JP2007314078A - キャリー - Google Patents

Abstract

【課題】個人が荷物を運ぶ際にかかる平地及び階段昇降時での負担を低減するためのキャリーを提供するものである。
【解決手段】荷台本体５と、前記荷台本体５に取り付けられた車輪６、７と、前記車輪の回転速度を検出して、その検出信号により前記車輪を一定速度で駆動するモータ１３、１４とを備え、段差を昇るときは、前記車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように前記車輪を一方向に回転させて昇るためのアシスト力を得、前記段差を降りるときは、前記車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように前記車輪を他方向に回転させて、降りる力を軽減させるためのアシスト力を得るようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、個人が荷物を持ち運ぶ際に使用するキャリーに関する。

従来より、個人が荷物を持ち運ぶ際に、二輪の従動輪を持つ簡易型台車が広く用いられており、平地での移動において個人の負担を軽減している。また、業務用に提案されている運搬機器としては、車輪の形状を４角形として、各頂点に車輪を取り付けることで階段を昇れるようにしたタイプのキャリーなどがある。そのほか、モータで車輪を回して運搬をアシスト（補助）しようという提案もされている。例えば、独AAT社のカーゴマスタは重量物を運送するためのカートで、電動式ロボットアームを使い、作業者一人で重量物を荷台に載せたまま階段を昇降できる。

また、特許文献１には、走行用車輪と副車輪を有し、副車輪に対してエアシリンダーによる制御装置を設け、この副車輪によって階段昇降時の負担を軽減されるようにしたキャリーが開示されている。
さらに、特許文献２には、駆動輪によって非力な人でも平地での牽引を楽にするように構成したキャリーが開示されている。
特開平８−１０８８５２公報 特開平９−７１２４４号公報

近年の高齢化にともない、社会で積極的に活動しようとする高齢者の増加が予想されるなか、身体的に筋力が落ちがちな高齢者にとっては、少しでも荷物を楽に持ち運びたいというニーズがある。

ところが、現在広く普及している簡易型台車には、移動時に台車を使用者の後方において引くことにより、安全性に欠けるという問題点と、使用者の後方を歩く人のパーソナルスペース（視界方向に長く左右側方に短い自分を取り巻く楕円形）を侵害してしまうという問題点がある。

また、階段昇り時は、台車自体を地面から持ち上げて運ぶ必要があり、持ち上げる際には荷物以上の力が必要となる。例え、持ち上げずに階段面に沿って車輪を上げようとしても、車輪が階段の側面を昇るときに、上向きに荷物の重さと等しい力を出す必要がある。

更に、階段降り時もまた、台車を持ち上げて運ぶ必要がある。車輪を持ち上げずに、前方に台車を置き、階段に沿って下ろそうとすると、急激な下向きの加速により、荷物の重さが急に手にかかるので使用者の負担が大きい。また、加速したまま階段の水平面（踏面）に台車が衝突することは、搭載している荷物に悪影響を与える。

このように、通常の簡易型台車では、階段昇降時における使用者の負担の軽減は図られていない。また、現在提案されている階段昇降機能のついた台車や、モータで車輪を回すような台車は、重量も重く、業務用であるため個人の使用に向かない。

本発明は、上述の点に鑑み、個人が通常の移動範囲（平地、階段）において、少ない力で楽に、安全に荷物を持ち運ぶことができるキャリーを提供するものである。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明に係るキャリーは、荷台本体と荷台本体に取り付けられた車輪と、車輪の回転速度を検出して、その検出信号により車輪を一定速度で駆動するモータとを備える。そして、段差を昇るときは、車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように車輪を一定方向に回転させて昇るためのアシスト力を得、段差を降りるときは、車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように車輪を他方向に回転させて、降りる力を軽減させるためのアシスト力を得るようにしたことを特徴とする。

本発明のキャリーでは、モータによって一定速度で駆動する車輪を備えているので、この駆動輪によりアシスト力が得られ、平坦な道、あるいは段差の昇り降りにおける持ち上げる、あるいは持ち下げる力が軽減される。

本発明に係るキャリーは、上記キャリーにおいて、車輪に対する荷台本体の角度を変える手段が設けられていることを特徴とする。

本発明のキャリーでは、車輪に対する荷台本体の角度を変える手段を備えることにより、段差の昇り降り時に荷台本体の角度を車輪に対して変えて、段差の蹴込板に車輪を押し付けることができる。

また、本発明に係るキャリーは、上記キャリーにおいて、一対の車輪が設けられており、一対の車輪の夫々が個別に駆動制御されることを特徴とする。

本発明のキャリーでは、一対の車輪の夫々を個別に駆動制御できるように構成することにより、キャリーの左右への進路変更が容易になる。

本発明に係るキャリーによれば、モータで駆動する車輪によって、使用者の前方に置かれたロボットが使用者を引っ張るようにして進むことができるようになり、使用者の走行時の負担が少なくなる。更には、キャリーを使用者の前方に置くことにより、他人のパーソナルスペースの侵害を避けることができるうえ、荷物の安全性も確保できる。また段差を昇るときは、車輪を段差の蹴込板に押し付けて上向きの力を出すように車輪を一方向に回転させて昇るためのアシスト力を得、段差を降りるときは、車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように車輪を逆方向に回転させて、降りる力を低減させるためのアシスト力を得ることによって、段差の昇降時における使用者の負担を軽減させることができる。

本発明に係るキャリーにおいては、車輪に対する荷台本体の角度を変える手段により、車輪を移動させることによって、車輪の大きさに係わらず段差の蹴込板に車輪を押し付けることができる。その為、車輪の蹴込板への押し付け力とモータによる車輪の回転がもたらすアシスト力によって昇降時における使用者の負担を軽減させることができる。

本発明に係るキャリーにおいては、一対の車輪を個別に駆動制御できるので、キャリーの左折、右折の際に、曲率の大小に係わらずキャリーをスムーズに進路変更させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明に係るキャリー、いわゆる、パーソナルキャリーロボットの一実施の形態を示す。本実施の形態に係るキャリー１は、グリップ２を有する背もたれ部３と、この背もたれ部３から略直角前方に延長する荷台部４とからなる荷台本体５と、背もたれ部３の垂直下に取付けられた２つの駆動輪６、７とを有して構成される。この２つの駆動輪６、７は、夫々上端を背もたれ部３に回動可能に取付けた棒状の支持体８、９の下端に支持される。支持体８、９は、背もたれ部３の両側から突出する係止部１１に、支軸１２を介して回動可能に取付けられる。２つの駆動輪６、７は夫々個別に制御されるモータ１３、１４によって駆動される。

さらに、キャリー１は、駆動輪６、７、すなわち駆動輪６、７を支持する支持体８、９に対して荷台本体５を所要の角度に変える手段１６と、荷台部４の前端に対の脚体を介して設けた２つの補助輪１７、１８とを有する。角度を変える手段１６は、例えば伸縮自在の直動シリンダー（例えば商品名：シリノイド）で構成することができる。この直動シリンダー１６は、荷台部４の下面に空間を挟んで配置され、その一端が駆動輪６、７を支持する２つの支持体８、９間に差し渡された支持部材１９に固定されると共に、そのシリンダロッド１６ａの先端が荷台部４の下面より一体に突出する係止部２０に固定されて構成される。さらに、背もたれ部３の背部には、駆動輪６、７及びシリンダー１６を駆動制御するための、後述する制御装置２１が配置される。また、図示していないが、荷台部４から接地ワイヤーを設けることもできる。

このキャリー１では、シリンダー１６が駆動しないときは、駆動輪６、７の支持体８、９と荷台本体５の背もたれ部３が垂直となり荷台本体５が傾かない状態となり、シリンダー１６が駆動してシリンダロッド１６ａが伸びたときには、駆動輪の支持体８、９に対して荷台本体が所要の角度θで傾く状態となる（図４Ｂ参照）。ここで、駆動輪６、７の接地面から支持体８、９の支軸１２までの高さＨは、建築基準法により定められた階段の段差（最大段差）において、シリンダー１６により荷台本体５を傾けたときに背もたれ部３が階段の蹴込板（いわゆる段差面）に当接せず、駆動輪６、７が蹴込板に押し付けられるに十分な距離を有する。

図２は、本キャリーの背もたれ部３の背部の概観図である。背もたれ部３の背部に配置した制御装置２１は、制御ハードウェアと各制御スイッチ等で構成される。背もたれ部３の中心には制御ハードウェアを有する。制御ハードウェアは、制御用コンピュータ３１、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）基板による信号処理手段３２、シリンダー１６を動かすためのモータドライバ３３、駆動輪６、７を駆動させるためのモータドライバ３４、３５、電源装置３６、及びバッテリ３７より構成される。また、背もたれ部３下端には、電源スイッチ３８及び充電用端子３９が設けられている。

また、背もたれ部３の上部及び、グリップ２は、走行時に使用者が操作するためのユーザインターフェイス部４０を構成する。グリップ２には、使用者が走行する際中に特に必要な操作部が設けられている。グリップ２は背もたれ部３の上方延長上に設けられ、使用者が握りやすいように、円筒状などの仕様になっている。また、グリップ２は、使用者が動作しやすいように微少に回転するような遊びがあってもよい。

グリップ２上部に取り付けられた操作部の一部であるジョイスティック４１は駆動輪の前後左右の速度及び発生力を調整するための操作部であり、内部は二軸の可変抵抗である。ジョイスティック４１を、走行中に図３で示される様に前後又は左右に適宜倒すことによって、前後の速度、又は、左右への発生力を制御することができる。ジョイスティック４１を前に倒せば、前進する速度が増し、逆に後ろに倒せば後進する速度が増す。また、左に倒せば左に曲がろうとする発生力が増し、右に倒せば右に曲がろうとする発生力が増す。そして、これらの速度及び発生力は傾き量によって決定される。すなわち、傾き量が大きいほど、前進または後退の速度、あるいは左又は右に曲がろうとする発生力は大きくなる。また、ジョイスティック４１はばね力により自動的に中心に戻る。グリップ部２には、ブレーキボタン４５を取り付け、急停止などに用いることもできる。

ユーザインターフェイス部４０の下部（背もたれ上部）に取り付けられた制御モード切替スイッチ４２はサーボフリーモード、位置指令モード、力指令モードなどの車輪制御モードを切り替える際に用いられる。車輪制御モードは、平地走行時、階段昇降時に随時切り替えを行う。

また、折り曲げ（伸び）スイッチ４３は、背もたれ部３に回動可能に取り付けられた支持体８、９を通常状態（図４Ａ参照）から、階段昇降状態（図４Ｂ参照）にするためのスイッチで、折り曲げ（縮み）スイッチ４４は、階段昇降状態から通常状態に戻すためのスイッチである。階段昇降状態において、駆動輪６、７及び支持体８、９は、シリンダー１６が伸びることによって駆動輪部分が後方に変移し、それにともなって駆動輪６、７が、図６に示すように階段５１の蹴込板５２に押し付けられるようになる。また、駆動輪６、７が後方に変化することによって階段昇降時における階段の踏面５３の先端と荷台本体５の干渉を防ぐ。

次に、本キャリー１の動作について説明する。平地走行、階段昇降での駆動輪6、７の速度は、制御装置すなわちモータ１３、１４によって、後述するように一定速度に設定されている。まず、平地走行時では、図５のように使用者５４の前方に置く。そして、前方に置かれたキャリー１は駆動輪６、７のモータ１３、１４によって積極的に使用者を前方に引っ張る形で前進する。もしモータが無かったら、使用者５４が押す力はＦだけいるが、モータの前進するアシスト力Ｔがあることによって、使用者５４はＦからモータによるアシスト力Ｔを差し引いた力、ｆの力で荷物を運べることになる。このように、平面を走行時使用者は、モータ１３、１４によるアシスト力Ｔ分低減された力で荷物を運ぶことができる。平地走行時の駆動輪６、７の制御モードは速度目標値に対するＰＩ制御、速度目標値に対するＰ制御、トルク制御などがある。

次に、階段昇り時は、図６に示すように、シリンダー１６を伸ばして駆動輪６、７に対して荷台本部５を傾け、階段５１の蹴込板５２に駆動輪６、７が接触しやすい形状（図４Ｂ参照）にする。そして、使用者５４は、本キャリー１を自分の後方に置き引っ張り上げる力Ｆ２を加える。これによって駆動輪６、７は階段５１の蹴込板５２に押し付けられる。この状態で駆動輪６、７をモータ１３、１４によって昇る方向５５に回転させると、押し付け力F２ｘによって生じる摩擦力によって駆動輪６、７はすべることなく階段の蹴込板５２を昇る力（上向きの力）Ｔ２を生じる。垂直上向きの力と荷物を含む本キャリー１に係る重力Wがつりあったときにキャリー１は持ち上がるので、この力Ｔ２が使用者５４による引っ張り力Ｆ２をアシストすることになり、使用者５４は楽に荷物を上げることができる。このとき、駆動輪６、７の制御モードは、蹴込板５２を昇り終えたときに負担が減少して急激に加速するのを防ぐために、速度を目標値としたＰＩ制御とするのが好ましい。

また、階段降り時についても昇り時と同様、図７に示すようにシリンダー１６を伸ばして、荷台本体５を駆動輪６、７に対して傾け、階段５１の蹴込板５２に駆動輪６、７が接触しやすい形状（図４Ｂ参照）にする。そして、使用者５４は本キャリー１を自分の前方に置き、引っ張り上げる力Ｆ３を加える。これによって、駆動輪６、７は階段の蹴込板５２に押し付けられる。この状態で駆動輪６、７を回転（矢印方向の回転：図６の昇り時の矢印の回転方向と逆方向の回転）５６させると、キャリー１自身が一定速度で降りようとする力Ｔ３（上向きの力）を生じるため、キャリー１が重力により急激に加速して、路面に衝突し、大きな加速度を発生することを防ぐことができる。つまり、重力による加速度を制御されたモータ１３、１４で抑えることができる。重力による加速度が抑えられるため、使用者５４の負担は軽減される。駆動輪６、７の制御モードは、昇りの場合と同様に速度を目標値としたＰＩ制御とするのが好ましい。

このように、階段を昇るときと降りるときどちらの時も、駆動輪６、７が進行方向に一定速度で進もうとする力と、駆動輪が階段５１の蹴込面５２に押し付けられる力によって発生した摩擦力とが互いに作用しあって、使用者５４の負担を軽減する結果となる。

図８は、駆動輪６、７が階段昇降時に使用者にもたらすアシスト力をわかりやすく示したグラフである。横軸は、荷物を含むキャリーロボット全体にかかる重力で、縦軸は人間が必要とする力である。比例直線Ｉは、アシスト力を使用せず、使用者の力だけで荷物を運ぶときのグラフであり、比例直線IIは、本実施の形態によるアシスト力を付加して荷物を運ぶときのグラフである。アシスト力を加えることによって、比例直線IIは全体的に下がり、同じ重さの荷物を従来の力よりも小さな力で運ぶことが可能になることがわかる。すなわち、図８に示すように、アシスト力を用いない従来の場合に、仮に１０ｋｇｆの荷物を運ぶのに、使用者が１０ｋｇｆの必要としたとき（直線Ｉ）、アシスト力を付加することによって、使用者は例えば８ｋｇｆの力で済むことになる（直線II）。また、使用者が同じ１０ｋｇｆで運ぶときには、例えば１２．５ｋｇｆの荷物を運ぶことが出来る。このように、駆動輪６、７が階段の蹴込板５２に押し付けられ、かつ、駆動輪６、７が制御されることによって得られるアシスト力は、使用者の階段昇降時の負担を軽減させることが視覚的にわかる。

本キャリー１に設けられた前述の制御ハードウェアは、二個の駆動輪６、７を夫々のモータ１３、１４により回転させる駆動用メカニズムと、駆動輪６、７を階段の蹴込板５２に接触させるための駆動輪変移メカニズムの２つの要素を制御できるように構成される。二個の駆動輪６、７の制御ループは夫々独立している。

図９は、片方の駆動輪、本例では駆動輪６のモータ１３における駆動メカニズムのブロック図である。モータ１３の制御部６０は、駆動輪６を駆動するモータ１３と、駆動輪６の回転数を検出する回転検出手段６１、エンコーダカウンター６２とＦＰＧＡを有する基板を用いた信号処理回路６３と、比較調整するためのコンピュータ６４と、モータドライバ６５から構成される。速度ＰＩ制御、トルク制御などを用いるために、フィードバック制御ループを構成する。ジョイスティック４１によって、駆動輪６の回転速度の指令値６６が設定され、この指令値６６がコンピュータ６４に入力される。コンピュータ６４からの指令値に基づく出力によって、モータドライバ６５を介しモータ１３が駆動され、駆動輪６が一定速度で回転される。指令値６６に対して、回転速度が変わってきたときには、回転検出手段６１によって回転数が検出され、エンコーダカウンター６２からの回転数に応じたカウントがコンピュータ６４にフィードバックされる。アナログ的に入力された指令値６６と、駆動輪６からデジタル的にフィードバックされた値が、コンピュータ６４によって比較され、調整され、そしてその値がモータドライバ６５に送られ、駆動輪６が動かされる。このようなループ状の制御によって、速度を一定に保つことができる。

そして、もう一方の駆動輪７の駆動メカニズムも同様の構成をとり、左右二つの駆動輪６、７は夫々独立に駆動する。よって、使用者が左または右へ曲がるためにジョイスティック４１を操作した場合、左右の駆動輪６、７にそれぞれ異なる回転数が与えられることによって、本キャリー１の走行方向が変化する。

図１０は、シリンダー１６の制御メカニズムである。階段昇降時に折り曲げ（伸び）スイッチ又は折り曲げ（縮み）スイッチ４３、４４を押すことによって、シリンダー１６の制御部６７を構成するモータドライバ６８に指令が送られ、シリンダー１６が伸び縮みする。そしてシリンダー１６が伸びることによって、駆動輪６、７を下端に有する支持体８、９（図１）が一定角度背もたれ部３（図１）に対して傾くようになる（図４Ｂ参照）。また、昇降状態から通常時に戻るときは、シリンダー１６が縮むことによって、支持体８、９はもとのように、背もたれ部３と平行になる（図４Ａ参照）。

上述の本実施の形態に係るキャリー１によれば、従来の簡易型台車で必要であった、平地及び階段昇降時における使用者にかかる負担を少なくすることができる。また、本実施の形態のキャリー１は、簡単な構造と制御方法からなるため、将来の歩行者支援のプラットホーム（基盤）となり得る。

尚、駆動輪６、７を大きく形成して、荷台本体５を傾けたときに、段差の踏面先端に荷台本体５が当接せず、駆動輪６、７を蹴込面５２に押し付けることのできる構成では、シリンダーを含む台車を傾ける手段を省略することができる。

本発明に係るキャリーの一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係るキャリーの制御装置の例を示す構成図である。 図２におけるジョイスティックの動作説明図である。 Ａ、Ｂ 本実施の形態のキャリーの、シリンダー駆動に基づく２つの状態を示す状態図である。 本実施の形態のキャリーの平地走行時の動作図である。 本実施の形態のキャリーの階段昇り時の動作図である。 本実施の形態のキャリーの階段降り時の動作図である。 本実施の形態のキャリーのアシスト力の視覚的理解図である。 駆動輪の制御を示すブロック図である。 シリンダーの制御を示すブロック図である。

符号の説明

１・・本発明のキャリー、２・・グリップ、３・・背もたれ部、４・・荷台部、５・・荷台本体、６、７・・駆動輪、８、９・・支持体、１１・・係止部、１２・・支軸、１３、１４・・駆動輪のモータ、１６・・シリンダー、１６a・・シリンダロッド、１７、１８・・補助輪、１９・・支持部材、２０・・シリンダーの係止部、２１・・制御装置、３１・・コンピュータ、３２・・信号処理手段、３３・・シリンダーモータドライバ、３４、３５・・駆動輪のモータドライバ、３６・・電源装置、３７・・バッテリ、３８・・電源スイッチ、３９・・充電用端子、４０・・ユーザインターフェイス部、４１・・ジョイスティック、４２・・制御モード切替スイッチ、４３・・折り曲げ（伸び）スイッチ、４４・・折り曲げ（縮み）スイッチ、５１・・階段、５２・・階段の蹴込板、５３・・階段の踏面、５４・・使用者、５５・・昇り時の車輪の回転方向、５６・・降り時の車輪の回転方向、６０・・駆動輪の制御部、６１・・回転検出手段、６２・・エンコーダカウンター、６３・・信号処理手段、６４・・コンピュータ、６５・・駆動輪のモータドライバ、６６・・指令値、６７・・シリンダーの制御部、６８・・シリンダーのモータドライバ、

Claims (3)

1. 荷台本体と、
   前記荷台本体に取り付けられた車輪と、
   前記車輪の回転速度を検出して、その検出信号により前記車輪を一定速度で駆動するモータとを備え、
   段差を昇るときは、前記車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように前記車輪を一方向に回転させて昇るためのアシスト力を得、
   前記段差を降りるときは、前記車輪を段差面に押し付けて上向きの力を出すように前記車輪を他方向に回転させて、降りる力を軽減させるためのアシスト力を得るようにした
   ことを特徴とするキャリー。
2. 前記車輪に対する前記荷台本体の角度を変える手段が設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のキャリー。
3. 一対の前記車輪が設けられ、
   前記一対の車輪の夫々が個別に駆動制御される
   ことを特徴とする請求項１または２記載のキャリー。

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