TWI761354B - 全向移動裝置及其姿勢控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明之全向移動裝置具備球狀之旋轉體(12)及作為滾輪之全向輪(401)～(404)。滾輪於使旋轉體(12)滾動並沿直行方向移動之旋轉軸(120)之軸周圍(121)，與旋轉體(12)之表面接觸地配設有複數個，滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體(12)，且能夠使旋轉體(12)於與圓周方向交叉之方向上滾動。

Description

全向移動裝置及其姿勢控制方法

本發明係關於一種全向移動裝置及其姿勢控制方法。

於專利文獻1中揭示有一種搬送裝置及驅動機構。該搬送裝置具備1個球狀旋轉體及3個全向輪(omni wheel)。全向輪係與球狀旋轉體接觸而使球狀旋轉體滾動，進而能夠朝與使球狀旋轉體滾動之方向不同之方向移動。3個全向輪係於球狀旋轉體之上半球，繞球狀旋轉體之垂直軸(Z軸)等間隔地配置。於全向輪之各者，連接有滾輪驅動部。於球狀旋轉體上，經由框架部而設置有載物台，滾輪驅動部係固定於框架部。

於上述搬送裝置中，能夠使載物台之姿勢傾斜，向傾斜之方向前後左右地移動，進而能夠迴轉。即，搬送裝置能夠向所有方向自由度較高地移動。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2009-234524號公報

然，於上述搬送裝置中，於全部滾輪驅動部之輸出相同之情形時，迴轉時可獲得最大輸出，但是於原本作為搬送裝置而需要輸出之前進或左右之移動時，無法獲得最大輸出。例如，於前進之移動中，僅獲得迴轉時之約一半之輸出。因此，存在改善之餘地。

本發明考慮到上述問題，而提供一種能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向移動之全向移動裝置及能夠使車體之姿勢維持穩定之全向移動裝置之姿勢控制方法。

為了解決上述問題，本發明之第1實施形態之全向移動裝置包括：球狀之旋轉體；及滾輪，於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之軸周圍，與旋轉體之表面接觸地配設有複數個，滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

第1實施形態之全向移動裝置包括球狀之旋轉體、及與旋轉體之表面接觸地配設之滾輪。滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

此處，滾輪於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之軸周圍，在旋轉體之表面配設複數個。因此，於直行方向之移動時，將動力自滾輪高效地傳遞至旋轉體，而能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第2實施形態之全向移動裝置包括：球狀之旋轉體；第一滾輪，於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之一端側之軸周圍，與旋轉體之上半球之表面接觸地配設有複數個，第一滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動；及第二滾輪，是相對於旋轉軸之一端側之軸周圍的旋轉體之下半球之表面之特定位置，在旋轉體之中心對稱位置之表面接觸地配設，沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

第2實施形態之全向移動裝置包括球狀之旋轉體、以及與旋轉體之表面接觸地配設之第一滾輪及第二滾輪。第一滾輪及第二滾輪均沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，從而能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

此處，第一滾輪於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之一端側之軸周圍，於旋轉體之上半球之表面配設複數個。另一方面，第二滾輪係配設至相對於旋轉軸之一端側之軸周圍的旋轉體之下半球之表面之特定位置，在旋轉體之中心對稱位置之表面。因此，於直行方向之移動時，將動力自第一滾輪、第二滾輪之各者高效地傳遞至旋轉體，而能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第3實施形態之全向移動裝置包括：球狀之旋轉體；第一滾輪，於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之一端側之軸周圍，與旋轉體之上半球之表面接觸地配設有複數個，第一滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉 之方向上滾動；及第二滾輪，於旋轉軸之另一端側之軸周圍，與旋轉體之上半球之表面接觸地配設，第二滾輪沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

第3實施形態之全向移動裝置包括球狀之旋轉體、以及與旋轉體之表面接觸地配設之第一滾輪及第二滾輪。第一滾輪及第二滾輪均沿圓周方向旋轉而將動力傳遞至旋轉體，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

此處，第一滾輪係於使旋轉體滾動並沿直行方向移動之旋轉軸之一端側之軸周圍，於旋轉體之上半球之表面配設複數個。另一方面，第二滾輪係於旋轉軸之另一端側之軸周圍，配設於旋轉體之上半球之表面。因此，於直行方向之移動時，將動力自第一滾輪、第二滾輪之各者高效地傳遞至旋轉體，而能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第4實施形態之全向移動裝置係如第2實施形態或第3實施形態之全向移動裝置，其中第一滾輪及第二滾輪為全向輪或麥克納姆輪(mecanum wheel)。

根據第4實施形態之全向移動裝置，將第一滾輪及第二滾輪設為全向輪或麥克納姆輪，因此，能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動，且亦能夠使旋轉體向直行方向以外之方向滾動。

本發明之第5實施形態之全向移動裝置係如第2實施形態或第3實施形態之全向移動裝置，其中第一滾輪配設有2個，第二滾輪配設有1個或2個。

根據第5實施形態之全向移動裝置，第一滾輪配設有2個，第二滾輪配設有1個或2個，因此，根據最小限之滾輪數，將零件個數以及重量設為最小限，而能夠使旋轉體向所有方向滾動。

本發明之第6實施形態之全向移動裝置係如第2實施形態或第3實施形態之全向移動裝置，其中第一滾輪及第二滾輪的配設位置係使得：第一滾輪及第二滾輪與旋轉體之接點之位置向量及接點之切線向量所決定之動力傳遞矩陣的矩陣元素之中，在旋轉軸之矩陣元素中，每一行中的矩陣元素的絕對值相等。

根據第6實施形態之全向移動裝置，在動力傳遞矩陣之矩陣元素之中，於使旋轉體沿直行方向移動之旋轉軸之矩陣元素中，每一行中的矩陣元素的絕對值相等的位置，配置第一滾輪及第二滾輪。因此，於直行方向之移動時，將動力自第一滾輪、第二滾輪之各者高效地傳遞至旋轉體，而能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第7實施形態之全向移動裝置係如第6實施形態之全向移動裝置，其中動力傳遞矩陣包含表示角速度之傳遞矩陣。

根據第7實施形態之全向移動裝置，動力傳遞矩陣包含表示角速度之傳遞矩陣。在表示使旋轉體沿直行方向移動之旋轉軸之角速度之傳遞矩陣中，於矩陣元素之每一行絕對值相等的位置，分別配設第一滾輪、第二滾輪。因此，於直行方向之移動時，將動力自第一滾輪、第二滾輪之各者高效地傳遞至旋轉體，而能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第8實施形態之全向移動裝置係如第2實施形態 或第3實施形態之全向移動裝置，更包括輔助輪，該輔助輪與旋轉體之下半球之表面接觸或接近，沿圓周方向旋轉，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。

第8實施形態之全向移動裝置包括與旋轉體之下半球之表面接觸或接近之輔助輪。輔助輪沿圓周方向旋轉，且能夠使旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。因此，旋轉體之上半球與第一滾輪及第二滾輪接觸，於旋轉體之下半球設置輔助輪，因此，能夠使旋轉體向所有方向滾動且能夠防止旋轉體脫落。

本發明之第9實施形態之全向移動裝置係如第2實施形態或第3實施形態之全向移動裝置，更包括：車體，設置於旋轉體上；第一驅動裝置，安裝於車體，且使第一滾輪旋轉；第二驅動裝置，安裝於車體，且使第二滾輪旋轉；及姿勢穩定系統，配設於車體，使車體之姿勢維持穩定。

根據第9實施形態之全向移動裝置，於旋轉體上設置車體。於第一滾輪之旋轉軸，連接有第一驅動裝置，第一驅動裝置係安裝於車體。又，於第二滾輪之旋轉軸，連接有第二驅動裝置，第二驅動裝置係安裝於車體。第一滾輪、第二滾輪均與旋轉體之上半球之表面接觸。因此，車體之負載經由第一驅動裝置而被第一滾輪支持，以及經由第二驅動裝置而被第二滾輪支持，從而能夠於利用姿勢穩定系統使車體之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第10實施形態之全向移動裝置係如第9實施形態之全向移動裝置，其中姿勢穩定系統包括：姿勢角度檢測部，安裝於 車體，檢測車體之姿勢角度及伴隨姿勢角度之變化產生之第一角速度；轉數檢測部，檢測第一滾輪及第二滾輪之轉數；角速度檢測部，基於轉數檢測部之轉數之檢測結果，檢測旋轉體滾動之第二角速度；及運算處理部，基於由姿勢角度檢測部檢測出之姿勢角度資訊、第一角速度資訊及由角速度檢測部檢測出之第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的第一滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩，按照該滾輪操作扭矩資訊，使第一驅動裝置及第二驅動裝置作動。

根據第10實施形態之全向移動裝置，姿勢穩定系統具備姿勢角度檢測部、轉數檢測部、角速度檢測部及運算處理部。姿勢角度檢測部係安裝於車體，檢測車體之姿勢角度及伴隨姿勢角度之變化產生之第一角速度。轉數檢測部檢測第一滾輪及第二滾輪之轉數。角速度檢測部基於轉數檢測部之轉數之檢測結果，檢測旋轉體滾動之第二角速度。

此處，運算處理部基於由姿勢角度檢測部檢測出之姿勢角度資訊、第一角速度資訊及由角速度檢測部檢測出之第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的第一滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩。然後，運算處理部按照該滾輪操作扭矩資訊，使第一驅動裝置及第二驅動裝置作動。因此，於姿勢穩定系統中，使車體之姿勢維持穩定之動力自第一滾輪及第二滾輪傳遞至旋轉體，因此，能夠於車體之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

本發明之第11實施形態之全向移動裝置係如第10實施形態之全向移動裝置，其中運算處理部基於姿勢角度資訊、第一角速度資 訊及第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的旋轉體滾動之角加速度之目標值及車體迴轉之角加速度之目標值，計算出與目標值一致之旋轉體之第三角加速度，基於第三角加速度，計算出操作旋轉體之旋轉體操作扭矩，基於旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作第一滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩。

根據第11實施形態之全向移動裝置，於運算處理部中，基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的旋轉體滾動之角加速度之目標值及車體迴轉之角加速度之目標值。於運算處理部中，進而計算出與目標值一致之旋轉體之第三角加速度，基於第三角加速度，計算出操作旋轉體之旋轉體操作扭矩。基於該旋轉體操作扭矩資訊，於運算處理部中，計算出操作第一滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩。其結果，於運算處理部中，計算出使車體之姿勢維持穩定之動力。因此，將動力自第一滾輪及第二滾輪傳遞至旋轉體，故能夠於使車體之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動。

於本發明之第12實施形態之全向移動裝置之姿勢控制方法中，應用如第10實施形態之全向移動裝置之姿勢穩定系統獲取姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的旋轉體滾動之角加速度之目標值及車體迴轉之角加速度之目標值，計算出與目標值一致之旋轉體之第三角加速度，基於第三角加速度，計算出操作旋轉體之旋轉體操作扭矩，基於旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作第一 滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩。

根據第12實施形態之全向移動裝置之姿勢控制方法，姿勢穩定系統首先獲取姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊。其次，基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，計算出使車體之姿勢得以維持的旋轉體滾動之角加速度之目標值及車體迴轉之角加速度之目標值。其次，計算出與目標值一致之旋轉體之第三角加速度，進而基於第三角加速度，計算出操作旋轉體之旋轉體操作扭矩。然後，基於旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作第一滾輪及第二滾輪之滾輪操作扭矩。其結果，於姿勢穩定系統中，計算出使車體之姿勢維持穩定之動力。

因此，將動力自第一滾輪及第二滾輪傳遞至旋轉體，故於全向移動裝置中，能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向滾動，能夠使車體之姿勢維持穩定。

根據本發明，可提供一種能夠利用最大輸出使旋轉體向直行方向移動之全向移動裝置及能夠使車體之姿勢維持穩定之全向移動裝置之姿勢控制方法。

10:全向移動裝置

12:旋轉體

12A:下半球

12B:上半球

14:車體

14A:車體本體

14B:車體本體

14C:車體前部

14D:前壁

16:鞍座架

18:鞍座

22:把手支架

24:把手

26:框部

28:框支架

30:輔助輪支架

32:輔助輪

34:輔助輪支架

36:輔助輪

40:第一驅動單元

42:第二驅動單元

44:第三驅動單元

46:第四驅動單元

50:感測器單元

60:控制單元

120:旋轉軸

121:軸周圍

122:軸周圍

401:全向輪(第一全向輪)

402:全向輪(第一全向輪)

403:全向輪(第二全向輪)

403P:特定位置

404:全向輪(第二全向輪)

404P:特定位置

405:麥克納姆輪

406:麥克納姆輪

407:麥克納姆輪

408:麥克納姆輪

410:第一輪組

411:輪本體

412:輥

413:輥

414:輥

415:旋轉軸

420:第二輪組

421:輪本體

422(1):AC伺服馬達

422(4):AC伺服馬達

422:輥

423:輥

424:輥

425:旋轉軸

430:軸

441:減速機

442(1):AC伺服馬達(驅動裝置)

442(2):AC伺服馬達(驅動裝置)

442(3):AC伺服馬達(驅動裝置)

442(4):AC伺服馬達(驅動裝置)

501:姿勢角度檢測部

600:姿勢穩定系統

601:操作顯示部

602:運算處理部

603:數位類比轉換器

604:角速度檢測部

605:伺服放大器

605(1):伺服放大器

605(2):伺服放大器

605(3):伺服放大器

605(4):伺服放大器

606:電源

607:轉數檢測部

A:圓周方向

a:旋轉軸

B:與圓周方向交叉之方向

b:旋轉軸

O₀:原點

O_b:中心

Oh₁:全向輪

Oh₂:全向輪

Oh₃:全向輪

Oh₄:全向輪

p₁:位置向量

p₂:位置向量

p₃:位置向量

p₄:位置向量

R_b:旋轉體

R_bu:上半球

S10:車體之姿勢角度及第一角速度之獲取

S11:全向輪之轉數之獲取

S12:旋轉體之第二角速度之獲取

S13:旋轉體之角加速度之目標值之計算，車體之迴轉角加速度之目標值之計算

S14:操作旋轉體之第三角加速度之計算

S15:旋轉體之操作扭矩之計算

S16:滾輪之操作扭矩之計算

t₁:切線向量

t₂:切線向量

t₃:切線向量

t₄:切線向量

:操作量

w₁:角速度

w₂:角速度

w₃:角速度

w₄:角速度

w_s:角速度向量

X:軸

X₀:軸

X_b:軸

Y:軸

Y₀:軸

Y_b:軸

Z:軸

Z₀:軸

Z_b:軸

θ₀:角速度資訊

:角速度向量

θ_b:姿勢角度

:第一角速度

θ_2d:目標角度

:目標角速度

τ₀:操作扭矩

τ_s:扭矩

[圖1]係本發明之第1實施形態之全向移動裝置之外觀構成圖，(A)係左視圖，(B)係自行進方向觀察之前視圖，(C)係後視圖，(D)係 仰視圖。

[圖2]係圖1所示之全向移動裝置之驅動單元之主要部分放大立體圖。

[圖3]係表示圖1所示之全向移動裝置之旋轉體與圖2所示之驅動單元之全向輪之位置關係的圖，(A)係自全向移動裝置之行進方向右側觀察之側視圖，(B)係自全向移動裝置之行進方向左側觀察之側視圖。

[圖4]係說明組入至圖1所示之全向移動裝置之姿勢穩定系統之方塊圖。

[圖5]係說明圖4所示之姿勢穩定系統之姿勢控制方法之流程圖。

[圖6]係說明圖4所示之姿勢穩定系統之演算法之圖。

[圖7]係表示說明第1實施形態之動力傳遞矩陣之旋轉體及3個全向輪之概略圖。

[圖8]係表示說明第1實施形態之動力傳遞矩陣之旋轉體及4個全向輪之概略圖。

[圖9]係表示說明比較例之動力傳遞矩陣之旋轉體及3個全向輪之概略圖。

[圖10]係表示說明比較例之動力傳遞矩陣之旋轉體及4個全向輪之概略圖。

[圖11]係表示說明本發明之第2實施形態之全向移動裝置之動力傳遞矩陣之旋轉體及4個麥克納姆輪之概略圖。

(第1實施形態)

以下，使用圖1~圖10，對本發明之第1實施形態之全向移動裝置進行說明。再者，於圖中，適當示出之箭頭X方向表示全向移動裝置之車體前方側且為行進方向，箭頭Y方向表示車體寬度方向。又，箭頭Z方向表示與箭頭X方向及箭頭Y方向正交之上方向。

[全向移動裝置之構成]

如圖1(A)~圖1(D)及圖2所示，本實施形態之全向移動裝置10包含單個之球狀之旋轉體12及配設於該旋轉體12上之車體14而構成。

旋轉體12係將使用例如直徑300mm、厚度1.5mm之不鏽鋼形成之球殼作為旋轉體本體並利用材質較旋轉體本體軟之材料被覆旋轉體本體之表面而形成。作為軟質材料，例如，可實用地使用厚度5mm之天然橡膠(NR，Natural Rubber)。

如圖1(A)~圖1(D)所示，車體14具備於車體寬度方向(箭頭Y方向)上呈一對地配設之車體本體14A及車體本體14B。車體本體14A及車體本體14B分別以車體前後方向(箭頭X方向)為長度方向而延伸，於車體寬度方向上相隔而配置。車體本體14A及車體本體14B配設於在俯視時與旋轉體12重疊之位置。於車體本體14A及車體本體14B，經由向上方向豎立設置之鞍座架16而安裝有鞍座18。鞍座架16係由管材形成。鞍座18係設為供全向移動裝置10之騎乘者乘坐之構成。

於車體本體14A及車體本體14B之車體前方側，配設有構成車體14之車體前部14C。車體前部14C係配置於在上下方向上較車體本體14A及車體本體14B之上表面更靠下方向且旋轉體12之中心點附近，一體地安裝於車體本體14A及車體本體14B之前壁14D。車體前部14C係將管材彎折而形成，車體前部14C之輪廓於俯視時形成為C字狀。

於車體前部14C上，於車體寬度方向配設有一對置腳部20。置腳部20係用作騎乘者之放腳處。又，於車體前部14C，配設有朝向上方向並稍微向車體後方側傾斜而豎立設置之把手支架22，於把手支架22之上端部，安裝有把手24。把手24形成為朝向車體寬度方向外側而向左右分別突起之棒狀，騎乘者抓持把手24而使全向移動裝置10行駛。此處，把手24由不繞著垂直軸(Z軸)回轉之固定式形成。雖然省略了圖示，但是進行全向移動裝置10之行駛之開始或停止之起動開關、控制全向移動裝置10之行駛中之速度之刹車等係安裝於把手24周圍。又，作為保安零件，車燈、前轉向燈等可安裝於把手24或把手支架22。並且，作為保安零件之後轉向燈、刹車燈等可安裝於車體14之車體後端部之適當部位。

於車體本體14A及車體本體14B下，沿旋轉體12之周圍，配設有環狀之框部26。該框部26經由分別設置於車體寬度方向兩端部之框支架28而安裝於車體本體14A、車體本體14B之各者。

又，於車體本體14A及車體本體14B之車體前端部，經由輔助輪支架30而配設有輔助輪32。輔助輪支架30自車體本體14A 及車體本體14B延伸設置至較旋轉體12之中心點更靠下方側，輔助輪32旋轉自如地安裝於輔助輪支架30之下端部。同樣地，於車體本體14A及車體本體14B之車體後端部，經由輔助輪支架34而配設有輔助輪36。輔助輪支架34自車體本體14A及車體本體14B延伸設置至較旋轉體12之中心點更靠下方側，輔助輪36旋轉自如地安裝於輔助輪支架34之下端部。輔助輪32、輔助輪36均配置於轉到旋轉體12之下半球12A側之位置，與下半球12A之表面接觸或者以固定間隙與下半球12A之表面相隔(接近)。藉由具備輔助輪32及輔助輪36，而防止旋轉體12自車體14脫落。於本實施形態中，輔助輪32、輔助輪36之各者使用下述滾輪，此處，使用全向輪。

於圖1(A)~圖1(D)所示之全向移動裝置10中，自乘坐於鞍座18之狀態之騎乘者觀察時，於車體寬度方向右側，於車體本體14A下之車體前方側，安裝有被省略符號之外裝罩被覆之第一驅動單元40。於車體本體14A下之車體後方側，安裝有第二驅動單元42。另一方面，於車體寬度方向左側，於車體本體14B下之車體前方側，安裝有第三驅動單元44，於車體本體14B之車體後方側，安裝有第四驅動單元46。

此處，於本實施形態中，配設有第一驅動單元40~第四驅動單元46之合計4個驅動單元，但亦包含配設第一驅動單元40~第三驅動單元44之合計3個驅動單元之情況。於配設3個驅動單元之情形時，第三驅動單元44係配設於車體本體14B之車體前後方向之中間部。

[全向輪之構成]

如圖2所示，第一驅動單元40係包含作為第一全向輪之全向輪401、減速機441、作為第1驅動裝置之例如交流(AC)伺服馬達442(1)而構成。全向輪401經由軸(旋轉軸)430而與減速機441連結。

全向輪401隨著軸430之旋轉而繞軸430之旋轉軸旋轉，且具備於旋轉軸的軸向上構成2排之第一輪組410及第二輪組420。於第一輪組410之輪本體411之圓周上，等間隔地配設之複數個桶狀之輥(滾筒)412~414以旋轉軸415為中心旋轉自如地安裝。此處，所謂等間隔係指120度間隔，安裝有3個輥412~414。第二輪組420係配設於第一輪組410的一側，且是與減速機441側相反之側。於第二輪組420之輪本體421之圓周上，同樣地，等間隔地配設之複數個桶狀之輥422~424以旋轉軸425為中心旋轉自如地安裝。第二輪組420之輥422~424之配置間隔相對於第一輪組410之輥412~414之配置間隔錯開半個間距、具體而言為60度。藉由此種構成，全向輪401沿圓周方向A旋轉而將動力傳遞至旋轉體12，且能夠使旋轉體12於與圓周方向A交叉之方向(此處，正交之方向)B上滾動。

此處，如圖2所示，若將全向輪401之軸430之旋轉軸設為a，將輥412~414之旋轉軸415設為b，則旋轉軸b相對於旋轉軸a於歪斜位置正交。

第二驅動單元42、第三驅動單元44、第四驅動單元46各者之構成與第一驅動單元40之構成相同。即，如圖2所示，第二驅動單元42係包含作為第一全向輪之全向輪402、減速機441及作為第1 驅動裝置之AC伺服馬達442(2)而構成。第三驅動單元44係包含作為第二全向輪之全向輪403、減速機441及作為第2驅動裝置之AC伺服馬達442(3)而構成。第四驅動單元46係包含作為第二全向輪之全向輪404、減速機441及作為第2驅動裝置之AC伺服馬達442(4)而構成。

於本實施形態之全向移動裝置10中，能夠向前後方向及左右方向移動，且能夠迴轉。當然，能夠實現向斜方向之移動、伴隨有迴轉之前後方向、左右方向或斜方向之移動。而且，於全向移動裝置10中，設為可於前進方向上獲得最大輸出之構成。

[全向輪之配置]

一般而言，複數個全向輪係於垂直軸(Z軸)之軸周圍等間隔地配置(參照圖9及圖10)。相對於此，如圖3(A)所示，於全向移動裝置10中，全向輪401及402於使旋轉體12滾動並沿直行方向移動之旋轉軸120之一端側之軸周圍121，與旋轉體12之上半球12B之表面接觸地配設。此處，旋轉體12並不存在固定之旋轉軸，旋轉軸120係使旋轉體12沿直行方向滾動時之旋轉體12之有效旋轉中心。由於旋轉體12沿直行方向(箭頭X方向)滾動，故而旋轉軸120之軸向與車體寬度方向(箭頭Y方向)一致。又，旋轉軸120之一端側之軸周圍121於自騎乘者觀察時之車體寬度方向右側相當於將旋轉體12視為天體時之緯線。

如圖3(B)所示，全向輪403及404於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122，與旋轉體12之上半球12B之表面接觸地配設。旋轉軸120之另一端側之軸周圍122，於自騎乘者觀察時之車體寬度方向 左側，相當於將旋轉體12視為天體時之緯線。全向輪403及404之配置位置係與於圖3(A)所示之旋轉軸120之一端側之軸周圍121的旋轉體12之下半球12A之表面之特定位置403P及404P相對的旋轉體12之中心對稱位置。

原本，全向輪403係於軸周圍121配置於下半球12A，全向輪404係於軸周圍121配置於下半球12A。特定位置403P係於行進方向上獲得最大輸出時在軸周圍121之下半球12A適於配置全向輪403之位置。又，同樣地，特定位置404P係於軸周圍121之下半球12A適於配置全向輪404之位置。於本實施形態中，於下半球12A側，難以安裝第三驅動單元44及第四驅動單元46，因此，於軸周圍122，於旋轉體12之上半球12B側，配設全向輪403及404。

再者，於具備第一驅動單元40~第三驅動單元44之情形時，於旋轉軸120之一端側之軸周圍121，與旋轉體12之上半球12B接觸地配設全向輪401及402(參照圖3(A))。而且，關於全向輪403，於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122，與旋轉體12之上半球12B接觸地配設全向輪403(參照圖3(B))。於該情形時，自旋轉軸120之軸向觀察時，全向輪403係配設於圖3(B)所示之全向輪403與全向輪404之中間部。

回至圖1(A)~圖1(D)，於全向移動裝置10之車體14上且鞍座18下，配設有感測器單元50。又，於車體14上之車體後方側，配設有控制單元60。感測器單元50及控制單元60構建圖4所示之姿勢穩定系統600，該姿勢穩定系統600使車體14之姿勢維持穩定，又， 於使車體14之姿勢維持穩定之狀態下使車體14行駛。

[姿勢穩定系統之構成]

如圖4所示，全向移動裝置10之姿勢穩定系統600係包含感測器單元50及控制單元60而構成。

感測器單元50包含姿勢角度檢測部501。姿勢角度檢測部501使用例如慣性測量裝置(IMU，Inertial Measurement Unit)。於該姿勢角度檢測部501中，檢測出車體14之姿勢角度及作為伴隨車體14繞各軸之姿勢角度之變化所產生之第一角速度的角速度。姿勢角度係作為姿勢角度資訊，角速度係作為第一角速度資訊而自姿勢角度檢測部501輸出。

控制單元60具備操作顯示部601、運算處理部(控制器)602、數位類比轉換器(D/A轉換器)603、角速度檢測部604、伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)、及電源606。此處，第一驅動單元40之AC伺服馬達422(1)~第四驅動單元46之AC伺服馬達422(4)作為轉數檢測部607而組入至姿勢穩定系統600中。於AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)之各者，安裝有省略圖示之例如編碼器，使用編碼器檢測全向輪401~全向輪404之轉數。轉數檢測部607係包含AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)及伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)而構成。

操作顯示部601進行姿勢穩定系統600之啟動及結束之操作、姿勢穩定系統600之動作狀態之顯示等。

運算處理部602係使用例如依據mini-ITX標準之組入用 個人電腦。於運算處理部602中，至少執行下述處理(A)~處理(D)。

(A)自姿勢角度檢測部501獲取檢測車體14之姿勢角度而獲得之姿勢角度資訊及檢測伴隨姿勢角度之變化產生之角速度而獲得之第一角速度資訊。

(B)於轉數檢測部607中，檢測出全向輪401~404之轉數。自轉數檢測部607獲取該轉數之檢測結果，基於該檢測結果，計算出作為旋轉體12滾動之第二角速度之角速度。獲取該第二角速度作為第二角速度資訊。

(C)基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，計算出使車體14之姿勢維持穩定之全向輪401~全向輪404之滾輪操作扭矩。

(D)按照滾輪操作扭矩資訊，使第一驅動單元40~第四驅動單元46作動。

進而，於運算處理部602中，於處理(D)中，執行下述處理(a)~處理(d)。

(a)基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊，計算出使車體14之姿勢維持穩定的、旋轉體12滾動之角加速度之目標值及車體14迴轉之角加速度之目標值。

(b)計算出與目標值一致之作為旋轉體12之第三角加速度之角加速度。

(c)基於第三角加速度資訊，計算出操作旋轉體12之旋轉體操作扭矩。

(d)基於旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作全向輪401~全向輪404之滾輪操作扭矩。

自運算處理部602輸出之滾輪操作扭矩資訊(數位資訊)被作為扭矩指令輸出至數位類比轉換器603。於數位類比轉換器603中，扭矩指令被轉換為類比資訊，轉換為類比資訊之扭矩指令自數位類比轉換器603被輸出至伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)之各者。又，自運算處理部602，輸出順序指令至伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)。伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)按照扭矩指令，控制AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)之各者。

另一方面，當於轉數檢測部607中檢測出AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)之各者之轉數時，該檢測結果經由伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)之各者而輸出至角速度檢測部604。此處，角速度檢測部604係由脈衝計數器構成，對每單位時間之轉數進行計數，生成角速度資訊。該角速度資訊被輸出至運算處理部602。

而且，於姿勢穩定系統600，搭載有被設為裝卸自如之電源606。電源606係使用二次電池、具體而言為蓄電池。又，電源606係包含對控制系統供給電源之二次電池及對動力系統供給電源之二次電池而構成。若進行詳細說明，則控制系統包含姿勢角度檢測部501、操作顯示部601、運算處理部602、數位類比轉換器603及角速度檢測部604。另一方面，動力系統包含伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)及AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)。

[全向移動裝置之姿勢控制方法]

上述全向移動裝置10之姿勢控制方法如下。此處，圖5係對姿勢控制方法進行說明之流程圖。圖6係實現姿勢控制方法之演算法。又，於姿勢控制方法之說明中，適當參考圖1~圖4。

1.具有3個全向輪之全向移動裝置之姿勢控制方法

(1)車體之姿勢角度及第一角速度之獲取

首先，使用圖4及圖6所示之姿勢角度檢測部501，檢測出車體14之姿勢角度θ_b及伴隨姿勢角度之變化產生之車體14之第一角速度(θ_b之一次微分)。如圖4~圖6所示，運算處理部602自姿勢角度檢測部501獲取姿勢角度資訊及第一角速度資訊(S10)。

(2)全向輪之轉數之獲取

其次，使用圖4所示之轉數檢測部607之AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(3)，檢測出全向輪401~403之轉數。如圖4及圖6所示，所檢測出之轉數經由伺服放大器605(1)~伺服放大器605(3)而輸出至角速度檢測部604。於角速度檢測部604中，獲取全向輪401~403之轉數作為角速度資訊θ₀。如圖5所示，運算處理部602自角速度檢測部604獲取角速度資訊θ₀(S11)。

(3)旋轉體之第二角速度之獲取

此處，於圖7中，示出由設為原點O₀之包含X₀軸、Y₀軸及Z₀軸之三維座標系統表示3個全向輪401~403相對於全向移動裝置10之旋轉體12之配置位置之概略圖。

全向輪401~403之各者相對於旋轉體12之配置位置及驅動力係由旋轉體12與全向輪401~403之各者之接點之位置向量p_k 及接點之切線向量t_k表示。將n設為全向輪之數量，k係1至n之整數。位置向量p₁係自旋轉體12之中心O_b至旋轉體12與全向輪401之接點之位置向量。同樣地，位置向量p₂係自中心O_b至旋轉體12與全向輪402之接點之位置向量，位置向量p₃係自中心O_b至旋轉體12與全向輪403之接點之位置向量。

切線向量t₁係旋轉體12與全向輪401之接點之單位切線向量。同樣地，切線向量t₂係旋轉體12與全向輪402之接點之單位切線向量，切線向量t₃係旋轉體12與全向輪403之接點之單位切線向量。

若將旋轉體12繞車體前後方向之軸之角速度設為ω_x，將旋轉體12繞車體寬度方向之軸之角速度設為ω_y，將旋轉體12繞車體上下方向之軸之角速度設為ω_z，則旋轉體12之角速度向量ω_s由下述式(1)表示(參照圖6)。

[數1]

[數2]

若將全向輪401~403之各者之角速度設為

、

、

，則全向輪401~全向輪403之角速度彙總而成之角速度向量

係由下述式(2)表示(參照圖6)。

動力傳遞矩陣T係利用位置向量p₁、p₂、p₃、切線向量t₁、t₂、t₃ 及全向輪401~403之半徑r₀而由下述式(3)表示。

[數3]

[數4]

根據式(3)所示之動力傳遞矩陣T，角速度向量

與角速度向量 ω _s 之關係由下述式(4)表示。

又，若式(4)使用動力傳遞矩陣T之廣義逆矩陣，則由下述式(5)表示(參照圖6)。

[數5]

根據上述式(5)，根據全向輪401~全向輪403之角速度計算出旋轉體12之第二角速度。如圖6所示，第二角速度係使用運算處理部602而計算出，如圖5所示，運算處理部602獲取第二角速度作為第二角速度資訊(S12)。

(4)目標值之計算

為了使車體14之姿勢於旋轉體12上維持穩定，需要基於車體14之姿勢角度及車體14之第一角速度修正車體14之姿勢之旋轉體12滾動時之角加速度的目標值及車體14之迴轉時之角加速度之目標值。若將目標值設為u，則目標值u係由下述式(6)計算出(參照圖6)。

[數6]

u = K _d x _d (6)

如下述式(7)所示，目標值u係車體14之迴轉之目標角加速度u₁、旋轉體12繞車體前後方向之軸之目標角加速度u₂、及旋轉體12繞車體寬度方向之軸之目標角加速度u₃彙總而成之向量。

[數7]

若將滾動角(roll angle)設為γ，將俯仰角(pitch angle)設為β，將偏航角(yaw angle)設為α，則式(6)之x_d由下述式(8)表示。

[數8]

又，K_d係回饋增值益矩陣(Feedback gain matrix)，基於車體14與旋轉體12之質量、重心位置、慣性力矩等而決定。

如圖5及圖6所示，目標值u、即旋轉體12滾動之角加速度之目標值及車體14迴轉角加速度之目標值係使用運算處理部602而計算出(S13)。

(5)旋轉體之操作角加速度之計算

於使車體14之姿勢於旋轉體12上穩定化時，需要減少干擾之影響。因此，對目標值u附加PID控制(Proportional Integral Differential Controller)，計算出新的角加速度之操作量(參照圖6)。在此，θ_2d 為目標角度，

為目標角速度。

[數9]

若將操作量設為

，則操作量

由下述式(9)表示。

ω_xd係旋轉體12繞車體前後方向之軸之目標角速度，目標角速度ω_xd係由下述式(10)表示。

[數10]

θ_xd係旋轉體12繞車體前後方向之軸之目標角度，該目標角度θ_xd係由下述式(11)表示。

[數11]

θ_x係旋轉體12繞車體前後方向之軸之角度，角度θ_x係利用旋轉體12繞車體前後方向之軸之角速度ω_x而由下述式(12)表示。

[數12]

ω_yd係旋轉體12繞車體寬度方向之軸之目標角速度，目標角速度ω_yd係由下述式(13)表示。

[數13]

θ_yd係旋轉體12繞車體寬度方向之軸之目標角度，該目標角度θ_yd係由下述式(14)表示。

[數14]

θ_y係旋轉體12繞車體寬度方向之軸之角度，角度θ_y係利用旋轉體12繞車體寬度方向之軸之角速度ω_y而由下述式(15)表示。

[數15]

如圖5及圖6所示，旋轉體12之操作角加速度係作為第三角加速度而使用運算處理部602計算出(S14)。

(6)旋轉體之操作扭矩之計算

[數16]

旋轉體12之扭矩τ _s 係基於旋轉體12及車體14之迴轉角加速度之操作量

，使用下述式(16)計算出(參照圖6)。

此處，慣性矩陣之次矩陣係由下述式(17)、式(18)及式(19)表示。

[數17]

[數18]

[數19]

又，重力項係由下述式(20)表示。下述式(21)係表示輸入軸之更換之矩陣。

[數20]

[數21]

於上述式(17)、式(18)中，I_s係繞旋轉體12與地面之接點之旋轉體12的慣性力矩。慣性力矩I_s係由下述式(22)表示。

[數22]

此處，I_bxx、I_bxy、I_bxz、I_byy、I_byz、I_bzz係車體14之慣性力矩及慣性乘積。m_b係車體14之質量。s_z係自旋轉體12之中心O_b至車體14之重心之距離。r_s係旋轉體12之半徑。g係重力加速度常數。m_s係旋 轉體12之質量。

[數23]

係繞旋轉體12中心之慣性力矩。

如圖5及圖6所示，旋轉體12之操作扭矩係使用運算處理部602而計算出(S15)。

(7)全向輪之操作扭矩之計算

為了使旋轉體12產生扭矩，各全向輪401~403應產生之操作扭矩τ_o係由下述式(23)計算出。

[數24]

係全向輪401~403之慣性力矩。

如圖5及圖6所示，全向輪401~403之操作扭矩τ_o係使用運算處理部602而計算出(S16)。該操作扭矩τ_o係作為滾輪操作扭矩，經由AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(3)而傳遞至全向輪401~403。

若執行以上所說明之姿勢控制方法之順序，則於全向移動裝置10中，能夠使車體14之姿勢於旋轉體12上維持穩定。而且，能夠於使車體14之姿勢維持穩定之狀態下使全向移動裝置10行駛。

2.具有4個全向輪之全向移動裝置之姿勢控制方法

具有4個全向輪401~404之全向移動裝置10之姿勢控制方法基本上與具有3個全向輪401~403之全向移動裝置10之姿勢控制方法大致相同。此處之姿勢控制方法之說明係使用圖4~圖6，並極力省略重複 之說明且僅對不同之順序進行簡單說明。

(1)車體之姿勢角度及第一角速度之獲取

使用圖4及圖6所示之姿勢角度檢測部501，檢測出車體14之姿勢角度及車體14之第一角速度。如圖4~圖6所示，運算處理部602自姿勢角度檢測部501獲取姿勢角度資訊及第一角速度資訊(S10)。

(2)全向輪之轉數之獲取

其次，使用圖4所示之轉數檢測部607之AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)，檢測出全向輪401~404之轉數。如圖4及圖6所示，所檢測出之轉數經由伺服放大器605(1)~伺服放大器605(4)而輸出至角速度檢測部604。如圖5所示，運算處理部602自角速度檢測部604獲取角速度資訊θ₀(S11)。

(3)旋轉體之第二角速度之獲取

此處，於圖8中，示出利用三維座標系統表示全向移動裝置10之4個全向輪401~404相對於旋轉體12之配置位置之概略圖。

全向輪401~404之各者相對於旋轉體12之配置位置及驅動力係由旋轉體12與全向輪401~404之各者之接點之位置向量p_k及接點之切線向量t_k表示。位置向量p₁係自旋轉體12之中心O_b至旋轉體12與全向輪401之接點之位置向量。同樣地，位置向量p₂係自中心O_b至旋轉體12與全向輪402之接點之位置向量，位置向量p₃係自中心O_b至旋轉體12與全向輪403之接點之位置向量。而且，位置向量p₄係自中心O_b至旋轉體12與全向輪404之接點之位置向量。

切線向量t₁係旋轉體12與全向輪401之接點之單位切線 向量。同樣地，切線向量t₂係旋轉體12與全向輪402之接點之單位切線向量、切線向量t₃係旋轉體12與全向輪403之接點之單位切線向量。而且，切線向量t₄係旋轉體12與全向輪404之接點之單位切線向量

若將旋轉體12繞車體前後方向之軸之角速度設為ω_x，將旋轉體12繞車體寬度方向之軸之角速度設為ω_y，將旋轉體12繞車體上下方向之軸之角速度設為ω_z，則旋轉體12之角速度向量ω_s由前述式(1)表示。

[數25]

若將全向輪401~404之各者之角速度設為

、

、

、

，則全向輪401~全向輪404之角速度彙總而成之角速度向量

由下述式(24)表示(參照圖6)。

動力傳遞矩陣T係利用位置向量p₁、p₂、p₃、p₄、切線向量t₁、t₂、t₃、t₄及全向輪401~404之半徑r₀而由下述式(25)表示。

[數26]

基於前述式(4)，若使用式(25)所示之動力傳遞矩陣T之廣義逆矩陣，則獲得前述式(5)，從而根據全向輪401~全向輪404之角速度計算出旋轉體12之第二角速度。如圖6所示，第二角速度係使用運算處理部602 而計算出，如圖5所示，運算處理部602獲取第二角速度資訊(S12)。

(4)目標值之計算

基於車體14之姿勢角度及車體14之第一角速度，計算出旋轉體12之滾動時之角加速度之目標值及車體14之迴轉時之角加速度之目標值。目標值係設為u。如圖5及圖6所示，目標值u係使用運算處理部602而由前述式(6)計算出(S13)。

(5)旋轉體之操作角加速度之計算

對目標值u附加PID控制，計算出新的角加速度之操作量(參照圖6)。如圖5及圖6所示，旋轉體12之操作角加速度係作為第三角加速度而使用運算處理部602計算出(S14)。

(6)旋轉體之操作扭矩之計算

旋轉體12之扭矩τ_s係使用前述式(16)而計算出(參照圖6)。此處，慣性矩陣之次矩陣係由前述式(17)、式(18)及式(19)表示，又，重力項係由前述式(20)、式(21)表示。

如圖5及圖6所示，旋轉體12之操作扭矩係使用運算處理部602而計算出(S15)。

(7)全向輪之操作扭矩之計算

各全向輪401~404應產生之操作扭矩τ_o係由前述式(23)計算出。如圖5及圖6所示，操作扭矩τ_o係使用運算處理部602而計算出(S16)。該操作扭矩τ_o係作為滾輪操作扭矩經由AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)而傳遞至全向輪401~404。

若執行以上所說明之姿勢控制方法之順序，則於全向移動 裝置10中，能夠使車體14之姿勢於旋轉體12上維持穩定。而且，能夠於使車體14之姿勢維持穩定之狀態下使全向移動裝置10行駛。

(本實施形態之作用及效果)

如圖2、圖3(A)及圖3(B)所示，圖1(A)~圖1(D)所示之全向移動裝置10具備球狀之旋轉體12、以及作為與旋轉體12之表面接觸地配設之滾輪之全向輪401及402或全向輪403及404。全向輪401~404沿圓周方向A旋轉而將動力傳遞至旋轉體12，且能夠使旋轉體12於與圓周方向A交叉之方向B上滾動。

此處，全向輪401及402係於使旋轉體12滾動並沿直行方向移動之旋轉軸120之軸周圍121，於旋轉體12之表面配設複數個。又，全向輪403及404係於使旋轉體12滾動並沿直行方向移動之旋轉軸120之軸周圍122，於旋轉體12之表面配設複數個。

因此，於直行方向之移動時，將動力自全向輪401及402或全向輪403及404高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12向直行方向滾動。

又，如圖2、圖3(A)及圖3(B)所示，圖1(A)~圖1(D)所示之全向移動裝置10具備球狀之旋轉體12、以及作為與旋轉體12之表面接觸地配設之第一全向輪之全向輪401及402和作為第二全向輪之全向輪403及404。全向輪401~404均沿圓周方向A旋轉而將動力傳遞至旋轉體12，而能夠使旋轉體12於與圓周方向A交叉之方向B上滾動。

此處，如圖3(A)所示，全向輪401及402係於使旋轉體 12滾動並沿直行方向移動之旋轉軸120之一端側之軸周圍121，於旋轉體12之上半球12B之表面配設複數個。另一方面，全向輪403及404係配設於與在旋轉軸120之一端側之軸周圍121的旋轉體12之下半球12A之表面之特定位置403P、404P相對的、旋轉體12之中心對稱位置之表面。又，全向輪403及404係於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122，配設於旋轉體12之上半球12B之表面。

於圖9中，示出比較例之旋轉體R_b與3個全向輪Oh₁~Oh₃之配置關係。與驅動旋轉體R_b之全向輪Oh₁~Oh₃之配置相關之參數係位置向量p_k及單位切線向量t_k。此處，位置向量p_k係將旋轉體R_b之中心O_b設為起點之第k個全向輪Oh_k與旋轉體R_b之接點之位置向量。k係1以上之整數。單位切線向量t_k係接點處之第k個全向輪Oh_k之單位切線向量。

關於在垂直軸Z_b周圍於旋轉體R_b之上半球R_bu均等分配3個全向輪Oh₁~Oh₃時之位置向量p_k，在相對於垂直軸Z_b將位置向量p_k設定為45度之傾斜時，位置向量p_k由下述式(26)表示。

[數27]

此處，r_s係旋轉體R_b之半徑。

又，單位切線向量t_k係由下述式(27)表示。

[數28]

旋轉體R_b之角速度與全向輪Oh₁~Oh₃之角速度之關係係由下述式(28)表示。

[數29]

此處，r₀係全向輪Oh₁~Oh₃之半徑。

[數30]

又，ω _s 係旋轉體R_b之角速度向量，

係全向輪Oh₁~Oh₃之角速度彙總而成之向量。

T係動力傳遞矩陣。

於圖9所示之比較例中，前述式(28)之動力傳遞矩陣T之第3行之矩陣元素之絕對值相等，因此，迴轉軸(垂直軸Z_b)之輸出變得最大。行進方向之輸出減半。

相對於上述比較例，於圖7中，示出本實施形態之旋轉體12與3個全向輪401~403之配置關係。於旋轉軸120之一端側之軸周圍121之上半球12B，配置有2個全向輪401及402(參照圖3(A))，於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122之上半球12B，配置有1個全向輪403(參照圖3(B))。

關於此時之位置向量p_k，在相對於旋轉軸120將位置向量p_k設定為45度之傾斜時，位置向量p_k由下述式(29)表示。

[數31]

又，單位切線向量t_k係由下述式(30)表示。

[數32]

而且，旋轉體12之角速度與全向輪401~403之角速度之關係係由下述式(31)表示。

[數33]

於圖7所示之本實施形態中，前述式(31)之動力傳遞矩陣T之第2行之矩陣元素之絕對值相等，因此，旋轉軸120(水平軸Y_b)之輸出變得最大。即，行進方向之輸出變得最大。如此，於直行方向之移動時，將動力自全向輪401~403之各者高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

又，於圖10中，示出比較例之旋轉體R_b與4個全向輪Oh₁~Oh₄之配置關係。關於繞垂直軸Z_b於旋轉體R_b之上半球R_bu均等分配4個全向輪Oh₁~Oh₄時之位置向量p_k，在相對於垂直軸Z_b將位置向量p_k設定為45度之傾斜時，位置向量p_k由下述式(32)表示。單位切線向量t_k係由下述式(33)表示。

[數34]

[數35]

旋轉體R_b之角速度與全向輪Oh₁~Oh₄之角速度之關係係由下述式(34)表示。

[數36]

於圖10所示之比較例中，在上述式(34)之動力傳遞矩陣之第1行~第3行每一行中之矩陣元素，絕對值會相等，因此，向左右方向之旋轉軸(水平軸X_b)、向前進方向之旋轉軸(水平軸Y_b)、迴轉軸(垂直軸Z_b)之各者之輸出變得最大。

相對於上述比較例，於圖8中，示出本實施形態之旋轉體12與4個全向輪401~404之配置關係。於旋轉軸120之一端側之軸周圍121之上半球12B，配置有2個全向輪401及402(參照圖3(A))，於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122之上半球12B，配置有2個全向輪403及404(參照圖3(B))。

關於此時之位置向量p_k，在相對於旋轉軸120將位置向 量p_k設定為45度之傾斜時，位置向量p_k由下述式(35)表示。

[數37]

又，單位切線向量t_k係由下述式(36)表示。

[數38]

而且，旋轉體12之角速度與全向輪401~404之角速度之關係係由下述式(37)表示。

[數39]

於圖8所示之本實施形態中，在前述式(37)之動力傳遞矩陣T之第1行~第3行每一行之矩陣元素，絕對值均相等，因此，不僅旋轉軸120(水平軸Y_b)之輸出變得最大，左右方向之旋轉軸(水平軸X_b)及迴轉軸((垂直軸Z_b)之輸出亦變得最大。如此，於直行方向之移動時，將動力自全向輪401~404之各者高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

進而，於本實施形態之全向移動裝置10中，如圖2所示，滾輪係設為全向輪401~404。於全向輪401~404中，如圖3(A)及圖 3(B)所示，能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動，且亦能夠使旋轉體12向直行方向以外之方向滾動。

又，於本實施形態之全向移動裝置10中，如圖7及圖8所示，配設2個全向輪401及402作為第一滾輪，配設1個全向輪403或者2個全向輪403及404作為第二滾輪。因此，根據最小限之滾輪數，將零件個數以及重量設為最小限，能夠使旋轉體12向所有方向滾動。

進而，根據本實施形態之全向移動裝置10，於動力傳遞矩陣T之矩陣元素之中使旋轉體12沿直行方向移動之旋轉軸120之矩陣元素中，每一行中的矩陣元素的絕對值相等之位置，配設全向輪401~404(或401~403)。因此，於直行方向之移動時，將動力自全向輪401~404之各者高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

又，根據全向移動裝置10，動力傳遞矩陣T包含表示角速度之傳遞矩陣。在表示使旋轉體12沿直行方向移動之旋轉軸120之角速度之傳遞矩陣中，在每一行中的矩陣元素的絕對值相等的位置，分別配設全向輪401~404(或401~403)。因此，於直行方向之移動時，將動力自全向輪401~404高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

進而，如圖1(A)~圖1(D)所示，全向移動裝置10具備與旋轉體12之下半球12A之表面接觸或接近之輔助輪32及36。輔助輪32及36係與圖2所示之全向輪401~404同樣地，沿圓周方向A旋轉，且能夠使旋轉體12於與圓周方向A交叉之方向上滾動。因此，旋 轉體12之上半球12B與全向輪401~404接觸，於旋轉體12之下半球12A設置輔助輪32及36，因此，能夠使旋轉體12向所有方向滾動且能夠防止旋轉體12脫落。

又，如圖1及圖2所示，根據全向移動裝置10，於旋轉體12上設置車體14。於全向輪401及402之軸430，連接有AC伺服馬達422(1)及422(2)，AC伺服馬達422(1)及422(2)係安裝於車體14。又，於全向輪403及404之軸430，連接有AC伺服馬達422(3)及422(4)，AC伺服馬達422(3)及422(4)係安裝於車體14。全向輪401~404均與旋轉體12之上半球12B之表面接觸。因此，車體14之負載經由AC伺服馬達422(1)~422(4)而被全向輪401~404支持，從而能夠於利用圖4及圖6所示之姿勢穩定系統600使車體14之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

進而，如圖4所示，根據全向移動裝置10，姿勢穩定系統600具備姿勢角度檢測部501、轉數檢測部607、角速度檢測部604、及運算處理部602。姿勢角度檢測部501係安裝於圖1所示之車體14，檢測車體14之姿勢角度及伴隨姿勢角度之變化產生之第一角速度。轉數檢測部607檢測全向輪401~全向輪404之轉數。角速度檢測部604基於轉數檢測部607之轉數之檢測結果，檢測旋轉體12滾動之第二角速度。

此處，如圖4~圖6所示，運算處理部602計算出維持車體14之姿勢之全向輪401~404之滾輪操作扭矩(S16)。該滾輪操作扭矩係基於由姿勢角度檢測部501檢測出之姿勢角度資訊、第一角速度資 訊(S10)及由角速度檢測部604檢測出之第二角速度資訊(S12)而計算出。運算處理部602按照該滾輪操作扭矩資訊，使圖2及圖4所示之AC伺服馬達422(1)~AC伺服馬達422(4)作動。

因此，於姿勢穩定系統600中，使車體14之姿勢維持穩定之動力自全向輪401~404傳遞至旋轉體12，因此，能夠於使車體14之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

又，如圖4~圖6所示，根據全向移動裝置10，於運算處理部602中，計算出使車體14之姿勢維持的、旋轉體12滾動之角加速度之目標值及車體14迴轉之角加速度之目標值(S13)。目標值係基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊(S10)及第二角速度資訊(S12)而計算出。於運算處理部602中，進而計算出與目標值一致之旋轉體12之第三角加速度(S14)，基於第三角加速度，計算出操作旋轉體12之旋轉體操作扭矩(S15)。基於該旋轉體操作扭矩，於運算處理部602中，計算出操作全向輪401~404之滾輪操作扭矩(S16)。

其結果，於運算處理部602中，計算出使車體14之姿勢維持穩定之動力。因此，動力自全向輪401~404傳遞至旋轉體12，因此，能夠於車體14之姿勢維持穩定之狀態下，利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

進而，根據全向移動裝置10之姿勢控制方法，如圖5所示，姿勢穩定系統600首先獲取姿勢角度資訊、第一角速度資訊及第二角速度資訊(S10、S12)。其次，基於姿勢角度資訊、第一角速度資訊及 第二角速度資訊，計算出使車體14之姿勢維持的、旋轉體12滾動之角加速度之目標值及車體14迴轉之角加速度之目標值(S13)。其次，計算出與目標值一致之旋轉體12之第三角加速度(S14)，進而基於第三角加速度資訊，計算出操作旋轉體12之旋轉體操作扭矩(S15)。然後，基於旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作全向輪401~404之滾輪操作扭矩。

其結果，於姿勢穩定系統600中，計算出使車體14之姿勢維持穩定之動力。因此，動力自全向輪401~404傳遞至旋轉體12，因此，於全向移動裝置10中，能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動，而且能夠使車體14之姿勢維持穩定。

此外，於全向移動裝置10之姿勢控制方法中，如圖6所示，基於動力傳遞矩陣T，控制車體14之姿勢。若進行詳細說明，則於運算處理部602之運算處理之輸入段，基於前述式(5)，根據動力傳遞矩陣T之廣義逆矩陣計算出旋轉體12之角速度向量ω_s(圖5之S12)。另一方面，於運算處理部602之運算處理之輸出段，基於前述式(23)，根據動力傳遞矩陣T之廣義逆矩陣計算出作為傳遞至旋轉體12之全向輪401~404之滾輪操作扭矩之操作扭矩τ_o(圖5之S16)。

因此，無關全向輪401~404之配置間隔、全向輪401~404相對於旋轉體12之表面之接觸角度等，而能夠使車體14之姿勢維持穩定。換言之，本實施形態之姿勢控制方法係適於本實施形態之全向移動裝置10之姿勢控制之方法，並且亦能夠應用於其他裝置之姿勢控制。

(第2實施形態)

使用圖11，對本發明之第2實施形態之全向移動裝置10進行說明。此處，於本實施形態之說明中，對與第1實施形態之全向移動裝置10之構成要素相同或實質上相同之構成要素，標附相同符號，並省略重複之說明。

於本實施形態之全向移動裝置10中，基本上設為與第1實施形態之全向移動裝置10相同之構成，但滾輪係使用麥克納姆輪405~408(參照圖11)。此處，對配設4個麥克納姆輪405~408之例進行說明，但亦可與第1實施形態之全向移動裝置10同樣地，將麥克納姆輪設為3個。

雖然省略詳細之構造，但與圖2所示之全向輪401~404同樣地，麥克納姆輪405~408沿圓周方向A旋轉而將驅動力傳遞至旋轉體12，且能夠使旋轉體12於與圓周方向A交叉之方向B上滾動。

於圖11中，示出本實施形態之旋轉體12與4個麥克納姆輪405~408之配置關係。於旋轉軸120之一端側之軸周圍121之上半球12B，配置有2個麥克納姆輪405及406，於旋轉軸120之另一端側之軸周圍122之上半球12B，配置有2個麥克納姆輪407及408。

此處，於麥克納姆輪405~408中，與旋轉體12之接點p₁~p₄之單位切線向量t_k相對於圓周上之切線構成45度。若將旋轉體12之半徑設為r_s，則位置向量p_k由式(38)表示，單位切線向量t_k由式(39)表示。

[數40]

[數41]

而且，若將麥克納姆輪405~408之半徑設為r_m，則動力傳遞矩陣T由下述式(40)表示。

[數42]

於圖11所示之本實施形態中，於上述式(40)之動力傳遞矩陣T之第1行~第3行每一行之矩陣元素，絕對值均相等。

又，扭矩傳遞矩陣T(T^TT)^-1係由下述式(41)表示。

[數43]

於扭矩傳遞矩陣T(T^TT)^-1之第1行~第3行每一行矩陣元素，絕對值均相等。

如上所述，於本實施形態之全向移動裝置10中，即便採用麥克納姆輪405~408作為滾輪，旋轉軸120(水平軸Y_b)之輸出亦變得最大，而且左右方向之旋轉軸(水平軸X_b)及迴轉軸(垂直軸Z_b) 之輸出亦變得最大。如此，於直行方向之移動時，將動力自麥克納姆輪405~408之各者高效地傳遞至旋轉體12，而能夠利用最大輸出使旋轉體12沿直行方向滾動。

又，根據本實施形態之全向移動裝置10及其姿勢控制方法，可獲得與藉由第1實施形態之全向移動裝置10及其姿勢控制方法而獲得之作用效果相同之作用效果。

(其他實施形態)

本發明並不限定於上述實施形態，可於不脫離其主旨之範圍內，進行各種變化。例如，於3個全向輪401~403之情形時，本發明亦可將旋轉體12之旋轉軸120之一端側與另一端側互換。又，本發明亦可具備5個以上之全向輪。再者，為了實現全向移動裝置之小型化以及輕量化，全向輪較佳為設為3個或4個。

又，於上述實施形態中，3個全向輪401~403或者4個全向輪401~404係等間隔地配置。於本發明中，只要為動力傳遞矩陣之矩陣元素之中，於使旋轉體12沿直行方向滾動之旋轉軸120之矩陣元素中，每一行中的矩陣元素的絕對值相等之位置，則全向輪401~404之間隔並不限於等間隔。

進而，於上述實施形態中，全向輪401~404係由2排輪組410及420構成，但於本發明中，亦可由1排或3排以上之輪組構成全向輪401~404。此外，於本發明中，可於輪組410，配設4個以上之輥，亦可於輪組420配設4個以上之輥。

又，於上述實施形態中，於使旋轉體12沿直行方向滾動 之旋轉軸120之一端側、另一端側之各者，配設有全向輪401~404，但亦可於旋轉軸120之一端側或者另一端側之一者之軸周圍，配設傳遞動力之全向輪401~404。於另一端側之軸周圍，較佳為配設輔助輪。

進而，上述變化例於麥克納姆輪405~408之情形時亦相同。

12‧‧‧旋轉體

12A‧‧‧下半球

12B‧‧‧上半球

120‧‧‧旋轉軸

121‧‧‧軸周圍

122‧‧‧軸周圍

401‧‧‧全向輪(第一全向輪)

402‧‧‧全向輪(第一全向輪)

403‧‧‧全向輪(第二全向輪)

403P‧‧‧特定位置

404‧‧‧全向輪(第二全向輪)

404P‧‧‧特定位置

a‧‧‧旋轉軸

b‧‧‧旋轉軸

X‧‧‧軸

Z‧‧‧軸

Claims (11)

1. 一種全向移動裝置，包括：球狀之旋轉體；第一滾輪，位於所述旋轉體的球之表面和旋轉軸垂直相交的第一緯線上，所述第一緯線位於使所述旋轉體滾動並使車體沿直行方向移動之所述旋轉軸之所述旋轉體的中心至一端側之軸周圍，所述第一滾輪與所述旋轉體之上半球之表面接觸地在所述第一緯線上配設有複數個，所述第一滾輪沿圓周方向旋轉而將動力沿著所述第一緯線傳遞至所述旋轉體，且能夠使所述旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動；及第二滾輪，複數個接觸地配設於所述旋轉體之中心對稱位置之表面，所述中心對稱位置位於該旋轉體的球面和所述旋轉軸垂直相交的第二緯線上並相對於特定位置，所述第二緯線位於所述旋轉軸的所述旋轉體的中心至另一端側之軸周圍，所述特定位置位於旋轉體之下半球之表面，以所述旋轉體之中心相對的位置，所述第二滾輪沿圓周方向旋轉而將動力沿著所述第二緯線傳遞至所述旋轉體，且能夠使所述旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動，其中所述第一滾輪和所述第二滾輪安裝於所述車體。
2. 一種全向移動裝置，包括：球狀之旋轉體；第一滾輪，位於所述旋轉體的球之表面和旋轉軸垂直相交的第一緯線上，所述第一緯線位於使所述旋轉體滾動並使車體沿直行方向移動之所述旋轉軸之所述旋轉體的中心至一端側之軸周圍，所述第一滾輪與所述 旋轉體之上半球之表面接觸地在所述第一緯線上配設有複數個，所述第一滾輪沿圓周方向旋轉而將動力沿著所述第一緯線傳遞至所述旋轉體，且能夠使所述旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動；及第二滾輪，複數個接觸地配設於所述旋轉體之上半球之表面和所述旋轉軸垂直相交的第二緯線，所述第二緯線位於所述旋轉軸的所述旋轉體之中心至另一端側之軸周圍，所述第二滾輪沿圓周方向旋轉而將動力沿著所述第二緯線傳遞至所述旋轉體，且能夠使所述旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動，其中所述第一滾輪和所述第二滾輪安裝於所述車體。
3. 如請求項1或2所述之全向移動裝置，其中所述第一滾輪及所述第二滾輪為全向輪或麥克納姆輪。
4. 如請求項1或2所述之全向移動裝置，其中所述第一滾輪配設有2個，所述第二滾輪配設有1個或2個。
5. 如請求項1或2所述之全向移動裝置，其中所述第一滾輪及所述第二滾輪的配設位置係使得：所述第一滾輪及所述第二滾輪與所述旋轉體之接點之位置向量及所述接點之切線向量所決定之動力傳遞矩陣的矩陣元素之中，在所述旋轉軸之矩陣元素中，每一行中的矩陣元素的絕對值相等。
6. 如請求項5所述之全向移動裝置，其中上述動力傳遞矩陣包含表示角速度之傳遞矩陣。
7. 如請求項1或2所述之全向移動裝置，更包括輔助輪，該輔助輪與所述旋轉體之下半球之表面接觸或接近，並沿圓周方向旋轉， 且能夠使所述旋轉體於與圓周方向交叉之方向上滾動。
8. 如請求項1或2所述之全向移動裝置，更包括：所述車體，設置於所述旋轉體上；第一驅動裝置，安裝於所述車體，且使所述第一滾輪旋轉；第二驅動裝置，安裝於所述車體，且使所述第二滾輪旋轉；及姿勢穩定系統，配設於所述車體，使所述車體之姿勢維持穩定。
9. 如請求項8所述之全向移動裝置，其中所述姿勢穩定系統包括：姿勢角度檢測部，安裝於所述車體，以檢測所述車體之姿勢角度及伴隨該姿勢角度之變化產生之第一角速度；轉數檢測部，檢測所述第一滾輪及所述第二滾輪之轉數；角速度檢測部，基於所述轉數檢測部之轉數之檢測結果，檢測所述旋轉體滾動之第二角速度；及運算處理部，基於由所述姿勢角度檢測部檢測出之姿勢角度資訊、第一角速度資訊及由所述角速度檢測部檢測出之第二角速度資訊，計算出維持所述車體之姿勢之所述第一滾輪及所述第二滾輪之滾輪操作扭矩，按照該滾輪操作扭矩資訊，使所述第一驅動裝置及所述第二驅動裝置作動。
10. 如請求項9所述之全向移動裝置，其中所述運算處理部基於所述姿勢角度資訊、所述第一角速度資訊及所述第二角速度資訊，計算出使所述車體之姿勢得以維持之所述旋轉體滾動之角加速度之目標值及所述車體迴轉之角加速度之目標值； 計算出與所述目標值一致之所述旋轉體之第三角加速度；基於該第三角加速度，計算出操作所述旋轉體之旋轉體操作扭矩；基於所述旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作所述第一滾輪及所述第二滾輪之所述滾輪操作扭矩。
11. 一種全向移動裝置之姿勢控制方法，應用於如請求項9所述之全向移動裝置之姿勢穩定系統，所述姿勢控制方法包括：獲取所述姿勢角度資訊、所述第一角速度資訊及所述第二角速度資訊；基於所述姿勢角度資訊、所述第一角速度資訊及所述第二角速度資訊，計算出維持所述車體之姿勢之所述旋轉體滾動之角加速度之目標值及所述車體迴轉之角加速度之目標值；計算出與所述目標值一致之所述旋轉體之第三角加速度；基於該第三角加速度，計算出操作所述旋轉體之旋轉體操作扭矩；以及基於所述旋轉體操作扭矩資訊，計算出操作所述第一滾輪及所述第二滾輪之所述滾輪操作扭矩。

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