JP2008006882A - 球体輪駆動機構 - Google Patents

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Abstract

【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

Description

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。
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)。
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。
特開2003−94904号公報 特開2005−344777号公報 「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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本発明にかかる球体輪駆動機構の全体構成図である。 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。 本発明にかかる球体輪駆動機構の平面図である。 本発明にかかる球体輪駆動機構の正面図である。 本発明にかかる球体輪駆動機構の断面図である。 本発明にかかる球体輪駆動機構の右側面図である。 従来の球体輪駆動機構の概略構成図である。
符号の説明
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

Claims (6)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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