JP5292241B2 - 摩擦式駆動装置及びそれを用いた倒立振子型移動体 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦式駆動装置および倒立振子型移動体に関し、特に、走行ユニットとして用いられる摩擦式駆動装置およびそれを用いた倒立振子型移動体に関する。

全方向移動体のための走行駆動装置として、環状体と前記環状体の環方向に複数個配置され各々自身の配置位置に於ける前記環状体の接線方向の軸線周りに回転可能なドリブンローラ（従動ローラ）とを含む主輪と、前記主輪の軸線方向の左右両側に各々自身の中心軸線周りに回転可能に配置された左右のドライブディスク（回転部材）と、前記左右のドライブディスクの各々に当該ドライブディスクの中心軸線に対してねじれの関係をなす軸線周りに回転可能に配置され、外周面をもって前記ドリブンローラの外周面に接触する複数個のドライブローラ（駆動ローラ）とを有する摩擦式駆動装置がある（例えば、特許文献１）。

この摩擦式駆動装置は、一輪式の倒立振子型移動体の走行ユニット等として用いられ、左右のドライブディスクが倒立振子型移動体のフレームより回転可能に支持され、左右のドライブローラがドリブンローラを左右より挟むようにして主輪を回転（公転）可能に支持する。

この摩擦式駆動装置が用いられた倒立振子型移動体では、ドライブローラがドリブンローラに押し付けられ、ドライブローラとドリブンローラとの摩擦によってドライブディスクの回転がドライブローラよりドリブンローラに伝達され、左右のドライブディスクが互いに同方向に同速度で回転駆動された場合には、主輪が公転し、左右のドライブディスクが互いに異なる方向あるいは異なる速度で回転駆動された場合には、主輪が公転しつつドリブンローラが自転（環状体の接線方向の軸線周りに回転）あるいは主輪が公転せずドリブンローラが自転し、前後左右、斜めに、移動（走行）することができる。

国際公開２００８／１３２７７９号パンフレット

上述のような摩擦式駆動装置では、最下部分において接地しているドリブンローラには必ず少なくとも一組の左右のドライブローラが接触し、少なくとも接地状態にあるドリブンローラにはドライブローラより常に推進力（回転力）が与えられる設定になっていることが必要である。

また、主輪の制御目標通りの正確な動き（移動方向）を得ることと、動力損失の低減のために、ドライブローラとドリブンローラの外周面同士の接触において、両者間の滑りを極力低減することが必要である。

本発明が解決しようとする課題は、少なくとも接地状態にあるドリブンローラにはドライブローラより常に推進力（回転力）が与えられるようにし、併せてドライブローラとドリブンローラとの間の滑りを極力低減することである。

本発明による摩擦式駆動装置は、環状体と前記環状体の環方向に複数個配置され各々自身の配置位置に於ける前記環状体の接線方向の軸線周りに回転可能なドリブンローラとを含む主輪と、前記主輪の軸線方向の左右両側に各々自身の中心軸線周りに回転可能に配置された左右のドライブディスクと、前記左右のドライブディスクの各々に当該ドライブディスクの中心軸線に対してねじれの関係をなす軸線周りに回転可能に配置され、外周面をもって前記ドリブンローラの外周面に接触する複数個のドライブローラとを有する摩擦式駆動装置であって、前記ドライブローラは一つのローラ軸に各々回転可能に取り付けられた複数個の円盤部材の集合体により構成されており、前記円盤部材は、前記ローラ軸の軸線方向の端部にあるものより中央部に向かうに従って外径が小さい。

本発明による倒立振子型移動体は、走行ユニットとして、上述の発明による摩擦式駆動装置を含む。
立振子型移動体。

本発明による摩擦式駆動装置によれば、ドライブローラが円盤部材の集合体により構成されていて、円盤部材はローラ軸の軸線方向の端部にあるものより中央部に向かうに従って外径が小さいので、円盤部材の集合体は、全体で見て鼓形になり、ドライブローラとドリブンローラの外周面同士の接触領域がドライブローラの軸線方向に拡大される。これにより、主輪の環方向で見てドライブローラがドリブンローラの外周面に接触する領域が拡大され、接地しているドリブンローラには必ずドライブローラが接触する設定を良好に得ることができる。

このことにより、接地状態にあるドリブンローラにはドライブローラより常に推進力（回転力）が与えられ、併せて接触領域の拡大によりドライブローラとドリブンローラとの間の滑りが低減し、摩擦による推進力の伝達効率が向上する。

ドライブローラは弾性変形がない状態ではドリブンローラの外周面に線接触するから、この線接触において円盤部材の集合体がなす鼓形の曲率がドリブンローラの外周面の曲率に合致するほど上述の効果が顕著になる。

本発明による摩擦式駆動装置を走行ユニットとして含む倒立振子型移動体の一つの実施例を示す正面図。 本実施例による摩擦式駆動装置の縦断面図。 本実施例による摩擦式駆動装置の要部の側面図。 本実施例による摩擦式駆動装置の要部の拡大正面図。 本実施例による摩擦式駆動装置に用いられるドライブローラの正面図。 他の実施例による摩擦式駆動装置に用いられるドライブローラの正面図。

以下に、本発明による摩擦式駆動装置および倒立振子型移動体の実施例を、図１〜図５を参照して説明する。尚、上下、前後、左右の直交三次元座標軸を、移動体の移動方向に準じて図示のように定義する。

まず、図１を参照して本実施例による摩擦式駆動装置を走行ユニットとして含む倒立振子型移動体の全体構成について説明する。

倒立振子型移動体はコラム状のフレーム１０を有する。フレーム１０の下部には、走行ユニット４０（摩擦式駆動装置）と、左右のステップ１２Ｌ、１２Ｒが取り付けられている。フレーム１０の上部にはハンドルバー１４が取り付けられている。ハンドルバー１４の左右両端部には左右のグリップ部材１６Ｌ、１６Ｒが取り付けられている。

走行ユニット４０は、一輪式のものであってフレーム１０の下部に形成された左側壁部１８Ｌと右側側壁１８Ｒとの間にあり、フレーム１０に内蔵のジャイロスコープ、荷重センサ（図示省略）を用いた倒立振子の起立制御のもとに、フレーム１０を起立姿勢に保ち、一輪車として前後左右、斜めの全方向の走行を担う。

つぎに、本実施例による走行ユニット４０（摩擦式駆動装置）の詳細を、図２、図３を参照して説明する。

左側壁部１８Ｌと右側側壁１８Ｒには、互いの対向側に突出した円筒部２０Ｌ、２０Ｒが形成されている。円筒部２０Ｌ、２０Ｒの内側には、リング部材４２Ｌ、４２Ｒと共に、取付ボルト４４によって円環状のマウント部材４６Ｌ、４６Ｒが中心軸線Ａをもって互いに同心に固定されている

左右のマウント部材４６Ｌ、４６Ｒはクロスローラ軸受４８Ｌ、４８Ｒのアウタレースを兼ねており、マウント部材４６Ｌ、４６Ｒの内側にはクロスローラ軸受４８Ｌ、４８Ｒのインナレース５０Ｌ、５０Ｒが回転自在に設けられている。クロスローラ軸受４８Ｌ、４８Ｒは、ラジアル荷重とアキシャル荷重（スラスト荷重）を受け持つことができるころがり軸受である。

インナレース４７Ｌ、４７Ｒには、後述する波動歯車装置７２Ｌ、７２Ｒの内歯部材８０Ｌ、８０Ｒと共に左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒが固定連結されている。つまり、内歯部材８０Ｌ、８０Ｒとドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒとの連結体は、クロスローラ軸受４８Ｌ、４８Ｒによってフレーム１０より中心軸線Ａと同一の中心軸線周りに回転可能に支持されている。

ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒは、内歯部材８０Ｌ、８０Ｒに直接連結される円盤状のディスク部材５４Ｌ、５４Ｒと、ディスク部材５４Ｌ、５４Ｒの外周部に固定された切頭円錐形状の外周部材５６Ｌ、５６Ｒとにより構成されている。

ディスク部材５４Ｌ、５４Ｒの外周部と外周部材５６Ｌ、５６Ｒとにより構成されたディスク外周部分には、各々、円周方向に等間隔をおいて左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの中心軸線を対称中心線として回転対称に複数個の位置に、ローラ支持軸５８Ｌ、５８Ｒによって左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒを回転可能に支持している。

左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの配置姿勢は、ローラ軸５８Ｌ、５８Ｒの軸線方向がドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの中心軸線に対して平行でも直交でもない一つの仮想面を直交する方向に延在していることにより、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの中心軸線に対して平行でも直交でもない一つの仮想面に平行な面に回転面を有する配置になる。

換言すると、左右のローラ軸５８Ｌ、５８Ｒは、左右対称の配置で、各々、中心軸線Ａに対してねじれの関係をなす軸線方向に延在している。これにより、左右のローラ軸５８Ｌ、５８Ｒにより支持された左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、左右対称で、はすば歯車の歯すじと同様の傾斜配置になる。

なお、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒは、各々、複数個のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒを所定の方向性をもって支持するものであればよく、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの形状は、円盤形、切頭円錐形等、どのような形状をしていてもよい。

ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの構造については、詳しく後述する。

左右のインナレース５０Ｌ、５０Ｒの更に内側には、電動モータ６４Ｌ、６４Ｒが配置されている。左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒは、ステータコイル（図示省略）等を内蔵したアウタハウジング６６Ｌ、６６Ｒをリング部材４２Ｌ、４２Ｒによって左右のマウント部材４６Ｌ、４６Ｒに固定されている。左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒは、ともに中心軸線Ａと同心配置で、軸線方向に互いに近付く方向に延出したロータ軸７０Ｌ、７０Ｒを有する。

ロータ軸７０Ｌ、７０Ｒの先端部には、左右の波動歯車装置７２Ｌ、７２Ｒのウェーブプラグ７４Ｌ、７４Ｒが固定連結されている。波動歯車装置７２Ｌ、７２Ｒは、周知の構造のものであり、左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒと共に中心軸線Ａと同心配置で、入力部材である楕円形輪郭をした高剛性のウェーブプラグ７４Ｌ、７４Ｒと、ウェーブプラグ７４Ｌ、７４Ｒの外周面に嵌め込み装着されたウェーブベアリング７６Ｌ、７６Ｒと、ウェーブベアリング７６Ｌ、７６Ｒの外周面に摩擦係合し外周面に外歯を有するフランジ付き薄肉円筒形状の可撓性外歯部材７８Ｌ、７８Ｒと、可撓性外歯部材７８Ｒ、７８Ｌの外歯と噛合する内歯を有する高剛性のリング形状の内歯部材８０Ｌ、８０Ｒとを有する。内歯部材８０Ｌ、８０Ｒは、出力部材であり、前述したようにボルト４５によって左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒに固定連結されている。

これにより、左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒの出力回転は、左右の波動歯車装置７２Ｌ、７２Ｒによって減速され、左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒに個別に伝達される。

左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒは、左右の複数個のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒによる円環状ローラ群によって左右両側より挟むようにして主輪８４を中心軸線Ａと同一あるいは近似の中心軸線上に支持している。換言すると、主輪８４は、左右の複数個のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒによる円環状配置のローラ群によって左右両側より挟まれるようにして左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒより、中心軸線Ａと同一あるいは近似の中心軸線上に無軸で支持され、自身の中心周りに回転（公転）可能になっている。

主輪８４は、角柱体により構成された無端円環状の環状体８６と、環状体８６の外周に嵌合装着された複数個のインナスリーブ８８と、各インナスリーブ８８の外周にボール軸受９０によって回転可能に取り付けられた複数のドリブンローラ９２とにより構成されている。

ドリブンローラ９２は、接地するローラであり、各々、ボール軸受９０と嵌合する金属製円筒部９２Ａと、金属製円筒部９２Ａの外周に加硫接着されたゴム製円筒部９２Ｂとにより構成されている。

ドリブンローラ９２は、インナスリーブ８８と共に環状体８６の環方向（周方向）に複数個あり、自身の配置位置における環状体８６の接線方向の軸線周りに回転（自転）可能になっている。

左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、外周面をもって主輪８４の実質的な外周面をなすドリブンローラ９２のゴム製円筒部９２Ｂの外周面に接触し、摩擦によってドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転（推進力）をドリブンローラ９２に伝達する。

ドリブンローラ９２と左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとの関係（個数)は、最下部分において接地しているドリブンローラ９２には必ず少なくとも一組の左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒが接触し、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒより、少なくとも接地状態にあるドリブンローラ９２に常に推進力（回転力）が与えられる設定になっている。

左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、各々、主輪８４の中心軸線（輪中心）周りの回転方向、より正確には、各ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒのドリブンローラ９２との接触箇所における接線方向に対して、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配置されている。

つまり、左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、各々、主輪８４の中心軸線周りの回転方向（公転方向）に対して傾斜し、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転軸線に対してねじれの関係をなす回転軸線を有し、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの中心軸線に対して平行でも直交でもない一つの仮想面に沿った回転面を有する配置になっている。

換言すると、左右の各ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの中心軸線は、ドリブンローラ９２の中心軸相当の環状体８６の半径線に対してある角度をもって傾いていると同時に、環状体８６の中心線が接する仮想平面に対してある角度をもって傾いている。この三次元的な中心軸線の傾きにより、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒにおけるドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの配置は、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（歯すじ）の傾きに似ている。このことについて、より詳細な説明が必要ならば、国際公開２００８／１３９７４０号パンフレットを参照されたい。

本実施例では、左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒによって左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転方向あるいは（および）回転速度を互いに違えると、ドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒ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左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２との接触面に作用する。この分力により、ドリブンローラ９２の外表面には、これを捩る力が作用し、ドリブンローラ９２が自身の中心軸線周りに回転（自転）することになる。

このドリブンローラ９２の回転は、左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転速度差によって定まる。例えば、左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒを互いに同一速度で逆向きに回転させると、主輪８４は全く公転せず、ドリブンローラ９２の自転だけが生じる。これにより、主輪８４には左右方向の走行力が加わることになり、倒立振子移動体は、左右方向に移動（真横移動）する。

これに対し、左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転方向および回転速度が同一である場合には、ドリブンローラ９２が自転することがなく、主輪８４が公転し、倒立振子移動体１０は、前進（直進）あるいは後進する。

このように、左右の電動モータ６４Ｌ、６４Ｒによって左右のドライブディスク組立体５２Ｌ、５２Ｒの回転速度および回転方向を独立に制御することにより、倒立振子移動体は、路面上で全方向へ移動することができる。

本実施例による左右のドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの詳細を、図４、図５を参照して説明する。

ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、ローラ軸５８Ｌ、５８Ｒに各々回転可能に取り付けられた複数個の円盤部材６１Ｌ、６１Ｒの集合体により構成されている。つまり、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、複数個の円盤部材６１Ｌ、６１Ｒをローラ軸５８Ｌ、５８Ｒに串差したものにより構成されている。円盤部材６１Ｌ、６１Ｒは、ローラ軸５８Ｌ、５８Ｒの軸線方向の端部６０１Ｌ、６０１Ｒにあるものより中央部６０２Ｌ、６０２Ｒに向かうに従って外径が小さくなっている。これにより、円盤部材６１Ｌ、６１Ｒの集合体、つまり、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは鼓形(砂時計形）をなしている。

ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、弾性変形がない状態では、ドリブンローラ９２の外周面に線接触し、この線接触におけるドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒ(円盤部材６１Ｌ、６１Ｒの集合体）の鼓形(外周面形状）の曲率が、同線接触におけるドリブンローラ９２の外周面の曲率に合致している。

上述の如く、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒが鼓形であることにより、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２の外周面同士の接触領域がドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの軸線方向に拡大される。ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒを構成する複数個の円盤部材６１Ｌ、６１Ｒは、ドリブンローラ９２と接触して滑りを生じることなく各々個々に回転する。

これにより、主輪８４の環方向で見て、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒがドリブンローラ９２Ｌ、９２Ｒの外周面に接触する領域が拡大される。

このことにより、接地しているドリブンローラ９２には、必ずドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒが接触する設定を良好に得ることができ、接地状態にあるドリブンローラ９２にはドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒより常に推進力（回転力）が与えられるようになる。

また、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２との接触領域の拡大により、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２との間の滑りが低減し、摩擦による推進力の伝達効率が向上する。

この接触領域の拡大は、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの鼓形の曲率が、弾性変形がない状態でのドリブンローラ９２の外周面との線接触におけるドリブンローラ９２の外周面の曲率に合致していることにより、より顕著になる。

ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒは、図５に示されているように、テーパ状外周面による円盤部材６１Ｌ、６１Ｒの集合体によって軸線方向（母線方向）に連続する回転円弧面による外周面以外に、図６に示されているように、ストレート外周面による円盤部材６３Ｌ、６３Ｒの集合体によって軸線方向（母線方向）に段階的に変化する外周面形状であってもよい。

ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒが軸線方向（母線方向）に段階的に変化する外周面形状である場合には、各円盤部材６３Ｌ、６３Ｒの外周角部（エッジ部分）が、ドリブンローラ９２のゴム製円筒部９２Ｂの弾性変形のもとに当該ゴム製円筒部９２Ｂに喰い込み、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２との間の滑りが更に低減する。これによりドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒとドリブンローラ９２との摩擦による推進力の伝達効率が更に向上する。

また、ドライブローラ６０Ｌ、６０Ｒの外周面に複数個の周溝が形成されていもよく、周溝のエッジ部がドリブンローラ９２のゴム製円筒部９２Ｂの弾性変形のもとに当該ゴム製円筒部９２Ｂに喰い込みことにより、更なる効果を期待できる。

１０ フレーム
１２Ｌ、１２Ｒ ステップ
１４ ハンドルバー
４２Ｌ、４２Ｒ マウント部材
５２Ｌ、５２Ｒ ドライブディスク組立体
５８Ｌ、５８Ｒ ローラ軸
６０Ｌ、６０Ｒ ドライブローラ
６１Ｌ、６１Ｒ 円盤部材
６３Ｌ、６３Ｒ 円盤部材
６４Ｌ、６４Ｒ 電動モータ
７２Ｌ、７２Ｒ 波動歯車装置
８４ 主輪
８６ 環状体
９２ ドリブンローラ

Claims (2)

1. 環状体と前記環状体の環方向に複数個配置され各々自身の配置位置に於ける前記環状体の接線方向の軸線周りに回転可能なドリブンローラとを含む主輪と、前記主輪の軸線方向の左右両側に各々自身の中心軸線周りに回転可能に配置された左右のドライブディスクと、前記左右のドライブディスクの各々に当該ドライブディスクの中心軸線に対してねじれの関係をなす軸線周りに回転可能に配置され、外周面をもって前記ドリブンローラの外周面に接触する複数個のドライブローラとを有する摩擦式駆動装置であって、
   前記ドライブローラは一つのローラ軸に各々回転可能に取り付けられた複数個の円盤部材の集合体により構成されており、前記円盤部材は、前記ローラ軸の軸線方向の端部にあるものより中央部に向かうに従って外径が小さい摩擦式駆動装置。
   
2. 走行ユニットとして、請求項１に記載の摩擦式駆動装置を含む倒立振子型移動体。

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