JP2017071378A - Drive mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、段差、溝などのバリア環境、室内環境でも走行可能な電動車椅子等の移動体の駆動輪機構に関するものである。 The present invention relates to a drive wheel mechanism of a moving body such as an electric wheelchair that can travel even in a barrier environment such as a step or a groove and an indoor environment.
電動車椅子は前後方向に回転する駆動輪と自在に方向が回転するキャスター車輪から構成されており、乗り越えられる段差は車輪の径で決まってしまう。また、前輪がキャスター車輪で構成される電動車椅子では段差の角部でキャスター車輪が回転してしまい、車輪の径を大きくしても５センチ程度の段差が限界である。溝については車輪がはまってしまい走行が不可能となるため、電車の乗降のような溝と段差がある場所ではスロープ板を渡すことによりのみ走行が可能となる。 The electric wheelchair is composed of a driving wheel that rotates in the front-rear direction and a caster wheel that rotates freely, and the step that can be overcome is determined by the diameter of the wheel. Further, in an electric wheelchair in which the front wheels are caster wheels, the caster wheels rotate at the corners of the steps, and even if the wheel diameter is increased, a step of about 5 cm is the limit. Since the wheel gets stuck in the groove and traveling becomes impossible, traveling is possible only by passing a slope plate at a place where there is a groove and a step such as getting on and off a train.
このような段差、溝に対して、走行車輪としてクローラー（無限軌道）を用いる構造が考えられる。クローラーは段差、溝、悪路での走行性能は高いが、平地での旋回時は横方向の摩擦が大きく回転半径を小さくできない、路面を傷つける問題があり、室内を走行するには適さないため、室外の悪路専用となる。 A structure using a crawler (an endless track) as a traveling wheel for such a step or groove is conceivable. The crawler has high driving performance on steps, grooves and rough roads, but when turning on flat ground, the lateral friction is large and the turning radius cannot be reduced, and there is a problem of damaging the road surface, so it is not suitable for traveling indoors. Dedicated to outdoor rough roads.
この問題を解決するために、クローラーと車輪を切り替えて使用する電動車椅子が提案されている（特許３８００４００、特許３１３２６７７）。これは、クローラーの面を接地させるのは段、溝を乗り越える時のみ使用する構造となっている。これは通常の平面を走行するときはクローラーの接地面が多いと旋回するときに大きな力を必要とするために、特許３８００４００では左右前後にある４つのクローラーの角度を電動で変えてクローラーが円形状に動く部分を路面に接地するようにしており、特許３１３２６７７ではクローラー全体を電動で上方向に移動し、車輪が路面に接地するようにすることにより円形の車輪部分が接地するようにすることにより問題を解決している。しかし、複雑な機構が必要となるためコストが高い、耐久性が低下する、重量が重くなる等の問題があり実現性が低いという欠点がある。 In order to solve this problem, electric wheelchairs that switch between crawlers and wheels have been proposed (Patent 3800400, Patent 3132677). In this structure, the crawler surface is grounded only when climbing over a step or groove. This is because, when running on a normal plane, if the ground contact surface of the crawler is large, a large force is required when turning, so in Patent 3800400, the angle of the four crawlers on the left and right and front and rear is changed electrically to change the crawler to a circle. The part that moves in the shape is grounded on the road surface, and in Patent 3132677, the entire crawler is moved upward by electric power so that the wheel contacts the road surface so that the circular wheel part is grounded. Has solved the problem. However, since a complicated mechanism is required, there are disadvantages such as high cost, low durability, and heavy weight, and low feasibility.
また、別の解決方法として、走行車輪として横回転する駆動用ローラーをチェーンにより無限軌道状に構成したクローラー車輪により全方向の移動を可能にしたもの（特許２６０４１１２）が提案されている。ここでは前記クローラー車輪が平行に配置されて移動するものが提案されているが、横方向に傾いた路面を走行する場合、意図せずに横滑りするため傾斜の無い路面での走行が前提となる。さらに三角形用に３つのクローラー車輪を設置した構成も提案されているが、自在に走行するためには左右、前後の傾斜角に応じた制御が必要となり、サスペンションの構造も複雑となりことから実用性に欠け、平面での走行を前提にした解決策である。 Further, as another solution, a driving roller that rotates laterally as a traveling wheel has been proposed (Patent 2604112) that can move in all directions by a crawler wheel that is configured in an endless track shape by a chain. Here, it has been proposed that the crawler wheels are arranged in parallel and move, but when traveling on a road surface inclined in the lateral direction, it is assumed that the vehicle is traveling on an uninclined road surface because it slips unintentionally. . In addition, a configuration with three crawler wheels installed for triangles has been proposed, but in order to run freely, control according to the left and right, front and rear tilt angles is required, and the suspension structure becomes complicated and practical. This is a solution based on the premise of running on a flat surface.
解決しようとする問題点は、クローラーを用いた移動体の駆動輪として、全方向に滑らかに旋回することと傾斜路で意図せず移動しないことを両立する構造ができない点である。 The problem to be solved is that, as a driving wheel of a moving body using a crawler, it is impossible to have a structure that can smoothly turn in all directions and cannot move unintentionally on an inclined road.
本発明は、横方向の滑りの防止と旋回時の回転作動を両立させるため、クローラーベルトの回転軌道軸に対して斜めに回転するローラーを設け、左右のクローラーのローラーが対象形に配置することを最も主要な特徴とする。 In the present invention, in order to achieve both prevention of lateral slip and rotational operation during turning, a roller that rotates obliquely with respect to the rotation track axis of the crawler belt is provided, and the rollers of the left and right crawlers are arranged in a target shape. Is the most important feature.
本発明のクローラーは左右対称に斜めに配置されたローラーにより横方向に対して滑りを抑制する力が働き、旋回時は左右ローラーが回転することにスムーズに旋回できるので、斜め面で意図せずに横滑りすることなく、クローラーの最も荷重のかかったローラーの位置により決定される回転軸を中心に旋回できる利点がある。
さらに、ローラーの回転軸を前進時の進行方向に対して先端が狭くなる方向に配置しておくことにより、左右のクローラーに内側方向に力が働き、その作用により車両の前端が車両中心の旋回を抑える方向に抑制し直進性が高まる利点もある。
The crawler of the present invention has a force that suppresses slipping in the lateral direction by rollers arranged diagonally symmetrically in the left and right direction, and when turning, it can turn smoothly because the left and right rollers rotate, so it is not intended on an oblique surface There is an advantage that it can be swiveled around the rotation axis determined by the position of the most loaded roller of the crawler without skidding.
Furthermore, by arranging the rotation axis of the roller in a direction in which the tip becomes narrower with respect to the traveling direction at the time of forward movement, a force acts inward on the left and right crawlers, and as a result, the front end of the vehicle turns around the center of the vehicle. There is also an advantage that the straightness is improved by suppressing it in the direction of suppressing.
直進時の駆動推進力、直進安定性と旋回時の横移動を可能とする目的を、左右のクローラーベルトと該ベルトに対して回転軸が斜めに固定されたローラーを適切に配置することで実現した。 The purpose of enabling driving propulsion power during straight running, straight running stability and lateral movement during turning is realized by appropriately arranging the left and right crawler belts and rollers with the rotation axis fixed obliquely to the belt. did.
図１は、本発明の機構を有する電動車椅子の１実施例の構成を示す図である。１はクローラーのベルト部であって、たとえばスティールベルトを芯金にしてゴムで被覆したベルトである。２−１〜２−６はクローラーベルト１の軌道を規定するガイド車輪でベルトが外れないよう溝が設けられており、クローラーベルトの内側の凸部が嵌る構造となっている。３−１〜３−７はクローラーベルトに固定されたローラーの一部でクッション性と騒音低減のため例えばゴムで製作されることがある。４はガイド車輪、モーターを固定するためのフレーム、５はスプロケットで、減速ギアにてモーターにより回転駆動され、スプロケット外周に設けられた歯をクローラーベルト１に設けられた当ピッチの穴に引っかけることにより回転力を伝達している。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of one embodiment of an electric wheelchair having a mechanism of the present invention. Reference numeral 1 denotes a belt portion of a crawler, for example, a belt in which a steel belt is used as a core and is covered with rubber. 2-1 to 2-6 are guide wheels that define the track of the crawler belt 1 and are provided with grooves so that the belt does not come off, and a convex portion inside the crawler belt is fitted. 3-1 to 3-7 are a part of rollers fixed to the crawler belt, and may be made of rubber, for example, for cushioning and noise reduction. Reference numeral 4 is a guide wheel, a frame for fixing the motor, and 5 is a sprocket, which is rotationally driven by the motor with a reduction gear, and hooks the teeth provided on the outer periphery of the sprocket into the holes of this pitch provided in the crawler belt 1. The rotational force is transmitted by.
図２は本実施例における旋回時の作動の説明図で電動車椅子の下側から見た図である。３−１〜３−７は図１の３−１〜３−７同様に電動車椅子の左側クローラーの接地面に位置するローラー部で、３−１１〜３−１７は左側クローラーの接地面に位置するローラー部である。
左右の各クローラーを構成するローラーは、その回転軸がクローラーベルトの回転方向に対してΘaの角度で、かつ、接地面で見たときに前進方向に対してローラー回転軸が前方に開く形で対称的になるよう取り付けられている。
FIG. 2 is an explanatory view of the operation at the time of turning in this embodiment and is a view seen from the lower side of the electric wheelchair. 3-1 to 3-7 are roller portions located on the ground contact surface of the left crawler of the electric wheelchair, and 3-1 to 3-17 are located on the ground contact surface of the left crawler as in 3-1 to 3-7 in FIG. It is a roller part to do.
The rollers constituting the left and right crawlers are such that their rotation axes are at an angle Θa with respect to the rotation direction of the crawler belt, and when viewed from the ground surface, the roller rotation axes open forward with respect to the forward direction. It is attached to be symmetrical.
第２図では、左側クローラーは速度VL、右側クローラーは速度VRで駆動し、VL＜VRとなっている。この時には右側クローラーの速度が左側クローラーの速度より大きいため、車椅子は左側に旋回する。この旋回に対して接地している各ローラーに作用する力を、各ローラーの回転方向と直角方向の成分に分けると、車椅子前方のローラーほどローラーの回転方向の成分が大きく、車椅子後方のローラーほどローラーの回転方向と直角方向の成分が大きく摩擦力が大きい。このため、旋回時に下面のローラーが全て接地している場合、車椅子の旋回中心点は接地しているローラーの最も後方に位置する左右ローラーの接地点の中心位置が回転中心となる。このように、旋回時は接地面にあるローラーの回転方向に一部の成分を生じるため、その成分に相当する摩擦力が低減し、スムーズな旋回が可能となる。
In FIG. 2, the left crawler is driven at a speed VL and the right crawler is driven at a speed VR, and VL <VR. At this time, the wheelchair turns to the left because the speed of the right crawler is higher than the speed of the left crawler. When the force acting on each roller that is grounded against this turning is divided into components in the direction perpendicular to the rotation direction of each roller, the roller in the front direction of the wheelchair has a larger component in the rotation direction of the roller, and the roller in the rear of the wheelchair. The component in the direction perpendicular to the rotation direction of the roller is large and the frictional force is large. For this reason, when all the rollers on the lower surface are grounded at the time of turning, the turning center point of the wheelchair is the center position of the grounding point of the left and right rollers located farthest behind the grounding roller. As described above, since a part of the component is generated in the rotation direction of the roller on the ground contact surface at the time of turning, the frictional force corresponding to the component is reduced, and smooth turning is possible.
左側クローラー速度VLと右側クローラー速度VRがVL＝VRの場合、路面に接地している各ローラーの回転方向に対して駆動力が作用するが、その駆動力が接地している各ローラーの前後方向の静摩擦力の合計値以下の場合はローラーが回転することなく駆動力が得られ、ロスなく前進することが可能となる。
また、左側クローラーのローラーと右側ローラーの回転軸は角度２×Θaを成しているため、例えば路面が右側クローラーのローラーの回転軸と並行に傾いていても、左側クローラーのローラーに対して回転方向と直行する成分の摩擦力が生じるため、その摩擦力による保持力以下の傾斜角をもつ路面で横滑りすることはない。
When the left crawler speed VL and the right crawler speed VR are VL = VR, the driving force acts on the rotation direction of each roller that is in contact with the road surface. If the static friction force is less than or equal to the total value, a driving force can be obtained without rotating the roller, and it is possible to move forward without loss.
Also, since the rotation axis of the left crawler roller and the right roller makes an angle of 2 × Θa, for example, even if the road surface is inclined parallel to the rotation axis of the right crawler roller, it rotates with respect to the left crawler roller. Since a frictional force of a component perpendicular to the direction is generated, there is no skidding on a road surface having an inclination angle equal to or less than the holding force by the frictional force.
図３は本実施例におけるローラーの形状の説明図で、ローラーは片端より少し離れた位置の断面の直径が最も大きく、両端に行くほど円弧上を描いて細くなる形状となっている。クローラーの接地面にあるローラーは、断面の直径が最も大きい部位が路面に接触し、路面との摩擦が発生することにより、駆動力を得ている。 FIG. 3 is an explanatory view of the shape of the roller in this embodiment. The roller has the largest cross-sectional diameter at a position slightly apart from one end, and becomes narrower by drawing on an arc as it goes to both ends. The roller on the ground contact surface of the crawler obtains a driving force by the portion having the largest cross-sectional diameter coming into contact with the road surface and generating friction with the road surface.
左右クローラーベルトの回転方向に対して回転軸がΘaを成すローラーでベルトを構成したことにより、横滑りも少なく、かつ、旋回時も摩擦が少ないクローラーベルトを実現することができる。
By configuring the belt with a roller whose rotation axis forms Θa with respect to the rotation direction of the left and right crawler belts, it is possible to realize a crawler belt with less side slip and less friction during turning.
図４の実施例はローラー部形状が円筒形状に対して溝を設けたものである。
平らな路面を走行する場合、ローラーの凸部の面が路面と接するため、クローラーの回転に対して連続的に路面に接するため振動が少なくなる効果がある。
In the embodiment shown in FIG. 4, the roller portion has a cylindrical shape with a groove.
When traveling on a flat road surface, since the surface of the convex portion of the roller is in contact with the road surface, there is an effect that vibration is reduced because the surface continuously contacts the road surface with respect to the rotation of the crawler.
横滑りが少なく、かつ、旋回時も摩擦の少ないクローラーベルトの移動体を実現でき、段差、凸凹路面、砂地、砂利道等の悪路だけでなく、整地、室内の平らな床面、じゅうたん、たたみ等でも床を傷めることなく走行可能な移動体を実現することができ、車椅子、ロボットをはじめ種々の路面で走行する移動体の走行装置として利用できる。 A crawler belt moving body with less side slip and less friction when turning can be realized. It is possible to realize a movable body that can travel without damaging the floor, and can be used as a traveling device for a mobile body that travels on various road surfaces including wheelchairs and robots.
１ クローラーベルト
２−1〜２−６ ガイド車輪
３−１〜３−７ 左側クローラーベルトの接地面回転ローラー
３−１１〜３−１７ 右側クローラーベルトの接地面回転ローラー
４ クローラーフレーム
５ 駆動用スプロケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crawler belt 2-1 to 2-6 Guide wheel 3-1 to 3-7 Left side crawler belt grounding surface rotation roller 3-11 to 3-17 Right crawler belt grounding surface rotation roller 4 Crawler frame 5 Drive sprocket
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2015
- 2015-10-10 JP JP2015201626A patent/JP2017071378A/en active Pending
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