(57)【要約】      （修正有）【課題】多少の凸凹がある床面の電気コ-ド、カ-ペットの端部等の段差乗り越えを自在とする４輪式移動ロボットを提供する。【解決手段】前後に自在輪１、３、左右に駆動輪２、４菱形に配した４輪式台車の主フレーム７−１の一部を、隣り合う自在輪３、駆動輪２を含むサブフレーム７−２として分割し、主フレーム７−１から伸ばした揺動ロッド８に軸受けを用いてサブフレーム７−２を揺動可能に連結した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行方向に対して、前後に自在輪、左右に駆動輪を菱型に配した４輪式台車の主フレ−ムの一部を、隣り合う自在輪、駆動輪を含むサブフレームとして分割し、主フレ-ムから伸ばした搖動ロッドに軸受け等を用いて、このサブフレ-ムを搖動可能に連結した移動ロボット用車台。 
【請求項２】
請求項1の搖動ロッドとサブフレ−ムの駆動輪、自在輪間の距離を駆動輪、自在輪への負荷配分比率の逆数に応じて設置することを特徴とする移動ロボット用車台。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行方向に対し4個の車輪が菱型に配置される移動ロボットにおいて床面に凸凹があっても全4輪が床面に接地して安定走行できる足回り構造に関する。 
【背景技術】
【０００２】
移動ロボット用の車輪構成として進行方向の前後に従動自在輪、左右に駆動輪を、上から見て菱型の各頂点に４つの車輪を配置する方式が公知である。この構成は左右の駆動輪の回転速度、回転方向を個別に変化させることで前進、後退、その場での右回転、左回転が左右2つの駆動輪の制御のみで簡便にできることがその長所である。 
【０００３】
しかし4個の車輪を平面的に固定配置した移動ロボットにおいては  床面に凸凹があると4輪の内の1輪が床面と接地せず  、移動ロボットが不安定となる欠点がある。 
【０００４】
この対策として4個の車輪を矩形に配置した方式においては（特許文献1）のような先行技術が知られている。また車輪を菱型に配置した方式においては(特許文献2)（特許文献3）のごとき方式が出願されている。 
【０００５】
しかし  いずれの方式もバネで床面の凸凹に対応している点では同じであり、バネの使用により移動ロボットの姿勢がやや不安定となる欠点があった。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３２６８８０号公報
【０００７】
【特許文献２】特開  平８−１５６７８４号公報
【０００８】
【特許文献３】特開２００４−４２７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
４輪式の移動ロボットにおいては  床面の凸凹は常に問題である。完全に水平な床面は現実にはほとんど存在しないので、  移動ロボット等においては床面の電気コ−ド、カ-ペットの端部等の、段差乗り越えは  従来からの課題となっている。 
【００１０】
特に前後方向に駆動力の無い自在輪を配置し、左右に駆動輪を配置する平面的に菱型の車輪配置の移動ロボットにおいては  前方の自在輪が  床面の段差に乗り上げてしまえば  左右駆動輪のうち  どちらか1輪は空中に浮き、床面と接地しなくなる。 
他方の駆動輪も接地圧が極端に低下し床面との摩擦力も低下し進む力がなくなってしまう。 
前後の2輪は自在車輪であるので  この時点で移動ロボットは前後進不能となり、いわゆる進退きわまる状態となる。この欠点をおぎなうため、4輪の内の1輪または2輪にバネ等を用いた懸架機構を用いる手段が、従来、用いられてきた対策でありその例が文献１、文献２、文献３に示されている。 
【００１１】
しかし車輪に懸架機構としてバネを用いると  移動ロボットとしては足元に弾性要素が加わることとなる。これは要するに足元不安定となり、搭載するロボット等と相手側との位置決めが重要な場合、その機能に悪影響を与える。 
かといって油圧機構、電動機構等の懸架機構を用いると重量面、コスト面で多大な問題となる。 
【００１２】
床面の凸凹に対応するには  4輪ではなく3輪の方式とし3点支持とすれば  理論的には姿勢は安定する。 
しかしながら3輪方式では  菱型4輪方式の長所である、前進、後退、その場旋回自由自在という機能のうち、その場旋回という長所がかなり制限されると  ともに、電動車椅子等の場合は搭載物の重心が3輪の接地点どうしを結ぶ線で構成される3角形の範囲を逸脱すると車椅子ごと転倒するという危険が生じる。 
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、床面凸凹への基本的対応策である3点支持と  菱型4輪の長所の双方を満足させるべく図5のごとき車台構造を考案した。 
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、移動ロボットは仮に床面に凸凹もしくは段差があっても  常に車輪は4輪接地し、安定性が向上し、立ち往生することなく凸凹、段差を乗り越えて前進後退が可能となる。 
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】進行方向に対して前後に自在輪、左右に駆動輪を菱型に配置する従来方式の移動ロボットの足まわりの基本図である。
【図２】本発明の概略説明平面図である。
【図３】各車輪への負荷配分説明図の1である。
【図４】各車輪への負荷配分説明図の2である。
【図５】は本発明事例の斜視図である。
【図６】は本発明を実用化する例の斜視図である。
【図７】はオムニホイル車輪を用いる場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図1は、進行方向に対して前後に自在輪、左右に駆動輪と４つの車輪を菱型に配置する方式の移動ロボットの足まわりの基本図である。2,4が左右の駆動輪であり各々減速機付可逆、可変速電動機5,6と各々が直結されている。前後の1,3は駆動力のない従動輪であり図示しない垂直方向の軸を有し水平方向に自在に回転でき一般に自在キャスタと呼称される車輪である。7は移動ロボットの本体フレ-ムである。 
【００１７】
図1の7に示す本体フレ-ムを  図2のごとく7-1と7-2に分割し  7-1を主フレ-ム、7-2をサブフレ-ムとし主フレ-ム側からロッド8を延伸させる。そのロッド8に  ベアリング9と10の内輪を勘合し、外輪側はサブフレ-ム7-2側に勘合する。これにより駆動輪2と自在車輪3を取り付けたサブフレ-ム7-2はロッド8を支点として天秤のごとく搖動可能となる。この方式で主フレ-ム7-1は車輪1、車輪4およびロッド8の3点で支持されることになる。 
【００１８】
図3の点11は駆動輪2が床面に接地する点であり、同様に点12,13,14はそれぞれの車輪が床面に接地する点である。点11と点12を結ぶ直線とロッド8の軸中心線の交わる点をポイント15とし、点12とポイント15間の距離をｂ、点11とポイント15間の距離をａとする。  図3の例ではａ＝ｂとして  図示してある。このとき  ポイント15にかかる負荷をＦとすれば  駆動輪2と自在輪3とは  ａ＝ｂの条件では負荷Ｆの1/2ずつを支えることになる。 
【００１９】
図3のごとき構造の移動ロボットにおいては  自在輪は転倒防止程度の軽い負荷で良く駆動輪のほうへは  多くの負荷を与えて駆動力を増したいので、ロッド8を駆動輪側へ移動させ  ａ：ｂの値を４：６から２：８程度に設定することが好ましい。 
以下は説明のため仮にａ：ｂ＝３：７として説明する。 
【００２０】
図3の点16は４個の車輪の中心点であり、点17はこの中心点をはさんだポイント15の１８０°反対側の点である。搭載物の重量は点15と点17に均等に負荷させるのが  好ましいと考えられる。こうすることによって移動ロボットの重量はａ：ｂ＝３：７の条件では  自在輪1,3へ各15％、駆動輪2、4へ各35％ずつ配分されることになり、移動ロボットの駆動力として理想的となる。 
【００２１】
これを理論的に解析したものが図4である。4個の各車輪が平面床と接地する4点を含む仮想のｘ-ｙ平面を想定する。移動ロボットの重量を仮に100ｋｇとし、これは重心、Ｐ16にかかっているとし、座標をＰ16（100,100）とする。車輪4個の接地する座標をＰ11（150,100）、Ｐ12（100,50）、Ｐ13（50,100）、Ｐ14（100,150）とし、車輪4個で移動ロボットの重量100ｋｇを支えているものとする。 
【００２２】
駆動輪2と自在輪3はロッドにより搖動可能となっており、このロッドは駆動輪2と自在輪3を3：7の比率で分ける点Ｐ15に設置されており、このポイントの座標はＰ15（135,85）となる。 
【００２３】
そこで  まず移動ロボットの重量100ｋｇ（980Ｎ）を車輪1（Ｐ14）、車輪4（Ｐ13）、ロッド（Ｐ15）3点でＦ（14）、Ｆ（13）、Ｆ（15）とする反力で支えるとすると、Ｘ方向での方程式は 
（135ｘＦ（15））+（50ｘＦ（13））+（100ｘＦ（14））＝100ｘ980 
Ｙ方向では 
（85ｘＦ（15））+（100ｘＦ（13））+（150ｘＦ（14））＝100ｘ980 
また 
Ｆ（15）+  Ｆ（13）+  Ｆ（14）＝980 
の3式が成り立つので  これを解けば 
Ｆ（15）＝490（Ｎ） 
Ｆ（13）＝343（Ｎ） 
Ｆ（14）＝147（Ｎ） 
となりロッドに490Ｎ（50ｋｇｆ）の負荷、駆動輪4に343Ｎ（35ｋｇｆ）の負荷、自在輪1に147Ｎ（15ｋｇｆ）、合計980Ｎ（100ｋｇｆ）を支える3点支持となることが証明される。 
【００２４】
ロッドに加えられる負荷50Ｎはサブフレ-ム上でロッドから３：７の距離に設置された駆動輪2と自在輪4に7：3の割合で配分される。したがってこの方式によれば移動ロボットの重量100ｋｇは  自在輪1に15％、駆動輪2に35％、自在輪3に15％、駆動輪4に35％の割合で分配されることになる。
【実施例１】
【００２５】
図５に示すものは前述の構成をより具体化し斜視図で示したものである。移動ロボットの上部に搭載する負荷の一例として  仮に電動車椅子として表現してあり18に示すものが座席であり、足を乗せる部品は図示していない。座席18の重量はポイント15およびポイント17の２点に振り分けられ、ポイント15にかかった負荷はその60〜80％が駆動輪2へ伝えられる。同様にポイント17にかかった負荷もその60〜80％が  駆動輪1へかけられる。ポイント17と主フレ-ム7-1との連結は搭載物の前後方向のモ-メントに耐えられるようにサポ-ト18で補強してある。 
【００２６】
図5の19に示されるＬ字型の構造物は  主フレ-ム7-1とサブフレ-ム7-2間の搖動角を制限する構造物であり  万一、車椅子に乗る人の重心が  軸8と車輪1とを結ぶ線より外に出た場合の車椅子転倒防止装置である。もう一つのＬ字型構造物20は  自在輪3が  何等かの凹部に落下脱輪してしまった場合に主フレ-ム7-1とサブフレ-ム7-2間の搖動角を制限するための部品である。このＬ字型構造物19、20とサブフレ-ム7-1の隙間にバネ、ショックアブソ-バ-等を介在させると車椅子の乗り心地が改善する。 
【実施例２】
【００２７】
図6に示すものは  図5の形状をアレンジした例であり  原理的には図5と同様である。この場合座席の下の脚23,24は説明のため2本で表現してあるが  前述の計算のとおり  搖動ロッドを  車輪2と車輪3の間にどの比率で配置するかにより  各車輪への負荷配分がきまるので  脚24は主フレ-ムのどこから何本、立てても効果は同じである。 
【産業上の利用可能性】
【００２８】
図7に示すものは本考案を応用し、同じ菱型配置で車輪をオムニホイ−ルに換えた例である。オムニホイールの場合、4輪各々に独立のモ-ターが直結されるので  各車輪への重量配分は４等分でも良いが前進後退の駆動力を増したい場合は、図7のごとく搖動ロッド15と隣り合うオムニホイール２５，２６との距離ａ：ｂを変化させればよい。 
【００２９】
このように本考案は菱型4輪構造の移動ロボット等の車台構造、またロボットに限らず単なる4輪式台車の車台構造、さらには4輪以上の多輪車台へも応用展開が容易である。 
【符号の説明】
【００３０】
1  自在輪 
２  駆動輪 
３  自在輪 
４  駆動輪 
７−１  主フレーム 
７−２  サブフレーム 
８  搖動ロッド 
１５  サブフレーム上の負荷ポイント 
１７  主フレーム上の負荷ポイント 
１８  座席   
２３  座席の脚 
２４  座席の脚 
【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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