JP5240683B2 - ロッカークローラを付加した走行機構 - Google Patents

Description

本発明は、柔らかい路面を岩石や起伏を乗り越えながら走破する車両の懸架方式(サスペンション)を備えた走行機構に関するもので、特に、土壌の許容支持力が極端に小さく、かつリソース（重量、電力等）が限られる月面や惑星の移動用車両に適した走行機構に関する。

月や惑星の表面土壌は堅固な地盤ではなく、一般には粉体の堆積土壌が想定される。粉体の堆積土壌のように、許容支持力が極端に小さい月や惑星上で走破性を上げるには、車両重量を広い接地面積に分散し、接地圧を下げて走行することが不可欠である。
走破性の高い地上車両としては、履帯を装備した戦車等のクローラ型車両が挙げられるが、重量と消費エネルギーが大きいこと、履帯の部品点数が多く故障個所が多くなることがネックとなり、まだ宇宙での実用化はされていない。
特許文献１には、旋回性に優れ、大きな段差を乗越えることができ、高さ方向あるいは幅方向が狭い狭小空間への進入が可能で、且つ重心のバランスを常に最適に維持して走行性を高めたクローラ型走行ロボットを提供することを目的とした「クローラ型走行ロボット」が提案されている。この発明は、図７に示すように、ベースｂと、ベースｂの左右両側にそれぞれ設けたクローラｃと、ベースｂ上に設けたアームｄからなるクローラ型走行ロボットａにおいて、各クローラｃは、前後方向の一方の端部に設けられた駆動ホイルｅと、駆動ホイルｅを駆動する走行モータｉと、前後方向の他方の端部に設けられた遊転ホイルｆと、駆動ホイルｅ及び遊転ホイルｆに係合して両ホイル間に巻き渡されたエンドレストラックｈと、クローラ中央部でエンドレストラックｈに係合する中央ホイルｇと、中央ホイルｇを駆動する中央モータｊからなり、同軸上に配置された左右の中央ホイルｇは、ベースｂに対し相互に独立して正逆方向に回転可能に連結されたものである。これは、震災地などの被災地で、瓦礫に埋もれた被災者を発見し救出するために、あるいは爆発物や有毒ガスなどによる被害のおそれがある危険地域における探索活動等のために開発されたものであって、比較的小型の地上用クローラ車であるが、戦車型の２帯(履帯が二式)が普通であり、差動で方向を変える際に大きなエネルギー（電力）が必要となることや、乗り越え時に車体の姿勢が大きく変化するという難点がある。

災害救援ロボットなどには４帯のクローラ(左右２式ずつ)のものもあるが(特許文献２、３参照)、クローラ自体を回転させる駆動系を追加するなど、複雑な構成となってしまう難点がある。また、普通乗用車に装着可能なゴム製の４クローラが販売されているが、前後対象な形状で重心が履帯中央にあるため、乗り越え時につまずき現象が避けられない(非特許文献２参照)。
月惑星用の走行系としては車輪を使ったＮＡＳＡのロッカーボギー方式に実績がある。これは非特許文献３において紹介されており、図８に示されるように、単体の車輪は原理的に車輪半径以下の障害物しか乗り越えられないため、車輪直径以上の障害物を乗り越えられるサスペンションが工夫されており、岩石や起伏が多い荒い地形でも転倒や破損を回避して走行できる機能を備えている。しかし、火星の砂地でスタックするなど、柔らかい路面での走行性能が不十分という問題点をもっている。
また、非特許文献１にも車輪型でサスペンションが異なる方式のものが開示されているが、車輪型であるため、車輪数を相当増やすか車輪を大型化しない限り、柔らかい路面での走行性能は上がらない。
特開２００５−１１１５９５号公報 「クローラ型走行ロボット」 平成１７年４月２８日公開 特開平９−２４０５２１号公報 「災害救援ロボット」 平成９年９月１６日公開 特開２００２−２５４３６３号公報 「走行式作業ロボット」 平成１４年９月１０日公開 http://www.bluebotics.com/solutions/Shrimp/spec.pdf http://www1.odn.ne.jp/~aaa33090/super.htm 佐藤、石井、「不整地走行機構を有する移動ロボットの試作および性能評価」、日本機械学会[No.03-4]ロボティクス・メカトロニクス講演会'03講演論文集5月2003年

上記のように、従来の走行機構には一長一短があり、土壌の許容支持力が極端に小さい月面や惑星の移動用車両に適した走行機構に適したものが存在しない。本発明の課題は、許容支持力の極端に小さい砂地等の土壌で、スタック回避と岩石・起伏の走破とを両立させる懸架方式(サスペンション)、シンプルで信頼性の高い懸架機構、パッシブな機構を活用して駆動部分を減らし、構成が簡単で故障モードの少ないサスペンション方式、更には省エネルギーの走行機構を提供することにある。

本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、前後左右４つのクローラを備え、前後のクローラはフリージョイントを介してロッカーで結合されると共に、左右のロッカーはそれぞれが互いに車両本体幅方向を軸とする回転に拘束されない形態で接続されるロッカーボギーサスペンションとした。
そして、１つの形態では、左右のロッカーの一方は車両本体に剛に固定され、他方は回転自在に接続されるようにし、他の形態では左右のロッカーには横方向に互いに対向するシャフトが設けられ、両シャフトは差動ジョイントを介して接続されると共に、前記シャフトは車両本体に取り付けられた軸受によってそれぞれ回転自在に支承され、前記差動ジョイントの固定部は前記車両本体に固定されたものを提示した。
本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、上記構成に加え、前後のクローラにロッカーを取付けるフリージョイントの位置は、当該クローラの後方に下げるようにした。
本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、各クローラが１つの駆動輪と複数の転輪及びフレームとからなり、前記駆動輪とフレームとはフリージョイントに同軸に支承され、前記転輪を履帯で張り巡らされた形態でを提示した。

本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、クローラの採用により接地面積を増やし、接地圧を下げることで、柔らかい路面の起伏を効率よく走破可能となる。また、クローラ単体がボギーとして機能するものであるから、クローラの高さ(転輪の接地位置と前方誘導輪の回転軸までの高さ)以上の高さの段差を乗り越えることが可能である。
本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、各クローラが１つの駆動輪と複数の転輪及びフレームとからなり、前記駆動輪とフレームとはフリージョイントに同軸に支承され、前記転輪を履帯で張り巡らされた形態でを採るものであるから、１つの駆動輪で１つのボギーを構成し、地形に依存するパッシブな動作を実現できるため、構成が簡単で故障を起す危険性が低い。
また、クローラの採用により柔らかい路面でも滑りの小さい走行が可能となるため、瞬時の消費電力が大きくてもトータルの消費電力(ある距離を走る間に消費される電力量)を抑えることができる。また、駆動部分が少ないため、その分電力消費を抑えることができる。

ロッカーボギーサスペンションは車輪径以上の岩石の乗り越えに優れ車体の姿勢変動も少ないが、車輪を使用しているため柔らかい路面でのスタック回避に課題が残る。そこで、本発明では柔らかい路面の走破性向上のため、車輪ではなくクローラを活用したロッカークローラ機構を採用するものとした。クローラ単体がボギーとして機能し、クローラの高さ(転輪の接地位置と前方誘導輪の回転軸までの高さ)以上の高さの段差を乗り越える方式である。本発明の基本構造は図１に示される。左右のロッカー５，６の前後両端位置にそれぞれ２つのクローラ１，３と２，４が駆動輪１３周りのフリージョイント８を介して結合されており、左右のロッカーリンク５，６には横方向に対向してそれぞれのシャフト１０，１１が取り付けられ、両シャフト１０，１１は互いに回転自在に結合されている。図１に示されたものは左右のロッカー５，６の一方は車両本体７と剛に固定される。このような本発明の走行機構における各クローラは駆動輪１３周りのフリージョイント８で連結されているので、紙面左右方向軸周りに自由に回転でき、それぞれの接地状態に応じて独自の傾斜姿勢で走行することが出来る。ただし、フリージョイント８が完全にフリーとした場合、展開時や予期せぬ地形形状によっては不安定となることがあるため、スプリング、ダイレクト駆動電動モータ等の構成を備えることにより、中立姿勢への復帰トルクを付加する機能をもたせることが好ましい。

図２は本発明の走行機構の乗り越え動作の原理を順に示したものである。(１)は平面部を走行する形態を示す。(２)に示すように前方クローラが段差にぶつかると摩擦により前側が持ち上がると共に、駆動輪１３周りのフリージョイント８が機能して徐々にクローラの後方が段差に接触してゆくように前進し(３)、後方部分まで接触してクローラ全体を段差に乗り上げる(４)。次に(５)では後方クローラの先端部が段差と接触し、その摩擦を利用して乗り上げ、前方のクローラと同様に作動して車体全体が段差の上に乗り上げる(６)。段部を越えれば(１)のような平面走行となる。車体重量がクローラ接地面の中央または前寄りにかかると、力のモーメントの関係でクローラの前方が上がりにくく、つまずきが生じて乗り越えができないことがある。そこで、本体とつながる駆動輪１３を履帯の接地長さの中央より後方に下げることで、車体重量の掛かる位置をクローラの後方とし、誘導輪が障害物にぶつかると摩擦で前方が持ち上がり易い構成となっている。

図８に示した先のロッカーボギーサスペンションは車輪を６個使うため６個の駆動部分(モータ等)が必要であり、２つの駆動部分が１つのボギーを構成している。これに対して本発明のロッカークローラではクローラ単体がボギーとして機能し、１つの駆動部分で１つのボギーを構成するので、シンプルで信頼性の高い機構となっている。また、特許文献２，３に示されるものは各クローラが所望の姿勢をとるために走行以外の駆動力を必要としているのに対し、本発明のものは各クローラがそれぞれの接地状態に応じて傾斜姿勢をとるもので、クローラ自体を動かす駆動部分を必要としないパッシブな構成となっている。クローラの採用により柔らかい路面でも滑りの小さい走行を可能にしただけでなく、駆動部分を減らすことで電力を消費する部分を減らす省エネタイプの走行機構を提供する。

最もシンプルな形態の乗り越え機構の１実施例を図１を参照しながら説明する。車体の両側にロッカーリンクに相当する棒材５，６を配し、左右のロッカー５，６には横方向に対向してそれぞれのシャフト１０，１１が取り付けられている。一方のリンク例えば棒材５がシャフト１０を介して車両本体７に剛に固定され、他方のリンク例えば棒材６の中央に固定されたシャフト１１が車体に固定された軸受１２によって回転自在に結合された構成を取る。各クローラは駆動輪１３周りのフリージョイント８を介して支持されているので、それぞれの接地状態に応じて独自の傾斜姿勢で走行することが出来ると共に、前方のクローラ１，２及び／または後ろ方のクローラ３，４は共に操舵軸９の周りに回動制御されて操舵機能を果たす。この実施例では車両本体７は一方のロッカー５と剛に結合されているので、一体構造とみなせ、前後方向の傾斜はクローラ２と４の接地位置に依存するものとなる。また、車両本体７の左右方向の傾斜はクローラ２と４の接地位置の中間点とクローラ１と３の接地位置の中間点とに依存するものとなる。

各クローラは単体として同一物が使用され、この実施例では図１のＢに示されるように、フリージョイント８と同軸である比較的大きな駆動輪１３と複数の転輪１４及びフレーム１５とからなり、当該フレーム１５は前記駆動輪１３と同様フリージョイントに回動自在に支承されている。履帯１６は、駆動輪１３と複数の転輪１４を囲んで略５角形に張り巡らされた形態となっている。最前方に位置する誘導輪は段差に当接し摩擦力でクローラの前方を上方に持ち上げる機能を果たすものであるが、その取り付け位置はクローラの最後方に位置する誘導輪よりも駆動輪１３と同軸のフリージョイント８から遠くなる配置とされる。この構成を採用したことにより、クローラの重量が接地面の中央でなく後方寄りにかかることとなり、前述した力のモーメントによって安定した起伏踏破機能を備えるものとしている。また、平坦部走行時に接地面となる位置には転輪として機能する複数の車輪１４が配置されるが、その数は柔らかい路面上を走行するに際し接地圧が履帯１６の各部分に均等に分配されることを考慮して設計される。以上のような構成を採用して、本実施例では上記の走破性向上を実現する際、馬力で解決するのではなく、速度は遅くとも少ないリソース(消費電力等)で実現できる方式が採用されている。
図５に本実施例のクローラの写真を示し、図６に走行試験の様子を写した写真を示す。

次に、左右のロッカー５，６を差動ギアを含むリンクで車体中央で連結した異なる実施例を示す。この実施例は図３に示されるように左右のロッカー５，６に横方向に互いに対向するシャフト１０，１１が固着され、両シャフトは差動ジョイント１７を介して接続されると共に、前記シャフト１０，１１は車両本体７に取り付けられた２つの軸受１２によってそれぞれ回転自在に支承され、前記差動ジョイント１７の固定部１７ｄは前記車両本体７に固定された構成である。前方のクローラ１，２及び／または後ろ方のクローラ３，４はこの実施例でも共に紙面垂直軸周りに回動制御されて操舵機能を果たす。左右のロッカー５，６には、操舵軸(ステアリング軸)と駆動軸(クローラを回転させるためのモータ駆動軸)を介してクローラが取り付けられ、各クローラは独立に駆動及び操舵される。クローラの駆動軸(モータ等)がスプロケットを回転させることでクローラが走行する。クローラリンク(履帯)を支えるフレームが、駆動軸に対しベアリング等でフリーになっている点、及び、クローラの重量が接地面の中央でなく後方寄りにかかっている点も先の実施例と同様である。

左右のロッカー５，６を差動ギアを含むリンクで車体中央で連結した場合、車両本体７が左右のロッカー５，６と剛に固定されているわけではない。そのため、車両本体７の前後方向の傾斜は左右のロッカー５，６と一義的に対応しない。走行時に地表と衝突することがないように、また、段差のあるところで段差面に当接してしまわないようにする必要がある。この実施例では図４に示すような差動ギヤー機構を提示し、この問題を解決するようにした。すなわち、ロッカー５に固着されたシャフト１０の端部は傘歯車１７ａに接続固定され、ロッカー６に固着されたシャフト１１の端部は傘歯車１７ｂに接続固定される。両傘歯車１７ａ，１７ｂと噛合わされた傘歯車１７ｃは両傘歯車１７ａ，１７ｂの回転の差動分を回転出力する。この回転量に対応して車両本体７の傾斜角を制御する。すなわち、傘歯車１７ａの回転量はロッカー５の前後のクローラ１，３の接地位置に依存したものであり、傘歯車１７ｂの回転量はロッカー６の前後のクローラ２，４の接地位置に依存したものとなる。したがって、上記の差動機構を採用すれば、車体本体７はロッカー５の傾斜角とロッカー６の傾斜角の中間に対応した傾斜角を採ることとなる。

この他、単純な機構の実施例としては、左右のロッカー５，６の横方向に対向してそれぞれに取り付けられたシャフト１０，１１を互いに回動自在に連結すると共に、左右のロッカー５，６にそれぞれリミッタ部材を取り付け、その許容範囲で車両本体７が適宜の傾斜を採りうる構成としても良い。

本発明のロッカークローラを付加した走行機構は、もともと宇宙用を念頭に開発された装置であるが、その利用分野は宇宙に限らず地上においても軽量で走破性の高い走行機構として、建設機械等に適用可能である。

本発明のロッカークローラを付加した走行機構の１実施例を示す図である。 本発明の走行機構の段差乗り越え動作を説明する図である。 本発明のロッカークローラを付加した走行機構の異なる実施例を示す図である。 上記実施例で用いる差動ギヤを説明する図である。 本実施例のクローラを撮影した写真である。 本発明の実施例で走行試験を実施した様子を写した写真である。 公知の「クローラ型走行ロボット」の構成を説明する図である。 ＮＡＳＡが開発したロッカーボギーとその段差乗り越え動作を説明する図である。

符号の説明

１，２，３，４ クローラ ５，６ ロッカー
７ 車体本体 ８ フリージョイント
９ 操舵軸 １０，１１ シャフト
１２ 軸受 １３ 駆動輪
１４ 車輪 １５ フレーム
１６ 履帯 １７ 差動ギヤー
１７ａ,１７ｂ,１７ｃ 傘歯車 １７ｄ 差動ギヤー固定部

Claims (5)

1. 前後左右４つのクローラを備え、前後のクローラはフリージョイントを介してロッカーで結合されると共に、左右のロッカーはそれぞれが互いに車両本体幅方向を軸とする回転に拘束されない形態で接続されるロッカーボギーサスペンションとしたロッカークローラを付加した走行機構。
2. 左右のロッカーの一方は車両本体に剛に固定され、他方は回転自在に接続されたものである請求項１に記載のロッカークローラを付加した走行機構。
3. 左右のロッカーには横方向に互いに対向するシャフトが設けられ、両シャフトは差動ジョイントを介して接続されると共に、前記シャフトは車両本体に取り付けられた軸受によってそれぞれ回転自在に支承され、前記差動ジョイントの固定部は前記車両本体に固定されたものである請求項１に記載のロッカークローラを付加した走行機構。
4. 前後のクローラにロッカーを取付けるフリージョイントの位置は、当該クローラの後方に下げるようにした請求項１乃至３のいずれかに記載のロッカークローラを付加した走行機構。
5. 各クローラは１つの駆動輪と複数の転輪及びフレームとからなり、前記駆動輪とフレームとはフリージョイントに同軸に支承され、前記転輪を履帯で張り巡らされた形態である請求項１乃至４のいずれかに記載のロッカークローラを付加した走行機構。