JP2008049429A - 脚と車輪を有する移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】脚で胴体部を支持し、各脚の足部および関節部に車輪を有する移動体であって、同じモータの数で、車輪機能が増し、車輪走行状態、脚歩行状態、いずれにおいても休止しているモータがない移動体を提供する。
【解決手段】移動体１０は、脚１２で胴体部１１を支持し、各脚が関節部で回動可能に連結された上脚１２ａと下脚１２ｂからなり、各脚の足部、関節部、股部に車輪１３を有する。各車輪１３にそれぞれ内蔵されかつブレーキを内蔵する複数のインホイールモータ１５と、各車輪の回転速度を減速する複数の減速機２０と、該減速機による減速速度を連動する連動装置２２とを備え、複数のインホイールモータを同期駆動して各車輪を回転させ、複数のインホイールモータを差動駆動して上脚と下脚を揺動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動型ロボットのように脚と車輪を有する移動体に関する。

脚と車輪を有する移動体として、例えば特許文献１の「脚式移動ロボット装置」が既に提案されている。

特許文献１の「脚式移動ロボット装置」は、図５に示すように、脚部ユニット５３の接地面側先端には、軸５７を中心に回転する車輪５４が取りつけられている。各車輪５４は、回転駆動手段であるモータ５５の回転駆動力をそれぞれ受け取り、それぞれ回転するものである。
この構成により、方向転換や、直進／並進移動するときの機動性を高め、かつ段差乗り越えを可能とし、さらに表現力を高めることができる。

特開２００４−３４１６９号公報、「脚式移動ロボット装置及び脚式移動ロボット装置の移動制御方法」

特許文献１の「移動ロボット」では、２本以上の脚部ユニット５３による歩行移動のためのモータと、車輪５４による高速移動のためのモータとがそれぞれ別個に設けられている。そのため、モータが余分に必要となり、重量、コストが増加する問題点がある。

また、図６に示す別の移動体は、胴体部６１を関節を有する脚体６２で支持し、各脚体６２が足部（先端）に車輪６３を有する移動体である。各脚体６２は、関節部で回動可能に連結された上脚６２ａと下脚６２ｂからなり、それぞれ脚駆動モータ６４で揺動駆動される。また、各車輪６３には、インホイールモータ６５が内蔵され、各車輪６３を回転駆動するようになっている。
なおこの図で、６６は軸受であり脚駆動モータ６４の出力軸（上脚６２ａと下脚６２ｂにそれぞれ固定されている）を回転可能に支持する。また６７は、インホイールモータ６５の固定軸であり、上脚６２ａと下脚６２ｂに回転しないように固定されている。
この構成により、脚駆動モータ６４で上脚６２ａと下脚６２ｂを揺動駆動することにより、歩行移動が可能であり、インホイールモータ６５で各車輪６３を回転駆動することにより高速移動が可能である。

しかし、特許文献１および図６の移動体では、車輪機能が限られており、車輪走行状態、脚歩行状態、いずれかにおいて休止しているモータがある問題点がある。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、脚で胴体部を支持し、各脚の足部および関節部に車輪を有する移動体であって、同じモータの数で、車輪機能が増し、車輪走行状態、脚歩行状態、いずれにおいても休止しているモータがない移動体を提供することにある。

本発明によれば、胴体部を支持し関節部で回動可能に連結された複数の脚からなり足部及び関節部に車輪を有する移動体であって、
各車輪にそれぞれ内蔵されかつブレーキを内蔵する複数のインホイールモータと、
各車輪の回転速度を減速する複数の減速機と、
該減速機による減速速度を連動する連動装置とを備え、
複数のインホイールモータを同期駆動して各車輪を回転させ、
複数のインホイールモータを差動駆動して脚を揺動させる、ことを特徴とする脚と車輪を有する移動体が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記連動装置は、減速機の各出力端に固定されインホイールモータと同心に回転する出力歯車と、隣接する２つの出力歯車に歯合しその間の動力を同期して伝達する中間歯車とからなる。

また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記連動装置は、減速機の各出力端に固定されインホイールモータと同心に回転する出力スプロケットと、隣接する２つの出力スプロケットに歯合しその間の動力を同期して伝達するチェーン又はタイミングベルトとからなる。

上記本発明の脚と車輪を有する移動体は、複数のインホイールモータを同期駆動することにより、各車輪が同期して回転し、高速移動が可能である。この際、連動装置は、減速機を介して複数のインホイールモータを連動しているため、空転しながら同期する。

複数のインホイールモータを差動駆動すると、遅い速度のインホイールモータを内蔵する車輪が取り付けられた脚（例えば上脚、下脚）が早い速度のインホイールモータを内蔵する車輪の減速機により差動速度で揺動される。従って、この状態では、車輪の回転と脚の揺動を併用して移動することができる。
さらに、インホイールモータに内蔵されたブレーキでいずれかのインホイールモータの回転を防止すると、連動装置によりすべての車輪の回転を停止することができる。この状態で、そのほかのインホイールモータを回転すると、該当する減速機による減速速度で脚（例えば上脚、下脚）を揺動させて歩行移動することができる。

上記本発明の構成により、後述する実施形態に示すように、同じモータの数で、車輪機能が増し、車輪走行状態、脚歩行状態、いずれにおいても休止しているモータがないという効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。

図１は、本発明の脚と車輪を有する移動体の第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は全体側面図、（Ｂ）は部分断面図、（Ｃ）は歯車の噛合い図、（Ｄ）は差動説明図である。
図１（Ａ）において、本発明の移動体１０は、複数（３以上）の脚体１２で胴体部１１を支持し、各脚体１２が関節部で回動可能に連結された複数の脚（この例で上脚１２ａと下脚１２ｂ）からなり、各脚体１２の足部、関節部及び股部に車輪１３を有する。以下、関節部と股部を総称して「関節部」と呼ぶ。
なお、本発明において、脚は上脚１２ａと下脚１２ｂに限定されず、１又は複数の中間脚を備えてもよい。

図１（Ｂ）において、本発明の移動体１０は、複数のインホイールモータ１５を備える。
複数のインホイールモータ１５は、車輪１３と同数であり、ブレーキを内蔵し、各車輪１３にそれぞれ内蔵されている。またインホイールモータ１５の固定軸１６は、足部は下脚１２ｂに、関節部は上脚１２ａに、股部は胴体部１１にそれぞれ回転しないように固定されている。また、関節部の固定軸１６は、下脚１２ｂに設けられた軸受１７により、股部の固定軸１６は、上脚１２ａに設けられた軸受１７により、それぞれ回転可能に支持されている。インホイールモータ１５は、回転速度を自由に制御可能なサーボモータであるのがよい。
この構成により、複数のインホイールモータ１５により、各車輪１３を自由に回転駆動することができる。

図１（Ｂ）において、本発明の移動体１０は、さらに複数の減速機２０と連動装置２２を備える。
複数の減速機２０は、車輪１３と同数であり、各車輪の回転速度を減速する。この例において、減速機２０は、インホイールモータ１５の軸方向内側に設けられ、インホイールモータ１５（すなわち車輪１３）の回転を脚の揺動速度に適した速度まで減速する。減速された出力は、この例では車輪１３と同心の外周部に伝達される。
減速機２０は、遊星減速機であるのが好ましい。しかし本発明は、これに限定されず、任意の減速機を用いることができる。

連動装置２２は、この例では、３つの出力歯車２３と２つの中間歯車２４とからなる。
各出力歯車２３は、減速機２０の各出力端（外周部）に固定されインホイールモータ１５と同心に回転する。
各中間歯車２４は、隣接する２つの出力歯車２３に歯合しその間の動力を同期して伝達する。２つの中間歯車２４は、上脚１２ａと下脚１２ｂに設けられた軸受２５により、それぞれ自由回転可能に支持されている。
上述した構成により、図１（Ｃ）に示すように、出力歯車２３と中間歯車２４が常に噛合っているので、減速機２０による減速速度を連動することができる。

上述した本発明の脚と車輪を有する移動体１０は、図１（Ａ）に示すように、複数のインホイールモータ１５を同期駆動することにより、各車輪１３が同期して回転し、高速移動が可能である。この際、連動装置２２は、減速機２０を介して複数のインホイールモータ１５を連動しているため、図１（Ｃ）に示すように、空転しながら同期する。

複数のインホイールモータ１５を差動駆動すると、遅い速度のインホイールモータを内蔵する車輪が取り付けられた脚（例えば上脚１２ａ又は下脚１２ｂ）が早い速度のインホイールモータを内蔵する車輪の減速機により差動速度で揺動される。従って、この状態では、車輪の回転と脚の揺動を併用して移動することができる。
さらに、図１（Ｄ）に示すように、減速機２０のブレーキでいずれかのインホイールモータ１５（この例では足部）の回転を防止すると、連動装置２２によりすべての車輪１３の回転を停止することができる。この状態で、そのほかのインホイールモータ１５を回転すると、該当する減速機２０による減速速度で上脚１２ａ及び／又は下脚１２ｂを揺動させて歩行移動することができる。

上記本発明の構成において、必要となるモータは各車輪に内蔵されたインホイールモータのみである。従ってこの構成により、各関節軸に車輪を配置する移動タイプでは、モータの個数を従来の５個からその半数＋１の３個まで減らすことが可能となる。

図２は、本発明の脚と車輪を有する移動体の第２実施形態図である。この図において、（Ａ）は部分断面図、（Ｂ）は歯車の噛合い図、（Ｃ）は同期説明図、（Ｄ）は差動説明図である。

図２（Ａ）において、連動装置２２は、この例では、３つの出力スプロケット２５と２つのチェーン又はタイミングベルト２６からなる。
各出力スプロケット２５は、減速機２０の各出力端（外周部）に固定されインホイールモータ１５と同心に回転する。
チェーン又はタイミングベルト２６は、隣接する２つの出力スプロケット２５に歯合しその間の動力を同期して伝達する。
その他の構成は、第１実施形態と同様である。

上述した構成により、図２（Ｂ）に示すように、出力スプロケット２５とチェーン又はタイミングベルト２６が常に噛合っているので、減速機２０による減速速度を連動することができる。

また、上述した本発明の脚と車輪を有する移動体１０は、図２（Ｃ）に示すように、複数のインホイールモータ１５を同期駆動することにより、各車輪１３が同期して回転し、高速移動が可能である。この際、連動装置２２は、減速機２０を介して複数のインホイールモータ１５を連動しているため、図２（Ｂ）に示すように、空転しながら同期する。

複数のインホイールモータ１５を差動駆動すると、遅い速度のインホイールモータを内蔵する車輪が取り付けられた脚（上脚又は下脚）が早い速度のインホイールモータを内蔵する車輪の減速機により差動速度で揺動される。従って、この状態では、車輪の回転と脚の揺動を併用して移動することができる。
さらに、図２（Ｄ）に示すように、減速機２０のブレーキでいずれかのインホイールモータ１５（この例では足部）の回転を防止すると、連動装置２２によりすべての車輪１３の回転を停止することができる。この状態で、そのほかのインホイールモータ１５を回転すると、該当する減速機２０による減速速度で上脚１２ａ及び／又は下脚１２ｂを揺動させて歩行移動することができる。

上記本発明の構成において、必要となるモータは各車輪に内蔵されたインホイールモータのみである。従ってこの構成により、各関節軸に車輪を配置する移動タイプでは、モータの個数を従来の５個からその半数＋１の３個まで減らすことが可能となる。

上述したように、本発明の移動体１０では、各車輪１３が、減速機２０を介して、歯車、チェーン又はタイミングベルトで連結されているため、車輪のみを回転するときは、すべての車輪が同期回転するため、脚の相対的な位置関係は変化しない。つまり関節は動かない（図１（Ａ），図２（Ｃ））。この結果、移動体１０は車輪による移動が可能となる。

次に、ある車輪の回転を停止し、その他を回転すると、停止した車輪を含む脚の関節が動く（図１（Ｄ），図２（Ｄ）参照）。
同様に、他の車輪を停止してもそれに一致した関節が動く。その結果、各車輪の回転数を変化することにより、任意に各関節角を変えることができ、移動ロボットは脚による歩行が可能となる。
従って、同一のモータが車輪と関節のモータを兼ねることにより、車輪走行、脚歩行のどちらのモードでも、すべてのモータを有効に使用することができ、ロボットの軽量化が可能となる。

図３は、平面走行時の使用形態を示す図である。この図において（Ａ）は全輪で走行する状態、（Ｂ）は一部の車輪で走行する状態を示している。
図３（Ａ）に示すように、すべてのモータを車輪走行に使用することができる。また、図３（Ｂ）に示すように、接地していない車輪があっても動力的に連結しているので、すべてのモータが走行に寄与できる。

図４は、階段昇降時（Ａ）と急傾斜登坂時（Ｂ）の使用形態を示す図である。この図にしめすように、急傾斜地や階段で車輪を有効活用することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の脚と車輪を有する移動体の第１実施形態図である。 本発明の脚と車輪を有する移動体の第２実施形態図である。 平面走行時の使用形態を示す図である。 階段昇降時（Ａ）と急傾斜登坂時（Ｂ）の使用形態を示す図である。 特許文献１の「移動ロボット」の模式図である。 従来の脚と車輪を有する移動体の全体構成図である。

符号の説明

１０ 移動体、１１ 胴体部、
１２ 脚体、１２ａ 上脚、１２ｂ 下脚、
１３ 車輪、１５ インホイールモータ、１６ 固定軸、１７ 軸受、
２０ 減速機、２２ 連動装置、
２３ 出力歯車、２４ 中間歯車、
２５ 出力スプロケット、２６ チェーン又はタイミングベルト

Claims (3)

1. 胴体部を支持し関節部で回動可能に連結された複数の脚からなり足部及び関節部に車輪を有する移動体であって、
   各車輪にそれぞれ内蔵されかつブレーキを内蔵する複数のインホイールモータと、
   各車輪の回転速度を減速する複数の減速機と、
   該減速機による減速速度を連動する連動装置とを備え、
   複数のインホイールモータを同期駆動して各車輪を回転させ、
   複数のインホイールモータを差動駆動して脚を揺動させる、ことを特徴とする脚と車輪を有する移動体。
2. 前記連動装置は、減速機の各出力端に固定されインホイールモータと同心に回転する出力歯車と、隣接する２つの出力歯車に歯合しその間の動力を同期して伝達する中間歯車とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の脚と車輪を有する移動体。
3. 前記連動装置は、減速機の各出力端に固定されインホイールモータと同心に回転する出力スプロケットと、隣接する２つの出力スプロケットに歯合しその間の動力を同期して伝達するチェーン又はタイミングベルトとからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の脚と車輪を有する移動体。
   

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