JP2008126936A - 移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動装置の移動機構を構成する段差の乗り越え用車輪の数をできるだけ少ない簡単な構成し、かつ、進行方向に対して斜めにある段差も乗り越えられるようにし、また、不整地走行、段差の乗り越え時に衝撃、振動ができるだけ本体に伝わらないようにした移動装置を提供すること。
【解決手段】従動輪ユニット４を、本体１ａに略平行に本体１ａに回転自在に設けられた懸架板８に、支点軸１２を中心に回動自在に懸架アーム１３が軸支し、該懸架アーム１３の支点軸１２よりも駆動輪ユニット３側には接地従動輪１６を設け、支点軸１２よりも駆動輪ユニット３と反対側には補助車輪１４が設け、かつ、懸架アーム１３の接地従動輪１６側にはばね１７およびダンパ機構１８を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、屋外や屋内などで走行する車輪或いはクローラなどの駆動による移動機構が設けられた移動装置に関し、特に、不整地走行や段差乗越えを安定して行うことのできる移動装置に関する。

屋内、屋外で移動できる移動装置として車椅子やロボットなど、車輪型の移動機構を備えた移動装置が開発されている。車輪型の移動機構を構成する車輪配置は、独立２輪の駆動輪（主動輪）と、回転自由なキャスタ（従動輪）をその前後に配置する構成が、移動制御の容易さ、移動精度の高さ、その場で旋回可能なこと等から、一般によく用いられている。

例えば、移動機構が車輪型の段差乗越えロボットでは、段差を検知してから、一旦停止して高さあるいは奥行きを測定した後、乗越え可否を判断して、階段なども連続的に踏破している。

また、他の移動ロボットとして、本体の左右に移動機構として車輪を備えた移動ロボットが知られている。この移動ロボットでは、車輪による移動に際しては、本体に固定された従動輪キャスタによって移動が補助され、本体の上部に固定されている超音波を発する検出器により非接触で周囲の障害物を検出しながら走行される（例えば、特許文献１参照）。

この移動ロボットは、検出部により移動する床面から一定の高さ以上の障害物との距離を測定し、車輪の駆動を制御する駆動制御部により障害物を回避する行動を取っている。床面の障害物または段差に対しては、従動輪キャスタに用いた車輪の半径により障害物乗越え性能が決定される。

また、更に他の移動ロボットとして、移動ロボット本体の左右に移動機構として車輪を備え、本体の前部に障害物を検出するための２つの接触型のスイッチセンサが配置され、障害物が乗越え可能かを判断する移動ロボットが知られている。乗越えが可能かの判断結果に従って、移動には、車輪が利用され、乗越えにはクローラと移動機構が利用されるように車輪及びクローラが制御されている（例えば、特許文献１参照）。

また、上述のように段差などを乗越えようとする場合、前に配置されたキャスタの車輪径によって踏破性能は決まってしまうので、その対策を講じた移動機構として、不整地走破性や段差乗越え能力を向上させるための機構も存在する。（例えば、特許文献２参照）。

また、電動車椅子においては、段差を登る際に、先ずアームを動作させて車椅子本体の前部を持ち上げ、該前部を段差の上に載せた後、伸縮部材を伸ばして車椅子本体の後部を持ち上げ、車椅子本体の全体を段差の上に載せ、最後に伸縮部材を縮めて、段差移動を完了する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６−１９０１０５号公報 特開２００５−１２５９９２号公報 特開２００４−２９０５５７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている技術では、床面の障害物または段差の乗り越えに際しては、従動輪キャスタに用いた車輪の半径により障害物乗越え性能が決定されてしまう。

上述の特許文献２に開示されている移動機構では、前進、後進用とは別に、その場旋回用に段差乗り越え車輪を増やさなければならず、機構が複雑になっていた。また、進行方向に対して斜めにある段差を乗り越えることができず、補助車輪部にサスペンションがないので、不整地走行、段差乗り越え時に衝撃、振動が、本体に伝わってしまうという問題があった。

また、上述の特許文献３に開示されている技術では、アームの動作を用いているので、迅速な動作はおこなうことができない。

本発明は、これらの事情に鑑みてなされたもので、移動装置の移動機構を構成する段差乗り越え用車輪の数をできるだけ少ない簡単な構成とした移動装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、本体と、前記本体の下部に移動機構として取り付けられた駆動車輪を具えた駆動輪ユニットと、この駆動輪ユニットの前方又は後方の少なくとも一方の前記本体の下部に設けられた従動輪ユニットとを有する移動装置であって、
前記従動輪ユニットは、前記本体に対して懸架板回転軸を中心に回転自在に設けられた懸架板と、
この懸架板に対して支点軸を中心に回動自在に軸支された懸架アームと、
この懸架アームの前記懸架板回転軸からシフトした位置に設けられた接地従動輪と、
前記懸架アームの前記接地従動輪よりも前記懸架板回転軸側に設けられた補助車輪と、前記補助車輪が走行面から離間する方向に付勢するために設けられ、前記懸架アームと前記懸架板との間に張架された弾性体と、
前記懸架アームと前記懸架板との間にダンパ機構を備えていることを特徴とする移動装置が提供される。

本発明によれば、移動装置の移動機構を構成する段差乗り越え用車輪の数をできるだけ少ない簡単な構成にできる。

以下、本発明の実施形態に係る移動装置について、図面を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態１に係る移動装置の移動機構の従動輪ユニットの近傍の構成を示す側面図である。

移動装置１は、本体１ａの下部に移動機構２が形成されている。移動機構２は駆動輪ユニット３と従動輪ユニット４とを有している。すなわち、本体１ａの下部に駆動源である駆動輪ユニット３が設けられ、この駆動輪ユニット３を中心に走行方向前後の少なくとも一方か、あるいは、前後の対称位置に従動輪ユニット４が設けられている。

駆動輪ユニット３は、本体１ａの下部に下方に延在して固定されている支持板５に、一対の駆動車輪６を固定した回転軸７が軸受（不図示）により軸支されている。回転軸７は、例えば、電池で駆動されるモータ（不図示）により駆動される。このモータには、その回転数や回転速度を計測するエンコーダ（不図示）が設けられ、このエンコーダの出力によって移動距離や移動方向についての移動情報を大略知ることができる。移動装置１は、人が直接操作できる操作インターフェース（不図示）として、タッチパネルやキーボードあるいは無線通信手段を有している。したがって、移動情報を基に、操作インターフェースを操作し、例えば、デッド・レコニング（ｄｅａｄ ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ 推定航法）により所望の方向に移動させることができる。

次に、従動輪ユニット４の構成について説明する。本体１ａの下部に本体１ａに略平行に懸架板８が、懸架板回転軸９を介して、この懸架板回転軸９を中心に回転自由に取り付けられている。懸架板８の下方に延在した支持部１１には、水平方向に支点軸１２が設けられ、この支点軸１２を中心に回動自在に懸架アーム１３が軸支されている。懸架アーム１３は「へ」字状で、頂部１３ａ（回動の際の支点になる）が支点軸１２に軸支され、矢印Ａ方向への走行の際の前端部には、補助車輪１４が回転自在に取り付けられている。一方、矢印Ａ方向への走行の際の後端部には、に常に接地する接地従動輪１６が回転自在に取り付けられている。なお、補助車輪１４は、懸架アーム１３の接地従動輪１６より懸架板回転軸９側に設けられている。また、接地従動輪１６は、懸架アーム１３の懸架板回転軸９からシフトした位置に設けられている。

また、接地従動輪１６を支持している懸架アーム１３の部位１３ｂには弾性体、例えばばね１７が懸架板８との間で張架されている。このばね１７は、懸架アーム１３を常に補助車輪１４が走行面１５から離間する方向に付勢するものである。さらに、懸架アーム１３の部位１３ｂには、ダンパ機構１８が懸架板８との間で取り付けられている。ダンパ機構１８は、移動装置が移動の際の衝撃、振動を緩和するものである。補助車輪１４は、移動装置１に作用する重力とばね１７およびダンパ機構１８の作用により、平地走行時は常に走行面１５には非接触で、走行面１５から所定距離ｈだけ離間して走行面１５から浮くように構成される。乗り越える段差が４０〜６０ｍｍであれば、ｈは段差の半分程度、すなわち、２０〜３０ｍｍ程度に設定するのが好適である。

次に、上述の構成による移動装置１の段差乗り越え動作について説明する。図２（ａ）〜（e）は、上述した構成の従動輪ユニット４による段差乗り越え動作の説明図である。

図２（ａ）は、平地走行の状態を示している。この状態では、接地従動輪１６が走行面１５に接地し、一方、補助車輪１４は、ばね１７およびダンパ機構１８の作用により、常に走行面１５には非接触で、走行面１５から所定距離だけ離間して浮いている。

図２（ｂ）は、補助車輪１４が段差２０に接した状態を示している。移動装置１が走行して補助車輪１４が段差２０に接すると、補助車輪１４の回転中心１４ｃの位置は段差２０の高さよりも上にあるので、接地従動輪１６の回転中心１６ｃの位置がたとえ段差２０の高さよりも下にあっても、補助車輪１４は段差２０に乗り上げようとする。

図２（ｃ）は、補助車輪１４が段差２０に乗り上げた状態を示している。図２（ｂ）の状態で移動装置１が前進するため、支点軸１２に軸支され懸架アーム１３が支点軸１２を支点として回動し、補助車輪１４は段差２０に乗り上げることができる。

図２（ｄ）は、接地従動輪１６が段差２０に乗り上げようとする状態を示している。補助車輪１４は段差２０に乗り上げ、接地従動輪１６が段差２０に接した状態で、従動輪ユニット４に作用する力は、本体１ａからの重量Ｐ１、接地従動輪１６の接地力Ｐ２、補助車輪１４の接地力Ｐ３である。したがって、力のつりあいから、本体１ａからの重量Ｐ１は接地従動輪１６の接地力Ｐ２と補助車輪１４の接地力Ｐ３に分散される。このため、接地従動輪１６は段差２０に乗り上がりやすくなる。

図２（ｅ）は、接地従動輪１６が段差２０に乗り上げた状態を示している。図２（ｄ）の状態で、さらに移動装置１が前進することにより接地従動輪１６が段差２０に乗り上げる。

次に、進行方向に対して斜めの段差２０を乗り上げる場合について説明する。図３は、進行方向に対して斜めの段差２０を乗り上げる場合についての模式説明図である。

移動装置１が矢印Ｂで示した進行方向に進行する際に、進行方向に対して斜めに段差２０が配置されている。移動装置１が前進して斜めの段差２０を乗り越えようとする場合、従動輪ユニット４の接地従動輪１６は、常に走行面１５に接地している。したがって、懸架板８は常に進行方向に向くことになる。その結果、補助車輪１４は、安定して斜めの段差２０に乗り上げることができ、続いて、接地従動輪１６が段差２０に乗り上げることができる。それにより、従来の回転自由キャスタでは斜めに乗り上げる瞬間に、キャスタが必ずしも進行方向を向いたままであるとは限らず、移動が不安定になっていた不具合を解消することができる。

このように実施形態１で示した移動装置１に移動機構２を用いることにより、従動輪ユニット４にモータやセンサを用いることなく、複雑な制御なしで、段差２０の乗り越え性能を上げることができる。

それにより、従来の回転自由キャスタの場合は、段差２０の乗り越え性能を上げるためには車輪径を大きくしていた。しかしながら、車輪径を大きくすると、自由回転キャスタが回転するスペースも空けておかなければならず、大きなスペースが必要であるという不具合が解消された。

なお、実施形態１で示した移動装置１で、補助車輪１４が配置されたスペースは、もともと、通常の構造では回転自由キャスタが動くスペースである。このスペースに補助車輪１４を配置するので、余計なスペースを割く必要がなく、省スペースで構成できる。また、懸架板８にばね１７、ダンパ機構１８を装着することで懸架板８から本体１ａに伝わる振動、衝撃を吸収することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２の移動装置１について説明する。

図４は、本実施形態２に係る移動装置１の移動機構２の従動輪ユニット４の近傍の構成を示す側面図である。実施形態２の移動装置１は、実施形態１の移動装置１と比較して、補助車輪１４と接地従動輪１６とがタイミングベルト２１により張架されている点が異なる。それ以外の箇所は実施形態１と同様である。

すなわち、図４に示したように、接地従動輪１６と補助車輪１４には、それぞれ同軸にプーリ２２、２３が取り付けられている。この２つのプーリ２２、２３にはタイミングベルト２１が張架されている。したがって、接地従動輪１６と補助車輪１４は、いずれか一方が回転するとタイミングベルト２１を介して他方も連動して回転する。

これにより、実施形態２の移動装置１では、実施形態１の移動装置１の効果に加えて、補助車輪１４が段差２０に乗り上げる瞬間には、接地従動輪１６が接地しているので、その回転が補助車輪１４に伝わる。それにより、より段差２０乗り越え性能を上げることができる。また、逆に接地従動輪１６が段差２０に乗り上げる場合は、補助車輪１４が接地していることにより、補助車輪１４の回転が接地従動輪１６に伝わり、段差２０の乗り越え性能を上げることができる。

（実施形態３）
次に、実施形態３の移動装置１について説明する。

図５は、本実施形態３に係る移動装置１の移動機構２の従動輪ユニット４の近傍の構成を示す側面図である。実施形態３の移動装置１は、実施形態１の移動装置１と比較して、補助車輪１４との構造が異なる。それ以外の箇所は実施形態１と同様である。

まず、本実施形態３の背景となる状態について、図６に示した説明図を用いて説明する。すなわち、例えば、移動装置１が移動状態から急減速した場合、前方にある懸架板８には、通常の荷重のほかに減速分の力が余計にＰ４のように加わる。このとき、従動輪ユニット４はばね１７の影響で、補助車輪１４も接地する状態になる。

その場合、例えば、移動装置１の重心が高い場合、急減速をすると、移動装置１が前に倒れてしまう可能性があるが、補助車輪１４が接地することにより、前に倒れようとするのを防ぐ効果がある。ただし、接地従動輪１６と補助車輪１４が両方接地してしまうと、懸架板８は回転できなくなり、移動装置１は接地従動輪１６と補助車輪１４が接地している向きにしか進めなくなる。それにより移動方向の自由度が拘束されてしまう。

図６に示したように、実施形態３の移動装置１では、補助車輪１４を一方向にしか進めない車輪ではなく、周方向にローラを環状に設けた全方向車輪２４として構成している。これにより、大きな荷重がかかって、接地従動輪１６と補助車輪１４が両方接地した場合でも、補助車輪１４が所望の方向に移動できる。それにより、懸架板８も回転できるので、移動装置１は任意の方向に移動できる。

なお、上述の場合は、補助車輪１４の周方向にローラ体を環状に設けたが、ローラ体の代わりにボールを設けてもよい。

したたって、実施形態３の移動装置１では、実施形態１の移動装置１の効果に加えて、移動装置１の急減速にも対処することができる。

（実施形態４）
次に、実施形態４の移動装置１について説明する。

図７は、実施形態４の移動装置１の外観図であり、図８はその制御系のシステムを示すブロック図である。実施形態４の移動装置１は、外観がロボット形状に構成されている。移動機構２が駆動輪ユニット３と従動輪ユニット４で構成されている基本構成は、上述の実施形態１乃至３と同様であるが、駆動輪ユニット３の左右の駆動輪６ａ、６ｂは独立駆動輪となっている。また、ロボットの頭部にはカメラ３１が装着され、このカメラ３１はロボット内部に内蔵されたカメラ方向変更部３２により方向が制御される。

図８にブロック図を示したように、制御系３０は大別すると、移動部である駆動車輪からなる駆動輪ユニット３の加減速を制御する加減速制御部３５と、カメラ３１の画像を処理する画像処理サブシステム３２と、カメラ３１光軸方向を動かして変えるカメラ方向変更部３３と、各部をまとめるシステム制御部３４により構成されている。

カメラ３１はＣＣＤカメラで走行面１５や段差２０を撮像する。また、画像処理サブシステム３２は撮像された画像データを、メモリ内の蓄積されたデータと比較すると共に、三角測量等により対象物までの距離を算出する。

次に、実施形態４の移動装置１の段差２０の乗り越えについて説明する。図９は、実施形態４の移動装置１の段差２０の乗り越えのフローチャートである。

まず、カメラ３１を走行面１５の前方になる地面に向ける（ステップＳ１）。

次に、カメラ３１で撮像して取り込んだ画像データを画像処理サブシステム３２で段差２０の検出画像処理をおこなう（ステップＳ２）。

次に、段差検出処理により段差２０検出をおこなう（ステップＳ３）。なお、段差検出処理は、予め、乗越え可能な段差２０について、メモリ内に記憶されているデータと比較して検出をおこなう。

次に、段差検出処理により段差２０検出された場合は、加減側制御部３５により移動部（駆動輪ユニット３）を段差２０の手前で加速する。一方、段差２０が検出されなかった場合は、ステップＳ１へ戻る（ステップＳ４）。

次に、加減側制御部３５により移動部（駆動輪ユニット３）を段差２０の手前で加速された後に前進して、前方の従動輪ユニット４が段差２０の上に乗ったら、加減側制御部３５により移動部（駆動輪ユニット３）減速する（ステップＳ５）。

移動部（駆動輪ユニット３）を減速のまま前進させて段差２０の乗越えを完了する（ステップＳ６）。

図９に示したフローチャートで説明したように、実施形態４の移動装置１では、図１０（ａ）〜（ｃ）に移動状態の外観図を示したように、加減側制御部３５により移動部（駆動輪ユニット３）を加減速制御することによって、段差２０の乗り越え能力をさらに向上させている。

すなわち、図１０（ａ）で示したように、通常走行状態の際は、垂直軸Ｌ１と移動装置１の中心軸Ｌ２とが一致している。それにより、移動装置１の重心はほぼ中央にある。

移動装置１に対して加速を行うと、懸架板８のばね１７により図１０（ｂ）で示したように、移動装置１は後ろに傾き（垂直軸Ｌ１と移動装置１の中心軸Ｌ２とがＡ１の傾きになる）、重心も後ろになる。

一方、移動装置１に対して逆に減速を行うと、図１０（ｃ）で示したように、移動装置１は前に傾き（垂直軸Ｌ１と移動装置１の中心軸Ｌ２とがＡ２の傾きになる）、重心も前になる。

この重心の移動を利用することにして、段差２０の乗り越えをおこなう。つまり、段差２０の前では、移動装置１に加速を行って、図１０（ｂ）の状態とし、重心を後ろにして、補助車輪１４にかかる荷重を小さくする。これに伴い、前方の補助車輪１４の走行面１５からの距離が大きくなる。それにより、より高い段差２０を乗り越えられる。一旦、前方の補助車輪１４が段差２０の上に乗り上げれば、今度は逆に減速を行い、図１０（ｃ）のようにできるだけ重心を前に移動させる。これに伴い、後方の補助車輪１４の走行面１５からの距離が大きくなる。これにより、次に接地従動輪１６が乗り上げやすくなる。このように段差２０を乗り上げるときには減速制御することにより、段差２０の乗り上げ能力を向上させることができる。

従って、実施形態４の移動装置１では、実施形態１の移動装置１の効果に加えて、カメラ３１により段差２０を確認すると共に、加減側制御部３５により移動部（駆動輪ユニット３）を加減速制御することによって、段差２０の乗り越え能力をさらに向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態のそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

実施形態１に係る移動装置の移動機構の従動輪ユニットの近傍の構成を示す側面図。 （ａ）〜（ｂ）は、実施形態１の構成の移動装置の従動輪ユニットの段差乗り越え動作の説明図。 実施形態１の構成の移動装置が、進行方向に対して斜めの段差を乗り上げる場合についての模式説明図。 実施形態２に係る移動装置の移動機構の従動輪ユニットの近傍の構成を示す側面図。 実施形態３に係る移動装置の移動機構の従動輪ユニットの近傍の構成を示す側面図。 実施形態３の背景となる状態についての説明図。 実施形態４の移動装置の外観図。 実施形態４の移動装置のシステムを示すブロック図。 実施形態４の移動装置の段差の乗り越えのフローチャート。 （ａ）〜（ｃ）は、実施形態４の移動装置の移動状態の外観図。

符号の説明

１…移動装置、１ａ…本体、２…移動機構、３…駆動輪ユニット、４…従動輪ユニット、５…支持板、６…駆動車輪、７…回転軸、８…懸架板、９…懸架板回転軸、１２…支点軸、１３…懸架アーム、１４…補助車輪、１５…走行面、１６…接地従動輪、１７…ばね、１８…ダンパ機構、２０…段差、２１…タイミングベルト、２２…プーリ、２３…プーリ、２４…全方向車輪、３１…カメラ、３２…画像処理システム、３３…カメラ方向変更部、３４…システム制御部、３５…加減速制御部

Claims (6)

1. 本体と、前記本体の下部に移動機構として取り付けられた駆動車輪を具えた駆動輪ユニットと、この駆動輪ユニットの前方又は後方の少なくとも一方の前記本体の下部に設けられた従動輪ユニットとを有する移動装置であって、
   前記従動輪ユニットは、前記本体に対して懸架板回転軸を中心に回転自在に設けられた懸架板と、
   この懸架板に対して支点軸を中心に回動自在に軸支された懸架アームと、
   この懸架アームの前記懸架板回転軸からシフトした位置に設けられた接地従動輪と、
   前記懸架アームの前記接地従動輪よりも前記懸架板回転軸側に設けられた補助車輪と、前記補助車輪が走行面から離間する方向に付勢するために設けられ、前記懸架アームと前記懸架板との間に張架された弾性体と、
   前記懸架アームと前記懸架板との間にダンパ機構を備えていることを特徴とする移動装置。
2. 前記補助車輪は、移動する平面に対して移動装置が乗り越える段差の高さの略半分、離間していることを特徴とする請求項１記載の移動装置。
3. 前記補助車輪と前記接地従動輪とはベルト伝動により動力が伝達されることを特徴とする請求項１又は２記載の移動装置。
4. 前記補助車輪は全方向車輪であることを特徴とする請求項１又は２記載の移動装置。
5. 前記本体には、前記駆動車輪の加速度を制御する加速度制御装置が装着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の移動装置。
6. 前記本体には、走行面の段差の位置を検知するカメラと、このカメラからの画像情報を処理する画像処理システムが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の移動装置。