(57)【要約】【課題】操車者が簡便な操作を行うことで、バランス状態を良好に維持しつつ任意の全方向へ移動することができる搬送装置、その搬送装置の制御機構及び制御方法、並びにその搬送装置を駆動させる駆動機構及び駆動方法を提供することを目的とする。【解決手段】センサ部で筐体のバランス状態および動作状態を検出しながら、制御部が回転体の動作を制御して搬送装置を静止若しくは移動させる。このとき、カウンタウェイト部の重量を移動させることにより、重心移動も併せて行うことにより搬送装置の安定性を向上させる。【選択図】　図１
2004129435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球形状の回転体と、
回転体保持部と駆動部と角度センサ部とを備えた筐体と、
制御部とを備え、
前記回転体保持部は前記回転体を回転自由に保持し、
前記駆動部は前記回転体の中心点を含む複数の異なる平面における回転力を前記回転体に与え、
前記角度センサ部は垂線を含む複数の異なる平面における前記筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、
前記制御部は前記傾き角度に応じた信号に基づいて前記回転力の大きさを制御することを特徴とする搬送装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記回転体の中心点を含む二の異なる平面における前記回転力を生じさせ、
前記角度センサ部は、前記二の異なる平面における前記筐体の前記傾き角度に応じた信号を検出することを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
【請求項３】
前記駆動部は、前記球状回転体に対して前記筐体を基準として特定される筐体横平面と、前記筺体横平面と直交する筐体前後平面とにおける前記回転力を生じさせるように前記筐体に設けられ、
前記角度センサ部は前記筐体横平面と前記筐体前後平面における前記筐体の前記傾き角度に応じた信号を検出するように前記筐体に設けられ、
前記制御部は前記筐体横平面における前記傾き角度に応じた信号に基づき前記筐体横平面における前記回転力を制御するとともに、前記筐体前後平面における前記傾き角度に応じた信号に基づき前記筐体前後平面における前記回転力を制御することを特徴とする請求項２に記載の搬送装置。
【請求項４】
前記駆動部は、前記筐体前後平面と、前記筐体前後平面および前記筺体横平面のいずれとも直交する筐体水平面とにおける回転力を生じさせるように前記筐体に設けられ、
前記角度センサ部は、前記筐体横平面と前記筐体前後平面における前記筐体の傾き角度に応じた信号を検出するように前記筐体に設けられ、
前記制御部は、前記筐体横平面における前記傾き角度に応じた信号に基づき前記筐体水平面における前記回転力を制御するとともに、前記筐体前後平面における前記傾き角度に応じた信号に基づき前記筐体前後平面における前記回転力を制御することを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
【請求項５】
前記駆動部は、回転力を発生させる回転機器と、前記回転機器の回転軸に結合され前記回転体に圧接されるローラ部材であることを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
【請求項６】
少なくとも前記回転体の表面は、導電性材料で構成され、前記駆動部はコアと前記コアに設けられ交番電流が印加される導電部材であることを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
【請求項７】
少なくとも表面は導電特性を有する略球形状の回転体と、
前記回転体を回転自由に保持する回転体保持部と、
前記回転体に回転力を与える駆動部とからなり、
前記駆動部はコアと前記コアに設けられた交番電流が印加される導電部材とを有することを特徴とする球状回転体の駆動機構。
【請求項８】
搬送装置の制御方法において、
略球形状の回転体を筐体に対して回転自由に保持し、
前記回転体に回転力を与え、
前記筐体の垂線を含む平面における前記筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、
前記傾き角度に応じた信号に基づき前記回転力の大きさを制御することを特徴とする搬送装置の制御方法。
【請求項９】
略球形状の回転体と、
前記回転体を回転自由に保持する回転体保持部と、前記回転体に回転力を与える駆動部と、垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、
前記回転体を除いた搬送装置及び前記搬送装置が搬送する搬送物の重心位置を移動するためのカウンタウエイトを備えて、前記筐体に重心移動を伝達するように設けられたカウンタウエイト部と、
前記傾き角度に応じた信号に基づいて前記駆動部が発生する前記回転力の大きさ及び前記重心位置とを制御する制御部とを有する搬送装置。
【請求項１０】
前記制御部が、搬送装置の走行速度に基づいて前記駆動部とカウンタウエイト部を駆動する駆動信号の大きさの割合を変える演算を行うことを特徴とする請求項９に記載の搬送装置。
【請求項１１】
前記制御部が、前記筐体の傾き角度に応じた信号に基づいて前記駆動部を駆動する駆動信号と前記カウンタウエイト部を駆動するカウンタウエイト駆動信号との大きさの割合を変える演算を行うことを特徴とする請求項９に記載の搬送装置。
【請求項１２】
略球形状の回転体と、
前記回転体を回転自由に保持する回転体保持部と、前記回転体に回転力を与える駆動部と、垂線を含む平面における前記傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、
前記回転体を除いた搬送装置及び前記搬送装置が搬送する搬送物の合成重量の重心位置を移動するためのカウンタウエイトを備え、前記筐体に重心移動を伝達するように設けられたカウンタウエイト部と、
前記傾き角に基づいて前記駆動部が発生する前記回転力の大きさ及び前記重心位置とを制御する制御部と、
前記制御部との間において信号の授受をするリモコンとを有し、
前記リモコンにより前記制御部を介して前記駆動部または前記カウンタウエイト部のいずれかの一方、または両方を制御することを特徴とする搬送装置。
【請求項１３】
搬送装置の制御方法において、
略球状の回転体を筐体に対して回転自由に保持し、
前記回転体に回転力を与え、
筐体の垂線を含む平面における前記筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、
前記傾き角度に応じた信号に基づいて前記回転力の大きさを制御するとともに、カウンタウエイトを移動させて重心位置を変化することを特徴とする搬送装置の制御方法。
【請求項１４】
一の車輪と、
前記車輪に設けられた車軸を保持する軸受と前記車輪に回転力を与える駆動部と、前記車輪の回転する平面である車輪回転平面に直交する方向へ移動可能となしたカウンタウエイトの位置を移動し重心の位置を変更するカウンタウエイト部と、垂線を含む平面における前記車輪の傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、
前記傾き角度に応じた信号に基づいて前記駆動部が発生する前記回転力の大きさ及び前記重心位置とを制御する制御部とを有する搬送装置。
【請求項１５】
回転自由に筐体に保持された一の車輪によって移動可能とされる搬送装置の制御方法において、
前記車輪に回転力を与え、
垂線を含む平面における前記筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、
前記傾き角度に応じた信号に基づいて前記回転力の大きさを制御するとともに、前記車輪の回転する平面である車輪回転平面に略直交する方向へカウンタウエイトの位置を移動して、搬送装置の重心位置を変化することを特徴とする搬送装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、搬送装置に関するものであり、特に一個の車輪により移動する新規な搬送装置に関するものである。より具体的には、略球状の車輪及び一つの車輪を有する搬送装置に関する。さらに、本発明は、かかる搬送装置の制御方法、及びかかる搬送装置の駆動機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、移動可能な搬送装置としては、自動車に代表される４輪車やオートバイに代表される２輪車などがあり、駆動輪を２輪の構成として、操舵輪を１輪とした３輪車、進行方向に対して直交する方向に伸びた車軸に設けられた２輪を駆動する２輪車、あるいは駆動輪と操舵輪を兼用した１輪車など様々な構成のものが提案されている。このような搬送装置では、回転する車輪と、大地、舗装路、坂道などの車輪の走行面との接触摩擦により駆動力を発生して進行し、車輪と走行面との接触摩擦により進行すると同時に、駆動輪と同一あるいは別個に設けられた操舵輪により進行方向の制御を行う。
【０００３】
例えば、同軸同軸二輪車の車輪駆動用制御モータのトルク制御行い姿勢制御を行うこと、状態フィードバックを用いること、離散時間演算により制御を行う装置及び制御方法、更に、重心の位置を制御する姿勢制御アームを更に設け、姿勢制御アームの制御を併用することにより更に制御特性を向上する装置及び制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、作業用移動ロボットの例として、自立して走行する平行２輪車型の移動ロボットであり、制御アームを移動ロボットの傾きとは逆方向に動かして安定化され、自立走行するものが知られている。この移動ロボットでは、車輪を回転させるモータに直結するロータリーエンコーダにより制御アームと車輪と回転角を検出し、移動ロボットの地面に対する傾き角を磁気エンコーダにより検出し、安定化させる（例えば、特許文献２参照）。また、自立型搬送機として、２個の車輪と駆動モータを設けられ、２輪車を倒立させて移動させる搬送機が知られている。この搬送機は、２個の車輪を駆動モータにより作動させ、ジャイロと振子を組み合わせたロータリーエンコーダを用いた平衡センサにより倒立する搬送機の微小な傾きを検出し、搬送機の傾きを制御して移動する。また、この自立型搬送機では、所定の位置で自立して停止したり、左右の車輪の回転数や回転方向を異ならせて回転したりすることにより、移動方向の制御が行われる（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
さらに、米国においては、人間を搬送する搬送装置（Ｈｕｍａｎ　Ｔｒａｎｓｐｏｔａｔｅｒ）が特許化されている。この搬送装置においては、凹凸のある走行面において安定して走行することができ、人間などを搬送装置上に乗せて階段を昇降することができる（例えば、特許文献４参照）。
【０００５】
このような搬送装置などの他に小型乗り物の制御技術として、全方向に移動できるようにするため多くの方向へ駆動力を発生させる多数の小型の駆動輪を備え、これを選択的に切り替えて全方向へ移動する搬送装置も提案されている。例えば、全方向移動車としては、異なるに方向に配置された一対の車輪のそれぞれを各方向に駆動するアクチュエータを回転させ、車輪側のデファレンシャルギヤを介して車輪の回転によって全方向に並進運動を行うものが知られている（例えば、特許文献５参照）。また例えば、全方向駆動輪として、磁性体と電気良導体によって形成された球状の転動球の回りに、リニアモータの固定子を複数個配設して、転動球を直接駆動輪として用いて移動させるものが知られている（例えば、特許文献６参照）。さらに、後輪が互いに独立して回転できる２つの車輪を有するロボット車体に、球体を側面から駆動ローラー部材で圧接駆動する球体駆動装置とライン検出装置を前輪に取り付けた前輪球体駆動ライン・トレース・ロボットが知られている（例えば、特許文献７参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６３−３０５０８２号公報
【特許文献２】
特開平２−２９２１８５号公報
【特許文献３】
特開平１−３１６８１０号公報
【特許文献４】
米国特許第５７０１９６５号明細書
【特許文献５】
特開平８−６７２６８号公報
【特許文献６】
実開平１−９８０７３号公報
【特許文献７】
特開２００１−２３３２６０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述した従来の搬送装置においては、操舵輪を進行方向に向けることにより徐々に進行方向を変更させるため、目的とする方向以外に移動動作を行いつつ進行方向を変更して回転半径が必要となる。そのため、狭いスペースでの細かい敏速な移動を行うことが困難である。例えば、特許文献２の平行２輪車型の移動ロボット、特許文献３の２輪車を倒立させて移動させる自立型搬送機では、進行方向を変更する際に敏速な移動が困難となる。
【０００８】
また、特許文献４に開示される搬送装置においても２つの輪車により回転を行うため、回転動作の後、進行動作が行われるので敏速な移動を行うのが困難である。
【０００９】
前述した特許文献２乃至特許文献４に開示された２輪車を倒立させて移動させる搬送機では、平衡センサにより倒立する搬送機の微小な傾きを検出し、搬送機の傾きを制御して移動するため、２個の車輪の車輪軸に垂直な方向に対する搬送機の傾きを制御することができるが、車輪軸に垂直な方向以外の方向に対して搬送機の傾きを制御することができないので、二つの車輪の幅をある程度以上確保しなければならず、車軸方向への寸法が大型化せざるを得ない。
【００１０】
一方、全方向に直接移動できる多数の小型の駆動輪を備える搬送装置は、制御機構や駆動機構が複雑であり実用化が困難となっている。前述した特許文献５における全方向移動車では、制御機構や駆動機構が複雑であるだけでなく、４方向のそれぞれに車輪を配設して、駆動する車輪の組み合わせにより全方向に移動させるため、進行方向を変更する際に車輪と走行面との摩擦により滑らに進行方向を変更することができず、進行方向の変更が容易ではない。
【００１１】
また、特許文献６では、球状の駆動輪を用いて全方向に駆動する全方向駆動輪を提案しているが、全方向に移動できるものの、球状の駆動輪を駆動する駆動装置や駆動方法を実現するのが困難であり、駆動輪を含む装置全体のバランスを得ることが困難である。特に、被搬送物や搬送装置上で走行を操作する操車者を、大地などの走行面に対して所定の位置関係に保ち、走行する技術の開示はない。
【００１２】
また例えば、特許文献７における前輪球体駆動ライン・トレース・ロボットの場合、駆動ローラー部材で圧縮駆動する球状の前輪が用いられているが、後輪には球状の車輪とは異なる従来と同じ車輪を用いる。そのため、安定した駆動方法などに配慮する必要がないとはいえ、球状の駆動輪の利点である全方向への滑らか且つ容易に駆動を行うことができない。
【００１３】
そこで、本発明は、かかる従来技術の有する不都合を解決するために提案されたものであり、一輪車または略球状の回転体を用いて、バランス状態を良好に維持しつつ任意の全方向へ移動することができる搬送装置、その搬送装置の制御機構及び制御方法、並びにその搬送装置を駆動させる駆動機構及び駆動方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明における搬送装置は、略球形状の回転体と、回転体保持部と駆動部と角度センサ部とを備えた筐体と、制御部とを備え、回転体保持部は回転体を回転自由に保持し、駆動部は回転体の中心点を含む複数の異なる平面における回転力を回転体に与え、角度センサ部は垂線を含む複数の異なる平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、制御部は傾き角度に応じた信号に基づいて回転力の大きさを制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明の搬送装置は、略球形状の回転体と、回転体保持部と駆動部と角度センサ部とを備えた筐体と、制御部とから構成されている。回転体保持部は回転体を回転自由に保持するので、回転体は自由に回転することができる。駆動部は回転体の中心点を含む複数の異なる平面における回転力を回転体に与えるので、当該複数の平面において回転体は駆動され、回転力の合成ベクトルの方向に回転体は駆動力を与えられて回転をする。角度センサ部は垂線を含む複数の異なる平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出するので、ベクトルで表される傾き角度に応じた信号は、複数の平面における成分に分解し、検出される。ここで、垂線とは、物体が重力により自由落下する場合に描く軌跡である。制御部は傾き角度に応じた信号に基づいて回転力の大きさを制御するので、回転力と傾き角度に応じた信号とがフィードバックループの変数として関係づけられ、筐体の傾き角度を維持するように回転体は回転し、搬送装置は走行する。ここにおいて、傾き角度に応じた信号とは、傾き角度そのものである場合のみならず、傾き角度を間接的に示すすべての信号を含む。例示としては、ある一点から錘を垂らして錘の先端の位置が傾き角度に応じて移動するのを検出する信号であっても良く、回転角度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗器の回転軸に錘を結合し傾き角度に応じた抵抗値を検出する信号であっても良く、ジャイロ素子により検出する信号であっても良く、距離センサを備えた器に流体を満たし、流体表面と距離センサとの間の距離を複数の検出点において検出して、２つの距離センサ相互の離間距離と、センサによって測定される流体表面と距離センサとの間の距離の当該２つのセンサにおける差との比を検出する信号であっても良い。
【００１６】
駆動部は筐体に設けられているので筐体を座標の基準として回転体の中心点を含む二の複数の異なる平面、すなわち２以上の平面における回転力を与える。角
度センサ部は筺体に設けられているので
【筺体の】垂線を含む平面に対する筐体の傾き角度に応じた信号を複数、すなわち２以上の異なる平面において検出する。任意の方向への筺体の傾きは、角度センサ部が検出する異なる２平面の傾きのベクトル和として表すことができるので、駆動部が回転力を与える平面が角度センサ部の傾き角度に応じた信号を検出する平面と異なる場合においても制御部における座標変換により所望の制御ができる。
【００１７】
また、駆動部が回転力を与える平面のいずれかが、角度センサ部が傾きを検出する平面のいずれかと直交する場合においては、制御部において、角度センサ部が検出する異なる２平面の傾きのベクトル和で駆動部が回転力を与える平面であって傾き角度に応じた信号の検出平面と直交しない平面における成分を演算し、傾き角度に応じた信号の検出平面と直交しない平面における駆動力を制御し、角度センサ部が検出する異なる２平面の傾きのベクトル和で駆動部が回転力を与える平面であって傾き角度に応じた信号の検出平面と直交しない平面における成分と直交する成分を演算し、角度センサ部が検出する平面と直交する平面における駆動力を制御する。
【００１８】
駆動部が３以上の平面における回転力を与える場合あるいは角度センサ部が３以上の異なる平面において傾き角度に応じた信号を検出する場合においては、制御の自由度が増加した分あるいは情報量が増加した分より制御精度が向上する。
【００１９】
本発明の搬送装置では、駆動部は筐体横平面と筐体横平面と直交する筐体前後平面とにおける回転力を生じさせるように筐体に設けられ、角度センサ部は筐体横平面と筐体前後平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出するように記筐体に設けられるので、制御部における座標変換を経ずに制御が可能であり、直交座標を用いることにより効率良く搬送装置を走行させることができる。ここで、筐体横平面、筐体前後平面は筐体を基準に定義される平面であり、搬送装置の筐体の姿勢に応じて走行面並びに絶対座標を基準とする平面に対しては変化をする平面である。
【００２０】
本発明の搬送装置では、駆動部は筐体前後平面と筐体水平面とにおける回転力を生じさせるように筐体に設けられる。筺体水平面は筐体前後平面および筺体横平面のいずれとも直交する平面である。筺体水平面における回転力は走行面上において筺体を回転させる力を生じる。制御部は筐体横平面における傾き角度に応じた信号に基づき筐体水平面における回転力を制御するので、筺体の回転に伴い、筐体横平面における傾き角度に応じた信号は零に収束し、筐体前後平面における傾き角度に応じた信号に基づき筐体前後平面における回転力を制御するので、搬送装置は筺体前後方向に走行する。
【００２１】
本発明の搬送装置では、駆動部は回転力を発生させる回転機器と、回転機器の回転軸に結合され回転体に圧接されるローラ部材であるので、回転機器からの回転力を略球状の回転体に伝え、略球状の回転体を駆動部が発生させる回転力の合成ベクトルの方向に回転し搬送装置を走行させることができる。
【００２２】
本発明の搬送装置では、少なくとも回転体の表面は導電性材料で構成され、駆動部はコアとコアに設けられ交番電流が印加される導電部材であるので、回転体と駆動部との機械的な接触がないので摩擦による損失が発生せず適効率良く、略球状の回転体を駆動部が発生する駆動力のベクトル和で表される方向に回転し、搬送装置を走行させることができる。
【００２３】
本発明における駆動機構は、少なくとも表面は導電特性を有する略球形状の回転体と、回転体を回転自由に保持する回転体保持部と、回転体に回転力を与える駆動部とからなり、駆動部はコアと前記コアに設けられた交番電流が印加される導電部材とを有することを特徴とする。
【００２４】
本発明における駆動機構は、少なくとも回転体の表面は導電性材料で構成されているので、電磁誘導による渦電流を生じさせることができる。ここで、渦電流は表面に集中するので、回転体を中空とすれば搬送装置の重量を軽減できる。回転体を回転自由に保持する回転体保持部を備えているので、回転体は自由に回転が可能である。回転体に回転力を与える駆動部を備えているので、回転体に回転駆動力を与えることができる。駆動部はコアとコアに設けられた交番電流が印加される導電部材とを有するので、接触摩擦による機械的負荷がなく略球状の回転体を駆動部が発生する駆動力のベクトル和で表される方向に回転させることができる。
【００２５】
本発明における搬送装置の制御方法は、略球状の回転体を筐体に対して回転自
由に保持し、回転体に回転力を与え、
【筐体の】垂線を含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさを制御することを特徴とする。
【００２６】
本発明の搬送装置の制御方法では、略球状の回転体を筐体に対して回転自由に
保持し、回転体に回転力を与え、
【筐体の】垂線を含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角に基づいて回転力の大きさを制御するので筐体の姿勢の制御が行われ搬送装置は走行できる。
【００２７】
本発明の搬送装置は、略球形状の回転体と、回転体を回転自由に保持する回転体保持部と回転体に回転力を与える駆動部と、垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、回転体を除いた搬送装置及び搬送装置が搬送する搬送物の重心位置を移動するためのカウンタウエイトを備えて前記筐体に重心移動を伝達するように設けられるカウンタウエイト部と、傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさ及び重心位置とを制御する制御部とを有することを特徴とする。
【００２８】
本発明の搬送装置では、筐体に略球形状の回転体と回転体を回転自由に保持する回転体保持部と回転体に回転力を与える駆動部と有するので、回転体に駆動力を与えてを自由に回転させることができる。また筐体に垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部を備えているので筐体の傾き角度に応じた信号を検出できる。そして、制御部において傾き角に応じた信号に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさを制御する制御部とを有するので、傾き角度に応じた信号に基づいて回転体を自由に回転することができ、搬送装置は安定に走行することができる。更に加えて、筐体に搬送装置の重心位置を移動するためのカウンタウエイト部を備えているので、搬送装置の重心位置を移動させることができる。また制御部は傾き角に基づいてカウンタウエイトを移動させ重心位置とを制御する。カウンタウエイト部は筐体の一部に設けても良く、筐体以外の部分に設けても良いが、筐体に重心移動を伝達するように設けられるので、重心移動を筐体に設けた角度センサ部が検出することができる。これにより筐体の姿勢は保たれ搬送装置は走行をする。
【００２９】
本発明の搬送装置では、制御部が搬送装置の走行速度に基づいて、回転力を与える駆動部と重心位置を移動するためのカウンタウエイト部との制御の割合を制御するので、搬送装置が静止している場合でも良好な静止特性を有する。また、速度が速い場合に操車者が過度な前傾姿勢をとることなく走行が可能である。
【００３０】
本発明の搬送装置は、略球形状の回転体と、回転体を回転自由に保持する回転体保持部と回転体に回転力を与える駆動部と、垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、回転体を除いた搬送装置及び搬送装置が搬送する搬送物の重心位置を移動するためのカウンタウエイトを備えて筐体に重心移動を伝達するように設けられたカウンタウエイト部と、傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさ及び重心位置とを制御する制御部と、制御部との間において信号の授受をするリモコンとを有し、リモコンにより制御部を介して駆動部またはカウンタウエイト部のいずれかの一方、または両方を制御することを特徴とする。
【００３１】
本発明の搬送装置では、筐体に略球形状の回転体と回転体を回転自由に保持する回転体保持部と回転体に回転力を与える駆動部と有するので、回転体に駆動力を与え自由に回転させることができる。また筐体に垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えているので筐体の傾き角度に応じた信号を検出できる。そして、制御部において傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさを制御する制御部を有するので、傾き角度に応じた信号に基づいて回転体を自由に回転することができ、搬送装置は走行することができる。更に加えて、搬送装置の重心位置を移動するためのカウンタウエイト部を備えているので、搬送装置の重心位置を移動させることができる。ここで、カウンタウエイト部は筐体に重心移動を伝達するように設けられているので、角度センサ部は重心移動が、筐体の姿勢に及ぼす影響を検知し、重心移動に応じた制御を行える。またリモコンは制御部と信号の授受を行い駆動部とカウンタウエイト部とを制御できるので、リモコンによる遠隔操作で、カウンタウエイト部におけるカウンタウエイトの位置を制御して筐体の傾き角度を先に制御して、駆動部を含む制御系の作用により筐体の傾き角度を所定の値に維持しつつ走行方向や走行速度を制御することができる。また、駆動部を制御して、移動速度を先に定めながらカウンタウエイト部を含む制御系の作用により筐体の傾き角度を所定の値に維持しつつ走行方向や走行速度を制御したりできる。
【００３２】
本発明の搬送装置の制御方法は、略球状の回転体を筐体に対して回転自由に保持し、回転体に回転力を与え、筐体の垂線を含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角度に応じた信号に基づいて回転力の大きさを制御するとともにカウンタウエイトを移動させて搬送装置の重心位置を変化することを特徴とする。
【００３３】
本発明の搬送装置の制御方法では、略球状の回転体を筐体に対して回転自由に保持し、回転体に回転力を与え、筐体の垂線を含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、制御部によって傾き角に基づいて回転力の大きさを制御し、更に、角度センサ部によって回転体保持部と駆動部とが設けられた筐体の垂線を含む平面における傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角に基づいてカウンタウエイトを移動させて搬送装置の重心位置を移動するので、回転体の駆動力の制御とカウンタウエイトによる重心位置の制御との両方の制御を行い搬送装置の制御特性を向上する。
【００３４】
本発明の搬送装置は、一の車輪と、車輪に設けられた車軸を保持する軸受と車輪に回転力を与える駆動部と、車輪の回転する平面である車輪回転平面に直交する方向へ移動可能となしたカウンタウエイトの位置を移動し重心の位置を変更するカウンタウエイト部と、垂線を含む平面における車輪の傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部とを備えた筐体と、傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさ及びカウンタウエイト部による重心位置とを制御する制御部とを有することを特徴とする。
【００３５】
筐体に、一の車輪と、車輪に設けられた車軸を保持する軸受と車輪に回転力を与える駆動部とを有するので、搬送体を移動させることができる。筐体には垂線
に対する車輪の傾き角度に応じた信号を検出する角度センサ部
【と】を備えているので、制御部は、傾き角に基づいて駆動部が発生する回転力の大きさを制御することができ、車輪の進行方向に対して所定の傾き角度を維持し走行できる。一方、制御部は、傾き角に基づいて車輪の回転する平面に略直交する方向へ移動可能となしたカウンタウエイトの位置を移動し重心の位置を変更するので車輪の進行方向と略直交方向への搬送装置の傾きも維持できるので搬送装置は安定走行ができる。
【００３６】
本発明の搬送装置の制御方法は、回転自由に筐体に保持された一の車輪によって移動可能とされる搬送装置の制御方法であって、車輪に回転力を与え、垂線を含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角度に応じた信号に基づいて回転力の大きさを制御するとともに車輪の回転する平面に略直交する方向へカウンタウエイトの位置を移動して搬送装置の重心位置を変化することを特徴とする。
【００３７】
本発明の搬送装置の制御方法では、一の車輪を回転自由に筐体に保持し、車輪に回転力を与え、車軸と駆動部とが設けられた筐体の垂線を含む平面の傾き角度に応じた信号を検出し、傾き角に基づいて回転力の大きさを制御するので車輪走行方向に安定に制御が行えるとともに、角度センサ部によってカウンタウエイトが移動する軸と垂線とを含む平面における筐体の傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が傾き角に基づいてカウンタウエイト部に設けられたカウンタウエイトを車輪の回転する平面に略直交する方向へ移動させて搬送装置の重心位置を移動することができるので、搬送装置を安定走行させる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第一の実施形態において、回転機器を動力源とする駆動部により回転する略球状の回転体を保持する筐体を走行面に対して移動させ、センサ部が筐体の垂線に対する傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が筐体の傾き角度に応じた信号に応じて駆動部に駆動信号を出力して筐体の姿勢及び移動を制御する搬送装置について説明する。
【００３９】
本発明の第二の実施形態において、交番電流電力を導電部材に供給することにより発生する回転磁界と導電性を有する回転体に流れる電流との相互作用による駆動力によって回転する略球形状の回転体を保持する筐体を走行面に対して移動させ、センサ部が筐体の垂線に対する傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が筐体の傾き角度に応じた信号に応じて交番電流電力を導電部材に供給し、筐体の姿勢及び移動を制御する搬送装置について説明する。
【００４０】
本発明の第三の実施形態において、駆動部により回転する略球状の回転体を保持する筐体を走行面に対して移動させ、センサ部が筐体の垂線に対する傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が筐体の傾き角度に応じた信号に応じて駆動部に駆動信号を出力するとともにカウンタウエイト部にカウンタウエイト駆動信号を出力して筐体の移動及び姿勢を制御する搬送装置について説明する。
【００４１】
本発明の第四の実施形態において、駆動部が単数の車輪を駆動して車輪を保持する筐体を走行面に対して移動させ、センサ部が筐体の垂線に対する傾き角度に応じた信号を検出し、制御部が車輪の走行方向についての筐体の傾き角度に応じて駆動部に駆動信号を出力するとともにカウンタウエイト部に車輪の走行方向と垂直方向への筐体の傾き角度に応じてカウンタウエイト駆動信号を出力して筐体の移動及び姿勢を制御する搬送装置について説明する。なお、以下における実施の形態及び実施例においては、角度センサ部から検出される傾き角度とは、傾き角度そのもののみならず、傾き角度に応じた信号を含むものとする。
【００４２】
【第一の実施形態】
第一の実施形態における搬送装置について図面を参照して説明する。第一の実施形態における搬送装置の形状の一例である第一の実施例として、椅子形状をした筐体に操車者が着座した状態で搬送される車椅子の形状をした搬送装置（これを以下では椅子形状搬送装置と呼ぶ）、第二の実施例として筐体上に操車者が立った状態で搬送され、手摺などのような支持部を有さない搬送装置（これを以下では板形状搬送装置と呼ぶ）、及び第三の実施例として筐体上に操車者が立った状態で搬送され、操車者が捉まる手摺などの支持部を有する搬送装置（これを以下では支持部付搬送装置と呼ぶ）について説明する。第一の実施形態においては、椅子形状搬送装置、板形状搬送装置、及び支持部付搬送装置について説明するが、この他、操車者を搬送装置に保持するための形態としては、リクライニング可能な椅子や従来例の一輪車や自転車のサドルやハンドルと同様な形状の操車者の保持部を有するものであっても良い。
【００４３】
［第一の実施例］
図１及び図２は椅子形状搬送装置１１の概略斜視図を示し、図１は椅子形状搬送装置１１上に搬送対象であり椅子形状搬送装置１１を操車する操車者１２が着座した状態を示す図である。図２は椅子形状搬送装置１１の概略斜視図である。
【００４４】
なお図１及び図２に示すように、筐体１３を基準とした直交座標系の座標軸としてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を設ける。操車者が、図１に示す通常の姿勢で着座した場合における顔が正面を向く方向をｘ軸正方向あるいは筐体正面方向と、筐体正面方向と１８０°反対方向をｘ軸負方向あるいは筐体裏面方向と、操車者の左手方向をｙ軸正方向あるいは筐体左方向と、操車者の右手方向をｙ軸負方向あるいは筐体右方向と、頭から足元に向かう方向をｚ軸正方向あるいは筐体重力方向と、頭から足元に向かう方向の１８０°反対方向をｚ軸負方向あるいは筐体反重力方向と定義する。また、ｙ軸とｚ軸とにより張られる平面をＸ平面あるいは筐体横平面、ｚ軸とｘ軸とにより張られる平面をＹ平面あるいは筐体前後平面、ｘ軸とｙ軸とにより張られる平面をＺ平面あるいは筐体水平平面と定義する。上述の座標軸と平面とは、筐体１３に付随した座標系であり、筐体１３の姿勢に依存して、垂線や磁北を基準とする地球上での絶対座標系や走行面を基準とする座標系に対しては相対的に運動する座標系である。例えば、椅子形状搬送装置が坂道や上り坂、中央部が盛り上がった道路等を走行する場合においては、走行面に対して相対的に筐体１３の姿勢は変化し、筐体１３を基準とする座標と走行面を基準とする座標系との関係は刻々変化する。また、走行面が水平であるとしても、操車者を含めた搬送物の重心の位置により筐体１３の姿勢は異なり、筐体１３を基準とする座標と絶対座標系との関係は刻々変化する。この定義は第一の実施の形態における他の実施例においても適用される。
【００４５】
図１及び図２に示すように、椅子形状搬送装置１１は略球形状の球状回転体１７と、球状回転体１７上に設けられた筐体１３並びに、操車者を保持するための部材である座席１４と支持部１５ａと足台１５ｂ及び操車者と椅子形状搬送装置１１とのマンマシンインターフェイスである表示部１６とを有する。球状回転体１７は金属、プラスチック、ゴム等の材料から構成され、球状回転体１７の内部は中空にしても良いし、また中実としても良い。椅子形状搬送装置１１の乗り心地を考慮した場合には、弾力性を有する素材を用いて球状回転体１７を構成することにより走行面２７との接触に起因して生じる振動を防ぐことが好ましく、後述するローラー部材からの駆動力を球状回転体１７に効率良く伝達することを考慮した場合には、ある程度の剛性を有する材料を用いることが好ましく、椅子形状搬送装置１１の使用用途により球状回転体１７の材料は選択される。
【００４６】
筐体１３は、球状回転体１７を３６０°の全方向に回転可能とするように保持する機能と同時に、操車者１２の体重並びに操車者１２の背部を支える座席１４と上腕部を支持する支持部１５ａと走行面に足が付かないように足部を保持する足台１５ｂからなる部材の重量、すなわち、球状回転体１７を除く椅子形状搬送装置１１のすべての重量を受ける重量受台の機能とを有する部材である。筐体１３と座席１４と足台１５ｂと支持部１５ａとは、操車者１２が、前傾、後傾等の姿勢を取ることにより体重を移動した場合に重心の移動が筐体１３に正確に伝わる程度に結合されていれば良く、お互の部材がある程度の遊びを有していても良い。また各部材の有する機能を一体成形したものであっても良い。
【００４７】
筐体１３には球状回転体１７を駆動する駆動部、筐体１３の姿勢（傾き角度）を検出する後述の傾き角度センサが設けられている。移動距離や移動速度を検出するセンサも筐体１３に設けても良い。駆動部の制御を行う制御部を筐体１３に設けても良く、第一の実施例では、センサ類はセンサ部として制御部も含めて筐体１３に設けている。表示部１６は、図１及び図２に示すようには操車者１２から見易い位置に配置するために、例えば、支持部１５ａに結合されている。
【００４８】
図３は椅子形状搬送装置１１にスタンド２６を形成した場合のＹ平面に平行な面での側面図である。図３に示すように、筐体１３が球状回転体１７に対して３６０°の全方向に移動可能であるため後述する制御が行われていない場合には筐体１３の姿勢と位置は安定しない。したがい、座席１４に操車者１２が最初に乗車して発車する際や移動後に停車して降車する際に筐体１３が定位置に留まるようにするために、筐体１３に３つのスタンド２６ａ、スタンド２６ｂ、及びスタンド２６ｃを略正三角形の頂点に位置するように設ける。ここで、図３ではスタンド２６ｃはスタンド２６ｂに対して紙面裏側に形成され、図３においては省略している。スタンド２６ａ、２６ｂ、２６ｃは棒状の支持物又は板状の支持物であり、椅子形状搬送装置１１を略直立させることができる支持物であれば良い。図３では筐体１３にスタンド２６ａ、２６ｂ、２６ｃの３つのスタンドが形成されているが、例えば従来例における自転車のように１つであっても良く、椅子形状搬送装置１１の発進時や停止時に筐体１３を支持することができれば良い。また、スタンド２６ａ、２６ｂ、２６ｃの設置位置に関しても、椅子形状搬送装置１１を支持することができる位置に設置されるのであれば、必ずしも三角形の頂点に位置する必要はない。
【００４９】
また、スタンド２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、筐体１３から発進時に収納されたり停止時に突出させたりするように操作できるようにしても良いし、例えば、制御系が働いていないときに突出させたり、あるいは、制御系が働いていても操車者１２が着座していないことを座席１４に設けられた図示しない体重検出器が検出したときは、椅子形状搬送装置１１が倒れたり、勝手な方向に椅子形状搬送装置１１が移動をしないように、筐体１３を走行面上に留めるため自動で突出・収納するようにしても良い。
【００５０】
次に、図４に筐体１３部分のＹ平面に平行な面に対する断面図を示して、球状回転体保持部及び駆動部の説明を行う。ここで、保持部は、球状回転体１７を筐体１３の内部で３６０°回転自在となるように保持するための部材であり、ベアリング保持器２０とベアリング２１とから成る。駆動部は、球状回転体１７の駆動に関与する部材であり、回転機器２２、と回転軸２３とローラー部材２４とから成る。
【００５１】
図４に示すように、ベアリング保持器２０にベアリング２１は回転自由に保持される。ベアリング保持器２０ａとベアリング２１ａ、ベアリング保持器２０ｂとベアリング２１ｂ、ベアリング保持器２０ｃとベアリング２１ｃとが各々組みとなり使用される。ベアリング２１はそれぞれ略球状の形状を有し、それぞれのベアリング保持器２０内で全方向に自由に回転できるように収納されると同時に、球状回転体１７と略一点で接触して球状回転体１７を保持する。複数のベアリング２１は、球状回転体１７が回転する際にはベアリング保持器２０内で滑らかに回転し、これにより球状回転体１７が全方向に回転することが可能とされる。また、ベアリング保持器２０及びベアリング２１は球状回転体１７が滑らかに全方向に対して回転可能とできる構成であれば、その個数に制限はなく何組設けても良く、回転体保持部の種々の位置に設置することができる。
【００５２】
本実施例においては、図５に示すように、ベアリング保持器２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、並びにそれらに収められるベアリング２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは、ベアリング保持器２０ｃ及びベアリング２１ｃを頂点として略正四面体の頂点の位置するように回転体保持部に形成されている。なお、図４においては、ベアリング保持器２０ｄ及びベアリング２１ｄを図示していない。
【００５３】
駆動部は、回転機器２２と回転軸２３とロ―ラ部材２４から構成され、筐体１３に形成されている。回転機器２２は、人力による動力を回転力に変換するものであっても、内燃機関であっても、電動機であっても良いが、制御系の一要素となるために即応性が要求され、トルクの変化を高速に制御できるような動力源であることが好ましく、第一の実施例では電動機を用いた。回転軸２３は剛性を有する材料から構成され、回転機器２２からの回転力をローラー部材２４に伝達する。回転軸２３は回転機器２２が発生する回転の中心となる軸であり電動機の回転子軸そのものか、回転子軸と結合される軸である。ローラー部材２４は略平板状あるいは略円筒状の形状をしており、その中心を回転軸２３が貫いて回転軸２３とともに回転をする。ローラー部材２４の外周部は球状回転体１７に圧接して取りつけられる。ローラー部材２４の材料としては球状回転体１７に圧接して回転機器２２からの回転力を伝達するために圧接する表面部の摩擦係数が適度に高い材料を用いるのが好ましい。
【００５４】
球状回転体１７に回転を発生させる場合において、球状回転体１７を任意の方向に回転自在とするためには、回転機器、回転軸及びローラ部材を複数個設けて駆動部を構成しなければならない。３次元の全方向に渡り球状回転体１７を回転させるためには少なくとも３組の回転機器と回転軸とローラ部材の組み合わせが必要とされ、２次元の回転をさせるためには少なくとも２組の回転機器と回転軸とローラ部材の組み合わせが必要とされる。各組の回転機器と回転軸とローラ部材により発生される球状回転体１７の回転の回転面が異なるようにすることにより、球状回転体１７は２次元あるいは３次元の空間内で自由に回転する。駆動部を構成する各々の回転機器は筐体１３に固着されるため、各回転機器が発生する回転面の相互の位置関係は変化しない。
【００５５】
図４に示す第一の実施例の駆動部は、回転機器２２ａがローラー部材２４ａと回転軸２３ａを介して結合され、回転機器２２ｂがローラー部材２４ｂと回転軸２３ｂを介して結合され、回転機器２２ｃがローラー部材２４ｃと回転軸２３ｃを介して結合される構成から成っている。第一の実施例では、走行面２７の上における全方向への走行と筐体１３が走行面上の略一点に静止して回転運動を行うために、回転機器、回転軸、及びローラー部材がそれぞれ３組設けられているが、回転運動を行わない場合であって走行面を全方向に走行する場合には２組でも良い。また、回転運動を行わない場合にあっては２組、回転運動を行う場合にあっては３組が最小の組数であるが、これ以上の組数の回転機器、回転軸、及びローラー部材を設けることは何の問題もない。ここで、３次元空間においては互いに独立な３個のベクトルにより任意のベクトルを張ることができるため、各々のローラ部材の回転軸は相互に異なるように各々の回転機器は筐体１３に固着されている。各々のローラ部材の回転軸が直交する場合には、もっとも効率良く、球状回転体１７に３次元の回転を行わせることができるので、第一の実施例では３次元の直交配置となされている。
【００５６】
図６は球状回転体１７の回転方向を説明するための概略斜視図である。なお、図６において、ローラー部材２４ａにより回転する球状回転体１７上の回転面がＺ平面、ローラー部材２４ｂにより回転する球状回転体１７上の回転面がＸ平面、及びローラー部材２４ｃにより回転する球状回転体１７上の回転面がＹ平面である。
【００５７】
例えば、回転機器２２ａがＺ平面内で回転すると、それにともなって回転軸２３ａ及びローラー部材２４ａも同様に、Ｚ平面内で回転する。ローラー部材２４ａの最外輪部は球状回転体１７に圧接しており、回転機器２２ａがローラー部材２４ａを回転させると、ローラー部材２４ａと球状回転体１７との間で生じる摩擦力により、球状回転体１７は回転するのが原理であるが、実際には球状回転体１７と走行面２７との摩擦が大きいために球状回転体１７は回転せずに停止しており、反作用により筐体１３がＺ平面内で回転をする。一方、Ｘ平面内の球状回転体１７の回転は回転機器２２ｂ、回転軸２３ｂ、ローラー部材２４ｂにより、Ｙ平面内の球状回転体１７の回転は回転機器２２ｃ、回転軸２３ｃ、ローラー部材２４ｃにより行われる。
【００５８】
図６に示すように、球状回転体１７のＸ平面内における回転が生じると、走行面２７との摩擦力により球状回転体１７の外周部の速度Ｖｙと等しい速度で筐体１３はｙ軸方向へ移動し、Ｙ平面内における回転が生じると、球状回転体１７の外周部の速度Ｖｘと等しい速度で筐体１３はｘ軸方向へ移動し、Ｚ平面内における球状回転体１７が回転したとするときの角速度と同じ角速度でもって筐体１３が走行面２７上で回転を行う。
【００５９】
なお、厳密に言うならば、接地点２７ａが一点において完全に水平な走行面２７と接する場合には球状回転体１７と走行面２７との間に発生する摩擦力は零となり、球状回転体１７が回転をしたとしてもスリップをして、筐体１３にいかなる運動も生じることはない。しかしながら、球状回転体１７が接地点２７ａ付近で扁平化したり、走行面２７に凹凸がある場合には、接地点２７ａは点接触ではなく局所的に２次元平面と接していると考えることができる。現実の球状回転体１７及び走行面２７はこのようなものである。従い、このような局所的な２次元平面においては、摩擦力が発生して筐体１３の運動を生じることと成る。
【００６０】
更に、より具体的かつ個別的に、ｙ軸を中心とする回転によりＹ平面の回転がもたらす筐体１３の運動について説明する。上述したように接地点２７ａが有限の面積を持っているために、摩擦力により走行面２７と球状回転体１７との間に運動が生じる。このとき、Ｙ平面が走行面２７に対して垂直な場合には、ｘ軸方向に筐体１３は直進をする。しかし、Ｙ平面が走行面２７に対して垂直でない場合には、球状回転体１７の周速度が異なる面をもって走行面２７と接触をするために、ｘ軸に直交する力も同時に働き筐体１３はｘ軸方向に直進せずにわずかに円弧を描き走行する。しかしながらこのずれは、操車者１２が体重の移動を行い、Ｙ平面を走行面に対して垂直にするか、進行方向が少しずつずれてきて進路がはずれだしたら操車者１２が体重移動を行い針路変更をして逐次修正することができるので、大きな問題とはならない。
【００６１】
ｘ軸を中心とする回転により生ずる筐体１３の運動についても同様である。筐体１３の走行面２７に対する傾きが存在してＸ平面が走行面に垂直とならない場合には、筐体１３はｙ軸方向について直進せずにわずかに円弧を描き走行する。しかし、この場合にも上述したｙ軸を中心とする回転運動におけると同様に操車者１２が体重の移動を行い、Ｘ平面を走行面に対して垂直にするか、進行方向が少しずつずれてきて進路がはずれだしたら操車者１２が体重移動を行い針路変更をして逐次修正することができるので、大きな問題とはならない。
【００６２】
更に、Ｚ平面の運動について説明する。接地点２７ａが有限の面積を有する場合であって、Ｚ平面が走行面２７と平行である場合には、ｚ軸の回転軸は接地点２７ａを通過するため、筐体１３は、走行面２７上で接地点２７ａを中心とする回転運動を行う。しかし筐体１３が傾きＺ平面が走行面２７と平行でない場合には、接地点２７ａは，Ｚ平面の回転軸であるｚ軸上にはない。この場合には、接地点２７ａにおける摩擦力により生じる筐体１３の運動は、走行面２７上で一点に留まることなく微小回転半径の円を描きながら回転運動を行うものとなる。しかしながら、この半径は、筐体１３の傾きが小さければ微小なものである。従い、筐体１３の傾きが微小な場合には操車者１２はＺ平面の回転により、自分の位置を、すばやく１８０°方向変換したり、任意の角度方向に変更できる。また、わざと傾き角度を大きくして回転すれば、円弧を描きながら筐体１３は回転するので、スポーツ感覚を味合うことができる。表示部１６に設けられた操作ボタンの操作により回転機器２２ａの回転角速度を変化させることにより任意の速度で回転を続けることができる。
【００６３】
第一の実施例における椅子形状搬送装置１１の制御系の全体の構成を図７のブロック図を用いて説明をする。制御系は、フィードバックループとして構成されている。制御系は大きく分けると、既に説明をした駆動部１８と球状回転体１７と後述するセンサ部５５と表示部１６と制御部２５とから成り立つている。
【００６４】
この制御系の動作の概要を説明する。操車者１２が身体を傾けると、それにより重心の中心である後述する重心点が移動し、その結果として、筐体１３の垂線に対する傾き角度が変化する。この傾きは筐体１３に設けられた角度センサ部５５０により検出される。制御部２５は、角度センサ部５５０により検出される傾き角度を入力として予め設定された所定のフィードバックループの演算則にしたがった処理を行う演算部５１と、演算部５１からの出力である制御信号に基づいた駆動信号を発生する駆動回路部２５とから成っている。
【００６５】
駆動信号は、回転機器２２、回転軸２３、ローラー部材２４とで構成される駆動部１８に印加され球状回転体１７を回転駆動するための信号である。ここで、回転により球状回転体１７の発生するトルクと筐体１３の角度センサ部５５０で検出される傾き角度とは、後述する所定の物理式で表される関係式が成立するので、全体としてフィードバック制御系を構成する。このとき、フィードバック制御系がネガティブフィードバック制御系である場合には、筐体１３の傾き角度が増加すると、これを減少させる方向のトルクが球状回転体１７の回転により発生させられる。ここで、位置センサ部５５１、速度センサ部５５２はの役割は、制御系の自由度の数に対応した変数、すなわち制御理論で言うところの状態変数である位置と速度を検出するものである。最適制御理論の教えるところによれば、すべての状態変数をフィードバックすることにより良好な制御特性が得られることが知られているので、第一の実施例においてもこれらの状態変数を用いて制御を行うことができる。
【００６６】
以下において、位置センサ部５５１及び速度センサ部５５２からの状態変数に相当する信号を駆動状態検出信号と呼ぶ。駆動状態検出信号は状態変数そのものである位置や速度ではなく回転軸２３の回転角度や回転角速度であって演算部５１で位置や速度に変換する場合もある。また、角度センサ部５５０から検出される角度は２次元の成分を有するベクトル量であり、球状回転体１７に発生するトルクもベクトル量であるので、制御部２５、位置センサ部５５１、速度センサ部５５２のいずれもベクトル量を取り扱うように構成をされており、ベクトルの各々の成分を、以下においてａ，ｂ，ｃ，の添え字で表記する。
【００６７】
センサ部５５を構成するセンサ類のうち、少なくとも角度センサ５５０は、筐体１３の所定の位置に設けられて、筐体１３と重力の向かう線である垂線との傾き角度を検出するものである。垂線に対する角度は、ベクトル量であるが、垂線を含む２つの平面における射影により表現することができる。２つの面をｂ平面，　ｃ平面としてその面に対する射影を各々５５０ｂ、５５０ｃの符合を付したセンサにより検出し筐体１３の傾きの角度を特定することができる。
【００６８】
２つの面であるｂ平面，ｃ平面は、任意に選択しても良いが、演算部５１における演算を簡略化するためには、ｂ平面，ｃ平面を各々の回転機器２２ｂ、２２ｃにより発生する球状回転体１７の回転面に設定することが望ましい。例えば、ｂ平面をＸ平面に、ｃ平面をＹ平面に選べば、ｂ平面すなわち、Ｘ平面、における傾き角度を示すセンサ５５０ｂからの信号を座標変換工程を経ることなく直接使用してＸ平面におけるトルク制御を回転機器２２ｂにより行うことができ、ｃ平面、すなわちＹ平面、における傾き角度を示すセンサ５５０ｃの信号を座標変換工程を経ることなく直接使用してＹ平面におけるトルク制御を回転機器２２ｃにより行うことができる。一方、各センサ５５０ｂ、５５０ｃの傾き角度の検出面が、回転機器２２ｂ，２２ｃが発生する回転の回転面と同一ではない場合には、各センサ５５０ｂ、５５０ｃから検出される傾き角度信号を演算部５１で座標変換をして回転機器２２ｂ，２２ｃが発生する回転の回転面と同一の面における傾き角度を演算により合成する。
【００６９】
演算の具体的な手法は、センサ５５０ｂから検出される検出値の回転機器２２ｂによる回転平面成分とセンサ５５０ｃから検出される検出値の回転機器２２ｂによる回転平面成分とのベクトル和を回転機器２２ｂを制御するための傾き角度信号とし、センサ５５０ｂから検出される検出値の回転機器２２ｃによる回転平面成分とセンサ５５０ｃから検出される検出値の回転機器２２ｃによる回転平面成分とのベクトル和を回転機器２２ｃを制御するための傾き角度信号とすることができる。駆動面成分角度角度センサ部５５０に使用されるセンサとしては、筐体１３のある一点から錘を垂らして錘の先端の位置が傾き角度に応じて移動するのを検出するセンサでも良いし、回転角度に応じて抵抗値が変化する可変抵抗器の回転軸に錘を結合し傾き角度に応じた抵抗値を検出しても良いし、ジャイロ素子により検出するものであっても良いし、距離センサを備えた器に流体を満たし、流体表面と距離センサとの間の距離を複数の検出点において検出して、２つの距離センサ相互の離間距離と、センサによって測定される流体表面と距離センサとの間の距離の当該２つのセンサにおける差との比を検出するものであっても良い。また、状態変数として傾き角度の微分を用いた制御方法を後述するが、角度の微分を得るためには、演算部５１で微分演算を行ったり、ジャイロ素子により直接検出をしても良い。
【００７０】
位置センサ部５５１は、走行面２７上における筐体１３の所定の位置を原点とし、筐体１３を座標の基準とした変位すなわち移動距離を検出する。ここで、移動距離はｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各成分に分解される。既に述べたように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は筐体１３の姿勢に応じて刻々変化する相対的なものである。位置の検出には種々の方法が考えられ、それに伴ない位置センサ５５１は種々の構成とすることができる。例えば、回転機器２２とローラー部材２４を結合する回転軸２３の回転角度を、回転軸２３ａについて検出する位置センサ５５１ａ、回転軸２３ｂについて検出する位置センサ５５１ｂ、回転軸２３ｃについて検出する位置センサ５５１ｃの３つのセンサーで検出することができる。検出は具体的には回転軸２３にロータリーエンコーダを設けることにより行うことができる。ここで、回転角度は、筐体１３走行面２７上の一点に対する位置の変化に比例するので、演算部５１において所定の変換式により位置を検出することができる。
【００７１】
速度センサ部５５２は、筐体１３を座標の基準とした筐体１３の移動速度を検出する。例えば、回転機器２２とローラー部材２４を結合する回転軸２３の回転角速度を、回転軸２３ａについて検出する速度センサ５５２ａ、回転軸２３ｂについて検出する速度センサ５５２ｂ、回転軸２３ｃについて検出する速度センサ５５２ｃの３つのセンサーで検出するこができる。検出は具体的には回転軸２３にロータリーエンコーダを設けることにより行うことができる。ここで、回転角速度は、筐体１３走行面２７上の一点に対する移動速度に比例するので、演算部５１において所定の変換式により位置を検出することができる。
【００７２】
また位置センサ部を筐体１３に設けて、例えば、超音波やレーザ光により走行面２７との相対位置や相対速度を検出しても良い。また、位置または速度の一方を回転軸２３から検出し、速度または位置の他方を超音波やレーザ光により走行面２７との相対位置や相対速度を検出したものと組み合わせる等の任意の組み合わせを選択しても良い。更に別の方法としては、衛星を用いたＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ）を用いれば、筐体１３を基準とするのではなく、絶対座標を基準として、位置や速度を求めることができる。
【００７３】
表示部１６は、バスラインに接続されており、バスラインを介してセンサ部５５、演算部５１、駆動回路部５２との間で信号のやり取りを行う。
【００７４】
表示部１６は、センサ部により検出され演算部５１で処理される各種情報である情報表示信号をバスラインを通じて受け取る。情報表示信号は、筐体１３の姿勢をあらわす傾き角度や、椅子形状搬送装置１１の走行速度や走行距離や、バッテリーの残量などである。表示部１６は、これを表示し操車者に伝え、回転軸２３が予め定めた所定の回転角速度以上で回転をする場合には、視覚、聴覚により認識可能なアラームを出すとか、筐体１３の傾き角度が一定値以上となる場合には、筐体１３がこれ以上傾くと駆動部１８の能力を越えてしまいフィードバックにより所定の傾きを維持することが不可能となるとしてアラームを出すこともできる。
【００７５】
また表示部１６にのパネルには図示しない操作ボタンが設けられており、操車者１２が操作ボタンに触れることにより椅子形状搬送装置１１の動作の停止、待機等の動作モードを制御したり、後述する制御系のゲインや位相補償特性あるいは、状態フィードバックを用いる場合には状態変数に掛ける係数の変更等を行い、操作感を操車者１２の好みに合わせて変化させることができる。
【００７６】
これらの操作ボタンからの信号である操作信号はバスラインを通じて演算部５１に伝えられる。また、表示部１６は必ずしも支持部１５ａと結合している必要はなく、図２には図示しないリモコン（リモートコントローラー：Ｒｅｍｏｔｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌｏｒ）方式としても良い。
【００７７】
図８に示す制御部２５においては、演算部５１はセンサ部５５と駆動回路部５２と表示部１６との間で信号のやり取りを行うために、バスラインにで結合される。演算部５１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）や、積和演算を特に高速に行うのに適したＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）により構成したり、あるいはハードウエアにより演算機能を構成したりしても良い。ここにおいて、バスラインは有線に限らず電波、超音波、又は光などの無線により実現しても良い。
【００７８】
駆動回路部５２は、演算部５１により演算された結果に基づき回転機器２２を動作させるための回路部である。駆動回路部５２ａ、５２ｂ、５２ｃの各々は回転機器２２ａ、２２ｂ、２２ｃに電力を供給するように接続されている。駆動回路部５２ａ乃至駆動回路部５２ｃは、回転機器２２ａ、２２ｂ、２２ｃが同一の構成である場合には、同一の回路構成と成っている。例えば、回転機器２２ａが直流機である場合には、駆動回路部５２ａは、電力増幅機能を有して演算部５１からの信号の電力増幅をすれば良く、回転機器２２ａが交番電流機である場合には、例えば、三相の交番電流電力を発生させるインバータ回路が用いられることとなる。ここで、演算部５１から駆動回路部５２ａ、５２ｂ、５２ｃの各々へは独立した制御信号がバスラインを経由して印加され回転機器２２ａ、２２ｂ、２２ｃは独立に動作する。
【００７９】
演算部５１の機能は、センサ部５５からの信号に基づきフィードバック系の演算則、すなわち、制御系を動作させるルールに従い演算を行って駆動回路部５２に制御信号を送出し、フィードバック系がどのような状態で動作しているかを表示部１６を介して操車者に知らせ、必要であれば、表示部１６を介して異常が生じた旨のアラームを操車者に伝え、表示部１６に設けられた操作ボタンにより発せられる操作信号を受けて、動作モードの変更や制御則の変更を行う等の種々の機能を有する。
【００８０】
制御則に基づく演算が演算部５１でどのようになされるかを説明するにあたり、まず、椅子形状搬送装置１１の動作原理を図９の模式図を用いて詳細に説明した後、フィードバックループの作用を説明する。
【００８１】
図９は、走行している状態における椅子形状搬送装置１１のＹ平面における断面模式図である。ここで、球状回転体１７を除いて操車者１２の体重も加算した椅子形状搬送装置１１の重量を代表させる点を重心点６１、球状回転体１７の回転の中心を中心点６２とし、重力方向への直線を垂線６３、重心点６１と接地点２７ａとを結ぶ直線をトルク線６５、重心点６１と接地点２７ａとの距離をＭとおく、なお、中心点６２は球状回転体１７のすべての外周部から等距離にある一点であるとする。重心点６１と中心点６２とを結ぶ直線を重心線６４、重心点６１と中心点６２との距離をＬとし、さらに垂線６３とトルク線６５とのなす角度をΘ１、重心線６４とトルク線６５とのなす角度をΘ２、垂線６３と重心線６４とのなす角度をΘ３とする。
【００８２】
なお、走行面２７が水平面であり、筐体１３がｙ軸方向に傾いていない理想状態においては、Ｙ平面は、重心点６１、中心点６２、重心線６４、垂線６３、接地点２７ａのすべてを含んでいる。以下の説明はこれを前提として行う。なお、走行面２７が水平面ではない場合や筐体１３がｙ軸方向に傾いている場合においては、以下に説明する動作とは若干異なるがｙ軸方向の傾きが小さい場合には、このような理想状態とみなしても大きな誤差を生じないので、筐体１３がｙ軸方向に傾いていない理想状態を基に以下の説明を行う。またＸ平面に平行な断面においても同様に説明されるがこの説明は省略する。
【００８３】
まず、筐体１３が移動せずに走行面２７上の定位置に留まっている状態におけるバランスについて説明をする。図９に示すように、球状回転体１７は走行面２７の接地点２７ａにおいて略一点で接するのであるが、重心点６１の位置が接地点２７ａより高い位置にあるため、接地点２７ａを通る重心線６４と垂線６３とが一致する場合にのみバランス、すなわち重心点６１を一点に留める静止状態を保つことができる。しかし、重心線６４と垂線６３とが略一致して重心点６１が静止状態位置の近傍にある場合は、制御系として観れば、この点は不安定平衡点であるため、わずかでも前後方向や左右方向のいずれかに重心点６１の位置がずれると、球状回転体１７が回転して重心点６１が走行面２７の下方へと移動し、筐体１３は静止して一定の位置を保つことができない。したがって、筐体１３の静止状態を保って安定状態を維持するためには、操車者１２が巧みにバランスを取って安定状態を維持するか、若しくは他の手法により安定状態を維持することとなる。接地点２７ａを通る重心線６４と垂線６３とを常に一致させるように操車者１２が身体を移動させることにより重心点６１を移動させてバランス状態を保つことは操作者の熟練を要し一般には困難であり、操車者１２に大きな負担を負わせることになる。そこで、第一の実施形態における搬送装置では、操車者１２に負担を負わせてバランスを保つのではなく、球状回転体１７を回転することにより生じるトルクをバランスを保つための要因として導入し、バランスを取りつつ、球状回転体１７の回転運動に伴ない筐体１３全体を移動させるものである。
【００８４】
重心点６１における球状回転体１７を除いた椅子形状搬送装置１１と操車者１２との合わせた重量をＷとすると、図９に示すように、重心点６１においてトルク線６５に垂直方向に働く力Ｆ１は、
【数１】
2004129435.tif 000003
と表される。ここで、Θ１は、角度センサ部５５０によりＹ平面における傾き角度Θｃとして検出されるものであり、Ｘ平面における議論をする場合には、Θ１はΘｂである。また、重心点６１、中心点６２、及び接地点２７ａがなす三角形に注目すると、Θ１、Θ２、及びΘ３の間には、
【数２】
2004129435.tif 000004
の関係が成り立つ。なお、図９においてはΘ１＞０とする。
【００８５】
一方、球状回転体１７に回転力が加わるとトルクＴ発生し、重心点６１において重心線６４と直交する方向にトルクＴに対してトルク反作用が加わるのであるが、このトルク反作用をＦ２と表すと、その大きさは、
【数３】
2004129435.tif 000005
と表される。ここで、Ｆ２のうち、Ｆ１とベクトルの方向が反対の成分をＦ３とすると、Ｆ３は、
【数４】
2004129435.tif 000006
と表される。ここで、数５が成り立つ場合には、重力により落下する力とトルクによる落下に反する力が平衡して、筐体１３の位置は、バランスを保ち、球状回転体１７との関係において定位置に留まる。
【数５】
2004129435.tif 000007
数１と数３と数４を数５に代入して数６を得る。
【数６】
2004129435.tif 000008
【００８６】
数６の意味するところを以下に説明する。重心点６１の位置が球状回転体１７の外側にある場合、筐体１３及び操車者が走行面２７に対して接近していない範囲、すなわち、Θ３＜９０°の範囲では、重心点６１と中心点６２との距離Ｌは重心点６１と接地点２７ａとの距離Ｍに較べて小さくなる。そのため、Θ１＞Θ２の関係が成り立ち、Θ１を変化させたとき、各々の角度の変化量ΔΘ１、ΔΘ２についてΔΘ１＞ΔΘ２の関係が成り立つ。
【００８７】
数６において、Θ１が単調増加（減少）したときｓｉｎΘ１は単調増加（減少）し、Θ２が単調増加（減少）したときｃｏｓΘ２は単調減少（増加）する関数であるため、トルクＴを大きくする場合、Θ１を大きくすると数６を成立させることができ、安定状態を保つことができる。逆に、重心点６１の位置を常に一定にして安定状態を保つためには、Θ１及びΘ２の大きさに応じて数６の条件を成立させるトルクＴを発生させなければならない。このとき、数２により、Θ２はΘ１により一意に定まるΘ１の関数であるため、数２を通じてΘ１の変化とΘ２の変化とは同一視でき、Θ１のみを検出し、Θ１のみの大きさに応じてトルクＴを調整して重心点６１の位置を常に安定状態に維持することができる。また、トルクＴにより発生するＦ３がＦ１より大きいと重心点６１の位置は上方へと持ち上げられ、一方でトルクＴにより発生するＦ３がＦ１より小さいと重心点６１の位置は下方へと向かう。したがい、フィードバックループの作用でΘ１とトルクＴとの関係が適切に維持されるならば、重心点６１、すなわち筐体１３の姿勢は適切に保たれ、操車者１２は、自ら安定化のための動作をすることなしで、椅子形状搬送装置１１に着座して走行することができる。
【００８８】
図９は筐体１３及び操車者１２が球状回転体１７上で操車者１２の前方に傾いた場合であるが、筐体１３及び操車者１２が球状回転体１７上で操車者１２の後方に傾く場合も前述のように、筐体１３及び操車者１２が球状回転体１７上で操車者１２の前方に傾いた場合、すなわち重心線６４と垂線６３とのなす角度Θ１、が正となる場合と同様に説明される。筐体１３及び操車者１２が球状回転体１７上で操車者１２の後方に傾く場合、すなわち重心線６４と垂線６３とのなす角度Θ１、が負となる場合、Ｆ１の力の働く方向が後方向となる。したがって、トルクＴの方向を逆方向、すなわち球状回転体１７を逆方向に回転させ、椅子形状搬送装置１１はバランス状態を保って安定に走行することができる。なお、バランス状態を維持するのに必要なトルクＴが、回転機器２２の供給可能なトルクを超える場合には重心点６１の位置を維持することができず、重心点６１は下方へと向かい、筐体１３及び操車者１２は静止することができない。なお、Θ１を零付近に保つと、細かく微動して走行しながら略一定の位置に椅子形状搬送装置１１は静止することができる。
【００８９】
椅子形状搬送装置１１全体を制御系とみなした場合のフィードバックループの作用を次ぎに説明する。数６は三角関数を含む式であり取り扱いが不便であるので、近似式で説明する。実際のフィードバックループの作用も近似式で表したものと大きな差は生じない。トルクＴの調整は回転機器２２への印加電力、例えば電動機が直流機である場合には、電機子に流れる電機子電流の量の調整により行うことができる。数６において、Θ１が小さいとき、ｓｉｎΘ１はΘ１、ｃｏｓΘ２は１で近似できるので、数６で表されるΘ１とＴの関係は、
【数７】
2004129435.tif 000009
と近似することができる。さらに、トルクＴと回転機器の電機子電流Ｉとには、一般的には略比例関係があるので、数７を書きなおして、
【数８】
2004129435.tif 000010
を得る。ここで、Ｋは定数である。
【００９０】
数７で表されるΘ１とトルクＴとの間の関係、数８で表されるΘ１と電機子電流Ｉとの関係が、ｙ軸方向及びｘ軸方向のいずれの方向に移動する場合についても成り立つ。そのため、ｙ軸方向及びｘ軸方向の両方向に移動する場合に、同時に球状回転体１７をＸ平面とＹ平面において回転させ、前述のようにトルクの制御を行えば、椅子形状搬送装置１１は全方向に安定走行することができる。
【００９１】
操車者１２が、重心の位置を少しずらしΘ１を零の近傍で正負に変化させた場合、駆動部１８は球状回転体１７にトルクＴを与えて前後方向（ｘ軸方向）や左右方向（ｙ軸方向）に移動するが、操車者に負担を課すことになるので、位置制御を行うことによりこのような負担を軽減することができる。すなわち、位置制御が行われている場合には、筐体１３をもとの位置に戻し、略一点で静止することができる。椅子形状搬送装置１１が走行して移動する際には位置制御のループを切れば最初の位置に戻ることなく操車者が行こうとする方向に体重を移動させるとその方向に安定した走行が可能となる。ここで、位置制御ループを切る操作は、位置センサ部５５１からの出力信号を零に置き換えることにより容易に実現できる。位置制御ループは後述する状態フィードバックの一要素であるので、後述する状態フィードバックの位置の状態変数に対応する係数を零とするか所定の値とするかによっても実現できる。
【００９２】
なお、表示部１６に設けられた操作ボタンにより操作信号を演算部５１に送出して位置制御のＯＮとＯＦＦの状態を切り替えることができるようにして静止モードと走行モードとを切りかえることができる。
【００９３】
前述のように、制御系はｙ軸、ｘ軸、及びｚ軸に沿ったそれぞれ個々に独立した制御機構から成り独立の制御系としてフィードバックループを構成する。以下にフィードバックループの内容を詳細に説明する。
【００９４】
ｙ軸方向を進行方向とする場合についてのフィードバックループの説明をする。センサ部５５の角度センサ部５５０のセンサ５５０ｂがＸ平面上での筐体１３の傾き角度としてΘｂを検出し、角度センサ部５５０により検出されたΘｂは、演算部５１に対して出力され、Θｂを入力された演算部５１ではΘｂに対して演算処理を施す。例えば、最も簡単な演算としては、演算部５１において制御ゲインを掛けられたり位相補償を施されて制御信号として回転機器２２ｂに出力される。
【００９５】
ここにおいて、位相補償は、制御系の応答を速くしたり、制御系の開ループのゲインを向上したりするために行う。駆動部の全体としての伝達特性は、主として回転機器２２の伝達特性により支配される。ここで、回転機器２２の伝達特性は零周波数に極を有する、すなわち、直流において無限大のゲインを有する二次系である。このような伝達関数を含む系の開ループのゲインを増加させて、かつ、周波数応答特性を向上させるためには、通常、低域で遅れ補償を行い低域のゲインを向上させ定常偏差を小さくし、広域で進み補償を行い広域での位相余有を増加させて広域でのゲインを増加することを可能として応答特性の向上を図る。
【００９６】
具体的には、ラプラス変換をした伝達関数をＧ（Ｓ）で表し、ω１乃至ω４を角周波数とすると、低域の位相補償ＧＬ（Ｓ）はＧＬ＝（Ｓ＋ω２）／（Ｓ＋ω１）、高域の位相補償ＧＲ（Ｓ）は、ＧＬ＝（Ｓ＋ω３）／（Ｓ＋ω４）であるので、全体の位相補償特性ＧＰは、ＧＰ＝（Ｓ＋ω２）／（Ｓ＋ω１）＊（Ｓ＋ω３）／（Ｓ＋ω４）となり、回転機器２２の電気子電流Ｉ２２＝Ｋｇ＊（Ｓ＋ω２）／（Ｓ＋ω１）＊（Ｓ＋ω３）／（Ｓ＋ω４）＊Θ１として演算される。ここで、Ｋｇはゲインを定める定数であり、ω１＞ω２＞ω３＞ω４である。このような位相補償を実現するためには、デジタル処理に適した離散時間処理をするためにＳ領域からＺ領域へ変換して、デジタルフィルタの演算式を求めて、演算部５１において、ラグ・リード・デジタル・フィルターを実現する演算を行えば良い。このような制御系は体重移動により生じる傾き外乱Θｃｄに応じて自動的にトルクＴを制御して制御系を安定化する。すなわち、ｙ軸に設けられた回転機器２２ｂを制御して、球状回転体１７をＸ平面で回転させて、筐体１３をｘ軸方向を進行方向として定定走行させる。同様に、センサ部５５の角度センサ部５５０のセンサ５５０ｃがＹ平面上での筐体１３の傾き角度としてΘｃを検出し、角度センサ部５５０により検出されたΘｃは、演算部５１に対して出力され、Θｃを入力された演算部５１ではΘｃに対して位相補償の演算処理を施し、ｘ軸に設けられた回転機器２２ｃを制御して、球状回転体１７をＹ平面で回転させて、筐体１３をｙ軸方向を進行方向として定定走行させる。
【００９７】
筐体１３が、Ｘ平面とＹ平面の両方において傾いている場合には、ｘ軸、ｙ軸の両方のサーボループの作用により、球状回転体１７はＸ平面とＹ平面の両方において回転し、回転による合成力に応じた方向へと安定に進行する。
【００９８】
上述したように、傾き角度のみを制御変数としてフィードバック制御を行えば、原理的には安定走行を行うことができる。しかしながら、別の演算の例として、駆動部１８を制御系に含む場合には、これらの構成部分の動作に関する変数を状態変数として取りこんだ演算が性能向上に寄与する。すなわち、制御系のすべての制御変数をフィードバックする状態フィードバックに基づく制御演算である。ここで、各状態変数のフィードバック係数を所定の評価関数を最大または最小とするように定めながら、すべての状態を原点に収束させる制御は最適レギュレータとして従来から良く知られている。また、各係数を求める手法は、リカッチ方程式の解法として広く知られている。
【００９９】
表１は、以下で用いられる記号を示す。なお、筐体１３及び操車者１２の重心点６１と接地点２７ａとを結ぶ重心線６４をΩ軸とし、接地点２７ａから重心点６１へと向かう方向をΩ軸の正方向とする。また、トルク線６５と垂線６３とがなす角度Θ１は、センサ５５０ｂが検出する傾き角度の値Θｂまたは、センサ５５０ｃが検出する傾き角度の値Θｃである。また、第１の実施例における状態変数は、すべて表１に示されている。
【０１００】
【表１】
2004129435.tif 000011
【０１０１】
ブロック図１０及び図１１を用いて、状態フィードバックについて更に説明する。図１０はｙ軸についての（Ｘ平面における）制御系の全体図であり、図１１は、後述する数９乃至数１１に示した演算を実現する制御部２５での演算処理の一例を示すブロック図である。センサ部５５により検出された駆動状態検出信号および角度検出信号は、図中において実線矢印で示されるような流れで情報処理される。図中で添え字を付せられたＫは、上述した数式中の係数を表し、各種の駆動状態検出信号または角度検出信号に乗算されることを示している。また、図中におけるΣの記号は、各種情報の和を求めることを示している。
【０１０２】
数９に最適レギュレータの演算式を示す。数９における所定の定数であるＫｃ１、Ｋｃ２、Ｋｃ３、Ｋｃ４は前述のリカッチ方程式を解いて求められたものである。数９のΘｃ、ｄΘｃ／ｄｔ、Ｄｃ、ｄＤｃ／ｄｔは、回転機器２２ｃのトルクＴの関数、すなわち数８により回転機器２２ｃの電機子電流Ｉ２２ｃの関数であるので、閉ループの制御系を構成して定数Ｋｃ１、Ｋｃ２、Ｋｃ３、Ｋｃ４の設定値を適切に設けると、時間の経過に従い、原点Ｏにすべての状態変数が収束する漸近安定特性を生じさせることができる。
【数９】
2004129435.tif 000012
ここで、Ｋｃ１、Ｋｃ２、Ｋｃ３、Ｋｃ４はこの係数の組み合わせを変えることにより、例えば、応答特性を高周波まで伸ばし操車者１２の体重移動に早く追従する特性にしたり、消費電力を最小に設定したりすることができる。また、状態フィードバックは制御系のすべての状態変数を取り扱うために、Θｃのみを取り扱う方法に比べてより高度の制御、例えば、位置制御や速度制御を傾き角度制御と組み合わせることが可能である。
【０１０３】
Θｃｄは、体重移動により生じる外乱であり、サーボループが動作している場合には、この外乱Θｃｄを打ち消すように回転機器２２ｃに電流が供給される。ここで、位置制御のゲインＫｃ３を零ではなく所定の値に設定した場合においては、最初の点より筐体１３が移動するとＤｃの大きさが大きくなり、最初の点に筐体１３を引き戻すように作用する。
【０１０４】
また、位置制御のゲインＫｃ３を零として、定常的な外乱Θｃｄを与えることによって、ｘ軸方向に筐体１３を移動させることができる。例えば、前方方向に重心を移動させて、重心点６１を垂線６３より常に前方となるように、すなわちΘｃｄ＞０となるように設定しておくと筐体１３はｘ軸方向の正方向つまり筐体１３の正面方向へと移動し続ける。
【０１０５】
また、位置制御のゲインＫｃ３を零として、後方方向に重心を移動させて、重心点６１を垂線６３より常に後方となるように、すなわちΘｃｄ＜０となるように設定しておくと筐体１３はｘ軸方向の負方向つまり筐体１３の裏面方向へと移動し続ける。
【０１０６】
ｙ軸に沿った制御機構により構成される制御系のフィードバックについては、回転機器２２ｂが直流電動機である場合には回転機器２２ｂの電気子の電流をＩ２２ｂとして、数１０は状態フィードバックを実現する演算部５１における演算則である。この演算則で実現される制御系は、時間の経過に従い、原点Ｏにすべての状態変数が収束する漸近安定特性を生じさせることができる。
【数１０】
2004129435.tif 000013
【０１０７】
ｙ軸方向の沿った制御機構が構成するフィードバックループ及びｘ軸方向に沿った制御機構が構成するフィードバックループに加えて、重心線６４であるΩ軸に沿ったフィードバックループが構成されており、これによりΩ軸に沿ったフィードバック制御が行われる。
【０１０８】
Ω軸を中心とする回転の制御は、重心線６４を軸とした回転の制御であり、ｚ軸に沿った球状回転体１７の回転の制御である。例えば、Ω軸を中心とする回転の制御は、操車者１２が、表示部１６の操作ボタンを操作することにより左右方向などに回転運動を行うことができる。すなわち、右回転の操作ボタンをＯＮとすれば、現在の球状回転体１７の接地点２７ａを中心として右回転を行う。逆に左回転の操作ボタンをＯＮとすれば、左回転を行う。なお、Ω軸を中心とする回転の制御はｘ軸の制御、ｙ軸の制御と同時に行うことができる。
【０１０９】
Ω軸に沿った回転の制御は、回転機器２２ａの電気子の電流をＩ２２ａとすると数１１で表される演算則に従い行われる。
【数１１】
2004129435.tif 000014
ここで、ＫΩ１、ＫΩ２は所定の定数であり、Ωｉ及びｄΩｉ／ｄｔは筐体１３の所定の点を基準とする角度、及び角速度である。
【０１１０】
ＫΩ１＝０とした場合において、ＫΩ２に値を代入するに、例えば、右回転の操作ボタンを押しときにはＫΩ２に正の値、左回転の操作ボタンを押したらＫΩ２に負の値が代入されるようにすると、回転方向を制御することができる。また、Ωｉに所定の値を代入する場合には、所定の角度だけ回転した後に回転動作を終了させることができる。Ωｉとして、所定の基準方向角度Ωｉ、ＫΩ１、ＫΩ２に所定の値を代入すると、常に一定の方角がｙ軸となるように球状回転体１７と筐体１３の位置関係を保つことができる。なお、ここにおいて、角速度ｄΩｉ／ｄｔをフィードバックしているが、ＫΩ２の大小により制御系の即応性が決まる。基準方向角度Ωｉは、磁気コンパスやジャイロコンパスにより検出するのであるが、基準方向角度Ωｉとして一定の方位を入れれば、その一定の方位へ常に移動することとなる。
【０１１１】
また別の制御方法を示す。図１１のブロック図において、Ｋｂを零とし、すなわち回転機器２２ｂを動作させることなく、Ｋｚを所定の値とし、本来回転機器２２ｂを動作させるべき信号に基づき回転機器２２ａを動作させるものである。
【０１１２】
このような制御を実現するために、ＫΩ１、ＫΩ２、Ｋｂのいずれをも零としてＫｚを所定の値とする場合においては、筐体１３はｙ軸方向へと進行することはなく、替わりに筐体１３は回転を行い、その結果、操車者１２の顔が常に進行方向へ向くように制御される。重心点６１の移動により操車者１２から見て横に移動したり後ろに移動したりする動作においては、操車者１２の視界は前方に限られるため危険な場合もあるが、このような制御を行えば、進行方向と視界の方向とを常に一致させることができ、操車者１２は視界に進行方向の状況を確認することができ、安全に椅子形状搬送装置１１を操車することができる。
【０１１３】
なお、このような制御をおこなうためには、最小限、必要な信号はΘｂであり、演算部５１において、Θｂに位相補償を行い、適切なゲインに調整後、回転機器２２ａの駆動信号としても良い。既に述べたように、すべての状態変数をフィードバックすると、種々の評価関数を最小あるいは最大にするという意味での最適化が図れるので、より特性の向上が図れる。
【０１１４】
ここにおいて、Ｚ平面における制御が高速でなされれば、結果として、ｙ軸方向、すなわちＸ平面における傾きはＺ平面の回転という手法により零とすることができるので、ｙ軸方向に進行させるための駆動力が働くことはないので、ｙ軸方向の制御は不要ということになり、その結果、ｙ軸制御に関連する機構部分は不用となる。これにより、装置の簡略化に寄与することとなる。また、Ｋｂ、Ｋｚ、ＫΩ１、ＫΩ２、のいずれをも零ではない所定の値に設定すれば、回転機器２２ａの作用によりＸ平面における傾きを修正しつつ、回転機器２２ｂはｙ軸方向へ進行をさせるより小さい駆動力を発生させれば、安定状態を保つことができるので、ｙ軸に関する機構の簡略化、省電力化及び小型化が図れる
【０１１５】
このような制御系においては、上述した制御が作用している限りは重心の移動方向へ球状回転体１７は移動することとなるため、例えば、操車者１２が、行きたい方向へ重心を移動させるだけで自由に進行方向を選択でき、重心の移動量を大きくすれば、それに伴い移動速度も増加することとなるので、操車が簡便なものとなり、体の不自由な人やこでも容易に操車ができる。
【０１１６】
このように、第一の実施例における椅子形状搬送装置１１は球状回転体１７を回転させて移動するため、車輪が球状という形状を有するため、全方向に滑らかに移動することができ、複数の駆動部１８の各々を組み合わせて駆動させて容易に全方向に移動させることができる。
【０１１７】
［第二の実施例］
次に、図１２に他の形状の搬送装置として第二の実施例である板形状搬送装置を示す。図１２は板形状搬送装置３１上に搬送対象であり板形状搬送装置３１を操車する操車者３３が立った状態で乗車する板形状搬送装置の概略斜視図を示す。ここにおいて、第一の実施例における部材と第二の実施例における部材について、同一の構成、作用をする部材にはその対応を示して説明を省略する。球状回転体３７は球状回転体１７に、筐体３２は筐体１３に、操車者３３は操車者１２に、表示部３６は表示部１６にそれぞれ対応する。
【０１１８】
図１２に示すように、板形状搬送装置３１は球状回転体３７と筐体３２と足台３４とを有する。ここで、板形状搬送装置３１においては、操車者３３の全体重は足台３４によって受けられ、足台３４と筐体３２とは操車者３３の重心の移動が筐体３２に伝わる程度に固定されている。足台３４と筐体３２とは一体に形成されたものであっても良い。
【０１１９】
さらに、椅子形状搬送装置１１では球状回転体１７を駆動および制御する駆動部、センサ部、及び制御部に関する情報を表示する表示部１６が形成さていたが、板形状搬送装置３１に表示部を形成する場合、操車者３３を保持する足台３４が操車者３３の目線より下となるために、またスポーツ感覚で操車者３３が足台３４に乗るために余計な突起物をなくすために例えば、手元のリモコン３５に小型の表示部３６を設け、表示部３６に表示される表示内容に応じてリモコン３５に設けられた図示しない操作ボタンにより指令をだし、操車することができるようにしても良い。この際、リモコン３５は制御部と無線で通信を行い、リモコン３５に設けられた操作ボタンの操作により図示しない制御部を介して板形状搬送装置３１を操車する。
【０１２０】
板形状搬送装置３１では、従来例における遊戯やスポーツで用いられるスケート・ボードのように、操車者３３の体重移動により移動方向を操作するとともに、手元のリモコン３５に設けられた操車ボタンで球状回転体３７の回転角度や回転速度の制御を行えば、スポーツ感覚の搬送装置として、体重移動に加えてボタン操作により、より複雑な操車を行うことができる。
【０１２１】
前述の椅子形状搬送装置１１と同様に、板形状搬送装置３１は球状回転体３７により駆動されるため、板形状搬送装置３１に操車者３３が最初に乗車して発車する際や移動後に停車して降車する際に板形状搬送装置３１が不安定となった場合に対する補助として筐体３２または足台３４に図示しないスタンドを設けても良い。スタンドは棒状の支持物又は板状の支持物であり、板形状搬送装置３１を水平に立たせることができる支持物であれば良い。スタンドは、前述の椅子形状搬送装置１１のように３つ形成しても良いし、また例えば従来例における自転車のように１つであっても良く、板形状搬送装置３１の発進時や停止時に不安定となる場合に板形状搬送装置３１を支持することができれば良い。また、スタンドの設置位置に関しても、板形状搬送装置３１を支持することができる位置に設けられるのであれば、スタンドの取りつけ位置に特に制約はない。
【０１２２】
［第三の実施例］
図１３は、第三の実施例である支持部付搬送装置の概略斜視図である。第一の実施例における部材と第三の実施例における部材について、同一の構成、作用をする部材にはその対応を示して説明を省略する。球状回転体４７は球状回転体１７に、筐体４３は筐体１３に、操車者４２は操車者１２にそれぞれ対応する。
【０１２３】
図１３に示すように、支持部付搬送装置４１は球状回転体４７と筐体４３と足台４４と支持部４５とを有する。筐体４３には、操車者４２が立つ足台４４が結合され、この足台４４に操車者４２の身体部を支持する支持部４５が形成されている。筐体４３と足台４４と支持部４５とが一部材で一体成形されていても良い。
【０１２４】
さらに、支持部付搬送装置４１には、図示しない表示部が備えられており、例えば、表示部は支持部４５に形成される。支持部付搬送装置４１を操車する上で、例えば、第二の実施例において用いたリモコン３５により、表示部に表示される表示内容に応じて操車することができるようにしても良く、この際にはリモコンは制御部と無線で結合し、リモコンの操作は制御部を介して支持部付搬送装置４１を操車する。
【０１２５】
前述の椅子形状搬送装置１１と同様に、支持部付搬送装置４１が球状回転体４７により駆動されるため、支持部付搬送装置４１に操車者４２が最初に乗車して発車する際や移動後に停車して降車する際に支持部付搬送装置４１が不安定となった場合に対する補助として筐体４３または足台４４にスタンドを設けても良い。
【０１２６】
【第二の実施形態】
第二の実施形態における搬送装置について図面を参照して説明する。第二の実施形態における搬送装置の形状の一例である第四の実施例として、椅子形状をした筐体に操車者が着座した状態で搬送される車椅子の形状をした搬送装置（これを以下では椅子形状搬送装置と呼ぶ）について説明する。また、第一の実施形態と同様に、板形状搬送装置や支持部付搬送装置の形状であってもよい。また、第一の実施例で定義したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びｘ軸正方向、ｘ軸負方向、ｙ軸正方向、ｙ軸負方向、ｚ軸正方向、ｚ軸負方向、及び筐体正面方向、筐体裏面方向、筐体左方向、筐体右方向、筐体重力方向、筐体反重力方向、及びＸ平面、Ｙ平面、Ｚ平面及び筐体横平面、筐体前後平面、筐体水平平面の定義は第二の実施の形態でも同様である。
【０１２７】
［第四の実施例］
図１４は第四の実施例である椅子形状搬送装置８１の概略斜視図である。第一の実施例乃至第三の実施例におけるのと同一の構成、作用をする部材にはその対応を示して説明を省略する。
【０１２８】
図１４に示すように、椅子形状搬送装置８１は導電性材料から構成される球状回転体８７と、球状回転体８７上に設けられた筐体８３並びに、操車者を保持するための部材である座席８４と支持部８５ａと足台８５ｂ及び操車者とのマンマシンインターフェイスである表示部８６とを有する。ここで、第一の実施例との対応関係は、支持部８５ａは支持部１５ａに、足台８５ｂは足台１５ｂに、座席８４は座席１４に、表示部８６は表示部１６に対応する。
【０１２９】
球状回転体８７は、渦電流を生じさせるために導電性を有する材料であって、電気伝導度の大きい材料から構成される。球状回転体８７は、一例として、アルミニウム、鉄、銅などの金属材料を用いて形成することができる。また、後述するように回転磁界により発生する渦電流は球状回転体８７の表面に発生するため、球状回転体８７の内部は中空にしても良いし、また中実としても良い。椅子形状搬送装置８１としての乗り心地を考慮した場合には、弾力性を有する素材を用いて球状回転体８７を構成することにより走行面との接触の振動を防ぐことが好ましく、椅子形状搬送装置８１の使用用途により球状回転体８７の材料は選択される。
【０１３０】
このように第一の実施形態における搬送装置では駆動部が有する回転部のローラー部材が球状回転体を圧接して力学的な力により球状回転体を回転させるのに対し、第二の実施の形態においては球状回転体は導電性材料から構成され、駆動部が有する駆動回路部が導電部材に印加する電気信号により磁界を発生させ、この磁界と球状回転体８７に生じる渦電流との相互作用により球状回転体８７が回転する。
【０１３１】
第四の実施例における搬送装置の略球形状の回転体を駆動させる駆動機構について説明するに際して、まず図１５乃至図１８を用いて駆動機構の構造について説明し、次に図１９乃至図２２を用いて略球状の回転体の動作原理及び動作の制御について説明する。なお、以下において、前述の図１４に示す椅子形状搬送装置を用いて説明するが、第一の実施形態の実施形態における第二の実施例の板状搬送装置（図１２）や第三の実施例の支持部付搬送装置（図１３）に関しても同様な駆動機構により駆動することができる。
【０１３２】
第四の実施例においては、駆動部の構成が第一の実施の形態とは異なり、駆動部は、コアとこのコアに設けられた導電部材とから構成される。図１５は駆動部のコアを示す概略斜視図である。駆動部は円環状の部材であるコア９０を複数組み合わせた形状を成しており、コア９０の内側には球状回転体８７が配置される。コア９０ａには複数の巻線収容溝９４ａ、９４ｂ、９４ｃが形成され、コア９０ｂ、コア９０ｃにも図示しない巻線収容溝が同様に設けられている。巻線収容溝９４ａ、９４ｂ、９４ｃは、コア９０ａの一部を切り欠いて設けられ、コア９０ｂ、コア９０ｃに設けられた巻線収容溝についても同様である。導電部材がこの巻線収容溝に埋設されているので、コア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃの表面の位置より導電部材が突出し球状回転体８７と接触をすることはない。
【０１３３】
コア９０と球状回転体８７とのアセンブリは、以下の順序で行われる。まず製造時にいくつかのブロックであるコア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃに切断した状態で製造され、次ぎにコア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃに導電部材を埋設した後、ベアリング保持部にベアリング８８ａ乃至８８ｄをマウントし、更に球状回転体８７を所定の位置に装着した後に各ブロックを組み合わせる。これによりコア９０ａ乃至コア９０ｃによって構成されるコア９０に球状回転体８７を内包するアセンブリ工程が完成する。
【０１３４】
巻線収容溝９４ａ、９４ｂ、９４ｃが形成される位置として、図１５においては各ブロックの中心点９７を中心として対称な位置としているが点対称な配置には限定されない。なお、駆動部の駆動回路部及びコア材の組数については、球状回転体８７が全方向に駆動する際に駆動回路部部が発生させるトルクによる回転を合成した方向に球状回転体８７は回転するので、３次元空間においては互いに独立な３個のベクトルにより任意のベクトルを張ることができるため、コア材は、９０ａ乃至９０ｃの３組設けるのが生産コストを低減する上で好ましい。更にコア９０ａ乃至９０ｃを直交配置とするのが効率の点よりより好ましい。
【０１３５】
また、導電性部材の個数、すなわちコア当たりの巻線収容溝の数は、コア材である９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃの各々について回転磁界を発生させるのに十分な個数が必要とされ、正方向、負方向の回転に必要な磁界を発正させるための三相の交番磁界に対応して少なくとも３個必要とされる。ここにおいて、巻線の利用率を向上させるために、上述したように中心点９７に対象な位置に設けた２つの巻線収容溝に１個の巻線構造に成形した導電性部材を３個用いるのが望ましい。しかしながら、交番磁界の相数も三相に限られるものではなく、導電性部材の個数も３個以上であっても良い。
【０１３６】
コア９０は、後述するように球状回転体８７が回転する際に磁路となるため、磁気材料から構成され、一例として、軟鉄やパーマロイの積層板を積み重ねたり、あるいはフェライトなどを用いたりすることにより形成することができる。ここで、軟鉄やパーマロイの積層板を積み重ねて形成する場合には、交番磁界による渦電流の損失を低減することができ、あるいは交番磁界の周波数が低い場合には軟鉄の塊を用いたとしても大きな性能劣化を生じることがない。
【０１３７】
図１６は椅子形状搬送装置８１の筐体８３の内部を示す概略断面図である。図１６に示すように、椅子形状搬送装置１１の筐体８３には回転体保持部が設けられており、回転体保持部は、複数のベアリング８８ａ、８８ｂ、８８ｃと図示しないベアリング保持器とを有し、各ベアリングは図示しないベアリング保持器に収められている。各ベアリングはベアリング保持器の中で自由に回転可能とされており、その結果として球状回転体８７は、筐体１３に対して自由に回転することができる。ここにおいて、ベアリング保持器はコア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃに設けても、コア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃとは別の部材を設け、その部材にベアリング保持器を設けても良い。図１６はコア９０ａ方向に関する断面であるが、効率を最高にするために、コア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃはお互いに直交するように配置されている。なお、第二の実施の形態においては、コアは、三組に限られず、また、お互いに直交しないものであっても良い。
【０１３８】
さらに筐体８３には、垂線に対する筐体８３の傾き角度と、球状回転体８７の回転速度などの駆動状態を検出するセンサ部１１５が形成される。ここで、センサ部１１５の構成、作用は、第一の実施例と略同様であるが、筐体８３の位置や速度の検出は回転軸２３を介して行うことができないので、球状回転体８７にロータリエンコーダを圧着する等により検出が可能である。また筐体８３には、駆動部とセンサ部との間で信号の入出力を行って、センサ部が検出する傾き角度や駆動状態に応じて駆動部を制御し、球状回転体８７の動作状態及び筐体８３の傾き姿勢を制御する制御部１１０が形成される。制御部１１０には駆動回路部１１２ａ乃至駆動回路部１１２ｃから成る駆動回路部１１２が設けられている。駆動回路部は回転磁界を発生させるための交番電流電力発生回路であるインバータにより構成される。ここで、第一の実施の形態において、回転機器２２として三相誘導電動機、あるいは、三相同期機が用いられる場合においては、略同様の構成で良い。
【０１３９】
図１７はコア９０ａを示す概略斜視図である。コア９０ａの両側面のそれぞれには、導電部材を設けるための溝が形成されており、巻線収容溝９４ａと巻線収容溝９４ａ’の内部に導電部材９１ａが巻回され、巻線収容溝９４ｂと巻線収容溝９４ｂ’の内部に導電部材９１ｂが巻回され、巻線収容溝９４ｃと巻線収容溝９４ｃ’の内部に導電部材９１ｃが巻回される。
【０１４０】
導電部材９１ａ，９１ｂ，９１ｃは駆動回路部１１２ａが印加する電圧により電流が流れる予めコイル状に形成された部材を用いることができる。導電部材９１ａ，９１ｂ，９１ｃとしてコイルを用いる場合、巻線収容溝９４ａの中に巻かれるコイルはコア９０ａの側面に沿って、巻線収容溝９４ａ’に至り、巻線収容溝９４ａ’の中を通ってコア９０ａの反対側の側面に至り、再び、巻線収容溝９４ａの中を通るようにして巻回される。このときのコイルの巻数は単数でも複数で良い。また、コア９０ｂ、またはコア９０ｃとコア９０ａとの接合部において、他のコアについての巻き線と交差するように各コイルは配設される。
【０１４１】
図１８はコア９０ａを平面に展開して、コイルと巻線収容溝との関係を示す図である。図１８に示すように、コア９０のブロックであるコア９０ａには、一例として三対の導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃが設けられ、導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃは駆動回路部１１２ａに接続される。後述するような駆動回路部１１２ａは三相交番電流を導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃに印加する。
【０１４２】
ここで、駆動回路部１１２ａが印加する交番電流の相数は三相だけでなく種々の相数とすることができるが、駆動回路部１１２ａが印加する交番電流の相数の整数倍の導電部材９１がコア９０ａに設けられる。ここで、この整数倍の数は極数と称され、球状回転体８７の外周部の一週に加わる回転磁界の振幅の山と谷の数である。
【０１４３】
図１７に示すように、複数の導電部材９１がコア９０ａの両側面に設けられる場合には、それぞれの対の導電部材９１が相互に交わって導通するのを防ぐために相互に接触しないように絶縁処理が施されるか接触しないように交差される。導電部材９１は、駆動回路部１１２ａが印加する交番電流の相数や後述するような回転磁界の極数により配設構造が異なるが、導電部材９１に電流が流れて導電部材９１の周辺部に回転磁界が発生しているとき、回転磁界の発生にとって有効に作用する部分と有効には作用しない部分とが存在する。
【０１４４】
図１８に示すように、コア９０ａの巻線収容溝９４ａ、９４ｂ、９４ｃの内部に通された有効部分９２ａ，９２ｂ，９２ｃが回転磁界の発生にとって有効に作用する部分である。また、コア９０ａの両側面の溝に設けられた非有効部分９３ａ，９３ｂ，９３ｃが回転磁界の発生にとって有効には作用しない部分である。このように、回転磁界の発生にとって有効な部分である有効部分９２は、導電部材９１に流す交番電流の相数や多相交番電流により発生する回転磁界の極数を多くすることにより、増加させることができる。さらに、回転磁界の発生に有効な有効部分９２を増やすことにより、コア９０ａの両側面に設けられる導電部材９１の長さ、つまり回転磁界の発生に寄与しない非有効部分９３の長さを低減することができ、導電部材を効率良く利用することができる。
【０１４５】
駆動回路部１１２ａが導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃに電圧を印加して電流を流すと、導電部材９１には回転磁界が発生する。図１９に示すように、導電部材９１の周辺部に発生する回転磁界に誘導されて、球状回転体８７表面近傍には渦電流９５が生じ、導電部材９１の回転磁界と球状回転体８７の渦電流９５との相互作用により球状回転体８７は回転する。このとき、磁界の進行方向と球状回転体８７に働くトルクの回転方向とは一致し、トルク軸９６を回転の中心軸として球状回転体８７が回転する。
【０１４６】
すなわち、球状回転体８７上に発生する渦電流９５の方向と、有効部分９２に発生する回転磁界の方向とが垂直となる。そのため、フレミングの左手の法則により、球状回転体８７には渦電流９５と回転磁界とに直交する力が働き、球状回転体８７を回転させる力を発生させることができる。このような駆動機構は、一般には回転磁界と渦電流により円盤を回転させる原理である「アラゴの円盤」として著名なものである。
【０１４７】
駆動部は複数の駆動回路部である駆動回路部１１２ａ、駆動回路部１１２ｂ、駆動回路部１１２ｃを有し、第四の実施例においては、駆動回路部１１２ａは導電部材９１ａ乃至導電部材９１ｃに、駆動回路部１１２ｂ、駆動回路部１１２ｃは図示しない各々三組の導電部材に、接続されている。
【０１４８】
コア９０ａ、コア９０ｂ、コア９０ｃのそれぞれごとに一つの方向の回転磁界を発生させ、コア９０では三方向の回転磁界を発生させる。三方向の回転磁界に対応した回転力が球状回転体８７に働き、球状回転体８７は合成した回転力により３６０°いずれの方向にも回転する。このため、前述の第一の実施形態における回転機器２２ａ乃至２２ｃと、回転軸２３ａ乃至２２ｃと、ローラー部材２４ａ乃至組み合わせにより実現できものと同様の運動が第四の実施例でも実現できる。
【０１４９】
図２０は、駆動回路部１１２と導電部材９１により生じるトルクＴとすべりＳとの関係、及び導電部材９１に流れる電流ＩとすべりＳとの関係を示すグラフである。ここですべりＳとは、導電部材９１への電圧印加によって発生する回転磁界と球状回転体８７との相対速度、及び回転磁界の同期速度との比を表すものとする。グラフ中Ｓａで示される位置は、トルクＴが最大値を取るすべりＳの値であり、すべりＳの値がＳａより右側の領域では電流Ｉの増加にともなってトルクＴは増加し、すべりＳの値がＳａより左側の領域では電流Ｉの増加にともなってトルクＴは減少する。
【０１５０】
そのため、駆動回路部１１２が球状回転体８７に対して与えるトルクＴを制御する場合、すべりＳの値がＳａに対して左右のどちらの領域にあるかを知ることにより、駆動回路部１１２が導電部材９１に流す電流Ｉの変化とトルクＴの変化を知ることができる。このような電流ＩとトルクＴとの関係を知ることにより、球状回転体８７が駆動する時に検出されるすべりＳの値に従って駆動回路部１１２を制御するための制御信号を算出し、駆動回路部１１２が発生させるトルクＴを所望の値とするために導電部材９１に印加する電気信号の信号量を増加させるか又は減少させるかを知ることができ、導電部材９１に印加する信号量を制御して駆動回路部１１２により発生するトルクＴを制御することができる。
【０１５１】
トルクＴが最大となるすべりＳの値であるＳａは、設計により定まる機械定数である。Ｓａの値の測定方法は、例えば、回転磁界の同期速度Ｎ１と球状回転体８７の回転速度Ｎ２とを検出し、トルクＴが最大となったときのすべりＳの値を計測すると、そのときのすべりＳの値がＳａとなる。
【０１５２】
トルクＴが最大となるときのすべりＳの値Ｓａを計測する際、同期速度Ｎ１は駆動部が発生させる回転磁界の速度であるために実際に検出することは可能であり、また球状回転体８７の回転速度は回転磁界が発生する軸上に設けた小型発電機などの速度エンコーダからの出力により検出することが可能である。同期速度Ｎ１及び球状回転体の回転速度Ｎ２を検出すると、制御部１１０のＤＳＰなどの演算部ですべりＳの値を演算処理により算出する。さらに、制御部１１０の演算部１１１においては、予め既知の機械定数であるＳａと動作中のＳの値からトルクと電流との関係が演算されて、導電部材に流れる交番電流電流Ｉを増加させるか減少させるかを判断することにより、フィードバック制御に必要な演算を行うことができる。ここで、交番電流電流Ｉの電流値を大きくするには交番電流の電圧を大きくすれば良く、交番電流電流Ｉの電流値を小さくするには交番電流の電圧を小さくすれば良い。
【０１５３】
なお、球状回転体８７の駆動時の回転軸上に設けた速度エンコーダは、速度検出の目的に使われる小型発電機であり、球状回転体８７に対して機械的な負荷を掛けることなく球状回転体８７の回転速度を検出することができる。また、球状回転体８７の回転速度を検出するのに、例えば光や音波を物体に向けて発し、その反射する成分により速度を検出するドプラ速度計を用いることができる。この場合、球状回転体８７と筐体８３との相対速度や走行面と筐体８３との相対速度を検出することができ、球状回転体８７の回転速度を容易に検出することができる。また、ドプラ速度計を用いる場合には、球状回転体８７に接触することなく回転速度を検出することができ、球状回転体８７に対して機械的負荷を全く与えることなく球状回転体８７の回転速度を検出することができる。
【０１５４】
球状回転体８７の駆動状態を制御する際、制御のために変化させることができるのは駆動回路部１１２が発生させる電圧の周波数と導電部材９１に流される電流の電流量である。ここで、駆動回路部１１２が導電部材９１に周波数ｆ［Ｈｚ］の三相交番電流を印加すると、球状回転体８７の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］とすべりＳとの間に、
【数１２】
2004129435.tif 000015
の関係が成立する。
【０１５５】
そのため、導電部材９１に印加する三相交番電流の周波数ｆ［Ｈｚ］、球状回転体８７の駆動時に検出されるすべりＳから、制御部１１０の演算部で球状回転体８７の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］を算出し、球状回転体８７の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］を所望の値に制御することができる。また、球状回転体８７を所望の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］で回転させる場合には、制御部１１０の演算部において駆動する球状回転体８７と所望の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］とから三相交番電流の周波数ｆ［Ｈｚ］を算出し、駆動回路部１１２が印加する電圧を制御して所望の回転数Ｒｍ［ＲＰＭ］で球状回転体８７を駆動させることができる。なお、図２０において、駆動回路部１１２が発生させるトルクＴのトルク曲線は、導電部材９１に流れる電流Ｉを増加させると、電流Ｉの増加にともないトルクＴが増加し、トルクＴの軸方向に曲線全体が移動する。
【０１５６】
図２１及び図２２は、三相交番電流をコア９０ａの導電部材９１ａに印加した場合の球状回転体８７上に発生する回転磁界を示す模式図である。コア９０ａには３組の導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃが巻かれており、導電部材９１に三相の交番電流を流して回転磁界が発生する様子を示す。他のコア９０ｂ、コア９０ｃについても同様な磁界が発生する。
【０１５７】
なお、図２１及び図２２においては導電部材９１の周辺部に発生する回転磁界は二極であるが、導電部材９１の形成方法、個数、配置の選択により、二極以上の多極とすることができ、多極構成とした場合には、巻線の非有効部分の割合が減少し、巻線の利用効率を向上させることができ、また回転磁界の移動速度も極数に比例して遅くなる。交番電流の相数は三相だけでなく種々の相数とすることができる。このように、三相以上の相数の場合、回転磁界を発生させる電流を制御するのに行う演算が複雑となるが、例えば、制御部１１０の演算部にＤＳＰなどを用いることにより、効率良く導電部材に流れる電流の電流量を算出することができる。
【０１５８】
図２１（ａ）は、駆動回路部１１２ａが導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃのそれぞれに印加する三相交番電流の電流値の時間変化を示すグラフである。三相の電流は交番電流Ｉと、交番電流Ｉに対して位相が１２０度異なる交番電流ＩＩと、交番電流Ｉに対して位相が２４０度異なる交番電流ＩＩＩとからなる。交番電流Ｉ乃至ＩＩＩは導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃのいずれかに印加され、三相交番電流の印加にともなって各導電部材９１に回転磁界が発生する。なお、図２１（ａ）に示すグラフ図では各時刻ｔ０乃至ｔ７は等間隔である。
【０１５９】
図２１（ｂ）乃至図２１（ｄ）、並びに図２２に示す模式図は、球状回転体８７のコア９０ａに沿った断面と、導電部材９１ａ、９１ｂ、９１ｃの有効部分９２に流れる電流と、電流によって発生する回転磁界を模式的に示したものである。図中○に・を組み合わせた記号は紙面裏側から紙面表側に向かって電流が流れることを示し、○に×を組み合わせた記号は紙面表側から紙面裏側に向かって電流が流れることを示す。
【０１６０】
図２１（ｂ）は時刻ｔ０における各導電部材９１に流れる電流と、回転磁界の磁気曲線を示す。交番電流Ｉは導電部材９１ａ′部分から紙面表側を通って導電部材９１ａ部分に至り、紙面裏面側を通って導電部材９１ａ′部分に戻る。交番電流ＩＩは導電部材９１ｂ部分から紙面表側を通って導電部材９１ｂ′部分に至り、紙面裏面側を通って導電部材９１ｂ部分に戻る。交番電流ＩＩＩは導電部材９１ｃ部分から紙面表側を通って導電部材９１ｃ′部分に至り、紙面裏面側を通って導電部材９１ｃ部分に戻る。このとき、交番電流Ｉ乃至ＩＩＩの流路の周辺部分には図中に閉曲線で示した磁界が発生するが、時間経過と共に図２１（ｂ）から図２２（ｈ）に示すように、各導電部材９１に流れる電流が変化するため、発生する磁界の方向が径時的に変化し、球状回転体８７を貫通する磁界が回転することになる。この磁界が回転磁界であり、前述のように球状回転体８７表面に発生する渦電流９５との相互作用によって球状回転体８７が回転する。
【０１６１】
次に図２３に制御系のブロック図をしめす。基本的な構成は第一の実施例について示す図７と同じである。センサ部１１５はセンサ部５５に、角度センサ１１５０は角度センサ５５０に、位置センサ１１５１は位置センサ５５１に、速度センサ１１５２は速度センサ５５２に、表示部８６は表示部１６に、制御部１１０は制御部２５に、演算部１１１は演算部５１に、駆動回路部１１２ａ乃至１１２ｃは駆動回路部５２ａ乃至５２ｃに対応する。各部材の構成作用は第一の実施の形態に置けるのと同様であるので説明を省略する。なお、駆動部１１３は上述した導電部材とコアとの組み合わせにより構成されるものであり、駆動信号は上述したように、周波数と導電部材の電流を変化させるものである。
【０１６２】
このように、第二の実施形態における搬送装置は球状回転体８７を回転磁界を三次元方向に発生させ球状回転体８７を任意の方向に回転させ、回転力により生じるトルクの大きさを任意に制御することができる。また、第一の実施例とは異なりローラー部材２４に接触させることなく回転させるために、回転に寄与するローラ部材が負荷となり生じる損失が無く、効率的に球状回転体８７を全方向に回転させて搬送装置を移動することができる。
【０１６３】
【第三の実施の形態】
第三の実施形態における搬送装置について図面を参照して説明する。第三の実施形態における搬送装置の形状の一例である第五の実施例として、椅子形状をした筐体に操車者が着座した状態で搬送される車椅子の形状をした搬送装置（これを以下では椅子形状搬送装置と呼ぶ）、及び第六の実施例として筐体上に操車者が立った状態で搬送され、操車者が捉まる手摺などの支持部を有する搬送装置（これを以下では支持部付搬送装置と呼ぶ）について説明する。駆動部については、第一の実施の形態における回転機器と回転軸とローラ部材との組み合わせであっても、第二の実施の形態における回転磁界と導電性の球状回転体を用いたもののいずれであっても良い。また、第一の実施例で定義したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びｘ軸正方向、ｘ軸負方向、ｙ軸正方向、ｙ軸負方向、ｚ軸正方向、ｚ軸負方向、及び筐体正面方向、筐体裏面方向、筐体左方向、筐体右方向、筐体重力方向、筐体反重力方向、及びＸ平面、Ｙ平面、Ｚ平面及び筐体横平面、筐体前後平面、筐体水平平面の定義は第二の実施の形態でも同様である。
【０１６４】
［第五の実施例］
図２４、図２５の斜視図に示す第五の実施例の椅子形状搬送装置１３１について説明する。図２４は椅子形状搬送装置上に搬送対象であり椅子形状搬送装置の操車する操車者が着座した状態で乗車する椅子形状搬送装置の概略斜視図であり、図２５は椅子形状搬送装置の概略斜視図である。
【０１６５】
なお図２４及び図２５に示すように、直交座標系の座標軸としてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を定義するが、この定義は第一の実施例における場合と同様であり、Ｘ平面、Ｙ平面、Ｚ平面の定義も第一の実施例と同様である。
【０１６６】
ここで、第五の実施例における部材の構成、作用が他の実施例におけるものと同じ場合については、対応関係を示して、説明を省略する。球状回転体１３７は、球状回転体１７であっても導電性を有する球状回転体８７であっても良い。球状回転体１３７が球状回転体１７である場合においては、筐体１３３に含まれる各部材は第一の実施例において示した筐体１３に含まれる部材による構成をとることができ、回転機器からの回転力を球状回転体１３７に伝えることができる。１３７が球状回転体８７である場合においては、筐体１３３に含まれる各部材は筐体８３に含まれる部材による構成をとることができ、電磁誘導作用により球状回転体１３７を回転機器の一部として用いることができる。
【０１６７】
図２６に示す第五の実施例のスタンド１４６は第一の実施例におけるスタンド２６と同一の構成、作用をする。
【０１６８】
図２７は、椅子形状搬送装置１３１の重心位置を変更するための部材である第一カウンタウェイト部１４９ｃ、第二カウンタウェイト部１４９ｂを、椅子形状搬送装置１３１の筐体１３３に設けた様子を示す内視図である。第一カウンタウェイト部１４９ｃ、第二カウンタウェイト部１４９ｂの詳細な構造例は後述するが、椅子形状搬送装置１３１の重心位置を変更する程度の重量を有する部材の位置を変動させる部材である。また、第一カウンタウェイト部１４９ｃはｘ軸方向に重量の移動を行うように配置され、第二カウンタウェイト部１４９ｂはｙ軸方向に重量の移動を行うように配置されている。このため、第一カウンタウェイト部１４９ｃと第二カウンタウェイト部１４９ｂとにより二次元的に重心位置の変更を行うことが出来る。
【０１６９】
筐体１３３のＹ平面に平行な面に対する断面図を示す。図２８に示すように、椅子形状搬送装置１３１の構成は、第一カウンタウェイト部１４９ｃ及び第二カウンタウェイト部１４９ｂを除き、すべて第一の実施例と同じ構成となっているので、それらの部分については対応を示して説明を省略する。回転機器１４２と回転軸１４３とローラー部材１４４とは、第一の実施例の回転機器２２と回転軸２３とローラー部材２４とに対応し、ベアリング保持器１４０及びベアリング１４１は、第一の実施例のベアリング保持器２０及びベアリング２１に対応する。
【０１７０】
図２９は、椅子形状搬送装置１３１の重心位置の変更を行う部材であるカウンタウェイト部の構造を示す模式図である。ここでは第一カウンタウェイト部１４９ｃについてのみ説明するが、第二カウンタウェイト部１４９ｂも同様の構造である。
【０１７１】
第一カウンタウェイト部１４９ｃは、カウンタウェイト２０１ｃと、磁性体より構成される磁路部２０２ｃと、導電部材２０３ｃと、永久磁石２０４ｃとにより構成されている。カウンタウェイト２０１ｃは搬送装置の重心位置を変更することが出来る程度の重量を持った部材であり、導電部材２０３ｃに固定して取り付けられ導電部材２０３ｃと一体となり自由に移動可能となされている。磁路部２０２ｃはカウンタウェイト部１４９ｃの外形を形成する外枠部材であり、枠内部には永久磁石２０４ｃが固定配置されている。永久磁石２０４ｃの発生する磁界方向はカウンタウェイト２０１ｃの移動方向と垂直方向である。導電部材２０３ｃはコイル状の電気伝導体であり、永久磁石２０４ｃをコイル内側に挿入した状態で磁路部２０２ｃの枠に沿って移動可能となるように配置されている。
【０１７２】
図３０は、他の構成を有するカウンタウェイト部の構造を示す模式図である。上述のカウンタウエイト部は、ｘ軸、ｙ軸方向に移動可能とされ、Ｚ平面内の所定の範囲における重心の移動を可能とした。しかしながら、この構成によれば、二個のカウンタウェイト部を設ける必要がある。他の構成は、カウンタウエイト部全体を回転させることにより一個のカウンタウエイト部により同じ作用を生じさせることができるものである。ここにおいて重心の移動点の特定は、二個のカウンタウエイト部を用いた場合においては、ｘ軸、ｙ軸からなる直交座標を用いて行うが、一個のカウンタウエイト部を用いる場合には、ｘ軸、ｙ軸からなる二次元の直交座標を半径ｒと、角度ηからなる二次元の極座標に変換することによりこの構成を達成できる。
【０１７３】
回転カウンタウエイト部１６９の全体を回転させるための回転軸２０６に、図示しない回転動作を行うカウンタウエイト電動機の回転軸を結合することにより角度ηを可変とし、回転軸２０６からカウンタウエイト２０１ｄの中心までの半径ｒ（図３０の一点鎖線で表した長さ）を可変とすることによって同様の作用をなすものである。ここにおいて、カウンタウェイト２０１ｄはカウンタウェイト２０１ｃと、磁路部２０２ｄは磁路部２０２ｃと、導電部材２０３ｄは導電部材２０３ｃと、永久磁石２０４ｄは永久磁石２０４ｃとに対応しているので、構成、作用の説明は省略する。また、ｘ、ｙ座標からｒ、η座標への変換は、演算部１８１において、公知である直交座標から極座標への変換式に基づき行うことができる。
【０１７４】
回転カウンタウエイト部１６９を用いれば、制御部に形成されたカウンタウェイト駆動回路部から出力されるカウンタウェイト駆動信号に従って、導電部材２０３ｄに電流が流れることにより、導電部材２０３ｄと永久磁石２０４ｄの組み合わせによるリニアモータが動作し、カウンタウェイト２０１ｄおよび導電部材２０３ｄが磁路部２０２ｄの長手方向に沿って移動し、制御部に形成されたカウンタウエイト電動機から出力されるカウンタウエイト電動機駆動信号に従って、回転カウンタウエイト部１６９の全体が回転をする。このように、カウンタウエイトの長手方向及び回転方向への運動により重心の移動が行われる。以上において、制御部、カウンタウェイト駆動回路部、カウンタウェイト駆動信号、ウンタウエイト電動機、カウンタウエイト電動機駆動信号のいずれも図示されていない。
【０１７５】
次に制御系のブロック図３１を用いて、制御系全体の構成を説明する。センサ部１８５はセンサ部５５に、角度センサ部１８５０は角度センサ部５５０に、位置センサ部１８５１は位置センサ部５５１に、速度センサ部１８５２は速度センサ部５５２に、表示部１３６は、表示部１６に、駆動回路部１８２は駆動回路部５２に、駆動回路１８２ａ乃至駆動回路１８２ｃは駆動回路部５２ａ乃至駆動回路部５２ｃに、駆動部１３８は駆動部１８に、回転機器１４２ａ乃至１４２ｃは回転機器２２ａ乃至２２ｃに、回転軸１４３ａ乃至１４３ｃは回転軸２３ａ乃至２３ｃローラ部材１４４ａ乃至１４４ｃはローラー部材２４ａ乃至２４ｃに、球状回転体１３７は球状回転体１７に対応した構成と作用をなす。
【０１７６】
なお、第五の実施例の駆動部１３８及び球状回転体１３７を駆動部１１３及び球状回転体８７に替えても第三の実施の形態においては発明の本質を変更することなく実施することができる。演算部１８１は演算部５１と同様に、ＤＳＰ，ＣＰＵ、ハードウエアにより構成されるが、処理内容は演算部５１により行われるものとは異なる。すなわち、第一の実施の形態及び第二の実施の形態において備えられていなかった構成であるカウンタウエイト駆動回路２１１ｂとカウンタウエイト駆動回路２１１ｃとが設けられているので、これを制御するカウンタウエイト制御信号を発生する。カウンタウエイト制御信号はカウンタウエイト駆動部２１１ｂ及びカウンタウエイト駆動部２１１ｃとからカウンタウエイト駆動信号とを更に発生する。
【０１７７】
カウンタウエイト駆動信号は、二系統出力され、カウンタウエイト駆動回路２１１ｃからの信号は第一カウンタウェイト部１４９ｃに、カウンタウエイト駆動回路２１１ｂからの信号は第二カウンタウエイト部１４９ｂに加えられる。第一カウンタウェイト部１４９ｃに加えられたカウンタウエイト駆動信号は導電部材２０３ｃに電流を流しカウンタウェイト２０１ｃを移動させ、第二カウンタウエイト部１４９ｂに加えられたカウンタウエイト駆動信号は導電部材２０３ｂに電流を流し、第二カウンタウエイト２０１ｂを移動させ、二次元方向に重心の移動を行う。
【０１７８】
なお、第一カウンタウェイト部１４９ｃ及び第二カウンタウエイト部１４９ｂに変えて前述した回転カウンタウエイト部１６９を用いることができる。この場合においては、カウンタウエイト駆動回路部２１１ｂ及びカウンタウエイト駆動回路部２１１ｃに変えて、導電部材２０３ｄに電流を流すためのカウンタウエイト駆動回路部２１１ｂまたはカウンタウエイト駆動回路部２１１ｃと同様な図示しないカウンタウエイト駆動回路部と、カウンタウエイト電動機に電流をながすためのカウンタウエイト電動機駆動回路部とを設ける必要がある。なお、この場合においては、センサ部１８５の角度センサ部１８５０に設けられた直交座標についての傾き角度を検出するセンサ１８５０ｂと１８５０ｃからの信号を演算部１８１において座標変換し、傾き角度の絶対値ＲΘと角度方向の成分Θηを求める演算を予め行い、その後の所定の制御則に関する演算をしなければならない。ＲΘに基ずく信号が、カウンタウエイト駆動回路部に入力され、Θηに基づく信号が、カウンタウエイト電動機駆動回路部に入力される。
【０１７９】
あるいは、角度センサ部１８５０において、当初より、回転カウンタウエイト部の移動と座標が一致する半径ｒに対応する傾き角度の絶対値ＲΘと回転カウンタウェイト部１６９における筐体１３３の所定の位置を基準とした角度Θηを直接検出し、座標変換の処理を経ることなく用いても良い。
【０１８０】
第五の実施例における制御部１４５の構成を図３２のブロック図を用いて説明する。ここにおいて、センサ部１８５は、センサ部５５と同一の構成、作用をなし、演算部１８１は、細部の演算則は上述したように異なるものの、演算部５１と同様の構成である。バスラインの制御により、センサ部１８５、表示部１３６、駆動回路部１８２と信号のやり取りを行う点においても同様である。表示部１３６は表示部１６と同様の構成で、同様の作用をなす。
【０１８１】
図３３を用いてどのように椅子形状搬送装置１３１が制御されるかの原理を説明する。図３３は球状回転体１３７が回転状態における力関係を示す断面模式図である。ここで、筐体１３３や操車者１３２の重量を代表させる点を重心点１９１、球状回転体１３７の中心を中心点１９２とし、走行面に垂直な直線を垂線１９３、重心点１９１と接地点１４７ａとを結ぶ直線をトルク線１９５、重心点１９１と接地点１４７ａとの距離をＭとおく、重心点１９１と中心点１９２とを結ぶ直線を重心線１９４、重心点１９１と中心点１９２との距離をＬとし、さらに垂線１９３とトルク線１９５とのなす角度をΘ１、重心線１９４とトルク線１９５とのなす角度をΘ２、垂線１９３と重心線１９４とのなす角度をΘ３とする。ここでは重心点１９１にカウンタウェイト部１４９の重量を含めないで考える。
【０１８２】
図３３は、Ｙ平面に平行な面上での球状回転体１３７での断面模式図であるが、他の断面においても同様に説明される。
【０１８３】
図３３に示すように、球状回転体１３７は走行面の接地点１４７ａにおいて略一点で接するのであるが、重心点１９１の位置が接地点１４７ａより高い位置にあるため、接地点１４７ａを通る重心線１９４と垂線１９３とが一致する場合に静止状態を保つことができる。重心線１９４と垂線１９３とが略一致して重心点１９１が静止状態位置の近傍にある場合は、制御系として不安定平衡点であるため、前後方向や左右方向のいずれかに重心点１９１の位置がずれると、重力により球状回転体１７が回転して重心点１９１が走行面の下方へと移動し、平衡状態が維持できない。そこで、第一の実施形態における搬送装置では、操車者１３２に負担を負わせてバランスを取らせるのではなく、球状回転体１３７を移動させることにより重心点１９１が安定状態に位置するようにバランスを保ち球状回転体１３７の静止状態を安定に維持するものであり、一点において静止を行おうとすると現実には前後左右に細かく常に微動を繰り返す必要がある。第三の実施の形態は、球状回転体１３７の移動を行うことなく、完全な静止を行うことができる。
【０１８４】
このような球状回転体１３７を静止させて椅子形状搬送装置１３１が安定したバランス状態を維持する場合と、椅子形状搬送装置１３１が移動して走行する場合の動作についての説明は、第一の実施の形態において数１乃至数１１を用いて説明したものと同様である。
【０１８５】
次に、図３４を用いてカウンタウェイト部の駆動による搬送装置の重心位置制御について説明する。第一カウンタウェイト部１４９ｃのカウンタウェイト２０１ｃは、ｘ軸方向に移動可能であるので、ｘ軸方向のバランスのずれを調整できる。第二カウンタウェイト部１４９ｂのカウンタウェイト２０１ｂは、ｙ軸方向に移動可能であるので、ｙ軸方向のバランスのずれを調整できる。以下においては第一カウンタウェイト部１４９ｃの動作および制御についてのみ説明を行うが、第二カウンタウェイト部１４９ｂにおいても同様の動作および制御を行うものとする。
【０１８６】
図３４は、球状回転体１３７が静止して椅子形状搬送装置１３１が静止した際の球状回転体１３７の静止状態におけるバランス状態の維持を示す断面模式図である。
【０１８７】
重心点１９１に働いている、接地点１４７ａを中心とする回転モーメントＭＦ１１は、数１３に示される。ここでＬｔは、接地点１４７ａと重心点１９１との距離である。
【数１３】
2004129435.tif 000016
一方、可動重心点１９６に働く接地点１４７ａを中心とする回転モーメントＭＦｃは、数１４に示される。
【数１４】
2004129435.tif 000017
ここで、Ｌｃは第一カウンタウェイト部１４９ｃが動く軸の原点からの移動距離であり、Θｃは、接地点１４７ａと可動重心点１９６を結ぶ直線が垂線１９３となす角度で、Ｌｓは、接地点１４７ａと第一カウンタウェイト部１４９ｃが動く軸の中心位置との距離であり、Ｗｃは第一カウンタウェイト部１４９ｃの重量である。搬送装置が静止時においてバランスを保つには、次式が成り立たねばならない。
【数１５】
2004129435.tif 000018
【０１８８】
ここで、数１５が成り立つためには、ｓｉｎΘ１とｓｉｎΘｃの極性が反対でなければならないことが解る。すなわち、第一カウンタウェイト部１４９ｃを移動させて、ＭＦｃの極性と大きさを変化させて、バランス状態を保つことができる。Θ１とΘｃのいずれもが、零に近い微少量であるときには、近似値ｓｉｎΘ１＝Θ１、ｓｉｎΘｃ＝Θｃを代入して、数１５は数１６で近似できる。
【数１６】
2004129435.tif 000019
この式を変形して、次式を得る。
【数１７】
2004129435.tif 000020
【０１８９】
一方、Θｃは、次式で表される。
【数１８】
2004129435.tif 000021
したがって、数１７と数１８より数１９を得る。
【数１９】
2004129435.tif 000022
したがって、Θ１を検出して、これに対応するΘｃを発生するＬｃを求め、このＬｃの位置に第一カウンタウェイト部１４９ｃを移動させれば、バランス状態を保つことができる。ここで、Θ１からＬｃを計算するために演算部１８１が使われる。このような、フィードフォワードによってもバランスを保つことができるが、より安定した動作のためには、フィードバックによることがより望ましい。フィードバック制御によれば、Θ１の大きさに応じて自動的にバランスを保つ、すなわちカウンタウエイト部を制御して重心の位置を平衡点に常に移動させることができる。
【０１９０】
次に、搬送装置が移動している場合のバランス維持について説明をする。搬送装置が移動している場合にには、球状回転体１３７のトルクＴの影響も加わるので、数２０が成り立つ。
【数２０】
2004129435.tif 000023
左辺の第１項は、重心点１９１の移動により発生する力であり、第２項は第一カウンタウェイト部１４９ｃの移動により発生する力である。右辺のトルクに対して、第１項、第２項のどちらのちからを作用させてもバランスをたもつことができるが、その割合は任意に設定できる。例えば、移動速度が所定の速度以上であるときは、第２項の力を零、たとえば、第一カウンタウェイト部１４９ｃを中心位置（Ｌｃ＝０）に固定し、移動速度が所定の速度以下となったときは、第２項による制御を働かせれば、低速高速を問わず安定した走行が可能となる。このような制御を行えば、低速における移動に際しては第２項による制御が働き球状回転体１３７の回転が静止したときにおいても安定して操車者１３２を椅子形状搬送装置１３１上に保持することができる。
【０１９１】
また、第１項と第２項の成分にＫｃ１、Ｋｃ２なる係数を掛けた和を電機子の電流Ｉａとする数２１で表されるフィードバック制御を行えば、傾き角のみの調整ではなく駆動部１３８への駆動信号を表示部１３６に設けられた操作ボタンにより直接任意の値に設定すれば、重心の制御が可能な範囲において、所定の速度で、椅子形状搬送装置１３１は走行面１４７の上を安定して走行するように走行速度の制御が行えるので、制御部において筐体の傾き角度を検出して傾き角度が所定の値を上回った場合にはカウンタウエイト部を含む制御系の効果を一巡のゲインを上げることにより高めれば、走行速度が速くなっても無理な前傾姿勢を保つ必要がなくなる。
【数２１】
2004129435.tif 000024
【０１９２】
上述の説明においては、ｘ軸のみの制御について述べたが、ｙ軸についても同じ制御を行えば、全方向に渡り安定したバランス制御を行って移動を行うことが可能となる。
【０１９３】
以上の説明においては、説明を簡単にするためにΘ１は、第一のカウンタウエイト１２１及び第二カウンタウェイト部１４９ｂの影響がない場合に検出される傾き角であるとして説明を行ったが、装置の動作中に、このような角度を検出することは不可能である。したがって実際には、第一カウンタウェイト部１４９ｃ及び第二カウンタウェイト部１４９ｂ並びに搬送装置および操車者１３２の重量の影響も含んだ傾き角をΘ１として検出し、フィードバック制御により、カウンタウエイト部１４９の位置の制御を行うことが望ましい。この場合においては、フィードバックループの作用により、最終的に必ずバランス状態となるようにカウンタウエイト部１４９の位置が自動的に調整されるからである。
【０１９４】
図３５は、数１３乃至数２１に示した制御部１４５での演算処理の一例を示すブロック図である。センサ部１８５により検出された駆動状態検出信号および角度検出信号は、図中において実線矢印で示されるような流れで情報処理される。図中で添え字を付せられたＫは、上述した数式中の係数を表し、各種の駆動状態検出信号または角度検出信号に乗算されることを示している。また、図中におけるΣの記号は、各種情報の和を求めることを示している。このように、図３５に示したブロック図による演算を行うことにより、センサ部１８５から制御部１４５に出力された駆動状態検出信号および角度検出信号に基づいて、数１３乃至数２１に示された演算が実行され、導電部材２０３ｃ、２０３ｂに対してカウンタウェイト駆動信号が出力され、カウンタウェイト２０１ｃ、２０１ｂの移動が行われ、重心位置のフィードバックループ制御を行うことができる。
【０１９５】
リモコン１６５により操車する場合、後述するようにサーボループを閉じた状態で、リモコン１６５の操作により、前進、後退、右方向、左方向、回転等の運動を手元で制御することができ、椅子形状搬送装置１６１を部屋や駐輪場などから操車者１６２の手元へと運ぶことができる。具体的には、カウンタウエイト部１４９の制御と駆動部１３８との制御を全く独立に行う。すなわち、駆動部１３８は、第一の実施例に示したような、カウンタウエイト部には無関係な制御が行われているとする。その状態で、リモコンを介してより、カウンタウエイト部１４９に制御信号を送り、椅子形状搬送装置１３１の前方に重心位置を移動させると椅子形状搬送装置１３１は前方に移動し、椅子形状搬送装置１３１の後方に重心位置を移動させると椅子形状搬送装置１３１は後方に移動し、椅子形状搬送装置１３１の右手方向に重心位置を移動させると椅子形状搬送装置１３１は右手方向に移動し、椅子形状搬送装置１３１の左手方向に重心位置を移動させると椅子形状搬送装置１３１は左手方向に自由に移動する。
【０１９６】
また別の方法としては、カウンタウエイト部におけるフィードバック制御を働かせつつ、駆動部１３８に印加する駆動信号をリモコンを介して制御すれば、リモコンからの信号に応じて、椅子形状搬送装置１３１を移動させることができる。より具体的には、例えば、ｄΘｂ／ｄｔで表せるｙ方向の加速度に電気オフセットを与えると、その電気オフセットに応じた一定の速度で椅子形状搬送装置１３１はｙ軸方向に移動をし、例えば、ｄΘｃ／ｄｔで表せるｘ方向の加速度に電気オフセットを与えると、その電気オフセットに応じた一定の速度で椅子形状搬送装置１３１はｘ軸方向に移動をする。このとき、カウンタウエイト部がバランスを保つ制御を行っているので椅子形状搬送装置１３１は安定して走行することができる。
【０１９７】
［第六の実施例］
次に、図３６に第六の実施例である椅子形状搬送装置１６１上に搬送対象であり椅子形状搬送装置１６１を操車する操車者１６２が着座状態で乗車する椅子形状搬送装置の概略斜視図である。
【０１９８】
図３７は、椅子形状搬送装置１６１の重心位置を変更するための部材である第一カウンタウェイト部１６９ｃ、第二カウンタウェイト部１６９ｂを、椅子形状搬送装置１６１の座席１６４内部に設けた様子を示す内視図である。また、第一カウンタウェイト部１６９ｃはｘ軸方向に重量の移動を行うように配置され、第二カウンタウェイト部１６９ｂはｙ軸方向に重量の移動を行うように配置されている。このため、第一カウンタウェイト部１６９ｃと第二カウンタウェイト部１６９ｂとにより二次元的に重心位置の変動を行うことが出来る。第一カウンタウェイト部１６９ｃ及び第二カウンタウェイト部１６９ｂの構成、作用は第一カウンタウェイト部１４９ｃ及び第二カウンタウェイト部１４９ｂと同様である。その他の部材である球状回転体１６７、筐体１６３、足台１６４ａ、座席１６４、表示部１６６、リモコン１６５の構成、作用は他の実施例におけると同様である。
【０１９９】
［第七の実施例］
図３８は、第七の実施例である支持部付搬送装置上に搬送対象であり支持部付搬送装置を操車する操車者が立って支持部に捉まった状態で乗車する支持部付搬送装置の概略斜視図である。
【０２００】
図３８に示すように、支持部付搬送装置１７１は球状回転体１７７と筐体１７３とを有する。筐体１７３は、上側筐体１７３ａと下側筐体１７３ｂと筐体連結部１７３ｃとによって構成され、球状回転体１７７の上に搭載された下側筐体１７３ｂ上に操車者１７２が搭乗し、下側筐体１７３ｂから上方に柱状の支持部材である筐体連結部１７３ｃが配され、筐体連結部１７３ｃ上に上側筐体１７３ａが配置されている。
【０２０１】
上側筐体１７３ａには、操車者１７２の身体部を支持する支持部１７５が形成されている。また、上側筐体１７３ａには支持部付搬送装置１７１の重心位置を変更するための部材である回転カウンタウェイト部１７９が配置されている。回転カウンタウェイト部１７９の構造例は、図３０において回転カウンタウエイト部として説明したものである。支持部付搬送装置１７１の重心位置を変更する程度の重量を有する部材の位置を変動させる部材であり、回転カウンタウェイト部１７９自体が上側筐体１７３ａに対して回転移動するように接地されている。このため、回転カウンタウェイト部１７９内部での重量移動と、回転カウンタウェイト部１７９自体の回転移動とにより二次元的に重心位置の変動を行うことが出来る。ここにおいて、カウンタウエイト部を二個設け、ｘ軸、ｙ軸方向に移動する構成としても良い。第六の実施例における支持部付搬送装置１７１は、回転カウンタウエイト部が高い位置にあるために、重量の小さいカウンタウエイトを用いても重心の制御に大きな効果を生じるものである。
【０２０２】
このように、第三の実施形態における搬送装置は球状回転体１３７を回転させて移動するため、複数の駆動部１３８を独立に駆動することによって全方向に移動することができる。さらに、第三の実施形態における搬送装置は、球状回転体１３７を駆動して全方向に移動する際、球状回転体１３７が車輪としての役割を果たし、車輪が球状という形状を有するため、全方向に滑らかに移動することができ、複数の駆動部１３８の各々を組み合わせて駆動させて容易に全方向に移動させることができる。
【０２０３】
また、第三の実施の形態における搬送装置は、球状回転体１３７の回転や操車者の体重移動だけではなく、カウンタウェイト部１４９を制御して重心位置の変更を行うことにより重心位置の安定を図ることが可能となる。
【０２０４】
【第四の実施の形態】
［第八の実施例］
第四の実施形態における搬送装置について図面を参照して説明する。第四の実施形態における搬送装置の形状の一例として、第八の実施例である筐体上に操車者が立った状態で搬送され、操車者が捉まる手摺などの支持部を有する支持部付搬送装置について説明する。図３９及び図４０は支持部付搬送装置の概略斜視図を示し、図３９は支持部付搬送装置上に搬送対象であり支持部付搬送装置を操車する操車者が搭乗した状態である支持部付搬送装置であり、図４０は支持部付搬送装置の概略斜視図である。
【０２０５】
なお図３９乃至図４２に示すように、筐体２２３を基準とした直交座標系の座標軸としてｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を設ける。操車者が、図３９に示す通常の姿勢で着座した場合における顔が正面を向く方向をｘ軸正方向あるいは筐体正面方向と、筐体正面方向と１８０°反対方向をｘ軸負方向あるいは筐体裏面方向と、操車者の左手方向をｙ軸正方向あるいは筐体左方向と、操車者の右手方向をｙ軸負方向あるいは筐体右方向と、頭から足元に向かう方向をｚ軸正方向あるいは筐体重力方向と、頭から足元に向かう方向の１８０°反対方向をｚ軸負方向あるいは筐体反重力方向と定義する。
【０２０６】
また、ｙ軸とｚ軸とにより張られる平面をＸ平面あるいは筐体横平面、ｚ軸とｘ軸とにより張られる平面をＹ平面あるいは車輪回転平面、上述の座標軸と平面とは、筐体２２３に付随した座標系であり、筐体２２３の姿勢に依存して、垂線や磁北を基準とする地球上での絶対座標系や走行面を基準とする座標系に対しては相対的に運動する座標系である。例えば、椅子形状搬送装置が坂道や上り坂、中央部が盛り上がった道路等を走行する場合においては、走行面に対して相対的に筐体２２３の姿勢は変化し、筐体２２３を基準とする座標と走行面を基準とする座標系との関係は刻々変化する。また、走行面が水平であるとしても、操車者を含めた搬送物の重心の位置により筐体２２３の姿勢は異なり、筐体２２３を基準とする座標と絶対座標系との関係は刻々変化するものである。
【０２０７】
図３９及び図４０に示すように、支持部付搬送装置２２１は車輪形状の回転体である車輪２２７と筐体２２３と支持部２２５とを有する。支持部付搬送装置２２１としての乗り心地を考慮した場合には、弾力性を有する素材、例えば、従来の空気入りのタイヤ等を用いて車輪２２７を構成することにより走行面との接触に起因する振動を防ぐことが好ましく、後述するローラー部材からの駆動力を車輪２２７に効率良く伝達することを考慮した場合には、ある程度の剛性を有する材料を用いることが好ましく、支持部付搬送装置２２１の使用用途により車輪２２７の材料は選択される。また車輪２２７上に設けられる筐体２２３には、操車者２２２の身体部を支持する支持部１３５ａが形成されている。さらに、筐体２２３には車輪２２７を駆動させる駆動部、駆動部の制御を行う制御部、支持部付搬送装置２２１の状態を検出するセンサ部が形成されている。
【０２０８】
図４１は、支持部付搬送装置２２１の重心位置を変更するための部材であるカウンタウェイト部２２９を、支持部付搬送装置２２１の筐体２２３に設けた様子を示す内視図である。カウンタウェイト部２２９の詳細な構造例は後述して説明するが、支持部付搬送装置２２１の重心位置を変更する程度の重量を有する部材であるカウンタウエイトとカウンタウエイトの位置を変更する機能とを備えた部材である。また、カウンタウェイト部２２９はｙ軸方向に重量の移動を行うように配置されている。
【０２０９】
次に、支持部付搬送装置２２１における車輪２２７の駆動部に関する説明を行う。図４２に支持部付搬送装置２２１の筐体２２３部分でのＸ平面に平行な面に対する断面図を示す。図４２に示すように、支持部付搬送装置２２１の車輪２２７上の筐体２２３には、回転機器２３２と回転軸２３３とローラー部材２３４とからなる駆動部が形成される。さらに筐体２２３には、接地面に対する筐体２２３の傾き角度と、車輪２２７の回転速度などの駆動状態を検出するセンサ部が形成される。また筐体２２３内部には、カウンタウェイト部２２９がｙ軸方向に沿って重量移動を行うように配置されている。
【０２１０】
図４２に示した例においては、車輪２２７の回転中心軸に車軸２３１が形成されており、筐体２２３に形成された軸受け２３０に車軸２３１が挿入されている。これにより、車輪２２７が回転して駆動する際には軸受け２３０内で車軸２３１が滑らかに回転し、車輪２２７が回転する。
【０２１１】
図４２に示すように、車輪２２７上に形成される駆動部は筐体２２３に固着して形成され、回転機器２３２と回転軸２３３とローラー部材２３４によって車輪２２７が駆動するための駆動力を発生する。回転機器２３２は、人力、内燃機関、電動機等によって生じたエネルギーを回転力に変換するモーター等の装置であるが、車輪２２７上の筐体２２３のバランスを保つために、回転時のトルクを高速に制御できるような動力源であることが好ましい。回転軸２３３は剛性を有する材料から構成され、回転機器２３２からの回転力をローラー部材２３４に伝達する。回転軸２３３は回転機器２３２が発生する回転の軸上に配置される。ローラー部材２３４は回転軸２３３と結合すると同時に車輪２２７の内側に圧接して形成される。ローラー部材２３４の材料としては車輪２２７に圧接して回転機器２３２からの回転力を伝達するために圧接する表面部の摩擦係数の適度に高い材料を用いられる。
【０２１２】
車輪２２７は、回転機器２３２に連動するローラー部材２３４を介して回転力を得て回転機器２３２が発生させる駆動力により回転する。回転機器２３２に連動するローラー部材２３４は、回転機器２３２に結合している回転軸２３３と結合しており、回転機器２３２が回転軸２３３を介してローラー部材２３４に回転力を与えると、ローラー部材２３４は回転機器２３２が供給する回転方向に回転する。ローラー部材２３４の最外輪部は車輪２２７の内側に圧接しており、回転機器２３２がローラー部材２３４を回転させると、ローラー部材２３４と車輪２２７との間で生じる摩擦力により、ローラー部材２３４が回転する方向とは反対方向の力が車輪２２７に加わる。従って、車輪２２７はローラー部材２３４を介して回転機器２３２の回転方向と反対方向に回転する。
【０２１３】
図４３は、支持部付搬送装置２２１の重心位置の変更を行う部材であるカウンタウェイト部２２９の構造を示す模式図である。カウンタウェイト部２２９はリニアモータであり、カウンタウェイト２４１と、磁路部２４２と、導電部材２４３と、永久磁石２４４とにより構成されている。カウンタウェイト２４１は搬送装置の重心位置を変更することが出来る程度の重量を持った部材であり、導電部材２４３に固定して取り付けられている。磁路部２４２はカウンタウェイト部２２９の外形を形成する外枠部材であり、枠内部には永久磁石２４４が固定配置されている。永久磁石２４４は棒状の磁性体であるが、その磁界方向はカウンタウェイト２４１の移動方向と垂直方向である。導電部材２４３はコイル状の電気伝導体であり、永久磁石２４４をコイル内側に挿入した状態で磁路部２４２の枠に沿って可動に配置されている。
【０２１４】
制御部２３５に形成されたカウンタウェイト駆動回路部から出力されるカウンタウェイト駆動信号に従って、導電部材２４３に電流が流れることにより、導電部材２４３と永久磁石２４４の組み合わせによるリニアモータが動作し、カウンタウェイト２４１および導電部材２４３が磁路部２４２の長手方向に沿って移動を行う。これにより、カウンタウェイト部２２９内部における重量の移動を制御することができるため、搬送装置の重心位置の変更を制御する。
【０２１５】
第四の実施形態における車輪２２７を回転させ、カウンタウェイト部２２９の駆動制御を行う制御機構の構成について、図４４のブロック図を用いて説明する。
【０２１６】
制御部２３５は、入力された信号に基づいて演算処理を行って新たに信号を生成するための演算部２５１と、演算部２５１で生成された車輪２２７を制御するための信号を駆動部２２８に対して出力する駆動回路部２５２と、演算部２５１で生成されたカウンタウェイト部２２９を制御するための信号をカウンタウェイト部２２９に対して出力するカウンタウェイト駆動回路部２５６とを有する。演算部２５１は、支持部付搬送装置２２１の駆動部の制御をするために行う演算処理の中心となる部分であり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）などにより構成される。また、特定の演算処理を迅速に行うことができるＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）により構成したり、あるいはハードウエアによる演算機能などを用いて構成したりしても良い。
【０２１７】
センサ部２５５は筐体２２３に形成され、角度センサ部２５５０、及び位置センサ部２５５１と速度センサ部２５５２とのどちらか一方若しくは両方を有する。角度センサ部２５５０が検出するのはタイヤが進行する方向であるｘ軸方向への筐体２２３の傾きと、進行方向に垂直であるｙ軸方向への筐体２２３の傾きである。位置センサ部２５５１は車輪２２７の回転方向に対する移動変位を監視して検出し、速度センサ部２５５２は車輪２２７の回転方向に対する速度を監視して検出する。センサ部２５５の角度センサ部２５５０、位置センサ部２５５１、速度センサ部２５５２は、制御部２３５と演算部２５１との間で傾き角度及び駆動状態を表す信号の入出力を行う。各装置間での信号の伝達はバスラインなどの有線により実現されるが、電波、超音波、又は光などの無線により実現しても良い。
【０２１８】
角度センサ部２５５０は、ｘ軸方向への傾き角度Θｃを検出する角度センサ２５５０ｃとｙ軸方向への傾き角度Θｂを検出する角度センサ２５５０ｂとを備える。角度センサは一例として、筐体２２３のある一点から錘を垂らして錘の先端の位置が傾き角度に応じて移動するのを検出するセンサでも良いし、可変抵抗器の回転軸に錘を付けて傾き角度に応じた抵抗値を検出するものであっても良いし、ジャイロ素子により検出するものであっても良い。
【０２１９】
位置センサ部２５５１および速度センサ部２５５２は、駆動部２２８の回転軸２３３またはローラー部材２３４に設けられ、駆動部２２８の駆動状態である回転角度や回転速度を監視して検出する。位置センサ部２５５１および速度センサ部２５５２は、検出した回転角度や回転速度を信号として制御部２３５に対して出力する。
【０２２０】
位置センサ部２５５１は、支持部付搬送装置２２１の移動距離を監視・検出するのであるが、一例として、各駆動部２２８のローラー部材２３４に結合する回転軸２３３にロータリーエンコーダを設け、ローラー部材２３４の回転角度から車輪２２７の回転角度を算出して車輪２２７の回転角度を移動距離に換算するセンサでも良いし、支持部付搬送装置２２１の走行面２３７に対する移動量を移動検出器により検出するセンサでも良い。
【０２２１】
速度センサ部２５５２は、前後方向や左右方向への支持部付搬送装置２２１の速度を監視・検出するのであるが、一例として、駆動部２２８のローラー部材２３４の回転角速度から車輪２２７の回転により生じる支持部付搬送装置２２１の換算した移動の速度を検出するセンサでも良いし、あるいは支持部付搬送装置２２１の走行面２３７に対する速度を検出する速度検出器により車輪２２７の回転方向に対する速度を検出するセンサでも良い。また、位置と速度との間には微分・積分の関係があるので、位置センサ部２５５１及び速度センサ部２５５２の一方を検出して、微分若しくは積分して他方を導出することができるため、位置センサ部２５５１及び速度センサ部２５５２の一方を設けて他方を制御部２３５の演算部２５１で微分・積分の関係から算出すようにしても良い。なお、速度センサ部２５５２が複数の駆動部２２８の各々に入力される信号の信号量に基づいて車輪２２７の回転速度を監視・検出するセンサである場合には、位置センサ部２５５１は、回転角度が複数の駆動部２２８の各々に関する回転速度を合成した方向から算出されるから、複数の駆動部２２８の各々に入力される信号の信号量を比較して回転角度を監視・検出することができ、複数の駆動部２２８の各々への信号量を比較して検出される回転角度に基づいて車輪２２７の移動距離を算出することができる。
【０２２２】
制御部２３５は、駆動部２２８に対して車輪２２７を駆動させるための駆動信号を出力し、カウンタウェイト部２２９に対してカウンタウェイト２４１の位置を変更するためのカウンタウェイト駆動信号を出力し、センサ部２５５から、角度センサ部２５５ａが検出した傾き角度を角度検出信号として入力されるとともに、位置センサ部２５５１や速度センサ部２５５２が検出した駆動状態を駆動状態検出信号として入力される。
【０２２３】
制御部２３５は駆動部２２８に対して車輪２２７を駆動させるための駆動信号を出力することにより駆動部２２８を制御して駆動させるのであるが、駆動信号は、駆動回路部２５２から複数の駆動部２２８の各々に対して独立に出力され、複数の駆動部２２８を独立に駆動させて車輪２２７を動作させる。このとき、駆動信号を出力された駆動部２２８では、回転機器２３２にの駆動信号が入力され、入力された駆動信号を基にして回転し、ローラー部材２３４及び回転軸２３３を介して車輪２２７を回転させる。
【０２２４】
また、制御部２３５はカウンタウェイト部２２９に対してカウンタウェイト２４１の位置を変更させるためのカウンタウェイト駆動信号を出力することにより、導電部材２４３に電流を流してリニアモータを駆動させ、カウンタウェイト２４１の位置を変更することにより、重心位置の制御を行う。
【０２２５】
また制御部２３５は表示部２５７との間で、車輪２２７の動作状態及び筐体２２３の位置状態や、駆動部２２８、カウンタウェイト部２２９、センサ部２５５、及び制御部２３５の状態に関する情報などを表示する信号の入出力を行う。表示部２５７を介して、車輪２２７の動作状態及び筐体２２３の位置状態や、駆動部２２８、カウンタウェイト部２２９、センサ部２５５、及び制御部２３５の状態に関する情報などを操車者２２２に伝達するとともに、筐体２２３の傾き角度や車輪２２７の駆動状態を調節することができる。つまり表示部２５７は、操車者２２２の意思により車輪２２７を所望の速度で駆動させ、所望の方向に回転させるために、制御部２３５と操車者２２２との間で情報の相互伝達をする媒体となる。
【０２２６】
制御部２３５と表示部２５７間での信号の入出力には、バスラインなどの有線による接続や、電波、超音波、又は光などの無線での情報通信が行われる。表示部２５７が制御部２３５に直接にバスラインで接続されるのではなく、独立した構造として筐体２２３の本体から切り離され、電波、超音波、又は光などの無線により制御部２３５と信号の入出力を行う場合には、表示部２５７は演算部２５１と無線で通信し、操車者１２が、支持部付搬送装置２２１に乗って、あるいは支持部付搬送装置２２１から離れて、手元で支持部付搬送装置２２１を操作することができる。
【０２２７】
制御部２３５は、表示部２５７に対して車輪２２７の動作状態及び筐体２２３の位置状態や、駆動部２２８、カウンタウェイト部２２９、センサ部２５５、及び制御部２３５の状態に関する情報などを表示させる情報表示信号を出力して表示部２５７に種々の情報を表示させ、表示部２５７から車輪２２７の動作状態や筐体２２３の位置状態を調節するための調節信号を入力される。情報表示信号は制御部２３５の演算部２５１で生成されて表示部２５７に対して出力され、情報表示信号に基づいて表示部２５７に種々の情報が表示される。
【０２２８】
演算部２５１は調節信号と角度検出信号と駆動状態検出信号とに基づいて演算処理を行い、駆動部２２８を制御する駆動部制御信号と情報表示信号とが生成し、駆動回路部２５２に対して駆動部制御信号を出力し、カウンタウェイト駆動回路部２５６に対してカウンタウエイト制御信号を出力する。ここにおいて、角度検出信号であるΘｃは演算部２５１において処理される。すなわち、Θｃに基づき制御ゲインの設定や位相補償の演算が行われ駆動回路部制御信号が生成される。演算部２５１における位相補償の処理は第一の実施の形態におけると同様である。
【０２２９】
具体的には、位相補償は、制御系の応答を速くしたり、制御系の開ループのゲインを向上したりするために行うものである。駆動部２２８の全体としての伝達特性は、主として回転機器２３２の伝達特性により支配されのであるが、回転機器２２の伝達特性は零周波数に極を有する、直流において無限大のゲインを有する二次系である。このような伝達関数を含む系の開ループのゲインを増加させて、かつ、周波数応答特性を向上させるためには、通常、低域で遅れ補償を行い低域のゲインを向上させ定常偏差を小さくし、広域で進み補償を行い広域での位相余有を増加させて広域でのゲインを増加することを可能として応答特性の向上を図る。
【０２３０】
このような位相補償は演算部２５１において、ラグ・リード・デジタル・フィルターを実現する演算を行えば良い。演算部２５１において処理の結果発生した駆動回路部駆動信号は駆動回路部２５２において駆動信号を発生させる。駆動信号は駆動部２２８に供給され車輪２２７を回転させる。このような制御系は体重移動により生じるｘ軸方向への傾き外乱Θｃｄに応じて自動的にトルクＴを制御して制御系を安定化する。すなわち、角度センサ部２５５０に設けられた角度センサ２５５０ｃが、外乱が加わることによるｘ軸方向への傾き角度Θｃを検出し、これに応じてｙ軸に設けられた回転機器２３２を制御して、球状回転体２２７をＸ平面で回転させて、筐体２２３をｘ軸方向へ進行させて定定走行させる。一方、角度センサ部２５５０のセンサ２５５０ｂがＹ平面上での筐体２２３の傾き角度としてΘｂを検出し、Θｂは、演算部２５１に対して出力され、Θｂを入力された演算部２５１ではΘｂに対してラグ・リード・デジタル・フィルターを用いた位相補償の演算処理を施してカウンタウエイト駆動信号を発生する。カウンタウエイト駆動信号はカウンタウエイト駆動回路部２５６を経てカウンタウエイト部２２９に供給されカウンタウエイトのｙ軸方向の位置を変化させる。
【０２３１】
上述したように、傾き角度のみを制御変数としてフィードバック制御を行えば、原理的には安定走行を行うことができる。しかしながら、ｘ軸方向に進行するための駆動部２２８を制御系に含む場合には、これらの構成部分の動作に関する変数を状態変数として取りこんだ演算を行えば性能向上に寄与する。すなわち、別の演算の例として、制御系のすべての制御変数をフィードバックする状態フィードバックに基づく制御演算である。ここで、各状態変数のフィードバック係数を所定の評価関数を最大または最小とするように定めながら、すべての状態を原点に収束させる制御は最適レギュレータとして従来から良く知られている。また、各係数を求める手法は、リカッチ方程式の解法として広く知られている。この回転機器２３２に流れる電流である駆動信号Ｉ２３２は数２２で示すように演算部２５１で演算される。
【数２２】
2004129435.tif 000025
また、カウンタウエイト部２２９についても、カウンタの位置Ｄｂ、移動速度ｄＤｂ／ｄｔを検出して導電部材に流す電流Ｉ２４３を数２３に示す制御則に基づき制御することもできる。
【数２３】
2004129435.tif 000026
【０２３２】
このような制御が行われる結果として、ｘ軸方向については、操車者２２２がｘ軸の正方向、すなわち前方に体重を移動させればΘｃは正方向に増加して、これに応じたトルクを発生させるように前方に支持部付搬送装置２２１は進行し、ｘ軸の負方向、すなわち後方に体重を移動させればΘｃは負方向に増加して、負方向のトルクを発生させるように後方に支持部付搬送装置２２１は進行することにより安定走行を維持することができる。一方、ｙ軸方向に関しては、センサ部２５５の角度センサ部２５５０は、ｙ軸方向に対する傾き角度Θｂを検出してこの傾き角度に基づきカウンタウエイト部２２９に対してカウンタウエイト駆動信号を送出する。これによりｙ軸方向に倒れることなく走行を続けることができる。
【０２３３】
次ぎに、左右方向への回転動作について説明をする。回転動作は車輪の走行面に接地する断面が円弧を描いている事を利用して行う。このような断面形状を有する車輪２２７は走行面２３７に直立している場合には直進走行をする。しかしながら、走行面２３７に対して右に傾斜すると右旋回をし、左に傾斜すると左旋回をする。その理由は、車輪２２７の中心から外れるに従い車輪の直径が小さくなるため車輪の最外周部における周速も遅くなり、車輪２７７の中央部との周速の速度差によりｙ軸方向への力が働くためである。そのため、右旋回を鋭角に行うためには、右方向に車輪２２７を大きく傾け、右旋回を鈍角に行うためには、右方向に車輪２２７を小さく傾けなければならない。左旋回についても同様である。
【０２３４】
ここで、車輪を走行面に対して走行方向と直角方向、すなわちｙ軸方向に傾けつつ、所定のｙ軸方向の傾きを維持する方法を以下に説明する。操車者に負担を強いる方法は、ｙ軸方向に対する、フィードバック制御を切断し、操車者が自らバランスを取りつつ回転することである。この場合においては、カウンタウエイト部カウンタウエイトを予め定めた所定の位置に固定して、カウンタウエイト部の制御を働かなくし、操車者が体重移動を行い、回転による遠心力とｙ軸方向への重力とのバランスを取ることにより安定走行をすることができる。遠心力の調整は操車者が前後方向、すなわちｘ軸方向に体重移動をして、ｘ軸方向への移動速度を調整し、かつｙ軸方向への体重移動を行い旋回の回転半径を調整することにより行うことができる。この場合、遠心力ベクトルとｙ軸への体重移動により生じる重力により生じる向心力であって、遠心力と方向が１８０°異なるベクトルとの大きさが等しくなる場合に安定走行をする。
【０２３５】
しかし、この方法は、操車者の熟練を要する。誰にでも乗れる方法として、カウンタウエイト部を用いた制御を利用する方法を次ぎに説明する。制御を用いる第一の方法は、カウンタウエイト部を含む制御系の一巡の伝達関数を大きく設定する場合についての制御方法である。一巡の伝達関数が大きいと、定常偏差も小さくなる。このことは、操車者が車輪を傾けようと重心を移動しても、カウンタウエイトが応答して操車者の重心移動をキャンセルしてしまうことを意味する。従い、車輪は常に垂直状態となり、走行面が水平であれば直進を続ける。このとき、ｙ軸における制御系は図３５に示すのと同様の制御系の構成となっているので、Θｂは零となるようにカウンタウエイト部が働いていると言える。このとき、図３５において、Θｂｉとして所定の値の電気信号をオフセット信号として入力すると、Θｂ＝Θｂｉとするようにカウンタウエイトが移動する制御が働くために、車輪を傾けて旋回することができる。ここで、Θｂｉの入力の方法は、図示しないリモートコントローラを介して行っても、支持部２２５の操車者が手で持つハンドル部の回転操作によっても良い。
【０２３６】
制御を用いる第二の方法は、制御系の一巡伝達関数を適当な大きさ、すなわち定常偏差であるΘｂｉ―Θｂが適当に残るように制御系を構成することである。このようにすると、操車者がｙ軸方向に体重を移動させると、カウンタウエイト部は体重移動をキャンセルする方向に移動するものの、そのすべてをキャンセルしないため車輪は垂直方向から傾き旋回をすることができる。このとき、制御系の作用で、傾きが減少する方向へのカウンタウエイト部における制御が働いているので、車輪は倒れることなく安定走行ができる。いずれの制御方法をとってもカウンタウエイト部の制御作用により操車者は容易に装置の旋回運動を行うことができる。一巡伝達関数をどのように設定するかは、カウンタウエイトの重さ及びカウンタウエイト部の配置位置と演算部２５１の演算処理の内容で定め得る設計事項である。
【０２３７】
次に表示部２５７の説明をする。演算部２５１では、センサ部２５５からの角度検出信号と駆動状態検出信号とを受け取り、表示部２５７に情報を表示するための情報表示信号とを生成し、表示部２５７には情報表示信号を基にした情報が表示される。例えばセンサ部２５５が監視・検出する車輪２２７の回転速度や回転方向を基づいて制御部２３５が支持部付搬送装置２２１の速度や進行方向を算出し、支持部付搬送装置２２１の速度や進行方向を表示したり、あるいは制御部２３５を介してセンサ部２５５で検出された筐体２２３の傾き角度を表示したりしても良い。さらに、駆動部２２８やセンサ部２５５の異常動作、車輪２２７の回転速度や回転方向の異常、筐体２２３の走行面２３７に対する傾き角度の異常、駆動部２２８の回転機器に電力を送る発電装置の異常や回転機器２３２自体の異常など、特に支持部付搬送装置２２１の異常状態を警告信号として表示部２５７に視覚、聴覚、触覚を通じて表示することができ、この場合には、操車者２２２は支持部付搬送装置２２１の状態を容易に知ることができる。このように、表示部２５７として、操車者２２２に支持部付搬送装置２２１の状態を知らせるマンマシーン・インターフェイスを用いることができる。
【０２３８】
第四の実施の形態では、車輪２２７の回転面は一平面のみであるため、第三の実施の形態において三平面に関して行っていた制御を一つの平面でのみ行うことで、操車者２２２が体重移動を行うことで進行方向に行うことが出来る。また、カウンタウェイト部２２９はｙ軸方向に沿っての重心移動を行うため、左右方向での重心移動を制御するだけで駆動を行うことができる。
【０２３９】
【発明の効果】
本発明の搬送装置は、略球状の車輪と、少なくとも２方向に球状車輪を駆動する機構と、搬送装置の位置を検出するセンサ部と、制御機構とを備えているため、略球状という安定性の悪い車輪でありながら、安定した走行が可能となる。それに加え、略球状の車輪を用いるため全方向へと瞬時に移動可能であるため、回転半径が小さく、移動が俊敏な搬送装置を提供するものである。
【０２４０】
また、本発明の他の搬送装置は、車輪と車輪を駆動する機構と、搬送装置の位置を検出するセンサ部と、センサ部からの信号に応じてカウンタウエイトの位置を制御する制御機構とを備えているため、安定性の悪い搬送装置であっても、安定した走行が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施例としての椅子型搬送装置に操車者が着座した様子を示す概略斜視図である。
【図２】第一の実施例としての椅子型搬送装置を示す概略斜視図である。
【図３】第一の実施例としての椅子型搬送装置の側面図であり、スタンドを用いて安定した静止状態を示すものである。
【図４】第一の実施例としての椅子型搬送装置の筐体内部の構造を示す側方部分断面図である。
【図５】球状回転体と複数のベアリングの位置関係を示す模式図である。
【図６】球状回転体の回転方向を説明するための概略斜視図である。
【図７】第一の実施例での制御機構での、各要素の関係と情報の流れを示すブロック図である。
【図８】第一の実施例での駆動機構の各要素の関係を示すブロック図である。
【図９】走行している状態における椅子形状搬送装置のＹ平面における断面模式図である。
【図１０】ｙ軸についての（Ｘ平面における）制御系の全体図である。
【図１１】第一の実施例におけるフィードバックループ制御での演算処理の一例を示すブロック図である。
【図１２】第二の実施例としての板形状搬送装置に操車者が搭乗している様子を示す概略斜視図である。
【図１３】第三の実施例としての支持部付搬送装置に操車者が搭乗している様子を示す概略斜視図である。
【図１４】第四の実施例としての椅子型搬送装置を示す概略斜視図である。
【図１５】駆動部のコアを示す概略斜視図である。
【図１６】椅子形状搬送装置の筐体の内部を示す概略断面図である。
【図１７】コアの構造を模式的に示す概略斜視図である。
【図１８】コアを平面に展開して、コイルと巻線収容溝との関係を示す模式図である。
【図１９】球状回転体表面に発生する渦電流と回転方向を示す模式図である。
【図２０】導電部材に流れる電流Ｉと、球状回転体に発生するすべりＳと、球状回転体に加わるトルクＴとの関係を示すグラフである。
【図２１】複数の導電部材に流れる電流を説明する図であり、図２１（ａ）は各導電部材に流れる電流の時間変化を示すグラフであり、図２１（ｂ）乃至（ｄ）は各時間での回転磁界の方向を示す模式図である。
【図２２】各時間での回転磁界の方向を示す模式図である。
【図２３】第四の実施例での制御機構の、各要素の関係と情報の流れを示すブロック図である。
【図２４】第五の実施例としての椅子型搬送装置に操車者が着座した様子を示す概略斜視図である。
【図２５】第五の実施例としての椅子型搬送装置を示す概略斜視図である。
【図２６】第五の実施例としての椅子型搬送装置の側面図であり、スタンドを用いて安定した静止状態を示すものである。
【図２７】カウンタウェイト部を、椅子形状搬送装置１の筐体に設けた様子を示す内視図である。
【図２８】第五の実施例としての椅子型搬送装置の筐体内部の構造を示す側方部分断面図である。
【図２９】椅子型搬送装置に配置されたカウンタウェイト部の構造の一例を示す模式図である。
【図３０】カウンタウェイト部の他の構造を示す模式図である。
【図３１】第五の実施例での制御機構での、各要素の関係と情報の流れを示すブロック図である。
【図３２】第五の実施例での駆動機構の各要素の関係を示すブロック図である。
【図３３】走行している状態における椅子形状搬送装置のＹ平面における断面模式図である。
【図３４】カウンタウェイト部を加味した場合における球状回転体に加わるトルクに関して説明を行うための断面模式図である。
【図３５】第五の実施例におけるフィードバックループ制御での演算処理の一例を示すブロック図である。
【図３６】第六の実施例としての他の形状をした椅子型搬送装置に操車者が着座した様子を示す概略斜視図である。
【図３７】カウンタウェイト部を、椅子形状搬送装置の座席内部に設けた様子を示す内視図である。
【図３８】第七の実施例としての支持部付搬送装置に配置されたカウンタウェイト部と、支持部付搬送装置に操車者が搭乗した様子を示す概略斜視図である。
【図３９】第八の実施例としての支持部付搬送装置に操車者が搭乗している様子を示す概略斜視図である。
【図４０】第八の実施例としての支持部付搬送装置を示す概略斜視図である。
【図４１】カウンタウェイト部を、支持部付搬送装置の筐体に設けた様子を示す内視図である。
【図４２】第八の実施例としての支持部付搬送装置の筐体部分でのＸ平面に平行な面に対する断面図である。
【図４３】支持部付搬送装置に配置されたカウンタウェイト部の構造の一例を示す模式図である。
【図４４】第八の実施例での制御機構での、各要素の関係と情報の流れを示すブロック図である。
【符号の説明】
１１，８１，１３１，１６１　　椅子形状搬送装置
３１　　板形状搬送装置
４１，１７１，２２１　　支持部付搬送装置
１２，３３，４２，１３２，１６２，１７２，２２２　　操車者
１３，３２，４３，８３，１３３，１６３，１７３，２２３　　筐体
１４，８４，１６４　　座席
１５ａ，４５，８５ａ，１３５ａ，１７５，２２５　　支持部
１５ｂ，３４，４４，８５ｂ，１６４ａ　　足台
１６，３６，８６，１３６，１６６，２５７　　表示部
１７，３７，４７，８７，１３７，１６７，１７７，２２７　　球状回転体
１８，１１３，１３８，２２８　　駆動部
２０，１４０　　ベアリング保持器
２１，８８ａ，１４１　　ベアリング
２２，１４２，２３２　　回転機器
２３，１４３，２３３，２０６　　回転軸
２４，１４４，２３４　　ローラー部材
２５，１１０，１４５，２３５，　　制御部
２５，５２，１１２，１８２，２５２，　　駆動回路部
２６，１４６　　スタンド
２７ａ，１４７ａ　　接地点
２７，１４７，２３７　　走行面
３５，１６５　　リモコン
５１，１１１，１８１，２５１　　演算部
５５，１１５，１８５，２５５　　センサ部
６１，１９１　　重心点
６２，９７，１９２　　中心点
６３，１９３　　垂線
６４，１９４　　重心線
６５，１９５　　トルク線
９０　　コア
９１　　導電部材
９２　　有効部分
９３　　非有効部分
９４　　巻線収容溝
９５　　渦電流
９６　　トルク軸
１２１，２０１，２４１　　カウンタウエイト
１４９，２２９　　カウンタウェイト部
１６９，１７９　　回転カウンタウエイト部
１７３ａ　　上側筐体
１７３ｂ　　下側筐体
１７３ｃ　　筐体連結部
１９６　　可動重心点
２０２，２４２　　磁路部
２０３，２４３　　導電部材
２０４，２４４　　永久磁石
２１１，２５６　　カウンタウエイト駆動回路部
２２７，２７７　　車輪
２３１　　車軸
５５０，１１５０，１８５０，２５５０　　角度センサ部
５５１，１１５１，１８５１，２５５１　　位置センサ部
５５２，１１５２，１８５２，２５５２　　速度センサ部
【図１】
2004129435.tif 000027
【図２】
2004129435.tif 000028
【図３】
2004129435.tif 000029
【図４】
2004129435.tif 000030
【図５】
2004129435.tif 000031
【図６】
2004129435.tif 000032
【図７】
2004129435.tif 000033
【図８】
2004129435.tif 000034
【図９】
2004129435.tif 000035
【図１０】
2004129435.tif 000036
【図１１】
2004129435.tif 000037
【図１２】
2004129435.tif 000038
【図１３】
2004129435.tif 000039
【図１４】
2004129435.tif 000040
【図１５】
2004129435.tif 000041
【図１６】
2004129435.tif 000042
【図１７】
2004129435.tif 000043
【図１８】
2004129435.tif 000044
【図１９】
2004129435.tif 000045
【図２０】
2004129435.tif 000046
【図２１】
2004129435.tif 000047
【図２２】
2004129435.tif 000048
【図２３】
2004129435.tif 000049
【図２４】
2004129435.tif 000050
【図２５】
2004129435.tif 000051
【図２６】
2004129435.tif 000052
【図２７】
2004129435.tif 000053
【図２８】
2004129435.tif 000054
【図２９】
2004129435.tif 000055
【図３０】
2004129435.tif 000056
【図３１】
2004129435.tif 000057
【図３２】
2004129435.tif 000058
【図３３】
2004129435.tif 000059
【図３４】
2004129435.tif 000060
【図３５】
2004129435.tif 000061
【図３６】
2004129435.tif 000062
【図３７】
2004129435.tif 000063
【図３８】
2004129435.tif 000064
【図３９】
2004129435.tif 000065
【図４０】
2004129435.tif 000066
【図４１】
2004129435.tif 000067
【図４２】
2004129435.tif 000068
【図４３】
2004129435.tif 000069
【図４４】
2004129435.tif 000070