JP2014088130A - 階段昇降機 - Google Patents

Abstract

【課題】ジャイロセンサを用いることなく、走行している状態と階段を昇降している状態とを区別して、姿勢を制御することができる階段昇降機を提供する。
【解決手段】走行制御部７２は、第一車輪２２および第二車輪２３を走行面Ｓｄに接地した状態において階段昇降機１の走行を制御すると共に、支持部２１が走行面Ｓｄに対して回転しないとして搭載部３０の姿勢を制御する。起立制御部７３は、進行方向前方に位置する車輪２２による起立状態において、階段昇降制御を行うと共に、進行方向前方に位置する車輪２２が位置決めされているとして搭載部３０の姿勢を制御する。切替部７１が、走行制御部７２による制御中において進行方向前方に位置する車輪２２が階段の壁面Ｓｗ１に当接したことを検知した場合に、走行制御部７２による制御から起立制御部７３による制御に切り替える。
【選択図】図８Ｅ

Description

本発明は、物や人等の物体を搭載して階段を昇降可能な階段昇降機に関するものである。

例えば、特許文献１，２には、４輪で走行可能な本体部と、人が搭乗可能な搭載部とを備えた階段昇降機が記載されている。前後の２輪の各車軸は、アームの両端に回転可能に支持され、アームの中央は、本体部の下部に回転可能に支持され、搭載部は、本体部の上部に回転可能に支持されている。このような構成において、階段昇降機が階段を昇るときは、本体部が階段側に回転して重心移動し、アームが階段側の例えば前輪（進行方向前方の車輪）の車軸を中心に回転し、後輪（進行方向後方の車輪）が階段の上段のステップ面に接地する直前に本体部が階段側とは逆側に回転して重心移動するという一連の動作を繰り返す。ここで、階段昇降モードでは、乗物のバランスを取る制御を行うのではなく、乗り手が階段の手すりを握ることでバランスを取っている。つまり、階段昇降モードにおいては、本体部の姿勢を制御していない。

特許第４５７４０１６号公報 特許第４７０９３９０号公報

上記のような階段昇降機であっても、例えば、ジャイロセンサを用いることにより、姿勢を制御することができる。ここで、階段昇降機においては、前後輪が走行面に接地している状態で走行している時も、階段を昇降している時も、車輪とアームとは相対的に回転している。そのため、アームと車輪との相対角度を把握しただけでは、アームと車輪がどのような状態であるかを把握することができない。つまり、アームと車輪との相対角度を把握しただけでは、本体部の姿勢を制御できない。そのため、本体部の姿勢を制御するためには、本体部などの姿勢を検知できるジャイロセンサなどを用いる必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ジャイロセンサを用いることなく、走行している状態と階段を昇降している状態とを区別して、姿勢を制御することができる階段昇降機を提供することを目的とする。

（請求項１）本手段に係る階段昇降機は、本体部と、本体部の下部に配置され、本体部を支持軸回りに回転可能に支持する支持部と、支持部において支持軸に平行な車軸回りに自転可能にそれぞれ支持され、本体部に対して支持部を回転させることで支持軸に対してそれぞれ異なる位置にて公転可能に配置された第一車輪および第二車輪と、第一車輪および第二車輪と支持部とを各車軸回りに相対的に回転する第一の回転アクチュエータと、支持部に対して本体部を支持軸回りに回転する第二の回転アクチュエータと、本体部の上部に設けられ、物体の搭載が可能な搭載部と、第一および第二の回転アクチュエータを駆動し、第一車輪および第二車輪を階段のステップ面に交互に接地させて階段を昇降させる制御装置とを備える。
制御装置は、第一車輪および第二車輪を走行面に接地した状態において階段昇降機の走行を制御すると共に、支持部が走行面に対して回転しないとして搭載部の姿勢を制御する走行制御部と、進行方向前方に位置する車輪による起立状態において、階段昇降制御を行うと共に、進行方向前方に位置する車輪が位置決めされているとして搭載部の姿勢を制御する起立制御部と、走行制御部による制御中において進行方向前方に位置する車輪が階段の壁面に当接したことを検知した場合に、走行制御部による制御から起立制御部による制御に切り替える切替部とを備える。

（請求項２）また、制御装置は、第一車輪および第二車輪が異なるステップ面に接地している状態において上段の車輪が階段の壁面まで距離を隔てている場合に、上段の車輪をステップ面に対して回転させつつ支持部をステップ面に対して回転させることにより上段の車輪を階段の壁面に当てるまで移動させると共に、上段の車輪から階段の壁面までの距離および第一，第二の回転アクチュエータの回転角度に基づいて搭載部の姿勢を制御するステップ面制御部を備え、切替部は、起立制御部による制御中において第一車輪および第二車輪が異なるステップ面に接地したことを検知した場合に、昇降制御部による制御からステップ面制御部による制御に切り替えるようにしてもよい。

（請求項１）本手段によれば、切替部によって、走行制御部による制御から起立制御部による制御に切り替えている。切り替えるタイミングを、進行方向前方の車輪（以下、「前輪」と称する）が階段の壁面に当接したことを検知した時とする。ここで、前輪が階段の壁面に当接したことは、前輪および階段の壁面の位置、前輪の回転速度などにより検知することができる。

そして、走行制御部による制御中において前輪が階段の壁面に当接するまでは、走行制御部による制御を継続する。走行制御部は、支持部が走行面に対して回転しないと規定して、搭載部の姿勢を制御する。従って、走行制御部による制御中において、ジャイロセンサを用いないとしても、搭載部の姿勢を制御できる。

一方、走行制御部による制御中において前輪が階段の壁面に当接した後は、起立制御部による制御に切り替える。起立制御部は、前輪が位置決めされていると規定して、搭載部の姿勢を制御する。従って、起立制御部による制御中において、ジャイロセンサを用いないとしても、搭載部の姿勢を制御できる。

（請求項２）ここで、階段によって、階段のステップ面の奥行き寸法は異なる。上記のように、一方の車輪を走行面および階段の壁面に当接した状態で他方の車輪を一段上のステップ面に接地したときに、上段の車輪は、上段の階段の壁面に当接している場合もあれば、上段の階段の壁面まで距離を隔てている場合もある。

後者の場合において、ステップ面制御部により制御することで、上段の車輪を上段の階段の壁面に当接させる状態にすることができ、その間の姿勢を制御することができる。そして、ステップ面制御部による制御中においては、上段の車輪がステップ面に対して回転しつつ、支持部がステップ面に対して回転している。従って、上段の車輪と支持部とが、ステップ面に対してどのような状態であるかを把握することは容易ではない。

しかし、両車輪が異なるステップ面に接地している状態において上段の車輪から階段の壁面までの距離を把握することで、上段の車輪が壁面に当接するまでの間、上段の車輪が回転する角度および支持部がステップ面に対して回転する角度を予測することができる。従って、当該距離および第一，第二の回転アクチュエータの回転角度に基づいて搭載部の姿勢を制御することができる。

本発明の実施形態：階段昇降機を後方から見た図である。 階段昇降機を右方から見た図である。 階段昇降機を上方から見た図である。 階段昇降機の第一、第二の回転アクチュエータを示す模式図である。 階段昇降機の第三の回転アクチュエータを示す模式図である。 図１の階段昇降機を構成する制御装置の機能ブロック図である。 図６の切替部による切替処理を示すフローチャートである。 階段昇降機による走行している状態であって、走行制御部による制御中の状態を示す図である。 階段昇降機の前輪が階段の壁面に当接した状態を示す図であって、起立制御部による制御に切り替えるときの状態を示す図である。 図８Ｂの状態から合成重心を前方に移動させている状態である。 図８Ｃの次の状態であって、支持部に対する本体部の回転を停止させて慣性力を発生させる状態を示す図である。 図８Ｄの次の状態であって、後輪が走行面から持ち上がって公転し始めた状態を示す図である。 図８Ｅの次の状態であって、公転輪が上死点に達した状態を示す図である。 図８Ｆの次の状態であって、公転輪が上段のステップ面に接地した状態であって、ステップ面制御部による制御に切り替えるときの状態を示す図である。 図８Ｇの状態から合成重心を前方に移動させている状態である。 図８Ｈの次の状態であって、支持部に対する本体部の回転を停止させて慣性力を発生させる状態を示す図である。 図８Ｉの次の状態であって、上段のステップ面の車輪が前進している状態を示す図である。 図８Ｊの次の状態であって、上段のステップ面の車輪が階段の壁面に当接した状態を示す図であって、起立制御部による制御に切り替えるときの状態を示す図である。 図８Ｋの次の状態であって、公転輪が次の上段のステップ面に接地した状態を示す図である。

（１．階段昇降機の構成）
本発明の実施形態に係る階段昇降機について、図１〜図５を参照して説明する。本実施形態の階段昇降機１は、物（本発明の「物体」に相当する）を搭載して運搬する装置に適用する場合を説明するが、人（本発明の「物体」に相当する）が搭乗可能な車椅子に適用することも可能である。なお、以下の説明において、「前方向」および「後方向」とは、階段昇降機１の走行方向を指し、「左方向」および「右方向」は、階段昇降機１を後方から見たときの走行方向に対し水平面上で直角な方向を指す。

図１〜図３に示すように、階段昇降機１は、本体部１０と、走行部２０と、搭載部３０等とを備えて構成される。本体部１０は、フレーム部材等により直方体状に形成され、本体部１０の下部には走行部２０が配置され、上部には搭載部３０が配置されている。走行部２０は、本体部１０の左右両側のそれぞれに、一対の支持部２１と、一対の第一車輪２２および一対の第二車輪２３とを備えている。ここで、第一車輪２２と第二車輪２３は、進行方向前方に対して、前後逆転する場合がある。従って、以下において、前輪と称する場合は、進行方向前方に位置する車輪を意味し、後輪と称する場合には、進行方向後方に位置する車輪を意味する。

一対の支持部２１は、本体部１０の左右両側に配置され、図１〜図３に記載の前後方向に延びるような中空略直方体状に形成される。一対の支持部２１は、図２の紙面左右方向中央に位置する支持軸Ｃ_２１（図２に示す）の回りに、本体部１０を相対的に回転可能に支持する。

第一車輪２２および第二車輪２３は、支持部２１の両端（図２の紙面左右方向両端）に、車軸２２ａ，２３ａ（図２に示す）の回りに自転可能にそれぞれ支持されている。第一車輪２２および第二車輪２３の支持部２１に対する回転方向は、支持部２１に対する本体部１０の回転方向と同一方向である。すなわち、第一車輪２２の車軸２２ａおよび第二車輪２３の車軸２３ａは、支持軸Ｃ_２１に平行であることを意味する。つまり、第一車輪２２および第二車輪２３は、本体部１０に対して支持部２１を支持軸Ｃ_２１回りに回転する場合には、支持軸Ｃ_２１に対して公転することになる。

図１〜図３に示すように、搭載部３０は、フレーム部材等によりバスケット形状に形成され、本体部１０に対して搭載部軸Ｃ_３０（図２に示す）の回りに回転可能に支持されるブラケット３１と、ブラケット３１の周囲を覆うように形成され、ブラケット３１に固定された略球状のカバー３２と、物体を搭載可能なようにカバー３２の上部に固定された矩形状のトレイ３３等とを備えている。

本体部１０内の左右両側には、走行部２０の第一車輪２２および第二車輪２３と支持部２１とを各車軸２２ａ，２３ａ回りに相対的に回転する一対の第一の回転アクチュエータ４０が配置されている。第一の回転アクチュエータ４０は、第一のモータ４１と、第一の減速機４２と、ギヤトレイン４３（図４参照）等とを備えている。

ギヤトレイン４３は、図４に示すように、横並びに噛み合わされた５つのスパーギヤ４３ａを備え、支持部２１内に回転可能に支持されている。本体部１０に配置された第一のモータ４１のモータ軸４１ａは、本体部１０に配置された第一の減速機４２に連結されている。第一の減速機４２の出力軸４２ａは、支持部２１の中央部分に一体的に突設された中空軸２１ａ内に貫装されている。ギヤトレイン４３の中央に配置されているスパーギヤ４３ａは、第一の減速機４２の出力軸４２ａに嵌合されている。

ギヤトレイン４３の両端に配置されているスパーギヤ４３ａは、第一車輪２２の車軸２２ａおよび第二車輪２３の車軸２３ａにそれぞれ嵌合されている。支持部２１の中空軸２１ａは、本体部１０と支持部２１とが相対回転可能なように、図略の軸受を介して本体部１０の下部に貫装されている。

図１，図２および図４に示すように、本体部１０内の左右両側には、支持部２１に対して本体部１０を支持軸Ｃ_２１回りに回転させる一対の第二の回転アクチュエータ５０が配置されている。第二の回転アクチュエータ５０は、第二のモータ５１と、第二の減速機５２と、ベルト機構５３等とを備えている。ベルト機構５３は、ベルト５３ａと、２つのプーリ５３ｂ，５３ｃとを備えている。

本体部１０に配置された第二のモータ５１のモータ軸５１ａは、本体部１０に配置された第二の減速機５２に連結されている。第二の減速機５２の出力軸５２ａには、プーリ５３ｂが嵌合されている。また、支持部２１の中空軸２１ａには、プーリ５３ｃが嵌合されている。そして、プーリ５３ｂとプーリ５３ｃとの間には、ベルト５３ａが架け渡されている。

また、図１〜図３，図５に示すように、本体部１０内には、本体部１０に対して搭載部３０を搭載部軸Ｃ_３０回りに回転させる回転させる第三の回転アクチュエータ６０が配置されている。第三の回転アクチュエータ６０は、第三のモータ６１と、第三の減速機６２と、ブレーキ６３等とを備える。第三のモータ６１および第三の減速機６２は、本体部１０内の左右の一方側に配置され、ブレーキ６３は、本体部１０内の左右の他方側に配置されている。

図１および図５に示すように、本体部１０に配置された第三のモータ６１のモータ軸６１ａは、本体部１０に配置された第三の減速機６２に連結され、第三の減速機６２の出力軸６２ａは、ブラケット３１の左右の一方側に装着された軸受６４ａに嵌合されている。ブレーキ６３のブレーキ軸６３ａは、ブラケット３１の左右の他方側に装着された軸受６４ｂに嵌合されている。ブレーキ６３は、第三のモータ６１がオフになった後でもトレイ３３の水平状態を維持するために設けられている。

さらに、図１〜図３に示すように、本体部１０内には、第一、第二、第三の回転アクチュエータ４０，５０，６０等の作動を制御する制御装置７０および第一、第二、第三の回転アクチュエータ４０，５０，６０等に電力を供給する駆動用バッテリ８０、さらに図略のサーボアンプ、リレイ等の電装品が配置固定されている。なお、階段昇降機１には、搭載部３０の姿勢を直接検知することができるセンサが搭載されていない。例えば、搭載部３０の絶対傾斜角度、本体部１０の絶対傾斜角度、支持部２１の絶対傾斜角度などを検知するセンサはない。

また、搭載部３０のカバー３２とトレイ３３の間には、トレイ３３上に載置される物体の重量を検知する４つの重量検知センサ９２が矩形状のトレイ３３の四隅に配置されている。カバー３２とブラケット３１の間には、トレイ３３の振動を抑制して物体の落下を防止するためにクッション材等でなる図略のダンパが配置されている。

（２．制御装置の構成）
次に、制御装置７０の構成について、図６を参照して説明する。図６に示すように、切替部７１と、走行制御部７２と、起立制御部７３と、ステップ面制御部７４とを備える。切替部７１は、階段昇降機１の状態に応じて、走行制御部７２による制御、起立制御部７３による制御、および、ステップ面制御部７４による制御を切り替える。切替部７１の処理の詳細は、後述する。

走行制御部７２、起立制御部７３およびステップ面制御部７４については、ここでは簡単に説明するが、後に階段昇降機１の動作説明に合わせて詳細に説明する。

走行制御部７２は、第一車輪２２および第二車輪２３を走行面に接地した状態において階段昇降機１の走行を制御すると共に、支持部２１が走行面に対して回転しないとして搭載部３０の姿勢を制御する。起立制御部７３は、前輪による起立状態において、階段昇降制御を行うと共に、前輪が位置決めされているとして搭載部３０の姿勢を制御する。つまり、起立制御部７３は、第一車輪２２および第二車輪２３の一方が、他方の車軸に対して公転輪となる状態を制御する。

ステップ面制御部７４は、第一車輪２２および第二車輪２３が異なるステップ面に接地している状態において上段の車輪２２，２３が階段の壁面まで距離を隔てている場合に、階段昇降機１を制御する。ステップ面制御部７４は、上段の車輪２２，２３をステップ面に対して回転させつつ支持部２１をステップ面に対して回転させることにより上段の車輪２２，２３を階段の壁面に当てるまで移動させる。さらに、ステップ面制御部７４は、上段の車輪２２，２３から階段の壁面までの距離および第一，第二の回転アクチュエータ４０，５０の回転角度に基づいて搭載部３０の姿勢を制御する。

（３．切替部による処理と階段昇降機の動作）
次に、制御装置７０の切替部７１による処理と階段昇降機１による階段の昇降動作について、図７および図８Ａ〜図８Ｌを参照して説明する。ここでは、階段の水平な走行ステップ面Ｓｄ（「走行面」に相当）上に位置する階段昇降機１が、制御装置７０の制御により上段のステップ面Ｓｕ１，Ｓｕ２に昇る動作について説明する。なお、図８Ａ〜図８Ｌでは、階段昇降機１の本体部１０、走行部２０および搭載部３０を簡略化したスケルトンにて示している。

まず、図８Ａに示すように、階段昇降機１は、走行部２０の支持部２１が水平状態にあり、階段昇降機１と搭載物の合成重心Ｇが支持軸Ｃ_２１の鉛直線上に位置する走行姿勢で、図中の左側から右側に走行している。この状態では、切替部７１は、制御装置７０の走行制御部７２による制御を選択している。

詳細には、走行制御部７２は、階段昇降機１を走行させるために、支持部２１が走行面Ｓｄに対して回転しないものとして、第一のモータ４１を制御することで、第一車輪２２および第二車輪２３を前進方向（図８Ａの時計回り）に回転させる。そうすると、第一車輪２２および第二車輪２３は、走行面Ｓｄに対して前進方向に回転することになり、階段昇降機１が前進する。

さらに、走行制御部７２は、本体部１０および搭載部３０の姿勢を制御する。ここで、合成重心Ｇは、予め把握している階段昇降機１自体の重心と、搭載物の重心とを合成したものである。搭載物の重心は、重量検知センサ９２の検出値から算出することができる。つまり、走行制御部７２は、重量検知センサ９２の検出値に基づいて合成重心Ｇを算出する。さらに、走行制御部７２は、合成重心Ｇを支持軸Ｃ_２１の鉛直線上に位置させるように、かつ、搭載部３０を水平とするように、第二，第三のモータ５１，６１を制御する。なお、図８Ａにおいては、本体部１０および搭載部３０が鉛直状態となるときに、合成重心Ｇが支持軸Ｃ_２１の鉛直線上に位置するとしている。

ここで、図７を参照して、切替部７１の処理の一部について説明する。切替処理は、走行制御部７２により制御中であるか否かを判定する（Ｓ１）。走行制御部７２により制御中である場合には（Ｓ１：Ｙ）、続いて、前輪が階段の壁面Ｓｗ１に当接したか否かを判定する（Ｓ２）。そして、壁面Ｓｗ１に当接していなければ（Ｓ２：Ｎ）、走行制御部による制御を継続する（Ｓ３）。つまり、図８Ａの状態を継続する。一方、壁面Ｓｗ１に当接した場合には（Ｓ２：Ｙ）、起立制御部７３による制御に切り替える（Ｓ４）。

つまり、図８Ａに示す走行状態から階段昇降機１を前進させると、図８Ｂに示すように、第一車輪２２が階段の壁面Ｓｗ１に当接する。そうすると、図７のＳ２，Ｓ４に示すように、切替部７１は、起立制御部７３に切り替える。

ここで、第一車輪２２が階段の壁面Ｓｗ１に当接したことは、例えば、第一車輪２２の車軸２２ａに備えられている圧力センサや本体部１０に備えられた赤外線等による段差検出センサ等によって検知できる。その他には、車速センサによって検知することもでき、第一のモータ４１への指令値と第一のモータ４１の回転角度との違いから検知することもできる。

起立制御部７３による制御について、図８Ｃ〜図８Ｇを参照して説明する。起立制御部７３は、前輪である第一車輪２２による起立状態において階段昇降制御を行うと共に、第一車輪２２が走行面Ｓｄと壁面Ｓｗ１とによって位置決めされて回転しないものとして、本体部１０および搭載部３０の姿勢を制御する。

まずは、起立制御部７３は、図８Ｃに示すように、第二のモータ５１を制御して本体部１０を前方へ傾斜させつつ、第三のモータ６１を制御して搭載部３０が水平を維持するようにする。つまり、第二のモータ５１は、支持部２１に対して本体部１０を時計回りへ回転させ、第三のモータ６１は、本体部１０に対して搭載部３０を反時計回りへ回転させる。このとき、起立制御部７３は、第二，第三のモータ５１，６１の回転角度に基づいて、第二，第三のモータ５１，６１を制御する。

続いて、図８Ｄに示すように、本体部１０が所定の傾斜角度に達したときに、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止する。ここで、図８Ｄでは、回転停止の瞬間において、搭載物を含む階段昇降機１全体の合成重心Ｇが、第一車輪２２の車軸２２ａを通る鉛直線上に位置する。または、合成重心Ｇが、当該鉛直線上より進行方向後方に位置するようにしてもよい。

このように、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止することで、支持軸Ｃ_２１回りの慣性力Ｆ（図８Ｄに示す）が発生する。この慣性力Ｆは、支持部２１に対する本体部１０の回転速度を低下することによっても発生するが、停止することによって最大の慣性力となる。

そうすると、図８Ｅに示すように、当該慣性力Ｆによって、前方に位置する第一車輪２２の車軸２２ａ回りに、支持部２１を回転させる状態になる。つまり、後方に位置する第二車輪２３が走行面Ｓｄから持ち上がる状態（起立状態）に移行する。そして、第二車輪２３が、第一車輪２２の車軸２２ａを中心に公転する。

このとき、起立制御部７３は、前輪（図８Ｅにおいて第一車輪２２）が位置決めされているとして、第一，第二，第三のモータ４１，５１，６１を制御する。具体的には、第一のモータ４１を第一車輪２２に対して支持部２１を時計回りに回転させる。第一のモータ４１の回転角度に応じて、合成重心Ｇが第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線上に位置するように、かつ、搭載部３０を水平に維持するように、第二，第三のモータ５１，６１を制御する。つまり、第二のモータ５１を反時計回りに回転させ、第三のモータ６１を時計回りに回転させる。

続いて、起立制御部７３による制御を継続すると、図８Ｆに示すように、公転輪である第二車輪２３が上死点に位置する状態となる。さらに続けて制御すると、図８Ｇに示すように、公転輪である第二車輪２３が上段のステップ面Ｓｕ１に接地する。ここで、公転輪である第二車輪２３が上段のステップ面Ｓｕ１に接地したことは、上述したように、前輪の第一車輪２２が階段の壁面Ｓｗ１に当接したことを検知したときと同様の方法により検知することができる。

ここで、図７を参照して再び、切替部７１の処理の一部について説明する。切替部７１は、起立制御部７３による制御中には、以下のように処理する。図７に示すように、走行制御部により制御中でない場合（Ｓ１：Ｎ）およびＳ３，Ｓ４の処理の後には、起立制御部７３により制御中であるか否かを判定する（Ｓ１１）。起立制御部７３により制御中である場合には（Ｓ１１：Ｙ）、図８Ｃ〜図８Ｇに示すように、公転輪が次のステップ面Ｓｕ１に接地したか否かを判定する（Ｓ１２）。

公転輪が次のステップ面Ｓｕ１にまだ接地していない場合には（Ｓ１２：Ｎ）、起立制御部７３による制御を継続する（Ｓ１３）。一方、公転輪が次のステップ面Ｓｕ１に接地した場合には（Ｓ１２：Ｙ）、階段を昇降途中であるか否かを判定する（Ｓ１４）。昇降途中の場合には（Ｓ１４：Ｙ）、上段のステップ面Ｓｕ１に接地した前輪から階段の壁面Ｓｗ２までに距離を有するか否かを判定する（Ｓ１５）。距離を有しない場合（Ｓ１５）、すなわち前輪が壁面Ｓｗ２に当接している場合には、起立制御部７３による制御を継続する。

前輪から壁面Ｓｗ２まで距離を有している場合には（Ｓ１５：Ｙ）、ステップ面制御部７４による制御に切り替える（Ｓ１６）。また、Ｓ１４において階段の昇降を終了しているのであれば（Ｓ１４：Ｎ）、走行制御部７２による制御に切り替える（Ｓ１７）。

つまり、図８Ｇに示すように、第一車輪２２および第二車輪２３が異なるステップ面Ｓｄ，Ｓｕ１に接地している状態において、上段の車輪である第二車輪２３が次の階段の壁面Ｓｗ２まで距離を隔てている場合に、切替部７１は、起立制御部７３による制御からステップ面制御部７４による制御に切り替える。

ステップ面制御部７４による制御について、図８Ｈ〜図８Ｋを参照して説明する。ステップ面制御部７４は、上段の第二車輪２３をステップ面Ｓｕ１に対して回転させつつ支持部２１をステップ面Ｓｕ１に対して回転させることにより、上段の第二車輪２３を階段の壁面Ｓｗ２に当てるまで移動させる。同時に、ステップ面制御部７４は、上段の第二車輪２３から階段の壁面Ｓｗ２までの距離、および、第一，第二，第三のモータ４１，５１，６１の回転角度に基づいて、本体部１０および搭載部３０の姿勢を制御する。

まずは、ステップ面制御部７４は、図８Ｈに示すように、第二のモータ５１を制御して本体部１０を前方へ傾斜させつつ、第三のモータ６１を制御して搭載部３０が水平を維持するようにする。つまり、第二のモータ５１は、支持部２１に対して本体部１０を時計回りへ回転させ、第三のモータ６１は、本体部１０に対して搭載部３０を反時計回りへ回転させる。このとき、ステップ面制御部７４は、第二，第三のモータ５１，６１の回転角度に基づいて、第二，第三のモータ５１，６１を制御する。

続いて、図８Ｉに示すように、本体部１０が所定の傾斜角度に達したときに、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止する。ここで、図８Ｉでは、回転停止の瞬間において、搭載物を含む階段昇降機１全体の合成重心Ｇが、上段の第二車輪２３の車軸２３ａを通る鉛直線上に位置する。または、合成重心Ｇが、当該鉛直線上より進行方向後方に位置するようにしてもよい。

このように、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止することで、支持軸Ｃ_２１回りの慣性力Ｆ（図８Ｉに示す）が発生する。この慣性力Ｆは、支持部２１に対する本体部１０の回転速度を低下することによっても発生するが、停止することによって最大の慣性力となる。

ここで、上段の第二車輪２３は位置決めされていない。そのため、当該慣性力Ｆによって、上段の第二車輪２３は回転して前進しようとする。ただし、下段の第一車輪２２は壁面Ｓｗ１に当接しているため前進できない。しかし、慣性力Ｆは、上段に位置する第二車輪２３の車軸２３ａ回りに、支持部２１を回転させる力としても作用する。つまり、下段に位置する第一車輪２２が走行面Ｓｄから持ち上がる状態に移行する。そうすると、図８Ｊに示すように、上段の第二車輪２３は回転しながら前進すると共に、下段の第一車輪２２は壁面Ｓｗ１に沿って上昇する。

さらに続けると、図８Ｋに示すように、前輪である第二車輪２３が階段の壁面Ｓｗ２に当接する。ここで、図８Ｈに示す状態から図８Ｋに示す状態までの間、上段に位置する第二車輪２３が前進し、かつ、支持部２１はステップ面Ｓｕ１に対して回転している。そのため、上段に位置する第二車輪２３と支持部２１とが、ステップ面Ｓｕ１に対してどのような状態であるかを把握することは容易ではない。

そこで、図８Ｈに示す状態において、階段昇降機１は、上段の第二車輪２３から壁面Ｓｗ２までの距離を把握することとする。例えば、距離センサを用いて、当該距離を計測してもよいし、予め階段の奥行き寸法を記憶しておくことにより当該距離を算出してもよい。階段昇降機１を規定の階段の昇降のみに用いる場合には、後者のようにすることが可能である。

そして、当該距離に加えて、第一，第二、第三のモータ４１，５１，６１の回転角度を把握することで、本体部１０および搭載部３０がどのような姿勢であるかを予測することができる。そこで、ステップ面制御部７４は、当該距離と、各モータ４１，５１，６１の回転角度に基づいて、本体部１０および搭載部３０の姿勢を制御する。

そして、図８Ｋの状態の後には、起立制御部７３による制御によって、図８Ｌに示す状態となる。つまり、第一車輪２２が上段のステップ面Ｓｕ２に接地する。さらに続けて、階段の上昇動作を終了する。

ここで、図７を参照して再び、切替部７１の処理の一部について説明する。切替部７１は、ステップ面制御部７４による制御中には、以下のように処理する。図７に示すように、Ｓ１１において、起立制御部７３による制御中でない場合（Ｓ１１：Ｎ）およびＳ１３，Ｓ１６，Ｓ１７の処理の後には、ステップ面制御部７４による制御中であるか否かを判定する（Ｓ２１）。ステップ面制御部７４による制御中である場合には（Ｓ２１：Ｙ）、図８Ｋに示すように、前輪である上段の第二車輪２３が壁面Ｓｗ２に当接したか否かを判定する（Ｓ２２）。

前輪である上段の第二車輪２３が壁面Ｓｗ２にまだ当接していない場合には（Ｓ２２：Ｎ）、ステップ面制御部７４による制御を継続する（Ｓ２３）。一方、前輪である上段の第二車輪２３が壁面Ｓｗ２にまだ当接した場合には（Ｓ２２：Ｙ）、ステップ面制御部７４による制御から起立制御部７３による制御に切り替える（Ｓ２４）。

以上より、ジャイロセンサなどを用いて本体部１０および搭載部３０の絶対傾斜角度を検知しないとしても、起立制御部７３による制御およびステップ面制御部７４による制御において、本体部１０および搭載部３０の姿勢を制御できる。従って、センサ数を少なくすることができるため、低コスト化を図ることができる。

さらに、図８Ｂに示す両車輪接地状態から起立状態へ移行する際に、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止（回転速度の低下を含む）により発生する支持軸Ｃ_２１回りの慣性力Ｆを利用している。この慣性力Ｆによって、進行方向後方の第二車輪２３を持ち上げている。そして、慣性力Ｆを用いることで、階段昇降機１全体の合成重心Ｇの移動量を少なくしたとしても、進行方向後方の第二車輪２３を持ち上げる力を十分に発揮できる。その結果、階段昇降の際に本体部１０の回転による階段のステップ面Ｓｄ，Ｓｕ１に対する傾斜角度を小さく抑えることができる。

特に、支持部２１に対する本体部１０の回転を停止させることにより発生する慣性力Ｆを利用することで、大きな慣性力を得ることができる。従って、階段昇降機１全体の合成重心Ｇの移動量をより少なくできる。
さらに、慣性力Ｆを発生させる際に、搭載物を含む階段昇降機１全体の合成重心Ｇが、進行方向前方の第一車輪２２の車軸２２ａを通る鉛直線上、または、鉛直線上より進行方向後方に位置することで、起立状態を安定した状態とすることができる。

なお、上記実施形態において、両輪接地状態から起立状態に移行する際に、慣性力Ｆを用いて、後輪をステップ面から持ち上げた。これに限られず、合成重心Ｇをゆっくりと前方へ移動させて、前輪の車軸を中心としたトルクを発生させることにより、後輪をステップ面から持ち上げるようにしてもよい。

１：階段昇降機、 １０：本体部、 ２１：支持部、 ２２：第一車輪、 ２３：第二車輪、 ２２ａ，２３ａ：車軸、 ３０：搭載部、 ４０，５０，６０：回転アクチュエータ、 ７０：制御装置、 ７１：切替部、 ７２：走行制御部、 ７３：起立制御部、 ７４：ステップ面制御部、 Ｃ_２１：支持軸、 Ｃ_３０：搭載部軸、 Ｆ：慣性力、 Ｇ：合成重心

Claims (2)

1. 本体部と、
   前記本体部の下部に配置され、前記本体部を前記支持軸回りに回転可能に支持する支持部と、
   前記支持部において前記支持軸に平行な車軸回りに自転可能にそれぞれ支持され、前記本体部に対して前記支持部を回転させることで前記支持軸に対してそれぞれ異なる位置にて公転可能に配置された第一車輪および第二車輪と、
   前記第一車輪および第二車輪と前記支持部とを各車軸回りに相対的に回転する第一の回転アクチュエータと、
   前記支持部に対して前記本体部を前記支持軸回りに回転する第二の回転アクチュエータと、
   前記本体部の上部に設けられ、物体の搭載が可能な搭載部と、
   前記第一および第二の回転アクチュエータを駆動し、前記第一車輪および第二車輪を階段のステップ面に交互に接地させて前記階段を昇降させる制御装置と、
   を備える階段昇降機であって、
   前記制御装置は、
   前記第一車輪および第二車輪を走行面に接地した状態において前記階段昇降機の走行を制御すると共に、前記支持部が前記走行面に対して回転しないとして前記搭載部の姿勢を制御する走行制御部と、
   進行方向前方に位置する車輪による起立状態において、階段昇降制御を行うと共に、進行方向前方に位置する車輪が位置決めされているとして前記搭載部の姿勢を制御する起立制御部と、
   前記走行制御部による制御中において進行方向前方に位置する車輪が階段の壁面に当接したことを検知した場合に、前記走行制御部による制御から前記起立制御部による制御に切り替える切替部と、
   を備える、階段昇降機。
2. 前記制御装置は、前記第一車輪および第二車輪が異なるステップ面に接地している状態において上段の車輪が階段の壁面まで距離を隔てている場合に、前記上段の車輪を前記ステップ面に対して回転させつつ前記支持部を前記ステップ面に対して回転させることにより前記上段の車輪を前記階段の壁面に当てるまで移動させると共に、前記上段の車輪から階段の壁面までの前記距離および前記第一，第二の回転アクチュエータの回転角度に基づいて前記搭載部の姿勢を制御するステップ面制御部を備え、
   前記切替部は、前記起立制御部による制御中において前記第一車輪および第二車輪が異なるステップ面に接地したことを検知した場合に、前記昇降制御部による制御から前記ステップ面制御部による制御に切り替える、請求項１の階段昇降機。

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