(57)【要約】【課題】製造コストを抑制でき、床面上の状況によって走行の安定性が損なわれにくい４つの球体を有する球体駆動式全方向移動装置を提供する。【解決手段】球体駆動式全方向移動装置１０は、球心が平面視して長方形又は正方形を形成する４つの球体１〜４と、隣り合って位置する球体（４、１）、（１、２）、（２、３）、（３、４）の周面に当接する対となるローラ（３１、３２）、（３３、３４）、（３５、３６）、（３７、３８）をそれぞれ備える第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５とを有し、ローラ（３７、３８）をローラ（３３、３４）と同期して回転駆動可能であって、第１〜第３の駆動力伝達機構１２〜１４それぞれに設けられる第１〜第３のモータ１６〜１８は、それぞれ第１のコントローラ７１及び第１のドライバ７４、第２のコントローラ７２及び第２のドライバ７５、第３のコントローラ７３及び第３のドライバ７６によって駆動される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車本体と、前記台車本体の底部に転動可能に配置され、かつそれぞれの球心が平面視して長方形又は正方形を形成する４つの球体１〜４とを有する球体駆動式全方向移動装置において、
前記台車本体に取付けられ、前記４つの球体１〜４のうち、隣り合って位置する前記球体（４、１）、（１、２）、（２、３）、（３、４）の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラをそれぞれ備える第１〜第４の駆動力伝達機構と、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第２の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して回転駆動可能な動力制御機構とを有し、
前記第１〜第３の駆動力伝達機構には、それぞれ該第１〜第３の駆動力伝達機構それぞれに駆動力を与える第１〜第３のモータが設けられ、該第１〜第３のモータは、それぞれ第１のコントローラ及び第１のドライバ、第２のコントローラ及び第２のドライバ、第３のコントローラ及び第３のドライバによって駆動されることを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項２】
請求項１記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記第２のモータは、前記第１、第３のモータよりモータ容量が小さく、前記第４の駆動力伝達機構には、前記第２のコントローラ及び前記第２のドライバによって駆動されて、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに駆動力を与えるモータ容量が前記第２のモータに等しい第４のモータが設けられ、前記動力制御機構は、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第２の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して同一方向に回転駆動させる他、同期して逆方向にも回転駆動させることが可能な電気制御部を有することを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項３】
請求項１記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記動力制御機構は、前記第４の駆動力伝達機構に設けられ、該第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに回転力を与える歯付プーリと、前記第２のモータの出力軸に連結され、該第２のモータの駆動を前記歯付プーリの入力軸に伝達して該歯付プーリを回転駆動可能なシャフトと、該シャフトの前記入力軸への連結及び該入力軸からの切り離しによって、前記歯付プーリへの駆動伝達の入り切りを行うクラッチとを有することを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記球体１〜４は、ボールキャスターを介して前記台車本体に取付けられていることを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記第１〜第４の駆動力伝達機構はそれぞれ２つの対となる前記ローラの一方の回転を他方に伝える動力伝達手段を有することを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項６】
請求項５記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記動力伝達手段は、２つの対となる前記ローラのそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車と、対となる前記補助歯付き車に噛合する歯付きベルト又はチェーンとを有することを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の球体駆動式全方向移動装置において、前記球体１〜４は同一半径の球体であることを特徴とする球体駆動式全方向移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、床面上で全方向移動及びピボットターンができる球体駆動式全方向移動装置に係り、例えば、搬送台車（ＡＧＶ）、搬送ロボット、電気自動車、家庭用ロボット、電動車椅子等に使用可能な球体駆動式全方向移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
球体駆動方式の全方向移動装置は簡単な構造で床面上の全方向並進運動及び回転運動を可能にし、また、床面上のどの方向への移動も速度ムラが出にくい等の特徴がある。
このような、球体駆動方式を用いた移動装置としては、例えば、３つの球体にそれぞれ１つの駆動用モータが設けられた三球式移動装置（例えば、非特許文献1参照）がある。
ところが、この球体駆動方式の三球式移動装置は、例えば搬送台車として用いられ、移動装置の頂上部に配置された載置台に荷物が置かれた状態で走行する場合、荷物の重心の位置によって、走行中の挙動が不安定になることがある。
【０００３】
これは、三球式移動装置は３つの球体によって床面と３点で接し、床面と４点以上で接する他の移動装置に比べ荷物の重心位置が走行中の挙動に与える影響が大きいことによる。
また、静止状態で三球式移動装置と床面の３つの接点に均一の重量が加わっていたとしても、床面の凹凸等の影響により、球体の１つと床面の間に生じる摩擦力が他の球体よりも小さいときは、著しく走行が不安定となる可能性がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】松本直樹、竹田滋、飯田慎二、伊東正篤、「３つの球を使った全方位移動機構の運動と制御」、日本機械学会論文集、１９９４年８月、第６０巻、第５７６号、ｐ．２６６−２７３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、床面と３点で接する三球式移動装置に比して走行時の安定性が高い移動装置として、床面と４点で接する４つの球体を備えた四球式移動装置が提案されている。
四球式移動装置の形態の１つとして、モータを１つずつ設けた駆動力伝達機構を４つ有し、その駆動力伝達機構が４つの球体それぞれに水平の異なる２方向から当接して配置され、各球体が床面上でどの方向にも回転するように駆動力を与えることが可能で、各モータにつき１つのコントローラ、ドライバが用いられ、コントローラ、ドライバ、モータをそれぞれ４つ有するものが挙げられる。
【０００６】
この四球式移動装置が所望方向への移動、方向転換（ピボットターン）をするためには、各モータの回転速度、回転方向を制御すればよく、その制御は理論的に可能であるが、簡単ではなく、更に、この各モータの回転速度、回転方向の制御を実現するための構成は簡素化が困難であり、複雑な構成となれば、移動装置の製造コストが押し上げられる。
よって、この構成を簡素化し、製造コストを抑制することが課題の一つである。
また、この四球式移動装置はコントローラ、ドライバ、モータを各４つずつ有するが、これらの数を少なくできれば、製造コストを抑えた経済性に優れる移動装置を提供できる。
【０００７】
本発明は4つの球体を有し、製造コストが抑えられ、かつ安定した走行を実現する球体駆動式全方向移動装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的に沿う本発明に係る球体駆動式全方向移動装置は、台車本体と、前記台車本体の底部に転動可能に配置され、かつそれぞれの球心が平面視して長方形又は正方形を形成する４つの球体１〜４とを有する球体駆動式全方向移動装置において、
前記台車本体に取付けられ、前記４つの球体１〜４のうち、隣り合って位置する前記球体（４、１）、（１、２）、（２、３）、（３、４）の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラをそれぞれ備える第１〜第４の駆動力伝達機構と、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第２の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して回転駆動可能な動力制御機構とを有し、
前記第１〜第３の駆動力伝達機構には、それぞれ該第１〜第３の駆動力伝達機構それぞれに駆動力を与える第１〜第３のモータが設けられ、該第１〜第３のモータは、それぞれ第１のコントローラ及び第１のドライバ、第２のコントローラ及び第２のドライバ、第３のコントローラ及び第３のドライバによって駆動される。
【０００９】
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記第２のモータは、前記第１、第３のモータよりモータ容量（出力）が小さく、前記第４の駆動力伝達機構には、前記第２のコントローラ及び前記第２のドライバによって駆動されて、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに駆動力を与えるモータ容量が前記第２のモータに等しい第４のモータが設けられ、前記動力制御機構は、前記第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラを前記第２の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラと同期して同一方向に回転駆動させる他、同期して逆方向にも回転駆動させることが可能な電気制御部を有するのが好ましい。
【００１０】
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記動力制御機構は、前記第４の駆動力伝達機構に設けられ、該第４の駆動力伝達機構に備わる対となる前記ローラに回転力を与える歯付プーリと、前記第２のモータの出力軸に連結され、該第２のモータの駆動を前記歯付プーリの入力軸に伝達して該歯付プーリを回転駆動可能なシャフトと、該シャフトの前記入力軸への連結及び該入力軸からの切り離しによって、前記歯付プーリへの駆動伝達の入り切りを行うクラッチとを有することもできる。
【００１１】
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体１〜４は、ボールキャスターを介して前記台車本体に取付けられていることが好ましい。
また、本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記第１〜第４の駆動力伝達機構はそれぞれ２つの対となる前記ローラの一方の回転を他方に伝える動力伝達手段を有することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記動力伝達手段は、２つの対となる前記ローラのそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車と、対となる前記補助歯付き車に噛合するベルト又はチェーンとを有することが好ましい。
本発明に係る球体駆動式全方向移動装置において、前記球体１〜４は同一半径の球体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜７記載の球体駆動式全方向移動装置は、台車本体の底部に転動可能に配置された４つの球体が床面と４点で接して走行するので、床面と３点で接する移動装置に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置による影響を受けにくく、更に、床面表面の凹凸等により、球体の１つと床面の間に生じる摩擦力が他の球体に生じるものより小さくなっても、走行が不安定になりにくい。
また、平面視して球体の球心が長方形又は正方形を形成するので、長方形又は正方形と辺の長さが同一条件の長方形、正方形以外の四角形の場合に比べ、台車本体に置かれた荷物の重心位置が走行の安定性に及ぼす影響を少なくできる。
【００１４】
特に、請求項２記載の球体駆動式全方向移動装置は、第４の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを第２の駆動力伝達機構に備わる対となるローラと同期して同一方向に回転駆動させる他、同期して逆方向にも回転駆動させることができるので、台車本体の床面との相対的な方向を変えない並進運動及び回転運動を安定して行うことができる。
また、第２、第４のモータは共に、第１、第３のモータよりモータ容量（出力）が小さく、更に、同一のコントローラ及びドライバで駆動されるので、各モータの容量を第１、第３のモータと同じ容量とする場合や各モータに対してそれぞれ１組のコントローラ及びドライバを用いる場合に比べて、製造コストを抑制することが可能である。
【００１５】
請求項３記載の球体駆動式全方向移動装置は、第２のモータの駆動により、第４の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを回転する歯付プーリを回転駆動でき、また、第２のモータの駆動を歯付プーリに伝達しないこともできるので、第４の駆動力伝達機構に備わる対となるローラを第２の駆動力伝達機構に備わる対となるローラと同期して同一方向に回転させる他、同期して回転させないことも可能である。
【００１６】
請求項４記載の球体駆動式全方向移動装置は、球体１〜４がボールキャスターを介して台車本体に取り付けられているので、床面に対して垂直方向における各球体の球心位置と台車本体間の距離を一定に保ち、また、球体１〜４は台車本体との間に大きな抵抗力を発生させることなく転動することができる。
請求項５記載の球体駆動式全方向移動装置は、動力伝達手段により、駆動力伝達機構が有するローラの一方の回転が、他方のローラに伝わるので、この動力伝達手段によって対となるローラに当接する２つの球体へ安定した同じ向きの回転力を与えることができる。
【００１７】
請求項６記載の球体駆動式全方向移動装置は、動力伝達手段が２つのローラのそれぞれ同軸上に取付けられている補助歯付き車とこれらに噛合するベルト又はチェーンとを有するので、補助歯付き車とベルト又はチェーンの間で滑りを生じることなく、ローラの一方の回転を他方へ伝えることができる。
請求項７記載の球体駆動式全方向移動装置は、球体１〜４が同一半径であるため、各球体が床面と滑りを生じずに走行するための制御を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置の一部省略平面図である。
【図２】同球体駆動式全方向移動装置の一部省略正面図である。
【図３】同球体駆動式全方向移動装置の制御を示すブロック図である。
【図４】同球体駆動式全方向移動装置の動作の説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は同球体駆動式全方向移動装置の動作の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置の一部省略平面図である。
【図７】同球体駆動式全方向移動装置の一部省略正面図である。
【図８】同球体駆動式全方向移動装置の制御を示すブロック図である。
【図９】同球体駆動式全方向移動装置の動作の説明図である。
【図１０】同球体駆動式全方向移動装置の動作の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
【００２０】
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置（以下、単に「移動装置」ともいう）１０は、台車本体１１と、台車本体１１の底部に転動可能に配置され、それぞれの球心が平面視して正方形を形成するように配置された同一半径の４つの球体１〜４と、隣り合って位置する球体（４、１）、（１、２）、（２、３）、（３、４）の周面に当接して同一方向に同期回転する対となるローラ（３１、３２）、（３３、３４）、（３５、３６）、（３７、３８）をそれぞれ備える第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５とを有する。
第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５にはそれぞれ駆動力を与える第１〜第４のモータ１６〜１９が設けられ、移動装置１０は第１〜第４のモータ１６〜１９の駆動によって水平な床面２０上で任意の方向に移動する。
【００２１】
また、第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５はそれぞれ内部に図示しない軸受とそのハウジングを有する支持部材２１によって台車本体１１に固定されている。
台車本体１１は正方形の平板からなる載置台２２と、載置台２２の下部で内側に球体１〜４を有する位置に、高さ調整部材２３を介して取付けられた全部で８枚の側板２４とを有している。各側板２４の内側には、車輪型キャスター２５が長尺の４本のボルト２６を介して取付けられており、各車輪型キャスター２５には、球体１〜４に水平の異なる２方向から当接して転動するガイド車輪２７がそれぞれ設けられている。
なお、正確には各球体１〜４に異なる方向から当接する２つのガイド車輪２７の向きのなす角度は直角であり、また、ガイド車輪２７はその高さ位置が球体１〜４の球心高さと同一となるように配置されている。
４本のボルト２６はスプリング２８によって載置台２２の内側方向に付勢され、車輪型キャスター２５が一定の圧力で各球体１〜４の周面に当接するようにしている。
【００２２】
載置台２２の四隅近傍の下面であって、球体１〜４の球心位置にはボールキャスター２９がそれぞれ設けられ、それぞれのボールキャスター２９は、同一半径の転動可能なボール３０を１つ有している。
第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５はそれぞれ載置台２２の底部に２つの支持部材２１を介して取付けられ、対となる球体（４、１）、（１、２）、（２、３）、（３、４）の周面に当接する２つのローラ（３１、３２）、（３３、３４）、（３５、３６）、（３７、３８）を有している。
これらのローラ３１〜３８は同一半径であって、それぞれ回転軸３９を介して支持部材２１の下部に、球体１〜４の球心高さ位置で回転自在に取付けられ、かつ各回転軸３９には、ローラ３１〜３８それぞれと軸心と角速度が共に同一となる補助歯付き車４１〜４８が設けられている。
なお、補助歯付き車４１〜４８は全て半径が同一である。
【００２３】
対となる補助歯付き車（４１、４２）、（４３、４４）、（４５、４６）、（４７、４８）にはそれぞれ歯付きベルト４９〜５２が噛合するようにかけ渡されている。ここで、対となる補助歯付き車（４１、４２）、（４３、４４）、（４５、４６）、（４７、４８）とそれぞれに対応する歯付きベルト４９〜５２とで、対となるローラの一方の回転を他方に伝える動力伝達手段を形成している。
第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５にはそれぞれ第１〜第４のモータ１６〜１９が設けられ、第１〜第４のモータ１６〜１９の駆動によって、その出力軸に軸心が同一となるように固定されている動力歯付き車５３〜５６がそれぞれ第１〜第４のモータ１６〜１９の駆動と同期して回転し、この動力歯付き車５３〜５６に噛合する動力歯付きベルト５７〜６０を駆動する。
この動力歯付きベルト５７〜６０の駆動に伴って動力歯付きベルト５７〜６０に噛合する伝達歯付き車６１〜６４がそれぞれ動力歯付き車５３〜５６と同期して同一方向に回転する。なお、伝達歯付き車６１〜６４は全て同一半径である。
【００２４】
そして、この伝達歯付き車６１〜６４の回転と同期して、伝達歯付き車６１〜６４と軸心及び角速度がそれぞれ同じとなる補助歯付き車４２、４４、４６、４８が回転するので、これらに噛合する歯付きベルト４９〜５２がそれぞれ駆動し、この駆動に伴って補助歯付き車４１、４３、４５、４７がそれぞれ回転する。
なお、対となる補助歯付き車（４１、４２）、（４３、４４）、（４５、４６）、（４７、４８）はそれぞれ同一方向、同一角速度の回転となり、この回転に伴って対となるローラ（３１、３２）、（３３、３４）、（３５、３６）、（３７、３８）がそれぞれ同一方向、同一角速度に回転する。
【００２５】
また、第１〜第４のモータ１６〜１９はそれぞれ台車本体１１の底部に固着され、駆動速度（回転駆動の角速度）が制御されているので、第１〜第４の駆動力伝達機構１２〜１５のローラ３１〜３８が当接する球体１〜４が所定方向に回転するようになっている。
第２、第４のモータ１７、１９は相互に同期して同一方向に駆動するか、もしくは同期して逆方向に駆動するかの切替え制御が可能であり、第２の駆動力伝達機構１３に備わる対となるローラ（３３、３４）と第４の駆動力伝達機構１５に備わる対となるローラ（３７、３８）が同期して同一方向に回転駆動するか、同期して逆方向に回転駆動するかを切替えられる。
【００２６】
図３に示すように、第１〜第４のモータ１６〜１９の駆動は、第１〜第３のコントローラ７１〜７３と、第１〜第３のコントローラ７１〜７３にそれぞれ接続された第１〜第３のドライバ７４〜７６と、正逆切替えスイッチ７７とを有する電気制御部７０によって制御される。
第１、第３のモータ１６、１８は、それぞれ第１のコントローラ７１及び第１のドライバ７４、第３のコントローラ７３及び第３のドライバ７６によって駆動され、また、第２、第４のモータ１７、１９は、共に第２のコントローラ７２及び第２のドライバ７５によって駆動される。
なお、第１〜第４のモータ１６〜１９としてパルスモータを用いている。
第１、第３のドライバ７４、７６はそれぞれ第１、第３のモータ１６、１８に電気回路で接続され、また、第２のドライバ７５は第２のモータ１７と、正逆切替えスイッチ７７を介して第４のモータ１９とに電気回路で接続され、更に、正逆切替えスイッチ７７は第２のコントローラ７２にも接続されている。
第１〜第３のコントローラ７１〜７３はそれぞれ、図示しない駆動指示部から送信された第１〜第３のコントローラ７１〜７３に対応する駆動指示データをパルス信号に変換し、このパルス信号をそれぞれ第１〜第３のドライバ７４〜７６に送信する。
【００２７】
第１、第３のドライバ７４、７６はこのパルス信号を駆動電流に変換して、この駆動電流により第１、第３のモータ１６、１８を駆動する。
第２のドライバ７５は受信したパルス信号を駆動電流に変換し、この駆動電流により第２、第４のモータ１７、１９を同一の角速度で駆動する。
また、正逆切替えスイッチ７７は第２のコントローラ７２からの出力信号に従って電気回路の切替えをし、第４のモータ１９が駆動する回転方向を、第２のモータ１７と同一方向とするか、あるいは逆方向とするかの切替え制御をする。
移動装置１０はコントローラ、ドライバをそれぞれ３つずつ有する構成のため、４つのモータに対してコントローラ、ドライバをそれぞれ４つずつ有する構成の移動装置と比較して製造コストを抑制できる。
更に、第２、第４のモータ１７、１９は、共にモータ容量（出力）が等しく、第１、第３のモータ１６、１８よりモータ容量が小さい、例えば半分のモータ容量のモータを用いているので、第１、第３のモータ１６、１８とモータ容量が同一のモータを用いることに比べて安価なモータを採用することができる。
なお、電気制御部７０及び図示されない駆動指示部によって動力制御機構が構成されている。
【００２８】
図１、図２に示すように、各球体１〜４は、その周面の上方向からボールキャスター２９が、水平の異なる２方向（直角）から車輪型キャスター２５が、更に、異なる水平２方向からそれぞれローラ（３２、３３）、（３４、３５）、（３６、３７）、（３８、３１）が当接して、台車本体１１に固定されており、球体１〜４が回転することで、移動装置１０が水平な床面２０上を移動することができる。
また、球体１〜４は、同一半径の球体となっているので、移動装置１０は床面２０に対して載置台２２を平行に保つことができ、更に、各球体１〜４が床面２０と滑りを生じることなく走行するための制御を容易にする。
更に、球体１〜４は、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のような硬質弾性材料を使用しているが、例えば、鉄、ステンレス、銅合金、セラミック、プラスチック等を原材料とすることもできる。
【００２９】
図４に示すように、球体１〜４それぞれの球心Ｐ１〜Ｐ４を結んで形成される正方形又は長方形の中心に位置する点を原点Oとし、ｄｘ、ｄｙを正の値として、球心Ｐ１〜Ｐ４の原点Oを基準とするｘ軸、ｙ軸上の座標をそれぞれ（ｄｘ、ｄｙ）、（−ｄｘ、ｄｙ）、（−ｄｘ、−ｄｙ）、（ｄｘ、−ｄｙ）とする。
また、床面２０に対する移動装置１０の原点Oを基準とする回転運動の角速度を反時計回りを正としてｒZとし、原点Oの床面２０に対する並進運動の速度について、ｘ成分をｖｘ、ｙ成分をｖｙとする。
【００３０】
図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、球体１〜４の回転について、それぞれの角速度をｘ成分、ｙ成分の順にｗ１ｘ、ｗ１ｙ、ｗ２ｘ、ｗ２ｙ、ｗ３ｘ、ｗ３ｙ、ｗ４ｘ、ｗ４ｙとし、ｗ１ｘ、ｗ２ｘ、ｗ３ｘ、ｗ４ｘは、それぞれ球体１〜４がｘ軸の正方向に転動したときの回転方向を正の向きとし、ｗ１ｙ、ｗ２ｙ、ｗ２ｙ、ｗ３ｙは、それぞれ球体１〜４がｙ軸の正方向に転動したときの回転方向を正の向きとする。また、動力歯付き車５３〜５６の回転による角速度をλ４１、λ１２、λ２３、λ３４、とし、これらの正の向きを、λ４１はｘ軸の正から負の向きにみて、λ１２はｙ軸の正から負の向きにみて、λ２３はｘ軸の負から正の向きにみて、λ３４はｙ軸の負から正の向きにみてそれぞれ時計回りとする。
更に、球体１〜４の半径をｒＢ、動力歯付き車５３〜５６の半径をｒＭとする。
【００３１】
そうすると、ｗ１ｘ、ｗ１ｙ、ｗ２ｘ、ｗ２ｙ、ｗ３ｘ、ｗ３ｙ、ｗ４ｘ、ｗ４ｙ、ｖｘ、ｖｙ、ｒZには以下の式１の関係が成り立つ。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
また、ｗ１ｘ、ｗ１ｙ、ｗ２ｘ、ｗ２ｙ、ｗ３ｘ、ｗ３ｙ、ｗ４ｘ、ｗ４ｙ、λ１２、λ２３、λ３４、λ４１には以下の式２の関係が成り立つ。
【００３４】
【数２】
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【００３５】
よって、式１、式２から以下の式３の関係が成り立つ。
【００３６】
【数３】
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【００３７】
式３を整理すると、λ１２、λ２３、λ３４、λ４１とｖｘ、ｖｙ、ｒZの間に以下の式４の関係が成り立つ。
【００３８】
【数４】
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【００３９】
式４は３列４行からなる行列式を有し、この行列式は正方行列でないため一般的に逆行列が得られない。
したがって、λ１２、λ２３、λ３４、λ４１からｖｘ、ｖｙ、ｒZを一意的に決めることができず、これは第１〜第４のモータ１６〜１９それぞれが他のモータと一定の関係を有することなく回転駆動する場合、移動装置１０の並進運動、回転運動を所定の方向、速度で制御することができないことを意味する。
そこで、λ１２、λ２３、λ４１はそれぞれ独立した値とし、λ３４はλ１２、λ２３、λ４１の値と一定の関係を有する値として、以下、移動装置１０の並進運動、回転運動の制御について説明する。
式４からλ１２、λ２３、λ４１とｖｘ、ｖｙ、ｒZの間には以下の式５の関係が成り立つ。
【００４０】
【数５】
2010215082.tif 000007
【００４１】
式５の正方行列から逆行列を求め、ｖｘ、ｖｙ、ｒZに対するλ１２、λ２３、λ４１関係を導くと以下の式６が得られる。
【００４２】
【数６】
2010215082.tif 000008
【００４３】
式６からλ１２、λ２３、λ４１によって、ｖｘ、ｖｙ、ｒZが一意的に決定されることがわかる。
そして、球心Ｐ１〜Ｐ４が正方形を形成することからｄｘとｄｙは同値となり、これらをｄと置き換えた上で、式４、式６からλ３４とλ１２、λ２３、λ４１との関係を導くと、以下の式７の関係が成り立つ。
【００４４】
【数７】
2010215082.tif 000009
【００４５】
したがって、式７に示すλ３４とλ１２、λ２３、λ４１との関係を具備すれば、移動装置１０は所定の並進運動、回転運動をすることが可能となるが、λ３４に何らの条件も与えずにこの関係を常に具備するためには複雑な制御構成を要する。
そして、式７の関係を満たさないときは、移動装置１０の内部に大きな負荷、球体１〜４とこれに当接するローラ３１〜３８間に滑り等が発生し、故障、破損等の原因となる。
そこで第１〜第４のモータ１６〜１９の駆動について、その制御の簡素化をするため、移動装置１０は以下に説明する一定の条件を有する構成となっている。
λ１２、λ３４に対する移動装置１０の並進運動及び回転運動の速度成分、すなわちｖｘ、ｖｙ、ｒZの関係は以下の式８、式９となる。
【００４６】
【数８】
2010215082.tif 000010
【００４７】
式８、式９はλ１２、λ３４が共にｖｘ、ｒZと一定の関係を有し、ｖｙとは関係を有さないことを示す。
よって、第２、第４のモータ１７、１９の駆動は移動装置１０の動作について、並進運動のｘ成分と回転運動の回転速度に影響を与えるが、並進運動のｙ成分には影響を与えないことになる。ここで、正確には移動装置１０の動作とは、移動装置１０の原点Ｏの動作を意味し、以下も同様とする。
また、式８、式９からλ１２、λ３４の相互関係は、移動装置１０が並進運動のｘ成分を有しない動作をするとき、同一となり、回転運動を伴わない動作をするとき、正負が逆で同一の大きさとなる。
【００４８】
ここで、ｘ軸、ｙ軸上での並進運動、回転運動、又はこれらを混合した運動で物理的にあり得る種類は、回転を伴わない並進運動で、ｘ成分のみの並進運動（動作A）、ｙ成分のみの並進運動（動作B）、ｘ成分とｙ成分を有する並進運動（動作C）となる。
また、回転運動を伴う動作で、並進運動を伴わない回転運動（動作D）、ｘ成分のみの並進運動を伴う回転運動（動作E）、ｙ成分のみの並進運動を伴う回転運動（動作F）、ｘ成分とｙ成分を有する並進運動を伴う回転運動（動作G）となる。
前述の並進運動のｘ成分を有しない動作とは、移動装置１０の動作が動作B、動作D、動作Fであること、また、回転運動を伴わない動作とは、移動装置１０の動作が動作A、動作B、動作Cであることを意味する。
【００４９】
したがって、λ３４がλ１２に対して同一、又は正負が逆で同一の大きさとなる関係を常に満たすとき、移動装置１０は動作A、動作B、動作C、動作D、動作Fをすることができる。
そして、このλ１２に対するλ３４の関係は、前述した移動装置１０が制御可能な第４のモータ１９が第２のモータ１７に対して同期して反対方向、又は同期して同一方向に回転駆動をすることと一致する。
よって、移動装置１０について前方、右方向をそれぞれy軸、ｘ軸の正の向きとすると、移動装置１０は方向変化を伴わない左右、前後、斜めへの並進運動（動作A、動作B、動作C）、その場での旋回運動（動作D）、並びに回転を伴う前後への並進運動（動作F）を所望の速度で行うことができ、狭い場所での移動、方向転換をするため移動装置に求められる動作を実現可能となる。
【００５０】
また、無制限で式７を満たすように第４のモータ１９を決定する制御と比して、第４のモータ１９が第２のモータ１７のみに拘束され、第２のモータ１７と同期して反対方向、又は同期して同一方向に回転駆動することだけを満たす構成は複雑でなく、これを実現するためのコストを抑えることができる。
更に、移動措置１０は推進運動の主な方向を前後とすることを想定している。
よって、移動装置１０に左右の動力を与える第２、第４のモータ１７、１９は主に方向変化のために駆動され、前後に動力を与える第１、第３のモータ１６、１８は主に推進運動のために駆動される。
したがって、第２、第４のモータ１７、１９には、第１、第３のモータ１６、１８よりモータ容量が小さい安価なモータを採用することができる。
なお、球体１〜４の球心が平面視して形成する正方形は長方形としてもよく、また、対となる補助歯付き車（４１、４２）、（４３、４４）、（４５、４６）、（４７、４８）にそれぞれ噛合して掛け渡されている歯付きベルト４９〜５２はチェーンとしてもよい。
【００５１】
次に図６〜図１０を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る球体駆動式全方向移動装置９０を説明する。なお、移動装置１０と同一の構成要素については一部の番号の記載及び詳しい説明を省略する。
図６、図７に示すように、移動装置９０は、移動装置１０が第４のモータ１９を有していたのに対し、第４のモータを設けず歯付プーリ９２を備えていることが特徴となっている。なお、移動装置９０の第２のモータ９１は台車本体１１の底部に固着されたパルスモータであって、第２の駆動力伝達機構１３に設けられており、その駆動によって第２のモータ９１の出力軸に軸心を同じくして、固定されている動力歯付き車５４を回転させている。
【００５２】
歯付プーリ９２は動力歯付き車５４と同一半径であり、台車本体１１の底部に内部に図示しない軸受とそのハウジングを有する支持部材９６によって固定され、平面視して第４の駆動力伝達機構１５の中心近傍に位置するように配置されている。
更に、第２のモータ９１の軸心上には、動力歯付き車５４が設けられている反対側の位置に、固定部材９３により第２のモータ９１の出力軸に連結されたシャフト９４が設けられている。
シャフト９４は歯付プーリ９２と同軸上に配置され、シャフト９４と歯付プーリ９２の間に設けられたクラッチの一例である電磁クラッチ９５の制御によって、歯付プーリ９２の入力軸への連結及び歯付プーリ９２の入力軸からの切り離しが可能である。
よって、電磁クラッチ９５により、シャフト９４が歯付プーリ９２へ連結されているときは、シャフト９４と歯付プーリ９２は同期して同一方向に回転し、シャフト９４が歯付プーリ９２から切り離されているときは、歯付プーリ９２はシャフト９４の回転に拘束されることなく回動可能な状態となる。
【００５３】
歯付プーリ９２は歯付き車輪であり、その外周に噛合する動力歯付きベルト６０は歯付プーリ９２の回転により駆動し、歯付プーリ９２の回転によって第４の駆動力伝達機構１５に備わるローラ３７、３８は同期して同一方向に回転する。
したがって、電磁クラッチ９５の制御により、任意のタイミングで第４の駆動力伝達機構１５に備わる対となるローラ（３７、３８）の回転を第２の駆動力伝達機構１３に備わる対となるローラ（３３、３４）の回転と同期して同一方向にすること、あるいは同期させないことが切替え可能である。
【００５４】
図８に示すように、第１〜第３のモータ１６、９１、１８の駆動は第１〜第３のコントローラ７１、１０１、７３と、第１〜第３のコントローラ７１、１０１、７３にそれぞれ接続された第１〜第３のドライバ７４、１０２、７６と、電磁クラッチ９５とを有する電気制御部１０３によって制御される。
第２のドライバ１０２は第２のモータ９１及び第２のコントローラ１０１に、第２のコントローラ１０１は電磁クラッチ９５に、それぞれ接続されている。
第２のコントローラ１０１は、図示しない駆動指示部から送信された駆動指示指令（駆動指示コマンド）及びクラッチ制御指令（クラッチ制御コマンド）をそれぞれパルス信号及びクラッチ入り切り信号に変換し、各信号を第２のドライバ１０２及び電磁クラッチ９５にそれぞれ送信する。
第２のドライバ１０２はこの駆動指示信号から変換されたパルス信号を駆動電流に変換して、この駆動電流により第２のモータ９１を駆動する。
【００５５】
また、電磁クラッチ９５は第２のコントローラ１０１からのクラッチ制御データから変換されたパルス信号により、シャフト９４から歯付プーリ９２への回転伝達の入り切りを行い、歯付プーリ９２の回転を、第２のモータ９１と同期して同一方向にさせるか、あるいは同期させないかを制御する。
移動装置９０は、コントローラ、ドライバをそれぞれ３つずつ有する構成のため、４つのモータに対してコントローラ、ドライバをそれぞれ有する移動装置と比較して製造コストを抑制することができる。
なお、電磁クラッチ９５を有する電気制御部１０３、歯付プーリ９２、固定部材９３、シャフト９４及び図示されない駆動指示部によって動力制御機構が構成される。
【００５６】
図９、図１０に示すように、移動装置９０の動作についても、移動装置１０での動力歯付き車５６を歯付プーリ９２と置き換えて式１〜式９の関係が成り立つ。ここで、歯付プーリ９２の半径はｒＭ、回転による角速度はλ３４としている。
移動装置９０は歯付プーリ９２を第２のモータ９１と同期して同一方向に回転可能なため、λ３４をλ１２と同値にでき、式８、式９の関係式について、これを満たすのはｒｚの値が０（零）のとき、すなわち移動装置９０が回転運動を伴わない並進運動による進行（動作A、動作B、動作C）をするときとなる。
したがって、移動装置９０は床面２０上で自由な並進運動が可能である。
【００５７】
また、移動装置９０について前方、右方向をそれぞれy軸、ｘ軸の正の向きとすると、電磁クラッチ９５を歯付プーリ９２とシャフト９４が切り離された状態にすれば、歯付プーリ９２は第２のモータ９１の駆動に同期せずに回動可能となり、球体３、４の転動についてのｘ軸方向の成分は球体３、４の床面２０との摩擦力や、移動装置９０の構成、部材から受ける力等によって決定されることとなる。
したがって、移動装置９０は、第１、第３のモータ１６、１８の駆動によりｙ軸方向へ進行しながら、第２のモータ９１を駆動して球体１、２にｘ軸方向の回転力を与えるとともに、歯付プーリ９２とシャフト９４を切り離した状態にすることで、ｙ軸方向へ進行しながらｘ軸方向に方向転換することが可能となる。
【００５８】
よって、移動装置９０は床面２０上で方向転換、並進運動、及びこれらを混合した動作が可能となり、狭い場所での使用をするにあたって移動装置９０に要求される動作を実現できる。
また、無制限で式７を満たすような機構を有する移動装置に比べ、移動装置９０は構成、特に各球体１〜４の転動方向、速度を制御する部分の単純化が図れるため、移動装置９０全体の製造コストを低くでき、経済的である。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の球体駆動式全方向移動装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、モータについてもパルスモータ以外の例えばサーボモータ等を用いることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１〜４：球体、１０：球体駆動式全方向移動装置、１１：台車本体、１２：第１の駆動力伝達機構、１３：第２の駆動力伝達機構、１４：第３の駆動力伝達機構、１５：第４の駆動力伝達機構、１６：第１のモータ、１７：第２のモータ、１８：第３のモータ、１９：第４のモータ、２０：床面、２１：支持部材、２２：載置台、２３：高さ調整部材、２４：側板、２５：車輪型キャスター、２６：ボルト、２７：ガイド車輪、２８：スプリング、２９：ボールキャスター、３０：ボール、３１〜３８：ローラ、３９：回転軸、４１〜４８：補助歯付き車、４９〜５２：歯付きベルト、５３〜５６：動力歯付き車、５７〜６０：動力歯付きベルト、６１〜６４：伝達歯付き車、７０：電気制御部、７１：第１のコントローラ、７２：第２のコントローラ、７３：第３のコントローラ、７４：第１のドライバ、７５：第２のドライバ、７６：第３のドライバ、７７：正逆切替スイッチ、９０：球体駆動式全方向移動装置、９１：第２のモータ、９２：歯付プーリ、９３：固定部材、９４：シャフト、９５：電磁クラッチ、９６：支持部材、１０１：第２のコントローラ、１０２：第２のドライバ、１０３：電気制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010215082.tif 000019
【図１０】
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