(57)【要約】【課題】  車輪の駆動力を球体輪に確実に伝達し、安定した走行を実現可能な球体輪駆動機構を提供すること。【解決手段】  本発明にかかる球体輪駆動機構は、複数の駆動ユニット２０によって球体輪１０を駆動するものである。ここで、駆動ユニット２０は、３個以上の車輪１が直列して配置されている。車輪１は、球面と切り欠き面を有し、当該切り欠き面においてフレーム２によって自由回転可能に支持されている。フレーム２を回転駆動することによって車輪１を回転駆動する。【選択図】  図２
2008006882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動ユニットによって球体輪を駆動する球体輪駆動機構であって、
前記駆動ユニットは、
直列配置された３個以上の駆動輪と、
前記駆動輪を支持するフレームと、
前記フレームを回転させる駆動部と、を備えており、
前記駆動輪は、一部に切り欠き面を有する球状に構成され、該球状部分が、前記球体輪に接触するように配置されているとともに、
前記フレームが、該切り欠き面において駆動輪を回転自在に支持している球体輪駆動機構。
【請求項２】
前記フレームにおいて、前記切り欠き面を支持する部分は、当該車輪の球面を含む仮想球面の外周よりも内側にあることを特徴とする請求項１記載の球体輪駆動機構。
【請求項３】
前記駆動ユニットに含まれる３個以上の車輪は、少なくとも１個の車輪の球面が前記球体輪と面接触するように、回転駆動されることを特徴とする請求項１記載の球体輪駆動機構。
【請求項４】
前記駆動ユニットに含まれる全ての車輪は、単一のモータによってギアを介して同一方向に同期して回転することを特徴とする請求項１記載の球体輪駆動機構。
【請求項５】
前記駆動ユニットに含まれる３個以上の車輪は、前記球体輪の外周曲面に沿うように曲線上に配列されていることを特徴とする請求項１記載の球体輪駆動機構。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載の球体輪駆動機構を備えた移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの球体輪を駆動させて走行する球体輪駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
全方向へスムーズに移動できる利点を有することから、ざまざまな構造の球体輪駆動機構が提案され、開発されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１）。
【０００３】
図７に従来の球体輪駆動機構の構成例を示す。図に示されるように、車輪１ａ，１ｂのそれぞれは、フレーム２ａ，２ｂにＡ軸周りに回転自在に取り付けられている。さらにフレーム２ａ，２ｂは、それぞれＣ軸周りに図示しないモータによって回転駆動され、この回転が球体輪１０に伝達され、これにより球体輪１０が回転する。図７において車輪１ａ，１ｂは、球体輪１０を回転させることができる駆動ユニットを構成する。回転方向が異なる駆動ユニットが３つ以上設けることによって、球体輪１０を任意の方向へ回転させることができ、全方向へ移動できる。
【特許文献１】特開２００３−９４９０４号公報
【特許文献２】特開２００５−３４４７７７号公報
【非特許文献１】「バスケットボールを利用した全方向移動機構の開発」圓戸辰郎（東京大学），中村仁彦（東京大学）著
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７に示されるような従来の球体輪駆動機構では、２つの車輪１ａ，１ｂを回転可能に支持するフレーム２ａ，２ｂは、球体輪１０に対して直接に接することがないように、車輪１ａ，１ｂの対向する２面を切り欠いた位置に設けられる。そのため、フレーム２ａ，２ｂをモータにより回転させることによって車輪１ａ，１ｂを回転させたときに、図７で示されるように、車輪１ａ，１ｂの角部でのみ球体輪１０と接するような状態が発生しうる。このような状態では、車輪１ａ，１ｂと球体輪１０との間の摩擦は著しく低下することになるため、車輪１ａ，１ｂの回転力が球体輪１０に伝達されにくくなる。このため、２つの車輪により駆動する従来の球体輪駆動機構では、車輪１ａ，１ｂと球体輪１０との間の摩擦変化が大きくなり、駆動力のばらつきも大きくなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、車輪の駆動力を球体輪に確実に伝達し、安定した走行を実現可能な球体輪駆動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる球体輪駆動機構は、駆動ユニットによって球体輪を駆動する球体輪駆動機構であって、前記駆動ユニットは、直列配置された３個以上の駆動輪と、前記駆動輪を支持するフレームと、前記フレームを回転させる駆動部と、を備えており、前記駆動輪は、一部に切り欠き面を有する球状に構成され、該球状部分が、前記球体輪に接触するように配置されているとともに、前記フレームが、該切り欠き面において駆動輪を回転自在に支持するものである。このような構成によれば、３個以上の車輪が直列して配置されているため、いずれかの１個以上の車輪の球面を球体輪と接触させることができるため、車輪の駆動力を球体輪に確実に伝達することができ、安定した走行を実現できる。
【０００７】
ここで、前記フレームにおいて、前記切り欠き面を支持する部分は、当該車輪の球面を含む仮想球面の外周よりも内側にある。
【０００８】
また、前記駆動ユニットに含まれる３個以上の車輪は、少なくとも１個の車輪の球面が前記球体輪と面接触するように、回転駆動される。
【０００９】
さらに、前記駆動ユニットに含まれる全ての車輪は、単一のモータによってギアを介して同一方向に同期して回転することが望ましい。これにより、少ないモータにより構成することができる。
【００１０】
また、前記駆動ユニットに含まれる３個以上の車輪は、前記球体輪の外周曲面に沿うように曲線上に配列されているとよい。これにより、球体輪に対して車輪をバランスよく接触させることができる。上述の球体輪駆動機構は、例えば、移動体や車両に搭載することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、車輪の駆動力を球体輪に確実に伝達し、安定した走行を実現可能な球体輪駆動機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に示されるように、本発明の実施の形態にかかる球体輪駆動機構は、球体輪１０と、複数の駆動ユニット２０（２１，２２，２３）を基本的な構成として備えている。当該球体輪駆動機構は、移動ロボット、車両、無人搬送車、作業車等の様々な用途に用いることが可能である。球体輪１０と駆動ユニット２０は、用途に応じた形状及び機能を有する支持機構（図示せず）によって支持されている。この例では、駆動ユニット２０のそれぞれは、平行な回転軸を有する３つ以上の車輪が直列して配置され構成されている。駆動ユニット２０の配列方向に、相互に異なり、この例では、相互に６０°ずつ異なる。これによって、球体輪１０を任意の方向に回転駆動することが可能となり、平面上の全方向に対して走行することができる。駆動ユニット２０は、球体輪１０の鉛直方向に垂直な大円（球体輪１０の中心を通る鉛直方向に垂直な平面の外周）よりも上側の外周に設けられる。
【００１３】
球体輪１０は、例えば、ゴム等の弾性体によって被覆された金属又は樹脂からなる球体や中実構造の硬質弾性ゴムからなる球体により構成されている。球体輪１０をこのような構造とすることによって、走行時の振動、騒音、滑りを抑制することができる。
【００１４】
図２に駆動ユニット２０の詳細な構造を示す。図２（ａ）は、駆動ユニット２０の平面図である。図２（ｂ）は、駆動ユニット２０の正面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＸ−Ｘ断面における断面図である。
【００１５】
従来の球体輪駆動機構では、２つの車輪が設けられていたが、本発明の実施の形態にかかる球体輪駆動機構では、３つの車輪（ローラ）１ａ，１ｂ，１ｃが設けられている。この例では、車輪１ａ，１ｂ，１ｃは、直線上ではなく、球体輪１０の外周に沿った曲線上に直列（一列）に配置されている。車輪１ａ〜１ｃは、それぞれ球体輪１０よりも小径の球形状を有し、対向する２面が切り欠かれており、球面と切り欠き面により構成される。車輪１の球面は、球体輪１０との静摩擦係数が高くなるような素材により構成されており、例えば、ゴム等の弾性樹脂によりなる。切り欠き面は円形状となるが、その中心に棒状の回転軸部材３ａ，３ｂ，３ｃが貫通され、車輪１ａ〜１ｃのそれぞれに固定されている。
【００１６】
回転軸部材３ａ〜３ｃのそれぞれは、四角いリング状（輪帯状）のフレーム２ａ〜２ｃにおいて対向する２つの直線部材に自由回転自在に取り付けられている。このとき、回転軸部材３ａ〜３ｃが取り付けられた第１の直線部材は、軸受部分において、車輪１ａ〜１ｃの球面を含む仮想球面の外周よりも内側、即ち車輪の中心側に位置する。このため、車輪１ａ〜１ｃがフレーム２ａ〜２ｃと一体的に回転された場合であっても、車輪１ａ〜１ｃの球面部分は球体輪１０と接するが、フレーム２ａ〜２ｃは球体輪１０と接しない。
【００１７】
フレーム２ａにおいて、回転軸部材３ａが取り付けられた第１の直線部材に対して垂直に延在した第２の直線部材には、棒状の回転軸部材４ａが当該第２の直線部材に対して垂直に取り付けられている。また、回転軸部材４ａは、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して取り付けられ、その他端部にギア５ａが固定されている。フレーム２ａにおいて、回転軸部材４ａが取り付けられた第１の直線部材と対向する直線部材においても回転軸部材４１ａが設けられている。この回転軸部材４１ａも、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して、回転自在に当該全体フレーム７に取り付けられる。
【００１８】
ギア５ａは、全体フレーム７に回転自在に取り付けられたギア５ｄと噛み合っており、ギア５ｄが回転すると、ギア５ａも回転する。
【００１９】
フレーム２ｂにおいて、回転軸部材３ｂが取り付けられた第１の直線部材に対して垂直に延在した第２の直線部材には、棒状の回転軸部材４ｂが当該第２の直線部材に対して垂直に取り付けられている。また、回転軸部材４ｂは、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して取り付けられ、その他端部にギア５ｂが固定されている。フレーム２ｂにおいて、回転軸部材４ｂが取り付けられた第１の直線部材と対向する直線部材においても回転軸部材４１ｂが設けられている。この回転軸部材４１ｂも、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して、回転自在に当該全体フレーム７に取り付けられる。
【００２０】
回転軸部材４ｂは、ギア５ｂに固定されるとともに、モータ６の回転軸にも固定されている。モータ６の回転軸に取り付けられたギア５ｂは、ギア５ｄと噛み合っているため、モータ６の回転に伴ってギア５ｂが回転すると、その回転力はギア５ｄ及びギア５ａに伝達される。ここで、モータ６は、回転速度を調整可能である。
【００２１】
同様にして、フレーム２ｃにおいて、回転軸部材３ｃが取り付けられた第１の直線部材に対して垂直に延在した第２の直線部材には、棒状の回転軸部材４ｃが当該第２の直線部材に対して垂直に取り付けられている。また、回転軸部材４ｃは、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して取り付けられ、その他端部にギア５ｃが固定されている。フレーム２ｃにおいて、回転軸部材４ｃが取り付けられた第１の直線部材と対向する直線部材においても回転軸部材４１ｃが設けられている。この回転軸部材４１ｃも、全体フレーム７に設けられた軸受を貫通して、回転自在に当該全体フレーム７に取り付けられる。
【００２２】
ギア５ｃは、隣接して全体フレーム７に回転自在に取り付けられたギア５ｅと噛み合っており、ギア５ｅが回転すると、ギア５ｃも回転する。
【００２３】
モータ６の回転軸に取り付けられたギア５ｂは、ギア５ｅとも噛み合っているため、モータ６の回転に伴ってギア５ｂが回転すると、その回転力はギア５ｄ及びギア５ａに伝達される。ここで、本例におけるギア５ａ〜５ｅのギアピッチは互いに等しい。
【００２４】
図２で示される駆動ユニット２０では、モータ６が回転すると、ギア５ａ，５ｂ，５ｃが同一回転方向に同一回転速度で回転することになるため、それらのギア５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれと同軸に固定された車輪１ａ，１ｂ，１ｃは、同一回転方向に同一回転速度で同期して回転する。
【００２５】
図２（ｂ）から良くわかるように、それぞれの車輪１ａ，１ｂ，１ｃは、回転位相がずれた状態に設定されている。具体的には、車輪１ａ，１ｂ，１ｃのいずれかが球体輪１０の球面に対して面接触するように回転位相が設定される。図２の例では、車輪１ｂを基準とし、右回りをプラスとしたとき、車輪１ａは−４５度、車輪１ｂは＋４５度回転した状態に設定されている。
【００２６】
図３〜図６は、駆動ユニット２０を球体輪１０に接触させた状態を示し、図３は平面図、図４は正面図、図５は図４のＹ−Ｙ断面図、図６は右側面図である。図３〜図６に示す状態では、少なくとも、車輪１ｂの球面が球体輪１０に対して面接触している。このような状態で、車輪１ａ，１ｂ，１ｃがそれぞれ同一方向に同一回転速度で回転するが、少なくとも一つの車輪１の球面が球体輪１０と面接触するため、車輪１の駆動力が安定して球体輪１０に伝達され、安定した走行を実現できる。
【００２７】
上述の例では、駆動ユニット２０は３つの車輪を有するが、これに限らず、４つ以上の車輪を有するようにしてもよい。また、駆動ユニット２０も上述の例では３つ設けたが、これに限らず、４つ以上設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる球体輪駆動機構の全体構成図である。
【図２】本発明にかかる球体輪駆動機構における駆動ユニットの平面図、正面図及び断面図である。
【図３】本発明にかかる球体輪駆動機構の平面図である。
【図４】本発明にかかる球体輪駆動機構の正面図である。
【図５】本発明にかかる球体輪駆動機構の断面図である。
【図６】本発明にかかる球体輪駆動機構の右側面図である。
【図７】従来の球体輪駆動機構の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  車輪
２  フレーム
３  回転軸部材
４  回転軸部材
５  ギア
６  モータ
７  全体フレーム
１０  球体輪
２０  駆動ユニット
【図１】
2008006882.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008006882.tif 000007
【図６】
2008006882.tif 000008
【図７】
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