JP5682941B2 - 全方位移動用車輪 - Google Patents

Description

本発明は、台車或いは搬送車両用の走行用キャスタとか、全方向に移動するロボットの車輪などとして用いられる全方位移動用車輪に関する。

全方位移動用車輪（オムニホイール）が、例えば、病院等で用いられる台車或いは搬送車両用の走行用キャスタとか、平面上を全方向に移動するロボットの車輪などとして用いられている。このような全方位移動用車輪は、車輪の外周に取り付けられた複数の直線形状の軸にそれぞれローラをはめ込み、同様の２セットを組み合わせて、ローラが交互に地面に接するオムニホイール（例えば、特許文献１参照）とか、車輪の外周に軸方向に対して斜めに固定したシャフトに円錐形状のローラをはめ込むオムニホイール（例えば、特許文献２の図１５参照）として公知である。しかし、このような公知の全方位移動用車輪は、車輪構造が複雑であるだけでなく重量が重くなっているという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献２は、外周リングを車軸として複数のローラが回転自在に軸支されている全方向移動車両の車輪構造を開示する。図８（Ａ）は特許文献２に開示の車輪構造の側面図、（Ｂ）はローラの取付け状態を示す拡大側面断面図である。図示の車輪は、図示していない駆動軸に嵌合されるハブと、外周リングと、ハブと外周リングとを連結する連結支持部と、外周リングに回転自在に軸支されるローラとより構成されている。ローラの取付け部分では、図８（Ｂ）に示すように、ローラがスムーズに回転できるように、ローラの穴の内径は外周リングの外径よりも若干大きくしている。このような構造とすることにより、駆動軸からの駆動力を受けて車輪が回転すると、ローラの外周部と床が接触し、接触面で発生する摩擦力により車輪は駆動力を得る。このように、ローラを軸支する部分の構造が簡単であるため、軸方向の車輪幅を格段に狭くすることができるとともに、車輪の軽量化を図ることができる。

しかし、図示の車輪構造は、依然として数多くの部品の組み合せでできているため、製作、組み立てのための材料、組み立て時間を多く必要とし、高価なものとなる。

特開２００３−２７６４０２号公報 特開２００３−１２７６０５号公報

本発明は、より一層部品点数を減らして、製作、組み立てのための材料、組み立て時間の低減を図り、コストを下げることを目的としている。

本発明の全方位移動用車輪は、それぞれ中央穴を有する複数個のローラと、該ローラの中央穴に挿通することにより該ローラの車軸として機能するリングと、該リングが取り付けられる車輪本体とを備える。弾性的な材料から作られているリングは、１箇所切断して、スリットを形成し、ローラはこのスリットを通して挿通される。車輪本体は、中心には駆動源に接続するための中心穴或いはシャフトを加工し、かつ、外周側に、複数個のローラに対応する凹部及びリングに対応する円周方向溝を形成した。

車輪本体の中心に接続される駆動源として、モータを内蔵することができる。車輪本体は、一つの部材から製作されるか、若しくは、円周方向溝を形成する段差を構成した第１の部材と、この段差上に挿入したリングを押さえる第２の部材との２分割構成にすることができる。

凹部のそれぞれの円周方向両側には、リングのための支持部が形成されて、この支持部の外周に円周方向溝が形成され、かつ、両側支持部に挟まれたスペースがローラを収容するための凹部となる。支持部は、その片面に加工した面取りを有する。支持部は、面取り加工した側とは反対側において、支持部端面同士を結合する壁面を設けることができる。

ローラは、ローラ軸方向に同一径を有する円筒形状であるか、若しくは、ローラ軸方向の中央の径を大きくするように外形にまるみを付けた形状である。ローラは、一つの材料から製作するか、或いは、硬くて摩擦の低い材料の中心部分と、摩擦を大きくした材料の周辺部分とより構成することができる。リングのスリットに入り込んで、リングの周方向の位置決めを行う板を、複数個の支持部の内のいずれか一つに配設することができる。

本発明によれば、少ない部品数、少ない加工、単純な組み立てによって材料、手間、エネルギー、加工と組み立ての時間を大幅に節約することができる。

本発明を具体化する全方位移動用車輪の組立を示す図であり、（Ａ）は複数個のローラと、リングと、車輪本体とを併置して示し、（Ｂ）はローラとリングを組み立てた状態で示し、（Ｃ）は組立が完成した全方位移動用車輪を示している。 車輪本体を例示する図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は互いに異なる３つの例を示している。 リングを例示する図である。 ローラを例示する図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は互いに異なる２つの例を示している。 リングの車輪本体への挿入を説明する図であり、（Ａ）は、車輪本体を示す側面図であり、（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ’ラインで切断した断面図である。 図５とは異なる例の支持部構造を示す図であり、（Ａ）は、図５（Ｂ）に相当する図であり、（Ｂ）は、Ｙ−Ｙ’ラインで切断した断面図である。 図５及び図６とはさらに異なる例の支持部構造を示す図である。 （Ａ）は特許文献２に開示の車輪構造の側面図、（Ｂ）はローラの取付け状態を示す拡大側面断面図である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する全方位移動用車輪の組立を示す図であり、（Ａ）は複数個のローラと、リングと、車輪本体とを併置して示し、（Ｂ）はローラとリングを組み立てた状態で示し、（Ｃ）は組立が完成した全方位移動用車輪を示している。全方位移動用車輪の組立は、最初に、複数個のローラの全てをリングに嵌める。弾性的な材料から作られているリングは１カ所切断されており、この切断により形成されたスリットから中央穴を有するローラを挿入する。次に、このローラを挿通したリングを、車輪本体に対して組み立てる。車輪本体には、複数個のローラに対応する数の凹部及びリングに対応する円周方向溝が設けられている。凹部のそれぞれにローラを位置決めするようにして、車輪本体の円周方向溝にリングを嵌めることにより、組立が完成する。

以下、さらに、その詳細について説明する。図２は車輪本体を例示する図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は互いに異なる３つの例を示している。（Ｂ）は、側面に壁面を有している。また、（Ａ）及び（Ｂ）は、シャフトのための中心穴が円形であるのに対して、（Ｃ）は六角形である。中心の軸または穴の形状は駆動源の形状に合うように設計する。また、中心には駆動源に接続するためのシャフトそのものを加工し、または、駆動源（電気モータなど）をこの中心部に内蔵することもできる。（Ａ）〜（Ｃ）のいずれにおいても、車輪本体は一つの部材から製作するものとして例示している。

車輪本体の材質については、金属、樹脂、或いは木材などを用いることができるが、鋳物が望ましい。鋳物で製作する場合、溝部分の加工はＮＣ旋盤等による機械加工で行う。外周には１個のリングのための１個の円周方向溝と、複数のローラがそれぞれ入るため、ローラの幅と同じかもしくは若干広い幅の凹部を加工する。このため、各凹部の円周方向両側には、リングのための支持部が形成される。支持部の外径側で、かつシャフト軸方向の中央部に円周方向溝が形成される。リングが入る溝の幅はリング部材の直径と同じか、もしくは若干広くし、溝の深さはリング部材の半径に等しいか、または幾分深くする。図５（Ｂ）を参照して後述するように、組み立てのために支持部のシャフト軸方向の片面に、リングの中心直径より小さい直径になるまでの面取りを加工する。

壁面形状の両側支持部に挟まれたスペースが、ローラを収容するための凹部となる。この凹部は、図２（Ａ）或いは（Ｃ）に示すように、シャフト軸方向には完全に切り欠くことができる。或いは、凹部は、可能な限り小さくして、支持部に材料を残して強度を補強するために、ローラの形状に合わせるか、または、支持部の外径まで肉をつける（即ち、外径側で円周方向に所定の厚みを有する）。さらには、図２（Ｂ）に示すように、面取り加工した側とは反対側において、支持部端面同士を結合する壁面を設けることにより、支持部強度をさらに増すことができる。

図３は、リングを例示する図である。弾性的な材料から作られているリングは、薄いカッターやワイヤー放電加工機により１カ所切断して、そこにスリットを形成している。リングの内径Ｄ₁は車輪本体の外周の溝の底と同じか、または幾分小さくする。スリット部分で、リング両端部をリングの直径より少しずらしつつ、リング円の中心側に押さえて塑性変形させ、元に戻すとスリットの透き間をお互いに押し合う形のばね性を有するリングが出来上がる。別のリング作成方法を次に説明する。第一の工程で線材を内径がリングの内径よりも幾分小さな内径であって螺旋状になるように加工する。第二の工程で螺旋状に加工されたものを引っ張りばね状に引き伸ばしリングの外周よりも充分に長くなるように切断し例えばリングの外周１．３周に相当する螺旋状線材片を作成する。第三の工程でリングの内径と同じ直径の棒に前記の螺旋状線材片を広げて挿入する。第四の工程で、切断した後には幾分のスリットが形成されるように薄いカッターやワイヤー放電加工機により、切断する。本作成方法によるリングは、単体ではリングを形成する線材のセンター線は平面状にはならないが、車輪本体の溝に挿入されると溝の壁によって平面を形成する。そのときに内径がリングの内径よりも幾分小さな内径であるためリングの内径側にはばね性の力が生じる。前記の第一の工程、第二の工程で製作される螺旋状線材片は、適切な直径のものが手に入る場合は、市販品を購入することも出来る。

図４はローラを例示する図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は互いに異なる２つの例を示している。（Ａ）は、リング円周方向に所定厚み（ローラの幅Ｌ）を有する円筒形状（ローラ幅方向に同一外径）の例を示し、（Ｂ）は、外形にまるみを付けた例を示している。ローラをリングに嵌めるために、ローラの中心穴の直径ｄ₁は次の式で決める。ここで、Ｄ₁及びＤ₂は、それぞれ図３に示すようにリング内径及び外径である。その寸法（単位：ｍｍ）の一例は、Ｄ₁=143, Ｄ₂=153, L=7, リング直径=5、ｄ₁＝5.17、ｄ₂＝28である。

円形状のリングを、円筒形状中心穴（直径ｄ₁）を有するローラの車軸として使用するので、通常であれば、ローラのスムースな回転が困難となる。しかし、本発明によれば、車輪本体に凹部を一体に形成することにより、多数のローラのための凹部の形成が容易になるために、Ｌ/Ｄ₁の値を小さくすることができる。ｄ₁を計算する［数１］からも明らかなように、円弧の凹凸の値は、ローラ車軸とローラ中心穴との嵌合公差程度であって無視できる値である。

ローラは、例えば、金属、樹脂、或いは木材のような一つの材料から製作できる。或いは、リングとの接触摩擦を減らすと同時に磨耗を防ぐために、中心部分を硬くて摩擦の低い材料から製作し（例えば、SUS、真鍮、PTFEなど）、その周りには地面（など）との摩擦を大きくするための材料を取り付ける（例えば、ゴム、ウレタンなど）。或いは、ローラの中央部分に転がり軸受けを挿入して、その周りには摩擦の高い材料を取り付けることもできる。更に、ローラの外周形状は車輪が転がるときの振動を低減させるため、図４（Ｂ）に示すように、ローラの外周が車輪の直径と同じ径（直径：Ｄ₃）を持つような丸い形状にすることができる。この丸みの直径Ｄ₃は次の式で得ることができる。

Ｄ₃＝Ｄ₂＋ｄ₂−ｄ₁
ローラの幅及び数は車輪が対象（地面など）に接して転がるときに振動が最小になるように選ぶ。即ち、ローラの幅とローラ間のギャップが同じ寸法か、またはギャップのほうが狭くなるように設計する。図４（Ｂ）に示すように、ローラの形状が丸くなっているときにローラと地面の間のギャップは最小になる。

図５は、リングの車輪本体への挿入を説明する図であり、（Ａ）は、車輪本体を示す側面図であり、（Ｂ）は、Ｘ−Ｘ’ラインで切断した断面図である。ここに例示の車輪本体は、材料の節約及び軽量化のために肉取り部を設けた点で、図２を参照して上述したものとは異なっている。上述のように、車輪本体にリングを挿入する前に、リングには、それに設けたスリットから、複数個のローラが全て挿入されている。このローラ挿通済みのリングを、全てのローラがそれぞれのための凹部に配分されるように、支持部の面取り側に位置させる（図５（Ｂ）に示す組立前のリング位置）。次に、図５（Ｂ）中に矢印で示す方向に、リング径が広がるように全てのローラに均一に力を加えることによって、リングは、溝内に入り込む。

リングが入る溝は、車輪本体支持部の外周よりも直径が小さいので、図５（Ｂ）に示すように、リング又はローラを面取り部に対して押し上げることによって、外周側に広がりながら溝に入り込む。一旦溝に入り込むとリングのバネ性により溝から出られず、組立て後の安定性が得られる。

例えば、ローラのメンテナンスのために、リングを外したい場合には、リングのスリット挿入部に近い部位において、ローラとローラが入る部分の車輪本体のの間に工具を入れて外周側に力を加えれば外すことができる。

全方位移動用車輪の通常走行の場合、ローラに掛かる力は、車輪本体に対して中心方向の力であり、リングの内側に向かう力であるので、溝の底壁によって支えられる。車輪本体に掛かる力は、ローラが入る凹部側面の壁（支持部）或いは壁面（図２（Ｂ）参照）によって遮られるので、ローラ自体はその力を受けない。斜め上側からローラに加わる外力は、ローラが回転してリングには円周方向の力は加わらない。

図６は、図５とは異なる例の支持部構造を示す図であり、（Ａ）は、図５（Ｂ）に相当する図であり、（Ｂ）は、Ｙ−Ｙ’ラインで切断した断面図である。リングを車輪本体に挿入する時に、リングが片持ちにならないようにするために、リングのスリット部分が、複数個の支持部の内のいずれか一つの周方向中央に位置するように、この位置に板を配設することもできる。この板が、リングのスリット部分に入り込んで、リングの周方向の位置決めを行う。

図７は、図５及び図６とはさらに異なる例の支持部構造を示す図である。図示の車輪本体は、シャフト軸方向に２分割構成にしている。リングを支持するために支持部に形成される溝は、段差によって構成されているので、リングの位置決めが容易にできる。その後、リングの挿入側及び上面を押さえる押さえ板を車輪本体に対して固定する。これによって、車輪本体はリングを完全に押さえてしまうことができる。この構成は、部品数が1個増えるものの、車輪本体の厚さを薄く出来ること、及び厚さを薄くしてもリング（ローラ車軸）にかかる力は、図７に示す段差部で受けるので強度は変わらない。

Claims (9)

1. それぞれ中央穴を有する複数個のローラと、該ローラの中央穴に挿通するリングと、該リングが取り付けられる複数個の支持部及びそれぞれ２つの支持部に挟まれた凹部を一体に形成した車輪本体とを備え、前記ローラの車軸として機能する前記リングに接触して前記ローラが回転するよう構成し、
   前記リングは、弾性的な材料から一体に作られ１箇所が切れたスリットを有する円形状であり、
   前記弾性的な材料から一体に作られた前記リングの有するバネ性を利用して、前記複数個のローラは前記スリットを介して前記リングに挿通され、
   前記車輪本体は、中心には駆動源に接続するための中心穴或いはシャフトを加工し、かつ、前記一体形成の支持部の外周側に、前記リングに対応する円周方向溝を形成して、該支持部の外周よりも小さい直径の前記リングが入る前記円周方向溝に、該リングのバネ性を利用して該リングを入り込ませ、かつこのバネ性を利用して前記円周方向溝から出られないようにして、前記複数個のローラをそれぞれ対応する前記凹部に収容したことから成る全方位移動用車輪。
2. 前記車輪本体の中心に接続される駆動源として、モータが内蔵されている請求項１に記載の全方位移動用車輪。
3. 前記車輪本体は、一つの部材から製作されるか、若しくは、前記円周方向溝を形成する段差を構成した第１の部材と、この段差上に挿入した前記リングを押さえる第２の部材との２分割構成にした請求項１に記載の全方位移動用車輪。
4. 前記凹部のそれぞれの円周方向両側には、前記支持部が形成されて、この支持部の外周に前記円周方向溝が形成され、かつ、両側支持部に挟まれたスペースが前記ローラを収容するための前記凹部となる請求項１に記載の全方位移動用車輪。
5. 前記支持部は、その片面に加工した面取りを有する請求項４に記載の全方位移動用車輪。
6. 前記支持部は、前記面取り加工した側とは反対側において、支持部端面同士を結合する壁面を設けた請求項５に記載の全方位移動用車輪。
7. 前記ローラは、ローラ軸方向に同一径を有する円筒形状であるか、若しくは、ローラ軸方向の中央の径を大きくするように外形にまるみを付けた形状である請求項１に記載の全方位移動用車輪。
8. 前記ローラは、一つの材料から製作するか、或いは、硬くて摩擦の低い材料の中心部分と、摩擦を大きくした材料の周辺部分とより構成した請求項１に記載の全方位移動用車輪。
9. 前記リングのスリットに入り込んで、リングの周方向の位置決めを行う板を、複数個の支持部の内のいずれか一つに配設した請求項１に記載の全方位移動用車輪。