(57)【要約】【課題】従来の機構では実現が不可能であった、高い運動性能を持ち、小型・軽量・大出力の全方向移動機構を提供することを課題とする。【解決手段】二つの動力源の出力を、複数の歯車機構を用いて、一度合成し、車輪の駆動動作及び操舵動作に再分配することにより、駆動及び操舵の双方の動作に対して、二つの動力源を使用して動力源運用率の向上をはかり、もって動力源を小型し、かつ高い運動性能を持つ全方向移動機構を実現する。【選択図】図１
2008279848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの動力源の出力を、複数の差動歯車機構を使用して、合成、再分配することにより車輪駆動及び操舵を行う全方向移動方法及び全方向移動車輪。
【請求項２】
車輪接地点と操舵中心点を前後にオフセットしたことを特徴とする請求項1に記載の全方向移動方法及び全方向移動車輪。
【請求項３】
複数の差動歯車機構に遊星歯車機構を使用したことを特徴とする請求項１に記載の全方向移動方法及び全方向移動車輪。
【請求項４】
複数の差動歯車機構に差動傘歯車機構を使用したことを特徴とする請求項１に記載の全方向移動方法及び全方向移動車輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平面内の全方向に移動が可能である車輪の駆動方法及び操舵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速に高齢化社会を迎え、介護者の負担軽減及び被介護者の自立を支援するため、移動手段である電動車椅子に関して多くの研究が行われている。
【０００３】
電動車椅子の使用される環境は、屋内も含まれるため、狭所でも容易に移動できる高い機動性が求められる。そのため、切り返し動作が不要で、車体の方向を変えずに、二次元平面を任意の方向に移動できる全方向移動機構の研究が行われている。
【０００４】
また、全方向移動機構は、工場等の生産現場で使用される自動搬送機など、狭く、込み入った環境で使用される車両全般において注目されている。
【０００５】
これまで行われている全方向移動機構の報告には、特殊な形状の車輪を用いるもの（特許文献１、特許文献２）と一般の車輪を用いた全方向移動機構（特許文献３、特許文献４）の二つの方式が見られた。
【特許文献１】特開２００３−１２７６０５号公報
【特許文献２】特開２００５−６７３３４号公報
【特許文献３】特開２００４−２３１０４３号公報
【特許文献４】特開２００６−１５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、二次元平面を任意の方向へ瞬時に移動可能な全方向移動機構に関する多くの機構が考案されている。しかし、それらの機構には多くの問題点がある。
【０００７】
全方向移動機構にオムニホイール、メカナムホイールに代表される特殊な形状の車輪を用いた場合は、車輪の構造が複雑なため、車輪製作が困難である。また、構造上ローラの継ぎ目で走行中に振動が発生するなど、運動性能に問題が生じる。（特許文献１、特許文献２）
【０００８】
一般の車輪を用いた全方向移動機構の場合は、次のような問題があった。
【０００９】
一つのモータを用いて、車輪の駆動及び操舵の切り替えを行う場合は、車体の移動を一旦停止した後でなければ、操舵を行うことができない。また、操舵を行っている間は、車輪の駆動が行えないため、移動を行うことが不可能である。この動作の切り替えには時間遅れが生じるため、運動性能に問題がある。（特許文献３）
【００１０】
車輪の駆動用モータ及び操舵用モータの二つのモータを用いて、全方向移動を行う機構では、操舵動作により車輪と進行方向を一致させた後は、駆動用モータのみを使用して移動動作を行うことになり、操舵用モータは使用しないことになる。また、操舵動作中は、駆動用モータを使用しないかまたは駆動用モータの出力を落として使用することになる。このため、車両に搭載する駆動用モータ及び操舵用モータは、それぞれの動作に必要な出力を単独で持つ必要がある。このため、駆動用モータ及び操舵用モータの総出力は、駆動・操舵に必要な総容量に比較して、大きなものになる。このため、駆動操舵機構の小型化が困難である。（特許文献４）
【００１１】
また、車輪の駆動用モータ及び操舵用モータの、二つのモータ出力の切り替えに時間遅れが生じるため、運動性能に問題がある。（特許文献４）
【００１２】
本発明では、従来の機構では実現が不可能であった、高い運動性能を持ち、小型・軽量・大出力の全方向移動機構を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、次の発明を完成させるに至った。
【００１４】
第１の発明は、二つの動力源の出力を、複数の歯車機構を用いて合成・再分配することにより、通常の車輪を駆動・操舵する機構である。
【００１５】
第２の発明は、車輪の接地点と操舵中心点を前後にオフセットすることにより、車輪の駆動力発生地点を二次元平面上で任意の方向に移動することを可能とした全方向移動機構である。
【００１６】
第３の発明は、二つの動力源の出力の合成・再分配を行う歯車機構に遊星歯車機構を用いたことを特徴とする装置である。
【００１７】
第４の発明は、二つの動力源の出力の合成・再分配を行う歯車機構に差動傘歯車機構を用いたことを特徴とする装置である。
【発明の効果】
【００１８】
上記本発明の機構によれば、通常車輪を使用するため，移動中の振動が少なく、高い運動性能を得ることが可能である。
【００１９】
上記第1の発明の機構によれば、二つの動力源の出力を、複数の歯車機構を用いて、一度合成し、車輪の駆動動作及び操舵動作に再分配することから、駆動及び操舵の双方の動作に対して、二つの動力源が使用されるため動力源運用率が向上する。これにより、二つの動力源の出力を小型することが可能であり、運動性能を維持しつつ、機構の小型・軽量化が可能となり、低コスト化も期待できる。
【００２０】
また、上記第1の発明の機構によれば、二つの動力源の出力の差によって、車輪の駆動及び操舵の制御を行うため、
（１）移動動作から操舵動作への切り替え
（２）または操舵動作から移動動作への切り替え
（３）または移動動作に操舵動作の合成
（４）または操舵動作に移動動作の合成
を行う際に、どちらか一方の動力源の停止及び／または再起動が不要であるため、時間遅れが生じることがなく、高い運動性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施形態について説明するが、本発明の技術範囲は、これらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更することなく様々な形態で実施することができる。
【００２２】
遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構の基本構造を図１に示す。
【００２３】
遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構は、中心のサンギアユニットＡ、Ａ
に保持されているリングギアユニットＢ、サンギアとリングギアに挟まれたプラネタリギアユニットＣおよび、Ａ、Ｃを保持するプラネタリキャリアＤ、Ｄ を保持する車体Ｅで構成され，２つのモータはＥに取り付けられている。２つのモータからの入力はそれぞれＡ、Ｂに入力され、駆動出力はＣから、操舵出力はＤから出力される。Ｃはベベルギアにより回転方向を90[deg]変えられ、車輪を回転駆動させる。
【００２４】
図２に、上記第２の発明によるオフセット型駆動輪の動作原理を示す。本機構によれば、車輪接地点と操舵中心点に前後オフセットs が付いているため、車輪進行方向と接線方向にs と操舵回転速度ωs に応じた速度V s を発生させることが可能である。また、車輪進行方向に車輪半径r
と車輪の回転速度ωw に応じた速度V w を発生させることが可能である。つまり、二次元平面上で２つの独立した速度ベクトルを発生させることができるため，旋回成分および駆動成分を制御することにより車輪の接触点を二次元動作させることが可能となる。
【００２５】
図３に初期状態で上を向いているオフセット型駆動輪が右に向かって移動する動作を示す。移動初期は操舵速度が速く駆動速度は遅いが，機構の向きが変わるに従い，操舵速度を下げ，駆動速度を上げる．これにより，操舵中心点を真横に移動させることが可能である．このユニットを組み合わせることにより，上記したように車両の全方向移動が可能となる．
【実施例】
【００２６】
本発明を、実施例にもとづき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００２７】
差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた第１実施例について、その動作原理を図４に示す。
【００２８】
２つのモータの入力は、ＡおよびＢに入力される。そして、Ｃから駆動成分が、Ｄから操舵成分が出力される。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの回転速度をωA、ωB、ωC、ωD とすると、ωC のみが出力されると駆動成分のみが出力され、ωC とωD の関係がωC = ωD
となるとき操舵成分のみが出力される。これは，操舵成分のみを出力するためには、ＣとＤが一体となって回転しなければならないためである。このように、入力Ａ、Ｂの回転速度を制御することにより、出力Ｃ、Ｄの回転速度が制御することができる。
【００２９】
図５にもとづき遊星歯車機構の運動方程式を考える。
【００３０】
Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤそれぞれの回転速度をωＡ，ωＢ，ωＣ，ωD とし、Ａ，Ｂ及びＣのそれぞれの歯数をZA，ZB，ZC とする。さらに、Ｃと車輪の減速比を１とし、車輪回転速度をωD、操舵速度をωＳとすると、機構の状態ベクトルωP 及び入力ベクトルuP はそれぞれωP = [ωC−ωD
、ωD]T=[ωD 、ωＳ]T、uP
= [ωA, ωB]T と表すことができる。
【００３１】
すると、以下のように、運動学モデルを得ることができる。
【数１】
2008279848.tif 000003
【００３２】
ただし、
【数２】
2008279848.tif 000004
である。
【００３３】
また、逆運動学モデルは、
【数３】
2008279848.tif 000005
となる。
【００３４】
ただし、
【数４】
2008279848.tif 000006
である。
【００３５】
これらの式から、駆動・操舵の双方において二つのモータを使用していることがわかる。
【００３６】
差動駆動操舵機構に差動傘歯車機構を用いた第２実施例について、その動作原理を図６に示す。
【００３７】
２つのモータからの入力はそれぞれＡ、Ｂに入力され、駆動出力はＣから、操舵出力はＣから出力される。入力Ａ、Ｂにそれぞれ逆方向に同回転速度を入力すると、Ｄは回転せず、Ｃのみ回転する。つまり、駆動成分のみ出力される。一方、入力Ａ、Ｂにそれぞれ同方向に同回転速度を入力すると、Ｃは回転せず、Ｄのみ回転する。つまり、操舵のみ出力される。入力Ａ、Ｂの回転速度を制御することにより、出力Ｃ、Ｄの回転速度を制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明により、従来の全方向移動機構に比較して、格段に運動性能が向上した全方向移動機構を得ることができた。また、小型化・軽量化が容易であるため、電動車椅子、工場等の生産現場で使用する自動搬送機などに利用することが可能である。
【００３９】
また、運動性能が格段に向上するため上記のような低速移動機器のみではなく、高速移動機器にも適応することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】遊星歯車機構を用いた差動駆動操舵機構の基本構造
【図２】オフセット型駆動輪の動作原理
【図３】オフセット型駆動輪の移動動作
【図４】差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた動作原理概念図
【図５】差動駆動操舵機構に遊星歯車機構を用いた運動学モデル概念図
【図６】差動駆動操舵機構に差動傘歯車機構を用いた動作原理概念図
【符号の説明】
【００４１】
Ａ  サンギアユニット
Ｂ  リングギアユニット
Ｃ  プラネタリギアユニット
Ｄ  プラネタリキャリア
Ｅ  車体
ｓ  車輪接地点と操舵中心点に前後オフセット
ωs  操舵回転速度
V s  速度
r  車輪半径
ωw  車輪の回転速度
V w  速度
ωA  Ａの回転速度
ωB  Ｂの回転速度
ωC  Ｃの回転速度
ωD  Ｄの回転速度
ZA  Ａの歯数
ZB  Ｂの歯数
ZC  Ｃの歯数
ωD  車輪回転速度
ωＳ  操舵速度
ωP  機構の状態ベクトル
uP  入力ベクトル
【図１】
2008279848.tif 000007
【図２】
2008279848.tif 000008
【図３】
2008279848.tif 000009
【図４】
2008279848.tif 000010
【図５】
2008279848.tif 000011
【図６】
2008279848.tif 000012