JP2018047879A - 車輪装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、段差などの障害を容易に乗り越えられることができる車輪装置を提供する。【解決手段】車輪１６は、固定部に回転可能に接続される回転機構１４を有する。回転機構１４は、固定部材に支持される軸１８と、軸１８が挿入される挿入穴２０が形成された回転体２２とを有する。挿入穴２０の形状は、同一形状の円弧を奇数個接続してなる形状であり、かつ、２つの円弧が接続された頂部と、当該頂部に対向する円弧との間の幅Ｒが一定に形成されている。軸１８は、挿入穴２０の内周面に接触し、幅Ｒの間隔をあけて位置する接触面２３ａ，ｂを有する。回転体２２の周囲には、回転可能に保持される車輪１６が複数設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の車輪を有する車輪装置に関する。

従来から、段差などの障害を乗り越えるため、複数の車輪を有する車輪装置が開発されている。

下記特許文献１には、車軸に遊星歯車機構を介して回転可能に支持された３つの車輪を有する車輪装置が記載されている。車軸は、遊星歯車機構のサンギアに接続され、３つの車輪は遊星歯車機構のリングギアに接続されている。３つの車輪は、車軸と直交する同一平面上に、車軸を中心にした同一円周上に等間隔でそれぞれ配置されている。この車輪装置においては、走行面に接地し、かつ進行方向の最前に位置する車輪が段差に衝突しロック状態になった場合であっても、遊星歯車機構が進行方向へ進むように公転することで、他の車輪が段差を乗り越える。

下記特許文献２においては、遊星歯車機構に接続された複数の走行輪を有する車椅子の車輪装置が記載されている。さらに、この文献の車輪装置には、遊星歯車機構のサンギアに電動モータが接続されている。よって、１つの走行輪が障害物に衝突しロック状態になったとしても、電動モータの動作により、その走行輪を中心に遊星歯車機構を旋回させて、ロック状態から脱出させることができる。

下記特許文献３には、車椅子、ベビーカーなどの運搬装置のアームに支持された軸と、軸が回転可能に挿入される穴が形成されたプレートと、軸を中心にした同一円周上に位置するようにプレートに配置された３個以上の車輪を有する車輪装置が開示されている。プレートの穴は、車輪が段差に衝突した場合、軸がスライドするように形成されている。そして、アームには、軸のスライドにより、車輪の１つを持ち上げるプルバーが設けられている。この構成により、進行方向の最前に位置する車輪が段差に衝突した場合、プルバーにより１つの車輪に上方へ移動する力が加わることで、プレートの回転を容易にし、段差の乗り越えが可能になる。

特開２００７−２１０５７７号公報 特開平１０−２４３９６７号公報 特開２００９−１１３７８２号公報

従来技術においては、車軸に回転可能に接続された回転機構と、車軸を中心にした同一円周上に位置するよう回転機構に配置された３個の車輪とを有する車輪装置を用いることで、段差などの障害物を乗り越えていた。確かに、このような車輪装置は、この装置の車輪全てを包含する大きさを有する１個の車輪に比べ、段差を乗り越える能力が高い。

しかしながら、上述した従来の車輪装置では、回転機構に遊星歯車機構が用いられるため、構造の複雑化および部品点数の増加により、製造コストが高くなってしまうという問題がある。

また、複雑な構造の回転機構によって車輪装置自体の重量も増加するので、車椅子やベビーカーなどの移動体が軽量化を目指す場合、その要求に答えることができないという問題がある。

また、車軸に回転可能に接続された回転機構と、車軸を中心にした同一円周上に位置するよう回転機構に配置された３個の車輪とを有する車輪装置だけでは、段差の乗り越え能力にも限界がある。その限界を超えるために、回転機構に動力を与える電動モータなどアシスト機能を設けることも考えられるが、この構成では、さらなる高コスト化と高重量化を招いてしまう。

本発明は、簡易な構造で、段差などの障害を容易に乗り越えられることができる車輪装置を提供することにある。

本発明の車輪装置は、車体の固定部材に回転可能に接続される回転機構と、回転機構に対して回転可能に保持される車輪と、を有し、回転機構は、固定部材に支持される軸と、前記車輪が設けられるとともに、前記軸が挿入される挿入穴が形成された回転体と、を有し、前記軸に直交する断面における前記挿入穴の形状は、同一形状の円弧を奇数個接続してなる形状であり、かつ、２つの円弧が接続された頂部と、当該頂部に対向する円弧との間の幅が一定となるように形成され、前記軸は、当該軸に直交する断面において、前記挿入穴の内周面にそれぞれ接触し、前記幅の間隔をあけて位置する接触面を有することを特徴とする。

また、前記回転体は、走行時に、前記奇数個通りの定常状態を有し、前記車輪は、各定常状態に、走行面に対して少なくとも２個接地するように前記回転体にそれぞれ設けられることができる。

また、前記車輪は、当該車輪の中心が前記挿入穴の中心と各頂部とを通る線上に位置するようにそれぞれ配置されることができる。

また、前記挿入穴の形状は、略ルーローの三角形であることができる。

また、前記軸は、前記挿入穴の一方の内周面に接触する外周面を有する上側軸と、前記挿入穴の他方の内周面に接触する外周面を有する下側軸を有することができる。

本発明の車輪装置によれば、簡易な構造で、段差などの障害を容易に乗り越えられることができる。

本実施形態に係る車輪装置の構成を示す図である。 車輪装置を進行方向から見た図である。 車輪装置の斜視図である。 ルーローの三角形を示す図である。 ルーローの三角形が回転したときの重心の位置の軌跡を示す図である。 正三角形が回転したときの重心の位置の軌跡を示す図である。 車輪装置が段差を乗り越えるときの動作を示す図である。 車輪装置が段差を乗り越えるときの車輪装置の重心の軌跡を示す図である。 従来の車輪装置が段差を乗り越えるときの車輪装置の重心の軌跡を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 別の形態の車輪装置の一例を示す図である。 挿入穴の形状を示す図である。

以下、車輪装置の実施形態について、図を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る車輪装置１０の構成を示す図であり、図２は、車輪装置１０を進行方向Ｘから見た図であり、そして、図３は、車輪装置１０の斜視図である。

車輪装置１０は、車体（図示せず）の固定部材１２に回転可能に接続される回転機構１４と、回転機構１４に対して回転可能に保持される車輪１６とを有する。

回転機構１４は、固定部材１２に支持される軸１８と、軸１８が挿入される挿入穴２０が形成された回転体２２とを有する。回転体２２には、車輪１６が複数設けられる。

挿入穴２０は、軸１８の軸線に直交する断面において、略ルーローの三角形になるように形成されている。ルーローの三角形は、同一形状の円弧を３個接続してなる形状であり、かつ、２つの円弧が接続された頂部と、この頂部に対向する円弧との間の幅Ｒ（図４に示す）が一定なるように形成された三角形である。すなわち、各円弧の曲率半径は全て幅Ｒに等しい。また、ルーローの三角形は、転がした際に、重心の高さは変わるものの、その三角形自体の高さが幅Ｒの長さで一定となる定幅図形である。

軸１８は、挿入穴２０に対し、この軸１８の２箇所の外周面が挿入穴２０の内周面にそれぞれ接触しながら回転可能に挿入されている。具体的には、軸１８に直交する断面において、軸１８は、幅Ｒの間隔をあけて、挿入穴２０の内周面にそれぞれ接触する接触面２３ａ，２３ｂを有する。これらの接触面２３ａ，２３ｂは互いに対向して位置している。接触面２３ａ，２３ｂ間の長さである幅Ｒが定幅図形の一定幅に相当するので、軸１８は挿入穴２０に対して嵌合し、挿入穴２０に内接して回転することができる。

このように、互いに対向する接触面２３ａ，２３ｂが一定幅Ｒの間隔をあけて軸１８に形成され、その軸１８が挿入穴１８に回転可能に嵌まり合うことにより、回転体２２は軸１８に対して相対的に回転可能となる。そして、回転体２２の挿入穴２０が略ルーローの三角形であるので、ある車輪１６が段差などの障害物にあたってロック状態となった場合であっても、回転体２２が容易に回転し、その車輪１６をロック状態から脱出させることができる。

このような回転機構１４の構成により、従来のような遊星歯車機構を用いる場合に比べ、車輪装置１０の構造が単純化され、部品点数も減少するので、結果として製造コストを低減することができる。また、このような簡易な構造の回転機構１４を用いることで、車輪装置１０の軽量化も実現され、車椅子やベビーカーなどの移動体が軽量化を目指す場合であっても、その要求に応じることができる。

ルーローの三角形の特性について、図４から６を用いて説明する。図４はルーローの三角形２４を示す図であり、図５はルーローの三角形２４が回転したときの重心の位置の軌跡を示す図であり、図６は正三角形２６が回転したときの重心の位置の軌跡を示す図である。

図４に示されるように、ルーローの三角形２４は、正三角形２６の各辺を円弧にして膨らませた形状である。各円弧の曲率半径は全て幅Ｒの長さと同じであり、正三角形２６の各辺の長さである。ルーローの三角形２４は定幅図形であるので、図５に示されように、ルーローの三角形２４は、高さｈが一定のまま転がる、または回転することができる。なお、高さｈと幅Ｒは同じ長さである。回転時におけるルーローの三角形２４の重心の軌跡２４ａは滑らかな正弦曲線である。図５に描かれる実線のルーローの三角形２４のように、下側の円弧の中央部が横線に接地している状態から、回転を始めた場合、ルーローの三角形２４の重心の軌跡２４ａは、その横線に対してほぼ０°から徐々に上向いていく。すなわち、この回転前の状態にあるルーローの三角形２４に対して紙面横方向へ力が加わると、この三角形２４は比較的容易に回転を始めることができる。

一方、図６に示されるように、回転時における正三角形２６の重心の軌跡２６ａは、所定区間の曲線を連接してなる。この曲線は、正三角形２６を一辺だけ、すなわち１２０°回転させた場合における、１つの頂部を中心とした円弧である。すなわち、この円弧は、例えば図５に描かれるような横線に対し、中心角ωが３０°≦ω≦１５０°の範囲で、半径が上記中心である頂部と正三角形２６の重心との間の距離として形成される。よって、正三角形２６を転がす場合、ルーローの三角形２４に比べ、重心を進行方向に対して斜め上方（約６０°）へと回転させる回転モーメントが必要になる。このため、回転前の状態にある正三角形２６に対して紙面横方向へ単に力を加えただけでは、この三角形２６を回転させることができない。また、各頂部間を結ぶ直線の長さが等しいルーローの三角形２４と正三角形２６では、進行方向に転がす場合、各重心の軌跡の違いから、ルーローの三角形２４のほうが、重心を上方へと移動させる位置エネルギーが小さい。

このように、進行方向への回転においては、ルーローの三角形２４は、正三角形２６に比べ、重心を上方へと移動させる位置エネルギーが少なくて済むので、転がり易い。したがって、車輪装置１０のような、軸１８と回転体２２とを有する回転機構１４を採用することで、段差又は窪みなどの障害に対する乗り越え能力を大幅に向上させることができる。また、ルーローの三角形２４の重心の軌跡２４ａは、滑らかな正弦曲線であり、しかも、正三角形２６の軌跡２６ａに比べて上下動の幅が小さいので、回転体２２の回転時における車体への振動が低減される。

次に、車輪装置１０の構成について具体的に説明する。車輪装置１０は、車椅子、ベビーカー、スーツケースなどの運搬装置に用いられる車輪装置である。なお、車輪装置１０は、上述の運搬装置に限らず、車輪を有し走行面を移動する移動体であれば、自転車、遊具など、いかなる移動体の車輪として用いることができる。

車輪装置１０は、車体（図示せず）の前輪として用いられる。しかし、この構成に限らず、車輪装置１０が、後輪、または前輪と後輪の間に位置する中間輪と利用されても、障害物の乗り越えに関して有用である。

固定部材１２は車体に固定され、回転機構１４を介して車輪１６を支持する。本実施形態の固定部材１２は一対あり、これらの固定部材１２が回転体２２を挟持するような構成となっている。なお、本発明は、この構成に限定されず、固定部材１２に対して回転機構１４が回転可能に接続されるのであれば、１つの固定部材１２に回転体２２が支持される片持ち構造であってもよく、１つの固定部材１２の両側に回転体２２がそれぞれ位置するように設けられても良い。また、固定部材１２は、車体に対して、旋回可能または着脱可能に固定されていても良い。旋回可能とすることで、移動体の操舵性が向上する。また、着脱可能とすることで、移動体の可搬性や車輪装置１０の保守性が向上する。

回転機構１４の軸１８は、図１の紙面上で、進行方向Ｘに対し直交する方向Ｙに沿って、上側軸１８ａと、この軸１８ａより下方に位置する下側軸１８ｂとを有する。以降、進行方向Ｘに対し直交する方向Ｙのことを、単に「縦方向Ｙ」と記載する。これら２つの軸１８ａ，１８ｂの軸線は、進行方向Ｘと縦方向Ｙを含む平面に対し直交している。上側軸１８ａの上方外周面に接触面２３ａがあり、下側軸１８ｂの下方外周面には接触面２３ｂがある。そして、これらの接触面２３ａ，２３ｂの間隔が幅Ｒになるように、上側及び下側軸１８ａ，１８ｂが設けられている。

回転体２２は、進行方向Ｘと縦方向Ｙを含む平面上において、その中央部に挿入穴２０を有する。挿入穴２０は、略ルーローの三角形に形成されており、その内側には、上側及び下側軸１８ａ，１８ｂが内接している。また、走行時において、回転体２０が１つの定常状態にある時、挿入穴２０は、縦方向Ｙにおいて、１つの頂部が最も上方に位置し、この頂部に対向する円弧の中央部が最も下方に位置するように形成されている。上記平面上における挿入穴２０の幅Ｒと、上側軸１８ａの上端から下側１８ｂの下端までの間隔とが同一ある。そして、ルーローの三角形は定幅図形であることから、回転体２２は固定部材１２に対して相対的に回転可能である。

回転体２２の側面は、図１に示されるように、略正三角形であり、この三角形と、挿入穴２０のルーローの三角形とは、同一重心の略相似の形状である。回転体２２には、３個の車輪１６が回転可能に取り付けられている。具体的には、各車輪１６の回転軸が、上述の重心と挿入穴２０の各頂部とを通るそれぞれの線上に位置するとともに、上述の重心を中心とした同一円周上に位置する。このように、回転体２２には、この重心からの同一円周上に等間隔に車輪１６が３個配置されているので、車輪装置１０は、通常の走行時、２個の車輪１６を走行面に接地させることができ、その間、回転体２２の回転を抑制し、定常状態を維持することができる。１つの車輪１６のみで、ある程度の障害を乗り越えられるように、車輪１６の径は、互いの車輪１６が干渉しない程度に、大きくすることができる。回転体２２の定常状態は、回転体２２が１２０°回転するごとにあり、挿入穴２０の角数を同じ計３つ存在する。定常状態は、車輪１６の配置に基づき特定されるので、３通り以上にすることも可能であるが、段差の乗り越え性能および回転体２２の回転特性を考慮すると、挿入穴２０の角数と同じにすることが望ましい。３個の車輪１６について、以降、それぞれの車輪１６に、符号１６ａ，１６ｂ，１６ｃを付して説明する。

次に、本実施形態の車輪装置１０が段差を乗り越えるときの動作について図７を用いて説明する。図７の（ａ）は、車輪装置１０が段差に衝突した状態を示す図であり、（ｂ）から（ｃ）は、車輪装置１０が段差を乗り越える途中を示す図であり、（ｄ）は、車輪装置１０が段差を乗り越えた後の状態を示す図である。なお、図７では、車輪装置１０の動作を把握できるように、車体や固定部材１２の描写を省略する。

（ａ）では、車輪装置１０が進行方向Ｘに沿って走行面上を移動し、段差に衝突した状態である。具体的には、進行方向Ｘにおいて最前に位置する車輪１６ａが段差に衝突してロック状態となる。このとき、回転体２２は、車輪１６ａと車輪１６ｂが走行面に接地した定常状態にある。

（ｂ）において、車輪装置１０は、慣性により進行方向Ｘへと進もうとするので、回転体２２が回転し始める。具体的には、上側軸１８ａが挿入穴２０の円弧状の右辺を進行方向Ｘへ押す。一方、下側軸１８ｂは、挿入穴２０の円弧状の下辺を摺動可能な状態にあるだけであり、下側軸１８ｂにより慣性力が回転体２２に伝達されることはない。よって、回転体２２に対する上側軸１８ａの作用が、回転体２２に対して回転モーメントを付与することになる。その結果、車輪１６ａの回転軸を中心として、回転体２２が回転を始める。同時に、進行方向Ｘへの慣性力により、回転体２２自体も軸１８に対して回転を始める。そして、回転体２２の回転により、下側軸１８ｂが挿入穴２０の円弧状の下辺を摺動し、進行方向Ｘ前方の頂部へ移動する。

（ｃ）では、回転体２２は、上側軸１８ａが円弧状の上辺を摺動しながら、進行方向Ｘ後方から上昇してきた頂部に移動する。そして、（ｄ）においては、回転体２２は、さらに回転し、下側軸１８ｂが頂部から円弧状の下辺の中央付近へ摺動する。

そして、（ｅ）では、回転体２２が１２０°回転し、段差を乗り越える。すなわち、車輪１６ａのロック状態が解除され、走行可能になる。このとき、回転体２２は、車輪１６ａと車輪１６ｃが走行面に接地した定常状態にある。

図８は、車輪装置１０が段差を乗り越えるときの車輪装置１０の重心の軌跡２８を示す図である。車輪装置１０は車輪１６ａを支点にして回転するため、軌跡２８は、上述の図５のような単なるルーローの三角形２４の軌跡２４ａに比べ、進行方向Ｘに対して斜め上方、例えば進行方向Ｘに対し約２６°の方向へ向かうように描かれている。

一方、図９には、従来の車輪装置が段差を乗り越えるときの車輪装置の重心の軌跡３２が示されている。この車輪装置においては、車輪装置１０と同じ質量であり、回転体３０の重心と軸とが同一であり、この軸を中心にした同一円周上に位置するよう回転体３０に３個の車輪が配置されている。この車輪装置においても、１つの車輪を支点に回転するものの、軌跡３２は、軌跡２８よりさらに斜め上方、例えば進行方向Ｘに対し約５５°の方向へ向かうように描かれている。

これらの図８，９からもわかるように、車輪装置１０の重心の軌跡２８のほうが、従来の車輪装置の重心の軌跡３２より、回転初期の進行方向Ｘに対する相対角度が小さい。よって、車輪装置１０のほうが、従来のものに比べ、縦方向Ｙへ力を必要としない。また、回転時における重心の移動高さについては、車輪装置１０のほうが小さい。よって、車輪装置１０のほうが、従来のものに比べ、縦方向Ｙへの力を必要としない。また、図７（ｂ）の状態について述べたように、車輪装置の重心より上方に位置する上側軸１８ａの作用により、回転体２２に回転モーメントが生じる。一方、従来のものは、車両装置の重心に軸があるため、回転体に生じる回転モーメントは小さい。したがって、進行方向Ｘにおいて最前の車輪が障害物によりロック状態になった場合、車輪装置１０の回転体２２のほうが、従来のものに比べ容易に回転させることができる。言い換えれば、本実施形態の車輪装置１０のほうが、段差などの障害を乗り越える能力が高いと言える。また、車輪１６の回転軸を挿入穴２０の頂部付近に近づけることで、回転体２２の回転特性をルーローの三角形の回転特性に近づけることができる。すなわち、回転時における回転体２２の重心の軌跡が、より滑らかな正弦曲線になり、回転初期の進行方向Ｘに対する相対角度がより小さくなるととともに重心の移動高さも小さくなるので、障害の乗り越え性能が向上する。なお、実際の運用においては、回転体２２の回転の容易さについては、当然に、移動体から車輪装置１０に加えられる荷重自重および推進力の方向も加味する必要がある。よって、車輪装置１０は、荷重の負担が相対的に少ない車輪、例えば車椅子の前輪に用いることで効果を発揮することができる。また、推進力が走行面に対して水平ではない移動体の車輪、例えば前方の上方より牽引するキャリバッグのキャスターに用いることで効果を発揮することができる。

本実施形態においては、軸１８が上側軸１８ａと下側軸１８ｂとにより構成される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。軸１８に対し直交する断面において、軸１８の長さが挿入穴２０の幅Ｒと同じであり、回転体２２が軸１８廻りを回転可能であれば、他の構成であっても良い。図１０から図１２を用いて、別の形態の車輪装置について説明する。なお、上記実施形態で、説明した部材については同じ符号をつけ、詳細な説明は省略する。

図１０に示される車輪装置３４は、外周にベアリング３６が回転可能にそれぞれ設けられた上側軸１８ａと下側軸１８ｂから構成される軸１８を有する。各ベアリング３６は挿入穴２０にそれぞれ内接するように設けられる。すなわち、上側軸１８ａのベアリング３６の上方外周面に接触面２３ａがあり、この接触面２３ａが挿入穴２０の内周面に接触する。また、下側軸１８ｂのベアリング３６の下方外周面には接触面２３ｂがあり、この接触面２３ｂが挿入穴２０の内周面に接触する。両ベアリング３６は自在に回転するので、それらの外周面は、すべて、挿入穴２０の内周面に接触する接触面になりうる。回転体２２は、各ベアリング３６をそれぞれの軸１８ａ，１８ｂに対して回転させながら、回転可能である。この構成においては、単に、上側軸１８ａと下側軸１８ｂが挿入穴２０に内接している構成よりも、回転体２２と軸１８間で生じる摩擦抵抗が軽減され、回転体２２の回転がよりスムーズになるので、障害の乗り越え能力が向上する。また、上述のように摩擦抵抗が軽減されるので、挿入穴２０の内周面及び軸１８の耐久性が向上する。

また、図１０に示される車輪装置３４の軸１８はベアリング３６を有するので、その外径が大きくなり、接触面２３ａ，２３ｂの曲率も大きくなる。曲率の大きい接触面２３ａ，２３ｂの形状に対応するために、挿入穴２０の頂部は接触面２３ａ，２３ｂの曲率と同じ円弧に形成されている。このように、挿入穴２０の頂部を、軸１８の各接触面２３ａ，２３ｂに対応するように形成することで、軸１８に対する回転体２２の回転がよりスムーズになり、障害の乗り越え性能が向上する。

図１１に示される車輪装置３８では、軸４０が１つのみ設けられている。軸４０は、軸４０と直交する断面では、挿入穴２０の最長幅Ｒと同じ長さを有し、その上端と下端は回転体２２の内周面に接触する。この構成においても、回転体２２は軸４０に対して回転可能である。このように、軸４０と直交する断面では延長方向Ｙに沿って長い形状の軸４０を用いることにより、部品点数を少なくすることができ、製造コストを削減することができる。なお、図示しないが、この軸４０の上下端に、上述したベアリングを回転可能に設けることもできる。

図１２に示される車輪装置４２では、上述した本実施形態と同様に、軸１８が上側軸１８ａと下側軸１８ｂを有する。しかし、この車輪装置４２においては、上側軸１８ａが固定部１２に直接に固定されていない。上側軸１８ａは、固定部材１２に弾性部材４４を介して支持されている。弾性部材４４は、バネ、ゴムなどの弾性力を有する部材から構成される。この弾性部材４４により、上側軸１８ａは、上側（車体側）に付勢するように支持されている。このように構成される車輪装置４２では、双方の軸１８ａ，１８ｂの間隔を幅Ｒに保持しつつ、弾性部材４４の弾性力によりその間隔を変えることができる。例えば、挿入穴２０の空間に、埃、塵などの異物が侵入し、その異物が挿入穴２０と軸１８との接触面に挟まったとしても、弾性部材４４により双方の軸１８ａ，１８ｂの間隔が狭められ、異物を接触面から排出することができる。すなわち、挿入穴２０に異物が侵入したとしても、回転体２２の回転がロックしてしまうことを抑制することができる。

図１２の車輪装置４２では、上側軸１８ａが、弾性部材４４を介して固定部材１２に支持されている場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。各接触面２３ａ，２３ｂの間隔が挿入穴２０の幅Ｒと同じになるよう、上方の接触面２３ａが弾性部材４４により支持されるのであれば、他の構成であっても良い。例えば、上側軸１８ａが、弾性部材４４を介して下側軸１８ｂに支持されていてもよい。

また、上述した本実施形態では、車輪１６が３個である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。少なくとも２個の車輪１６が走行面に接地し、回転体２２の定常状態を保持することができるのであれば、回転体２２に車輪１６を４個、またはそれ以上設けてもよい。この形態の一例について、図１３を用いて説明する。

図１３に示される車輪装置４６においては、回転体２２に車輪１６が６個設けられている。具体的には、回転体２２の各頂部の周囲に、それぞれ２個の車輪１６が設けられている。すなわち、紙面において右下側の頂部には、車輪１６ｅ，１６ｆが設けられ、紙面において上側の頂部には、車輪１６ｇ，１６ｈが設けられ、紙面において左下側の頂部には、車輪１６ｄ，１６ｉが設けられている。このとき、車輪１６ｄと車輪１６ｅが走行面に接地しているので、回転体２２は定常状態を維持することができる。

また、上述した本実施形態の車輪装置１０は、車輪１６に対して駆動力を伝える構成を有していないが、本発明はこの構成に限定されず、車輪装置１０を自走式としてもよい。例えば、図１４に示されるように、車輪装置１０には、さらに、駆動装置４８と、駆動装置４８の出力を車輪１４に伝達する駆動ベルト５０とが設けられる。駆動装置４８は、電気モータ、または化石燃料を利用したエンジンなどの原動機であってもよく、自転車のペダルであってもよい。駆動装置４８の出力部と、車輪１６とが駆動ベルト５０により巻き掛けられ、駆動装置４８の出力が車輪１６に伝わり、車輪装置１０が自走可能になる。駆動ベルト５０は、図に示されるように、３つの車輪１６ａ，１６ｂ，１６ｃの外周に接するように巻き掛けられており、この構成により、回転体２２のいずれの定常状態であっても、接地された車輪１６に動力を伝えることができる。また、車輪装置１０が無限軌道の車輪として採用されても良い。無限軌道が用いられる車両は、段差または凹凸が多い不整地の走行面を走行するので、同じ大きさの車輪に比べ、障害に対する乗り越え性能が高い車輪装置１０は有用である。

次に説明する実施形態は、挿入穴の形状における一例である。図１５には、進行方向Ｘに傾いた挿入穴５４が形成された回転体５６が示されている。具体的には、挿入穴５４と回転体５６の重心はほぼ一致するが、挿入穴５４は、上述した本実施形態の回転体２２に比べ、反時計回りに所定の角度傾いている。この角度は、０°から６０°の範囲であることが好ましい。このように構成される車輪装置５２によれば、車輪装置５２が障害に衝突した時に、慣性力により、上側軸１８ａが回転体５６を進行方向Ｘに確実に押すことができるので、回転モーメントが生じ易くなり、回転体５６の回転性能が向上する。さらに、回転体５６の回転時における車輪装置５２の位置エネルギーの上昇を少なくすることができるので、回転体５６の回転性能が向上する。よって、車輪装置５２は、よりスムーズに障害を乗り越えることができる。しかしながら、進行方向Ｘとは逆の方向に向かって走行中の場合、回転体５６の回転性能は悪化してしまうので、一方向限定の走行に対して用いられる場合には、この形態が有用である。

図１５の車輪装置５２では、挿入穴５４が進行方向Ｘに傾いた構成である場合について説明した、本発明はこの構成に限定されない。車輪装置５２が障害に衝突した時に、上端の軸が回転体５６を進行方向Ｘに確実に押すことができる構成であれば、軸１８が進行方向Ｘに傾いた構成であってもよい。例えば、上述した実施形態のように回転体２２は挿入穴２０が形成され、軸が、上述した本実施形態の軸１８に比べ、反時計回りに所定の角度傾いていても良い。この角度は、０°から６０°の範囲であることが好ましい。

また、上述した本実施形態においては、各車輪１６の回転軸が、挿入穴２０の中心と各頂部とを通る線上にそれぞれ位置するとともに、挿入穴２０より外側であり、かつ挿入穴２０の中心に対して同一円周上に位置する構成であった。しかし、本発明は、この構成に限定されず、各車輪１６の回転軸が挿入穴２０の内側に位置することもできる。この形態の一例について、図１６を用いて説明する。

図１６に示される車輪装置５８においては、各車輪１６ａ，１６ｂ，１６ｃの回転軸が、挿入穴６４の中心と各頂部とを通る線上にそれぞれ位置するとともに、挿入穴６４の中心に対して同一円周上に位置する構成である。そして、各車輪１６ａ，１６ｂ，１６ｃの回転軸は、挿入穴６４より内側に位置している。挿入穴６４が形成される回転体６６は、図示しないが、軸１８に干渉しないように、各車輪１６を支持する支持部材が設けられている。この構成によっても、車輪１６の回転軸を挿入穴６４の頂部に近づけて配置させることができる。しかし、車輪１６の回転軸が、各軸１８の軸芯よりさらに内側に配置させた場合、ロック状態の車輪１６が回転体６４の回転を抑制してしまい、障害の乗り越え性能が低下してしまう。

また、上述した本実施形態では、挿入穴２０がルーローの三角形である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。挿入穴は、同一形状の円弧を奇数個接続してなる形状であり、かつ、２つの円弧が接続された頂部と、この頂部に対向する円弧との間の幅が一定になるように形成されていれば良い。例えば、挿入穴がルーローの多角形であればよい。そして、軸が、上述の一定幅の間隔をあけて挿入穴の内周面にそれぞれ接触することで、回転体は軸に対して回転可能である。

例えば、図１７には、ルーローの正五角形に形成された挿入穴６４を有する回転体６６が記載されている。回転体６６の各頂部付近には、軸１６がそれぞれ配置されている。そして、上側軸１８ａが挿入穴２０の最も上方の頂部に位置し、側軸１８ｂは、挿入穴２０の円弧状の下辺を摺動可能な状態である。この構成により、車輪装置６２が障害に衝突した際、上側軸１８ａの作用により、回転体２２に回転モーメントが生じる。なお、ルーローの多角形の角数が増加することにより、挿入穴２０が円形に近づく。円形に近似するほど、その形状の回転に要する位置エネルギーは小さくなるので、回転体の回転特性は向上するように思えるが、衝突時に生じる回転モーメントが小さくなり、むしろ回転特性は悪化してしまう。具体的には、上側軸１８ａの慣性力だけではなく、回転体の重心より下方に位置する下側軸１８ｂからの慣性力が回転体に伝達されることで回転体の回転が抑制される。よって、衝突時、軸による挿入穴の下辺の摺動距離が大きい形状、すなわちルーローの三角形に形成された挿入穴のほうが、良好な回転体の回転特性を有し、障害に対する乗り越え性能も高い。

また、上述した実施形態では、挿入穴２０の各円弧の曲率半径が全て幅Ｒに等しい場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。挿入穴が、ある頂部と、この頂部に対向する円弧との間の幅が一定となるように形成されていれば、他の形状でも良い。ルーローの三角形からなる挿入穴と、その穴に挿入される軸との関係では、実用面において回転特性が悪化するという問題がある。具体的には、ルーローの三角形の各頂部は鋭角なため、そこに軸が位置する、または通過する場合、引っ掛かりが生じてしまい、スムーズな回転が抑制されてしまう。そこで、頂部を、軸の外周面に対応させた形状、すなわち鋭角ではなく円弧状にすることにより、スムーズな回転を実現することができる。このような頂部の形状にした場合における、挿入穴７０の形状について図１８を用いて説明する。

図１８に示される挿入穴７０の形状は、上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂの形状に基づいている。上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂは、曲率半径Ｎの円形であり、両軸１８ａ，１８ｂの軸芯の間隔は長さＬである。このような構成の軸１８と挿入穴７０とが、相対的に円滑な回転をするためには、挿入穴７０の形状を、軸１８の回転軌跡と同じにすればよい。すなわち、上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂの軸芯が、円弧の曲率半径Ｌとするルーローの三角形上を通るように回転させ、その回転時における上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂの外縁の軌跡を描き、これを挿入穴７０の形状とする。このような構成による挿入穴２０は、ルーローの三角形とほぼ同じ定幅図形であり、一定幅が、２Ｎ＋Ｌである。そして、頂部の形状が、上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂの外形、すなわち接触面に対応するので、回転時における引っ掛かりが解消される。その結果、回転体２２の回転特性が向上し、障害に対する乗り越え性能も向上する。この形態では、頂部と、上側軸１８ａ及び下側軸１８ｂの接触面との曲率とが同じ場合について説明したが、頂部における軸の引っ掛かりが解消されるのであれば、頂部の曲率の方を大きくすることができる。

また、上述した本実施形態では、回転体２２がルーローの三角形と略相似の関係にある三角形状であると説明したが、本発明はこの構成に限定されない。回転体２２の定常状態のときに、回転体２２自体が走行面に接触しない形状であれば、略正三角形でなくても良い。

１０，３４，３８，４２，４６，５２，５８，６２ 車輪装置、１２ 固定部材、１４ 回転機構、１６ 車輪、１８，４０ 軸、２０，５４，６４，７０ 挿入穴、２２，５６，６０，６６ 回転体、２４ ルーローの三角形、２６ 正三角形、２８，３２ 軌跡、３２ プレート、３６ ベアリング、４４ 弾性部材、４８ 駆動装置、５０ 駆動ベルト。

Claims (5)

1. 車体の固定部材に回転可能に接続される回転機構と、
   回転機構に対して回転可能に保持される車輪と、
   を有し、
   回転機構は、
   固定部材に支持される軸と、
   前記車輪が設けられるとともに、前記軸が挿入される挿入穴が形成された回転体と、
   を有し、
   前記軸に直交する断面における前記挿入穴の形状は、同一形状の円弧を奇数個接続してなる形状であり、かつ、２つの円弧が接続された頂部と、当該頂部に対向する円弧との間の幅が一定となるように形成され、
   前記軸は、当該軸に直交する断面において、前記挿入穴の内周面にそれぞれ接触し、前記幅の間隔をあけて位置する接触面を有する、
   ことを特徴とする車輪装置。
2. 請求項１に記載の車輪装置において、
   前記回転体は、走行時に、前記奇数個通りの定常状態を有し、
   前記車輪は、各定常状態に、走行面に対して少なくとも２個接地するように前記回転体にそれぞれ設けられる、
   ことを特徴とする車輪装置。
3. 請求項１または２に記載の車輪装置において、
   前記車輪は、当該車輪の中心が前記挿入穴の中心と各頂部とを通る線上に位置するようにそれぞれ配置される、
   ことを特徴とする車輪装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の車輪装置において、
   前記挿入穴の形状は、略ルーローの三角形である、
   ことを特徴とする車輪装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の車輪装置において、
   前記軸は、前記挿入穴の一方の内周面に接触する接触面を有する上側軸と、前記挿入穴の他方の内周面に接触する接触面を有する下側軸を有する、
   ことを特徴とする車輪装置。
   
   

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