全向移动装置及其姿态控制方法与流程
本发明涉及全移动装置及其姿态控制方法。
背景技术：
日本专利第3070015号公报公开了全向移动装置(全向移动车辆)。在这种全向移动装置中，由于单个球体(旋转体)自由旋转地安装在框架上，因此框架在静力学上是不稳定的。在全向移动装置中，由于使球体旋转行驶，并且稳定地保持框架在行驶中的姿态，从而使框架在动力学上稳定化。
然而，在上述全向移动装置中，球体与行驶道路(地面)的接触是点接触。也就是说，球体与行驶道路之间的接触面积较小，球体在行驶期间不能获取足够的抓地力。
此外，在上述全向移动装置中，球体在行驶时在行驶道路上滚动。行驶道路上的灰尘或液体会附着在球体表面上，如果球体由于灰尘或液体而相对于行驶道路发生滑动，则球体在行驶时将无法获取足够的抓地力。因此，在提高所述全向移动装置的推进力方面存在着改善的空间。
另外，在所述全向移动装置中，由于球体以一点接触行驶道路，因此相比于多个车轮与行驶道路接触的情况，在高高低低或不平整地面上行驶时，振动直接传递到框架。因此，在包括所述全向移动装置的乘坐舒适性在内的行驶时的静音性方面，存在着改善的空间。
技术实现要素：
考虑到上述问题，本发明提供能够使在静力学上不稳定的车身在动力学上稳定化、并能提高推进力而且在静音性方面得到改善的全向移动装置及其姿态控制方法。
为了解决上述问题，本发明的第一实施方式的全向移动装置包括：底盘，配设有能够在所有方向上移动的多个车轮；车身，配设于底盘上；万向接头，连结底盘和车身，使得车身相对于底盘的姿态能够改变；以及姿态稳定系统，使底盘向车身的姿态改变的方向移动，并且稳定地保持车身的姿态。
第一实施方式的全向移动装置包括底盘和配设于底盘上的车身。底盘配设有车轮，车轮能够向所有方向移动。
其中，上述全向移动装置包括万向接头和姿态稳定系统，并且在底盘配设有多个车轮。万向接头连结底盘和车身，使得能够改变车身相对于底盘的姿态。
当配设有多个车轮时，所有这些车轮都接地至行驶道路。因此，底盘的姿态根据行驶道路的路面的倾斜而变化。与此相对，由于车身通过万向接头连结至底盘，因此车身的姿态不与底盘的姿态联动。也就是说，车身由于仅通过万向接头连结至底盘，因此相对于底盘在静力学上是不稳定的。
姿态稳定系统使底盘向车身的姿态改变的方向移动，并稳定地保持车身的姿态。也就是说，由于具备姿态稳定系统，因此在底盘移动时稳定地保持车身的姿态，并且使车身在动力学上稳定化。
此外，由于所配设的多个车轮与行驶道路的接地点为多处，所以车轮与行驶道路的接地面积增加，并且车轮在移动时可以获取足够的抓地力。由于可以获取足够的抓地力，所以即使行驶道路上的灰尘或液体附着在车轮表面，车轮相对于行驶道路打滑也变少。
并且，由于多个车轮与行驶道路接地，因此相比于单个球体接地至行驶道路的情况，在高高低低或不平整的地面上移动时，传递至底盘和车身的振动变小。
在本发明第二实施方式的全向移动装置中，在第一实施方式的全向移动装置中，万向接头的运动副为2。
根据第二实施方式的全向移动装置，由于万向接头的运动副为2，所以车身相对于底盘具有两个方向的自由度，并且能够使车身的姿态在这两个方向上变化。例如，假设设定两个自由度，即将三维坐标的y轴方向作为第一旋转轴而绕第一旋转轴转动的自由度和将x轴方向作为第二旋转轴而绕第二旋转轴转动的自由度，可以在两个自由度的范围使车身的姿态发生改变。其中，未设定以z轴方向为第三旋转轴的绕轴转动的自由度。因而，在使底盘旋转时，能够随着底盘的旋转而使车身旋转。
在本发明的第三实施方式的全向移动装置中，在第二实施方式的全向移动装置中，万向接头构成为包括：第一旋转轴，支撑于底盘上部，且以底盘的移动方向中的一个移动方向作为第一轴向；第二旋转轴，支撑于车身下部，且以底盘的移动方向中的另一个移动方向且与第一轴向相交的方向作为第二轴向；以及十字轴(spider)，能够以第一旋转轴为中心旋转，并且能够以第二旋转轴为中心旋转。
根据第三实施方式的全向移动装置，万向接头包括第一旋转轴、第二旋转轴以及十字轴。第一旋转轴支撑于底盘上部，并且将底盘的移动方向中的一个移动方向作为第一轴向。例如，在第二实施方式中例示的y轴方向被作为第一轴向。第二旋转轴支撑于车身下部，并且将底盘的移动方向中的另一个移动方向且与第一轴向相交的方向作为第二轴向。例如，在第二实施方式中例示的与y轴方向垂直的x轴方向被作为第二轴向。十字轴能够以第一旋转轴为中心旋转，并且能够以第二旋转轴为中心旋转。
因此，由于十字轴能够以第一旋转轴和第二旋转轴这两个旋转轴为中心旋转，所以能够容易地实现运动副为2的万向接头。
在本发明的第四实施方式的全向移动装置中，在第一实施方式至第三实施方式中的任何一个的全向移动装置中，姿态稳定系统包括驱动单元，该驱动单元具有：马达，配设于底盘上；减速器，配设于底盘上且使马达的旋转驱动力降低并将其传递至车轮；以及伺服放大器，连结至马达并驱动马达。
根据第四实施方式的全向移动装置，姿态稳定系统包括驱动单元。驱动单元构成为包括：马达、减速器和伺服放大器。马达配设于底盘上。减速器配设于底盘上，使马达的旋转驱动力降低并将其传递至车轮。伺服放大器配设于车身上，并连结至马达以驱动马达。由于包括构成为包含这些部件的驱动单元，因此在姿态稳定系统中，在底盘移动时能够稳定地保持车身的姿态，从而能够使车身在动力学上实现稳定。
在本发明的第五实施方式的全向移动装置中，在第一实施方式至第四实施方式的全向移动装置中，车轮是全向轮和麦克纳姆轮中的至少一种。
根据第五实施方式的全向移动装置，车轮是全向轮和麦克纳姆轮中的至少一种。全向轮通过将多个滚轮配设于驱动车轮的圆周上而构成，所述滚轮以圆周方向为轴向而自由旋转。另一方面，麦克纳姆轮通过将多个滚轮配设于驱动车轮的圆周上而构成，所述滚轮以相对于驱动车轮的旋转轴倾斜的方向为轴向而自由旋转。
因此，不管使用哪种车轮，除了因驱动车轮的旋转而引起的移动方向以外，还能够使底盘向因滚轮的旋转而引起的移动方向移动，从而能够实现可向平面上的所有方向移动的全向移动装置。
在本发明的第六实施方式的全向移动装置中，在第四实施方式的全向移动装置中，姿态稳定系统包括控制单元，该控制单元具有：角度检测部，获取马达的旋转角；姿态角度检测部，获取车身的姿态角以及车身角速度；以及运算处理部，基于角度检测部获取的旋转角、姿态角度检测部获取的姿态角和角速度，来运算稳定地保持姿态的车身的运动状态，并基于该运算结果控制伺服放大器。
根据第六实施方式的全向移动装置，姿态稳定系统包括控制单元，该控制单元具有角度检测部、姿态角度检测部和运算处理部。控制单元的角度检测部获取马达的旋转角。姿态角度检测部获取车身的姿态角和车身的角速度。运算处理部基于获取的旋转角、姿态角和角速度，来运算稳定地保持姿态的车身的运动状态。进而，在运算处理部中，基于运算结果来控制伺服放大器。因此，在姿态稳定系统中，在底盘移动时，能够稳定地保持车身的姿态，并且能够在动力学上使车身稳定。
在本发明的第七实施方式的全向移动装置中，在第一实施方式至第六实施方式中的任一个的全向移动装置中，在车轮和底盘之间还包括使从车轮传递到底盘的振动减少的缓冲装置。
根据第七实施方式的全向移动装置，在车轮与底盘之间设置有缓冲装置。因此，通过缓冲装置减少了在行驶道路上的移动过程中对应行驶道路的路面状态在车轮上产生的振动，从而能够使从车轮传递至底盘和车身的振动变小。
在本发明的第八实施方式的全向移动装置中，在第三实施方式的全向移动装置中，在第一旋转轴和第二旋转轴上安装有锁定装置，该锁定装置在底盘移动时可以改变车身的姿态，并且在停止底盘的移动时锁定车身的姿态。
根据第八实施方式的全向移动装置，在第一旋转轴和第二旋转轴上安装有锁定装置。该锁定装置在底盘移动时可以改变车身的姿态，并且在停止底盘的移动时锁定车身的姿态。另外，即使在底盘停止状态下，锁定装置也可以锁定车身的姿态。
因此，即使在停止了底盘移动的情况下，也能稳定地保持车身的姿态，因此，能够在乘降全向移动装置时或紧急情况下提高搭乘人员的安全性。
本发明第九实施方式的全向移动装置的姿态控制方法包括第六实施方式的全向移动装置的姿态稳定系统，并且执行：在该姿态稳定系统中获取马达的旋转角的步骤；获取车身的姿态角和车身的角速度的步骤；基于旋转角、姿态角和角速度，运算稳定地保持姿态的车身的运动状态的步骤；以及基于该运算结果，控制伺服放大器并且在稳定地保持姿态的状态下使底盘移动的步骤。
在第九实施方式的全向移动装置的姿态控制方法中，首先，获取马达的旋转角，并且获取车身的姿态角和车身的角速度。接下来，基于这些获取的旋转角、姿态角度和角速度，运算稳定地保持姿态的车身的运动状态。基于运算结果，在稳定地保持车身的姿态的状态下，底盘移动。因此，在姿态控制方法中，可以使全向移动装置的车身在动力学上稳定化地使底盘移动。
发明效果
根据本发明，可提供能够在动力学上使静力学上不稳定的车身稳定化、提高推进力并且改善静音性的全向移动装置及其姿态控制方法。
附图说明
图1是从正面右斜上方观察本发明第一实施方式的全向移动装置的外观立体图。
图2(a)是从上方观察图1所示的全向移动装置的俯视图，图2(b)是从正面观察同一全向移动装置的正视图，图2(c)是从侧面观察同一全向移动装置的侧视图。
图3(a)是从正面右斜上方观察图1所示的全向移动装置的底盘的外观立体图，图3(b)是从上方观察底盘的俯视图，图3(c)是从正面观察底盘的正视图，图3(d)是从侧面观察底盘的侧视图。
图4(a)是从正面斜上方观察图3所示的底盘的一个车轮和具有该车轮的驱动单元的外观立体图，图4(b)是从上方观察驱动单元的俯视图，图4(c)是从前方侧观察车轮和驱动单元的正视图，图4(d)是从侧面侧观察车轮和驱动单元的侧视图。
图5(a)是包括从上方观察图1所示的全向移动装置的万向接头和锁定装置的局部截面的主要部分放大俯视图，图5(b)是从侧面观察万向接头和锁定装置的主要部分放大侧视图。
图6是说明装入图1所示的全向移动装置中的姿态稳定系统的框图。
图7(a)是在三维坐标系中将第一实施方式的全向移动装置模型化并示出的简要立体图，图7(b)是将第一实施方式的全向移动装置的底盘和车轮模型化并示出的简要俯视图。
图8是说明图6所示的姿态稳定系统的算法的框图。
图9是说明图6所示的姿态稳定系统的姿态控制方法的流程图。
图10是从正面右斜上方观察本发明第二实施方式的全向移动装置的外观立体图。
图11(a)是从上方观察图10所示的全向移动装置的俯视图，图11(b)是从后方观察同一全向移动装置的后视图，图11(c)是从侧面观察同一全向移动装置的侧视图。
图12(a)是从后面左斜上方观察图10所示的全向移动装置的底盘的外观立体图，图12(b)是从上方观察底盘的俯视图，图12(c)是从正面观察底盘的正视图，图12(d)是从侧面观察底盘的侧视图。
图13(a)是从正面右斜上方观察图12所示的底盘的一个车轮和具有该车轮的驱动单元的外观立体图，图13(b)是从上方观察车轮和驱动单元的俯视图，图13(c)是从正面观察车轮和驱动单元的正视图，图13(d)是从侧面观察车轮和驱动单元的侧视图。
图14(a)是在三维坐标系中将第二实施方式的全向移动装置模型化并示出的简要立体图，图14(b)是将第二实施方式的全向移动装置的底盘和车轮模型化并示出的简要俯视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
在下文中，将利用图1至图9说明本发明的第一实施方式中的全向移动装置及其姿态控制方法。
值得注意的是，在附图中，适当地示出的箭头x方向表示全向移动装置(车辆)的车辆前方，箭头y方向表示与箭头x方向垂直的全向移动装置的车辆宽度方向。即，箭头x方向和箭头y方向与表示三维坐标的水平面的x轴方向和y轴方向一致。此外，箭头z方向在与箭头x方向和箭头y方向垂直的方向上表示车辆的上方。箭头z方向与表示三维坐标的垂直方向的z轴方向一致。
这里，全向移动装置的应用方向不限于该实施方式。
[全向移动装置的结构]
如图1和图2(a)至图2(c)所示，本实施方式的全向移动装置1包括：底盘2，可向所有方向移动；车身3，配设于底盘2上；以及姿态稳定系统4，使底盘2移动并且稳定地保持车身3的姿态。此外，全向移动装置1构成为包括连结底盘2和车身3的万向接头5。其中，“所有方向”包含旋转在内，在平面上的前后左右、斜方向的全部方向的意义上使用。
(1)底盘2的结构
如图1和图2(a)至图2(c)，特别是图3(a)至图3(d)所示，底盘2包括底盘主体21。该底盘主体21构成为包括底板部211、顶板部212和侧板部213。
底板部211使用以车辆上下方向为厚度方向的板材形成，俯视下形成为在车辆前后方向及车辆左右宽度方向突出的十字形状。
顶板部212配设于底板部211上方并且与底板部211隔开。与底板部211相同，顶板部212使用以车辆上下方向为板厚方向的板材形成，由俯视下为十字形状的板材形成。
侧板部213设置于底板部211与顶板部212之间。该侧板部213使用以平面方向为板厚方向的板材，通过使垂直于板厚方向的两片板材相连而形成，形成为在俯视下向周边侧开口的v字形状。将这两片板材相连而形成的v字形状的侧板部213配置于俯视下向底板部211及顶板部212的十字形状突出的部位，这里配置于四处。值得注意的是，v字形状的侧板部213也可通过弯折一片板材而形成。
底板部211、顶板部212和侧板部213在此由具有足够机械强度的金属材料或树脂材料形成。例如，使用选自铁、包括不锈钢的铁合金以及铝合金中的至少一种作为金属材料。使用选自碳纤维增强塑料(cfrp：carbonfiberreinforcedplastic)和玻璃纤维增强塑料(gfrp：glassfiberreinforcedplastic)中的至少一种作为树脂材料。
在相邻的v字形状的侧板部213之间，在底盘主体21中配设有用于构建姿态稳定系统4的驱动单元22。更具体地，在底板部211和顶板部212的十字形状的向车辆前方侧突出的部位与由搭乘全向移动装置1的搭乘人员观察时向车辆宽度方向右侧突出的部位之间，配设有驱动单元22a。同样，在底板部211和顶板部212的十字形状的向车辆后方侧突出的部位与向车辆宽度方向右侧突出的部位之间，配设有驱动单元22b。在底板部211和顶板部212的十字形状的向车辆后方侧突出的部位与向车辆宽度方向左侧突出的部位之间，配设有驱动单元22c。并且，在底板部211和顶板部212的十字形状的向车辆前方侧突出的部位与向车辆宽度方向左侧突出的部位之间，配设有驱动单元22d。
即，驱动单元22包括驱动单元22a至驱动单元22d总共四个驱动单元。驱动单元22包括两个以上驱动单元为基本结构，但是在本实施方式中，包括三个以上驱动单元，并且确保了底盘2相对于行驶道路的静力学上的稳定性。
特别地，如图4(a)至图4(d)所示，驱动单元22的驱动单元22a包括驱动单元框体221，并且构成为包括马达26、减速器24以及图1至图2所示的伺服放大器28。
驱动单元框体221包括前壁221a、后壁221b、配置为左右一对的侧壁221c和侧壁221d以及顶壁221e，底面的一部分(配设后述车轮23的部分)形成为开放的箱状。前壁221a配置于底盘的外侧，后壁221b相比于前壁221a配置于底盘的内侧。侧壁221c和侧壁221d在前壁221a和后壁221b之间配置为彼此隔开。顶壁221e配置于前壁221a、后壁221b、侧壁221c和侧壁221d中的每一个的上部。
马达26是电动马达，并且安装在驱动单元框体221的后壁221b上。该马达26的驱动旋转轴(未图示)连结至配设于驱动单元框体221内部的减速器24(未图示)的减速旋转轴241的一端(未图示)。减速旋转轴241的另一端以旋转轴a(参见图4(a)、4(b)和4(d))为中心旋转自由地支撑于驱动单元框体221的前壁221a。
减速旋转轴241上配设有能够使底盘2向所有方向移动的车轮23。如图4(d)所示，车轮23包括：第一全向轮231，安装在减速旋转轴241的底盘外侧；以及第二全向轮232，安装在减速旋转轴241的底盘内侧。即，第一全向轮231和第二全向轮232沿减速旋转轴241的旋转轴a方向以二者连续结构安装在该减速旋转轴241上。
如图4(c)所示，第一全向轮231构成为在固定于减速旋转轴241的圆板状的驱动车轮231a的圆周上配设有多个以圆周方向作为旋转轴b方向而自由旋转的桶状的滚轮231b。旋转轴b在异面位置处与旋转轴a垂直。滚轮231b在驱动车轮231a的圆周上按等间隔的排列间距排列，此处排列有五个。
另一方面，如图4(d)所示，与第一全向轮231相同，第二全向轮232构成为在固定于减速旋转轴241的圆板状的驱动车轮232a的圆周上配设有多个以圆周方向作为旋转轴方向而自由旋转的桶状的滚轮232b。滚轮232b以等间隔的排列间距与滚轮231b相同数量地排列在驱动车轮232a的圆周上，相对于滚轮231b的排列间距错开半个间距量排列。
如图3(a)、图3(c)、图3(d)以及图4(a)至图4(d)所示，驱动单元22a经由缓冲装置27配设于底盘主体21上。缓冲装置27使从行驶道路经由车轮23传递到底盘2的振动衰减并减小。更具体地，尽管在个数上没有限定，但是如图4(a)至图4(d)所示，缓冲装置27构成为包括配设于驱动单元框体221的侧壁221c的第一缓冲单元271和第二缓冲单元272，以及配设于侧壁221d的第三缓冲单元273和第四缓冲单元274总共4个缓冲单元。
第一缓冲单元271配设于侧壁221c的下部，并且包括第一支撑部27a、第二支撑部27b、连结部27c和未图示的缓冲材料。
第一支撑部27a支撑于侧壁221c并且从该侧壁221c向外侧直立设置。第二支撑部27b支撑于图3(a)至图3(d)所示的底盘主体21的侧板部213的下部，从该侧板部213向外侧直立设置，并且与第一支撑部27a平行配置。连结部27c形成为围绕第一支撑部27a和第二支撑部27b的环状，并且构成为在连结第一支撑部27a和第二支撑部27b的同时，以第一支撑部27a和第二支撑部27b各自为中心旋转。缓冲材料例如使用橡胶弹簧。
该缓冲材料插入到第一支撑部27a和连结部27c之间以及第二支撑部27b和连结部27c之间，并且相对于第一支撑部27a和第二支撑部27b的每一个可旋转地支撑连结部27c。此外，缓冲材料能够使从第一支撑部27a传递至连结部27c的振动衰减，并且能够使从连结部27c传递至第二支撑部27b的振动衰减。
第二缓冲单元272在侧壁221c的上部与第一缓冲单元271平行地配设于第一缓冲单元271的上方。第二缓冲单元272具有与第一缓冲单元271相同的结构，并且包括第一支撑部27a、第二支撑部27b、连结部27c以及缓冲材料。
第三缓冲单元273和第四缓冲单元274配设于驱动单元框体221的侧壁221d和底盘主体21的侧板部213之间，并且具有与第一缓冲单元271和第二缓冲单元272相同的结构。
并且，图3(a)至图3(d)所示的驱动单元22的驱动单元22b至驱动单元22d具有与驱动单元22a相同的结构。如图3(a)和3(b)所示，驱动单元22a和驱动单元22c的排列方向设定为相对于底盘主体21的底板部211和顶板部212向车辆前后方向突出的方向(箭头x方向)，在俯视下顺时针倾斜45度。驱动单元22d和驱动单元22b的排列方向设定为相对于相同方向逆时针倾斜45度。
值得注意的是，驱动单元22a至驱动单元22d的排列方向不限于本实施方式。例如，也可以将驱动单元22a和驱动单元22c的排列方向设定为相对于上述相同方向顺时针倾斜30度或60度，并将驱动单元22d和驱动单元22b的排列方向设定为逆时针倾斜30度或60度。
(2)车身3的结构
回到图1和图2(a)至图2(c)，车身3构成为包括车身主体31、手柄32和搁脚部33。车身主体31配设于底盘2上。车身主体31形成为在俯视下覆盖底盘2的大致矩形形状。车身主体31在车辆上下方向上的外径尺寸设定为等于或大于底盘2在相同方向上的外径尺寸。
在车身主体31的车辆前端部的中央配设有向上方直立设置的手柄支撑件321，手柄32安装在手柄支撑件321的上端部。手柄32形成为朝向车辆宽度方向外侧左右各自突出的棒状，并且搭乘人员抓住手柄32，在站立状态下使全向移动装置1行驶。手柄32在此为不绕垂直轴(z轴)旋转的固定形式。
尽管未图示，在手柄32的周围安装有启动和停止全向移动装置1的行驶的启动开关和制动全向移动装置1的行驶中的速度的制动器等。此外，作为安全部件，可以将灯、前转向灯等安装于手柄32或手柄支撑件321。此外，可以将作为安全部件的后转向灯、制动灯等安装在车身主体31的车辆后端部的适当位置处。
值得注意的是，与底盘主体21的底板部211等相同，车身主体31由金属材料或树脂材料形成。
搁脚部33在车身主体31的车辆前后方向中间部，在车辆宽度方向外侧配设为左右一对。搁脚部33包括在车辆前后方向和车辆宽度方向上扩大的平坦部位，并且用作放置搭乘人员的右脚和左脚的部位。
在车身主体31的前端部，在比手柄支撑件321更靠车辆宽度方向外侧上安装有左右一对车身盖34。在该车身盖34的内部收纳有构建上述驱动单元22的伺服放大器28。
另外，在车身主体31的从车辆前后方向中间部一直到后端部，在夹在一对搁脚部33之间的部位安装有车身盖35。在该车身盖35的内部收纳有姿态稳定系统4的控制单元40的一部分(参见图6)。
值得注意的是，包括搁脚部33在内，车身盖34和车身盖35由与用于底盘主体21的底板部211等的树脂材料相同的树脂材料形成。通过使用树脂材料，可以容易地形成复杂的形状。
(3)万向接头5的结构
如图2(b)、图2(c)、图3(a)至图3(d)、图5(a)和图5(b)、特别是图5(a)和图5(b)所示，万向接头5构成为包括第一旋转轴51、第二旋转轴52和十字轴55。
十字轴55形成为以车辆上下方向为轴向的中空方管形状，并且包括与车辆前后方向相对的外周面55a和外周面55b以及与车辆宽度方向左右相对的外周面55c和外周面55d，并且在俯视下形成为矩形的端面形状。实际上，在邻接的外周面55a与外周面55c之间等，对外周面之间实施了倒角处理，因而十字轴55的端面形状形成为八边形。
第一旋转轴51构成为以底盘2的移动方向中的一个(此处以车辆宽度方向)为第一轴向y，并且在车身主体31的车辆前后方向的中间下部，沿第一轴向y彼此隔开地设置为一对。一对中的一个第一旋转轴51形成为在十字轴55的外周面55c上从该外周面55c向车辆宽度方向的右侧突出。另一个第一旋转轴51形成为在外周面55d上从外周面55d向车辆宽度方向的左侧突出。与一个第一旋转轴51相比，另一个第一旋转轴51在第一轴向y上的长度设定较长。第一旋转轴51固定至十字轴55，并且与十字轴55一体形成或者接合至十字轴55。
该一对第一旋转轴51经由在第一轴向y上彼此隔开的一对第一支撑部53支撑于车身主体31的车辆前后方向的中间部。
更具体地，一个第一旋转轴51配置于十字轴55的车辆宽度方向右侧，并且嵌入到轴承53a中，该轴承53a固定到与外周面55c相对配置的一对第一支撑部53中的一个。另一个第一旋转轴51配置于十字轴55的车辆宽度方向的左侧，并且嵌入到轴承53b中，该轴承53b固定到与外周面55d相对配设的另一个第一支撑部53。
第二旋转轴52构成为以作为底盘2的移动方向中的另一个且与第一轴向y相交(此处为垂直)的车辆前后方向为第二轴向x，并且在底盘2的顶板部212的中央上部，沿第二轴向x彼此隔开地设置为一对。在本实施方式中，第二轴向x设定在与第一轴向y相同的平面上。一对第二旋转轴52中的一个第二旋转轴52形成为在十字轴55的外周面55a上从该外周面55a向车辆前方侧突出。另一个第二旋转轴52形成为在外周面55b上从该外周面55b向车辆后方侧突出。与一个第二旋转轴52相比，另一个第二旋转轴52在第二轴向x上的长度设定为较长。与第一旋转轴51相同，第二旋转轴52固定至十字轴55。
该一对第二旋转轴52经由在第二旋转轴x上相互隔开的一对第二支撑部54支撑于顶板部212的中央部位。
更具体地，一个第二旋转轴52配置于十字轴55的车辆前方侧，并且嵌入到轴承54a中，该轴承54a固定到与外周面55a相对配置的一对第一支撑部54中的一个第一支撑部54。另一个第二旋转轴52配置于十字轴55的车辆后方侧，并且嵌入到轴承54b中，该轴承54b固定到与外周面55b相对配置的另一个第二支撑部54。
如此构成的万向接头5能够以第一旋转轴51为中心使车身3相对于底盘2旋转(转动)，并且能够以第二旋转轴52为中心使车身3相对于底盘2旋转(转动)。因此，万向接头5的运动副为2。
万向接头5的第一旋转轴51、第二旋转轴52和十字轴55每一个都由高机械强度的例如金属材料形成。
另外，在本实施方式中，虽然万向接头5的第一旋转轴51和第二旋转轴52设定在相同平面上，但第一旋转轴51也可以配置于比第二旋转轴52更靠车辆下方侧而使第一旋转轴51和第二旋转轴52处于异面的位置。
(4)锁定装置7的结构
如图5(a)和图5(b)所示，锁定装置7构成为包括：第一锁定装置71，安装于万向接头5的第一旋转轴51；以及第二锁定装置72，安装于第二旋转轴52。并且，锁定装置7包括操作第一锁定装置71和第二锁定装置72的锁定操作部73。
第一锁定装置71构成为包括凸缘接头711、制动板(盘)712和制动钳713。
凸缘接头711构成为固定至相比于另一个第一旋转轴51的第一支撑部53更向车辆宽度方向的左侧突出的端部，并且连结制动板712。对于连结，使用螺栓螺母等紧固部件。
制动板712从与凸缘接头711的连结部位朝向车辆后方侧延伸设置，以车辆宽度方向为板厚方向，并且在车辆的侧视中由扇形(参见图5(b)所示的制动板722)的金属制板材形成。第一旋转轴51的旋转范围被限制在例如最大30度以内的角度范围。因此，制动板712不是圆形的，而是具有在以第一旋转轴51为中心从与第一旋转轴51的旋转范围相同的角度到两倍角度的范围内进行扩大的扇形。
制动钳713构成为经由制动垫714从两侧夹住制动板712的延伸设置的部位。也就是说，制动钳713夹住制动板712，并在制动板712和制动垫714之间产生摩擦，以锁定制动板712绕第一旋转轴51的旋转。制动钳713经由支架715安装在车身主体31上。使用螺栓螺母等紧固部件进行安装。
第二锁定装置72具有与第一锁定装置71相同的结构，并且构成为包括凸缘接头721、制动板722和制动钳723。
凸缘接头721构成为固定到较另一个第二旋转轴52的第二支撑部54更向车辆后方侧突出的端部并且连结制动板722。
制动板722从与凸缘接头721的连结部位向车辆宽度方向的右侧延伸设置，以车辆前后方向为板厚方向，在车辆的后视中，与制动板712相同，由扇形的金属制板材形成。
制动钳723构成为经由制动垫724从两侧夹住制动板722的延伸设置的部位。换句话说，制动钳723夹住制动板722，并在制动板722和制动垫724之间产生摩擦，以锁定制动板722绕第二旋转轴52的旋转。制动钳723经由支架725安装于顶板部212。
锁定操作部73在图5(a)中被示为简化框，但在本实施方式中，其构成为液压锁定操作部或者机械锁定操作部。
尽管未图示，但液压锁定操作部构成为包括制动杆、主缸以及连结主缸与制动钳713和制动钳723之间的制动软管。制动杆和主缸安装在图1所示的手柄32上。当搭乘人员抓住制动杆时，主缸中的制动液被加压，并且制动液通过制动软管对制动钳713和制动钳723的各自内部的活塞加压。其结果，制动垫714被压靠在制动板712上，并且在两者之间产生摩擦。同样，制动垫724被压靠在制动板722上，并且两者之间产生摩擦。
在机械锁定操作部中，在从液压锁定操作部的制动杆到制动垫的力的传递上，使用了金属线和杠杆的原理。
另外，如图5(a)及图6所示，锁定操作部73连接至运算处理部43，该运算处理部构建后述的姿态稳定系统4。锁定操作部73构成为在停止底盘2的移动时将表示锁定操作的信号输出到运算处理部43。即，锁定装置7构成为可以在底盘2移动时改变车身3的姿态，在停止底盘2的移动时锁定车身3的姿态，并且经由运算处理部43使底盘2的移动停止。
并且，构成为在底盘2处于停止状态时将表示锁定操作的信号从运算处理部43输出到锁定操作部73。由此，在底盘2处于停止状态时，锁定装置7能够锁定车身3的姿态。
值得注意的是，锁定操作部73可以用图1所示的安装在搁脚部33上的脚制动方式替代制动杆方式。另外，锁定操作部73可以是使用电磁体使制动垫714和制动垫724移动的电磁锁定操作部。
并且，锁定装置7的第一锁定装置71也可以成对地分别安装在第一旋转轴51的两个端部，同样，第二锁定装置成对地分别安装在第二旋转轴52的两个端部。在这种情况下，可以提高锁定车身3的姿态的制动力。
(5)姿态稳定系统的结构
姿态稳定系统4构成为包括图1至图4所示的驱动单元22和图6所示的控制单元40。控制单元40构成为包括角度检测部、姿态角度检测部42和运算处理部43。控制单元40还包括数模转换器(d/a转换器)44。控制单元40的大多数构成元件安装在图1和图2(a)至图2(c)所示的车身主体31上并且收纳在车身盖35的内部。
此外，姿态稳定系统4包括操作显示部41和电源46。
姿态稳定系统4能够在稳定地保持车身3的姿态的状态下使底盘2行驶。
更具体地，虽然角度检测部未付与附图标记，但是如图6所示，角度检测部构成为包括：安装在马达26上的传感器、伺服马达28和脉冲计数器45。在传感器上使用了检测马达26的旋转轴的旋转速度和位置的编码器(encoder)或者检测旋转轴的旋转角度的解析器(resolver)。伺服马达28放大从传感器输出的信号，并将其输出到脉冲计数器45。脉冲计数器45对旋转轴的每单位时间的旋转数进行计数以生成旋转角信息，并将该旋转角信息输出至运算处理部43。
图6所示的姿态角度检测部42安装在车身主体31上。例如，在姿态角度检测部42上使用了例如惯性测量装置(imu：inertialmeasurementunit)。姿态角度检测部42检测车身3的姿态角以获取姿态角信息，并且进一步对随着绕车身3的各轴的姿态角的变化而变化的角速度进行检测，以获取角加速度信息。
其中，通过姿态角度检测部42获取姿态角信息和角速度信息，所述姿态角信息和角速度信息分别基于以万向接头5的第一旋转轴51为中心旋转的车身3的姿态角和角速度以及以第二旋转轴52为中心旋转的车身3的姿态角和角速度。
运算处理部43对稳定地保持车身3相对于底盘2的姿态的车身3的运动状态进行运算，并基于该运算结果经由伺服放大器28控制车轮23的旋转，产生稳定地保持车身3的姿态并使底盘2行驶的扭矩指令信息。该扭矩指令信息被输出到数模转换器44。在运算处理部43上使用了例如符合mini-itx规格标准的内置个人计算机。稍后将描述详细的控制方法。
数模转换器44获取扭矩指令信息。数模转换器44将扭矩指令信息从数字信息转换为模拟信息。转换为该模拟信息的扭矩指令信息被输出到伺服放大器28，伺服放大器28基于扭矩指令信息控制马达26的旋转。此外，运算处理部43将序列指令信息输出到伺服放大器28。
操作显示单元41执行用于启动和结束姿态稳定系统4的操作、显示姿态稳定系统4的操作状态等。
并且，姿态稳定系统4安装有可自由搭载的电源46。电源46采用二次电池，具体而言，采用蓄电池。此外，电源46构成为包括向控制系统供电的二次电池和向动力系统供电的二次电池。更具体地，控制系统包括姿态角度检测部42、操作显示部41、运算处理部43、数模转换器44和脉冲计数器45。另一方面，动力系统包括伺服放大器28和马达26。电源46收纳在车身盖35的内部。
[全向移动装置的姿态控制方法]
上述全向移动装置1的姿态控制方法如下。其中，图7(a)是在三维坐标系中将第一实施方式的全向移动装置1模型化并示出的简要立体图，图7(b)将全向移动装置1的底盘2和车轮(全向轮)23模型化并示出的简要俯视图。图8是说明实现姿态控制方法的算法的框图。图9是说明姿态控制方法的流程图。另外，在姿态控制方法的说明中，适当地参考了图1至图6。
(1)全向移动装置1的底盘2的运动学
首先，将利用图7(a)对图1至图6所示的全向移动装置1的底盘2和车身3的运动学进行说明。其中，三维坐标由x轴x0、y轴y0和z轴z0表示。
在全向移动装置1中，将底盘2的车辆前后方向的轴定义为xc轴，将底盘2的车辆宽度方向的轴定义为yc轴，将通过万向接头5的中心的底盘2的上下方向的轴定义为zc轴。
安装在底盘2上的万向接头5位置处的速度矢量vc由下述式(1)表示。
[数1]
vc＝[vx，vy，0]t…(1)
底盘2的角速度矢量ωc由下述式(2)表示。
[数2]
wc＝[0，0，wz]t…(2)
以底盘2的中心2c为起点的第k个车轮23的中心位置矢量pk由下述式(3)表示。其中，在本实施方式中，由于包括四个驱动单元22a至22d并且包括四个车轮23，所以k为1、......、4。对于车轮23，将图4(d)所示的第一全向轮231和第二全向轮232视为一个全向轮。
[数3]
pk＝[pkx，pky，0]t…(3)
第k个车轮23的角速度矢量记为ωk，角速度矢量ωk设为角速度矢量ωk大小(|ωk|)。
以车轮23的中心为起点的车轮23的接地点的位置矢量由下述式(4)表示。rw是车轮23的半径。
[数4]
rw＝[0，0，-rw]t…(4)
与以第k个车轮23的接地点为起点的滚轮231b或滚轮232b(下文中简称为“滚轮23b”)的旋转轴b平行的单位矢量(全向轮正切矢量)tk由下述式(5)表示。
[数5]
tk＝[tkx，tky，0]t…(5)
根据以上定义，第k个车轮23的接地点的速度vk由下述式(6)表示。其中，在下述式(6)中，符号“x”表示矢量乘积。
[数6]
vk＝vc+wc×pk+wk×rw…(6)
假设第k个车轮23的滚轮23b在接地点处接地并且滚轮23b不在轴向上滑动，则在速度vk与单位矢量tk之间存在下述式(7)的关系。其中，在下述式(7)中，符号“·”表示标量乘积。
[数7]
vk·tk＝0…(7)
将上述数(6)代入数(7)，角速度矢量ωc、位置矢量pk、角速度矢量ωk和单位矢量tk垂直于z轴z0，角速度矢量ωc和半径rw平行于z轴z0。此外，并且当角速度矢量ωk和单位矢量tk垂直时，得到下述式(8)。
[数8]
tkxvx+tkyvy+(pkxtky-pkytkx)wz＝-rwwk…(8)
当k为1、......、4并且将上述式(8)概括起来表示时，得到下述式(9)。
[数9]
特别地，在位置矢量pk和单位矢量tk垂直的情况下(当位置矢量pk和角速度矢量ωk平行的情况下)，上述式(9)由下述式(10)表示。
[数10]
底盘2的广义速度矢量、将车轮23的角速度概括的矢量ωw和速度传递矩阵t分别由下述式(11)至下述式(13)定义。
[数11]
广义速度矢量
[数12]
矢量
[数13]
速度传递矩阵
根据以上定义，车轮23的角速度ωw与底盘2的广义速度矢量之间的关系由下述式(14)表示。其中，广义速度矢量是底盘2的广义坐标qc的时间微分。
[数14]
上述式(14)是广义速度矢量的超定系统，使用速度传递矩阵t的广义逆矩阵，由下述式(15)给出广义速度矢量的最小二乘解。
[数15]
tt表示速度传递矩阵t的转置矩阵。如果车轮23的配置合适，则存在ttt的逆矩阵。
基于虚拟功的原理，概括车轮23的扭矩的矢量τw和底盘2的由下述式(16)表示的广义力矢量满足下述式(17)的关系。
[数16]
qc＝[fx，fy，τz]t…(16)
[数17]
qc＝ttτw…(17)
其中，单位矢量fx是底盘2在xc轴方向上的推进力，fy是底盘2在yc轴方向上的推进力，τz是绕底盘2的zc轴的旋转扭矩。
上述式(17)是矢量τw的欠定系统，使用tt的广义逆矩阵，由下述式(18)给出矢量τw的最小范数解。
[数18]
τw＝t(ttt)-1qc…(18)
例如，如图7(b)所示，在从底盘2的中心2c到各车轮23的距离p都相等的情况下，并且在各车轮23相互以90度的等间隔排列的情况下，上述式(13)中记述的速度传递矩阵t的每个矩阵分量具有由下述式(19)所表示的值。
[数19]
当将该值代入上述式(13)时，如下述式(20)所示，能够算出速度传递矩阵t。
[数20]
(2)全向移动装置1的车身3的运动学
在全向移动装置1中，将车身3的车辆前后方向的轴定义为xb轴，将车身3的车辆宽度方向的轴定义为yb轴，并将车身3的上下方向的轴定义为zb轴。
车身3经由万向接头5与在x0轴-y0轴的水平面内移动(行驶)的全向移动装置1的底盘2连结。通过万向接头5，车身3构成为绕y轴(第一轴向y)和x轴(第二轴向x)相对于底盘2自由旋转和倾斜。另外，车身3构成为随着底盘2的转动而绕z轴转动。
车身3的姿态矩阵rb使用与这三个轴相关的姿态角，由下述式(21)表示。
[数21]
rb＝rot(z，α)rot(y，β)rot(x，γ)…(21)
rot(a，θ)表示绕a轴仅旋转角度θ时的旋转变换矩阵。其中，α、β和γ分别是偏航角、俯仰角和侧倾角。
图7(a)所示的车身3的重心3g是在固定于车身3的坐标系中由下述式(22)表示的常数矢量。在基准坐标系中，该常数矢量由下述式(23)表示。
[数22]
[数23]
sb＝rbbsb…(23)
由于车身3角速度ωb起因于绕x轴、绕y轴及绕z轴的旋转，因此，如下述式(24)所示，能够计算角速度ωb。
[数24]
车身3的旋转等于底盘2的旋转，并且由下述式(25)表示。
[数25]
车身3的速度vb由下述式(26)给出。
[数26]
vb＝vc+wb×sb…(26)
(3)全向移动装置1的动力学
1.运动方程的推导
在全向移动装置1中，将底盘2的质量定义为mc，将绕底盘2的z轴的惯性矩定义为jcz。底盘2的动能是底盘2的平移运动的动能和旋转运动的动能之和，并且由下述式(27)表示。
[数27]
另一方面，将车身3的质量定义为mb。在固定于车身3的坐标系中，绕车身3的重心3g的惯性张量为常数矩阵，并由下述式(28)表示。
[数28]
车身3的动能是车身3的平移运动的动能和旋转运动的动能之和，并由下述式(29)表示。
[数29]
车身3的势能由下述式(30)给出。其中，g是重力加速度矢量。
[数30]
使用下述式(31)所示的整个全向移动装置1的拉格朗日方程(lagrangian)，通过下述式(32)给出全向移动装置1的运动方程。
[数31]
l：＝kc+kb-ub…(31)
[数32]
其中，fx是底盘2在车辆前后方向上的推进力，fy是底盘2在车辆前后方向上的推进力，τz是底盘2的旋转扭矩。
在基准坐标系中，将底盘2的万向接头5的水平方向的位置坐标定义为(x，y)。
当选择由下述式(33)表示的全向移动装置1的广义坐标时，上述式(32)表示的运动方程由下述式(34)表示。
[数33]
q＝[x，y，α，β，γ]t…(33)
[数34]
m(q)：惯性矩阵
q＝[fx，fy，τz，0，0]t：广义力的矢量
2.线性近似模型
在下述式(35)所示的车身3的平衡状态附近，上述式(34)所示的运动方程的线性近似模型由下述式(36)表示。
[数35]
[数36]
qc＝[x，y，α]t：底盘2的广义坐标
qb＝[β，γ]t：车身3的广义坐标
on×m：n行m列的零矩阵
in：n阶单位矩阵
上述式(36)所示的运动方程中包括的子矩阵如下述式(37)至下述式(40)所示。
[数37]
[数38]
[数39]
[数40]
上述式(36)所示的线性近似模型的输入是底盘2的广义力qc。当以底盘2的广义加速度作为新输入(广义目标加速度)u而替换上述式(36)时，线性近似模型由下述式(41)表示。
[数41]
广义力qc和新输入u满足下述式(42)所示的关系。
[数42]
为了使用上述式(41)所示的新线性近似模型来控制全向移动装置1的移动，基于下述式(43)所示的全向移动装置1的状态量求解使线性近似模型稳定化的新输入u。
[数43]
基于该新输入u，通过上述式(42)运算底盘2产生的广义力qc。基于该运算结果，由车轮23产生的扭矩通过上述式(18)运算求得。
(4)全向移动装置1的控制方法
1.车身稳定化
在全向移动装置1中，由于车身3通过万向接头5连结至底盘2，因此需要底盘2的适当运动以在行驶时稳定地保持车身3的姿态。因此，在本实施方式中，姿态稳定系统4装入全向移动装置1。
为了求得底盘2的适当运动，将下述式(44)所示的车身3的状态量的部分空间作为状态量，来创建上述数(41)所示的线性近似模型的子系统。
[数44]
该子系统由下述式(45)表示。
[数45]
算出使上述数(45)所示的子系统稳定化的输入u，即底盘2的广义加速度。
子系统中的矩阵由下述式(46)表示。其中，on表示n阶平方零矩阵。
[数46]
对于上述数(45)所示的子系统，作为一个例子，使用将由半正态加权矩阵qd决定的二阶形式评价规范最小化的静态稳定化反馈控制，可以稳定地保持行驶时的车身3的姿态。
其中，二阶形式评价规范由下述式(47)表示。另外，静力学稳定化反馈控制由下述式(48)表示。
[数47]
[数48]
u＝kdxd…(48)
2.减少摩擦或干扰对驱动系统的影响
在驱动可以向所有方向移动的车轮23时，需要补偿驱动单元22的减速器24中固有的摩擦或惯性矩。并且，需要减少干扰的影响。
因此，将上述式(48)决定的输入u作为底盘2的广义目标加速度，并且使用在该广义目标加速度上加上底盘2的广义坐标的反馈控制(这里为pid控制(proportionalintegraldifferentialcontroller，比例积分微分控制器))的新操作量。
该新操作量(广义操作加速度)由下述式(49)表示。
[数49]
其中，ki、kp和kd是pid控制的增益。
上述式(49)的u1、u2和u3分别是输入u的第一分量、第二分量和第三分量。vxd、xd、vyd、yd、x、y各自的目标值通过下述式(50)求得。
[数50]
根据上述式(49)所示的操作量，底盘2应产生的广义力与上述式(42)同样地通过下述式(51)进行运算。
[数51]
基于上述式(18)，通过下述式(52)运算各车轮23应产生的扭矩。
[数52]
将包括图4(a)、图4(b)和图4(d)所示的驱动单元22的马达26的旋转轴(转子未图示)、减速器24的齿轮(未图示)和减速旋转轴241以及车轮23在内的惯性矩的在减速器24的输出侧上的值定义为jw。此外，将粘性摩擦系数定义为fv、惯性摩擦扭矩定义为fc、减速器24的减速比定义为ir。驱动第k个车轮23的马达26应输出的扭矩通过下述式(53)算出。
[数53]
其中，τwk是τw的第k个分量。此外，sgn(·)是符号函数。
在上述数(53)中，作为第k个分量的第k个车轮23的角加速度通过下述式(54)算出。
[数54]
3.全向移动装置1的控制顺序
全向移动装置1的控制顺序如图9所示。下面将适当参考图6至图8详细说明控制顺序。
首先，在图6和图8所示的全向移动装置1的姿态稳定系统4中，使用姿态角度检测部42检测车身3的姿态角和车身3的角速度。其中，各符号、符号名以及符号的定义如下述表(1)所示。
[表1]
在姿态稳定系统4的运算处理部43中，获取车身3的姿态角和角速度(图9所示的步骤s1，以下简称为“s1”)。
使用设置于图4(a)、图4(b)、图4(d)和图6所示的驱动单元22的马达26的脉冲计数器45，检测所有的车轮23的旋转角(马达26的旋转角)。将该检测到的旋转角作为角速度信息发送至运算处理部43，并且运算处理部43获取角速度信息。运算处理部43基于角速度信息运算车轮23的角速度(s2)。
在运算处理部43中，基于速度传递矩阵t的广义逆矩阵和车轮23的角速度信息，通过上述式(15)运算底盘2的广义速度(s3)。
在运算处理部43中，基于获取的车身3的姿态角和车身3的角速度信息以及通过计算获取的广义速度信息，通过上述式(44)构成车身3的状态量的部分空间。在运算处理部43中，使用该部分空间，通过静力学稳定化反馈控制的上述式(48)运算广义目标加速度(s4)。
基于运算出的广义目标加速度信息和广义速度信息，运算处理部43通过上述式(50)运算vxd、xd、vyd、yd、x、y的各目标值。运算处理部43基于该各目标值信息和广义目标加速度信息，通过上述式(49)运算底盘2的广义操作加速度(s5)。
基于运算出的广义目标加速度信息和获取的车身3的姿态角信息，运算处理部43通过上述式(51)运算底盘2应产生的广义力(s6)。随后，使用运算出的广义力信息，运算处理部43根据上述式(52)运算车轮23应产生的输出扭矩(s7)。
基于运算出的广义操作加速度信息，运算处理部43通过上述式(54)运算车轮23的角加速度。基于该车轮23的角加速度信息、车轮23应产生的输出扭矩信息以及车轮23的角速度信息，运算处理部43通过上述式(53)运算马达26的输出扭矩(s8)。
运算处理部43将通过运算得到的输出扭矩作为扭矩指令信息，并发送至图6所示的数模转换器44。数模转换器44将扭矩指令信息从数字信息转换为模拟信息，并将该转换后的扭矩指令信息发送至伺服放大器28。
伺服放大器28驱动并控制马达26，使车轮23旋转驱动而产生输出扭矩。
值得注意的是，当操作图5(a)所示的锁定装置7的锁定操作部73时，车身3的姿态被锁定装置7锁定，并且运算处理部43控制伺服放大器28以使车轮23的旋转停止。
(本实施方式的作用及效果)
如图1和图2所示，本实施方式的全向移动装置1包括底盘2和配设于底盘2上的车身3。底盘2配设有车轮23，车轮23能够向所有方向移动。
其中，全向移动装置1包括图2(b)、图2(c)和图3所示的万向接头5，以及特别是图6所示的姿态稳定系统4，更具体地，图1至图4所示的底盘2配设有多个车轮23。万向接头5连结底盘2和车身3，使得车身3相对于底盘2的姿态能够改变。
当配设多个车轮23时，所有这些车轮23都接地至行驶道路。因此，底盘2的姿态根据行驶道路的路面的倾斜而变化。与此相对，由于车身3经由万向接头5连结至底盘2，因此车身3的姿态不会与底盘2的姿态联动。也就是说，由于车身3仅通过万向接头5连结至底盘2，因此其相对于底盘2在静力学上是不稳定的。
姿态稳定系统4使底盘2向车身3的姿态改变的方向移动，并且稳定地保持车身3的姿态。也就是说，由于包括姿态稳定系统4，因而在底盘2移动时，能够稳定地保持车身3的姿态，从而使车身3在动力学上稳定。
此外，由于所配设的多个车轮23与行驶道路的接地点为多处，因此车轮23与行驶道路之间的接地面积增加，并且车轮23在移动时可以获取足够的抓地力。由于能够得到足够的抓地力，即使行驶道路上的灰尘或液体附着在车轮23的表面，也能够减小车轮23相对于行驶道路的滑动。
并且，由于多个车轮23接地至行驶道路，因此相比于单个球体接地至行驶道路的情况，在高高低低或不平整的地面上移动时，传递至底盘2和车身3的振动变小。
因此，在本实施方式的全向移动装置1中，可以使在静力学上不稳定的车身3在动力学上稳定，并且可以提高推进力，改善静音性。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，如图2和图3所示，由于万向接头5的运动副为2，所以车身3相对于底盘2在两个方向上具有自由度，在这两个方向上，可以使车身3的姿态改变。
例如，假设设定两个自由度，即将三维坐标的y轴方向(第一轴向y)作为第一旋转轴51时绕第一旋转轴51转动的自由度和将x轴方向(第二轴方向x)作为第二旋转轴52时绕第二旋转轴52转动的自由度。车身3的姿态可以在这两个自由度的范围内改变。在此，未设定以z轴方向为第三旋转轴的绕轴转动的自由度。因此，在使底盘2旋转时，能够随着底盘2的旋转而使车身3旋转。即，可以消除车身3的空转。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，特别地如图3所示，万向接头5包括第一旋转轴51、第二旋转轴52和接头部55。第一旋转轴51支撑于底盘2上部，并且以底盘2的移动方向中的一个为第一轴向y。第二旋转轴52支撑于车身3下部，并且以作为底盘2的移动方向中的另一个且与第一轴向y垂直的方向为第二轴向x。接头部55能够以第一轴向y为中心旋转，并且能够以第二轴向x为中心旋转。
因此，由于接头部55能够以第一轴向y和第二轴向x这两个旋转轴为中心旋转，因此能够容易地实现运动副为2的万向接头5。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，特别地如图6所示，姿态稳定系统4包括驱动单元22。驱动单元22构成为包括马达26、减速器24(参见例如图4)和伺服放大器28。如图4所示，马达26设置于底盘2。如图4所示，减速器24设置于底盘2，减小马达26的旋转驱动力并将其传递至车轮23。如图1和图2所示，伺服放大器28设置于车身3，并且如图6所示，伺服放大器28连结至马达26并驱动马达26。
由于包括构成为含有这些部件的驱动单元22，因而姿态稳定系统4能够在底盘2移动时稳定地保持车身3的姿态，并且能够使车身3在动力学上稳定化。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，特别地如图4(d)所示，车轮23是第一全向轮231和第二全向轮232。如图4(c)和图4(d)所示，第一全向轮231构成为将以圆周方向为旋转轴b方向而自由旋转的多个滚轮231b配设在驱动车轮231a的圆周上。同样，第二全向轮232构成为将以圆周方向为旋转轴b方向而自由旋转的多个滚轮232b配设在驱动车轮232a的圆周上。
因此，使用车轮23，在除因驱动车轮231a和驱动车轮232a的旋转而引起的移动方向之外，还能够使底盘2向因滚轮231b和滚轮232b的旋转而引起的移动方向移动，从而能够实现可以向平面上的所有方向移动的全向移动装置1。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，如图6所示，姿态稳定系统4包括控制单元40，所述控制单元40具有脉冲计数器45、姿态角度检测部42和运算处理部43。控制单元40的脉冲计数器45获取马达26的旋转角。姿态角度检测部42获取车身3的姿态角和车身3的角速度。运算处理部43基于获取的旋转角、姿态角和角速度运算稳定地保持姿态的车身3的运动状态。并且，运算处理部43基于运算结果控制伺服放大器28。
因此，在姿态稳定系统4中，在底盘2移动时，能够稳定地保持车身3的姿态，从而能够使车身3在动力学上稳定化。
另外，在本实施方式的全向移动装置1中，特别地，如图3和图4所示，设置了缓冲装置27。缓冲装置27设置于车轮23与底盘2之间。因此，通过缓冲装置27减小了在行驶道路上移动时对应行驶道路的路面状态在车轮23上产生的振动，并且能够减小从车轮23传递至底盘2和车身3的振动。
此外，如图5(a)和5(b)所示，在本实施方式的全向移动装置1中，锁定装置7安装在第一旋转轴51和第二旋转轴52上。该锁定装置7使得能够在底盘2移动时改变车身3的姿态，并且在停止底盘2的移动时锁定车身3的姿态。此外，即使底盘2处于停止状态，锁定装置7也锁定车身3的姿态。
因此，即使在停止底盘2的移动时，由于稳定地保持车身3的姿态，因而能够提高乘降全向移动装置1时或紧急情况下的搭乘人员的安全性。
此外，本实施方式的全向移动装置1的姿态控制方法首先使用全向移动装置1的姿态稳定系统4来使姿态稳定系统执行图9所示的下述步骤。获取马达26的旋转角(s2)，获取车身3的姿态角和车身3的角速度(s1)。接下来，基于这些获取的旋转角、姿态角和角速度，姿态稳定系统4(参见图6)运算出稳定地保持姿态的车身3的运动状态。基于运算结果，姿态稳定系统4在控制伺服放大器28而稳定地保持车身3的姿态的状态下，使底盘2移动。因此，在姿态控制方法中，能够使全向移动装置1的车身3在动力学上稳定化，并且能够使底盘2移动。
(第二实施方式)
在下文中，将参照图10至图14对本发明的第二实施方式的全向移动装置及其姿态控制方法进行说明。
值得注意的是，在本实施方式中，对与第一实施方式的全向移动装置及其控制方法的构成相同或实质上相同的构成赋予相同的附图标记，由于重复，对构成的说明进行了省略。
[全向移动装置的结构]
如图10和11(a)至11(c)所示，本实施方式的全向移动装置1包括：底盘6，可向所有方向移动；车身3，配设于底盘6上；以及姿态稳定系统4，使底盘6移动并且稳定地保持车身3的姿态。此外，全向移动装置1构成为包括连结底盘6和车身3的万向接头5。
(1)底盘6的结构
如图10和11(a)至11(c)、特别是图12(a)至图12(d)所示，底盘6包括底盘主体61。该底盘主体61构成为包括顶板部611和左右一对侧板部612和侧板部613。
顶板部611由以车辆上下方向为厚度方向的板材形成，在俯视下形成为以车辆宽度方向为长度方向的矩形。其中，虽未图示，但是在与顶板部611相对且从顶板部611向车身下方侧隔开的位置上配设有底板部。该底板部形成为与顶板部611相同的形状。
从车辆前方侧观察时，侧板部612配置于顶板部611的车辆宽度方向的右端部，侧板部612的上端部连接至该右端部。侧板部612形成为以车辆宽度方向为板厚方向的板状，并且在侧视中形成为以车辆前后方向为长度方向的矩形。
另一方面，当从车辆前方侧观察时，侧板部613配置于顶板部611的车辆宽度方向的左端部，侧板部613的上端部连接至该左端部。与侧板部612相同，侧板部613形成为板状并且为矩形。
侧板部612的下端部连接至底板部(未图示)的右端部，侧板部613的下端部连接至底板部的左端部。因此，从车辆的前方侧观察，底盘主体61构成为中空的矩形框架。另外，与第一实施方式的全向移动装置1的底盘主体21相同，底盘主体61由金属材料或者树脂材料形成。
底盘主体61配设有构建姿态稳定系统4的驱动单元62。更具体地，当从车辆的前方侧观察时，在底盘主体61的车辆宽度方向的右侧且车辆前方侧配设有驱动单元62的一个驱动单元62a。另外，在底盘主体61的车辆宽度方向的右侧且车辆后方侧配设有驱动单元62b。同样，在底盘主体62的车辆宽度方向的左侧且车辆前方侧配设有驱动单元62c，在底盘主体62的车辆宽度方向的左侧且车辆后方侧配设有驱动单元62d。
即，驱动单元62包括驱动单元62a至驱动单元62d总共四个驱动单元。与第一实施方式的全向移动装置1的驱动单元22相同，驱动单元62包括两个以上驱动单元为基本构成，但是在本实施方式中，驱动单元62包括三个以上驱动单元，确保了底盘6相对于行驶道路在静力学上的稳定性。
特别是如图13(a)至图13(d)所示，驱动单元62的驱动单元62a包括驱动单元框体621，并且构成为包括马达26、减速器64以及如图10和图11所示的伺服放大器28。
驱动单元框体621具有底壁621a、顶壁621b、配置为左右一对的侧壁621c和侧壁621d，并且形成为前面开放的无前面箱形。底壁621a从底盘主体62向车辆前方侧突出，形成为以车辆上下方向为板厚方向的矩形板状。顶壁621b配置于底壁621a的车身上方，与该底壁621a相对。顶壁621b的车辆前端部比底壁621a更向车辆前方侧突出，并且呈圆弧形向车身下方侧弯折。
侧壁621c配设于底壁621a的车辆宽度方向上的整个外侧端部和顶壁621b的车辆宽度方向上的整个外侧端部，形成为以车辆宽度方向为厚度方向的板状。侧壁621c使车辆的前端部从水平方向向车身下方侧弯曲，并且在侧视中形成为倒v字形或倒l字形。侧壁621d配设在底壁621a的车辆宽度方向的整个内侧端部和顶壁621b的车辆宽度方向的整个内侧端部，与侧壁621c相对，与侧壁621c同样形成为板状。侧壁621c和侧壁621d的车辆前端部构成旋转自由地支撑车轮63。
马达26是与第一实施方式的全向移动装置1的电动马达相同的电动马达，并且安装于驱动单元框体621的侧壁621d。该马达26的驱动旋转轴(未图示)连结至配设于驱动单元框体621内部的减速器64(未图示)的减速旋转轴641的一端(未图示)。减速旋转轴641的另一端以旋转轴c(参见图13(a)、图13(b)和图13(d))为中心，旋转自由地支撑于驱动单元框体621的侧壁621c的车辆前方侧端部。
在减速旋转轴641上配设有能够使底盘6向所有方向移动的车轮63。在本实施方式中，作为第一实施方式的全向移动装置1的车轮23(即第一全向轮231和第二全向轮232)的替代，特别地如图13所示，在车轮63上使用麦克纳姆轮。
特别地如图13(a)至图13(d)所示，麦克纳姆轮构成为将以相对于驱动车轮63a的旋转轴c倾斜的方向为轴向d而自由旋转的多个桶状的滚轮63b配设于固定在减速旋转轴641的齿轮状的驱动车轮63a的圆周上。旋转轴d在相对于旋转轴c在异面的位置处设定为例如绝对值为135度的倾斜度α(参见图14(b))。在驱动车轮63a的圆周上以等间隔的排列间距排列有12个滚轮63b。
如图12(a)、12(d)和13(a)至13(d)所示，驱动单元62a经由缓冲装置67配设于底盘主体61。具体地，缓冲装置67配设于驱动单元框体621的车辆后方侧内部，并且安装至底盘主体61的侧板部612的车辆前端部。与第一实施方式的全向移动装置1的缓冲装置27相同，缓冲装置67使从行驶道路经由车轮63传递到底盘6的振动衰减并减少。
并且，图12(a)至图12(d)所示的驱动单元62的驱动单元62b形成以y轴为中心相对于驱动单元62a左右对称的形状，具有与驱动单元62a的基本结构相同的结构。驱动单元62c形成以x轴为中心相对于驱动单元62a左右对称的形状，具有与驱动单元62a的基本结构相同的结构。并且，驱动单元62d形成以y轴为中心相对于驱动单元62c左右对称的形状，或者形成以x轴为中心相对于驱动单元62b左右对称的形状，具有与驱动单元62a的基本结构相同的结构。
(2)车身3的结构
回到图10以及图11(a)至图11(c)，车身3构成为包括车身主体31、手柄32、搁脚部33和鞍座37。车身主体31配设于底盘2上。在本实施方式中，车身主体31构成为以中空管状部件为主体，所述中空管状部件以车辆前后方向为轴向而延伸设置。
在车身主体31的车辆前端部配设有一体形成并向上方直立设置的手柄支撑件321，手柄32安装在手柄支撑件321的上端部。手柄32形成为朝向车辆宽度方向外侧分别向左右突出的棒状，搭乘人员抓住手柄32，使全向移动装置1行驶。同样，在该实施方式中，手柄32是不绕竖直轴(z轴)旋转的固定形式。
启动开关、制动器、安全部件等与第一实施方式的全向移动装置1相同，能够安装在手柄32上。
搁脚部33在车身主体31的前端部由从车身主体31垂下的前后一对支撑件331支撑。搁脚部33在车辆宽度方向外侧配设为左右一对，包括在车辆前后方向和车辆宽度方向上扩大的平坦部位，并且用作放置搭乘人员的右脚和左脚的部位。
此外，在车身主体31的车辆前后方向中间部经由向车身上方侧直立设置的鞍座支撑件371安装有鞍座37。搭乘人员可以坐在鞍座37上，并且在搭乘人员坐在鞍座37上的状态下，能够使全向移动装置1行驶。
在车身主体31的车辆后方端部安装有箱状的车身盖36。在车身盖36的内部收纳有上述图6所示的姿态稳定系统4。另外，在车身盖36的内部收纳有构建驱动单元62的伺服放大器28、电源46等。
(3)万向接头5的结构
如图10、图11(b)、图11(c)以及图12(a)至图12(d)所示，与第一实施方式的全向移动装置1的万向接头5相同，配设了连结底盘6和车身3的万向接头5。如图5(a)和5(b)中详细所示，万向接头5构成为包括第一旋转轴51、第二旋转轴52和十字轴55。
第1旋转轴51构成为以车辆宽度方向为第1轴向y，且在车身主体31的车辆前后方向的中间下部沿第1轴向y彼此隔开地设置为一对。该一对第一旋转轴51经由在第一轴向y上彼此隔开的一对第一支撑部53支撑于车身主体31的车辆前后方向中间部。
第二旋转轴52构成为以车辆前后方向为第二轴向x，此处构成为在底盘6的顶板部611的底盘前后方向中间部和底盘宽度方向中间部沿着第二轴向x彼此隔开地设置为一对。在本实施方式中，第二轴向x与第一轴向y设定在相同平面上。该一对第二旋转轴52经由在第二旋转轴x上彼此隔开的一对第二支撑部54支撑于顶板部611的底盘前后方向中间部。
十字轴55的结构、第一旋转轴51的结构、第一支撑部53的结构、第二旋转轴52的结构以及第二支撑部54的结构都与第一实施方式的全向移动装置1的万向接头5的各部位的结构相同。
由此，万向接头5能够以第一旋转轴51为中心使车身3相对于底盘6旋转，并且能够以第二旋转轴52为中心使车身3相对于底盘6旋转。也就是说，将万向接头5的运动副为2。
(4)锁定装置7的结构
尽管在图10至图12中未图示，但是锁定装置7与上述图5(a)和图5(b)所示的第一实施方式的全向移动装置1的锁定装置7的结构具有相同的结构。也就是说，锁定装置7构成为包括：第一锁定装置71，安装于万向接头5的第一旋转轴51；第二锁定装置72，安装于第二旋转轴52；以及操作部73，操作第一锁定装置71和第二锁定装置72。详细说明因为重复而省略。
(5)姿态稳定系统的结构
姿态稳定系统4构成为包括图10至图13所示的驱动单元62和上述图6所示的控制单元40。控制单元40包括脉冲计数器45、姿态角度检测部42、运算处理部43、模拟转换器44等，并且具有与第一实施方式的全向移动装置1的控制单元40相同的结构。因此，省略了姿态稳定系统4的详细说明。
[全向移动装置的姿态控制方法]
全向移动装置1的姿态控制方法基本上与第一实施方式的全向移动装置1的姿态控制方法相同。其中，图14(a)是在三维坐标系中将第二实施方式的全向移动装置1模型化并示出的简要立体图，图14(b)是将全向移动装置1的底盘6和车轮(麦克纳努姆轮)63模型化并示出的简要俯视图。利用上述图6、图8和图9，并适当地参照图10至图13对姿态控制方法进行说明。
(1)全向移动装置1的底盘6的运动学
首先，利用图14(a)对图10至图13所示的全向移动装置1的底盘6和车身3的运动学进行说明。其中，三维坐标由x轴x0、y轴y0和z轴z0表示。
在全向移动装置1中，将底盘6的车辆前后方向的轴定义为xc轴，将底盘6的车辆宽度方向的轴定义为yc轴，将通过万向接头5的中心的底盘6的上下方向的轴定义为zc轴。
安装于底盘6上的万向接头5的位置处的速度矢量vc由在第一实施方式的全向移动装置1的姿态控制方法中说明的上述式(1)表示。
底盘6的角速度矢量ωc由上述式(2)表示。
以底盘6的中心6c为起点的第k个车轮63的中心的位置矢量pk由上述式(3)表示。其中，在本实施方式中，由于包括四个驱动单元62a至62d，并且包括四个车轮63，所以k为1、……、4。
第k个车轮63的角速度矢量记为为ωk，角速度矢量ωk设为角速度矢量ωk的大小(|ωk|)。
假设角速度矢量ωk是在下述式(55)中描述的相同方向的单位矢量，则角速度矢量ωk由下述式(56)表示。
[数55]
ek＝[ekx，eky，0]t…(55)
[数56]
wk＝wkek…(56)
以车轮63的中心为起点的车轮63的接地点的位置矢量由上述式(4)表示。rw是车轮63的半径。
与以第k个车轮63的接地点为起点的滚轮63b的旋转轴平行的单位矢量(麦克纳姆轮的切线矢量)tk由上述式(5)表示。
根据以上定义，第k个车轮63的接地点的速度vk由上述式(6)表示。
假设第k个车轮63的滚轮63b在接地点处接地并且滚轮63b不在轴向上滑动，则在速度vk和单位矢量tk之间存在上述式(7)的关系。
将上述式(6)代入上述式(7)，如果考虑到速度vk、位置矢量pk、角速度矢量ωk和单位矢量tk垂直于z轴z0，角速度矢量ωc和半径rw平行于z轴z0，则得到下述式(57)。
[数57]
tkxvx+tkyvy+(pkxtky-pkytkx)wz＝-rwwk(ekxtky-ekytkx)…(57)
当概括上述式(57)进行表达时，得到下述式(58)。
[数58]
底盘6的广义速度矢量由上述式(11)定义，概括车轮63的角速度的矢量ωw由上述式(12)定义，速度传递矩阵t由下述式(59)定义。
[数59]
速度传递矩阵
根据上述定义，车轮63的角速度ωw与底盘6的广义速度矢量之间的关系可以由上述式(14)表示。其中，在上述式(59)中，符号[]-1表示逆矩阵。
上述式(14)是广义速度矢量的超定系统，使用速度传递矩阵t的广义逆矩阵，由上述式(15)给出广义速度矢量的最小二乘解。
如果车轮63的配置适当的话，则存在ttt的逆矩阵。
基于虚拟功的原理，概括车轮63的扭矩的矢量τw和底盘6的由上述式(16)表示的广义力矢量满足上述式(17)的关系。
其中，在上述式(16)中，单位矢量fx是底盘6在xc轴方向上的推进力，fy是底盘6在yc轴方向上的推进力，τz是底盘6绕zc轴的旋转扭矩。
上述式(17)是矢量τw的欠定系统，使用tt的广义逆矩阵，由上述式(18)给出矢量τw的最小范数解。
例如，如图14(b)所示，将全向移动装置1的底盘6的轴距(wheelbase)记为lw，将轮距(axletrack)记为lt时，上述式(59)的每个矩阵分量的值如下述式(60)至下述式(62)所示。
[数60]
e1x＝e2x＝e3x＝e4x＝0，e1y＝e2y＝1，e3y＝e4y＝-1…(60)
[数61]
[数62]
当将该值代入上述式(59)时，如下述式(63)所示，能够算出速度传递矩阵t。
[数63]
(2)全向移动装置1的车身3的运动学
本实施方式的全向移动装置1的车身3的运动学的说明与第一实施方式的全向移动装置1的车身3的运动学的说明相同。但是，第一实施方式中的“底盘2”在本实施方式中改为“底盘6”。
(3)全向移动装置1的动力学
本实施方式的全向移动装置1的动力学的说明包括“1.运动方程的推导”和“2.线性近似模型”的各说明，与第一实施方式的全向移动装置1的动力学的说明相同。但是，第一实施方式中的“底盘2”在本实施方式中改为“底盘6”。
(4)全向移动装置1的控制方法
本实施方式的全向移动装置1的控制方法的说明包括“1.车身的稳定化”、“2.减少摩擦或干扰对驱动系统的影响”、“3.全向移动装置1的控制顺序”的各说明，与第一实施方式的全向移动装置1的控制方法的说明相同。同样，第一实施方式中的“底盘2”在本实施方式中改为“底盘6”。
(本实施方式的作用及效果)
本实施方式的全向移动装置1及其姿态控制方法，与通过第一实施方式的全向移动装置1及其姿态控制方法得到的作用效果相同，得到能够使静力学上不稳定的车身3在动力学稳定化、并且提高推进力且改善静音性的作用效果。
此外，在本实施方式的全向移动装置1中，特别地如图13(a)至13(d)中所示，车轮63为麦克纳姆轮。如图13(a)至图13(c)所示，麦克纳姆轮构成为将以相对于驱动车轮63a的旋转轴c倾斜的方向为轴向d而自由旋转的多个桶形滚轮63b配设在驱动车轮63a的圆周上。
因此，利用车轮63，除了因驱动车轮63a和驱动车轮63a的旋转所引起的移动方向之外，还能够使底盘6向因滚轮63b引起的移动方向移动，因此能够实现可向平面上的所有方向移动的全向移动装置1。
(其他实施方式)
本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可以进行各种变形。
例如，在本发明中，给出全向轮在接触行驶道路的接地点的速度的上述式(6)与给出麦克纳姆轮在接触行驶道路的接地点的速度的式子相同，因而能够构成混合全向轮和麦克纳姆轮的全向移动装置。即，本发明能够构成将第一实施方式的全向移动装置与第二实施方式的全向移动装置组合而成的全向移动装置。
此外，根据本发明，在第一实施方式的全向移动装置中，也可以在车身上安装鞍座等座椅，使得搭乘人员在就座状态下能够行驶。相反，根据本发明，在第二实施方式的全向移动装置中，也可以从车身取下鞍座，使得搭乘人员在站立状态下行驶。
2017年5月26日提交的日本专利申请第2017-104669号的全部公开内容通过引用并入本说明书。
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