JP2006306368A

JP2006306368A - 階段を昇降する車輪

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Publication number: JP2006306368A
Application number: JP2005373759A
Authority: JP
Inventors: Koichi Okamoto; 耕一岡本; Nobuko Okamoto; 暢子岡本; Kotaro Okamoto; 耕太郎岡本; Mariko Okamoto; 真理子岡本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP4087872B2

Abstract

【課題】
走行する機能だけでなく障害物を乗り越える機能を持つ車輪を提供する。
【解決手段】
外周が渦巻き曲線の形状の車輪で、回転に伴い車輪径が増大して渦巻き曲線の中心が上下する車輪で、平地では渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪だけが回転して平地走行し、階段内では渦巻き曲線の形状の車輪全体が回転して昇段する車輪で、渦巻き曲線の外周に複数個の車輪を並べて配置することで渦巻き車輪全体が回転したとき前進せずにその場で車軸を上下させ階段を昇降する車輪。
【選択図】図２

Description

本発明は階段を昇降する車輪に関する。

たとえば人が階段を上る時上段にかけた足のもう一方の足は下段にあって、体重を上段の足に移してから下段の足を上段に引き上げる。階段を上りきるまで下段の足は体重を支持しているので上段の足にいくら力を入れても下段の足を宙に浮かすことは出来ない。従来の階段を昇降する車輪には図６（ａ）に示すように回転軸１を中心に３方向に３本の枝が取り付き、その先端に車輪が取り付くものがあり、これは段差が低く１回転で車軸１が上段に移る場合を除いて階段を昇段することは出来ない。なぜなら車軸１が下段上空にある場合、車軸１に加わる荷重は下段に接地する車輪が支持しているので、車軸１に働く回転力だけで下段に接地する車輪を宙に浮かすことは出来ないからである。車軸１が下段の上空にある以上車軸１にいくら回転力を加えても下段に接地する車輪を宙に浮かすことは不可能である。この場合車軸１に回転力以外に車輪を引き上げる力か或いは押し上げる力がなければ昇段することは物理的に不可能である。車輪に下から押す力或いは上から引き上げる力が加われば宙に浮かすことが出来るが、この場合でも車輪を支持する部分を宙に浮かすには相当大きな回転力が必要となる。

通常の車輪が階段を昇るには車軸に働く回転力以外に車輪を下から押し上げる力が必要である。このような理由から車輪にジャッキアップ機能を持つクランクを組み合わせ、車輪の昇段後に車輪を下段で支えたクランクを引き上げる方法が発明された（特許文献４参照）。図６（ｂ）は平地走行時に車軸を回転させるモーターが車軸の回転が止まると車軸の周りを公転し、クランクＫが上下して車輪をジャッキアップするもので、昇段中下段に接地して車輪を押し上げる装置は車輪が昇段した後に引き上げられる。

図６（ｃ）は外周が渦巻き曲線の形状の車輪で、回転に伴い車輪径が増大して渦巻き曲線の中心が上下する車輪を有する段差解消車椅子（特許文献１図１７参照）で、車輪を下段で支持し上昇に押し上げる装置を持たないもので、昇段を終えるまで車輪自体が下段に接地し車軸が上段上空に移動する。昇段中つねに車輪の一部が下段に接地しているので、車軸に回転力を与えるだけで昇段し他からの力を必要としない。外周が渦巻き曲線の形状の車輪は、下段で支えて下から押し上げる装置を必要とせずに車輪が単独で階段を昇降することができるものである。

外周が渦巻き曲線の形状の車輪によって昇段する手法は、段差解消車椅子に既に用いられているが（特許文献１図１７参照）、渦巻き車輪は前進しながら車輪の高さを上げるもので、昇段には１回転する必要があり１回転するには長い前進距離が必要である。階段を昇降する場合、渦巻き車輪は１回転するには階段の踏面の長さはあまりにも短い。そこで渦巻き車輪外周に複数個の車輪を並べて配置し渦巻き車輪を前進させずにその場で車軸を上下させるようにした（特許文献２図１１参照）。また複数個の車輪を付けた渦巻き車輪をテコの先端に取り付けると、初めから終わりまで一定の力で荷物を引き上げることができた（特許文献３図７参照）。以上のように外周が渦巻き曲線の形状の車輪は、車輪自体が階段を昇降し小さく均一な回転力で有効に働き無駄なく効力を発揮するので、非常に円滑な昇降動作が可能になる。

特願２００４−０４０５８７特願２００５−１０１１９７特願２００５−３３７１７０特願２００５−２６０６１４

外周が渦巻き曲線の形状の車輪には以下のように欠点があり、解決しなければならない課題がある。外周が渦巻き曲線の形状の車輪が１回転するとき長い距離を前進するので、階段の踏面の長さでは１回転することは出来ない。外周が渦巻き曲線の形状の車輪が階段を昇るには階段の踏面上で前進させずに１回転させその場で車軸を上下させるようにする必要がある。これが第１の課題である。階段の寸法及び形状が多種多様であり、どのような階段でも昇段できるようにするには、車輪が階段を感知して渦巻き車輪全体が回転し、平地走行では渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪を回すようにすれば良いことになる。平地走行と昇段を自動的に切り換えることが第２の課題となる。

しかし一本の車軸の両端に上述の渦巻き車輪を取り付けた場合を考えると、平地走行で左右の両輪は別々に回転する必要があり、車軸の中間には差動装置を取り付ける必要がある。中間には差動装置を取り付けると階段内では左右両輪は同時に動くことはなく片方の渦巻き車輪だけが昇段し他方が落段するような状態になる。階段内で左右両方の渦巻き車輪は同時に動かなければ転倒することになるので、これを解決することが第３の課題となる。

第１の課題を解決するための手段について述べる。外周が渦巻き曲線の形状の車輪は、渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪が回転して平地走行するが、階段内では渦巻き曲線の形状の車輪全体が回転して昇段する。渦巻き曲線の形状の車輪全体の回転に伴い車輪径が増大して渦巻き曲線の中心が上昇し、外周の形状が渦巻き曲線であることで昇段中初めから終わりまで一定の回転力で車輪を浮き上がらせることができる。１回転すると長い距離を前進し、階段の踏面の長さでは１回転することは出来ない。階段の踏面上で前進させずに１回転させその場で車軸を上下させるようにするには、渦巻き曲線の外周に複数個の車輪を並べて配置し、渦巻き車輪全体が回転したとき前進させないようにする。昇段直前の状態では渦巻き車輪の末端が下段にありながら車軸は上段の上にあって昇段時には車軸は上段に倒れ込むようにしなければならない。この部分で、渦巻き車輪が前進するようにすれば車軸は上段に乗り移り、渦巻き車輪全体は１回転して自力で昇段する。渦巻き曲線の末端に地面と摩擦があって滑らないタイヤ部分を設けて前進するようして上段に昇段させる。

第２の課題を解決するための手段について述べる。本発明の渦巻き車輪は平地では渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪だけが回転し階段内では渦巻き曲線の形状の車輪全体が回転するもので、平地走行と昇段を自動的に切り換える必要がある。渦巻き曲線の中心の車軸には車軸に固定されない渦巻き形状の車輪枠と車軸に固定された車輪がとりつき、渦巻き形状の車輪枠に取り付けたブレーキが車輪の回転を止めることで渦巻き車輪全体が車軸と一体になって回転するようにする。この切換え装置は車軸に固定された車輪の回転を止めたり外したりするブレーキ装置が回転してもブレーキ装置を作動させたりさせなかったりするスイッチ装置を回転する渦巻き形状の車輪枠外部の回転しない車体に取り付けることを特徴とする切換え装置で、車軸を中心に回転するブレーキ装置が車体に固定されたスイッチ装置により出し入れされる当たりに当たることで渦巻き車輪全体を回転させたりしなかったりする切換え装置である。これとは別に、車軸を貫通し車体に固定された電磁石がスラスト軸受けを中間に介在させてクラッチ盤を押さえつけ渦巻き形状の車輪枠と車軸に固定された車輪とを密着させるようにすると渦巻き車輪の回転の任意の位置で平地走行と昇段を自動的に切り換えることが出来る。この切換え装置は車軸に固定された車輪とブレーキ装置が回転してもブレーキ装置を作動させる起動部分は回転しない車体に取り付けることができる。

第３の課題を解決するための手段について述べる。車輪回転軸の両端に請求項１〜３の渦巻き車輪を取り付けた階段を昇降する車を考えるとき、平地走行で方向を自由に変えて走行するには左右の両輪は別々に回転する必要があり、車輪回転軸の中間には差動装置を取り付ける必要がある。しかし階段を昇段する場合、左右両輪は同時に昇段を開始し終了しなければ、車体は左右に傾き片方だけが昇段し他方が落段するような状態になり車体は階段内で転倒することになる。このような事故を防ぐには別の車軸を車体に取り付け、この車軸の両端に歯車を固定して取り付け、これと左右両方の渦巻き車輪枠のそれぞれに取り付けた歯車を連動させて一体にし、階段内では左右請求項１〜３の渦巻き車輪が同時に動くようにして、また車体に取り付けた車軸にブレーキを取り付け渦巻き車輪枠にかけられたブレーキが解除される時にブレーキをかけるようにして渦巻き車輪の回転の任意の瞬間に静止させる。

渦巻き車輪外周に複数個の車輪を並べて配置し渦巻き車輪を前進させずにその場で車軸を上下させるようにすると、初めから終わりまで一定の力で階段を昇段することができ非常に円滑な昇降動作が可能となり、車体の上下動も少なく自然な動きで効率が良い。

図１は本発明の階段を昇降する車輪の構成を説明する図面である。図１(ａ)は車輪外周の渦巻き曲線の作図方法を説明し、図１（ｂ）は請求項１の外周が渦巻き曲線の車輪の特性について説明する。図１(ａ)において直角三角形ＯＰｉＰｉ＋１（ｉ＝１，２，３・・・）の斜辺ＯＰｉ＋１に、底辺が同長（ＰｉＰｉ＋１＝Ｐｉ＋１Ｐｉ＋２）の直角三角形ＯＰｉ＋１Ｐｉ＋２の高さの辺を順次重ね合わせると車輪の外周の渦巻き曲線が作図される。

渦巻き曲線の中心Ｏを車軸１が貫通し、車軸１に車軸車輪２がキーで固定されて取り付けられる。車軸車輪２の両側をはさむように外周が渦巻き曲線の渦巻き形状のプレート３が取り付けられ、渦巻き車輪の中心を車軸１が貫通する。車軸が回転すると車軸車輪も回転するが、車軸１が回転しても渦巻き形状のプレート３は回転しない。平地走行では車軸車輪も回転しても渦巻き形状のプレート３は回転しない。渦巻き形状のプレート３は階段を昇降するときにだけ回転する。したがって本発明の階段を昇降する車輪には渦巻き形状のプレート３を回転させたり回転させなかったりするスイッチが必要である。図２以下でこのスイッチについて説明する。

渦巻き曲線外周には複数個の車輪Ｗｉ（ｉ＝１，２，３・・・）が取り付けられ、渦巻き曲線の末端部にはタイヤＷＥが取り付けられる。渦巻き曲線外周に複数個の車輪Ｗｉを取り付けることにより渦巻き車輪が回転しても前進せずに車軸１はそのままの位置で上昇することになる。車軸１が上段に移るには前進する必要があり渦巻き曲線の末端部にタイヤＷＥを取り付けて車軸１を前進させながら上段に移すことができる。図中→は回転方向を示し⇒は公転方向を示す。

ブレーキ４は渦巻き形状のプレート３に取り付けられ、車軸車輪２に接触すると車軸車輪２の回転によって回転し車軸車輪２に巻き込まれて制動力を増すブレーキで、一度車軸車輪２に噛み合うと勝手には外れない。車軸車輪２は車軸１と一体なので、ブレーキ４が車軸車輪２の回転を止めると、車軸１と渦巻き形状のプレート３は一体となり、車軸１の回転がそのまま渦巻き形状のプレート３の回転になる。ブレーキ４は渦巻き形状のプレート３に取り付けられ回転するので、図２に示すようにブレーキ４を作動させるスイッチも渦巻き形状のプレート３に取り付けて回転するが、ブレーキ４を作動させるスイッチを渦巻き形状のプレート３に付けずに車体に取り付け回転させない方法を図３以下に説明する。

図１（ｂ）はプレート３が回転した任意の瞬間を示す。一点鎖線Ｙ１は車軸１を通る鉛直線で、車軸に負荷される荷重の作用線である。一点鎖線Ｙ２は車輪Ｗ３の接地点を通る鉛直線で、プレート３の渦巻き形状が図１(ａ)の方法で作図されたものならば、渦巻き形状のプレート３の回転した任意の瞬間において力の作用線Ｙ１と支点間距離Ｓは一定である。したがって荷重による力のモーメントは一定に働き、車軸１に加わるトルクは終始一定でよいことになる。このことは車輪の昇段が勾配が一定の緩い坂道を登坂しているのと同じであることを意味していて、モーターには大きな回転力を必要としないことを意味する。

プレート３の回転で車輪Ｗｉが順次接地するが、階段の踏面は勾配がなく水平なので車輪が坂を下るように下段に落ちることなく、渦巻き形状のプレート３の回転により車軸１はそのままの位置で上昇する。最後のタイヤ部分が接地すると、車軸１は前進しながら上段に移ることになる。

図２(ａ)は本発明の階段を昇降する車輪の平地走行状態を示し、昇段の時に⇒方向に前転して図２(ｂ)の状態になる。渦巻き車輪は回転によって車輪径が増加し車軸１は上昇して上段に乗り移るが、車軸１を上段に移すまで車輪の一部は下段に接地し車軸車輪２に加わる荷重を支持する。渦巻き車輪の特徴は図１で説明したように回転によって徐々に半径を増加させる事で小さな回転力で車軸をジャッキアップすることと、昇段が完了するまで常に車輪の一部が下段に接地し車軸を下から支えていることである。

図２(ｂ)の状態において車軸車輪２が上段のステップ上で宙に浮いた状態のときは荷重を支持する車軸が下降するので車軸１が上段に移る際まったく力は要らない。また車軸車輪２が上段のステップ角部に当たった状態のとき渦巻き車輪は車軸車輪２の回転で登坂する。本発明の渦巻き車輪が階段を下りるときは逆回転する。荷重を支持する車軸が下降するのでブレーキをかけながら降りる必要はあっても力はまったく要らない。ただし図２(ｂ)のように渦巻き車輪の昇段時に車軸車輪２が上段のステップ上から宙に浮いた状態で、上段に移る際まったく力は要らない場合で、渦巻き車輪が下降する場合は渦巻き車輪を回転させる必要がある。

渦巻き車輪は車軸車輪だけが回転して走行する状態と、渦巻き車輪全体が回転して昇段する状態のいずれかであり、渦巻き車輪全体は回転しているかいないかのいずれかである。（渦巻き車輪全体は回転していないときは車体に取り付けた逆転防止装置のラチェット爪で図２(ａ)に示す平地走行状態で静止させる。）図２(ａ)に示す平地走行状態においてのみ車軸１と渦巻き車輪枠３が遊離しており車軸が回転しても渦巻き車輪全体は回転しない状態である。その他の状態では車軸１と渦巻き車輪枠３は合体しており、車軸の回転はそのまま渦巻き車輪の回転になる。即ち車軸と渦巻き車輪の遊離と合体のスイッチの入り切りの位置は図２(ａ)に示す平地走行状態で、そのときの渦巻き車輪の回転角は常に一定である。図２の例では、図２(ａ)に示すように渦巻き車輪が横になった位置でスイッチは入れられ、図２(ｂ)に示すように渦巻き車輪が立ち上がった位置でスイッチは切られる。

図２の例では渦巻き車輪外周の１番目の車輪Ｗ１は車軸１を中心にして回転するプレート５の先端に取り付けられる。渦巻き車輪外周の１番目の車輪Ｗ１が階段の蹴込みに当たると、プレートは内側に回転してプレートに取り付けられたベアリング１２がブレーキ４を回転させる。渦巻き車輪の裏側が蹴込みに当たると、ブレーキ４は外れる方向に回転する。

図２の例のようにブレーキから遠い場所での動きを、機械的にブレーキまで伝達するより、遠くから送られる電気信号でブレーキの入り切りを操作するほうが簡単で確実である。また電気信号は増幅してブレーキをかける力をいくらでも大きくすることが出来る。任意の位置で回転する車軸と回転する渦巻き車輪の車輪枠を合体或いは遊離させる切換え装置は、それらの回転と一緒に回転する必要があるが、切換え位置が図２(ａ)の平地走行状態に限ると、切換え装置は車体に固定でき回転体に取り付ける必要はなくなる。

図３(ａ)は渦巻き車輪が１回転してきて平地走行状態に戻る直前の状態で、ブレーキ４が外れる直前の状態を示す。図３(ｂ)は渦巻き車輪がさらに回転して、ソレノイドＣ１で出し入れされる当たりＣ３が当たってブレーキ４が外れた状態で、図３(ｃ)はソレノイドＣ１で出し入れされる当たりＣ２が押さえてブレーキ４を入れる状態を示す。図３に示すブレーキ４は、図３(ｃ)に示すようにブレーキの中央が車輪に接触すると車輪の回転によって回転し、図３(ａ)に示すように回転すればするほどブレーキの半径の長い部分が接触するので制動力を増し、また接触部分の両側の半径は接触部分より半径が大きくなっているので、いったんブレーキが入ると外れることはない。但しブレーキ４の回転軸が動かないことが条件である。図３は渦巻き車輪が昇段方向に回転する場合であるが、降段方向に回転する場合でも同様にブレーキの入り切りは実行される。

Ａは接続軸Ａ１を中心にして回転するアームで接続軸Ａ１は渦巻き車輪枠３に取り付く。アームの他端の接続軸Ａ２にはブレーキ４が取り付けられ、Ａが接続軸Ａ１を中心にして回転してブレーキ４を上下させる。Ｂは接続軸Ｂ１を中心にして回転するＴ型のプレートで接続軸Ｂ１は渦巻き車輪枠３に取り付く。接続軸Ｂ１を中心にして３方向に枝が取り付き、２つの枝にはベアリングＢ２が取り付き、残りの枝Ｂ３はアームＡを上から押さえてブレーキ４の接続軸Ａ２の位置を固定するものである。図３(ａ)（ｃ）のように枝Ｂ３がアームＡに直角に当たるとき、アームＡを下に押さえブレーキ４を車軸車輪２に接触させる。車軸車輪２の回転によってブレーキ４が回転し、ブレーキ４の半径が長い部分が車軸車輪に接するようになる。このとき接続軸Ａ２には上に押し上げる力が作用するが、枝Ｂ３がアームＡに直角に当たっているので動くことはなく、ブレーキ４が車輪２を押さえる力は増加する。Ｔ型のプレートＢが４分の１回転すると、押しバネＡ３でＡは上に押し上げられ、ブレーキ４は車軸車輪２から離れる。Ｃは当たりでプッシュ型ソレノイドＣ１によって上下する。プッシュ型ソレノイドが作動して当たりが下がると当たりの上部Ｃ２はベアリングＢ１を抑えてブレーキを入れた状態になる。プッシュ型ソレノイドの通電がなくなると、図 (ａ)に示すように当たりＣは上に上がり、当たりＣの下端Ｃ３が枝Ｂ３の下端に当たる位置で待機する。渦巻き車輪枠３の回転に伴い枝Ｂ３の下端は車軸１を中心に円運動し、当たりの下端Ｃ３は固定した位置にあってその軌道内に入れば、図３(ｂ)に示すようにＴ型のプレートＢを回転させる。

図４ (ａ)はブレーキの入り切り操作を電磁クラッチで行うもので、中間にスラストベアリングを介してクラッチ板をおえることで、電磁石を固定した状態でも回転体同志の合体が可能となる。Ｄ１は電磁石、Ｄ２は押しバネ、Ｄ３は鉄芯で、これらは車軸を貫通し車体１３に取り付けられ回転しない。Ｄ５は押さえで、Ｄ６はクラッチ板で車軸を貫通する円板で、鉄芯Ｄ３と押しバネＤ２によって押さえられ、スラストベアリングＤ４を介して押さえられるので車軸の周りを回転することが出来る。Ｄ５が押さえられると押さえＤ５とクラッチ板Ｄ６と渦巻き車輪枠３と車軸車輪２は密着して一体になって回転する。車軸車輪２が車軸１と一体なので車軸1の回転がそのまま渦巻き車輪枠３の回転になる。図４(ａ)の電磁クラッチを用いると、渦巻き車輪全体の回転の始動と解除は任意の位置で行うことが出来、ブレーキつきのモーターを用いてブレーキつきのモーターの回転を停止させると、渦巻き車輪は車軸１と渦巻き車輪枠３を合体させたままの状態で回転の途中で回転を停止し待機するようになる。

図４(ｂ)は４駆の渦巻き車輪を持つ台車の昇段中の状態図で、片方の渦巻き車輪が蹴込みに当たって台車の前進を拒み他方の渦巻き車輪が前進して昇段しようとする状態図である。この状態で昇段しようとする渦巻き車輪が回転すれば前進できないので渦巻き車輪の車軸が上段に乗らないようになる。このような事態を避けるため、昇段しようとする渦巻き車輪は蹴込みに当たった渦巻き車輪が前進するまで回転を止めて待っている必要がある。このように渦巻き車輪は平地走行と、渦巻き車輪全体の回転と、渦巻き車輪の回転途中で停止する３つのモードが必要である。この３つのモードは電気的に処理される。

渦巻き車輪が踏面に接して回転するとき前進しながら車軸が上昇するが、渦巻き車輪が蹴込みに接して回転すると、回転のはじめにおいて後退しながら車軸を上げることとなるので、前後の４輪で駆動する階段昇降車を考えると、昇段中に後退する車輪はその他の車輪の昇段を阻止し或いは昇段して上段に乗った車輪を引きずり下ろす事になる。したがって渦巻き車輪は蹴込みにあたらない場所で回転するようにして後退を防止しなければならない。渦巻き車輪は蹴込みに当たらない位置では回転しても後退しない。むしろ前進しながら車軸を上昇させる。渦巻き車輪は蹴込みより遠く離れた位置で回転し始め、車体を上昇させた後は前進しながら上段に倒れこむようにして車軸を上段に乗り移すようにする。渦巻き車輪は渦巻き曲線の外周に並べた複数個の車輪が踏面に接して回転しているとき前進しないが、他の渦巻き車輪が昇段直前で前進しているとき前進してしまい蹴込みに当ることになる。他の渦巻き車輪は前進できず昇段できない。このため渦巻き車輪の回転途中で停止するモードが必要となる。

図５は車体重量を支持する車軸にモーター歯車をとりつけ、モーター歯車の回転を車輪歯車に伝えて平地走行する階段昇降車で、車輪歯車の回転を止めるとモーター歯車が車輪歯車の周りを公転し階段を昇段する車である（特開２００４−１８２２１７参照）。車輪回転軸を中心にして回転するプレートにはモーター歯車とその反対側にジャッキアップ機能が取り付く。モーター歯車の上昇時にジャッキアップ機能は下降する。ジャッキアップ装置にクランクを取り付けたものがあるが、（特願２００５−２６０６１４参照）図５は本発明の渦巻き車輪を取り付ける。

車輪回転軸Ｌには車輪Ｌ１と合体し車輪回転軸Ｌと固定されない車輪歯車Ｌ２と、車輪Ｌ１と遊離し車輪回転軸Ｌに固定されないブレーキ歯車Ｎの２枚の歯車が貫通し、車輪歯車Ｌ２はモーター歯車Ｍ１と噛み合いブレーキ歯車Ｎはモーター歯車Ｍ１と噛み合わない。モーター歯車Ｍ１が回転すると車輪歯車Ｌ２は回転するがブレーキ歯車Ｎは回転しない。ブレーキ歯車ＮにはアームＮ１が取り付きアームＮ１には車輪歯車Ｌ２を抑える爪プレートＮ２を取り付けられる。車輪回転軸Ｌを中心にして回転するプレートＭにはモーター歯車Ｍ１とその反対側に渦巻き車輪Ｍ２が取り付き、渦巻き車輪の車軸に固定される渦巻き歯車Ｍ３がブレーキ歯車Ｎに噛み合う。爪プレートＮ２が車輪歯車Ｌ２を抑えて回転を止めるとモーター歯車Ｍ１が車輪歯車Ｌ２の周りを公転し渦巻き歯車Ｍ３がブレーキ歯車Ｎに噛み合って前進するので渦巻き車輪Ｍ２は自転しながら公転する。渦巻き車輪Ｍ２が公転すると図５(ｂ)に示すように爪プレートＮ２に近づいていくが、渦巻き車輪とブレーキ歯車とは捩りバネ１１でつながり、捩りバネ１１によって引き戻される時自転と公転が逆回転になり、渦巻き車輪は爪プレートとは遠ざかり図５（ａ）に示す平地走行時に戻る。車輪回転軸を中心にして渦巻き車輪と爪プレートが取り付くアームの間の角度は図５（ａ）に示す平地走行時に最大で渦巻き車輪と爪プレートとは一定の位置にあることになる。

モーター歯車が車輪歯車の周りを公転する動きは、階段の蹴込みを感知して爪プレートが車輪歯車を押さえることにより開始する。爪プレートが車輪歯車を押さえると爪プレートと車輪歯車が合体して回転し、爪プレートの爪と反対側の端部がステップ角部に当たる。爪プレートはテコの作用で車輪歯車に強力にブレーキをかけて車輪歯車の回転を止める。車輪歯車の回転が止まりモーター歯車が回転し続けると、モーター歯車は止まった車輪歯車上を前進し、モータープレートは車輪回転軸の周りを回転する。渦巻き車輪歯車は止まったブレーキ歯車の上を前進し自転しながら公転する。

図５(ｂ)に示すように渦巻き車輪が公転しながら自転するので、車輪の下へもぐりこみながら車輪を自転させるので上へ押し上げる。爪プレートによって車輪とステップ角部とは滑りが生じないので車輪回転軸はステップ角部を中心に円運動し、図５(ｃ)に示すように車輪回転軸は上段上空に移る。爪プレートはブレーキ歯車に踏みつけられるようになり半回転するので、ブレーキ歯車とステップ角部の間の空間をくぐり抜けることが出来る。渦巻き車輪がブレーキ歯車と捩りバネ１１でつながっているため、捩りバネ１１によって渦巻き車輪歯車はブレーキ歯車の周りを自転しながら公転する。この動きで渦巻き車輪歯車と爪プレートとの間の角度は増大し、またモーター歯車が最下点に下がるので図５(ａ)の状態に復帰する。

車輪回転軸の両端に図５の車輪が取り付く２輪車を考えるとき、平地走行で方向を自由に変えて走行するには左右の両輪は別々に回転する必要があり、車輪回転軸の中間には差動装置を取り付ける必要がある。しかし階段を昇段する場合、左右両輪は同時に昇段を開始し終了しなければ、車体は左右に傾き片方だけが昇段し他方が落段するような状態になり車体は階段内で転倒することになる。このような事故を防ぐには階段の昇段に際して左右両輪が同時に動く必要があり、差動装置が働かないようにしなければならない。爪プレートが左右のブレーキ歯車を同時におさえ同時に解放するようにして、左右両輪が同時に動くようにするには、左右の爪プレートを一体にしなければならない。左右の爪プレートを一体にすれば、昇段中に左右の両輪が別々の動きをすることはなく、上述の事故は避けられる。左右一体の爪プレートは平地走行と昇段という違ったモードの切換え装置にもなっている。

図５の場合爪プレートＮ２と渦巻き車輪Ｍ２とモーター歯車Ｍ１は車輪回転軸Ｌを中心に回転するのではなく振り子運動をするので、左右の爪プレートＮ２と左右の渦巻き車輪Ｍ２と左右のモーター歯車Ｍ１のそれぞれについて一本の車軸の両端に取り付けて左右両輪が同時に動くようにしても何かに当たって支障をきたすことはない。しかし一本の車軸の両端に図１〜図３に説明した渦巻き車輪を取り付けた場合を考えると、平地走行で左右の両輪は別々に回転する必要があり、車軸の中間には差動装置を取り付ける必要がある。中間には差動装置を取り付けると階段内では左右両輪は同時に動くことはなく片方の渦巻き車輪だけが昇段し他方が落段するような状態になる。階段内で左右両方の渦巻き車輪は同時に動かなければ転倒することになるので、図４（ｂ）に示すように左右両方の渦巻き車輪枠のそれぞれに歯車を取り付け、両端に歯車を固定して取り付けた別の車軸を回すようにする。この車軸は車体に取り付けられ渦巻き車輪が一回転しても何かに当たって支障をきたすことはない。またこの車軸にブレーキを取り付けて、渦巻き車輪枠にかけられたブレーキが解除される時、ブレーキをかければ渦巻き車輪の回転の任意の瞬間に静止させることができ、たとえば平地走行時に渦巻き車輪は一定の姿勢で静止する。図４（ｂ）に示す例では車体に取り付けた車軸の両端に取り付く歯車１９と左右両方の渦巻き車輪枠３に取り付けた歯車１８はそれぞれチェイン２０で連結される。

本発明の階段を昇降する車輪の機能説明図。本発明の階段を昇降する車輪の動作説明図。本発明の階段を昇降する車輪の制御装置の動作説明図。本発明の階段を昇降する車輪の制御装置の動作説明図。本発明の実施例を示す動作説明図。従来の階段を昇降する車輪の説明図

符号の説明

１車軸
２車軸車輪
３渦巻き形状のプレート
４ブレーキ
５複数の接続軸を有するプレート
６両端に接続軸をもつ連結棒
７接続軸を中心に回転するアーム
８回転軸
９引きバネ
１０押しバネ
１１捩りバネ
１２ベアリング
１３車体
１４階段のステップ角部
１５階段の蹴込み部分
１６階段の踏面部分
１７地面
１８左右の渦巻き車輪枠に取り付けた歯車
１９一本の車軸の両端に取り付けた歯車
２０チェイン

Claims

外周が渦巻き曲線の形状の車輪で、回転に伴い車輪径が増大して渦巻き曲線の中心が上下する車輪で、平地では渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪だけが回転して平地走行し、階段内では渦巻き曲線の形状の車輪全体が回転して昇段する車輪で、渦巻き曲線の外周に複数個の車輪を並べて配置することで渦巻き車輪全体が回転したとき前進せずにその場で車軸を上下させ、外周の形状が渦巻き曲線であることで昇段中初めから終わりまで一定の回転力で車輪を浮き上がらせることができ、さらに渦巻き曲線の末端に地面と摩擦があって滑らないタイヤ部分を設けて上段に昇段する際前進するようにした階段を昇降する車輪で、このように渦巻き曲線の外周に複数個の車輪を並べて配置し末端にタイヤ部分を設けたことを特徴とする外周が渦巻き曲線の形状の階段を昇降する車輪。
請求項１の車輪が平地では渦巻き曲線の中心を貫通する車軸に取り付けた車輪だけが回転し階段内では渦巻き曲線の形状の車輪全体が回転するようにする切換え装置で、渦巻き曲線の中心の車軸を貫通し車軸に固定されない渦巻き形状の車輪枠が渦巻き曲線の中心の車軸に固定された車輪の回転を止めることで渦巻き車輪全体が車軸と一体になって回転するようにする切換え装置で、車軸に固定された車輪の回転を止めたり外したりするブレーキ装置が回転してもブレーキ装置を作動させたりさせなかったりするスイッチ装置を回転する渦巻き形状の車輪枠外部の回転しない車体に取り付けることを特徴とする切換え装置で、車軸を中心に回転するブレーキ装置が車体に固定されたスイッチ装置により出し入れされる当たりに当たることで渦巻き車輪全体を回転させたりしなかったりする切換え装置。
請求項２の渦巻き形状の車輪枠が渦巻き曲線の中心の車軸に固定された車輪の回転を止めることで渦巻き車輪全体が車軸と一体になって回転するようにする切換え装置で、車軸を貫通し車体に固定された電磁石がスラスト軸受けを中間に介在させてクラッチ盤を押さえつけ渦巻き形状の車輪枠と車軸に固定された車輪とを密着させたりさせなかったりする切換え装置で、スラスト軸受けを中間に介在させることを特徴とする電磁クラッチ。
車軸の中間に差動装置を取り付けた１本の車軸の両端に請求項１〜３の渦巻き車輪を取り付けた階段を昇降する車において、車体に取り付けた車軸の両端に取り付く歯車と左右両方の渦巻き車輪枠のそれぞれに取り付けた歯車を連動させることで階段内では左右請求項１〜３の渦巻き車輪が同時に動くようにし、車体に取り付けた車軸にブレーキを取り付け渦巻き車輪枠にかけられたブレーキが解除される時、ブレーキをかけて渦巻き車輪の回転の任意の瞬間に静止させる一連の装置。