WO2020240652A1 - 移動体 - Google Patents
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Abstract
人力で動かす移動体であって、車軸が互いに120度ずれた3つの全方位車輪と、2つの前輪を連結する連結部と、後輪に取り付けられたブレーキと、2つの前輪の連結を解除する連結解除部と、を備え、連結部は2つの前輪の回転方向が互いに逆方向となるように2つの前輪を連結する。連結部は、2つの前輪の回転方向が同じで、前輪と後輪の回転方向が逆方向となるように、前輪と後輪とを連結する。
Description
本発明は、任意の2次元方向へ移動できる全方位車輪を用いた移動体の技術に関する。
オムニホイールを用いた移動体が知られている(例えば、非特許文献1,2)。オムニホイールは、車輪の外輪に、周方向と直行する方向に回転するローラーを備え、任意の2次元方向へ移動できる全方位車輪である。オムニホイールを用いた移動体は、並進、斜行、および旋回ができるので、切り返し動作なしで2次元平面内を自由に動き回ることが可能である。
DAISUKE CHUGO, KUNIAKI KAWABATA, HAYATO KAETSU, HAJIME ASAMA and TAKETOSHIMISHIMA, "Development of a control system for an omni-directional vehicle with step-climbing ability", Advanced Robotics, Vol. 19, No. 1, pp. 55 - 71 (2005).
Kenjiro Tadakuma, Riichiro Tadakuma, Jose Berengeres, "Development of Holonomic Omnidirectional Vehicle with"Omni-Ball": Spherical Wheels", Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, TuA2.1, San Diego, CA, USA, Oct 29 - Nov 2, 2007.
上記のような移動体は、モーターの駆動力を活かした電動型が多く、移動速度および移動方向はモーターによって制御される。モーターの駆動に必要な電力を賄うための大容量バッテリーを移動体に搭載すると、移動体が重くなり、滑らかでスピーディーな移動が阻害されるという問題がある。移動体を長時間駆動する場合には、より大容量なバッテリーを搭載したり、自己発電機能を搭載したりする必要があり、移動体のサイズおよび重量が大きくなってしまう。よって、モーターを使わない人力による移動体は上記の課題が無い点で優れている。
しかしながら、人力による移動体は、オムニホイールが持つ高い自由度のために、移動体を狙った位置に向けて狙った軌道で動かすことが難しいという問題がある。特に、計測器を載せた移動体で位置情報と計測データを取得しながら移動計測を行う場合、滑らかかつスピーディーに移動することと、狙った軌跡で移動できることが求められる。例えば、狭いエリアおよび細長いエリアを移動する際には、障害物にぶつからないように、移動体をまっすぐに直進移動させることが求められる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、人力により直線的に移動可能な移動体を提供することを目的とする。
本発明に係る移動体は、車軸が互いに120度ずれた第1の全方位車輪と第2の全方位車輪と第3の全方位車輪と、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪とを連結する連結部と、前記第3の全方位車輪に取り付けられたブレーキと、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪との連結を解除する連結解除部と、を備え、前記連結部は、車軸側から見た前記第1の全方位車輪の回転方向と前記第2の全方位車輪の回転方向が互いに逆方向となるように、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪とを連結することを特徴とする。
本発明によれば、人力により直線的に移動可能な移動体を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は、本実施形態の移動体の概略図である。同図に示す移動体1は、同じ大きさの3つのオムニホイール10A~10Cと、筐体20と、ハンドル30を備える。
オムニホイール10A~10Cは、車軸に接続された車輪の円周上に、自由に回転するローラーを有する。オムニホイール10A~10Cは、車輪の回転方向に加えて、ローラーの回転方向へ移動できる。移動体1がオムニホイール10A~10Cを備えることで、移動体1の向きを変えることなく、移動体1を2次元平面上で自由に移動させることができる。図1では、筐体20の外周にオムニホイール10A~10Cを備えているが、筐体20内にオムニホイール10A~10Cを備えてもよい。
筐体20内には、各種測定装置が収納される。測定装置は、例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、路面を撮影するカメラ、および地面に対して電波を出力し、反射波を検出して地中の埋設物を探索する地中レーダなどがある。図1では、筐体20の形状は六角柱であるが、これに限るものではない。円柱であってもよいし、直方体であってもよい。
利用者は、ハンドル30を操作し、移動体1を2次元平面方向に移動させて、移動体の位置情報と計測データを取得する。利用者が人力で移動体1を移動できれば、ハンドル30の形状は問わない。
次に、オムニホイール10A~10Cの配置について説明する。
図2に示すように、3つのオムニホイール10A~10Cは、車輪の周方向が互いに60度ずれるように筐体20に配置される。図2では、オムニホイール10A~10Cの車軸(回転軸)を伸ばした線の交点を原点とし、Y軸の正方向を前、X軸の正方向を右、X軸の負方向を左と定義する。オムニホイール10Cの車軸はY軸と平行であり、オムニホイール10Cの周方向はX軸と平行である。オムニホイール10A,10Bの車軸は、X軸に対してY軸の正方向に傾斜し、X軸とのなす角度は30度である。3つのオムニホイール10A~10Cの車軸は、互いに120度ずれている。オムニホイール10A~10Cは、オムニホイール10A~10Cの中心が正三角形の頂点に来るように配置される。以下、2つのオムニホイール10A,10Bを前輪10A,10Bと称し、オムニホイール10Cを後輪10Cと称することもある。また、車軸側(筐体20側)から見てオムニホイール10A~10Cが反時計回りに回転する方向を正転方向とし、時計回りに回転する方向を逆転方向とする。図2の矢印の向きの回転方向が正転方向であり、矢印の逆向きの回転方向が逆転方向である。
前輪10Aを正転方向に回転させ、前輪10Bを逆転方向に回転させ、後輪10Cの周方向の回転を抑制すると、移動体1は前進する。前輪10Aを逆転方向に回転させ、前輪10Bを正転方向に回転させ、後輪10Cの周方向の回転を抑制すると、移動体1は後退する。前輪10A,10Bを逆転方向に回転させ、後輪10Cを正転方向に回転させると、移動体1はX軸の正方向へ移動する。前輪10A,10Bを正転方向に回転させ、後輪10Cを逆転方向に回転させると、移動体1はX軸の負方向へ移動する。また、全てのオムニホイール10A~10Cを正転方向に同一速度で回転させると、移動体1はその場で旋回運動する。
利用者がハンドル30を操作することで、移動体1を前後、左右、および斜め方向に容易に移動できるが、人力では、移動体1をふらつかせずに、正確に直線移動させることは困難である。そこで、本実施形態では、前輪10A,10Bを連結して後輪10Cの周方向の回転を抑制したり、前輪10A,10Bと後輪10Cを連結したりすることで、移動体1の前後方向および横方向への直線移動を容易にする。
(前後移動)
図3を参照し、移動体1を前後方向のみの移動に制限する実施例について説明する。
図3を参照し、移動体1を前後方向のみの移動に制限する実施例について説明する。
図3の実施例では、前輪を連結する連結機構と後輪の周方向の回転を抑止するブレーキ機構を導入した。具体的には、前輪10A,10Bの車軸12A,12Bのそれぞれをユニバーサルジョイントを介して連結部12で接続した。前輪10A,10Bを連結部12で接続することにより、利用者がハンドル30を操作して外部から移動体1に力を加えたときに、前輪10Aと前輪10Bは、同一速度で、互いに逆方向(一方が正転方向、他方が逆転方向)に回転する。また、後輪10Cの車軸12Cが回転しないように車軸12Cにブレーキ13を取り付けた。後輪10Cにブレーキをかけると、後輪10Cの周方向の回転が抑止され、後輪10Cの円周上のローラーのみが回転する。ブレーキ13として、例えば、ブレーキ付きのベアリングホルダまたは電磁ブレーキを利用できる。
前輪10A,10Bが同一速度で回転し、回転方向が互いに逆となるように、前輪10A,10Bを連結し、後輪10Cにブレーキをかけることで、あらゆる方向からの外力に対して、移動体1の移動方向を前後方向のみに制限できる。
オムニホイール10A~10Cの車軸12A~12Cのそれぞれには、各車軸12A~12Cの回転量を計測するエンコーダ11A~11Cが取り付けられる。各車軸12A~12Cの回転量から、移動方向、移動距離、移動速度ベクトル、および旋回ベクトルを算出し、移動体1の移動位置を求める。
図4を参照し、前輪の連結を解除できる実施例について説明する。
図4の実施例では、連結機構に前輪の連結を解除できる着脱機構を備えた。具体的には、車軸12A,12Bの連結部12に車軸12A,12Bの連結を解除できる着脱機構14を取り付けた。着脱機構14は、車軸12A,12Bを連結させた状態と車軸12A,12Bを連結させていない状態を制御できる。着脱機構14には、カップリング、ギア、または電磁クラッチなどが利用できる。着脱機構14により車軸12A,12B同士が連結されているときは、図3の実施例と同様に、前輪10A,10Bが連動して回転する。着脱機構14により車軸12A,12Bの連結が解除されているときは、前輪10A,10Bは、独立して自由に動く。このとき、ブレーキ13を解除して後輪10Cを自由に動くようにすると、移動体1は、移動方向が制限されずに、2次元平面上を自由に移動できる。
図5を参照し、前輪の回転方向を制御できる実施例について説明する。
図5の実施例では、連結機構に前輪の回転方向を制御できるラチェット機構を備えた。車軸12A,12Bの連結部12にラチェット機構15を備えることで、車軸12A,12Bの回転方向が一方向のみに制限される。その結果、移動体1を前進のみの移動、または後退のみの移動に制限できる。図4の実施例にラチェット機構を備えてもよい。
ラチェット機構15を備えて前輪10A,10Bの回転方向を一方向のみに制限することにより、例えば、坂道で移動体1を操作するときに、移動体1が坂道をずり下がることを防止できる。
(横移動)
図6を参照し、移動体1を横方向のみの移動に制限する実施例について説明する。
図6を参照し、移動体1を横方向のみの移動に制限する実施例について説明する。
移動体1を横方向(左右方向)に移動させるためには、左右の前輪の周方向の回転速度V1,V2が同じで、回転方向が一致しており、かつ、後輪の周方向の回転速度V3が前輪の回転速度V1,V2の2倍で、回転方向が前輪の回転方向と逆であることが必要となる。左右の前輪の回転方向が一致するとは、左右の前輪がいずれも正転方向または逆転方向に回転することである。後輪の回転方向が前輪の回転方向と逆であるとは、前輪が正転方向に回転する場合、後輪は逆転方向に回転し、前輪が逆転方向に回転する場合、後輪は正転方向に回転することである。つまり、移動体1を真横に移動させるためには、2つの前輪と後輪の回転速度の比V1:V2:V3が1:1:-2であることが条件となる。
図6の実施例では、オムニホイール10A~10Cの車軸12A~12Cのそれぞれにかさ歯車16A~16Cを取り付けて、前輪10A,10Bと後輪10Cの回転方向が逆となるように、かさ歯車16Cにかさ歯車16A,16Bのそれぞれをかみ合わせて、オムニホイール10A~10Cを連動させた。なお、オムニホイール10A~10Cの回転速度の比が1:1:-2となるように、かさ歯車16A~16Cの歯車比を2:2:1とした。
車軸12A~12Cを連結する連結部はかさ歯車16A~16Cに限るものではない。オムニホイール10A~10Cの回転速度の比が1:1:-2となるようにオムニホイール10A~10Cを連動できるものであればよい。複数の歯車を組み合わせて、オムニホイール10A~10Cの回転速度および回転方向を調整してもよい。
前輪10A,10Bと後輪10Cの回転速度の比が1:1:-2となるように、前輪10A,10Bと後輪10Cを連結することで、あらゆる方向からの外力に対して、移動体1の移動方向を横方向のみに制限できる。
(移動モードの切り替え)
図7~9を参照し、移動体1の移動モードを横移動モード、自由移動モード、および前後移動モードのいずれかに切り替え可能な実施例について説明する。図7は、横移動モード時の連結状態を示し、図8は、自由モード時の連結状態を示し、図9は、前後移動モード時の連結状態を示す。
図7~9を参照し、移動体1の移動モードを横移動モード、自由移動モード、および前後移動モードのいずれかに切り替え可能な実施例について説明する。図7は、横移動モード時の連結状態を示し、図8は、自由モード時の連結状態を示し、図9は、前後移動モード時の連結状態を示す。
横移動モードは、前輪と後輪を連動させて、移動体1の移動方向を横方向のみに制限する移動モードである。自由移動モードは、2つの前輪と後輪のいずれも自由に移動できるようにして、移動体1の移動方向を制限しない移動モードである。前後移動モードは、前輪同士を連結するとともに後輪にブレーキをかけて、移動体1の移動方向を前後方向のみに制限する移動モードである。
前輪10A,10Bの車軸12A,12Bのそれぞれにかさ歯車16A,16Bが取り付けられる。後輪10Cの車軸12Cにかさ歯車16Cが取り付けられる。かさ歯車16A~16Cの歯車比は2:2:1とする。
移動体1は、前後に可動なフレーム19を備える。フレーム19には、一対のベアリングホルダ17A,17Bおよびブレーキ付きベアリングホルダ18が固定される。
ベアリングホルダ17A,17Bは、回転軸17を把持する。回転軸17には、かさ歯車16A,16Bのそれぞれにかみ合い可能な位置にかさ歯車16D,16Eが固定される。回転軸17およびかさ歯車16D,16Eは、回転方向が互いに逆方向となるように前輪10A,10Bを連結する連結部となる。
ブレーキ付きベアリングホルダ18は、車軸12Cを把持する。ブレーキ付きベアリングホルダ18は、ブレーキを動作させるためのブレーキレバー18Aを備える。ブレーキレバー18Aを図上で右方向に倒すと、ベアリングホルダ18が車軸12Cを挟む力が増して車軸12Cの回転が止められる。ブレーキレバー18Aはアーム18Bに接続される。アーム18Bは、筐体20に設けられた溝18Cに可動で把持される。アーム18Bは、フレーム19の移動に合わせて、図7の状態から図9の状態にかけて右下方向へ移動する。図9の状態で、アーム18Bは、ブレーキレバー18Aを右方向に倒す位置まで移動する。
フレーム19は、切り替えレバー(図示せず)により、前後に可動である。より具体的には、切り替えレバーにより、フレーム19の位置を一番前、真ん中、一番後の3段階に設定できる。フレーム19の移動に合わせて、かさ歯車16Cおよびかさ歯車16D,16Eの位置が変化する。
図7に示すように、フレーム19の位置を一番前に移動させると、かさ歯車16A,16Bのそれぞれにかさ歯車16Cがかみ合う。前輪10A,10Bと後輪10Cは、回転速度の比が1:1:-2となるように連動して回転するようになる。図7の連結状態では、図6の実施例で説明したように、移動体1の移動方向は横方向のみに制限される。なお、図7の状態では、ブレーキレバー18Aは右方向に倒されていないので、ブレーキはかかっていない。
図8に示すように、フレーム19の位置を図7の状態から少し後ろに移動させると、かさ歯車16Cの位置は後ろに移動し、かさ歯車16A~16Cは、他のかさ歯車のいずれともかみ合わなくなる。図8の状態では、ブレーキレバー18Aは右方向に倒されていないので、ブレーキはかからない。前輪10A,10Bと後輪10Cは、いずれも互いに連動せずに、自由に移動できる。
図9に示すように、フレーム19の位置を図8の状態からさらに後に移動させると、かさ歯車16A,16Bのそれぞれに、かさ歯車16D,16Eがかみ合う。車軸12A,12Bは、回転軸17を介して連結される。前輪10A,10Bは、同一速度で、互いに逆方向に回転するようになる。
フレーム19が後方向に移動したことにより、ブレーキレバー18Aが右方向に倒されて車軸12Cの回転が抑止され、後輪10Cにブレーキがかかる。図9の連結状態では、図3の実施例で説明したように、移動体1の移動方向は前後方向のみに制限される。
前輪10A,10Bの車軸12A,12Bのいずれかにラチェット機構を取り付けると、図5の実施例で説明したように、移動体1の移動方向を前方向または後方向に制限できる。回転軸17を把持するベアリングホルダ17A,17Bがラチェット機構を備えてもよい。
次に、本実施形態の移動体1を用いた地中埋設物の探索について説明する。
移動体に地中レーダを載せて計測エリアを走査する場合、本実施形態の移動体1を用いると、図10に示すように、移動体1を真っ直ぐに移動させることができるため、無駄なく効率的に計測エリアを走査できる。また、移動体1の位置推定(移動距離)の誤差も非常に小さく抑えることができる。
例えば、図4の移動体1を用いた場合の探索について説明する。利用者は、図10のスタート地点Sから真っ直ぐ上方向に移動体1を移動させながら地中埋設物を探索する。計測エリアの端に到達したときに、利用者は、着脱機構14により車軸12A,12Bの連結を解除し、移動体1をその場で右方向に旋回させる。利用者は、移動体1を右回りに90度旋回させた後、着脱機構14で車軸12A,12Bを連結し、移動体1を右方向に移動させる。次の探索ラインに到達すると、利用者は、着脱機構14により車軸12A,12Bの連結を解除し、移動体1をその場で右方向に旋回させる。利用者は、移動体1を右回りに90度旋回させた後、着脱機構14で車軸12A,12Bを連結し、真っ直ぐ下方向に移動体1を移動させながら地中埋設物を探索する。利用者は、以上の操作を繰り返して、スタート地点Sからフィニッシュ地点Fまで、移動体1により地中埋設物を探索する。
図7~9の移動体1を用いた場合の探索について説明する。利用者は、移動体1を図9の前後移動モードに設定し、図10のスタート地点Sから真っ直ぐ上方向に移動体1を移動させながら地中埋設物を探索する。計測エリアの端に到達したときに、利用者は、移動体1を図7の横移動モードに切り替えて、移動体1を右方向に横移動させる。次の探索ラインに到達すると、利用者は、移動体1を図9の前後移動モードに切り替えて、真っ直ぐ下方向に移動体1を移動させながら地中埋設物を探索する。利用者は、以上の操作を繰り返して、スタート地点Sからフィニッシュ地点Fまで、移動体1により地中埋設物を探索する。
図7~9の移動体1を用いると、前後方向の移動と横方向の移動の直交が担保されるので、すべての計測ラインを並行に取り、2次元の格子状の計測ラインを容易に実現できる。
なお、本実施形態のように移動体の移動方向を前後方向または横方向に制限できない場合は、図11に示すように、移動体を直線的に動かすことができず、計測ラインを一定に保つことが難しい。そのため、計測エリアをきれいに網羅できなくなったり、位置推定の誤差が増大したりするので、精密な2次元計測データを得ることが難しい。
以上説明したように、本実施形態によれば、人力で動かす移動体1において、前輪10A,10Bを連結し、後輪10Cにブレーキをかけることで、移動体1の移動方向を前後方向へ制限できる。前輪10A,10Bと後輪10Cの回転方向が逆方向となるように前輪10A,10Bと後輪10Cを連結することで、移動体1の移動方向を横方向へ制限できる。移動体1の移動方向を制限することで、人が意識することなく直線的に移動体1を移動できる。移動体1の自由度を拘束することによる利用者への負荷は少ないので、滑らかかつスピーディーな移動特性を維持したまま、拘束された移動方向のみに簡便かつ省労力で移動体1を動かすことができる。
移動計測において、移動体1を正確に直線的に移動できると、計測データの質を大幅に改善できる。また、計測ラインを並行に取ることができ、2次元メッシュデータを正確に生成でき、計測作業の省力化を図ることができる。
1…移動体
10A,10B…前輪(オムニホイール)
10C…後輪(オムニホイール)
11A~11C…エンコーダ
12…連結部
12A~12C…車軸
13…ブレーキ
14…着脱機構
15…ラチェット機構
16A~16E…かさ歯車
17…回転軸
17A,17B…ベアリングホルダ
18…ブレーキ付きベアリングホルダ
18A…ブレーキレバー
19…フレーム
20…筐体
30…ハンドル
10A,10B…前輪(オムニホイール)
10C…後輪(オムニホイール)
11A~11C…エンコーダ
12…連結部
12A~12C…車軸
13…ブレーキ
14…着脱機構
15…ラチェット機構
16A~16E…かさ歯車
17…回転軸
17A,17B…ベアリングホルダ
18…ブレーキ付きベアリングホルダ
18A…ブレーキレバー
19…フレーム
20…筐体
30…ハンドル
Claims (4)
- 人力で動かす移動体であって、
車軸が互いに120度ずれた第1の全方位車輪と第2の全方位車輪と第3の全方位車輪と、
前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪とを連結する連結部と、
前記第3の全方位車輪に取り付けられたブレーキと、
前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪との連結を解除する連結解除部と、を備え、
前記連結部は、車軸側から見た前記第1の全方位車輪の回転方向と前記第2の全方位車輪の回転方向が互いに逆方向となるように、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪とを連結する
ことを特徴とする移動体。 - 前記連結部は、前記車軸側から見た前記第1の全方位車輪の回転方向と前記第2の全方位車輪の回転方向が同じで、前記第1の全方位車輪の回転方向と前記第3の全方位車輪の回転方向が逆方向となるように、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪と前記第3の全方位車輪とを連結する
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体。 - 前記連結部は、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪を連結した状態と、前記第1の全方位車輪と前記第2の全方位車輪と前記第3の全方位車輪を連結した状態と、全ての前記全方位車輪を連結しない状態とを切り替える
ことを特徴とする請求項2に記載の移動体。 - 前記第1の全方位車輪および前記第2の全方位車輪の回転方向を制限するラチェットを備える
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の移動体。
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PCT/JP2019/020872 WO2020240652A1 (ja) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | 移動体 |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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PCT/JP2019/020872 WO2020240652A1 (ja) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | 移動体 |
Publications (1)
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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PCT/JP2019/020872 WO2020240652A1 (ja) | 2019-05-27 | 2019-05-27 | 移動体 |
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Country | Link |
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