CN102458962B - 能够转向的驱动机构及全方向移动车 - Google Patents

Abstract

本发明提供可提高稳定的转向环境和动力源的运转率的驱动机构以及利用该驱动机构的全方向移动车。全方向移动车具备车体(6)和多个车轮(4a～4d)，对于多个车轮之中的两个以上车轮，搭载能够转向的驱动机构。驱动机构具备旋转自如的转向部(1)、支撑于转向部的车轮(4)、绕转向部的中心线上的轴旋转的驱动体(2)和在从转向部的中心轴发生偏心的位置处将驱动体的旋转力传递给车轮的输出轴(3)。驱动体将向正转方向被驱动的第一驱动部(22)以及向反转方向被驱动的第二驱动部(23)配置在同轴上。输出轴具备从第一驱动部接受驱动力的传递的第一输出部(71)和转换第二驱动部的旋转并接受驱动力的传递的第二输出部(72)，将受两输出部限制且从输出部获得的旋转力传递给车轮。

Description

能够转向的驱动机构及全方向移动车

技术领域

本发明涉及用于使电动轮椅或者自动搬运机等全方向移动的车辆及用于该车辆的能够转向的驱动机构。

背景技术

日本随着老龄化社会的到来，被看护者趋于增加，对于运动机能下降的老龄者、特别是具有下半身机能不全等症状的老龄者而言，需要利用轮椅来进行移动。另外，即使对于先天存在残疾的人员或因事故等导致的后天残疾者等，在随着运动机能不全而导致步行困难的状态的情况下，轮椅成为了生活必需品。通常的轮椅有时虽然也由利用者自己进行操作，但运动机能下降显著的利用者大多数都委托看护者进行操作，为了减轻看护上述老龄者或者残疾者的人员的负担，开发了电动轮椅。但是，一般的电动轮椅需要大的空间进行旋转等，因而存在对在不能确保足够面积的场所(例如普通房屋或租赁住宅等)的利用带来不便这样的问题。

另一方面，在加工工厂等生产现场，为了确保工作设备的设置空间以及原材料的保存空间等，无法大范围地使用地面，处在作业者虽能够移动但搬运车无法从容移动的环境下的情况也不少。为此，在生产现场，多使用输送机等搬送装置，但对于不适于由输送机等搬送的部件(例如小型部件或切削粉末等)，特别期待开发出利用能够在地面上移动的搬运车进行搬送而适于在狭小空间进行搬送的移动车。

于是，开发了能够全方向移动的车辆，即使在狭小空间也可进行方向转换等。若大致划分车辆结构，则可列举出车轮为特殊结构的类型和使车轮转向的类型。作为前者的车辆结构，具有：在构成车轮主体的外周环(与轮圈相当的部分)安装多个以该外周环为轴旋转自如的旋转体的结构(参照专利文献1)、在设于车轮的外侧切线方向的辊轴上配设有桶形分割辊的结构(参照专利文献2)。

上述结构的技术中，除了原来的车轮之外，在该车轮的外周还具备能够在正交方向旋转的辅助车轮(旋转体或者桶形辊)，因而，除了前后方向，还能够在左右方向移动。但是，在朝斜向移动时，辅助车轮并不朝斜向旋转，在与接地面之间受到摩擦阻力。另外，还存在如下问题：为了由马达驱动结构这样复杂的车轮，装置整体变复杂。

另一方面，作为后者的车辆结构，具有：通过与大致平板状的设于旋转轴的齿轮啮合的旋转驱动马达的输出齿轮来改变车轮朝向的结构(参照专利文献3)、通过旋转马达使支撑车轮的车轮支撑部旋转的结构(参照专利文献4)。

专利文献3是仅在旋转时使旋转驱动马达的输出齿轮与旋转轴的齿轮啮合的结构，在通常行驶时，解除上述啮合而将旋转驱动马达的驱动力利用于车轮驱动。但是，根据上述结构，交替地反复使旋转轴的齿轮与驱动侧的齿轮啮合的状态和将两者分开的状态，在使齿轮啮合时，有两齿接触。其结果是，为了防止缺齿等而要求改变马达速度等(参照引用文献3的段落0010)。另外，专利文献4虽未详细公开旋转时与非旋转时的切换，但若进行马达的接通切断，则旋转用马达的使用频率变少，马达的运转率也不得不变低。

于是，本发明人开发了利用多个齿轮机构将两个动力源的输出合成及再分配来对车轮进行驱动及转向的机构(参照专利文献5)。该技术是利用了行星齿轮机构的差动驱动转向机构，通过被中心齿轮和内齿轮夹持的行星齿轮旋转，能够将行驶驱动力输出给车轮，而且，通过上述行星齿轮围绕中心齿轮移动，能够进行转向。

因此，通过由两种马达使中心齿轮和内齿轮同时旋转，并控制其转速，实现行星齿轮的旋转以及公转，适于作为全方向移动机构。但是，由于中心齿轮和内齿轮的齿数大不相同，所以在差动驱动的公转状态下有可能缺乏稳定性。即，在进行差动驱动时，调整齿数多的内齿轮的转速，考虑以中心齿轮为基准来增减内齿轮的转速，但在两齿轮高速旋转时，必须降低某一方的齿轮的转速地进行转向，在减小内齿轮的转速的情况下，虽能够进行与齿数对应的细致的转速调整，但在减小中心齿轮的转速的情况下，略微变化即会引起差动状态大幅变化。另外，驱动以不同转速旋转的中心齿轮和内齿轮的马达的消耗度也可能不稳定。

另外，也有构成为通过由并列配置的两个车轮形成一对差动小脚轮来控制两轮的转速并由上述小脚轮改变朝向的技术(参照专利文献6)，作为动力源的一对马达分别设在小脚轮内，一个马达在相同转速的情况下前进，在设有转速差时能够进行方向转换。但是，由于是由并列的两个车轮构成，所以由于作用于两轮的摩擦阻力的不同或行驶面(地面或者路面等)的状态的差异，在能否获得根据控制转速的推进力的方面存在问题，需要由单个车轮构成。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2003-127605号公报(0013、图1)

专利文献2：日本特开2005-67334号公报(第7页、图1)

专利文献3：日本特开2004-231043号公报(第4页-第5页、图1、图2)

专利文献4：日本特开2006-1518号公报(第2页、图1)

专利文献5：日本特开2008-279848号公报

专利文献6：日本特开2008-213570号公报(第3页-第5页、图2)

发明内容

本发明是鉴于上述各种状况而提出的，其目的在于提供一种驱动机构及利用该驱动机构的全方向移动车，不使用行星齿轮机构就能够通过差动驱动进行单个车轮的转向，从而使得稳定的转向环境和动力源的运转率提高。

本发明的能够转向的驱动机构，其具备：旋转自如的转向部、支撑于该转向部的车轮、绕上述转向部的中心线上的轴旋转的驱动体及设置在从上述转向部的中心轴发生偏心的位置并将从上述驱动体获得的旋转力传递给上述车轮的输出轴；上述驱动体是通过将向正转方向被驱动的第一驱动部及向反转方向被驱动的第二驱动部配置在同轴上而形成的驱动体；上述输出轴是如下的输出轴，其具备第一输出部及第二输出部，并将受上述第一输出部及上述第二输出部限制且从上述第一输出部及上述第二输出部获得的旋转力传递给车轮，其中，上述第一输出部从上述第一驱动部接受驱动力的传递，上述第二输出部从将上述第二驱动部的旋转转换成正转方向的转换部接受驱动力的传递。

根据上述结构，输出轴由于受不同的两个输出部限制，所以在第一以及第二输出部的转速一致时，在定点进行旋转，而在第一输出部的转速与第二输出部的转速不同时，对应于上述转速之差以转向部的中心轴为中心朝周向移动。此时的朝周向的移动使转向部旋转，使支撑于该转向部的车轮的朝向变化。另外，输出轴受第一以及第二输出部“限制”是指，通过将输出部固定于输出轴，该输出轴从两个输出部的双方被提供旋转力。

在上述发明中，可以如下构成，第一以及第二驱动部由单独控制转速的不同动力源单独获得驱动力。根据上述结构，由于能够对输出给第一以及第二输出部的转速单独进行控制，所以能够控制第一以及第二驱动部中的一方或者双方而产生输出部的转速差。

另外，在上述发明中，可以如下构成，在使第一以及第二驱动部的转速一致时，第一以及第二输出部按相同转速旋转。根据上述结构，在通常行驶时也就是直线移动时，应提供给两驱动部的驱动力相同，不同的动力源以相同程度运转，因而动力源的运转率得到提高。

进而，在上述发明中，可以如下构成，第一驱动部、第二驱动部、转换部、第一输出部及第二输出部都是直齿轮。根据这样的结构，能够利用转向部的中心轴作为驱动部的支撑轴，能够平行地配置该转向部的中心轴和输出轴，能够使两输出部的转速差反映到转向中。

在该情况下，可以如下构成，第一驱动部的齿数相对于第一输出部的齿数的比例与第二驱动部的齿数相对于转换部的齿数的比例一致，转换部和第二输出部的齿数相同。根据这样的结构，通过对第一以及第二驱动部提供相同转速的驱动力，能够使第一输出部旋转的转速与第二输出部旋转的转速一致。并且，在第一以及第二驱动部产生转速差时，该转速差成为第一以及第二输出部的转速差，因而能够通过驱动部的转速进行转向角度的调整。

在上述各发明中，可以如下构成，车轮是在从转向部的中心轴发生偏移的位置具有接地点的车轮。在该情况下，转向部以车轮的接地点为中心进行旋转，而且，在改变行驶方向时，因车轮滚动而发生变动的接地点的轨迹与上述转向部的中心的轨迹不同，因而能够相对于预期方向使转向部的中心直线移动。

在第一驱动部、第二驱动部、转换部、第一输出部及第二输出部由直齿轮构成、第一驱动部的齿数相对于第一输出部的齿数的比例与第二驱动部的齿数相对于转换部的齿数的比例一致、且转换部与第二输出部的齿数相同的结构中，可以如下构成，在从转向部的中心轴发生偏移的位置具有接地点的情况下，该偏移量是将第一驱动部的齿数相对于第一输出部的齿数的比例与车轮的半径相乘而得到的长度。根据这样的结构，车轮滚动所产生的行驶力和转向部旋转所产生的转向的力能够均等地作用于发生了偏移的车轮的支撑轴，能够在行驶过程中的转向时向车轮提供可抵抗行驶力的转向力。

另外，在上述发明中，可以如下构成，输出轴是在车轮侧的前端具备锥齿轮的构成，经由与上述锥齿轮啮合的锥齿轮对车轮提供旋转力。根据这样的结构，即使输出轴的轴线与转向部旋转的方向正交地设置，也能够对具有水平车轴的车轮转换并传递旋转方向。

另一方面，本发明的全方向移动车是搭载有上述任一项所述的能够转向的驱动机构的全方向移动车，其特征在于，具备车体和多个车轮，对于多个车轮之中的两个以上车轮搭载上述驱动机构。

若为上述结构的全方向移动车，则通过将一部分的车轮作为从动车轮，能够使从动车轮向由搭载有上述驱动机构的车轮的转向所确定的方向随动。相反，通过对全部车轮搭载上述驱动机构，分散了驱动力的负担，此外还能够单独控制各个车轮的朝向，因而可通过这些控制形式进行各种方向转换。

另外，本发明的全方向移动车是搭载有上述任一项所述的能够转向的驱动机构的具有车轮的全方向移动车，其特征在于，具备：车体、四个车轮、对于各个车轮对上述第一以及第二驱动部单独提供驱动力的各两个马达、检测各马达的转速的转速检测机构、检测上述转向部的转向角度的角度检测机构、控制各马达的转速的控制机构及向上述控制机构发送指令的操作部。

根据上述结构，由于对四个车轮单独进行控制，而且，对于每个车轮各配置有两个马达以向驱动部提供驱动力，所以能够通过两个马达的转速控制来控制上述第一以及第二驱动部的转速。另外，由于此时的马达的转速由转速检测机构检测，所以能够对目标值与实际转速进行比较。进而，由于转向角度由角度检测机构检测，所以能够在对每个车轮各配置有两个的马达的转速进行控制的同时，对转向角度进行调整。

在上述发明中，可以如下构成，控制机构是根据上述操作部的指令单独控制上述四个车轮的控制部。在此，所说的单独控制是指，针对向各个车轮提供驱动力的马达基于对应每个车轮各自不同的目标值进行控制，而并不意味着具有四个控制部。

根据上述结构，为了实现基于指令的行驶状态，以准确的朝向以及速度控制各个车轮，使各车轮独立动作，从而能够形成不仅适于直线移动情况而且也适于旋转情况的状态。

上述发明的全方向移动车可以由具有座席部的轮椅用的车体构成。由此，能够使轮椅全方向移动。另外，也可以由具有规定容量的收纳部的搬运用的车体构成。由此，能够使搬运车全方向移动。

发明效果

根据本发明的驱动机构，由于能够通过输出部的差动驱动进行转向，所以能够使转向环境稳定。另外，由于驱动部、转换部以及输出部由直齿轮构成，通过输出部的转速差使转向部旋转，所以不必使用行星齿轮机构就能进行差动驱动。此时，通过使第一驱动部和第一输出部的齿数比与第二驱动部和第二输出部的齿数比(转换部的齿数与第二输出部的齿数相同)一致，在使向第一以及第二驱动部提供的转速相同时，能够使第一以及第二输出部的转速相同，由此，容易进行转速的控制，此外，在非转向时能够使不同的动力源同时且同程度地运转，能够在分散动力源的负载的同时提高运转率。

另一方面，根据本发明的全方向移动车，能够由搭载于车轮的驱动机构进行转向。也就是说，在包括从动车轮的情况下，通过被驱动机构改变了朝向的车轮来改变车体的朝向，从动车轮追随于改变后的朝向，因而，车体整体能够进行方向转换；在不包括从动车轮的情况下，由于各个车轮单独地改变朝向，所以能够与车体朝向无关地自如选择移动方向。

另外，通过将车体用作轮椅用的车体，能够构成可以全方向移动的轮椅，通过能够全方向移动的轮椅，即使在一般房屋或租赁住宅等无法确保足够面积的场所也能够进行移动。进而，通过具备收纳部的车体来构成能够全方向移动的搬运车，在生产现场等的地面上进行搬送时，能够实现狭小空间内的搬送。

附图说明

图1是表示驱动机构所涉及的本发明的实施方式的立体图。

图2是表示从驱动部到输出轴的驱动关系的分解立体图。

图3是表示车轮的形态的说明图。

图4是表示车轮的偏移状态的说明图。

图5是表示作为全方向移动车的实施方式的轮椅的说明图。

图6是表示作为全方向移动车的实施方式的搬运车的说明图。

图7是表示全方向移动车的车轮的转向方式的说明图。

图8是表示全方向移动车的车轮的转向方式的说明图。

图9是表示全方向移动车所涉及的实施方式的动作形式的说明图。

图10是表示全方向移动车所涉及的实施方式的动作形式的说明图。

图11是表示全方向移动车所涉及的其他实施方式的说明图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示驱动机构所涉及的本发明的实施方式。如图1所示，本实施方式具备：转动自如的转向部1、围绕该转向部1的中心线上的轴旋转的驱动体2、设置在从上述转向部1的中心轴发生偏心的位置上的输出轴3及从该输出轴3接受旋转力的传递的车轮4。转向部1将驱动体2的支撑轴21为轴旋转自如地配置在车体基部6的表面上，并构成为，当输出轴3在以驱动体2的支撑轴21为中心的周向上移动时，能够使转向部1旋转。另外，转向部1经由构架5支撑车轮4，转向部1的旋转改变车轮用构架5的朝向。另外，在转向部1的上方配置板51，通过支柱52a、52b而一体化，支撑驱动体2以及输出轴3。

输出轴3设有与驱动体2连动地旋转的输出部7，传递到输出轴3的旋转驱动力通过下端的锥齿轮31和与该锥齿轮31啮合的另一锥齿轮41能够使水平轴42旋转。构成为，在该水平轴42的两端设有带轮(同步带轮)43、44，在其与设于车轮4的车轴的带轮(同步带轮)45、46之间挂设皮带(同步带)47、48，使车轮4旋转。

在此，对从驱动体2到输出轴3的驱动传递机构进行说明。在图2中表示相比车体基部6配置在上方的部件。如图2所示，在转向部1的中心，经由轴承11a、11b配置用于支撑驱动体2的支撑轴21a、21b。该支撑轴21a、21b为了将驱动部22、23配置在同轴上，在支撑第一驱动部22的支撑轴21a的内部插入有用于第二驱动部23的支撑轴21b。

在驱动体2中配置两个驱动部22、23，为了提供上述驱动部22、23的驱动力，在各自的输入侧(上端)设有带轮(同步带轮)24、25，未图示的马达的旋转力经由同步带(未图示)进行传递。对上部的(第一)驱动部22和下部的(第二)驱动部23的旋转方向进行调整，使得向相反方向被相对地旋转驱动。另外，将第一驱动部23的旋转方向称为正转方向，将与其旋转方向相反的方向称为反转方向；在第一驱动部23反向旋转的情况下，也将其旋转方向设为正转方向，将与其旋转方向相反的方向设为反转方向。

第一以及第二驱动部22、23都由直齿轮构成，第一驱动部22与由直齿轮构成的上部的(第一)输出部71啮合。另外，第二驱动部23与由直齿轮构成的转换部73啮合，并且，转换部73与由直齿轮构成的下部的(第二)输出部72啮合，通过转换部73将朝反转方向旋转的第二驱动部23的旋转转换成正转方向，进而传递给第二输出部72。这些输出部71、72固定于单个输出轴3上，该输出轴3处于受两输出部71、72限制的状态。另外，所说的“受限制”是指，通过将输出部71、72固定于输出轴3，该输出轴3从两输出部71、72的双方被提供旋转力，能够如图示那样由键固定。在输出轴3这样受限制的情况下，所提供的旋转力之差作为扭转方向的应力而作用于输出轴3。

在实施方式中，如上所述，驱动部22、23、输出部71、72以及转换部73以通过齿轮啮合而连动的方式构成。因此，输出部71、72的转速由相互啮合的各齿轮的齿数比决定。于是，关于第二驱动部23和第二输出部72的齿数比，除了将转换部73的齿数设为与输出部72的齿数相同之外，还与第一驱动部22和第一输出部71的齿数比一致。由此，在向驱动部22、23提供动力的动力源(未图示马达)的转速相同时，第一输出部71的转速与第二输出部72的转速相同。

在这样设定了齿数比的各部分22、23、71、72、73啮合的状态下，在第一驱动部22和第二驱动部23的转速不同的情况下，对输出轴3作用有扭转方向的应力，而输出轴3为了消除该应力，将转向部1的中心朝周向旋转。这是针对转向部1的转向用的旋转输出。也就是说，例如，在使第一驱动部22的转速减小的情况下，第一输出部71的转速减小，该输出部71和第二输出部72的转速变得不同。因此，若输出轴3向与转速大的第二驱动部23相同的方向移动，则旋转快的第二驱动部23和输出轴3的相对转速减小，旋转慢的第一驱动部22和输出轴3的相对转速增大，当上述相对转速一致时变得稳定。这样，输出轴3根据在第一驱动部22和第二驱动部23之间产生的转速差向任意方向旋转，结果成为针对转向部1的转向用的旋转输出。

对于上述那样的转向部1的旋转，在仅有第一驱动部22及第二驱动部23中的任意一方被驱动而另一方停止的情况下是显著的。即，在第一驱动部22停止的情况下，第二驱动部23的旋转力被传递给输出轴3，该输出轴3将要旋转，而第一输出部71却不允许其旋转，结果使输出轴3围绕停止的第一驱动部22滚动的同时进行旋转。并且，上述的滚动是以驱动部22(支撑轴21)为中心使转向部1旋转。

通过运动学模型对此进行说明。作为前提，将第一驱动部22的转速设为ω_A，将第二驱动部23的转速设为ω_B，将输出轴3的转速设为ω_C，将转向部1的转速设为ω_D，将第一驱动部22的齿数设为Z_A，将第二驱动部的齿数设为Z_B，将第一输出部71的齿数设为Z_C1，将第二输出部72的齿数设为Z_C2。进而，机构的状态矢量ω_P以及输入矢量u_P成为下式。

[式1]

ω_P＝[ω_C ω_D]^T

u_P＝[ω_A ω_B]^T

此时的运动学模型如下所示。

[式2]

ω_P＝B_Pu_P

其中，

$B_P=$

$\left(\begin{array}{cc}\frac{(Z_B-Z_{C2})Z_A}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}& \frac{(Z_A+Z_{C1})Z_B}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}\\ -\frac{Z_A{Z}_{C2}}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}& \frac{Z_B{Z}_{C1}}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}\end{array}\right)$

在此，若仅表示转向部1的转速，则如下式所示。

[式3]

${\mathrm{\ω}}_D=-\frac{Z_A{Z}_{C2}}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}{\mathrm{\ω}}_A+\frac{Z_B{Z}_{C1}}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}{\mathrm{\ω}}_B$

在上式中，若将第一驱动部22和第一输出部71的齿数比设为与第二驱动部23和第二输出部72的齿数比相同，则为

[式4]

$\frac{Z_{C1}}{Z_A}=\frac{Z_{C2}}{Z_B},$

所以，若将其代入式3的式子，其结果成为下式，在第一驱动部22的转速ω_A和第二驱动部23的转速ω_B之间产生转速差时，转向部1朝正转(-)方向或者反转(+)方向旋转。另外，由该式可知，在两转速相同(ω_A＝ω_B)时，ω_D＝0，转向部1不旋转。

[式5]

${\mathrm{\ω}}_D=-\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_A+\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_B$

另一方面，对于输出轴3的旋转，根据式2的式子如下式所示。

[式6]

${\mathrm{\ω}}_C=\frac{(Z_B-Z_{C2})Z_A}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}{\mathrm{\ω}}_A+\frac{(Z_A+Z_{C1})Z_B}{Z_A{Z}_{C2}+Z_B{Z}_{C1}}{\mathrm{\ω}}_B$

在该式中，同样若将第一驱动部22和第一输出部71的齿数比设为与第二驱动部23和第二输出部72的齿数比相同，将式4的式子代入上式，则如下式所示，驱动部22、23各自的转速朝反转(+)方向对输出轴3传递各1/2的转速。

[式7]

${\mathrm{\ω}}_C=\frac{1}{2}(\frac{Z_A}{Z_{C1}}-1){\mathrm{\ω}}_A+\frac{1}{2}(\frac{Z_B}{Z_{C2}}+1){\mathrm{\ω}}_B$

进而，在此，在两个驱动部22、23的转速相同(ω_A＝ω_B＝ω_O)的情况下，如下式所示，各自的转速各按1/2进行传递。

[式8]

${\mathrm{\ω}}_C=\frac{1}{2}(\frac{Z_A}{Z_{C1}}{\mathrm{\ω}}_O+\frac{Z_B}{Z_{C2}}{\mathrm{\ω}}_O)$

这样，通过使第一驱动部22的转速与第二驱动部23的驱动部的转速一致，使得两输出部71、72将相同方向且相同转速的驱动力输出给输出轴3。此时，在输出轴3上，没有产生以转向部1的中心为轴朝周向旋转的旋转力。对此，在两个驱动部22、23之间的转速不同(结果使输出部71、72之间的转速不同)的情况下，输出轴3移动而使转向部1旋转。

对于上述转向部1的旋转，当车轮4的接地点位于转向部1的中心线上时，改变车轮4的朝向，而如图3(a)所示，在车轮4的接地点G处于从转向部1的中心C发生偏移的位置的情况下，则与上述不同。另外，如后文所述，为了相对于车体基部6没有无用动作地全方向移动，需要使车轮4的接地点G位于偏移位置。

如图3(b)所示，对于在偏移位置具有接地点的车轮4，由于使接地点移动，因而导致阻力变大，要改变其朝向是困难的。但是，转向部1所产生的旋转力发挥作用，使得以接地点为中心将车轮4的整体朝水平方向旋转，该车轮4朝水平方向的旋转发挥作用，使得转向部1的中心点移动。这样，转向部1的位置通过反作用进行移动，由此车轮4相对于车体基部6的位置和方向改变。

另外，通过将车轮4的接地点设在偏移位置，如图3(c)所示，在车轮4的朝向改变时，车体基部6(转向部1的中心)向预期方向(图中的右方)直线移动。这适于从暂时停止的状态改变方向时的情况。即，停止旋转的车轮4在宽度方向上二维地接地，为了改变车轮4的朝向而需要作用抵抗摩擦阻力的旋转力。但是，众所周知，在为车轮4滚动的状态的情况下，由于接地部分逐步改变，所以方向转换时的摩擦阻力变小。因此，在使车轮4滚动的同时改变朝向的情况下，通过在从转向部1偏移的位置设定接地点，即使车轮4滚动也能够朝预期方向(图中的右方)直线移动。

上述的偏移位置是指，车轮4的接地点G偏离了转向部1的中心C的轴线的位置，如图4(a)以及(b)所示地调整偏移量，使得行驶力与转向力相等。通过使行驶力与转向力相等，在同时提供行驶指令和转向指令时，通过合成两力的矢量，能够实现根据该指令的移动状态。也就是说，能够使上述的方向转换变得顺畅。因此，偏移量(从中心C的轴线到接地点G的距离)l被调整成将第一驱动部22的齿数Z_A相对于第一输出部71的齿数Z_C1的比例(Z_A/Z_C1)与车轮4的半径r相乘而得到的长度，由此，能够使通过车轮4的滚动而行驶的力f_W与转向部1所产生的转向的力f_l相等。

即，将第一驱动部22的齿数Z_A相对于第一输出部71的齿数Z_C1的比例(Z_A/Z_C1)与车轮4的半径r相乘而得到的长度的偏移量l如下式所示。

[式9]

$l=r\frac{Z_A}{Z_{C1}}$

这样，由车轮4的驱动转矩τ_W产生的力f_W与由转向转矩τ_l产生的力f_l相等。即，由于驱动转矩τ_W是从第一驱动部22的驱动转矩τ_A与第二驱动部23的驱动转矩τ_B输出的转矩之和，所以车轮4的驱动转矩τ_W如下式所示。

[式10]

${\mathrm{\τ}}_W=\frac{Z_{C1}}{Z_A}{\mathrm{\τ}}_A+\frac{Z_{C2}}{Z_B}{\mathrm{\τ}}_B$

其中，

$\frac{Z_{C1}}{Z_A}=\frac{Z_{C2}}{Z_B},$

因此，

${\mathrm{\τ}}_W=\frac{Z_{C1}}{Z_A}({\mathrm{\τ}}_A+{\mathrm{\τ}}_B).$

另一方面，由于转向转矩τ_l是第一驱动部22的驱动转矩τ_A与第二驱动转矩τ_B之和，所以结果成为τ_l＝τ_A+τ_B。

另外，由驱动转矩τ_W产生的力f_W根据f_W＝τ_W/r算出，由转向转矩τ_l产生的力f_l根据f_l＝τ_l/l算出，因而，两者如下式所示。

[式11]

$f_W=\frac{{\mathrm{\τ}}_W}{r}=\frac{({\mathrm{\τ}}_A+{\mathrm{\τ}}_B)}{r}\frac{Z_{C1}}{Z_A}$

$f_l=\frac{{\mathrm{\τ}}_l}{l}=\frac{{\mathrm{\τ}}_A+{\mathrm{\τ}}_B}{l}$

从而，为了使两力f_W、f_l相等，需要使下式成立，结果成为式9所示的偏移量。

[式12]

$l=r\frac{Z_A}{Z_{C1}},$

则

$f_l=\frac{{\mathrm{\τ}}_A+{\mathrm{\τ}}_B}{r\frac{Z_A}{Z_{c1}}}=\frac{({\mathrm{\τ}}_A+{\mathrm{\τ}}_B)}{r}\frac{Z_{C1}}{Z_A}$

∴f_W＝f_l。

如上所述，本实施方式的驱动传递机构是能够通过输出轴3的旋转来获得行驶所需的车轮4的旋转力的结构，另外还是通过对该输出轴3提供旋转力的输出部71、72的转速差来使转向部1旋转的结构，所以对于行驶驱动以及转向驱动都能够利用从两个驱动部22、23传递来的旋转力。

另外，本实施方式的驱动部22、23通过马达等动力源(未图示)进行旋转驱动，但若考虑朝不同方向对两个驱动部22、23进行旋转驱动并单独控制两个驱动部22、23的转速，则上述马达等动力源优选使用不同的两个。这样使用两个动力源，能够将行驶原动力的负载分散于两个动力源，此外按相同程度的频率使用两个动力源，因而运转率良好。进而，若与使用行驶用动力源和转向用动力源这两种动力源的情况相比较，则由于不存在使用频率的差异，因而具有降低了消耗不均的优点。

接着，作为利用上述驱动机构的全方向移动车的实施方式，以轮椅为例进行说明。图5是轮椅A的概略分解图。如图5所示，轮椅A在车体基部6设有四个车轮4a、4b、4c、4d(其中右前轮4b并未明示于图中)，在这些车轮上分别搭载上述的驱动机构Xa、Xb、Xc、Xd。驱动机构Xa～Xd在车体基部6的上表面具备转向部1、驱动体2以及输出轴3，使它们动作的驱动部22、23、输出部71、72以及转换部73如上述结构所示地进行配置(参照图2)。

对于各驱动机构Xa～Xd的驱动部22、23，分别将两个马达Ma1、Ma2、Mb1、Mb2、Mc1、Mc2、Md1、Md2搭载于车体基部6。向第一驱动部22提供驱动力的马达Ma1、Mb1、Mc1、Md1在稍高的位置处在与上述的第一带轮24之间挂设皮带(同步带)Ba1、Bb1、Bc1、Bd1。另外，向第二驱动部提供驱动力的马达Ma2、Mb2、Mc2、Md2在与另一个带轮25之间挂设皮带(同步带)Ba2、Bb2、Bc2、Bd2。这些马达Ma1～Md2由于相对于驱动部22、23朝正转方向(驱动部22)以及反转方向(驱动部23)旋转，因而被设定为相互反向旋转。

另外，在车体基部6搭载控制部(控制机构)SB，控制各马达Ma1～Md2的转速。即，例如对于左前轮4a，通过调整两个马达Ma1、Ma2的转速，实现上述的驱动机构，使驱动部22、23的转速一致，从而仅使输出部7旋转，通过使相对的转速产生转速差而使转向部1旋转。

进而，在车体基部6的上部搭载座席部C，该座席部C由车体基部6支撑，作为整体形成轮椅A。在该座席部C的用于放置右肘的肘部放置部CR的周边，设有操纵杆(操作部)JS，通过该操纵杆JS进行的操作被传递至上述控制部SB，在参照运动学模型或者逆运动学模型的同时，进行对应于该操作的控制。

作为控制方法，在各个马达Ma1～Md2中设置编码器(转速检测机构)，检测各个马达的转速，另外，在转向部1中设置绝对值编码器(角度检测机构)，检测车轮的转向角，比较它们的转速及转向角与它们的目标值，进行控制而到达目标值。具体来讲，从操纵杆JS输入针对X方向及与其正交的Y方向的直线移动的指令、针对旋转移动的指令(三自由度的信号)。来自操纵杆JS的指令分解为车轮4的转速ω_W和转向部1的转速ω_l，根据车轮4的转速计算第一及第二驱动部22、23的转速，而且，根据转向部1的转速计算上述两个驱动部22、23的差值。根据该计算结果，向驱动两个驱动部22、23的马达Ma1～Md2指示规定的旋转输出。各马达Ma1～Md2的转速及转向部的转速被进行反馈，通过对其进行逆运算来进行控制，使得各转速达成目标值。另外，对于马达的转速控制由可编程逻辑控制器(Programmable LogicController：PLC)进行，通过电流值的增减来控制转速。

另外，若对作为搬运车使用的情况的实施方式进行说明，则如图6所示，与上述的轮椅A同样地，在车体基部6设置四个车轮4a～4d，搭载对它们进行控制的驱动机构Xa～Xd。通过在车体基部6搭载收纳部E，作为搬运车B发挥功能。在该收纳部E的侧面设有把手部F，在该把手部F附近还设有操纵杆JS。使用者可以把持把手部F的同时对操纵杆JS进行操作。另外，由操纵杆JS进行的操作及根据其指令进行的车轮的控制与轮椅A的情况相同。

接着，对四个车轮4a～4d各自的转向形式进行说明。针对车轮4的控制如上述那样，通过两个马达的转速控制来进行行驶及转向。操作指令为X方向、Y方向及旋转(旋转方向)的三自由度。

图7(a)是表示接收到X方向和旋转方向的两方向的指令时的车轮4a～4d的动作例的矢量图。如图7(a)所示，旋转方向的驱动力能够表示为经过输出部7的同心圆的切线方向的矢量。另外，X方向的驱动力能够表示为直线方向的矢量。因此，根据该两方向的指令的车轮4a～4d的动作能够通过两个矢量的合成来表示。

即，如图示那样，X方向的矢量在四个部位是相同的，旋转方向(同心圆的切线方向)的矢量虽朝向不同，但大小是相同的。于是，各个合力成为方向和大小都不同的矢量。通过控制车轮4a～4d的朝向以及旋转速度，以与该矢量的方向和大小一致，能够根据上述两方向的指令进行移动。顺便提及，按照图示的指令，朝向以位于车体基部6外方的一点O1为中心的弧状进行移动。

另外，在为X方向和Y方向的两方向的情况下，如图7(b)所示，通过两个矢量的合成，四个矢量全部成为相同的方向、相同的朝向、相同的大小。在该情况下，车轮4a～4d全部朝向相同的方向，且以相同的速度旋转，因而车体基部6的朝向没有变化，能够在维持X方向朝向正面的状态的同时朝斜向移动。

另外，在图8中示出了提供了X方向、Y方向及旋转方向的三自由度的矢量的情况的动作例。图8在图7(a)的状态下进一步追加了Y方向的直线移动。因此，如图8所示，合成三个矢量而得到的矢量是在图7(a)的合成矢量上进一步合成Y方向的矢量。然后，通过按照该合成矢量控制车轮4a～4d的朝向以及旋转速度，能够朝向以车体基部6的左后方的一点O2为中心的弧状进行移动。另外，此时，车体基部6的正面方向并不是朝向弧状旋转方向，而是成为以向Y方向移动的移动量留在X方向上的状态。如图7(b)所例示的那样，在合成Y方向的矢量时，Y方向的矢量与旋转(旋转方向矢量)不同，并不改变车体基部6的朝向，因而即使在被提供了三自由度的矢量的情况下，车体基部6的朝向也不会因Y方向矢量而改变，在旋转方向矢量作用的范围内稍微改变朝向。

接着，如上述例示的轮椅A或搬运车B那样，对于利用了上述驱动机构的全方向移动车说明该全方向移动车的全方向移动的形式。图9表示在矩形的车体基部6设置四个车轮4a、4b、4c、4d且分别在它们上搭载上述驱动传递机构的状态。在图中，关于全方向移动车100，为了清楚易懂地表示车轮4的状态，以直线描绘车体基部6，简化车轮4。如图9(a)所示，四轮4a、4b、4c、4d分别搭载驱动传递机构而被提供驱动力，在向前进方向(图中的X方向)移动的情况下，使各个车轮4a、4b、4c、4d朝相同方向滚动。

在改变方向的情况下，例如在改变为横向(图中的朝右)的情况下，通过使转向部1逆时针旋转，该驱动力通过反作用而传递至各车轮4a、4b、4c、4d，以这些接地点为中心顺时针旋转。在车体基部6的四个部位分别改变方向，其结果，能够将车体基部6的朝向保持为原来的状态(X方向朝前的状态)，将前进方向改变为横向(Y方向)(图9(b))。此时，车轮4a～4d的滚动方向虽为最初的X方向，但由于上述的偏移(参照图3(c))，车体基部6可从其原来的位置向横向(Y方向)移动。

另外，在向后(图9(a)的X方向的反向)移动(后退)的情况下，若分别使驱动部22、23(图1)反转，则朝相反的方向移动，而通过反复进行上述横向的移动(90°的方向转换)，也能够朝相反方向移动(180°的方向转换)。另外，在反复进行90°的方向转换的情况下，在暂时朝横向移动之后，变成后退，而在使驱动部22、23反转的情况下，消除了上述无用动作。进而，对于车轮4a～4d的前进方向，在从车轮4a～4d的接地点将转向轴侧设定为朝前的情况下，也可根据后退指令进行控制，使得车轮4a～4d的滚动方向旋转180°。在该情况下，预先确定车轮4a～4d的转向部1的旋转方向是优先右向旋转或者优先左向旋转。

接着，在旋转的情况下，通过以车体基部6的中心点(俯视时的面积上的中心点)为中心使各车轮4a、4b、4c、4d朝向旋转圆的切线方向，能够进行旋转(图10(a))。在该情况下，由于能够以上述车体基部6的中央为中心进行旋转，所以能够实现狭小空间中的旋转。另外，在朝前进方向前进的同时稍微改变朝向的情况下，能够使各车轮4a、4b、4c、4d的朝向与此时的弯曲程度(预期的曲线的曲率)对应的圆弧的切线方向一直(图10(b))。对于这样的直线移动和旋转的组合如已说明过的两个矢量的合成那样。

上述的各车轮4a、4b、4c、4d的朝向通过前述的驱动部22、23的转速差来进行控制，各个车轮4a、4b、4c、4d中的驱动部22、23的转速根据由使用者所选择的移动状态来进行控制。对于使用者所进行的选择，例如能够利用在轮椅A或搬运车B中使用的操纵杆JS(参照图5以及图6)，根据预先确定的操作方法来操作操纵杆JS，从而控制针对各个车轮4a、4b、4c、4d的驱动部22、23的转速。

接着，对包括从动车轮的全方向移动车200进行说明。所说的从动车轮是指，未搭载本发明的驱动传递机构或者未被提供任何驱动力的车轮，将搭载有驱动传递机构的车轮称作驱动车轮来区分两者。本实施例如图11(a)所示那样，对于矩形的车体基部6，邻接的两个车轮是提供驱动力的驱动车轮4a、4b，剩下的两个车轮是从动车轮4c、4d。将驱动车轮4a、4b配置在前方，由该驱动车轮4a、4b进行方向控制及移动控制。在此使用的驱动车轮4a、4b使用的是如前述那样接地点处于偏移位置的车轮。从动车轮4c、4d由旋转自如的旋转轴支撑，而且，接地点设定在从上述旋转轴发生偏移的位置上。

由于驱动车轮4a、4b是前方的两个车轮，所以在车体基部6朝向前进方向的状态下，无法朝横向移动，但通过改变前部的前进而朝向横向，就能够进行横向的移动。作为此时的方向转换，通过使驱动车轮4a、4b的朝向与以车体基部6的中心点(俯视时的面积上的中心点)为中心的旋转圆的切线方向一致(图11(a))，能够在狭小空间中一边旋转一边改变朝向。这是因为，从动车轮4c、4d随着车体基部6的移动或者状态的变化而自如地改变朝向，以变为阻力最小的状态，因而若驱动车轮4a、4b朝旋转方向移动，则从动车轮4c、4d的朝向变化至车体基部6能够旋转的方向(图11(b))。

本发明的实施方式如上述那样，但本发明并不限定于上述实施例，全方向移动车虽以四轮作为代表例进行了表示，但并不限定于此。并且，在不脱离本发明的构思的范围内能够获得各种方式。例如，在实施方式中，将动力源设为马达，能够通过控制该马达的转速而进行行驶和转向，但对这些马达的控制方法并没有特别的限定。

另外，虽示出了通过在上述实施方式的全方向移动车的车体基部6上设置座席部C而形成轮椅A、通过设置收纳部E而形成搬运车B的例子，但并不限于这些移动车，对于需要在狭小空间进行方向转换或旋转的移动车，都能够采用本发明的驱动机构，也可在用于各种目的的移动型机器人中使用。

附图标记说明

1转向部

2驱动体

3输出轴

4、4a、4b、4c、4d车轮

5车轮用构架

6车体基部

7输出部

11a、11b轴承

21a、21b支撑轴

22第一驱动部

23第二驱动部

24、25带轮

31、41锥齿轮

42水平轴

43、44、45、46带轮

47、48皮带

51板

52a、52b支柱

71第一输出部

72第二输出部

73转换部

100、200全方向移动车

A轮椅

C座席部

D搬运车

E收纳部

Ma1～Md2马达

Xa～Xd驱动机构

Z_A第一驱动部的齿数

Z_B第二驱动部的齿数

Z_C1第一输出部的齿数

Z_C2第二输出部的齿数

ω_A第一驱动部的转速

ω_B第二驱动部的转速

ω_C输出轴的转速

ω_D转向部的转速

Claims (14)

1.一种能够转向的驱动机构，其具备：旋转自如的转向部、支撑于该转向部的车轮、绕上述转向部的中心线上的轴旋转的驱动体及设置在从上述转向部的中心轴发生偏心的位置并将从上述驱动体获得的旋转力传递给上述车轮的输出轴；

上述驱动体是通过将向正转方向被驱动的第一驱动部及向反转方向被驱动的第二驱动部配置在同轴上而形成的驱动体；

上述输出轴是如下的输出轴，其具备第一输出部及第二输出部，并将受上述第一输出部及上述第二输出部限制且从上述第一输出部及上述第二输出部获得的旋转力传递给车轮，其中，上述第一输出部从上述第一驱动部接受驱动力的传递，上述第二输出部从将上述第二驱动部的旋转转换成正转方向的转换部接受驱动力的传递。

2.如权利要求1所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述第一驱动部及上述第二驱动部是能够由单独控制转速的不同动力源单独获得驱动力的第一驱动部及第二驱动部。

3.如权利要求1所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述第一输出部及上述第二输出部是在上述第一驱动部及上述第二驱动部的转速一致时按相同转速旋转的第一输出部及第二输出部。

4.如权利要求2所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述第一输出部及上述第二输出部是在上述第一驱动部及上述第二驱动部的转速一致时按相同转速旋转的第一输出部及第二输出部。

5.如权利要求1至4中任一项所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述第一驱动部、上述第二驱动部、上述转换部、上述第一输出部及上述第二输出部都是直齿轮。

6.如权利要求5所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述第一驱动部的齿数相对于上述第一输出部的齿数的比例与上述第二驱动部的齿数相对于上述转换部的齿数的比例一致，上述转换部和上述第二输出部的齿数相同。

7.如权利要求1至4中任一项所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述车轮是在从上述转向部的中心轴发生偏移的位置具有接地点的车轮。

8.如权利要求6所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述车轮在从上述转向部的中心轴发生偏移的位置具有接地点，所偏移的量是将上述第一驱动部的齿数相对于上述第一输出部的齿数的比例与上述车轮的半径相乘而得到的长度。

9.如权利要求1至4中任一项所述的能够转向的驱动机构，其特征在于，上述输出轴是在车轮侧的前端具备锥齿轮并经由与上述锥齿轮啮合的锥齿轮对上述车轮提供旋转力的输出轴。

10.一种全方向移动车，其是搭载有权利要求1至9中任一项所述的能够转向的驱动机构的全方向移动车，其特征在于，

具备车体和多个车轮，对于多个车轮之中的两个以上车轮搭载上述驱动机构。

11.一种全方向移动车，其是搭载有权利要求1至9中任一项所述的能够转向的驱动机构的具有车轮的全方向移动车，其特征在于，

具备：车体、四个车轮、对于各个车轮对上述第一驱动部及上述第二驱动部单独提供驱动力的各两个马达、检测各马达的转速的转速检测机构、检测上述转向部的转向角度的角度检测机构、控制各马达的转速的控制机构及向上述控制机构发送指令的操作部。

12.如权利要求11所述的全方向移动车，其特征在于，上述控制机构是根据上述操作部的指令单独控制上述四个车轮的控制部。

13.如权利要求10至12中任一项所述的全方向移动车，其特征在于，上述车体是具有座席部的轮椅用的车体。

14.如权利要求10至12中任一项所述的全方向移动车，其特征在于，上述车体是具有规定容量的收纳部的搬运用的车体。