2019 年度実施状況報告書

傾斜支持型球駆動式全方向移動装置の開発

研究課題

研究課題/領域番号	19K04274
研究機関	九州工業大学
研究代表者	宮本弘之九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (20336100)
研究期間 (年度)	2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード	全方向移動装置 / 球形車輪
研究実績の概要	移動機構は走行安定性が最重要課題の一つであるが、従来の全方向移動機構は走行安定性に問題があった。それに対して申請者は外乱に強く安定した走行が可能な球駆動方式全方向移動機構を開発してきた。しかし、球を駆動するロータが滑り、高い走行安定性を維持するため、球と駆動ロータを圧接するアイドラの定期的な調整が必要であった。また、弾力性のある滑り難い材質の駆動ロータは耐久性が低い、という問題があった。そこで本研究では、駆動ロータの弾性に依存しない全く新しい機構、具体的には、台車の荷重を駆動ロータの圧接力に分散する駆動ロータの配置方法を提案する。本機構が完成すると、弾性が少ない代わりに耐久性の高い駆動ロータが使え、かつ走行安定性のさらなる向上が可能となる。さらに圧接力生成をアイドラに頼らないので、調整やメンテナンスが不要となる。ミニチュアの試作機で有効性は確認したが、実用化のステージに進むには、人間が搭乗できるサイズの試作機で設計パラメタの最適化を図る必要がある。本研究開発の目標が達成されたあかつきには、全方向移動が可能な搬送台車、電動車椅子、パーソナルモビリティ等の実現に直ちに応用可能である。しかし、段差や任意方向への進行方向変更時に球とロータ間の圧接力が低下し滑りが生じたとき、モータの動力がロータを介して球に伝達されにくくなるため、走行が不安定となる。そこで、アイドラを球の中心方向へ強く押し付けることで、球とロータ間の圧接力を発生させた。しかし、段差等でロータの位置関係が崩れてしまう。そのため、アイドラを球の中心方向へ押し付けた場合でも球とロータ間の圧接力の低下に起因する滑りが生じ、走行の乱れが見られた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由傾斜支持型球駆動全方向移動機構におけるロータ位置の検討：球に対するロータの高さによる運動能力性能の違いを知るために、球の傾角度を変更することが可能な機体を製作した。これを以下、傾角度可変機体と呼称する。変更可能な傾角度は90、80、70、60、50、40[deg]の6パターンである。傾角度が小さくなるにつれロータ距離が近くなるため、ロータ同士が干渉しない角度で10[deg]刻みで製作した。先行研究では球とロータを圧接するためにアイドラを球に押し付ける形であったが、新機構では機体の自重が圧接力として働くため、アイドラを押し付ける必要がない。そのため、本機体ではアイドラではなく球を保持するためにボールキャスタを設置した。また、ロータは３Dプリンタの材料の PLAに柔軟な Poly Flex を被せることで PLAだけの時に比べ弾性をもたせた。高い段差に対し傾角度 50 [deg]のとき最もテスト結果が良好であった。そこで傾角度50 [deg]の傾角度固定機体を製作した。傾角度固定機体では段差の乗り越え運動、溝の踏破運動、斜面の登坂運動、基本走行軌跡の全てで性能が向上していた。大径の球の製作：これまで、車輪用として用いた球は直径10cmのものが最大であった。より高い段差乗り越えや、凹凸の激しい床面に対応するため、直径２０ｃｍの球を制作した。
今後の研究の推進方策	傾斜支持型球駆動全方向移動機構におけるロータ位置の検討：2019年度は、球に対するロータの高さによる運動能力性能の違いを知るために、球の傾角度を変更することが可能な機体を製作した。しかし傾斜角度を変更するために車体の剛性が低下してしまい、正確な性能検証ができるかどうかにはやや不安が残った。そこで、2020年度では、固定傾斜角度の車体を複数作成し、走行性能検証を行う予定である。大径の球の製作：2019年度に、より高い段差乗り越えや、凹凸の激しい床面に対応するため、直径２０ｃｍの球を制作した。2020年では、２０ｃｍの球に対応した車体を新たに設計、製作し、走行性能検証を行う。従来の直径１０ｃｍまでの球では、センサーの設置スペースが狭く駆動ロータと球の間の滑りを直接計測することは困難であった。直径２０ｃｍの球を用いた場合、球と車体の間の空間に余裕が生じるので、センサの設置が容易であると考える。そこで、球の回転計測用にレーザー式マウスを用いる。走行性能検証と同時に球の回転を計測し、球とロータの間に滑りが生じるかどうかを確かめる。走行状況と滑りの関係を分析し、ロータの滑りをさらに減少させる技術開発を行う予定である。