JP2004267000A - 輸送車両と方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 この実施例は人間を支持する支持体を有する。この支持体に運動可能に取り付けた地面接触モジュールは表面上の支持体中の人間を支えるように作動する。地面接触モジュールの方向付けが垂直位置で互いに交差する前-後及び横方向平面を画成する。支持体と地面接触モジュールは組立体の構成部材である。この組立体に取り付けられ地面接触モジュールに結合したモーター付き駆動装置は、組立体とそれに付随する人間を表面上で移動させる。最後にこの実施例は制御ループを有し、この制御ループにモーター付き駆動装置が含まれ、この制御ループは地面接触モジュールに関してモーター付き駆動装置の作動により前−後及び横方向平面における安定性を力学的に高める。
【選択図】 図27
Description
本発明は個人を輸送する車両と方法に関し、特に詳細には不規則な表面を有する地面上で個人を輸送する車両と方法に関する。
人間を輸送するための広い範囲に亘る車両と方法が知られている。これら車両の設計は概ね操縦性に優る安定性を好む妥協の産物である。例えば不規則な表面を有する地面上で人々を輸送するための自己推進使用者主導型車両を提供するのは困難である。しかし比較的平坦な表面を有する地面上の手近な移動は可能である。不規則な表面上の移動を達成する車両は複雑で重たく通常の移動が困難である。
好ましい実施例において本発明は不規則な表面を有する地面上で人間を輸送する車両を提供する。この実施例は人間を支持する支持体を有する。この支持体に可動的に取り付けた地面接触モジュールは表面上の支持体中の人間を支えるように作動する。地面接触モジュールの方向付けは垂直位置で互いに交差する前−後及び横方向平面を画成する。支持体と地面接触モジュールは組立体の構成部材である。この組立体に取り付けられ地面接触モジュールに結合したモーター付き駆動装置は、組立体とそれに付随する人間を表面上で移動させる。最後にこの実施例は制御ループを有し、この制御ループにはモータ付き駆動装置が含まれ、地面接触モジュールに関してモーター付き駆動装置の作動により前−後及び横方向平面における安定性を力学的に高める。
この発明は広い範囲の実施例において具体化される。これら実施例の多くの特色は、複数の横方向に配設した地面接触部材を使用して人間が輸送される表面上で人間を支えることである。地面接触部材はモーターで駆動される。多くの実施例では、移動中、人間を支持する構成は前−後平面における垂直面に関する時間の少なくとも一部については本来の安定性を欠くが、横方向平面の垂直面に関しては比較的安定である。前−後安定性はモーターを含む制御ループを与えることで達成される。これは地面接触部材に関してモーターを作動させるためである。以下に述べるように、対の地面接触部材は、例えば一対の車輪又は一対の車輪集合体であってよい。車輪集合体の場合は、各集合体は複数の車輪を含んでもよい。しかし、各地面接触部材は、複数の(典型的には一対の)、軸方向に近接し、半径方向に支持されかつ回転可能に取り付けた弓状要素で置き換えてもよい。これらの実施例では、地面接触部材は制御ループのモーター付き駆動装置によって駆動される。これは車両に作動する妨害や力に関係なく、車両の質量の中心を地面接触部材の地面に対する接触点に維持するような方法で行われる。
第1図に示す実施例は、支持体12を含む。これはここでは椅子として具現化され、この上に人間が座る。車両は相互に横方向に配設した一対の車輪11を備えている。車輪は垂直軸Z−Z、車輪の軸に平行な横軸Y−Y、及び車輪軸に垂直な前−後軸X−Xを含む1連の軸を画成するのを助ける。垂直軸Z−Z及び横軸Y−Yで画成される平面は「横方向平面」と呼ばれる場合があり、前−後軸X−X及び垂直軸Z−Zで画成される平面は「前−後方向平面」と呼ばれる場合がある。前−後軸X−X及び横軸Y−Yに平行な方向はそれぞれ前後及び横方向と呼ばれる。地面に接触するため対の車輪11依存する場合、車両は前−後方向の垂直面に関して本質的に不安定であるが、横方向の垂直面については比較的安定である。
脚による階段登り
第8図は第1図の実施例の階段昇降の1方法を示す。階段の1段に直面すると最初に両脚が後退し(ブロック71に示される)、ついで最初のステップの高さが測定される(ブロック72)。階段の上昇又は下降が起こっている(73)(この時点では人間が手すりをつかむため安定性を達成するのが望ましい)。
集合体による階段登り
第1図の実施例は、階段の登りのためと水平地形の操縦のためには、異なる地面接触部材を必要とするが、第9乃至21図に示した発明の実施例は、階段の登りと水平地形の操縦のために同じ地面接触部材のセットを利用することに成功した。第9乃至18図は第1図の実施例に使用した一対の車輪の代わりに一対の車輪集合体を使用する実施例を説明している。
同様にこの実施例の車両は車両を作動させるために、足−(又は力)作動スイッチを備えてもよい。ここではプラットフォーム211上に人間が立っている際スイッチは閉じられて自動的に車両に動力を供給する方法がとられる。この実施例は第13図乃至第20図の集合体の方法において作動した左及び右車輪集合体214について示されているが、代替的に車両は他の地面接触部材を設けてもよい。これは例えば第1図(しかし脚無しで)の方法におけるように横方向に配設した単一対の車輪を設けるか、或いは以下に説明する第22図乃至24図の方法に類似する方法におけるように、軸方向に近接し回転可能に取り付けた弓状要素対の左及び右対を設けるようにしてもよい。
弓状要素を使用する階段昇り
第22乃至24図は、地面接触部材が複数(ここでは一対)の軸方向に近接し、回転可能に取り付けた弓状要素群として具体化された実施例を示している。たとえば第22図は概ね第15図の集合体による推進の実施例に相当するが、ここでは右手地面接触部材が弓状の対221及び222として具現化されている。各対221と222の弓状要素(参照番号221a−221b及び参照番号222a−222b)はその中間点で回転可能に取り付けられている支持支柱(それぞれ参照番号221c−222c)の対向する端部において横断するよう配設されている。各支持支柱221c及び222cはモーターモターで駆動され相互に独立して制御可能となっている。通常の移動の動作では各対の弓状要素は概ね車輪の作動をする。例えばかかる移動中、弓状要素221aが地面との接触に失敗したとき、要素222aが回転しこれによって弓状要素の形状により発生した回転の継続を可能にする位置に到達する。この方法では弓状要素に沿う車両の実質的な回転運動がある。かくして弓状要素の各々の回転軸を中心とする運動は概ね一定の角速度では行われない。典型的には各弓状要素対は対のいずれの要素もが地面に接触しないとき速い角速度で運動する。しかし対の一つの要素が地面と接触すると、対の角速度(したがって地面接触要素の)は制御され、車両の所定の地面速度に整合し、その結果、必要時には一定の地面速度を達成することができる。
集合体による実施の詳細
第25図及び第26図は第18図乃至第20図の実施例のための3車輪集合体の設計の詳細を示す。各集合体251a及び251bは歯車列を介して集合体を駆動する駆動モーター252a及び252bをそれぞれ有している。各集合体の車輪は、集合体251aに対してはモーター253aにより、集合対251bに対してはモーター253bによりそれぞれ独立して動力が供給される。与えられた集合体251a又は251bの中の車輪は半径方向に配設した歯車列を介して集合体のモーター253a又は253bにより同期して駆動される。第26図では集合体251aの側面図が、モーター253aの軸により回転する動力歯車264で順次駆動されるそれぞれの遊び歯車263a、263b、及び263cで駆動される協同する駆動歯車262a、262b、及び262cを有する車輪261a、261b、及び261cを示している。
1.世界座標で規定した変数は大文字の下付き文字を使用して命名した。世界座標は地球(慣性)に固定された座標である。
2.相対的座標で規定した変数は二重下付き文字を使用して命名した。下付き文字は変数の終点である。下付き文字の順序は変数のしるしを示す。例えばθPCはポスト(post)と集合体脚との間の角度であり、ここでは集合体ポストからの時計方向回転が正(項目4参照)である。集合体の「脚」は集合体の中心から現在平衡がとれている車輪の中心までのラインセグメントである。集合体の「ポスト」はシステムの質量の中心から集合体の中心までのラインセグメントである。
3.下方ケースの下付き文字は他の属性、すなわち右/左、等を示すのに使用される。すなわち、r=右、l=左、ref=基準、f=終了、s=開始である。4.全角度は時計方向において正であり、ここでは正の移動は正のx方向である。
5.変数上の点は時間における積分、例えば
若し傾斜/平衡スイッチが「傾斜」位置に動くと、状態は「平衡から」3811に動き、そして「傾斜へ」に戻る。
速度制限
本発明による車両のこれから述べる実施例、既述した実施例のどれでも平衡と制御を維持するために速度制限を設けてもよい。さもなければこの平衡と制御は、もし現在そこまで駆動される能力がある車輪(又は弓状要素)が最大速度に到達することが許されるとすると、失われるであろう。
他の方法は電池とモーターの電圧を測定することであり、この二つの差を監視することである。この差は車両にとって現在利用できる速度限界の量の見積もりを提供する。
階段昇りにおけるセンサーの使用
第37図に関連して上述したように、階段昇りと障害物乗り越えは傾斜モードを用いることで達成することができ、昇り比率は手動的又は自動的に選択することができる。ここでは如何にセンサーを使用して昇り比率を自動的に選択するかを説明する。傾斜モードでは集合体は「主人」であり車輪は「奴隷」である。昇り比率は集合体回転と車輪回転の間の比率を表わす。例えば以下のようである。i) ゼロの昇り比率は集合体が運動するとき車輪が全く運動しないことを意味する。
ii) 0.25の昇り比率は車輪が各集合体の回転のための集合体と同じ方向に1/4だけ回転することを意味する。
iii)−0.5の昇り比率は車輪が各集合体の回転のための集合体と反対の方向に1/2だけ回転することを意味する。
i) 車両が上昇するよう告げられ、
ii) 転換が完了し、
iii) 最後の昇り比率の調節後、集合体が2π/3回転し、
iv) 集合体の位置が一定の窓内にあり、
V) 集合体のトルクコマンドが一定の限界値以下で、そのコマンドの誘導値が負(ステップ上車輪を下に設定することに相当する)であり、そして
vi) 集合体トルクコマンドが一定の限界値以上でありそのコマンドの誘導値が正(車輪をステップ上に揚げることに相当する)である。
i) センサーBが端(特定の限界値より大きい距離及び昇り比率が正)を感知するとき昇り比率は公称の正の値に設定される。
ii) 若し車両が端(集合体の信号が正、昇り比率が負又は公称のいずれか、センサーBが一定の限界値以上)に接近しすぎることが決定されると、昇り比率は低い負の値に調節される。負の昇り比率は、集合体が回転すると車輪を後方に回転させ車両を現在のステップ上に安全に保つ。
モード移行
第46図及び第47図の車両の傾斜モードと平衡モード間の移行は第38図に関連して説明したように管理されるが、本発明による以下の実施例ではモード間の移行はより活性で連続する基礎により管理してもよい。この実施例は関節465及び467を使用してシート461の高さ及び関節467を制御し、特にシート461の傾きを制御する。傾斜モードでは車両は地面(各集合体から地面上に2個)上に4個の車輪を有するので、階段を昇り障害物上を移動する。集合体のモーターの出力は傾斜計のエンコーダ速度により調節される。傾斜/平衡スイッチが押おされると平衡モードへの移行が生じる。
集合体の位置が指示した集合体移行角度(これはCG転換の量に基づく)より大きいとき、集合体の移行速度は集合体が現在運動している速度に設定され、平衡モードに入る。
調和的装置を使用する構成
本発明の以下の実施例では、第46図と第47図の実施例は調和的装置を使用する第9図乃至第12図の実施例に類似する機構的構成で具現化している。この構成は第48図乃至第52図に示されている。
タイミングベルト501は第1歯車502と第2歯車4922を含む第2段階のヘリカル歯車を駆動する。第2歯車4922は各集合体における最終組のヘリカル歯車494を駆動する一対の中間軸493を駆動する。集合体駆動プーリー4921に結合していない集合体のモーター4924の側面は軸エンコーダー4925に結合される。集合体駆動プーリー4921を回している軸の遠い側面は、車両が駐車するか平衡モードにあるとき集合体をロックするのに使用する集合体ブレーキ組立体4926に結合される。2個の車輪用モーター4913のハウジングと集合体用モーター4924はボルトで一緒に締められ管を形成し、集合体組立体を結合する構造を与える。ふくらはぎ486はこの構造に堅く固定される。
複合プロセッサー
第27図の実施例は単一のマイクロプロセッサー盤272の使用を示すが、実施例の幾つかにおいて複数のマイクロプロセッサーを並列にして使用すると利点を有することが判った。以下の実施例では、例えば第48図乃至第52図に関連して検討した機械的設計に応用可能である。4個の異なるマイクロプロセッサーを並列にして作動させ、その各々はメッセージを通信母線へ供給し、マイクロプロセッサー相互の監視を可能にする。又、専門家のインターフェイス(TI)が設けられ、これは専門家が利得を変化させ、プロセッサーを再プログラムすることを可能にする。この4個の異なるマイクロプロセッサーは以下のようにシステムの異なる構成要素を制御する。マイクロプロセッサー1はボタン、膝と腰部、及び操縦桿(x軸とy軸)を制御し、マイクロプロセッサー2は距離測定、存在確認(人間の)、電池監視、及びユーザーインターフェイス(これにより車両のモードを制御する)を制御し、マイクロプロセッサー3は集合体の平衡の段階的手法を制御し、マイクロプロセッサー4は車両の平衡の段階的手法を制御する。距離測定その他の事項の複雑性により、必要に応じて、マイクロプロセッサーを追加してもよい。これはプロセッサーの数を必ずしも制限するものではない。
別の実施例
本発明はさらに多くの別の実施例により実施可能である。本発明による車両は病気(パーキンソン病又は聴覚障害のような)又は平衡を維持し又は移動を達成する能力の欠陥に起因する損傷を有する人間のための補綴装置として適切に作動することが判った。車両により達成される補綴装置は、車両が車両に対する人間の運動に帰せられる車両の重力の中心における変化を考慮にいれるフィードバックを有するので、人間自身の平衡システムと移動システムの延長として機能する。車両をかかるハンデイキャップを有する人間に提供することはかくして補綴物を適合させるような方法であり、これは補綴物が入手できないとき移動と平衡の制御を可能にする。我々はパーキンソン病にかかっている人が、本発明の実施例による車両を利用して平衡と移動の制御の劇的な回復を得たことをかん観察した。
Claims (1)
- 対象を支持するための支持体と、
該支持体に取付けられた地面接触モジュールであって、該地面接触モジュールが少なくとも1つの地面接触要素を含み、該地面接触モジュールの方向が前−後および横方向平面を規定し、該支持体および該地面接触モジュールが組立体の構成部材である、地面接触モジュールと
を含む車両であって、
該車両は少なくとも1つの動作モードにおいて該前−後平面において固有の安定性を欠き、
該車両は、
トルクを該地面接触モジュールの該少なくとも1つの地面接触要素に与えるためのモーター付き駆動装置と、
該モーター付き駆動装置に結合され、該少なくとも1つの地面接触要素に与えられるトルクを決定するための制御ループであって、該トルクは、該車両の勾配またはそれの時間微分とに少なくとも依存する、制御ループと
をさらに含む、車両。
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