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特許7603980移動体用車輪装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(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】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】移動体用車輪装置

(51)【国際特許分類】

B60B 33/00 20060101AFI20241216BHJP

【ＦＩ】

B60B33/00 X

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021064590

(22)【出願日】2021-04-06

(65)【公開番号】P2022160069

(43)【公開日】2022-10-19

【審査請求日】2024-04-03

(73)【特許権者】

【識別番号】501061319

【氏名又は名称】学校法人東洋大学

(74)【代理人】

【識別番号】100167715

【弁理士】

【氏名又は名称】古岩信嗣

(74)【代理人】

【氏名又は名称】古岩信幸

(72)【発明者】

【氏名】横田祥

【審査官】池田晃一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０５５４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０９９０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００５７６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３０６２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３５２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】英国特許出願公開第０２１３９５７６（ＧＢ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｂ３３／００－３３／０８

Ｂ６０Ｂ１９／００－１９／１４

Ｂ６２Ｂ１／００－５／０８

Ｂ６２Ｄ５７／０２

Ａ６１Ｇ５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定リンクと成る主フレーム、従動リンク、中間リンク及び原動リンクで構成される４リンク機構の移動体用車輪装置であって、
前記主フレームは当該移動体用車輪装置を移動体に取り付けて固定するための移動体取付け部を備え、
前記従動リンク、中間リンク及び原動リンクは可動にして両てこ機構を構成し、
前記原動リンクのリンク長を前記従動リンクのリンク長よりも長くし、
前記原動リンクに主車輪を取り付け、
前記従動リンクに副車輪を取り付けたことを特徴とする移動体用車輪装置。

【請求項2】

前記主車輪が地面の段差部端面に接触して後方に向く反力が発生した時に、前記原動リンクと前記中間リンクとの連結軸部に後方に向く力を発生させ、前記従動リンクに取り付けた前記副車輪を前記段差部端面の前方の段差部上面に当接させて下向きの踏力を与え、前記段差部端面と前記主車輪との接触点及び前記段差部上面と前記副車輪との接触点の２点で同時に当該移動体用車輪装置を支持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の移動体用車輪装置。

【請求項3】

前記移動体の水平な走行状態において前記主車輪の下端部の位置よりも前記副車輪の下端部の位置が高くなるように高さに差を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体用車輪装置。

【請求項4】

前記従動リンクが下死点を超えて回転しないように下死点超過防止手段を設けたことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の移動体用車輪装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、段差のある箇所を小さな力で乗り越えられる移動体用車輪装置に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に移動体としての自走式車椅子や電動式車椅子では、シート部の後方のフレームの左右に大径の駆動輪が取り付けられており、シート部の前側の左右の脚部フレームにキャスター装置が取り付けられている。この前方左右のキャスター装置は、シート部に座る利用者の体重を前方で支えながら進行方向に軽く向きを変えて当該車椅子の進行をガイドする働きをする。

【0003】

一般に車椅子のキャスター装置は、単純にフレームの前方の左右の脚部に取り付けボルトを利用して取り付けるもので、フリーにすれば垂直軸の周りに水平面内でくるくる簡単に回転することができる仕様である。そしてキャスター装置の車輪は左右それぞれに１輪ずつあり、後部の駆動輪に比べて小径である。そして車椅子を移動するときには駆動輪を利用者が手で回転させて駆動する。そして左方あるいは右方に転回する場合には、曲がる方向とは反対側の駆動輪を曲がる側の駆動輪よりも大きく回すことにより行う。そして左転回、右転回いずれにしても、キャスター装置は曲がる最中は回転円の接線方向を向き、転回を終えて前方に進もうとすれば進行方向に平行な角度に戻ってまっすぐに回転しながら進行する。

【0004】

このような車椅子の場合、進行方向の前側にキャスター装置が来るが、一般にキャスター装置の車輪は駆動輪よりも小径であるので小さな凹凸面や段差を通過するときに、振動を敏感に拾い乗り心地を悪くし、また乗り越えるのに大きな力が必要とされる。例えば３ｃｍ程度の段差部でも、シート部に座っている大人の利用者が駆動輪を回してその段差部を乗り越えるのは容易でない。ましてや力が弱く身体に不自由のある人が利用している場合にはなおさらである。

【0005】

加えて、キャスター装置は力が加わればその力の向く角度まで回転して力の向きに平行に移動するようになる性質がある。そのために、例えば段差のある箇所で段差部に対して直角ではなくて斜めに乗り上げようとすると段差部端面からの反力を受けてキャスター装置の車輪が段差部端面からの反力と平行になる角度まで回転し、容易に段差を乗り越えられないという問題点もある。これを克服するためには、利用者が車椅子の進行方向を段差部端面に直角になるようにその段差部端面の手前で姿勢を直してから勢いよく駆動輪を回転させるか、介助者に車椅子を押してもらう必要がある。

【0006】

そこで従来から、特許文献１（特開２０１９－０９９０６６号公報）のような段差対応キャスター装置が知られている。この従来の段差対応キャスター装置では、主車輪と副車輪を前後に配置し、リンク機構により両輪を連接すると共に車椅子側のフレームに固定リンクを自由に水平回転できるように取り付け、主車輪が段差部端面から受ける反力を２本のリンクとガイド溝を介して副車輪の動きに変換し、副車輪を段差部上面に押し付けることで段差乗越えを実現するものである。この特許文献１の段差対応キャスター装置は、機構的にはいわゆる４節リンク機構でもスライダクランク機構を応用したものであるが、自重を打ち消す力と乗り越えに必要な踏力の全てを主車輪が受ける反力によって生成する必要があり、大きな反力、ひいては大きな踏力を得るためには大きな駆動力を必要とし、力が弱く身体に不自由のある人が利用しても楽に段差を乗り越えるようにするためにはさらに改善する必要があった。

【0007】

さらに従来、特許文献２のような電池駆動式のキャスター装置も知られている。しかしながら電池式であるために電池のメンテナンスが必要であり、取り扱いが複雑になるという問題点があった。

【0008】

尚、キャスター装置は車椅子だけではなく、例えば荷物台車や移動式ベッド、その他、重量物を載せて移動する製品に広く利用されており、以下の技術的課題はいずれの移動体製品においても等しく問題となるものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特開２０１９－０９９０６６号公報

【文献】特開２０１９－１３７２１１号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、段差乗り越えに必要な力を小さくでき、従来から使用されている車椅子、台車その他の移動体のキャスター装置のような車輪装置と取り替えることによって、それまで使用してきた移動体でも段差乗り越えに必要な力を小さくできる移動体用車輪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】

【0011】

本発明は、固定リンクと成る主フレーム、従動リンク、中間リンク及び原動リンクで構成される４節リンク機構の移動体用車輪装置であって、前記主フレームは当該移動体用車輪装置を移動体に取り付けて固定するための移動体取り付け部を備え、前記従動リンク、中間リンク及び原動リンクは可動にして両てこ機構を構成し、前記原動リンクのリンク長を前記従動リンクのリンク長よりも長くし、前記原動リンクに主車輪を取り付け、前記従動リンクに副車輪を取り付けたことを特徴とするものである。

【0013】

上記発明の移動体用車輪装置においては、前記主車輪が地面の段差部端面に接触して後方に向く反力が発生した時に、前記原動リンクと前記中間リンクとの連結軸部に後方に向く力を発生させ、前記従動リンクに取り付けた前記副車輪を前記段差部端面の前方の段差部上面に当接させて下向きの踏力を与え、前記段差部端面と前記主車輪との接触点及び前記段差部上面と前記副車輪との接触点の２点で同時に当該移動体用車輪装置を支持するものとすることができる。

【0014】

また上記発明の移動体用車輪装置においては、前記移動体の水平な走行状態において前記主車輪の下端部の位置よりも前記副車輪の下端部の位置が高くなるように高さに差を設けたものとすることができる。

【0015】

さらに上記発明の移動体用車輪装置においては、前記従動リンクが下死点を超えて回転しないように下死点超過防止手段を設けたものとすることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、主フレームを固定リンクとし、この主フレームと従動リンク、中間リンク及び原動リンクが４節リンク機構の両てこ機構を構成し、段差部において後方の主車輪が段差部端面に当接して後方への反力を受けると、原動リンクの中間部の車軸連結部が後方に反力を受け、これによって原動リンクに後方に回転するモーメントが発生し、モーメントにより原動リンクと中間リンクとの連結部に後向きの力が発生する。この後ろ向きの力により中間リンクが後方に引かれ、この中間リンクと連結されている従動リンクが下向きに回転する。この従動リンクの下向きの回転力により従動リンクに取り付けられている副車輪が下方に移動し、段差部の上面に当接して下向きの踏力を与える。この状態で当該移動体用車輪装置がさらに前方に押されることで、４節リンク機構の両てこ機構の作用により原動リンクがさらに後方に移動し、中間リンクを介して従動リンクにさらに下方に回転させ、副車輪と段差部上面との圧接点を中心にして当該装置が持ち上げられ、主車輪が地面から浮き上がり段差部端面を乗り越える。この一連の４節リンク機構の両てこ機構の作用により、当該移動体用車輪装置は段差部を軽く乗り越えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の移動体用車輪装置で採用する４節リンク機構の両てこ機構の原理説明図。

【図2】上記移動体用車輪装置の両てこ機構の数値解析用の説明図。

【図3】本発明の１つの実施の形態の移動体用車輪装置の斜視図。

【図4】上記実施の形態の移動体用車輪装置の正面図。

【図5A】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部の角部に衝突した状態を示す正面図。

【図5B】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部の角部に衝突した後、当該移動体用車輪装置がさらに前方に移動し、４節リンク機構の作用により副車輪が段差部上面と接触した状態を示す正面図。

【図6A】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部を乗り越えるために地面から浮き上がり始めた状態を示す正面図。

【図6B】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部を乗り越える途中の状態を示す正面図。

【図7A】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部をほぼ乗り越えた状態を示す正面図。

【図7B】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作のうち、主車輪が段差部を完全に乗り越えた状態を示す正面図。

【図8】上記実施の形態の移動体用車輪装置の一連の段差部乗り越え動作時の反力、踏力の作用状態を示す正面図。

【図9】上記実施の形態の移動体用車輪装置に採用されている４節リンク機構の説明図。

【図10】上記実施の形態の移動体用車輪装置に採用されている４節リンク機構の両てこ機構の力及びモーメントの説明図。

【図11】上記実施の形態の移動体用車輪装置の段差乗り越え時に安定性を説明する説明。

【図12】従来技術の動作説明図。

【図13】従来技術のリンク機構の機構解析の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

【0019】

本発明の移動体用車輪装置１の機構原理について説明する。一般に機構学での４節リンク機構のうち両てこ機構は図１に示すものであり、固定リンク１１の両端に短尺の従動リンク１２と長尺の原動リンク１４それぞれの一端が連結部１１２，１１４で回転できるように連結されている。そして従動リンク１２と原動リンク１４の他端同士の間は中間リンク１３の両端それぞれに連結部１２３，１３４で回転できるように連結されている。

【0020】

この連結により固定リンク１１を固定した状態で、その一端の原動リンク１４が連結部１１４を中心にして図中下後方に回転すると、中間リンク１３を介して従動リンク１２の連結部１２３側が後方に引かれ、この従動リンク１２も固定リンク１１との連結部１１２を中心に下後方に回転する。つまり両てこ機構として動作する。そしてこの時には、長尺の原動リンク１４と短尺の従動リンク１２の間では倍力作用が発生し、長尺の原動リンク１４を小さい角度で後方に回転させるだけで従動リンク１２を下方に大きい角度で回転させることができ、この従動リンク１２に取り付けてある副車輪２２を下方に大きく移動させることができる。

【0021】

原動リンク１４を少しの角度だけ回転させる原動力は、この原動リンク１４に取り付けられている主車輪２１を段差部端面に当接させる力であり、この当接力の反力Ｆにより原動リンク１４が後方に小さい角度だけ回転する。しかしながらこの原動リンク１４は長尺である。そのために、原動リンク１４の下端部の後方への移動距離は比較的長く、これに連結されている中間リンク１３も後方に大きく移動し、その結果として、中間リンク１３の先端側に連結されている従動リンク１２はその上端側の連結部１１２を中心にして下後方に比較的大きな角度で回転する。これにより、この従動リンク１２に取り付けてある副車輪２２を下方へ大きい角度で回転させることができる。しかしながら、段差部の上面に上から踏力Ｐ_Ｐで接触するとそれ以上には下降できないので、反対にこの車輪装置１を持ち上げることになる。つまり、主車輪２１を段差部端面に乗り上げようとする水平方向の力Ｆによりこの車輪装置１が垂直方向にＰ_Ｐの力で持ち上げられることになる。しかも倍力機構により水平方向に短い距離だけ移動させることにより当該車輪装置１を軽く持ち上げることができるのである。

【0022】

図２は図１の数値解析用の説明図である。本実施の形態のリンク構造による反力Ｆと踏力Ｐ_Ｐとの関係は次の数１式のようになる。

【0023】

【数1】

【0024】

この数１式の角度はそれぞれ次の数２式で表される。これらの角度とリンクとの位置関係は図２に示す。加えて、式中のＡが固定リンク１１のリンク長、Ｂが原動リンク１４のリンク長、Ｃが中間リンク１３のリンク長、Ｄが従動リンク１２のリンク長を表す。

【0025】

【数2】

【0026】

数１式から、次の数３式が反力Ｆから踏力Ｐｐへの倍率を表す。

【0027】

【数3】

【0028】

この数３式の最大値は、各リンクの長さＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄによって定まり、当該最大値はθの値に応じて変化し、おおよそ０．３から４の範囲をとる。この値は、好ましくは１以上であり、より好ましくは１．３から２の範囲である。後述する図３、図４が示す実施の形態の移動体用車輪装置１では、数３式の値の最大値を１以上とするための条件は、数３式の三角関数が含まれる分数部分の値を１以上とすることである。この条件を満たす原動リンク１４のリンク長Ｂと従動リンク１２のリンク長Ｄの関係を数値的に求めるとＢ＞Ｄとなり、原動リンク１４を長尺に、従動リンク１２を短尺とする必要がある。その上で、図３、図４の実施の移動体用車輪装置１では、数３式の値の最大値はおおよそ１．８となる。したがって、数１式は次の数４式と表すことができ、数４式が本実施の形態のリンク構造による反力Ｆと踏力Ｐ_Ｐとの関係を表す。

【0029】

【数4】

【0030】

図３、図４に示す実施の形態の移動体用車輪装置１は水平回転して自在に向きを変えるが、以下では、図示する姿勢において左側を前方、右側を後方として説明する。また実施の形態の移動体用車輪装置１の前後方向について、副車輪２２を前、主車輪２１を後ろと定め、前方を向いて副車輪２２と主車輪２１を結ぶ前後方向の中心線から左手側を左、右手側を右として説明する。

【0031】

図３、図４に示す実施の形態の移動体用車輪装置１は、下方に開口するＵ字断面の主フレーム１１の前端部の左右両側に第１連結部としての連結軸１１２にて自由に回転できるように左右２体の従動リンク１２それぞれの後端部が連結されている。この従動リンク１２の前端部の左右両側には、第３連結部としての連結軸１２３にて自由に回転できるように左右２体の中間リンク１３それぞれの前端部が連結されている。この左右の中間リンク１３それぞれの後端部には、第４連結部としての連結軸１３４にて自由に回転できるように左右２体の原動リンク１４それぞれの下端部が連結されている。そしてこの左右の原動リンク１４それぞれの上端部に、前記門形のフレーム１１の後端上部が第２連結部としての連結軸１１４にて自由に回転できるように連結されている。この４リンクの連結により、上記の主フレーム１１、従動リンク１２、中間リンク１３、原動リンク１４は主フレーム１１を固定リンクとする４節リンク機構の両てこ機構が構成されている。

【0032】

左右の原動リンク１４の上下中間の適宜の位置にて主車輪軸２１１が左右水平に通され、この主車輪軸２１１にて主車輪２１が軸支されている。また前方の左右の従動リンク１２の前端部と中間リンク１３の前端部とを連結している連結軸１２３には、副車輪２２を軸支させている。したがってこの連結軸１２３は副車輪２２の回転軸２２１を兼ねている。尚、副車輪２２の取り付け位置については、実施の形態では機構の簡単化のために連結軸１２３を回転軸２２１と共用する構成にしているが、これに限定されない。副車輪２２は従動リンク１２と共に移動できればよいので、この左右の従動リンク１２間の別の適所に回転軸２２１にて取り付けてもよい。

【0033】

主フレーム１１の前上部においてバネ支え棒３１が左右に渡してある。また左右の中間リンク１３の前後中間位置にはバネ止め穴３２が設けてある。そしてバネ支え棒３１に上端を引っかけた左右２個の引張りバネ３３それぞれの下端をこれら左右のバネ止め穴３２に引っかけてある。この引張りバネ３３によって中間リンク１３にその前端側を引き上げるバネ力を付勢している。この引張りバネ３３のバネ力により、従動リンク１２は無負荷状態でほぼ水平な状態に保持されることになる。尚、この引張りバネ３３は機構の初期状態の保持と復帰のための手段の1つであり、同様の作用を為す仕組みならば他の構造も採用できる。例えば、連結部１１４の周りにねじりバネを仕込み、原動リンク１４を反時計回りにバネ付勢力を作用させる構造を採用することもできる。

【0034】

主フレーム１１の前部上面には、車椅子のフレーム、台車の底面等に当該移動体用車輪装置１を取り付けるための移動体取り付け部として固定用ボルト４１が取り付けてある。またこの固定用ボルト４１とフレーム１１との間はベアリング部材４２にて自由回転できるように連結してある。移動体取り付け部としてはこの固定用ボルト４１とベアリンク部材４２の組み合わせに代えて、同様の作用を為す仕組みならば他の構造も採用できる。例えば、固定用ボルト４１の代わりに板状の取り付け座を用い、この取り付け座と主フレーム１１との間はベアリング部材にて回転自在にすることによって、当該移動体用車輪装置１を台車等の底面に取り付けることもできる。

【0035】

次に、図５～図７を用いて実施の形態の移動体用車輪装置１の段差部５０の乗り越え動作を説明する。説明を簡易にするために本実施の形態の移動体用車輪装置１は車椅子のフレームの前下部の左右それぞれに固定用ボルト４１を用いて取り付け、車椅子の駆動輪を利用者が前進回転させ、あるいは介助者が手押しで段差部５０を乗り越える際の動作について説明する。

【0036】

図５Ａに示すように、車椅子の通常の前進移動では、引張りバネ３３の引っ張り上げる力により中間リンク１３の前端側が引き上げられており、これにより従動リンク１２と中間リンク１３との両前端に同時に取り付けられている副車輪２２は一定の高さｈに持ち上げられた状態で主車輪２１の回転により前進する。そして段差部５０に来ると、副車輪２２は段差部５０の上面５２に衝突することなくその上面５２を通過する。そして主車輪２１が段差部５０の段差部端面５１に衝突する。

【0037】

図５Ｂに示すように、段差部端面５１に主車輪２１が衝突すると、主車輪２１は段差部端面５１から後ろ向きの反力Ｆ_１を受け、この反力Ｆ_１により原動リンク１４の上端側の連結軸１１４の周りに図示で左回りのモーメントτ_Ｆが働き、これが原動リンク１４の下端側の連結軸１３４を介して中間リンク１３を後方に引っ張る引張力Ｆ_２となる。回転軸２１１と共に原動リンク１４の下端部に後ろ向きの引張力Ｆ_２が働くと、中間リンク１３の前端の回転軸２２１（連結軸１２３）も後方に引かれ、前方の連結軸１２３にも引張力Ｆ_３が働く。この引張力Ｆ_３により門形の主フレーム１１の前端部の連結軸１１２に連結されている従動リンク１２の連結軸１１２の周りにも図で左回転するモーメントτ_Ｐが働く。そしてこのモーメントτ_Ｐにより、副車輪２２には下向きの踏力Ｐ_Ｐが発生する。これにより段差部上面５２を副車輪２２の下端部が強く押さえつけるように踏力Ｐ_Ｐ働き、逆に主車輪２１側はその反力Ｎによって持ち上げられる。

【0038】

図６Ａ、図６Ｂに示すように、さらに車椅子を前進させると段差部端面５１からの反力Ｆ_１により主車輪２１と共に原動リンク１４の下端部が後方に移動し、４節リンク機構の特性として中間リンク１３の後端部も後方に引かれ、中間リンク１３の前端部は従動リンク１２の前端部を下方へ回転させる。この回転に伴い、従動リンク１２に取り付けられている副車輪２２には下方にさらに強く押しつける踏力Ｐ_Ｐが働き、主車輪２１側はその反力Ｎによって地面からさらに大きく浮き上がるようになる。

【0039】

図７Ａに示すように、さらに車椅子を前進させると原動リンク１４の下端部が最大限度まで後方に引かれた状態になる。この時には従動リンク１２がほぼ垂直に近い状態まで図示左回転した状態になる。この最後方の位置では原動リンク１４の上部後面がストッパピン１５に当接し、原動リンク１４がそれ以上に後方まで回転しないようにその回転を阻止される。尚、ストッパピン１５の取り付け位置については、従動リンク１２が原動リンク１４の下端部の後方への移動に従動して下方に回転してもその下死点を超えることがない位置とする。このストッパピン１５は下死点超過防止手段を構成するものであるが、両てこ機構のどのリンクに、またどの位置に設置するかは実構造に応じて適宜に設定することができる。

【0040】

原動リンク１４の最後方までの回転状態では、中間リンク１３はほぼ水平状態になる。そして原動リンク１４と共に主車輪２１を引き上げ、副車輪２２の下端位置と主車輪２１の下端位置との高さの差が最小となる。そこで、この高さの最小の差分だけ押し上げるのに必要な前進力を加えることで段差部５０を軽く乗り越えられることになる。

【0041】

図７Ｂに示すように、移動体用車輪装置１が段差部５０を乗り越え段差部上面５２に主車輪２１が乗り上げれば、主車輪２１が段差部端面５１から受ける力はなくなり、引張りバネ３３の引っ張りバネ力で中間リンク１３の先端側を引き上げ、従動リンク１２、中間リンク１３、原動リンク１４すべてを元の状態、つまり図４、図５Ａの姿勢に復帰させることになる。

【0042】

次に、段差乗り越え動作について力学的な考察を述べる。図８は図６Ａに対応する図である。図９は機構図である。実施の形態の移動体用車輪装置１は４節リンク機構の両てこ機構を利用することで、段差部５０の段差部端面５１に衝突した時の横方向の反力Ｆ_１を、乗越えに必要な上下方向の踏力Ｐ_Ｐに変換し、かつ倍力する特長がある。

【0043】

図８は、車椅子を前進させる駆動力Ｋにより移動体用車輪装置１が段差部５０を半分ほど乗り上げている状態である。この駆動力Ｋに対して段差部端面５１から主車輪２１の接触点が反力Ｆ_１を受けている。この反力Ｆ_１により、原動リンク１４の上端側の連結軸１１４の周りにモーメントτ_Ｆが発生する。このモーメントτ_Ｆにより原動リンク１４と中間リンク１３との連結部１３４には後方に引く引張力Ｆ_２が働き、中間リンク１３の前端部の連結軸１２３にも後方への引張力Ｆ_３が現れる。この引張力Ｆ_３により、連結軸１２３を通じて従動リンク１２の上端側の連結軸１１２の周りにモーメントτ_Ｐが働く。このモーメントτ_Ｐにより、段差部５０の上面５２に副車輪２２が踏力Ｐ_Ｐにて押しつけられる。この踏力Ｐ_Ｐは逆に中間リンク１３を通じて原動リンク１４の後端部を押し上げる反作用力Ｎとなり、段差部５０の段差部端面５１との接触点を中心にして主車輪２１、そしてキャスター装置１及び車椅子の前部を引き上げる力として働く。この結果、主車輪２１は地面Ｇから引き上げられることになる。

【0044】

図９を用いて、さらに詳しく力学的な説明をする。踏力Ｐ_Ｐの発生メカニズムは次の通りである。主車輪２１が段差部５０の端面５１から反力Ｆ_１を受ける。この反力Ｆ_１により、原動リンク１４の根本に当たる連結軸１１４の周りに図示反時計周りの力のモーメントτ_Ｆ（トルク）が発生する。このトルクτ_Ｆが原動リンク１４の下端部の連結軸１３４で図示右向き（後ろ向き）の引張力Ｆ_２として出現する。この引張力Ｆ_２は中間リンク１３を図示右方に引っ張り、従動リンク１２との連結軸１２３（車軸２２１）に引張力Ｆ_３を図示右向きに加える。この引張力Ｆ_３は連結軸１１２の周りの反時計周りの力のモーメント（トルク）τ_Ｐを生じさせる。このトルクτ_Ｐは従動リンク１２の先端の車軸２２１（連結軸１２３）に取り付けられた副車輪２２に外周部分において段差部５０の上面５２を踏みつける踏力Ｐ_Ｐを発揮させる。

【0045】

次に、図１０を用いて本実施の形態の移動体用車輪装置１が倍力機構として段差部越えの力が少なくて済む理由を説明する。段差乗り越えのある瞬間を考える。段差部５０を乗り越えるために必要な条件は、連結軸１１２の周りの力のモーメント（トルク）の総和の向きが図示反時計回りであることである。

【0046】

本実施の形態の移動体用車輪装置１の場合、取り付ける移動体（ここでは、車椅子）の自重Ｗを連結軸１１２と連結軸１１４との２カ所で支える。ここで連結軸１１２と連結軸１１４との部分に均等に自重が加わると仮定する。その自重をＷ［Ｎ］とすると、各軸に掛かる力の大きさはＷ／２［Ｎ］となる。この２カ所に掛かる自重のうち、連結軸１１４に掛かる自重Ｗ／２のみが連結軸１１２周りの力のモーメントτ_Ｗ／２に変換される。

【0047】

【数5】

【0048】

ここで，ｄ_１は連結軸１１４と連結軸１１２との間の水平距離、ｄ_２は副車輪２２の段差部上面５２との接地点と連結軸１１２との間の水平距離である。段差部５０を乗り越えるためには、反力Ｆ（図１０のＦ_１に相当する）による連結軸１１２周りの反時計周りの力のモーメント（トルク）τ_Ｐがτ_Ｗ／２以上でなければならない。

【0049】

【数6】

【0050】

このための条件は、数５式と副車輪２２の踏力Ｐ_Ｐと連結軸１１２の周りの図示反時計周りの向きのモーメント（トルク）τ_Ｐとの関係であるτ_Ｐ＝ｄ_２Ｐ_Ｐより、次の数７式のようになる。

【0051】

【数7】

【0052】

本実施の形態のリンク構造による反力Ｆと踏力Ｐ_Ｐとの関係の一例は、上記数４式より次のようになる。

【0053】

【数8】

【0054】

これを数７式に代入することで、次の数９式を得る。

【0055】

【数9】

【0056】

この数９式が段差部５０を乗り越えるために必要な主車輪２１の段差部端面５１からの反力Ｆ（つまり、腕の駆動力Ｋ）の条件となる。これにより、本実施の形態の移動体用車輪装置１の場合、駆動力Ｋに対して４節リンク機構の両てこ機構により、従来の駆動力の半分以下の力で済むことになる。尚、従来例との力の比較は後述する。

【0057】

しかも本実施の形態の場合、従動リンク１２の一端が連結軸１１２にて固定リンク１１に連結され固定されているので、横方向の反力Ｆの向きを上下方向に変換し、主車輪２１が段差部端面５１から受ける反力Ｆと自重を構造的に支持することができる。このため主車輪２１を段差部端面５１に対して必要以上に押し付ける必要がなく、本実施の形態の移動体用車輪装置１では小さな力で段差乗り越えが可能となる。

【0058】

加えて図１１に示すように、本実施の形態の移動体用車輪装置１の場合、段差部端面５１を乗り越える際に主車輪２１の段差部端面５１との接触点６１、副車輪２２と段差部上面５２との接触点６２との２点にて当該移動体用車輪装置１及びその上部の車椅子の前部分の荷重を同時に支えることになる。そのため、当該移動体用車輪装置１及びその上部の車椅子が段差部を斜めに乗り上げる場合、移動体用車輪装置１自体は首振りせず（直角な姿勢とならずに）移動体の推進力を効果的に段差部５０の乗り越えのために発揮することができ、段差部５０を斜めに乗り越える場合でも移動体用車輪装置１の姿勢は変化せず（移動体の進行方向と平行な状態を維持）、効率良くかつ軽く段差部５０を乗り越えることができる。

【0059】

本実施の形態の移動体用車輪装置１の力学的、機構学的な利点を従来技術の１つ、特許文献１の段差対応キャスター装置と比較する。特許文献１の従来例の段差対応キャスター装置は、図１２、図１３に示すような機構となる。従来例の段差対応キャスター装置はいわば４節リンク機構のうちスライダクランク機構を応用したものと言える。フレームを固定リンク１１Ａとし、この固定リンク１１Ａにスライダリンクを構成するガイド溝１２Ａとその中をスライドするガイドローラ１２Ｂも設けられている。主車輪２１Ａを下端の車軸２１１Ａにて軸支するリンクを原動リンク１４Ａとし、この原動リンク１４Ａの下端部の車軸２１１Ａに対して、中間リンク１３Ａの後端部が連結されている。中間リンク１３Ａの前部にはスライダリンクを構成するガイドローラ１２Ｂが設けられ、このガイドローラ１２Ｂは固定リンク１１Ａのガイド溝１２Ａ内をスライドするように連結されている。副車輪２２Ａは中間リンク１３Ａのガイドローラ１２Ｂの位置よりもさらに前方の位置に車軸２２１Ａにて取り付けられている。

【0060】

図１２、図１３に示すように、この従来例では段差部を乗り越える際には主車輪２１Ａが段差部端面から反力Ｆを受け、この反力Ｆに打ち克つ駆動力Ｋを加えること（つまり、車椅子を前方に押すこと）によって副車輪２２Ａの踏力Ｐ_Ｃに変換され、この踏力Ｐ_Ｃによって主車輪２１Ａが段差部端面を持ち上げられて段差部を乗り越えることになる。

【0061】

図１３の機構図を参照して、従来技術はキャスターが支える移動体（今の場合は車椅子）の自重を原動リンク１４Ａと固定リンク１１Ａとの連結軸１１４の１か所のみで支える。そのため、自重をＷ［Ｎ］とすると、連結軸１１４Ａには大きさＷ［Ｎ］の自重がそのまま掛かることになる。この自重Ｗがガイドローラ１２Ｂの周りの図示右回りの力のモーメントτ_Ｗに変換される。

【0062】

【数10】

【0063】

ここで、ｄ_１は連結軸１１４Ａとガイドローラ１２Ｂとの間のスライダの水平距離、ｄ_２はガイドローラ１２Ｂと副車輪２２Ａの段差部上面５２への接地点との間の水平距離である。段差部５０を乗り越えるためには、反力Ｆによるガイドローラ１２Ｂ周りの反時計周りの力のモーメント（トルク）τ_Ｃが自重によるモーメント（トルクτ_Ｗ）以上でなければならない。その条件は次式である。

【0064】

【数11】

【0065】

数１０式と、副車輪２２Ａの踏力Ｐ_Ｃと、ガイドローラ１２Ｂ周りの反時計周りの力のモーメント（トルク）τ_Ｃとの関係であるτ_Ｃ＝ｄ_２Ｐ_Ｃより、上の数１１式は次の数１２式のようになる。

【0066】

【数12】

【0067】

ガイド溝１２Ａの半径は、４節リンク機構における従動リンクと等価な機能を果たすため、ガイド溝１２Ａの半径を図１２の従動リンク長Ｄに置き換えて数２式を用いると、従来技術のリンク機構による反力Ｆから踏力Ｐ_Ｃへの変換倍率の最大値は、およそ１．４と求まる。そのため従来技術のリンク構造における反力Ｆから踏力Ｐ_Ｃの関係は次の数１３式のようになる。

【0068】

【数13】