JPS6033172A

JPS6033172A - 走行・歩行装置

Info

Publication number: JPS6033172A
Application number: JP58142481A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Funakubo; 舟久保　煕康; Hiroshi Miyaji; 宏宮地; Takesumi Doi; 健純土肥; Yukio Sekiguchi; 行雄関口; Hisashi Isomura; 磯村　恒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-05
Filing date: 1983-08-05
Publication date: 1985-02-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、′車いす等に適用できる階段昇降機能を具備
した走行・歩行装置に関する。

従来より、階段昇降機能を具備するロボットが種々提案
されているが、これらは無人工場や、原子炉内等での作
業用のロボットであり、構造的に非常に大きく、車いす
に適用するには問題がある。

例えば、クローラ（履帯）を装備したものが知られてい
るが、これを車いす用に適用した場合には、通常の車い
すに比し重量ががなり重くなり、また旋回半径も大きく
、−船道路や住宅の中でも使用できるものではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、軽量で、全体をコンパクトに構成できて
、車いすに適用できる階段昇降機能を具備した走行・歩
行装置を提供することである。

すなわち、本発明は、接地部に車輪を設けた５節以上の
リンクからなる脚を車体本体に５本以上装備すると共に
、各脚の付は根側にそれぞれ歩行動作用モータを２個配
置し、かつ該歩行動作用モ−クを車体本体に固定してな
ることを特徴としている。

また、さらに前記車体本体に、人あるいは物を載せる支
持台を揺動可能に装備し、該支持台と車体本体との間に
支持台を水平に維持する姿勢制御機構を設けてなること
を特徴としている。

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明を車いすに適用した一例を示す側面図、
第２図は一部切欠して示した部分側面図、第３図は一部
省略して示した部分断面図である。

本実施例の車いすば、６本の脚を装備して、歩行動作を
することで階段を昇降する。また、平地走行機能と姿勢
制御機能も具備している。

すなわち、車体本体１の両側面の前後、中央位置には、
脚２〜７がそれぞれ装備されている。これら脚２〜７は
５節のリンクで構成されていて、その接地部には車輪８
〜１３が設けられている。

後側の脚６，７には、それぞれ走行動作用のモータ１４
，１５が設けられていて、これら走行動作用のモータ１
４，１５により後輪１２．１３が駆動される。

平地走行時や停止時では、第１図に示すように、前側の
脚２，３と後側の脚６，７で車体本体１を支えている。

中央の脚４，５は、平地走行時や停止時では地面から離
れており、階段昇降時に接地して車体本体１を支える。

各脚２〜７は、車体本体１に固定した１２個の歩行動作
用のモータ１６により駆動されて、階段の昇降や段差の
乗り越しを行う。

また、車体本体１には座いす１７を支持した支持台１８
が揺動可能に装備されていて、姿勢制御用のモータ１９
とインターナルギヤ２０を利用した姿勢制御機構２１に
より座いす１７を重力に対し常に水平に保持する。

以上が全体の概要である。次に脚２〜７の機構について
詳細に説明する。

脚２〜７は、前述のように、５節のリンクで構成されて
いる。そして、車体本体ｌの両側面に取付けられる各脚
２〜７の付は根側には、第３図に示すように２個の歩行
動作用のモータ１６がそれぞれ配置されている。これら
モータ１６は、車体本体１の側板１ａの内面にそれぞれ
固定されている。

モータ１６の一端部には駆動軸１６ａに直結してハーモ
ニックドライブギヤ２２が設けられ、また他端部には同
様に駆動軸（図示せず）に直結してブレーキ２３とエン
コーダ２４とが設けられている。

脚２〜７の付は根にはハーモニックドライブギヤ２２の
出力軸２２ａが連結されていて、モータ１６が回転する
と、この回転が減速されて付は根となるリンク２ａ、２
ｂ〜７ａ、７ｂに伝達され、該リンク２ａ　、２ｂ〜７
ａ、７ｂが回転する。これにより、脚２〜７の先端であ
る接地部が、第５図に示すような軌跡を描く。この脚２
〜７の各関節部の回転許容角度は純粋な５節リンクの場
合よりも小さく、このため接地部の描く軌跡の範囲は狭
くなっているが、階段を昇降するには十分である。

中央の脚４，５は、第３図に示すように、それを構成す
る各リンク４ａ　、５ａ〜４ｄ、５ｄが互いにその回転
を規制しないように組合わされているため、車体本体１
の前後両方向を動作し得る。

この中央の脚４，５は階段昇降時に補助的な役割をする
。

前脚２，３と後脚６，７では、それを構成するリンク２
ａ、３ａ〜２ｄ、３ｄ、６ａ、７ａ〜６ｄ、７ｄが互い
に当たることがあるので、２個のモータ１６を結ぶ線で
仕切られた一方の領域でしか動作できない。

前述のブレーキ２３は、電磁クラッチ機構が内蔵されて
いて、モータ１６に通電したときにのみ解除して脚２〜
７のリンクの回転を許容する。通常はスプリングの弾持
力を利用して脚２〜７のリンクの回転を阻止する。従っ
て、エネルギーの消費を抑えることができると共に、安
全性を確保することができる。

また、エンコーダ２４は、出力軸２２ａの回転角から脚
２〜７の位置を検知する。前脚２，３と後脚６，７には
ポテンショメータ（図示せず）が設けられていて、起動
時における脚２，３，６゜７の絶対位置を認識するよう
になっている。中央の脚４，５は常に一定の位置に復帰
するので、ポテンショメータを設ける必要はない。

なお、ポテンショメータだけでも脚２〜７の絶対位置を
検知できるが、精度が得られないので、本実施例ではエ
ンコーダ２４とポテンショメータとを使用して、ポテン
ショメータで起動時の絶対位置を認識したら、後はエン
コーダで検知するようにしている。

前脚２，３に設けられる車輪８，９は、リンク２ｃｌ、
３ｄの軸線を中心としても回転し得るように構成されて
いる。

脚２〜７を構成するリンクは、５節以上のリンクであれ
ばよいが、本実施例のように５節のリンクにすると、階
段の昇降動作がスムーズに行える。

本発明のように脚２〜７の付は根側にそれぞれ２個のモ
ータ１６を配設し、これらモータ１６を車体本体１に固
定する方式では、第６図に示すような各関節部にモータ
１６を配置する方式に比べ、脚先端に等しい荷重をかけ
たときに、個々のモータに対する負荷が小さくなり、小
型のモータでも大荷重を支えることができる。このため
、本発明では、車体の総重量が減り、さらにモータを小
型化できるという相乗効果が得られる。

なお、図示しないがモータ１４，１５にはエンコーダが
設けられており、また車輪８，９にはブレーキが設けら
れている。

次に座いす１７の姿勢制御機構２１を詳細に説明する。

車体本体１の底板１ｂの中央部には、ビン２５を介して
支持アーム２６が揺動可能に設けられている。そして、
この支持アーム２６の上端部に、前述の支持台１８が固
定されている。

支持アーム２６の上端部側の側面には前述の姿勢制御用
のモータ１９が固定されている（第４図参照）。このモ
ータ１９の駆動軸１９ａにはウオーム２７が設けられて
いる。また、支持アーム２６の上端部と支持台１８の一
端部下面に設けたＬ宇金具２８との間には、底板１ｂと
平行に伝動軸２９が設けられている。この伝動軸２９の
支持アーム２６側の端部にはウオーム２７と噛合するウ
オームホイール３０が設けられ、また伝動軸２９のＬ宇
金具２８側の端部には側板１ａの内面上端位置に固定し
た前述のインターナルギヤ２０に噛合するピニオン３１
が設けられている。

モータ１９が回転すると、ウオーム２７とウオームホイ
ール３０との噛合を介して伝動軸２９に回転が伝わり、
ピニオン３１が回転しつつインターナルギヤ２０に沿っ
て移動する。これにより、座いす１７が車体本体１に対
し回動されて、富に水平状態に維持される。

この姿勢制御機構２１により、階段を昇降するときや段
差を乗り越えるときに、車体本体１が傾斜しても転倒す
る危険をなくすることができる。

すなわち、第７図ａ、ｂに示すように、全体の重心位置
が後方にずれたりすることがなし）ので、転倒のおそれ
がない。同図Ｃに示すように、座１．）す１７が車体本
体１に固定されていると、全体の重心位置が後方にずれ
るため、脚の接地範囲が限られ、後方へ転倒するおそれ
がある。

本実施例では、モータ１９と、このモータ１９によって
回転されてインターナルギヤ２０に沿って移動するピニ
オン３１との間に距離を設けており、またモータ１９を
車体本体１の傾斜に合せてわずかずつ回転させる構成で
あり、このためモータ１９にかかる負荷は小さく、小型
のものでも十分に使用可能である。

次に上述の脚２〜７と姿勢制御機構２１を制御する制御
装置３２について詳細に説明する。

制御装置３２は、中央制御部３３とモータ駆動ユニット
３４とセンサユニット３５とから構成されている。

中央制御部３３は、１６ビソトのマイクロコンピュータ
から構成され、センサユニット３５から得られた情報と
現在の車いすの状態から、モータ１４．１５，１６．１
９の出力を算出し、モータ駆動ユニット３４に指令を与
える。

モータ駆動ユニット３４は、８ビツトのマイクロコンピ
ュータからなる制御部３６とモータ駆動部３７とを一組
としたものを各モータ１４．ｔｓ、１６，１９ごとに設
けて構成され、中央制御部３３からの指令を受けてモー
タ１４，１５，１６．１９をデジタル制御する。このと
き与えられる情報は、速度と変位である。制御部３６に
は、エンコーダ２４とポテンショメーク（図示せず）か
ら脚２〜７の位置情報が入力される。

センサユニット３５は、８ビツトのマイクロコンピュー
タからなる制御部３８とセンサ制御部３９とセンサ４０
とから構成されている。制御部３８では、センサ４０か
らの信号の変換及び処理を行う。センサ４０には、前述
のエンコーダ２４とポテンショメータ（図示せず）とモ
ータ１４，１５に設けたエンコーダ（図示せず）の外に
、モータ電流値からモータ１４，１５，１６，１９の負
荷状態を検知するセンサと、階段、段差等の障害物を認
識する超音波センサと、座いす１７と重力方向とのなす
角度θ（第１１図参照）を検知する傾斜針とがある。こ
れらセンサ・４０の情報にもとづいて各モニタ１４，１
５，１６，１９が制御される。なお、超音波センサは、
階段等を認識する外に、階段までの距離と各ステップの
高さと奥行を測定する。

上述のように制御装置３２をユニットごとに分け、複数
のマイクロコンビニーりを使用して階層的に配置するこ
とにより処理の効率化を図ることができる。

第９図及び第１０図は、制御装置３２の動作を示すフロ
ーチャートである。

電源を投入すると、システム初期化が行なわれると共に
、ポテンショメータにより脚２，３，６．７の絶対位置
検出が行なわれる。なお、脚４゜５の始動位置は一定な
ので、位置検出は必要としない。

平地走行時では、脚４，５は地面から持ち上げである。

モータ１４，１５に設けられたエンコーダ（図示せず）
の情報に基づいて速度と位置の制御が行なわれる。

階段を昇るときには、センサ４０により階段が認識され
、階段入口まで平地走行する。そして、センサ４０によ
り各ステップの高さ及び巾（奥１テ）が測定される。こ
の測定値にもとづむ１で中央制御部３３で脚２〜７の移
動量が算出され、この算出値がモータ駆動ユニット３４
に出力される。これにより、各モータ１６が動作して、
脚２〜７カ罵歩行動作するが、この歩行動作中にセンサ
４０で詳しく階段の状態が検知され、この情報にもとづ
し）て前記移動量が補正される。階段を昇りきるまでこ
の操作が繰り返される。

また、階段を昇るときには、センサ４０により座いす１
７と重力方向とのなす角度θ（第１１図参照）が検知さ
れる。そして、この角度θ力く設定値φ（はぼ０°）と
比較され、等しくなし１ときしこは、設定値φとの差に
応じてモータ１９の出力が算出され、モータ１９が動作
する。この操作も階段を昇りきるまで繰り返される。こ
れにより、車体本体１が傾斜しても座いす１７は常に水
平に維持される。階段を昇りきって平地走行に移るとき
には、モータ１９の回転方向は昇り番まじめのときと反
対方向となる。

次に第１２図ａ　−ｆを参照して階段昇降時における脚
２〜７の動作を詳細に説明する。

本発明では、階段を昇降する場合でも平地を歩行する場
合でも、原理的には等しいアルゴリスムによって脚２〜
７の移動を行なうようにしている。

これは、地面に接している車輪が作る多角形の中に装置
の重心から重力方向に引いた垂線の足が入っていれば、
静的な状態では、安定で絶対に転倒することはないとい
うことに基づいている。

そこで、階段昇降時には、常に４本以上の足で車体本体
１を支えながら移動するようにしている。

すなわち、第１２図ａに示すように、脚２，３゜５．６
．７で車体本体１を支え、脚４を持ち上げてステップ４
からステップ３に移動させる。次いで同図すに示すよう
に、脚６をステップ５からステップ４に移動させる。こ
の後、同図Ｃ％　ｆに示すように、脚５，７，２．３の
順で次のステップに移動させる。

この動作をまとめると、次の表に示すようにななお、車
体本体１を支えている脚は、静止している訳ではなく、
１サイクル（第１２図ａ　＝　ｆ　）で車体本体１が階
段１段分移動するように制御されている。

階段を降りる時は、昇る時と反対の動作を行なえばよい
。

平地走行時において、前脚２，３と後脚６，７のモータ
１６を動作して、前車輪８，９と後車輪１２．１３との
距離を小さくすれば、旋回半径を小さくすることが可能
である。

また、走行動作用モータ１４，１５の一方を正転し、他
方を逆転するように制御すると、前車輪８．９がリンク
２ｄ、３ｄの軸線を中心として回転可能であるため、旋
回半径を小さく、かつ迅速に旋回動作が行なえる。

本実施例のように、脚６，７に走行動作用モータ１４，
１５を設けると、該モータ１４，１５にかかる負荷は小
さくてすむ。換言すれば、走行動作用モータ１４，１５
として小型のものを使用できる。このため、車体全体の
重量を軽減でき、また、歩行動作用モータ１６に負担を
かけることもない。さらに、車体本体１に装備する場合
のように複雑な回転伝達機構を必要とせず、構成が簡単
となる。

電源については図示しなかったが、バッテリが使用され
ている。バッテリは、車体本体１に搭載するか、あるい
は脚２〜７に搭載する。なお、制御装置３２は太陽電池
で駆動するようにしてもよい。

なお、上記実施例では、脚を６本装備した場合を示した
が、少なくとも５本あればよい。このようにすれば、階
段昇降時に４本の脚で車体本体ｌを支えることができる
。

本発明の走行・歩行装置は車いす以外にも、無人工場や
原子炉内での作業ロボットとして使用することができる
。

以上説明したように本発明によれば、５節以上のリンク
からなる脚を車体本体に５本以上装備して構成している
ので、クローラを使用したものに比して重量を軽減する
ことができると共に、全体をコンパクトにまとめること
ができ、かつ旋回半径を小さくして運動性能を向上させ
ることができる。

また、各脚の付は根側にそれぞれ２個の歩行動作用モー
タを配設し、かつ該モータを車体本体に固定するので、
各モータに作用する負荷が小さく、このためモータを小
型化できて、車体の総重量を軽減できるという相乗効果
が得られる。

さらに、姿勢制御機構により支持台を水平に維持するよ
うにしているので、階段昇降時において転倒するような
おそれがなく、安全である。

従って、本発明によれば、車いすに適用しても安全であ
り、一般道路や住宅の中でも使用できる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図は側面図
、第２図は一部切欠して示した部分側面図、第３図は一
部省略して示した部分断面図、第４図はウオームとウオ
ームホイールとの噛合状態を示す部分平面図、第５図は
脚の移動軌跡を示す図、第６図は比較例を示す説明図、
第７図ａ　−ｃは姿勢制御機構の効果を説明する説明図
、第８図は制御装置のブロック図、第９図及び第１０図
は制御装置の動作を示すフローチャート、第１Ｉ図は座
いすと重力方向のなす角度の説明図、第１２図ａ　ｗ　
ｆは階段の昇降動作の説明図である。１・・・・・・車体本体、２〜７・・・・・・脚、１４
．１５・・・・・・走行動作用モータ、１６・・・・・
・歩行動作用モータ、１７・・・・・・支持台、姿勢制
御機構〔１９・・・・・・姿勢制御用モータ、２６・・
・・・・支持アーム、２７・・・・・・ウオーム、２９
・・・・・・伝動軸、３０・・・・・・ウオームホイー
ル、３１・・・・・・ピニオン、２０・・・・・・イン
ターナルギヤ〕、３２・・・・・・制御装置。特許出願人　舟　久　保　煕　康代理人　瀧　野　秀　雄第１２囚

Claims

【特許請求の範囲】（１１接地部に車輪を設けた５節以上のリンクからなる
脚を車体本体に５本以上装備すると共に、各脚の付は根
側にそれぞれ歩行動作用モータを２個配置し、かつ該歩
行動作用モータを車体本体に固定してなることを特徴と
する走行・歩行装置。（２）接地部に車輪を設けた５節以上のリンクからなる
脚を車体本体に５本以上装備すると共に、各脚の付は根
側にそれぞれ歩行動作用モータを２個配置して該歩行動
作用モータを車体本体に固定し、かつ前記車体本体に人
あるいは物を載せる支持台を揺動可能に装備し、該支持
台と車体本体との間に支持台を水平に維持する姿勢制御
機構を設けてなることを特徴とする走行・歩行装置。