JP2023007617A - 移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】走行時の振動を低減可能な移動体を提供すること。【解決手段】本実施形態に係る移動体は、複数のローラが周方向に配列された一対のホイールが、位相をずらして並列されたオムニホイールを有する移動体であって、複数のローラのそれぞれの軸方向における中央部の剛性が、当該ローラの軸方向における端部の剛性よりも高い、移動体である。【選択図】図３

Description

本発明は、移動体に関し、特にオムニホイールを有する移動体に関する。

オムニホイールは、複数のローラを有するホイールが位相をずらして並列に配置された車輪である。オムニホイールは、ロボットやコンテナ、台車等の移動体のキャスターとして使用される。オムニホイールを備える移動体は、その場での旋回や全方向への移動が可能となる。

特許文献１には、オムニホイールの利用例として、曲率が途中で変化する湾曲路面を走行する場合であっても、オムニホイールに比べてバレル（ローラ）が路面に当接する割合を増加させたオムニホイールアセンブリに関する技術が開示されている。

特開２０１７－１４９２６２号公報

オムニホイールを構成するホイールはそれぞれ位相をずらして構成されているので、オムニホイールを有する移動体が走行するときには、片方のホイールのローラのみが接地するタイミングがある。このとき、荷重が片方のホイールのローラにのみ印加されるため、両方のホイールのローラで接地しているときよりも車軸が沈み込むことになる。これによって、走行時に移動体が振動するという問題があった。特許文献１の方法であっても、走行時には片方のホイールのローラでの接地及び両方のホイールのローラでの接地が繰り返されるため、移動体の振動が発生する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、走行時の振動を低減可能な移動体を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る移動体は、
複数のローラが周方向に配列された一対のホイールが、位相をずらして並列されたオムニホイールを有する移動体であって、
前記複数のローラのそれぞれの軸方向における中央部の剛性が、当該ローラの軸方向における端部の剛性よりも高い、移動体である。

オムニホイールを有する移動体の走行時において、両方のホイールのローラで荷重を受けたときには、２つのローラの端部で荷重を受けることになるため、荷重が分散される。一方で、片方のホイールのローラのみで荷重を受けたときには、１つのローラの中央部で荷重を受けることになり、両方のホイールのローラで荷重を受けるときに比べて車軸の沈み込みが大きくなる。
本発明の一態様に係る移動体では、ローラの軸方向における中央部の剛性が当該ローラの軸方向における端部の剛性よりも高いため、片方のホイールのローラのみで荷重を受けたときの車軸の沈み込みが低減される。つまり、本発明の一態様に係る移動体では、片方のホイールのローラのみで荷重を受けたときの車軸の沈み込む量と、両方のホイールのローラで受けたときの車軸の沈む込む量とを均一に近づけることができる。これにより、移動体における走行時の振動を低減することができる。

本発明により、走行時の振動を低減可能な移動体を提供することができる。

第１の実施形態に係る移動体の斜視図である。 第１の実施形態に係るオムニホイールの斜視図である。 第１の実施形態に係るオムニホイールの正面図である。 第１の実施形態に係るオムニホイールの正面図である。 第１の実施形態に係るローラの断面図である。 比較例に係るオムニホイールの片方のホイールのローラが接地する様子を示す図である。 比較例に係るオムニホイールの両方のホイールのローラが接地する様子を示す図である。 比較例に係るオムニホイールの片方のホイールのローラの地面との接地部を示す図である。 比較例に係るオムニホイールの両方のホイールのローラの地面との接地部を示す図である。 比較例に係るオムニホイールの軸の上下振動を示すグラフである。 第１の実施形態に係るオムニホイールの軸の上下振動を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜第１の実施形態＞
図１を参照して、第１の実施形態に係る移動体について説明する。図１は、第１の実施形態に係る移動体の斜視図である。

図１に示すように、移動体１０はオムニホイール１を有する。移動体１０は、オムニホイール１を駆動させることで、その場での旋回や全方向への移動を行うことができる。例えば、移動体１０は、物や人を運搬するモビリティとして使用することができる。例えば、図１に示すように、移動体１０には、物品１２の格納等に使用可能なフレーム状の胴部１１が設けられていてもよい。これにより、移動体１０は、物品１２の輸送を行うことができる。

また、図１では、移動体１０は、互いに対向する３対（すなわち合計６つ）のオムニホイール１を備えているが、オムニホイール１の数はこれに限られず、移動体１０として使用可能な任意の数としてもよい。なお、移動体１０は、自律行動するモビリティであってもよく、移動体１０の管理者等からの指示に基づいて行動するモビリティであってもよい。

図２は、第１の実施形態に係るオムニホイール１の斜視図である。オムニホイール１は、複数のローラ２が周方向に配列された一対のホイール３が、位相をずらして並列されたものである。図２では、ホイール３には、それぞれ４つのローラ２が周方向に９０度毎に設けられている。また、オムニホイール１は、一対のホイール３がそれぞれ４５度位相をずらし、並列に配置されている。そのため、一方のホイール３において隣接するローラ２の間に、他方のホイール３に設けられたローラ２が位置する。
ただし、ホイール３が備えるローラ２の数はこれに限られず、３つ、５つなど任意の数で構成することができる。また、ローラ２の数に応じて、一対のホイール３の位相のずれを変更することで、任意の数のローラ２を有するオムニホイール１を構成することができる。

ホイール３に設けられた４つのローラ２の回転軸は、それぞれホイール３の回転軸と垂直である。そのため、オムニホイール１は、ホイール３の周方向の回転による第１の方向への移動、及びローラ２の回転による第１の方向と垂直な第２の方向への移動を行うことができる。これにより、オムニホイール１を有する移動体１０は、その場での旋回や全方向への移動を行うことができる。上述したように、ホイール３の周方向への回転に伴い、接地するローラ２の数が変化する。

図３は、第１の実施形態に係るオムニホイール１の正面図である。図３に示すように、複数のローラ２のそれぞれの軸方向における中央部４の剛性が、ローラ２の軸方向における端部５の剛性よりも高い。これにより、片方のホイール３のローラ２のみで荷重を受けたときの車軸の沈み込む量と、両方のホイール３のローラ２で受けたときの車軸の沈む込む量とを均一に近づけることが可能となる。つまり、ホイール３の周方向におけるローラ２の剛性を均一に近づけ、ローラ２の変形、つまりホイール３の沈み込みを均一に近づけることで、移動体１０の上下振動を抑制することができる。これにより、移動体１０における走行時の振動を低減することができる。

図４に示すように、ホイール３の周方向におけるローラ２の剛性を均一に近づけるために、複数のローラ２のそれぞれの軸方向の長さをＬとしたとき、中央部４の長さをＬ／４～３Ｌ／４とすることが好ましく、Ｌ／２とすることがさらに好ましい。これにより、ホイール３の周方向の回転において、ローラ２の変形の度合を均一に近づけ、ホイール３の沈み込みをより均一に近づけることができ、走行時における移動体１０の振動をさらに低減することができる。

図５は、第１の実施形態に係るローラ２の断面図である。第１の実施形態に係るローラ２は、穴部６、芯金７、タイヤ部８を有する。穴部６は、芯金７に設けられた空洞部であり、ホイール３とローラ２を連結し、ローラ２を回転させるための回転軸を設けるために使用される。芯金７は、例えば、アルミニウムや鋼などの金属を用いることができる。

タイヤ部８は、芯金７を覆う弾性部材である。タイヤ部８の端部５は一般材で構成され、タイヤ部８の中央部４は当該一般材よりも剛性が高い高剛性材で構成される。高剛性材は、一般材よりもヤング率が大きい材料である。これにより、ローラ２は、中央部４の剛性を端部５の剛性よりも高く構成することができる。移動体１０の振動を低減する点から、中央部４の剛性は、端部５の剛性の１．５～２．５倍であることが好ましく、２倍であることがさらに好ましい。

タイヤ部８の中央部４及び端部５は、ウレタンやゴム材料を含む。例えば、端部５を構成する一般材には９０ＭＰａ程度のウレタン又はゴム材料を使用することが好ましく、中央部４を構成する高剛性材には、１８０ＭＰａ程度のウレタン又はゴム材料を使用することが好ましい。

以下、比較例に係るオムニホイールを有する移動体と、本実施形態に係るオムニホイール１を有する移動体１０とにおける走行時の振動の程度を比較する。まず、比較例に係るオムニホイールの振動発生のメカニズムについて説明する。

図６は、比較例に係るオムニホイールの片方のホイールのローラが接地する様子を示す図である。このとき、１つのローラのみが接地している。また、図７は、比較例に係るオムニホイールの両方のホイールのローラが接地する様子を示す図である。このとき、２つのローラが接地している。ここで、接地長さとは、接地した時の沈み込みの深さに対応する。つまり、接地長さが長いほど沈み込みが深いことを示す。

図６に示す片方のホイールのローラにおける接地長さは、図７に示す両方のホイールのローラにおける接地長さよりも長い。つまり、片方のホイールのローラで接地する場合、両方のホイールのローラで接地する場合に比べて、沈み込みが深くなる。

また、図８は、比較例に係るオムニホイールの片方のホイールのローラの地面との接地部を示す図である。このとき、１つのローラのみが接地している。図９は、比較例に係るオムニホイールの両方のホイールのローラの地面との接地部を示す図である。このとき、２つのローラが接地している。ここで、接地部の面積の大きさは、接地した時の沈み込みの深さに対応する。つまり、接地部の面積が広いほど沈み込みが深いことを示す。

図８に示す片方のホイールのローラにおける接地部は、図９に示す両方のホイールのローラにおける接地部よりも面積が大きい。つまり、片方のホイールのローラで接地する場合、両方のホイールのローラで接地する場合に比べて、沈み込みが深くなる。

図１０は、比較例に係るオムニホイールの軸の上下振動を示すグラフである。オムニホイールの片方のホイールのローラが地面に接地したタイミングを０秒、変位を０ｍｍとして、オムニホイールの軸の上下振動を測定した。比較例に係るオムニホイールのローラの素材は、本実施形態に係るローラ２の端部５と同じ一般材を使用している。

まず、片方のホイールのローラが接地したとき、ローラが弾性を有するため、移動体の自重による振動が発生する。図１０より、接地直後の変位は１．０ｍｍであり、時間の経過とともに振動が低減し、０．６ｍｍ付近で安定となる。

その後０．６秒から、オムニホイールのホイールを周方向に回転させるように駆動させて、移動体の走行時における振動を測定した。具体的には、オムニホイールを０．６秒から１．０秒まで加速させ、１．０秒からは回転数を一定とし、５ｋｍ／ｈの定速で走行を行った。図１０に示されているように、０．６秒から振動が発生し、定常走行時の１．０秒以降は変位が０．３～０．９ｍｍの範囲で振動している。

走行時の変位が０．３ｍｍと小さいとき、つまり、沈み込みが小さいときは、図７、図９に示したように両方のホイールのローラで接地しているときである。一方で、走行時の変位が０．９ｍｍと大きいとき、つまり、沈み込みが大きいときは、図６、図８に示したように片方のホイールのローラで接地しているときである。

以上のように、比較例に係るオムニホイールを有する移動体において、片方のホイールのローラで接地するときには、荷重を１つのローラのみで受けるため沈み込みが大きくなる。一方で、両方のホイールのローラで接地するときには、荷重が２つのローラに分散されるため沈み込みが小さくなる。走行時にはこれらが繰り返されることによって、上下振動が発生する。

図１１は、第１の実施形態に係るオムニホイール１の軸の上下振動を示すグラフである。
図１０と同様に、オムニホイール１の片方のホイール３のローラ２が地面に接地したタイミングを０秒、変位を０ｍｍとして、オムニホイール１の軸の上下振動を測定した。オムニホイール１のローラ２は、中央部４に高剛性材、端部５に一般材を使用している。

まず、片方のホイール３のローラ２が接地したとき、ローラ２が弾性を有するため移動体の自重による振動が発生する。このとき、ローラ２は、中央部４で接地している。図１１より、接地直後の変位は約０．６ｍｍであり、時間の経過とともに振動が低減し、０．４ｍｍ付近で安定となる。高剛性材を使用している中央部４で接地しているため、自重による沈み込みが図１０に比べて小さくなっている。

その後０．６秒から、オムニホイール１のホイール３を周方向に回転させるように駆動させて、移動体の走行時における振動を測定した。具体的には、オムニホイール１を０．６秒から１．０秒まで加速させ、１．０秒からは回転数を一定とし、５ｋｍ／ｈの定速で走行を行った。図１１に示されているように、０．６秒から振動が発生し、定常走行時の１．０秒以降は変位が０．３～０．６ｍｍの範囲で振動している。

走行時の変位が０．３ｍｍと小さいとき、つまり、沈み込みが小さいときは、両方のホイール３のローラ２で接地しているときである。一方で、走行時の変位が０．６ｍｍと大きいとき、つまり、沈み込みが大きいときは、片方のホイール３のローラ２で接地しているときである。図１１を図１０と比較すると、第１の実施形態に係る移動体１０では、振動幅が約１／２に低減されている。

以上説明したように、本実施形態に係る移動体１０は、ローラ２の中央部４の剛性を端部５の剛性よりも高くすることで、走行時における振動を低減することができる。

＜ローラの製造方法＞
図５を用いて、ローラ２の製造方法について説明する。ローラ２は、インサート成形、組付け等の方法を用いて製造することができる。

インサート成形では、図５に示すような穴部６を有する芯金７を樹脂型にセットし、高剛性材を樹脂充填し、中央部４を成形する。次に、端部５を成形する樹脂型にセットし、一般材を充填することで、本実施形態に係るローラ２を成形することができる。
なお、タイヤ部８の部分がキャビティとなっている樹脂型に、芯金７をセットし、中央部４を成形するための高剛性材及び端部５を成形するための一般材を同時に充填することで、本実施形態に係るローラ２を成形してもよい。

組付けでは、まず、中央部４に用いる高剛性材と端部５に用いる一般材とを個別に成形する。次に、芯金７に高剛性材を圧入し、芯金７と高剛性材との間を接着剤で固定する。その後、一般材を芯金７の両側から圧入し、一般材と芯金７との間及び高剛性材と一般材との間を接着剤で固定する。以上のような方法を用いて、本実施形態に係るローラ２を製造することもできる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ オムニホイール
２ ローラ
３ ホイール
４ 中央部
５ 端部
６ 穴部
７ 芯金
８ タイヤ部
１０ 移動体
１１ 胴部
１２ 物品

Claims (4)

1. 複数のローラが周方向に配列された一対のホイールが、位相をずらして並列されたオムニホイールを有する移動体であって、
   前記複数のローラのそれぞれの軸方向における中央部の剛性が、当該ローラの軸方向における端部の剛性よりも高い、
   移動体。
2. 前記中央部の剛性が、前記端部の剛性の１．５～２．５倍である、
   請求項１に記載の移動体。
3. 前記複数のローラのそれぞれの軸方向の長さをＬとしたとき、前記中央部の長さがＬ／４～３Ｌ／４である、
   請求項１又は２に記載の移動体。
4. 前記中央部及び前記端部が、ウレタン又はゴム材料を含む、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の移動体。

Images