(57)【要約】【課題】球状移動体を所望の目標速度で走行させることができると共に、球状移動装置に組み込む走行体の機構設計に関する制約を少なくし、球殻内部の空間を効率的に使用することができる球状移動装置を提供する。【解決手段】球状の外壁と内壁を持つ球殻１２と、球殻１２内部に組み込まれると共に該球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体１３と、より構成される球状移動装置１１において、走行体１３は、球殻１２の中心よりも低い位置に重心を有するように配置してあり、その駆動軸に直交する方向には設置面に対して駆動力を伝達し、駆動軸に平行な向きには駆動力を発生しない機能を有した３つのオムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃを備えた駆動車輪と、該駆動車輪を駆動する駆動手段と回転速度を計測する手段を有するエンコーダ付モータ１４と、からなる全方向走行体で構成されている。【選択図】    図１
2007112168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状の外壁と内壁を持つ球殻と、前記球殻内部に組み込まれると共に前記球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体と、より構成される球状移動装置において、
前記走行体は、前記球殻の中心よりも低い位置に重心を有するように配置してあり、前記球殻の内壁に対して発生する回転トルクを少なくとも１方向に自由に制御でき、かつ、前記球殻に対する前記走行体の前記回転トルク発生方向への相対回転速度を計測可能な機構を有することを特徴とする球状移動装置。
【請求項２】
前記走行体の機構は、その駆動軸に直交する方向には設置面に対して駆動力を伝達し、駆動軸に平行な向きには駆動力を発生しない機能を有した少なくとも３つのオムニホイルを備えた駆動車輪と、前記駆動車輪を駆動する駆動手段と回転速度を計測する手段を有するエンコーダ付モータと、からなる全方向走行体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の球状移動装置。
【請求項３】
前記走行体は、
該走行体のｚ軸回りの姿勢角度θを計測する姿勢角センサと、
前記エンコーダ付モータを駆動するためのアンプと、
前記姿勢角センサから出力される姿勢角度信号などの計測情報を処理して前記アンプに指令を送るための制御用計算機と、
を備えており、
前記走行体は、前記球殻の中心回りのトルクが、前記全方向走行体に対する前記球殻の相対回転速度と前記球殻の目標回転速度との偏差をＰＩフィードバックした値に等しくなるように制御を行うようにしたことを特徴とする請求項1または２に記載の球状移動装置。
【請求項４】
前記制御用計算機は、
前記アンプから出力されるモータ角度信号の時間差分を計算してモータ速度信号を出力する時間差分処理部と、
前記時間差分処理部に出力されたモータ速度信号に基づいて、球殻の全方向走行体に対する相対回転速度をωｘｒ、ωｙｒ、ωｚｒ、モータの回転速度をωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃ、としたときに、次式
【数１】
2007112168.tif 000007
により表わされる行列演算を行って前記球殻の前記全方向走行体に対する相対回転速度信号を出力する第1の演算処理部と、
前記球殻の目標速度信号に基づいて、球状移動装置の目標移動速度のｘ軸方向成分をｖｘｄ、ｙ軸方向成分をｖｙｄ、前記球殻の目標回転速度をωｘｄ、ωｙｄ、前記球殻の外側半径をＲｏｕｔとしたとき、次式
ωｘｄ＝  ｖｙｄ／Ｒｏｕｔ    、  ωｙｄ＝  −ｖｘｄ／Ｒｏｕｔ             …（２）
で表わされる演算を行って、前記球殻の目標回転速度信号を出力する第２の演算処理部と、
前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差にゲインＫＤを乗ずる第１のゲイン乗算処理部と、
前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差の時間積分を算出する時間積分処理部と。
前記処理部で得られた前記時間積分値にゲインＫＩを乗ずる第２のゲイン乗算処理部と、
前記第１のゲイン乗算処理部と前記第２のゲイン乗算処理部の出力信号の和をとることにより得られる前記球殻の中心まわりの回転トルク指令信号からモータトルク指令信号を算出する第３の演算処理部と、
より構成されたことを特徴とする請求項３記載の球状移動装置。
但し、Ｒｖは全方向走行体の中心からオムニホイルの球殻との接触点までの半径、Ｒinは球殻の内面半径、ｒｗはオムニホイルの半径、θは全方向走行体の前方方向の向きと走行面となるｘ軸とのなす角度であり、全方向走行体の姿勢角を示したものである。
【請求項５】
前記エンコーダ付モータのモータトルクによって発生する前記オムニホイルの回転トルクをそれぞれτｗａ、τｗｂ、τｗｃとし、前記球殻のｘ軸まわり、ｙ軸まわり、ｚ軸まわりの回転トルクをそれぞれΤｘ、Τｙ、Τｚとしたときに、前記走行体は前記球殻の内面に対して発生する球殻中心まわりの回転トルクの大きさと向きとを次式
【数２】
2007112168.tif 000008
により同時に制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の球状移動装置。
ただし，前記ｘ軸，ｙ軸は前記球状移動装置の走行路面に対して平行な向き，前記ｚ軸は前記走行路面に対して鉛直上向きであって，なおかつそれぞれが前記球殻の中心で直交するように定義した座標軸である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球殻と該球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体とを備えた球状移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、陸上を移動する移動装置として、自動車に代表されるように少なくとも１つ以上の駆動車輪と操舵機構を備えたものが広く知られている。しかし、このような移動装置は狭い場所での旋回に難があるため、球状の外形を有する移動装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
図５は、第１従来技術の球状移動装置の全体構成を示す部分的断面図であり、特許文献１に相当する。
図５において、５０は球状移動装置、５１は球殻体、５２は球体駆動部、５３はフレーム、５４は支持用キャスタ、５５、５６、５７は駆動車輪であって、その中心軸は互いに直交するように設置されている。なお、支持キャスタ５４は、球状ボール５８がその先端部を露出した状態で保持部５９内部で任意の方向に回動自在に保持されている。
球状移動装置５０は、球殻体５１の内側面に球体駆動部５２が部分的に当接した状態で移動自在に保持された構成からなっており、ＸＹＺ座標系におけるＸＹ平面として設定された図示しない床上に載置されている。球状移動装置５０の駆動車輪５５〜５７を、球殻体５１内面との接触を保ちながらそれぞれ独立に各駆動車輪に備えられた図示しないモータで駆動制御することによって球体駆動部５２が球殻体５１内部でピッチ、ロール、ヨーそれぞれの方向に重心を移動する。このように、球状移動装置５０は、重心に働く重力と球体駆動部５２が移動する際の慣性力とによって球殻体５１を床上で回転移動させることができる。
【０００４】
図６は、第２従来技術の球状移動装置の全体構成を示す斜視図であり、特許文献２記載の図１に相当する。
図６において、６０は球状移動装置、６１は球殻、６２ａ、６２ｂ、６２ｃは球殻の中心を通るように配置されたガイドロッド、６３ａ、６３ｂ、６３ｃは前記ガイドロッド上をそれぞれ動く能力を持つモータである。モータ６３ａ、６３ｂ、６３ｃをガイドロッド６２ａ、６２ｂ、６２ｃ上でそれぞれ動かすことで球殻全体の重心位置を変化させ、球殻を回転させるのである。
【特許文献１】特開平０９−２５４８３８号公報（明細書第４頁、図１）
【特許文献２】米国特許第６２８９２６３号（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、第１従来技術に示す球状移動装置は、駆動車輪をその中心軸が互いに直交するように設置せねばならず、機構上の制約が大きかった。また、球状移動装置には目標速度を実現するための制御方法は与えられておらず、単純に駆動車輪を動かしても駆動車輪と球殻体との間で振動が発生し、所望の移動速度を実現できないという問題があった。
また、第２従来技術に示す球状移動装置は、球殻内部にモータをガイドロッドに沿って動かすための空間を広く開けておく必要があり、球殻内部に組み込む走行体の機構設計に制約があるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、球状移動体を所望の目標速度で走行させることができると共に、球状移動装置に組み込む走行体の機構設計に関する制約を少なくし、球殻内部の空間を効率的に使用することができる球状移動装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、球状の外壁と内壁を持つ球殻と、前記球殻内部に組み込まれると共に前記球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体と、より構成される球状移動装置において、前記走行体は、前記球殻の中心よりも低い位置に重心を有するように配置してあり、前記球殻の内壁に対して発生する回転トルクを少なくとも１方向に自由に制御でき、かつ、前記球殻に対する前記走行体の前記回転トルク発生方向への相対回転速度を計測可能な機構を有することを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の球状移動装置において、前記走行体の機構は、その駆動軸に直交する方向には設置面に対して駆動力を伝達し、駆動軸に平行な向きには駆動力を発生しない機能を有した少なくとも３つのオムニホイルを備えた駆動車輪と、前記駆動車輪を駆動する駆動手段と回転速度を計測する手段を有するエンコーダ付モータと、からなる全方向走行体で構成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３の発明は、請求項1または２に記載の球状移動装置において、前記走行体は、該走行体のｚ軸回りの姿勢角度θを計測する姿勢角センサと、前記エンコーダ付モータを駆動するためのアンプと、前記姿勢角センサから出力される姿勢角度信号などの計測情報を処理して前記アンプに指令を送るための制御用計算機と、を備えており、前記走行体は、前記球殻の中心回りの回転トルクが、前記全方向走行体に対する前記球殻の相対回転速度と前記球殻の目標回転速度との偏差をＰＩフィードバックした値に等しくなるように制御を行うようにしたことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４の発明は、請求項３記載の球状移動装置において、前記制御用計算機は、
前記アンプから出力されるモータ角度信号の時間差分を計算してモータ速度信号を出力する時間差分処理部と、前記時間差分処理部に出力されたモータ速度信号に基づいて、球殻の全方向走行体に対する相対回転速度をωｘｒ、ωｙｒ、ωｚｒ、モータの回転速度をωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃ、としたときに、次式
【００１０】
【数１】
2007112168.tif 000003
【００１１】
により表わされる行列演算を行って前記球殻の前記全方向走行体に対する相対回転速度信号を出力する第1の演算処理部と、前記球殻の目標速度信号に基づいて、球状移動装置の目標移動速度のｘ軸方向成分をｖｘｄ、ｙ軸方向成分をｖｙｄ、前記球殻の目標回転速度をωｘｄ、ωｙｄ、前記球殻の外側半径をＲｏｕｔとしたとき、次式
ωｘｄ＝  ｖｙｄ／Ｒｏｕｔ    、  ωｙｄ＝  −ｖｘｄ／Ｒｏｕｔ              …（２）
で表わされる演算を行って、前記球殻の目標回転速度信号を出力する第２の演算処理部と、前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差にゲインＫＤを乗ずる第１のゲイン乗算処理部と、前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差の時間積分を算出する時間積分処理部と。前記処理部で得られた前記時間積分値にゲインＫＩを乗ずる第２のゲイン乗算処理部と、前記第１のゲイン乗算処理部と前記第２のゲイン乗算処理部の出力信号の和をとることにより得られる前記球殻の中心まわりの回転トルク指令信号からモータトルク指令信号を算出する第３の演算処理部と、より構成されたことを特徴としている。
但し、Ｒｖは全方向走行体の中心からオムニホイルの球殻との接触点までの半径、Ｒinは球殻の内面半径、ｒｗはオムニホイルの半径、θは全方向走行体の前方方向の向きと走行面となるｘ軸とのなす角度であり、全方向走行体の姿勢角を示したものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の球状移動装置において、前記エンコーダ付モータのモータトルクによって発生する前記オムニホイルの回転トルクをそれぞれτｗａ、τｗｂ、τｗｃとし、前記球殻のｘ軸まわり、ｙ軸まわり、ｚ軸まわりの回転トルクをそれぞれΤｘ、Τｙ、Τｚとしたときに、前記走行体は前記球殻の内面に対して発生する球殻中心まわりの回転トルクの大きさと向きとを次式
【００１３】
【数２】
2007112168.tif 000004
【００１４】
により同時に制御するようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、前記走行体の前記球殻に対する相対的な回転トルクを、前記走行体の前記球殻に対する相対的な回転角速度に応じて適切に制御できる。これによって、球状移動体を目標速度で走行させたり、停止時に生じる振動を軽減したりすることが可能となる。
また、走行体は、球殻の中心よりも低い位置に重心を有するように配置したので、球状移動装置に組み込む走行体の機構設計に関する制約を少なくし、球殻内部の空間を効率的に使用することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、目標速度運転が可能で走行を停止した時の振動を小さく、かつ、迅速に走行方向および球殻内部の走行体の方向を変更できる球状移動体を実現できる。更に、駆動車輪を必ずしもその回転軸が直交するように配置する必要がなく、機構設計の自由度が向上する。
【００１７】
請求項３〜５に記載の発明によれば、球殻の路面に対する回転速度を計測する手段を設けなくとも、極めて単純な演算によって球状移動体を目標速度運転することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
【実施例】
【００１９】
図１は、本発明の第１実施例を示す球状移動装置の側面図であり、一部、駆動部分の構成を説明するために透視した図となっている。図２は図１の球状移動装置を下方から見た平面図である。つまり、図１の視点の向きは図２中のｙ軸の向きと同一であり、図２の視点の向きは図１中のｚ軸の向きと同一である。
図１および図２において、１１は球状移動装置、１２は透明のアクリル性材料でできた球殻、１３は走行体、１４ａ、１４ｂ、１４ｃはそれぞれトルク制御が可能なエンコーダ付モータ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃはそれぞれオムニホイル、１６は動画撮影用ＣＣＤカメラである。また、走行体１３には走行体のｚ軸回りの姿勢角度を計測するための図示しない姿勢角センサと、モータを駆動するための図示しないアンプと、計測情報を処理して前記アンプに指令を送る図示しない制御用計算機と、からなる制御装置が備えられており、この球状移動装置の制御装置の構成は、後述する。
姿勢角センサは、本実施例においては、地磁気を利用して姿勢角度を得る磁気方位センサである。なお、本実施例は、球状移動装置１１が球殻１２内部にＣＣＤカメラ１６を搭載して屋内の様子を撮影しながら走行する走行ロボットの事例を想定したものである。
【００２０】
本発明の特徴は以下のとおりである．
すなわち、球状の外壁と内壁を持つ球殻１２と、球殻１２内部に組み込まれると共に該球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体１３と、より構成される球状移動装置１１において、走行体１３は、球殻１２の中心よりも低い位置に重心を有するように配置してあり、該球殻１２の内壁に対して発生する回転トルクを少なくとも１方向に自由に制御でき、かつ、球殻１２に対する走行体１３の回転トルク発生方向への相対回転速度を計測可能な機構を有した点である。
具体的には、走行体１３の機構は、その駆動軸に直交する方向には設置面に対して駆動力を伝達し、駆動軸に平行な向きには駆動力を発生しない機能、いわゆる従動輪として働くという性質を有する３つのオムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃを備えた駆動車輪と、該駆動車輪を駆動する駆動手段（モータ）と回転速度を計測する手段（エンコーダ）を有するエンコーダ付モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、からなる全方向走行体で構成されたものとなっている。オムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃとエンコーダ付モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、該エンコーダ付モータの駆動軸が互いに１２０°をなすように、駆動軸の向きが走行体１３の中心から外向きになるように、かつ、走行体１３と球殻１２の内面とがオムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃを通して３点で接触するように設置されている。
また、走行体１３は、球殻１２の中心回りの回転トルクが、該走行体に対する球殻１２の相対回転速度と球状移動装置１１の目標回転速度との偏差をＰＩフィードバックした値に等しくなるように制御を行うようにしたものとなっている。
【００２１】
上記で、全方向走行体１３が球殻１２に対して発生する回転トルクの向きと大きさを同時に制御できる点を述べたが、この点について、図３を用いて具体的に説明する。なお、図３は図１および図２の全方向走行体１３の駆動部分をｘｙ軸平面上で示した模式図である。
ここで、図中のＲｖは全方向走行体１３の中心からオムニホイル１５の球殻１２との接触点までの半径、Ｒinは球殻の内面半径、ｒｗはオムニホイルの半径、Ｆは全方向走行体１３の前方方向の向き、θは全方向走行体１３の前方方向の向きＦと走行面となるｘ軸とのなす角度であり、全方向走行体の姿勢角を示している。
また、エンコーダ付モータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃのモータトルクによって発生するオムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃの回転トルクをそれぞれτｗａ、τｗｂ、τｗｃとし、球殻１２のｘ軸まわりの回転トルクをΤｘ、球殻１２のｙ軸まわりの回転トルクをΤｙ、球殻１２のｚ軸まわりの回転トルクをΤｚとする。本実施例ではオムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃとエンコーダ付モータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃは直接接続する。したがってオムニホイルの回転トルクτｗａ、τｗｂ、τｗｃとエンコーダ付モータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの発生するモータトルクとはそれぞれ等しい。
図３の状態のとき、次の式にしたがって  オムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃの回転トルクを制御すれば、球殻１２に任意の回転トルク［Τｘ、Τｙ、Τｚ］Ｔを印加することが可能である。
【００２２】
【数３】
2007112168.tif 000005
【００２３】
すなわち、（１）式に従ってτｗａ、τｗｂ、τｗｃを調整すれば、全方向走行体１３が球殻１２に対して発生する回転トルクの向きと大きさは同時に制御可能である。
【００２４】
続いて、球状移動装置１１を所望の方向に目標速度で移動させるための制御方法について説明する。
球状移動装置１１の目標移動速度のｘ軸方向成分をｖｘｄ、ｙ軸方向成分をｖｙｄとする。球殻１２の全方向走行体１３に対する相対回転速度のｘ軸まわりの成分をωｘｒ、ｙ軸まわりの成分をωｙｒ、ｚ軸まわりの成分をωｚｒとする。球殻１２の目標回転速度のｘ軸まわり成分をωｘｄ、ｙ軸まわり成分をωｙｄとする。
球殻１２の目標回転速度ωｘｄ、ωｙｄは、球殻の外側半径をＲｏｕｔとすると
ωｘｄ＝  ｖｙｄ／Ｒｏｕｔ    、  ωｙｄ＝  −ｖｘｄ／Ｒｏｕｔ        ・・・（２）
により計算することができる。
また、球殻１２の全方向走行体１３に対する相対回転速度ωｘｒ、ωｙｒ、ωｚｒは、モータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの回転速度をそれぞれωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃとすれば
【００２５】
【数４】
2007112168.tif 000006
【００２６】
と計算される。
モータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃの回転速度ωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃは、モータに付属するエンコーダから得られるパルス数を時間差分することで得られる。オムニホイル１５ａ、１５ｂ、１５ｃの回転トルクτｗａ、τｗｂ、τｗｃは、次の式が満足されるように与える。
Τｘ＝−ＫＤ（ωｘｒ−ωｘｄ）−ＫＩ∫（ωｘｒ−ωｘｄ）ｄｔ、Τｙ＝−ＫＤ（ωｙｒ−ωｙｄ）−ＫＩ∫（ωｙｒ−ωｙｄ）ｄｔ、
Τｚ＝−ＫＤωｚｒ−ＫＩ∫ωｚｒｄｔ      ・・・（４）
ここで、ＫＤ、ＫＩはそれぞれ速度偏差に対する比例ゲイン、積分ゲインで、ｔは制御開始からの経過時間を示している。
（４）式は、球殻中心回りの回転トルクが、球殻の全方向走行体に対する相対回転速度と球殻の目標回転速度（すなわち球状移動装置の目標回転速度）との偏差をＰＩフィードバックした値に等しくなるように制御するものである。
このように制御することによって、球殻の全方向走行体に対する相対回転速度は球殻の目標回転速度の値に近づき、全方向走行体の走行路面に対する回転速度は０に近づくため、結果として球殻の路面に対する回転速度は目標値に近づく。したがって球状移動装置の目標速度が実現される。
【００２７】
仮に、動画撮影用ＣＣＤカメラ１６で撮影中に撮影対象がカメラの視野から逸脱したときは、全方向走行体１３を球殻１２内部で鉛直中心軸周りに旋回させ、撮影対象を追尾する必要がある。そのときはモータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを同一方向に同一速度で回転させれば、全方向走行体１３を鉛直中心軸周りに球殻１２に対して旋回させることができる。球殻１２はその反作用で全方向走行体１３とは逆の向きに旋回しようとするが、球殻１２と路面との間には摩擦があるため球殻１２の路面に対する旋回速度は全方向走行体の旋回速度よりも遅い。よって全方向走行体１３は路面に対して鉛直中心軸周りに旋回することができ、カメラを撮影対象の方向に向ける動作が可能である。
【００２８】
本実施例ではオムニホイル１５ａ，１５ｂ，１５ｃとエンコーダ付モータ１４ａ，１４ｂ，１４ｃとは減速器を介さずに直接接続したが，ベルトとプーリーを用いたり，減速器を用いたりしてもよい。この場合，減速比の分だけオムニホイルの回転トルクがモータトルクよりも大きくなる。
【００２９】
次に、本実施例における球状移動装置の制御装置の構成について説明する。
図４は、本発明の第１実施例における球状移動装置の制御装置の構成を示したブロック図である。
図４において、２１は各種演算を行う制御用計算機、２２ａ、２２ｂ、２２ｃはモータ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを駆動するアンプ、２３は前方向走行体３の姿勢角度θを計測する姿勢角センサであって、実施例１においては地磁気を利用して姿勢角度を計測し出力する磁気方位センサである。
制御用計算機２１には、以下の信号が入力される。すなわち、球状移動装置の目標速度信号３１、アンプ２２ａ、２２ｂ、２２ｃからそれぞれ出力されるモータ角度信号３２、姿勢角センサ２３から出力される姿勢角度信号３３である。目標速度信号３１の値は、（２）式におけるｖｘｄ、ｖｙｄに相当する。姿勢角度信号３３の値は、（１）式および（３）式におけるθに相当する。制御用計算機２１が出力するのは、アンプ２２ａ、２２ｂ、２２ｃに対するモータトルク指令信号３８である。
【００３０】
続いて、制御用計算機２１内部の処理について説明する。
２４は時間差分処理であり、モータ角度信号３２の時間差分を計算してモータ速度信号３４を出力する。モータ速度信号３４の値は、（３）式におけるωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃに相当する。２５は第1の演算処理部であり、（３）式の行列演算を行って球殻１２の全方向走行体１３に対する相対回転速度信号３５を出力する。相対回転速度信号３５は、（３）式におけるωｘｒ、ωｙｒ、ωｚｒに相当する。２６は第２の演算処理部であり、（２）式の演算を行って球殻１２の目標回転速度信号３６を出力する。目標回転速度信号３６は、（２）式におけるωｘｄ、ωｙｄに相当する。２７は目標回転速度信号３６と相対回転速度信号３５との差にゲインＫＤを乗ずる第１のゲイン乗算処理部である。２８は目標回転速度信号３６と相対回転速度信号３５との差の時間積分を算出する時間積分処理部である。２９は時間積分処理部２８で得られた前記時間積分値にゲインＫＩを乗ずる第2のゲイン乗算処理部である。第１のゲイン乗算処理部２７と第２のゲイン乗算処理部２９の出力信号の和が球殻１２中心まわりの回転トルク指令信号３７であって、（１）式におけるΤｘ、Τｙ、Τｚの値を指令するものである。３０は第３の演算処理部で、球殻中心まわり回転トルク信号３７から（１）式によってモータトルク指令信号３８を算出する。モータトルク信号は（１）式におけるτｗａ、τｗｂ、τｗｃの値に相当する。以上のように球状移動装置の制御装置を構成することにより、球状移動装置１１を目標速度で走行させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、目標速度走行が可能で様々な機器を内部に組み込むことができるため、走行ロボットなどの移動手段として広く使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施例を示す球状移動装置の側面図
【図２】図１の球状移動装置を下方から見た平面図
【図３】図１および図２の全方向走行体の駆動部分をｘｙ軸平面上で示した模式図
【図４】本発明の第１実施例における球状移動装置の制御装置の構成を示したブロック図
【図５】第１従来技術の球状移動装置の全体構成を示す部分的断面図
【図６】第２従来技術の球状移動装置の全体構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００３３】
１１  球状移動装置
１２  球殻
１３  全方向走行体
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  エンコーダ付きモータ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  オムニホイル
１６  動画撮影用ＣＣＤカメラ
２１  制御用計算機
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ  アンプ
２３  姿勢角センサ（磁気方位センサ）
２４  時間差分処理部
２５  第1の演算処理部（演算１）
２６  第２の演算処理部（演算２）
２７  第１ゲイン乗算処理部
２８  時間積分処理部
２９  第２ゲイン乗算処理部
３０  第３の演算処理部（演算３）
３１  目標速度信号
３２  モータ角度信号
３３  姿勢角度信号
３４  モータ速度信号
３５  相対回転速度信号
３６  目標回転速度信号
３７  回転トルク指令信号
３８  モータトルク指令信号
θ  全方向走行体の姿勢角
Ｆ  全方向走行体１３の前方方向の向き
ＲＶ  全方向走行体１３の中心からオムニホイル１５の球殻１２との接触点までの半径
ｒＷ  オムニホイルの半径
Ｒin  球殻の内面半径
【図１】
2007112168.tif 000009
【図２】
2007112168.tif 000010
【図３】
2007112168.tif 000011
【図４】
2007112168.tif 000012
【図５】
2007112168.tif 000013
【図６】
2007112168.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月25日(2005.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状の外壁と内壁を持つ球殻と、前記球殻内部に組み込まれると共に前記球殻の内面に接触しながら相対的に走行する走行体と、より構成される球状移動装置において、
前記走行体は、前記球殻の中心よりも低い位置に重心を有するように配置してあり、前記球殻の内壁に対して発生する回転トルクを少なくとも１方向に自由に制御でき、かつ、前記球殻に対する前記走行体の前記回転トルク発生方向への相対回転速度を計測可能な機構を有することを特徴とする球状移動装置。
【請求項２】
前記走行体の機構は、その駆動軸に直交する方向には設置面に対して駆動力を伝達し、駆動軸に平行な向きには駆動力を発生しない機能を有した少なくとも３つのオムニホイルを備えた駆動車輪と、前記駆動車輪を駆動する駆動手段と回転速度を計測する手段を有するエンコーダ付モータと、からなる全方向走行体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の球状移動装置。
【請求項３】
前記走行体は、
該走行体のｚ軸回りの姿勢角度θを計測する姿勢角センサと、
前記エンコーダ付モータを駆動するためのアンプと、
前記姿勢角センサから出力される姿勢角度信号などの計測情報を処理して前記アンプに指令を送るための制御用計算機と、
を備えており、
前記走行体は、前記球殻の中心回りのトルクが、前記全方向走行体に対する前記球殻の相対回転速度と前記球殻の目標回転速度との偏差をＰＩフィードバックした値に等しくなるように制御を行うようにしたことを特徴とする請求項1または２に記載の球状移動装置。
【請求項４】
前記制御用計算機は、
前記アンプから出力されるモータ角度信号の時間差分を計算してモータ速度信号を出力する時間差分処理部と、
前記時間差分処理部に出力されたモータ速度信号に基づいて、球殻の全方向走行体に対する相対回転速度をωｘｒ、ωｙｒ、ωｚｒ、モータの回転速度をωｗａ、ωｗｂ、ωｗｃ、としたときに、次式
【数１】
2007112168.tif 000015
により表わされる行列演算を行って前記球殻の前記全方向走行体に対する相対回転速度信号を出力する第1の演算処理部と、
前記球殻の目標速度信号に基づいて、球状移動装置の目標移動速度のｘ軸方向成分をｖｘｄ、ｙ軸方向成分をｖｙｄ、前記球殻の目標回転速度をωｘｄ、ωｙｄ、前記球殻の外側半径をＲｏｕｔとしたとき、次式
ωｘｄ＝  ｖｙｄ／Ｒｏｕｔ    、  ωｙｄ＝  −ｖｘｄ／Ｒｏｕｔ      …（２）
で表わされる演算を行って、前記球殻の目標回転速度信号を出力する第２の演算処理部と、
前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差にゲインＫＤを乗ずる第１のゲイン乗算処理部と、
前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差の時間積分を算出する時間積分処理部と、
前記処理部で得られた前記時間積分値にゲインＫＩを乗ずる第２のゲイン乗算処理部と、
前記第１のゲイン乗算処理部と前記第２のゲイン乗算処理部の出力信号の和をとることにより得られる前記球殻の中心まわりの回転トルク指令信号からモータトルク指令信号を算出する第３の演算処理部と、
より構成されたことを特徴とする請求項３記載の球状移動装置。
但し、Ｒｖは全方向走行体の中心からオムニホイルの球殻との接触点までの半径、Ｒinは球殻の内面半径、ｒｗはオムニホイルの半径、θは全方向走行体の前方方向の向きと走行面となるｘ軸とのなす角度であり、全方向走行体の姿勢角を示したものである。
【請求項５】
前記エンコーダ付モータのモータトルクによって発生する前記オムニホイルの回転トルクをそれぞれτｗａ、τｗｂ、τｗｃとし、前記球殻のｘ軸まわり、ｙ軸まわり、ｚ軸まわりの回転トルクをそれぞれΤｘ、Τｙ、Τｚとしたときに、前記走行体は前記球殻の内面に対して発生する球殻中心まわりの回転トルクの大きさと向きとを次式
【数２】
2007112168.tif 000016
により同時に制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の球状移動装置。
ただし，前記ｘ軸，ｙ軸は前記球状移動装置の走行路面に対して平行な向き，前記ｚ軸は前記走行路面に対して鉛直上向きであって，なおかつそれぞれが前記球殻の中心で直交するように定義した座標軸である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
により表わされる行列演算を行って前記球殻の前記全方向走行体に対する相対回転速度信号を出力する第1の演算処理部と、前記球殻の目標速度信号に基づいて、球状移動装置の目標移動速度のｘ軸方向成分をｖｘｄ、ｙ軸方向成分をｖｙｄ、前記球殻の目標回転速度をωｘｄ、ωｙｄ、前記球殻の外側半径をＲｏｕｔとしたとき、次式
ωｘｄ＝  ｖｙｄ／Ｒｏｕｔ    、  ωｙｄ＝  −ｖｘｄ／Ｒｏｕｔ      …（２）
で表わされる演算を行って、前記球殻の目標回転速度信号を出力する第２の演算処理部と、前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差にゲインＫＤを乗ずる第１のゲイン乗算処理部と、前記目標回転速度信号と前記相対回転速度信号との差の時間積分を算出する時間積分処理部と、前記処理部で得られた前記時間積分値にゲインＫＩを乗ずる第２のゲイン乗算処理部と、前記第１のゲイン乗算処理部と前記第２のゲイン乗算処理部の出力信号の和をとることにより得られる前記球殻の中心まわりの回転トルク指令信号からモータトルク指令信号を算出する第３の演算処理部と、より構成されたことを特徴としている。
但し、Ｒｖは全方向走行体の中心からオムニホイルの球殻との接触点までの半径、Ｒinは球殻の内面半径、ｒｗはオムニホイルの半径、θは全方向走行体の前方方向の向きと走行面となるｘ軸とのなす角度であり、全方向走行体の姿勢角を示したものである。