JP6400174B1 - 走行装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車輪の直径を超えるような段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行可能な走行装置
【解決手段】前輪と後輪とを左右一対づつ持つ走行装置において、該走行装置の前側に、前輪と同じ方向に回転可能な左右一対の回転部を持ち、回転部は、回転軸から伸びる少なくとも２つのアームであり、該アームの端部には補助輪を持ち、走行面の段差を検出する段差検知部を持ち、該段差検知部の検知内容に応じて回転部を回転させるという構成を採用した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自走式走行装置に関し、詳しくは、高低差のある走路を走行する技術に関する。

通常、車両の走行において、車両の乗り上げ可能な走行面の段差は、車輪の大きさに比べて十分小さい段差に限られていた。例えば、車輪の半径以上の段差では、通常の車両では、乗り越え不可能である。
一般的な道路では、そのような段差はありえないが、災害時等に緊急に走行する必要がある場合に、大きな段差、言い換えれば、駆動車輪の直径を超えるような段差を乗り越えられる車両が必要である。

段差を乗り越える車両として、従来から様々な形態のものが作られていた。例えば、前後の駆動輪と車のボディーの高さを変化させる構造である。段差があると、段差の上面に車のボディーが乗るように、高さを調整する。しかしながら、この構造では、段差部分で一旦走行を中止し、車を上下方向にのみ移動させる作業が必要であり、大幅に走行速度を下げてしまう。このように、段差を乗り越える際に、多くの時間を費やすものも多かった。

そこで、車輪の直径を超えるような段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行可能な走行装置が求められていた。また、段差を乗り越える際も、通常の走行時と同様の速度を出すことが出来る走行装置が求められていた。

このような問題に対して、従来からも様々な技術が提案されている。例えば、接触式の検出手段を用いることにより段差を検出する装置と、この段差検出装置を搭載して段差を乗り越える装置（特許文献１参照）が提案され、公知技術となっている。より詳しくは、段差検出装置として、駆動輪の回転軸に接する部位に取り付けられ、直角を成す２軸方向の加速度を検出するセンサを設け、走行路の段差と駆動輪が接触したときに、抗力方向角度と段差の高さを推定する。それに応じて駆動輪の高さを変えるものである。
即ち、車両において、段差を乗り越える技術が開示されている。しかしながら、この技術においては、段差検出後に、段差の高さに応じて、駆動輪の高さを変える作業が必要であり、高さを変えている間は、走行を停止しなければならない。そのため、段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行可能とすることについての問題の解決には至っていない。

また、車いすや荷台の車輪ユニットにおいて、段差のある路面の走行を容易にする技術（特許文献２参照）が提案され、公知技術となっている。より詳しくは、回転自在に指示された車輪本体の前部に下側搬送面が前方に向いた仰状なるように無端状ベルトを回動自在に張設したものである。
即ち、車両において、段差を乗り越える技術が開示されている。しかしながら、この技術においては、主の車輪に付随する回転部とベルトで段差を乗り越えることから、主の車輪と回転部との位置を極端に離すことは出来ない。そのため、車輪の直径を超えるような段差を乗り越えることは困難であり、前記問題の解決には至っていない。

特開２０１７−３３８３号公報 特開平１０−２１１８０２号公報

本発明は、車輪の直径を超えるような段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行することが困難という問題点に鑑み、通常の走行輪とは別に、回転アームを持つことによって課題を解決するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、前輪と後輪とを左右一対づつ持つ走行装置において、該走行装置の前側に、前輪と同じ方向に回転可能な左右一対の回転部を持ち、回転部は、回転軸から伸びる少なくとも２つのアームを持ち、該アームの端部には補助輪を持ち、走行面の段差を検出する段差検知部を持ち、該段差検知部の検知内容に応じて回転部を回転させることを手段とする。

さらに、本発明は、隣接する各アーム間の間隔又はアームの長さを任意に変更可能であることを手段とする。

またさらに、本発明は、段差検知部が、段差との距離、段差の高さを検知することを手段とする。

さらにまた、本発明は、段差検知部が段差を検知した際、補助輪が段差の上面に接地するようにアームを回転させ、補助輪が段差の上面に接地後、補助輪、前輪、後輪を駆動しつつ、アームを徐々に回転させ、段差を登ることを手段とする。

そしてまた、本発明は、段差検知部が段差を検知した際、補助輪が段差の上面を強打するようにアームを回転させ、強打後、連続してアームを回転させることで、走行装置を跳躍させ、段差を登ることを手段とする。

本発明に係る走行装置によれば、車輪の直径を超える段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行可能であり、走行能力を向上させるものである。

本発明に係る走行装置の実施例の全体斜視図である。 本発明に係る走行装置の３面図である。 本発明に係る走行装置の機能ブロック図、センサ動作の図である。 本発明に係る走行装置の段差乗り越え動作の図である。 本発明に係る走行装置の高速での段差乗り越え動作の図である。 本発明に係る走行装置の他の実施例の図である。 本発明に係る走行装置の他の実施例の図である。

本発明に係る走行装置は、通常の走行輪とは別に、回転アームを持つことを最大の特徴とする。以下、本発明に係る走行装置の実施形態を、図面に基づき説明する。
なお、本実施例で示される走行装置の全体形状及び各部の形状は、下記に述べる実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内、即ち、同一の作用効果を発揮できる形状や寸法等の範囲内で、適宜変更することができるものである。

本発明の実施例を、図１から図４に沿って説明する。図１は、本発明の全体斜視図を示す。図２は同三面図を示す。図３（ａ）は、本発明の機能を説明するブロック図である。図３（ｂ）は、段差の計測を説明する図である。図４は段差を登る手順を説明する図である。

走行装置１は、段差を登る機能に特化した車両で、車両の前面に大きなアームを持つことを特徴としている。走行装置１は、車体１００とシャーシ２００と回転部３００とから構成されている。

（車体の構成について）
車体１００は、シャーシ２００の上部に設置され、外観と内装、電気部品等からなる。人が乗る場合は座席等も設置される。本発明の主要な構成は、制御部１１０と計測部１２０と段差検知部１３０とからなる。
制御部１１０は、走行装置１の全体の動きを制御する部分である。走行装置１の一般的な走行のために前輪２２０、後輪２３０の駆動、停止、駆動量の調整を行う。前輪２２０、後輪２３０とも左右とも独立して駆動量を調整出来る。左右で駆動量を変えることで、進行方向を変えることも出来る。段差を登る際は、登る段階に応じて、前輪２２０、後輪２３０の駆動量を調整する。段差を認識するために、計測部１２０から段差との距離、段差の高さの情報を得る。また、回転部３００から、アーム３１０の回転角度の情報を得る。車体１００に対する、アーム３１０の角度を把握するためである。また、計測部１２０から、車体１００の傾き角度の情報を得る。段差を登る過程において、車体１００の角度が重要であるからである。
回転部３００に対して、アーム３１０の回転の駆動、停止、駆動量の調整を指示する。補助輪３４０の駆動、停止、駆動量の調整を指示する。これらを総合的に行うことに段差の乗り越えを行う。

計測部１２０は、段差との距離、段差の高さ、車体の傾き度等を計測する部分である。段差との距離は、段差を乗り越えるタイミングを計るために必要である。段差の高さは、乗り越えるための動作量等を決めるために必要である。車体の傾き度は、乗り越え動作中の車体のバランス等を知るために必要である。計測された各データは、制御部１１０に送られる。

段差検知部１３０は、計測部１２０に含まれる部分であり、段差との距離、段差の高さの計測する部分である。段差との距離は、例えば、超音波によるセンサで計測する。他にレーザ光線や複数のカメラによる計測等も可能である。段差の高さの計測は、例えば、複数の超音波センサを用いて行う。複数の超音波センサを所定の角度で配置し、対称物までの距離を計測し、計測値が極端に大きくなった場合は、その方向に障害物がないと判断し、角度から段差の高さを推定する（図３（ｂ））。他に、レーザ光線やカメラによる画像処理で段差の高さを推定することも可能である。

（シャーシの構成について）
シャーシ２００は、車台とも言われ、車の主に駆動部分であり、比較的通常の車両の構成に近いものである。主に前後輪駆動部２１０と前輪２２０、後輪２３０から構成されている。
前後輪駆動部２１０は、前輪２２０、後輪２３０を回転駆動する。駆動源は、エンジンでもいいし、電気モーターでも良い。前輪２２０、後輪２３０とも前方向、後ろ方向に左右独立して駆動することが出来る。個別に制御可能とするのは、段差を乗り越える際に前後左右で駆動量を調整する必要があるからである。また、方向転換は、左右の駆動量を変えることで行う。
前輪２２０、後輪２３０は走行装置１を通常状態で支え、通常の走行時には、走行輪として機能する。そのため、高速性能や安定性も備えたほうが望ましい。また、段差を乗り越える際は、段差に対して、クリップ力が必要であるので、接地面の摩擦抵抗値の大きい形状が好適である。また、通常の走行と異なり、車体１００が大きく傾くこともあることから、１つの車輪で走行装置１全体を支えられる強度が必要である。
前輪２２０は、後輪２３０に対して、内側に配置されている。後輪２３０と補助輪３４０の位置を合わせるため、言い換えれば、後輪２３０と補助輪３４０の幅の中心線を合わせるためである。前輪２２０を後輪２３０と同じ位置に配置してしまうと、補助輪３４０と前輪２２０がぶつかってしまうからである。

（回転部の構成について）
回転部３００は、本発明で最も重要な部分である。回転部３００を段差に応じて制御することで、通常乗り越え困難な段差を乗り越えることが出来る。回転部３００は、走行装置１の前部分、シャーシ２００の上面に配置されている。左右にそれぞれ２本のアーム３１０を持ち、アーム３１０の端部に補助輪３４０を持ち、補助輪３４０は前輪２２０、後輪２３０と同様に前後方向に回転する。段差の乗り越え動作は、大まかには、アーム３１０の端部の補助輪３４０を段差の上面ｇ２に接地させ、そこを起点として、アーム３１０を回転させ、走行装置１全体を引き上げる構成である。
アーム３１０を回転駆動するアーム駆動部３２０は、車体１００の前部分に配置されている。段差を乗り越える駆動を行う部分であるので、大出力の駆動を行う部分である。また、アーム駆動部３２０はアーム３１０の角度を制御部１１０に送信する。アーム駆動部３２０から左右方向に回転軸部３３０が伸び、その端部にアーム３１０が配置される。回転軸部３３０の回転を支持するために軸受３６０が左右に配置されている。

回転部３００は、左右に２本のアーム３１０を持つ。２本のアーム３１０は、回転軸部３３０を軸に対称の位置に配置されている。アーム３１０は、走行装置１に対して、３６０度回転可能である。アーム３１０は、段差乗り越え中は、走行装置１の重量を支えることもあるので、それに耐えうる強度が必要である。アーム３１０の長さは、段差を乗り越えるために重要である。短すぎると、アーム３１０としての機能が十分発揮出来ない。長すぎると返って、段差を乗り越える際の支障となってしまう。概ね、車体１００の前後方向の長さの半分程度が好適である。２つのアーム３１０が回転軸部３３０を軸として、対称位置に配置されていることで、段差の乗り超えを次々に行うことが出来る。

補助輪３４０は、アーム３１０の端部に補助輪駆動部３５０を介して配置されている。補助輪３４０の大きさは、概ね前輪２２０、後輪２３０と同じ大きさである。補助輪３４０は、段差を乗り越える際に、段差の上面ｇ２に接地し、走行装置１引き上げの基準となる。走行装置１全体を引き上げる際、補助輪３４０は段差に対して、滑らないように、補助輪３４０の接地面に対する摩擦抵抗値は、大きくなっている。また、段差を乗り越える動作中に、補助輪３４０のみ走行装置１を支える場合もあるので、そのための強度も持つ。補助輪駆動部３５０は、補助輪３４０を回転駆動するための部分である。駆動源は、電気モータ等である。所謂、ホイールインモータが好適である。補助輪駆動部３５０は、段差を乗り越える際、補助輪３４０を強く制動したり、微妙な回転駆動を行う。前後輪駆動部２１０と異なり、高速走行に求められる高速駆動は必要としない。段差を乗り越える際、補助輪３４０を前進方向だけでなく後進方向にも駆動する場合がある。

（ブロック図の説明）
次に、制御の流れを図３（ａ）のブロック図、図３（ｂ）の例に沿って、説明する。制御部１１０と計測部１２０とアーム駆動部３２０と補助輪駆動部３５０と前後輪駆動部２１０から構成される。段差検知部１３０の内部には計測部１２０を含む。
制御部１１０は、計測部１２０からの計測データから段差の状態を推定する。また、通常走行時には前後輪駆動部２１０に対して、走行のための駆動を指示する。段差を乗り越える際は、前後輪駆動部２１０に加えて、アーム駆動部３２０、補助輪駆動部３５０に対して、駆動タイミング、駆動方向、駆動量の指示を行う。また、アーム駆動部３２０からアーム３１０の角度情報を取得する。

段差検知部１３０は、走行装置１の正面方向に向けられたセンサであり、例えば、複数の仰角を変えた超音波センサである。反射波によって、障害物の有無、障害物までの距離がわかる。水平方向のセンサの出力をＳ１、５度の仰角をつけたセンサの出力をＳ２、１０度の仰角をつけたセンサの出力をＳ３とする。図３（ｂ）の場合では、Ｓ１、Ｓ２は、段差の側面ｇ２の反射波により、障害物あり、障害物までの距離Ｌと計測し、Ｓ３は障害物無しと計測する。

段差検知部１３０の計測結果は、計測部１２０を介して、制御部１１０に送られる。制御部１１０は、段差検知部１３０より送られた障害物までの距離、障害物ありとされる角度から障害物である段差の高さを推定する。段差の高さに応じて、アーム３１０の回転位置を変化させる。
段差を乗り越える際は、制御部１１０から、アーム駆動部３２０、補助輪駆動部３５０、前後輪駆動部２１０に対して、連携した制御指示がされる。また、計測部１２０から走行装置１の傾き値を取得する。段差を乗り越える動作は、アーム駆動部３２０、補助輪駆動部３５０、前後輪駆動部２１０の一連の連携した動作が必要であるし、その際、走行装置１の傾き値も把握する必要があるからである。

（低速乗り越え動作の説明）
低速での乗り越え動作について、図４に沿って説明する。段差検知部１３０の情報によって、段差の位置、高さを把握し、アーム３１０の端部が段差の上面ｇ２よりも高くなるように調整する。補助輪３４０を段差上面ｇ２に接近させる（図４（ａ））。
次に、アーム３１０を前方下げる方向に回転させ、補助輪３４０を段差上面ｇ２に接地させる。さらに、そのまま、アーム３１０を回転させ、走行装置１の前側を浮かせる（図４（ｂ））。アーム３１０の回転を続け、走行装置１の前側をさらに浮かせる。その際、後輪２３０をゆっくり駆動し、段差上面ｇ２と補助輪３４０との間に、ずれが生じないようにする（図４（ｃ）、図４（ｄ））。
さらに、アーム３１０を回転させる。後輪２３０は、段差側面ｇ１を登る駆動を行う。制御部１１０は、走行装置１の傾き値とアーム３１０の回転角から、後輪２３０の適正な駆動量を算出し、前後輪駆動部２１０に指示する（図４（ｅ）、図４（ｆ））。後輪２３０が段差上面ｇ２に達したと判断した時点で、アーム３１０を回転しつつ、補助輪３４０を前方向に駆動し、後輪２３０も駆動する。（図４（ｇ））。その後、アーム３１０位置を調整し、前輪２２０、後輪２３０のみで走行できるようにする。

このように、センサを含めた一連の制御によって、通常困難な段差の乗り越え動作をスムーズに行うことが出来る。さらに、乗り越え動作を行った後に、乗り越えで用いなかった方のアーム３１０、補助輪３４０が、次の段差の乗り越えに適した位置に自動的に配置されるため、連続する段差に対しても、スムーズに対応することが出来る。

（高速乗り越え動作の説明）
高速での乗り越え動作について、図５に沿って説明する。段差検知部１３０の情報によって、段差の位置、高さを把握し、アーム３１０の端部が段差の上面ｇ２よりも高くなるように調整する。補助輪３４０を段差上面ｇ２に接近させる。その際、走行装置１は、ある程度の速度を維持したまま、接近する（図５（ａ））。
制御部１１０は、アーム３１０を高速に回転させ、補助輪３４０で段差上面ｇ２を強打する（図５（ｂ））。すると、その反動で、走行装置１全体が跳ねあげられる（図５（ｃ））。その状態を維持したまま、アーム３１０を回転させることで、一気に、走行装置１を段差上面ｇ２に引き上げる（図５（ｄ）、図５（ｅ）、図５（ｆ））。

このように、センサを含めた一連の制御によって、通常困難な段差の乗り越え動作を高速に行うことが出来る。さらに、乗り越え動作を行った後に、乗り越えで用いなかった方のアーム３１０、補助輪３４０が、次の段差の乗り越えに適した位置に自動的に配置されるため、連続する段差に対しても、スムーズに対応することが出来る。そのため、階段状の段差についても、ジャンプを繰り返すことで、速度を落とすことなく、高速に走行することが出来る。

本発明より、車輪の直径を超えるような段差を乗り越える際も含めて、スムーズに高速に走行可能となる。また、段差を乗り越える際も、通常の走行時と同様の速度を出すことが可能となる。

実施例１で、スムーズに高速に走行可能な走行装置について説明したが、他の形態も可能であり、図６、図７に沿って説明する。
実施例１では、アーム３１０を回転軸部３３０に対して対称の位置に配置する例を説明したが、２つのアーム３１０が独立して回転する構造でも良い。制御は複雑になるが、２つのアーム３１０が協調して段差を乗り越えることも出来る。

乗り越え動作の一例を図６に示す。段差検知部１３０の情報によって、段差の位置、高さを把握し、アーム３１０の端部が段差の上面ｇ２よりも高くなるように調整する。補助輪３４０を段差上面ｇ２に接近させる（図６（ａ））。
次に、一方のアーム３１０を前方向に回転させ、補助輪３４０を段差上面ｇ２に接地させる。さらに、そのまま、一方のアーム３１０を回転させ、走行装置１の前側を浮かせる（図６（ｂ））。アーム３１０の回転を続け、走行装置１の前側をさらに浮かせる。その際、後輪２３０をゆっくり駆動し、段差上面ｇ２と補助輪３４０との間に、ずれが生じないようにする（図４（ｃ））。
さらに、一方のアーム３１０を回転させる。他方のアーム３１０は、段差側面ｇ１を登る駆動を行う。制御部１１０は、走行装置１の傾き値とアーム３１０の回転角から、他方のアーム３１０の適正な回転角と適正な駆動量を算出し、他方の補助輪３４０に指示する（図６（ｄ））。他方の補助輪３４０が段差上面ｇ２に達したと判断した時点で、前後の補助輪３４０を駆動し前進する（図６（ｇ））。その後、アーム３１０位置を調整し、前輪２２０、後輪２３０のみで走行できるようにする。

このように、アーム３１０を独立に回転可能とすることで、より柔軟に段差を乗り越えることが出来る。アーム３１０の長さを固定とした例で説明したが、アーム３１０の長さを伸縮自在に制御しても良い。そうすることで、より柔軟に動作できる。

また、実施例１では、アーム３１０が左右２本である例を説明したいが、３つのアーム３１０が回転する構造でも良い。制御は複雑になるが、３つのアーム３１０が協調して段差を乗り越えることも出来る。

乗り越え動作の一例を図７示す。段差検知部１３０の情報によって、段差の位置、高さを把握し、アーム３１０の端部が段差側面ｇ１に接するように調整する。（図７ａ））。
次に、補助輪３４０が段差側面ｇ１に接した状態でアーム３１０を前方向に回転させる（図７（ｂ））。アーム３１０の回転を続け、走行装置１の前側を浮かせる。その際、後輪２３０をゆっくり駆動する（図７（ｃ））。
さらに、一方のアーム３１０を回転させる。もう一つのアーム３１０の補助輪３４０を段差上面ｇ２に接地させ、そこを基準として走行装置１を引き上げる（図７（ｄ）、図７（ｅ）、図７（ｆ））。その後、アーム３１０位置を調整し、前輪２２０、後輪２３０のみで走行できるようにする。

このように、アーム３１０を３つとすることで、よりスムーズに段差を乗り越えることが出来る。

本発明に係る走行装置は、自走式走行装置の高低差のある走路を走行する技術についての産業上の利用可能性は大きいと解する。

１ 走行装置
１００ 車体
１１０ 制御部
１２０ 計測部
１３０ 段差検知部
２００ シャーシ
２１０ 前後輪駆動部
２２０ 前輪
２３０ 後輪
３００ 回転部
３１０ アーム
３２０ アーム駆動部
３３０ 回転軸部
３４０ 補助輪
３５０ 補助輪駆動部
３６０ 軸受
ｇ１ 段差の側面
ｇ２ 段差の上面

Claims (4)

1. 前輪と後輪とを左右一対づつ持つ走行装置において、
   該走行装置の前側に、該前輪と同じ方向に回転可能な左右一対の回転部を持ち、
   該回転部は、回転軸から伸びる少なくとも２つのアームを持ち、該アームの端部には補助輪を持ち、隣接する各アーム間の間隔又はアームの長さは任意に変更可能となっており、
   走行面の段差を検出する段差検知部を持ち、
   該段差検知部の検知内容に応じて該回転部を回転させることを特徴とする走行装置。
2. 前記段差検知部は、段差との距離、段差の高さを検知すること特徴とする請求項１に記載の走行装置。
3. 前輪と後輪とを左右一対づつ持つ走行装置において、
   該走行装置の前側に、該前輪と同じ方向に回転可能な左右一対の回転部を持ち、
   該回転部は、回転軸から伸びる少なくとも２つのアームを持ち、該アームの端部には補助輪を持ち、隣接する各アーム間の間隔又はアームの長さは任意に変更可能となっており、
   走行面の段差を検出する段差検知部を持ち、
   該段差検知部が段差を検知した際、該補助輪が段差の上面に接地するようにアームを回転させ、補助輪が段差の上面に接地後、該補助輪、該前輪、該後輪を駆動しつつ、該アームを徐々に回転させ、段差を登る走行方法。
4. 前輪と後輪とを左右一対づつ持つ走行装置において、
   該走行装置の前側に、前輪と同じ方向に回転可能な左右一対の回転部を持ち、
   該回転部は、回転軸から伸びる少なくとも２つのアームを持ち、該アームの端部には補助輪を持ち、隣接する各アーム間の間隔又はアームの長さは任意に変更可能となっており、
   走行面の段差を検出する段差検知部を持ち、
   該段差検知部が段差を検知した際、補助輪が段差の上面を強打するように該アームを回転させ、強打後、連続して該アームを回転させ、該走行装置を跳躍させ、段差を登る走行方法。