(57)【要約】【課題】走行面に段差がある場合、その段差を検知し、段差を昇降することができる走行装置を提供する。【解決手段】本発明の走行装置は、センサ７０を有する本体１と、前記本体１の側面からアーム６〜９を介して取り付けた車輪２〜５と、前記車輪を駆動する車輪駆動モータ１０〜１３と、前記アームを駆動するアーム駆動モータ１４〜１７と、前記本体１の下部に配置した補助輪２２ａ、２２ｂと、前記センサ７０の出力信号によって自動走行を制御する制御部８０とを有する。そして、前記アーム駆動モータ１４〜１７によって前記アーム６〜９を開閉させ、前記前輪２、３と前記後輪４、５を用いた走行から、前記前輪２、３と前記補助輪２２ａ、２２ｂを用いた走行、または前記後輪４、５と前記補助輪２２ａ、２２ｂを用いた走行に切り替えて段差の昇降を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行面あるいは前方障害壁までの距離を検知するセンサを有する本体からそれぞれアームを介して取り付けられた前輪および後輪と、
前記本体の下部に取り付けられた補助輪と、
前記前輪を駆動するための駆動トルクを与える前輪駆動モータと、
この前輪駆動モータからの駆動トルクを一方の回転方向のみ伝達することにより前記前輪に駆動力を与えるワンウェイクラッチと、
前記後輪に駆動力を与える後輪駆動モータと、
前記前輪と前記後輪を用いた走行から、前記前輪と前記補助輪を用いた走行、または前記後輪と前記補助輪を用いた走行に移行するために前記アームを開閉させるアーム駆動モータと
を有することを特徴とする走行装置。
【請求項２】
前記前輪の駆動モータによる駆動力が前記後輪の駆動モータによる駆動力より大きいことを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項３】
前記アーム駆動モータにより前記前輪及び後輪の間隔を所定値に開脚して前記本体を低い位置で保持し、前記後輪駆動モータによって前記後輪を駆動して平面を高速走行することを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項４】
前記アーム駆動モータにより前記前輪を走行面から離し、前記後輪と前記補助輪を用いて前記本体を保持し、前記後輪駆動モータによって前記後輪を駆動して平面を高速走行することを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項５】
前記センサによって昇り段差を検知した時に、前記段差の大きさが所定値以内のとき、前記前輪及び後輪の間隔を所定値に狭め、前記前輪駆動モータによって前記前輪を駆動して前記段差の面にそって昇ることを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【請求項６】
前記前輪が前記段差の上段に達した後に、前記前輪と前記後輪を用いた走行から前記前輪と前記補助輪を用いた走行に切り替えることによって前記段差を昇ることを特徴とする請求項５に記載の走行装置。
【請求項７】
前記センサによって降り段差を検知した時に、前記前輪と前記後輪を用いた走行から前記後輪と前記補助輪を用いた走行に切り替え、更に前記前輪と前記補助輪を用いた走行に切り替えることによって前記段差を降ることを特徴とする請求項１に記載の走行装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自走掃除機、電動式車椅子、自走搬送用台車など自走式の走行装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自走掃除機、電動式車椅子、自走搬送用台車など、広い空間を自在に動き回ることが可能で、障害物などの段差を乗り越えることが可能な自走式ロボットや移動・走行装置が幅広い分野で提案されている。
【０００３】
自走式ロボットとしては、例えば記憶された地図によって自立走行し、室内外の警備を行う自走式ロボットがある（例えば非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、段差昇降の可能な走行装置としては、クローラ走行車（例えば、特許文献１参照。）や、前輪と後輪との間に上下に移動可能な昇降式の駆動輪を有し、この駆動輪を駆動して移動するものがある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
総合警備保障ホームページ（ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｓｏｋ．ｃｏ．ｊｐ／ｒ＿ｄ／Ｃ４＿ｓｙｓｔｅｍ．ｈｔｍｌ）、ガードロボＣ４型、２００３年１月９日検索
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００―７１９９７号公報（第１頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−６１３５１号公報（第１頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に記載された自走式ロボットは、平面走行を目的としているため登坂能力が５°と低く、段差を越えることができない欠点がある。また、走行速度が５０ｃｍ／ｓと高速走行には対応していない。
【０００９】
一方、特許文献１及び特許文献２に記載された走行車は、段差などの障害がある場合に、人間の操作によって障害の認知と障害の乗り越える方法を指令してもらい、その指令に従って、装置内部に有する駆動力によって昇降を行う装置であるため、人間の操作を必要とする欠点がある。
【００１０】
従って、本発明は上記欠点を解決するためになされたもので、走行面に昇り又は降りの段差がある場合、その段差を検知し、段差を昇降することができる高速走行可能な走行装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、走行面あるいは前方障害壁までの距離を検知するセンサを有する本体からそれぞれアームを介して取り付けられた前輪および後輪と、前記本体の下部に取り付けられた補助輪と、前記前輪を駆動するための駆動トルクを与える前輪駆動モータと、この前輪駆動モータからの駆動トルクを一方の回転方向のみ伝達することにより前記前輪に駆動力を与えるワンウェイクラッチと、前記後輪に駆動力を与える後輪駆動モータと、前記前輪と前記後輪を用いた走行から、前記前輪と前記補助輪を用いた走行、または前記後輪と前記補助輪を用いた走行に移行するために前記アームを開閉させるアーム駆動モータとを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る走行装置の構成を示し、図１（Ａ）は、その概略平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の側面図である。図２は、本発明の実施形態に係る走行装置の左前輪車輪部の詳細図である。なお、この実施形態では、主要部分以外の構成は省略しているが、この走行装置が用途に応じた装置に組み込まれることを可能とする。
【００１４】
走行装置は、走行するために本体１の前後左右に配置した車輪部５０〜５３と、この車輪部５０〜５３を本体１に取り付け、車輪部５０〜５３を進行方向に所定距離づつ移動できるように支える前輪アーム６、７及び後輪アーム８、９と、走行を補助する正逆回転可能な補助輪２２ａ、２２ｂと、走行方向の舵をとるための前輪用車軸方向転換部６０及び後輪用車軸方向転換部６１と、本体１から走行面までの距離や段差等を検知するセンサ７０と、このセンサ７０の出力信号を入力し、走行を制御する制御部８０とで構成される。
【００１５】
車輪部５０〜５３は、前輪駆動モータ１０、１１によって駆動される前輪車輪部５０、５１と、後輪駆動モータ１２、１３によって駆動される後輪車輪部５２、５３とで構成される。また、前輪駆動モータ１０、１１のギア比は、後輪駆動モータ１２、１３のギア比に比べて大きくして、前輪駆動モータ１０、１１の駆動力を高く設定している。
【００１６】
なお、前輪車輪部５０、５１と、後輪車輪部５２、５３の基本構成は同じであるため、左前輪車輪部５０について以下に説明し、車輪部５１〜５３の説明は省略する。
【００１７】
図２に示す左前輪車輪部５０は、左前輪２と、この左前輪２を駆動する左前輪駆動モータ１０と、この左前輪駆動モータ１０の駆動力を伝達するタイミングベルト３１と、このタイミングベルト３１の駆動力を一方の回転方向に対してのみ左前輪２に伝えるワンウェイクラッチ１９とが一体となって構成される。
【００１８】
ここで、ワンウェイクラッチ１９の動作を説明する。左前輪駆動モータ１０が図示矢印Ａで示す方向に進むために左回転した場合、ワンウェイクラッチ１９のクラッチが入り（ロック状態）、タイミングベルト３１を介して左前輪駆動モータ１０の駆動力が伝達され左前輪２が左回転する。この場合、例えば左前輪駆動モータ１０と左前輪２のギア比を１５０に設定すれば、左前輪２の回転速度は左前輪駆動モータ１０の１／１５０となり、許容トルクが約６０倍になる。すなわち、低速度、かつ高トルクで走行面を前進することが可能である。また、左前輪駆動モータ１０を停止したままで、ワンウェイクラッチ１９をフリー状態にして、後輪４、５によって前進する場合は、ワンウェイクラッチ１９のクラッチが入らず（フリー状態）、左前輪２は左前輪駆動モータ１０に対してフリーになり、後輪駆動モータ１２のギア比は小さく回転数を大きくできるため、高速移動が可能になる。
【００１９】
一方、左前輪駆動モータ１０が図示矢印Ｂで示す方向に進むために右回転した場合、ワンウェイクラッチ１９のクラッチが入らず（フリー状態）、左前輪２は回転しない。従って、後進の場合は、ワンウェイクラッチ１９がフリー状態を保つ回転数以上で左前輪駆動モータ１０を右回転させて、後輪４、５の駆動力によって移動することが望ましい。
【００２０】
なお、ワンウェイクラッチ１９は左右の前輪２、３にのみ用いられ、左右の後輪４、５には用いられない。また、左前輪２はその上部に設けられた車輪フレーム３２に回転自在に固定され、車輪フレーム３２は並行リンク３３によって本体１に固定される。
【００２１】
次に、アーム６〜９の説明をする。アームは前輪アーム６、７と、後輪アーム８、９で構成される。これら前輪アーム６、７及び後輪アーム８、９の構成は同じであるため、左前輪アーム６ついて以下に説明しアーム７〜９の説明は省略する。
【００２２】
図２に示す左前輪アーム６は、本体１と車輪フレーム３２の間にあって進行方向の前後方向に移動可能なアーム３３と、このアーム３３に駆動力を与える左前輪アーム駆動モータ１４と、この左前輪アーム駆動モータ１４の回転方向を水平方向から垂直方向に変換することによりアーム３３に駆動力を伝達するウオームギア３４とで構成される。
【００２３】
そして、左前輪アーム駆動モータ１４によってウオームギア３４を回転することにより、アーム３３を図２（Ａ）に示すような閉脚状態から図２（Ｂ）に示すような開脚状態に任意に移動することができる。
【００２４】
次に、補助輪２２ａ、２２ｂの説明をする。補助輪２２ａ、２２ｂは、本体１の前進方向中央の底部左右に配置され、駆動力を有しておらず、左回転又は右回転いずれの方向にも回転可能である。
【００２５】
次に、図３を参照して車軸方向転換部について説明する。車軸方向転換部は、前輪用車軸方向転換部６０と後輪用車軸方向転換部６１から構成される。これら車軸方向転換部６０、６１は同じ構成であるため、前輪用車軸方向転換部６０について以下に説明し後輪用車軸方向転換部６１の説明は省略する。
【００２６】
前輪用車軸方向転換部６０は、左右の車輪フレーム３２に回動自在に取り付けられた接合リンク４１ａと、この接合リンク４１ａと連結する２つの方向転換リンク４１と、この２つの方向転換リンク４１の接合リンク４１ｂを回動して２つの方向転換リンク４１を平行移動させる前輪方向転換モータ２０とで構成される。これにより、前輪方向転換モータ２０が回転することにより、接合リンク４１ｂが回動し、２つの方向転換リンク４１が平行移動し、接合リンク４１ａが回動して前輪２、３の舵切りを行う。
【００２７】
図３（Ａ）は、図示矢印Ａ方向に走行するときの接合リンク４１ａ、４１ｂに対する方向転換リンク４１の位置を示しており、車輪フレーム３２と方向転換リンク４１によって作られる角度θが直角（θ＝９０°）になっている。
【００２８】
一方、図３（Ｂ）は、前輪方向転換モータ２０を左側（反時計の回転方向）に角度θ回動することにより、接合リンク４１ａ、４１ｂと方向転換リンク４１によって作られる角度がθ（＜９０°）となる場合を示しており、この場合、走行装置は、図示矢印Ａ方向に対して左側に角度θだけ変位した図示矢印ＡＬ方向に舵取り走行することができる。従って、前輪方向転換モータ２０を右側（時計の回転方向）に角度θ回動することにより、走行装置は、図示矢印Ａ方向に対して右側に角度θだけ変位した図示矢印ＡＲ方向に舵取り走行することができる。
【００２９】
次に、センサ７０の説明を行う。センサ７０は、例えば超音波距離センサで構成され、センサ７０の設置個所と走行面あるいは前方障害壁の所定位置までの距離を測定し、測定結果を制御部８０に出力する。
【００３０】
次に、制御部８０の説明を行う。制御部８０は、センサ７０から一定間隔で出力される距離データを監視し、走行面が走行可能な平面か、昇り段差か、降り段差かを判別する。昇り段差又は降り段差の場合、その段差の距離を測定し、後で説明する「段差昇降時１」〜「段差昇降時６」の走行制御に基づき走行する。
【００３１】
次に、上記、本発明の実施形態に係る走行装置の構成を基に、制御部８０によって制御される平面走行、段差昇り、段差降りの走行動作について説明する。
【００３２】
（通常走行）
以下に、本発明の走行装置による平面走行について説明する。図４（Ａ）は、「通常走行時１」の状態を示す。「通常走行時１」では、後輪駆動モータ１２、１３により後輪４、５を駆動する。この時、前輪駆動モータ１０、１１は停止しておく。この結果、前輪２、３のワンウェイクラッチ１９のクラッチがフリーに回転でき、図示矢印Ａで示す前進方向にスムーズに走行できる。
【００３３】
前述したように前輪２、３は前輪駆動モータ１０、１１のギア比が１５０と大きく設定してあることから低速、高トルクの駆動性能を有する。一方、後輪４、５は後輪駆動モータ１２、１３のギア比が７．５と小さく設定してあることから、高速、低トルクの駆動性能を有する。従って、前進走行する場合は前輪駆動モータ１０、１１を停止し、ワンウェイクラッチ１９が切れた状態で後輪駆動モータ１２、１３を用いて後輪４、５が駆動されることにより高速（約、２ｍ／ｓ）に前進走行することができる。
【００３４】
従って、高速前進走行では前輪駆動モータ１０、１１を停止させ、ギア比が小さい後輪駆動モータ１２、１３を用いて後輪４、５が駆動されることによりスムーズに高速走行が可能になる。
【００３５】
次に、走行装置が後進する動作を説明する。後進走行では、前輪駆動モータ１０、１１を時計回りに駆動するとワンウェイクラッチ１９がフリーになるので、前輪２、３は前輪駆動モータ１０、１１の回転速度を超えない範囲で時計回りの回転が可能になる。この状態で後輪駆動モータ１２、１３を用いて後輪４、５が駆動されることにより走行装置は後進走行する。ただし、後進速度の限界は、前輪駆動モータ１０、１１の回転速度、すなわち前輪２、３の限界回転速度によって決まる。
【００３６】
図４（Ｂ）は、「通常走行時２」を説明する図である。「通常走行時２」では、アーム駆動モータ１４〜１７によってアーム６〜９を開脚させ、前輪部のアーム６、７と後輪部のアーム８、９との左右のアーム間隔１８を外側に広げた状態で走行させるものである。走行時の駆動モータ制御は「通常走行時１」と同じである。これによって、前輪２、３と後輪４、５の間隔が「通常走行時１」に比べて広がることから、本体１の重心を低くして走行させることができる。従って、走行が安定し、高速走行が可能になる。
【００３７】
図５は、「通常走行時３」を説明する図である。「通常走行時３」では、アーム駆動モータ１４、１５によって前輪アーム６、７を駆動して、走行面から前輪２、３が離れる位置まで開脚させる。また、アーム駆動モータ１６、１７によって後輪アーム８、９を駆動して、後輪４、５が補助輪２２ａ、２２ｂと同じ高さとなる位置まで開脚させる。これにより、後輪４、５と補助輪２２ａ、２２ｂとが走行面に接して、後輪駆動モータ１２、１３によって前進走行または後進走行させることができる。
【００３８】
（段差昇り）
次に、本発明の走行装置による段差昇りについて説明する。
【００３９】
図６（Ａ）は、本発明の走行装置による段差昇りの「段差昇降時１」を説明する図である。この図では、走行装置の前輪２、３が昇り段差ＤＵに突き当たり、前輪２、３が段差ＤＵの側壁をつたわって昇ろうとしている状態である。
【００４０】
即ち、走行装置は、その前輪アーム６、７と後輪アーム８、９が図４に示すような開脚された状態で前進走行している。そして、本体１のセンサ７０により段差ＤＵを検出すると、前輪２、３が段差ＤＵに突き当たる位置まで後輪４、５を駆動して走行させる。次に、駆動トルクの大きい前輪駆動モータ１０、１１によって前輪２、３が駆動され、これにより前輪２、３が段差ＤＵの側壁をつたわって昇り始める。この昇り駆動に合わせ、段差ＤＵの高さに応じて本体１を持ち上げるように後輪アーム駆動モータ１６、１７を駆動して後輪アーム８、９を垂直方向に駆動させる。その結果、前輪２、３が段差ＤＵを昇るときに、後輪４、５が受ける後進方向への分力を減らすことができ、また、後方への滑りを防止できる。この時、後輪４、５の駆動モータ１２、１３を駆動して、前輪２、３の昇り駆動に応じて後輪４、５を動かすように制御される。
【００４１】
図６（Ｂ）は、「段差昇降時２」を説明する図である。前輪２、３が段差ＤＵを昇りきると、後輪４、５の駆動によって段差ＤＵの上側走行面に前輪２、３が走行する状態となる。そして、前輪２、３が所定の距離だけ前進すると、前輪アーム駆動モータ１４、１５が駆動されて左右の前輪アーム６、７が開脚して補助輪２２ａ、２２ｂが段差ＤＵの上側走行面に着地する。また、後輪アーム駆動モータ１６、１７が駆動されて左右の後輪アーム８、９が段差ＤＵの高さ以上に開脚する。その途中経過の状態が図６（Ｂ）に示されている。その後、段差ＤＵの上側走行面で、左右の前輪２、３と補助輪２２ａ、２２ｂによって本体１が支えられ状態で走行装置が走行する。
【００４２】
次に、前輪駆動モータ１０、１１の駆動力により前輪２、３及び補助輪２２ａ、２２ｂで前進しながら、後輪アーム駆動モータ１６、１７が駆動され後輪４、５の左右の後輪アーム８、９が閉脚し、また、前輪アーム駆動モータ１４、１５が駆動され前輪２、３の左右の前輪アーム６、７も閉脚する。これにより図６（Ｃ）に示す「段差昇降時３」の状態になり、前輪２、３及び後輪４、５で走行装置の本体１を支え、前進走行を行う。
【００４３】
（段差降り）
次に、本発明の走行装置による段差降りについて説明する。
【００４４】
まず、走行装置が、図４（Ａ）に示す「通常時走行時１」の状態で前進走行しているとき、本体１の段差検知センサ７０によって降り段差ＤＤを検知した場合、前後輪駆動モータ１０〜１３の駆動を止め、段差ＤＤが降りられる範囲かどうか段差判別を行う。
【００４５】
次に、段差判別の結果、段差が降りられる範囲内である場合、アーム駆動モータ１４〜１７を駆動して前輪アーム６、７及び後輪アーム８、９のアーム間隔１８を広げ、図５に示す「通常走行時３」の状態にする。この状態では、先に述べたように後輪４、５と補助輪２２ａ、２２ｂで走行装置の本体１を支えることになる。
【００４６】
次に、この「通常走行時３」の状態から後輪４、５を所定の距離だけ駆動して、補助輪２２ａ、２２ｂを段差ＤＤの近傍まで前進走行して停止する。
【００４７】
次に、前輪アーム駆動モータ１４、１５を駆動して左右の前輪アーム６、７を徐々に閉脚することによって、前輪２、３を段差ＤＤの下段の走行面に接地する位置まで降ろす。その結果、走行装置は、図７（Ａ）に示す「段差昇降時４」の状態となる。
【００４８】
この図７（Ａ）の状態で、さらに前輪駆動モータ１０、１１又は後輪駆動モータ１２、１３によって前輪２、３又は後輪４、５を駆動して前進すると、図７（Ａ）の状態を維持しながら補助輪２２ａ、２２ｂが段差ＤＤの上段から離れ、前輪２、３及び後輪４、５によって走行装置の本体１を支える状態になる。
【００４９】
次に、この状態でさらに前輪２、３又は後輪４、５を駆動して所定の距離だけ前進させ、後輪４、５が段差ＤＤの段差部の近傍に位置するまで走行させる。そして、後輪４、５が段差ＤＤの段差部の近傍に位置すると、後輪アーム駆動モータ１６、１７を駆動させて後輪アーム８を開脚し、補助輪２２ａ、２２ｂが段差ＤＤの下段の走行面に接地する位置まで開脚させる。図７（Ｂ）の「段差昇降時５」は、補助輪２２ａ、２２ｂが段差ＤＤの下段の走行面に接地した状態を示している。この状態では、前輪２、３と補助輪２２ａ、２２ｂが段差ＤＤの下段の走行面にあり、後輪４、５がその上段の走行面にある。
【００５０】
次に、前輪駆動モータ１４、１５によって前輪２、３が駆動され、所定の距離だけ前進走行する。そして、後輪４、５が段差ＤＤから離れた位置に達したならば、後輪アーム駆動モータ１６、１７を駆動して後輪アーム８、９を閉脚させて、図７（Ｃ）に示す「段差昇降時６」の状態、即ち、段差ＤＤの下段の走行面に後輪４、５が接地する状態とする。その結果、前輪２、３と、補助輪２２ａ、２２ｂと、後輪４、５が段差ＤＤの下段の走行面に接地している状態となる。この後は、前輪アーム６、７及び後輪アーム７、８を、例えば、図４（Ａ）に示す「通常走行時１」又は図４（Ｂ）に示す「通常走行時２」状態に設定して前進走行する。
【００５１】
本実施例においては四輪としたが、車輪の数は４個に限定されない、前輪、後輪共に二輪ずつである必要はなく、何れか一方は一輪でも可能である。
【００５２】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、走行装置を右又は左方向へ方向転換することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、上記実施の形態によれば、走行面に例えば昇り又は降りの段差がある場合、その段差を検知し、段差を昇り又は降ることができる走行装置を提供する。また、高速平面走行時は、前後に配置した前輪及び後輪の車輪間隔を広げることにより走行装置の重心を下げ、走行の安定性を向上した自走式の走行装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る走行装置の概略平面図。
【図２】本発明の実施形態に係る走行装置の左前輪車輪部の詳細図。
【図３】本発明の実施形態に係る走行装置の前輪用車軸方向転換部の詳細図。
【図４】本発明の実施形態に係る通常走行１及び通常走行２を示した図。
【図５】本発明の実施形態に係る通常走行３を示した図。
【図６】本発明の実施形態に係る段差昇降時１〜段差昇降時３を示す図。
【図７】本発明の実施形態に係る段差昇降時４〜段差昇降時６を示す図。
【符号の説明】
１  本体
２、３  前輪
４、５  後輪
６、７  前輪アーム
８、９  後輪アーム
１０、１１  前輪駆動モータ
１２、１３  後輪駆動モータ
１４、１５  前輪アーム駆動モータ
１６、１７  後輪アーム駆動モータ
１８  アーム間隔
１９  ワンウェイクラッチ
２０  前輪方向転換モータ
２１  後輪方向転換モータ
２２ａ、２２ｂ  補助輪
３２  車軸フレーム
４１  方向転換リンク
５０、５１  前輪車輪部
５２、５３  後輪車輪部
６０  前輪用車軸方向転換部
６１  後輪用車軸方向転換部
７０  センサ
８０  制御部
【図１】
2005028971.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005028971.tif 000007
【図６】
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【図７】
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