計測自動制御学会東北支部第161回研究集会（1996．6J鳩）資料番号161−13

本体上昇機構を利用した車輪型移動ロボットの段差移動
Climbing up a Step of Wheeled Mobile Robot
WithLiftingBodyMechanism○海住卓生，中野栄二，大久保宏樹，藤原浩幸
OTakunoriSakashita，EijiNakano，HirokiOokubo，Hiroy11kiFujiwara
東北大学

TobokuUniversity
キーワード＝ 本体上昇機構（LiftipgBodyMeckanism〕車輪型ロボット（WheeledMobileRobot〕
段差移動（ClimbingupaStep〕
連絡先：〒別紙ト77 仙台市青葉区荒巻字青葉東北大学大学院情報科学研究科中野研究室（青葉山キャンパス機械系）韓住卓乳Tel・：（022）217−70251F乱L＝（022）217−7023，nm乱il：
kaij11￠roboti⊂S・1畠・tOhoku・aC・］p

1．緒言

い車輪型移動機構に取り付け段差移動を行わせることを目的とする．またこの機構がパッシブ

車椅子は障害者にとって非常に便利な移動手性を持つことを利用し制御を簡単にする．

段である．しかしながら舗道の縁石などちょっ段差を移動できる本体上昇機構の取り付け位とした段差を乗り越えることが困難である．そこ

置について検証し，その安当性を実験によって示で車椅子に段差移動を行わせることが可能になす．

れば，非常に有効であると考えられる．

車椅子に応用可能と思われる最近の研究とし

2．ロボット本体の機構て，森田ら1）は複数の小車輪をクローバ状に配Lた特殊車葡を4組用いることで階段の昇降を

白ポット本体の機構は囲1に示すようなものである．車椅子を想定しているため，段差壁面に可能にした．H口ら2〕は移動概括の車削こ回転車輸が接地するような機構とする．そのため前足機構を導入し段差移動を実現Lた．

輪は本体の最前部に配置する，また前飴は従軌

またWellmannら3〕は車椅子に脚2本を取後輪は動輪とする．ここでは前後車論径は等Lり付け不整地移動を可能にした．

いものとする．また一つの本体上昇機構で前後

本報告では，不整地環境の一例である段差を鮨を登らせるため本体上昇機構は前後輪間に配取り上げ，できるだけ簡単な規構を持つ本体上昇置する，機構を捷案する．この横棒を特殊車輪を用いな
一、1一

本体上昇機輯国3 重心の位置

図1 ロボットのモデル

3．本体上昇機構
本体上昇株構は脚とは違い車蛤の補助に用い，また，移動中段差の角と本体が接触しないよ

単独で本体の移動には使わないものとする．

うな車高とする．

この機構の特徴としては，ロボットのモデルを図1に示す．

ロボット本体のパラメ…タは以下のとおりで●床に補助棒を突き、それにより車輪の上昇ある．

を手助けする．
Jl：本体長さ●補助的なものであるので可能な限り簡単で

g2：車輸中心から本体上昇槻構

軽量な機構とし，小型のアクチュエータと，最低限の自由度しか持たない．の取り付け位置までの長さ

J3：本体前部からの本体上昇機構

固2のように移動するためには，回転，伸縮の自由度を持つ必要がある．

取り付け位置までの長さまた制御を簡単にするために，回転の自由度

r：車宙半径をパッシブとし，このパッシブ性を利用し制御は登り上がりのシーケンスを国2に示す．

行わなくてすむようにする．

／子

4，本体上鼻機構の取り付け位置
本体上昇機構をどのような位置に取り付ければ登り上がることが可能であるかを検証する．登り上がりは，車椅子を想定しているために静的に登り上がるものとする．また囲2のように前後輪ともに接地面に沿うように登り上がるようにす
る．重心の位置は図3の位置とする．

∫

α：機構の取り付け位置からの重心の高さ
β：車輪中心からの重心の位置

4．1 前輪の登り上がり
国2 登り上がりのシーケンスー2−

図4 前椅登り上がりのモデル
水平万札鉛直万札重心回りの回転の釣合の

囲5 初期角度伽

式は，＝−JFりCO叩＋抽一si叩（1）＝Jsin甲＋J兄一九すタ＋co叩（2）＝ α1存十αコJ＋α3J兄一叫（3）＝ βcosβ−（ヱ2一α）sin♂

（4）＝（αSin伊＋（β一言3〕cos呵sin甲＋‡αCOSβ一（β一ヱユ）如叫cos甲（5）α3

斑6 前輪の解の存在範囲＝ 一拍1−β）cosβ−（ヱ2＋αトinβ‡までをJ，Jn克について解きそれらが全て正と＋ 〝（（Jl−β〕血β＋（吉2十α）cosβ＋γi

なる範閻を回6に示す．
図6において央印の範囲Aの初期角度中ロで（6）登り上がりが可苗巨になる．

ここで｝

／

4．2 後輪の登り上がり

補助棒が本体に及ぼす力

前輪と同様に水平方向，鉛直万札重心回りの前掛後宙の床反力

J∫，J尺言J上回転の釣合の式を考える．

補助棒の長さ接地面と車輪の摩擦係数

中接地面と補助捧の角度

0＝Jco叩−J且一sin甲¶初期角度からの変位

0 ＝ ノブ＋J6h甲＋勘紘

た

ばね定数

一胸＋co叩（7〕（8〕

0 ＝ 瓜1プア＋也2J＋恥∫尺一拍 （9）車輪が接地面から離れないためにはJ，J釣J兄が正でなければならない，機構と床面との初期角度卯佃5）を変イヒさせたときに，式（1）〜（3）

勘 ＝ βcosβ＋（J2＋α）6in♂
−3→（10〕表1最適な取り付け位置（Jl＝400mmの場合）

まり図6，8における矢印の長さA，月の和，A＋月が最も大きくなる位置とする．ただし，A，月の大きさに偏りがないようにA；≦月であるとする．

園7 後輪登り上がりのモデル

これらの条件から導き出されたJ2，ヱ3は，を表1に示す．

5．実験

5．1 実験機
構造上の理由から前節で求められた最適な本体上昇機構の取り付け位置で実験機を作成できなかった．今回試作した実験機の概要は表2に示
すよとおりである．
囲8 後輪の解の存在範囲
表2 実験機概要
也2 ＝（αSin♂＋（β−J3）cosβ）6inp

積構の取り付け位置（ヱ2） 191mm＋‡αCOSβ】（β一首3）sinβ†甲 （11〕機構の取り付け位置（J3） 130mm

恥 ＝ −（Jl−β）sinβ一帖＋凸）cosβ

車輪半径（r）
総重量一 匹仲1−β）co8β−（J2＋α）sin伊一r）

400mm

本体長さ（Jl）

37．5mm2■8Kg（12）

この実験棟を用い前後態ともにさまざまな初前輪と同様に機構の取り付け位置を変化させ期角度poで段差移動を行った．

ずに初期角度甲0を変化させたときの解の存在す

実験の段差高さは75mmで行った．

る範囲を園引こ示す．登り上がることのできる初5．2 実験結果

期角度甲0の範囲を矢印月で示す．

本体長さJlを一定にした場合，重心の位置や前章の手法を用いて実験機の場合について計本体上昇横棒の取り付け位置J2，J3を変えること算を行った・その計算結果を図9，10に，また計算によって登り上がることのできる初期角度伽の結果とと実験結果を表3に示す．

範囲は変化することがわかった．

この計算結果は実験結果とほほ一致することがわかる．

4．3 取り付け位置の決定
取り付け位置は，登り上がることのできる初期角度甲0を最も広く取れるような位置とする．つ−4皿

機構を取り付け，段差移動を行わせる予定である．

参考文献

1）森田暫，高野政晴，井上健司，佐々木健＝
階段昇降移動ロボットTO−ROVERの開発
研究，精密工学会誌，60巻，10号，pp1495−
1499（12〕田口幹，榎本卓也：足つき車垢による階段図9 実験機の前輪の登り上がり可能範謝

昇降機械，第10匝Ⅰ日本ロボット学会学術講
演会予稿集，pplll−112（1992）
3）ArisWellman，VenkatKrovi，VijayKumar：

AnAdaptiveMobilitySystemfortheDis−
abled，IEEE hterna七ionalConference on
Robotic呂乱ndAutoma・tion，PP12006−2011（1994）

囲10 実験機の後輪の登り上がり可能な範囲

表3 計算と実験で登り上がれる甲0の範囲
計算結果［r乱叫実験結果【r叫前輪1．421．42≦甲0

後輪

1．46

1．44

≧卯

6．結吉
本報告では，不整地環境の一例とLて段差を取り上げた．簡単な補助棟構である本体上昇機構を提案した．この機構を車椅子に取り付けることを前提として前輪を従者のモデノレを用いた．
制御を簡単にするために回転の自由度をパッシブにした．その場合の取り付け位置の検証，および実験を行い，この解析方法の妥当性を示した．
今後この手法を用いて電動車椅子に本体上昇−5−

A 登り上がりの様子

図12 後輪の登り上がり

固11前輪の登り上がりーG