JP6822327B2 - 全方向移動車 - Google Patents

Description

本発明は、全方向移動車に関する。

全方向移動車輪によって走行する全方向移動車としては、例えば、特許文献１に記載されている。全方向移動車は、車体と、車体に設けられた複数の全方向移動車輪と、を備える。全方向移動車は、全方向移動車輪の回転方向や、全方向移動車輪の回転数（回転速度）を調整することで、車体の向きを変更することなく、直進、斜行、横行などが可能である。

特開２０１４−１８６６９３号公報

ところで、全方向移動車が使用される環境によっては、床の高低差や、障害物などによって生じた全方向移動車の進行方向に対してせり上がった段差部が床に存在する場合がある。全方向移動車輪がモータの駆動力によって回転している場合、この回転力によって段差を乗り越えることができる。しかしながら、全方向移動車の進行方向によっては、回転していない状態の全方向移動車輪を回転軸線方向に移動させて段差部を乗り越える必要がある。この場合、回転していない状態の全方向移動車輪には駆動力が無いため、全方向移動車に作用する推力によって回転していない状態の全方向移動車輪に段差部を乗り越えさせる必要があり、乗り越えが困難となる場合がある。

本発明の目的は、段差部の乗り越えが容易な全方向移動車を提供することにある。

上記課題を解決する全方向移動車は、車体と、前記車体に設けられた複数の車輪ユニットと、を備えた全方向移動車であって、前記複数の車輪ユニットのそれぞれは、全方向移動車輪と、前記全方向移動車輪を回転させるモータと、前記全方向移動車輪よりも上側において前記全方向移動車輪と一体に設けられており、上下方向に直交し、且つ、前記全方向移動車輪の回転軸線方向に直交する方向に延びる回動軸部と、前記回動軸部を回動可能に支持する軸支持部と、前記全方向移動車輪に回転軸線方向からの力が加わった際に収縮し、前記回転軸線方向からの力が解放されたときに復元する弾性部材と、を備える。

これによれば、回転していない全方向移動車輪が回転軸線方向に移動し、その回転していない全方向移動車輪に段差部を乗り越えさせようとすると、回転していない全方向移動車輪は段差部に当接する。段差部には、回転している全方向移動車輪のモータによって付与された推力によって生じた力が加わり、この力と同等の反力が全方向移動車輪に加わる。この力により、全方向移動車輪は回動軸部を中心として回動する。そして、全方向移動車輪の回動により、弾性部材が収縮しながら全方向移動車輪は進行方向とは反対方向に傾く。全方向移動車輪が傾いた分だけ車体は進行することができるため、回転していない状態の全方向移動車輪は傾きながら段差部に乗り上がっていくことになる。即ち、全方向移動車の進行に伴い、回転していない状態の全方向移動車輪は浮き上がり、段差部の乗り越えが容易となる。段差部を乗り越えた後には、回転していない状態の全方向移動車輪の回動により収縮していた弾性部材が復元することで、傾いた全方向移動車輪は元の状態に戻ることになる。

上記全方向移動車について、前記複数の車輪ユニットのそれぞれは、前記全方向移動車輪の上下動を許容する許容部と、前記全方向移動車輪の上下動によって加わる力によって伸縮する緩衝部材を備えていてもよい。

これによれば、緩衝部材により、段差部を乗り越えた際に発生する衝撃を緩和することができる。

本発明によれば、全方向移動車輪によって走行する全方向移動車において段差部の乗り越えが容易になる。

全方向移動車の平面図。 全方向移動車を示す図１の２−２線断面図。 回動支持部の斜視図。 段差部の乗り越え条件を示す図。 （ａ）〜（ｅ）は全方向移動車輪の回転方向と、進行方向との関係を示す図。 全方向移動車が段差部を乗り越える際の全方向移動車輪の傾きを示す図。 全方向移動車が段差部を乗り越える際のフリーローラの動きを示す図。

以下、全方向移動車の一実施形態について説明する。全方向移動車は、例えば、荷を搬送する搬送台車に適用される。
図１に示すように、全方向移動車１０は、車体（台車）２０と、４つの車輪ユニット３０と、車体２０の外縁に設けられたバンパー２１と、を備える。４つの車輪ユニット３０は、車体２０の外縁に沿って配置されている。各車輪ユニット３０は、４つの車輪ユニット３０の中心Ｏ（４つの車輪ユニット３０を繋いだ円の中心）に対し９０°毎に配置されている。

図２に示すように、車体２０は、収容部２２を備える。収容部２２は、車輪ユニット３０の数に合わせて設けられ、本実施形態では４つ設けられている。収容部２２は、各車輪ユニット３０を収容するための空間であり、車体２０の底面から凹むように設けられている。

車体２０は、収容部２２の上方（鉛直方向の反対方向）に設けられた支持部２３と、支持部２３から下方（鉛直方向）に延び、収容部２２内に配設された取付部２４と、を備える。支持部２３は、収容部２２に面しており、収容部２２を区画しているともいえる。バンパー２１は、車体２０の外側から収容部２２を覆う。

各収容部２２には、車輪ユニット３０が収容されている。各車輪ユニット３０は、同一の構成である。車輪ユニット３０は、全方向移動車輪（以下、車輪と称する）４０と、車輪４０を回転駆動させる駆動源となるモータＭと、車輪４０を車体２０に取り付けるための車輪取付部材５０と、を備える。

本実施形態の車輪４０は、複列式のオムニホイールである。車輪４０は、相互に固定された２つのホイール４１，４２と、各ホイール４１，４２の外周に設けられた複数のフリーローラ４３と、を備える。フリーローラ４３は、フリーローラ４３の回転軸線がホイール４１，４２の回転軸線に対して、９０°傾く状態で配設されている。両ホイール４１，４２の中心軸には、モータＭの回転軸Ａが固定されている。車輪４０は、ホイール４１，４２の中心軸を回転軸線として回転する。

フリーローラ４３は、例えば、６０°間隔置きに６つ設けられている。フリーローラ４３は、図示しないローラ軸に自由回転可能な状態で支持されている。２つのホイール４１，４２は、相互に３０°ずれた状態で固定されている。これにより、一方のホイール４１，４２に設けられたフリーローラ４３同士の間の部分に、他方のホイール４１，４２に設けられたフリーローラ４３が隣り合う。

モータＭの駆動により車輪４０が回転すると、フリーローラ４３が順次、路面に接していくことで全方向移動車１０は走行する。また、車輪４０が回転軸線方向に移動する際には、床に接しているフリーローラ４３が回転することで回転軸線方向への移動を許容する。以下の説明において、回転軸線方向とは、車輪４０の回転軸線方向を示すものとする。

図１、及び、図２に示すように、４つの車輪４０は、回転軸線が中心Ｏを向くように配置されている。モータＭは、車輪４０よりも車体２０の内側（中心Ｏ）に寄って設けられている。モータＭと、車輪４０とは回転軸線方向に向かい合って配置されている。

車輪取付部材５０は、車輪４０及びモータＭの両方を保持する保持部５１と、保持部５１と支持部２３との間に設けられた緩衝部材７１と、保持部５１と取付部２４との間に設けられた弾性部材７２と、回動支持部６０と、を備える。

保持部５１は、回転軸線方向に車輪４０と対向して設けられた側部５２と、車輪４０の上方に設けられた上部５３と、を備える。側部５２は、車輪４０よりも車体２０の内側（中心Ｏ）に寄って設けられている。側部５２には、モータＭが取り付けられている。これにより、保持部５１、モータＭ、及び、モータＭに取り付けられた車輪４０が一体化（モジュール化）されている。上部５３は、車輪４０と、支持部２３との間に位置している。

図２及び図３に示すように、回動支持部６０は、上部５３に固定された軸部材６１と、支持部２３に固定された軸支持部６２と、を備える。軸部材６１は、上部５３から支持部２３に向けて延びる軸部６３と、軸部６３と垂直に交わる回動軸部６４と、を備える。回動軸部６４は、上下方向に直交し、且つ、回転軸線方向に直交する方向に延びている。軸部材６１が上部５３に固定されることで、回動軸部６４と車輪４０とは一体となっている。

軸支持部６２は、回動軸部６４が挿入される挿通孔６５を備える。挿通孔６５の貫通方向は、上下方向に直交し、且つ、回転軸線方向に直交する方向であり、回動軸部６４の延びる方向と同一である。挿通孔６５は、上下方向に長手が延びる長孔であり、長手方向（上下方向）の寸法は、回動軸部６４の直径よりも長い。

回動軸部６４は、挿通孔６５に挿入されている。これにより、軸支持部６２は、回動軸部６４を支持している。回動軸部６４及び挿通孔６５は、保持部５１を介して上下方向に車輪４０と重なるように配置されている。即ち、車輪４０の外形を上方に投影した範囲内に回動軸部６４が位置する。本実施形態では、車輪４０の回転軸線方向の中心と、回動軸部６４とが上下方向に重なる。

回動軸部６４は、上下方向に直交する方向に対する挿通孔６５内での移動が規制される一方で、上下方向に対する挿通孔６５内での移動が許容されている。また、回動軸部６４は、挿通孔６５内での周方向への回動が許容されている。挿通孔６５内での回動軸部６４の上下動を可能とすることで、保持部５１を介して回動支持部６０に支持された車輪４０の上下動は許容されている。したがって、挿通孔６５が許容部として機能することになる。

図２に示すように、緩衝部材７１はバネである。緩衝部材７１は、支持部２３及び保持部５１に固定されている。全方向移動車１０の走行に伴い車輪４０が上下動すると、この上下動に合わせて保持部５１も上下動する。そして、車輪４０の上下動によって加わる力は、保持部５１を介して緩衝部材７１に加わり、緩衝部材７１は車輪４０の上下動に伴う力によって伸縮する。

弾性部材７２はバネである。弾性部材７２は、取付部２４及び保持部５１に固定されている。弾性部材７２は、車輪４０よりも車体２０の内側（中心Ｏ）に寄って設けられている。弾性部材７２は、車輪４０からの力が加わっていない状態で、車輪４０の回転軸線と床とが平行となるように設けられている。また、弾性部材７２は、全方向移動車１０の走行に伴う外力が作用し、車輪４０に回転軸線方向からの力が加わった場合には収縮する。したがって、弾性部材７２は、車輪４０に回転軸線方向からの力が加わると収縮し、この力が解放されたときには弾性力により復元する。

上記した全方向移動車１０は、車体２０の向きを維持したまま直進、斜行、横行することが可能である。なお、以下の説明において、図１に示す中心Ｏを中心点として点対称となるように配置された２つの車輪を車輪４０Ａ，４０Ｃとし、残りの２つの車輪を車輪４０Ｂ，４０Ｄとして説明を行う。車輪４０Ｂと車輪４０Ｄとは、中心Ｏを中心点として点対称となるように配置されている。

図５（ａ）に示すように、４つの車輪４０のうち、車輪４０Ａと車輪４０Ｃとを同一方向に回転させ、且つ、車輪４０Ｂと車輪４０Ｄとを同一方向に回転させると、全方向移動車１０は直進（前進及び後進）する。なお、以下、この場合に全方向移動車１０が進行する方向を前後方向とする。

図５（ｂ）に示すように、４つの車輪４０のうち、車輪４０Ｂと４０Ｄとを同一方向に回転させ、残り２つの車輪４０Ａ，４０Ｃを停止させると、全方向移動車１０は斜行する（前後方向に対して斜めに進行する）。

図５（ｃ）に示すように、４つの車輪４０のうち、車輪４０Ａと車輪４０Ｃとを直進時とは反対方向に回転させ、且つ、車輪４０Ｂと車輪４０Ｄとを直進時と同一方向に回転させると、全方向移動車１０は横行する。

また、全方向移動車１０は、その場で旋回する（進行することなく車体２０の向きを変更する）ことも可能であり、旋回しながら進行（車体２０の向きを変更しながら進行）することも可能である。

図５（ｄ）に示すように、車輪４０Ａと車輪４０Ｃとを異なる方向に回転させ、車輪４０Ｂと車輪４０Ｄとを異なる方向に回転させると、全方向移動車１０はその場で旋回（＝自転）する。

図５（ｅ）に示すように、４つの車輪４０の回転方向及び回転数（回転速度）を調整することで、全方向移動車１０は旋回（自転）しながら進行する。
次に、本実施形態の全方向移動車１０の作用について説明する。

図４に示すように、全方向移動車１０の走行する床ＦＬには、全方向移動車１０の進行方向に対してせり上がった段差部Ｓが存在するとする。図４では、段差部Ｓは床ＦＬの高低差によって生じているが、床ＦＬに置かれた障害物によっても段差部Ｓは生じ得る。

前述したように、全方向移動車１０が斜行している場合、回転していない車輪４０が進行方向における最も前方に位置することになる。すると、段差部Ｓを乗り越える際には、４つの車輪４０のうち回転していない車輪４０が最初に段差部Ｓに差し掛かることになる。また、全方向移動車１０が斜行している場合、回転していない車輪４０の回転軸線方向と進行方向とは一致しているため、フリーローラ４３によって段差部Ｓを乗り越えることになる。

ここで、回転していない車輪４０のフリーローラ４３が段差部Ｓを乗り越えるための条件は、段差部Ｓの角部にフリーローラ４３が接触したときのモーメントが、Ｆ×ｄ＞Ｐ×ｅを満たす場合である。Ｆは全方向移動車１０の推力［Ｎ］であり、ｄは段差部Ｓの高さと、床ＦＬから角部に接触したフリーローラ４３の中心軸までの高さとの差［ｍ］であり、Ｐは輪重（車輪４０の質量）［ｋｇ］であり、ｅはフリーローラ４３の中心軸から段差部Ｓまでの水平方向での距離［ｍ］である。

図６及び図７に示すように、回転していない車輪４０が段差部Ｓに差し掛かると、段差部Ｓには、車体２０の推力によって生じた力がフリーローラ４３から加わり、この力と同等の反力がフリーローラ４３には加わることになる。なお、車体２０の推力は、回転している２つの車輪４０を回転駆動させるモータＭによって付与されている。

段差部Ｓからの反力によって車輪４０は回動軸部６４を中心として車体２０の内側（進行方向の反対方向）に向けて回動することになる。この回動により、車輪４０は進行方向とは反対方向に傾いていき、車輪４０は床ＦＬから離間していく。収容部２２は、車輪４０の傾きを許容するため、車輪４０の回動範囲に空間を確保しているといえる。車輪４０が進行方向とは反対方向に傾いた分だけ、車体２０は進行することができるため、車輪４０は段差部Ｓに乗り上がっていく。したがって、回動軸部６４を中心とする車輪４０の回動により、ｄは大きくなり、ｅは小さくなる。そして、Ｆ×ｄ＞Ｐ×ｅの条件が満たされると、車輪４０が段差部Ｓを乗り越える。

また、車輪４０が上に動くと、この力が保持部５１を介して軸部６３に伝わる。回動軸部６４は、挿通孔６５内での上下動が許容されているため、車輪４０が上に動くことは許容されている。車輪４０が上に動くことで、車体２０に衝撃が加わろうとするが、緩衝部材７１がサスペンションとして機能することで、衝撃は緩和されることになる。詳細に説明すると、路面から加わる衝撃力は、緩衝部材７１によって弾性エネルギーに変換され、これにより車体２０に加わる衝撃力を緩和することができる。

本実施形態では、弾性部材７２及び緩衝部材７１としてバネを用いている。バネを弾性部材７２として用いた場合には、バネの弾性変形によって段差部Ｓの乗り越え時に車輪４０の傾きを可能とするとともに、弾性変形したバネの復元力によって段差部Ｓの乗り越え後に車輪４０を元の状態に戻すことができる。バネを緩衝部材７１として用いた場合には、バネの弾性変形により衝撃を弾性エネルギーに変換して衝撃を緩和することができる。このため、バネは、弾性部材７２としても緩衝部材７１としても用いることができる。

したがって、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）車輪ユニット３０は、弾性部材７２と、回動軸部６４と、回動軸部６４を回動可能に支持した軸支持部６２と、を備える。車輪４０に回転軸線方向からの力が加わったときに、弾性部材７２が収縮しながら車輪４０が回動軸部６４を中心として回動することで、車輪４０を進行方向とは反対方向に向かうように傾かせることができる。車輪４０が傾いた分だけ車体２０は進行することができるため、車輪４０は段差部Ｓに乗り上がることになる。即ち、全方向移動車１０の進行に伴い、車輪４０は浮き上がり、段差部Ｓの乗り越えが容易となる。段差部Ｓを乗り越えた後には、車輪４０の回動により収縮していた弾性部材７２が復元することで、傾いた車輪４０は元の状態に戻り、通常の走行が可能となる。

（２）挿通孔６５は、上下方向に延びる長孔であり、回動軸部６４の上下動を許容する。また、車輪ユニット３０は、上下方向に伸縮する緩衝部材７１を備える。これにより、車輪４０の上下動を許容しつつ、車輪４０が上に動いた際の衝撃を緩衝部材７１で緩和することができ、段差部Ｓを乗り越えた際に発生する衝撃を緩和することができる。

（３）車輪ユニット３０は、車輪４０よりも外側に補助ガイド等を配置することなく段差部Ｓを乗り越えることができるため、全方向移動車１０の車幅が大きくなることを抑制できる。

また、車輪４０よりも外側に補助ガイドを設けた場合、補助ガイドにより、バンパー２１の装着がしにくくなる。本実施形態のように、車輪４０より外側に補助ガイド等を配置しないことで、バンパー２１の装着が行いやすい。

（４）回転しない車輪４０によって段差部Ｓを乗り越える際に、段差部Ｓに接触するのはフリーローラ４３である。フリーローラ４３は回転するため、乗り越えによる車輪４０の変形が生じにくい。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○緩衝部材７１は、設けられていなくてもよい。この場合、回動支持部６０は、車輪４０の上下動を許容しなくてもよい。即ち、回動軸部６４が挿通孔６５の中で上下動できなくてもよい。この場合であっても、回動軸部６４を中心とする車輪４０の回動によって、段差部Ｓの乗り越えは容易となる。

○車輪４０として、オムニボール、メカナムホイール、単列式のオムニホイールなどを用いてもよい。メカナムホイールは、ホイール４１，４２の回転軸線に対して、フリーローラ４３の回転軸線が４５°程度傾いたものである。オムニボールは、半球状の２つのホイールをそれぞれ受動回転させるものである。単列式のオムニホイールは、フリーローラを備えるホイールが単数のものである。

○軸部材６１をシリンダに代えてもよい。シリンダは、車輪４０の上下動に伴いシリンダチューブ内に出没するロッドを備え、このロッドは保持部５１に取り付けられている。シリンダチューブの外側面からは、回動軸部６４が突出し、この回動軸部６４は挿通孔６５に挿入される。回動軸部６４は、挿通孔６５内で上下動が規制されている。この場合、車輪４０の上下動は、シリンダチューブに対するロッドの出没によって許容されることになる。したがって、シリンダが許容部となる。

○モータＭの駆動力を、動力伝達機構（例えば、ベルトなど）を介して車輪４０に伝達させてもよい。
○モータＭは、車輪４０に埋め込まれていてもよい。

○回動軸部６４は、円柱状に限られず。四角柱状でもよい。この場合、回動軸部６４が挿入された軸受が挿通孔６５に挿入される。
○弾性部材７２としては、回転軸線方向から車輪４０に力が加わった際に伸縮し、この力が解放されたときに復元する部材であればよく、例えば、ゴムなどを用いてもよい。

○緩衝部材７１としては、ショックアブゾーバなど、走行に伴う衝撃を緩和できるものであれば、どのようなものを用いてもよい。
○車輪４０の数は、３つ以上であれば適宜変更してもよい。

○回動軸部６４及び挿通孔６５の位置は、上下方向に車輪４０と重なり合えば、どのような位置に設けられていてもよい。また、車輪４０の回動による段差部Ｓの乗り越えを阻害しない範囲であれば、上下方向に車輪４０と重なり合わない位置に設けられていてもよい。

Ｍ…モータ、１０…全方向移動車、２０…車体、３０…車輪ユニット、４０…全方向移動車輪、６２…軸支持部、６４…回動軸部、７１…緩衝部材、７２…弾性部材。

Claims (2)

1. 車体と、
   前記車体に設けられた複数の車輪ユニットと、を備えた全方向移動車であって、
   前記複数の車輪ユニットのそれぞれは、
   全方向移動車輪と、
   前記全方向移動車輪を回転させるモータと、
   前記全方向移動車輪よりも上側において前記全方向移動車輪と一体に設けられており、上下方向に直交し、且つ、前記全方向移動車輪の回転軸線方向に直交する方向に延びる回動軸部と、
   前記回動軸部を回動可能に支持する軸支持部と、
   前記全方向移動車輪に回転軸線方向からの力が加わった際に収縮し、前記回転軸線方向からの力が解放されたときに復元する弾性部材と、を備え、
   前記全方向移動車輪は、前記全方向移動車輪に前記回転軸線方向からの力が加わった場合に前記回動軸部を中心として車体の内側に向けて回動する全方向移動車。
2. 前記複数の車輪ユニットのそれぞれは、
   前記全方向移動車輪の上下動を許容する許容部と、
   前記全方向移動車輪の上下動によって加わる力によって伸縮する緩衝部材を備える請求項１に記載の全方向移動車。