全方位駆動車輪システム及びその操作方法

本発明は全方位駆動車輪システムに関する。 詳しくは、本発明は集積差動機構を備えた全方位駆動車輪システムに関する。

全方位車輪としても公知な全方位駆動車輪は、主車輪と主車輪の縁に沿って離散した周縁車輪のセットとを備える回転装置である。 主車輪は前後に回転でき、他方、周縁車輪のセットは左右に回転できる。 これにより全方位駆動車輪を備えた輸送システムは、実際に主車輪を操舵することなく横に又は斜めに移動することができる。 他の車輪システムと異なり、全方位駆動車輪システムは比較的短い時間で比較的小さなスペースで移動方向を変えることができるので、きわめて優れた操縦性を提供する。

その高い操縦性のために、全方位駆動車輪システムは低速輸送システムの分野で、例えば電子車椅子システムやロボット・システムで広く用いられている。 各周縁車輪に個別に動力を供給し制御することによって全方位駆動車輪システムを実現する試みが過去になされてきた。 しかし、その実現には多数の電子部品、伝達ギヤ、及び回転装置が必要になる。 そのため、従来の全方位駆動車輪システムは、かさばり、重量が大きくなり、動力消費も大きくなるという問題があった。

従って、この技術分野では小さなサイズで軽量であり動力消費も小さい全方位駆動車輪システムが要求されている。

本発明のひとつの態様は、全方位駆動車輪を縦方向と横方向の両方に駆動する集積差動機構を備えることによって従来の全方位駆動車輪システムを改良することである。 集積差動機構の利点は、電子部品、回転装置、及び伝達ギヤの数量を減らせること、縦方向と横方向での直接の駆動による集積スラストを生成できることなどであるが、それだけに限定されない。 全方位駆動車輪システムは一対の縦方向ギヤと、縦方向ギヤのそれぞれを別々に個別に回転させる回転装置と、複数の周縁車輪組立体を含み、各周縁車輪組立体は車輪部材と、縦方向ギヤの対の間の差動スラストを車輪部材に伝達する結合ギヤを有する。

１つの実施形態において、本発明は、全方位駆動車輪であって、第１の軸線に沿って中央寄りに配列された第１のギヤ及び第２のギヤと、複数の周縁車輪組立体であって、第１の軸線に対して略垂直な第２の軸線に沿って中央寄りに配列された車輪部材と第１のギヤ及び第２のギヤと係合するための遠位端及び対の車輪と係合するための近位端を備える結合ギヤとをそれぞれ有し、遠位端と近位端とが、左のギヤ及び右のギヤの共通半径に対し略平行であると共に第１の軸線及び第２の軸線に対し略垂直な径方向軸線を画成する複数の周縁車輪組立体と、第１のギヤを第１の軸線の周りで第１の角速度で回転させると共に第２のギヤを第１の軸線の周りで第２の角速度で回転させるための回転装置と、を具備する全方位駆動車輪であって、それぞれの周縁車輪組立体の結合ギヤが、第１の角速度が第２の角速度と異なるときに、結合ギヤのそれぞれの車輪部材をそれぞれの第２の軸線の周りで回転させるように構成された全方位駆動車輪である。

別の実施形態において、本発明は、全方位駆動車輪を用いる輸送システムであって、第１の軸線に沿って中央寄りに配列された左のギヤ及び右のギヤであって、その左のギヤ及び右のギヤ間において周領域を有する円筒状の空間を画成する左のギヤ及び右のギヤと、円筒状の空間の周領域に沿って離散した複数の周縁車輪組立体であって、第１の軸線に対して略垂直な第２の軸線に沿って中央寄りに配列された一対の車輪と左のギヤ及び右のギヤと係合するための遠位端及び一対の車輪と係合するための近位端を備える結合ギヤとをそれぞれ有し、遠位端と近位端とが、左のギヤ及び右のギヤの共通半径に対し略平行であると共に第１の軸線及び第２の軸線に対し略垂直な径方向軸線を画成する複数の周縁車輪組立体と、左のギヤを第１の軸線の周りで左の角速度で回転させると共に右のギヤを第１の軸線の周りで右の角速度で回転させるための回転装置と、を具備する輸送システムであって、それぞれの周縁車輪組立体の結合ギヤが、そのそれぞれの一対の車輪を第２の軸線の周りで、左の角速度及び右の角速度間の差によって定義される横角速度で回転させるように構成され、且つ、左の角速度及び右の角速度の組み合わせによって定義される共通角速度で周領域に沿って旋回するように構成された輸送システムである。

更に別の実施形態において、本発明は、全方位駆動車輪を操作するための方法であって、複数の周縁車輪を複数の結合ギヤによって第１のギヤ及び第２のギヤに係合するステップと、第１のギヤを第１の角速度で回転させるステップと、第２のギヤを第２の角速度で回転させるステップと、を含み、第１の角速度が第２の角速度と異なるとき、それぞれの結合ギヤがそれぞれの周縁車輪を回転させるように構成され、全方位駆動車輪が、横方向に移動する方法である。

更に別の実施形態において、本発明は、全方位駆動車輪であって、第１の軸線に沿って中央寄りに配列された第１のプレート及び第２のプレートと、複数の周縁車輪組立体であって、第１の軸線に対して略垂直な第２の軸線に沿って中央寄りに配列された車輪部材と、第１のプレート及び第２のプレートと係合するための遠位端及び車輪部材と係合するための近位端を備える結合部材と、をそれぞれ有し、遠位端と近位端とが、左のプレート及び右のプレートの共通半径に対し略平行であると共に第１の軸線及び第２の軸線に対し略垂直な径方向軸線を画成する複数の周縁車輪組立体と、第１のプレートを第１の軸線の周りで第１の角速度で回転させると共に第２のプレートを第１の軸線の周りで第２の角速度で回転させるための回転装置と、を具備する全方位駆動車輪であって、それぞれの周縁車輪組立体の結合部材が、第１の角速度が第２の角速度と異なるときに、結合部材のそれぞれの車輪部材をそれぞれの第２の軸線の周りで回転させるように構成された全方位駆動車輪である。

本発明のその他のシステム、方法、特徴、及び利点は以下の図と詳細な説明を検討することによって当業者には明らかになるであろう。 これらのすべての追加のシステム、方法、特徴、及び利点はこの説明に含められ、本発明の範囲内にあり、添付された特許請求の範囲によって保護される。 図面に示された構成要素部品は必ずしも正確な縮尺になっておらず、本発明の重要な特徴をより分かりやすくするために誇張されることもある。 図面では、様々な図において同様の部品を同様の参照数字で表している。

本発明のある実施形態に係る全方位駆動車輪システム（ＯＴＷＳ）を示す斜視図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳを示す分解図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳを示す側面図である。

本発明の様々な実施形態に係る３つの周縁車輪組立体（ＰＷＡ）を有するＯＴＷＳを示す側面図である。

本発明の様々な実施形態に係る４つのＰＷＡを有するＯＴＷＳを示す側面図である。

本発明の様々な実施形態に係る８つのＰＷＡを有するＯＴＷＳを示す側面図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳを示す断面側面図である。

本発明のある実施形態に係るＰＷＡを示す断面図である。

本発明の様々な実施形態に係るいくつかのギヤ構成を有するＯＴＷＳを示す断面正面図である。

本発明の様々な実施形態に係る外歯車と傘歯車の例示的なモデルを示す図である。

本発明の様々な実施形態に係る平歯車、斜歯歯車、及び山歯歯車の例示的なモデルを示す図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳ差動機構を示す高レベル概念図である。

本発明の様々な実施形態に係るＯＴＷＳのいくつかの構成要素の角速度を示す図である。

本発明の様々な実施形態に係るＯＴＷＳのいくつかの構成要素の角速度を示す図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳの共通モード操作を示す図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳの差動モード操作を示す図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳの前方差動モード操作を示す図である。

本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳの後方差動モード操作を示す図である。

本発明の様々な実施形態に係る差動角速度と共通角速度の様々な組合せに関するＯＴＷＳのすべての移動方向を示す図である。

本発明のある実施形態に係る摩擦制御でのＯＴＷＳを示す断面側面図である。

本発明のある実施形態に係る全方位駆動車輪システムを操作するステップを示す流れ図である。

本発明の様々な特徴の実施形態を実現する装置システム及び方法について図面を参照して説明する。 図面及び関連する説明は、本発明のいくつかの実施形態を説明するためのものであって本発明の範囲を制限するものではない。 図面全体にわたって、同様の参照数字を繰り返し用いて参照された要素の対応を示している。 さらに、参照数字の最初の桁はその要素が最初に現れた図を示している。

図１Ａは、本発明のある実施形態に係る典型的な全方位駆動車輪システム（ＯＴＷＳ）１００を示す斜視図である。 一般に、ＯＴＷＳ１００は、一対の保護プレート１０２によって形成される一対の主車輪と、保護プレート１０２の縁の間に位置する複数の周縁車輪組立体（ＰＷＡ）を含む。 さらに、ＯＴＷＳ１００は脚１２０に結合されており、それによってＯＴＷＳ１００はひとつ以上のＯＴＷＳ１００を備える輸送システムに結合される。 輸送システムは、例えば、４つのＯＴＷＳ１００を備える車椅子、３つのＯＴＷＳｓ１００を備える移動ロボット、又は１つのＯＴＷＳ１００を備える一輪車などである。

図１Ｂは、本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳ１００を示す分解図である。 より詳細には、ＯＴＷＳ１００は保護プレート１０２によって保護される一対の縦方向ギヤ１０８，縦方向ギヤ１０８を回転させるための一対の回転装置１０４，ＯＴＷＳ１００に構造的なサポートを与えるスペース部材１１０を有する。

図２は、本発明のある実施形態に係る全方位駆動車輪システム２００を示す側面図である。 ＯＴＷＳ２００は、図１Ａに示されるＯＴＷＳ１００と同様で、２つの縦方向ギヤ２０２を有し、その各々は周領域２０４に沿って一連の歯を有する。 ２つの縦方向ギヤ２０２は通常共通の縦半径Ｒを有し、その表面積は実質的に同じである。 さらに、２つの縦方向ギヤ２０２は共通の縦半径Ｒを有するので、２つの縦方向ギヤ２０２の周領域２０４は形が同一であり、同数の歯を有する。

図２に示されるように、ＯＴＷＳ２００が複数の周縁車輪組立体２１０を含んでもよい。 本発明のある実施形態では、各ＰＷＡ２１０は結合ギヤ２１１と車輪部材２１２を有する。 ＰＷＡ２１０は、２つの縦方向ギヤ２０２の周りに離散されている。 より詳細には、各ＰＷＡ２１０の結合ギヤ２１１は２つの縦方向ギヤ２０２の周領域２０４の間に配置されてもよく、各ＰＷＡ２１０の車輪部材２１２は外側領域２０６に沿って配置されてもよい。 外側領域２０６の幅は車輪部材２１２の横半径ｒによって定められる。 従って主車輪２０８は縦半径Ｒ _LONGを有する。

本発明のある実施形態では、縦半径Ｒ _LONGは約１０ｃｍから約４０ｃｍまでの範囲にある。 より詳細には、縦半径Ｒ _LONGは１５ｃｍとすることができる。 本発明のある実施形態では、横半径ｒは約２ｃｍから約８ｃｍまでの範囲であってもよい。 より詳細には、横半径ｒは３ｃｍとすることができる。 従って、縦半径Ｒ _LONGと横半径ｒとの間の周比（circumferential ratio）は１から２０までの範囲であってもよい。 より詳細には、縦半径Ｒ _LONGと横半径ｒの間の周比は約５であってもよい。

図２は、ＯＴＷＳ２００が１２のＰＷＡ２１０を有することを示しているが、本発明の様々な実施形態では、ＯＴＷＳ２００は異なる数のＰＷＡ２１０を有してもよい。 例えば、図３ＡはＯＴＷＳ２００が３つのＰＷＡ３０２を有してもよいことを示し、図３ＢはＯＴＷＳ２００が４つのＰＷＡ３０３を有してもよいことを示し、図３ＣはＯＴＷＳ２００が８つのＰＷＡ３０４を有してもよいことを示している。 主車輪の滑らかな回転を助けるために、特別な周縁組立体の組を追加することもできる。 例えば、概略図３１２に示されているように、本発明のある実施形態では、３つの特別なＰＷＡ３０２の特別な組がＯＴＷＳ２００に追加される。 別の例では、概略図３１３に示されているように、４つの特別なＰＷＡ３０３の特別な組がＯＴＷＳ２００に追加される。

次に、ＯＴＷＳ２００の内部構造について説明する。 図４ＡはＯＴＷＳ２００の側部断面図を示しており、分かりやすくするためにひとつの縦方向ギヤ４０２だけが示されている。 本発明のある実施形態では、ＯＴＷＳ２００は２つの縦方向ギヤ４０２の間に配置されたスペース部材４０１を有してもよい。 概して、スペース部材４０１は、中心車軸 ４０５と２つの平行なディスク４０３を、中心車軸 ４０５が２つの平行なディスク４０３に対して垂直になるように有してもよい。

スペース部材４０１は、２つの縦方向ギヤ４０２に動作可能に結合されてＯＴＷＳ２００のために構造サポートの提供を助けてもよい。 一方で、２つの平行ディスク４０３は中心車軸 ４０５と共に、２つの縦方向ギヤ４０２間の実質的な変位を防ぐことによって２つの縦方向ギヤ４０２を所定の位置に保持する。 他方、平行ディスク４０３は縦方向ギヤ４０２が中心車軸 ４０５のまわりで自由に回転することを可能とする。 より詳細には、２つの縦方向ギヤ４０２はスペース部材４０１と動作可能に結合されつつも、互いに干渉せずに独立して回転されてもよい。 従って、本発明のある実施形態では、一方の縦方向ギヤ４０２の角速度は他方の縦方向ギヤ４０２の角速度に影響を及ぼさない。

スペース部材４０１は、縦方向ギヤ４０２に構造サポートを提供するが、縦方向ギヤ４０２と共に回転しても、回転しなくてもよい。 例えば、スペース部材４０１が縦方向ギヤ４０２を回転させる回転装置（図示せず）と結合している場合、スペース部材４０１は２つの縦方向ギヤ４０２に対して角度を有して静止するかもしれないが、そうでない場合、スペース部材４０１は縦方向ギヤ４０２と共に回転する。

図４Ａを参照すると、ＯＴＷＳ２００は縦方向ギヤ４０２の周りで離散したいくつかのＰＷＡを有してもよい。 単純化して、図４ＡはＰＷＡ４１０と４６０だけを示している。 しかし、当然のことながら、本発明の様々な実施形態では、ＯＴＷＳ２００は２以上のＰＷＡを含み得る。 一般に各ＰＷＡは結合ギヤ４２０と車輪部材を有し、それは第１の車輪４３０とオプションとしての第２の車輪４４０を含む。 例えば、ＰＷＡ４６０の車輪部材が第１の車輪４３０のみを有するのに対し、ＰＷＡ４１０の車輪部材は第１の車輪４３０及び選択的な第２の車輪４４０を有するということを除き、ＰＷＡ４１０及びＰＷＡ４６０は、互いに構造的に類似している。 実際には、ＯＴＷＳ２００はＰＷＡ４１０又はＰＷＡ４６０のどちらかを採用してもよく、あるいはＯＴＷＳ２００はＰＷＡ４１０とＰＷＡ４６０の両方を採用してもよい。

図４Ｂを参照すると、これはＰＷＡ４１０と４６０の断面図を示しており、第１の車輪４３０は半径ｒで定められる周４３２を有する。 第１の車輪４３０は、結合ギヤ４２０が回転するときに、第１の車輪４３０が周縁軸線４３６の周りで回転されるように、受け入れギヤ４３４を介して結合ギヤ４２０と係合してもよい。

各ＰＷＡ４１０又は４６０の結合ギヤ４２０は遠位端４２２と近位端４２４を有してもよい。 遠位端４２２は、その周領域４０４に沿って２つの縦方向ギヤ４０２によって係合され且つその間で挟まれ、近位端４２４は、第１の車輪４３０の受け入れギヤ４３４を介して第１の車輪４３０と係合しなければならない。 従って、結合ギヤ４２０は高レベルの進歩性の観点で２つの機能を果たす。 第１に、結合ギヤ４２０は２つの縦方向ギヤ４０２の間の差動角速度をそれぞれの第１の車輪４３０に伝達して、それによって、それぞれの第１の車輪４３０を縦方向ギヤ４０２の回転に対して垂直方向に回転させる。 第２に、結合ギヤ４２０は、ＰＷＡ４１０及びＰＷＡ４６０の全体が中心車軸 ４０５の周りで共に旋回するように、２つの縦方向ギヤ４０２の共通角速度を受けることによって中心車軸 ４０５の周りで旋回してもよい。

本発明のある実施形態では、遠位端４２２が２つの縦方向ギヤ４０２の共通半径Ｒと実質的に平行な径方向車軸 ４２６によって近位端４２４に結合されてもよい。 径方向車軸 ４２６はＰＷＡ４１０又は４６０全体をスペース部材４０１の中心車軸 ４０５に結合するための延長セクション４５１を有してもよい。 あるいはまた、ＰＷＡ４１０又は４６０は、ブレース部材４５０によってスペース部材４０１又は一対の保護プレート４０８に結合されてもよい。 ブレース部材４５０は、受け入れギヤ４３４が適切に結合ギヤ４２０の近位端４２４と係合することを確実とするために、径方向車軸 ４２６の位置を安定させるためのスタビライザー４５５を有してもよい。

再び図４Ａを参照すると、ＯＴＷＳ２００は、回転装置を保護するための保護プレート４０６と、縦方向ギヤ４０２と、ＰＷＡ４１０及び４６０と、を有する。 特に、保護プレート４０６はＰＷＡ４１０及び４６０を保護するための外側領域４０８を有してもよい。 本発明のある実施形態では、保護プレート４０６は、２つの縦方向ギヤ４０２の中心を貫通する中心車軸 ４０５によってスペース部材４０１に結合されてもよい。 あるいはまた、本発明の別のある実施形態では、保護プレート４０６は２つの縦方向ギヤ４０２に結合されてもよい。

図４ＡはＯＴＷＳ２００のひとつのギヤ構造しか示していないが、本発明の様々な実施形態では、ＯＴＷＳ２００は他のギヤ構造を有する。 例えば、図５は、いくつかのギヤ構造５１０、５２０及び５３０を有するＯＴＷＳ２００の正面断面図を示す。 簡単のために、各ギヤ構造で上と下のＰＷＡ５５０だけを示している。 しかし、各ギヤ構造はさらにいくつかのＰＷＡを含むことができ、ＰＷＡ５５０は図４Ａと４Ｂで説明したＰＷＡ４１０と４６０と同様であることは言うまでもない。 より詳細には、ＰＷＡ５５０は受け入れギヤ５５３と周縁軸線５５１を含む第１の車輪、並びに遠位端５５４と近位端５５２を含む結合ギヤを含む。

本発明のある実施形態では、ギヤ構造５１０は縦方向ギヤ４０２として一対の外歯車５１３を採用してもよい。 外歯車５１３は、直歯（straight-cut teeth）、斜歯（helical teeth）、又は山歯（double helical teeth）の組を有してもよい。 結合ギヤの遠位端５５４は外歯車５１３とマッチする歯の組を有する傘歯車であってもよい。 同様に、結合ギヤの近位端５５２は、受け入れギヤ５５３とマッチする歯の組を有し、受け入れギヤ５５３は平歯車、斜歯歯車、又は山歯歯車であってもよい。

ギヤ構造５１０はまたスペース部材５１１と２つの回転装置５１４及び５１５を有する。 スペース部材５１１は外歯車５１３を外側から固定する一対のディスク５１２と、外歯車５１３を中心で貫通する中心車軸 ５１６と、を有する。 回転装置５１４及び５１５は、回転装置５１４及び５１５が各外歯車５１３を中心車軸 ５１６の周りで分離して個別に回転させることができるように中心車軸 ５１６に結合されてもよい。 ギヤ構造５１０は２つの回転装置を有するが、分離して個別に回転させることができるなら、ひとつの回転装置でもそれで十分である。

本発明の別のある実施形態では、ギヤ構造５２０は一対の外歯車５２３を縦方向ギヤ４０２として採用する。 外歯車５２３は、直歯（straight-cut teeth）、斜歯（helical teeth）、又は山歯（double helical teeth）の組を有する。 結合ギヤの遠位端５５４は外歯車５２３とマッチする歯の組を有する傘歯車であってもよい。 同様に、結合ギヤの近位端５５２は受け入れギヤ５５３とマッチする歯の組を有する傘歯車であり、受け入れギヤ５５３は平歯車、斜歯歯車、又は山歯歯車であってもよい。

ギヤ構造５２０はまたスペース部材５２１と２つの回転装置５２４及び５２５とを有する。 スペース部材５２１は外歯車５２３を内側から固定する一対のディスク５２２と、外歯車５２３を中心で貫通する中心車軸 ５２６を有する。 回転装置５２４及び５２５は、回転装置５２４及び５２５が各外歯車５２３を中心車軸 ５２６のまわりで分離して個別に回転させることができるように中心車軸 ５２６の両端に結合される。 ギヤ構造５２０は２つの回転装置を有するが、ひとつの回転装置でも各外歯車５２３を別々に個別に回転させることができるなら、それで十分である。

本発明のさらに別の実施形態では、ギヤ構造５３０は一対の変形外歯車５３３を縦方向ギヤ４０２として採用する。 変形外歯車５３３は、直歯（straight-cut teeth）、斜歯（helical teeth）、又は山歯（double helical teeth）の組を有する。 結合ギヤの遠位端５５４は変形外部ギヤ５３３とマッチする歯の組を有する傘歯車である。 同様に、結合ギヤの近位端５５２は受け入れギヤ５５３とマッチする歯の組を有する傘歯車であり、受け入れギヤ５５３は平歯車、斜歯歯車、又は山歯歯車であってよい。

ギヤ構造５３０はまたスペース部材５３１と２つの回転装置５３４と５３５を有する。 スペース部材５３１は変形外部ギヤ５３３の中央に埋め込まれる一対の内部ディスク５３２と、内部ディスク５３２の間に結合される中心車軸 ５３６を有する。 回転装置５３４と５３５は、一対の内部ディスク５３２を別々に個別に回転させるように中心車軸 ５３６内に配置される。 従って、一対の変形外部ギヤ５３３は内部ディスク５３２と結合しているので別々に個別に回転させることができる。 ギヤ構造５３０は２つの回転装置を有するが、ひとつの回転装置でも各変形外部ギヤ５３３を別々に個別に回転させることができるなら、それで十分である。

各ギヤ構造の構成要素は交換可能であることは理解されるであろう。 本発明のある実施形態では、スペース部材５１１をギヤ構造５２０で用いることができる。 本発明の別のある実施形態では、組み込まれた回転装置５３４と５３５を含む中心車軸 ５３６をギヤ構造５１０で用いることができる。 本発明のさらに別の実施形態では、外歯車５２３をギヤ構造５３０で用いることができる。

例示して説明するために、図６と７はここで述べたいくつかのギヤの典型的なモデルを示す。 例えば、図６は外歯車と傘歯車の典型的なモデルを示す。 別の例で、図７は平歯車、斜歯歯車、及び山歯歯車の典型的なモデルを示す。 縦方向ギヤ、結合ギヤ、および受け入れギヤは、それらの組合せが機械学の一般原理に矛盾しない限り、他の代替形態をとることもできるということは言うまでもない。

次に、ＯＴＷＳの物理に議論を進めよう。 図８Ａは本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳの高レベル概念図を示しており、縦方向ギヤの対は左のギヤ（又は第１のギヤと言い換えてもよい）８０２と右のギヤ（又は第２のギヤと言い換えてもよい）８０４で表される。 “左”と“右”という語が本明細書の以下の部分で一貫して用いられるが、それらは取り替えることができるものであり、相対的に定義されたものであって絶対的な意味で解釈すべきでないということを強調しておきたい。

左のギヤ８０２と右のギヤ８０４は第１の平面Ｓ _Xと平行であり、第１の軸線（縦方向軸線と言い換えてもよい）Ａ _Xに垂直である。 左及び右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRは、それぞれ左及び右のギヤ８０２と８０４の角速度を表す。 左及び右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRは、どちらも第１の軸線Ａ _Xのまわりで時計回りにラジアン毎秒で測られる。 左及び右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRが正であるとき、それは左及び右のギヤ８０２と８０４が時計回りに回転していることを意味するが、ＯＴＷＳ８００は正の縦方向速度Ｖ _LONGで前方に移動し、左及び右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRが負であるとき、それは左及び右のギヤ８０２と８０４が反時計回りに回転していることを意味するが、ＯＴＷＳ８００は負の縦方向速度Ｖ _LONGで後方に移動する。

本明細書において定義されるとき、“縦方向”という用語は前向き及び後ろ向きの方向と結びつけられ、“横方向”という用語は左と右の方向と結びつけられる。 明細書の以下の部分で“前方”及び“後方”という用語が一貫して用いられるが、それらは取り替えることができるものであり、絶対的な意味で解釈すべきではないことを強調しておきたい。

左及び右のギヤ８０２と８０４は円筒状の空間８０６をそれらの間に画定し、円筒状の空間８０６は周領域８０８を有する。 本発明のある実施形態では、各ＰＷＡ８１０の結合ギヤ８２０の遠位端８２２は周領域８０８に沿って分布し、結合ギヤ８２０は円筒状の空間８０６の半径と実質的に平行である径方向軸線Ａｙのまわりで回転するようになる。 従って、各ＰＷＡ８１０の径方向軸線Ａｙは第１の軸線Ａｘと実質的に垂直であり、各ＰＷＡ８１０の径方向平面Ｓｙは円筒状の空間８０６の側面と実質的に平行となる。

本発明のある実施形態では、結合ギヤ８２０の遠位端８２２は左及び右のギヤ８０２及び８０４間で係合する。 従って、結合ギヤ８２０の角速度Ｖｙは左及び右のギヤ８０２と８０４の間の差動角速度Ｖ _diffの関数である。 より詳細には、差動角速度Ｖ _diffはＶ _XL −Ｖ _XRと定義される。 例えば、Ｋｘｙが縦方向ギヤ８０２と結合ギヤ８２０の歯数比であるとすると、角速度ＶｙはＫｘｙ*（Ｖ _diff ）に等しい。

この差動機構の下で、結合ギヤ８２０は、（１）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより大きいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diffが０より大きいとき）、径方向軸線Ａｙのまわりに正の角速度Ｖｙで時計回りに回転し、（２）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより小さいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diffが０より小さいとき）、径方向軸線Ａｙのまわりに負の角速度Ｖｙで反時計回りに回転し、（３）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRと実質的に同じであるとき（すなわち、左と右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRが同じ方向で同じ大きさであるとき）、角度的に静止する（すなわち、回転なし）。

図８Ａを参照すると、ＰＷＡ８１０は第１の平面Ｓｘに平行な平面に沿って対称であり、円筒状の空間８０６の中央にある。 第１の車輪の受け入れギヤ８３０は結合ギヤ８２０の近位端８２４と係合し、結合ギヤ８２０が回転すると第２の軸線（周縁軸線と言い換えてもよい）Ａｚのまわりで回転される。 近位端８２４は遠位端８２２と同じ角速度を有するので、第１の車輪の角速度Ｖｚは遠位端８２２の角速度Ｖｙの関数であり、それは最終的には左と右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRの間の差動角速度Ｖ _diffによって決まる。 より詳細には、Ｋｙｚが結合ギヤ８２０と受け入れギヤ８３０の間のギヤ比を表すとすると、角速度ＶｚはＫｙｚ*Ｖｙに等しく、それは最終的にＫｙｚ*Ｋｘｙ*（Ｖ _diff ）に等しい。

本発明のある実施形態では、左と右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRは約０ラジアン毎秒から約プラス又はマイナス２０ラジアン毎秒の範囲にある。 より詳細には、左と右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRは約プラス又はマイナス８ラジアン毎秒である。 本発明のある実施形態では、縦方向ギヤ８０２と８０４の半径は約８ｃｍ、結合ギヤ４２０の半径は約０．５ｃｍ、受け入れギヤ８３０の半径は約２．５ｃｍである。 従って、ギヤ比ギヤ比Ｋｘｙは約１６であり、ギヤ比Ｋｙｚは約０．２である。

例えば、第１の車輪は、（１）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより大きいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diffが０より大きいとき）、第２の軸線Ａｚのまわりに正の角速度Ｖｚで時計回りに回転し、（２）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより小さいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diffが０より小さいとき）、第２の軸線Ａｚのまわりに負の角速度Ｖｚで反時計回りに回転し、（３）左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRと実質的に同じであるとき、角度的に静止している（すなわち、回転なし）。 分かりやすいように、図８Ｂは左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより小さいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diff ＜０のとき）の角速度ＶｙとＶｚの回転方向をまとめたものであり、図８Ｃは左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRより大きいとき（すなわち、差動角速度Ｖ _diff ＞０のとき）の角速度ＶｙとＶｚの回転方向をまとめたものである。

第１の車輪が正の角速度Ｖｚで回転すると、ＯＴＷＳ８００はＶｚ*rに等しい正の横方向速度Ｖ _LATで左に移動する。 逆に、第１の車輪が負の角速度Ｖｚで回転すると、ＯＴＷＳ８００はＶｚ*rに等しい負の横方向速度Ｖ _LATで右に移動する。 さらに、左の角速度Ｖ _XLが右の角速度Ｖ _XRを実質的に打ち消さない場合、ＰＷＡ８１０全体は第１の軸線Ａｘのまわりで回転し、共通角速度Ｖ _comで周領域８０８に沿って移動する。

次に、ＯＴＷＳのいくつかの操作モードに議論を向ける。 図９は本発明のある実施形態に係るＯＴＷＳ８００の共通モード操作を示す。 共通モード操作の下で左及び右のギヤ８０２と８０４は常に共通角速度Ｖ _comで回転する、すなわち左のギヤ８０２が右のギヤ８０２と同じ角スピードと同じ回転方向を有する。 概略図９０１と９０３に示されているように、左及び右のギヤ８０２と８０４はどちらも同じ角スピードで同時に時計回り又は反時計回りに回転する。

従って、ＰＷＡ８１０は第１の軸線Ａｘのまわりに共通角速度Ｖ _comで旋回し、例えば、概略図９０１のＰＷＡ８１０は第１の軸線Ａｘのまわりに０より小さい負の共通角速度Ｖ _comで回転する。 それにより、ＯＴＷＳ８００は負の縦方向速度Ｖ _LONGで後方に移動し、別の例として、概略図９０１のＰＷＡ８１０は第１の軸線Ａｘのまわりで０より大きい正の共通角速度Ｖ _comで回転する。 それにより、ＯＴＷＳ８００は正の縦方向速度Ｖ _LONGで前方に移動する。

概略図９０２を参照すると、これは概略図９０１の背面断面図を示すものであり、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させ、他方右の角速度Ｖ _XRが右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させる。 しかし、左の角速度Ｖ _XLは実質的に右の角速度Ｖ _XRと等しいので、左スラストＴ _XLは実質的に右スラストＴ _XRを打ち消して結合ギヤ８２０の遠位端８２２は角度的に静止したままである。

同様に、概略図９０４では、概略図９０３の断面背面図が示されており、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させ、他方右の角速度Ｖ _XRが右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させる。 やはり、左の角速度Ｖ _XLは実質的に右の角速度Ｖ _XRと等しいので、左スラストＴ _XLは実質的に右スラストＴ _XRを打ち消して結合ギヤ８２０の遠位端８２２は角度的に静止したままである。

図１０は本発明の別の実施形態に係るＯＴＷＳ８００の差動操作モードを示している。 差動操作モードの下で、左及び右のギヤ８０２と８０４は常に一対の反対向きの角速度で回転する、すなわち、左のギヤ８０２は右のギヤ８０２と同じ角スピードを有するが回転方向は反対である。 概略図１００１と１００３に示されるように、左及び右のギヤ８０２と８０４は同時に一対で反対の回転方向で同じ角スピードで回転する。 左の角速度Ｖ _XLは実質的に右の角速度Ｖ _XRを打ち消すので、ＰＷＡ８１０は第１の軸線Ａｘのまわりに回転せず、ＯＴＷＳ８００は縦方向に移動しない。

概略図１００２を参照すると、これは概略図１００１の断面背面図を示すものであり、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させ、右の角速度Ｖ _XRも右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を導いて第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで回転させる。 第１の車輪は時計回りに回転するので、ＯＴＷＳ８００は横方向左に正の横方向速度Ｖ _LATで移動する。

同様に、概略図１００４には概略図１００３の断面背面図が示されており、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させ、右の角速度Ｖ _XRも右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を導いて第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで回転させる。 第１の車輪は反時計回りに回転するので、ＯＴＷＳ８００は横方向右に負の横方向速度Ｖ _LATで移動する。

図１１は、本発明のさらに別の実施形態に係るＯＴＷＳ８００の後方差動モード操作を示している。 ある実施形態では、後方差動モード操作の下で、角速度Ｖ _XLは右の角速度Ｖ _XRと実質的に異なり、左及び右のギヤ８０２と８０４の共通角速度Ｖ _comは常に負であり、第１の軸線Ａｘのまわりに反時計回り方向である。 例えば、概略図１１０１に示されるように、左及び右のギヤ８０２と８０４はどちらも第１の軸線Ａｘのまわりに反時計回りに回転するが、左の角速度Ｖ _XLの大きさは右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも実質的に大きい。 従って、共通角速度Ｖ _comは実質的にＶ _XRと同じである。 別の例をとると、概略図１１０３に示されるように、左及び右のギヤ８０２と８０４はどちらも第１の軸線Ａｘのまわりに反時計回りに回転するが、左の角速度Ｖ _XLの大きさは右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも実質的に小さい。 従って、共通角速度Ｖ _comは実質的にＶ _XLと同じである。

いずれにしても、優勢な角速度（概略図１１０１では左の角速度Ｖ _XL 、そして概略図１１０３では右の角速度Ｖ _XR ）の縦方向ギヤは反時計回りに回転し、ＰＷＡ８１０は他方の縦方向ギヤの回転方向に関わりなく第１の軸線Ａｘのまわりに反時計回りに回転する。 すなわち、概略図１１０１における右のギヤ８０４は、右の角速度Ｖ _XRの大きさが左の角速度Ｖ _XLの大きさよりも小さい限り時計回りに回転し、同様に、概略図１１０３における左のギヤ８０２は、左の角速度Ｖ _XLの大きさが右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも小さい限り反時計回りに回転する。

概略図１１０２を参照すると、これは概略図１１０１の背面断面図を示しており、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させ、他方、右の角速度Ｖ _XRは右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させる。 左スラストＴ _XLが右スラストＴ _XRよりも強いので左スラストＴ _XLが左スラストＴ _XRに打ち勝って結合ギヤ８２０の遠位端８２２を反時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで反時計回りに回転させ、ＯＴＷＳ８００は横方向右に負の横方向速度Ｖ _LATで移動する。 縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATで同時に駆動されるため、ＯＴＷＳ８００は右後方へ斜めに移動する。

同様に、概略図１１０４では、概略図１１０３の背面断面図を示しており、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させ、他方、右の角速度Ｖ _XRは右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させる。 左スラストＴ _XLが右スラストＴ _XRよりも弱いので左スラストＴ _XLが右スラストＴ _XRに負けて結合ギヤ８２０の遠位端８２２を時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで時計回りに回転させ、ＯＴＷＳ８００は横方向左に正の横方向速度Ｖ _LATで移動する。 縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATで同時に駆動されるため、ＯＴＷＳ８００は左後方へ斜めに移動する。

図１２は、本発明のさらに別の実施形態に係るＯＴＷＳ８００の前方差動モード操作を示している。 前方差動モード操作の下で、左の角速度Ｖ _XLは右の角速度Ｖ _XRと実質的に異なり、左及び右のギヤ８０２と８０４の共通角速度Ｖ _comは常に正であり、第１の軸線Ａｘのまわりに時計回り方向である。 例えば、概略図１２０１に示されるように、左及び右のギヤ８０２と８０４はどちらも第１の軸線Ａｘのまわりに時計回りに回転するが、左の角速度Ｖ _XLの大きさは右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも実質的に大きい。 従って、共通角速度Ｖ _comは実質的にＶ _XRと同じである。 別の例をとると、概略図１２０３に示されるように、左及び右のギヤ８０２と８０４はどちらも第１の軸線Ａｘのまわりに時計回りに回転するが、左の角速度Ｖ _XLの大きさは右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも実質的に小さい。 従って、共通角速度Ｖ _comは実質的にＶ _XLと同じである。

いずれにしても、優勢な角速度（概略図１２０１では左の角速度Ｖ _XL 、そして概略図１２０３では右の角速度Ｖ _XR ）の縦方向ギヤは時計回りに回転し、ＰＷＡ８１０は他方の縦方向ギヤの回転方向に関わりなく第１の軸線Ａｘのまわりに時計回りに回転する。 すなわち、概略図１２０１における右のギヤ８０４は、右の角速度Ｖ _XRの大きさが左の角速度Ｖ _XLの大きさよりも小さい限り反時計回りに回転し、同様に、概略図１２０３における左のギヤ８０２は、左の角速度Ｖ _XLの大きさが右の角速度Ｖ _XRの大きさよりも小さい限り反時計回りに回転する。

概略図１２０２を参照すると、これは概略図１２０１の断面背面図を示しており、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させ、他方、右の角速度Ｖ _XRは右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させる。 左スラストＴ _XLが右スラストＴ _XRよりも強いので左スラストＴ _XLが左スラストＴ _XRに打ち勝って結合ギヤ８２０の遠位端８２２を時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで時計回りに回転させ、ＯＴＷＳ８００は横方向左に正の横方向速度Ｖ _LATで移動する。 縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATで同時に駆動されるため、ＯＴＷＳ８００は左前方へ斜めに移動する。

同様に、概略図１２０４は、概略図１２０３の断面背面図を示しているが、左の角速度Ｖ _XLが左スラストＴ _XLを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに時計回りに回転させ、他方、右の角速度Ｖ _XRは右スラストＴ _XRを生じ、それが結合ギヤ８２０の遠位端８２２を導いて径方向軸線Ａｙのまわりに反時計回りに回転させる。 左スラストＴ _XLが右スラストＴ _XRよりも弱いので左スラストＴ _XLが左スラストＴ _XRに負けて結合ギヤ８２０の遠位端８２２を反時計回りに回転させる。 その結果、結合ギヤ８２０は第１の車輪の受け入れギヤ８３０を第２の軸線Ａｚのまわりに角速度Ｖｚで反時計回りに回転させ、ＯＴＷＳ８００は横方向右に負の横方向速度Ｖ _LATで移動する。 縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATで同時に駆動されるため、ＯＴＷＳ８００は右前方へ斜めに移動する。

図１３は、差動角速度Ｖ _diffと共通角速度Ｖ _comの様々な組合せに関するＯＴＷＳ８００のすべての移動方向をまとめたものである。 例えば、チャート１３０１から１３０３までは、Ｖ _comが０より小さいとき（すなわち後方モード）のＯＴＷＳ８００の移動方向を表す。 別の例で、チャート１３０４から１３０６までは、Ｖ _comが０に等しいとき（すなわち純粋な差動モード）のＯＴＷＳ８００の移動方向を表す。 さらに別の例で、チャート１３０７から１３０９までは、Ｖ _comが０より大きいとき（すなわち、前方モード）のＯＴＷＳ８００の移動方向を表す。

差動機構の下で、縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATの大きさは左と右の角速度Ｖ _XLとＶ _XRの差を変えることによって調整できる。 一般に、横方向速度Ｖ _LATの大きさは差動角速度Ｖ _diffに比例して増加し、他方縦方向速度Ｖ _LONGの大きさは共通角速度Ｖ _comに比例して増加する。 本発明のある実施形態では、縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATの大きさは約０ｍ／ｓから約プラス・マイナス１０ｍ／ｓまでの範囲にある。 より詳細には縦方向速度Ｖ _LONGと横方向速度Ｖ _LATの大きさは約プラス・マイナス２ｍ／ｓである。

本発明の様々な実施形態は差動機構を作動させるためにギヤ・システムを用いている。 しかし、ＯＴＳＷの作動機構は別の実施形態では摩擦システムを用いて作動させることができる。 例えば、図８Ａを再び参照すると、縦方向ギヤの対８０２と８０４は、各々が摩擦表面で互いに向き合うプレートの対で置き換えることができる。 図１４に示されるように、プレートの対１４０２と１４０４は互いに向き合っている摩擦表面１４０６と１４０８を有することができる。 摩擦表面１４０６と１４０８は結合部材１４２０を介してＰＷＡ１４１０と係合することができる。

結合ギヤ８２０と同様、結合部材１４２０も、プレートの対の間の作動角速度Ｖ _diffが０より大きい又は小さいとき径方向軸線Ａｙの回りに回転する。 しかし、結合ギヤ８２０と異なり、結合部材１４２０は歯付き表面を有しない。 代わりに結合部材１４２０はプレートの対１４０２と１４０４と同様な摩擦表面を有する。

結合部材１４２０はプレートの対１４０２と１４０４の結合表面１４０６と１４０８と係合する遠位端、及びやはりプレートの対１４０２と１４０４と同様な摩擦表面を有する第１の車輪１４３０と係合する近位端を有する。 従って、プレートの対の間の作動角速度Ｖ _diffが０より大きい又は小さいとき、ＰＷＡ１４１０は第２の軸線Ａｚのまわりで回転する。

図１５は、本発明のある実施形態に係る全方位駆動車輪を操作する方法のステップを示す流れ図である。 これらの方法ステップは図２から１２までの説明と関連している。 これらの方法ステップではこれまでの説明と異なる用語も導入されるかもしれないが、これらのステップはこれまでの説明の精神とコンセプトと矛盾するものではなく、それ以外に解釈すべきでない。

ステップ１５０２で、複数の周縁車輪が複数の結合ギヤを介して第１及び第２のギヤと係合される。 ステップ１５０４で、第１のギヤが第１の角速度で回転される。 ステップ１５０６で、第２のギヤが第２の角速度で回転され、全方位駆動車輪は、（１）第１の角速度が第２の角速度と異なるとき各結合ギヤがそれぞれの周縁車輪を回転させるように構成されており、横方向に移動し、（２）第１の角速度が第２の角速度と同じ方向にあり各結合ギヤがそれぞれの周縁車輪と共に第１及び第２のギヤの間に位置し第１及び第２のギヤと実質的に平行な円形プレートのまわりを回るように構成されており、縦方向に移動し、（３）第１の角速度が第２の角速度と異なりかつ第１の角速度が第２の角速度と同じ方向にあるとき、斜めに移動し、（４）第１の角速度が第２の角速度と実質的に同じであるとき、横方向に静止したままにとどまり、（５）第１の角速度と第２の角速度の和が実質的にゼロであるとき、縦方向に静止したままにとどまる。

開示された実施例についてのこれまでの説明によって、当業者は開示された方法又は装置を製造する又は使用することができる。 これらの実施例に対する様々な変更が可能であることは当業者にはただちに明らかであり、開示された方法及び装置の精神と範囲から逸脱することなく本明細書で明らかにされた原理を他の例にも適用することができる。 説明された実施形態はあらゆる意味で説明と例示のためのものであって制限的なものでないと考えるべきである。 従って本発明の範囲は上述の説明によってではなく添付されたクレーム（特許請求の範囲）によって示される。 クレームとその等価物の意味と範囲内にあるすべての変更は特許請求の範囲に含まれる。