JPWO2018216530A1 - 全方向移動装置及びその姿勢制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
車台2の角速度ベクトルωc 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pk 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ωk とし、角速度ベクトルωk は角速度ベクトルωk の大きさ(|ωk|)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。rw 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)tk は下記式(5)により表される。
上記定義により、ホイール23の角速度ωw 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qc の時間微分である。
TT 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、TTT の逆行列が存在する。
ここで、単位ベクトルfx は車台2のXc軸方向の推進力、fy は車台2のYc 軸方向の推進力、τz は車台2のZc 軸周りの旋回トルクである。
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。
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Xb 軸、車体3の車両幅方向の軸はYb 軸、車体3の上下方向の軸はZb 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。
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。
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。
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mc、車台2のZ 軸周りの慣性モーメントはJcz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。
ここで、fx は車台2の車両前後方向の推進力、fy は車台2の車両前後方向の推進力、τz は車台2の旋回トルクである。
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。
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。
一般化力Qc 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。
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Qc 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。
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。
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。
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、KI、KP、KDはPID 制御のゲインである。
ここで、τwk はτw 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。
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。
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。)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
車台6の角速度ベクトルωc 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pk 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。
角速度ベクトルωk 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ωk 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。rw はホイール63の半径である。
上記定義により、k 番目のホイール63の接地点の速度vk は上記式(6)により表される。
上記式(6)を上記式(7)に代入し、速度vk、位置ベクトルpk 、角速度ベクトルωk及び単位ベクトルtk がZ 軸Z0 と直交し、角速度ベクトルωc 及び半径rw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。
上記定義により、ホイール63の角速度ωw 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。
ホイール63の配置が適切あれば、TTT の逆行列が存在する。
ここで、上記式(16)において、単位ベクトルfx は車台6のXc 軸方向の推進力、fy は車台6のYc 軸方向の推進力、τz は車台6のZc 軸周りの旋回トルクである。
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lw 、トレッド(axle track)をlt 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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (9)
- 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る自在継手と、
前記車体の姿勢が変化した方向へ前記車台を移動させ、かつ、前記車体の姿勢を安定に維持する姿勢安定システムと、
を備えた全方向移動装置。 - 前記自在継手の対偶が2である請求項1に記載の全方向移動装置。
- 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請求項2に記載の全方向移動装置。 - 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〜請求項3のいずれか1項に記載の全方向移動装置。 - 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〜請求項4のいずれか1項に記載の全方向移動装置。
- 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、
前記車体の姿勢角及び前記車体の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4に記載の全方向移動装置。 - 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6のいずれか1項に記載の全方向移動装置。
- 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3に記載の全方向移動装置。
- 請求項6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。
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