(57)【要約】【課題】安定して滑らかに段差面での昇降並びに平地面や凹凸面での旋回走行及び直進走行等が可能なメンテナンス性が高く低コストな車両を提供する。【解決手段】本発明の車両１は、第１車輪１０の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸３１を中心に回転可能に取り付けられた複数の第１ローラ３０と、第２車輪２０の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸４１を中心に回転可能に取り付けられた複数の第２ローラ４０と、第１ローラに対応して取り付けられ、第１ローラに係合することにより該第１ローラの回転を規制する回転規制部材３２、３０ｂとを備えている。段差面での昇降時には第１車輪及び第２車輪を同方向に回転駆動することにより、第１ローラ及び第２ローラの側面が段差に引掛かることで大きなトルクを発生して安定して滑らかに昇降することができる。【選択図】図１
2011168185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両本体と、
該車両本体の一端側に走行方向と直交する軸を中心に回転可能に取り付けられた少なくとも一対の第１車輪と、
該第１車輪の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸を中心に回転可能に取り付けられた複数の第１ローラと、
前記車両本体の他端側に走行方向と直交する軸を中心に回転可能に取り付けられた少なくとも一つの第２車輪と、
該第２車輪の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸を中心に回転可能に取り付けられた複数の第２ローラと、
前記第１ローラに対応して取り付けられ、前記第１ローラに係合することにより該第１ローラの回転を規制する回転規制部材と、を備えたことを特徴とする車両。
【請求項２】
前記回転規制部材は、前記第２ローラにも対応して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の車両。
【請求項３】
一対の前記第１車輪は、一対の駆動モータにより夫々駆動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両。
【請求項４】
前記第２車輪を一対備え、一対の前記第１車輪と一対の前記第２車輪は、一対の連結手段により夫々連結されて駆動されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、階段等の段差面での昇降並びに平地面や凹凸面での直進走行及び旋回走行等が可能な車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、車輪直進方向に対して直交する横方向へ自在に回転する複数個のローラ（横転ローラ）が、その前後方向の一方の端部の直径を他方の端部の直径よりも小さくして周面により車輪外周円の円弧を形成するように、車輪の周囲に配列されている車輪を備えた車両が開示されている。この車両は、ローラをその外周面に当接して横方向へ回転駆動する横転補助ローラが、車体側に設けられた回転支持部材に回転自在に支持されると共に、横転補助ローラの回転軸線が、外周面に沿って車輪回転方向に対する直交交差方向に対して偏向されている。
【０００３】
ローラの外周面が横転補助ローラに当接すると、横転補助ローラが回転駆動されると共に、その摩擦力によりローラは偏向方向に応じて当接位置での車輪回転方向の直交交差方向に対して斜め方向の外力を受け、したがってその偏向方向に応じて、左横又は右横方向に回転駆動される。これにより、ローラが１回転するごとに横転補助ローラにより回転駆動され、したがって接地する領域が１回転ごとにずれることにより、磨耗が均一化されてローラの寿命の延長につながる。横転補助ローラは、単に当接するのでなく、回転することにより、スムーズに横方向へ回転駆動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４９８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に記載の車両によれば、段差昇降時は前輪のローラ間の隙間で段差の突起を捉えることで段差を乗り越えることが可能である。しかしながら、前輪は段差昇降に適応した車輪を用いているものの後輪は通常の車輪を用いているため十分な段差昇降性能を発揮できず、人や重量のある荷物を載せたときに階段等を乗り越えることが困難なことが問題として挙げられる。また、前輪と後輪で統一された車輪を用いることができないためメンテナンス性やコスト面でも不利が生じている。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、安定して滑らかに段差面での昇降並びに平地面や凹凸面での旋回走行及び直進走行等が可能なメンテナンス性が高く低コストな車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的達成のため、本発明の車両では、車両本体と、該車両本体の一端側に走行方向と直交する軸を中心に回転可能に取り付けられた少なくとも一対の第１車輪と、該第１車輪の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸を中心に回転可能に取り付けられた複数の第１ローラと、前記車両本体の他端側に走行方向と直交する軸を中心に回転可能に取り付けられた少なくとも一つの第２車輪と、該第２車輪の縁に円周方向に延在するように配設された複数の軸を中心に回転可能に取り付けられた複数の第２ローラと、前記第１ローラに対応して取り付けられ、前記第１ローラに係合することにより該第１ローラの回転を規制する回転規制部材と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
これによれば、段差面での昇降時には第１車輪及び第２車輪を同方向に回転駆動することにより、第１ローラ及び第２ローラの側面が段差に引掛かることで大きなトルクを発生して安定して滑らかに昇降することができる。また、平地面での旋回走行時には第１車輪及び第２車輪を互いに逆方向に回転駆動することにより、一対の第１車輪の中点を旋回中心として安定して滑らかに超信地旋回することができる。また、平地面での直進走行時には第１車輪及び第２車輪を同方向に回転駆動することにより、第１ローラ及び第２ローラの先端を接地点として安定して滑らかに直進走行することができる。
【０００９】
また、前記回転規制部材は、前記第２ローラにも対応して取り付けられていることを特徴としている。これによれば、凹凸の走行面であっても横滑りを防止して走行することができる。また、一対の前記第１車輪は、一対の駆動モータにより夫々駆動されることを特徴としている。これにより、段差面での昇降が可能な車両の重量を低減させてコストを抑えることができる。また、前記第２車輪を一対備え、一対の前記第１車輪と一対の前記第２車輪は、一対の連結手段により夫々連結されて駆動されることを特徴としている。これにより、軸間距離を比較的自由に設定できるので、駆動系の設計に際し柔軟な構造設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る車両を示す概略斜視図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は、図１の車両に備えられた第１車輪の一部を示す分解斜視図及び組立斜視図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、図１の車両に備えられた第２車輪の一部を示す分解斜視図及び組立斜視図である。
【図４】図１の車両の旋回を説明する図である。
【図５】図１の車両に備えられた車輪の諸元を示す第１の図である。
【図６】図１の車両に備えられたローラの諸元を示す図である。
【図７】図１の車両に備えられた円形プレートの諸元を示す図である。
【図８】図１の車両に備えられた車輪の諸元を示す第２の図である。
【図９】図１の車両の諸元を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１２】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る車両１は、直方体状の車両本体２と、一対の第１車輪１０と、一対の第２車輪２０とを備えた構成となっている。車両本体２の両側部には一対の駆動部３ａ、３ｂが内蔵され、一対の駆動部３ａ、３ｂ間には制御部４及びバッテリー５が内蔵されている。車両本体２の一端側２ａの両側部には一対の第１車輪１０が平行に取り付けられ、他端側２ｂの両側部には一対の第２車輪２０が平行に取り付けられている。一対の第１車輪１０及び第２車輪２０は、走行方向と直交する一対の軸１１、２１を中心に回転可能に取り付けられている。そして、一方側の第１車輪１０及び第２車輪２０は、一方側の駆動部３ａに備えられている駆動モータ６ａ及びベルト・プーリ機構７ａにより駆動され、他方側の第１車輪１０及び第２車輪２０は、他方側の駆動部３ｂに備えられている駆動モータ６ｂ及びベルト・プーリ機構７ｂにより駆動される。
【００１３】
図２及び図３に示すように、第１車輪１０及び第２車輪２０は、円周部に複数の凹凸部１２ａ、２２ａが設けられた２枚の円形プレート１２、２２と、２枚の円形プレート１２、２２が貼り合わされた状態で凹凸部１２ａ、２２ａの凹部に配置される複数の第１ローラ３０及び第２ローラ４０と、第１ローラ３０及び第２ローラ４０の回転軸となるピン３１、４１と、第１ローラ３０の回転を規制する部材としてのロックピン３２とにより構成されている。すなわち、第１車輪１０には、縁に円周方向に延在するように配設された複数のピン３１を中心に回転可能に、かつピン３１と平行に配設された複数のロックピン３２により回転規制可能に取り付けられた複数の第１ローラ３０が備えられている。また、第２車輪２０には、縁に円周方向に延在するように配設された複数のピン４１を中心に回転可能に取り付けられた複数の第２ローラ４０が備えられている。
【００１４】
２枚の円形プレート１２の凹凸部１２ａの凸部側面の両側には、ピン３１及びロックピン３２の各両端が嵌め込まれる円柱溝部３３、３４が並設されている。また、２枚の円形プレート２２の凹凸部２２ａの凸部側面の両側にも、ピン４１の両端が嵌め込まれる円柱溝部４３が設けられていると共に、この例では使用しないが円形プレート１２と同様に、回転規制可能なロックピンの両端が嵌め込まれる円柱溝部４４が円柱溝部４３に並設されている。また、一方の円形プレート１２、２２の凹凸部１２ａ、２２ａの凸部側面の中央には、２枚の円形プレート１２、２２を凹凸部１２ａ、２２ａを一致させて貼り合わせる際の位置決め用のピン１２ｂ、２２ｂが突設され、他方の円形プレート１２、２２の凹凸部１２ａ、２２ａの凸部側面の中央には、ピン１２ｂ、２２ｂが嵌入されるピン穴１２ｃ、２２ｃが穿設されている。また、第１ローラ３０の側面中央には、ピン３１が嵌入されるピン穴３０ａが穿設され、さらに側面に９０度間隔で、ロックピン３２が嵌入される４つのロックピン穴３０ｂが穿設されている。また、第２ローラ４０の側面中央にも、ピン４１が嵌入されるピン穴４０ａが穿設されていると共に、この例では使用しないが第１ローラ３０と同様に、側面に９０度間隔で、ロックピンが嵌入される４つのロックピン穴４０ｂが穿設されている。
【００１５】
このような構成の第１車輪１０を第１ローラ３０が回転規制されるように組み立てる場合は、一方の円形プレート１２を円柱溝部３３、３４が上を向くように配置しておき、第１ローラ３０のピン穴３０ａにピン３１を嵌入すると共に１つのロックピン穴３０ｂに１本のロックピン３２を嵌入し、凹凸部１２ａの凹部に第１ローラ３０を配置して円柱溝部３２、３４にピン３１及びロックピン３２の各両端を嵌め込む。そして、他方の円形プレート１２を円柱溝部３３、３４が下を向くようにして一方の円形プレート１２の上から被せ、ピン１２ｂをピン穴１２ｃに嵌入し、他方の円形プレート１２の円柱溝部３３、３４でピン３１及びロックピン３２を挟み込む。以上により第１車輪１０の組み立てが完了する。
【００１６】
一方、第２車輪２０を第２ローラ４０が回転可能となるように組み立てる場合は、一方の円形プレート２２を円柱溝部４３が上を向くように配置しておき、第２ローラ４０のピン穴４０ａにピン４１を嵌入し、凹凸部２２ａの凹部に第２ローラ４０を配置して円柱溝部４２にピン３１の両端を嵌め込む。そして、他方の円形プレート２２を円柱溝部４３が下を向くようにして一方の円形プレート２２の上から被せ、ピン２２ｂをピン穴２２ｃに嵌入し、他方の円形プレート２２の円柱溝部４３でピン４１を挟み込む。以上により第２車輪２０の組み立てが完了する。この場合、第２車輪２０の第２ローラ４０にはロックピン４２を組み込まない。
【００１７】
このような構成の車両１によれば、図５に示すように、段差面での昇降時には第１車輪１０及び第２車輪２０を同方向に回転駆動することにより、第１ローラ３０及び第２ローラ４０の側面が段差に引掛かることで大きなトルクを発生して安定して滑らかに昇降することができる。また、図４に示すように、平地面での旋回走行時には第１車輪１０及び第２車輪２０を互いに逆方向に回転駆動することにより、一対の第１車輪１０の中点Ｐを旋回中心として安定して滑らかに超信地旋回することができる。また、平地面での直進走行時には第１車輪１０及び第２車輪２０を同方向に回転駆動することにより、第１ローラ３０及び第２ローラ４０の先端を接地点として安定して滑らかに直進走行することができる。特に、第２車輪２０の第２ローラ４０にロックピン４２を組み込んで第２ローラ４０の回転を規制することにより、凹凸の走行面であっても横滑りを防止して走行することができる。
【００１８】
また、車両１の主な部品を軽量な樹脂材料で構成することで、従来の車両と比較して軽量化を図ることができる。また、第１車輪１０及び第２車輪２０の構成部品の共通化が可能であり、結果として製造コストを抑えることができる。また、第１車輪１０の繰り返し使用により回転規制された第１ローラ３０の偏摩耗が発生するおそれがあるが、第１ローラ３０には４つのロックピン穴３０ｂが穿設されているため、使用するロックピン穴３０ｂを適宜変更することで第１ローラ３０の接地点を変更することができ、摩耗を第１ローラ３０の周上全体に分散させて第１ローラ３０を長寿命化させ、メンテナンス等に要するコストを削減することができる。また、一対の第１車輪１０は、一対の駆動モータ６ａ、６ｂにより夫々駆動されるので、車両１の重量を低減させてコストを抑えることができる。また、一対の第１車輪１０と一対の第２車輪２０は、一対のベルト・プーリ機構７ａ、７ｂにより夫々連結されて駆動されるので、軸間距離を比較的自由に設定できるので、駆動系の設計に際し柔軟な構造設計が可能となる。
【００１９】
次に、第１ローラ３０及び第２ローラ４０（以下、単にローラという）のローラ数及びローラ寸法に関して検討する。ローラ数が増えれば増えるほど平地面走行時の上下振動は小さくでき、段差面昇降時に第１車輪１０及び第２車輪２０（以下、単に車輪という）の空転を減らすことができる。一方、ローラ間隙の距離が小さくなることで段差面昇降時のローラ接触面積の低下による段差面昇降性能の低下やローラ数の増加によるコストの増加などのデメリットも発生する。また、ローラ数はそのまま円形プレート１２、２２の凹凸部１２ａ、２２ａの凹部（凸部）の数になるため車輪強度の低下が懸念される。
【００２０】
図５に示すように、ローラを含めた車輪直径をＤ、ローラ直径をｄ、ローラ厚さをｔ、ローラ間の角度をθとすると、段差とローラとの接触幅ｘに関して以下の式（１）が成り立つ。
ｘ＝Ｄ／２−Ｄ／２・ｃｏｓθ＋ｔ／２・ｓｉｎθ
＝Ｄ／２（１−ｃｏｓθ）＋ｔ／２・ｓｉｎθ・・・（１）
ここで、θは、１輪あたりのローラの数をＮとすると以下の式（２）で求まる。
θ＝２π／Ｎ・・・（２）
また、ｘとローラの接触面積Ｓは図６より以下の式（３）から導かれる。
Ｓ＝πｄ2／４・θｃ／２π−（ｄ／２−ｘ）・ｄ／２・ｓｉｎ（θｃ／２）・・・（３）
【００２１】
式（３）に（１）を代入すると、以下の式（４）が得られる。
Ｓ＝πｄ2／４・θｃ／２π
−（ｄ／２−Ｄ／２（１−ｃｏｓθ）−ｔ／２・ｓｉｎθ）ｄ／２・ｓｉｎ（θｃ／２）
・・・（４）
ここで、θｃはローラの接触角度で以下の式（５）で表される。
θｃ＝２ｃｏｓ-1（ｄ／２−ｘ）／ｄ／２・・・（５）
また、図７に示す凸部の幅ｌは以下の式（６）で算出される。
ｌ≒（Ｄ−２ｄ）θ−ｔ・・・（６）
【００２２】
ここで、平地面走行時に車輪は平地面上から離れることなく走行するものと仮定し、車輪の最小接触直径Ｄｍｉｎ、最大接触直径Ｄｍａｘを図８のように定義すると、以下の式（７）、（８）が成り立つ。
Ｄｍａｘ＝√（Ｄ2＋ｔ2）・・・（７）
Ｄｍｉｎ＝Ｄｍａｘ・ｃｏｓ（θ／２−ｔａｎ-1ｔ／Ｄ）・・・（８）
式（７）、（８）より平地面走行時の上下振動振幅Ａは以下の式（９）のように求められる。
Ａ＝（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）／２
＝√（Ｄ2＋ｔ2）／２（１−ｃｏｓ（θ／２−ｔａｎ-1ｔ／Ｄ））・・・（９）
以上の式（１）から式（９）を基にローラ数Ｎ、ローラ直径ｄ及びローラ厚さｔを決定する。
【００２３】
次に、駆動部３の駆動モータ６ａ、６ｂ（以下、単に駆動モータという）に関して検討する。段差面昇降時に最も大きなトルクが必要となる瞬間は図９に示すように車両１の後輪（第１車輪１０）が段差面の角部に掛かった瞬間である。ここで、Ｂは段差面の奥行き長さ、Ｈは段差面の蹴上高さ、ｒは車輪半径、Ｌは前後輪の車軸間距離、ｍは車両本体２の質量、τｆ及びτｒはそれぞれ前輪（第２車輪１０）と後輪の一輪あたりの必要トルク、θｃは前輪の接触点と前輪の中心点とを結んだ直線が水平面と成す角度、θｂｏｄｙは車両本体と水平面とが成す角度である。今、車輪直径は考えられうる蹴上高さの２倍で設計をしているため、ｒ＝Ｈが成り立つものとして考えると以下の式（１０）、（１１）が成り立つ。
２Ｈ＋ｒ・ｓｉｎθｃ＝ｒ＋ｌ・ｓｉｎθｂｏｄｙ・・・（１０）
ｒ・ｃｏｓθｃ＋ｌ・ｃｏｓθｂｏｄｙ＝Ｂ＋ｒ・・・（１１）
【００２４】
式（１０）、（１１）よりθｂｏｄｙを消去すると式（１２）となる。
２ｒ（２Ｈ−ｒ）ｓｉｎθｃ−２ｒ（Ｂ＋ｒ）ｃｏｓθｃ
＝ｌ2−３ｒ2＋４Ｈ（Ｈ−ｒ）−Ｂ（Ｂ−２ｒ）・・・（１２）
式（１２）に式（１３）の三角関数の合成公式を適用すると、θｃは以下の式（１４）のように求まる。
Ａｓｉｎθ＋Ｂｃｏｓθ＝√（Ａ2＋Ｂ2）・ｓｉｎ（θ＋α）・・・（１３）
（α＝ｓｉｎ-1Ｂ／√（Ａ2＋Ｂ2）、α＝ｃｏｓ-1Ａ／√（Ａ2＋Ｂ2））
θｃ＝ｓｉｎ-1Ｃ／√（Ａ2＋Ｂ2）−α・・・（１４）
（Ａ＝２ｒ（Ｈ−ｒ）、Ｂ＝−２ｒ（Ｂ＋ｒ）、
Ｃ＝ｌ2−３ｒ2＋４Ｈ（Ｈ−ｒ）−Ｂ（Ｂ−２ｒ））
【００２５】
また、車両本体の重心が前後輪の中心同士を結んだ線分の中点にあると仮定した場合、τｆ及びτｒは以下の式（１５）、（１６）から求めることができる。
τｆ＝ｍｇ／４・ｒ・ｃｏｓθｃ・・・（１５）
τｒ＝ｍｇ／４・ｒ・・・（１６）
１台の駆動モータで前後輪を同時に駆動することから駆動モータ６ａの必要駆動トルクτｍは以下の式（１７）から求められる。
τｍ＝τｆ＋τｒ＝ｍｇｒ（１＋ｃｏｓθｃ）／４・・・（１５）
さらに，減速機の効率をη、段差面昇降時の車両速度をＶｓｔａｉｒとすると、必要な駆動モータの出力Ｐｍは以下の式（１７）から求められる。
Ｐｍ＝０．１０４７（τｆ＋τｒ）・６０Ｖｓｔａｉｒ／２πｒ／η・・・（１７）
【００２６】
なお、上述した実施形態では、第１車輪１０及び第２車輪２０を夫々一対備えるように構成したが、一対の第１車輪１０と１つの第２車輪２０で構成するようにしてもよい。また、第１ローラ３０及び第２ローラ４０の側面中央にロックピン穴３０ｂ、４０ｂを夫々４つ設けるように構成したが、任意の数を設けるように構成してもよい。また、バネ機構等によりロックピン３２、４２をロックピン穴３０ｂ、４０ｂに出し入れ可能に構成してもよい。
【符号の説明】
【００２７】
１  車両、２  車両本体、３ａ、３ｂ  駆動部、４  制御部、５  バッテリー、６ａ、６ｂ  駆動モータ、７ａ、７ｂ  ベルト・プーリ機構、１０  第１車輪、１１，２１  軸、１２、２２  円形プレート、１２ａ、２２ａ  凹凸部、２０  第２車輪、３０  第１ローラ、３０ａ、４０ａ  ピン穴、３０ｂ、４０ｂ  ロックピン穴、３１、４１  ピン、３２  ロックピン、３３、３４、４３、４４  円柱溝部、４０  第２ローラ
【図１】
2011168185.tif 000003
【図２】
2011168185.tif 000004
【図３】
2011168185.tif 000005
【図４】
2011168185.tif 000006
【図５】
2011168185.tif 000007
【図６】
2011168185.tif 000008
【図７】
2011168185.tif 000009
【図８】
2011168185.tif 000010
【図９】
2011168185.tif 000011