JP2017218014A - 全方向車輪および全方向移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】段差や隙間の乗り越え性能が高い全方向車輪および全方向移動体を提供する。【解決手段】第１回転体１１および第２回転体１２が、球面の左右を対称に切り落とした外面を有する円環形状を成し、互いの内側に挿入して鎖状に連結されている。回転支持部１３が、第１回転体１１と第２回転体１２とが互いに接触することなく、それぞれ独立に円周方向に沿って回転するよう、第１回転体１１と第２回転体１２との間で、第１回転体１１と第２回転体１２とを支持している。回転支持部１３は、第１回転体１１の幅方向に対する中心面と第２回転体１２の幅方向に対する中心面とが直交するよう支持している。支持体１４が、回転支持部１３を、第１回転体１１の回転軸Ａおよび第２回転体１２の回転軸Ｂと直交する回転軸Ｃを中心として回転可能に支持している。【選択図】図１

Description

本発明は、全方向車輪および全方向移動体に関する。

従来の全方向車輪として、本発明者により、外面が一定の曲率半径を有する一対の半球状車輪と、各半球状車輪の回転軸を同一直線上に保ち、かつ、各半球状車輪の外面に囲まれた半球状車輪支持体と、各半球状車輪の回転軸と垂直を成し、各半球状車輪と半球状車輪支持体とを含む車輪全体を回転可能にする車輪全体回転軸とを有するものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この全方向車輪は、一対の半球状車輪の間に車輪全体回転軸を通すための隙間が開いているため、走行時にややがたついてしまうという問題があった。また、耐荷重性を高めるためには、各半球状車輪の間の隙間を広げて、車輪全体回転軸の直径を大きくする必要があり、走行時のがたつきがさらに大きくなるという問題もあった。

これらの問題を解決するために、本発明者等は、図３に示すように、球殻の左右を対称に切り落とした円環形状を有する球状受動回転輪５１と、その球状受動回転輪５１を回転可能に球状受動回転輪５１の内側に設けられた球体内部支持体５２と、その球体内部支持体５２を球状受動回転輪５１の左右両側から支持するＵ字型の外側支持体５３と、球状受動回転輪５１の内側の左右に、球状受動回転輪５１の回転中心よりも外側にオフセットして設けられた１対の特異点回避受動輪５４とを有する全方向車輪を開発している（例えば、非特許文献１参照）。

特許第５０５７１３０号公報

多田隈建二郎、多田隈理一郎、J. Berengueres、「球状全方向車輪機構の研究−オフセット回転軸配置による外側支持可能化−」、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会２０１５ 論文集、2P1-S03

しかしながら、非特許文献１に記載の全方向車輪では、１対の特異点回避受動輪５４の径が球状受動回転輪５１の径の半分よりも小さいため、球状受動回転輪５１で乗り越えることができる段差や隙間であっても、各特異点回避受動輪５４では乗り越えることができないものがあり、特異点回避受動輪５４により乗り越え性能が低下しているという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、段差や隙間の乗り越え性能が高い全方向車輪および全方向移動体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る全方向車輪は、球面の左右を対称に切り落とした外面を有する円環形状を成し、互いの内側に挿入して鎖状に連結された第１回転体および第２回転体と、前記第１回転体と前記第２回転体とが互いに接触することなく、それぞれ独立に円周方向に沿って回転するよう、前記第１回転体と前記第２回転体との間で、前記第１回転体と前記第２回転体とを支持する回転支持部と、前記回転支持部を、前記第１回転体の回転軸および前記第２回転体の回転軸と交差する回転軸を中心として回転可能に支持する支持体とを、有することを特徴とする。

本発明に係る全方向車輪は、第１回転体および第２回転体が互いの内側に挿入して鎖状に連結されているため、第１回転体と第２回転体とが互いに平行でない回転軸を中心として回転するようになっている。また、回転支持部が第１回転体の回転軸および第２回転体の回転軸と交差する回転軸を中心として回転可能に支持体に支持されているため、回転支持部と第１回転体、および、回転支持部と第２回転体とが互いに平行でない回転軸を中心として回転するようになっている。このため、本発明に係る全方向車輪は、支持体に対して任意の方向に、第１回転体または第２回転体が回転可能になっている。これにより、第１回転体および／または第２回転体で接地して、任意の方向に走行することができる。

本発明に係る全方向車輪は、第１回転体および第２回転体の外面を成す球面の半径をほぼ等しくすることにより、第１回転体で乗り越えることができる段差や隙間、および、第２回転体で乗り越えることができる段差や隙間のいずれも大きくすることができ、段差や隙間の乗り越え性能を最大限まで高めることができる。また、車輪として走行する際、接地位置が第１回転体から第２回転体、第２回転体から第１回転体に移動しても、がたつかずスムーズに走行することができる。第１回転体および第２回転体の外面を成す球面の半径は、等しいことが好ましいが、１０％程度の範囲でずれていてもよい。１０％程度以内のずれであれば、乗り越え性能をほとんど低下させることなく、スムーズな走行も維持することができる。

本発明に係る全方向車輪は、第１回転体の回転軸と第２回転体の回転軸とを、できるだけ近づけて構成されていることが好ましい。少なくとも第１回転体の回転軸が第２回転体の内側を通り、第２回転体の回転軸が第１回転体の内側を通るよう構成されていることが好ましい。また、第１回転体の回転軸と第２回転体の回転軸との距離が、第１回転体および第２回転体の外面を成す球面の半径の２０％以下であることがより好ましい。これらの場合、第１回転体の外面および第２回転体の外面で形成される車輪面を、ほぼ球面状にすることができ、スムーズな走行を行うことができる。

本発明に係る全方向車輪は、前記第１回転体の幅方向に対する中心面と前記第２回転体の幅方向に対する中心面とがほぼ直交するよう構成されていることが好ましい。特に、第１回転体の幅方向に対する中心面と第２回転体の幅方向に対する中心面とは、８０度〜９０度で交差していることが好ましい。この場合、第１回転体の回転方向と第２回転体の回転方向とがほぼ直交し、よりスムーズに走行することができ、走行性能を高めることができる。

本発明に係る全方向車輪は、前記回転支持部の回転軸が、前記第１回転体の回転軸および前記第２回転体の回転軸とほぼ直交していることが好ましい。特に、回転支持部の回転軸が、第１回転体の回転軸および第２回転体の回転軸と８０度〜９０度で交差していることが好ましい。この場合、回転支持部の回転方向と第１回転体の回転方向、および、回転支持部の回転方向と第２回転体の回転方向とがほぼ直交し、よりスムーズに走行することができ、走行性能を高めることができる。

本発明に係る全方向車輪は、前記回転支持部の回転軸が、前記第１回転体の幅方向に対する中心面と前記第２回転体の幅方向に対する中心面との交線とほぼ一致していることが好ましい。この場合、回転支持部の回転方向と第１回転体の回転方向と第２回転体の回転方向とがほぼ直交し、さらにスムーズに走行することができ、走行性能をさらに高めることができる。

本発明に係る全方向車輪で、前記支持体は、前記第１回転体の内側面と前記第２回転体の外側面との間で前記回転支持部に取り付けられていることが好ましい。この場合、支持体を、第１回転体の外面および第２回転体の外面で形成される車輪面の端部に取り付けることができ、支持体が走行時に接地するのを防止することができる。

本発明に係る全方向移動体は、１または複数の本発明に係る全方向車輪と、前記第１回転体および／または前記第２回転体で接地して支持されるよう、前記支持体で前記全方向車輪が取り付けられた本体とを、有することを特徴とする。

本発明に係る全方向移動体は、本発明に係る全方向車輪を使用して走行するため、段差や隙間の乗り越え性能が高い。また、スムーズに走行することができ、走行性能も高い。

本発明によれば、段差や隙間の乗り越え性能が高い全方向車輪および全方向移動体を提供することができる。

本発明の実施の形態の全方向車輪を示す（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図である。 図１に示す全方向車輪の、第１回転体および第２回転体の一部を切り欠いた状態を示す（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）正面図、（ｄ）側面図である。 従来の全方向車輪を示す断面図である（非特許文献１から引用、符号および引出し線を加筆）。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１および図２は、本発明の実施の形態の全方向車輪を示している。
図１および図２に示すように、全方向車輪１０は、第１回転体１１と第２回転体１２と回転支持部１３と支持体１４とを有している。

第１回転体１１および第２回転体１２は、それぞれ同じ半径および厚みを有する球殻の左右を対称に切り落とした円環形状を成している。これにより、第１回転体１１および第２回転体１２は、同じ半径の球面の左右を対称に切り落とした外面を有している。また、第１回転体１１および第２回転体１２は、それぞれの外面を成す球面の中心を基準として、幅方向に対する中心面の両側で、その中心面との成す角度が４５度以上の範囲を切り落とした形状を成している。第１回転体１１および第２回転体１２は、同じ大きさおよび形状を有している。また、第１回転体１１および第２回転体１２は、内面に、それぞれ幅方向に対する中心面に沿って周回する溝１１ａ，１２ａが形成されている。

図２に示すように、回転支持部１３は、硬質の素材から成り、ほぼ円柱形状を成す第１支持部２１と第２支持部２２とを、一体的に固定した形状を成している。第１支持部２１および第２支持部２２は、それぞれ第１回転体１１および第２回転体１２の幅と同じ高さを有し、第１回転体１１および第２回転体１２の内面形状に沿った側面形状を有している。第１支持部２１および第２支持部２２は、側面の中心に沿って周回する凸状レール２１ａ，２２ａを有している。

第１支持部２１および第２支持部２２は、高さ方向に対する中心面が直交するとともに、それぞれの中心点を通る各中心面上の中心線が一致するよう固定されている。また、第１支持部２１および第２支持部２２は、その中心線に沿って、各中心点の位置がずれるよう固定されている。第１支持部２１は、第２支持部２２の側面が通過する位置に、その側面から所定の間隔をあけて、一方の表面から他方の表面に貫通する貫通孔２１ｂを有している。また、第２支持部２２は、第１支持部２１の側面が通過する位置に、その側面から所定の間隔をあけて、一方の表面から他方の表面に貫通する貫通孔２２ｂを有している。

図１に示すように、第１回転体１１および第２回転体１２は、各溝１１ａ，１２ａをそれぞれ凸状レール２１ａ，２２ａに嵌めた状態で、それぞれ第１支持部２１および第２支持部２２の側面に沿って回転可能に取り付けられている。第１回転体１１および第２回転体１２は、それぞれ第２支持部２２の貫通孔２２ｂおよび第１支持部２１の貫通孔２１ｂを通って、円周方向に沿って回転するよう構成されている。第１回転体１１および第２回転体１２は、各溝１１ａ，１２ａと凸状レール２１ａ，２２ａとの間に、潤滑体または回転ベアリングを配置して、スムーズに回転するようになっている。なお、第１支持部２１および第２支持部２２が、凸状レール２１ａ，２２ａではなく、溝を有し、第１回転体１１および第２回転体１２が、各溝１１ａ，１２ａではなく、凸状レールを有していてもよい。

このように、回転支持部１３は、第１回転体１１および第２回転体１２を、互いの内側に挿入して鎖状に連結された状態で、互いに接触することなく、それぞれ独立に円周方向に沿って回転するよう支持している。また、回転支持部１３は、第１回転体１１の回転軸Ａと第２回転体１２の回転軸Ｂとの距離が、第１回転体１１および第２回転体１２の外面を成す球面の半径の２０％以下になるよう、第１回転体１１の回転軸Ａと第２回転体１２の回転軸Ｂとをできるだけ近づけて支持している。回転支持部１３は、第１回転体１１および第２回転体１２の内側で支持するとともに、第１回転体１１と第２回転体１２とが重なる位置では、それらの間でも支持している。また、回転支持部１３は、第１回転体１１の幅方向に対する中心面と第２回転体１２の幅方向に対する中心面とが直交するよう支持している。

支持体１４は、左右対称に形成されたＵ字型の取付部２３と、取付部２３をその中心線周りに回転可能に、取付部２３の外側中央部に接続された接続部２４とを有している。取付部２３は、第１回転体１１が第２回転体１２の外側になる位置で、第１回転体１１の内側面と第２回転体１２の外側面との間で回転支持部１３の第１支持部２１に取り付けられている。取付部２３は、第１回転体１１を幅方向で挟むようにして、Ｕ字の両端部が第１回転体１１の両側からそれぞれ回転支持部１３の第１支持部２１に固定されている。これにより、支持体１４は、接続部２４に対して、取付部２３とともに回転支持部１３を回転可能になっており、回転支持部１３とともに第１回転体１１および第２回転体１２も回転可能になっている。なお、取付部２３は、接続部２４に対して受動的に回転可能であっても、能動的（自在）に回転可能であってもよい。

支持体１４は、回転支持部１３の回転軸Ｃ、すなわち取付部２３の回転軸が、第１回転体１１の幅方向に対する中心面と第２回転体１２の幅方向に対する中心面との交線と一致するよう設けられている。これにより、回転支持部１３の回転軸Ｃ、すなわち取付部２３の回転軸が、第１回転体１１の回転軸Ａおよび第２回転体１２の回転軸Ｂと直交するようになっている。

次に、作用について説明する。
全方向車輪１０は、第１回転体１１の幅方向に対する中心面と第２回転体１２の幅方向に対する中心面とが直交するとともに、回転支持部１３の回転軸Ｃが、第１回転体１１の回転軸Ａおよび第２回転体１２の回転軸Ｂと直交するように構成されている。このため、支持体１４の接続部２４に対して任意の方向に、第１回転体１１または第２回転体１２が回転可能になっている。これにより、第１回転体１１および／または第２回転体１２で接地して、任意の方向に走行することができる。

全方向車輪１０は、第１回転体１１および第２回転体１２の外面を成す球面の半径が等しいため、第１回転体１１で乗り越えることができる段差や隙間、および、第２回転体１２で乗り越えることができる段差や隙間のいずれも大きくすることができ、段差や隙間の乗り越え性能を最大限まで高めることができる。また、車輪として走行する際、接地位置が第１回転体１１から第２回転体１２、第２回転体１２から第１回転体１１に移動しても、がたつかずスムーズに走行することができる。

全方向車輪１０は、第１回転体１１の回転軸Ａと第２回転体１２の回転軸Ｂとを、できるだけ近づけて構成されているため、図１（ｃ）に示すように、第１回転体１１の外面および第２回転体１２の外面で形成される車輪面を、ほぼ球面状にすることができ、スムーズな走行を行うことができる。また、全方向車輪１０は、支持体１４の取付部２３を、第１回転体１１が第２回転体１２の外側になる位置、すなわち第１回転体１１の外面および第２回転体１２の外面で形成される車輪面の端部に取り付けているため、支持体１４が走行時に接地するのを防止することができる。

全方向車輪１０は、全方向移動体の車輪として使用することができる。この場合、全方向移動体は、第１回転体１１および／または第２回転体１２で接地して支持されるよう、その本体に、１または複数の全方向車輪１０が取り付けられている。全方向車輪１０は、支持体１４の接続部２４で本体に固定されている。全方向移動体は、全方向車輪１０を使用して走行するため、段差や隙間の乗り越え性能が高い。また、スムーズに走行することができ、走行性能も高い。

１０ 全方向車輪
１１ 第１回転体
１１ａ 溝
１２ 第２回転体
１２ａ 溝
１３ 回転支持部
２１ 第１支持部
２１ａ 凸状レール
２１ｂ 貫通孔
２２ 第２支持部
２２ａ 凸状レール
２２ｂ 貫通孔
１４ 支持体
２３ 取付部
２４ 接続部

Ａ （第１回転体の）回転軸
Ｂ （第２回転体の）回転軸
Ｃ （回転支持部の）回転軸

Claims (7)

1. 球面の左右を対称に切り落とした外面を有する円環形状を成し、互いの内側に挿入して鎖状に連結された第１回転体および第２回転体と、
   前記第１回転体と前記第２回転体とが互いに接触することなく、それぞれ独立に円周方向に沿って回転するよう、前記第１回転体と前記第２回転体との間で、前記第１回転体と前記第２回転体とを支持する回転支持部と、
   前記回転支持部を、前記第１回転体の回転軸および前記第２回転体の回転軸と交差する回転軸を中心として回転可能に支持する支持体とを、
   有することを特徴とする全方向車輪。
2. 前記第１回転体の幅方向に対する中心面と前記第２回転体の幅方向に対する中心面とがほぼ直交するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の全方向車輪。
3. 前記回転支持部の回転軸が、前記第１回転体の回転軸および前記第２回転体の回転軸とほぼ直交していることを特徴とする請求項１または２記載の全方向車輪。
4. 前記回転支持部の回転軸が、前記第１回転体の幅方向に対する中心面と前記第２回転体の幅方向に対する中心面との交線とほぼ一致していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全方向車輪。
5. 前記支持体は、前記第１回転体の内側面と前記第２回転体の外側面との間で前記回転支持部に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の全方向車輪。
6. 前記第１回転体および前記第２回転体は、前記球面の半径が等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の全方向車輪。
7. １または複数の請求項１乃至６のいずれか１項に記載の全方向車輪と、
   前記第１回転体および／または前記第２回転体で接地して支持されるよう、前記支持体で前記全方向車輪が取り付けられた本体とを、
   有することを特徴とする全方向移動体。