JP7088425B2

JP7088425B2 - 車輪及び車両

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Publication number: JP7088425B2
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Authority: JP
Inventors: 紘藤岡
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Current assignee: NSK Ltd
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Filing date: 2020-10-30
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Description

本発明は、車輪及び車両に関する。

宅配ロボット、無人搬送台車（ＡＧＶ；Auto Guided Vehicle）、搬送用カート、電動車いす、掃除ロボット、パートナーロボット等の自走車に搭載される駆動輪には、走行路に存在する段差、凹凸、傾斜部、階段等の障害物の乗り越え及び昇降を行う技術が求められている。特許文献１には、走行輪の周方向に分割され走行輪の放射方向に出退開閉可能に支持された複数の分割部を、選択的に突出展開して段差に係合させることで、段差を乗り越える車輪の構造が開示されている。また、特許文献２には、閉じ回転位置では転動周面を形成し、展開回転位置では転動周面外へ突出する、周方向所定間隔で設けられる複数の転動爪体を備える車輪の構造が開示されている。

特開２０１０－１５５５２０号公報特開２０１１－０３１７９６号公報

しかしながら、特許文献１の車輪は、車輪側にそれぞれの分割部に対する変形用のアクチュエータが配置されるため、駆動源から回転するアクチュエータへの伝達部の機構が複雑である。また、特許文献２の車輪は、車輪の外輪自体を変形させるため、外輪が完全な円にならず、走行時の安定性に問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単純な構造で、平地走行時の安定性を維持しつつ段差を乗り越えることができる車輪及び車両を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る車輪は、車輪回転軸回りに回転する外輪と、前記外輪と独立して前記車輪回転軸回りに回転するアーム駆動歯車と、前記外輪に固定されるアーム回転軸回りに回動可能であって、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が一方向（例えば、実施形態における正回転方向Ｒ１）に回転すると前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出し、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記一方向とは反対の他方向（例えば、実施形態における逆回転方向Ｒ２）に回転すると前記外輪の外周面より径方向内側に収容されるアームと、を備える。

車輪は、平地走行時にはアームを外輪の外周面より径方向内側に収容することによって外輪が転動する。車輪は、平地走行時には変形しない外輪が転動するので、平地走行時の安定性を維持することができる。また、車輪は、段差走行時にはアームを外輪の外周面より径方向外側に突出することによってアームが段差を捕えて走破することができる。アームは、外輪とアーム駆動歯車とを相対回転させるという単純な構造で、展開及び収容することができる。

本発明の一態様に係る車輪において、前記アームは、前記アーム駆動歯車と噛み合う歯部を含み、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記一方向に回転すると前記他方向に回転し、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記他方向に回転すると前記一方向に回転する。これにより、アームは、外輪に対して相対的にアーム駆動歯車が一方向に回転すると他方向に回転する。すなわち、アームの駆動源からアームまでの伝達経路の構造を簡素化できる。

本発明の一態様に係る車輪において、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が回転しない場合、前記アームは、突出した状態又は収容される状態を維持する。これによれば、車輪の意図しない変形を抑制できるので、安定した段差走行及び平地走行が可能である。

本発明の一態様に係る車輪において、前記アームは、前記外輪の外周面より径方向内側に収容される状態で曲率中心が前記外輪と同一、かつ曲率半径が前記外輪と同一である凸状の第１円弧壁部を外周面の一部に含む。これによれば、アームの駆動源によるトルクを、平地走行時にも使用することができる。

本発明の一態様に係る車輪において、前記アームは、前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出している状態で、前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出する凹状の第２円弧壁部を外周面の一部に含む。これによれば、段差走行時に、より好適にアームを段差に引っ掛けることができる。

本発明の一態様に係る車輪は、前記アーム駆動歯車を駆動するアーム用アクチュエータと、前記車輪回転軸回りに前記外輪と一体的に回転する外輪歯車と、前記外輪歯車と噛み合い、前記車輪回転軸と平行な回転軸回りに回転する外輪駆動歯車と、前記アーム用アクチュエータと独立して駆動し、前記外輪駆動歯車を駆動する外輪用アクチュエータと、を備える。これによれば、車輪は、平地走行時及び段差走行時の両方の走行時において、アーム用アクチュエータ及び外輪用アクチュエータの合成トルクによって走行するので、１台のアクチュエータのトルクを小さくすることができる。

本発明の一態様に係る車輪は、前記アーム駆動歯車を駆動するアーム用アクチュエータと、前記アーム用アクチュエータの動力を前記外輪に伝達する状態と、前記アーム用アクチュエータの動力を前記外輪に伝達しない状態と、を通電の有無で切り替え可能な電磁クラッチと、を備える。これによれば、車輪は、アクチュエータを１台のみ備えるため、複数のアクチュエータを同期させる必要がない。すなわち、電磁クラッチに通電している状態では、アームが展開状態又は収容状態を維持できる。また、電磁クラッチに通電していない状態では、アーム駆動歯車の回転方向によって、アームの展開動作又は収容動作が可能である。したがって、車輪の制御が容易である。

本発明の一態様に係る車輪は、前記アーム駆動歯車を駆動するアーム用アクチュエータと、前記アームの一方向への回転範囲を制限する一方向の第１ストッパと、前記アームの他方向への回転範囲を制限する他方向の第２ストッパと、を備える。これによれば、車輪の意図しない変形を抑制できるので、安定した段差走行及び平地走行が可能である。また、アーム駆動歯車が他方向に回転する場合、アームは、第１ストッパによって一方向への回転を制限されている状態では、第１ストッパ及びアーム回転軸を介して外輪に相対的に固定される。これにより、アームが閉じ回転位置の状態でアーム駆動歯車のトルクが外輪に伝達されるので、アームの駆動源によるトルクを、平地走行時にも使用することができる。また、アーム駆動歯車が一方向に回転する場合、アームは、第２ストッパによって他方向への回転を制限されている状態では、第２ストッパ及びアーム回転軸を介して外輪に相対的に固定される。これにより、アームが展開回転位置の状態でアーム駆動歯車のトルクが外輪に伝達されるので、アームの駆動源によるトルクを、好適に段差走行に使用することができる。

本発明の一態様に係る車両は、前記車輪と、前記車輪の前記車輪回転軸が固定される車体と、を備える。車輪は、平地走行時にはアームを外輪の外周面より径方向内側に収容することによって外輪が転動する。平地走行時には変形しない外輪が転動する車輪を備えるので、車両は、平地走行時の安定性を維持することができる。また、車両は、段差走行時には車輪のアームを外輪の外周面より径方向外側に突出することによってアームが段差を捕えて走破することができる。車輪のアームは、外輪とアーム駆動歯車とを相対回転させるという単純な構造で、展開及び収容することができる。

本発明によれば、単純な構造で、平地走行時の安定性を維持しつつ段差を乗り越えることができる車輪及び車両を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る車輪の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、図１の車輪の構成を模式的に示す側面図である。図３は、図１の車輪の平地走行時の状態を示す正面図である。図４は、図１の車輪の段差走行時の状態を示す正面図である。図５は、第２実施形態に係る車輪の平地走行時の状態を示す車輪回転軸を通る断面図である。図６は、第２実施形態に係る車輪の段差走行時の状態を示す車輪回転軸を通る断面図である。図７は、第３実施形態に係る車輪の平地走行時の状態を示す車輪回転軸を通る断面図である。図８は、第３実施形態に係る車輪の段差走行時の状態を示す車輪回転軸を通る断面図である。図９は、第４実施形態に係る車輪の平地走行時の状態を示す斜視図である。図１０は、図９の車輪の側面図である。図１１は、図９の車輪の車輪回転軸を通る断面図である。図１２は、第４実施形態に係る車輪の段差走行時の状態を示す斜視図である。図１３は、図１２の車輪の側面図である。図１４は、図１３の車輪の車輪回転軸を通る断面図である。図１５は、第１実施形態に係る車輪を搭載する適用例としての車両の構成例を模式的に示す斜視図である。図１６は、図１５に示す車両による段差乗り越え動作を説明するための説明図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る車輪１の構成について、図１から図４までを参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る車輪１の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、図１の車輪１の構成を模式的に示す側面図である。図３は、図１の車輪１の平地走行時の状態を示す正面図である。図４は、図１の車輪１の段差走行時の状態を示す正面図である。以下の説明において、車輪１が段差の走破が可能な方向への回転方向を正回転方向Ｒ１といい、正回転方向Ｒ１とは反対側の回転方向を逆回転方向Ｒ２という。

第１実施形態の車輪１は、宅配ロボット、無人搬送台車、搬送用カート、電動車いす、掃除ロボット、パートナーロボット等の自走車に搭載される駆動輪である。自走車は、例えば、左右対称に車輪１が配置される四輪車両（例えば、後述の図１５参照）が想定されるが、本発明ではこれに限定されない。第１実施形態において、車輪１が平地走行及び段差走行するための駆動力は、車輪１が搭載される自走車の車体側に搭載される電源等のエネルギー源から供給される。車輪１は、外輪１０と、アーム２０と、アーム駆動歯車３０と、外輪駆動歯車５０と、支持部９０と、を備える。

外輪１０は、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗを中心軸とする円板形状である。外輪１０は、中心に後述のアーム駆動軸３１が挿通する孔を有する。外輪１０の外周面１１は、全周に亘って車輪１の転動周面を構成する。外輪１０は、外周面１１の周方向に沿って取り付けられる輪状のタイヤ部１２を有する。タイヤ部１２は、例えば、ゴム等で形成され、走行時における設置面から受ける外輪１０への衝撃を吸収する。

外輪１０の外側面１３側には、４つのアーム２０が配置される。なお、外輪１０の外側面１３は、車輪１が自走車に搭載される際に車体の外側に面する側面である。外輪１０は、４つのアーム２０をそれぞれのアーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能に支持する４つのアーム支持部１４を有する。アーム回転軸Ａ_Ａは、車輪回転軸Ａ_Ｗと平行である。車輪回転軸Ａ_Ｗとそれぞれのアーム回転軸Ａ_Ａとの距離は、全て等しい。アーム回転軸Ａ_Ａは、車輪回転軸Ａ_Ｗに対して回転方向に等間隔に設けられる。

アーム支持部１４は、第１実施形態において、外輪１０の外側面１３から外側に突出する円柱状の軸部材である。アーム支持部１４は、アーム２０の軸孔２１を挿通する。４つのアーム支持部１４は、車輪回転軸Ａ_Ｗに対して回転方向に等間隔に設けられる。アーム支持部１４は、外輪１０と一体的に形成されてもよいし、別体に設けられて外輪１０に固定されてもよい。アーム支持部１４は、アーム２０をアーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能に支持するものであれば、どのようなものでもよい。

外輪１０の外側面１３とは反対側の側面である内側面１５側には、外輪歯車１６が配置される（図３及び図４参照）。外輪歯車１６は、外輪１０と同軸に配置される外歯車である。すなわち、外輪歯車１６は、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗと同一の回転軸を有する。外輪歯車１６は、外輪１０と一体的に回転する。外輪歯車１６は、外輪１０に固定されるか、又は外輪１０と一体的に設けられる。

アーム２０は、第１実施形態において、１つの車輪１に対して４つ設けられる。それぞれのアーム２０は、軸孔２１に挿通されるアーム支持部１４によって、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能に支持される（図２参照）。アーム２０は、図２の実線で示す閉じ回転位置と、二点鎖線で示す展開回転位置との間で、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能である。アーム２０は、基端円形部２２と、爪部２３と、を含む。また、１つのアーム２０は、歯部２４と、第１円弧壁部２５と、第２円弧壁部２６と、基端側壁部２７と、によって外周面が形成される。

基端円形部２２は、アーム回転軸Ａ_Ａを中心軸とする円筒形状である。基端円形部２２の中心には、軸孔２１が形成される。爪部２３は、基端円形部２２の径方向に突出して設けられる。爪部２３は、閉じ回転位置では、外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容される。爪部２３は、展開回転位置では、先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出する。

歯部２４は、基端円形部２２の円周面の一部に形成される。歯部２４は、後述のアーム駆動歯車３０と噛み合う。第１円弧壁部２５は、爪部２３の外周面の一部であって、凸状の円弧形状である。第１円弧壁部２５は、第１実施形態において、曲率半径が外輪１０と同一である。第１円弧壁部２５は、外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容されてアーム２０が閉じ回転位置にある場合、曲率中心が外輪１０と同一である。すなわち、第１円弧壁部２５は、アーム２０が閉じ回転位置にある場合、車輪１の転動周面の一部を構成する。第１円弧壁部２５の正回転方向Ｒ１側の端部は、爪部２３の先端部２８である。第２円弧壁部２６は、爪部２３の外周面の一部であって、凹状の円弧形状である。第２円弧壁部２６の一端は、爪部２３の先端部２８である。第２円弧壁部２６は、先端部２８を介して第１円弧壁部２５に隣接する。第２円弧壁部２６の他端は、基端円形部２２の歯部２４の逆回転方向Ｒ２側の端部に接続する。第２円弧壁部２６は、第１円弧壁部２５と同方向に湾曲する。

基端側壁部２７の一端は、基端円形部２２の歯部２４の正回転方向Ｒ１側の端部に接続する。基端側壁部２７の他端は、止め部２９を介して第１円弧壁部２５の逆回転方向Ｒ２側の端部に隣接する。先端部２８は、第１円弧壁部２５と第２円弧壁部２６との間に形成される。先端部２８は、実施形態において、丸みを有する。アーム２０は、基端円形部２２を含む基端側壁部２７側から爪部２３の先端部２８へ漸次細くなる形状に形成される。

基端側壁部２７は、閉じ回転位置において、逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の先端部２８が接触することによって、それ以上アーム２０が回転できないようにするストッパの役目を有する。止め部２９は、第１円弧壁部２５と基端側壁部２７との間に形成される角部である。止め部２９は、展開回転位置において、逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の基端円形部２２に接触することによって、それ以上アーム２０が回転できないようにするストッパの役目を有する。

アーム駆動歯車３０は、図３及び図４に示すように、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗと同軸の回転軸を有する外歯車である。アーム駆動歯車３０は、４つのアーム２０のそれぞれの歯部２４に噛み合う。

アーム駆動歯車３０は、アーム駆動軸３１の一方の端部である外端部３２に設けられる。外端部３２は、アーム駆動軸３１において、車輪１が自走車に搭載される際に車体の外側に位置する端部である。アーム駆動軸３１は、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗと同軸の回転軸を有する軸部材である。アーム駆動歯車３０は、アーム駆動軸３１と一体的に回転する。アーム駆動軸３１は、外輪１０の中心に形成された孔に挿通される。アーム駆動歯車３０及びアーム駆動軸３１は、外輪１０と独立して回転する。

アーム駆動軸３１の外端部３２とは反対側の端部である内端部３３は、アーム用アクチュエータ３５の出力軸に固定される。アーム用アクチュエータ３５は、アーム駆動歯車３０の回転駆動源である。アーム用アクチュエータ３５によるトルクは、アーム駆動歯車３０を介してアーム２０に伝達される。アーム用アクチュエータ３５は、例えば、インナーロータ式のモータである。アーム用アクチュエータ３５は、例えば、ステータと、電力が供給されることによってステータに対して回転するロータと、ロータと共に回転する出力軸と、を含む。アーム用アクチュエータ３５の出力軸は、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗ及びアーム駆動軸３１の回転軸と同軸である。

アーム用アクチュエータ３５は、車輪１が搭載される自走車の車体側に設けられた電源（不図示）から電力が供給される。アーム用アクチュエータ３５は、電力が供給されることによって、アーム駆動軸３１を介してアーム駆動歯車３０を車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに回転させる。アーム用アクチュエータ３５の出力軸の回転方向及び回転速度は、例えば、車輪１が搭載される自走車の車体側に設けられた制御装置によって制御される。

外輪駆動歯車５０は、図３及び図４に示すように、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗ及び外輪歯車１６の回転軸と平行な外輪駆動回転軸Ａ_Ｄを回転軸とする外歯車である。外輪駆動回転軸Ａ_Ｄは、アーム回転軸Ａ_Ａの１つと同軸であってもよいし、全てのアーム回転軸Ａ_Ａと異なる軸であってもよい。外輪駆動歯車５０は、外輪１０の内側面１５側に配置される。外輪駆動歯車５０は、外輪歯車１６に噛み合う。外輪駆動歯車５０は、外輪歯車１６の回転方向と反対方向に回転する。

外輪駆動歯車５０は、外輪駆動軸５１の一方の端部である外端部５２に設けられる。外端部５２は、外輪駆動軸５１において、車輪１が自走車に搭載される際に車体の外側に位置する端部である。外輪駆動軸５１は、外輪駆動回転軸Ａ_Ｄを回転軸とする軸部材である。外輪駆動歯車５０は、外輪駆動軸５１と一体的に回転する。

外輪駆動軸５１の外端部５２とは反対側の端部である内端部５３は、外輪用アクチュエータ５５の出力軸に固定される。外輪用アクチュエータ５５は、外輪駆動歯車５０の回転駆動源である。外輪用アクチュエータ５５によるトルクは、外輪駆動歯車５０を介して外輪歯車１６及び外輪１０に伝達される。外輪用アクチュエータ５５は、例えば、インナーロータ式のモータである。外輪用アクチュエータ５５は、例えば、ステータと、電力が供給されることによってステータに対して回転するロータと、ロータと共に回転する出力軸と、を含む。外輪用アクチュエータ５５の出力軸は、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗ及びアーム駆動軸３１の回転軸と平行、かつ外輪駆動歯車５０及び外輪駆動軸５１の外輪駆動回転軸Ａ_Ｄと同軸である。

外輪用アクチュエータ５５は、車輪１が搭載される自走車の車体側に設けられた電源（不図示）から電力が供給される。外輪用アクチュエータ５５は、電力が供給されることによって、外輪駆動軸５１を介して外輪駆動歯車５０を回転させる。すなわち、外輪用アクチュエータ５５は、外輪駆動軸５１及び外輪駆動歯車５０を介して、外輪歯車１６及び外輪１０を車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに回転させる。外輪用アクチュエータ５５の出力軸、外輪駆動軸５１及び外輪駆動歯車５０は、外輪歯車１６及び外輪１０の回転方向と反対方向に回転する。外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転方向及び回転速度は、例えば、車輪１が搭載される自走車の車体側に設けられた制御装置によって制御される。

支持部９０は、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５の筐体を支持する。支持部９０は、例えば、後述する図１５に示すように、車輪１が搭載される自走車の車体２０１に固定される。支持部９０が自走車の車体２０１に固定されることによって、自走車の車体２０１に対して、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗ及び外輪駆動歯車５０の外輪駆動回転軸Ａ_Ｄが固定される。

次に、第１実施形態の車輪１の作動について説明する。第１実施形態の車輪１は、アーム２０が閉じ回転位置（図２の実線で示す位置参照）にある場合、アーム２０の第１円弧壁部２５が車輪１の転動周面を構成する。この場合、車輪１は、円形を保ち、通常の車輪と同様な走行が可能である。車輪１は、アーム２０が展開回転位置（図２の二点鎖線で示す位置参照）にある場合、アーム２０の爪部２３の先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出する。この場合、車輪１は、アーム２０の爪部２３を段差（後述の図１６参照）に引っ掛けることによって、段差の走破が可能である。

アーム支持部１４は、外輪１０に固定されているため、外輪１０と共に車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに回転する。アーム駆動歯車３０が外輪１０と同回転方向かつ同回転速度で回転する（相対回転しない）場合、アーム２０の歯部２４に対してアーム駆動歯車３０が回転しないので、アーム２０は、閉じ回転位置から展開しない。すなわち、平地走行時においては、アーム駆動歯車３０と外輪１０とを同回転方向かつ同回転速度で回転させるよう、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転方向及び回転速度を制御することにより、アーム２０の閉じ回転位置を維持させる。

アーム駆動歯車３０の正回転方向Ｒ１への回転速度が外輪１０の回転速度より速い場合、アーム２０の歯部２４に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に回転するので、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に所定角度回転し、閉じ回転位置から展開回転位置に展開する。アーム駆動歯車３０の正回転方向Ｒ１への回転速度が外輪１０の回転速度より遅い場合、アーム２０の歯部２４に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に回転するので、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に所定角度回転し、展開回転位置から閉じ回転位置に閉じる。

アーム２０が展開回転位置に展開した状態で、アーム駆動歯車３０が外輪１０と同回転方向かつ同回転速度で回転する（相対回転しない）場合、アーム２０は、展開回転位置を維持する。すなわち、段差走行時には、外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転を停止させ、アーム用アクチュエータ３５のみを駆動させることによって、アーム２０を展開回転位置に展開させて車輪１を変形させる。アーム２０が任意の変形量まで達した後、再びアーム駆動歯車３０及び外輪１０を同回転方向かつ同回転速度で回転させるようにアーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５を制御することにより、アーム２０の展開回転位置を維持させる。

段差走行を終えて平地走行に移行する時は、アーム用アクチュエータ３５の回転を停止させ、外輪用アクチュエータ５５のみ正回転を継続させる。アーム用アクチュエータ３５の回転を停止させた状態で外輪用アクチュエータ５５が正回転する場合、アーム駆動歯車３０に対して外輪１０が正回転方向Ｒ１に相対回転する。すなわち、アーム駆動歯車３０が外輪１０に対して逆回転方向Ｒ２に相対回転する。これにより、アーム２０は、外輪１０に対して正回転方向Ｒ１に回転し、閉じ回転位置に閉じる。アーム２０が閉じ回転位置に達した後は、アーム駆動歯車３０と外輪１０とを同回転方向かつ同回転速度で回転させるよう、アーム用アクチュエータ３５と外輪用アクチュエータ５５とを駆動させて平地走行させる。

なお、進行方向の段差の検出は、例えば、車輪１が搭載される自走車の車体側に設けられた検出装置によって行う。検出装置は、例えば、段差までの距離を検出する赤外線センサ等のセンサを含む。検出装置は、例えば、段差を撮像する撮像部を含み、撮像画像に基づいて段差を検出してもよい。

以上説明したように、第１実施形態の車輪１は、外輪１０と、アーム駆動歯車３０と、アーム２０と、を備える。外輪１０は、車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに回転する。アーム駆動歯車３０は、外輪１０と独立して車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに回転する。アーム２０は、外輪１０に固定されるアーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能である。アーム２０は、外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に回転すると外輪１０の外周面１１より径方向外側に一部が突出する。アーム２０は、外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に回転すると外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容される。

車輪１は、平地走行時にはアーム２０を外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容することによって外輪１０が転動する。車輪１は、平地走行時には変形しない外輪１０が転動するので、平地走行時の安定性を維持することができる。また、車輪１は、段差走行時にはアーム２０を外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出することによってアーム２０が段差を捕えて走破することができる。アーム２０は、外輪１０とアーム駆動歯車３０とを相対回転させるという単純な構造で、展開及び収容することができる。

また、第１実施形態の車輪１において、アーム２０は、アーム駆動歯車３０と噛み合う歯部２４を含む。これにより、アーム２０は、外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に回転すると逆回転方向Ｒ２に回転し、外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に回転すると正回転方向Ｒ１に回転する。すなわち、アーム２０の駆動源からアーム２０までの伝達経路の構造を簡素化できる。

また、第１実施形態の車輪１において、外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が回転しない場合、アーム２０は、突出した状態又は収容される状態を維持する。これにより、車輪１の意図しない変形を抑制できるので、安定した段差走行及び平地走行が可能である。

また、第１実施形態の車輪１において、アーム２０は、外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容される状態で曲率中心が外輪１０と同一、かつ曲率半径が外輪１０と同一である凸状の第１円弧壁部２５を外周面の一部に含む。これにより、第１円弧壁部２５が車輪１の転動周面の一部を構成するため、アーム２０の駆動源によるトルクを、平地走行時にも使用することができる。

また、第１実施形態の車輪１において、アーム２０は、外輪１０の外周面１１より径方向外側に一部が突出している状態で、外輪１０の外周面１１より径方向外側に一部が突出する凹状の第２円弧壁部２６を外周面の一部に含む。これにより、段差走行時に、より好適にアーム２０を段差に引っ掛けることができる。

また、第１実施形態の車輪１は、アーム用アクチュエータ３５と、外輪歯車１６と、外輪駆動歯車５０と、外輪用アクチュエータ５５と、を備える。アーム用アクチュエータ３５は、アーム駆動歯車３０を駆動する。外輪歯車１６は、車輪回転軸Ａ_Ｗ回りに外輪１０と一体的に回転する。外輪駆動歯車５０は、外輪歯車１６と噛み合い、車輪回転軸Ａ_Ｗと平行なアーム回転軸Ａ_Ａ回りに回転する。外輪用アクチュエータ５５は、アーム用アクチュエータ３５と独立して駆動し、外輪駆動歯車５０を駆動する。これにより、車輪１は、平地走行時及び段差走行時の両方の走行時において、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５の合成トルクによって走行するので、１台のアクチュエータのトルクを小さくすることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る車輪２の構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、第２実施形態に係る車輪２の平地走行時の状態を示す車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。図６は、第２実施形態に係る車輪２の段差走行時の状態を示す車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。第２実施形態に係る車輪２について、第１実施形態に係る車輪１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。第２実施形態に係る車輪２は、第１実施形態に係る車輪１と比較して、外輪歯車１６、外輪駆動歯車５０、外輪駆動軸５１及び外輪用アクチュエータ５５の代わりにクラッチとしての電磁クラッチ７０を備える点で相違する。

電磁クラッチ７０は、外輪１０の内側面１５側に配置される。電磁クラッチ７０は、ロータ７１と、ステータ７２と、アーマチュア７３と、を含む。

ロータ７１は、円筒状に設けられる。ロータ７１は、アーム駆動軸３１と同軸に配置される。ロータ７１は、アーム駆動軸３１の外周面に固定される。ロータ７１は、アーム駆動軸３１と一体的に回転する。

ステータ７２は、ロータ７１と同軸の円筒状に設けられる。ステータ７２は、ロータ７１の径方向外側に設けられる。ステータ７２は、例えば、支持部９０（図３参照）に固定される。ステータ７２は、コイルを有する。ステータ７２は、コイルに通電することによって、磁力を帯びる。

アーマチュア７３は、中心に軸孔を有する円板状に設けられる。アーマチュア７３は、外輪１０の内側面１５に固定される。ロータ７１の外側面７４は、アーマチュア７３の内側面７５と対向する。

ステータ７２のコイルに通電している状態では、ステータ７２の磁力がロータ７１を介してアーマチュア７３を引きつける。これにより、ロータ７１の外側面７４とアーマチュア７３の内側面７５とが密着するので、アーム駆動軸３１のトルクは、ロータ７１及びアーマチュア７３を介して外輪１０に伝達される。

ステータ７２のコイルに通電していない状態では、ステータ７２が磁力を帯びず、ロータ７１を介してアーマチュア７３を引きつけない。これにより、ロータ７１の外側面７４とアーマチュア７３の内側面７５とが離隔するので、アーム駆動軸３１のトルクは、外輪１０に伝達されない。

次に、第２実施形態の車輪２の作動について説明する。第２実施形態の車輪２は、第１実施形態の車輪１と同様に、アーム２０が閉じ回転位置にある場合、アーム２０の第１円弧壁部２５が車輪２の転動周面を構成する。この場合、車輪２は、円形を保ち、通常の車輪と同様な走行が可能である。車輪２は、アーム２０が展開回転位置にある場合、アーム２０の爪部２３の先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出する。この場合、車輪２は、アーム２０の爪部２３を段差に引っ掛けることによって、段差の走破が可能である。

電磁クラッチ７０のステータ７２のコイルに通電している状態では、アーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達される。すなわち、アーム駆動歯車３０と外輪１０とは、同回転方向かつ同回転速度で回転する。この場合、アーム２０の歯部２４に対してアーム駆動歯車３０が回転しないので、アーム２０は、閉じ回転位置を維持する。

ステータ７２のコイルに通電していない状態では、アーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達されない。すなわち、ステータ７２のコイルに通電していない状態でアーム駆動軸３１を正回転方向Ｒ１に回転させると、アーム駆動歯車３０は、外輪１０及びアーム２０の歯部２４に対して相対的に、正回転方向Ｒ１に回転する。これにより、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に所定角度回転し、閉じ回転位置から展開回転位置に展開する。また、ステータ７２のコイルに通電していない状態でアーム駆動軸３１を逆回転方向Ｒ２に回転させると、アーム駆動歯車３０は、外輪１０及びアーム２０の歯部２４に対して相対的に、逆回転方向Ｒ２に回転する。これにより、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に所定角度回転し、展開回転位置から閉じ回転位置に閉じる。

アーム２０が展開回転位置に展開した状態で、アーム駆動歯車３０が外輪１０と同回転方向かつ同回転速度で回転する場合、アーム２０は、展開回転位置を維持する。すなわち、段差走行時には、電磁クラッチ７０のステータ７２のコイルへの通電を停止させ、アーム用アクチュエータ３５によるアーム駆動軸３１のトルクの外輪１０への伝達を停止させることによって、アーム２０を展開回転位置に展開させて車輪２を変形させる。アーム２０が任意の変形量まで達した後、再びアーム駆動歯車３０及び外輪１０を同回転方向かつ同回転速度で回転させるように電磁クラッチ７０のステータ７２のコイルへの通電を再開することにより、アーム２０の展開回転位置を維持させる。

段差走行を終えて平地走行に移行する時は、まず、電磁クラッチ７０のステータ７２のコイルへの通電を停止させ、ロータ７１とアーマチュア７３との連結を解除させて、アーム駆動軸３１のトルクの外輪１０への伝達を停止させる。次に、外輪１０へのトルクの伝達を停止させた状態で、アーム駆動歯車３０を逆回転方向Ｒ２に回転させる。すなわち、アーム駆動歯車３０が外輪１０に対して逆回転方向Ｒ２に相対回転する。これにより、アーム２０は、外輪１０に対して正回転方向Ｒ１に回転し、閉じ回転位置となる。アーム２０が閉じ回転位置に達した後は、アーム用アクチュエータ３５と外輪用アクチュエータ５５とを駆動させて平地走行させる。

なお、電磁クラッチ７０の作動は、上記に限定されない。電磁クラッチ７０は、例えば、電磁クラッチ７０のステータ７２のコイルに通電している状態では、アーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達されず、ステータ７２のコイルに通電していない状態では、アーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達される構成であってもよい。電磁クラッチ７０は、アーム用アクチュエータ３５の動力を外輪１０に伝達する状態と、アーム用アクチュエータ３５の動力を外輪１０に伝達しない状態と、を通電の有無で切り替え可能であれば、どのような構成であっても構わない。

以上説明したように、第２実施形態の車輪２は、アーム駆動歯車３０を駆動するアーム用アクチュエータ３５と、アーム用アクチュエータ３５の動力を外輪１０に伝達する状態と、アーム用アクチュエータ３５の動力を外輪１０に伝達しない状態と、を通電の有無で切り替え可能な電磁クラッチ７０と、を備える。

第１実施形態の車輪１では、２台のアクチュエータ（アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５）を同期させる必要があったが、第２実施形態の車輪２は、アクチュエータを１台のみ備えるため、複数のアクチュエータを同期させる必要がない。すなわち、電磁クラッチ７０に通電している状態では、アーム２０が展開状態又は収容状態を維持できる。また、電磁クラッチ７０に通電していない状態では、アーム駆動歯車３０の回転方向によって、アーム２０の展開動作又は収容動作が可能である。したがって、車輪２の制御が容易である。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る車輪３の構成について、図７及び図８を参照して説明する。図７は、第３実施形態に係る車輪３の平地走行時の状態を示す車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。図８は、第３実施形態に係る車輪３の段差走行時の状態を示す車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。第３実施形態に係る車輪３について、第２実施形態に係る車輪２と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。第３実施形態に係る車輪３は、第２実施形態に係る車輪２と比較して、電磁クラッチ７０を備えない点で相違する。

第１実施形態の車輪１では、２台のアクチュエータ（アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５）を同期させる必要があったが、第３実施形態の車輪３は、アクチュエータを１台のみ備えるため、同期させる必要はない。アーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に回転すると、止め部２９が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の基端円形部２２に接触するまでアーム２０が展開した後、外輪１０がアーム駆動歯車３０と一体的に正回転方向Ｒ１に回転する。止め部２９は、アーム２０の逆回転方向Ｒ２への回転範囲を制限する逆回転方向Ｒ２のストッパとして機能する。アーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に回転すると、基端側壁部２７が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の先端部２８が接触するまでアーム２０が閉じて収容した後、外輪１０がアーム駆動歯車３０と一体的に逆回転方向Ｒ２に回転する。基端側壁部２７は、アーム２０の正回転方向Ｒ１への回転範囲を制限する正回転方向Ｒ１のストッパとして機能する。

次に、第３実施形態の車輪３の作動について説明する。第３実施形態の車輪３は、第１実施形態の車輪１及び第２実施形態の車輪２と同様に、アーム２０が閉じ回転位置にある場合、アーム２０の第１円弧壁部２５が車輪３の転動周面を構成する。この場合、車輪３は、円形を保ち、通常の車輪と同様な走行が可能である。車輪３は、アーム２０が展開回転位置にある場合、アーム２０の爪部２３の先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出する。この場合、車輪３は、アーム２０の爪部２３を段差に引っ掛けることによって、段差の走破が可能である。

アーム駆動軸３１を正回転方向Ｒ１に回転させると、外輪１０及びアーム２０の歯部２４に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に回転するので、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が正回転方向Ｒ１に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに逆回転方向Ｒ２に所定量回転し、閉じ回転位置から展開回転位置に展開する。アーム２０は、止め部２９が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の基端円形部２２に接触することによって、それ以上逆回転方向Ｒ２に回転できず、展開回転位置に維持される。車輪３は、展開回転位置に維持された状態で段差走行が可能となる。進行方向は、アーム駆動軸３１が正回転方向Ｒ１に回転する方向である。

段差走行を終えて平地走行に移行するときは、まず、車輪３の向きを１８０°旋回させる。すなわち、段差走行時における前方方向が、車輪３が逆回転方向Ｒ２に回転する際に進行する方向となるようにする。この状態でアーム駆動軸３１を逆回転方向Ｒ２に回転させると、アーム駆動歯車３０は、外輪１０及びアーム２０の歯部２４に対して相対的に、逆回転方向Ｒ２に回転するので、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に回転する。外輪１０に対して相対的にアーム駆動歯車３０が逆回転方向Ｒ２に所定角度回転すると、アーム２０は、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに正回転方向Ｒ１に回転し、展開回転位置から閉じ回転位置に閉じる。アーム２０は、基端側壁部２７が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の先端部２８が接触することによって、それ以上正回転方向Ｒ１に回転できず、閉じ回転位置に維持される。これにより、平地走行が可能となる。

第３実施形態の車輪３は、正回転方向Ｒ１に回転する場合は段差走行を行い、逆回転方向Ｒ２に回転する場合は平地走行を行うよう、アーム用アクチュエータ３５の回転方向で形状が変形する。したがって、より単純な構造で、平地走行及び段差走行が可能である。第３実施形態の車輪３は、前進方向又は後進方向のみで位置合わせする必要があるため、人間が操縦する台車等の車両に適用することが好ましい。

以上説明したように、第３実施形態の車輪３は、アーム駆動歯車３０を駆動するアーム用アクチュエータ３５と、アーム２０の正回転方向Ｒ１への回転範囲を制限する正回転方向Ｒ１の第１ストッパ（基端側壁部２７）と、前記アームの逆回転方向Ｒ２への回転範囲を制限する逆回転方向Ｒ２の第２ストッパ（止め部２９）と、を備える。

これにより、車輪３の意図しない変形を抑制できるので、安定した段差走行及び平地走行が可能である。また、アーム駆動軸３１が逆回転方向Ｒ２に回転する場合、アーム２０は、第１ストッパ（基端側壁部２７）が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の先端部２８に接触している状態では、第１ストッパ及びアーム回転軸Ａ_Ａを介して外輪１０に相対的に固定される。これにより、アーム２０が閉じ回転位置の状態でアーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達されるので、アーム２０の駆動源によるトルクを、平地走行時にも使用することができる。また、アーム駆動軸３１が正回転方向Ｒ１に回転する場合、アーム２０は、第２ストッパ（止め部２９）が逆回転方向Ｒ２側に隣接するアーム２０の基端円形部２２に接触している状態では、第２ストッパ及びアーム回転軸Ａ_Ａを介して外輪１０に相対的に固定される。これにより、アーム２０が展開回転位置の状態でアーム駆動軸３１のトルクが外輪１０に伝達されるので、アーム２０の駆動源によるトルクを、好適に段差走行に使用することができる。

［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る車輪４の構成について、図９から図１４までを参照して説明する。図９は、第４実施形態に係る車輪４の平地走行時の状態を示す斜視図である。図１０は、図９の車輪４の正面図である。図１１は、図９の車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。図１２は、第４実施形態に係る車輪４の段差走行時の状態を示す斜視図である。図１３は、図１２の車輪４の正面図である。図１４は、図１３の車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗを通る断面図である。なお、図１０、図１１、図１３及び図１４においては、後述のカバー１８０を省略している。

第４実施形態の車輪４に係る以下の説明において、第１実施形態の車輪１と同様の機能を有する構成については適宜説明を省略する。車輪４は、外輪１１０と、アーム１２０と、アーム駆動歯車１３０と、外輪駆動歯車１５０と、カバー１８０と、支持部１９０と、を備える。

外輪１１０は、車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗを中心軸とする円板形状である。外輪１１０は、中心に後述のアーム駆動軸１３１が挿通する孔を有する。外輪１１０は、外周面１１１の車輪回転軸Ａ_Ｗ方向に亘って、外周面１１１の周方向に沿って取り付けられる輪状のタイヤ部１１２を有する。タイヤ部１１２は、全周に亘って車輪４の転動周面を構成する。タイヤ部１１２は、例えば、ゴム等で形成され、走行時における設置面から受ける外輪１１０への衝撃を吸収する。

外輪１１０の外側面１１３側には、３つのアーム１２０が配置される。なお、外輪１１０の外側面１１３は、車輪４が自走車に搭載される際に車体の外側に面する側面である。外輪１１０は、３つのアーム１２０をそれぞれのアーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能に支持する３つのアーム支持部１１４を有する。アーム回転軸Ａ_Ａの方向及び車輪回転軸Ａ_Ｗとの位置関係の条件は、第１実施形態と同様である。アーム支持部１１４は、第１実施形態のアーム支持部１４と比較して、４つではなく３つ設けられる点を除いて構成が同様であるため、説明を省略する。

外輪１１０の外側面１１３とは反対側の側面である内側面１１５側には、外側面１１３に向かう凹部が設けられる。凹部には、車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗと同一の回転軸を有し、外輪１１０と一体的に回転する外輪歯車１１６が配置される（図１１及び図１４参照）。

また、外輪１１０の外側面１１３側には、後述のアーム１２０の回動範囲を制限する第１ストッパ１１７及び第２ストッパ１１８が設けられる。第１ストッパ１１７は、閉じ回転位置において、アーム１２０の第２円弧壁部１２６に接触する。第１ストッパ１１７は、アーム１２０が閉じ回転位置より正回転方向Ｒ１に回転しないようにアーム１２０の正回転方向Ｒ１の回転範囲を制限する。第２ストッパ１１８は、展開回転位置において、アーム１２０の直壁部１２７に接触する。第２ストッパ１１８は、アーム１２０が展開回転位置より逆回転方向Ｒ２に回転しないようにアーム１２０の逆回転方向Ｒ２の回転範囲を制限する。第１ストッパ１１７及び第２ストッパ１１８は、第４実施形態において、外輪１１０の外側面１１３から突出して設けられる軸部材である。

アーム１２０は、第４実施形態において、１つの車輪４に対して３つ設けられる。それぞれのアーム１２０は、軸孔１２１に挿通されるアーム支持部１１４によって、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能に支持される（図１０及び図１３参照）。アーム１２０は、図９、図１０及び図１１に示す閉じ回転位置と、図１２、図１３及び図１４に示す展開回転位置との間で、アーム回転軸Ａ_Ａ回りに回動可能である。アーム１２０は、基端部１２２と、爪部１２３と、を含む。また、１つのアーム１２０は、車輪回転軸Ａ_Ｗ方向視において、歯車部１２４と、第１円弧壁部１２５と、第２円弧壁部１２６と、直壁部１２７と、によって外周面が形成される。

基端部１２２は、軸孔１２１を有するアーム１２０の回動の中心付近の部分である。爪部１２３は、基端部１２２の径方向に突出して設けられる。爪部１２３は、閉じ回転位置では、外輪１１０の外周面１１１より径方向内側に収容される。爪部１２３は、展開回転位置では、先端部１２８が外輪１１０の外周面１１１より径方向外側に突出する。歯車部１２４は、第４実施形態において、基端部１２２の外側面側に固定される。なお、歯車部１２４は、基端部１２２と一体的に形成されてもよい。歯車部１２４は、後述のアーム駆動歯車１３０と噛み合う歯部を外周の一部に有する。

第１円弧壁部１２５は、爪部１２３の外周面の一部であって、凸状の円弧形状である。第１円弧壁部１２５の正回転方向Ｒ１側の端部は、爪部１２３の先端部１２８である。第２円弧壁部１２６は、爪部１２３の外周面の一部であって、凹状の円弧形状である。第２円弧壁部１２６の一端は、爪部１２３の先端部１２８である。第２円弧壁部１２６は、先端部１２８を介して第１円弧壁部１２５に隣接する。第２円弧壁部１２６の他端は、基端部１２２に接続する。第２円弧壁部１２６は、第１円弧壁部１２５と同方向に湾曲する。第２円弧壁部１２６は、閉じ回転位置において、第１ストッパ１１７に接触する。アーム１２０は、第２円弧壁部１２６が第１ストッパ１１７に接触する閉じ回転位置よりも正回転方向Ｒ１に回転しないように正回転方向Ｒ１の回転範囲が制限される。

直壁部１２７の一端は、基端部１２２に接続する。直壁部１２７の他端は、第１円弧壁部１２５の逆回転方向Ｒ２側の端部に隣接する。直壁部１２７は、展開回転位置において、第２ストッパ１１８に接触する。アーム１２０は、直壁部１２７が第２ストッパ１１８に接触する展開回転位置よりも逆回転方向Ｒ２に回転しないように逆回転方向Ｒ２の回転範囲が制限される。

先端部１２８は、第１円弧壁部１２５と第２円弧壁部１２６との間に形成される。アーム１２０は、基端部１２２側から爪部１２３の先端部１２８へ漸次細くなる形状に形成される。先端部１２８には、車輪回転軸Ａ_Ｗ及びアーム回転軸Ａ_Ａと平行な回転軸回りに回動可能に支持される小車輪１２９が取り付けられている。小車輪１２９の外周面の一部は、爪部１２３の外周面より小車輪１２９の径方向外側に位置する。

アーム駆動歯車１３０は、図１１及び図１４に示すように、車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗと同軸の回転軸を有する外歯車である。アーム駆動歯車１３０は、３つのアーム１２０のそれぞれの歯車部１２４の歯部に噛み合う。

アーム駆動歯車１３０は、アーム駆動軸１３１と一体的に回転する。アーム駆動歯車１３０は、第４実施形態において、アーム駆動軸１３１と一体的に設けられるが、アーム駆動軸１３１と別体に設けられて、アーム駆動軸１３１に固定されてもよい。アーム駆動軸１３１は、車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗと同軸の回転軸を有する軸部材である。アーム駆動軸１３１は、外輪１１０の中心に形成された孔に挿通される。アーム駆動歯車１３０及びアーム駆動軸１３１は、外輪１１０と独立して回転する。アーム駆動軸１３１は、アーム用減速機１３４を介して、アーム用アクチュエータ１３５の出力軸に接続する。アーム用減速機１３４は、アーム用アクチュエータ１３５の出力軸の回転を減速し、かつトルクを増幅させて、アーム駆動軸１３１に伝達する。アーム用アクチュエータ１３５は、第１実施形態のアーム用アクチュエータ３５と同様の構成及び機能を有するため、説明を省略する。

外輪駆動歯車１５０は、図１１及び図１４に示すように、車輪４の車輪回転軸Ａ_Ｗ及び外輪歯車１１６の回転軸と平行な外輪駆動回転軸Ａ_Ｄを回転軸とする外歯車である。外輪駆動回転軸Ａ_Ｄは、アーム回転軸Ａ_Ａの１つと同軸であってもよいし、全てのアーム回転軸Ａ_Ａと異なる軸であってもよい。外輪駆動歯車１５０は、外輪１１０の内側面１１５側に設けられた凹部に配置される。外輪駆動歯車１５０は、外輪歯車１１６に噛み合う。外輪駆動歯車１５０は、外輪歯車１１６の回転方向と反対方向に回転する。

外輪駆動歯車１５０は、外輪駆動軸１５１と一体的に回転する。外輪駆動歯車１５０は、第４実施形態において、外輪駆動軸１５１と一体的に設けられるが、外輪駆動軸１５１と別体に設けられて、外輪駆動軸１５１に固定されてもよい。外輪駆動軸１５１は、外輪駆動回転軸Ａ_Ｄを回転軸とする軸部材である。外輪駆動軸１５１は、外輪用減速機１５４を介して、外輪用アクチュエータ１５５の出力軸に接続する。外輪用減速機１５４は、外輪用アクチュエータ１５５の出力軸の回転を減速し、かつトルクを増幅させて、外輪駆動軸１５１に伝達する。外輪用アクチュエータ１５５は、第１実施形態の外輪用アクチュエータ５５と同様の構成及び機能を有するため、説明を省略する。

カバー１８０は、車輪４の外側面側を覆う蓋部材である。カバー１８０は、アーム１２０が展開回転位置に突出するための開口部１８１を外周に有する。支持部１９０は、第１実施形態の支持部９０と同様の構成及び機能を有するため、説明を省略する。

次に、第４実施形態の車輪４の作動について説明する。第４実施形態の車輪４の作動は、第１実施形態の車輪１の作動と比較して、アーム１２０及び外輪１１０の駆動にアーム用減速機１３４及び外輪用減速機１５４を介す点を除いて同様である。

すなわち、第４実施形態の車輪４は、アーム１２０が閉じ回転位置（図９、図１０及び図１１に示す位置参照）にある場合、アーム１２０の爪部１２３の先端部１２８が外輪１１０の外周面１１１より径方向内側に収容されている。この場合、車輪４は、円形を保ち、通常の車輪と同様の走行が可能である。車輪４は、アーム１２０が展開回転位置（図１２、図１３及び図１４に示す位置参照）にある場合、アーム１２０の爪部１２３の先端部１２８が外輪１１０の外周面１１１より径方向外側に突出する。この場合、車輪４は、アーム１２０の爪部１２３を段差（後述の図１６参照）に引っ掛けることによって、段差の走破が可能である。

［適用形態］
次に、車輪１、２、３の適用例としての車両２００の構成について、図１５を参照して説明する。図１５は、第１実施形態に係る車輪１を搭載する適用例としての車両２００の構成例を模式的に示す斜視図である。

適用形態の車両２００は、車両２００の車体２０１と、４つの車輪１と、を備える台車である。車体２０１には、例えば、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５に供給する電力の電源、進行方向の段差を検出する検出装置、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５の回転方向及び回転速度を制御する制御装置等（不図示）が搭載される。

４つの車輪１は、支持部９０を介して車体２０１に固定される。４つの車輪１は、車体２０１の左右前後に配置される。これにより、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗが車体２０１に固定される。車輪１は、適用形態において、支持部９０の上端部が、車体２０１の下面に固体される。車両２００は、適用形態において、４つの車輪１が左右前後に配置されるが、車輪１を自走車に適用する場合、３つ以上の車輪１を備えればよい。車両２００の左右方向への旋回は、操舵にステアリング装置を用いるのではなく、右側の車輪１と左側の車輪１との回転速度差を用いる。

次に、車両２００の動作について、図１６を参照して説明する。図１６は、図１５に示す車両２００による段差乗り越え動作を説明するための説明図である。図１６に示すように、車両２００は、車輪１が正回転方向Ｒ１に回転する方向に移動しているものとし、進行方向に段差があるものとする。また、１段の段差は、車輪１の半径より高く車輪１の直径より低いものを想定する。

図１６のステップＳＴ１に示すように、車両２００が段差に到達せず、平地走行中においては、アーム駆動歯車３０と外輪１０とを同回転方向かつ同回転速度で回転させるよう、アーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転方向及び回転速度を制御することにより、アーム２０の閉じ回転位置を維持させる。これにより、車輪１は、円形を維持し、外輪１０の外周面１１（図１参照）と、アーム２０の第１円弧壁部２５（図１参照）とが車輪１の転動周面を構成する。

図１６のステップＳＴ２に示すように、車両２００が段差に接近した場合、又は前輪側の車輪１が段差に到達した場合、前輪側の車輪１の外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転を停止させ、アーム用アクチュエータ３５のみを駆動させることによって、アーム２０を展開回転位置に展開させる。これにより、前輪側の車輪１は、アーム２０の爪部２３の先端部２８（図２参照）が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出することによって変形する。

前輪側の車輪１のアーム２０を展開回転位置まで展開させた後、再びアーム駆動歯車３０及び外輪１０を同回転方向かつ同回転速度で回転させるようにアーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５を制御することにより、アーム２０の展開回転位置を維持させる。前輪側の車輪１が段差に到達すると、前輪側の車輪１は、アーム２０の爪部２３（図２参照）が段差に引っ掛かることによって、段差に乗りあげる。

図１６のステップＳＴ３示すように、前輪側の車輪１が１段目の段差に乗り上げると、前輪側の車輪１は、２段目の段差も同様に、アーム２０の爪部２３が段差に引っ掛かることによって、段差に乗りあげる。この際、後輪側の車輪１は、アーム２０が閉じ回転位置を維持した状態である。

図１６のステップＳＴ４示すように、後輪側の車輪１が段差に接近した場合、後輪側の車輪１の外輪用アクチュエータ５５の出力軸の回転を停止させ、アーム用アクチュエータ３５のみを駆動させることによって、アーム２０を展開回転位置に展開させる。これにより、後輪側の車輪１は、アーム２０の爪部２３の先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出することによって変形する。

後輪側の車輪１のアーム２０を展開回転位置まで展開させた後、再びアーム駆動歯車３０及び外輪１０を同回転方向かつ同回転速度で回転させるようにアーム用アクチュエータ３５及び外輪用アクチュエータ５５を制御することにより、アーム２０の展開回転位置を維持させる。

図１６のステップＳＴ５示すように、後輪側の車輪１が段差に到達すると、後輪側の車輪１は、アーム２０の爪部２３が段差に引っ掛かることによって、段差に乗りあげる。この際、前輪側の車輪１は、３段目の段差にアーム２０の爪部２３を引っ掛けることによって、段差に乗りあげる。

段差を通過し、平地走行に移行する時は、前輪側の車輪１のアーム用アクチュエータ３５の出力軸の回転を停止させ、外輪用アクチュエータ５５のみを駆動させることによって、アーム２０を閉じ回転位置に閉じさせる。これにより、前輪側の車輪１は、アーム２０の爪部２３の先端部２８が外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容される。

以上説明したように、適用形態の車両２００は、車輪１と、車輪１の車輪回転軸Ａ_Ｗが固定される車体２０１と、を備える。車輪１は、平地走行時にはアーム２０を外輪１０の外周面１１より径方向内側に収容することによって外輪１０が転動する。平地走行時には変形しない外輪１０が転動する車輪１を備えるので、車両２００は、平地走行時の安定性を維持することができる。また、車両２００は、段差走行時には車輪１のアーム２０を外輪１０の外周面１１より径方向外側に突出することによってアーム２０が段差を捕えて走破することができる。車輪１のアーム２０は、外輪１０とアーム駆動歯車３０とを相対回転させるという単純な構造で、展開及び収容することができる。

実施形態の車輪１、２、３及び車両２００は適宜変更してもよい。例えば、アーム２０、１２０の数及び形状は、実施形態に限定されない。また、アーム２０は、基端側壁部２７及び止め部２９（図２参照）によって回転量に制限を設けており、アーム１２０は、第１ストッパ１１７及び第２ストッパ１１８（図１０及び図１３参照）によって回転量に制限を設けているが、別途設けるリミッタ部品によるものでもよい。

また、車輪１、２、３、４に各種センサを取り付け、車輪１、２、３、４の各種作動を制御できるように構成することが好ましい。また、アーム用アクチュエータ３５、１３５及び外輪用アクチュエータ５５、１５５の制御によって、アーム２０、１２０の突出量を調整可能なように構成してもよい。例えば、段差走行する場合よりも少ない突出量になるようにアーム２０、１２０を突出させることで、段差走行のみならず、雪道等の平地の悪路走行にも対応できる。

１、２、３、４車輪
１０、１１０外輪
１１、１１１外周面
１２、１１２タイヤ部
１３、１１３外側面
１４、１１４アーム支持部
１５、１１５内側面
１６、１１６外輪歯車
１１７第１ストッパ
１１８第２ストッパ
２０、１２０アーム
２１、１２１軸孔
２２基端円形部
２３爪部
２４歯部
２５第１円弧壁部
２６第２円弧壁部
２７基端側壁部（第１ストッパ）
２８先端部
２９止め部（第２ストッパ）
１２２基端部
１２３爪部
１２４歯車部
１２５第１円弧壁部
１２６第２円弧壁部
１２７直壁部
１２８先端部
１２９小車輪
３０、１３０アーム駆動歯車
３１、１３１アーム駆動軸
３２外端部
３３内端部
１３４アーム用減速機
３５、１３５アーム用アクチュエータ
５０、１５０外輪駆動歯車
５１、１５１外輪駆動軸
５２外端部
５３内端部
１５４外輪用減速機
５５、１５５外輪用アクチュエータ
７０電磁クラッチ
７１ロータ
７２ステータ
７３アーマチュア
７４外側面
７５内側面
１８０カバー
１８１開口部
９０、１９０支持部
２００車両
２０１車体
Ａ_Ｗ車輪回転軸
Ａ_Ａアーム回転軸
Ａ_Ｄ外輪駆動回転軸
Ｒ１正回転方向
Ｒ２逆回転方向
ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５ステップ

Claims

車輪回転軸回りに回転する外輪と、
前記車輪回転軸と同軸の回転軸を有し前記外輪の中心に形成された孔に挿通されるアーム駆動軸と、
前記アーム駆動軸に設けられ前記外輪と独立して前記車輪回転軸回りに回転するアーム駆動歯車と、
前記外輪に固定されるアーム回転軸回りに回動可能であって、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が一方向に回転すると前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出し、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記一方向とは反対の他方向に回転すると前記外輪の外周面より径方向内側に収容されるアームと、
前記アーム駆動軸を介して前記アーム駆動歯車を駆動するアーム用アクチュエータと、
前記車輪回転軸回りに前記外輪と一体的に回転する外輪歯車と、
前記外輪歯車と噛み合い、前記車輪回転軸と平行な外輪駆動回転軸回りに回転する外輪駆動歯車と、
前記アーム用アクチュエータと独立して駆動し、前記外輪駆動歯車を駆動する外輪用アクチュエータと、
を備え、
前記アームが前記外輪の外周面より径方向内側に収容されている状態において、前記アーム駆動歯車が前記一方向へ回転するとともに前記外輪の回転が停止するように前記アーム用アクチュエータ及び前記外輪用アクチュエータが制御された場合、前記アームが前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出し、
前記アームが前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出している状態において、前記アーム駆動歯車の回転が停止するとともに前記外輪が前記一方向へ回転するように前記アーム用アクチュエータ及び前記外輪用アクチュエータが制御された場合、前記アームが前記外輪の外周面より径方向内側に収容され、
前記アーム駆動歯車と前記外輪とを同回転方向かつ同回転速度で回転させるよう、前記アーム用アクチュエータ及び前記外輪用アクチュエータの出力軸の回転方向及び回転速度が制御された場合、前記アームが突出した状態又は収容された状態を維持する車輪。
前記アームは、前記アーム駆動歯車と噛み合う歯部を含み、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記一方向に向けて回転すると前記他方向に向けて回転し、前記外輪に対して相対的に前記アーム駆動歯車が前記他方向に回転すると前記一方向に回転する、
請求項１に記載の車輪。
前記アームは、前記外輪の外周面より径方向内側に収容される状態で曲率中心が前記外輪と同一、かつ曲率半径が前記外輪と同一である凸状の第１円弧壁部を外周面の一部に含む、
請求項１又は２に記載の車輪。
前記アームは、前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出している状態で、前記外輪の外周面より径方向外側に一部が突出する凹状の第２円弧壁部を外周面の一部に含む、
請求項１から３のいずれか１項に記載の車輪。
前記アームの一方向への回転範囲を制限する一方向の第１ストッパと、
前記アームの他方向への回転範囲を制限する他方向の第２ストッパと、
を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の車輪。
請求項１から５のいずれか１項に記載の車輪と、
前記車輪の前記車輪回転軸が固定される車体と、
を備える車両。