転動ロボット
【課題】構造の複雑化を抑制しつつ、常に全ての方向に転動させることができる転動ロボットを提供する。
【解決手段】立方体状の筐体２と、筐体２内に設けられたメインモータ１０と、メインモータ１０の回転軸の一端に固定されたフライホイール１２と、回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ筐体２に対してメインモータ１０を旋回可能に支持する支持軸１４，１５と、メインモータ１０を支持軸１４，１５周りに旋回駆動させるサブモータ１３とを備え、支持軸１４，１５は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられている。
【解決手段】立方体状の筐体２と、筐体２内に設けられたメインモータ１０と、メインモータ１０の回転軸の一端に固定されたフライホイール１２と、回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ筐体２に対してメインモータ１０を旋回可能に支持する支持軸１４，１５と、メインモータ１０を支持軸１４，１５周りに旋回駆動させるサブモータ１３とを備え、支持軸１４，１５は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、立方体状の筐体内に収容されたモータを回転させて、モータのトルクの反力により筐体を転動させる、所謂転動ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この転動ロボットは、筐体内に、この筐体の任意の一面に沿うように延在するモータ支持軸が回転自在に設けられていると共に、このモータ支持軸にモータが取り付けられている。また、モータの回転軸は、モータ支持軸に略直交した状態になっており、一端側にフライホイールが設けられている。
【０００３】
そして、モータを急加速して回転させることで、この時生じるモータのトルクの反力を利用して着地面の一辺を中心にしてモータの回転の加速方向とは逆方向に向かって転動ロボットを転動させる。また、モータ支持軸を中心にしてモータを旋回させた後、モータを回転させることにより、着地面の他の一辺を中心にして転動ロボットを転動させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１２４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術にあっては、モータの回転軸が必ず筐体の一面に対して平行となるので、少ない転動エネルギーで転動ロボットを転動させることができるという点では優れているが、回転軸がモータ支持軸の延在方向に向くことができないので、モータ支持軸周りに転動ロボットを転動させることができない。すなわち、モータ支持軸が筐体の着地面に対して平行となる方向に向いているとき、転動方向が着地面の四辺のうち、二辺に限られてしまうという課題がある。
ここで、モータ支持軸をさらに一軸追加し、転動ロボットを常に全ての方向に転動可能に構成することも考えられるが、モータ支持軸を一軸追加する分、筐体内の構造が複雑化し、これに伴って転動ロボットが大型化してしまう。
【０００６】
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造の複雑化を抑制しつつ、常に全ての方向に転動させることができる転動ロボットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、立方体状の筐体と、前記筐体内に設けられたメインモータと、前記メインモータの回転軸の一端に固定されたフライホイールと、前記回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ前記筐体に対して前記メインモータを旋回可能に支持するモータ支持軸と、前記メインモータを前記モータ支持軸周りに旋回駆動させるサブモータとを備え、前記モータ支持軸は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられていることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、所定角度だけ傾斜したフライホイールを筐体の角部近傍を中心にして旋回させることができる。このため、モータ支持軸の向きに関わらず、モータのトルクの反力を筐体の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動可能に作用させることができる。よって、モータ支持軸を一軸追加することなく、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記モータ支持軸を前記二面のうちの一方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ１とし、前記モータ支持軸を前記二面のうちの他方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ２とし、前記回転軸と前記モータ支持軸との間の角度をθ３としたとき、これら角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、
４０°≦θ１≦５０°
１７．７°≦θ２≦２７．７°
５３°≦θ３≦６３°
を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成することで、隣接する３面に直交する方向（Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸座標におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向、以下、単にＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向という）と、筐体中心から所定の角に向かう方向とに沿うようにモータの回転軸を変位させることができる。このため、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることができると共に、所定の角を中心にして転動ロボットを転動させることが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記モータ支持軸にウォーム減速機構を介して前記サブモータを連結したことを特徴とする。
【００１２】
ここで、フライホイールが回転して転動ロボットが転動した際、モータの回転軸の方向を復元させようとしてジャイロモーメントが発生する。このジャイロモーメントにより、サブモータに逆転方向の力が作用する。しかしながら、ウォーム減速機構を介してモータ支持軸とサブモータとを連結しているので、ウォーム減速機構のセルフロック機能によって、サブモータの逆転を阻止することができる。
【００１３】
請求項４に記載した発明は、前記モータ支持軸の中央の大部分にベースフレームを設け、このベースフレームに前記メインモータ、前記サブモータ、および前記ウォーム減速機構を取り付けると共に、前記メインモータ、および前記サブモータを駆動させるためのバッテリを搭載し、これらメインモータ、サブモータ、ウォーム減速機構、およびバッテリが前記モータ支持軸周りに一体となって旋回するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
このように構成することで、筐体に固定する部品を減少させることができ、筐体の重量バランスを向上させることができると共に、美観性を向上させることができる。また、モータ等に電力を供給したり、信号を入出力させたりするための配線のレイアウト性を高めることができる。
【００１５】
請求項５に記載した発明は、前記メインモータと前記バッテリとの間に、前記ベースフレームを介在させたことを特徴とする。
【００１６】
このように構成することで、モータの放熱性能を高め、モータから発熱する熱がバッテリに伝達されるのを抑制することができる。このため、バッテリの熱による損傷を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、所定角度だけ傾斜したフライホイールを筐体の角部近傍を中心にして旋回させることができる。このため、モータ支持軸の向きに関わらず、モータのトルクの反力を筐体の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動可能に作用させることができる。よって、モータ支持軸を一軸追加することなく、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における転動ロボットの斜視図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】図１のＢ矢視図である。
【図４】本発明の実施形態における駆動部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態における減速機構を一方から見た斜視図である。
【図６】本発明の実施形態における減速機構を他方から見た斜視図である。
【図７】本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向かせるためのモデル図である。
【図８】本発明の実施形態におけるメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部に向かせるためのモデル図である。
【図１０】本発明の実施形態における本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部に向かせるためのモデル図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるメインモータの旋回軌跡を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施形態におけるメインモータの状態図であり、（ａ）は回転軸がＸ軸方向に向いている場合を示し、（ｂ）は回転軸がＹ軸方向に向いている場合を示し、（ｃ）は回転軸がＺ軸方向に向いている場合を示す。
【図１３】本発明の実施形態におけるメインモータの状態図であり、回転軸が角部方向に向いている場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（転動ロボット）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、転動ロボット１の斜視図、図２は、図１のＡ矢視図、図３は、図１のＢ矢視図である。
図１〜図３に示すように、転動ロボット１は、略立方体状の筐体２と、この筐体２内に設けられ、筐体２を転動させるための駆動部３を備えている。筐体２は、格子状のケースフレーム４を有しており、このケースフレーム４の上から不図示のカバーを取り付けるようになっている。
【００２０】
ケースフレーム４は、筐体２の６つの面を形成する平面部５と、各平面部５間に形成された稜線部６と、稜線部６間に形成され筐体２の角を形成する角部７とで構成されている。稜線部６、および角部７を構成する部位のケースフレーム４は、平面視円弧状に湾曲形成されており、これによって転動ロボット１の転動動作を行い易くしている。
【００２１】
また、ケースフレーム４の内側には、転動ロボット１の姿勢状態を検出するための姿勢検出装置８が取り付けられている。姿勢検出装置８としては、例えば、加速度センサや角速度センサを用いることが可能である。姿勢検出装置８によって筐体２のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の傾斜角度を検出することで、転動ロボット１の姿勢を制御可能としている。
なお、以下の説明において、図１におけるＢ矢視方向をＸ軸方向、Ａ矢視方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向として説明する場合がある。
【００２２】
（駆動部）
図４は、駆動部３の平面図である。
図２〜図４に示すように、駆動部３は、筐体２に対して回転可能に設けられているモータ支持フレーム９と、モータ支持フレーム９に固定されているメインモータ１０と、メインモータ１０の回転軸１１の一端に固定されたフライホイール１２と、モータ支持フレーム９に固定されモータ支持フレーム９を回転駆動させるサブモータ１３とを有している。
モータ支持フレーム９は、軸方向両端に設けられた支持軸１４，１５と、これら支持軸１４，１５に跨るように形成されたフレーム本体１６とで構成されている。
【００２３】
支持軸１４，１５は、同軸上に配置されており、筐体２の中心を挟んで対向する２つの角部７，７に固定されている。そして、２つの支持軸１４，１５に、フレーム本体１６の両端が回転自在に支持されている。すなわち、モータ支持フレーム９は、支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに回転するように構成されている。
ここで、筐体２の隣接する任意の二面に平行であって、かつ筐体２の中心を通る中心線をＬ１としたとき、各支持軸１４，１５は、軸線Ｃ１が中心線Ｌ１に対して所定角度だけ傾斜するように設けられている（詳細は後述する）。
【００２４】
フレーム本体１６は、メインモータ１０を固定するためのベースフレーム１７を有している。ベースフレーム１７は中空状に形成されており、周壁１７ａの一部に平坦に形成された台座面２３にメインモータ１０を固定するようになっている。
また、ベースフレーム１７の中空部２０には、メインモータ１０やサブモータ１３に電力を供給するためのバッテリ２１が設けられている。すなわち、メインモータ１０とバッテリ２１との間には、台座面２３が介装した状態になっている。
【００２５】
さらに、ベースフレーム１７の周壁１７ａには、２つの支持軸１４，１５のうちの一方の支持軸１５側の一側に、サブモータ１３と減速機構１８とが固定されている。そして、減速機構１８を介してベースフレーム１７の一側と一方の支持軸１５とが連結されている。
【００２６】
また、ベースフレーム１７の周壁１７ａには、他方の支持軸１４側の他側に、ステー１９の一端が固定されている。ステー１９は、ベースフレーム１７の台座面２３が軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜した状態となるように、ベースフレーム１７と他方の支持軸１４とを連結するためのものである。ステー１９の他端には、支持軸１４を回転自在に支持するための軸受け２２が設けられている。
【００２７】
メインモータ１０は、スタッドボルト２４を介してベースフレーム１７の台座面２３に固定されている。台座面２３が軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜しているので、メインモータ１０の回転軸１１の軸線Ｃ２は、軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜した状態になっている。また、メインモータ１０は、回転軸１１の軸線Ｃ２と軸線Ｃ１との交点が筐体２のほぼ中央に位置するように固定されている。
【００２８】
メインモータ１０のモータケース２５には、軸方向端面に複数の開口部２６が周方向に等間隔で形成されている。開口部２６は、モータケース２５内に空気を流通させるためのものであって、これにより不図示のステータに巻装されているコイル２７を冷却することができるようになっている。
【００２９】
メインモータ１０の回転軸１１の一端に固定されたフライホイール１２は、リング部材２８と、このリング部材２８と回転軸１１とを連結する三つ又状のハブ２９とで構成されている。ハブ２９の根元には、フィン３０が取り付けられている。フィン３０は、フライホイール１２の回転を利用してモータケース２５内に空気を流通させるためのものである。これにより、メインモータ１０のコイル２７の冷却が促進される。
【００３０】
メインモータ１０とベースフレーム１７の台座面２３との間には、制御基板３１が設けられている。制御基板３１は略円板状に形成されたものであって、メインモータ１０やサブモータ１３を駆動させるためのスイッチング素子（不図示）やこのスイッチング素子の駆動制御を行う制御回路などが実装されている。制御基板３１には、メインモータ１０のコイル２７の端末部６２が接続されている。
【００３１】
また、制御基板３１とケースフレーム４の内側に固定されている姿勢検出装置８とを電気的に接続するハーネス３２の長さは、メインモータ１０が軸線Ｃ１周りにほぼ一回転可能な長さに設定されている。このハーネス３２は、他方の支持軸１４にα巻きされた状態で配索されており、メインモータ１０の旋回時にハーネス３２が局部的に曲折されるのを防止するようになっている。なお、図３においては、駆動部３の構造を分かり易くするために制御基板３１を半分だけ図示し、残り半分の図示を省略している。
【００３２】
また、ベースフレーム１７の台座面２３とは中空部２０を挟んで反対側の面に、通信用基板６１が設けられている。この通信用基板６１に実装されている電子部品（不図示）により、不図示のコントローラから送信された信号に基づいて転動ロボット１を操作することができるようになっている。
【００３３】
（減速機構）
図５は、減速機構１８を一方から見た斜視図、図６は、減速機構１８を他方から見た斜視図である。
図４〜図６に示すように、ベースフレーム１７の一側と一方の支持軸１５とを連結する減速機構１８は、ベースフレーム１７に固定されたギヤハウジング３３を有している。ギヤハウジング３３は、ベースプレート３４を挟んでベースフレーム１７側に配置されている第一ハウジング３５と、支持軸１５側に配置された第二ハウジング３６とで構成されており、これらベースプレート３４、第一ハウジング３５、および第二ハウジング３６がボルト４０によって一体化されている。
【００３４】
第一ハウジング３５には、ウォームギヤ３７が取り付けられている。ウォームギヤ３７は、第一ハウジング３５に支持されている回転軸３８に回転自在に軸支されたウォームホイール３７ａと、このウォームホイール３７ａに噛合うウォーム軸３７ｂとで構成されている。ウォーム軸３７ｂには、サブモータ１３の回転軸（不図示）が連結されている。
ウォームホイール３７ａを軸支する回転軸３８は、第二ハウジング３６側に向かって突出しており、この突出した部位にピニオンギヤ３９が外嵌固定されている。このピニオンギヤ３９は、ウォームホイール３７ａと一体となって回転するようになっている。
【００３５】
ピニオンギヤ３９には、段付平歯車４１が噛合されている。段付平歯車４１は、第二ハウジング３６に支持されている回転軸４２に回転自在に軸支されたものであって、大径歯車４１ａと小径歯車４１ｂとで構成されている。そして、大径歯車４１ａがピニオンギヤ３９に噛合された状態になっている。
一方、小径歯車４１ｂには、固定歯車４３が噛合されている。固定歯車４３は、支持軸１５と一体化されている。支持軸１５は、第二ハウジング３６からケースフレーム４側（図４、図５、図６における下側）に突出した状態になっており、固定ブロック４４にボルト４５によって締結固定されている。
【００３６】
固定ブロック４４は、ケースフレーム４に支持軸１５を固定するためのものであって、軸固定部４６とフレーム固定部４７とが一体成形されたものである。軸固定部４６には、支持軸１５を圧入するための圧入孔６３が形成されている。また、軸固定部４６、フレーム固定部４７には、圧入孔６３に向かって両者を貫通形成されたボルト孔４８が設けられている。このボルト孔４８にボルト４５を挿入して支持軸１５に形成されている雌ネジ部（不図示）にボルト４５を螺入するようになっている。
【００３７】
さらに、フレーム固定部４７には、ケースフレーム４に対応する部位にスリット４９が形成されていると共に、スリット４９に交差する方向に沿ってボルト孔５０が形成されている。スリット４９にケースフレーム４を挿入し、ボルト孔５０を介してケースフレーム４に不図示のボルトを螺入することにより、ケースフレーム４に固定ブロック４４が締結固定される。これにより、ケースフレーム４に固定ブロック４４を介して支持軸１５が固定される。支持軸１５が固定されることにより、固定歯車４３も固定される。
【００３８】
一方、支持軸１５、および固定歯車４３は、第二ハウジング３６に対して回転自在に支持されている。この状態でサブモータ１３を駆動させると、ウォームギヤ３７を介してピニオンギヤ３９、および段付平歯車４１が回転する。
ここで、段付平歯車４１の小径歯車４１ｂに噛合されている固定歯車４３が支持軸１５と共に固定されているので、固定歯車４３の周囲を段付平歯車４１が旋回することになる。すなわち、ギヤハウジング３３が支持軸１５周りに旋回することになり、このギヤハウジング３３に固定されているサブモータ１３やベースフレーム１７などが支持軸１５周りに旋回することになる。
【００３９】
また、固定歯車４３には、ポテンショメータ５１の一方を構成する摺動子５２が取り付けられている。ポテンショメータ５１は、固定歯車４３の回転位置を検出するための回転位置検出装置である。摺動子５２は、固定歯車４３からこれと同軸上に第一ハウジング３５側に向かって突出するシャフト５５と、シャフト５５の固定歯車４３とは反対側端に一体成形された摺動子本体５６とで構成されている。
【００４０】
第一ハウジング３５の摺動子本体５６に対応する位置には、ポテンショメータ５１の他方を構成する抵抗体（不図示）が貼付されたプレート５４がボルト５３によって締結固定されている。そして、ギヤハウジング３３の回転に伴って、プレート５４の抵抗体（不図示）上を摺動子本体５６が摺動することによって、摺動子本体５６と抵抗体とが接触している範囲の抵抗値が変化するようになっている。
【００４１】
この抵抗値の変化は、プレート５４に設けられている端子５７に電力を供給することにより検出される。この検出された抵抗値は信号としてプレート５４上に設けられている制御基板５８に出力される。この制御基板５８に設けられた制御回路により、固定歯車４３の回転位置、つまり、ベースフレーム１７の回転位置が検出される。この検出結果に基づいてサブモータ１３の駆動制御が行われる。
【００４２】
このような構成のもと、転動ロボット１を転動させるにあたって、まず、サブモータ１３を駆動させてメインモータ１０を支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに所定角度旋回させる。その後、メインモータ１０を駆動させてフライホイール１２を回転させると、この回転により得られるトルクの反力によってメインモータ１０の回転方向とは逆方向のモーメントが筐体２に生じる。
この反作用のモーメントを転動ロボット１の重心と回転中心の位置関係、および転動ロボット１の重力によって発生するモーメントよりも大きく発生することにより、筐体２の着地面における回転軸１１と略平行な一辺（稜線部６）を回転中心として、メインモータ１０の回転の加速方向とは逆方向に向かって筐体２が転動する。
【００４３】
ここで、支持軸１４，１５、およびメインモータ１０の回転軸１１の傾斜角度は、サブモータ１３を駆動させてメインモータ１０を支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに旋回させたとき、回転軸１１がＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に沿うように、かつ筐体２の中心から所定の角部７に向かう方向に沿うように設定されている。これにより、転動ロボット１の姿勢に関わらず、全方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向）に転動ロボット１を転動させることができるようになっている。
【００４４】
すなわち、図２〜図４に示すように、軸線Ｃ１を任意の二面のうちの一方の面に投影させた形状と中心線Ｌ１との間の角度をθ１とし（図２参照）、軸線Ｃ１を任意の二面のうちの他方の面に投影させた形状と中心線Ｌ１との間の角度をθ２とし（図３参照）、軸線Ｃ１とメインモータ１０の回転軸１１の軸線Ｃ２との間の角度をθ３としたとき（図４参照）、角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、以下の数式（１）、数式（２）、および数式（３）を満たすように設定されている。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
さらに、角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、以下の数式（４）、数式（５）、および数式（６）を満たすように設定することが望ましい。
【００４９】
【数４】
【００５０】
【数５】
【００５１】
【数６】
【００５２】
数式（４）〜数式（６）を満たすように角度θ１〜θ３を設定することにより、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とほぼ平行な方向に向かせることができる共に、筐体２の中心から所定の角部７に向かう直線とほぼ平行な方向に向かせることができる。
【００５３】
図７〜図１１に基づいて、角度θ１〜θ３の設定方法について詳述する。
まず、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のみに回転軸１１を向かせる場合について説明する。
図７は、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向かせるためのモデル図、図８は、図７に基づいて軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２の傾斜角度を設定した場合のメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【００５４】
図７、図８に示すように、転動ロボット１が全方向に転動するためには、メインモータ１０の回転軸１１が、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸とほぼ平行になる必要がある。
ここで、メインモータ１０の旋回軸である軸線Ｃ１を、筐体２（立方体）の頂点（角部７）Ｈ−Ｂを結ぶ線と一致すれば、回転軸１１の軸線Ｃ２の軌跡（円）Ｓは、立方体Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの３点の角Ａ，Ｃ，Ｆを頂点とする正三角形ＡＣＦに内接する円になる。
【００５５】
このときの軸線Ｃ１と、軸線Ｃ２（Ｏ−Ｘ）、軸線Ｃ２（Ｏ−Ｙ）、または軸線Ｃ２（Ｏ−Ｚ）との間の角度θ’（∠ＢＯＸ、∠ＢＯＹ、または∠ＢＯＺ）は以下の数式（７）により求められる。
【００５６】
【数７】
【００５７】
この場合、回転軸１１は立方体が転動可能な方向であるＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸と同軸になり、最も少ない転動エネルギーで筐体２を転動させることができる。
【００５８】
続いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と、所定の角部７に回転軸１１を向かせる場合について説明する。
図９、図１０は、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部７に向かせるためのモデル図、図１１は、図９に基づいて軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２の傾斜角度を設定した場合のメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【００５９】
図９〜図１１に示すように、転動ロボット１を全方向に転動させることに加え、所定の角部７を中心にして転動させるためには、回転軸１１の軸線Ｃ２を筐体２の中心を挟んで対向する角部７，７同士（図９におけるＡ−Ｇ、Ｂ−Ｈ、Ｃ−Ｅ、またはＤ−Ｆ）を結ぶ直線に一致させることが望ましい。
しかしながら、前述の図７、図８に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のみに回転軸１１を向かせる構造の場合、回転軸１１の軸線Ｃ２を角部７，７同士を結ぶ直線に一致させることができない。
【００６０】
ここで、全ての角部７，７同士を結ぶ直線と軸線Ｃ２とを一致させることはできないので、所定の角部７，７同士を結ぶ直線と軸線Ｃ２とを一致させつつ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に沿う向きに軸線Ｃ２を移動させることができれば転動ロボット１を全方向に転動させることに加え、所定の角部７を中心にして転動させることが可能になる。転動ロボット１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に軸線Ｃ２が完全に向かない場合であっても、転動ロボット１の自重が作用し、着地面の一辺を中心にして転動する。
【００６１】
これらの条件を満たすためには、図９、図１０に示すように、まず、以下の数式（８）を満たす円を得る必要がある。
【００６２】
【数８】
【００６３】
そして、数式（８）を満たす円を得ることで、角Fに回転軸１１を向かせると共に、転動させるためのＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に生じるずれ（図９におけるｍｘ、ｍｙ、ｍｚ参照）を最小限にする軸線Ｃ２の軌跡（円）Ｓの条件を求める必要があり、以下の数式（９）、および数式（１０）により求めることができる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
【数１０】
【００６６】
線分ＯＬ上の任意の点の座標（ａ，ｂ，ｃ）は、
ａ＝ｂ＝ｃ
から求められる。
【００６７】
数式８、および数式９に基づいて、軸線Ｃ１の傾斜角度θ１，θ２、および軸線Ｃ２の軸線Ｃ１に対する傾斜角度θ３が数式１、数式２、および数式３に設定され、さらに数式４、数式５、数式６を満たすように角度θ１，θ２，θ３を設定することにより、所定の角部７に回転軸１１を向かせると共に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に生じるずれを最小限にすることができる。
【００６８】
なお、図７、図９に示す各頂点Ａ〜Ｈ、および筐体２の中心Ｏの座標は、以下の通りとする。
Ａ＝（１，−１，−１）、Ｂ＝（１，−１，１）、Ｃ＝（−１，−１，１）、Ｄ＝（−１，−１，−１）、Ｅ＝（１，１，−１）、Ｆ＝（１，１，１）、Ｇ＝（−１，１，１）、Ｈ＝（１，−１，１）、Ｏ＝（１，−１，−１）
【００６９】
図１２は、図１のＢ矢視におけるメインモータ１０の状態図であり、（ａ）は回転軸１１がＸ軸方向に向いている場合を示し、（ｂ）は回転軸１１がＹ軸方向に向いている場合を示し、（ｃ）は回転軸１１がＺ軸方向に向いている場合を示す。図１３はＢ矢視におけるメインモータ１０の状態図であり、回転軸１１が角部７方向に向いている場合を示す。
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、転動ロボット１は、回転軸１１が全軸方向に沿うように移動するので、筐体２の着地面に関わらず全方向に転動する。
また、図１３に示すように、転動ロボット１は、回転軸１１が角部７に向かって移動するので、所定の角部７（図１３における一点鎖線部参照）を着地点として筐体２を立たせることができる。
【００７０】
ここで、転動ロボット１は、転動動作だけでなく筐体２の稜線部６、および所定の角部７を着地させた状態でバランスを採ることも可能である。すなわち、筐体２の転動動作の途中でメインモータ１０を駆動させ、フライホイール１２の正／逆回転を繰り返し行う。このとき、筐体２に設けられている姿勢検出装置８により検出された筐体２の傾斜角度に基づいて、制御基板３１がフライホイール１２の正／逆回転を制御する。このように、メインモータ１０に生じるトルクの反力を利用し、筐体２の稜線部６、および所定の角部７を着地させた状態でバランスを採ることができる。
【００７１】
したがって、上述の実施形態によれば、筐体２に、メインモータ１０を旋回させる支持軸１４，１５の軸線Ｃ１が数式１、および数式２を満たすような角度θ１，θ２だけ傾斜した状態で回転自在に支持されていると共に、メインモータ１０の軸線Ｃ２が軸線Ｃ１に対して数式３を満たすように角度θ３だけ傾斜しているので、筐体２の所定の角部７近傍を中心にしてフライホイール１２をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向くように旋回させることができる。
このため、支持軸１４，１５の向きに関わらず、メインモータ１０のトルクの反力を筐体２の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動させるように作用させたり、所定の角部７を中心にして転動させるように作用させたりすることができる。よって、メインモータ１０を旋回させるための軸を支持軸１４，１５以外に別途設けることなく、筐体２自体を常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【００７２】
また、メインモータ１０を軸線Ｃ１周りに旋回駆動させるサブモータ１３を減速機構１８を介して支持軸１５に連結させている。そして、減速機構１８には、セルフロック機能を有するウォームギヤ３７が設けられている。このため、フライホイール１２が回転して転動ロボット１が転動した際、メインモータ１０の回転軸１１の方向を復元させようとして生じるジャイロモーメントによるサブモータ１３の逆転を阻止することができる。
【００７３】
さらに、支持軸１４，１５の間にフレーム本体１６を設け、このフレーム本体１６にメインモータ１０、サブモータ１３、減速機構１８、バッテリ２１などを取り付けている。そして、フレーム本体１６と一体となってメインモータ１０を軸線Ｃ１周りに旋回駆動させるように構成している。このため、筐体２のケースフレーム４に固定する部品を姿勢検出装置８など最小限に抑えることができる。よって、筐体２の重量バランスを向上させることができると共に、美観性を向上させることができる。
【００７４】
また、ベースフレーム１７を介して各モータ１０，１３とバッテリ２１とを一体化することにより、各モータ１０，１３に電力を供給するための配線を省略、または最小限に抑えることができる。さらに、配線として、姿勢検出装置８と制御基板３１とを電気的に接続するためのハーネス３２のみにすることができるので、ハーネス３２のレイアウトの自由度が高まる。
【００７５】
さらに、メインモータ１０とバッテリ２１との間に、台座面２３が介装した状態になっていることに加え、台座面２３にスタッドボルト２４を介してメインモータ１０が取り付けられている。このため、メインモータ１０の周囲に放熱空間を確保することができ、メインモータ１０の放熱性能を高めることができる。これに加え、メインモータ１０から発熱する熱がバッテリ２１に伝達されるのを抑制することができるので、バッテリ２１の熱による損傷を防止できる。
【００７６】
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、支持軸１４，１５の軸線Ｃ１の傾斜角度θ１，θ２を数式（１）、数式（２）を満たすように、望ましくは数式（４）、数式（５）を満たすように設定する場合について説明した。また、メインモータ１０の回転軸１１の傾斜角度θ３を数式（３）を満たすように、望ましくは数式（６）を満たすように設定した場合について説明した。
しかしながら、これに限られるものではなく、軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２が所定角度傾斜した状態で、筐体２の所定の角部７近傍を中心にしてフライホイール１２がＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向くように旋回するように構成されていればよい。このように構成されていれば、転動ロボット１を常に全方向に転動可能に構成することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ 転動ロボット
２ 筐体
３ 駆動部
４ ケースフレーム
９ モータ支持フレーム
１０ メインモータ
１１ 回転軸
１２ フライホイール
１３ サブモータ
１４，１５ 支持軸（モータ支持軸）
１６ フレーム本体
１７ ベースフレーム
１８ 減速機構
２１ バッテリ
２３ 台座面
３７ ウォームギヤ（ウォーム減速機構）
Ｃ１，Ｃ２ 軸線
Ｌ１ 直線
θ１〜θ３ 角度
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、立方体状の筐体内に収容されたモータを回転させて、モータのトルクの反力により筐体を転動させる、所謂転動ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この転動ロボットは、筐体内に、この筐体の任意の一面に沿うように延在するモータ支持軸が回転自在に設けられていると共に、このモータ支持軸にモータが取り付けられている。また、モータの回転軸は、モータ支持軸に略直交した状態になっており、一端側にフライホイールが設けられている。
【０００３】
そして、モータを急加速して回転させることで、この時生じるモータのトルクの反力を利用して着地面の一辺を中心にしてモータの回転の加速方向とは逆方向に向かって転動ロボットを転動させる。また、モータ支持軸を中心にしてモータを旋回させた後、モータを回転させることにより、着地面の他の一辺を中心にして転動ロボットを転動させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１２４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術にあっては、モータの回転軸が必ず筐体の一面に対して平行となるので、少ない転動エネルギーで転動ロボットを転動させることができるという点では優れているが、回転軸がモータ支持軸の延在方向に向くことができないので、モータ支持軸周りに転動ロボットを転動させることができない。すなわち、モータ支持軸が筐体の着地面に対して平行となる方向に向いているとき、転動方向が着地面の四辺のうち、二辺に限られてしまうという課題がある。
ここで、モータ支持軸をさらに一軸追加し、転動ロボットを常に全ての方向に転動可能に構成することも考えられるが、モータ支持軸を一軸追加する分、筐体内の構造が複雑化し、これに伴って転動ロボットが大型化してしまう。
【０００６】
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、構造の複雑化を抑制しつつ、常に全ての方向に転動させることができる転動ロボットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、立方体状の筐体と、前記筐体内に設けられたメインモータと、前記メインモータの回転軸の一端に固定されたフライホイールと、前記回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ前記筐体に対して前記メインモータを旋回可能に支持するモータ支持軸と、前記メインモータを前記モータ支持軸周りに旋回駆動させるサブモータとを備え、前記モータ支持軸は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられていることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、所定角度だけ傾斜したフライホイールを筐体の角部近傍を中心にして旋回させることができる。このため、モータ支持軸の向きに関わらず、モータのトルクの反力を筐体の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動可能に作用させることができる。よって、モータ支持軸を一軸追加することなく、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記モータ支持軸を前記二面のうちの一方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ１とし、前記モータ支持軸を前記二面のうちの他方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ２とし、前記回転軸と前記モータ支持軸との間の角度をθ３としたとき、これら角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、
４０°≦θ１≦５０°
１７．７°≦θ２≦２７．７°
５３°≦θ３≦６３°
を満たすように設定されていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成することで、隣接する３面に直交する方向（Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸座標におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向、以下、単にＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向という）と、筐体中心から所定の角に向かう方向とに沿うようにモータの回転軸を変位させることができる。このため、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることができると共に、所定の角を中心にして転動ロボットを転動させることが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、前記モータ支持軸にウォーム減速機構を介して前記サブモータを連結したことを特徴とする。
【００１２】
ここで、フライホイールが回転して転動ロボットが転動した際、モータの回転軸の方向を復元させようとしてジャイロモーメントが発生する。このジャイロモーメントにより、サブモータに逆転方向の力が作用する。しかしながら、ウォーム減速機構を介してモータ支持軸とサブモータとを連結しているので、ウォーム減速機構のセルフロック機能によって、サブモータの逆転を阻止することができる。
【００１３】
請求項４に記載した発明は、前記モータ支持軸の中央の大部分にベースフレームを設け、このベースフレームに前記メインモータ、前記サブモータ、および前記ウォーム減速機構を取り付けると共に、前記メインモータ、および前記サブモータを駆動させるためのバッテリを搭載し、これらメインモータ、サブモータ、ウォーム減速機構、およびバッテリが前記モータ支持軸周りに一体となって旋回するように構成したことを特徴とする。
【００１４】
このように構成することで、筐体に固定する部品を減少させることができ、筐体の重量バランスを向上させることができると共に、美観性を向上させることができる。また、モータ等に電力を供給したり、信号を入出力させたりするための配線のレイアウト性を高めることができる。
【００１５】
請求項５に記載した発明は、前記メインモータと前記バッテリとの間に、前記ベースフレームを介在させたことを特徴とする。
【００１６】
このように構成することで、モータの放熱性能を高め、モータから発熱する熱がバッテリに伝達されるのを抑制することができる。このため、バッテリの熱による損傷を防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、所定角度だけ傾斜したフライホイールを筐体の角部近傍を中心にして旋回させることができる。このため、モータ支持軸の向きに関わらず、モータのトルクの反力を筐体の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動可能に作用させることができる。よって、モータ支持軸を一軸追加することなく、転動ロボットを常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における転動ロボットの斜視図である。
【図２】図１のＡ矢視図である。
【図３】図１のＢ矢視図である。
【図４】本発明の実施形態における駆動部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態における減速機構を一方から見た斜視図である。
【図６】本発明の実施形態における減速機構を他方から見た斜視図である。
【図７】本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向かせるためのモデル図である。
【図８】本発明の実施形態におけるメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部に向かせるためのモデル図である。
【図１０】本発明の実施形態における本発明の実施形態における回転軸をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部に向かせるためのモデル図である。
【図１１】本発明の実施形態におけるメインモータの旋回軌跡を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施形態におけるメインモータの状態図であり、（ａ）は回転軸がＸ軸方向に向いている場合を示し、（ｂ）は回転軸がＹ軸方向に向いている場合を示し、（ｃ）は回転軸がＺ軸方向に向いている場合を示す。
【図１３】本発明の実施形態におけるメインモータの状態図であり、回転軸が角部方向に向いている場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（転動ロボット）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、転動ロボット１の斜視図、図２は、図１のＡ矢視図、図３は、図１のＢ矢視図である。
図１〜図３に示すように、転動ロボット１は、略立方体状の筐体２と、この筐体２内に設けられ、筐体２を転動させるための駆動部３を備えている。筐体２は、格子状のケースフレーム４を有しており、このケースフレーム４の上から不図示のカバーを取り付けるようになっている。
【００２０】
ケースフレーム４は、筐体２の６つの面を形成する平面部５と、各平面部５間に形成された稜線部６と、稜線部６間に形成され筐体２の角を形成する角部７とで構成されている。稜線部６、および角部７を構成する部位のケースフレーム４は、平面視円弧状に湾曲形成されており、これによって転動ロボット１の転動動作を行い易くしている。
【００２１】
また、ケースフレーム４の内側には、転動ロボット１の姿勢状態を検出するための姿勢検出装置８が取り付けられている。姿勢検出装置８としては、例えば、加速度センサや角速度センサを用いることが可能である。姿勢検出装置８によって筐体２のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の傾斜角度を検出することで、転動ロボット１の姿勢を制御可能としている。
なお、以下の説明において、図１におけるＢ矢視方向をＸ軸方向、Ａ矢視方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向として説明する場合がある。
【００２２】
（駆動部）
図４は、駆動部３の平面図である。
図２〜図４に示すように、駆動部３は、筐体２に対して回転可能に設けられているモータ支持フレーム９と、モータ支持フレーム９に固定されているメインモータ１０と、メインモータ１０の回転軸１１の一端に固定されたフライホイール１２と、モータ支持フレーム９に固定されモータ支持フレーム９を回転駆動させるサブモータ１３とを有している。
モータ支持フレーム９は、軸方向両端に設けられた支持軸１４，１５と、これら支持軸１４，１５に跨るように形成されたフレーム本体１６とで構成されている。
【００２３】
支持軸１４，１５は、同軸上に配置されており、筐体２の中心を挟んで対向する２つの角部７，７に固定されている。そして、２つの支持軸１４，１５に、フレーム本体１６の両端が回転自在に支持されている。すなわち、モータ支持フレーム９は、支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに回転するように構成されている。
ここで、筐体２の隣接する任意の二面に平行であって、かつ筐体２の中心を通る中心線をＬ１としたとき、各支持軸１４，１５は、軸線Ｃ１が中心線Ｌ１に対して所定角度だけ傾斜するように設けられている（詳細は後述する）。
【００２４】
フレーム本体１６は、メインモータ１０を固定するためのベースフレーム１７を有している。ベースフレーム１７は中空状に形成されており、周壁１７ａの一部に平坦に形成された台座面２３にメインモータ１０を固定するようになっている。
また、ベースフレーム１７の中空部２０には、メインモータ１０やサブモータ１３に電力を供給するためのバッテリ２１が設けられている。すなわち、メインモータ１０とバッテリ２１との間には、台座面２３が介装した状態になっている。
【００２５】
さらに、ベースフレーム１７の周壁１７ａには、２つの支持軸１４，１５のうちの一方の支持軸１５側の一側に、サブモータ１３と減速機構１８とが固定されている。そして、減速機構１８を介してベースフレーム１７の一側と一方の支持軸１５とが連結されている。
【００２６】
また、ベースフレーム１７の周壁１７ａには、他方の支持軸１４側の他側に、ステー１９の一端が固定されている。ステー１９は、ベースフレーム１７の台座面２３が軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜した状態となるように、ベースフレーム１７と他方の支持軸１４とを連結するためのものである。ステー１９の他端には、支持軸１４を回転自在に支持するための軸受け２２が設けられている。
【００２７】
メインモータ１０は、スタッドボルト２４を介してベースフレーム１７の台座面２３に固定されている。台座面２３が軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜しているので、メインモータ１０の回転軸１１の軸線Ｃ２は、軸線Ｃ１に対して所定角度だけ傾斜した状態になっている。また、メインモータ１０は、回転軸１１の軸線Ｃ２と軸線Ｃ１との交点が筐体２のほぼ中央に位置するように固定されている。
【００２８】
メインモータ１０のモータケース２５には、軸方向端面に複数の開口部２６が周方向に等間隔で形成されている。開口部２６は、モータケース２５内に空気を流通させるためのものであって、これにより不図示のステータに巻装されているコイル２７を冷却することができるようになっている。
【００２９】
メインモータ１０の回転軸１１の一端に固定されたフライホイール１２は、リング部材２８と、このリング部材２８と回転軸１１とを連結する三つ又状のハブ２９とで構成されている。ハブ２９の根元には、フィン３０が取り付けられている。フィン３０は、フライホイール１２の回転を利用してモータケース２５内に空気を流通させるためのものである。これにより、メインモータ１０のコイル２７の冷却が促進される。
【００３０】
メインモータ１０とベースフレーム１７の台座面２３との間には、制御基板３１が設けられている。制御基板３１は略円板状に形成されたものであって、メインモータ１０やサブモータ１３を駆動させるためのスイッチング素子（不図示）やこのスイッチング素子の駆動制御を行う制御回路などが実装されている。制御基板３１には、メインモータ１０のコイル２７の端末部６２が接続されている。
【００３１】
また、制御基板３１とケースフレーム４の内側に固定されている姿勢検出装置８とを電気的に接続するハーネス３２の長さは、メインモータ１０が軸線Ｃ１周りにほぼ一回転可能な長さに設定されている。このハーネス３２は、他方の支持軸１４にα巻きされた状態で配索されており、メインモータ１０の旋回時にハーネス３２が局部的に曲折されるのを防止するようになっている。なお、図３においては、駆動部３の構造を分かり易くするために制御基板３１を半分だけ図示し、残り半分の図示を省略している。
【００３２】
また、ベースフレーム１７の台座面２３とは中空部２０を挟んで反対側の面に、通信用基板６１が設けられている。この通信用基板６１に実装されている電子部品（不図示）により、不図示のコントローラから送信された信号に基づいて転動ロボット１を操作することができるようになっている。
【００３３】
（減速機構）
図５は、減速機構１８を一方から見た斜視図、図６は、減速機構１８を他方から見た斜視図である。
図４〜図６に示すように、ベースフレーム１７の一側と一方の支持軸１５とを連結する減速機構１８は、ベースフレーム１７に固定されたギヤハウジング３３を有している。ギヤハウジング３３は、ベースプレート３４を挟んでベースフレーム１７側に配置されている第一ハウジング３５と、支持軸１５側に配置された第二ハウジング３６とで構成されており、これらベースプレート３４、第一ハウジング３５、および第二ハウジング３６がボルト４０によって一体化されている。
【００３４】
第一ハウジング３５には、ウォームギヤ３７が取り付けられている。ウォームギヤ３７は、第一ハウジング３５に支持されている回転軸３８に回転自在に軸支されたウォームホイール３７ａと、このウォームホイール３７ａに噛合うウォーム軸３７ｂとで構成されている。ウォーム軸３７ｂには、サブモータ１３の回転軸（不図示）が連結されている。
ウォームホイール３７ａを軸支する回転軸３８は、第二ハウジング３６側に向かって突出しており、この突出した部位にピニオンギヤ３９が外嵌固定されている。このピニオンギヤ３９は、ウォームホイール３７ａと一体となって回転するようになっている。
【００３５】
ピニオンギヤ３９には、段付平歯車４１が噛合されている。段付平歯車４１は、第二ハウジング３６に支持されている回転軸４２に回転自在に軸支されたものであって、大径歯車４１ａと小径歯車４１ｂとで構成されている。そして、大径歯車４１ａがピニオンギヤ３９に噛合された状態になっている。
一方、小径歯車４１ｂには、固定歯車４３が噛合されている。固定歯車４３は、支持軸１５と一体化されている。支持軸１５は、第二ハウジング３６からケースフレーム４側（図４、図５、図６における下側）に突出した状態になっており、固定ブロック４４にボルト４５によって締結固定されている。
【００３６】
固定ブロック４４は、ケースフレーム４に支持軸１５を固定するためのものであって、軸固定部４６とフレーム固定部４７とが一体成形されたものである。軸固定部４６には、支持軸１５を圧入するための圧入孔６３が形成されている。また、軸固定部４６、フレーム固定部４７には、圧入孔６３に向かって両者を貫通形成されたボルト孔４８が設けられている。このボルト孔４８にボルト４５を挿入して支持軸１５に形成されている雌ネジ部（不図示）にボルト４５を螺入するようになっている。
【００３７】
さらに、フレーム固定部４７には、ケースフレーム４に対応する部位にスリット４９が形成されていると共に、スリット４９に交差する方向に沿ってボルト孔５０が形成されている。スリット４９にケースフレーム４を挿入し、ボルト孔５０を介してケースフレーム４に不図示のボルトを螺入することにより、ケースフレーム４に固定ブロック４４が締結固定される。これにより、ケースフレーム４に固定ブロック４４を介して支持軸１５が固定される。支持軸１５が固定されることにより、固定歯車４３も固定される。
【００３８】
一方、支持軸１５、および固定歯車４３は、第二ハウジング３６に対して回転自在に支持されている。この状態でサブモータ１３を駆動させると、ウォームギヤ３７を介してピニオンギヤ３９、および段付平歯車４１が回転する。
ここで、段付平歯車４１の小径歯車４１ｂに噛合されている固定歯車４３が支持軸１５と共に固定されているので、固定歯車４３の周囲を段付平歯車４１が旋回することになる。すなわち、ギヤハウジング３３が支持軸１５周りに旋回することになり、このギヤハウジング３３に固定されているサブモータ１３やベースフレーム１７などが支持軸１５周りに旋回することになる。
【００３９】
また、固定歯車４３には、ポテンショメータ５１の一方を構成する摺動子５２が取り付けられている。ポテンショメータ５１は、固定歯車４３の回転位置を検出するための回転位置検出装置である。摺動子５２は、固定歯車４３からこれと同軸上に第一ハウジング３５側に向かって突出するシャフト５５と、シャフト５５の固定歯車４３とは反対側端に一体成形された摺動子本体５６とで構成されている。
【００４０】
第一ハウジング３５の摺動子本体５６に対応する位置には、ポテンショメータ５１の他方を構成する抵抗体（不図示）が貼付されたプレート５４がボルト５３によって締結固定されている。そして、ギヤハウジング３３の回転に伴って、プレート５４の抵抗体（不図示）上を摺動子本体５６が摺動することによって、摺動子本体５６と抵抗体とが接触している範囲の抵抗値が変化するようになっている。
【００４１】
この抵抗値の変化は、プレート５４に設けられている端子５７に電力を供給することにより検出される。この検出された抵抗値は信号としてプレート５４上に設けられている制御基板５８に出力される。この制御基板５８に設けられた制御回路により、固定歯車４３の回転位置、つまり、ベースフレーム１７の回転位置が検出される。この検出結果に基づいてサブモータ１３の駆動制御が行われる。
【００４２】
このような構成のもと、転動ロボット１を転動させるにあたって、まず、サブモータ１３を駆動させてメインモータ１０を支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに所定角度旋回させる。その後、メインモータ１０を駆動させてフライホイール１２を回転させると、この回転により得られるトルクの反力によってメインモータ１０の回転方向とは逆方向のモーメントが筐体２に生じる。
この反作用のモーメントを転動ロボット１の重心と回転中心の位置関係、および転動ロボット１の重力によって発生するモーメントよりも大きく発生することにより、筐体２の着地面における回転軸１１と略平行な一辺（稜線部６）を回転中心として、メインモータ１０の回転の加速方向とは逆方向に向かって筐体２が転動する。
【００４３】
ここで、支持軸１４，１５、およびメインモータ１０の回転軸１１の傾斜角度は、サブモータ１３を駆動させてメインモータ１０を支持軸１４，１５の軸線Ｃ１周りに旋回させたとき、回転軸１１がＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に沿うように、かつ筐体２の中心から所定の角部７に向かう方向に沿うように設定されている。これにより、転動ロボット１の姿勢に関わらず、全方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向）に転動ロボット１を転動させることができるようになっている。
【００４４】
すなわち、図２〜図４に示すように、軸線Ｃ１を任意の二面のうちの一方の面に投影させた形状と中心線Ｌ１との間の角度をθ１とし（図２参照）、軸線Ｃ１を任意の二面のうちの他方の面に投影させた形状と中心線Ｌ１との間の角度をθ２とし（図３参照）、軸線Ｃ１とメインモータ１０の回転軸１１の軸線Ｃ２との間の角度をθ３としたとき（図４参照）、角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、以下の数式（１）、数式（２）、および数式（３）を満たすように設定されている。
【００４５】
【数１】
【００４６】
【数２】
【００４７】
【数３】
【００４８】
さらに、角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、以下の数式（４）、数式（５）、および数式（６）を満たすように設定することが望ましい。
【００４９】
【数４】
【００５０】
【数５】
【００５１】
【数６】
【００５２】
数式（４）〜数式（６）を満たすように角度θ１〜θ３を設定することにより、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向とほぼ平行な方向に向かせることができる共に、筐体２の中心から所定の角部７に向かう直線とほぼ平行な方向に向かせることができる。
【００５３】
図７〜図１１に基づいて、角度θ１〜θ３の設定方法について詳述する。
まず、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のみに回転軸１１を向かせる場合について説明する。
図７は、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向かせるためのモデル図、図８は、図７に基づいて軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２の傾斜角度を設定した場合のメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【００５４】
図７、図８に示すように、転動ロボット１が全方向に転動するためには、メインモータ１０の回転軸１１が、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸とほぼ平行になる必要がある。
ここで、メインモータ１０の旋回軸である軸線Ｃ１を、筐体２（立方体）の頂点（角部７）Ｈ−Ｂを結ぶ線と一致すれば、回転軸１１の軸線Ｃ２の軌跡（円）Ｓは、立方体Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈの３点の角Ａ，Ｃ，Ｆを頂点とする正三角形ＡＣＦに内接する円になる。
【００５５】
このときの軸線Ｃ１と、軸線Ｃ２（Ｏ−Ｘ）、軸線Ｃ２（Ｏ−Ｙ）、または軸線Ｃ２（Ｏ−Ｚ）との間の角度θ’（∠ＢＯＸ、∠ＢＯＹ、または∠ＢＯＺ）は以下の数式（７）により求められる。
【００５６】
【数７】
【００５７】
この場合、回転軸１１は立方体が転動可能な方向であるＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸と同軸になり、最も少ない転動エネルギーで筐体２を転動させることができる。
【００５８】
続いて、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と、所定の角部７に回転軸１１を向かせる場合について説明する。
図９、図１０は、回転軸１１をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向と所定の角部７に向かせるためのモデル図、図１１は、図９に基づいて軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２の傾斜角度を設定した場合のメインモータ１０の旋回軌跡を示す説明図である。
【００５９】
図９〜図１１に示すように、転動ロボット１を全方向に転動させることに加え、所定の角部７を中心にして転動させるためには、回転軸１１の軸線Ｃ２を筐体２の中心を挟んで対向する角部７，７同士（図９におけるＡ−Ｇ、Ｂ−Ｈ、Ｃ−Ｅ、またはＤ−Ｆ）を結ぶ直線に一致させることが望ましい。
しかしながら、前述の図７、図８に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のみに回転軸１１を向かせる構造の場合、回転軸１１の軸線Ｃ２を角部７，７同士を結ぶ直線に一致させることができない。
【００６０】
ここで、全ての角部７，７同士を結ぶ直線と軸線Ｃ２とを一致させることはできないので、所定の角部７，７同士を結ぶ直線と軸線Ｃ２とを一致させつつ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に沿う向きに軸線Ｃ２を移動させることができれば転動ロボット１を全方向に転動させることに加え、所定の角部７を中心にして転動させることが可能になる。転動ロボット１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に軸線Ｃ２が完全に向かない場合であっても、転動ロボット１の自重が作用し、着地面の一辺を中心にして転動する。
【００６１】
これらの条件を満たすためには、図９、図１０に示すように、まず、以下の数式（８）を満たす円を得る必要がある。
【００６２】
【数８】
【００６３】
そして、数式（８）を満たす円を得ることで、角Fに回転軸１１を向かせると共に、転動させるためのＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に生じるずれ（図９におけるｍｘ、ｍｙ、ｍｚ参照）を最小限にする軸線Ｃ２の軌跡（円）Ｓの条件を求める必要があり、以下の数式（９）、および数式（１０）により求めることができる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
【数１０】
【００６６】
線分ＯＬ上の任意の点の座標（ａ，ｂ，ｃ）は、
ａ＝ｂ＝ｃ
から求められる。
【００６７】
数式８、および数式９に基づいて、軸線Ｃ１の傾斜角度θ１，θ２、および軸線Ｃ２の軸線Ｃ１に対する傾斜角度θ３が数式１、数式２、および数式３に設定され、さらに数式４、数式５、数式６を満たすように角度θ１，θ２，θ３を設定することにより、所定の角部７に回転軸１１を向かせると共に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に生じるずれを最小限にすることができる。
【００６８】
なお、図７、図９に示す各頂点Ａ〜Ｈ、および筐体２の中心Ｏの座標は、以下の通りとする。
Ａ＝（１，−１，−１）、Ｂ＝（１，−１，１）、Ｃ＝（−１，−１，１）、Ｄ＝（−１，−１，−１）、Ｅ＝（１，１，−１）、Ｆ＝（１，１，１）、Ｇ＝（−１，１，１）、Ｈ＝（１，−１，１）、Ｏ＝（１，−１，−１）
【００６９】
図１２は、図１のＢ矢視におけるメインモータ１０の状態図であり、（ａ）は回転軸１１がＸ軸方向に向いている場合を示し、（ｂ）は回転軸１１がＹ軸方向に向いている場合を示し、（ｃ）は回転軸１１がＺ軸方向に向いている場合を示す。図１３はＢ矢視におけるメインモータ１０の状態図であり、回転軸１１が角部７方向に向いている場合を示す。
図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、転動ロボット１は、回転軸１１が全軸方向に沿うように移動するので、筐体２の着地面に関わらず全方向に転動する。
また、図１３に示すように、転動ロボット１は、回転軸１１が角部７に向かって移動するので、所定の角部７（図１３における一点鎖線部参照）を着地点として筐体２を立たせることができる。
【００７０】
ここで、転動ロボット１は、転動動作だけでなく筐体２の稜線部６、および所定の角部７を着地させた状態でバランスを採ることも可能である。すなわち、筐体２の転動動作の途中でメインモータ１０を駆動させ、フライホイール１２の正／逆回転を繰り返し行う。このとき、筐体２に設けられている姿勢検出装置８により検出された筐体２の傾斜角度に基づいて、制御基板３１がフライホイール１２の正／逆回転を制御する。このように、メインモータ１０に生じるトルクの反力を利用し、筐体２の稜線部６、および所定の角部７を着地させた状態でバランスを採ることができる。
【００７１】
したがって、上述の実施形態によれば、筐体２に、メインモータ１０を旋回させる支持軸１４，１５の軸線Ｃ１が数式１、および数式２を満たすような角度θ１，θ２だけ傾斜した状態で回転自在に支持されていると共に、メインモータ１０の軸線Ｃ２が軸線Ｃ１に対して数式３を満たすように角度θ３だけ傾斜しているので、筐体２の所定の角部７近傍を中心にしてフライホイール１２をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向くように旋回させることができる。
このため、支持軸１４，１５の向きに関わらず、メインモータ１０のトルクの反力を筐体２の着地面の四辺のうち任意の一辺を中心にして転動させるように作用させたり、所定の角部７を中心にして転動させるように作用させたりすることができる。よって、メインモータ１０を旋回させるための軸を支持軸１４，１５以外に別途設けることなく、筐体２自体を常に全ての方向に転動させることが可能になる。
【００７２】
また、メインモータ１０を軸線Ｃ１周りに旋回駆動させるサブモータ１３を減速機構１８を介して支持軸１５に連結させている。そして、減速機構１８には、セルフロック機能を有するウォームギヤ３７が設けられている。このため、フライホイール１２が回転して転動ロボット１が転動した際、メインモータ１０の回転軸１１の方向を復元させようとして生じるジャイロモーメントによるサブモータ１３の逆転を阻止することができる。
【００７３】
さらに、支持軸１４，１５の間にフレーム本体１６を設け、このフレーム本体１６にメインモータ１０、サブモータ１３、減速機構１８、バッテリ２１などを取り付けている。そして、フレーム本体１６と一体となってメインモータ１０を軸線Ｃ１周りに旋回駆動させるように構成している。このため、筐体２のケースフレーム４に固定する部品を姿勢検出装置８など最小限に抑えることができる。よって、筐体２の重量バランスを向上させることができると共に、美観性を向上させることができる。
【００７４】
また、ベースフレーム１７を介して各モータ１０，１３とバッテリ２１とを一体化することにより、各モータ１０，１３に電力を供給するための配線を省略、または最小限に抑えることができる。さらに、配線として、姿勢検出装置８と制御基板３１とを電気的に接続するためのハーネス３２のみにすることができるので、ハーネス３２のレイアウトの自由度が高まる。
【００７５】
さらに、メインモータ１０とバッテリ２１との間に、台座面２３が介装した状態になっていることに加え、台座面２３にスタッドボルト２４を介してメインモータ１０が取り付けられている。このため、メインモータ１０の周囲に放熱空間を確保することができ、メインモータ１０の放熱性能を高めることができる。これに加え、メインモータ１０から発熱する熱がバッテリ２１に伝達されるのを抑制することができるので、バッテリ２１の熱による損傷を防止できる。
【００７６】
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、支持軸１４，１５の軸線Ｃ１の傾斜角度θ１，θ２を数式（１）、数式（２）を満たすように、望ましくは数式（４）、数式（５）を満たすように設定する場合について説明した。また、メインモータ１０の回転軸１１の傾斜角度θ３を数式（３）を満たすように、望ましくは数式（６）を満たすように設定した場合について説明した。
しかしながら、これに限られるものではなく、軸線Ｃ１、および軸線Ｃ２が所定角度傾斜した状態で、筐体２の所定の角部７近傍を中心にしてフライホイール１２がＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に向くように旋回するように構成されていればよい。このように構成されていれば、転動ロボット１を常に全方向に転動可能に構成することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ 転動ロボット
２ 筐体
３ 駆動部
４ ケースフレーム
９ モータ支持フレーム
１０ メインモータ
１１ 回転軸
１２ フライホイール
１３ サブモータ
１４，１５ 支持軸（モータ支持軸）
１６ フレーム本体
１７ ベースフレーム
１８ 減速機構
２１ バッテリ
２３ 台座面
３７ ウォームギヤ（ウォーム減速機構）
Ｃ１，Ｃ２ 軸線
Ｌ１ 直線
θ１〜θ３ 角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方体状の筐体と、
前記筐体内に設けられたメインモータと、
前記メインモータの回転軸の一端に固定されたフライホイールと、
前記回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ前記筐体に対して前記メインモータを旋回可能に支持するモータ支持軸と、
前記メインモータを前記モータ支持軸周りに旋回駆動させるサブモータとを備え、
前記モータ支持軸は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられていることを特徴とする転動ロボット。
【請求項２】
前記モータ支持軸を前記二面のうちの一方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ１とし、
前記モータ支持軸を前記二面のうちの他方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ２とし、
前記回転軸と前記モータ支持軸との間の角度をθ３としたとき、
これら角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、
４０°≦θ１≦５０°
１７．７°≦θ２≦２７．７°
５３°≦θ３≦６３°
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
【請求項３】
前記モータ支持軸にウォーム減速機構を介して前記サブモータを連結したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転動ロボット。
【請求項４】
前記モータ支持軸の中央の大部分にベースフレームを設け、
このベースフレームに前記メインモータ、前記サブモータ、および前記ウォーム減速機構を取り付けると共に、前記メインモータ、および前記サブモータを駆動させるためのバッテリを搭載し、
これらメインモータ、サブモータ、ウォーム減速機構、およびバッテリが前記モータ支持軸周りに一体となって旋回するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の転動ロボット。
【請求項５】
前記メインモータと前記バッテリとの間に、前記ベースフレームを介在させたことを特徴とする請求項４に記載の転動ロボット。
【請求項１】
立方体状の筐体と、
前記筐体内に設けられたメインモータと、
前記メインモータの回転軸の一端に固定されたフライホイールと、
前記回転軸に対して鋭角に交差する方向に沿って延在し、かつ前記筐体に対して前記メインモータを旋回可能に支持するモータ支持軸と、
前記メインモータを前記モータ支持軸周りに旋回駆動させるサブモータとを備え、
前記モータ支持軸は、互いに隣接する任意の二面に投影させた形状がこの二面に平行な直線に対して傾斜した状態となるように設けられていることを特徴とする転動ロボット。
【請求項２】
前記モータ支持軸を前記二面のうちの一方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ１とし、
前記モータ支持軸を前記二面のうちの他方の面に投影させた形状と前記直線との間の角度をθ２とし、
前記回転軸と前記モータ支持軸との間の角度をθ３としたとき、
これら角度θ１、角度θ２、および角度θ３は、
４０°≦θ１≦５０°
１７．７°≦θ２≦２７．７°
５３°≦θ３≦６３°
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の転動ロボット。
【請求項３】
前記モータ支持軸にウォーム減速機構を介して前記サブモータを連結したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の転動ロボット。
【請求項４】
前記モータ支持軸の中央の大部分にベースフレームを設け、
このベースフレームに前記メインモータ、前記サブモータ、および前記ウォーム減速機構を取り付けると共に、前記メインモータ、および前記サブモータを駆動させるためのバッテリを搭載し、
これらメインモータ、サブモータ、ウォーム減速機構、およびバッテリが前記モータ支持軸周りに一体となって旋回するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の転動ロボット。
【請求項５】
前記メインモータと前記バッテリとの間に、前記ベースフレームを介在させたことを特徴とする請求項４に記載の転動ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−８３５４１（Ｐ２０１１−８３５４１Ａ）
【公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４０５３０（Ｐ２００９−２４０５３０）
【出願日】平成２１年１０月１９日（２００９．１０．１９）
【出願人】（０００１４４０２７）株式会社ミツバ (2,083)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月１９日（２００９．１０．１９）
【出願人】（０００１４４０２７）株式会社ミツバ (2,083)
【Ｆターム（参考）】
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