JP6931848B2

JP6931848B2 - 移動装置

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Publication number: JP6931848B2
Application number: JP2017223262A
Authority: JP
Inventors: 雅晴小森; 達郎寺川; 充阪本; 祐二河戸
Original assignee: ISSI CORPORATION; Kyoto University
Current assignee: ISSI CORPORATION; Kyoto University
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: JP2019093817A

Description

本発明は、移動装置に関し、詳しくは、向きを変えずに平面上を全方向に移動することができる移動装置に関する。

全方向に移動可能なロボットや、工場内の搬送設備等において、向きを変えずに全方向に移動可能な車輪が用いられている。

向きを変えずに全方向に移動可能な車輪には、例えば、ホイール体の外周に沿って副車輪が配置され、ホイール体の回転中心軸に垂直な仮想面に含まれる回転中心軸を中心に副車輪が回転するように構成されたタイプのもの（以下「全方向車輪」という。）がある。このタイプの車輪（全方向車輪）は、副車輪が平面に接し、ホイール体が回転すると、一般の車輪と同様に、平面上を前後方向（ホイール体の回転中心軸に垂直な方向）に移動する。ホイール体が静止している状態で副車輪が回転すると、平面上を左右方向（ホイール体の回転中心軸と平行な方向）に移動する。ホイール体と副車輪とが同時に回転すると、平面上を、前後方向とも左右方向とも交差する斜め方向に移動する。

全方向車輪には、オムニホイール（登録商標）と呼ばれるもの以外に、種々提案されている。例えば、図７の断面図に示された全方向車輪１１０は、ホイール体１２０と、ホイール体１２０に回転自在に支持された複数個の副車輪１３０とが、差動機構１４０を介して回転駆動されるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。図８の断面図に示された全方向車輪は、ホイール体２２２と、樽状の第１の副車輪２２４と、樽状の第２の副車輪２２６とが、差動機構を介して回転駆動されるように構成されている。（例えば、特許文献２参照）。

特許第５１５８６９８号公報国際公開第２０１５／１５６２６３号

移動装置の本体を４個の全方向車輪で支持すると、移動装置は、向きを変えずに平面上を全方向に移動可能になる。４個の全方向車輪のうち、２個の全方向車輪についてはホイール体も副車輪も自由に回転し、他の２個の全方向車輪についてはホイール体と副車輪とが回転駆動されるように構成すると、４個の全方向車輪のすべてのホイール体と副車輪とが回転駆動される場合に比べ、構成が簡単になる。

２個の全方向車輪についてはホイール体も副車輪も自由に回転し、他の２個の全方向車輪のホイール体が静止している状態で、他の２個の全方向車輪のそれぞれ平面に接している副車輪が同じ方向に同じ速度で回転すると、移動装置は向きを変えずに左右方向（ホイール体の回転中心軸と平行な方向）、すなわち真横に移動する。

しかしながら、実際に移動装置を試作し実験したところ、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合が発生することがあり、新たな課題が明らかになった。

本発明は、かかる実情に鑑みて、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる移動装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した移動装置を提供する。

移動装置は、（ａ）本体と、（ｂ）前記本体に、第１の回転中心軸と同軸に支持された一対の第１の全方向車輪と、（ｃ）前記本体に、前記第１の回転中心軸と平行な第２の回転中心軸と同軸に支持された一対の第２の全方向車輪と、を備える。前記移動装置は、一対の前記第１の全方向車輪と一対の前記第２の全方向車輪とが平面に接しているとき、前記本体が前記平面から離れているように構成されている。前記第１の全方向車輪及び前記第２の全方向車輪は、それぞれ、（ｉ）ホイール回転中心軸を中心に回転自在に支持されるホイール体と、（ii）前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直な仮想面に含まれる副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する副車輪と、を含む。一対の前記第１の全方向車輪の前記ホイール体は、それぞれの前記ホイール回転中心軸が前記第１の回転中心軸と一致するように、前記本体に回転自在に支持される。一対の前記第２の全方向車輪の前記ホイール体は、それぞれの前記ホイール回転中心軸が前記第２の回転中心軸と一致するように、前記本体に回転自在に支持される。一対の前記第１の全方向車輪の前記ホイール体及び前記副車輪は、自由に回転するように構成されている。一対の前記第２の全方向車輪の前記ホイール体及び前記副車輪は、回転駆動されるように構成されている。前記移動装置は、前記平面に垂直な方向から見ると、前記移動装置の重心が、前記第２の回転中心軸上、又は、前記第１の回転中心軸と前記第２の回転中心軸との間に位置し、前記第１の回転中心軸と前記重心との間の距離が、前記第２の回転中心軸と前記重心との間の距離の３倍以上であるように構成されている。

上記構成において、移動装置の重心は第２の回転中心軸上又は第２の回転中心軸側に位置し、移動装置の重心が４個の全方向車輪で囲まれた矩形領域の中央付近に位置する一般的な構成と比べ、第１の全方向車輪への重量配分が減り、第２の全方向車輪への重量配分が増える。

上記構成によれば、第１の全方向車輪は、重量配分が減るため、摩擦力が小さくなり、移動時の抵抗が小さくなる。第２の全方向車輪は、重量配分が増えるため、摩擦力が大きくなり、移動時の駆動力が大きくなる。その結果、一対の第２の全方向車輪のホイール体が静止している状態で、一対の第２の全方向車輪のそれぞれ平面に接している副車輪が同じ方向に同じ速度で回転したとき、移動装置は、移動装置の重心が４個の全方向車輪で囲まれた矩形領域の中央付近に位置する一般的な構成に比べ、より確実に、第１及び第２の回転中心軸と平行な方向、すなわち真横に、向きを変えずに移動する。

したがって、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる。

好ましい一態様において、前記第１の全方向車輪の前記副車輪と、前記第２の全方向車輪の前記副車輪とは、それぞれ、（ｉ）前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直な第１の仮想面に含まれる第１の副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する複数個の第１の副車輪と、（ii）前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直であり前記第１の仮想面とは異なる第２の仮想面に含まれる第２の副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する複数個の第２の副車輪と、を含む。

本発明によれば、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる。

図１は移動装置の概略構成を示す平面図である。（実施例１）図２は移動装置の概略構成を示す側面図である。（実施例１）図３は移動装置の概略構成を示す部分断面背面図である。（実施例１）図４は移動装置の移動の説明図である。（実施例１）図５は第２の全方向駆動車輪の外観図である。（実施例１）図６は第２の全方向駆動車輪の断面図である。（実施例１）図７は全方向車輪の断面図である。（従来例１）図８は全方向車輪の断面図である。（従来例２）

以下、本発明の実施について、図面を参照しながら説明する。

＜実施例１＞実施例１の移動装置１０について、図１〜図６を参照しながら説明する。

図１は移動装置１０の概略構成を示す平面図である。図２は、移動装置１０の概略構成を示す側面図である。図３は、移動装置１０の概略構成を示す部分断面背面図である。図１〜図３に示すように、移動装置１０は、本体１２に、一対の第１の全方向車輪２０と一対の第２の全方向車輪３０とが支持されている。４個の全方向車輪２０，３０が平面２に接しているとき、本体１２が平面２から離れているように構成されている。

一対の第１の全方向車輪２０は、本体１２の左右の側面に沿って配置され、第１の回転中心軸２８とそれぞれ同軸に、すなわち互いに同軸に、本体１２に支持されている。一対の第２の全方向車輪３０は、本体１２の左右の側面に沿って配置され、第１の回転中心軸２８と平行な第２の回転中心軸３８とそれぞれ同軸に、すなわち互いに同軸に、本体１２に支持されている。

全方向車輪２０，３０は、ホイール体と、ホイール体の外周に沿って配置された副車輪とを備えている。副車輪は、ホイール体の回転中心軸に垂直な仮想面に含まれる回転中心軸を中心に回転自在にホイール体に支持され、ホイール体の回転中心軸と平行な方向から見ると、ホイール体よりも径方向外側、すなわちホイール体の回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する。

第１の全方向車輪２０のホイール体は、ホイール体の回転中心軸と第１の回転中心軸２８とが一致するように、本体１２に回転自在に支持される。第１の全方向車輪２０は、ホール体と副車輪とが自由に回転するように構成されている。

第２の全方向車輪３０は、ホイール体の回転中心軸と第２の回転中心軸３８とが一致するように本体１２に回転自在に支持される。第２の全方向車輪３０は、ホイール体と副車輪とが回転駆動されるように構成されている。

本体１２には、第２の全方向車輪３０のホイール体と副車輪とを回転駆動するための駆動装置（例えば、モータや電池）が配置され、必要に応じて、駆動装置を制御するための制御装置や、駆動装置を操作するための操作装置等が配置される。

移動装置１０は、一般的な四輪の移動装置とは異なり、移動装置１０の重心１４が、第２の回転中心軸３８上又は第２の回転中心軸３８側に位置するように構成する。具体的には、図１及び図２に示すように、平面２に垂直な方向から見たとき、移動装置１０の重心１４は、第２の回転中心軸３８上、又は、第１の回転中心軸２８と第２の回転中心軸３８との間に位置し、移動装置１０の重心１４と第１の回転中心軸２８との間の距離をＬ１、移動装置１０の重心１４と第２の回転中心軸３８との間の距離をＬ２とすると、Ｌ１／Ｌ２≧３を満たすように構成する。すなわち、第１の回転中心軸２８と重心１４との間の距離Ｌ１が、第２の回転中心軸３８と重心１４との間の距離の３倍以上であるように構成する。

一般的には、平面２に垂直な方向から見たとき、移動装置１０の重心１４が、４個の車輪２０，３０で囲まれた矩形領域の中央付近に位置し、各車輪２０，３０に重量が略均等に配分されるように、移動装置１０を構成する。この場合、移動装置１０の重心１４は、例えば、Ｌ１：Ｌ２が１：３となる第１の位置と、Ｌ１：Ｌ２が３：１となる第２の位置との間に位置する。

しかしながら、本発明の移動装置１０では、後述する不具合を抑制するため、移動装置１０の重心１４が第２の回転中心軸３８上又は第２の回転中心軸３８側に位置するように構成する。具体的には、移動装置１０の重心１４が、例えば、Ｌ１：Ｌ２が３：１である第２の位置と、第２の回転中心軸３８との間に位置するように構成する。このとき、Ｌ１／Ｌ２≧３を満たす。

次に、移動装置１０の動作について、図１〜図４を参照しながら説明する。図４は、移動装置１０の移動の説明図であり、第１及び第２の全方向車輪２０，３０が接する平面２に垂直な方向から見た図である。

一対の第２の全方向車輪３０の副車輪が回転せず静止している状態で、一対の第２の全方向車輪３０のホイール体が同じ方向に同じ速度で回転すると、移動装置１０は、平面２上を前後方向（第１及び第の回転中心軸２８，３８に垂直な方向）に、向きを変えずに移動する。例えば図２において矢印９４で示す方向に第２の全方向車輪３０が回転し、移動装置１０は、矢印９０で示す方向に、向きを変えずに移動する。

一対の第２の全方向車輪３０のホイール体が回転せず静止している状態で、一対の第２の全方向車輪３０のそれぞれ平面２に接している副車輪が同じ方向に同じ速度で回転すると、移動装置１０は平面２上を左右方向（第１及び第２の回転中心軸２８，３８と平行な方向）に、すなわち真横に、向きを変えずに移動する。例えば、図３において矢印９６で示す方向に一対の第２の全方向車輪３０のそれぞれ平面２に接している副車輪３２が回転すると、移動装置１０は、矢印９２で示す方向に、向きを変えずに移動する。

しかしながら、実際に試作して実験したところ、移動装置１０が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置１０の向きが変わり、移動装置１０が、例えば図４において破線の矢印９３で示す方向に移動し、真横からずれた方向に移動するという不具合が発生することがあった。

この不具合は、ホイール体と副車輪とが自由に回転する第１の全方向車輪２０が抵抗になることが原因と考えられるので、本発明の移動装置１０では、移動装置１０の重心１４が、第２の回転中心軸３８上又は第２の回転中心軸３８側に位置するように構成する。

このような構成により、移動装置１０の重心１４が４個の車輪２０，３０で囲まれた矩形領域の中央付近に位置する一般的な構成と比べ、第１の全方向車輪２０への重量配分が減り、第２の全方向車輪３０の重量配分が増える。第１の全方向車輪２０は、重量配分が減るため、摩擦力が小さくなり、移動時の抵抗が小さくなる。第２の全方向車輪３０は、重量配分が増えるため、摩擦力が大きくなり、移動時の駆動力が大きくなる。その結果、一対の第２の全方向車輪３０のホイール体が静止している状態で、一対の第２の全方向車輪３０のそれぞれ平面２に接している副車輪が同じ方向に同じ速度で回転したとき、移動装置１０は、移動装置１０の重心１４が４個の車輪２０，３０で囲まれた矩形領域の中央付近に位置する一般的な構成に比べ、より確実に、左右方向、すなわち真横に、向きを変えずに移動する。

したがって、本発明の移動装置１０は、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる。

なお、図１〜図４は、移動装置１０の構成を模式的に図示するものであり、図示された形状に限定されない。例えば、本体１２は、図示された直方体形状に限らず、移動装置１０の用途等に応じた適宜な形状を任意に選択することができる。例えば、本体１２が第１及び第２の全方向車輪２０，３０を覆うように構成してもよい。

被搬送物を載せて被搬送物を搬送する用途や、車椅子のように人が搭乗して移動する用途に用いる移動装置１０は、被搬送物や搭乗者の質量が付加されると、全方向車輪２０，３０は重量配分が変化する。そのような場合でも、移動装置１０の重心１４が第２の回転中心軸３８上又は第２の回転中心軸３８側に位置することによって、移動装置１０が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置１０の向きが変わり、移動装置１０が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる。

次に、第２の全方向車輪３０の具体的な構成の一例を、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、第２の全方向車輪３０の外観図である。図６は、第２の全方向車輪３０の断面図である。

図５及び図６に示すように、第２の全方向車輪３０は、ホイール体４０の外周４２に沿って、外形が樽状の４個の第１の副車輪５０と、外形が樽状の４個の第２の副車輪５２とが互い違いに配置されている。第１の副車輪５０は、ホイール体４０の回転中心軸Ｘ（以下、「ホイール回転中心軸Ｘ」という。）に垂直な第１の仮想面に含まれる回転中心軸を中心に回転自在に、ホイール体４０に支持され、タイミングベルト８０を介して回転される。第２の副車輪５２は、ホイール回転中心軸Ｘに垂直であり第１の仮想面から離れている第２の仮想面に含まれる回転中心軸を中心に回転自在に、ホイール体４０に支持され、タイミングベルト８２を介して回転される。

ホイール回転中心軸Ｘに垂直な方向から見ると、第１及び第２の副車輪５０，５２は、ホイール回転中心軸Ｘの周りに、交互に、かつ等間隔に並び、第１及び第２の副車輪５０，５２の一部が、ホイール体４０の外周４２より外側に突出している。すなわち、ホイール回転中心軸Ｘに垂直な方向から見ると、第１及び第２の副車輪５０，５２は、ホイール体４０よりも、ホイール回転中心軸Ｘを中心とする径方向外側に突出している部分を有する。

図６に示すように、第１及び第２の入力部材６０，７０が、ホイール回転中心軸Ｘと同軸かつ回転自在に、ホイール体４０に支持されている。第１の入力部材６０は中空円筒状であり、第１の入力部材６０の中空穴に、軸状の第２の入力部材７０が同軸に配置されている。第１及び第２の入力部材６０，７０の一方の端部６２，７２は、ホイール回転中心軸Ｘと同軸にホイール体４０に設けられた軸部４４から突出している。軸部４４は、移動装置１０の本体１２に回転自在に支持され、ホイール体４０は、移動装置１０の本体１２に回転自在に支持される。第１及び第２の入力部材は６０，７０の一方の端部６２，７２は、移動装置１０の本体１２に配置された駆動装置から回転が伝達される。

ホイール体４０の内部には、第１及び第２の入力部材６０，７０にそれぞれ固定された差動大歯車６４，７４と、出力部材８６に固定された差動小歯車８４とを含む差動機構が設けられている。差動小歯車８４は、互いに対向する差動大歯車６４，７４の両方と噛み合う。出力部材８６は、ホイール体４０に回転自在に支持され、出力部材８６の回転が、歯車、プーリー、タイミングベルト８０，８２を介して第１及び第２の副車輪５０，５２に伝達され、第１及び第２の副車輪５０，５２が回転するように構成されている。

全方向車輪３０は、第１及び第２の入力部材６０，７０の回転の向きと速度の組み合わせに応じて、ホイール体４０と第１及び第２の副車輪５０，５２とが回転する。

第１及び第２の入力部材６０，７０が同じ方向に同じ速度で回転すると、差動小歯車８４は、自転することなく、ホイール回転中心軸Ｘのまわりを公転し、出力部材８６は回転しない。これにより、第１及び第２の副車輪５０，５２は回転せず、ホイール体４０がホイール回転中心軸Ｘを中心に回転する。その結果、第２の全方向車輪３０は、前後方向（ホイール回転中心軸Ｘに垂直な方向）に移動する。

第１及び第２の入力部材６０，７０が互いに反対方向に同じ速度で回転すると、差動小歯車８４は、公転することなく自転し、出力部材８６が回転する。これにより、ホイール体４０は回転せず、第１及び第２の副車輪５０，５２が回転する。その結果、第２の全方向車輪３０は、左右方向（ホイール回転中心軸Ｘに平行な方向）に移動する。

第１及び第２の入力部材６０，７０が異なる速度で回転すると、差動小歯車８４は、自転し、かつ公転する。これにより、ホイール体４０が回転し、同時に、第１及び第２の副車輪５０，５２が回転する。その結果、第２の全方向車輪３０は、前後方向とも左右方向とも交差する斜め方向に移動する。

第１の全方向車輪２０は、例えばオムニホイール（登録商標）であり、第２の全方向車輪３０と同様に、複数個の第１及び第２の副車輪がホイール体の外周に沿って回転自在に支持されている。しかしながら、第２の全方向車輪３０と異なり、第１及び第２の副車輪は自由に回転するように構成されている。第１及び第２の副車輪は回転駆動されないため、第１の全方向車輪２０は、タイミングベルト８０，８２、差動機構、入力部材６０，７０等を備えていない。第１の全方向車輪２０のホイール体は、移動装置１０の本体１２に回転自在に支持される。

なお、第１及び第２の全方向車輪２０，３０は、上記構成に限られるものではなく、適宜に構成することができる。例えば、第１及び第２の全方向車輪２０，３０は、図７に示した全方向車輪のように、ホイール体の外周に沿って一列に副車輪が配置された全方向車輪でもよい。第２の全方向車輪３０は、ホイール体の内部に、駆動モータ等の駆動装置が内蔵された全方向車輪でもよい。

＜まとめ＞以上に説明したように、移動装置１０は、移動装置が向きを変えずに真横に移動すると想定されるときに、移動装置の向きが変わり、移動装置が真横からずれた方向に移動するという不具合の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

例えば、移動装置１０の本体１２に、第１及び第２の全方向車輪２０，３０が平面２に接しているときには平面２から離れた状態であり、第１の全方向車輪２０が平面２から浮いたときに平面２に接する補助車輪を設けると、移動装置１０の転倒を防止することができる。この場合、補助車輪は、第２の回転中心軸３８よりも第１の回転中心軸２８とは反対側に設ける。

本発明の移動装置は、電動車椅子、移動車両、搬送台車、無人搬送車、フォールリフト、移動ロボット、コンベア等の用途に適用できる。

２平面
１０移動装置
１２本体
１４重心
２０第１の全方向車輪
２８第１の回転中心軸
３０第２の全方向車輪
３２副車輪
３８第２の回転中心軸
４０ホイール体
５０第１の副車輪
５２第２の副車輪
Ｌ１，Ｌ２距離
Ｘホイール回転中心軸

Claims

本体と、
前記本体に、第１の回転中心軸と同軸に支持された一対の第１の全方向車輪と、
前記本体に、前記第１の回転中心軸と平行な第２の回転中心軸と同軸に支持された一対の第２の全方向車輪と、
を備え、
一対の前記第１の全方向車輪と一対の前記第２の全方向車輪とが平面に接しているとき、前記本体が前記平面から離れているように構成された移動装置であって、
前記第１の全方向車輪及び前記第２の全方向車輪は、それぞれ、
ホイール回転中心軸を中心に回転自在に支持されるホイール体と、
前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直な仮想面に含まれる副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する副車輪と、
を含み、
一対の前記第１の全方向車輪の前記ホイール体は、それぞれの前記ホイール回転中心軸が前記第１の回転中心軸と一致するように、前記本体に回転自在に支持され、
一対の前記第２の全方向車輪の前記ホイール体は、それぞれの前記ホイール回転中心軸が前記第２の回転中心軸と一致するように、前記本体に回転自在に支持され、
一対の前記第１の全方向車輪の前記ホイール体及び前記副車輪は、自由に回転するように構成され、
一対の前記第２の全方向車輪の前記ホイール体及び前記副車輪は、回転駆動されるように構成され、
前記平面に垂直な方向から見ると、前記移動装置の重心が、前記第２の回転中心軸上、又は、前記第１の回転中心軸と前記第２の回転中心軸との間に位置し、前記第１の回転中心軸と前記重心との間の距離が、前記第２の回転中心軸と前記重心との間の距離の３倍以上であるように構成されていることを特徴とする、移動装置。
前記第１の全方向車輪の前記副車輪と、前記第２の全方向車輪の前記副車輪とは、それぞれ、
前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直な第１の仮想面に含まれる第１の副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する複数個の第１の副車輪と、
前記ホイール体に、前記ホイール回転中心軸に垂直であり前記第１の仮想面とは異なる第２の仮想面に含まれる第２の副車輪回転中心軸を中心に回転自在に支持され、前記ホイール回転中心軸と平行な方向から見ると、前記ホイール体よりも、前記ホイール回転中心軸を中心とする径方向外側に突出している部分を有する複数個の第２の副車輪と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の移動装置。