Omni-directional drive device and omni-directional vehicles using the same

本発明は、全方向駆動装置およびそれを用いた全方向移動車に関する。

床面上を自在に動き回れる全方向移動車の駆動装置として、回転駆動されるホイールの外周の複数箇所に各々接線方向の軸部を有し、その軸部の各々に樽形分割スリーブがホイール接線軸線周りに回転可能に取り付けられ、隣接する樽形分割スリーブ同士が回転力伝達関係で互いに連繋していて、ホイールに内蔵された電動モータによって樽形分割スリーブをホイール接線軸線周りに回転駆動するものがある（例えば、特許文献１）。

この駆動装置によると、ホイールの回転によって樽形分割スリーブの接地面に前後方向（ホイール回転方向）の駆動力が作用し、樽型分割スリーブ自体の回転によって樽型分割スリーブの接地面に左右方向（樽型分割スリーブ回転方向）の駆動力が作用することになり、両駆動力の割合を適宜に制御すれば、全方向への移動が可能となる。

特許第３８２０２３９号公報

しかるに、この従来技術によると、ホイールの外周に置かれた軸部より支持された樽型分割スリーブに回転力を与えるための電動モータは、ホイールに搭載されてホイールと共に一体回転させねばならない。 このため、ホイール外に設置されるであろう電源より電動モータに電力を供給する機構が複雑になり、メンテナンスも面倒なものなる。

これに対し、電源もホイールに搭載すると、電動モータや動力伝達機構がホイールに組み込まれることにより、ホイールのコンパクト設計が難しいことになっていることが更に助長され、しかも、ホイール重量も重くなる。

このような課題を解決するために、本発明は、電動モータ等の駆動源に対するパワーソース供給の取り回しを複雑なものにすることがなく、耐久性、保守性に優れ、回転部（移動部）の重量増加を招くこともないコンパクト設計の自由度が高い全方向駆動装置およびそれを用いた全方向移動車を提供することにある。

本発明による全方向駆動装置は、基体と、前記基体に、互いに同軸的に回転可能に保持される第１の駆動力伝達体及び第２の駆動力伝達体と、前記第１及び第２の駆動力伝達体をそれぞれ回転駆動する第１及び第２の駆動ユニットと、前記第１の駆動力伝達体に回転自在に支持され、かつ第１の同心円に沿って配置され、更に該第１の同心円の半径方向に対して或る角度をなす回転軸線を有する複数の第１のフリーローラと、前記第２の駆動力伝達体に回転自在に支持され、かつ第２の同心円に沿って配置され、更に該第２の同心円の半径方向に対して或る角度をなす回転軸線を有する複数の第２のフリーローラと、比較的高剛性の環状部材及び該環状部材に外装されたフレキシブルな無端筒状体を有し、前記第１のフリーローラ及び前記第２のフリーローラにより係合される主輪とを有し、各フリーローラの横力が前記主輪に伝達され、前記主輪の周方向に沿う周方向運動及び前記無端筒状体の環状中心線周りの回転運動を引起すようにすることを特徴としている。

本発明の別の側面による全方向駆動装置は、基体と、前記基体に回転可能に保持される駆動力伝達体と、前記駆動力伝達体を回転駆動する駆動ユニットと、前記駆動力伝達体に回転自在に支持され、かつ同心円に沿って配置され、更に該同心円の半径方向に対して或る角度をなす回転軸線を有する複数のフリーローラと、前記フリーローラにより係合される環状部材を有する主輪とを有し、各フリーローラの横力が前記主輪に伝達されることにより、前記駆動力伝達体の回転運動を前記主輪に伝達することを特徴としている。

本発明は更に、上記したような全方向駆動装置を備え、移送対象の荷重を受け持つ荷重受け持ち部を前記基体に設けたことを特徴とする全方向移動車も提供する

本発明による全方向駆動装置によれば、左右の回転部材（駆動力伝達体）を、駆動手段によって同一方向且つ同一速度に回転させると、フリーローラを介して主輪は、左右の回転部材と回転方向と同じ方向へ回転（対称軸周り回転＝中心軸線Ｂ周り回転）し、前後方向の駆動力を主輪の接地面に作用させる。 左右の回転部材を、駆動手段によって、互いに異なる方向、あるいは（および）互いに異なる速度で回転させると、フリーローラが主輪の中心軸線Ｂ周りの回転方向に対して傾斜して主輪に接しているため、フリーローラの傾斜角度に応じた分力が主輪の外表面に作用し、主輪は、円形横断面形状の中心を中心として回転（断面中心周りの回転＝中心軸線Ｃ周りの回転）し、左右方向の駆動力を主輪の接地面に作用させる。 従って、駆動手段によって左右の回転部材の回転方向、回転速度を個別に制御することにより、前後方向の駆動力と左右方向の駆動力の合成により、全方向への駆動力を発生させることができる。

左右の回転部材を個別に回転駆動する駆動手段は、すべて基体側に設けられるので、それら駆動手段に対する電力供給等のパワーソース供給の取り回しが複雑になることがなく、耐久性、保守性に優れ、移動部の重量増加を招くこともなく、コンパクト設計の自由度が高い。

本発明の好適実施例に於いては、前記主輪が、前記両駆動力伝達体に対して同軸をなす。 無端筒状体がエラストマ材料からなるものとすると良いが、主輪が、環状部材と、前記環状部材に回転自在に外装された互いに別体をなす複数のスリーブとを有するものからなるものとしても良い。 即ち、無端筒状体として、比較的硬質の環状部材に回転自在に外装された互いに別体をなす複数のスリーブを利用することもできる。 そのような場合、前記主輪に対して、常に少なくとも１つの前記第１のフリーローラ及び少なくとも１つの前記第２のフリーローラに転動接触するようにすれば、主輪に対して常に駆動力が作用し、空すべりが生じる事態を回避することができる。 或いは、第１のフリーローラ及び前記第２のフリーローラの数が、それぞれ、主輪のスリーブの数よりも多いものとすると良い。

前記第１及び第２の駆動力伝達体を、前記主輪に向きけて付勢するための弾性的装置を有するものとすれば、主輪とフリーローラとの転動接触を確実にすることができる。 前記第１のフリーローラ及び前記第２のフリーローラが、前記主輪の内周部に対して斜め方向から係合するようにすれば、主輪がフリーローラにより軸支され、主輪のための軸受を不要とすることができる。

本発明による全方向移動車は、第１のフリーローラが、前記駆動対象としての路面或いは床面に係合することにより駆動力を得ることもできるが、球体を介して駆動力を得ることもできる。

本発明による全方向駆動装置の一つの実施形態を、図１〜図５を参照して説明する。

本実施形態の全方向駆動装置１は、基体７と、左右の回転部材（駆動力伝達体）４Ｒ、４Ｌと、フリーローラ３Ｒ、３Ｌと、主輪２とを有する。 基体７は、固定側部材７Ａと、固定側部材７Ａにヒンジ軸７１によってヒンジ接続された可動側部材７Ｂとを有するヨーク形になっている。

固定側部材７Ａは支持軸６Ｒによって右側の回転部材４Ｒを回転可能に支持している。 可動側部材７Ｂは支持軸６Ｌによって左側の回転部材４Ｌを回転可能に支持している。 これにより、左右の回転部材６Ｒ、６Ｌは、所定の軸線方向間隔（左右方向間隔）をおいて、基体７に、互いに同一の中心軸線Ａ周りに、各々回転可能に取り付けられる。

回転部材４Ｒ、４Ｌには、プーリ９Ｒ、９Ｌ（或いはスプロケット）が一体的に形成されている。 基体７には、二つの電動モータ５Ｒ、５Ｌが取り付けられている。 電動モータ５Ｒは、ベルト１０Ｒ（或いはリンクチェーン）によってプーリ９Ｒと駆動連結され、プーリ９Ｒを回転駆動する。 電動モータ５Ｌは、ベルト１０Ｌ（或いはリンクチェーン）によってプーリ９Ｌと駆動連結され、プーリ９Ｌを回転駆動する。

なお、基体７には、図示していないが、電動モータ５Ｒ、５Ｌの電源として、リーチャージブルなバッテリ電源が搭載される。

回転部材４Ｒ、４Ｌは、互い対向する側に切頭円錐状のテーパ外周面４１Ｒ、４１Ｌを有する。 回転部材４Ｒのテーパ外周面４１Ｒには、複数個（例えば８個）のフリーローラ３Ｒが、各々ブラケット４２Ｒによって、回転部材４Ｒの回転軸線についての同心円上に位置するように、回転部材４Ｒの円周方向に等間隔に各々回転可能に取り付けられている。 回転部材４Ｌのテーパ外周面４１Ｌには、複数個（例えば８個）のフリーローラ３Ｌが、各々ブラケット４２Ｌによって、同様に回転部材４Ｌの回転軸線についての同心円上に位置するように、回転部材４Ｌの円周方向に等間隔に各々回転可能に取り付けられている。

主輪２は、タイヤ用ゴム等、ゴムやゴム状の物性を示す樹脂（ゴム類似物質）のように、弾性的に撓むゴム状弾性体により円環状に構成され、中実あるいは中空で、円形の横断面形状を有する。 主輪２は、この円形の横断面形状の中心（断面中心）Ｃを中心として回転可能になっている。

なお、主輪２の外表面に、グリッド溝が形成されている場合には、厳密には、主輪２の横断面形状（外郭）は、円形にならないが、主輪２の横断面形状は、当該横断面形状の中心Ｃを中心として回転可能であればよく、ここでは、グリッド溝が形成されているようなものも、まとめて円形と云う。

主輪２は、左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの間に配置され、当該主輪２の中心軸線（対称軸）両側（左右両側）より左右の回転部材４Ｒ、４Ｌのフリーローラ３Ｒ、３Ｌによって挟まれるようにして左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの中心軸線Ａと同一の中心軸線Ｂ（対称軸）周りに回転可能に支持されている。

基体７の固定側部材７Ａと可動側部材７Ｂとの間には圧縮コイルばね８が設けられている。 圧縮コイルばね８は、付勢手段であり、基体７の脚部（軸支部）をなす固定側部材７Ａと可動側部材７Ｂを互い近づける方向に付勢する。 これにより、フリーローラ３Ｒ、３Ｌが主輪２の外表面に向けて付勢され、フリーローラ３Ｒ、３Ｌが、主輪２の外表面に摩擦力をもって運動（回転）を主輪２に伝達するトルク伝達関係で接触する。 本実施例の場合、主輪２の環状軸線に直交する断面で見たときに、主輪２の内周側の方向から、両フリーローラ３Ｒ、３Ｌが主輪２に当接している。 主輪２が、両フリーローラ３Ｒ、３Ｌのみにより保持されるためには、両フリーローラ３Ｒ、３Ｌは、主輪２の横方向ではなく、内周側に当接する必要があり、しかも両フリーローラ３Ｒ、３Ｌ間の相互干渉を回避するためには、主輪２の内周側の斜め方向の位置に当接する必要がある。 本発明は、これに限定されるものではなく、主輪２の環状軸線に直交する断面で見たときに、両フリーローラ３Ｒ、３Ｌが主輪２の外周側の方向から、主輪２に斜め方向に当接しているようにすることもできる。

ここで、重要なことは、フリーローラ３Ｒ、３Ｌが、主輪２の中心軸線Ｂ（回転部材４Ｒ、４Ｌの中心軸線Ａと同じ）に対して交差することなく、かつ平行でない方向（ねじれの方向）に延在する中心軸線Ｄ周りに回転自在であることである。 つまり、回転部材４Ｒ、４Ｌの回転に伴ない、フリーローラ３Ｒ、３Ｌが主輪２に対して横力を加え得るように、フリーローラ３Ｒ、３Ｌの回転軸線の向きを定める必要がある。

このことを、図４、図５を参照して詳細に述べると、各フリーローラ３Ｒ、３Ｌの中心軸線Ｄは、主輪２の対称軸の軸方向から見て、少なくとも主輪２の径方向Ｒに対してある角度（図４のα）をもって傾いていると同時に、主輪２の内周側から径方向に見て、主輪２の断面中心線に対してある角度（図５のβ１、β２）をもって傾いている。 このような三次元的な軸線の傾きは、喩えると、ある角度の円錐面上に置かれた「はす歯傘歯車」の歯の傾きに似ている。 ここで、主輪２の断面中心線とは、主輪２の円形の横断面形状の中心（断面中心）Ｃがなす中心線であり、主輪中心軸線Ｂと同心の円である。 以降、主輪２の断面中心線を断面中心線（Ｃ）と云う。

なお、傾斜角αは、０度でなく、角度β１、β２は何れも９０度でないことが必要である。

このように、フリーローラ３Ｒ、３Ｌの中心軸線Ｄを、水平な中心軸線Ａ＝Ｂに対して直交する仮想垂直面に対して三次元的に傾けることにより、各フリーローラ３Ｒ、３Ｌの外周面と主輪２の外表面との接触部において作用する摩擦力が、フリーローラの横力として主輪２の接線方向（中心軸線Ａ＝Ｂ周り方向）と、断面中心線（Ｃ）周り方向とに作用することとなる。 なお、フリーローラ３Ｒ、３Ｌは、その一方だけが三次元的に傾いていけばよく、他方は主輪２の回転方向に対して平行であってもよい。

また、上述の摩擦力が最大限発揮されるように、フリーローラ３Ｒ、３Ｌと主輪２との接触面には、適宜な凹凸加工や粗面加工を施しておくとよい。

次に、本実施形態の全方向駆動装置１の作用について説明する。
左右の回転部材４Ｒ、４Ｌを、電動モータ５Ｒ、５Ｌによって、同一速度で、同一方向に回転させると、回転部材４Ｒ、４Ｌに設けられたフリーローラ３Ｒ、３Ｌを介して、主輪２に、その回転力が摩擦により伝達される。 ここで、各フリーローラ３Ｒ、３Ｌの中心軸線Ｄは、上述の通り傾いており、しかも主輪２を挟んで対称形に配置されているので、両回転部材４Ｒ、４Ｌが、同一速度で、同一方向に回転すると、各フリーローラ３Ｒ、３Ｌと主輪２との接触部における摩擦力は、専ら主輪２の円周（接線）方向、つまり、中心軸線Ｂ周り方向に作用する。 これにより、主輪２の中心軸線Ｂ周りの駆動力が主輪２の接地面に作用する。

図６のモデル図に示す通り、中心軸線Ｃｂの周りに回転自在な丸棒Ｂの外表面に対して中心軸線Ｃｆを傾けたフリーローラＦを押し当て、フリーローラＦを丸棒Ｂの中心軸線Ｃｂに沿って移動させると、フリーローラＦと丸棒Ｂとの接点に作用する摩擦力の分力ｆにより、丸棒Ｂには中心軸線Ｃｂ周りの回転力が作用する。

この原理を本実施形態の全方向駆動装置１に当てはめると、電動モータ５Ｒ、５Ｌによって左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの回転方向あるいは（および）回転速度を互いに違えると、回転部材４Ｒ、４Ｌの回転力による円周（接線）方向の力に対し、この力に直交する向きの分力が主輪２におけるフリーローラ３Ｒ、３Ｌ３の当接面（接触面）に作用する。 この分力により、主輪２の外表面には、これを捩る力、即ち主輪２の断面中心線（Ｃ）周りについての回転駆動力が作用し、主輪２が断面中心線（Ｃ）周りに回転することになる。

この主輪２の断面中心線（Ｃ）周りの回転は、回転部材４Ｒ、４Ｌ同士の回転速度差によって定まる。 例えば、回転部材４Ｒ、４Ｌを互いに同一速度で逆向きに回転させると、主輪２は中心軸線Ｂ（対称軸線）周りには回転せず、断面中心線（Ｃ）周りについて回転することになる。 これにより、主輪２には、主輪２の中心軸線Ｂと同じ方向、つまり左右方向の駆動力が加わることとなる。

このように、電動モータ５Ｒ、５Ｌによって回転部材４Ｒ、４Ｌの回転速度および回転方向を個々に制御することにより、主輪２は平面上で全方向へ移動することができる。

図７は、本発明による全方向移動車の一つの実施形態を示している。 本実施形態の全方向移動車は、下方開口の箱状の車体１１に走行用球体１２が全方向に転動可能に設けられている。 走行用球体１２の下部領域は、車体１１の下方開口部１１１より下方に露呈し、走行面１００に転動可能に接触する。 走行用球体１２は、車体１１の下方開口部１１１の近傍に設けられた支持ボール１４により、車体１１より下方に脱落しないようになっている。

車体１１内には走行用球体１２の上方部に位置する形態で全方向駆動装置１が配置されている。 全方向駆動装置１は、基台７を車体１１に固定され、車体１１より吊り下げ固定されている。 この吊り下げ固定で、全方向駆動装置１の主輪２が走行用球体１２８の球面に摩擦力によるトルク伝達関係で接触している。

これにより、走行用球体１２は全方向駆動装置１によって全方向に転動駆動され、車体１１が全方向に移動することになる。

主輪２の走行用球体１２の球面に対する接触圧は、車体１１、全方向駆動装置１の自重、車体１１の積載荷重により得られる。

図８は、全方向駆動装置１を用いた本発明による全方向移動車の他の実施形態を示している。

本実施形態の全方向移動車は、全方向駆動装置１の基体７の両側（固定側部材７Ａと可動側部材７Ｂ）に左右一対のステップ３４を略水平に取り付けられている。 基体７（固定側部材７Ａ）にはポール３５の下端部が固定されている。 ポール３５の上端にはハンドルバー３６が取り付けられている。

この全方向移動車は、一輪車のようなもので、主輪２が直接接地し、左右一対のステップ３４に足を載せ、ハンドルバー３６を手にて握って使用される。

この実施形態でも、左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの回転制御により、走行面１００に全方向への駆動力を作用させることができる。

図９及び１０は、図８の実施例と同様であるが、主輪２の構造に於いて同実施例と相違する。 本実施形態の主輪２は、円環軸体２２と、円環軸体２２に各々当該円環軸体２２の接線方向軸線周りに回転可能に取り付けられ、駆動力を作用させる対象物に接触する複数のスリーブ２５とを有する。

より詳細には、円環軸体２２には周方向移動不能かつ回転不能に多数のインナスリーブ２３が嵌着されている。 各インナスリーブ２３にはメタル軸受２４を一体結合してなるスリーブ２５が回転可能に装着されている。 スリーブ２５は、駆動力を作用させる対象物に接触するフリーローラであって、数珠繋ぎ状に円環軸体２２に装着され、各々、円環軸体４６の接線方向軸線周り、つまり、断面中心線（Ｃ）周りと同等の軸線周りに回転可能、更に換言するとと、各第スリーブ２５自体の中心軸線周りに回転可能になっている。

この実施形態の主輪２の断面中心線は、スリーブ２５の回転軸線同士をリング状に繋げたものとなり、主輪２の断面中心線（Ｃ）周りの回転は、スリーブ２５自体の回転（自転）によって得られる。

この実施形態の主輪２では、回転部材４Ｒ、４Ｌと共に回転移動するフリーローラ３Ｒ、４Ｌとの接触によってスリーブ２５が円環軸体２２の周り（断面中心線（Ｃ）周り）に回転し、左右方向への駆動力を接地面に作用させることができると共に、主輪２全体の回転によるキャスタホイール２１の円周方向移動により、前後方向への駆動力を接地面に作用させることができる。

この場合、主輪２に対して常に駆動力が作用し、空すべりが生じる事態を回避するためには、スリーブ２５に対して、常に少なくとも１つの第１のフリーローラ１４及び又は少なくとも１つの第２のフリーローラ１５が転動接触するようにすると良い。 本実施例の場合、第１及び第２の移動体の移動方向に沿う長さが概ね同一であることから、スリーブ２５に対する第１及び第２のフリーローラ１４、１５の移動体の移動方向に沿う配列密度を適切に定めると共に、スリーブ２５よりも、第１のフリーローラ及び又は第２のフリーローラがより多数設けられているようにすると良い。 或いは、第１のフリーローラ及び又は第２のフリーローラの第２の移動体の移動方向に沿っての配列密度が、スリーブ２５の対応する配列密度よりも高いようにすると良い。

図１１は、本発明による全方向駆動装置および全方向移動車の他の実施形態を示している。 なお、図１１において、図７に対応する部分は、図７に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態の全方向駆動装置および全方向移動車は、基体（車体１１）に所定のホイール間間隔をおいて各々回転可能に配置された二つの回転ホイール装置４１、４２と、上述の実施形態の主輪２に相当する無限軌道体４３とを有する。

回転ホイール装置は、所定の軸線方向間隔をおいて配置され互いに同一の中心軸線周りに回転可能に基体７より支持された左右の回転部材４Ｒ、４Ｌと、基体７に取り付けられ左右の回転部材４Ｒ、４Ｌを個別に回転駆動する電動モータ（図示省略）、左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの各々の円周周りに取り付けられた複数個のフリーローラ３Ｒ、３Ｌとを有し、図１、図２に示されている回転部分と同じ機構のものである。

無限軌道体４３は、左右の回転部材４Ｒ、４Ｌの間に配置され軸線方向両側より左右の回転部材４Ｒ、４Ｌのフリーローラ３Ｒ、３Ｌによって挟まれるようにして二つの回転ホイール装置４１，４２間に掛け渡されている。

無限軌道体４３は、たとえば、図９に示されている主輪２の円環軸体２２を可撓性無端芯体に置き換え、これに複数個のスリーブ２５を回転（自転）可能に取り付けて数珠繋ぎ状にしたものであり、スリーブ２５により円形の横断面形状を与えられ、この円形の横断面形状の中心を中心として回転可能である。 無限軌道体４３は、回転ホイール装置４１と４２とのパス部において走行用球体１２に接触している。

フリーローラ３Ｒ、３Ｌは、回転ホイール装置４１、４２に巻き付いている部分における無限軌道体４３の中心軸線、つまり、回転部材４Ｒ、４Ｌの中心軸線と実質的に同一の中心軸線周りの回転方向に対して直交および平行の何れでもない方向に延在する中心軸線周りに回転自在に設けられ、無限軌道体４３の外表面（スリーブ２５の外周面）に接触している。

本実施形態では、スリーブ２５の自転により、左右方向への駆動力を走行用球体１２に作用させることができると共に、無限軌道体４３の回転ホイール装置４１、４２間の走行により、前後方向への駆動力を走行用球体１２に作用させることができる。

以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれは容易に理解できるように、本発明の発明概念から逸脱することなく様々な変形・変更が可能であって、本発明の発明概念は、添付の請求の範囲に記載された通りである。 また、パリ条約に基づく優先権主張の基礎となった日本国出願は、それに言及することをもって、その内容を本願の一部とする。

本発明による全方向駆動装置の一つの実施形態を示す正面図である。

本発明による全方向駆動装置の一つの実施形態の要部斜視図である。

本実施形態の全方向駆動装置に用いられる主輪の一部破断斜視図である。

対称軸の軸方向から見た主輪とフリーローラとの関係を示す説明図である。

主輪の中心から径方向に見た主輪とフリーローラとの関係を示す説明図である。

本発明装置の原理を示すモデル図である。

図１、２に示した実施形態の全方向駆動装置を用いた全方向移動車の一つの実施形態を示す概略側面図である。

図１、２に示した実施形態の全方向駆動装置を用いた全方向移動車の他の実施形態を示す概略正面図である。

図１、２に示した実施形態の全方向駆動装置を用いた全方向移動車の更に他の実施形態を示す概略拡大正面図である。

図９に示された全方向駆動装置に用いられる主輪を示す概略断面図である。

本発明による全方向駆動装置および全方向移動車の他の実施形態を示す概略側面図である。

符号の説明

１ 駆全方向動装置２ 主輪３Ｒ、３Ｌ フリーローラ４Ｒ、４Ｌ 回転部材５Ｒ、５Ｌ 電動モータ７ 基体８ 圧縮コイルばね１２ 走行用球体１３ 全方向移動車２２ 円環軸体２５ スリーブ