JP2020158096A - ３次元蛇行可能な走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被災地や倒壊した建物内部は、屈曲した狭隘な不整地となっており、ブルドーザのような従来の不整地用の走行装置は走行できなかった。本発明は、屈曲した狭隘な不整地で使用できる走行装置を提供することを目的とする。【解決手段】全方向に屈曲自在な一環の無限軌道の環内に、車輪を持つ複数の台車を直列かつ連結角度を可変に連結して配する。無限軌道の内周面上に、幅方向にオーバーハングした突起部を周方向に複数突設し、台車の車輪がそのオーバーハングした突起部に沿って無限軌道を保持しながら転動する。台車間の連結角度の操舵により、無限軌道と台車が一体となって３次元で蛇行することで屈曲した狭隘な不整地を走行できる。【選択図】図１

Description

本発明は屈曲した狭隘な不整地で使用する走行装置に関する。

不整地で使用する走行装置としては、無限軌道を複数の車輪の周囲に掛け回してなる無限軌道機構が公知である。

二式の無限軌道機構を平行に配したブルドーザ等の走行装置が一般的であるが、その前後に別の無限軌道機構を追加した走行装置は、各々の無限軌道機構を独立して制御することにより走行能力が向上している。（特許文献１）
特殊な例では、リンクで繋いだ二式の無限軌道機構を直線状にして、直管パイプのような狭隘箇所をくぐり抜けた後、コの字型に折れ曲がり、二式の無限軌道機構を平行な配置に戻して不整地を走行するものもある。

特開２０１３−１１１６６８

被災地や倒壊した建物内部には屈曲した狭隘な不整地があり、通常の車両は走行できない為、不整地に対応した特殊な走行装置が投入される。
しかし、二式の無限軌道機構を平行に配した走行装置は車幅が大きく、不整地の程度に比例して無限軌道機構が長くなる為、狭隘な不整地には向かなかった。
無限軌道機構をリンクで繋いだ走行装置も無限軌道機構自体が長く、狭隘な不整地は通れるが、屈曲した狭隘な不整地には向かなかった。
本発明は、屈曲した狭隘な不整地で使用できる走行装置を提供することを目的とする。

上記目的を達する為、本発明の３次元蛇行可能な走行装置（以下本装置）は、長い一環の無限軌道（１）と複数の台車（２）から構成される。
無限軌道（１）は、その全周にわたり、周方向と直交する全方向に屈曲自在に構成される。
無限軌道（１）は、その内周面上に、その周方向に沿って、等間隔で、その幅方向の少なくとも一方向にオーバーハングして突設された複数の突起部（３）を有する。
複数の台車（２）は、無限軌道（１）の環内に、直列かつ隣り合う台車（２）相互の連結角度が全方向に可変に連結して配される。
各々の台車（２）は、前記突起部（３）のオーバーハングした側面（４）に沿って、前記無限軌道（１）の内周面上を転動する複数の車輪（５）を有する。
少なくとも一台の台車（２）は、車輪（５）を回転させる回転駆動部（６）を有する。

屈曲とは曲がることであるが、単に硬い素材による回り対偶構造で軸周りに曲がるだけでなく、柔軟な素材自体が変形して曲がる場合も含む。
無限軌道（１）が屈曲自在とは、受動的に屈曲可能という意味であり、台車（２）相互の連結角度が全方向に可変に連結されるとは、連結角度を能動的に全方向に変化させうるという意味である。
無限軌道（１）は、硬い部品を順次環状に連結する方法でも、柔軟性のある素材で一体成型する方法でも実施できるので用語を使い分けている。
一般に無限軌道は、その幅方向への脱輪防止の為、内周面の幅方向中央に突起部を有するが、形状が様々であることと、突起部の形状が本装置の特徴であることから、説明では無限軌道を単に履板を環状に連結したもの、または一体成型した環状の板ベルトと定義し、中央の突起部は別に定義している。

直列に連結され無限軌道（１）の環内に配された複数の台車（２）が、台車毎に分割されない連続した一環の長い無限軌道（１）を共有して駆動する上記構成により、全長が長く断面は小さい蛇状の走行装置が実現する。
従来の二式の無限軌道機構を平行に配した走行装置と異なり、無限軌道（１）の幅程度の狭隘路かつ無限軌道（１）の長さに応じた不整地を走行できる。
従来の直線状態で狭隘箇所を通過した後、広い場所で元の形に戻る装置とは異なり、屈曲が連続した狭隘な不整地を走行できる。
被災により損壊した道路を走行できるだけでなく、道路自体が失われても、人が入れない配管内や、傾斜があり直線路が確保できない森林等の屈曲した狭隘な不整地を走行することができる。

本装置の斜視図 本装置の突起部を含めた無限軌道の斜視図 本装置の履板とその連結部の斜視図

図は説明用に簡略化されたものである。
台車（２）と回転駆動部（６）は同じブロックを指しているが、ブロックそのものが台車（２）であり、少なくとも一台の台車（２）のブロック内に、回転駆動部（６）が配されていることを示している。
回転駆動部（６）で駆動される車輪（５）は起動輪となり、駆動されない車輪（５）は転輪となるが、機能の違いであり、図では形状は異なるがいずれも請求項にある上位概念の車輪（５）として示している。
以下、本装置の特徴に重点を置き、既知の技術については図面上での表示と詳細な説明を省略している。
図が煩雑になることを避ける為、一部の部材のみに番号を付している。

一環の無限軌道（１）と複数の台車（２）を備える構成について。
本装置の無限軌道（１）は一環である。
無限軌道は既知の技術であり、一般的には複数の履板を幅方向に貫通するピンで順次環状に連結したものであるが、ゴムなどの柔軟な素材で一体成型したものもあり、それを起動輪、遊動輪、転輪等の複数の車輪の周囲に掛け回し、起動輪により駆動することで不整地を走行するものである。
以下、履板を環状に連結して構成される無限軌道を例に説明するが、一例であり、無限軌道であれば、その実施形態に限定するものではない。
台車（２）は、車輪（５）、台車連結部（１３）、回転駆動部（６）やステアリング機構等を保持する為のベースとなる構造物である。

無限軌道（１）はその周方向と直交する全方向に屈曲自在に構成される点について。
本装置は、一環の無限軌道（１）が３次元で蛇行し、屈曲した狭隘な不整地を走行する為、無限軌道（１）自体が３次元での蛇行に対応する必要がある。
一般の無限軌道は、無限軌道の幅方向を軸とした屈曲は可能だが、それ以外の方向にはほとんど屈曲できない。
本装置では、隣り合う履板（１０）相互を周方向に直交する全方向に屈曲できるよう連結している。
具体的な連結方法としては各種自在継手を想定しており、等速継手が望ましいが、屈曲角度が小さい為、後述するようにやや補正が必要になるが、構造が簡単なカルダン継手でもよく、図と説明はカルダン継手を例にしている。
いずれも既知の技術であり、屈曲点を中心に全方向に屈曲できればよく、その実施形態に限定するものではない。

無限軌道（１）の内周面上にその周方向に沿ってその幅方向の少なくとも一方向にオーバーハングした複数の突起部（３）を有する点について。
突起部（３）は、既知の無限軌道のトラックガイドに相当する。
既知のトラックガイドは無限軌道の内周面から垂直に立り上がり、無限軌道の幅方向への脱輪を防止しているが、本装置は３次元で蛇行する為、無限軌道（１）が車輪（５）から離れることを防止する必要がある。
車輪（５）によって無限軌道（１）を台車（２）に保持できるよう突起部（３）は、履板内周面（１１）から垂直に立ち上がるのではなく、無限軌道（１）の幅方向の少なくとも一方向にオーバーハングしている。
オーバーハングして斜めに立ち上がる形状でも、一方にオーバーハングする面を持つ形状でもよい。
突起部（３）は既知の無限軌道のトラックガイドと同じく内周面の幅方向のほぼ中央に位置する為、突起部（３）から見て無限軌道（１）の幅方向は二方向があり、少なくともその一方向にオーバーハングすれば機能するが、図では二方向にオーバーハングしている。
逆方向にオーバーハングした突起部（３）を背中合わせに二つ配置する方法でもよい。
図では、突起部（３）は無限軌道（１）の周方向に直交する断面で、履板（１０）の外周面を下とした場合、履板内周面（１１）の中央から上に向けてＶ字型に先端が広がる形状となっている。
図では突起部（３）のオーバーハングした側面（４）は傾斜面となっているが、無限軌道（１）が車輪（５）から離れることを防止できるオーバーハング形状であれば平面でも曲面でも段差でもよく、その実施形態に限定するものではない。
また、突起部（３）が無限軌道（１）の幅方向の一方向に対してのみオーバーハングする場合、そのオーバーハングする方向を無限軌道（１）の周方向に交互、つまり千鳥の形に配することもできる。
この形態は、二方向にオーバーハングする形態に比べて、隣り合う突起部（３）の先端相互が干渉しにくい為、無限軌道（１）の屈曲や折り返しの半径を小さくでき、突起部（３）の先端の幅を周方向に大きくすることができる。
いずれにしても突起部として、従来のトラックガイドの役割も果たし、基本的に内周面上の周方向に等間隔に突設される。

複数の台車（２）は無限軌道（１）の環内に直列かつ相互の連結角度が全方向に可変に連結されて配される点について。
台車（２）は数に制限はないが、基本的に無限軌道（１）の環内に配される。
台車（２）相互の連結方法は、無限軌道（１）の履板（１０）相互の連結方法と同じく、自在継手に類する方法を想定しており、図の台車連結部（１３）はカルダン接手となっているが、連結角度が全方向に可変であれば、その実施形態に限定するものではない。
操舵の為、連結した台車（２）相互の連結角度は能動的に変化させることになるが、既知の技術であり、図では操舵に関する機構は省略してある。

複数の台車（２）は、各々が前記突起部（３）に沿って前記無限軌道（１）の内周面上を転動する車輪（５）を有する点について。
車輪（５）には、通常の起動輪、転輪等の車輪としての機能の他に、無限軌道（１）を台車（２）に保持する機能がある。
図では、車軸が傾斜して向かい合った二つの車輪（５）の外周が、突起部（３）の括れた部分を左右から挟む形で配されている。
車輪（５）は転動に伴い、順次、次の履板のオーバーハングした側面（４）と履板内周面（１１）で構成される形状に勘合することで無限軌道（１）を保持している。
車輪（５）は、無限軌道（１）を保持すると同時に台車（２）の車重を支えて転動する。
台車当たりの車輪数は限定しない。

台車（２）の少なくとも一台は車輪（５）を回転させる回転駆動部（６）を有する点について。
本装置は、直列に連結された複数の台車（２）が車体となり、回転駆動部（６）が車輪（５）を回転させて無限軌道（１）を駆動して走行する。
電車編成のように、回転駆動部（６）を持つ台車（２）と持たない台車（２）が混在する編成でもよいが、本装置は３次元で蛇行することにより、各々の台車（２）で進行方向が異なる為、できるだけ多くの台車（２）に回転駆動部（６）を配することが望ましい。
各々の台車（２）に回転駆動部（６）を配する他、一部の台車（２）が持つ回転駆動部（６）の回転をシャフト等で他の台車（２）の車輪（５）に伝える等の方法があるが、いずれも既知の技術であり、その実施形態に限定するものではない。
回転駆動部（６）は台車（２）に配されるが、必ずしも無限軌道（１）の環内に収まる必要はない。

以上が、請求項に沿った詳細説明であり、以下は補足である。
起動輪の配置と無限軌道（１）との噛み合いについて。
一般的な無限軌道機構では、無限軌道が折り返す前端か後端に起動輪を配置し、その外周形状を、履板を連結するピンのピッチに勘合させて駆動している。
本装置の無限軌道（１）は長く、３次元で屈曲する為、先端や後端ではなく屈曲する各所の台車（２）に複数の起動輪を配することが望ましい。
無限軌道（１）の屈曲箇所では内側と外側でピッチが変化するが、隣り合う自在継手の屈曲点間のピッチだけは変化しないので、図では自在継手の屈曲点を中心にした球状の形状（９）を形成し、その球状の形状（９）に起動輪の外周に設けた凹凸の形状（１２）を勘合させる方法で駆動力を伝えている。
凹凸の形状については、無限軌道（１）と車輪（５）の形状が勘合して駆動力を伝えることができればよく、その実施形態には限定するものではない。
自在接手の屈曲点間のピッチの間にいくつかの凹凸の形状を追加することもできる。
それに勘合する凹凸の形状は履板内周面（１１）またはオーバーハングした側面（４）または両者の境界付近に設ける。
起動輪の外周に設ける凹凸の形状の一例として、複数の回転体を回転自在に起動輪の外周に保持することもできる。
この実施形態では、回転体自体が凸部を形成するとともに、回転体が回転することにより、無限軌道（１）と接する部分での摩擦を軽減することができる。
無限軌道の別形態として、履板を環状に連結する方法ではなく、無限軌道自体を一体成型ベルトとして、ゴムなどの素材自体の柔軟性により全方向に屈曲させることもできるが、その場合も屈曲の影響が少ない無限軌道（１）の周方向の断面中央部分に起動輪の外周形状が勘合する形状を成型することで実現できる。
起動輪の外周と無限軌道（１）の凹凸の形状が噛み合う形態を前提として説明しているが、他の実施形態として車輪（５）の外周をゴムのような摩擦力のある素材にすることにより凹凸の噛み合いによらず、摩擦力で駆動力を伝えることもできる。

車輪（５）による無限軌道（１）の保持について。
無限軌道（１）を保持する為、車輪（５）は、その外周が突起部（３）のオーバーハングした側面（４）と履板内周面（１１）で構成された形状に勘合するよう、無限軌道（１）の幅方向において、車輪（５）の中心部に対して無限軌道（１）の内周面に接する車輪（５）の外周部が突起部（３）に近づくよう車軸を傾けて台車（２）に保持される。
履板内周面（１１）は、無限軌道（１）の幅方向に水平である必要はなく、図では、中央部分が高く、幅方向の端が低くなるよう傾斜した面となっている。
その傾斜は、履板（１１）の強度を増す点からも望ましいが、もう一つの理由は自在接手自体の厚みにより、車輪（５）の外周が勘合する屈曲点が接地面より自在接手の半径だけ高くなる点にある。
自在接手自体に強度が必要であることと、屈曲点を中心に設けた球状の構造を起動輪の外周に設けた凹凸の形状と勘合させる為、ある程度の半径が必要となる。
一方、この半径が大きくなると、無限軌道（１）が幅方向を軸として屈曲する場合に履板（１０）の外周面相互の開きが大きくなり、異物を噛む可能性が大きくなる。
台車（２）に車輪（５）の車軸を回転自在に保持する方法は固定でも良いが、車輪（５）をオーバーハングした側面（４）の方向へ弾性的に付勢することで蛇行に対してより柔軟に勘合させることができる。
オーバーハングした側面（４）方向よりやや履板（１０）の外周面方向に付勢すればサスペンション兼用にもなる。
車輪（５）の転動に伴い、順次、次の突起部（３）のオーバーハングした側面（４）と履板内周面（１１）で構成された形状にスムーズに勘合して走行を続ける為に、走行装置の屈曲可能な角度を車輪（５）がその形状に勘合できる範囲内に制限する必要がある。
手段としては無限軌道（１）と台車（２）で使用する自在接手にストッパーを設けてその可動範囲を制限する方法等があるが、既知の技術であり、詳細は省略する。

履板（１０）相互の自在接手による連結構造と突起部（３）のオーバーハング構造の関係について。
図で、例として示している履板（１０）を連結するカルダン継手とは、独立した十字軸を中心にして、十字のいずれの軸とも直交する二本の回転軸がそれぞれ十字の一方と他方の軸と回り対偶するものである。
図では、二本の軸に相当する二枚の履板（１０）の間に履板連結用十字軸（８）があり、十字の二軸が無限軌道（１）の幅方向に対して水平垂直方向ではなく４５度傾けてある。
突起部（３）のオーバーハングした側面（４）は、無限軌道（１）の幅方向に対して同じく４５度傾けてあり、突起部（３）のＶ字型の一方の先端部と履板（１０）上の十字軸受け（１４）間で履板連結用十字軸（８）の一方の軸の両端を回転自在に保持し、向かい合う履板（１０）は同じように交差するもう一方の軸の両端を回転自在に保持することで、カルダン継手を構成している。
履板（１０）に突起部（３）の構造とは別に十字軸を保持する継手のアーム部を設けてもよいが、突起部（３）とカルダン接手のアーム部を一体化することで構造を簡略化し、突起部（３）の周方向の長さを長くすることができる。
また、前記の屈曲点の高さの問題と関係するが、十字軸を水平垂直に配置するより４５度傾けることで、屈曲点の位置を低く抑えることもできる。

履板の連結に等速接手ではなくカルダン接手を使う場合の補正について。
カルダン継手は同じ方向に連続で屈曲するとやや傾くという欠点があり、前端や後端で折り返す時に同じ方向に連続して屈曲する為、幅方向への傾きが出る。
図では省略しているが、対策の一例としては、十字軸受けに勘合する十字軸の先端部分をその軸に対して偏心させる等の方法があるが、傾きを補正できればよく、既存の技術であり、詳細は省略する、なお等速接手であればこの問題はなく、補正も不要である。

補助車輪について。
上記の車軸が傾斜した車輪（５）は転動時の摩擦が大きい。
台車（２）に無限軌道（１）の幅方向に車軸を持つか車軸の傾きが小さい車軸を持つ補助車輪を追加することで、台車（２）の車重を補助車輪に持たせ、車輪（５）は無限軌道（１）の保持や駆動に特化することで摩擦を軽減することができる。
その補助車輪は既知の転輪と同じく無限軌道（１）の内周面上を転動することで機能するが、突起部（３）のＶ字型の上部の溝上を転動させる方法もある。
また、車輪（５）の前後に上記補助車輪を配することで車輪（５）の無限軌道（１）に対する角度が安定する効果もある。
補助車輪を含めて一台の台車（２）が保持する車輪数に制限はないが、車輪数が増えると台車（２）が長くなり、有効積載量は増えるが、蛇行性能は低下する為、少ない車輪を近い位置に配置することが望ましい。
台車連結部（１３）が長い場合は、台車連結部（１３）に車輪（５）又は補助車輪を持たせることもできる。
本装置は、無限軌道（１）の環内に複数の台車（２）を直列に連結、配置する構造であり、前端と後端で無限軌道（１）が折り返す為、前端の台車の前と後端の台車の後ろに折り返し用の車輪を設けることが望ましい。
この車輪は無限軌道（１）の上下幅に近い直径を持ち、無限軌道（１）の幅方向に車軸を持つ遊動輪（７）となる。
本装置は台車（２）に起動輪を持つため、前後で折り返す車輪は遊動輪でよいが駆動力のある起動輪でもよい。
また、後端で折り返した無限軌道（１）が各台車（２）の上を通って前端方向に戻るので、台車（２）上面に設けた溝やレールで誘導する、補助車輪で支える、車軸が傾斜した車輪（５）で突起部（３）を保持する等、方法は限定されないが、各種の方法で無限軌道（１）を台車（２）上に保持する必要があり、図では車輪（５）で無限軌道（１）を離れないように保持している。
台車（２）の上に起動輪を配する場合、上下に配した起動輪を同じ回転数で駆動すると、上下に蛇行する時に台車の上下での無限軌道（１）の移動距離に差が出て上下の屈曲を妨げる為、上下の起動輪相互の回転数を制御するか独立させる必要がある。
屈曲した狭隘路では走行装置の車体側面と通路壁の摩擦低減の為、無限軌道（１）とは無関係に台車（２）の側面に補助車輪を設けることも有効である。

操舵について。
本装置の操舵は、台車（２）相互の連結角度を変えて行うアーティキュレートステアリングである。
以下、説明の為、進行方向前端の台車を第一台車、以下、第二、第三台車とし、第一台車と第二台車間の連結を第一連結、以下、第二、第三連結とする。
第一連結の角度を能動的に変え、以下の自由連結された台車が無限軌道（１）上を追従走行することで基本的な操舵はできるが後退ができない。
各連結の角度を左右上下に能動的に変えることで、後退を含めた高度な操舵ができる。
具体的には、第一連結の角度を操舵した時、その第一連結の場所を操舵地点とする。その後、車輪の回転数から無限軌道（１）の走行距離を算出し、第二連結が操舵地点上を通過する時、第二連結を第一連結と同じ角度だけ操舵し、以下走行に伴い順次後ろの連結を走行に伴う時間差で同じように操舵する。
実施形態の一例としては、第一連結のみを能動的に操舵し、第二連結以降の操舵は、台車自体に台車前方の連結角度の変化を検知して、時間差で台車後方の連結角度を変える機能を持たせることで台車ユニット単体で完結させることができる。
他の実施形態として、全ての台車間の連結角度を集中制御することで、通常走行では越えられないくらい段差が高い、あるいは陥没範囲が広い場合は、長い走行装置の前方の数台の台車（２）の連結角度を能動的に変えて空中に持ち上げることで、段差、陥没を超えて進むような操舵も可能である。
横転した場合に各連結を自在に操舵することで姿勢を復元することもできる。

履板（１０）の外周面の形状について。
図では簡略化して平面になっているが、実施形態では、既知の無限軌道と同じく凹凸を形成する等の滑り止め形状を設ける必要があり、その幅方向の断面形状も直線である必要はなく、蛇の腹のように凸面であってもよい。
履板（１０）自体をその形態に成型するだけでなく、シューと呼ばれる使用現場に応じたプレートを取り付ける等既知の技術がある。
図では、履板（１０）の幅方向の先端は立ち落とし形状となっており、路面に対する走行装置の幅方向への滑り止めになっているが、スキーの先端のように幅方向の先端部のみを地面から浮かせ、履板（１０）外周面の滑り止め形状も前後方向のみとしても、蛇行により台車（２）毎に走行方向が異なるので問題はなく、台車（２）単位では幅方向に滑りやすい形態の方が蛇行操舵しやすくなる利点がある。

台車（２）と無限軌道（１）の位置関係について。
直列に連結された複数の台車（２）は、基本的に無限軌道（１）の環内に配される為、無限軌道（１）の縦断面において、車輪（５）を含めた台車（２）の上下の高さは無限軌道（１）で限定されるが、幅方向は無限軌道（１）の幅より多少突出してもよい。
むしろある程度突出することにより、無限軌道（１）と台車を含めた走行装置断面が円形に近づき、横転した場合の姿勢の復元が容易になる。
また、左右の幅方向に突出した台車（２）の側面が無限軌道（１）を迂回して、無限軌道（１）上で結合する形状とすることにより、倒立して走行できないが、有効搭載量を増やす必要がある場合や人が乗用する場合等に、無限軌道（１）の上の空間を利用することもできる。
無限軌道（１）の環内に直列に連結されて車輪（５）を保持している構造部分が台車（２）であり、その一部が無限軌道（１）の上部までの伸長したり、そこに回転駆動部等の機能を有したとしても、それは台車（２）の一部である。
また、最後端の台車（２）からアームを無限軌道（１）を迂回して後方に延長することで、そのアームの先端で一般の車両をけん引することもできる。

本装置も一般の無限軌道機構と同じく、無限軌道と車輪の間に小石や泥を噛む問題がある為、既知の技術であるが、車輪と無限軌道の隙間をカバーで覆う、無限軌道内周面に入った石や泥を無限軌道の外へ排除する鉄道の排障器に類する装置を設ける、回転するブラシを配する等の対策は有効である。

１ 無限軌道
２ 台車
３ 突起部
４ オーバーハングした側面
５ 車輪
６ 回転駆動部
７ 遊動輪
８ 履板連結用十字軸
９ 屈曲点を中心にした球状の形状
１０ 履板
１１ 履板内周面
１２ 起動輪の外周に設けた凹凸の形状
１３ 台車連結部
１４ 履板上の十字軸受け

Claims (1)

1. 一環の無限軌道（１）と複数の台車（２）を備え、前記無限軌道（１）はその周方向と直交する全方向に屈曲自在に構成されるとともにその内周面上にその周方向に沿ってその幅方向の少なくとも一方向にオーバーハングした複数の突起部（３）を有し、前記複数の台車（２）は前記無限軌道（１）の環内に直列かつ相互の連結角度が全方向に可変に連結されて配されるとともに各々が前記突起部（３）に沿って前記無限軌道（１）の内周面上を転動する車輪（５）を有し、前記複数の台車（２）の少なくとも一台は前記車輪（５）を回転させる回転駆動部（６）を有することを特徴とする３次元蛇行可能な走行装置。