JP6626351B2 - クローラ装置及び走行体 - Google Patents

Description

本発明は、泥濘地や砂地でも走行可能なクローラ装置、およびこのクローラ装置を車体の左右に装備した走行体に関する。

前後のホイールと、これらホイールに架け渡されたクローラベルトを備えたクローラ装置は周知である。
クローラ装置は、特許文献１、２に開示されているように、クローラベルトの内周とホイールの外周の摩擦接触を介してトルク伝達を行なうタイプと、特許文献３に開示されているようにホイールの外周に形成した係合部とクローラベルトの内周に形成した係合部を係合することによりトルク伝達を行なうタイプがある。

特開２００５−３４３２４０号公報 特開２０１２−６１９６２号公報 ＷＯ２００７／０８６４２８号公報

摩擦接触によりトルク伝達を行なうタイプのクローラ装置では、所定以上の大きな負荷が生じた時に、ホイールがクローラベルトに対して滑る。一旦滑ると、滑り始めの負荷を下回っても滑り続けてしまい、トルク伝達の回復が見込めないことがある。動摩擦力が静止摩擦力より小さいからである。また、滑りによりホイールとクローラベルトに摩耗が生じてしまう。

係合部同士の係合によりトルク伝達を行なうタイプのクローラ装置では、係合部間またはその近傍に泥や砂等の異物が侵入して固められ、これを繰り返すことにより異物が堆積して係合が解除され、トルク伝達不能に陥ることがある。また、異物堆積による係合解除を回避するために係合を深くした場合には、クローラベルトに働く過大な張力により、ホイール軸、クローラベルトの損傷を招くことがある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、前後のホイールと、これらホイールに架け渡されたクローラベルトとを備えたクローラ装置において、
上記前後のホイールの少なくとも一方が駆動ホイールとして提供され、この駆動ホイールの外周には、径方向外方向に突出する多数のホイール突起が周方向に等ピッチで形成され、
上記クローラベルトは、周方向に沿って曲げ剛性が異なる第１領域と第２領域を交互に有し、第１領域は第２領域より曲げ剛性が高く、
上記クローラベルトは、上記第１領域の内周において径方向内方向に突出するとともに上記ホイール突起と同一ピッチで形成された多数の第１係合突起と、上記第２領域の内周において径方向内方向に突出するとともに上記ホイール突起と同一ピッチで形成された第２係合突起とを有し、
上記ホイール突起は、上記第１係合突起と上記第２係合突起との間において周方向に移動可能に配置されるとともに、上記第１、第２係合突起を乗り越え可能であることを特徴とする。

上記構成によれば、低負荷の場合には、ホイールとクローラベルトとの間の摩擦係合だけでも駆動ホイールからトルク伝達を行なうことができる。負荷が増大した時には、ホイール突起がクローラベルトの内周を滑るが、クローラベルトの第１、第２係合突起のいずれかに達して係止されるため、わずかな滑り量でトルク伝達を回復することができる。
ホイール突起が第１係合突起に係止された状態では、第１係合突起が曲げ剛性の高く弾性変形量が少ない第１領域に形成されているため、比較的強い係合が得られ、高負荷でのトルク伝達が可能である。第１領域では弾性変形量が少ないため、駆動ホイールとクローラベルトとの間に侵入した泥や砂が固められ、クローラベルトの内周に堆積する場合がある。この場合、ホイール突起が第１係合突起との係合を維持できなくなるが、この第１係合突起を乗り越えてクローラベルトの内周を滑り第２係合突起に達し、この第２係合突起に係止されるため、トルク伝達を回復することができる。堆積した異物はホイール突起が第１係合突起を乗り越える際に破壊または脆弱化されるため、排除される。
上記ホイールと上記クローラベルトの摩擦係合の一態様では、上記ホイール突起の頂面と上記クローラベルトの内周が摩擦係合する。

好ましくは、上記ホイール突起の上記駆動ホイールの外周からの突出高さが、上記第１、第２係合突起の上記クローラベルトの内周からの突出高さより、大である。
上記構成によれば、ホイール突起が第１、第２係合突起を乗り越え易くなる。

好ましくは、上記ホイール突起と上記第１、第２係合突起が上記駆動ホイールの幅方向に延びており、上記ホイール突起が上記第１、第２係合突起より長い。
上記構成によれば、ホイール突起が長いので、ホイール突起の頂面とクローラベルトの内周との間の摩擦力を高めることができるとともに、上記第１、第２係合突起が短いのでクローラベルトにおける砂や泥の堆積を抑制することができる。

上記駆動ホイールが、外周に周方向に間隔をおいて形成された収容溝を有するホイール本体と、これら収容溝に収容固定された弾性材料からなる係合部材とを有し、この係合部材において上記ホイール本体の外周から突出する部分が、上記ホイール突起として提供される。
上記構成によれば、ホイール突起の頂面とクローラベルトの内周との間の摩擦力を高めることができる。

好ましくは、上記クローラベルトは弾性材料からなる主部を備え、この主部は、ベルト本体と、上記ベルト本体の外周に周方向に間隔をおいて形成された多数の接地ラグと、上記第１、第２係合突起とを一体に有し、上記接地ラグが、上記第１領域に配置されて上記第１領域に高い曲げ剛性を付与している。

好ましくは、上記クローラベルトは、上記第１領域において、幅方向に離れた一対の外れ防止部を有し、これら一対の外れ防止部は、上記クローラベルトが上記駆動ホイールから外れるのを防止するように、上記クローラベルトの内周から径方向内方向に突出して上記駆動ホイールの両側面に係合可能である。
好ましくは、上記クローラベルトが、上記第１領域に配置された剛性材料からなる外れ防止部材を備え、上記外れ防止部材が、上記主部の上記弾性材料中に埋め込まれたベース部と、このベース部の両端に連なる一対の起立部とを有し、これら一対の起立部が上記クローラベルトの内周から径方向内方向に突出して、上記一対の外れ防止部として提供される。

上記クローラ装置を車体の左右に装備した走行体によれば、一方のクローラ装置が高負荷により滑りが生じた時に、走行体の旋回を伴い、左右のクローラ装置に負荷を分散させることができ、安定した走行を継続することができる。

本発明によれば、クローラ装置が泥濘地や砂地を走行する際にも良好なトルク伝達を行なえるとともに、耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るクローラ装置を装備したロボットの概略平面図である。 上記ロボットの概略側面図である。 上記クローラ装置の要部の側面図であり、中負荷走行時の状態を示す。 外れ防止部材を省略して示す上記クローラ装置の要部の側面図であり、中負荷状態を示す。 図４において、ホイール突起とクローラベルトの第２係合突起との係合状態を示す拡大側面図である。 高負荷走行時の状態を示す図４相当図である。 図６において、ホイール突起とクローラベルトの第１係合突起との係合状態を示す拡大側面図である。 図３におけるＨ−Ｈ矢視断面図である。 図８のホイールとクローラベルトを分離して示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照しながら説明する。図１、図２は遠隔操作されるロボット（走行体）を示す。このロボットは、車体１と、この車体１の左右に設けられた一対のクローラ装置２と、各クローラ装置２の前後端部に回動軸線Ｏｘを中心に回動可能に設けられたフリッパ式副クローラ装置３とを備えている。
上記車体１には、ビデオカメラ等の観測器材や、リモートコントローラからの制御信号を受信したりビデオカメラの映像信号を送信するための通信機が搭載され、必要に応じて種々の作業が可能な作業アーム等が搭載されている。

上記クローラ装置２に本発明が適用されている。なお、本発明を上記フリッパ式の副クローラ装置３に適用することもできる。フリッパ式副クローラ装置３は省いてもよい。

図３に示すように、クローラ装置２は、前後方向に離れて配置された駆動ホイール１０と従動ホイール１０’（図２にのみ示す）と、これら駆動ホイール１０と従動ホイール１０’の間に架け渡された無端状のクローラベルト２０とを備えている。

上記駆動ホイール１０と従動ホイール１０’は、ロボットの前後の車軸に固定される。これら車軸は、車体１に回転可能に支持されている。駆動ホイール１０は車軸を介してモータ等の駆動源から正逆方向の回転トルクを受ける。
なお、駆動ホイール１０と従動ホイール１０’は、車体１に固定された車軸に回転可能に支持されてもよい。この場合、駆動ホイール１０は、車軸から独立した動力伝達機構を介してモータからの回転トルクを受ける。

駆動ホイール１０は、ホイール本体１１と、ゴム等の弾性材料からなる多数の係合部材１２とを備えている。ホイール本体１１は、単一の剛性部品または複数の剛性部品のアッセンブリからなり、このホイール本体１１の外周には、その幅方向に延びる収容溝１１ａが、周方向に等間隔をおいて形成されている。

上記係合部材１２は、駆動ホイール１０の幅方向に延び、その基部が上記ホイール本体１１の収容溝１１ａに収容され接着剤またはねじにより固定されており、ホイール本体１１の外周から径方向外方向に突出した部位が、ホイール突起１２ａとして提供される。図３において、ホイール突起１２ａのピッチを符号Ｐで示す。

図９に示すように、ホイール突起１２ａの長さＬａ（駆動ホイール１０の幅方向の寸法）は、ホイール本体１１の外周面の幅と略等しい。図９において、ホイール突起１２ａのホイール本体１１の外周からの突出高さを符号Ｈａで示す。
図５に示すように、ホイール突起１２ａの周方向（駆動ホイール１０の周方向）両側には、傾斜面１２ｘが形成されている。
従動ホイール１０’も上記駆動ホイール１０と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

次に、クローラベルト２０の構成について説明する。図３、図９に示すように、クローラベルト２０の主部２０Ａはゴムや弾性樹脂等の弾性材料からなり、無端状のベルト本体２１と、このベルト本体２１の外周に形成された多数の接地ラグ２２と、ベルト本体２１の内周に形成された多数の第１係合突起２３及び多数の第２係合突起２４とを一体に有している。
図８、図９に示すように、クローラベルト２０のベルト本体２１の幅は、ホイール１０の幅より大きい。

上記接地ラグ２２は、全て同一形状で断面台形をなしており、クローラベルト２０の周方向に等間隔で配列されている。この接地ラグ２２のピッチは上記駆動ホイール１０のホイール突起１２ａのピッチＰと等しい。図５に示すように、各接地ラグ２２はクローラベルト２０の幅方向に延びており、その長さはベルト本体２１の幅と等しい。

クローラベルト２０は、上記接地ラグ２２によりその形成領域で曲げ剛性を高められている。以下、図３、図５、図７に示すように、この接地ラグ２２の形成領域が第１領域Ｒ１として提供される。また、接地ラグ２２が形成されていない領域が第２領域Ｒ２として提供される。第１領域Ｒ１は第２領域Ｒ２より曲げ剛性が高い。クローラベルト２０は、全周にわたって第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を周方向に交互に有している。

上記第１、第２係合突起２３，２４は同形状、同寸法をなし、クローラベルト２０の幅方向に延びるとともにクローラベルト２０の内周から径方向内方向に突出している。図９において、第１、第２係合突起２３，２４のクローラベルト２０の内周からの突出高さを符号Ｈｂで示し、長さを符号Ｌｂで示す。ホイール突起１２ａの突出高さＨａ、幅方向寸法Ｌｂと比較すると下記の通りである。
Ｌａ＞Ｌｂ
Ｈａ＞Ｈｂ

上記第１係合突起２３は、上記第１領域Ｒ１の内周に形成されている。本実施形態では、第１係合突起２３は第１領域Ｒ１の周方向中央、幅方向中央に位置している。第２係合突起２４は、上記第２領域Ｒ２の内周に形成されている。本実施形態では、第２係合突起２４は第２領域Ｒ２の周方向中央、幅方向中央に位置している。第１、第２係合突起２３，２４の幅（クローラベルト２０の周方向寸法）は、それぞれ第１、第２領域Ｒ１，Ｒ２の周方向寸法より小さい。

第１係合突起２３は、ホイール突起１２ａと同ピッチで配列されている。同様にして、第２係合突起２４も、ホイール突起１２ａ，第１係合突起２３と同ピッチで配列されている。ただし、第２係合突起２４は、第１係合突起２３に対してクローラベルト２０の周方向に半ピッチ分ずれて配置されている。

図８、図９に示すように、クローラベルト２０は、主部２０Ａに埋め込まれた無端状の抗張帯２５を備えている。この抗張帯２５はベルト本体２１より幅が狭く、ベルト本体２１の内周および外周から離れているため、外部に露出していない。本実施形態の抗張帯２５は、均一厚さの薄帯、例えば厚さ０．０５〜０．３ｍｍのスチールベルトの両端を溶接することにより構成されている。

さらに上記クローラベルト２０は、図８、図９に示すように、スチール製（剛性材料）の板を略Ｕ字形に折り曲げることにより形成された外れ防止部材２６を備えている。この外れ防止部材２６は、平板形状のベース部２６ａと、このベース部２６ａの両端に連なる一対の平板形状の起立部２６ｂとを有している。これら起立部２６ｂとベース部２６ａは直角をなしている。上記一対の起立部２６ｂが、外れ防止部として提供される。

図３に示すように、上記外れ防止部材２６は、上記クローラベルト２０の第１領域Ｒ１に配置されており、この第１領域Ｒ１の曲げ剛性をさらに高めている。図８、図９に示すように、外れ防止部材２６のベース部２６ａが第１領域Ｒ１において主部２０Ａに埋め込まれており、上記一対の起立部２６ｂが、ベルト本体２１の内周から、径方向内方向（接地ラグ２２の反対方向）に突出している。一対の起立部１６ｂは、互いに平行をなし、ホイール本体１１の周縁部の幅方向両側に接するか僅かな隙間を介して対峙しており、これにより、クローラベルト２０がホイール１０から外れるのを防止している。

駆動ホイール１０と従動ホイール１０’に、クローラベルト２０が架け渡された状態で、ホイール突起１２ａの頂面だけがクローラベルト２０のベルト本体２１の内周面に接している。クローラベルト２０の第１、第２係合突起２３，２４間の離間距離に比べてホイール突起１２ａの幅（駆動ホイール１０の周方向寸法）が十分に小さいので、ホイール突起１２ａは第１、第２係合突起２３，２４間で移動可能である。また、ホイール突起１２ａは、第１、第２係合突起２３，２４を乗り越えることも可能である。この乗り越え機能は、第１、第２係合突起２３，２４の突出高さＨｂの選択、ホイール突起１２ａの周方向両側の傾斜面１２ｘ等により、決定される。

駆動ホイール１０からの回転トルクがクローラベルト２０に伝達される。このトルク伝達の態様は、低負荷モード、中負荷モード、高負荷モードの３つである。以下、詳述する。

(低負荷モード)
ホイール突起１２ａの頂面とクローラベルト２０のベルト本体２１の内周面との間の摩擦接触を介してトルク伝達がなされる。第１閾値以上の負荷が作用した時にはホイール突起１２ａがクローラベルト２０の内周を滑るため、この低負荷モードは終了する。

（中負荷モード）
図３〜図５に示すように、ホイール１０の回転トルクが、ホイール突起１２ａとクローラベルト２０の第２係合突起２４の係合と、上記ホイール突起１２ａとクローラベルト２０との摩擦係合を介して、クローラベルト２０に伝達される。第２係合突起２４は曲げ剛性が低く弾性変形し易い第２領域Ｒ２に形成されているので、この第２係合突起２４とホイール突起１２ａの係合は比較的弱く、上記第１閾値より大きな第２閾値以上の負荷が作用すると、ホイール突起１２ａが第２係合突起２４を乗り越えるため、この中負荷モードは終了する。

（高負荷モード）
図６、図７に示すように、ホイール１０の回転トルクが、ホイール突起１２ａとクローラベルト２０の第１係合突起２３の係合と、上記ホイール突起１２ａとクローラベルト２０との摩擦係合を介して、クローラベルト２０に伝達される。第１係合突起２３は曲げ剛性が高く弾性変形しにくい第１領域Ｒ１に形成されているので、後述するように泥や砂等の侵入が無い状態では、この第１係合突起２３とホイール突起１２ａの係合は強く、高い負荷が作用してもトルク伝達が可能である。高負荷モードにおいて、上記第２閾値より高い第３閾値を超えると、ホイール突起１２ａが第１係合突起２３を乗り越えて、クローラベルト２０の内周を滑り続ける。これにより、第３閾値にトルクを制限することができる（トルクリミッタとしての役割）。その結果、過剰トルクによるホイール軸の損傷やクローラベルト２０の損傷を招いて走行不能に陥るのを回避することができる。なお、上記のように滑り続ける状況を脱することができない場合には、走行方向を変更したりバックして新たなルートで走行すればよい。

上述したように、低負荷モードにおいて負荷が第１閾値を超えて滑りが生じた時、ホイール突起１２ａは、第１係合突起２３または第２係合突起２４に達し、ここで係止されるため、滑りが終了する。そのため、小さな滑りだけでトルク伝達が可能な状態に復帰することができる。

中負荷モードにおいて負荷が第２閾値を超えた時には、ホイール突起１２ａは、第２係合突起２４を乗り越えてクローラベルト２０の内周を滑り第１係合突起２３に達し、ここで係止される。そのため、小さな滑りだけでトルク伝達が可能な状態に復帰することができる。

クローラ装置２が不整地すなわち砂地や泥濘地を走行する時には、砂や泥がホイール突起１２ａの頂面とクローラベルト２０の内周との間に入り込む。
上記高負荷モードでは、第１領域Ｒ１の剛性が高いので、ホイール突起１２ａの頂面と第１係合突起２３近傍におけるクローラベルト２０の内周との間に大きな圧縮力が作用する。そのため、ホイール突起１２ａの頂面とクローラベルト２０の内周との間に侵入した砂や泥等の異物が固められ、この侵入と固めを繰り返すことにより異物が堆積することがある。この場合、例えば上述した中負荷モードでの第２閾値以下の負荷であってもホイール突起１２ａと第１係合突起２３の係合が解除され、ホイール突起１２ａは第１係合突起２３を乗り越え、クローラベルト２０の内周を滑って第２係合突起２４に達し、ここで係合される。堆積物は、ホイール突起１２ａが第１係合突起２３を乗り越える際に、ホイール突起１２ａにより強くこすられるため、破壊または脆弱化される。脆弱化した堆積物は駆動ホイール１０から従動ホイール１０’へ向かう途中で振動等によりクローラベルト２０から排除することができ、中負荷モードまたは高負荷モードでの走行に復帰することができる。

なお、上記中負荷モードでの走行時でも、砂や泥がホイール突起１２ａの頂面と第２係合突起２４近傍におけるクローラベルト２０の内周との間に入り込むが、第２領域Ｒ２では弾性変形し易いので、両者の間の圧縮力が比較的弱く、堆積物が固められることはなく、多少の堆積物は、駆動ホイール１０から従動ホイールへ向かう途中で振動等によりクローラベルト２０から排除することができる。そのため、中負荷モードでの走行を継続することができる。

本実施形態では、クローラベルト２０の第１、第２の係合突起２３，２４の長さＬｂが短いので、異物堆積を抑えることができる。
ホイール突起１２ａの長さＬａを最大限長くしているので、摩擦係合によるトルク伝達能力を高めることができ、上記第１、第２の係合突起２３，２４の幅方向寸法Ｌｂが短いことに起因する突起係合によるトルク伝達能力の低下を補うことができる。

従動ホイール１０’での作用は駆動ホイール１０と同様であるので、説明を省略する。

左右にクローラ装置２、２を装備したロボットでは、下記のような作用効果を発揮することができる。
例えば階段に対してロボットが斜めの姿勢のまま到達した場合、一方のクローラ装置２だけが階段を昇り始めるため高い負荷が作用し、回転トルクが第３閾値に達して滑りが発生する。これに対して他方のクローラ装置２は負荷が高くない状態で走行を継続するため、ロボットが旋回して階段に対して真正面を向くようになる。その結果、他方のクローラ装置２も階段を昇り始める。このようにして、負荷が左右のクローラ装置２，２に分散されるため、上記一方のクローラ装置２の滑りが止まり、左右のクローラ装置２，２により、階段を昇ることができる。
上記の現象は、階段に限らず、左右のクローラ装置２，２の負荷が異なり、一方のクローラ装置２が高負荷により滑る全ての状況で生じる。そのため、操作者の操作によらず、ロボットの旋回を伴ない、負荷を左右のクローラ装置２，２に自動的に分散でき、安定した走行を実現できる。

本発明は上記実施形態に制約されず、種々採用可能である。例えば、クローラベルトの第２領域Ｒ２に、第１領域Ｒ１の接地ラグ２２より薄肉の補助的な接地ラグを形成してもよい。
上記実施形態ではホイール突起だけがクローラベルトの内周面に摩擦接触しているが、クローラベルトの第１、第２係合突起もホイール外周面に摩擦接触してもよいし、クローラベルトの第１、第２係合突起だけがホイール外周面に摩擦接触してもよい。
前後のホイールを駆動ホイールとしてもよい。

本発明は、ロボット等に装備されるクローラ装置に適用することができる。

１ 車体
２ クローラ装置
１０ 駆動ホイール
１２ａ ホイール突起
２０ クローラベルト
２０Ａ 主部
２１ ベルト本体
２２ 接地ラグ
２３ 第１係合突起
２４ 第２係合突起
２６ 外れ防止部材
２６ｂ 起立部（外れ防止部）
Ｒ１ 第１領域
Ｒ２ 第２領域

Claims (9)

1. 前後のホイールと、これらホイールに架け渡されたクローラベルトとを備え、
   上記前後のホイールの少なくとも一方が駆動ホイールとして提供され、この駆動ホイールの外周には、径方向外方向に突出する多数のホイール突起が周方向に等ピッチで形成され、
   上記クローラベルトは、周方向に沿って曲げ剛性が異なる第１領域と第２領域を交互に有し、第１領域は第２領域より曲げ剛性が高く、
   上記クローラベルトは、上記第１領域の内周において径方向内方向に突出するとともに上記ホイール突起と同一ピッチで形成された多数の第１係合突起と、上記第２領域の内周において径方向内方向に突出するとともに上記ホイール突起と同一ピッチで形成された第２係合突起とを有し、
   上記ホイール突起は、上記第１係合突起と上記第２係合突起との間において周方向に移動可能に配置されるとともに、上記第１、第２係合突起を乗り越え可能であることを特徴とするクローラ装置。
2. 上記ホイール突起の頂面が上記クローラベルトの内周に摩擦接触することを特徴とする請求項１に記載のクローラ装置。
3. 上記ホイール突起の上記駆動ホイールの外周からの突出高さが、上記第１、第２係合突起の上記クローラベルトの内周からの突出高さより、大であることを特徴とする請求項１または２に記載のクローラ装置。
4. 上記ホイール突起と上記第１、第２係合突起が上記駆動ホイールの幅方向に延びており、
   上記ホイール突起が上記第１、第２係合突起より長いことを特徴とする請求項３に記載のクローラ装置。
5. 上記駆動ホイールが、外周に周方向に間隔をおいて形成された収容溝を有するホイール本体と、これら収容溝に収容固定された弾性材料からなる係合部材とを有し、この係合部材において上記ホイール本体の外周から突出する部分が、上記ホイール突起として提供されることを特徴とする請求項４に記載のクローラ装置。
6. 上記クローラベルトは弾性材料からなる主部を備え、この主部は、ベルト本体と、上記ベルト本体の外周に周方向に間隔をおいて形成された多数の接地ラグと、上記第１、第２係合突起とを一体に有し、
   上記接地ラグが、上記第１領域に配置されて上記第１領域に高い曲げ剛性を付与していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のクローラ装置。
7. 上記クローラベルトは、上記第１領域において、幅方向に離れた一対の外れ防止部を有し、これら一対の外れ防止部は、上記クローラベルトが上記駆動ホイールから外れるのを防止するように、上記クローラベルトの内周から径方向内方向に突出して上記駆動ホイールの両側面に係合可能であることを特徴とする請求項６に記載のクローラ装置。
8. 上記クローラベルトが、上記第１領域に配置された剛性材料からなる外れ防止部材を備え、上記外れ防止部材が、上記主部の上記弾性材料中に埋め込まれたベース部と、このベース部の両端に連なる一対の起立部とを有し、これら一対の起立部が上記クローラベルトの内周から径方向内方向に突出して、上記一対の外れ防止部として提供されることを特徴とする請求項７に記載のクローラ装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のクローラ装置を、車体の左右に装備した走行体。

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