JP6262401B2 - ロッカーボギー - Google Patents

Description

本発明は、ロッカーボギーに関する。
本願は、２０１５年３月２４日に、米国に仮出願された米国出願番号６２／１３７，２４９に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

車輪を有したロボット等の移動機構に要求される事項は、踏破性、機敏性及び安定性である。車輪を有したロボットにおける踏破性とは、あらゆる形状の路面に対して、車輪が接地している状態で、ロボット本体の重量バランスを安定に保ちながら、転倒もしくは移動途中で動作不能状態にならず、移動する能力である。また、車輪を有したロボットにおける機敏性とは、方向転換、姿勢の保持したままの移動、運動の軽快具合といった、ロボットの作業を空間的、時間的な効率化、多様化を実現するための能力である。これら各々の性能をバランスよく確保しつつ、かつ現実的なコストで運用を可能とするよう、最適な構造を設計することが望まれる。

図１６に示す従来の四輪構造機構１００では、同一直線状に別々に駆動する２つの駆動輪１０１が前方に配置され、その後方に水平面において自由な方向に回転できるキャスター車輪１０２が配置されている。従来の構造では、様々な凹凸がある路面において、少なくとも四輪のうち三輪を接地しながら走行することが可能であり、ある程度の踏破性を有する。

日本国特許５，２４０，６８３号 日本国特許３，５５９，８２６号

しかしながら、従来の四輪構造機構１００では、坂道もしくは障害物を上り始める時に、重心Ｇは四輪構造機構１００の車体後方に移動する。上述の通り、従来の四輪構造機構１００では、２つの駆動輪１０１が前方にあるため、当該２つの駆動輪１０１と路面との接地力が弱まり、坂道を上るための十分な駆動力が得られない場合がある。更に凹凸が多い路面を走行する際に、坂道の頂上もしくは障害物の頂点と車体との接触により、車体が支持され、駆動輪１０１が空転し、四輪構造機構１００が動作不能状態に陥る可能性がある。

また、従来の四輪構造機構１００では、安定性を確保するため、４つの車輪の接地点で形成される四角形のほぼ中心に重心Ｇが配置される。この四輪構造機構１００を水平面においてその場で回転させるために、前方に配置される２つの駆動輪１０１を互いに逆方向に回転させることがある。この際に、四輪構造機構１００の回転中心は前方の２つの駆動輪１０１の中心を結ぶ線分の中点付近となり、この回転中心と四輪構造機構１００の重心Ｇとが一致しない。そのため、四輪構造機構１００をその場で回転させると、大きな慣性モーメントが発生するために、四輪構造機構１００の機敏な動作が妨げられてしまう。また、四輪構造機構１００の回転軌道は少なくとも前方と後方とに配置された４つの車輪の接地点を通る円となり、後述する対向２輪構造を有するロッカーボギー２００よりも回転半径が大きくなってしまう。

つまり、従来型の四輪構造機構１００は、一定の踏破性を有しつつも起伏の激しい凹凸路面には対応できないことがある。また、回転中心と重心Ｇとが離れているため、慣性モーメントが大きく、また回転軌道が大きいため、機敏性が低いという問題がある。

さらに、他の車輪を４つ有する構造の駆動機構として、図１７に示すように、１つの同一の直線状に別々に駆動する２つの駆動輪２０１が中央に配置され、その前後に対称的に水平面において自由な方向に回転できる２つのキャスター車輪２０２が配置される、いわゆる対向２輪構造機構２００がある。対向２輪構造では、従来の四輪構造機構に比べて、回転中心と重心Ｇとが一致するため慣性モーメントが最小になり、さらにその場で水平方向に回転する際に最小の回転半径で回転できる。従って、小回りの利く、機敏で軽快な移動が期待できる。

しかしながら、従来の対向２輪構造機構２００は、すべての車輪が同一の構造体によって支持されているため、凹形状の路面となる坂道もしくは段差の上り始めるとき、その構造上、駆動輪が宙に浮くあるいは接地荷重が低下し、結果として、駆動輪２０１が空転し動作不能状態に陥る恐れがある。また、凸形状の路面となる坂の頂上もしくは障害物を駆動輪が通過するときに、車体全体が不安定になり、浮いていた進行方向のキャスター車輪２０２が次の瞬間急に接地し、本体が進行方向に急激に回転し、ボディ全体に強い衝撃が加わる。これにより最悪の場合転倒するという問題がある。従って、対向２輪構造機構２００はその場回転などの機敏性を有しつつも、逆に凹凸および激しい起伏に対する踏破性が低いという問題がある。

また、車輪を６つ有する構造の機構として、ロッカーボギー機構があげられる。図１８に示すロッカーボギー３００の車体の前方部と後方部とにそれぞれ２輪のキャスター車輪３０２、３０３を有し、車体の中央に対向２輪の駆動輪３０４を有する構造がある。この構造では、後方部のキャスター車輪３０３を支持する支持部材が、前方部のキャスター車輪３０２及び中央の駆動輪３０４を支持する支持部材に対して、回転機構３０５を介して回転可能に構成されている。そのため、凹形状の路面である坂道もしくは障害物を登り始めるとき、又は凸形状の路面である坂道の頂上に駆動輪３０４が差し掛かるときなどに、滑らかに車輪が接地し、重心Ｇの移行が行われ、各車輪は路面をなめるように接地し良好な駆動性能を得ることができる。したがって、車体の重心バランスが安定しており、凸形状路面を踏破する際には転倒の危険性も十分に低減される。またその場で水平方向に回転する際、対向の駆動輪３９４の中央に重心Ｇを配置することが可能で、重心Ｇと回転中心を一致させることが可能である。

しかしながら、ロッカーボギー３００の構造を構成するためには６つの車輪が必要であり、さらに後方部のキャスター車輪にそれぞれ独立のリンク機構を備える必要がある。よって、四輪の構成に比べると構造が複雑になり、必須の部品点数が増え、コストが高騰する。また、その場で水平方向に回転する場合の回転半径も、車輪が４つのみで構成される対向２輪構造に比べて大きくなる。さらに、六輪構成のロッカーボギー構造は、車輪の配置方向に重心が移動する場合（たとえば坂道を下る場合、走行中に制動をかける場合等）の重心の前方移動限界角度が通常の構造より狭いため、回転機構３０５より前方に重心が位置する場合は前方向に転倒してしまう。

本発明はかかる事情を鑑みてなされたものであり、機敏な動作と低コストを実現しつつ、なめるように障害物の踏破する機能も有する四輪構造のロッカーボギーを得ることを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１態様に係るロッカーボギーは、それぞれ第１平面に接地可能な第１車輪、第２車輪、及び第３車輪を備える第１ベースと、前記第1平面に接地可能な第４車輪を備える第２ベースと、前記第２ベースが前記第１ベースに対して回転自在となるように、前記第１ベースと前記第２ベースとを接続する回転軸と、を備える。さらに、前記回転軸は、前記第１車輪の回転中心と前記第２車輪の回転中心とを結ぶ第１直線に平行であってかつ、前記第３車輪の回転中心と前記第１直線との間に配置され、前記第４車輪は、前記第１直線を挟んで、前記第３車輪とは反対側に配置されている。
前記ロッカーボギーは、前記第２ベースに載置された構造物をさらに備え、前記構造物の重心は、平面視において、前記第３車輪の回転中心と前記第１直線との間にあってもよい。

前記第１車輪及び前記第２車輪は、別々に駆動可能な駆動輪であり、前記第３車輪及び前記第４車輪はキャスターであってもよい。

左右方向外側から見た場合に、前記第３車輪の接地位置から前記回転軸までの距離と前記第１直線から前記回転軸までの距離が２対１の割合になっていてもよい。

左右方向外側から見た場合に、前記第４車輪の接地位置から前記第１直線までの距離と前記回転軸から、該第１直線までの距離が３対１の割合になっていてもよい。

左右方向外側から見た場合に、前記第３車輪の支持軸から前記回転軸までの距離と前記第１直線から前記回転軸までの距離が２対１の割合になっていてもよい。

左右方向外側から見た場合に、前記第４車輪の支持軸から前記第１直線までの距離と前記回転軸から、該第１直線までの距離が３対１の割合になっていてもよい。

前記ロッカーボギーは、前記第４車輪が接地面から離れたとき、前記第４車輪が接地面から離れる方向の回転軸の回転を制限する回転制動機構をさらに備えてもよい。

水平面に置かれた状態において、鉛直方向における前記回転軸の位置が前記第一直線の位置と同じ又はそれよりも鉛直下側に配置されていてもよい。

本発明の上記態様に係るロッカーボギーによれば、部品点数を多くすることなく、高い機敏性と不整地での高い踏破性とを廉価で実現することができる。
また、回転制動機構が設けられれば、ロッカーボギー構造の欠点である前方向への転倒限界角に関しても改善でき、通常の対向２輪構造の四輪車と同等の転倒限界角度を維持し安全な走行が確保できる。

本発明の実施形態に係るロッカーボギーを示す上面斜視図である。 本発明の実施形態に係るロッカーボギーを示す上面図である。 本発明の実施形態に係るロッカーボギーを示す正面図である。 本発明の実施形態に係るロッカーボギーを示す側面図である。 ロッカーボギー１が凸形状の路面を踏破するときの状態を示す。 ロッカーボギー１が凹形状の路面を踏破するときの状態を示す。 本発明の実施形態に係るロッカーボギーの回転機構を説明するための図である。 ロッカーボギー１が、斜面を登り初める際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、斜面を登り終える際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、斜面を下り初める際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、斜面を下り終える際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、段差に登る際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、段差から下る際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１が、障害物を乗り越える際の車輪の接地状態を示す。 ロッカーボギー１のその場回転を説明するための図である。 ロッカーボギー１が急停止する際の挙動を示す。 回転制動機構２０を有するロッカーボギー１Ａを示す。 回転制動機構３０を有するロッカーボギー１Ｂを示す。 ロッカーボギー１Ｂの回転制動機構３０の詳細を示す。 ロッカーボギー１Ｂの回転制動機構３０のロック前の状態を示す。 ロッカーボギー１Ｂの回転制動機構３０が急停止によりロックされた状態を示す。 ロッカーボギー１Ｂの回転制動機構３０が、車輪５がくぼみにはまることによりロックされた状態を示す。 回転制動機構３０を２つ設ける場合の構成例を示す。 回転制動機構３０を３つ設ける場合の構成例を示す。 回転制動機構３０を４つ設ける場合の構成例を示す。 ロッカーボギー１が急発進する際の挙動を示す。 ロッカーボギー１Ｃを示す上面斜視図である。 ロッカーボギー１Ｃを示す正面図である。 ロッカーボギー１Ｃを示す側面図である。 従来の４輪構造機構１００を示す。 従来の対向２輪構造機構２００を示す。 従来の車輪を６つ有する構造のロッカーボギー３００を示す。

以下、好適な実施形態に基づいて、本発明を説明する。
[四輪ロッカーボギー構造とその動作原理]
本発明の一実施形態に係るロッカーボギー１を図１Ａ〜１Ｄに示す。図１Ａはロッカーボギー１の上面斜視図であり、図１Ｂはロッカーボギー１の上面図であり、図１Ｃはロッカーボギー１の正面図であり、図１Ｄはロッカーボギー１の側面図である。

図１Ａ〜１Ｄに示すように、対向する２輪の駆動輪である車輪（第１車輪）２、車輪（第２車輪）３とその前方に配置された車輪（第３車輪）４が構造物（第１ベース）６に載置され、後方に配置された車輪（第４車輪）５が構造物（第２ベース）７に載置される。さらに、構造物７が構造物６と回転軸を有する回転機構８を介して接続されている。
また、本体となる構造物９は構造物７上に載置される。
中央に配置される２輪の駆動輪２、３は、それぞれ独立して駆動可能である。前進する際は駆動輪２、３を同じ速度で正回転させ、後退する際は駆動輪２、３を同じ速度で逆回転させる。また、水平方向にロッカーボギー１を回転させる際は、互いに逆方向に回転させる。
車輪４、５は、キャスターであり、水平面上を自由な方向に向くように回転できる。なお、本実施形態では、車輪４、５は駆動機構を有さない。

なお、車輪４、５はキャスターに限定されず、ボールキャスターや全方向車輪であるオムニホイール（登録商標）を適宜採用してもよい。
車輪４、５としてキャスターを用いれば、安価で、走行性能の高いロッカーボギーを実現できる。

一方、車輪４、５としてボールキャスターやオムニホイールを用いれば、平面視における構造物６及び７と車輪４及び５とをそれぞれ連結する支持軸４ａ、５ａの位置と、車輪４、５の接地点とが常に同じ位置になる。そのためより走行時の安定性の高いロッカーボギーを実現できる。また、ボールキャスターやオムニホイールであれば、キャスターのように支持軸４ａ、５ｂ周りの回転（ヨーイング）のためのスペースを設ける必要がない。

構造物６及び構造物７は、板状であり、本実施形態ではそれぞれ平面視で三角形状を有している。構造物６及び構造物７の材料としては、金属、木、樹脂材料、セラミクスなどを用いればよく、用途に適した特性を有していれば限定されない。
本実施形態では、図５に示すように、重心Ｇを駆動輪２、３の中点にすることができるため、水平方向にロッカーボギー１を回転させる際に回転中心Ｃと重心Ｇとが一致する。従って、重心Ｇによる慣性モーメントが発生しない。また、本実施形態では車輪が４つであり、その場で水平方向に回転する際に４つ車輪２〜５の中心を軸に回転するため、図５の矢印で示すようにより小さな回転半径で回転できる。従って、小回りの利く、機敏で軽快な移動が可能である。

ここで、本実施形態では、駆動輪２，３の車軸に平行な方向を左右方向と呼び、水平方向において駆動輪２，３の車軸に垂直な方向を前後方向と呼び、車輪４が設けられる側を前側、車輪５が設けられる側を後側とする。また、ロッカーボギー１を水平面に置いた際の鉛直方向を上下方向と呼び、鉛直方向上側を上側、鉛直方向下側を下側とする。

図３に示すように、回転機構８は、構造物６に固定される部分が固定部材１１、構造物７に固定される固定部材１２ａと固定部材１２ｂと、回転軸１３とで構成される。固定部材１１を挟んで固定部材１２ａと固定部材１２ｂとが配置される。固定部材１１、１２ａ、１２ｂは、回転軸１３上に配置され、結果として構造物７が構造物６に対して回転軸１３を中心に回転する。
図１Ｂに示すように、回転軸１３は対向する駆動輪２，３の車軸（第１直線）Ａと平行かつ、回転軸１３の垂直投影線が車輪２、３、及び４で形成される接地三角形内に投影されるように配置されている。
このような回転機構８を導入したとき、回転軸回りの構造物の動きを側面からみると図２のようになる。図２Ａは凸形状の路面を踏破するときの状態で、図２Ｂは凹形状の路面を踏破するときの状態である。

また、図４Ａ〜４Ｇは回転機構８を有するロッカーボギー１が実際に斜面等を踏破する際の各車輪の接地状態を示す。図４Ａは、ロッカーボギー１が斜面を登り初める際、図４Ｂは、ロッカーボギー１が斜面を登り終える際、図４Ｃは、ロッカーボギー１が斜面を下り初める際、図４Ｄは、ロッカーボギー１が斜面を下り終える際、図４Ｅは、ロッカーボギー１が段差に乗り上げる際、図４Ｆは、ロッカーボギー１が段差から下りる際、図４Ｇは障害物を乗り越える際、の車輪の接地状態を示している。

ロッカーボギー１は、回転機構８を有することで、様々な形状の路面において、図４に示すように駆動輪に十分な接地力を持ったまま、空転することなく踏破することが可能となり、またすべての車輪が接地した状態で、踏破することが可能となる。さらに、ロッカーボギー１は、回転機構８を有することで、急激に進行方向への回転を抑制した状態で、結果として車体全体のバランスを安定させたまま移動することが可能である。

通常、水平面上にロッカーボギー１を置いた場合、四輪に安定に均等に荷重がかかるようにしようとすると、構造物９を含む全体の重心は対向２輪（車輪２、３）の車軸Ａの中央の真上に位置するように調整される。

また、図１Ｄのように車輪２、３、４で均等に荷重をかけようとすると、左右方向外側から見た場合の構造物６と構造物７とを接続する回転軸１３と車輪２、３の接地点を結ぶ直線との距離ａと、回転軸１３と車輪４の接地点までの距離ｂ１との比率がａ：ｂ１＝１：２になる。また車輪５とその他の車輪の荷重を均等にするためには、左右方向外側から見た場合の重心Ｇの水平面への投影点から回転軸１３の水平面への投影線までの距離ｃと車輪５の接地点から重心Ｇの水平面への投影点までの距離ｄ１の比率がｃ：ｄ１＝１：３の割合になる。

また、車輪４及び５としてキャスターを用いる場合、ヨーイングによって回転軸１３や重心Ｇに対する車輪３、４の接地点の相対位置が走行方向によって変化する。
図１Ｄにおける距離ｂ１及びｄ１は、前方向に走行するロッカーボギー１のキャスターの状態を想定している。

一方、後方向への走行や回転を考慮して、車輪４及び５の支持軸４ａ、５ｂとの位置関係に基づいて設計してもよい。
この場合、左右方向外側から見た場合の構造物６と構造物７とを接続する回転軸１３と車輪２、３の接地点を結ぶ直線との距離ａと、回転軸１３と車輪４の支持軸４ａまでの距離ｂ２との比率をａ：ｂ２＝１：２にすればよい。また左右方向外側から見た場合の重心Ｇの水平面への投影点から回転軸１３の水平面への投影線までの距離ｃと車輪５の支持軸５ａから重心Ｇの水平面への投影点までの距離ｄ２の比率をｃ：ｄ２＝１：３にすればよい。

本実施形態に係るロッカーボギー１の構造物６及び車輪２〜４で構成される構造は、３輪の車輪構造であるため、路面がボディに接触しない限り、どのような形状の路面でも良好に接地することができる。

また、本実施形態に係るロッカーボギー１では、車輪２、３の接地点を結ぶ直線と平行な回転軸１３を有する回転機構８で構造物６、７が接続され、この回転軸１３周りに回転の自由度がある。つまり、車輪５と構造物７で構成される構造は車輪２〜４と構造物６で構成される３輪構造の接地状況を阻害することがない。従って、車輪５と構造物７とで構成される構造に路面が接触さえしなければ、様々な形状の路面に良好に接地させることができる。

また、構造物７の上に本体となる構造物９を載置することで、路面が構造物６，７に接することがなければ、多様な路面の形状に沿って各車輪が各々独立して良好な接地状況を作り出せる。
なお、本実施形態では、車輪の直径の１/４程度の高さの段差、１０〜２０度程度の斜面の踏破性能を得ることを想定している。

[回転制動機構について]
また、本体となる構造物９の高さ寸法が高い場合、急停止時などにロッカーボギーが前方へ転倒する恐れがある。これは急停止により車輪５が持ち上がる方向にモーメントが発生し、回転軸を介して構造物９が回転するためである。前方への転倒性能は、回転軸より前方に重心の垂直投影線が位置すると転倒することになり、これは、通常の対向２輪の場合に車輪４の接地点より前に重心の垂直投影線が位置しなければ転倒しない場合と比較すると、中心からの距離で１／３程度に余裕度が悪化している。

この悪化の原因は、本実施形態のようなロッカーボギー構造にすることで、前方への転倒が回転軸１３を中心に発生することにある。このため、図６Ａの右図の矢印に示すように前方に倒れる場合に回転軸１３を中心にする前方（車輪５が接地面から離れる方向）への回転を制動することで転倒を回避できる。

また、前方への転倒性能を改善するために、回転軸１３に回転制動機構が取り付けられてもよい。回転制動機構は、車輪５の接地力が概ねゼロになると、車輪５が接地面から離れる方向への回転軸１３の回転を制止する構成を有する。

［前方転倒限界性能の向上策とその動作１］
重心が前方に移動することで、車輪５の接地荷重が減少することを利用し、上述の回転制動機構２０を働かせて実現する例を、図７を用いて示す。

図７に回転制動機構２０を有するロッカーボギー１Ａを示す。なお、ロッカーボギー１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
回転制動機構２０は、伸長ばね２１と、ラチェット歯車２２と、係合部材２３と、歯止め２４と、上下移動バー２５とで構成される。
ロッカーボギー１Ａでは、上下移動バー２５の下端に車輪５が設けられる。上下移動バー２５の上端は構造物７よりも上に位置しており、係合部材２３に回転可能に接続される。

伸長ばね２１は、上下移動バー２５を介して、車輪５を上下方向に移動可能である。伸長ばね２１の一端は構造物７に取り付けられ、伸長ばね２１の他端は上下移動バー２５に取り付けられる。ここで伸長ばね２１は、車輪５の接地荷重が減少すると伸び、車輪５が接地すると縮むように設定されている。伸長ばね２１が伸びると、上下移動バー２５及び車輪５が下方向に移動する。

係合部材２３は、上下移動バー２５の上端からラチェット歯車２２（回転軸１３）に向かって直線的に設けられる。係合部材２３の一端は上下移動バー２５の上端に回転軸を介して接続される。係合部材２３の他端にはラチェット歯車２２にかみ合うように加工された歯止め２４が設けられる。また、係合部材２３の任意の中間点は構造物７と回転軸を介して接続される。

ラチェット歯車２２は、回転軸１３にはめ込まれ、構造物６に固定される。なお、図示していないが車輪５が接地しており伸長ばね２１が伸びていない状態では係合部材２３（歯止め２４）はラチェット歯車２２に係合しておらず、図７に示すように伸長ばね２１により上下移動バー２５が下方向へ移動した際に、係合部材２３の歯止め２４がラチェット歯車２２にかみ合う。

以下、回転制動機構２０がロッカーボギー１Ａの前方への転倒を回避するまでの動作について詳細に説明する。

急停止などによりロッカーボギー１Ａに前方向の力が働き、車輪５の接地荷重が減少すると、図７に示すように車輪５に取り付けられたばね２１が伸びる。それにより、車輪５の上下移動バー２５が下方向（構造体７から車輪５を遠ざける方向）に移動する。その結果、上下移動バー２５に接続された回転制動機構２０の係合部材２３の他端が下方に下がる。これにより、係合部材２３と構造物７との回転軸を中心に係合部材２３が回転することで、係合部材２３の一端に形成される歯止め２４が上方に上がるように移動する。結果として、歯止め２４がラチェット歯車２２と噛み合い、構造物７は回転制動機構２０によって構造体７から車輪５を遠ざける方向への回転が制限される。よって、この状態では構造物６と構造物７とが前方への転倒動作に対して固縛される。結果として、重心の垂直投影点が回転軸１３より前方に位置しても、車輪４の接地点を超えて前方にならない限り転倒しない構造が実現できる。

また、重心が後方に下がり、車輪５に適度な重量がかかるようになると歯止め２４がラチェット歯車２２からはずれ、回転軸１３を中心に構造物７は構造物６に対して自由に回転できるようになる。

［前方転倒限界性能の向上策とその動作２］
図８に回転制動機構３０を有するロッカーボギー１Ｂを示す。ロッカーボギー１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

もう一つの前方への転倒を防止する手法として、構造物７を二つに分ける手法がある。図８に示すロッカーボギー１Ｂでは、上述のロッカーボギー１の構造物７が、後方の車輪がある構造物７ａと、構造物７ａの上に重ねられ、本体となる構造物９を支える構造物７ｂとで構成される。
構造物６上に回転軸１３を有する回転機構８が設けられる。また、回転軸１３を中心にして回転するように構造物７ａと構造物７ｂが取り付けられている。本体となる構造物９は構造物７ｂ上に設置される。

通常、構造物６は３つの車輪２〜４を介して地面に接地し、構造物７ａは構造物６に支持されつつ、車輪５を介して地面と接地する。構造物７ｂは構造物６に支持されつつ、構造物７ａにも支持されている。このような構造では、急ブレーキなどにより急停止すると、構造物７ａと構造物７ｂとは回転軸１３を中心として前方へ回転する。なお、構造物６は構造上、重心が低くなっており、急停止時に極端に回転するおそれは低い。

ロッカーボギー１Ｂでは、構造物７ａ及び構造物７ｂの構造物６に対する回転を利用して、回転制動機構３０を構成する。回転制動機構３０は、作動バー３１、ラチェット歯車３２、ラチェット爪３３、及び伸張ばね３４で構成される。

図９に示すように、回転制動機構３０は、回転軸１３を有する回転機構８の左右方向の外側に設けられる。作動バー３１は、構造物７ａの後方の端部であって、回転機構８の左右方向の両脇にそれぞれ１つずつ取り付けられ、後述のラチェット爪３３を支持している。ラチェット歯車３２は、作動バー３１の下方に設けられ、構造物６に固定されており、回転しない。ラチェット爪３３及び伸張ばね３４は、作動バー３１及びラチェット歯車３２の上方に配置されており、構造物７ｂに取り付けられる。図１０に示すように、ラチェット爪３３の先端部は、伸張ばね３４により上方から下方へ移動可能に構成される。伸張ばね３４は、作動バー３１がラチェット爪３３を支持している状態では圧縮されている。つまり、構造物７ｂが構造物７ａに対して相対的に回転すると、作動バー３１によるラチェット爪３３の支持が外れ、伸張ばね３４の復元力でラチェット爪３３の先端が下方向に押し下げられ、ラチェット爪３３とラチェット歯車３２とが噛み合う。なお、図１０〜１３では回転制動機構３０の構成を見やすくするため、回転機構８等を適宜省略して記載している。

ラチェット爪３３とラチェット歯車３２とが噛み合うことの詳細について説明する。構造物７ｂが構造物７ａに対して相対的に回転していない状態では、ラチェット爪３３はラチェット歯車３２に接することがなく、接する直前のところでラチェット爪３３が作動バー３１により制止されている。従って、通常の状態では構造物７ａ及び構造物７ｂは構造物６に対して自由に回転する。すなわち、構造物７ａと構造物７ｂが一体である限り、ラチェット爪３３は下方に移動しない。

一方、構造物７ａと構造物７ｂとが一体ではなくなるとき、すなわち構造物７ａから構造物７ｂが離れた時、図１１に示すようにラチェット爪３３は作動バー３１から離れる。これにより、作動バー３１に支持されていたラチェット爪３３の先端が伸長ばね３４の復元力により、下方向に移動する。この移動により、ラチェット爪３３はラチェット歯車３２に噛み合う。その結果、構造物７ａと構造物７ｂとの回転は回転制動機構３０により制止され、ロッカーボギー１Ｂが転倒することを防ぐことができる。

なお、図１２に示すように、走行中に車輪５が急にくぼみＲにはまる状態になっても、回転制動機構３０が作動し、構造物７ａ及び構造物７ｂの構造物６に対する回転にロックがかかる。しかしながら、この場合、はロックされる方向と逆の方向に構造物７ａ及び構造物７ｂが回転するので、回転が制止されない。
また、図１３Ａ〜１３Ｃに、回転制動機構３０を２つ、３つ、４つ設ける場合の構成例をそれぞれ示す。回転制動機構３０の数が多く設けられれば、急ブレーキ時の力が分散され、回転制動機構３０の破損を防ぐことができるため好ましい。なお、回転制動機構３０を複数設ける場合は、構造物７ｂ及び構造物７ａに作動バー、ラチェット爪、伸張ばねを適宜設置できるように部材の追加等を行ってもよい。

また、上記説明では、回転制動機構としてラチェット歯車を用いた構成を示した。しかしながら、本発明はロッカーボギーの前方への転倒を回避する機構であればこれに限定されない。例えば構造体同士の相対的な回転を制御するための回路を搭載して電気的に制御してもよいし、構造物６の上面と及び構造物７の下面とをひもや伸長ばね等で接続し、簡易的に回転角度を規制してもよい。

［発進時の安定性向上策］
この他に、本体となる構造物９の高さ寸法が高い場合、図１４に示すように、急発進時にロッカーボギーの前輪が持ち上がってロッカーボギーが不安定になるおそれがある。これは駆動輪である対向２輪２、３の車軸よりも回転軸１３が高い位置にあることにより、前輪である車輪４を持ち上げる方向のモーメントが発生するためである。

図１５Ａ〜１５Ｃに回転制動機構３０を有するロッカーボギー１Ｃを示す。ロッカーボギー１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図１５Ａはロッカーボギー１Ｃの上面斜視図であり、図１５Ｂはロッカーボギー１Ｃの正面図であり、図１５Ｃはロッカーボギー１Ｃの側面図である。

図１５Ａ〜１５Ｃに示すようにロッカーボギー１Ｃは、水平面に置かれた状態において、回転軸１３Ａの鉛直方向における位置が駆動輪である対向２輪２，３の車軸Ａの位置と同じ又はそれよりも鉛直下側に配置されるように構成されている点でロッカーボギー１と異なる。

詳述すると、図１５Ｃに示すように、ロッカーボギー１Ｃでは、構造物６は、傾斜部６Ａと水平部６Ｂとで構成される。傾斜部６Ａは、前方向上向きに傾斜して、車輪４に接続されている。水平部６Ｂは、対向２輪２、３に接続され、前後方向に水平に延在する。傾斜部６Ａと水平部６Ｂとは前後方向における車輪４と対向２輪２、３との間で接続固定されている。ロッカーボギー１Ｃでは、傾斜部６Ａを設けることで、回転軸１３Ａの位置を下げることができるとともに、キャスター車輪である車輪４と構造物６との接続に必要な高さも確保することができる。
また、構造物７は、傾斜部７Ａと湾曲部７Ｂとで構成される。傾斜部７Ａは、後ろ方向上向きに傾斜して、車輪５に接続されている。湾曲部７Ｂは、対向２輪２、３の車軸Ａを上側から囲むように湾曲しており、構造物６の水平部６Ｂの上側に配置される。傾斜部７Ａと湾曲部７Ｂとは前後方向における車輪５と対向２輪２、３との間で接続固定されている。ロッカーボギー１Ｃでは、傾斜部７Ａを設けることで、回転軸１３Ａの位置を下げることができるとともに、キャスター車輪である車輪５と構造物７との接続に必要な高さも確保することができる。

構造物６の水平部６Ｂと構造物７の湾曲部７Ｂとは、車輪４と対向２輪２、３との間に形成される回転機構８Ａを介しての回転軸１３Ａを中心に回転可能に接続されている。ここで、回転軸１３Ａの鉛直方向における位置は、駆動輪である対向２輪２，３の車軸Ａの位置と同じ位置又はそれよりも鉛直下側に配置される。

これにより、本体となる構造物９の高さ寸法が高い場合であっても、回転軸１３Ａが十分に低い位置にあるため、急発進時に前輪である車輪４を持ち上げる方向に働くモーメントを抑制できる。
そのため、この構成を用いれば急発進時にロッカーボギーの前輪が持ち上がることを抑制できる。これにより、急発進時においても四輪とも地面に接した状態を維持でき、ロッカーボギー１Ｃをより安定させることができる。

設計の自由度を考慮すると、厳密に駆動輪である対向２輪２，３の車軸Ａよりも回転軸１３Ａが若干であれば高い位置であってもよい。
例えば水平面にロッカーボギー１Ｃを置いた際の鉛直方向における回転軸１３Ａの位置が、対向２輪２，３の半径（車軸の高さ）の１．１倍の位置より低ければ、急発進時に前輪である車輪４を持ち上げる方向に働くモーメントを抑制できる。

なお、水平面にロッカーボギー１Ｃを置いた際の鉛直方向における回転軸１３Ａの位置が、対向２輪２，３の半径の０．８〜１．０倍の位置であることが特に好ましい。回転軸１３Ａの位置が、対向２輪２，３の半径の１．０倍以下であれば、対向２輪２，３の車軸Ａよりも回転軸１３Ａが低いため、急発進時に持ち上げる方向に働くモーメントを十分に抑制できる。そのためロッカーボギー１Ｃの前輪４が持ち上がることを防げる。また、回転軸１３Ａの位置が、対向２輪２，３の半径の０．８倍以上であれば、小さな障害物を乗り越えるための空間を構造物６及び７と接地面との間に確保できる。

また、図７や図８を参照して説明した上述の回転制動機構の原理を用いて、急発進時に前輪４が持ち上がることを物理的に抑制する機構を設けてもよい。

また、ロッカーボギー１Ｃにおいても、左右方向外側から見た場合の構造物６と構造物７とを接続する回転軸１３Ａと車輪２、３の接地点を結ぶ直線との距離ａと、回転軸１３Ａと車輪４の接地点までの距離ｂ１との比率がａ：ｂ１＝１：２になることが好ましい。さらに、左右方向外側から見た場合の重心Ｇの水平面への投影点から回転軸１３の水平面への投影線までの距離ｃと車輪５の接地点から重心Ｇの水平面への投影点までの距離ｄ１の比率がｃ：ｄ１＝１：３の割合になることが好ましい。

また、ロッカーボギー１と同様に、ロッカーボギー１Ｃにおいても後方向への走行や回転を考慮して、支持軸４ａ、５ｂの位置に基づいた距離ｂ２及びｄ２を用いてもよい。この場合、ａ：ｂ２＝１：２、ｃ：ｄ２＝１：３とすればよい。

上記では前方転倒限界性能を向上させるための構成や発進時の安定性を向上させるための構成をいくつか示したが、これら構成は単独で用いてもよく、また必要に応じて組み合わせて用いてもよい。

また、本体となる構造物９としては、限定されないが、金属部品を含む重量の大きな構造体やロッカーボギーの左右方向及び前後方向の寸法よりも３倍以上の高さを有する構造体等であってもよい。重量や高さの大きな構造物９が設けられる場合でも、本実施形態に係るロッカーボギーの構成を用いれば車体全体のバランスを安定させたまま移動することが可能である。

また、本実施形態に係るロッカーボギーにおいては、前方の障害物を感知できるセンサーを搭載して、所定の大きさ以上の障害物を感知した場合は走行を停止するようにもよい。この場合ロッカーボギーの所定の位置に、所定の高さ以上を感知できる接触式センサーを設けてもよいし、光学センサーや超音波センサーなどの非接触式センサーを用いてもよい。これにより、例えば本体となる構造物９として重量の大きな構造体を用いる場合でも、ロッカーボギーが障害物を乗り越えることによってその障害物が破損等することなどを防ぐことができる。

なお、ａ：ｂ１（ｂ２）＝１：２及びｃ：ｄ１（ｄ２）＝１：３について、厳密に上述の比率である必要はなく、各車輪にほぼ均等に荷重がかかっていればある程度の誤差は許容される。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ロッカーボギー、２…車輪（第１車輪）、３…車輪（第２車輪）、４…車輪（第３車輪）、５…車輪（第４車輪）、６…構造物（第１ベース）、７，７ａ，７ｂ…構造物（第２ベース）、９…構造物、１３、１３Ａ…回転軸、Ａ…車軸（第１直線）、２０，３０……回転制動機構

Claims (7)

1. ロッカーボギーであって、
   それぞれ第１平面に接地可能な第１車輪、第２車輪、及び第３車輪を備える第１ベースと、
   前記第１平面に接地可能な第４車輪を備える第２ベースと、
   前記第２ベースが前記第１ベースに対して回転自在となるように、前記第１ベースと前記第２ベースとを接続する回転軸と、を備え、
   前記回転軸は、前記第１車輪の回転中心と前記第２車輪の回転中心とを結ぶ第１直線に平行であってかつ、前後方向において前記第３車輪の回転中心と前記第１直線との間に配置され、
   前記第４車輪は、前記第１直線を挟んで、前記第３車輪とは反対側に配置され、
   左右方向から見た場合に、前記第３車輪の接地位置から前記回転軸までの前記前後方向の距離と、前記第１直線から前記回転軸までの前記前後方向の距離が２対１の割合になっている。
2. ロッカーボギーであって、
   それぞれ第１平面に接地可能な第１車輪、第２車輪、及び第３車輪を備える第１ベースと、
   前記第１平面に接地可能な第４車輪を備える第２ベースと、
   前記第２ベースが前記第１ベースに対して回転自在となるように、前記第１ベースと前記第２ベースとを接続する回転軸と、を備え、
   前記回転軸は、前記第１車輪の回転中心と前記第２車輪の回転中心とを結ぶ第１直線に平行であってかつ、前後方向において前記第３車輪の回転中心と前記第１直線との間に配置され、
   前記第４車輪は、前記第１直線を挟んで、前記第３車輪とは反対側に配置され、
   左右方向から見た場合に、前記第３車輪の支持軸から前記回転軸までの前記前後方向の距離と、前記第１直線から前記回転軸までの前記前後方向の距離が２対１の割合になっている。
3. 左右方向から見た場合に、前記第４車輪の接地位置から前記第１直線までの前記前後方向の距離と、前記回転軸から該第１直線までの前記前後方向の距離が３対１の割合になっている請求項１に記載のロッカーボギー。
4. 左右方向から見た場合に、前記第４車輪の支持軸から前記第１直線までの前記前後方向の距離と、前記回転軸から該第１直線までの前記前後方向の距離が３対１の割合になっている請求項２に記載のロッカーボギー。
5. 前記第２ベースに載置された構造物をさらに備え、
   前記構造物の重心は、平面視において、前記第４車輪の回転中心と前記回転軸との間にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロッカーボギー。
6. 前記第４車輪が接地面から離れたとき、前記第４車輪が接地面から離れる方向の前記回転軸の回転を制限する回転制動機構をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載のロッカーボギー。
7. 水平面に置かれた状態において、鉛直方向における前記回転軸の位置が前記第１直線の位置と同じ又はそれよりも鉛直下側に配置されている請求項１〜６のいずれか１項に記載のロッカーボギー。

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