JP2017013632A - 車輪構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の高さを有する段差等の障害物の乗り越えに労する力を低減でき、簡易な構造の車輪構造体を提供する。【解決手段】１対の脚部１４が形成されてなる車輪支持部材１２と、脚部１４間に水平に架設される車軸１６と、車軸１６に支承される車輪１８とを備え、物体に車輪支持部材１２を取り付け、車輪１６は外輪２０と、外輪２０の内側に嵌装される内輪２２とから構成し、内輪２２には、その中心点に対して偏心した軸孔２４を設け、軸孔２４が中心点を通る垂直線より前方向で、水平線より上方向の位置となる状態で、車軸１６に支承させ、内輪２２が前回転した際に、その回転を抑制するとともに、その位置から内輪２２を後回転となるよう反転可能とする復元機構２６を設け、内輪２２の所定箇所に、車輪１８を車輪支持部材１２に配置させた際の内輪２２の所定位置から、内輪２２の前方向に対する後回転を制止する回転制止部２８を、少なくとも、１つ設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、車輌等に取り付け、前後方向に押し引き移動させるために用いるもので、段差等の障害物の乗り越えに労する力を低減できる簡易でコンパクトな構造の車輪構造体に関するものである。

車椅子、ベビーカー、台車などの車輌に取り付けられている車輪では、道路や建物内にある、たかだか高さ数センチ程度の段差等の障害物を乗り越える際にも、大きな力が必要となり、困難を伴う事が多い。また、車輪が段差に到達（衝突）した際に、水平移動から垂直移動の瞬間的な変化から衝撃力が発生し、この衝撃力が、利用者に不快感を与え、最悪の場合、車輌が転倒するなどのおそれがある。このため、車輪が段差等の障害物を容易に乗り越え可能な機構の開発が重要な課題とされている。

そこで、例えば、補助輪等を使用して段差の乗り越えを容易にする技術として、特許文献１には、脚輪の軸受よりも前位に前部軸受を設けるほか、この前部軸受には、放射状に突出する３本の腕がある三股扛重体を遊回可能に枢着すると共に、各腕の先端付近には小車輪を設け、かつ三股扛重体には位置規制用の付勢手段を付設して、小車輪の１個が常時前方の斜め下向きに位置で、他の１個が後方の斜め下向きに位置となる傾向を付与し、更に側面から見て後方の小車輪の下端面が脚輪の前方斜め下向きの周面と一致するようにしたことを特徴とする段差走行型車輪装置が開示されている。そして、この技術によると、「てこ」の作用の発揮により車台を容易に上昇させることができ、さらに、小車輪が付設されているため、段差部分を軽快に乗り上げることができるとしている。

また、特許文献２には、段差乗り越え機構として、本体には左右方向に延在して回転軸が取り付けられており、中央において回転軸に固定されたリンクの前端には前輪が後端には後輪が回転可能に取り付けられており、本体にはリンク上方の異なる上下前後位置において１対のストッパーが設けられていることを特徴とする段差乗越え機構が開示されている。

さらに、フレームやアーム等を使用して一時的に車輪の直径を大きくすることで段差乗り越えを容易にする技術として、特許文献３には、天板の上部において、持出と前輪の主軸からたてた支柱によって、軸管と基軸を設け、支持金具の内側で、前輪の両側に位置する、半円アームを軸管に基軸により結合し、半円アームの両側先端と後部に連結棒で補強し、半円アームの底面にゴム板を張り、支柱と半円アームとを結ぶ戻しバネを設けたことを特徴とする振子式自動段差解消器が開示されている。

また、特許文献４には、本体の下部に取り付けられる取付基体と、該取付基体に旋回軸により軸着されて該旋回軸を中心に水平方向に旋回可能な主枠と、該主枠の両側から下方に向けて延設される両脚部と、該両脚部間に水平方向に懸架される車軸によって支承される走行車輪とを有するキャスターにおいて、前記走行車輪よりも回転半径を大きくし、通常走行時のセット状態にて一方が前記走行車輪よりも前方に位置する当接部を回転方向に対して等間隔に二箇所備え、前記車軸が挿通される長孔を有し、該長孔に車軸を挿通させることで、長孔内を車軸が移動して乗越えフレームが車軸に対して偏心しながら回転可能な状態で、該乗越えフレームを主枠にて支持し、主枠と乗越えフレームとの間に、該乗越えフレームを前記セット状態に保持する復帰手段を有するリンク機構を介装したことを特徴とするキャスターが開示されている。

そして、この技術によると、旋回性を維持したまま、走行路面上のわずかな段差や小石などの比較的低い障害物の乗り越えが容易となる。また、当接部を乗越えフレームの回転方向に対して等間隔に二箇所備えることによって、障害物などを乗り越えた際、乗越えフレームが半回転することでセット状態に復帰することができるので、一度段差を乗り越えてからセット状態に復帰するまでのキャスターの進む距離が短くなり、障害物などが狭い間隔で連続している場合にも、連続して乗り越えることが可能となり、また、乗越えフレームは、該乗越えフレームと主枠との間に介装されるリンク機構によって支持されており、車軸等に軸支される構造とはなっていないので、障害物を乗り越える際の本体の荷重は乗越えフレーム側のみにかかることとなり、既存のキャスターの構成部材の強度の向上を図る必要がないとされている。

さらに、車輪支持部や車輪内部等に溝を設け、その溝に沿って車軸が移動することにより段差乗り越えを容易にする技術として、例えば、特許文献５には、車体を支持しながら接地して回転する車輪と、車体の進行に伴う車輪の回転方向に対して反対方向にのみ回転可能な回転体を備え、前記車輪の回転軸と前記回転体の回転軸を略平行に配置し、前記回転体の回転軸は、車体の進行方向に対して車輪の回転軸よりも後方かつ上方に配置し、前記車輪の回転軸は、車輪と回転体を連動させながら、車輪と回転体が連動しない位置まで車体の進行方向に向かって前方に移動した基準位置から、車輪と回転体が連動する連動位置までの間を車体の進行方向に対して後方に向かって回転体の回転軸を中心として円弧状の軌道に沿って移動自在であり、且つ、前記車輪の両側に板状部材を備え、前記板状部材にガイド溝をそれぞれ備え、前記車輪の回転軸をガイド溝内で移動させる車輪の支持構造が開示されている。そして、この技術によれば、車輪を段差等の障害物上に円滑に乗り上げさせることができるとしている。

そして、特許文献６には、支軸に対して旋回可能に支持されたブラケットの下端に、軸部材を介して環状のタイヤ部材とそれを支持する支持部材とからなる車輪が取り付けられ、車輪の回転により前方へ進行するキャスターにおいて、前記タイヤ部材を支持部材に対して回転可能に設け、支持部材にはタイヤ部材の回転中心より前方へ延びる長孔を透設し、該長孔に軸部材を挿通し、支持部材をブラケット及び軸部材に対して回転不能に支持するとともに、該軸部材は長孔内を前方へ摺動することにより軸部材の偏心を許容する構成としたことを特徴とするキャスターが開示されており、段差を軽い力で容易に乗り越えることができるとしている。

さらに、特許文献７には、車輪支持部、当該車輪支持部の一部に設けられた少なくとも一個の車輪を取り付ける車軸、当該車輪支持部の上部に設けられている、車輌の車体部と接合する車体接合部、当該車輪支持部に設けられている摺動片部であって、当該摺動片部は、当該車輪支持部の当該車輪が移動する移動面に対向する下縁部に設けられており、且つ当該移動面に対して凸状を示す湾曲型をした下面部輪郭を持つものであり、然も、当該車軸の下方部を介して当該摺動片部が、当該車軸と直交する方向に、当該移動面に対して凸状を示す湾曲型の軌跡を呈する様に移動可能に構成されている摺動片部及び当該車輪支持部に設けられており通常時には、当該摺動片部を当該車輪支持部の進行方向先端部位置に保持する様に当該摺動片部にバイアスを与える弾性部材とから構成されている車輪構造体であって、少なくとも、当該摺動片部の当該車輪支持部の進行方向先端位置と対向する長手方向先端部に衝撃緩衝材を配置した事を特徴とする車輪構造体が開示されており、車輪前方に設けた摺動片部が、車輪支持部内の案内面に沿って移動し、車軸を押し上げることにより、段差乗り越えを容易にするとしている。

特開平１０−２３４７８３号公報 特開２００８−２３０３８７号公報 特開平１０−２９７２０６号公報 特開２００５−１１９５７６号公報 特開２００５−１８６９２０号公報 特開２００１−３３４８０４号公報 特開２００６−１３１２０３号公報

しかしながら、上記特許文献１〜４に記載の技術では、補助輪や、フレーム及びそれら支持構造が必要となるため、構造が複雑で、重量増加を招いてしまう。また、衝撃力に対する備えも無く、利用者に不快感を与えてしまい、さらに、車輌の転倒まで引き起こしてしまう可能性がある。

また、上記特許文献５及び６に記載の技術では、車軸を移動させるための構造が複雑であり、また、車軸の移動は操縦者による押し上げ、自重による押し下げに依存するため、スムーズな動きができず、適切な効果が発揮できないおそれがある。そして、上記特許文献７に記載の技術では、双輪構造にせざるを得ず、重量増加を招き、コンパクト性に欠けるといった問題がある。

本発明が解決しようとしている課題は、上述の問題に対応するためのもので、所定の高さを有する段差等の障害物の乗り越えに労する力を低減でき、簡易でコンパクトな構造の車輪構造体を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、所定の間隙をもって相対する１対の脚部が形成されてなる車輪支持部材と、前記車輪支持部材の脚部間において、水平に架設される車軸と、前記車軸に支承されることで、前記車輪支持部材の脚部間に配置される車輪とを備え、物体の任意の位置に前記車輪支持部材を取り付けることにより、当該物体を前記車輪により前方向又は後方向へと押し引き移動可能にする車輪構造体であって、前記車輪は、少なくとも、外輪と、当該外輪の内側に嵌装される内輪と、から構成され、前記内輪には、その中心点に対して、偏心した位置に軸孔が設けられるとともに、当該軸孔が、前記中心点を通る垂直線より前方向で、且つ、前記中心点を通る水平線より上方向の位置となる状態で、前記車軸に支承されており、前記内輪の所定箇所には、前記内輪が、前方向に対して前回転した場合に、その回転を抑制するとともに、それにより到達した位置から、当該内輪を前方向に対して後回転となるよう反転可能とする復元機構が、少なくとも、１つ設けられ、前記内輪の所定箇所には、前記車輪を前記車輪支持部材に配置させた際の前記内輪の所定位置から、当該内輪の前方向に対する後回転を制止する回転制止部が、少なくとも、１つ設けられていることを特徴とする車輪構造体である。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の車輪構造体であって、前記内輪には、所定範囲において、切り欠き部が形成されており、当該切り欠き部に前記復元機構が取り付けられていることを特徴としている。そして、請求項３記載の発明は、請求項２記載の車輪構造体であって、前記復元機構は、前記切り欠き部のうちの一側壁に固定される第１部材と、当該第１部材に、前記内輪の中心点側において、ヒンジピンにより枢支連結されるとともに、所定角度をもって立ち上げられた状態の第２部材と、前記第１部材と第２部材の開閉側に当該部材に沿って配置される板状バネとを備え、前記第２部材が、前記脚部の後方向の側辺に当接することで、前記内輪の前方向に対する前回転を抑制するとともに、前記板状バネによる反発力により、前記内輪を前方向に対して後回転となるよう反転可能とするものであることを特徴としている。

さらに、請求項４記載の発明は、請求項１〜３何れか１項記載の車輪構造体であって、前記回転制止部は、前記内輪の側面の片側又は両側に形成されており、当該回転制止部が、前記脚部の下方側辺に当接することで、前記内輪の所定位置から、当該内輪の前方向に対する後回転を制止するものであることを特徴としている。またさらに、請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項記載の車輪構造体であって、前記内輪の側面のうち、前記軸孔が設けられた位置を含む所定の範囲を他の範囲よりも深く掘り下げることにより生じる段差部を前記回転制止部としていることを特徴としている。

本発明に係る車輪構造体によれば、車軸を車輪の回転中心に対して進行方向前方・上方に偏心させ、内輪と車輪支持部との間に復元機構を備えているため、段差の乗り越えに労する力を低減し、且つ、快適に段差を乗り越えることが可能となる。また、内輪に切り欠きを設け、その内部に復元機構を取り付けることで、車輪構造体自体をコンパクトな構造とすることが可能となる。

そして、復元機構に、例えば、引張、圧縮、曲げ、ねじりの力に対して復元を行うことができるバネ構造を用いることで、衝撃力の吸収・緩和を行うのと同時に、前方向に対して前回転した内輪を当初の位置（車輪支持部材に配置した際の初期位置）へ復元させることが可能となる。

本発明に係る車輪構造体の実施形態を示した一例図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は分解斜視図を表している。 本発明に係る車輪構造体の実施形態を示した一例図で、（ａ）は外輪、（ｂ）は外輪に内輪を嵌め込む状態、（ｃ）は内輪に復元機構を取り付けた状態、（ｄ）は、車輪を車輪支持部材に取り付けた状態を表している。 本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、内輪を構成する一方側のパーツを示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図を表し、（ｄ）は内輪として両側からパーツ同士を組み立てた状態の斜視図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、車輪支持部材を示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の第１部材を示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の第２部材を示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の一例を示した斜視図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態において、復元機構の機能を示した一例図で、（ａ）は第２部材が、脚部端辺に当接した状態、（ｂ）は第１部材と、第２部材の間が狭まり、板バネの屈曲が進んでいる状態、（ｃ）は復元機構が反発した状態を表している。 本発明に係る車輪構造体の実施形態において、段差乗り越え時の状態を示した一例図で、（ａ）は段差到達時、（ｂ）は段差乗り越え開始時、（ｃ）は段差乗り越え時、（ｄ）は段差乗り越え終了時を表している。 本発明に係る車輪構造体の実施形態において、その効果について検証した実験に用いた装置の一例を示した図である。 本発明に係る車輪構造体の実施形態の効果について検証した実験の結果（積載重量１．９８ｋｇ）を示したグラフである。 本発明に係る車輪構造体の実施形態の効果について検証した実験の結果（積載重量１．４８ｋｇ）を示したグラフである。 本発明に係る車輪構造体の実施形態の効果について検証した実験の結果（積載重量０．９８ｋｇ）を示したグラフである。 内輪の軸孔を偏心させることによる推進力の低減に関する有効性を検証する際の段差乗り越え条件を示したものである。 内輪の軸孔を偏心させることによる推進力の低減に関する有効性を検証実験の結果を示した表である。 内輪の軸孔を偏心させることによる推進力の低減に関する有効性を検証実験の結果を示したグラフである。 本発明に係る車輪構造体の実施形態における復元機構による衝撃緩和及び復元の実験結果を示したグラフである。

以下、本発明に係る車輪構造体の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る車輪構造体の実施形態を示した一例図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図、（ｃ）は分解斜視図を表している。また、図２は、本発明に係る車輪構造体の実施形態を示した一例図で、（ａ）は外輪、（ｂ）は外輪に内輪を嵌め込む状態、（ｃ）は内輪に復元機構を取り付けた状態、（ｄ）は、車輪を車輪支持部材に取り付けた状態を表している。さらに、図３は、本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、内輪を構成する一方側のパーツを示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図を表し、（ｄ）は内輪として両側からパーツ同士を組み立てた状態の斜視図である。

そして、図４は、本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、車輪支持部材の一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図を示したもので、図５は、本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の第１部材を示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。さらに、図６は、本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の第２部材を示した一例図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

また、図７は、本発明に係る車輪構造体の実施形態のうち、復元機構の一例を示した斜視図で、図８は、本発明に係る車輪構造体の実施形態において、復元機構の機能を示した一例図で、（ａ）は第２部材が、脚部端辺に当接した状態、（ｂ）は第１部材と、第２部材の間が狭まり、板バネの屈曲が進んでいる状態、（ｃ）は復元機構が反発した状態を表している。そして、符号は、１０が車輪構造体、１２が車輪支持部材、１４が脚部、１６が車軸、１８が車輪、２０が外輪、２２が内輪、２３がパーツ、２４が軸孔、２６が復元機構、２８が回転制止部、３０が切り欠き部、３２が第１部材、３４がヒンジピン、３６が第２部材、３８が板バネ、４０が段差部、４２がガイド部を表している。

本実施形態における車輪構造体１０は、図１、４に示すように、まず、所定の間隙をもって相対する１対の脚部１４が形成された車輪支持部材１２と、車輪支持部材１２の脚部１４同士の間において、水平に架設される車軸１６と、車軸１６に支承されることで、車輪支持部材１２の脚部１４同士の間に配置される車輪１８とを備えるもので、物体（例えば、車輌）の任意の位置、例えば、下部側に取り付けることにで、物体を車輪１８により前方向（進行方向）や、後方向（後退方向）へと押し引き移動可能にするものである。

また、車輪１８は、図１、図２に示すように、外輪２０と、両側から外輪２０の内側に嵌装される内輪２２とから構成されていて、この内輪２２には、図３に示すように、中心点に対して、偏心した位置に軸孔２４が設けられている。そして、この軸孔２４が、中心点を通る垂直線より前方向で、且つ、中心点を通る水平線より上方向の位置となる状態で、車軸１６に支承される構成となっている。なお、軸孔２４は、中心点から可能な限り離れた位置に設ける（偏心させる）方が、車輪１８の段差乗り越え時における推進力の低減に繋がる。

また、内輪２２の所定箇所には、図１、２に示すように、内輪２２が、前方向（進行方向）に対して前回転した際に、それによる衝撃を吸収し、さらに、回転を抑制するとともに、その回転により到達した位置から、反発力をもって、前方向に対して後回転（反転）させる復元機構２６が設けられており、さらに、内輪２２の所定箇所には、車輪１８を車輪支持部材１２に配置させた際の内輪２２の所定位置（車輪支持部材１２に車輪１８を配置させた初期位置）から、内輪２２の前方向に対しての後回転を制止する回転制止部２８が設けられている。なお、本実施形態においては、回転制止部２８は、内輪２２の側面のうち、軸孔２４が設けられた位置を含む所定の範囲を他の範囲よりも深く掘り下げることにより生じている段差部４０が役割を担っている。

続いて、本実施形態について、詳細に説明していく。本実施形態における車輪構造体１０を構成する車輪１８は、図１及び図２に示すように、外輪２０と、外輪２０の両側から相互対称となるパーツ２３同士を組み立てることで嵌め込み、複数のボルト及びナットで締結される内輪２２で構成されている。

そして、内輪２２を構成するパーツ２３には、図３に示すように、その中心点に対して、偏心した位置に軸孔２４が設けられており、また、復元機構２６を取り付けるための切り欠き部３０が形成されている。なお、軸孔２４は、中心点から可能な限り離れた位置に設ける（偏心させる）方が、車輪１８の段差乗り越え時における推進力の低減に繋がる。さらに、内輪２２の側面には、車輪支持部材１２に取り付けられる領域以外には、外輪２０を脱落させず、スムーズに回転させるためのガイド部４２が形成されている。このような構成のパーツ２３と、これと対称となる構成のパーツ２３同士を合わせて組み立てることにより、図３（ｄ）に一例として示した内輪２２が形成されることになるわけである。なお、本実施形態では、パーツ２３は相互対称としているが、両側のパーツが組み合わさることで内輪２２を構成できれば良いため、一部で非対称の形状があっても構わない。

続いて、復元機構２６は、図１や、図２（ｃ）に示すように、内輪２２に形成されている切り欠き部３０に備えられるもので、切り欠き部３０の一側壁にボルト及びナットで取り付けられた第１部材３２（図５参照）と、この第１部材３２に対して所定角度をもって立ち上げられた状態の第２部材３６（図６参照）と、これらを内輪２２の中心点側において、枢支連結させるヒンジピン３４とからなるヒンジ構造と（図７参照）、第１部材３２と第２部材３４の開閉側にこれらの部材に沿って配置される板バネ３８とを備えるものである（図７参照）。

なお、本実施形態では、図７等に示すように、板バネ３８を、所定角度で屈曲させた状態で、ヒンジピン３４の内側を通るように配置させているが、引張、圧縮、曲げ、ねじりの力に対して復元（反発）を行うことができるものであれば、どのようなバネ構造を有する復元機構を用いても良い。また、本実施形態では、切り欠き部３０に取り付けているが、バネ構造に応じて、内輪２２の適切な位置（例えば、側面側）に取り付けても良い。

次に、車輪支持部材１２は、図１、図２及び図４に示すように、脚部１４が、二股状となっており、この脚部１４同士の間に車輪１８が設置され、また、車輪支持部材１２の両脚部１４の下部側近傍にそれぞれ設けた支持孔１５に車軸１６を通すことによって、車輪支持部材１２と、車輪１８を固定している。その際、この偏心している軸孔２４が、中心点を通る垂直線より前方向で、且つ、中心点を通る水平線より上方向の位置で、車軸１６に支承させるようにする。

そして、内輪２２が、段差等に到達し、衝撃を受けたことにより、前方向に対して一定量前回転したときには、まず、図８（ａ）に示すように、復元機構２６の第２部材が、車輪支持部材１２の後方向の端辺に当接した状態から、板バネ３８とともに、内輪２２が受けた衝撃を吸収していくことで、内輪２２の前回転を抑制していく。

その状態から、さらに、内輪２２が前回転していくと、図８（ｂ）に示すように、復元機構２６の第１部材３２が、第２部材３６方向に回転し、両者の空間が狭まり、その結果、板バネ３８の屈曲が進んでいく。続いて、内輪２２が受けた衝撃が吸収され、前回転動作が収まると、板バネ３８の屈曲が元の状態に戻ろうとし、その反発力が、図８（ｃ）に示すように、内輪２２の前方向に向けての後回転（逆回転）へと繋がり、衝撃を受ける前の状態に戻っていく。

そして、車輪支持部材１２の下部の端辺が、内輪２２の側面に設けられた回転制止部２８と接することにより、車輪１８を車輪支持部材１２に配置させた際の内輪２２の所定位置（車輪支持部材１２に車輪１８を配置させた初期位置）から、内輪２２の前方向に向けての後回転を制止することができるようになっている。なお、回転制止部２８は、内輪２２の両側面に設けても良いし、一方の側面のみに設けても良い。

ここで、本発明に係る車輪構造体が、段差を乗り越える原理について、図面を参照しながら説明する。図９は、本発明に係る車輪構造体の第１の実施形態において、段差乗り越え時の状態を示した一例図で、（ａ）は段差到達時、（ｂ）は段差乗り越え開始時、（ｃ）は段差乗り越え時、（ｄ）は段差乗り越え終了時を表している。符号については、５６が段差構造体である以外は、図１等と同様である。

まず、車輪１８が平地を走行中は、外輪２０が、内輪２２を軸として回転することにより、車輪１８が前方向に向かって前進する。続いて、図９（ａ）に示すように、車輪１８が段差に到達すると、その衝撃を復元機構２６が吸収する。そして、段差の乗り越え開始時には、段差からの水平反力により、内輪２２が前方向に対して、さらに前回転する。その際、（ｂ）に示すように、復元機構２６の第１部材３２が、ヒンジピン３４を軸にして、第２部材３６方向へと押されて回動することで、両者の間隔が狭まり、板バネ３８の屈曲が進んでいく。この動作により、内輪２２が受けた衝撃力が復元機構２６に吸収・緩和されるとともに、反発力が蓄積されていくことになる。

続いて、ある程度の段差乗り越えが行われると、（ｃ）に示すように、内輪２２の前回転が停止し、そのままの姿勢で段差の乗り越えが続く。その後は、（ｄ）に示すように、復元機構２６が蓄積した反発力によって、内輪２２が、徐々に前方向に対して後回転を始め、最終的に所定位置（車輪支持部材１２に車輪１８を配置させた初期位置）まで戻される。段差乗り越え後は、外輪２０が、内輪２２を軸として回転することにより、車輪１８が前進していく。

（検証実験１）
以下に、本発明に係る車輪構造体の効果について検証した実験結果について説明していく。図１０は、本実験に用いた装置の一例を示した図である。符号は、５０が荷重試験機、５２が滑車、５４がワイヤー、５６が段差構造体を示している以外は、図１等と同様である。

まず、本実験では、図１０に示すように、車輪構造体１０と、車輪１８を走行及び乗り越えさせる段差構造体５６と、この段差構造体５６を車輪１８に対して後方向へと引っ張るワイヤー５４と、さらに、ワイヤー５４を滑車５２経由で巻き取り、段差構造体５６が受ける車輪１８の乗り越え力を計測する荷重試験機５０を用いた。つまり、ワイヤー５４が、段差構造体５６を後方向へと引っ張ることで、車輪１８が、段差構造体５６にて走行及び乗り越えができ、荷重試験機５０が、乗り越え時の推進力を計測することができるわけである。

なお、本実験では、段差構造体５６の段差の高さは、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍとし、それぞれの段差を乗り越える際の乗り越え力を測定していった。そして、外輪２０は、外径を１５０ｍｍ、内径を１１０ｍｍとし、車軸１６は、回転中心から進行方向の前方・上方にそれぞれ３０ｍｍ偏心した位置で軸孔２４を支承させた。

さらに、内輪２２に取り付けた復元機構２６の第１部材３２を第２部材３６方向に１°回転させる（閉じる）ために必要なトルク値は、８７．１Ｎｍｍで、車輪１８には、車輪支持部材１２の重さも含み、１．９８ｋｇの重りを搭載させた。また、車輪構造体１０との比較のために、外輪（外径：１５０ｍｍ、内径：１１０ｍｍ）と内輪から構成され、車軸の位置が、回転中心にある一般的な従来の車輪構造体についても同様の実験を行った。

実験結果を図１１に示す。図１１に示すように、本発明に係る車輪構造体の方が、従来の車輪構造体と比較して、段差高さが高くなると、段差を乗り越えるために必要となる最大の力（乗り越え最大推進力）が低くなることが明らかになった。例えば、段差が２０ｍｍの場合には、約１０％の低減が、そして、段差が４０ｍｍの場合には、約２０％の低減が見られた。つまり、本発明に係る車輪構造体の方が、従来の車輪構造体よりも段差を乗り越えやすいということである。

（検証実験２）
続いて、他の条件下でも同様の実験を行った。具体的には、車輪１８に、車輪支持部材１２の重さも含み、１．４８ｋｇの重りを搭載させて実験を行うというもので、その他の構成は検証実験１と同様である。実験結果を図１２に示す。本実験でも、本発明に係る車輪構造体の方が、従来の車輪構造体と比較して、段差高さが高くなると、段差を乗り越えるために必要となる最大の力（乗り越え最大推進力）が低くなることが分かる。

（検証実験３）
さらに、別の条件下でも同様の実験を行った。具体的には、車輪１８に、車輪支持部材１２の重さも含み、０．９８ｋｇの重りを搭載させて実験を行うというもので、その他の構成は検証実験１と同様である。実験結果を図１３に示す。本実験では、段差が２０ｍｍでは、本発明に係る車輪構造体の方が、従来の車輪構造体と比較して、段差を乗り越えるために必要となる最大の力（乗り越え最大推進力）が高くなっているが、それ以降、段差が３０ｍｍ、４０ｍｍになると、やはり、本発明に係る車輪構造体の方が、従来の車輪構造体と比較して、段差高さが高くなると、段差を乗り越えるために必要となる最大の力（乗り越え最大推進力）が低くなることが分かる。

ここで、段差乗り越え時の推進力の理論について説明する。車輪が段差に到達した際に生じる推進力Ｆ_ｈは、図１４に示す計算式により算出されるもので、偏心距離であるａ（前方）と、ｂ（上方）の値が大きくなっていけば、推進力Ｆ_ｈは小さくなっていく。即ち、車軸の位置が、回転中心にある一般的な従来の車輪構造体よりも、車軸が偏心した位置にある車輪構造体の方が、推進力の面で優れるということになる。

（検証実験４）
続いて、内輪の軸孔を偏心させることによる推進力の低減に関する有効性の検証実験を行った。実験は、復元機構２６を取り外し、車輪の車軸の位置（即ち、軸孔の位置）をＸ（前方向）・Ｙ（上方向）軸上、（０，０）／（１５，１５）／（１５，３０）／（３０，１５）／（３０、３０）と、それぞれ設定し（単位はｍｍ）、段差高さを２０ｍｍ、車輪１８に、車輪支持部材１２の重さも含み、０．６９ｋｇの重りを搭載させた条件下で、図１０に示す構成の装置により、最大推進力（最大荷重）を計測し、低減比を算出していった。比較として、低減比の理論式を次式（数式１）に示しておく。

実験結果は、図１５に示す通りである。図に示すように、車軸の位置が偏心すればするほど、最大推進力（最大荷重）の値は小さくなることが分かる。そして、その結果から算出された実測低減比と、上記数式１の理論式で計算した低減比にも相関性があることが読み取れる。また、図１６にも示すように、経過時間１〜２秒の間にて車輪が段差を乗り越える際、やはり、車軸の位置が偏心している車輪の方が、乗り越え推進力が低いということが読み取れる。

（検証実験５）
次に、本発明の実施形態における復元機構による衝撃緩和及び復元（反発力）の検証実験を行った。板バネ（３８）には、厚みが１ｍｍで、横幅が２５ｍｍのＣＦＲＰ板バネを用い、復元機構（２６）の第１部材（３２）を第２部材（３６）方向に回転させた際の角度と、それにより生じるトルク値を計測した。その結果を図１７に示す。グラフが示すように、本検証実験にて用いた板バネ（３８）を復元機構（２６）に用いることが、本発明の実施形態において、適切であるという結論に達した。

本発明によれば、車軸を車輪の回転中心に対して進行方向前方・上方に偏心させ、内輪と車輪支持部との間に復元機構を備えているため、段差の乗り越え時の労力低減や、快適さの追求に好適に用いることができる。また、内輪に切り欠きを設け、その内部に復元機構を取り付けることにより、コンパクトな車輪構造体を提供することができる。

１０ 車輪構造体
１２ 車輪支持部材
１４ 脚部
１５ 支持孔
１６ 車軸
１８ 車輪
２０ 外輪
２２ 内輪
２３ パーツ
２４ 軸孔
２６ 復元機構
２８ 回転制止部
３０ 切り欠き部
３２ 第１部材
３４ ヒンジピン
３６ 第２部材
３８ 板バネ
４０ 段差部
４２ ガイド部
５０ 荷重試験機
５２ 滑車
５４ ワイヤー
５６ 段差構造体

Claims (5)

1. 所定の間隙をもって相対する１対の脚部が形成されてなる車輪支持部材と、
   前記車輪支持部材の脚部間において、水平に架設される車軸と、
   前記車軸に支承されることで、前記車輪支持部材の脚部間に配置される車輪と、
   を備え、物体の任意の位置に前記車輪支持部材を取り付けることにより、当該物体を前記車輪により前方向又は後方向へと押し引き移動可能にする車輪構造体であって、
   前記車輪は、少なくとも、外輪と、当該外輪の内側に嵌装される内輪と、から構成され、
   前記内輪には、その中心点に対して、偏心した位置に軸孔が設けられるとともに、当該軸孔が、前記中心点を通る垂直線より前方向で、且つ、前記中心点を通る水平線より上方向の位置となる状態で、前記車軸に支承されており、
   前記内輪の所定箇所には、前記内輪が、前方向に対して前回転した場合に、その回転を抑制するとともに、それにより到達した位置から、当該内輪を前方向に対して後回転となるよう反転可能とする復元機構が、少なくとも、１つ設けられ、
   前記内輪の所定箇所には、前記車輪を前記車輪支持部材に配置させた際の前記内輪の所定位置から、当該内輪の前方向に対する後回転を制止する回転制止部が、少なくとも、１つ設けられていることを特徴とする車輪構造体。
2. 前記内輪には、所定範囲において、切り欠き部が形成されており、当該切り欠き部に前記復元機構が取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の車輪構造体。
3. 前記復元機構は、前記切り欠き部のうちの一側壁に固定される第１部材と、当該第１部材に、前記内輪の中心点側において、ヒンジピンにより枢支連結されるとともに、所定角度をもって立ち上げられた状態の第２部材と、前記第１部材と第２部材の開閉側に当該部材に沿って配置される板状バネとを備え、前記第２部材が、前記脚部の後方向の側辺に当接することで、前記内輪の前方向に対する前回転を抑制するとともに、前記板状バネによる反発力により、前記内輪を前方向に対して後回転となるよう反転可能とするものであることを特徴とする請求項２記載の車輪構造体。
4. 前記回転制止部は、前記内輪の側面の片側又は両側に形成されており、当該回転制止部が、前記脚部の下方側辺に当接することで、前記内輪の所定位置から、当該内輪の前方向に対する後回転を制止するものであることを特徴とする請求項１〜３何れか１項記載の車輪構造体。
5. 前記内輪の側面のうち、前記軸孔が設けられた位置を含む所定の範囲を他の範囲よりも深く掘り下げることにより生じる段差部を前記回転制止部としていることを特徴とする請求項１〜４何れか１項記載の車輪構造体。