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津波避 難用 リヤカー に装着す る圧縮空気圧 に よるアシス ト装置 の開発

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津波避 難用 リヤカー に装着す る圧縮空気圧 に よるアシス ト装置 の開発

中川 秀 夫1,北 山 一 郎1 要 旨

巨 大 地震 の発 生 に 伴 う大 津 波 か ら避 難 す る際 に 、歩 行 が 困 難 な 高 齢 者 や 障 が い 者 を搬 送 す る に は リヤ カ ー を利 用す るべ き で あ る。 なぜ な らば、 自家用車では渋滞 を招 き、緊急車両やその他 の避難者 の妨 げにな り、被 害 が 拡 大 す るか らで あ る。 リヤ カ ー は 、燃 料 が 不 要 で 、 回 転 半 径 が 小 さ く避 難 路 の よ うな狭 い場 所 で有 利 で あ るな どの メ リッ トが 多 い 。 さ らに 、 地 方 で は 体 力 の 弱 い 女 性 や 高 齢 者 が 牽 引す る場 合 が多 い の で 、登 坂 時 の負 担 を軽 減 す るた め に圧 縮 空 気 の 力 で ア シス トす る こ とを提 案 す る。 空 気 圧 駆 動 は 、電 気 モ ー タや 内燃 機 関 に よ る駆動 法 と比 較 して 、エネル ギ保存性、価格、軽量化の点で優れてい る。本研究 では 緊急 時搬 送 用 と して の機 能 を 有 した リヤ カ ー の 開 発 を 目的 と して 、 空 気 圧 駆 動 のア シス ト装 置 を試 作 し、

これ を 取 りつ け た リヤ カ ー に よ る牽 引 力 測 定 実 験 を実施 した 。 そ の 結 果 、 ア シ ス ト装 置 の駆 動 に よ り牽 引 力 が70%程 度 に減 少 され る こ とを確 認 した。

キ ー ワ ー ド:津 波 避 難 、 リ ヤ カ ー 、 圧 縮 空 気 、 トル ク ア シ ス ト

1.緒 論

2012年8.月 に 内 閣 府 が 発 表 した 「南 海 トラ フ 巨 大 地 震 の 被 害 想 定 」(1)に お い て 、 和 歌 山 県 で は マ グ ニ チ ュ ー ド9ク ラ ス の 地 震 に よ り10m以 上 の 津 波 高 が 押 し 寄 せ る と想 定 さ れ た 地 区 は8市 町 に も な り、 さ ら に 津 波 の 到 達 時 間 は 最 短 で4minで 、 全 国 の 中 で も 早 く 到 達 す る 地 域 が 多 い 。 そ こ で 県 で は 、 地 震 速 報 が 発 令 さ れ た 場 合 、 一 刻 で も 早 く 高 所 に 避 難 で き る よ う防 災 マ ニ ュ ア ル を 整 備 し、 平 常 時 か ら避 難 場 所 や 避 難 ル ー トを 確 認 させ て 、 訓 練 を す る こ と を 指 導 して い る 。

そ の 一 方 で 総 務 省 統 計 局 の2013年 度 人 口推 計 デ ー タ(2)に よ る と 、 和 歌 山 県 の65歳 以 上 の 老 年 人 口割 合 は29.4%で 、全 国 平 均 よ り も4ポ イ ン ト以 上 高 く 、 し か も 人 口 増 減 率 は 一 〇.84%と 全 国 平 均 の5倍 で 、老 年 人 口割 合 の 増 加 は 加 速 的 で あ る。 こ の こ と は 、 体 力 的 に 劣 る 高 齢 者 、 す な わ ち 短 時 間 に 高 台 へ 移 動 す る こ と が 困 難 で あ る 人 が 多 い こ と を 意 味 す る 。 こ れ に加 え て 、 寝 た き り の 高 齢 者 や 、 下 肢 に 障 が い の あ る 要 介 護 の 人 々 、 地 震 に よ る負 傷 者 を 連 れ て 避 難 す る に は 、 体 力 的 に も 時 間 的 に も 非 常 に 困 難 と予 想 で き る 。 さ ら に 、 高 齢 化 は 介 護 者 に も及 び 、 い わ ゆ る 老 々 介 護 が 深 刻 化 して い る 。 介 護 者 も 高 齢 で 、 し か も 非 力 な 女 性 が 介 護 を し て い る 場 合 が 多 い 。 地 方 で は 避 難 時 に援 助 して く れ る 体 力 の あ る 若 者 は 高 齢 者 に 比 べ て 少 な い 。 こ う し た 状 況 下 で 、 健 常 者 以 外 の 人 々 を ス ム ー ズ に避 難 さ せ る 対 策 が 必 要 で あ る 。

地 震 や 津 波 な ど の 緊 急 時 に 自力 で 歩 行 で き な い 人 々 を 連 れ て 避 難 さ せ る 手 段 と して 、 「リヤ カ ー 」 が 注 目 され て い る が 、 本 研 究 で は 牽 引 者 の 登 坂 時 の 負 担 を 軽 減 す る た め に 圧 縮 空 気 の カ で ア シ ス トす る こ と を 提 案 す る。 空 気 圧 駆 動 に よ る移 動 機 器 は 、 電 気 モ ー タ や 内 燃 機 関 に よ る も の と比 較 して 効 率 や 持 続 距 離 は 劣 る な ど の 報 告(3)が あ る が 、 エ ネ ル ギ 保 存 性 、 価 格 、 軽 量 化 の 点 で 有 利 で あ り、 「避 難 」 と い う短 時 間 で 短 距 離 の 移 動 手 段 と し て は 十 分 に 検 討 価 値 が あ る 。 緊 急 時 搬 送 用 と して の 機 能 を 有 した リヤ カ ー の 開 発 を 目 的 と し て 、 リヤ カ ー 補 助 動 力 の 空 気 圧 駆 動 機 構 を 試 作 し、 こ の リヤ カ ー を 用 い た 搬 送 運 動 評 価 を 実 施 し た 。

原 稿 受 付2016年1月14日

本 研 究 は 平成25〜29年 度 文 部 科 学 省 私 立 大 学 戦 略 的 研 究 基 盤 形 成 支 援 事 業(Sl311045)の 助 成 を受 けた 。 1,近 畿大 学 生物 理 工 学 部 人 間 工 学 科,〒649‑6493和 歌 山 県 紀 の 川 市 西 三 谷930

(2)

12 MemoirsofTheFacultyofB.0.S.T.ofKindaiUniversityNo.37(2016)

2.実 験 装 置

2.1津 波 避 難 用 リ ヤ カ ー の 使 用 条 件

津 波 避 難 時 の 搬 送 手 段 と して 、乗 用 車 を 利 用 す る の は 避 け な け れ ば な らな い 。 な ぜ な ら ば 、前 述 の 防 災 マ ニ ュ ア ル で も 記 載 さ れ て い る よ うに 、 必 ず 渋 滞 を 招 き 、 救 急 ・消 防 車 両 を は じ め と して 徒 歩 や 軽 車 両 で の 避 難 者 の 障 害 と な る か ら で あ る。 ま た 、 津 波 避 難 時 は 地 震 発 生 直 後 で あ り、 道 路 の 陥 没 や 倒 壊 し た 建 物 の 瓦 礫 の た め 車 両 の 通 行 が 困 難 と 予 想 さ れ る た め で あ る 。 そ こ で 、 地 域 の 自主 防 災 組 織 で 消 防 ポ ン プ や 消 火 ホ ー ス の 運 搬 用 具 と して 常 備 さ れ て い る こ と が 多 い リヤ カ ー を 使 用 す る 。 安 価 で コ ン パ ク トな リヤ カ ー は 、 燃 料 が 不 要 で 、 回 転 半 径 が 小 さ く避 難 路 の よ うな 狭 い 場 所 で 有 利 で あ る 。 ま た 、 道 路 交 通 法 で は 軽 車 両 で あ る か ら 、 免 許 や 登 録 が 不 要 で 、 特 別 な 訓 練 な く 誰 で も 使 用 で き る 。

使 用 す る リヤ カ ー は 、自 力 で の 歩 行 が 困 難 な 高 齢 者 や 障 が い 者 を 抱 え る 世 帯 に 常 備 す る こ と を 前 提 とす る 。 津 波 警 報 が 発 令 さ れ た 場 合 に 速 や か に 移 乗 さ せ 、 近 隣 の 高 台 や 避 難 所 ま で 搬 送 す る が 、 体 力 的 な 問 題 の あ る 女 性 や 高 齢 者 で も 牽 引 で き る よ うに 、 圧 縮 空 気 圧 に よ る ア シ ス ト装 置 を 取 付 け た 搬 送 用 具 で あ る 。

こ の 搬 送 時 の 使 用 環 境 を 、 次 の よ う に 設 定 した 。

(1)津 波 到 達 予 想 時 間 を10min、 リヤ カ ー の セ ッ トや 被 搬 送 者 の 移 乗 な ど避 難 開 始 ま で に か か る 時 間 を 2minと 設 定 す る と 、 搬 送 時 間 と し て は8minで あ る 。

(2)搬 送 速 度 は 、 和 歌 山 県 防 災 マ ニ ュ ア ル(4)で は 単 身 の 歩 行 速 度 を1.Om/sと 想 定 して い る こ と か ら牽 引 時 で は0.7m/sと す る 。し た が っ て 避 難 可 能 距 離 は 、搬 送 速 度 に 上 記 の 搬 送 時 間 を 乗 じ る と330mで あ る 。 (3)避 難 場 所 ま で の 高 低 差 は 、 予 想 津 波 高 の デ ー タ か ら20m以 上 とす る。

(4)住 居 地 か ら避 難 場 所 ま で の 平 均 勾 配(水 平 距 離 に 占 め る 垂 直 距 離 の 百 分 率 表 示)は 高 低 差 を 避 難 距 離 で 除 した6%と す る。 そ の 避 難 経 路 に あ る 坂 道 の 勾 配 は 、 国 土 交 通 省 に よ る 道 路 構 造 令(昭 和45年 政 令320号)を 参 考 と し て 、 地 方 部 で の 小 型 道 路 の 最 大 勾 配12%と す る 。

2.2実 験 用 リヤ カ ー

本 研 究 で 採 用 し た リヤ カ ー は 、 図1に 示 す 昭 和 ブ リ ッ ジ ㈱ 製SMC‑1で 、 荷 台 部 の 長 さ900㎜(ハ ン ドノレ部 を 含 め た 全 長 は1860mm)、 幅870mm、 高 さ630㎜ の 大 き さ で あ る が 、 折 り た た み 式 で あ り図2 の よ うな 折 りた た み 時 に は 幅370mmと コ ン パ ク トに な る 。 タ イ ヤ 以 外 は ア ル ミニ ウ ム 合 金 製 で 、 本 体 重 量 は21kgと 軽 量 で あ る が 、最 大 積 載 質 量 は100kgと 堅 牢 で あ る 。価 格 も廉 価 で あ り、各 戸 に 常 備 ・普 及 さ せ る に は 好 条 件 で あ る。な お 、図2の 状 態 か ら図1の 状 態 に 変 形 す る の に 要 す る 時 間 は 、1min以 内 で あ る 。

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V 図1実 験 用 リヤ カ ー の 外 観

750n・m

1020rnm

図2折 りた た み 時 の状 態 2.3空 気 圧 駆 動 の ア シ ス ト装 置

リヤ カ ー に よ る避難 時 の 補 助 装 置 と して 駆 動 源 を考 え る と、電 気 モ ー タで はバ ッテ リー の 自然 放 電 が あ り、長 期 の保 管 に適 さな い。 ま た 、 内燃 機 関 で は原 動機 本 体 に加 えて 低 速 走 行 にす るた め の大 き な減 速 機 を必 要 と し、駆 動装 置 の重 量 が極 めて 大 き くな る。 一 方 、 空 気 圧 に よ る駆 動 で は、 低 速 走 行 で 直 接 駆 動 で

(3)

13

識 回転切齢 ブ タイミングベルト

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駆 動 輪

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図3空 気 圧 補 助 装 置 の構 造 図4ア シス ト装 置 の 取 付 状 態

き 、 軽 量 で シ ン プ ル な 構 造 と な る。 そ の 結 果 、 普 及 に 必 要 な 低 コ ス トの 条 件 を 実 現 で き る 駆 動 源 で あ る こ と が わ か る。 空 気 圧 利 用 の ア ク チ ュ エ ー タ に は 、 エ ア モ ー タ と エ ア シ リ ン ダ が あ る が 、 前 者 は タ ー ビ ン 式 の 高 速 回 転 を 発 生 す る も の で あ り、 内 燃 機 関 と 同 様 に 減 速 装 置 が 必 要 とな っ て 空 気 圧 機 器 の 軽 量 化 とい う 最 大 メ リ ッ トを 失 う。 結 局 、 今 回 の 低 速 ・短 時 間 の 駆 動 で 軽 量 ・コ ン パ ク トな 装 置 を 目的 とす る た め に 、

エ ア シ リ ン ダ を 用 い た 機 構 を 設 計 した 。

図3に 示 す よ うに 、2本 の エ ア シ リ ン ダ(SMC製 、 内 径20㎜ 、 ス トロ ー ク150㎜)の ロ ッ ド先 端 に ロ ッ ドエ ン ドベ ア リ ン グ を 取 付 け て2つ の 駆 動 輪 に そ れ ぞ れ 接 続 し、 エ ア シ リ ン ダ に よ る 押 引 き で 各 駆 動 輪 に 回 転 トル ク を 与 え る。 駆 動 輪 上 の ロ ッ ド先 端 位 置 は 、2つ の 駆 動 輪 で90deg.の 角 度 位 相 差 が あ り 、2個 の 駆 動 輪 は タ イ ミ ン グ ベ ル トで 連 結 さ れ て 同 方 向 に 回 転 す る 。 こ の 駆 動 輪 が リヤ カ ー の タ イ ヤ に 押 付 け られ て お り、発 生 した トル ク を 駆 動 輪 径180mmと タ イ ヤ 径480mmの 比 率2.67倍 に 増 大 で き る 。 こ の ア シ ス ト 装 置 を2セ ッ ト用 意 し リヤ カ ー の 両 タ イ ヤ に 取 付 け る。 こ の 状 態 を 図4に 示 す 。

タ イ ミ ン グ ベ ル トの 中 継 回 転 軸 に は 、 図5に 示 す よ うな 回 転 式 の 切 替 え バ ル ブ 機 構 が 取 付 け て あ る 。 回 転 軸 の 一 部 を 切 欠 き 、 こ の 空 間 に 圧 縮 空 気 を 導 く 。 こ の 軸 が1回 転 す る こ と に よ り4方 向 に 自動 的 に 切 替 え られ 、表1の よ う な サ イ ク ル で 圧 縮 空 気 がA、Bの シ リ ン ダ の ヘ ッ ド側 ポ ー トHと ロ ッ ド側 ポ ー トRに 順 次 供 給 さ れ 、 駆 動 輪 を 回 転 させ る 。 エ ア シ リ ン ダ の 排 気 側 の 空 気 は 、 各 ポ ー トに 取 付 け た 急 速 排 気 弁 に

よ り、 配 管 や 弁 を 経 由 し な い で 直 接 大 気 圧 に 解 放 さ れ 、 配 管 な どの 抵 抗 に よ る 背 圧 を 生 じ な い の で 運 転 効 率 が 向 上 で き る(5)。な お 、 エ ア が 切 れ た 時 点 で エ ア シ リ ン ダ は 逆 に 牽 引 者 の 負 担 と な っ て しま う の で 、 こ の 補 助 装 置 全 体 が タ イ ヤ 半 径 方 向 に 手 動 で ス ラ イ ドで き る よ うに し、 トグ ル 機 構 を 用 い て 駆 動 輪 と タ イ ヤ の 接 触 を 切 離 す こ と が で き る よ う に して い る。

圧 縮 空 気

酬 合 (H

回転 軸

B‑Ha ← 藤

y.

固 定 ブ ラケ ット

表1バ ル ブ 切 替 え の タ イ ミ ン グ 回転軸 の 回転 角度

シ リンダA

シ リンダB H R H R

1/2n O

TT

O

3/2n

O 2n

0 図5切 替 バ ル ブ の 断 面 H:ヘ ッ ド側 ポ ー トR:ロ ッ ド側 ポ ー ト

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空 気 圧 回 路 を 図6に 示 す 。 圧 縮 空 気 は 、 既 設 の 固 定 エ ア ポ ン プ か ら リヤ カ ー 上 の エ ア タ ン ク に 蓄 え られ る 。 手 動 バ ル ブ を 開 く と圧 力 調 整 弁 を 介 し て 本 駆 動 装 置 に 供 給 さ れ 、 回 転 切 替 え バ ル ブ で 上 述 の エ ア シ リ ン ダA、Bに 分 配 さ れ る。 乗 用 車 な ど で 開 発 さ れ て い る 空 気 圧 エ ン ジ ン の 例 で は 、 航 続 距 離 を 長 くす る た め に300MPaも の タ ン ク圧 力 で 使 用 して い る が 、 高 圧 ガ ス 保 安 法 に よ りIMPa以 上 の 圧 縮 空 気 を 扱 う た め に は 、 「高 圧 ガ ス 製 造 保 安 責 任 者 」 の 資 格 が 必 要 と な る 。 そ こ で 、 一 般 家 庭 で も 充 填 が 可 能 に す る た め に lMPa未 満 の エ ア タ ン ク で 構 成 し 、 避 難 時 間 の 短 時 間 の み 作 動 す る こ と を 前 提 の エ ア タ ン ク と し た 。

エ ア ー 源

手動切 り替え バ ルブ

圧力計

0.2MPa

エア タンク

エ アシ リンダA

L‑〕

圧力 調整弁

急速 排気弁

回転 切り替え バルブ

エ アシ リンダB

図6駆 動 装 置 の 空 圧 回 路 図

3.測 定 方 法 お よ び 結 果 3.1実 験 用 ス ロ ー プ モ デ ル

リヤ カ ー で の 運 搬 に よ り津 波 に よ る 危 害 を 回 避 で き る 高 度 ま で 移 動 す る と き に 想 定 され る 坂 道 と し て の 実 験 ス ロ ー プ モ デ ル を 設 定 す る た め 、 大 学 構 内 に あ る 各 坂 道 の 勾 配 を 測 定 した 。 測 定 場 所 は 、 大 学 構 内 で20m以 上 の 直 線 距 離 を 持 っ ア ス フ ァル ト舗 装 路 で あ る 。 レー ザ ー レベ ル(新 潟 精 機 製LL‑450S)の 三 脚 を 路 面 に 設 置 し 、 付 属 の 水 準 器 で レ ベ ル を 水 平 に 調 節 した の ち 、 レー ザ ー ス ポ ッ トが 路 面 に 当 た っ た 位 置 ま で の 距 離 を メ ジ ャ ー で 測 定 し 、 勾 配 を 算 出 す る 。

そ の 結 果 、 勾 配 は ほ ぼ 水 平(0%)の ス ロ ー プA、 平 均 勾 配 に 近 い5.6%の ス ロ ー プB、 最 大 勾 配 に 近 い 11.1%の ス ロ ー プCの3種 類 の 異 な る 勾 配 を 持 つ 実 験 用 ス ロ ー プ モ デ ル を 選 出 し た 。

3.2エ ァ 消 費 量 の 測 定

内 容 量6.3£ の リザ ー ブ タ ン ク(日 建 製 エ ア タ ン クHT‑560)を2本 連 結 し、 エ ア ポ ンプ で 充 填 した の ち 、 手 動 切 替 バ ル ブ で ア シ ス ト装 置 に圧 縮 空 気 を供 給 す る。2本 の エ ア シ リン ダ が 交 互 に伸 縮 し、 駆 動 輪 の 回 転 回数 が5回

ご と にそ の 時 の タ ン ク圧 力 を記 録 す る。これ を初 期 圧 力0.2MPaず っ 上 昇 させ た 実 験 の 測 定 結 果 を 図7に 示 す 。 た だ し 、 エ ア ポ ン プ の 仕 様 上 、 最 高 初 期 圧 力 は0.74MPaと した 。 タ ン ク 内 の 空 気 の 体 積 は 、 エ ア シ リ ン ダ の 伸 縮 に よ る往 復 動 作 回 数 に 比 例 して 減 少 す る 。 気 体 の 体 積 が 圧 力 に 逆 比 例 す る ボ イ ル の 法 則 そ の も の で あ る。

こ の と き ア シ ス ト能 力 が 継 続 す る と思 わ れ る0.2MPaに タ ン ク 内 圧 力 が 低 下 す る ま で の タ イ ヤ 回 転 回 数 は68回 で あ っ た 。 これ を タ イ ヤ が1回 転 で1.51m前 進 す る こ と か ら 走 行 距 離 に 換 算 す る と103mに な る 。 搬 送 距 離330mが 必 要 で あ る こ と か ら、 エ ア タ ン ク に は 容 量25£ の ア ル ミ ニ ウ ム 製 タ ン ク(ア ス ト ロ プ ロ ダ ク ツ 製)を 増 設 した(合 計37.6£)。

(5)

o.s

O.7

a°.6

0.5

0.4

0.3

HO.2

0.1

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タ ン ク の 初 期 圧 力 fO.2MPa

‑○‑0 .4MPa

‑△‑0 .6MPa tO.74MPa

020406080100120140

タイヤ の 回 転 数 図7エ ア 消 費 量 の 測 定 実 験 結 果

3.3ア シ ス ト装 置 が な い 場 合 の 牽 引 力 測 定

ア シ ス ト装 置 な しの 状 態 で 牽 引 抵 抗 力 を 測 定 した 。上 述 の 異 な る3つ の 勾 配 の ス ロ ー プ に お い て 、荷 台 上 が 空 の 場 合 と 、一 般 的 な 高 齢 者 と して 体 重60kgの 人 を 積 載 した 場 合 と に つ い て の 牽 引 力 の 測 定 を お こ な っ た 。人 は リヤ カ ー 車 軸 よ り前 方 の 位 置 に 座 位 姿 勢 で 乗 っ た 。リヤ カ ー に デ ジ タ ル フ ォ ー ス ゲ ー ジ(IMADA 製ZPS‑DPU‑200N)を 取 付 け 、 避 難 走 行 速 度 約0.8m/sの 一 定 速 度 で5.Omほ ど リヤ カ ー を 牽 引 し 、 そ れ ぞ れ 同 一 の 牽 引 者 が3回 試 行 し た 。 加 速 域 を 除 い た 各 測 定 値 の 分 散 比(F値)は1.2〜2.5で あ っ た の で3回

と も 同 様 の 測 定 が お こ な わ れ た も の と して3回 の 平 均 を 取 っ た 。

そ の 測 定 結 果 を 図8に 示 す 。平 地 で の ス タ ー ト時 は 加 速 に よ る 牽 引 力 が 無 積 載 で30N、 積 載 時 に は85N と測 定 され た 。 そ の 後 の 定 速 時 に は 、 車 台 の 慣 性 に よ り負 荷 が 減 少 す る が 、 最 大 勾 配ll.1%の ス ロ ー プC で は 約100Nの 負 荷 と な っ た 。こ れ ら の 定 速 時 に お け る 平 均 値 に つ い て 有 意 水 準5%でt検 定 を お こ な っ た と こ ろ 、 荷 台 空 の 場 合 の0%と5.6%の 間 に は 有 意 な 差 が な か っ た が 、 こ れ は 牽 引 力 が 車 軸 や タ イ ヤ の 転 が り摩 擦 抵 抗 で 占 め ら れ 、 ス ロ ー プ 勾 配 の 影 響 が 少 な か っ た た め と考 え られ る 。 そ の 他 の 平 均 値 問 に は 有 意 な 差 が 認 め られ た 。

160 140 120 z100

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(a)荷 台 空

ロ ー プ 勾 配 一一一一・0%

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搬 送 距 離m搬 送 距 離m

図8リ ヤ カ ー 牽 引 力 の 測 定 実 験 結 果

5

3.4ア シ ス ト装 置 を 取 付 けた 場 合 の 牽 引 力 測 定

リヤ カ ー に ア シ ス ト装 置 を 取 付 け 、前 項 と 同 様 に 牽 引 力 測 定 を お こ な っ た 。 た だ し 、加 速 時 の オ ー バ ー シ ュ ー トを 防 ぐ た め 、 ス タ ー ト時 に は 緩 や か な 加 速 と し、 一 定 の 負 荷 に な る よ う に した 。 こ れ に 伴 い 、 搬

(6)

16 MemoirsofTheFacultyofB.0.S.T.ofKindaiUniversityNo.37(2016)

200

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50

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・・ア シス ト無 し 一 ア シス ト有 り

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搬 送 距 離m搬 送 距 離m搬 送 距 離m

(a)ス ロ ー プA(0%)(b)ス ロ ー プB(5.6%)(c)ス ロ ー プC(ll.1%)

図9ア シ ス ト装 置 の 有 無 に よ る 牽 引 力 の 減 少

送 距 離 を20mと 長 く し た 。比 較 の た め 、ア シ ス トな しの 場 合(装 置 を タ イ ヤ か ら切 離 し)も 併 せ て 測 定 し 、 (1)式 の ア シ ス ト率(全 負 荷 に 対 す る ア シ ス トカ の 割 合)を 求 め た 。ア シ ス トな しの 場 合 の 牽 引 力 をFo、

ア シ ス トし た 時 の 牽 引 力 をF、 とす る と 、 ア シ ス ト率=F°‑FQ=1‑Fa(1)

FpFp

図9の(a)は 水 平 面 で 、(b)は 避 難 路 の 平 均 勾 配5.6%、(c)は 最 大 勾 配ll.1%の ス ロ ー プ で の 測 定 結 果 で あ る 。 こ れ らの 牽 引 力 の 相 加 平 均 値 に つ い て 、ア シ ス ト率 を 計 算 す る と、 そ れ ぞ れ63%、28%、27%と な り 、 い ず れ も ア シ ス トの 効 果 が あ る こ と が わ か る。

4.牽 引 力 測 定 結 果 の 考 察

最 大 勾 配ll%の 坂 道 モ デ ル で の リ ヤ カ ー 牽 引 力 測 定 で 、 牽 引 力 は 平 均 で100N必 要 で あ る こ と が 分 か っ た 。 荷 台 を 空 に した と き の タ イ ヤ な ど の 転 が り抵 抗 力FR、 リヤ カ ー 総 質 量(本 体21kg+被 搬 送 者60kg) M、 ス ロ ー プ 角 度 θ と す る と 、 牽 引 力Fは

F=Mgsin9十FR(2)

と 求 ま り、ll%の 角 度 θ一6.3deg.、 図8の 測 定 値 か らFR‑18.2Nと し て 計 算 す る とF‑106Nで ほ ぼ 測 定 値 と 一 致 す る。 こ の 牽 引 力 を 基 に 駆 動 に 必 要 な 空 気 圧Pを 計 算 す る と 、 エ ア シ リ ン ダ 断 面 積A、 設 定 ア シ ス ト 率Kと す れ ば 、 駆 動 輪 と タ イ ヤ に か か る 接 線 力 は 等 しい か ら 、

P・A=K・F:.P=K・F/A(3)

こ こ で 、 シ リ ン ダ 径20mm、K‑0.3と す る と 、P‑0.22MPaと 計 算 で き る 。 こ れ に よ り 、 回 転 切 替 弁 の 前 段 に 挿 入 し た 圧 力 調 整 弁 の 設 定 圧 を0.2MPaと 決 定 し た 。

タ ン ク に フ ル 充 填 して こ の0.2MPaに 低 下 す る ま で の 駆 動 輪 回 転 回 数 か ら逆 算 して エ ア タ ン ク 容 量 を 決 定 し た 。 こ の 場 合 ア シ ス ト装 置 を 付 加 した 状 態 で は 、 平 均 勾 配 の ス ロ ー プ を330m走 行 で き る と見 積 も ら れ る が 、 東 日本 大 震 災 後 の ア ン ケ ー ト調 査(6)で は 、 平 均 避 難 距 離 は438mで あ っ た こ とか ら、 こ れ 以 上 の 距 離 を 目指 す 必 要 が あ る。 タ ン ク容 量 に は ス ペ ー ス 的 な 制 約 が あ る の で 、 平 地 走 行 時 な ど の 一 定 負 荷 以 下 の と き に は エ ア 消 費 を 抑 制 す る 工 夫 も 必 要 で あ る 。

ア シ ス ト装 置 を 取 付 け て の 牽 引 力 測 定 に お い て 、 ア シ ス トな し の 牽 引 力 が そ れ ぞ れ45N、70N、135N と装 置 な し の 場 合 よ り増 大 し て い る が 、 ア シ ス ト装 置 や 空 圧 機 器 、 タ ン ク な ど の 総 重 量13.3kgの 増 加 分 の

(7)

40

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シ リンダAに よる発 生 トル ク

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シ リンダBに よる発 生 トル ク

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駆 動 トル クA+B

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切 替 バ ル ブ回 転 角rad

図10エ ア シ リ ン ダ ご との 発 生 トル ク シ ミ ュ レー シ ョ ン 結 果

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影 響 と 考 え られ る。 各 勾 配 の ス ロ ー プ で い ず れ も ア シ ス ト効 果 が 見 られ た が 、 本 ア シ ス ト装 置 は 一 定 トル ク を 加 え る こ と に よ っ て 牽 引 力 を 低 減 さ せ る た め 、 当 然 勾 配 が 大 き く な る に つ れ て ア シ ス ト率 が 低 下 して く る 。 換 言 す れ ば 、 ア シ ス トを 期 待 す る 急 勾 配 で は ア シ ス ト率 が 低 く な る の で 、 傾 斜 角 に 応 じ て 圧 力 調 整 弁 の 設 定 を 自動 的 に(機 械 式 に)変 更 す る機 構 が 必 要 と 考 え られ る 。 今 回 の 測 定 デ ー タ か ら ア シ ス トす る トル ク は 、 各 勾 配 で20〜35Nmで あ る と わ か っ た が 、 こ の トル ク を 切 換 え 弁 の 切 欠 き 高 さ を 変 数 に して シ ミ ュ レ ー シ ョ ン した と こ ろ 、 図10の よ う に な っ た 。 ピ ー ク 値 は34.8Nm、 平 均 値 は25.6Nmで あ り 、 測 定 値 と よ く一 致 し て い る。 す な わ ち 、 駆 動 輪 と タ イ ヤ の ス リ ッ プ は ほ とん ど な い と言 え る 。 ま た 、 こ の シ ミ

ュ レ ー シ ョ ン で わ か る よ うに 、 回 転 切 替 弁 の 回 転 角 に よ りエ ア シ リ ン ダ へ の エ ア 供 給 ポ ー トが 切 り替 え ら れ る の で 、25%の トル ク の 変 動 が あ る 。 こ の トル ク む ら は 実 際 の 牽 引 時 に も若 干 感 じ られ た が 、 牽 引 操 作

自 体 に 支 障 は な か っ た 。

5.結 論

巨 大 地 震 に よ り大 津 波 が 短 時 間 で 到 達 す る と予 想 さ れ て い る こ と か ら 、そ の 避 難 手 段 を 準 備 して お か な け れ ば な ら な い 。 本 稿 で は 、 津 波 警 報 が 発 令 さ れ た 場 合 に 、 寝 た き りや 体 力 的 に 劣 る 高 齢 者 、 下 肢 に 障 が い の あ る要 介 護 の 人 々 、あ る い は 地 震 に よ る 負 傷 者 を 連 れ て 避 難 す る た め に 用 い られ る リヤ カ ー に つ い て 、 搬 送 者 も 高 齢 者 や 女 性 で あ る場 合 が 多 い こ と に 着 目 した 。 そ こ で 搬 送 者 の 負 担 を 軽 減 す る た め に こ の リヤ

カ ー に 取 付 け る こ と が で き る圧 縮 空 気 の 力 で 駆 動 す る ア シ ス ト装 置 を 提 案 し、 空 気 圧 駆 動 に よ る 移 動 機 器 に つ い て の 多 く の メ リ ッ トを 述 べ た 。 そ し て 、 実 際 に リヤ カ ー に 取 り付 け た 空 気 圧 駆 動 に よ る ア シ ス ト装 置 を 試 作 し 、 ア シ ス トの 有 無 に よ る 牽 引 力 測 定 実 験 を 実 施 して 次 の よ う な 有 益 な 知 見 を 得 た 。

(1)対 象 の ス ロ ー プ の 勾 配 は 、0〜12%(平 均6%)で 、 搬 送 距 離330mを 達 成 す る た め に は 、 約389の エ ア タ ン ク が 必 要 で あ る 。

(2)リ ヤ カ ー の 荷 台 に 人 を 乗 せ て 搬 送 す る 時 、各 勾 配 で20〜100Nの 牽 引 力 が 必 要 で あ り、 こ れ は リ ヤ カ ー 本 体 や 人 の 質 量 な ど か ら の 計 算 値 と一 致 す る 。

(3)一 定 トル ク を加 え る こ と に よ っ て 牽 引 力 を 低 減 させ る 本 方 式 で は 、 勾 配 が 大 き く な る に つ れ て ア シ ス ト率 が 低 下 して く る が 、 最 大 勾 配 の11%ス ロ ー プ で も73%ま で 牽 引 力 を 低 下 させ る こ と が で き た 。 (4)ア シ ス ト トル ク は 、 各 勾 配 で20〜35Nmで あ る と わ か っ た 。 こ れ は 、 シ ミ ュ レー シ ョ ン で 求 め た ピー

ク 値34.8Nm、 平 均 値25.6Nmと よ く一 致 し た 。

今 後 は 、 効 率 的 な 圧 縮 空 気 の 使 用 方 法 を 検 討 し、 ア シ ス ト率 や ア シ ス ト走 行 距 離 を 改 善 して い き た い 。

(8)

18 MemoirsofTheFacultyofB.0.S.T.ofKindaiUniversityNo.37(2016)

謝 辞

本 研 究 は 平成25〜29年 度 文 部 科 学 省 私 立大 学 戦 略 的研 究 基 盤 形 成 支 援 事 業(S1311045)の 研 究 費 に よ っ て支 援 され た。 ま た 、 牽 引 力 測 定 実 験 等 は 生 物 理 工 学 部 人 間 工 学 科 の 松 尾 将 吾 君 を は じめ とす る人 間支 援 ロボ ッ ト研 究 室 の諸 君 の 協 力 に よ り実 施 され た 。 こ こ に記 して 謝 意 を表 す る。

参 考 文 献

(1)内 閣 府HP、 南 海 ト ラ フ 巨 大 地 震 の 被 害 想 定 に つ い て http://www.bousai,go.jp/jishin/nankai/nankaitrough ̲info.html.

(2)総 務 省 統 計 局 、 人 口 推 計http://www.stat.gojp/data/jinsui/2013np/index.htm.

(3)石 川 泰 弘 、 神 田 淳 、 橋 本 嘉 洋(1982)空 気 圧 駆 動 式 動 力 ホ ー ス カ ー の 開 発 に っ い て 、 消 防 科 学 研 究 所 報 24,40‑43.

(4)和 歌 山 県 障 害 者 ・高 齢 者 ・難 病 患 者 防 災 マ ニ ュ ア ル 、

http://www.pref.wakayama.lg.jp/prefg/040400/bosai/BOUSAI ̲2.pdf.

(5)小 根 山 尚 武(2003)空 気 圧 シ ス テ ム の 省 エ ネ ル ギ 、 第1版 、pp.270‑271、 省 エ ネ ル ギ ー セ ン タ ー (6)国 土 交 通 省 、 東 日 本 大 震 災 の 津 波 被 災 現 況 調 査 結 果(第3次 報 告)

http://www.mlit.go.jp/common/000186474.pdf

(9)

英文抄録

Developmentofcompressedairpower‑assistmechanism beingattachabletoabicycle‑drawncart(Rear‑cars)

HideoNakagawai, andIchiroKitayamal

Whentakingrefugefromtsunamioccurredbyamassiveearthquake,therefugeessometimesuseasmall carcalled"bicycle‑drawncart(Rear‑cars)"tocarryelderlyand/orthehandicappedpersonswhohave difficultyinambulation.Thereasonisthatusingprivatecarswouldcausetrafficjamswhichobstruct transferofemergencyvehiclesandotherevacuees.Rear‑carshavemanybenefitssuchastoberequiredno fuel,tohavesmallturningradiusthatisprofitableinthenarrowstreetlikeescaperouteforevacuees.The compressedairpower‑assistsystemismoreexcellentinenergyconservation,costreductionandweight savingthanthesystemwithanelectricmotorand/oraninternalcombustionengine.Inthisresearch,we madeaprototypeofapower‑assistmechanismusingcompressedairwhichisattachabletoarear‑car,and makecertainofitsfunctionbytheinclinationclimbingtest.Wehaveknowledgementionedasbelow throughit.

(1)ThetargetslopeisO‑12%(averageis6%)inclineandhave330mpathlength.A38.Eair tankisneededtoclimbit.

(2)Incarryingapersonbythedevelopedrear‑car,thesystemneed20‑100Ntractionpower whichisconsistentwiththetheoreticalvaluethatiscalculatedbasedontheweightofa humanandarear‑car.

(3)Theincreasingofinclinationgenerallyreducesassistrateswhenthesystememploysthe constantpower‑assistmechanismsuchasacompressedair.Thedevelopedsystemis, however,abletodecreasethehumantractionforceto73%.

(4)Theassisttorquewasidentifiedas20‑35Nmbyeachinclinationwhichisconsistentwith themaximumvalue34.5Nmandaveragevalue25.6Nmobtainedfromsimulations.

Keywords:refugefromtsunami,rearcar,compressedair,torqueassist.

1.DepartmentofBiomechanicalandHumanfactorsEngineering,KindaiUniversity,Wakayama649‑6493,Japan

参照

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