(57)【要約】【課題】車直進回転の回転方向と直角に回転し、かつ車輪外周円の円弧を形成する回転体を備えた非旋回式の自在方向輪の使用を前提にしたトルク及び回転方向が互いに独立に駆動される４輪駆動式の全方向移動車において、空転を抑制して安定に走行させる。【解決手段】一対の前輪１及び後輪５が、垂直の対称面に対してそれぞれ面対称に配置されると共に、前輪１は前方へ向けて互いの間隔が狭くなるように対称面に対して傾斜し、後輪５は対称面に対して後方へ向けて互いの間隔が狭くなるように傾斜し、前輪１が設けられる下側フロアフレーム２ａ及び後輪５が設けられる上側フロアフレーム２ｂが、対称面に含まれる水平の回転軸線を中心に互いに独立に回転自在に連結さる。各回転体１０が、車軸を中心とする半径方向に対して交差する回転軸線を中心に回転自在に支持されると共に、その先端部の直径を基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。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直進方向に対して直交方向へ回転する複数個の回転体が周囲に配列されている回転体付き車輪を４輪備え、この４輪のトルク及び回転方向が互いに独立に駆動される全方向移動車において、
４輪中の一対の前輪及び一対の後輪が、垂直の対称面に対してそれぞれ面対称に配置されると共に、一対の前記前輪は前方へ向けて互いの間隔が狭くなるように前記対称面に対して傾斜し、一対の前記後輪は前記対称面に対して後方へ向けて互いの間隔が狭くなるように傾斜し、
一対の前記前輪が設けられる前輪用フロアフレーム及び一対の前記後輪が設けられる後輪用フロアフレームが、前記対称面に含まれる水平の回転軸線を中心に互いに独立に回転自在に連結され、
各回転体が、車軸を中心とする半径方向に対して交差する回転軸線を中心に回転自在に支持されると共に、前記各回転体は、その先端部の直径を基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形状に形成されていることを特徴とする全方向移動車。
【請求項２】
一対の前輪及び一対の後輪が対称面に対して４５°にそれぞれ傾斜すると共に、一対の前記前輪及び一対の前記後輪のそれぞれの中心位置が同一円上に位置することを特徴とする請求項１記載の全方向移動車。
【請求項３】
一対の前輪及び一対の後輪の一方が、対称面に対して、傾斜するのに代えて、平行であることを特徴とする請求項１記載の全方向移動車。
【請求項４】
前輪用フロアフレーム及び後輪用フロアフレームが、空間部を置いて少なくとも部分的に上下に重ねられると共に、前記前輪用フロアフレーム及び前記後輪用フロアフレームを回転自在に連結する連結部が前記空間部に設けられ、さらに前記前輪用フロアフレーム及び前記後輪用フロアフレームにおける対称面の両側に、上下方向に弾性を呈する緩衝材が介在させられたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の全方向移動車。
【請求項５】
各回転体の先端部が隣合う前記回転体の基端部に近接し得るように、前記各回転体の前記先端部が、隣合う前記回転体の前記基端部に形成された凹部に部分的に侵入していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の全方向移動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直進方向に対して直交方向へ回転する複数個の回転体が車輪の周囲に配列されている回転体付き車輪を４輪備えて、進行方向が全方向に可変される全方向移動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１、特許文献２等により、直進方向に対して斜めに傾斜した回転軸線を有する回転体、即ちローラがハブの周囲に配列された車輪を用いて、その４輪駆動により横方向を含めて３６０°に移動し得る全方向移動車が実現されることは周知となっている。この種の車輪を用いた場合、進行方向への車輪自体の旋回を要さずに自在に転向することができるが、隣合う回転体間に自ずと隙間を生じ、スムーズな走行は困難である。
【０００３】
そこで、特許文献３により、車輪の外周に直進方向と直角方向に回転するローラと緩衝部材を交互に配列した無旋回式自在車輪が開示され、４輪駆動車椅子も実現される旨記載されている。これにより、ローラのベクトル分力に応じた回転により旋回領域を不要にして斜めに走行することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭４７−１２４６１号公報
【特許文献２】
特開平２−１５８４６０号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２７４０４号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３７６０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３による無旋回式自在車輪の場合も、ローラが円筒状に形成され、したがって外周が回転方向に直線状になるために、振動を生じてスムーズな走行は困難であり、またゴム等の緩衝部材の変形により特に横方向回転時にロスを生じ、ローラは直線状シャフトにベアリングを介して支持することは不可能である。要するに、特に高速走行には不適であり、また前後輪の単なる平行配置では横方向の自動走行は不可能である。そこで、本願出願人は、文献４により、各回転体が、車軸を中心とする半径方向に対して交差する回転軸線を中心に回転自在に支持され、各回転体は、その先端部の直径を基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、例えば半紡錘形状に形成されることにより、各回転体同士が円周を形成して接近可能になる回転体付き車輪を提案した。このような回転体付き車輪を用いると、ガタツキ無く全方向へ４輪駆動が可能になるが、段差面の走行時にいずれかの車輪が走行面から浮くと、スムーズな移動が行われなくなる問題が残される。特に、４輪をモータ駆動して自動走行させる場合、空転を生じ、スムーズな走行或は正確な方向制御が行われなくなる。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みて、前述した車直進回転の回転方向と直角に回転し、かつ車輪外周円の円弧を形成する回転体を備えた非旋回式の自在方向輪の使用を前提に、空転を抑制して安定して走行し得る４輪駆動式の全方向移動車を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、直進方向に対して直交方向へ回転する複数個の回転体が周囲に配列されている回転体付き車輪を４輪備え、この４輪のトルク及び回転方向が互いに独立に駆動される全方向移動車において、４輪中の一対の前輪及び一対の後輪が、垂直の対称面に対してそれぞれ面対称に配置されると共に、一対の前輪は前方へ向けて互いの間隔が狭くなるように対称面に対して傾斜し、一対の後輪は対称面に対して後方へ向けて互いの間隔が狭くなるように傾斜し、一対の前輪が設けられる前輪用フロアフレーム及び一対の後輪が設けられる後輪用フロアフレームが、対称面に含まれる水平の回転軸線を中心に互いに独立に回転自在に連結され、各回転体が、車軸を中心とする半径方向に対して交差する回転軸線を中心に回転自在に支持されると共に、各回転体は、その先端部の直径を基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形状に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
全方向移動車は、前輪及び後輪自体のそれぞれの直進方向に生じる速度をベクトル合成した方向を進行方向として移動し、その際前輪及び後輪の各回転体は、その進行方向の全方向移動車の進行力に対するベクトル分力に応じて回転する。したがって、４輪に付属のモータの個々の回転数調整及び回転方向の切換により、進行方向を３６０°の範囲で可変でき、少なくとも前輪又は後輪の一方の対の傾斜配置により左右方向の移動も可能である。前輪又は後輪の一方の対のうちの左右いずれかが起伏面を走行すると、相手側の一対の後輪又は前輪に対して相対的に回転軸線を中心に回転してそのまま起伏面に追従して走行する。請求項２により、一対の前輪及び一対の後輪が対称面に対して４５°にそれぞれ傾斜すると共に、これらの４輪の中心位置が同一円上に位置すると、前後左右の移動が各車輪の速度を同一にして、その回転方向の組合せにより移動可能となり、同一円の中心点を中心にスピン回転による移動が可能になる。４５°からずれると、対応して前後方向及び左右方向のトルク特性が変化し、平行もしくは直交状態に近づくと、左右方向又は前後方向の移動に必要なトルクが極端に大きくなる。請求項３により、一対の前輪及び一対の後輪の一方が、対称面に対して、傾斜するのに代えて、平行であると、その間に利用し易い方形状のスペースが形成されるが、左右方向の移動が相手方の対のみのトルクに依存することになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１乃至図５を基に本発明の実施の形態の一例による全方向移動車を説明する。この全方向移動車９は、図１に示すように、フロアフレーム２が空間部を置いて部分的に上下に重ねられた下側フロアフレーム２ａ及び上側フロアフレーム２ｂを備えると共に、前輪用フロアフレームとしての下側フロアフレーム２ａにモータ駆動の一対の前輪１、後輪用フロアフレームとしての上側フロアフレーム２ｂにモータ駆動の一対の後輪５を設けて構成されている。
【００１０】
これらの一対の前輪１及び後輪５は、図２に示すように、それぞれの中心位置がフロア２の略中央の４輪中心位置Ｐを中心として同一円上に位置し、かつこの４輪中心位置Ｐを通過する前後方向の垂直な対称面Ｓに対して４５°で傾斜した面対称位置をそれぞれ占めるように配置されている。即ち、前輪１は前方へ幅狭、後輪５は前方へ幅広になるハの字形であり、それぞれの車軸４の延長線が４輪中心位置Ｐで直交している。
【００１１】
前輪１の車軸４は、減速機付きのモータをハウジングに収納してブラケット３ａにより下側フロアフレーム２ａのハの字形突出部分に搭載されたモータ駆動ユニット３により回転駆動される。同様に、後輪５の車軸４は、上側フロアフレーム２ｂのハの字形突出部分に下設されるモータ駆動ユニット７で回転駆動される。
【００１２】
上側フロアフレーム２ｂの対称面Ｓに位置する前部及び中間部には連結脚３０がそれぞれ下設され、これらの下端部が、対応する下側フロアフレーム２ａの前部及び後部に設けられたヒンジブラケット３１に支持されるピン３２で枢着されることにより、下側フロアフレーム２ａ及び上側フロアフレーム２ｂを対称面Ｓに含まれる水平な回転軸線を中心に左右に回転自在に連結する連結部が構成されている。
【００１３】
対称面Ｓの左右方向の両側である後側の連結脚３０の両側には、サスペンションアーム３４が下設され、その先端部に弾性を呈する緩衝材として下側フロアフレーム２ａに弾接するばね３３が取付けられてサスペンションを構成し、例えばロボットを搭載する上側フロアフレーム２ｂの左右回転時の衝撃を吸収するようになっている。尚、緩衝材としてはゴムを用いることも考えられる。
【００１４】
前輪１及び後輪５はそれぞれ同一車輪構造であり、図３に示すように、走行面の段差を容易に乗り越え得る程度に大きな直径を有し、中心部に車軸４を備えたリム２９の周囲に、車輪直進方向に対して直交方向へ回転する複数個の同一形状の回転体１０を配列して構成されている。この回転体は、車軸４の回転軸線Ｏを中心とする半径Ｒ１の方向に対してその半径円、即ち回転軸線Ｏの直交面と同一面状で、かつ半径Ｒ１に交差する回転軸線Ｘ１上に位置する回転軸２６に回転自在に支持されている。各回転体１０の直径は、半径Ｒ１に沿った基端部１１から先端部１２に向けて連続的に小さく変化し、かつ周面１９が車輪外周円Ｃ１への回転位置でその円弧を形成している。したがって、各回転体１０は、図示のように例えば半紡錘形状に形成される。
【００１５】
また、先端部１２が隣合う回転体１０の基端部１１に形成された円錐面状の凹部２５の外周側半分に部分的に侵入して、車輪外周円Ｃ１に回転した周面１９が僅かな隙間１９ａで隣合う回転体１０の基端部１１に近接し得るようになっている。さらに、リム２９の周面には軸受アーム２０の基端部が取付けられ、凹部２５のリム２９側の周壁２５ａ及びリム２９側の周面１９間の隙間２７に侵入し、さらに先端部１２間の隙間に侵入して隣合う回転軸２６に対して直交方向へ順に曲げられている。これにより、軸受アーム２０の途中位置２１で回転軸２６の基部側端部を支持し、先端位置２２で隣合う回転体１０の回転軸２６の先端側端部を支持している。
【００１６】
全方向移動車９はリモートコントローラで運転され、フロアフレーム２には、図４に示すように、４個の車軸４に付属のモータ駆動ユニット３に収納されたモータを駆動するモータ駆動部４１〜４４、その駆動制御信号を供給する制御部４０及びこれらの駆動源となるバッテリ４９等が設けられている（取付け状態は図示せず）。即ち、制御部４０はアンテナ４８で受信したリモートコントローラのディジタルの送信信号に応答して、全方向移動車９のスタート・停止、前進・後退、操舵及び速度指令用の制御信号を出力し、各モータ駆動部４１〜４４は入力した制御信号に応答して、指令された速度及び移動方向に対応したレベルの駆動入力を所属のモータに供給する。
【００１７】
このように構成された全方向移動車の動作は次の通りである。上側フロアフレーム２ｂに例えばロボットを搭載し、リモートコントローラの操作により、運転を開始する。その操作に応答して、制御部４０は一直線の前進時には両側の前輪１及び後輪５を指令された速度に応じたトルクで互いに等速でモータを正転させる（図５Ａ参照）。一直線の後退時にはモータ回転を反転させる。旋回時には前輪１同士及び後輪５同士を互いに逆転させて、その回転方向に応じて円周上でスピン回転させる（図５Ｂ参照）。右折又は左折する場合には、右側の前輪１と後輪５又は左側の前輪１と後輪５を相対的に減速させる。左又は右の横方向へ移動させる場合には、左側の前輪１と右側の後輪５又は右側の前輪１と左側の後輪５の回転方向を直進時に対して反転させる（図５Ｃ参照）。
【００１８】
このように、全方向移動車９は、前輪１及び後輪５の４輪の速度をベクトル合成した方向へ進行し、その際前輪１及び後輪５に所属の回転体１０は全方向移動車９の進行力のベクトル分力に応じて回転軸２６を中心に回転する。
【００１９】
前輪１の一方又は後輪５の一方が凸部に乗り上げたり或は凹部で下降すると、下側フロアフレーム２ａ及び上側フロアフレーム２ｂが連結部のピン３２を中心に横方向へ回転してそのまま起伏面を追従走行し、凹凸変動した車輪自体もしくは相手対の車輪の空転が或は車輪の回転速度のバラツキが回避され、スムーズな走行もしくは忠実な操舵が可能となる。その際、下側フロアフレーム２ａ及び上側フロアフレーム２ｂ間に介在するばね３３の緩衝作用により、所属の又は相手方の下側フロアフレーム２ａ及び上側フロアフレーム２ｂに加わる衝撃が伸縮ストロークの範囲内で抑制される。さらに、車輪の外周を形成する回転体１０の外周が円弧状であることにより、自動走行による高速回転時のガタツキが抑制され、回転体１０間の隙間に異物も挟まりにくくなる。
【００２０】
図６は別の実施の形態による全方向移動車の前輪及び後輪の配列状態を示すもので、同図Ａの場合、前輪１及び後輪５の傾斜角が４５°より小さくなることにより、所定のモータ出力に対して前後方向のトルクもしくは速度が得やすくなる。反面、横もしくは斜め方向の方向のトルクは相対的に減少する。同図Ｂの場合、一対の後輪５が平行になり、車輪間のスペースを方形状にしてフロア部分が利用し易くなるが、左又は右の横方向の移動は前輪１のみに依存して後輪５の駆動を停止させるために、その方向のトルクは減少し、逆に前後方向の移動のトルクは増加する。尚、後輪５に代えて、一対の前輪１を平行にすることもできる。
【００２１】
尚、前輪用フロアフレーム及び後輪用フロアフレームは、前述のように上下２段でなく、場合により、同一面状で左右に回転可能に連結することもできる。その際、同一面状のフロアフレームを連結部を含めて前後対称構造に構成し、前輪１又は後輪５の傾斜角も同一にすることにより、前後輪を区別しない前後対称の４輪駆動の全方向移動車として構成することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、車輪周囲を円状にする直交回転式の回転体によりガタツキ無くスムーズに走行し、走行面に起伏があっても前輪用フロアフレーム及び後輪用フロアフレームの左又は右側への相対的な回転により車輪の回転変動或は空転を生じることなく、安定して全方向へ走行できる４輪駆動の全方向移動車が実現される。その際、請求項２の発明によれば前後方向及び左右方向に同一トルクが発生可能になり、請求項３の発明によれば平行な車輪間のフロア領域を広くすることができる。請求項４の発明によれば、簡単な構成で搭載物の載置面を広くでき、凹凸面を走行時の横回転方向の衝撃を抑制できる。請求項５の発明によれば、各回転体の先端部が相手方の基端部の凹部に侵入することにより、各回転体の隙間を一層小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による全方向移動車の斜視図である。
【図２】同全方向移動車の平面図である。
【図３】同全方向移動車の車輪の部分断面図である。
【図４】同全方向移動車の駆動回路を説明する図である。
【図５】同全方向移動車の走行態様を説明する原理図である。
【図６】別の実施の形態による車輪の配列状態を説明する図である。
【符号の説明】
１  前輪
２  フロアフレーム
２ａ  下側フロアフレーム
２ｂ  上側フロアフレーム
４  車軸
５  後輪
９  全方向移動車
１０  回転体
３０  連結脚
３１  ヒンジブラケット
３３  ばね
３４  サスペンションアーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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