JPH0867268A

JPH0867268A - 全方向移動車の駆動伝達機構

Info

Publication number: JPH0867268A
Application number: JP22873894A
Authority: JP
Inventors: Hajime Asama; 一淺間; Hayato Kaetsu; 早人嘉悦; Masatoshi Sato; 雅俊佐藤; Koichi Ozaki; 功一尾崎; Akihiro Matsumoto; 明弘松元; Isao Endo; 勲遠藤
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JP3093580B2

Abstract

(57)【要約】【目的】３つのアクチュエータがそれぞれ並進の２自由
度と回転の１自由度の運動に独立に寄与する機構を備
え、それぞれの自由度に対応した各アクチュエータを制
御することによって、平面上の並進および回転の合成運
動をさせる。【構成】移動車を座標軸Ｘ方向に並進移動させるように
対向して配置された一対の車輪と、移動車を座標軸Ｙ方
向に並進移動させるように対向して配置された一対の車
輪と、各一対の車輪をＸ方向およびＹ方向にデファレン
シャルギヤを介して並進駆動するそれぞれのアクチュエ
ータと、各車輪の車軸をそれぞれデファレンシャルギヤ
を介して駆動軸に連結し、この駆動軸の端部に固定した
傘歯車を座標軸のＺ軸回りに回転させるよう配置したア
クチュエータとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、全方向移動車の駆動伝
達機構に関し、さらに詳細には、平面上を全方向に移動
するロボットなどの移動車、ＡＧＶ（自動搬送車）、自
動車あるいはその他の平地走行機構の走行を高精度に制
御できる全方向移動車の駆動伝達機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、平面上を走行する移動ロボット
には、走行安定性が要求されるとともに、狭い環境下で
の行動や他のロボットと協調して作業を行う場合には、
自らの姿勢と位置を全方向に自在に制御できることが望
ましく、全方向移動を可能にしたロボットの研究が多く
行われてきた。

【０００３】すなわち、平面上を走行する全方向移動ロ
ボットは、Ｘ軸方向の移動とＹ軸方向の移動とを行う並
進の２自由度と、Ｚ軸回りの回転を行う１自由度の合計
３自由度の運動性能が可能でなければならない。

【０００４】また、ロボットの全方向移動を実現するた
めに、車輪機構について様々な工夫がなされ、この種の
移動車として、車軸の回転方向に対して傾斜した多数の
フリーローラを車輪の外周部に有する駆動輪を車軸の端
部に取付け、各駆動輪をそれぞれ任意の方向に駆動する
ことにより全方向への移動を可能にしたもの、車軸の端
部に球形の車輪を取付けて平面上を自由に移動出来るよ
うにしたもの、あるいは、クローラにフリーローラを取
付けたり、クローラ形態の２本のロッド間に複数の球形
車輪を接触させた機構のものなどがこれまで種々提案さ
れている。

【０００５】こうしたものの中で、多数のフリーローラ
を車輪の外周部に有する駆動輪を車軸の端部に取付け、
各駆動輪をそれぞれ任意の方向に駆動するようにした全
方向移動車としては、例えば、特開平５−６１５４３号
公報に開示された全方向移動車がある。

【０００６】上記した特開平５−６１５４３号公報に開
示された全方向移動車においては、多数のフリーローラ
を外周部に有する少なくとも４個の駆動輪を備え、駆動
制御部の３操作信号の指令によって各駆動輪の回転方向
および回転速度を制御することにより、全方向移動車の
走行を制御するようになされている。

【０００７】また、車輪機構に球形車輪を使用した全方
向移動車として、例えば、飯田慎二，他による「球を使
った全方位移動機構及びその制御」（第３回ロボットシ
ンポジウム，１９９３年５月２５日，２６日）に開示さ
れたものが知られており、車輪機構に円柱形フリーロー
ラを使用した全方向移動車として、例えば、広瀬茂男，
他による「大荷重高効率全方向車両の開発」（日本機械
学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 '９３）
に開示されたものが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の全方向移動車においては、フリーローラを組み
込んだ車輪を利用した上で、４個のアクチュエータ（モ
ータ）で４輪を駆動する方式か、３つのアクチュエータ
で３輪を駆動する方式が一般的であった。

【０００９】前者の場合には、運動に必要な３自由度に
対し、４個のアクチュエータを駆動しなければならず、
冗長な機構となってしまうことが指摘されていた。すな
わち、３自由度に対して余分なアクチュエータが１個必
要となり、コスト高になるとともに、制御方策が一意的
に求まらないという問題点があった。

【００１０】また、後者の場合には、３個のアクチュエ
ータで３輪を駆動するために、冗長な機構とはならない
が、走行運動安定性が悪く、搬送などの場合に倒れやす
いなどの問題点があった。

【００１１】また、前者、後者のいずれの場合にも、平
面上の並進および回転の合成運動をさせる場合には、各
運動を制御する各アクチュエータの速度に変換する必要
があるなどの問題点があった。

【００１２】一方、車輪機構に球形車輪を使用したもの
では、球形車輪の支持面積が小さいので、負荷荷重が上
げられず、床面を傷つけ易いという問題点があるととも
に、複数の球形車輪を使用したものでは、複数の球がす
べて同一の回転運動を行うため、２自由度並進運動では
問題ないが、旋回中心が近い回転運動では各球間で生ず
べき回転速度が大きく変動するため、車輪と床面との間
で滑りが生じ、移動効率が低下して床面を傷つけること
があるなどの問題点があった。

【００１３】本発明は、従来の技術の有するこのような
種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、任意の操作信号により走行する全方向移
動車において、３つのアクチュエータがそれぞれ並進の
２自由度と回転の１自由度の運動に独立に寄与する機構
を備え、平面上の並進および回転の合成運動をさせる際
には、それぞれの自由度に対応した各アクチュエータを
制御して高精度に走行制御することが可能な全方向移動
車の駆動伝達機構を提供しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における全方向移動車の駆動伝達機構は、全
方向移動車を座標軸Ｘ方向に並進移動させるように対向
して配置された一対の車輪と、上記全方向移動車を座標
軸Ｙ方向に並進移動させるように対向して配置された一
対の車輪と、上記各一対の車輪をＸ方向およびＹ方向に
デファレンシャルギヤを介して並進駆動するそれぞれの
アクチュエータと、上記各車輪の車軸をそれぞれデファ
レンシャルギヤを介して駆動軸に連結し、この駆動軸の
端部に固定した傘歯車を座標軸のＺ軸回りに回転させる
よう配置したアクチュエータとを備え、上記各アクチュ
エータが、全方向移動車を並進移動の２自由度（Ｘ軸方
向の移動、Ｙ軸方向の移動）と、回転（Ｚ軸回りの回
転）の１自由度の合計３自由度に独立に寄与し、全方向
移動車を全方向に任意に移動させることができるように
したものである。

【００１５】

【作用】このような構成に基づいて、本発明による全方
向移動車は、まず、全方向移動車をＸ方向に駆動するア
クチュエータを回転させると、その駆動力が全方向移動
車をＸ方向に移動させる車輪側のデファレンシャルギヤ
に伝達され、車輪の回転によって全方向移動車をＸ方向
に並進運動させることが可能になる。このとき、反対側
の対向する車輪は、車輪に取付けられたフリーローラの
作用によって、Ｘ方向の運動に対して抵抗力を発生しな
いような構造になっている。

【００１６】同様に、全方向移動車をＹ方向に駆動する
アクチュエータを回転させると、その駆動力が全方向移
動車をＹ方向に移動させる車輪側のデファレンシャルギ
ヤに伝達され、車輪の回転によって全方向移動車をＹ方
向に並進運動させることが可能になる。

【００１７】さらに、全方向移動車を回転させるアクチ
ュエータを回転させると、その駆動力は、駆動軸の端部
に固定された傘歯車を介してデファレンシャルギヤに伝
達され、駆動軸の回転方向と反対方向に車輪が駆動され
る。四車輪を同じ回転方向に駆動することによって、全
方向移動車をＺ軸回りに回転運動させることが可能にな
る。

【００１８】したがって、直交する車軸の端部に多数の
フリーローラを外周部に有する４個の駆動輪を備えてお
り、この駆動輪の回転方向および回転速度を制御するこ
とにより、移動車の前後、左右、斜行、スピンターンな
どの全方向移動が可能であり、移動車の位置および姿勢
を変化させる速度、例えば直交座標系における重心のＸ
方向ならびにＹ方向の並進速度および移動車の旋回角速
度の３出力が得られる。

【００１９】

【実施例】以下、添付の図面に基づいて、本発明による
全方向移動車の駆動伝達機構の実施例を詳細に説明する
ものとする。

【００２０】図１は本発明による全方向移動車の駆動伝
達機構の概略構成を示す斜視図であり、図２は全方向移
動車の上面図であり、図３および図４は全方向移動車の
車輪を示す正面図および側面図であり、図５は図１にお
ける車輪のデファレンシャルギヤ機構を示す斜視図であ
り、図６は全方向移動車の車輪を支持しているサスペン
ションの取付け状態を示す正面図である。

【００２１】図において、全方向移動車１は、直進安定
性が得られるように、図２に示すように、車輪２、３、
４、５がそれぞれ４方向に配置されている。この車輪
２、３、４、５は車輪の回転方向には駆動力を伝え、そ
の回転面に対して直角方向には摩擦を少なくするような
機構が要求されることから、図３および図４に示すよう
に、各車輪２、３、４、５は、外周上に４個の樽形（紡
錘状）のフリーローラ６を取付けるとともに、それを４
５度の位相をずらして複列に配置した構成になってお
り、これによって、各フリーローラ６は、その接地点が
車輪の曲率と等しくなるように配置され、車輪２、３、
４、５と床面との連続的な接触を可能にしている。

【００２２】ここで、全方向移動車１の座標を図１のよ
うに設定し、座標軸をＸ、Ｙ、Ｚと呼ぶこととする。従
って、全方向移動車１がＸ方向に並進移動するとき、車
輪３、および車輪５が床面に駆動力を伝え、車輪２と車
輪４がフリーローラ６によりＸ方向フリーとなる。同様
に、全方向移動車１がＹ方向に並進移動するとき、車輪
２と車輪４が床面に駆動力を伝え、車輪３と車輪５がフ
リーローラ６によりＹ方向フリーとなる。

【００２３】上記全方向移動車１の各車輪２、３、４、
５の車軸は、それぞれデファレンシャルギヤ７、８、
９、１０を介して駆動軸１１、１２、１３、１４に連結
されており、この駆動軸１１、１２、１３、１４の端部
に固定された傘歯車１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ
が、全方向移動車１を座標軸Ｚの回りに回転させるアク
チュエータ１５の傘歯車１５ａに噛み合っている。

【００２４】一方、全方向移動車１の駆動伝達機構は、
車輪３と車輪５とを座標軸Ｘ方向に並進駆動するアクチ
ュエータ１６と、車輪２と車輪４とを座標軸Ｙ方向に並
進駆動するアクチュエータ１７とを備えており、このア
クチュエータ１６、１７が回転すると、その駆動力はウ
ォームギヤ１６ａ、１７ａから回転伝達軸１８、１９を
介して、回転伝達軸１８、１９の両端部にそれぞれ固定
された平歯車２０，２１および２２，２３に伝達される
ようになっている。

【００２５】上記回転伝達軸１８の両端部に固定された
平歯車２０，２１は、車輪３および車輪５のデファレン
シャルギヤ８および１０に噛み合っているとともに、回
転伝達軸１９の両端部に固定された平歯車２２，２３
は、車輪２および車輪４のデファレンシャルギヤ７およ
び９に噛み合っている。

【００２６】そして、上記アクチュエータ１６、１７
が、全方向移動車１を並進移動の２自由度（Ｘ軸方向の
移動、Ｙ軸方向の移動）に寄与するとともに、アクチュ
エータ１５が全方向移動車１の回転（Ｚ軸回りの回転）
の１自由度に寄与するなど、各アクチュエータ１５、１
６、１７が３自由度に独立に寄与し、移動車を全方向に
任意に移動させることができるようになっている。

【００２７】なお、全方向移動車１の駆動伝達機構に
は、デファレンシャルギヤ７、８、９、１０が各車輪
２、３、４、５側にそれぞれ設けられており、図５に示
すように、デファレンシャルギヤは、平歯車Ｚ_bの内部
で、傘歯車を組み合わせることにより平歯車Ｚ_bの両側
軸の間に回転差を発生させることができるようになって
いる。このために、デファレンシャルギヤの回転の関係
式は、ω_aを左軸の回転速度とし、ω_bを右軸の回転速度
とし、ω_cを平歯車Ｚ_bの回転速度としたとき、２ω_c＝ω_a＋ω_b で表される。

【００２８】したがって、平歯車Ｚ_bの左右の軸の回転
速度の和が、平歯車Ｚ_aの回転速度によって与えられる
ので、左右の軸の回転速度の差を吸収することができる
ようになっている。

【００２９】また、全方向移動車１は、図６に示すよう
に、移動平面の凹凸に追従して必ず４つの車輪２、３、
４、５が床面に接地するように、平行リンク機構２４が
設置されており、車軸が水平を保持したまま上下移動可
能なサスペンション２５が組み込まれている。

【００３０】さらに、本発明による全方向移動車１の駆
動伝達機構には、全方向移動車のみならず、２次元平面
上を各自由度方向に独立に駆動する一般的機構に発展さ
せることができる。

【００３１】以上の構成において、３つのアクチュエー
タ１５、１６、１７の駆動力を、全方向移動車１の各運
動自由度の運動に独立に寄与するように、４輪２、３、
４、５に伝達する動作について説明する。

【００３２】まず、アクチュエータ１６を回転させる
と、その駆動力はウォームギヤ１６ａから回転伝達軸１
８に伝達され、平歯車２０、２１からデファレンシャル
ギヤ８および１０に伝達され、車輪３および車輪５が駆
動される。この車輪３および車輪５の回転によって、全
方向移動車１をＸ方向に並進運動させる（Ｘ方向の並進
速度は車輪３および車輪５の速度の平均値）ことが可能
になる。このとき、車輪２および車輪４は、車輪に取付
けられたフリーローラ６の作用によって、Ｘ方向の運動
に対して抵抗力を発生しないような構造になっている。
また、駆動力は、デファレンシャルギヤ８および１０を
介して車輪３および車輪５に伝達されているので、並進
動作に加えて回転動作を伴う場合には、デファレンシャ
ルギヤ８および１０によって車輪３および車輪５の回転
差が生じる仕組みになっている。

【００３３】同様に、アクチュエータ１７を回転させる
と、その駆動力はウォームギヤ１７ａから回転伝達軸１
９に伝達され、平歯車２２、２３からデファレンシャル
ギヤ７および９に伝達され、車輪２および車輪４が駆動
される。この車輪２および車輪４の回転によって、全方
向移動車１をＹ方向に並進運動させることが可能にな
る。

【００３４】さらに、アクチュエータ１５を回転させる
と、その駆動力は、傘歯車１５ａから駆動軸１１、１
２、１３、１４の端部に固定された傘歯車１１ａ、１２
ａ、１３ａ、１４ａを介してデファレンシャルギヤ７、
８、９、１０に伝達され、駆動軸１１、１２、１３、１
４の回転方向と反対方向に車輪２、３、４、５が駆動さ
れる。これによって、全方向移動車１をＺ軸回りに回転
運動させる（Ｚ軸回りの回転速度は車輪２、３、４、５
の速度の平均値）ことが可能になる。

【００３５】次いで、各アクチュエータ１６、１７が並
進の２自由度と、アクチュエータ１５が回転の１自由度
との合計３自由度に独立に寄与していることを、運動学
的に証明する。

【００３６】まず、アクチュエータ１５の回転をＶ₃と
し、アクチュエータ１６の回転をＶ₂とし、アクチュエ
ータ１７の回転をＶ₁とし、車輪２、３、４、５に対応
した駆動軸１１、１２、１３、１４の回転速度をａ₁、
ａ₂、ａ₃、ａ₄とし、車輪２、３、４、５を設置した車
軸側の回転速度をｃ₁、ｃ₂、ｃ₃、ｃ₄とし、ウォームギ
ヤ１６ａ、１７ａを有する回転伝達軸１８、１９の回転
速度をｂ₂、ｂ₁としたとき、これらの速度変数の間には
次のような関係式が成り立つ。

【００３７】ａ₁＝ａ₂＝ａ₃＝ａ₄＝ｋ₃・Ｖ₃ ｂ₁＝ｋ₁・Ｖ₁ ｂ₂＝ｋ₁・Ｖ₂ となり、デファレンシャルギヤ７、８、９、１０の式
は、 −２ｂ₁・ｋ₂＝ａ₁＋ｃ₁ ２ｂ₁・ｋ₂＝ａ₃＋ｃ₃ ２ｂ₂・ｋ₂＝ａ₂＋ｃ₂ −２ｂ₂・ｋ₂＝ａ₄＋ｃ₄ となる。

【００３８】ただし、ｋ₁はウォームギヤ１６ａ、１７
ａの減速比であり、ｋ₂は平歯車２０、２１に噛み合う
デファレンシャルギヤ８、１０および平歯車２２、２３
に噛み合うデファレンシャルギヤ７、９の減速比であ
り、ｋ₃はアクチュエータ１５の傘歯車１５ａに噛み合
う傘歯車１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａの減速比であ
る。

【００３９】また、各自由度方向の速度Ｘ’（Ｘ方向の
速度）、Ｙ’（Ｙ方向の速度）、Ｚ’（Ｚ方向の速度）
は、車輪２、３、４、５の車軸側の回転速度ｃ₁、ｃ₂、
ｃ₃、ｃ₄によって次のように与えられる。

【００４０】Ｘ’＝１／２（ｃ₂・ｒ−ｃ₄・ｒ）Ｙ’＝１／２（−ｃ₁・ｒ＋ｃ₃・ｒ）Ｚ’＝−１／４・ｒ／Ｒ（ｃ₁＋ｃ₂＋ｃ₃＋ｃ₄）ただし、Ｒは車輪間の距離（トレッド）の１／２、ｒは
車輪の径とする。

【００４１】したがって、速度変数の関係式を代入する
と、Ｘ’＝２ｋ₁・ｋ₂・ｒ・Ｖ₂ Ｙ’＝２ｋ₁・ｋ₂・ｒ・Ｖ₁ Ｚ’＝ｒ／Ｒ・ｋ₃ ・Ｖ₃ となり、各アクチュエータ１５、１６、１７の速度
Ｖ₂、Ｖ₁、Ｖ₃が、各自由度の速度Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’に
独立に寄与していることがわかる。

【００４２】このように、本発明による駆動伝達機構を
用いると、各アクチュエータ１５、１６、１７を回転さ
せることにより、各自由度の運動を生じさせるように４
輪を駆動して、全方向移動車１を全方向に移動制御する
ことが可能になる。

【００４３】以上の結果により、本発明による全方向移
動車は、一般的な人工環境（部屋、廊下）の走行に適し
た機構を備えており、走行安定性に優れ、高い運動性能
を備えているとともに、狭いクランク通路を走行した
り、長方形の障害物に沿った走行も可能である。また、
複数台の全方向移動車同士の作業において、協調行動の
際に生じる外乱からの軌道ずれの修正や、他の移動車に
よる進路妨害からの退避など、様々な状況に対して柔軟
に対応することが可能になる。よって、複数の移動車で
協調する移動車の走行部へも適応できるという利点があ
る。

【００４４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４５】全方向移動車に接地された直交する車軸の
端部に多数のフリーローラを外周部に有する４個の駆動
輪を備えており、この駆動輪の回転方向および回転速度
を制御することにより、移動車の前後、左右、斜行、ス
ピンターンなどの全方向移動が可能であり、移動車の位
置および姿勢を変化させる速度、例えば、直交座標系に
おける重心のＸ方向ならびにＹ方向の並進速度および移
動車の旋回角速度の３出力が得られる。

【００４６】また、３つのアクチュエータの駆動力を４
車輪に伝達する機構であり、３つのアクチュエータで４
輪を駆動することが可能であるために、余分なアクチュ
エータが不必要で、全方向移動車の平面上の並進および
回転の合成運動も、それぞれの自由度に対応した各アク
チュエータを制御することにより容易に実現することが
できる。

【００４７】このため、本発明によれば、全方向移動車
の走行安定性が確保され、冗長性がなく自由度を直接的
に制御できる駆動伝達機構を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による全方向移動車の駆動伝達機構の概
略構成を示す斜視図である。

【図２】全方向移動車の上面図である。

【図３】全方向移動車の車輪を示す正面図である。

【図４】全方向移動車の車輪を示す側面図である。

【図５】図１における車輪のデファレンシャルギヤ機構
を示す斜視図である。

【図６】全方向移動車の車輪を支持しているサスペンシ
ョンの取付け状態を示す正面図である。

【符号の説明】

１全方向移動車２、３、４、５車輪６フリーローラ７、８、９、１０デファレンシャルギヤ１５、１６、１７アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾崎功一東京都八王子市子安町１−48−12 (72)発明者松元明弘埼玉県鶴ヶ島市藤金886−１−106 (72)発明者遠藤勲埼玉県和光市広沢２番１号理化学研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】全方向移動車を座標軸Ｘ方向に並進移動
させるように対向して配置された一対の車輪と、前記全方向移動車を座標軸Ｙ方向に並進移動させるよう
に対向して配置された一対の車輪と、前記各一対の車輪をＸ方向およびＹ方向にデファレンシ
ャルギヤを介して並進駆動するそれぞれのアクチュエー
タと、前記各車輪の車軸をそれぞれデファレンシャルギヤを介
して駆動軸に連結し、この駆動軸の端部に固定した傘歯
車を座標軸のＺ軸回りに回転させるよう配置したアクチ
ュエータとを備え、前記各アクチュエータが、全方向移
動車を並進移動の２自由度（Ｘ軸方向の移動、Ｙ軸方向
の移動）と、回転（Ｚ軸回りの回転）の１自由度の合計
３自由度に独立に寄与し、全方向移動車を全方向に任意
に移動させることができるようにしたことを特徴とする
全方向移動車の駆動伝達機構。
【請求項２】前記全方向移動車の各車輪は、外周上に
４個の樽形のフリーローラを取り付け、前記フリーロー
ラの接地点が車輪の曲率と等しくなるように車輪の外周
に配置し、これを４５度の位相をずらして複列に組み付
けたことを特徴とする請求項１記載の全方向移動車の駆
動伝達機構。
【請求項３】前記全方向移動車の各車輪が移動平面の
凹凸に追従するように、前記各車輪の前記車軸を水平に
保持したまま上下移動させる移動手段を備えた請求項１
または２のいずれか１項に記載の全方向移動車の駆動伝
達機構。