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研究テーマ
IT・IoT・AI・ロボティクスものづくり・製造技術
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ものづくりセンター

メカナムホイールとクローラの性能を併せ持つ全方向移動機構メカナムクローラの提案

ものづくりセンター

近藤隆路 技師

共同研究者

井原 之敏
岩田英樹
布施宏
大和信夫
馬場隆造

　ロボットの移動機構においては不整地や段差の走破性能と，精密な位置調整が可能な全方向移動の機能を有するのが望ましい．本研究ではレスキューロボットなどの移動機構として「メカナムクローラ」を提案する．メカナムクローラとは，メカナムホイールの機能とクローラの利点を併せ持つ全方向移動機構である．クローラの利点を生かし，大きな段差を登ることができることに加え，横移動などの全方向移動が可能となった．

研究背景と目的

　メカナムホイールやオムニホイールは全方向移動が可能な反面，不整地や段差の走破性が車輪，クローラよりも劣る．一方クローラは不整地や段差の走破性能が高い反面，横移動などの全方向移動ができない．例えばレスキューロボットは，災害現場の瓦礫や不整地を走破するためにクローラが採用されることが多い．しかし，要救助者や瓦礫へアプローチする際，通常のクローラでは横移動ができず，横方向の位置調整に時間がかかる．

メカナムクローラの提案

　本研究ではレスキューロボットなどの移動機構として「メカナムクローラ」を提案する．メカナムクローラとは，メカナムホイールの機能とクローラの利点を併せ持つ全方向移動機構である．クローラの利点を生かし，大きな段差を登ることができることに加え，横移動などの全方向移動が可能になると考えられる．

　クローラの履板にはメカナムホイールと同様に，45度傾いた受動回転ローラが取り付けられている(Fig.1)．その履板をFig.2のように連結し，クローラとして回転するようにした．メカナムクローラを左右対称になるように４つ製作し，Fig.3のように台車に固定した．なお，受動回転ローラは，接地点における向きを台車の上から見たときの向きとする．

　メカナムクローラを取り付けたレスキューロボット(1/4スケール)とそのスペックをFig.4に示す．

Fig.1 Crawler plates used in the Mecanum crawler

Fig.2 The Mecanum crawler

Fig.3 The placement of the Mecanum crawler

Fig.4 Rescue robot with the Mecanum crawler

メカナムクローラ台車の全方向移動

メカナムクローラ台車の全方向移動の方法はメカナムホイール台車と同じである．前後移動，旋回の際は，通常のクローラと同様の方法で実現できると考えられる．右横移動の場合はFig.5のようにメカナムクローラを動かすことで実現できると考えられる．能動的に動くメカナムクローラは左前と左後ろ，右前と右後ろでそれぞれ進行方向が逆のため，メカナムクローラ台車全体は前後に移動せず，地面に接している履板が進行方向と反対方向に動く．このとき，受動回転ローラがFig.6のように動き，右横移動が実現できると考えられる．

Fig.5 The movement of the Mecanum crawler when the Robot moves to the right

Fig.6 The movement of mecanamu plates when the Robot moves to the right

性能評価

2021年8月8日に行われた，大規模都市災害の救命救助活動を題材としたレスキューロボットコンテスト20×21においてその性能を評価した．前後移動，旋回，横移動(Movie.1)，斜め移動が問題なく実現できた．1段4cmの段差3段を登ることができた．また，本大会ではロボット工学的な観点から優れたロボットに与えられるベストロボット賞（日本ロボット学会特別賞）を受賞した．その後の性能評価では最大で6cmの段差を登ることができ(Movie.2)，左横移動しながら右旋回を行う，回り込むような動作も実現できた(Movie.3) ．

　2022年8月13日～14日に行われたレスキューロボットコンテスト2022において，1段の高さ5cm，奥行き10cmの階段14段を登ることができた(Fig.7)．また，本大会では総合ポイントが最も高いチームに与えられるベストパフォーマンス賞(日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門一般表彰)を受賞した．

動画再生

Movie.1 Lateral movement

Movie.2 Climbing a 6cm step

Movie.3 Moving to the left (70%) & turning right (30%) 

Fig.7 Climb the stairs

操作性の評価

　レスキューロボットコンテスト20×21終了後，6名の大学生・1名の大学職員にメカナムクローラ台車を操作させ，次の条件で幅50cmの狭い道を通り抜けるまでの時間を計測した．使用フィールドはFig.8とし，レスキューロボットコンテストにおいて要救助者の場所まで位置調整を行う場面を想定している．

１）通常のクローラ（前後・旋回のみ）

２）メカナムクローラ（前後・旋回・横移動が可能）

　結果をTable.1，Fig.9，Movie.4，に示す．１）前後・旋回動作のみの平均完了時間は約21秒であった．２）前後，旋回，横移動動作での平均完了時間は約13秒であった．平均完了時間はメカナムクローラ（前後・旋回・横移動可能）の方が短い時間で完了している．有意水準5%で両側検定のt検定を行ったところ，有意差を確認することができた(t(6)=3.50,p<.05)．以上のことからメカナムクローラは通常のクローラより，レスキューロボットコンテストの要救助者の場所まで速く位置調整ができると考えられる．

Fig.8 Field used for testing

Table.1 Comparison of necessary time

Fig.9 Comparison of the average of the necessary time

Movie.4 test movie

結論

　本研究では，メカナムホイールの機能とクローラの利点を併せ持った全方向移動機構であるメカナムクローラを提案し，その機構について説明した．レスキューロボットコンテストにおいて，全方向移動の性能，段差走破性能の性能を確認した．被験者７名の協力で行われた実験により，メカナムクローラは通常のクローラと比べ，レスキューロボットコンテストの要救助者の場所まで速く位置調整ができることを確認した．今後はさまざまな場所での走行実験を行い，メカナムクローラの基本特性を調べ，性能向上を目指したい．

 

論文

「メカナムホイールとクローラの性能を併せ持つ全方向移動機構メカナムクローラの提案」(2021)近藤隆路『【発表要旨集】 第22回　計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会』1A2p.1A2-04.

「全方向移動機構メカナムクローラの性能評価」(2022)近藤隆路『【発表要旨集】 第23回　計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会』1P3-Gp.1P3-G08.

研究者INFO: ものづくりセンター 近藤隆路 技師

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