JP5604993B2

JP5604993B2 - 移動装置

Info

Publication number: JP5604993B2
Application number: JP2010126916A
Authority: JP
Inventors: 功幸嵯峨山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011251632A

Description

本発明は、例えば荷役運搬や車いす、ロボットなどに適用可能な自走式の移動装置に関するものである。

自走式の移動装置については、古くから種々のものが開発されている。例えば、下記特許文献１には、複数のフリーローラが外周に沿って配設された、一般にオムニホイールと呼ばれる車輪を、例えば直交２軸方向に２輪ずつ備え、それらの車輪の回転状態を制御することにより、平面上の全方向に移動可能とした移動装置が記載されている。また、この特許文献１には、オムニホイールの軸方向両端部に、障害物乗り越えのために傾斜面部を有するガイド部材を装着することも記載されている。一方、下記特許文献２には、例えば車輪支持部材から４方向に突出したアームの先端部に小さな車輪を取付け、車輪支持部材の中心部に付与した駆動力を各小車輪に伝達し、小車輪が階段の段差に当接して、その回転が規制されると車輪支持部材が回転し、その結果、小車輪が階段の段差を乗り越えて階段を昇降する移動装置が開示されている。また、この特許文献２には、車輪支持部材の回転に伴って階段を昇降するとき、本体の傾きを補正する機構も開示されている。

特開２００８−１５５６５２号公報特開２００２−２６４８５６号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載される移動装置は、階段を昇降することができず、前記特許文献２に記載される移動装置は、平面上の全方向に移動することができない。つまり、階段のある領域で自在に移動できる自走式の移動装置は、未だ開発されていない。
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、階段を昇降することも、平面上の全方向に移動することも可能な移動装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の移動装置は、車両の車体に相当する基体と、鉛直軸回りに回転自在に前記基体に取付けられた複数の車輪支持ユニットと、水平軸回りに回転自在に前記複数の車輪支持ユニットの夫々に取付けられた大車輪と、前記複数の大車輪の夫々の水平回転軸を中心とする同一円周上に等間隔に配設され且つ複数のフリーローラが外周に沿って配設され且つ当該外周の中心に回転軸を有し且つ当該回転軸が水平軸回りに回転自在な複数の小車輪と、前記複数の大車輪の夫々の回転軸に対して駆動力を付与する駆動手段と、前記大車輪の回転軸に付与された駆動力を当該大車輪に取付けられた複数の小車輪の回転軸に伝達する駆動力伝達手段と、前記複数の車輪支持ユニットの夫々を前記鉛直軸回りに回転させる回転手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、前記フリーローラは、前記小車輪の回転軸と捻れの位置にある回転軸回りに回転可能としたことを特徴とするものである。
また、前記回転手段は、全方向移動又は階段昇降の走行状態に応じて前記鉛直軸回りに前記車輪支持ユニットの角度を変更することを特徴とするものである。
また、前記大車輪は、大車輪本体から突設された小車輪取付アームの先端部に前記小車輪の回転軸を回転自在に取付けたことを特徴とするものである。

また、前記車輪支持ユニットに前記駆動手段の駆動源及び回転手段の駆動源を搭載したことを特徴とするものである。
また、前記車輪支持ユニットと大車輪との間に懸架装置を介装したことを特徴とするものである。

而して、本発明の移動装置によれば、基体に取付けられた車輪支持ユニットを回転手段で鉛直軸回りに回転させて、複数の大車輪の水平な回転軸を例えば平面視で直交２軸方向に設定し、駆動手段の駆動力を大車輪の回転軸から駆動力伝達手段を経て小車輪の回転軸に伝達すれば、回転軸が移動方向と直交する小車輪は回転軸回りに回転され、回転軸が移動方向と直交しない小車輪ではフリーローラが自在に回転して平面上の全方向への移動が可能となり、複数の大車輪の水平な回転軸を平面視で全て平行になるように設定し、階段の段差に小車輪が当接してその回転が規制されると、駆動手段の駆動力で大車輪が回転し、当該大車輪に取付けられている他の小車輪が階段の段差を乗り越えるので、階段の昇降が可能となる。

また、フリーローラを、小車輪の回転軸と捻れの位置にある回転軸回りに回転可能としたことにより、回転軸が移動方向と直交しない小車輪でのフリーローラの回転を自在なものとすることができる。
また、回転手段が、全方向移動又は階段昇降の走行状態に応じて前記鉛直軸回りに車輪支持ユニットの角度を変更することとしたため、平面上の全方向への移動と階段の昇降を両立することが可能となる。

また、大車輪本体から突設された小車輪取付アームの先端部に小車輪の回転軸を回転自在に取付けたことにより、大車輪の回転に伴う小車輪の階段段差乗り越えがスムーズになる。
また、車輪支持ユニットに駆動手段の駆動源及び回転手段の駆動源を搭載したことにより、基体に駆動源を搭載する必要がなくなり、レイアウトの自由度が高まる。

また、車輪支持ユニットと大車輪との間に懸架装置を介装したことにより、傾斜や小さな段差乗り越えが容易となると共に、基体の姿勢を安定させることが可能となる。

本発明の移動装置の一実施形態を示す全体斜視図である。図１の車輪構造の詳細図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。図２の車輪構造に用いられた小車輪の詳細図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。図１の移動装置の回転手段による作用の概略説明図である。図１の移動装置で平面の全方向に移動するときの平面図である。図１の移動装置で階段を昇降するときの平面図である。本発明の移動装置の他の実施形態を示す回転手段の縦断面図である。

「第１の実施形態」
次に、本発明の移動装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態の移動装置の全体構成を示す斜視図である。図中の符号１は、本実施形態の移動装置の台車構造の基部となる基体である。本実施形態の基体１は、図のような方形の板体であるが、後述する車輪構造を取付ける基体１は、どのような形態のものであってもよく、本実施形態の移動装置は自走式なので、例えば車いすや荷役運搬車両の車体などが挙げられる。また、後述するようにロボットの下方に取り付けるものなども挙げられる。

前記方形の基体１の四隅には、鉛直軸回りに回転自在に、計４つの車輪支持ユニット２が取付けられている（図１では、奥方の１つの車輪支持ユニット２は隠れて見えない）。本実施形態では、鉛直軸回りに回転自在に車輪支持ユニット２を基体１に取付けるために、図２に示す波動歯車装置３を介装している。周知のように、波動歯車装置は、内歯歯車と、内歯歯車より歯数が少なく且つ弾性変形可能な外歯歯車と、外歯歯車の内孔に差し込まれた楕円軸とを備え、内歯歯車の内側に、楕円形に撓んだ外歯歯車が噛合しており、楕円軸が１回転すると、外歯歯車と内歯歯車の歯数差分だけ、外歯歯車が回転するものである。この波動歯車装置では、楕円軸と外歯歯車の間には多数のボールが介在しているので、楕円軸が高速回転しても、１回転あたり外歯歯車と内歯歯車の歯数差分しか回転しない、つまり大減速比が得られることから、少ない部品点数、軸線方向の薄さ、大減速比が特徴である。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、軸線方向が鉛直方向となるようにして波動歯車装置３を車輪支持ユニット２に取付け、外歯歯車を基体１に固定し、楕円軸を傘歯車機構の傘歯ギヤ４に連結する。傘歯車機構の傘歯ピニオン５は、後述する回転手段の駆動源に減速歯車機構を介して連結されており、当該回転手段の駆動源によって傘歯ピニオン５が回転されると、傘歯ピニオン５に噛合する傘歯ギヤ４が回転し、車輪支持ユニット２が鉛直軸回りに回転される。なお、波動歯車装置３に代えて、周知のサイクロ減速機やボール減速機などを用いることも可能である。また、減速歯車機構や傘歯車機構によって十分な減速比が得られる場合には、後述するように、車輪支持ユニット２の取付部分に減速機構を介装しなくてもよい。

車輪支持ユニット２には、懸架装置６を介して大車輪７が、水平軸回りに回転自在に取付けられている。懸架装置６は、所謂ダブルウィッシュボーンタイプであり、ナックル８と車輪支持ユニット２を、上下に並べたＡアーム９で連結し、その上方では、ナックル８の上部と車輪支持ユニット２の上部との間にスプリング付きショックアブソーバ１０を介装した。ナックル８には、大車輪７を水平軸回りに回転させる大車輪回転軸１１が挿通されている。

大車輪７は、所謂車輪構造をしていない。この大車輪７では、軸線方向両端部に配設された２枚の板状の大車輪本体１２から４方向に向けて小車輪取付アーム１３が突設され、対向する小車輪取付アーム１３間に小車輪１４の小車輪回転軸１５が水平軸回りに回転自在に取付けられている。即ち、大車輪７には、４つ（複数）の小車輪１４が大車輪回転軸１１を中心とする同一円周上に等間隔に配設され、各小車輪１４は水平な小車輪回転軸１５回りに回転自在に取付けられている。

小車輪１４の詳細を図３に示す。この小車輪１４は、前記特許文献１にも記載されるように、一般にオムニホイールと呼ばれるものであり、ロボット業界では車輪型のロボットに使用されている。この小車輪１４は、その外周に沿って６個のフリーローラ１６が配設される。本実施形態では、外周１列あたり３個のフリーローラ１６を、軸線方向に２列並べて配設している。フリーローラ１６は、小車輪１４の外周円弧の回転体からなる繭状体であり、その長手に設けられたフリーローラ回転軸１７が小車輪１４の小車輪回転軸１５とは平行でなく且つ交差しないように、つまり捻れの位置になるように保持部材１８に回転自在に取付けられている。但し、フリーローラ１６は小車輪１４の外周に沿って配設されているので、フリーローラ回転軸１７は小車輪回転軸１５と異なる平面上で直角をなす。従って、小車輪１４の小車輪回転軸１５回りに駆動力を付与すると、フリーローラ１６は回転せず、小車輪１４の外周が床面を転がって回転する。一方、小車輪１４の外周を床面に当接して小車輪回転軸１５回りと異なる方向に移動させようとすると、フリーローラ１６が回転して移動を妨げない。

前記大車輪回転軸１１には１つの歯車１９が取付けられており、その歯車１９に噛合する４つの歯車２０が前記４つの小車輪取付アーム１３の夫々の側に配設されている。つまり、各小車輪取付アーム１３に１つずつ歯車２０が設けられている。これら４つの歯車２０の回転軸にはプーリ２１が取付けられ、そのプーリ２１と前記小車輪回転軸１５に取付けられたプーリ２２との間にタイミングベルト２３が巻回されている。この歯車１９、２０、プーリ２１、２２、タイミングベルト２３が駆動力伝達手段を構成している。

一方、車輪支持ユニット２の下部には、駆動手段の駆動源として第１電動モータ２４が軸線方向を水平向きにして搭載されている。この第１電動モータ２４は、車輪支持ユニット２の大車輪７と反対側に設けられた第１歯車機構２５を介して車輪支持ユニット２内のドライブシャフト２６に連結され、ドライブシャフト２６は等速ジョイント２７を介して大車輪回転軸１１に連結されている。従って、第１電動モータ２４の駆動力は、第１歯車機構２５、ドライブシャフト２６、等速ジョイント２７を介して大車輪回転軸１１に付与される。しかしながら、小車輪１４の回転が規制されない場合、大車輪回転軸１１に付与された駆動力は、前記駆動力伝達手段である歯車１９、２０、プーリ２１、２２、タイミングベルト２３を介して小車輪回転軸１５に伝達されるので、大車輪７（正確には大車輪本体１２）は回転せず、小車輪１４だけが回転駆動される。一方、小車輪１４の回転が規制される場合には、前記駆動力伝達手段に伝達しようとする駆動力の反力で大車輪７（正確には大車輪本体１２）が回転駆動される。なお、等速ジョイント２７に代えて、周知のユニバーサルジョイントやシュミットカップリングなどを使用することも可能である。

また、車輪支持ユニット２の上部には、前記回転手段の駆動源として第２電動モータ２８が軸線方向を水平向きにして搭載されている。この第２電動モータ２８は、車輪支持ユニット２の大車輪と反対側（即ち、第１歯車機構２５と同じ側）に設けられた第２歯車機構２９を介して車輪支持ユニット２内の傘歯車軸３０に連結されている。この傘歯車軸３０に前記傘歯ピニオン５が取付けられ、その傘歯ピニオン５に傘歯ギヤ４が噛合している。従って、第２電動モータ２８を回転駆動すると、その駆動力は第２歯車機構２９から傘歯車軸３０、傘歯ピニオン５、傘歯ギヤ４の順に伝達され、前述した波動歯車装置３を介して車輪支持ユニット２自体に作用し、波動歯車装置３の軸線、即ち鉛直軸回りに車輪支持ユニット２が回転する。

図４は、本実施形態の移動装置を模式的に表した平面図である。本実施形態では、前記第１電動モータ２４による大車輪７（正確には大車輪本体１２）若しくは小車輪１４の駆動に加えて、第２電動モータ２８によって車輪支持ユニット２を鉛直軸回りに回転し、大車輪回転軸１１（図２では等速ジョイント２７の位置に相当）の向きを変更することができる。そこで、移動方向を変えるたびに大車輪回転軸１１の向きを変更することなく、平面上の全方向に移動する場合には、例えば図５ａ或いは図５ｂに示すように、回転手段の駆動源である第２電動モータ２８によって車輪支持ユニット２を鉛直軸回りに回転して大車輪回転軸１１の向きを平面視直交２軸方向に設定し、駆動手段の駆動源である第１電動モータ２４によって大車輪７の大車輪回転軸１１から駆動力伝達手段を経て小車輪１４の小車輪回転軸１５に伝達すれば、小車輪回転軸１５が移動方向と直交する小車輪１４は小車輪回転軸１５回りに回転駆動され、小車輪回転軸１５が移動方向と直交しない小車輪１４ではフリーローラ１６が自在に回転して平面上の全方向への移動が可能となる。

一方、階段を昇降する場合には、図６に示すように、回転手段の駆動源である第２電動モータ２８によって車輪支持ユニット２を鉛直軸回りに回転して大車輪回転軸１１の向きを平面視（鳥瞰）で全て平行に設定し、駆動手段の駆動源である第１電動モータ２４によって大車輪７の大車輪回転軸１１から駆動力伝達手段を経て小車輪１４の小車輪回転軸１５に伝達すれば、大車輪回転軸１１（小車輪回転軸１５も同じ）と直交する方向に移動する。移動方向先端の小車輪１４が、図２ｂに二点鎖線で示すように、階段の段差に当接すると、その小車輪１４の回転が規制され、その小車輪１４を含む大車輪７上の全ての小車輪１４の回転が停止する。このように小車輪１４の回転が規制されると、駆動力伝達手段から小車輪回転軸１５に伝達しようとする駆動力の反力で大車輪７（正確には大車輪本体１２）が図２ｂの矢印方向に回転し、例えば図２ｂでは右上の小車輪１４が階段の段差を乗り越えて次の階段に乗り移る。このように小車輪１４が階段の段差を乗り越えて次の階段に上れば、その小車輪１４に伝達された回転駆動力で次の階段上を移動し、更に次の階段の段差に突き当たると前記が繰り返され、これにより階段を昇降することができる。

このように本実施形態の移動装置では、基体１に取付けられた車輪支持ユニット２を回転手段で鉛直軸回りに回転させて、複数の大車輪７の水平な大車輪回転軸１１を例えば平面視で直交２軸方向に設定し、駆動手段の駆動力を大車輪７の大車輪回転軸１１から駆動力伝達手段を経て小車輪１４の小車輪回転軸１５に伝達すれば、小車輪回転軸１５が移動方向と直交する小車輪１４は小車輪回転軸１５回りに回転され、小車輪回転軸１５が移動方向と直交しない小車輪１４ではフリーローラ１６が自在に回転して平面上の全方向への移動が可能となり、複数の大車輪７の水平な大車輪回転軸１１を平面視で全て平行になるように設定し、階段の段差に小車輪１４が当接してその回転が規制されると、駆動手段の駆動力で大車輪７（大車輪本体１２）が回転し、当該大車輪７に取付けられている他の小車輪１４が階段の段差を乗り越えるので、階段の昇降が可能となる。

また、フリーローラ１６を、小車輪１４の小車輪回転軸１５と捻れの位置にあるフリーローラ回転軸１７回りに回転可能としたことにより、小車輪回転軸１５が移動方向と直交しない小車輪１４でのフリーローラ１６の回転を自在なものとすることができる。
また、回転手段が、全方向移動又は階段昇降の走行状態に応じて鉛直軸回りに車輪支持ユニット２の角度を変更することとしたため、平面上の全方向への移動と階段の昇降を両立することが可能となる。

また、大車輪本体１２から突設された小車輪取付アーム１３の先端部に小車輪１４の小車輪回転軸１５を回転自在に取付けたことにより、大車輪７（大車輪本体１２）の回転に伴う小車輪１４の階段段差乗り越えがスムーズになる。
また、車輪支持ユニット２に駆動手段の駆動源（第１電動モータ２４）及び回転手段の駆動源（第２電動モータ２８）を搭載したことにより、基体１に駆動源を搭載する必要がなくなり、レイアウトの自由度が高まる。
また、車輪支持ユニット２と大車輪７との間に懸架装置６を介装したことにより、傾斜や小さな段差乗り越えが容易となると共に、基体１の姿勢を安定させることが可能となる。

「第２の実施形態」
図７には、本発明の移動装置の他の実施形態として、前記波動歯車装置をはずした回転手段の縦断面図を示す。同図に用いられる傘歯車機構や車輪支持ユニットは、前記図２に示すものと同様であるので、同等の構成には同等の符号を付して、その詳細な説明を省略する。この実施形態では、基体１として、例えばロボットの基礎台を想定している。本実施形態では、傘歯ギヤ４と一体に回転する取付軸３１の上端部にフランジ部３２を形成し、そのフランジ部３２をロボットの基礎台などからなる基体１に、ネジ穴３３を用いて固定する。取付軸３１と車輪支持ユニット２との間には軸受３４が介装されており、軸受３４の内輪は取付軸３１のネジ部に螺合された軸受止め用ナット３５で取付軸３１に固定され、軸受３４の外輪は軸受カバー３６によって車輪支持ユニット２に固定されている。そのため、回転手段の駆動源である第２電動モータ２８によって傘歯ピニオン５が回転されると、傘歯ギヤ４が回転しようとするが、基体１の上部に設けられたロボットなどの装置の方が重いので、実際には傘歯ギヤ４は回転せず、車輪支持ユニット２が回転される。
なお、前記実施形態では、大車輪７を４つ設けたものについてのみ詳述したが、本発明の移動装置では、大車輪は、平面を構成する３つ以上であればいくつでもよい。

１は基体、２は車輪支持ユニット、３は波動歯車装置、４は傘歯ギヤ、５は傘歯ピニオン、６は懸架装置、７は大車輪、８はナックル、９はＡアーム、１０はスプリング付きショックアブソーバ、１１は大車輪回転軸、１２は大車輪本体、１３は小車輪取付アーム、１４は小車輪、１５は小車輪回転軸、１６はフリーローラ、１７はフリーローラ回転軸、１８は保持部材、１９、２０は歯車、２１、２２はプーリ、２３はタイミングベルト、２４は第１電動モータ、２５は第１歯車機構、２６はドライブシャフト、２７は等速ジョイント、２８は第２電動モータ、２９は第２歯車機構、３０は傘歯車軸、３１は取付軸、３２はフランジ部、３３はネジ穴、３４は軸受、３５は軸受止め用ナット、３６は軸受カバー

Claims

車両の車体に相当する基体と、鉛直軸回りに回転自在に前記基体に取付けられた複数の車輪支持ユニットと、水平軸回りに回転自在に前記複数の車輪支持ユニットの夫々に取付けられた大車輪と、前記複数の大車輪の夫々の水平回転軸を中心とする同一円周上に等間隔に配設され且つ複数のフリーローラが外周に沿って配設され且つ当該外周の中心に回転軸を有し且つ当該回転軸が水平軸回りに回転自在な複数の小車輪と、前記複数の大車輪の夫々の回転軸に対して駆動力を付与する駆動手段と、前記大車輪の回転軸に付与された駆動力を当該大車輪に取付けられた複数の小車輪の回転軸に伝達する駆動力伝達手段と、前記複数の車輪支持ユニットの夫々を前記鉛直軸回りに回転させる回転手段とを備え、前記回転手段は、全方向移動又は階段昇降の走行状態に応じて前記鉛直軸回りに車輪支持ユニットの角度を変更することを特徴とする移動装置。
前記フリーローラは、前記小車輪の回転軸と捻れの位置にある回転軸回りに回転可能としたことを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
前記大車輪は、大車輪本体から突設された小車輪取付アームの先端部に前記小車輪の回転軸を回転自在に取付けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動装置。
前記車輪支持ユニットに前記駆動手段の駆動源及び回転手段の駆動源を搭載したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の移動装置。
前記車輪支持ユニットと大車輪との間に懸架装置を介装したことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の移動装置。