JP2022007177A - 磁気吸着車輪及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】好適に壁面を走行可能な磁気吸着車輪及び車両を提供する。【解決手段】磁気吸着面に接触する外周面が球面形状をを有する球殻車輪と、前記球殻車輪の内側に配置され、永久磁石を保持する磁石保持部と、前記球殻車輪の回転とは独立して、前記磁石保持部を第１回転方向に回転可能な第１回転部と、前記磁石保持部を前記第１回転方向と直交する第２回転方向に回転可能な第２回転部と、前記磁石保持部を前記第１回転方向及び前記第２回転方向と直交する第３回転方向に回転可能な第３回転部と、前記球殻車輪を回転駆動する車輪駆動部と、前記第１回転部を回転駆動することで前記磁石保持部を前記第１回転方向に回転させる磁石駆動部と、を備える、磁気吸着車輪。【選択図】図９

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本開示は、磁気吸着車輪及び車両に関する。

造船や大型クレーン等の製造現場において、曲面形状をした大型の鉄鋼部材表面に磁気吸着して走行する磁気吸着車輪を有し、溶接・塗装・外観検査等の作業を行う車両が知られている。

特許文献１には、車軸と車輪フランジの間の空間の一部に、軸心を回転中心として揺動可能な外面円弧状の磁石を車輪フランジとは分離状態に設け、車軸と鋼製壁面との間に強い車輪押付け力が発生するように前記磁石を磁石の最大磁力の方向が常に鋼製壁面に向くように配設したことを特徴とする磁石内蔵タイプの吸着車輪が開示されている。

また、特許文献２には、永久磁石が非強磁性の材料から成る球体内に埋め込まれており、該球体が球形シェル内にあらゆる方向に回転可能に支承され、球形シェルが磁力により吸引可能なベース上を転動する、転動要素が開示されている。

特許第２６３９８９５号公報 特許第５６５０２２４号公報

ところで、特許文献１に開示された吸着車輪及び特許文献２に開示された転動要素において、磁石の回転はいずれも受動的である。このため、特許文献１に開示された吸着車輪及び特許文献２に開示された転動要素において、磁気吸着力が発生していない状態では、磁石の方向を調整することができない。

そこで、本発明は、好適に壁面を走行可能な磁気吸着車輪及び車両を提供する。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、磁気吸着面に接触する外周面が球面形状をを有する球殻車輪と、前記球殻車輪の内側に配置され、永久磁石を保持する磁石保持部と、前記球殻車輪の回転とは独立して、前記磁石保持部を第１回転方向に回転可能な第１回転部と、前記磁石保持部を前記第１回転方向と直交する第２回転方向に回転可能な第２回転部と、前記磁石保持部を前記第１回転方向及び前記第２回転方向と直交する第３回転方向に回転可能な第３回転部と、前記球殻車輪を回転駆動する車輪駆動部と、前記第１回転部を回転駆動することで前記磁石保持部を前記第１回転方向に回転させる磁石駆動部と、を備える、磁気吸着車輪が提供される。

一の側面によれば、好適に壁面を走行可能な磁気吸着車輪及び車両を提供することができる。

第１実施形態に係る車両の斜視図。 第１実施形態に係る車両の正面図。 第１実施形態に係る車両の側面図。 第１実施形態に係る磁気吸着車輪の部分切断斜視図。 第１実施形態に係る磁気吸着車輪の断面図。 第１実施形態に係る磁気吸着車輪の部分拡大断面図。 第１シャフト回りの回転角と、永久磁石によって永久磁石保持部に働く回転トルクとの関係の一例を示すグラフ。 永久磁石保持部の側面図。 永久磁石の回転自由度を説明する模式図。 自由曲面としての壁面の一例。 第１実施形態に係る車両が種々の曲面形状の壁面に吸着している際の永久磁石の配置の一例を示す図。 車両が床面から壁面に移動する際の動作を示すフローチャート。 床面から壁面に移動する際の各時点における車両の状態を示す模式図。 車両が壁面から壁面（または天井面）に移動する際の動作を示すフローチャート。 第１壁面から第２壁面に移動する際の各時点における車両の状態を示す模式図。 第２実施形態に係る磁気吸着車輪を説明する模式図。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜車両＞
第１実施形態に係る車両１について、図１から図３を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る車両１の斜視図である。図２は、第１実施形態に係る車両１の正面図である。図３は、第１実施形態に係る車両１の側面図である。なお、以下の説明において、車両１の進退方向を車両１の前後方向、車両１の車幅方向を車両１の左右方向、前後方向及び左右方向と垂直な方向を車両１の上下方向として、説明する。

車両１は、ボディ２と、ロッカーリンク３Ｌ，３Ｒと、シャフト４Ｌ，４Ｒと、磁気吸着車輪５（５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）と、ディファレンシャルギア６と、を備えている。

車両１は、磁気吸着車輪５が有する磁石（後述する永久磁石５２）で吸着可能な物体であれば、その位置、危険度にかかわらず、例えば高所であったり狭所であっても、遠隔又は無人で移動することができる。ボディ２には、例えば、溶接・塗装・外観検査等の作業を行うための作業用アタッチメント（図示せず）を固定するための固定部（図示せず）を有し、固定部に作業用アタッチメントが搭載されていてもよい。これにより、車両１は、移動先で作業用アタッチメントを用いて所望の作業を実現することができる。また、ボディ２には、磁気吸着車輪５（後述する車輪駆動用モータ５６、磁石駆動用モータ５７）の動作を制御する制御部（図示せず）が設けられている。なお、車両１は、オペレータの操作を受け付けるコントローラ（図示せず）を有していてもよい。コントローラは、有線又は無線で制御部と通信可能に接続される。制御部は、オペレータによるコントローラの操作に基づいて、磁気吸着車輪５を制御してもよい。また、制御部は、予め入力されたプログラムに基づいて、磁気吸着車輪５を制御してもよい。これにより、車両１は、オペレータが近くにいない場面で、無人又は遠隔により操作される。

左右のロッカーリンク３Ｌ，３Ｒは、中央のボディ２を挟んで配置される。

ロッカーリンク３Ｌは、前後両端に磁気吸着車輪５（５ＦＬ，５ＲＬ）が設けられ、シャフト４Ｌを回転軸として回転可能に支持される部材である。具体的には、ロッカーリンク３Ｌは、側面視して、略逆Ｖ字形状に形成される部材であり、中央部３１と、中央部３１から前方下向きに伸びる前方部３２と、中央部３１から後方下向きに伸びる後方部３３と、を有する。中央部３１には、円柱状の軸部材であるシャフト４Ｌが固定される。また、シャフト４Ｌは、ボディ２の軸受２１に回転自在に支持されている。ロッカーリンク３Ｌの前方部３２には磁気吸着車輪５ＦＬが設けられ、後方部３３には磁気吸着車輪５ＲＬが設けられている。ロッカーリンク３Ｌは、軸受２１に回転自在に支持されるシャフト４Ｌを回転軸として回転することにより、磁気吸着車輪５ＦＬ及び磁気吸着車輪５ＲＬの両方を磁気吸着面（吸着対象面）に接触（接地）させることができる。

同様に、ロッカーリンク３Ｒは、前後両端に磁気吸着車輪５（５ＦＲ，５ＲＲ）が設けられ、シャフト４Ｒを回転軸として回転可能に支持される部材である。具体的には、ロッカーリンク３Ｒは、側面視して、略逆Ｖ字形状に形成される部材であり、中央部３４と、中央部３４から前方下向きに伸びる前方部３５と、中央部３４から後方下向きに伸びる後方部３６と、を有する。中央部３４には、円柱状の軸部材であるシャフト４Ｒが固定される。また、シャフト４Ｒは、ボディ２の軸受２２に回転自在に支持されている。ロッカーリンク３Ｒの前方部３５には磁気吸着車輪５ＦＲが設けられ、後方部３６には磁気吸着車輪５ＲＲが設けられている。ロッカーリンク３Ｒは、軸受２２に回転自在に支持されるシャフト４Ｒを回転軸として回転することにより、磁気吸着車輪５ＦＲ及び磁気吸着車輪５ＲＲの両方を磁気吸着面に接触（接地）させることができる。

シャフト４Ｌとシャフト４Ｒとは、同軸に配置されている。また、シャフト４Ｌとシャフト４Ｒとは、独立して回転可能に設けられている。シャフト４Ｌの一端（車幅方向の外側）は、ロッカーリンク３Ｌの中央部３１と固定される。シャフト４Ｒの一端（車幅方向の外側）は、ロッカーリンク３Ｒの中央部３４と固定される。シャフト４Ｌの軸部分は、軸受２１に回転自在に支持される。シャフト４Ｒの軸部分は、軸受２２に回転自在に支持される。また、シャフト４Ｌの他端（車幅方向の内側）とシャフト４Ｒの他端（車幅方向の内側）とは、ディファレンシャルギア６を介して接続されている。

ディファレンシャルギア（回転機構）６は、シャフト４Ｌとシャフト４Ｒとを独立して回転可能に接続する装置である。また、ディファレンシャルギア６は、シャフト４Ｌの回転とシャフト４Ｒの回転との差動に基づいてボディ２の前後方向の傾斜角（ピッチ角）を規定する装置である。

ディファレンシャルギア６は、例えば、第１の傘歯車、第２の傘歯車、第３の傘歯車、枠部（いずれも図示せず）を有する。第１の傘歯車は、シャフト４Ｌの端部と固定され、シャフト４Ｌが回転することによって第１の傘歯車も回転する。第２の傘歯車は、シャフト４Ｒの端部と固定され、シャフト４Ｒが回転することによって第２の傘歯車も回転する。第１の傘歯車と第２の傘歯車とは、同軸に配置される。第３の傘歯車は、第１の傘歯車及び第２の傘歯車の回転軸と直交する回転軸に配置され、第１の傘歯車及び第２の傘歯車とそれぞれ噛み合わされる。枠部は、第１の傘歯車、第２の傘歯車、第３の傘歯車を回転自在に支持する。また、枠部はボディ２と固定される。

ここで、シャフト４Ｒに対してシャフト４Ｌを回転させた場合、シャフト４Ｌの回転によって第１の傘歯車が回転し、第１の傘歯車と第２の傘歯車との回転の差動分に応じて第３の傘歯車が回転する。また、第２の傘歯車に対して第３の傘歯車が回転することにより、枠部が第２の傘歯車の回転軸（第１の傘歯車の回転軸）を回転軸として回転する。この際、枠部の回転角は、シャフト４Ｌの回転角の半分となる。シャフト４Ｌに対してシャフト４Ｒを回転させた場合も同様である。

このように、車両１は、同軸に配置されるシャフト４Ｌ，４Ｒを回転軸（揺動軸）として、ロッカーリンク３Ｌとロッカーリンク３Ｒとを個別に回転（揺動）させることができる。よって、ロッカーリンク３Ｌは、軸受２１に回転自在に支持されるシャフト４Ｌを回転軸として回転することにより、磁気吸着車輪５ＦＬ及び磁気吸着車輪５ＲＬの両方を磁気吸着面に接触（接地）させることができる。また、ロッカーリンク３Ｒは、軸受２２に回転自在に支持されるシャフト４Ｒを回転軸として回転することにより、磁気吸着車輪５ＦＲ及び磁気吸着車輪５ＲＲの両方を磁気吸着面に接触（接地）させることができる。即ち、車両１は、磁気吸着面が曲面や凹凸を有する面であっても、４つの磁気吸着車輪５（５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）の全てを磁気吸着面に接触（接地）させることができる。

また、ボディ２の前後方向の傾斜角（ピッチ角）は、ロッカーリンク３Ｌの前後方向の傾斜角とロッカーリンク３Ｒの前後方向の傾斜角との中間の傾斜角となる。これにより、ボディ２の前後方向の傾斜角（ピッチ角）の変動は、ロッカーリンク３Ｌの前後方向の傾斜角の変動及びロッカーリンク３Ｒの前後方向の傾斜角の変動よりも、小さくすることができる。これにより、車両１が凹凸の変化が激しい磁気吸着面を走行する場合であっても、ボディ２の振動を抑制することができる。

なお、４つの磁気吸着車輪５の全てを磁気吸着面に接触させるためには、ロッカーリンク３Ｌとロッカーリンク３Ｒとを個別に揺動させることができればよく、ディファレンシャルギア６に代えて、ロッカーリンク３Ｌとロッカーリンク３Ｒとが回転機構によって接続されていてもよい。

＜磁気吸着車輪＞
次に、車両１が備える磁気吸着車輪５（５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）について、図４から図７を用いてさらに説明する。ここで、車両１が備える４つの磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲは、同様の構成を有している。このため、以下の説明では、磁気吸着車輪５ＦＲを例に説明し、磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＲＬ，５ＲＲについての説明を省略する。

図４は、第１実施形態に係る磁気吸着車輪５ＦＲの部分切断斜視図である。図５は、第１実施形態に係る磁気吸着車輪５ＦＲの断面図である。図６は、第１実施形態に係る磁気吸着車輪５ＦＲの部分拡大断面図である。なお、図４において、球殻車輪５１の一部を切断（取り外し）して、球殻車輪５１の内部の構造が見えるように図示している。また、図５は、第１シャフト５４の軸中心を通る垂直な面で切断した断面図を示す。図６は、第１シャフト５４と垂直な面で切断した断面図を示す。

磁気吸着車輪５は、球殻車輪５１と、永久磁石５２と、永久磁石保持部５３と、第１シャフト５４と、第２シャフト５５と、車輪駆動用モータ５６と、磁石駆動用モータ５７と、ベアリング５８～６０と、を備えている。

ロッカーリンク３Ｒの前方部３５には、二又に分岐して磁気吸着車輪５を支持する支持部３５１，３５２が形成されている。

球殻車輪５１は、球面部５１１を有する中空形状を有している。具体的には、球殻車輪５１は、球面部５１１と、平面部５１２，５１３と、を有する。球面部５１１は、磁気吸着面に接触（接地）する面であり、外周面が球面形状を有している。これにより、磁気吸着面が車幅方向に傾斜していても、球殻車輪５１を磁気吸着面に接触（接地）することができる。平面部５１２，５１３は、球殻車輪５１の回転軸に対して垂直な面である。換言すれば、球殻車輪５１の外形状は、球形状から左右を一部切断した形状を有している。球殻車輪５１に平面部５１２，５１３を設けることにより、車幅方向の寸法を短くすることができる。球殻車輪５１は、例えば、アルミニウム等の非磁性体材料で形成される。これにより、球殻車輪５１の内部に配置された永久磁石５２と磁気吸着面との間に磁気吸引力を発生させることができる。なお、球殻車輪５１の材料は、永久磁石５２と磁気吸着面との間に磁気吸引力を発生させることができる材料であればよく、アルミニウムに限られるものではない。球殻車輪５１は、支持部３５１と支持部３５２との間に配置される。

車輪駆動用モータ５６は、支持部３５１に固定される。車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１は、支持部３５１の貫通部３５１ａを貫通し、球殻車輪５１の平面部５１２と固定される。具体的には、球殻車輪５１の平面部５１２の外側には、シャフトホルダ５１４が設けられている。シャフトホルダ５１４は、図示しないボルト、ナット等によって、球殻車輪５１と固定されている。シャフトホルダ５１４は、車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１と球殻車輪５１とを接続する部材である。シャフトホルダ５１４には、車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１が挿入される。車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１が挿入されるシャフトホルダ５１４の内周面には、キー溝を有する。また、シャフトホルダ５１４に挿入する車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１の外周面には、キー溝を有する。シャフトホルダ５１４のキー溝及び車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１のキー溝には、キー５６２が配置される。キー５６２は、車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１の回転動力をシャフトホルダ５１４に伝達するための機械要素である。これにより、車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１、シャフトホルダ５１４、球殻車輪５１は共に回転する。

第１シャフト５４は、球殻車輪５１の回転軸（車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１）と同軸に配置され、球殻車輪５１の両端に取り付けられたベアリング５８，５９によって、回転自在に支持されている。

具体的には、球殻車輪５１の平面部５１２の内面側（球殻車輪５１の内部空間側）には、ベアリング支持部材５１５及び押さえ部材５１６が設けられている。ベアリング支持部材５１５は、ベアリング５８の外輪を挿入可能な穴を有する板状（円環状）の部材である。押さえ部材５１６は、ベアリング５８の外径よりも小さく、第１シャフト５４の直径よりも大きな径の穴を有する板状（円環状）の部材である。ベアリング支持部材５１５及び押さえ部材５１６は、図示しないボルト、ナット等によって、球殻車輪５１と固定されている。ベアリング支持部材５１５は、ベアリング支持部材５１５の穴の軸が球殻車輪５１の回転軸と一致するようにして平面部５１２の内面側に固定される。また、押さえ部材５１６は、押さえ部材５１６の穴の軸が球殻車輪５１の回転軸と一致するようにしてベアリング支持部材５１５に固定される。ベアリング５８の外輪は、ベアリング支持部材５１５の穴に配置され、押さえ部材５１６によって抜け止めされている。ベアリング５８の内輪は、第１シャフト５４の一端を支持する。

また、球殻車輪５１の平面部５１３には、第１シャフト５４が貫通する貫通孔５１７が形成されている。球殻車輪５１の平面部５１３の内側には押さえ部材５１８が設けられている。球殻車輪５１の平面部５１３の外側には押さえ部材５１９が設けられている。押さえ部材５１８，５１９は、ベアリング５９の外径よりも小さく、第１シャフト５４の直径よりも大きな径の穴を有する板状（円環状）の部材である。押さえ部材５１８，５１９は、図示しないボルト、ナット等によって、球殻車輪５１と固定されている。押さえ部材５１８は、押さえ部材５１８の穴の軸が球殻車輪５１の回転軸と一致するようにして平面部５１３の内面側に固定される。押さえ部材５１９は、押さえ部材５１８の穴の軸が球殻車輪５１の回転軸と一致するようにして平面部５１３の外面側に固定される。ベアリング５９の外輪は、貫通孔５１７に配置され、押さえ部材５１８，５１９によって抜け止めされている。ベアリング５９の内輪は、貫通孔５１７を貫通する第１シャフト５４を支持する。

支持部３５２には、第１シャフト５４が貫通する貫通孔３５２ａが形成されている。ベアリング６０の外輪は、貫通孔３５２ａに配置されている。ベアリング６０の内輪は、貫通孔３５２ａを貫通する第１シャフト５４を支持する。なお、ベアリング６０の外輪は、球殻車輪５１側の側面で支持部３５２と接し、ベアリング６０の内輪が他方の側面でカプラ５７２と接することにより、ベアリング６０は位置決めされている。

磁石駆動用モータ５７は、ブラケット３５２ｂを介して、支持部３５２に固定される。磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１には、カプラ５７２が固定されている。カプラ５７２は、磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１と第１シャフト５４とを接続する部材である。カプラ５７２には、第１シャフト５４の他端が挿入される。第１シャフト５４の他端が挿入されるカプラ５７２の内周面には、キー溝を有する。また、カプラ５７２に挿入する第１シャフト５４の他端の外周面には、キー溝を有する。キー５４１を介して、カプラ５７２と固定されている。なお、磁石駆動用モータ５７は、例えばサーボ機能を有するサーボモータであって、第１シャフト５４の回転角度、トルク等を制御可能とすることが好ましい。シャフトホルダ５１４には、車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１が挿入される。車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１が挿入されるシャフトホルダ５１４の内周面には、キー溝を有する。また、シャフトホルダ５１４に挿入する車輪駆動用モータ５６の出力軸５６１の外周面には、キー溝を有する。カプラ５７２のキー溝及び第１シャフト５４のキー溝には、キー５４１が配置される。キー５４１は、カプラ５７２（磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１）の回転動力を第１シャフト５４に伝達するための機械要素である。これにより、磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１、カプラ５７２、第１シャフト５４は共に回転する。

このような構成により、球殻車輪５１は、車輪駆動用モータ５６（出力軸５６１）及び第１シャフト５４によって、支持部３５１，３５２に回転自在に支持される。また、車輪駆動用モータ５６は、球殻車輪５１を回転駆動させることができる。

また、第１シャフト５４は、球殻車輪５１とは独立して回転することができる。また、磁石駆動用モータ５７は、第１シャフト５４を回転駆動させることができる。

球殻車輪５１の内部には、第１シャフト５４とともに回転する第２シャフト５５が設けられている。第２シャフト５５は、ベース５５１と、軸部５５２，５５３と、を有する。ベース５５１は、第１シャフト５４が挿通する貫通孔５５１ａを有する。貫通孔５５１ａの内周面には、キー溝を有する。また、貫通孔５５１ａに挿入する第１シャフト５４の外周面には、キー溝を有する。貫通孔５５１ａのキー溝及び第１シャフト５４のキー溝には、キー５４２が配置される。キー５４２は、第１シャフト５４の回転動力をベース５５１（第２シャフト５５）に伝達するための機械要素である。これにより、第１シャフト５４、ベース５５１（第２シャフト５５）は共に回転する。軸部５５２，５５３は、同軸に配置され、第１シャフト５４の回転軸と直交する。

第１シャフト５４には、円筒状のカラー５４３，５４４が配置されている。カラー５４３は、一端がベアリング５８の内輪と接し、他端が第２シャフト５５のベース５５１と接する。カラー５４４は、一端がベアリング５９の内輪と接し、他端が第２シャフト５５のベース５５１と接する。これにより、第２シャフト５５のベース５５１は、左右方向の位置が位置決めされる。具体的には、軸部５５２，５５３の軸が球殻車輪５１（球面部５１１）の中心を通るように位置決めされる。

永久磁石保持部５３は、第２シャフト５５の軸部５５２，５５３に懸架されている。即ち、永久磁石保持部５３は、第２シャフト５５の軸部５５２，５５３を回転軸として揺動することができるようになっている。また、永久磁石保持部５３は、第１シャフト５４を軸として、回転することができるように構成されている。

永久磁石５２は、永久磁石保持部５３に埋め込まれ、球殻車輪５１の外径よりも内側に配置されている。例えば、永久磁石５２は、永久磁石保持部５３に設けられた凹部に収容され、押さえ部材５３１で抜け止めされている。永久磁石保持部５３は、球殻車輪５１の内面に沿う扇状の形状と有している。これにより、永久磁石５２を磁気吸着面にできるだけ近づけることができる。永久磁石５２は、例えば、図６に示すように、５個のネオジウム磁石が円弧状に配置されている。また、５個のネオジウム磁石でハルバッハ配列を構成することにより、小さな磁石体積で強力な磁力が得られる。なお、永久磁石保持部５３は、球殻車輪５１の内面に沿う扇状の形状を有している。永久磁石保持部５３の外径は、球殻車輪５１の内径以下に形成される。永久磁石保持部５３の外面は、球殻車輪５１の内面と接していてもよく、離れていてもよい。なお、永久磁石保持部５３の外面と球殻車輪５１の内面が接する構成においては、両者の間に潤滑剤を塗布してもよい。

以上のように、永久磁石保持部５３に保持された永久磁石５２は、球殻車輪５１内に配置され、第１シャフト５４回り（第１回転方向、図４において白抜き矢印で示す。）に能動的または受動的に回転可能であり、第２シャフト５５回り（第２回転方向、図４において黒塗り矢印で示す。）に受動的に回転（揺動）可能に構成されている。

図７は、第１シャフト５４回りの回転角θと、永久磁石５２によって永久磁石保持部５３に働く回転トルクとの関係の一例を示すグラフである。ここで、図７に示すグラフにおいて、横軸は、永久磁石５２が壁面（磁気吸着面）Ｗの方向を向いた状態を角度θ＝０°とする回転角θを示し、縦軸はその回転角におけるトルクを示す。なお、永久磁石保持部５３に働くトルクは、３次元磁場解析によって計算された磁気吸着力から求めた。この例では、トルクの最大値は、２．４Ｎｍでる。このため、例えば、ストールトルクが６Ｎｍの磁石駆動用モータ５７を用いることにより、磁気吸着力に逆らって永久磁石保持部５３を回転させ、永久磁石保持部５３を壁面Ｗから遠ざけることができる。換言すれば、壁面Ｗに対する磁気吸着車輪５の磁気吸着を解除することができる。

図８は、永久磁石保持部５３の側面図である。永久磁石保持部５３は、磁石保持部５３ａと、懸架部５３ｂと、回転部５３ｃと、を有する。ここで、第１軸７１は、第１シャフト５４の軸である。第２軸７２は、第２シャフト５５の軸である。第３軸７３は、配列された永久磁石５２の中心軸である。磁石配列法線ベクトル７４は、円弧状に配列された永久磁石５２の中心を結ぶ線（図８の例では円弧）及び第３軸７３で形成される平面に垂直なベクトルである。

磁石保持部５３ａは、永久磁石５２を保持する。懸架部５３ｂは、第３軸７３回りに回転可能に磁石保持部５３ａを支持する。即ち、磁石保持部５３ａは、懸架部５３ｂに対して第３軸７３回りに回転することができる。よって、磁石配列法線ベクトル７４を第１軸７１とは異なる方向に向けることができる。

図９は、永久磁石５２の回転自由度を説明する模式図である。第１シャフト５４を回転させることにより、永久磁石５２を第１軸７１回りに回転させることができる。第２シャフト５５回りに永久磁石保持部５３が揺動することにより、永久磁石５２を第２軸７２回りに回転させることができる。懸架部５３ｂに対して磁石保持部５３ａが回転することにより、永久磁石５２を第３軸７３回りに回転させることができる。

図１０は、自由曲面としての壁面Ｗの一例である。磁気吸着車輪５は、接地点７５で壁面Ｗに接地する。接地点７５における壁面Ｗの法線７６を示す。接地点７５を通り法曲率が最小となる最小法曲線７７を示す。接地点７５を通り法曲率が最大となる最大法曲線７８を示す。ここで、法線７６方向に見て、最小法曲線７７の伸びる方向を最小主方向と称する。

ここで、永久磁石５２の中心軸（第３軸７３）が接地点７５を通る壁面Ｗの法線７６と一致して、かつ、法線７６方向に見て磁石配列法線ベクトル７４が最小主方向と垂直となるとき、磁気吸着力が最大となる。

第１実施形態係る磁気吸着車輪５によれば、永久磁石保持部５３が第１シャフト５４、第２シャフト５５回りに受動回転することにより、永久磁石５２の中心軸（第３軸７３）が接地点７５を通る壁面Ｗの法線７６と一致する。また、磁石保持部５３ａが回転部５３ｃ回りに受動回転することにより、磁石配列法線ベクトル７４が最小主方向と垂直となる。

以上のように、磁気吸着車輪５は、球殻車輪５１の内部に設けられた永久磁石５２を第１シャフト５４回り（第１回転方向７１ａ）、第２シャフト５５回り（第２回転方向７２ａ）及び回転部５３ｃ回り（第３回転方向７３ａ）で回転させることができる。

図１１は、第１実施形態に係る車両１が種々の曲面形状の壁面に吸着している際の永久磁石５２の配置の一例を示す。なお、図１１において、磁気吸着力の向きを黒塗り矢印で示す。

図１１（ａ）は、車両１の進行方向に沿って湾曲する面に車両１を吸着させる際の永久磁石５２の向きを示す。ここでは、磁石駆動用モータ５７への電源供給が絶たれており、磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）は外部トルクによって受動的に回転可能なバックドライブ状態となっている。永久磁石５２の磁力によって、永久磁石保持部５３が第１シャフト５４周りに受動的に回転させられ、永久磁石５２の磁力方向を磁気吸着面の法線方向に向けることができる。これにより、永久磁石保持部５３は、任意角度の壁面Ｗの方向を向くことが自動的に達成され、車両１を壁面Ｗに吸着させることができる。なお、永久磁石保持部５３及び磁石保持部５３ａは、磁気吸着力が最大となるように第１軸７１、第２軸７２、第３軸７３回りに受動回転する。

図１１（ｂ）は、車両１の車体幅方向に沿って凹状に湾曲する曲面に車両１を吸着させる際の永久磁石５２の向きを示す。永久磁石保持部５３が第２シャフト５５を揺動軸として揺動することにより、永久磁石５２の磁力方向を磁気吸着面の法線方向に向けることができる。なお、永久磁石保持部５３及び磁石保持部５３ａは、磁気吸着力が最大となるように第１軸７１、第２軸７２、第３軸７３回りに受動回転する。

図１１（ｃ）は、車両１の車体幅方向に沿って凸状に湾曲する曲面に車両１を吸着させる際の永久磁石５２の向きを示す。永久磁石保持部５３が第２シャフト５５を揺動軸として揺動することにより、永久磁石５２の磁力方向を磁気吸着面の法線方向に向けることができる。なお、永久磁石保持部５３及び磁石保持部５３ａは、磁気吸着力が最大となるように第１軸７１、第２軸７２、第３軸７３回りに受動回転する。

図１１（ｄ）は、４輪すべての接触面（図１１（ｄ）において破線で示す。）の位置および法線方向が異なる場合を示す。車両１はロッカー機構を有することにより、４輪すべてを磁気吸着面に吸着させることができる。なお、永久磁石保持部５３及び磁石保持部５３ａは、磁気吸着力が最大となるように第１軸７１、第２軸７２、第３軸７３回りに受動回転する。

＜吸着動作フロー＞
次に、車両１が床面から壁面に移動する際の車両１の動作について、図１２及び図１３を用いて説明する。図１２は、車両１が床面Ｗ１から壁面Ｗ２に移動する際の動作を示すフローチャートである。図１３は、各時点における車両１の状態を示す模式図である。なお、図１３は、車両１を水平方向から見た図である。

ステップＳ１０１において、制御部は、磁石駆動用モータ５７を制御して、前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３をボディ２の方向に向ける（図１３（ａ）参照）。そして、制御部は、永久磁石保持部５３の向きを維持するように磁石駆動用モータ５７を制御する。また、制御部は、車輪駆動用モータ５６を制御して、球殻車輪５１を駆動させる（図１３（ａ）白抜き矢印参照）。これにより、車両１が床面Ｗ１を走行する際、磁気吸着力によって駆動トルクが増加することを抑制することができる。また、床面Ｗ１上の砂鉄等の磁性体異物を吸着することを抑制することができる。前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）が壁面Ｗ２に到達すると、制御部は、車輪駆動用モータ５６を停止させてステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２において、制御部は、前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）の永久磁石５２を壁面Ｗ２に向ける（図１３（ｂ）参照黒塗り矢印参照）。即ち、制御部は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を制御して、永久磁石保持部５３を壁面Ｗ２に向ける。これにより、永久磁石５２が磁気吸着面（壁面Ｗ２）を吸着する。以降は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を遮断して磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）をバックドライブ状態とすることで、永久磁石５２の磁気吸着力により永久磁石５２の磁力方向が壁面Ｗ２を向くように永久磁石保持部５３が回転する。

ステップＳ１０３において、制御部は、磁石駆動用モータ５７を制御して、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３をボディ２の方向に向けたまま、車輪駆動用モータ５６を制御して、球殻車輪５１を駆動させる（図１３（ｃ）参照）。これにより、壁面Ｗ２に磁気吸着された前輪は、壁面Ｗ２を上る（図１３（ｃ）白抜き矢印参照）。床面Ｗ１上の後輪は、壁面Ｗ２に向かってさらに前進する（図１３（ｃ）白抜き矢印参照）。後輪が壁面Ｗ２に到達すると（図１３（ｄ）参照）、制御部は、車輪駆動用モータ５６を停止させてステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、制御部は、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石５２を壁面Ｗ２に向ける（図１３（ｅ）参照）。即ち、制御部は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を制御して、永久磁石保持部５３を壁面Ｗ２に向ける。これにより、永久磁石５２が磁気吸着面（壁面Ｗ２）を吸着する。以降は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を遮断して磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）をバックドライブ状態とすることで、永久磁石５２の磁気吸着力により永久磁石５２の磁力方向が壁面Ｗ２を向くように永久磁石保持部５３が回転する。

ステップＳ１０５において、制御部は、車輪駆動用モータ５６を制御して球殻車輪５１を駆動させる（図１３（ｆ）参照）。これにより、壁面Ｗ２に磁気吸着された車両１の前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）は、壁面Ｗ２を上る（図１３（ｆ）白抜き矢印参照）。

以上のように、第１実施形態に係る車両１によれば、床面Ｗ１に接地された状態から、壁面Ｗ２を上ることができる。これにより、車両１の設置を容易に行うことができる。

＜吸着動作フロー＞
次に、車両１が壁面から他の壁面に移動する際の車両１の動作について、図１４及び図１５を用いて説明する。図１４は、車両１が第１壁面Ｗ３から第２壁面Ｗ４に移動する際の動作を示すフローチャートである。図１５は、各時点における車両１の状態を示す模式図である。なお、図１５は、車両１を鉛直方向から見た図である。

なお、開始時においては、車両１は、第１壁面Ｗ３に吸着されている。即ち、車両１の前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３は、第１壁面を向いた状態である。

ステップＳ２０１において、制御部は、前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３が第１壁面Ｗ３を向いた状態で、車輪駆動用モータ５６を制御して、球殻車輪５１を駆動させる（図１５（ａ）白抜き矢印参照）。ここでは、磁石駆動用モータ５７への電源供給を遮断して磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）をバックドライブ状態とすることで、永久磁石５２の磁気吸着力により永久磁石５２の磁力方向が第１壁面Ｗ３を向くように永久磁石保持部５３が回転する。これにより、車両１が第１壁面Ｗ３に吸着して走行することができる。前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）が第２壁面Ｗ４に到達すると、制御部は、車輪駆動用モータ５６を停止させてステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２において、制御部は、前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）の永久磁石５２を第２壁面Ｗ４に向ける（図１５（ｂ）参照黒塗り矢印参照）。即ち、制御部は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を制御して、永久磁石保持部５３を第２壁面Ｗ４に向ける。これにより、永久磁石５２が磁気吸着面（第２壁面Ｗ４）を吸着する。以降は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を遮断して磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）をバックドライブ状態とすることで、永久磁石５２の磁気吸着力により永久磁石５２の磁力方向が第２壁面Ｗ４を向くように永久磁石保持部５３が回転する。

ここで、制御部は、前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）の永久磁石５２の一方を第１壁面Ｗ３の法線方向から第２壁面Ｗ４の法線方向に向ける。次に、制御部は、前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ）の永久磁石５２の他方を第１壁面Ｗ３の法線方向から第２壁面Ｗ４の法線方向に向ける。即ち、車両１は、４輪のうち、少なくとも３輪が壁面Ｗ３，Ｗ４に吸着されている状態で、１輪の永久磁石保持部５３を回転させる。これにより、車両１は少なくとも３輪以上の磁気吸着車輪５で壁面Ｗ３，Ｗ４に吸着させることができるので、車両１が壁面Ｗ３，Ｗ４から落下することを防止することができる。

ステップＳ２０３において、制御部は、前輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲＲ）の永久磁石保持部５３が第２壁面Ｗ４を向いた状態、かつ、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３が第１壁面Ｗ３を向いた状態で、車輪駆動用モータ５６を制御して、球殻車輪５１を駆動させる（図１５（ｃ）参照）。これにより、第２壁面Ｗ４に磁気吸着された前輪は、第２壁面Ｗ４を進む（図１５（ｃ）白抜き矢印参照）。第１壁面Ｗ３上の後輪は、第２壁面Ｗ４に向かってさらに前進する（図１５（ｃ）白抜き矢印参照）。後輪が第２壁面Ｗ４に到達すると（図１５（ｄ）参照）、制御部は、車輪駆動用モータ５６を停止させてステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４において、制御部は、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石５２を第２壁面Ｗ４に向ける（図１５（ｅ）参照）。即ち、制御部は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を制御して、永久磁石保持部５３を第２壁面Ｗ４に向ける。これにより、永久磁石５２が磁気吸着面（第２壁面Ｗ４）を吸着する。以降は、磁石駆動用モータ５７への電源供給を遮断して磁石駆動用モータ５７の出力軸５７１（第１シャフト５４）をバックドライブ状態とすることで、永久磁石５２の磁気吸着力により永久磁石５２の磁力方向が第２壁面Ｗ４を向くように永久磁石保持部５３が回転する。

ここで、制御部は、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石５２の一方を第１壁面Ｗ３の法線方向から第２壁面Ｗ４の法線方向に向ける。次に、制御部は、後輪（磁気吸着車輪５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石５２の他方を第１壁面Ｗ３の法線方向から第２壁面Ｗ４の法線方向に向ける。即ち、車両１は、４輪のうち、少なくとも３輪が壁面Ｗ３，Ｗ４に吸着されている状態で、１輪の永久磁石保持部５３を回転させる。これにより、車両１は少なくとも３輪以上の磁気吸着車輪５で壁面Ｗ３，Ｗ４に吸着させることができるので、車両１が壁面Ｗ３，Ｗ４から落下することを防止することができる。

ステップＳ２０５において、制御部は、前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）の永久磁石保持部５３が第２壁面Ｗ４を向いた状態で、車輪駆動用モータ５６を制御して、球殻車輪５１を駆動させる（図１５（ｆ）白抜き矢印参照）。これにより、第２壁面Ｗ４に磁気吸着された車両１の前後輪（磁気吸着車輪５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ）は、第２壁面Ｗ４を進む（図１５（ｆ）白抜き矢印参照）。

なお、図１４及び図１５を用いて、車両１が壁面から壁面に移動する場合を例に説明したが、同様の動作により、車両１は、壁面から天井面、天井面から壁面に移動することができる。また、車両１は、壁面から床面に移動することもできる。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態に係る車両１の磁気吸着車輪５について説明する。図１６は、第２実施形態に係る磁気吸着車輪５を説明する模式図である。

第２実施形態に係る磁気吸着車輪５の永久磁石保持部５３は、磁石保持部と懸架部が一体に形成されている。即ち、永久磁石５２は、第１軸７１及び第２軸７２回りに回転することができるように構成されている。これにより、第２実施形態係る磁気吸着車輪５によれば、永久磁石保持部５３が第１シャフト５４、第２シャフト５５回りに受動回転することにより、永久磁石５２の中心軸（第３軸７３）が接地点７５を通る壁面Ｗの法線７６（図１０参照）と一致する。

また、第２実施形態の永久磁石５２の体積は、第１実施形態の永久磁石５２の体積よりも大きくなっている。これにより、磁石配列法線ベクトル７４と壁面Ｗの接地点７５における最小主方向とが垂直となっていなくとも、磁気吸着力を増大させることができる。即ち、永久磁石５２を第３軸７３回りに回転させる回転部５３ｃを省略することができるので、構成を簡素化することができる。

以上、第１及び第２実施形態に係る磁気吸着車輪５を有する車両１について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

１ 車両
２ ボディ
２１ 軸受
２２ 軸受
３Ｌ，３Ｒ ロッカーリンク
３５１，３５２ 支持部
４Ｌ，４Ｒ シャフト
５，５ＦＬ，５ＦＲ，５ＲＬ，５ＲＲ 磁気吸着車輪
６ ディファレンシャルギア（回転機構）
３５１ 支持部
３５１ａ 貫通部
５１ 球殻車輪
５２ 永久磁石
５３ 永久磁石保持部
５３ａ 磁石保持部
５３ｂ 懸架部
５３ｃ 回転部（第３回転部）
５４ 第１シャフト（第１回転部）
５５ 第２シャフト（第２回転部）
５６ 車輪駆動用モータ
５６１ 出力軸
５７ 磁石駆動用モータ
５７１ 出力軸
５７２ カプラ
５８～６０ ベアリング
７１ 第１軸
７２ 第２軸
７３ 第３軸
７４ 磁石配列法線ベクトル
７５ 接地点
７６ 法線
７７ 最小法曲線
７８ 最大法曲線

Claims (4)

1. 磁気吸着面に接触する外周面が球面形状をを有する球殻車輪と、
   前記球殻車輪の内側に配置され、永久磁石を保持する磁石保持部と、
   前記球殻車輪の回転とは独立して、前記磁石保持部を第１回転方向に回転可能な第１回転部と、
   前記磁石保持部を前記第１回転方向と直交する第２回転方向に回転可能な第２回転部と、
   前記磁石保持部を前記第１回転方向及び前記第２回転方向と直交する第３回転方向に回転可能な第３回転部と、
   前記球殻車輪を回転駆動する車輪駆動部と、
   前記第１回転部を回転駆動することで前記磁石保持部を前記第１回転方向に回転させる磁石駆動部と、を備える、磁気吸着車輪。
2. 前記第１回転部は、前記球殻車輪の回転軸と同軸に配置され、前記球殻車輪とは独立して回転可能な第１シャフトを有し、
   前記第２回転部は、前記第１シャフトに固定され、前記第１シャフトとともに前記第１回転方向に回転する第２シャフトと、前記第２シャフトに揺動可能に懸架される懸架部と、を有し、
   前記第３回転部は、前記懸架部に対して前記磁石保持部を回転可能とする回転部を有する、
   請求項１に記載の磁気吸着車輪。
3. 前方及び後方に請求項１または請求項２に記載の磁気吸着車輪を設ける一対の部材と、
   前記一対の部材を独立して回転可能に接続する回転機構と、
   前記回転機構と固定されるボディと、を備える車両。
4. 該車両が床面を走行する際、前記床面と接する前記磁気吸着車輪の前記永久磁石保持部は、前記第１回転方向において、前記ボディの方向を向く、
   請求項３に記載の車両。

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