JPH10236350A

JPH10236350A - 階段昇降装置

Info

Publication number: JPH10236350A
Application number: JP9046241A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kaneko; 愼一金子
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 1998-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】階段に特別な設備を設ける必要がなく、階段を
損傷しない、脚伸縮方式の簡略な機構で安定して階段を
昇降できる階段昇降装置を提供する。【解決手段】制御部11を有する本体１と、走行路や階段
を平行移動するための走行車輪2a〜2fと、各走行車輪2a
〜2fが一端に取り付けられ、本体１下面から独立して垂
直方向に伸縮可能な脚3a〜3fと、から構成され、階段の
段差に応じて脚3a〜3fが伸縮することで、本体１及び走
行車輪2a〜2fが垂直方向に移動し、また、走行車輪2a〜
2fが駆動されることで、脚3a〜3fを介して本体１が水平
方向に移動する。これら垂直及び水平方向の移動動作を
制御部11で制御して繰り返すことにより階段を昇降する
ようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、移動ロボ
ット等に適用される階段昇降装置に関し、特に、脚伸縮
方式の簡略な機構によって自立的に階段を昇降する階段
昇降装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の階段昇降装置として、例えば、特
開昭58-42580号公報等で公知の階段昇降装置では、階段
に沿って設けられたレールを利用して、搬器を装着した
移動体が階段を移動するものが提案されている。また、
移動ロボット等で階段を昇降可能にしたものとしては、
例えば、特公昭53-16576号公報、特公平4-15068 号公
報、特開平5-318342号公報及び特開平6-134681号公報等
に掲載された様々な種類のものがある。上記特公昭53-1
6576号公報に掲載された発明は、キャタピラを用いて階
段を昇降する消防ロボット運行制御装置であり、特公平
4-15068 号公報、特開平5-318342号公報及び特開平6-13
4681号公報に掲載された各発明は、複数の脚を備えた歩
行型のロボットに関するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の階段昇降装置や階段を昇降可能にした移動ロボ
ットでは、それぞれ次のような点で問題があった。レー
ルを利用して階段を昇降するものでは、移動体の移動が
レールを設置した部分に限られてしまう。また、移動体
自身とは別にレールという設備を階段に設ける必要であ
る。

【０００４】キャタピラを用いて階段を昇降するもので
は、ロボット本体並びにキャタピラの駆動系装置の重量
により、材質等によっては階段の角や滑り止めなどを損
傷する場合があり、このような装置を使用できる場所が
制限される。また、消防ロボット以外の汎用的な移動ロ
ボットへの適用を考えると、上体の姿勢、全体のバラン
ス面から安定性及び安全性についての対策が必要であ
る。

【０００５】歩行により階段を昇降するものでは、脚の
機構やその制御方法などが複雑であって、安定した歩行
を可能にするためにはバランスの制御も不可欠である。
また、高速に階段を昇降することが難しい。本発明は上
記の問題点に着目してなされたもので、階段に特別な設
備を設ける必要がなく、階段を損傷しない、簡略な機構
で安定して階段を昇降できる階段昇降装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため本発明のうちの
請求項１に記載の階段昇降装置は、本体下面で少なくと
も進行方向の前後に異なる部分に配置され、独立して垂
直方向へ伸縮可能に取り付けられた複数の脚部と、該各
脚部に取り付けられ、その脚部を介して前記本体を水平
方向に移動させる複数の走行手段と、前記複数の脚部の
垂直方向への伸縮と前記複数の走行手段の水平方向への
移動とを組み合わせて階段の昇降動作を制御する制御手
段と、を備えて構成される。

【０００７】かかる構成によれば、複数の脚部が互いに
独立して伸縮することで、本体及び走行手段が垂直方向
に移動し、また、複数の走行手段が駆動されることで、
複数の脚部を介して本体が水平方向に移動する。これら
垂直及び水平方向の移動動作を制御手段で制御して繰り
返すことにより階段を昇降するようになる。また、請求
項２に記載の発明は、請求項１記載の発明の具体的な構
成として、前記制御手段が、階段の上昇制御時には、前
記複数の脚部を伸ばして前記本体を上方に移動させ、階
段の上段側水平面に対して所定の高さに前記本体下面の
高さを調整し、前記複数の脚部のうちで、前記上段側に
位置しその水平面の幅に応じて選択された脚部を縮め
て、その脚部に取り付けられた走行手段を上方に移動さ
せ、その走行手段の下端の高さを前記上段側水平面の高
さに調整し、前記複数の走行手段の動作を制御して前記
本体を水平方向に移動させ、前記上方に移動させた走行
手段を前記上段側水平面上に位置させる制御を繰り返し
行い、階段の下降制御時には、前記複数の走行手段の動
作を制御して前記本体を水平方向に移動させ、前記複数
の脚部のうちで下段側水平面の幅に応じて選択された脚
部を前記下段側水平面の上方に位置させて伸ばし、その
脚部に取り付けられた走行手段を前記下段側水平面に接
地させる制御を繰り返し行うものとする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。ここでは、移動ロボットに脚伸縮方
式の階段昇降装置を適用した場合について説明する。移
動ロボットとしては、例えば、ロボット自身が走行ルー
ト情報をもち独自に走行する自律分散制御式の移動ロボ
ットなどが考えられる。

【０００９】図１は、第１の実施形態の移動ロボットの
外観を表す図で、(A) は側面図、(B) は下面図である。
図１において、本移動ロボットは、本体１と、走行路や
階段を平行移動するための走行手段である、例えば６個
の走行車輪2a,2b,・・・,2fと、各走行車輪2a〜2fが一端に
取り付けられ、本体１下面から垂直方向に伸縮可能な脚
部としての６個の脚3a,3b,・・・,3fと、から構成される。

【００１０】本体１は、脚3a〜3fの垂直方向への伸縮と
車輪2a〜2fの水平方向への移動とを組み合わせて階段の
昇降動作を制御する制御手段としての制御部11と、図示
されないが走行路の状態や移動ロボット自身の動作状態
等を検知するセンサーとを有する。また、本体１の水平
断面の形状は、ここでは例えば円形とする。走行車輪2a
〜2fは、それぞれ制御部11からの指令に従って回転し、
脚3a〜3fを介して支持される本体１を平行移動させる。

【００１１】脚3a〜3fは、本体１下面の周縁部に沿って
略等間隔に配置され、後述するように、階段を昇降する
際、制御部11からの指令に従って、それぞれが独立して
垂直方向に伸縮して本体１の位置（高さ）を調整する。
次に、第１の実施形態の動作について説明する。図２及
び図３は、移動ロボットが階段を昇る動作を示す概念図
である。ただし、図の右側に示した下面図は、各走行車
輪2a〜2fの位置を明確にするためのものである。

【００１２】まず、図２において、移動ロボットは、走
行車輪2a〜2fを用いて階段Ｓの手前まで平行移動する
と、本体１の図示されないセンサーが階段Ｓを検知し
て、その階段Ｓの手前で走行を停止する（図２(A) ）。
そして、脚3a〜3fが伸び本体１が上方に移動して、本体
１の下面の高さを上段側水平面S1（１段目）に対して所
定の高さ（階段１段の高さに走行車輪2a〜2fの高さを加
えた高さ以上）に調整する（図２(B) ）。次に、脚3aが
縮み走行車輪2aが上方に移動して、走行車輪2aの下端の
高さを水平面S1の高さに調整する（図２(C) ）。

【００１３】本体１及び走行車輪2aが上方に移動する
と、走行車輪2a〜2fが回転して、走行車輪2b,2f が１段
目の垂直面の手前に位置するまで移動ロボットが平行移
動する。このとき走行車輪2aが水平面S1上に位置する
（図２(D) ）。そして、脚3b,3fが縮み走行車輪2b,2f
が上方に移動して、各走行車輪2b,2f の下端の高さを水
平面S1の高さに調整する（図２(E) ）。

【００１４】次に、図３へ移り、走行車輪2a〜2fが回転
して、走行車輪2c,2e が１段目の垂直面の手前に位置す
るまで移動ロボットが平行移動する。このとき走行車輪
2b,2f が水平面S1上に位置する（図３(A) ）。そして、
脚3c,3e が縮み走行車輪2c,2e が上方に移動して、各走
行車輪2c,2e の下端の高さを水平面S1の高さに調整する
（図３(B) ）。更に、走行車輪2a〜2fが回転して、走行
車輪2dが１段目の垂直面の手前に位置するまで移動ロボ
ットが平行移動する。このとき走行車輪2c,2eが水平面S
1上に位置する（図３(C) ）。

【００１５】次に、脚3dが縮み走行車輪2dが上方に移動
して、走行車輪2dの下端の高さを水平面S1の高さに調整
する（図３(D) ）。そして、走行車輪2a〜2fが回転し移
動ロボットが平行移動して、全ての走行車輪2a〜2fが水
平面S1上に位置するようになる（図３(E) ）。このよう
にして１段目の階段を昇る動作が終了し、上記一連の動
作を繰り返すことによって、移動ロボットが２段目の階
段の水平面S2に昇る。ただし、階段Ｓの１段の幅（水平
面の奥行き）が移動ロボットの幅よりも広い場合には、
１段昇った後に走行車輪2a〜2fを回転させてその階段上
を次段の手前まで平行移動してから、上記一連の動作を
繰り返すようにする。

【００１６】また、移動ロボットが階段Ｓを降りる動作
については、上記階段Ｓを昇る一連の動作の順序を逆に
した動作であり、ここではその概略を説明する。階段の
手前まできた移動ロボットは、走行車輪2a〜2fを回転さ
せて水平方向に移動して脚3dを下段側水平面の上方に位
置させ（ただし、脚3dが進行方向前方に位置するものと
する）、脚3dを伸ばして走行車輪2dを下段側水平面に接
地させる。そして、走行車輪2a〜2fを回転させて水平方
向に移動して脚3c,3e を下段側水平面の上方に位置さ
せ、脚3c,3e を伸ばして走行車輪2c,2e を下段側水平面
に接地させる。上記の動作を繰り返して、走行車輪2a〜
2fが下段側水平面に接地すると、脚3a〜3fが縮んで本体
１が下方に移動して階段を１段降りることができる。

【００１７】上述のように第１の実施形態によれば、走
行車輪2a〜2fを有し垂直方向へ独立して伸縮可能な脚3a
〜3fを移動ロボットの本体１に設け、制御部11で脚3a〜
3fの伸縮動作及び走行車輪2a〜2fの回転を制御して階段
Ｓを昇降するようにしたことによって、簡易な機構と容
易な脚の制御で、複雑とされる階段の昇降を実現でき、
従来のように階段Ｓにレール等の設備を設けることな
く、移動ロボットが自立的に階段Ｓを昇降できる。ま
た、階段昇降の際、移動ロボットが階段Ｓの角等に接触
しないため、階段Ｓを損傷することがなくなる。更に、
水平方向及び垂直方向にのみ移動を行うので、バランス
をとるための制御を行うことなく安定して階段Ｓを昇降
することができる。加えて、上述した各動作のタイミン
グを重複させることによって、高速な階段Ｓの昇降を実
現することも可能である。

【００１８】次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態では、第１の実施形態の脚及び走行車輪
の数を増やすことにより、移動ロボットよりも幅（水平
面の奥行き）の狭い階段を昇降できるようにした場合を
考える。図４は、第２の実施形態の移動ロボットの外観
を表す図で、(A) は側面図、(B) は下面図である。

【００１９】図４において、本移動ロボットは、第１の
実施形態と同様の本体１と、走行路や階段を平行移動す
るための例えば１２個の走行車輪2a,2b,・・・,2pと、各走
行車輪2a〜2pが一端に取り付けられ本体１下面から垂直
方向に伸縮可能な１２個の脚3a,3b,・・・,3pと、本体１下
面に設けられた例えば８個の距離センサー4a,4b,・・・,4h
と、から構成される。

【００２０】脚3a〜3pは、本体１下面の周縁部に沿って
略等間隔に配置され、本体１の制御部11からの指令に従
って、それぞれ独立して垂直方向に伸縮して本体１の高
さを調整する。距離センサー4a〜4hは、本体１下面で脚
3a〜3pより内側に略円形に配置される。各距離センサー
4a〜4hは、階段の段差を認識してその結果を本体１の制
御部11に送る。この認識された段差に応じて脚3a〜3pが
伸縮するようになる。尚、距離センサー4a〜4hを略円形
に配置することによって、移動ロボットが任意の方向に
移動しても階段の段差を認識することができる。

【００２１】次に、第２の実施形態の動作について説明
する。図５及び図６は、移動ロボットが階段を昇る動作
を示す概念図である。ただし、図の右側に示した下面図
は、各走行車輪2a〜2pの位置を明確にするためのもので
ある。まず、図５において、移動ロボットは、走行車輪
2a〜2pを用いて階段Ｓの手前まで平行移動すると、本体
１の図示されないセンサーが階段Ｓを検知して、その階
段Ｓの手前で走行を停止する（図５(A) ）。そして、脚
3a〜3pが伸び本体１が上方に移動して、本体１の下面の
高さを上段側水平面S1（１段目）に対して所定の高さ
（階段１段の高さに走行車輪2a〜2pの高さを加えた高さ
以上）とする。このとき各距離センサー4a〜4hが走行路
面から本体１下面までの距離を計測する（図５(B) ）。
次に、進行方向前側に位置する脚3a〜3c,3o,3pが縮み走
行車輪2a〜2c,2o,2pが上方に移動して、各走行車輪2a〜
2c,2o,2pの下端の高さを水平面S1の高さに調整する（図
５(C) ）。

【００２２】走行車輪2a〜2c,2o,2pの移動が終了する
と、走行車輪2a〜2pが回転して、走行車輪2d,2n が１段
目の垂直面の手前に位置するまで移動ロボットが平行移
動する。このとき走行車輪2a〜2c,2o,2pが水平面S1上に
位置し、距離センサー4aで階段の段差が認識される（図
５(D) ）。そして、段差の認識に応じて脚3d〜3f,3l 〜
3nが縮み走行車輪2d〜2f,2l 〜2nが上方に移動して、各
走行車輪2d〜2f,2l 〜2nの下端の高さを水平面S1の高さ
に調整する（図５(E) ）。

【００２３】次に、図６へ移り、走行車輪2a〜2pが回転
して、走行車輪2aが２段目の垂直面の手前に位置するま
で移動ロボットが平行移動する（図６(A) ）。そして、
脚3a〜3pが伸び本体１が上方に移動して、本体１の下面
の高さを２段目の水平面S2に対して所定の高さに調整す
る（図６(B) ）。更に、脚3a〜3c,3o,3pが縮み走行車輪
2a〜2c,2o,2pが上方に移動して、各走行車輪2a〜2c,2o,
2pの下端の高さを水平面S2の高さに調整する（図６(C)
）。

【００２４】次に、走行車輪2a〜2fが回転して、走行車
輪2g,2k が１段目の垂直面の手前に位置するまで移動ロ
ボットが平行移動する。このとき各距離センサー4b〜4
d,4f〜4hで階段の段差が認識される（図６(D) ）。そし
て、脚3g〜3kが縮み走行車輪2g〜2kが上方に移動して、
各走行車輪2g〜2kの下端の高さを水平面S1の高さに調整
する（図６(E) ）。

【００２５】このようにして階段Ｓの１段目を上昇する
動作が終了し、上記一連の動作を繰り返すことによっ
て、移動ロボットが２段目の水平面S2、３段目の水平面
S3に順次移動する。また、移動ロボットが階段Ｓを下降
するときの動作は、上記階段上昇時の一連の動作につい
てその順序を逆にした動作であり、第１の実施形態で概
略を説明したのと同様に考えることができるため、ここ
ではその説明を省略する。

【００２６】上述のように第２の実施形態によれば、第
１の実施形態の効果に加えて、移動ロボットの本体１
に、より多くの脚3a〜3p及び走行車輪2a〜2pを設けたこ
とによって、移動ロボットの大きさに影響されることな
く任意の幅の階段を昇降できるようになる。また、より
多くの脚及び走行車輪によって本体１が支持されること
で、階段昇降時の移動ロボットのバランスをより安定し
たものにできる。

【００２７】尚、上記第１、２の実施形態では、階段昇
降装置を移動ロボットに適用した場合を説明したが、本
発明の適用はこれに限られるものではなく、例えば、各
種の自動運転システムを実現するために階段昇降機能を
必要とする様々な機器に応用することができる。また、
脚及び走行車輪の数を６個または１２個としたが、本発
明はこれに限られるものではない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の階段昇降装
置は、走行手段を有し独立して垂直方向へ伸縮可能な複
数の脚部を本体に設け、制御手段により各脚部の伸縮動
作及び走行手段の動作を制御して階段を昇降するように
したことによって、簡易な機構と容易な脚の制御で、複
雑とされる階段の昇降を実現でき、従来のように本体と
は別の設備を階段に設けることなく、自立的に階段を昇
降することが可能である。また、階段昇降の際、装置が
階段の角等に接触して階段を損傷するようなことがなく
なるため、多様な階段の昇降に適用できる。更に、水平
方向及び垂直方向にのみ移動を行うので、バランスをと
るための制御を行うことなく安定して階段を昇降するこ
とができる。加えて、より多くの脚部及び走行手段を設
けることによって、装置の大きさに影響されることなく
任意の幅の階段を昇降でき、バランスもより安定したも
のにできる。また、各部分の動作のタイミングを重複さ
せることによって、高速な階段の昇降を実現することも
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の外観を示す図であ
る。

【図２】同上第１の実施形態の階段を昇るときの動作
（前半）を示す概念図である。

【図３】同上第１の実施形態の階段を昇るときの動作
（後半）を示す概念図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の外観を示す図であ
る。

【図５】同上第２の実施形態の階段を昇るときの動作
（前半）を示す概念図である。

【図６】同上第２の実施形態の階段を昇るときの動作
（後半）を示す概念図である。

【符号の説明】

１本体 2a,2b,・・・,2p 走行車輪 3a,3b,・・・,3p 脚 4a,4b,・・・,4h 距離センサー 11 制御部Ｓ階段 S1,S2,S3 水平面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体下面で少なくとも進行方向の前後に異
なる部分に配置され、独立して垂直方向へ伸縮可能に取
り付けられた複数の脚部と、該各脚部に取り付けられ、その脚部を介して前記本体を
水平方向に移動させる複数の走行手段と、前記複数の脚部の垂直方向への伸縮と前記複数の走行手
段の水平方向への移動とを組み合わせて階段の昇降動作
を制御する制御手段と、を備えて構成されることを特徴とする階段昇降装置。
【請求項２】前記制御手段が、階段の上昇制御時には、
前記複数の脚部を伸ばして前記本体を上方に移動させ、
階段の上段側水平面に対して所定の高さに前記本体下面
の高さを調整し、前記複数の脚部のうちで、前記上段側
に位置しその水平面の幅に応じて選択された脚部を縮め
て、その脚部に取り付けられた走行手段を上方に移動さ
せ、その走行手段の下端の高さを前記上段側水平面の高
さに調整し、前記複数の走行手段の動作を制御して前記
本体を水平方向に移動させ、前記上方に移動させた走行
手段を前記上段側水平面上に位置させる制御を繰り返し
行い、階段の下降制御時には、前記複数の走行手段の動作を制
御して前記本体を水平方向に移動させ、前記複数の脚部
のうちで下段側水平面の幅に応じて選択された脚部を前
記下段側水平面の上方に位置させて伸ばし、その脚部に
取り付けられた走行手段を前記下段側水平面に接地させ
る制御を繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の
階段昇降装置。