JP7129120B2 - 耐熱車輪およびロボット - Google Patents

Description

本発明は消防用ロボットの技術分野に関し、特に消防用ロボットの車輪に関する。

高温な環境に入って作業する必要があるホイール移動式ロボットにおいて、車輪は、車体重量を支え、地面に対しての牽引力および緩衝防振作用を提供するといった基本的な役割を保証する以外に、高温環境においても、材料の高温クリープ、応力弛緩および酸化腐食の作用によってこれら肝心な性能の指標が大幅に低下することがないことが保証される必要がある。

現在、高温環境で使用される移動ロボットの車輪には、主として次の２種類の構想がある。一つは、構造のサイズを大きくして応力を減少させることで、高温クリープと持続的な酸化が構造に与える影響を軽減するもので、構造がシンプルであるという利点と、構造がかさばって重いこと、および通常は剛性構造であるため弾性に欠けるという欠点がある。もう一つは、継続的に温度を下げるもので、強制冷却方式を採用して車輪本体が相対的に低い温度下で作業することを確保し、材料の機械的性能が使用基準を満たすことを保証する。これには、性能が安定し、車輪の構造が既存の設計を参考にできるという利点と、複雑な冷却システムを組み合わせて使用する必要があるほか、適切な物質で高温環境から伝達される熱を吸収する必要がある、という欠点がある。

現在、特殊ロボットはインテリジェント化、小型化の傾向に発展している。高温ロボットに適用される従来の車輪の構想においては、それ自体の設計要求のため、重量や構造上でさらなる簡素化をすすめることが困難であり、ロボットの性能指標の一層の向上に影響を与えている。また、その最高耐熱温度も比較的低いため、耐熱ロボットを消防や冶金等の高温作業現場で使用することが制限されている。

従来技術における欠点を解決するため、本発明の目的は移動作業ロボットに使用される耐熱車輪を提供することであり、当該耐熱車輪は、シンプルな構造でハブプレートを外界の高温から良好に隔離でき、外部冷却を必要としないため、耐熱性能が向上し、耐用年数を延ばすことができる。

上記目的を実現するため、本発明が提供する耐熱車輪は、外界の高温から隔離されるよう断熱層が組み込まれた、弾性ハブアセンブリと、内部に前記弾性ハブアセンブリが固定され、前記弾性ハブアセンブリと共に回転する、ブレード付剛性リングと、を含む。

さらに、前記弾性ハブアセンブリは、外ホルダと、外断熱層と、弾性ハブプレートと、内断熱層と、内ホルダとを含み、前記外断熱層と前記内断熱層は、前記弾性ハブプレートの軸方向における両側に位置し、前記外ホルダは、前記外断熱層の前記弾性ハブプレートと反対側に位置し、前記内ホルダは、前記内断熱層の前記弾性ハブプレートと反対側に位置し、前記外ホルダ、前記外断熱層、前記弾性ハブプレート、前記内断熱層、前記内ホルダは、順に取り付けられて弾性ハブアセンブリを構成し、前記ブレード付剛性リングは、前記弾性ハブアセンブリ側に位置し、前記車輪を駆動する伝動シャフトは内ホルダ側に位置する。

また、前記ブレード付剛性リングは、複数の接続ピンを備え、前記弾性ハブアセンブリは、複数の接続ピンに対応する複数の接続孔を備える。

また、前記弾性ハブアセンブリは、さらにスリーブを備え、前記スリーブと前記複数の接続ピンとで、動力を伝達する嵌め合いを形成し、前記スリーブの材料は、セラミック、コーティング材料、または繊維織物材料である。

また、前記弾性ハブプレートは、複数のスポークを備えることで、前記弾性ハブプレートのひずみが小さい場合に大きな変形が得られる。

また、前記スポークは、螺旋形の、曲率が一様に変化する曲線であり、弯曲半径が小さい方の一端は前記軸部寄りに、弯曲半径が大きい方の一端は弾性ハブプレートの外縁寄りに位置する。

また、前記ブレード付剛性リングはケージ構造であり、軸方向において一定距離離れた２つのリングと、２つのリングを連結するブレードとを備え、前記ブレードは周方向に沿って複数配置されている。

また、前記ブレードは、径方向外側の一端が前記２つのリングの径方向外側の一端よりも外側に位置している。

さらに、前記外断熱層と前記内断熱層の材料は、ムライト繊維フェルトまたはエアロゲル複合材料である。

上記目的を実現するため、本発明が提供するロボットは、車輪を備えるロボットであって、前記車輪として上記の耐熱車輪を用いる。

本発明の耐熱車輪は、熱防護層を車輪構造内に組み込むことを初めて提案したもので、金属が比較的低い温度範囲内で作業することを保証し、これにより、構造強度および構成部材の耐用年数を向上できる。また、金属製弾性ハブを使用することで、車輪に防振および衝撃吸収のための一定の弾性を与えた。また、リムとスポークとの断熱伝動方式について、実行可能な手段を提示する。この車輪の際立った意義としては、外部冷却を必要としない耐熱車輪として耐熱ロボットに直接組み込むことができ、従来のタイヤに類似した性能を備えると同時にそのままで高温環境において作業でき、従来の手段に比べて有効に重量を軽減し、体積を縮小することができ、耐熱環境特殊ロボットの応用拡大にとって大きな意義を持つ。

本発明のその他の特徴および利点は以下の明細書で説明するが、その一部は明細書から自明となり、または本発明の実施を通じて理解されうる。

図面は本発明をより理解しやすくするものであり、明細書の一部を構成し、また本発明の実施例とともに本発明の説明のために用いられるが、本発明を限定するものではない。

図１は本発明による耐熱車輪の構造模式図である。 図２は本発明による弾性ハブアセンブリの構造分解模式図である。 図３は本発明による車輪の部分拡大図である。 図４は本発明による弾性ハブプレートの斜視図である。 図５は本発明による車輪の上面図である。 図６は本発明による車輪の断面図である。

以下、図面と結び付けながらと本発明の好ましい実施例を説明する。なお、ここで説明する好ましい実施例は本発明の説明と解釈のためのものであり、本発明を限定するものではない。

次に、本発明の耐熱車輪の構造について詳細に説明する。図１は本発明による耐熱車輪の構造模式図である。図１および図３に示すように、本発明の耐熱車輪は、弾性ハブアセンブリ１とブレード付剛性リング２を含む。弾性ハブアセンブリ１の内部には、断熱層が組み込まれている。弾性ハブアセンブリ１は複数の接続孔３を有する。ブレード付剛性リング２は、複数の接続孔３に対応する接続ピン４を有する。接続ピン４を接続孔３に挿入することで、弾性ハブアセンブリ１はブレード付剛性リング２に接続される。接続ピン４の一部分はねじ山を有し、弾性ハブアセンブリ１とブレード付剛性リング２は接続後、ナットで締結される。

図２に示すように、弾性ハブアセンブリ１は、内ホルダ１１、内断熱層１２、弾性ハブプレート１３、外断熱層１４、外ホルダ１５を含む。内ホルダ１１と外ホルダ１５は円盤状であり、弾性ハブアセンブリ１を保持するためのものである。内断熱層１２と外断熱層１４は円盤状であり、弾性ハブプレート１３を断熱するためのものである。内断熱層１２の中心には、中心孔が設けられている。外断熱層１４には中心孔を設けないことが好ましい。外断熱層１４に中心孔を設けてもよいが、その場合は使用前に防熱材で当該中心孔を密封する必要がある。内断熱層１２および外断熱層１４は、例えばムライト繊維、エアロゲル、微孔質断熱板などの断熱材で形成されるが、これらに限定されず、温度の違いに応じて選択できる。本実施例においては、長期耐熱温度が１６００℃のムライト繊維を採用する。弾性ハブプレート１３は円盤状であり、複数のスポーク１３１を備える。スポーク１３１は、弾性ハブプレート１３の軸部と外縁とを連結する。本実施例においては、スポーク１３１は比較的長い柔軟性スポークである（図４参照）。スポーク１３１は、長さが半径よりも長く、弧状を呈し、一方の端部がリム側に位置し、他方の端部は、軸部における、一方の端部と軸対称の側に位置することが好ましい。すなわち、複数の揺れ腕が協調して変形でき、尚且つ細長い揺れ腕によって応力の集中を減少させることができるよう、スポーク１３１の形式は、螺旋形の、曲率が一様に変化する曲線であることがさらに好ましい。本実施例においては、スポーク１３１の揺れ腕としてインボリュート曲線形式を採り、スポーク１３１の弯曲半径が小さい方の一端が軸部寄りに、スポーク１３１の弯曲半径が大きい方の一端がリム寄りに位置する。図３に示すように、内ホルダ１１、内断熱層１２、弾性ハブプレート１３、外断熱層１４、外ホルダ１５は、ブレード付剛性リング２の接続ピン４が貫通する接続孔３を有する。外ホルダ１５、外断熱層１４、弾性ハブプレート１３、内断熱層１２、内ホルダ１１は、順にブレード付剛性リング２に取り付けられる。

弾性ハブアセンブリ１は、一般のハブと類似した機能を果たし、伝動シャフトとロボットとを接続する。弾性ハブアセンブリ１は伝動シャフトにより回転し、ロボットを移動させる。高温環境での使用ニーズから、部材温度が許容される使用温度を超えないように制御するため、弾性ハブアセンブリ１は保温層で覆われる。また、弾性ハブアセンブリ１はロボットの移動中の衝撃を吸収するための、適度な弾性を有する。

弾性ハブアセンブリ１における主たる支持構造は弾性ハブプレート１３である。図３に示すように、弾性ハブプレート１３は、複数の長い柔軟性スポーク１３１により、ひずみ（応力）が小さい場合に大きな変形が得られる。弾性ハブプレート１３の設計により、弾性ハブアセンブリ１に一定の減振、耐衝撃効果がもたらされる。弾性ハブプレート１３の両側の外層はそれぞれ内断熱層１２と外断熱層１４で覆われ、この内断熱層１２および外断熱層１４は断熱効果を奏し、弾性ハブプレート１３が相対的に低い温度下で作業することを確保するとともに、弾性ハブプレート１３の酸化を防止できる。内断熱層１２および外断熱層１４は、内ホルダ１１と外ホルダ１５を用いて弾性ハブプレート１３に固定される。また、長い柔軟性スポーク１３１によって、相対的に高温である弾性ハブプレート１３のリムと、軸部との熱通路が長くなるので、軸連結端が比較的低い温度に保持される。

ブレード付剛性リング２はケージ構造（太鼓形の外輪郭）である。ブレード付剛性リング２は、軸方向において一定距離離れた２つのリング２１と、２つのリング２１を連結する、周方向において等間隔に設置された複数の接続部２２とを含む。ブレード付剛性リング２はさらに、一方のリング２１から径方向に沿って内側に延在する複数の突起部２３と、突起部２３から軸方向に沿って他方のリング２１に向かって延びている複数の接続ピン４とを有する。本実施例においては、複数の突起部２３は、周方向に沿って等間隔に多数配置されることが好ましいが、これに限定されず、その数は３以上であればよい。また、本実施例においては、１つの突起部２３に２つの接続ピン４が配置され、接続ピン４は突起部２３に溶接されていることが好ましいが、これに限定されない。本実施例においては、接続ピン４を使用することが好ましいが、ボルトやねじなどで接続を行ってもよい。本実施例においては、複数の接続部２２はブレード２２であり、このブレード２２は２つのリング２１を連結するために用いられ、また、障害物を乗り越えやすいよう、径方向外側の一端が、２つのリング２１の径方向外側の一端よりも更に径方向外側に位置している。

図３に示すように、接続ピン４を使用する場合は、弾性ハブアセンブリ１にセラミックスリーブ５を用いて、動力を伝達可能な嵌め合いを形成することが好ましい。セラミックスリーブ５は自身の剛性により正常な伝動を保証するとともに、断熱性能も備える。接続ピン４が周方向に等間隔で配置されていることで、各セラミックスリーブ５が受ける荷重が均等になり、衝撃力によるセラミックスリーブ５の破損を避けることができる。留意すべきなのは、断熱性を持つ材料は、一般に低密度な脆性材料である。したがってセラミックスリーブ５の代わりとしてそれ以外の材料を用いる場合には、断熱性、強度、耐衝撃靱性を兼ね備えたものである必要がある。これ以外の採用しうるスリーブには、コーティング材料や、繊維織物材料が含まれる。

ブレード付剛性リング２は主として、車輪の走行に必要な太鼓形の外輪郭と、障害物を乗り越えるためのブレードを提供するために用いられる。ブレード付剛性リング２は運転中、地面と長時間接触するため、摩損または衝撃で破損した後で取り外しができ、交換しやすい必要がある。

本発明の耐熱車輪は、高温環境下で作業するロボット、移動車等の作業用機械に適用できる。

本発明の耐熱車輪によれば、熱防護層を車輪構造内に組み込み、金属が比較的低い温度範囲内で作業することを保証するので、構造強度および構成部品の耐用年数を向上させる。また、金属製の弾性ハブを使用することで、車輪に防振と衝撃吸収のための一定の弾性を持たせた。

本発明の耐熱車輪によれば、外部冷却式の耐熱車輪を必要とせず、直接耐熱ロボットに組み込むことができ、従来のタイヤに類似した性能を備えると同時に、そのままで高温環境において作業でき、従来の手段に比べて有効に重量を軽減し、体積を縮小することができ、耐熱環境特殊ロボットの応用拡大にとって大きな意義を持つ。

以上は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するものではないことは、当業者であれば理解可能であろう。上記実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、当業者であれば、上記各実施例に記載された技術案を修正したり、一部の技術的特徴に同等な置き換えを行ったりすることも可能である。本発明の主旨と基本を逸脱せずに行われた何らかの修正、同等の置き換え、改善等は、すべて本発明の保護範囲に含まれるべきものである。

Claims (9)

1. 外界の高温から隔離されるよう断熱層が組み込まれた弾性ハブアセンブリと、
   内部に前記弾性ハブアセンブリが固定され、前記弾性ハブアセンブリと共に回転するブレード付剛性リングと、を含み、
   前記弾性ハブアセンブリは、順に取り付けられた外ホルダと、外断熱層と、弾性ハブプレートと、内断熱層と、内ホルダとを含み、
   前記外断熱層と前記内断熱層は、前記弾性ハブプレートの軸方向における両側に位置し、
   前記外ホルダは、前記外断熱層の前記弾性ハブプレートと反対側に位置し、
   前記内ホルダは、前記内断熱層の前記弾性ハブプレートと反対側に位置する、
   ことを特徴とする耐熱車輪。
2. 前記ブレード付剛性リングは、複数の接続ピンを備え、前記弾性ハブアセンブリは、複数の接続ピンに対応する複数の接続孔を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱車輪。
3. 前記弾性ハブアセンブリは、さらにスリーブを備え、前記スリーブと前記複数の接続ピンとで、動力を伝達する嵌め合いを形成し、前記スリーブの材料は、セラミック、コーティング材料、または繊維織物材料である
   ことを特徴とする請求項２に記載の耐熱車輪。
4. 前記弾性ハブプレートは、前記弾性ハブプレートの軸部と外縁とを連結する複数のスポークを備えることを特徴とする請求項１に記載の耐熱車輪。
5. 前記スポークは、螺旋形の、曲率が一様に変化する曲線であり、弯曲半径が小さい方の一端は軸部寄りに、弯曲半径が大きい方の一端は弾性ハブプレートの外縁寄りに位置する
   ことを特徴とする請求項４に記載の耐熱車輪。
6. 前記ブレード付剛性リングは太鼓形の外輪郭であるケージ構造であり、軸方向において一定距離離れた２つのリングと、２つのリングを連結するブレードとを備え、前記ブレードは周方向に沿って複数配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱車輪。
7. 前記ブレードは径方向外側の一端が前記２つのリングの径方向外側の一端よりも外側に位置している
   ことを特徴とする、請求項６に記載の耐熱車輪。
8. 前記外断熱層と前記内断熱層の材料は、ムライト繊維、エアロゲルおよび微孔質断熱板のうちの１つまたは複数である
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱車輪。
9. 車輪を備えるロボットであって、
   前記車輪として請求項１～７のいずれか一項に記載の耐熱車輪を用いる
   ことを特徴とするロボット。

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