WO2017212754A1 - 全方向回転駆動機構および移動体 - Google Patents

全方向回転駆動機構および移動体 Download PDF

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WO2017212754A1
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wheel
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多田隈　建二郎
英里 ▲高▼根
政宏 藤田
雅司 昆陽
諭 田所
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Definitions

  • the present invention relates to an omnidirectional rotation drive mechanism and a moving body.
  • an omnidirectional rotation drive mechanism a plurality of auxiliary wheels arranged around a ring-shaped shaft around the rotation axis of the main wheel are arranged on the outer periphery of the main wheel.
  • An omnidirectional vehicle has been developed in which a main wheel and each auxiliary wheel can be driven to rotate by a pair of motors provided outside.
  • an omnidirectional vehicle for example, for each auxiliary wheel, it has a left driving roller and a right driving roller provided to rotate each auxiliary wheel from the left side and the right side, respectively, via an endless belt, By rotating all the left drive rollers with one motor and all the right drive rollers with the other motor, the rotation direction and rotation speed of the main wheel and each sub wheel according to the rotation direction and rotation speed of each motor.
  • Patent Document 1 For example, see Patent Document 1.
  • Each motor is provided so as to rotate coaxially with the rotation axis of the main wheel, and the differential mechanism attached to the rotation axis of each motor and the rotation of each differential mechanism so as to rotate each sub-wheel.
  • a rotation transmission member that transmits to the auxiliary wheels of the part, and is configured to be able to transmit rotation from some of the auxiliary wheels to the other auxiliary wheels, depending on the rotation direction and rotation speed of each motor.
  • a bevel gear, a planetary gear, an endless belt, or the like is used as a differential mechanism or a rotation transmission member to transmit rotation from the differential mechanism to the sub wheels.
  • a rotation transmission member composed of two or more parts is required. As a space for storing this rotation transmission member, it is necessary to lengthen the distance from the rotation axis of the main wheel to each sub wheel or widen the interval between each motor, and the entire wheel becomes large. There was a problem.
  • the present invention has been made paying attention to such a problem, and can reduce the number of parts, facilitate manufacturing and maintenance, can be downsized, and is free from dust and dirt.
  • An object of the present invention is to provide an omnidirectional rotation drive mechanism and a movable body that can ensure a driving force.
  • an omnidirectional rotary drive mechanism has a wheel member rotatably provided around a rotation axis, and a ring-shaped axis centered on the rotation axis of the wheel member. And a rotating body that is provided on the wheel member so as to be rotatable, and is configured to rotate integrally with the wheel member around the rotation axis of the wheel member, and is rotatable coaxially with the rotation axis of the wheel member. Rotation of a pair of first gears provided on the first and different first gears allows rotation about an axis substantially perpendicular to the rotation axis of the wheel member, and transmission of each rotation to the rotating body.
  • the wheel member has a pair of second gears, and the corresponding first gears and second gears are provided so as to transmit force to each other.
  • a worm wheel or a non-contact type gear and configured to rotate or stop the rotating body with respect to the wheel member according to the rotation direction and rotation speed of each first gear. It is characterized by.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism can transmit the rotation of each first gear to the rotating body via the corresponding second gear.
  • the second gears are rotated or stopped so as to rotate the rotating bodies in the opposite directions, and the first gears are rotated in the opposite directions.
  • Each of the second gears is configured to rotate so as to rotate the rotating body in the same direction, thereby rotating the rotating body relative to the wheel member in accordance with the rotation direction and the rotation speed of each first gear. Or it can be stopped.
  • the wheel member when the rotations of the second gears are transmitted to the rotating body without waste, the wheel member can be stopped by rotating only the rotating body. Further, when all the rotations of the second gears cancel each other, the rotating body can be stopped together with the second gears. At this time, since the rotational force of each first gear is directly transmitted to the wheel member, the wheel member can be rotated in the same direction as each first gear. When the rotation of each second gear is in the state between them, the rotation direction and the rotation speed of the rotating body and the wheel member are determined according to the difference in the rotation force of each second gear.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism according to the present invention can rotate the rotating body and the wheel member at any speed in any direction by controlling the rotation of each first gear. Thereby, the omnidirectional rotation drive mechanism according to the present invention can be used as an omnidirectional moving wheel that can move in an arbitrary direction at an arbitrary speed.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism according to the present invention can transmit the rotation of each first gear to the rotator only with each second gear when there are few. For this reason, the number of parts for transmitting rotation can be reduced, and the entire mechanism can be miniaturized. Moreover, manufacturing and maintenance can be facilitated by reducing the number of parts. Further, since the driving force is transmitted using the first gear and the second gear instead of the friction transmission system, the driving force can be secured even when dust or dirt is attached.
  • each first gear and each second gear are provided, for example, such as a magnetic gear that can transmit a force by magnetic force or a force that can transmit a force by electrostatic force. It consists of electrostatic gears.
  • the outer surface of the rotating body located on the opposite side of the rotating shaft of the wheel member is disposed outside the outer periphery of the wheel member so that the rotating member can be reliably moved by the rotating body. It is preferable.
  • the rotating body is composed of a plurality of pieces and is arranged along the outer periphery of the wheel member.
  • the gap between the adjacent rotating bodies can be made smaller or eliminated along the outer periphery of the wheel member, and when used as an omnidirectional moving wheel, it smoothly moves at any speed in any direction. can do.
  • the width of each rotating body can be reduced, and each rotating body can be rotated more smoothly.
  • the second gear is composed of a plurality of pairs corresponding to each rotating body, and the rotation of each pair of second gears can be transmitted to each corresponding rotating body. Also good. Thereby, rotation can be transmitted from each pair of second gears to each rotating body, and each rotating body can be reliably rotated.
  • the second gear is composed of one or a plurality of pairs that are smaller than each rotating body, and the rotational force is transmitted from each pair of second gears to different rotating bodies, and the rotation is not transmitted by each pair of second gears.
  • the rotating bodies and the rotating bodies to which the rotation is transmitted by each pair of second gears may be coupled so that the rotating bodies can rotate. Thereby, the number of parts which transmit rotation of each 1st gearwheel to each rotary body can be decreased, and manufacture and maintenance can be made easy.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism may have a pair of motors provided so that different first gears can be rotationally driven and the rotational direction and rotational speed thereof can be controlled.
  • each motor can be arrange
  • power wiring to each motor can be easily performed.
  • the moving body according to the present invention has one or a plurality of omnidirectional rotation drive mechanisms according to the present invention as wheels.
  • the moving body according to the present invention can be moved in any direction at any speed by the omnidirectional rotation drive mechanism according to the present invention.
  • the number of components can be reduced, manufacturing and maintenance can be facilitated, miniaturization can be achieved, and driving force can be secured even if dust or dirt is attached.
  • a drive mechanism and a moving body can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view which shows the omnidirectional rotation drive mechanism of the 1st Embodiment of this invention.
  • 2A is a cross-sectional view showing a structure between two pairs of spokes sandwiching a central axis of a wheel member of the omnidirectional rotation drive mechanism shown in FIG. 1, and FIG. It is a schematic cross-sectional view which shows the structure between two pairs of spokes on both sides of the central axis of the wheel member in a modification of the omnidirectional rotation drive mechanism of the first embodiment of the present invention.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 includes a wheel member 11, a plurality of rotating bodies 12, a pair of worms 13, a plurality of pairs of worm wheels 14, a plurality of transmission gears 15, and a pair of transmission gears 15. And a motor 16.
  • the worm 13 and the worm wheel 14 correspond to the first gear and the second gear, respectively.
  • the wheel member 11 has a disk-like outer shape, and has a center part 11a provided at the center thereof and a plurality of spokes 11b extending radially from the center part 11a.
  • the wheel member 11 is rotatable about a central axis passing through the central portion 11a.
  • the center part 11a has a through hole 11c in the center.
  • Each of the spokes 11b has a plate shape having a width in the central axis direction, and the tip portion has a substantially arc shape.
  • Each of the spokes 11b is a set of two pieces, and the two spokes 11b of each set are provided substantially in parallel at a predetermined interval.
  • Each spoke 11b is provided at a predetermined angular interval for each set with respect to the central axis.
  • Each of the spokes 11b intersects with the adjacent pair of spokes 11b, and the tip portion is provided along the periphery of the wheel member 11 for each group.
  • each rotating body 12 has a small-diameter wheel 21 and a wheel gear 22.
  • the small-diameter wheel 21 has a cylindrical shape with a small thickness, and has an insertion hole 21a at the center.
  • the wheel gear 22 is formed of a spur gear, and has a protruding portion 22a protruding toward one surface side at the center.
  • the wheel gear 22 is fixed to the small-diameter wheel 21 by inserting the protrusion 22 a into the insertion hole 21 a of the small-diameter wheel 21.
  • Each rotating body 12 is arranged one by one between the tip portions of the spokes 11b of each set so as to be arranged along the outer periphery of the wheel member 11, respectively.
  • Each rotating body 12 is arranged such that the central axis is perpendicular to the central axis of the wheel member 11.
  • Each rotating body 12 is attached to the sandwiched spoke 11b so as to be rotatable about its central axis. Thereby, each rotary body 12 can rotate around a ring-shaped axis centering on the rotation axis of the wheel member 11, that is, an axis perpendicular to the central axis of the wheel member 11.
  • Each rotating body 12 is arranged such that the outer surface located on the side opposite to the rotation axis of the wheel member 11 is outside the outer periphery of the wheel member 11.
  • Each rotating body 12 is configured to rotate integrally with the wheel member 11 around the rotation axis of the wheel member 11 when the wheel member 11 rotates around the rotation axis.
  • the worms 13 are arranged inside the center portion 11a of the wheel member 11 and arranged side by side along the rotation axis of the wheel member 11.
  • Each worm 13 is coaxial with the rotation axis of the wheel member 11, and is provided to be rotatable independently of the wheel member 11.
  • Each worm 13 has the same size, the same advance angle, and the groove directions are opposite to each other.
  • each pair of worm wheels 14 is provided between each spoke 11 b corresponding to each rotating body 12.
  • Each of the worm wheels 14 has the same size, and is provided so as to be rotatable around an axis perpendicular to the central axis of the wheel member 11.
  • Each pair of worm wheels 14 is attached to a corresponding pair of spokes 11b such that one worm wheel 14 is engaged with one worm 13 and the other worm wheel 14 is engaged with the other worm 13 so as to be rotatable.
  • Each worm wheel 14 has a small gear 14a that is fixed on the same side surface and rotates coaxially.
  • the small gear 14a is a spur gear.
  • Each transmission gear 15 is provided between each spoke 11b corresponding to each rotating body 12.
  • Each transmission gear 15 is formed of a spur gear, and has a protruding portion 15a protruding toward one surface side at the center.
  • Each transmission gear 15 is provided in a corresponding pair of spokes 11 b so as to be rotatable about an axis perpendicular to the central axis of the wheel member 11.
  • Each transmission gear 15 is disposed between a corresponding rotating body 12 and a corresponding pair of worm wheels 14, and is attached to mesh with the rotating body 12 and the small gear 14 a of the pair of worm wheels 14. .
  • the rotation shafts of the corresponding rotator 12 and transmission gear 15 are arranged in a plane perpendicular to the rotation axis of the wheel member 11 and passing through the center of the wheel member 11. .
  • one worm wheel 14 is arranged to mesh with the transmission gear 15 from the right side of the central axis of the transmission gear 15 and the other worm wheel 14 from the left side.
  • both of each pair of worm wheels 14 transmit the respective rotations to the corresponding transmission gear 15, and the transmission gear 15 transmits the rotation to the corresponding rotating body 12.
  • Each motor 16 is disposed on the opposite side of the wheel member 11 along the rotation axis of the wheel member 11. Each motor 16 is provided outside the wheel member 11. Each motor 16 is configured to be able to rotate and drive a worm 13 disposed on each side through a through hole in the central portion 11 a of the wheel member 11. Each motor 16 is configured to be able to control the rotation direction and rotation speed of the corresponding worm 13.
  • the omnidirectional rotation driving mechanism 10 can rotate the wheel member 11 and each rotating body 12 by rotating each worm 13 by each motor 16. That is, when each worm 13 is rotated in the opposite direction at the same speed, each transmission gear 15 is transmitted to each transmission gear 15 via each pair of worm wheels 14 in order to transmit the force rotating at the same speed in the same direction. It can be rotated in that direction at that speed. Thereby, each rotary body 12 can be rotated in the opposite direction to each transmission gear 15 via each transmission gear 15. At this time, since the rotation of each pair of worm wheels 14 is transmitted to the rotating body 12 without waste, the wheel member 11 can be stopped.
  • each pair of worm wheels 14 transmits a force rotating in the opposite direction at the same speed to each transmission gear 15 via each pair of worm wheels 14. All 14 rotations cancel each other, and each pair of worm wheels 14 and each transmission gear 15 can be stopped. Thereby, each rotary body 12 can also be stopped. At this time, since the rotational force of each worm 13 is directly transmitted to the wheel member 11, the wheel member 11 can be rotated in the same direction as each worm 13 at the same speed.
  • each transmission gear 15 when each worm 13 is rotated at a different speed, a force rotating at a different speed can be transmitted to each transmission gear 15 via each pair of worm wheels 14.
  • the rotating bodies 12 can be rotated via the transmission gears 15 but also the wheel members 11 can be rotated according to the difference in force.
  • the rotation direction and the rotation speed of each rotating body 12 and wheel member 11 are determined according to the difference in force transmitted to each transmission gear 15.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 can rotate the rotating bodies 12 and the wheel members 11 in arbitrary directions at arbitrary speeds by controlling the rotation of the worms 13 by the motors 16. .
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 can be used as an omnidirectional moving wheel that can move in an arbitrary direction at an arbitrary speed.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 Since the omnidirectional rotation drive mechanism 10 has each motor 16 disposed outside the wheel member 11 along the rotation axis of the wheel member 11, the omnidirectional rotation drive mechanism 10 is driven as compared with the case where each motor 16 is provided inside the wheel member 11. A thing with big force can be used and the driving force of the wheel member 11 and each rotary body 12 can be enlarged. In addition, power wiring to each motor 16 can be easily performed.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 can make it difficult to transmit the rotational force from the corresponding worm wheel 14 toward each worm 13 by reducing the advance angle of each worm 13.
  • the wheel member 11 and the rotating body 12 can be prevented from rotating, and the brake can be applied.
  • the vehicle when used as an omnidirectional moving wheel, the vehicle can be stopped on a slope or the like without consuming energy.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 does not have the transmission gears 15 but may be able to transmit rotation directly from the pair of worm wheels 14 to the corresponding rotating bodies 12. .
  • the number of parts for transmitting rotation can be reduced, and the overall mechanism can be reduced in size.
  • manufacturing and maintenance can be facilitated by reducing the number of parts.
  • the driving force is transmitted using the worm 13 and the worm wheel 14 instead of the friction transmission system, the driving force can be ensured even when dust or dirt is attached.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 is composed of one or a plurality of pairs in which the worm wheel 14 is smaller than the number of each rotator 12, and each pair of worm wheels 14 transmits rotation to different rotators 12.
  • the rotating bodies 12 to which rotation is not transmitted by each pair of worm wheels 14 may be coupled to the rotating bodies 12 to which rotation is transmitted by each pair of worm wheels 14. Thereby, the number of parts which transmit rotation of each worm 13 to each rotating body 12 can be decreased, and manufacture and maintenance can be facilitated.
  • the worms 13 may have the same groove direction.
  • the rotation direction of each worm 13 can be determined.
  • the rotation direction of each rotating body 12 can be arbitrarily changed.
  • FIG. 4 shows an omnidirectional rotation drive mechanism according to the second embodiment of the present invention.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 30 includes a wheel member 11 (not shown), a plurality of rotating bodies 12, a pair of first electrostatic gears 31, a plurality of pairs of second electrostatic gears 32, and a pair. Motor 16 (not shown).
  • the first electrostatic gear 31 and the second electrostatic gear 32 correspond to the first gear and the second gear, respectively.
  • symbol is attached
  • Each first electrostatic gear 31 has a cylindrical shape extending along the rotation axis of each motor 16. Each first electrostatic gear 31 is alternately provided with + (plus) regions and ⁇ (minus) regions formed in a spiral shape with a predetermined width on the side surface. Each second electrostatic gear 32 has a thin cylindrical shape, and a positive region and a negative region are alternately provided with a predetermined width on the side surface along the circumferential direction. Each rotating body 12 is also composed of a thin cylindrical electrostatic gear and has an outer diameter larger than that of each second electrostatic gear 32. Each rotating body 12 is provided with a positive region and a negative region alternately on the side surface with a predetermined width along the circumferential direction.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 30 does not have the transmission gear 15 and can transmit the rotation directly from the pair of second electrostatic gears 32 to the corresponding rotating body 12.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 30 includes a corresponding first electrostatic gear 31 and a second electrostatic gear 32, and a corresponding second electrostatic gear 32 and a rotating body 12 so that force can be transmitted to each other by electrostatic force.
  • the + region and the ⁇ region of each first electrostatic gear 31 are respectively in the ⁇ region and the + region of the corresponding second electrostatic gear 32. It is configured to rotate while facing each other.
  • Each second electrostatic gear 32 and each rotating body 12 rotate while the + region and ⁇ region of each second electrostatic gear 32 face the ⁇ region and + region of the corresponding rotating body 12, respectively. It is configured to
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 30 can rotate the wheel members 11 and the respective rotary bodies 12 by rotating the first electrostatic gears 31 by the motors 16 as in the omnidirectional rotation drive mechanism 10. . Since the omnidirectional rotation drive mechanism 30 uses a non-contact type gear, there is no energy loss due to friction or wear of the gear, and the noise reduction is excellent.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 30 includes each first electrostatic gear 31, each second electrostatic gear 32, and each rotating body 12 that is not an electrostatic gear but a magnetic gear that can transmit a force with a magnetic force. It may be.
  • the N-pole region and the S-pole region may be formed so as to correspond to the + region and the ⁇ region shown in FIG.
  • each motor 16 rotates each first gear (a magnetic gear corresponding to the first electrostatic gear 31), thereby rotating the wheel member 11 and each rotating body 12. be able to.
  • the omnidirectional rotary drive mechanism 10 and the omnidirectional rotary drive mechanism 30 can be used as omnidirectional moving wheels of a moving body.
  • the moving body can be moved in any direction at any speed.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 and the omnidirectional rotation drive mechanism 30 can constitute a crawler that can move in all directions when used as a crawler (endless track) wheel.
  • the omnidirectional rotation drive mechanism 10 and the omnidirectional rotation drive mechanism 30 can be used also for joint parts, such as a robot.
  • the joint can be bent in an arbitrary direction.
  • the joint can be maintained in an arbitrary posture without consuming energy. Further, by providing an elastic body or a damper, it is possible to prevent a load from being applied to the power transmission unit of the joint even when an external impact is applied.

Abstract

【課題】部品数を少なくして、製造やメンテナンスを容易にすることができるとともに、小型化を図ることができる全方向回転駆動機構および移動体を提供する。 【解決手段】回転体１２が、ホイール部材１１の回転軸を中心としたリング状の軸を中心として回転可能にホイール部材１１に設けられている。また、回転体１２は、ホイール部材１１の回転軸を中心として、ホイール部材１１とともに一体的に回転するよう構成されている。１対のウォーム１３が、それぞれホイール部材１１の回転軸と同軸で回転可能に設けられている。１対のウォームホイール１４が、それぞれ異なるウォーム１３に噛み合って回転可能かつ、それぞれの回転を回転体１２に伝達可能に、ホイール部材１１に設けられている。各ウォーム１３の回転方向および回転速度に応じて、回転体１２をホイール部材１１に対して回転または停止するよう構成されている。

Description

全方向回転駆動機構および移動体
　本発明は、全方向回転駆動機構および移動体に関する。
　従来、全方向回転駆動機構を利用したものとして、主車輪の外周に、主車輪の回転軸を中心としたリング状の軸を中心として回転可能に設けられた副車輪を複数並べ、主車輪の外部に設けた１対のモータにより、主車輪および各副車輪を回転駆動可能にした全方向移動車両が開発されている。このような全方向移動車両として、例えば、各副車輪ごとに、各副車輪をそれぞれ左側および右側から回転させるよう設けられた左側駆動ローラおよび右側駆動ローラを有し、それぞれ無端ベルトを介して、一方のモータにより全ての左側駆動ローラを、他方のモータにより全ての右側駆動ローラを回転させることにより、各モータの回転方向および回転速度に応じて、主車輪および各副車輪の回転方向および回転速度を制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
　また、各モータが主車輪の回転軸と同軸で回転するよう設けられ、各モータの回転軸にそれぞれ取り付けられた差動機構と、各副車輪を回転させるよう、各差動機構の回転を一部の副車輪に伝達する回転伝達部材とを有し、その一部の副車輪から他の副車輪に回転を伝達可能に構成されており、各モータの回転方向および回転速度に応じて、主車輪および各副車輪の回転方向および回転速度を制御するものがある（例えば、特許文献２参照）。
国際公開ＷＯ２０１０／０６４４０８号 特開２００９－１７９１１０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の全方向移動車両では、各モータの回転を各無端ベルトで各左側駆動ローラおよび各右側駆動ローラに伝達するため、各モータを主車輪の外周より外側に配置する必要があり、主車輪の回転面に沿って大型化してしまうという課題があった。また、左側駆動ローラおよび右側駆動ローラが、副車輪と同じ数ずつ必要であるため、部品数が多くなり、製造やメンテナンスが煩雑であるという課題もあった。また、摩擦伝動方式であるため、埃や塵が各ローラの表面についた際に、駆動力を確保することができないという課題もあった。
　また、特許文献２に記載の全方向移動車両では、差動機構や回転伝達部材として、かさ歯車や遊星歯車、無端ベルトなどを使用しており、差動機構から副車輪まで回転を伝達するために、２つ以上の部品から成る回転伝達部材が必要となる。この回転伝達部材を収納するための空間として、主車輪の回転軸から各副車輪までの距離を長くしたり、各モータ間の間隔を広くしたりする必要があり、車輪全体が大型化してしまうという課題があった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、部品数を少なくして、製造やメンテナンスを容易にすることができるとともに、小型化を図ることができ、埃や塵がついても駆動力を確保することができる全方向回転駆動機構および移動体を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る全方向回転駆動機構は、回転軸を中心として回転可能に設けられたホイール部材と、前記ホイール部材の回転軸を中心としたリング状の軸を中心として回転可能に前記ホイール部材に設けられ、前記ホイール部材の回転軸を中心として、前記ホイール部材とともに一体的に回転するよう構成された回転体と、それぞれ前記ホイール部材の回転軸と同軸で回転可能に設けられた１対の第１歯車と、それぞれ異なる第１歯車の回転により、前記ホイール部材の回転軸に対してほぼ垂直な軸を中心として回転可能かつ、それぞれの回転を前記回転体に伝達可能に、前記ホイール部材に設けられた１対の第２歯車とを有し、対応する第１歯車および第２歯車は、それぞれ互いに力を伝達可能に設けられたウォームおよびウォームホイール、または、非接触型の歯車から成り、各第１歯車の回転方向および回転速度に応じて、前記回転体を前記ホイール部材に対して回転または停止するよう構成されていることを特徴とする。
　本発明に係る全方向回転駆動機構は、各第１歯車の回転を、それぞれ対応する第２歯車を介して回転体に伝達することができる。このとき、例えば、各第１歯車を同じ方向に回転させたとき、各第２歯車が互いに前記回転体を逆方向に回転させようとして回転または停止し、各第１歯車を逆方向に回転させたとき、各第２歯車が前記回転体を同じ方向に回転させようとして回転するよう構成することにより、各第１歯車の回転方向および回転速度に応じて、回転体をホイール部材に対して回転または停止させることができる。
　この場合、各第２歯車の回転が互いに無駄なく回転体に伝達されるときには、回転体のみを回転させて、ホイール部材を停止させることができる。また、各第２歯車の回転が互いに全て打ち消し合うときには、各第２歯車とともに回転体を停止させることができる。このとき、各第１歯車の回転力が直接ホイール部材に伝わるため、ホイール部材を各第１歯車と同じ方向に回転させることができる。各第２歯車の回転がこれらの間の状態のときには、各第２歯車の回転力の差に応じて、回転体およびホイール部材の回転方向および回転速度が決まる。このように、本発明に係る全方向回転駆動機構は、各第１歯車の回転を制御することにより、回転体およびホイール部材を、任意の方向に任意の速度で回転させることができる。これにより、本発明に係る全方向回転駆動機構は、任意の方向に任意の速度で移動可能な全方向移動車輪として使用することができる。
　本発明に係る全方向回転駆動機構は、最も少ない場合には、各第２歯車のみで、各第１歯車の回転を回転体に伝達することができる。このため、回転を伝達するための部品数を減らすことができ、機構全体の小型化を図ることができる。また、部品数を少なくすることにより、製造やメンテナンスを容易にすることができる。また、摩擦伝動方式ではなく、第１歯車や第２歯車を用いて駆動力を伝達するため、埃や塵がついたときでも駆動力を確保することができる。
　本発明に係る全方向回転駆動機構は、対応する第１歯車および第２歯車がそれぞれウォームおよびウォームホイールから成る場合、各ウォーム（第１歯車）の進み角を小さくすることにより、対応するウォームホイール（第２歯車）から各ウォーム（第１歯車）に向かって、回転力を伝達しにくくすることができる。これにより、各ウォーム（第１歯車）の回転を停止したとき、ホイール部材や回転体が回転するのを防ぐことができ、ブレーキがかかった状態にすることができる。また、非接触型の歯車から成る場合、各第１歯車および各第２歯車は、例えば、磁気力で力を伝達可能に設けられた磁気歯車や、静電気力で力を伝達可能に設けられた静電気歯車などから成っている。なお、本発明に係る全方向回転駆動機構は、回転体により確実に移動できるよう、ホイール部材の回転軸とは反対側に位置する回転体の外面が、ホイール部材の外周よりも外側に配置されていることが好ましい。
　本発明に係る全方向回転駆動機構で、前記回転体は複数から成り、それぞれ前記ホイール部材の外周に沿って並ぶよう設けられていることが好ましい。この場合、ホイール部材の外周に沿って、隣り合う回転体の間の隙間をより小さく、または、なくすことができ、全方向移動車輪として使用したとき、スムーズに任意の方向に任意の速度で移動することができる。また、回転体の数を増やすことにより、各回転体の幅を小さくすることができ、各回転体をよりスムーズに回転させることができる。
　また、この回転体が複数の場合、第２歯車が、各回転体に対応して複数対から成り、各対の第２歯車の回転をそれぞれ対応する各回転体に伝達可能に構成されていてもよい。これにより、各対の第２歯車から各回転体に回転を伝達することができ、各回転体を確実に回転させることができる。また、第２歯車が各回転体よりも少ない、１対乃至複数対から成り、各対の第２歯車からそれぞれ異なる回転体に回転力を伝達し、各対の第２歯車により回転が伝達されない回転体を回転可能に、それらの回転体と各対の第２歯車により回転が伝達される回転体とが連結されていてもよい。これにより、各第１歯車の回転を各回転体に伝達する部品数を少なくすることができ、製造やメンテナンスを容易にすることができる。
　本発明に係る全方向回転駆動機構は、それぞれ異なる第１歯車を回転駆動可能、かつ、その回転方向および回転速度を制御可能に設けられた１対のモータを有していてもよい。この場合、各モータの回転を制御することにより、全方向移動車輪として使用したときの移動方向および移動速度を制御することができる。また、各モータを、ホイール部材の回転軸に沿ってホイール部材の外側に配置することができる。このため、各モータをホイール部材の内部に設ける場合と比べ、駆動力の大きいものを使用することができ、ホイール部材および回転体の駆動力を大きくすることができる。また、各モータへの電力配線等を、容易に行うことができる。
　本発明に係る移動体は、車輪として、本発明に係る全方向回転駆動機構を１または複数有することを特徴とする。
　本発明に係る移動体は、本発明に係る全方向回転駆動機構により、任意の方向に任意の速度で移動することができる。
　本発明によれば、部品数を少なくして、製造やメンテナンスを容易にすることができるとともに、小型化を図ることができ、埃や塵がついても駆動力を確保することができる全方向回転駆動機構および移動体を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態の全方向回転駆動機構を示す斜視図である。 図１に示す全方向回転駆動機構の、ホイール部材の中心軸を挟んだ２対のスポークの間の構造を示す（ａ）横断面図、（ｂ）縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態の全方向回転駆動機構の変形例の、ホイール部材の中心軸を挟んだ２対のスポークの間の構造を示す概略横断面図である。 本発明の第２の実施の形態の全方向回転駆動機構を示す斜視図である。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態の全方向回転駆動機構および移動体を示している。
　図１および図２に示すように、全方向回転駆動機構１０は、ホイール部材１１と複数の回転体１２と１対のウォーム１３と複数対のウォームホイール１４と複数の伝達歯車１５と１対のモータ１６とを有している。なお、ウォーム１３およびウォームホイール１４がそれぞれ第１歯車および第２歯車に対応している。
　図１に示すように、ホイール部材１１は、外形が円盤状を成し、その中心に設けられた中心部１１ａと、中心部１１ａから放射状に伸びる複数のスポーク１１ｂとを有している。ホイール部材１１は、中心部１１ａを通る中心軸を中心として回転可能になっている。中心部１１ａは、中央に貫通孔１１ｃを有している。各スポーク１１ｂは、中心軸方向に幅を有する板状を成しており、先端部がほぼ円弧状を成している。各スポーク１１ｂは２枚１組になっており、各組の２枚のスポーク１１ｂが所定の間隔を開けてほぼ平行に設けられている。各スポーク１１ｂは、中心軸に対して、各組毎に所定の角度間隔で設けられている。各スポーク１１ｂは、隣り合う組のスポーク１１ｂと交差し、先端部が、ホイール部材１１の周囲に沿って、各組毎に並ぶよう設けられている。
　図１および図２に示すように、各回転体１２は、小径車輪２１と車輪用歯車２２とを有している。小径車輪２１は、厚みが小さい円柱状を成し、中央に挿入孔２１ａを有している。車輪用歯車２２は、平歯車から成り、中央に一方の表面側に突出した突出部２２ａを有している。車輪用歯車２２は、突出部２２ａを小径車輪２１の挿入孔２１ａに挿入して、小径車輪２１に固定されている。これにより、各回転体１２は、小径車輪２１と車輪用歯車２２とが一体的に回転するようになっている。
　各回転体１２は、それぞれホイール部材１１の外周に沿って並ぶよう、各組のスポーク１１ｂの先端部の間に１つずつ配置されている。各回転体１２は、中心軸が、ホイール部材１１の中心軸に対して垂直になるよう配置されている。各回転体１２は、その中心軸を中心として回転可能に、挟まれたスポーク１１ｂに取り付けられている。これにより、各回転体１２は、それぞれホイール部材１１の回転軸を中心としたリング状の軸、すなわちホイール部材１１の中心軸に対して垂直な軸を中心に回転可能になっている。
　各回転体１２は、ホイール部材１１の回転軸とは反対側に位置する外面が、ホイール部材１１の外周よりも外側になるよう配置されている。また、各回転体１２は、ホイール部材１１がその回転軸を中心として回転するとき、ホイール部材１１の回転軸を中心として、ホイール部材１１とともに一体的に回転するようになっている。
　図２（ａ）に示すように、各ウォーム１３は、ホイール部材１１の中心部１１ａの内側に、ホイール部材１１の回転軸に沿って前後に並んで配置されている。各ウォーム１３は、それぞれホイール部材１１の回転軸と同軸で、ホイール部材１１とは独立して回転可能に設けられている。各ウォーム１３は、同じ大きさであり、進み角が同じで、溝の向きが互いに逆向きになっている。
　図２に示すように、各対のウォームホイール１４は、各回転体１２に対応して、各スポーク１１ｂの間に１対ずつ設けられている。各ウォームホイール１４は、全て同じ大きさであり、それぞれホイール部材１１の中心軸に対して垂直な軸を中心に回転可能に設けられている。各対のウォームホイール１４は、一方のウォームホイール１４が一方のウォーム１３に、他方のウォームホイール１４が他方のウォーム１３に噛み合って回転可能に、それぞれ対応する組のスポーク１１ｂに取り付けられている。また、各ウォームホイール１４は、同じ側の側面に固定された、同軸で回転する小歯車１４ａを有している。小歯車１４ａは、平歯車である。
　各伝達歯車１５は、各回転体１２に対応して、各スポーク１１ｂの間に１つずつ設けられている。各伝達歯車１５は、平歯車から成り、中央に一方の表面側に突出した突出部１５ａを有している。各伝達歯車１５は、ホイール部材１１の中心軸に対して垂直な軸を中心に回転可能に、それぞれ対応する組のスポーク１１ｂに設けられている。各伝達歯車１５は、それぞれ対応する回転体１２と、対応する対のウォームホイール１４との間に配置され、その回転体１２およびその対のウォームホイール１４の小歯車１４ａと噛み合うよう取り付けられている。
　全方向回転駆動機構１０は、対応する回転体１２および伝達歯車１５の回転軸が、ホイール部材１１の回転軸に対して垂直な平面で、ホイール部材１１の中心を通る平面内に配置されている。また、対応する伝達歯車１５に対し、一方のウォームホイール１４がその伝達歯車１５の中心軸の右側から、他方のウォームホイール１４が左側から、その伝達歯車１５に噛み合うよう配置されている。これにより、各対のウォームホイール１４の双方が、それぞれの回転を対応する同じ伝達歯車１５に伝達し、さらにその伝達歯車１５が、その回転を対応する回転体１２に伝達するようになっている。
　各モータ１６は、ホイール部材１１の回転軸に沿って、互いにホイール部材１１の反対側に配置されている。各モータ１６は、ホイール部材１１の外側に設けられている。各モータ１６は、ホイール部材１１の中心部１１ａの貫通孔を通して、それぞれの側に配置されたウォーム１３を回転駆動可能に構成されている。また、各モータ１６は、対応するウォーム１３の回転方向および回転速度を制御可能に構成されている。
　次に、作用について説明する。
　全方向回転駆動機構１０は、各モータ１６で各ウォーム１３を回転させることにより、ホイール部材１１および各回転体１２を回転させることができる。すなわち、各ウォーム１３を逆方向に同じ速度で回転させると、各対のウォームホイール１４を介して、各伝達歯車１５に同じ方向に同じ速度で回転する力を伝達するため、各伝達歯車１５をその方向にその速度で回転させることができる。これにより、各伝達歯車１５を介して、各回転体１２を、各伝達歯車１５とは逆方向に回転させることができる。このとき、各対のウォームホイール１４の回転が互いに無駄なく回転体１２に伝達されるため、ホイール部材１１を停止させることができる。
　また、各ウォーム１３を同じ方向に同じ速度で回転させると、各対のウォームホイール１４を介して、各伝達歯車１５に逆方向に同じ速度で回転する力を伝達するため、各対のウォームホイール１４の回転が互いに全て打ち消し合い、各対のウォームホイール１４および各伝達歯車１５を停止させることができる。これにより、各回転体１２も停止させることができる。このとき、各ウォーム１３の回転力が直接ホイール部材１１に伝わるため、ホイール部材１１を各ウォーム１３と同じ方向に同じ速度で回転させることができる。
　また、各ウォーム１３を異なる速度で回転させると、各対のウォームホイール１４を介して、各伝達歯車１５に異なる速度で回転する力を伝達することができる。このとき、その力の差に応じて、各伝達歯車１５を介して各回転体１２を回転させるだけでなく、ホイール部材１１も回転させることができる。また、各伝達歯車１５に伝達される力の差に応じて、各回転体１２およびホイール部材１１の回転方向および回転速度が決まる。このように、全方向回転駆動機構１０は、各モータ１６で各ウォーム１３の回転を制御することにより、各回転体１２およびホイール部材１１を、任意の方向に任意の速度で回転させることができる。これにより、全方向回転駆動機構１０は、任意の方向に任意の速度で移動可能な全方向移動車輪として使用することができる。
　全方向回転駆動機構１０は、各モータ１６を、ホイール部材１１の回転軸に沿ってホイール部材１１の外側に配置しているため、各モータ１６をホイール部材１１の内部に設ける場合と比べ、駆動力の大きいものを使用することができ、ホイール部材１１および各回転体１２の駆動力を大きくすることができる。また、各モータ１６への電力配線等を、容易に行うことができる。
　全方向回転駆動機構１０は、各ウォーム１３の進み角を小さくすることにより、対応するウォームホイール１４から各ウォーム１３に向かって、回転力を伝達しにくくすることができる。これにより、各ウォーム１３の回転を停止したとき、ホイール部材１１や回転体１２が回転するのを防ぐことができ、ブレーキがかかった状態にすることができる。このため、全方向移動車輪として使用したとき、エネルギーを消費することなく、坂道などで停止し続けることができる。
　なお、図３に示すように、全方向回転駆動機構１０は、各伝達歯車１５を有さず、各対のウォームホイール１４から直接、対応する回転体１２に回転を伝達可能であってもよい。この場合、回転を伝達するための部品数を減らすことができ、機構全体の小型化を図ることができる。また、部品数を少なくすることにより、製造やメンテナンスを容易にすることができる。また、摩擦伝動方式ではなく、ウォーム１３やウォームホイール１４を用いて駆動力を伝達するため、埃や塵がついたときでも駆動力を確保することができる。
　また、全方向回転駆動機構１０は、ウォームホイール１４が各回転体１２の数よりも少ない、１対乃至複数対から成り、各対のウォームホイール１４がそれぞれ異なる回転体１２に回転を伝達し、各対のウォームホイール１４により回転が伝達されない回転体１２を回転可能に、それらの回転体１２と各対のウォームホイール１４により回転が伝達される回転体１２とが連結されていてもよい。これにより、各ウォーム１３の回転を各回転体１２に伝達する部品数を少なくすることができ、製造やメンテナンスを容易にすることができる。
　また、全方向回転駆動機構１０で、各ウォーム１３は、溝の向きが同じ向きであってもよい。この場合、各対のウォームホイール１４の一方のウォームホイール１４と、対応する伝達歯車１５との間に平歯車を一つ挿入することにより、図２と同じ動きをさせることができる。また、各ウォームホイール１４とそれぞれ対応する伝達歯車１５との間や、各伝達歯車１５と対応する回転体１２との間に、歯車を１または複数挿入することにより、各ウォーム１３の回転方向に対する各回転体１２の回転方向を任意に変更することができる。
　図４は、本発明の第２の実施の形態の全方向回転駆動機構を示している。
　図４に示すように、全方向回転駆動機構３０は、ホイール部材１１（図示せず）と複数の回転体１２と１対の第１静電気歯車３１と複数対の第２静電気歯車３２と１対のモータ１６（図示せず）とを有している。なお、第１静電気歯車３１および第２静電気歯車３２がそれぞれ第１歯車および第２歯車に対応している。また、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の全方向回転駆動機構１０と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
　各第１静電気歯車３１は、各モータ１６の回転軸に沿って伸びた円柱形状を成している。各第１静電気歯車３１は、側面に、所定の幅で螺旋状に形成された＋（プラス）の領域と－（マイナス）の領域とが交互に設けられている。各第２静電気歯車３２は、薄い円柱形状を成し、側面に、円周方向に沿って＋の領域と－の領域とが所定の幅で交互に設けられている。各回転体１２も、薄い円柱形状の静電気歯車から成り、各第２静電気歯車３２よりも大きい外径を有している。各回転体１２は、側面に、円周方向に沿って＋の領域と－の領域とが所定の幅で交互に設けられている。
　全方向回転駆動機構３０は、伝達歯車１５を有さず、各対の第２静電気歯車３２から直接、対応する回転体１２に回転を伝達可能になっている。全方向回転駆動機構３０は、対応する第１静電気歯車３１と第２静電気歯車３２、および、対応する第２静電気歯車３２と回転体１２とが、互いに静電気力で力を伝達可能に設けられている。すなわち、各第１静電気歯車３１および各第２静電気歯車３２は、各第１静電気歯車３１の＋の領域および－の領域が、それぞれ対応する第２静電気歯車３２の－の領域および＋の領域に対向しながら回転するよう構成されている。また、各第２静電気歯車３２および各回転体１２は、各第２静電気歯車３２の＋の領域および－の領域が、それぞれ対応する回転体１２の－の領域および＋の領域に対向しながら回転するよう構成されている。
　こうして、全方向回転駆動機構３０は、全方向回転駆動機構１０と同様に、各モータ１６で各第１静電気歯車３１を回転させることにより、ホイール部材１１および各回転体１２を回転させることができる。全方向回転駆動機構３０は、非接触型の歯車を利用しているため、摩擦によるエネルギーの損失や歯車の摩耗がなく、静音性に優れている。
　なお、全方向回転駆動機構３０は、各第１静電気歯車３１、各第２静電気歯車３２および各回転体１２が、静電気歯車ではなく、磁気力で力を伝達可能に設けられた磁気歯車から成っていてもよい。この場合、例えば、磁気力がＮ極の領域およびＳ極の領域を、それぞれ図４に示す＋の領域および－の領域に対応させるように形成すればよい。これにより、全方向回転駆動機構１０と同様に、各モータ１６で各第１歯車（第１静電気歯車３１に対応する磁気歯車）を回転させることにより、ホイール部材１１および各回転体１２を回転させることができる。
　全方向回転駆動機構１０および全方向回転駆動機構３０は、移動体の全方向移動車輪として使用することができる。この場合、その移動体を任意の方向に任意の速度で移動することができる。また、全方向回転駆動機構１０および全方向回転駆動機構３０は、クローラ（無限軌道）の車輪として使用する際には、全方向に移動可能なクローラを構成することができる。また、全方向回転駆動機構１０および全方向回転駆動機構３０は、ロボットなどの関節部にも使用することができる。この場合、関節を任意の方向に曲げることができる。また、エネルギーを消費することなく、関節を任意の姿勢に維持することもできる。また、弾性体やダンパーなどを設けておくことにより、外部からの衝撃が加わったときでも、関節の動力伝達部に負荷がかからないようにすることもできる。
　１０、３０　全方向回転駆動機構
　１１　ホイール部材
　　１１ａ　中心部
　　１１ｂ　スポーク
　　１１ｃ　貫通孔
　１２　回転体
　　２１　小径車輪
　　　２１ａ　挿入孔
　　２２　車輪用歯車
　　　２２ａ　突出部
　１３　ウォーム
　１４　ウォームホイール
　　１４ａ　小歯車
　１５　伝達歯車
　　１５ａ　突出部
　１６　モータ
 
　３１　第１静電気歯車
　３２　第２静電気歯車

Claims (6)

  1. 　回転軸を中心として回転可能に設けられたホイール部材と、
    　前記ホイール部材の回転軸を中心としたリング状の軸を中心として回転可能に前記ホイール部材に設けられ、前記ホイール部材の回転軸を中心として、前記ホイール部材とともに一体的に回転するよう構成された回転体と、
    　それぞれ前記ホイール部材の回転軸と同軸で回転可能に設けられた１対の第１歯車と、
    　それぞれ異なる第１歯車の回転により、前記ホイール部材の回転軸に対してほぼ垂直な軸を中心として回転可能かつ、それぞれの回転を前記回転体に伝達可能に、前記ホイール部材に設けられた１対の第２歯車とを有し、
    　対応する第１歯車および第２歯車は、それぞれ互いに力を伝達可能に設けられたウォームおよびウォームホイール、または、非接触型の歯車から成り、
    　各第１歯車の回転方向および回転速度に応じて、前記回転体を前記ホイール部材に対して回転または停止するよう構成されていることを
    　特徴とする全方向回転駆動機構。
  2. 　各第１歯車を同じ方向に回転させたとき、各第２歯車が互いに前記回転体を逆方向に回転させようとして回転または停止し、各第１歯車を逆方向に回転させたとき、各第２歯車が前記回転体を同じ方向に回転させようとして回転するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の全方向回転駆動機構。
  3. 　前記回転体は複数から成り、それぞれ前記ホイール部材の外周に沿って並ぶよう設けられており、
    　前記第２歯車は、各回転体に対応して複数対から成り、各対の第２歯車の回転をそれぞれ対応する各回転体に伝達可能に構成されていることを
    　特徴とする請求項１または２記載の全方向回転駆動機構。
  4. 　それぞれ異なる第１歯車を回転駆動可能、かつ、その回転方向および回転速度を制御可能に設けられた１対のモータを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の全方向回転駆動機構。
  5. 　前記回転体は、前記ホイール部材の回転軸とは反対側に位置する外面が、前記ホイール部材の外周よりも外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の全方向回転駆動機構。
  6. 　車輪として、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の全方向回転駆動機構を１または複数有することを特徴とする移動体。
     
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