特許 7628678 段差踏破機構を有する移動支援装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-03

(45)【発行日】2025-02-12

(54)【発明の名称】段差踏破機構を有する移動支援装置

(51)【国際特許分類】

   A61G 5/06 20060101AFI20250204BHJP

   A61G 5/04 20130101ALI20250204BHJP

   A61G 5/10 20060101ALI20250204BHJP

【ＦＩ】

A61G5/06

A61G5/04 707

A61G5/10 703

A61G5/10 712

A61G5/04 710

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022512538

(86)(22)【出願日】2021-03-30

(86)【国際出願番号】 JP2021013539

(87)【国際公開番号】W WO2021200945

(87)【国際公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-09-21

(31)【優先権主張番号】P 2020063285

(32)【優先日】2020-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健嗣

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 海

【審査官】大橋 俊之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１２６２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０２０９８４５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００７７７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２５３４６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００６０７４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｇ ５／０６

Ａ６１Ｇ ５／０４

Ａ６１Ｇ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有し、
前記回転ジョイント及び前記第１弾性部材が、前記後輪と前記駆動輪との間に配置されている移動支援装置。

【請求項2】

前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有し、
前記第１リンクは、前記回転ジョイントによって前記第２リンクに連結される第１サブリンクと、前記第１弾性部材によって前記第２リンクに連結される第２サブリンクと、前記前輪に連結される第３サブリンクを有し、
前記第２サブリンクの長さは可変である、移動支援装置。

【請求項3】

前記第２リンクは、前記第１弾性部材に連結される第４サブリンクと、前記駆動輪に連結される第５サブリンクと、前記第４サブリンクと前記第５サブリンクを接続する第６サブリンクを有し、
前記第６サブリンクは、前記回転ジョイントによって前記第１サブリンクの端部に連結されている、
請求項２に記載の移動支援装置。

【請求項4】

前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有し、
前記第２リンクは、前記第１弾性部材に連結される第４サブリンクと、前記駆動輪に連結される第５サブリンクと、前記第４サブリンクと前記第５サブリンクを接続する第６サブリンクを有し、
前記第６サブリンクは、前記回転ジョイントによって前記第１リンクに連結されている、移動支援装置。

【請求項5】

前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有し、
前記第１リンクは、進行方向にスライド可能なスライダ機構を有する、移動支援装置。

【請求項6】

前記第１リンクは、進行方向にスライド可能なスライダ機構を有する、
請求項２～４のいずれか１項に記載の移動支援装置。

【請求項7】

前記スライダ機構は、前記進行方向に伸縮する第２弾性部材を有する、
請求項５または請求項６に記載の移動支援装置。

【請求項8】

前記第２弾性部材は、段差踏破時に前記駆動輪の方向に後退する前記前輪を初期位置に戻す、
請求項７に記載の移動支援装置。

【請求項9】

前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有し、
前記第１リンクは、下向きにオープンなコの字型のリンクであり、
前記第２リンクは、上向きにオープンなコの字型のリンクであり、
前記第１リンクと前記第２リンクは互いに逆向きに連結されている、移動支援装置。

【請求項10】

前記第１リンクは、下向きにオープンなコの字型のリンクであり、
前記第２リンクは、上向きにオープンなコの字型のリンクであり、
前記第１リンクと前記第２リンクは互いに逆向きに連結されている、
請求項２～８のいずれか１項に記載の移動支援装置。

【請求項11】

前記第１弾性部材の収縮により、前記回転ジョイントに反時計回りのモーメントが発生し、前記第１弾性部材の伸長により、前記回転ジョイントは時計回りのモーメントが発生する、
請求項１～１０のいずれか１項に記載の移動支援装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、段差踏破機構を有する移動支援装置に関する。

【背景技術】

【0002】

人の歩行に代替する様々な移動支援機器が普及している。特に、下肢麻痺者の移動を支援する機器として、車椅子が広く使用されている。使用者の身体機能に応じて、手動、電動アシスト、電動などの車椅子があるが、通路の狭い室内での移動や交通機関への乗降時の障害にならないように、小型の車輪（特に、小型の前輪）が多く採用されている。このため、５ｃｍ程度の小さな段差ですら、移動の大きな障害となる場合がある。

【0003】

このような背景から、特に車椅子の段差踏破能力を向上する構成が提案されてきた。機器上での使用者の重心移動を活用して、前輪を浮かせて段差を踏破する構成（たとえば、特許文献１，２参照）が知られている。また、後輪サポートをアクチュエータで駆動して前輪を浮かせて段差を踏破する際の車椅子の後方への過剰な傾斜を防止する構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－２０２２６４号公報

【文献】特開２００１－３７８１６号公報

【文献】特開２００９－２１９６２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来から提案されている構成では、移動支援機器の平地での移動性能が低下する傾向がある。段差踏破機構自体も、大型で複雑になりがちである。さらに、使用者の姿勢が、車椅子移動で一般的な座位姿勢に限定されている。

【0006】

本発明は，平地での移動性を損なうことなく、安定した段差踏破が可能な新規の構成を提供することを目的とする。特に、日本での歩道縁石の標準的な高さである１５０ｍｍの段差を、立位姿勢でも安定して踏破できる構成を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

ロッカーボギー機構を基礎としつつ、使用者の姿勢遷移を利用した新規のリンク構造により、簡便な受動機構で、安定かつ円滑な段差踏破を実現する。

【0008】

発明の第１の態様では、移動支援装置は、
前輪と、
後輪と、
前記前輪と後輪の間に配置される駆動輪と、
前記前輪に連結される第１リンクと、
前記駆動輪と前記後輪を接続する第２リンクと、
前記第１リンクと前記第２リンクを第１の位置で連結する回転ジョイントと、
前記第１リンクと前記第２リンクを、前記第１の位置と異なる第２の位置で連結する第１弾性部材と、
を有する。

【発明の効果】

【0009】

平地での移動性を損なうことなく、安定した段差踏破が可能になる。移動支援装置における質量中心の位置を可変にすることで、段差のみならず、溝の踏破も可能である。本発明の構成は、探査ローバー、歩行用ロボット、資材搬送等への適用も可能であり、悪路や災害現場などで安定した移動と段差踏破が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態の移動支援装置の斜視図である。

【図2】実施形態の移動支援装置の別の方向から見た斜視図である。

【図3】実施形態の移動支援装置の側面図である。

【図4】実施形態の移動支援装置の上面図である。

【図5】段差踏破のためのリンク構造を説明する図である。

【図6A】段差踏破の原理を説明する図である。

【図6B】段差踏破の原理を説明する図である。

【図6C】段差踏破の原理を説明する図である。

【図6D】段差踏破の原理を説明する図である。

【図6E】段差踏破の原理を説明する図である。

【図6F】段差踏破の原理を説明する図である。

【図7】段差踏破に必要な推進力を説明する図である。

【図8A】移動支援装置の試作品の使用状態を示す正面図である。

【図8B】移動支援装置の試作品の使用状態を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態では、ロッカーボギー機構を基礎としつつ、姿勢遷移を利用した新規のリンク構造で、平地での移動性を損なうことなく、安定かつ円滑な段差踏破を実現する。

【0012】

図１、及び図２は、実施形態の移動支援装置１の斜視図である。図１は、進行方向の斜め前方から見た図、図２は、斜め後方から見た図である。移動支援装置１の進行方向をＸ方向、幅方向をＹ方向、高さ方向をＺ方向とする。

【0013】

移動支援装置１は、駆動輪１１Ｒ、１１Ｌ（以下、適宜「駆動輪１１」と総称する）、前輪１２Ｒ、１２Ｌ（以下、適宜「前輪１２」と総称する）、及び後輪１３Ｒ、１３Ｌ（以下、適宜「後輪１３」と総称する）を有する。平地を移動する際は、駆動輪１１、前輪１２、後輪１３の６輪の中で、より駆動輪に荷重がかかるものとする。段差踏破時には、図６Ａ～図６Ｆを参照して後述するように、段差踏破の段階に応じて、前輪１２、駆動輪１１、及び後輪１３に作用する荷重分布が変化する。

【0014】

駆動輪１１は、図示しない駆動源によって回転駆動され、平地での走行に主要な役割を果たす。駆動輪１１の駆動は、ユーザの操作に基づき、プロセッサ等を用いた制御部で行われるが、本発明の段差踏破の原理と直接関係しないので、説明を省略する。本発明の段差踏破は、ユーザの重心位置や姿勢の遷移を、段差踏破に適した機械的な状態変化へと受動的に変換するものであり、アクチュエータによる能動的な段差踏破と根本的に異なる。

【0015】

後輪１３は、平地走行時は、走行の安定性に寄与する。段差踏破時には、移動支援装置１の後方への傾斜を支える。前輪１２は、自在輪の役割を担う。前輪１２は、踏破すべき段差の高さや、溝幅よりも大きい半径を有するかぎり、小回りの利く小型のキャスターホイールであってもよい。

【0016】

駆動輪１１、前輪１２、及び後輪１３は、リンク構造１０で連結されている。車輪と同様に、リンク構造１０も移動支援装置１の両側に、リンク構造１０Ｒと１０Ｌが配置されているが、以下では、左右のいずれか一方の側のリンク構造１０に着目して説明する。

【0017】

リンク構造１０は、前輪１２に連結された第１リンクＬ１と、駆動輪１１と後輪１３を接続する第２リンクＬ２を有する。第１リンクをロッカーリンク、第２リンクをボギーリンクと呼んでもよい。第１リンクＬ１と第２リンクＬ２は、回転ジョイント１５によって互いに連結されるとともに、回転ジョイント１５と異なる位置で、弾性部材２３によって連結されている。

【0018】

回転ジョイント１５と弾性部材２３は、上下方向（Ｚ方向）で一定の距離をおいて離隔して配置されている。回転ジョイント１５は、一例として、軸と軸受けで構成され、第２リンクＬ２を第１リンクＬ１に対して回動させる自由関節として機能する。

【0019】

弾性部材２３は、ノード４１によって、第２リンクＬ２の後輪側の端部に連結され、ノード４２によって、第１リンクＬ１の水平部分に接続されている。図１、及び図２の例では、弾性部材２３は、圧縮バネ２３１と引っ張りバネ２３２の組み合わせで構成されているが、初期長から必要な長さだけ伸縮可能な一本のバネを用いてもよい。

【0020】

第１リンクＬ１には、弾性部材２１が設けられており、Ｘ方向に伸縮可能である。弾性部材２１を設けることで、ユーザの姿勢遷移、または移動支援装置１の質量中心の位置変化に応じて、前輪１２と駆動輪１１の間の距離が可変になる。後述するように、第１リンクＬ１もスライダ構成を持たせて、弾性部材２１と組み合わせて第１リンクＬ１のＸ方向の長さを可変にしてもよい。

【0021】

弾性部材２１と２３は、ユーザの質量中心、または移動支援装置１の重心の移動によって、それぞれ独立して伸縮する。回転ジョイント１５には、弾性部材２３の伸縮に応じた方向のモーメントが発生する。

【0022】

弾性部材２３、弾性部材２１、及び回転ジョイント１５を有するリンク構造１０によって、ユーザの姿勢に応じて前輪１２、駆動輪１１、及び後輪１３に作用する荷重を変化させ、受動的な段差踏破を実現する。

【0023】

移動支援装置１はまた、外骨格３１を有する。外骨格３１は、リンク構造１０に連結されて、ユーザを支持する。外骨格３１は、フットレストまたは底板が設けられるベースフレーム３３と、左右のリンク構造１０を接続する水平フレーム３２、及び３４（図２参照）を有する。

【0024】

図１、及び図２の例では、ベースフレーム３３は、筐体、または六面体型のフレーム構造を有するが、この例に限定されない。移動支援装置１の実際の使用時には、ユーザの上体を支えるボディフレームが設けられてもよい。

【0025】

図３は、移動支援装置１の側面図である。第１リンクＬ１は、サブリンクＬ１ａ、スライダリンクＬ１ｂ、及びサブリンクＬ１ｃを有する。サブリンクＬ１ａは、回転ジョイント１５によって、第２リンクＬ２に結合されている。サブリンクＬ１ｃは、前輪１２のハブＨｂ１に結合されている。スライダリンクＬ１ｂは、サブリンクＬ１ａと、サブリンクＬ１ｃの間に連結される。

【0026】

スライダリンクＬ１ｂは、たとえば、アウターレール１１１とインナーレール１１２を有するリニアスライダであり、弾性部材２１によってＸ方向にスライド可能に構成されている。スライダリンクＬ１ｂは、弾性部材２１のバネ力の下でスライドして、Ｘ方向の長さが変化する。スライダリンクＬ１ｂのスライディングにより、外骨格３１は前方（＋Ｘ方向）、及び後方（－Ｘ方向）に移動可能になる。

【0027】

第２リンクＬ２は、サブリンクＬ２ａ、Ｌ２ｂ、及びＬ２ｃを有する。サブリンクＬ２ｂは、回転ジョイント１５によって、第１リンクＬ１のサブリンクＬ１ａの端部と連結されている。サブリンクＬ２ｂの一端は、サブリンクＬ２ａに接続され、他端は、サブリンクＬ２ｃに接続されている。サブリンクＬ２ａは、ノード４１、弾性部材２３、及びノード４２を介して、第１リンクＬ１のスライダリンクＬ１ｂに連結されている。サブリンクＬ２ｃは、駆動輪１１のハブＨｂ２に連結されている。サブリンクＬ２ａとＬ２ｂの接続部は、後輪１３のハブＨｂ３に連結されている。

【0028】

第１リンクＬ１は下向きにオープンのコの字型に配置され、第２リンクＬ２は、上向きにオープンのコの字型に配置されている。第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を、逆さ方向に接続することで、回転ジョイント１５に連結される第２リンクＬ２のアーム、すなわちサブリンクＬ１ａを長くとることができる。これにより、段差踏破時に、回転ジョイント１５に生じるモーメントを大きくすることができる。

【0029】

第１リンクＬ１、第２リンクＬ２、弾性部材２１、２３、及び回転ジョイント１５を含むリンク構造１０によって、駆動輪１１、前輪１２、後輪１３の間の荷重移動が実現される。

【0030】

移動支援装置１は、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２を互いに逆向きに組み合わせたリンク構造１０により、回転アームを長くとりつつ、全体として、ＸＺ面内でコンパクトに構成されている。

【0031】

図４は、移動支援装置１の上面図である。Ｘ方向の長さは１００ｃｍ前後、駆動輪１１の位置での横幅は、７０ｃｍ前後であるが、移動支援装置１の適用対象、ユーザの体型などに応じて、適宜設計可能である。

【0032】

移動支援装置１が日常生活の支援に用いられる場合、外骨格３１のベースフレーム３３は、ユーザの下肢の状態にかかわらずユーザが安定して立位で乗ることができるサイズに設計されている。移動支援装置１を探査ロボットに適用する場合も、ロボット本体をベースフレーム３３上に配置することができる。ユーザが下腿麻痺の場合は、外骨格３１の図示しないボディフレームとハーネスベルトで、ユーザの膝部に加え臀部または腰部が支持されてもよい。

【0033】

高さ１５０mmの段差の踏破を前提として、前輪１２Ｒと１２Ｌの半径Ｒは、２００mmに設定されている。移動支援装置１を１５ｃｍ未満の段差環境で使用するときは、前輪の半径Ｒをさらに小さくしてもよい。前輪１２Ｒと１２Ｌを、遊星車輪に替えてもよい。

【0034】

図５は、段差踏破のためのリンク構造１０を、より詳細に説明する図である。上述のように、リンク構造１０は、前輪１２に連結された第１リンクＬ１と、駆動輪１１と後輪１３を接続する第２リンクＬ２を有する。

【0035】

第１リンクＬ１に、前輪１２のＸ方向の位置を調整するための弾性部材２１が設けられている。下向きにオープンのコの字型の第１リンクＬ１と、上向きにオープンのコの字型の第２リンクＬ２は、互いに逆向きに組み合わせられ、弾性部材２３と回転ジョイント１５によって、相互に連結されている。

【0036】

弾性部材２３は、ノード４１で第２リンクＬ２の端部に接続され、弾性部材２１の近傍のノード４２で、第１リンクＬ１に接続されている。ノード４２と回転ジョイント１５の間に、十分な長さがとられている。

【0037】

弾性部材２３は、双方向矢印で示すように、ＸＺ面内で伸縮が可能である。回転ジョイント１５は、回転矢印で示すように、弾性部材２３の伸縮に応じて、時計回り方向または反時計回り方向のモーメントを発生する。

【0038】

前輪１２が段差にぶつかると、段差から－Ｘ方向の力がかかり、弾性部材２１が収縮する。このとき、第１リンクＬ１に対し回転ジョイント１５回りに反時計回りのモーメントが生じる。

【0039】

前輪１２が段差を上り始めると、ユーザの体重移動によって弾性部材２３が収縮し、第２リンクＬ２に対し回転ジョイント１５において反時計回りのモーメントが増大する。この第２リンクＬ２に対する反時計回りのモーメントは、駆動輪１１を浮かせる方向に作用する。前輪１２と駆動輪１１が、段差の上に乗り上がると、弾性部材２３の収縮が解放され、第２リンクＬ２の回転ジョイント１５に生じるモーメントは、時計回りのモーメントに反転する。この時計回りのモーメントは、後輪１３を浮かせる方向に作用する。

【0040】

第１リンクＬ１に対する回転ジョイント１５に生じる反時計回り、及び時計回りのモーメントは、サブリンクＬ１ａの長さに比例する。実施形態のリンク構造１０により、サブリンクＬ１ａの長さを長くとることができるので、回転ジョイント１５に大きなモーメントを発生させて、段差踏破能力を強化する。

【0041】

図６Ａ～図６Ｆは、段差踏破の原理を説明する図である。段差踏破時は、図示しない動力伝達機構により駆動輪から後輪へ駆動力が伝達され、後輪も同時に駆動輪となる。そのような動力伝達機構は、たとえば、クラッチやタイミングベルトを用いた機構で実現される。段差踏破時はクラッチを作動させ、駆動輪の回転力を後輪へ伝達し、駆動輪と後輪で段差を踏破する。

【0042】

図６Ａで、移動支援装置１の前輪１２が、段差ＳＴに接触する。前輪１２が段差ＳＴに接触する直前までのユーザの姿勢は、平地での移動時の姿勢である。ユーザは、駆動輪１１の上に、地面に対してほぼ９０度の角度で立っている。移動支援装置１の荷重は、駆動輪１１、前輪１２、及び後輪１３に対し，より駆動輪に作用することで、安定した走行が可能である。

【0043】

前輪１２が段差ＳＴに接触したことで、ユーザの上体がやや前方に傾いて、前輪１２にかかる荷重が増える。図中の上向きの矢印は、各車輪に作用する荷重を、地面から受ける反力として模式的に表わしている。前輪１２に作用する荷重が増えた分、駆動輪１１と後輪１３に作用する荷重が減少する。

【0044】

図６Ｂで、前輪１２が段差ＳＴに当接した後も、駆動輪１１は回転を続ける。これにより、弾性部材２１を有するスライダ構成の第１リンクＬ１が短くなり、前輪１２が駆動輪１１の方向に向かって後退するが、弾性部材２１の圧縮力が働くことで、前輪１２は段差踏破後に初期位置に復帰することができる。

【0045】

ユーザは、進行方向と逆方向の力を受けて、質量中心が後方に遷移する。移動支援装置１の重心も後方に遷移し、支配的な荷重部分は、前輪１２から、駆動輪１１及び後輪１３に移行する。前輪１２に作用する荷重が減少したことで、前輪１２が浮き上がって、段差ＳＴの踏破を開始する。

【0046】

図６Ｃで、前輪１２が段差ＳＴに乗り上げる。弾性部材２１に蓄えられていたエネルギーは、前輪１２が段差ＳＴに乗り上げる間、徐々に放出され、前輪１２とユーザは、段差踏破の方向に移動する。

【0047】

一方、ユーザと、ユーザを支える外骨格３１（図１～３参照）が後傾し、弾性部材２３が収縮する。このときに発生する反発力は、第２リンクＬ２を反時計まわりに回転させ、駆動輪１１を浮かせる方向に作用する。

【0048】

図６Ｄで、前輪１２が段差ＳＴの上に完全に乗った状態で、駆動輪１１が段差ＳＴの踏破を開始する。このとき、弾性部材２１は初期位置に復帰している。弾性部材２３の圧縮によって第２リンクＬ２に反時計回りのモーメントが働き、駆動輪１１に作用する荷重は小さくなる。一方、前輪１２と後輪１３に作用する荷重は大きい。駆動輪１１が段差ＳＴを踏破する間、駆動輪１１の前後で、前輪１２と後輪１３が安定して移動支援装置１を支持する。

【0049】

図６Ｅで、駆動輪１１が段差ＳＴの上に移動し、後輪１３が段差踏破を開始する。駆動輪１１が段差ＳＴを上り始めた瞬間から、収縮されていた弾性部材２３は伸長する。弾性部材２３の伸長は、第２リンクＬ２を時計回り方向に回転させる。回転リンクＬ２にかかる時計回り方向のモーメントは、後輪１３を浮かせる方向に作用する。このとき、段差ＳＴ上に位置する駆動輪１１と前輪１２には、十分な荷重がかかり、後輪１３の段差踏破を安定的に支える。

【0050】

図６Ｆで、弾性部材２３が初期位置に戻って、後輪１３は完全に段差ＳＴの上に乗る。前輪１２が段差に接触してから、後輪が段差に乗りきるまで、重心移動に応じた荷重分配の遷移により、安定して段差を踏破することができる。特に、回転ジョイント１５のアームとなるサブリンクＬ１ａを長くとることで、限られたサイズのリンク構造１０で、大きな回転モーメントが発生する。

【0051】

図７は、段差踏破に必要な推進力を説明する図である。車輪Ｗの半径をｒ、段差の高さをｈとする。車輪Ｗに作用する推進力Ｆの方向は、地面に水平な方向と仮定する。垂直抗力は、簡便化のために省略する。車輪Ｗに関するモーメントのつり合いから、段差踏破に必要な推進力Ｆは、式（１）で表される。

【0052】

【数1】

ここで、ｍは車輪Ｗに作用する質量、ｇは重力加速度である。推進力Ｆは、車輪Ｗに作用する質量ｍ、段差の高さｈ、及び車輪半径ｒに依存する。移動支援装置１を都市部で使用する場合、段差の高さｈは、建築基準法や設計によって、目標値が定まる。車輪半径ｒも想定される使用環境によっておおよその範囲が決まってくる。

【0053】

任意に変更可能な変数は、車輪Ｗに作用する質量ｍである。車輪Ｗに作用する質量ｍが小さいほど、より小さな推進力で段差踏破が可能となる。

【0054】

図８Ａと図８Ｂは、移動支援装置１の試作品の使用状態を示す。図８Ａは正面図、図８Ｂは側面図である。試作品は、伸長が１．５ｍ～１．８ｍ、体重が５０Ｋｇ～８０Ｋｇの範囲のユーザを想定して作製されており、立位での平地走行と、段差踏破が可能である。移動支援装置１の幅は７０ｃｍ、長さは１０５ｃｍ、高さは外骨格の支持フレーム３６を含めて１１５ｃｍである。前輪と駆動輪の直径は３８５ｍｍ、後輪の直径は３００ｍｍである。

【0055】

第１リンクＬ１のスライダ構成で用いられる弾性部材２１のばね定数は、１．０３Ｎ／ｍｍである。第２リンクＬ２の弾性部材２３の圧縮バネ２３１のばね定数は、５．２３Ｎ／ｍｍ、引張りバネ２３２のばね定数は、１．６７Ｎ／ｍｍである。それぞれのバネのばね定数は、安定な段差踏破のための許容誤差として、上記の数値に±１０％の誤差を含んでもよい。弾性部材２３として、圧縮バネ２３１と引っ張りバネ２３２の組み合わせに替えて、初期位置から所望の範囲で伸縮可能な１本のバネが使用可能であることは、上述したとおりである。

【0056】

弾性部材２１と弾性部材２３のばね定数は、図６Ａ～図６Ｆを参照して説明した質量中心の移動、すなわち荷重分配の遷移を可能にし、段差踏破のための機械的なパワーの生成が実現されるように設定される。具体的には、ユーザの体重、使用環境等に応じて、式（１）から適切に計算される。

【0057】

図８Ａ及び図８Ｂの試作品で、６０Ｋｇのダミーを使って、段差踏破の実験を行った。ダミーを外骨格３１の支持フレーム３６に固定し、前方に崩れ落ちないように膝をベルトで固定する。駆動輪１１を駆動して、１４５ｍｍの段差踏破を試みた。踏破すべき段差の高さが１５０ｍｍのときは、前輪の直径は、４００ｍｍ程度であることが望ましいが、直径が３８５ｍｍの前輪１２で、１４５ｍｍの段差を安定して容易に踏破できることが確認された。

【0058】

実施形態の移動支援装置１は、日常生活の支援、介護、リハビリテーションの分野で有効に用いられる。外骨格３１を、軽量、かつ機械的強度を備える素材で形成することで、移動支援装置１を軽量化することができる。

【0059】

移動支援装置１は、第１リンクＬ１と第２リンクＬ２の水平方向に対する傾きに応じて、移動支援装置１とユーザ（もしくは被搭載物）を合わせた質量中心が、後方または前方に遷移することを利用しており、探査ロボットや、資材搬送機器にも適用可能である。移動支援装置１を遠隔地の探査ロボット、被災地支援ロボットなどに適用する場合は、現地まで運搬する必要があるので、小型で軽量でありながら、安定して段差踏破することのできる移動支援装置１は、非常に有用である。

【0060】

この出願は、２０２０年３月３１日に日本国特許庁に出願された特許出願第２０２０－０６３２８５号を優先権の基礎とし、その全内容を参照により含む。

【符号の説明】

【0061】

１ 移動支援装置
１０ リンク構造
１１ 駆動輪
１２ 前輪
１３ 後輪
１５ 回転ジョイント
２１ 弾性部材（第２弾性部材）
２３ 弾性部材（第１弾性部材）
３１ 外骨格
Ｌ１ 第１リンク
Ｌ１ａ サブリンク（第１サブリンク）
Ｌ１ｂ スライダリンク（第２サブリンク）
Ｌ１ｃ サブリンク（第３サブリンク）
Ｌ２ 第２リンク
Ｌ２ａ サブリンク（第４サブリンク）
Ｌ２ｂ サブリンク（第６サブリンク）
Ｌ２ｃ サブリンク（第５サブリンク）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図6E】

【図6F】

【図7】

【図8A】

【図8B】