JP4709953B2 - 階段昇降車 - Google Patents

Description

本発明は階段昇降車に関する。

平坦な地面と異なり車輪が階段を昇降するには、階段の形状、蹴上げ、踏面、等の寸法を測定しそれに対応する動きが求められるため、従来多種多様のセンサーを駆使し複雑で高価な制御装置を多用しなければならなかった。

そこで特許文献１の階段昇降車のようにモード変換やクラッチ等の切り換え操作を駆使せず上述のセンサーや制御装置を全く必要としない階段を昇降する車が発明された。即ち、
平坦走行時には原動機の駆動側の歯車が車輪の被駆動側の歯車を回転させるが、車輪が階段の蹴込みにあたって車輪の回転が停止し被駆動側の歯車の回転が停止すると駆動側の歯車が被駆動側の歯車の周りを公転するが、特許文献１の階段昇降車はこの現象を利用するもので、車体重量を車輪にではなく公転するするモーターの回転軸に支持させるもので、クラッチ等の切替装置を使わず１つのモーターを回すだけで平坦走行と昇降動作の２つのモードを交互に繰り返すものである。

特許文献２の階段昇降車は、車輪が階段の蹴込みにあたって車輪の回転が停止し駆動側のモーター歯車が被駆動側の車輪歯車の廻りを公転し、モーターが車輪の回転軸を中心にして車輪の周りを回ることで車輪を押し上げる装置が働く階段を昇降する車であり、モーターを取付けるプレートであり車輪の回転軸を中心に回転するプレートがクランクとして働き、クランクの円運動を接続軸を中心に回転する連結棒を押し下げる動きに変換し車輪を浮き上がらせるもので、昇段開始時には専ら車輪を宙に浮かし昇段終了の直前では車輪は平地走行状態にあって上段のステップ上の乗り移るようなジャッキアップ機構を備えるものである。

特許文献２の階段昇降車は、更に、車輪が階段の蹴込みにあたると爪がステップ角部に引っかかり車輪歯車にブレーキをかけるブレーキを備えるもので、このブレーキは車輪が公転して爪が地面に接した状態になると車輪歯車にかけたブレーキが外れてスプリングで元の位置に跳ね返されるブレーキで、車輪とステップ角部の接点において両者に滑りが生じないようにするブレーキ機構を備えたもので、タイヤとステップ角部の摩擦だけに頼らず車輪歯車にブレーキをかけるブレーキを備えるものである。

特開２００４−１８２２１７ 特願２００５−２６０６１４

以下、説明を簡単にするためモーターの回転軸に直接車輪が取り付き、モーターの回転軸と車輪の回転軸が同じである階段昇降車について述べる。図４に示すように、特許文献２の階段昇降車は、車輪が階段の蹴込みにあたって車輪の回転が停止したとき、駆動側のモーターが被駆動側の車輪の廻りを公転し、車輪の回転軸を中心にして回転するプレートがクランクとして働き、クランクの円運動が接続軸を中心に回転する振り子６を押し下げ、車輪を押し上げる装置が働く階段を昇降する車である。このクランク運動は、モーターに取り付けられモーターと共に公転するプレート２とプレート２に取り付く振り子６とがなす角度が増加するものである。この角度が小さいとき、すなわち、プレート２が鉛直状態にあるときや、接地点Ｐ２が階段の蹴込みに近いときは、クランク運動は起きない。したがって階段の踏面長さが小さい階段は登ることは出来なかった。

車輪がステップ角部を中心とする円運動をするためには車輪を下から押し上げる力だけでなく車輪の回転軸を上段のステップ上に移すために車輪を前へ押し込む力が必要である。クランク運動の最終段階では車輪を下から押し上げる高さより車輪を前へ押し込む長さが大きく、車輪の回転軸の高さが上段の踏面角部の高さより高くなければ、車輪は上段に乗り移らない。したがって階段の段差が小さく、しかも車輪径の大きな車輪でなければ昇段しない。第一の課題は車輪径の小さな車輪が、踏面長さが小さく段差の大きな階段をいかにして昇段するかである。

車輪が階段の蹴込みにあたるとき、特許文献２の階段昇降車の車輪にブレーキをかけるブレーキは、モーターの回転軸を中心にして自由に回転する円盤９と回転可能な接続軸で連結される回転体がステップ角部に引っかかる爪と車輪の回転を押さえ込んで止めるブレーキを有するもので、車輪が公転して回転体が地面に接した状態になると車輪にかけたブレーキが外れてスプリングで元の位置に跳ね返されるブレーキで、往復運動をするものである。車輪が上段に乗りあがる前に車輪にかけたブレーキが外れてはいけないので、ステップ角部に引っかかる爪を車輪が踏み込むまでブレーキは外れない。車輪が昇段して次の蹴りこみに当たる短い時間内に、踏み込まれた位置からバネの力でもとの位置まで戻すには困難である。また爪をステップ角部に深く引っかける必要があり、ブレーキが外れるとき車輪が高く持ち上がる欠点があった。第二の課題はブレーキが外れるとき車輪が高く持ち上がる欠点を除去し、車輪が昇段して次の蹴りこみに当たる短い時間内にいかにして初期状態に戻すかである。

第一の課題を解決するために、外周が渦巻き曲線の弧の一部である扇形の回転体で、渦巻き曲線の弧の始点付近に複数の車輪が取り付き終点付近に摩擦部が取り付く扇形の回転体である振り子６を、モーターを取付けるプレート２であり車輪の回転軸を中心に回転するプレート２に回転可能な状態で取り付ける。プレート２の円運動で振り子６を押し下げる動きで車輪３を浮き上がらせるようにする。車輪の回転と逆方向にモーター１が回転し始める段階は渦巻き車輪の振り子６の回転によって、逆方向にモーターが回転し終わる段階ではクランク運動により車体を持ち上げるようにし、初めから終わりまでモーターの逆転が車輪の上昇に寄与するようにする。

第二の課題を解決するために、階段の蹴込みに引っ掛かり階段に固定される回転体を、モーターの回転軸の周りを自由に回転する円盤に取り付け、モーターの回転軸から回転体と円盤の接続軸までの距離が車輪の半径より小さくして、上段踏面角部を中心に公転する車輪の公転の中心を回転体と円盤との接続軸にするようにして、車輪が上段に乗り上げたとき、車輪が回転体と円盤との接続軸に乗り上げ乗り越しても、車輪が高く持ち上がることなくブレーキが外れるようにする。

また階段の蹴込みに当たって車輪内外を出入りするアンテナ回転体をモーターの回転軸の周りを自由に回転する円盤に取り付け、アンテナ回転体の一部であるラチェット爪を、車輪に取り付くラチェット１０の刃の中に、一定の空間的位置で出し入れするようにして、円盤と車輪とを合体及び分離するようにする。

さらにモーターに取り付けた外周が円弧であるガイドの上を、上記円盤に回転可能な接続軸で取り付けられるアンテナ回転体に取り付くガイドローラーが載って一周する機構によって、階段の蹴込みに引っ掛かり階段に固定される回転体を車輪の昇段中は階段に固定し続け、車輪の昇段後も回転させて、アンテナ回転体が更に上段の蹴込みに接触できる位置で待機させるようにする。

特許文献２の階段昇降車は、蹴上げ寸法が小さく踏面寸法の長い階段は昇段できても蹴上げ寸法が大きく踏面寸法の短い階段は昇段できない欠点があった。本発明の車輪はこれを可能にした。

図１は本発明の機構説明図で、１はモーター、１ａはモーターの回転軸で、２のプレートはモーター１に固定され、３の車輪はモーターの回転軸２に固定される。図１（ａ）は平地走行していた車輪が前方の階段の蹴込みに当たった状態図で、回転体４は車輪３の接続軸３ａに接続される。回転体４は接続軸３ａを中心に回転が可能で、車輪も接続軸３aを中心に円運動Ｒ１できるようになる。通常の車輪ブレーキのように、モーターの回転軸を中心に回転する車輪が車体５に取り付けたブレーキで止めるのではなく、階段昇降車の車輪ブレーキは車輪と階段の踏面角部との接点Ｐ１において車輪の外周に滑りがないようにして車輪が接点Ｐ１を中心に１回公転する間に車輪は１回自転するようにする。回転体４の接続軸３ａ側の端部には、上段踏面の角部に引っ掛かる爪４ａが取り付き、他端には下段踏面上に乗る摩擦部４ｂが取り付く。

図１（ｂ）に示すように車輪が公転して地面から上に離れると、摩擦部４ｂに摩擦力が働き、回転体４は階段に固定される。プレート２の下端接続軸２ａと上端接続軸２ｂには、それぞれ車体５と振り子６が回転可能な状態で取り付く。車輪の回転が角部Ｐ１で止められると、モーター１に取り付けたプレート２は、車輪と逆方向Ｒ２に回転する。モーター回転軸１ａと接続軸２ａ、２ｂを通る直線Ｙ１が鉛直付近であるとき、プレート２の回転による接続軸２ａ、２ｂの移動の水平方向の変位は鉛直方向の変位より大きい。従って車体５に積載される荷物７の重心Ｗは殆ど上昇せずに前方に移動する。振り子６を下へ押し下げる高さは少なく、振り子６が接地して荷物の重心Ｗを上げる力も、車輪１を上に持ち上げる力も小さい。

振り子６の回転軸２ｂと反対側の他端は、外周が渦巻き曲線の弧の一部であり、回転軸２ｂと渦巻き曲線外周内の地面との接点Ｐ２との距離は外周が渦巻き曲線の振り子６の回転と共に増加する。直線Ｙ１が鉛直の状態から傾斜すると、接続軸２ｂと接地点Ｐ２とを結ぶ直線Ｙ２と直線Ｙ１との間の角度Ａは増加するが、プレート２が回転を始めて暫らくの間は、振り子６はプレート２に取り付いた当たり２ｃに当たったままの状態で、振り子６は回転軸２ｂを中心に回転しない。プレート２と振り子６が合体した状態で一体となって回転し、回転軸２ｂと接地点Ｐ２との距離Ｌは次第に増加し、車輪３を地面から離して浮き上げる。この過程において車体全体が後退しないように、渦巻き曲線の外周には複数の車輪６ａを取り付ける。プレート２が更に回転して直線Ｙ１が傾斜すると、直線Ｙ１とＹ２のなす角度Ａは大きくなり、接地点Ｐ２は踏面上の後方に移り、渦巻き曲線の終点の摩擦部６ｂが接地し、振り子６は回転２ｂを中心に回転しクランク運動をし、車輪を持ち上げて前方に送り込む。このように車輪回転と逆方向にモーター１自体が回転し、初めの段階は渦巻き車輪の回転によって終わりの段階ではクランク運動により車体を持ち上げることになり、初めから終わりまでモーターの逆転が車輪の上昇に寄与する。

プレート２の回転により接続軸２ｂは下降するが接続軸２ａは上昇し、車体５は車輪外周に沿って前進しながら上昇する。車輪が浮き上がると車輪は接点Ｐ１を中心に公転Ｒ１をし、車体５も接点Ｐ１を中心に回転する。車輪が上段に乗り上がる直前においては、接続軸３ａを中心とする車輪３の公転についても、接続軸２ａの円運動についても、水平方向の移動量は大きく、垂直方向の移動は小さい。接続軸２ａの空間移動において、接続軸３ａを中心とする回転が含まれるが、接続軸３ａが車輪内部にあることから、その回転半径は小さく、車体が上段に乗り移る最終段階において大きく円運動しないので、それだけモーターに大きな回転力は必要としない。

図１（ｃ）は車輪が上段に乗り移った直前の状態図で、車輪の回転軸１ａが上段踏面角部Ｐ１を通る鉛直線Ｙ３より上段側に、移動する直前の状態を示す。車輪の回転軸１ａが鉛直線Ｙ３より下段側にある間は、振り子６は下段踏面に接地して車輪を下から支える必要があるが、車輪３が上段に乗り移った瞬間から振り子の役割はなくなり、負荷もなくなるので、プレートと振り子６を連結する引きバネ８ａによって、またプレート２と車体５を連結する引きバネ８ｂによって、図１（ｄ）に示すように平地走行状態に復帰する。このときプレート２が鉛直状態に戻りきれず振り子の下端が蹴込み面に当たって、上段の踏面上に乗り上げない場合があるが、モーターの回転方向を昇段時と逆の方向に回転させれば、プレート２が鉛直状態に戻り、振り子の全体が上段の踏面上に乗り上げる。

回転体４についても車輪の回転軸１ａが鉛直線Ｙ３より下段側にあるとき、車体重量の一部を支持して動くことはないが、車輪回転軸１ａが鉛直線Ｙ３の上段側に移ると負荷がなくなり、車輪３と回転体４を連結する引きバネ８ｃによって、図１（ｄ）に示す平地走行状態に戻る。平地走行状態では回転体４の爪４ａは車輪の外部に飛び出ているが回転体４の爪４ａ以外の部分は車輪の内部に収納され接地しない位置になる。車輪３が接続軸３ａを中心に公転する全過程において、回転体４が接続軸３ａを中心に回転可能であり、車輪の公転の中心でもある接続軸３ａが鉛直線Ｙ３より下段側にあるので、車輪３が回転体４に乗り上げたり乗り越える動作はなく、図１（ｄ）に示すように平地走行状態では接地しない位置に排出される。

図１に示したように、回転体４が車輪に取り付くと、階段昇段時だけでなく平地走行においても車輪の回転と一緒に回転し続けることになる。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、階段昇段時には車輪が接続軸３ａの上を乗り越えるとき持ち上がる現象はない。図１（ｃ）に示すように、昇段時に上下２段にまたがって固定される回転体４が平地走行では水平になることから、回転体の爪４ａを中心にして回転体４の爪４ａの反対側端部４ｂを持ち上げて、接続軸３ａが上昇し反対側端部４ｂが浮き上がる結果となる。

図２は平地走行時に車輪３が接続軸３ａの上を乗り越えることのないようにする装置の説明図である。９はモーターの回転軸を貫通する円盤で、モーターの回転軸１aに直交する一定の平面上で、モーターの回転軸に固定されず自由に回転する。１０は中心を車輪の回転軸に一致させて車輪３に取り付けられるラチェットである。円盤９の接続軸９ａに回転可能な状態でアンテナ１１が取り付き、アンテナ１１に付属するラチェット爪１１ａがラチェット１０の刃に食い込んだとき、円盤９は車輪と合体し、車輪と共に回転する。ラチェット爪１１aがラチェット１０の刃の外に排出されてラチェット１０と円盤が分離したとき、車輪が回転しても円盤は車輪の回転に伴って回転することはない。アンテナ１１にはガイドローラー１１ｂが取り付き、ガイドローラーはモーターの回転軸１ａと中心を同じくし、モーターに固定される円盤状のガイド１２の外周上を滑走する。ガイド１２は円周の一部を切り取った円弧であり、この切欠部分１２ａにガイドローラー１１ｂがはまりこむと、アンテナ１１は接続軸９ａを中心に回転し、アンテナのガイドローラー１１ｂと反対側の接触部１１ｃは車輪外に飛び出し、ラチェット爪１１ａはラチェット１０の刃から離れ、円盤９は車輪と一体となって回転しなくなる。

接続軸９ａは回転体４の接続軸でもあり、回転体４はアンテナ１１の回転とは関連なく回転可能である。図１（ａ）に示す平地走行状態では、回転体４は回転せず静止状態にあり、回転体４が取り付く円盤９も静止状態にあって、ガイドローラーがガイド１２の切欠部分上にあり、接触部１１ｃは円周外に飛び出している。接触部１１ｃが階段の蹴込みに当たって車輪内部へ押し込まれると、ラチェット爪１１ａがラチェット１０の刃に食い込まれて、円盤９は車輪と一緒に回転する。ガイドローラー１１ｂはガイド１２の直線部分から円周部分に移る。円周部分を一周して再び切欠部分に乗るまで、ラチェット爪１１ｂをラチェット１０の刃の中に押し込み続ける。このようにして昇段中は回転体４を階段に固定することができ、昇段後は回転体４を回転させて、アンテナ１１の接触部１１ｃが更に上段の蹴込みに接触できる位置で待機させることが出来る。

円盤９と車輪３との回転体同士の合体と分離に電磁クラッチを用いる場合、電磁クラッチへの電気の供給が問題になるが、回転体同士の合体と分離の空間的位置は一定しているので、外周が円弧であるガイドの上にガイドローラーが載る機構を併用して、ソレノイドによってラチェット爪１１ａがラチェット１０の刃に出し入れするようにすればよい。

図３に示すように車体５の接続軸５ａには複車枠１３が取り付けられ、図３（ａ）に示すように、平地走行状態では複車の内側車輪１３ａが接地し、外側車輪１３ｂは地面から離れた状態で、複車枠１３の接続軸５ａの回転は車体５に取り付く当たり５ｂで止められ、車体５が下がらないようにしている。図３（ｂ）は車体が階段内にある状態で、昇段時は車体が上段に持ち上げられてから車輪と振り子が引き上げられたが、降段時には車輪と振り子が車体より先に下段に落下するように車体を上段に踏みとどめ、複車１３ａ、１３ｂによって車体を上段にて支持し、車輪が下段に落下したあと車体を下段に下ろすようにする。

図３（ａ）は、平地走行において振り子の先端部上面６ｃに、別の車輌１４を載せて牽引する使用方法の説明図である。牽引される車輌が重くて手動では押し切れない場合に、電動機の付いた車輪で牽引するとき、牽引する側の車輌の重量が小さいとき、牽引する側の車輌の動輪が空回りして走行しない。あらかじめ牽引する側の車輌を前傾させ、振り子６がプレート２の当たり２ｃから離れる状態にして、図３（ａ）に示すように牽引される車輌を振り子先端６ｃですくい上げて、車輌１４を押す方向に車輪３を回転させると、プレート２は車輌１４を持ち上げながら車輪回転軸１a側に引き込むような動作をし、車輌１４の片側の車輪１５が地面から離れて浮き上がる。車輌１４の片側の車輪１５は地面から離れるだけで僅かに持ち上がれば、浮き上がった車輪１５が支持していた荷重は、牽引車側の車輪３に負荷されることになり、車輪と地面との摩擦力が大きくなって車輪３が空回りすることはない。またプレートが鉛直状態から回転を始めるとき、車両１４を高さ方向に持ち上げる量より、車輪３が車輌１４の下にもぐりこもうとする水平方向の移動のほうが大きいので、モーターには僅かな坂道を登板する力があれば牽引される車輌の車輪を持ち上げることが可能である。このように階段昇降車の機構は、人の力では押し切れない台車を押すことにも活用できる。

本発明の階段昇段時の動作説明図 本発明のクラッチ機構の説明図 本発明の実施例を示す動作説明図 従来発明の実施例を示す動作説明図

符号の説明

１ モーター
２ プレート
３ 車輪
４ 回転体
５ 車体
６ 振り子
７ 荷物
８ 引きバネ
９ 円盤
１０ラチェット
１１アンテナ
１２ガイド
１３複車枠
１４牽引される車輌
１５車輌１４の片側の車輪

Claims (1)

1. 車輪（３）に設けられ車輪（３）の回転軸（１ａ）からの距離が上記車輪（３）の半径より小さい位置に設けられる接続軸（３ａ）の周りに回転自在に軸支され、上記接続軸（３ａ）を中間にして片方の端部には上段踏面の角部に引っ掛かる爪（４ａ）が取り付き、他方の端部には下段踏面上に乗る摩擦部（４ｂ）が取り付く回転体（４）を備え、上記回転体（４）の上記爪（４ａ）が上段踏面の角部に、上記摩擦部（４ｂ）が下段踏面上に支持されて、上記車輪（３）の回転軸（１ａ）が上記接続軸（３ａ）を中心にして円運動（Ｒ１）をすることを特徴とする階段昇降車。

Images