JP6951611B2 - Omnidirectional moving device and its attitude control method - Google Patents

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Description

本発明は、全方向移動装置及びその姿勢制御方法に関する。 The present invention relates to an omnidirectional moving device and a method for controlling its attitude.

特許文献１には、搬送装置及び駆動機構が開示されている。この搬送装置は、１つの球状回転体と、３個のオムニホイールとを備えている。オムニホイールは、球状回転体に接して球状回転体を転動させ、更に球状回転体を転動する方向と異なる方向への移動を可能としている。３個のオムニホイールは、球状回転体の上半球において球状回転体の垂直軸（Z 軸）周りに等間隔で配置されている。オムニホイールのそれぞれにはホイール駆動部が接続されている。球状回転体上にはフレーム部を介して荷台が設けられ、ホイール駆動部はフレーム部に固定されている。 Patent Document 1 discloses a transport device and a drive mechanism. This transport device includes one spherical rotating body and three omni wheels. The omni wheel rolls the spherical rotating body in contact with the spherical rotating body, and further enables the spherical rotating body to move in a direction different from the rolling direction. The three omni wheels are arranged at equal intervals around the vertical axis (Z axis) of the spherical rotating body in the upper hemisphere of the spherical rotating body. A wheel drive unit is connected to each of the omni wheels. A loading platform is provided on the spherical rotating body via a frame portion, and the wheel drive portion is fixed to the frame portion.

上記搬送装置では、荷台の姿勢を傾けて、傾けた方向へ前後左右に移動することができ、更に旋回することができる。すなわち、搬送装置は、全方向へ自由度の高い動きを可能としている。 In the above-mentioned transport device, the posture of the loading platform can be tilted, and the loading platform can be moved back and forth and left and right in the tilted direction, and can be further turned. That is, the transport device can move with a high degree of freedom in all directions.

特開２００９−２３４５２４号公報JP-A-2009-234524

ところで、上記搬送装置では、すべてのホイール駆動部の出力が同一の場合、旋回のときに最大出力が得られるものの、本来、搬送装置として出力が必要とされる前進や左右の移動のときに最大出力を得ることができない。例えば、前進の移動では、旋回のときの約半分の出力しか得ることができない。このため、改善の余地があった。 By the way, in the above-mentioned transport device, when the outputs of all the wheel drive units are the same, the maximum output can be obtained at the time of turning, but the maximum at the time of forward movement or left / right movement where the output is originally required as the transport device. I can't get the output. For example, in forward movement, only about half the output of turning can be obtained. Therefore, there was room for improvement.

本発明は、上記課題を考慮し、最大出力により回転体を直進方向へ移動させることができる全方向移動装置及び車体の姿勢を安定に維持することができる全方向移動装置の姿勢制御方法を提供する。 In consideration of the above problems, the present invention provides an omnidirectional moving device capable of moving a rotating body in a straight direction with a maximum output and a posture control method of an omnidirectional moving device capable of stably maintaining the posture of a vehicle body. do.

上記課題を解決するため、本発明の第１実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の軸周りにおいて回転体の表面に接して複数配設され、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向とは交差する方向に回転体を転動可能とするホイールと、を備えている。 In order to solve the above problems, the omnidirectional moving device according to the first embodiment of the present invention has a spherical rotating body and a surface of the rotating body around the axis of the rotating body that rolls the rotating body to move it in the straight direction. A plurality of wheels are provided in contact with the wheel, which rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body and enable the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction.

第１実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体の表面に接して配設されたホイールとを備える。ホイールは、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向とは交差する方向に回転体を転動可能とする。 The omnidirectional moving device according to the first embodiment includes a spherical rotating body and wheels arranged in contact with the surface of the rotating body. The wheel rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and enables the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction.

ここで、ホイールは、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の軸周りにおいて回転体の表面に複数配設される。このため、直進方向の移動に際して、ホイールから回転体へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 Here, a plurality of wheels are arranged on the surface of the rotating body around the axis of the rotating shaft that rolls the rotating body and moves it in the straight direction. Therefore, when moving in the straight direction, the power is efficiently transmitted from the wheel to the rotating body, and the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output.

本発明の第２実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に接して複数配設され、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする第１ホイールと、回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の下半球の表面の特定位置に対する、回転体の中心対称位置の表面に接して配設され、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする第２ホイールと、を備えている。 The omnidirectional moving device according to the second embodiment of the present invention has a spherical rotating body and a surface of the upper hemisphere of the rotating body around an axis on one end side of the rotating body that rolls the rotating body to move it in the straight direction. A first wheel that is arranged in contact with each other, rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and can roll the rotating body in a direction intersecting the circumferential direction, and one end side of the rotating shaft. It is arranged around the axis of the rotating body in contact with the surface of the centrally symmetrical position of the rotating body with respect to a specific position on the surface of the lower hemisphere of the rotating body, rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and has a circumference. It is equipped with a second wheel that allows the rotating body to roll in a direction that intersects the direction.

第２実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体の表面に接して配設された第１ホイール及び第２ホイールとを備える。第１ホイール及び第２ホイールは、いずれも、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする。 The omnidirectional moving device according to the second embodiment includes a spherical rotating body and a first wheel and a second wheel arranged in contact with the surface of the rotating body. Both the first wheel and the second wheel rotate in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and enable the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction.

ここで、第１ホイールは、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に複数配設される。一方、第２ホイールは、回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の下半球の表面の特定位置に対する、回転体の中心対称位置の表面に配設される。このため、直進方向の移動に際して、第１ホイール、第２ホイールのそれぞれから回転体へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 Here, a plurality of first wheels are arranged on the surface of the upper hemisphere of the rotating body around one end side of the rotating shaft that rolls the rotating body and moves it in the straight direction. On the other hand, the second wheel is arranged on the surface of the rotating body at a position symmetrical with respect to the center of the rotating body with respect to a specific position on the surface of the lower hemisphere of the rotating body around the axis on one end side of the rotating shaft. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the first wheel and the second wheel to the rotating body, and the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output.

本発明の第３実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に接して複数配設され、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする第１ホイールと、回転軸の他端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に接して配設され、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする第２ホイールと、を備えている。 The omnidirectional moving device according to the third embodiment of the present invention has a spherical rotating body and a surface of the upper hemisphere of the rotating body around an axis on one end side of the rotating body that rolls the rotating body to move it in the straight direction. A first wheel that is arranged in contact with each other, rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and can roll the rotating body in a direction intersecting the circumferential direction, and the other end of the rotating shaft. It is arranged around the axis on the side in contact with the surface of the upper hemisphere of the rotating body, rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and can roll the rotating body in a direction intersecting the circumferential direction. It is equipped with a second wheel.

第３実施態様に係る全方向移動装置は、球状の回転体と、回転体の表面に接して配設された第１ホイール及び第２ホイールとを備える。第１ホイール及び第２ホイールは、いずれも、円周方向に回転して回転体に動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする。 The omnidirectional moving device according to the third embodiment includes a spherical rotating body and a first wheel and a second wheel arranged in contact with the surface of the rotating body. Both the first wheel and the second wheel rotate in the circumferential direction to transmit power to the rotating body, and enable the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction.

ここで、第１ホイールは、回転体を転動させて直進方向に移動させる回転軸の一端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に複数配設される。一方、第２ホイールは、回転軸の他端側の軸周りにおいて回転体の上半球の表面に配設される。このため、直進方向の移動に際して、第１ホイール、第２ホイールのそれぞれから回転体へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 Here, a plurality of first wheels are arranged on the surface of the upper hemisphere of the rotating body around one end side of the rotating shaft that rolls the rotating body and moves it in the straight direction. On the other hand, the second wheel is arranged on the surface of the upper hemisphere of the rotating body around the other end side of the rotating shaft. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the first wheel and the second wheel to the rotating body, and the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output.

本発明の第４実施態様に係る全方向移動装置では、第２実施態様又は第３実施態様に係る全方向移動装置において、第１ホイール及び第２ホイールは、オムニホイール又はメカナムホイールである。 In the omnidirectional moving device according to the fourth embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the second embodiment or the third embodiment, the first wheel and the second wheel are omni wheels or mecanum wheels.

第４実施態様に係る全方向移動装置によれば、第１ホイール及び第２ホイールがオムニホイール又はメカナムホイールとされるので、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができ、かつ、直進方向以外の方向へも回転体を転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the fourth embodiment, since the first wheel and the second wheel are omni wheels or mecanum wheels, the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output, and , The rotating body can be rolled in a direction other than the straight direction.

本発明の第５実施態様に係る全方向移動装置では、第２実施態様又は第３実施態様に係る全方向移動装置において、第１ホイールは２個配設され、第２ホイールは１個又は２個配設されている。 In the omnidirectional moving device according to the fifth embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the second embodiment or the third embodiment, two first wheels are arranged and one or two wheels are provided. Individually arranged.

第５実施態様に係る全方向移動装置によれば、第１ホイールは２個、第２ホイールは１個又は２個配設されるので、最小限のホイール数により、部品点数並びに重量を最小限として、回転体を全方向へ転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the fifth embodiment, two first wheels and one or two second wheels are arranged, so that the number of parts and the weight are minimized by the minimum number of wheels. As a result, the rotating body can be rolled in all directions.

本発明の第６実施態様に係る全方向移動装置では、第２実施態様又は第３実施態様に係る全方向移動装置において、第１ホイール及び第２ホイールは、回転体との接点の位置ベクトルと接点における接線ベクトルとで決まる動力伝達行列の行列要素のうち、回転軸の行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置に配設されている。 In the omnidirectional moving device according to the sixth embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the second embodiment or the third embodiment, the first wheel and the second wheel are the position vector of the contact point with the rotating body. Among the matrix elements of the power transfer matrix determined by the tangent vector at the contact point, the matrix elements are arranged at positions where the absolute values are equal for each column of the matrix elements of the rotation axis.

第６実施態様に係る全方向移動装置によれば、動力伝達行列の行列要素のうち、回転体を直進方向に移動させる回転軸の行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置に第１ホイール及び第２ホイールが配設される。このため、直進方向の移動に際して、第１ホイール、第２ホイールのそれぞれから回転体へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the sixth embodiment, among the matrix elements of the power transfer matrix, the first wheel is located at a position where the absolute value is equal for each row of the matrix elements of the rotating axis that moves the rotating body in the straight direction. And a second wheel is arranged. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the first wheel and the second wheel to the rotating body, and the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output.

本発明の第７実施態様に係る全方向移動装置では、第６実施態様に係る全方向移動装置において、動力伝達行列は、角速度を表す伝達行列を含んでいる。 In the omnidirectional moving device according to the seventh embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the sixth embodiment, the power transmission matrix includes a transmission matrix representing an angular velocity.

第７実施態様に係る全方向移動装置によれば、動力伝達行列は角速度を表す伝達行列を含む。回転体を直進方向に移動させる回転軸の角速度を表す伝達行列において行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置に、第１ホイール、第２ホイールがそれぞれ配設される。このため、直進方向の移動に際して、第１ホイール、第２ホイールのそれぞれから回転体へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the seventh embodiment, the power transmission matrix includes a transmission matrix representing an angular velocity. The first wheel and the second wheel are arranged at positions where the absolute values are equal for each row of matrix elements in the transmission matrix representing the angular velocity of the rotation axis that moves the rotating body in the straight direction. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the first wheel and the second wheel to the rotating body, and the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output.

本発明の第８実施態様に係る全方向移動装置は、第２実施態様又は第３実施態様に係る全方向移動装置において、回転体の下半球の表面に接して又は近接させて、円周方向に回転し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする補助輪を更に備えている。 The omnidirectional moving device according to the eighth embodiment of the present invention is the omnidirectional moving device according to the second embodiment or the third embodiment in the circumferential direction in contact with or close to the surface of the lower hemisphere of the rotating body. It is further provided with an auxiliary wheel that rotates in a direction that allows the rotating body to roll in a direction that intersects the circumferential direction.

第８実施態様に係る全方向移動装置は、回転体の下半球の表面に接して又は近接させて補助輪を備える。補助輪は、円周方向に回転し、かつ、円周方向と交差する方向に回転体を転動可能とする。このため、回転体の上半球が第１ホイール及び第２ホイールに接し、回転体の下半球に補助輪が設けられるので、回転体を全方向へ転動可能としつつ、回転体の抜けを防ぐことができる。 The omnidirectional moving device according to the eighth embodiment includes training wheels in contact with or close to the surface of the lower hemisphere of the rotating body. The training wheels rotate in the circumferential direction and allow the rotating body to roll in the direction intersecting the circumferential direction. Therefore, the upper hemisphere of the rotating body is in contact with the first wheel and the second wheel, and the training wheels are provided on the lower hemisphere of the rotating body, so that the rotating body can be rolled in all directions and the rotating body is prevented from coming off. be able to.

本発明の第９実施態様に係る全方向移動装置では、第２実施態様又は第３実施態様に係る全方向移動装置において、回転体上に設けられた車体と、車体に取り付けられ、かつ、第１ホイールを回転させる第１駆動装置と、車体に取り付けられ、かつ、第２ホイールを回転させる第２駆動装置と、車体に配設され、車体の姿勢を安定に維持する姿勢安定システムと、を更に備えている。 In the omnidirectional moving device according to the ninth embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the second embodiment or the third embodiment, the vehicle body provided on the rotating body and the vehicle body attached to the vehicle body and the third embodiment are used. A first drive device that rotates one wheel, a second drive device that is attached to the vehicle body and rotates the second wheel, and an attitude stabilization system that is arranged on the vehicle body and maintains the posture of the vehicle body in a stable manner. Further prepared.

第９実施態様に係る全方向移動装置によれば、回転体上には車体が設けられる。第１ホイールの回転軸には第１駆動装置が接続され、第１駆動装置は車体に取り付けられる。また、第２ホイールの回転軸には第２駆動装置が接続され、第２駆動装置は車体に取り付けられる。第１ホイール、第２ホイールはいずれも回転体の上半球の表面に接する。このため、車体の荷重が第１駆動装置を介して第１ホイール及び第２駆動装置を介して第２ホイールにより支えられ、姿勢安定システムにより車体の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the ninth embodiment, a vehicle body is provided on the rotating body. A first drive device is connected to the rotation shaft of the first wheel, and the first drive device is attached to the vehicle body. Further, a second drive device is connected to the rotation shaft of the second wheel, and the second drive device is attached to the vehicle body. Both the first wheel and the second wheel are in contact with the surface of the upper hemisphere of the rotating body. Therefore, the maximum output is obtained in a state where the load of the vehicle body is supported by the first wheel via the first drive device and the second wheel via the second drive device, and the posture of the vehicle body is stably maintained by the posture stabilization system. Therefore, the rotating body can be rolled in the straight direction.

本発明の第１０実施態様に係る全方向移動装置では、第９実施態様に係る全方向移動装置において、姿勢安定システムは、車体に装着され、車体の姿勢角度及び姿勢角度の変化に伴う第１角速度を検出する姿勢角度検出部と、第１ホイール及び第２ホイールの回転数を検出する回転数検出部と、回転数検出部による回転数の検出結果に基づいて、回転体が転動する第２角速度を検出する角速度検出部と、姿勢角度検出部により検出される姿勢角度情報、第１角速度情報及び角速度検出部により検出される第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持する第１ホイール及び第２ホイールのホイール操作トルクを算出し、このホイール操作トルク情報に従って第１駆動装置及び第２駆動装置を作動させる演算処理部と、を備えている。 In the omnidirectional moving device according to the tenth embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the ninth embodiment, the posture stabilization system is mounted on the vehicle body, and the first The rotating body rolls based on the posture angle detection unit that detects the angular velocity, the rotation speed detection unit that detects the rotation speeds of the first wheel and the second wheel, and the rotation speed detection result by the rotation speed detection unit. A first that maintains the posture of the vehicle body based on the angular velocity detection unit that detects the angular velocity, the attitude angle information detected by the attitude angle detection unit, the first angular velocity information, and the second angular velocity information detected by the angular velocity detection unit. It is provided with an arithmetic processing unit that calculates the wheel operating torques of the wheels and the second wheel and operates the first driving device and the second driving device according to the wheel operating torque information.

第１０実施態様に係る全方向移動装置によれば、姿勢安定システムは、姿勢角度検出部と、回転数検出部と、角速度検出部と、演算処理部とを備える。姿勢角度検出部は、車体に装着され、車体の姿勢角度及び姿勢角度の変化に伴う第１角速度を検出する。回転数検出部は、第１ホイール及び第２ホイールの回転数を検出する。角速度検出部は、回転数検出部による回転数の検出結果に基づいて、回転体が転動する第２角速度を検出する。 According to the omnidirectional moving device according to the tenth embodiment, the posture stabilizing system includes a posture angle detecting unit, a rotation speed detecting unit, an angular velocity detecting unit, and an arithmetic processing unit. The posture angle detection unit is mounted on the vehicle body and detects the attitude angle of the vehicle body and the first angular velocity accompanying the change in the attitude angle. The rotation speed detection unit detects the rotation speeds of the first wheel and the second wheel. The angular velocity detection unit detects the second angular velocity at which the rotating body rolls based on the rotation speed detection result of the rotation speed detection unit.

ここで、演算処理部は、姿勢角度検出部により検出される姿勢角度情報、第１角速度情報及び角速度検出部により検出される第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持する第１ホイール及び第２ホイールのホイール操作トルクを算出する。そして、演算処理部は、このホイール操作トルク情報に従って第１駆動装置及び第２駆動装置を作動させる。このため、姿勢安定システムでは、車体の姿勢を安定に維持する動力が第１ホイール及び第２ホイールから回転体へ伝達されるので、車体の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 Here, the arithmetic processing unit maintains the posture of the vehicle body based on the posture angle information detected by the posture angle detection unit, the first angular velocity information, and the second angular velocity information detected by the angular velocity detection unit. Calculate the wheel operation torque of the second wheel. Then, the arithmetic processing unit operates the first drive device and the second drive device according to the wheel operation torque information. Therefore, in the posture stabilization system, the power for maintaining the posture of the vehicle body is transmitted from the first wheel and the second wheel to the rotating body, so that the vehicle rotates with the maximum output while the posture of the vehicle body is maintained in a stable state. The body can be rolled in the straight direction.

本発明の第１１実施態様に係る全方向移動装置では、第１０実施態様に係る全方向移動装置において、演算処理部は、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持させる、回転体が転動する角加速度の目標値及び車体が旋回する角加速度の目標値を算出し、目標値に一致させる回転体の第３角加速度を算出し、第３角加速度に基づいて回転体を操作する回転体操作トルクを算出し、回転体操作トルク情報に基づいて、第１ホイール及び第２ホイールを操作するホイール操作トルクを算出する。 In the omnidirectional moving device according to the eleventh embodiment of the present invention, in the omnidirectional moving device according to the tenth embodiment, the arithmetic processing unit is based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information. Calculate the target value of the angular acceleration at which the rotating body rolls and the target value of the angular acceleration at which the vehicle body turns, and calculate the third angular acceleration of the rotating body to match the target value. The rotating body operating torque for operating the rotating body is calculated based on the acceleration, and the wheel operating torque for operating the first wheel and the second wheel is calculated based on the rotating body operating torque information.

第１１実施態様に係る全方向移動装置によれば、演算処理部では、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持させる、回転体が転動する角加速度の目標値及び車体が旋回する角加速度の目標値が算出される。演算処理部では、更に目標値に一致させる回転体の第３角加速度が算出され、第３角加速度に基づいて回転体を操作する回転体操作トルクが算出される。この回転体操作トルク情報に基づいて、演算処理部では、第１ホイール及び第２ホイールを操作するホイール操作トルクが算出される。この結果、演算処理部において、車体の姿勢を安定に維持する動力が算出される。このため、動力が第１ホイール及び第２ホイールから回転体へ伝達されるので、車体の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができる。 According to the omnidirectional moving device according to the eleventh embodiment, the arithmetic processing unit maintains the posture of the vehicle body based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, and the angle at which the rotating body rolls. The target value of acceleration and the target value of angular acceleration at which the vehicle body turns are calculated. The arithmetic processing unit further calculates the third angular acceleration of the rotating body to match the target value, and calculates the rotating body operating torque for operating the rotating body based on the third angular acceleration. Based on this rotating body operation torque information, the arithmetic processing unit calculates the wheel operation torque for operating the first wheel and the second wheel. As a result, the arithmetic processing unit calculates the power to maintain the posture of the vehicle body in a stable manner. Therefore, since the power is transmitted from the first wheel and the second wheel to the rotating body, the rotating body can be rolled in the straight direction by the maximum output while the posture of the vehicle body is maintained stable.

本発明の第１２実施態様に係る全方向移動装置の姿勢制御方法では、第１０実施態様に係る全方向移動装置の姿勢安定システムが、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報を取得し、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持させる、回転体が転動する角加速度の目標値及び車体が旋回する角加速度の目標値を算出し、目標値に一致させる回転体の第３角加速度を算出し、第３角加速度に基づいて回転体を操作する回転体操作トルクを算出し、回転体操作トルク情報に基づいて、第１ホイール及び第２ホイールを操作するホイール操作トルクを算出する。 In the posture control method of the omnidirectional moving device according to the twelfth embodiment of the present invention, the posture stabilizing system of the omnidirectional moving device according to the tenth embodiment acquires posture angle information, first angular velocity information, and second angular velocity information. Then, based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, the target value of the angular velocity at which the rotating body rolls and the target value of the angular velocity at which the vehicle body turns to maintain the posture of the vehicle body are calculated. , Calculate the third angular velocity of the rotating body to match the target value, calculate the rotating body operation torque to operate the rotating body based on the third angular velocity, and based on the rotating body operation torque information, the first wheel and The wheel operating torque for operating the second wheel is calculated.

第１２実施態様に係る全方向移動装置の姿勢制御方法によれば、姿勢安定システムが、まず最初に、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報を取得する。次に、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体の姿勢を維持させる、回転体が転動する角加速度の目標値及び車体が旋回する角加速度の目標値が算出される。次に、目標値に一致させる回転体の第３角加速度が算出され、更に第３角加速度に基づいて回転体を操作する回転体操作トルクが算出される。そして、回転体操作トルク情報に基づいて、第１ホイール及び第２ホイールを操作するホイール操作トルクが算出される。この結果、姿勢安定システムにおいて、車体の姿勢を安定に維持する動力が算出される。 According to the attitude control method of the omnidirectional moving device according to the twelfth embodiment, the attitude stabilization system first acquires attitude angle information, first angular velocity information, and second angular velocity information. Next, based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, the target value of the angular acceleration at which the rotating body rolls and the target value of the angular acceleration at which the vehicle body turns to maintain the posture of the vehicle body are calculated. Will be done. Next, the third angular acceleration of the rotating body to match the target value is calculated, and further, the rotating body operating torque for operating the rotating body is calculated based on the third angular acceleration. Then, based on the rotating body operation torque information, the wheel operation torque for operating the first wheel and the second wheel is calculated. As a result, in the posture stabilization system, the power for maintaining the posture of the vehicle body in a stable manner is calculated.

このため、動力が第１ホイール及び第２ホイールから回転体へ伝達されるので、全方向移動装置では、最大出力により回転体を直進方向へ転動させることができ、車体の姿勢を安定に維持することができる。 Therefore, since the power is transmitted from the first wheel and the second wheel to the rotating body, the omnidirectional moving device can roll the rotating body in the straight direction by the maximum output, and the posture of the vehicle body is maintained stably. can do.

本発明によれば、最大出力により回転体を直進方向へ移動させることができる全方向移動装置及び車体の姿勢を安定に維持することができる全方向移動装置の姿勢制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an omnidirectional moving device capable of moving a rotating body in a straight direction by a maximum output and a posture control method of an omnidirectional moving device capable of stably maintaining the posture of a vehicle body. ..

本発明の第１実施の形態に係る全方向移動装置の外観構成図であり、（Ａ）は左側面図、（Ｂ）は進行方向から見た正面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は底面図である。It is an external configuration view of the omnidirectional moving device according to the first embodiment of the present invention, (A) is a left side view, (B) is a front view seen from the traveling direction, (C) is a rear view, (D). ) Is a bottom view. 図１に示される全方向移動装置の駆動ユニットの要部拡大斜視図である。It is an enlarged perspective view of the main part of the drive unit of the omnidirectional moving device shown in FIG. 図１に示される全方向移動装置の回転体と図２に示される駆動ユニットのオムニホイールとの位置関係を示す図であり、（Ａ）は全方向移動装置の進行方向右側から見た側面図、（Ｂ）は全方向移動装置の進行方向左側から見た側面図である。It is a figure which shows the positional relationship between the rotating body of the omnidirectional moving device shown in FIG. 1 and the omni wheel of the drive unit shown in FIG. 2, and (A) is a side view seen from the right side in the traveling direction of the omnidirectional moving device. , (B) is a side view seen from the left side in the traveling direction of the omnidirectional moving device. 図１に示される全方向移動装置に組み込まれる姿勢安定システムを説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the posture stabilization system incorporated in the omnidirectional movement device shown in FIG. 図４に示される姿勢安定システムの姿勢制御方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the attitude control method of the attitude stabilization system shown in FIG. 図４に示される姿勢安定システムのアルゴリズムを説明する図である。It is a figure explaining the algorithm of the posture stabilization system shown in FIG. 第１実施の形態に係る動力伝達行列を説明する回転体及び３個のオムニホイールを示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating body and three omni wheels explaining the power transmission matrix which concerns on 1st Embodiment. 第１実施の形態に係る動力伝達行列を説明する回転体及び４個のオムニホイールを示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating body and four omni wheels explaining the power transmission matrix which concerns on 1st Embodiment. 比較例に係る動力伝達行列を説明する回転体及び３個のオムニホイールを示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating body which explains the power transmission matrix which concerns on a comparative example, and three omni wheels. 比較例に係る動力伝達行列を説明する回転体及び４個のオムニホイールを示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating body which explains the power transmission matrix which concerns on a comparative example, and four omni wheels. 本発明の第２実施の形態に係る全方向移動装置の動力伝達行列を説明する回転体及び４個のメカナムホイールを示す概略図である。It is the schematic which shows the rotating body and four Mecanum wheels explaining the power transmission matrix of the omnidirectional movement device which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

（第１実施の形態）
以下、図１〜図１０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の車体前方側であって進行方向を示し、矢印Y 方向は車体幅方向を示している。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上方向を示している。(First Embodiment)
Hereinafter, the omnidirectional moving device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10. In the figure, the arrow X direction indicated as appropriate indicates the vehicle body front side of the omnidirectional moving device and indicates the traveling direction, and the arrow Y direction indicates the vehicle body width direction. The arrow Z direction indicates an upward direction orthogonal to the arrow X direction and the arrow Y direction.

［全方向移動装置の構成］
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）及び図２に示されるように、本実施の形態に係る全方向移動装置１０は、単一の球状の回転体１２と、この回転体１２上に配設された車体１４とを含んで構成されている。[Configuration of omnidirectional mobile device]
As shown in FIGS. 1 (A) to 1 (D) and FIG. 2, the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment is arranged on a single spherical rotating body 12 and the rotating body 12. It is configured to include the provided vehicle body 14.

回転体１２は、例えば、直径３００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍのステンレス鋼を用いて形成された球殻を回転体本体とし、回転体本体の表面を回転体本体よりも軟質材料により被覆して形成されている。軟質材料として、例えば、厚さ５ｍｍの天然ゴム（NR：Natural Rubber）を実用的に使用することができる。 The rotating body 12 is formed by, for example, using a spherical shell formed of stainless steel having a diameter of 300 mm and a thickness of 1.5 mm as the rotating body body, and covering the surface of the rotating body body with a material softer than the rotating body body. Has been done. As the soft material, for example, natural rubber (NR: Natural Rubber) having a thickness of 5 mm can be practically used.

図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示されるように、車体１４は車体幅方向（矢印Y 方向）に一対に配設された車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂを備えている。車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂは、各々、車体前後方向（矢印X 方向）を長手方向として延在し、車体幅方向に離間して配置されている。車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂは、平面視において、回転体１２と重なる位置に配設されている。車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂには、上方向へ立設されたサドルサポート１６を介してサドル１８が取り付けられている。サドルサポート１６は管材により形成されている。サドル１８は全方向移動装置１０の搭乗者が着座する構成とされている。 As shown in FIGS. 1A to 1D, the vehicle body 14 includes a vehicle body body 14A and a vehicle body body 14B arranged in pairs in the vehicle body width direction (arrow Y direction). The vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B each extend in the vehicle body front-rear direction (arrow X direction) as the longitudinal direction, and are arranged apart from each other in the vehicle body width direction. The vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B are arranged at positions overlapping with the rotating body 12 in a plan view. A saddle 18 is attached to the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B via a saddle support 16 erected upward. The saddle support 16 is made of a pipe material. The saddle 18 is configured to seat the passenger of the omnidirectional moving device 10.

車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂの車体前方側には、車体１４を構成する車体前部１４Ｃが配設されている。車体前部１４Ｃは、上下方向において車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂの上面よりも下方向であって回転体１２の中心点付近に配置され、車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂの前壁１４Ｄに一体的に取り付けられている。車体前部１４Ｃは管材を折り曲げて形成され、車体前部１４Ｃの輪郭が平面視においてＣ字状に形成されている。 A vehicle body front portion 14C constituting the vehicle body 14 is arranged on the vehicle body front side of the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B. The vehicle body front portion 14C is arranged in the vertical direction below the upper surfaces of the vehicle body 14A and the vehicle body 14B and near the center point of the rotating body 12, and is integrated with the front wall 14D of the vehicle body 14A and the vehicle body 14B. It is attached to. The vehicle body front portion 14C is formed by bending a pipe material, and the contour of the vehicle body front portion 14C is formed in a C shape in a plan view.

車体前部１４Ｃ上には足置き部２０が車体幅方向に一対に配設されている。足置き部２０は搭乗者の足の置き場として使用される。また、車体前部１４Ｃには、上方向に向けてやや車体後方側に傾斜して立設されたハンドルサポート２２が配設され、ハンドルサポート２２の上端部にはハンドル２４が取り付けられている。ハンドル２４は車体幅方向外側へ向かって左右にそれぞれ突出された棒状に形成され、搭乗者はハンドル２４を把持して全方向移動装置１０を走行させる。ハンドル２４は、ここでは垂直軸（Z 軸）周りに旋回しない固定式により形成されている。図示を省略しているが、全方向移動装置１０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１０の走行中の速度を制動するブレーキ等はハンドル２４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２４又はハンドルサポート２２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１４の車体後端部の適正箇所に装着可能である。 A pair of footrest portions 20 are arranged on the vehicle body front portion 14C in the vehicle body width direction. The footrest portion 20 is used as a place for the passenger's feet. Further, the front portion 14C of the vehicle body is provided with a handle support 22 which is erected so as to be slightly inclined upward toward the rear side of the vehicle body, and a handle 24 is attached to the upper end portion of the handle support 22. The handle 24 is formed in a rod shape that protrudes to the left and right toward the outside in the width direction of the vehicle body, and the passenger grips the handle 24 and runs the omnidirectional moving device 10. The handle 24 is formed here by a fixed type that does not turn around a vertical axis (Z axis). Although not shown, a start switch for starting and stopping the running of the omnidirectional moving device 10, a brake for braking the running speed of the omnidirectional moving device 10, and the like are mounted around the handle 24. Further, as safety parts, a light, a front blinker, or the like can be attached to the handle 24 or the handle support 22. Further, a rear winker, a brake lamp, and the like as safety parts can be attached to an appropriate portion of the rear end portion of the vehicle body 14.

車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂ下において、回転体１２の周囲に沿ってリング状の枠部２６が配設されている。この枠部２６は車体幅方向両端部にそれぞれ設けられた枠サポート２８を介して車体本体１４Ａ、車体本体１４Ｂのそれぞれに取り付けられている。 A ring-shaped frame portion 26 is arranged along the periphery of the rotating body 12 under the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B. The frame portion 26 is attached to each of the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B via frame supports 28 provided at both ends in the vehicle body width direction.

また、車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂの車体前端部には、補助輪サポート３０を介して補助輪３２が配設されている。補助輪サポート３０は車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂから回転体１２の中心点よりも下方側まで延設され、補助輪サポート３０の下端部に補助輪３２が回転自在に取り付けられている。同様に、車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂの車体後端部には、補助輪サポート３４を介して補助輪３６が配設されている。補助輪サポート３４は車体本体１４Ａ及び車体本体１４Ｂから回転体１２の中心点よりも下方側まで延設され、補助輪サポート３４の下端部に補助輪３６が回転自在に取り付けられている。補助輪３２、補助輪３６は、いずれも回転体１２の下半球１２Ａ側に回り込む位置に配置され、下半球１２Ａの表面に接するか、或いは一定のクリアランスを持って離間（近接）されている。補助輪３２及び補助輪３６を備えることにより、車体１４からの回転体１２の抜けが防止されている。本実施の形態では、補助輪３２、補助輪３６のそれぞれに、後述するホイール、ここではオムニホイールが使用されている。 Further, auxiliary wheels 32 are arranged at the front ends of the vehicle body 14A and the vehicle body 14B via the auxiliary wheel support 30. The training wheel support 30 extends from the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B to a side below the center point of the rotating body 12, and the training wheels 32 are rotatably attached to the lower end of the auxiliary wheel support 30. Similarly, the training wheels 36 are arranged at the rear ends of the vehicle body 14A and the vehicle body 14B via the training wheels support 34. The training wheel support 34 extends from the vehicle body body 14A and the vehicle body body 14B to a side below the center point of the rotating body 12, and the training wheels 36 are rotatably attached to the lower end of the auxiliary wheel support 34. Both the training wheels 32 and the training wheels 36 are arranged at positions that wrap around to the lower hemisphere 12A side of the rotating body 12, and are in contact with the surface of the lower hemisphere 12A or separated (close) with a certain clearance. By providing the training wheels 32 and the training wheels 36, the rotating body 12 is prevented from coming off from the vehicle body 14. In the present embodiment, wheels described later, here omni wheels, are used for each of the training wheels 32 and training wheels 36.

図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示される全方向移動装置１０では、サドル１８に着座状態の搭乗者から見て車体幅方向右側において、車体本体１４Ａ下の車体前方側に、符号を省略した外装カバーにより被覆された第１駆動ユニット４０が取り付けられている。車体本体１４Ａ下の車体後方側には第２駆動ユニット４２が取り付けられている。一方、車体幅方向左側において、車体本体１４Ｂ下の車体前方側に第３駆動ユニット４４が取り付けられ、車体本体１４Ｂの車体後方側に第４駆動ユニット４６が取り付けられている。 In the omnidirectional moving device 10 shown in FIGS. 1 (A) to 1 (D), a reference numeral is assigned to the front side of the vehicle body under the vehicle body 14A on the right side in the width direction of the vehicle body when viewed from the passenger seated on the saddle 18. A first drive unit 40 covered with an omitted exterior cover is attached. A second drive unit 42 is attached to the rear side of the vehicle body under the vehicle body body 14A. On the other hand, on the left side in the vehicle body width direction, the third drive unit 44 is attached to the vehicle body front side under the vehicle body body 14B, and the fourth drive unit 46 is attached to the vehicle body rear side of the vehicle body body 14B.

ここで、本実施の形態では、第１駆動ユニット４０〜第４駆動ユニット４６の合計４個の駆動ユニットが配設されているが、第１駆動ユニット４０〜第３駆動ユニット４４の合計３個の駆動ユニットが配設される場合が含まれる。３個の駆動ユニットが配設される場合、第３駆動ユニット４４は車体本体１４Ｂの車体前後方向の中間部に配設される。 Here, in the present embodiment, a total of four drive units of the first drive unit 40 to the fourth drive unit 46 are arranged, but a total of three drive units of the first drive unit 40 to the third drive unit 44 are arranged. The case where the drive unit of the above is arranged is included. When three drive units are arranged, the third drive unit 44 is arranged at an intermediate portion of the vehicle body body 14B in the vehicle body front-rear direction.

［オムニホイールの構成］
図２に示されるように、第１駆動ユニット４０は、第１オムニホイールとしてのオムニホイール４０１と、減速機４４１と、第１駆動装置としての例えば交流（ＡＣ）サーボモータ４４２（１）とを含んで構成されている。オムニホイール４０１は、シャフト（回転軸）４３０を介して減速機４４１に連結されている。[Omni wheel configuration]
As shown in FIG. 2, the first drive unit 40 includes an omni wheel 401 as a first omni wheel, a speed reducer 441, and an alternating current (AC) servomotor 442 (1) as a first drive device. It is configured to include. The omni wheel 401 is connected to the speed reducer 441 via a shaft (rotating shaft) 430.

オムニホイール４０１は、シャフト４３０の回転に従ってシャフト４３０の回転軸周りに回転し、かつ、回転軸方向に２連をなす第１ホイール４１０及び第２ホイール４２０を備えている。第１ホイール４１０のホイール本体４１１の円周上には、等間隔に配設された複数の樽状のローラ（バレル）４１２〜４１４が回転軸４１５を中心に回転自在に取り付けられている。ここで、等間隔とは１２０度間隔であり、３つのローラ４１２〜４１４が取り付けられている。第２ホイール４２０は第１ホイール４１０の減速機４４１側とは反対側に配設されている。第２ホイール４２０のホイール本体４２１の円周上には、同様に、等間隔に配設された複数の樽状のローラ４２２〜４２４が回転軸４２５を中心として回転自在に取り付けられている。第２ホイール４２０のローラ４２２〜４２４の配置間隔は、第１ホイール４１０のローラ４１２〜４１４の配置間隔に対して、半ピッチ、具体的には６０度ずれている。このような構成により、オムニホイール４０１は、円周方向Ａに回転して回転体１２に動力を伝達し、かつ、円周方向Ａと交差する方向（ここでは直交する方向）Ｂに回転体１２を転動可能としている。
ここで、図２に示されるように、オムニホイール４０１のシャフト４３０の回転軸をａとし、ローラ４１２〜４１４の回転軸４１５をｂとすれば、回転軸ｂは回転軸ａに対してねじれの位置において直交している。The omni wheel 401 includes a first wheel 410 and a second wheel 420 that rotate around the rotation axis of the shaft 430 according to the rotation of the shaft 430 and form two rows in the direction of the rotation axis. A plurality of barrel-shaped rollers (barrels) 421 to 414 arranged at equal intervals are rotatably attached around the rotation shaft 415 on the circumference of the wheel body 411 of the first wheel 410. Here, the equal interval is 120 degree intervals, and three rollers 421 to 414 are attached. The second wheel 420 is arranged on the side opposite to the speed reducer 441 side of the first wheel 410. Similarly, a plurality of barrel-shaped rollers 422 to 424 arranged at equal intervals are rotatably attached around the rotation shaft 425 on the circumference of the wheel body 421 of the second wheel 420. The arrangement interval of the rollers 422 to 424 of the second wheel 420 is deviated by a half pitch, specifically 60 degrees, from the arrangement interval of the rollers 421 to 414 of the first wheel 410. With such a configuration, the omni-wheel 401 rotates in the circumferential direction A to transmit power to the rotating body 12, and the rotating body 12 rotates in the direction B intersecting the circumferential direction A (here, the direction orthogonal to the direction A). Can be rolled.
Here, as shown in FIG. 2, if the rotation axis of the shaft 430 of the omni wheel 401 is a and the rotation axis 415 of the rollers 421 to 414 is b, the rotation axis b is twisted with respect to the rotation axis a. It is orthogonal in position.

第２駆動ユニット４２、第３駆動ユニット４４、第４駆動ユニット４６のそれぞれの構成は、第１駆動ユニット４０の構成と同一である。すなわち、図２に示されるように、第２駆動ユニット４２は、第１オムニホイールとしてのオムニホイール４０２と、減速機４４１と、第１駆動装置としてのＡＣサーボモータ４４２（２）とを含んで構成されている。第３駆動ユニット４４は、第２オムニホイールとしてのオムニホイール４０３と、減速機４４１と、第２駆動装置としてのＡＣサーボモータ４４２（３）とを含んで構成されている。第４駆動ユニット４６は、第２オムニホイールとしてのオムニホイール４０４と、減速機４４１と、第２駆動装置としてのＡＣサーボモータ４４２（４）とを含んで構成されている。 The configurations of the second drive unit 42, the third drive unit 44, and the fourth drive unit 46 are the same as the configurations of the first drive unit 40. That is, as shown in FIG. 2, the second drive unit 42 includes an omni wheel 402 as a first omni wheel, a speed reducer 441, and an AC servomotor 442 (2) as a first drive device. It is configured. The third drive unit 44 includes an omni wheel 403 as a second omni wheel, a speed reducer 441, and an AC servomotor 442 (3) as a second drive device. The fourth drive unit 46 includes an omni wheel 404 as a second omni wheel, a speed reducer 441, and an AC servomotor 442 (4) as a second drive device.

本実施の形態に係る全方向移動装置１０では、前後方向及び左右方向への移動が可能とされ、かつ、旋回が可能とされている。勿論、斜め方向への移動、旋回しながらの前後方向、左右方向又は斜め方向の移動が可能である。そして、全方向移動装置１０では、前進方向に最大出力が得られる構成とされている。 In the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, it is possible to move in the front-rear direction and the left-right direction, and it is possible to turn. Of course, it is possible to move in an oblique direction, and to move in a front-rear direction, a left-right direction, or an oblique direction while turning. The omnidirectional moving device 10 is configured to obtain a maximum output in the forward direction.

［オムニホイールの配置］
一般的に、複数のオムニホイールは垂直軸（Z 軸）の軸周りに等間隔に配置されている（図９及び図１０参照）。これに対して、図３（Ａ）に示されるように、全方向移動装置１０では、オムニホイール４０１及び４０２が、回転体１２を転動させて直進方向に移動させる回転軸１２０の一端側の軸周り１２１において、回転体１２の上半球１２Ｂの表面に接して配設されている。ここで、回転体１２には固定された回転軸が存在するのではなく、回転軸１２０は直進方向に回転体１２が転動された際の回転体１２の実効的な回転中心である。回転軸１２０の軸方向は、回転体１２が直進方向（矢印X 方向）に転動するので、車体幅方向（矢印Y 方向）に一致する。また、回転軸１２０の一端側の軸周り１２１は、搭乗者から見て車体幅方向右側において、回転体１２を天体と見なしたときの緯線に相当する。[Arrangement of omni wheels]
Generally, a plurality of omni wheels are arranged at equal intervals around the axis of the vertical axis (Z axis) (see FIGS. 9 and 10). On the other hand, as shown in FIG. 3A, in the omnidirectional moving device 10, the omni wheels 401 and 402 roll the rotating body 12 and move it in the straight direction on one end side of the rotating shaft 120. Around the axis 121, it is arranged in contact with the surface of the upper hemisphere 12B of the rotating body 12. Here, the rotating body 12 does not have a fixed rotating shaft, but the rotating shaft 120 is an effective rotation center of the rotating body 12 when the rotating body 12 is rolled in the straight-ahead direction. The axial direction of the rotating shaft 120 coincides with the vehicle body width direction (arrow Y direction) because the rotating body 12 rolls in the straight direction (arrow X direction). Further, the shaft circumference 121 on one end side of the rotating shaft 120 corresponds to a latitude line when the rotating body 12 is regarded as a celestial body on the right side in the vehicle body width direction when viewed from the passenger.

オムニホイール４０３及び４０４は、図３（Ｂ）に示されるように、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２において回転体１２の上半球１２Ｂの表面に接して配設されている。回転軸１２０の他端側の軸周り１２２は、搭乗者から見て車体幅方向左側において、回転体１２を天体と見なしたときの緯線に相当する。オムニホイール４０３及び４０４の配置位置は、図３（Ａ）に示される回転軸１２０の一端側の軸周り１２１において回転体１２の下半球１２Ａの表面の特定位置４０３Ｐ及び４０４Ｐに対する回転体１２の中心対称位置である。 As shown in FIG. 3B, the omni wheels 403 and 404 are arranged in contact with the surface of the upper hemisphere 12B of the rotating body 12 at the axial circumference 122 on the other end side of the rotating shaft 120. The axial circumference 122 on the other end side of the rotating shaft 120 corresponds to a latitude line when the rotating body 12 is regarded as a celestial body on the left side in the vehicle body width direction when viewed from the passenger. The omni-wheels 403 and 404 are arranged at the center of the rotating body 12 with respect to the specific positions 403P and 404P on the surface of the lower hemisphere 12A of the rotating body 12 around the axis 121 on one end side of the rotating shaft 120 shown in FIG. It is a symmetrical position.

本来、オムニホイール４０３は軸周り１２１において下半球１２Ａに配置され、オムニホイール４０４は軸周り１２１において下半球１２Ａに配置される。特定位置４０３Ｐは、進行方向に最大出力を得る際に、軸周り１２１の下半球１２Ａにおいてオムニホイール４０３の配置に適した位置である。また、同様に、特定位置４０４Ｐは軸周り１２１の下半球１２Ａにおいてオムニホイール４０４の配置に適した位置である。本実施の形態では、下半球１２Ａ側に第３駆動ユニット４４及び第４駆動ユニット４６が装着し難いので、軸周り１２２において回転体１２の上半球１２Ｂ側にオムニホイール４０３及び４０４が配設されている。 Originally, the omni wheel 403 is arranged in the lower hemisphere 12A around the axis 121, and the omni wheel 404 is arranged in the lower hemisphere 12A around the axis 121. The specific position 403P is a position suitable for arranging the omni wheel 403 in the lower hemisphere 12A around the axis 121 when obtaining the maximum output in the traveling direction. Similarly, the specific position 404P is a position suitable for arranging the omni wheel 404 in the lower hemisphere 12A around the axis 121. In the present embodiment, since it is difficult to mount the third drive unit 44 and the fourth drive unit 46 on the lower hemisphere 12A side, the omni wheels 403 and 404 are arranged on the upper hemisphere 12B side of the rotating body 12 around the axis 122. ing.

なお、第１駆動ユニット４０〜第３駆動ユニット４４を備える場合には、回転軸１２０の一端側の軸周り１２１において回転体１２の上半球１２Ｂに接してオムニホイール４０１及び４０２が配設される（図３（Ａ）参照）。そして、オムニホイール４０３は、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２において回転体１２の上半球１２Ｂに接してオムニホイール４０３が配設される（図３（Ｂ）参照）。この場合、回転軸１２０の軸方向から見て、オムニホイール４０３は、図３（Ｂ）に示されるオムニホイール４０３とオムニホイール４０４との中間部に配設される。 When the first drive unit 40 to the third drive unit 44 are provided, the omni wheels 401 and 402 are arranged in contact with the upper hemisphere 12B of the rotating body 12 around the axis 121 on one end side of the rotating shaft 120. (See FIG. 3 (A)). Then, in the omni wheel 403, the omni wheel 403 is arranged in contact with the upper hemisphere 12B of the rotating body 12 at the axis circumference 122 on the other end side of the rotating shaft 120 (see FIG. 3B). In this case, the omni wheel 403 is arranged in the intermediate portion between the omni wheel 403 and the omni wheel 404 shown in FIG. 3 (B) when viewed from the axial direction of the rotating shaft 120.

図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に戻って、全方向移動装置１０の車体１４上であってサドル１８下にはセンサユニット５０が配設されている。また、車体１４上の車体後方側には、制御ユニット６０が配設されている。センサユニット５０及び制御ユニット６０は図４に示される姿勢安定システム６００を構築し、この姿勢安定システム６００は、車体１４の姿勢を安定に維持し、又車体１４の姿勢を安定に維持した状態において車体１４を走行させる。 Returning to FIGS. 1A to 1D, the sensor unit 50 is arranged on the vehicle body 14 of the omnidirectional moving device 10 and under the saddle 18. Further, a control unit 60 is arranged on the vehicle body rear side on the vehicle body 14. The sensor unit 50 and the control unit 60 construct the posture stabilization system 600 shown in FIG. 4, and the posture stabilization system 600 maintains the posture of the vehicle body 14 in a stable manner and the posture of the vehicle body 14 in a stable state. The vehicle body 14 is driven.

［姿勢安定システムの構成］
図４に示されるように、全方向移動装置１０の姿勢安定システム６００は、センサユニット５０及び制御ユニット６０を含んで構成されている。
センサユニット５０には姿勢角度検出部５０１が含まれている。姿勢角度検出部５０１には例えば慣性計測装置（IMU：Inertial Measurement Unit）が使用されている。この姿勢角度検出部５０１では、車体１４の姿勢角度及び車体１４の各軸周りの姿勢角度の変化に伴う第１角速度としての角速度が検出される。姿勢角度は姿勢角度情報として、角速度は第１角速度情報として、姿勢角度検出部５０１から出力される。[Configuration of posture stabilization system]
As shown in FIG. 4, the posture stabilization system 600 of the omnidirectional movement device 10 includes a sensor unit 50 and a control unit 60.
The sensor unit 50 includes a posture angle detecting unit 501. For example, an inertial measurement unit (IMU) is used for the attitude angle detection unit 501. The posture angle detection unit 501 detects the angular velocity as the first angular velocity as the posture angle of the vehicle body 14 and the attitude angle around each axis of the vehicle body 14 change. The attitude angle is output as attitude angle information, and the angular velocity is output as first angular velocity information from the attitude angle detection unit 501.

制御ユニット６０は、操作表示部６０１と、演算処理部（コントローラ）６０２と、デジタルアナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）６０３と、角速度検出部６０４と、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）と、電源６０６とを備えている。ここで、姿勢安定システム６００には、第１駆動ユニット４０のＡＣサーボモータ４２２（１）〜第４駆動ユニット４６のＡＣサーボモータ４２２（４）が回転数検出部６０７として組み込まれている。ＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）の各々には図示を省略した例えばエンコーダが装着され、エンコーダを用いてオムニホイール４０１〜オムニホイール４０４の回転数が検出される。回転数検出部６０７は、ＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）と、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）とを含んで構成されている。 The control unit 60 includes an operation display unit 601, an arithmetic processing unit (controller) 602, a digital-to-analog converter (D / A converter) 603, an angular velocity detection unit 604, and a servo amplifier 605 (1) to a servo amplifier 605. (4) and a power supply 606 are provided. Here, the attitude stabilization system 600 incorporates the AC servomotor 422 (1) of the first drive unit 40 to the AC servomotor 422 (4) of the fourth drive unit 46 as the rotation speed detection unit 607. Each of the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) is equipped with, for example, an encoder (not shown), and the number of rotations of the omni wheels 401 to 404 is detected by using the encoder. The rotation speed detection unit 607 includes AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) and servo amplifiers 605 (1) to servo amplifiers 605 (4).

操作表示部６０１は、姿勢安定システム６００の起動及び終了の操作、姿勢安定システム６００の動作状態の表示等を行う。 The operation display unit 601 operates the start and end of the posture stabilization system 600, displays the operating state of the posture stabilization system 600, and the like.

演算処理部６０２には、例えばmini-ITX規格準拠の組込み用パーソナルコンピュータが使用されている。演算処理部６０２では、少なくとも下記処理（Ａ）〜処理（Ｄ）が実行される。
（Ａ）車体１４の姿勢角度を検出して得られる姿勢角度情報及び姿勢角度の変化に伴う角速度を検出して得られる第１角速度情報が姿勢角度検出部５０１から取得される。
（Ｂ）回転数検出部６０７ではオムニホイール４０１〜４０４の回転数が検出される。この回転数の検出結果が回転数検出部６０７から取得され、この検出結果に基づいて、回転体１２が転動する第２角速度としての角速度が算出される。この第２角速度は第２角速度情報として取得される。
（Ｃ）姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体１４の姿勢を安定に維持するオムニホイール４０１〜オムニホイール４０４のホイール操作トルクが算出される。
（Ｄ）ホイール操作トルク情報に従って第１駆動ユニット４０〜第４駆動ユニット４６が作動される。For example, an embedded personal computer compliant with the mini-ITX standard is used in the arithmetic processing unit 602. In the arithmetic processing unit 602, at least the following processes (A) to (D) are executed.
(A) The attitude angle information obtained by detecting the attitude angle of the vehicle body 14 and the first angular velocity information obtained by detecting the angular velocity accompanying the change in the attitude angle are acquired from the attitude angle detection unit 501.
(B) The rotation speed detection unit 607 detects the rotation speeds of the omni wheels 401 to 404. The detection result of the rotation speed is acquired from the rotation speed detection unit 607, and based on this detection result, the angular velocity as the second angular velocity at which the rotating body 12 rolls is calculated. This second angular velocity is acquired as the second angular velocity information.
(C) Based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, the wheel operating torques of the omni wheels 401 to omni wheels 404 that maintain the posture of the vehicle body 14 in a stable manner are calculated.
(D) The first drive unit 40 to the fourth drive unit 46 are operated according to the wheel operation torque information.

さらに、演算処理部６０２では、処理（Ｄ）において、下記処理（ａ）〜処理（ｄ）が実行される。
（ａ）姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体１４の姿勢を安定に維持させる、回転体１２が転動する角加速度の目標値及び車体１４が旋回する角加速度の目標値が算出される。
（ｂ）目標値に一致させる回転体１２の第３角加速度としての角加速度が算出される。
（ｃ）第３角加速度情報に基づいて、回転体１２を操作する回転体操作トルクが算出される。
（ｄ）回転体操作トルク情報に基づいて、オムニホイール４０１〜オムニホイール４０４を操作するホイール操作トルクが算出される。Further, in the arithmetic processing unit 602, the following processes (a) to (d) are executed in the process (D).
(A) The target value of the angular acceleration at which the rotating body 12 rolls and the angular acceleration at which the vehicle body 14 turns, which keeps the posture of the vehicle body 14 stable based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information. The target value of is calculated.
(B) The angular acceleration as the third angular acceleration of the rotating body 12 that matches the target value is calculated.
(C) The rotating body operating torque for operating the rotating body 12 is calculated based on the third angular acceleration information.
(D) Based on the rotating body operation torque information, the wheel operation torque for operating the omni wheel 401 to omni wheel 404 is calculated.

演算処理部６０２から出力されるホイール操作トルク情報（デジタル情報）はトルク指令としてデジタルアナログ変換器６０３へ出力される。デジタルアナログ変換器６０３ではトルク指令がアナログ情報に変換され、アナログ情報に変換されたトルク指令はデジタルアナログ変換器６０３からサーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）の各々へ出力される。また、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）には演算処理部６０２からシーケンス指令が出力される。サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）は、トルク指令に従ってＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）のそれぞれを制御する。 The wheel operation torque information (digital information) output from the arithmetic processing unit 602 is output to the digital-to-analog converter 603 as a torque command. In the digital-to-analog converter 603, the torque command is converted into analog information, and the torque command converted into the analog information is output from the digital-to-analog converter 603 to each of the servo amplifiers 605 (1) to 605 (4). Further, a sequence command is output from the arithmetic processing unit 602 to the servo amplifiers 605 (1) to 605 (4). The servo amplifiers 605 (1) to 605 (4) control each of the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) according to the torque command.

一方、回転数検出部６０７においてＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）の各々の回転数が検出されると、この検出結果はサーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）のそれぞれを介して角速度検出部６０４へ出力される。角速度検出部６０４は、ここではパルスカウンタにより構成され、単位時間当たりの回転数をカウントして角速度情報を生成する。この角速度情報は演算処理部６０２へ出力される。 On the other hand, when the rotation speeds of each of the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) are detected by the rotation speed detection unit 607, the detection result is the servo amplifiers 605 (1) to the servo amplifier 605 (4). ) Is output to the angular velocity detection unit 604. The angular velocity detection unit 604 is configured here by a pulse counter, counts the number of rotations per unit time, and generates angular velocity information. This angular velocity information is output to the arithmetic processing unit 602.

そして、姿勢安定システム６００には着脱自在とされる電源６０６が搭載されている。電源６０６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６０６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５０１、操作表示部６０１、演算処理部６０２、デジタルアナログ変換器６０３及び角速度検出部６０４が含まれている。一方、動力系には、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）及びＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）が含まれている。 The posture stabilization system 600 is equipped with a detachable power supply 606. A secondary battery, specifically a battery, is used as the power source 606. Further, the power supply 606 includes a secondary battery that supplies power to the control system and a secondary battery that supplies power to the power system. More specifically, the control system includes a posture angle detection unit 501, an operation display unit 601, an arithmetic processing unit 602, a digital-to-analog converter 603, and an angular velocity detection unit 604. On the other hand, the power system includes servo amplifiers 605 (1) to servo amplifiers 605 (4) and AC servo motors 422 (1) to AC servo motors 422 (4).

［全方向移動装置の姿勢制御方法］
前述の全方向移動装置１０の姿勢制御方法は以下の通りである。ここで、図５は姿勢制御方法を説明するフローチャートである。図６は姿勢制御方法を実現するアルゴリズムである。また、姿勢制御方法の説明では、適宜、図１〜図４が参酌される。[Attitude control method of omnidirectional moving device]
The attitude control method of the omnidirectional moving device 10 described above is as follows. Here, FIG. 5 is a flowchart illustrating a posture control method. FIG. 6 is an algorithm that realizes the attitude control method. Further, in the description of the attitude control method, FIGS. 1 to 4 are appropriately referred to.

１．３個のオムニホイールを有する全方向移動装置の姿勢制御方法
（１）車体の姿勢角度及び第１角速度の取得
まず最初に、図４及び図６に示される姿勢角度検出部５０１を用いて、車体１４の姿勢角度θb 及び姿勢角度の変化に伴う車体１４の第１角速度（θb の１回微分）が検出される。図４〜図６に示されるように、演算処理部６０２は、姿勢角度検出部５０１から姿勢角度情報及び第１角速度情報を取得する（Ｓ１０）。1. Posture control method of omnidirectional moving device having three omni wheels (1) Acquisition of posture angle and first angular velocity of vehicle body First, using the posture angle detection unit 501 shown in FIGS. 4 and 6. , The attitude angle θ b of the vehicle body 14 and the first angular velocity of the vehicle body 14 (one-time differentiation of θ b) due to the change of the attitude angle are detected. As shown in FIGS. 4 to 6, the arithmetic processing unit 602 acquires the attitude angle information and the first angular velocity information from the attitude angle detection unit 501 (S10).

（２）オムニホイールの回転数の取得
次に、図４に示される回転数検出部６０７のＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（３）を用いて、オムニホイール４０１〜４０３の回転数が検出される。検出された回転数は、図４及び図６に示されるように、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（３）を介して角速度検出部６０４に出力される。角速度検出部６０４では、角速度情報θ0 としてオムニホイール４０１〜４０３の回転数を取得する。図５に示されるように、演算処理部６０２は、角速度検出部６０４から角速度情報θ0 を取得する（Ｓ１１）。(2) Acquisition of the rotation speed of the omni wheel Next, the rotation speed of the omni wheels 401 to 403 is rotated by using the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (3) of the rotation speed detection unit 607 shown in FIG. The number is detected. As shown in FIGS. 4 and 6, the detected rotation speed is output to the angular velocity detection unit 604 via the servo amplifiers 605 (1) to 605 (3). The angular velocity detection unit 604 acquires the rotation speeds of the omni wheels 401 to 403 as the angular velocity information θ 0. As shown in FIG. 5, the arithmetic processing unit 602 acquires the angular velocity information θ 0 from the angular velocity detection unit 604 (S11).

（３）回転体の第２角速度の取得
ここで、図７に、全方向移動装置１０の回転体１２に対する３個のオムニホイール４０１〜４０３の配置位置を、原点O0とするX0軸、Y0 軸及びZ0 軸を含む３次元座標系により表した概略図が示されている。
回転体１２に対するオムニホイール４０１〜４０３の各々の配置位置及び駆動力は、回転体１２とオムニホイール４０１〜４０３の各々との接点の位置ベクトルpk と、接点における接線ベクトルtk により表される。n をオムニホイールの数として、k は１からn の整数である。位置ベクトルp1 は、回転体１２の中心Ob から回転体１２とオムニホイール４０１との接点までの位置ベクトルである。同様に、位置ベクトルp2 は中心Ob から回転体１２とオムニホイール４０２との接点までの位置ベクトル、位置ベクトルp3 は中心Ob から回転体１２とオムニホイール４０３との接点までの位置ベクトルである。
接線ベクトルt1 は、回転体１２とオムニホイール４０１との接点における単位接線ベクトルである。同様に、接線ベクトルt2 は回転体１２とオムニホイール４０２との接点における単位接線ベクトル、接線ベクトルt3 は回転体１２とオムニホイール４０３との接点における単位接線ベクトルである。(3) Acquisition of Second Angular Velocity of Rotating Body Here, in FIG. 7, the X 0 axis whose origin O 0 is the arrangement position of the three omni wheels 401 to 403 with respect to the rotating body 12 of the omnidirectional moving device 10. A schematic diagram represented by a three-dimensional coordinate system including the Y 0 axis and the Z 0 axis is shown.
The arrangement position and driving force of each of the omni wheels 401 to 403 with respect to the rotating body 12 are represented by the position vector p k of the contact point between the rotating body 12 and each of the omni wheels 401 to 403 and the tangent vector t k at the contact point. .. Let n be the number of omni wheels, and k is an integer from 1 to n. The position vector p 1 is a position vector from the center Ob of the rotating body 12 to the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 401. Similarly, the position vector of the position vector of the position vector p 2 from the center O b to the contact point of the rotating body 12 and the omni-wheel 402, the position vector p 3 from the center O b to the contact point of the rotating body 12 and the omni-wheel 403 Is.
The tangent vector t 1 is a unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 401. Similarly, the tangent vector t 2 is the unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 402, and the tangent vector t 3 is the unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 403.

回転体１２の角速度ベクトルωsは、回転体１２の車体前後方向の軸周りの角速度をωx とし、回転体１２の車体幅方向の軸周りの角速度をωy とし、回転体１２の車体上下方向の軸周りの角速度をωz とすると、下記式（１）により表される（図６参照）。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
 In the angular velocity vector ω s of the rotating body 12, the angular velocity around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body is ω x , the angular velocity of the rotating body 12 around the axis in the vehicle body width direction is ω y , and the vertical body of the rotating body 12 is up and down. Assuming that the angular velocity around the axis of the direction is ω z , it is expressed by the following equation (1) (see FIG. 6).
Figure 0006951611
Figure 0006951611

動力伝達行列T は、位置ベクトルp1 ，p2 ，p3、接線ベクトルt1 ，t2 ，t3 及びオムニホイール４０１〜４０３の半径r0 から、下記式（３）により表される。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
 The power transfer matrix T is expressed by the following equation (3) from the position vectors p 1, p 2, p 3 , the tangent vectors t 1, t 2, t 3 and the radius r 0 of the omni wheels 401 to 403.
Figure 0006951611
Figure 0006951611

また、式（４）は、動力伝達行列T の一般化逆行列を用いると、下記式（５）により表される（図６参照）。

Figure 0006951611

上記式（５）により、オムニホイール４０１〜オムニホイール４０３の角速度から回転体１２の第２角速度が算出される。図６に示されるように、第２角速度は演算処理部６０２を用いて算出され、図５に示されるように、演算処理部６０２は第２角速度を第２角速度情報として取得する（Ｓ１２）。Further, the equation (4) is expressed by the following equation (5) by using the generalized inverse matrix of the power transmission matrix T (see FIG. 6).
Figure 0006951611
According to the above formula (5), the second angular velocity of the rotating body 12 is calculated from the angular velocities of the omni wheels 401 to 403. As shown in FIG. 6, the second angular velocity is calculated using the arithmetic processing unit 602, and as shown in FIG. 5, the arithmetic processing unit 602 acquires the second angular velocity as the second angular velocity information (S12).

（４）目標値の算出
車体１４の姿勢を回転体１２上において安定に維持するには、車体１４の姿勢角度と車体１４の第１角速度とに基づいて、車体１４の姿勢を補正する回転体１２の転動の際の角加速度の目標値及び車体１４の旋回の際の角加速度の目標値が必要になる。目標値をu とすれば、目標値u は下記式（６）により算出される（図６参照）。

Figure 0006951611
(4) Calculation of target value In order to maintain the posture of the vehicle body 14 stably on the rotating body 12, the rotating body that corrects the posture of the vehicle body 14 based on the posture angle of the vehicle body 14 and the first angular velocity of the vehicle body 14. The target value of the angular acceleration at the time of rolling of 12 and the target value of the angular acceleration at the time of turning of the vehicle body 14 are required. If the target value is u, the target value u is calculated by the following equation (6) (see FIG. 6).
Figure 0006951611

目標値u は、下記式（７）に示されるように、車体１４の旋回の目標角加速度u1 と、回転体１２の車体前後方向の軸周りの目標角加速度u2 と、回転体１２の車体幅方向の軸周りの目標角加速度u3 とを纏めたベクトルである。

Figure 0006951611
As shown in the following equation (7), the target value u is the target angular acceleration u 1 for turning of the vehicle body 14, the target angular acceleration u 2 around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body, and the rotating body 12. It is a vector that summarizes the target angular acceleration u 3 around the axis in the vehicle body width direction.
Figure 0006951611

ロール角をγ、ピッチ角をβ、ヨー角をαとすると、式（６）のxd は下記式（８）により表される。

Figure 0006951611
Assuming that the roll angle is γ, the pitch angle is β, and the yaw angle is α, x d in equation (6) is expressed by the following equation (8).
Figure 0006951611

また、Kd は、フィードバックゲイン行列であり、車体１４と回転体１２の質量、重心位置、慣性モーメント等に基づいて決定される。
図５及び図６に示されるように、目標値u 、すなわち回転体１２が転動する角加速度の目標値及び車体１４が旋回する角加速度の目標値は演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１３）。Further, K d is a feedback gain matrix, which is determined based on the mass, the position of the center of gravity, the moment of inertia, and the like of the vehicle body 14 and the rotating body 12.
As shown in FIGS. 5 and 6, the target value u, that is, the target value of the angular acceleration at which the rotating body 12 rolls and the target value of the angular acceleration at which the vehicle body 14 turns is calculated by using the arithmetic processing unit 602. (S13).

（５）回転体の操作角加速度の算出 (5) Calculation of the operating angular acceleration of the rotating body

車体１４の姿勢を回転体１２上で安定化する際に外乱の影響を低減する必要がある。このため、目標値ｕにＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）が付加され、新たな角加速度の操作量が算出される（図６参照）。

Figure 0006951611
It is necessary to reduce the influence of disturbance when stabilizing the posture of the vehicle body 14 on the rotating body 12. Therefore, PID control (Proportional Integral Differential Control) is added to the target value u, and a new operation amount of angular acceleration is calculated (see FIG. 6).
Figure 0006951611

ωｘｄは回転体１２の車体前後方向の軸周りの目標角速度であり、目標角速度ωｘｄは下記式（１０）により表される。

Figure 0006951611
ω xd is the target angular velocity around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body, and the target angular velocity ω xd is expressed by the following equation (10).
Figure 0006951611

θｘｄは回転体１２の車体前後方向の軸周りの目標角度であり、この目標角度θｘｄは下記式（１１）により表される。

Figure 0006951611

θｘは回転体１２の車体前後方向の軸周りの角度であり、角度θｘは回転体１２の車体前後方向の軸周りの角速度ωｘから下記式（１２）により表される。
Figure 0006951611
 θ xd is a target angle around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body, and this target angle θ xd is expressed by the following equation (11).
Figure 0006951611
θ x is the angle around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body, and the angle θ x is expressed by the following equation (12) from the angular velocity ω x around the axis of the rotating body 12 in the front-rear direction of the vehicle body.
Figure 0006951611

ωydは回転体１２の車体幅方向の軸周りの目標角速度であり、目標角速度ωyd は下記式（１３）により表される。

Figure 0006951611

θydは回転体１２の車体幅方向の軸周りの目標角度であり、この目標角度θyd は下記式（１４）により表される。
Figure 0006951611
 ω yd is the target angular velocity around the axis of the rotating body 12 in the vehicle body width direction, and the target angular velocity ω yd is expressed by the following equation (13).
Figure 0006951611
θ yd is a target angle around the axis of the rotating body 12 in the vehicle body width direction, and this target angle θ yd is expressed by the following equation (14).
Figure 0006951611

θyは回転体１２の車体幅方向の軸周りの角度であり、角度θy は回転体１２の車体幅方向の軸周りの角速度ωy から下記式（１５）により表される。

Figure 0006951611

回転体１２の操作角加速度は、第３角加速度として、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１４）。θ y is the angle around the axis of the rotating body 12 in the vehicle body width direction, and the angle θ y is expressed by the following equation (15) from the angular velocity ω y around the axis of the rotating body 12 in the vehicle body width direction.
Figure 0006951611
The operating angular acceleration of the rotating body 12 is calculated as the third angular acceleration by using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S14).

（６）回転体の操作トルクの算出

Figure 0006951611
(6) Calculation of operating torque of rotating body
Figure 0006951611

ここで、慣性行列の部分行列は、下記式（１７）、式（１８）及び式（１９）により表される。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
Figure 0006951611
 Here, the submatrix of the inertial matrix is represented by the following equations (17), (18) and (19).
Figure 0006951611
Figure 0006951611
Figure 0006951611

また、重力項は下記式（２０）により表される。下記式（２１）は入力軸の入れ替えを表す行列である。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
 The gravity term is expressed by the following equation (20). The following equation (21) is a matrix representing the replacement of input axes.
Figure 0006951611
Figure 0006951611

上記式（１７）、式（１８）において、Is は回転体１２と地面との接点周りの回転体１２の慣性モーメントである。慣性モーメントIs は下記式（２２）により表される。

Figure 0006951611


ここで、Ibxx ，Ibxy ，Ibxz ，Ibyy ，Ibyz ，Ibzz は車体１４の慣性モーメントと慣性乗積である。mb は車体１４の質量である。sz は回転体１２の中心Ob から車体１４の重心までの距離である。rs は回転体１２の半径である。g は重力加速度定数である。ms は回転体１２の質量である。
Figure 0006951611
 The formula (17), in equation (18), I s is the moment of inertia of the rotating body 12 about the contact with the ground and the rotor 12. Moment of inertia I s is represented by the following formula (22).
Figure 0006951611

Here, I bxx , I bxy , I bxz , I byy , I byz , and I bzz are the moment of inertia and the product of inertia of the vehicle body 14. m b is the mass of the vehicle body 14. s z is the distance from the center O b of the rotor 12 to the center of gravity of the vehicle body 14. r s is the radius of the rotating body 12. g is the gravitational acceleration constant. m s is the mass of the rotating body 12.
Figure 0006951611

回転体１２の操作トルクは、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１５）。 The operating torque of the rotating body 12 is calculated using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S15).

（７）オムニホイールの操作トルクの算出
回転体１２にトルクを生じさせるために、各オムニホイール４０１〜４０３が発生すべき操作トルクτo は下記式（２３）により算出される。

Figure 0006951611
(7) Calculation of Operating Torque of Omni Wheel The operating torque τ o to be generated by each omni wheel 401 to 403 in order to generate torque in the rotating body 12 is calculated by the following equation (23).
Figure 0006951611

オムニホイール４０１〜４０３の操作トルクτoは、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１６）。この操作トルクτoは、ホイール操作トルクとして、ＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（３）を介してオムニホイール４０１〜４０３に伝達される。
以上説明した姿勢制御方法の手順が実行されると、全方向移動装置１０では、車体１４の姿勢を回転体１２上において安定に維持することができる。そして、車体１４の姿勢を安定に維持した状態において、全方向移動装置１０を走行させることができる。 The operating torque τ o of the omni wheels 401 to 403 is calculated using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S16). This operating torque τ o is transmitted to the omni wheels 401 to 403 as wheel operating torque via the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (3).
When the procedure of the posture control method described above is executed, the omnidirectional moving device 10 can stably maintain the posture of the vehicle body 14 on the rotating body 12. Then, the omnidirectional moving device 10 can be driven while the posture of the vehicle body 14 is stably maintained.

２．４個のオムニホイールを有する全方向移動装置の姿勢制御方法
４個のオムニホイール４０１〜４０４を有する全方向移動装置１０の姿勢制御方法は、基本的には３個のオムニホイール４０１〜４０３を有する全方向移動装置１０の姿勢制御方法とほぼ同一である。ここでの姿勢制御方法の説明は、図４〜図６を用いて、重複する説明を極力省略しつつ、異なる手順だけを簡潔に説明する。2.4 Attitude control method of the omnidirectional moving device having four omni wheels The attitude control method of the omnidirectional moving device 10 having four omni wheels 401 to 404 is basically three omni wheels 401 to 403. It is almost the same as the attitude control method of the omnidirectional moving device 10 having the above. In the description of the posture control method here, only different procedures will be briefly described with reference to FIGS. 4 to 6 while omitting duplicate explanations as much as possible.

（１）車体の姿勢角度及び第１角速度の取得
図４及び図６に示される姿勢角度検出部５０１を用いて、車体１４の姿勢角度及び車体１４の第１角速度が検出される。図４〜図６に示されるように、演算処理部６０２は、姿勢角度検出部５０１から姿勢角度情報及び第１角速度情報を取得する（Ｓ１０）。(1) Acquisition of posture angle and first angular velocity of vehicle body The posture angle of vehicle body 14 and first angular velocity of vehicle body 14 are detected by using the posture angle detection unit 501 shown in FIGS. 4 and 6. As shown in FIGS. 4 to 6, the arithmetic processing unit 602 acquires the attitude angle information and the first angular velocity information from the attitude angle detection unit 501 (S10).

（２）オムニホイールの回転数の取得
次に、図４に示される回転数検出部６０７のＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）を用いて、オムニホイール４０１〜４０４の回転数が検出される。検出された回転数は、図４及び図６に示されるように、サーボアンプ６０５（１）〜サーボアンプ６０５（４）を介して角速度検出部６０４に出力される。図５に示されるように、演算処理部６０２は角速度検出部６０４から角速度情報θ0 を取得する（Ｓ１１）。(2) Acquisition of the rotation speed of the omni wheel Next, the rotation speed of the omni wheels 401 to 404 is rotated by using the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) of the rotation speed detection unit 607 shown in FIG. The number is detected. As shown in FIGS. 4 and 6, the detected rotation speed is output to the angular velocity detection unit 604 via the servo amplifiers 605 (1) to 605 (4). As shown in FIG. 5, the arithmetic processing unit 602 acquires the angular velocity information θ 0 from the angular velocity detection unit 604 (S11).

（３）回転体の第２角速度の取得
ここで、図８に、全方向移動装置１０の回転体１２に対する４個のオムニホイール４０１〜４０４の配置位置を３次元座標系により表した概略図が示されている。
回転体１２に対するオムニホイール４０１〜４０４の各々の配置位置及び駆動力は、回転体１２とオムニホイール４０１〜４０４の各々との接点の位置ベクトルpk と、接点における接線ベクトルtk により表される。位置ベクトルp1 は、回転体１２の中心Obから回転体１２とオムニホイール４０１との接点までの位置ベクトルである。同様に、位置ベクトルp2 は中心Obから回転体１２とオムニホイール４０２との接点までの位置ベクトル、位置ベクトルp3 は中心Obから回転体１２とオムニホイール４０３との接点までの位置ベクトルである。そして、位置ベクトルp4 は中心Obから回転体１２とオムニホイール４０４との接点までの位置ベクトルである。
接線ベクトルt1 は、回転体１２とオムニホイール４０１との接点における単位接線ベクトルである。同様に、接線ベクトルt2 は回転体１２とオムニホイール４０２との接点における単位接線ベクトル、接線ベクトルｔ３は回転体１２とオムニホイール４０３との接点における単位接線ベクトルである。そして、接線ベクトルｔ４は回転体１２とオムニホイール４０４との接点における単位接線ベクトルである。(3) Acquisition of Second Angular Velocity of Rotating Body FIG. 8 is a schematic view showing the arrangement positions of the four omni wheels 401 to 404 with respect to the rotating body 12 of the omnidirectional moving device 10 by a three-dimensional coordinate system. It is shown.
The respective arrangement positions and driving forces of the omni wheels 401 to 404 with respect to the rotating body 12 are represented by the position vector p k of the contact point between the rotating body 12 and each of the omni wheels 401 to 404 and the tangent vector t k at the contact point. .. The position vector p 1 is a position vector from the center Ob of the rotating body 12 to the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 401. Similarly, the position vector of the position vector of the position vector p 2 from the center O b to the contact point of the rotating body 12 and the omni-wheel 402, the position vector p 3 from the center O b to the contact point of the rotating body 12 and the omni-wheel 403 Is. The position vector p 4 is the position vector from the center O b to the contact point of the rotating body 12 and the omni-wheel 404.
The tangent vector t 1 is a unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 401. Similarly, the tangent vector t 2 is the unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 402, and the tangent vector t 3 is the unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 403. The tangent vector t 4 is a unit tangent vector at the contact point between the rotating body 12 and the omni wheel 404.

回転体１２の角速度ベクトルωｓは、回転体１２の車体前後方向の軸周りの角速度をωｘとし、回転体１２の車体幅方向の軸周りの角速度をωｙとし、回転体１２の車体上下方向の軸周りの角速度をωｚとすると、前述の式（１）により表される。

Figure 0006951611
In the angular velocity vector ω s of the rotating body 12, the angular velocity around the axis of the rotating body 12 in the vehicle body front-rear direction is ω x , the angular velocity of the rotating body 12 around the axis in the vehicle body width direction is ω y, and the vehicle body up and down of the rotating body 12 Assuming that the angular velocity around the axis of the direction is ω z , it is expressed by the above equation (1).
Figure 0006951611

動力伝達行列Ｔは、位置ベクトルｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４、接線ベクトルｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４及びオムニホイール４０１〜４０４の半径γ０から、下記式（２５）により表される。

Figure 0006951611

前述の式（４）に基づいて、式（２５）に表される動力伝達行列Ｔの一般化逆行列を用いると、前述の式（５）が得られ、オムニホイール４０１〜オムニホイール４０４の角速度から回転体１２の第２角速度が算出される。図６に示されるように、第２角速度は演算処理部６０２を用いて算出され、図５に示されるように、演算処理部６０２は第２角速度情報を取得する（Ｓ１２）。The power transfer matrix T is derived from the position vector p 1, p 2, p 3, p 4 , the tangent vector t 1, t 2, t 3, t 4, and the radius γ 0 of the omni wheel 401 to 404, as shown in the following equation (25). Represented by.
Figure 0006951611
Based on the above equation (4), using the generalized inverse matrix of the power transfer matrix T represented by the equation (25), the above equation (5) is obtained, and the angular velocities of the omni wheel 401 to the omni wheel 404 are obtained. The second angular velocity of the rotating body 12 is calculated from. As shown in FIG. 6, the second angular velocity is calculated using the arithmetic processing unit 602, and as shown in FIG. 5, the arithmetic processing unit 602 acquires the second angular velocity information (S12).

（４）目標値の算出
車体１４の姿勢角度と車体１４の第１角速度とに基づいて、回転体１２の転動の際の角加速度の目標値及び車体１４の旋回の際の角加速度の目標値が算出される。目標値はu とされる。図５及び図６に示されるように、目標値uは、演算処理部６０２を用いて前述の式（６）により算出される（Ｓ１３）。(4) Calculation of target value Based on the attitude angle of the vehicle body 14 and the first angular velocity of the vehicle body 14, the target value of the angular acceleration when the rotating body 12 rolls and the target of the angular acceleration when the vehicle body 14 turns. The value is calculated. The target value is u. As shown in FIGS. 5 and 6, the target value u is calculated by the above equation (6) using the arithmetic processing unit 602 (S13).

（５）回転体の操作角加速度の算出
目標値u にPID 制御が付加され、新たな角加速度の操作量が算出される（図６参照）。回転体１２の操作角加速度は、第３角加速度として、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１４）。(5) Calculation of operation angular acceleration of rotating body PID control is added to the target value u, and a new operation amount of angular acceleration is calculated (see FIG. 6). The operating angular acceleration of the rotating body 12 is calculated as the third angular acceleration by using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S14).

（６）回転体の操作トルクの算出
回転体１２のトルクτs は前述の式（１６）を用いて算出される（図６参照）。ここで、慣性行列の部分行列は前述の式（１７）、式（１８）及び式（１９）により表され、又重力項は前述の式（２０）、式（２１）により表される。
回転体１２の操作トルクは、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１５）。(6) Calculation of operating torque of the rotating body The torque τ s of the rotating body 12 is calculated by using the above equation (16) (see FIG. 6). Here, the submatrix of the inertial matrix is represented by the above-mentioned equations (17), (18) and (19), and the gravity term is expressed by the above-mentioned equations (20) and (21).
The operating torque of the rotating body 12 is calculated using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S15).

（７）オムニホイールの操作トルクの算出
各オムニホイール４０１〜４０４が発生すべき操作トルクτoは前述の式（２３）により算出される。操作トルクτoは、図５及び図６に示されるように、演算処理部６０２を用いて算出される（Ｓ１６）。この操作トルクτoは、ホイール操作トルクとして、ＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）を介してオムニホイール４０１〜４０４に伝達される。
以上説明した姿勢制御方法の手順が実行されると、全方向移動装置１０では、車体１４の姿勢を回転体１２上において安定に維持することができる。そして、車体１４の姿勢を安定に維持した状態において、全方向移動装置１０を走行させることができる。(7) Calculation of Operating Torque of Omni Wheel The operating torque τ o to be generated by each omni wheel 401 to 404 is calculated by the above equation (23). The operating torque τ o is calculated using the arithmetic processing unit 602 as shown in FIGS. 5 and 6 (S16). This operating torque τ o is transmitted to the omni wheels 401 to 404 as wheel operating torque via the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4).
When the procedure of the posture control method described above is executed, the omnidirectional moving device 10 can stably maintain the posture of the vehicle body 14 on the rotating body 12. Then, the omnidirectional moving device 10 can be driven while the posture of the vehicle body 14 is stably maintained.

（本実施の形態の作用及び効果）
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示される全方向移動装置１０は、図２、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、球状の回転体１２と、回転体１２の表面に接して配設されたホイールとしてのオムニホイール４０１及び４０２、又はオムニホイール４０３及び４０４とを備える。オムニホイール４０１〜４０４は、円周方向Ａに回転して回転体１２に動力を伝達し、かつ、円周方向Ａとは交差する方向Ｂに回転体１２を転動可能とする。(Action and effect of this embodiment)
The omnidirectional moving device 10 shown in FIGS. 1 (A) to 1 (D) includes a spherical rotating body 12 and a rotating body, as shown in FIGS. 2, 3 (A) and 3 (B). It includes omni wheels 401 and 402, or omni wheels 403 and 404 as wheels arranged in contact with the surface of twelve. The omni wheels 401 to 404 rotate in the circumferential direction A to transmit power to the rotating body 12, and enable the rotating body 12 to roll in the direction B intersecting the circumferential direction A.

ここで、オムニホイール４０１及び４０２は、回転体１２を転動させて直進方向に移動させる回転軸１２０の軸周り１２１において回転体１２の表面に複数配設される。また、オムニホイール４０３及び４０４は、回転体１２を転動させて直進方向に移動させる回転軸１２０の軸周り１２２において回転体１２の表面に複数配設される。
このため、直進方向の移動に際して、オムニホイール４０１及び４０２、又はオムニホイール４０３及び４０４から回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。Here, a plurality of omni wheels 401 and 402 are arranged on the surface of the rotating body 12 around the axis 121 of the rotating shaft 120 that rolls the rotating body 12 and moves it in the straight direction. Further, a plurality of omni wheels 403 and 404 are arranged on the surface of the rotating body 12 around the axis 122 of the rotating shaft 120 that rolls the rotating body 12 and moves it in the straight direction.
Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from the omni wheels 401 and 402 or the omni wheels 403 and 404 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

また、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示される全方向移動装置１０は、図２、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、球状の回転体１２と、回転体１２の表面に接して配設された第１オムニホイールとしてのオムニホイール４０１及び４０２と第２オムニホイールとしてのオムニホイール４０３及び４０４とを備える。オムニホイール４０１〜４０４は、いずれも、円周方向Ａに回転して回転体１２に動力を伝達し、円周方向Ａと交差する方向Ｂに回転体１２を転動可能する。 Further, the omnidirectional moving device 10 shown in FIGS. 1 (A) to 1 (D) includes a spherical rotating body 12 and a spherical rotating body 12 as shown in FIGS. 2, 3 (A) and 3 (B). It includes omni wheels 401 and 402 as first omni wheels and omni wheels 403 and 404 as second omni wheels arranged in contact with the surface of the rotating body 12. All of the omni wheels 401 to 404 rotate in the circumferential direction A to transmit power to the rotating body 12, and can roll the rotating body 12 in the direction B intersecting the circumferential direction A.

ここで、図３（Ａ）に示されるように、オムニホイール４０１及び４０２は、回転体１２を転動させて直進方向に移動させる回転軸１２０の一端側の軸周り１２１において回転体１２の上半球１２Ｂの表面に複数配設される。一方、オムニホイール４０３及び４０４は、回転軸１２０の一端側の軸周り１２１において回転体１２の下半球１２Ａの表面の特定位置４０３Ｐ、４０４Ｐに対する、回転体１２の中心対称位置の表面に配設される。また、オムニホイール４０３及び４０４は、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２において回転体１２の上半球１２Ｂの表面に配設される。 Here, as shown in FIG. 3A, the omni-wheels 401 and 402 are above the rotating body 12 at an axial circumference 121 on one end side of the rotating shaft 120 that rolls the rotating body 12 and moves it in the straight direction. A plurality are arranged on the surface of the hemisphere 12B. On the other hand, the omni wheels 403 and 404 are arranged on the surface of the rotating body 12 at a position symmetrical with respect to the specific positions 403P and 404P of the surface of the lower hemisphere 12A of the rotating body 12 around the axis 121 on one end side of the rotating shaft 120. NS. Further, the omni wheels 403 and 404 are arranged on the surface of the upper hemisphere 12B of the rotating body 12 around the axis 122 on the other end side of the rotating shaft 120.

図９に、比較例に係る回転体Rb と３個のオムニホイールOh1 〜Oh3 との配置関係が示されている。回転体Rbを駆動するオムニホイールOh1 〜Oh3 の配置に関するパラメータは位置ベクトルpk 及び単位接線ベクトルtk である。ここで、位置ベクトルpkは、回転体Rbの中心Ob を始点とする、k 番目のオムニホイールOhkの回転体Rbとの接点の位置ベクトルである。k は１以上の整数である。単位接線ベクトルtkは、接点におけるk 番目のオムニホイールOhkの単位接線ベクトルである。FIG. 9 shows the arrangement relationship between the rotating body R b and the three omni-wheels Oh 1 to Oh 3 according to the comparative example. The parameters related to the arrangement of the omni-wheels Oh 1 to Oh 3 that drive the rotating body R b are the position vector p k and the unit tangent vector t k . Here, the position vector p k is starting from the center O b of the rotating body R b, is the position vector of the point of contact with the rotating body R b of the k-th omniwheel Oh k. k is an integer greater than or equal to 1. The unit tangent vector t k is the unit tangent vector of the kth omni wheel Oh k at the contact point.

垂直軸Zb周りおいて回転体Rbの上半球Rbuに３個のオムニホイールOh1 〜Oh3 が等配されたときの位置ベクトルpk は、垂直軸Zbに対して位置ベクトルpkが４５度の傾きに設定されたとき、下記式（２６）により表される。

Figure 0006951611

ここで、rs は回転体Rbの半径である。The position vector p k when the three omni-wheel Oh 1 ~Oh 3 was arranged like a hemispherical R bu on the rotator R b keep about the vertical axis Z b, the position vector p with respect to a vertical axis Z b When k is set to an inclination of 45 degrees, it is expressed by the following equation (26).
Figure 0006951611
Where r s is the radius of the rotating body R b.

また、単位接線ベクトルtkは下記式（２７）により表される。

Figure 0006951611
The unit tangent vector t k is expressed by the following equation (27).
Figure 0006951611

回転体Rbの角速度とオムニホイールOh1 〜Oh3 の角速度との関係は下記式（２８）により表される。

Figure 0006951611

ここで、r0 はオムニホイールOh1 〜Oh3の半径である。The relationship between the angular velocity of the rotating body R b and the angular velocity of the omni wheels Oh 1 to Oh 3 is expressed by the following equation (28).
Figure 0006951611
Where r 0 is the radius of the omni wheels Oh 1 to Oh 3.

Figure 0006951611

T は動力伝達行列である。
Figure 0006951611
T is the power transfer matrix.

図９に示される比較例では、上記式（２８）の動力伝達行列T の３列目の行列要素の絶対値が等しくなるので、旋回軸（垂直軸Zb）の出力が最大になる。進行方向の出力は半減されている。In the comparative example shown in FIG. 9, since the absolute values of the matrix elements in the third column of the power transmission matrix T in the above equation (28) are equal, the output of the swirl axis (vertical axis Z b ) is maximized. The output in the direction of travel is halved.

上記比較例に対して、図７に、本実施の形態に係る回転体１２と３個のオムニホイール４０１〜４０３との配置関係が示されている。回転軸１２０の一端側の軸周り１２１の上半球１２Ｂに２個のオムニホイール４０１及び４０２が配置され（図３（Ａ）参照）、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２の上半球１２Ｂに１個のオムニホイール４０３が配置されている（図３（Ｂ）参照）。
このときの位置ベクトルpkは、回転軸１２０に対して位置ベクトルpkが４５度の傾きに設定されたとき、下記式（２９）により表される。

Figure 0006951611

また、単位接線ベクトルtkは下記式（３０）により表される。
Figure 0006951611
 With respect to the above comparative example, FIG. 7 shows the arrangement relationship between the rotating body 12 and the three omni wheels 401 to 403 according to the present embodiment. Two omni wheels 401 and 402 are arranged on the upper hemisphere 12B around the axis 121 on one end side of the rotating shaft 120 (see FIG. 3A), and the upper hemisphere 12B around the axis 122 on the other end side of the rotating shaft 120. One omni wheel 403 is arranged in (see FIG. 3B).
Position vector p k at this time, when the position vector p k with respect to the rotating shaft 120 is set to the inclination of 45 degrees, as represented by the following formula (29).
Figure 0006951611
The unit tangent vector t k is expressed by the following equation (30).
Figure 0006951611

そして、回転体１２の角速度とオムニホイール４０１〜４０３の角速度との関係は下記式（３１）により表される。

Figure 0006951611
The relationship between the angular velocity of the rotating body 12 and the angular velocity of the omni wheels 401 to 403 is expressed by the following equation (31).
Figure 0006951611

図７に示される本実施の形態では、上記式（３１）の動力伝達行列T の２列目の行列要素の絶対値が等しくなるので、回転軸１２０（水平軸Yb ）の出力が最大になる。すなわち、進行方向の出力が最大となる。このように、直進方向の移動に際して、オムニホイール４０１〜４０３のそれぞれから回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。In the present embodiment shown in FIG. 7, since the absolute values of the matrix elements in the second column of the power transmission matrix T of the above equation (31) are equal, the output of the rotation axis 120 (horizontal axis Y b) is maximized. Become. That is, the output in the traveling direction is maximized. In this way, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the omni wheels 401 to 403 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

また、図１０に、比較例に係る回転体Rb と４個のオムニホイールOh1 〜Oh4 との配置関係が示されている。垂直軸Zb 周りおいて回転体Rbの上半球Rbuに４個のオムニホイールOh1 〜Oh4 が等配されたときの位置ベクトルpk は、垂直軸Zbに対して位置ベクトルpkが４５度の傾きに設定されたとき、下記式（３２）により表される。単位接線ベクトルtkは、下記式（３３）により表される。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
 Further, FIG. 10 shows the arrangement relationship between the rotating body R b and the four omni-wheels Oh 1 to Oh 4 according to the comparative example. The position vector p k when the four omni-wheel Oh 1 ~Oh 4 was arranged like a hemispherical R bu on the rotator R b keep about the vertical axis Z b, the position vector p with respect to a vertical axis Z b When k is set to an inclination of 45 degrees, it is expressed by the following equation (32). The unit tangent vector t k is expressed by the following equation (33).
Figure 0006951611
Figure 0006951611

回転体Rbの角速度とオムニホイールOh1 〜Oh4 の角速度との関係は下記式（３４）により表される。

Figure 0006951611

図１０に示される比較例では、上記式（３４）の動力伝達行列の１列目〜３列目の行列要素の列毎に絶対値が等しくなるので、左右方向への回転軸（水平軸Xb ）、前進方向への回転軸（水平軸Yb ）、旋回軸（垂直軸Zb ）のそれぞれの出力が最大になる。The relationship between the angular velocity of the rotating body R b and the angular velocity of the omni wheels Oh 1 to Oh 4 is expressed by the following equation (34).
Figure 0006951611
In the comparative example shown in FIG. 10, since the absolute values are equal for each of the columns of the matrix elements in the first to third columns of the power transfer matrix of the above equation (34), the rotation axis in the left-right direction (horizontal axis X). b ), the output of each of the forward rotation axis (horizontal axis Y b ) and the swivel axis (vertical axis Z b) is maximized.

上記比較例に対して、図８に、本実施の形態に係る回転体１２と４個のオムニホイール４０１〜４０４との配置関係が示されている。回転軸１２０の一端側の軸周り１２１の上半球１２Ｂに２個のオムニホイール４０１及び４０２が配置され（図３（Ａ）参照）、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２の上半球１２Ｂに２個のオムニホイール４０３及び４０４が配置されている（図３（Ｂ）参照）。
このときの位置ベクトルpkは、回転軸１２０に対して位置ベクトルpkが４５度の傾きに設定されたとき、下記式（３５）により表される。

Figure 0006951611

また、単位接線ベクトルtkは下記式（３６）により表される。
Figure 0006951611
 With respect to the above comparative example, FIG. 8 shows the arrangement relationship between the rotating body 12 and the four omni wheels 401 to 404 according to the present embodiment. Two omni wheels 401 and 402 are arranged on the upper hemisphere 12B around the axis 121 on one end side of the rotating shaft 120 (see FIG. 3A), and the upper hemisphere 12B around the axis 122 on the other end side of the rotating shaft 120. Two omni wheels 403 and 404 are arranged in (see FIG. 3B).
Position vector p k at this time, when the position vector p k with respect to the rotating shaft 120 is set to the inclination of 45 degrees, as represented by the following formula (35).
Figure 0006951611
The unit tangent vector t k is expressed by the following equation (36).
Figure 0006951611

そして、回転体１２の角速度とオムニホイール４０１〜４０４の角速度との関係は下記式（３７）により表される。

Figure 0006951611
The relationship between the angular velocity of the rotating body 12 and the angular velocity of the omni wheels 401 to 404 is expressed by the following equation (37).
Figure 0006951611

図８に示される本実施の形態では、上記式（３７）の動力伝達行列T の１列目〜３列目の行列要素の列毎に絶対値がすべて等しくなるので、回転軸１２０（水平軸Yb ）の出力が最大になるばかりか、左右方向の回転軸（水平軸Xb ）及び旋回軸（垂直軸Zb ）の出力も最大になる。このように、直進方向の移動に際して、オムニホイール４０１〜４０４のそれぞれから回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。In the present embodiment shown in FIG. 8, since the absolute values are all equal for each of the columns of the matrix elements in the first to third columns of the power transfer matrix T of the above equation (37), the rotation axis 120 (horizontal axis). Not only is the output of Y b ) maximized, but the output of the left-right rotation axis (horizontal axis X b ) and swivel axis (vertical axis Z b ) is also maximized. In this way, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１０では、図２に示されるように、ホイールはオムニホイール４０１〜４０４とされる。オムニホイール４０１〜４０４では、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示されるように、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができ、かつ、直進方向以外の方向へも回転体１２を転動させることができる。 Further, in the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the wheels are omni wheels 401 to 404. In the omni wheels 401 to 404, as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the rotating body 12 can be rolled in the straight-ahead direction by the maximum output, and also in a direction other than the straight-ahead direction. The rotating body 12 can be rolled.

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１０では、図７及び図８に示されるように、第１ホイールとして２個のオムニホイール４０１及び４０２が配設され、第２ホイールとして１個のオムニホイール４０３、或いは２個のオムニホイール４０３及び４０４が配設される。このため、最小限のホイール数により、部品点数並びに重量を最小限として、回転体１２を全方向へ転動させることができる。 Further, in the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 7 and 8, two omni wheels 401 and 402 are arranged as the first wheel, and one as the second wheel. An omni wheel 403 or two omni wheels 403 and 404 are arranged. Therefore, with the minimum number of wheels, the rotating body 12 can be rolled in all directions while minimizing the number of parts and the weight.

さらに、本実施の形態に係る全方向移動装置１０によれば、動力伝達行列T の行列要素のうち、回転体１２を直進方向に移動させる回転軸１２０の行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置にオムニホイール４０１〜４０４（又は４０１〜４０３）が配設される。このため、直進方向の移動に際して、オムニホイール４０１〜４０４のそれぞれから回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。 Further, according to the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, among the matrix elements of the power transmission matrix T, the absolute value is equal for each row of the matrix elements of the rotating shaft 120 that moves the rotating body 12 in the straight direction. The omni wheels 401 to 404 (or 401 to 403) are arranged at such positions. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

また、全方向移動装置１０によれば、動力伝達行列T は角速度を表す伝達行列を含む。回転体１２を直進方向に移動させる回転軸１２０の角速度を表す伝達行列において行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置に、オムニホイール４０１〜４０４（又は４０１〜４０３）がそれぞれ配設される。このため、直進方向の移動に際して、オムニホイール４０１〜４０４から回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。 Further, according to the omnidirectional moving device 10, the power transmission matrix T includes a transmission matrix representing an angular velocity. Omni wheels 401 to 404 (or 401 to 403) are arranged at positions where the absolute values are equal for each matrix element column in the transmission matrix representing the angular velocity of the rotating shaft 120 that moves the rotating body 12 in the straight direction. .. Therefore, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

さらに、全方向移動装置１０は、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示されるように、回転体１２の下半球１２Ａの表面に接して、又は近接させて補助輪３２及び３６を備える。補助輪３２及び３６は、図２に示されるオムニホイール４０１〜４０４と同様に、円周方向Ａに回転し、かつ、円周方向Ａと交差する方向に回転体１２を転動可能とする。このため、回転体１２の上半球１２Ｂがオムニホイール４０１〜４０４に接し、回転体１２の下半球１２Ａに補助輪３２及び３６が設けられるので、回転体１２を全方向へ転動可能としつつ、回転体１２の抜けを防ぐことができる。 Further, the omnidirectional moving device 10 includes training wheels 32 and 36 in contact with or close to the surface of the lower hemisphere 12A of the rotating body 12, as shown in FIGS. 1A to 1D. .. Similar to the omni wheels 401 to 404 shown in FIG. 2, the training wheels 32 and 36 rotate in the circumferential direction A and allow the rotating body 12 to roll in the direction intersecting the circumferential direction A. Therefore, the upper hemisphere 12B of the rotating body 12 is in contact with the omni wheels 401 to 404, and the auxiliary wheels 32 and 36 are provided on the lower hemisphere 12A of the rotating body 12, so that the rotating body 12 can be rolled in all directions. It is possible to prevent the rotating body 12 from coming off.

また、図１及び図２に示されるように、全方向移動装置１０によれば、回転体１２上には車体１４が設けられる。オムニホイール４０１及び４０２のシャフト４３０にはＡＣサーボモータ４２２（１）及び４２２（２）が接続され、ＡＣサーボモータ４２２（１）及び４２２（２）は車体１４に取り付けられる。また、オムニホイール４０３及び４０４のシャフト４３０にはＡＣサーボモータ４２２（３）及び４２２（４）が接続され、ＡＣサーボモータ４２２（３）及び４２２（４）は車体１４に取り付けられる。オムニホイール４０１〜４０４はいずれも回転体１２の上半球１２Ｂの表面に接する。このため、車体１４の荷重がＡＣサーボモータ４２２（１）〜４２２（４）を介してオムニホイール４０１〜４０４により支えられ、図４及び図６に示される姿勢安定システム６００により車体１４の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。 Further, as shown in FIGS. 1 and 2, according to the omnidirectional moving device 10, the vehicle body 14 is provided on the rotating body 12. AC servomotors 422 (1) and 422 (2) are connected to the shafts 430 of the omni wheels 401 and 402, and the AC servomotors 422 (1) and 422 (2) are attached to the vehicle body 14. Further, AC servomotors 422 (3) and 422 (4) are connected to shafts 430 of the omni wheels 403 and 404, and AC servomotors 422 (3) and 422 (4) are attached to the vehicle body 14. All of the omni wheels 401 to 404 are in contact with the surface of the upper hemisphere 12B of the rotating body 12. Therefore, the load of the vehicle body 14 is supported by the omni wheels 401 to 404 via the AC servomotors 422 (1) to 422 (4), and the attitude of the vehicle body 14 is changed by the posture stabilization system 600 shown in FIGS. 4 and 6. In the state of being maintained stable, the rotating body 12 can be rolled in the straight-ahead direction by the maximum output.

さらに、図４に示されるように、全方向移動装置１０によれば、姿勢安定システム６００は、姿勢角度検出部５０１と、回転数検出部６０７と、角速度検出部６０４と、演算処理部６０２とを備える。姿勢角度検出部５０１は、図１に示される車体１４に装着され、車体１４の姿勢角度及び姿勢角度の変化に伴う第１角速度を検出する。回転数検出部６０７は、オムニホイール４０１〜オムニホイール４０４の回転数を検出する。角速度検出部６０４は、回転数検出部６０７による回転数の検出結果に基づいて、回転体１２が転動する第２角速度を検出する。 Further, as shown in FIG. 4, according to the omnidirectional movement device 10, the attitude stabilization system 600 includes the attitude angle detection unit 501, the rotation speed detection unit 607, the angular velocity detection unit 604, and the arithmetic processing unit 602. To be equipped. The posture angle detection unit 501 is mounted on the vehicle body 14 shown in FIG. 1 and detects the attitude angle of the vehicle body 14 and the first angular velocity accompanying the change in the attitude angle. The rotation speed detection unit 607 detects the rotation speed of the omni wheel 401 to omni wheel 404. The angular velocity detection unit 604 detects the second angular velocity at which the rotating body 12 rolls based on the rotation speed detection result by the rotation speed detection unit 607.

ここで、演算処理部６０２は、図４〜図６に示されるように、車体１４の姿勢を維持するオムニホイール４０１〜４０４のホイール操作トルクを算出する（Ｓ１６）。このホイール操作トルクは、姿勢角度検出部５０１により検出される姿勢角度情報、第１角速度情報（Ｓ１０）及び角速度検出部６０４により検出される第２角速度情報（Ｓ１２）に基づいて、算出される。演算処理部６０２は、このホイール操作トルク情報に従って、図２及び図４に示されるＡＣサーボモータ４２２（１）〜ＡＣサーボモータ４２２（４）を作動させる。
このため、姿勢安定システム６００では車体１４の姿勢を安定に維持する動力がオムニホイール４０１〜４０４から回転体１２へ伝達されるので、車体１４の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。Here, the arithmetic processing unit 602 calculates the wheel operation torque of the omni wheels 401 to 404 that maintain the posture of the vehicle body 14 as shown in FIGS. 4 to 6 (S16). This wheel operation torque is calculated based on the attitude angle information detected by the attitude angle detection unit 501, the first angular velocity information (S10), and the second angular velocity information (S12) detected by the angular velocity detection unit 604. The arithmetic processing unit 602 operates the AC servomotors 422 (1) to AC servomotors 422 (4) shown in FIGS. 2 and 4 according to the wheel operation torque information.
Therefore, in the posture stabilization system 600, the power for maintaining the posture of the vehicle body 14 in a stable manner is transmitted from the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, so that the maximum output is obtained in a state where the posture of the vehicle body 14 is maintained in a stable manner. The rotating body 12 can be rolled in the straight direction.

また、図４〜図６に示されるように、全方向移動装置１０によれば、演算処理部６０２では、車体１４の姿勢を維持させる、回転体１２が転動する角加速度の目標値及び車体１４が旋回する角加速度の目標値が算出される（Ｓ１３）。目標値は姿勢角度情報、第１角速度情報（Ｓ１０）及び第２角速度情報（Ｓ１２）に基づいて算出される。演算処理部６０２では、更に目標値に一致させる回転体１２の第３角加速度が算出され（Ｓ１４）、第３角加速度に基づいて回転体１２を操作する回転体操作トルクが算出される（Ｓ１５）。この回転体操作トルクに基づいて、演算処理部６０２では、オムニホイール４０１〜４０４を操作するホイール操作トルクが算出される（Ｓ１６）。
この結果、演算処理部６０２において、車体１４の姿勢を安定に維持する動力が算出される。このため、動力がオムニホイール４０１〜４０４から回転体１２へ伝達されるので、車体１４の姿勢が安定に維持された状態において、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。Further, as shown in FIGS. 4 to 6, according to the omnidirectional moving device 10, the arithmetic processing unit 602 maintains the posture of the vehicle body 14, the target value of the angular acceleration at which the rotating body 12 rolls, and the vehicle body. The target value of the angular acceleration at which 14 turns is calculated (S13). The target value is calculated based on the attitude angle information, the first angular velocity information (S10), and the second angular velocity information (S12). The arithmetic processing unit 602 further calculates the third angular acceleration of the rotating body 12 to match the target value (S14), and calculates the rotating body operating torque for operating the rotating body 12 based on the third angular acceleration (S15). ). Based on this rotating body operation torque, the arithmetic processing unit 602 calculates the wheel operation torque for operating the omni wheels 401 to 404 (S16).
As a result, the arithmetic processing unit 602 calculates the power for maintaining the posture of the vehicle body 14 in a stable manner. Therefore, since the power is transmitted from the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output while the posture of the vehicle body 14 is maintained stably.

さらに、全方向移動装置１０の姿勢制御方法によれば、図５に示されるように、姿勢安定システム６００が、まず最初に、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報を取得する（Ｓ１０、Ｓ１２）。 次に、姿勢角度情報、第１角速度情報及び第２角速度情報に基づいて、車体１４の姿勢を維持させる、回転体１２が転動する角加速度の目標値及び車体１４が旋回する角加速度の目標値が算出される（Ｓ１３）。次に、目標値に一致させる回転体１２の第３角加速度が算出され（Ｓ１４）、更に第３角加速度情報に基づいて回転体１２を操作する回転体操作トルクが算出される（Ｓ１５）。そして、回転体操作トルク情報に基づいて、オムニホイール４０１〜４０４を操作するホイール操作トルクが算出される。 Further, according to the attitude control method of the omnidirectional movement device 10, the attitude stabilization system 600 first acquires attitude angle information, first angular velocity information, and second angular velocity information (as shown in FIG. 5). S10, S12). Next, the target value of the angular acceleration at which the rotating body 12 rolls and the target of the angular acceleration at which the vehicle body 14 turns to maintain the posture of the vehicle body 14 based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information. The value is calculated (S13). Next, the third angular acceleration of the rotating body 12 to match the target value is calculated (S14), and further, the rotating body operating torque for operating the rotating body 12 is calculated based on the third angular acceleration information (S15). Then, based on the rotating body operation torque information, the wheel operation torque for operating the omni wheels 401 to 404 is calculated.

この結果、姿勢安定システム６００において、車体１４の姿勢を安定に維持する動力が算出される。このため、動力がオムニホイール４０１〜４０４から回転体１２へ伝達されるので、全方向移動装置１０では、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができ、しかも車体１４の姿勢を安定に維持することができる。 As a result, in the posture stabilization system 600, the power for maintaining the posture of the vehicle body 14 in a stable manner is calculated. Therefore, since the power is transmitted from the omni wheels 401 to 404 to the rotating body 12, the omnidirectional moving device 10 can roll the rotating body 12 in the straight direction by the maximum output, and moreover, the posture of the vehicle body 14 can be changed. It can be maintained stable.

加えて、全方向移動装置１０の姿勢制御方法では、図６に示されるように、動力伝達行列T に基づいて、車体１４の姿勢が制御される。詳しく説明すると、演算処理部６０２の演算処理の入力段では、前述の式（５）に基づいて、動力伝達行列T の一般化逆行列から回転体１２の角速度ベクトルωs が算出される（図５のＳ１２）。一方、演算処理部６０２の演算処理の出力段では、前述の式（２３）に基づいて、動力伝達行列T の一般化逆行列から回転体１２に伝達するオムニホイール４０１〜４０４のホイール操作トルクとしての操作トルクτoが算出される（図５のＳ１６）。
このため、オムニホイール４０１〜４０４の配置間隔、回転体１２の表面に対するオムニホイール４０１〜４０４の接触角度等に関係なく、車体１４の姿勢を安定に維持することができる。表現を代えれば、本実施の形態に係る姿勢制御方法は、本実施の形態に係る全方向移動装置１０の姿勢制御に適切な方法であると共に、他の装置の姿勢制御にも適用可能である。In addition, in the attitude control method of the omnidirectional moving device 10, the attitude of the vehicle body 14 is controlled based on the power transmission matrix T, as shown in FIG. More specifically, in the input stage of the arithmetic processing of the arithmetic processing unit 602, the angular velocity vector ω s of the rotating body 12 is calculated from the generalized inverse matrix of the power transmission matrix T based on the above equation (5) (FIG. 5 S12). On the other hand, in the output stage of the arithmetic processing of the arithmetic processing unit 602, as the wheel operation torque of the omni wheels 401 to 404 transmitted from the generalized inverse matrix of the power transmission matrix T to the rotating body 12 based on the above equation (23). The operating torque τ o of is calculated (S16 in FIG. 5).
Therefore, the posture of the vehicle body 14 can be stably maintained regardless of the arrangement interval of the omni wheels 401 to 404, the contact angle of the omni wheels 401 to 404 with respect to the surface of the rotating body 12, and the like. In other words, the attitude control method according to the present embodiment is an appropriate method for the attitude control of the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, and is also applicable to the attitude control of other devices. ..

（第２実施の形態）
図１１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１０を説明する。ここで、本実施の形態の説明において、第１実施の形態に係る全方向移動装置１０の構成要素と同一又は実質的に同一の構成要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。(Second Embodiment)
The omnidirectional moving device 10 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, in the description of the present embodiment, the same or substantially the same components as the components of the omnidirectional moving device 10 according to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. ..

本実施の形態に係る全方向移動装置１０では、基本的に第１実施の形態に係る全方向移動装置１０と同一構成とされているが、ホイールにメカナムホイール４０５〜４０８（図１１参照）が使用されている。ここでは、４個のメカナムホイール４０５〜４０８が配設される例を説明するが、第１実施の形態に係る全方向移動装置１０と同様に、メカナムホイールは３個とされてもよい。
詳細な構造は省略するが、図２に示されるオムニホイール４０１〜４０４と同様に、メカナムホイール４０５〜４０８は、円周方向Ａに回転して回転体１２に駆動力を伝達し、かつ、円周方向Ａと交差する方向Ｂに回転体１２を転動可能とする。The omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment basically has the same configuration as the omnidirectional moving device 10 according to the first embodiment, but the Mecanum wheel 405 to 408 (see FIG. 11) is attached to the wheel. Is used. Here, an example in which four Mecanum wheels 405 to 408 are arranged will be described, but the number of Mecanum wheels may be three as in the omnidirectional moving device 10 according to the first embodiment. ..
Although the detailed structure is omitted, the Mecanum wheels 405 to 408 rotate in the circumferential direction A to transmit the driving force to the rotating body 12 and, like the omni wheels 401 to 404 shown in FIG. The rotating body 12 can be rolled in the direction B intersecting the circumferential direction A.

図１１に、本実施の形態に係る回転体１２と４個のメカナムホイール４０５〜４０８との配置関係が示されている。回転軸１２０の一端側の軸周り１２１の上半球１２Ｂに２個のメカナムホイール４０５及び４０６が配置され、回転軸１２０の他端側の軸周り１２２の上半球１２Ｂに２個のメカナムホイール４０７及び４０８が配置されている。 FIG. 11 shows the arrangement relationship between the rotating body 12 and the four Mecanum wheels 405 to 408 according to the present embodiment. Two mecanum wheels 405 and 406 are arranged on the upper hemisphere 12B of the shaft circumference 121 on one end side of the rotating shaft 120, and two mechanum wheels are arranged on the upper hemisphere 12B of the shaft circumference 122 on the other end side of the rotating shaft 120. 407 and 408 are arranged.

メカナムホイール４０５〜４０８では、回転体１２との接点p1 〜p4 における単位接線ベクトルtkが、円周上の接線に対して、ここでは４５度をなす。回転体１２の半径をrs とすると、位置ベクトルpk は式（３８）により表され、単位接線ベクトルtk は式（３９）により表される。

Figure 0006951611

Figure 0006951611
 In the Mecanum wheels 405 to 408, the unit tangent vector t k at the contact points p 1 to p 4 with the rotating body 12 forms 45 degrees here with respect to the tangent line on the circumference. Assuming that the radius of the rotating body 12 is r s , the position vector p k is expressed by the equation (38), and the unit tangent vector t k is expressed by the equation (39).
Figure 0006951611
Figure 0006951611

そして、メカナムホイール４０５〜４０８の半径をrm とすると、動力伝達行列T は下記式（４０）により表される。

Figure 0006951611

図１１に示される本実施の形態では、上記式（４０）の動力伝達行列T の１列目〜３列目の行列要素の列毎に絶対値がすべて等しくなる。Then, assuming that the radius of the Mecanum wheels 405 to 408 is r m , the power transmission matrix T is expressed by the following equation (40).
Figure 0006951611
In the present embodiment shown in FIG. 11, the absolute values are all equal for each of the columns of the matrix elements in the first to third columns of the power transmission matrix T of the above equation (40).

また、トルク伝達行列T (TT T )-1は、下記式（４１）により表される。

Figure 0006951611

トルク伝達行列T (TT T )-1の１列目〜３列目の行列要素の列毎に絶対値がすべて等しくなる。The torque transfer matrix T (T T T) -1 is expressed by the following equation (41).
Figure 0006951611
The absolute values are all equal for each column of the matrix elements in the first to third columns of the torque transfer matrix T (T T T) -1.

以上説明したように、本実施の形態に係る全方向移動装置１０では、ホイールとしてメカナムホイール４０５〜４０８が採用されても、回転軸１２０（水平軸Yb ）の出力が最大になるばかりか、左右方向の回転軸（水平軸Xb ）及び旋回軸（垂直軸Zb ）の出力も最大になる。このように、直進方向の移動に際して、メカナムホイール４０５〜４０８のそれぞれから回転体１２へ動力が効率良く伝達され、最大出力により回転体１２を直進方向へ転動させることができる。As described above, in the omnidirectional moving device 10 according to the present embodiment, even if the Mecanum wheels 405 to 408 are adopted as the wheels, not only the output of the rotating shaft 120 (horizontal axis Y b) is maximized. , The output of the rotation axis (horizontal axis X b ) and the rotation axis (vertical axis Z b ) in the left-right direction is also maximized. In this way, when moving in the straight direction, power is efficiently transmitted from each of the Mecanum wheels 405 to 408 to the rotating body 12, and the rotating body 12 can be rolled in the straight direction by the maximum output.

また、本実施の形態に係る全方向移動装置１０及びその姿勢制御方法によれば、第１実施の形態に係る全方向移動装置１０及びその姿勢制御方法により得られる作用効果と同様の作用効果を得ることができる。 Further, according to the omnidirectional moving device 10 and its attitude control method according to the present embodiment, the same action and effect as those obtained by the omnidirectional moving device 10 and its attitude control method according to the first embodiment can be obtained. Obtainable.

（その他の実施の形態）
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、本発明は、３個のオムニホイール４０１〜４０３の場合、回転体１２の回転軸１２０の一端側と他端側とを入れ替えてもよい。また、本発明は、５以上のオムニホイールを備えてもよい。なお、全方向移動装置の小型化並びに軽量化を図るためにはオムニホイールは３個又は４個とすることが好ましい。(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. For example, in the case of the three omni wheels 401 to 403, the present invention may replace one end side and the other end side of the rotation shaft 120 of the rotating body 12. Further, the present invention may include 5 or more omni wheels. In order to reduce the size and weight of the omnidirectional moving device, it is preferable to use three or four omni wheels.

また、上記実施の形態では、３個のオムニホイール４０１〜４０３或いは４個のオムニホイール４０１〜４０４が等間隔において配置されている。本発明では、動力伝達行列の行列要素のうち、回転体１２を直進方向に転動させる回転軸１２０の行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置であれば、オムニホイール４０１〜４０４の間隔は等間隔に限らない。 Further, in the above embodiment, three omni wheels 401 to 403 or four omni wheels 401 to 404 are arranged at equal intervals. In the present invention, among the matrix elements of the power transmission matrix, the intervals between the omni wheels 401 to 404 are such that the absolute values are equal for each row of the matrix elements of the rotating shaft 120 that rolls the rotating body 12 in the straight direction. Is not limited to equal intervals.

さらに、上記実施の形態では、オムニホイール４０１〜４０４は２連のホイール４１０及び４２０により構成されているが、本発明では、１連又は３連以上のホイールによりオムニホイール４０１〜４０４が構成されてもよい。加えて、本発明では、ホイール４１０に４個以上のローラが配設され、ホイール４２０に４個以上のローラが配設されてもよい。 Further, in the above embodiment, the omni wheels 401 to 404 are composed of two wheels 410 and 420, but in the present invention, the omni wheels 401 to 404 are composed of one or three or more wheels. May be good. In addition, in the present invention, the wheel 410 may be provided with four or more rollers, and the wheel 420 may be provided with four or more rollers.

また、上記実施の形態では、回転体１２を直進方向に転動させる回転軸１２０の一端側、他端側のそれぞれにオムニホイール４０１〜４０４が配設されているが、回転軸１２０の一端側或いは他端側の一方の軸周りに動力を伝達するオムニホイール４０１〜４０４が配設されてもよい。他端側の軸周りには、補助輪を配設することが好ましい。
さらに、上記変形例は、メカナムホイール４０５〜４０８についても同様である。Further, in the above embodiment, the omni wheels 401 to 404 are arranged on one end side and the other end side of the rotating shaft 120 that rolls the rotating body 12 in the straight direction, but one end side of the rotating shaft 120. Alternatively, omni wheels 401 to 404 that transmit power may be arranged around one of the axes on the other end side. It is preferable to dispose training wheels around the shaft on the other end side.
Further, the above modification is the same for the Mecanum wheels 405 to 408.

１０ 全方向移動装置
１２ 回転体
１４ 車体
４０、４２、４４、４６ 駆動ユニット
４０１、４０２ オムニホイール（第１オムニホイール）
４０３、４０４ オムニホイール（第２オムニホイール）
４０５〜４０８ メカナムホイール
４４２（１）〜４４２（４） ＡＣサーボモータ（駆動装置）
５０１ 姿勢角度検出部
６００ 姿勢安定システム
６０２ 演算処理部
６０４ 角速度検出部
６０５、６０５（１）〜６０５（４） サーボアンプ
６０７ 回転数検出部10 Omni-directional moving device 12 Rotating body 14 Body 40, 42, 44, 46 Drive unit 401, 402 Omni wheel (1st omni wheel)
403, 404 omni wheel (second omni wheel)
405-408 Mecanum Wheels 442 (1) -442 (4) AC Servo Motor (Drive)
501 Attitude angle detection unit 600 Attitude stabilization system 602 Arithmetic processing unit 604 Angular velocity detection unit 605, 605 (1) to 605 (4) Servo amplifier 607 Rotation speed detection unit

Claims (11)

球状の回転体と、
前記回転体を転動させて、車体を前進方向に移動させる回転軸の前記回転体の中心よりも一端側の軸周りであって、前記回転体の球面と前記回転軸に垂直な平面の交線である第１緯線上において、前記回転体の上半球の表面に接して前記第１緯線上に複数配設され、円周方向に回転して前記回転体に前記第１緯線に沿って動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に前記回転体を転動可能とし、かつ、前記回転体を垂直軸周りに旋回可能とする動力を伝達する第１ホイールと、
前記第１緯線上における前記回転体の下半球の表面の特定位置に対する、前記回転体の中心対称位置の表面であって、前記回転軸の前記回転体の中心よりも他端側の軸周りであり、前記回転体の球面と前記回転軸に垂直な平面の交線である第２緯線上に接して配設され、円周方向に回転して前記回転体に前記第２緯線に沿って動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に前記回転体を転動可能とし、かつ、前記回転体を垂直軸周りに旋回可能とする動力を伝達する第２ホイールと、を備え、
前記第１ホイールと前記第２ホイールが前記車体に取付けられた全方向移動装置。Spherical rotating body and
An intersection of a spherical surface of the rotating body and a plane perpendicular to the rotating axis, which is around one end side of the center of the rotating shaft that rolls the rotating body and moves the vehicle body in the forward direction. On the first weft line, which is a line, a plurality of pieces are arranged on the first weft line in contact with the surface of the upper hemisphere of the rotating body, and rotate in the circumferential direction to power the rotating body along the first weft line. And the first wheel that transmits the power that makes the rotating body rollable in the direction intersecting the circumferential direction and makes the rotating body swivel around the vertical axis.
The surface of the rotating body at a position symmetrical to the center of the rotating body with respect to a specific position on the surface of the lower hemisphere of the rotating body on the first weft line, around the axis on the other end side of the center of the rotating body. Yes, it is arranged in contact with the second weft line, which is the intersection of the spherical surface of the rotating body and the plane perpendicular to the rotating axis, and rotates in the circumferential direction to power the rotating body along the second weft line. A second wheel that transmits power that transmits the above and allows the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction and that allows the rotating body to turn around a vertical axis.
An omnidirectional moving device in which the first wheel and the second wheel are attached to the vehicle body. 球状の回転体と、
前記回転体を転動させて、車体を前進方向に移動させる回転軸の前記回転体の中心よりも一端側の軸周りであって、前記回転体の球面と前記回転軸に垂直な平面の交線である第１緯線上において、前記回転体の上半球の表面に接して前記第１緯線上に複数配設され、円周方向に回転して前記回転体に前記第１緯線に沿って動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に前記回転体を転動可能とし、かつ、前記回転体を垂直軸周りに旋回可能とする動力を伝達する第１ホイールと、
前記回転軸の前記回転体の中心よりも他端側の軸周りであって、前記回転体の球面と前記回転軸に垂直な平面の交線である第２緯線上に接して配設され、円周方向に回転して前記回転体に前記第２緯線に沿って動力を伝達し、かつ、円周方向と交差する方向に前記回転体を転動可能とし、かつ、前記回転体を垂直軸周りに旋回可能とする動力を伝達する第２ホイールと、を備え、
前記第１ホイールと前記第２ホイールが前記車体に取付けられた全方向移動装置。Spherical rotating body and
An intersection of a spherical surface of the rotating body and a plane perpendicular to the rotating axis, which is around one end side of the center of the rotating shaft that rolls the rotating body and moves the vehicle body in the forward direction. On the first weft line, which is a line, a plurality of pieces are arranged on the first weft line in contact with the surface of the upper hemisphere of the rotating body, and rotate in the circumferential direction to power the rotating body along the first weft line. And the first wheel that transmits the power that makes the rotating body rollable in the direction intersecting the circumferential direction and makes the rotating body swivel around the vertical axis.
It is arranged around the axis on the other end side of the center of the rotating body of the rotating body and is in contact with the second weft line which is the intersection of the spherical surface of the rotating body and the plane perpendicular to the rotating body. It rotates in the circumferential direction to transmit power to the rotating body along the second weft line, enables the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction, and makes the rotating body a vertical axis. Equipped with a second wheel that transmits power that allows it to turn around,
An omnidirectional moving device in which the first wheel and the second wheel are attached to the vehicle body. 前記第１ホイール及び前記第２ホイールは、オムニホイール又はメカナムホイールである請求項２又は請求項３に記載の全方向移動装置。 The omnidirectional moving device according to claim 2 or 3, wherein the first wheel and the second wheel are omni wheels or mechanum wheels. 前記第１ホイールは２個配設され、前記第２ホイールは１個又は２個配設されている請求項２又は請求項３に記載の全方向移動装置。 The omnidirectional moving device according to claim 2 or 3, wherein two first wheels are arranged and one or two second wheels are arranged. 前記第１ホイール及び前記第２ホイールは、前記回転体との接点の位置ベクトルと前記接点における接線ベクトルとで決まる動力伝達行列の行列要素のうち、前記回転軸の行列要素の列毎に絶対値が等しくなる位置に配設されている請求項２又は請求項３に記載の全方向移動装置。 The first wheel and the second wheel have absolute values for each column of matrix elements of the rotation axis among the matrix elements of the power transfer matrix determined by the position vector of the contact point with the rotating body and the tangent vector at the contact point. The omnidirectional moving device according to claim 2 or 3, wherein the omnidirectional moving devices are arranged at equal positions. 前記動力伝達行列は、角速度を表す伝達行列を含んでいる請求項６に記載の全方向移動装置。 The omnidirectional moving device according to claim 6, wherein the power transmission matrix includes a transmission matrix representing an angular velocity. 前記回転体の下半球の表面に接して又は近接させて、円周方向に回転し、かつ、円周方向とは交差する方向に前記回転体を転動可能とする補助輪を更に備えている請求項２又は請求項３に記載の全方向移動装置。 It is further provided with an auxiliary wheel that rotates in the circumferential direction in contact with or close to the surface of the lower hemisphere of the rotating body and enables the rotating body to roll in a direction intersecting the circumferential direction. The omnidirectional moving device according to claim 2 or 3. 前記回転体上に設けられた前記車体と、
前記車体に取り付けられ、かつ、前記第１ホイールを回転させる第１駆動装置と、
前記車体に取り付けられ、かつ、前記第２ホイールを回転させる第２駆動装置と、
前記車体に配設され、前記車体の姿勢を安定に維持する姿勢安定システムと、
を更に備えた請求項２又は請求項３に記載の全方向移動装置。The vehicle body provided on the rotating body and the vehicle body
A first drive device that is attached to the vehicle body and rotates the first wheel,
A second drive device that is attached to the vehicle body and rotates the second wheel,
A posture stabilization system that is arranged on the vehicle body and maintains the posture of the vehicle body in a stable manner.
The omnidirectional moving device according to claim 2 or 3, further comprising. 前記姿勢安定システムは、
前記車体に装着され、前記車体の姿勢角度及び当該姿勢角度の変化に伴う第１角速度を検出する姿勢角度検出部と、
前記第１ホイール及び前記第２ホイールの回転数を検出する回転数検出部と、
前記回転数検出部による回転数の検出結果に基づいて、前記回転体が転動する第２角速度を検出する角速度検出部と、
前記姿勢角度検出部により検出される姿勢角度情報、第１角速度情報及び前記角速度検出部により検出される第２角速度情報に基づいて、前記車体の姿勢を維持する前記第１ホイール及び前記第２ホイールのホイール操作トルクを算出し、このホイール操作トルク情報に従って前記第１駆動装置及び前記第２駆動装置を作動させる演算処理部と、
を備えた請求項９に記載の全方向移動装置。The posture stabilization system
A posture angle detection unit that is mounted on the vehicle body and detects the posture angle of the vehicle body and the first angular velocity accompanying the change in the posture angle.
A rotation speed detection unit that detects the rotation speed of the first wheel and the second wheel, and
An angular velocity detection unit that detects the second angular velocity at which the rotating body rolls based on the rotation speed detection result of the rotation speed detection unit.
The first wheel and the second wheel that maintain the posture of the vehicle body based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information detected by the angular velocity detection unit. The arithmetic processing unit that calculates the wheel operation torque of the above and operates the first drive device and the second drive device according to the wheel operation torque information, and
The omnidirectional moving device according to claim 9. 前記演算処理部は、
前記姿勢角度情報、前記第１角速度情報及び前記第２角速度情報に基づいて、前記車体の姿勢を維持させる、前記回転体が転動する角加速度の目標値及び前記車体が旋回する角加速度の目標値を算出し、
前記目標値に一致させる前記回転体の第３角加速度を算出し、
当該第３角加速度に基づいて前記回転体を操作する回転体操作トルクを算出し、
前記回転体操作トルク情報に基づいて、前記第１ホイール及び前記第２ホイールを操作する前記ホイール操作トルクを算出する
請求項１０に記載の全方向移動装置。The arithmetic processing unit
Based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, the target value of the angular acceleration at which the rotating body rolls and the target of the angular acceleration at which the vehicle body turns to maintain the posture of the vehicle body. Calculate the value,
Calculate the third angular acceleration of the rotating body to match the target value,
Based on the third angular acceleration, the rotating body operating torque for operating the rotating body is calculated.
The omnidirectional moving device according to claim 10, wherein the wheel operating torque for operating the first wheel and the second wheel is calculated based on the rotating body operating torque information. 前記請求項１０に記載された全方向移動装置の姿勢安定システムが、
前記姿勢角度情報、前記第１角速度情報及び前記第２角速度情報を取得し、
前記姿勢角度情報、前記第１角速度情報及び前記第２角速度情報に基づいて、前記車体の姿勢を維持させる、前記回転体が転動する角加速度の目標値及び前記車体が旋回する角加速度の目標値を算出し、
前記目標値に一致させる前記回転体の第３角加速度を算出し、
当該第３角加速度に基づいて前記回転体を操作する回転体操作トルクを算出し、
前記回転体操作トルク情報に基づいて、前記第１ホイール及び前記第２ホイールを操作する前記ホイール操作トルクを算出する
全方向移動装置の姿勢制御方法。The posture stabilizing system of the omnidirectional moving device according to claim 10.
The attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information are acquired, and the posture angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information are acquired.
Based on the attitude angle information, the first angular velocity information, and the second angular velocity information, the target value of the angular acceleration at which the rotating body rolls and the target of the angular acceleration at which the vehicle body turns to maintain the posture of the vehicle body. Calculate the value,
Calculate the third angular acceleration of the rotating body to match the target value,
Based on the third angular acceleration, the rotating body operating torque for operating the rotating body is calculated.
An attitude control method for an omnidirectional moving device that calculates the wheel operating torque for operating the first wheel and the second wheel based on the rotating body operating torque information.
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