JP4721461B2 - 走行用リンク型ダブルトラック装置 - Google Patents

Description

本発明は、階段を含む平坦でない地形を移動する移動車両用の駆動機構の設計に関するものである。

平坦でない地形での移動性を達成するため、従来の通常の機構では、地形の形状に適合すべく、トラック（無限軌道：ｔｒａｃｋ）の形状を変更するための別途の装置及びアクチュエータを追加することが行われている。
しかし従来の機構は、全体構造が複雑で、かつエネルギー效率が低いとの問題がある。更に、トラックの形状変化によって駆動速度が減少し、アクチュエータを制御するのが複雑になるとの問題がある。

本発明は、上述した従来技術の問題を解決するために提案されたものである。本発明の目的は、別途の装備やアクチュエータを備えることなく、階段のような平坦でない地形に優れた適応性を持つトラック駆動される車両用駆動機構を提供することである。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態の構造と駆動原理を詳細に説明する。
本発明は、階段を含む平坦でない地形を移動することができる車両に適用可能な駆動機構に関する。
図１に示すように、本発明によるリンク型ダブルトラック（track：無限軌道）装置は、前方及び後方のトラック駆動部（１、２）；内蔵型のコントロールボックス（３）；トラックの角度を調整するためにコントロールボックス（３）の前方と後方に設けられた一対の角度調整用フリッパー（flippers）（４、５）；及び角度調整用フリッパー（４、５）に装着されて内部に収納された高速走行用車輪（６）を包含する。
トラック駆動部（１、２）は、回転ジョイントによって両トラック部（１、２）を同時に駆動する駆動プーリーに連結された軸に止着されて自在に回転可能である。

本発明のトラック装置は、このような回転自在能力を用いて別途アクチュエータを用いることなく、重力で地面に受動的に適応することができる。その結果、階段のような平坦でない地形上での移動能力が著しく向上した。

図２は、タンクのような単一トラック機構を持った車両が階段を上がる場合に生ずる不安定な状態の例を示したのである。図中、Ｄはトラックの回転方向を示し、｛Ｂ｝は調整枠（coordinate frame）に固定された本体（ボディ）を示す。そして、ｒｍは｛Ｂ｝の重心、または力学的観点での、ゼロ−モーメント−ポイント（zero-moment-point）（ＺＭＰ）の位置ベクターを示す。Ｌはトラック部の支持領域を示している。

図２では、全体的な構造が２次元平面に表示されているので、Ｌは直線として表現されている。Ａは、車両の重心又は力学的観点ではゼロ−モーメント−ポイント（ＺＭＰ）の支持領域の投影を示す。車両の安定的移動のためには、Ａは、必ずＬの範囲内になければならない。

図２（ａ）は、車両が階段を上がる初期状態を示す。図中、ＡはＬ領域の内部に位置しているから、車両は安定的に移動することができる。一方、図２（ｂ）では、ＡはＬの領域を越え、車両は転覆しようとしている。
単一トラック機構においても、***部があまり高くなくかつ／又は重心が著しく低い場合には、転覆を防止することができる。しかし、車両の重心を低くしようとしても機械的な設計限界があり、かつ野外にある***部の高さは一般的に不均一である。その結果、単一トラック機構を持つ車両が移動の制約を持つことは避けられない。

図３は、本発明による***部を上がるリンク型ダブルトラック機構を持つ車両を示している。この図は、（ａ）〜（ｄ）の順に***部を上る車両を示し、符号は図２に示したものと同じである。

図３（ｂ）は、トラック部（１）が駆動プーリー（７）の軸を中心に回転しながら壁面に沿って***部を乗り越えて移動することを示す。

図３（ｃ）は、トラック部（１、２）の相対運動が回転角度制限機構によって止められたときに、単一トラック車両と全く同様に両トラック部（１、２）が地面に対して同時に回転していることを示す。

図３（ｄ）はトラック部（１）が***部を完全に乗り越えた時のＬが拡大する効果を示している。
この特徴により、本発明によるリンク型ダブルトラック機構を持つ車両は、図２に示された不安定な状況を克服することができる。このような地形適応は多重ジョイント（multi-joint）駆動部の長所であるが、もし、ジョイント（joint）の個数が多くなればその構造は更に複雑になる。もし、使用者が別途の駆動装置を用いる従来の２または３個のトラックを備えた車両に、図３（ｄ）のような地形適応能力を付与することを望むと、多数の周辺情報が必要となるばかりではなく、車両を制御するのが極めて難しくなる。従って、車両は高速走行ができない。

本発明は、構造と制御を簡単にするために、トラック部（１、２）に地面に受動的に適応する受動型ジョイントを備えた構成としている。このような受動的な適応能力を持つ構造によって、車両は使用者による地形対応制御なしでも高速に走行することができる。

図４は、角度調整用フリッパーを用いたトラック機構が階段を上がる工程を示したものである。図４（ａ）に示すように、トラック機構が階段に出会うと、その機構の高さが階段の高さより低いことから、通常の方法ではその階段を乗り越えることができない。このような高さの差を克服するために、機構は、図４（ｂ）に示すように、トラックの前端部の高さが階段の高さより高くなるように、まず最初にトラックの前側に備えられたフリッパーの角度調整用トラック（track）の角度を調整する。それから階段に接近する。

このような手順で駆動トラック（１）が階段を乗り越えたら、その機構は、図４（ｃ）に示すように、角度調整用フリッパーを最初の位置に復帰させ、次の階段を上り続ける。
一般的な階段上りにおいて、駆動トラック（１、２）は、角度調整用フリッパーを固定位置に維持させたまま、階段形状に適応しながら階段を乗り越えることになる。

図５に示すように、駆動トラック（１）と角度調整用フリッパー（４）が特定の角度で固定されている場合、トラック機構は、固定された三角トラックの機構と同じように作動する。一般的に多様な地形タイプに順応するために駆動トラック（１）と角度調整用フリッパー（４）を組み合わせて使うのが最も效率的であるが、角度調整用フリッパー（４）を特定の地形の特定の角度に固定した状態で車両が移動できるのであれば、トラック機構を簡素化するために、図５に示すように駆動トラック（１）と角度調整用フリッパー（４）を、三角型のトラックに取り替えることができる。

図６は、図５で説明した固定された三角型のトラックを適用する場合における、トラック部の相対的な運動によって発生するアイドルプーリー（８）の動きを示している。図示のように、駆動プーリー（７）が固定されるか動かされるかに関係なく、二つのトラックフレームの間に相対的な回転が発生する。もし駆動プーリー（７）が固定されても、トラック部が回転するとアイドルプーリー（８）は回転する。従って、たとえ駆動プーリー（７）が固定されたとしてもその相対的運動に差し支えはない。

ここで、アイドルプーリー（８）の回転量は、数式１で示すように、駆動プーリー（７）とアイドルプーリー（８）の直径比にトラック部の回転変位量（variance）を掛けて計算される。

ここで、φは、駆動プーリーによって変化するアイドルプーリー（８）の回転角度を示す。δφは、トラック部の相対的な回転変位量に線形的に従属する値を言い、κθで示される。

図７は、駆動トラック（１、２）の本体を連結する自由回転軸の間に設置される回転角度制限機構の構造を示す。図７において、支持体（１１）は駆動トラック（１）に連結されており、かつストッパ（１０）は駆動トラック（２）内に設置されているが、設置位置はこれに限定するものではない。一般的な駆動動作において、支持体（１１）は自由回転ができるように、移動範囲内ではストッパ（１０）と接触しない。しかし、駆動トラックの本体に設置されたモーター（１３）から発生されるトルクで、ギア（１２）によりストッパ（１０）の角度が回転されたときには、支持体（１１）の回転範囲が制限される。

加えて、使用者が前もって設定された角度以上にストッパ（１０）を回転させると、それは支持体（１１）と接触された後も続いて回転するようになり、使用者はこのようにして駆動トラック（１、２）間の角度を所望の角度に調整することができる。

図８は、トラック型機構の高速走行によって発生する大きい抵抗力を克服するために、高速走行モード用に変更した機構を示している。角度調整用フリッパー（４、５）が、平坦でない地形に適応するための通常の角度範囲内にあるときには、内蔵型高速走行用車輪は作動しない。しかしながら、図８で図示されたように、角度調整用フリッパー（４、５）が特定角度以上に折り畳まれると、内蔵型高速走行用車輪は本体から外側に出る。この時、使用者が駆動トラック（１、２）の間の自己回転軸（self-rotation shaft）に設置されたブレーキを作動させ、かつ角度調整用フリッパー（４、５）を連続的に回転させると、駆動トラック（１、２）は地面から離れ、高速走行用車輪のみが地面に接触するようになる。その結果、このモードでは、車両は通常のトラックモードに比してより速く移動
することができる。

図９は、図８に図示された高速走行車輪の駆動機構と角度調整用フリッパーとを詳しく説明するための図である。もし、角度調整用フリッパーが通常の角度範囲内（３）で走行すると、内蔵型高速走行車輪は作動しない。一般的な角度範囲（３）には、車両が一般に種々の階段を上がるために充分な角度が包含される。もし、角度調整用フリッパーが角度範囲（１）で回転をすると、内蔵型の高速走行車輪は、本体の外部へ突き出される。この時、角度範囲（１）での角度調整用フリッパーの角運動量は、角度範囲（２）での高速走行車輪のそれと同じである。

図１０は、遠隔制御ロボットに使用するため、パン−ティルト（pan-tilt）カメラ（全景を撮影するために左方または右方に水平回転及び傾斜可能なカメラ）（１）又はロボットアーム（２）が設けられた本発明の多様な応用例を示す。図１０（ｃ）は、搭乗した運転手（３）が調整レバー（４）を使って車両を運転する軍用またはレジャー用車両を示している。

本発明が属する技術分野で通常の知識と技術を持った者は、本発明の範囲内で付加的な変更及び応用が可能であるので、本発明は、以上で説明した具体例及び図面に限定されるものではない。

以上で述べたように、本発明によるリンク型ダブルトラック機構は、複雑な地形順応機構を必要としない。したがって、全体的な構造が簡単で制御が容易であるという利点がある。上述のリンク型ダブルトラックを適用したロボットは、火事の際の人名救助装置、建物内部の無人遠隔監視装置、警察業務代行マシン、原子炉検査装置、及び／又は地雷探知及び除去、敵地探査などの軍事分野と共に障害者補助などのような一般分野等に応用することができる。
加えて、本発明は建物内／外で有用に利用できる進歩したサービス用ロボットに応用できる。
それと共に、車両として設計される場合、一般レジャー用車両はもちろん軍の偵察用車両として応用でき、輸入代替及び輸出増進效果を生むことができる。

本発明によるリンク型ダブルトラック装置の全体構造を示す図面である。 階段を上がる単一トラック車両の一例を示す図面である。 階段を上がるリンク型ダブルトラック機構を持つ車両の一例を示す図面である。 角度調整用フリッパーを用いることで階段を上がる工程を示す図面である。 角度調整用フリッパーの構造と三角型トラックの構造を比較して示した図面である。 二つのトラックの相対的な動きを示す図面である。 回転角度制限機構の構造を示す図面である。 高速走行モード機構を示した図面である。 角度調整用フリッパーと高速走行用車輪の駆動機構を説明するための図面である。 本発明の応用例を示す図面である。

Claims (13)

1. 平坦でない地形での走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   軸の回りで相対回転駆動される前方トラック部及び後方トラック部と；
   内蔵型コントロールボックスと；
   上記コントロールボックスの前方及び後方に設置され前方トラック部の前端及び後方トラック部の後端に角度調節自在に備えられ、本体内部に設置される走行用車輪を備えた一対の角度調整用フリッパー
   及び
   上記前方及び後方トラック部の相対回転運動範囲を制限するための回転角度制限機構を包含し、
   前記角度調整用フリッパーは、前記角度調整用フリッパーの前端部が平坦でない地形の当該走行用リンク型ダブルトラック装置に対する相対的な高さよりも高くなるように角度を調節し、前進して前記角度調整用フリッパーの角度調整用トラックが平坦でない地形を乗り越えたら前記角度調整用フリッパーを最初の位置に復帰させる動作で平坦でない地形を乗り越え、
   上記前・後方トラック部の上記回転角度制限機構が許容する回転角度範囲内において自在な相対回転運動を用いて地面に適応することができ、
   前記角度調整用フリッパーを回転させて上記走行用車輪を本体から外側に出して地面を走行することができることを特徴とする、平坦でない地形での走行用リンク型ダブルトラック装置。
2. 請求項１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   該装置が上下対称的な外形を有することを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
3. 請求項１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記前方トラック部及び上記後方トラック部が、回転ジョイント部によって互いに連結されていることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
4. 請求項３に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記前方トラック部及び上記後方トラック部が、それぞれ上記回転ジョイント部と同一な回転中心を持っている動力伝達軸に止着された駆動プーリーによって駆動され、上記回転ジョイント部が、上記前方トラック部と上記後方トラック部に設置され、かつ上記前方トラック部及び上記後方トラック部が、上記動力伝達軸を中心に相対回転運動を行うように設置されていることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
5. 請求項４に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記各トラック部の各々に設置された、回転ジョイント部によって両トラック部を同時に駆動する駆動プーリーに連結された軸に止着されたアクチュエータと減速機を含むトラック駆動部を更に包含することを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
6. 請求項３に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   トラック部の接地面積を減らすための構造を有し、上記トラック部の接地面積を減らすための構造は、上記トラック部間の相対回転中心を地面から持ち上げて上記トラック部の接地面積を減らすために、上記トラック部間の相対回転を生じる上記回転ジョイント部にアクチュエータを設置することによって構成されていることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
7. 請求項６に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記回転ジョイント部に設置された上記アクチュエータは、モーター、減速機及びウォームギアを含む駆動部を備えたことを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
8. 請求項１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記トラック部の相対回転運動範囲を制限するための上記構造は、上記前後方トラック部間に連結され、相対回転運動を遂行可能な回転運動軸の前方トラック側に支持体を、また、上記支持体と接触して上記前方トラック部の相対回転範囲を制限する上記回転運動軸の後方トラック側にストッパを、設置することによって構成されることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
9. 請求項８に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
   上記ストッパは、回転角度を制御できるように駆動部に連結されていることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
10. 請求項９に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
    上記前方及び後方トラック部の相対回転用の回転ジョイント部の回転範囲は、上記支持体に対する上記ストッパの相対角度を変更することにより制御可能であることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
11. 請求項１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
    走行用車輪を設置した上記角度調整用フリッパーが、平地で走行する場合に、駆動接地力を確保し直進を補助するために上記フリッパーのトラックと地面との接触を維持する地面接触モードと；
    階段のような平坦でない地形を走行する場合に、地形高さの差異を克服するための走行案内機能を遂行するための、上記フリッパーのトラックを地形の状態に合う所定角度に維持する角度維持モード；及び、
    走行のため、上記フリッパーを特定の角度以上に回転させることにより、上記走行用車輪を突き出して地面と接触させる走行用モード、
    の三つの選択的モードを有することを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
12. 請求項１１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
    走行案内機能を遂行する上記フリッパーは、走行する地形に適合した案内角度を選択できるように、上記前方トラック部に対する相対角度が制御可能であることを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。
13. 請求項１１に記載された走行用リンク型ダブルトラック装置において、
    上記走行用車輪は、上記フリッパーが特定回転角度範囲内で走行するときは内部に収納され、上記フリッパーが特定回転角度限界を超過して回転するときは、上記走行用車輪が本体から外部へ突き出されて地面と接触することを特徴とする走行用リンク型ダブルトラック装置。