JP2015047987A

JP2015047987A - 階段昇降機

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Publication number: JP2015047987A
Application number: JP2013181666A
Authority: JP
Inventors: 瀬川　雅也; Masaya Segawa; 雅也瀬川; 元基小竹; Motoki Kotake
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】階段を比較的短時間で昇ることができる階段昇降機を提供する。【解決手段】階段昇降機１は、合成重心Ｇが、支持軸Ｃ２１の鉛直線Ｌｖ上を含む位置から、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上を除く位置までの間の任意の位置に至るように、椅子３２の移動を制御する。これにより、椅子３２の移動量が小さくなるので、昇ることが可能な階段傾斜の範囲を広げることができる。また、椅子３２の移動距離を短くすることができるので、階段昇降機１による階段の昇り動作時間を短縮することができる。【選択図】図１１Ａ

Description

本発明は、人や物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には、４輪を回転可能に支持する支持部と、支持部を転動可能に支持する本体部と、支持部と本体部とを前後に相対移動させるスライド機構とを備えた階段昇降機が記載されている。この階段昇降機は、階段を昇るとき、支持部を転動させつつ本体部を前側へ移動させるようになっている。

また、特許文献２には、４輪を回転可能に支持する支持部と、支持部を転動可能に支持する本体部と、本体部の上面においてスライド機構により前後に移動可能に設けられ、物体の搭載が可能な搭載部とを備えた階段昇降機が記載されている。この階段昇降機は、階段を昇るとき、搭載部を後側に移動させ、支持部を転動させて前輪を階段の壁面に沿って上昇させ、搭載部を前側に移動させて前輪を階段の上段に接地させるようになっている。

また、特許文献３には、４輪を回転可能に支持する支持部と、支持部を転動可能に支持する本体部と、本体部の上面において揺動可能に支持され、物体の搭載が可能な搭載部とを備えた階段昇降機が記載されている。この階段昇降機は、階段を昇るとき、搭載部を前側に揺動させ支持部を転動させて前輪を上昇させ、前輪を階段の上段に接地させるようになっている。

特許第４７３４０３８号公報特開２００３−２８５７４３号公報特開２００４−１７０５号公報

特許文献１−３に記載の階段昇降機では、階段を昇るときに本体部もしくは搭載部を前側に大きく移動もしくは揺動させる必要があるため、昇ることが可能な階段傾斜が制限されることになる。また、階段を昇るときに時間が掛かるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、昇ることが可能な階段傾斜の範囲を広げることができ、階段を比較的短時間で昇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、前記本体部の下部に配置され、前記本体部を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、前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更する変更アクチュエータと、前記第一および第二の回転アクチュエータを駆動し、前記本体部に対して前記搭載部の位置を変更するとともに、前記本体部に対して前記支持部を回転させることにより、前記第一車輪および前記第二車輪を階段のステップ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。

前記制御装置は、前記階段を昇るときに前記階段昇降機の重心の平衡を保つために、前記支持軸に対し鉛直線上を含む位置から、前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上より前記支持軸側の内側位置までの間の任意の位置に、前記変更アクチュエータを駆動して前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更する変更アクチュエータ制御部、を備える。
これにより、本体部に対する搭載部の移動量が小さくなるので、昇ることが可能な階段傾斜の範囲を広げることができる。また、階段昇降機による階段の昇り動作時間を短縮することができる。階段を降りるときにも同様に降り動作時間を短縮することができる。

（請求項２）また、前記変更アクチュエータ制御部は、前記支持軸に対し鉛直線上の位置と前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上の位置との中間位置から、前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上より前記支持軸側の内側位置までの間の任意の位置に、前記変更アクチュエータを駆動して前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更するようにしてもよい。
これにより、移動アクチュエータ６０の負担は若干大きくなるが、安定した制御で階段を昇ることが可能となる。また、階段を降りるときにも安定した制御で階段を降りることが可能となる。

（請求項３）また、前記変更アクチュエータは、前記本体部に対して前記搭載部を前記第一車輪側と前記第二車輪側との間で水平移動する移動アクチュエータであるようにしてもよい。
これにより、物体を含む階段昇降機の重心を階段の壁面側に移動させる制御を容易に行うことができる。

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。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５の起立制御部の機能ブロック図である。図５の切替部による処理を示すフローチャートである。図６の起立制御部による処理を示すフローチャートである。階段昇降機の走行状態であって、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持ち上がった状態であって、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９Ｂの次の状態であって、階段昇降機の前輪が階段の壁面に当接し、搭載部（合成重心）が前方に移動している状態を示す図である。図９Ｃの状態から搭載部（合成重心）が前方に移動した状態を示す図である。図９Ｄ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９Ｅの次の状態であって、搭載部（合成重心）が中央に移動し、公転輪が上死点に達した状態を示す図である。図９Ｆの次の状態であって、搭載部（合成重心）が後方に移動し、公転輪が上段のステップ面に接地した状態を示す図である。階段昇降機が階段を昇るときの重心移動制御の制御ゲインと回転制御の制御ゲインの割合の経時変化を示す図である。搭載部（合成重心）を前方に移動させるときの別形態であって、搭載部（合成重心）の移動範囲を図９Ｄに対応させて示す図である。図１１Ａに示す搭載部（合成重心）の移動範囲のうち、より好ましい移動範囲を示す図である。

（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４を参照して説明する。本実施形態の階段昇降機１は、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場合を説明するが、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、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、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。

搭載部３０は、本体部１０の上部に載置固定された矩形板状の基台３１と、基台３１上に設けられ、人が搭乗可能な椅子３２を基台３１の上面に平行な前後方向に移動する移動アクチュエータ６０等とを備えている。移動アクチュエータ６０（本発明の「変更アクチュエータ」に相当する）は、移動用モータ６１と、移動用減速機６２と、送りねじ部材６３と、ナット部材６４と、一対のガイドレール６５と、２組の一対のスライダ６６等とを備えている。

移動用モータ６１および移動用減速機６２は、基台３１上の後方向中央において図略のモータ軸および出力軸を前方向に向けて固定されている。そして、移動用モータ６１のモータ軸は、移動用減速機６２に連結され、移動用減速機６２の出力軸は、送りねじ部材６３の後方端に連結されている。送りねじ部材６３の前方端は、基台３１上の前方向中央に固定された軸受６７に嵌入されている。ナット部材６４は、送りねじ部材６３と螺合可能に椅子３２の下面中央に固定されている。一対のガイドレール６５は、基台３１上の送りねじ部材６３の両側において前後方向に延びるように互いに平行に配置されている。２組の一対のスライダ６６は、一対のガイドレール６５に沿ってそれぞれ摺動可能に椅子３２の下面四隅にそれぞれ固定されている。

図１および図２に示すように、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と、車輪回転角センサ４４等とを備えている。

図４に示すように、ギヤトレイン４３は、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。支持部２１に対する第一車輪２２（第二車輪２３）の回転角は、車輪回転角センサ４４のセンサ信号、第一のモータ４１の回転数、第一の減速機４２の減速比、およびギヤトレイン４３のギヤ比等に基づいて検出される。

図１および図４に示すように、本体部１０内の左右両側の支持部２１と第一の回転アクチュエータ４０との間には、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、支持部回転角検出センサ５３等とを備えている。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は、支持部２１の中空軸２１ａに連結されている。本体部１０に対する支持部２０の回転角は、支持部回転角検出センサ５３のセンサ信号、第二のモータ５１の回転数、および第二の減速機５２の減速比等に基づいて検出される。

さらに、図１〜図３に示すように、本体部１０内には、第一、第二の回転アクチュエータ４０，５０および移動アクチュエータ６０等の作動を制御する制御装置７０、第一、第二の回転アクチュエータ４０，５０および移動アクチュエータ６０等に電力を供給する駆動用バッテリ８０、および階段昇降機１全体の傾きを検出するジャイロセンサ９１、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。また、搭載部３０の椅子３２の座面３２ａと背もたれ３２ｂとの間の両側もしくは一方の側には、椅子３２に搭乗する人が背もたれ３２ｂに寄り掛かることにより座面３２ａと背もたれ３２ｂとの間に発生するトルク（負荷）を検出する姿勢検出センサ９２が配置されている。なお、姿勢検出センサ９２としては、座面３２ａと背もたれ３２ｂとの間に発生する歪を検出するセンサであってもよい。これにより、椅子３２に人が搭乗して階段を昇っているとき、人は背もたれ３２ｂに背を支えられることが多いので、人に安心感を与えることができ、階段を安定的に昇ることができる。

（２．制御装置の構成）
次に、制御装置７０の構成について、図５を参照して説明する。図５に示すように、制御装置７０は、切替部７１と、走行制御部７２と、起立制御部７３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による制御および起立制御部７３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および起立制御部７３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。

次に、起立制御部７３の詳細構成について、図６を参照して説明する。図６に示すように、起立制御部７３は、第一の回転アクチュエータ制御部７３１と、第二の回転アクチュエータ制御部７３２と、移動アクチュエータ制御部７３３とを備える。
第一の回転アクチュエータ制御部７３１は、ゲイン割合決定部７４０と、駆動部７４１およびゲイン取得部７４２を有する重心移動制御部８１と、駆動部７４３およびゲイン取得部７４４を有する回転制御部８２とを備える。第二の回転アクチュエータ制御部７３２は、支持部回転指令部７５１と、駆動部７５２とを備える。移動アクチュエータ制御部７３３は、基本位置演算部７６１と、補正位置演算部７６２と、駆動部７６３とを備える。

第一の回転アクチュエータ制御部７３１は、第一のモータ４１の回転駆動を制御する。すなわち、ゲイン割合決定部７４０は、階段昇降機１の重心の平衡を保つために、支持部回転角検出センサ５３からのセンサ信号に基づいて、重心移動制御部８１および回転制御部８２の制御ゲインの割合を決定し、重心移動制御部８１のゲイン取得部７４２および回転制御部８２のゲイン取得部７４４にそれぞれ送出する。これにより、本体部１０に対する支持部２１の回転位置に応じて重心移動制御および回転制御の比率を適切な値にすることができるので、階段を安定的に昇ることができる。

重心移動制御部８１の駆動部７４１は、ジャイロセンサ９１からのセンサ信号に基づいて、電流指令をゲイン取得部７４２に送出する。また、回転制御部８２の駆動部７４３は、車輪回転角検出センサ４４からのセンサ信号に基づいて、電流指令をゲイン取得部７４４に送出する。このようにフィードバック制御を行っているので、本体部１０に対する支持部２１の回転位置に応じた重心移動制御および回転制御を正確に行うことができる。

重心移動制御部８１のゲイン取得部７４２は、ゲイン割合決定部７４０からの制御ゲインの割合に基づいて、駆動部７４１からの電流指令を変更して第一のモータ４１の回転駆動を制御するとともに、回転制御部８２のゲイン取得部７４４は、ゲイン割合決定部７４０からの制御ゲインの割合に基づいて、駆動部７４３からの電流指令を変更して第一のモータ４１の回転駆動を制御する。

第二の回転アクチュエータ制御部７３２は、第二のモータ５１の回転駆動を制御する。すなわち、支持部回転角指令部７５１は、支持部２１の回転角指令を駆動部７５２に送出する。駆動部７５２は、支持部回転角指令部７５１からの支持部２１の回転角指令に基づいて、第二のモータ５１の回転駆動を制御する。なお、第二の回転アクチュエータ制御部は、姿勢検出センサ９２からのセンサ信号を入力したとき、ジャイロセンサ９１からのセンサ信号に基づく階段昇降機１の重心に応じた制御を規制するようにしてもよい。これにより、乗員が階段昇降機１を前進させて階段を昇っているとき、乗員が背もたれ３２ｂに負荷を掛けたときに意図しない階段昇降機１の後退を防止することができるので、階段を安定的に昇ることができる。

移動アクチュエータ制御部７３３は、移動用モータ６１の回転駆動を制御する。すなわち、基本位置演算部７６１は、支持部回転角検出センサ５３からのセンサ信号に基づいて、搭載部３０の椅子３２に人が搭乗していないときの階段昇降機１の重心の平衡を保つ本体部１０に対する椅子３２の位置、および搭載部３０の椅子３２に人が搭乗したときの階段昇降機１の重心の平衡を保つ本体部１０に対する椅子３２の位置により、本体部１０に対する椅子３２の基本位置を演算して補正位置演算部７６２に送出する。これにより、椅子３２に搭乗する人が異なっても、階段昇降機１の重心の平衡を保つための本体部１０に対する椅子３２の位置を正確に求めることができるので、階段を安定的に昇ることができる。

補正位置演算部７６２は、姿勢検出センサ９２からのセンサ信号に基づいて、本体部１０に対する椅子３２の補正位置を演算し、基本位置演算部７６１からの基本位置を補正位置で補正した補正移動指令を駆動部７６３に送出する。駆動部７６３は、補正位置演算部７６２からの椅子３２の補正移動指令に基づいて、移動用モータ６１の回転駆動を制御する。ここで、補正位置演算部７６２は、姿勢検出センサ９２からのセンサ信号が検出されたときは、階段昇降機１の重心の平衡ポイントを階段の壁面に対して接近する側に設定する。これにより、階段を昇っている方向（前方）に人が搭乗している階段昇降機１の重心が移動しているので、階段を安定的に昇ることができる。

（３．切替部による処理、起立制御部による処理および階段昇降機の動作）
次に、制御装置７０の切替部７１による切替処理、起立制御部７３による起立制御処理および階段昇降機１の階段の昇り動作について、図７、図８および図９Ａ〜図９Ｇ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）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９Ａ〜図９Ｇ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。

先ず、切替部７１による処理について説明する。図７に示すように、切替部７１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、階段が存在するか否かを判定する（Ｓ２）。そして、階段が存在しない場合は（Ｓ２：Ｎ）、走行制御部７２による図９Ａの四輪走行制御を継続する（Ｓ３）。

つまり、図９Ａに示すように、階段昇降機１は、階段昇降機１と椅子３２に搭乗している図略の人（以下、乗員という）との合成重心Ｇが支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ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。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の回転駆動を制御することで、第一車輪２２および第二車輪２３を前進方向（図９Ａ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の姿勢をジャイロセンサ９１からの検出信号に基づいて制御する。すなわち、走行制御部７２は、合成重心Ｇを支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上に位置させるように、ジャイロセンサ９１からの検出信号に基づいて移動用モータ６１の回転駆動を制御する。ここで、合成重心Ｇは、予め把握している椅子３２を除く階段昇降機１自体の重心と、乗員および椅子３２の重心とを合成したものである。乗員の重心は、ジャイロセンサ９１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、ジャイロセンサ９１の検出値に基づいて合成重心Ｇを算出する。なお、図９Ａにおいては、本体部１０が鉛直状態となり、乗員が搭乗している搭載部３０の椅子（以下、単に「椅子」という）３２が基台３１の略中央に位置しているときに、合成重心Ｇが支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上に位置するとしている。以下の説明では、この椅子３２の位置を原点位置という。

一方、切替部７１は、階段が存在する場合（Ｓ２：Ｙ）には、起立制御部７３による制御に切り替え（Ｓ４）、起立制御の準備に入らせる。つまり、起立制御部７３は、図９Ｂに示すように、第一車輪２２を走行面Ｓｄと階段の上段のステップ面Ｓｕ１との距離、すなわちステップ高さだけ持ち上げ、図９Ｃに示すように階段昇降機１を前進させ、第一車輪２２を階段の上段のステップ面Ｓｕ１および壁面Ｓｗ２に当接させる。なお、図９Ｂ〜図９Ｇについての詳細説明は後述する。

ここで、階段の存在の有無は、例えば、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。また、第一車輪２２が階段の上段の壁面Ｓｗ２に当接したことは、上記段差検出センサの他、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車速センサ等によって検知でき、また第一のモータ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。

一方、切替部７１は、走行制御部７２により制御中でない場合（Ｓ１：Ｎ）またはＳ３，Ｓ４の処理の後、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９Ｃ〜図９Ｇに示すように、公転輪が次のステップ面Ｓｕ２に接地したか否かを判定する（Ｓ１２）。

切替部７１は、公転輪が次のステップ面Ｓｕ２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Ｓｕ２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）、起立制御部７３による制御を継続する（Ｓ１３）。一方、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（Ｓ１５）。

次に、起立制御部７３による起立制御について説明する。図８に示すように、起立制御部７３は、本体部１０に対して支持部２１を回転させ（Ｓ２１）、支持部２１の回転角を検出する（Ｓ２２）。そして、検出した支持部２１の回転角に基づいて、重心移動制御ゲインおよび回転制御ゲインの割合を決定する（Ｓ２３）。ここで、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの和は１となる。回転制御ゲインは、本体部１０に対する支持部２１の回転角の絶対値に関する関数により求めることができる。そして、重心移動制御ゲインは、１から回転制御ゲインを減算した値となる。

起立制御部７３は、現在の重心移動制御ゲインおよび回転制御ゲインを、決定した重心移動制御ゲインおよび回転制御ゲインに変更する（Ｓ２４）。そして、検出した支持部２１の回転角に基づいて、搭載部３０の椅子３２の移動量を演算する（Ｓ２５）。ここで、椅子３２の移動量は、本体部１０に対する支持部２１の回転角の絶対値に関する関数（回転制御ゲインを求める関数とは異なる関数）により求めることができる。これにより、本体部１０に対する椅子３２の位置を、本体部１０に対する支持部２１の回転位置の変化に対応して変化させることができるので、階段を安定的に昇ることができる。

そして、起立制御部７３は、椅子３２にトルクが発生したか否かを判定する（Ｓ２６）。椅子３２にトルクが発生した場合（Ｓ２６：Ｙ）には、椅子３２の補正移動量を演算する（Ｓ２７）。ここで、椅子３２の補正移動量は、Ｓ２５で求めた椅子３２の移動量に所定の係数（姿勢検出センサ９２のセンサ信号が大きくなるに従って大きくなる係数）を乗算することにより求めることができ、椅子３２を階段の壁面側に移動させる移動量である。

そして、起立制御部７３は、椅子３２の原点位置に対し、Ｓ２５で求めた椅子３２の移動量分だけ椅子３２を移動し、もしくはＳ２５で求めた椅子３２の移動量にＳ２７で求めた椅子３２の補正移動量を加味した移動量分だけ椅子３２を移動し（Ｓ２８）、Ｓ２１に戻って上述の処理を階段昇降が終了するまで繰り返す。

次に、起立制御部７３による階段昇降機１の階段の昇り動作について説明する。先ず、図９Ｂに示すように、起立制御部７３は、第一および第二のモータ４１，５１の回転駆動を制御して本体部１０の鉛直状態を維持しつつ本体部１０に対して支持部２１を、走行面Ｓｄと平行な状態（このときの支持部２１の回転角を０度とする）から角度θ１まで図９Ｂの反時計回りに回転させる。つまり、第一車輪２２が、第二車輪２３の車軸２３ａを中心に公転し、階段のステップ高さまで持ち上がる。

この起立制御では、支持部２１の回転角の変化に基づいて、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合を、走行制御のときの１：０（図１０の時点ｔ１）から０．１：０．９（図１０の時点ｔ２）まで変更して第一のモータ４１の回転駆動を制御する。また、移動用モータ６１の回転駆動を制御して椅子３２を支持部２１の回転角とは無関係に階段の壁面Ｓｗ１から離間する側（以下、後方側という）に移動させる。このときの合成重心Ｇは、支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上の位置から第二車輪２３の車軸２３ａの鉛直線Ｌｒ上の位置まで移動する。第一車輪２２が持ち上がった状態で合成重心Ｇが後方側に移動するので、階段昇降機１が後退するおそれがあるが、回転制御ゲインの割合を重心移動制御ゲインの割合より高めているので、階段昇降機１の後退を防止することができる。

次に、図９Ｃに示すように、起立制御部７３は、図９Ｂの状態を維持したまま第一および第二のモータ４１，５１の回転駆動を制御して階段昇降機１を前進させ、第一車輪２２を階段の上段のステップ面Ｓｕ１および壁面Ｓｗ２に当接させる。そして、移動用モータ６１の回転駆動を制御して椅子３２を支持部２１の回転角θ１に基づいて求めた移動位置（本例では、合成重心Ｇが、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上に位置する位置）に向かって前方側に移動させる。そして、移動椅子３２が支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上を通過するとき、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合を、０．１：０．９から０．５：０．５（図１０の時点ｔ３）に変更して第一のモータ４１の回転駆動を制御する。第一、第二車輪２２，２３が接地した状態で合成重心Ｇが中央に移動するので、階段昇降機１は後退するおそれはなく、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインの割合を等しくすることにより階段昇降機１の重心バランスを取ることができる。

次に、図９Ｄに示すように、起立制御部７３は、椅子３２を支持部２１の回転角θ１に基づいて求めた移動位置（本例では、合成重心Ｇが、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上に位置する位置）に移動したら、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合を、０．５：０．５から０．１：０．９（図１０の時点ｔ４）に変更する。ただし、姿勢検出センサ９２からセンサ信号が検出されたときは、求めた補正移動量分Δｍだけ椅子３２を階段の壁面Ｓｗ１に接近する側（以下、前方側という）に移動させる。合成重心Ｇが前方側に移動するので、階段昇降機１が前進するおそれがあるが、回転制御ゲインの割合を重心移動制御ゲインの割合より高めているので、階段昇降機１の前進を防止することができる。

次に、図９Ｅに示すように、起立制御部７３は、第一および第二のモータ４１，５１の回転駆動を制御して本体部１０の鉛直状態を維持しつつ、本体部１０に対して支持部２１を、図９Ｅの時計回りに回転させる。つまり、第二車輪２３が、第一車輪２２の車軸２２ａを中心に公転する。

この起立制御では、支持部２１の回転角の変化に基づいて、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合を、０．１：０．９から変更、すなわち重心移動制御ゲインの割合を徐々に増加（回転制御ゲインの割合を徐々に低下）させて第一のモータ４１の回転駆動を制御する。また、支持部２１の回転角の変化に基づいて、移動用モータ６１の回転駆動を制御して椅子３２を後方側に移動させる。このとき、合成重心Ｇは、支持部２１が回転角０度の状態から角度θ２まで回転（図１０の時点ｔ５）したとすると、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上の位置と支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上の位置との間に位置する。ただし、姿勢検出センサ９２からセンサ信号が検出されたときは、求めた補正移動量分Δｎだけ椅子３２を前方側に移動させる。第二車輪２３が持ち上がった状態で合成重心Ｇが後方側に移動するので、階段昇降機１の重心バランスが不安定になるおそれがあるが、重心移動制御ゲインの割合を高め、回転制御ゲインの割合を低くしているので、階段昇降機１の重心バランスを安定させることができる。

次に、図９Ｆに示すように、起立制御部７３は、図９Ｅに示す制御を継続して公転輪である第二車輪２３を上死点に回転させるとともに、移動用モータ６１の回転駆動を制御して椅子３２を支持部２１の回転角θ３（９０度）に基づいて求めた移動位置（本例では、合成重心Ｇが、支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上に位置する位置）に移動させる。ただし、姿勢検出センサ９２からセンサ信号が検出されたときは、求めた補正移動量分だけ椅子３２を前方側に移動させる。このときの重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合は、０．８：０．２（図１０の時点ｔ６）に変更されている。第一車輪２２、第二車輪２３、支持部２１および搭載部３０が支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上に位置し、合成重心Ｇが中央に移動するので、階段昇降機１の重心バランスが不安定になるおそれがあるが、重心移動制御ゲインの割合を高め、回転制御ゲインの割合を低くしているので、階段昇降機１の重心バランスを安定させることができる。

次に、図９Ｇに示すように、起立制御部７３は、図９Ｆに示す制御を継続して公転輪である第二車輪２３を上段のステップ面Ｓｕ２に接地させるとともに、移動用モータ６１の回転駆動を制御して椅子３２を支持部２１の回転角θ４に基づいて求めた移動位置（本例では、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｒ上に位置する位置）に移動させる。ただし、姿勢検出センサ９２からセンサ信号が検出されたときは、求めた補正移動量分だけ椅子３２を前方側に移動させる。

この起立制御では、支持部２１の回転角の変化に基づいて、重心移動制御ゲインと回転制御ゲインとの割合を、０．８：０．２から０．１：０．９（図１０の時点ｔ７）まで変更して第一のモータ４１の回転駆動を制御する。合成重心Ｇが後方側に移動するので、階段昇降機１が後退するおそれがあるが、回転制御ゲインの割合を重心移動制御ゲインの割合より高めているので、階段昇降機１の後退を防止することができる。以降、図９Ｃから図９Ｇまでの動作を階段を昇り切るまで継続する。

（４．階段昇降機の動作の別形態）
階段昇降機１の動作の別形態について、図９Ｄに対応させて示す図１１Ａ、図１１Ｂを参照して説明する。図９Ｃ，Ｄにおいては、合成重心Ｇが、支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上を含む位置から、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上を含む位置に至るように、椅子３２の移動を制御した。

しかし、合成重心Ｇを第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上の位置に持ってくるとき、搭載部３０上重量に対し搭載部３０下重量が大きい場合には、椅子３２を第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上の位置より前に移動させなければならない。しかし、椅子３２の移動量を大きくすると、昇ることが可能な階段傾斜が制限されることになる。この制限を広げるためには、椅子３２の移動位置を高くするか、搭載部３０上重量を大きくする必要があるが、両方ともに階段の昇り制御が不安定になるおそれがある。

そこで、図１１Ａに示すように、合成重心Ｇが、支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上を含む位置から、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上を除く位置までの間の任意の位置に至るように、椅子３２の移動を制御する。これにより、椅子３２の移動量が小さくなるので、昇ることが可能な階段傾斜の範囲を広げることができる。また、椅子３２の移動距離を短くすることができるので、階段昇降機１による階段の昇り動作時間を短縮することができる。

また、図１１Ｂに示すように、合成重心Ｇが、支持軸Ｃ_２１の鉛直線Ｌｖ上を含む位置と第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上を含む位置との中間の鉛直線Ｌｃ上を含む位置から、第一車輪２２の車軸２２ａの鉛直線Ｌｆ上を除く位置までの間の任意の位置に至るように、椅子３２の移動を制御するようにしてもよい。これにより、移動アクチュエータ６０の負担は若干大きくなるが、安定した制御で階段を昇ることが可能となる。

以上のように、本実施形態の階段昇降機１によれば、搭載部３０の椅子３２を基本位置から階段の壁面側に変更するための補正位置を演算する補正位置演算部７６２を備えている。これにより、物体の姿勢が、椅子３２において変化した場合、椅子３２の位置は、階段の壁面側に変更されるので、階段を昇っている方向（前方）に物体を含む階段昇降機１の重心が移動し、乗員に安心感を与えることができ、階段を安定に昇ることができる。

また、階段を昇るときに階段昇降機１の重心の平衡を保つために、階段昇降機１の重心移動制御ゲインと第一車輪２２および第二車輪２３の回転制御ゲインとの割合を、第一の回転アクチュエータ４０の第一のモータ４１の回転駆動を制御することにより変化させている。これにより、階段昇降機１で階段を昇るときに階段昇降機１における乗員姿勢に応じて第一車輪２２および第二車輪２３を僅かに回転させ、乗員姿勢が不安定になることを防止することができるので、階段を安定的に昇ることができる。

なお、上記実施形態において、搭載部３０を水平移動させる移動アクチュエータ６０を備えた構成の階段昇降機１について説明したが、移動アクチュエータ６０の代わりに搭載部を本体部に設けた回転軸を中心に前後方向に回転させる回転アクチュエータ（本発明の「変更アクチュエータ」に相当する）を備えた構成の階段昇降機に対しても本発明を同様に適用可能である。また、本発明は階段を降りるときにも適用可能であり、階段を安定的に昇降することができる。

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、３２ｂ：背もたれ、４０，５０：回転アクチュエータ、４４：車輪回転角検出センサ、５３：支持部回転角検出センサ、６０：移動アクチュエータ（変更アクチュエータ）、７０：制御装置、７１：切替部、７２：走行制御部、７３：起立制御部、９１：ジャイロセンサ、９２：姿勢検出センサ、７３１：第一の回転アクチュエータ制御部、７３２：第二の回転アクチュエータ制御部、７３３：移動アクチュエータ制御部、７４０：ゲイン割合決定部、７６１：基本位置演算部、７６２：補正位置演算部、Ｇ：合成重心

Claims

本体部と、
前記本体部の下部に配置され、前記本体部を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、
前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更する変更アクチュエータと、
前記第一および第二の回転アクチュエータを駆動し、前記本体部に対して前記搭載部の位置を変更するとともに、前記本体部に対して前記支持部を回転させることにより、前記第一車輪および前記第二車輪を階段のステップ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、
前記階段を昇るときに前記階段昇降機の重心の平衡を保つために、前記支持軸に対し鉛直線上を含む位置から、前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上より前記支持軸側の内側位置までの間の任意の位置に、前記変更アクチュエータを駆動して前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更する変更アクチュエータ制御部、を備える階段昇降機。
前記変更アクチュエータ制御部は、
前記支持軸に対し鉛直線上の位置と前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上の位置との中間位置から、前記階段の壁面側の前記車軸に対し鉛直線上より前記支持軸側の内側位置までの間の任意の位置に、前記変更アクチュエータを駆動して前記本体部に対して前記搭載部の位置を相対的に変更する、請求項１の階段昇降機。
前記変更アクチュエータは、
前記本体部に対して前記搭載部を前記第一車輪側と前記第二車輪側との間で水平移動する移動アクチュエータである、請求項１又は２の階段昇降機。