計測自助制御学会東北支部葬160回研究集会架料（18掴・5・24）

柴料番号160−10

全方向移動車の改良
Developmennt of an universalvモhi亡1ethat c．an TbOYe tO any direction

佐＃高志（国立一関工業高等専門学校 機械工学科）
Takashi Satoh（Ⅰ亡hinosekiHationalColle王台 of Technology
the Department of Mechanicalengineering）

連絡先：〒021 若手県一関市萩荘字高梨南方
一関工業高等専門学校 機械工学科 佐＃高志Tel：（0191）24−2121㈹Fal：（01gl）24−2148

Keyvords：全■方向移動革（universalvehicle）、特殊機構（n椚 meChanis吊、制御応用（application of control）

1． ま えがき
真横や斜めの方向に卑在に移動できる全方向移動草は病＝暁やオフィス、工場などの限られた狭いスペースの中で人や荷物を効率よく動かすことの出来る乗り物として注目され、ユニークな全方向移動機構を採用した移動畢の開発例、実用例がいくつか公共きれている1）2）．全方向移動機構の一うとして、東北大学の江村超先生が1973年に提案し3）、1974年に台車の将にまとめた8球武重方向自在移動率4）は、台車の姿勢を山走にしたまま平面上を任意の方向に直ちに捗曲で卓る弼＝整を有するものである．

本研究壷では、1985年にこの機構の使用の許可を得て以来「江村の全方向移動機構」を応用、発展させた全方向自在移動車の試作研究を継続し、その成果の報告を行ってきたものである。
ここでは、転勤ユニットを構成する二つの不完全囁の配置を並列にする新たな転勤ユニットと、それらの効果的な配置偶成を提案し、今回試作改良した、移動車の姿勢を自屯過勤により自在に変化させる機軸も兼ね捕えた搭乗運転型の全方向移動車の概要について軸督する。
2．使用した全方向移動‖幾構の原理

固ユ．に示すように従動軸Ⅰ回りに自由回報云支持された球体を矧匡動軸Y回りに回転させればⅩ軸方向に移動するが、この時Y軸方向に外力が作用すればⅠ軸回りの転勤により、この球体は舶動軸まわりの回配剤 8 とは無関係にY軸方向にも無理なく移動することができる。

固1 全方向移動機柵の原理−1一

実用的にはⅠ軸を支持する球体保持粋がデットセク ションになるので、Ⅰ軸の位相が90度ずれた2つの不完全球体を同一の駆動軸で回転できるように支持し、 これらの球面が交互に接地するように工夫したものが必要であ り、 これを転勤ユニットと呼ぶことにする。

3．並列型転勤ユニットによる移動車の連動
固2 に今回新たに講件した並列型転勤ユニットの構成図を示す。平行して同一高きに隣接する2つの不完全球体を一つのモータの出力軸より歯車を介して互いに 9 0度の位相差を保ったまま、同方向に同速度で常時回転する

よ う な構造としたものである。

試作した4つの転勤ユニツトを互いに直菜し、 8喋の接地点が同一円周上に来るよう に配置する

ことにより、従来の全方向移動の他に、滑り を全 く伴わな

い自転運動も可能な移動辛が構成きれる。

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八一A

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国2 並列型転勤ユニットー 2 −固3は任意方向への移助に放ける接地している4つの球体の駆動過度ベクトルと従動過度ベクトル及び合成速度ベクトルを示したものである。

4つの球体の組合せの如何に拘らず合成迎皮パクトルは全ての接地点に於いて大きさも方向も同じになることが示きれる。＝従って、Ⅹ軸方向への鵬鋤迎腔とY軸方向へ甲舶鮎避止を制御することにより任意の方向に姿勢を一走にしたま ま移動させるこ とが出来る。

固3

移動車の並過過勤固4 は4つの船舶ユニットの舶軸柑の回転方向と回粧迎きを全て同 じに した岬の4カ所の接地点に於ける述虻ベクトルを示したものである。

4つの球体の組合せの如何に拘らず合成迎腔ベクトルは全ての接地点に於いて共通円の接線方向に同じ大き さにつ く られるこ とが示され、 0点まわり に任意の白眼迎動を実現でき る。

固4

移劫車の白眼過勤− 3・

4．全方向自在移動電動車（全方向移動車）の製仲

固5に就仲改良した全方向移動革の外観図を示す。今回は駆動電源、制御用のノート型パソコンの電源は家庭用100V交流電源から供給し、キーボード操作により搭乗運転で操縦できるものとした。また、重内案

験用と したので走行最高速度は、的 500 mm／sと設定し、出力20WのD Cサーボモータ（ハーモニックドライブ社RI卜14）4台による4転勤ユニット独立駆動車とした。球体は搭乗運転するため大型化し、直径120mm，平行中南開の傾が90mmの硬質ウレタンゴム製のものとした。ボデー部は4組の転勤ユニット取り付けフ レーム部と、学校用机、椅子を搭載した搭乗フ レーム部の二重柔横道にし、アクティブなサスペンションを設けなとてもシンプルで十分な接地性が得られるように配慮した。また、制御機牌等は、全て床下に収納し、コンパクトで安定感のある構造となった。

固5

全方向移動車の外観図− 4 −5．全方向移動革の制御
4つの転勤ユニットの駆動モータにはエンコーダがついており、それぞれの正転、運乾に8ビットを割付け、．パラレル出力（プリンタの出力ポートを利用した）による同時4軸制御を行った。また∴急報逝・急停止を避けるために適度な加速・減速ループも組み込んだ。任意方向の移助では補間計算が必要となるが、今回は事前に計算しから転送して迎転する方式を採用した。作成したプロ

たデー・タをメモリグラムを起動し、移動方向と移動速度及び移動鮎離を入力することにより、 4軸のモー タのパルス配分とパルス間隔および総パルス歎が制御きれ所望の迎軸が乗現される。

6．全方向移動車の性能試験武伸した移動車の過勤の特性を調査するため、簡易なべン番き装置を取り付け、走行速度、範勤ユニットの初期位相、方向特性などをパラメータとして種々の性能試験を行った。速度性能車こ関しては、高速（300mm／s）、中速（150 几m／s）、低速（20 m爪／s）の3欄餌で実験を行ったが、高速なほど滑ちかな走行する傾向がみられたが、サーボモータを使用したことにより低速でも十分な直地位が得られた．以下（1）から（3）は中速の場合で1．5mの直線走行の結果を示す。
（1）片軸単独郎＝助■による走行
一方の軸の範動ユニットをサーボロックした状態で他方の軸の転軸ユニットを駆動きせた場合で牡動輪となるユニットの初期位相によ り直進性が左右されることが判明した。往復試験による始点と終点の偏位は、3〜16mmとばらつきがあり、 8が4 5度付近では隣接する両輪でガイドきれて進行方向が曲がってしま う ときがあった。

〔2）両軸同速度駆助による走行
両軸の枢軸ユニットを同連盟で朗勤した場合で、牲塩就故による始点と終点の偏位は0〟3mmと初期位相の如何に拘らず極めて良好な直進性が得られた。これは両軸のユニットが常時回転しているために各々の持つ種々の過勤誤差要因が相殺きれるためと考えられる。▼（3）補間計算による斜め走行
Ⅹ軸方向に能動する転勤ユニット とY方向に郎＝勒する鞋＝勤ユニットの速度比を腑整することにより任意方向の走行が行える。全方向を 3 2分割し、それぞれの軌跡を観察したが速度比が1に近い方向程、良好な傾向を示した。

− 5 −走行軌跡の一例として一辺の長さが2aOmmのダイヤモンドパターン（11スター）を固6に示す。

固6

斜め走行軌跡の一例（4）近似円連動
正多角形運動のプログラムを作成し128角形による近似円運動をさせた
結果を固7に示す。直径280mmのかなりスムーズな円形らしい運動が実現出来、始点と終点の偏位は2mm程度であった。

国7 円運動の近似例〔5）自転運動

4つの転勤ユニットの塵勒軸を全て同一方向に回し自転連動による直径875mmの円を措かせた。正回転と逆回転の往復での始点と終点の偏位はわずかに3mm程度と良好な自転性能を示した。
・6・

7．むすぴ

今回試作改良した並列型駐動ユニットによる8球式全方向自在移動砥
l 軸車は、サーボモータ舶動による4ユニット同時制御による走行実験をした結果、姿勢を一定にしたまま進ちに全方向に移動できる機能と自転過勤によりスムースに姿勢変換できる機能とを合わせ持った機動性の僅れた移動車であることを稚舐することができた．

今後は、各種センサを装備し、走行時に放けるリ アルタイムな外部情報をフ ィ ードバック し知能化きれた走行ロボットにすることによ り応用が広がるものと考えられ右。
本研究は、 平成7年度の卒業研究の一環と及び実顔に閲し、菊池相也君（岩手東芝エレ君（三光化成）、武田竹志君（みちのく コカコーラポトリ ング）、 B．

T．イスカンダール君（マレーシア）に協力いただいた。妃して謝意をして、全方向移動車の改良クトロニクス）、佐藤悦史表します．
春考文献

1） 佐藤高志：日本機械学会東北支部八戸地方辞演台 講演論文集（平2−8）「全方向自在移動偲助車の閑雅」
2） 中野栄ニ：ロボテイクス・メカトロニクス講演会，89

日木機

械学会（平ト6）「移動ロボットの機構技術の動向」

3） 佐藤高志・小川恒夫（指導教官 江村超）：「倒立掘手の姿勢制御に用いる平面移劉‖艶柄に関する研死」

東北大学工学部精密工学科卒胎（昭48・3）

4）

江村 超：宮城針川l（ⅣⅠⅠⅡ仙台T V）1975−11 放映

5） 佐藤高志：八戸高耳紀要辞21号（昭6ト12）「全方向自在移動台車の制御と応用」

6） 佐藤高志：計測自動制御学会東北支部辞105回 研死集会袈料
（昭62−5）資料番号105−7 「全方向自在移動台堆の．制御と応用」

7） 佐藤高志：ロボテイクス・メカトロニケス肺演台，89 日本機

械学会 （平1−6）「全方向自在移動台車の試作J− 7 −