JP2003127605A

JP2003127605A - 全方向移動車両の車輪構造

Info

Publication number: JP2003127605A
Application number: JP2001321340A
Authority: JP
Inventors: Toshio Atsuta; 稔雄熱田; Toru Nishida; 徹西田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2003-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のメカナム・ホイールと呼ばれる車輪で
は、車輪の外周部の全周に亘りフリー回転体を車軸に対
して４５度傾斜して配置しているため、車輪構造が非常
に複雑かつ重量が重いため、運動性能を十分に発揮でき
ない。【解決手段】基台Ａの底部に、それぞれの直線移動方
向を異ならせて少なくとも３組の車輪１を設け、該車輪
１のそれぞれの移動量を制御することにより、前記基台
Ａが特定方向に移動または特定方位に回転できるように
した全方向移動車両の車輪１において、前記車輪１は駆
動軸に嵌合されるハブ２と、外周リング３と、前記ハブ
２と外周リング３を連結する連結支持部５とより構成さ
れており、外周リング３には該外周リング３を軸として
複数の回転体４が回転自在に軸支されている全方向移動
車両の車輪構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、介護用移動機器、
倉庫や工場内で床面を移動する搬送機器、戸外における
搬送機器などの車両に係るもので、前後左右移動、任意
方向移動あるいは回転が可能な全方向移動車両の車輪構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】病院、工場、倉庫等で用いられる搬送車
両は、狭い床面上をすべての方向に自由自在に動き回る
ことができる全方向性が必要とされている。そこで各車
輪に独立したステアリング機構を取り付けた走行車両が
開発されている。また、方向転換を瞬時に行うことがで
きるホロノミックな運動性を付加するために、オムニ
α、メカナム車両等が開発されている。

【０００３】図１５は、車輪２０の外周部に、該車輪２
０の車軸に対して４５度傾いたフリー回転体２１が配置
されているメカナム・ホイールと呼ばれる車輪の斜視図
である。また、図１６は、このメカナム・ホイールと呼
ばれる車輪２０を基台Ｂに４個配置した車両の動作を示
す図であり、各車輪の回転方向と回転数を制御すること
で、全方位移動が可能となる。

【０００４】全方位移動の原理を図１６に基づいて説明
する。同図において、車輪が回転すると、床と接触して
いるフリー回転体２１の回転軸に直交する方向に駆動力
が発生する。例えば、４個の車輪２０ａ，２０ｂ，２０
ｃ，２０ｄをそれぞれ同方向に回転させ、矢印に示す駆
動力２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが得られた場合に
は、駆動力の左右方向の成分がキャンセルされ、上下方
向の駆動力の成分はそれぞれ加算され、合成された駆動
力の方向は矢印に示す進行方向１４となる。また、各車
輪を逆回転させると、合成された駆動力の方向は進行方
向１４の逆方向となる。

【０００５】一方、車輪２０ｂの駆動力２２ｂが車輪２
０ｃの駆動力２２ｃと逆方向の場合には、上下方向の駆
動力の成分がキャンセルされ、左右方向の駆動力の成分
はそれぞれ加算され、合成された駆動力の方向は進行方
向１４から時計方向に９０度回転した方向となる。ま
た、車輪２０ａの駆動力２２ａが車輪２０ｄの駆動力２
２ｄと逆方向の場合には、上下方向の駆動力の成分がキ
ャンセルされ、左右方向の駆動力の成分はそれぞれ加算
され、合成された駆動力の方向は進行方向１４から反時
計方向に９０度回転した方向となる。

【０００６】また、左右の車輪の回転数に差異をつけれ
ば、上下左右以外の方向に移動することができる。例え
ば、車輪２０ａ、２０ｄの回転数よりも、車輪２０ｂ、
２０ｃの回転数を遅くすれば、進行方向１４から時計方
向に回転した角度の方向に動く。また、車輪２０ａ、２
０ｄの回転数よりも、車輪２０ｂ、２０ｃの回転数を速
くすれば、進行方向１４から反時計方向に回転した角度
の方向に動く。このように、各車輪の回転方向（正回転
と逆回転）と回転数をそれぞれ個別に制御することによ
り、任意の方向に移動することが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
メカナム・ホイールと呼ばれる車輪では、車輪の外周部
の全周に亘りフリー回転体を車軸に対して４５度傾斜し
て配置しているので、車輪構造が非常に複雑であるだけ
でなく重量が重くなっている。そのため、車両全体の重
量も重くなり運動性能を十分に発揮できないという問題
点があった。本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、車輪構造を簡単にすることにより、
運動性能を向上させることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１では、
車輪構造の簡単化と重量の軽量化を図るために、基台の
底部に、それぞれの直線移動方向が異なる少なくとも３
組の車輪を設け、該車輪のそれぞれの移動量を制御する
ことにより、前記基台が特定方向に移動又は特定方位に
回転できるようにした全方向移動車両の車輪において、
前記車輪は駆動軸に嵌合されるハブと、外周リングと、
前記ハブと外周リングを連結する連結支持部より構成さ
れており、外周リングには該外周リングを軸として複数
の回転体が回転自在に軸支されている全方向移動車両の
車輪構造としている。

【０００９】請求項２は、ハブと外周リングを連結する
連結支持部を圧縮部材としたものである。本発明では、
車輪構造上外周リングには曲げ荷重しか加わらないた
め、外周リングを細くして軽量化することができる。ま
た、請求項３では、ハブと外周リングを連結する連結支
持部を引張部材としたものであり、連結支持部を細くし
て軽量化することができる。

【００１０】請求項４は、前記外周リングの外周部に円
筒形のブッシュを嵌合し、該ブッシュの外周部に回転体
を回転自在に軸支した構造とすることにより、外周リン
グの製作を容易としている。また、請求項５では、回転
体の外周部を弾性体で形成することにより、車輪の回転
時に発生する振動や騒音を低減している。

【００１１】請求項６は、前記外周リングを多角形と
し、回転体を多角形の直線部に軸支した構造とすること
で、回転体の支持構造を簡単にしている。また、請求項
７は、前記回転体と外周リングとを軸受を介して嵌合し
た構造とすることにより、回転体の回転抵抗が非常に小
さくなるようにしている。

【００１２】請求項８は、前記回転体の外形を樽状に形
成し、回転体の外周線と外周リングの外周線が同心円と
した構造にすることにより、車輪の回転時に発生する振
動や騒音を低減している。また、請求項９は、前記回転
体を球状に形成し、車輪の外周線と回転体の外周線とを
一致させる構造とすることにより、車輪の回転時に発生
する振動や騒音を低減するとともに、回転体の製作を容
易としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１実
施形態の一例を示すもので、（ａ）は車輪の側面図、
（ｂ）は回転体の取付け状態を示す拡大側面断面図であ
る。図１において、車輪１は、ハブ２、外周リング３、
回転体４および連結支持部５より構成されている。ハブ
２は、図示していない駆動軸に嵌合されている。外周リ
ング３は棒または中空棒を円形状に形成したものであ
る。回転体４は、前記外周リング３の外周部に適宜の間
隙を設けて回転自在に軸支されている。回転体４の取付
け部分では、図１（ｂ）に示すように回転体４の穴の内
径部と外周リング３の外周部との円周方向の接触範囲を
狭くして、回転体４がスムーズに回転できるように、回
転体４の穴の内径は外周リング３の外径よりも若干大き
くしている。

【００１４】連結支持部５は、前記ハブ２と前記外周リ
ング３とを連結するもので、ハブ２から外周リング３方
向に放射状に形成されている。このような構造とするこ
とにより、駆動軸からの駆動力を受けて車輪１が回転す
ると、回転体４の外周部と床が接触し、接触面で発生す
る摩擦力により車輪は駆動力を得る。従来のメカナム・
ホイールと比較して回転体４を軸支する部分の構造が簡
単であるため、軸方向の車輪幅を格段に狭くすることが
できるとともに、車輪の軽量化を図ることができる。

【００１５】図２は、本発明の第２実施形態の一例を示
すもので、（ａ）は車輪の側面図であり、（ｂ）は連結
支持部の拡大断面図である。図２（ｂ）において、連結
支持部５ａは中空パイプで形成された圧縮部材で形成さ
れている。圧縮部材は、軽量でありながら圧縮力が加わ
ったときにはそれに十分に耐える強度を備えており、ハ
ブ２ａや外周リング３ａにネジ止め或いは溶接等によっ
て固定されている。全方向移動車両の重量を受けている
のは、回転体４ａのうち床に接触しているものであり、
その軸となっている外周リング３ａと回転体４ａを円周
方向にはさんだ連結支持部５ａである。外周リング３ａ
の１ピッチに着目すれば、回転体４ａから車輪一回転に
一度だけ曲げ荷重を受けている。そこで、外周リング３
ａは、疲労破壊しない限界まで細くして軽量化すること
ができる。なお、連結支持部５ａ以外の車輪構造および
機能については、前記第１実施形態と同一である。

【００１６】図３は、本発明の第３実施形態の一例を示
すもので、（ａ）は車輪の側面図であり、（ｂ）は連結
支持部の締結状態を示す説明図である。図３（ｂ）にお
いて、連結支持部５ｂはワイヤー又はロッド等の引張部
材で形成されている。引張部材は、軽量でありながら引
張力が加わったときにはそれに十分に耐える強度を備え
ており、ハブ２ｂおよび外周リング３ｂに溶接又はネジ
止め等によって固定されている。全方向移動車両の重量
がハブ２ｂに加わると、該ハブ２ｂは、床と接触する回
転体４ｂと１８０度反対側近辺に位置する連結支持部５
ｂを引っ張り、荷重は外周リング３ｂを介して床と接触
する回転体４ｂに伝わる。連結支持部５ｂは車輪一回転
に一度だけ引張力を受けるだけであるので、該連結支持
部５ｂは疲労破壊しない限界まで細くして軽量化するこ
とができる。なお、連結支持部５ｂ以外の車輪構造およ
び機能については、前記第１実施形態と同一である。

【００１７】図４は、本発明の第４実施形態の一例を示
す要部拡大側面断面図である。図４において、回転体４
ｃの中心にはブッシュ６ｃを回転自在に軸支している。
ブッシュ６ｃの外周面は円筒状に形成されており、回転
体４ｃの内周面にに回転自在に挿入されている。また、
ブッシュ６ｃの穴は外周リング３ｃの曲面に沿った形状
に形成されて前記外周リング３ｃの外周部に固設され、
前記回転体４ｃに対する軸として機能している。また、
他の実施形態として回転体４ｃを弾性体で形成してい
る。該弾性体はゴム、プラスチック等を用いて円筒状又
は球状に形成されているので、弾力性があり床面との接
触時における衝撃吸収能力をもっている。従って、この
ような構成とすると、車輪の回転時に回転体４ｃと床面
との接触によって発生する振動や騒音を低減することが
できる。なお、回転体４ｃおよびブッシュ６ｃ以外の車
輪構造および機能については、前記第１実施形態と同一
である。

【００１８】図５は、本発明の第５実施形態の一例を示
す車輪の要部拡大側面図である。図５において、外周リ
ング３ｄを多角形に形成し、該外周リング３ｄの多角形
状の各角３１ｄとハブ間を連結支持部５ｄで連結したも
のである。また、回転体４ｄは前記外周リング３ｄの直
線部分に回転自在に軸支されている。なお、外周リング
３ｄ以外の車輪構造および機能については、前記第１実
施形態と同一である。

【００１９】図６は本発明の第６実施形態の一例を示す
車輪の要部拡大側面断面図である。本実施形態では、外
周リング３ｅと回転体４ｅの間に軸受７ｅを嵌合してい
る。軸受７ｅとして転がり軸受、滑り軸受、スラスト軸
受、ラジアル軸受等を用いることが可能であり、転がり
軸受を用いることが最も好ましい。なお、回転体４ｅお
よび軸受７ｅ以外の車輪構造および機能については、前
記第１実施形態と同一である。

【００２０】図７は、本発明の第７実施形態の一例を示
す車輪の要部側面図である。図７において、回転体４ｆ
は両端部より中央部にかけて外径が段階的に大径となる
樽型に形成されており、外周リング３ｆに回転自在に軸
支されている。また、該回転体４ｆの外周線８ｆと外周
リング３ｆの外周線が同心円となっている。したがっ
て、車輪回転時における回転体４ｆの床面との接触によ
る衝撃が緩和され、振動と騒音が小さくなる。なお、回
転体４ｆ以外の車輪構造および機能については、前記第
１実施形態と同一である。

【００２１】図８は、本発明の第８実施形態の一例を示
す車輪の要部側面図である。図８において、回転体４ｇ
の外形は球状に形成されている。これにより、前記第７
実施形態と同様の効果を有するとともに、回転体４ｇが
球形であるため、樽形よりも軽量とすることができる。
なお、回転体４ｇ以外の車輪構造および機能について
は、前記第１実施形態と同一である。

【００２２】図９は、本発明による全方向移動車両の車
輪の配置例を示した図である。図９において、基台Ａの
四隅に配置された各車輪は前記基台Ａの外枠辺に対して
所定の角度で配設されている。本実施形態では、各車輪
の車軸線は９ａと９ｄおよび９ｂと９ｃはそれぞれ同軸
線上にあり、９ａと９ｄの軸線は９ｂと９ｃの軸線と直
交しており、各車輪９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを駆動する
と、それぞれの車輪の面内方向に駆動力が発生する。例
えば、車輪９ａ，９ｂ、９ｃ、９ｄを矢印の方向に回転
させ、それぞれ駆動力１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ
を得ると、車輪９ａと９ｂ、および車輪９ｃと９ｄの上
下方向の駆動力がそれぞれ打ち消し合う。また、車輪９
ａと９ｂ、および車輪９ｃと９ｄの左右方向の駆動力が
それぞれ加算される。したがって、全ての車輪９ａ、９
ｂ、９ｃ、９ｄの駆動力を合成すると、進行方向１１に
移動する。

【００２３】図１０は、他の動作例を示した図である。
車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを矢印の方向に回転させ、
駆動力１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを得ると、車輪
９ａと９ｂ、および車輪９ｃと９ｄの上下方向の駆動力
がそれぞれ打ち消し合う。また、車輪９ａと９ｂ、およ
び車輪９ｃと９ｄの左右方向の駆動力がそれぞれ加算さ
れる。したがって、全ての車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ
の駆動力を合成すると、進行方向１２となり、前記進行
方向１１とは反対方向となる。

【００２４】図１１は、他の動作例を示した図である。
車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを矢印の方向に回転させ、
駆動力１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを得ると、車輪
９ａと９ｃ、および車輪９ｂと９ｄの左右方向の駆動力
がそれぞれ打ち消し合う。また、車輪９ａと９ｃ、およ
び車輪９ｂと９ｄの上下方向の駆動力がそれぞれ加算さ
れる。したがって、全ての車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ
の駆動力を合成すると、進行方向１３となり、前記進行
方向１１から９０度時計方向に回転した方向となる。

【００２５】図１２は、他の動作例を示した図である。
車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを矢印の方向に回転させ、
駆動力１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを得ると、車輪
９ａと９ｃ、および車輪９ｂと９ｄの左右方向の駆動力
がそれぞれ打ち消し合う。また、車輪９ａと９ｃ、およ
び車輪９ｂと９ｄの上下方向の駆動力がそれぞれ加算さ
れる。したがって、全ての車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ
の駆動力を合成すると、進行方向１４となり、前記進行
方向１０から９０度反時計方向に回転した方向となる。

【００２６】図１３は、他の動作例を示した図である。
車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを矢印の方向に回転させ、
駆動力１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを得ると、１５
に示す矢印のように旋回する。また、前記１５に示す矢
印方向と逆方向に旋回させたい場合には、前記車輪９
ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの回転を図示方向と反対にして、
図示と逆方向の駆動力を得ればよい。

【００２７】図１４は、本発明の他の実施形態による車
輪の配置例を示す図である。上記図９〜図１３では、車
輪を基台の底部に４個取付けた形態について説明を行っ
たが、図１４に示すように、基台の底部に、それぞれの
直線移動方向が異なる３組の車輪を設け、該車輪のそれ
ぞれの移動量を制御することにより、前記と同様の機能
を有する全方向移動車両の車輪構造とすることができ
る。

【００２８】なお、図９において、車輪９ａ、９ｄの回
転数を、車輪９ｃ、９ｄの回転数よりも小さくした場合
には、全方向移動車両の進行方向は、進行方向１１より
も反時計方向にある程度回転した方向となる。また、車
輪９ａ、９ｄの回転数を、車輪９ｃ、９ｄの回転数より
も大きくした場合には、全方向移動車両の進行方向は、
進行方向１１よりも時計方向にある程度回転した方向と
なる。このように、前記車輪９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの
回転方向と回転数を個別に制御すれば、全方向移動車両
は全方位に移動することができ、小回りのきく動作が可
能となる。

【００２９】

【発明の効果】本発明による全方向移動車両の車輪構造
は、以上説明したように構成されているので、従来の全
方位移動車両と比べて、車輪構造がより簡単であるた
め、車両全体の軽量化が図れるとともに、運動性能の優
れた操作性のよい全方向移動車両を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の一例を示すもので、
（ａ）は車輪の側面図、（ｂ）は回転体の取付け状態を
示す拡大側面断面図である。

【図２】本発明の第２実施形態の一例を示すもので、
（ａ）は車輪の側面図、（ｂ）は連結支持部の拡大断面
図である。

【図３】本発明の第２実施形態の一例を示すもので、
（ａ）は車輪の側面図、（ｂ）は連結支持部の締結状態
を示す説明図である。

【図４】本発明の第４実施形態の一例を示す要部拡大側
面断面図である。

【図５】本発明の第５実施形態の一例を示す車輪の要部
拡大側面図である。

【図６】本発明の第６実施形態の一例を示す車輪の要部
拡大側面断面図である。

【図７】本発明の第７実施形態の一例を示す車輪の要部
拡大側面図である。

【図８】本発明の第８実施形態の一例を示す車輪の要部
拡大側面図である。

【図９】本発明による全方向移動車両の車輪の配置例を
示した図である。

【図１０】本発明の他の動作例を示した図である。

【図１１】本発明の他の動作例を示した図である。

【図１２】本発明の他の動作例を示した図である。

【図１３】本発明の他の動作例を示した図である。

【図１４】本発明の他の実施形態による車輪の配置例を
示す図である。

【図１５】従来のメカナム・ホイール車輪の斜視図であ
る。

【図１６】従来のメカナム・ホイール車輪を車体に配置
した車両の動作図である。

【符号の説明】

１、９ａ〜９ｄ、２０、２０ａ〜２０ｄ車輪２、２ａ、２ｂハブ３、３ａ〜３ｇ外周リング４、４ａ〜４ｇ、２１回転体５、５ａ〜５ｇ連結支持部材６ｃブッシュ７ｅ軸受８車輪外周線１０ａ〜１０ｄ、２１ａ〜２１ｄ駆動力１１、１２，１３，１４進行方向１５旋回方向Ａ、Ｂ車体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基台の底部に、それぞれの直線移動方向
が異なる少なくとも３組の車輪を設け、該車輪のそれぞ
れの移動量を制御することにより、前記基台が特定方向
に移動または特定方位に回転できるようにした全方向移
動車両の車輪において、前記車輪は駆動軸に嵌合される
ハブと、外周リングと、前記ハブと外周リングを連結す
る連結支持部より構成されており、外周リングには該外
周リングを軸として複数の回転体が回転自在に軸支され
ていることを特徴とする全方向移動車両の車輪構造。
【請求項２】前記車輪において、ハブと外周リングを
連結する連結支持部が圧縮部材であることを特徴とする
請求項１記載の全方向移動車両の車輪構造。
【請求項３】前記車輪において、ハブと外周リングを
連結する連結支持部が引張部材であることを特徴とする
請求項１記載の全方向移動車両の車輪構造。
【請求項４】前記車輪において、回転体の内周部には
ブッシュが回転自在に軸支されており、該ブッシュは外
周リングに固定されていることを特徴とする請求項１記
載の全方向移動車両の車輪構造。
【請求項５】前記車輪において、回転体の外周部が弾
性材で形成されていることを特徴とする請求項４記載の
全方向移動車両の車輪構造。
【請求項６】前記車輪において、外周リングは多角形
に形成されており、各回転体は前記外周リングの直線部
に軸支されていることを特徴とする請求項１〜５のいず
れかに記載の全方向移動車両の車輪構造。
【請求項７】前記車輪において、回転体と外周リング
が軸受を介して嵌合されてしていることを特徴とする請
求項１〜３、または６のいずれかに記載の全方向移動車
両の車輪構造。
【請求項８】前記車輪において、回転体の外周線と外
周リングの外周線が同心円であることを特徴とする請求
項１〜７のいずれかに記載の全方向移動車両の車輪構
造。
【請求項９】前記車輪において、回転体が球状に形成
されていることを特徴とする請求項８記載の全方向移動
車両の車輪構造。電動車椅子の車輪構造。