特開 2023-115819 移動体、及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023115819

(43)【公開日】2023-08-21

(54)【発明の名称】移動体、及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   B62D 15/00 20060101AFI20230814BHJP

   G05D 1/02 20200101ALI20230814BHJP

   B60B 19/00 20060101ALI20230814BHJP

【ＦＩ】

B62D15/00

G05D1/02 X

B60B19/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022018240

(22)【出願日】2022-02-08

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(71)【出願人】

【識別番号】304036743

【氏名又は名称】国立大学法人宇都宮大学

(74)【代理人】

【識別番号】100115749

【弁理士】

【氏名又は名称】谷川 英和

(74)【代理人】

【識別番号】100121223

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 悟道

(72)【発明者】

【氏名】土方 優明

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 功一

【テーマコード（参考）】

5H301

【Ｆターム（参考）】

5H301BB11

5H301BB14

5H301CC03

5H301CC06

5H301HH19

(57)【要約】

【課題】移動体において、通常、複数の全方向移動車輪は回転軸が１点で交わるように、円周上に配置されるため、複数の全方向移動車輪をそれぞれ駆動する各モータが干渉しないように配置するためには、移動体が大型化するという問題があった。
【解決手段】移動体１は、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置された３個以上の全方向移動車輪と、制御装置２とを有する。制御装置２は、移動体１の目標速度及び目標角速度から、任意に配置された各全方向移動車輪の目標角速度を算出する第１の算出部２１を備える。このように、複数の全方向移動車輪を任意に配置できることによって、複数のモータ１２が干渉しないように複数の全方向移動車輪を配置した場合でも、移動体１が大型化しないようにすることができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置された３個以上の全方向移動車輪を有する移動体における各全方向移動車輪を制御する制御装置であって、
前記移動体の目標速度及び目標角速度から、各全方向移動車輪の目標角速度を算出する第１の算出部を備えた制御装置。

【請求項2】

各全方向移動車輪の実角速度から、前記移動体の実速度及び実角速度を算出する第２の算出部をさらに備えた、請求項１記載の制御装置。

【請求項3】

少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置されたＮ個（Ｎは３以上の整数である）の全方向移動車輪を有する移動体。

【請求項4】

Ｎは４であり、
４個の全方向移動車輪は、回転面が矩形形状の各辺にそれぞれ沿うように各辺の一端側に配置されている、請求項３記載の移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の全方向移動車輪を有する移動体等に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、全方向に移動できる移動体として、複数の全方向移動車輪（例えば、オムニホイールなど）を有する移動体が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－０４７３１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、全方向に移動できる移動体では、図５で示されるように複数の全方向移動車輪１０１が配置される。すなわち、複数の全方向移動車輪１０１は、回転面１０４が円１０３に接するように円周上に等間隔に配置され、各全方向移動車輪１０１の回転軸を延長した直線１０２は、円１０３の中心で交わる。

【0005】

この場合には、各全方向移動車輪１０１を回転させるモータを、円１０３の中心付近に配置することになるが、各モータが干渉しないように配置するためには、円１０３が大きくなり、結果として移動体が大型化するという問題がある。

【0006】

また、上記特許文献１では、図５とは異なるように全方向移動車輪が配置される例が示されているが、その例においても、モータ等が移動体の中心に寄って配置されることになり、同様の問題が存在する。

【0007】

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数の全方向移動車輪を任意の位置に配置することができる移動体、及び移動体の目標速度から、任意に配置された各全方向移動車輪の角速度を算出できる制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明の一態様による制御装置は、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置された３個以上の全方向移動車輪を有する移動体における各全方向移動車輪を制御する制御装置であって、移動体の目標速度及び目標角速度から、各全方向移動車輪の目標角速度を算出する第１の算出部を備えたものである。

【0009】

また、本発明の一態様による移動体は、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置されたＮ個（Ｎは３以上の整数である）の全方向移動車輪を有するものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様による移動体によれば、３個以上の全方向移動車輪を、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置することができるため、例えば、移動体が大型化しないようにすることができる。また、本発明の一態様による制御装置によれば、移動体の目標速度、目標角速度から、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置された３個以上の全方向移動車輪の目標角速度を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態による移動体を示す平面図

【図2】同実施の形態による移動体の構成を示す機能ブロック図

【図3】同実施の形態における全方向移動車輪の配置を示す図

【図4】同実施の形態による移動体における全方向移動車輪の配置の一例を示す図

【図5】従来の移動体における全方向移動車輪の配置の一例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明による移動体、及び制御装置について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。本発明の実施の形態による移動体は、３個以上の全方向移動車輪を、少なくとも２個の全方向移動車輪の推力方向が異なるように任意に配置できるものである。

【0013】

図１は、本実施の形態による移動体１の構成を示す平面図であり、図２は、移動体１の構成を示す機能ブロック図である。なお、移動体１は、全方向移動車輪１１ａ～１１ｄを用いて移動するものであれば、どのようなものであってもよい。移動体１は、例えば、台車であってもよく、ロボットであってもよい。ロボットは、例えば、エンターテイメントロボットであってもよく、監視ロボットであってもよく、搬送ロボットであってもよく、掃除ロボットであってもよく、その他のロボットであってもよい。

【0014】

本実施の形態による移動体１は、基台５と、基台５の底面側に配置された４個の全方向移動車輪１１ａ～１１ｄと、全方向移動車輪１１ａ～１１ｄの回転軸１３ａ～１３ｄをそれぞれ駆動する４個のモータ１２ａ～１２ｄと、移動体１における各全方向移動車輪１１ａ～１１ｄを制御する制御装置２とを備える。制御装置２は、第１の算出部２１と、第２の算出部２２と、移動制御部２３とを備える。なお、全方向移動車輪１１ａ～１１ｄを制御するとは、全方向移動車輪１１を回転駆動する各モータ１２ａ～１２ｄを制御することであってもよい。基台５は、全方向移動車輪１１ａ～１１ｄが取り付けられる部材であり、例えば、荷台であってもよい。４個の全方向移動車輪１１ａ～１１ｄは、それぞれ同じ構造及び同じサイズであることが好適である。また、４個のモータ１２ａ～１２ｄについても同様である。また、全方向移動車輪１１ａ～１１ｄ、モータ１２ａ～１２ｄ、回転軸１３ａ～１３ｄのそれぞれを特に区別しない場合には、全方向移動車輪１１、モータ１２、回転軸１３と呼ぶこともある。なお、モータ１２は、減速機を介して全方向移動車輪１１を駆動してもよい。

【0015】

４個の全方向移動車輪１１は、任意に配置することができる。全方向移動車輪１１を任意に配置できるとは、全方向移動車輪１１を任意の位置及び任意の角度で配置できることであってもよい。ただし、少なくとも２個の全方向移動車輪１１は、推力方向が異なるように配置されるものとする。推力方向とは、全方向移動車輪１１が回転することによって推進力が生じる方向のことである。なお、複数の全方向移動車輪１１の推力方向が異なるとは、その複数の全方向移動車輪１１の推力方向が平行でないことである。全方向移動車輪１１は、例えば、オムニホイールであってもよく、メカナムホイールであってもよく、その他の全方向移動車輪であってもよい。本実施の形態では、全方向移動車輪１１がオムニホイールである場合について主に説明する。オムニホイールである全方向移動車輪１１の推力方向は、回転面方向となる。したがって、全方向移動車輪１１がオムニホイールである場合には、少なくとも２個の全方向移動車輪１１が、回転面方向が異なるように配置されてもよい。言い換えれば、少なくとも２個の全方向移動車輪１１の回転軸の方向が異なるように配置されてもよい。また、メカナムホイールである全方向移動車輪１１の推力方向は、回転面方向と所定の角度を有する方向となる。全方向移動車輪１１の回転面は、回転する車輪によって形成される面であり、回転軸に垂直な面である。また、各全方向移動車輪１１の回転軸１３は、移動体１が走行する面に平行になるように設けられることが好適である。

【0016】

オムニホイールである全方向移動車輪１１は、通常、複数の樽型のフリーローラが外周上に均等に配置された１以上の車輪を有している。全方向移動車輪１１がその車輪を２以上有する場合には、その２以上の車輪は、フリーローラの位置が互い違いになり、回転軸が同一になるように重ねられていてもよい。図１では、全方向移動車輪１１を簡略化して表示しているが、全方向移動車輪１１は、例えば、図５で示される全方向移動車輪１０１と同様の構成であってもよい。図５で示される全方向移動車輪１０１では、４個の樽型のフリーローラの配置された２個の車輪が重ねられている。オムニホイールでは、通常、２以上の車輪が重ねられているが、そうでなくてもよい。例えば、特開２００１－１９１７０４号公報で示されるもののように、オムニホイールは、複数のフリーローラの配置された１個の車輪を有するものであってもよい。なお、全方向移動車輪１１の回転面とは、例えば、全方向移動車輪１１が有する１以上の車輪のモータ１２による回転面（車輪の中心点を通り、車輪の回転軸に直交する面である）であると考えてもよく、その面に平行な全方向移動車輪１１内の任意の面であると考えてもよい。

【0017】

モータ１２は、全方向移動車輪１１を駆動する。なお、図２で示されるように、モータ１２は制御装置２によって制御されるものとする。また、各モータ１２は、例えば、エンコーダを有していてもよい。モータ１２がエンコーダを有していない場合には、モータ１２または全方向移動車輪１１の角度や回転数を取得するためのエンコーダが設けられていてもよい。

【0018】

制御装置２の第１の算出部２１は、移動体１の目標速度及び目標角速度から、各全方向移動車輪１１の目標角速度を算出する。移動体１の目標速度や目標角速度は、例えば、移動体１の指令速度や指令角速度であってもよい。また、移動体１の角速度とは、移動体１の旋回の角速度であってもよい。この算出の詳細については後述する。この算出によって、移動体１の所望の移動を行うために必要な各全方向移動車輪１１の角速度や回転速度を知ることができる。

【0019】

第２の算出部２２は、各全方向移動車輪１１の実角速度から、移動体１の実速度及び実角速度を算出する。この算出の詳細については後述する。この算出によって、各全方向移動車輪１１の角速度や回転速度から、移動体１の現在速度や現在角速度を知ることができる。

【0020】

移動制御部２３は、各全方向移動車輪１１の回転を制御することによって、すなわち各モータ１２を制御することによって、移動体１の移動を制御する。移動の制御は、例えば、移動体１の移動の向きや移動の開始・停止、移動体１の速度、移動体１の旋回時の角速度などの制御であってもよい。例えば、移動経路が設定されている場合には、移動制御部２３は、移動体１がその移動経路に沿って移動するように、モータ１２を制御してもよい。移動制御部２３は、図示しない現在位置取得部によって取得された移動体１の現在位置を用いて移動体１の移動を制御してもよい。より具体的には、移動制御部２３は、現在位置取得部によって取得される現在位置が、移動経路に沿ったものになるように、各モータ１２を制御してもよい。現在位置取得部は、例えば、第２の算出部２２の算出結果を用いて、移動体１の現在位置を取得してもよく、ＧＰＳやＳＬＡＭなどの手法によって移動体１の現在位置を取得してもよく、その他の方法によって移動体１の現在位置を取得してもよい。また、移動制御部２３は、例えば、地図を用いて移動の制御を行ってもよい。移動制御部２３による移動の制御は公知であるため、その詳細な説明を省略する。

【0021】

移動制御部２３は、移動体１の移動の制御において、第１の算出部２１によって算出された全方向移動車輪１１の目標角速度を用いてもよい。例えば、移動制御部２３は、移動体１をある目標速度で移動させると共に、ある目標角速度で旋回させたい場合に、その目標速度及び目標角速度を第１の算出部２１に渡し、その目標速度及び目標角速度に対応する各全方向移動車輪１１の目標角速度を第１の算出部２１から受け取って、その目標角速度で回転するように各全方向移動車輪１１を駆動するモータ１２をそれぞれ制御してもよい。

【0022】

また、移動制御部２３は、移動体１の移動の制御において、各全方向移動車輪１１の実角速度をエンコーダの値から取得して第２の算出部２２に渡し、その実角速度に対応する移動体１の実速度及び旋回の実角速度を受け取ってもよい。なお、そのエンコーダは、例えば、モータ１２が有するエンコーダであってもよく、それ以外のエンコーダであってもよい。移動制御部２３は、例えば、移動体１の実速度及び実角速度と、目標速度及び目標角速度とを用いて、移動体１の移動に関するフィードバック制御を行ってもよい。また、上記したように、第２の算出部２２で算出された実速度及び実角速度は、移動体１の現在位置の算出に用いられてもよい。

【0023】

次に、第１の算出部２１による算出について説明する。ここで、４個の全方向移動車輪１１は、図３で示されるように配置されているものとする。ｘｙ直交座標系は、移動体１に設けられた座標系である。ｘｙ座標系の原点は、例えば、移動体１の重心であってもよい。また、ｘ軸の正の方向は、例えば、移動体１の前進の方向であってもよい。また、図３で示されるように、ｘ軸の正の方向の移動体１の速度の成分をＶ_ｘとし、ｙ軸の正の方向の移動体１の速度の成分をＶ_ｙとする。また、ｘｙ座標系の原点を中心とする旋回の角速度をΩとする。角速度Ωは、図３で示されるように、反時計回りが正となるようにとられている。また、図３で示されるように、各全方向移動車輪１１の半径をｒとする。また、ｎ番目（ｎ＝１，２，３，４）の全方向移動車輪１１について、角速度をω_ｎとし、回転面方向の速度成分をＶ_ｎとし、代表点の位置の座標を（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）とし、ｘ軸と回転面方向とのなす角度をθ_ｎとする。なお、全方向移動車輪１１の代表点は、全方向移動車輪１１の中心や重心であってもよい。例えば、（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）がｎ番目の全方向移動車輪１１の配置位置であり、θ_ｎがｎ番目の全方向移動車輪１１の回転面の方向を示す配置角度であると考えてもよい。したがって、θ₁～θ₄のうち、少なくとも２個は異なる値であるとする。また、Ｖ_ｎ＝ｒ×ω_ｎとなる。この場合には、次式のように、移動体１の目標速度及び目標角速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ，Ω）から、各全方向移動車輪１１の目標角速度（ω₁，ω₂，ω₃，ω₄）を算出することができる。したがって、第１の算出部２１は、次式を用いて各全方向移動車輪１１の角速度を算出してもよい。なお、移動体１の目標速度等から、全方向移動車輪１１の目標角速度を算出するための以下の行列を、演算行列と呼ぶことにする。

【数1】

【0024】

また、第２の算出部２２は、次式を用いて、各全方向移動車輪１１の実角速度から、移動体１の実速度及び実角速度を算出してもよい。このように、全方向移動車輪１１の実角速度から、移動体１の実速度及び実角速度を算出する際には、演算行列の逆行列が用いられてもよい。なお、この場合には、演算行列が正方行列ではないため、次式の右辺における演算行列の逆行列は、演算行列の疑似逆行列である。

【数2】

【0025】

次に、本実施の形態による移動体１の動作について、具体例を用いて説明する。この具体例では、移動体１が目的地に向かって移動しているものとする。その移動中に、移動制御部２３が、移動体１の目標速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ）及び旋回の目標角速度Ωを特定したとする。すると、移動制御部２３は目標速度（Ｖ_ｘ，Ｖ_ｙ）及び目標角速度Ωを第１の算出部２１渡す。それらを受け取ると、第１の算出部２１は、上式の演算行列を用いて各全方向移動車輪１１の目標角速度ω₁～ω₄を算出して移動制御部２３に渡す。目標角速度ω₁～ω₄を受け取ると、移動制御部２３は、各全方向移動車輪１１が目標角速度ω₁～ω₄となるように各モータ１２を制御する。

【0026】

また、移動制御部２３は、モータ１２から各全方向移動車輪１１のエンコーダ値を受け取り、そのエンコーダ値を用いて各全方向移動車輪１１の実角速度を取得して第２の算出部２２に渡す。実角速度を受け取ると、第２の算出部２２は、上式の演算行列の逆行列を用いて移動体１の実速度及び旋回の実角速度を算出して、図示しない現在位置取得部に渡す。移動体１の実速度及び実角速度を受け取ると、現在位置取得部は、移動体１の実速度及び実角速度を用いて、移動体１の現在位置及び現在角度を算出して移動制御部２３に渡す。現在位置及び現在角度を受け取ると、移動制御部２３は、その現在位置及び現在角度を用いて、移動体１が所定の経路に沿って目的地に移動するように移動体１の目標速度及び旋回の目標角速度を特定する。このような処理が繰り返されることによって、移動体１は、経路に沿って目的地にまで移動することになる。なお、第２の算出部２２の算出結果は、例えば、移動制御部２３によるフィードバック制御に用いられてもよい。

【0027】

以上のように、本実施の形態による移動体１では、複数の全方向移動車輪１１を、少なくとも２個の全方向移動車輪１１の回転面方向が異なるように任意に配置した場合であっても、移動体１が所望の速度で移動すると共に、所望の角速度で旋回するように複数の全方向移動車輪１１を制御することができる。したがって、例えば、複数のモータが干渉しないように複数の全方向移動車輪１１を配置した場合でも、移動体１が大型化しないようにすることができる。また、複数の全方向移動車輪１１の内側の空間を有効利用することができるように、各全方向移動車輪１１を配置することができるようになる。また、複数の全方向移動車輪１１の実角速度から、移動体１の実速度や旋回の実角速度を算出することができるため、その算出結果を用いて移動のためのフィードバック制御を行ったり、現在位置を算出したりすることができる。

【0028】

なお、本実施の形態では、全方向移動車輪１１の個数が４個である場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。移動体１が有する全方向移動車輪１１の個数は、３個以上であれば、その個数を問わない。移動体１がｎ個の全方向移動車輪１１を有する場合には、第１の算出部２１は、次式によって、各全方向移動車輪１１の目標角速度を算出してもよい。なお、ｎは、３以上の整数である。

【数3】

【0029】

また、第２の算出部２２は、次式によって、移動体１の実速度及び旋回の実角速度を算出してもよい。なお、次式の右辺の演算行列の逆行列は、ｎが４以上のときには演算行列の疑似逆行列である。

【数4】

【0030】

また、第１及び第２の算出部２１，２２は、上記した式と実質的に等しい他の式を用いて算出を行ってもよい。例えば、ｘｙ直交座標系に代えて斜交座標系が用いられる場合には、第１及び第２の算出部２１，２２は、斜交座標系に応じた式を用いて目標速度や実速度などを算出してもよい。

【0031】

また、上記したように、本実施の形態による移動体１では、少なくとも２個の全方向移動車輪１１の推力方向が異なっているのであれば、各全方向移動車輪１１を任意の位置に配置することができるが、その場合に、例えば、図４で示されるように、４個の全方向移動車輪１１が、回転面が一点鎖線で示される矩形形状７の各辺にそれぞれ沿うように、各辺の一端側に配置されてもよい。すなわち、矩形形状７の各頂点に、１個の全方向移動車輪１１が配置されており、矩形形状７の各辺の両端に配置される２個の全方向移動車輪１１の回転面の方向が９０度をなすように配置されてもよい。なお、図４は、移動体１の平面図である。また、図４では、モータ１２等を省略しているが、モータ１２は、移動体１の基台５の裏面側に配置されていてもよい。このような全方向移動車輪１１の配置により、移動体１の中心付近にモータ１２が存在しないようにすることができ、例えば、移動体１の中心付近にまとまった空間を確保できるため、バッテリなどの他の構成要素を配置することもできる。また、移動体１を小型化することも可能になる。

【0032】

なお、図４では、隣接する２個の全方向移動車輪１１、すなわち矩形形状７の各辺の両端に存在する２個の全方向移動車輪１１に関して、一方の全方向移動車輪１１の回転面方向の一端（例えば、図４における全方向移動車輪１１ｄの右端）が、他方の全方向移動車輪１１の回転軸方向の一端（例えば、図４における全方向移動車輪１１ａの右端）と一直線上に揃うように配置しているが、そうでなくてもよい。このように、４個の全方向移動車輪１１が、回転面が一点鎖線で示される矩形形状７の各辺にそれぞれ沿うように各辺の一端側に配置される場合には、４個の全方向移動車輪１１の回転軸方向の４個の直線は、従来例のように１点で交わるのではなく、その４個の直線によって矩形が形成されることになる。

【0033】

また、上記実施の形態において、各処理または各機能は、単一の装置または単一のシステムによって集中処理されることによって実現されてもよく、または、複数の装置または複数のシステムによって分散処理されることによって実現されてもよい。

【0034】

また、上記実施の形態において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、またはソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。例えば、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェア・プログラムをＣＰＵ等のプログラム実行部が読み出して実行することによって、各構成要素が実現され得る。その実行時に、プログラム実行部は、記憶部や記録媒体にアクセスしながらプログラムを実行してもよい。また、そのプログラムは、サーバなどからダウンロードされることによって実行されてもよく、所定の記録媒体に記録されたプログラムが読み出されることによって実行されてもよい。また、そのプログラムを実行するコンピュータは、単数であってもよく、複数であってもよい。すなわち、集中処理を行ってもよく、または分散処理を行ってもよい。

【0035】

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0036】

１ 移動体、２ 制御装置、１１、１１ａ～１１ｄ 全方向移動車輪、２１ 第１の算出部、２２ 第２の算出部、２３ 移動制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】