線形近似モデル
下記式（３５）に示される車体３の平衡状態の近傍において、上記式（３４）に示される運動方程式の線形近似モデルは下記式（３６）により表される。

上記式（３６）に示される運動方程式に含まれる部分行列は、下記式（３７）～式（４０）に示される通りである。

上記式（３６）に示される線形近似モデルの入力は車台２の一般化力Q_c である。車台２の一般化加速度を新たな入力（一般化目標加速度）u として上記式（３６）を書き換えると、線形近似モデルは下記式（４１）により表される。

一般化力Q_c と新たな入力u とは下記式（４２）に示す関係を満たしている。

上記式（４１）に示される新たな線形近似モデルを用いて全方向移動装置１の移動を制御するには、下記式（４３）に示される全方向移動装置１の状態量に基づいて、線形近似モデルを安定化させる新たな入力u が求められる。

この新たな入力u に基づいて、上記式（４２）により車台２が発生する一般化力Q_c が演算される。この演算結果に基づき、ホイール２３が発生するトルクが上記式（１８）により演算されて求められる。

（４）全方向移動装置１の制御方法
１．車体の安定化
全方向移動装置１では、車体３が車台２に自在継手５を用いて連結されているので、走行時に車体３の姿勢を安定に維持する車台２の適切な運動が必要とされる。このため、本実施の形態では、全方向移動装置１に姿勢安定システム４が組み込まれている。
車台２の適切な運動を求めるため、下記式（４４）に示される車体３の状態量の部分空間を状態量として、上記式（４１）に示される線形近似モデルのサブシステムが作成される。

このサブシステムは下記式（４５）により表される。

上記式（４５）に示されるサブシステムを安定化する入力u、すなわち車台２の一般加速度が算出される。

サブシステム中の行列は下記式（４６）により表される。ここで、O_n はn 次正方零行列を意味する。

上記式（４５）に示されるサブシステムに対して、一例として半正定の重み行列Q_d により決まる二次形式評価規範を最小化する静的な安定化フィードバック制御を用いると、走行時の車体３の姿勢を安定に保つことができる。
ここで、二次形式評価規範は下記式（４７）により示される。また、静的な安定化フィードバック制御は下記式（４８）により表される。

２．摩擦や外乱が駆動系に及ぼす影響の低減
全方向へ移動可能なホイール２３を駆動する際には、駆動ユニット２２の減速機２４に内在する摩擦や慣性モーメントを補償する必要がある。さらに、外乱による影響を低減する必要がある。

このため、上記式（４８）により決定される入力uを車台２の一般化目標加速度とし、この一般化目標加速度に車台２の一般化座標のフィードバック制御、ここではPID 制御（Proportional Integral Differential Controller）を加えた新たな操作量が使用される。
この新たな操作量（一般化操作加速度）は下記式（４９）により表される。

ここで、K_I、K_P、K_DはPID 制御のゲインである。

上記式（４９）のu₁ 、u₂、u₃ のそれぞれは入力uの第１成分、第２成分、第３成分である。v_xd、x_d、v_yd 、y_d、x、yのそれぞれの目標値は下記式（５０）により求められる。

上記式（４９）に示される操作量から、車台２が発生すべき一般化力は上記式（４２）と同様に下記式（５１）により演算される。

各ホイール２３が発生すべきトルクは、上記式（１８）に基づいて、下記式（５２）により演算される。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）及び図４（Ｄ）に示される駆動ユニット２２のモータ２６の回転軸（図示省略の回転子）と、減速機２４の歯車（図示省略）及び減速回転軸２４１と、ホイール２３とを含めた慣性モーメントの減速機２４の出力側における値はJ_w と定義する。また、粘性摩擦係数はF_v、慣性摩擦トルクはF_c、減速機２４の減速比はi_r と定義する。k 番目のホイール２３を駆動するモータ２６が出力すべきトルクは下記式（５３）により算出される。

ここで、τ_wk はτ_w のk 番目の成分である。また、sgn(・)は符号関数である。
上記式（５３）において、k 番目の成分であるk 番目のホイール２３の角加速度は下記式（５４）により算出される。

３．全方向移動装置１の制御手順
全方向移動装置１の制御手順は図９に示される通りである。図６及び図８を適宜参酌して、以下に制御手順について詳しく説明する。

まず、図６及び図８に示される全方向移動装置１の姿勢安定システム４において、姿勢角度検出部４２を用いて、車体３の姿勢角及び車体３の角速度が検出される。ここで、各記号、記号名並びに記号の定義は下記表（１）に示される通りである。

姿勢安定システム４の演算処理部４３において、車体３の姿勢角及び角速度が取得される（図９に示されるステップＳ１。以下、単に「Ｓ１」と記載する。）。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｄ）及び図６に示される駆動ユニット２２のモータ２６に設けられたパルスカウンタ４５を用いて、すべてのホイール２３の回転角（モータ２６の回転角）が検出される。この検出された回転角は角速度情報として演算処理部４３へ送られ、演算処理部４３は角速度情報を取得する。演算処理部４３では、角速度情報に基づいてホイール２３の角速度が演算される（Ｓ２）。
演算処理部４３において、速度伝達行列T の一般化逆行列とホイール２３の角速度の情報に基づいて、上記式（１５）により車台２の一般化速度が演算される（Ｓ３）。

演算処理部４３において、取得された車体３の姿勢角及び車体３の角速度の情報と、演算により取得された一般化速度の情報とに基づき、上記式（４４）により車体３の状態量の部分空間を構成する。演算処理部４３では、この部分空間を用いて、静的な安定化フィードバック制御の上記式（４８）により、一般化目標加速度が演算される（Ｓ４）。

演算された一般化目標加速度の情報と、一般化速度の情報とに基づき、演算処理部４３では、上記式（５０）によりv_xd 、x_d、v_yd 、y_d、x、yの各目標値が演算される。この各目標値の情報と、一般化目標加速度の情報とに基づき、演算処理部４３では上記式（４９）により車台２の一般化操作加速度が演算される（Ｓ５）。

演算された一般化目標加速度の情報と、取得された車体３の姿勢角の情報とに基づいて、演算処理部４３では、上記式（５１）により車台２が発生すべき一般化力が演算される（Ｓ６）。引き続き、演算された一般化力の情報を用いて、演算処理部４３では、上記式（５２）によりホイール２３が発生すべき出力トルクが演算される（Ｓ７）。

演算された一般化操作加速度の情報に基づき、演算処理部４３では、上記式（５４）によりホイール２３の角加速度が演算される。このホイール２３の角加速度の情報と、ホイール２３が発生すべき出力トルクの情報と、ホイール２３の角速度の情報とに基づき、演算処理部４３では、上記式（５３）によりモータ２６の出力トルクが演算される（Ｓ８）。

演算処理部４３は、演算により得られた出力トルクをトルク指令情報として、図６に示されるデジタルアナログ変換器４４へ送る。デジタルアナログ変換器４４では、トルク指令情報がデジタル情報からアナログ情報へ変換され、この変換されたトルク指令情報がサーボアンプ２８へ送られる。
サーボアンプ２８は、モータ２６を駆動制御し、ホイール２３を回転駆動させて出力トルクを発生させる。

なお、図５（Ａ）に示されるロック装置７のロック作動部７３が作動されると、ロック装置７により車体３の姿勢がロックされ、かつ、演算処理部４３はサーボアンプ２８へホイール２３の回転を停止させる制御を行う。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る全方向移動装置１は、図１及び図２に示されるように、車台２と、車台２上に配設された車体３とを備えている。車台２にはホイール２３が配設され、ホイール２３は全方向へ移動可能とされる。

ここで、全方向移動装置１は、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）及び図３に示される自在継手５及び特に図６に示される姿勢安定システム４を備え、更に特に図１～図４に示される車台２には複数のホイール２３が配設される。自在継手５は、車台２と車体３とを連結し、車台２に対して車体３の姿勢が変化可能とされる。
ホイール２３が複数配設されると、これらのホイール２３のすべてが走行路に接地される。このため、車台２の姿勢は走行路の路面の傾斜に合わせて変化する。これに対して、車体３は自在継手５を介して車台２に連結されるので、車体３の姿勢は車台２の姿勢に連動しない。つまり、車体３は、単に自在継手５を介して車台２に連結されているので、車台２に対して静力学的に不安定である。
姿勢安定システム４は、車体３の姿勢が変化した方向へ車台２を移動させ、かつ、車体３の姿勢を安定に維持する。つまり、姿勢安定システム４を備えるので、車台２が移動すると車体３の姿勢が安定に維持され、車体３は動力学的に安定化される。
そして、複数配設されたホイール２３と走行路との接地箇所が複数箇所とされるので、ホイール２３と走行路との接地面積が増加され、移動時にホイール２３は十分なグリップ力を得られる。十分なグリップ力が得られるので、走行路の粉塵や液体がたとえホイール２３表面に付着したとしても、走行路に対するホイール２３の滑りが小さくなる。
さらに、複数のホイール２３が走行路に接地するので、単一の球体が走行路に接地する場合に比べると、段差や不整地の移動時に車台２及び車体３に伝わる振動が小さくなる。

従って、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、静力学的に不安定な車体３を動力学的に安定化し、しかも推進力を向上させ、かつ、静粛性を改善することができる。

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、図２及び図３に示されるように、自在継手５の対偶が２とされるので、車体３は車台２に対して２つの方向に自由度があり、この２つの方向において車体３の姿勢を変化させることができる。
例えば、仮に三次元座標のY 軸方向（第１軸方向y ）を第１回転軸５１として第１回転軸５１周りに回動する自由度と、X 軸方向（第２軸方向x ）を第２回転軸５２として第２回転軸５２周りに回動する自由度との２つの自由度が設定される。この２つの自由度の範囲において車体３の姿勢を変化させることができる。ここで、Z 軸方向を第３回転軸とする軸周りに回動する自由度は設定されない。このため、車台２を旋回させたときに、車台２の旋回に追従させて車体３を旋回させることができる。つまり、車体３の空回りを無くすことができる。

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図３に示されるように、自在継手５は第１回転軸５１、第２回転軸５２及び継手部５５を備える。第１回転軸５１は、車台２上部に支持され、車台２の移動方向の１つを第１軸方向y とする。第２回転軸５２は、車体３下部に支持され、車台２の移動方向の他の１つであって第１軸方向y に直交する方向を第２軸方向x とする。継手部５５は、第１軸方向y を中心として回転可能とされ、かつ、第２軸方向x を中心として回転可能とされる。
このため、第１軸方向y 及び第２軸方向x の２つの回転軸を中心として継手部５５が回転可能とされるので、対偶が２の自在継手５を簡単に実現することができる。

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図６に示されるように、姿勢安定システム４は駆動ユニット２２を備える。駆動ユニット２２は、モータ２６と、減速機２４（例えば図４参照）と、サーボアンプ２８とを含んで構成される。図４に示されるように、モータ２６は車台２に設けられる。減速機２４は、図４に示されるように車台２に設けられ、モータ２６の回転駆動力を減速してホイール２３に伝達する。サーボアンプ２８は、図１及び図２に示されるように車体３に設けられ、図６に示されるようにモータ２６に連結されてモータ２６を駆動する。
これらを含んで構成される駆動ユニット２２を備えるので、姿勢安定システム４では、車台２が移動すると車体３の姿勢が安定に維持され、車体３を動力学的に安定化させることができる。

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図４（Ｄ）に示されるように、ホイール２３は第１オムニホイール２３１及び第２オムニホイール２３２とされる。第１オムニホイール２３１は、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示されるように、駆動車輪２３１Ａの円周上に、円周方向を回転軸ｂ方向としてフリーに回転するローラ２３１Ｂを複数配設して構成される。同様に、第２オムニホイール２３２は、駆動車輪２３２Ａの円周上に、円周方向を回転軸ｂ方向としてフリーに回転するローラ２３２Ｂを複数配設して構成される。
このため、ホイール２３を用いて、駆動車輪２３１Ａ及び駆動車輪２３２Ａの回転による移動方向に加えて、ローラ２３１Ｂ及びローラ２３２Ｂの回転による移動方向へ車台２を移動させることができるので、平面上のすべての方向へ移動可能な全方向移動装置１を実現することができる。

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、図６に示されるように、姿勢安定システム４は、パルスカウンタ４５と、姿勢角度検出部４２と、演算処理部４３とを有する制御ユニット４０を備える。制御ユニット４０のパルスカウンタ４５はモータ２６の回転角を取得する。姿勢角度検出部４２は、車体３の姿勢角及び車体３の角速度を取得する。演算処理部４３は、取得された回転角、姿勢角及び角速度に基づいて、姿勢を安定に維持する車体３の運動状態を演算する。さらに、演算処理部４３では、演算結果に基づいてサーボアンプ２８が制御される。
このため、姿勢安定システム４では、車台２が移動すると車体３の姿勢が安定に維持され、車体３を動力学的に安定化させることができる。

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図３及び図４に示されるように、緩衝装置２７が設けられる。緩衝装置２７はホイール２３と車台２との間に設けられる。このため、走行路を移動中に走行路の路面状態に応じてホイール２３に発生する振動は緩衝装置２７により減少され、ホイール２３から車台２及び車体３に伝わる振動を小さくすることができる。

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、ロック装置７が第１回転軸５１及び第２回転軸５２に装着される。このロック装置７は、車台２の移動の際に車体３の姿勢を変化可能とし、車台２の移動を停止する際に車体３の姿勢をロックする。また、ロック装置７は車台２の停止状態においても車体３の姿勢をロックする。
このため、車台２の移動を停止したときでも、車体３の姿勢が安定に保持されるので、全方向移動装置１の乗降時や緊急時における搭乗者の安全性を向上させることができる。

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１の姿勢制御方法は、まず全方向移動装置１の姿勢安定システム４を使用し、姿勢安定システムに図９に示される以下のステップを実行させる。モータ２６の回転角が取得され（Ｓ２）、車体３の姿勢角及び車体３の角速度が取得される（Ｓ１）。次に、これらの取得された回転角、姿勢角及び角速度に基づいて、姿勢安定システム４（図６参照）では姿勢を安定に維持する車体３の運動状態が演算される。演算結果に基づいて、姿勢安定システム４は、サーボアンプ２８を制御して車体３の姿勢を安定に維持させた状態において、車台２を移動させる。このため、姿勢制御方法では、全方向移動装置１の車体３を動力学的に安定化させて、車台２を移動させることができる。

（第２実施の形態）
以下、図１０～図１４を用いて、本発明の第２実施の形態に係る全方向移動装置及びその姿勢制御方法を説明する。
なお、本実施の形態において、第１実施の形態に係る全方向移動装置及びその制御方法の構成と同一又は実質的に同一の構成は同一符号を付し、重複するので、構成の説明は省略する。

［全方向移動装置の構成］
図１０及び図１１（Ａ）～図１１（Ｃ）に示されるように、本実施の形態に係る全方向移動装置１は、全方向へ移動可能な車台６と、車台６上に配設された車体３と、車台６を移動させ、かつ、車体３の姿勢を安定に維持する姿勢安定システム４とを備えている。さらに、全方向移動装置１は車台６と車体３とを連結する自在継手５を含んで構成されている。

（１）車台６の構成
図１０及び図１１（Ａ）～図１１（Ｃ）、特に図１２（Ａ）～図１２（Ｄ）に示されるように、車台６は車台本体６１を備えている。この車台本体６１は、天板部６１１と、左右一対の側板部６１２及び側板部６１３とを含んで構成されている。
天板部６１１は、車両上下方向を厚さ方向とする板材を用いて形成され、平面視において車両幅方向を長手方向とする矩形状に形成されている。ここで、図示を省略しているが、天板部６１１に対向して天板部６１１から車体下方側に離間された位置には底板部が配設されている。この底板部は天板部６１１と同一の形状に形成されている。
側板部６１２は車両前方側から見て天板部６１１の車両幅方向右端部に配置され、この右端部に側板部６１２の上端部が接続されている。側板部６１２は、車両幅方向を厚さ方向とする板状に形成され、側面視において車両前後方向を長手方向とする矩形状に形成されている。
一方、側板部６１３は車両前方側から見て天板部６１１の車両幅方向左端部に配置され、この左端部に側板部６１３の上端部が接続されている。側板部６１３は、側板部６１２と同様に、板状、かつ、矩形状に形成されている。
側板部６１２の下端部は図示を省略した底板部の右端部に接続され、側板部６１３の下端部は底板部の左端部に接続されている。従って、車台本体６１は、車両前方側から見て中空の矩形枠体として構成されている。また、車台本体６１は、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の車台本体２１と同様に、金属材料又は樹脂材料により形成されている。

車台本体６１には姿勢安定システム４を構築する駆動ユニット６２が配設されている。詳しく説明すると、車両前方側から見て、車台本体６１の車両幅方向右側、かつ、車両前方側に駆動ユニット６２の１つの駆動ユニット６２Ａが配設されている。また、車台本体６１の車両幅方向右側、かつ、車両後方側に駆動ユニット６２Ｂが配設されている。同様に、車台本体６２の車両幅方向左側、かつ、車両前方側に駆動ユニット６２Ｃが配設され、車台本体６２の車両幅方向左側、かつ、車両後方側に駆動ユニット６２Ｄが配設されている。
すなわち、駆動ユニット６２は合計４個の駆動ユニット６２Ａ～駆動ユニット６２Ｄを備えている。第１実施の形態に係る全方向移動装置１の駆動ユニット２２と同様に、駆動ユニット６２は、２個以上を備えることを基本構成としているが、本実施の形態では３個以上を備え、走行路に対する車台６の静力学的な安定性が確保されている。

特に図１３（Ａ）～図１３（Ｄ）に示されるように、駆動ユニット６２の駆動ユニット６２Ａは、駆動ユニット筐体６２１を備え、モータ２６と、減速機６４と、図１０及び図１１に示されるサーボアンプ２８と、を含んで構成されている。
駆動ユニット筐体６２１は、底壁６２１Ａと、天壁６２１Ｂと、左右一対に配置された側壁６２１Ｃ及び側壁６２１Ｄとを有し、前面が開放された無前箱状に形成されている。底壁６２１Ａは、車台本体６２から車両前方側へ突出され、車両上下方向を板厚方向とする矩形板状に形成されている。天壁６２１Ｂは、底壁６２１Ａの車体上方にこの底壁６２１Ａと対向して配置されている。天壁６２１Ｂの車両前端部は、底壁６２１Ａよりも車両前方側へ突出されると共に、円弧を描いて車体下方側へ折り曲げられている。
側壁６２１Ｃは、底壁６２１Ａの車両幅方向外側端部と天壁６２１Ｂの車両幅方向外側端部とにわたって配設され、車両幅方向を厚さ方向とする板状に形成されている。側壁６２１Ｃは、水平方向から車両前端部を車体下方側へ向けて屈曲させて、側面視において逆Ｖ字形状或いは逆Ｌ字形状に形成されている。側壁６２１Ｄは、底壁６２１Ａの車両幅方向内側端部と天壁６２１Ｂの車両幅方向内側端部とにわたって、側壁６２１Ｃに対向して配設され、側壁６２１Ｃと同様に板状に形成されている。側壁６２１Ｃ及び側壁６２１Ｄの車両前端部はホイール６３を回転自在に支持する構成とされている。

モータ２６は、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の電動モータと同様の電動モータであり、駆動ユニット筐体６２１の側壁６２１Ｄに装着されている。このモータ２６の図示を省略した駆動回転軸は、駆動ユニット筐体６２１内部に配設された図示を省略した減速機６４の減速回転軸６４１の一端（図示省略）に連結されている。減速回転軸６４１の他端は、駆動ユニット筐体６２１の側壁６２１Ｃの車両前方側端部に、回転軸ｃ（図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）及び図１３（Ｄ）参照）を中心として回転自在に支持されている。

減速回転軸６４１には全方向へ車台６を移動可能なホイール６３が配設されている。本実施の形態では、第１実施の形態に係る全方向移動装置１のホイール２３、すなわち第１オムニホイール２３１及び第２オムニホイール２３２に代えて、特に図１３に示されるように、ホイール６３にメカナムホイールが使用されている。

特に図１３（Ａ）～図１３（Ｄ）に示されるように、メカナムホイールは、減速回転軸６４１に固定された歯車状の駆動車輪６３Ａの円周上に、駆動車輪６３Ａの回転軸ｃに対して傾斜する方向を軸方向ｄとしてフリーに回転する樽状のローラ６３Ｂを複数配設して構成されている。回転軸ｄは回転軸ｃに対してねじれの位置において例えば絶対値で１３５度の傾きαに設定されている（図１４（Ｂ）参照）。ローラ６３Ｂは、駆動車輪６３Ａの円周上に、等間隔の配列ピッチにおいて、ここでは１２個配列されている。

図１２（Ａ）、図１２（Ｄ）及び図１３（Ａ）～図１３（Ｄ）示されるように、駆動ユニット６２Ａは緩衝装置６７を介して車台本体６１に配設されている。具体的には、緩衝装置６７は、駆動ユニット筐体６２１の車両後方側内部に配設され、車台本体６１の側板部６１２の車両前端部に装着されている。第１実施の形態に係る全方向移動装置１の緩衝装置２７と同様に、緩衝装置６７は、走行路からホイール６３を介して車台６に伝達される振動を減衰させて小さくする。

そして、図１２（Ａ）～図１２（Ｄ）に示される駆動ユニット６２の駆動ユニット６２Ｂは、Y 軸を中心として、駆動ユニット６２Ａに対して左右対称の形状とされ、駆動ユニット６２Ａと基本構造を同一構造としている。駆動ユニット６２Ｃは、X 軸を中心として、駆動ユニット６２Ａに対して左右対称の形状とされ、駆動ユニット６２Ａと基本構造を同一構造としている。そして、駆動ユニット６２Ｄは、Y 軸を中心として、駆動ユニット６２Ｃに対して左右対称の形状とされ、又はX 軸を中心として、駆動ユニット６２Ｂに対して左右対称の形状とされ、駆動ユニット６２Ａと基本構造を同一構造としている。

（２）車体３の構成
図１０及び図１１（Ａ）～図１１（Ｃ）に戻って、車体３は、車体本体３１と、ハンドル３２と、足置き部３３と、サドル３７と、を含んで構成されている。車体本体３１は車台２上に配設されている。本実施の形態では、車体本体３１は、車両前後方向を軸方向として延設された中空管状部材を主体に構成されている。

車体本体３１の車両前端部には一体に形成されて上方に立設されたハンドルサポート３２１が配設され、ハンドルサポート３２１の上端部にハンドル３２が装着されている。ハンドル３２は車両幅方向外側へ向かって左右にそれぞれ突出された棒状に形成され、搭乗者はハンドル３２に捕まって全方向移動装置１を走行させる。本実施の形態でも、ハンドル３２は、垂直軸（Z 軸）周りに旋回しない固定式とされている。
始動スイッチ、ブレーキ、保安部品等は、第１実施の形態に係る全方向移動装置１と同様にハンドル３２に装着可能とされている。

足置き部３３は、車体本体３１の車両前端部において、車体本体３１から垂下された前後一対のサポート３３１に支持されている。足置き部３３は、車両幅方向外側に左右一対に配設され、車両前後方向及び車両幅方向に広がる平坦部位を備え、搭乗者の右足及び左足を載せる部位として使用されている。
また、車体本体３１の車両前後方向中間部には車体上方側へ立設されたサドルサポート３７１を介してサドル３７が装着されている。サドル３７には搭乗者が着座可能とされ、搭乗者がサドル３７に着座状態において、全方向移動装置１を走行させることができる。

車体本体３１の車両後方端部には、箱状の車体カバー３６が取付けられている。車体カバー３６の内部には、前述の図６に示される姿勢安定システム４が収納されている。また、車体カバー３６の内部には、駆動ユニット６２を構築するサーボアンプ２８、電源４６等が収納されている。

（３）自在継手５の構成
第１実施の形態に係る全方向移動装置１の自在継手５と同様に、図１０、図１１（Ｂ）、図１１（Ｃ）及び図１２（Ａ）～図１２（Ｄ）に示されるように、車台６と車体３とを連結する自在継手５が配設されている。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に詳細に示されるように、自在継手５は、第１回転軸５１と、第２回転軸５２と、スパイダ５５とを含んで構成されている。

第１回転軸５１は、車両幅方向を第１軸方向y として構成され、車体本体３１の車両前後方向の中間下部に第１軸方向y に沿って互いに離間されて一対に設けられている。この一対の第１回転軸５１は、第１軸方向y において互いに離間された一対の第１支持部５３を介して車体本体３１の車両前後方向中間部に支持されている。
第２回転軸５２は、車両前後方向を第２軸方向x として構成され、ここでは車台６の天板部６１１の車台前後方向中間部及び車台幅方向中間部に第２軸方向x に沿って互いに離間されて一対に設けられている。本実施の形態では、第２軸方向x は第１軸方向y と同一平面上に設定されている。この一対の第２回転軸５２は、第２回転軸x において互いに離間された一対の第２支持部５４を介して天板部６１１の車台前後方向中間部に支持されている。

スパイダ５５の構成、第１回転軸５１の構成、第１支持部５３の構成、第２回転軸５２の構成、第２支持部５４の構成は、いずれも、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の自在継手５の各部位の構成と同一とされている。
これにより、自在継手５は、第１回転軸５１を中心として車台６に対して車体３を回転可能とし、かつ、第２回転軸５２を中心として車台６に対して車体３を回転可能としている。つまり、自在継手５の対偶は２に設定されている。

（４）ロック装置７の構成
図１０～図１２における図示を省略するが、ロック装置７は、前述の図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示される第１実施の形態に係る全方向移動装置１のロック装置７の構成と同一の構成とされている。つまり、ロック装置７は、自在継手５の第１回転軸５１に装着された第１ロック装置７１と、第２回転軸５２に装着された第２ロック装置７２と、第１ロック装置７１及び第２ロック装置７２を作動させるロック作動部７３とを含んで構成されている。詳細な説明は、重複するので、省略する。

（５）姿勢安定システムの構成
姿勢安定システム４は、図１０～図１３に示される駆動ユニット６２と、前述の図６に示される制御ユニット４０とを含んで構成されている。制御ユニット４０は、パルスカウンタ４５、姿勢角度検出部４２、演算処理部４３、アナログ変換器４４等を備え、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の制御ユニット４０と同一の構成とされている。このため、姿勢安定システム４の詳細な説明は省略する。

［全方向移動装置の姿勢制御方法］
全方向移動装置１の姿勢制御方法は、基本的には第１実施の形態に係る全方向移動装置１の姿勢制御方法と同様である。ここで、図１４（Ａ）は三次元座標系において第２実施の形態に係る全方向移動装置１をモデル化して示す概略斜視図、図１４（Ｂ）は全方向移動装置１の車台６及びホイール（メカナムホイール）６３をモデル化して示す概略平面図である。前述の図６、図８及び図９を用いつつ、適宜、図１０～図１３を参酌し、姿勢制御方法を説明する。

（１）全方向移動装置１の車台６の運動学
まず最初に、図１０～図１３に示される全方向移動装置１の車台６及び車体３の運動学を、図１４（Ａ）を用いて説明する。ここで、三次元座標はX 軸X₀ 、Y 軸Y₀ 、Z 軸Z₀ により表されている。

全方向移動装置１において、車台６の車両前後方向の軸はX_c 軸、車台６の車両幅方向の軸はY_c 軸、自在継手５の中心を通る車台６の上下方向の軸はZ_c 軸と定義される。

車台６に取り付けられた自在継手５の位置の速度ベクトルv_c は、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の姿勢制御方法において説明した上記式（１）により表される。
車台６の角速度ベクトルω_c は上記式（２）により表される。
車台６の中心６Ｃを始点とするk 番目のホイール６３の中心の位置ベクトルp_k は上記式（３）により表される。ここで、本実施の形態では４つの駆動ユニット６２Ａ～６２Ｄを備え、４つのホイール６３を備えているので、k は１、…、４である。

k 番目のホイール６３の角速度ベクトルをω_k とし、角速度ベクトルω_k は角速度ベクトルω_k の大きさ（|ω_k|）とされる。
角速度ベクトルω_k を下記式（５５）に記述される同じ向きの単位ベクトルとすると、角速度ベクトルω_k は下記（５６）により表される。

ホイール６３の中心を始点とするホイール６３の接地点の位置ベクトルは上記式（４）により表される。r_w はホイール６３の半径である。

k 番目のホイール６３の接地点を始点とするローラ６３Ｂの回転軸と平行な単位ベクトル（メカナムホイールの接線ベクトル）t_k は上記式（５）により表される。
上記定義により、k 番目のホイール６３の接地点の速度v_k は上記式（６）により表される。

k 番目のホイール６３のローラ６３Ｂが接地点において接地し、ローラ６３Ｂが軸方向に滑らないと仮定すると、速度v_k と単位ベクトルt_k との間に上記式（７）の関係が成立する。
上記式（６）を上記式（７）に代入し、速度v_k、位置ベクトルp_k 、角速度ベクトルω_k及び単位ベクトルt_k がZ 軸Z₀ と直交し、角速度ベクトルω_c 及び半径r_wがZ 軸Z₀ に平行であることを考慮すると、下記式（５７）が得られる。

上記式（５７）を纏めて表記すると、下記式（５８）が得られる。

車台６の一般化速度ベクトルは上記式（１１）、ホイール６３の角速度を纏めたベクトルω_w は上記式（１２）のそれぞれにより定義され、速度伝達行列T は下記式（５９）により定義される。

上記定義により、ホイール６３の角速度ω_w と車台６の一般化速度ベクトルとの関係は上記式（１４）により表すことができる。ここで、上記式（５９）において、記号[ ]^-1は逆行列を表す。

上記式（１４）は一般化速度ベクトルの優決定系であり、一般化速度ベクトルの最小二乗解は速度伝達行列T の一般化逆行列を用いて、上記式（１５）により与えられる。
ホイール６３の配置が適切あれば、T^TT の逆行列が存在する。

仮想仕事の原理に基づいて、ホイール６３のトルクを纏めたベクトルτ_w と車台６の上記式（１６）により表される一般化力ベクトルとは上記式（１７）の関係を満たす。
ここで、上記式（１６）において、単位ベクトルf_x は車台６のX_c 軸方向の推進力、f_y は車台６のY_c 軸方向の推進力、τ_z は車台６のZ_c 軸周りの旋回トルクである。

上記式（１７）はベクトルτ_w の劣決定系であり、ベクトルτ_w の最小ノルム解はT^T の一般化逆行列を用いて、上記式（１８）により与えられる。
例えば、図１４（Ｂ）に示されるように、全方向移動装置１の車台６のホイールベース（wheelbase）をl_w 、トレッド（axle track）をl_t とすると、上記式（５９）の行列成分のそれぞれの値が下記式（６０）～下記式（６２）に示す通りとなる。

この値を上記式（５９）に代入すると、下記式（６３）に示される通り、速度伝達行列T を算出することができる。

（２）全方向移動装置１の車体３の運動学
本実施の形態に係る全方向移動装置１の車体３の運動学の説明は、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の車体３の運動学の説明と同一である。但し、第１実施の形態において「車台２」は、本実施の形態において「車台６」と読み替える。

（３）全方向移動装置１の動力学
本実施の形態に係る全方向移動装置１の動力学の説明は、「１．運動方程式の導出」、「２．線形近似モデル」のそれぞれの説明を含み、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の動力学の説明と同一である。但し、第１実施の形態において「車台２」は、本実施の形態において「車台６」と読み替える。

（４）全方向移動装置１の制御方法
本実施の形態に係る全方向移動装置１の制御方法の説明は、「１．車体の安定化」、「２．摩擦や外乱が駆動系に及ぼす影響の低減」、「３．全方向移動装置１の制御手順」のそれぞれの説明を含み、第１実施の形態に係る全方向移動装置１の制御方法の説明と同一である。同様に、第１実施の形態において「車台２」は、本実施の形態において「車台６」と読み替える。

（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る全方向移動装置１及びその姿勢制御方法では、第１実施の形態に係る全方向移動装置１及びその姿勢制御方法により得られる作用効果と同様に、静力学的に不安定な車体３を動力学的に安定化し、しかも推進力を向上させ、かつ、静粛性を改善することができるという作用効果が得られる。

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１では、特に図１３（Ａ）～図１３（Ｄ）に示されるように、ホイール６３はメカナムホイールとされる。メカナムホイールは、図１３（Ａ）～図１３（Ｃ）に示されるように、駆動車輪６３Ａの円周上に、駆動車輪６３Ａの回転軸ｃに対して傾斜する方向を軸方向ｄとしてフリーに回転する樽状のローラ６３Ｂを複数配設して構成されている。
このため、ホイール６３を用いて、駆動車輪６３Ａ及び駆動車輪６３Ａの回転による移動方向に加えて、ローラ６３Ｂの回転による移動方向へ車台６を移動させることができるので、平面上のすべての方向へ移動可能な全方向移動装置１を実現することができる。

（その他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変形可能である。
例えば、本発明では、オムニホイールの走行路への接地点の速度を与える上記式（６）がメカナムホイールの走行路への接地点の速度を与える式と同一であることから、オムニホイールとメカナムホイールとを混在させた全方向移動装置を構築することができる。すなわち、本発明は、第１実施の形態に係る全方向移動装置と第２実施の形態に係る全方向移動装置とを組み合わせた全方向移動装置を構築可能である。

また、本発明は、第１実施の形態に係る全方向移動装置において、車体にサドル等の座席を装着し、搭乗者が着座状態において走行可能とするようにしてもよい。逆に、本発明は、第２実施の形態に係る全方向移動装置において、車体からサドルを取外し、搭乗者が立ち状態において走行するようにしてもよい。

２０１７年５月２６日に出願された日本国特許出願２０１７－１０４６６９号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。

Claims (8)

1. 全方向へ移動可能なホイールが複数配設された車台と、
   当該車台上に配設された車体と、
   前記車台と前記車体とを連結し、前記車台に対して前記車体の姿勢が変化可能とされ、かつ、前記車台が駆動している際に、前記車台に対して前記車体の姿勢を静力学的に不安定に支持する自在継手と、
   前記車台が駆動している際の前記車体の姿勢の変化を逐次取得し、前記車体の姿勢の変化を打ち消すようなフィードバック制御に基づき前記車台を逐次移動させることにより、前記車台に対して前記車体の姿勢を動力学的に安定に維持する姿勢安定システムと、
   を備え、
   前記自在継手は、可動方向が２方向であり、前記２方向において、前記車台に対する前記車体の姿勢を変化させることが可能であり、
   前記自在継手は、前記車台上部に支持され、前記車台の移動方向の１つを第１軸方向とする第１回転軸と、前記車体下部に支持され、前記車台の移動方向の他の１つであって前記第１軸方向に交差する方向を第２軸方向とする第２回転軸と、前記第１回転軸を中心として回転可能とされ、かつ、前記第２回転軸を中心として回転可能とされるスパイダと、を含んで構成されている、
   全方向移動装置。
2. 前記姿勢安定システムは、
   前記車台に設けられたモータと、
   前記車台に設けられ、前記モータの回転駆動力を減速して前記ホイールに伝達する減速機と、
   前記車体に設けられ、前記モータに連結されて前記モータを駆動するサーボアンプと、
   を有する駆動ユニットを備えている請求項１に記載の全方向移動装置。
3. 前記ホイールは、オムニホイール及びメカナムホイールの少なくとも一方である請求項１又は請求項２に記載の全方向移動装置。
4. 前記姿勢安定システムは、
   前記モータの回転角を取得する角度検出部と、
   前記自在継手の水平方向の位置座標を定義するための基準座標系における前記車体の姿勢を表す姿勢角並びに前記姿勢角の変化に伴う角速度を取得する姿勢角度検出部と、
   前記角度検出部により取得された前記回転角と、前記姿勢角度検出部により取得された前記姿勢角及び前記角速度とに基づいて、姿勢を安定に維持する前記車体の運動状態を演算し、この演算結果に基づいて前記サーボアンプを制御する演算処理部と、
   を有する制御ユニットを備えている請求項２に記載の全方向移動装置。
5. 前記ホイールと前記車台との間に、前記ホイールから前記車台に伝達される振動を減少させる緩衝装置を更に備えている請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の全方向移動装置。
6. 前記車台の移動の際に前記車体の姿勢を変化可能とし、前記車台の移動を停止する際に前記車体の姿勢をロックするロック装置が、前記第１回転軸及び前記第２回転軸に装着されている請求項１に記載の全方向移動装置。
7. 請求項４に記載された前記全方向移動装置の前記姿勢安定システムを備え、当該姿勢安定システムに、
   前記モータの回転角を取得するステップと、
   前記車体の姿勢角及び前記車体の角速度を取得するステップと、
   前記回転角、前記姿勢角及び前記角速度に基づいて、姿勢を安定に維持する前記車体の運動状態を演算するステップと、
   この演算結果に基づいて前記サーボアンプを制御して姿勢を安定に維持させた状態において前記車台を移動させるステップと、
   を実行させる全方向移動装置の姿勢制御方法。
8. 前記演算処理部は、
   前記モータの回転角に基づいて、前記モータの角速度を演算し、
   前記モータの角速度と、前記車台と複数の前記ホイールとの間の位置関係から予め設定された速度伝達行列Ｔの一般化逆行列とに基づいて、前記自在継手の位置により表される前記車台の一般化座標ｑ _ｃ における、前記車台の一般化速度ｑ _ｃ ^・ を演算し、
   前記車体の姿勢角ｑ _ｂ 及び前記車体の角速度ｑ _ｂ ^・ と、前記車台の一般化座標ｑ _ｃ 及び前記車台の一般化速度ｑ _ｃ ^・ とに基づいて、状態量（ｑ _ｂ ，ｑ _ｂ ^・ ，ｑ _ｃ ，ｑ _ｃ ^・ ）を設定し、
   前記車台に対して前記車体の姿勢を動力学的に安定に維持するように、前記状態量（ｑ _ｂ ，ｑ _ｂ ^・ ，ｑ _ｃ ，ｑ _ｃ ^・ ）のうちの前記車体の姿勢角ｑ _ｂ 及び前記車体の角速度ｑ _ｂ ^・ を要素として含むサブシステムを表すベクトルｘ _ｄ と、前記車台の一般化目標加速度ｕとを含む関数の時間積分により表される評価規範が小さくなるように、前記車台の一般目標加速度ｕを演算し、
   前記車台の前記一般目標加速度ｕが実現されるように、前記サーボアンプを制御する、
   請求項４に記載の全方向移動装置。

Images