CN103597249B - 次摆线驱动机构和移动体 - Google Patents

Abstract

本发明提供次摆线驱动机构和移动体。次摆线驱动机构包括：支承一个车轮（41）的支承部（36、42、43、50），所述车轮（41）具有与操舵轴（15）垂直的车轴（411），所述操舵轴（15）与输出轴（121）隔开距离（r）并围绕输出轴（121）旋转；以及操舵部（20、30），与操舵轴（15）同步旋转，在旋转面上与输出轴（121）的相对位置能发生位移，操舵部（20、30）包括：第一连杆机构（16、32、34、50），与位移联动，使车轴（411）围绕操舵轴（15）转动以调整车轮（41）的转向角（θ）；以及第二连杆机构（32、42、43、50），与第一连杆机构连接，通过使车轴以与转向角对应的角度，在与平行于转向角的面垂直的面上倾倒，来调整车轮（41）的外倾角。

Description

次摆线驱动机构和移动体

技术领域

本发明涉及使车轮在沿次摆线的轨道上运动的次摆线驱动机构(除了次摆线驱动机构以外、还包含与其类似的驱动机构)和移动体。

背景技术

专利文献1公开了利用次摆线推进机构，使具有露出于下部的八个脚轮及防滑动用的一对后轮的座椅型汽车在地面上全方位行走。所述机构能用与各脚轮卡合的系杆，对围绕旋转的圆筒旋转轴均等配置的八个脚轮的旋转方向进行操舵。更具体而言，与各脚轮对应的系杆以能在中心基部一体旋转的方式构成，在中心基部的位置与旋转轴一致的状态下，仅圆筒旋转而行驶车辆处于停止状态，另一方面，当把中心基部的位置从旋转轴操舵操作为在水平面上偏心的状态时，行驶车辆在使脚轮旋转的同时，在地面上向偏心方向并进移动。非专利文献1也和上述同样，公开了在铅直的旋转驱动轴周围圆周状配置多个带转向机构的从动车轮而构成的全方位移动机构。

此外，专利文献2、3和非专利文献2、3公开了与直升机、摆线机构或者螺旋桨具有同样的推进原理、轴对称且带有全方位性的推进机构，特别记载了连续改变并进速度的机构。非专利文献4记载了具备调整外倾角的机构的曲折运动推进机构。

专利文献1：日本专利公开公报特开2000-33876号

专利文献2：日本专利公开公报特开2004-224147号

专利文献3：美国专利公报第5993157号

非专利文献1：前田太郎、安藤英由树，“幾何学的完全解としてトロコイド曲線を実現する機械的回転機構の提案－オムニホイールを用いない全方位移動機構の提案－(作为几何学通解实现次摆线的机械旋转机构的提案-不使用全向轮的全方位移动机构的提案)”，机器人技术·机械电子技术演讲会’10，2A2-D11

非专利文献2：Roy.P.Gibbens，“Constructionandflyingaradiocontrolledligterthanaircraftpoweredbycycloidalpropellers”4thInternationalAirshipConventionandExhibition，2002，PaperA-1

非专利文献3：VirginiaDownward&WilliamM.Clark，“VerticalPaddlePropellerWheel”1930

非专利文献4：中泽贤，第4章“蛇行運動による推進機構(曲折运动推进机构)”46页，图4、8，生物机械学会编，“生物に学ぶバイオメカニズム機械システム設計の新しい発想(仿生生物机械机械系统设计的新思想)”工业调査会，1987年

平面内的全方位移动，要求作为利用旋转机构的连续运动的直线移动的几何学解来实现沿次摆线的轨道。但是，实际上如专利文献1所示，由于用近似解再现次摆线，所以用脚轮驱动行走时，存在脚轮的旋转方向的运动与并进方向的运动之间产生的、成为与地面的无效成分的滑动所带来的摩擦损失大的问题。因此，实用上如专利文献2、3和非专利文献2、3所示，仅限于应用在滑动带来的摩擦影响小的流体环境下的螺旋桨等。此外，非专利文献4所示的蛇行推进机构中，用于设定外倾角的曲率半径只能得到近似解。

因此，本发明的发明人提出了通过简单的机械要素组成的机构实现次摆线的几何学通解的、低损失的次摆线驱动机构(日本专利特愿2010-134580)。非专利文献1记载了相关内容。按照所述次摆线驱动机构，通过围绕驱动轴设置三个作为从动轮的车轮，使其以规定速度圆周运动并在二维方向对操舵部进行操舵，从而利用连杆机构单独调整三个车轮的转向角，使整体在指示的方向上并进。

可是，非专利文献1中所述的次摆线驱动机构，由于外倾角为固定式，用于沿曲线弯曲行走的转向阻力大幅残留，所以降低了行走效率。此外，作为本次摆线推进机构的应用对象例如可以考虑轮椅，能占有的空间标准(电动轮椅：JIST9203(轮椅)，以及手动和电动轮椅：ISO7193，7176/5(轮椅))由于被规定为L120×W70×H109(cm)以下，所以为了实现作为轮椅一个重要功能的、跨越(跨越台阶)上坡20cm斜度40度的台阶等，需要大直径的车轮，而另一方面考虑所述标准，使三个轮围绕驱动轴圆周运动的机构存在极限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供车轮旋转型的次摆线驱动机构、与其类似的驱动机构以及使用它们的移动体，通过以机构方式联动调整车轮的转向角和外倾角而提高行走效率。

第一方式记载的发明的次摆线驱动机构包括：支承从动车轮的支承部，所述从动车轮具有能相对于操舵轴调整转向角和外倾角的车轴，所述操舵轴与驱动轴隔开规定距离，围绕所述驱动轴旋转并平行于所述驱动轴；以及操舵部，与所述操舵轴同步旋转，在旋转面上与所述驱动轴的相对位置能发生位移，所述操舵部包括：第一连杆机构，与所述位移联动，使所述车轴围绕所述操舵轴转动以调整所述从动车轮的所述转向角；以及第二连杆机构，与所述第一连杆机构连接，通过使所述车轴以与所述转向角对应的角度，在与平行于所述转向角的面垂直的面上倾倒，来调整所述从动车轮的所述外倾角。

按照本发明，取代使三个车轮圆周运动的次摆线驱动机构，可以用使一个车轮旋转的次摆线驱动机构在旋转面上移动。即，车轮通过围绕驱动轴旋转，始终接触地面。操舵部与车轮的旋转共同旋转。操舵部能在旋转面上相对移动(操舵操作)，如果没有操舵操作，车轮仅仅沿旋转方向在地面上围绕驱动轴旋转。即，第一连杆机构将操舵轴的正下方作为车轮的接地点，使车轮以预先设定的转向角围绕驱动轴转动。另一方面，进行操舵操作时，设定了转向角，且使所述转向角与围绕驱动轴的车轮的旋转同步，始终发生角度变化。由此，本驱动机构在操舵的方向上移动。另一方面，车轮的外倾角对应于利用第二连杆机构的转向角的变化，即与车轮的圆周运动同步变化。因此，通过以机构方式联动调整并设定车轮的转向角和外倾角，行走摩擦阻力降低，本驱动机构的移动效率得到提高。

通过以机构方式联动调整车轮的转向角和外倾角，可以提高行走效率。

附图说明

图1是表示以一定的角速度ω在特定的方向上并进时，在同机构中对各车轮求出的舵角的图。

图2是示意性表示使用图1所示的次摆线的推进机构的一例的图，(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为主视图。

图3是用于表示使外倾角朝向使用两个转向角生成机构得到的方向的一个方法的图，(a)是用于说明外倾角的图，(b)是用于说明伴随车轮转动利用外倾角的连杆系统进行角度调整的图。

图4是用于说明本次的转向机构的变更方案的一例、从作为旋转系统的车轮舵角机构周围(驱动臂坐标系)观察的速度与各连杆系统的关系的图，(a)是表示速度关系的图，(b)是表示本申请人的所述在先申请的连杆连接的图，(c)是表示本次的连杆连接的图。

图5是用于说明求出曲率中心与曲率半径的精确解的机构的图。

图6相当于沿图5所示的边b的铅垂平面，是用于说明根据曲率中心位置求出外倾角的机构的图。

图7是说明驱动轮从静止速度跨越台阶的条件的图。

图8是说明本机构的跨越台阶条件的图。

图9是设置追加的接地点时的示意图，(a)是表示三轮结构的图，(b)是表示从动轮控制结构的图，(c)是表示圆环车轮化和多重反转的结构的图。

图10将图9(a)的方式应用于轮椅时的简要侧视图。

图11是表示图5的简化连杆的图。

图12是表示最终实际安装连杆连接的水平部分的机构图，在图11中，通过将到虚拟点Q’为止的距离2a进行1/2比例化而把连杆简化，代替R’求出成为R’/2＝b-r/2的点N”。

图13是表示次摆线驱动机构的具体机构的一个实施方式的结构图。

附图标记说明

1、1’次摆线驱动机构

2椅子(主体)

3轮椅(移动体)

10驱动部(支承部的一部分)

11主体座

12电机

121输出轴(驱动轴)

13臂

14轴承

15操舵轴

16操舵板(第一连杆机构的一部分)

20操舵操作部(操舵部的一部分)

21井形板

22环状板

23线性滑块

24线性滑块

25轴承

30操舵连杆部(操舵部的一部分)

31滑轨部

32连杆机构(第一、第二连杆机构的一部分)

321、322连杆臂(第二连杆机构的一部分)

323连杆轴(第二连杆机构的一部分)

324支承轴(第一连杆机构的一部分)

33线性滑块(第二连杆机构的一部分)

34线性滑块(第一连杆机构的一部分)

35转动轴(第二连杆机构的一部分)

36铅垂臂(支承部和第二连杆机构的一部分)

311操舵板

312铅垂臂

313水平臂

40车轮部

41车轮

411车轴

42车轴支承臂(支承部和第二连杆机构的一部分)

43摆动轴43(支承部和第二连杆机构的一部分)

50球面连杆部(支承部和第一、第二连杆机构的一部分)

51、52连杆臂

53、54、55连杆轴

N接地点

具体实施方式

首先，根据本申请人的在先申请日本专利申请特愿2010-134580说明次摆线的几何学通解和连杆机构的作用。假定是在围绕中心的铅垂驱动轴的圆周上配置多个车轮的结构的全方位移动机构。所述机构具有与直升机、摆线机构、螺旋桨同样的推进原理，是轴对称且具有全方位性的推进机构，其特征在于也能作为如下机构发挥功能，即能相对于轴旋转连续改变并进速度。

图1是表示以一定的角速度ω在特定的方向上并进时，在同机构中对各车轮求出的舵角的图。各车轮位于距中心(驱动轴)半径r_d的位置上。在图1中，各速度矢量为各车轮围绕驱动轴的切线速度v_d、旋转中心的并进速度v_m和各车轮的行进速度v_w。车轮的切线速度v_d由省略图示的电机等实现。并且，为了满足实现次摆线运动的速度矢量的相互关系，即满足v_w＝v_d+v_m，车轮的舵角方向需要始终朝向与V_w相同方向。这意味着为了使同机构成为全方位移动机构，需要使各车轮的舵角方向始终朝向次摆线上的切线方向。

在公式1所示的表示次摆线的数学式时，以及图1中v_d＝r_d·ω、v_m＝r_m·ω、v_w＝(dx/dt，dy/dt)、p_w＝(x、y)时，针对将公式1的次摆线用时间微分的公式2，可以如公式3那样解析性求出上述关系。另外，公式中r_m为偏心量。

(公式1)

$\left\{\begin{array}{c}x=r_m\mathrm{\ω}t+r_{d}cos\mathrm{\ω}t\\ y=r_m+r_{d}sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

(公式2)

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=r_m\mathrm{\ω}-r_d\mathrm{\ω}sin\mathrm{\ω}t\\ \frac{dy}{dt}=r_d\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

(公式3)

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx}{dt}=v_m-v_d\mathrm{\ω}sin\mathrm{\ω}t\\ \frac{dy}{dt}=v_{d}cos\mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

接着，图2示意性表示了使用图1所示的次摆线的推进机构的一例，(a)为俯视图，(b)为侧视图，(c)为主视图。图2所示的推进机构中，利用操舵连杆板NL相对于使各车轮WH旋转的主臂MA的、朝向二维方向(平面内的全方位)的偏心移动，来决定各车轮WH的舵角(转向角)。朝向二维方向的偏心移动，例如可以使用井形滑块IS。操舵连杆板NL通过井形滑块IS、线性滑块LS与主臂MA连接，可以边共同旋转、即同相位旋转边使旋转中心水平移动。线性滑块LS用于连接主臂MA的前端和操舵连杆板NL的前端，线性滑块LS的朝向能根据所述偏心移动而改变。图2所示的偏心量ds＝0时的操舵连杆板NL的前端位置，被设定为从车轮WH的舵角的旋转中心到主臂MA的旋转圆周的切线方向的前方为一定距离d_w＝d0。此处，装置构成为，所述前端位置和旋转中心由线性滑块LS连接，其方向为车轮WH的舵角方向(即转向角)。

这样，考虑平面内的全方位移动时，尽管沿次摆线的轨道作为连续性旋转机构产生的直线移动的几何学解有效，但是现有机构的近似解在应用到车轮驱动时摩擦损失大，作为实用仅限于流体环境下应用于螺旋桨等。本申请人的所述在先申请，可以通过由比较简单的机械要素组成的机构实现次摆线的几何学通解。

以下，说明在本申请人的所述在先申请的机构上附加外倾角控制的功能来消除车轮的转向损失的机构，接着，说明利用所述机构大幅改善作为车轮型全方位移动机构弱点的跨越台阶能力的方法。本申请人的所述在先申请中，假设是在围绕铅垂的旋转驱动轴的圆周上配置多个带转向机构的从动车轮的结构的全方位移动机构。所述机构尽管可以在行走平面内生成完全沿次摆线的转向角，但是对于能赋予沿着如下曲率的外倾角的机构，只是表示了其设计上的可能性，所述曲率是指使车轮沿同曲线转向时的曲率。在外倾角固定时，用于沿曲线的弯曲行走的转向阻力大幅残留。因此，首先说明与转向角同时控制外倾角的机构。

图3是用于表示使外倾角朝向使用两个转向角生成机构得到的方向的一个方法的图，(a)是用于说明外倾角的图，(b)是用于说明伴随车轮转动利用外倾角的连杆系统进行角度调整的图。以本申请人的所述在先申请为基础，作为生成外倾角的一个方法可以考虑如下方法，即，通过使用图3所示的两个转向角生成机构，从其转向角的差得到次摆线轨道的曲率半径和旋转中心，并使外倾角朝向其方向。更具体而言，所述方法中，副操舵轴的位置不固定，在主臂的平面内围绕驱动轴以半径r_d转动。

通过从主臂侧向操舵连杆侧传递副操舵轴与主操舵轴的相对角度φ(图3中的传递角)，决定副操舵轴的操舵方向d_w，并由此决定垂直的线性轨道的方向，通过使线性滑块以与从主操舵轴延伸的从动车轮的半径W_d相同长度的连杆臂垂直的方式卡合，可以作为从动车轮的半径W_d方向与主操舵方向d_w所呈角度，求出从动车轮的外倾角。所述机构的优点在于，可以从次摆线推进模式至下滑推进模式为止生成外倾角。但是，如果轮子(车轮)的半径W_d不比主臂的半径r_d足够小，则难以维持精度。

而且如后所述，严格地讲所述机构所得到的曲率半径为近似解。这样，在如后所述重视跨越台阶能力，并假定仅在r_d≈W_d的下滑推进条件下应用时，则不限于图3的机构，优选也考察其他的机构。因此，图4表示了本次采用的转向机构的变更方案。

图4作为本次的转向机构的变更方案的一例、说明了从作为旋转系统的车轮舵角机构周围(驱动臂坐标系)观察的速度与各连杆系统的关系，(a)是表示速度关系的图，(b)是表示本申请人的所述在先申请的连杆连接的图，(c)是表示本次的连杆连接的图。图4(c)所示的连杆系统与图4(b)发挥同等功能。通过相对于图4(b)中驱动臂矢量r与操舵连杆中心的偏移量矢量a，使偏移量矢量a的偏移方向延迟90°相位(在世界坐标系侧前进)，可以建立与三个速度矢量v_d、v_m、v_w所呈三角形构成相似形的连杆系统，如此可以使作为机构整体的移动速度矢量的v_m与偏移量矢量a(方向的偏置以外)具有完全的比例关系而成为能操作的机构。此时，由于图4(c)的边b与从动车轮的车轮轴一致，所以通过对其在上下方向(z轴)操作，可以发展为不仅控制转向角θ、还能同时控制外倾角的机构。此处，如果以图4(b)和图4(c)的连杆动作具有等价性为前提，则可知图3所示的机构中的从动车轮轨迹的曲率半径中心与图4(c)所示的边a、b的节点Q相等。即，图4(c)的机构可以看作将图3的机构大幅成功简化的机构。接下来，解析性验证所述节点Q是否为曲率中心。首先，根据作为次摆线的解析式的公式(1)，解析性求出其曲率半径。由公式(1)定义位置矢量p，由公式(2)定义速度矢量v，进而由公式(4)定义加速度矢量a。

(公式4)

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=-v_d\mathrm{\ω}cos\mathrm{\ω}t\\ \frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-v_d\mathrm{\ω}sin\mathrm{\ω}t\end{array}\right.$

此时的曲率矢量如公式(5)所示。

(公式5)

$\frac{\stackrel{\→}{n}}{R}=\frac{1}{{\left|\stackrel{\→}{v}\right|}^2}(\stackrel{\→}{a}-\frac{\stackrel{\→}{a}\·\stackrel{\→}{v}}{\left|\stackrel{\→}{v}\right|}\·\frac{\stackrel{\→}{v}}{\left|\stackrel{\→}{v}\right|})$

此处，矢量n是朝向曲率中心方向的单位矢量，R为曲率半径。由于曲率中心始终位于通过边b的直线上，所以此处求出曲率半径R的值即可。在公式(5)中代入公式(2)、公式(4)求出曲率半径R，进而使用第二余弦定理，并使用三个速度矢量进行整理，得到下述公式。

(公式6)

$R=\frac{{v_w}^3}{v_d\mathrm{\ω}(v_d-v_{m}sin\mathrm{\ω}t)}$

此时，由于根据图4(c)的连杆系统的关系式，各速度与各连杆长的关系为v_m＝aω、v_w＝bω、v_d＝rω，所以用各连杆长表示曲率半径R，进而由第一余弦定理并使用转向角θ进行整理，最终表示为下述公式。

(公式7)

$R=\frac{b^3}{r(r-a\sin \mathrm{\ω}t)}=\frac{b^2}{rcos\mathrm{\θ}}$

假设，当图4(c)所示的节点Q与曲率中心一致时，由于R＝b，所以可知图3所示的机构为近似解。另一方面，作为将曲率半径R实现为精确解的系统，可以考虑图5这种连杆系统的结构。

图5是用于说明求出曲率中心与曲率半径的精确解的机构的图。另外，图5中为便于说明，将机构简化表示，实际安装时需要360°旋转对应。另外，图中在P点、M点、N点上标记的具有规定长度的平行直线表示线性滑块。后述的图11、图12中也相同。在图5中，从节点Q与边b垂直地延伸的连杆与边r的交点为M，从交点M平行于边a延伸的连杆与边b的交点N成为曲率中心。此外，从转向轴P到交点N的距离成为曲率半径R。需要追加将角NMP传递到角QOP的机构。这与图3中的传递角相同。如图3(a)所示，由于外倾角构成为使车轮的车轴方向始终指向接地平面上的旋转中心，所以通过使用由所述机构决定的位置N，可以对图4(c)的机构赋予外倾角控制功能。可以在作为沿图5所示的边b的铅垂平面(侧视图)的图6的二维平面内，构成所述机构。

图6相当于沿图5所示的边b的铅垂平面，是说明根据曲率中心位置求出外倾角的机构的图。在图6中，连杆系统配置在上方的方式下，曲率中心和接地点位于交点N和转向轴P的正下方(图6中改称为接地点P)的地面上。从动的车轴位于从接地点P与车轮径W_d的圆相切并通过N的直线上，车轮的中心等于该交点。作为实际的结构，通过使用以交点N和接地点P为虚拟中心分别描绘半径H和W_d的圆的连杆系统，构成以两者垂直为约束条件的车轴支承机构，从上方连杆侧建立所述交点和切线方向。

接着，从现有的设计考察实际的连杆系统的结构，首先考察全方位移动机构中的跨越台阶对应性，最终提出与外倾角控制同时解决所述问题的机构。在没有受到惯性力及其他的驱动轮供给的推进力的情况下，车轮行走系统中的跨越台阶能力很低。

图7是说明驱动轮从静止速度跨越台阶的条件的图。在图7中，设车轮的半径为r、质量为m。此外，在台阶为h、车轮与地面的摩擦阻力μ为0.8、跨越角度40°以下的条件下，计算能跨越的台阶h时，可以由公式(8)求出。

(公式8)

whenμ＝0.8，

h≤0.23r

即，在图7中，关于单一车轮从公式(8)定式化的静止状态跨越台阶的课题中，假定在干燥柏油(地面)和橡胶轮胎(车轮)条件下的代表性摩擦阻力值μ＝0.8的情况下，仅仅能够跨越车轮半径23％的台阶。为了超过在所述前提下由前述的JIS标准等(能占有的空间标准(电动轮椅：JIST9203(轮椅)，以及手动和电动轮椅：ISO7193、7176/5(轮椅))为L120×W70×H109(cm)以下)决定的、共用空间的楼梯台阶的最坏情况的“上坡20cm斜度40度”，要求车轮半径在87cm(＝20cm÷23％)以上，即直径在174cm以上。所述尺寸大大超过所述JIS标准等规定的空间尺寸。因此，对于在所述空间尺寸内使用的个人移动装置等，考察能附加设置全方位移动功能并实现跨越台阶移动的机构。

为实现满足前述的JIS标准等的尺寸限制的机构，可以考虑采用具有大半径的一车轮结构且外倾角加大的次摆线驱动机构。所述机构的特征在于，使半径接近次摆线的转向轴(从驱动轴到操舵轴)的旋转半径r的的一个车轮，具有充分大甚至几乎接近铅垂的角度为止的外倾角。按照所述结构，通过使直径接近轮椅宽度尺寸的大致整个宽度的车轮带有大外倾角，使车轮的接地点附近的曲率半径大幅高于其整体高度。例如在直径70cm的车轮上应用外倾角20°的情况下，接地点处的曲率半径为102cm，充分大于车轮的直径。因此，由于针对比移动距离长的距离高速进行车轮接地，所以能够缓和容易从地面的凸凹接收振动的次摆线推进方式的弱点。而且由于本机构是使一个车轮旋转的结构，所以跨越台阶时车轮处于几乎完全卧在上坡部分上的状态，即以曲率半径大体无限大的方式接触。用图8说明所述状态。

图8是说明本机构的跨越台阶条件的图。在图8中，边旋转边移动中的车轮接触上坡的瞬间，接地点从A跳跃到C。此时，随着接地点相位前进、车轮的推进方向发生变化。最坏情况是以B点接地的情况，此时，由于推进方向逆转而不能上坡。反过来只要点C处的转向方向朝向行进方向而不发生逆转，在维持C点咬合的状态下操舵轴的相位在B点到来之前保持前进。随后，接地点跳跃到点C的左右对称点D。操舵轴从D点超过与转向角相等的相位θ时开始后退，并持续到操舵轴的相位返回最初的A点而接地点再次跳跃到C点为止。不过，如果假定车轮一周的前进相位量一定超过后退相位量，换言之驱动轴等速旋转，则车轮旋转一周期间，爬升的时间一定长于滑落的时间，其结果，一周部分的推进量中前进量超过后退量，由于始终是整体中心从最初的接地条件成为前进的条件，所以机构整体持续攀登上坡。最初的咬合条件如图8中的公式所示，为h≤r(1+cosθ)·cosψ。因为通过提高变速比率能任意减小设定转向角θ，所以在假设图7的摩擦系数条件下，理想的是本机构将最大外倾角设定为40°时，计算为以直径32cm的车轮爬升20cm的上坡(台阶)。

由于次摆线驱动机构是一轴的水平旋转机构，所以其结构需要与直升机同样在抑制主体的旋转的情况下实现全方位移动。因为本机构的车轮为一轮结构，所以具有机构简单的优点，而另一方面由于接地点为一点，所以作为不进行重心控制而稳定成立的方法，需要追加至少一个、优选两个以上的追加接地点。

图9是设置追加接地点时的示意图，(a)是表示三轮结构的图，(b)是表示从动轮控制结构的图，(c)是表示圆环车轮化和多重反转的结构的图。图10是将图9(a)的方式应用在人100乗坐的轮椅3上时的简要侧视图。图9中的椭圆表示了具有外倾角而旋转的车轮，圆形的箭头表示车轮的旋转方向，直线状的箭头表示了移动方向。另外，图9假定了安装于轮椅等移动体的底部的情况。这样，轮椅等移动体能实现相当于侧步的完全的全方位移动。

图9(a)表示了在移动体底部的圆周上的三个部位、优选均等的位置上配置本机构的方式。不限于配置在圆周上的均等位置(等边三角形的顶点)，也可以配置在等腰三角形的顶点位置，进而可以根据用途采用适当的配置。此外，还可以根据用途、目的，在移动体的前后方向设置两个或者也在左右方向设置规定数量的本机构。设置多个的方式、例如设置两个时，各车轮的旋转方向不必彼此相反，也可以是同一方向。此外，各车轮的旋转速度可以相同、也可以不同，进而可以相位性同步，也可以设定需要的相位差。另外，旋转速度可以根据车轮直径和用途等适当设定，例如旋转数可以是每秒数圈～数十圈左右。图9(b)的方式是将本机构限定为一个，并在其前后侧的一方，此处在前侧上增设左右一对从动轮车轮作为其他的接地点。图9(c)所示的次摆线驱动机构1’中，外侧的车轮呈环状，内轮配置为能在外轮的环状内的空间反向旋转。此时，尽管通过使本机构的车轮成为圆环结构会在一定程度上使机构复杂化，但是如果建立在同轴上彼此反转的结构，尤其在对应降低占有面积方面十分有效。

此外，本机构针对求出外倾角的精确解的机构，提出了图5所示的能实现的复杂度的连杆系统。但是，因为不是需要承重的机构部分，所以优选能够简化。对于图5的曲率半径R推导的简化，存在以边b的长度近似的方法。此处，图11表示了其他的机构。

图11是表示图5的简化连杆的图。从点O平行于边a延伸距离2a设定虚拟点Q’，并从所述点Q’向边b作垂线，求出与边b的交点N’。将从转向轴P到N’为止的距离决定为近似解R’，使用所述R’，可以比图5的情况降低对外倾角的误差。

图12是表示最终实际安装连杆连接的水平部分的机构图，在图11中，通过将到虚拟点Q’为止的距离2a进行1/2比例化而把连杆简化，代替R’求出成为R’/2＝b-r/2的点N”。通过将所述R/2和W/2的固定长连杆约束为直角，在铅垂面侧以1/2比例的连杆生成外倾角，成为图12所示的机构的实际安装例。另外，关于表示铅垂部分的结构，用图12在后面说明。

图13是表示次摆线驱动机构的具体机构的一个实施方式的结构图。另外，尽管图13仅表示了次摆线驱动机构1，但例如将本机构1应用于图10所示的轮椅3等移动体的方式中，在构成椅子2的座席(主体)的下部至少安装两个(例如前后位置)本机构1。所述方式中，本机构优选将车轮以外部分收纳在移动体底部上直立设置的圆筒形状的箱体(参照图10、箱体1a)的内部。向箱体1a的固定设置方式，例如可以借助驱动部10的主体座11等、静止系统的机构部。箱体的高度尺寸优选从箱体的下端露出被外倾设定的车轮41的上端侧的程度，即优选车轮整体露出。通过从箱体露出整个车轮41，能够进行相当于车轮的上端高度的台阶的上坡动作。

图13所示的次摆线驱动机构具备驱动部10、操舵操作部20、操舵连杆部30、车轮部40和球面连杆部50。

例如将驱动部10应用于轮椅的方式中，驱动部10包括：主体座11，考虑负荷而形成由金属等牢固件构成的盘状，此处是在中央穿设有孔111的圆环状；作为驱动源一例的电机12，装载在主体座11的上部中央，对车轮41赋予旋转力；臂13，具有规定长度r(参照图13)，从贯穿孔111的电机12的输出轴121的下端向水平方向(径向)连接；操舵轴15，在铅垂方向具有规定长度，借助轴承14以能围绕铅垂方向转动的方式轴支承于臂13的前端；以及操舵板16，朝径向延伸，与操舵轴15一体旋转。另外，可以采用蓄电池作为驱动电机的电源。

本实施例的操舵操作部20具备井形板21和环状板22，所述井形板21和环状板22用于构成朝向彼此垂直的方向的井形滑块。井形板21和环状板22层叠设置在上部侧的主体座11与下部侧的操舵板311之间。主体座11与井形板21之间铺设有线性滑块23，利用所述线性滑块23，使井形板21以相对于主体座11能在一个方向(图13中的左右方向)相对移动的方式与主体座11连接。井形板21与环状板22之间铺设有线性滑块24，利用所述线性滑块24，环状板22以相对于井形板21能在与所述一个方向垂直的方向(图13中的纸面方向)上相对移动的方式与井形板21连接。由线性滑块23和线性滑块24构成井形滑块。环状板22与操舵板311由轴承25连接，操舵板311能围绕铅垂轴转动，所述铅垂轴以线性滑块23、24操舵中的位移位置为中心(虚拟操舵中心轴)。另外，有关对线性滑块23、24的操舵操作的方法在后面进行说明。

操舵连杆部30具备滑轨部31，以及设置在滑轨部31与操舵板16之间的连杆机构32。连杆机构32包括：彼此垂直的连杆臂321、322；连杆轴323，用于在规定部位轴支承操舵板16；以及支承轴324(对应于图12所示的N”)，轴支承后述滑轨部31的水平臂313的前端。此外，连杆臂321的前端侧具备转动轴35，对连接有车轮部40的铅垂臂36进行轴支承。此外，滑轨部31具有：水平的操舵板311；从操舵板311的下表面规定部位向下方延伸的铅垂臂312；以及从铅垂臂312的下端水平延伸的水平臂313。本实施例中，水平臂313和连杆轴323被设定为同一高度。即，连杆轴323与支承轴324之间的距离相当于图12所示的R’/2，从连杆轴323朝向连杆臂322所作的垂线及从其交点到支承轴324的三边组成的直角三角形，描绘出用以决定图6所示的外倾角的、以地面上NP为长边的直角三角形的1/2比例的相似形。这样，通过将连杆臂321的倾斜传递到后述的支承臂42，可以对车轮41再现外倾角。

而且，水平臂313与操舵板16之间设置有水平朝向的线性滑块34，使滑轨部31和操舵板16能在水平方向相对移动。具体而言，线性滑块34的结构为，在水平臂313和操舵板16的任意一方上安装滑轨，并在另一侧安装移动体。此外，彼此垂直的连杆臂321与连杆臂322之间设有线性滑块33，线性滑块33在连杆臂321的臂长边方向上在保持与连杆臂322垂直的状态下滑动。线性滑块33的具体结构为，在连杆臂321侧安装滑轨，并在连杆臂322侧安装移动体。

此处，通过在不进行前述的操舵的状态下，把从输出轴121到支点轴324为止的距离设定为r/2，可以在连杆轴323与支承轴324之间再现R’/2(参照图12)。因此，与图12的原理同样，能够将连杆臂321的倾斜传递到支承臂42，可以对车轮41再现外倾角。这样，始终设定与转向角对应的外倾角。此外，所述状态下，以使车轮41的切线方向与操舵轴15的旋转方向一致，即转向角θ＝0°的方式，将操舵板16调整为朝向输出轴121。并且，所述状态下只有车轮41旋转，本机构没有在地面上的移动成分而处于停止状态。并且，操舵板311从所述状态向水平面上的二维方向的任意方向位移时，铅垂臂312与操舵轴15的距离根据其位移量而改变。因此，为了吸收所述距离变化，操舵板311借助轴承25转动，即滑轨部31旋转，操舵板16接收到所述旋转并借助线性滑块34以平行于滑轨部31的水平臂313的方式围绕操舵轴15转动，即操舵轴15自转。其结果，设定了新的转向角θ。另外，利用电机12的旋转，操舵轴15围绕输出轴121以半径r旋转，另一方面，滑轨部31的水平臂313也同步旋转，同时距输出轴121的半径不断变化。即如图1所示，转向角根据旋转周期改变。

在连杆机构32中，连杆臂321的基端轴支承于操舵轴15上的连杆轴323。连杆臂321只要是长尺寸物即可，本实施例将长尺寸的中途两个部位在同一平面内反向90°弯曲，并使基端侧与前端侧的臂部分具有保持平行的形状。并且，作为线性滑块33的结构件的所述滑轨，以和支承轴324距离W/2的状态设置在连杆臂321的前端侧的长尺寸部。连杆臂322借助支承轴324连接于水平臂313的前端，从而由线性滑块33提供了连接。

此处，说明操舵连杆部30操舵中的连杆机构32的作用。现在假定，滑轨部31从图13的状态向图13的右方位移(操舵)。由此，水平臂313向右方移动，把作为连杆臂322下端的支承轴324向右方牵拉。另一方面，由于连杆臂322通过线性滑块33维持与连杆臂321垂直的状态，所以在原状维持所述垂直的状态下，连杆臂321以连杆轴323为中心转动，通过使角度倒下(接近水平)，连杆臂322与其联动而立起。通过连杆臂321的角度倒下，连杆臂321的前端即转动轴35以连杆轴323为中心逆时针转动。其结果，铅垂臂36边向右方移动边下降。并且，铅垂臂36的下端连接设置有车轮部40，如后所述，对应于铅垂臂36的移动对车轮41进行外倾角调整。

车轮部40包括：具有规定直径的车轮41；规定长度的车轴支承臂42，将车轮41的车轴411轴支承成转动自如；以及摆动轴43，将车轴支承臂42的中间位置摆动自如地轴支承在铅垂臂36的下端。并且，通过使车轴411围绕操舵轴15转动来设定转向，进而，通过使车轴411在与平行于转向角的面垂直的面上倾倒，来设定外倾。车轴支承臂42相对于车轴411在径向为长尺寸，例如具有圆形断面。摆动轴43为水平轴，将车轴支承臂42支承成能在铅垂面内摆动。车轮41至少外皮由具有所需摩擦阻力的材料形成，例如由橡胶材料形成。

球面连杆部50包括：连杆臂51、52；作为连接部发挥功能的连杆轴53、55；以及作为转接部发挥功能的连杆轴54。连杆轴53能转动地连接在操舵轴15的下端，连杆轴55相对于臂轴方向以倾斜姿势能转动地连接在车轴支承臂42的前端。在连杆轴53与连杆轴55之间，设有转接并连接连杆轴54的连杆臂51、52。球面连杆部50使连杆轴53～55中任意一个的轴心方向始终朝向接地点N，这样在转向的调整中能在使车轮41的接地点N维持在操舵轴15正下方的情况下，进行外倾的调整。另外，球面连杆部50只要是具有相同功能的连杆机构即可，也可以是把用于设定转向角的连杆与用于设定外倾角的连杆相关联的平行连杆机构。

车轮41在操舵轴15正下方的接地点N上始终抵接于地面(另外，更准确讲，比车轮41的内胎断面半径靠向下部的车轮表面位置)，且与操舵轴15围绕相当于驱动轴的电机12的输出轴121的旋转同步，接地点N圆周运动。如此，车轮41通过使转向角与旋转同步变化，且外倾角与其联动变化，行走损失降低，保证了行走效率。

另外，设输出轴121与操舵轴15的距离为r、车轮W的半径为w时，需要r≈W、同时r＞W作为结构上的要素。根据所述要素，外倾角成立。

此外，操舵操作可以是手动式或电动式。在手动式的情况下，例如可以让操舵杆从环状板22的适当部位经省略图示的箱体伸向外方、进而从轮椅的座席向上方延伸设置，以便就座者能够操舵。在电动式的情况下，在主体座11或省略图示的箱体与井形板21和环状板22之间，设置在各个移动方向推拉移动井形板21和环状板22移动的各传动装置，并设置使各传动装置可动的驱动部(电机或缸等)即可。而且，具备由就座者操作、用于发送操舵信号的遥控器，以及驱动部侧的信号接收部和驱动信号处理部。遥控器具备操舵部和发送部，所述操舵部用于生成指示前后方向、左右方向的操舵量的指示信号，所述发送部用于发送操舵信号。驱动部侧的驱动信号处理部根据信号接收部接收的信号生成左右各移动量信号(对电机的驱动信号)，转换为利用来自电源部的电力驱动各电机的驱动信号并输出。

另外，本发明可以采用以下的方式。

(1)在操舵操作部20中，采用能向垂直的二轴方向移动的井形板21和环状板22(线性滑块23、24)，从而能向二维方向操舵，但是二轴不限于垂直的方向。此外，也可以根据用途等进行一轴方向的操舵。

(2)在本实施方式中，虽然没有特别说明电机12的驱动停止时的车轮的停止姿势，但也可以利用主体自重或搭乗者体重，以外倾角成为90°的方式进行姿势转换(车轮41的侧面全面接地)。按照所述结构，即使在例如一个车轮的情况下，停止时也能成为直立姿势而维持停止平衡。同时，可以实现现有的车轮利用方式下几乎不可能的极大的接地面积，优选例如应用于建筑机械和重型机械，进而通过从行走状态立刻转换到所述状态而具有强大的紧急制动能力。

(3)通过采用相当于移动体底部短边侧的宽度尺寸的车轮半径并设定大外倾角，可以实现更高的跨越台阶(台阶上坡)能力，且能够尽可能加大用于跨越的推进力。

(4)在所述实施方式中，说明了将多个次摆线驱动机构应用于轮椅的示例，但是不限于此，除了装载人的各种移动体以外，同样可以应用到配置在机器人甚至运输用的主体等的底部、作为移动体发挥功能的装置上。此外，在作为水平面内二维方向的完整性而具有高重心的倒立振子型的重心控制中有效。

如上所述，本发明的次摆线驱动机构包括：支承从动型车轮的支承部，所述车轮具有与操舵轴垂直的车轴，所述操舵轴与驱动轴隔开规定距离，围绕所述驱动轴旋转并平行于所述驱动轴；以及操舵部，与所述操舵轴同步旋转，在旋转面上与所述驱动轴的相对位置能发生位移，所述操舵部包括：第一连杆机构，与所述位移联动，使所述车轴围绕所述操舵轴转动以调整所述车轮的转向角；以及第二连杆机构，与所述第一连杆机构连接，通过使所述车轴以与所述转向角对应的角度，在与平行于所述转向角的面垂直的面上倾倒，来调整所述车轮的外倾角。

按照所述发明，通过以机构方式联动调整并设定车轮的转向角和外倾角，行走摩擦阻力降低，本驱动机构的移动效率得到提高。

此外，在所述次摆线驱动机构中，优选所述操舵部具备在所述旋转面上彼此垂直的两个线性滑块。按照所述结构，可以在旋转面上向二维方向的所需方向移动。

此外，在所述次摆线驱动机构中，优选在所述操舵部没有进行用于操舵的位移的状态下，从所述驱动轴到所述操舵部的旋转中心的轴为止的距离，是从所述驱动轴到所述操舵轴为止的距离的1/2。根据所述结构，设定的外倾角更接近精确解。

此外，优选移动体在主体底部至少配置一个所述次摆线驱动机构。按照所述结构，能采用大直径的车轮、进而以大外倾角倾倒并旋转，通过采用所述结构，能具备高的跨越台阶能力。另外，设置一个次摆线驱动机构的方式下，为保证其他的接地点，通过具备至少一个脚轮等简单的车轮，或者设置两个甚至两个以上的规定数量的次摆线驱动机构，能保证停止时的移动体的姿势平衡。

此外，优选在所述移动体中，所述车轮具有相当于所述主体底部短边侧的宽度尺寸的直径。根据所述结构，能够使车轮在移动体的主体底部的宽度尺寸内尽可能大直径，且可以设定大外倾角，因而能实现高的跨越台阶能力，进而得到用于跨越的更大推进力。

Claims (5)

1.一种次摆线驱动机构，其特征在于包括：

支承从动车轮的支承部，所述从动车轮具有能相对于操舵轴调整转向角和外倾角的车轴，所述操舵轴与驱动轴隔开规定距离，围绕所述驱动轴旋转并平行于所述驱动轴；以及

操舵部，与所述操舵轴同步旋转，在旋转面上与所述驱动轴的相对位置能发生位移，

所述操舵部包括：第一连杆机构，与所述位移联动，使所述车轴围绕所述操舵轴转动以调整所述从动车轮的所述转向角；以及第二连杆机构，与所述第一连杆机构连接，通过使所述车轴以与所述转向角对应的角度，在与平行于所述转向角的面垂直的面上倾倒，来调整所述从动车轮的所述外倾角。

2.根据权利要求1所述的次摆线驱动机构，其特征在于，所述操舵部与支承所述驱动轴的主体座通过彼此垂直的两个线性滑块和轴承连结，所述两个线性滑块被支承为能够在所述旋转面上向二维方向的所需方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的次摆线驱动机构，其特征在于，在所述操舵部没有进行用于操舵的位移的状态下，从所述驱动轴到所述操舵部的旋转中心的轴为止的距离，是从所述驱动轴到所述操舵轴为止的距离的1/2。

4.一种移动体，其特征在于，在主体底部至少配置一个权利要求1～3中任意一项所述的次摆线驱动机构。

5.根据权利要求4所述的移动体，其特征在于，所述从动车轮具有相当于所述主体底部短边侧的宽度尺寸的直径。