JP6358731B2 - 車輪型移動体及び車椅子 - Google Patents

Description

本発明は、車輪型移動体及び車椅子に関する。

平地での移動として、自転車や自動車のような車輪を用いた方法が一般的に用いられている。ロボットにおいても、車輪型ロボットは歩行型ロボットと比較して、一般的に移動速度が速い、効率が良い、安価、構造がシンプルなど多くの利点がある。

一方で、段差等の障害物に着目すると、乗り越えられる障害物は車輪の大きさに大きく依存する欠点がある。人間の生活環境には段差や階段といった車輪での走行を妨げる障害物が多く存在する。車輪型ロボットを人間の生活環境に適応させるには、このような障害物を乗り越え可能にする必要がある。

段差等の障害物を乗り越えることが可能な車輪型ロボットとして、車輪の全てを駆動輪とするロッカー・ボギー型の車輪型ロボットがある。また、特許文献１のように、車輪が分割する車輪型ロボットがある。

特開２０１０−１５５５２０号公報

ロッカー・ボギー型の車輪型ロボットでは、全ての車輪にモーター等の駆動源を設置しなければならない。また、特許文献１の車輪型移動体についても、全ての車輪にモーター等の駆動源の設置が必要であること、また、分割可能な車輪及びエアシリンダ等の装置を必要とするなど、非常に複雑な構造であることから、製造コストも高いものとなってしまう。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構成で障害物を乗り越えて走行することが可能な車輪型移動体及び車椅子を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る車輪型移動体は、
本体に軸支される駆動輪と、
前記駆動輪の軸の前後にそれぞれ配置され、前輪支持部材及び後輪支持部材にそれぞれ自由回転可能に設置される受動前輪及び受動後輪と、
前記本体と前記前輪支持部材とを接続し、前記本体及び前記前輪支持部材に対してそれぞれ回転可能に設置される前輪側接続部材と、
前記本体と前記後輪支持部材とを接続し、前記本体及び前記後輪支持部材に対してそれぞれ回転可能に設置される後輪側接続部材と、
前記前輪側接続部材と前記後輪側接続部材とを連結する連結部材と、を備え、
前記前輪側接続部材と前記前輪支持部材との接続位置が前記前輪側接続部材と前記本体との接続位置よりも高い位置に配置されるとともに、前記後輪側接続部材と前記後輪支持部材との接続位置が前記後輪側接続部材と前記本体との接続位置よりも低い位置に配置され、
前記連結部材が側面視で前記前輪側接続部材と前記後輪側接続部材とを逆向きに回転させるように連結しており、前記前輪支持部材と前記後輪支持部材とが同じ方向に移動する、
ことを特徴とする。

また、前記車輪型移動体が平面に置かれた際、前記平面と前記前輪側接続部材とのなす角が０°より大きいことが望ましい。

また、前記受動前輪を下方へ押し付ける押し付け部材を備えることが望ましい。

本発明の第２の観点に係る車椅子は、
本発明の第１の観点に係る車輪型移動体と、
前記車輪型移動体に設置される椅子と、を備える、
ことを特徴とする。

本発明に係る車輪型移動体では、簡単な構成で段差等の障害物を乗り越えて走行することが可能である。

車輪型移動体の平面図である。 図１のＡ−Ａ’から見た車輪型移動体の図である。 車輪型移動体の正面図である。 車輪型移動体の背面図である。 車輪型移動体の動きを説明する図である。 車輪型移動体の動きを説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 車輪型移動体が段差を昇る動作を説明する図である。 他の形態に係る連結部材ついて説明する図である。 他の形態に係る連結部材ついて説明する図である。

図を参照しつつ、本実施の形態に係る車輪型移動体について説明する。車輪型移動体１は、図１〜図４に示すように、本体１、駆動軸２０、駆動輪２１、２２、前輪側接続部材３０、３１、前輪支持部材４０、受動前輪４１、後輪側接続部材５０、５１、後輪支持部材６０、受動後輪６１、連結部材７０、７１、押し付け部材８０を備える。

本体１０には、駆動軸２０が設置されている。駆動軸２０は、本体１０に設置されている不図示のモーター等の駆動源により、回転する。駆動軸２０の両端には、駆動輪２１、２２が取り付けられている。駆動軸２０の回転により、駆動輪２１、２２が回転し、車輪型移動体１が走行する。

駆動軸２０を挟み、前側に前輪支持部材４０、後側に後輪支持部材６０がそれぞれ配置されている。前輪支持部材４０、後輪支持部材６０には、それぞれ受動前輪４１、受動後輪６１が軸支されている。受動前輪４１、受動後輪６１は、それぞれ駆動源を有していない車輪であり、前輪支持部材４０、後輪支持部材６０に自由回転可能に設置されている。

本体１０と前輪支持部材４０とは、前輪側接続部材３０、３１によって接続されている。前輪側接続部材３０、３１は、本体１０及び前輪支持部材４０を挟むように設置されている。

前輪側接続部材３０、３１はそれぞれ２本のリンク３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂから構成されている。リンク３０ａ、３０ｂの後端は、それぞれジョイントＪ３、Ｊ４を介して本体１０に回転可能に接続されている。また、リンク３０ａ、３０ｂの前端は、それぞれジョイントＪ１、Ｊ２を介して前輪支持部材４０に回転可能に接続されている。リンク３１ａ、３１ｂも上記と同様に接続されている。

一方、本体１０と後輪支持部材６０とは、後輪側接続部材５０、５１によって接続されている。後輪側接続部材５０、５１は、本体１０及び後輪支持部材６０を挟むように設置されている。

後輪側接続部材５０、５１はそれぞれ２本のリンク５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１ｂから構成されている。リンク５０ａ、５０ｂの前端は、それぞれジョイントＪ８、Ｊ７を介して本体１０に回転可能に接続されている。また、リンク５０ａ、５０ｂの後端は、それぞれジョイントＪ９、Ｊ１０を介して後輪支持部材６０に回転可能に接続されている。リンク５１ａ、５１ｂも上記と同様に接続されている。

前輪側接続部材３０、３１と後輪側接続部材５０、５１とは、連結部材７０、７１でそれぞれ接続されている。連結部材７０、７１は、前輪側接続部材３０、３１と後輪側接続部材５０、５１とを側面視で逆向きに回転させる機能を有する。

連結部材７０は、ジョイントＪ５を介してリンク３０ａに回転可能に接続されており、また、ジョイントＪ６を介してリンク５０ｂに回転可能に接続されている。また、連結部材７１についても、連結部材７０と同様、不図示のジョイントを介してリンク３１ａ、リンク５１ｂに接続されている。

また、本体１０と前輪支持部材４０とは、押し付け部材８０で接続されている。押し付け部材８０の両端が、不図示のジョイントを介し、それぞれ本体１０、前輪支持部材４０に接続されている。押し付け部材８０は、車輪型移動体１が障害物を乗り越える際に、受動前輪４１を下方に、即ち障害物等に押し付けるとともに、駆動輪２１、２２を持ち上げて、車輪型移動体１を滑らかに走行させる機能を有する。押し付け部材８０として上記機能を果たし得るならば、どのような機構が用いられていてもよく、例えば、エアシリンダ等のダンパーやスプリングなどが挙げられる。

続いて、前輪側接続部材３０、３１、前輪支持部材４０、後輪側接続部材５０、５１、後輪支持部材６０の連結部材７０、７１による連結動作について説明する。

図５に示すように、図２に示した状態から受動前輪４１及び前輪支持部材４０が上昇すると、前輪側接続部材３０は、紙面上、反時計回りに回転する。具体的には、リンク３０ａ、３０ｂがそれぞれジョイントＪ３、Ｊ４を軸にして反時計回りに回転する。前輪側接続部材３０が反時計回りに回転すると、リンク３０ａとリンク５０ｂは、それぞれジョイントＪ５、Ｊ６を介して連結部材７０で連結されているため、リンク５０ｂがジョイントＪ７を軸にして、紙面上、時計回りに回転する。これにより、後輪支持部材６０及び受動後輪６１が上昇する。また、リンク５０ａもジョイントＪ８を軸にして時計回りに回転することになる。

一方、図６に示すように、図２に示した状態から受動前輪４１及び前輪支持部材４０が下降すると、前輪側接続部材３０は、紙面上、時計回りに回転する。具体的には、リンク３０ａ、３０ｂがそれぞれジョイントＪ３、Ｊ４を軸にして時計回りに回転する。前輪側接続部材３０が時計回りに回転すると、リンク３０ａ、５０ｂは、それぞれジョイントＪ５、Ｊ６を介して連結部材７０で連結されているため、リンク５０ｂがジョイントＪ７を軸にして、紙面上、反時計回りに回転する。これにより、後輪支持部材６０及び受動後輪６１が下降する。また、リンク５０ａもジョイントＪ８を軸にして反時計回りに回転することになる。

このように、車輪型移動体１では、前輪支持部材４０及び受動前輪４１が移動すると、前輪側接続部材３０、３１と後輪側接続部材５０、５１とが逆向きに回転する。そして、前輪支持部材４０及び受動前輪４１の移動方向と同じ方向に後輪支持部材６０及び受動後輪６１が移動する。そして、前輪支持部材４０と後輪支持部材６０との相対角度は絶えず一定に維持された状態（ここでは、前輪支持部材４０と後輪支持部材６０とが平行に維持された状態）で移動する。

車輪型移動体１が平面におかれた際、前輪側接続部材３０、３１と平面とのなす角度（図２に示すθ１）が、０°より大きく設定される。車輪型移動体１が走行している際、段差等の障害物に受動前輪４１が最初に衝突することになるが、受動前輪４１を上昇させて障害物を乗り越えさせるためである。また、前輪側接続部材３０、３１が回転可能なキャパシティーをもたせるべく、θ１は６０°以下であることが好ましい。

また、後輪側接続部材５０、５１と平面とのなす角度（図２に示すθ２）も、０°より大きく設定されることが好ましい。

続いて、車輪型移動体１の障害物を乗り越える動作について、図７〜図１４を参照しつつ説明する。ここでは障害物として段差を昇る動作について説明する。なお、駆動輪２２、前輪側支持部材３１（リンク３１ａ、３１ｂ）、後輪側支持部材５１（リンク５１ａ、５１ｂ）、連結部材７１の動きは、駆動輪２１、前輪側支持部材３０（リンク３０ａ、３０ｂ）、後輪側支持部材５０（リンク５０ａ、５０ｂ）、連結部材７０と同様であるので記載を省略する。

まず、図７に示すように、駆動輪２１が回転し、車輪型移動体１が平地を走行している。そして、図８に示すように、車輪型移動体１の受動前輪４１が段差の側面に衝突する。

駆動輪２１が回転しているので、その推進力により、図９に示すように、段差の側面に沿って受動前輪４１が持ち上げられる。また、受動前輪４１の上昇に伴い、前輪支持部材４０も上昇するので、上述のように後輪支持部材６０及び受動後輪６１も同じ方向へ移動する。これにより、本体１０も反時計回りに回転することになる。

そして、図１０に示すように、受動前輪４１が段差の上面に接するまで上昇する。この際、押し付け部材８０によって、受動前輪４１及び前輪支持部材４０が更に上昇して段差の上面から離間してしまうことが抑えられる。そして、車輪型移動体１はその姿勢のまま前進する。

車輪型移動体１が前進し、図１１に示すように、駆動輪２１が段差に衝突する。駆動輪２１は、自身の回転により、図１２、図１３に示すように段差を乗り超えていく。この際、押し付け部材８０の伸張力が駆動輪２１及び本体１０が上昇しやすいように機能し、段差の乗り越えを補助する。

そして、図１４に示すように、車輪型移動体１は、図７で示した元の姿勢に戻り、前進していく。車輪型移動体１は、上記と同様の動作を繰り返すことにより、複数の段差を乗り越えて走行していくことが可能である。

このように、車輪型移動体１では、全ての車輪にモーター等の駆動源が設置されていなくても、段差等の障害物を乗り越えて走行することができる。車輪型移動体１は、簡単な構成であるため、製造コストも安いという利点を有する。

車輪型移動体１は、受動前輪４１の半径が段差等の障害物の高さよりも小さくても、駆動輪２１、２２の半径よりも短い高さの段差等の障害物であれば、それを乗り越えて走行することができる。

なお、上記では、連結部材７０、７１としてリンク機構を用いた例について説明したが、前輪側接続部材３０、３１と後輪側接続部材５０、５１とを側面視で逆向きに回転させ、前輪支持部材４０及び後輪支持部材６０を同じ方向へ移動させることが可能であれば、歯車を利用した機構、ベルトを利用した機構など、どのような機構が用いられていても構わない。

例えば、連結部材７０、７１として、図１５に示すように、リンク３０ａ及びリンク５０ｂにそれぞれ平歯車等の固定歯車Ｇ１、Ｇ２が固定され、この固定歯車Ｇ１、Ｇ２の間に、複数の歯車Ｇが配置された機構が挙げられる。固定歯車Ｇ１、Ｇ２の間に偶数個の歯車Ｇが配置されていれば、リンク３０ａが回転するとリンク５０ｂが逆向きに回転することになる。なお、図１５では、固定歯車Ｇ１、Ｇ２、歯車Ｇの凹凸を省略している。

また、図１６に示すように、リンク３０ａ及びリンク５０ｂにそれぞれ傘歯車ＢＧ１、ＢＧ２が固定され、両端に傘歯車ＢＧ３、ＢＧ４が固定されたシャフトＳＨを傘歯車ＢＧ１、ＢＧ２との間に配置した機構が挙げられる。リンク３０ａが回転するとこれに固定された傘歯車ＢＧ１が回転するので、両端に傘歯車ＢＧ３、ＢＧ４が固定されたシャフトＳＨが回転し、リンク５０ｂに固定された傘歯車ＢＧ２に伝達され、リンク５０ｂがリンク３０ａとは逆向きに回転する。

また、上記では、押し付け部材８０が本体１０と前輪支持部材４０に接続された例について説明したが、上述した機能を果たし得るならば、どこに設置されていてもよい。例えば、押し付け部材８０は、本体１０と前輪側接続部材３０、３１とを接続する形態であっても、前輪支持部材４０と前輪側接続部材３０、３１とを接続する形態であってもよい。

上述した車輪型移動体１は、レスキューロボット、産業ロボットなど、種々の用途に応じた形態に応用して用いることができる。例えば、車椅子に好適に適用できる。車椅子として用いる場合、車輪型移動体１の本体１０に人が座れる椅子、その他必要な部材を適宜設置することで適用できる。これまでの車椅子では乗り越えられなかった段差等の障害物を乗り越えて走行することができることになる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

車輪型移動体は、段差等の障害物を乗り越えて走行することができ、様々な不整地を走行することができることから、車椅子や産業ロボット、レスキューロボットなど種々のロボットへの応用が期待される。

１ 車輪型移動体
１０ 本体
２０ 駆動軸
２１、２２ 駆動輪
３０、３１ 前輪側接続部材
３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ リンク
４０ 前輪支持部材
４１ 受動前輪
５０、５１ 後輪側接続部材
５０ａ、５０ｂ、５１ａ、５１ｂ リンク
６０ 後輪支持部材
６１ 受動後輪
７０、７１ 連結部材
８０ 押し付け部材
Ｊ１〜Ｊ１０ ジョイント
Ｇ１、Ｇ２ 固定歯車
Ｇ 歯車
ＢＧ１〜ＢＧ４ 傘歯車
ＳＨ シャフト

Claims (4)

1. 本体に軸支される駆動輪と、
   前記駆動輪の軸の前後にそれぞれ配置され、前輪支持部材及び後輪支持部材にそれぞれ自由回転可能に設置される受動前輪及び受動後輪と、
   前記本体と前記前輪支持部材とを接続し、前記本体及び前記前輪支持部材に対してそれぞれ回転可能に設置される前輪側接続部材と、
   前記本体と前記後輪支持部材とを接続し、前記本体及び前記後輪支持部材に対してそれぞれ回転可能に設置される後輪側接続部材と、
   前記前輪側接続部材と前記後輪側接続部材とを連結する連結部材と、を備え、
   前記前輪側接続部材と前記前輪支持部材との接続位置が前記前輪側接続部材と前記本体との接続位置よりも高い位置に配置されるとともに、前記後輪側接続部材と前記後輪支持部材との接続位置が前記後輪側接続部材と前記本体との接続位置よりも低い位置に配置され、
   前記連結部材が側面視で前記前輪側接続部材と前記後輪側接続部材とを逆向きに回転させるように連結しており、前記前輪支持部材と前記後輪支持部材とが同じ方向に移動する、
   ことを特徴とする車輪型移動体。
2. 前記車輪型移動体が平面に置かれた際、前記平面と前記前輪側接続部材とのなす角が０°より大きい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車輪型移動体。
3. 前記受動前輪を下方へ押し付ける押し付け部材を備える、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車輪型移動体。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車輪型移動体と、
   前記車輪型移動体に設置される椅子と、を備える、
   ことを特徴とする車椅子。

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