JP2008012012A - 差動操舵式電動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドルの回転操作により前輪を直接操舵でき、しかも駆動輪の差動回転式制御と併せて車体の中間位置を中心としてその場回転を行わせ得る差動操舵式電動車を提供する。
【解決手段】後輪３Ｌ、３Ｒが左右一対の方向自在輪であり、前輪１は、ハンドル２０に下設されたハンドル軸２１の下端部に支持されて左右方向の中間に位置する１輪である。左右に回転操作されるハンドル２０の基準位置からの回転操作方向及び回転操作角を検知するポテンショメータ２５と、回転操作角が大きくなるのに伴って、ハンドル２０の操作方向側の駆動輪２Ｌ又は２Ｒが反対側の駆動輪２Ｒ又は２Ｌに対して順に減速、停止、反転加速し、９０°の回転操作位置で反転等速になるように、左右一対の駆動輪２Ｌ、２Ｒにそれぞれ付属のモータをポテンショメータ２５の検知信号に応答して回転方向及び回転速度を制御して駆動するモータ駆動輪制御手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、前輪及び後輪間の中間位置に、互いの回転方向及び回転速度差による差動操舵が行われるように駆動制御される左右一対の駆動輪を備えた差動操舵式電動車に関するものである。

特許文献１等により、左右方向中間位置に在る前輪をハンドル軸を介して直接ハンドルの回転操作により操舵し、左右の後輪がバッテリを電源とするモータにより駆動されるゴルフカート或は身障者もしくは脚の弱った高齢者用等として利用する電動三輪車は周知である。

特許文献２等により、直進方向に対して斜めに傾斜した回転軸線を有する回転体、即ちローラがハブの周囲に配列された車輪を用いて、その差動操舵式の４輪駆動により横方向を含めて３６０°に移動し得る全方向移動車が周知となっている。さらに、特許文献３により、半紡錘形状のローラを備えた無旋回式自在車輪が周知であり、文献４により、この半紡錘形状のローラ付車輪を直進方向に左右対称に傾斜させて４輪のトルク及び回転方向が互いに独立に駆動される差動操舵式全方向移動車も周知である。

特許文献５によれば、互いに独立に平行状態から種々の非平行な姿勢に操舵される左右の一対の前輪と、互いに独立に差動回転式にモータ駆動される左右の一対の後輪を備え、自宅、病院内等で前輪をハの字形に操舵し、一方の後輪を他方の後輪に対して等速・反転させることにより、その場回転を行わせることのできる４輪型の差動操舵式車椅子が開示されている。

一方、特許文献６によれば、昇降可能な座席と、前後方向の中間位置の差動回転式に制御される左右の一対の駆動輪並びに左右の一対の前輪及び左右の一対の後輪とを備え、座席の上昇により着座状態で立ち作業を行えると共に、その場回転も可能な６輪型の差動操舵式電動車椅子が周知である。
特開平８−１５４３０１号公報 特開昭４７−１２４６１号公報 特開２００２−１３７６０２号公報 特開２００５−４７３１２号公報 特開平９−２９４７７９号公報 特開２００１−１０４３９７号公報

文献１の電動三輪車の場合、前輪のハンドル操作で操舵を行うことができ、高齢者にとっても操舵方法が馴染み易いが、前進することなく方向転換する所謂その場回転は不可能である。特許文献２、４等による４輪駆動の差動操舵式電動車によれば、４輪の中心位置、つまり車体の中心位置付近を中心にスピン状のその場回転が可能になるが、駆動機構が高価になり、また操舵方法が、車輪を直接操舵するのでなくジョイスティック等の操舵指令信号を発生させるための操作部による電子制御を前提にするために、ハンドル操作式に較べて特に高齢者にとっては馴染みにくく、また操作感覚を充分に体得しないと過大又は過小操舵を生じ易い問題もある。特許文献５のその場回転が可能な車椅子の場合、差動回転する左右の後輪の中間位置、即ち車体後部を回転中心とするスイング状にその場回転することになる。

一方、特許文献６による６輪型の差動操舵式電動車椅子の場合、差動回転する左右の駆動輪の中間位置、即ち車体の中心位置近辺を中心とするスピン状のその場回転が可能になるが、その際前後輪を非旋回式にすることを前提にしておらず、したがって操舵方向に追従するまで移動方向が不安定になり易い。加えて、操舵は操作部の操作により出力される操舵指令信号に応答して左右の駆動輪が差動回転式制御されるもので、車輪を直接ハンドル操作するものでなく、したがって前述のように操作方法の馴染み易さ或は操舵感覚の点で問題がある。

本発明は、このような点に鑑みて、ハンドルの回転操作により前輪を直接操舵でき、しかも駆動輪の差動回転式制御と併せて車体の中間位置近辺を回転中心としてその場回転を行わせ得る差動操舵式電動車を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、前輪及び後輪間の中間位置に、互いの回転方向及び回転速度差による差動操舵が行われるように駆動制御される左右一対の駆動輪を備えた差動操舵式電動車において、後輪が左右一対の方向自在輪であり、また前輪は、ハンドルに下設されたハンドル軸の下端部に支持されて左右方向の中間に位置する１輪であり、左右に回転操作されるハンドルの基準位置からの回転操作方向及び回転操作角を検知する回転位置センサと、回転操作角が大きくなるのに伴って、ハンドルの操作方向側の駆動輪が反対側の駆動輪に対して順に減速、停止、反転加速し、９０°の回転操作位置で反転等速になるように、左右一対の駆動輪にそれぞれ付属のモータを回転位置センサの検知信号に応答して回転方向及び回転速度を制御して駆動するモータ駆動輪制御手段とを備えたことを特徴とする。

ハンドルの回転操作により前輪が操舵されると、その回転操作方向及び回転操作角の検知信号に応答して左右の駆動輪の互いの回転方向及び回転速度差が制御されて、駆動輪によるハンドルの回転操作方向へ沿った差動操舵も同時に行われ、その際後輪が方向自在輪であることにより操舵方向に追従回転する。ハンドルの操作回転角が大きくなるのに伴ってその側の駆動輪の回転速度が順に相対的に漸減、停止、反転漸増し、ハンドルが９０°回転操作されると、左右一対の駆動輪の左右方向の中間位置、即ち車体の中心位置もしくはその近辺を中心にスピン状に回転走行する。

後輪を操舵方向にスムーズに追従回転させるには、請求項２により、方向自在輪である後輪が、車輪直進方向に対して直交方向へ回転する複数個のローラを車輪の周囲に配列された非旋回式である。その非旋回式車輪の有利な構成としては、請求項３により、各ローラが、その直径を基端部から先端部に向けて連続的に小さくする半紡錘形状であり、先端部が隣合うローラの前記基端部に近接し得るように、各ローラの先端部が、隣合うローラの基端部に形成された凹部に部分的に侵入する。非旋回式を前提に簡単な構成で４輪駆動を行うには、請求項４により、左右一対の後輪が、左右それぞれの側でベルトを介して駆動輪に連結される。

請求項１の発明によれば、ハンドル操作により前輪が直接操舵され、その際併せて前後方向の中間位置の左右一対の駆動輪が差動回転式に駆動制御される機械・電子のハイブリッド操舵制御式の５輪型の差動操舵式電動車が実現される。したがって、車体の中心部を中心にしたその場回転が可能になると共に、操舵指令信号を出力する操作部を備えた差動操舵式電動車に較べて、高齢者にとっても馴染み易いハンドル操作による操舵が可能となり、通常の操作感覚で操舵できるために過大又は過小操舵も生じ難くなり、加えて駆動輪が前後方向の中間に位置することにより、坂道の走行時における重心移動の影響を受け難く安定した走行が保証される。

その際、請求項２の発明によれば、後輪をキャスタにするのに較べて、非旋回・方向自在式車輪のローラの回転を伴う曲進により、操舵方向へのスムーズな追従が可能になる。請求項３の発明によれば、ローラ付非旋回式車輪の外周が、互いのローラ間の隙間を小さくし、かつ円形状にし得るために、屋外走行時にも後輪のローラ間の隙間に小石等が挟まるのが防止され、隙間によるガタツキも抑制されてスムーズに直進或は曲進できる。請求項４の発明によれば、非旋回式の後輪のベルト連結による４輪駆動により、坂道、段差のある路面、不整地の路面をスムーズに走行でき、高い走破性及び操縦安定性が得られる。

図１乃至図５を基に本発明の実施の形態による差動操舵式電動車を説明する。この電動車は、左右方向の中間位置に配置されたゴムタイヤ製の１個の前輪１と、車輪直進方向に対して直交方向へ回転する複数個のローラ３ａが車輪の周囲に転向用に配列されている非旋回・方向自在式の左右一対の後輪３Ｌ、３Ｒと、これらの前後輪の中間に位置し、かつ減速機１０ａ付でモータ内蔵の駆動ユニット１０Ｌ、１０Ｒで互いに独立に速度及び回転方向を制御されて駆動されるゴムタイヤ製の左右一対の駆動輪２Ｌ、２Ｒを備えた５輪型の電動車椅子として構成されている。

駆動輪２Ｌ、２Ｒは、後輪３Ｌ、３Ｒと共に、互いに同一トレッドになるように、車体フレームを構成するパイプ状のロアフレーム５に車軸２ａ、３ｂを介して取付けられている。また、駆動輪２Ｌ、２Ｒの車軸２ａに取付けられた歯形プーリ１１及び後輪３Ｌ、３Ｒの車軸３ａに取付けられた歯形プーリ１２間に歯付ベルト１３が巻回され、このベルトを介して後輪３Ｌ、３Ｒが駆動輪２Ｌ、２Ｒに連結されている。ロアフレーム５には、モータの電源となるバッテリ１０ｂも搭載され、図３に示すように、カバー５ａが装着され、またアッパフレーム６，７には着座部が構成されて、その周辺にカバー６ａが装着されている。

後輪３Ｌ、３Ｒは、道路の歩道車道間等の段差を容易に乗り越え得る程度に大きな直径を有し、各ローラ３ａが車軸３ｂの周囲のリムに配列され、周面により後輪３Ｌ、３Ｒの外周円の円弧を形成するように、先端部の直径を基端部の直径よりも小さくする半紡錘形状に形成され、かつ先端部が、隣合う基端部に近接し得るように、この基端部に形成された凹部に部分的に侵入している。これらの後輪の外径は、駆動輪２Ｌ、２Ｒの外径と同一であり、互いに同一外径の歯形プーリ１１、１２により等速で連動走行する。

ロアフレーム５の隆起した左右方向の中間位置の先端部には、左右にレバー状に延びるハンドル２０の中間位置に下設されたハンドル軸２１を回転自在に支持するステアリングコラム２２が取付けられている。このステアリングコラムでは、ハンドル軸２１の下端部に、前輪１を支持するように下方へ延びる前輪支持フォーク２３が連結されている。ハンドル２０には、同一機能の左右一対のスロットルレバー２６が取付けられている。ステアリングコラム２２には、ハンドル２０の回転操作に連動回転するハンドル軸２１の基準位置からの回転操作方向及び回転操作角を検知して回転操作信号Ｓ_Ｈを出力する回転位置センサとしてのポテンショメータ２５が載置されている。

さらに、その回転操作信号Ｓ_Ｈ及び左右のスロットルレバー２６の一方もしくは双方のうちの操作量の大きい方の速度信号Ｓ_Ｖを入力信号とする演算処理により、駆動輪２Ｌ、２Ｒを互いに独立の可変速度で正逆回転させる差動操舵用の回転指令データを作成し、駆動輪２Ｌの回転方向及び回転速度を指令する回転指令信号Ｓ_Ｌ、駆動輪２Ｒの回転指令信号Ｓ_Ｒを出力する回転指令データ作成部３０と、これらの操舵信号に応答して駆動ユニット１０Ｌ、１０Ｒのモータをそれぞれ駆動するモータ駆動部３１Ｌ、３１Ｒとで構成されるモータ駆動制御手段とを備えた回路装置が、車体フレームに搭載されている。

回転指令データ作成部３０は、ハンドル２０の左右９０°の範囲内の回転操作に応答してハンドル操作及び電子操舵制御のハイブリッド式に差動操舵が行なわれるように、回転指令信号Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒを出力する。例えば、ハンドル２０が右側へ操作される場合、下記の式に従い駆動輪２Ｌを速度Ｖ_Ｌ及び駆動輪２Ｒを速度Ｖ_Ｒで走行させる回転指令信号Ｓ_Ｌ、Ｓ_Ｒを出力する。

Ｖ_Ｒ＝Ｖ_Ｃ×ｒ_Ｒ／ｒ
Ｖ_Ｌ＝Ｖ_Ｃ×ｒ_Ｌ／ｒ
ここで、図４に示すように、Ｖ_Ｃは駆動輪２Ｌ、２Ｒ間の中間位置Ｐ_Ｏの速度、Ｔ_ｒはトレッド、ｒ_Ｒ＝ｒ−Ｔ_ｒ／２、ｒ_Ｌ＝ｒ＋Ｔ_ｒ／２、ｒは、前輪１の垂直方向の操舵回転軸線Ｐ１を直進時に左右に交差する操作基準ラインＬ１と左右の駆動輪２Ｌ、２Ｒの中心位置Ｐ２、Ｐ３を結ぶ車軸ラインＬ２との交点である旋回中心位置Ｏ及び中間位置Ｐ_Ｏ間の距離である。

したがって、ハンドル２０が直進方向の操作基準位置から右側へ回転操作されると、旋回中心位置Ｏがトレッド外を占める回転操作角θの範囲（ｒ＞Ｔ_ｒ／２）では、速度Ｖ_Ｌに対して速度Ｖ_Ｒを等速から徐々に相対的に減速させる。回転操作角θが操作基準ラインＬ１を駆動輪２Ｒの中心位置Ｐ３、即ちトレッドに一致させる回転操作角θ_Ｓ（ｒ−Ｔ_ｒ／２＝０）になると、駆動輪２Ｒを停止させる。さらに９０°に向かうと（ｒ＜Ｔ_ｒ／２、ｒ−Ｔ_ｒ／２＜０）、駆動輪２Ｒを反転させて徐々に相対的に加速させる。つまり、回転操作角θが大きくなるのに伴って、前輪１の操舵方向に沿って駆動輪２Ｒが差動制御されるように、速度Ｖ_Ｒを相対的に漸減、停止、反転漸増させ、９０°の回転操作角で互いに反転・等速状態で、図５に示すように、中間位置Ｐ_Ｏを中心に回転走行させる。

ハンドル２０が左側へ操作されると、前述の式が対称的に変形され、右側への回転操作と対称的に左側への差動操舵が行われる。また、後退用のレバー等の操作部が付属する場合、後退信号に応答して前述の関係を保持して駆動輪２Ｌ、２Ｒをそれぞれ逆転させた状態で差動操舵が行われる。尚、ハンドルの形状は、前述の左右対称のレバー状に代えて、円形ホィール、楕円ホィール等種々考えられる。

このように構成された５輪型差動操舵式電動車の動作は次の通りである。スロットルレバー２６の操作で走行速度が調整されると共に、後輪３Ｌ、３Ｒが駆動輪２Ｌ、２Ｒにそれぞれの側で連動回転することにより４輪駆動式として走行し、不整地でも安定に走行でき、凹凸、段差もスムーズに通過でき、高い走破性及び操縦安定性が得られる。登り坂或は下り坂で車体の重心が後方或は前方に移動するとしても、駆動輪２Ｌ、２Ｒが前後方向の中間位置で接地状態を保持し易いことにより、安定した走行が行われる。左右の後輪３Ｌ、３Ｒの存在により、複雑な凹凸路での横転も確実に防止される。

ハンドル２０を直進方向の操作基準位置から回転操作すると、その方向に追従するように駆動輪２Ｌ、２Ｒが回転方向及び回転速度を制御されて差動操舵状態で回転走行し、その際後輪３Ｌ、３Ｒのローラ３ａは駆動力の横方向のベクトル分力に応じて方向自在に回転してハンドル２０の操作方向に曲進する。このような曲進に際して、後輪３Ｌ、３Ｒが駆動輪２Ｌ、２Ｒに対して同一トレッドであることにより、互いの旋回半径のずれに起因する動力ロス或は騒音発生は原理的に発生しない。また、後輪３Ｌ、３Ｒはロータ付の非旋回式の方向自在輪であり、操舵方向にスムーズに追従走行し、さらにローラ３ａが緊密に円形の車輪外周を形成することにより、ガタツキ無く、屋外でローラ３ａ間の隙間に小石等が挟まるのも抑制されて安定走行する。

ハンドル２０を９０°に回転操作すると、駆動輪２Ｌ、２Ｒがその中間位置、即ち車体の略中心位置を中心に中間位置までの距離を半径として等速で互いに逆転し、スピン状にその場回転する。その際、前輪１はそのスピン回転円の接線方向に沿って走行し、差動操舵される駆動輪２Ｌ、２Ｒで床面を擦って傷めることもなく、後輪３Ｌ、３Ｒもローラ３ａの回転によりスムーズに円形走行する。

別の実施の形態として、後輪３Ｌ、３Ｒは、構成を簡単にするために、駆動輪に連動させる連結ベルトを廃止して、ローラ３ａの回転により、独立に操舵方向に非旋回・方向自在式に追従回転させることもできる。その際、後輪は、多少の追従走行の不安定を甘受するならば、旋回式の方向自在輪であるキャスタにすることもできる。さらに、連結ベルトを廃止して後輪３Ｌ、３Ｒに独立にモータ内蔵の駆動ユニットを設けて、走行速度を駆動輪と同一にして４輪駆動を行うこともできる。

本発明の実施の形態による差動操舵式電動車のカバーを外した状態の平面図である。 同差動操舵式電動車のカバーを外した状態の側面図である。 同電動車の斜視図である。 同電動車のハンドル操作による操舵の原理を説明する図である。 同電動車のその場回転動作を説明する図である。

符号の説明

１ 前輪
２Ｌ、２Ｒ 駆動輪
３ａ ローラ
３Ｌ、３Ｒ 後輪
１３ 歯付ベルト
２０ ハンドル
２１ ハンドル軸
２５ ポテンショメータ

Claims (4)

1. 前輪及び後輪間の中間位置に、互いの回転方向及び回転速度差による差動操舵が行われるように駆動制御される左右一対の駆動輪を備えた差動操舵式電動車において、
   後輪が左右一対の方向自在輪であり、また前輪は、ハンドルに下設されたハンドル軸の下端部に支持されて左右方向の中間に位置する１輪であり、
   左右に回転操作される前記ハンドルの基準位置からの回転操作方向及び回転操作角を検知する回転位置センサと、前記回転操作角が大きくなるのに伴って、前記ハンドルの操作方向側の駆動輪が反対側の前記駆動輪に対して順に減速、停止、反転加速し、９０°の回転操作位置で反転等速になるように、左右一対の前記駆動輪にそれぞれ付属のモータを前記回転位置センサの検知信号に応答して回転方向及び回転速度を制御して駆動するモータ駆動輪制御手段とを備えたことを特徴とする差動操舵式電動車。
2. 方向自在輪である後輪が、車輪直進方向に対して直交方向へ回転する複数個のローラを車輪の周囲に配列された非旋回式であることを特徴とする請求項１記載の差動操舵式電動車。
3. 各ローラが、その直径を基端部から先端部に向けて連続的に小さくする半紡錘形状であり、前記先端部が隣合う前記ローラの前記基端部に近接し得るように、前記各ローラの前記先端部が、隣合う前記ローラの前記基端部に形成された凹部に部分的に侵入していることを特徴とする請求項２記載の差動操舵式電動車。
4. 左右一対の後輪が、左右それぞれの側でベルトを介して駆動輪に連結されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の差動操舵式電動車。

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