JP5947388B2 - モーターにより駆動され得る全方向車輪およびそれが具備された車両 - Google Patents

Description

本発明は、モーターにより駆動され得る全方向車輪に関する。全方向車輪は、あらゆる任意の方向に、あらゆる配向で、事前操作無く移動可能である車両を生産するために利用される。この場合車両は、「ホロノミック」車両と呼ばれる。本発明は同様に、このような車輪を備えた車両にも関する。

従来の車輪付き車両は、その操舵輪の配向に対して接線方向である進路をたどり、配向は方向変更を目的として修正される。

非操舵輪が存在することおよび操舵輪の配向の振幅が小さいことによって、車両の事前配向とは独立して方向を変更することは不可能となる。

全ての車輪が操舵輪である車輪付き車両は、その車輪が予め新しい方向へと再配向されていることを条件として、任意に方向を変更することができる。このような車両は、「全方向」車両と呼ばれる。

ホロノミック車両は、事前操作無くあらゆる任意の軌道をたどることができるために、それが載置されている平面との関係において独立した３つの移動性、すなわち平面に対して平行な方向での２つの並進運動と平面に対し垂直である軸を中心とした１つの回転運動とを有するはずである。

ホロノミック車両の実現を可能にする車輪を得るための解決法は、数多く存在する。これらの車輪は、そのトレッドの規則性、耐荷力、障害物の回避能力およびそれらを使用している車両を支持する多角形の不変性に関して異なるものである。

こうして、特許文献１から、多角形の外周を有するリムを含み、その各々の側にはリムの軸に直交する軸を中心にして枢動する樽の形をしたローラーが取付けられているこの種の車輪がよく知られている。リムにローラーを連結するために必要な隙間が、２つの隣接するローラーの間に存在する。ローラー間のこれらの隙間は、トレッド表面の不連続性を作り上げ、この不連続性が、使用中に、振動と位置の不安定性を発生させる。

同じ原理により、リムを含み、リムの回転軸に対し垂直な２つの平面内に延びる軸を中心にして枢動するように取付けられた２セットのローラーがリムの周囲に取付けられている前述のタイプの車輪も同様に存在する。各セットのローラーは、他のセットの２つのローラー間に存在する隙間との関係において延在して、トレッド表面の連続性を保証している。しかしながら、一方のローラーから他方のローラーに移行する時、接点の位置はリムの回転軸に沿って変動する。この変動は一方では、正確な走行距離の計測を妨げる曲率半径の変動を、そして他方では１つのローラー横列の接触を失なわせる危険性のある地面の不規則性に対する多大な感応性をひき起こす。

特許文献２および特許文献３は、リムを有し、その周囲には、リムの回転軸との関係において傾斜した軸を中心にして枢動するローラーが取付けられている車輪について記載している。こうして、トレッド表面の相対的連続性を保証することが可能となるが、それは、先のものと同様、ただし程度は低いものの、地面上の車輪の接触点の位置の変動をもたらす。

異なる断面形状を有するかまたはカップの形をしているローラーが互いの中に部分的に入れ子になり、こうして可能なかぎりトレッド表面の相対的な連続性を保証できるようになっている、特許文献１の原理に基づく他の解決法も存在する。しかしながらこれらの解決法は完全なものではなく、場合によっては、傾斜した地面上を移動するように適応されておらず、実施が複雑でかつ／またはトレッド表面に不連続性を残存させることになる。
同様によく知られているのは、実施が非常に複雑であるものの低い耐荷力しか提供しない連続的トレッド表面を有する可撓性周囲ローラーを伴う車輪である。

これらの解決法に付随する主要なデメリットはなおも、ローラーの半径が小さいためにリムの回転軸の方向において低い障害物回避能力しか有さないという点にある。

このデメリットを克服するため、実質的に半球形で互いに同軸的に取付けられて支持車軸を中心にして枢動する第１の本体と第２の本体とを含む、モーターにより駆動され得る球状車輪用いることが考慮されてきた。本体は、隙間によって分離され、この隙間の中にシャフトが延在しており、シャフトは支持車軸に剛連結された１つの端部と駆動モーターに連結された反対側の端部とを有する。この車輪は、駆動シャフトに対して平行に自由に変位する能力と、駆動シャフトに対し垂直に電動式に変位する能力とを示す。この車輪は、その曲率半径が全ての方向に同一であり続けることから、全方向で有利な回避能力をさらに有している。これとは対照的に、この車輪は、耐荷力がシャフトの直径と共に増大し、その結果として隙間の幅に伴っても増大する一方で、隙間の幅と共に不連続性が減少するトレッド表面を有する。したがって、このような車輪が実質的に連続したトレッド表面および高い耐荷力を示すことは不可能である。

米国特許出願公開第３７８９９４７号 米国特許出願公開第Ａ−３８７６２５５号 仏国特許出願公開第Ａ−２２０６１９５号

したがって、本発明の目的は、詳細には、その耐荷力を全く減少させることなく全方向で障害物を回避する能力を有するホロノミック車両を実現できるようにする車輪を提案することにある。
本発明の目的は、同様に、本発明のものと同じタイプの車輪により支持されているシャーシを含む車両にある。

この目的のため、本発明にしたがって提案されているのは、実質的に半球形で互いに同軸的に取付けられて支持車軸を中心にして枢動する第１の本体と第２の本体とを含む、モーターにより駆動され得る球状車輪において、前記本体が隙間によって分離され、この隙間の中にシャフトが延在しており、シャフトが支持車軸に剛連結された端部と本体から突出する反対側の端部とを有する球状車輪である。本体の外側表面の少なくとも１つの部分を延長する少なくとも１つの要素が隙間の中に延在している。

したがって、本発明の車輪は、全方向球状車輪であって、その隙間は、高い耐荷力を可能にするためにモーターシャフトのレベルにおいて比較的大きいものであってよくかつ、優れた運動連続性を保証するため地面との接触レベルにおいては削減されるかまたはゼロであってよい。

本発明の第１の実施形態によると、延長要素は、それが隙間の中で第２の本体に向かって延在する同一平面位置とそれが隙間から離れるように移動する引込み位置との間で可動となるように第１の本体の円形縁部上に連接されているペタル（ｐｅｔａｌ＝花弁状部材）である。

第１の態様において、車輪は、本体の各々から延在するペタルの形をした延長要素を含む。
第２の態様において、同一平面位置にあるペタルは、第２の本体の円形縁部上に支持されている。

好ましくは、この実施形態において、シャフトは、延長要素をその同一平面位置からその引込み位置まで移動させるように整形されている支持車軸に連結された端部部分を有しており、延長要素は、それが連接されている本体に対し、延長要素を同一平面位置へと戻すための弾性要素によって連結されている。

こうして、延長要素のその引込み位置への変位は、カムとして作用するモーターシャフトのケーシングと延長要素が接触することによってもたらされる。したがって、連続性要素に専用の制御を具備する必要はない。

ペタルは、大きな底辺を有する実質的に台形の形状を有し、ペタルはその大きな底辺を介して本体に連接されている。
これにより、引込み位置にある延長要素の地上間隔ひいては障害物回避能力を増大させることが可能になる。

第２の実施形態によると、延長要素は、本体の外側表面と同一平面にある外側表面を有する支持車軸に平行な軸を中心にして枢動するように隙間の中に取付けられているローラーである。

１つの特定の特徴によると、車輪は、前記ローラーの各々がハウジング内の開口部を通って本体の外側表面と同一平面にあるその外側表面の一部分を有するような形で支持車軸の各端部で各本体内に配置されたハウジング内に取付けられたローラーを含み、ローラーは、支持車軸およびシャフトに対し直交する回転軸を中心にして枢動するように取付けられている。これらのローラーの外側表面は実質的に、ローラーの回転軸を中心にした回転形態を有し、ハウジング内の開口部を介して本体の外側表面と同一平面にある中央環状転がり部分と、ハウジング内の開口部を画定する唇状部の下で少なくとも部分的に延在している２つの側方環状部分とを含む。

有利には、唇状部は弾性変形可能であり、側方環状部分は変形した状態にある唇状部のための支持表面を形成しており、側方環状部分は好ましくは、低い摩擦係数を有するコーティングを含んでいる。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の詳細な非限定的実施形態に関する以下の説明を読むことによって認識されるものである。添付図面を参照されたい。

第１の実施形態の第１の態様に係る車輪の斜視図である。 この車輪の上面図である。 図２中の平面ＩＩＩに沿ったこの車輪の部分断面図である。 平面ＩＩＩに沿った横断面におけるこの車輪の斜視図である。 第１の実施形態の第２の態様に係る車輪の斜視図である。 この車輪の側面図である。 第２の実施形態による車輪の斜視図および透視図である。 第２の実施形態に係る車輪が具備された車両の斜視図である。 この車両の一変形形態の図８に類似する図である。 第２の実施形態の一変形形態に係る車輪の横断方向断面概略図である。

図を参照すると、本発明に係るモーターにより駆動され得る球状車輪は、実質的に半球形である第１の本体１．１および同一の第２の本体１．２とを含む。本体１．１、１．２は、ニードルころ軸受などの少なくとも１つの軸受を用いて、支持車軸２を中心にして自由に枢動するように、互いに同軸的に取付けられている。本体１．１、１．２は、各々一方の本体１．１、１．２に属し互いに平行な壁４．１、４．２によって側方に画定されている隙間３によって互いに分離されている。壁４．１、４．２は、円形縁部５．１、５．２により画定されている。隙間３の中に延在しているのは、支持車軸２に剛連結された端部と、本体１．１および１．２から突出して延在しかつ駆動モーター３０（図８および図９に見られる）に連結された反対側の端部とを有するシャフト６である。
こうして、車輪は、電動式に変位でき（矢印Ｍで象徴されるシャフト６の回転）、かつ自由に変位できる（矢印Ｆにより象徴される支持車軸２を中心とした本体１．１、１．２の回転）。

ローラー１０（図７のみに例示されているものの全ての実施形態に存在する）が、本体１．１、１．２の外側表面と同一平面になるように支持車軸２の各端部に取付けられている。ローラー１０は、樽の形を有し、支持車軸２およびシャフトに対し直交する軸を中心にして枢動するように取付けられている。各ローラー１０は、地面と接触状態にあるとき、こうしてシャフト６に平行な方向での車輪の自由な変位を可能にする。
本体１．１、１．２の外側表面の少なくとも一部分を延長する少なくとも１つの要素が、隙間３の中に延在している。

図１〜６を参照すると、第１の実施形態に係る車輪は、各々ペタルによって形成された複数の延長要素を含み、このペタルは、それが第２の本体１．２、１．１に向かって隙間３の中へと延在する同一平面位置と、本体１．１、１．２の外側表面から突出する位置をとることによって隙間３から離れるように移動する引込み位置との間で、本体１．１、１．２の１つの円形縁部５．１、５．２上に連接されている。各ペタル７は、大きな底辺を有する実質的に台形の形状を有し、ペタル７はその大きな底辺を介して本体に連接されている。この台形形態により、引込み位置におけるペタルの比較的大きい地上高（クリアランス）が可能になる（図６参照）。

第１の実施形態の第１の態様においては（図１〜４）、ペタル７．１、７．２は、各々の本体１．１、１．２から延在している。この場合、ペタル７．１、７．２は、円形縁部５．１、５．２の外周全体にわたり具備される。各ペタル７．１、７．２は本体１．１、１．２に連結され、この本体に対してペタルは、それをその同一平面位置に戻すための弾性要素によって連結されている。この場合、戻し要素は、円形縁部５．１、５．２との関係において半径方向に延在するような形で壁４．１、４．２の中に配置されたハウジング内に収容される螺旋引張バネ８である。

シャフト６は、ペタル７をその同一平面位置から引込み位置へと移動させるように整形されている支持車軸２に連結された端部部分を有する。こうしてシャフト６は、隙間３まで横断方向に延在する２つの側方表面９を含み、これらの表面は、ペタルと接触した時点でカムの要領でペタル７を持ち上げるように形状構成されている。ペタル７は、側方表面９との接触から外れて移動するにつれて、その同一平面位置に向かって戻る。

第１の実施形態の第２の態様において（図５および６）、ペタル７．１は、円形縁部５．２、５．１の自由部分が各ペタル７．１、７．２との関係において延在するような形で、ペタル７．２に対してオフセットされている。ペタル７．１、７．２は、その同一平面位置においてペタル７．１、７．２が円形縁部５．２、５．１の自由部分上に支持されることになるような長さを有している。
この態様において、２つの半球は、ペタルがそれらに面するハウジング上につねに支持されるような形で、その回転を同期化するように合わせて連結されている。
その他の点では第２の態様は第１の態様と同一である。

図７に示された第２の実施形態では、延長要素は、数が２つであり、各々支持車軸２に対して平行な軸を中心にして枢動するように隙間３の中に取付けられたローラー１７によって形成されている。各ローラー１７は、本体１．１、１．２の外側表面と同一表面にある樽の形をした外側表面を有している。
より具体的には、ローラー１７は、隙間の中に延在し、支持車軸２ひいてはシャフト６とも回転結合されているジョーの中に取付けられている。

一変形形態として、図１０で示されているように、車輪は２つのローラー１０を含み、各々のローラーは、各ローラーがハウジング１１内の開口部１２を通して本体の外側表面と同一平面にある外側表面の一部分を有するような形で、支持車軸２の各端部で各本体１．１、１．２の中に配置されたハウジング１１内に取付けられている。ローラー１０は、支持車軸２およびシャフト６に直交する回転軸を中心にして枢動するように取付けられている。

各ローラー１０の外側表面は、実質的に前記ローラー１０の回転軸を中心とした回転形態を有し、ハウジング１１内の開口部１２を介して本体１．１、１．２の外側表面と同一平面にある中央環状転がり部分１０．１と、ハウジング１１内の開口部１２を画定する唇状部１３の下で少なくとも部分的に延在している２つの側方環状部分１０．２とを含む。
中央環状転がり部分１０．１は、この場合、樽の形状を有し、側方環状部分１０．２はこの場合球状キャップの形を有する。

唇状部１３は、車輪が支持する非常に高い荷重の下で弾性変形させられてよい。すなわち、側方環状部分１０．２は、変形状態にある唇状部１３のための支持表面を形成するように配置される。側方環状部分１０．２は、有利には、唇状部１３が側方環状部分１０．２上で容易に摺動できるようにするため、低摩耗係数のコーティングを含む。

唇状部１３の縁部と中央環状転がり部分１０．１との間の空間は削減され、これにより、転がり抵抗および騒音を低減させることが可能となる。
側方環状部分により唇状部の上で得られる支持によって、車輪の耐荷力に不利な影響を及ぼすことなく比較的薄い唇状部を得ることが可能になる。

本発明の目的は、同様に、本発明に係る車輪によって支持されるシャーシを含む車両にある。
図８を参照すると、車両のシャーシ１００は実質的に、第２の実施形態に係る車輪が各頂点に取付けられた三角形の形を有している（この場合の三角形の頂点は、車両のコンパクト性を増大させるために切取られている）。

この場合、各駆動モーター３０の固定子は、シャーシとの関係において車輪を配向するため、ここでは示されていない装置を介してシャーシ１００に固定される。より厳密に言うと、この場合の固定子は、シャーシの平面に対して垂直である軸を中心にしてシャーシ上を枢動する形でそれ自体取付けられかつシャーシとの関係において車輪を配向できるようにするモーターと各々と結びつけられているターンテーブルの上に取付けられている。
シャーシに対する車輪の固定は、前記車輪の制御と同様、それ自体公知である。

一変形形態として、図９に示されているように、車両のシャーシ１００は実質的に四角形の形状を有し、その各頂点には、第２の実施形態に係る車輪が取付けられている（この場合、四角形の頂点は車両のコンパクト性を増大させるために切取られている）。

本発明は、当然のことながら、記載されている実施形態に限定されず、クレームによって定義されている本発明の範囲内に入るあらゆる変形形態を含むものである。
詳細には、第１の実施形態において、車輪が回転するにつれて駆動シャフトの前方でペタルを漸進的に離れるように移動させて、駆動シャフトの通過後にペタルを再度下へ折り畳むような形でペタルをその同一平面位置と引込み位置の間で変位させる目的をもつアクチュエータを企図することが可能である。

車両は、記述されたもの以外の構造を有していてよく、例えば円形形態のシャーシを有していてもよい。

Claims (14)

1. 実質的に半球形で互いに同軸的に取付けられて支持車軸（２）を中心にして枢動する第１の本体（１．１）と第２の本体（１．２）とを含む球状車輪であって、
   前記本体が隙間（３）によって分離され、この隙間の中にシャフト（６）が延在しており、前記シャフト（６）が支持車軸（２）に堅固に連結された端部と本体から突出する端部とを有するものにおいて、
   前記本体の外側表面の少なくとも１つの部分を延長する少なくとも１つの延長要素（７、１７）が隙間の中に延在しており、前記少なくとも１つの延長要素（７、１７）は前記本体の少なくとも１つに取り付けられている、
   ことを特徴とする球状車輪。
2. 前記シャフト（６）が駆動手段に連結されている、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪。
3. 前記延長要素は、それが前記隙間（３）の中で前記第２の本体（１．２）に向かって延在する同一平面位置と、それが隙間から離れるように移動する引込み位置と、の間で可動となるように前記第１の本体（１．１）の円形縁部（５．１）上に連接されているペタル（７）である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車輪。
4. 前記本体（１．１、１．２）の各々から延在するペタルの形をした延長要素を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の車輪。
5. 同一平面位置にある前記ペタル（７）が、前記第２の本体（１．２）の円形縁部（５．２）上に支持されている、ことを特徴とする請求項３に記載の車輪。
6. 前記シャフト（６）は、前記延長要素（７）をその同一平面位置からその引込み位置まで移動させるように整形されている前記支持車軸（２）に連結された端部部分を有しており、前記延長要素（７）は、それが連接されている本体に対し、前記延長要素を同一平面位置へと戻すための弾性要素（８）によって連結されている、ことを特徴とする請求項３に記載の車輪。
7. 前記ペタル（７）が、大きな底辺を有する実質的に台形の形状を有し、ペタルがその大きな底辺を介して本体（１）に連接されている、ことを特徴とする請求項３に記載の車輪。
8. 前記延長要素が、前記本体（１）の外側表面と同一平面にある外側表面を有する前記支持車軸（２）に平行な軸を中心にして枢動するように前記隙間（３）の中に取付けられているローラー（１７）である、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪。
9. 前記ローラー（１７）が、隙間の中に延在し前記シャフト（６）と回転結合されているジョーの中に取付けられている、ことを特徴とする請求項８に記載の車輪。
10. ローラー（１０）であって、前記ローラーの各々がハウジング（１１）内の開口部（１２）を通って本体の外側表面と同一平面にある外側表面の一部分を有するように前記支持車軸（２）の各端部で前記各本体内に配置されたハウジング（１１）内に取付けられているローラーを具備し、
    前記ローラーが、前記支持車軸（２）および前記シャフト（６）に対し直交する回転軸を中心にして枢動するように取付けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の車輪。
11. 前記各ローラー（１０）の外側表面が、
    実質的に、前記ローラーの回転軸を中心にした回転形態を有し、前記ハウジング内の開口部を介して本体の外側表面と同一平面にある中央環状転がり部分（１０．１）と、
    前記ハウジング（１１）内の開口部（１２）を画定する唇状部（１３）の下で少なくとも部分的に延在している２つの側方環状部分（１０．２）と、
    を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の車輪。
12. 前記唇状部（１３）が弾性変形可能であり、前記側方環状部分（１０．２）が変形した状態にある唇状部のための支持表面を形成する、ことを特徴とする請求項１１に記載の車輪。
13. 前記側方環状部分（１０．２）が、低摩擦係数のコーティングを含んでいる、ことを特徴とする請求項１２に記載の車輪。
14. 請求項１〜１３の一項に記載の車輪により支持されているシャーシを含む車両。

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