JP3656500B2 - 全方向移動型台車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はユニバーサルホイールやボールホイールのような全方向移動車輪を備えている全方向移動型台車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
全方向移動車輪を備えた全方向移動型台車は各種のものが提案されており、たとえば特開平６−１７１５６２号公報にはボールホイールである全方向移動車輪を備えたものが示されており、実公昭６３−３９１６４号公報にはユニバーサルホイール（オールサイドローラ）と称される全方向移動車輪を備えたものが示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の全方向移動台車では、上記全方向移動車輪に駆動力を与えることで任意の方向に移動させることができるようにするにあたり、個別に駆動力を付与することができる全方向移動車輪を３個以上組み合わせていた。
【０００４】
このためにコスト的にどうしても高くなってしまっている。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは駆動力を付与することができる全方向移動車輪が２個でありながら実質的に任意の方向に移動させることができて安価なものとすることができる全方向移動型台車を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る全方向移動型台車は、操作者が把持する操作用ハンドルと、駆動力を個別に付与することができる２個の全方向移動車輪と、少なくとも１個の自在車輪とを台車に設けた全方向移動型台車であって、駆動力が付与される２個の全方向移動車輪は、駆動力が加えられる中央車軸回りの回転が自在なフレームの外周部に中央車軸の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレルを配したユニバーサルホイールであるとともに、操作ハンドルより台車の重心をはさんで遠い側に駆動方向の交点がくるように配置していることに特徴を有している。
【０００７】
駆動輪が全方向移動車輪２個だけであるために、コストを下げることができるものであり、また、駆動用の全方向移動車輪が２個だけであることによる動作の安定性の問題については操作用ハンドルを把持する操作者による操作で補完することができる上に、ユニバーサルホイールタイプの全方向移動車輪を用いるとともに、操作ハンドルより台車の重心をはさんで遠い側に駆動方向の交点がくるように配置しているために、操作も楽なものである。
【０００８】
上記自在車輪には全方向移動車輪を好適に用いることができ、特に自在車輪が中央車軸回りの回転と、外周部にあって中央車軸の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレルとからなるユニバーサルホイールである場合、駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と上記ユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とをずらしておくとよい。駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と自在車輪であるユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とを直交させるようにしてもよい。
【０００９】
そして、操作ハンドルに操作者が加えた操作力を検出する検出手段を設けて、全方向移動車輪に付与される駆動力が上記検出手段で検出された操作力に応じたものとなるようにすれば、操作が簡単となる。
【００１０】
この時、操作ハンドルには検出手段と、該検出手段による駆動力制御に優先して左右移動方向の駆動力を２個の全方向移動車輪に加えさせる移動方向指示スイッチとを設けたり、検出手段と、該検出手段による駆動力制御に際しての動作を複数通りに規制する選択スイッチとを設けてもよいが、検出手段は、操作ハンドルに加えられた前後左右及び回転の３軸方向の操作力を検出するものとしてもよいのはもちろんである。
【００１１】
さらに、駆動力が付与される全方向移動車輪よりも操作ハンドル側に接地にてブレーキをかける制動手段を設けるのも好ましい。
【００１２】
そして、配膳車に操作用ハンドルと全方向移動車輪と自在車輪とを設けるならば、操作性に優れた配膳車を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示すように、この台車１はその前端側の左右に全方向移動車輪２ａ，２ｂを、後端側の左右にキャスター型の自在車輪３，３を備え、さらに後端面に操作者９が把持して操作力を加えることができる操作ハンドル４を備えたものとなっている。
【００１４】
上記全方向移動車輪２ａ，２ｂは図２に示すユニバーサルホイール型のものであり、このユニバーサルホイール型全方向移動車輪２ａ，２ｂは、中央車軸２０を備えたフレーム２１の外周部に中央車軸２０の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレル２２を配したもので、各バレル２２の支持軸を含む縦断面の外形が中央車軸２０を中心とする円弧を形成していることから、該全方向移動車輪２ａ，２ｂは、中央車軸２０を中心とする回転と、各バレル２２の夫々の軸回りの回転とによって、全方向移動が可能となっている。なお、複数個のバレル２２は２列で設けているとともに、両列においてバレル２２の中央車軸２０の軸回りにおける位置を半ピッチずらすことで、常にバレル２２が接地する状態を得られるようにしている。
【００１５】
そして、上記２つの全方向移動車輪２ａ，２ｂは、夫々の中央車軸２０，２０にモータ２５ａ，２５ｂが連結されて該モータ２５ａ，２５ｂによって中央車軸２０の回りの駆動力を受けることができるものとなっており、また、台車１の前端側の左右に配した２つの全方向移動車輪２ａ，２ｂは、その中央車軸２０，２０の軸方向延長線が台車１の中央寄りの部分で交差するように前後方向から左右に振った状態で台車１に取り付けられている。
【００１６】
台車１の後端面に配した操作ハンドル４は、操作者が両手で把持して左右方向の力を加えやすくするために左右方向に長い形態のものであり、２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２が取り付けられている。２接点モーメンタリー型となっている両スイッチＳＷ１，ＳＷ２のうち、スイッチＳＷ１は前後進用、スイッチＳＷ２は左右移動用であり、図３に示すように、スイッチＳＷ１を前進側に切り替えれば、上記両モータ２５ａ，２５ｂ及び全方向移動車輪２ａ，２ｂは正転して台車１を前進させ、スイッチＳＷ１を後退側に切り替えれば、上記両モータ２５ａ，２５ｂ及び全方向移動車輪２ａ，２ｂは逆転して台車１を後退させる。
【００１７】
また、スイッチＳＷ２を一方側に切り替えれば、モータ２５ａは正転、モータ２５ｂが逆転となり、スイッチＳＷ２を他方側に切り替えれば、モータ２５ａが逆転、モータ２５ｂが正転する。台車１を左右に移動させたい場合、スイッチＳＷ２を切り替えつつ、操作ハンドル４に移動させたい方向の力を加えればよい。そして、スイッチＳＷ２を操作しつつ、スイッチＳＷ１も操作すれば、左右移動と前後進動作とが合成された動作を得ることができる。
【００１８】
ここにおいて、左右移動に際して操作ハンドル４に左右方向の力も加えるのは、駆動力を発揮する２つの全方向移動車輪２ａ，２ｂが台車１の前端側にあって後端側を中心とする旋回動作が生じるからであり、これを補正するためである。なお、操作ハンドル４に加える力を全方向移動車輪２ａ，２ｂの回転で生じる移動方向と逆方向とすれば、台車１を小回り旋回させることができる。また、２つの全方向移動車輪２の駆動方向の交点ｘは図４に示すように、操作ハンドル４より台車１の重心Ｇをはさんで遠い側にくるようにしておくのがよい。旋回及び左右移動の操作が楽となる。
【００１９】
全方向移動車輪２ａ，２ｂのモータ２５ａ，２５ｂの駆動は、上記スイッチＳＷ１，ＳＷ２の操作ではなく、図５に示すように、操作者が操作ハンドル４に加える操作力に応じて行うようにしてもよい。この場合、操作ハンドル４に加えられた前後方向の力（推進力）ｆｘと左右方向の力（横移動力）ｆｙとモーメントｆψを検出することができるようにしておく。これらの力は、台車１の重心Ｇ位置ではＦｘ，Ｆｙ，Ｆψとして働くが、重心Ｇから操作ハンドル４までの距離をＬとすると、
Ｆｘ＝ｆｘ Ｆｙ＝ｆｙ Ｆψ＝ｆψ＋ｆｙ・Ｌ
となり、これらの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆψに対するアシストゲインＫｘ，Ｋｙ，Ｋψからモータ２５ａ，２５ｂの各出力ｆｌ、ｆｒを決定する。
【００２０】
推進力Ｆｘを補助するためのモータ力をｆｌｘ，ｆｒｘ、横移動力Ｆｙを補助するためのモータ力をｆｌｙ，ｆｒｙ、モーメント力Ｆψを補助するためのモータ力をｆｌψ，ｆｒψとすると、各モータ２５ａ，２５ｂの出力は推進方向に対しては
（ｆｌｘ＋ｆｒｘ）・cosθ＝Ｋｘ・Ｆｘ＝Ｋｘ・ｆｘ
となり、横移動方向については、
（ｆｌｙ−ｆｒｙ）・sinθ＝Ｋｙ・Ｆｙ＝Ｋｘ・ｆｙ
となり、モーメント力については重心Ｇから全方向移動車輪２ａ，２ｂまでの距離をｄｘ，ｄｙとすると、
（−ｆｌψ＋ｆｒψ）・（ｄｙ・cosθ＋ｄｘ・sinθ）＝Ｋψ・Ｆψ
＝Ｋψ・（ｆψ＋ｆｙ・Ｌ）
となる。モータ出力ｆｌ、ｆｒは、
ｆｌ＝ｆｌｘ＋ｆｌｙ＋ｆｌψ
ｆｒ＝ｆｒｘ＋ｆｒｙ＋ｆｒψ
で求める。
【００２１】
図６は上記の操作力ｆｘ，ｆｙ，ｆψを検出することができる操作ハンドル４の構成の一例を示すもので、台車１の後端面に板ばね４１，４１によって左右方向に可動となっているベース４０に操作ハンドル４の両端を夫々板ばね４２，４２を介して連結したもので、操作ハンドル４はベース４０に対して板ばね４２を撓ませることで前後に可動となっている。そして、ここではベース４０に設けた被検知部４４に非接触式距離センサー４５を対向させて、左右方向の力を操作ハンドル４に加えた時の板ばね４１の撓み量をベース４０の左右方向の移動量から検知し、さらに各板ばね４２に非接触式距離センサー４６，４６を対向させて各板ばね４２、４２の撓み量を検知し、これら非接触式距離センサー４５，４６，４６の出力から、操作力ｆｘ，ｆｙ，ｆψを求めている。
【００２２】
また、求めた操作力ｆｘ，ｆｙ，ｆψとアシストゲインＫｘ，Ｋｙ，Ｋψの値から、モータ２５ａ，２５ｂの出力ｆｌ，ｆｒを演算し、演算値をモータドライバーを通じて各モータ２５ａ，２５ｂの駆動を行う。
【００２３】
この時のモータ２５ａ，２５ｂの制御は、トルク制御とすると、操作した力に応じて出力が変化するために、操作者にとって自然な動きを得ることができる上に、エンコーダ等の速度検出装置が要らないという利点があるが、速度制御とした場合には、操作した力に応じて速度を制御することになるために、負荷変動が大きい場合でも操作感が一定となる利点があり、加速度制御とした場合には、負荷変動が大きい場合でも操作感が一定となるほか、トルク制御時と同様の自然な操作感を得ることができる。
【００２４】
自在車輪３は、操作ハンドル４側に一つだけ設けるようにしてもよい。また、上記の例ではキャスター型の自在車輪３を用いているが、水平方向回転の鉛直回転軸と接地点とがずれているキャスター型の自在車輪３は、その向きと台車１の移動方向とが一致していない時、時には台車１の移動初期において向きを１８０°反転させなくてはならない上に、この時には大きな操作力が必要となってしまうことから、図７に示すように、自在車輪３もボールホイールやユニバーサルホイールのような全方向移動車輪で構成するとよい。台車１をどの方向に動かす時にもスムーズな動作を得ることができる。
【００２５】
自在車輪３として、上記のようなユニバーサルホイール型の全方向移動車輪を１つだけ用いる場合には、図８に示すように、駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪２ａ，２ｂによる前後進方向と自在車輪３であるユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とを直交させておくとよい。図９に示すように、自在車輪３の中央車軸２０回りの回転方向と前後進方向とが一致している場合、中央車軸２０回りの回転について制動を加えるブレーキ２６を設けても、自在車輪３はバレル２２の軸回りの回転が自在であるために、台車１の後端部の左右方向の動き（図中のＸ点を中心とする左右方向の動き）を止めることができないが、上述のように直交させておけば、前後方向の動きは２つの全方向移動車輪２ａ，２ｂの駆動用のモータ２５ａ，２５ｂで、左右方向の動きは自在車輪３で止めることができる。なお、自在車輪３の各バレル２２にも夫々ブレーキを設ければ、上記のような直交配置としなくても台車１の動きを止めることができるが、これは構造上、非常に困難であって実際的ではない。
【００２６】
もっとも、台車１の前後進にあたって段差を乗り越えなくてはならない時、上記直交配置としたユニバーサルホイール型自在車輪３は、図１０(b)に示すように、きわめて小さい段差しか乗り越えることができず、乗り越え性という点からは、自在車輪３の中央車軸２０回りの回転方向が前後進方向と一致していることが好ましい。
【００２７】
このためにユニバーサルホイール型の自在車輪３を用いる場合は、実際上は、図１１に示すように、２個もしくは１個の自在車輪３の中央車軸２０回りの回転方向を、全方向移動車輪２ａ，２ｂによる前後進方向からずらして設置するとよい。段差の乗り越え性を確保しつつ、図中Ａ点を中心とする左右の振れを抑えることができる。
【００２８】
ブレーキを設けるにあたっては、自在車輪３の回転に制動を加えるのではなく、台車１の自在車輪３を設けた側、つまり後端側に、接地することで台車１の動きを止めるリフトアップ型のブレーキ（たとえばペダルロック）を設けるようにしてもよい。安価であると同時に確実にブレーキをかけることができる。
【００２９】
ところで、操作ハンドル４に加えた操作力に応じて全方向移動車輪２ａ，２ｂを駆動する場合、上記操作力ｆｘ，ｆｙ，ｆψにアシストゲインＫｘ，Ｋｙ，Ｋψを乗じた出力でモータ２５ａ，２５ｂが作動するようにした場合、つまり、操作ハンドル４を引けば後退を、操作ハンドル４を押せば前進を、操作ハンドル４を左右に動かせば左右移動を、操作ハンドル４を片側で押して片側で引けば、左右の出力差による旋回動作がなされるようにした場合、操作ハンドル４を操作するだけで、思いの方向に台車１を動かすことができるが、この自由度の高さが原因となって台車１の移動にふらつきを生じさせることがある。特に左右に幅方向移動させたいにもかかわらず、操作ハンドル４の左右両端部に均等に左右方向の力を加えることができず、旋回動作を招いてしまうことがある。
【００３０】
このために、前述の２接点モーメンタリー型のスイッチＳＷ２を設けて、図１２に示すように、該スイッチＳＷ２を操作していない時には、操作ハンドル４に加えた力に応じた動作制御を行い、スイッチＳＷ２を操作して左方向または右方向移動の選択を行った時には、操作ハンドル４に加えられた操作力がどのようなものであれ、選択した左方向移動もしくは右方向移動のための出力がモータ２５ａ，２５ｂから得られるようにしておくのも好ましい。
【００３１】
また、移動方向を指定することになる上記スイッチＳＷ２ではなく、操作ハンドル４に加えた操作力に応じた駆動力制御にあたって、図１３に示すように、その動作を複数通りに規制することになる選択スイッチＳＷを設けるようにしてもよい。たとえば、図示例のように、加えられた操作力に応じた前後進のみを行える状態と、加えられた操作力に応じた旋回動作のみを行える状態と、加えられた操作力に応じた左右移動のみを行える状態とを切り替えることができるようにしておくのである。前進と旋回の両方を操作力に応じて行える状態と、左右移動を操作力に応じて行える状態とに切り替えるものであってもよい。
【００３２】
ところで、上記台車１は、病院などでの配膳に使用する配膳車に好適に適用することができる。温冷機能を備えた最近の多機能型配膳車は重量がある上に、運行場所が身体的弱者が多い病院という場所であるために、操作性に優れた動力駆動型のものが求められるが、この要求を満足させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、操作者が把持する操作用ハンドルと、駆動力を個別に付与することができる２個の全方向移動車輪と、少なくとも１個の自在車輪とを備えていることから、 駆動輪が全方向移動車輪２個だけでよくてコストを下げることができるものであり、しかも駆動用の全方向移動車輪が２個だけであることによる動作の安定性の問題については操作用ハンドルを把持する操作者による操作で補完することができる上に、駆動輪である全方向移動車輪をユニバーサルホイールで構成して、操作ハンドルより台車の重心をはさんで遠い側に駆動方向の交点がくるように配置しているために、旋回及び左右移動の操作も楽であって、実際上、問題とはならないものである。
【００３４】
上記自在車輪には全方向移動車輪を用いるのが、任意の方向への移動を常に円滑に行うことができるという点で好ましい。
【００３５】
また、自在車輪が中央車軸回りの回転と、外周部にあって中央車軸の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレルとからなるユニバーサルホイールである場合には、駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と上記ユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とをずらしておくと、段差の乗り越え性を確保しつつ、左右の振れを抑えることができる。特に、駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と自在車輪であるユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とを直交させておけば、段差の乗り越え性は劣るものの、中央車軸回りの回転を抑制するブレーキだけで、左右の振れを抑止することができる。
【００３６】
そして、操作ハンドルに操作者が加えた操作力を検出する検出手段を設けて、全方向移動車輪に付与される駆動力が上記検出手段で検出された操作力に応じたものとなるようにすれば、操作が簡単となる上に操作感に優れたものを得ることができる。
【００３７】
この時、操作ハンドルには検出手段と、該検出手段による駆動力制御に優先して左右移動方向の駆動力を２個の全方向移動車輪に加えさせる移動方向指示スイッチとを設ければ、左右の幅方向移動を簡単に行うことができる。
【００３８】
また、検出手段と、該検出手段による駆動力制御に際しての動作を複数通りに規制する選択スイッチとを設けても、ふらつきのない思い通りの方向の動きを行わせることができる。
【００３９】
そして、上記検出手段として、操作ハンドルに加えられた前後左右及び回転の３軸方向の操作力を検出するものを用いれば、どのような動きも操作力に応じて行わせることができるものを得ることができる。
【００４０】
駆動力が付与される全方向移動車輪よりも操作ハンドル側に接地にてブレーキをかける制動手段を設けると、確実なブレーキを安価に得ることができる。
【００４１】
そして、配膳車に操作用ハンドルと全方向移動車輪と自在車輪とを設けるならば、操作性に優れた配膳車を得ることができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の概略平面図である。
【図２】同上の全方向移動車輪を示すもので、(a)は側面図、(b)は正面図である。
【図３】同上の全方向移動車輪の駆動用モータの動作説明図である。
【図４】同上の概略平面図である。
【図５】他例の概略平面図である。
【図６】同上の操作ハンドル部分の水平断面図である。
【図７】さらに他例の概略平面図である。
【図８】別の例の概略平面図である。
【図９】さらに別の例の概略平面図である。
【図１０】 (a)(b)は全方向移動車輪と段差との関係を示す側面図と正面図である。
【図１１】 (a)(b)は夫々他の例の概略平面図である。
【図１２】制御系の一例のフローチャートである。
【図１３】制御系の他例のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 台車
２ａ，２ｂ 全方向移動車輪
３ 自在車輪
４ 操作ハンドル

Claims (10)

1. 操作者が把持する操作用ハンドルと、駆動力を個別に付与することができる２個の全方向移動車輪と、少なくとも１個の自在車輪とを台車に設けた全方向移動型台車であって、駆動力が付与される２個の全方向移動車輪は、駆動力が加えられる中央車軸回りの回転が自在なフレームの外周部に中央車軸の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレルを配したユニバーサルホイールであるとともに、操作ハンドルより台車の重心をはさんで遠い側に駆動方向の交点がくるように配置していることを特徴とする全方向移動型台車。
2. 自在車輪は全方向移動車輪であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動型台車。
3. 自在車輪は中央車軸回りの回転が自在なフレームの外周部に中央車軸の軸方向及び径方向と直交する軸の回りに回転自在な複数個のバレルを配したユニバーサルホイールであり、駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と上記ユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とをずらしていることを特徴とする請求項２記載の全方向移動型台車。
4. 駆動力を付与することができる２個の全方向移動車輪による前後進方向と自在車輪であるユニバーサルホイールの中央車軸の軸回りの回転方向とを直交させていることを特徴とする請求項３記載の全方向移動型台車。
5. 操作ハンドルには操作者が加えた操作力を検出する検出手段を設けており、全方向移動車輪に付与される駆動力は上記検出手段で検出された操作力に応じたものとなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
6. 操作ハンドルには検出手段と、該検出手段による駆動力制御に優先して左右移動方向の駆動力を２個の全方向移動車輪に加えさせる移動方向指示スイッチとを設けていることを特徴とする請求項５記載の全方向移動型台車。
7. 操作ハンドルには検出手段と、該検出手段による駆動力制御に際しての動作を複数通りに規制する選択スイッチとを設けていることを特徴とする請求項５記載の全方向移動型台車。
8. 検出手段は、操作ハンドルに加えられた前後左右及び回転の３軸方向の操作力を検出するものであることを特徴とする請求項５記載の全方向移動型台車。
9. 駆動力が付与される全方向移動車輪よりも操作ハンドル側に接地にてブレーキをかける制動手段を設けていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。
10. 配膳車に操作用ハンドルと全方向移動車輪と自在車輪とを設けていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の全方向移動型台車。

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