三輪走行装置
【課題】前後方向だけでなく、横へも移動可能にした、三輪走行装置を提供する。
【解決手段】車軸が同一直線上に配置された第１車輪１１０及び第２車輪１２０と、第１車輪と第２車輪との間に配置され車軸が第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪１３０と、第１車輪，第２車輪及び第３車輪を別々に駆動するように各車輪に設けられた駆動手段と、各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、各車輪１１０〜１３０が車輪外周に沿って並んで配置された複数の回転体３１を備えている。
【解決手段】車軸が同一直線上に配置された第１車輪１１０及び第２車輪１２０と、第１車輪と第２車輪との間に配置され車軸が第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪１３０と、第１車輪，第２車輪及び第３車輪を別々に駆動するように各車輪に設けられた駆動手段と、各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、各車輪１１０〜１３０が車輪外周に沿って並んで配置された複数の回転体３１を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三輪の走行装置に係り、特に、前後方向の移動だけでなく、装置自体の向きを変えずに横方向への移動が可能な走行装置及びそれを備えた電動車椅子、ロボット、その他の産業、学術、家庭用の器具、装置、機械、玩具などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人が移動するための手段として車輪を備えた各種の走行装置が知られている。この種の走行装置は、少なくとも三輪或いは四輪の車を車体のコーナー或いはそれに近接した部位に配設している。
【０００３】
また、近年では、車輪が二輪の走行装置が開発・市販され、レジャー用などとして活用されている。
特許文献１には自立型の二輪走行装置が開示されており、この走行装置は、高速回転するホイールのジャイロ効果によって自立姿勢を保持する機構を備えている。特許文献２にも自立型の二輪走行装置が開示されている。
このような自立型二輪走行装置は、普通の乗用自動車に比べると小型で、走行の際にも小回りがきくため利便性が高い。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３７６６５号公報
【特許文献２】特開平０６−９２２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１，２に示す自立型二輪走行装置を車庫などの収納場所へ移動させるなど、少しだけ横へ移動させたい場合には、図１２に示すように、自立型二輪走行装置３００を前方へ移動させてからハンドル３１０を右（或いは左）に切り、ハンドル３１０を切った状態で自立型二輪走行装置３００を後退させることで、当初の位置Ａからその横位置Ｂに移動させる必要がある。少しの移動にこれだけの作業を必要とすることは煩わしいし、このような移動操作は狭い場所では行えない。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みて創作されたものであり、前後方向だけでなく横へも移動可能にした、三輪走行装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、車軸が同一直線上に配置された第１車輪及び第２車輪と、第１車輪と第２車輪との間に配置され、車軸が第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪と、各車輪に設けられた駆動手段と、各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、各車輪が車輪外周に沿って配置された複数の回転体を備えていることを特徴としている。
【０００８】
本発明の三輪走行装置において、好ましくは、メインフレーム部と、このメインフレームの左側と右側にそれぞれ配設されたサブフレーム部とメインフレーム部と左側のサブフレームとの間及びメインフレーム部と右側のサブフレーム部との間にそれぞれ配設され、一端部がメインフレーム部に回転可能に取り付けられ、他端部がサブフレーム部に回転可能に取り付けられた一対のアームと、左右のアームとメインフレーム部との間にそれぞれ配設された弾機手段と、を備え、第１車輪が左側のサブフレーム部に支持され、第２車輪が右側のサブフレーム部に支持され、第３車輪がメインフレーム部に支持されている。
本発明の三輪走行装置において、好ましくは、制御装置は、第１車輪及び第２車輪を駆動させる際は第３車輪を駆動させず、第３車輪を駆動させる際は第１車輪及び第２車輪を駆動させない。駆動手段はホイールインモーターで構成されるのが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前後方向への移動の駆動力を発揮する第１車輪及び第２車輪の他に、第１車輪及び第２車輪の進行方向と直交する方向へ転動する第３車輪を備えていることから、装置の向きを変えずに横方向への移動を行える。
【００１０】
第１車輪，第２車輪及び第３車輪がそれぞれ車輪外周に沿った回転軸を備えた回転体を複数配設した全方向車輪で構成されていることから、前後方向への走行の際に回転しない第３車輪ではその下端の回転体が走行装置の走行に伴って回転し、左側或いは右側への横移動の際に回転しない第１車輪及び第２車輪ではその下端の回転体が走行装置の横移動に伴って回転する。よって、走行時に回転しない車輪がある場合でも、本実施形態に係る走行装置１は、前後方向及び横方向への移動を円滑に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、図中のＦｒは三輪走行装置の前方を、Ｕｐは三輪走行装置の上方を、ＬＨは三輪走行装置の横幅方向である左方を示す。
図１は本発明の実施形態に係る三輪走行装置（以下、走行装置と言う）１を示す斜視図であり、図２は正面図、図３は背面図、図４はＡ−Ａ線断面図、図５は平面図である。
【００１２】
走行装置１は、図１〜図３に示すように、ボディ１０と、ボディ１０の左側に配設した第１車輪１１０と、ボディの右側に配設した第２車輪１２０と、第１車輪１１０と第２車輪１２０との間に配設された第３車輪１３０とを備える他、図示省略する各車輪１１０，１２０，１３０を駆動する駆動手段とこの駆動手段を制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
ボディ１０は、メインフレーム部１１と、このメインフレーム部１１に揺動可能に取り付けられ第１車輪１１０，第２車輪１２０を支持するサブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒと、走行中の路面の状況に応じてボディ１０が受ける振動などを減衰させるダンパー機構１５と、を備えている。
【００１４】
メインフレーム部１１は、図２〜図４に示すように、垂直状に起立し走行装置前方に面した正面プレート１１Ａと、この正面プレート１１Ａと同形に形成され一定の距離を置いて正面プレート１１Ａと対向するように配設された背面プレート１１Ｂと、正面プレート１１Ａの上端と背面プレート１１Ｂの上端とを連結する水平板状の連結プレート１１Ｃと、この連結プレート１１Ｃの上面に固定され中心軸を鉛直方向に沿わせた筒材１１Ｄと、この筒材１１Ｄ内を摺動可能な鉛直シャフト１１Ｅと、この鉛直シャフト１１Ｅの上端に固定されたプレート状の台座１１Ｆと、から構成されている。メインフレーム部１１の各構成部材１１Ａ〜１１Ｆは鋼材でできている。なお、メインフレーム部１１は、パイプ状の鋼材を組み合わせて、或いはパイプ状と板状の鋼材を組み合わせて構成されてもよい。
【００１５】
サブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒは鋼材で成り、例えば図１に示すように矩形状のプレート部材として構成され、広い面が走行装置１の幅方向外側を向くように走行装置１に配設されており、走行装置１の左側と右側とにそれぞれ設けられている。左側のサブフレーム部１２Ｌには駆動系としての第１車輪１１０が、右側のサブフレーム部１２Ｒには第２車輪１２０が取り付けられる。
【００１６】
ダンパー機構１５は、各サブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒを揺動可能に支持する一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄと、サスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの急激な揺動やメインフレーム部１１に及ぼす振動を緩衝するスプリング、ゴムなどの弾機手段と、を備えている。以下、弾機手段としてスプリング１５２を使用した場合を説明する。
【００１７】
ダンパー機構１５の具体的構成について例示する。
図２に示すように、走行装置１の前部左側では、左側のサブフレーム部１２Ｌの前端面２２１Ｌに一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの各先端部がピン１５３によって回転可能に取り付けられている。走行装置１の前部右側では、右側のサブフレーム部１２Ｒの前端面２２１Ｒに他の一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの各先端部がピン１５３によって回転可能に取り付けられている。これらのサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの基部は、それぞれピン１５４によって正面プレート１１Ａに回転可能に取り付けられている。
【００１８】
走行装置１の後部では、図３に示すように、左側のサブフレーム部１２Ｌの後端面２２２Ｌに一対のサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの各先端部がピン１５６によって回転可能に取り付けられ、右側では、右側のサブフレーム部１２Ｒの後端面２２２Ｒに他の一対のサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの各先端部がピン１５６によって回転可能に取り付けられている。これらのサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの基部は、それぞれピン１５７によって背面プレート１１Ｂに回転可能に取り付けられている。
【００１９】
本実施形態において、走行装置１の前部（後部）で左右のサブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒをそれぞれ支持する一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄ（１５５Ｕ，１５５Ｄ）は間隔をあけて上下に平行に配設されている。走行装置１の前部に配設されたサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの内、上側のサスペンションアーム１５１Ｕの中間部には、スプリング１５２を支持するバー１５８の一端部がピン１５９Ａによって回転可能に取り付けられている。このバー１５８の先端部寄りにはバー表面から円環状のフランジ１５８Ａが突出しており、このフランジ１５８Ａにスプリング１５２の一端が固定されている。このスプリング１５２の自然長はバー１５８のフランジ１５８Ａから先端までの距離よりも長く、スプリング１５２はバー１５８に取り付けられた状態でスプリング先端部がバー１５８の先端を越えてバー延長線上に配置されている。スプリング１５２の他端は、台座１１Ｆの前端面にピン１５９Ｂによって回転可能に取り付けられた受け部１５９Ｃに取り付けられている。台座１１Ｆとバー１５８との間でスプリング１５２は台座１１Ｆ等の重みによって圧縮されて取り付けられるが、その弾性力によって鉛直シャフト１１Ｅを筒材１１Ｄから上方へ引き出した状態で台座１１Ｆを支持している。
このようなダンパー機構１５によって、サスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの不要な上下動を吸収する。
【００２０】
左側のサブフレーム部１２Ｌの外側には幅方向外側へ突出するように駆動手段としてのホイールインモーター２０が取り付けられており、このホイールインモーター２０に第１車輪１１０が取り付けられている。ホイールインモーター２０は従来より各種の構造のものが知られており、本実施形態では様々のタイプのものを適用可能であるが、特にステーター(stator)とそのまわりを回転するローター(rotor)を備えた装置を使用するのが望ましい。具体的には、ステーターを左側のサブフレーム部１２Ｌに固定し、このステーターのまわりを回転するローターに第１車輪１１０を同軸状に取り付ける。このような構成によって、第１車輪１１０はローターと共に回転する。
右側のサブフレーム部１２Ｒの外側面にもホイールインモーター２０が取り付けられており、このローターに第２車輪１２０が取り付けられている。
【００２１】
本実施形態において、第１車輪１１０と第２車輪１２０とは、それらの円板状の側面が対向するようにボディ１０に配設され、平地に走行装置１が置かれた状態では第１車輪１１０と第２車輪１２０の回転の中心が仮想の同一直線α１（図１）上に配置される。
【００２２】
第３車輪１３０は、走行装置１の前後水平方向の延びる仮想線α２（図４）、即ち、第１車輪１１０及び第２車輪１２０の車軸の延長線と直交する水平な直線まわりに回転するように配設されている。具体的には、図４に示すように、第３車輪１３０はメインフレーム部１１を構成する正面プレート１１Ａと背面プレート１１Ｂとの間に挟持されるように配設されたホイールインモーター２０に取り付けられている。このホイールインモーター２０は、ステーターが正面プレート１１Ａと背面プレート１１Ｂとに固定され、このステーターのまわりを回転するローターに第３車輪１３０が取り付けられている。
【００２３】
さらに、本実施形態に係る各車輪は全方向車輪３０で構成されていることを特徴としている。即ち、第１車輪１１０、第２車輪１２０、第３車輪１３０は、例えば、特開２００２−１３７６０２号公報及び特開２００４−３４４２８９号公報に開示されている回転体付き車輪として構成されており、図６に示すように、その外周に沿った回転軸Ｙを備えた複数個の回転体３１を備えている。これらの回転体３１は、それぞれ車輪１１０，１２０，１３０の車軸方向Ｘ（図６参照）と直交する回転軸Ｙ（図６参照）の周りに回動可能に支持されている。各回転体３１の表面が車輪の外周円の円弧を画成するように形成されている。具体的には、各回転体３１は、先端部の直径が後端部の直径より小さくした先細のカップ状に形成されている。これにより、車輪自体が車軸方向側（即ち、図示のＸ側）に移動しようとするとき、地面等ＦＬに接地している回転体（図中のダブルハッチングを付した回転体；他の回転体と区別するために符号３１Ｂを付す）はその回転軸Ｙの周りに回転することにより、地面等ＦＬを転動して、車輪自体が方向転換することなく、車輪は横方向への移動を円滑に行うことができる。
第１車輪１１０、第２車輪１２０、第３車輪１３０は、同じ寸法、同じ形状に構成され、各回転の中心が同じ高さになるように、ボディ１０に取り付けられている。平地に走行装置１が置かれた状態で各車輪１１０，１２０，１３０は地面に接触する。
【００２４】
走行装置１は、例えば、下端部が支持されて回転可能な棒状のレバーと、このレバーの回転角度を検出するセンサーとを有するジョイスティック等の操作手段（図示省略）を備え、ユーザーがレバーを移動方向へ倒すことで、その回転角度の信号が操作手段から制御装置（図示省略）へ送られ、制御装置がその信号に基づいて第１〜第３車輪１１０〜１３０を制御する。例えば、レバーの回転角度に対応した各車輪１１０〜１３０の回転速度が予め規定されて、参照データとして制御装置に内蔵されたＲＯＭ等の記憶手段に記憶されており、制御装置は操作手段の信号と参照データとに基づいて各車輪１１０〜１３０を制御する。
本実施形態では、例えば、制御装置としてエレクトロニック・コントロール・ユニット（Electronic Control Unit: ECU）が用いられる。制御装置や各駆動手段への電源は図示省略するバッテリーから供給される。バッテリーや制御装置は、例えば、メインフレーム部１１に取り付けられる。
具体的には、図７のシステム動作フローのように、ＥＣＵが、ジョイスティック等の操作手段からの信号に基づいて車輪速度演算を行い、第１車輪１１０〜第３車輪１３０のモーター駆動アンプへ走行速度指令及び／又は横車輪速度指令を送出する。ＥＣＵは、左右の車輪としての第１車輪１１０及び第２車輪１２０に関連して走行方向の情報を含むハンドル指令を生成する。本実施形態に係る走行装置１では、左右の車輪としての第１車輪１１０及び第２車輪１２０への制御としてバランス制御を行う。即ち、走行装置１が自立するように第１車輪１１０及び第２車輪１２０を制御する。このため、ボディ１０に取り付けた角度センサーからの角度信号に基づいて、ＥＣＵは、走行装置１がバランスをとるための走行速度指令を演算する。このバランス演算の結果と車輪速度演算の結果とに基づいて、走行速度指令が生成される。ＥＣＵはバランスを考慮した走行速度指令とハンドル指令とに基づいて、左車輪用の速度指令と右車輪用の速度指令を生成する。これらの速度指令は、ロータリーエンコーダで検出された速度に基づいてフィードバック制御が行われて、各モーター駆動アンプへ送られる。このように、各第１車輪１１０〜第３車輪１３０が駆動制御される。なお、角度センサーの数は１つに限るものではない。
【００２５】
本実施形態において走行装置１は、第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動させる際は第３車輪１３０を駆動させない第１走行モード、第３車輪１３０を駆動させる際は第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動させない第２走行モード、第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させる第３走行モードによって走行する。具体的には、第２走行モードにおいて走行装置１は、操作手段のレバーが真横に倒された際に、即ち、真横への移動指示が出されたときには第３車輪１３０を駆動し、その際は第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動しないように、駆動系に対する制御を行う。
また、第３走行モードでは、例えば、走行装置１の向きを変えずに斜めに走行するように、或いは、斜めに走行しつつ回転するように、走行装置１の三輪、即ち第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させる。
なお、上記走行モードは、例えば、モードごとに設けたボタンの何れかを押すことで選択できるようになっている。
【００２６】
本実施形態に係る走行装置１は以上のように構成され、次のように動作する。
先ず、前後方向の走行は、ユーザーが操作手段のレバーを前方或いは後方へ倒すことで、制御装置によって第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０をそれぞれ駆動制御して、双方の第１車輪１１０及び第２車輪１２０を前周りに駆動すると走行装置１は前進する。また、双方の第１車輪１１０及び第２車輪１２０を後周りに駆動すると、走行装置１は後退する。
【００２７】
また、レバーを前後方向の線から左側或いは右側に傾けて倒すことで、傾けた側の車輪の回転速度を遅くさせて、傾けた側に曲がりながら走行させることもできる。例えば、ユーザーがレバーを右前方へ倒すと、制御装置は、左の第１車輪１１０を前周りに比較的高速で駆動させると共に、右の第２車輪１２０を前周りに比較的低速で駆動させることで、左右の車輪の回転速度の差に基づいて、走行装置１は右に曲がりながら前進する。この際、駆動制御されない第３車輪１３０自体も走行面に接触しているので、第３車輪１３０において走行面に接触している回転体３１だけが走行面から受ける摩擦によって回転する。
【００２８】
一方、ユーザーが操作手段のレバーを真横、例えば、前後方向の線に対して直交するように右側或いは左側に倒すことで、制御装置によって第３車輪１３０だけが駆動制御される。これにより、走行装置１は、その向きを変えずに、横方向に、右側或いは左側に移動する。この際、駆動制御されない第１車輪１１０及び第２車輪１２０自体も走行面に接触しているので、第１車輪１１０及び第２車輪１２０では走行面に接触している回転体３１だけが走行面から受ける摩擦によって回転する。
また、走行装置１の三輪、即ち第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させて、回転を伴いながら斜めへの走行等が可能である。
【００２９】
このように、本発明の実施形態に係る走行装置１によれば、前後方向への移動の駆動力を発揮する第１車輪１１０及び第２車輪１２０の他に、第１車輪１１０及び第２車輪１２０の進行方向と直交する方向へ転動する第３車輪１３０を備えていることから、装置の向きを変えずに横方向への移動を行える。
【００３０】
また、第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０がそれぞれ車輪外周に沿って回転体３１を複数配設した全方向車輪３０で構成されていることから、前後方向への走行の際に回転しない第３車輪１３０ではその下端の回転体３１が走行装置１の走行に伴って回転し、左側或いは右側への横移動の際に回転しない第１車輪１１０及び第２車輪１２０ではその下端の回転体３１が走行装置１の横移動に伴って回転する。よって、走行時に回転しない車輪があるとしても、本実施形態に係る走行装置１は、前後方向及び横方向への移動を円滑に行える。
【実施例】
【００３１】
本発明の走行装置１を利用して、図８に示すように台座１１Ｆにシート５１を固定した電動車椅子５０を構成することもできる。この場合、シート５１のシートバック５１Ａの縁から前方に延出したアームレスト５１Ｂに、レバー６１を有する操作手段６０を配設すると便利である。
【００３２】
本実施例における電動車椅子５０は、乗員が搭乗する際にシートがその形態を変形することを特徴としている。即ち、電動車椅子５０は、図９（Ａ）に示すように乗員がシート５１に座る前にフットレスト５１Ｇに立って乗り込むことができ、乗り込んだ後にシート５１の形態が図９（Ｂ）に示すように変形して、最終的には、図９（Ｃ）に示すようにシート５１が着座用の形態をとることを特徴としている。
【００３３】
シート５１は、図１０（Ａ）に示すように、台座１１Ｆに取り付けたベース５１Ｃと、このベース５１Ｃの左右の縁部からそれぞれ起立したフレームステー５１Ｄと、これらのフレームステー５１Ｄ，５１Ｄの上端部に側縁の中間部をそれぞれ回転可能に取り付けられた座部５１Ｅと、この座部５１Ｅの後部に回転可能に取り付けた上記シートバック５１Ａと、座部５１Ｅの前部に回転可能に取り付けた前垂れフレーム５１Ｆと、この前垂れフレーム５１Ｆの下端に取り付けられたフットレスト５１Ｇと、フレームステー５１Ｄ，シートバック５１Ａ及び前垂れフレーム５１Ｆにそれぞれ回転可能に取り付けたリンクバー５１Ｈと、から構成されている。リンクバー５１Ｈはシート５１の左右にそれぞれ設けられていて、各リンクバー５１Ｈ，５１Ｈは、長さ中間部をフレームステー５１Ｄに回転可能に取り付けられ、先端部を前垂れフレーム５１Ｆに回転可能に取り付けられ、後端部をシートバック５１Ａの下端部に回転可能に取り付けられている。
【００３４】
シート５１を構成するベース５１Ｃには、パワーシリンダー１７０がブラケット５１Ｋを介して取り付けられている。このパワーシリンダー１７０は、本体部１７１と、この本体部１７１に摺動可能に取り付けられたロッド１７２と、を備え、本体部１７１に内蔵されたモーターが後述のＥＣＵ６５によって制御されることでロッド１７２の本体部１７１から引き出される長さが調整される。本体部１７１が上記ブラケット５１Ｋに固定され、ロッド１７２の先端は上記リンクバー５１Ｈに回転可能に取り付けられる。
なお、図１０（Ａ）に示すように、パワーシリンダー１７０が縮んでリンクバー５１Ｈが水平に延びた状態で、リンクバー５１Ｈの先端部と座部５１Ｅの先端部とで支持された前垂れフレーム５１Ｆが鉛直状に配設され、リンクバー５１Ｈの後端部と座部５１Ｅの後端部とで支持されたシートバック５１Ａが鉛直状に配設されることで、座面及びフットレスト５１Ｇが水平に保持され、シートバック５１Ａが座面に対してほぼ直角を成すように保持される。一方、図１０（Ａ）に示す状態においてパワーシリンダー１７０が駆動してロッド１７２が伸びると、図１０（Ｂ）に示すようにリンクバー５１Ｈの後側が持ち上がり、リンクバー５１Ｈの揺動動作に連動してシートバック５１Ａが上方へ移動すると共に前垂れフレーム５１Ｆが下がる。ロッド１７２が最も引き出された状態では、前垂れフレーム５１Ｆの下端に設けたフットレスト５１Ｇが地面に当接する。このように、フットレスト５１Ｇが接地した状態で、電動車椅子５０に人が乗り込むことができる。以下、図９（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、フットレスト５１Ｇが地面に接した電動車椅子５０の姿勢を起立搭乗姿勢といい、図９（Ｃ）及び図１０（Ａ）に示すようにフットレスト５１Ｇが所定の高さ位置で水平状に保持されて走行可能な姿勢をバランス走行姿勢という。なお、図１０ではアームレスト５１Ｂの表示を省略している。
【００３５】
ここで、図１１は本実施例の電動車椅子５０の制御ブロック図であり、電動車椅子５０は、第１車輪１１０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ａと、第２車輪１２０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ｂと、第３車輪１３０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ｃと、パワーシリンダー１７０を制御するためのモータードライバー６３Ｄと、ジャイロセンサー６４と、レバー６１を有する操作手段６０と、各モータードライバー６３Ａ〜６３Ｄを制御するＥＣＵ６５と、バッテリー６６と、を備えている。
ＥＣＵ６５は、走行中において、操作手段６０からの信号とジャイロセンサー６４からの信号に基づいて各モータードライバー６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃを制御する。ジャイロセンサー６４は、例えば、台座１１Ｆの上に取り付けられて、走行装置１のピッチング角、即ち、第１車輪１１０と第２車輪１２０の車軸に平行な軸まわりの角度を検出するものである。このピッチング角に応じてＥＣＵ６５が第１車輪１１０と第２車輪１２０を駆動させることで、走行装置（即ち、電動車椅子５０）が所望の傾きの姿勢を維持する。
パワーシリンダー１７０を操作するためのスイッチ、即ちロッド１７２の出し入れを操作するためのスイッチは、図示省略するが、例えば、アームレスト５１Ｂ（図８）に配設されており、このスイッチからの信号がＥＣＵ６５へ送られる。
【００３６】
次に、このように構成された電動車椅子５０の制御について説明する。
先ず、図９（Ａ）に示す起立搭乗姿勢において、使用者が電源を投入し、姿勢可変用のパワーシリンダー１７０を動作させてロッド１７２の引き出し長さを短くする。これにより、リンクバー５１Ｈの先端部及びそれに連結した前垂れフレーム５１Ｆが上へ持ち上がることで、フットレスト５１Ｇが地面から離れる。この際、ＥＣＵ６５は、電動車椅子５０が転倒しないように、即ち電動車椅子５０が倒立するように、ジャイロセンサー６４が検出したピッチング角に基づいて第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０，２０を同方向へ回転させる制御（以下、倒立制御という）を行い、バランスを維持する。フットレスト５１Ｇが予め決められた位置まで持ち上げられた後においても、バランスをとる制御が行われる。
【００３７】
このように、フットレスト５１Ｇが持ち上がり、図９（Ｃ）に示すようにバランス走行姿勢になった状態で、乗員がレバー６１を操作することで電動車椅子５０は走行する。
例えば、乗員がレバー６１を回転させると、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０，２０に差動を与えて、電動車椅子５０は旋回する。
レバー６１を前後に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御に所定の迎え角を付けて、即ち進行方向側へ電動車椅子自体が前のめり状に若干傾斜するように第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーターを制御して、電動車椅子がバランスを保たせながら前後に走行する。
レバー６１を左右に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第３車輪１３０のホイールインモーター２０を駆動して、電動車椅子５０が真横へ移動する。
レバー６１を斜め横に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第１車輪１１０及び第２車輪１２０を前進或いは後進方向へ回転させると共に第３車輪１３０を回転させることで、電動車椅子５０が斜め横へ移動する。
また、電動車椅子５０は、上記の動作を複合すると倒立制御を行いながら、旋回を伴いつつ斜めに移動するような複雑な走行も可能である。
【００３８】
このような電動車椅子５０によれば、バランス制御しながら前後或いは斜めへの走行が可能であることに加え、第３車輪１３０だけを駆動することで真横への移動を行うこともできる。
【００３９】
以上詳述したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。例えば、ホイールインモーター２０に代えて、各車輪がシャフト（車軸）に固定され、このドライブシャフトがモーター、即ち車輪ごとに設けられたモーターによって駆動されるように構成してもよい。この場合も、第１車輪と第２車輪とはそれらの車軸が同一直線上に配置され、第３車輪は第１車輪と上記第２車輪との間に配置され第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平に配置された回転軸（車軸）のまわりで回転するように構成される。この際、第１車輪用のモーターは左側のサブフレーム部に、第２車輪用のモーターは右側のサブフレーム部に、第３車輪用のモーターはメインフレーム部に取り付けられる。
【００４０】
走行装置のボディの構造や形状は上記説明例に限定されるものではない。ボディを構成するメインフレーム部とサブフレーム部とはサスペンションアームを介さずに一体に連結した構成であってもよい。走行装置は、ダンパー機構を備えずに構成されてもよい。
【００４１】
上記電動車椅子５０のシート５１は、ベース５１Ｃを用いずに、走行装置１に配設されてもよい。この場合、例えば、フレームステー５１Ｄ及びブラケット５１Ｋは台座１１Ｆに固定される。
本発明の走行装置は、電動車椅子に限らず、産業、学術、家庭用の器具、装置、機械、玩具が移動するための手段として適用可能である。例えば、移動型ロボットの脚として上記走行装置を適用できる。また、人が移動するための手段や物を搬送するための運搬具或いは、農作業用の移動する機械の移動手段として、また、遊園地やテーマパークなどのレジャー施設における遊具の移動機構としても利用可能である。さらに、本発明は、老人や体の不自由な障がい者などが利用する介助・福祉用の機械・器具にも利用できる。
本発明の走行装置及びこの走行装置を利用した移動手段等は、図１１に示す上記電動車椅子の構成例のように、ジャイロセンサーなどを備えて走行装置のピッチング角度を検出して、倒立制御されるように構成されるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る三輪走行装置を示す斜視図である。
【図２】図１の三輪走行装置の正面図である。
【図３】図１の三輪走行装置の背面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図１の三輪走行装置の平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る全方向車輪の斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係るシステムフローの図である。
【図８】図１の三輪走行装置を利用した電動車椅子の実施例の斜視図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は図８の電動車椅子の使用状態を説明する図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は図８の電動車椅子の側面図である。
【図１１】図８の電動車椅子の制御ブロック図である。
【図１２】従来の二輪走行装置の問題を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 三輪走行装置
１０ ボディ
１１ メインフレーム部
１１Ａ 正面プレート
１１Ｂ 背面プレート
１１Ｃ 連結プレート
１１Ｄ 筒材
１１Ｅ 鉛直シャフト
１１Ｆ 台座
１２Ｌ，１２Ｒ サブフレーム部
１５ ダンパー機構
２０ ホイールインモーター
３０ 全方向車輪
３１，３１Ａ，３１Ｂ 回転体
５０ 電動車椅子
５１ シート
５１Ａ シートバック
５１Ｂ アームレスト
５１Ｃ ベース
５１Ｄ フレームステー
５１Ｅ 座部
５１Ｆ 前垂れフレーム
５１Ｇ フットレスト
５１Ｈ リンクバー
５１Ｋ ブラケット
６０ 操作手段
６１ レバー
６３Ａ〜６３Ｄ モータードライバー
６４ ジャイロセンサー
６５ ＥＣＵ
６６ バッテリー
１１０ 第１車輪
１２０ 第２車輪
１３０ 第３車輪
１５１Ｕ，１５１Ｄ，１５５Ｕ，１５５Ｄ サスペンションアーム
１５２ スプリング
１５３，１５４，１５６，１５７，１５９Ａ，１５９Ｂ ピン
１５８ バー
１５８Ａ フランジ
１５９Ｃ 受け部
１７０ パワーシリンダー
１７１ 本体部
１７２ ロッド
２２１Ｌ，２２１Ｒ 前端面
２２２Ｌ，２２２Ｒ 後端面
α１，α２ 仮想線
【技術分野】
【０００１】
本発明は三輪の走行装置に係り、特に、前後方向の移動だけでなく、装置自体の向きを変えずに横方向への移動が可能な走行装置及びそれを備えた電動車椅子、ロボット、その他の産業、学術、家庭用の器具、装置、機械、玩具などに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、人が移動するための手段として車輪を備えた各種の走行装置が知られている。この種の走行装置は、少なくとも三輪或いは四輪の車を車体のコーナー或いはそれに近接した部位に配設している。
【０００３】
また、近年では、車輪が二輪の走行装置が開発・市販され、レジャー用などとして活用されている。
特許文献１には自立型の二輪走行装置が開示されており、この走行装置は、高速回転するホイールのジャイロ効果によって自立姿勢を保持する機構を備えている。特許文献２にも自立型の二輪走行装置が開示されている。
このような自立型二輪走行装置は、普通の乗用自動車に比べると小型で、走行の際にも小回りがきくため利便性が高い。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３７６６５号公報
【特許文献２】特開平０６−９２２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１，２に示す自立型二輪走行装置を車庫などの収納場所へ移動させるなど、少しだけ横へ移動させたい場合には、図１２に示すように、自立型二輪走行装置３００を前方へ移動させてからハンドル３１０を右（或いは左）に切り、ハンドル３１０を切った状態で自立型二輪走行装置３００を後退させることで、当初の位置Ａからその横位置Ｂに移動させる必要がある。少しの移動にこれだけの作業を必要とすることは煩わしいし、このような移動操作は狭い場所では行えない。
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みて創作されたものであり、前後方向だけでなく横へも移動可能にした、三輪走行装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、車軸が同一直線上に配置された第１車輪及び第２車輪と、第１車輪と第２車輪との間に配置され、車軸が第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪と、各車輪に設けられた駆動手段と、各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、各車輪が車輪外周に沿って配置された複数の回転体を備えていることを特徴としている。
【０００８】
本発明の三輪走行装置において、好ましくは、メインフレーム部と、このメインフレームの左側と右側にそれぞれ配設されたサブフレーム部とメインフレーム部と左側のサブフレームとの間及びメインフレーム部と右側のサブフレーム部との間にそれぞれ配設され、一端部がメインフレーム部に回転可能に取り付けられ、他端部がサブフレーム部に回転可能に取り付けられた一対のアームと、左右のアームとメインフレーム部との間にそれぞれ配設された弾機手段と、を備え、第１車輪が左側のサブフレーム部に支持され、第２車輪が右側のサブフレーム部に支持され、第３車輪がメインフレーム部に支持されている。
本発明の三輪走行装置において、好ましくは、制御装置は、第１車輪及び第２車輪を駆動させる際は第３車輪を駆動させず、第３車輪を駆動させる際は第１車輪及び第２車輪を駆動させない。駆動手段はホイールインモーターで構成されるのが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、前後方向への移動の駆動力を発揮する第１車輪及び第２車輪の他に、第１車輪及び第２車輪の進行方向と直交する方向へ転動する第３車輪を備えていることから、装置の向きを変えずに横方向への移動を行える。
【００１０】
第１車輪，第２車輪及び第３車輪がそれぞれ車輪外周に沿った回転軸を備えた回転体を複数配設した全方向車輪で構成されていることから、前後方向への走行の際に回転しない第３車輪ではその下端の回転体が走行装置の走行に伴って回転し、左側或いは右側への横移動の際に回転しない第１車輪及び第２車輪ではその下端の回転体が走行装置の横移動に伴って回転する。よって、走行時に回転しない車輪がある場合でも、本実施形態に係る走行装置１は、前後方向及び横方向への移動を円滑に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、図中のＦｒは三輪走行装置の前方を、Ｕｐは三輪走行装置の上方を、ＬＨは三輪走行装置の横幅方向である左方を示す。
図１は本発明の実施形態に係る三輪走行装置（以下、走行装置と言う）１を示す斜視図であり、図２は正面図、図３は背面図、図４はＡ−Ａ線断面図、図５は平面図である。
【００１２】
走行装置１は、図１〜図３に示すように、ボディ１０と、ボディ１０の左側に配設した第１車輪１１０と、ボディの右側に配設した第２車輪１２０と、第１車輪１１０と第２車輪１２０との間に配設された第３車輪１３０とを備える他、図示省略する各車輪１１０，１２０，１３０を駆動する駆動手段とこの駆動手段を制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
ボディ１０は、メインフレーム部１１と、このメインフレーム部１１に揺動可能に取り付けられ第１車輪１１０，第２車輪１２０を支持するサブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒと、走行中の路面の状況に応じてボディ１０が受ける振動などを減衰させるダンパー機構１５と、を備えている。
【００１４】
メインフレーム部１１は、図２〜図４に示すように、垂直状に起立し走行装置前方に面した正面プレート１１Ａと、この正面プレート１１Ａと同形に形成され一定の距離を置いて正面プレート１１Ａと対向するように配設された背面プレート１１Ｂと、正面プレート１１Ａの上端と背面プレート１１Ｂの上端とを連結する水平板状の連結プレート１１Ｃと、この連結プレート１１Ｃの上面に固定され中心軸を鉛直方向に沿わせた筒材１１Ｄと、この筒材１１Ｄ内を摺動可能な鉛直シャフト１１Ｅと、この鉛直シャフト１１Ｅの上端に固定されたプレート状の台座１１Ｆと、から構成されている。メインフレーム部１１の各構成部材１１Ａ〜１１Ｆは鋼材でできている。なお、メインフレーム部１１は、パイプ状の鋼材を組み合わせて、或いはパイプ状と板状の鋼材を組み合わせて構成されてもよい。
【００１５】
サブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒは鋼材で成り、例えば図１に示すように矩形状のプレート部材として構成され、広い面が走行装置１の幅方向外側を向くように走行装置１に配設されており、走行装置１の左側と右側とにそれぞれ設けられている。左側のサブフレーム部１２Ｌには駆動系としての第１車輪１１０が、右側のサブフレーム部１２Ｒには第２車輪１２０が取り付けられる。
【００１６】
ダンパー機構１５は、各サブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒを揺動可能に支持する一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄと、サスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの急激な揺動やメインフレーム部１１に及ぼす振動を緩衝するスプリング、ゴムなどの弾機手段と、を備えている。以下、弾機手段としてスプリング１５２を使用した場合を説明する。
【００１７】
ダンパー機構１５の具体的構成について例示する。
図２に示すように、走行装置１の前部左側では、左側のサブフレーム部１２Ｌの前端面２２１Ｌに一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの各先端部がピン１５３によって回転可能に取り付けられている。走行装置１の前部右側では、右側のサブフレーム部１２Ｒの前端面２２１Ｒに他の一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの各先端部がピン１５３によって回転可能に取り付けられている。これらのサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの基部は、それぞれピン１５４によって正面プレート１１Ａに回転可能に取り付けられている。
【００１８】
走行装置１の後部では、図３に示すように、左側のサブフレーム部１２Ｌの後端面２２２Ｌに一対のサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの各先端部がピン１５６によって回転可能に取り付けられ、右側では、右側のサブフレーム部１２Ｒの後端面２２２Ｒに他の一対のサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの各先端部がピン１５６によって回転可能に取り付けられている。これらのサスペンションアーム１５５Ｕ，１５５Ｄの基部は、それぞれピン１５７によって背面プレート１１Ｂに回転可能に取り付けられている。
【００１９】
本実施形態において、走行装置１の前部（後部）で左右のサブフレーム部１２Ｌ，１２Ｒをそれぞれ支持する一対のサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄ（１５５Ｕ，１５５Ｄ）は間隔をあけて上下に平行に配設されている。走行装置１の前部に配設されたサスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの内、上側のサスペンションアーム１５１Ｕの中間部には、スプリング１５２を支持するバー１５８の一端部がピン１５９Ａによって回転可能に取り付けられている。このバー１５８の先端部寄りにはバー表面から円環状のフランジ１５８Ａが突出しており、このフランジ１５８Ａにスプリング１５２の一端が固定されている。このスプリング１５２の自然長はバー１５８のフランジ１５８Ａから先端までの距離よりも長く、スプリング１５２はバー１５８に取り付けられた状態でスプリング先端部がバー１５８の先端を越えてバー延長線上に配置されている。スプリング１５２の他端は、台座１１Ｆの前端面にピン１５９Ｂによって回転可能に取り付けられた受け部１５９Ｃに取り付けられている。台座１１Ｆとバー１５８との間でスプリング１５２は台座１１Ｆ等の重みによって圧縮されて取り付けられるが、その弾性力によって鉛直シャフト１１Ｅを筒材１１Ｄから上方へ引き出した状態で台座１１Ｆを支持している。
このようなダンパー機構１５によって、サスペンションアーム１５１Ｕ，１５１Ｄの不要な上下動を吸収する。
【００２０】
左側のサブフレーム部１２Ｌの外側には幅方向外側へ突出するように駆動手段としてのホイールインモーター２０が取り付けられており、このホイールインモーター２０に第１車輪１１０が取り付けられている。ホイールインモーター２０は従来より各種の構造のものが知られており、本実施形態では様々のタイプのものを適用可能であるが、特にステーター(stator)とそのまわりを回転するローター(rotor)を備えた装置を使用するのが望ましい。具体的には、ステーターを左側のサブフレーム部１２Ｌに固定し、このステーターのまわりを回転するローターに第１車輪１１０を同軸状に取り付ける。このような構成によって、第１車輪１１０はローターと共に回転する。
右側のサブフレーム部１２Ｒの外側面にもホイールインモーター２０が取り付けられており、このローターに第２車輪１２０が取り付けられている。
【００２１】
本実施形態において、第１車輪１１０と第２車輪１２０とは、それらの円板状の側面が対向するようにボディ１０に配設され、平地に走行装置１が置かれた状態では第１車輪１１０と第２車輪１２０の回転の中心が仮想の同一直線α１（図１）上に配置される。
【００２２】
第３車輪１３０は、走行装置１の前後水平方向の延びる仮想線α２（図４）、即ち、第１車輪１１０及び第２車輪１２０の車軸の延長線と直交する水平な直線まわりに回転するように配設されている。具体的には、図４に示すように、第３車輪１３０はメインフレーム部１１を構成する正面プレート１１Ａと背面プレート１１Ｂとの間に挟持されるように配設されたホイールインモーター２０に取り付けられている。このホイールインモーター２０は、ステーターが正面プレート１１Ａと背面プレート１１Ｂとに固定され、このステーターのまわりを回転するローターに第３車輪１３０が取り付けられている。
【００２３】
さらに、本実施形態に係る各車輪は全方向車輪３０で構成されていることを特徴としている。即ち、第１車輪１１０、第２車輪１２０、第３車輪１３０は、例えば、特開２００２−１３７６０２号公報及び特開２００４−３４４２８９号公報に開示されている回転体付き車輪として構成されており、図６に示すように、その外周に沿った回転軸Ｙを備えた複数個の回転体３１を備えている。これらの回転体３１は、それぞれ車輪１１０，１２０，１３０の車軸方向Ｘ（図６参照）と直交する回転軸Ｙ（図６参照）の周りに回動可能に支持されている。各回転体３１の表面が車輪の外周円の円弧を画成するように形成されている。具体的には、各回転体３１は、先端部の直径が後端部の直径より小さくした先細のカップ状に形成されている。これにより、車輪自体が車軸方向側（即ち、図示のＸ側）に移動しようとするとき、地面等ＦＬに接地している回転体（図中のダブルハッチングを付した回転体；他の回転体と区別するために符号３１Ｂを付す）はその回転軸Ｙの周りに回転することにより、地面等ＦＬを転動して、車輪自体が方向転換することなく、車輪は横方向への移動を円滑に行うことができる。
第１車輪１１０、第２車輪１２０、第３車輪１３０は、同じ寸法、同じ形状に構成され、各回転の中心が同じ高さになるように、ボディ１０に取り付けられている。平地に走行装置１が置かれた状態で各車輪１１０，１２０，１３０は地面に接触する。
【００２４】
走行装置１は、例えば、下端部が支持されて回転可能な棒状のレバーと、このレバーの回転角度を検出するセンサーとを有するジョイスティック等の操作手段（図示省略）を備え、ユーザーがレバーを移動方向へ倒すことで、その回転角度の信号が操作手段から制御装置（図示省略）へ送られ、制御装置がその信号に基づいて第１〜第３車輪１１０〜１３０を制御する。例えば、レバーの回転角度に対応した各車輪１１０〜１３０の回転速度が予め規定されて、参照データとして制御装置に内蔵されたＲＯＭ等の記憶手段に記憶されており、制御装置は操作手段の信号と参照データとに基づいて各車輪１１０〜１３０を制御する。
本実施形態では、例えば、制御装置としてエレクトロニック・コントロール・ユニット（Electronic Control Unit: ECU）が用いられる。制御装置や各駆動手段への電源は図示省略するバッテリーから供給される。バッテリーや制御装置は、例えば、メインフレーム部１１に取り付けられる。
具体的には、図７のシステム動作フローのように、ＥＣＵが、ジョイスティック等の操作手段からの信号に基づいて車輪速度演算を行い、第１車輪１１０〜第３車輪１３０のモーター駆動アンプへ走行速度指令及び／又は横車輪速度指令を送出する。ＥＣＵは、左右の車輪としての第１車輪１１０及び第２車輪１２０に関連して走行方向の情報を含むハンドル指令を生成する。本実施形態に係る走行装置１では、左右の車輪としての第１車輪１１０及び第２車輪１２０への制御としてバランス制御を行う。即ち、走行装置１が自立するように第１車輪１１０及び第２車輪１２０を制御する。このため、ボディ１０に取り付けた角度センサーからの角度信号に基づいて、ＥＣＵは、走行装置１がバランスをとるための走行速度指令を演算する。このバランス演算の結果と車輪速度演算の結果とに基づいて、走行速度指令が生成される。ＥＣＵはバランスを考慮した走行速度指令とハンドル指令とに基づいて、左車輪用の速度指令と右車輪用の速度指令を生成する。これらの速度指令は、ロータリーエンコーダで検出された速度に基づいてフィードバック制御が行われて、各モーター駆動アンプへ送られる。このように、各第１車輪１１０〜第３車輪１３０が駆動制御される。なお、角度センサーの数は１つに限るものではない。
【００２５】
本実施形態において走行装置１は、第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動させる際は第３車輪１３０を駆動させない第１走行モード、第３車輪１３０を駆動させる際は第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動させない第２走行モード、第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させる第３走行モードによって走行する。具体的には、第２走行モードにおいて走行装置１は、操作手段のレバーが真横に倒された際に、即ち、真横への移動指示が出されたときには第３車輪１３０を駆動し、その際は第１車輪１１０及び第２車輪１２０を駆動しないように、駆動系に対する制御を行う。
また、第３走行モードでは、例えば、走行装置１の向きを変えずに斜めに走行するように、或いは、斜めに走行しつつ回転するように、走行装置１の三輪、即ち第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させる。
なお、上記走行モードは、例えば、モードごとに設けたボタンの何れかを押すことで選択できるようになっている。
【００２６】
本実施形態に係る走行装置１は以上のように構成され、次のように動作する。
先ず、前後方向の走行は、ユーザーが操作手段のレバーを前方或いは後方へ倒すことで、制御装置によって第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０をそれぞれ駆動制御して、双方の第１車輪１１０及び第２車輪１２０を前周りに駆動すると走行装置１は前進する。また、双方の第１車輪１１０及び第２車輪１２０を後周りに駆動すると、走行装置１は後退する。
【００２７】
また、レバーを前後方向の線から左側或いは右側に傾けて倒すことで、傾けた側の車輪の回転速度を遅くさせて、傾けた側に曲がりながら走行させることもできる。例えば、ユーザーがレバーを右前方へ倒すと、制御装置は、左の第１車輪１１０を前周りに比較的高速で駆動させると共に、右の第２車輪１２０を前周りに比較的低速で駆動させることで、左右の車輪の回転速度の差に基づいて、走行装置１は右に曲がりながら前進する。この際、駆動制御されない第３車輪１３０自体も走行面に接触しているので、第３車輪１３０において走行面に接触している回転体３１だけが走行面から受ける摩擦によって回転する。
【００２８】
一方、ユーザーが操作手段のレバーを真横、例えば、前後方向の線に対して直交するように右側或いは左側に倒すことで、制御装置によって第３車輪１３０だけが駆動制御される。これにより、走行装置１は、その向きを変えずに、横方向に、右側或いは左側に移動する。この際、駆動制御されない第１車輪１１０及び第２車輪１２０自体も走行面に接触しているので、第１車輪１１０及び第２車輪１２０では走行面に接触している回転体３１だけが走行面から受ける摩擦によって回転する。
また、走行装置１の三輪、即ち第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０を同時に駆動させて、回転を伴いながら斜めへの走行等が可能である。
【００２９】
このように、本発明の実施形態に係る走行装置１によれば、前後方向への移動の駆動力を発揮する第１車輪１１０及び第２車輪１２０の他に、第１車輪１１０及び第２車輪１２０の進行方向と直交する方向へ転動する第３車輪１３０を備えていることから、装置の向きを変えずに横方向への移動を行える。
【００３０】
また、第１車輪１１０，第２車輪１２０及び第３車輪１３０がそれぞれ車輪外周に沿って回転体３１を複数配設した全方向車輪３０で構成されていることから、前後方向への走行の際に回転しない第３車輪１３０ではその下端の回転体３１が走行装置１の走行に伴って回転し、左側或いは右側への横移動の際に回転しない第１車輪１１０及び第２車輪１２０ではその下端の回転体３１が走行装置１の横移動に伴って回転する。よって、走行時に回転しない車輪があるとしても、本実施形態に係る走行装置１は、前後方向及び横方向への移動を円滑に行える。
【実施例】
【００３１】
本発明の走行装置１を利用して、図８に示すように台座１１Ｆにシート５１を固定した電動車椅子５０を構成することもできる。この場合、シート５１のシートバック５１Ａの縁から前方に延出したアームレスト５１Ｂに、レバー６１を有する操作手段６０を配設すると便利である。
【００３２】
本実施例における電動車椅子５０は、乗員が搭乗する際にシートがその形態を変形することを特徴としている。即ち、電動車椅子５０は、図９（Ａ）に示すように乗員がシート５１に座る前にフットレスト５１Ｇに立って乗り込むことができ、乗り込んだ後にシート５１の形態が図９（Ｂ）に示すように変形して、最終的には、図９（Ｃ）に示すようにシート５１が着座用の形態をとることを特徴としている。
【００３３】
シート５１は、図１０（Ａ）に示すように、台座１１Ｆに取り付けたベース５１Ｃと、このベース５１Ｃの左右の縁部からそれぞれ起立したフレームステー５１Ｄと、これらのフレームステー５１Ｄ，５１Ｄの上端部に側縁の中間部をそれぞれ回転可能に取り付けられた座部５１Ｅと、この座部５１Ｅの後部に回転可能に取り付けた上記シートバック５１Ａと、座部５１Ｅの前部に回転可能に取り付けた前垂れフレーム５１Ｆと、この前垂れフレーム５１Ｆの下端に取り付けられたフットレスト５１Ｇと、フレームステー５１Ｄ，シートバック５１Ａ及び前垂れフレーム５１Ｆにそれぞれ回転可能に取り付けたリンクバー５１Ｈと、から構成されている。リンクバー５１Ｈはシート５１の左右にそれぞれ設けられていて、各リンクバー５１Ｈ，５１Ｈは、長さ中間部をフレームステー５１Ｄに回転可能に取り付けられ、先端部を前垂れフレーム５１Ｆに回転可能に取り付けられ、後端部をシートバック５１Ａの下端部に回転可能に取り付けられている。
【００３４】
シート５１を構成するベース５１Ｃには、パワーシリンダー１７０がブラケット５１Ｋを介して取り付けられている。このパワーシリンダー１７０は、本体部１７１と、この本体部１７１に摺動可能に取り付けられたロッド１７２と、を備え、本体部１７１に内蔵されたモーターが後述のＥＣＵ６５によって制御されることでロッド１７２の本体部１７１から引き出される長さが調整される。本体部１７１が上記ブラケット５１Ｋに固定され、ロッド１７２の先端は上記リンクバー５１Ｈに回転可能に取り付けられる。
なお、図１０（Ａ）に示すように、パワーシリンダー１７０が縮んでリンクバー５１Ｈが水平に延びた状態で、リンクバー５１Ｈの先端部と座部５１Ｅの先端部とで支持された前垂れフレーム５１Ｆが鉛直状に配設され、リンクバー５１Ｈの後端部と座部５１Ｅの後端部とで支持されたシートバック５１Ａが鉛直状に配設されることで、座面及びフットレスト５１Ｇが水平に保持され、シートバック５１Ａが座面に対してほぼ直角を成すように保持される。一方、図１０（Ａ）に示す状態においてパワーシリンダー１７０が駆動してロッド１７２が伸びると、図１０（Ｂ）に示すようにリンクバー５１Ｈの後側が持ち上がり、リンクバー５１Ｈの揺動動作に連動してシートバック５１Ａが上方へ移動すると共に前垂れフレーム５１Ｆが下がる。ロッド１７２が最も引き出された状態では、前垂れフレーム５１Ｆの下端に設けたフットレスト５１Ｇが地面に当接する。このように、フットレスト５１Ｇが接地した状態で、電動車椅子５０に人が乗り込むことができる。以下、図９（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、フットレスト５１Ｇが地面に接した電動車椅子５０の姿勢を起立搭乗姿勢といい、図９（Ｃ）及び図１０（Ａ）に示すようにフットレスト５１Ｇが所定の高さ位置で水平状に保持されて走行可能な姿勢をバランス走行姿勢という。なお、図１０ではアームレスト５１Ｂの表示を省略している。
【００３５】
ここで、図１１は本実施例の電動車椅子５０の制御ブロック図であり、電動車椅子５０は、第１車輪１１０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ａと、第２車輪１２０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ｂと、第３車輪１３０のホイールインモーター２０を制御するためのモータードライバー６３Ｃと、パワーシリンダー１７０を制御するためのモータードライバー６３Ｄと、ジャイロセンサー６４と、レバー６１を有する操作手段６０と、各モータードライバー６３Ａ〜６３Ｄを制御するＥＣＵ６５と、バッテリー６６と、を備えている。
ＥＣＵ６５は、走行中において、操作手段６０からの信号とジャイロセンサー６４からの信号に基づいて各モータードライバー６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃを制御する。ジャイロセンサー６４は、例えば、台座１１Ｆの上に取り付けられて、走行装置１のピッチング角、即ち、第１車輪１１０と第２車輪１２０の車軸に平行な軸まわりの角度を検出するものである。このピッチング角に応じてＥＣＵ６５が第１車輪１１０と第２車輪１２０を駆動させることで、走行装置（即ち、電動車椅子５０）が所望の傾きの姿勢を維持する。
パワーシリンダー１７０を操作するためのスイッチ、即ちロッド１７２の出し入れを操作するためのスイッチは、図示省略するが、例えば、アームレスト５１Ｂ（図８）に配設されており、このスイッチからの信号がＥＣＵ６５へ送られる。
【００３６】
次に、このように構成された電動車椅子５０の制御について説明する。
先ず、図９（Ａ）に示す起立搭乗姿勢において、使用者が電源を投入し、姿勢可変用のパワーシリンダー１７０を動作させてロッド１７２の引き出し長さを短くする。これにより、リンクバー５１Ｈの先端部及びそれに連結した前垂れフレーム５１Ｆが上へ持ち上がることで、フットレスト５１Ｇが地面から離れる。この際、ＥＣＵ６５は、電動車椅子５０が転倒しないように、即ち電動車椅子５０が倒立するように、ジャイロセンサー６４が検出したピッチング角に基づいて第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０，２０を同方向へ回転させる制御（以下、倒立制御という）を行い、バランスを維持する。フットレスト５１Ｇが予め決められた位置まで持ち上げられた後においても、バランスをとる制御が行われる。
【００３７】
このように、フットレスト５１Ｇが持ち上がり、図９（Ｃ）に示すようにバランス走行姿勢になった状態で、乗員がレバー６１を操作することで電動車椅子５０は走行する。
例えば、乗員がレバー６１を回転させると、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーター２０，２０に差動を与えて、電動車椅子５０は旋回する。
レバー６１を前後に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御に所定の迎え角を付けて、即ち進行方向側へ電動車椅子自体が前のめり状に若干傾斜するように第１車輪１１０及び第２車輪１２０のホイールインモーターを制御して、電動車椅子がバランスを保たせながら前後に走行する。
レバー６１を左右に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第３車輪１３０のホイールインモーター２０を駆動して、電動車椅子５０が真横へ移動する。
レバー６１を斜め横に動かすと、ＥＣＵ６５が倒立制御を行いながら第１車輪１１０及び第２車輪１２０を前進或いは後進方向へ回転させると共に第３車輪１３０を回転させることで、電動車椅子５０が斜め横へ移動する。
また、電動車椅子５０は、上記の動作を複合すると倒立制御を行いながら、旋回を伴いつつ斜めに移動するような複雑な走行も可能である。
【００３８】
このような電動車椅子５０によれば、バランス制御しながら前後或いは斜めへの走行が可能であることに加え、第３車輪１３０だけを駆動することで真横への移動を行うこともできる。
【００３９】
以上詳述したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。例えば、ホイールインモーター２０に代えて、各車輪がシャフト（車軸）に固定され、このドライブシャフトがモーター、即ち車輪ごとに設けられたモーターによって駆動されるように構成してもよい。この場合も、第１車輪と第２車輪とはそれらの車軸が同一直線上に配置され、第３車輪は第１車輪と上記第２車輪との間に配置され第１車輪及び第２車輪の車軸の延長線と直交する水平に配置された回転軸（車軸）のまわりで回転するように構成される。この際、第１車輪用のモーターは左側のサブフレーム部に、第２車輪用のモーターは右側のサブフレーム部に、第３車輪用のモーターはメインフレーム部に取り付けられる。
【００４０】
走行装置のボディの構造や形状は上記説明例に限定されるものではない。ボディを構成するメインフレーム部とサブフレーム部とはサスペンションアームを介さずに一体に連結した構成であってもよい。走行装置は、ダンパー機構を備えずに構成されてもよい。
【００４１】
上記電動車椅子５０のシート５１は、ベース５１Ｃを用いずに、走行装置１に配設されてもよい。この場合、例えば、フレームステー５１Ｄ及びブラケット５１Ｋは台座１１Ｆに固定される。
本発明の走行装置は、電動車椅子に限らず、産業、学術、家庭用の器具、装置、機械、玩具が移動するための手段として適用可能である。例えば、移動型ロボットの脚として上記走行装置を適用できる。また、人が移動するための手段や物を搬送するための運搬具或いは、農作業用の移動する機械の移動手段として、また、遊園地やテーマパークなどのレジャー施設における遊具の移動機構としても利用可能である。さらに、本発明は、老人や体の不自由な障がい者などが利用する介助・福祉用の機械・器具にも利用できる。
本発明の走行装置及びこの走行装置を利用した移動手段等は、図１１に示す上記電動車椅子の構成例のように、ジャイロセンサーなどを備えて走行装置のピッチング角度を検出して、倒立制御されるように構成されるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る三輪走行装置を示す斜視図である。
【図２】図１の三輪走行装置の正面図である。
【図３】図１の三輪走行装置の背面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図１の三輪走行装置の平面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る全方向車輪の斜視図である。
【図７】本発明の実施形態に係るシステムフローの図である。
【図８】図１の三輪走行装置を利用した電動車椅子の実施例の斜視図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は図８の電動車椅子の使用状態を説明する図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は図８の電動車椅子の側面図である。
【図１１】図８の電動車椅子の制御ブロック図である。
【図１２】従来の二輪走行装置の問題を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１ 三輪走行装置
１０ ボディ
１１ メインフレーム部
１１Ａ 正面プレート
１１Ｂ 背面プレート
１１Ｃ 連結プレート
１１Ｄ 筒材
１１Ｅ 鉛直シャフト
１１Ｆ 台座
１２Ｌ，１２Ｒ サブフレーム部
１５ ダンパー機構
２０ ホイールインモーター
３０ 全方向車輪
３１，３１Ａ，３１Ｂ 回転体
５０ 電動車椅子
５１ シート
５１Ａ シートバック
５１Ｂ アームレスト
５１Ｃ ベース
５１Ｄ フレームステー
５１Ｅ 座部
５１Ｆ 前垂れフレーム
５１Ｇ フットレスト
５１Ｈ リンクバー
５１Ｋ ブラケット
６０ 操作手段
６１ レバー
６３Ａ〜６３Ｄ モータードライバー
６４ ジャイロセンサー
６５ ＥＣＵ
６６ バッテリー
１１０ 第１車輪
１２０ 第２車輪
１３０ 第３車輪
１５１Ｕ，１５１Ｄ，１５５Ｕ，１５５Ｄ サスペンションアーム
１５２ スプリング
１５３，１５４，１５６，１５７，１５９Ａ，１５９Ｂ ピン
１５８ バー
１５８Ａ フランジ
１５９Ｃ 受け部
１７０ パワーシリンダー
１７１ 本体部
１７２ ロッド
２２１Ｌ，２２１Ｒ 前端面
２２２Ｌ，２２２Ｒ 後端面
α１，α２ 仮想線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車軸が同一直線上に配置された第１車輪及び第２車輪と、
上記第１車輪と上記第２車輪との間に配置され、車軸が上記第１車輪及び上記第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪と、
各車輪に設けられた駆動手段と、
各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
各車輪が車輪外周に沿って配置された複数の回転体を備えて成ることを特徴とする、三輪走行装置。
【請求項２】
メインフレーム部と、
このメインフレームの左側と右側にそれぞれ配設されたサブフレーム部と、
上記メインフレーム部と左側のサブフレームとの間及び上記メインフレーム部と右側のサブフレーム部との間にそれぞれ配設され、一端部が上記メインフレーム部に回転可能に取り付けられ、他端部がサブフレーム部に回転可能に取り付けられた一対のアームと、
左右の上記アームと上記メインフレーム部との間にそれぞれ配設された弾機手段と、を備え、
前記第１車輪が左側のサブフレーム部に支持され、
前記第２車輪が右側のサブフレーム部に支持され、
前記第３車輪が上記メインフレーム部に支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の三輪走行装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１車輪及び第２車輪を駆動させる際に前記第３車輪を駆動させず、前記第３車輪を駆動させる際に前記第１車輪及び前記第２車輪を駆動させないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の三輪走行装置。
【請求項４】
前記駆動手段がホイールインモーターであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の三輪走行装置。
【請求項５】
前記請求項１〜４の何れかに記載の三輪走行装置と、椅子とを備えたことを特徴とする、電動車椅子。
【請求項１】
車軸が同一直線上に配置された第１車輪及び第２車輪と、
上記第１車輪と上記第２車輪との間に配置され、車軸が上記第１車輪及び上記第２車輪の車軸の延長線と直交する水平な直線上に配置された第３車輪と、
各車輪に設けられた駆動手段と、
各駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
各車輪が車輪外周に沿って配置された複数の回転体を備えて成ることを特徴とする、三輪走行装置。
【請求項２】
メインフレーム部と、
このメインフレームの左側と右側にそれぞれ配設されたサブフレーム部と、
上記メインフレーム部と左側のサブフレームとの間及び上記メインフレーム部と右側のサブフレーム部との間にそれぞれ配設され、一端部が上記メインフレーム部に回転可能に取り付けられ、他端部がサブフレーム部に回転可能に取り付けられた一対のアームと、
左右の上記アームと上記メインフレーム部との間にそれぞれ配設された弾機手段と、を備え、
前記第１車輪が左側のサブフレーム部に支持され、
前記第２車輪が右側のサブフレーム部に支持され、
前記第３車輪が上記メインフレーム部に支持されていることを特徴とする、請求項１に記載の三輪走行装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１車輪及び第２車輪を駆動させる際に前記第３車輪を駆動させず、前記第３車輪を駆動させる際に前記第１車輪及び前記第２車輪を駆動させないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の三輪走行装置。
【請求項４】
前記駆動手段がホイールインモーターであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の三輪走行装置。
【請求項５】
前記請求項１〜４の何れかに記載の三輪走行装置と、椅子とを備えたことを特徴とする、電動車椅子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図９】
【公開番号】特開２００９−４０１６５（Ｐ２００９−４０１６５Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０５９８５（Ｐ２００７−２０５９８５）
【出願日】平成１９年８月７日（２００７．８．７）
【出願人】（０００１５７０８３）関東自動車工業株式会社 (1,164)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月７日（２００７．８．７）
【出願人】（０００１５７０８３）関東自動車工業株式会社 (1,164)
【Ｆターム（参考）】
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