JP3622346B2 - 階段昇降機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は階段の昇降を行う階段昇降機、殊に買い物カートや荷車等に好適に用いることができる階段昇降機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
荷物を載せた本体にモータ駆動の無限軌道（クローラ）を設けて、階段走行を行うことができるようにした運搬車が特開平５−１７０１０４号公報に示されている。このような運搬車であれば、重い荷物を載せている時も階段の昇降を楽に行うことができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記のものは、操作ハンドル部に設けられたスイッチを投入してモータを作動させれば無限軌道が所定の速度で回転するものであるために、操作ハンドルを持つ操作者は運搬車の速度に合わせて階段を昇降しなくてはならず、荷物の昇降のための力が不要であるとはいえ、微妙な動作を行わせることが困難である上に、足元の不安定な階段では恐怖感が生じやすくて使い勝手が良いとは言えない。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは荷物を搭載した状態での階段昇降を楽に且つ安心して行うことができる階段昇降機を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、荷物の搭載部を備えた本体と、階段昇降のために操作者から本体に加えられる外力を検出する外力検出器と、上記本体の階段昇降用動力を発生する駆動部と、荷物の重量検出器と、上記外力検出器で検出された力に基づいて上記駆動部を作動させる制御手段とからなるとともに、上記制御手段は、重量検出器で検出される荷物の重量に応じて外力検出器で検出された外力と駆動部への出力との相関であるアシストゲインを変更するものであることに特徴を有している。本体に加えた階段昇降のための外力に応じて階段昇降のための駆動がなされるために、階段を昇降する操作者に合わせた昇降を昇降機が行うものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図中１は荷物９の搭載部１０を備えている本体１であり、上端に操作ハンドル２が設けられている本体１の搭載部１０と逆の面には階段昇降のための昇降ユニット３が設けられている。該昇降ユニット３は、駆動源であるモータ３１と、該モータ３１の回転を減速して駆動軸３３に伝達する減速部３２と、駆動軸３３両端に設けられた駆動輪３４，３４と、一対の従動輪３５，３５と、駆動輪３４と従動輪３５との間に架け渡された左右一対の無限軌道（クローラ）３６，３６と、これらが装着されたベース３０とからなるもので、電源としての電池４０と、制御駆動回路が実装された制御基板４１も上記ベース３０に装着されており、さらにベース３０側面には電源スイッチ４２と昇降切換スイッチ４３とが配されている。内周側にバックアッププレート３７が配された上記無限軌道３６は、上記モータ３１によって回転駆動されるのであるが、その外周面にほぼ等間隔で突起部３８が設けられている。なお、駆動輪３４が下方側に、従動輪３５が上方側に配されている。
【００１１】
本体１の上端に配された操作ハンドル２は、図４に示すように、片持ちの板ばね２０，２０によって本体１の一端上部に取り付けられたもので、この操作ハンドル２の自由端の変位量を測定する非接触式変位センサー２１が本体１の他端上部に配されており、この非接触式変位センサー２１と板ばね２０からなる操作ハンドル２とによって操作ハンドル２に加えられた外力を測定する外力検出器５が構成されている。操作ハンドル２に力が加えられたならば、板ばね２０のたわみによって操作ハンドル２の自由端と非接触式変位センサー２１との間のギャップＧの値が変化するが、操作ハンドル２を引き上げようとする力Ｆは、板ばね２０のばね定数をｋ，操作ハンドル２に外力が加えられていない時の上記ギャップＧの値をＧ０とすると、
Ｆ＝ｋ×（Ｇ−Ｇ０）
の式によって求めることができる。
【００１２】
そして前記制御基板４１に実装された制御駆動回路は、図５に示すように、制御回路４４とモータ駆動用の電流ドライバー４５とから構成されており、図６に示すように、外力検出器５で検出された力Ｆの値とアシストゲインとに応じて、駆動源であるモータ３１の出力トルクの電流制御を行う。力検出値Ｆが大きいほど、より大きい出力トルクとなるようにモータ３１を制御するのである。
【００１３】
電源スイッチ４２を投入しても、外力検出器５で力Ｆが測定されていない状態ではモータ３１は回転しないが、図７に示すように、階段を上るために操作ハンドル２を引き上げる方向の力Ｆを与えたならば、この力Ｆの値とアシストゲインとに応じた出力トルクがモータ３１で発生して無限軌道３６が駆動されるものであり、該無限軌道３６はその突起３８を階段のステップに引っかけるようにして作動するために、本体１は上記力Ｆにモータ３１の動力によるパワーアシストを受けた状態で上昇する。上記アシストゲインをたとえば３に設定しておくならば、操作ハンドル２に加えた力Ｆの３倍の力がモータ３１によって加えられるために、本体１を持ち上げるのに必要な力の１／４の力を操作ハンドル２に加えるだけで、階段を上ることができるものである。昇降切換スイッチ４３を下降側に切り替えた時には、モータ３１の回転方向が切り替えられ、このために重い荷物９を積んでいる場合でも、軽い力で支持するだけでゆっくりと階段を降りることができる。
【００１４】
図８〜図１０に示すものは、階段昇降時以外の本体１の移動をスムーズにするための走行用の一対の自由回転車輪１５，１５を本体１に設けたものを、図１１は一対の自由回転車輪１５，１５を備えたものにおいて、無限軌道３６を１つだけとした例を示している。平地や階段における踏面での移動は自由回転車輪１５を接地させることでスムーズなものとなる。すなわち、図１０に示す階段を上る場合の動作状態から明らかなように、階段に達するまでは自由回転車輪１５，１５を利用した人力のみでの移動となるが、階段に至れば操作ハンドル２に引き上げようとする力が加えられることから、この力を外力検出器５が検出して該検出値に応じてモータ３１の出力が増加し、出力トルクが十分増加すれば突起３８を階段のステップに引っ掛けた無限軌道３６の回転で本体１は持ち上げられる。ステップを上り終えれば無限軌道３６から自由回転車輪１５に乗り換えられるとともに慣性によって自由回転車輪はステップの角部を通過し、踏面上に載る。階段を下る場合には、無限軌道３６の突起３８が階段のステップに引っ掛かるまで自由回転車輪１５による移動となり、無限軌道３６が階段に引っ掛かった後は、操作ハンドル２を押す力に応じた無限軌道３６の回転駆動によって自由回転車輪１５が接地するまで下降する。
【００１５】
図１２及び図１３に示すように、無限軌道３６の駆動のための駆動軸３３に同軸で連結されて無限軌道３６とともに駆動される走行用車輪１６，１６を設けてもよい。この場合、平地では昇降ユニット３を本体１に対して上動させることができるようにしておくことで、図１４（ａ）に示すように、自由回転車輪１５による移動を行うことができ、スロープにおいては図１４（ｂ）に示すように走行用車輪１６を接地させてモータ３１を回転させることで走行用車輪１６のパワーアシスト駆動でスロープの上り降りを楽に行うことができ、更に階段昇降時においては無限軌道３６のパワーアシスト駆動でステップの角を通過する時、図１４（ｃ）に示すように走行用車輪１６が角に接することで角の通過をよりスムーズに行うことができる。
【００１６】
図１５及び図１６に示すように、駆動軸３３と走行用車輪１６との間にクラッチ１７を介在させれば、クラッチ１７の切り離しによって走行用車輪１６が上記自由回転車輪１５を兼ねるものとすることができる。このクラッチ１７の入り切りは、図１７に示すものでは電源スイッチ４２に連動させており、電源スイッチ４２をオンとすればクラッチ１７も接続され、電源スイッチ４２をオフとすればクラッチ１７が切り離されるようにしているが、別途スイッチで入切を行うようにしてもよい。後述する階段検出器にて入切するようにすることも好ましい。
【００１７】
ところで上記の説明では外力検出器５で検出された力Ｆに対して、図１８にも示すようにモータ３１の出力トルクにほぼ比例することになる電流の制御を行うようにしたものを示したが、図１９に示すような速度制御、あるいは図２０に示すような加速度制御でパワーアシストを行ってもよい。もっともトルク制御の場合、フィードバック制御を行わなくともすむために速度検出器や加速度検出器などが不要である上に、モータ３１の駆動源抵抗が本体１の重量に比べて小さい時、階段の下りでは操作ハンドル２に加えている引き上げ方向の力を小さくしていくと、本体１は自身の重量で降り始める。この時のパワーアシストは、下りに対する抵抗として働くことから、外力検出器５は操作ハンドル２を引き上げようとする力を検出するだけでよいものとなる。もっとも、モータ３１から無限軌道３６に至るまでのギア比が大きかったり、その他の駆動抵抗が大きい場合には、重力で本体１が下ってしまうことがないために、上記の限りではない。
【００１８】
力検出値に応じた駆動速度となるように速度制御を行う場合には、上述したように、速度検出器ＳＳを設けてフィードバック制御を行うことで、力検出値に応じた駆動速度とする。本体１や荷物９の重さにかかわらず同じ操作力とすることができる。加速度制御を行う場合には加速度検出器ＡＳを設けてフィードバック制御を行って、力検出値に応じた加速度となるようにする。この場合も本体１や荷物９の重さにかかわらず同じ操作力となる上に、操作力がゼロの時は停止を含む等速度運動をするために、摩擦力ゼロの氷面上を動かしているようになる。加速度検出器ＡＳは速度検出器ＳＳと微分器とで構成したものでもよい。
【００１９】
いずれの制御を行う場合にも、操作ハンドル２に加えられる力を外力検出器５で精度良く検出することができるようにしておく場合、操作ハンドル２を握ってはいるものの、本体１を動かそうという意志がないにもかかわらず、外力が検出されたとしてモータ３１を駆動してしまう事態が生じることがある。このために図２１に示すように外力の値が微小であるところ（Ｆ１〜−Ｆ１）に不感帯を設定し、検出された外力が微小である時にはパワーアシストが作用しないようにしておくとよい。
【００２０】
図２２はパワーアシストが階段の上りに対してのみ作動し、昇降切換スイッチ４３を切り替えて下りにセットした時には、モータ３１が抵抗Ｒに接続されるようにしたものである。この場合、下りにセットしたならば、階段のステップに接して本体１の下りで回転する無限軌道３６がモータ３１を回転させる時、モータ３１は抵抗Ｒの存在によって回転数が大きいほど抵抗力が大きくなるために粘性抵抗のように働くことから、小さな力を操作ハンドル２に加えておくだけで階段をゆっくりと降りることができる。
【００２１】
また階段を降りる時には、上りの場合に比べて必要な力は小さくなることから、下りにセットした状態において、検出される外力Ｆがあまりに大きい場合は操作者の転倒のような異常事態が考えられる。このために、図２３に示すように、下りの場合で検出された外力Ｆが所定値Ｆ０を越える場合は制動指令を出力することも好ましい。操作者の転倒等の危険回避を行うことができる。
【００２２】
図２４及び図２５は、搭載部１０に荷物９の重量を検出する重量検出器ＷＳを配して、該重量検出器ＷＳで検出される重量に応じて、アシストゲインＧの値を変更するようにしたものを示している。このようにアシストゲインＧを一定とせずに重量に応じて変更するならば、荷物の重量が変わっても、常に同じ操作感覚で階段の昇降を行うことができる。
【００２３】
図２６及び図２７は、外力検出器５の別の例を示しており、操作ハンドル２と本体１とをばね鋼のような弾性体５０で連結するとともに、該弾性体５０に歪みゲージ５１を装着し、加えられた外力は歪みゲージ５１で検出される歪み量と、弾性体５０のヤング率及び断面積の積で求めるようにしたものである。
図２８は、板ばねからなる弾性体５０を介して本体１に操作ハンドル２を取り付けるとともに、操作ハンドル２に力を加えた時の弾性体５０の変位量をポテンショメータ５２で測定するようにしたものを示しており、弾性体５０のばね定数をＫｓとすれば、ポテンショメータ５２で測定される変位量とばね定数Ｋｓとの積で加えられた外力を求めることができる。
【００２４】
図２９に示すものは、板ばねからなる弾性体５０の変位を非接触式変位センサー５３で測定するようにしたもので、図４に示したものとは弾性体５０を両持ちとした点で相違する。このような非接触式変位センサー５３は、接触式のセンサーでの問題点であるヒステリシスを小さくすることができる上に、変位の伝達機構が不要であるために構造を簡単にすることができる。
【００２５】
外力検出器５は、操作ハンドル２の部分にではなく、図３０〜図３２に示すように、本体１と昇降ユニット３との間に設けてもよい。なお図３０は弾性体５０と歪みゲージ５１とからなるものを、図３１は弾性体５０とポテンショメータ５２とからなるものを、図３２は弾性体５０と非接触式変位センサー５３とからなるものを示している。ただし、本体１と昇降ユニット３とをつないでいる弾性体５０は、操作ハンドル２に加えられた外力だけでなく、荷物９の重さに応じても撓みや歪みを生じることから、図３３に示すように、電源スイッチ４２を投入した時点での外力検出値をゼロ点としてパワーアシストを行うことで、荷物９の重さの影響を排除する。
【００２６】
なお、外力検出器５としては、本体１と昇降ユニット３との間に配したものよりも、操作ハンドル２と本体１との間に配したものの方がより好ましい結果を得ることができる。本体１と昇降ユニット３との間に配した場合、荷物９の重量の影響を完全に排除することが困難である上に、本体１の姿勢（傾き）変化の影響も受けやすいのに対して、操作ハンドル２と本体１との間に配した場合はこれらの影響をほとんど受けることがないからである。
【００２７】
図３４に階段を検出する階段検出器７を備えたものを示す。電源スイッチ４２に直列に接続された階段検出器７は、階段を検出した時にオンとなってパワーアシストを開始させ、階段を検出していない時にはオフとなってパワーアシスト機能をオフとするために、電源スイッチ４２のオンオフの手間を実際上省いてくれる存在となる上に、電池４０の消耗を防ぐものとなる。
【００２８】
階段検出器７として、図３５及び図３６に示すものでは、一対の無限軌道３６，３６間に配された検出棒７０を備えたスイッチを用いて、上下方向に伸びた該検出棒７０が階段に当たって押し込まれたならばオンとなるようにしているが、図３７に示すように、無限軌道３６の内周側に配した前記バックアッププレート３７を検出棒７０の代わりとしてもよく、更には図３８に示すように、昇降ユニット３全体を検出棒７０の代わりとして用いるように構成してもよい。いずれにしても階段接触時にのみ電源が入って無限軌道３６の駆動がなされるために、無限軌道３６に無駄な動きがなく、また図７（ａ）に示したような階段への接触時点から無限軌道３６が動き出すために、ステップの角部に無限軌道３６が噛みやすく、スムーズな昇降を得ることができる。
【００２９】
階段検出器７としては、モータ電流の監視手段を用いることもできる。図３９はこの場合の動作のフローチャートを示しており、階段に接触していない無負荷時には外力検出器５の外力検出値にかかわらず低いモータ電流値Ｉｃｏｎｓｔでモータ３１を駆動しているが、無限軌道３６が階段のステップに噛み込んで負荷がかかってモータ電流値Ｉｃｏｎｓｔが増大し、所定値Ｉｌｉｍｉｔを越えれば階段を検出し
たとして、外力検出値に応じたパワーアシストを開始する。
【００３０】
以上の各例では、階段の昇降駆動部として無限軌道３６を用いたものを示したが、図４０及び図４１に示すものは、モータ３１で回転駆動される複数本（３本乃至４本）の放射状アーム４７の各先端に車輪４６を取り付けたもので、アーム４７の回転によって階段の昇降を行う。このものにおいてもアーム４７の回転駆動は、本体１上端の操作ハンドル２に設けられた外力検出器５で検出される外力にアシストゲインを乗じたトルク制御または速度制御または加速度制御で行うことによって、階段昇降時のパワーアシストを行う。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、階段昇降のために操作者から本体に加えられる外力に応じて階段昇降のための駆動部の駆動がなされるために、階段の昇降を軽く行うことができるのはもちろんのこと、階段を昇降する操作者に合わせた昇降を昇降機が行うものであって、操作者主導型の階段昇降を容易に行うことができて足元の不安定な階段の昇降を安心して行うことができる。
【００３４】
しかも荷物の重量検出器で検出される荷物の重量に応じて制御手段は外力検出器で検出された外力と駆動部への出力との相関であるアシストゲインを変更するために、荷物の重さが異なっても常に同じような感覚で操作することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す斜視図である。
【図２】同上の正面図である。
【図３】同上の側面図である。
【図４】同上の操作ハンドル及び外力検出器を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】同上のブロック回路図である。
【図６】同上の基本動作を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）（ｂ）は同上の動作説明図である。
【図８】他例の正面図である。
【図９】同上の側面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は同上の動作説明図である。
【図１１】更に他例の斜視図である。
【図１２】別の例の正面図である。
【図１３】同上の側面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は同上の動作説明図である。
【図１５】異なる例の正面図である。
【図１６】同上の側面図である。
【図１７】同上のブロック回路図である。
【図１８】（ａ）（ｂ）は同上のトルク制御の場合の説明図である。
【図１９】（ａ）（ｂ）は同上の速度制御の場合の説明図である。
【図２０】（ａ）（ｂ）は同上の加速度制御の場合の説明図である。
【図２１】制御動作の他例の説明図である。
【図２２】他例のブロック回路図である。
【図２３】更に他例の動作を示すフローチャートである。
【図２４】別の例を示しており、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は動作説明図である。
【図２５】同上の動作のフローチャートである。
【図２６】外力検出器の一例を示す斜視図である。
【図２７】同上の正面図である。
【図２８】同上の他例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。
【図２９】同上の更に他例の正面図である。
【図３０】外力検出器を本体と昇降ユニットとの間に配した場合の一例を示すものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は拡大側面図である。
【図３１】同上の他例を示す拡大側面図である。
【図３２】同上の更に他例を示す拡大側面図である。
【図３３】同上の各例における動作制御についてのフローチャートである。
【図３４】階段検出器を設けた例のブロック回路図である。
【図３５】同上の階段検出器の一例を示す正面図である。
【図３６】同上の側面図である。
【図３７】同上の他例の側面図である。
【図３８】同上の別の例の側面図である。
【図３９】同上の更に別の例におけるフローチャートである。
【図４０】異なる例の斜視図である。
【図４１】（ａ）〜（ｄ）は同上の動作説明図である。
【符号の説明】
１ 本体
３ 昇降ユニット
５ 外力検出器
３１ モータ
３６ 無限軌道

Claims (1)

1. 荷物の搭載部を備えた本体と、階段昇降のために操作者から本体に加えられる外力を検出する外力検出器と、上記本体の階段昇降用動力を発生する駆動部と、荷物の重量検出器と、上記外力検出器で検出された力に基づいて上記駆動部を作動させる制御手段とからなるとともに、上記制御手段は、重量検出器で検出される荷物の重量に応じて外力検出器で検出された外力と駆動部への出力との相関であるアシストゲインを変更するものであることを特徴とする階段昇降機。

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