(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャーシと、該シャーシの左右前方に回転自在に設けた十字型の回転アームと、同アームの先端に回転自在に設けた車輪と、前記シャーシ左右後方に回転自在に設けた回転アームと、前記左右後方の十字型の回転アームの先端に設けた車輪と、前記左右後方の回転アームに設けた各車輪の車軸に設けた歯付きプーリと、シャーシ上に設けた左右動力モータと、左右動力モータの回転軸に設けた動力歯付きプーリと、前記左右後方の回転アームに設けた各車輪の歯付きプーリと前記左右の動力歯付きプーリとに巻回した左右の無端歯付きベルトと、前記左右の無端歯付きベルトの弛みを除去するテンションプーリとを備え、左右動力モータによって前記左右歯付きベルトを駆動し、さらに、シャーシ後方の左右回転アームに設けた車輪を回転させ、平地では、前記後方の左右回転アームの先端に設けた車輪の回転によって走行し、段差によって前記車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えて段差を乗り越えることができようにした階段昇降機。
【請求項２】
前記回転アームの先端に設けた車輪の歯付きプーリ間にタイミングベルトを巻回したことを特徴とする請求項１に記載の階段昇降機。
【請求項３】
前記回転アームに設けた車輪の歯付きプーリと前記左右の動力歯付きプーリとに巻回する無端歯付きベルトの長さはＢ1 は、
アームの長さをＬａ、各歯付きプーリのピッチ円半径をｒp 、アーム中心から動力部側の歯付きプーリ６ａ中心までの長さをＺ、アームの回転角をθとした時に、
0003596713.tif 000010
を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の階段昇降機。
【請求項４】
シャーシと、該シャーシの左右前方に回転自在に設けた十字型の回転アームと、同アームの先端に回転自在に設けた車輪と、前記シャーシ左右後方に回転自在に設けた回転アームと、前記左右後方の十字型の回転アームの先端に設けた各車輪の車軸に設けたスプロケットと、シャーシ上に設けた左右動力モータと、左右動力モータの回転軸に設けた動力スプロケットと、前記左右回転アームに設けた車輪のスプロケットと前記左右の動力スプロケットとに巻回した左右の無端チェーンと、前記無端チェーンの弛みを除去するテンションプーリとを備え、左右動力モータによって前記チェーンを駆動し、さらに、左右後方の回転アームに設けた車輪を回転させ、平地では、前記後方の左右回転アームに設けた車輪の回転によって走行し、段差によって車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えて段差を乗り越えることができようにした階段昇降機。
【請求項５】
前記回転アームの先端に設けた車輪のスプロケット間にタイミングベルトを巻回したことを特徴とする請求項４に記載の階段昇降機。
【請求項６】
前記回転アームに設けた車輪のスプロケットと前記左右の動力スプロケットとに巻回する無端チェーンの長さはＢ1 は、
アームの長さをＬａ、各スプロケットのピッチ円半径をｒp 、アーム中心から動力部側のスプロケット中心までの長さをＺ、アームの回転角をθとした時に、    Ｂ1 max ＝２Ｌａ√２＋２πｒp ＋２（Ｚ2 ＋Ｌａ2 ）1/2
を満足することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の階段昇降機。
【請求項７】
前記回転アームと車輪とは、
隣合う車輪の中心間距離をＬ、車輪の半径をＲW 、階段のけあげの高さをＨ、階段の階段の踏み面長さをＢ、隣合う車輪の中心を結ぶ線からアームの部品のはみ出し長さをＢａとした時に、以下の（イ）〜（ニ）の関係を満足することを特徴とする請求項１〜請求項６のいづれかに記載の階段昇降機。
0003596713.tif 000011
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は階段昇降機に関し、さらに詳細には、車輪付き回転アーム形階段昇降機において軽量化と簡略化を可能にする駆動機構を採用するとともに隣あう車輪の中心間距離と車輪の半径の関係を所定の関係とすることにより、階段をスムーズに昇降できる階段昇降機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
階段を昇降できる移動ロボットについては、これまでにクローラ、脚などによるいくつかの方式が提案されている。
クローラによって平地走行と階段昇降を行う方式は、駆動機構やその制御が簡単であるため、すでに実用化されている。しかし、クローラは走行抵抗が大きいため高速な走行が困難であり、使用できる場所や状況が限られる。
人間や昆虫のような脚によって移動を行う機構を持つロボットは、不整地での使用に適している。しかし、複数のモータによって駆動されるため重量が大きくなり、モータに対してコンピュータ制御も複雑になり、移動速度も遅くなる。その他、足付き車輪方式などもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来方式の階段昇降機の多くは、上述した理由により高速な移動が行えないばかりか、機構が複雑である、重量が大きい、制御が複雑であるなどいくつかの欠点があった。
それらの欠点を解決するために、最近では車輪付き回転アーム形の階段昇降機が開発されている。
【０００４】
車輪付き回転アーム形の階段昇降機は、先端に自転する車輪のついた回転可能なアームを用い、平地では、車輪の回転によって走行し、段差によって車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えられて段差を乗り越えることができる構成となっている。
この車輪付き回転アームを利用した移動ロボットは、他の方式に比べ、平地での高速移動が可能で、モータ制御も容易であるという利点があり、回転アームの駆動方式に平歯車の組み合わせ、遊星歯車、チェーンを用いている方法が示されているが、それぞれ機構が複雑となる上に、重量が大きくなるなどの実用化上での問題が残っている。
また、車輪付き回転アーム形階段昇降機は、隣あう車輪の中心間距離と車輪の半径の関係とが充分に検討されていなかったために、階段をスムーズに昇降することができない等の問題もある。
【０００５】
そこで、本発明は車輪付き回転アーム形階段昇降機の実用化を目的とし、車輪付き回転アーム形階段昇降機を設計する上で必要条件となる、隣あう車輪の中心間距離と車輪の半径の関係を明らかにするとともに、軽量化と駆動方式の簡略化を可能にする歯付きプーリ、歯付きベルトあるいはスプロケット、チェーンによる駆動機構を採用した階段昇降機を提案せんとするものである。
本発明によれば、車輪付き回転アーム形階段昇降機において、必要となる車輪直径と隣あう車輪の中心間距離の関係を所定の関係にしたため階段をスムーズに昇降できるとともに、歯付きプーリ、歯付きベルトあるいはスプロケット、チェーンによる駆動方式を採用することにより装置の小型軽量化を図ることが可能となった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
シャーシと、該シャーシの左右前方に回転自在に設けた十字型の回転アームと、同アームの先端に回転自在に設けた車輪と、前記シャーシ左右後方に回転自在に設けた回転アームと、前記左右後方の十字型の回転アームの先端に設けた車輪と、前記左右後方の回転アームに設けた各車輪の車軸に設けた歯付きプーリと、シャーシ上に設けた左右動力モータと、左右動力モータの回転軸に設けた動力歯付きプーリと、前記左右後方の回転アームに設けた各車輪の歯付きプーリと前記左右の動力歯付きプーリとに巻回した左右の無端歯付きベルトと、前記左右の無端歯付きベルトの弛みを除去するテンションプーリとを備え、左右動力モータによって前記左右歯付きベルトを駆動し、さらに、シャーシ後方の左右回転アームに設けた車輪を回転させ、平地では、前記後方の左右回転アームの先端に設けた車輪の回転によって走行し、段差によって前記車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えて段差を乗り越えることができようにした階段昇降機である。
また、前記回転アームの先端に設けた車輪の歯付きプーリ間にタイミングベルトを巻回したことを特徴とする階段昇降機である。
また、前記回転アームに設けた車輪の歯付きプーリと前記左右の動力歯付きプーリとに巻回する無端歯付きベルトの長さはＢ1 は、アームの長さをＬａ、各歯付きプーリのピッチ円半径をｒp 、アーム中心から動力部側の歯付きプーリ６ａ中心までの長さをＺ、アームの回転角をθとした時に、
0003596713.tif 000002
を満足することを特徴とする階段昇降機である。
また、シャーシと、該シャーシの左右前方に回転自在に設けた十字型の回転アームと、同アームの先端に回転自在に設けた車輪と、前記シャーシ左右後方に回転自在に設けた回転アームと、前記左右後方の十字型の回転アームの先端に設けた各車輪の車軸に設けたスプロケットと、シャーシ上に設けた左右動力モータと、左右動力モータの回転軸に設けた動力スプロケットと、前記左右回転アームに設けた車輪のスプロケットと前記左右の動力スプロケットとに巻回した左右の無端チェーンと、前記無端チェーンの弛みを除去するテンションプーリとを備え、左右動力モータによって前記チェーンを駆動し、さらに、左右後方の回転アームに設けた車輪を回転させ、平地では、前記後方の左右回転アームに設けた車輪の回転によって走行し、段差によって車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えて段差を乗り越えることができようにした階段昇降機である。
また、前記回転アームの先端に設けた車輪のスプロケット間にタイミングベルトを巻回したことを特徴とする階段昇降機である。
また、前記回転アームに設けた車輪のスプロケットと前記左右の動力スプロケットとに巻回する無端チェーンの長さはＢ1 は、アームの長さをＬａ、各スプロケットのピッチ円半径をｒp 、アーム中心から動力部側のスプロケット中心までの長さをＺ、アームの回転角をθとした時に、
0003596713.tif 000003
を満足することを特徴とする階段昇降機である。
また、前記回転アームと車輪とは、
隣合う車輪の中心間距離をＬ、車輪の半径をＲW 、階段のけあげの高さをＨ、階段の階段の踏み面長さをＢ、隣合う車輪の中心を結ぶ線からアームの部品のはみ出し長さをＢａとした時に、以下の（イ）〜（ニ）の関係を満足することを特徴とする階段昇降機である。
0003596713.tif 000004
【０００７】
削除
【０００８】
削除
【０００９】
削除
【００１０】
削除
【００１１】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る車輪付き回転アーム形階段昇降機の側面図であり、図２は同平面図である。
図に示すように、この階段昇降機は、シャーシ１と、このシャーシ１の後方に設けた左右の車輪付き回転アーム形の駆動輪２と、シャーシの前方に設けた同様の構成を有する従動輪３から構成されている。駆動輪２は後述するように左右の独立した動力モータの歯付きプーリ６ａから歯付きベルト７および車輪側の歯付きプーリ４ａを介して駆動される構成となっており、左右両輪の速度差によって進行方向が調整される。また、回転アーム２ａが回転すると、歯付きベルト７にたるみを生じるため、同ベルトに一定の張力を与えて歯付きプーリからのベルトの脱落や歯の飛びを防いでいる。
【００１２】
以下、図面を参照してさらに詳細に説明すると、
図において、１はシャーシであり、このシャーシには後方駆動輪２の左右回転アーム２ａが軸２ｂにより、また前方従動輪の左右回転アーム３ａが軸３ｂによりそれぞれ回転自在に支持されている。各回転アーム２ａ、３ａは十字型をしており、同回転アーム２ａ、３ａの各先端には、図２に示す如く一対の回転アーム間に車輪４、５が挟まれた状態で回転自在に取付けられている。
【００１３】
後輪側の左右回転アーム２ａの先端に取付けた各車輪４の回転軸には歯付きプーリ４ａが設けられており、また、シャーシ１に固定された動力モータ６の出力軸には動力歯付きプーリ６ａが取り付けられており、これらの歯付きプーリ間には図に示す如く、無端式の歯付きベルト７が巻回されていて、動力モータ６が駆動されると、歯付きベルト７が回転し、これにともなって、回転アーム２ａの先端に軸支されている各車輪４が回転をするようになっている。前記歯付きベルト７には、同ベルトの弛みを解消するテンションプーリＴＰが設けられている。
【００１４】
テンションプーリＴＰは、アーム９と、アームの先端に取り付けたプーリ８とから構成されおり、２本のアーム９の基端がシャーシの適宜箇所に回転自在に軸支持されており、互いのプーリ８が近接方向にスプリング１０によって付勢されており、このスプリング１０の付勢力により歯付きベルト７の弛みを除去できる構成となっている。さらに、駆動輪側の各歯付きプーリ４ａには、図では明瞭にしめされていないが、前記歯付きベルト７とは別に、タイミングベルト１１が巻回されている。
【００１５】
一方、前輪側の回転アームも、後輪側の回転アームと同様にアームの各先端に車輪が設けられており、従動輪３を構成している。
なお、前記回転アーム２ａ、３ａは、前述した形態の回転アームに限ることはなく、十字型をしており、さらにそれぞれの先端部に車輪を回転自在に支持できる形式のものであればどのような形態のものでも使用できる。
【００１６】
上記構成からなる車輪付き回転アーム形階段昇降機において、階段をスムーズに昇降するために必要となる車輪直径と隣あう車輪の中心間距離の関係について図３〜図５を参照して説明する。
【００１７】
〔車輪付き回転アームの設計条件〕
車輪付き回転アームが階段を円滑に昇降するためには、隣合う車輪の中心間距離をＬ、車輪の半径をＲＷ  としたときに次の条件▲１▼、▲２▼、▲３▼を満たしていなければならない。
【００１８】
▲１▼  隣あう車輪同士が接触しない条件
車輪の中心間距離Ｌは車輪の半径ＲＷ  の２倍より大きくなくてはならない（図３参照）。
Ｌ＞２ＲＷ
【００１９】
▲２▼  階段を上がれるアームの大きさの条件
図３に示すように、Ｌが小さいとアームが回転をしても次の車輪がけあげに上がれない。階段を上がるには車輪の中心間距離Ｌは次式を満たさなくてはならない。      Ｌ２  ＞Ｈ２  ＋ＲＷ２
ただし、Ｈはけあげの高さ
【００２０】
▲３▼  次の段のけあげに車輪が接触しない条件
図４に示すように、車輪を中心にアーム２ａが回転する場合、次段のけあげに車輪が接触してしまうと、地面に接触している車輪がスリップをおこし、アーム２ａがスムーズに回転できなくなるため、次式の条件を満たす必要がある。
Ｌ２  ＜Ｈ２  ＋Ｂ２  
ただしＢは階段の踏み面長さ
【００２１】
▲４▼  けあげの角が回転アームの部品と接触しない条件
図５に示すように、回転アーム２ａが階段を昇降する場合、二つの車輪の間にけあげの角１０が入り込み、アームの部品２ｃと接触して障害を起こす危険がある。そのため、車輪の中心を結ぶ線からアームの部品のはみ出し長さをＢａとすると、次式の条件を満たさなければならない。
Ｌ＜２（ＲＷ  √２−Ｂａ）
【００２２】
▲１▼〜▲４▼の条件をグラフ化したのが、図５である。図の斜線部が、円滑な階段昇降動作の行える車輪付き回転アームの設計条件となる。
つづいて、歯付きベルト駆動方式のベルトの長さの選定の仕方および駆動方式の詳細を説明する。
【００２３】
歯付きベルト長さの選定
車輪付き回転アームを駆動する歯付きベルトはアームの回転角度によって必要となる長さが異なる。したがって、歯付きベルトの長さは必要な最大長さとなり、最小長さとなる状態においても充分な張力が得られるようなテンションプーリＴＰが必要となる。
【００２４】
▲１▼必要な歯付きベルトの長さの決定
必要な歯付きベルトの長さは、アームの長さＬａ、各歯付きプーリのピッチ円半径ｒｐ  、アーム中心から動力部側の歯付きプーリ６ａ中心までの長さＺ、アームの回転角θによって変化する。図７にこのベルトに４つの車輪プーリが接触している状態を示す。
この時のベルトの長さＢ１は次式となる。
0003596713.tif 000005
長さＺがＬａの１．４倍以上であればθ＝４５°の時に必要なベルトの長さは最も短くなり、その値は次式によって得られる。
0003596713.tif 000006
【００２５】
ベルトの長さが最も短い状態
図８にベルトに３つの車輪プーリが接触している状態を示す。この時のベルトの長さＢ１  は次式となる。
0003596713.tif 000007
θ＝０°のときに必要なベルトの長さは最も長くなり、その値は次式によって得られる。
0003596713.tif 000008
式（２）、（４）より、ベルトの長さの差は次式によって得られる。
0003596713.tif 000009
【００２６】
▲３▼  歯付きベルトによる駆動方式
図８のようにベルトを離れた車輪１のプーリが図７のように再びベルトと接触するときに、プーリとベルトの歯の位置が一致しなくてはならない。そこで、プーリの中心間距離の総和を歯のピッチの倍数とし、ベルトと各プーリが同期して回転するように４個の歯付きプーリ４ａに小さなタイミングベルト１１を掛けて同期させている。また、歯付きベルト７は、図１に示すような、スプリングによって結ばれたテンションプーリＴＰによってたるみが押さえられ、歯付きベルトには常に一定の張力が働くようになっている。
【００２７】
〔実施例〕
試作した階段昇降機
回転アームの設計
設計においては図９のような、けあげ高さＨ＝２００ｍｍ、踏み面長さＢ＝２５０ｍｍ、段の角度β＝３９°の標準的な階段を想定した。
試作機に用いる駆動輪側の歯付きプーリ４ａは、ＪＩＳ歯形のＬ形標準プーリ、歯数１８、ピッチ円直径Ｄ＝５４．５７ｍｍとし、隣合う２つの車輪間中心を結ぶ直線からの部品のはみ出し量Ｂａを３０ｍｍとすると、アームの設計条件は図１０のようになった。図より、その他の駆動輪側回転アームの中心から従動輪側回転アームの中心までの長さを７８０ｍｍ、駆動輪側回転アームの中心から動力モータの歯付きプーリの中心までの長さＺ＝４２０ｍｍとした。車幅Ｗｗ＝４１２ｍｍであり、車輪半径１００ｍｍ、アームの長さ１６０ｍｍ（従動輪側のアームの長さ２２６ｍｍ）とし、また階段昇降機の総重量は３５Ｋｇとなった。
【００２８】
車輪付き回転アームの駆動装置
ここでは示さないが、階段上昇時に必要となるベルトの最大張力は１６０Ｎである。階段を上がるためには、これ以上の張力をベルトに発生できる能力をもつモータを使用しなければならない。試作機では、動力モータに、神鋼電機製のＳＰＭ２１２ＯＧ（ＤＣモータ、最高出力１００Ｖ、最大トルク０．３５Ｎｍ、回転数２９００ｒｐｍ、減速比率１／５０）を用いた。
このモータは、電圧制御により、回転速度を一定に保つことができる。階段の下り時には、モータの回転速度を一定にすることでベルトの送り出し量を調節し、アームの不安定な回転にブレーキをかけている。そのため、階段昇降機は安定した階段の下り動作が可能である。
【００２９】
試作機の性能試験および考察
試作した階段昇降機の平地走行試験の結果、電圧によって速度調整が可能であり、平地での最高速度は、入力電圧が２０Ｖのとき、２．４ｍ／ｓであった。
実際に試作機を昇降させた階段の寸法は、踏み面長さＢ＝３７０ｍｍ、けあげ高さＨ＝１８０ｍｍ、段の角度β＝３０°であり、この階段で階段昇降機の階段上昇動作の実験を行った結果、電圧が５Ｖのとき、５．１Ａの電流が流れ、１段あたり１．３ｓｅｃでスムーズに上がる可能であった。
【００３０】
上がりと同様に階段で、階段昇降機の階段の下り動作の実験を行った結果、この階段昇降機には、ブレーキを搭載していないため、前方の従動輪から先に階段を降下させると、前輪の降下によって発生する運動エネルギのために階段昇降機が加速されて階段を急降下し、制御不能となった。しかし階段昇降機の向きを反転させ、駆動輪から先に降下することにより動力モータの回転速度制御によって、階段降下速度を一定に保つことができ、１段あたり０．８ｓｅｃの、安定した階段の下りが可能であった。そのほか、試作機では車輪回転片方の車輪の抵抗が増えると、自律的にアーム回転が生じる。アーム回転時には、進行速度が遅くなるため左右に速度差が生じて進行方向が変化し、また車体の横揺れも生じる。従ってアームの回転は常に左右が同期するようにする必要がある。
【００３１】
上述したように本発明は、車輪付き回転アーム形階段昇降機において、必要となる車輪直径と隣あう車輪の中心間距離の関係を所定の関係とするとともに、歯付きベルトによる駆動方式を採用したため、階段をスムーズに昇降できるとともに、装置の小型軽量化を図ることができる。
また、上記実施形態では駆動機構として歯付きプーリと歯付きベルトによる駆動機構を採用しているが、歯付きプーリに代えてスプロケットを、また歯付きベルトに代えてチェーンを使用した駆動機構でも、同様の作用効果を奏することができることは言うまでもない。
本発明は車両ばかりでなく、階段を昇降する機器たとえば車椅子や荷物運搬台車など様々な乗物に適用するとができることはいうまでもなく、さらにその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができ、そのため前述の実施の形態は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明は、先端に自転する車輪のついた回転可能なアームを用い、平地では、車輪の回転によって走行し、段差によって車輪の回転が妨げられると自律的にアームの回転に切り替えられて段差を乗り越えることができる構成となっているため、クローラ式の階段昇降機に比較して駆動機構やその制御を簡単に行うことができる。また、走行抵抗が小さいため高速な走行が可能である。さらに、走行のための駆動構成が簡単なため、動力モータに対してのコンピュータ制御が簡略化される。また、隣あう車輪の中心間距離と車輪の半径の関係とを所定の関係とすることにより、階段をスムーズに昇降することができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る車輪付き回転アーム形階段昇降機の側面図である。
【図２】同平面図である。
【図３】本階段昇降機が階段を上がれるアームの大きさの条件を説明する図である。
【図４】本階段昇降機が次の段のけあげに車輪が接触しない条件を説明する図である。
【図５】本階段昇降機において、けあげの角が回転アームの部品と接触しない条件を説明する図である。
【図６】本階段昇降機における円滑な階段昇降動作の行える車輪付き回転アームの設計条件をしめす図である。
【図７】本階段昇降機における必要な歯付きベルトの長さを決定するための説明図である。
【図８】本階段昇降機において歯付きベルトに３つの車輪プーリが接触している状態を示す図である。
【図９】本階段昇降機の昇降試験に用いた階段の断面図である。
【図１０】試作機を使用した円滑な階段昇降動作の行える回転アームの設計条件をしめす図である。
【符号の説明】
１            シャーシ
２            駆動輪
２ａ、３ａ    回転アーム
３            従動輪
４、５        車輪
４ａ          歯付きプーリ
６ａ          動力歯付きプーリ
７            歯付きベルト
Ｌ            隣合う車輪の中心間距離
ＲＷ            車輪の半径
Ｈ            けあげの高さ
Ｂ            階段の踏み面長さ
Ｂａ          隣合う車輪の中心を結ぶ線からアームの部品のはみ出し長さ
Ｌａ          回転アームの長さ
ｒｐ            歯付きプーリのピッチ円半径
Ｚ            回転アーム中心から動力部側の歯付きプーリ中心までの長さ
θ            回転角
【図１】
0003596713.tif 000012
【図２】
0003596713.tif 000013
【図３】
0003596713.tif 000014
【図４】
0003596713.tif 000015
【図５】
0003596713.tif 000016
【図６】
0003596713.tif 000017
【図７】
0003596713.tif 000018
【図８】
0003596713.tif 000019
【図９】
0003596713.tif 000020
【図１０】
0003596713.tif 000021