JP2015093540A - 運搬台車 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷を軽減できる補助機構を備えた運搬台車を提供する。【解決手段】二つの主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌが同軸で本体部１１０の下部に設けられている。さらに、運搬台車１００は、使用者が手で握るためのハンドル部１２４を先端に有するアーム部１２０を備える。本体部１１０とアーム部１２０とは、車輪１３０Ｒ、１３０Ｌの軸を回転軸として一体的に傾動し、使用者がハンドル部１２４を引くまたは押した際には、運搬台車１００は使用者側に傾倒した状態で走行する。ハンドル角度センサ１４１は、ハンドル部１２４の折れ曲がり角度を検出する。目標傾斜角設定部１６３は、使用者がハンドル部１２４に対して行う動作に基づいて本体部１１０が目標とする傾斜角度を求める。制御部１６０は、目標傾斜角設定部１６３にて設定された傾斜角を目標傾斜角とする倒立振り子制御を行う。【選択図】図６

Description

本発明は運搬台車に関する。特に、使用者に掛かる荷重の負担を軽減できる運搬台車に関する。

押したり引いたりする運搬台車がある。使用者に掛かる荷重の負担を軽減するため、モータ動力を使用するものなどが各種提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。

特開２００１−０８７０２４号公報 実用新案登録第３１３６１５３号

しかし、運搬台車を押したり引いたりするときの力学的な力の釣り合いを改めて詳細に考えると、単に車輪をモータで駆動させるだけでは補助機構として不十分である。この問題を図２５を用いて説明する。図２５において、人が運搬台車１０を牽引している様子を示す。
運搬台車１０は、
荷を収納する荷台部１１と、
荷台部１１の下部において同軸に設けられた二つの車輪１２と、
使用者が手で握るためのグリップ１４を先端に有するアーム部１３と、を備えている。
（なお、図２５では、側方視しているので、二つの車輪が重なっている。）

人が運搬台車１０を牽引する場合、人はグリップ１４を手で掴み、このグリップ１４を引く。人がグリップ１４を持って運搬台車１０を牽くと、運搬台車１０は、傾き角度θ_１分だけ前方に傾いた状態で牽引されることになる。このとき、腕に注目すると、腕は運搬台車１０によって後方に引っ張られる。腕が鉛直線となす角度をθ_２とすると、腕の角度θ_２は運搬台車の傾斜角度θ_１よりも小さいであろう。このように、腕が後ろに引っぱられ、鉛直線からやや傾き（θ_２）を持った状態で、人は運搬台車１０を牽引する。

ここで、
運搬台車の重心位置をｈ、
運搬台車の質量をＭ、
重力加速度をｇとする。
（運搬台車の重心位置ｈというのは、運搬台車が起立した状態のときに、運搬台車の重心が路面から高さｈにある、という意味である。）
すると、傾き角度θ_１による回転力（トルクモーメント）Ｔ［Ｎｍ］は次式であらわされる。

また、アーム部１３と腕とは真っ直ぐにならず、アーム部１３と腕とがある角度（例えばβ）をなす。そこで、人の牽引力Ｆのうちで運搬台車１０が倒れ込もうとする回転力と釣り合う力をＦｖとする。（すると、Ｆｖ＝Ｆ・sinβとなる（図２６を参照されたい））。

運搬台車１０が倒れずに傾きを維持するためには、この力Ｆ_Ｖが前述の回転力Ｔと釣り合わなければならない。車輪１２の接地点からグリップ１４までの高さをＨとする。（グリップ１４までの高さがＨとは、運搬台車１０が起立した状態のときに、グリップ１４が路面から高さＨにある、という意味である。）

なお、左辺でcos（９０°−θ_１）を乗算しているのは、アーム部１３に垂直な方向の力Ｆ_Ｖのうちの鉛直方向成分を取り出すための演算である。上記式を整理すると次式となる。

具体例として、
荷物と運搬台車との合計質量Ｍを５．０［ｋｇ］、
グリップまでの高さＨを８０［ｃｍ］、
運搬台車の重心高さｈを２０［ｃｍ］、
重力加速度ｇを９．８［ｍ／ｓ^２］、とする。
この場合、運搬台車１０が倒れないようにするために必要な力Ｆ_Ｖは次のようになる。

従って、人の腕には、アーム部１３に垂直な方向に関して１．２５［ｋｇ］の負荷、つまり荷物と運搬台車１０との合計質量の１／４が掛かっていることになる。この負荷は腕の疲労感を誘発する原因の１つとなる。このように運搬台車１０を牽引する場合、進行方向に対する負荷だけでなく、垂直方向にも負荷が掛かっていることに注意しなければならず、補助機構を設けるにあたっては垂直方向についても補助の対象とする必要がある。これが本発明が解決しようとする課題である。

本発明の運搬台車は、
荷を積載または収納する荷台部を有する本体部と、
前記本体部の下部に設けられた一または同軸の二以上の主車輪と、
前記主車輪を駆動させるモータと、
前記モータを駆動制御する制御部と、
前記本体部に対して立ち上がる向きに設けられ、使用者が手で握るためのハンドル部を先端に有するアーム部と、を備え、
前記本体部と前記アーム部とは、前記主車輪の軸を回転軸として一体的に傾動し、
使用者が前記ハンドル部を引くまたは押した際には、使用者側に傾倒した状態で走行する運搬台車であって、
前記使用者が前記ハンドル部に対して行う動作に基づいて前記本体部が目標とする傾斜角度を求める目標傾斜角設定手段を備え、
前記制御部は、前記目標傾斜角設定手段にて設定された傾斜角度を目標傾斜角とする倒立振り子制御を行う
ことを特徴とする。

本発明では、
前記ハンドル部は、前記アーム部に対して揺動可能に設けられており、
前記ハンドル部の前記アーム部に対する傾斜角を検出するハンドル角度センサが設けられ、
前記目標傾斜角設定手段は、前記ハンドル角度センサにて時々刻々検出されたハンドル角度を積算した値を前記目標傾斜角に設定する
ことが好ましい。

本発明では、
前記ハンドル部には、使用者の手による引く力または押す力を検出する力センサが設けられ、
前記制御部は、前記力センサによる力の検出値から目標加速度を算出する目標加速度算出部を有し、
前記目標加速度算出部は、
前記力センサによる力の検出値が増加する場合に適用される第１関数と、
前記力センサによる力の検出値が減少する場合に適用される第２関数と、を格納し、
前記第２関数には、少なくとも、負の加速度を与える領域がある
ことが好ましい。

本発明では、
さらに、
先端に補助輪を有し、かつ、前記主車輪の回転軸と平行な軸を揺動軸として基端側が前記本体部に軸支された補助脚部を備え、
前記補助脚部は、使用者による前記アーム部の操作に連動して、前記本体部から使用者側に向けて展開し、かつ、所定角度で固定される
ことが好ましい。

本発明では、
前記アーム部が前記本体部に対してスライド可能に設けられており、
前記アーム部の基端および前記補助脚部の基端の少なくとも一方には、前記アーム部のスライド移動に連動して前記補助脚部を押し出すカムが設けられている
ことが好ましい。

本発明では、
前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とは嵌脱可能な嵌合構造になっており、
前記補助輪が路面から押されると、前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とが互いに押し合い、前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とが強く嵌合することによって前記補助脚部が固定される
ことが好ましい。

運搬台車の斜視図。 運搬台車を牽引している様子を示す図。 グリップの断面構造を示す図。 運搬台車の変形例を示す図。 運搬台車の側面図。 運搬台車を牽引している様子を示す図。 運搬台車を後ろ側から見た図。 運搬台車を後ろ側から見た一部破断図。 コントローラの機能ブロック図。 モータトルク指令を生成する手順を示すフローチャート。 現在状態検出工程の処理手順を示すフローチャート。 目標速度設定工程の処理手順を示すフローチャート。 加速度関数の例を示す図。 目標傾斜角設定工程の処理手順を示すフローチャート。 積算値Φの意味を説明するための図。 積算値Φの意味を説明するための図。 積算値Φの意味を説明するための図。 積算値Φの意味を説明するための図。 積算値Φの意味を説明するための図。 グリップ部にアクセルレバーを設けた図。 本体部を一部破断してアーム部と補助脚部とを説明するための図。 アーム部が上位置に移動した状態を示す図。 運搬台車が前傾して補助輪が地面に接地した状態を示す図。 押し車とした場合の一例を示す図。 課題を説明するための図。 課題を説明するための図。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の運搬台車に係る第１実施形態について説明する。
図１は、運搬台車の斜視図である。
運搬台車１００は、例えば車輪付きの旅行用キャリーバッグのように、人が牽引することで荷物を運搬するためのものである。牽引されて進む方向を前方とし、前を向いた状態で右と左とをそれぞれ規定する（図１参照）。また、地面に近いほうを下とする。

運搬台車１００は、荷台部１１２を有する本体部１１０と、本体部１１０から立ち上がるように設けられ、ユーザが手で握るためのハンドル部１２４を先端に有するアーム部１２０と、本体部１１０の下部において同軸に設けられた二つの主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌと、状態検出のための複数のセンサ１４１−１４４と、主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌを駆動するための電動部１５０と、を備える。

本体部１１０は、本体フレーム１１１と、この本体フレーム１１１に設けられた荷台部１１２と、を有しており、運搬台車１００のメインボディとなる部分である。
本体フレーム１１１の形状を限定する必要は全く無いのであるが、例えば、図１においては、内側に空間を形成するように金属パイプおよび金属板を組み上げて作った枠体であると解釈されたい。そして、この本体フレーム１１１の内側に荷台部１１２が画成されている。

本体部１１０の下部には、二つの脚部１１３Ｒ、１１３Ｌが突出するように設けられている。運搬台車１００は、人が支えなくても、脚部１１３Ｒ、１１３Ｌと主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌとにより安定的に起立できるようになっている。

アーム部１２０は、本体部１１０から立ち上がるように設けられており、アーム部１２０と本体部１１０とは一体的に傾動する。（つまり、図２のように、アーム部１２０を傾ければ、同じように本体部１１０も傾くようになっている。）アーム部１２０は、ロッド部１２１と、ハンドル部１２４と、を有する。

図１では、ロッド部１２１は、本体部１１０の左側と右側とから一本ずつ立ち上がり、両者の先端同士がハンドル部１２４によって架橋されたようになっている。（すなわち、アーム部１２０は逆Ｕの字である。）ただし、アーム部１２０の形状自体は限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、ロッド部１２１が一本でもよいのはもちろんである。

ロッド部１２１は、外筒部１２２と、内筒部１２３と、を有し、伸縮自在となっている。外筒部１２２が本体部１１０に固定されており、内筒部１２３は、外筒部１２２の内側に挿通され、外筒部１２２に対してスライドすることでロッド部１２１を伸縮自在とする。ロッド部１２１を伸縮自在とすることで、ユーザの身長に合わせてアーム部１２０の長さを調整できるようにしている。

ハンドル部１２４は、水平方向に長さを有するバー部分１２４Ａを有しており、ユーザが腕を下ろした状態でこのバー部分１２４Ａを手で自然と掴めるようにしている。ここで、バー部分１２４Ａには、このバー部分１２４Ａを回転軸として回転するグリップ１２５が設けられている。運搬台車１００を牽引するにあたっては、ユーザはグリップ１２５を握る。グリップ１２５の断面構造を図３に示す。グリップ１２５は、筒が二重になった構造を有する。内側の筒を第１筒１２５Ａ、外側の筒を第２筒１２５Ｂとする。第１筒１２５Ａと第２筒１２５Ｂとの間には若干の隙間があるとともに、第１筒１２５Ａと第２筒１２５Ｂとは複数の弾性体（例えばゴム）１２５Ｃによって部分的に連結されている。バー部分１２４Ａは第１筒１２５Ａの内部に挿通されているのであるが、バー部分１２４Ａと第１筒１２５Ａとの間にはバネ（線バネや板バネ）１２５Ｄが介装されている。（図３には、バネ１２５Ｄとして線バネの一例を示した。）このバネ１２５Ｄにより、グリップ１２５の回転角度を元に戻す方向の付勢力が生じるようにする。

グリップ１２５がハンドル部１２４（バー部分１２４Ａ）に対して相対回転可能であるので、ユーザは、持ち手（持ち方）を変えなくても本体部１１０を自由に傾けられる。また、クリップ１２５が弾性体１２５Ｃを挟んだ二重筒になっているので、本体部１１０の振動や揺動がユーザの手に直接伝わらないようになっている。

ハンドル部１２４は、内筒部１２３の先端において軸支され、ロッド部１２１（内筒部１２３）に対して揺動可能となっている。具体的には、ハンドル部１２４は、内筒部１２３に対して運搬台車１００の前後方向に傾動可能に設けられている。図５においては、側方視において、ハンドル部１２４が前方に傾動した状態と後方に傾動した状態とを鎖線で示した。

なお、ハンドル部１２４と内筒部１２３（ロッド部１２１）とを揺動可能に繋ぐ軸支部分にもバネ１２４Ｂ（線バネや板バネ）が介装されている（図３を参照されたい。）。このバネ１２４Ｂにより、ハンドル部１２４を元の位置に戻す方向に付勢力が生じるようにする。（ハンドル部１２４の位置を元に戻すとは、ハンドル部１２４とロッド部１２１とのなす角度が０度の状態にすることをいう。）

また、ハンドル部１２４と内筒部１２３（ロッド部１２１）とを揺動可能に繋ぐ軸支部分についても、軸を受けるブッシュをグリップ１２５と同じような弾性体（緩衝材）付きの二重筒にしておくことが望ましい。

ハンドル部１２４と内筒部１２３（ロッド部１２１）とを繋ぐ軸支部分やグリップ１２５を弾性体（緩衝材）付きの二重筒にしておくと、運搬台車１００の振動や揺動がユーザの手に直接伝わらないという利点があるが、さらにもう一つ意味がある。後述するように運搬台車１００は倒立振り子制御によってある程度自律的に自己の姿勢制御を行うのであるが、そのため、運搬台車１００は速度や傾斜角度を時々刻々と微調整しなければならない。ユーザの手と本体部１１０とがリジットに繋がってしまっていると、運搬台車１００の速度や姿勢がユーザによって固定されてしまい、倒立振り子制御ができない。したがって、ユーザの手と本体部１１０との間には、本体部１００の動きをある程度許容する緩衝機構が必要である。ハンドル部１２４と内筒部１２３（ロッド部１２１）との軸支部分やグリップ１２５に限らず、ユーザの手と本体部１１０との間であれば、ロッド部１２１の途中などに緩衝機構を設けておいてもよい。

二つの主車輪１３０Ｌ、１３０Ｒは、本体部１１０の下部において、本体部１１０の左右に一つずつ配設されている。二つの主車輪１３０Ｌ、１３０Ｒは、同軸になるように配置されている。ここでは、運搬台車１００は牽引用であるので、主車輪１３０Ｌ、１３０Ｒは、本体部１１０の下部において、前後方向の中心よりもやや前方寄りに配設されている。（したがって、脚部１１３Ｌ、１１３Ｒは、本体部１１０の下部において、前後方向の中心よりもやや後方寄りに配設されている。）なお、本体部１１０の左側に配設された主車輪を左車輪１３０Ｌと称し、本体部１１０の右側に配設された主車輪を右車輪１３０Ｒと称する。

センサについて説明する。
センサとしては、ハンドル角度センサ（第１傾斜角度検出手段）１４１と、力センサ１４２と、車輪回転角センサ１４３Ｒ、１４３Ｌと、傾斜角センサ１４４と、が設けられている。

ハンドル角度センサ１４１は、ハンドル部１２１と内筒部１２４（ロッド部）との間に配設され、内筒部１２４に対するハンドル部１２１の傾き角度φを検出する。（ハンドル部１２１を基準にとって、ハンドル部１２１に対する内筒部１２４の傾き角度φと言い換えてもよい。）ハンドル角度センサ１４１にて検出された角度値をハンドル角度φと称することにする。ハンドル角度センサ１４１は、例えば、ロータリーエンコーダである。このハンドル角度φを時々刻々検出し、時々刻々検出したハンドル角度φを積算した積算値（Φ）を倒立振り子制御における目標傾斜角（θ_BA）に設定するのであるが、詳細は後述する。

力センサ１４２は、グリップ１２５の後ろ面側に配設されている。図７は、運搬台車１００を後ろ側から見た図である。ユーザの手がグリップ１２５を持って運搬台車１００を牽引するように牽くと、その力が力センサ１４２にて検出されるようになっている。力センサ１４２は、例えば、歪みセンサである。なお、ユーザが確実に力センサ１４２の部分に手を掛けるように、グリップ１２５には手の指に対応するような凹凸を設けておくとよい（図示は省略した）。

車輪回転角センサ１４３Ｒ、１４３Ｌは、左右の主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌそれぞれの回転角度を検出する。車輪回転角センサ１４３Ｒ、１４３Ｌは、例えば、ロータリーエンコーダである。

傾斜角センサ１４４は、本体部１１０の傾斜角度（θ_ＢＣ）を検出する。傾斜角センサ１４４は、本体部１１０とともに一体的に傾斜しなければならないので、本体部１１０に配設するのが最も分かり易い。ただし、ロッド部１２２も本体部１１０と同じように傾斜するのでロッド部１２２に傾斜角センサ１４４を配置してもよいし、あるいは本体部１１０の底面に組み付けられている電動部１５０内に傾斜角センサ１４４を組み込んでもよい。傾斜角センサ１４４は、例えば、ジャイロセンサでもよく、２軸あるいは３軸の加速度センサでもよい。

電動部１５０は、本体部１１０の下部に設けられ、主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌを駆動させる。図８は、運搬台車１００を後ろ側から見た一部破断図において、内部の電動部１５０を示す図である。電動部１５０は、主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌを回転駆動させる電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌと、電池１５２と、電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌの駆動を制御するコントローラ１６０と、を備える。電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌとしては、左車輪１３０Ｌを回転駆動させるための左電動モータ１５１Ｌと、右車輪１３０Ｒを回転駆動させるための右電動モータ１５１Ｒと、が設けられている。なお、電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌと車輪１３０Ｒ、１３０Ｌとの間には必要に応じてギア（不図示）が介装されている。

電池１５２は、着脱可能とし、さらに、充電式にしておくとよい。

コントローラ１６０は、モータトルク指令を生成し、電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌに駆動電流を印加する。
コントローラ１６０の機能ブロック図を図９に示す。
コントローラ１６０は、目標速度設定部１６１と、目標傾斜角設定部１６３と、トルク指令演算部１６４と、駆動回路１６５Ｌ、１６５Ｒと、を備える。
目標速度設定部１６１には加速度関数記憶部（目標加速度算出部）１６２が付設されている。各機能部の動作については、フローチャートを参照しながら後述する。

（制御動作）
運搬台車１００の制御動作を説明する。コントローラ１６０による運搬台車１００の制御動作をフローチャートを参照しながら説明する。図１０は、コントローラ１６０にてモータトルク指令を生成する手順を示すフローチャートである。すなわち、運搬台車１００の制御方法は、現在状態検出工程（ＳＴ１００）と、目標速度設定工程（ＳＴ２００）と、目標傾斜角度設定工程（ＳＴ３００）と、トルク指令演算工程（ＳＴ４００）と、備えている。以下、各工程を順に説明する。

まず、現在状態の検出を行う（ＳＴ１００）。
目標を実現するように電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌを駆動すれば良いのであるが、モータ１５１Ｒ、１５１Ｌに印加すべき駆動電流は現状と目標との差分で決まる。したがって、まず、現在状態の検出を行う。図１１は、現在状態検出工程（ＳＴ１００）の処理手順を示すフローチャートである。現在状態検出工程（ＳＴ１００）は、トルク指令演算部１６４によって実行される。

まず、車輪回転角センサ１４３Ｒ、１４３Ｌによって車輪回転角θ_ＷＣを検出する（ＳＴ１１０）。さらに、検出した車輪回転角θ_ＷＣに基づいて現在の車輪回転角速度ω_ＷＣを算出する（ＳＴ１２０）。
（具体的には、検出した車輪回転角θ_ＷＣを微分して、現在の車輪回転角速度ω_ＷＣを算出すればよい。）

なお、主車輪に右車輪１３０Ｒと左車輪１３０Ｌとの二つが存在することが気になる御仁は、ここでいう車輪の回転角速度（θ_ＷＣ）は、右車輪１３０Ｒの角速度と左車輪１３０Ｌの角速度の単純な平均（算術平均）を意味している、と考えて頂きたい。

また、傾斜角センサ１４４によって本体部１１０の傾斜角θ_ＢＣを検出する（ＳＴ１３０）。そして、検出した本体部１１０の傾斜角θ_ＢＣに基づいて現在の本体部１１０の傾斜角速度ω_ＢＣを算出する（ＳＴ１４０）。（具体的には、検出した本体部１１０の傾斜角θ_ＢＣを微分して、現在の本体部１１０の傾斜角速度ω_ＢＣを算出すればよい。）

このようにして、現在状態の検出が終了する。

次に、目標速度設定工程（ＳＴ２００）を説明する。
図１２は、目標速度設定工程（ＳＴ２００）の処理手順を示すフローチャートである。
目標速度設定工程（ＳＴ２００）においては、運搬台車１００の目標走行速度Ｖを設定する。目標速度設定工程（ＳＴ２００）は、目標速度設定部１６１にて実行される。まず、ＳＴ２１０において、目標速度設定部１６１は、力センサ１４２による検出値を取得する。ユーザがグリップ１２５を軽く握った状態で前進すると、グリップ１２５が前に押される（図２、図６）。その押し力は力センサ１４２で検出される。そして、目標速度設定部１６１は、力センサ１４２による検出値（力検出値と称する）から目標加速度ａを設定するのであるが、ここで、力検出値を加速度値に変換するための変換関数について説明する。

加速度関数記憶部１６２には、力検出値を加速度値に変換するための変換関数が設定記憶されている。この変換関数を加速度関数と称することにする。図１３に加速度関数の例を示す。

なお、ここでいう加速度は、主車輪１３０Ｒ、１３０Ｌの回転角加速度を意図している。加速度というとベクトル量になるので、“向き”を気にする御仁もおられるかもしれないが、その場合は、加速度の大きさを主として考えて頂きたい。主車輪に右車輪１３０Ｒと左車輪１３０Ｌとの二つが存在することが気になる御仁は、ここでいう加速度（の大きさ）は、右車輪１３０Ｒの加速度と左車輪１３０Ｌの加速度との単純な平均（算術平均）を意味していると考えて頂きたい。（右車輪１３０Ｒと左車輪１３０Ｌとを差動回転させて旋回する話しは後の変形例のなかで触れる。）

加速度関数にはヒステリシスを持たせるようにしており、すなわち、力検出値が増加する場合に適用する加速度関数（図１３（Ａ））と、力検出値が減少する場合に適用する加速度関数（図１３（Ｂ））と、がそれぞれ別個にある。力検出値が増加する場合というのは、ユーザとしては、運搬台車１００の速度を速めたいと考えている場合である。したがって、力検出値が増加する場合には、目標加速度もそれに合わせて増加するように変換関数を設定しておけばよい（図１３（Ａ））。

一方、力検出値が減少する場合には、ユーザとしては、運搬台車１００の前進速度をもっとゆっくりにしたい、さらには、運搬台車１００を停止させたい、と考えている場合である。したがって、力検出値が減少する場合、力検出値がある所定値以下に下がったときには加速度値がマイナス（負の値）をとるように加速度関数を設定している（図１３（Ｂ））。

目標速度設定部１６１は、力検出値を微分して、力検出値が増加傾向にあるか減少傾向にあるか判断する。そして、適切な加速度関数を用いて、力検出値を目標加速度値ａに変換する（ＳＴ２２０）。続いて、ＳＴ１３０において、この加速度値ａを加味した車輪回転角速度ω_ＷＡを算出する。このように算出される車輪回転角速度ω_ＷＡを目標車輪回転角速度ω_ＷＡと称する。先に求めた現在の車輪回転角速度ω_ＷＣと合わせて、目標車輪回転角速度ω_ＷＡは次のようになる。

このように算出された目標車輪回転角速度ω_ＷＡは、目標速度設定部１６１からトルク指令演算部１６４に送られる。

次に、目標傾斜角設定工程（ＳＴ３００）を説明する。図１４は、目標傾斜角設定工程（ＳＴ３００）の処理手順を示すフローチャートである。目標傾斜角設定工程（ＳＴ３００）は、目標傾斜角設定部１６３により実行される。まず、ＳＴ３１０において、ハンドル角度センサ１４１による検出値を取得する。この検出値をハンドル角度φと称することにする。次に、ＳＴ３２０において、ハンドル角度φが検出閾値以上になっているか否かを判定する。検出閾値は、誤検出を防ぐために設定されている、いわゆる、“遊び”である。

ハンドル角度φが検出閾値以上になっていれば（ＳＴ３２０：ＹＥＳ）、目標傾斜角設定部１６３は、次に、積算値Φを求める（ＳＴ３３０）。積算値Φとは、次のような値である。

積算値Φ＝［比例成分値］＋［累積成分値］

ここで、［比例成分値］および［累積成分値］をそれぞれ次のように定義する。

［比例成分値］＝偏差×比例ゲイン
ただし、偏差＝ハンドル角度φ−検出閾値

［累積成分値］＝累積値×累積ゲイン
ただし、累積値＝前回までの累積値＋偏差×制御周期

そして、ＳＴ３４０において、積算値Φの大きさが所定の大きさ閾値以上になっているか判定する。積算値Φの大きさが所定の大きさ閾値以上になっていれば（ＳＴ３４０：ＹＥＳ）、この積算値Φを目標傾斜角θ_ＢＡとして設定する。この目標傾斜角θ_ＢＡが、目標とすべき本体部１１０の傾斜角となる。

このようにして求められた目標傾斜角θ_ＢＡは、目標傾斜角設定部１６３からトルク指令演算部１６４に送られる。以上で目標傾斜角θ_ＢＡの設定工程（ＳＴ２００）は終了する。

ここで、ハンドル角度センサ１４１による検出値（ハンドル角度φ）を積算した積算値Φを求める意味を図１５から図１９を参照しつつ説明する。最初、図１５のように運搬台車１００が起立した状態で静止しているとする。この状態からユーザがグリップ１２５を掴んで前方に歩き出したとする。すると、ハンドル部１２４が前方に引かれるので、ハンドル部１２４が前方に傾斜するであろう。このときのハンドル角度をφ_１とする。ハンドル角度φ_１はハンドル角度センサ１４１で検出される。

運搬台車１００がユーザの動きに合わせて自然に傾斜しながら走り出すことが理想である。したがって、目標傾斜角θ_ＢＡをφ_１に設定し、本体部１１０の傾斜角がφ_１になるようにする。本体部１１０が前傾していくわけであるから、ハンドル角度は０度に近づく（０度に復帰する）。この状態を図１６に示す。このようにして、運搬台車１００はユーザの前進に合わせて自然に傾斜しながら走り出すようになる。

さて、ユーザの歩調が速まったなどにより、ユーザがハンドル部１２４をさらに前方に引くとする。（単にユーザが運搬台車１００をもっと前傾させたくて、ハンドル部１２４を前に倒した、と考えてもよい。）すると、ハンドル部１２４がさらに前方に傾斜することになる（図１７参照）。このハンドル部１２４の傾斜はハンドル角度センサ１４１にて検出される。例えば、このときのハンドル角度センサ１４１による検出角度をφ_２とする。

ユーザの動き（歩調の速まりや姿勢の変化）に追従するように運搬台車１００の姿勢（傾斜角）が変わるようにしたいので、このときの本体部１１０の目標傾斜角θ_ＢＡは、先のφ_１に新たな傾斜であるφ_２を積算した値になるであろう（図１８参照）。これが積算値を求めることの意味である。

もう一段階説明を加える。運搬台車１００の速度がユーザの歩調に比べて速すぎて、ユーザの想定よりも運搬台車１００がユーザに近づいてきたとする。すると、図１９に示すように、ハンドル部１２４は後ろ側に傾斜するであろう。このときのハンドル部１２４の傾斜をφ３とする。（φ３は負の値として検出される。）ユーザの意図に対して本体部１１０は倒れ込み過ぎであるので、φ３だけ起立方向に起き上がるように目標傾斜角度θ_ＢＡが設定される。このようにして、本体部１１０は、ユーザの動きに対して最適な傾斜角になるように制御されることになる。

次に、トルク指令演算部１６４において、電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌを駆動するためのトルク指令値を求める（ＳＴ４００）。トルク指令は、次の式によって求められる。

トルク指令Ｔ_ＣＯＭ
＝車輪回転角度ゲインＫ_θＷ×現在の車輪回転角度θ_ＷＣ
＋車輪回転角速度ゲインＫ_ωＷ×（目標車輪回転角速度ω_ＷＡ−現在の車輪回転角速度ω_ＷＣ）
＋本体部傾斜角ゲインＫ_θＢ×（目標傾斜角θ_ＢＡ−現在の本体部傾斜角θ_ＢＣ）
＋本体部傾斜角速度ゲインＫ_ωＢ×現在の本体部の傾斜角速度ω_ＢＣ

このようにして求まったトルク指令Ｔ_ＣＯＭは、トルク指令演算部１６４から駆動回路１６５Ｒ、１６５Ｌに送られる。
駆動回路１６５Ｒ、１６５Ｌは、トルク指令Ｔ_ＣＯＭに応じた制御電流を電動モータ１５１Ｒ、１５１Ｌに印加する。すると、車輪１３０Ｒ、１３０Ｌがトルク指令Ｔ_ＣＯＭに従って回転駆動する。

この車輪１３０Ｒ、１３０Ｌの駆動により、運搬台車１００は、ユーザがこの運搬台車１００を牽引する際の理想の傾斜角を自律的に維持しつつ、かつ、ユーザの歩調に合わせた進行速度で自律的に走行する。したがって、ユーザは、運搬台車１００を牽引するにあたって、重さを支える必要もなく、また、引く力もそれほど必要としない。

（変形例１）
上記第１実施形態では、グリップ１２５に力センサ１４２を設けていた。運搬台車を牽引するためにユーザがグリップ１２５に掛ける力を力センサ１４２で検出し、力検出値に基づいて加速度を決定していた。ここで、変形例１として、力センサ１４２に代えて、アクセルレバー１４６を設けてもよい。図２０は、アクセルレバー１４６を例示した図である。アクセルレバー１４６は、ユーザが握り込んだり、リリースしたりできるようになっている。ユーザがアクセルレバー１４６を握ったときには加速し、ユーザがアクセルレバー１４６を緩めたときには加速度を小さくし、さらには、アクセルレバー１４６を握る力が所定値よりも小さくなった場合には、減速するようにする。図１３で説明した加速度関数をそのまま適用してもよい。アクセルレバー１４６を設けておけば、ユーザが運搬台車１００の加減速を意識的に調整することができる。

（変形例２）
力センサやアクセルレバーに掛かる力に基づいて加速度を決定することに代えて、現在状態から次ぎの状態を推定する推定装置を組み込んで、この推定装置によって適切な加速度を決定してもよい。このような推定装置としては例えばカルマンフィルタを用いることができる。

（変形例３）
左右の車輪に回転速度の差を付けるようにすると、旋回が楽になる。ユーザが旋回しようするとき、グリップ１２５に掛かる力は左側と右側とで異なるであろう。例えば、ユーザが右に旋回しようするとき、グリップ１２５に対しては右側よりも左側に大きな力が掛かるであろう。そこで、グリップ１２５に互いに分離した複数の力センサを設けておき、力のバランスから右旋回か左旋回かを検出してもよい。そして、左右の車輪に回転速度の差をつけるようにすると、旋回が楽になる。

（変形例４）
上記実施形態では、二つの主車輪を同軸に設けていたが、車輪が一つの一輪車であってもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の運搬台車２００にあっては、補助脚部によって運搬台車の傾斜姿勢を保つようにしたことに特徴を有する。
図２１は、本体部１１０を一部破断して、アーム部２２０と補助脚部３００とを説明するための図である。

図２１において、アーム部２２０は、本体部１１０に対して上下方向にスライド移動可能に設けられている。ここでいう上下方向とは、運搬台車２００を起立させた状態で鉛直上方向を上とし、鉛直下方向を下とした。アーム部２２０のスライド方向を規定するためのガイドレール（不図示）など、既知のガイド機構を本体部１１０に組み込んでおけばよい。図２１は、アーム部２２０が下位置にある状態を示している。ユーザがグリップ部２２１を持ってアーム部２２０を上方に引き上げると、図２２に示すように、アーム部２２０は上位置にスライド移動する。アーム部２２０の基端側（下端側）にはカム部２２５が形成されているが、これについては後述する。

第２実施形態は、アーム部２２０の上下動に連動して本体部１１０からユーザ側に向けて展開する補助脚部３００を有する。補助脚部３００は、全体としては、長尺の棒状体である。補助脚部３００の途中が揺動軸３１０で本体部１１０に固定されている。この揺動軸３１０の軸線は、主車輪１３０Ｌ、１３０Ｒの回転軸と平行である。

説明のため、補助脚部３００のうち揺動軸３１０より下側部分を下桿部３２０とし、揺動軸３１０より上側部分を上桿部３３０とする。下桿部３２０の先端（下端）には補助輪３２１がついている。なお、運搬台車２００を起立させたとき、補助輪３２１は地面につかない程度の高さにある。つまり、それだけ下桿部３２０の長さが短いように調整されているということである。このように運搬台車２００の起立状態で補助輪３２１が地面につかない程度に下桿部３２０を短くしているのは、図２３のように、運搬台車２００が前傾したときに補助輪３２１が接地するようにしたいからである。

運搬台車２００を起立させた状態で上桿部の形状を説明すると、図２１に示すように、上桿部３３０は、揺動軸３１０の箇所から一旦後方に折れ曲がり、途中３３１で屈曲して、その後、鉛直上向きに延伸する。そして、上桿部３３０の先端（上端）には、カムフォロア３３２が形成されている。

アーム部２２０の基端（下端）に形成されたカム部２２５と、上桿部３３０の先端（上端）に形成されたカムフォロア３３２と、の組み合わせでカム機構が構成されている。運搬台車２００を起立させた状態で説明すると、図２１において、カム部２２５は、後方に向けて凸となる形状である。図２１においては、カム部２２５の外形は滑らかな曲面となっており、半卵型である。

カムフォロア３３２は、上桿部３３０の先端（上端）において、前方に向けて凸となる形状である。カムフォロア３３２の下辺３３３は、後方から前方に向かうにつれて上方に上るようなテーパ面になっている。これにより、カム部２２５が上方に向けて移動するとき、カム部２２５の上方移動がカムフォロア３３２の後方移動に変換されるようになっている。また、カムフォロア３３２の先端面（前端面）には、小さな凹部３３４が設けられており、カム部２２５の先端（後端）２２６がこの凹部３３４に嵌脱可能に嵌るようになっている（図２２参照）。

図２１に示すように、アーム部２２０が下位置にあるときにはカム部２２５も下位置にあってカムフォロア３３２に関係しない。このとき、下桿部３２０は揺動軸３１０から鉛直下向きに吊された状態になっており、下桿部３２０の先端（下端）にある補助輪３２１は本体部１１０の内側に収容されたようになっている。

一方、図２２に示すように、アーム部２２０が上位置に移動すると、カム部２２５がカムフォロア３３２を後方に押し出し、その後、カム部２２５の先端（後端）２２６がカムフォロア３３２の凹部３３４に嵌合する。カムフォロア３３２の後方移動に伴って補助脚部３００は揺動軸３１０を中心として回動するので、補助輪３２１は前方に出てくる。

第２実施形態に係る運搬台車２００の使用状態について説明する。運搬台車２００を使用していないときには、図２１に示すように、アーム部２２０は下位置に下げられ、運搬台車２００は主車輪１３０Ｌ、１３０Ｒと脚部１１３Ｌ、１１３Ｒとにより起立している。さて、この状態から、運搬台車２００を使用するには、ユーザはグリップ部２２１を持って使いやすい高さまで引き上げる。すなわち、アーム部２２０が引き上げられる。

このとき、アーム部２２０の基端（下端）にあるカム部２２５がカムフォロア３３２の下辺３３３を押し上げる。これにより、カムフォロア３３２が後方に向けて押される。カムフォロア３３２が後方に向けて押されると、揺動軸３１０を中心にして補助脚部３００が回動し、下桿部３２０が前方に押し出される。すると、補助輪３２１が本体部１１０から前方に出てくる。そして、カム部２２５の先端（後端）がカムフォロア３３２の凹部３３４に嵌ったところで、アーム部２２０は一旦その位置が固定される。

ユーザは、グリップ部２２１を掴んだまま自然と前に歩き出す。すると、図２３に示すように運搬台車２００は前傾し、補助輪３２１が地面に接地する。さらに、ユーザが前に進むので、補助輪３２１には後方への押力が掛かるのであるが、補助脚部３００の揺動軸３１０を中心とした回動により、補助輪３２１に掛かる後方への押力は、カムフォロア３３２がカム部２２５を前方に押す力に変換される。これにより、カムフォロア３３２とカム部２２５とが強く噛み合うので、アーム部２２０の位置は強く固定される。

また、カムフォロア３３２とカム部２２５とが噛み合うと、補助脚部３００の回動は止められるので、補助輪３２１も固定される。そして、前に倒れようとする運搬台車２００に対し、この補助輪３２１が突っ張りになって運搬台車２００が倒れ込まないように支えている。従って、ユーザが上向きの力を掛けて支えるようなことをしなくても運搬台車２００の傾斜角度は保持されるのであり、ユーザは鉛直方向の負荷を支える必要はない。

（変形例５）
補助脚部３００の揺動軸３１０に線バネを仕込んでおいてもよい。補助脚部３００がアーム部２２０のカム部２２５で押されていないときには（つまり図２１の状態のときには）、補助脚部３００（補助輪３２１）を本体部１１０内に収納する向きに前記線バネの付勢力が働くようにしておくとよい。また、ユーザが身長に合わせてアーム部が伸縮するようにしておくとよい。このような伸縮機構は、第１実施形態で例示したようにアーム部のロッドを内筒部と外筒部とで構成することにより実現できるし、その他よく知られた構成であってもよい。

（変形例６）
第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせてもよい。すなわち、第１実施形態のごとく自律的倒立振り子制御を行いつつ、かつ、補助輪３２１で支えてもよい。ただし、運搬台車（本体部）の最大傾斜角は補助輪３２１によって規定され、すなわち、運搬台車（本体部）の傾斜角の最大値は、補助輪３２１が接地するときの本体部の傾斜角である。従って、図１０のフローチャートにおいて、目標傾斜角θ_BAに上限値を設定しておくことに留意する。

（変形例７）
上記実施形態においては、主として、牽引するタイプの運搬台車について説明したが、本発明は押すタイプの運搬台車であっても適用できることはご理解頂けるであろう。押し車とした場合の一例を図２４に示した。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
本発明の応用製品としては何ら限定されるものではない。旅行用のキャリーバッグはもちろんのことであるが、運送業者が使用する台車にも使用できるし、工場内での荷物運搬台車でもよい。また、押し車とする場合、車椅子に適用することもできる。

１０…運搬台車、１１…荷台部、１２…車輪、１３…アーム部、１４…グリップ、１００…運搬台車、１１０…本体部、１１１…本体フレーム、１１２…荷台部、１１３Ｌ…脚部、１１３Ｒ…脚部、１２０…アーム部、１２１…ロッド部、１２２…外筒部、１２３…内筒部、１２４…ハンドル部、１２４Ａ…バー部分、１２５…グリップ、１２５Ａ…第１筒、１２５Ｂ…第２筒、１２５Ｃ…弾性体、１２５Ｄ…バネ、１３０Ｒ…主車輪、１３０Ｌ…主車輪、１４１…ハンドル角度センサ、１４２…力センサ、１４３Ｒ、１４３Ｌ…車輪回転角センサ、１４４…傾斜角センサ、１４６…アクセルレバー、１５０…電動部、１５１Ｒ、１５１Ｌ…電動モータ、１５２…電池、１６０…コントローラ、１６１…目標速度設定部、１６２…加速度関数記憶部、１６３…目標傾斜角設定部、１６４…トルク指令演算部、１６５Ｌ、１６５Ｒ…駆動回路、２００…運搬台車、２２０…アーム部、２２１…グリップ部、２２５…カム部、３００…補助脚部、３１０…揺動軸、３２０…下桿部、３２１…補助輪、３３０…上桿部、３３２…カムフォロア、３３３…カムフォロアの下辺、３３４…凹部。

Claims (6)

1. 荷を積載または収納する荷台部を有する本体部と、
   前記本体部の下部に設けられた一または同軸の二以上の主車輪と、
   前記主車輪を駆動させるモータと、
   前記モータを駆動制御する制御部と、
   前記本体部に対して立ち上がる向きに設けられ、使用者が手で握るためのハンドル部を先端に有するアーム部と、を備え、
   前記本体部と前記アーム部とは、前記主車輪の軸を回転軸として一体的に傾動し、
   使用者が前記ハンドル部を引くまたは押した際には、使用者側に傾倒した状態で走行する運搬台車であって、
   前記使用者が前記ハンドル部に対して行う動作に基づいて前記本体部が目標とする傾斜角度を求める目標傾斜角設定手段を備え、
   前記制御部は、前記目標傾斜角設定手段にて設定された傾斜角度を目標傾斜角とする倒立振り子制御を行う
   ことを特徴とする運搬台車。
2. 請求項１に記載の運搬台車において、
   前記ハンドル部は、前記アーム部に対して揺動可能に設けられており、
   前記ハンドル部の前記アーム部に対する傾斜角を検出するハンドル角度センサが設けられ、
   前記目標傾斜角設定手段は、前記ハンドル角度センサにて時々刻々検出されたハンドル角度を積算した値を前記目標傾斜角に設定する
   ことを特徴とする運搬台車。
3. 請求項１または請求項２に記載の運搬台車において、
   前記ハンドル部には、使用者の手による引く力または押す力を検出する力センサが設けられ、
   前記制御部は、前記力センサによる力の検出値から目標加速度を算出する目標加速度算出部を有し、
   前記目標加速度算出部は、
   前記力センサによる力の検出値が増加する場合に適用される第１関数と、
   前記力センサによる力の検出値が減少する場合に適用される第２関数と、を格納し、
   前記第２関数には、少なくとも、負の加速度を与える領域がある
   ことを特徴とする運搬台車。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の運搬台車において、
   さらに、
   先端に補助輪を有し、かつ、前記主車輪の回転軸と平行な軸を揺動軸として基端側が前記本体部に軸支された補助脚部を備え、
   前記補助脚部は、使用者による前記アーム部の操作に連動して、前記本体部から使用者側に向けて展開し、かつ、所定角度で固定される
   ことを特徴とする運搬台車。
5. 請求項４に記載の運搬台車において、
   前記アーム部が前記本体部に対してスライド可能に設けられており、
   前記アーム部の基端および前記補助脚部の基端の少なくとも一方には、前記アーム部のスライド移動に連動して前記補助脚部を押し出すカムが設けられている
   ことを特徴とする運搬台車。
6. 請求項５に記載の運搬台車において、
   前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とは嵌脱可能な嵌合構造になっており、
   前記補助輪が路面から押されると、前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とが互いに押し合い、前記アーム部の基端と前記補助脚部の基端とが強く嵌合することによって前記補助脚部が固定される
   ことを特徴とする運搬台車。

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