JP2012187991A - 全方向移動車輪 - Google Patents

Abstract

【課題】移動に寄与する副車輪のみに駆動力を伝達することで駆動効率を高くできる全方向移動車輪を提供する。
【解決手段】副車輪５０を円周方向に複数連結して主車輪５を構成する全方向移動車輪１において、副車輪５０が夫々単独で回転自在に支持される。
駆動輪６０の回転により移動面Ｇに接触している副車輪５０のみに回転力を作用させる、副車輪駆動装置６を備える。
副車輪５０が移動面Ｇに接触する接面ローラ５０１と駆動輪６０と接触する鼓形のアイドラローラ５０２を圧接させた構造であり、アイドラローラ５０２の外周曲線の円弧の半径が、駆動輪６０と接触する主車輪５の内周側のアイドラローラ５０１の外周曲線の包絡線がなす円の半径と同一である。
【選択図】図１

Description

本発明は、副車輪を円周方向に連結して主車輪を構成する全方向移動車輪に関するものである。

全方向移動車輪として、樽形の副車輪を円周方向に連結して主車輪を構成し、副車輪に主車輪の回転軸方向と直交する軸廻りの駆動力を与えて全方向移動可能とした従来技術（例えば、特許文献１参照）がある。

特開２００５−６７３３４号公報

全方向移動車輪は主車輪と移動面と接触している副車輪のみを駆動すれば全方向移動が可能であるが、特許文献１の技術は全ての副車輪に同時に駆動力を与えている。このため、移動に寄与しない副車輪の駆動による摩擦損失が大きく、駆動効率が悪い。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、移動に寄与する副車輪のみに駆動力を伝達することで駆動効率を高くできる全方向移動車輪を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための請求項１に係る発明の特徴は、移動面上を全方向に移動する全方向移動体に使用する、副車輪を円周方向に複数連結して主車輪を構成し、前記副車輪と前記移動面の接触部の摩擦力により移動する全方向移動車輪において、
前記副車輪が夫々単独で前記副車輪の回転軸廻りに回転自在に支持され、
前記移動面に接触している前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力を作用させる副車輪駆動装置を備えることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記副車輪が前記移動面に接触する接面ローラと、
前記接面ローラと係合して、連動回転する鼓形のアイドラローラを備え、
前記アイドラローラの外周面の接線が前記主車輪の回転軸と平行な位置であるアイドラローラ駆動位置で、前記副車輪駆動装置の回転力が、前記アイドラローラに伝達されることである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項２に係る発明において、前記アイドラローラの回転軸を含む断面における外周曲線が円弧で、
複数の前記アイドラローラの前記アイドラローラ駆動位置の包絡線がなす円の半径が、前記円弧の半径と同一であることである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に係る発明において、前記副車輪駆動装置が、駆動ローラの回転軸廻りに回転自在に支持される樽型の前記駆動ローラを駆動輪の回転軸心を中心とする円周方向に連結してなる前記駆動輪を備え、
前記駆動輪を前記副車輪に接触させることにより、前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力が伝達されることである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に係る発明において、前記副車輪駆動装置がオムニボールを駆動輪として備え、前記オムニボールを前記副車輪に接触させることにより、前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力が伝達されることである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に係る発明において、前記主車輪の回転軸と前記接面ローラの回転軸が第１の捩れ角度を備え、
前記接面ローラの回転軸と前記アイドラローラの回転軸が第２の捩れ角度を備え、
前記主車輪の回転軸と前記駆動輪の回転軸が第３の捩れ角度を備えることである。

請求項７に係る発明の特徴は、請求項６に係る発明において、前記第１の捩れ角度が９０度で、前記第２の捩れ角度が０度で、前記第３の捩れ角度が９０度であることである。

請求項1に係る発明によれば、全方向移動車輪が副車輪の回転により移動するとき、副車輪のなかで移動面と接面している副車輪のみを駆動できるので、全副車輪を駆動するよりも摩擦損失が小さくなる。

請求項２に係る発明によれば、鼓形のアイドラローラを円周方向に連結しているので、アイドラローラ駆動位置の主車輪の回転軸心からの半径変動が小さいので、主車輪の回転に伴う、アイドラローラと副車輪駆動装置との接触圧力の変動を小さくできる。

請求項３に係る発明によれば、アイドラローラ駆動位置の包絡線が円となり、主車輪のどの回転位相においてもアイドラローラ駆動位置と副車輪駆動装置との距離が一定となる。そのため、アイドラローラと副車輪駆動装置との接触圧力が一定となり、副車輪駆動装置からアイドラローラへの許容駆動力伝達を一定とできる。

請求項４に係る発明によれば、主車輪の回転時に副車輪と接触している駆動ローラが空転できるので、主車輪の回転の妨げになる力を小さくでき、主車輪の駆動効率を向上できる。

請求項５に係る発明によれば、主車輪の回転時にオムニボールが空転できるので、主車輪の回転の妨げになる力を小さくできる。構成部品が少ない簡易な構造で小型の駆動輪を実現きる。

請求項６、請求項７に係る発明によれば、駆動輪によるアイドラローラと接面ローラの回転駆動中にスラスト方向の負荷が生じないので、アイドラローラの軸受にスラスト負荷能力の小さな軸受を使用できる。スラスト負荷能力の小さな軸受は摩擦損失が小さく小型なので、効率が良く、小型の全方向移動車輪を実現できる。

第1実施形態の全方向移動車輪の全体を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面矢視図である。 第1実施形態の副車輪の詳細を示す図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 第1実施形態の駆動輪の断面図である（図６のＤ−Ｄ断面）。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 第２実施形態の全方向移動車輪を示す図である。 図７のＥ−Ｅ断面図である。 従来例のオムニボ−ルの外観を示す図である。 第３実施形態の全方向移動車輪の全体を示す図である。 図１０のＦ−Ｆ断面矢視図である。 第４実施形態の全方向移動車輪の全体を示す図である。 図１２のＨ−Ｈ断面矢視図である。

以下、本発明の第1実施形態を図１〜図６に基づき説明する。
図２に示すように、全方向移動車輪１はハウジング２により回転自在に支持され、主車輪駆動モータ４により駆動される主車輪軸３を備えている。主車輪軸３の軸端には主車輪５が固定されている。図１に示すように、主車輪５は、樽形をした接面ローラ５０１と鼓形をしたアイドラローラ５０２を圧接し夫々を回転自在に支持材５０７で保持した複数の副車輪５０を備え、これを円周方向にホイール５１で連結して構成する。接面ローラ５０１と移動面Ｇは接触部Ｓで接触している。ここで、接面ローラ５０１の樽形の円弧半径Ｒ２（図１）は主車輪５の最外周の半径Ｒ１（図２）とほぼ等しい半径を備える。また、アイドラローラ５０２の鼓形の円弧半径Ｒ４（図１）は主車輪５の内周側のアイドラローラ５０２の包絡線の半径Ｒ３（図２）とほぼ等しい半径を備える。
副車輪５０の詳細を図３、図４に示す。図３に示すように、接面ローラ５０１は両端を支持材５０７で保持された軸５０３の両端部に配置された軸受５０４を介して回転自在に保持される。アイドラローラ５０２は両端を支持材５０７で保持された軸５０５の両端部に配置された軸受５０６を介して回転自在に保持される。ここで、軸５０３と軸５０５の軸間距離は接面ローラ５０１とアイドラローラ５０２の接触部に所定の圧力が発生するように設定される。

図１に示すように、全方向移動車輪１は、副車輪駆動装置６を備えている。副車輪駆動装置６は副車輪駆動ハウジング６１に回転自在に支持される駆動輪軸６２と、図示しない伝達機構を介して駆動輪軸６２を回転させる駆動輪駆動モータ６３を備え、駆動輪軸６２の軸端には駆動輪６０が固定されている。駆動輪６０は移動面Ｇと接触する副車輪５０のアイドラローラ５０２と圧接している。駆動輪軸６２の回転軸は主車輪軸３の回転軸と略９０度の捩れ角度を備えている。図２に示すように、駆動輪６０はアイドラローラ５０２を介して、主車輪５の回転軸と直交する方向の回転軸廻りに接面ローラ５０１を回転させることができる。

駆動輪６０の詳細を説明する。図５に示すように、駆動輪６０は、樽形をしたローラ６０１の両端部に配置された軸受６０４を介して軸６０２により回転自在に支持され、軸６０２の両端は支持材６０３で保持されている。図６に示すように、支持材６０３を円周方向にホイール６０５で連結して駆動輪６０を構成する。ここで、ローラ６０１の樽形の円弧半径Ｒ６（図５）は駆動輪６０の最外周の半径Ｒ５（図６）とほぼ等しい半径を備える。
接面ローラ５０１、アイドラローラ５０２、ローラ６０１の材質は、摩擦係数が大きく、弾性の大きなゴム、樹脂などが好適である。

全方向移動車輪１の作動について図１、図２、に基づき説明する。
図１に示すように、全方向移動車輪１を駆動輪６０と係合する副車輪５０が移動面Ｇに接触部Ｓで接触するように配置する。
ここで、主車輪駆動モータ４を回転させると全方向移動車輪１は主車輪５の回転軸と直交する方向へ移動する。このとき、アイドラローラ５０２と駆動輪６０のローラ６０１の接触部には摩擦による駆動力が作用しローラ６０１は空転する。図５に示すように、ローラ６０１は軸受６０４を介して軸６０２で保持されているので空転による動力損失は小さい。
副車輪駆動装置６の駆動輪駆動モータ６３により駆動輪６０を回転させると、アイドラローラ５０２を介して接面ローラ５０１が回転し、全方向移動車輪１は接面ローラ５０１の回転軸と直交する方向へ移動する。接面ローラ５０１の回転軸と主車輪５の回転軸は９０度捩れているので、駆動輪駆動モータ６３を回転させると全方向移動車輪１は主車輪５の回転軸方向へ移動する。
以上のように、全方向移動車輪１は主車輪駆動モータ４と駆動輪駆動モータ６３の正逆回転により直交する２方向の前後進が可能となるので、主車輪駆動モータ４と駆動輪駆動モータ６３を同時に夫々所定の回転速度で回転するように制御することで、所望の方向に、所望の速度で移動できる。

以上のように、本発明の全方向移動車輪１は主車輪５と移動に寄与する副車輪５０のみを駆動して全方向の移動が可能であり、従来のように移動に寄与しない副車輪も駆動する全方向移動車輪に比較して、動力損失が小さくなり、駆動モータの小型化や、走行時間の延長が可能となる。

＜本実施形態の変形態様＞
第２実施形態について説明する、副車輪駆動装置の構造が異なる以外は第１実施形態（図１〜図４）と同一であるため、副車輪駆動装置２６以外の部分の説明は省略する。
図７、図８に示すように、全方向移動車輪２０はハウジング２の側面に副車輪駆動ハウジング２６１を備えている。副車輪駆動ハウジング２６１に回転自在に支持された駆動輪軸２６２は軸端にオムニボール２６０を保持し、図示しない伝動機構を介して駆動輪駆動モータ２６３により駆動される。駆動輪軸２６２は主車輪軸３と略９０度の捩れ角度を備えている。オムニボール２６０は主車輪５の内周側からアイドラローラ５０２に圧接しており、アイドラローラ５０２を介して、主車輪５の回転軸と直交する方向の回転軸廻りに接面ローラ５０１を回転させることができる。

オムニボールは特開２００７−２１０５７６等により公知の技術であり、オムニボ−ル２６０の外観を図９に示す。軸ａ方向に延伸したアーム２６０１により軸ａと直交する軸ｂの廻りに回転自在に支持された２個の半球２６０２を備え、軸ｂの両端部に軸ｂと直交し軸ａと９０度の捩れ角度を有する軸ｃの廻りに回転自在に支持されたローラ２６０３を備えている。
オムニボール２６０を面に接触させて転動させると、ａ軸廻りの回転力のみ伝達でき、他の軸廻りの回転に対しては空転をして力を伝達しない。このため、主車輪５が回転すると、アイドラローラ５０２とオムニボ−ル２６０の半球２６０２の接触部には摩擦による駆動力が作用し半球２６０２は軸ｂの周りを空転する。半球２６０２は図示しない軸受で保持されているので空転による動力損失は小さい。ここで、ｂ軸がアイドラローラ５０２の回転方向と垂直になった場合は半球２６０２は空転することができないが、この場合はローラ２６０３が空転する、ローラ２６０３は図示しない軸受で保持されているので空転による動力損失は小さい。
以上のように、構成部品が少ない構造で、主車輪５の回転を妨げない駆動輪を実現できるので全方向移動車輪２０を安価に製作できる。

第３実施形態について説明する、副車輪と副車輪駆動装置の構造が異なる以外は第１実施形態（図１〜図５）と同一であるため、副車輪３５０と副車輪駆動装置３６以外の部分の説明は省略する。
図１０、図１１に示すように、全方向移動車輪３０の主車輪３５は円筒形の接面ローラ３５１を軸３５２を介して支持材３５３で回転自在に保持した複数の副車輪３５０を備え、これを円周方向にホイール５１で連結して構成する。
副車輪駆動装置３６は駆動輪６０を固定した駆動輪軸６２を副車輪駆動ハウジング３６１で回転自在に支持し、駆動輪駆動モータ６３で駆動輪６０を回転させる。副車輪駆動ハウジング３６１は付勢装置３６２を介してハウジング２に保持され、主車輪３５の半径方向へ所定のストローク移動可能に、かつ、所定の力で外周方向へ付勢される。
接面ローラ３５１が円筒形なので、主車輪３５の回転に伴い副車輪３５０の半径方向の位置は変動するが、駆動輪６０は付勢装置３６２により常に接面ローラ３５１に押付けられているため、主車輪３５のどの回転位置においても回転力を接面ローラ３５１に伝達できる。
副車輪３５０の構造が簡略なので安価に全方向移動車輪３０を構成できる。
ここで、接面ローラ３５１を円筒形としたが、樽形や鼓形をした接面ローラ３５１を用いてもよい。

第４実施形態について図１２、図１３に基づき説明する、主車輪５の駆動方法が異なる以外は第１実施形態（図１〜図５）と同一であるため、主車輪５の駆動方法以外の部分の説明は省略する。
図１３に示すように、全方向移動車輪４０は、ハウジング４２により回転自在に支持される主車輪軸４３を備えている。主車輪軸４３の軸端には主車輪５が固定されている。ハウジング４２の副車輪駆動装置６を取り付けた位置と対向する位置に、主車輪駆動装置４１が配置される。主車輪駆動装置４１は、主車輪軸４３と平行で、主車輪駆動ハウジング４１０により回転自在に支持される主車輪駆動軸４１１を備える。主車輪駆動軸４１１の軸端に主車輪駆動輪４１２を固定し、主車輪駆動軸４１１と連結された主車輪駆動モータ４１３により主車輪駆動輪４１２を回転させる。
ここで、アイドラローラ５０２と主車輪駆動輪４１２は所定の力で圧接しており、主車輪駆動輪４１２を回転させることでアイドラローラ５０２を介して主車輪５を回転させる。
図１２に示すように、アイドラローラ５０２の包絡線の内径が主車輪駆動輪４１２の外径より大きいため、主車輪駆動モータ４１３の回転を大きく減速する必要が無く、簡易な減速装置を用いるか、もしくは減速装置を省略することが可能で、安価に全方向移動車輪４０を実現できる。

１：全方向移動車輪 ２：ハウジング ３：主車輪軸 ４：主車輪駆動モータ ５：主車輪 ５０：副車輪 ５０１：接面ローラ ５０２：アイドルローラ ５０７：支持材 ５１：ホイール ６：副車輪駆動装置 ６０：駆動輪 ６１：副車輪駆動ハウジング ６２：駆動輪軸 ６３：駆動輪駆動モータ

Claims (7)

1. 移動面上を全方向に移動する全方向移動体に使用するものであって、副車輪を円周方向に複数連結して主車輪を構成し、前記副車輪と前記移動面の接触部の摩擦力により移動する全方向移動車輪において、
   前記副車輪が夫々単独で前記副車輪の回転軸廻りに回転自在に支持され、
   前記移動面に接触している前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力を作用させる副車輪駆動装置を備える、全方向移動車輪。
2. 前記副車輪が前記移動面に接触する接面ローラと、
   前記接面ローラと係合して、連動回転する鼓形のアイドラローラを備え、
   前記アイドラローラの外周面の接線が前記主車輪の回転軸と平行な位置であるアイドラローラ駆動位置で、前記副車輪駆動装置の回転力が、前記アイドラローラに伝達される、請求項１に記載の全方向移動車輪。
3. 前記アイドラローラの回転軸を含む断面における外周曲線が円弧で、
   複数の前記アイドラローラの前記アイドラローラ駆動位置の包絡線がなす円の半径が、前記円弧の半径と同一である、請求項２記載の全方向移動車輪。
4. 前記副車輪駆動装置が、駆動ローラの回転軸廻りに回転自在に支持される樽型の前記駆動ローラを駆動輪の回転軸心を中心とする円周方向に連結してなる前記駆動輪を備え、
   前記駆動輪を前記副車輪に接触させることにより、前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力が伝達される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の全方向移動車輪。
5. 前記副車輪駆動装置がオムニボールを駆動輪として備え、前記オムニボールを前記副車輪に接触させることにより、前記副車輪に前記副車輪の回転軸廻りの回転力が伝達される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の全方向移動車輪。
6. 前記主車輪の回転軸と前記接面ローラの回転軸が第１の捩れ角度を備え、
   前記接面ローラの回転軸と前記アイドラローラの回転軸が第２の捩れ角度を備え、
   前記主車輪の回転軸と前記駆動輪の回転軸が第３の捩れ角度を備える、請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の全方向移動車輪。
7. 前記第１の捩れ角度が９０度で、前記第２の捩れ角度が０度で、前記第３の捩れ角度が９０度である、請求項６に記載の全方向移動車輪。

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