特許 7558562 球体駆動式移動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(54)【発明の名称】球体駆動式移動装置

(51)【国際特許分類】

   B60B 19/14 20060101AFI20240924BHJP

   B62D 15/00 20060101ALI20240924BHJP

   A61G 5/04 20130101ALI20240924BHJP

   B65G 1/00 20060101ALI20240924BHJP

【ＦＩ】

B60B19/14

B62D15/00

A61G5/04 701

A61G5/04 710

B65G1/00 501C

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020558261

(86)(22)【出願日】2019-11-07

(86)【国際出願番号】 JP2019043715

(87)【国際公開番号】W WO2020110651

(87)【国際公開日】2020-06-04

【審査請求日】2022-10-04

(31)【優先権主張番号】P 2018222165

(32)【優先日】2018-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019131032

(32)【優先日】2019-07-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100104880

【弁理士】

【氏名又は名称】古部 次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100185317

【弁理士】

【氏名又は名称】石井 琢哉

(74)【代理人】

【識別番号】100120086

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼津 一也

(74)【代理人】

【識別番号】100090697

【弁理士】

【氏名又は名称】中前 富士男

(74)【代理人】

【識別番号】100176142

【弁理士】

【氏名又は名称】清井 洋平

(72)【発明者】

【氏名】宮本 弘之

(72)【発明者】

【氏名】松本 祥樹

【審査官】神田 泰貴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０３０３６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０２４１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２００９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１７０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２６３３７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０９７９５８６３（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６２Ｄ １５／００

Ｂ６０Ｂ １９／１４

Ｂ６０Ｂ ３３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれ走行面上を転動するｎ個の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させるｎ個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、
前記各駆動球体の中心は、該各駆動球体の中心より高い位置に底面が配され該底面から離れた頂点が該各駆動球体の中心より低い位置に配された仮想逆ｎ角錐の各側辺上に位置し、
該駆動球体の中心が配されている２つの前記側辺を外縁の一部とする前記仮想逆ｎ角錐の側面を対応側面としたとき、前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で、かつ、前記仮想逆ｎ角錐の内側又は前記対応側面上で、該駆動球体に接触し、しかも、該対応側面に対し垂直な回転軸を中心に回転駆動し、前記各回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重及び前記ベース部材の上に載せられた物体の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記ベース部材に支持されている、ことを特徴とする球体駆動式移動装置。
但し、ｎは３以上の整数である。

【請求項2】

請求項１記載の球体駆動式移動装置であって、前記駆動球体と前記回転体との接点及び該駆動球体の中心を通る各仮想直線Ｊは、該駆動球体の中心が位置する前記側辺に対し直交することを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項3】

請求項１記載の球体駆動式移動装置であって、前記各回転体は、円錐台状であって側面が前記駆動球体に接触し、該駆動球体と該回転体の側面との接点及び該駆動球体の中心を通る仮想直線Ｊは該回転体の側面に垂直に交わることを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の球体駆動式移動装置であって、前記仮想逆ｎ角錐の各側面は、該側面の外縁の一部をなす２つの前記側辺にそれぞれ中心が配された２つの前記駆動球体間にある前記回転体と一方の該駆動球体との接点及び該回転体と他方の該駆動球体との接点を通る仮想直線Ｋに対し平行であることを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の球体駆動式移動装置であって、前記仮想逆ｎ角錐の底面は等角多角形であることを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の球体駆動式移動装置であって、前記各駆動球体は同じ大きさであり、前記各回転体は、同一の大きさの円錐台状であり、側面が同一高さで前記駆動球体に接していることを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項7】

それぞれ走行面上を転動する複数の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させる３個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、
前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で該駆動球体に接触して、前記３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪がベース部材に支持されている、ことを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項8】

それぞれ走行面上を転動する複数の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させる３個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、
前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で該駆動球体に接触して、前記３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重及び前記ベース部材の上に載せられた物体の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪がベース部材に支持されている、ことを特徴とする球体駆動式移動装置。

【請求項9】

請求項７又は８記載の球体駆動式移動装置であって、前記ベース部材には、前記回転体を回転駆動させるモータが取り付けられ、前記回転体は、円錐台状であって、側面が前記駆動球体に接触することを特徴とする球体駆動式移動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、球体を回転駆動させて全方向に移動可能な球体駆動式移動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

３つの球体及び球体に回転力を与える３つの駆動手段（駆動用モータ）を有する移動装置（特許文献１参照）は、全方向に移動できることから、電動車いすや自走式台車等に使用するのが有効である。特許文献１の移動装置は、１つの球体に対し、それぞれ駆動手段の駆動により回転駆動する２つのロータが異なる方向から接している。当該移動装置では、ロータと球体が球体の中心と同じ高さ位置で接触しており、球体をロータに対して押し付けるアイドラ（車輪型キャスター）が設けられている。ロータが空回りすると、移動装置が所望の方向に進まなくなるため、移動装置の安定的な走行にはロータを球体に押し付けた状態を維持することが重要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－３０３６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の移動装置では、稀にロータが球体に非接触な状態になることがあった。移動装置を電動車いすに用いる等、使用者が移動装置を操縦する場合、使用者自身で移動方向の修正を行うことは容易であるが、移動装置を自走式台車に用いる場合等、移動装置の操縦者がいないシステムでは移動装置の移動方向を修正できず、移動装置が予定通りに走行できないという問題が生じる。
ロータの空回りを抑制する方法として、ロータを弾性力の異なる素材からなる多層構造にすることが考えられるが、その場合、ロータの耐久性が低下してロータの摩耗が顕著になるという別の問題が招来する。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、球体に接触した状態で回転駆動する回転体が空回りするのを抑制可能な球体駆動式移動装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記目的に沿う第１の発明に係る球体駆動式移動装置は、それぞれ走行面上を転動するｎ個の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させるｎ個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、前記各駆動球体の中心は、該各駆動球体の中心より高い位置に底面が配され該底面から離れた頂点が該各駆動球体の中心より低い位置に配された仮想逆ｎ角錐の各側辺上に位置し、該駆動球体の中心が配されている２つの前記側辺を外縁の一部とする前記仮想逆ｎ角錐の側面を対応側面としたとき、前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で、かつ、前記仮想逆ｎ角錐の内側又は前記対応側面上で、該駆動球体に接触し、しかも、該対応側面に対し垂直な回転軸を中心に回転駆動し、前記各回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重及び前記ベース部材の上に載せられた物体の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記ベース部材に支持されている。但し、ｎは３以上の整数である。

【0006】

前記目的に沿う第２の発明に係る球体駆動式移動装置は、それぞれ走行面上を転動する複数の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させる３個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で該駆動球体に接触して、前記３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪がベース部材に支持されている。

【0007】

前記目的に沿う第３の発明に係る球体駆動式移動装置は、それぞれ走行面上を転動する複数の駆動球体と、前記各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して該駆動球体を回転させる３個以上の回転体と、前記駆動球体と接触するボールキャスタ又はフリーローラ式車輪を具備し、前記走行面上を移動する球体駆動式移動装置であって、前記各回転体は、接している前記駆動球体の中心より高い位置で該駆動球体に接触して、前記３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重及び前記ベース部材の上に載せられた物体の自重で、前記駆動球体に押し付けられ、前記駆動球体からみて前記各回転体がある側とは反対側で前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪が前記駆動球体に当接するように、前記ボールキャスタ又は前記フリーローラ式車輪がベース部材に支持されている。

【発明の効果】

【0008】

第１の発明に係る球体駆動式移動装置は、ｎ個の駆動球体が転動する走行面を水平面としたとき、各回転体が、接している駆動球体の中心より高い位置、かつ、仮想逆ｎ角錐の内側又は駆動球体の中心が配されている２つの側辺を外縁の一部とする仮想逆ｎ角錐の側面である対応側面上で駆動球体に接触し、しかも、対応側面に対し垂直な回転軸を中心に回転駆動する。また、第２の発明に係る球体駆動式移動装置は、走行面を水平面としたとき、各回転体が、接している駆動球体の中心より高い位置で駆動球体に接触して、３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重で、前記駆動球体に押し付けられる。そして、第３の発明に係る球体駆動式移動装置は、走行面を水平面としたとき、各回転体は、接している駆動球体の中心より高い位置で駆動球体に接触して、３個以上の回転体が回転自在に取り付けられた機構が装着されたベース部材の自重及びベース部材の上に載せられた物体の自重で、駆動球体に押し付けられる。
従って、第１、第２、第３の発明に係る球体駆動式移動装置は、ベース部材自体の荷重やベース部材の上に載せられた物体の荷重が部分的に回転体を介して駆動球体に与えられ、回転体を確実に駆動球体に押し付けることができ、駆動球体に接触した状態で回転駆動する回転体が空回りするのを抑制可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１の実施例に係る球体駆動式移動装置の説明図である。

【図2】同球体駆動式移動装置の駆動球体及び回転体の配置を示す平面図である。

【図3】同球体駆動式移動装置の駆動球体及び回転体の配置を示す斜視図である。

【図4】同球体駆動式移動装置の駆動球体の局所座標系を示す説明図である。

【図5】同球体駆動式移動装置の駆動球体の座標系を示す説明図である。

【図6】本発明の第２の実施例に係る球体駆動式移動装置の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２、図３に示すように、本発明の第１の実施例に係る球体駆動式移動装置１０は、それぞれ走行面Ｇ上を転動する３個（ｎ個の一例、ｎは３以上の整数）の駆動球体１１、１２、１３と、各駆動球体１１、１２、１３に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して駆動球体１１、１２、１３を回転させる３個（ｎ個以上の一例）の回転体１４、１５、１６とを具備して、走行面Ｇ上を移動する装置である。以下、詳細に説明する。

【0011】

本実施例において、駆動球体１１、１２、１３は、図１、図２、図３に示すように、同じ大きさの（径が等しい）真球である。駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２、駆動球体１３の中心Ｐ３は、走行面Ｇを水平面として、駆動球体１１、１２、１３が走行面Ｇ上に置かれた状態で、同一の高さに位置する。以下、走行面Ｇが水平面であり、駆動球体１１、１２、１３が走行面Ｇ上に置かれているものとする。

【0012】

回転体１４、１５、１６は同一の大きさで同一の形状の円錐台状の部材であり、同一の高さ位置に配されている。回転体１４は側面２８が同一高さで駆動球体１１、１２に接触し、回転体１５は側面２９が同一高さで駆動球体１２、１３に接触し、回転体１６は側面３０が同一高さで駆動球体１１、１３に接触している。回転体１４の軸心には、図２に示すように、モータ１８の回転軸１９が連結され、回転体１５の軸心にはモータ２０の回転軸２１が連結され、回転体１６の軸心にはモータ２２の回転軸２３が連結されている。回転体１４はモータ１８の作動によって回転軸１９を中心に回転駆動し、回転体１５はモータ２０の作動によって回転軸２１を中心に回転駆動し、回転体１６はモータ２２の作動によって回転軸２３を中心に回転駆動する。

【0013】

回転体１４、１５は、駆動球体１２に異なる方向から接触し、回転体１５、１６は駆動球体１３に異なる方向から接触し、回転体１４、１６は駆動球体１１に異なる方向から接触している。
駆動球体１１には、図１、図２に示すように、回転体１４、１６に加えてボールキャスタ２４が接触し、駆動球体１２には回転体１４、１５に加えてボールキャスタ２５が接触し、駆動球体１３には回転体１５、１６に加えてボールキャスタ２６が接触している。

【0014】

本実施例では、ボールキャスタ２４、２５、２６を支持するベース部材２７（図１参照）にモータ１８、２０、２２が固定され、回転体１４、１５、１６はベース部材２７に装着されたベアリング機構に回転自在に取り付けられている。図１、図２には、ボールキャスタ２４、２５、２６のボールのみを記載している。なお、駆動球体１１、１２、１３にそれぞれ接触するアイドラを採用して、駆動球体１１、１２、１３が外れないようにしてもよい。

【0015】

駆動球体１１と回転体１４の側面２８及び回転体１６の側面３０が接触する接点をそれぞれ接点Ｔ１４、Ｔ１６とし、駆動球体１２と回転体１４の側面２８及び回転体１５の側面２９が接触する接点をそれぞれ接点Ｔ２４、Ｔ２５とし、駆動球体１３と回転体１５の側面２９及び回転体１６の側面３０が接触する接点をそれぞれ接点Ｔ３５、Ｔ３６として、接点Ｔ１４、Ｔ１６、Ｔ２４、Ｔ２５、Ｔ３５、Ｔ３６は、駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置で同じ高さに配されている（よって、回転体１４の側面２８、回転体１５の側面２９及び回転体１６の側面３０は同一高さで駆動球体１１、１２、１３に接触している）。

【0016】

即ち、回転体１４は、駆動球体１１の中心Ｐ１より高い位置で駆動球体１１に接触し、駆動球体１２の中心Ｐ２より高い位置で駆動球体１２に接触し、回転体１５は、駆動球体１２の中心Ｐ２より高い位置で駆動球体１２に接触し、駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置で駆動球体１３に接触し、回転体１６は、駆動球体１１の中心Ｐ１より高い位置で駆動球体１１に接触し、駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置で駆動球体１３に接触している。

【0017】

ここで、図１、図２、図３に示すように、駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置に三角形（本実施例では、等角多角形の一例である正三角形）の底面ηが配され、底面ηから離れた頂点Ｏが駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３より低い位置に配された三角錐（ｎ角錐の一例）を仮想逆三角錐（仮想逆ｎ角錐の一例）Ｈとすると、本実施例では、球体駆動式移動装置１０が、後述する条件１～６を全て満たすように設計されている。

【0018】

仮想逆三角錐Ｈにおいて、底面ηの３つの頂点をそれぞれ頂点Ａ、Ｂ、Ｃとし、頂点Ｏ、Ａ、Ｂを３つの頂点とする三角形の側面を側面αとし、頂点Ｏ、Ｂ、Ｃを３つの頂点とする三角形の側面を側面βとし、頂点Ｏ、Ａ、Ｃを３つの頂点とする三角形の側面を側面γとし、頂点Ｏ、Ａを結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ１とし、頂点Ｏ、Ｂを結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ２とし、頂点Ｏ、Ｃを結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ３とする。本実施例では、底面ηが正三角形（等角多角形の一例）であり、側辺Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が同じ長さである。なお、図２には、駆動球体１１、１２、１３及び回転体１４、１５、１６等を平面視した様子が描かれている。また、図３では、モータ１８、２２等の記載を省略している。

【0019】

条件１：駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３はそれぞれ、側辺Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上に位置している。

【0020】

条件２：回転体１４は仮想逆三角錐Ｈの内側で駆動球体１１、１２に接触（接点Ｔ１４、Ｔ２４は仮想逆三角錐Ｈ内に位置）し、回転体１５は仮想逆三角錐Ｈの内側で駆動球体１２、１３に接触（接点Ｔ２５、Ｔ３５は仮想逆三角錐Ｈ内に位置）し、回転体１６は仮想逆三角錐Ｈの内側で駆動球体１１、１３に接触（接点Ｔ１６、Ｔ３６は仮想逆三角錐Ｈ内に位置）している。

【0021】

条件３：回転軸１９は側面α（回転体１４の対応側面）に対し垂直であり（回転体１４は回転体１４が接している駆動球体１１、１２の各中心Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ配されている側辺Ｓ１、Ｓ２を外縁の一部とする側面αに対し垂直な回転軸１９を中心に回転駆動し）、回転軸２１は側面β（回転体１５の対応側面）に対し垂直であり（回転体１５は回転体１５が接している駆動球体１２、１３の各中心Ｐ２、Ｐ３がそれぞれ配されている側辺Ｓ２、Ｓ３を外縁の一部とする側面βに対し垂直な回転軸２１を中心に回転駆動し）、回転軸２３は側面γ（回転体１６の対応側面）に対し垂直である（回転体１６は回転体１６が接している駆動球体１１、１３の各中心Ｐ１、Ｐ３がそれぞれ配されている側辺Ｓ１、Ｓ３を外縁の一部とする側面γに対し垂直な回転軸２３を中心に回転駆動する）。

【0022】

条件３から、本実施例では、駆動球体１１に接する回転体１４の回転軸１９及び回転体１６の回転軸２３が非平行であり、駆動球体１２に接する回転体１４の回転軸１９及び回転体１５の回転軸２１が非平行であり、駆動球体１３に接する回転体１５の回転軸２１及び回転体１６の回転軸２３が非平行であると言える。

【0023】

本実施例では、駆動球体１１、１２、１３、回転体１４、１５、１６及び回転軸１９、２１、２３が、条件１、２、３を満たすように配置し、回転体１４、１５、１６の角速度を調整することによって、回転体１４に対する駆動球体１１、１２の横滑り、回転体１５に対する駆動球体１２、１３の横滑り及び回転体１６に対する駆動球体１１、１３の横滑りを抑制した状態で、球体駆動式移動装置１０を走行面Ｇ上で如何なる方向にも移動可能にしている。なお、回転体１４に対する駆動球体１１の横滑りとは、接点Ｔ１４における駆動球体１１の回転体１４に対する相対的な運動が、接点Ｔ１４を中心とした旋回運動以外の運動であることを意味し、回転体１４に対する駆動球体１１の横滑りが生じると、回転体１４及び駆動球体１１の摩耗が助長される。

【0024】

しかも、回転体１４は駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１２の中心Ｐ２より高い位置でそれぞれ駆動球体１１、１２に接触し、回転体１５は駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置でそれぞれ駆動球体１２、１３に接触し、回転体１６は駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１３の中心Ｐ３より高い位置でそれぞれ駆動球体１１、１３に接触しているため、駆動球体１１には回転体１４、１６を通じて鉛直成分の力が作用し、駆動球体１２には回転体１４、１５を通じて鉛直成分の力が作用し、駆動球体１３には回転体１５、１６を通じて鉛直成分の力が作用する。従って、ベース部材２７やベース部材２７に載せられた重量物等の自重を利用して、回転体１４を駆動球体１１、１２に、回転体１５を駆動球体１２、１３に、回転体１６を駆動球体１１、１３にそれぞれ押し付けることができ、回転体１４、１５、１６の空回りを抑制可能である。

【0025】

接点Ｔ１４が駆動球体１１の中心Ｐ１に比べ僅かに高い位置に存在し、接点Ｔ２４が駆動球体１２の中心Ｐ２に比べ僅かに高い位置に存在する場合、回転体１４は、仮想逆ｎ角錐Ｈの側面α（対応側面）上で駆動球体１１、１２に接触していても、実質的に回転体１４に対して駆動球体１１、１２が横滑りせず、これは、回転体１５と駆動球体１２、１３との関係及び回転体１６と駆動球体１１、１３との関係でも同様である。

【0026】

従って、条件２の代わりに以下の条件２’を満たすように設計することもできる。
条件２’：回転体１４は仮想逆三角錐Ｈの側面α（回転体１４の対応側面）上で駆動球体１１、１２に接触し、回転体１５は仮想逆三角錐Ｈの側面β（回転体１５の対応側面）上で駆動球体１２、１３に接触し、回転体１６は仮想逆三角錐Ｈの側面γ（回転体１６の対応側面）上で駆動球体１１、１３に接触している。

【0027】

ここで、回転体１４の駆動球体１１、１２に対する空回り、回転体１５の駆動球体１２、１３に対する空回り及び回転体１６の駆動球体１１、１３に対する空回りの発生を安定して抑制する観点では、条件１、２、３を満たすのに加えて、以下の条件４、５、６の１つを満たすのが好ましい（２つを満たすのがより好ましい、３つ全てを満たすのが更に好ましい）ことが検証によって確認されている。なお、回転体１４、１５、１６の空回りの抑制に対し、条件１、２、３の条件を満たすことが、条件４、５、６の条件を満たすことに比べて重要であることを確認している。

【0028】

条件４：駆動球体１１と回転体１４との接点Ｔ１４及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線Ｊ１４（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１１の中心Ｐ１が位置する側辺Ｓ１に対し直交し（図１参照）、駆動球体１１と回転体１６との接点Ｔ１６及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線Ｊ１６（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１１の中心Ｐ１が位置する側辺Ｓ１に対し直交する。駆動球体１２と回転体１４との接点Ｔ２４及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線Ｊ２４（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１２の中心Ｐ２が位置する側辺Ｓ２に対し直交し（図１参照）、駆動球体１２と回転体１５との接点Ｔ２５及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線Ｊ２５（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１２の中心Ｐ２が位置する側辺Ｓ２に対し直交する。駆動球体１３と回転体１５との接点Ｔ３５及び駆動球体１３の中心Ｐ３を通る仮想直線Ｊ３５（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１３の中心Ｐ３が位置する側辺Ｓ３に対し直交し、駆動球体１３と回転体１６との接点Ｔ３６及び駆動球体１３の中心Ｐ３を通る仮想直線Ｊ３６（仮想直線Ｊの一例）が駆動球体１３の中心Ｐ３が位置する側辺Ｓ３に対し直交する。

【0029】

条件５：駆動球体１１と回転体１４との接点Ｔ１４及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線Ｊ１４は回転体１４の側面２８に垂直に交わり、駆動球体１２と回転体１４との接点Ｔ２４及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線Ｊ２４は回転体１４の側面２８に垂直に交わる。駆動球体１２と回転体１５との接点Ｔ２５及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線Ｊ２５は回転体１５の側面２９に垂直に交わり、駆動球体１３と回転体１５との接点Ｔ３５及び駆動球体１３の中心Ｐ３を通る仮想直線Ｊ３５は回転体１５の側面２９に垂直に交わる。駆動球体１１と回転体１６との接点Ｔ１６及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線Ｊ１６は回転体１６の側面３０に垂直に交わり、駆動球体１３と回転体１６との接点Ｔ３６及び駆動球体１３の中心Ｐ３を通る仮想直線Ｊ３６は回転体１６の側面３０に垂直に交わる。

【0030】

条件６：仮想逆三角錐Ｈの側面αは、該側面αの外縁の一部をなす２つの側辺Ｓ１、Ｓ２にそれぞれ中心Ｐ１、Ｐ２が配された２つの駆動球体１１、１２間にある回転体１４と一方の駆動球体１１との接点Ｔ１４及び回転体１４と他方の駆動球体１２との接点Ｔ２４を通る仮想直線Ｋ１２（仮想直線Ｋの一例）に対し平行であり、仮想逆三角錐Ｈの側面βは、該側面βの外縁の一部をなす２つの側辺Ｓ２、Ｓ３にそれぞれ中心Ｐ２、Ｐ３が配された２つの駆動球体１２、１３間にある回転体１５と一方の駆動球体１２との接点Ｔ２５及び回転体１５と他方の駆動球体１３との接点Ｔ３５を通る仮想直線Ｋ２３（仮想直線Ｋの一例）に対し平行であり、仮想逆三角錐Ｈの側面γは、該側面γの外縁の一部をなす２つの側辺Ｓ１、Ｓ３にそれぞれ中心Ｐ１、Ｐ３が配された２つの駆動球体１１、１３間にある回転体１６と一方の駆動球体１１との接点Ｔ１６及び回転体１６と他方の駆動球体１３との接点Ｔ３６を通る仮想直線Ｋ１３（仮想直線Ｋの一例）に対し平行である。

【0031】

これらを基に球体駆動式移動装置１０の運動について、数式を用いて検討する。
走行面Ｇ（水平面）に対する側辺Ｓ１の角度をθとし、図４に示すように、駆動球体１１の中心Ｐ１から接点Ｔ１４に向かう単位位置ベクトルをＩ_１とし、駆動球体１１の中心Ｐ１から接点Ｔ１６に向かう単位位置ベクトルをＩ_２とし、Ｉ_１及びＩ_２のなす角度をφとして、本実施例では、Ｉ_１が頂点Ｏを始点とし頂点Ａを終点とするベクトルと直交していることから、以下の式（１）が成立する。

【0032】

【数1】

【0033】

また、以下の式（２）が成立する。

【0034】

【数2】

【0035】

そして、Ｉ_１、Ｉ_２を以下の式（３）のように表すと、以下の式（４）が成立する。

【0036】

【数3】

【0037】

式（２）、式（４）から、以下の式（５）、式（６）が成立する。

【0038】

【数4】

【0039】

よって、式（１）、式（５）、式（６）から、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ以下の式（７）、式（８）、式（９）のように表すことができる。

【0040】

【数5】

【0041】

式（７）、式（８）、式（９）より、Ｉ_１及びＩ_２はそれぞれ以下の式（１０）、式（１１）のように表すことができる。

【0042】

【数6】

【0043】

また、Ｉ_ｘ及びＩ_ｙには以下の式（１２）の関係があることから、以下の式（１３）が成立する。

【0044】

【数7】

【0045】

ｓｉｎφは以下の式（１４）で表わされることから、Ｉ_ｘ及びＩ_ｙはそれぞれ以下の式（１５）及び式（１６）で表わすことができる。

【0046】

【数8】

【0047】

ここで、図５に示すように、走行面Ｇに平行な２つの直交する仮想軸をｘ軸、ｙ軸とし、駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２、駆動球体１３の中心Ｐ３を頂点とする正三角形の中心から駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２、駆動球体１３の中心Ｐ３それぞれまでの距離をｌ、接点Ｔ１４（接点Ｔ２４）から回転体１４の軸心までの距離、接点Ｔ２５（接点Ｔ３５）から回転体１５の軸心までの距離、回転体１６の接点Ｔ１６（接点Ｔ３６）から回転体１６の軸心までの距離をそれぞれｒとし（図４参照）、球体駆動式移動装置１０の速度ベクトルをＶとし、回転体１４、１５、１６から駆動球体１１、１２、１３全体に与えられる角速度ベクトルをλとすると、Ｖ及びλには以下の式（１７）の関係がある。

【0048】

【数9】

【0049】

また、球体駆動式移動装置１０のｘ軸方向の速度をｖ_ｘとし、球体駆動式移動装置１０のｙ軸方向の速度をｖ_ｙとし、球体駆動式移動装置１０の旋回速度をωとして、球体駆動式移動装置１０の速度ベクトルＶは、Ｖ＝（ｖ_ｘ、ｖ_ｙ、ω）^Ｔとして表される。
回転体１４から駆動球体１１、１２に伝達される角速度をλ_１とし、回転体１５から駆動球体１２、１３に伝達される角速度をλ_２とし、回転体１６から駆動球体１１、１３に伝達される角速度をλ_３として、角速度ベクトルλはλ＝（λ_１、λ_２、λ_３）^Ｔとして表される。
そして、式（１７）のＱは以下の式（１８）で表わされる。

【0050】

【数10】

【0051】

よって、Ｑ^－１は以下の式（１９）で表わされる。

【0052】

【数11】

【0053】

ここで、ｋ＝Ｉ_ｙ／ｓｉｎφとすると、ｋは以下の式（２０）によって表すことができる。

【0054】

【数12】

【0055】

また、図４、図５に示すように、駆動球体１１、１２、１３それぞれの半径をＲとし、駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１２の中心Ｐ２を結ぶ直線と駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１３の中心Ｐ３を結ぶ直線との角度、駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１２の中心Ｐ２を結ぶ直線と駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３を結ぶ直線との角度、駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１３の中心Ｐ３を結ぶ直線と駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３を結ぶ直線との角度をそれぞれψとし、接点Ｔ１４及び接点Ｔ２４を結ぶ直線から側面αまでの距離、接点Ｔ２５及び接点Ｔ３５を結ぶ直線から側面βまでの距離、接点Ｔ１６及び接点Ｔ３６を結ぶ直線から側面γまでの距離をそれぞれｄとし、側面２８の回転体１４の軸心に対する角度、側面２９の回転体１５の軸心に対する角度、側面３０の回転体１６の軸心に対する角度をそれぞれδとして、以下の式（２１）、式（２２）、式（２３）が成立する。

【0056】

【数13】

【0057】

上記検討は、３つの駆動球体１１、１２、１３が同じ大きさであり、駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び駆動球体１３の中心Ｐ３を３つの頂点とする三角形が正三角形である場合について行っているが、駆動球体の大きさ（径）がそれぞれ異なり、かつ、３つの駆動球体それぞれの中心を頂点とする三角形の３つの辺がそれぞれ異なる長さであっても、同様の結果を得ることができる。また、駆動球体が４つ以上であっても同様の結果を得ることができる。但し、全ての駆動球体の大きさが同じであり、各駆動球体の中心を頂点とする多角形が等角多角形である場合、球体駆動式移動装置を所望の方向に移動させるために各モータの回転数をどのようにするかの計算が容易であり、当該多角形が正多角形で有る場合は、正多角形でない等角多角形の場合と比較して当該計算が容易となる。なお、各駆動球体が同じ大きさであれば、各駆動球体の中心を頂点とする多角形と仮想逆ｎ角錐の底面とは同じ形状で大きさが異なるようになる。

【0058】

ここまで説明した球体駆動式移動装置１０は、３個の駆動球体１１、１２、１３を有するものであったが、駆動球体は４個以上であってもよいし、２個であってもよい。
駆動球体がｑ個（ｑ≧４）の場合、仮想逆ｑ角錐（角錐を上下逆にしたもの）を基に駆動球体や回転体の配置が決定され、各駆動球体に２つの回転体が接するようになる。
駆動球体が２個の場合、走行面上を転動する１個又は複数個の従動回転物（例えば、球体や回転軸の方向が変更自在のローラ）が設けられて、球体駆動式移動装置が２個の駆動球体及び１個又は複数個の従動回転物を走行面に接触させた状態で走行する。

【0059】

以下、図６を参酌して２個の駆動球体１１、１２及び１個の従動球体（従動回転物の一例）４３を備える球体駆動式移動装置４０について説明する。なお、球体駆動式移動装置４０において、球体駆動式移動装置１０と同様の構成については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
本発明の第２の実施例に係る球体駆動式移動装置４０は、図６に示すように、それぞれ走行面Ｇ上を転動する２個の駆動球体１１、１２と、走行面Ｇ上を転動する従動球体４３と、各駆動流体１１、１２に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して駆動球体１１、１２を回転させる３つ（ｍ個の一例、ｍは３以上の整数）の回転体１４、４５、４６とを具備し、走行面Ｇ上を移動する装置である。

【0060】

回転体１４は、モータ１８の作動によってモータ１８の回転軸１９を中心に回転駆動し、回転体４５は、回転体４５の軸心に回転軸４７が連結されたモータ４８の作動によって回転軸４７を中心に回転駆動し、回転体４６は、回転体４６の軸心に回転軸４９が連結されたモータ５０の作動によって回転軸４９を中心に回転駆動する。
回転体１４、４６は、駆動球体１１に異なる方向から接触し、回転体１４、４５は駆動球体１２に異なる方向から接触している。従動球体４３は、従動球体４３にボールキャスタ５１、５２、５３が接触することによって所定位置で保持されている。なお、図６では、ボールキャスタ２４、２５、５１、５２、５３のボールのみを記載している。

【0061】

駆動球体１１と回転体１４の側面２８及び回転体４６の側面５４が接触する接点をそれぞれ接点Ｔ１４、Ｔ１６’とし、駆動球体１２と回転体１４の側面２８及び回転体４５の側面５５が接触する接点をそれぞれ接点Ｔ２４、Ｔ２５’として、接点Ｔ１４、Ｔ１６’、Ｔ２４、Ｔ２５’は、駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１２の中心Ｐ２（本実施例では、これらに加えて従動球体４３の中心Ｐ３’）より高い位置で同じ高さに配されている。

【0062】

よって、回転体１４は、駆動球体１１の中心Ｐ１より高い位置で駆動球体１１に接触し、駆動球体１２の中心Ｐ２より高い位置で駆動球体１２に接触し、回転体４５は、駆動球体１２の中心Ｐ２より高い位置で駆動球体１２に接触し、回転体４６は、駆動球体１１の中心Ｐ１より高い位置で駆動球体１１に接触している。

【0063】

駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び従動球体４３の中心Ｐ３’より高い位置に三角形（本実施例では、２等辺三角形）の底面η’が配され、底面η’から離れた頂点Ｏ’が駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び従動球体１３の中心Ｐ３’より低い位置に配された三角錐を仮想逆三角錐Ｈ’とし、底面η’の３つの頂点をそれぞれ頂点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’とし、頂点Ｏ’、Ａ’、Ｂ’を３つの頂点とする三角形の側面を側面α’（駆動球体１１の中心Ｐ１及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想傾斜面の一例）とし、頂点Ｏ’、Ｂ’、Ｃ’を３つの頂点とする三角形の側面を側面β’とし、頂点Ｏ’、Ａ’、Ｃ’を３つの頂点とする三角形の側面を側面γ’とし、頂点Ｏ’、Ａ’を結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ１’とし、頂点Ｏ’、Ｂ’を結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ２’とし、頂点Ｏ’、Ｃ’を結ぶ直線状の辺を側辺Ｓ３’とすると、球体駆動式移動装置４０は、後述する条件７～９を全て満たすように設計されている。

【0064】

条件７：駆動球体１１の中心Ｐ１、駆動球体１２の中心Ｐ２及び従動球体４３の中心Ｐ３’はそれぞれ、側辺Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’上に位置している。

【0065】

条件８：回転体１４は仮想逆三角錐Ｈ’の内側（即ち、仮想傾斜面の一例である側面α’を基準として従動球体４３側）で駆動球体１１、１２に接触し、回転体４５は仮想逆三角錐Ｈ’の内側で駆動球体１２に接触し、回転体４６は仮想逆三角錐Ｈ’の内側で駆動球体１１に接触している。

【0066】

条件９：回転軸１９は側面α’に対し垂直であり、回転軸４７は側面β’に対し垂直であり、回転軸４９は側面γ’に対し垂直である。

【0067】

なお、接点Ｔ１４が駆動球体１１の中心Ｐ１に比べ僅かに高い位置に存在し、接点Ｔ２４が駆動球体１２の中心Ｐ２に比べ僅かに高い位置に存在する場合には、条件８の代わりに、以下の条件８’を満たすようにしてもよい。
条件８’：回転体１４は仮想逆三角錐Ｈ’の側面α’上で駆動球体１１、１２に接触し、回転体４５は仮想逆三角錐Ｈ’の側面β’上で駆動球体１２に接触し、回転体４６は仮想逆三角錐Ｈ’の側面γ’上で駆動球体１１に接触している。

【0068】

また、条件９から、駆動球体１１に接する回転体１４の回転軸１９及び回転体４６の回転軸４９は非平行であり、駆動球体１２に接する回転体１４の回転軸１９及び回転体４５の回転軸４７は非平行である。また、回転体１４、４５、４６の角速度を調整することによって、回転体１４に対する駆動球体１１、１２の横滑り、回転体４５に対する駆動球体１２の横滑り及び回転体４６に対する駆動球体１１の横滑りを抑制した状態で、球体駆動式移動装置４０を走行面Ｇ上で如何なる方向にも移動可能にしている。

【0069】

球体駆動式移動装置４０も球体駆動式移動装置１０と同様に回転体１４、４５、４６はそれぞれ円錐台状である。駆動球体１１と回転体１４の側面２８との接点Ｔ１４及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線は、回転体１４の側面２８に垂直に交わり、駆動球体１２と回転体１４の側面２８との接点Ｔ２４及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線は、回転体１４の側面２８に垂直に交わり、駆動球体１１と回転体４６の側面５４との接点Ｔ１６’及び駆動球体１１の中心Ｐ１を通る仮想直線は、回転体４６の側面５４に垂直に交わり、駆動球体１２と回転体４５の側面５５との接点Ｔ２５’及び駆動球体１２の中心Ｐ２を通る仮想直線は、回転体４５の側面５５に垂直に交わっている。また、球体駆動式移動装置４０における駆動球体１１、１２と回転体１４、４５、４６との位置関係も、球体駆動式移動装置１０における駆動球体１１、１２と回転体１４、１５、１６との位置関係と同様である。

【0070】

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、１つのモータによって、動力伝達ベルト等が掛け渡された２つの回転体を回転駆動するようにして、２つの回転体を隣り合う駆動球体の一方及び他方にそれぞれ接するようにしてもよいし、隣り合う駆動球体それぞれに異なる回転体を接触させ、当該２つの回転体それぞれにモータを連結するようにしてもよい。

【0071】

それぞれ走行面上を転動する２個の駆動球体と、走行面上を転動する従動回転物と、各駆動球体に２つの異なる方向から接触した状態で回転駆動して駆動球体を回転させるｒ個（ｒは３以上の整数）の回転体とを具備し、走行面上を移動する球体駆動式移動装置において、１つのモータによって、動力伝達ベルト等が掛け渡された２つの回転体を回転駆動するようにして、２つの回転体を隣り合う駆動球体の一方及び他方にそれぞれ接するようにする場合は、各回転体を、接している駆動球体の中心より高い位置で駆動球体に接触させ、ｒ個の回転体のうち駆動回転力が共通のモータから与えられる２つの回転体を、各駆動球体の中心を通る仮想傾斜面を基準として従動回転物側又は仮想傾斜面上で駆動球体に接触させ、しかも、仮想傾斜面に対し垂直な回転軸を中心に回転駆動するようにすればよい。そして、この場合、駆動球体と回転体との位置関係は、球体駆動式移動装置１０における駆動球体１１、１２と回転体１４、１５、１６との位置関係及び球体駆動式移動装置４０における駆動球体１１、１２と回転体１４、４５、４６との位置関係と同様である。

【0072】

また、回転体は円錐台状である必要はなく、例えば円柱状であってもよいし、球状であってもよい。
そして、回転体の回転軸は軸材（即ち、実在する部材）であってもよいし、仮想軸であってもよい。
更に、駆動球体を支持するのはボールキャスタに限定されず、例えば、ボールキャスタの代わりに、自在キャスタやオムニホイル等のフリーローラ式車輪を採用してもよい。

【0073】

また、各駆動球体は大きさが異なっていてもよいし、各回転体は大きさや形状が異なっていてもよい。そして、各駆動球体を水平面に置いた状態で、各回転体が駆動球体に接する高さが異なるように各回転体を配置してもよい。
更に、本発明は走行面上の移動方向が特定されている球体駆動式移動装置（例えば、前進及び後退のみが可能な球体駆動式移動装置）にも適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明に係る球体駆動式移動装置は、駆動球体に接触している回転体が空回りするのを抑制した状態で走行するので、所望の経路に沿った移動を安定的に行うことができ、車いすへの適用や無人搬送車への適用が可能である。

【符号の説明】

【0075】

１０：球体駆動式移動装置、１１、１２、１３：駆動球体、１４、１５、１６：回転体、１８：モータ、１９：回転軸、２０：モータ、２１：回転軸、２２：モータ、２３：回転軸、２４、２５、２６：ボールキャスタ、２７：ベース部材、２８、２９、３０：側面、４０：球体駆動式移動装置、４３：従動球体、４５、４６：回転体、４７：回転軸、４８：モータ、４９：回転軸、５０：モータ、５１、５２、５３：ボールキャスタ、５４、５５：側面、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’：頂点、Ｇ：走行面、Ｈ、Ｈ’：仮想逆三角錐、Ｊ１４、Ｊ１６、Ｊ２４、Ｊ２５、Ｊ３５、Ｊ３６：仮想直線、Ｋ１２、Ｋ１３、Ｋ２３：仮想直線、Ｏ、Ｏ’：頂点、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ３’：中心、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’：側辺、Ｔ１４、Ｔ１６、Ｔ２４、Ｔ２５、Ｔ３５、Ｔ３６、Ｔ１６’、Ｔ２５’：接点、α、β、γ、α’、β’、γ’：側面、η、η’：底面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】